DE102018218006A1

DE102018218006A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung eines Schneidprozesses

Info

Publication number: DE102018218006A1
Application number: DE102018218006.7A
Authority: DE
Inventors: Winfried Magg; David Schindhelm; Steffen Kessler
Original assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Current assignee: Trumpf Werkzeugmaschinen SE and Co KG
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2020-04-23
Also published as: US20210387280A1; JP2022517169A; CN112912199A; EP3870386A1; WO2020083884A1; CN112912199B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück, umfassend: Fokussieren eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, auf das Werkstück, Erfassen eines zu überwachenden Bereichs (21) des Werkstücks, der einen Wechselwirkungsbereich (22) des Bearbeitungsstrahls mit dem Werkstück umfasst, sowie Ermitteln mindestens einer charakteristischen Kenngröße (L) des Schneidprozesses, insbesondere einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge (24), anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs (22). Erfindungsgemäß wird bei einem Schmelzschneidprozess anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs (22) als charakteristische Kenngröße eine Schneidfrontlänge (L) einer an der Schnittfuge (24) gebildeten Schneidfront ermittelt. Die Erfindung betrifft auch eine zugehörige Vorrichtung zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück (2).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück, umfassend: Fokussieren eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, auf das Werkstück, Erfassen eines zu überwachenden Bereichs des Werkstücks, der einen Wechselwirkungsbereich des Bearbeitungsstrahls mit dem Werkstück umfasst, sowie Ermitteln mindestens einer charakteristischen Kenngröße des Schneidprozesses, insbesondere einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück, umfassend: eine Fokussiereinrichtung zur Fokussierung eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, auf das Werkstück, eine Bilderfassungseinrichtung zur Erfassung eines zu überwachenden Bereichs an dem Werkstück, der einen Wechselwirkungsbereich des Bearbeitungsstrahls mit dem Werkstück umfasst, sowie eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs mindestens eine charakteristische Kenngröße des Schneidprozesses, insbesondere der Schnittfuge, zu ermitteln.
Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Überwachung eines Laserschneidprozesses, die zur Erfassung von charakteristischen Kenngrößen eines Laserschneidprozesses, beispielsweise eines bevorstehenden Schnittabrisses, dienen kann, ist aus der WO 2012/107331 A1 der Anmelderin bekannt geworden. Ein drohender Schnittabriss wird dort beim Unterschreiten einer vorgegebenen Spaltbreite des Schnittspalts erkannt. Alternativ oder zusätzlich wird die Fläche der beobachteten Schneidfront mit einer Referenzfläche verglichen, welche der Fläche der Schneidfront bei einem Gutschnitt bzw. Qualitätsschnitt entspricht. Ein Schnittabriss kann auch detektiert werden, falls die von der Referenzfläche emittierte Strahlungsintensität einen Grenzwert für die Soll-Helligkeit bei einem Normalschnitt überschreitet.
In der WO 2012/107331 A1 wird außerdem vorgeschlagen, eine Schneidfrontoberkante und eine Schneidfrontunterkante als Materialbegrenzungen des Werkstücks zu detektieren und daraus unter Berücksichtigung der Dicke des Werkstücks den Schneidfrontwinkel des Laserschneidprozesses zu ermitteln. Weicht der Schneidfrontwinkel von einem Sollwert bzw. einem Sollbereich ab, kann dies auf einen Schneidfehler oder einen nicht optimalen Arbeitspunkt hindeuten, der durch geeignete Maßnahmen, z.B. durch eine Anpassung der Schnittgeschwindigkeit, korrigiert werden kann.
Generelle Ursache für einen Schnittabriss ist eine unzureichende Energieeinbringung in das Werkstück. Die zu geringe Streckenenergie führt zu einer Abflachung der Schneidfront, d.h. zu einer Vergrößerung des Schneidfrontwinkels, wodurch die Schmelze an der Schnittunterkante nicht mehr vollständig ausgetrieben werden kann und in der Schnittfuge erstarrt. Der Verschluss der Schnittunterkante führt zu Prozessunregelmäßigkeiten, die i.d.R. einen Trennschnitt dauerhaft verhindern. Der Schneidfrontwinkel, der eine charakteristische Kenngröße des Schnittspalts darstellt, ist daher ein Indikator für einen drohenden Schnittabriss.
Bei der koaxialen Prozessbeobachtung durch die Schneiddüse hindurch besteht bei der Beobachtung von Materialbegrenzungen das Problem, dass der Beobachtungsbereich durch die in der Regel kreisförmige Innenkontur der Schneiddüse begrenzt ist. Insbesondere bei Brennschneidprozessen werden kleine Düsendurchmesser eingesetzt, so dass die Schneidfrontunterkante auch bei einem Gutschnitt außerhalb des durch die Düsenmündung begrenzten Beobachtungsbereichs liegt und der Schneidfrontwinkel nicht zuverlässig bestimmt werden kann.
Zur Lösung dieses Problems wird in der WO2015036140A1 der Anmelderin vorgeschlagen, aus einem Helligkeits- bzw. Intensitätswert, der aus einem bei schleppender Beobachtung unter einem Winkel zur Strahlachse des Laserstrahls aufgenommenen Bild des Wechselwirkungsbereichs bestimmt wird, Rückschlüsse auf den Schneidfrontwinkel als charakteristische Kenngröße des Schneidprozesses zu ziehen. Durch einen Vergleich des Intensitätswerts mit einem Schwellwert kann auf eine Überschreitung eines kritischen Werts des Schneidfrontwinkels geschlossen werden, bei dem kein Gutschnitt mehr vorliegt.
