用于監(jiān)視、尤其用于調(diào)節(jié)切割過程的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于監(jiān)視、尤其用于調(diào)節(jié)工件上的切割過程的裝置，包括:用于將高能射線、尤其激光射線聚焦到工件上的聚焦元件；用于感測工件上的待監(jiān)視區(qū)域的圖像感測機構(gòu)，所述待監(jiān)視區(qū)域包括所述高能射線與所述工件的相互作用區(qū)域；以及分析機構(gòu)，所述分析機構(gòu)被構(gòu)造或編程用于根據(jù)被感測的相互作用區(qū)域獲知切割過程的至少一個標志性特征參量，尤其是在切割過程中形成的切縫的至少一個標志性特征參量。本發(fā)明也涉及一種用于監(jiān)視、尤其用于調(diào)節(jié)工件上的切割過程的方法，包括:將高能射線、尤其激光射線聚焦在工件上，優(yōu)選借助基本上與所述高能射線的射線軸線同軸線地延伸的觀察光路感測所述工件的待監(jiān)視區(qū)域，所述待監(jiān)視區(qū)域包括所述高能射線與所述工件的相互作用區(qū)域，以及根據(jù)所感測的相互作用區(qū)域獲知切割過程的、尤其是切割過程中形成的切縫的至少一個標志性特征參量。工件的待監(jiān)視區(qū)域的感測優(yōu)選借助基本上與所述高能射線的射線軸線同軸線地延伸的觀察光路進行。
【背景技術(shù)】
[0002]用于監(jiān)視激光切割過程的裝置被申請人的WO2012/107331 Al公開，該裝置可用來感測激光切割過程的、例如即將到來的切口裂縫的標志性特征參量。在那里，即在切割縫隙低于預給定的縫隙寬度時識別到將發(fā)生的切口裂縫。替換地或附加地，將被觀察的切割前方的面與參考面比較，該參考面相應(yīng)于良好切口或者說合格切割時的切割前方的面。如果由參考面發(fā)出的輻射強度超過在正常切割時的額定亮度極限值，則可探測到切口裂縫。
[0003]在WO2013/053832 Al中描述了一種在激光切割過程中測量反向散射光用于檢驗切割質(zhì)量的裝置。當切口實際上延伸穿過工件時，反向散射光的被測強度較小。為了優(yōu)化殘渣的運走，借助控制機構(gòu)這樣適配在切割過程中使用的氣體脈沖的頻率或壓力，使得反向散射光的被測強度得到最小值。
[0004]切口裂縫的通常原因是向工件中的輸入能量不足。太小的延伸能量導致切割前方變扁，即導致切割前方角度增大，由此，切割下棱邊上的溶化物不再能被完全驅(qū)走并且在切縫中凝固。切割下棱邊的閉合導致過程不規(guī)則性，所述過程不規(guī)則性通常持續(xù)阻止分離切害J。因此，代表切割縫隙標志性特征參量的切割前方角度是即將出現(xiàn)的切口裂縫的指標。
[0005]切割前方或者說切割前方角度原則上可通過與高能射線同軸線地垂直觀察從相互作用區(qū)域發(fā)出的溫度輻射而能夠測量。在工件厚度已知時，可根據(jù)切縫中的射出區(qū)域長度推斷出切割前方角度。在此，問題在于，在工件下方滴出熔化絲導致射出區(qū)域的延長，使得通過這種方式不能可靠地進行切割前方角度的測量。
[0006]在WO2012/107331 Al中建議，探測作為工件材料邊界的切割前方上棱邊和切割前方下棱邊并且由此在考慮工件厚度的情況下求得激光切割過程的切割前方角度。為了這個目的，沿著切割縫隙或者說切縫的縫隙中心典型地在可見波長范圍內(nèi)測量切割前方上棱邊和切割前方下棱邊之間的間距。如果切割前方角度偏離額定值或額定范圍，則這可能意味著切割誤差或非最佳工作點，該切割誤差或非最佳工作點可通過恰當?shù)拇胧﹣硇拚?，例如通過適配切割速度。
