CN101715379B - 用于在板状材料分割过程期间探测加工光线的方法以及用于实施该方法的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在板状材料(12)分割过程期间探测加工光线的方法以及一种用于实施该方法的装置，该加工光线由分割装置(18)的切割射束(22)产生，其中，分割装置(18)的切割射束(22)对准板状材料(12)的上侧面，该切割射束在产生切割缝隙(32)后从板状材料下侧面射出，在切割过程期间从板状材料(12)下侧面射出的加工光线被设置在板状材料(12)下方的探测装置(31)感测，所述分割装置(18)在分割过程期间至少在X向或Y向上移动并与从下侧面射出的加工光线在工件支座(16)平面内的变化的位置无关地通过激活探测装置(31)来感测。

Description

用于在板状材料分割过程期间探测加工光线的方法以及用于实施该方法的装置

技术领域

本发明涉及一种用于在板状材料分割过程期间探测加工光线的方法以及用于实施该方法的装置，加工光线由分割装置的切割射束产生。

背景技术

由JP 04-017987 A1已知一种用于激光切割机的图像识别系统。在该激光切割机中板状工件通过工件夹具固定，该工件夹具设置在定位装置上，它在X和Y向为了移动板状材料在一水平面内移动。在板状材料上方设置分割装置，用于用切割射束加工板状材料。为了制成工件，板状材料在X和Y向通过定位装置移动。在板状材料下方设置CCD摄像机，它对准分割装置或者对准由分割装置形成的切割缝隙，由此对在板状材料下侧面射出的切割射束或者由此产生的加工光线摄像。对射出的切割射束的图像进行分析计算。在良好的切割条件下(借助完成的图像来分析计算)，继续工作过程。如果出现切割过程变差，(低于所确定的极限)，则中断切割工艺。

通过使工件在X和/或Y向上移动的激光切割机定位装置，分割装置固定地设置。由此能够将设置在板状材料下方的CCD摄像机固定地设置，用于实施过程监控。过程监控的这种布置和实施只能在这样的激光切割机中实现：工件在加工期间移动，使得加工地点保持不变。对于具有在切割过程期间固定不动的板状工件的激光切割机，不能通过上述具有固定CCD摄像机的布局实现过程监控。

发明内容

因此，本发明的目的是，提供一种用于在板状材料分割过程期间探测加工光线的方法以及用于实施该方法的装置，该装置使得能够在加工机中加工静止的板状材料期间实现可靠的分割过程过程监控。

为此，本发明提出一种用于在板状材料分割过程期间探测加工光线的方法，该加工光线借助分割装置的切割射束产生，

在该方法中，分割装置的切割射束对准板状材料的上侧面，该切割射束在产生切割缝隙后从板状材料的下侧面射出，

在该方法中，在切割过程期间从板状材料下侧面射出的加工光线被设置在板状材料下方的探测装置感测，其中，

所述分割装置在分割过程期间至少在X向或Y向上移动并且

与加工光线在工件支座平面内的变化的位置无关地通过激活探测装置来感测从下侧面射出的加工光线。

通过按照本发明的方法能够实现，通过分割装置借助切割射束将切割缝隙加工到静止的板状材料中，该分割装置在分割过程期间在X和/或Y向上移动，其中，由此改变的切割射束位置及其引起改变的、向下射出的加工光线的位置通过激活探测装置来感测。该激活可以包括与分割装置切割头耦合的探测装置移动运动，也可以包括静止的探测装置的部分启动，以便能够感测并分析计算从板状材料下侧面射出的加工光线的变化的位置。

按照该方法的优选方案规定，在板状材料下方为分割装置配置一接收探测装置的射束捕获装置，该射束捕获装置至少在X向上与分割装置一起移动。由此能够实现，探测装置与分割装置同时移动，使得探测装置强制地跟踪加工光线。由此最好可以使探测装置与切割射束并因此与从板状材料下侧面射出的加工光线之间的距离保持恒定，由此能够为了感测加工光线实现相同的工作条件。射束捕获装置例如可以构造为所谓线性捕捉器，它例如沿着工件支座的整个宽度在Y向上延伸。