Aus der WO2016181359A1 ist es bekannt geworden, mit einer versetzt zur Laserstrahlachse angeordneten Kamera das obere und untere Ende der Schneidfront zu detektieren, wobei die Beobachtungsrichtung der Kamera entgegen der Schneidrichtung nach hinten in den Schnittspalt gerichtet ist, so dass das untere Ende der Schneidfront detektiert werden kann. Aus den Kamerabildern wird ein Schneidfrontnachlauf bestimmt, der auf einen bestimmten Sollwert geregelt werden kann.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses bereitzustellen, die eine zuverlässige Ermittlung einer charakteristischen Kenngröße des Schneidprozesses, insbesondere einer charakteristischen Kenngröße einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge, und/oder eine vorteilhafte Regelung des Schneidprozesses ermöglichen.
Gegenstand der Erfindung
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass bei einem Schmelzschneidprozess anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs als charakteristische Kenngröße eine Schneidfrontlänge einer an der Schnittfuge gebildeten Schneidfront ermittelt wird.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine Ermittlung der Schneidfrontlänge als charakteristischer Kenngröße eines Schmelzschneidprozesses sowie ggf. als Regelgröße für den Schmelzschneidprozess durch die Detektion der Länge einer Leuchterscheinung aus der Prozesszone bzw. dem Wechselwirkungsbereich des Bearbeitungsstrahls mit dem Werkstück möglich ist. Typischerweise wird zu diesem Zweck ein Wärmebild des zu überwachenden Bereichs bzw. des Wechselwirkungsbereichs aufgenommen, d.h. es wird das Eigenleuchten des Schmelzschneidprozesses z.B. bei Wellenlängen im NIR/IR-Wellenlängenbereich erfasst bzw. beobachtet, es ist aber ggf. auch eine Beobachtung bei anderen Wellenlängen möglich, z.B. im UV-Wellenlängenbereich.
Bei einer Variante erfolgt das Erfassen des zu überwachenden Bereichs mittels eines im Wesentlichen koaxial zu einer Strahlachse des Bearbeitungsstrahls verlaufenden Beobachtungsstrahlengangs. Unter einem im Wesentlichen koaxial verlaufenden Beobachtungsstrahlengang wird verstanden, dass der Beobachtungsstrahlengang koaxial bzw. parallel zur Strahlachse oder unter einem (kleinen) Winkel zur Strahlachse des Bearbeitungsstrahls von weniger als 5° verläuft. Es hat sich gezeigt, dass die Detektion der Leuchterscheinung mittels eines Beobachtungsstrahlengangs, der Wesentlichen koaxial zur Strahlachse des Bearbeitungsstrahls verläuft, durch eine koaxiale kamerabasierte Prozessbeobachtung systemtechnisch einfacher umzusetzen ist als eine off-axis-Anordnung eines ortsauflösenden Detektors, beispielsweise einer Kamera.
Bevorzugt erfolgt das Erfassen des zu überwachenden Bereichs durch eine Düsenöffnung einer Bearbeitungsdüse zum Durchtritt des Bearbeitungsstrahls auf das Werkstück hindurch. Durch eine bildgebende Sensorik mit senkrechtem oder quasi-senkrechtem (< 5° Winkel zur Strahlachse des Bearbeitungsstrahls bzw. des Laserstrahls) Blick durch die Bearbeitungsdüse wird die heiße Schneidfront als Prozessleuchten abgebildet, deren Länge gemessen und auf deren (Soll-)Länge ggf. der Schneidprozess geregelt werden kann (s.u.).
Bei einer Weiterbildung weist eine Düsenöffnung der Bearbeitungsdüse, durch die ein Schneidgasstrahl aus der Bearbeitungsdüse austritt, eine maximale Erstreckung von mindestens 7 mm, bevorzugt zwischen 7 mm und 12 mm, auf. Eine Bearbeitungsdüse mit einer vergleichsweise großen Düsenöffnung ist für eine geregelte Prozessführung des Schmelzschneidprozess vorteilhaft, wie weiter unten näher beschrieben wird.
Unter der maximalen Erstreckung wird bei einer Bearbeitungsdüse mit einem kreisförmigen Querschnitt der Durchmesser der Düsenöffnung verstanden. Bei einer anderen Querschnittsgeometrie der Düse wird unter der maximalen Erstreckung die längste Düsenachse der Düsenöffnung verstanden. Bei einer Düsenöffnung mit elliptischem Querschnitt handelt es sich bei der maximalen Erstreckung beispielsweise um die Länge der langen Düsenachse. Die maximale Erstreckung der Düsenöffnung wird an der dem Werkstück zugewandten Seite der Düse gemessen.
