TRUMPF Werkzeugmaschinen SE + Co. KG

Johann-Maus-Strasse 2

D-71254 Ditzingen

Verfahren und Laserbearbeitungsmaschine mit vorausschauender Werkstückkantenerkennung beim Laserbearbeiten von Werkstücken

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, eines plattenförmigen Werkstückendbereichs, insbesondere eines Blechs, mittels eines Laserstrahls, welcher in einer z-Richtung aus einem Laserbearbeitungskopf austritt und in der z-Richtung auf das Werkstück trifft, sowie auch eine zum Durchführen des Laserbearbeitungsverfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine.

Verfahren zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, sind hinlänglich bekannt. Beim Anfahren an eine Blechtafel von außen (z.B. bei einem Trennschnitt) kann der Laserstrahl ungehindert auf den Maschinenunterbau treffen und diesen thermisch belasten. Dies kann - insbesondere bei hoher Leistungsdichte bzw. Streckenenergie - zur Beschädigung oder sogar zur Zerstörung der Laserbearbeitungsmaschine führen.

In DE 10 2015 103 047 B3 wird ein Verfahren offenbart, bei dem vom Werkstückinneren in Richtung Werkstückkante und darüber hinaus mit ausgeschaltetem Laserstrahl verfahren wird. Zunächst ist eine Abstandsregelung aktiv, bis ein z-Sollab- stand eines Laserschneidkopfes zur Werkstückoberfläche erreicht ist. Dann wird die Abstandsregelung ausgeschaltet und die z-Position des Laserschneidkopfes „eingefroren“. Mit dieser Einstellung fährt der Laserschneidkopf ein kurzes Stück über die Werkstückkante hinaus und dreht dann um. Am Umkehrpunkt oder während der Anfahrstrecke wird der Laserstrahl eingeschaltet.

In DE 10 2011 003 395 B3 ist ein Verfahren zum Randbeschnitt eines Werkstücks offenbart, bei dem die Schnittlinie in Einzeltrennschnitte unterteilt wird, welche jeweils bis zum Rand des Werkstücks geführt werden, bis anhand der Randerkennung (z.B. über die Abstandssensorik) der Rand des Werkstücks erkannt wird.

Beim Verfahren des Bearbeitungskopfs mit eingeschaltetem Laserstrahl vom Inneren des Werkstücks nach außen, wird die Abstandsregelung zur Detektion der Werkstückkante genutzt, um den Laserstrahl rechtzeitig auszuschalten.

Demgegenüber war es Aufgabe der Erfindung, bei einem Verfahren zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, die thermische Belastung des Unterbaus der Laserbearbeitungsmaschine zu reduzieren sowie eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, eines plattenförmigen Werkstückendbereichs, insbesondere eines Blechs, mittels eines Laserstrahls, welcher in einer z-Richtung aus einem Laserbearbeitungskopf austritt und in der z-Richtung auf das Werkstück trifft, mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

- bei ausgeschaltetem Laserstrahl Annähern des in einem vorbestimmten z-Soll- abstand zum Werkstück fixierten Laserbearbeitungskopfes in Richtung von außen hin zu einer Werkstückkante des Werkstückendbereichs;

- Messen eines vom Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstückkante abhängigen Messsignals, insbesondere des Abstands, während dem Annähern des Laserbearbeitungskopfes an die Werkstückkante;

- Einschalten des Laserstrahls, wenn das Messsignal einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat, insbesondere wenn der gemessene Abstand auf einen vorgegebenen Abstandsschwellwert abgenommen hat, welcher größer als der fixierte z-Sollabstand ist; und

- Weiterbewegen des Laserbearbeitungskopfes in der Bewegungsrichtung, um für eine Laserbearbeitung des Werkstückendbereichs den Laserstrahl über die Werkstückkante hinweg in den Werkstückendbereich zu bewegen. Das Annähern des Laserbearbeitungskopfes an die Werkstückkante kann durch Bewegen nur des Laserbearbeitungskopfes, durch Bewegen nur des Werkstücks oder durch Bewegen von Laserbearbeitungskopf und Werkstück erfolgen. Der vorbestimmte z-Sollabstand ist der zum Laserbearbeiten des Werkstücks bekannte z- Arbeitsabstand, bei dem der Laserstrahl auf die Werkstückoberfläche oder unterhalb oder oberhalb der Werkstückoberfläche fokussiert wird.

