DE102017115486A1 - Method and device for monitoring a laser processing process - Google Patents
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Abstract
Bei einem bekannten Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses wird ein Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet, gestreutes Laserlicht als Streulicht erfasst, und eine Zustandsänderung des Laserbearbeitungsprozesses anhand der erfassten Streulicht-Intensität identifiziert. Um davon ausgehend ein Verfahren zur Laserbearbeitung anzugeben, das gestreute Laserstrahlung zur Identifizierung des aktuellen Prozesszustandes bei der Laserbearbeitung verwendet, und das eine zuverlässige Prozesskontrolle insbesondere zur Durchsticherkennung gewährleistet, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass Streulicht unterhalb des Werkstücks erfasst und zur Identifizierung der Zustandsänderung ausgewertet wird.In a known method for monitoring a laser processing process, a laser beam is directed onto a workpiece, scattered laser light is detected as scattered light, and a state change of the laser processing process is identified on the basis of the detected scattered light intensity. To indicate a laser machining method based on this, which uses scattered laser radiation to identify the current process state during laser processing, and which ensures reliable process control, in particular for puncture detection, it is proposed according to the invention that scattered light be detected underneath the workpiece and evaluated to identify the state change.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zur Durchsticherkennung, wobei ein Laserstrahl auf ein Werkstück gerichtet, gestreutes Laserlicht als Streulicht erfasst, und eine Zustandsänderung des Laserbearbeitungsprozesses anhand der erfassten Streulicht-Intensität identifiziert wird.The present invention relates to a method for monitoring a laser processing process, in particular for puncture detection, wherein a laser beam directed at a workpiece detects scattered laser light as scattered light, and a state change of the laser processing process is identified on the basis of the detected scattered light intensity.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere zur Durchsticherkennung, mit einem Laserschneidkopf zur Fokussierung eines Laserstrahls auf ein Werkstück, mit einem optischen Sensor zur Erfassung von gestreutem Laserlicht als Streulicht, und mit einer Auswerte- und Regeleinheit, mittels der die Streulicht-Intensität ausgewertet und in Abhängigkeit davon eine Zustandsänderung des Laserbearbeitungsprozesses identifizierbar ist.Furthermore, the present invention relates to a device for monitoring a laser processing process, in particular for puncture detection, with a laser cutting head for focusing a laser beam on a workpiece, with an optical sensor for detecting scattered laser light as scattered light, and with an evaluation and control unit, by means of the Scattered light intensity evaluated and depending on a state change of the laser processing process is identifiable.
Das Laser-unterstützte thermische Schneiden von Werkstücken erfolgt in der Regel durch kombinierten Einsatz eines fokussierten Laserstrahls und eines Gasstrahls. Dabei wird zwischen Laserstrahl-Schmelzschneiden, Laserstrahl-Verdampfungsschneiden oder Laser-Brennschneiden unterschieden. Es werden Hochleistungslaser, insbesondere CO2-, Faser-, Scheiben- und Diodenlaser eingesetzt, wobei überwiegend zirkular polarisierte oder unpolarisierte Laserstrahlung verwendet wird, um eine Richtungsabhängigkeit im Absorptionsverhalten bei Konturschnitten zu vermeiden.The laser-assisted thermal cutting of workpieces is generally carried out by combined use of a focused laser beam and a gas jet. Here, a distinction is made between laser beam fusion cutting, laser beam evaporation cutting or laser cutting. High-power lasers, in particular CO 2 , fiber, disc and diode lasers are used, predominantly circularly polarized or unpolarized laser radiation being used in order to avoid a directional dependence in the absorption behavior in contour cuts.
Der vom Laser emittierte Laserstrahl wird mittels einer Optik oder mittels Lichtleitfasern, die in einem Faserkabel gebündelt sind, zu einem Laserbearbeitungskopf geleitet. Dabei wird er gegebenenfalls über eine Kollimator-Optik parallelisiert und einer Fokussierungsoptik zugeführt, welche den parallelen Laserstrahl auf das Werkstück fokussiert. Beim Schneiden des Werkstücks wird der Laserbearbeitungskopf entlang einer vorgegebenen Schnittkontur relativ zu dem in einer Bearbeitungsebene angeordneten Werkstück bewegt.The laser beam emitted by the laser beam is guided by means of optics or by means of optical fibers, which are bundled in a fiber cable, to a laser processing head. It is optionally parallelized via a collimator optics and fed to a focusing optics, which focuses the parallel laser beam on the workpiece. When cutting the workpiece, the laser processing head is moved along a predetermined cutting contour relative to the arranged in a working plane workpiece.
Stand der TechnikState of the art
Vor dem eigentlichen Laserschneidprozess wird in einem sogenannten Einstech- oder Durchstechvorgang ein erstes Loch in dem Werkstück erzeugt. Problemtisch ist dabei die Erkennung des erfolgten Durchstichs. Bei einem von Hand programmierten Einstechvorgang sind für jede spezifische Konstellation von Werkstückart und -dicke die Einstechparameter einschließlich der typischen Einstechdauer in einer Datenbank hinterlegt. Dabei muss jedoch aufgrund nicht vorhersehbarer Materialabweichungen und Veränderungen im Prozess die Einstechdauer mit einem zeitlichen Sicherheitspuffer versehen werden, der die Gesamtzeit zur Bearbeitung verlängert und trotz eigentlich beendetem Einstechvorgang unnötigerweise weitere Prozessenergie in das Werkstück einleitet.Before the actual laser cutting process, a first hole is produced in the workpiece in a so-called piercing or piercing process. Problematic is the detection of the puncture. In a manually programmed piercing process, the piercing parameters including the typical piercing time are stored in a database for each specific constellation of workpiece type and thickness. However, due to unforeseeable material deviations and changes in the process, the puncturing time must be provided with a time safety buffer, which extends the total time for processing and unnecessarily introduces further process energy into the workpiece despite actually completed puncturing process.
