DD241562A1 - Messtechnische anordnung zur ueberwachung des schneidvorganges beim lasertrennen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine messtechnische Anordnung in Lasertrennanlagen, mit der der Schneidvorgang automatisch kontrolliert, Schnittunterbrechungen erkannt und optimale Schnittparameter bei einem gleichbleibend guten Bearbeitungsergebnis gesichert werden koennen. Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer vorteilhaften Anordnung einer Messeinrichtung zur Kontrolle des Schneidvorganges in der Naehe der Bearbeitungsstelle. Das Wesen der Erfindung besteht in der Anordnung eines Strahlenempfaengers unterhalb der Bearbeitungszone des Werkstueckes und eines Spiegels zur Ablenkung der Laserstrahlen auf den Strahlungsempfaenger. Die Anordnung ist insbesondere in Lasertrennanlagen verwendbar. Figur

Description

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Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine meßtechnische Anordnung in Lasertrennanlagen, mit der der Schneidvorgang automatisch kontrolliert, Schnittunterbrechungen erkannt, korrigiert und optimale Schnittparameter und ein gleichbleibend gutes Bearbeitungsergebnis gesichert werden können.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, daß Lasertrennanlagen aus dem Laser, in dem der Strahl erzeugt wird und dem Positioniersystem mit der Steuerung, das die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Werkstück realisiert, bestehen. Weiterhin ist bekannt, daß der Laserstrahl in einem Schneidkopf durch optische Bauelemente fokussiert wird und durch einen koaxialen Gasstrom unterstützt, durch eine Düse auf das Werkstück trifft.

Im allgemeinen wird beim Lasertrennen mit Energieüberschuß gearbeitet/das heißt, die Verfahrensparameter werden so gewählt, daß der Schneidvorgang für den jeweils zu trennenden Werkstoff und dessen Materialdicke sicher abläuft. Das bedeutet aber, daß insbesondere in bezug auf die Laserleistung nicht mit optimierten Schnittparametern gearbeitet wird und damit die Trennflächenqualität und die Wärmeeinflußzone negativ beeinflußt werden.

In den bisher bekannten Lasertrennanlagen ist eine meßtechnische Rückkopplung von der Bearbeitungsstelle zum Positioniersystem nicht vorhanden, um bei einer Schnittunterbrechung auf der programmierten Kontur zurückfahren zu können, bis der Anfang der Schnittunterbrechung erreicht ist, um den Schneidvorgang dann erneut zu starten.

Eine meßtechnische Anordnung, mit der eine solche Rückkopplung realisiert wird, ist die Voraussetzung für ein leistungsoptimiertes Lasertrennen, da hier die Gefahr von Schnittunterbrechungen besonders groß ist.

Ursachen für eine Unterbrechung des Schneidvorganges können Laserleistungsschwankungen, Schnittgeschwindigkeits-, Arbeitsspalt- und Schneidgasdruckänderungen, sowie Materialunhomogenitäten und unterschiedliche Oberflächenbeschaffenheit sein. Da ein unterbrochener Schnitt im allgemeinen ein unbrauchbares Bearbeitungsergebnis zur Folge hat, bringt eine meßtechnische Anordnung zur Kontrolle und Korrektur des Schneidvorganges entscheidende Vorteile der Verfahrensgestaltung.

Bekannt sind meßtechnische Anordnungen zur Steuerung einzelner Verfahrensparameter beim Lasertrennen. Die in der Patentanmeldung WP B 23 K/268584.7 beschriebene Einrichtung, bei der die reflektierte Strahlung teilweise durch einen in der Nähe der Bearbeitungszone angeordneten Strahlungsempfänger erfaßt wird, hat den Nachteil, daß Störfaktoren, bedingt durch Wellenlängen-, Temperatur- und Druckabhängigkeit des Absorptions- und Reflexionsvermögens des Werkstoffes nur ein ungenaues Steuern nur eines Verfahrensparameters gestattet. Die gleichen Nachteile weist die in US-PS 41 21987 beschriebene Meßanordnung auf, mit der eine Kontrolle der Steuerung der Laserleistung oder des Arbeitsabstandes durch an der Werkstückoberfläche reflektierte Strahlungsanteile erfolgen soll. Die Einrichtung nach der Patentanmeldung WP B23 K/ 263416.2 zur Steuerung von Verfahrensparametern bei der Laserwerkstoffbearbeitung weist den Nachteil auf, daß der reflektierte Strahlungsanteil durch einen im Schneidkopf integrierten Strahlungsempfänger erfaßt werden soll. Da hier der Einfallswinkel des reflektierten Strahls kleiner als der Austrittswinkel des Laserstrahls aus dem Schneidkopf ist, kann beim Lasertrennen nur ein sehr geringer Strahlungsanteil durch den Schneidspalt auf den Strahlungsempfänger reflektiert werden.