Bei einer weiteren Variante wird der Schmelzschneidprozess mit einem Schneidgasdruck von weniger als 10 bar, bevorzugt von mehr als 1 bar und weniger als 10 bar, besonders bevorzugt von mindestens 2 bar und weniger als 6 bar, durchgeführt. Das Schneidgas tritt gemeinsam mit dem Bearbeitungsstrahl aus der Düsenöffnung der Bearbeitungsdüse aus und weist beim Austritt aus der Düsenöffnung die angegebenen Werte für den Schneidgasdruck auf. Bei dem für den Schmelzschneidprozess verwendeten Schneidgas handelt es sich meistens um ein Inertgas, beispielsweise um Stickstoff, es sind aber beispielsweise auch Gasmischungen mit einem gewissen Sauerstoffanteil einsetzbar.
Wie in der DE102016215019A1 der Anmelderin beschrieben ist, kann bei vergleichsweise geringen Schneidgasdrücken in Kombination mit vergleichsweise großen Düsenöffnungen für den Schneidgasstrahl, die eine gute Überdeckung der Schnittfuge ermöglichen, mit deutlich höheren Vorschubgeschwindigkeiten eine gute Kantenqualität erreicht werden als bei bisher üblichen Schmelzschnitt-Hochdruckprozessen mit Schneidgasdrücken von 10 bis 25 bar.
Bei einer weiteren Variante wird der Schmelzschneidprozess bei einer Schneidgeschwindigkeit durchgeführt, die mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% einer Schnittabriss-Geschwindigkeit beträgt. Die Schneidgeschwindigkeit des Schmelzschneidprozesses liegt somit um weniger als 20%, bevorzugt um weniger als 10% unterhalb der Schnittabriss-Geschwindigkeit. Die Schnittqualität bleibt bis zur Schnittabrissgrenze gut, so dass mit Vorschubgeschwindigkeiten nahe an der Schnittabrissgrenze geschnitten werden kann. Bei bisher üblichen Schmelzschneidprozessen (Standardprozessen) mit Düsen mit kleinen Durchmessern und mit hohem Schneidgasdruck konnte hingegen der Vorschubbereich bis zur Schnittabrissgrenze nicht voll ausgenutzt werden, da die Qualität der Schnittkante sich zu stark verschlechterte. Die Schnittabriss-Geschwindigkeit, d.h. diejenige Geschwindigkeit, bei welcher es zu einem Schnittabriss kommt, kann für unterschiedliche Werkstückmaterialien, Werkstückdicken und Laserleistungen vorab in Messreihen (experimentell) bestimmt werden.
Bei einer Variante wird die Schneidfrontlänge aus einem Bild des Wechselwirkungsbereichs als Länge zwischen zwei Punkten entlang eines in Schneidrichtung verlaufenden Profilschnitts des Wechselwirkungsbereichs bestimmt, an denen bevorzugt ein Helligkeitsschwellwert bzw. ein Intensitätsschwellwert unterschritten wird. Entlang der Länge in Schneidrichtung zwischen den beiden Punkten, welche das vordere Ende bzw. das hintere Ende des Wechselwirkungsbereichs bilden, ist die Helligkeit der Leuchterscheinung in dem Bild somit größer als der Helligkeitsschwellwert. Der Helligkeits- bzw. Intensitätsschwellwert kann beispielsweise relativ zu einem Referenzwert der Helligkeit bzw. Intensität in dem Bild festgelegt werden. Als Referenzwert, auf den die jeweils gemessene Intensität bezogen bzw. kalibriert wird, kann beispielsweise ein maximaler Intensitätswert innerhalb des Bildes dienen. Außerdem kann eine Kalibrierung der Bilderfassungseinrichtung in einem Referenz-Schneidprozess mit Referenz-Schneidparametern und/oder durch Vergleich der Intensitäts-Messwerte mit denen einer Referenz-Bilderfassungseinrichtung durchgeführt werden. Der Profilschnitt, dessen Länge zur Bestimmung der Schneidfrontlänge herangezogen wird, verläuft in der Regel mittig innerhalb der Schnittfuge.
Bei einer weiteren Variante umfasst das Verfahren: Regeln der Schneidfrontlänge auf eine vorgegebene Soll-Länge durch Beeinflussen mindestens eines Stellparameters des Schneidprozesses. Im Sinne dieser Anmeldung wird unter einer Regelung auf eine vorgegebene Soll-Länge verstanden, dass eine Regelung auf eine konstante Soll-Länge erfolgt oder dass verhindert wird, dass die vorgegebene Soll-Länge überschritten wird, d.h. die Regelung verhindert ein Überschreiten der Soll-Länge.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Schneidfrontlänge sich für eine Regelung besonders bei Schneidgeschwindigkeiten in der Nähe der Schnittabriss-Geschwindigkeit eignet: Bei den bisherigen Standardprozessen zum Schmelzschneiden liegen die Schneidgeschwindigkeiten hingegen etwa 20-40% unterhalb der Vorschübe, die bei den oben angegebenen Bedingungen hinsichtlich des Schneidgasdrucks und des Durchmessers der Düsenöffnung erreicht werden. Bei den geringeren Schneidgeschwindigkeiten, die bei Standardprozessen verwendet werden, ändert sich die Länge der Leuchterscheinung bzw. die Schneidfrontlänge mit geeigneten Stellparametern des Schneidprozesses, welche den Energieeintrag in das Werkstück beeinflussen, z.B. mit der Schneidgeschwindigkeit (Vorschub) oder mit der Laserleistung, nur geringfügig, so dass bei Standardprozessen die Prozessregelung mit Hilfe dieser Stellgröße(n) bzw. Stellparametern nicht vorteilhaft ist.
