Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Strahlschneidverfahren, wobei wenigstens ein Schneidvorgang unter Erfassung von wenigstens einem Qualitätsparameter durchgeführt wird. Die Erfindung betrifft ferner ein Computerprogramm zum Steuern einer Strahlschneidanlage. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Strahlschneidanlage.

Ein Strahlschneidverfahren der vorgenannten Art ist beispielsweise aus DE 10 2019 106 939 Al oder DE 10 2013 218 421 Al bekannt.

Insbesondere beschreibt DE 10 2019 106 939 Al eine Maschinenlernvorrichtung einer Bearbeitungszustandsanpassungsvorrichtung. Die Maschinenlernvorrichtung beobachtet als Zustandsvariablen, die einen aktuellen Zustand einer Umgebung ausdrücken, Laserbearbeitungszustandsdaten in der Laserbearbeitung und Gaszielabweichungsdaten, die eine Zielabweichung eines Druckverlusts oder eines Durchflusses eines Hilfsgases ausdrücken. Dann erfasst die Maschinenlernvorrichtung Bestimmungsdaten zur Bestimmung der Qualität eines Werkstücks, das auf Grundlage des Laserbearbeitungszustands bearbeitet wurde, und lernt die Zielabweichung des Druckverlusts oder Durchflusses des Hilfsgases und die Anpassung des Laserbearbeitungszustands in der Laserbearbeitung in Assoziation miteinander unter Verwendung der Bestimmungsdaten und der beobachteten Zustandsvariablen. Aus DE 10 2013 218 421 Al ist eine Vorrichtung zur Überwachung, insbesondere zur Regelung, eines Schneidprozesses an einem Werkstück bekannt. Die Vorrichtung umfasst ein Fokussierelement zur Fokussierung eines Hochenergiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls, auf das Werkstück, eine Bilderfassungseinrichtung zur Erfassung eines zu überwachenden Bereichs an dem Werkstück, der einen Wechselwirkungsbereich des Hochenergiestrahls mit dem Werkstück umfasst, sowie eine Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, anhand des erfassten Wechselwirkungsbereichs mindestens eine charakteristische Kenngröße des Schneidprozesses, insbesondere einer bei dem Schneidprozess gebildeten Schnittfuge, zu ermitteln. Die Vorrichtung kann zusätzlich eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung umfassen zur Steuerung und/oder Regelung von Parametern des Schneidprozesses in Abhängigkeit von der mindestens einen ermittelten charakteristischen Kenngröße.

Aus DE 10 2019 220 478 Al ist ein Verfahren zum Ermitteln von Schneidparametern für eine Laserschneidmaschine bekannt. Das Verfahren umfasst die Schritte

A) Empfangen von mindestens einem Maschinenparameter, mindestens einem Prozessparameter und/oder mindestens einem Materialparameter;

B) Ausgehen von durch die Schneidparameter beeinflussbaren Eigenschaften einer durch die Laserschneidmaschine schneidbaren Laserschnittkante;

C) Empfangen einer Gewichtung der Eigenschaften;

D) Ermitteln der Schneidparameter unter Verwendung des mindestens einen Maschinenparameters, des mindestens einen Prozessparameters und/oder des mindestens einen Materialparameters sowie unter Verwendung der gewichteten Eigenschaften.

EP 2 163 339 Al beschreibt eine Laserschneidanlage zum Schneiden eines Werkstücks mit einem Laserstrahl entlang einer Schneidlinie mit einer variablen Schneidgeschwindigkeit. Die Laserschneidanlage umfasst einen bewegbaren Bearbeitungskopf zur Platzierung des Laserstrahls auf dem jeweiligen Werkstück, eine Benutzerschnittstelle zur Spezifikation der jeweiligen Schneidlinie und zur Spezifikation einer Mindest-Bahngenauigkeit des Laserstrahls, und eine Steuervorrichtung zum Steuern einer Bewegung des Bearbeitungskopfes entlang der Schneidlinie relativ zu dem jeweiligen Werkstück und zum Steuern einer Mehrzahl von Prozessgrößen eines Schneidprozesses, bei welcher Bewegung während des Schneidprozesses eine Schneidbahn des Laserstrahls entlang der Schneidlinie erzeugbar ist. Eine erste Teilmenge der Prozessgrößen umfasst ausschließlich eine oder mehrere Prozessgrößen, welche einen Einfluss auf die zum Schneiden zur Verfügung stehende Leistung des Laserstrahls haben. Eine zweite Teilmenge der Prozessgrößen umfasst ausschließlich eine oder mehrere Prozessgrößen, welche keinen Einfluss auf die zum Schneiden zur Verfügung stehende Leistung des Laserstrahls haben. Mindestens eine Prozessgröße der zweiten Teilmenge ist mittels der Steuervorrichtung in Abhängigkeit von mindestens einem variablen Steuerparameter steuerbar, dessen jeweiliger Wert von der Steuervorrichtung nach in der Steuervorrichtung implementierten Regeln in Abhängigkeit von mindestens einem der jeweils registrierten Werte der Geschwindigkeit des Bearbeitungskopfes bestimmbar ist.

