WO2023156090A1 - Laserschneidverfahren und laserschneidmaschine - Google Patents

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WO2023156090A1
WO2023156090A1 PCT/EP2023/050679 EP2023050679W WO2023156090A1 WO 2023156090 A1 WO2023156090 A1 WO 2023156090A1 EP 2023050679 W EP2023050679 W EP 2023050679W WO 2023156090 A1 WO2023156090 A1 WO 2023156090A1
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WO
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laser
workpiece
laser cutting
cutting
cut
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/050679
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English (en)
French (fr)
Inventor
David Schindhelm
Steffen Kessler
Winfried Magg
Alexander Schmid
Jan Schuster
Manuel Geiger
Original Assignee
TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/03—Observing, e.g. monitoring, the workpiece
    • B23K26/032—Observing, e.g. monitoring, the workpiece using optical means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
    • B23K31/12—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to investigating the properties, e.g. the weldability, of materials
    • B23K31/125—Weld quality monitoring

Definitions

  • the invention relates to a laser cutting method, a laser cutting machine and a computer program product according to the preamble of the independent claims.
  • a laser cutting method with the following method steps is provided for this purpose
  • a laser cutting machine for cutting a workpiece along a cutting line with at least one laser source for generating a high-power laser cutting beam, a camera for detecting a good cut or bad cut of the workpiece during the cutting of the workpiece, a low-power laser scanning beam from the laser source or a Illumination beam of an illumination unit, with a control device, which is designed to change at least one parameter of the laser cutting machine and scan data of the laser scan beam of low power or the Evaluate the illumination beam with respect to the various parameters of the laser cutting machine.
  • a computer program product is provided in a control device for executing the method.
  • a good cut or a bad cut is detected with a camera while the workpiece is being cut. In this way, a miscut can be reliably detected in real time.
  • the method step of evaluating includes determining positions of a miscut.
  • the process step of cutting the workpiece with the laser cutting beam is then carried out at high power at the positions of the incorrect cut that have been determined.
  • determining the position of the incorrect cut on the workpiece is useful when setting parameters of the laser cutting machine in order to achieve an improved cutting result.
  • a miscut is eliminated by a targeted control of the high-power laser cutting beam exclusively at the positions of the workpiece that are not cut through, whereby the miscut is eliminated in an economical manner.
  • the cutting line on the workpiece is scanned with the low-power laser scanning beam while retracting a laser processing head to cut the workpiece with the high-power laser cutting beam.
  • the scan is used to quickly determine whether there is a miscut or whether the miscut was incorrectly identified.
  • the scan is used to determine the length and extent of the miscut.
  • At least one parameter of the laser cutting machine is changed from the selection of focus position, laser power of the laser cutting machine, focus diameter, the distance between a laser nozzle and the workpiece, a feed rate of the workpiece and/or a gas pressure of a protective gas.
  • the cutting result of the laser cutting machine is changed by changing or adapting at least one of the parameters mentioned.
  • FIG. 1 shows an example of a schematic representation of a laser cutting machine
  • Fig. 2 shows a schematic side view of a sensor device with a control device of a laser cutting machine on a workpiece processed with a laser beam of the laser cutting machine;
  • FIG. 3 shows an exemplary signal curve of a signal from the sensor system, evaluated in the control device, of a cutting line with an area of a good cut and an area of a bad cut.
  • Fig. 1 shows a schematic representation of a laser cutting machine 10 with a laser source 22 , a laser processing head 24 and a workpiece support 25 .
  • a solid-state laser is preferably used as the laser source 22 , the laser radiation being fed to the laser processing head 24 via a laser light cable.
  • a high-power laser cutting beam 16 generated by the laser source 22 is guided to the laser processing head 24 by means of a beam guide 23 and is focused there and aligned perpendicularly to the surface of a workpiece 2 with the aid of mirrors.
  • a high power usually describes powers in the range of several kilowatts.
  • the beam axis, optical axis, of the laser cutting beam 16 thus runs perpendicularly to the workpiece 2 in this example.
  • the laser source 22 is a CO2 laser source.
  • the laser cutting beam 16 can be generated, for example, by a solid-state laser with a corresponding laser source.
  • a laser scanning beam of lower Power generated and fed to the workpiece 2.
  • low power usually describes powers on the order of several watts or a few hundred milliwatts.
  • the laser cutting beam 16 and the laser scanning beam can be provided by the laser source 22 by adjusting the power thereof.
  • the laser cutting beam 16 is moved over the workpiece 2 so that a continuous kerf or cutting line 14 is produced along which the laser cutting beam 16 usually completely severs the workpiece 2 .
  • Laser cutting can be aided by adding a gas.
  • Oxygen, nitrogen, compressed air and/or application-specific gases can be used as cutting gases, which are provided in connected cutting gas containers 32 .
  • Particles and gases that are produced can be sucked off by means of a suction device 33 from a suction chamber (not shown) that is located below the workpiece support 25 .
  • the laser processing head 24 and the workpiece 2 are moved relative to one another in the laser cutting machine 1 .
  • the workpiece 2 rests on the workpiece support 25 during processing and the laser processing head 24 is moved along three axes X, Y, Z of an XYZ coordinate system during processing.
  • a drive is provided for this purpose, which, indicated by a double arrow, moves a portal 30 that can be displaced in the X-direction.
  • the gantry 30 designates a slidable frame on the laser cutting machine 10, as shown in FIG. 1 shown by way of example.
  • the laser processing head 24 can be driven in the Y-direction with the aid of a further drive indicated by a double arrow be moved in order to be moved to any processing positions B X , Y in the X direction and in the Y direction in a field predetermined by the displaceability of the laser processing head 24 or by the workpiece 2 .
