DE102021103206A1

DE102021103206A1 - Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses, Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück und Laserbearbeitungssystem, welches eingerichtet ist, um diese durchzuführen

Info

Publication number: DE102021103206A1
Application number: DE102021103206.7A
Authority: DE
Inventors: Tom Walde; Rüdiger Moser; Stefan Birmanns
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2021-02-11
Filing date: 2021-02-11
Publication date: 2022-08-11
Also published as: WO2022171621A1; DE112022001014A5; US20240116122A1

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses angegeben, das Verfahren umfassend: Vorgeben eines Bearbeitungspfades des Laserbearbeitungsprozesses auf dem Werkstück, wobei der Bearbeitungspfad mehrere Bearbeitungspfadabschnitte umfasst, Vorgeben von zumindest einer Randbedingung für zumindest einen der Bearbeitungspfadabschnitte; und Bestimmen von Steuerungsdaten für den Laserbearbeitungsprozess des Bearbeitungspfads unter Berücksichtigung der zumindest einen Randbedingung, sodass eine Bearbeitungszeit des Laserbearbeitungsprozesses minimal ist. Ferner ist ein Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück mit einem solchen Verfahren und ein Laserbearbeitungssystem angegeben, welches eingerichtet ist, um die Verfahren durchzuführen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses, ein Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück und ein Laserbearbeitungssystem, welches eingerichtet ist, um die Verfahren durchzuführen.
Hintergrund und Stand der Technik
In einem Laserbearbeitungssystem zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück wird der von einer Laserquelle oder einem Ende einer Laserleitfaser austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussieroptik auf das zu bearbeitende Werkstück gerichtet und fokussiert, um das Werkstück in einem Bearbeitungsbereich lokal auf Schmelztemperatur zu erhitzen. Der Laserbearbeitungsprozess kann ein Fügen von Werkstücken, beispielsweise ein Laserschweißen oder ein Laserlöten, und ein Trennen von Werkstücken, beispielsweise ein Laserschneiden, umfassen. Das Laserbearbeitungssystem kann eine Laserbearbeitungsvorrichtung, beispielsweise einen Laserbearbeitungskopf umfassen, in die die Strahlführungs- und Fokussieroptik integriert sind. Die Laserbearbeitungsvorrichtung weist ferner für gewöhnlich eine Auslenkeinheit zum Auslenken des Laserstrahls, zum Positionieren des Laserstrahls auf dem Werkstück und zum Verfahren des Laserstrahls auf das Werkstück entlang eines Bearbeitungspfads und eine Kollimationsoptik zum Verstellen der Fokuslage des Laserstrahls auf. Solche Laserbearbeitungsvorrichtungen werden für gewöhnlich als 2,5D oder 3D-Laser-Scanner oder kurz als Laserscanner oder Scanner bezeichnet.
Vorteile derartiger Laserbearbeitungssysteme sind, dass sie es ermöglichen, den Laserstrahl sehr schnell zu positionieren und auf dem Werkstück zu verfahren. Aus diesem Grund kommen diese Systeme heutzutage sehr häufig bei Anwendungen zum Einsatz, die eine hohe Anzahl von Füge- oder Trennstellen an verschiedenen Positionen auf dem Werkstück erfordern.
Eine Herausforderung bei Laserbearbeitungsprozessen ist es, für einen vorgegebenen Laserbearbeitungsprozess, also dem Bearbeiten eines Werkstücks mittels des Laserstrahls entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfades, eine optimale Bearbeitungsstrategie zu entwickeln, die eine möglichst kurze und damit wirtschaftliche Bearbeitungszeit ermöglicht. Die Bearbeitungsstrategie beschreibt eine Bearbeitungsreihenfolge und/oder eine Bearbeitungsrichtung von Abschnitten des Bearbeitungspfads. Oftmals müssen beim Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses bestimmte Randbedingungen berücksichtigt werden. Beispielsweise müssen Schweißungen zweier benachbarter Bearbeitungspfadabschnitte mit einem bestimmten zeitlichen Versatz zueinander ausgeführt werden, oder Schweißungen bestimmter Bearbeitungspfadabschnitte dürfen nur in einer vorgegebenen Richtung durchgeführt werden. Weitere Randbedingungen können beispielsweise eine vorgegebene Schweißgeschwindigkeit oder Schweißnahtgeometrie bei einzelnen Schweißnähten umfassen. Das Entwickeln einer optimalen Bearbeitungsstrategie wird umso schwieriger und komplexer, je mehr Bearbeitungspfadabschnitte und/oder Randbedingungen für einen Bearbeitungspfadabschnitt zu berücksichtigen sind. Eine weitere Steigerung der Komplexität ergibt sich bei der Verwendung mehrerer Laserbearbeitungsvorrichtungen in einem Laserbearbeitungssystem und bei 3D-Scannern mit einer dritten, in der Regel langsameren Scannerachse. Insbesondere im Rahmen der Entwicklung neuer Produkte, beispielsweise Batteriepacks für Elektroautos, kommt es regelmäßig vor, dass sich die Randbedingungen ändern. In diesem Fall wird die Bearbeitungsstrategie oftmals nur lokal angepasst, z.B. durch Änderung der Schweißrichtung eines einzelnen Bearbeitungspfadabschnitts, ohne zu prüfen, ob nicht eine Änderung der globalen Bearbeitungsstrategie zu einer kürzeren Bearbeitungszeit führen würde.
Hinzu kommt, dass sich selbst bei gleichartigen Laserbearbeitungssystemen Maschinenparameter, beispielsweise Verzögerungszeiten beim Hochfahren der Laserleistung durch die Laserquelle und Geschwindigkeiten von Auslenkbewegungen der Auslenkeinheit, in gewissen Grenzen unterscheiden können. Diese Unterschiede werden für gewöhnlich nicht bei der Optimierung der Bearbeitungszeit berücksichtigt.
Ferner wird eine Bearbeitungsstrategie normalerweise während der Durchführung des Laserbearbeitungsprozesses nicht mehr verändert. Dadurch können aktuelle Prozessdaten aus dem Laserbearbeitungssystem während des Laserbearbeitungsprozesses nicht für die Modifizierung der Bearbeitungsstrategie und damit zur weiteren Minimierung der Bearbeitungszeit verwendet werden.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls anzugeben, welches die für die Durchführung des Laserbearbeitungsprozesses benötigte Bearbeitungszeit minimiert und somit die Wirtschaftlichkeit des Laserbearbeitungsprozesses erhöht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses anzugeben, welches automatisch bzw. automatisiert durchgeführt werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses anzugeben, welches unter Berücksichtigung von individuellen Maschinenparametern eines Laserbearbeitungssystems und/oder unter Berücksichtigung von aktuellen Prozessdaten die Optimierung der Bearbeitungszeit, insbesondere während der Durchführung des Laserbearbeitungsprozesses, ermöglicht.
Es ist ferner eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück, welches das Verfahren zum Optimieren der Bearbeitungszeit umfasst, und ein Laserbearbeitungssystem, welches eingerichtet ist, um das Verfahren zum Optimieren der Bearbeitungszeit und das Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses durchzuführen.
Eine oder mehrere dieser Aufgaben werden durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, für das Optimieren, insbesondere Minimieren, einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück den vollständigen Bearbeitungspfad des Laserbearbeitungsprozesses und alle prozesstechnischen Randbedingungen des Laserbearbeitungsprozesses zu berücksichtigen und darauf basierend automatisiert Steuerungsdaten für ein den Laserbearbeitungsprozess durchführendes Laserbearbeitungssystem zu bestimmen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass der Laserbearbeitungsprozess stets mit einer optimalen bzw. minimalen Bearbeitungszeit durchgeführt wird, insbesondere auch bei veränderten oder veränderlichen Randbedingungen. Ferner wird die Erstellung eines Bearbeitungsprogramms für eine Steuerungssoftware des Laserbearbeitungssystems deutlich vereinfacht. Zudem kann das Bearbeitungsprogramm bei Veränderung einzelner Randbedingungen mit minimalem Aufwand angepasst werden.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses, nachfolgend auch kurz als Optimierungsverfahren bezeichnet, angegeben, das Verfahren umfassend: Vorgeben eines Bearbeitungspfades des Laserbearbeitungsprozesses auf dem Werkstück, wobei der Bearbeitungspfad mehrere Bearbeitungspfadabschnitte umfasst, Vorgeben von zumindest einer Randbedingung für zumindest einen der Bearbeitungspfadabschnitte; und Bestimmen von Steuerungsdaten für den Bearbeitungspfad des Laserbearbeitungsprozesses unter Berücksichtigung der zumindest einen Randbedingung, sodass eine Bearbeitungszeit des Laserbearbeitungsprozesses minimal ist. Das erfindungsgemäße Optimierungsverfahren kann zum Bestimmen der Steuerungsdaten das Erstellen einer Zielfunktion für die Bearbeitungszeit unter Berücksichtigung der vorgegebenen Randbedingungen und/oder des vorgegebenen Bearbeitungspfads sowie das Minimieren der Zielfunktion umfassen. Das Minimieren der Zielfunktion kann unter Verwendung eines Optimierungsalgorithmus erfolgen, um so optimierte Steuerungsdaten zu erhalten.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück, nachfolgend auch kurz als Laserbearbeitungsverfahren bezeichnet, angegeben, das Verfahren umfassend: Durchführen des Verfahrens zum Optimieren der Bearbeitungszeit gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung; und Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses basierend auf den Steuerungsdaten.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Laserbearbeitungssystem angegeben, das Laserbearbeitungssystem umfassend: zumindest eine Laserquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls, zumindest eine Laserbearbeitungsvorrichtung zum Einstrahlen des Laserstrahls auf ein Werkstück, zumindest eine Auslenkeinheit zum Auslenken des Laserstrahls auf dem Werkstück entlang eines Bearbeitungspfads, wobei das Laserbearbeitungssystem eingerichtet ist, um das Optimierungsverfahren und das Laserbearbeitungsverfahren gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung durchzuführen. Insbesondere kann das Laserbearbeitungssystem eine Steuereinrichtung umfassen, die eingerichtet ist, das Laserbearbeitungssystem anzusteuern, um das Optimierungsverfahren und/oder das Laserbearbeitungsverfahren gemäß Aspekten der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Der Laserbearbeitungsprozess kann ein Laserfügen, Laserschweißen, Laserschneiden, insbesondere von dünnen Folien, z.B. aus Metall oder Kunststoff, Laserbeschriften, Lasergravieren, Laserbohren, Laser basiertes Materialabtragen, selektives Laserschmelzen, oder Laserhärten umfassen. Der Laserbearbeitungsprozess kann das Bearbeiten eines Werkstücks durch Einstrahlen eines Laserstrahls auf das Werkstück entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfads umfassen. Der Bearbeitungspfad kann als die Gesamtheit der vorgegebenen Auftrefforte des Laserstrahls auf dem Werkstück, an denen eine Bearbeitung des Werkstücks stattfinden soll, definiert sein. Die Auftrefforte des Laserstrahls können beispielsweise basierend auf vorgegebenen Positionen von Bearbeitungspositionen oder -bereichen auf dem Werkstück für den Laserbearbeitungsprozess, beispielsweise als Fügestellen, Trennstellen, Schweiß- und Lötnähten, Schnittkanten, Bohr- und/oder Einstechlöchern etc., definiert sein.
