WO2015036140A1 - Vorrichtungen und verfahren zu überwachung, insbesondere zur regelung, eines schneidprozesses - Google Patents

Vorrichtungen und verfahren zu überwachung, insbesondere zur regelung, eines schneidprozesses Download PDF

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WO2015036140A1
WO2015036140A1 PCT/EP2014/064478 EP2014064478W WO2015036140A1 WO 2015036140 A1 WO2015036140 A1 WO 2015036140A1 EP 2014064478 W EP2014064478 W EP 2014064478W WO 2015036140 A1 WO2015036140 A1 WO 2015036140A1
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WO
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observation
cutting
workpiece
cutting front
energy beam
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PCT/EP2014/064478
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Boris Regaard
David Schindhelm
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Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg
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Priority to ES14741231T priority patent/ES2699985T3/es
Priority to PL17158293T priority patent/PL3213857T3/pl
Priority to EP17158625.8A priority patent/EP3210714B1/de
Priority to PL14741231T priority patent/PL3043951T3/pl
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    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
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    • B23K31/125—Weld quality monitoring

Definitions

  • the present invention relates to a device for monitoring, in particular for controlling, a cutting process on a workpiece, comprising: a focusing element for focusing a high-energy beam, in particular a laser beam, on the workpiece, an image detection device for detecting a region of the workpiece to be monitored, the one Interaction region of the high energy beam with the workpiece includes, as well as a
  • Evaluation device which is designed or programmed to determine on the basis of the detected interaction region at least one characteristic parameter of the cutting process, in particular at least one characteristic characteristic of a kerf formed in the cutting process.
  • the invention also relates to a method for monitoring, in particular for controlling, a cutting process on a workpiece, comprising: focusing a
  • High energy beam in particular a laser beam
  • the workpiece detecting a monitored area of the workpiece, the one
  • Interaction region of the high energy beam with the workpiece comprises, preferably by means of a substantially coaxial with the beam axis of the
  • the detection of the monitored region of the workpiece is preferably carried out by means of a substantially coaxial with
  • An apparatus for monitoring a laser cutting process which can serve to detect characteristic parameters of a laser cutting process, for example an imminent cut, has become known from the applicant's WO 2012/107331 A1.
  • An imminent cut is detected there when falling below a predetermined gap width of the cutting gap.
  • Reference surface which corresponds to the surface of the cutting front in a good cut or quality section.
  • a cut-to-break can also be detected if the radiation intensity emitted by the reference surface exceeds a limit value for the target brightness in a normal section.
  • WO 20 3/053832 A1 describes a device which measures backscattered light in a laser cutting process in order to check the quality of the cut.
  • the measured intensity of the backscattered light is less when the cut actually extends through the workpiece.
  • the general cause of a cut is insufficient energy input into the workpiece.
  • the too low path energy leads to a flattening of the cutting front, i. to an increase of the cutting front angle, whereby the melt at the lower edge of the cut can not be completely expelled and solidifies in the kerf.
  • the closure of the lower edge of the cut leads to
  • the cutting front angle which is a characteristic characteristic of the cutting gap, is therefore an indicator of an imminent cut.
  • the cutting front or the cutting front angle can be made measurable by a vertical observation of the temperature radiation emanating from the interaction region coaxial to the high-power beam.
  • Workpiece thickness can be determined by the length of the radiating area in the
  • Kerf are closed on the cutting front angle. Problematic in that a dripping melt thread below the workpiece leads to an extension of the emitting area, so that a measurement of the
  • WO 2012/107331 A1 proposes a cutting front upper edge and a cutting front lower edge as material boundaries of the workpiece
  • the cutting front angle of the laser cutting process is typically measured in the visible wavelength range. If the cutting front angle deviates from a nominal value or a desired range, this may indicate a cutting error or a non-optimal operating point, which can be determined by suitable measures, e.g. by adjusting the cutting speed, can be corrected.
  • Inner contour of the cutting nozzle is limited.
  • small nozzle diameters are used, so that the cutting front lower edge lies outside the observation region delimited by the nozzle orifice, even in the case of a blank cut, and the cutting front angle can not be reliably determined.
  • DE 10 201 1016 519 A1 discloses a method and a device for controlling the machining of a workpiece by means of a high-energy
  • a surveillance camera is for generating an electronic
  • the imaging beam path is focused by the lens on the impact site.
  • Interaction area to indicate the presence or absence of burring at the kerf. For example, in a fusion cutting process, due to the absence of a recurring fluctuation in the intensity of the
  • Thermal image in the region of the cutting gap and / or the occurrence of three emanating from the cutting front luminescent strips are closed to the presence of burring.
  • a mild steel flame cutting process using oxygen as a cutting gas
  • Cutting edges of the kerf are detected and based on the frequency of the grooves can be closed to an imminent material erosion.
  • the invention is based on the object, devices and associated methods for monitoring, in particular for the control of a cutting process
  • a first aspect of the invention relates to a device of the aforementioned type, in which the image capture device is designed to form an observation beam for observing the interaction region from an observation direction running at an angle to the beam direction of the high energy beam, and wherein the image capture device comprises imaging optics for generating an image of the image Interaction region of the extending at an angle to the beam axis of the high energy beam observation direction comprises.
  • the proposed measuring principle is based on the detection (at least) of an image of the interaction region from (at least) one viewing angle or at least one observation direction which is at an angle to the beam axis of the
  • High energy beam runs i. the observation beam forming part of the observation beam path runs in the convergent beam path between the focusing element and the workpiece at an angle to the optical axis of the
  • Observation beam path runs at the entrance side of the focusing element parallel to the beam axis of the high energy beam or concentric to the beam axis of the high energy beam.
  • the imaging optics forms the at least one, in particular exactly one, eccentrically, ie not by the central axis of the focusing element running and thus in the convergent
  • characteristic characteristics in particular properties of the kerf, are determined which are determined by a coaxial or vertical observation of the
  • Machining used high-energy beam in the convergent beam path between the focusing element and the workpiece by at least about 2 ° apart.
  • the image capture device is designed, which is
  • Laser cutting process i. the direction along which the high energy beam and the workpiece are moved relative to each other along the support plane depends on the contour to be cut on the workpiece.
  • Feed direction and thus the direction in which the kerf extends typically varies during the cutting process.
  • orientation of the observation direction should be relative to
  • Feed direction ie relative to the direction along which the kerf is formed, remain as constant as possible. This can be achieved by the image capture device appropriately changing the viewing direction during the cutting process.
  • the image capture device has a diaphragm for changing the orientation of the observation direction of the observation beam. In this case, a symmetrical image to the beam axis of the high energy beam can be made.
  • An aperture, through which the observation radiation passes, generates in this case an observation beam, which the
  • a rotatable (hole) aperture with an aperture arranged eccentrically to the beam axis of the high energy beam aperture.
  • a pinhole can, for example, rotated at a constant angular velocity and the respective desired observation direction by a synchronized
  • Recording time of the image capture device are set.
  • the (perforated) diaphragm can be designed to be displaceable in order to shade off a desired region of the observation beam path or to influence the orientation of the observation beam.
  • the shutter can also be designed as a switchable shutter, for example in the form of an electronic shutter (for example an LCD screen or a LCOS display with switchable pixels, each of which has a partial area of the shutter)
  • an electronic shutter for example an LCD screen or a LCOS display with switchable pixels, each of which has a partial area of the shutter
  • Shading observation beam path or a mechanical shutter, which has a plurality of mechanically controllable elements by means of a
  • Control device can be switched between two switching states to each cover a portion of the observation beam path or open. It goes without saying that for high-resolution observation of the area of the workpiece to be monitored with the goal of process observation, further regions of the aperture of the observation beam path can be opened or closed.
  • the imaging optics are different for generating a plurality of images of the interaction region
  • the evaluation device can in this case only that section or those sections of the detector surface evaluate, which correspond to a respective desired observation direction, so that in this case the observation direction in a plane perpendicular to the beam axis can be changed by between different
  • Observation directions recorded images can be switched to determine a characteristic characteristic of the cutting process.
  • the imaging optics may also be configured to receive an image of the interaction region in a direction of observation coaxial with the beam axis of the high energy beam, i. parallel to the beam axis of the high energy beam (typically perpendicular to the workpiece plane), for example, material boundaries of the workpiece, e.g. to detect the cut edges of the kerf.
  • a direction of observation coaxial with the beam axis of the high energy beam, i. parallel to the beam axis of the high energy beam (typically perpendicular to the workpiece plane), for example, material boundaries of the workpiece, e.g. to detect the cut edges of the kerf.
  • the imaging optical elements may be, for example
  • spherical or aspheric lens elements act.
  • the lens elements may be arranged at a distance from one another which corresponds approximately to the distance between the images on the detector surface.
  • Each of the imaging optical elements generates its own imaging or
  • the lens elements are typically eccentric, i. not coaxial with the beam path of the high energy beam or to its extension in the observation beam path arranged to the
  • the imaging optical elements are in one
  • Lens array or arranged in a grid arrangement.
  • a grid arrangement of lens elements (“lenslet” or lens array), for example of microlenses, can be realized in the form of lenses arranged in rows and columns or also in the form of two crossed cylindrical lens arrays Imaging optics in addition to cylindrical lenses of a first cylindrical lens array, which produce a curvature or an imaging effect along a first axis, a second cylindrical lens array, which produce an imaging effect along a second, to the first vertical axis.
  • the imaging optics can on the one hand be produced inexpensively and on the other hand, the available imaging cross-section can be used well.
  • the imaging optics for this purpose can also have a device for forming a respective observation beam by influencing a beam direction of an observation beam path.
  • the device can be designed, for example, as a deflection device with at least one beam deflection region assigned to an observation direction.
  • the incident observation radiation can be directed by the deflection device onto one or more different regions of an imaging optical element, for example a lens element, in order to focus on different, spaced-apart regions in its image plane at which the images of the interaction region are generated become.
  • the deflection device may, for example, have at least one deflection prism for this purpose.
  • a deflection prism for this purpose.
  • Umlenkprismas the deflection can also be designed to be reflective and, for example, several Strahlumsch Schemee in the form of mirror surfaces
  • the imaging optics for generating one or more images may also comprise a device which influences the beam direction of the observation beam path twice in an opposite manner to form an observation beam, so that an overall beam offset results, i. it is in the device to a Strahlversatz nearby.
  • the Strahlversatz dressed can in particular in focused
  • the Strahlversatz observed beam path of the imaging optics, for example, between two a beam telescope forming optical elements, be arranged.
  • the Strahlversatz founded, for example, one, two or more blocks of a transparent to the illumination radiation material, such as quartz glass, which are formed as a plane-parallel blocks or plates to produce a parallel offset of the incident observation radiation.
  • the blocks may be tilted toward each other to cause the two or more observation beams to impinge on different areas of the detector surface to produce two or more laterally offset images.
  • the device additionally comprises a
  • Control device which is adapted to the alignment of the
  • certain characteristic parameters for example the cutting front pitch
  • the control device can control the image capture device to change the orientation of the observation direction and / or the evaluation device such that the latter evaluates a suitable region of the detector surface assigned to the desired observation direction.
  • control device is designed to keep the alignment of the observation direction constant relative to the feed direction of the cutting process. In this way, a certain characteristic
  • Characteristic, for example, the cutting front angle, during the cutting process are reliably determined even in the case that changes the feed direction during the cutting process.
  • the observation direction is in a plane perpendicular to the beam axis of the high energy beam, more precisely in one
  • characteristic characteristic of the cutting process are drawn. Under an orientation opposite to the feed direction of the cutting process for the purposes of this application also observation directions are understood that differ by less than about +/- 23 ° from the orientation against the feed direction, since even with such angular deviations of the cutting front angle can still be determined.
  • the evaluation device is designed, based on the detected interaction region, a cutting front angle of the kerf and / or exceeding and / or undershooting a predetermined cutting front angle of the kerf as a characteristic parameter (s) of the kerf
  • Intensity value can be the total intensity of the recorded image, but usually only a limited spatial area of the recorded image in the range of
  • Cutting front evaluated i. the overall intensity in the spatially limited subarea is determined.
  • this intensity value i. the intensity reference value
  • Total intensity of a lying outside the cutting front portion of the recorded image corresponds, exceeding a critical value for the cutting front angle detected or detected.
  • a drop below a critical value for the cutting front angle can be detected or detected, for example. Falls below one of the above
  • Observation direction to the beam axis of the high energy beam is less than 5 °, preferably less than 2 ° from the predetermined cutting front angle. It has proved to be advantageous if the observation angle is as close as possible to the cutting front angle, beyond which there is no more crop cut, since in this case there are fluctuations in the overall intensity of the crop
  • Cutting front are particularly strong or a flickering of the recorded image is observed. Such a flicker is due to small changes in the
  • the observation angle can be selected so that the falling below a cutting front angle is detected by the detector by flickering.
  • the angle of the observation beam to the beam axis of the high energy beam is between about 5 ° and 15 °, preferably between about 5 ° and 10 °. As was shown above, the angle at which the observation takes place should essentially correspond to the desired or predefined cutting front angle at which a blank cut is still taking place.
  • Cutting front angles may be within the above specified interval. Depending on the process or of the
  • the maximum possible cutting front angle for a good cut can possibly also be outside this range of values, such as the feed rate and the workpiece material used, as well as the beam geometry of the high-energy beam.
  • the observation at a desired (observation) angle of the observation beam to the beam axis of the high power beam can be made through the focusing element provided the required numerical aperture (NA) is given.
  • NA numerical aperture
  • Observation angle The numerical aperture of the image capture device or the imaging optics is chosen so that it is an observation under the
  • Beam axis allows.
  • the image capture device is designed to form a further observation beam for observing the interaction region from a further observation direction
  • the imaging optical system is designed to generate a further image of the interaction region from the further observation direction.
  • the generation of two or more images of the interaction region of two or more. Observation directions may be useful to determine different characteristic parameters, which can be detected only from a respective different observation direction at all or well. Also, a comparison between two or more of the images taken from different directions of observation can be made in order to determine one and the same characteristic parameter with greater precision or to be able to extract additional information by linking or billing the image data.
  • the evaluation device is designed to compare an intensity value determined from the further image of the interaction region with an intensity value determined from an image of the interaction region recorded in a plane perpendicular to the beam axis of the high energy steel against the advance direction.
  • the total intensity of the sluggish, ie counter to the feed direction, recorded image or a portion of this image, which contains a particular image of the cutting front to determine the cutting front slope or the cutting front angle with the total intensity of another image or a portion of this image which is simultaneously recorded from another direction of observation.
  • the intensity value determined from the further image serves as a reference value and can be selected, for example, from that from the opposite of the cutting or
  • either the total intensity of the respective image or the total intensity of sub-areas positioned at the same position in the respective image are used for the comparison.
  • the comparison can be carried out in different ways, e.g. by subtracting the two intensity values from each other.
  • the difference obtained can be compared with a threshold value of the total intensity in order to determine whether the cutting front angle exceeds or falls below a predetermined value.
  • another variable dependent on the two intensity values for example the quotient, can also be assigned a value
  • Threshold are compared to determine the cutting front angle or the overshoot or undershooting of a given cutting front angle.
  • the viewing direction from which the further image is taken may, for example, be oriented in the feed direction, i. it compares the sluggishly recorded image of the cutting front with a pertinently recorded image, wherein the observation directions in the workpiece plane enclose an angle of 180 ° to each other. But it can also be a coaxial, along the beam axis of the high energy beam extending observation direction or possibly another direction of observation as a reference for determining the
  • Cutting front angle serve. A coaxial, along the beam axis of the
  • High-energy beam observation can also be used to enable a higher-resolution process observation of the area to be monitored.
  • the observation direction in a plane perpendicular to the beam axis of the high-energy beam is not aligned in or against the (instantaneous) feed direction of the cutting process and the evaluation device is designed to detect burr formation, roughness and / or scoring as a characteristic parameter (n ) to determine the kerf.
  • other characteristic parameters of the kerf are determined alternatively or additionally to the determination of the cutting front pitch, for example a scoring or a scoring distance in the cutting or feed direction and a groove depth at the lateral edges of the kerf, a burr formation on the underside of the workpiece and / or the
  • the cutting front pitch more precisely, the exceeding of a predetermined cutting front angle, can be an indicator for a cut or for a draft or scoring (as a precursor of a cut break) form.
  • an observation direction or it can be two aligned at an angle of approximately 180 ° to each other
  • Cutting edges of the kerf is particularly well recognized on the interaction area, which facilitates the determination of the above characteristic characteristics.
  • the device additionally comprises a
  • Illumination source for illuminating the workpiece in the area to be monitored.
  • the illumination can be coaxial to the beam axis of the
  • the illumination source can, for example, generate illumination at wavelengths between 360 nm and 800 nm (VIS) or approximately 800 nm and approximately 1000 nm (NIR).
  • the lighting can be coaxial with
  • the illumination beam can be geometrically coupled in, for example, in angular ranges not used for the observation, for example in the form of a mirror or perforated mirror introduced in the collimated beam path, which locally brings together the beam paths of illumination and observation.
  • the illumination radiation can be coupled in via a beam splitter be reflected, for example, 50% of the illumination radiation and transmits 50% of the observation radiation.
  • the beam splitter can also be called
  • Polarization beam splitter be executed so that only radiation whose polarization is rotated upon reflection on the workpiece, passes into the observation beam path. But it is also possible that the illumination source is not coaxial with
  • the illumination source can be embodied, for example, as a diode laser, light-emitting diode (LED) or flashlamp, with a high power density in a spectrally narrow range being advantageous for the illumination.
  • a homogenization of the radiation can be embodied, for example, as a diode laser, light-emitting diode (LED) or flashlamp, with a high power density in a spectrally narrow range being advantageous for the illumination.
  • a glass rod or a glass fiber be advantageous for example by a glass rod or a glass fiber.
  • the image capture device for receiving the image through a nozzle opening of a laser cutting nozzle for the passage of the
  • the image capture device has a
  • Detector in particular a camera, with a detector surface on which the image is generated.
  • the detector is usually one
  • Spatially resolving detector for example, a CCD sensor or a CMOS sensor, which can also be designed as an HDR (High Dynamic Range) sensor.
  • HDR High Dynamic Range
  • For the detection of several images can serve one and the same detector surface of the camera, but it can also be several detectors or detector surfaces for
  • Thermal radiation in a wavelength range that depends on the material of the workpiece In the case of iron-containing workpieces, an observation in a wavelength range between approximately 800 nm and 1100 nm or 1400 nm (NIR Area) cheap.
  • NIR Area In the first case, for example, a Si-based camera can be used, in the second case an InGaAs-based camera.
  • the melting temperature is lower, so that if necessary, for longer wavelengths, e.g. in the short-wave infrared range (SWIR) between about 1, 4 m and 3.0 i (InGaAs) or possibly in the far infrared range (FIR) between about 15 ⁇ and 1 mm are sensitive, necessary for the observation or can be favorable.
  • SWIR short-wave infrared range
  • InGaAs InGaAs
  • FIR far infrared range
  • Wavelength range of about 15 nm or less advantageous to prevent chromatic aberrations To produce such a narrowband
  • Observation can be a narrow-band wavelength-selective filter in the
  • Imaging device can be provided.
  • the device additionally comprises a control and / or regulating device for controlling and / or regulating parameters of the cutting process as a function of the at least one determined
  • control and / or regulating device is typically used to control the entire cutting process, i. the movement of the high energy beam relative to the workpiece required for the cutting process, as well as cutting parameters such as e.g. Feed or
  • a reduction of the feed rate can be carried out, for example, if the predetermined cutting front angle, at which a good cut is still made, is exceeded.
  • Another aspect of the invention relates to a device of the type mentioned above, which may be designed in particular as described above, and in which the evaluation device is formed, based on the detected
  • the device additionally comprises a control device which is designed or programmed to control the cutting front angle to a predetermined, constant value by influencing at least one adjusting parameter of the cutting process.
  • the predetermined, constant value of the cutting front angle typically corresponds to the predetermined cutting front angle, provided that its over- or
  • the inventors have recognized that to control the cutting process by means of a high-energy beam, in particular by means of a laser beam, it is advantageous to use the three-dimensional shape of the cut front, in particular the cutting front angle, as a control variable, i. the cutting front pitch or the
  • Cutting front angle to a predetermined, constant target value to regulate.
  • the actual value of the cutting front angle and / or the exceeding and / or undershooting of the predetermined cutting front angle is determined, which can be done in the manner described above.
  • the path energy introduced into the workpiece is typically influenced in such a way that there is a constant force for a particular type of material and material thickness of the workpiece
  • the cutting front pitch or the cutting front angle correlate directly with the cut-breaking limit and, with a cutting front pitch adapted to the respective blast caustics of the high energy beam, sets an optimum processing point which can be kept short below the cut-breaking limit.
  • Cutting front angle can be influenced, it is typically about Adjustment parameters that influence the path energy introduced into the workpiece.