  • the laser cutting beam 16 has a feed direction V which corresponds to the relative speed between the laser processing head 24 and the workpiece 2 .
  • the feed direction V is indicated by an arrow on the workpiece 2 in FIG. 1 .
  • the laser processing head 24 is also moved in the Z-direction, usually when the laser processing head 24 is set back or moved back or approached cutting positions.
  • the laser processing head 24 also includes a sensor device 1 as described below.
  • Fig. 2 shows a schematic side view of a sensor device 1 with a control device 15 connected by signaling.
  • the sensor device 1 is encompassed by the laser processing head 24 .
  • the sensor device 1 comprises an illumination unit 21 for generating and specifically emitting an illumination beam 13 through an optical element 8 to a suitable mirror 7 .
  • the mirror 7 deflects the illumination beam 13 from the sensor device 1 through a dichroic deflection mirror 9 , a focusing lens 3 and a cutting gas nozzle 6 to a machining area of the workpiece 2 .
  • the cutting gas nozzle 6 is surrounded by the laser processing head 24 .
  • the illumination beam 13 is reflected on the workpiece 2 and the reflected illumination beam 13 takes the same path and passes through the mirror 7 in order to be recorded by a camera 11 .
  • a camera 11 As an alternative to the camera 11, photodiodes be provided which detect the reflected illumination beam 13 .
  • images of the processing area on the workpiece 2 are recorded by the camera 11 or by photodiodes, the processing area essentially containing a cutting line 14 generated with the laser cutting beam 16 with the adjacent workpiece sections.
  • the cutting line 14 is accordingly swept over or scanned and scan data are recorded.
  • the laser cutting beam 16 is fed in the laser processing head 24 via the deflection mirror 9, through the focusing lens 3 and the cutting gas nozzle 6, from which the laser cutting beam 16 exits the laser processing head 24 with high energy, strikes the workpiece 2 and the workpiece 2 in known way completely cut up.
  • the sensor device 1 has no lighting unit 21 and no optical element 8 .
  • the cutting line 14 is swept or scanned with adjacent areas on the workpiece 2 by a low power laser scanning beam.
  • the low power laser scanning beam may be generated in the laser source 22 in which the high power laser cutting beam 16 is also generated.
  • the laser source 22 then switches from a high power cutting mode to a low power scanning mode.
  • the cutting and the scanning of the workpiece 2 are carried out one after the other.
  • the scanning of the cutting line 14 on the workpiece 2 is performed with the low-power laser scanning beam while retracting the laser processing head 24 .
  • the workpiece 2 is cut with high power, then switched to low power, with the laser processing head 24 along the cut path of the cutting line 14 and scans the cutting line 14 .
  • the laser processing head 24 moves back along the same route that it has covered, usually when a miscut 18 is detected.
  • the laser processing head 24 is stopped, the laser source 22 is set to a low power by the control device 15 so that a laser scanning beam can be provided.
  • the laser scanning beam then scans the cutting line 14, scan data are recorded and evaluated as described. From the scan data it is determined whether or not there is a miscut 18 . In other words, it is determined whether a faulty cut detection, the determination of the faulty cut 18, which causes the laser processing head 24 to stop, has taken place correctly. An incorrect determination of a miscut 18 is ruled out with these means. In particular, it can be determined quickly whether there is actually a faulty cut 18 since the movements of the laser processing head 24 are optimized.
  • the laser processing head 24 It is no longer necessary to move the laser processing head 24 to a starting point for scanning the cutting line 14 after an error has been detected.
  • the position of the incorrect cut 18 is determined, after which the laser processing head 24 in the cutting mode controls the position or positions of the incorrect cut 18 with pinpoint accuracy and cuts through the workpiece 2 by cutting again.
  • the laser processing head 24 covers as short a distance as possible during scanning and cutting. Unnecessary power losses due to cutting at the wrong position are avoided, the workpiece 2 is not unnecessarily heated and the quality of the cutting result on the workpiece 2 is not unnecessarily impaired. Repeated cutting can lead to poor cutting results. Fig. FIG.
  • FIG. 3 shows an exemplary signal curve of a signal from the sensor device 1 evaluated in the control device 15 in the upper area of FIG. 3 and an associated cutting line 14 in the lower area of FIG. 3 .
  • the cutting line 14 is indicated with numbers in the range of millimeters mm on the horizontal axis.
  • the signals are generated by the photodiodes or the camera 11 with suitable image processing software.
  • the camera 11 usually records the light intensity of a process lighting at the cutting line 14 which occurs during laser welding when the laser beam interacts with the material of the workpiece 2 . It can be seen that the signal is largely near the zero line.
  • the associated cutting line 14 on the workpiece 2 runs without defects, so that the workpiece 2 is completely severed and only as much material is removed as is necessary to sever or cut through the workpiece 2 .
  • the area on the workpiece 2 associated with the low signal is referred to as the good cut 17 .
  • the maximum brightness in the area of the cutting gap of the cutting line 14 is used to check whether there is a luminous phenomenon during scanning and to categorize the images into a separating cut or a good cut on the one hand and a broken cut or a bad cut on the other.
  • a threshold value is used for this categorization in the diagram according to FIG. 2 set .
  • the light intensity signal is referred to here as the scan mode signal.
  • the scan mode signal On the right side of Fig. 3 it can be seen that the cutting line 14 is disrupted and interrupted, and an undesired miscut 18 has occurred. In the course of the signal, the area on the workpiece 2 of a miscut 18 leads to a significant signal increase, recognizable by the signal to the right of the dashed line in FIG. 3 . This signal increase is detected by the control device 15 above a threshold value of a light intensity.
