EP4496674A1 - Laserbearbeitungsverfahren und laserbearbeitungsmaschine - Google Patents

Laserbearbeitungsverfahren und laserbearbeitungsmaschine

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Publication number
EP4496674A1
EP4496674A1 EP23702297.5A EP23702297A EP4496674A1 EP 4496674 A1 EP4496674 A1 EP 4496674A1 EP 23702297 A EP23702297 A EP 23702297A EP 4496674 A1 EP4496674 A1 EP 4496674A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser processing
threshold value
process variable
processing machine
evaluation device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23702297.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Winfried Magg
Steffen Kessler
David Schindhelm
Alexander Schmid
Christian Keller
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Original Assignee
Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG filed Critical Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Publication of EP4496674A1 publication Critical patent/EP4496674A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00
    • B23K31/10—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00 relating to cutting or desurfacing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00
    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by any single one of main groups B23K1/00 - B23K28/00 relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
    • B23K31/125—Weld quality monitoring

Definitions

  • the invention relates to a laser processing method, a laser processing machine and a computer program product according to the preamble of the independent claims.
  • laser radiation from a laser processing machine or laser cutting machine with high power usually in the range of several kilowatts
  • laser processing machines are assigned sensor devices that can record a large number of measured variables that are evaluated in a control device.
  • An example of a sensor device is a camera, which records spatially resolved light intensities on a processed workpiece as a measurement variable.
  • Different conclusions can be drawn from the light intensities regarding the quality of the processing. These conclusions can be used for monitoring functions and control functions of the laser processing machine. For example, a broken cut can be detected during laser cutting.
  • the cut tear refers to an undesirable cut that is not made completely through the entire width of the workpiece.
  • Changing process conditions can cause a previously calibrated and functional sensor system to work incorrectly. These changed process conditions can have various causes. Firstly, malfunctions or deviations on the laser processing machine, such as a dirty protective glass, heating of the optics or a change in the purity of one gas jet. These disturbances or deviations have an impact on the laser processing process or on the detection by the sensor device.
  • deviations in the material to be processed such as the sheet thickness of a workpiece, the surface quality, the material composition or material inclusions. These deviations can influence the process and process management of laser processing.
  • deviations in the selected process management such as a changed focus position, a changed focus diameter, changes in the distance from the workpiece to a nozzle at the exit of the laser beam or a changed gas pressure.
  • a measure in the prior art is a further calibration process of the laser processing machine with sensor device, which is usually carried out in separate work steps, i.e. outside of the machine's running time. For example, it is necessary to recalibrate with regard to the transmission of the process radiation through the optical elements used and the sensor device or due to decreasing sensitivity of the sensor.
  • An object of the invention is to provide a laser processing machine and a laser processing method as well as a computer program product with which malfunctions are reduced.
  • a computer program product is provided in an evaluation device for carrying out the laser processing method.
  • a laser processing machine is provided with an evaluation device, the evaluation device being designed to determine at least one threshold value So with respect to a light intensity-dependent first process variable F in at least one working area KAB or a working point KAP, a light intensity-independent second process variable K during operation of a laser processing machine in a working area KAB or working point KAP ZU to detect a change in the first process variable F in at least one working area KAB or in the working point KAP with changed process conditions and the at least one threshold value So to a threshold value SOR corresponding to the change in the first
  • a control setpoint R of the laser processing method is assigned to the threshold value So and the control setpoint R is changed to a control setpoint ROR in accordance with the change in the first process variable F from a value Fo to a value FQR. If the first process variable F changes, the control setpoint is changed.
  • the second process variable K is the trailing length or the inclination angle of a cutting front on a workpiece to be cut.
  • the trailing length refers to the length in the feed direction of the workpiece from the cutting front on the top to the cutting front on the bottom of the workpiece.
  • the angle of inclination of the cutting front can be measured from the top to the bottom of the workpiece.
  • the method step of changing the threshold value So to the threshold value SQR in the working point KAP or in the working area KAB is carried out as the first process variable F in accordance with a light intensity recorded on the workpiece or a process variable that depends on the light intensity.
  • a malfunction of the laser processing machine can be determined or a monitoring variable or control variable that is less dependent on changes in light intensity can be stabilized.
  • a malfunction is advantageously detected with the changed threshold value SOR, which reflects the actual conditions of the laser processing machine under changed conditions better than the originally set threshold value So -
  • the term malfunction in the context of the present disclosure also refers to faulty or undesirable ones Processing processes and processing errors.
  • a broken cut is recognized as a malfunction based on the changed threshold value SOR.
  • the changed threshold value SOR serves to reliably detect a cut break and to prevent incorrect detection of a cut cut or non-detection of a cut break with an unchanged threshold value So. Either there is no malfunction in the first case, but a malfunction is incorrectly recognized. In the second case, there is a malfunction, but no malfunction is detected.
  • the threshold value SOR can be changed continuously in a control process of the laser processing method.
  • the threshold value SOR of the light intensity-dependent first process variable F is adjusted in terms of control technology.
  • control process or regulation takes place with the second process variable K as the controlled variable, the manipulated variable being a feed speed of the workpiece in the laser processing machine or the power supply to the laser processing machine.
  • the controlled variable, the second process variable K is thus set by adjusting the manipulated variables mentioned.
  • the threshold value So is changed or adjusted continuously or iteratively. This ensures that the threshold value So always corresponds to the current conditions of the laser processing machine. With this measure, a particularly high level of process stability can be achieved.
  • the first process variable F is recorded depending on location and/or direction.
  • the threshold value So can be adjusted depending on location and/or direction. This allows anisotropies or inhomogeneities of the laser processing machine in its working space to be taken into account and compensated for.
  • the changes in the first process variable F can be recorded as a time-dependent manner and the threshold value So can be adjusted as a time-dependent manner.
  • the threshold value So can therefore also be a function of the temporal progression of the information available. Temporal aspects can thus be taken into account when adjusting the threshold value So.
  • Fig. 1 a schematic representation of a device for monitoring a laser processing method, in particular a laser cutting process, as part of a laser processing machine by recording an image of an area of the workpiece to be monitored, which contains an interaction area,
  • Fig. 2 a schematic representation of a laser processing machine with a further device for monitoring a laser processing process, in particular a laser cutting process
  • Fig. 3 a qualitative diagram with threshold values S of a first process variable F on the y-axis, a second process variable K on the x-axis, characteristic curves with working areas and a working point and a miscutting area of the laser processing machine in operation.
  • Fig. 1 shows an exemplary structure of a device 14 for process monitoring and process control of a laser processing method, in particular a laser cutting process, on a workpiece 8 by means of a laser processing machine 1, of which only very schematically is the laser processing head 4 with a focusing lens 15 for focusing a laser beam 6 of the laser processing machine 1, one Cutting gas nozzle 16 and a deflection mirror 17 are shown. Further components can be included in the laser processing head 4. In the present case, the deflection mirror 17 is designed to be partially transparent and forms an inlet-side component for the device 14 for process monitoring.
  • the laser beam 6 has a high power for processing the workpiece 8, here for cutting or separating the workpiece 8.
  • the deflection mirror 17 reflects the incident laser beam 6, which, for example, has a wavelength of approximately 10 lm or 1 lm in the case of a solid-state laser used, and transmits data that is relevant for process monitoring and is reflected from the workpiece 8 and from an interaction area 18 of the laser beam 6 with the Workpiece 8 emitted radiation, process radiation 19, in a wavelength range which in the present example is between approximately 300nm and 2000nm.
  • a scraper mirror or a hole mirror can also be used to supply the process radiation 19 to a camera 21.
  • a further deflection mirror 20 is arranged, which deflects the process radiation 19 onto the geometrically high-resolution camera 21 as an image capture unit.
  • the camera 21 can be a high-speed camera that is arranged coaxially to the laser beam axis 22 or to the scanning beam axis 22a of a scanning beam and thus independent of direction. In principle, there is the possibility of recording the image by the camera 21 using the incident light process between approximately 300nm and 2000nm, provided that an additional illumination source radiating in this wavelength range is provided, as well as alternatively recording the process's own luminescence or process radiation 19 in the UV and NIR wavelength ranges. IR.
  • the camera 21 can also be provided as the only image capture unit, so that no additional scanning beam is necessary. In both cases, the camera 21 captures the process radiation 19 or the process lighting from the interaction area 18.
  • focusing optical depicted as a lens System 23 which focuses the radiation or process radiation 19 relevant to process monitoring onto the camera 21.
  • a filter 24 in the direction of the process radiation 19 in front of the camera 21 is advantageous if further radiation components or wavelength components are to be excluded from detection with the camera 21.