  • the path energy corresponds to that supplied by the high-energy beam
  • Stellparametern it may u.a. about the feed rate between the high energy beam and the workpiece, the power of the high energy beam, the Strahlkaustik or the focal position of the high energy beam and the
  • Gas mixture and the gas supply i.e., for example, the volume flow
  • the control device is formed, the adjusting parameters for controlling the cutting front angle as a function of the contour to be cut, in particular in dependence on a radius of curvature of
  • Feed rate is limited by the dynamics of the axes involved in the movement. In this case it is cheap, not the
  • the feed rate can be used as a manipulated variable when the power of the high energy beam reaches its maximum value, which is typically the case when cutting longer straight contours (with an infinite radius of curvature).
  • control device is designed to influence the feed rate between the high energy beam and the workpiece as a control parameter for controlling the cutting front angle when the
  • Feed rate is limited by the material and the thickness of the workpiece - and not by the geometry of a workpiece to be cut contour - to a maximum value.
  • the maximum feed rate is typically achieved when cutting a (long) straight contour, ie at a kerf that runs along a straight line.
  • the maximal Feed rate is limited in this case not by the dynamics of the axes involved in the movement, but by the nature and thickness of the cut workpiece material, since when exceeding the maximum
  • Feed rate can be adjusted so that the desired constant cutting front angle achieved and a cut-break is prevented.
  • control device is formed during the
  • the productivity of the cutting process can be increased when cutting contours in which the dynamics of the axes involved in the movement
  • Feed rate is not limited, the performance of the
  • High energy beam for example, the laser beam
  • the constant value is a maximum value for the particular device (e.g., laser cutting machine) and the particular type and thickness of workpiece material, which is common to many materials.
  • the beam source e.g. a laser source that generates the high energy beam. In this way, the path energy introduced into the workpiece can be maximized.
  • control device is designed as
  • High energy beam to influence when the feed rate between the high energy beam and the workpiece is limited by the geometry of a workpiece to be cut contour to a maximum value.
  • the maximum feed rate is limited by the dynamics of the axes involved in the movement between the high energy beam and the workpiece
  • Descend the contour to be cut with the desired accuracy must allow.
  • the control device is designed, while influencing the power of the high-energy beam, to keep the feed speed at the maximum possible value for cutting the contour in order to carry out the cutting process with the maximum possible speed.
  • the maximum possible value of the feed speed can vary along the contour to be cut.
  • control device is designed to modulate the power of the high-energy beam and as a control parameter for controlling the
  • the high-energy beam is typically used in so-called "continuous wave” mode, where the power is continuously generated and the amplitude of the power is reduced or increased, especially when cutting very small contours (with very small radii of curvature) and the process capability can be optimized by modulating the power, ie, the high energy beam is not always on, for example, the power can be pulsed in this case, and the power modulation can be used as a manipulated variable for the control of the cutting front angle.
  • the evaluation device is designed to determine an exceeding of the predetermined cutting front angle of the kerf and the control device has to control the cutting front angle a discontinuous controller, in particular a two-position controller or a three-point controller on.
  • the evaluation device can be designed not to measure the absolute value of the cutting front angle in absolute terms, but merely to exceed or possibly fall below a predetermined value
  • a discontinuous controller for example in the form of a two-step controller or a three-step controller, is advantageous for the control.
  • the control in the two-point measurement or in a two-point controller can also be implemented by the fact that the cutting front to the setpoint of
  • Cutting front angle commutes. Since the cutting process is dynamic, is the Cutting front angle never absolutely constant. However, oscillation about the predetermined, constant cutting front angle is measurable in the manner described above.
  • the pendulum frequency may possibly in the regulation of the
  • the evaluation device is designed to determine the cutting front angle of the kerf, and the control device has to control the cutting front angle on a continuous (for example, linear) controller, in particular a PID controller on.
  • a continuous controller for example a PID controller
  • a continuous controller for example a PID controller, is used for the regulation.
  • the implementation of complex control concepts is also possible.
  • Another aspect of the invention also relates to a method of the type mentioned for monitoring, in particular for the control of a cutting process on a workpiece.
  • the method is characterized by forming a
  • Another aspect of the invention relates to a method of the type mentioned, which may have in particular the method steps described above.
  • the method is characterized by: determining a cutting front angle of the kerf and / or exceeding and / or undershooting a predetermined cutting front angle of the kerf as a characteristic
  • Characteristic (s) of the cutting process as well as rules of the cutting front angle on a predetermined, constant value by influencing at least one
  • adjusting parameter for controlling the cutting front angle in response to a contour to be cut on the workpiece in particular in dependence on a radius of curvature of a on the workpiece to
  • the feed rate between the high-energy beam and the workpiece is influenced as a control parameter for controlling the cutting front angle when the feed rate is limited by the material and the thickness of the workpiece to a maximum value.
  • the power of the high-energy beam is kept at a constant, in particular maximum value, which can in particular coincide with the maximum producible power of a radiation source which generates the high-energy beam.
  • Cutting front angle affects the performance of the high energy beam when the feed rate between the high energy beam and the workpiece is limited by the geometry of a workpiece to be cut contour to a maximum value. In this case, it is favorable if, during the influencing of the power of the high-energy beam, the feed rate is kept at the maximum value.
  • the power of the high-energy beam is modulated, in particular when cutting contours with very small radii of curvature, and the modulation of the power of the high-energy beam is influenced as a control parameter for controlling the cutting front angle.
  • the predetermined, constant value to which the cutting front angle is regulated lies between 2 ° and 6 °, preferably between 3 ° and 5 °.
  • Flame cutting processes are used as well as for fusion cutting processes.
  • the invention also relates to a computer program product, which is for
  • the data processing system may be, for example, a control and
  • Control device and / or act to an evaluation which is housed in a device as described above, but also to an external device, which is typically part of a processing machine.
  • Fig. 1 a is a schematic representation of an embodiment of a
  • FIG. 1 b is an illustration of a diaphragm for forming an observation beam in such a device along a section line BB of FIG. 1 a
  • FIG. 2 a-d four illustrations of thermal images of an interaction region between the laser beam and the workpiece from four different, mutually perpendicular observation directions
  • FIG. 1 a with a raster arrangement for generating images of the interaction region from different observation directions a representation of a circular contour cut on the workpiece
  • FIG. 4a-c show detailed representations of the raster arrangement of FIG. 3, FIG. 5a, b representations of an imaging optical system for the device of FIG. 1a with a deflection prism for the generation of images of the FIG
  • FIG. 6a-d representations of a cutting front angle at one in the
  • FIG. 1 a shows an exemplary structure of a device 1 for monitoring and controlling a laser cutting process on a workpiece 3 by means of a
  • Laser beam 2 which is formed in the form of a laser processing head, which is part of a laser processing machine, not shown.
  • the laser beam 2 is generated in the example shown by a CO 2 laser.
  • the laser beam 2 can be generated for example by a solid-state laser.
  • the laser beam 2 is focused on the workpiece 3 by means of a focusing element in the form of a focusing lens 4 for carrying out a cutting operation on the workpiece 3.
  • the focusing lens 4 in the example shown is a lens made of zinc selenide, the laser beam 2 by a
  • the laser beam 2 forms a there Interaction region 8 with the workpiece 3, behind the counter to a feed direction v or cutting direction of the laser cutting process a
  • Kerf 16 is generated.
  • a focusing lens can be used, for example, made of quartz glass.
  • a partially transmissive trained deflecting mirror 6 which reflects the incident laser beam 2 (eg. With a wavelength of about 10.6 pm) and for monitoring process monitoring relevant radiation to another partially transmissive deflecting mirror 8 is transmitted.
  • Deflection mirror 6 is designed for observation radiation in the form of heat radiation at wavelengths of about 800 nm to 1100 nm, possibly over 1100 nm, partially transmissive.
  • the further partially transparent deflection mirror 8 reflects the
  • Illumination source 10 is used for coaxial illumination of the workpiece 3 with illumination radiation 1 1.
  • the illumination radiation 1 1 is transmitted from the further partially transmissive deflection mirror 8 and from the deflection mirror 6 and through the nozzle opening 5 a of the laser processing nozzle 5 on the
  • Supply image detection device 9 or to supply the illumination radiation 11 to the workpiece 3. Also at least one laterally introduced into the beam path of the laser beam 2 mirror can be used to enable the observation.
  • diode lasers or LEDs or flash lamps can be provided which, as shown in FIG. 1 a, can be arranged coaxially but also off-axis to the laser beam axis 13.
  • the illumination source 10 may, for example, also be arranged outside (in particular next to) the device 1 and directed towards the workpiece 3; Alternatively, the illumination source 10 may be disposed within the device 1, but not coaxially with the laser beam 2 be aligned with the workpiece 3.
  • the device 1 can also be operated without a lighting source 10.
  • Part of the image capture device 9 is a geometrically arranged in the observation beam path 7 behind the further partially transparent deflection mirror 8
  • Camera 12 may be a
  • Act high-speed camera which is coaxial with the laser beam axis 13 and the extension of the laser beam axis 13 and thus arranged direction independent.
  • the image is captured by the camera 12 in the incident light process in the NIR / IR wavelength range to the
  • a filter can be arranged in front of the camera 12 if further radiation or wavelength components are to be excluded from the detection with the camera 12.
  • the filter may e.g. when
  • narrow-band bandpass filter with a half-width of, for example, about 15 nm.
  • monitoring area 15 of the workpiece 3, which contains the interaction region 18, on a detector surface 12a of the camera 12 has the
  • Imaging device 9 an imaging optics 14.
  • the imaging optics 14 has a diaphragm 25 which is rotatably mounted about a central axis of rotation D, so that during rotation, the position of an eccentrically arranged diaphragm aperture 25a moves on a circular arc about the axis of rotation D.
  • An observation direction R1 of the observation beam 7a extends in the projection in the XY plane or the workpiece plane counter to the feed direction v, along which the laser beam 2 and the workpiece 3 are moved in the XY plane relative to each other to form the desired cutting contour.
  • an electrically adjustable diaphragm for example in the form of an LCD array, can be used, in which individual pixels or groups of pixels are electronically switched on or off.
  • the panel 25 can also be realized in the form of one or more open and zuklappbarer mechanical elements.
  • FIGS. 2 a - d an image of the area 15 of the workpiece 3 to be monitored, each of which is picked up by the imaging optics 14, is delimited by a circular inner contour 5b of the laser cutting nozzle 5.
  • the region 15 to be monitored limited by the inner contour 5b of the laser cutting nozzle 5 contains an image B1 to B4 of the interaction region 18 which was recorded in the representations shown in FIGS. 2a-d from differently oriented observation directions R1 to R4.
  • FIG. 2a shows an image B1 of the interaction region 18, which was taken from the observation direction R1 shown in FIG. 1a.
  • the projection of the observation direction R1 into the XY plane is shown in FIG. 2a by an arrow.
  • the observation direction R1 runs counter to the feed direction v, ie in the negative X direction, which is referred to as a slipping observation with respect to a cutting front 16a on the workpiece 3, behind forms the kerf 16.
  • a cutting front angle ⁇ of the cutting front 16a is defined as the angle that a connecting line between the upper edge of the cutting front 16a at the top of the workpiece 3 and the lower edge of the cutting front 16a at the bottom of Workpiece 3 with the beam axis 13 of the laser beam 2 and with the thickness direction of the plate-shaped workpiece 3 includes.
  • the intensity value 11 can be used to determine the overall intensity of the image B1, but the intensity value 11 can also be determined on the basis of a spatially limited area of the image B1 which contains, for example, the cutting front 16a. Also in the latter case, the intensity value 11 is determined by determining the total intensity in the spatially limited area or image detail. If the intensity value 11 determined using the recorded image B1 increases, the cutting front angle ⁇ also typically increases. On the basis of an assignment of measured values of the intensity value 11 to cutting front angles a, which was determined, for example, in previous test measurements, it is possible to use a
  • Evaluation device 19 from the determined under sluggish observation intensity value 11 of the cutting front angle ⁇ determine.
  • Accuracy may be favorable, based on a spatially limited
  • Partial area or image detail certain intensity value 11 with a further intensity value 12 in relation, on the basis of another spatially limited section or image section of the captured image B1 is determined, which does not include the cutting front 16a.
  • Substantially corresponds to the predetermined cutting front angle a G , in which there is still a good cut.
  • the deviation is less than 5 °, in particular less than 2 °.
  • the range of values in which the deviation lies depends inter alia on the angular range under which observation is made (for example, the size of the off-center aperture 25a), so that the deviation can possibly also be larger.
  • the angle ⁇ of the observation direction R1 to the beam axis 13 should be between 3 ° and 13 °, preferably between 6 ° and 10 °. Suitable angles ⁇ of the observation direction R1 to the beam axis 13 of the laser beam 2 are typically between about 5 ° and about 15 °, in particular between 5 ° and 0 °, the exact value depending on the thickness of the workpiece 3 and the workpiece material used ,
  • the angle ⁇ of the observation direction R1 to the beam axis 3 of the laser beam 2, under which the image B1 is recorded, is determined by the distance between the centric
  • Rotary axis D and the aperture 25a of the aperture 25 predetermined.
  • the distance and thus the angle ß of the observation direction R1 to the beam axis 13 of the laser beam 2 can be adjusted or changed by a shift of the aperture 25 in the YZ plane, if necessary.
  • the focusing lens 4 in Diameter be increased or it can be an observation from outside the focusing lens 4, ie the observation beam path 7 is not or only partially through the focusing lens 4 therethrough. Also an observation at smaller angles ß (usually at least 2 °) is possible.
  • the accuracy in determining the cutting front angle ⁇ can be increased if it is set in relation to an intensity value 12 of a further image B2 of the interaction region 18, that of another
  • Observation direction R2 is recorded.
  • the further observation direction R2 in the XY plane is to the (first)
  • Feed direction (positive X direction), which is also referred to as a pungent observation.
  • the angle ⁇ which the two observation directions R1, R2 have with respect to the beam axis 13, is identical (see also FIG ), but it may also be different angles are selected for the different directions of observation.
  • the intensity value 12 determined from the image B2 of FIG. 2b taken under sharp observation serves as a reference value and can be subtracted, for example, from the intensity value 11 of the image B1 recorded under sluggish observation, which is shown in FIG. 2a.
  • the difference thus obtained, or possibly a quotient 11/12 formed from the intensity values 11, 12, can be compared in the evaluating device 19 with the threshold value or reference value l ref in order to determine whether the cutting front angle .alpha
  • Cutting front angle exceeds a R , in which there is still a good cut.
  • Intensity values 11, 12 which correspond to the total intensity of the two images B1, B2 or partial regions of the two images B1, B2 positioned at the same position are typically used for the comparison.
  • observation directions R1, R2 shown in FIGS. 2a, b which run in or counter to the feed direction v
  • a Observation of the interaction region 18 to take from observation directions that are not in the plane (XZ plane) of Fig. 1a, which extends along the center plane of the kerf 16.
  • the evaluation device 19 can use the recorded images B3, B4, which extend in the XY plane at an angle of +/- 90 0 to the feed direction v, determine a burr, roughness and / or scoring as a characteristic parameter (s) of the kerf 16 , For example, based on the image B3, which was taken from the third observation direction R3, a scoring or a scoring pitch in the cutting or feed direction v and a groove depth at that lateral edge of the kerf 16 can be determined, which in Fig. 1a in front of the plane is arranged.
  • the fourth image B4 which was recorded from the fourth observation direction R4
  • the grooves may, for example, be recognizable in the form of periodically recurring structures (typically in the form of indentations or indentations) at the edge of the image B3, B4 of the interaction region 18, and a groove spacing and the amplitude of the image may be determined by the distance between the structures Structures are closed to the groove depth.
  • the evaluation device 19 can also determine a burr formation on the underside of the workpiece 3 and / or the roughness on the two cutting gap flanks or edges of the kerf 16.
  • the lower edge of the kerf 16 no longer runs as a horizontal line, so that a geometric deviation arises in the respective image B3, B4, which can be detected by the evaluation device 19.
  • the third and fourth observation directions R3, R4 do not necessarily have to run at a right angle to the feed direction v. Rather, if necessary, an observation can also take place at angles that, for example, extend in the XY plane between approximately + 70 ° and + 10 ° (or -70 ° and -1 10 °) to the feed direction.
  • a certain characteristic parameter such as the
  • Cutting front angle a even with a change of the feed direction v during cutting along curved cutting contours under a desired observation direction, for example, the observation direction R1 against the feed direction v to observe, it is necessary to align the direction of observation R1 in the XY plane in Dependence on the
  • a control and regulating device 20 can serve, which rotates the aperture 25 and thus the aperture 25a in accordance with the change of the feed direction v in accordance with the rotation axis D, so that the observation direction R1 is always aligned counter to the feed direction v.
  • the orientation of each of the other observation directions R2 to R4 shown in FIG. 2b-d can also be kept constant relative to the feed direction v.
  • the control and regulating device 20 controls the cutting process, it has the necessary information with regard to the instantaneous feed direction v and can appropriately control the image capture device 9, more precisely the aperture 25.
  • the aperture 25 may also have more than one aperture 25a to allow simultaneous observation of the interaction region 18 to allow from different observation directions R1 to R4.
  • the imaging optics 14 should be designed so that the
  • the device 1 shown in FIG. 3 In contrast to the device 1 shown in FIG. 1a, in which the observation beam 7a is generated by a non-centric aperture (aperture 25a) in the observation beam path 7 and the imaging of the observation beam path 7 by means of a single imaging lens 17 centric to the beam axis 13 of the laser beam. 2 3, the device 1 shown in FIG. 3 has imaging optics 14 with a plurality of optical elements in the form of lens elements 22, 23 which serve to generate a plurality of images on the detector surface 12a of the detector 12, each from different observation directions R1, R2, ... are recorded.
  • imaging optics 14 also has two lenses 17a, 17b in a telescope arrangement in order to adapt the beam cross section of the observation beam path to the detector surface 12a of the camera 12
  • control device 20 depending on the instantaneous feed direction v, controls the evaluation device 19 in such a way that an evaluation of only those images takes place that consists of observation directions with a advantageous for the determination of a respective characteristic parameter
  • Orientation are recorded, as described in more detail below. If, in addition, the observation angle ⁇ is also to be changed, it is necessary to suitably select or change the radial distance of the images evaluated by the evaluation device 19 to the center of the raster arrangement 24.
  • two images B1, B2 can be used for determining the cutting front angle ⁇ , which are assigned to two observation beams 7a, 7b or two observation directions R1, R2, which are essentially in the feed direction v or .
  • the observation directions R1, R2, along which the two images B1, B2 are recorded to soft about 5 ° from the X direction.
  • aspherical lenses can be used to form the raster assembly 24.
  • four imaging optical elements can form the raster arrangement 24. It is understood that a single, eccentrically arranged to extend the beam axis 13 of the laser beam 2 optical element is sufficient to receive an image of the interaction region 18 from an observation direction which extends at an angle ß to the beam axis 13 of the laser beam 2.
  • the grid assembly 24 may be confined to an annular region, i. on the grid elements in the center of
  • Raster arrangement 24 can be dispensed with, since these can only be used to produce images which have a very small angle to the beam axis 13 of the laser beam 2.
  • a comparatively large lens are arranged centrally to a coaxial observation of the interaction region 18 with high
  • Observation beam 7 in the form of a deflecting prism 26 formed beam deflection device is shown in Fig. 5a, b.
  • the deflecting prism 26 has four wedge-shaped sections with plan, to observation radiation or to their
  • the first two surfaces 26a, b serve as beam deflecting regions for deflecting the incident
  • Observation beam 7a, 7b are formed to produce a first and second image B1, B2 on the detector surface 12a, which are spaced apart along the X-axis.
  • the third surface 26c and the fourth surface 26d serve as corresponding
  • the central area 27, which does not deflect the observation radiation, serves the purpose of
  • control and regulating device 20 can also serve to intervene in the cutting process as a function of the value of the determined characteristic parameter and to adapt or change certain cutting parameters. Based on Fig. 6a-d, the influence of the
  • FIG. 6a shows a section or a kerf 16 in which the cutting front angle ⁇ of the cutting front 16a is about 3 °
  • FIG. 6b shows a
  • Cutting front 16a with a cutting front angle ⁇ of about 4.9 °.
  • Fig. 6c shows a cutting front 16a with a cutting front angle ⁇ of about 10 °, i. the given one
  • FIG. 6d shows a cutting front 16a which is present at a cut-off in which the lower edge of the workpiece 3 is no longer severed. It is understood that in the sectional tear shown in Fig. 6d no meaningful determination of the cutting front angle ⁇ more is possible.
  • Cutting front angle OG here is associated with a feed rate v, which - arbitrarily - is set as 100%, i. it is the maximum
  • Feed rate which usually still a good cut is possible.
  • the feed rates vi to v4 shown in FIGS. 6a-d correspond to 50% (FIG. 6a), approximately 100% (FIG. 6b), 110% (FIG. 6c) and 120% or more (FIG. 6d) of this maximum feed rate v max .