  • a good cut 17 or a bad cut 18 of the workpiece 2 is determined during the cutting of the workpiece 2 and the cutting line 14 on the workpiece 2 can be scanned in different ways, with the cutting data and the scan data being recorded.
  • a miscut 18 occurs.
  • Parameters of the laser cutting machine 10 are stored in the control device 15, for example the focus position, a laser power of the laser cutting machine 10, the focus diameter, the distance between a laser nozzle, in this case the cutting gas nozzle 6, and the workpiece 2, a feed rate of the laser processing head 24 and a gas pressure a protective gas. Further parameters of the laser cutting machine 10 can be stored in the control device 15 .
  • the parameters or the parameter set of the laser cutting machine 10 are for the example in FIG.
  • At least one parameter of the laser cutting machine 10 is changed and the laser cutting method is repeated, with the at least one changed parameter the method steps of cutting, scanning, recording and evaluating the scan data are carried out, as described.
  • a good cut 17 or bad cut 18 can be determined again, with the corresponding parameters or the parameter set being assigned to the good cut 17 or bad cut.
  • the foregoing Process steps are repeated as often as desired, so that a large number of parameter sets are available in the control device 15 and it is known from each parameter set whether the parameter set is used to achieve a good cut 17 or a bad cut 18 and in which section of the cutting line 14 the good cut is made 17 and the miscut 18 is present.
  • the parameter of the feed rate of the laser processing head 24 is changed after each cutting process.
  • the cutting process with taking or recording of scan data with the changed feed speed is repeated until a wrong cut is detected.
  • the feed rate of the laser processing head 24 at which a faulty cut occurs is known in the control device 15 .
  • the laser cutting machine 10 can then be adjusted in such a way that the feed rate parameter does not exceed the threshold value at which a faulty cut occurs.
  • the scan data relating to the various parameters or parameter sets of the laser cutting machine 10 are evaluated in the control device 15 using suitable software.
  • a good cut 17 can be assigned to parameters or parameter sets, while other parameters or parameter sets are assigned to a bad cut 18 .
  • the scan data recorded with different parameters are classified into a good cut 17 or a bad cut 18 and stored.
  • the control device 15 contains classes of parameters or parameter sets that are assigned good cuts 17 and classes that are assigned bad cuts 18 .
  • the data on the positions of the areas that have not been severed are also assigned to the classes of miscuts 18 . Basically, the parameters leading to a good cut 17 lead, automatically set to the laser cutting machine 10 or j ust.
  • the laser cutting machine 10 is essentially kept in an operating state which enables good cuts 17 and avoids bad cuts 18 . In this way, the laser cutting machine 10 is trained, so to speak. Furthermore, the classified data sets can be used to train a machine learning model.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laserschneidverfahren, eine Laserschneidmaschine und ein Computerprogrammprodukt. Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein verbessertes Laserschneidverfahren und eine verbesserte Laserschneidmaschine bereitzustellen. Vorgesehen zur Lösung der Aufgabe ist ein Laserschneidverfahren mit den folgenden Verfahrensschritten - a) Schneiden eines Werkstücks mit einem Laserschneidstrahl mit hoher Leistung entlang einer Schneidlinie; - b) Feststellen eines Gutschnitts oder Fehlschnitts des Werkstücks während des Schneidens des Werkstücks; - c) Scannen der Schneidlinie am Werkstück mit einem Laserscanstrahl von niedriger Leistung oder mit einem Beleuchtungsstrahl und Aufnehmen von Scandaten; - d) Verändern von wenigstens einem Parameter der Laserschneidmaschine; - Wiederholen der Verfahrensschritte a) bis c); und Auswerten der Scandaten bezüglich der verschiedenen Parameter der Laserschneidmaschine in einer Steuerungseinrichtung.

Description

Laser schneidverfahren und Laserschneidmaschine
Die Erfindung betri f ft ein Laserschneidverfahren, eine Laserschneidmaschine und ein Computerprogrammprodukt nach dem Oberbegri f f der unabhängigen Ansprüche .
Das technische Gebiet von industriellem Schneiden verschiedener Werkstof fe mittels Laserstrahlung gewinnt zunehmend an Bedeutung . Beim Schneiden von Werkstücken aus verschiedenen Werkstof fen wird Laserstrahlung von einer Laserschneidmaschine mit hoher Leistung, meist im Bereich von mehreren Kilowatt , verwendet . In Ausnahmefällen kann es vorkommen, dass ein Werkstück nicht vollständig durchschnitten ist und das zu trennende Teil am Werkstück verbleibt . Ein nicht vollständiger Schnitt durch das Werkstück, welcher zu keiner Trennung des Werkstücks entlang der Schneidlinie oder Schneidspalt führt , wird als Fehlschnitt bezeichnet .
Gewöhnlich wird ein Fehlschnitt vom Maschinenbediener in einem weiteren Verfahrensschritt festgestellt und das fehlerhafte Werkstück wird der Laserschneidmaschine zum erneuten Schneiden zugeführt . Eine weitere Möglichkeit ist aus der Druckschri ft DE 102010039525 Al bekannt , bei der das Werkstück im Bereich eines Durchbruchs mit einem Abstandssensor überfahren wird, wobei geprüft wird, ob ein vollständiger Durchbruch oder trennender Schnitt vorliegt . Anschließend wird das Werkstück der Laserschneidmaschine zum erneuten Schneiden zugeführt . Eine Aufgabe der Erfindung ist , ein verbessertes
Laserschneidverfahren und eine verbesserte
Laserschneidmaschine bereitzustellen .
