WO2023036641A1 - Verfahren und laserbearbeitungsmaschine mit vorausschauender werkstückkantenerkennung beim laserbearbeiten von werkstücken - Google Patents

Verfahren und laserbearbeitungsmaschine mit vorausschauender werkstückkantenerkennung beim laserbearbeiten von werkstücken Download PDF

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WO2023036641A1
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workpiece
distance
laser
laser processing
processing head
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PCT/EP2022/073914
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Tobias Kaiser
Aysche OCHS
Christoph Kraus
Markus Blaschka
Michael Krutzke
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TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
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    • G01B7/14—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring distance or clearance between spaced objects or spaced apertures

Definitions

  • the invention relates to a method for laser processing, in particular laser cutting, of a plate-shaped workpiece end region, in particular a sheet metal, by means of a laser beam which emerges from a laser processing head in a z-direction and hits the workpiece in the z-direction, as well as a method for carrying out the Laser processing machine suitable for the laser processing method.
  • DE 10 2015 103 047 B3 discloses a method in which the laser beam is switched off and is moved from the interior of the workpiece in the direction of the edge of the workpiece and beyond.
  • a distance control is active until a z-set distance of a laser cutting head to the workpiece surface is reached.
  • the distance control is switched off and the z-position of the laser cutting head is "frozen". With this setting, the laser cutting head moves a short distance beyond the edge of the workpiece and then turns around.
  • the laser beam is switched on at the reversal point or during the approach section.
  • DE 10 2011 003 395 B3 discloses a method for trimming the edge of a workpiece, in which the cutting line is divided into individual separating cuts, which are each made up to the edge of the workpiece until the edge of the workpiece is detected using edge detection (e.g. via the distance sensor system). becomes.
  • the distance control for detecting the edge of the workpiece is used to switch off the laser beam in good time.
  • the object of the invention was to reduce the thermal load on the substructure of the laser processing machine in a method for laser processing, in particular laser cutting, and to specify a laser processing machine suitable for carrying out the method.
  • This object is achieved according to the invention by a method for laser processing, in particular laser cutting, of a plate-shaped workpiece end region, in particular a sheet metal, by means of a laser beam, which emerges from a laser processing head in a z-direction and hits the workpiece in the z-direction, with the following method steps :
  • the laser processing head which is fixed at a predetermined z target distance from the workpiece, approaches in the direction from the outside towards a workpiece edge of the workpiece end region;
  • the approach of the laser processing head to the workpiece edge can be done by moving only the laser processing head, by moving only the workpiece, or by moving both the laser processing head and the workpiece.
  • the predetermined desired z-distance is the z-working distance known for laser processing of the workpiece, at which the laser beam is focused on the workpiece surface or below or above the workpiece surface.
  • the edge of the workpiece is detected when approaching the edge of the workpiece.
  • the laser beam is switched off until the workpiece edge is detected and is switched on “on the fly” when the threshold value is reached, i.e. immediately at the sheet edge.
  • the edge detection preferably takes place via the distance signal of a capacitive distance control.
  • the distance threshold value of the continuous distance measurement value is used as a trigger for switching on the laser beam.
  • the laser beam is switched off until the distance threshold value is reached, so that it cannot damage the laser processing machine.
  • the laser processing head which is fixed at a predetermined z target distance from the workpiece, is preferably approached in a direction of movement perpendicular to the z direction in the direction from the outside towards the workpiece edge of the workpiece end region.
  • the laser processing head can also be approached to the edge of the workpiece on another predetermined approach curve, e.g. diagonally.
  • the upper side of the plate-shaped workpiece end region facing the laser beam is flat and runs at right angles to the z-direction.
  • the distance between the laser processing head and the workpiece edge is preferably measured capacitively or inductively.
  • a capacitive or inductive distance sensor for example in the form of an electrically conductive cutting nozzle, measures the electrical capacitance between the workpieces, in particular in the case of metallic workpieces such as sheet metal metallic workpiece and the laser processing head. This capacitance changes as the distance between the laser processing head and the workpiece varies, which means that the distance can be reliably determined.
  • the threshold value in particular the distance threshold value, is preferably defined as a function of the fixed z target distance and/or the geometry of the laser processing head and/or the geometry of the workpiece edge and/or the approach speed.
  • a different threshold value can be defined for each nozzle type.
  • the distance threshold value should preferably be at least 1 mm, preferably at least 2 mm, greater than the predetermined z target distance.
  • the value b should preferably be more than 1 mm, preferably more than 2 mm.