Bei einer Weiterbildung wird/werden als Stellparameter zur Regelung der Schneidfrontlänge die Schneidgeschwindigkeit zwischen dem Bearbeitungsstrahl und dem Werkstück (Vorschub) und/oder die Leistung des Bearbeitungsstrahls beeinflusst. Der Anstieg der Schneidfrontlänge bei zunehmendem Vorschub wird mit steigendem Vorschub immer ausgeprägter, so dass eine Vorschubregelung (und entsprechend auch eine Regelung der Leistung des Bearbeitungsstrahls) insbesondere bei den weiter oben beschriebenen hohen Schneidgeschwindigkeiten möglich wird, die mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% der Schnittabriss-Geschwindigkeit betragen.
Bei diesen hohen Schneidgeschwindigkeiten haben einerseits sich ändernde Einflussgrößen wie beispielsweise die Verschmutzung eines Schutzglases oder die Erwärmung der optischen Elemente im Bearbeitungskopf einen größeren Einfluss auf das Prozessergebnis: Es tritt eher ein Schnittabriss auf als bei bisherigen Standardprozessen mit höherem Schneidgasdruck, da der Schneidprozess näher an der Schnittabrissgrenze erfolgt. Andererseits lässt sich bei diesen Prozessbedingungen die deutliche Änderung der gemessenen Länge der Leuchterscheinung bzw. der Schneidfrontlänge in Abhängigkeit von der Schneidgeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit) und/oder der Laserleistung als gute Regelgröße unter Verwendung der Vorschubgeschwindigkeit und/oder der Leistung des Bearbeitungsstrahls als Stellgröße(n) bzw. als Stellparameter nutzen. Über eine Änderung der Vorschubgeschwindigkeit oder der Laserleistung lässt sich ein Schnittabriss auf einfache Art verhindern, d.h. der Schmelzschneidprozess schnell genug wieder mit hinreichendem Abstand zum Schnittabriss geführt werden, was die Robustheit des Prozesses unter Störeinflüssen gewährleistet.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei welcher die Auswerteeinrichtung ausgebildet bzw. programmiert/konfiguriert ist, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs eine Schneidfrontlänge einer an der Schnittfuge gebildeten Schneidfront als charakteristische Kenngröße zu ermitteln. Zu diesem Zweck kann die Auswerteeinrichtung ein Bild des zu überwachenden Bereichs, der den Wechselwirkungsbereich enthält und der z.B. durch eine Düsenöffnung einer Bearbeitungsdüse aufgenommen wurde, auswerten, um die Länge einer Leuchterscheinung in Schneidrichtung zu ermitteln, die der Schneidfrontlänge entspricht.
Bei einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Regeleinrichtung zur Regelung der Schneidfrontlänge auf eine vorgegebene Soll-Länge durch Beeinflussen mindestens eines Stellparameters des Schneidprozesses. Der Stellparameter beeinflusst den Energieeintrag in das Werkstück. Die Regelung des Prozesses kann insbesondere durch Änderung der Schneidgeschwindigkeit und/oder der Laserleistung erfolgen, und zwar derart, dass die von der Auswerteeinrichtung ermittelte Schneidfrontlänge der Soll-Länge entspricht bzw. die Soll-Länge nicht überschreitet.
Bei einer Weiterbildung ist die Regeleinrichtung ausgebildet bzw. programmiert/konfiguriert, die Schneidfrontlänge auf eine Soll-Länge zu regeln, bei der die Schneidgeschwindigkeit mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% einer Schnittabriss-Geschwindigkeit beträgt. Wie weiter oben beschrieben wurde, kann die Regelung der Schneidfrontlänge auf die Soll-Länge mit der Schneidgeschwindigkeit als Stellparameter erfolgen, sofern sich die Schneidfrontlänge ausreichend stark in Abhängigkeit von der Schneidgeschwindigkeit verändert, was insbesondere bei hohen Schneidgeschwindigkeiten dicht unterhalb der Schnittabriss-Geschwindigkeit der Fall ist.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Überwachung und zur Regelung eines Lasersch neid prozesses,
2 eine Darstellung eines mit einer Bilderfassungseinheit aufgenommenen Bildes eines zu überwachenden Bereichs des Werkstücks, anhand dessen eine Schneidfrontlänge als charakteristische Kenngröße des Schneidprozesses ermittelt wird, sowie
3 eine Darstellung der Schneidfrontlänge in Abhängigkeit vom Verhältnis der Schneidgeschwindigkeit zu einer Schnittabriss-Geschwindigkeit.

In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt einen beispielhaften Aufbau einer Vorrichtung 1 zur Prozessüberwachung und -regelung eines Laserschmelzschneidprozesses an einem plattenförmigen Werkstück 2 mittels einer Laserbearbeitungsanlage, von der in 1 nur eine Bearbeitungseinheit 3 (Teil eines Laser-Bearbeitungskopfes) mit einer Fokussierlinse 4 zur Fokussierung eines CO2-, Festkörper oder Dioden-Laserstrahls 5 der Laserbearbeitungsanlage, einer Bearbeitungsdüse 6 sowie mit einem Umlenkspiegel 7 dargestellt ist. Im vorliegenden Fall ist der Umlenkspiegel 7 teildurchlässig ausgebildet und bildet daher ein eintrittsseitiges Bauteil der Vorrichtung 1 zur Prozessüberwachung. Die Vorrichtung 1 zur Prozessüberwachung ist wie die Bearbeitungseinheit 3 Teil des Laser-Bearbeitungskopfes.