按照本方法的另一优选方案，射束捕获装置只部分地在Y向上向着工件支座延伸并且与分割装置一起在Y向上移动。这种射束捕获装置构造得比工件支座的宽度小，也可以称为所谓点捕捉器，能够实现探测装置相对于加工光线靠近的或直接的定位。

本方法的另一替换方案规定，探测装置设置在至少一个支架上，所述支架设置在工件支座之外并且构造得用于在板状材料下方安置探测装置，所述支架与分割装置一起在X向上移动。这种加工监控能够使探测装置与分割装置在相同的位置上在X向上移动，其中探测装置独立地安置用于在Y向上移动。由此能够简单地感测加工光线并由此监控切割过程。

本方法的另一替换实施例规定，探测装置在工件支座下方邻接工件支座或者在工件支座之外静止地定位，通过它区域地或整面地感测板状材料的下侧面。该替换实施例一方面使得能够全面地监控板状材料的整个下侧面，由此与加工光线的实际位置无关地感测射出的加工光线的状态。另一方面可以规定，只区域地激活探测装置，具体在分割装置沿X向移动期间所在的该区域。两种用于监控加工光线的控制都能够与分割装置在Y向上的移动位置无关地实现感测。

优选通过具有至少一个传感器元件的探测装置实施加工光线的感测，该探测装置为了感测加工光线而定向在一指向下侧面的位置。通过所述至少一个传感器元件可以感测亮度变化。该亮度变化已经能够最早地说明：切割射束是否已完全穿透板状材料或者在切割过程期间是否存在干扰。在完全误切割情况下不出现加工光线，因此传感器元件感测不到信号并因此识别到加工过程中存在故障，相应的信号被输出给加工机控制装置。如果感测到加工光线在确定的阈值之下，则尽管不存在完全的误切割，但切割质量差，这也被感测为误切割。传感器元件优选能够按照第一实施例构造为光电二极管，它直接感测在加工部位下侧面从板状材料射出的加工光线。按照另一传感器元件的有利扩展结构可以规定，传感器元件包括一个光学的光导体元件、一个CCD摄像机或另一光学感测装置，该光导体元件带有至少一个与其远离的光电二极管。传感器元件的另一替换实施例是，设置一个或多个CCD摄像机，它们设置在板状材料下方用于感测加工光线。

通过在用于制成工件的板状材料中的分割过程期间探测加工光线，使用具有至少两个相互对置的传感器元件的探测装置，这些传感器元件对准板状材料的下侧面，使得传感器元件的各感测锥相互邻接或者形成搭接区域。由此从两侧感测加工光线，使得误切割识别的可靠性提高。通过这两个相互对置的传感器元件，一个传感器元件到加工光线的距离的变化可以通过另一传感器元件补偿。

按照本方法的另一优选方案，探测装置由多个成一列布置的并通过两列相互对置的传感器元件构成并且优选通过每列感测由传感器元件的感测锥感测至少一半下侧面。通过两个或多个成列并排设置的传感器元件与通过两个单个的相互对置的传感器元件构成的线形探测区相比可实现面状的探测区，由此可以监控切割缝隙周围更大的监控区域。在此，相互对置的传感器元件在其角位置上相对于板状材料下侧面这样定向：使得至少一半板状材料被感测锥覆盖。因此能够可靠地监控很宽的板状工件。

按照本方法的另一优选方案，一列传感器元件相对于对置的一列传感器元件错开传感器元件的一半间距。由此能够得到传感器元件感测锥的高的重合度，使得加工光线几乎在整个探测区被至少两个传感器元件感测。这种布置优选在使用射束捕获装置、尤其是点捕捉器时采用，其中相互对置的传感器元件列优选在X向上定向。

本方法的另一优选方案规定，在传感器元件静止设置的情况下，这些传感器元件沿着工件支座在X向上延伸并且在邻接工件支座或者设置在工件支座之外，所有传感器元件被激活或者一定数量的、相互对置的传感器元件被激活，分割装置处于其区域中。尤其是，分割装置所在区域中的预定数量的传感器元件的激活和控制使得能够通过几乎条带状的探测区来感测加工光线。在此时刻其它传感器元件去激活。