[0007]在穿過切割噴嘴進行同軸的過程觀察時，不論在觀察溫度輻射、反向散射的高能輻射時還是在觀察材料邊界時，都存在觀察范圍受到切割噴嘴的通常呈圓形的內(nèi)輪廓的限制的問題。尤其是在火焰切割過程時使用小的噴嘴直徑，使得切割前方下棱邊即使在良好切口時也處于由噴嘴口限界的觀察區(qū)域之外并且切割前方角度不能被可靠地確定。
[0008]在DE10 2011 016 519 Al中描述了用于控制借助高能加工射線加工工件的方法和裝置，在該方法中，加工射線穿過透鏡，透鏡為了使加工射線到所述工件上的照射位置移動而可垂直于它的光軸運動。在一個實施例中，設(shè)置用于產(chǎn)生可電子分析的圖像的監(jiān)視相機，該監(jiān)視相機的成像光路通過透鏡被聚焦到照射位置上。
[0009]由WO2012/107331 Al也公開了借助相互作用區(qū)域的圖像推斷出切割縫隙上的毛刺形成的存在或誤差。例如在熔化切割過程中可借助切割縫隙區(qū)域中的熱圖像強度的反復波動的誤差和/或在出現(xiàn)三個從切割前方出發(fā)的光帶時推測出毛刺形成的存在。在結(jié)構(gòu)鋼火焰切割過程中(使用氧氣作為切割氣體)，在熱圖像中或在可見波長范圍中可在切縫的切割棱邊上探測到周期性反復的溝紋或溝道并且可借助溝道的頻率推斷出即將出現(xiàn)的材料
ο
[0010]在Frank Schneider ,Shaker出版社，2005年的博士論文“在采用激光射線對電工鋼片進行高速切割時的監(jiān)視、調(diào)節(jié)和自動化”中以采用高達100米/分鐘的切割或進給速度進行高速切割為題。在該應(yīng)用中，可在切割前方后的后面形成溶液阻塞，該溶液阻塞在高速情況下可變得如此大，使得溶液和切割前方之間的毛細管暫時地被溶液流向下封閉。在這種情況下，激光射線從被堵塞的毛細管反射回來并被熱探測器或者說熱電堆拖帶的或者說后續(xù)的觀察中測量。在拖帶的觀察時和在高速情況下發(fā)生強烈的、短時的反射并從而出現(xiàn)強烈變動的測量信號。因為測量信號的標準偏差典型地隨著速度的增大而增加，可以借助該標準偏差來調(diào)節(jié)高速切割過程。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的任務(wù)在于，提供用于監(jiān)視、尤其用于調(diào)節(jié)切割過程的裝置和對應(yīng)的方法，所述裝置和方法使得能夠可靠地求得切割過程的標志性特征參量，尤其是在切割過程中形成的切縫的標志性特征參量，和/或使得能夠有利地調(diào)節(jié)切割過程。
[0012]本發(fā)明的第一方面涉及一種開始所述類型的裝置，在該裝置中，所述圖像感測機構(gòu)造成用于形成觀察射線，所述觀察射線用于從相對于所述高能射線的射線軸線成一角度地延伸的觀察方向觀察所述相互作用區(qū)域，并且，所述圖像感測機構(gòu)包括成像光具，所述成像光具用于從相對于所述高能射線的射線軸線以所述角度延伸的所述觀察方向產(chǎn)生所述相互作用區(qū)域的圖像。