  • the filter 24 can z. B. be designed as a narrowband bandpass filter.
  • the camera 21 is optionally operated in the incident light method, i.e. H .
  • An additional illumination source 25 is provided above the workpiece 8, which couples illumination radiation 27 into the beam path coaxially to the laser beam axis 22 via a further partially transparent mirror 26. In principle, however, the intensity of the process radiation 19 produced during laser processing is sufficient.
  • the respective beam paths are coaxial in the vertical direction according to FIG. 1 .
  • Laser diodes or diode lasers can be provided as an additional illumination source 25, as shown in FIG. 1 shown coaxially, but also off-axis to the laser beam axis 22 can be arranged.
  • the additional illumination source 25 can, for example, also be arranged outside, in particular next to the laser processing head 4, and directed onto a surface 8a of the workpiece 8. Alternatively, the illumination source 25 can be arranged within the laser processing head 4. It goes without saying that the device 14 can also be operated without an additional lighting source 25.
  • the camera 21 records an image B of an area 28 of the workpiece 8 to be monitored, which contains the interaction area 18, during a laser melt cutting process or laser flame cutting process.
  • a relative movement occurs between the workpiece 8 and the Laser processing head 4 by moving the laser processing head 4 along the positive Y direction (see arrow) with the relative speed referred to as the feed speed V.
  • the laser processing head 4 is also moved within the two planes in the x direction and z direction.
  • a cutting front 29 is formed in advance of the interaction area 18, which is followed by a kerf 9 in the workpiece 8 in the negative Y direction.
  • the image capture unit designed as a camera 21 is in signaling connection with an evaluation device 30.
  • the evaluation device 30 is configured or programmed based on the evaluation of the recorded image B or a temporal sequence of images B of the area 28 to be monitored to detect at least one disturbance in the machining process, for example a cut break.
  • the camera 21 and the evaluation device 30 form a sensor device.
  • the evaluation device 30 evaluates the image B or a series of successively taken images B of the interaction area 18 in order to extract or extract features of the interaction area 18. to identify problems that indicate a disruption in the cutting process.
  • the evaluation device 30 is in signaling connection with a control device or regulating device 31, which controls or regulates the laser cutting process and the laser processing method.
  • Fig. 2 shows a side view of a highly schematic laser processing machine 1.
  • the laser processing machine 1 is a laser cutting system.
  • the workpiece 8, here a sheet metal, lies on the workpiece support 5 of the laser processing machine 1.
  • the laser processing machine 1 has the laser processing head 4, which is a cutting head.
  • the laser processing head 4 can be moved along a first translational axis 32, a second translational axis 33 and along an axis in the image plane relative to the workpiece support 5.
  • the laser processing head 4 can be rotatable about one or more rotational axes in a manner not shown.
  • the laser processing head 4 For processing, for example cutting, the workpiece 8, the laser processing head 4 or cutting head emits the laser beam 6. Using the laser beam 6, the workpiece 8 is cut along a trajectory. To support the processing of the workpiece 8 with the laser beam 6, the laser processing head 4 has the cutting gas nozzle 16. A cutting gas is supplied to the workpiece 8 through the cutting gas nozzle 16.
  • the laser processing head 4 can also have a protective glass 34 for a device shown in FIG. 2 have optics not shown in detail.
  • the laser processing machine 1 has the evaluation device 30 similar to FIG. 1, the control device 31 can also be connected to the evaluation device 30 for signaling purposes.
  • the evaluation device 30 and connected control device 31 carry out the cutting process by specifying and adapting various process parameters or process variables F, K.
  • Two of the process parameters can, for example, be a feed speed v and a focus position f, d. H . be the position of the focus of the laser beam 6 relative to the workpiece 8.
  • Further process parameters or process variables can include a laser power, a focus diameter, a gas pressure of the cutting gas before it exits the cutting gas nozzle 16 Mass flow or the composition of the cutting gas through the cutting gas nozzle 16 and / or a distance of the cutting gas nozzle 16 from the workpiece 8.
  • Fig. 3 shows a qualitative diagram for explaining an example of the invention. It was found that under normal machining conditions, variables that depend on the light intensity, light intensity-dependent or intensity-dependent process variables, can be easily distinguished with regard to a bad cut or a good cut.
  • the process variables depend to varying degrees on the light intensity recorded by the camera 21 and the sensor device used. For example, the gray value of a camera pixel is proportional to the light intensity, while a geometric quantity in the camera image is independent of the light intensity. Nevertheless, geometric variables can also correlate with the light intensity, for example when threshold values are used for gray values of the camera images.
  • the intensity-dependent variables alone can no longer reliably detect malfunctions or disruptions in the machining process.
  • Difficult processing conditions can occur, for example, if there are disturbances in the light intensity of the scanning beam or the process radiation 19. Therefore, a second quantity is introduced which is independent of the light intensity or less dependent on the light intensity. With the help of the second variable or process variable, malfunctions or disruptions in the machining process can be detected and thus the susceptibility of the laser machining process to failure is reduced.
  • An intensity-independent or sufficiently intensity-independent second process variable K is shown on the x-axis, for example the trailing length, which is the distance in the feed direction from the cutting front 29 at the top to the cutting front 29 at the bottom of the workpiece 8.
  • Another intensity-independent process variable K is the angle of inclination of a cutting front 29, the angle between the top and the bottom of the workpiece 8 on the cut surface.
  • These process variables K have proven to be particularly suitable for functionality.
  • a first process variable F in this example an intensity-dependent miscut variable F, is drawn on the y-axis with threshold values S o and S O R, at which the miscut variable F enters in the evaluation device 30 after the threshold values S o and S O R have been exceeded Cut break is detected. Below the threshold values S o or S O R, d. H . if F ⁇ S o or F ⁇ S O R, is a
  • the threshold values S o or S O R d. H . if F > S o or F > S O R, there is a miscut.
  • the condition F ⁇ S o applies to the non-updated threshold value in normal operation if the threshold value has not changed, the condition F > S O R applies to the updated threshold value in disturbed operation if the threshold value has changed.
  • a good cut or a bad cut is detected if the above conditions are met over a certain period of time.
  • the threshold values S o and S O R are each located on characteristic curves at the limit of a defined miscut area, which is shown in Fig. 3 is shown hatched.
  • Threshold S o changed to threshold S O R when the second process variable K is located in the working point KAP or in a working area KAB near the working point KAP.
  • Several work areas KAB can also be defined here.
  • the work area KAB or the work areas KAB can have any size, i.e. H . can be drawn along the x-axis in Fig. 3, designated by the second process variable K, range from a minimum measurable process variable K to the hatched miscut area.
  • the control device or regulating device 31 can, for example, carry out a process stop of the laser processing machine 1 when an incorrect cut is detected.
  • control device 31 recognizes when the machining process moves away from the defined operating point KAP.
  • the control device 31 can then guide the machining process back towards the defined operating point KAP by regulating process parameters or process variables.
  • the diagram also shows the two characteristic curves of the laser processing machine 1 during operation, which show the course of the first process variable F or miscutting variable F in relation to the second process variable K, the dashed characteristic curve indicating laser processing without disruptions or malfunctions and the solid characteristic curve indicating laser processing with faults or malfunctions, as described below.
  • the working point KAP and an area along the process variable K around the working point KAP are also entered, the working area KAB -
  • the measuring range of the laser processing machine 1 and the laser processing method is preferably at the working point KAP or around the
  • the undisturbed error cutting size Fo on the dashed characteristic curve indicates undisturbed operation of the laser processing machine 1 in which the evaluation device 30 does not detect any malfunction.
  • a threshold value So which indicates a malfunction of the laser processing machine 1
  • a threshold of the undisturbed incorrect cut size, in FIG. 3 is referred to as the undisturbed F-threshold So.
  • the threshold value So is determined before operation of the laser processing machine 1, or alternatively also during operation. If the incorrect cut size F exceeds the threshold value So during laser processing, a malfunction is detected and a cut break is detected. Optionally, the cut break is detected if the threshold value So is exceeded for a certain time. Detecting the malfunction is reliable without making any process changes to the laser processing machine 1.
  • the first process variable F or miscutting variable F changes, which is recognized by the evaluation device 30.
  • Process changes or disruptions lead to a shift in the characteristic curve in Fig. 3.
  • the light intensity of the first process variable F, the miscut variable F changes when the laser beam 6 is disturbed by contamination, so that the camera 21 due to Scattered radiation more process lights or process radiation 19 detected.
  • This changed first process variable is shown in Fig. 3 is referred to as the disturbed F-size FQR, i.e. H . disturbed miscut size.