Zu diesem Zweck vorgesehen ist ein Laserschneidverfahren mit den folgenden Verfahrensschritten
- a . Schneiden eines Werkstücks mit einem Laserschneidstrahl mit hoher Leistung entlang einer Schneidlinie ;
- b . Feststellen eines Gutschnitts oder Fehlschnitts des Werkstücks während des Schneidens des Werkstücks ;
- c . Scannen der Schneidlinie am Werkstück mit einem Laserscanstrahl von niedriger Leistung oder mit einem Beleuchtungsstrahl und Aufnehmen von Scandaten;
- d . Verändern von wenigstens einem Parameter der Laserschneidmaschine ;
- Wiederholen der Verfahrensschritte a . bis c . ; und
- Auswerten der Scandaten bezüglich der verschiedenen Parameter der Laserschneidmaschine in einer Steuerungseinrichtung; wobei das Scannen der Schneidlinie am Werkstück mit dem Laserscanstrahl von niedriger Leistung während eines Zurückfahrens eines Laserbearbeitungskopfs durchgeführt wird .
Weiter ist vorgesehen eine Laserschneidmaschine zum Schneiden eines Werkstücks entlang einer Schneidlinie mit wenigstens einer Laserquelle zum Erzeugen eines Laserschneidstrahls mit hoher Leistung, einer Kamera zum Erfassen eines Gutschnitts oder Fehlschnitts des Werkstücks während des Schneidens des Werkstücks , einem Laserscanstrahl von niedriger Leistung von der Laserquelle oder einem Beleuchtungsstrahl einer Beleuchtungseinheit , mit einer Steuerungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist , wenigstens einen Parameter der Laserschneidmaschine zu verändern und Scandaten des Laserscanstrahls von niedriger Leistung oder des Beleuchtungsstrahls bezüglich der verschiedenen Parameter der Laserschneidmaschine aus zuwerten .
Ferner ist ein Computerprogrammprodukt in einer Steuerungseinrichtung zum Aus führen des Verfahrens bereit gestellt .
Beispiele der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben .
Bei einem Beispiel wird ein Gutschnitt oder Fehlschnitt während des Schneidens des Werkstücks mit einer Kamera festgestellt . Hiermit kann in Echtzeit ein Fehlschnitt zuverlässig erkannt werden .
Bei einem weiteren Beispiel umfasst der Verfahrensschritt des Auswertens das Feststellen von Positionen eines Fehlschnitts . Anschließend wird der Verfahrensschritt des Schneidens des Werkstücks mit dem Laserschneidstrahl mit hoher Leistung an den festgestellten Positionen des Fehlschnitts durchgeführt . Eine Positionsbestimmung des Fehlschnitts am Werkstück ist einerseits nützlich beim Einstellen von Parametern der Laserschneidmaschine , um ein verbessertes Schneidergebnis zu erzielen . Andererseits wird ein Fehlschnitt beseitigt durch eine zielgerichtete Ansteuerung des Laserschneidstrahl mit hoher Leistung ausschließlich an die Positionen des Werkstücks , welche nicht durchschnitten sind, womit der Fehlschnitt in wirtschaftlicher Weise beseitigt wird .
Ein weiteres Beispiel beschreibt die Verfahrensschritte
- Klassi fi zieren der mit verschiedenen Parametern auf genommenen Scandaten zu einem Gutschnitt oder einem Fehlschnitt ; - Einspeisen der zu einem Gutschnitt oder einem Fehlschnitt klassi fi zierten Scandaten in der Steuerungseinrichtung;
- Einstellen von wenigstens einem der zu einem Gutschnitt klassi fi zierten Parameter an der Laserschneidmaschine durch die Steuerungseinrichtung . Diese Verfahrensschritte ermöglichen eine verbesserte Parametereinstellung der Laserschneidmaschine in automatisierter Weise . Als Folge dieser Verfahrensschritte wird die Laserschneidmaschine im Betrieb eine deutlich geringere Gefahr von Fehlschnitten aufweisen .
Nach Erkennen eines Fehlschnitts wird die Schneidlinie am Werkstück mit dem Laserscanstrahl von niedriger Leistung gescannt , und zwar während des Zurückfahrens eines Laserbearbeitungskopfs zum Schneiden des Werkstücks mit dem Laserschneidstrahl mit hoher Leistung . Zum einen wird mittels des Scans schnell festgestellt , ob ein Fehlschnitt vorliegt oder der Fehlschnitt falsch erkannt wurde . Zum anderen wird mittels des Scans die Länge und die Ausdehnung des Fehlschnitts bestimmt .
Bei einem weiteren Beispiel wird wenigstens ein Parameter der Laserschneidmaschine aus der Auswahl von Fokuslage , Laserleistung der Laserschneidmaschine , Fokusdurchmesser, dem Abstand zwischen einer Laserdüse und dem Werkstück, einer Vorschubgeschwindigkeit des Werkstücks und/oder einem Gasdruck eines Schutzgases verändert . Durch Verändern oder Anpassen von wenigstens einem der genannten Parameter wird das Schneidergebnis der Laserschneidmaschine verändert .
Nachfolgend sind Beispiele der Erfindung anhand der Figuren in Einzelheiten beschrieben . Fig . 1 zeigt beispielhaft eine schematische Darstellung einer Laserschneidmaschine ,
Fig . 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Sensorikeinrichtung mit Steuerungseinrichtung einer Laserschneidmaschine bei einem mit einem Laserstrahl der Laserschneidmaschine bearbeiteten Werkstück;
Fig . 3 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf eines in der Steuerungseinrichtung ausgewerteten Signals der Sensorikeinrichtung von einer Schneidlinie mit einem Bereich eines Gutschnitts und einem Bereich eines Fehlschnitts .