[0013]被建議用于獲知所述至少一個標志性特征參量的測量原則基于從相對于所述高能射線的射線軸線成角度地延伸的(至少)一個視線角度或至少一個觀察方向感測相互作用區(qū)域的(至少)一個圖像，也就是說，觀察光路的形成所述觀察射線的部分在聚焦元件和工件之間的會聚性光路中相對于聚焦元件的光軸并從而相對于高能射線的射線軸線成角度地延伸。根據(jù)這樣的觀察射線，在恰當分析拍攝的圖像的情況下，可以獲知切割過程的、尤其是切縫的標志性特征參量，并且，如果需要則可干預切割過程，以進行切割質(zhì)量方面的優(yōu)化。
[0014]與高能射線的射線軸線同軸線地延伸的觀察光路在聚焦元件的入射側(cè)上平行于所述高能射線的射線軸線或與所述高能射線的射線軸線同中心地延伸。為了從同軸線的觀察光路產(chǎn)生或選擇出非同軸線的觀察射線，可例如在觀察光路中設(shè)置光圈。該成像光具在探測器面上形成至少一個、尤其正好一個偏心地，即不穿過聚焦元件中心軸線地走向并從而在聚焦元件和工件之間的會聚光路中相對于工件或相對于高能射線的射線軸線成角度地，延伸的觀察射線。
[0015]通過相對于射線軸線成角度的觀察，可獲知在同軸線地或垂直地觀察相互作用區(qū)域時不能識別的標志性特征參量，尤其是切縫的特性。對于相對于射線軸線成角度地延伸的觀察射線，理解為這樣的射束，在該射束的情況下，在聚焦元件和工件之間的會聚光路中觀察射線的主射線相對于被用于加工的高能射線的主射線偏差至少約2°。
[0016]在一實施方式中，圖像感測機構(gòu)被構(gòu)造用于改變所述觀察射線在垂直于高能射線的射線軸線的平面中的觀察方向定向。典型地，該平面平行于通常板形的工件的支承平面或表面延伸。高能射線和工件沿著激光切割過程的瞬時進給方向沿支承平面相互運動，該瞬時進給方向取決于工件上的待切割輪廓。瞬時進給方向、從而切縫延伸方向在切割過程中典型地改變。為了能夠在切割過程中持續(xù)獲知確定標志性特征參量，觀察方向應(yīng)相對于進給方向、即相對于切縫沿其形成的方向的定向盡可能保持恒定。這可通過如下方式實現(xiàn)，即，圖像感測機構(gòu)在切割過程中恰當?shù)馗淖冇^察方向。對于改變所述觀察方向的定向存在多種可能性。
[0017]在一實施方式中，圖像感測機構(gòu)具有光圈，用于改變觀察射線的觀察方向的定向。在這種情況下，可進行相對于高能射線的射線軸線對稱的成像。觀察射線穿過光圈孔，光圈孔在這種情況下產(chǎn)生配屬于觀察方向的觀察射線。為了改變觀察射線的定向或取向，(機械式)光圈在最簡單的情況下可構(gòu)造為可轉(zhuǎn)動的、具有相對于高能射線的射線軸線偏心布置的光圈孔的(孔)板。這樣的孔板能夠例如以恒定的角速度轉(zhuǎn)動并通過圖像感測機構(gòu)的同步拍攝時間點調(diào)整分別希望觀察方向。替換地或附件地，所述(孔)板能夠可移動地構(gòu)造，用于遮暗觀察光路的希望區(qū)域或用于影響觀察射線的定向。
[0018]所述光圈也可構(gòu)造成可切換的光圈，例如以電子開關(guān)(例如LCD屏幕或具有可開關(guān)的像素的LCOS顯示屏，所述像素分別遮暗觀察光路的部分區(qū)域)或機械開關(guān)的形式，所述機械開關(guān)具有多個可機械控制的元件，這些元件可借助控制機構(gòu)在兩個切換狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，用于分別遮蓋或打開觀察光路的部分區(qū)域。當然，為了出于過程觀察目的而高分辨率地觀察工件的待監(jiān)視區(qū)域，可以打開或關(guān)閉觀察光路的孔徑的其它區(qū)域。
