DE3926859A1 - Verfahren und vorrichtung zum bearbeiten von werkstuecken mit laserstrahlung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Bearbei­ ten von Werkstücken mit Laserstrahlung, insbesondere zum Schneiden, Einlochen und Abtragen metallischer Werkstücke, bei dem die Bearbeitungsstelle des Werkstücks mit einem Strahlungs­ detektor überwacht wird, unter dessen Mitwirkung die Intensität der Laserstrahlung bei Erreichen eines oberen Grenzwertes redu­ ziert und bei Erreichen eines unteren Grenzwertes gesteigert wird.

Ein Verfahren der vorgenannten Art ist bei einem Bearbei­ tungsverfahren bekannt, bei dem mit laserinduziertem Plasma ge­ arbeitet wird. Der diesbezügliche obere Grenzwert ist diejenige Laserintensität, bei der eine laserinduzierte Detonationswelle erzeugt wird. Der untere Grenzwert ist diejenige Laserintensi­ tät, die zur Erzeugung eines Oberflächenplasmas mindestens be­ nötigt wird. Der bekannte Strahlungsdetektor überwacht das Plasmaleuchten bzw. andere aus dem Plasma herrührende physika­ lische Größen, damit unter Heranziehung des Meßergebnisses die Laserintensität durch geeignete Modulation im Sinne der Auf­ rechterhaltung der Plasmabildung unter Vermeidung einer uner­ wünschten Detonationswelle geregelt werden kann.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß es auch zu verwenden ist, wenn plasmafrei gearbeitet wird, insbe­ sondere beim Einlochen, Schneiden und Abtragen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß mit dem Strahlungs­ detektor die von dessen Bearbeitungsstelle ausgehende Wärme­ strahlung gemessen wird, mit der eine obere Temperatur als der obere Grenzwert eines vorbestimmten Temperaturbereichs und eine untere Temperatur als der untere Grenzwert dieses Temperaturbe­ reichs überwacht werden, und daß die Laserstrahlung bei Errei­ chen des oberen Grenzwerts abgeschaltet und bei Erreichen des unteren Grenzwerts wieder eingeschaltet wird.

Für die Erfindung ist zunächst von Bedeutung, daß von der Bearbeitungsstelle ausgehende Wärmestrahlung als Meßgröße zum geregelten Verfahren benutzt wird. Die Wärmestrahlung ist tem­ peraturabhängig, d.h. bei bestimmten Temperaturen wird Wärme bzw. Licht ganz bestimmter Wellenlänge erzeugt. Tritt Wärme­ strahlung dieser Wellenlänge mit bestimmter Intensität auf, so kann davon ausgegangen werden, daß die Bearbeitungsstelle eine ganz bestimmte durch die Wellenlänge und ihre Intensität cha­ rakterisierte Temperatur hat. Bei dieser Temperatur liegt für eine bestimmte Werkstückgeometrie ein bestimmtes Bearbeitungs­ ergebnis vor, beispielsweise eine bestimmte, noch annehmbare Schnittqualität. Diese, den oberen Grenzwert bestimmende obere Temperatur wird jeweils empirisch bestimmt, je nach Vorgaben, wie die bereits angesprochene Werkstückgeometrie, die Schnitt­ qualität, die Schnittgeschwindigkeit, der Werkstoff od.dgl. Auch der untere Grenzwert eines vorbestimmten Temperaturbe­ reichs kann als untere Temperatur dementsprechend durch eine Wärmestrahlung ganz bestimmter Wellenlänge und Intensität defi­ niert werden.

Des weiteren ist für das erfindungsgemäße Verfahren von Bedeutung, insbesondere für dessen einfache Durchführung, daß die Reduzierung bzw. die Steigerung der Intensität der Laser­ strahlung durch einfaches Ein- und Abschalten erreicht werden kann, also mit Maßnahmen, die praktisch keinen schaltungsmäßi­ gen Aufwand erfordern. Vorteilhafterweise wird das Werkstück mit kontinuierlicher Laserstrahlung bearbeitet. Ein derartiger Laserbetrieb ist für das einfache Ab- und Einschalten der La­ serstrahlung bei Erreichung der Grenzwerte besonders vorteil­ haft.

Der vorangesprochene Temperaturbereich wird derart vorbe­ stimmt, daß der obere Grenzwert bei metallischen Werkstücken zwischen der Verdampfungstemperatur und der Schmelztemperatur liegt, und daß der untere Grenzwert beim Schmelzbearbeiten etwa gleich der Schmelztemperatur und beim Bearbeiten mit reaktivem Schneidgas im Bereich der Zündtemperatur liegt.

In Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren so durchgeführt, daß der Vorschub des Laserstrahls beim Schneiden mit einem eine vorbestimmte Rauhtiefe der Schnittflanken des Werkstücks gewährleistenden Überlappungsgrad seiner beim Ab­ und Einschalten aufeinanderfolgenden Schneidflecken erfolgt. Der Vorschub wird dazu über die sich einstellende Pulsfrequenz bzw. das Tastverhältnis gesteuert.

Damit ein Einlochvorgang möglichst bald abgebrochen werden kann, wird das Verfahren so durchgeführt, daß die Bearbeitung beim Einlochen beendet wird, wenn der obere Grenzwert nach ei­ ner vorbestimmten Zeit nicht erreicht ist. Grundlage hierfür ist die Erkenntnis, daß das Erreichen einer bestimmten, das Einlochen bewirkenden Temperatur bei einer bestimmtem Werk­ stückgeometrie innerhalb einer vorgegebenen Zeit zu erwarten ist, deren Überschreitung anzeigt, daß der Laserstrahl das Werkstück nunmehr durchbohrt hat und daher ein weiteres Auf­ schmelzen nicht mehr stattfinden kann.

In Ausgestaltung der Erfindung wird das Verfahren so durchgeführt, daß das Werkstück mit reaktivem und/oder mit in­ ertem Schneidgas eingelocht und/oder geschnitten wird, und daß nach einem mit reaktivem Schneidgas erfolgenden Einlochen be­ darfsweise auf mit Inertgas erfolgendes Schneiden umgeschaltet wird oder umgekehrt.

Reaktives Schneidgas, z.B. O₂, ermöglicht Oxydationsvor­ gänge im Bereich der Bearbeitungsstelle und damit schnelleres Aufschmelzen bzw. Brennen des Werkstückmaterials. Inertgas steigert die Schnittqualität durch Vermeidung von Oxidbildung, kann die Rauhtiefe vermindern und das Schneiden kritischer Werkstoffe erleichtern, auch in Verbindung mit einem reaktiven Schneidgas. Als reaktives Schneidgas wird beispielsweise Sauer­ stoff O₂ verwendet, als Inertgas beispielsweise Stickstoff N₂. Die Bearbeitung mit reaktivem Schneidgas und mit Inertgas kann derart kombiniert werden, daß das Einlochen durch die Verwen­ dung von reaktivem Schneidgas schnell erfolgt bzw. überhaupt erst ermöglicht wird, wonach eine vorteilhafterweise automa­ tisch erfolgende Umschaltung auf ein Schneiden mit Inertgas durchgeführt wird, um die gewünschte Schnittqualität zu errei­ chen.

Vorteilhaft ist es, daß die Überwachung der bei der Bear­ beitung vom Werkstück abgegebenen Wärmestrahlung vertikal zum Werkstück und gleichachsig mit der Laserstrahlung erfolgt. Da­ durch ergibt sich eine stets ordnungsgemäße Positionierung der Meßstelle im Bereich der Bearbeitungsstelle. Vor allem ist je­ doch der Vorteil gegeben, daß Platzprobleme vermieden werden, weil die Meßvorrichtung bei Konturschnitten nicht mitbewegt werden muß oder ein mit der Meßvorrichtung verbundener Meßfüh­ ler nicht in der Nähe der Bearbeitungsstelle des Werkstücks an­ geordnet werden muß. Vielmehr kann die Wärmestrahlung von dem ohnehin vorhandenen Strahlführungssystem ohne weiteres an eine zur Auskopplung der Wärmestrahlung aus dem Laserstrahl geeigne­ te Stelle geleitet werden.

Das Abtragen von Werkstoff mit einem Laser muß so gestal­ tet werden, daß eine höchstzulässige Abtragstiefe nicht über­ schritten wird. In Weiterbildung der Erfindung wird daher so vorgegangen, daß beim Abtragen von Werkstoff eines Werkstücks außer der von der Bearbeitungsstelle ausgehenden Wärmestrahlung auch die Abtragstiefe gemessen und für eine Grenzwertkorrektur herangezogen wird.

In der Regel kann der Sollabtrag nicht durch einen einzi­ gen Arbeitsgang mit der erforderlichen Genauigkeit erreicht werden. Um größere Genauigkeiten auch im Falle größerer Ab­ tragstiefen zuverlässig zu erreichen, wird daher so verfahren, daß das Abtragen von Werkstoff in zeitlich aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten mit jeweils vorbestimmten Strahlungsintensitä­ ten erfolgt, daß während oder nach jedem Arbeitsschritt die Ab­ tragstiefe gemessen wird, und daß zumindest der obere Grenzwert verringert wird, wenn die der Messung nachfolgende, mit vorbe­ stimmter Strahlungsintensität erfolgende Abtragsbearbeitung zu einer voraussichtlichen Überschreitung der Sollabtragstiefe führen würde.