Bei Strahlschneidvorgängen, beispielsweise beim Laserschneiden, können hinreichend starke und schnell auftretenden Störungen trotz einer aktiven Regelung von Prozessparametern des Schneidvorgangs zu einem Fehlschnitt führen und die weitere Schneidfähigkeit einer Strahlschneidanlage reduzieren. Auch wenn ohne Regelung, d. h. mit fest vorgegebenen Prozessparametern geschnitten wird, können Störungen die Schneidfähigkeit beeinflussen. Beides kann zur Folge haben, dass beim erneuten Start in einen geregelten Schnitt trotz aktiver Regelung ein Fehlschnitt auftritt und ein manueller Bedienereingriff notwendig ist, um die Schneidfähigkeit der Strahlschneidanlage wiederherzustellen.

Aufgabe der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, die Zuverlässigkeit der Durchführung von Strahlschneidvorgängen zu verbessern. Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Strahlschneidverfahren gemäß Anspruch 1, ein Computerprogramm gemäß Anspruch 14 und eine Strahlschneidanlage gemäß Anspruch 15. Die Unteransprüche und die Beschreibung geben vorteilhafte Varianten bzw. Ausführungsformen an.

Erfindungsgemäß ist ein Strahlschneidverfahren vorgesehen. Vorzugsweise ist das Strahlschneidverfahren ein Laserschneidverfahren. Alternativ kann das Verfahren beispielsweise ein Plasmaschneidverfahren, ein Brennschneidverfahren oder ein Wasserstrahlschneidverfahren sein. Ein vorzugsweise plattenförmiges oder rohrförmiges Werkstück wird dabei durchtrennt, indem ein Strahl, insbesondere ein Laserstrahl, auf das Werkstück gerichtet wird.

Wenigstens ein Schneidvorgang wird unter Erfassung von wenigstens einem Qualitätsparameter durchgeführt. Unter einem Schneidvorgang wird hier insbesondere der Vorgang zwischen Beginn und Ende eines Trennschnitts, bei welchem das Werkstück in Dickenrichtung durchtrennt wird, verstanden. Typischerweise werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens mehrere Schneidvorgänge durchgeführt. Mehrere Schneidvorgänge können an demselben Werkstück oder an unterschiedlichen Werkstücken durchgeführt werden. Der wenigstens eine Qualitätsparameter beschreibt eine Qualität des Trennschnitts. Insbesondere kann der wenigstens eine Qualitätsparameter ausgewählt sein aus Vorliegen eines Trennschnitts (d. h., ob das Werkstück in Dickenrichtung vollständig durchtrennt wird oder nicht), Breite und/oder Verlaufsform (z. B. periodisch oszillierend) eines Schnittspalts, Neigung einer Schnittfront und/oder Form der Schnittfront.

In einem Parameterraum von wenigstens einem Prozessparameter, vorzugsweise mehreren Prozessparametern, ist ein Prozessfenster definiert. Das Prozessfenster beschreibt denjenigen Bereich im Parameterraum, in welchem aufgrund von Vorinformationen ein erfolgreicher und qualitativ guter oder zumindest zufriedenstellender Schnitt zu erwarten ist. Das Prozessfenster kann ein Punkt im Parameterraum sein. Insbesondere kann das Prozessfenster ais ein Punkt im Parameterraum vordefiniert sein. Bei der Anpassung kann das Prozessfenster ein Punkt bleiben oder zu einem begrenzten Bereich erweitert werden. Es versteht sich, dass das Prozessfenster alternativ auch als ein begrenzter Bereich im Parameterraum vordefiniert sein kann und bei der Anpassung ein solcher Bereich bleiben oder auf einen Punkt schrumpfen kann. Die Prozessparameter können insbesondere ausgewählt sein aus Vorschubgeschwindigkeit, Laserleistung, Fokuslage, Fokusdurchmesser, Abstand einer Düse von einem Werkstück, Gasdruck eines Schneidgases und/oder Gaszusammensetzung eines Schneidgases.

Vorzugsweise ist das Prozessfenster in Abhängigkeit von Maschineneigenschaften einer Strahlschneidanlage, auf welcher das Verfahren durchgeführt wird und/oder von Werkstückeigenschaften des zu schneidenden Werkstücks vordefiniert. Dadurch kann berücksichtigt werden, dass diese Eigenschaften die für einen erfolgreichen Schnitt anzuwendenden Werte der Prozessparameter beeinflussen können. Die Maschineneigenschaften können ausgewählt sein aus Typ eines Schneidkopfs, Wellenlänge und/oder maximale Leistung eines Laserstrahls, Art und/oder Zusammensetzung eines Schneidgases, Typ einer Düse, Typ eines Lichtleitkabels und/oder Typ einer Schneidoptik. Alternativ oder zusätzlich können die Maschineneigenschaften ausgewählt sein aus

- Abweichung der Fokuslage von einem Sollwert, beispielsweise hervorgerufen durch Erwärmen der Optik, durch eine Verschmutzung eines Schutzglases, etc., (die tatsächliche Fokuslage entspricht dann nicht mehr der eingestellten Fokuslage, zusätzlich kann sich der Strahldurchmesser ändern),

- Außermittigkeit des Laserstrahls relativ zur Düse (dies kann zu einer Richtungsabhängigkeit führen),

- Defekt an der Düse, beispielsweise Schlackeanhaftungen (dies kann den Gasstrahl und den Schmelzaustrieb stören),

- Vorhandensein eines Auflagestegs unmittelbar unter der Prozesszone des Schneidvorgangs (dies kann zu Problemen führen, insbesondere über einem abgenutzten oder mit Schlacke behaftetem Steg), und/oder - Reinheit des Schneidgases bzw. Art und/oder Menge von Verunreinigungen im Schneidgas.

