阅读说明：本技术 在用高能射束切断固体时识别和加工已定义的轮廓的方法 (Method for identifying and processing defined contours during the severing of solids with high-energy beams ) 是由 亚历山德拉·舍尔曼 拉尔夫·施皮尔曼 于 2018-05-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于在借助高能射束切断固体时识别和加工已定义的轮廓的方法。为此在控制切断的控制单元中存储(S10)已定义的轮廓,并且当NC程序中出现已定义的轮廓时由控制单元识别(S12)已定义的轮廓。根据已编程的轮廓,控制单元使用于避免轮廓损伤的功能失效(S13)并且产生切割间隙(S14)。根据本发明,高能射束以平均的直线运动沿着轮廓行进。(The invention relates to a method for detecting and processing a defined contour when cutting through a solid body by means of a high-energy beam. For this purpose, the defined contour is stored (S10) in the control unit which controls the cutting-off, and the defined contour is recognized (S12) by the control unit when the defined contour occurs in the NC program. According to the programmed profile, the control unit disables the function for avoiding the damage of the profile (S13) and generates a cutting gap (S14). According to the invention, the high-energy beam travels along the profile with an even linear motion.)

在用高能射束切断固体时识别和加工已定义的轮廓的方法

技术领域

本发明涉及一种用于切断固体的方法，其中，高能射束在固体的朝向高能射束的表面上沿着轮廓行进并且在此产生切割间隙，其中，控制切断的控制单元具有用于识别轮廓损伤的功能和避免轮廓损伤的功能。此外，本发明涉及一种用于执行这种方法的控制单元。

背景技术

目前，数字控制的或者计算机辅助数字控制的切割机用于制造或者切割金属板。数控(NC)单元或者计算机辅助数控(CNC)单元(在下文中仅称为控制单元)是用于控制机器的设备，该设备读取作为代码设在数据载体上的控制指令并且将其转化为工作流程或者运动流程。待产生的凹槽在控制单元内的NC程序或CNC程序(在下文中仅称为程序)中被描述为轮廓。控制单元还包括软件，该软件根据NC程序控制切割机的轨迹。

这种切割机用于不同的技术领域。例如，以这种方式切割用于汽车工业和造船业的金属板。特别地，借助于高能射束(特别是激光射束或者电子射束)在金属工件中形成凹槽的切割机越来越受欢迎。

例如，在DE102004039916A1中描述了一种用于产生窄小凹槽的方法，例如在金属工件中产生孔、切口或雕刻，其中，高能射束射入该工件并且在那里引起熔化。

高能射束为了产生凹槽而沿着轮廓行进并且在此产生切割间隙。

在现代的控制单元中能够设有监视功能，该监视功能用于防止切割机以及工件损坏。例如，能够使用用于监视工具工件碰撞(也称为识别轮廓损伤)的功能，该功能尤其集成在用于工具半径补偿的功能中。在此，通过预测式轮廓计算来监视切割机的工具路径。由此及时识别可能的轮廓损伤，并且通过去除导致轮廓损伤的轮廓的方式，控制单元能通过避免轮廓损伤的功能防止轮廓损伤。识别轮廓损伤在此识别出以下轮廓，在沿着轮廓行进并且产生切割间隙时，在该轮廓处去除比原本预设更多的固体材料。

此外，监视工具工件碰撞能够起到识别瓶颈的作用。在此，瓶颈描述一种在没有轮廓损伤的情况下不会产生的轮廓。如果沿着这样的轮廓行进并且产生切割间隙，会去除比原本预设更多的固体材料。

例如如果在工件处移除轮廓或部分轮廓，而该轮廓或部分轮廓的与高能射束行进方向相关的入口与高能射束的直径相比太小，则由于用于避免轮廓损伤的功能将轮廓或部分轮廓去除。为此目的，仅1μm或更小的尺寸差异就足够了，因为控制单元的精确度在μm的范围内并且更小。如果高能射束的直径仅略大于所编程的轮廓，则去除该轮廓。

可行的是，在导致轮廓损伤的轮廓之前手动停用并且在加工轮廓之后再启用避免轮廓损伤功能，该轮廓描述无论如何要产生的凹槽，并且在该凹槽中，编程的轮廓与产生的轮廓之间的偏差不重要。然而这导致高成本。

发明内容

本发明的目的是提供一种简化的方法，在该方法中，高能射束也自动地沿着导致轮廓损伤的轮廓行进并且产生由该轮廓描述的凹槽。

该目的通过一种用于切断固体的方法实现，其中，高能射束在固体的朝向高能射束的表面上沿着轮廓行进并且在该固体中产生切割间隙，其中，控制切断的控制单元具有用于识别轮廓损伤的功能和用于避免轮廓损伤的功能，其中，在控制单元中存储至少一个已定义的轮廓，由控制单元识别已定义的轮廓，并且使避免轮廓损伤自动失效。