Der Umlenkspiegel 7 reflektiert den einfallenden Laserstrahl 5 und transmittiert die für die Prozessüberwachung relevante, vom Werkstück 2 reflektierte sowie von der Wechselwirkungszone emittierte Prozessstrahlung in einem Wellenlängebereich, der im vorliegenden Beispiel zwischen ca. 550 nm und 2000 nm liegt. Alternativ zum teildurchlässigen Umlenkspiegel 7 kann auch ein Scraperspiegel oder ein Lochspiegel eingesetzt werden, um die Prozessstrahlung einem Beobachtungsstrahlengang 8 zuzuführen. Allerdings führt die Verwendung eines Scraper-Spiegels typischer Weise zum Ausblenden eines Teils der Prozessstrahlung sowie zur Begrenzung des Rohstrahldurchmessers. Die Verwendung eines Lochspiegels führt in der Regel zu Beugungseffekten der Prozessstrahlung sowie zu einer starken Beeinflussung der Laserstrahlung.
In der Vorrichtung 1 ist hinter dem teildurchlässigen Spiegel 7 ein weiterer Umlenkspiegel 9 angeordnet, welcher die Prozessstrahlung auf eine geometrisch hochauflösende Kamera 10 als Bilderfassungseinheit umlenkt. Bei der Kamera 10 kann es sich um eine Hochgeschwindigkeitskamera handeln, die koaxial zur Laserstrahlachse 11 bzw. zur Verlängerung 11a der Laserstrahlachse 11 und somit richtungsunabhängig angeordnet ist. Entsprechend verläuft auch der Beobachtungsstrahlengang 8 im gezeigten Beispiel koaxial zur Laserstrahlachse 11 bzw. zu deren Verlängerung 11a. Prinzipiell ergibt sich die Möglichkeit der Aufnahme des Bildes durch die Kamera 10 im Auflichtverfahren, d.h. im VIS-Wellenlängebereich, ggf. auch im NIR-Wellenlängenbereich, sofern eine zusätzliche Beleuchtungsquelle 15 vorgesehen ist, die im NIR-Bereich strahlt und über einen weiteren teildurchlässigen Spiegel 16 Beleuchtungsstrahlung 17 koaxial zur Laserstrahlachse 11 in den Strahlengang einkoppelt. Als zusätzliche Beleuchtungsquelle 15 können Laserdioden, bspw. mit einer Wellenlänge von 658 nm, oder Diodenlaser, bspw. mit einer Wellenlänge von 808 nm, vorgesehen werden, die wie in 1 gezeigt koaxial, aber auch off-axis zur Laserstrahlachse 11 angeordnet werden können. Alternativ ist die die Aufnahme des Prozesseigenleuchtens in den Wellenlängenbereichen UV und NIR/IR ohne Zusatzbeleuchtung möglich.
Für eine verbesserte Abbildung ist im vorliegenden Beispiel zwischen dem teildurchlässigen Spiegel 7 und der Kamera 10 ein in 1 als Linse dargestelltes abbildendes, fokussierendes optisches System 12 vorgesehen, welches die für die Prozessüberwachung relevante Strahlung auf die Kamera 10 fokussiert. Durch eine asphärische Ausbildung des abbildenden optischen Systems bzw. der Linse 12 zur Fokussierung können sphärische Aberrationen bei der Abbildung verhindert oder zumindest verringert werden.
Bei dem in 1 gezeigten Beispiel ist ein Filter 13 vor der Kamera 10 von Vorteil, wenn weitere Strahlungs- bzw. Wellenlängenanteile von der Erfassung mit der Kamera 10 ausgeschlossen werden sollen. Der Filter 13 kann z.B. als schmalbandiger Bandpassfilter mit geringer Halbwertsbreite ausgebildet sein, um chromatische Aberrationen zu vermeiden bzw. zu reduzieren. Die Lage der Kamera 10 sowie des im vorliegenden Beispiel vorhandenen abbildenden optischen Elementes 12 und/oder des Filters 13 entlang der Laserstrahlachse 11 ist über ein dem Fachmann bekanntes, zur Vereinfachung durch einen Doppelpfeil dargestelltes Positioniersystem einstell- sowie bei Bedarf veränderbar.
Die Kamera 10 wird im vorliegenden Beispiel ohne die zusätzliche Beleuchtungsquelle 15 betrieben, d.h. es wird das Eigenleuchten der Prozesszone im NIR/IR-Wellenlängenbereich detektiert. Wie in 2 gezeigt ist, nimmt die Kamera 10 an ihrer Sensorfläche 10a ein hochaufgelöstes Bild 20 eines zu überwachenden Bereichs 21 (Ausschnitt) des Werkstücks 2 auf. Das Bild 20 wird durch die kreisförmige Innenkontur der Düsenöffnung 6a (vgl. 1) der Düse 6 begrenzt, deren Durchmesser D bzw. deren maximale Erstreckung am austrittsseitigen Ende der Düse 6 im gezeigten Beispiel zwischen 7 mm und 12 mm liegt. Bei dem in 1 gezeigten Schneidprozess handelt es sich um einen Schmelzschneidprozess mit Stickstoff als Schneidgas. Der Stickstoff tritt als Schneidgasstrahl 14 mit einem verhältnismäßig niedrigen Schneidgasdruck ps von weniger als ca. 10 bar, bevorzugt von mehr als 1 bar und weniger als 10 bar, idealerweise von mehr als 2 bar und weniger als ca. 6 bar, aus der Düsenöffnung 6a der Bearbeitungsdüse 6 aus.