Vorteilhaft ist es desweiteren, wenn eine Grenzwertkorrek­ tur im gleichen Sinn zu einer Änderung der relativen Vorschub­ geschwindigkeit der Bearbeitung erfolgt. Es kann dann bei­ spielsweise erreicht werden, daß im Bereich von Bewegungsände­ rungen, also beispielsweise im Fall einer relativen Bewegungs­ umkehr des Laserstrahls ein zu großes Abtragen von Werkstoff vermieden wird, insbesondere um eine Überschreitung des Regel­ bereichs der Abtragsregelung zu vermeiden oder diese zu ergän­ zen.

Eine Vorrichtung zur Überwachung der Bearbeitung ist da­ durch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl mit einem Lochspiegel auf die Bearbeitungsstelle gerichtet ist, hinter dessen in Richtung des zur Bearbeitungsstelle gelenkten Strahlabschnitts ausgerichtetem Loch eine Fotodiode als Strahlungsdetektor ange­ ordnet ist, dem ein Bandpaßfilter vorgeordnet ist. zum Auskop­ peln der Wärmestrahlung aus dem Laserstrahl ist der Lochspiegel mit seinem Loch nämlich so angeordnet, daß er mittig zur Inten­ sitätsverteilung des Laserstrahls liegt und damit die größtmög­ liche Wärmestrahlungsintensität für ein möglichst großes Meß­ signal erbringt.

Der Laserstrahl weist einen Donat-Mode auf und das Loch des Lochspiegels ist im Bereich der geringen Strahlungsintensi­ tät des Strahlquerschnitts angeordnet. Die in der Mitte zumin­ dest verringerte Intensitätsverteilung des Donat-Mode gestattet es, die von der Bearbeitungsstelle herrührende Wärmestrahlung weitgehend unbeeinträchtigt messen zu können.

Eine weitere Vorrichtung zur Überwachung der Bearbeitung ist dadurch gekennzeichnet, daß die von der Bearbeitungsstelle ausgehende Wärmestrahlung durch einen die Laserstrahlung re­ flektierenden, die Wärmestrahlung jedoch durchlassenden Spiegel bedarfsweise durch einen Bandpaßfilter und eine Sammellinse auf einen als Fotodiode ausgebildeten Strahlungsdetektor gerichtet ist. Die Anordnung eines teiltransmittierenden Spiegels ist baulich besonders einfach.

Eine dritte Vorrichtung zur Überwachung der Bearbeitung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung durch das Loch eines Scraperspiegels auf die Bearbeitungsstelle einge­ strahlt ist, und daß die von dieser ausgehende Wärmestrahlung von dem Spiegel durch einen Bandpaßfilter und eine Sammellinse auf den als Fotodiode ausgebildeten Strahlungsdetektor gerich­ tet ist. Der Scraperspiegel sammelt großflächig die außerhalb des Laserstrahlquerschnitts auftretende reflektierte Wärme­ strahlung und lenkt diese zum Strahlungsdetektor hin um.

Der Bandpaßfilter erlaubt es in allen vorbeschriebenen An­ wendungsfällen, von der Bearbeitungsstelle ausgehende Wärme­ strahlung unerwünschter Wellenlänge abzufangen und auch etwa auftretende Streustrahlungen und/oder Reflexionen von Laser­ strahlung aus dem Bearbeitungsbereich nicht zur Einwirkung und damit zur Verfälschung des Meßergebnisses durch den Strahlungs­ detektor kommen zu lassen.

Eine Vorrichtung, mit der die vorbeschriebenen Überwa­ chungsvorrichtungen vorzugsweise verwendet werden können, ist dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Einlochen und/oder Schnei­ den des Werkstücks eine den Laser ein- und ausschaltende Ab­ laufsteuerung hat, die mit einer die Bearbeitungsart sowie den Beginn und das Ende der Bearbeitung bestimmenden CNC-Steuerein­ heit funktionsmäßig verbunden und von einem Trigger beauf­ schlagt ist, an den der Detektor sowie den oberen und den unte­ ren Grenzwert bestimmende Geber angeschlossen sind.

Die vorbeschriebene Vorrichtung ist insbesondere zum Ein­ lochen und Schneiden des Werkstücks geeignet. Zum Abtragen von Werkstoff des Werkstücks wird sie zweckmäßigerweise modifi­ ziert, nämlich im Hinblick auf die dann verwendete Abstandsmes­ sung, infolge derer sie so ausgebildet ist, daß sie zum Abtra­ gen von Werkstoff des Werkstücks eine den Laser ein- und aus­ schaltende Abtragsregelung hat, die mit einer die Bearbeitungs­ art, den Sollabtrag und bedarfsweise die relative Vorschubge­ schwindigkeit sowie die den Beginn und das Ende der Bearbeitung bestimmenden CNC-Steuereinheit funktionsmäßig verbunden ist, und daß die Abtragsregelung von einer die Abtragstiefe messen­ den Einrichtung und von einem Trigger beaufschlagt ist, an den der Detektor sowie den oberen und unteren Grenzwert bestimmende Geber angeschlossen sind, die mit der Abtragsregelung in Abhän­ gigkeit von der die Abtragstiefe messenden Einrichtung ein­ stellbar sind.