Erfindungsgemäß wird beim Anfahren an die Werkstückkante die Werkstückkante erkannt. Bis zur Erkennung der Werkstückkante ist der Laserstrahl ausgeschaltet und wird bei Erreichen des Schwellwertes, also erst unmittelbar an der Blechkante, in der Bewegung „fliegend“ zugeschaltet. Die Kantenerkennung erfolgt bevorzugt über das Abstandssignal einer kapazitiven Abstandsregelung. Zum fliegenden Einschalten des Laserstrahls beim Annähern an die Werkstückkante wird der Abstandsschwellwert des kontinuierlichen Abstandsmesswerts als Trigger für das Einschalten des Laserstrahls genutzt. Bis zum Erreichen des Abstandsschwellwertes ist der Laserstrahl ausgeschaltet, sodass er keinen Schaden an der Laserbearbeitungsmaschine anrichten kann.

Vorzugsweise wird bei ausgeschaltetem Laserstrahl der in einem vorbestimmten z- Sollabstand zum Werkstück fixierte Laserbearbeitungskopf in einer zur z-Richtung rechtwinkligen Bewegungsrichtung in Richtung von außen hin zu der Werkstückkante des Werkstückendbereichs angenähert. Alternativ kann der Laserbearbeitungskopf aber auch auf einer anderen vorgegeben Annäherungskurve, z.B. diagonal, der Werkstückkante angenähert werden.

Besonders bevorzugt ist die dem Laserstrahl zugewandte Oberseite des plattenförmigen Werkstückendbereichs plan ausgebildet und verläuft rechtwinklig zur z-Rich- tung.

Vorzugsweise wird der Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstückkante kapazitiv oder induktiv gemessen. Ein kapazitiver oder induktiver Abstandssensor, z.B. in Form einer elektrisch leitenden Schneiddüse, misst insbesondere bei metallischen Werkstücken wie Blechen die elektrische Kapazität zwischen dem metallischen Werkstück und dem Laserbearbeitungskopf. Diese Kapazität ändert sich mit variierendem Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück, wodurch der Abstand zuverlässig bestimmt werden kann.

Vorzugsweise wird der Schwellwert, insbesondere der Abstandsschwellwert, in Abhängigkeit von dem fixierten z-Sollabstand und/oder von der Geometrie des Laserbearbeitungskopfes und/oder von der Geometrie der Werkstückkante und/oder von der Annäherungsgeschwindigkeit festgelegt. Dabei kann für jeden Düsentyp ein anderer Schwellwert festgelegt werden. Bevorzugt sollte der Abstandsschwellwert um mindestens 1 mm, bevorzugt um mindestens 2 mm, größer als der vorbestimmte z-Sollabstand sein. In der Umsetzung ist eine möglichst einfache Definition des Abstandsschwellwertes anzustreben, um den Aufwand bei z.B. Einführung neuer Düsengeometrien gering zu halten. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit 'Abstandsschwellwert = z-Sollabstand + b" eine sehr gute Genauigkeit der Kantenerkennung erreicht werden kann. Der Wert b sollte vorzugsweise mehr als 1 mm, bevorzugt mehr als 2 mm, betragen. In einer weiteren Ausführung ist es vorteilhaft, den z-Sollabstand in die Abstandsschwellwertberechnung einzubeziehen, z.B. als lineare Funktion des fixierten z-Sollabstands: "Abstandsschwellwert = m*z- Sollabstand + b“, wobei bevorzugt 1 ,0 < m <1 ,6, insbesondere m = 1 ,3, und 2,7 mm < b < 3,7 mm, insbesondere b = 3,2 mm, gilt.

Vorzugsweise wird, sobald beim Weiterbewegen des Laserbearbeitungskopfes im Werkstückendbereich der gemessene Abstand den fixierten z-Sollabstand erreicht hat, die z-Fixierung des Laserbearbeitungskopfes aufgehoben und nachfolgend der z-Abstand des Laserbearbeitungskopfes zum Werkstück mittels einer Abstandsregelung eingestellt.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Laserbearbeitungsmaschine zum Laserbearbeiten, insbesondere Laserschneiden, eines Werkstücks, insbesondere Blechs, mittels eines Laserstrahls aufweisend:

- einen Laserbearbeitungskopf zum Emittieren des Laserstrahls in einer z-Rich- tung; - einen Antrieb zum Relativbewegen des Laserbearbeitungskopfes und des Werkstücks zueinander in einer zur z-Richtung rechtwinkligen Bewegungsrichtung;

- eine Messeinrichtung zum Messen eines vom Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück abhängigen Messsignals, insbesondere eine Abstandsmesseinrichtung zum Messen des Abstandes zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstück;

- eine Maschinensteuerung, die programmiert ist, den Laserstrahl zum Bearbeiten des Werkstücks einzuschalten, wenn, beim Annähern des in einem vorbestimmten z-Sollabstand zum Werkstück fixierten Laserbearbeitungskopfes in der Bewegungsrichtung in Richtung von außen hin zu einer Werkstückkante eines plattenförmigen Werkstückendbereichs, das Messsignal einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat, insbesondere wenn der gemessene Abstand zwischen Laserbearbeitungskopf und Werkstückkante auf einen vorgegebenen Abstandsschwellwert, welcher größer als der fixierte z-Sollabstand ist, abgenommen hat.