Der Bearbeitungspfad kann einen oder mehrere Bearbeitungspfadabschnitte, auch kurz als Abschnitte bezeichnet, aufweisen. Ein Bearbeitungspfadabschnitt kann beispielsweise als Bereich des Bearbeitungspfads auf dem Werkstück definiert sein, der von anderen Bereichen des Bearbeitungspfads getrennt oder beabstandet angeordnet ist. Ein Bearbeitungspfadabschnitt kann als ein Bereich des Bearbeitungspfads definiert sein, der linear verläuft und/oder in einem vorgegebenen Winkel, etwa größer 30°, zu mindestens einem benachbarten Bearbeitungspfad angeordnet ist. Ferner kann der Bearbeitungspfadabschnitt definiert sein als ein Bereich des Bearbeitungspfads, für den eine oder mehrere Randbedingungen für den Laserbearbeitungsprozess, beispielsweise eine Fokuslage, eine Laserleistung oder eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, konstant sind. Ein Bearbeitungspfadabschnitt kann beispielsweise linien-, kreis- oder punktförmig sein.
Die Bearbeitungszeit, auch als Prozesszeit bezeichnet, kann als Zeitdauer zum Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses entlang des Bearbeitungspfads, insbesondere als Zeitdauer vom Beginn des Laserbearbeitungsprozesses bis zum Ende des Laserbearbeitungsprozesses, definiert sein. Während der Bearbeitungszeit kann das Einstrahlen des Laserstrahls auf das Werkstück entlang des vorgegebenen Bearbeitungspfads erfolgen. Das Optimieren der Bearbeitungszeit bedeutet im Zusammenhang mit dieser Erfindung das Minimieren der für das Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses erforderlichen Bearbeitungszeit.
Die Aspekte der vorliegenden Erfindung können eines oder mehrere der folgenden optionalen Merkmale aufweisen.
Die Steuerungsdaten können eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Bearbeitungsreihenfolge und/oder eine Bearbeitungsrichtung der zu bearbeitenden Bearbeitungspfadabschnitte des Bearbeitungspfads umfassen. Die Bearbeitungsreihenfolge kann die Reihenfolge oder Abfolge angeben, gemäß der die einzelnen Abschnitte des Bearbeitungspfads während des Laserbearbeitungsprozesses bearbeitet werden. Die Bearbeitungsrichtung kann die Richtung angeben, entlang der der Laserstrahl entlang eines einzelnen Abschnitts des Bearbeitungspfads eingestrahlt wird. Bei linien- oder kreisförmigen Bearbeitungspfadabschnitten gibt es für gewöhnlich zwei mögliche Richtungen.
Die Steuerungsdaten können Steuerbefehle umfassen, um das den Laserbearbeitungsprozess durchführende Laserbearbeitungssystem oder Teile davon, beispielsweise die Laserquelle, die Laserbearbeitungsvorrichtung, die Auslenkeinheit, und/oder eine Fokussier- und/oder Kollimationsoptik zum Verändern der Fokuslage des Laserstrahls zu steuern. Die Steuerungsdaten können ferner Vorgaben für eine Fokuslage des Laserstrahls, Ein- und/oder Ausschaltzeiten für den Laserstrahl und/oder eine Laserleistung umfassen. Mithilfe der Steuerbefehle können die durch das Verfahren bestimmte Bearbeitungsreihenfolge, die Bearbeitungsgeschwindigkeit und/oder die Bearbeitungsrichtung durch das den Laserbearbeitungsprozess durchführende Laserbearbeitungssystem realisiert werden. Beispielsweise kann durch entsprechendes Steuern der Auslenkeinheit der Laserstrahl auf dem Werkstück so verfahren werden, dass sich die bestimmte Bearbeitungsreihenfolge der Bearbeitungspfadabschnitte ergibt oder dass ein Bearbeitungspfadabschnitt in einer bestimmten Richtung bearbeitet wird.
Die zumindest eine Randbedingung kann eine Vorgabe bzw. einen vorgegebenen Wert, einen minimalen oder maximalen Wert, einen Bereich und/oder einen Verlauf für einen Parameter vorgeben. Der Parameter kann eine Abkühlzeit, eine Laserleistung, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Streckenenergie, eine Fokuslage des Laserstrahls, ein Abstand der Laserbearbeitungsvorrichtung zum zu bearbeitenden Werkstück und/oder eine Geometrie einer Schweißnaht, beispielsweise eine Breite der Schweißnaht oder eine Einschweißtiefe, sein. Beispielsweise kann eine Randbedingung umfassen, dass ein Bearbeitungspfadabschnitt mit einer bestimmten minimalen oder maximalen Streckenenergie bearbeitet werden muss. Die Streckenenergie ergibt sich beispielsweise aus der Laserleistung und der Bearbeitungsgeschwindigkeit, mit der der Laserstrahl über den Bearbeitungspfadabschnitt verfahren wird. In einem anderen Beispiel kann eine Randbedingung lauten, dass zumindest einige oder alle Bearbeitungspfadabschnitte, für die dieselbe Fokuslage vorgegeben sind bzw. deren vorgegebene Fokuslagen innerhalb einer Rayleigh-Länge des Laserstrahls liegen, aufeinanderfolgend bearbeitet werden, um eine Anzahl von Einstellvorgängen der Fokuslage zu reduzieren.
Ein vorgegebener Wert oder ein vorgegebener Bereich eines ersten Parameters kann von einem vorgegebenen Wert oder einem vorgegebenen Bereich eines zweiten Parameters abhängig sein. Beim Bestimmen von Steuerungsdaten kann ein Wert des Parameters innerhalb des durch die Randbedingung vorgegebenen Bereichs bestimmt werden.
Die zumindest eine Randbedingung kann für den zumindest einen Bearbeitungspfadabschnitt zumindest eine der folgenden Randbedingungen umfassen: einen Startpunkt und/oder einen Endpunkt für den Laserbearbeitungsprozess, eine Bearbeitungsreihenfolge von zumindest zwei der Bearbeitungspfadabschnitte, eine Lage des Bearbeitungspfadabschnitts, eine Wartezeit für einen zu bearbeitenden Bearbeitungspfadabschnitt bzw. eine Abkühlzeit für einen bearbeiteten Bearbeitungspfadabschnitt, eine Abkühlzeit für eine entlang eines der Bearbeitungspfadabschnitte hergestellte Schweißnaht oder Schnittkante, eine Bearbeitungsrichtung, eine Laserleistung, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Streckenenergie, eine Stoßart zweier miteinander zu verschweißender Werkstücke, ein Werkstückmaterial, eine Geometrie einer Schweißnaht, eine Fokuslage eines Laserstrahls, und einen Abstand der Laserbearbeitungsvorrichtung von dem Werkstück. Beispielsweise kann eine Randbedingung umfassen, dass ein erster Bearbeitungspfadabschnitt nach einem zweiten Bearbeitungspfadabschnitt bearbeitet werden muss oder dass ein Bearbeitungspfadabschnitt erst für eine vorgegebene Abkühlzeit abkühlen muss, bevor ein weiterer, insbesondere ein daran angrenzender, Bearbeitungsabschnitt bearbeitet werden darf.
Der Bearbeitungspfad und/oder die zumindest eine Randbedingung kann über eine Benutzerschnittstelle eingegeben werden. Dazu kann das Laserbearbeitungssystem eine Benutzerschnittstelle, insbesondere eine grafische Benutzerschnittstelle, aufweisen.
Die zumindest eine Randbedingung kann einen zulässigen Bereich auf der Werkstückoberfläche für die Lage des zumindest einen Bearbeitungspfadabschnitts festlegen. Beim Bestimmen der Steuerungsdaten kann die Lage des Bearbeitungspfadabschnitts innerhalb des Bereichs so angepasst werden, dass die Bearbeitungszeit minimiert ist.
Das Bestimmen von Steuerungsdaten für den Laserbearbeitungsprozess kann unter Verwendung eines Optimierungsalgorithmus, eines linearen Optimierungsalgorithmus, eines nichtlinearen Optimierungsalgorithmus, eines Simplex-Algorithmus, eines Traveling-Salesman-Algorithmus, und/oder eines Newton-Raphson-Algorithmus erfolgen.
Das Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses kann ferner umfassen: Aufteilen einer Werkstückoberfläche in mehrere Teilbereiche und Aufteilen des Bearbeitungspfades entsprechend der Teilbereiche in mehrere Teilpfade, und Durchführen der Schritte separat für jeden der mehreren Teilpfade.
Das Bestimmen der Steuerungsdaten zum Minimieren der Bearbeitungszeit kann ferner unter Berücksichtigung von zumindest einem Maschinenparameter des den Laserbearbeitungsprozess durchführenden Laserbearbeitungssystems erfolgen. Das Verfahren zum Optimieren der Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht es somit, individuelle Maschinenparameter eines Exemplars des Laserbearbeitungssystems bei der Bestimmung der Steuerungsdaten und der Minimierung der Bearbeitungszeit zu berücksichtigen. Der Maschinenparameter kann im Laserbearbeitungssystem hinterlegt sein und/oder kann automatisch vom Laserbearbeitungssystem ermittelt werden.