Diesen Nachteil vermeiden Einrichtungen zur automatischen Erkennung des erfolgten Durchstichs. Diese Einrichtungen verfügen über thermische oder photoempfindliche Sensoren im Strahlgang oberhalb der Schneiddüse. Gemessen wird dabei das Prozesslicht, welches vom Einstechort beim Einstechvorgang emittiert wird, oder das Laserlicht, welches vom Einstechort reflektiert wird. Überschreitet die gemessene Lichtintensität einen Schwellwert wird dies beispielsweise als Abschluss des Einstechvorgangs interpretiert.This disadvantage is avoided by means of automatic detection of the puncture. These devices have thermal or photosensitive sensors in the beam path above the cutting nozzle. In this case, the process light emitted by the piercing site during the piercing process or the laser light which is reflected by the piercing site is measured. If the measured light intensity exceeds a threshold value, this is interpreted, for example, as completion of the plunge process.
Diese Messdaten können auch Aufschluss über die Qualität der Bearbeitung und auf den aktuellen Zustand anderer charakteristischer Parameter des Laserbearbeitungsprozesses geben und daher für die Überwachung und Regelung des Schneidprozesses verwendet werden. Neben der Ermittlung des eigentlichen Durchstechzeitpunkts sind solche weiteren Parameter beispielsweise die Leistungsregelung beim Einstechprozess, die Kantenfindung, das Erkennen eines Schnittabrisses oder von Plasmabildung oder die Durchgängigkeit (Qualität) der Schnittfuge.These measurement data can also provide information about the quality of the processing and the current state of other characteristic parameters of the laser processing process and can therefore be used for monitoring and controlling the cutting process. In addition to the determination of the actual puncturing time, such further parameters are, for example, the power control during the plunge process, the edge detection, the recognition of a cut-off or plasma formation or the continuity (quality) of the kerf.
So schlägt beispielsweise die
Technische Aufgabenstellung Technical task
Der Einbau derartiger optischer Sensoren erfordert einen gewissen Bauraum. Darüber hinaus sind die Sensoren entweder in der Nähe des Werkstücks angeordnet, so dass sie unter Trennbedingungen hohen thermischen Beanspruchungen oder Verschmutzung etwa durch den Einstechprozess ausgesetzt sind oder sie sind in großem Abstand zum Trennprozess angeordnet, was zu einem ungünstigen Signal/Rauschverhältnis führt, so dass das Signal des Sensors in der Regel verstärkt werden muss. Des Weiteren haben optische Sensoren den Nachteil, dass es Einflussfaktoren im Strahlgang gibt, die das Sensor-Signal verändern, beispielsweise der Düsendurchmesser. Gegebenenfalls müssen die Aperturen im Laserbearbeitungskopf größer dimensioniert werden als ansonsten notwendig. Diese Vorrichtungen sind aufwändig, empfindlich und teuer.The installation of such optical sensors requires a certain amount of space. Moreover, the sensors are either arranged in the vicinity of the workpiece, so that they are subjected to high thermal stresses or contamination under cutting conditions, for example by the piercing process, or they are arranged at a considerable distance from the separation process, resulting in an unfavorable signal / noise ratio, so that the signal from the sensor usually needs to be amplified. Furthermore, optical sensors have the disadvantage that there are influencing factors in the beam path which change the sensor signal, for example the nozzle diameter. Optionally, the apertures in the laser processing head must be made larger than otherwise necessary. These devices are complex, delicate and expensive.
Je dicker das Werkstück, desto schwieriger und unzuverlässiger werden die Überwachung des Einstechvorganges und die der Schnittfugenqualität, da das Einstechloch beziehungsweise die Schnittfuge tiefer werden und weniger Prozesslicht beziehungsweise Laserstrahlung nach oben auf den Sensor gelangt.The thicker the workpiece, the more difficult and unreliable the monitoring of the plunge process and the kerf quality, since the piercing or the kerf are deeper and less process light or laser radiation reaches the top of the sensor.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Laserbearbeitung anzugeben, das gestreutes Laserlicht zur Identifizierung des aktuellen Prozess-Zustandes bei der Laserbearbeitung verwendet, dabei aber die obigen Nachteile verringert und das eine zuverlässige Prozesskontrolle, insbesondere zur Durchsticherkennung gewährleistet.The invention is therefore based on the object to provide a method for laser processing, the scattered laser light used to identify the current process state in the laser processing, but reduces the above disadvantages and ensures a reliable process control, especially for puncture detection.
Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine einfache konstruktiv wenig aufwändige und dennoch betriebssichere Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereit zu stellen.Furthermore, the invention has for its object to provide a simple constructive little expensive and yet reliable device for performing the method.
