激光切割方法的自动参数化技术

本发明专利技术涉及基于期望的加工结果的目标规格(E

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】激光切割方法的自动参数化本专利技术涉及激光加工工具领域，并且更具体地涉及用于使激光装置或激光切割方法自动参数化并用于预测结果数据的方法和系统。根据期望的加工，当今可以使用不同类型的激光加工工具来生产高精度和高性能的制造部件。例如，Nd:YAG(1064nm)和CO2激光器用于微加工半导体衬底。通过使用具有若干千瓦输出功率的Yb:YAG纤维激光器和CO2激光器，尤其厚度达几十毫米的金属工件被以微细加工的方式切割。这些和其他应用示例表明，对质量、稳定性、生产率和其他变量的控制和监测对于借助于激光加工在所制造部件上产生的加工结果是必不可少的。例如，在某些应用中，重要的是监测切割边缘的倾斜角度，该倾斜角度尤其取决于激光束聚焦在工件上的聚焦位置。在该示例中，作为加工参数的聚焦位置与作为加工结果参数的切割边缘的倾斜角度之间的物理关系在此在确定用于激光加工的合适参数方面起着重要作用。在现有技术中，如果期望实现某个加工结果(例如，所制造部件的特定质量测量，其有时可以反映在毛刺和/或熔渣的形成以及/或者切割边缘的粗糙度中)，则使用经验知识在具有相应技术特性(比如光束工具类型、喷嘴等)的相应机器上设定相应加工参数，使得可以实现期望的质量等级。明显的是，该过程一方面需要大量的经验，并且另一方面又不是可再现的，并且因此容易出错。此外，由于该方法不是可扩展的，所以该方法是耗时的，这是因为必须执行至少一次测试运行(以及频繁的多次测试运行迭代)以通过试错法确定产生期望结果(加工结果)的那些设定参数，其中，必须对每种材料和每种类型的装置重复该测试运行。为了实现可再现性和可扩展性，通常期望能够计算操作激光加工工具的参数、相关联的物理工艺特性与所产生的加工结果之间的相互作用。EP2533934B1公开了一种用于使用模拟程序确定加工结果质量的方法。该文件没有公开如何基于计算的比较值在操作期间调整、改进和开发生成的模型。此外，该文件没有指出对用于加工结果的期望的目标规格的参数集进行自动计算的任何参数化方法。US2017/0113300A1公开了一种用于监测激光加工的方法，其中，在切割过程中断之后，检测工件上的加工质量并将其与质量规格进行比较。在偏差的情况下，可调整切割参数。然而，该文件没有描述应当如何调整切割参数。本领域技术人员不能通过该文件推断出关于具体应当如何改变设定参数以实现更好的切割结果的任何指令。此外，该文件也没有公开参数化方法。因此，本专利技术解决了改进激光加工工具的操作的问题。特别地，应当简化用户的操作，提高方法的生产量，提高制造工艺的质量。此外，还应当计算加工过程的相关参数及这些相关参数与加工工艺和加工结果的物理关系(参数化方法)。该问题通过根据所附独立专利权利要求的预测方法、参数化方法、计算机程序、参数化模块、预测模块、激光加工工具和系统来解决，其中，上述对象访问至少三个不同的数据结构(加工参数、工艺特性、加工结果)。有利的实施方式、进一步的特征和优点将通过从属权利要求和下面的描述显现。根据第一方面，本专利技术涉及一种用于激光加工方法的加工结果的预测方法。在预测方法中使用以下方法步骤：-读入用于驱动激光加工工具的加工参数集；-访问确定性工艺模型，以便对读入的参数集的加工结果的预测数据集进行计算。确定性工艺模型访问至少三个不同的数据结构，以便对以下项之间的物理多维关系进行建模：ο相应的参数集；和ο表示工艺区域中的物理激光加工工艺的工艺特性；以及ο加工结果。在本专利技术的有利实施方式中，预测方法可以包括进一步的处理步骤，所述进一步的处理步骤将计算的预测数据集存储在例如数据库中，并且/或者将计算的预测数据集输出至输出单元(例如，在监视器/终端上以图形方式)。此外，计算的预测数据集可以经受验证检查(例如，检查可信性、使用预定义规则或与历史数据和/或与统计平均值进行比较等)。专利技术人已经认识到，用于操作激光加工工具的先前方法的缺陷在于，需要加工区域中的若干交互物理工艺的特定经验知识，以便能够相对于期望的加工结果以及利用用于设定激光器、整个激光加工装置、所生产的工件的轮廓和/或工件上的加工结果的特定参数集(在下面，该术语用于表示与术语加工参数集相同的意思)最佳地控制激光工艺，以便能够预测加工结果(关于制造的部件：切割边缘、粗糙度等)将如何出现。具体地，到目前为止，关于工件上的激光加工工艺的某些物理关系仅进行了经验分析。这些关系和相关变量无法计算。基于该初始情况，建立了确定性工艺模型，该模型对用于设定激光器的参数集、工艺区域中的工艺特性与加工结果之间的物理多因果关系进行了建模。用于激光加工的公知的等式的数学系统(例如，R.Poprawe，“LasertechnikfiirdenFertigung”[LaserTechnologyforManufacturing(用于制造的激光技术)]，Springer-Verlag2005，P.455)被适当地改编和简化，以便能够实现为工业应用定制的基于模型的算法的性能。所有上述方法步骤都可以统称为真实激光加工的模拟。根据该方案，选择并简化了现有技术中众所周知的用于工业制造的等式系统。模型核心的等式是时间相关的物理守恒等式。这些时间相关的物理守恒等式是普遍有效的，并且因此适用于激光加工工艺区域中的多个物理相关的操作。在模型中，用于与工艺区域相关的质量(或粒子)、能量和动量守恒变量的等式在固、液、气三种聚集状态下实施。用于液体聚集状态(溶体)和固定公式化中的这些等式经常在专业文献(例如D.Schuocker，“DynamicPhenomenainLaserCuttingandCutQuality(激光切割和切割质量中的动力学现象)”，Appl.Phys.B40，p.9-14，1986年)中提到。这些公式使得在数学上和数值上可行，但是还对工艺区域中的切割物理进行了完整的建模，并且因此形成了用于解决问题的可扩展的数值框架。有利地，模型中的守恒等式从固定公式扩展至时间相关的公式。这在考虑到工业应用中工艺特性或参数集的有限计算能力的同时提供了最大的精确度。换句话说，该模型基于模型核心，在该模型核心中，守恒等式同时满足以下技术标准中的所有技术标准：他们在物理上是有效的，并且可以以数字的方式实施，使得他们可以在现场以合理的成本并且在合理的计算时间内直接在机器上进行计算。模型核心也是可扩展的。如果存在偏差，则可以使用预测加工结果与测量的实际加工结果之间的目标/实际比较来开发模型核心的新版本。特别地，在工件的熔点Tm小于熔融表面的温度T的情况下，可以考虑在时域中对于加工的工件(代表加工结果)的切割边缘的液体状态的第一阶段模型核心的以下耦合守恒等式：用于熔体的质量流的守恒等式：用于熔体的能量流(功率平衡)的守恒等式：用于熔体的动量流(力)的守恒等式：(其中，p和B是矢量大小并且应当以粗体表示)。在工件的熔点Tm小于熔融表面温度T的情况下，可以考虑在时域中对于加工的工件的切割边缘的液体状态的在第二阶段的模型核心的以下守恒等式：...