In einer Ausführungsform kann das Verfahren das Bestimmen von zumindest einem Maschinenparameter des den Laserbearbeitungsprozess durchführenden Laserbearbeitungssystems umfassen. Für die Ermittlung der zur Optimierung verwendeten Maschinenparameter kann die Steuerungseinrichtung beispielsweise mit entsprechender Funktionalität ausgestattet sein. Der zumindest eine Maschinenparameter kann Verzögerungszeiten und/oder Reaktionszeiten verschiedener Komponenten des Laserbearbeitungssystems umfassen. Der zumindest eine Maschinenparameter kann beispielsweise eines der folgenden umfassen: eine Verzögerungszeit einer Laserquelle, eine Verzögerungszeit einer Auslenkeinheit, eine Verzögerungszeit einer Fokussier- und/oder Kollimationsoptik, Abweichungen zwischen einer Soll-Fokuslage und einer Ist-Fokuslage, und eine Rayleighlänge des Laserstrahls. Die Verzögerungszeit der Laserquelle kann beispielsweise die Zeitdauer beim Ändern der Laserleistung zwischen dem Ansteuern der Laserquelle zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einer vorgegebenen Laserleistung und dem Erreichen der vorgegebenen Laserleistung beschreiben. Die Verzögerungszeit der Auslenkeinheit kann die Zeitdauer zwischen dem Ansteuern der Auslenkeinheit und dem Erreichen einer vorgegebenen Position des Laserstrahls auf dem Werkstück beschreiben. Die Verzögerungszeit der Fokussieroptik bzw. der Kollimationsoptik kann die Zeitdauer zwischen dem Ansteuern der Optik und dem Erreichen der vorgegebenen Fokuslage des Laserstrahls bezeichnen.
Beispielsweise kann eine jeweilige Verzögerungszeit basierend auf Test- bzw. Blindschweißungen an einem Werkstück mit entsprechenden, verschieden vorgegebenen Parametern bestimmt werden. Die so ermittelten Verzögerungszeiten können bei der Steuerung des Laserbearbeitungssystems bzw. bei der Bestimmung der Steuerungsbefehle für eine minimierte Bearbeitungszeit berücksichtigt werden. Optional kann eine Bestimmung der Verzögerungszeit(en) iterativ durch erneute Test- bzw. Blindschweißungen erfolgen, sodass eine Genauigkeit erhöht werden kann.
Der Laserbearbeitungsprozess kann ein Fügen von Werkstücken, beispielsweise ein Laserschweißen oder ein Laserlöten, und ein Trennen von Werkstücken, beispielsweise ein Laserschneiden, umfassen. Der Laserbearbeitungsprozess kann ferner ein Beschriften, ein Abtragen von Material, ein Laserschmelzen, ein Bohren, ein Gravieren und/oder Härten von Werkstücken umfassen. Ein Laserbearbeitungsprozess kann auch eine Kombination davon umfassen. Die Werkstücke können Metall, insbesondere Stahl, Aluminium und Kupfer, oder Kunststoff umfassen. Die Werkstücke können als Folien oder Bleche ausgebildet sein. Die Werkstücke können Teil einer Batterie, beispielsweise Ableiter, sein.
Das Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses kann ferner das Erfassen von Prozessdaten während des Laserbearbeitungsprozesses, und das Anpassen der Steuerungsdaten zur Minimierung der Bearbeitungszeit basierend auf den erfassten Prozessdaten umfassen.
Die Prozessdaten können Daten über zumindest einen der folgenden Parameter umfassen: eine Fokuslage, eine Abweichung einer Ist-Fokuslage von einer Soll-Fokuslage, eine Bearbeitungstiefe, eine Schweißbadgeometrie, eine Schweißnahtbreite, eine Einschweißtiefe, und eine Bearbeitungsgeschwindigkeit. Zum Bestimmen dieser Parameter kann das Laserbearbeitungssystem entsprechende Sensoren aufweisen. Beispielsweise kann das Laserbearbeitungssystem einen Abstandssensor, insbesondere einen Abstandssensor basierend auf OCT („optical coherence tomography“, optische Kohärenztomografie) umfassen, um eine Bearbeitungstiefe, insbesondere eine Einschweiß- oder Einstechtiefe, zu bestimmen. Ferner kann das Laserbearbeitungssystem einen Sensor, insbesondere eine Photodiode und/oder eine Kamera, zum Bestimmen einer Schweißbadgeometrie und/oder einer Schweißnahtbreite umfassen. Die Photodiode kann beispielsweise im infraroten Wellenlängenspektrum empfindlich sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Ermitteln einer Verzögerungszeit mindestens einer Komponente eines Laserbearbeitungssystems angegeben, umfassend: Vorgeben eines Bearbeitungspfads und von Steuerungsdaten für die Komponente für einen Laserbearbeitungsprozess an einem Werkstück, wobei der Bearbeitungspfad mehrere Bearbeitungspfadabschnitte umfasst, die sich in einem Wert der Steuerungsdaten für die Komponente unterscheiden; Durchführen zumindest eines Test-Bearbeitungsprozesses entlang des vorgegebenen Bearbeitungspfad mit den vorgegebenen Steuerungsdaten; und Bestimmen einer Verzögerungszeit bei der Einstellung der unterschiedlichen Werte der Steuerungsdaten für die Komponente basierend auf dem Test-Bearbeitungsprozess. Die Verzögerungszeit kann auch als Reaktionszeit bezeichnet werden. Die Komponente kann beispielsweise eine Einrichtung bzw. Komponente zum Bewegen der Laserbearbeitungsvorrichtung und/oder zum Bewegen des Werkstücks relativ zur Laserbearbeitungsvorrichtung, eine Auslenkeinheit zum Auslenken des Laserstrahls, eine Laserquelle, eine Optik, insbesondere eine Fokussier- und/oder Kollimationsoptik, etc. umfassen. Die Steuerungsdaten können Steuerbefehle umfassen, um das den Laserbearbeitungsprozess durchführende Laserbearbeitungssystem oder Teile davon, beispielsweise die Laserquelle, die Laserbearbeitungsvorrichtung, die Auslenkeinheit, und/oder eine Fokussier- und/oder Kollimationsoptik zum Verändern der Fokuslage des Laserstrahls zu steuern. Die Steuerungsdaten können eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Bearbeitungsreihenfolge und/oder eine Bearbeitungsrichtung der zu bearbeitenden Bearbeitungspfadabschnitte des Bearbeitungspfads umfassen. Die Steuerungsdaten können ferner Vorgaben für eine Fokuslage des Laserstrahls, Ein- und/oder Ausschaltzeiten für den Laserstrahl und/oder eine Laserleistung umfassen. Mithilfe der Steuerbefehle können die durch das Verfahren bestimmte Bearbeitungsreihenfolge, die Bearbeitungsgeschwindigkeit und/oder die Bearbeitungsrichtung durch das den Laserbearbeitungsprozess durchführende Laserbearbeitungssystem realisiert werden. Beispielsweise kann durch entsprechendes Steuern der Auslenkeinheit der Laserstrahl auf dem Werkstück so verfahren werden, dass sich die bestimmte Bearbeitungsreihenfolge der Bearbeitungspfadabschnitte ergibt oder dass ein Bearbeitungspfadabschnitt in einer bestimmten Richtung bearbeitet wird. Die Verzögerungszeit kann beispielsweise eine Verzögerungszeit einer Laserquelle, eine Verzögerungszeit einer Auslenkeinheit, eine Verzögerungszeit einer Fokussier- und/oder Kollimationsoptik sein. Der Laserbearbeitungsprozess kann ein Fügen von Werkstücken, beispielsweise ein Laserschweißen oder ein Laserlöten, und ein Trennen von Werkstücken, beispielsweise ein Laserschneiden, umfassen. Der Laserbearbeitungsprozess kann ferner ein Beschriften, ein Abtragen von Material, ein Laserschmelzen, ein Bohren, ein Gravieren und/oder Härten von Werkstücken umfassen. Ein Laserbearbeitungsprozess kann auch eine Kombination davon umfassen. Die Werkstücke können Metall, insbesondere Stahl, Aluminium und Kupfer, oder Kunststoff umfassen. Die Werkstücke können als Folien oder Bleche ausgebildet sein. Die Werkstücke können Teil einer Batterie, beispielsweise Ableiter, sein.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben.

1 zeigt ein Laserbearbeitungssystem zum Durchführen von Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses und Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
2A bis 2C veranschaulichen ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Problem sowie eine erfindungsgemäße Lösung, und 3A und 3B veranschaulichen ein weiteres der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Problem sowie eine erfindungsgemäße Lösung;
4 zeigt ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
5A und 5B zeigen Flussdiagramme zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
6 veranschaulicht das Aufteilen einer Werkstückoberfläche in mehrere Teilbereiche und das Aufteilen eines Bearbeitungspfades eines Laserbearbeitungsprozesses in mehrere Teilpfade gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
7 veranschaulicht das Vorgeben eines Bereichs für einen Bearbeitungspfadabschnitt eines Laserbearbeitungsprozesses auf einem Werkstück gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung;
8 zeigt das Foto einer durch Laserschweißen erhaltenen Schweißnaht zum Veranschaulichen einer Schweißnahtgeometrie.

Ausführliche Beschreibung der Ausführungsformen
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
Das Laserbearbeitungssystem 10 ist zum Bearbeiten eines Werkstücks 12 mittels eines Laserstrahls 14 eingerichtet. Das Laserbearbeitungssystem 10 umfasst zumindest eine Laserquelle 16 zum Bereitstellen des Laserstrahls 14, auch als Bearbeitungsstrahl oder Bearbeitungslaserstrahl bezeichnet, und zumindest eine Laserbearbeitungsvorrichtung 18 zum Einstrahlen des Laserstrahls 14 auf einen Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück 12. Der Laserstrahl 14 kann mittels einer Lichtleitfaser 17 in die Laserbearbeitungsvorrichtung 18 eingekoppelt werden. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 18 kann auch als Laserbearbeitungskopf, Laserkopf oder kurz Kopf bezeichnet werden.
Das Laserbearbeitungssystem 10 oder Teile davon, wie beispielsweise die Laserbearbeitungsvorrichtung 18, kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Vorschubrichtung 20 bewegbar sein. Die Vorschubrichtung 20 kann einer Bearbeitungsrichtung, beispielsweise einer Schweißrichtung oder Schneidrichtung, entsprechen. Insbesondere kann die Vorschubrichtung 20 eine zur Oberfläche des Werkstücks 12 parallele Richtung sein.
