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Title:
METHOD FOR LASER PROCESSING A WORKPIECE USING A LASER BEAM, AND CORRESPONDING LASER PROCESSING MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/158528
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for laser processing a workpiece (4), in particular a plate-shaped workpiece, along a target path (3) using a laser beam (5) of a laser processing machine (1). A laser processing head (9) which orients the laser beam (5) towards the workpiece (4) is moved at least along one drive axis (Y), and a laser processing machine (1) component (11a, 11b) which is not involved in the relative movement between the workpiece (4) and the laser beam (5) emitted from the laser processing head (9), in particular the relative movement between the workpiece (4) and the laser processing head (9), is moved dependent on the position of the laser processing head (9) along the drive axis (Y). According to the invention, low-frequency drive axis target values (YG) are filtered out of drive axis target values (YS) of the laser processing head (9) along the drive axis (Y), and the movement of the machine component (11a, 11b) is controlled using the low-frequency drive axis target values (YG).

Inventors:
OTTNAD JENS (DE)
WOLF DENNIS (DE)
Application Number:
PCT/EP2015/056710
Publication Date:
October 22, 2015
Filing Date:
March 27, 2015
Export Citation:
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Assignee:
TRUMPF WERKZEUGMASCHINEN GMBH (DE)
International Classes:
B23K37/04; B23K26/08; B23K26/38
Foreign References:
US20100252538A12010-10-07
DE4123323A11993-01-21
EP0476965A21992-03-25
DE10355614A12005-07-07
DE102013226818A2013-12-20
Attorney, Agent or Firm:
PATENTANWÄLTE KOHLER SCHMID MÖBUS PARTNERSCHAFTSGESELLSCHAFT MBB et al. (DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Verfahren zum Laserbearbeiten eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks (4) entlang einer Sollbahn (3) mittels eines Laserstrahls (5) einer Laserbearbeitungsmaschine (1 ), wobei ein den Laserstrahl (5) auf das Werk- stück (4) ausrichtender Laserbearbeitungskopf (9) zumindest entlang einer

Antriebsachse (Y) bewegt wird und wobei in Abhängigkeit von der Position des Laserbearbeitungskopfes (9) entlang seiner Antriebsachse (Y) eine Maschinenkomponente (1 1 a, 1 1 b; 21 ) der Laserbearbeitungsmaschine (1 ), welche nicht an der Relativbewegung zwischen dem Werkstück (4) und dem vom Laserbearbeitungskopf (9) ausgehenden Laserstrahl (5), insbesondere nicht an der Relativbewegung zwischen Werkstück (4) und Laserbearbeitungskopf (9), beteiligt ist, bewegt wird,

dadurch gekennzeichnet,

dass aus Antriebsachsensollwerten (YS) des Laserbearbeitungskopfes (9) entlang seiner Antriebsachse (Y) niederfrequente Antriebsachsensollwerte

(YG) herausgefiltert werden und dass die Bewegung der Maschinenkomponente (1 1a, 1 1 b; 21 ) mittels der niederfrequenten Antriebsachsensollwerte (YG) gesteuert wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenkomponente eine im Strahlengang des Laserstrahls (5) vor dem Laserbearbeitungskopf (9) angeordnete, in Laserstrahlrichtung verfahrbare Strahlposaune (21) ist, die in Abhängigkeit von der Position des Laserbearbeitungskopfes verfahren wird und so die Weglänge des Laserstrahls (5) durch die Laserbe- arbeitungsmaschine (1) bis zum sich bewegenden Laserbearbeitungskopf (9) zumindest annähernd konstant hält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenkomponente mindestens ein Werkstück-Unterstützungsschlitten (1 1a, 1 1 b) ist, der in einem Spalt (10) einer Werkstückauflage (7) der Laserbearbeitungsmaschine (1) entlang der Antriebsachse (Y) des Laserbearbeitungskopfes (9) bewegt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ab einem Zeitpunkt, der um mindestens die Bremszeit des mindestens einen Unterstützungsschlittens (11a, 11b) oder eines Werkstückantriebs (6) vor der Freischnittendposition (F) eines Werkstückteils (2) liegt, die Antriebsachsensollwerte für die Bewegung des mindestens einen Unterstützungsschlittens (11a, 11b) auf einen konstanten Antriebsachsensollwert (YSconst) überführt, insbesondere geschaltet werden, so dass der mindestens eine Unterstützungsschlitten (11a, 11b) spätestens an der Freischnittendposition (F) des Werkstückteils (2) zum Stehen kommt.