  • Fig. 3 shows a note FQR > SO.
  • the process changes cause the first process variable F to shift in relation to the second process variable K.
  • the characteristic curve as a functional relationship between the first process variable F and the second process variable K shifts.
  • the disturbed miscut size F is shown as a solid characteristic curve. Without further measures, if the disturbed miscut size FQR is in the working area KAB and in particular at the working point KAP above the threshold value So, i.e. H . FQR > SO in Fig. 3, a broken section was incorrectly recognized.
  • a change in the first process variable FQR is determined in the working area KAB and specifically in the working point KAP, which has a deviation from undisturbed recorded values of the first process variable Fo. If the machining process takes place in the working area KAB and especially in the working point KAP, a threshold value SOR is determined, above which a cut break is recognized as a malfunction, FQR > SOR. This newly set threshold value SOR, in Fig. 3, referred to as disturbed F-threshold SOR, is at a larger value, for example a higher detected light intensity of the process radiation 19.
  • the threshold value So After moving or resetting the threshold value So to a threshold value SOR, a malfunction is only detected at a higher first process variable F or miscutting variable F, which corresponds to the actual conditions of the laser processing machine 1 during operation.
  • the adjustment or changing of the threshold value So is carried out continuously during operation of the laser processing machine 1. Accordingly, the changed threshold value SOR is then used to detect a cut break instead of the original threshold value So, which is changed accordingly to a further threshold value of the process variable Fo, whereby the threshold value SOR can be changed continuously.
  • the threshold value SOR of the first light intensity-dependent process variable F can be changed continuously in a control process.
  • the functionality of the described laser processing machine 1 and the laser processing method is further illustrated by a hatched miscut area in FIG. 3 shown.
  • the miscut area represents the area in the diagram of the second process variable K in which the evaluation device 30 detects a cut break.
  • the hatched miscut area is defined as a rectangular area, but can have any shape in the diagram assume . In the hatched characteristic curve during undisturbed operation, the detected cut break is located at the
  • the determination of the first process variable F can also take place within the known working area KAB if the working point KAP is not reached in uncontrolled operation and the shape of the first process variable as a miscutting variable F according to the characteristic curves in Fig. 3 is known in the relevant area.
  • the second process variable K is controlled to the operating point KAP in order to minimize the working area KAB.
  • a control setpoint R of the laser processing method is assigned to the threshold value So and the control setpoint R is changed to a control setpoint ROR in accordance with the change in the first process variable F from a value Fo to a value FQR - the evaluation device 30 detects this Working point KAP or working area KAB a change in the first process variable F, such as an increased light intensity due to a fault in the optical system 23, then this increased light intensity would be incorrectly assigned to a changed trailing length.
  • the laser processing machine 1 would undesirably change the speed of advance of the workpiece 8 given the increased overtravel length.
  • the correct overtravel length is determined using the light intensity-independent process variable K at the operating point KAP or KAB working area determined.
  • control setpoint R is changed to the control setpoint ROR in such a way that the speed of advance of the workpiece 8 remains regardless of the change in the first process variable F.
  • This feature prevents the control process from being disrupted by incorrect light intensity-dependent measurements of the first process variable F.
  • the second process variable K so to speak, corrects incorrect measurements of the first process variable F with respect to the control of the laser processing machine 1 by adjusting the control setpoint ROR.
  • the control setpoint ROR can also be the first process variable F despite
  • the principle of changing the control setpoint R corresponds to the principle of changing the threshold value at which a cut break is detected.
  • the described method for laser processing can also be used in other technical fields and is not limited to the technical field of laser processing machines 1.
  • the method described can be used in all technical areas in which process variables change and threshold values are adjusted, changed or regulated automatically and without recalibration.
  • List of reference symbols Laser processing machine
  • Laser processing head Workpiece support Laser beam Workpiece a Surface kerf 0 cutting gas 4 device 5 focusing lens 6 cutting gas nozzle 7 deflection mirror 8 interaction area 9 process radiation 0 further deflection mirror 1 camera 2 laser beam axis 2a scanning beam axis 3 optical system 4 filter 5 illumination source 6 partially transparent mirror 7 illumination radiation 8 area to be monitored 9 cutting front 0 evaluation device 1 control device 2 first translational axis 3 second translational axis 4 protective glass

Landscapes

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  • Plasma & Fusion (AREA)
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  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserbearbeitungsverfahren, eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Computerprogrammprodukt. Eine Aufgabe der Erfindung ist, eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Laserbearbeitungsverfahren sowie ein Computerprogrammprodukt bereitzustellen, mit welchen Fehlfunktionen verringert werden. Zu diesem Zweck ist vorgesehen ein Laserbearbeitungs- verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten: -Festlegen wenigstens eines Schwellwerts S0 bezüglich einer lichtintensitätsabhängigen ersten Prozessgröße F in wenigstens einem Arbeitsbereich KAB oder einem Arbeitspunkt KAP; -Erfassen einer lichtintensitätsunabhängigen zweiten Prozessgröße K während des Betriebs einer Laserbearbeitungsmaschine (10) in einem Arbeitsbereich KAB oder Arbeitspunkt KAP; -Bestimmen einer Änderung der ersten Prozessgröße F im wenigstens einen Arbeitsbereich KAB oder im Arbeitspunkt KAP bei veränderten Prozessbedingungen; -Verändern des wenigstens einen Schwellwerts S0 zu einem Schwellwert S0R entsprechend der Änderung der ersten Prozessgröße F von einem Wert F0 zu einem Wert F0R.

Description

Laserbearbeitungsverfahren und Laserbearbeitungsmaschine
Die Erfindung betri f ft ein Laserbearbeitungsverfahren, eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Computerprogrammprodukt nach dem Oberbegri f f der unabhängigen Ansprüche .
Das technische Gebiet von industriellem Bearbeiten verschiedener Werkstof fe mittels Laserstrahlung gewinnt zunehmend an Bedeutung . Beim Schneiden von Werkstücken aus verschiedenen Werkstof fen beispielsweise wird Laserstrahlung von einer Laserbearbeitungsmaschine oder Laserschneidmaschine mit hoher Leistung, meist im Bereich von mehreren Kilowatt , verwendet . Zum Überwachen von Laserbearbeitungsverfahren sind Laserbearbeitungsmaschinen Sensorikeinrichtungen zugeordnet , welche eine Viel zahl von Messgrößen erfassen können, die in einer Steuerungseinrichtung ausgewertet werden . Ein Beispiel einer Sensorikeinrichtung ist eine Kamera, welche als Messgröße Lichtintensitäten ortsaufgelöst an einem bearbeiteten Werkstück erfasst . Aus den Lichtintensitäten lassen sich unterschiedliche Rückschlüsse ziehen bezüglich der Güte der Bearbeitung . Diese Rückschlüsse lassen sich nutzen für Überwa- chungs funktionen und Regelungs funktionen der Laserbearbeitungsmaschine . Beispielsweise kann damit beim Laserschneiden ein Schnittabriss erkannt werden . Der Schnittabriss bezeichnet einen unerwünscht nicht vollständig durch die gesamte Breite des Werkstücks erfolgten Schnitt . Veränderte Prozessbedingungen können dazu führen, dass eine vorab kalibrierte und funktionstüchtige Sensorikeinrichtung fehlerhaft arbeitet . Diese veränderten Prozessbedingungen können verschiedene Ursachen haben . Erstens Störungen oder Abweichungen an der Laserbearbeitungsmaschine , etwa ein verschmutztes Schutzglas , eine Erwärmung der Optik oder eine geänderte Reinheit eines Gasstrahls . Diese Störungen oder Abweichungen haben Auswirkungen auf den Prozess der Laserbearbeitung oder auf das Erfassen durch die Sensorikeinrichtung . Zweitens Abweichungen im zu bearbeitenden Material , etwa die Blechdicke eines Werkstücks , die Oberflächenbeschaf fenheit , die Material zusammensetzung oder Materialeinschlüsse . Diese Abweichungen können den Prozess und die Prozess führung der Laserbearbeitung beeinflussen . Drittens Abweichungen in der ausgewählten Prozess führung, etwa eine veränderte Fokuslage , ein veränderter Fokusdurchmesser, Änderungen im Abstand vom Werkstück zu einer Düse am Austritt des Laserstrahls oder ein veränderter Gasdruck . So werden vorliegende Fehlschnitte nicht erkannt oder nicht vorliegende Fehlschnitte werden fälschlich erkannt . Eine Maßnahme im Stand der Technik ist ein weiterer Kalibriervorgang der Laserbearbeitungsmaschine mit Sensorikeinrichtung, welcher gewöhnlich in separaten Arbeitsschritten, also außerhalb der Maschinenlauf zeit durchgeführt wird . Beispielsweise ist erforderlich, bezüglich der Transmission der Prozessstrahlung durch die verwendeten optischen Elemente und der Sensorikeinrichtung oder aufgrund abnehmender Empfindlichkeit des Sensors erneut zu kalibrieren .