  • the maximum feed rate v max is one
  • the feed rate v can be suitably adjusted or regulated in order to achieve that the cutting front angle ⁇ remains below the predetermined cutting front angle ⁇ Q. If necessary, the feed rate v can also be reduced to a value below the maximum feed rate v max in order to exceed the
  • control and regulating device 20 can also serve to further parameters of the cutting process, for example, the laser power, the gas flow, etc. in
  • the cutting front angle ⁇ and / or further characteristic parameters of the cutting process can be determined in the manner described above.
  • the cutting front angle ⁇ can also be determined in the event that the cutting front lower edge is located outside the field of view 15 which is delimited by the nozzle opening 5 a of the laser cutting nozzle 5.
  • the determination of the cutting front angle can be reliably carried out in the sense of a simple image processing and the components required for the determination of characteristic parameters can in the
  • Processing head to be integrated, which forms the device 1.
  • the control device 20 influences at least one adjusting parameter as a manipulated variable for the
  • a speed profile of the feed rate v as a function of the time t is shown above the workpiece 3 shown below in FIG. 7, a speed profile of the feed rate v as a function of the time t is shown.
  • the scaling of the time axis is selected so that a respective time coincides with the location of the workpiece 3 immediately below along the X-axis.
  • Feed rate v is very large at the beginning of the cutting process, i. the feed rate v is approximately 140%, well above the maximum
  • Feed rate v MA x which was as shown above, a guide value for a specific machining task, which is characterized by the thickness D of the workpiece 3 and the material or the material type of the workpiece 3.
  • Typical target values ⁇ G for the cutting front angle ⁇ are between about 2 ° and about 6 °, in particular between about 3 ° and about 5 °.
  • Exceeding the desired value OQ of the cutting front angle ⁇ is detected by the evaluation device 19 in the manner described above.
  • the control device 20 has a discontinuous controllers, in the example shown, a two-point controller 31 on (see Fig. 1a and Fig. 3).
  • the two-position controller 31 increases or decreases the feed rate v depending on whether the actual value S
  • the feed rate v is increased or decreased, depending on whether the actual value of the cutting front pitch ⁇ is below or above the desired value OG.
  • other discontinuous controllers for example three-point controllers or the like, may also be integrated into the control device 20 in order to control the cutting front angle ⁇ to the desired value ctsoii.
  • Feed rate v the power P of the laser beam 2 is kept at a constant, maximum value PMAX (see FIG.
  • Machining task ie material of the workpiece 3 and thickness D of the workpiece 3 and the laser source used is a guideline.
  • the maximum possible power P MA x is usually the
  • the maximum power P M AX is typically achieved when the contour to be cut, as shown in FIG. 7, is a comparatively long straight contour 30 (radius of curvature infinite).
  • Feed rate v used as a manipulated variable when the power of the high energy beam reaches its maximum value PMAX, which is typically when cutting longer straight contours (with infinite
  • the contour to be cut is a comparatively small contour 34, as shown in FIG. 3a, and which has a radius of curvature R that is so small that the maximum feed rate V M AX is determined by the dynamics of the movement between the movement axis involved in the laser beam 2 and the workpiece 3 is limited with its maximum axis acceleration on the order of about 1 g.
  • one or more auxiliary axes (s) may be used, ie redundant, highly dynamic axes with a small movement axis. or travel range.
  • the power P of the laser source 33 of the device 1 as a control variable for the control of
  • Feed rate v is typically maintained at the maximum possible value VMAX, which depends on the movement along the contour 34 to be cut, in particular as a function of the possibly not constant
  • Radius of curvature R may vary. When cutting very small contours 34, it may be favorable, instead of a continuous wave operation, the power P generated by the laser source 33
  • Laser beam 2 to modulate.
  • the laser source 33 can be switched to a pulsed mode.
  • the modulation or pulse frequency f M of the laser beam 2 as a control parameter for the control of
  • Cutting front angle ⁇ can be used.
  • the pulse duration of the pulses of the pulsed laser beam 2 generated by the laser source 33 can be used as setting parameters for the regulation of the cutting front angle ⁇ .
  • Absolute value of the cutting front angle ⁇ can be determined. This can be done for example in the manner described in the cited WO 2012/107331 A1, i. in that the distance A between the cutting front upper edge and the cutting front lower edge of the cutting front 16a shown in FIG. Of the
  • Cutting front angle ⁇ and to determine the exceeding of the predetermined Cutting front angle ⁇ G may be formed.
  • the choice of the method of determination or the method of regulation can depend, for example, on whether the cutting front 16a is easily recognizable during the cutting process or if this is difficult to identify by the process lighting, so that the distance A can not be determined accurately enough.
  • Cutting front angle ⁇ to a constant target value ⁇ Q the productivity and process capability of the cutting process can be optimized.
  • a "self-sufficient" cutting process can be realized in this way if necessary, in which the device 1 sets the optimum operating point for different materials or contours to be cut itself.

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück (3), umfassend: ein Fokussierelement (4) zur Fokussierung eines Hochenergiestrahls (2), insbesondere eines Laserstrahls, auf das Werkstück (3), eine Bilderfassungseinrichtung (9) zur Erfassung eines zu überwachenden Bereichs an dem Werkstück (3), der einen Wechselwirkungsbereich (18) des Hochenergiestrahls (2) mit dem Werkstück (3) umfasst, sowie eine Auswerteeinrichtung (19), die ausgebildet ist, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs (18) mindestens eine charakteristische Kenngröße (α) des Schneidprozesses, insbesondere einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge (16), zu ermitteln. Die Bilderfassungseinrichtung (9) kann zur Bildung eines Beobachtungsstrahls (7a) zur Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs (14) aus einer unter einem Winkel (ß) zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (2) verlaufenden Beobachtungsrichtung (R1) ausgebildet sein und kann eine Abbildungsoptik (14) zur Erzeugung eines Bildes des Wechselwirkungsbereichs (18) aus der unter dem Winkel (ß) zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (2) verlaufenden Beobachtungsrichtung (R1) umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die Auswerteeinrichtung (19) ausgebildet sein, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs (18) einen Schneidfrontwinkel (α) der Schnittfuge (16) und/oder eine Überschreitung und/oder Unterschreitung eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels (αG) der Schnittfuge (16) als charakteristische Kenngröße(n) des Schneidprozesses zu ermitteln, und die Vorrichtung (1) kann eine Regeleinrichtung (20) zur Regelung des Schneidfrontwinkels (α) auf einen vorgegebenen, konstanten Wert (αG) durch Beeinflussen mindestens eines Stellparameters (v, P) des Schneidprozesses umfassen. Die Erfindung betrifft auch zugehörige Verfahren.

Description

Vorrichtungen und Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines
Schneidprozesses Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück, umfassend: ein Fokussierelement zur Fokussierung eines Hochenergiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls, auf das Werkstück, eine Bilderfassungseinrichtung zur Erfassung eines zu überwachenden Bereichs des Werkstücks, der einen Wechselwirkungsbereich des Hochenergiestrahls mit dem Werkstück umfasst, sowie eine
Auswerteeinrichtung, die ausgebildet bzw. programmiert ist, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs mindestens eine charakteristische Kenngröße des Schneidprozesses, insbesondere mindestens eine charakteristische Kenngröße einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge, zu ermitteln. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück, umfassend: Fokussieren eines
Hochenergiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls, auf das Werkstück, Erfassen eines zu überwachenden Bereichs des Werkstücks, der einen
Wechselwirkungsbereich des Hochenergiestrahls mit dem Werkstück umfasst, bevorzugt mittels eines im Wesentlichen koaxial zur Strahlachse des
Hochenergiestrahls verlaufenden Beobachtungsstrahlengangs, sowie Ermitteln mindestens einer charakteristischen Kenngröße des Schneidprozesses,
insbesondere einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs. Die Erfassung des zu überwachenden Bereichs des Werkstücks erfolgt bevorzugt mittels eines im Wesentlichen koaxial zur
Strahlachse des Hochenergiestrahls verlaufenden Beobachtungsstrahlengangs. Eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserschneidprozesses, die zur Erfassung von charakteristischen Kenngrößen eines Laserschneidprozesses, beispielsweise eines bevorstehenden Schnittabrisses, dienen kann, ist aus der WO 2012/107331 A1 der Anmelderin bekannt geworden. Ein drohender Schnittabriss wird dort beim Unterschreiten einer vorgegebenen Spaltbreite des Schnittspalts erkannt. Alternativ oder zusätzlich wird die Fläche der beobachteten Schneidfront mit einer
Referenzfläche verglichen, welche der Fläche der Schneidfront bei einem Gutschnitt bzw. Qualitätsschnitt entspricht. Ein Schnittabriss kann auch detektiert werden, falls die von der Referenzfläche emittierte Strahlungsintensität einen Grenzwert für die Soll-Helligkeit bei einem Normalschnitt überschreitet.
In der WO 20 3/053832 A1 wird eine Vorrichtung beschrieben, welche bei einem Laserschneidprozess zurückgestreutes Licht misst, um die Schnittqualität zu überprüfen. Die gemessene Intensität des zurückgestreuten Lichts ist geringer, wenn der Schnitt sich tatsächlich durch das Werkstück erstreckt. Um den Abtransport von Schlacke zu optimieren, werden die Frequenz bzw. der Druck von beim
Schneidprozess verwendeten Gaspulsen mittels einer Steuerungseinrichtung so ängepasst, dass die gemessene Intensität des zurückgestreuten Lichts einen minimalen Wert annimmt.
Generelle Ursache für einen Schnittabriss ist eine unzureichende Energieeinbringung in das Werkstück. Die zu geringe Streckenenergie führt zu einer Abflachung der Schneidfront, d.h. zu einer Vergrößerung des Schneidfrontwinkels, wodurch die Schmelze an der Schnittunterkante nicht mehr vollständig ausgetrieben werden kann und in der Schnittfuge erstarrt. Der Verschluss der Schnittunterkante führt zu
Prozessunregelmäßigkeiten, die i.d.R. einen Trennschnitt dauerhaft verhindern. Der Schneidfrontwinkel, der eine charakteristische Kenngröße des Schnittspalts darstellt, ist daher ein Indikator für einen drohenden Schnittabriss. Die Schneidfront bzw. der Schneidfrontwinkel kann prinzipiell durch eine senkrechte Beobachtung der vom Wechselwirkungsbereich ausgehenden Temperaturstrahlung koaxial zum Hochleistungsstrahl messbar gemacht werden. Bei bekannter
Werkstückdicke kann anhand der Länge des abstrahlenden Bereichs in der
Schnittfuge auf den Schneidfrontwinkel geschlossen werden. Problematisch ist dabei, dass ein abtropfender Schmelzfaden unterhalb des Werkstücks zu einer Verlängerung des abstrahlenden Bereichs führt, so dass eine Messung des
Schneidfrontwinkels auf diese Weise nicht zuverlässig möglich ist. In der WO 2012/107331 A1 wird vorgeschlagen, eine Schneidfrontoberkante und eine Schneidfrontunterkante als Materialbegrenzungen des Werkstücks zu
detektieren und daraus unter Berücksichtigung der Dicke des Werkstücks den Schneidfrontwinkel des Laserschneidprozesses zu ermitteln. Zu diesem Zweck wird der Abstand zwischen der Schneidfrontoberkante und der Schneidfrontunterkante entlang der Spaltmitte des Schnittspalts bzw. der Schnittfuge typischer Weise im sichtbaren Wellenlängenbereich gemessen. Weicht der Schneidfrontwinkel von einem Sollwert bzw. einem Sollbereich ab, kann dies auf einen Schneidfehler oder einen nicht optimalen Arbeitspunkt hindeuten, der durch geeignete Maßnahmen, z.B. durch eine Anpassung der Schnittgeschwindigkeit, korrigiert werden kann.
Bei der koaxialen Prozessbeobachtung durch die Schneiddüse hindurch besteht sowohl bei der Beobachtung der Temperaturstrahlung, der rückgestreuten
Hochenergiestrahlung als auch bei der Beobachtung von Materialbegrenzungen das Problem, dass der Beobachtungsbereich durch die in der Regel kreisförmige
Innenkontur der Schneiddüse begrenzt ist. Insbesondere bei Brennschneidprozessen werden kleine Düsendurchmesser eingesetzt, so dass die Schneidfrontunterkante auch bei einem Gutschnitt außerhalb des durch die Düsenmündung begrenzten Beobachtungsbereichs liegt und der Schneidfrontwinkel nicht zuverlässig bestimmt werden kann.
In der DE 10 201 1 016 519 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines hochenergetischen
Bearbeitungsstrahls beschrieben, bei dem der Bearbeitungsstrahl durch eine Linse hindurchtritt, die zum Verschieben einer Auftreffstelle des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück senkrecht zu ihrer optischen Achse bewegt werden kann. In einem Beispiel ist eine Überwachungskamera zur Erzeugung eines elektronisch
auswertbaren Bildes vorgesehen, deren Abbildungsstrahlengang durch die Linse auf die Auftreffstelle fokussiert wird. Aus der WO 2012/107331 A1 ist es auch bekannt, anhand des Bildes des
Wechselwirkungsbereichs auf das Vorliegen oder Fehlen einer Gratbildung am Schnittspalt zu schließen. Beispielsweise kann bei einem Schmelzschneidprozess anhand des Fehlens einer wiederkehrenden Schwankung der Intensität des
Wärmebildes im Bereich des Schnittspalts und/oder beim Auftreten von drei von der Schneidfront ausgehenden Leuchtstreifen auf das Vorliegen einer Gratbildung geschlossen werden. Bei einem Baustahl-Brennschneidprozess (unter Verwendung von Sauerstoff als Schneidgas) können im Wärmebild oder im sichtbaren
Wellenlängenbereich periodisch wiederkehrende Rillen bzw. Riefen an den
Schnittkanten der Schnittfuge detektiert werden und anhand der Frequenz der Riefen kann auf einen bevorstehenden Materialabbrand geschlossen werden.
Aus der Dissertation„Überwachung, Regelung und Automatisierung beim
Hochgeschwindigkeitsschneiden von Elektroblechen mit Laserstrahlen" von Frank Schneider, Shaker Verlag, 2005, wird das Hochgeschwindigkeitsschneiden mit Schneid- bzw. Vorschubgeschwindigkeiten von bis zu 100 m/min thematisiert. Bei dieser Anwendung kann sich hinter der Schneidfront ein Schmelzestau ausbilden, der bei hoher Geschwindigkeit so groß werden kann, dass die Kapillare zwischen der Schmelze und der Schneidfront temporär vom Schmelzefluss nach unten
verschlossen wird. In diesem Fall wird die Laserstrahlung aus der verstopften
Kapillare zurück reflektiert und von einem Pyrodetektor oder einer Thermosäule in schleppender bzw. nachlaufender Beobachtung gemessen. Bei der schleppenden Beobachtung und bei hohen Geschwindigkeiten kommt es zu starken, kurzen
Reflexionen und somit zu einem stark fluktuierenden gemessenen Signal. Da die Standardabweichung des gemessenen Signals mit zunehmender Geschwindigkeit typischer Weise zunimmt, kann der Hochgeschwindigkeitsschneidprozess anhand der Standardabweichung geregelt werden.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Vorrichtungen und zugehörige Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses
bereitzustellen, die eine zuverlässige Ermittlung von charakteristischen Kenngrößen des Schneidprozesses, insbesondere von charakteristischen Kenngrößen einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge, und/oder eine vorteilhafte Regelung des Schneidprozesses ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der die Bilderfassungseinrichtung zur Bildung eines Beobachtungsstrahls zur Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs aus einer unter einem Winkel zur Strahlrichtung des Hochenergiestrahls verlaufenden Beobachtungsrichtung ausgebildet ist und bei der die Bilderfassungseinrichtung eine Abbildungsoptik zur Erzeugung eines Bildes des Wechselwirkungsbereichs aus der unter dem Winkel zur Strahlachse des Hochenergiestrahls verlaufenden Beobachtungsrichtung umfasst.
Das zur Ermittlung der mindestens einen charakteristischen Kenngröße
vorgeschlagene Messprinzip basiert auf der Erfassung (mindestens) eines Bildes des Wechselwirkungsbereichs aus (mindestens) einem Blickwinkel bzw. aus mindestens einer Beobachtungsrichtung, die unter einem Winkel zur Strahlachse des
Hochenergiestrahls verläuft, d.h. der den Beobachtungssträhl bildende Teil des Beobachtungsstrahlengangs verläuft im konvergenten Strahlengang zwischen Fokussierelement und Werkstück unter einem Winkel zur optischen Achse des
Fokussierelements und damit zur Strahlachse des Hochenergiestrahls. Anhand eines solchen Beobachtungsstrahls können bei geeigneter Auswertung des
aufgenommenen Bildes charakteristische Kenngrößen des Schneidprozesses, insbesondere der Schnittfuge, ermittelt und falls erforderlich kann in den
Schneidprozess eingegriffen werden, um eine Optimierung hinsichtlich der
Schnittgualität vorzunehmen.
Der koaxial zur Strahlachse des Hochenergiestrahls verlaufende
Beobachtungsstrahlengang verläuft an der Eintrittsseite des Fokussierelements parallel zur Strahlachse des Hochenergiestrahls bzw. konzentrisch zur Strahlachse des Hochenergiestrahls. Um aus dem koaxialen Beobachtungsstrahlengang einen nicht koaxialen Beobachtungsstrahl zu erzeugen bzw. auszuwählen, kann z.B. eine Blende im Beobachtungsstrahlengang vorgesehen sein. Die Abbildungsoptik bildet den mindestens einen, insbesondere genau einen, exzentrisch, d.h. nicht durch die zentrale Achse des Fokussierelements laufenden und somit im konvergenten
Strahlengang zwischen Fokussierelement und Werkstück unter einem Winkel zum Werkstück bzw. zur Strahlachse des Hochenergiestrahls verlaufenden
Beobachtungsstrahl auf eine Detektorfläche ab.
Durch die Beobachtung unter einem Winkel zur Strahlachse können
charakteristische Kenngrößen, insbesondere Eigenschaften der Schnittfuge, ermittelt werden, die bei einer koaxialen bzw. senkrechten Beobachtung des
Wechselwirkungsbereichs nicht erkennbar wären. Unter einem Beobachtungsstrahl, der unter einem Winkel zur Strahlachse verläuft, wird ein Strahlenbündel verstanden, bei dem der Hauptstrahl des Beobachtungsstrahls zum Hauptstrahl des zur
Bearbeitung verwendeten Hochenergiestrahls im konvergenten Strahlengang zwischen dem Fokussierelement und dem Werkstück um mindestens ca. 2° voneinander abweichen.
Bei einer Ausführungsform ist die Bilderfassungseinrichtung ausgebildet, die
Ausrichtung der Beobachtungsrichtung des Beobachtungsstrahls in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse des Höchenergiestrahls zu verändern. Typischer Weise verläuft diese Ebene parallel zur Auflageebene bzw. zur Oberfläche des in der Regel plattenförmigen Werkstücks. Die momentane Vorschubrichtung des
Laserschneidprozesses, d.h. die Richtung, entlang derer der Hochenergiestrahl und das Werkstück entlang der Auflageebene relativ zueinander bewegt werden, hängt von der zu schneidenden Kontur an dem Werkstück ab. Die momentane
Vorschubrichtung und damit die Richtung, in welcher sich die Schnittfuge erstreckt, verändert sich typischer Weise während des Schneidprozesses. Um eine bestimmte charakteristische Kenngröße während des Schneidprozesses dauerhaft ermitteln zu können, sollte die Ausrichtung der Beobachtungsrichtung relativ zur
Vorschubrichtung, d.h. relativ zu der Richtung, entlang derer die Schnittfuge gebildet wird, möglichst konstant bleiben. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Bilderfassungseinrichtung die Beobachtungsrichtung während des Schneidprozesses geeignet verändert. Für die Änderung der Ausrichtung der Beobachtungsrichtung bestehen mehrere Möglichkeiten. Bei einer Ausführungsform weist die Bilderfassungseinrichtung zur Veränderung der Ausrichtung der Beobachtungsrichtung des Beobachtungsstrahls eine Blende auf. In diesem Fall kann eine zur Strahlachse des Hochenergiestrahls symmetrische Abbildung erfolgen. Eine Blendenöffnung, durch welche die Beobachtungsstrahlung hindurch tritt, erzeugt in diesem Fall einen Beobachtungsstrahl, welcher der
Beobachtungsrichtung zugeordnet ist. Zur Veränderung der Orientierung bzw. der Ausrichtung des Beobachtungsstrahls kann die (mechanische) Blende im
einfachsten Fall als drehbare (Loch-)Blende mit einer exzentrisch zur Strahlachse des Hochenergiestrahls angeordneten Blendenöffnung ausgebildet sein. Eine solche Lochblende kann beispielsweise mit konstanter Winkelgeschwindigkeit gedreht und die jeweils gewünschte Beobachtungsrichtung durch einen synchronisierten
Aufnahmezeitpunkt der Bilderfassungseinrichtung eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die (Loch-)Blende verschiebbar ausgebildet sein, um einen gewünschten Bereich des Beobachtungsstrahlengangs abzuschatten bzw. um die Ausrichtung des Beobachtungsstrahls zu beeinflussen.