Die Werkstückeigenschaften können ausgewählt sein aus Material des Werkstücks, Dicke des Werkstücks, Temperatur des Werkstücks und/oder Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks.

Erfindungsgemäß erfolgt der wenigstens eine Schneidvorgang zeitweise in einem ungeregelten Betrieb und zeitweise in einem geregelten Betrieb.

Der ungeregelte Betrieb kann auch als ein gesteuerter Betrieb bezeichnet werden. In dem ungeregelten Betrieb wird der bzw. werden die Prozessparameter innerhalb des Prozessfensters gewählt. Die Steuerung des ungeregelten Betriebs erfolgt im Sinne einer Feed-Forward-Control durch Vorgabe des bzw. der Prozessparameter innerhalb des Prozessfensters ohne Rückführung der Qualitätsparameter. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass innerhalb einer jeweiligen ungeregelten Betriebsphase die Prozessparameter nicht verändert werden.

In dem geregelten Betrieb können die Prozessparameter außerhalb des Prozessfensters liegen. In dem geregelten Betrieb wird der bzw. werden die Prozessparameter in Abhängigkeit von den erfassten Qualitätsparametern verändert. Dies kann im Sinne einer Feedback-Control mit einem geschlossenen Regelkreis erfolgen. Ziel der Regelung kann beispielsweise sein, die Schnittgeschwindigkeit (Vorschubgeschwindigkeit) zu erhöhen, ohne die Schnittqualität merklich zu verändern. Insbesondere kann die Regelung so eingestellt sein, dass sie möglichst produktiv läuft, d. h. mit einem möglichst hohen Vorschub innerhalb des Prozessfensters. Alternativ kann die Regelung beispielsweise so eingestellt sein, dass sie möglichst robust läuft, d. h. es wird ein Punkt im Prozessfenster gewählt, bei dem Störungen möglichst stark und/oder schnell auftreten müssen, um den Prozess aus einem Qualitätsfenster, in welchem sich ein erfolgreicher und qualitativ guter Schnitt ergibt, zu führen (beispielsweise eine Regelung, die eher zu einem etwas geringeren Vorschub führt). Erfindungsgemäß wird das Prozessfenster angepasst, indem Erkenntnisse aus dem bisherigen Ablauf des wenigstens einen Schneidvorgangs verwertet werden. Für einen nachfolgenden ungeregelten Betrieb werden die Prozessparameter innerhalb des angepassten Prozessfensters gewählt. Beim Anpassen des Prozessfensters können dessen Grenzen bzw. Ränder verändert werden.

Insbesondere kann das Prozessfenster anhand von Änderungen der Prozessparameter im geregelten Betrieb angepasst werden. Derart kann berücksichtigt werden, dass - je nach den Umständen des konkreten Schneidvorgangs - das zuvor definierte Prozessfenster verlassen werden kann, ohne den Erfolg des Schneidvorgangs zu gefährden, oder dass selbst innerhalb des zuvor definierten Prozessfensters ein erfolgreicher Schneidvorgang nicht gewährleistet werden kann. Bevorzugt erfolgt eine stetige Anpassung des Prozessfensters.

Alternativ oder zusätzlich können die Grenzen des Prozessfensters anhand von Änderungen des wenigstens einen Qualitätsparameters angepasst werden. Die Änderungen des wenigstens einen Qualitätsparameters können hierzu im ungeregelten oder im geregelten Betrieb erfasst werden. Derart können spontan bzw. unabhängig von Änderungen der Prozessparameter auftretende Qualitätsänderungen, wie beispielsweise Spritzer auf ein Schutzglas oder Schlackeanhaftungen an einer Düse, oder auch stetige Änderungen, wie beispielsweise eine Erwärmung der Optik, berücksichtigt und ihre Wirkung kompensiert werden.