【技术保护点】
1.一种用于预测激光加工方法的加工结果(E)的预测方法，具有以下方法步骤：/n-读入(S61)用于驱动激光加工工具的参数集(P)；/n-访问(S62)确定性工艺模型(M)，以便对读入的所述参数集(P)的所述加工结果的预测数据集(E

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181219 EP 18214096.21.一种用于预测激光加工方法的加工结果(E)的预测方法，具有以下方法步骤：
-读入(S61)用于驱动激光加工工具的参数集(P)；
-访问(S62)确定性工艺模型(M)，以便对读入的所述参数集(P)的所述加工结果的预测数据集(Efcst)进行计算(S63)，其中，所述确定性工艺模型(M)使用至少三个数据结构(P、E、PKG)，并且对表示物理激光加工工艺和所述加工结果(E)的相应的所述参数集(P)与工艺特性(PKG)之间的物理多维关系进行建模。


2.根据权利要求1所述的预测方法，其中，所述方法另外地包括：
-利用读入的所述参数集(P)执行(S65)激光加工；
-测量(S66)加工结果(Eact)作为实际值；
-将所述加工结果的测量的所述实际值(Eact)与所述预测数据集(Efcst)进行比较(S67)，并且在存在偏差的情况下：
-输出(S68)计算的比较结果。


3.根据紧接的前一权利要求所述的预测方法，其中，基于所计算的比较值自动启动适配过程，并且特别是对所述工艺模型(M)进行适配。


4.根据前述权利要求中的至少一项所述的预测方法，其中，借助于应用模拟算法和/或借助于制造预测算法对所述确定性工艺模型(M)进行访问。


5.一种用于自动计算用于激光加工方法的参数化的参数集(Pcalcd)的参数化方法，包括以下方法步骤：
-读入(S71)加工结果的目标值(Etarg)；
-访问(S72)确定性工艺模型(M)，以便对满足所述目标值的读入的所述加工结果的所述目标值(Etarg)的至少一个参数集(Pcalcd)进行计算(S73)，其中，所述确定性工艺模型(M)使用至少三个数据结构(P、E、PKG)，并且对表示物理激光加工工艺和所述加工结果(E)的所述目标值的相应的所述参数集(P)与工艺特性(PKG)之间的物理多维关系进行建模。


6.根据紧接的前一权利要求所述的参数化方法，其中，所述方法还包括：
-利用计算的所述参数集(Pcalc)对工件进行加工(S75)；
-对完成的工件测量(S76)所述加工结果的实际值(Eact)；
-在所述加工结果的所述目标值(Etarg)与所述加工结果的所述实际值(Eact)之间进行比较(S77)并且存在偏差：
-输出(S78)计算的比较值和/或基于计算的所述比较值：启动适配过程，特别地：通过对所述确定性工艺模型进行访问来适配所述工艺模型和/或校准计算的所述参数集，使得能够保持读入的所述加工结果的所述目标值(Etarg)。


7.根据前述权利要求中的一项所述的参数化方法，其中，反复重复加工(S75)步骤、测量(S76)步骤、比较(S77)步骤和输出(S78)步骤，直到所述加工结果的所述目标值与所述加工结果的所述实际值之间的偏差降低到可预先配置的阈值以下为止。


8.根据前述权利要求中的一项所述的参数化方法，其中，借助于应用校准算法和/或借助于应用计算算法对所述确定性工艺模型的进行访问。

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【专利技术属性】
技术研发人员：斯特凡·维特韦尔，
申请(专利权)人：百超激光有限公司，
类型：发明
国别省市：瑞士;CH