Die Blende kann auch als schaltbare Blende ausgebildet sein, beispielsweise in Form eines elektronischen Shutters (z.B. eines LCD-Bildschirms oder einem LCOS- Display mit schaltbaren Pixeln, die jeweils einen Teilbereich des
Beobachtungsstrahlengangs abschatten) oder eines mechanischen Shutters, der mehrere mechanisch ansteuerbare Elemente aufweist, die mittels einer
Steuerungseinrichtung zwischen zwei Schaltzuständen umgeschaltet werden können, um jeweils einen Teilbereich des Beobachtungsstrahlengangs zu verdecken bzw. zu öffnen. Es versteht sich, dass zur hochauflösenden Beobachtung des zu überwachenden Bereichs des Werkstücks mit dem Ziel einer Prozessbeobachtung weitere Bereiche der Apertur des Beobachtungsstrahlengangs geöffnet oder geschlossen werden können.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Abbildungsoptik zur Erzeugung einer Mehrzahl von Bildern des Wechselwirkungsbereichs aus unterschiedlich
ausgerichteten Beobachtungsrichtungen ausgebildet. In diesem Fall können mehrere Bilder des Wechselwirkungsbereichs gleichzeitig aufgenommen und auf einer oder auf mehreren Detektorflächen abgebildet werden. Die Auswerteeinrichtung kann in diesem Fall nur denjenigen Abschnitt bzw. diejenigen Abschnitte der Detektorfläche auswerten, die einer jeweils gewünschten Beobachtungsrichtung entsprechen, so dass auch in diesem Fall die Beobachtungsrichtung in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse verändert werden kann, indem zwischen aus unterschiedlichen
Beobachtungsrichtungen aufgenommenen Bildern umgeschaltet werden kann, um eine charakteristische Kenngröße des Schneidprozesses zu ermitteln.
Gegebenenfalls kann die Abbildungsoptik auch ausgebildet sein, ein Bild des Wechselwirkungsbereichs in einer koaxial zur Strahlachse des Hochenergiestrahls verlaufenden Beobachtungsrichtung aufzunehmen, d.h. parallel zur Strahlachse des Hochenergiestrahls (typischer Weise senkrecht zur Werkstückebene), beispielsweise um Materialbegrenzungen des Werkstücks, z.B. die Schnittkanten der Schnittfuge zu detektieren. Insbesondere kann eine solche Beobachtung mit einer hohen Auflösung erfolgen. Bei einer Weiterbildung weist die Abbildungsoptik zur Erzeugung der Mehrzahl von Bildern des Wechselwirkungsbereichs aus unterschiedlichen
Beobachtungsrichtungen eine Mehrzahl von abbildenden optischen Elementen auf. Bei den abbildenden optischen Elementen kann es sich beispielsweise um
sphärische oder asphärische Linsenelemente handeln. Die Linsenelemente können in einem Abstand voneinander angeordnet sein, der näherungsweise dem Abstand zwischen den Bildern auf der Detektorfläche entspricht. Jedes der abbildenden optischen Elemente erzeugt hierbei einen eigenen Abbildungs- bzw.
Beobachtungsstrahl zur Erzeugung des jeweils zugehörigen Bildes auf einem zugehörigen Bereich der Detektorfläche. Die Linsenelemente sind typischer Weise außermittig, d.h. nicht koaxial zum Strahlengang des Hochenergiestrahls bzw. zu dessen Verlängerung im Beobachtungsstrahlengang angeordnet, um die
gewünschte Beobachtung unter einem Winkel zur Strahlrichtung des
Hochenergiestrahls zu ermöglichen. Bei einer Weiterbildung sind die abbildenden optischen Elemente in einem
Linsenarray bzw. in einer Rasteranordnung angeordnet. Eine Rasteranordnung von Linsenelementen („Lenslet" bzw. Linsenarray), z.B. von Mikrolinsen, kann in Form von in Reihen und Spalten angeordneten Linsen oder auch in Form von zwei gekreuzten Zylinderlinsenarrays realisiert werden. In letzterem Fall weist die Abbildungsoptik zusätzlich zu Zylinderlinsen eines ersten Zylinderlinsenarrays, die eine Krümmung bzw. eine abbildende Wirkung entlang einer ersten Achse erzeugen, ein zweites Zylinderlinsenarray auf, welche eine abbildende Wirkung entlang einer zweiten, zur ersten senkrechten Achse erzeugen. Durch die gekreuzten
Zylinderlinsen kann die Abbildungsoptik einerseits kostengünstig hergestellt werden und andererseits kann der verfügbare Abbildungsquerschnitt gut genutzt werden.
Zusätzlich oder alternativ zur Verwendung von abbildenden optischen Elementen zur Erzeugung eines oder mehrerer Bilder kann die Abbildungsoptik zu diesem Zweck auch eine Einrichtung zur Bildung eines jeweiligen Beobachtungsstrahls durch Beeinflussen einer Strahlrichtung eines Beobachtungsstrahlengangs aufweisen.
Die Einrichtung kann beispielsweise als Umlenkeinrichtung mit mindestens einem einer Beobachtungsrichtung zugeordneten Strahlumlenkbereich ausgebildet sein. Beispielsweise kann die einfallende Beobachtungsstrahlung in diesem Fall von der Umlenkeinrichtung auf einen oder mehrere unterschiedliche Bereiche eines abbildenden optischen Elements, beispielsweise eines Linsenelements, gelenkt werden, um auf unterschiedliche, voneinander beabstandete Bereiche in dessen Bildebene fokussiert zu werden, an denen die Bilder des Wechselwirkungsbereichs erzeugt werden. Die Umlenkeinrichtung kann zu diesem Zweck beispielsweise mindestens ein Umlenkprisma aufweisen. Alternativ zur Verwendung eines
Umlenkprismas kann die Umlenkeinrichtung auch reflektierend ausgebildet sein und beispielsweise mehrere Strahlumlenkbereiche in Form von Spiegelflächen
aufweisen, welche die Beobachtungsstrahlung in unterschiedliche Richtungen umlenken, die einer jeweiligen Beobachtungsrichtung zugeordnet sind.
Alternativ oder zusätzlich kann die Abbildungsoptik zur Erzeugung von einem oder von mehreren Bildern auch eine Einrichtung aufweisen, welche die Strahlrichtung des Beobachtungsstrahlengangs zur Bildung eines Beobachtungsstrahls zwei Mal in entgegen gesetzter Weise beeinflusst, so dass sich insgesamt ein Strahlversatz ergibt, d.h. es handelt sich bei der Einrichtung um eine Strahlversatzeinrichtung. Die Strahlversatzeinrichtung kann insbesondere im fokussierten
Beobachtungsstrahlengang der Abbildungsoptik, beispielsweise zwischen zwei ein Strahlteleskop bildenden optischen Elementen, angeordnet sein. Die Strahlversatzeinrichtung kann beispielsweise einen, zwei oder mehr Blöcke aus einem für die Beleuchtungsstrahlung transparenten Material, z.B. aus Quarzglas, aufweisen, die als planparallele Blöcke bzw. Platten ausgebildet sind, um einen Parallelversatz der auftreffenden Beobachtungsstrahlung herzustellen. Die Blöcke können zueinander verkippt angeordnet sein, um zu erreichen, dass die zwei oder mehr Beobachtungsstrahlen an unterschiedlichen Bereichen der Detektorfläche auftreffen, um zwei oder mehr lateral versetzte Bilder zu erzeugen.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine
Steuerungseinrichtung, die ausgebildet ist, die Ausrichtung der
Beobachtungsrichtung in der Ebene senkrecht zur Strahlachse in Abhängigkeit von einer Vorschubrichtung des Schneidprozesses zu verändern. Wie weiter oben beschrieben wurde, können bestimmte charakteristische Kenngrößen, beispielsweise die Schneidfrontsteigung, nur unter bestimmten Beobachtungrichtungen relativ zur Vorschubrichtung ermittelt werden. Die Steuerungseinrichtung kann zur Steuerung der Beobachtungsrichtung die Bilderfassungseinrichtung zur Veränderung der Ausrichtung der Beobachtungsrichtung und/oder die Auswerteeinrichtung so ansteuern, dass letztere einen geeigneten, der gewünschten Beobachtungsrichtung zugeordneten Bereich der Detektorfläche auswertet.
Bei einer Weiterbildung ist die Steuerungseinrichtung ausgebildet, die Ausrichtung der Beobachtungsrichtung relativ zur Vorschubrichtung des Schneidprozesses konstant zu halten. Auf diese Weise kann eine bestimmte charakteristische
Kenngröße, beispielsweise der Schneidfrontwinkel, während des Schneidprozesses auch in dem Fall zuverlässig ermittelt werden, dass sich die Vorschubrichtung während des Schneidprozesses ändert.
Bei einer Ausführungsform verläuft die Beobachtungsrichtung in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse des Hochenergiestrahls, genauer gesagt in einer
Projektion in eine Ebene senkrecht zur Strahlachse, entgegen einer
Vorschubrichtung des Schneidprozesses. Bei einer solchen Beobachtung gegen die Schnittrichtung des Schneidprozesses, die auch als schleppende Beobachtung bezeichnet wird, wird die Schneidfront bei genügend kleinem Schneidfrontwinkel von der oberen Kante der Schneidfront verdeckt; die Schnittfuge erscheint dunkel. Wird die Schneidfrontsteigung flacher und der Schneidfrontwinkel größer, ist keine vollständige Verdeckung mehr gegeben; die Schnittfuge erscheint hell oder in Bereichen hell. Aus dem Helligkeitswert bzw. der gemessenen Gesamtintensität des bei der schleppenden Beobachtung aufgenommenen Bildes bzw. eines Teilbereichs dieses Bildes können daher Rückschlüsse auf den Schneidfrontwinkel als
charakteristische Kenngröße des Schneidprozesses gezogen werden. Unter einer Ausrichtung entgegen der Vorschubrichtung des Schneidprozesses werden im Sinne dieser Anmeldung auch Beobachtungsrichtungen verstanden, die um weniger als ca. +/- 23° von der Ausrichtung entgegen der Vorschubrichtung abweichen, da auch bei solchen Winkel-Abweichungen der Schneidfrontwinkel noch ermittelt werden kann.
Bei einer Weiterbildung ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs einen Schneidfrontwinkel der Schnittfuge und/oder eine Überschreitung und/oder eine Unterschreitung eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels der Schnittfuge als charakteristische Kenngröße(n) des
Schneidprozesses zu ermitteln. Wie weiter oben dargestellt wurde, nimmt die Länge der in dieser Beobachtungsrichtung sichtbaren Schneidfront bei flacher werdender Schneidfront zu, sodass anhand eines aus dem bei schleppender Beobachtung aufgenommenen Bildes bestimmten Intensitätswerts eine Messung bzw. Ermittlung der Schneidfrontsteigung bzw. des Schneidfrontwinkels möglich ist. Bei dem
Intensitätswert kann es sich um die Gesamtintensität des aufgenommenen Bildes handeln, in der Regel wird aber zur Bestimmung des Intensitätswerts nur ein räumlich begrenzter Teilbereich des aufgenommenen Bildes im Bereich der
Schneidfront ausgewertet, d.h. es wird die Gesamtintensität in dem räumlich begrenzten Teilbereich bestimmt. Insbesondere kann durch einen Vergleich dieses Intensitätswerts mit einem Intensitäts-Referenzwert, der beispielsweise der
Gesamtintensität eines außerhalb der Schneidfront liegenden Teilbereichs des aufgenommenen Bildes entspricht, eine Überschreitung eines kritischen Werts für den Schneidfrontwinkel erfasst bzw. detektiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Unterschreitung eines kritischen Werts für den Schneidfrontwinkel erfasst bzw. detektiert werden, bspw. bei Unterschreiten eines der zuvor
beschriebenen Intensitätswerte. Dadurch können bspw. Abbrand beim
Laserschneiden mit Sauerstoffgas oder ungenaue Konturen beim
Laserschmelzschneiden mit Inertgas, wie Stickstoff, durch Einbringen von zu viel Energie verhindert werden. Durch die Erfindung wird die Produktivität der
Schneidmaschine gesteigert, indem die Vorschubgeschwindigkeit entsprechend erhöht wird. Bei einer weiteren Weiterbildung weicht der Winkel, unter dem die
Beobachtungsrichtung zur Strahlachse des Hochenergiestrahls verläuft, um weniger als 5°, bevorzugt um weniger als 2° von dem vorgegebenen Schneidfrontwinkel ab. Es hat sich als günstig erwiesen, wenn der Beobachtungswinkel möglichst nahe an dem Schneidfrontwinkel liegt, bei dessen Überschreitung kein Gutschnitt mehr vorliegt, da in diesem Fall Schwankungen in der Gesamtintensität des
aufgenommenen Bildes bzw. eines Teilbereichs des Bildes im Bereich der
Schneidfront besonders stark sind bzw. ein Flackern des aufgenommenen Bildes zu beobachten ist. Ein solches Flackern ist auf kleine Änderungen des
Schneidfrontwinkels um den Beobachtungswinkel herum zurückzuführen, da bei temporär etwas steileren Schneidfrontwinkeln das Prozessleuchten durch die Werkstückoberseite verdeckt wird, bei flacheren Schneidfrontwinkeln das
Prozessleuchten aber vom Detektor erfasst werden kann. Wenn kaum eine Gefahr für einen Schnittabriss besteht, z.B. wegen hoher Laserleistung und niedriger Vorschubgeschwindigkeit, kann alternativ der Beobachtungswinkel so gewählt werden, dass durch das Flackern die Unterschreitung eines Schneidfrontwinkels vom Detektor erfasst wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform liegt der Winkel des Beobachtungsstrahls zur Strahlachse des Hochenergiestrahls zwischen ca. 5° und 15°, bevorzugt zwischen ca. 5° und 10°. Wie weiter oben dargestellt wurde, sollte der Winkel, unter dem die Beobachtung erfolgt, im Wesentlichen mit dem gewünschten bzw. vorgegebenen Schneidfrontwinkel, bei dem noch ein Gutschnitt erfolgt, übereinstimmen.
Schneidfrontwinkel, bei denen ein Gutschnitt erfolgt, können innerhalb des oben angegebenen Intervalls liegen. Abhängig vom Prozess bzw. von den
Prozessparametern, z.B. von der Vorschubgeschwindigkeit sowie von dem verwendeten Werkstückmaterial, sowie abhängig von der Strahlgeometrie des Hochenergiestrahls kann der maximal mögliche Schneidfrontwinkel für einen Gutschnitt ggf. auch außerhalb dieses Wertebereichs liegen. Die Beobachtung unter einem gewünschten (Beobachtungs-)Winkel des Beobachtungsstrahls zur Strahlachse des Hochleistungsstrahls kann durch das Fokussierelement hindurch erfolgen, sofern die erforderliche numerische Apertur (NA) gegeben ist. Die numerische Apertur NA berechnet sich direkt aus dem gewünschten Beobachtungswinkel zu NA= n x sin(ß) mit n:= Brechzahl des umgebenden Mediums (i.d.R. Luft mit n=1 ); ß := gewünschter (maximaler)
Beobachtungswinkel. Die numerische Apertur der Bilderfassungseinrichtung bzw. der Abbildungsoptik wird so gewählt, dass diese eine Beobachtung unter dem
gewünschten Winkel bzw. innerhalb eines gewünschten Winkelbereichs zur
Strahlachse zulässt.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Bilderfassungseinrichtung zur Bildung eines weiteren Beobachtungsstrahls zur Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs aus einer weiteren Beobachtungsrichtung ausgebildet und die Abbildungsoptik ist zur Erzeugung eines weiteren Bildes des Wechselwirkungsbereichs aus der weiteren Beobachtungsrichtung ausgebildet. Die Erzeugung von zwei oder mehr Bildern des Wechselwirkungsbereichs aus zwei oder mehr. Beobachtungsrichtungen kann sinnvoll sein, um unterschiedliche charakteristische Kenngrößen zu ermitteln, die sich nur aus einer jeweils unterschiedlichen Beobachtungsrichtung überhaupt bzw. gut erfassen lassen. Auch kann ein Vergleich zwischen zwei oder mehr der aus unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen aufgenommenen Bilder vorgenommen werden, um ein- und dieselbe charakteristische Kenngröße mit größerer Präzision bestimmen zu können oder durch Verknüpfung bzw. Verrechnung der Bilddaten zusätzliche Informationen extrahieren zu können.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, einen aus dem weiteren Bild des Wechselwirkungsbereichs bestimmten Intensitätswert mit einem aus einem in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse des Hochenergiestahls entgegen der Vorschubrichtung aufgenommenen Bild des Wechselwirkungsbereichs bestimmten Intensitätswert zu vergleichen. In diesem Fall wird die Gesamtintensität des schleppend, d.h. entgegen der Vorschubrichtung, aufgenommenen Bildes oder eines Teilbereichs dieses Bildes, der insbesondere ein Bild der Schneidfront enthält, zur Ermittlung der Schneidfrontsteigung bzw. des Schneidfrontwinkels mit der Gesamtintensität eines weiteren Bildes bzw. eines Teilbereichs dieses Bildes verglichen, das zeitgleich aus einer anderen Beobachtungsrichtung aufgenommen wird.
Der aus dem weiteren Bild bestimmte Intensitätswert dient als Referenzwert und kann beispielsweise von dem aus dem entgegen der Schneid- bzw.
Vorschubrichtung aufgenommenen Bild bestimmten Intensitätswert verglichen werden, wobei für den Vergleich entweder die Gesamtintensität des jeweiligen Bildes oder die Gesamtintensität von im jeweiligen Bild an gleicher Stelle positionierten Teilbereichen verwendet wird. Der Vergleich kann auf unterschiedliche Weise erflogen, z.B. indem die beiden Intensitätswerte voneinander subtrahiert werden. Die erhaltene Differenz kann mit einem Schwellwert der Gesamtintensität verglichen werden, um zu ermitteln, ob der Schneidfrontwinkel einen vorgegebenen Wert über- oder unterschreitet. An Stelle der Differenz kann auch eine andere von den beiden Intensitätswerten abhängige Größe, beispielsweise der Quotient, mit einem
Schwellwert verglichen werden, um den Schneidfrontwinkel bzw. die Über- oder Unterschreitung eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels zu ermitteln.
Die Beobachtungsrichtung, aus welcher das weitere Bild aufgenommen wird, kann beispielsweise in Vorschubrichtung ausgerichtet sein, d.h. es wird das schleppend aufgenommene Bild der Schneidfront mit einem stechend aufgenommenen Bild verglichen, wobei die Beobachtungsrichtungen in der Werkstückebene einen Winkel von 180° zueinander einschließen. Es kann aber auch eine koaxiale, entlang der Strahlachse des Hochenergiestrahls verlaufende Beobachtungsrichtung oder ggf. eine andere Beobachtungsrichtung als Referenz zur Bestimmung des
Schneidfrontwinkels dienen. Eine koaxiale, entlang der Strahlachse des
Hochenergiestrahls erfolgende Beobachtung kann zudem dazu genutzt werden, um eine höher aufgelöste Prozessbeobachtung des zu überwachenden Bereichs zu ermöglichen. In einer weiteren Ausführungsform ist die Beobachtungsrichtung in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse des Hochenergiestrahls nicht in oder entgegen der (momentanen) Vorschubrichtung des Schneidprozesses ausgerichtet und die Auswerteeinrichtung ist ausgebildet, anhand des aufgenommenen Bildes eine Gratbildung, Rauigkeit und/oder Riefenbildung als charakteristische Kenngröße(n) der Schnittfuge zu ermitteln. In diesem Fall wird/werden alternativ oder zusätzlich zur Ermittlung der Schneidfrontsteigung weitere charakteristische Kenngrößen der Schnittfuge bestimmt, beispielsweise eine Riefenbildung bzw. ein Riefenabstand in Schneid- bzw. Vorschubrichtung sowie eine Riefentiefe an den seitlichen Kanten der Schnittfuge, eine Gratbildung an der Unterseite des Werkstücks und/oder die
Rauigkeit an den Schnittspaltflanken der Schnittfuge. Auch die Schneidfrontsteigung, genauer gesagt das Überschreiten eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels, kann einen Indikator für einen Schnittabriss oder für eine Bart- bzw. Riefenbildung (als Vorstufe eines Schnittabrisses) bilden.