Durch die Anpassung des Prozessfensters fließen Erfahrungen aus vorangegangenen Schneidvorgängen in die Festlegung der Prozessparameter für einen nachfolgenden ungeregelten Betrieb ein. Die Verwendung des angepassten Prozessfensters verbessert somit die Zuverlässigkeit des Schneidvorgangs und kann die Schnittqualität erhöhen. Störungen im Verlauf des Schneidvorgangs, die bisher durch einen manuellen Eingriff von Bedienpersonal behoben werden mussten, werden beim erfindungsgemäßen Verfahren durch die adaptive Anpassung des Prozessfensters kompensiert. Mit anderen Worten wirken die Erfahrungen aus vorangegangenen Schneidvorgängen beim Festlegen des aktuellen Prozessfensters mit, d. h. das aktuelle Prozessfenster ist eine Funktion der vorliegenden Informationen (beispielsweise aller zeitlichen Verläufe, aller relevanten und zur Verfügung stehenden Größen wie beispielsweise Prozessparameter, Qualitätsparameter der Sensorik, Parameter wie Schneidrichtung, -ort, usw.). Je nach Betriebsart wird der Schneidvorgang im geregelten wie auch ungeregelten Betrieb innerhalb des aktuellen Prozessfensters fortgesetzt; hierzu können geeignete Vorschriften definiert sein.

Besonders bevorzugt wird das Prozessfenster fortlaufend bzw. iterativ angepasst. Dadurch wird erreicht, dass dieses stets den aktuellen Bedingungen entspricht. Somit kann eine besonders hohe Prozessstabilität erreicht werden. Beispielsweise kann bei mehreren Schnittabrissen jeweils eine inkrementelle Anpassung erfolgen.

Vorzugsweise werden die Änderungen der Prozessparameter im geregelten Betrieb und/oder die Änderungen des wenigstens einen Qualitätsparameters ortsabhängig und/oder richtungsabhängig erfasst. Das Prozessfenster kann entsprechend ortsabhängig und/oder richtungsabhängig angepasst werden. Dadurch können Anisotropien oder Inhomogenitäten einer Schneidanlage in ihrem Arbeitsraum berücksichtigt und kompensiert werden. Alternativ oder zusätzlich können die Änderungen der Prozessparameter im geregelten Betrieb und/oder die Änderungen des wenigstens einen Qualitätsparameters zeitabhängig erfasst werden und das Prozessfenster kann zeitabhängig angepasst werden.

Bei der Anpassung des Prozessfensters kann auch berücksichtigt werden, wie lange die Information über einen Schneidort oder eine Schneidrichtung vorliegt bzw. zurückliegt. Wenn nur wenige Sekunden vorher in die gleiche Schneidrichtung geschnitten wurde, ist es wahrscheinlicher, dass sich die Maschine noch in einem ähnlichen Zustand befindet, während ein Schnitt vor einer Minute oder noch längerer Zeit es wahrscheinlicher macht, dass sich die Maschine nicht mehr im gleichen Zustand befindet. Das Prozessfenster kann somit auch eine Funktion der zeitlichen Verläufe der vorliegenden Informationen sein. Zeitliche Aspekte können derart beim Anpassen des Prozessfensters berücksichtigt werden.

Es kann vorgesehen sein, dass bei einer Änderung einer Maschinenkonfiguration das Prozessfenster angepasst wird. Unter einer Änderung der Maschinenkonfiguration wird insbesondere ein Austausch oder eine Reinigung von Teilen der Strahlschneidanlage, wie beispielsweise einer Düse oder einem Schutzglas, verstanden. Den unterschiedlichen Auswirkungen neuer oder beschädigter bzw. verschmutzter Teile auf den Schneidvorgang kann dadurch Rechnung getragen werden. Auch thermische Effekte, wie beispielsweise eine temperaturbedingte Veränderung der Fokuslage, können als Änderung der Maschinenkonfiguration angesehen werden. Dadurch kann wiederkehrenden Effekten aufgrund des Aufheizens der Schneidanlage im Betrieb bzw. des Abkühlens bei Betriebsunterbrechungen begegnet werden.

Beim Auftreten eines vordefinierten (prozess- oder schneidrelevanten) Ereignisses kann das Prozessfenster in einer vordefinierten Weise angepasst werden. Das vordefinierte Ereignis kann beispielsweise ein Schnittabriss, eine Kollision, insbesondere einer Düse mit dem Werkstück oder Anlageteilen, oder eine manuelle Parameteränderung sein. Indem für solche Ereignisse geeignete Korrekturen des Prozessfensters angewandt werden, kann erreicht werden, dass nach dem entsprechenden Ereignis ein zuverlässiger Schneidvorgang auch im ungeregelten Betrieb möglich ist. Bei unveränderten Parameterwerten können solche Ereignisse demgegenüber nachfolgend einen Fehlschnitt verursachen.

Für die Anpassung des Prozessfensters kann ein zulässiger Bereich vordefiniert sein. Dadurch kann erreicht werden, dass das Prozessfenster nicht in Bereiche verschoben wird, die weit jenseits der üblichen Parameterwerte liegen. Insbesondere kann eine übermäßig starke Verschiebung des Prozessfensters in einem Schritt (bei einer einzigen Anpassung) verhindert werden. Damit kann vermieden werden, dass singuläre Ereignisse das Prozessfenster in einen Bereich verschieben, der für ein nachfolgendes Schneiden im ungeregelten Betrieb ungeeignet ist. Zusätzlich kann dadurch auch verhindert werden, dass beispielsweise ein falsches Setup angewandt wird, etwa eine falsche Blechstärke eingestellt wird, versehentlich ein Doppelblech beladen wurde oder ein falscher Parametersatz zur richtigen Blechstärke gewählt wird usw.