5. Laserbearbeitungsmaschine (1) zum Laserbearbeiten eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks (4) entlang einer Sollbahn (3) mittels eines Laserstrahls (5), mit einem Antrieb (8) zum Bewegen eines den Laserstrahl (5) auf das Werkstück (4) ausrichtenden Laserbearbeitungskopfes (9) zumindest entlang einer Antriebsachse (Y) und mit einem Antrieb (12) zum Bewegen einer Maschinenkomponente (11a, 11 b; 21), welche nicht an der Relativbewegung zwischen dem Werkstück (4) und dem vom Laserbearbeitungskopf (9) ausgehenden Laserstrahl (5), insbesondere nicht an der Relativbewegung zwischen Werkstück (4) und Laserbearbeitungskopf (9), beteiligt ist, in Abhängigkeit von der Position des Laserstrahls (5) oder des Laserbearbeitungskopfes (9) entlang seiner Antriebsachse (Y),

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Filtereinrichtung (14) vorgesehen ist, die aus zugeführten Antriebsachsensollwerten (YS) des Laserbearbeitungskopfes (9) entlang seiner Antriebsachse (Y) niederfrequente Antriebsachsensollwerte (YG) filtert, welche die Antriebsachsensollwerte des Antriebs (12) der Maschinenkomponente (11a, 11b; 21) bilden.

6. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (14) ein Tiefpassfilter (15b) aufweist, das aus den zuge- führten Antriebsachsensollwerten (YS) die niederfrequenten Antriebsachsensollwerte (YG) filtert.

7. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (14) einen dem Tiefpassfilter (15b) vorgeordneten Verzögerer (17b) aufweist, der die zugeführten Antriebsachsensollwerten (YS) zeitlich verzögert.

8. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinrichtung (14) einen dem Tiefpassfilter (15b) vorgeordneten ansteuerbaren Schalter (19b) aufweist, der in seiner einen Schaltstellung die zugeführten Antriebsachsensollwerte (YS) und in seiner anderen Schaltstellung einen konstanten Antriebsachsensollwert (YSconst) an das Tiefpassfilter (15b) weiterleitet.

9. Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenkomponente eine im Strahlengang des Laserstrahls (5) vor dem Laserbearbeitungskopf (9) angeordnete, in Laserstrahlrichtung verfahrbare Strahlposaune (21) ist, welche die Weglänge des Laserstrahls (5) durch die Laserbearbeitungsmaschine (1) bis zum sich bewegenden Laserbearbeitungskopf (9) zumindest annähernd konstant hält.

10. Laserbearbeitungsmaschine nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Maschinenkomponente mindestens ein Unterstützungsschlitten (12a, 12b) ist, der in einem Spalt (10) einer Werkstückauflage (7) der Laserbearbeitungsmaschine (1) entlang der Antriebsachse (Y) des Laserbearbeitungskopfes (9) bewegt wird.

Description:
Verfahren zum Laserbearbeiten eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls und zugehörige Laserbearbeitungsmaschine

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbearbeiten eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks entlang einer Sollbahn mittels eines Laserstrahls einer Laserbearbeitungsmaschine, wobei ein den Laserstrahl auf das Werkstück ausrichtender Laserbearbeitungskopf zumindest entlang einer Antriebsachse bewegt wird und wobei in Abhängigkeit von der Position des Laserbearbeitungskopfes entlang seiner Antriebsachse eine Maschinenkomponente der Laserbearbei- tungsmaschine, welche nicht an der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem vom Laserbearbeitungskopf ausgehenden Laserstrahl, insbesondere nicht an der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserbearbeitungskopf, beteiligt ist, bewegt wird, sowie auch eine zum Durchführen des Verfahrens geeignete Laserbe- arbeitungsmaschine zum Laserbearbeiten von Werkstücken entlang einer Sollbahn mittels eines Laserstrahls.

Bei Maschinen mit redundanten Achsen kann die Sollposition eines Werkzeugs durch verschiedene Kombinationen der Bewegungen entlang der redundanten Ach- sen erreicht werden. Dabei werden zur Erreichung einer möglichst dynamischen Bewegung eine träge (schwere) Grobachse mit großem Bewegungsraum zur Bewegung über das Werkstück (in der Größenordnung Meter) und eine hochbeschleunig- bare (leichte) Feinachse mit kleinem Bewegungsraum (in der Größenordnung einige mm bis wenige 10 cm) für das schnelle Abfahren feiner Konturen gekoppelt. Bei Sheetmover-Laserschneidmaschinen, bei denen sowohl das Werkstück als auch der Laserbearbeitungskopf entlang redundanter Achsen bewegt werden, bildet das Bewegen des Blechs die Grobachse und die Bewegung des Laserkopfs die Feinachse.