Allgemeine Beschreibung der ErfindungGeneral description of the invention
Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Streulicht unterhalb des Werkstücks erfasst und zur Identifizierung der Zustandsänderung ausgewertet wird.With regard to the method, this object is achieved on the basis of a method of the type mentioned in the present invention that scattered light is detected below the workpiece and evaluated to identify the change in state.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird Streulicht unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks, und gegebenenfalls unterhalb einer etwaigen Werkstückauflage erfasst, und die dort ermittelte Streulicht-Intensität beziehungsweise deren zeitliche Veränderung wird für die Identifizierung einer Zustandsänderung im Laserbearbeitungsprozess herangezogen. Dabei wird nicht nur das am Werkstück unmittelbar gestreute Laserlicht erfasst, sondern insbesondere auch das Laserlicht, das ein Einstichloch, eine durchgängige Schnittfuge oder eine Werkstückkante zunächst unbeeinflusst passiert und dann in einem Arbeitsbereich unterhalb des Werkstücks gestreut wird, beispielsweise in einem sogenannten „Arbeitstisch“.In the method according to the invention scattered light is detected below the workpiece to be machined, and optionally below any workpiece support, and the there determined scattered light intensity or its temporal change is used for the identification of a change in state in the laser processing process. In this case, not only the laser light scattered directly on the workpiece is detected, but also, in particular, the laser light which initially passes unaffected a puncture hole, a continuous kerf or a workpiece edge and is then scattered in a working area below the workpiece, for example in a so-called "work table".
Ein zur Erfassung des Streulichts erforderlicher Sensor ist dabei nicht unmittelbar dem Laserschneidkopf zugeordnet oder darin integriert, so dass diese Maßnahme im Folgenden auch als kurz als „externe Streulichterfassung“ bezeichnet wird. Im Unterschied dazu erfolgt bei der aus dem Stand der Technik bekannten „internen Streulichterfassung“ die Messung von reflektiertem oder gestreutem Laserlicht oberhalb des Werkstücks und einer etwaigen Werkstückauflage.A sensor required for detecting the scattered light is not assigned directly to the laser cutting head or integrated therein, so that this measure is also referred to below as "external scattered light detection". In contrast, in the case of the "internal scattered light detection" known from the prior art, the measurement of reflected or scattered laser light takes place above the workpiece and a possible workpiece support.
Die externe Streulichterfassung ersetzt die interne Streulichterfassung oder sie ergänzt sie. Im Ergänzungsfall können Messung und Auswertung von reflektiertem oder gestreutem Laserlicht oberhalb des Werkstücks mit weniger apparativem Aufwand erfolgen. Im Ersetzungsfall entfällt dieser Aufwand vollständig. Da die externe Streulichterfassung mittels eines Sensors erfolgen kann, der nicht direkt in den Laserschneidkopf integriert ist, unterliegt dieser Sensor weniger den oben erwähnten Beschränkungen und Belastungen hinsichtlich Baugröße, Messabstand, Verschmutzung und Temperatur, was zu einem günstigen Signal/Rauschverhältnis führen kann. Außerdem unterliegt das Messergebnis bei der externen Streulichterfassung keinem direkten Einfluss von geführter oder reflektierter Laserstrahlung im Strahlgang, so dass die Optiken im Laserbearbeitungskopf vergleichsweise klein dimensioniert werden können.The external stray light detection replaces or supplements the internal stray light detection. In the supplementary case, measurement and evaluation of reflected or scattered laser light above the workpiece can be done with less equipment. In the replacement case, this effort is completely eliminated. Since the external stray-light detection can be done by means of a sensor that is not directly integrated into the laser cutting head, this sensor is less subject to the above-mentioned restrictions and loads in terms of size, measurement distance, contamination and temperature, which can lead to a favorable signal / noise ratio. In addition, the measurement result in the external scattered light detection is not a direct influence of guided or reflected laser radiation in the beam path, so that the optics in the laser processing head can be dimensioned comparatively small.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren liegt der Streulicht-Erfassungsbereich unterhalb des Werkstücks. Dort wird das Streulicht kontinuierlich, in regelmäßigen Zeitabständen oder bei Bedarf erfasst. Dabei kann eine allmähliche Drift der Streulicht-Intensität oder eine rapide Veränderung detektiert werden. In beiden Fällen wird bei Überschreiten einer vorgegebenen Obergrenze oder bei Unterschreiten einer vorgegebenen Untergrenze (beides wird im Folgenden auch unter dem Begriff „Schwellwerterkennung“ zusammengefasst) angenommen, dass ein bestimmter mit der Streulicht-Intensität korrelierter Prozess-Zustand eingetreten ist.In the method according to the invention, the scattered light detection area is below the workpiece. There the scattered light is recorded continuously, at regular intervals or as required. In this case, a gradual drift of the scattered light intensity or a rapid change can be detected. In both cases, when a predetermined upper limit is exceeded or when a predetermined lower limit is exceeded (both are also summarized below under the term "threshold value detection"), it is assumed that a specific process state correlated with the scattered light intensity has occurred.
Anstelle der oder ergänzend zur Streulicht-Intensität kann auch eine daraus abgeleitete Messgröße festgestellt oder ausgewertet werden, wie etwa die zeitliche Veränderung, eine mathematische Ableitung des zeitlichen Verlaufs des Intensitätssignals oder die Differenz zwischen dem aktuellen Intensitätssignal und einem permanent aktualisierten, zeitlich gemittelten Intensitätswert. Die Schwellwerterkennung auf Basis derartiger abgeleiteter Messgrößen erlaubt insbesondere eine schnellere und genauere Erfassung plötzlich eintretender Ereignisse, wie etwa ein Durchstich oder das Treffen des Laserstrahls an einer Werkstückkante.Instead of or in addition to the scattered light intensity, it is also possible to determine or evaluate a measured variable derived therefrom, such as the temporal change, a mathematical derivation of the time curve of the intensity signal or the difference between the current intensity signal and a permanently updated, time-averaged intensity value. Threshold detection based on such derived In particular, measured variables allow faster and more accurate detection of suddenly occurring events, such as a puncture or the impact of the laser beam on a workpiece edge.