Zu diesem Zweck kann insbesondere eine Beobachtungsrichtung oder es können zwei in einem Winkel von ca. 180° zueinander ausgerichtete
Beobachtungsrichtungen gewählt werden, die in der Projektion auf die
Werkstückebene unter einem Winkel von ca. +/-900 (typischer Weise zwischen ca. +/-700 und 10°) zur Vorschubrichtung verlaufen, da aus solchen
Beobachtungsrichtungen jeweils der Einfluss einer der beiden seitlichen
Schnittkanten der Schnittfuge auf den Wechselwirkungsbereich besonders gut zu erkennen ist, was die Ermittlung der oben genannten charakteristische Kenngrößen erleichtert.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine
Beleuchtungsquelle zur Beleuchtung des Werkstücks in dem zu überwachenden Bereich. Die Beleuchtung kann insbesondere koaxial zur Strahlachse des
Hochenergiestrahls erfolgen, um die Oberkante des Werkstücks bzw. der Schnittfuge sichtbar zu machen und auf diese Weise die Positions- und Richtungsbestimmung der Schnittfuge zu erleichtern. Die Beleuchtungsquelle kann beispielsweise eine Beleuchtung bei Wellenlängen zwischen 360nm und 800nm (VIS) oder ca. 800 nm und ca. 1000 nm (NIR) erzeugen. Die Beleuchtung kann koaxial zur
Hochenergiestrahlung erfolgen, d.h. in Form einer Auflichtbeleuchtung. In diesem Fall kann der Beleuchtungsstrahl beispielsweise in nicht für die Beobachtung genutzten Winkelbereichen geometrisch eingekoppelt werden, beispielsweise in Form eines im kollimierten Strahlengang eingebrachten Spiegels oder Lochspiegels, der die Strahlengänge der Beleuchtung und Beobachtung örtlich zusammenführt. Alternativ kann die Beleuchtungsstrahlung über einen Strahlteiler eingekoppelt werden, der beispielsweise 50% der Beleuchtungsstrahlung reflektiert und 50% der Beobachtungsstrahlung transmittiert. Der Strahlteiler kann auch als
Polarisationsstrahlteiler ausgeführt sein, so dass nur Strahlung, deren Polarisation bei Reflexion auf der Werkstück gedreht wird, in den Beobachtungsstrahlengang gelangt. Es ist aber auch möglich, die Beleuchtungsquelle nicht koaxial zur
Strahlachse des Hochenergiestrahls auszurichten.
Die Beleuchtungsquelle kann beispielsweise als Diodenlaser, Leuchtdiode (LED) oder Blitzlichtlampe ausgeführt sein, wobei eine große Leistungsdichte in einem spektral engen Bereich für die Beleuchtung vorteilhaft ist. Um eine homogene Beleuchtung zu gewährleisten, kann eine Homogenisierung der Strahlung
beispielsweise durch einen Glasstab oder eine Glasfaser vorteilhaft sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Bilderfassungseinrichtung zur Aufnahme des Bildes durch eine Düsenöffnung einer Laserschneiddüse zum Durchtritt des
Laserstrahls auf das Werkstück ausgebildet. In diesem Fall begrenzt der ringförmige
Innenrand der Düsenöffnung der Laserschneiddüse den Beobachtungsbereich bzw. den mittels der Bilderfassungseinrichtung erfassbaren zu überwachenden Bereich.
Durch die Laserschneiddüse hindurch kann ggf. auch eine koaxiale Beobachtung des zu überwachenden Bereichs erfolgen, um eine höher aufgelöste
Prozessbeobachtung zu ermöglichen.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Bilderfassungseinrichtung einen
Detektor, insbesondere eine Kamera, mit einer Detektorfläche auf, an der das Bild erzeugt wird. Bei dem Detektor handelt es sich in der Regel um einen
ortsauflösenden Detektor, beispielsweise um einem CCD-Sensor oder einen CMOS- Sensor, der auch als HDR (High Dynamic Range) Sensor ausgeführt sein kann. Für die Erfassung mehrerer Bilder kann ein- und dieselbe Detektorfläche der Kamera dienen, es können aber auch mehrere Detektoren bzw. Detektorflächen zur
Erfassung der Bilder vorgesehen sein. Bei der von dem Wechselwirkungsbereich emittierten Strahlung, die zur Beobachtung genutzt wird, handelt es sich um
Wärmestrahlung in einem Wellenlängenbereich, der vom Material des Werkstücks abhängt. Bei eisenhaltigen Werkstücken ist typischer Weise eine Beobachtung in einem Wellenlängenbereich zwischen ca. 800 nm und 1100 nm bzw. 1400 nm (NIR- Bereich) günstig. Im ersten Fall kann beispielsweise eine Si-basierte Kamera verwendet werden, im zweiten Fall eine InGaAs-basierte Kamera. Bei
Nichteisenmetallen liegt die Schmelztemperatur niedriger, so dass ggf. Kameras, die für längere Wellenlängen z.B. im kurzwelligen Infrarot-Bereich (SWIR) zwischen ca. 1 ,4 m und 3,0 i (InGaAs) oder ggf. im fernen Infrarot-Bereich (FIR) zwischen ca. 15 μηη und 1 mm empfindlich sind, für die Beobachtung notwendig bzw. günstig sein können. Grundsätzlich ist eine schmalbandige Beobachtung in einem
Wellenlängenbereich von ca. 15 nm oder weniger vorteilhaft, um chromatische Aberrationen zu verhindern. Zur Erzeugung einer solchen schmalbandigen
Beobachtung kann ein schmalbandiger wellenlängenselektiver Filter in der
Bilderfassungseinrichtung vorgesehen werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung zur Steuerung und/oder Regelung von Parametern des Schneidprozesses in Abhängigkeit von der mindestens einen ermittelten
charakteristischen Kenngröße. Die Steüer- und/oder Regeleinrichtung dient typischer Weise zur Steuerung bzw. zur Regelung des gesamten Schneidprozesses, d.h. der für den Schneidprozess erforderlichen Bewegung des Hochenergiestrahls relativ zum Werkstück sowie von Schneidparametern wie z.B. Vorschub- bzw.
Schneidgeschwindigkeit, Prozessgasdruck, Laserleistung, etc.
Diese und weitere Parameter können in Abhängigkeit von der bzw. von den ermittelten charakteristischen Kenngrößen gesteuert bzw. geregelt werden.
Beispielsweise kann in Abhängigkeit vom ermittelten Schneidfrontwinkel die
Vorschubgeschwindigkeit gesteuert bzw. geregelt reduziert werden, um einen
Schnittabriss zu verhindern. Eine Reduzierung der Vorschubgeschwindigkeit kann beispielsweise vorgenommen werden, wenn der vorgegebene Schneidfrontwinkel, bei dem noch ein Gutschnitt erfolgt, überschritten wird. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, die insbesondere wie weiter oben beschrieben ausgebildet sein kann, und bei der die Auswerteeinrichtung ausgebildet ist, anhand des erfassten
Wechselwirkungsbereichs einen Schneidfrontwinkel der Schnittfuge und/oder eine Überschreitung eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels und/oder eine Unterschreitung eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels der Schnittfuge als charakteristische Kenngröße(n) des Schneidprozesses zu ermitteln. Die Vorrichtung umfasst zusätzlich eine Regeleinrichtung, die zur Regelung des Schneidfrontwinkels auf einen vorgegebenen, konstanten Wert durch Beeinflussen mindestens eines Stellparameters des Schneidprozesses ausgebildet bzw. programmiert ist. Der vorgegebene, konstante Wert des Schneidfrontwinkels stimmt typischer Weise mit dem vorgegebenen Schneidfrontwinkel überein, sofern dessen Über- oder
Unterschreitung ermittelt wird. Die Erfinder haben erkannt, dass es zur Regelung des Schneidprozesses mittels eines Hochenergiestrahls, insbesondere mittels eines Laserstrahls, günstig ist, die dreidimensionale Form der Schnittfront, insbesondere den Schneidfrontwinkel, als Regelgröße zu verwenden, d.h. die Schneidfrontsteigung bzw. den
Schneidfrontwinkel auf einen vorgegebenen, konstanten Soll-Wert zu regeln. Zu diesem Zweck wird der Ist-Wert des Schneidfrontwinkels und/oder es wird die Überschreitung und/oder Unterschreitung des vorgegebenen Schneidfrontwinkels ermittelt, was auf die weiter oben beschriebene Weise erfolgen kann. Die
momentane Form der Schneidfront bzw. der momentane Schneidfrontwinkel wird somit als Ist-Wert für die Regelung verwendet. Als Stellgröße wird typischer Weise die in das Werkstück eingebrachte Streckenenergie derart beeinflusst, dass sich für eine jeweilige Materialart und Materialdicke des Werkstücks eine konstante
Sollgeometrie bzw. eine konstante Schneidfrontsteigung einstellt.
Es hat sich gezeigt, dass die Schneidfrontsteigung bzw. der Schneidfrontwinkel direkt mit der Schnittabrissgrenze korrelieren und sich bei einer an die jeweilige Strahlkaustik des Hochenergiestrahls angepassten Schneidfrontsteigung ein optimaler Bearbeitungspunkt einstellt, der kurz unterhalb der Schnittabrissgrenze gehalten werden kann. Unterschiedliche Chargen des gleichen Materials, die produktionsbedingt unterschiedliche Schneidneigungen und Schnittabrissgrenzen aufweisen, weisen jeweils kurz unterhalb der individuellen Schnittabrissgrenze die gleiche Schneidfrontsteigung bzw. die gleiche Form der Schneidfront auf.
Bei den Stellparametern des Schneidprozesses, die zur Regelung des
Schneidfrontwinkels beeinflusst werden können, handelt es sich typischer Weise um Stellparameter, die die in das Werkstück eingebrachte Streckenenergie beeinflussen. Die Streckenenergie entspricht der durch den Hochenergiestrahl zugeführten
Energie pro Längeneinheit (z.B. cm) entlang der Schnittfuge. Bei den
Stellparametern kann es sich u.a. um die Vorschubgeschwindigkeit zwischen dem Hochenergiestrahl und dem Werkstück, um die Leistung des Hochenergiestrahls, um die Strahlkaustik bzw. die Fokuslage des Hochenergiestrahls sowie um die
Gasmischung und die Gaszufuhr (d.h. beispielsweise den Volumenstrom) des beim Schneidprozess verwendeten Schneidgases handeln. Bei einer Ausführungsform ist die Regeleinrichtung ausgebildet, den Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels in Abhängigkeit von der zu schneidenden Kontur, insbesondere in Abhängigkeit von einem Krümmungsradius der zu
schneidenden Kontur, auszuwählen. Es hat sich gezeigt, dass die Wahl des
Stellparameters für die Regelung des Schneidfrontwinkels auf den konstanten Soll- Wert von der Geometrie der zu schneidenden Kontur, insbesondere von deren Krümmungsradius, abhängig ist, da bei entsprechend kleinem Krümmungsradius bzw. beim Schneiden einer vergleichsweise kleinen Kontur die
Vorschubgeschwindigkeit durch die Dynamik der an der Bewegung beteiligten Achsen begrenzt wird. In diesem Fall ist es günstig, nicht die
Vorschubgeschwindigkeit sondern einen anderen Stellparameter, beispielsweise die Leistung des Hochenergiestrahls, für die Regelung des Schneidprozesses zu verwenden. Die Vorschubgeschwindigkeit kann aber als Stellgröße verwendet werden, wenn die Leistung des Hochenergiestrahls ihren maximalen Wert erreicht, was typischer Weise beim Schneiden von längeren geraden Konturen (mit unendlich großem Krümmungsradius) der Fall ist.
Bei einer Ausführungsform ist die Regeleinrichtung ausgebildet, als Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels die Vorschubgeschwindigkeit zwischen dem Hochenergiestrahl und dem Werkstück zu beeinflussen, wenn die
Vorschubgeschwindigkeit durch das Material und die Dicke des Werkstücks - und nicht durch die Geometrie einer an dem Werkstück zu schneidenden Kontur - auf einen maximalen Wert begrenzt ist. Die maximale Vorschubgeschwindigkeit wird typischer Weise beim Schneiden einer (langen) geraden Kontur erreicht, d.h. bei einer Schnittfuge, die entlang einer Geraden verläuft. Die maximale Vorschubgeschwindigkeit wird in diesem Fall nicht durch die Dynamik der an der Bewegung beteiligten Achsen begrenzt, sondern durch die Art und die Dicke des geschnittenen Werkstückmaterials, da beim Überschreiten der maximalen
Vorschubgeschwindigkeit früher oder später ein Schnittabriss auftritt. Durch die Verwendung der Vorschubgeschwindigkeit als Stellgröße kann die
Vorschubgeschwindigkeit derart angepasst werden, dass der gewünschte konstante Schneidfrontwinkel erreicht und ein Schnittabriss verhindert wird.
Bei einer Weiterbildung ist die Regeleinrichtung ausgebildet, während der
Beeinflussung der Vorschubgeschwindigkeit die Leistung des Hochenergiestrahls auf einem konstanten, insbesondere maximalen Wert zu halten. Die Produktivität des Schneidprozesses kann erhöht werden, wenn beim Schneiden von Konturen, bei denen die Dynamik der an der Bewegung beteiligten Achsen die
Vorschubgeschwindigkeit nicht nach oben begrenzt, die Leistung des
Hochenergiestrahls, beispielsweise des Laserstrahls, auf einem konstanten Wert gehalten wird. Bei dem konstanten Wert handelt es sich insbesondere um einen für die jeweilige Vorrichtung (z.B. Laserschneidmaschine) sowie für die jeweilige Art und die Dicke des Werkstückmaterials maximalen Wert, der für viele Materialien . mit der maximal möglichen Leistung der Strahlquelle, z.B. einer Laserquelle, übereinstimmt, die den Hochenergiestrahl erzeugt. Auf diese Weise kann die in das Werkstück eingebrachte Streckenenergie maximiert werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Regeleinrichtung ausgebildet, als
Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels die Leistung des
Hochenergiestrahls zu beeinflussen, wenn die Vorschubgeschwindigkeit zwischen dem Hochenergiestrahl und dem Werkstück durch die Geometrie einer an dem Werkstück zu schneidenden Kontur auf einen maximalen Wert begrenzt ist. Anders als bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird in diesem Fall die maximale Vorschubgeschwindigkeit durch die Dynamik der an der Bewegung zwischen dem Hochenergiestrahl und dem Werkstück beteiligten Achsen begrenzt, die ein
Nachfahren der zu schneidenden Kontur mit der gewünschten Genauigkeit ermöglichen müssen. In diesem Fall ist es günstig, als Stellgröße für die Regelung des Schneidfrontwinkels nicht die Vorschubgeschwindigkeit, sondern die Leistung des Hochenergiestrahls zu verwenden, da auf diese Weise die Prozessfähigkeit des Schneidprozesses erhöht werden kann. Bevorzugt ist die Regeleinrichtung ausgebildet, während der Beeinflussung der Leistung des Hochenergiestrahls die Vorschubgeschwindigkeit auf dem für das Schneiden der Kontur maximal möglichen Wert zu halten, um den Schneidprozess mit der maximal möglichen Geschwindigkeit durchzuführen. Der maximal mögliche Wert der Vorschubgeschwindigkeit kann entlang der zu schneidenden Kontur variieren.
Bei einer Weiterbildung ist die Regeleinrichtung ausgebildet, die Leistung des Hochenergiestrahls zu modulieren und als Stellparameter zur Regelung des
Schneidfrontwinkels die Modulation der Leistung des Hochenergiestrahls zu beeinflussen. Der Hochenergiestrahl wird typischer Weise im so genannten „continuous wave" bzw. Dauerstrichbetrieb eingesetzt, bei dem die Leistung kontinuierlich erzeugt wird und die Amplitude der Leistung reduziert oder gesteigert wird. Insbesondere beim Schneiden von sehr kleinen Konturen (mit sehr kleinen Krümmungsradien) können die Schnittqualität und die Prozessfähigkeit optimiert werden, indem die Leistung moduliert wird, d.h. der Hochenergiestrahl nicht dauernd eingeschaltet ist. Beispielsweise kann die Leistung in diesem Fall gepulst erzeugt werden und die Leistungsmodulation kann als Stellgröße für die Regelung des Schneidfrontwinkels verwendet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, eine Überschreitung des vorgegebenen Schneidfrontwinkels der Schnittfuge zu ermitteln und die Regeleinrichtung weist zur Regelung des Schneidfrontwinkels einen unstetigen Regler, insbesondere eine Zweipunktregler oder einen Dreipunktregler, auf. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Auswerteeinrichtung ausgebildet sein, den Betrag des Schneidfrontwinkels nicht absolut zu messen, sondern lediglich ein Überschreiten oder ggf. ein Unterschreiten eines vorgegebenen
Schneidfrontwinkels zu detektieren.
In diesem Fall ist für die Regelung ein unstetiger Regler, beispielsweise in Form eines Zweipunktreglers oder eines Dreipunktreglers, vorteilhaft. Insbesondere kann die Regelung bei der Zweipunktmessung bzw. bei einem Zweipunktregler auch dadurch umgesetzt werden, dass die Schneidfront um den Sollwert des
Schneidfrontwinkels pendelt. Da der Schneidprozess dynamisch abläuft, ist der Schneidfrontwinkel niemals absolut konstant. Ein Pendeln um den vorgegebenen, konstanten Schneidfrontwinkel ist aber auf die weiter oben beschriebene Weise messbar. Auch die Pendelfrequenz kann ggf. bei der Regelung des
Schneidfrontwinkels berücksichtigt werden. Auch laufen„Wellen" über die
Schneidfront, deren Vorhandensein ein Kriterium für eine gut eingestellte
Streckenenergie bzw. einen Gutschnitt bilden kann.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Auswerteeinrichtung ausgebildet, den Schneidfrontwinkel der Schnittfuge zu ermitteln, und die Regeleinrichtung weist zur Regelung des Schneidfrontwinkels einen stetigen (beispielsweise linearen) Regler, insbesondere einen PID-Regler, auf. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es auch möglich, den Absolutwert des Schneidfrontwinkels zu ermitteln. In diesem Fall ist es günstig, wenn ein stetiger Regler, beispielsweise ein PID-Regler, für die Regelung verwendet wird. Auch die Umsetzung komplexerer Regelungskonzepte ist möglich.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft auch ein Verfahren der eingangs genannten Art zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch Bilden eines
Beobachtungsstrahls zur Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs aus einer unter einem Winkel zur Strahlachse des Hochenergiestrahls verlaufenden
Beobachtungsrichtung, sowie Erzeugen eines Bildes des Wechselwirkungsbereichs aus der unter dem Winkel zur Strahlachse des Hochenergiestrahls verlaufenden Beobachtungsrichtung. Das Verfahren ermöglicht es, die weiter oben im
Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebenen Vorteile zu realisieren. Es versteht sich, dass auch die weiter oben im Zusammenhang mit der Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen als entsprechende Varianten des Verfahrens realisiert werden können.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren der eingangs genannten Art, welches insbesondere die weiter oben beschriebenen Verfahrensschritte aufweisen kann. Das Verfahren ist gekennzeichnet durch: Ermitteln eines Schneidfrontwinkels der Schnittfuge und/oder einer Überschreitung und/oder einer Unterschreitung eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels der Schnittfuge als charakteristische
Kenngröße(n) des Schneidprozesses, sowie Regeln des Schneidfrontwinkels auf einen vorgegebenen, konstanten Wert durch Beeinflussen mindestens eines
Stellparameters des Schneidprozesses.
Bei einer Variante wird der Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels in Abhängigkeit von einer zu schneidenden Kontur an dem Werkstück, insbesondere in Abhängigkeit von einem Krümmungsradius einer an dem Werkstück zu
schneidenden Kontur, ausgewählt. Wie weiter oben beschrieben wurde, ist es zur Optimierung der Prozessfähigkeit bzw. der Produktivität günstig, in Abhängigkeit von der zu schneidenden Kontur einen geeigneten Stellparameter auszuwählen.
Bei einer Variante wird als Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels die Vorschubgeschwindigkeit zwischen dem Hochenergiestrahl und dem Werkstück beeinflusst, wenn die Vorschubgeschwindigkeit durch das Material und die Dicke des Werkstücks auf einen maximalen Wert begrenzt wird. In diesem Fall ist es günstig, wenn während der Beeinflussung der Vorschubgeschwindigkeit die Leistung des Hochenergiestrahls auf einem konstanten, insbesondere maximalen Wert gehalten wird, der insbesondere mit der maximal erzeugbaren Leistung einer Strahlungsquelle übereinstimmen kann, die den Hochenergiestrahl erzeugt. Bei einer weiteren Variante wird als Stellparameter zur Regelung des
Schneidfrontwinkels die Leistung des Hochenergiestrahls beeinflusst, wenn die Vorschubgeschwindigkeit zwischen dem Hochenergiestrahl und dem Werkstück durch die Geometrie einer an dem Werkstück zu schneidenden Kontur auf einen maximalen Wert begrenzt wird. In diesem Fall ist es günstig, wenn während der Beeinflussung der Leistung des Hochenergiestrahls die Vorschubgeschwindigkeit auf dem maximalen Wert gehalten wird.