Um aus der Sollbahn der Bearbeitung die Sollpositionen für beide Achsen zu erhal- ten, ist es beispielsweise aus der DE 103 55 614 A1 bekannt, die Sollbahn mittels eines Tiefpassfilters zu filtern und die gefilterte Sollbahn der Grobachse zuzuführen. Die Differenz zwischen der gefilterten Sollbahn und der eigentlichen Sollbahn ergibt die Sollbahn für die Feinachse. Die durch das Tiefpassfilter stark geglätteten Sollwerte werden also der weniger dynamischen Grobachse und die Differenz zwischen den geglätteten Sollwerten der Grobachse und den Sollwerten des Achspaars der höher dynamischen Feinachse zugeführt. Um den für das Verfahren notwendigen Bewegungsraum der Feinachse zu minimieren, was höhere Beschleunigungen für diese Achse ermöglicht, wird die Sollbahn dem System erst nach einer Verzögerung zugeführt. Dadurch ist die Sollbahn der Grobachse näher an der Sollbahn des Gesamt- Systems. Die redundanten Achsen einer Maschine folgen immer exakt einer Sollposition, allerdings macht diese exakte Ansteuerung bei einigen Anwendungsfällen teure Komponenten und Antriebe erforderlich, obwohl eine solch exakte Ansteuerung nicht notwendig ist. Im Falle einer C02-Lasermaschine wird die Weglänge des Laserstrahls durch die Maschine bis zum sich bewegenden Laserkopf durch eine Strahlposaune konstant gehalten, da sich ansonsten die Strahleigenschaften mit zunehmender Weglänge ändern würden und somit bei variabler Weglänge nicht immer die gleiche Strahlquali- tät am Laserbearbeitungspunkt gewährleistet wäre. Der Laserkopf verfährt dabei im Bereich von Mm genau, und die Strahlposaune wird mit den Solldaten des verfahrenden Laserkopfs korreliert verfahren. Allerdings hat eine Abweichung der Weglänge des Laserstrahls von einigen mm oder sogar cm keinen allzu großen Einfluss auf die Strahlqualität am Laserbearbeitungspunkt.

Weiterhin ist aus der DE 10 2013 226 818.1 eine Laserbearbeitungsmaschine bekannt, bei der das Werkstück von zwei verfahrbaren Unterstützungsschlitten unterstützt wird. Die beiden Unterstützungsschlitten lassen dabei einen gewissen Spalt unter dem Werkstück offen, durch die der Laserstrahl tritt, und folgen in ihrer Position dem darüber befindlichen Laserkopf, so dass der Laserstrahl und die beim Schneiden entstehende Schlacke nicht auf die Unterstützungsschlitten treffen. Die bewegten Unterstützungsschlitten sollen eine möglichst durchgängige Blechunterstützung bieten, bei der nur ein für den Schneidprozess notwendiger Mindestspalt ausgespart bleibt. Die Unterstützungsschlitten werden mit der gleichen Dynamik bewegt wie der Laserkopf, also bspw. mit 20 m/s 2 Beschleunigung und 2000 m/s 3 Ruck, was die

Konstruktion aufwändig und teuer macht. Der Abstand zwischen der Mitte der beiden Unterstützungsschlitten und dem Laserstrahl bleibt dabei immer konstant. Darüber hinaus kommen die Schlitten erst zum Stillstand, wenn auch die fliegende Y-Achse steht, was der Prozesssicherheit beim Ausschleusen prinzipiell nicht zuträglich ist.

Es ist demgegenüber die Aufgabe der Erfindung, bei einem Laserbearbeitungsverfahren der eingangs genannten Art die Ansteuerung der nicht an der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserbearbeitungskopf beteiligten Maschinenkomponente zu vereinfachen und dadurch günstigere Antriebe für die Maschinenkompo- nente zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass aus Antriebsachsensollwerten des Laserbearbeitungskopfes entlang seiner Antriebsachse niederfrequente Antriebsachsensollwerte herausgefiltert werden und dass die Bewegung der Maschi- nenkomponente mittels der niederfrequenten Antriebsachsensollwerte gesteuert wird.

Der entscheidende Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Bewegung der nicht an der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem vom Laserbearbeitungskopf ausgehenden Laserstrahl, insbesondere nicht an der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserbearbeitungskopf, beteiligten Maschinenkomponente nicht mit der Dynamik des Laserbearbeitungskopfes, sondern mit dessen niederfrequenten Antriebsachsensollwerten, also mit einer deutlich reduzierten Dynamik, ge- steuert wird. Diese reduzierte Dynamik stellt deutlich geringere Anforderungen an die Konstruktion und den Antriebsstrang der Maschinenkomponente.

Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante der Erfindung ist die Maschinenkomponente eine im Strahlengang des Laserstrahls vor dem Laserbearbeitungskopf angeord- nete, in Laserstrahlrichtung verfahrbare Strahlposaune ist, die in Abhängigkeit von der Position des Laserbearbeitungskopfes verfahren wird und so die Weglänge des Laserstrahls durch die Laserbearbeitungsmaschine bis zum sich bewegenden Laserbearbeitungskopf zumindest annähernd konstant hält. Da eine Abweichung der Weglänge des Laserstrahls von einigen mm oder sogar cm keinen allzu großen Ein- fluss auf die Strahlqualität am Laserbearbeitungspunkt hat, braucht die Strahlposaune nicht mit der hohen Dynamik des Laserbearbeitungskopfes verfahren zu werden, sondern kann anhand der niederfrequenten Antriebsachsensollwerte des Laserbearbeitungskopfes verfahren werden, so dass die Weglänge ungefähr konstant bleibt und weniger dynamische günstigere bzw. Antriebe zum Einsatz kommen können.

Bei einer anderen bevorzugten Verfahrensvariante der Erfindung ist die Maschinenkomponente mindestens ein Werkstück-Unterstützungsschlitten, der in einem Spalt einer Werkstückauflage der Laserbearbeitungsmaschine entlang der Antriebsachse des Laserbearbeitungskopfes bewegt wird. Vorzugsweise wird das Werkstück von zwei verfahrbaren Unterstützungsschlitten unterstützt, die einen gewissen Spalt unter dem Werkstück für einen Durchtritt des Laserstrahls offenlassen und in ihrer Position dem darüber befindlichen Laserbearbeitungskopf folgen, damit der Laserstrahl und die beim Schneiden entstehende Schlacke nicht auf die Unterstützungsschlitten treffen. Da zumindest bei größeren Werkstücken die Unterstützungsschlitten zur Auflage der Werkstücke nicht sehr eng zusammengefahren werden müssen, ist es unproblematisch, wenn der Laserstrahl etwas außermittig zwischen die beiden Unterstützungsschlitten trifft. Dadurch, dass innerhalb des Spalts zwischen den Unterstützungsschlitten ein variabler Abstand zwischen Unterstützungsschlitten und Laser- strahl in der gemeinsamen (redundanten) Antriebsachse zugelassen wird, müssen die Schlitten nicht mehr exakt dem Laserstrahl bzw. der Bauteilkontur folgen. Insbesondere bei filigranen Bauteilkonturen kann auf diese Weise die bisher notwendige Dynamik der Unterstützungsschlitten erheblich reduziert werden, da sich der Abstand Laserstrahl zu Unterstützungsschlitten nun hochdynamisch in den zulässigen Gren- zen bewegen kann. Im Gegensatz zur aktuell angestrebten hohen Dynamik des Laserbearbeitungskopfes (20 m/s 2 Beschleunigung, 2000 m/s 3 Ruck) führt die reduzierte Dynamik der Unterstützungsschlitten zu einer Beschleunigung von nur 8 m/s 2 und einem Ruck von nur 100 m/s 3 , also eine Reduktion der notwendigen Beschleunigung um 60% und des benötigten Rucks um 95%. Insbesondere der dramatisch geringere Ruck sorgt für eine sehr viel kleinere Schwingungsanregung des unterstützten Blechs, was sich positiv auf die Genauigkeit und Schnittqualität auswirkt.