Das Laserbearbeitungssystem 10 kann eine Kollimatoroptik 21, beispielsweise eine Kollimatorlinse, zum Kollimieren des Laserstrahls 14 und eine Fokussieroptik 22, beispielsweise eine Fokussierlinse, zum Fokussieren des Laserstrahls 14 auf das Werkstück aufweisen. Durch das Richten und Fokussieren des Laserstrahls 14 auf das Werkstück 12 wird das Werkstück 12 in einem Bearbeitungsbereich lokal auf Schmelztemperatur erhitzt. Dadurch kann das Werkstück 12 bearbeitet werden. Das Bearbeiten kann ein Fügen von Werkstücken, beispielsweise ein Laserschweißen oder ein Laserlöten, und ein Trennen von Werkstücken, beispielsweise ein Laserschneiden, umfassen. Das Bearbeiten kann Teil eines Laserbearbeitungsverfahrens oder -prozesses sein. Mit anderen Worten kann das Laserbearbeitungssystem 10 eingerichtet sein, um ein Laserbearbeitungsverfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Gemäß typischer Ausführungsformen sind die Kollimatoroptik 21 und die Fokussieroptik 22 in die Laserbearbeitungsvorrichtung 18 integriert. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 18 kann weitere, nicht gezeigte Elemente aufweisen, beispielsweise einen Strahlteiler bzw. Strahlumlenker, der als teiltransparenter Spiegel ausgebildet sein kann, um den Laserstrahl 14 um 90 ° in Richtung des Werkstücks 12 umzulenken.
Das Laserbearbeitungssystem 10 kann für den Laserstrahl 14 zumindest ein optisches Element umfassen, das eingerichtet ist, um die Fokuslage des Laserstrahls 14 einzustellen. Das zumindest eine optische Element kann beispielsweise im divergierenden Bereich des Laserstrahls 14 entlang der optische Achse verschiebbar sein, um die Fokuslage zu verändern. In der 1 ist beispielhaft die Kollimatoroptik 21 entlang der optischen Achse verschiebbar dargestellt. Die Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Gemäß weiterer Ausführungsformen kann alternativ oder zusätzlich kann zumindest ein optisches Element im kollimierten Bereich des Laserstrahls 14 entlang der optischen Achse verschiebbar sein, um die Fokuslage zu verändern. Beispielsweise kann die Fokussieroptik 22 entlang der optischen Achse verschiebbar sein. Die Verstellung/Verschiebung der optischen Elemente bezüglich der optischen Achse zur Fokuslagenänderung kann motorisch, manuell oder einer Kombination daraus erfolgen. Das Verändern der Fokuslage kann entlang der in 1 gezeigten Koordinatenrichtung z erfolgen. Die Fokuslage des Laserstrahls 14 entlang der z-Richtung kann auch durch Verändern der Position des Laserbearbeitungskopfes entlang der z-Richtung erfolgen.
Das Laserbearbeitungssystem 10 kann ferner eine optische Messeinrichtung (nicht gezeigt), beispielsweise einen optischen Kohärenztomographen, zum Messen eines Abstands der Laserbearbeitungsvorrichtung 18 zum Werkstück und/oder zum Messen einer Bearbeitungstiefe, beispielsweise einer Tiefe der Dampfkapillare, aufweisen. Die optische Messeinrichtung kann eingerichtet sein, einen optischen Messstrahl auf das Werkstück zu richten. Der optische Messstrahl und der Laserstrahl 14 können zumindest streckenweise koaxial überlagert sein. Der optische Messstrahl kann in den Bearbeitungsbereich gerichtet sein. Das Prinzip der Messung des Abstands bzw. der Bearbeitungstiefe kann auf dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie basieren.
Das Laserbearbeitungssystem 10 kann eine optische Sensoreinheit umfassen, die mindestens eine Photodiode enthält. Die Sensoreinheit kann eingerichtet sein, Prozessstrahlung, etwa von dem Bearbeitungsbereich emittierte Temperaturstrahlung bzw. IR-Strahlung, UV-Strahlung, Licht im sichtbaren Bereich, oder rückreflektierte Laserstrahlung, zu erfassen. Die Sensoreinheit kann für die Prozessüberwachung eingesetzt werden und Prozessdaten liefern.
Das Laserbearbeitungssystem 10 und/oder die Laserbearbeitungsvorrichtung 18 kann ferner zumindest eine Auslenkeinheit 24 aufweisen, die eingerichtet ist, um den Laserstrahl 14 auszulenken und so die Position des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 12, d.h. den Auftreffort des Laserstrahls 14 bzw. den Bearbeitungsbereich auf dem Werkstück 12, zu verändern. Dadurch kann der Laserstrahl 14 auf dem Werkstück 12 positioniert und auf dem Werkstück 12 verfahren werden. Die Auslenkeinheit 24 kann zumindest einen reflektierenden, um mindestens eine Achse drehbaren Spiegel aufweisen. Der Spiegel ist vorzugsweise um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen drehbar. Die Auslenkeinheit 24 kann beispielsweise Galvanospiegel umfassen. Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform weist die Auslenkeinheit 24 zwei bewegliche Spiegel 26a, 26b auf, die um zwei Achsen, beispielsweise um zwei aufeinander senkrecht stehende Achsen, drehbar sind, um den Laserstrahl 14 beliebig in einer Ebene zu positionieren und zu verfahren, die durch die eingezeichneten Koordinatenrichtungen x und y aufgespannt wird (x-y-Ebene). Die Koordinatenrichtungen x, y und z können ein kartesisches Koordinatensystem bilden.
Der Laserstrahl 14 kann demnach durch eine Auslenkbewegung der Auslenkeinheit 24 und/oder durch Bewegen der Laserbearbeitungsvorrichtung 18 entlang eines Verfahrweges auf dem Werkstück 12 verfahren werden. Die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl 14 auf dem Werkstück 12 entlang des Verfahrweges verfahren wird, kann als Verfahrgeschwindigkeit bezeichnet werden. Das Verfahren des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 12 kann basierend auf durch einen Laserbearbeitungsprozess vorgegebenen Bearbeitungspfad 27 erfolgen, sodass der vorgegebene Bearbeitungspfad 27 vom Verfahrweg des Laserstrahls 14 umfasst ist und die Bearbeitung des Werkstücks 12 entlang des Bearbeitungspfades 27 stattfinden kann. Entlang des Verfahrweges kann der Laserstrahl 14 ein- oder ausgeschaltet sein. Wenn der Laserstrahl 14 entlang des Verfahrwegs ausgeschaltet ist, entspricht der Verfahrweg der Auslenkbewegung der Auslenkeinheit 24 bzw. der Bewegung der Laserbearbeitungsvorrichtung 18, die zu diesem Verfahrweg führen würde, wenn der Laserstrahl 14 eingeschaltet wäre. Bei eingeschaltetem Laserstrahl 14 entspricht die Verfahrgeschwindigkeit für gewöhnlich der Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Die Auslenkeinheit 24 kann als Scanner-System oder Scanner-Optik ausgebildet sein. Die Auslenkeinheit 24 bzw. die Laserbearbeitungsvorrichtung 18 kann als 2D-Scan-System oder 2D-Scan-Kopf bezeichnet werden. Zusammen mit der Fokuslagenveränderung entlang der z-Koordinatenachse kann die Laserbearbeitungsvorrichtung 18 als 2,5D- bzw. 3D-Laser-Scanner oder 2,5D- bzw. 3D-Scan-Kopf bezeichnet werden.
Das Laserbearbeitungssystem 10 kann weitere, nicht gezeigte Maschinenkomponenten zum Bewegen der Laserbearbeitungsvorrichtung 18 und/oder zum Bewegen des Werkstücks 12 relativ zur Laserbearbeitungsvorrichtung 18 umfassen. Das Laserbearbeitungssystem 10 kann ferner eine Steuereinrichtung umfassen, die eingerichtet ist, um Elemente des Laserbearbeitungssystems 10, beispielsweise die Laserbearbeitungsvorrichtung 18, die Laserquelle 16, die Auslenkeinheit 24 oder die Maschinenkomponenten zu steuern. Dazu kann die Steuereinrichtung Steuerbefehle an die Elemente des Laserbearbeitungssystems 10 übertragen. Die Steuereinrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um das Optimierungsverfahren und das Laserbearbeitungsverfahren gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung durchzuführen.
Die Steuereinrichtung kann beispielsweise einen Pulsparameter und/oder eine Laserleistung der Laserquelle 16 einstellen. Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinrichtung beispielsweise eine Fokuslage und/oder einen Fokusdurchmesser des Laserstrahls 14 einstellen. Ferner kann die Steuereinrichtung Steuerbefehle für ein Verschieben der Kollimatoroptik 21 und/oder der Fokussieroptik 22 ausgeben. Ergänzend oder alternativ kann die Steuereinrichtung eingerichtet sein, um die Position des Laserstrahls 14 auf dem Werkstück 12 zu verändern. Insbesondere kann die Steuereinrichtung Steuerbefehle an die Maschinenkomponenten zum Bewegen der Laserbearbeitungsvorrichtung 18 und/oder die Auslenkeinheit 24, beispielsweise zum Drehen der Spiegel 26a, 26b, ausgeben.
Die Steuereinrichtung kann eine ebenfalls nicht gezeigte Benutzerschnittstelle zur Interaktion mit einem Benutzer aufweisen. Die Steuereinrichtung kann eingerichtet sein, eine Steuerungssoftware auszuführen. Die Steuerungssoftware kann ein Bearbeitungsprogramm ausführen, welches in der Steuereinrichtung beispielsweise als Datei gespeichert ist. Das Bearbeitungsprogramm kann Steuerbefehle für das Laserbearbeitungssystem 10 oder Teile davon zum Durchführen eines vorgegebenen Laserbearbeitungsprozesses an dem Werkstück 12 umfassen.
2A bis 2C veranschaulichen ein der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Problem sowie dessen erfindungsgemäße Lösung. 2A und 2B veranschaulichen insbesondere, wie sich durch die Veränderung einer Bearbeitungsrichtung für einen Bearbeitungspfadabschnitt eine Bearbeitungszeit erhöhen kann.
Ist für einen Bearbeitungspfadabschnitt eine Schweißung vorgesehen, so ist die Bearbeitungs- bzw. Schweißrichtung für die Geometrie der dabei entstehenden Schweißnaht von wesentlicher Bedeutung, wie mit Bezug auf 8 veranschaulicht ist. 8 zeigt ein Foto einer Schweißnaht S. Zu erkennen ist, dass sich die Geometrie eines Endes E1 der Schweißnaht S deutlich von der Geometrie des anderen Endes E2 unterscheidet. In diesem Fall entspricht das Ende E1 dem Nahtanfang, dort wurde also mit der Schweißung begonnen, und E2 entspricht einem Nahtende, dort wurde die Schweißung also beendet. Es ist daher wesentlich, in welcher Richtung ein Bearbeitungspfadabschnitt geschweißt wurde. Ein ähnlicher Sachverhalt gilt für das Laserschneiden.