Bei einer Weiterbildung wird insbesondere beim Schneiden von Konturen mit sehr kleinen Krümmungsradien die Leistung des Hochenergiestrahls moduliert und als Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels wird die Modulation der Leistung des Hochenergiestrahls beeinflusst.
Bei einer weiteren Variante liegt der vorgegebene, konstante Wert, auf den der Schneidfrontwinkel geregelt wird, zwischen 2° und 6°, bevorzugt zwischen 3° und 5°. Diese Werte für den Soll-Wert des Schneidfrontwinkels haben sich bei den meisten zu schneidenden Materialien als günstig herausgestellt, wobei Materialdicken zwischen ca. 3 mm und ca. 25 mm verwendet wurden. Das hier beschriebene Verfahren zur Regelung des Schneidprozesses kann sowohl für
Brennschneidprozesse als auch für Schmelzschneidprozesse eingesetzt werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Computerprogrammprodukt, welches zur
Durchführung aller Schritte des oben beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage abläuft. Bei der Datenverarbeitungsanlage kann es sich beispielsweise um eine Steuer- und
Regeleinrichtung und/oder um eine Auswerteeinrichtung handeln, die in einer Vorrichtung wie oben beschrieben untergebracht ist, aber auch um eine externe Einrichtung, die typischer Weise Teil einer Bearbeitungsmaschine ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeich- nung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
Fig. 1 a eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer
Vorrichtung zur Überwachung und Regelung eines
Laserschneidprozesses an einem Werkstück,
Fig. 1 b eine Darstellung einer Blende zur Bildung eines Beobachtungsstrahls in einer solchen Vorrichtung entlang einer Schnittline B-B von Fig. 1 a, Fig. 2a-d vier Darstellungen von Wärmebildern eines Wechseiwirkungsbereichs zwischen Laserstrahl und Werkstück aus vier unterschiedlichen, zueinander senkrechten Beobachtungsrichtungen, eine Darstellung analog Fig. 1 a mit einer Rasteranordnung zur Erzeugung von Bildern des Wechselwirkungsbereichs aus unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen, eine Darstellung einer an dem Werkstück geschnittenen kreisförmigen Kontur,
Fig. 4a-c Detaildarstellungen der Rasteranordnung von Fig. 3, Fig. 5a, b Darstellungen einer Abbildungsoptik für die Vorrichtung von Fig. 1 a mit einem Umlenkprisma zur Erzeugung von Bildern des
Wechselwirkungsbereichs aus unterschiedlichen
Beobachtungsrichtungen,
Fig. 6a-d Darstellungen eines Schneidfrontwinkels an einer bei dem
Laserschneidprozess gebildeten Schnittfuge bei unterschiedlichen
Vorschubgeschwindigkeiten, und
Fig. 7 eine Darstellung einer Regelung des Schneidfrontwinkels auf einen
konstanten Soll-Wert unter Verwendung einer Zweipunktregelung.
Fig. 1a zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Überwachung und Regelung eines Laserschneidprozesses an einem Werkstück 3 mittels eines
Laserstrahls 2, welche in Form eines Laserbearbeitungskopfs ausgebildet ist, der Teil einer nicht näher dargestellten Laserbearbeitungsmaschine ist. Der Laserstrahl 2 wird im gezeigten Beispiel von einem CO2-Laser erzeugt. Alternativ kann der Laserstrahl 2 beispielsweise durch einen Festkörperlaser erzeugt werden. Der Laserstrahl 2 wird für die Durchführung einer schneidenden Bearbeitung an dem Werkstück 3 mittels eines Fokussierelements in Form einer Fokussierlinse 4 auf das Werkstück 3 fokussiert. Bei der Fokussierlinse 4 handelt es sich im gezeigten Beispiel um eine Linse aus Zinkselenid, die den Laserstrahl 2 durch eine
Laserbearbeitungsdüse 5, genauer gesagt durch deren Düsenöffnung 5a, auf das Werkstück 3 fokussiert, und zwar im gezeigten Beispiel auf eine Fokusposition F an der Oberseite des Werkstücks 3. Der Laserstrahl 2 bildet dort einen Wechselwirkungsbereich 8 mit dem Werkstück 3, hinter dem entgegen einer Vorschubrichtung v bzw. Schnittrichtung des Laserschneidprozesses eine
Schnittfuge 16 erzeugt wird. Im Falle eines Laserstrahls 2 aus einem Festkörperlaser kann eine Fokussierlinse bspw. aus Quarzglas eingesetzt werden.
In Fig. 1 a ebenfalls zu erkennen ist ein teildurchlässig ausgebildeter Umlenkspiegel 6, welcher den einfallenden Laserstrahl 2 (bspw. mit einer Wellenlänge von ca. 10,6 pm) reflektiert und für eine Prozessüberwachung relevante Beobachtungsstrahlung zu einem weiteren teildurchlässigen Umlenkspiegel 8 transmittiert. Der
Umlenkspiegel 6 ist für Beobachtungsstrahlung in Form von Wärmestrahlung bei Wellenlängen von ca. 800 nm bis 1100 nm, ggf. über 1100 nm, teildurchlässig ausgebildet. Der weitere teildurchlässige Umlenkspiegel 8 reflektiert die
Beobachtungsstrahlung zu einer Bilderfassungseinrichtung 9. Eine
Beleuchtungsquelle 10 dient zur koaxialen Beleuchtung des Werkstücks 3 mit Beleuchtungsstrahlung 1 1. Die Beleuchtungsstrahlung 1 1 wird von dem weiteren teiltransmissiven Umlenkspiegel 8 sowie von dem Umlenkspiegel 6 transmittiert und durch die Düsenöffnung 5a der Laserbearbeitungsdüse 5 hindurch auf das
Werkstück 3 gelenkt. Alternativ zu den teildurchlässigen Umlenkspiegeln 6, 8 können auch Scraperspiegel oder Lochspiegel, welche einfallende Strahlung nur aus einem Randbereich reflektieren, eingesetzt werden, um die Beobachtungsstrahlung 7 der
Bilderfassungseinrichtung 9 zuzuführen bzw. um die Beleuchtungsstrahlung 11 dem Werkstück 3 zuzuführen. Auch mindestens ein seitlich in den Strahlengang des Laserstrahls 2 eingebrachter Spiegel kann verwendet werden, um die Beobachtung zu ermöglichen.
Als Beleuchtungsquelle 10 können Diodenlaser oder LEDs oder Blitzlampen vorgesehen werden, die wie in Fig. 1 a gezeigt koaxial, aber auch off-axis zur Laserstrahlachse 13 angeordnet werden können. Die Beleuchtungsquelle 10 kann beispielsweise auch außerhalb (insbesondere neben) der Vorrichtung 1 angeordnet und auf das Werkstück 3 gerichtet sein; alternativ kann die Beleuchtungsquelle 10 innerhalb der Vorrichtung 1 angeordnet sein, jedoch nicht koaxial zum Laserstrahl 2 auf das Werkstück 3 ausgerichtet sein. Gegebenenfalls kann die Vorrichtung 1 auch ohne eine Beleuchtungsquelle 10 betrieben werden.
Teil der Bilderfassungseinrichtung 9 ist eine im Beobachtungsstrahlengang 7 hinter dem weiteren teildurchlässigen Umlenkspiegel 8 angeordnete geometrisch
hochauflösende Kamera 12. Bei der Kamera 12 kann es sich um eine
Hochgeschwindigkeitskamera handeln, die koaxial zur Laserstrahlachse 13 bzw. zur Verlängerung der Laserstrahlachse 13 und somit richtungsunabhängig angeordnet ist. Beim dargestellten Beispiel erfolgt die Aufnahme von Bildern durch die Kamera 12 im Auflichtverfahren im NIR/IR-Wellenlängenbereich, um das
Prozesseigenleuchten bzw. ein Wärmebild des Schneidprozesses aufzunehmen. Bei dem in Fig. 1 a gezeigten Beispiel kann ein Filter vor der Kamera 12 angeordnet werden, wenn weitere Strahlungs- bzw. Wellenlängenanteile von der Erfassung mit der Kamera 12 ausgeschlossen werden sollen. Der Filter kann z.B. als
schmalbandiger Bandpassfilter mit einer Halbwertsbreite von beispielsweise ca. 15 nm ausgebildet sein.
Zur Erzeugung von Bildern B1 bis B4 eines in Fig. 2a-d gezeigten zu
überwachenden Bereichs 15 des Werkstück 3, welcher den Wechselwirkungsbereich 18 enthält, auf einer Detektorfläche 12a der Kamera 12 weist die
Bilderfassungseinrichtung 9 eine Abbildungsoptik 14 auf. Im gezeigten Beispiel weist die Abbildungsoptik 14 eine Blende 25 auf, die um eine zentrale Drehachse D drehbar gelagert ist, so dass sich bei der Drehung die Position einer exzentrisch angeordneten Blendenöffnung 25a auf einem Kreisbogen um die Drehachse D bewegt.
Durch die Anordnung der Blende 25 in dem mittels einer Linse 17 fokussierten Strahlengangs der Abbildungsoptik 14 tritt nur ein Teil des
Beobachtungsstrahlengangs 7, welcher einen Randbereich der Fokussierlinse 4 durchläuft und im konvergenten Strahlengang nach der Fokussierlinse 4 unter einem Winkel ß zur Strahlachse 13 des Laserstrahls 2 ausgerichtet ist, durch die
exzentrisch zur Verlängerung der Strahlachse 13 des Laserstrahls 2 angeordnete Blendenöffnung 25a hindurch und bildet einen Beobachtungsstrahl 7a, welcher auf der Detektoroberfläche 12a abgebildet wird. Bei dem in Fig. 1a gezeigten Beispiel verläuft eine Beobachtungsrichtung R1 des Beobachtungsstrahls 7a in der Projektion in die XY-Ebene bzw. die Werkstückebene entgegen der Vorschubrichtung v, entlang derer der Laserstrahl 2 und das Werkstück 3 in der XY-Ebene relativ zueinander bewegt werden, um die gewünschte Schnittkontur zu bilden.
Es versteht sich, dass an Stelle einer mechanisch verstellbaren Blende 25 auch eine elektrisch verstellbare Blende, beispielsweise in Form eines LCD-Arrays, verwendet werden kann, bei der einzelne Pixel oder Pixelgruppen elektronisch an- bzw.
ausgeschaltet werden, um die Blendenwirkung zu erzeugen. Auch kann die mechanische Blende 25 anders als in Fig. 1 a,b gezeigt quer zum
Beobachtungsstrahlengang 7, beispielsweise in der YZ-Ebene, bewegt bzw.
verschoben werden, um unterschiedliche Teile des Beobachtungsstrahlengangs 7 abzuschatten bzw. für die Beobachtung zu öffnen. Die Blende 25 kann auch in Form eines oder mehrerer auf- und zuklappbarer mechanischer Elemente realisiert werden.
Wie in Fig. 2a-d zu erkennen ist, wird ein jeweils von der Abbildungsoptik 14 aufgenommenes Bild des zu überwachenden Bereichs 15 des Werkstücks 3 von einer kreisförmigen Innenkontur 5b der Laserschneiddüse 5 begrenzt. Der durch die Innenkontur 5b der Laserschneiddüse 5 begrenzte zu überwachende Bereich 15 enthält ein Bild B1 bis B4 des Wechselwirkungsbereichs 18, das bei den in Fig. 2a-d gezeigten Darstellungen aus unterschiedlich orientierten Beobachtungsrichtungen R1 bis R4 aufgenommen wurde. Fig. 2a zeigt ein Bild B1 des Wechselwirkungsbereichs 18, welches aus der in Fig. 1a gezeigten Beobachtungsrichtung R1 aufgenommen wurde. Die Projektion der Beobachtungsrichtung R1 in die XY-Ebene ist in Fig. 2a durch einen Pfeil dargestellt. Wie weiter oben beschrieben wurde, verläuft die Beobachtungsrichtung R1 bei dem in Fig. 1a gezeigten Beispiel entgegen der Vorschubrichtung v, d.h. in negativer X- Richtung, was als schleppende Beobachtung in Bezug auf eine Schneidfront 16a an dem Werkstück 3 bezeichnet wird, hinter der sich die Schnittfuge 16 ausbildet. Ein Schneidfrontwinkel α der Schneidfront 16a ist definiert als derjenige Winkel, den eine Verbindungslinie zwischen der Oberkante der Schneidfront 16a an der Oberseite des Werkstücks 3 und der Unterkante der Schneidfront 16a an der Unterseite des Werkstücks 3 mit der Strahlachse 13 des Laserstrahls 2 bzw. mit der Dickenrichtung des plattenförmigen Werkstücks 3 einschließt.
Bei der schleppenden Beobachtung existiert ein Schneidfrontwinkel a, bei dessen Unterschreitung die Schneidfront 16a und damit auch die von dieser ausgehende Wärmestrahlung von der Kante der Schneidfront 16a an der Oberseite des
Werkstücks 3 vollständig verdeckt wird, so dass die Schnittfuge 16 bzw. das dem Wechselwirkungsbereich 18 zugeordnete Bild B1 dunkel erscheint. Wird die Steigung der Schneidfront 16a flacher und der Schneidfrontwinkel α größer, ist keine vollständige Verdeckung der Schneidfront 16a durch deren obere Kante mehr gegeben, so dass die Länge der unter schleppender Beobachtung sichtbaren Schneidfront 16a größer wird und die Schnittfuge 16 in Bereichen hell bzw.
insgesamt hell erscheint. Aus einem Helligkeits- bzw. Intensitätswert 11 , der aus dem bei der schleppenden Beobachtung aufgenommenen Bild B1 des Wechselwirkungsbereichs 18 bestimmt wird, können Rückschlüsse auf den Schneidfrontwinkel α als charakteristische Kenngröße des Schneidprozesses gezogen werden. Als Intensitätswert 11 kann die gemessene Gesamtintensität des Bildes B1 dienen, der Intensitätswert 11 kann aber auch anhand eines räumlich begrenzten Bereichs des Bildes B1 bestimmt werden, der beispielsweise die Schneidfront 16a enthält. Auch in letzterem Fall wird der Intensitätswert 11 bestimmt, indem die Gesamtintensität in dem räumlich begrenzten Bereich bzw. Bildausschnitt ermittelt wird. Nimmt der anhand des aufgenommenen Bildes B1 bestimmte Intensitätswert 11 zu, nimmt typischer Weise auch der Schneidfrontwinkel α zu. Anhand einer Zuordnung von Messwerten des Intensitätswerts 11 zu Schneidfrontwinkeln a, die beispielsweise in vorausgehenden Testmessungen ermittelt wurde, lässt sich mittels einer
Auswerteeinrichtung 19 aus dem unter schleppender Beobachtung bestimmten Intensitätswert 11 der Schneidfrontwinkel α bestimmen. Zur Erhöhung der
Genauigkeit kann es günstig sein, den anhand eines räumlich begrenzten
Teilbereichs bzw. Bildausschnitts bestimmten Intensitätswert 11 mit einem weiteren Intensitätswert 12 in Beziehung zu setzen, der anhand eines weiteren räumlich begrenzten Teilbereichs bzw. Bildausschnitts des aufgenommenen Bildes B1 bestimmt wird, der nicht die Schneidfront 16a enthält.
In der Regel ist es für die Steuerung bzw. Regelung des Schneidprozesses jedoch nicht erforderlich, den genauen Wert des Schneidfrontwinkels α zu kennen. Vielmehr kann es ausreichend sein, durch einen Vergleich des Intensitätswerts 11 bzw. einer aus dem Intensitätswert 11 und dem weiteren Intensitätswert 12 gebildeten Größe mit einem Schwellwert ls, bei welchem vom Vorliegen eines Gutschnitts ausgegangen werden kann, auf eine Überschreitung eines kritischen Werts des
Schneidfrontwinkels CIG zu schließen, bei dem kein Gutschnitt mehr vorliegt (vgl. die Beschreibung weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 6a-d).
Es hat sich für die schleppende Beobachtung als günstig erwiesen, wenn der Winkel ß der Beobachtungsrichtung R1 zur Strahlachse 13 des Laserstrahls 2 im
Wesentlichen mit dem vorgegebenen Schneidfrontwinkel aG übereinstimmt, bei dem noch ein Gutschnitt vorliegt. Insbesondere ist es günstig, wenn die Abweichung bei weniger als 5°, insbesondere bei weniger als 2° liegt. Der Wertebereich, in dem die Abweichung liegt, hängt u.a. von dem Winkelbereich ab, unter dem beobachtet wird (z.B. der Größe der außermittigen Blendenöffnung 25a), so dass die Abweichung ggf. auch größer ausfallen kann.
Für einen vorgegebenen Schneidfrontwinkel OQ von 8° sollte der Winkel ß der Beobachtungsrichtung R1 zur Strahlachse 13 zwischen 3° und 13°, bevorzugt zwischen 6° und 10° liegen. Geeignete Winkel ß der Beobachtungsrichtung R1 zur Strahlachse 13 des Laserstrahls 2 liegen typsicher Weise zwischen ca. 5° und ca. 15°, insbesondere zwischen 5° und 0°, wobei der genaue Wert von der Dicke des Werkstücks 3 sowie vom verwendeten Werkstückmaterial abhängig ist. Der Winkel ß der Beobachtungsrichtung R1 zur Strahlachse 3 des Laserstrahls 2, unter dem das Bild B1 aufgenommen wird, ist durch den Abstand zwischen der zentrischen
Drehachse D und der Blendenöffnung 25a der Blende 25 vorgegeben. Der Abstand und damit der Winkel ß der Beobachtungsrichtung R1 zur Strahlachse 13 des Laserstrahls 2 kann ggf. durch eine Verschiebung der Blende 25 in der YZ-Ebene eingestellt bzw. verändert werden. Für die Beobachtung unter großen Winkeln ß von z.B. 6° bzw. 10° oder mehr kann erforderlichenfalls die Fokussierlinse 4 im Durchmesser vergrößert werden oder es kann eine Beobachtung von außerhalb der Fokussierlinse 4 erfolgen, d.h. der Beobachtungsstrahlengang 7 verläuft nicht oder nur teilweise durch die Fokussierlinse 4 hindurch. Auch eine Beobachtung unter kleineren Winkeln ß (in der Regel mindestens 2°) ist möglich.
Die Genauigkeit bei der Ermittlung des Schneidfrontwinkels α kann gesteigert werden, wenn dieser in Relation zu einem Intensitätswert 12 eines weiteren Bildes B2 des Wechselwirkungsbereichs 18 gesetzt wird, das aus einer weiteren
Beobachtungsrichtung R2 aufgenommen wird. Bei dem in Fig. 2b gezeigten Beispiel ist die weitere Beobachtungsrichtung R2 in der XY-Ebene zur (ersten)
Beobachtungsrichtung R1 unter einem Winkel von 180° orientiert, d.h. die weitere Beobachtungsrichtung R2 verläuft (in der Projektion in der XY-Ebene) in
Vorschubrichtung (positive X-Richtung), was auch als stechende Beobachtung bezeichnet wird. Um einen Vergleich zwischen den Intensitätswerten 11 , 12 zu vereinfachen, die aus den beiden unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen R , R2 aufgenommen wurden, ist der Winkel ß, den die beiden Beobachtungsrichtungen R1 , R2 zur Strahlachse 13 aufweisen, identisch (vgl. hierzu auch Fig. 3), es können aber ggf. für die unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen auch unterschiedliche Winkel gewählt werden.
Der aus dem unter stechender Beobachtung aufgenommenen Bild B2 von Fig. 2b bestimmte Intensitätswert 12 dient als Referenzwert und kann beispielsweise von dem Intensitätswert 11 des unter schleppender Beobachtung aufgenommenen Bildes B1 , welches in Fig. 2a gezeigt ist, subtrahiert werden. Die so erhaltene Differenz oder ggf. ein aus den Intensitätswerten 11 , 12 gebildeter Quotient 11 / 12 kann in der Auswerteeinrichtung 19 mit dem Schwellwert bzw. Referenzwert lref verglichen werden, um festzustellen, ob der Schneidfrontwinkel α einen vorgegebenen
Schneidfrontwinkel aR überschreitet, bei dem noch ein Gutschnitt vorliegt. Für den Vergleich werden typischer Weise Intensitätswerte 11 , 12 verwendet, welche der Gesamtintensität der beiden Bilder B1 , B2 bzw. an gleicher Stelle positionierter Teilbereiche der beiden Bilder B1 , B2 entsprechen.