Es sind auch meßtechnische Anordnungen zur Beeinflussung thermischer Prozesse, die als Spritzersensor bezeichnet werden, (DD-WP 213613 und DD-WP 213149) bekannt.

Dabei werden erhitzte schmelzflüssige Werkstoffteilchen erfaßt, die aus der Schnittfuge herausgelöst werden. Die Meßanordnung fängt die Werkstoffteilchen auf, übernimmt deren Ladung und schließt einen Meßstromkreis. Mit dieser Anordnung ist eine laufende Prozeßüberwachung, Protokollierung des Meßergebnisses, ein ständiger Soll-Ist-Vergleich, sowie die Anzeige von Störungen, vorzugsweise bei Schweißvorgängen und auch bei Brennschneidvorgängen, möglich. Die Anordnung ist nicht in der Lage, den Vorschub bei Schnittfehlern zu unterbrechen, an die Fehlerstelle zurückzukehren und den Schnitt erneut zu beginnen.

Die Einrichtung nach dem DD-WP 213150 erfaßt die herausspritzenden Werkstoffteilchen, wandelt diese in elektrische Signale um und steuert bzw. regelt je nach Stärke des Signals, das der Ladungsträgerzahl proportional ist, einen Schnittparameter.

Alle beschriebenen Lösungen haben den Nachteil, daß sie lediglich auf die Steuerung bzw. Regelung nur eines Bearbeitungsparameters abzielen. Das Bearbeitungsergebnis entsteht jedoch immer im komplexen Zusammenwirken zahlreicher Einflußgrößen.

Das Ziel der Erfindung besteht in der Vermeidung der Mangel am Stand der Technik beim Lasertrennen mit optimierten Schnittparametern, in einer geeigneten Steuerung des Positioniersystems, die bei Schnittunterbrechung ein Zurückfahren des Positioniersystems zur Fehlerstelle und ein erneutes Starten des Schneidvorganges bewirkt.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung in einer Lasertrennanlage konstruktiv so zu gestalten, daß ihre Positionierung in der Nähe der Bearbeitungsstelle möglich ist und deren Meßergebnisse optimierte Schrittparameter gewährleisten.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß unterhalb des zu bearbeitenden Werkstückes ein Sensor angeordnet ist, der die durch die Trennfuge hindurchtretende Strahlung mißt und während des Schneidvorganges ein Signal erzeugt, daß die Steuerung des Positioniersystems beeinflußt. Wird der Schneidvorgang durch eine Störung unterbrochen, hat dies eine Unterbrechung des Strahlenganges zum Sensor zur Folge und es kann im Strahlungsempfänger kein Signal erzeugt und weitergeleitet werden.

Durch das ausbleibende Signal werden im Positioniersystem Steuerfunktionen ausgelöst, die ein Zurückfahren zur Fehlerstelle und ein erneutes Starten des Schneidvorganges bewirken.

Um den Sensor vor Verschmutzung durch Abtragsprodukte zu schützen, wird ein Spiegel in den Strahlengang unterhalb der Bearbeitungsstelle angeordnet, der die durch die Schnittfuge durchtretende Strahlung ablenkt und auf den im rechten Winkel seitlich angeordneten Sensor richtet.

Die Spiegeloberfläche wiederum wird vor Verschmutzung durch einen auf sie gerichteten Luft- oder Gasstrom geschützt. Durch die direkte Messung der Intensität des durchtretenden Strahlungsteiles kann die Laserleistung oder die Schnittgeschwindigkeit nachgeregelt bzw. optimiert werden. Neben einem Strahlungssensor kann auch ein Drucksensor oder ein Spritzersensor angeordnet sein.