Besonders bevorzugt werden ab einem Zeitpunkt, der um mindestens die Bremszeit des mindestens einen Unterstützungsschlittens oder eines Werkstückantriebs vor der Freischnittendposition eines Werkstückteils liegt, die Antriebsachsensollwerte für die Bewegung des mindestens einen Unterstützungsschlittens auf einen konstanten Antriebsachsensollwert überführt, insbesondere geschaltet, so dass der mindestens eine Unterstützungsschlitten spätestens an der Freischnittendposition des Werkstückteils zum Stehen kommt. Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass bereits vor dem Schnittende keine Relativbewegung zwischen Unterstützungsschlitten und dem unterstützen Werkstück mehr stattfindet und somit das Überlappen oder Verhaken von freigeschnittenen Werkstückteilen mit dem Restwerkstück sicher und zuverlässig verhindert wird. Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Laserbearbeitungsmaschine zum Laserbearbeiten eines insbesondere plattenförmigen Werkstücks entlang einer Sollbahn mittels eines Laserstrahls, mit einem Antrieb zum Bewegen eines den Laserstrahl auf das Werkstück ausrichtenden Laserbearbeitungskopfes zumindest entlang einer Antriebsachse und mit einem Antrieb zum Bewegen einer Maschinen- komponente, welche nicht an der Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem vom Laserbearbeitungskopf ausgehenden Laserstrahl, insbesondere nicht an der Relativbewegung zwischen Werkstück und Laserbearbeitungskopf, beteiligt ist, in Abhängigkeit von der Position des Laserstrahls oder des Laserbearbeitungskopfes entlang seiner Antriebsachse, wobei erfindungsgemäß eine Filtereinrichtung vorgesehen ist, die aus zugeführten Antriebsachsensollwerten des Laserbearbeitungskopfes entlang seiner Antriebsachse niederfrequente Antriebsachsensollwerte filtert, welche die Antriebsachsensollwerte des Antriebs der Maschinenkomponente bilden. Bevorzugt weist die Filtereinrichtung ein Tiefpassfilter, wie z.B. ein FIR Filter, mit oder ohne einen vorgeordneten Verzögerer auf, um aus den zugeführten Antriebsachsensollwerten die niederfrequenten Antriebsachsensollwerte zu filtern. Dabei werden die Solldaten des Laserbearbeitungskopfs entlang seiner Antriebsachse tief- passgefiltert, und die tiefpassgefilterten Solldaten werden zur Steuerung der Maschi- nenkomponente eingesetzt. Daher kommt es zwar zu geringen Abweichungen der Maschinenkomponenten- von der Laserbearbeitungskopfposition, aber die Maschinenkomponente benötigt wesentlich geringere Beschleunigung/Ruck, um der Position des Laserbearbeitungskopfs zu folgen. Die Filterauslegung kann für jede Blechdicke bzw. jeden maximalen Vorschub individuell eingestellt werden, so dass der ver- größerte Schneidbereich nur in den Fällen genutzt wird, wo er auch erforderlich ist. Anstelle eines FIR Filters könnte ein beliebiges Filterelement genutzt werden, das eine Tiefpasscharakteristik aufweist und so zu einer Verrundung der Bewegung der Maschinenkomponente führt. Die Filtereinrichtung weist in vorteilhafter Weiterbildung einen dem Tiefpassfilter vorgeordneten ansteuerbaren Schalter auf, der in seiner einen Schaltstellung die zugeführten Antriebsachsensollwerte und in seiner anderen Schaltstellung einen konstanten Antriebsachsensollwert an das Tiefpassfilter weiterleitet. Dem mindestens einen Unterstützungsschlitten wird kurz vor der Freischnittendposition ein konstanter Soll- wert zugeführt, so dass bereits vor dem Schnittende der mindestens eine Unterstützungsschlitten zum Stehen kommt und keine Relativbewegung zwischen Werkstück und Unterstützungsschlitten mehr stattfindet. Idealerweise wird der Umschaltzeitpunkt derart gewählt, dass der mindestens eine Unterstützungsschlitten gerade in dem Moment zum Stillstand kommt, in dem der Laserstrahl die Freischnittendposition erreicht.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, 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:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Laserschneidmaschine mit einem entlang der

X-Achse verfahrbaren Werkstück, einem entlang der X- und Y-Achsen verfahrbaren Laserschneidkopf und einer Filtereinrichtung zur Erzeugung von niederfrequenten Antriebsachsensollwerten für einen Schlittenantrieb zweier entlang der Y-Achse verfahrbarer Unterstützungsschlitten;

Fig. 2 eine Detailansicht der in einem Spalt der Werkstückauflage in Y- Richtung verfahrbaren Unterstützungsschlitten;

Fign. 3a, 3b zwei Ausführungsformen der in Fig. 1 gezeigten Filtereinrichtung mit einem Tiefpassfilter ohne Zeitverzögerung (Fig. 3a) und mit einem Tiefpassfilter mit Zeitverzögerung (Fig. 3b);

Fign. 4a, 4b die Bewegungskurven des Laserstrahls auf dem Werkstück und der

Spaltmitte zwischen den beiden Unterstützungsschlitten beim Laserschneiden zweier quadratischer Werkstückteile (Fig. 4a), sowie den zeitlichen Verlauf der aus den Antriebsachsensollwerten des Laserbearbeitungskopfes gefilterten niederfrequenten und hochfrequenten Antriebsachsensollwerte des Schlittenantriebs beim Schneiden der beiden quadratischen Werkstückteile (Fig. 4b);