Eine Aufgabe der Erfindung ist , eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Laserbearbeitungsverfahren sowie ein Computerprogrammprodukt bereitzustellen, mit welchen Fehl funktionen verringert werden .
Zu diesem Zweck ist bereitgestellt ein Laserbearbeitungsverfahren mit den folgenden Verfahrensschritten
• Festlegen wenigstens eines Schwellwerts So bezüglich einer ersten lichtintensitätsabhängigen Prozessgröße Fo in wenigstens einem Arbeitsbereich KAB oder einem Arbeitspunkts K P; • Erfassen einer zweiten, lichtintensitätsunabhän- gigen Prozessgröße K während des Betriebs einer Laserbearbeitungsmaschine ( 10 ) im wenigstens einen Arbeitsbereich KAB oder im Arbeitspunkt K P;
• Bestimmen einer Änderung der ersten Prozessgröße Fo im Arbeitsbereich KAB oder Arbeitspunkt KAP bei veränderten Prozessbedingungen;
• Verändern des wenigstens einen Schwellwert So zu einem Schwellwert SOR entsprechend der Änderung der ersten Prozessgröße FQR .
Außerdem ist ein Computerprogrammprodukt in einer Auswerteeinrichtung zum Aus führen des Laserbearbeitungsverfahrens vorgesehen .
Ferner ist vorgesehen eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer Auswerteeinrichtung, wobei die Auswerteeinrichtung dazu ausgebildet ist , wenigstens einen Schwellwert So bezüglich einer lichtintensitätsabhängigen ersten Prozessgröße F in wenigstens einem Arbeitsbereich KAB oder einem Arbeitspunkt KAP festzulegen, eine lichtintensitätsunabhängige zweite Prozessgröße K während des Betriebs einer Laserbearbeitungsmaschine in einem Arbeitsbereich KAB oder Arbeitspunkt KAP ZU erfassen, eine Änderung der ersten Prozessgröße F im wenigstens einen Arbeitsbereich KAB oder im Arbeitspunkt KAP bei veränderten Prozessbedingungen zu bestimmen und den wenigstens einen Schwellwert So zu einem Schwellwert SOR entsprechend der Änderung der ersten
Prozessgröße F von einem Wert Fo zu einem Wert FOR ZU verän- dern . Aus führungs formen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben .
Bei einem Beispiel wird dem Schwellwert So ein Regel-Sollwert R des Laserbearbeitungsverfahrens zugeordnet und der Regel-Soll- wert R zu einem Regel-Sollwert ROR verändert entsprechend der Änderung der ersten Prozessgröße F von einem Wert Fo zu einem Wert FQR . Ändert sich die erste Prozessgröße F, so wird der Regel-Sollwert geändert .
Bei einem Beispiel ist beim Verfahrensschritt des Regelns die zweite Prozessgröße K die Nachlauf länge oder der Neigungswinkel einer Schneidfront an einem zu schneidenden Werkstück . Die Nachlauf länge bezeichnet die Länge in Vorschubrichtung des Werkstücks von der Schneidfront an der Oberseite zur Schneidfront an der Unterseite des Werkstücks . Der Neigungswinkel der Schneidfront ist von der Oberseite zur Unterseite des Werkstücks messbar . Diese Prozessgrößen K haben sich als besonders geeignet für die Funktionalität herausgestellt , da diese lichtintensitätsunabhängig, im Folgenden auch intensitätsunabhängig, erfasst werden können .
Bei einem weiteren Beispiel wird der Verfahrensschritt des Veränderns des Schwellwerts So zum Schwellwert SQR im Arbeitspunkt KAP oder im Arbeitsbereich KAB entsprechend einer am Werkstück auf genommenen Lichtintensität oder einer Prozessgröße , die von der Lichtintensität abhängt , als erster Prozessgröße F durchgeführt .
Anhand des geänderten Schwellwerts SQR kann eine Fehl funktion der Laserbearbeitungsmaschine bestimmt werden oder es wird eine Uberwachungsgröße oder Regelungsgröße stabilisiert , die weniger abhängig von Änderungen der Lichtintensität sind . Vorteilhaft wird eine Fehl funktion mit dem geänderten Schwellwert SOR erkannt , welcher die tatsächlichen Gegebenheiten der Laserbearbeitungsmaschine bei veränderten Bedingungen besser widerspiegelt als der ursprünglich festgelegte Schwellwert So - Der Begri f f der Fehl funktion bezieht sich im Zusammenhang mit der vorliegenden Of fenbarung auch auf fehlerhafte oder unerwünschte Bearbeitungsprozesse und Bearbeitungs fehler .
Bei einem Beispiel wird ein Schnittabriss als Fehl funktion anhand des geänderten Schwellwerts SOR erkannt . Der geänderte Schwellwert SOR dient hierbei dazu, einen Schnittabriss zuverlässig zu erkennen und ein falsches Erkennen eines Schnittabriss oder ein Nicht-Erkennen eines Schnittabriss bei einem unveränderten Schwellwert So zu verhindern . So liegt entweder im ersten Fall keine Fehl funktion vor, es wird j edoch fälschlich eine Fehl funktion erkannt . Im zweiten Fall liegt eine Fehlfunktion vor, es wird j edoch keine Fehl funktion erkannt .
In vorteilhafter Weise konnte herausgefunden werden, dass Fehl funktionen der Laserbearbeitungsmaschine mit einem proportionalen Verändern des Schwellwerts So zum Schwellwert SOR entsprechend der geänderten ersten Prozessgröße F ef fektiv verringert werden können .
Ferner kann der Schwellwert SOR kontinuierlich verändert werden in einem Regelungsvorgang des Laserbearbeitungsverfahrens .
Hierbei wird der Schwellwert SOR der lichtintensitätsabhängigen ersten Prozessgröße F regelungstechnisch angepasst .
Bei einem weiteren Beispiel erfolgt der Regelvorgang oder die Regelung mit der zweiten Prozessgröße K als Regelgröße , wobei die Stellgröße eine Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks in der Laserbearbeitungsmaschine oder die Leistungs zufuhr der Laserbearbeitungsmaschine ist . Somit wird die Regelgröße , die zweite Prozessgröße K, eingestellt durch Anpassen der genannten Stellgrößen .
Bei einem Beispiel wird der Schwellwert So fortlaufend oder iterativ verändert oder angepasst . Dadurch wird erreicht , dass der Schwellwert So stets den aktuellen Bedingungen der Laserbearbeitungsmaschine entspricht . Mit dieser Maßnahme kann eine besonders hohe Prozessstabilität erreicht werden . Die erste Prozessgröße F wird ortsabhängig und/oder richtungsabhängig erfasst . Der Schwellwert So kann entsprechend ortsabhängig und/oder richtungsabhängig angepasst werden . Dadurch können Anisotropien oder Inhomogenitäten der Laserbearbeitungsmaschine in ihrem Arbeitsraum berücksichtigt und kompensiert werden . Alternativ oder zusätzlich können die Änderungen der ersten Prozessgröße F zeitabhängig erfasst werden und der Schwellwert So kann zeitabhängig angepasst werden . Bei der Anpassung des Schwellwerts So kann auch berücksichtigt werden, wie lange die Information über einen Schneidort oder eine Schneidrichtung vorliegt oder zurückliegt . Wenn nur wenige Sekunden vorher in die gleiche Schneidrichtung geschnitten wurde , ist es wahrscheinlicher, dass sich die Laserbearbeitungsmaschine noch in einem ähnlichen Zustand befindet , während ein Schnitt nach einer Minute oder länger es wahrscheinlicher macht , dass sich die Laserbearbeitungsmaschine nicht mehr im gleichen Zustand befindet . Der Schwellwert So kann somit auch eine Funktion der zeitlichen Verläufe der vorliegenden Informationen sein . Zeitliche Aspekte können derart beim Anpassen des Schwellwertes So berücksichtigt werden .