Die Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine diagrammatische Darstellung des Meßergebnisses eines Strahlungsdetektors und der Laseransteuerung, jeweils in der Abhängigkeit von der Zeit,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 3 eine Strahlführung mit Strahlungsdetektor,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Überwachungsein­ richtung mit einem Scraperspiegel,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines mehrschichtigen Abtragens von Werkstoff,

Fig. 6 die Abtragstiefe a in Abhängigkeit von der Zeit t beim Abtragen der Lagen in einem Werkstück der Fig. 5,

Fig. 7 eine der Fig. 1 oben ähnliche Darstellung zur Erläu­ terung der Grenzwertkorrektur, und

Fig. 8 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung mit einem Block­ schaltbild einer Steuereinrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Abtragens.

Gemäß Fig. 3 wird ein Werkstück 10 mit einem Laserstrahl 11 geschnitten. Die Schneidstelle ist mit 12 bezeichnet, so daß der ungeschnittene Bereich des Werkstücks 10 mit Diagonalstri­ chen versehen ist, während die freiliegenden Schnittflanken 17 ungekennzeichnet bleiben. Diese Flächen sind im Idealfall völ­ lig glatt. Der Laserstrahl 11 erzeugt an der Bearbeitungsstelle 12 auf der Oberfläche 10′ des Werkstücks 10 einen Schneidfleck 18, der die Breite der Schnittfuge und deren Schnittfront be­ stimmt. Die Größe des Schneidflecks 18 wird durch eine im Strahlengang gelegene Fokussierlinse 23 bestimmt, beispielswei­ se eine ZnSe-Linse. Nahe der Bearbeitungsstelle 12 ist eine Schneidgasdüse 24 mit einem Durchlaß 25 für den Laserstrahl und in nicht dargestellter Weise zugeleitetes reaktives Schneid­ und/oder Inertgas angeordnet.

Der Laserstrahl 11 hat einen Donat-Mode, d.h. seine Inten­ sität ist etwa gemäß dem in Fig. 3 oben dargestellten Gitterbild radial verteilt. Dementsprechend ist der Laserstrahl 11 in Fig. 3 nur im Bereich seiner größten Intensitäten geschwärzt dargestellt. Aus Fig. 3 ist dementsprechend ersichtlich, daß der zentrale Bereich des Laserstrahls 11 keine bzw. eine nur sehr geringe Intensität aufweist, so daß hier Platz für von der Be­ arbeitungsstelle 12 ausgehende Wärmestrahlung 16 ist. Diese Wärmestrahlung wird von der Bearbeitungsstelle 12 durch die Linse 23 zunächst einem Umlenkspiegel 26 und dann einem Loch­ spiegel 12 zugeleitet, durch dessen Loch 21 sie austritt, einen Bandpaßfilter 22 durchsetzt und auf einen Strahlungsdetektor 13 trifft, der beispielsweise als Fotodiode ausgebildet ist.

Das Loch 21 ist in der Richtung 20 des zwischen den Spie­ geln 26, 21 angeordneten Strahlabschnitts 11′ gerichtet und vom Durchmesser her so gewählt, daß es ausgeschlossen ist, daß vom Laser kommende Strahlung direkt durch das Loch 21 in Richtung auf den Strahlungsdetektor 13 gelangen kann. Der Lochspiegel 21 kann unter Wegfall des Umlenkspiegels 26 auch so angeordnet werden, daß der Strahlabschnitt 11′ direkt durch die Linse 23 auf die Bearbeitungsstelle 12 trifft, sofern auf den Lochspie­ gel 19 entsprechend seitlich eingestrahlt wird.