Fign. 5a, 5b eine weitere Ausführungsformen der in Fig. 1 gezeigten Filtereinrichtung mit einem Tiefpassfilter mit Zeitverzögerung (Fig. 5a), sowie den zeitlichen Geschwindigkeitsverlauf der der aus den Antriebsachsensollwerten des Laserbearbeitungskopfes gefilterten niederfrequenten und hochfrequenten Antriebsachsensollwerte des Schlittenantriebs beim Schneiden zweier quadratischer Werkstückteile (Fig. 5b); und

Fig. 6 eine erfindungsgemäße C02-Laserschneidmaschine mit einer Filtereinrichtung zur Erzeugung von niederfrequenten Antriebsachsensollwerten für einen Antrieb einer Strahlposaune.

In der folgenden Figurenbeschreibung werden für gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile identische Bezugszeichen verwendet. Die in Fig. 1 gezeigte Laserschneidmaschine 1 dient zum Laserschneiden von Werkstückteilen 2 entlang einer Sollbahn 3 aus einem plattenförmigen Werkstück (z.B. Blech) 4 mittels eines Laserstrahls 5. Die Laserschneidmaschine 1 umfasst einen ersten Antrieb („Werkstückantrieb") 6 zum Bewegen des auf einer Werkstückauflage 7 (Fig. 2) aufliegenden Werkstücks 4 in der XY-Ebene entlang der X-Achse und ei- nen zweiten Antrieb („Laserschneidkopfantrieb") 8 zum Bewegen eines den Laserstrahl 5 auf das Werkstück 4 ausrichtenden Laserschneidkopfes 9 entlang der X- und Y-Achsen. Der Laserstrahl 5 wird von einem in Fig. 1 nicht gezeigten Laserstrahlerzeuger, z.B. Festkörperlaser, erzeugt und dem Laserschneidkopf 9 zugeführt. Wie in Fig. 2 gezeigt, ist in der Werkstückauflage 7 ein Spalt 10 gebildet, der sich in der Y-Richtung über den gesamten Verfahrweg des Laserschneidkopfes 9 erstreckt und dessen Spaltbreite B größer als der maximale Verfahrweg des Laserschneidkopfes 9 in der X-Richtung ist. Mithilfe des Laserschneidkopfantriebs 8 können der Laserschneidkopf 9 und damit der austretende Laserstrahl 5 sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung an eine gewünschte Schneidkopfposition innerhalb des Spaltes 10 positioniert werden. Innerhalb des Spaltes 10 sind zwei Unterstützungsschlitten 11a, 11 b angeordnet, die sich jeweils über die gesamte Spaltbreite B erstrecken und in dem Spalt 10 in Y-Richtung gesteuert und unabhängig voneinander mittels eines Schlittenantriebs 12 verfahrbar sind.

Die Unterstützungsschlitten 11 a, 1 1 b können in dem Spalt 10 jeweils an eine gewünschte Position in Y-Richtung bewegt werden, um dort die von dem Werkstück 4 freizuschneidenden Werkstückteile 4 zu unterstützen. Für eine möglichst durchgängige Blechunterstützung entspricht der Schlittenabstand b der Unterstützungsschiit- ten 1 1 a, 1 1 b dem für den Schneidprozess notwendigen Mindestmaß, damit der Laserstrahl 5 zwischen den Unterstützungsschlitten 1 1a, 1 1 b ungehindert hindurchtreten kann. Beim Laserschneiden des Werkstückteils 2 werden die Unterstützungsschlitten 1 1a, 1 1 b in Y-Richtung synchron zueinander, d.h. mit konstantem Schlitten- abstand b, verfahren und folgen in ihrer Position dem darüber befindlichen Laserschneidkopf 9, damit sich der Laserstrahl 5 stets innerhalb des Spalts 10 befindet und somit der Laserstrahl 5 und die beim Schneiden entstehende Schlacke nicht auf die Unterstützungsschlitten 1 1 a, 11 b treffen. Die Unterstützungsschlitten 11a, 1 1 b werden also in Abhängigkeit von der jeweiligen Y-Position des Laserschneidkopfes 9 verfahren.