Bei einer solchen Laserbearbeitungsmaschine kann der Laserstrahl gezielt eingeschaltet werden, kurz bevor der Laserbearbeitungskopf bzw. der Laserstrahl in Bewegungsrichtung die Werkstückkante des Werkstücks erreicht. So kann der Unterbau der Laserbearbeitungsmaschine vor einer zu hohen thermischen Belastung geschützt werden.

Vorzugsweise weist der Laserbearbeitungskopf eine Bearbeitungsdüse mit einer Düsenöffnung auf, aus welcher der Laserstrahl, insbesondere zusammen mit einem Schneidgas, austritt. Die Bearbeitungsdüse kann elektrisch leitend sein und Teil einer kapazitiven oder induktiven Abstandsmesseinrichtung sein. So wird die Werkstückkante erkannt, bevor sie unter der Düsenöffnung liegt.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungswesentliche Einzelheiten zeigen, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein. Ausführungsbeispiele sind in der schematischen Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils gleiche oder entsprechende Merkmale. Es zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Laserbearbeitungsmaschine, hier am Beispiel einer Laserschneidmaschine, zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Laserschneiden von plattenförmigen Werkstücken;

Fign. 2a, 2b eine Schneiddüse eines in Fig. 1 gezeigten Laserschneidkopfes in einer von einer Werkstückkante entfernten, ersten x-Position (Fig. 2a), in der der Laserstrahl ausgeschaltet ist, und in einer an die Werkstückkante angenäherten, zweiten x-Position (Fig. 2b), in der der Laserstrahl kurz vor Erreichen der Werkstückkante eingeschaltet ist; und

Fig. 3 schematisch den von einer Abstandsmesseinrichtung des Laserschneidkopfes gemessenen Abstand zwischen dem Laserschneidkopf und einer Werkstückkante beim Annähern des Laserschneidkopfes in x-Richtung an die Werkstückkante.

Die in Fig. 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 dient zum Laserschneiden von plattenförmigen Werkstücken (z.B. Blechen) 2 mittels eines Laserstrahls 3 und wird daher im Folgenden auch als Laserschneidmaschine bezeichnet.

Die Laserschneidmaschine 1 weist beispielsweise einen CO2-Laser oder Festkörperlaser und bevorzugt einen Diodenlaser als Laserstrahlerzeuger 4, einen Laserschneidkopf 5 und eine Werkstückauflage 6 auf, auf der das Werkstück 2 angeordnet ist. Im Laserstrahlerzeuger 4 wird der Laserstrahl 3 erzeugt, der mittels eines (nicht gezeigten) Lichtleitkabels oder (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln vom Laserstrahlerzeuger 4 zum Laserschneidkopf 5 geführt wird. Mittels einer im Laserschneidkopf 5 angeordneten Fokussieroptik wird der Laserstrahl 3 auf das Werkstück 2 gerichtet. Der Laserstrahl 3 tritt in einer z-Richtung aus dem Laserschneidkopf 5 aus und trifft in der z-Richtung auf das Werkstück 2. Der Laserschneidkopf 5 ist rechtwinklig zur z-Richtung, also in x- und y-Richtung, mittels eines Antriebs 7 oberhalb des Werkstücks 2 verfahrbar.

Die Laserschneidmaschine 1 wird darüber hinaus mit Schneidgasen 8, beispielsweise Sauerstoff und Stickstoff, versorgt. Das Schneidgas 8 wird einer Schneiddüse 9 des Laserschneidkopfes 5 zugeführt, aus deren Düsenöffnung 10 es zusammen mit dem Laserstrahl 3 austritt. Die Schneiddüse 9 ist elektrisch leitend und ist Teil einer aus DE 10 2010 039 528 A1 bekannten kapazitiven oder induktiven Abstandsmesseinrichtung 11 zum Messen eines Abstandes A zwischen Laserbearbeitungskopf 5 und Werkstück 2. In Fig. 1 ist eine kapazitive Abstandsmesseinrichtung 11 lediglich schematisch durch die Feldlinien eines elektrischen Feldes angedeutet, das sich aufgrund einer vorgegebenen Potentialdifferenz zwischen Schneiddüse 9 und Werkstück 2 ausbildet.

Die Laserschneidmaschine 1 umfasst ferner eine Maschinensteuerung 12, die programmiert ist, den Laserstrahl 3 an- und auszuschalten, den Antrieb 7 anzusteu- ern, um den Laserschneidkopf 5 samt Schneiddüse 9 entsprechend einer vorgegebenen Schnittkontur 13 relativ zum Werkstück 2 zu verfahren, sowie den Abstand A des Laserbearbeitungskopfes 5 zum Werkstück 2 zu regeln bzw. einzustellen.