此外，该目的通过一种用于执行该方法的控制单元实现，其中，该控制单元具有用于识别轮廓损伤的功能和用于避免轮廓损伤的功能，其中，在控制单元中能够存储至少一个已定义的轮廓，控制单元能够识别已定义的轮廓，并且当轮廓被识别出时能够使避免轮廓损伤自动失效。

特别有利的是，在通过激光切割(也称为激光射束切割)切断固体时能够应用本发明。此外，激光切割有时包括激光射束熔化切割、激光射束燃烧切割和激光射束升华切割。然而，这种方法也可以用于其他制造技术的分离，其中，通过消除局部结合来改变工件的形状。在此，例如能够涉及水射束切割、气割和等离子融合切割、或者像铣削的常规分离方法。

根据本发明，控制单元作为激光切割机的控制器使用。

当复杂的轮廓需要被快速并且几乎无力地加工时，激光切割一直很好地适合于固体的切断。即使在非常窄小的切割间隙中，激光射束也能够实现无毛刺的切断。此外仅有很少热量输入到固体中。除了例如是结构钢、不锈钢和铝的金属材料以外，激光切割还适用于木材、塑料、玻璃和陶瓷。

在根据本发明的实施方式中，控制单元获得关于轮廓的两个重要信息：描述轮廓的凹槽的至少一个控制命令和有关至少一个已定义的轮廓的信息，其优选是有关导致轮廓损伤的轮廓的信息，其描述了无论如何要产生并且不会被去除的凹槽。该控制命令优选地存在于数控程序中并且被控制单元转换为工作流程。根据本发明，在控制单元中存储已定义的轮廓。

优选地，已定义的轮廓描述了槽或者弯曲槽形式的凹槽。弯曲槽是窄槽，其在示例性的实施方式中大约宽0.1mm至1mm，并且优选地在金属板中制成。特别地，在金属板的需要被折叠或被弯曲的位置处产生弯曲槽。

弯曲槽的轮廓典型地表现为I形或者T形。所谓的I形槽或者T形槽能够实施为倒圆的。然而，I形槽或者T形槽的角原则上具有圆形，该圆形优选地源于激光的圆焦点(也被称为激光焦点)。但是，I形槽和T形槽也被有意地倒圆，以便减小在槽上或者在其切割或者刻槽的轮廓或部分轮廓上的缺口效应。

已定义的轮廓尤其被存储在控制单元中，该已定义的轮廓被识别为瓶颈并且因此被去除。这尤其包括I形槽和T形槽。

根据本发明，控制单元识别存储在NC程序内的已定义的轮廓并且使避免轮廓损伤失效。即使轮廓例如被识别为瓶颈并且必须被去除，也产生由已定义的轮廓描述的凹槽。然而因为已定义的轮廓被存储在控制单元中，控制单元在数控程序中自动地识别已定义的轮廓并且实施工作流程。根据本发明，在控制单元中集成作为用于识别槽形状的功能。

根据本发明，在控制单元中仅将槽作为已定义的轮廓存储。在此，形状是重要的。槽优选地通过三个特征示出：槽是完全直的，具有两个平行的切线，还具有确定的长宽比。典型地，槽的长宽比的系数是200到400。

在控制单元中存储的已定义的轮廓不一定描述待产生的凹槽的完整轮廓(例如槽)，而是也能够仅具有关于已定义的轮廓的至少一个特征的至少一个信息。

本发明尤其用于简化切割机的操作，以便减小终端用户的工作负荷和相关联的成本。根据本发明的方法尤其在激光切割中是有利的，因为借助于激光射束切断固体被认为是较不准确的。

激光切割机的激光焦点的直径与待加工的材料(例如金属板)的厚度密切相关。通常，在这种情况下适用的是：金属板越厚，激光产生凹槽所需的能量就越大。如果因为例如金属板较厚而需要更多的能量，激光焦点的直径就增加。因此，如果例如代替利用厚度为0.1cm的金属板，例如应加工厚度为10cm的金属板，则期望显著增加激光焦点的直径。

在示例性的实施方案中，由于金属板的厚度由0.5cm增大到1cm，激光焦点的直径大于在NC程序中现有的I形槽的轮廓宽度，因此控制单元识别出瓶颈。由于避免轮廓损伤，不产生I形槽。然而，根据本发明将I形槽的轮廓作为已定义的轮廓存储在控制单元中。如果控制单元识别出存储的已定义的轮廓，则使避免轮廓损伤自动失效并且加工该轮廓。在此优选地，控制单元在I形槽的编程的轮廓内将激光的直线运动平均化，以便将误差和偏差减小到最小。在此，能够容忍I形槽的轻微的轮廓损伤。根据现有技术标准工作的切割机不能在1cm厚的金属板上实施对于0.5cm的金属板厚度所编程的I形槽，因为识别轮廓损伤识别出瓶颈。

激光切割机的加工精度通常为0.1mm。然而，控制单元的精度在μm的范围中并且更小。由于激光切割机中激光的聚焦透镜的老化，甚至还必须附加地增大激光焦点，以便能够施加期望的能量。因此，关于阐述的槽和弯曲槽，固体的μm精度的加工既不可能又不必要。