Ein vorgegebener Laserbearbeitungsprozess umfasst beispielsweise das Bearbeiten eines Werkstücks 12 durch Einstrahlen eines Laserstrahls auf das Werkstück 12 entlang eines vorgegebenen Bearbeitungspfads 27 auf dem Werkstück 12. 2A bis 2C veranschaulichen den Bearbeitungspfad 27 auf dem Werkstück 12. Das Werkstück 12 liegt in der zuvor beschriebenen x-y-Ebene, die Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Der Bearbeitungspfad 27 umfasst sechs Bearbeitungspfadabschnitte A1 bis A6, die anhand von schwarzen Balken veranschaulicht sind. Die Bearbeitungspfadabschnitte A1 bis A6 verlaufen entlang der x- oder y-Richtung, die Erfindung ist hierauf aber nicht beschränkt. Das Bearbeiten kann beispielsweise ein Laserschweißen zum Ausbilden einer Schweißnaht an den Abschnitten A1 bis A6 umfassen. Der Laserbearbeitungsprozess kann mittels des mit Bezug auf 1 beschriebenen Laserbearbeitungssystems 10 durchgeführt werden. Für die nachfolgende Beschreibung sollen eine konstante Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls auf dem Werkstück 12 und gleich lange Bearbeitungsabschnitte A1 bis A6 angenommen werden.
Für den vorgegebenen Laserbearbeitungsprozess soll eine Bearbeitungsstrategie bestimmt werden, sodass eine Bearbeitungszeit für den Laserbearbeitungsprozess minimal wird. Die Bearbeitungsstrategie legt hier eine Bearbeitungsreihenfolge der Abschnitte A1 bis A6 des Bearbeitungspfads 27 fest, sodass entsprechende Steuerbefehle zum Steuern des Laserbearbeitungssystems 10, insbesondere der Auslenkeinheit 24 und der Laserquelle 16, bestimmt werden können. Die Steuerbefehle können beispielsweise eine Laserleistung, Ein- und Ausschaltzeiten für den Laserstrahl 14 und Steuerbefehle zum Drehen der Spiegel 26a, 26b zum Verfahren des Laserstrahls auf dem Werkstück 12 entlang des vorgegebenen Bearbeitungspfads 27 umfassen. In 2A bis 2C ist der Verfahrweg 28A, 28B, 28C des Laserstrahls auf dem Werkstück 12 jeweils mittels durchgezogener und/oder gestrichelter Pfeile veranschaulicht. Entlang des Verfahrwegs 28A, 28B, 28C kann der Laserstrahl eingeschaltet (durchgezogene Pfeile) oder ausgeschaltet sein (gestrichelte Pfeile). Lediglich zur Veranschaulichung ist in den Figuren der Verfahrweg 28A, 28B, 28C neben dem Bearbeitungspfad 27 eingezeichnet.
Neben dem vorgegebenen Bearbeitungspfad 27 sind gewisse Randbedingungen für den Laserbearbeitungsprozess vorgegeben. Zunächst wird der in 2A veranschaulichte Fall beschrieben. Wie gezeigt ist für jeden der Bearbeitungspfadabschnitte 1 bis 6 eine Bearbeitungsrichtung, im vorliegenden Beispiel eine Schweißrichtung, vorgegeben (in den 2A bis 2C durch weiß gefüllte Pfeile veranschaulicht). In 2A soll die Bearbeitungsrichtung des Bearbeitungsabschnitts A2 von oben nach unten verlaufen. Unter diesen Randbedingungen ergibt sich eine Bearbeitungsstrategie, die in 2A durch den Verfahrweg 28A des Laserstrahls auf dem Werkstück 12 veranschaulicht ist, wobei der Verfahrweg 28A durch entsprechende Steuerbefehle für die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 realisiert werden kann.
Im Detail wird der Laserstrahl in dieser Reihenfolge vom Beginn des Verfahrwegs 28A von links nach rechts, d.h. entlang der x-Richtung, auf den Abschnitt A1 eingestrahlt, anschließend von oben nach unten, d.h. entgegen der y-Richtung, auf den Abschnitt A2, von rechts nach links, d.h. entgegen der x-Richtung, auf den Abschnitts A3, von oben nach unten auf den Abschnitt A4, von links nach rechts auf den Abschnitt A5, und zuletzt von unten nach oben, d.h. entlang der y-Richtung, auf den Abschnitt A6 eingestrahlt. Bei konstanter Verfahrgeschwindigkeit des Laserstrahls auf dem Werkstück 12 und gleich langen Bearbeitungsabschnitten dauert der Laserbearbeitungsprozess somit ungefähr 6 Zeiteinheiten.
In aktuellen Lösungen für die Steuerungssoftware zum Steuern der Laserbearbeitungssysteme werden die Bearbeitungsreihenfolge und die Bearbeitungsrichtung programmiert, ohne dass diese programmierte Bearbeitungsreihenfolge und -richtung durch die Steuerungssoftware bezüglich der Bearbeitungszeit optimiert werden. Lokale Änderungen werden typischerweise einfach übernommen, woraus eine längere Bearbeitungszeit resultieren kann. Ähnliches gilt für andere Laserbearbeitungsprozesse, beispielsweise das Laserschneiden. Eine Optimierung der Bearbeitungszeit wird deshalb typischerweise manuell, beispielsweise von einem Benutzer, und nicht von einer Software oder einem Algorithmus, beispielsweise der Steuerungssoftware des Laserbearbeitungssystems, durchgeführt. Eine automatisierte Optimierung der Bearbeitungszeit durch die Steuerungssoftware ist somit herkömmlicherweise nicht möglich.
Nun wird der in 2B veranschaulichte Fall beschrieben. Gegenüber dem in 2A veranschaulichten Fall wurde als Randbedingung die Bearbeitungsrichtung des Abschnitts 2 verändert. Sie verläuft nun von unten nach oben. 2B zeigt den Fall einer gegenüber der 2A lediglich lokal angepassten Bearbeitungsstrategie. Wie für den Fall von 2A wird der Laserstrahl entlang des Verfahrwegs 28B zunächst entlang des Abschnitts A1 von links nach rechts eingestrahlt. Da der Abschnitt A2 nun nicht von oben nach unten bearbeitet werden darf, sondern gemäß der veränderten Randbedingung von unten nach oben, wird der Laserstrahl für den Beginn der Bearbeitung des Abschnitts A2 an dessen unteres Ende verfahren, wobei der Laserstrahl in dieser Zeit ausgeschaltet ist (gestrichelter Pfeil nach unten). Anschließend erfolgt die Bearbeitung des Abschnitts 2 durch Einstrahlen des Laserstrahls entlang des Abschnitts A2 von unten nach oben (durchgezogener Pfeil nach oben). Um nun mit der Bearbeitung des Abschnitts 3 entlang der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung von rechts nach links fortfahren zu können, muss der Laserstrahl abermals an das untere Ende des Abschnitts A2 verfahren werden, wobei der Laserstrahl in dieser Zeit ausgeschaltet ist (gestrichelter Pfeil nach unten), um den Laserstrahl zu Beginn der Bearbeitung des Abschnitts A3 an dessen rechtes Ende zu verfahren. Zwischen dem Abschnitt A3 und dem Abschnitt A6 erfolgt die Bearbeitung wie im Fall von 2A. Durch das zusätzliche zweimalige Verfahren bei ausgeschaltetem Laserstrahl am Abschnitt A2 ergibt sich eine erhöhte Bearbeitungszeit von acht Zeiteinheiten. Somit wurde gegenüber dem Fall von 2A durch die geänderte Randbedingung, d.h. aufgrund der geänderten Bearbeitungsrichtung, und lediglich lokaler Anpassung der Bearbeitungsstrategie die Bearbeitungszeit erhöht.
2C zeigt einen Fall für die Situation von 2B, jedoch mit einer globalen Änderung der Bearbeitungsstrategie. Es werden also der vollständige Bearbeitungspfad des Laserbearbeitungsprozesses und alle Randbedingungen des Laserbearbeitungsprozesses berücksichtigt, um darauf basierend den Verfahrweg 28C des Laserstrahls und entsprechende Steuerbefehle zu bestimmen. Im Ergebnis wird nach der Bearbeitung des Abschnitts A1 durch Einstrahlen des Laserstrahls von links nach rechts der Laserstrahl zum unteren Ende des Abschnitts A2 bzw. zum rechten Ende des Abschnitts 3 (also zum Anfang des Abschnitts 3) verfahren, wobei der Laserstrahl in dieser Zeit ausgeschaltet ist (gestrichelter Pfeil). Anschließend wird der Laserstrahl wieder eingeschaltet und es erfolgt die Bearbeitung der Abschnitte A3, A4, A5 und A6 in dieser Reihenfolge und entlang der vorgegebenen Bearbeitungsrichtung. Der Abschnitt A2 wird also zunächst nicht bearbeitet. Erst nach der Bearbeitung des Abschnitts A6, wenn sich der Laserstrahl am oberen Ende des Abschnitts A6 und somit am unteren Ende des Abschnitts A2 befindet, wird der Abschnitt A2 von unten nach oben bearbeitet. Für den Fall von 2C ergibt sich somit eine kürzere Bearbeitungszeit von lediglich sieben Zeiteinheiten.
Das Beispiel des in Bezug auf 2A bis 2C veranschaulichten vorgegebenen Laserbearbeitungsprozesses zeigt also, dass bei einer Änderung der Randbedingungen eine globale Optimierung gegenüber einer lediglich lokalen Änderung oder Optimierung vorteilhaft ist.
3A und 3B veranschaulichen ein weiteres der vorliegenden Erfindung zugrundeliegendes Problem. 3A und 3B veranschaulichen insbesondere, dass eine Bestimmung des Verfahrwegs des Laserstrahls und entsprechender Steuerbefehle lediglich unter Berücksichtigung einer vorgegebenen Bearbeitungsrichtung einzelner Bearbeitungspfadabschnitte nicht immer ausreichend ist oder nicht immer eine funktionierende Lösung für einen vorgegebenen Laserbearbeitungsprozess liefert.
