In-process monitoring of focus position in laser cutting process by kerf width detection

Nowadays industrial laser cutting systems employ a fixed set of process parameters throughout the cut of the same workpiece, which results in maximum productivity and surface quality. The process parameters are commonly set by experimental studies carried out on different materials and thicknesses. However, the final cut quality does not only depend on the process parameters. One of the common issues in the laser cutting process is the local heating of the optical components, which causes shifting of the focus position. This drawback can worsen the cutting-edge quality and the surface roughness, and even result with loss of cut. Therefore, an important issue to be addressed is the online monitoring and feedback control of the focus position for correcting or possibly avoiding the defect occurrence. To understand the influence of the process parameters on the cutting conditions, an experimental campaign is conducted which comprises of multiple cuts performed with different set of cutting parameters. The kerf width of the cuts, as a process signal, is then measured with a microscope and the data are correlated to the process variables. The analysis of variance (ANOVA) procedure is employed for statistical analyses of the acquired data, proving a strong correlation between the kerf width and focal position. Furthermore, an analytical model for estimating the kerf width based on the laser beam profile is developed and compared to the experimental model. For a real-time observation of the kerf width during the process, an on-axial camera module is mounted on the laser head which monitors the thermal interaction between the laser beam and the material. An image processing algorithm is adopted for extracting the kerf width from the acquired images, and the algorithm parameters are calibrated such that the extracted value of the kerf width matches with its physical measure. The real-time monitoring and computation of the kerf width and its correlation to the focus position give the opportunity for a closed-loop focal shift control, that would eventually lead to a gain of process stability and repeatability.

Recentemente i sistemi di taglio laser industriale necessitano di un set prestabilito e invariabile dei parametri di processo durante la fase di taglio per ottenere la massima produttività e qualità superficiale. Tali parametri di processo sono comunemente definiti con prove sperimentali utilizzando pezzi di diverso materiale e spessore. Tuttavia, la qualità finale di taglio non dipende esclusivamente dai parametri di processo. Un problema ricorrente nel processo di taglio laser è il surriscaldamento localizzato dei componenti ottici, che causa lo spostamento della posizione del fuoco. Tale inconveniente può peggiorare la qualità del solco tagliato così come la rugosità della superficie, portando in alcuni casi alla perdita del taglio. Per questo motivo è importante monitorare e compensare la posizione del fuoco per correggere o evitare eventuali difetti. Per comprendere l’influenza dei parametri di processo nelle condizioni di taglio, è condotta una campagna sperimentale composta da una serie di tagli realizzati con set differenti dei parametri di taglio. La larghezza del solco dei tagli è quindi misurata attraverso un microscopio e poi correlata alle variabili di processo. Analizzando i dati raccolti con procedura di analisi della varianza (ANOVA), è dimostrata una forte correlazione tra larghezza del solco e posizione del fuoco. Inoltre, è sviluppato un modello analitico per stimare la larghezza del solco basandosi sul profilo del fascio laser poi confrontato con il modello sperimentale. Per osservare in tempo reale la larghezza del solco durante il processo di taglio, è montata coassialmente una camera alla testa di taglio così da monitorare l’interazione tra fascio laser e materiale. Un algoritmo di elaborazione di immagini è quindi realizzato per estrapolare la larghezza del solco dalle immagini acquisite; i parametri dell’algoritmo sono scelti sulla base della corrispondenza tra valori estrapolati della larghezza del solco e le sue misure fisiche. Il monitoraggio in tempo reale della larghezza del solco e la sua correlazione con la posizione del fuoco permettono di controllare lo spostamento del fuoco con un anello chiuso, che potrà eventualmente consentire un guadagno nella stabilità e ripetibilità del processo.