  • distance threshold value m*z target distance+b
  • distance threshold value m*z target distance+b
  • the z fixation of the laser processing head is released and the z distance of the laser processing head from the workpiece is then set by means of a distance control.
  • the invention also relates to a laser processing machine suitable for carrying out the method according to the invention for laser processing, in particular laser cutting, of a workpiece, in particular sheet metal, by means of a laser beam, comprising:
  • - a laser processing head for emitting the laser beam in a z-direction;
  • a drive for moving the laser processing head and the workpiece relative to one another in a direction of movement perpendicular to the z-direction;
  • a measuring device for measuring a measurement signal dependent on the distance between the laser processing head and the workpiece in particular a distance measuring device for measuring the distance between the laser processing head and the workpiece;
  • a machine controller that is programmed to switch on the laser beam to process the workpiece if, when the laser processing head, which is fixed at a predetermined z target distance from the workpiece, approaches in the direction of movement in the direction from the outside towards a workpiece edge of a plate-shaped workpiece end region, the measurement signal has a predetermined value Has reached the threshold value, in particular when the measured distance between the laser processing head and the edge of the workpiece has decreased to a predetermined distance threshold value which is greater than the fixed z target distance.
  • the laser beam can be switched on in a targeted manner just before the laser processing head or the laser beam reaches the edge of the workpiece in the direction of movement. In this way, the substructure of the laser processing machine can be protected from excessive thermal stress.
  • the laser processing head preferably has a processing nozzle with a nozzle opening from which the laser beam emerges, in particular together with a cutting gas.
  • the processing nozzle can be electrically conductive and part of a capacitive or inductive distance measuring device. In this way, the edge of the workpiece is detected before it lies under the nozzle opening.
  • FIG. 1 shows a laser processing machine according to the invention, here using the example of a laser cutting machine, for carrying out the method according to the invention for laser cutting plate-shaped workpieces;
  • Figs. 2a, 2b a cutting nozzle of a laser cutting head shown in Fig. 1 in a first x-position remote from a workpiece edge (Fig. 2a), in which the laser beam is switched off, and in a second x-position closer to the workpiece edge (Fig 2b) in which the laser beam is switched on shortly before reaching the edge of the workpiece;
  • 3 schematically shows the distance, measured by a distance measuring device of the laser cutting head, between the laser cutting head and a workpiece edge when the laser cutting head approaches the workpiece edge in the x-direction.
  • the laser processing machine 1 shown in FIG. 1 is used for laser cutting of plate-shaped workpieces (e.g. sheet metal) 2 by means of a laser beam 3 and is therefore also referred to as a laser cutting machine in the following.
  • plate-shaped workpieces e.g. sheet metal
  • the laser cutting machine 1 has, for example, a CO2 laser or solid-state laser and preferably a diode laser as the laser beam generator 4, a laser cutting head 5 and a workpiece support 6 on which the workpiece 2 is arranged.
  • the laser beam 3 is generated in the laser beam generator 4 and is guided from the laser beam generator 4 to the laser cutting head 5 by means of a fiber-optic cable (not shown) or deflection mirrors (not shown).
  • the laser beam 3 is directed onto the workpiece 2 by means of focusing optics arranged in the laser cutting head 5 .
  • the laser beam 3 emerges from the laser cutting head 5 in a z-direction and hits the workpiece 2 in the z-direction.
  • the laser cutting head 5 can be moved at right angles to the z direction, ie in the x and y direction, by means of a drive 7 above the workpiece 2 .
  • the laser cutting machine 1 is also supplied with cutting gases 8, such as oxygen and nitrogen.
  • the cutting gas 8 is supplied to a cutting nozzle 9 of the laser cutting head 5, from the nozzle opening 10 of which it emerges together with the laser beam 3.
  • the cutting nozzle 9 is electrically conductive and is part of a capacitive or inductive distance measuring device 11 known from DE 10 2010 039 528 A1 for measuring a distance A between the laser processing head 5 and the workpiece 2.
  • a capacitive distance measuring device 11 is shown only schematically by the field lines of a indicated electric field, which forms due to a predetermined potential difference between the cutting nozzle 9 and the workpiece 2.
  • the laser cutting machine 1 also includes a machine control 12 that is programmed to switch the laser beam 3 on and off, to control the drive 7 in order to move the laser cutting head 5 together with the cutting nozzle 9 relative to the workpiece 2 in accordance with a predetermined cutting contour 13, as well as the distance A of the laser processing head 5 to control the workpiece 2 or set.