[0019]在另一實施方式中，成像光具被構(gòu)造用于從不同定向的觀察方向產(chǎn)生相互作用區(qū)域的多個圖像。在這種情況下，相互作用區(qū)域的多個圖像可被同時拍攝并成像在一個或多個探測器面上。分析機構(gòu)在這種情況下可僅分析探測器面的分別相應(yīng)于一個希望的觀察方向的那個或那些區(qū)段，使得即使在這種情況下觀察方向也可在垂直于射線軸線的平面中被改變，其方式是，可在從不同觀察方向拍攝的圖像之間轉(zhuǎn)換，以獲知切割過程的標志性特征參量。
[0020]在必要情況下，成像光具也可被構(gòu)造用于在相對于高能射線的射線軸線同軸線地延伸的觀察方向上拍攝相互作用區(qū)域的圖像，即平行于高能射線的射線軸線(典型地垂直于工件平面)，例如用于探測工件的材料邊界，例如切縫的切割棱邊。這樣的觀察尤其能夠以借助高分辨率進行。
[0021]在一擴展構(gòu)造中，成像光具具有多個成像光學元件，用于從不同觀察方向產(chǎn)生相互作用區(qū)域的多個圖像。這些光學成像元件例如可以是球面或非球面的透鏡元件。這些透鏡元件能夠相互隔開間距地布置，該間距大約相應(yīng)于探測器面上圖像之間的間距。在此情況下，每個成像光學元件產(chǎn)生一個自己的成像射線或者說觀察射線，用于分別在探測器面的對應(yīng)區(qū)域上產(chǎn)生對應(yīng)的圖像。透鏡元件典型地偏心地、即相對于高能射線的光路或其延長線不同軸地布置觀察光路中，以使得能夠相對于高能射線的射線方向成角度地進行所希望的觀察。
[0022]在一擴展構(gòu)造中，成像光學元件布置成透鏡陣列或網(wǎng)格組件。透鏡元件(“小透鏡”或透鏡陣列)、例如微透鏡的網(wǎng)格組件能夠以成行和成列布置的透鏡的形式或者也以兩個交叉柱形透鏡陣列的形式實現(xiàn)。在后一種情況下，成像光具除了沿第一軸線產(chǎn)生曲率或成像作用的第一柱形透鏡陣列的柱形透鏡外還具有第二柱形透鏡陣列，該第二柱形透鏡陣列沿著相對于第一軸線垂直的第二軸線產(chǎn)生成像作用。通過交叉的柱形透鏡，一方面成像光具可成本低廉地制造，另一方面可良好利用可用的成像橫截面。
[0023]相對于使用成像光學元件產(chǎn)生一個或多個圖像附加地或替換地，成像光具也可以為此目的而具有用于通過影響觀察光路的射線方向來形成各觀察射線的機構(gòu)。
[0024]該機構(gòu)例如可構(gòu)造成具有至少一個配屬給觀察方向的射線偏轉(zhuǎn)區(qū)域的偏轉(zhuǎn)機構(gòu)。例如，在這種情況下，入射的觀察射線可被偏轉(zhuǎn)機構(gòu)偏轉(zhuǎn)到成像光學元件(例如透鏡元件)的一個或多個不同區(qū)域上，用于被聚焦在成像光學元件的像平面中的不同的、相互隔開間距的區(qū)域上，在這些區(qū)域上產(chǎn)生相互作用區(qū)域的圖像。為了該目的，偏轉(zhuǎn)機構(gòu)例如可具有至少一個偏轉(zhuǎn)棱鏡。替換于使用偏轉(zhuǎn)棱鏡，偏轉(zhuǎn)機構(gòu)也可以反射式地構(gòu)造并且例如具有多個鏡面形式的射線偏轉(zhuǎn)區(qū)域，這些射線偏轉(zhuǎn)區(qū)域使配屬給各觀察方向的觀察射線向不同方向偏轉(zhuǎn)。
[0025]替換地或附加地，成像光具為了產(chǎn)生一個或多個圖像也可具有一機構(gòu)，該機構(gòu)兩次以相反方式影響用于形成觀察射線的觀察