Der Laserbearbeitungsprozess gemäß der Erfindung ist beispielsweise die Prozessphase zur Erzeugung eines Durchstichs in dem zu bearbeitenden Werkstück. Der erzeugte Durchstich ergibt hierbei die zu identifizierende Zustandsänderung. Im Fall eines erkannten Durchstichs wird beispielsweise der Energieeintrag in den Einstichkrater verändert oder gestoppt. Die erkannte Zustandsänderung kann zu einer Bedienermeldung führen, um dem Bedienpersonal optisch oder akustisch die veränderten Bedingungen anzuzeigen, so dass bei einer Fehlinterpretation manuell eingegriffen werden kann. Danach beginnt der eigentliche Laserschneidprozess, bei dem die Bewegungsrichtung und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserschneidkopfes relativ zur Werkstück-Oberfläche sowie die Laserenergie- und Gasparameter an den Schneidvorgang angepasst werden..The laser processing process according to the invention is, for example, the process phase for producing a puncture in the workpiece to be machined. The generated puncture results in the state change to be identified. In the case of a recognized puncture, for example, the energy input into the puncture crater is changed or stopped. The detected change of state can lead to an operator message in order to visually or acoustically display the changed conditions to the operating personnel so that a manual interpretation can be intervened in case of a misinterpretation. Thereafter, the actual laser cutting process begins, in which the movement direction and / or the movement speed of the laser cutting head relative to the workpiece surface and the laser energy and gas parameters are adapted to the cutting process.
Da Streulicht das Werkstück nur nach erfolgtem Durchstich durchdringen kann, wird gegebenenfalls ein rapider Anstieg der Streulicht-Intensität im Bereich unterhalb des Werkstücks detektiert, so dass ein eindeutiger, reproduzierbarer Zusammenhang zwischen dem gemessenen Verlauf der Streulicht-Intensität und dem Durchstich gegeben ist. Das so erhaltene Auswertungssignal weist ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis auf, was es beispielsweise auch ermöglicht, einen Durchstich frühzeitig, vorzugsweise noch in seiner Entstehung, zu erkennen.Since scattered light can only penetrate the workpiece after a puncture has taken place, a rapid increase in the scattered light intensity in the area below the workpiece is possibly detected, so that a clear, reproducible relationship between the measured course of the scattered light intensity and the puncture is given. The evaluation signal thus obtained has a good signal-to-noise ratio, which also makes it possible, for example, to detect a puncture at an early stage, preferably even in its formation.
Da die zeitliche Veränderung der Streulicht-Intensität bei erfolgtem Durchstich nahezu unabhängig von der Materialart und der Werkstück-Dicke ist, ist das erfindungsgemäße Verfahren auch bei Werkstücken mit größeren Materialstärken von beispielsweise mehr als 10 mm uneingeschränkt einsatzbar.Since the temporal change of the scattered light intensity is almost independent of the type of material and the workpiece thickness, the method according to the invention can also be used without restriction for workpieces with larger material thicknesses of, for example, more than 10 mm.
Abgesehen von der Durchsticherkennung ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für andere Phasen des Laserbearbeitungsprozesses vorteilhaft einsetzbar, bei denen es zu einer allmählichen und insbesondere zu einer plötzlichen Veränderung des Streulichts im Bereich unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks kommt. Als Beispiel dafür seien die Erkennung eines Schnittabrisses oder das Detektieren von Werkstoffkanten genannt. Im erstgenannten Fall ist der Abriss des Schneidstrahls die zu identifizierende Zustandsänderung, und im zweitgenannten Fall ist es die Positionierung des Abtastlaserstrahls für die Kantenfindung außerhalb der Werkstückkontur.Apart from the puncture detection, the method according to the invention can also be advantageously used for other phases of the laser processing process in which there is a gradual and in particular a sudden change of the scattered light in the area below the workpiece to be machined. As an example, the detection of a cut-off or the detection of material edges may be mentioned. In the former case, the demolition of the cutting beam is the state change to be identified, and in the latter case, it is the positioning of the scanning laser beam for edge detection outside the workpiece contour.
Die Erfassung des Streulichts im Bereich unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks erfolgt mittels einer Streulicht- Erfassungseinrichtung oder mittels mehrerer Streulicht-Erfassungseinrichtungen. Jede der Erfassungseinrichtungen ist mit mindestens einem photoempfindlichen optischen Sensor ausgestattet. Das Streulicht kann unmittelbar auf den Sensor auftreffen, wenn dieser im Erfassungsbereich für das gestreute Laserlicht unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks angeordnet ist. Das Streulicht kann aber auch über optische Leitmittel, wie etwa eine Lichtleitfaser, ein Lichtleitfaserkabel oder eine Abbildungsoptik auf einen Sensor übertragen werden, der gegebenenfalls innerhalb oder außerhalb des Erfassungsbereichs angeordnet sein kann. Um Störeinflüsse durch Umgebungslicht und Prozessstrahlung möglichst gering zu halten, haben sich folgende Maßnahmen bewährt, die einzeln oder vorzugsweise in beliebiger Kombination miteinander verwirklicht sein können:
- 1. Das unterhalb der Werkstückauflage gestreute Laserlicht wird mittels mindestens einer optisch weitgehend abgeschirmten Erfassungseinrichtung erfasst. Das heißt, die Streulicht-Erfassungseinrichtung wird im Streulicht-Erfassungsbereich weitgehend optisch abgeschirmt, zum Beispiel, indem sie in einer Kammer untergebracht wird, die nur eine einzige Lichtöffnung zum Streulicht-Erfassungsbereich aufweist.