  • a machine control 12 that is programmed to switch the laser beam 3 on and off, to control the drive 7 in order to move the laser cutting head 5 together with the cutting nozzle 9 relative to the workpiece 2 in accordance with a predetermined cutting contour 13, as well as the distance A of the laser processing head 5 to control the workpiece 2 or set.
  • cutting into a plate-shaped workpiece end region 14 takes place as follows:
  • the laser processing head 5 fixed at a predetermined z set distance zs from the workpiece end area 14 is approached in the x direction in the direction from the outside to a workpiece edge 15 of the workpiece end area 14 (FIG. 2a).
  • the distance A between the cutting nozzle 9 and the workpiece edge 15 is continuously measured by means of the distance measuring device 12 .
  • the measured distance A decreases as the cutting gas nozzle 9 approaches the workpiece edge 15 and approaches the z-set distance zs. Only when the cutting nozzle 9 is located completely above the workpiece 2 does the measured distance A reach the fixed z setpoint distance zs and stay constant. Since the progression of the distance signal is constant, the position of the workpiece edge 15 cannot be detected using the curve progression.
  • a distance threshold value Ath is therefore defined, below which the cutting nozzle 9 is located close or short (for example in the millimeter or micrometer range) in front of the workpiece edge 15 . The distance threshold value Ath is greater than the fixed z target distance zs.
  • the laser beam 3 switched on shortly before the workpiece edge 15 is reached (Fig. 2b) and the laser cutting head 5 moves further in the x-direction. so that the laser beam 3 cuts into the workpiece edge 15 and the end region 14 of the workpiece. More specifically, the nozzle axis 16 of the nozzle opening 10, which generally coincides with the beam axis of the laser beam 3, is further from the workpiece edge 15 in Fig. 2a than in Fig. 2b.
  • the z fixation of the laser cutting head 5 can be released and the z distance of the laser cutting head 5 to the workpiece 2 can then be adjusted by means of a distance control.
  • the machine control 12 is therefore programmed to switch on the laser beam 3 for processing the workpiece 2 only when the measured distance A has decreased to the distance threshold value Ath when the laser cutting head 5 approaches the workpiece edge 15 from the outside.
  • the distance threshold value Ath is preferably defined as a function of the fixed z target distance zs, of the geometry of the cutting nozzle 9 and/or of the geometry (eg thickness) of the workpiece edge 15 .
  • a measurement signal dependent on the distance A between the laser processing head 5 and the workpiece edge 15, for example the capacitive or inductive measurement signal of the distance measurement device 11, can be used directly. As soon as the laser processing head 5 approaches the
  • the measurement signal has reached a predetermined threshold value, the laser beam 3 is switched on or switched on.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbearbeiten eines plattenförmigen Werkstückendbereichs (14) mittels eines Laserstrahls (3), welcher in einer z-Richtung aus einem Laserbearbeitungskopf (5) austritt und in der z-Richtung auf das Werkstück (2) trifft, mit folgenden Verfahrensschritten: - bei ausgeschaltetem Laserstrahl (3) Annähern des in einem vorbestimmten z-Sollabstand (zS) zum Werkstück (2) fixierten Laserbearbeitungskopfes (5) in Richtung von außen hin zu einer Werkstückkante (15) des Werkstückendbereichs (14); - Messen des Abstandes (A) zwischen Laserbearbeitungskopf (5) und Werkstückkante (15) beim Annähern des Laserbearbeitungskopfes (5) an die Werkstückkante (15); - Einschalten des Laserstrahls (3), wenn der gemessene Abstand (A) auf einen vorgegebenen Abstandsschwellwert (Ath) abgenommen hat, welcher größer als der fixierte z-Sollabstand (zS) ist; und - Weiterbewegen des Laserbearbeitungskopfes (5) in der Bewegungsrichtung (x), um für eine Laserbearbeitung des Werkstückendbereichs (14) den Laserstrahl (3) über die Werkstückkante (15) hinweg in den Werkstückendbereich (14) zu bewegen.

Description

Anmelder:
TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
Johann-Maus-Strasse 2
D-71254 Ditzingen
Verfahren und Laserbearbeitungsmaschine mit vorausschauender Werkstückkantenerkennung beim Laserbearbeiten von Werkstücken
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, eines plattenförmigen Werkstückendbereichs, insbesondere eines Blechs, mittels eines Laserstrahls, welcher in einer z-Richtung aus einem Laserbearbeitungskopf austritt und in der z-Richtung auf das Werkstück trifft, sowie auch eine zum Durchführen des Laserbearbeitungsverfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine.