Zusätzlich oder alternativ zur den in Fig. 2a, b gezeigten Beobachtungsrichtungen R1 , R2, die in bzw. entgegen der Vorschubrichtung v verlaufen, ist es auch möglich, eine Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs 18 aus Beobachtungsrichtungen vorzunehmen, die nicht in der Zeichenebene (XZ-Ebene) von Fig. 1a liegen, welche entlang der Mittenebene der Schnittfuge 16 verläuft. Mögliche
Beobachtungsrichtungen stellen alle Richtungen dar, die (bei gegebenem Winkel ß) vom Fokuspunkt F ausgehend auf einer kegelförmigen Fläche liegen. Da die Ausrichtung bzw. die Orientierung der exzentrischen Blendenöffnung 25a die Beobachtungsrichtung festlegt, kann die Auswahl einer geeigneten
Beobachtungsrichtung durch eine Drehung der Blende 25 erfolgen. Zwei Bilder B3, B4 des Wechselwirkungsbereichs 18, die aus einer dritten
Beobachtungsrichtung R3 unter -90° zur X-Richtung (d.h. in negativer Y-Richtung) bzw. aus einer vierten Beobachtungsrichtung R4 unter +90° zur X-Richtung (d.h. in positiver Y-Richtung) aufgenommen wurden, sind in Fig. 2c,d dargestellt. Mit Hilfe der aus diesen beiden Beobachtungsrichtungen R3, R4 aufgenommenen Bilder B3, B4 können die beiden (in Fig. 1a nicht gezeigten) seitlichen Ränder der Schnittfuge 16 genauer beobachtet werden.
Die Auswerteeinrichtung 19 kann anhand der aufgenommenen Bilder B3, B4, die in der XY-Ebene unter einem Winkel von +/-900 zur Vorschubrichtung v verlaufen, eine Gratbildung, Rauigkeit und/oder Riefenbildung als charakteristische Kenngröße(n) der Schnittfuge 16 ermitteln. Beispielsweise kann anhand des Bildes B3, welches aus der dritten Beobachtungsrichtung R3 aufgenommen wurde, ein Riefenbildung bzw. ein Riefenabstand in Schneid- bzw. Vorschubrichtung v sowie eine Riefentiefe an derjenigen seitlichen Kante der Schnittfuge 16 ermittelt werden, welche in Fig. 1a vor der Zeichenebene angeordnet ist.
Entsprechend kann auch anhand des vierten Bildes B4, welches aus der vierten Beobachtungsrichtung R4 aufgenommen wurde, eine Riefenbildung bzw. ein Riefenabstand sowie eine Riefentiefe an derjenigen seitlichen Kante der Schnittfuge 16 ermittelt werden, welche sich hinter der Zeichenebene von Fig. 1 a befindet. Die Riefen können beispielsweise in Form von periodisch wiederkehrenden Strukturen (typischer Weise in Form von Aus- bzw. Einbuchtungen) am Rand des Bildes B3, B4 des Wechselwirkungsbereichs 18 erkennbar sein und anhand des Abstandes zwischen den Strukturen kann ein Riefenabstand sowie anhand der Amplitude der Strukturen auf die Riefentiefe geschlossen werden.
Anhand der dritten und vierten Bilder B3, B4 kann die Auswerteeinrichtung 19 auch eine Gratbildung an der Unterseite des Werkstücks 3 und/oder die Rauigkeit an den beiden Schnittspaltflanken bzw. -kanten der Schnittfuge 16 ermitteln. Bei der
Gratbildung verläuft die untere Kante der Schnittfuge 16 nicht mehr als horizontale Linie, so dass eine geometrische Abweichung in dem jeweiligen Bild B3, B4 entsteht, die von der Auswerteeinrichtung 19 detektiert werden kann. Es versteht sich, dass für die oben genannten Zwecke die dritte und vierte Beobachtungsrichtung R3, R4 nicht zwingend unter einem rechten Winkel zur Vorschubrichtung v verlaufen müssen. Vielmehr kann ggf. auch eine Beobachtung unter Winkeln erfolgen, die in der XY-Ebene beispielsweise zwischen ca. +70° und +1 10° (bzw. -70° und -1 10°) zur Vorschubrichtung verlaufen. Um eine bestimmte charakteristische Kenngröße, beispielsweise den
Schneidfrontwinkel a, auch bei einer Änderung der Vorschubrichtung v während des Schneidens entlang von gekrümmten Schnittkonturen unter einer gewünschten Beobachtungsrichtung, beispielsweise der Beobachtungsrichtung R1 entgegen der Vorschubrichtung v, beobachten zu können, ist es erforderlich, die Ausrichtung der Beobachtungsrichtung R1 in der XY-Ebene in Abhängigkeit von der
Vorschubrichtung v bzw. von der Orientierung der Vorschubrichtung v in der XY- Ebene zu verändern. Zu diesem Zweck kann eine Steuer- und Regeleinrichtung 20 dienen, welche die Blende 25 und damit die Blendenöffnung 25a bei der Änderung der Vorschubrichtung v entsprechend um die Drehachse D mitdreht, so dass die Beobachtungsrichtung R1 stets entgegen der Vorschubrichtung v ausgerichtet bleibt. Durch das Mitdrehen der Blende 25 kann auch die Ausrichtung jeder der weiteren in Fig. 2b-d gezeigten Beobachtungsrichtungen R2 bis R4 relativ zur Vorschubrichtung v konstant gehalten werden. Da die Steuer- und Regeleinrichtung 20 den Schneidprozess steuert, verfügt diese über die notwendigen Informationen hinsichtlich der momentanen Vorschubrichtung v und kann die Bilderfassungseinrichtung 9, genauer gesagt die Blende 25, geeignet ansteuern. Gegebenenfalls kann die Blende 25 auch mehr als eine Blendenöffnung 25a aufweisen, um eine gleichzeitige Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs 18 aus unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen R1 bis R4 zu ermöglichen. In diesem Fall sollte die Abbildungsoptik 14 so ausgelegt werden, dass die den
unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen R1 bis R4 zugeordneten Bilder B1 bis B4 an unterschiedlichen Teilbereichen der Detektorfläche 12a erzeugt werden.
Eine weitere Möglichkeit zur gleichzeitigen Erzeugung mehrerer Bilder aus
unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen R1 , R2,... wird nachfolgend anhand einer in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung 1 erläutert. Im Gegensatz zu der in Fig. 1 a gezeigten Vorrichtung 1 , bei welcher der Beobachtungsstrahl 7a durch eine nicht zentrische Apertur (Blendenöffnung 25a) im Beobachtungsstrahlengang 7 erzeugt wird und die Abbildung des Beobachtungsstrahlengangs 7 mittels einer einzigen Abbildungslinse 17 zentrisch zur Strahlachse 13 des Laserstrahls 2 erfolgt, weist die in Fig. 3 gezeigte Vorrichtung 1 eine Abbildungsoptik 14 mit einer Mehrzahl von optischen Elementen in Form von Linsenelementen 22, 23 auf, die zur Erzeugung einer Mehrzahl von Bildern auf der Detektorfläche 12a des Detektors 12 dienen, die jeweils aus unterschiedlichen Beobachtungsrichtungen R1 , R2, ... aufgenommen werden.
Bei der in Fig. 4a-c dargestellten Detail der Abbildungsoptik 14 weist diese eine Mehrzahl von sechs ersten Zylinderlinsen 22 und von sechs zweiten Zylinderlinsen 23 auf, die in einer Rasteranordnung 24 (Linsenarray) angeordnet sind, um eine Anzahl von 6 x 6 = 36 Bildern auf der Detektorfläche 12a zu erzeugen. Die
Abbildungsoptik 14 weist zudem in dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel zwei Linsen 17a, 17b in einer Teleskopanordnung auf, um eine Anpassung des Strahlquerschnitts des Beobachtungsstrahlengangs an die Detektorfläche 12a der Kamera 12 zu
ermöglichen. Alternativ kann die Abbildung der unterschiedlichen
Beobachtungsrichtungen auch nach dem plenoptischen Prinzip bzw. mittels einer Lichtfeld-Kamera erfolgen. Typischer Weise ist es nicht sinnvoll, alle 36 Bilder parallel auszuwerten. Vielmehr wird die Auswertung typischer Weise auf diejenigen Bilder beschränkt, die sich zur Ermittlung einer bestimmten charakteristischen Kenngröße besonders gut eignen.
Die Steuerungseinrichtung 20 steuert in diesem Fall in Abhängigkeit von der momentanen Vorschubrichtung v die Auswerteeinrichtung 19 derart an, dass eine Auswertung nur derjenigen Bilder erfolgt, die aus Beobachtungsrichtungen mit einer für die Ermittlung einer jeweils charakteristischen Kenngröße vorteilhaften
Ausrichtung aufgenommen werden, wie weiter unten näher beschrieben wird. Soll zusätzlich auch der Beobachtungs-Winkel ß verändert werden, ist es erforderlich, den radialen Abstand der von der Auswerteeinrichtung 19 ausgewerteten Bilder zum Zentrum der Rasteranordnung 24 geeignet zu wählen bzw. zu verändern.
Bei der in Fig. 4a-c gezeigten Rasteranordnung 24 können beispielsweise zwei Bilder B1 , B2 für die Ermittlung des Schneidfrontwinkels α herangezogen werden, die zwei Beobachtungsstrahlen 7a, 7b bzw. zwei Beobachtungsrichtungen R1 , R2 zugeordnet sind, die im Wesentlichen in Vorschubrichtung v bzw. entgegen der Vorschubrichtung v ausgerichtet sind, welche der negativen bzw. der positiven X- Richtung entspricht. Wie in Fig. 4c zu erkennen ist, weichen aufgrund des Fehlens von Bildpositionen auf der Kamera 12, die in Y-Richtung spiegelsymmetrisch zur X- Achse verlaufen, die Beobachtungsrichtungen R1 , R2, entlang derer die beiden Bilder B1 , B2 aufgenommen werden, um ca. 5° von der X-Richtung ab. Eine solche Ausrichtung der Beobachtungsrichtungen R1 , R2 ist zwar nicht ideal, ermöglicht aber ebenfalls eine schleppende bzw. stechende Beobachtung und ist daher im Regelfall ausreichend, um den Schneidfrontwinkel α mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln.
Es versteht sich, dass in Abhängigkeit von der gewünschten Auflösung auch weniger oder mehr Zylinderlinsen in der Rasteranordnung 24 vorgesehen werden können und dass an Stelle von gekreuzten Zylinderlinsen 22, 23 auch sphärische oder ggf.
asphärische Linsen zur Bildung der Rasteranordnung 24 verwendet werden können. Im einfachsten Fall können vier abbildende optische Elemente die Rasteranordnung 24 bilden. Es versteht sich, dass auch ein einzelnes, exzentrisch zur Verlängerung der Strahlachse 13 des Laserstrahls 2 angeordnetes optisches Element ausreichend ist, um ein Bild des Wechselwirkungsbereichs 18 aus einer Beobachtungsrichtung aufzunehmen, die unter einem Winkel ß zur Strahlachse 13 des Laserstrahls 2 verläuft. Gegebenenfalls kann die Rasteranordnung 24 auf einen ringförmigen Bereich beschränkt werden, d.h. auf die Rasterelemente im Zentrum der
Rasteranordnung 24 kann verzichtet werden, da diese lediglich zur Erzeugung von Bildern genutzt werden können, die einen sehr kleinen Winkel zur Strahlachse 13 des Laserstrahls 2 aufweisen. Gegebenenfalls kann in dem zentralen Bereich der Rasteranordnung 24 eine vergleichsweise große Linse zentrisch angeordnet werden, um eine koaxiale Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs 18 mit hoher
Auflösung zu ermöglichen. Eine alternative Ausgestaltung der Abbildungsoptik 14 mit einer Abbildungslinse 25 und einer Einrichtung zur Beeinflussung der Strahlrichtung des
Beobachtungsstrahlengangs 7 in Form einer als Umlenkprisma 26 ausgebildeten Strahl-Umlenkeinrichtung ist in Fig. 5a, b dargestellt. Das Umlenkprisma 26 weist vier keilförmige Abschnitte mit planen, zur Beobachtungstrahlung bzw. zu deren
Strahlachse unter einem Winkel angeordneten Flächen 26a-d auf, die um einen zentralen, planen Bereich 27 herum angeordnet sind. Die ersten beiden Flächen 26a, b dienen als Strahlumlenkbereiche zur Umlenkung der einfallenden
Beobachtungsstrahlung in X-Richtung, so dass diese nicht senkrecht zur Mittelebene der Abbildungslinse 25 auf diese auftrifft, wodurch ein erster und zweiter
Beobachtungsstrahl 7a, 7b gebildet werden, um ein erstes und zweites Bild B1 , B2 auf der Detektorfläche 12a zu erzeugen, die entlang der X-Achse voneinander beabstandet sind.
Die dritte Fläche 26c und die vierte Fläche 26d dienen entsprechend als
Strahlumlenkbereiche zur Erzeugung eines dritten und vierten Bildes B3, B4 auf der Detektorfläche 12a, die entlang der Y-Richtung voneinander beabstandet sind. Der zentrale, die Beobachtungsstrahlung nicht umlenkende Bereich 27 dient der
Erzeugung eines zentrisch im Beobachtungsstrahlengang 7 angeordneten Bildes B auf der Detektorfläche 12a, welches zur Prozessbeobachtung verwendet werden kann. Bei dem in Fig. 5a, b gezeigten Ausführungsbeispiel ergibt sich insgesamt eine annäherungsweise konvexe Geometrie des Umlenkprismas 26. Es versteht sich, dass auch ein Umlenkprisma mit einer Wesentlichen konkaven Geometrie verwendet werden kann, um die Mehrzahl von Bildern B1 bis B4, ... zu erzeugen. Die in Fig. 5a, b beispielhaft gezeigte Umlenkanordnung 26 unter Verwendung von vier Flächen 26a-c, die um den zentralen, planen Bereich 27 angeordnet sind und die eine Unterteilung des Winkelbereichs des Beobachtungsstrahlengangs 7 von 360° in vier Segmente mit jeweils 90° erzeugt, ist typischer Weise zu grob, um die Ermittlung des Schneidfrontwinkels α mit ausreichender Genauigkeit durchführen zu können, da die Bedingung, dass die jeweils ausgewählte Beobachtungsrichtung bzw. der jeweils ausgewählte Beobachtungsstrahl 7a, 7b eine Beobachtung entgegen der
Vorschubrichtung v des Schneidprozesses ermöglicht, in der Regel nicht erfüllt ist. In der Regel ist zur Ermittlung des Schneidfrontwinkels α mit ausreichender
Genauigkeit eine Unterteilung des gesamten zur Verfügung stehenden
Winkelbereichs von 360° in mindestens acht bzw. in mindestens sechzehn Winkel- Segmente erforderlich.
Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Steuer- und Regeleinrichtung 20 auch dazu dienen, in Abhängigkeit vom Wert der ermittelten charakteristischen Kenngröße in den Schneidprozess einzugreifen und bestimmte Schneidparameter anzupassen bzw. zu verändern. Anhand von Fig. 6a-d wird nachfolgend der Einfluss des
Schneidfrontwinkels α auf die Schnittqualität bzw. auf das Schneidergebnis näher erläutert. Fig. 6a zeigt einen Schnitt bzw. eine Schnittfuge 16, bei welcher der Schneidfrontwinkel α der Schneidfront 16a bei ca. 3° liegt, Fig. 6b zeigt eine
Schneidfront 16a mit einem Schneidfrontwinkel α von ca. 4,9°. Beide
Schneidfrontwinkel α liegen unterhalb eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels ac = 5°, bei dem gerade noch ein Gutschnitt vorliegt. Fig. 6c zeigt eine Schneidfront 16a mit einem Schneidfrontwinkel α von ca. 10°, d.h. der vorgegebene
Schneidfrontwinkel OG = 5° ist deutlich überschritten, was zu einer Bartbildung an der Schnittfuge 16 führt. Fig. 6d zeigt schließlich eine Schneidfront 16a, welche bei einem Schnittabriss vorliegt, bei dem der untere Rand des Werkstücks 3 nicht mehr durchtrennt wird. Es versteht sich, dass bei dem in Fig. 6d gezeigten Schnittabriss keine sinnvolle Bestimmung des Schneidfrontwinkels α mehr möglich ist.
Um den in Fig. 6d dargestellten Schnittabriss zu verhindern, stellt die Steuer- und Regeleinrichtung 20 in Abhängigkeit vom momentan von der Auswerteeinrichtung 19 ermittelten Schneidfrontwinkel α die Vorschubgeschwindigkeit v des
Schneidprozesses auf einen geeigneten Wert ein. Dem vorgegebenen
Schneidfrontwinkel OG ist hierbei eine Vorschubgeschwindigkeit v zugeordnet, die - willkürlich - als 100% festgelegt wird, d.h. es handelt sich um die maximale
Vorschubgeschwindigkeit, bei der in der Regel noch ein Gutschnitt möglich ist. Die in Fig. 6a-d dargestellten Vorschubgeschwindigkeiten vi bis v4 entsprechen 50% (Fig. 6a), ca. 100% (Fig. 6b), 110% (Fig. 6c) sowie 120% oder mehr (Fig. 6d) dieser maximalen Vorschubgeschwindigkeit vmax.
Bei der maximalen Vorschubgeschwindigkeit vmax handelt es sich um einen
Richtwert, der einer bestimmten Bearbeitungsaufgabe zugeordnet ist. Anhand des Schneidfrontwinkels α kann die Vorschubgeschwindigkeit v geeignet eingestellt bzw. geregelt werden, um zu erreichen, das der Schneidfrontwinkel α unterhalb des vorgegebenen Schneidfrontwinkels ÖQ bleibt. Die Vorschubgeschwindigkeit v kann erforderlichenfalls insbesondere auch auf einen Wert unterhalb der maximalen Vorschubgeschwindigkeit vmax reduziert werden, um ein Überschreiten des
vorgegebenen (maximalen) Schneidfrontwinkels ÖQ ZU verhindern.
Die Steuer- und Regeleinrichtung 20 kann auch dazu dienen, weitere Parameter des Schneidprozesses, beispielsweise die Laserleistung, den Gasfluss etc. in
Abhängigkeit vom ermittelten Schneidfrontwinkel α oder von weiteren Kenngrößen des Schneidprozesses, beispielsweise der Gratbildung, Rauigkeit und/oder
Riefenbildung an der Schnittfuge 16 zu steuern bzw. zu regeln.
Zusammenfassend können auf die oben beschriebene Weise der Schneidfrontwinkel α und/oder weitere charakteristische Kenngrößen des Schneidprozesses ermittelt werden. Insbesondere kann der Schneidfrontwinkel α auch in dem Fall ermittelt werden, dass sich die Schneidfrontunterkante außerhalb des Sichtbereichs 15 befindet, der von der Düsenöffnung 5a der Laserschneiddüse 5 begrenzt wird.
Zudem kann die Ermittlung des Schneidfrontwinkels zuverlässig im Sinne einer einfachen Bildverarbeitung ausgeführt werden und die für die Ermittlung von charakteristischen Kenngrößen erforderlichen Bauteile können in den
Bearbeitungskopf integriert werden, welcher die Vorrichtung 1 bildet.
Mit Hilfe der weiter oben beschriebenen Vorrichtung 1 oder mit Hilfe einer anderen geeigneten Vorrichtung, welche die Ermittlung einer Überschreitung und/oder Unterschreitung eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels OQ oder die direkte
(absolute) Ermittlung des Schneidfrontwinkels α ermöglicht, kann eine Regelung des Schneidfrontwinkels α auf einen konstanten Soll-Wert aG erfolgen, der im hier beschriebenen Beispiel mit demjenigen Schneidfrontwinkel QG übereinstimmt, dessen Überschreitung und/oder Unterschreitung von der Auswerteeinrichtung 19 ermittelt wird. Zu Regelung des Schneidfrontwinkels α auf den Soll-Wert aG beeinflusst die Regeleinrichtung 20 mindestens einen Stellparameter als Stellgröße für die
Regelung, wie nachfolgend anhand von Fig. 7 am Beispiel einer geradlinigen Kontur 30 erläutert wird, die an einem Werkstück 3 geschnitten wird.
Über dem in Fig. 7 unten dargestellten Werkstück 3 ist ein Geschwindigkeitsprofil der Vorschubgeschwindigkeit v in Abhängigkeit von der Zeit t gezeigt. Die Skalierung der Zeitachse ist so gewählt, dass ein jeweiliger Zeitpunkt mit dem unmittelbar darunter dargestellten Ort des Werkstücks 3 entlang der X-Achse übereinstimmt. Die
Vorschubgeschwindigkeit v ist zu Beginn des Schneidprozesses sehr groß, d.h. die Vorschubgeschwindigkeit v liegt mit ca. 140 % deutlich über der maximalen
Vorschubgeschwindigkeit vMAx, die wie oben dargestellt wurde einen Richtwert für eine bestimmte Bearbeitungsaufgabe darstellt, die durch die Dicke D des Werkstücks 3 und das Material bzw. den Materialtyp des Werkstücks 3 charakterisiert wird.