3A und 3B veranschaulichen denselben Bearbeitungspfad 27 für einen vorgegebenen Laserbearbeitungsprozess wie die 2A bis 2C. Für den mit Bezug auf 3A und 3B veranschaulichten Bearbeitungspfad 27 ist die Verfahrgeschwindigkeit wieder konstant, allerdings ist im Unterschied zu 2A und 2C keine Bearbeitungsrichtung für die einzelnen Abschnitte A1 bis A6 des Bearbeitungspfads 27 vorgegeben. Stattdessen ist prozessbedingt vorgegeben, dass der Abschnitt A6 zuerst geschweißt werden muss, und dass der Abschnitt A5 erst geschweißt werden darf, nachdem die Schweißnaht des Abschnitts A6 über zumindest zwei Zeiteinheiten abgekühlt ist.
Bei reiner Pfadoptimierung könnte eine Software oder ein Algorithmus zu dem in 3A gezeigten Ergebnis kommen. Wie in 3A gezeigt, erfolgt die Bearbeitung der Abschnitte A6, A5, A4, A3, A2 und A1 in dieser Reihenfolge entsprechend dem in 3A gezeigten Verfahrweg 29A. Dafür werden, um die Randbedingung der Abkühlzeit von zwei Zeiteinheiten einzuhalten, acht Zeiteinheiten benötigt.
Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Optimieren der Bearbeitungszeit des Laserbearbeitungsprozesses kann das optimale Ergebnis von 3B erhalten werden, bei dem für den Laserbearbeitungsprozess sieben Zeiteinheiten benötigt werden und die zuvor beschriebenen Randbedingungen für die Abschnitte A5 und A6 eingehalten werden. Wie in 3B gezeigt, erfolgt die Bearbeitung der Abschnitte A6, A3, A4, A5, A2, A1 in dieser Reihenfolge entsprechend dem in 3B gezeigten Verfahrweg 29B. Wie gezeigt beginnt der Verfahrweg 29B am unteren Ende von Abschnitt A6 und der Abschnitt A6 wird von unten nach oben bearbeitet, dann werden der Abschnitt A3 von rechts nach links, der Abschnitt A4 von oben nach unten, und der Abschnitt A5 von links nach rechts bearbeitet. Zu diesem Zeitpunkt ist der Laserstrahl wieder benachbart zum unteren Ende des Abschnitts A6 positioniert. Anschließend wird der Laserstrahl von dort zum unteren Ende des Abschnitts A2 verfahren, während der Laserstrahl ausgeschaltet ist (gestrichelter Pfeil). Dort angekommen, wird der Laserstrahl wieder eingeschaltet und es erfolgt die Bearbeitung des Abschnitts A2 von unten nach oben und anschließend die Bearbeitung des Abschnitts A1 von rechts nach links. Am linken Ende des Abschnitts A1 endet der Laserbearbeitungsprozess.
Zu dem Problem, dass Änderungen in den Randbedingungen häufig nur lokal berücksichtigt werden, ohne die globale bzw. gesamte Bearbeitungsstrategie für den Bearbeitungspfad anzupassen, kommt, dass sich selbst Maschinenparameter von gleichartigen Laserbearbeitungssystemen in gewissen Grenzen unterscheiden können. Dies kann beispielsweise durch Fertigungstoleranzen bei der Herstellung des Laserbearbeitungssystems verursacht sein. Für gewöhnlich werden keine individuellen bzw. spezifischen Maschinenparameter bei der Optimierung der Bearbeitungszeit berücksichtigt. Einige Maschinenparameter umfassen Parameter, die im Laserbearbeitungssystem, beispielsweise als Standardwert bzw. Durchschnittswert, hinterlegt oder gespeichert sind, beispielsweise in der Firmware. Andere Maschinenparameter sind jedoch nicht hinreichend bekannt und müssen daher durch Versuche manuell ermittelt und an die Steuerungssoftware übergeben werden. Eine (teil-)automatisierte Ermittlung dieser Maschinenparameter ist nicht vorgesehen oder nicht möglich. Dazu zählen beispielsweise Verzögerungszeiten zwischen dem Beginn der Ansteuerung der Auslenkeinheit und dem Erreichen der vorgegebenen Position des Lasers auf dem Werkstück, die Verzögerungszeit der Fokussier- und/oder Kollimationsoptik, Abweichungen zwischen einer Soll-Fokuslage und einer Ist-Fokuslage, und Verzögerungszeiten beim Einschalten eines Laserstrahls und/oder beim Hochfahren der Laserleistung durch die Laserquelle, die insbesondere bei Faserlasern vorhanden sein können. Außerdem können bei herkömmlichen Lösungen für die Steuerungssoftware für Laserbearbeitungssysteme aktuelle Prozessdaten, die z.B. zur Prozessüberwachung oder Prozesssteuerung erfasst wurden, nicht inline, d.h. während der Durchführung eines Laserbearbeitungsprozesses, berücksichtigt werden.
Das Verfahren zum Optimieren der Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, Maschinenparameter des Laserbearbeitungssystems zu berücksichtigen und ggf. automatisiert zu ermitteln. Somit können mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens Maschinenparameter, die direkt vom Laserbearbeitungssystem selbst oder Komponenten davon gesendet werden bzw. die direkt am Laserbearbeitungssystem selbst ermittelt werden, berücksichtigt werden. Beispielsweise können die Verzögerungszeiten zwischen der Ansteuerung des Lasers und dem Erreichen der Position, an welcher die Schweißung mit Hilfe des Lasers stattfinden soll, automatisiert ermittelt werden, und/oder Daten des Laserbearbeitungssystems können aus den entsprechenden Firmware-Komponenten übernommen werden. Solche Verzögerungszeiten, die beispielsweise durch einen Ein-/Ausschaltvorgang des Lasers oder durch eine Fokuslagenänderung verursacht werden, können bei dem Bestimmen von Steuerungsdaten für eine minimale Bearbeitungszeit, z.B. bei dem Bestimmen einer Bearbeitungsreihenfolge, berücksichtigt werden. Beispielsweise kann es bei einem 3D-Scanner-System durchaus sinnvoll sein, zunächst die Schweißungen aller Abschnitte eines Bearbeitungspfads durchzuführen, welche sich innerhalb einer Rayleighlänge des Laserstrahls befinden und erst anschließend die Fokuslage des Laserstrahls anzupassen, um Schweißungen an weiteren Abschnitten durchzuführen.
Durch das Verfahren zum Optimieren der Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist es also möglich, für jedes Exemplar eines Laserbearbeitungssystems automatisiert ein individuelles Bearbeitungsprogramm für einen vorgegebenen Laserbearbeitungsprozess zu entwickeln, für den die Bearbeitungszeit minimal ist. Hierdurch wird auch die Übertragung eines Bearbeitungsprogramms von einem Laserbearbeitungssystem auf ein anderes erleichtert.
Zudem können bei dem Verfahren zum Optimieren der Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aktuell erfasste Prozessdaten inline, d.h. während der Durchführung des Laserbearbeitungsprozesses, bei der Bestimmung der Steuerungsbefehle berücksichtigt werden. Die Prozessdaten können beispielsweise von einem Sensormodul zum Erfassen von Prozessstrahlung oder einem Abstandssensor oder ähnlichem stammen.
4 zeigt ein Flussdiagramm zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren umfasst das Vorgeben (O1) eines Bearbeitungspfades des Laserbearbeitungsprozesses auf dem Werkstück. Der Bearbeitungspfad umfasst dabei mehrere Bearbeitungspfadabschnitte. Anschließend wird zumindest eine Randbedingung für zumindest einen der Bearbeitungspfadabschnitte vorgegeben (O2). Für das in 2A bis 2C gezeigte Beispiel wird also die Bearbeitungsrichtung der einzelnen Abschnitte A1 bis A6 des Bearbeitungspfads 27 vorgegeben. Die Bearbeitungsreihenfolge für die einzelnen Bearbeitungspfadabschnitte ist dabei variabel, d.h. sie stellt in diesem Beispiel keine Randbedingung dar. Für das in 3A und 3B gezeigte Beispiel hingegen wird als Startpunkt Abschnitt A6 in Kombination mit einer Abkühlzeit für den Abschnitt A6 bzw. mit einer Wartezeit für den Abschnitt A5, nämlich 2 Zeiteinheiten nach Bearbeitung des Abschnitts A6, vorgegeben, während hingegen die Bearbeitungsrichtung variabel ist. Ferner können gemäß Ausführungsformen weitere Randbedingungen vorgegeben werden, beispielsweise eine Bearbeitungs- oder Schweißgeschwindigkeit, eine Geometrie der beim Laserschweißen entstehenden Schweißnaht, eine Laserleistung des durch die Laserquelle erzeugten Laserstrahls etc.
Gemäß Ausführungsformen kann das Eingeben des Bearbeitungspfades mit den Bearbeitungspfadabschnitten und das Eingeben der Randbedingungen von einem Benutzer über eine Benutzerschnittstelle, beispielsweise eine Benutzerschnittstelle der Steuerungseinheit für das Laserbearbeitungssystem, erfolgen.
Anschließend werden Steuerungsdaten für den Bearbeitungspfad des Laserbearbeitungsprozesses unter Berücksichtigung der zumindest einen Randbedingung bestimmt (O3), sodass eine Bearbeitungszeit des Laserbearbeitungsprozesses minimal ist. Gemäß Ausführungsformen umfassen die Steuerungsdaten eine Bearbeitungsreihenfolge, und/oder eine Bearbeitungsrichtung der zu bearbeitenden Bearbeitungspfadabschnitte des Bearbeitungspfads. Ferner können die Steuerungsdaten Steuerbefehle für das Laserbearbeitungssystem oder Komponenten davon, beispielsweise die Laserbearbeitungsvorrichtung, die Auslenkeinheit und/oder die Laserquelle, zum Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses umfassen.
Das Bestimmen (O3) kann automatisch durch die Steuerungseinrichtung bzw. Steuerungssoftware erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es also, dass der Benutzer lediglich den vorgegebenen Laserbearbeitungsprozess umfassend den Bearbeitungspfad und der entsprechenden Randbedingungen in der Steuerungseinrichtung vorgeben oder programmieren muss, sodass aus funktionaler bzw. prozesstechnischer Sicht die notwendigen Anforderungen erfüllt sind. In dem in 2 dargestellten Beispiel würde der Benutzer beispielsweise die Bearbeitungsgeschwindigkeit, die Laserleistung, den Bearbeitungspfad (d.h. die Nahtgeometrie) und die Bearbeitungsrichtungen für die einzelnen Bearbeitungspfadabschnitte definieren. Die Steuerungsdaten werden anschließend automatisch dahingehend bestimmt, dass eine Bearbeitungszeit für den Laserbearbeitungsprozess minimal ist, und dass die eingegebenen Randbedingungen erfüllt sind. Beispielsweise kann die Steuerungseinrichtung basierend auf den mit Bezug auf das Beispiel von 2A und 2C und das Beispiel von 3A und 3B erläuterten Randbedingungen die entsprechenden Steuerungsdaten umfassend die jeweils erläuterte Bearbeitungsreihenfolge und Bearbeitungsrichtung automatisch bestimmen.