Verfahren zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, sind hinlänglich bekannt. Beim Anfahren an eine Blechtafel von außen (z.B. bei einem Trennschnitt) kann der Laserstrahl ungehindert auf den Maschinenunterbau treffen und diesen thermisch belasten. Dies kann - insbesondere bei hoher Leistungsdichte bzw. Streckenenergie - zur Beschädigung oder sogar zur Zerstörung der Laserbearbeitungsmaschine führen.
In DE 10 2015 103 047 B3 wird ein Verfahren offenbart, bei dem vom Werkstückinneren in Richtung Werkstückkante und darüber hinaus mit ausgeschaltetem Laserstrahl verfahren wird. Zunächst ist eine Abstandsregelung aktiv, bis ein z-Sollab- stand eines Laserschneidkopfes zur Werkstückoberfläche erreicht ist. Dann wird die Abstandsregelung ausgeschaltet und die z-Position des Laserschneidkopfes „eingefroren“. Mit dieser Einstellung fährt der Laserschneidkopf ein kurzes Stück über die Werkstückkante hinaus und dreht dann um. Am Umkehrpunkt oder während der Anfahrstrecke wird der Laserstrahl eingeschaltet.
In DE 10 2011 003 395 B3 ist ein Verfahren zum Randbeschnitt eines Werkstücks offenbart, bei dem die Schnittlinie in Einzeltrennschnitte unterteilt wird, welche jeweils bis zum Rand des Werkstücks geführt werden, bis anhand der Randerkennung (z.B. über die Abstandssensorik) der Rand des Werkstücks erkannt wird.
Beim Verfahren des Bearbeitungskopfs mit eingeschaltetem Laserstrahl vom Inneren des Werkstücks nach außen, wird die Abstandsregelung zur Detektion der Werkstückkante genutzt, um den Laserstrahl rechtzeitig auszuschalten.
Demgegenüber war es Aufgabe der Erfindung, bei einem Verfahren zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, die thermische Belastung des Unterbaus der Laserbearbeitungsmaschine zu reduzieren sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, eines plattenförmigen Werkstückendbereichs, insbesondere eines Blechs, mittels eines Laserstrahls, welcher in einer z-Richtung aus einem Laserbearbeitungskopf austritt und in der z-Richtung auf das Werkstück trifft, mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:
- bei ausgeschaltetem Laserstrahl Annähern des in einem vorbestimmten z-Soll- abstand zum Werkstück fixierten Laserbearbeitungskopfes in Richtung von außen hin zu einer Werkstückkante des Werkstückendbereichs;
- Messen eines vom Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstückkante abhängigen Messsignals, insbesondere des Abstands, während dem Annähern des Laserbearbeitungskopfes an die Werkstückkante;
- Einschalten des Laserstrahls, wenn das Messsignal einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat, insbesondere wenn der gemessene Abstand auf einen vorgegebenen Abstandsschwellwert abgenommen hat, welcher größer als der fixierte z-Sollabstand ist; und
- Weiterbewegen des Laserbearbeitungskopfes in der Bewegungsrichtung, um für eine Laserbearbeitung des Werkstückendbereichs den Laserstrahl über die Werkstückkante hinweg in den Werkstückendbereich zu bewegen. Das Annähern des Laserbearbeitungskopfes an die Werkstückkante kann durch Bewegen nur des Laserbearbeitungskopfes, durch Bewegen nur des Werkstücks oder durch Bewegen von Laserbearbeitungskopf und Werkstück erfolgen. Der vorbestimmte z-Sollabstand ist der zum Laserbearbeiten des Werkstücks bekannte z- Arbeitsabstand, bei dem der Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche oder unterhalb oder oberhalb der Werkstückoberfläche fokussiert wird.
Erfindungsgemäß wird beim Anfahren an die Werkstückkante die Werkstückkante erkannt. Bis zur Erkennung der Werkstückkante ist der Laserstrahl ausgeschaltet und wird bei Erreichen des Schwellwertes, also erst unmittelbar an der Blechkante, in der Bewegung „fliegend“ zugeschaltet. Die Kantenerkennung erfolgt bevorzugt über das Abstandssignal einer kapazitiven Abstandsregelung. Zum fliegenden Einschalten des Laserstrahls beim Annähern an die Werkstückkante wird der Abstandsschwellwert des kontinuierlichen Abstandsmesswerts als Trigger für das Einschalten des Laserstrahls genutzt. Bis zum Erreichen des Abstandsschwellwertes ist der Laserstrahl ausgeschaltet, sodass er keinen Schaden an der Laserbearbeitungsmaschine anrichten kann.