Wie in Fig. 1 weiter gezeigt, umfasst die Laserschneidmaschine 1 außerdem eine Maschinensteuerung 13, die die Laserbearbeitung steuert und dazu Sollwerte XS, YS für die Sollbahn des Laserstrahls 5 auf dem Werkstück 4 liefert, und eine Filter- einrichtung 14 zur Bewegungsaufteilung der Sollwerte XS der Sollbahn 3 des Laserstrahls 5 entlang der redundanten X-Achse in niederfrequente Antriebsachsensollwerte XG für den Werkstückantrieb 6 und in höherfrequente Antriebsachsensollwerte XF für den Laserschneidkopfantrieb 8. Die Sollwerte YS der Sollbahn 3 des Laserstrahls 5 werden von der Filtereinrichtung 14 unverändert als Antriebsachsensollwer- te an den Laserschneidkopfantrieb 8 weitergegeben, da hier keine Bahnaufteilung im eigentlichen Sinne benötigt wird. Aus den Sollwerten YS der Sollbahn 3 des Laserschneidkopfes 9 entlang der Y-Achse filtert die Filtereinrichtung 14 jedoch auch niederfrequente Antriebsachsensollwerte YG heraus, mittels derer der Schlittenantrieb 13 der Unterstützungsschlitten 1 1 a, 11 b gesteuert wird.

Fig. 3a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Filtereinrichtung 14, die ein erstes Tiefpassfilter 15a ohne Zeitverzögerung und einen Subtrahierer 16 für die Antriebsachse X aufweist. Das Tiefpassfilter 15a ist ein linearphasiges FIR-Filter mit konstanter Gruppenlaufzeit und filtert aus den zugeführten Antriebsachsensollwerten XS die niederfrequenten Antriebsachsensollwerte XG heraus und leitet sie an den Werkstückantrieb 6 weiter. Der Subtrahierer 16 ermittelt die hochfrequenten Antriebsachsensollwerte XF als Differenz zwischen den zugeführten Antriebsachsensollwerten XS und den gefilterten Antriebsachsensollwerten XG und leiten sie an den Laserschneidkopfantrieb 8 weiter. Die durch den Tiefpassfilter 15a stark geglätteten niederfrequenten Antriebsachsensollwerte XG werden also der weniger dynamischen Grobachse des Werkstückantriebs 6 zugeführt, und die Differenz zwischen den ursprünglichen Antriebsachsensollwerten XS und den geglätteten Antriebsachsensollwerten XG der Grobachse wird der höher dynamischen Feinachse des Laser- schneidkopfantriebs 8 zugeführt. Die Filtereinrichtung 14 weist ein zweites Tiefpassfilter 15b ohne Zeitverzögerung auf, das aus den zugeführten Antriebsachsensollwerten YS die niederfrequenten Antriebsachsensollwerte YG herausfiltert und an den Schlittenantrieb 12 weiterleitet. Im Unterschied zu Fig. 3a werden bei dem in Fig. 3b gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel der Filtereinrichtung 14 die zugeführten Antriebsachsensollwerten XS mittels eines Verzögerers 17a zeitverzögert dem Subtrahierer 12 zugeführt. Dadurch liegt einerseits die Sollbahn der Grobachse näher an der Sollbahn des Gesamtsystems und wird andererseits der für das Verfahren notwendige Bewegungsraum der Feinachse minimiert, was höhere Beschleunigungen für diese Achse ermöglicht. Außerdem werden die zugeführten Antriebsachsensollwerten YS mittels eines Verzögerers 17b um eine Filtergruppenlaufzeit zeitverzögert (YS 1 ) und an das zweite Tiefpassfilter 15b weiterleitet, das die niederfrequenten Antriebsachsensollwerte XG an den Schlittenantrieb 12 weiterleitet.

Fig. 4a zeigt am Beispiel zweier im Arbeitsraum um 45° geneigter quadratischer Werkstückteile 2 die Sollkontur 3 des Laserstrahls 5 auf dem Werkstück 4 und die mit der in Fig. 3b gezeigten zeitverzögerten Filtereinrichtung 14 tiefpassgefilterte, verrundete Bewegungsbahn 18 der Unterstützungsschlitten 1 1a, 1 1 b bzw. ihrer Schlit- tenspaltmitte. Der Abstand zwischen der Schlittenbahn und dem Laserstrahl 5 ist dabei veränderlich, wobei in den Werkstückteilecken der Abstand größer wird. In diesen Eckbereichen wird eine besonders hohe Dynamik (Beschleunigung, Ruck) von dem Laserschneidkopfantrieb 8 geleistet. Dadurch, dass in diesen Bereichen der Laserstrahl 5 aus der Schlittenspaltmitte hin zu einer Schlittenkante wandert, können die Unterstützungsschlitten 1 1 a, 1 1 b mit einer signifikant kleineren Dynamik der Sollkontur 3 folgen.