Die Einwirkung des Laserstrahls 11 auf die Bearbeitungs­ stelle 12 bewirkt ein Ansteigen der Temperatur des Werkstückma­ terials, wenn der Laser zum Zeitpunkt te eingeschaltet wird. Unterstellt man idealisierend, daß der Laser von te bis ta mit einer vorbestimmten Intensität eingeschaltet ist, so resultiert daraus die in Fig. 1 idealisierte Anstiegskurve des Strahlungs­ detektor- bzw. Diodensignals. Der Anstieg erfolgt bis auf einen oberen Grenzwert 14, also bis auf einen Temperaturwert, bei dem die Bearbeitungsstelle 12 durch Emission einer durch Wellenlän­ ge und Intensität bestimmten Wärmestrahlung erkennen läßt, daß das Werkstückmaterial eine bestimmte Temperatur erreicht hat. In diesem Augenblick ta wird der Laser abgeschaltet, so daß sich die Bearbeitungsstelle 12 abkühlt und das Diodensignal demgemäß verringert wird, bis der untere Grenzwert 15 erreicht ist. In diesem Augenblick te 1 wird der Laser wieder eingeschal­ tet usw. Es ergibt sich eine Folge von bei eingeschaltetem und bei ausgeschaltetem Laser auftretenden Meßwerten des Strah­ lungsdetektors 13 in Abhängigkeit von der Zeit zwischen den Grenzwerten 14, 15 gemäß Fig. 1. Die zugehörigen Laserimpulse bzw. Einschaltzeiten des Lasers ergeben sich aus dem unteren Teil dieser Figur. Es ist dargestellt, daß die erste Einschalt­ dauer ta-te zum allgemeinen Aufheizen etwas größer ist, als die nachfolgenden Einschaltdauern, z.B. ta 1-te 2.

Außerdem ist in Fig. 1 dargestellt, daß das Einschalten des Lasers zu einem Zeitpunkt ten keine Erhöhung des Meßwerts des Strahlungsdetektors 13 zur Folge hat. Vielmehr ist nach einer vorbestimmten Zeit TE noch stets derselbe Meßwert vorhanden bzw. gar gesunken. Die Ursache hierfür ist, daß im Bereich des La­ serstrahls kein aufzuheizendes Material mehr vorhanden ist, beispielsweise weil ein Einlochvorgang im Sinne eines Durchboh­ rens abgeschlossen ist. Ein derartiges Meßergebnis wird dazu benutzt, das Einlochen abzubrechen oder vom Einlochbetrieb bei stillstehendem Laserstrahl auf einen kontinuierlichen oder schrittweise erfolgenden Vorschub des Laserstrahls umzuschal­ ten.

Aus Fig. 2 ist die funktionsmäßige Verknüpfung der wichtig­ sten Bestandteile einer Vorrichtung zum Bearbeiten ersichtlich. Die von dem Detektor 13 im Verlaufe der Zeit ermittelten Meß­ werte 27 werden verstärkt an einen Schmitt-Trigger 28 weiterge­ leitet, der außerdem mit Gebern 29 und 30 für den oberen Grenz­ wert 14 sowie für den unteren Grenzwert 15 verbunden ist. Der Schmitt-Trigger 28 gibt dem Meßwertverlauf 27 entsprechend un­ ter Berücksichtigung der Grenzwerte 14, 15 Schaltimpulse 31 für eine Ablaufsteuerung 32, von der aus der Laser 33 angesteuert wird, und zwar mit den aus Fig. 1 ersichtlichen Ansteuerimpulsen 34.

Die Ablaufsteuerung 32 ist außerdem mit der CNC-Steuerein­ heit 35 funktionsmäßig verbunden. Letztere bestimmt beispiels­ weise die Betriebsart der Ablaufsteuerung 32, gibt also die Be­ fehle entweder zum Einlochbetrieb oder zum Schneidbetrieb der Ablaufsteuerung 32. Insoweit ist beispielsweise unterschied­ lich, daß im Einlochbetrieb eine Abschalt- und/oder Umschaltau­ tomatik für den Fall vorhanden sein muß, daß das Loch durchgän­ gig ist. In diesem Fall meldet die Ablaufsteuerung 32 das Ende des Einlochens an die Steuerung 35. Auch die Startbefehle für das Einlochen und das Schneiden und der Abschaltbefehl für Schneidbetrieb gehen von der Steuereinheit 35 aus. Letztere be­ einflußt auch die Schneidgassteuerung 36, also die Zufuhr von z.B. Sauerstoff beim Einlochbetrieb. Außerdem dient die CNC- Steuereinheit 35 dazu, das sogenannte Handling 37 zu beeinflus­ sen, also die erforderlichen Stellbewegungen beim Einlochen und/oder Schneiden.

Die vorbeschriebenen Verfahrensschritte und Vorrichtungen eignen sich auch zum Einlochen und Schneiden von nichtmetalli­ schen Werkstoffen. Beispielsweise können Holz, Hartschaumstoff, Kunststoff, Glas, Keramiken und Baumwollgewebe geschnitten wer­ den. An die Stelle der oberen und/oder unteren Grenzwerte, z.B. an die Stelle der Schmelz- oder Zündtemperatur o.dgl. treten für diese Werkstoffe maßgebliche Erfahrungswerte, wie bei­ spielsweise die Zersetzungstemperatur und/oder die Erweichungs­ temperatur bei Kunststoff.

Zur Erzeugung der Laserstrahlung werden Kohlendioxid-, Kohlenmonoxid-, Festkörper-, Eximer- oder Argonlaser verwendet.