Vorzugsweise wird bei ausgeschaltetem Laserstrahl der in einem vorbestimmten z- Sollabstand zum Werkstück fixierte Laserbearbeitungskopf in einer zur z-Richtung rechtwinkligen Bewegungsrichtung in Richtung von außen hin zu der Werkstückkante des Werkstückendbereichs angenähert. Alternativ kann der Laserbearbeitungskopf aber auch auf einer anderen vorgegeben Annäherungskurve, z.B. diagonal, der Werkstückkante angenähert werden.
Besonders bevorzugt ist die dem Laserstrahl zugewandte Oberseite des plattenförmigen Werkstückendbereichs plan ausgebildet und verläuft rechtwinklig zur z-Rich- tung.
Vorzugsweise wird der Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstückkante kapazitiv oder induktiv gemessen. Ein kapazitiver oder induktiver Abstandssensor, z.B. in Form einer elektrisch leitenden Schneiddüse, misst insbesondere bei metallischen Werkstücken wie Blechen die elektrische Kapazität zwischen dem metallischen Werkstück und dem Laserbearbeitungskopf. Diese Kapazität ändert sich mit variierendem Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück, wodurch der Abstand zuverlässig bestimmt werden kann.
Vorzugsweise wird der Schwellwert, insbesondere der Abstandsschwellwert, in Abhängigkeit von dem fixierten z-Sollabstand und/oder von der Geometrie des Laserbearbeitungskopfes und/oder von der Geometrie der Werkstückkante und/oder von der Annäherungsgeschwindigkeit festgelegt. Dabei kann für jeden Düsentyp ein anderer Schwellwert festgelegt werden. Bevorzugt sollte der Abstandsschwellwert um mindestens 1 mm, bevorzugt um mindestens 2 mm, größer als der vorbestimmte z-Sollabstand sein. In der Umsetzung ist eine möglichst einfache Definition des Abstandsschwellwertes anzustreben, um den Aufwand bei z.B. Einführung neuer Düsengeometrien gering zu halten. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit 'Abstandsschwellwert = z-Sollabstand + b" eine sehr gute Genauigkeit der Kantenerkennung erreicht werden kann. Der Wert b sollte vorzugsweise mehr als 1 mm, bevorzugt mehr als 2 mm, betragen. In einer weiteren Ausführung ist es vorteilhaft, den z-Sollabstand in die Abstandsschwellwertberechnung einzubeziehen, z.B. als lineare Funktion des fixierten z-Sollabstands: "Abstandsschwellwert = m*z- Sollabstand + b“, wobei bevorzugt 1 ,0 < m <1 ,6, insbesondere m = 1 ,3, und 2,7 mm < b < 3,7 mm, insbesondere b = 3,2 mm, gilt.
Vorzugsweise wird, sobald beim Weiterbewegen des Laserbearbeitungskopfes im Werkstückendbereich der gemessene Abstand den fixierten z-Sollabstand erreicht hat, die z-Fixierung des Laserbearbeitungskopfes aufgehoben und nachfolgend der z-Abstand des Laserbearbeitungskopfes zum Werkstück mittels einer Abstandsregelung eingestellt.
Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, eines Werkstücks, insbesondere Blechs, mittels eines Laserstrahls aufweisend:
- einen Laserbearbeitungskopf zum Emittieren des Laserstrahls in einer z-Rich- tung; - einen Antrieb zum Relativbewegen des Laserbearbeitungskopfes und des Werkstücks zueinander in einer zur z-Richtung rechtwinkligen Bewegungsrichtung;
- eine Messeinrichtung zum Messen eines vom Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück abhängigen Messsignals, insbesondere eine Abstandsmesseinrichtung zum Messen des Abstandes zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück;
- eine Maschinensteuerung, die programmiert ist, den Laserstrahl zum Bearbeiten des Werkstücks einzuschalten, wenn, beim Annähern des in einem vorbestimmten z-Sollabstand zum Werkstück fixierten Laserbearbeitungskopfes in der Bewegungsrichtung in Richtung von außen hin zu einer Werkstückkante eines plattenförmigen Werkstückendbereichs, das Messsignal einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat, insbesondere wenn der gemessene Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstückkante auf einen vorgegebenen Abstandsschwellwert, welcher größer als der fixierte z-Sollabstand ist, abgenommen hat.
Bei einer solchen Laserbearbeitungsmaschine kann der Laserstrahl gezielt eingeschaltet werden, kurz bevor der Laserbearbeitungskopf bzw. der Laserstrahl in Bewegungsrichtung die Werkstückkante des Werkstücks erreicht. So kann der Unterbau der Laserbearbeitungsmaschine vor einer zu hohen thermischen Belastung geschützt werden.