Das Schneiden in einen plattenförmigen Werkstückendbereich 14 erfolgt erfindungsgemäß wie folgt:

Bei ausgeschaltetem Laserstrahl 3 wird der in einem vorbestimmten z-Sollabstand zs zum Werkstückendbereich 14 fixierte Laserbearbeitungskopf 5 in x-Richtung in Richtung von außen hin zu einer Werkstückkante 15 des Werkstückendbereichs 14 angenähert (Fig. 2a). Dabei wird mittels der Abstandsmesseinrichtung 12 fortlaufend der Abstand A zwischen Schneiddüse 9 und Werkstückkante 15 gemessen.

Wie in Fig. 3 gezeigt, nimmt der gemessene Abstand A mit der Annäherung der Schneidgasdüse 9 an die Werkstückkante 15 ab und nähert sich dem z-Sollab- stand zs an. Erst wenn sich die Schneiddüse 9 vollständig über dem Werkstück 2 befindet, erreicht der gemessene Abstand A den fixierten z-Sollabstand zs und bleibt konstant. Da der Verlauf des Abstandsignals stetig ist, kann die Lage der Werkstückkante 15 nicht anhand des Kurvenverlaufs detektiert werden. Es wird daher ein Abstandsschwellwert Ath definiert, bei dessen Unterschreiten die Schneiddüse 9 sich nahe bzw. kurz (z.B. im Millimeter- oder Mikrometerbereich) vor der Werkstückkante 15 befindet. Der Abstandsschwellwert Ath ist größer als der fixierte z-Sollabstand zs. Erst wenn bei der Annäherung der Schneidgasdüse 9 an die Werkstückkante 15 der gemessene Abstand A auf diesen Abstandsschwellwert Ath abgenommen hat, wird der Laserstrahl 3 kurz vor Erreichen der Werkstückkante 15 eingeschaltet (Fig. 2b) und der Laserschneidkopf 5 weiter in x-Richtung weiterbewegt, so dass der Laserstrahl 3 in die Werkstückkante 15 und den Werkstückendbereich 14 schneidet. Genauer gesagt, ist die Düsenachse 16 der Düsenöffnung 10, die im Allgemeinen mit der Strahlachse des Laserstrahls 3 zusammenfällt, in Fig. 2a weiter von der Werkstückkante 15 entfernt als in Fig. 2b.

Sobald beim Weiterbewegen des Laserschneidkopfes 5 im Werkstückendbereich 14 der gemessene Abstand A den fixierten z-Sollabstand zs erreicht hat, kann die z-Fixierung des Laserschneidkopfes 5 aufgehoben und nachfolgend der z-Abstand des Laserschneidkopfes 5 zum Werkstück 2 mittels einer Abstandsregelung eingestellt werden.

Die Maschinensteuerung 12 ist also programmiert, den Laserstrahl 3 zum Bearbeiten des Werkstücks 2 erst dann einzuschalten, wenn beim Annähern des Laserschneidkopfes 5 von außen an die Werkstückkante 15 der gemessene Abstand A auf den Abstandsschwellwert Ath abgenommen hat.

Der Abstandsschwellwert Ath wird bevorzugt in Abhängigkeit von dem fixierten z- Sollabstand zs, von der Geometrie der Schneiddüse 9 und/oder von der Geometrie (z.B. Dicke) der Werkstückkante 15 festgelegt. Der Abstandsschwellwert Ath sollte bevorzugt mindestens 1 mm, bevorzugt mindestens 2 mm, größer als der fixierte z- Sollabstand zs sein. Im einfachsten Fall gilt für den Abstandsschwellwert Ath: Ath = zs + b, wobei b > 1 mm ist. Alternativ kann der Abstandsschwellwert Ath auch als eine lineare Funktion des fixierten z-Sollabstands zs festgelegt werden: Ath = m*zs + b, wobei 1 ,2 < m < 1 ,4, insbesondere m = 1 ,3, und 3,0 mm < b < 3,4 mm, insbesondere 3,2 mm gilt. Statt des Abstands A kann alternativ auch ein vom Abstand A zwischen Laserbearbeitungskopf 5 und Werkstückkante 15 abhängiges Messsignal, z.B. unmittelbar das kapazitive oder induktive Messsignal der Abstandsmesseinrichtung 11 , heran- gezogen werden. Sobald beim Annähern des Laserbearbeitungskopfes 5 an die

Werkstückkante 15 das Messsignal einen vorgegebenen Schwellwert erreicht hat, wird der Laserstrahl 3 ein- bzw. zugeschaltet.