Fig . 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserschneidmaschine 10 mit einer Laserquelle 22 , einem Laserbearbeitungskopf 24 und einer Werkstückauflage 25 . Bevorzugt wird als Laserquelle 22 ein Festkörperlaser verwendet , wobei die Laserstrahlung über eine Laserlichtkabel dem Laserbearbeitungskopf 24 zugeführt wird . Ein von der Laserquelle 22 erzeugter Laserschneidstrahl 16 mit hoher Leistung wird mittels einer Strahl führung 23 zum Laserbearbeitungskopf 24 geführt und in diesem fokussiert sowie mit Hil fe von Spiegeln senkrecht zur Oberfläche eines Werkstücks 2 ausgerichtet . Eine hohe Leistung beschreibt hierbei gewöhnlich Leistungen in der Größenordnung von mehreren Kilowatt . Somit verläuft die Strahlachse , optische Achse , des Laserschneidstrahls 16 bei diesem Beispiel senkrecht zum Werkstück 2 . Im gezeigten Beispiel handelt es sich bei der Laserquelle 22 um eine CO2-Laserquelle . Alternativ kann der Laserschneidstrahl 16 beispielsweise durch einen Festkörperlaser mit entsprechender Laserquelle erzeugt werden . In ähnlicher Weise wird ein Laserscanstrahl von niedriger Leistung erzeugt und zum Werkstück 2 geführt . Eine niedrige Leistung beschreibt hierbei gewöhnlich Leistungen in der Größenordnung von mehreren Watt oder einigen Hundert Milliwatt . Der Laserschneidstrahl 16 und der Laserscanstrahl können durch Einstellen der Leistung an der Laserquelle 22 von dieser bereitgestellt werden .
Der Laserschneidstrahl 16 wird über das Werkstück 2 bewegt , so dass eine durchgängige Schnittfuge oder Schneidlinie 14 entsteht , an der entlang der Laserschneidstrahl 16 das Werkstück 2 gewöhnlich vollständig durchtrennt .
Das Laserschneiden kann durch Hinzufügen eines Gases unterstützt werden . Als Schneidgase können Sauerstof f , Stickstof f , Druckluft und/oder anwendungsspezi fische Gase eingesetzt werden, welche in verbundenen Schneidgasbehältern 32 bereitgestellt werden . Entstehende Partikel und Gase können mithil fe einer Absaugeinrichtung 33 aus einer nicht bildlich dargestellten Absaugkammer abgesaugt werden, die sich unterhalb der Werkstückauflage 25 befindet .
Der Laserbearbeitungskopf 24 und das Werkstück 2 werden in der Laserschneidmaschine 1 relativ zueinander bewegt . Im gezeigten Beispiel ruht das Werkstück 2 während der Bearbeitung auf der Werkstückauflage 25 und der Laserbearbeitungskopf 24 wird bei der Bearbeitung entlang von drei Achsen X, Y, Z eines XYZ- Koordinatensystems bewegt . Zu diesem Zweck ist ein Antrieb vorgesehen, welcher durch einen Doppelpfeil angedeutet ein in X-Richtung verschiebbares Portal 30 bewegt . Das Portal 30 bezeichnet einen verschiebbaren Rahmen an der Laserschneidmaschine 10 , wie in Fig . 1 beispielhaft gezeigt . Der Laserbearbeitungskopf 24 kann mit Hil fe eines weiteren durch einen Doppelpfeil angedeuteten Antriebs in Y-Richtung verschoben werden, um an beliebige Bearbeitungspositionen BX, Y in X-Richtung und in Y-Richtung in einem durch die Verschiebbarkeit des Laserbearbeitungskopfs 24 oder durch das Werkstück 2 vorgegebenen Arbeits feld bewegt zu werden . An einer j eweiligen Bearbeitungsposition BX, Y weist der Laserschneidstrahl 16 eine Vorschubrichtung V auf , die der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Laserbearbeitungskopf 24 und dem Werkstück 2 entspricht . Die Vorschubrichtung V ist mit einem Pfeil am Werkstück 2 in Fig . 1 dargestellt . Der Laserbearbeitungskopf 24 wird zudem in Z-Richtung verfahren, gewöhnlich beim Zurückstellen oder Zurückfahren oder Anfahren von Schneidpositionen des Laserbearbeitungskopfs 24 .
Der Laserbearbeitungskopf 24 umfasst weiter eine Sensorikeinrichtung 1 wie im Folgenden beschrieben .