Vorzugsweise weist der Laserbearbeitungskopf eine Bearbeitungsdüse mit einer Düsenöffnung auf, aus welcher der Laserstrahl, insbesondere zusammen mit einem Schneidgas, austritt. Die Bearbeitungsdüse kann elektrisch leitend sein und Teil einer kapazitiven oder induktiven Abstandsmesseinrichtung sein. So wird die Werkstückkante erkannt, bevor sie unter der Düsenöffnung liegt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein. Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche oder entsprechende Merkmale. Es zeigen:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine, hier am Beispiel einer Laserschneidmaschine, zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschneiden von plattenförmigen Werkstücken;
Fign. 2a, 2b eine Schneiddüse eines in Fig. 1 gezeigten Laserschneidkopfes in einer von einer Werkstückkante entfernten, ersten x-Position (Fig. 2a), in der der Laserstrahl ausgeschaltet ist, und in einer an die Werkstückkante angenäherten, zweiten x-Position (Fig. 2b), in der der Laserstrahl kurz vor Erreichen der Werkstückkante eingeschaltet ist; und
Fig. 3 schematisch den von einer Abstandsmesseinrichtung des Laserschneidkopfes gemessenen Abstand zwischen dem Laserschneidkopf und einer Werkstückkante beim Annähern des Laserschneidkopfes in x-Richtung an die Werkstückkante.
Die in Fig. 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zum Laserschneiden von plattenförmigen Werkstücken (z.B. Blechen) 2 mittels eines Laserstrahls 3 und wird daher im Folgenden auch als Laserschneidmaschine bezeichnet.
Die Laserschneidmaschine 1 weist beispielsweise einen CO2-Laser oder Festkörperlaser und bevorzugt einen Diodenlaser als Laserstrahlerzeuger 4, einen Laserschneidkopf 5 und eine Werkstückauflage 6 auf, auf der das Werkstück 2 angeordnet ist. Im Laserstrahlerzeuger 4 wird der Laserstrahl 3 erzeugt, der mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laserstrahlerzeuger 4 zum Laserschneidkopf 5 geführt wird. Mittels einer im Laserschneidkopf 5 angeordneten Fokussieroptik wird der Laserstrahl 3 auf das Werkstück 2 gerichtet. Der Laserstrahl 3 tritt in einer z-Richtung aus dem Laserschneidkopf 5 aus und trifft in der z-Richtung auf das Werkstück 2. Der Laserschneidkopf 5 ist rechtwinklig zur z-Richtung, also in x- und y-Richtung, mittels eines Antriebs 7 oberhalb des Werkstücks 2 verfahrbar.
Die Laserschneidmaschine 1 wird darüber hinaus mit Schneidgasen 8, beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff, versorgt. Das Schneidgas 8 wird einer Schneiddüse 9 des Laserschneidkopfes 5 zugeführt, aus deren Düsenöffnung 10 es zusammen mit dem Laserstrahl 3 austritt. Die Schneiddüse 9 ist elektrisch leitend und ist Teil einer aus DE 10 2010 039 528 A1 bekannten kapazitiven oder induktiven Abstandsmesseinrichtung 11 zum Messen eines Abstandes A zwischen Laserbearbeitungskopf 5 und Werkstück 2. In Fig. 1 ist eine kapazitive Abstandsmesseinrichtung 11 lediglich schematisch durch die Feldlinien eines elektrischen Feldes angedeutet, das sich aufgrund einer vorgegebenen Potentialdifferenz zwischen Schneiddüse 9 und Werkstück 2 ausbildet.
Die Laserschneidmaschine 1 umfasst ferner eine Maschinensteuerung 12, die programmiert ist, den Laserstrahl 3 an- und auszuschalten, den Antrieb 7 anzusteu- ern, um den Laserschneidkopf 5 samt Schneiddüse 9 entsprechend einer vorgegebenen Schnittkontur 13 relativ zum Werkstück 2 zu verfahren, sowie den Abstand A des Laserbearbeitungskopfes 5 zum Werkstück 2 zu regeln bzw. einzustellen.
Das Schneiden in einen plattenförmigen Werkstückendbereich 14 erfolgt erfindungsgemäß wie folgt:
Bei ausgeschaltetem Laserstrahl 3 wird der in einem vorbestimmten z-Sollabstand zs zum Werkstückendbereich 14 fixierte Laserbearbeitungskopf 5 in x-Richtung in Richtung von außen hin zu einer Werkstückkante 15 des Werkstückendbereichs 14 angenähert (Fig. 2a). Dabei wird mittels der Abstandsmesseinrichtung 12 fortlaufend der Abstand A zwischen Schneiddüse 9 und Werkstückkante 15 gemessen.