Es kann vorgesehen sein, dass der Schneidvorgang abgebrochen und/oder eine Meldung ausgegeben wird, wenn das angepasste Prozessfenster und/oder die im geregelten Betrieb eingestellten Prozessparameter eine Grenze des zulässigen Bereichs erreichen. Eine Wahl der Prozessparameter an der Grenze des zulässigen Bereichs wird insofern als ein Warnhinweis auf eine schwerwiegende Störung oder Fehlfunktion verstanden und genutzt.

Die Anwendung des ungeregelten Betriebs kann in vordefinierten Situationen erfolgen. Dadurch wird berücksichtigt, dass bestimmte Situationen im Schneidvorgang bei der im geregelten Betrieb vorgesehenen Regelstrategie unter Umständen nicht zufriedenstellend bewältigt werden können. Demgegenüber erlaubt die Vorgabe der Prozessparameter innerhalb des (ggf. angepassten) Prozessfensters eine sichere Durchführung des Schneidvorgangs in der vordefinierten Situation. Nachdem die vordefinierte Situation vorüber ist, wird grundsätzlich auf den geregelten Betrieb umgestellt. Die Durchführung des ungeregelten Betriebs innerhalb des angepassten Prozessfensters erhöht signifikant die Sicherheit, dass sich der Schneidvorgang in einem stabilen Zustand befindet, ausgehend von welchem eine Regelung erfolgen kann.

Es kann vorgesehen sein, dass ein Beginn des Schneidvorgangs, insbesondere eines jeden Schneidvorgangs, im ungeregelten Betrieb erfolgt. Das (ggf. angepasste) Prozessfenster stellt dabei sicher, dass der Schneidvorgang erfolgreich beginnt. Dieser erfolgreiche Beginn des Schneidvorgangs liefert die Grundlage für eine nachfolgende Anpassung der Prozessparameter im geregelten Betrieb. Es kann vorgesehen sein, dass eine Richtungsänderung der Schnittrichtung, welche einen vordefinierten zeitlichen oder räumlichen Gradienten bzw. eine vorgegebene Krümmung übersteigt, im ungeregelten Betrieb erfolgt. Solch schnelle Richtungsänderungen können bewirken, dass die Laserschneidanlage vorübergehend nicht mess- und damit regelfähig ist oder dass die Regelung es aufgrund ihrer Trägheit nicht schafft, den Prozess in oder nach der Kurvenfahrt innerhalb des Qualitätsfensters zu halten. Für eine erfolgreiche Durchführung des Schneidvorgangs wird daher vor einer entsprechend starken Richtungsänderung auf den ungeregelten Betrieb umgestellt; nach Abschluss der Richtungsänderung wird der Schneidvorgang im geregelten Betrieb fortgesetzt.

Die Prozessparameter im ungeregelten Betrieb können mit einem Sicherheitspuffer zu den Grenzen des Prozessfensters gewählt werden, sofern das Prozessfenster einen Bereich im Parameterraum umfasst. Dies erhöht die Zuverlässigkeit des Schneidverfahrens weiter.

Der Sicherheitspuffer kann von der Art eines Produktionsmodus abhängen. Über den Produktionsmodus kann eingestellt werden, ob der Schwerpunkt der Verfahrensführung auf einer Maximierung der Zuverlässigkeit oder einer Erhöhung der Produktivität liegt. Der Produktionsmodus kann beispielsweise ein Sicherheitsmodus für einen Mannlosbetrieb oder ein Produktivmodus für eine erhöhte Produktivität sein. Im Sicherheitsmodus wird ein größerer Sicherheitspuffer vorgegeben als im Produktivmodus.

Alternativ oder zusätzlich kann der Sicherheitspuffer von der vergangenen Zeit seit der letzten Anpassung der jeweiligen Grenze des Prozessfensters abhängen. Dadurch wird berücksichtigt, dass sich im Laufe der Zeit Maschineneigenschaften oder Werkstückeigenschaften ändern können. Wenn die letzte Anpassung der Grenzen des Prozessfensters lange zurückliegt, sind diese Änderungen potentiell noch nicht in die Festlegung des Prozessfensters eingeflossen.

In den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt auch ein Computerprogramm enthaltend Programmbefehle, welche bei der Ausführung des Computerprogramms auf einer Steuereinrichtung einer Strahlschneidanlage, insbesondere einer Laserschneidanlage, diese dazu veranlassen, ein oben beschriebenes, erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Das Computerprogramm erlaubt die einfache Ertüchtigung einer bestehenden Strahlschneidanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ebenfalls in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt ein computerlesbares Speichermedium, auf welchem ein erfindungsgemäßes Computerprogramm gespeichert ist.