Die Düse 6 kann alternativ zu dem in 2 gezeigten Beispiel auch als Ringstromdüse mit zwei (üblicherweise konzentrischen) Düsenöffnungen ausgebildet sein: Durch die Öffnung der inneren Düse tritt dann der Laserstrahl 5 aus und durch die äußere Düsenöffnung oder durch die innere und äußere Düsenöffnung der Schneidgasstrahl 14. In diesem Fall weist die äußere Düsenöffnung einen Durchmesser bzw. eine maximale Erstreckung von mindestens 7 mm auf. Die Bildaufnahme der Kamera 10 erfolgt durch die innere Düsenöffnung, so dass das Bild 20 durch die kreisförmige Innenkontur der inneren Düsenöffnung, die einen Durchmesser von beispielsweise 3 mm aufweist, begrenzt wird.
Eine in 1 gezeigte Auswerteeinrichtung 18 dient zur Auswertung des Bildes 20 und insbesondere zur Detektion eines Wechselwirkungsbereichs 22 innerhalb des zu überwachenden Bereichs 21 des Werkstücks 2. Die Auswerteeinrichtung 18 steht mit einer ebenfalls in 1 gezeigten Regeleinrichtung 19 in signaltechnischer Verbindung, welche den Laserschneidprozess steuert bzw. regelt, und zwar in Abhängigkeit von einer durch die Auswerteeinrichtung 18 ermittelten charakteristischen Kenngröße des Laserschneidprozesses, bei der es sich um eine Schneidfrontlänge L einer beim schneidenden Bearbeiten gebildeten Schneidfront 23 (vgl. 1) handelt, an die sich entgegen einer Vorschub- bzw. Schneidrichtung (also in negative X-Richtung) eine Schnittfuge 24 anschließt. Wie in 2 zu erkennen ist, wird die Schneidfrontlänge L zwischen einem Punkt P1 am vorderen Ende des Wechselwirkungsbereichs 22 und einem Punkt P2 am hinteren Ende des Wechselwirkungsbereichs 22 entlang der Vorschub - bzw scheidrichtung gemessen, entlang derer der Laserstrahl 5 mit einer Schneid- bzw. Vorschub-Geschwindigkeit V (vgl. 1) über das Werkstück 2 geführt wird. Im gezeigten Beispiel entspricht die Vorschubrichtung der X-Richtung.
Um die Schneidfrontlänge L zu ermitteln, kann während des Schneidprozesses mit Hilfe der Bilderfassungseinrichtung 10 eine schnelle Bildaufnahme erfolgen, beispielsweise mit einer Frequenz von 100-1000 Hz. Die einzelnen Bilder 20 werden z.B. durch ein Schwellwertverfahren ausgewertet, d.h. es erfolgt eine Binarisierung eines jeweiligen Bildes 20 durch Vergleich der Intensitätswerte der aufgenommenen Leuchterscheinung an den einzelnen Bildpunkten mit einem Schwellwert. Aus dem binarisierten Bild 20 wird die Länge der Leuchterscheinung in Schneidrichtung (X-Richtung) ermittelt, die der Schneidfrontlänge L entspricht. Die Schneidfrontlänge L kann also aus dem Bild 20 z.B. über Helligkeitsschwellwerte Is eines in Schneidrichtung (X-Richtung) verlaufenden Profilschnitts 25 der Leuchterscheinung bestimmt werden, d.h. es kann die Schneidfrontlänge als Länge L zwischen zwei Punkten P1, P2 des Profilschnitts 25 bestimmt werden, an denen ein vorgegebener Helligkeitsschwellwert I_S bzw. vorgegebene Helligkeitsschwellwerte unterschritten werden. Dabei kann eine Kalibrierung der Messwerte der Intensität I auf einen Referenzwert innerhalb des Bildes 20, beispielsweise auf einen maximalen Intensitätswert des Bildes 20, erfolgen. Außerdem kann eine Kalibrierung der Bilderfassungseinrichtung 10 in einem Referenz-Schneidprozess mit Referenz-Schneidparametern sowie durch Vergleich der Messwerte mit denen einer Referenz-Bilderfassungseinrichtung durchgeführt werden.
Weitere relevante Prozessparameter neben dem Schneidgasdruck ps, dem Durchmesser D der Bearbeitungsdüse 6 und der Schneidgeschwindigkeit V sind die Laserleistung P des Laserstrahls 5 bzw. der (nicht bildlich dargestellten) Laserquelle, das Material des Werkstücks 2 sowie die Dicke d des plattenförmigen Werkstücks zwischen einer Oberseite 2a und einer Unterseite 2b des Werkstücks 2.