Wie in Fig. 3 gezeigt, nimmt der gemessene Abstand A mit der Annäherung der Schneidgasdüse 9 an die Werkstückkante 15 ab und nähert sich dem z-Sollab- stand zs an. Erst wenn sich die Schneiddüse 9 vollständig über dem Werkstück 2 befindet, erreicht der gemessene Abstand A den fixierten z-Sollabstand zs und bleibt konstant. Da der Verlauf des Abstandsignals stetig ist, kann die Lage der Werkstückkante 15 nicht anhand des Kurvenverlaufs detektiert werden. Es wird daher ein Abstandsschwellwert Ath definiert, bei dessen Unterschreiten die Schneiddüse 9 sich nahe bzw. kurz (z.B. im Millimeter- oder Mikrometerbereich) vor der Werkstückkante 15 befindet. Der Abstandsschwellwert Ath ist größer als der fixierte z-Sollabstand zs. Erst wenn bei der Annäherung der Schneidgasdüse 9 an die Werkstückkante 15 der gemessene Abstand A auf diesen Abstandsschwellwert Ath abgenommen hat, wird der Laserstrahl 3 kurz vor Erreichen der Werkstückkante 15 eingeschaltet (Fig. 2b) und der Laserschneidkopf 5 weiter in x-Richtung weiterbewegt, so dass der Laserstrahl 3 in die Werkstückkante 15 und den Werkstückendbereich 14 schneidet. Genauer gesagt, ist die Düsenachse 16 der Düsenöffnung 10, die im Allgemeinen mit der Strahlachse des Laserstrahls 3 zusammenfällt, in Fig. 2a weiter von der Werkstückkante 15 entfernt als in Fig. 2b.
Sobald beim Weiterbewegen des Laserschneidkopfes 5 im Werkstückendbereich 14 der gemessene Abstand A den fixierten z-Sollabstand zs erreicht hat, kann die z-Fixierung des Laserschneidkopfes 5 aufgehoben und nachfolgend der z-Abstand des Laserschneidkopfes 5 zum Werkstück 2 mittels einer Abstandsregelung eingestellt werden.
Die Maschinensteuerung 12 ist also programmiert, den Laserstrahl 3 zum Bearbeiten des Werkstücks 2 erst dann einzuschalten, wenn beim Annähern des Laserschneidkopfes 5 von außen an die Werkstückkante 15 der gemessene Abstand A auf den Abstandsschwellwert Ath abgenommen hat.
Der Abstandsschwellwert Ath wird bevorzugt in Abhängigkeit von dem fixierten z- Sollabstand zs, von der Geometrie der Schneiddüse 9 und/oder von der Geometrie (z.B. Dicke) der Werkstückkante 15 festgelegt. Der Abstandsschwellwert Ath sollte bevorzugt mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 2 mm, größer als der fixierte z- Sollabstand zs sein. Im einfachsten Fall gilt für den Abstandsschwellwert Ath: Ath = zs + b, wobei b > 1 mm ist. Alternativ kann der Abstandsschwellwert Ath auch als eine lineare Funktion des fixierten z-Sollabstands zs festgelegt werden: Ath = m*zs + b, wobei 1 ,2 < m < 1 ,4, insbesondere m = 1 ,3, und 3,0 mm < b < 3,4 mm, insbesondere 3,2 mm gilt. Statt des Abstands A kann alternativ auch ein vom Abstand A zwischen Laserbearbeitungskopf 5 und Werkstückkante 15 abhängiges Messsignal, z.B. unmittelbar das kapazitive oder induktive Messsignal der Abstandsmesseinrichtung 11 , heran- gezogen werden. Sobald beim Annähern des Laserbearbeitungskopfes 5 an die
Werkstückkante 15 das Messsignal einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat, wird der Laserstrahl 3 ein- bzw. zugeschaltet.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, eines plattenförmigen Werkstückendbereichs (14), insbesondere eines Blechs, mittels eines Laserstrahls (3), welcher in einer z-Richtung aus einem Laserbearbeitungskopf (5) austritt und in der z-Richtung auf das Werkstück (2) trifft, mit folgenden Verfahrensschritten:
- bei ausgeschaltetem Laserstrahl (3) Annähern des in einem vorbestimmten z-Sollabstand (zs) zum Werkstück (2) fixierten Laserbearbeitungskopfes (5) in Richtung von außen hin zu einer Werkstückkante (15) des Werkstückendbereichs (14);
- Messen eines vom Abstand (A) zwischen Laserbearbeitungskopf (5) und Werkstückkante (15) abhängigen Messsignals, insbesondere des Abstands (A), beim Annähern des Laserbearbeitungskopfes (5) an die Werkstückkante (15);
- Einschalten des Laserstrahls (3), wenn das Messsignal einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat, insbesondere wenn der gemessene Abstand (A) auf einen vorgegebenen Abstandsschwellwert (Ath) abgenommen hat, welcher größer als der fixierte z-Sollabstand (zs) ist; und