按照本方法的另一优选方案，随着切割射束刺入板状材料中的开始或在该加工步骤期间激活探测装置的所述至少一个传感器元件，当在板状材料下侧面上首次感测到加工光线时，探测到该刺入加工步骤结束。该探测可通过分析计算装置进行，它对感测到的加工光线进行分析计算。该分析计算装置优选是探测装置的部件。因此可以实现在由板状材料制造工件期间从刺入过程结束到误切割识别的无缝过渡。替换地可以规定，在切割射束刺入板状材料中的加工步骤开始后，在预定的时间间隔后激活探测装置。

此外优选地规定，由从板状材料下侧面射出的加工光线感测信号或亮度值并分析计算，在不射出加工光线或射出的加工光线低于阈值时，发出故障通知。由此通过感测亮度变化已经可以说明故障。

按照本方法的另一优选方案，在用于用板状材料制造工件的切割过程期间探测在下侧面上射出的加工光线并且分析计算所探测的加工光线的强度和/或时间进程。由此可以由感测的加工光线推导出其它的、关于当前切割参数和切割缝隙切割质量的信息。

按照本方法的另一优选方案，为了调节过程，将通过分析计算装置求出的信号传送给加工机的控制装置。通过感测加工光线和由此推导出的、由分析计算单元求出的信号，可以进行加工位置的直接监控。因此能够掌握与最佳加工状态的小偏差，由此基于过程调节直接干预切割过程。在此例如可以控制切割射束、尤其是激光射束的功率，也可以控制加工速度或者说用于将切割射束引导至加工位置的切割头的移动速度。切割过程期间的工作条件变化可以从加工光线通过亮度变化或通过光锥形状变化和/或通过火花飞溅中的变化来识别。

在本方法的优选实施方式中，探测装置至少在X向上与切割装置同时移动，在此优选规定，在沿X向移动期间感测基于工件支座的支座条的亮度变化并且在分析计算时除去。由此能够在信号突然下降时检验错位解释，检验这是由于支座条的定位引起还是实际存在误切割。支座条的位置已定义并且是已知的，由此能够实现可靠的分析计算。

按照本发明，本发明的目的通过一种尤其用于实施上述方法的装置实现，其中分割装置能够至少在X向上移动并且探测装置相应地能够相对于分割装置移动或激活。该装置允许在工件支座上同时接收大且重的板状材料以及多个板状材料。由此能够在监控加工的同时实现板状材料的经济加工。通过分割装置的可移动的布置和与其适配的分割装置定位或探测装置激活能够在由至少一个板状材料制造工件期间可靠地识别误切割。

附图说明

下面借助于在附图示出的示例详细描述和解释本发明以及有利实施方式和扩展构型。可从说明书和附图中得知的特征按照本发明可以单独地使用或者以多个任意组合使用。附图示出：

图1用于加工板状材料的装置的立体图，

图2图1的替换实施方式的立体图，

图3图1的另一替换实施方式的立体图，

图4探测装置的替换实施方式的示意性放大图。

具体实施方式

图1中示出用于加工板状材料12的装置11的立体图。该装置11包括基架14，该基架接收一工件支座16。工件支座16例如可以由多个并排设置的支座条17构成，它们尤其可更换地设置。在工件支座16上方在基架14上设置有分割装置18，它可以沿着基架14在X向上移动。分割装置18包括直线轴19，该直线轴沿Y向取向并且沿X向可移动地被接收在基架14上。在直线轴19上安置有可沿Y向移动的切割头21。通过该切割头21使切割射束22对准放置在工件支座16上的至少一个板状材料12。通过安置直线轴19和接收切割头21形成所谓悬臂光具。切割头21可以任意地在X和Y向上在工件支座16上方移动。附加地，切割头21还能够可沿z向移动地被接收在直线轴19上。图1中所示的装置11例如涉及激光切割机，尤其是所谓平台加工机，其中使用激光射束来由板状材料12制造工件。

在工件支座16下方设置有射束捕获装置26，它容器状或壳状地构造并且具有开口27，该开口朝向板状材料12的下侧面取向。按照图1中的实施例，射束捕获装置26在尺寸上这样构成：使得能够可靠地捕获在板状材料12下侧面上射出的切割射束22。在此这样设计开口27的尺寸：使得逐渐扩宽的切割射束22在从板状材料12下侧面射出后能够被可靠地捕获。在切割射束22从板状材料12下侧面射出期间产生加工光线。该加工光线被探测装置31感测，该探测装置对准板状材料12下侧面的切割缝隙32并且安置在射束捕获装置26上。尤其是，探测装置31靠近板状材料12下侧面定位在射束捕获装置26上。