- 2. Die Streulicht-Intensität wird in einem Wellenlängenbereich erfasst, der die Wellenlänge λ der Laserstrahlung engbandig umfasst, vorzugsweise im Bandbereich zwischen λ +/- 100 nm.
- 1. The scattered below the workpiece support laser light is detected by means of at least one optically largely shielded detection device. That is, the scattered light detection means is largely optically shielded in the scattered light detection area, for example, by being housed in a chamber having only a single light opening to the scattered light detection area.
- 2. The scattered light intensity is detected in a wavelength range which comprises the wavelength λ of the laser beam narrow band, preferably in the band range between λ +/- 100 nm.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das photosensitive Element des optischen Sensors so beschaffen ist, dass seine maximale Empfindlichkeit innerhalb des Wellenlängenbereichs liegt, in dem auch die zu erwartende Wellenlänge des Streulichts liegt. Diese entspricht im Wesentlichen der Wellenlänge λ der Arbeitsstrahlung des Lasers.This can be done, for example, in that the photosensitive element of the optical sensor is such that its maximum sensitivity is within the wavelength range in which the expected wavelength of the scattered light is located. This corresponds essentially to the wavelength λ of the working radiation of the laser.
Oder alternativ oder ergänzend dadurch, dass die Streulicht- Erfassungseinrichtung mit einem optischen Filter ausgestattet wird, der für Strahlung mit einer Wellenlänge λ der Arbeitsstrahlung des Lasers durchlässig ist und Strahlung anderer Wellenlängenbereiche im Wesentlichen blockiert.Or alternatively or additionally, that the scattered light detection device is equipped with an optical filter which is transparent to radiation having a wavelength λ of the working radiation of the laser and substantially blocks radiation of other wavelength ranges.
Die mindestens eine Streulicht-Erfassungseinrichtung ist im Streulicht-Erfassungsbereich ortsfest oder beweglich angeordnet. Im Fall einer ortsfesten Anordnung sind vorzugsweise mehrere Streulicht-Erfassungseinrichtungen im Streulicht-Erfassungsbereich verteilt.The at least one scattered light detection device is arranged stationary or movable in the scattered light detection range. In the case of a fixed arrangement, preferably a plurality of scattered light detection devices are distributed in the scattered light detection area.
Bei einer besonders bevorzugten Verfahrensvariante wird mindestens eine Erfassungseinrichtung für das Streulicht entlang einer Bewegungsachse dem Laserstrahl nachgeführt. Dabei wird der Laserstrahl mittels eines Laserschneidkopfes erzeugt, der mittels eines Maschinenportals bewegt wird, und wobei die mindestens eine Erfassungseinrichtung synchron zur Bewegung des Maschinenportals bewegt wird.In a particularly preferred variant of the method, at least one detection device for the scattered light is tracked along a movement axis of the laser beam. In this case, the laser beam by means of a laser cutting head generated, which is moved by means of a machine portal, and wherein the at least one detecting device is moved synchronously with the movement of the machine portal.
Die Erfassungseinrichtung ist zu diesem Zweck beispielsweise am Maschinenportal montiert. Durch die uniaxiale, reversierende Nachführung des Streulicht- Erfassungseinrichtung kann der Abstand zwischen dem Laserstrahl und der Erfassungseinrichtung so gering wie möglich gehalten werden. Dadurch wird erreicht, dass die erfasste Streulicht-Intensität möglichst wenig von diesem Abstand beeinflusst wird.The detection device is mounted for this purpose, for example, on the machine portal. Due to the uniaxial, reversing tracking of the scattered light detection device, the distance between the laser beam and the detection device can be kept as low as possible. This ensures that the detected scattered light intensity is influenced as little as possible by this distance.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auch für eine Phase des Laserbearbeitungsprozesses besonders gut geeignet, die als „Kantenfindung“ bezeichnet wird. Dabei wird der Laserstrahl mittels eines Laserschneidkopfes erzeugt, der mittels eines Maschinenportals bewegt wird, und wobei der Laserbearbeitungsprozess eine Prozessphase der Erkennung einer Werkstückkante umfasst.The inventive method is also particularly well suited for a phase of the laser processing process, which is referred to as "edge finding". In this case, the laser beam is generated by means of a laser cutting head, which is moved by means of a machine portal, and wherein the laser processing process comprises a process phase of the detection of a workpiece edge.
Bei der Kantenfindung oder Kantenerkennung wird der Laserstrahl über eine Werkstückkante verfahren. Die Verfahrbewegung erfolgt im Wesentlichen senkrecht zur Werkstückkante. Um das Werkstück so wenig wie möglich zu verletzen und im besten Fall nur geringe oder gar keine Markierspuren zu hinterlassen, wird mit möglichst geringer effektiver Laserleistung gearbeitet. Die geringe effektive Leistung wird von der Streulichterfassungseinrichtung dennoch gut erkannt. Der Anstieg beziehungsweise der Abfall des Messsignals zeigt entsprechend der dazu korrelierenden Maschinenkoordinate die Position der Werkstückkante und somit bei Messung von mehreren Punkten die Position und Lage des Werkstückes.In edge detection or edge detection, the laser beam is moved over a workpiece edge. The movement is essentially perpendicular to the edge of the workpiece. In order to injure the workpiece as little as possible and in the best case leave little or no marking marks, work is done with the lowest possible effective laser power. The low effective power is still well recognized by the scattered light detection device. The rise or fall of the measurement signal shows according to the correlating machine coordinate, the position of the workpiece edge and thus, when measuring several points, the position and position of the workpiece.
Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren für eine Phase des Laserbearbeitungsprozesses besonders gut geeignet, bei der die Qualität der vom Laserstrahl erzeugten Schnittfuge und ein etwaiger Abriss des Laserstrahls überwacht wird. Dabei wird der Laserstrahl mittels eines Laserschneidkopfes erzeugt, der entlang einer vorgegebenen Schnittkontur bewegt wird und dabei in der Schnittkontur eine Schnittfuge erzeugt, wobei der Laserbearbeitungsprozess eine Prozessphase umfasst, während der die Bewegungsgeschwindigkeit und/oder der Energieeintrag in die Schnittfuge in Abhängigkeit von der erfassten Streulicht-Intensität eingestellt wird.In addition, the method according to the invention is particularly well suited for a phase of the laser processing process in which the quality of the kerf generated by the laser beam and any disruption of the laser beam is monitored. In this case, the laser beam is generated by means of a laser cutting head which is moved along a predetermined cutting contour and thereby generates a kerf in the cutting contour, the laser machining process comprising a process phase during which the movement speed and / or the energy input into the kerf depending on the detected stray light Intensity is set.
Die Stellgröße der Prozessregelung in dieser Phase des Laserbearbeitungsprozesses ist somit die Bewegungsgeschwindigkeit, Laserleistung, Fokuslage, Abstand zwischen Laserkopf und Werkstück, der Gasdruck und/oder der Energieeintrag in die Schnittfuge in Abhängigkeit von der erfassten Streulicht-Intensität.The manipulated variable of the process control in this phase of the laser processing process is thus the movement speed, laser power, focus position, distance between laser head and workpiece, the gas pressure and / or the energy input into the kerf depending on the detected scattered light intensity.
Im einfachsten Fall wird der Laserschneidprozess gestoppt und eine Meldung ausgegeben. Die Schnittkontur kann an der Position des Schnittabrisses auch wiederholt überfahren werden, oder die Geschwindigkeit wird kurzzeitig reduziert.In the simplest case, the laser cutting process is stopped and a message is issued. The cutting contour can also be repeatedly overrun at the position of the cut-off, or the speed is reduced for a short time.
Hinsichtlich der Vorrichtung wird die oben genannte Aufgabe ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs genannten Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eine optische Einrichtung zur Erfassung von Streulicht unterhalb des Werkstücks vorgesehen ist, die mit der Auswerte- und Regeleinheit verbunden ist.With regard to the device, the abovementioned object is achieved on the basis of a device of the type mentioned in the introduction by providing at least one optical device for detecting stray light below the workpiece, which is connected to the evaluation and control unit.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für eine „externe Streulichterfassung“ ausgelegt, wie sie oben anhand des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben ist. Die Vorrichtung ist zur Durchführung dieses Verfahrens besonders gut geeignet.The device according to the invention is designed for "external scattered light detection", as described above with reference to the method according to the invention. The device is particularly well suited for carrying out this method.
Bei der externen Streulichterfassung wird das Streulicht unterhalb des Werkstücks beziehungsweise unterhalb einer Werkstückauflage erfasst, und die dort ermittelte Streulicht-Intensität beziehungsweise deren zeitliche Veränderung oder eine damit korrelierte Messgröße wird der Auswerte- und Regeleinheit übermittelt. Auf Basis der Streulicht-Intensitätsmessung wird eine Zustandsänderung des Laserbearbeitungsprozesses kontinuierlich, in regelmäßigen Abständen oder bei Bedarf identifiziert.In the case of the external scattered light detection, the scattered light is detected below the workpiece or below a workpiece support, and the scattered light intensity determined there or its temporal change or a measured variable correlated therewith is transmitted to the evaluation and control unit. Based on the scattered light intensity measurement, a state change of the laser processing process is identified continuously, at regular intervals or as needed.
Die externe Streulichterfassung ersetzt die interne Streulichterfassung oder sie ergänzt sie. Im Ergänzungsfall können Messung und Auswertung von reflektiertem oder gestreutem Laserlicht oberhalb des Werkstücks mit weniger apparativem Aufwand erfolgen. Im Ersetzungsfall entfällt dieser Aufwand vollständig. Da die externe Streulichterfassung mittels eines Sensors erfolgen kann, der nicht direkt in den Laserschneidkopf integriert ist, unterliegt dieser Sensor weniger den oben erwähnten Beschränkungen und Belastungen hinsichtlich Baugröße, Messabstand, Verschmutzung und Temperatur, was zu einem günstigen Signal/Rauschverhältnis führen kann. Außerdem unterliegt das Messergebnis bei der externen Streulichterfassung keinem direkten Einfluss von geführter oder reflektierter Laserstrahlung im Strahlgang, so dass die Optiken im Laserbearbeitungskopf vergleichsweise klein dimensioniert werden können.The external stray light detection replaces or supplements the internal stray light detection. In the supplementary case, measurement and evaluation of reflected or scattered laser light above the workpiece can be done with less equipment. In the replacement case, this effort is completely eliminated. Since the external stray-light detection can be done by means of a sensor that is not directly integrated into the laser cutting head, this sensor is less subject to the above-mentioned restrictions and loads in terms of size, measurement distance, contamination and temperature, which can lead to a favorable signal / noise ratio. In addition, the measurement result in the external scattered light detection is not a direct influence of guided or reflected laser radiation in the beam path, so that the optics in the laser processing head can be dimensioned comparatively small.
