DD241562A1 - MESSTECHNICAL ARRANGEMENT FOR MONITORING THE CUTTING PROCESS FOR LASER SEPARATION - 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. FigurThe invention relates to a metrological arrangement in laser cutting systems, with which the cutting process is automatically controlled, cutting interruptions detected and optimal cutting parameters can be secured with a consistently good processing result. The object of the invention is an advantageous arrangement of a measuring device for controlling the cutting process in the vicinity of the processing point. The essence of the invention consists in the arrangement of a Strahlempfaengers below the processing zone of the workpiece and a mirror for deflecting the laser beams on the Strahlungsempfaenger. The arrangement can be used in particular in laser separation systems. figure

Description

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Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

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.The invention relates to a metrological arrangement in laser cutting systems, with which the cutting process is automatically controlled, cutting interruptions detected, corrected and optimal cutting parameters and a consistently good machining result can be secured.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

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.It is known that laser separation systems consist of the laser in which the beam is generated and the positioning system with the control which realizes the relative movement between the laser beam and the workpiece. Furthermore, it is known that the laser beam is focused in a cutting head by optical components and supported by a coaxial gas flow, hits through a nozzle on the workpiece.

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 general, when laser cutting with excess energy is working / that is, the process parameters are chosen so that the cutting process for each material to be separated and its material thickness runs safely. However, this means that in particular with respect to the laser power is not worked with optimized cutting parameters and thus the interface quality and the heat affected zone are adversely affected.

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.In the laser cutting systems known hitherto, a metrological feedback from the processing point to the positioning system is not available in order to be able to return to the programmed contour at a cutting interruption until the beginning of the cutting interruption has been reached in order then to restart the cutting process.

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.A metrological arrangement, with which such a feedback is realized, is the prerequisite for a performance-optimized laser cutting, since the risk of interruptions cut is particularly large here.

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.Causes of an interruption of the cutting process may be laser power fluctuations, cutting speed, working gap and cutting gas pressure changes, as well as material inhomogeneities and different surface finish. Since an interrupted cut generally results in an unusable machining result, a metrological arrangement for controlling and correcting the cutting process brings decisive advantages of the process design.

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.Are known metrological arrangements for controlling individual process parameters during laser cutting. The device described in the patent application WP B 23 K / 268584.7, in which the reflected radiation is partially detected by a arranged in the vicinity of the processing zone radiation receiver, has the disadvantage that confounding factors, due to wavelength, temperature and pressure dependence of the absorption and reflectivity of the material allows only an inaccurate control of only one process parameter. The same disadvantages, the measuring arrangement described in US-PS 41 21 987, with which a control of the laser power or the working distance should be performed by reflected on the workpiece surface radiation components. The device according to the patent application WP B23 K / 263416.2 for controlling process parameters in the laser material processing has the disadvantage that the reflected radiation component to be detected by a radiation receiver integrated in the cutting head. Since here the angle of incidence of the reflected beam is smaller than the exit angle of the laser beam from the cutting head, only a very small proportion of radiation can be reflected by the cutting gap on the radiation receiver during laser cutting.

Es sind auch meßtechnische Anordnungen zur Beeinflussung thermischer Prozesse, die als Spritzersensor bezeichnet werden, (DD-WP 213613 und DD-WP 213149) bekannt.There are also metrological arrangements for influencing thermal processes, which are referred to as a splash sensor, known (DD-WP 213613 and DD-WP 213149).

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.In this case, heated molten material particles are detected, which are dissolved out of the kerf. The measuring arrangement captures the material particles, takes over their charge and includes a measuring circuit. With this arrangement, a current process monitoring, logging of the measurement result, a constant target-actual comparison, and the display of faults, preferably in welding operations and also in flame cutting operations, possible. The arrangement is unable to interrupt the feed in the event of a cutting error, to return to the fault location and to start the cut again.

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.The device according to DD-WP 213150 detects the ejecting material particles, converts them into electrical signals and controls or regulates depending on the strength of the signal, which is proportional to the number of carriers, a cutting parameter.

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.All solutions described have the disadvantage that they only aim at the control or regulation of only one processing parameter. However, the processing result always arises in the complex interaction of numerous influencing variables.

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.The object of the invention is to avoid the lack of the prior art laser cutting with optimized cutting parameters, in a suitable control of the positioning system, which causes a cutback interruption of the positioning system to the fault and a restart of the cutting process.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

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.The invention has for its object to design a measuring device in a laser cutting system constructive so that their positioning in the vicinity of the processing point is possible and ensure their measurement results optimized step parameters.