探测装置31包括至少一个传感器元件34。在图1中所示实施例中，传感器元件34构造为亮度敏感的电子元件、尤其构造为光电二极管。也可以选择，传感器元件34构造为CCD摄像机或通过其它类型亮度敏感元件构成。下面还要在图4中详细描述传感器元件34的另一替换方案。

在本实施例中设置有第一列传感器元件34，它们设置在第二列传感器元件34对面。两列传感器元件34以这种方式设置在射束捕获装置26上或射束捕获装置26内：使得它们朝向切割缝隙32对准下侧面。优选传感器元件34的列在X向上取向。也可以选择它们在Y向上取向。如果射束捕获装置26要具有圆的开口27，可以使一部分或整个圆形开口壁27被传感器元件34占据。

图1中所示的射束捕获装置26基于其在Y向上的小的延伸尺寸优选构造得可在Y向上移动。如果射束捕获装置26完全在工件支座16的宽度上在Y向上延伸，则可以省去在Y向上的可移动的布置。

在加工板状材料12期间，射束捕获装置26跟随切割头21的位置或者说切割头21和射束捕获装置26被共同控制，以保证射束捕获装置26的开口27总是位于切割头21下方。由此能够使探测装置31相对于切割射束22或相对于从板状材料12下侧面射出的加工光线定位在预定的位置。

传感器元件34各设置在射束捕获装置26的开口27的一个侧棱边上，使得它们共同地、只绕X轴旋转地在一个角位置中倾斜，该角位置与切割射束22交叉。也可以选择，所有传感器元件对准切割射束22从板状材料12下侧面射出的射出点。在此优选规定，一列传感器元件34相对于对置的一列传感器元件34错开两个传感器元件之间的一半距离。

图2中示出对于图1的替换实施方式。该实施方式与图1的实施方式有以下不同：代替射束捕获装置26，设置了至少一个支架36，在该实施例中优选设置有两个布置于工件支座16之外的支架36。这些支架36优选直接与直线轴19耦合。也可以选择，支架36具有独立的驱动装置，但该驱动装置与分割装置18或直线轴19同步地在X向上移动。支架36包括用于接收多个成列设置的传感器元件34的横梁37，这些传感器元件也对准板状材料12下侧面。对于两列相互对置的传感器元件34，规定，传感器元件34的取向或角位置这样设置：使得每个传感器元件34的感测锥覆盖直接对应的工件支座外边缘区域以及至少略微越过工件支座16的中轴线。由此可以使工件支座16的每一半宽度各被一列传感器元件覆盖。附加地可以规定，横梁37以可在Y向上驶出的方式设置在支架36上。

图3中示出图1装置的另一替换实施方式。在该实施方式中与按照图1和2的两个实施方式不同，没有设置一起移动的或可移动的探测装置31，而是设置静止的探测装置31。静止的探测装置31由两列相互对置的传感器元件34构成，它们在X向上沿着工件支座16延伸并且在工件支座16下方与工件支座邻接地或者在基架外部设置在基架14上。这些传感器元件34也与图1的探测装置31的传感器元件34的布置类似地对准板状材料12的下侧面。

一个未详细示出的装置实施方式规定，代替工件支座16，设置至少一个固定装置，它作用于板状材料的上侧面并且通过板状材料下侧面悬臂式地接收板状材料。该固定装置包括至少两个固定元件，通过它们，板状材料可在X向上移动。在这两个固定元件之间设置一间距，可沿Y向移动的切割头21可以伸入该间距中。由至少两个固定元件组成的该固定装置优选通过产生负压来接收板状材料。由此可以实现所谓仰式布置，因此可以完全自由地触及到板状材料12下侧面。在该实施例中不仅可以在切割头21下方与图1类似地设置射束捕获装置26，它也优选接收设置在其上的探测装置31。替换地，也可以在固定装置之外沿侧棱边各设置一个支架36，该支架接收数个传感器元件34，它们最好相互成列设置。此外可以与图3类似地设置静止布置的探测装置31，其中与图3不同只需少量传感器元件34，具体说与图1和2类似，因为切割头21优选只能在Y向上移动而不能在X向上移动。替换地可以是，在这种仰式布置上切割头也在X向上并且必要时在Y向上移动。