Bei der externen Streulichterfassung liegt der Streulicht-Erfassungsbereich in der Regel unterhalb einer Werkstückauflage, beispielsweise einem sogenannten Schneidgitter. Dabei kann eine allmähliche Drift der Streulicht-Intensität oder eine rapide Veränderung detektiert werden. In beiden Fällen wird bei Überschreiten einer vorgegebenen Obergrenze oder bei Unterschreiten einer vorgegebenen Untergrenze angenommen, dass ein bestimmte mit der Streulicht-Intensität korrelierte Änderung eines Prozesszustandes eingetreten ist.In the case of the external scattered light detection, the scattered light detection area is generally below a workpiece support, for example a so-called cutting grid. In this case, a gradual drift of the scattered light intensity or a rapid change can be detected. In both cases, when exceeding a predetermined upper limit or when falling below a predetermined lower limit assumed that a certain correlated with the scattered light intensity change of a process state has occurred.
Gegebenenfalls kann darauf die Steuer- und Regeleinheit reagieren, indem ein Parameter verändert oder ein charakteristischer Parameterwert gespeichert wird, wie etwa der aufgefundene Positionswert einer Werkstückkante.Optionally, the control unit may respond thereto by changing a parameter or storing a characteristic parameter value, such as the detected position value of a workpiece edge.
Beispielsweise wird im Fall eines erkannten Durchstichs der Energieeintrag in den Einstichkrater verändert oder gestoppt oder die Bewegungsrichtung und/oder die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserschneidkopfes relativ zur Werkstück-Oberfläche werden verändert. Der Energieeintrag in den Einstichkrater wird beispielsweise verändert, indem Fokuslage, Pulsfrequenz, Leistung und/oder Tastverhältnis des Lasers verändert werden. Da Streulicht das Werkstück nur nach erfolgtem Durchstich durchdringen kann, wird gegebenenfalls ein rapider Anstieg der Streulicht-Intensität im Bereich unterhalb des Werkstücks detektiert, so dass ein eindeutiger, reproduzierbarer Zusammenhang zwischen dem gemessenen Verlauf der Streulicht-Intensität und dem Durchstich gegeben ist. Das so erhaltene Auswertungssignal weist ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis auf, was es beispielsweise auch ermöglicht, einen Durchstich frühzeitig, vorzugsweise noch in seiner Entstehung, zu erkennen.For example, in the case of a recognized puncture, the energy input into the puncture crater is changed or stopped, or the direction of movement and / or the speed of movement of the laser cutting head relative to the workpiece surface are changed. The energy input into the puncture crater is changed, for example, by changing the focus position, pulse rate, power and / or pulse duty factor of the laser. Since scattered light can only penetrate the workpiece after a puncture has taken place, a rapid increase in the scattered light intensity in the area below the workpiece is possibly detected, so that a clear, reproducible relationship between the measured course of the scattered light intensity and the puncture is given. The evaluation signal thus obtained has a good signal-to-noise ratio, which also makes it possible, for example, to detect a puncture at an early stage, preferably even in its formation.
Die zeitliche Veränderung der Streulicht-Intensität bei erfolgtem Durchstich ist nahezu unabhängig von der Materialart und der Werkstück-Dicke, so dass die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für das Schneiden von Werkstücken mit größeren Materialstärken von beispielsweise mehr als 10 mm uneingeschränkt einsatzbar ist.The temporal change in the scattered light intensity when the puncture is carried out is almost independent of the type of material and the workpiece thickness, so that the device according to the invention can also be used without restriction for cutting workpieces with larger material thicknesses of, for example, more than 10 mm.
Abgesehen von der Durchsticherkennung ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch für andere Phasen des Laserbearbeitungsprozesses vorteilhaft einsetzbar, bei denen es zu einer allmählichen und insbesondere zu einer plötzlichen Veränderung des Streulichts im Bereich unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks kommen kann. Als Beispiel dafür seien die Erkennung eines Schnittabrisses oder das Detektieren von Werkstoffkanten genannt.Apart from the puncture detection, the device according to the invention can also be advantageously used for other phases of the laser processing process in which a gradual and in particular a sudden change of the scattered light in the area below the workpiece to be machined can occur. As an example, the detection of a cut-off or the detection of material edges may be mentioned.
Die Erfassung des Streulichts im Bereich unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks erfolgt mittels einer Streulicht-Erfassungseinrichtung oder mittels mehrerer Streulicht-Erfassungseinrichtungen. Jede der Erfassungseinrichtungen ist mit mindestens einem photoempfindlichen optischen Sensor ausgestattet. Das Streulicht kann unmittelbar auf den Sensor auftreffen, wenn dieser im Erfassungsbereich für das gestreute Laserlicht unterhalb des zu bearbeitenden Werkstücks angeordnet ist. Das Streulicht kann aber auch über optische Leitmittel, wie etwa eine Lichtleitfaser, ein Lichtleitfaserkabel oder eine Abbildungsoptik auf einen Sensor übertragen werden, der gegebenenfalls innerhalb oder außerhalb des Erfassungsbereichs angeordnet sein kann. Die Streulicht-Erfassungseinrichtung ist hier dasjenige Bauteil, das im Streulicht-Erfassungsbereich angeordnet ist und auf das das Streulicht unmittelbar auftrifft. Um Störeinflüsse durch Umgebungslicht und Prozessstrahlung möglichst gering zu halten, haben sich folgende Ausführungsformen bewährt, die einzeln oder vorzugsweise in beliebiger Kombination miteinander verwirklicht sein können:
- 1. Zur Erfassung des unterhalb der Werkstückauflage gestreuten Laserlichts ist vorzugsweise mindestens eine optisch weitgehend abgeschirmte Erfassungseinrichtung vorgesehen. Die Streulicht-Erfassungseinrichtung wird im Streulicht-Erfassungsbereich weitgehend optisch abgeschirmt, zum Beispiel, indem sie in einer Kammer untergebracht wird, die nur eine einzige Lichtöffnung zum Streulicht-Erfassungsbereich aufweist.