Fig. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit, die von der Bearbei­ tungsstelle 12 reflektierte Wärmestrahlung zu überwachen, und zwar durch Verwendung eines teiltransmittierenden Spiegels 26, der also die Laserstrahlung des Laserstrahls 11 voll reflek­ tiert, jedoch die Wärmestrahlung 16 durchläßt, so daß diese durch einen bedarfsweise vorhandenen Bandpaßfilter 32 hindurch und/oder eine nicht dargestellte Sammellinse auf den als Foto­ diode ausgebildeten Strahlungsdetektor 13 einwirken kann.

Fig. 4 zeigt einen beispielsweise von einem CO₂-Laser er­ zeugten Laserstrahl 11, der durch das Loch 38 eines Scraper­ spiegels 39 in Richtung auf das Werkstück 10 gestrahlt wird. Eine Sammellinse 23 fokussiert die Laserstrahlung und erzeugt auf der Werkstückoberfläche 10′ den Strahlfokus 18. Die beim Schneiden vom Werkstück 10 ausgehende Wärmestrahlung 16 trifft auf den Ring des Scraperspiegels 39 und wird von diesem im Win­ kel zum Laserstrahl 11 abgestrahlt. Danach wird die Wärmestrah­ lung 16′ durch einen Bandpaßfilter 22 einer Sammellinse 40 zu­ geführt welche die Wärmestrahlung auf den als Fotodiode ausge­ bildeten Strahlungsdetektor 13 fokussiert.

In Fig. 5 ist ein Werkstück 10 dargestellt, in das eine quaderförmige Vertiefung 42 mit einer Gesamtabtragstiefe a _soll mittels Laserstrahlung eingearbeitet werden soll. Wenn diese Abtragstiefe vergleichsweise groß ist, kann sie nicht mit einem einzigen Arbeitsgang erreicht werden. Vielmehr muß der abzutra­ gende Bereich des Werkstücks 10 mehrfach bearbeitet werden, so daß der Werkstoff lagenweise entfernt wird. In Fig. 5 sind diese Lagen exakt gleich groß und gleich dick übereinander angeord­ net. Es versteht sich jedoch, daß die Lagen infolge unter­ schiedlicher Ausgestaltung der Vertiefung 42 auch abweichend ausgebildet sein können, also unterschiedlich groß und unter­ schiedlich dick.

Fig. 6 zeigt für den Fall der Fig. 5 die Abtragstiefe a über der Zeit t und es ist ersichtlich, daß die Abtragstiefe infolge zeitlich aufeinander folgende Arbeitsschritte, deren Dauer durch t ₁, t ₂ usw. gekennzeichnet ist, in gleichgroßen Beträgen gesteigert wird. Das bedeutet, daß das Abtragen des Werkstoffs mit jeweils vorbestimmter Strahlungsintensität erfolgt. Es ist ersichtlich, daß nach dem Abtragen der n.-1.Lage die Anwendung einer ungeänderten Strahlungsintensität zu einer Überschreitung der Sollabtragstiefe führen würde. Die n.Lage muß daher so ab­ getragen werden, daß zumindest der obere Grenzwert verringert wird. Das wird anhand der Fig. 7 erläutert.

In Fig. 7 zeigt das Diagramm die Abhängigkeit des Dioden­ signals einer die Abtragstiefe messenden Einrichtung 41 von der Zeit t für die Arbeitsschritte der Fig. 5, 6. Es ist ersichtlich, daß bei den Arbeitsschritten t ₁, t ₂ bis t _{n -1} mit einem ersten oberen Grenzwert 14′ gearbeitet wird, sowie mit einem ersten unteren Grenzwert 15′. Zwischen diesen Grenzwerten werden wäh­ rend eines Abtragintervalls, z.B. t ₁ eine Anzahl von Laserlicht­ impulsen vorbestimmter Intensität angewendet. Die infolgedessen zugeführte Strahlungsenergie bestimmt sich durch die Grenzwerte 14′, 15′. Zum Abtragen der n.Lage sind die Grenzwerte gesenkt.

Die zugeführte Energie bestimmt sich nun durch den zweiten obe­ ren Grenzwert und durch den zweiten unteren Grenzwert. Beide Grenzwerte sind kleiner. Die zugeführte Energie ist geringer, so daß die Sollabtragstiefe nicht überschritten wird.