Der weiter oben beschriebene Schmelzschneidprozess kann beispielsweise mit folgenden Prozessparametern durchgeführt werden:

Baustahl:
- - d = 4 mm, P = 10 kW, V = 20 m/min, ps = 7 bar
- - d = 10 mm, P = 10 kW, V = 5 m/min, ps = 9 bar
Edelstahl:
- - d = 4 mm, P = 10 kW, V = 21 m/min, ps = 6 bar
- - d = 10 mm, P = 10 kW, V = 5,5 m/min, ps = 4 bar
Aluminium:
- - d = 4 mm, P = 10 kW, V = 35 m/min, ps = 8 bar
- - d = 10 mm, P = 10 kW, V = 8 m/min, ps = 9 bar

Bei einem Schmelzschneidprozess, der bei den weiter oben beschriebenen Bedingungen, d.h. bei einem vergleichsweise niedrigem Schneidgasdruck ps und einem großen Durchmesser D der Bearbeitungsdüse 6 durchgeführt wird, kann auch bei hohen Schneidgeschwindigkeiten V eine gute Kantenqualität der Schnittfuge 24 erreicht werden. Die gute Schneidqualität bleibt insbesondere auch bei Schneidgeschwindigkeiten V erhalten, die nahe an der Schnittabriss-Geschwindigkeit Vs liegen, d.h. das Schmelzschneidverfahren kann auch mit hohen Schneidgeschwindigkeiten V durchgeführt werden, die mindestens 80%, bevorzugt bei mindestens 90% einer Schnittabriss-Geschwindigkeit Vs betragen. Die Schnittabriss-Geschwindigkeit Vs kann für ein jeweiliges Werkstück-Material, eine jeweilige Werkstück-Dicke d, eine vorgegebene Laserleistung P sowie einen vorgegebenen Schneidgasdruck ps vorab in Messreihen bestimmt werden. Die entsprechenden Werte für die Schnittabriss-Geschwindigkeit Vs können beispielsweise in Technologietabellen oder dergleichen in einer Speichereinrichtung hinterlegt werden, die in der Auswerteeinrichtung 18 oder an einem anderen Ort angeordnet sein kann.
Bei hohen Schneidgeschwindigkeiten V in der Nähe der Schnittabriss-Geschwindigkeit Vs kommt es eher zu einem Schnittabriss als bei bisherigen Standardprozessen, die bei höherem Schneidgasdruck ps und kleineren Schneidgeschwindigkeiten V durchgeführt werden. Bei einem bevorstehenden Schnittabriss nimmt die Schneidfrontlänge L stark zu, so dass es günstig ist, die Schneidfrontlänge L mit Hilfe der Regelungseinrichtung 19 auf eine vorgegebene, konstante Soll-Länge Ls zu regeln. Um dies zu erreichen, beeinflusst bzw. verändert die Regeleinrichtung 19 mindestens einen Stellparameter des Schneidprozesses, welcher den Energieeintrag in das Werkstück 2 beeinflusst.
3 zeigt die Abhängigkeit der mit Hilfe des Auswerteeinrichtung 18 ermittelten Schneidfrontlänge L von der Schneidgeschwindigkeit V, genauer gesagt vom Verhältnis der Schneidgeschwindigkeit V zur Schnittabriss-Geschwindigkeit Vs, für das Beispiel von Baustahl mit einer Dicke d des Werkstücks 2 von 8 mm. Wie in 3 zu erkennen ist, wird der Anstieg der Schneidfrontlänge L mit steigender Schneidgeschwindigkeit V immer ausgeprägter, so dass eine Regelung der Schneidfrontlänge L mit Hilfe der Schneidgeschwindigkeit V bzw. des Vorschubs als Stellparameter bei hohen Schneidgeschwindigkeiten V, die typischerweise bei mehr als 80% oder bei mehr als 90% der Schnittabriss-Geschwindigkeit Vs liegen, möglich ist.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel liegt die Soll-Länge Ls der Schneidfrontlänge L bei ca. 0,6 mm, was einem Verhältnis der Schneidgeschwindigkeit V zur Schnittabriss-Geschwindigkeit Vs von ca. 95% entspricht. Eine Regelung der Schneidfrontlänge L auf eine vorgegebene Soll-Länge Ls kann alternativ oder zusätzlich auch mit Hilfe der Laserleistung P des Laserstrahls 5 als Stellparameter erfolgen. In beiden Fällen kann durch die Beeinflussung des Energieeintrags der Schmelzschneidprozess mit einem hinreichenden Abstand zum Schnittabriss geführt werden, was die Robustheit des Schmelzschneidprozesses unter Störeinflüssen gewährleistet.
Wird für die Regelung die Schneidgeschwindigkeit V bzw. der Vorschub als Stellparameter verwendet, so kann die Vorschubvorgabe bzw. die Vorschubanpassung ΔV (Änderung der Schneidgeschwindigkeit V) in einem regelmäßigen Takt erfolgen (z.B. 200 Hz). Die Vorschubanpassung ΔV kann beispielsweise aus dem aktuellen Vorschub V, welcher in der Regeleinrichtung 19 bzw. in der Auswerteeinrichtung 18 gespeichert ist, der Soll-Länge Ls, der Differenz Δ L zwischen der von der Auswerteeinrichtung 18 aktuell gemessenen Schneidfrontlänge L und der Soll-Länge Ls und einem (konstanten) Proportionalitätsfaktor f gemäß nachfolgender Formel gebildet werden: $Δ V / V = f * Δ L / Ls .$
Die Regelung der Schneidfrontlänge L auf die Soll-Länge Ls kann anhand der Einzelbilder erfolgen, wenn diese träge genug erfolgt (z.B. mit einem Takt von 200 Hz), so dass ein gutes Regelverhalten ohne Überschwingen erhalten wird. Eine Mittelung der einzelnen mittels der Bilderfassungseinrichtung 10 aufgenommenen Bilder 20 kann die Bildverarbeitung, d.h. die Ermittlung der Schneidfrontlänge L, robuster machen. Für die Mittelung kann beispielsweise ein gleitender, ggf. gewichteter Mittelwert bestimmt werden. Beispielsweise kann die Mittelung erfolgen, indem ein aktuelles Bild und das letzte Mittelwertbild mit einer vorgegebenen Gewichtung zu einem neuen Mittelwertbild kombiniert werden: z.B. 30% aktuelles Bild + 70% altes Mittelwertbild = neues Mittelwertbild.