Fig . 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Sensorikeinrichtung 1 mit einer signaltechnisch verbundenen Steuerungseinrichtung 15 . Die Sensorikeinrichtung 1 ist bei diesem Beispiel vom Laserbearbeitungskopf 24 umfasst . Die Sensorikeinrichtung 1 umfasst bei diesem Beispiel eine Beleuchtungseinheit 21 zum Erzeugen und gezielten Aussenden eines Beleuchtungsstrahls 13 durch ein optisches Element 8 zu einem geeigneten Spiegel 7 . Der Spiegel 7 lenkt den Beleuchtungsstrahl 13 aus der Sensorikeinrichtung 1 durch einen dichroitischen Umlenkspiegel 9 , eine Fokussierlinse 3 und eine Schneidgas-Düse 6 zu einem Bearbeitungsbereich des Werkstücks 2 . Die Schneidgas-Düse 6 ist vom Laserbearbeitungskopf 24 umfasst . Am Werkstück 2 wird der Beleuchtungsstrahl 13 reflektiert und der reflektierte Beleuchtungsstrahl 13 nimmt den gleichen Weg zurück und durchläuft den Spiegel 7 , um von einer Kamera 11 aufgenommen zu werden . Alternativ zur Kamera 11 können Fotodioden vorgesehen sein, welche den reflektierten Beleuchtungsstrahl 13 erfassen . Auf diese Weise werden Bilder vom Bearbeitungsbereich am Werkstück 2 von der Kamera 11 oder von Fotodioden aufgenommen, wobei der Bearbeitungsbereich im Wesentlichen eine mit dem Laserschneidstrahl 16 erzeugte Schneidlinie 14 mit den benachbarten Werkstückabschnitten enthält . Die Schneidlinie 14 wird demnach überstrichen oder gescannt und es werden Scandaten auf genommen . Der Laserschneidstrahl 16 wird im Laserbearbeitungskopf 24 über den Umlenkspiegel 9 , durch die Fokussierlinse 3 und der Schneidgas-Düse 6 zugeführt , von welcher der Laserschneidstrahl 16 mit hoher Energie aus dem Laserbearbeitungskopf 24 austritt , auf das Werkstück 2 auftri f ft und das Werkstück 2 in bekannter Weise vollständig zerschneidet . Bei einer alternativen Aus führung umfasst die Sensorikeinrichtung 1 keine Beleuchtungseinheit 21 und kein optisches Element 8 . Bei dieser Aus führung wird die Schneidlinie 14 mit benachbarten Bereichen am Werkstück 2 von einem Laserscanstrahl von niedriger Leistung überstrichen oder gescannt . Der Laserscanstrahl von niedriger Leistung kann in der Laserquelle 22 erzeugt werden, in welcher auch der Laserschneidstrahl 16 von hoher Leistung erzeugt wird . Die Laserquelle 22 schaltet dann von einem Modus des Schneidens mit hoher Leistung zu einem Scanmodus mit niedriger Leistung um . Entsprechend wird bei dieser Alternative das Schneiden und das Scannen am Werkstück 2 nacheinander ausgeführt . Insbesondere wird bei dieser Aus führung das Scannen der Schneidlinie 14 am Werkstück 2 mit dem Laserscanstrahl von niedriger Leistung während eines Zurückfahrens des Laserbearbeitungskopfs 24 durchgeführt . Zuerst wird das Werkstück 2 mit hoher Leistung geschnitten, danach auf eine niedrige Leistung umgeschaltet , wobei der Laserbearbeitungskopf 24 entlang der geschnittenen Strecke an der Schneidlinie 14 zurückfährt und dabei die Schneidlinie 14 scannt .
Der Laserbearbeitungskopf 24 fährt zurück entlang derselben Strecke , welche dieser zurückgelegt hat , gewöhnlich wenn ein Fehlschnitt 18 detektiert ist . Der Laserbearbeitungskopf 24 wird angehalten, die Laserquelle 22 wird von der Steuerungseinrichtung 15 auf eine niedrige Leistung eingestellt , so dass ein Laserscanstrahl bereitgestellt werden kann . Der Laserscanstrahl scannt dann die Schneidlinie 14 , Scandaten werden wie beschrieben auf genommen und ausgewertet . Aus den Scandaten wird festgestellt , ob ein Fehlschnitt 18 vorliegt oder nicht . Mit anderen Worten wird festgestellt , ob eine Fehlschnittdetektion, das Feststellen des Fehlschnitts 18 , welche das Anhalten des Laserbearbeitungskopfs 24 bewirkt , korrekt erfolgt ist . Ein falsches Feststellen eines Fehlschnitts 18 wird mit diesen Mitteln ausgeschlossen . Insbesondere kann schnell festgestellt werden, ob tatsächlich ein Fehlschnitt 18 vorliegt , da die Bewegungsverläufe des Laserbearbeitungskopfs 24 optimiert sind . Ein Verfahren des Laserbearbeitungskopfs 24 an einen Ausgangspunkt zum Scannen der Schneidlinie 14 nach einer Fehlerdetektion ist nicht mehr erforderlich . Zudem wird die Position des Fehlschnitts 18 ermittelt , wonach der Laserbearbeitungskopf 24 im Modus des Schneidens punktgenau die Position oder Positionen des Fehlschnitts 18 ansteuert und durch erneutes Schneiden das Werkstück 2 durchtrennt . Der Laserbearbeitungskopf 24 legt hierbei , beim Scannen und beim Schneiden, eine möglichst kurze Strecke zurück . Unnötige Leistungsverluste durch Schneiden an falschen Positionen werden vermieden, das Werkstück 2 wird nicht unnötig erwärmt und die Qualität des Schneidergebnis am Werkstück 2 wird nicht unnötig beeinträchtigt . Wiederholtes Schneiden kann zu unzureichenden Schneidergebnissen führen . Fig . 3 zeigt einen beispielhaften Signalverlauf eines in der Steuerungseinrichtung 15 ausgewerteten Signals der Sensorikeinrichtung 1 im oberen Bereich der Fig . 3 und eine zugehörige Schneidlinie 14 im unteren Bereich von Fig . 