Anhand der Fig. 5 bis 7 wurde ein schrittweises Abtragen von Werkstoff beschrieben. Es ist jedoch auch möglich, daß die Sollabtragstiefe mit einem einzigen Arbeitsschritt erreicht werden kann, insbesondere wenn sie gering ist. In diesem Fall muß je nach Größe der Sollabtragstiefe ebenfalls eine Beein­ flussung der Grenzwerte 14′, 15′ erfolgen. Beides kann durch ein während des Abtragens erfolgendes Messen der Abtragstiefe er­ reicht werden. Dafür ist eine Einrichtung 41 vorhanden, die in Fig. 3 schematisch dargestellt wurde. Sie mißt in einem Winkel zum auf das Werkstück 10 fallenden Laserstrahl 11. Eine solche Messung kann aber auch gleichachsig erfolgen. Die Einrichtung ist beispielsweise ein nach dem Triangulationsprinzip arbeiten­ der optischer Abstandssensor. Die Abstandsmessung erfolgt ent­ weder nach einem werkstoffabtragenden Arbeitsschritt, oder wäh­ renddessen. Letzteres ist erforderlich, wenn lediglich ein ein­ ziger werkstoffabtragender Arbeitsschritt erfolgt, wie oben be­ schrieben.

Die abstandsmessende Einrichtung 41 ist funktionsmäßig in eine in Fig. 8 blockschaltmäßig dargestellte Regeleinrichtung eingebunden, die der Steuereinrichtung der Fig. 2 ähnlich ist. Die Bearbeitungsstelle 12 des Werkstücks 10 wird in derselben Weise wie beim Schneid- und Einlochbetrieb von einem Detektor 13 überwacht, von dem aus ein verstärktes Signal an einen Schmitt-Trigger 28 gegeben wird, der unter Beachtung der oberen und unteren Grenzwerte 14′, 15′ der Geber 29, 30 dem Meßwertver­ lauf gemäß Fig. 7 entsprechende Schaltimpulse 31 an eine Ab­ tragsregelung 32′ zur Regelung des Lasers 33 mittels der Regel­ impulse 34 weitergibt. Zusätzlich wird die Bearbeitungsstelle 12 jedoch noch von der Abstands-Meßeinrichtung 41 beobachtet, so daß eine Abtragsmessung erfolgt, deren Ergebnis der Abtrags­ regelung 32′ zur Verfügung gestellt wird.

Die Abtragsregelung 32′ ist gemäß Fig. 8 desweiteren mit einer CNC-Steuereinheit 35′ funktionsmäßig verbunden, die die Betriebsart, den Sollabtrag a _soll, die relative Vorschubge­ schwindigkeit sowie den Beginn und das Ende der Bearbeitung be­ stimmt, in dem sie Signale "Abtragen" an die Abtragsregelung 32′ gibt und von dieser den Istabtrag gemeldet bekommt, sowie das Signal "Sollabtrag erreicht" so daß das Signal "Abtragen" gestoppt werden kann. Außerdem kann die CNC-Steuerung 35′ mit Befehlen "Messen" den Betrieb der Einrichtung 41 steuern, und zwar entweder gleichzeitig mit dem Befehl "Abtragen", also so­ zusagen on-line oder danach, also sozusagen off-line.

Claims (16)

1. Verfahren zum Bearbeiten von Werkstücken (10) mit Laser­ strahlung (11), insbesondere zum Schneiden, Einlochen und Abtragen metallischer Werkstücke (10), bei dem die Bear­ beitungsstelle (12) des Werkstücks (10) mit einem Strah­ lungsdetektor (13) überwacht wird, unter dessen Mitwirkung die Intensität der Laserstrahlung bei Erreichen eines obe­ ren Grenzwertes (14) reduziert und bei Erreichen eines un­ teren Grenzwertes (15) gesteigert wird, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Strahlungsdetek­ tor (13) die von dessen Bearbeitungsstelle (12) ausgehende Wärmestrahlung (16) gemessen wird, mit der eine obere Tem­ peratur als der obere Grenzwert (14) eines vorbestimmten Temperaturbereichs und eine untere Temperatur als der un­ tere Grenzwert (15) dieses Temperaturbereichs überwacht werden, und daß die Laserstrahlung bei Erreichen des obe­ ren Grenzwerts (14) abgeschaltet und bei Erreichen des un­ teren Grenzwerts (15) wieder eingeschaltet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der obere Grenzwert (14) bei metalli­ schen Werkstücken (10) zwischen der Verdampfungstemperatur und der Schmelztemperatur liegt, und daß der untere Grenz­ wert (15) beim Schmelzbearbeiten etwa gleich der Schmelz­ temperatur und beim Bearbeiten mit reaktivem Schneidgas im Bereich der Zündtemperatur liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Vorschub des Laserstrahls (11) beim Schneiden mit einem eine vorbestimmte Rauhtiefe der Schnittflanken (17) des Werkstücks (10) gewährleisten­ den Überlappungsgrad seiner beim Ab- und Einschalten auf­ einanderfolgenden Schneidflecken (18) erfolgt.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Bear­ beitung beim Einlochen beendet wird, wenn der obere Grenz­ wert (14) nach einer vorbestimmten Zeit (TE) nicht er­ reicht ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Werk­ stück (10) mit kontinuierlicher Laserstrahlung bearbeitet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werk­ stück (10) mit reaktivem und/oder mit inertem Schneidgas eingelocht und/oder geschnitten wird, und daß nach einem mit reaktivem Schneidgas erfolgenden Einlochen bedarfswei­ se auf mit Inertgas erfolgendes Schneiden umgeschaltet wird oder umgekehrt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Über­ wachung der bei der Bearbeitung vom Werkstück (10) abgege­ benen Wärmestrahlung (16) vertikal zum Werkstück (10) und gleichachsig mit der Laserstrahlung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß beim Abtragen von Werkstoff eines Werkstücks (10) außer der von der Bearbeitungsstelle (12) ausgehenden Wärmestrahlung (16) auch die Abtragstiefe (a) gemessen und für eine Grenzwertkorrektur herangezogen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Abtragen von Werkstoff in zeit­ lich aufeinanderfolgenden Arbeitsschritten mit jeweils vorbestimmten Strahlungsintensitäten erfolgt, daß während oder nach jedem Arbeitsschritt die Abtragstiefe (a) gemes­ sen wird, und daß zumindest der obere Grenzwert (14′) ver­ ringert wird, wenn die der Messung nachfolgende, mit vor­ bestimmter Strahlungsintensität erfolgende Abtragsbearbei­ tung zu einer voraussichtlichen Überschreitung der Sollab­ tragstiefe (a _soll) führen würde.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grenzwertkorrektur im gleichen Sinn zu einer Änderung der relativen Vorschubgeschwindigkeit der Bearbeitung erfolgt.

11. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken (10) mit Laser­ strahlung, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der La­ serstrahl (11) mit einem Lochspiegel (19) auf die Bearbei­ tungsstelle (12) gerichtet ist, hinter dessen in Richtung (20) des zur Bearbeitungsstelle (12) gelenkten Strahlab­ schnitts (11′) ausgerichtetem Loch (21) eine Fotodiode als Strahlungsdetektor (13) angeordnet ist, dem ein Bandpaß­ filter (22) vorgeordnet ist.

12. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken (10) mit Laser­ strahlung, nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Laserstrahl (11) einen Donat-Mode aufweist und das Loch (21) des Lochspiegels (19) im Be­ reich der geringen Strahlungsintensität des Strahlquer­ schnitts angeordnet ist.

13. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken (10) mit Laser­ strahlung, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Bearbeitungsstelle ausgehende Wärmestrahlung durch ei­ nen die Laserstrahlung reflektierenden, die Wärmestrahlung jedoch durchlassenden Spiegel (26) bedarfsweise durch ei­ nen Bandpaßfilter (22) und eine Sammellinse auf einen als Fotodiode ausgebildeten Strahlungsdetektor (13) gerichtet ist.

14. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken (10) mit Laser­ strahlung, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die La­ serstrahlung durch das Loch (38) eines Scraperspiegels (39) auf die Bearbeitungsstelle (12) eingestrahlt ist, und daß die von dieser ausgehende Wärmestrahlung von dem Spie­ gel (39) durch einen Bandpaßfilter (22) und eine Sammel­ linse (40) auf den als Fotodiode ausgebildeten Strahlungs­ detektor (13) gerichtet ist.

15. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken (10) mit Laser­ strahlung, nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Einlochen und/oder Schneiden des Werkstücks (10) eine den Laser (33) ein- und ausschaltende Ablaufsteuerung (32) hat, die mit einer die Bearbeitungsart sowie den Beginn und das Ende der Bearbeitung bestimmenden CNC-Steuerein­ heit (35) funktionsmäßig verbunden und von einem Trigger (28) beaufschlagt ist, an den der Detektor (13) sowie den oberen und den unteren Grenzwert (14, 15) bestimmende Geber (29,30) angeschlossen sind.

16. Vorrichtung zum Bearbeiten von Werkstücken (10) mit Laser­ strahlung, nach einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie zum Abtragen von Werkstoff des Werkstücks (10) eine den Laser (33) ein- und ausschaltende Abtragsregelung (32′) hat, die mit einer die Bearbeitungsart, den Sollabtrag (a _soll) und bedarfsweise die relative Vorschubgeschwindig­ keit sowie die den Beginn und das Ende der Bearbeitung be­ stimmenden CNC-Steuereinheit (35′) funktionsmäßig verbun­ den ist, und daß die Abtragsregelung (32′) von einer die Abtragstiefe (a) messenden Einrichtung (41) und von einem Trigger (28) beaufschlagt ist, an den der Detektor (13) sowie den oberen und unteren Grenzwert (14′, 15′) bestim­ mende Geber (29, 30) angeschlossen sind, die mit der Ab­ tragsregelung (32′) in Abhängigkeit von der die Abtrags­ tiefe (a) messenden Einrichtung (41) einstellbar sind.