Ferner ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, dass bei einer Änderung einer Randbedingung das Bestimmen der Steuerungsdaten automatisch neu durchgeführt wird. So kann beispielsweise bei der Änderung einer Bearbeitungsrichtung eines Bearbeitungspfadabschnitts automatisch die Bearbeitungsreihenfolge überprüft werden und ggf. die Bearbeitungsreihenfolge geändert werden. Wie mit Bezug auf das Beispiel von 2C in Verbindung mit 2A erläutert, könnte der Benutzer die Bearbeitungsrichtung des Abschnitts A2 über die Benutzerschnittstelle ändern, und die Steuerungseinrichtung würde die entsprechenden geänderten Steuerbefehle für das Laserbearbeitungssystem, wie mit Bezug auf 2C erläutert, ermitteln.
Gemäß Ausführungsformen kann das Bestimmen der Steuerungsdaten zum Minimieren der Bearbeitungszeit (O3) ferner unter Berücksichtigung von zumindest einem der zuvor diskutierten Maschinenparameter des den Laserbearbeitungsprozess durchführenden Laserbearbeitungssystems erfolgen.
Für die Ermittlung der zur Optimierung verwendeten Maschinenparameter kann die Steuerungseinrichtung beispielsweise mit entsprechender Funktionalität ausgestattet sein. So können die Verzögerungszeiten, auch als Delayzeiten bezeichnet, über entsprechende Algorithmen oder Routinen ermittelt werden. Beispielsweise können Blindschweißungen an einem Werkstück mit verschiedenen vorgegebenen Parametern (z.B. die Laserleistung oder die Schweißgeschwindigkeit) zunächst ohne Berücksichtigung der Verzögerungszeiten des Laserbearbeitungssystems durchgeführt werden. Die Lage, Geometrie und Qualität der dabei entstehenden Schweißnähte kann anschließend durch ein Bildverarbeitungssystem des Laserbearbeitungssystems ausgewertet und ggf. mit Vorgaben verglichen werden. Beispielsweise kann die Zahl der Poren einer Schweißnaht, oder die Breite einer Schweißnaht bestimmt werden. Darauf basierend können die entsprechenden Verzögerungszeiten durch die Steuerungssoftware ermittelt und korrigiert werden. Die so ermittelten Verzögerungszeiten können bei der Steuerung des Laserbearbeitungssystems bzw. bei der Bestimmung der Steuerungsbefehle für eine minimierte Bearbeitungszeit berücksichtigt werden. Optional können erneute Blindschweißungen vorgenommen und die ermittelten Verzögerungszeiten daran überprüft werden. Die Steuerungseinrichtung kann somit iterativ die Genauigkeit der Verzögerungszeiten weiter erhöhen.
Ferner besteht mittels des Optimierungsverfahrens gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, weitere Maschinenparameter in die Optimierung der Bearbeitungszeit einfließen zu lassen. Dazu können im Laserbearbeitungssystem hinterlegte oder gespeicherte Maschinenparameter, insbesondere in einem Firmware-Speicher, durch die Steuerungseinrichtung ausgelesen werden. Beispielhaft können Verfahrzeiten, wie beispielsweise die Verfahrzeiten der mit Bezug auf 1 beschriebenen Kollimationsoptik 20, aus dem Firmware-Speicher der Laserbearbeitungsvorrichtung 18 übernommen werden.
5A zeigt ein Flussdiagram zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Das Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück umfasst das Verfahren zum Optimieren der Bearbeitungszeit gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und das Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses basierend auf den bestimmten Steuerungsdaten.
Wie in 5A gezeigt beginnt das Verfahren mit der Definition oder Änderung (L1) von Parametern des vorgegebenen Laserbearbeitungsprozesses umfassend das Vorgeben des Bearbeitungspfades und das Vorgeben von zumindest einer Randbedingung für zumindest einen der Bearbeitungspfadabschnitte, wie in den mit Bezug auf die 4 beschriebenen Schritten O1 und O2. Der Schritt L1 kann durch einen Benutzer oder Anwender des den Laserbearbeitungsprozess später durchführenden Laserbearbeitungssystem erfolgen. Gemäß Ausführungsformen kann das Vorgeben einer Randbedingung für einen Bearbeitungspfadabschnitt das Vorgeben eines möglichen oder erlaubten Bereichs für einen Parameter, beispielsweise für die Laserleistung oder die Bearbeitungsgeschwindigkeit, umfassen. Ein Parameter, für den ein Bereich vorgegeben ist, kann auch als variierbarer Parameter bezeichnet werden. Der variierbare Parameter kann beim nachfolgend beschriebenen Schritt zum Optimieren der Bearbeitungszeit und Bestimmen der entsprechenden Steuerungsdaten innerhalb des vorgegebenen Bereichs variiert werden, um die Bearbeitungszeit zu minimieren.
Als Nächstes (Schritt L2) werden, entsprechend dem mit Bezug auf 4 beschriebenen Schritt O3, die Steuerungsdaten bestimmt. Gemäß Ausführungsformen umfasst der Schritt O3 bzw. der Schritt L2 das Erstellen einer Zielfunktion für die Bearbeitungszeit unter Berücksichtigung der vom Benutzer vorgegebenen Randbedingungen und das Minimieren der Zielfunktion unter Verwendung geeigneter linearer oder ggf. nichtlinearer Optimierungsalgorithmen (z.B. Simplex, Traveling Salesman, Newton-Raphson, ein Variationsansatz, ein heuristischer Ansatz). Das Bestimmen der Steuerungsdaten und das Minimieren der Zielfunktion kann das Bestimmen eines konstanten oder variablen Werts für die variierbaren Parameter innerhalb des vorgegebenen Bereichs umfassen. Ferner können Maschinenparameter des Laserbearbeitungssystems, die beispielsweise in einem Firmware-Speicher gespeichert sein oder zuvor ermittelt worden sein können, beim Optimieren der Bearbeitungszeit und Bestimmen der Steuerungsdaten berücksichtigt werden. Somit kann ein Bearbeitungsprogramm, welches für das jeweilige Laserbearbeitungssystem optimiert ist, erhalten werden.
Der Schritt O3 bzw. der Schritt L2 kann ferner das Erstellen eines Bearbeitungsprogramms für die Steuerungssoftware zum späteren oder anschließenden Durchführen des vorgegebenen Laserbearbeitungsprozesses umfassen. Das Bearbeitungsprogramm kann beispielsweise als ausführbare Datei vorliegen und abgespeichert werden. Das Bearbeitungsprogramm kann von der Steuerungssoftware zum Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses ausgeführt werden. Das Bearbeitungsprogramm kann die zum Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses erforderlichen Steuerbefehle der Steuereinrichtung für die Komponenten des Laserbearbeitungssystems umfassen. Das Bearbeitungsprogramm kann auf andere Laserbearbeitungssysteme, beispielsweise mittels einer geeigneten Schnittstelle, übertragen werden.
Als nächsten Schritt L3 umfasst das Verfahren das Durchführen des Laserbearbeitungsprozesses durch das Laserbearbeitungssystem. Dabei kann das Bearbeitungsprogramm ausgeführt werden.
5B zeigt ein Flussdiagram zum Veranschaulichen eines Verfahrens zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das durch 5B veranschaulichte Verfahren ist dem durch 5A veranschaulichten Verfahren ähnlich, weshalb im Folgenden lediglich die Unterschiede beschrieben werden.
Das mit Bezug auf 5B veranschaulichte Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses umfasst während des Laserbearbeitungsprozesses das Erfassen von Prozessdaten (L3a), beispielsweise durch eine Sensoreinheit. Die Prozessdaten können aktuelle Daten sein und können Werte für zumindest einen der folgenden Parameter umfassen: eine Fokuslage des Laserstrahls, eine Abweichung einer Ist-Fokuslage von einer Soll-Fokuslage, eine Bearbeitungstiefe, eine Einschweißtiefe, eine Schweißbadgeometrie, eine Schweißnahtbreite, und eine Bearbeitungsgeschwindigkeit. Die Prozessdaten können die tatsächlichen Geschwindigkeiten der Scannerachsen der Auslenkeinheit, gemessene Positionen am Werkstück und Informationen aus der Firmware umfassen. Das Verfahren kann ferner Anpassen der Steuerungsdaten zur Minimierung der Bearbeitungszeit basierend auf den erfassten Prozessdaten umfassen (L3b). Das Anpassen der Steuerungsdaten kann während des Laserbearbeitungsprozesses und wiederholt durchgeführt werden. Somit können während des Laserbearbeitungsprozesses Informationen aus dem Laserbearbeitungssystem an die Steuerungseinrichtung übergeben werden, welche während des Laserbearbeitungsprozesses, insbesondere während einer laufenden Produktion, zu einer automatischen Modifikation des Bearbeitungsprogramms genutzt werden können.
Gemäß Ausführungsformen umfasst das Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses ferner das Aufteilen einer Werkstückoberfläche in mehrere Teilbereiche, das Aufteilen des Bearbeitungspfades in mehrere Teilpfade, und das Durchführen der zuvor mit Bezug auf 4 beschriebenen Schritte O1 bis O3 separat für jeden der mehreren Teilpfade. Wie mit Bezug auf 6 veranschaulicht, wurde die Oberfläche des Werkstücks 12 aufgeteilt in einen ersten Teilbereich 12a und einen zweiten Teilbereich 12b. Die Aufteilung der Werkstückoberfläche in den ersten und zweiten Teilbereich 12a und 12b kann beispielsweise auf einer Beschaffenheit oder einer Topographie der Werkstückoberfläche beruhen. Der Bearbeitungspfad 27 für den vorgegeben Laserbearbeitungsprozess liegt in beiden Teilbereichen 12a und 12b und wurde entsprechend aufgeteilt in einen ersten Teilpfad 27a und einen zweiten Teilpfad 27b. Der Bearbeitungspfadabschnitt A2 liegt in beiden Teilbereichen 12a und 12b und wurde entsprechend aufgeteilt in einen Teilabschnitt A2a und A2b. Demnach umfasst der erste Teilpfad 27a den Bearbeitungspfadabschnitt A1 und den Teilabschnitt A2a des Bearbeitungspfadabschnitts A2 und der zweite Teilpfad 27a umfasst den Teilabschnitt A2b des Bearbeitungspfadabschnitts A2 und die Bearbeitungspfadabschnitte A3 bis A6. Gemäß Ausführungsformen kann das Aufteilen der Oberfläche des Werkstücks in Teilbereiche so erfolgen, dass die in den Teilbereichen enthaltenen Teilpfade des Bearbeitungspfads im Wesentlichen dieselbe Länge aufweisen.