Nachfolgend sind Beispiele der Erfindung anhand der Figuren in Einzelheiten beschrieben . Es zeigen :
Fig . 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsverfahrens , insbesondere eines Laserschneidprozesses , als Teil einer Laserbearbeitungsmaschine durch Aufnahme eines Bildes eines zu überwachenden Bereichs des Werkstücks , der einen Wechselwirkungsbereich enthält ,
Fig . 2 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsmaschine mit einer weiteren Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsverfahrens , insbesondere eines Laserschneidprozesses ,
Fig . 3 ein qualitatives Diagramm mit Schwellwerten S einer ersten Prozessgröße F an der y-Achse , einer zweiten Prozessgröße K an der x-Achse , Kennlinien mit Arbeitsbereichen und einem Arbeitspunkt und einem Fehlschnittbereich der Laserbearbeitungsmaschine im Betrieb .
Fig . 1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung 14 zur Prozessüberwachung und Prozessregelung eines Laserbearbeitungsverfahrens , insbesondere eines Laserschneidprozesses , an einem Werkstück 8 mittels einer Laserbearbeitungsmaschine 1 , von der nur stark schematisch der Laserbearbeitungskopf 4 mit einer Fokussierlinse 15 zur Fokussierung eines Laserstrahls 6 der Laserbearbeitungsmaschine 1 , eine Schneidgas-Düse 16 sowie ein Umlenkspiegel 17 dargestellt ist . Weitere Bauteile können vom Laserbearbeitungskopf 4 umfasst sein . Im vorliegenden Fall ist der Umlenkspiegel 17 teildurchlässig ausgebildet und bildet ein eintrittsseitiges Bauteil für die Vorrichtung 14 zur Prozessüberwachung . Der Laserstrahl 6 weist eine hohe Leistung auf zum Bearbeiten des Werkstücks 8 , hierbei zum Schneiden oder Trennen des Werkstücks 8 . Der Umlenkspiegel 17 reflektiert den einfallenden Laserstrahl 6 , welcher beispielsweise eine Wellenlänge von ungefähr 10|lm oder l|lm im Falle eines verwendeten Festkörperlasers aufweist , und transmittiert für die Prozessüberwachung relevante , vom Werkstück 8 reflektierte sowie von einem Wechselwirkungsbereich 18 des Laserstrahls 6 mit dem Werkstück 8 emittierte Strahlung, Prozessstrahlung 19 , in einem Wellenlängenbereich, der im vorliegenden Beispiel zwischen etwa 300nm und 2000nm liegt . Alternativ zum teildurchlässigen Umlenkspiegel 17 kann auch ein Scraperspiegel oder ein Lochspiegel eingesetzt werden, um die Prozessstrahlung 19 einer Kamera 21 zuzuführen .
In der Vorrichtung 14 ist hinter dem teildurchlässigen Umlenkspiegel 17 in Richtung der Prozessstrahlung 19 ein weiterer Umlenkspiegel 20 angeordnet , welcher die Prozessstrahlung 19 auf die geometrisch hochauflösende Kamera 21 als Bilderfassungseinheit umlenkt . Bei der Kamera 21 kann es sich um eine Hochgeschwindigkeitskamera handeln, die koaxial zur Laserstrahlachse 22 oder zur Scanstrahlachse 22a eines Scanstrahls und somit richtungsunabhängig angeordnet ist . Prinzipiell ergibt sich die Möglichkeit der Aufnahme des Bildes durch die Kamera 21 auch im Auf lichtverfahren zwischen etwa 300nm und 2000nm, sofern eine zusätzliche in diesem Wellenlängenbereich strahlende Beleuchtungsquelle vorgesehen ist , sowie alternativ die Aufnahme des Prozesseigenleuchtens oder Prozessstrahlung 19 in den Wellenlängenbereichen UV und NIR/ IR . Die Kamera 21 kann auch als einzige Bilderfassungseinheit vorgesehen sein, so dass kein zusätzlicher Scanstrahl nötig ist . Die Kamera 21 erfasst in beiden Fällen die Prozessstrahlung 19 oder das Prozessleuchten vom Wechselwirkungsbereich 18 .
Für die Abbildung ist im vorliegenden Beispiel zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 17 und der Kamera 21 ein in Fig . 1 als Linse dargestelltes abbildendes , fokussierendes optisches System 23 vorgesehen, welches die für die Prozessüberwachung relevante Strahlung oder Prozessstrahlung 19 auf die Kamera 21 fokussiert . Bei dem in Fig . 1 gezeigten Beispiel ist ein Filter 24 in Richtung der Prozessstrahlung 19 vor der Kamera 21 von Vorteil , wenn weitere Strahlungsanteile oder Wellenlängenanteile von der Erfassung mit der Kamera 21 ausgeschlossen werden sollen . Der Filter 24 kann z . B . als schmalbandiger Bandpass filter ausgebildet sein .
Die Kamera 21 wird im vorliegenden Beispiel optional im Auflichtverfahren betrieben, d . h . es ist eine zusätzliche Beleuchtungsquelle 25 oberhalb des Werkstücks 8 vorgesehen, welche über einen weiteren teildurchlässigen Spiegel 26 Beleuchtungsstrahlung 27 koaxial zur Laserstrahlachse 22 in den Strahlengang einkoppelt . Grundsätzlich ist die Intensität der bei der Laserbearbeitung entstehenden Prozessstrahlung 19 j edoch ausreichend . Die j eweiligen Strahlengänge sind hierbei koaxial in senkrechter Richtung nach Fig . 1 . Als zusätzliche Beleuchtungsquelle 25 können Laserdioden oder Diodenlaser vorgesehen werden, die wie in Fig . 1 gezeigt koaxial , aber auch of f-axis zur Laserstrahlachse 22 angeordnet werden können . Die zusätzliche Beleuchtungsquelle 25 kann beispielsweise auch außerhalb, insbesondere neben dem Laserbearbeitungskopf 4 angeordnet und auf eine Oberfläche 8a des Werkstücks 8 gerichtet sein . Alternativ kann die Beleuchtungsquelle 25 innerhalb des Laserbearbeitungskopfs 4 angeordnet sein . Es versteht sich, dass die Vorrichtung 14 auch ohne eine zusätzliche Beleuchtungsquelle 25 betrieben werden kann .
Bei dem in Fig . 1 dargestellten Beispiel nimmt die Kamera 21 während eines Laser-Schmel zschneidprozesses oder Laser-Brenn- schneidprozesses ein Bild B eines zu überwachenden Bereichs 28 des Werkstücks 8 auf , welcher den Wechselwirkungsbereich 18 enthält . Während des Schneidprozesses durch den Laserstrahl 6 erfolgt eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 8 und dem Laserbearbeitungskopf 4 durch die Bewegung des Laserbearbeitungskopfs 4 entlang der positiven Y-Richtung (vgl . Pfeil ) mit der als Vorschubgeschwindigkeit V bezeichneten Relativgeschwindigkeit . Der Laserbearbeitungskopf 4 wird auch innerhalb der zwei Ebenen in x-Richtung und z-Richtung bewegt . Bei dem Schneidprozess bildet sich im Vorlauf zum Wechselwirkungsbereich 18 eine Schneidfront 29 aus , an die sich im Nachlauf , in negativer Y-Richtung, eine Schnittfuge 9 im Werkstück 8 anschließt .
Die als Kamera 21 ausgebildete Bilderfassungseinheit steht mit einer Auswerteeinrichtung 30 in signaltechnischer Verbindung . Die Auswerteeinrichtung 30 ist konfiguriert bzw . programmiert , anhand der Auswertung des auf genommenen Bildes B bzw . einer zeitlichen Abfolge von Bildern B des zu überwachenden Bereichs 28 mindestens eine Störung des Bearbeitungsprozesses , beispielsweise einen Schnittabriss , zu erkennen . Die Kamera 21 und die Auswerteeinrichtung 30 bilden hierbei eine Sensorikeinrichtung .
Die Auswerteeinrichtung 30 nimmt eine Auswertung des Bildes B bzw . einer Serie von nacheinander auf genommenen Bildern B des Wechselwirkungsbereichs 18 vor, um Merkmale des Wechselwirkungsbereichs 18 zu extrahieren bzw . zu identi fi zieren, die auf eine Störung des Schneidprozesses hindeuten .
Wie in Fig . 1 zu erkennen ist , steht die Auswerteeinrichtung 30 mit einer Steuerungseinrichtung oder Regeleinrichtung 31 in signaltechnischer Verbindung, welche den Laserschneidprozess und das Laserbearbeitungsverfahren steuert oder regelt .