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.According to the invention the object is achieved in that below the workpiece to be machined, a sensor is arranged, which measures the radiation passing through the parting line radiation and generates a signal during the cutting process that affects the control of the positioning. If the cutting process is interrupted by a fault, this results in an interruption of the beam path to the sensor and no signal can be generated and relayed in the radiation receiver.

Durch das ausbleibende Signal werden im Positioniersystem Steuerfunktionen ausgelöst, die ein Zurückfahren zur Fehlerstelle und ein erneutes Starten des Schneidvorganges bewirken.Due to the missing signal, control functions are triggered in the positioning system, which cause a return to the fault location and a restart of the cutting process.

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.In order to protect the sensor from contamination by erosion products, a mirror is arranged in the beam path below the processing point, which deflects the radiation passing through the kerf and directs it to the sensor arranged laterally at right angles.

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.The mirror surface, in turn, is protected from contamination by an air or gas stream directed at it. By direct measurement of the intensity of the penetrating radiation part, the laser power or the cutting speed can be readjusted or optimized. In addition to a radiation sensor, a pressure sensor or a splash sensor can also be arranged.

Ausführungsbeispielembodiment

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an embodiment.

Die zugehörige Figur zeigt eine Schnittdarstellung des Laserschneidkopfes mit Bearbeitungstisch und einer Meßanordnung für die Überwachung des Schneidvorganges.The accompanying figure shows a sectional view of the laser cutting head with processing table and a measuring arrangement for monitoring the cutting process.

Die meßtechnische Anordnung besteht im wesentlichen aus einem Strahlungsempfänger 15 und einem Spiegel 7 unterhalb des Bearbeitungstisches 6.The metrological arrangement consists essentially of a radiation receiver 15 and a mirror 7 below the processing table. 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.The laser beam is focused by the gas nozzle 4 on the processing point. The material to be processed 5 is moved to a machining table 6 relative to the laser beam. The laser radiation which passes through the parting line during the cutting process is incident on a mirror 7 tilted by 45 °. The mirror 7 is arranged in a mirror mount 8 and fastened with this on the adjustment plate 9. By means of 3 adjusting screws 11, the mirror 7 can be adjusted exactly in the beam path and readjusted with changes in the angle of incidence of the laser beam. Distracted by the mirror 7, the laser beam strikes a radiation receiver 15, which is located below and at right angles to the processing point. The radiation receiver 15 absorbs the energy of the incident radiation and gives during the current cutting process a steady signal to the positioning system for the processing table 6. If it comes through the influence of disturbing factors to an unscheduled interruption of the cut, the laser radiation can not through the material and reach the processing table 6 on the mirror 7 and consequently are not converted by the radiation receiver 15 into an electrical signal. In this case, a subroutine is called in the positioning system, which stops the advancing movement of the material and the positioning system leads back to the programmed path until the radiation passing through the kerf in the radiation receiver 15 generates a signal again. The cutting process is restarted. In order to prevent deposition of material particles on the mirror 7, a gas flow is provided, which conveys the Abtragsteilchen in the removal container 14. The advantage of the arrangement over known devices consists in the fact that the passing through the kerf residual radiation is detected by measurement technology, and this allows immediate conclusions about the constancy of kerf geometry, as well as in the feedback to the dimension of the positioning. Since with the measuring principle used, an electrical signal is obtained directly from the residual radiation, in CNC-controlled laser separation systems, the measurement or control arrangement can be well integrated into the overall control.

Claims (3)

Erfindungsanspruch:Invention claim: 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.1. Meßtechnische arrangement for monitoring the cutting process during laser cutting with a radiation receiver for converting the laser radiation into electrical signals for controlling operational parameters for the positioning, characterized in that the radiation receiver (15) below the processing zone of the workpiece (5) is arranged and by the parting line receives radiation passing through and triggers control functions for workpiece positioning in the form of electrical signals. 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.2. Measuring device according to item 1, characterized in that in the beam path between the laser cutting head (1) and radiation receiver (15) below the workpiece (5) a mirror (7) for deflecting the laser beams on the radiation receiver (15) is arranged. 3. Meßtechnische Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reststrahlung über Lichtleitkabel zum Strahlungsempfänger (15) geführt wird.3. Measuring device according to item 1, characterized in that the residual radiation is guided via optical fiber cable to the radiation receiver (15).