Aufgrund der zu Beginn zu großen Vorschubgeschwindigkeit v wird ein Sollwert Ss0ii der Steigung S der Schneidfront 16a unterschritten, der im gezeigten Beispiel mit einem Soll-Wert OG für den Schneidfrontwinkel α übereinstimmt, der bei aG = 4° liegt. Typische Soll-Werte ÖG für den Schneidfrontwinkel α liegen zwischen ca. 2° und ca. 6°, insbesondere zwischen ca. 3° und ca. 5°. Aufgrund der Überschreitung des Soll- Werts aG des Schneidfrontwinkels α (bzw. der Unterschreitung des Sollwerts Ssoii der Schneidfrontsteigung S) kommt es zu einem Schnittabriss, d.h. das Werkstück 3 wird von dem Laserstrahl 2 nicht vollständig durchgeschnitten, wie anhand der in Fig. 7 gezeigten Unterseite des Werkstücks 3 gut zu erkennen ist.
Die Überschreitung des Soll-Werts OQ des Schneidfrontwinkels α wird von der Auswerteeinrichtung 19 auf die weiter oben beschriebene Weise erkannt. Um die momentane Steigung S|St der Schneidfront 16a auf dem Soll-Wert Ssoii zu halten (und somit auch den Ist-Wert des Schneidfrontwinkels α auf dem Soll-Wert aG zu halten), weist die Regeleinrichtung 20 einen unstetigen Regler, im gezeigten Beispiel einen Zweipunktregler 31 , auf (vgl. Fig. 1a und Fig. 3). Der Zweipunktregler 31 erhöht oder verringert die Vorschubgeschwindigkeit v je nachdem, ob der Ist-Wert S|St der Steigung der Schneidfront 16a über dem Soll-Wert SSOII oder unter dem Soll-Wert Ssoii liegt. Entsprechend wird die Vorschubgeschwindigkeit v erhöht oder verringert, je nachdem, ob der Ist-Wert der Schneidfrontsteigung α unter oder über dem Soll- Wert OG liegt. An Stelle des Zweipunktreglers 31 können auch andere unstetige Regler, beispielsweise Dreipunktregler oder dergleichen, in die Regeleinrichtung 20 integriert sein, um die Regelung des Schneidfrontwinkels α auf den Soll-Wert ctsoii vorzunehmen.
Während der im Zusammenhang mit Fig. 7 beschriebenen Regelung der
Vorschubgeschwindigkeit v wird die Leistung P des Laserstrahls 2 auf einem konstanten, maximalen Wert PMAX gehalten (vgl. Fig. 1 a), der für die jeweilige
Bearbeitungsaufgabe, d.h. Material des Werkstücks 3 und Dicke D des Werkstücks 3 sowie die verwendete Laserquelle einen Richtwert darstellt. Bei üblichen Materialien wie z.B. Stählen wird in der Regel die maximal mögliche Leistung PMAx der
Laserquelle gewählt. Die maximale Leistung PMAX wird typischer Weise erreicht, wenn es sich bei der zu schneidenden Kontur wie in Fig. 7 gezeigt ist um eine vergleichsweise lange, geradlinige Kontur 30 (mit Krümmungsradius unendlich) handelt.
Es hat sich als günstig herausgestellt, abhängig von der zu schneidenden Kontur an dem Werkstück 3 unterschiedliche Stellparameter für die Regelung des
Schneidfrontwinkels α zu verwenden. Beispielsweise kann die
Vorschubgeschwindigkeit v als Stellgröße verwendet werden, wenn die Leistung des Hochenergiestrahls ihren maximalen Wert PMAX erreicht, was typischer Weise beim Schneiden von längeren geraden Konturen (mit unendlich großem
Krümmungsradius) der Fall ist (s.o.).
Handelt es sich bei der zu schneidenden Kontur um eine vergleichsweise kleine Kontur 34, wie sie in Fig. 3a dargestellt ist und welche einen Krümmungsradius R aufweist, der so klein ist, dass die maximale Vorschubgeschwindigkeit VMAX durch die Dynamik der an der Bewegung zwischen dem Laserstrahl 2 und dem Werkstück 3 beteiligten Bewegungsachsen mit Ihrer maximalen Achsbeschleunigung in der Größenordnung von zirka 1 g begrenzt wird. Zum Schneiden einer kleinen Kontur 34 kann insbesondere eine oder es können ggf. mehrere Zusatzachse(n) verwendet werden, d.h. redundante, hoch dynamische Achsen mit einem kleinen Bewegungs- bzw. Verfahrbereich. Bei dem in Fig. 3a gezeigten Beispiel wird die Leistung P der Laserquelle 33 der Vorrichtung 1 als Stellgröße für die Regelung des
Schneidfrontwinkels α verwendet. Die Regelung kann hierbei analog zu dem in Zusammenhang mit Fig. 7 beschriebenen Beispiel erfolgen. Die
Vorschubgeschwindigkeit v wird hierbei typischer Weise auf dem maximal möglichen Wert VMAX gehalten, der abhängig von der Bewegung entlang der zu schneidenden Kontur 34, insbesondere in Abhängigkeit vom ggf. nicht konstanten
Krümmungsradius R, variieren kann. Beim Schneiden von sehr kleinen Konturen 34 ist es ggf. günstig, an Stelle eines Dauerstrichbetriebs die Leistung P des von der Laserquelle 33 erzeugten
Laserstrahls 2 zu modulieren. Insbesondere kann in diesem Fall die Laserquelle 33 in einen Pulsbetrieb umgeschaltet werden. In diesem Fall kann die Modulations- bzw. Pulsfrequenz fM des Laserstrahls 2 als Stellparameter für die Regelung des
Schneidfrontwinkels α verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann ggf. die Pulsdauer der Pulse des von der Laserquelle 33 erzeugten, gepulsten Laserstrahls 2 als Stellparameter für die Regelung des Schneidfrontwinkels α verwendet werden.
An Stelle der weiter oben in Zusammenhang mit Fig. 7 beschriebenen Ermittlung der Überschreitung eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels ÖQ kann auch der
Absolutwert des Schneidfrontwinkels α bestimmt werden. Dies kann beispielsweise auf die in der eingangs zitierten WO 2012/107331 A1 beschriebene Weise erfolgen, d.h. indem in dem in Fig. 3a gezeigten, durch die kreisförmige Innenkontur 5b begrenzten Bild der Oberfläche des Werkstücks 3 der Abstand A zwischen der Schneidfrontoberkante und der Schneidfrontunterkante der Schneidfront 16a entlang der in Fig. 3a gestrichelt dargestellten Spaltmitte gemessen wird. Der
Schneidfrontwinkel α ergibt sich aus dem gemessenen Abstand A und der Dicke D des Werkstücks 3 gemäß der Formel α = artan (A / D). Ist der Absolutwert des Schneidfrontwinkels α bekannt, hat es sich als günstig erwiesen, in der Regeleinrichtung 20 an Stelle eines unstetigen Reglers 31 einen stetigen Regler 32, beispielsweise einen PID-Regler, zu verwenden. Es versteht sich, dass die Vorrichtung 1 sowohl zur Ermittlung des Absolutwerts des
Schneidfrontwinkels α als auch zur Ermittlung der Überschreitung des vorgegebenen Schneidfrontwinkels ÖG ausgebildet sein kann. Die Wahl der Ermittlungsmethode bzw. der Regelungsmethode kann beispielsweise davon abhängen, ob die Schneidfront 16a bei dem Schneidprozess gut zu erkennen ist oder ob diese ggf. durch das Prozesseigenleuchten nur schwer zu identifizieren ist, so dass der Abstand A nicht genau genug bestimmt werden kann.
Zusammenfassend kann durch die hier beschriebene Regelung des
Schneidfrontwinkels α auf einen konstanten Soll-Wert ÖQ die Produktivität und die Prozessfähigkeit des Schneidprozesses optimiert werden. Insbesondere kann auf diese Weise ggf. ein„autarker" Schneidprozess realisiert werden, bei dem die Vorrichtung 1 den optimalen Arbeitspunkt für unterschiedliche Materialien bzw. zu schneidende Konturen selbst einstellt.

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung (1 ) zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines
Schneidprozesses an einem Werkstück (3), umfassend:
ein Fokussierelement (4) zur Fokussierung eines Hochenergiestrahls (2), insbesondere eines Laserstrahls, auf das Werkstück (3),
eine Bilderfassungseinrichtung (9) zur Erfassung eines zu überwachenden Bereichs (15) an dem Werkstück (3), der einen Wechselwirkungsbereich (18) des Hochenergiestrahls (2) mit dem Werkstück (3) umfasst, sowie eine
Auswerteeinrichtung (19), die ausgebildet ist, anhand des erfassten
Wechselwirkungsbereichs (18) mindestens eine charakteristische Kenngröße (a) des Schneidprozesses, insbesondere einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge (16), zu ermitteln,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bilderfassüngseinrichtung (9) zur Bildung eines Beobachtungsstrahls (7a) zur Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs (18) aus einer unter einem Winkel (ß) zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (3) verlaufenden
Beobachtungsrichtung (R1 ) ausgebildet ist, und
dass die Bilderfassüngseinrichtung (9) eine Abbildungsoptik (14) zur Erzeugung eines Bildes (B1 ) des Wechselwirkungsbereichs (18) aus der unter dem Winkel (ß) zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (3) verlaufenden
Beobachtungsrichtung (R1 ) umfasst.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei welcher die Bilderfassungseinrichtung (9)
ausgebildet ist, die Ausrichtung der Beobachtungsrichtung (R1 ) des
Beobachtungsstrahls (7a) in einer Ebene (X, Y) senkrecht zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (2) zu verändern.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Bilderfassungseinrichtung (9) zur Veränderung der Ausrichtung der Beobachtungsrichtung (R1 ) des
Beobachtungsstrahls (7a) eine Blende (25) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die
Abbildungsoptik (14) zur Erzeugung einer Mehrzahl von Bildern (B1 bis B4) des Wechselwirkungsbereichs (18) aus unterschiedlich ausgerichteten
Beobachtungsrichtungen (R1 bis R4) ausgebildet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Abbildungsoptik (14) zur
Erzeugung der Mehrzahl von Bildern (B1 bis B4) eine Mehrzahl von abbildenden optischen Elementen (22, 23) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, bei welcher die Mehrzahl von abbildenden
optischen Elementen (22, 23) eine Rasteranordnung (24) bildet.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Abbildungsoptik (14) zur
Erzeugung der Mehrzahl von Bildern (B1 bis B4) eine Einrichtung (27) zur Bildung eines jeweiligen Beobachtungsstrahls (7a, 7b) durch Beeinflussen einer
Strahlrichtung eines Beobachtungsstrahlengangs (7). aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Steuereinrichtung (20), die ausgebildet ist, die Ausrichtung der
Beobachtungsrichtung (R1 , R2, ... ) in einer Ebene (X, Y) senkrecht zur
Strahlachse (13) in Abhängigkeit von einer Vorschubrichtung (v) des
Schneidprozesses zu verändern.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, bei welcher die Steuereinrichtung (20) ausgebildet ist, die Ausrichtung der Beobachtungsrichtung (R1 ) relativ zur Vorschubrichtung (v) konstant zu halten.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die
Beobachtungsrichtung (R1 ) in einer Ebene (X, Y) senkrecht zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (2) entgegen einer Vorschubrichtung (v) des
Schneid prozesses verläuft.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, bei der die Auswerteeinrichtung (19) ausgebildet ist, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs (18) einen
Schneidfrontwinkel (a) der Schnittfuge (16) und/oder eine Überschreitung und/oder eine Unterschreitung eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels (<XG) der Schnittfuge (16) als charakteristische Kenngröße(n) des Schneidprozesses zu ermitteln.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , bei welcher der Winkel (ß), unter dem die
Beobachtungsrichtung (R1 ) zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (3) verläuft, um weniger als 5°, bevorzugt um weniger als 2° von dem vorgegebenen Schneidfrontwinkel (CCG) abweicht.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Winkel (ß) der Beobachtungsrichtung (R1) zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (2) zwischen 5° und 15°, bevorzugt zwischen 5° und 10° liegt.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die
Bilderfassungseinrichtung (9) zur Bildung eines weiteren Beobachtungsstrahls (7b) zur Beobachtung des Wechselwirkungsbereichs (18) aus einer weiteren Beobachtungsrichtung (R2) ausgebildet ist und bei der die Abbildungsoptik (14) zur Erzeugung eines weiteren Bildes (B2) des Wechselwirkungsbereichs (18) aus der weiteren Beobachtungsrichtung (R2) ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Auswerteeinrichtung (19) ausgebildet ist, einen anhand des weiteren Bildes (B2) des Wechselwirkungsbereichs (18) bestimmten Intensitätswert (12) mit einem anhand eines in einer Ebene (X, Y) senkrecht zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (2) entgegen der
Vorschubrichtung (v) aufgenommenen Bildes (B1 ) des Wechselwirkungsbereichs (18) bestimmten Intensitätswerts (11 ) zu vergleichen.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die
Beobachtungsrichtung (R3, R4) in einer Ebene (X, Y) senkrecht zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (2) nicht in oder entgegen der Vorschubrichtung (v) des Schneidprozesses verläuft und bei der die Auswerteeinrichtung (19) ausgebildet ist, anhand des aufgenommenen Bildes (B3, B4) eine Gratbildung, Rauigkeit und/oder Riefenbildung als charakteristische Kenngröße(n) der
Schnittfuge (16) zu ermitteln.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Beleuchtungsquelle (10) zur Beleuchtung des Werkstücks (3) in dem zu überwachenden Bereich (15). 8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die
Bilderfassungseinrichtung (9) zur Aufnahme des Bildes (B1 ) durch eine
Düsenöffnung (5a) einer Laserbearbeitungsdüse (5) zum Durchtritt des
Laserstrahls (2) auf das Werkstück (3) ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher die
Bilderfassungseinrichtung (9) einen Detektor (12), insbesondere eine Kamera, mit einer Detektorfläche (12a) aufweist, an der das Bild (B1 ) erzeugt wird.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (20) zur Steuerung und/oder Regelung von Parametern des Schneidprozesses in Abhängigkeit von der mindestens einen ermittelten charakteristischen Kenngröße (a).
21 .Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 , insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (19) ausgebildet ist, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs (18) einen Schneidfrontwinkel (a) der Schnittfuge (16) und/oder eine Überschreitung und/oder Unterschreitung eines vorgegebenen Schneidfrontwinkels (CCG) der Schnittfuge (16) als
charakteristische Kenngröße(n) des Schneidprozesses zu ermitteln, und wobei die Vorrichtung (1 ) weiter umfasst:
eine Regeleinrichtung (20) zur Regelung des Schneidfrontwinkels (a) auf einen vorgegebenen, konstanten Wert (QQ) durch Beeinflussen mindestens eines Stellparameters (v, P) des Schneidprozesses.
22. Vorrichtung nach Anspruch 21 , bei welcher die Regeleinrichtung (20) ausgebildet ist, den Stellparameter (v, P) zur Regelung des Schneidfrontwinkels (a) in
Abhängigkeit von einer an dem Werkstück (3) zu schneidenden Kontur (31 , 34) auszuwählen.
23. Vorrichtung nach Anspruch 21 oder 22, bei welcher die Regeleinrichtung (20) ausgebildet ist, als Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels (a) die Vorschubgeschwindigkeit (v) zwischen dem Hochenergiestrahl (2) und dem Werkstück (3) zu beeinflussen, wenn die Vorschubgeschwindigkeit (v) durch das Material und die Dicke (D) des Werkstücks (3) auf einen maximalen Wert (VMAX) begrenzt ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, bei welcher die Regeleinrichtung (20) ausgebildet ist, während der Beeinflussung der Vorschubgeschwindigkeit (v) die Leistung (P) des Hochenergiestrahls (2) auf einem konstanten Wert (PMAX) ZU halten.
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 24, bei der die Regeleinrichtung (20) ausgebildet ist, als Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels (a) die Leistung (P) des Hochenergiestrahls (2) zu beeinflussen, wenn die
Vorschubgeschwindigkeit (v) zwischen dem Hochenergiestrahl (2) und dem Werkstück (3) durch die Geometrie einer an dem Werkstück (3) zu schneidenden Kontur (34) auf einen maximalen Wert (VMAX) begrenzt ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der die Regeleinrichtung (20) ausgebildet ist, während der Beeinflussung der Leistung (P) des Hochenergiestrahls (2) die Vorschubgeschwindigkeit (v) auf dem maximalen Wert (VMAX) ZU halten.
27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder 26, bei welcher die Regeleinrichtung (20) ausgebildet ist, die Leistung (P) des Hochenergiestrahls (2) zu modulieren und als Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels (a) die Modulation (fivi) der Leistung (P) des Hochenergiestrahls (2) zu beeinflussen.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 27, bei der die Auswerteeinrichtung ( 1 9) ausgebildet ist, eine Überschreitung und/oder Unterschreitung des
vorgegebenen Schneidfrontwinkels (OOG) der Schnittfuge (1 6) zu ermitteln, und bei der die Regeleinrichtung (20) zur Regelung des Schneidfrontwinkels (a) einen unstetigen Regler (31 ), insbesondere eine Zweipunktregler oder einen
Dreipunktregler, aufweist.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 21 bis 28, bei der die Auswerteeinrichtung (19) ausgebildet ist, den Schneidfrontwinkel (a) der Schnittfuge (16) zu ermitteln, und bei der die Regeleinrichtung (20) zur Regelung des Schneidfrontwinkels (a) einen stetigen Regler (32), insbesondere einen PID-Regler, aufweist.
30. Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines
Schneidprozesses an einem Werkstück (3), umfassend:
Fokussieren eines Hochenergiestrahls (2), insbesondere eines Laserstrahls, auf das Werkstück (3),
Erfassen eines zu überwachenden Bereichs (15) des Werkstücks (3), der einen Wechselwirkungsbereich (18) des Hochenergiestrahls (2) mit dem Werkstück (3) umfasst,
Ermitteln mindestens einer charakteristischen Kenngröße (a) des
Schneidprozesses, insbesondere einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge (16), anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs (18), gekennzeichnet durch
Bilden eines Beobachtungsstrahls (7a) zur Beobachtung des
Wechselwirkungsbereichs (18) aus einer unter einem Winkel (ß) zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (3) verlaufenden Beobachtungsrichtung (R1 ), sowie Erzeugen eines Bildes (B1 ) des Wechselwirkungsbereichs (18) aus der unter dem Winkel (ß) zur Strahlachse (13) des Hochenergiestrahls (3) verlaufenden Beobachtungsrichtung (R1 ).
31 . Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 30, insbesondere nach Anspruch 30, umfassend:
Ermitteln eines Schneidfrontwinkels (a) der Schnittfuge (16) und/oder einer Überschreitung und/oder Unterschreitung eines vorgegebenen
Schneidfrontwinkels (OCG) der Schnittfuge (16) als charakteristische Kenngröße(n) des Schneidprozesses, sowie
Regeln des Schneidfrontwinkels (a) auf einen vorgegebenen, konstanten Wert (OCG) durch Beeinflussen mindestens eines Stellparameters (v, P) des
Schneidprozesses.
32. Verfahren nach Anspruch 31 , bei dem der Stellparameter (v, P) zur Regelung des Schneidfrontwinkels (a) in Abhängigkeit von einer zu schneidenden Kontur (31 , 34) an dem Werkstück (3) ausgewählt wird.
33. Verfahren nach Anspruch 31 oder 32, bei dem als Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels (a) die Vorschubgeschwindigkeit (v) zwischen dem Hochenergiestrahl (2) und dem Werkstück (3) beeinflusst wird, wenn die
Vorschubgeschwindigkeit (v) durch das Material und die Dicke (D) des
Werkstücks (3) auf einen maximalen Wert (VMAX) begrenzt wird.
34. Verfahren nach Anspruch 33, bei dem während der Beeinflussung der
Vorschubgeschwindigkeit (v) die Leistung (P) des Hochenergiestrahls (2) auf einem konstanten Wert (P AX) gehalten wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 34, bei dem als Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels (a) die Leistung (P) des Hochenergiestrahls (2) beeinflusst wird, wenn die Vorschubgeschwindigkeit (v) zwischen dem
Hochenergiestrahl (2) und dem Werkstück (3) durch die Geometrie einer an dem Werkstück (3) zu schneidenden Kontur (34) auf einen maximalen Wert (vMAx) begrenzt wird.
36. Verfahren nach Anspruch 35, bei dem während der Beeinflussung der Leistung (P) des Hochenergiestrahls (2) die Vorschubgeschwindigkeit (v) auf dem maximalen Wert (vMAx) gehalten wird.
37. Verfahren nach Anspruch 35 oder 36, bei dem die Leistung (P) des
Hochenergiestrahls (2) moduliert wird und als Stellparameter zur Regelung des Schneidfrontwinkels (a) die Modulation (ΪΜ) der Leistung (P) des
Hochenergiestrahls (2) beeinflusst wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 37, bei dem der konstante Wert (aG), auf den der Schneidfrontwinkel (a) geregelt wird, zwischen 2° und 6°, bevorzugt zwischen 3° und 5° liegt.
39. Computerprogrammprodukt, welches zur Durchführung aller Schritte des
Verfahrens nach einem der Ansprüche 30 bis 38 ausgebildet ist, wenn das Computerprogramm auf einer Datenverarbeitungsanlage abläuft.
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