Fig . 2 zeigt eine Seitenansicht einer stark schematisch dargestellten Laserbearbeitungsmaschine 1 . Zur Überwachung eines Laserbearbeitungsverfahrens , insbesondere eines Laserschneidprozesses , ist hierbei ähnlich zu Fig . 1 die Kamera 21 und die verbundene Auswerteeinrichtung 30 umfasst . Die Laserbearbeitungsmaschine 1 ist hierbei eine Laserschneidanlage . Auf der Werkstückauflage 5 der Laserbearbeitungsmaschine 1 liegt das Werkstück 8 , hier ein Blech . Die Laserbearbeitungsmaschine 1 weist den Laserbearbeitungskopf 4 auf , welcher hierbei ein Schneidkopf ist . Der Laserbearbeitungskopf 4 ist entlang einer ersten translatorischen Achse 32 , einer zweiten translatorischen Achse 33 sowie entlang einer Achse in die Bildebene relativ zu der Werkstückauflage 5 verfahrbar . Ferner kann der Laserbearbeitungskopf 4 in nicht näher dargestellter Weise um eine oder mehrere rotatorische Achsen drehbar sein .
Zum Bearbeiten, beispielsweise Schneiden des Werkstücks 8 , strahlt der Laserbearbeitungskopf 4 oder Schneidkopf den Laserstrahl 6 aus . Mittels des Laserstrahls 6 wird das Werkstück 8 entlang einer Traj ektorie durchschnitten . Zur Unterstützung der Bearbeitung des Werkstücks 8 mit dem Laserstrahl 6 weist der Laserbearbeitungskopf 4 die Schneidgas-Düse 16 auf . Durch die Schneidgas-Düse 16 wird dem Werkstück 8 ein Schneidgas zugeführt . Der Laserbearbeitungskopf 4 kann ferner ein Schutzglas 34 für eine in Fig . 2 nicht im Einzelnen dargestellte Optik aufweisen .
Die Laserbearbeitungsmaschine 1 weist die Auswerteeinrichtung 30 auf ähnlich zu Fig . 1 , weiter kann die Regeleinrichtung 31 signaltechnisch mit der Auswerteeinrichtung 30 verbunden sein . Die Auswerteeinrichtung 30 und verbundene Regeleinrichtung 31 bewirken die Durchführung des Schneidvorgangs unter Vorgabe und Anpassung verschiedener Prozessparameter oder Prozessgrößen F, K. Zwei der Prozessparameter können beispielsweise eine Vorschubgeschwindigkeit v und eine Fokuslage f, d . h . die Position des Fokus des Laserstrahls 6 relativ zum Werkstück 8 sein . Weitere Prozessparameter oder Prozessgrößen können eine Laserleistung, ein Fokusdurchmesser, ein Gasdruck des Schneidgases vor dem Austritt aus der Schneidgas-Düse 16 , ein Massestrom oder die Zusammensetzung des Schneidgases durch die Schneidgas-Düse 16 und/oder ein Abstand der Schneidgas-Düse 16 von dem Werkstück 8 sein .
Fig . 3 zeigt ein qualitatives Diagramm zum Erläutern eines Beispiels der Erfindung . Erkannt wurde , dass bei normalen Bearbeitungsbedingungen mittels Größen, die von der Lichtintensität abhängen, lichtintensitätsabhängige oder intensitätsabhängige Prozessgrößen, gut bezüglich eines Fehlschnitts oder Gutschnitts unterschieden werden kann . Die Prozessgrößen sind im unterschiedlichen Maße abhängig von der durch die Kamera 21 erfassten Lichtintensität und der verwendeten Sensorikeinrichtung . Beispielsweise ist der Grauwert eines Kamerapixels proportional zur Lichtintensität , während eine geometrische Größe im Kamerabild unabhängig von der Lichtintensität ist . Dennoch können auch geometrische Größen mit der Lichtintensität korrelieren, etwa wenn Schwellwerte für Grauwerte der Kamerabilder verwendet werden .
Unter gestörten oder erschwerten Bearbeitungsbedingungen können die intensitätsabhängigen Größen allein nicht mehr zuverlässig Fehl funktionen oder Störungen im Bearbeitungsprozess ermitteln . Erschwerte Bearbeitungsbedingungen können auftreten beispielsweise bei Störungen der Lichtintensität des Scanstrahls oder der Prozessstrahlung 19 . Daher wird eine zweite Größe eingeführt , die unabhängig von der Lichtintensität oder weniger abhängig von der Lichtintensität ist . Mit Hil fe der zweiten Größe oder Prozessgröße können Fehl funktionen oder Störungen im Bearbeitungsprozess erkannt werden und somit wird die Störanfälligkeit des Laserbearbeitungsverfahrens verringert .
Eine intensitätsunabhängige oder hinreichend intensitätsunabhängige zweite Prozessgröße K ist an der x-Achse aufgezeigt , etwa die Nachlauf länge , welche den Abstand in Vorschubrichtung von der Schneidfront 29 an der Oberseite zur Schneidfront 29 an der Unterseite des Werkstücks 8 bezeichnet . Eine weitere intensitätsunabhängige Prozessgröße K ist der Neigungswinkel einer Schneidfront 29 , der Winkel zwischen der Oberseite und der Unterseite des Werkstücks 8 an der geschnittenen Fläche . Diese Prozessgrößen K haben sich als besonders geeignet für die Funktionalität herausgestellt . An der y-Achse ist eine erste Prozessgröße F, in diesem Beispiel eine intensitätsabhängige Fehlschnittgröße F, mit Schwellwerten So und SOR eingezeichnet , bei welchen in der Auswerteeinrichtung 30 nach Überschreiten der Schwellwerte So und SOR durch die Fehlschnittgröße F ein Schnittabriss erkannt wird . Unterhalb der Schwellwerte So oder SOR, d . h . wenn F < So oder F < SOR, liegt ein
Gutschnitt vor . Oberhalb der Schwellwerte So oder SOR, d . h . wenn F > So oder F > SOR, liegt ein Fehlschnitt vor . Die Bedingung F < So gilt für den nicht aktualisierten Schwellwert im ungestörten Betrieb, wenn der Schwellwert nicht geändert ist , die Bedingung F > SOR gilt für den aktualisierten Schwellwert im gestörten Betrieb, wenn der Schwellwert geändert ist . Optional wird bei den vorstehenden Bedingungen auf Gutschnitt oder Fehlschnitt erkannt , wenn die obigen Bedingungen über einen gewissen Zeitraum erfüllt sind . Die Schwellwerte So und SOR befinden sich j eweils auf Kennlinien an der Grenze zu einem festgelegten Fehlschnittbereich, der in Fig . 3 schraf fiert dargestellt ist . Allgemein ist ein aktualisierter Schwellwert SOR eine Funktion aus dem festgesetzten Schwellwert So, der ersten Prozessgröße F, hier Fehlschnittgröße F, und der Prozessgröße K, wobei SOR = f ( F, K, So) . Insbesondere wird der
Schwellwert So zum Schwellwert SOR geändert , wenn sich die zweite Prozessgröße K im Arbeitspunkt KAP oder in einem Arbeitsbereich KAB nahe dem Arbeitspunkt KAP befindet . Hierbei können auch mehrere Arbeitsbereiche KAB festgelegt werden . Der Arbeitsbereich KAB oder die Arbeitsbereiche KAB können hierbei eine beliebige Ausdehnung annehmen, d . h . können entlang der x- Achse in Fig . 3 , mit der zweiten Prozessgröße K bezeichnet , von einer minimal messbaren Prozessgröße K bis zum schraf fierten Fehlschnittbereich reichen . Die Steuerungseinrichtung oder Regeleinrichtung 31 kann bei Erkennen eines Fehlschnitts beispielsweise einen Prozessstopp der Laserbearbeitungsmaschine 1 durchführen .
Beispielsweise erkennt die Regeleinrichtung 31 , wenn sich der Bearbeitungsprozess vom definierten Arbeitspunkt KAP entfernt . Die Regeleinrichtung 31 kann dann mittels Regeln von Prozessparametern oder Prozessgrößen den Bearbeitungsprozess wieder in Richtung des definierten Arbeitspunkts KAP führen .