Weiterhin in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fällt eine Strahlschneidanlage, insbesondere eine Laserschneidanlage, mit einer Steuereinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, ein oben beschriebenes, erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Die Strahlschneidanlage kann einen Schneidkopf aufweisen, der relativ zu einer Werkstückaufnahme zum Halten eines Werkstücks beweglich ist. Der Schneidkopf kann ein Schutzglas für eine Optik aufweisen. Der Schneidkopf kann eine Düse aufweisen, durch welche ein Schneidgas auf das Werkstück gerichtet werden kann. Die Strahlschneidanlage kann einen oder mehrere Sensoren zum Erfassen des wenigstens einen Qualitätsparameters aufweisen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung. Erfindungsgemäß können die vorstehend genannten und die noch weiter ausgeführten Merkmale jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen, zweckmäßigen 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.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung und Zeichnung

Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Strahlschneidanlage in einer schematischen Seitenansicht;

Fig. 2 die Strahlschneidmaschine von Fig. 1 in einer schematischen Draufsicht;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines ursprünglich vorgegeben Prozessfensters und eines Prozessfensters mit angepassten Grenzen in einem Parameterraum von Prozessparametern;

Fig. 4 ein schematisches Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Schneidverfahrens.

Figur 1 zeigt eine Strahlschneidanlange, die hier eine Laserschneidanlage 10 ist. An einer Werkstückaufnahme 12 der Laserschneidanlage 10 ist ein Werkstück 14, hier ein Blech, gehalten, vergleiche auch Figur 2. Die Laserschneidanlage 10 weist einen Schneidkopf 16 auf. Der Schneidkopf 16 ist entlang mehrerer translatorische Achsen 18, 20, 22 relativ zu der Werkstückaufnahme 12 verfahrbar. Ferner kann der Schneidkopf 16 in nicht näher dargestellter Weise um eine oder mehrere rotatorische Achsen drehbar sein.

Zum Schneiden des Werkstücks 14 sendet der Schneidkopf 16 einen Laserstrahl 24 aus. Mittels des Laserstrahls 24 wird das Werkstück 14 entlang einer Trajektorie 26 durchschnitten. Der Trennschnitt möge an einem Einstechpunkt 27 beginnen. Die Trajektorie 26 ist hier beispielhaft als eine geschlossene Kontur dargestellt. Alternativ könnte die Trajektorie mehrere voneinander separate Bearbeitungsabschnitte und dazwischenliegende Transferstrecken aufweisen (nicht näher dargestellt). Zur Unterstützung der Bearbeitung des Werkstücks 14 mit dem Laserstrahl 24 kann der Schneidkopf 16 eine Düse 28 aufweisen. Durch die Düse 28 kann ein Schneidgas auf das Werkstück 14 geblasen werden. Der Schneidkopf 16 kann ferner ein Schutzglas 29 für eine nicht im Einzelnen dargestellte Optik aufweisen. Die Laserschneidanlage 10 weist eine Steuereinrichtung 30 auf. Die Steuereinrichtung 30 bewirkt die Durchführung des Schneidvorgangs unter Vorgabe und Anpassung verschiedener Prozessparameter. Zwei der Prozessparameter können beispielsweise eine Vorschubgeschwindigkeit v und eine Fokuslage f (d. h. die Position des Fokus des Laserstrahls 24 relativ zum Werkstück 14) sein, vergleiche Figur 3. Weitere Prozessparameter können eine Laserleistung, ein Fokusdurchmesser, ein Gasdruck des Schneidgases vor dem Austritt aus der Düse 28, ein Massestrom des Schneidgases durch die Düse 28 und/oder ein Abstand 34 der Düse von dem Werkstück 14 sein. Die Prozessparameter spannen insgesamt einen mehrdimensionalen Parameterraum auf, von welchem in Figur 3 beispielhaft eine zweidimensionale Projektion gezeigt ist.

Ferner weist die Laserschneidanlage 10 ein Sensorsystem 32 auf. Das Sensorsystem 32 kann mehrere nicht im Detail dargestellten Sensoren zur Ermittlung von Qualitätsparametern des Schneidvorgangs umfassen. Die Sensoren können beispielsweise in oder an dem Schneidkopf 16 angeordnet sein. Einige der Sensoren können auch an anderer Stelle an der Laserschneidanlage 10 oder in deren Umgebung angeordnet sein. Das Sensorsystem 32 kann unter anderem einen optischen Sensor, insbesondere eine Kamera aufweisen. Das Sensorsystem 32 kann es vorzugsweise ermöglichen, eine Schnittkantenqualität, eine Breite der Schneidfuge, eine Schnittfrontneigung und/oder das Vorliegen eines Trennschnitts bzw. eines Fehlschnitts zu ermitteln.

Für die Durchführung des Schneidverfahrens wird im Parameterraum der Prozessparameter ein Prozessfenster 36 (siehe Figur 3) vorgegeben, vergleiche Schritt 102 in Figur 4. Die Definition des Prozessfensters 36 erfolgt zunächst für einen ungestörten Zustand entsprechend einem nominellen Zustand der Laserschneidanlage 10 und des Werkstücks 14. Dabei können Maschineneigenschaften wie der Typ des Schneidkopfs 16, eine Wellenlänge des Laserstrahls 24, eine Art des Schneidgases und/oder ein Typ der Düse 28 berücksichtigt werden. Zudem können Werkstückeigenschaften wie das Material des Werkstücks 14, die Dicke des Werkstücks 14 und/oder eine Oberflächenbeschaffenheit des Werkstücks 14 berücksichtigt werden.