In Fig. 4b ist der Y-Anteil der Bewegung für das Schneiden der quadratischen Werkstückteile 2 aus Fig. 4a dargestellt, also der zeitliche Verlauf der zugeführten An- triebsachsensollwerte YS, der verzögerten Antriebsachsensollwerte YS', der niederfrequenten Antriebsachsensollwerte YG und der höherfrequenten Antriebsachsensollwerte YF, Diese höherfrequenten Antriebsachsensollwerte YF entsprechen dem Abstand des Laserstrahls 5 zur Schlittenspaltmitte der Unterstützungsschlitten 1 1a, 1 1 b und werden nicht weiterverarbeitet. Bei einem Abstand der beiden Unterstützungsschlitten 1 1a, 11b von 40 mm ergibt sich im Ruhezustand ein Abstand von 20 mm zwischen Laserstrahl 5 zu jedem der beiden Unterstützungsschlitten 1 1 a, 1 1 b. In der Freischnittendposition F, also zum Zeitpunkt t F , ist das zweite Werkstückteil 2 ausgeschnitten, wobei die beiden Unterstützungsschlitten 11 a, 1 1 b noch nachlaufen.

Von der Filtereinrichtung der Fig. 3b unterscheidet sich die in Fig. 5a gezeigte Filtereinrichtung 14 dadurch, dass hier dem ersten Tiefpassfilter 15a ein erster Schalter 19a und dem zweiten Verzögerer 17b ein zweiter Schalter 19b vorgeordnet sind, die jeweils von der Maschinensteuerung 13 angesteuert werden. Der erste Schalter 19a leitet in seiner gezeigten, einen Schaltstellung die zugeführten Antriebsachsensollwerten XS und in seiner anderen Schaltstellung einen konstanten Antriebsachsensollwert XSconst an das erste Tiefpassfilter 15a weiter. Der zweite Schalter 19b leitet in seiner gezeigten, einen Schaltstellung die zugeführten Antriebsachsensollwerten YS und in seiner anderen Schaltstellung einen konstanten Antriebsachsensollwert YSconst an den zweiten Verzögerer 17b weiter.

In Fig. 5b sind die zeitlichen Änderungen („Geschwindigkeitsverläufe") v(Y s ), v(Y s '), V(YG), V(YF) der zugeführten Antriebsachsensollwerte YS, der verzögerten Antriebsachsensollwerte YS', der niederfrequenten Antriebsachsensollwerte YG und der höherfrequenten Antriebsachsensollwerte YF dargestellt, wie sie beim Schneiden der quadratischen Werkstückteile 2 aus Fig. 4a auftreten. Zum Zeitpunkt t A , der um mindestens die Bremszeit der Unterstützungsschlitten 1 1 a, 1 1 b oder des Werkstückantriebs 6, je nachdem welche Bremszeit länger ist, vor Erreichen der Freischnittendposition F des zweiten Werkstückteils 2 zum Zeitpunkt t F liegt, werden die beiden Schalter 19a, 19b auf die konstanten Antriebsachsensollwerte YS con st bzw. YS CO nst umgeschaltet, so dass sowohl das Werkstück 4 als auch die beiden Unterstützungsschlitten 1 1 a, 1 1 b spätestens an der Freischnittendposition F des Werkstückteils 2 zum Stehen kommen. Dadurch wird eine Relativbewegung zwischen dem freigeschnittenen Werkstückteil 2 und den Unterstützungsschlitten 1 1a, 11 b unterbunden, die ansonsten zu einem Überlappen oder Verhaken von freigeschnittenen Werkstückteilen mit den Unterstützungsschlitten 11a, 11b führen könnte.

Von der Laserschneidmaschine der Fig. 1 unterscheidet sich die in Fig. 6 gezeigte C02-Laserschneidmaschine 1 lediglich dadurch, dass hier der Antrieb 12 zum Verfahren einer Strahlposaune 21 in Z-Richtung dient. Die Strahlposaune 21 weist zwei Umlenkspiegel 22 auf, die den dem Laserschneidkopf 9 in Freistrahlpropagation zugeführten C02-Laserstrahl 5 in Z-Richtung U-förmig umlenken. Die Strahlposaune 21 wird in Z-Richtung in Abhängigkeit von der X- Y-Position des Laserschneidkopfes 9 verfahren, um so die Weglänge des Laserstrahls 5 durch die Laserbearbeitungsmaschine 1 bis zum sich bewegenden Laserschneidkopf 9 zumindest annähernd konstant zu halten. Dazu leitet die Filtereinrichtung 14 die niederfrequenten Antriebsachsensollwerte XG, YG als Steuerdaten an den Antrieb 12 weiter, so dass die Strahlposaune 21 nicht mit der Dynamik des Laserschneidkopfes 9, sondern mit deutlich re- duzierter Dynamik bewegt wird.