Weiter sind im Diagramm die zwei Kennlinien der Laserbearbeitungsmaschine 1 im Betrieb eingezeichnet , die den Verlauf der ersten Prozessgröße F oder Fehlschnittgröße F bezogen auf die zweite Prozessgröße K zeigen, wobei die gestrichelte Kennlinie eine Laserbearbeitung ohne Störungen oder Fehl funktionen anzeigt und die durchgezogene Kennlinie eine Laserbearbeitung mit Störungen oder Fehl funktionen anzeigt , wie im Folgenden beschrieben . Im Diagramm nach Fig . 3 sind weiter der Arbeitspunkt KAP und ein Bereich entlang der Prozessgröße K um den Arbeitspunkt KAP eingetragen, der Arbeitsbereich KAB - Der Messbereich der Laserbearbeitungsmaschine 1 und des Laserbearbeitungsverfahrens liegt bevorzugt am Arbeitspunkt KAP oder um den
Arbeitspunkt KAP innerhalb des Arbeitsbereichs KAB - Beim Laserbearbeitungsverfahren liegt beim ungestörten Prozess nach Fig . 3 die zweite Prozessgröße K während des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine 1 in einem Arbeitsbereich KAB und insbesondere im geregelten Betrieb der Prozessgröße K beim definierten Arbeitspunkt K P . Demnach ist ein Arbeitspunkt KAP definiert , bei dem für die Prozessgröße K = KAP gilt und/oder ein Arbeitsbereich KAB, bei welchem die Prozessgröße K in einem Bereich um den Arbeitspunkt KAP liegt . Die ungestörte Fehl schnittgröße Fo an der gestrichelten Kennlinie bezeichnet einen ungestörten Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine 1 , bei welchem die Auswerteeinrichtung 30 keine Fehl funktion feststellt . Zum Arbeitspunkt JQip wird ein Schwellwert So festgelegt , welcher eine Fehl funktion der Laserbearbeitungsmaschine 1 indi ziert , eine Schwelle der ungestörten Fehlschnittgröße , in Fig . 3 als ungestörte F-Schwelle So bezeichnet . Der Schwellwert So wird hierbei vor Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine 1 festgelegt , alternativ auch während des Betriebs . Überschreitet die Fehlschnittgröße F während der Laserbearbeitung den Schwellwert So, so wird eine Fehl funktion erfasst und ein Schnittabriss erkannt . Optional wird der Schnittabriss erkannt , wenn der Schwellwert So eine bestimmte Zeit lang überschritten wird . Das Erkennen der Fehl funktion ist ohne Prozessveränderungen an der Laserbearbeitungsmaschine 1 zuverlässig .
Treten im Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine 1 Prozessveränderungen auf , etwa aufgrund von Verschmutzungen an der Fokussierlinse 15 , so verändert sich die erste Prozessgröße F oder Fehlschnittgröße F, was von der Auswerteeinrichtung 30 erkannt wird . Prozessveränderungen oder Störungen führen zu einer Verschiebung der Kennlinie in Fig . 3 . Beispielsweise ändert sich die Lichtintensität der ersten Prozessgröße F, der Fehlschnittgröße F, wenn der Laserstrahl 6 an einer Verschmutzung gestört wird, so dass die Kamera 21 aufgrund von Streustrahlung mehr Prozessleuchten oder Prozessstrahlung 19 detektiert . Eine veränderte erste Prozessgröße FQR im Arbeitsbereich KAB, speziell im Arbeitspunkt KAP führt dazu, dass fälschlicherweise ein Schnittabriss erkannt wird . Diese veränderte erste Prozessgröße ist in Fig . 3 als gestörte F-Größe FQR bezeichnet , d . h . gestörte Fehlschnittgröße . Diese Falscherkennung ist in Fig . 3 als Hinweis FQR > SO dargestellt . Die Prozessveränderungen führen dazu, dass sich die erste Prozessgröße F bezogen auf die zweite Prozessgröße K verschiebt . Die Kennlinie als funktionaler Zusammenhang zwischen der ersten Prozessgröße F und der zweiten Prozessgröße K verschiebt sich . In Fig . 3 ist die gestörte Fehlschnittgröße F als durchgezogene Kennlinie dargestellt . Ohne weitere Maßnahmen wird, wenn sich die gestörte Fehlschnittgröße FQR im Arbeitsbereich KAB und im speziellen am Arbeitspunkt KAP oberhalb vom Schwellwert So befindet , d . h . FQR > SO in Fig . 3 , fälschlich ein Schnittabriss erkannt . Zur Abhil fe wird eine Änderung der ersten Prozessgröße FQR im Arbeitsbereich KAB und speziell im Arbeitspunkt KAP bestimmt , welche eine Abweichung von ungestörten erfassten Werten der ersten Prozessgröße Fo aufweist . Wenn der Bearbeitungsvorgang im Arbeitsbereich KAB und speziell im Arbeitspunkt KAP stattf indet , wird ein Schwellwert SOR ermittelt , oberhalb dessen etwa ein Schnittabriss als Fehl funktion erkannt wird, FQR > SOR . Dieser neu eingestel lte Schwellwert SOR, in Fig . 3 als gestörte F-Schwelle SOR bezeichnet , befindet sich bei einem größeren Wert , etwa einer höher detektierten Lichtintensität der Prozessstrahlung 19 . Beispielsweise kann der Schwellwert So zum Schwellwert SOR proportional zu der erfassten gestörten Fehlschnittgröße FQR geändert werden entsprechend dem funktionalen Zusammenhang SOR = p * ( FOR / FO ) mit einem Proportionalitäts faktor p . Ändert sich die Fehlschnittgröße F etwa um 20% , d . h . ( FOR / FO ) = 1 , 2 = p, so wird auch der Schwellwert So um 20% zum Schwellwert SOR erhöht . Bewegt sich die Fehlschnittgröße während des Betriebs , hier bei gestörtem Einfluss bei der gestörten Fehlschnittgröße FQR, oberhalb eines Schwellwerts So, so wird von der Auswerteeinrichtung 30 fälschlicherweise eine Fehl funktion erkannt . Nach Verlegen oder erneutem Einstellen des Schwellwerts So zu einem Schwellwert SOR wird eine Fehl funktion erst bei einer höheren ersten Prozessgröße F oder Fehlschnittgröße F erkannt , wobei dies den tatsächlichen Gegebenheiten der Laserbearbeitungsmaschine 1 im Betrieb entspricht . Das Anpassen oder Verändern des Schwellwerts So wird laufend während des Betriebs der Laserbearbeitungsmaschine 1 durchgeführt . Entsprechend dient dann der veränderte Schwellwert SOR zum Erkennen eines Schnittabriss anstatt des ursprünglichen Schwellwerts So, welcher entsprechend zu einem weiteren Schwellwert der Prozessgröße Fo verändert wird, wobei der Schwellwert SOR laufend verändert werden kann . Insbesondere kann der Schwellwert SOR der ersten lichtintensitätsabhängigen Prozessgröße F kontinuierlich in einem Regelungsprozess verändert werden .
Die Funktionalität der beschriebenen Laserbearbeitungsmaschine 1 und des Laserbearbeitungsverfahrens ist weiter mit einem schraf fierten Fehlschnittbereich in Fig . 3 dargestellt . Der Fehlschnittbereich stellt denj enigen Bereich im Diagramm der zweiten Prozessgröße K dar, bei welchem die Auswerteeinrichtung 30 einen Schnittabriss erkennt . Der schraf fierte Fehlschnittbereich ist hierbei beispielhaft als rechteckiger Bereich festgelegt , kann j edoch beliebige Formen im Diagramm annehmen . Bei der schraf fierten Kennlinie bei ungestörtem Betrieb befindet sich der erkannte Schnittabriss bei der
Schwelle der ungestörten Fehlschnittgröße So - Bei der durchgezogenen Kennlinie bei gestörtem Betrieb, wie beschrieben, befindet sich der erkannte Schnittabriss bei der Schwelle der gestörten Fehlschnittgröße SOR, welche einen höheren Wert der intensitätsabhängigen ersten Prozessgröße F aufweist .
Die Ermittlung der ersten Prozessgröße F kann auch innerhalb des bekannten Arbeitsbereichs KAB erfolgen, wenn im ungeregelten Betrieb der Arbeitspunkt KAP nicht erreicht wird und die Verlaufs form der ersten Prozessgröße als Fehlschnittgröße F nach den Kennlinien in Fig . 3 im entsprechenden Bereich bekannt ist . Idealerweise wird die zweite Prozessgröße K auf den Arbeitspunkt KAP geregelt , um den Arbeitsbereich KAB ZU minimieren .