In Figur 3 ist ferner eine Qualitätsgrenze 38 eingezeichnet, an welcher der Schneidvorgang von einem erfolgreichen in einen fehlerhaften Verlauf übergeht. Hier erfolgt links der Qualitätsgrenze 38 ein Trennschnitt hinreichender Qualität und rechts der Qualitätsgrenze 38 ein Fehlschnitt. Das Prozessfenster 36 liegt im mehrdimensionalen Parameterraum in demjenigen Gebiet, das eine erfolgreiche Durchführung des Trennschnitts mit hinreichender Qualität ermöglicht. Insbesondere kann das Prozessfenster 36 mit einem gewissen Abstand zur Qualitätsgrenze 38 vorgegeben sein. Dadurch kann ein qualitativ hochwertiger Trennschnitt erreicht werden.

Innerhalb des Prozessfensters 36 wird in einem Schritt 104 ein Arbeitspunkt 40 gewählt. Der Arbeitspunkt 40 kann mit einem Sicherheitspuffer zu den Grenzen bzw. Rändern des Prozessfensters 36 vorgegeben werden. Der Sicherheitspuffer kann abhängig von den Produktivitäts- bzw. Zuverlässigkeitsanforderungen eines Produktionsmodus gewählt werden.

Mit den gemäß dem Arbeitspunkt 40 gewählten Prozessparametern beginnt der Schneidvorgang am Einstechpunkt 27, vergleiche Schritt 106. Der Schnittbeginn erfolgt somit in einem ungeregelten Betrieb mit festliegenden Prozessparametern ohne Rückführung von Qualitätsparametern. Sofern möglich werden auch im ungeregelten Betrieb die Qualitätsparameter durch das Sensorsystem 32 erfasst, vergleiche den übergreifenden Schritt 108 in Figur 4.

Nachdem ein kurzes Stück der Trajektorie 26 mit den vorgegebenen Prozessparametern geschnitten wurde, wird auf einen geregelten Betrieb umgestellt. Im weiteren Verlauf erfolgt der Schnittvorgang geregelt unter Rückführung der von dem Sensorsystem 32 erfassten Qualitätsparameter und mit Veränderung der Prozessparameter entsprechend einer vorgegebenen Regelstrategie, vergleiche Schritt 110. Die Prozessparameter können dabei das ursprünglich vorgegebene Prozessfenster 36 verlassen. Im Verlauf des Schneidvorgangs möge eine Störung auftreten. Beispielsweise kann ein Spritzer das Schutzglas 29 verschmutzen. Die Steuereinrichtung 30 erkennt dies anhand einer Verschlechterung der Qualitätsparameter, welche vom Sensorsystem 32 erfasst werden. Aufgrund der Störung möge sich im Parameterraum eine veränderte Lage der Qualitätsgrenze 38' ergeben.

Die Steuereinrichtung reagiert daher im geregelten Betrieb mit einer Anpassung der Prozessparameter. Beispielsweise möge die Vorschubgeschwindigkeit v reduziert, die Fokuslage f näher an das Werkstück 14 gelegt und die Laserleistung erhöht werden.

Anhand der derart veränderten Werte der Prozessparameter wird in einem Schritt 112 das Prozessfenster angepasst, sodass es die in Figur 3 mit 36' bezeichnete Größe, Form und Lage erhält. Die Anpassung des Prozessfensters 36' kann dabei fortlaufend oder wiederholt erfolgen. Insbesondere können auch die aktuelle Bearbeitungsposition im Arbeitsraum und/oder Schnittrichtung berücksichtigt werden, sodass orts- bzw. richtungsabhängig und/oder zeitabhängig unterschiedliche Prozessfenster erhalten werden (nicht näher dargestellt). Die Anpassung des Prozessfensters 36' kann auf einen zulässigen Bereich 41 beschränkt sein.

Im weiteren Verlauf möge die Trajektorie 26 scharfe Richtungsänderungen 42 aufweisen. Bei der gewählten Regelstrategie und derart scharfen Richtungsänderungen kann die Gefahr eines Schnittabrisses bestehen, beispielsweise wenn starke Richtungsabhängigkeiten vorliegen und die Regelung zu träge ist oder die Laserschneidanlage in derart scharfen Kurven nicht messfähig ist. Es wird daher in einer erneuten Durchführung des Schritts 104 ein neuer Arbeitspunkt 40' im angepassten Prozessfenster 36' gewählt. Der Schneidvorgang im Bereich der Richtungsänderungen 42 erfolgt sodann im ungeregelten Betrieb, vergleiche Schritt 114, wobei die Prozessparameter im angepassten Arbeitspunkt 40' gewählt werden. Wenn die Dynamik der Laserschneidanlage 10 es im Bereich der Richtungsänderungen 42 nicht ermöglicht, die Vorschubgeschwindigkeit entsprechend dem Arbeitspunkt 40' zu wählen, kann der Schneidvorgang dort mit einer geringeren Vorschubgeschwindigkeit durchgeführt werden. Es können dann zusätzlich weitere Prozessparameter angepasst werden (beispielsweise die Laserleistung), um auch bei geringerem Vorschub eine gute Qualität zu erreichen. Die Vorschubgeschwindigkeit des Arbeitspunkts 40' dient dann als Grenzwert, welcher im Bereich der Richtungsänderungen 42 nicht überschritten wird. Soweit die Dynamik es zulässt, wird die Vorschubgeschwindigkeit im ungeregelten Betrieb auf den dem Arbeitspunkt 40' entsprechenden Wert eingestellt.