3 . Die Schneidlinie 14 ist mit Zahlenangaben im Bereich von Millimetern mm angegeben an der hori zontalen Achse . Die Signale werden erzeugt von den Fotodioden oder der Kamera 11 mit einer geeigneten Bildverarbeitungssoftware . Die Kamera 11 nimmt hierbei gewöhnlich die Lichtintensität eines Prozessleuchtens bei der Schneidlinie 14 auf , welches beim Laserschweißen bei der Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Material des Werkstücks 2 auftritt . Zu erkennen ist , dass das Signal weitgehend in der Nähe der Nulllinie verläuft . Die zugehörige Schneidlinie 14 am Werkstück 2 verläuft mängel frei , so dass das Werkstück 2 komplett durchtrennt wird und nur so viel Material abgetragen wird wie zum Durchtrennen oder Durchschneiden des Werkstücks 2 nötig ist . Der dem niedrigen Signal zugeordnete Bereich am Werkstück 2 wird als Gutschnitt 17 bezeichnet . Zur Prüfung, ob beim Scannen eine Leuchterscheinung vorliegt , und zur Kategorisierung der Bilder einerseits in Trennschnitt oder Gutschnitt und andererseits Schnittabriss oder Fehlschnitt wird die maximale Helligkeit im Bereich des Schnittspalts der Schneidlinie 14 verwendet . Zu dieser Kategorisierung wird ein Schwellwert im Diagramm nach Fig . 2 festgelegt . Liegt ein Intensitätsmerkmal , die maximale Helligkeit im Bereich des Schnittspalts der Schneidlinie 14 , unterhalb des Schwellwerts , wird das Bild als Gutschnitt klassi fi ziert , liegt das Intensitätsmerkmal oberhalb des Schwellwerts , wird das von der Kamera 11 erzeugte Bild als Fehlschnitt kategorisiert oder klassi fi ziert . Das Signal der Lichtintensität wird hierbei als Scan-Mode-Signal bezeichnet . Auf der rechten Seite von Fig . 3 ist erkennbar, dass die Schneidlinie 14 gestört und unterbrochen ist , hierbei ist ein unerwünschter Fehlschnitt 18 aufgetreten . Im Signalverlauf führt der Bereich am Werkstück 2 eines Fehlschnitts 18 zu einem wesentlichen Signalanstieg, erkenntlich am Signal rechts von der gestrichelten Linie in Fig . 3 . Dieser Signalanstieg wird oberhalb eines Schwellwerts einer Lichtintensität von der Steuerungseinrichtung 15 erkannt . Wie beschrieben wird ein Gutschnitt 17 oder ein Fehlschnitt 18 des Werkstücks 2 während des Schneidens des Werkstücks 2 festgestellt und die Schneidlinie 14 am Werkstück 2 kann auf unterschiedliche Weise gescannt werden, wobei die Schneiddaten und die Scandaten aufgenommen werden . Im Beispiel nach Fig . 3 tritt wie beschrieben ein Fehlschnitt 18 auf . Parameter der Laserschneidmaschine 10 sind in der Steuerungseinrichtung 15 gespeichert , beispielsweise die Fokuslage , eine Laserleistung der Laserschneidmaschine 10 , der Fokusdurchmesser, der Abstand zwischen einer Laserdüse , hierbei der Schneidgas-Düse 6 , und dem Werkstück 2 , eine Vorschubgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs 24 und ein Gasdruck eines Schutzgases . Weitere Parameter der Laserschneidmaschine 10 können in der Steuerungseinrichtung 15 gespeichert sein . Die Parameter oder der Parametersatz der Laserschneidmaschine 10 sind für das Beispiel der Fig . 3 mit dem Fehlschnitt 18 bekannt . Dann wird wenigstens ein Parameter der Laserschneidmaschine 10 verändert und das Laserschneidverfahren wiederholt , mit dem wenigstens einen geänderten Parameter werden die Verfahrensschritte des Schneidens , Scannens , Aufnehmens und Auswertens der Scandaten ausgeführt , wie beschrieben . Mit dem wenigstens einen geänderten Parameter kann erneut ein Gutschnitt 17 oder Fehlschnitt 18 festgestellt werden, wobei die entsprechenden Parameter oder der Parametersatz dem Gutschnitt 17 oder Fehlschnitt zugeordnet wird . Die vorstehenden Verf ahrensschritte werden beliebig oft wiederholt , so dass eine Viel zahl von Parametersätzen in der Steuerungseinrichtung 15 vorliegt und von j edem Parametersatz bekannt ist , ob mit dem Parametersatz ein Gutschnitt 17 oder ein Fehlschnitt 18 erzielt wird und in welchem Abschnitt bei der Schneidlinie 14 der Gutschnitt 17 und der Fehlschnitt 18 vorliegt . Beispielsweise wird nach j edem Schneidvorgang der Parameter der Vorschubgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs 24 geändert . Der Schneidvorgang mit Aufnehmen oder Auf zeichnen von Scandaten mit der geänderten Vorschubgeschwindigkeit wird so oft wiederholt , bis ein Fehlschnitt erkannt wird . Demnach ist in der Steuerungseinrichtung 15 die Vorschubgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs 24 bekannt , bei welcher ein Fehlschnitt auf tritt . Die Laserschneidmaschine 10 kann dann derart eingestellt werden, dass der Parameter der Vorschubgeschwindigkeit den Schwellwert , bei dem ein Fehlschnitt auftritt , nicht übersteigt .
Die Scandaten bezüglich der verschiedenen Parameter oder Parametersätze der Laserschneidmaschine 10 werden in der Steuerungseinrichtung 15 mit geeigneter Software ausgewertet . Beispielsweise können Parametern oder Parametersätzen einem Gutschnitt 17 zugeordnet werden, während andere Parameter oder Parametersätze einem Fehlschnitt 18 zugeordnet werden . Die mit verschiedenen Parametern auf genommenen Scandaten werden zu einem Gutschnitt 17 oder einem Fehlschnitt 18 klassi fi ziert und gespeichert . Auf diese Weise liegen in der Steuerungseinrichtung 15 Klassen von Parametern oder Parametersätzen vor, welche Gutschnitte 17 zugewiesen sind, und Klassen, welche Fehlschnitte 18 zugewiesen sind . Den Klassen von Fehlschnitten 18 sind außerdem die Daten der Positionen der nicht durchtrennten Bereiche zugeordnet . Grundsätzlich werden die Parameter, welche zu einem Gutschnitt 17 führen, automatisch an der Laserschneidmaschine 10 eingestellt oder j ustiert . Auf diese Weise wird die Laserschneidmaschine 10 im Wesentlichen in einem Betriebs zustand gehalten, welcher Gutschnitte 17 ermöglicht und Fehlschnitte 18 vermeidet . Die Laserschneidmaschine 10 wird auf diese Weise sozusagen trainiert . Ferner können die klassi fi zierten Datensätze verwendet werden, um ein Machine Learning Modell zu trainieren .