Bei einem weiteren Beispiel wird dem Schwellwert So ein Regel- Sollwert R des Laserbearbeitungsverfahrens zugeordnet und der Regel-Sollwert R zu einem Regel-Sollwert ROR verändert entsprechend der Änderung der ersten Prozessgröße F von einem Wert Fo zu einem Wert FQR - Erkennt die Auswerteeinrichtung 30 im Arbeitspunkt KAP oder Arbeitsbereich KAB eine Änderung der ersten Prozessgröße F, etwa eine erhöhte Lichtintensität aufgrund einer Störung des optischen Systems 23 , so würde diese erhöhte Lichtintensität fälschlich etwa einer veränderten Nachlauflänge zugewiesen . Mit dem Regel-Sollwert R würde die Laserbearbeitungsmaschine 1 bei der erhöhten Nachlauf länge unerwünscht die Geschwindigkeit des Vorschubs des Werkstücks 8 ändern . Die korrekte Nachlauf länge wird mit der lichtintensi- tätsunabhängigen Prozessgröße K im Arbeitspunkt KAP oder Arbeitsbereich KAB bestimmt . Zu dem Zweck, dass die Regelung der Geschwindigkeit des Vorschubs des Werkstücks 8 weiterhin zuverlässig ausgeführt wird, wird in der Auswerteeinrichtung
30 der Regel-Sollwert R derart zu dem Regel-Sollwert ROR geändert , dass die Geschwindigkeit des Vorschubs des Werkstücks 8 ungeachtet der Änderung der ersten Prozessgröße F bleibt . Mit diesem Merkmal wird vermieden, dass der Regelungsvorgang gestört wird durch fehlerhafte lichtintensitätsabhängige Messungen der ersten Prozessgröße F. Sozusagen korrigiert die zweite Prozessgröße K fehlerhafte Messungen der ersten Prozessgröße F mit Bezug auf die Regelung der Laserbearbeitungsmaschine 1 , indem der Regel-Sollwert ROR angepasst wird . Mit Anpassung zum
Regel-Sollwert ROR kann auch die erste Prozessgröße F trotz
Störung etwa des optischen Systems 23 weiter zuverlässig verwendet werden . Ein nachträgliches Kalibrieren der ersten Prozessgröße F, das ohne die beschriebenen Maßnahmen nötig ist , wird vermieden . Demnach entspricht das Prinzip des Änderns des Regel-Sollwerts R dem Prinzip des Änderns des Schwellwerts , bei welchem ein Schnittabriss erkannt wird .
Das beschriebene Verfahren für eine Laserbearbeitung ist ferner auf anderen technischen Gebieten anwendbar und nicht auf das technische Gebiet von Laserbearbeitungsmaschinen 1 beschränkt . Das beschriebene Verfahren ist anwendbar in allen technischen Gebieten, bei welchen sich Prozessgrößen ändern und Schwellwerte automatisch und ohne Nachkalibrierung angepasst , verändert oder geregelt werden . Bezugszeichenliste Laserbearbeitungsmaschine Laserbearbeitungskopf Werkstückauflage Laserstrahl Werkstück a Oberfläche Schnittfuge 0 Schneidgas 4 Vorrichtung 5 Fokussierlinse 6 Schneidgas-Düse 7 Umlenkspiegel 8 Wechselwirkungsbereich 9 Prozessstrahlung 0 weiterer Umlenkspiegel 1 Kamera 2 Laserstrahlachse 2a Scanstrahlachse 3 optisches System 4 Filter 5 Beleuchtungsquelle 6 teildurchlässiger Spiegel 7 Beleuchtungsstrahlung 8 zu überwachender Bereich 9 Schneidfront 0 Auswerteeinrichtung 1 Regeleinrichtung 2 erste translatorische Achse 3 zweite translatorische Achse 4 Schutzglas

Claims

Patentansprüche Laserbearbeitungsverfahren mit den folgenden Verfahrensschritten :
- Festlegen wenigstens eines Schwellwerts So bezüglich einer lichtintensitätsabhängigen ersten Prozessgröße F in wenigstens einem Arbeitsbereich KAB oder einem Arbeitspunkt KAR;
- Erfassen einer lichtintensitätsunabhängigen zweiten Prozessgröße K während des Betriebs einer Laserbearbeitungsmaschine ( 10 ) in einem Arbeitsbereich KAB oder Arbeitspunkt KAP;
- Bestimmen einer Änderung der ersten Prozessgröße F im wenigstens einen Arbeitsbereich KAB oder im Arbeitspunkt KAP bei veränderten Pro- zessbedingungen;
- Verändern des wenigstens einen Schwellwerts So zu einem Schwellwert SQR entsprechend der Änderung der ersten Prozessgröße F von einem Wert Fo zu einem Wert FQR . Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1 , mit dem Verfahrensschritt :
- Zuordnen eines Regel-Sollwerts R des Laserbearbeitungsverfahrens zum Schwellwert So;
- Verändern des Regel-Sollwerts R zu einem Regel- Sollwert ROR entsprechend der Änderung der ersten Prozessgröße F von einem Wert Fo zu einem
Wert FOR . Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2 , mit dem Verfahrensschritt :
- Regeln der zweiten Prozessgröße K als Nachlauflänge oder Neigungswinkel einer Schneidfront ( 29 ) an einem zu schneidenden Werkstück ( 8 ) . Laserbearbeitungsverfahren nach einem der vorigen Ansprüche , mit dem Verfahrensschritt :
- Verändern des wenigstens einen Schwellwerts So zum Schwellwert SOR im Arbeitspunkt KAP oder im Arbeitsbereich KAB entsprechend einer aufgenommenen Lichtintensität am Werkstück ( 8 ) als erster Prozessgröße F. Laserbearbeitungsverfahren nach einem der vorigen Ansprüche , mit dem Verfahrensschritt :
- Bestimmen einer Fehl funktion der Laserbearbeitungsmaschine ( 1 ) anhand des geänderten Schwellwerts SOR . Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 5 , mit dem Verfahrensschritt :
- Bestimmen eines Schnittabriss als Fehl funktion anhand des geänderten Schwellwerts SOR . Laserbearbeitungsverfahren nach einem der vorigen Ansprüche , mit dem Verfahrensschritt :
- Proportionales Verändern des wenigstens einen Schwellwerts So zum Schwellwert SOR entsprechend der geänderten ersten Prozessgröße F. Laserbearbeitungsverfahren nach einem der vorigen Ansprüche , mit dem Verfahrensschritt : - Regeln der zweiten Prozessgröße K als Regelgröße mit der Stellgröße einer Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks ( 8 ) in der Laserbearbeitungsmaschine ( 1 ) oder der Leistungs zufuhr der Laserbearbeitungsmaschine ( 1 ) . Laserbearbeitungsverfahren nach einem der vorigen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet , dass die Änderungen der ersten Prozessgröße F ortsabhängig, zeitabhängig und/oder richtungsabhängig erfasst werden und der wenigstens eine Schwellwert So ortsabhängig, zeitabhängig und/oder richtungsabhängig verändert oder gesetzt wird . . Laserbearbeitungsmaschine ( 1 ) mit einer Auswerteeinrichtung ( 30 ) , dadurch gekennzeichnet , dass die Auswerteeinrichtung ( 30 ) dazu ausgebildet ist , wenigstens einen Schwellwert So bezüglich einer lichtintensitätsabhängigen ersten Prozessgröße F in wenigstens einem Arbeitsbereich JQIB oder einem Arbeitspunkt KAP festzulegen, eine lichtin- tensitätsunabhängige zweite Prozessgröße K während des Betriebs einer Laserbearbeitungsmaschine ( 10 ) in einem Arbeitsbereich KAB oder Arbeitspunkt KAP ZU erfassen, eine Änderung der ersten Prozessgröße F im wenigstens einen Arbeitsbereich KAB oder im Arbeitspunkt KAP bei veränderten Prozessbedingungen zu bestimmen und den wenigstens einen Schwellwert So zu einem Schwellwert SQR entsprechend der Änderung der ersten Prozessgröße F von einem Wert Fo zu einem Wert FQR ZU verändern . . Laserbearbeitungsmaschine ( 1 ) mit einer Auswerteeinrichtung ( 30 ) nach Anspruch 10 , dadurch gekennzeichnet , dass die Auswerteeinrichtung ( 30 ) dazu ausgebildet ist , die Nachlauf länge oder den Neigungswinkel einer Schneidfront (29) an einem zu schneidenden Werkstück (8) als zweite Prozessgröße K zu regeln. . Laserbearbeitungsmaschine (1) mit einer Auswerteeinrichtung (30) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Schwellwert So zum Schwellwert SOR im Arbeitspunkt KAP entsprechend einer auf genommenen Lichtintensität im Arbeitsbereich eines Werkstücks (8) als erster Prozessgröße F zu verändern. . Laserbearbeitungsmaschine (1) mit einer Auswerteeinrichtung (30) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, eine Fehlfunktion der Laserbearbeitungsmaschine (1) anhand des geänderten Schwellwerts SOR ZU erkennen . . Laserbearbeitungsmaschine (1) mit einer Auswerteeinrichtung (30) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, den wenigstens einen Schwellwert So zum Schwellwert SOR entsprechend der geänderten ersten Prozessgröße F proportional zu verändern. . Computerprogrammprodukt in einer Auswerteeinrichtung
(30) zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 - 9.
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