Das Aufteilen der Werkstückoberfläche in mehrere Teilbereiche und des Bearbeitungspfades in mehrere Teilpfade und das Bestimmen von Steuerungsparametern kann dazu dienen, das Verfahren zum Optimieren der Bearbeitungszeit einfacher und schneller durchzuführen, da das Optimierungsproblem zum Optimieren der Bearbeitungszeit für die gesamte Werkstückoberfläche in kleinere Optimierungsprobleme zum Minimieren der Prozesszeit für die jeweiligen Teilbereiche unterteilt wird.
Wenn sich der Bearbeitungspfad, die Bearbeitungspfadabschnitte und/oder die Randbedingungen in einem der Teilbereiche der Werkstückoberfläche ändern, muss das Optimierungsverfahren lediglich für diesen Teilbereich erneut durchgeführt werden, aber nicht auch für die anderen Teilbereiche. Somit kann eine Zeitdauer zum Durchführen des Optimierungsverfahren verkürzt und eine Rechenzeit der Steuereinrichtung zum Durchführen des Optimierungsverfahrens reduziert werden.
Gemäß Ausführungsformen des Verfahrens zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses umfasst das Vorgeben von einer Randbedingung für einen Bearbeitungspfadabschnitt des Bearbeitungspfads das Vorgeben eines Bereichs oder Fensters für den Bearbeitungspfadabschnitt auf dem Werkstück. In diesem Fall kann eine Lage, Position, Orientierung und/oder Form des Bearbeitungspfadabschnitts beim Bestimmen der Steuerungsdaten so modifiziert werden, dass die Bearbeitungszeit minimal ist. Dies ist mit Bezug auf 7 für den Bearbeitungspfadabschnitt A3 veranschaulicht. Der Bearbeitungspfadabschnitt A3 verläuft entlang der x-Richtung. Allerdings ist für den Abschnitt A3 ein Bereich B definiert, innerhalb dessen der Abschnitt A3 zum Optimieren der Bearbeitungszeit modifiziert werden kann. Wie beispielhaft gezeigt, hat das Optimierungsverfahren gemäß Ausführungsformen den modifizierten Abschnitt A3' bestimmt. Der modifizierte Abschnitt A3' ist gegenüber dem Abschnitt A3 entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht. Damit kann der Verfahrweg 30 des Laserstrahls zwischen dem unteren Ende des Abschnitts A2 und dem oberen Ende von Abschnitt A4 verkürzt und eine insgesamt kürzere Bearbeitungszeit erreicht werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück betrifft das Bestimmen von Steuerungsdaten für ein den Laserbearbeitungsprozess durchführendes Laserbearbeitungssystem, sodass die Bearbeitungszeit minimal ist, wobei der gesamte Bearbeitungspfad des Laserbearbeitungsprozesses und alle prozesstechnisch relevanten Randbedingungen des Laserbearbeitungsprozesses berücksichtigt werden können. Ferner können individuelle Maschinenparameter eines Laserbearbeitungssystems berücksichtigt werden. Dadurch wird die Erstellung von Bearbeitungsprogrammen für die Steuerungssoftware von Laserbearbeitungssystemen, insbesondere mit Laserscannern, deutlich vereinfacht. Zudem kann das Bearbeitungsprogramm bei Veränderung einzelner Randbedingungen mit minimalem Aufwand angepasst werden, wobei der Einfluss auf die Bearbeitungszeit automatisch minimiert wird. Ferner wird eine automatische Optimierung während einer Serienfertigung ermöglicht.

Claims

Verfahren zum Optimieren einer Bearbeitungszeit eines Laserbearbeitungsprozesses, umfassend: - Vorgeben (O1) eines Bearbeitungspfades (27) des Laserbearbeitungsprozesses auf einem Werkstück (12), wobei der Bearbeitungspfad (27) mehrere Bearbeitungspfadabschnitte (A1-A6) umfasst, - Vorgeben (O2) von zumindest einer Randbedingung für zumindest einen der Bearbeitungspfadabschnitte (A1-A6); und - Bestimmen von Steuerungsdaten für den Bearbeitungspfad (27) des Laserbearbeitungsprozesses unter Berücksichtigung der zumindest einen Randbedingung, sodass eine Bearbeitungszeit des Laserbearbeitungsprozesses minimal ist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Steuerungsdaten eine Bearbeitungsreihenfolge und/oder eine Bearbeitungsrichtung der zu bearbeitenden Bearbeitungspfadabschnitte (A1-A7) des Bearbeitungspfads (27) umfassen.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerungsdaten Steuerbefehle für eine Auslenkeinheit (24) eines den Laserbearbeitungsprozess durchführenden Laserbearbeitungssystems (10) und/oder für eine Laserquelle (16) des Laserbearbeitungssystems (10) umfassen.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Randbedingung einen vorgegebenen Wert, einen vorgegebenen Bereich und/oder einen vorgegebenen Verlauf für einen Parameter umfasst.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei ein vorgegebener Wert oder ein vorgegebener Bereich eines ersten Parameters von einem vorgegebenen Wert oder einem vorgegebenen Bereich eines zweiten Parameters abhängig ist.
Verfahren gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei beim Bestimmen von Steuerungsdaten ein Wert des Parameters innerhalb des durch die Randbedingung vorgegebenen Bereichs bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Randbedingung für den zumindest einen Bearbeitungspfadabschnitt zumindest eine der folgenden Randbedingungen umfasst: einen Startpunkt und/oder einen Endpunkt für den Laserbearbeitungsprozess und/oder für zumindest einen der Bearbeitungspfadabschnitte (A1-A7), eine Bearbeitungsreihenfolge für zumindest zwei der Bearbeitungspfadabschnitte (A1-A7), eine Lage des Bearbeitungspfadabschnitts (A1-A7), eine Abkühlzeit für einen bearbeiteten Bearbeitungspfadabschnitt (A1-A7), eine Abkühlzeit für eine entlang eines der Bearbeitungspfadabschnitte (A1-A7) hergestellte Schweißnaht oder Schnittkante, eine Bearbeitungsrichtung, eine Laserleistung, eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Streckenenergie, eine Stoßart zweier miteinander zu verschweißender Werkstücke (12), eine Geometrie einer Schweißnaht, eine Fokuslage eines Laserstrahls (14), und einen Abstand einer Laserbearbeitungsvorrichtung (18) des Laserbearbeitungssystems (10) von dem Werkstück (12).
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest eine Randbedingung einen Bereich auf der Werkstückoberfläche für die Lage des zumindest einen Bearbeitungspfadabschnitts (A1-A7) festlegt, und wobei beim Bestimmen der Steuerungsdaten eine angepasste Lage des Bearbeitungspfadabschnitts (A1-A7) innerhalb des Bereichs festgelegt wird, um dadurch die Bearbeitungszeit zu minimieren.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen von Steuerungsdaten für den Laserbearbeitungsprozess unter Verwendung eines Optimierungsalgorithmus, eines linearen Optimierungsalgorithmus, eines nichtlinearen Optimierungsalgorithmus, eines Simplex-Algorithmus, eines Traveling-Salesman-Algorithmus, und/oder eines Newton-Raphson-Algorithmus erfolgt.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: - Aufteilen einer Oberfläche des Werkstücks (12) in mehrere Teilbereiche (12a, 12b) und Aufteilen des Bearbeitungspfades (27) entsprechend der Teilbereiche (12a, 12b) in mehrere Teilpfade (27a, 27b), und - Durchführen der Schritte separat für jeden der mehreren Teilpfade (27a, 27b).
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Bearbeitungspfad (27) und/oder die zumindest eine Randbedingung über eine Benutzerschnittstelle eingegeben wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Bestimmen der Steuerungsdaten zum Minimieren der Bearbeitungszeit ferner unter Berücksichtigung von zumindest einem Maschinenparameter des den Laserbearbeitungsprozess durchführenden Laserbearbeitungssystems (10) erfolgt, wobei der zumindest eine Maschinenparameter einen der folgenden umfasst: eine Verzögerungszeit einer Laserquelle (16), eine Verzögerungszeit einer Auslenkeinheit (24), und eine Rayleighlänge des Laserstrahls (14).
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend: - Bestimmen von zumindest einem Maschinenparameter des den Laserbearbeitungsprozess durchführenden Laserbearbeitungssystems (10), wobei der zumindest eine Maschinenparameter einen der folgenden umfasst: eine Verzögerungszeit einer Laserquelle (16), eine Verzögerungszeit einer Auslenkeinheit (24), und eine Rayleighlänge des Laserstrahls (14).
Verfahren zum Durchführen eines Laserbearbeitungsprozesses an einem Werkstück, umfassend: - Durchführen (L1, L2) des Verfahrens zum Optimieren der Bearbeitungszeit gemäß einem der vorstehenden Ansprüche; und - Durchführen (L3) des Laserbearbeitungsprozesses basierend auf den Steuerungsdaten; - Erfassen (L3a) von Prozessdaten während des Laserbearbeitungsprozesses, und - Anpassen (L3b) der Steuerungsdaten zur Minimierung der Bearbeitungszeit basierend auf den erfassten Prozessdaten.
Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei die Prozessdaten Daten über zumindest einen der folgenden Parameter umfassen: eine Fokuslage, eine Abweichung einer Ist-Fokuslage von einer Soll-Fokuslage, eine Bearbeitungstiefe, eine Einschweißtiefe, eine Schweißbadgeometrie, eine Schweißnahtbreite, und eine Bearbeitungsgeschwindigkeit.
Laserbearbeitungssystem, umfassend: - zumindest eine Laserquelle (16) zum Erzeugen eines Laserstrahls (14), - zumindest eine Laserbearbeitungsvorrichtung (18) zum Einstrahlen des Laserstrahls (14) auf ein Werkstück (12), - zumindest eine Auslenkeinheit (24) zum Auslenken des Laserstrahls (14) auf dem Werkstück (12) entlang eines Bearbeitungspfads (27), wobei das Laserbearbeitungssystem (10) eingerichtet ist, um ein Verfahren gemäß einem der vorausgehenden Ansprüche durchzuführen.