Nachdem die scharfen Richtungsänderungen 42 durchfahren wurden, wird wieder auf den geregelten Betrieb gemäß Schritt 110 umgestellt. Vor dem Umstellen auf den geregelten Betrieb kann beispielsweise die Vorschubgeschwindigkeit im Rahmen der Richtungsabhängigkeit des Prozessfensters 36' auf denjenigen Wert gebracht werden, der im vorangegangenen geregelten Betrieb zuletzt in dieser Richtung angewandt wurde. Alternativ kann auch ein niedrigerer Wert gewählt werden, um mehr Sicherheit zu erreichen, insbesondere wenn der letzte Schnitt in die neue Richtung schon eine längere Zeit zurückliegt.

Das vorbeschriebene Prozedere kann im weiteren Verlauf des Schneidvorgangs am Werkstück 14 wiederholt werden. Auch für einen weiteren Schneidvorgang mit erneutem Einstich an dem Werkstück 14 oder einem weiteren Werkstück wird wie zuvor beschrieben vorgegangen, wobei der Arbeitspunkt im Schritt 104 jeweils innerhalb des aktuellen Prozessfensters 36' gewählt wird.

Wenn das verschmutzte Schutzglas 29 gereinigt oder ausgetauscht wurde, wird das Prozessfenster 36' angepasst. Insbesondere können seine Grenzen wieder denen des Prozessfensters 36 entsprechen, wenn zwischenzeitlich keine sonstigen Störungen aufgetreten sind.

Auch kann vorgesehen sein, dass bei bestimmten Ereignissen, beispielsweise bei einer Kollision der Düse 28 mit dem Werkstück 14 oder bei einem Schnittabriss, eine vordefinierte Anpassung des Prozessfensters erfolgt. So kann beispielsweise für einen Schnittabriss vorgesehen sein, dass die Vorschubgeschwindigkeit im angepassten Prozessfenster, gegenüber der Vorschubgeschwindigkeit, bei welcher der Schnittabriss stattfand, um einen bestimmten Betrag oder Faktor reduziert ist. Ein solcher Schnittabriss kann sowohl im geregelten als auch im ungeregelten Betrieb auftreten, beispielsweise aufgrund einer Schlackeanhaftung an der Düse 28, welche den Durchfluss von Schneidgas beeinträchtigt. Um ein Weiterschneiden zu ermöglichen und einen erneuten Schnittabriss vor Behebung der Ursache zu vermeiden, wird das Prozessfenster entsprechend modifiziert.

Zusammenfassend umfasst das Strahlschneidverfahren einen ungeregelten Betriebsmodus (Schritte 104, 106, 114) und einen geregelten Betriebsmodus (Schritt 110). In beiden Betriebsmodi werden Qualitätsparameter für den Schneidvorgang erfasst. Im ungeregelten Betrieb werden die Prozessparameter auf einen Arbeitspunkt innerhalb eines adaptiven Prozessfensters eingestellt. Im geregelten Betrieb werden die Prozessparameter auf Grundlage einer vorgegebenen Regelstrategie unter Beachtung der Qualitätsparameter verändert, wobei sie die Grenzen des bisherigen Prozessfensters überschreiten können. Die Veränderungen der Prozessparameter im geregelten Betrieb werden zur Anpassung der Grenzen des Prozessfensters für den ungeregelten Betrieb herangezogen. Die nächste Phase des ungeregelten Betriebs erfolgt mit einem Arbeitspunkt innerhalb des angepassten Prozessfensters. Die Prozessparameter in verschiedenen Phasen des ungeregelten Betriebs unterscheiden sich daher typischerweise voneinander.

Bezugszeichenliste

Laserschneidanlage 10

Werkstückaufnahme 12

Werkstück 14

Schneidkopf 16 translatorische Achsen 18, 20, 22

Laserstrahl 24

Trajektorie 26

Einstechpunkt 27

Düse 28

Schutzglas 29

Steuereinrichtung 30

Sensorsystem 32

Abstand 34

Prozessfenster 36, 36'

Qualitätsgrenze 38, 38'

Arbeitspunkt 40, 40' zulässiger Bereich 41

Richtungsänderung 42

Vorschubgeschwindigkeit v

Fokuslage f

102: Prozessfenster definieren

104: Arbeitspunkt im Prozessfenster wählen

106: Schnittvorgang ungeregelt beginnen

108: Qualitätsparameter erfassen

110: Geregelt schneiden

112: Prozessfenster anpassen

114: Ungeregelt schneiden