Bezugszeichenliste
Sensorikeinrichtung
Werkstück
Fokussierlinse
Fokussiereinrichtung
Schneidgas -Düse
Spiegel optisches Element
Dichroitischer Spiegel
Laserschneidmaschine
Kamera
Beleuchtungs strahl
Schneidlinie
S t eue rungs einr ich tung
Laserschneidstrahl
Gutschnitt
Fehlschnitt
Beleuchtungseinheit
Laserquelle
Strahl führung
Laserbearbeitungskopf
Werkstückauflage
Auflagesteg
Portal
Schneidgasbehälter
Ab saugeinrichtung

Claims

Patentansprüche Laserschneidverfahren mit den folgenden Verfahrensschritten a. Schneiden eines Werkstücks (2) mit einem Laserschneidstrahl (16) mit hoher Leistung entlang einer Schneidlinie (14) ; b. Feststellen eines Gutschnitts (17) oder Fehlschnitts
(18) des Werkstücks (2) während des Schneidens des Werkstücks ( 2 ) ; c. Scannen der Schneidlinie (14) am Werkstück (2) mit einem Laserscanstrahl von niedriger Leistung oder mit einem Beleuchtungsstrahl (13) und Aufnehmen von Scandaten; d. Verändern von wenigstens einem Parameter der Laserschneidmaschine (10) ;
Wiederholen der Verfahrensschritte a. bis c.; und Auswerten der Scandaten bezüglich der verschiedenen Parameter der Laserschneidmaschine (10) in einer Steuerungseinrichtung (15) ; wobei das Scannen der Schneidlinie (14) am Werkstück (2) mit dem Laserscanstrahl von niedriger Leistung während eines Zurückfahrens eines Laserbearbeitungskopfs (24) durchgeführt wird. Laserschneidverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt
Feststellen eines Gutschnitts (17) oder Fehlschnitts (18) während des Schneidens des Werkstücks (2) mit einer Kamera (11) . Laserschneidverfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verfahrensschritt des Auswertens den Verfahrensschritt umfasst Feststellen von Positionen eines Fehlschnitts (18) ; mit dem anschließenden Verfahrensschritt des Schneidens des Werkstücks (2) mit dem Laserschneidstrahl (16) mit hoher Leistung an den festgestellten Positionen des Fehlschnitts . Laserschneidverfahren nach einem der vorigen Ansprüche, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt
Klassifizieren der mit verschiedenen Parametern auf genommenen Scandaten zu einem Gutschnitt (17) oder einem Fehlschnitt (18) ;
Einspeisen der zu einem Gutschnitt (17) oder einem Fehlschnitt (18) klassifizierten Scandaten in die Steuerungseinrichtung (15) ;
Einstellen von wenigstens einem der zu einem Gutschnitt (17) klassifizierten Parameter an der Laserschneidmaschine (10) durch die Steuerungseinrichtung (15) . Laserschneidverfahren nach einem der vorigen Ansprüche, gekennzeichnet durch den Verfahrensschritt
Verändern von wenigstens einem Parameter der Laserschneidmaschine (10) aus der Auswahl von Fokuslage, Laserleistung der Laserschneidmaschine (10) , Fokusdurchmesser, dem Abstand zwischen einer Laserdüse und dem Werkstück (2) , einer Vorschubgeschwindigkeit des Laserbearbeitungskopfs (24) und/oder einem Gasdruck eines Schutzgases . Laserschneidmaschine (10) zum Schneiden eines Werkstücks (2) entlang einer Schneidlinie (14) mit wenigstens einer Laserquelle (22) zum Erzeugen eines Laserschneidstrahls (16) mit hoher Leistung, einer Kamera (11) zum Erfassen eines Gutschnitts (17) oder Fehlschnitts (18) des Werkstücks (2) während des Schneidens des Werkstücks (2) , einen Laserscanstrahl von niedriger Leistung von der Laserquelle (22) oder einem Beleuchtungsstrahl (13) einer Beleuchtungseinheit (21) , gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (15) , welche dazu ausgebildet ist, wenigstens einen Parameter der Laserschneidmaschine (10) zu verändern und Scandaten des Laserscanstrahls von niedriger Leistung oder des Beleuchtungsstrahls (13) bezüglich der verschiedenen Parameter der Laserschneidmaschine (10) auszuwerten . Laserschneidmaschine (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (15) dazu ausgebildet ist, die mit verschiedenen Parametern auf genommenen Scandaten zu einem Gutschnitt (17) oder einem Fehlschnitt (18) zu klassifizieren und zu speichern. Laserschneidmaschine (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (15) dazu ausgebildet ist, wenigstens einen der zu einem Gutschnitt (17) klassifizierten Parameter an der Laserschneidmaschine (10) einzustellen. Laserschneidmaschine (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (15) zum Auswerten von Signalen des Detektors (11) und zum Einstellen der Leistung der Laserquelle (22) auf eine hohe Leistung zum Schneiden des Werkstücks (2) und eine niedrige Leistung zum Scannen der Schneidlinie (14) mit dem Laserscanstrahl . Laserschneidmaschine (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanstrahl mit niedriger Leistung aus wenigstens einem gepulsten Laserstrahl oder aus einem kontinuierlichen Laserstrahl besteht . Computerprogrammprodukt in einer Steuerungseinrichtung (15) zum Ausführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE102010039525A1 (de) 2010-08-19 2012-02-23 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Verfahren zum Überprüfen der Qualität einer Werkstückbearbeitung und Werkzeugmaschine
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