Ausführungsbeispiel

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Die zugehörige Figur zeigt eine Schnittdarstellung des Laserschneidkopfes mit Bearbeitungstisch und einer Meßanordnung für die Überwachung des Schneidvorganges.

Die meßtechnische Anordnung besteht im wesentlichen aus einem Strahlungsempfänger 15 und einem Spiegel 7 unterhalb des Bearbeitungstisches 6.

Der Laserstrahl wird durch die Gasdüse 4 auf die Bearbeitungsstelle fokussiert. Das zu bearbeitende Material 5 wird auf einen Bearbeitungstisch 6 relativ zum Laserstrahl bewegt. Die bei laufendem Schneidvorgang durch die Trennfuge hindurchtretende Laserstrahlung fällt auf einen um 45° gekippten Spiegel 7. Der Spiegel 7 ist in einer Spiegelfassung 8 angeordnet und mit dieser auf der Justierplatte 9 befestigt. Mittels 3 Justierschrauben 11 kann der Spiegel 7 genau in den Strahlengang einjustiert und bei Veränderungen des Einfallswinkels des Laserstrahls nachjustiert werden. Vom Spiegel 7 abgelenkt, trifft der Laserstrahl auf einen Strahlungsempfänger 15, der sich unterhalb und im rechten Winkel zur Bearbeitungsstelle befindet. Der Strahlungsempfänger 15 nimmt die Energie der auftreffenden Strahlung auf und gibt während des laufenden Schneidvorganges ein stetiges Signal an das Positioniersystem für den Bearbeitungstisch 6. Kommt es durch den Einfluß von Störfaktoren zu einer nicht vorgesehenen Unterbrechung des Schnittes, kann die Laserstrahlung nicht durch das Material und den Bearbeitungstisch 6 auf den Spiegel 7 gelangen und folglich auch nichtvom Strahlungsempfänger 15 in ein elektrisches Signal umgewandelt werden. In diesem Fall wird im Positioniersystem ein Unterprogramm aufgerufen, das die Vorschubbewegung des Materials stoppt und das Positioniersystem so lange auf der programmierten Bahn zurückführt, bis die durch die Schnittfuge hindurchtretende Strahlung im Strahlungsempfänger 15 wieder ein Signal erzeugt. Der Schneidvorgang wird erneut gestartet. Um eine Ablagerung von Materialteilchen auf dem Spiegel 7 zu verhindern, ist ein Gasstrom vorgesehen, der die Abtragsteilchen in den Abtragsbehälter 14 befördert. Der Vorteil der Anordnung gegenüber bekannten Einrichtungen besteht vor allem darin, daß die durch die Schnittfuge hindurchtretende Reststrahlung meßtechnisch erfaßt wird, und diese unmittelbar Rückschlüsse auf die Konstanz der Schnittfugengeometrie zuläßt, sowie in der Rückkopplung zur Abmessung des Positioniersystems. Da mit dem verwendeten Meßprinzip unmittelbar ein elektrisches Signal aus der Reststrahlung gewonnen wird, kann bei CNC-gesteuerten Lasertrennanlagen die Meß- bzw. Regelanordnung gut in die Gesamtsteuerung integriert werden.

Claims (3)

1. Erfindungsanspruch:

   1. Meßtechnische Anordnung zur Überwachung des Schneidvorganges beim Lasertrennen mit einem Strahlungsempfänger zur Wandlung der Laserstrahlung in elektrische Signale zur Steuerung betriebstechnischer Parameter für das Positioniersystem, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger (15) unterhalb der Bearbeitungszone des Werkstückes (5) angeordnet ist und die durch die Trennfuge hindurchtretende Strahlung aufnimmt und in Form elektrischer Signale Steuerfunktionen für die Werkstückpositionierung auslöst.
2. 2. Meßtechnische Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang zwischen Laserschneidkopf (1) und Strahlungsempfänger (15) unterhalb des Werkstückes (5) ein Spiegel (7) zur Ablenkung der Laserstrahlen auf den Strahlungsempfänger (15) angeordnet ist.
3. 3. Meßtechnische Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reststrahlung über Lichtleitkabel zum Strahlungsempfänger (15) geführt wird.