- Weiterbewegen des Laserbearbeitungskopfes (5) in der Bewegungsrichtung (x), um für eine Laserbearbeitung des Werkstückendbereichs (14) den Laserstrahl (3) über die Werkstückkante (15) hinweg in den Werkstückendbereich (14) zu bewegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass bei ausgeschaltetem Laserstrahl (3) der in einem vorbestimmten z-Sollabstand (zs) zum Werkstück (2) fixierte Laserbearbeitungskopf (5) in einer zur z-Richtung rechtwinkligen Bewegungsrichtung (x) in Richtung von außen hin zu der Werkstückkante (15) des Werkstückendbereichs (14) angenähert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Laserstrahl (3) zugewandte Oberseite des plattenförmigen Werkstückendbereichs (14) plan ausgebildet ist und rechtwinklig zur z-Richtung verläuft.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (A) zwischen Laserbearbeitungskopf (5) und Werkstückkante (15) kapazitiv oder induktiv gemessen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert, insbesondere der Abstandsschwellwert (Ath), in Abhängigkeit von dem fixierten z-Sollabstand (zs), von einer Geometrie des Laserbearbeitungskopfes (5) und/oder von einer Geometrie der Werkstückkante (15) festgelegt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsschwellwert (Ath) mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 2 mm, größer als der fixierte z-Sollabstand (zs) ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandsschwellwert (Ath) als eine lineare Funktion des fixierten z-Sollabstands (zs) festgelegt wird: Ath = m*zs + b, wobei 1 ,0 < m < 1 ,6, insbesondere m = 1 ,3, und 2,7 mm < b < 3,7 mm, insbesondere b = 3,2 mm.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, sobald beim Weiterbewegen des Laserbearbeitungskopfes (5) im Werkstückendbereich (14) der gemessene Abstand (A) den fixierten z-Sollabstand (zs) erreicht hat, nachfolgend der z-Abstand des Laserbearbeitungskopfes (5) zum Werkstück (2) mittels einer Abstandsregelung eingestellt wird.
9. Laserbearbeitungsmaschine (1 ) zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, eines Werkstücks (2), insbesondere Blechs, mittels eines Laserstrahls (3) nach einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend:
- einen Laserbearbeitungskopf (5) zum Emittieren des Laserstrahls (3) in einer z-Richtung;
- einen Antrieb (7) zum Relativbewegen des Laserbearbeitungskopfes (5) und des Werkstücks (2) zueinander in einer zur z-Richtung rechtwinkligen Bewegungsrichtung (x);
- eine Messeinrichtung zum Messen eines vom Abstand (A) zwischen Laserbearbeitungskopf (5) und Werkstück (2) abhängigen Messsignals, insbesondere eine Abstandsmesseinrichtung (11 ) zum Messen des Abstandes (A) zwischen Laserbearbeitungskopf (5) und Werkstück (2);
- eine Maschinensteuerung (12), die programmiert ist, den Laserstrahl (3) zum Bearbeiten des Werkstücks (2) einzuschalten, wenn, beim Annähern des in einem vorbestimmten z-Sollabstand (zs) zum Werkstück (2) fixierten Laserbearbeitungskopfes (5) in der Bewegungsrichtung (x) in Richtung von außen hin zu einer Werkstückkante (15) eines plattenförmigen Werkstückendbereichs (14), das Messsignal einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat, insbesondere wenn der gemessene Abstand (A) zwischen Laserbearbeitungskopf (5) und Werkstückkante (15) auf einen vorgegebenen Abstandsschwellwert (Ath), welcher größer als der fixierte z-Sollabstand (zs) ist, abgenommen hat.
10. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserbearbeitungskopf (5) eine Bearbeitungsdüse (9) mit einer Düsenöffnung (10) aufweist, aus welcher der Laserstrahl (3), insbesondere zusammen mit einem Schneidgas (8), austritt.
11 . Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsdüse (9) elektrisch leitend ist und Teil einer kapazitiven oder induktiven Abstandsmesseinrichtung (11 ) ist.
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