用于识别轮廓损伤的功能和用于避免轮廓损伤的功能能够作为单独的功能被提供，或者也能够被组合使用。

附图说明

下面根据在附图中示出的实施例来进一步阐述和说明本发明。

图1示出了用于切断固体的方法的示例性流程，

图2示出了I形槽的轮廓，

图3示出了T形槽的轮廓，

图4示出了倒圆的I形槽的轮廓，

图5示出了倒圆的T形槽的轮廓，

图6示出了用于实现倒圆的I形槽的平均的直线运动。

具体实施方式

图1示出了借助于高能射束切断固体的方法的示例性流程。激光切割机中的激光特别适合作为高能射束。在方法步骤S10中，在控制单元中存储至少一个已定义的轮廓或者关于已定义的轮廓的至少一个特征的至少一个信息，该控制单元优选地集成在激光切割机中。然而，也能够存储多个已定义的轮廓。优选地，所存储的已定义的轮廓是弯曲槽，轮廓尤其呈I形槽、T形槽、倒圆的I形槽或倒圆的T形槽的形式。在任何情况下都应沿着该轮廓行进并且产生切割间隙，即使例如在加工固体后产生的切割间隙大于在NC程序中存储的并且最初设置实施的切割间隙。在方法步骤S11中，控制单元搜索NC程序中的轮廓，该轮廓由识别轮廓损伤识别为导致轮廓损伤的轮廓，例如作为瓶颈。如果没有识别出瓶颈(在图中用F？和n标记)，在方法步骤S14中，高能射束在固体的朝向高能射束的表面上沿着编程的轮廓行进并且在此产生切割间隙。如果轮廓被识别为瓶颈(在图中用F？和j标记)，在方法步骤S12中，根据用于识别槽形状的功能将该瓶颈与在控制单元中存储的已定义的轮廓相比较。如果轮廓一致(在图中用B？和j标记)，则在方法步骤S13中使用于避免轮廓损伤的功能失效，并且在方法步骤S14中产生切割间隙。此外，为了使轮廓误差尽量小，控制单元将激光焦点的直线运动平均化。如果轮廓不一致(在图中用B？和n标记)，则去除该轮廓。

图2示出了I形槽11的轮廓。激光射束的激光焦点2在金属板1上沿着轮廓11行进。在示例性的实施方式中，激光焦点首先沿着轮廓的上部行进，然后紧接着沿着轮廓的下部行进。然而，如果激光焦点2的直径由于已阐述的原因与轮廓一样宽或者比轮廓更宽，则用于避免轮廓损伤的功能阻止在根据现有技术的激光切割机中产生切割间隙。根据本发明，I形槽11被存储在控制单元中，由控制单元根据用于识别槽形状的功能将该槽识别为已定义的轮廓，并且产生切割间隙。根据本发明，控制单元将直线运动平均化，以便能够尽量小地保持在NC程序中编程的轮廓的误差和偏差。在图6中将更详细地说明这种平均的直线运动。

在图3中采用如已经在图2中所示的方法流程。图3示出了T形槽12的轮廓。激光射束的激光焦点2在金属板1上沿着轮廓12行进。在示例性的实施方式中，激光焦点首先沿着轮廓的上部行进，并且紧接着沿着下部行进。

图4示出了作为倒圆的T形槽14的、已经在图3中说明的T形槽12。图5示出了作为倒圆的I形槽13的、已经在图2中说明的I形槽11。然而，I形槽或T形槽的角原则上具有圆形，该圆形优选地源于圆的激光焦点2。然而，也有意地将I形槽和T形槽倒圆，以便减小在槽上或者在其切割或者刻槽的轮廓或部分轮廓上的缺口效应。

在图2至图5中示出的槽(I形槽、倒圆的I形槽、T形槽和倒圆的T形槽)在NC程序中能够优选地作为在NC或CNC部分编程语言中的直线部段和/或圆形部段使用。

图6示出作为根据本发明的方法的结果的、激光切割机的激光焦点2的平均的直线运动21。图6示出了在金属板1中的倒圆的I形槽13的轮廓。在该实施例中，倒圆的I形槽13作为弯曲槽。小的轮廓误差和偏差不会对弯曲槽造成大的影响。但是，终端用户非常重视在任何情况下都制造弯曲槽。然而，激光焦点2的直径比倒圆的I形槽13更宽。根据现有技术工作的控制单元由于用于避免轮廓损伤的功能而不沿着轮廓行进并且不产生切割间隙。根据本发明的方法实现了根据用于识别槽形状的功能产生切割间隙，因为I形槽的轮廓被控制单元识别出，在该控制单元中正好预先存储了该轮廓。为了尽可能小地保持轮廓误差，根据本发明，控制单元将激光焦点2的直线运动平均化。在图6中，激光焦点2在轮廓的内部居中地沿着线21从右往左行进。在示例性的实施方式中，编程的轮廓被测定为0.3mm宽的I形槽，最终能够实施为0.4mm宽的切割间隙。然而，这种轻微的轮廓损伤能够被容忍，尤其在弯曲槽的情况下能够被容忍。