Auf die oben beschriebene Weise kann der Schmelzschneidprozess nahe der Schnittabriss-Geschwindigkeit Vs durchgeführt werden, d.h. der Vorschubbereich bis zur Schnittabriss-Geschwindigkeit Vs kann nahezu vollständig ausgenutzt werden, ohne dass sich die Qualität der Schnittkanten der Schnittfuge 24 verschlechtert oder dass es zu einem Schnittabriss kommt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/107331 A1 [0002, 0003]
WO 2015036140 A1 [0006]
WO 2016181359 A1 [0007]
DE 102016215019 A1 [0016]

Claims

Verfahren zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück (2), umfassend: Fokussieren eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (5), auf das Werkstück (2), Erfassen eines zu überwachenden Bereichs (21) des Werkstücks (2), der einen Wechselwirkungsbereich (22) des Bearbeitungsstrahls mit dem Werkstück (2) umfasst, sowie Ermitteln mindestens einer charakteristischen Kenngröße (L) des Schneidprozesses, insbesondere einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge (24), anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs (22), dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Schmelzschneidprozess anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs (22) als charakteristische Kenngröße eine Schneidfrontlänge (L) einer an der Schnittfuge (24) gebildeten Schneidfront (23) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Erfassen des zu überwachenden Bereichs (21) mittels eines im Wesentlichen koaxial zu einer Strahlachse (11) des Bearbeitungsstrahls verlaufenden Beobachtungsstrahlengangs (8) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem eine Düsenöffnung (6a) einer Bearbeitungsdüse (6) für den Durchtritt eines Schneidgasstrahls (14) eine maximale Erstreckung (D) von mindestens 7 mm, bevorzugt zwischen 7 mm und 12 mm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schmelzschneidprozess mit einem Schneidgasdruck (ps) von weniger als 10 bar, bevorzugt bei einem Schneidgasdruck (ps) von mehr als 1 bar und weniger als 10 bar, besonders bevorzugt bei einem Schneidgasdruck (ps) von mindestens 2 bar und von weniger als 6 bar durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schmelzschneidprozess bei einer Schneidgeschwindigkeit (V) durchgeführt wird, die mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% einer Schnittabriss-Geschwindigkeit (Vs) beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Schneidfrontlänge aus einem Bild (20) des Wechselwirkungsbereichs (22) als Länge (L) zwischen zwei Punkten (P1, P2) entlang eines in Schneidrichtung (X) verlaufenden Profilschnitts (25) des Wechselwirkungsbereichs (22) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem an den zwei Punkten (P1, P2) ein Helligkeitsschwellwert (Is) unterschritten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: Regeln der Schneidfrontlänge (L) auf eine vorgegebene Soll-Länge (Ls) durch Beeinflussen mindestens eines Stellparameters (V, P) des Schneidprozesses.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem als Stellparameter zur Regelung der Schneidfrontlänge (L) die Schneidgeschwindigkeit (V) zwischen dem Bearbeitungsstrahl und dem Werkstück (2) und/oder die Leistung (P) des Bearbeitungsstrahls beeinflusst wird/werden.
Vorrichtung (1) zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück (2), umfassend: eine Fokussiereinrichtung (4) zur Fokussierung eines Bearbeitungsstrahls, insbesondere eines Laserstrahls (5), auf das Werkstück (2), eine Bilderfassungseinrichtung (10) zur Erfassung eines zu überwachenden Bereichs (21) an dem Werkstück (2), der einen Wechselwirkungsbereich (22) des Bearbeitungsstrahls mit dem Werkstück (2) umfasst, sowie eine Auswerteeinrichtung (18), die ausgebildet ist, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs (22) mindestens eine charakteristische Kenngröße (L) des Schneidprozesses, insbesondere einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge (24), zu ermitteln, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (18) ausgebildet ist, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs (22) als charakteristische Kenngröße eine Schneidfrontlänge (L) einer an der Schnittfuge (24) gebildeten Schneidfront (23) zu ermitteln.
Vorrichtung nach Anspruch 10, weiter umfassend: eine Regeleinrichtung (19) zur Regelung der Schneidfrontlänge (L) auf eine vorgegebene Soll-Länge (Ls) durch Beeinflussen mindestens eines Stellparameters (V, P) des Schneidprozesses.
Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die Regeleinrichtung (19) ausgebildet ist, die Schneidfrontlänge (L) auf eine Soll-Länge (Ls) zu regeln, bei der die Schneidgeschwindigkeit (V) mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% einer Schnittabriss-Geschwindigkeit (Vs) beträgt.