- 2. Die Streulicht-Erfassungseinrichtung ist zur Erfassung der Streulicht-Intensität in einem Wellenlängenbereich ausgelegt, der die Wellenlänge λ der Laserstrahlung engbandig, vorzugsweise im Bandbereich zwischen λ +/- 100 nm umfasst.
- 1. For detecting the laser light scattered below the workpiece support, at least one optically largely shielded detection device is preferably provided. The scattered light detecting means is largely optically shielded in the scattered light detection area, for example, by being housed in a chamber having only a single light opening to the scattered light detection area.
- 2. The scattered light detection device is designed to detect the scattered light intensity in a wavelength range which comprises the wavelength λ of the laser radiation narrow band, preferably in the band range between λ +/- 100 nm.
Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das photosensitive Element des optischen Sensors so beschaffen ist, dass seine maximale Empfindlichkeit innerhalb des Wellenlängenbereichs liegt, in dem auch die zu erwartende Wellenlänge des Streulichts liegt. Diese entspricht im Wesentlichen der Wellenlänge λ der Arbeitsstrahlung des Lasers.This can be done, for example, in that the photosensitive element of the optical sensor is such that its maximum sensitivity is within the wavelength range in which the expected wavelength of the scattered light is located. This corresponds essentially to the wavelength λ of the working radiation of the laser.
Oder alternativ oder ergänzend dadurch, dass die Streulicht- Erfassungseinrichtung mit einem optischen Filter ausgestattet wird, der für Strahlung mit einer Wellenlänge λ der Arbeitsstrahlung des Lasers durchlässig ist und Strahlung anderer Wellenlängenbereiche im Wesentlichen blockiert.Or alternatively or additionally, that the scattered light detection device is equipped with an optical filter which is transparent to radiation having a wavelength λ of the working radiation of the laser and substantially blocks radiation of other wavelength ranges.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht beispielsweise eine frühzeitige und zuverlässige Erkennung des bevorstehenden oder erfolgten Durchstichs, das Auffinden einer Werkstückkante und das Erkennen eines sogenannten Schnittabrisses, also ein Aussetzen des Laserstrahls.The device according to the invention enables, for example, early and reliable detection of the imminent or completed puncture, the locating of a workpiece edge and the detection of a so-called cut-off, ie a suspension of the laser beam.
Figurenlistelist of figures
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung näher beschrieben. Im Einzelnen zeigt:
-
1 ein Aufbauschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchstich-Erkennung in schematischer Darstellung, -
2 eine Ausführungsform eines Streulicht-Sensors zum Einsatz in der erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Darstellung, -
3 ein Schema einer Laserbearbeitungsmaschine mit Bewegungseinheit und Schneidtisch in einer Draufsicht, -
4 ein Diagramm zur Erläuterung der Durchstich-Erkennung und des daraufhin fortgeführten Laserschneidprozesses bei einer Schnittkontur mit Innenschnitt und Außenschnitt anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Streulicht-Intensität, -
5 ein Diagramm zur Erläuterung der Reproduzierbarkeit der Durchstich-Erkennung bei einem schmalen Werkstückstreifen anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Streulicht-Intensität bei fünf aufeinanderfolgenden Durchstichversuchen, -
6 ein Diagramm zur Erläuterung der Reproduzierbarkeit der Durchstich-Erkennung bei Einsatz von Sensoren in unterschiedlichen Bereichen einer Schneidwanne anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Streulicht-Intensität bei einem Durchstichversuch, und -
7 ein Diagramm mit Signalantworten beim Durchstich mit unterschiedlichen Laserstrahl-Parametern anhand des zeitlichen Verlaufs der gemessenen Streulicht-Intensität bei mehreren Durchstichversuchen.
-
1 a construction diagram of a device according to the invention for puncture detection in a schematic representation, -
2 an embodiment of a scattered light sensor for use in the device according to the invention in a schematic representation, -
3 a schematic of a laser processing machine with moving unit and cutting table in a plan view, -
4 a diagram for explaining the puncture detection and the subsequent continued laser cutting process in a sectional contour with inner section and outer section on the basis of the time course of the measured scattered light intensity, -
5 a diagram for explaining the reproducibility of the puncture detection in a narrow workpiece strip on the basis of the time course of the measured scattered light intensity at five consecutive puncture attempts, -
6 a diagram for explaining the reproducibility of the puncture detection when using sensors in different areas of a cutting trough on the time course of the measured scattered light intensity in a puncture attempt, and -
7 a diagram with signal responses at the intersection with different laser beam parameters based on the time course of the measured scattered light intensity at several puncture attempts.
Die in
Zur Einstellung eines vorgegebenen Abstands des Laser-Schneidkopfs zur Werkstück-Oberfläche und zur Steuerung seines Bewegungsablaufs entlang der vorgegebenen Schnittkontur sowie der Laserparameter ist eine Maschinensteuerung
Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren anhand der Figurennäher erläutert. In den Diagrammen der
Sowohl der Herstellung der Innenkontur (Rundloch; 43) als auch die der Außenkontur (Quadrat;
In einem weiteren Vorversuch wurden mehrere Einstichlöcher in einem ca. 1 cm breiten Streifen aus dem Baustahl erzeugt. Die Herausforderung liegt hierbei darin, dass der schmale Werkstück-Streifen die Öffnung der Schneidwanne
Das Diagramm von
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
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| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R016 | Response to examination communication |