在图4中简示出探测装置31的替换实施方式在极简化示出的装置11或激光加工设备上的布置。在激光发生器41中产生激光射束或切割射束22，它通过输出耦合光具42从激光发生器41输出。通过在图1至3中也用虚线示出的、示意性描述的射束导引装置43，切割射束22例如经射束偏转装置44输送给聚焦元件45，切割射束22通过聚焦元件导引到板状材料12中的加工位置。在板状材料12下方设置有探测装置31的传感器元件34，在该实施例中传感器元件34包括至少一个光导元件，该光导元件设置在板状材料12下方并且将感测到的加工光线传送给光电二极管和/或CCD摄像机。光电二极管和/或CCD摄像机的位置可以优选远离光学的光导元件并且例如设置在分析计算单元46中。在简单实施方式中光导元件可以构造为反射镜。此外作为光导元件可以设置凹面镜或聚光透镜或其它光学元件，它们能够感测并传送在板状材料12下方射出的加工光线。

在上面实施例中以光电二极管为例描述的传感器元件34的布置同样也适用于按照图4的替换实施例，其中代替光电二极管，设置一列与光电二极管类似的光导元件。此外可以规定，使用上述类型传感器元件的混合。例如可以与光导元件相邻地定位光电二极管，其中光导元件将所感测的加工光线传送给远距离设置并与光导元件连接的光电二极管或CCD摄像机或类似装置。

分析计算装置46优选形成探测装置31的部件，该分析计算装置46感测加工光线或由其形成的信号。这些信号由分析计算装置进行分析计算并传送给加工机或装置11的控制装置47。控制装置47又与激光发生器41以及与装置的其它控制部件连接。

按照本发明的用于在板状材料分割过程期间探测加工光线的方法可以如下进行，这适用于前述所有实施方式。

在新放入装置11中的板状材料12的或者板状材料12的尚未加工的区域的加工过程的第一步骤中，选择加工步骤“刺入”。与该加工步骤同时地或者在该加工步骤期间可以激活其它加工步骤“误切割识别”。该激活意味着，一旦探测到从板状材料12下侧面射出的加工光线，探测装置31的至少一个传感器元件34将一个信号传送给分析计算装置46。与该时刻同时地结束刺入加工步骤。在刺入后，用切割射束22加工板状材料12。误切割识别激活并感测，加工光线是否从下侧面射出。在本方法的最简单实施例中，通过分析计算装置46仅感测，在下侧面上是否射出加工光线。如果没有加工光线射出，则由分析计算装置46发出故障信号，由此控制装置47中断加工过程。按照本方法的另一实施例可以规定，通过分析计算装置46感测并分析计算加工光线的亮度变化、强度以及其它参数并且将由此感测到的数据传送给控制装置47，使得通过控制装置47能够在加工板状材料12期间进行过程调节。因此可以最佳地调节加工参数。通过直接感测加工时刻存在的、可由在加工位置上射出的加工光线推导出来的过程参数，实现了最佳的过程监控。

在探测装置31在工件支座16下方可移动的实施例中，还通过分析计算装置46考虑，在移动期间由于支座条17而发生遮蔽。如果遮蔽从两侧同时发生并且被传感器元件34感测到，则它们被配属给加工光线。如果不能实现这种配属，则这种波动可能由于工件倾翻或者类似情况并且允许质量结论。

对于图3中的探测装置31优选规定，是只激活微少量的、相互成列设置的传感器元件34，具有说相互并列的、位于切割头21下方并紧邻切割头的那些传感器元件34，由此尽管传感器元件34静止设置也犹如构成一种一起移动的探测装置31。该控制可以通过分析计算装置46实现，它激活和/或询问相应数量的传感器元件34。

附加地规定，借助在接通附加光源情况下求得δ值，按照时间间隔进行探测装置31的由于脏污所需的再校准。

此外可以规定，传感器元件34具有防脏污保护。这例如可以通过透视管实现。

Claims (12)

1.一种用于在板状材料（12）分割过程期间探测加工光线的方法，该加工光线借助分割装置（18）的切割射束（22）产生，

在该方法中，分割装置（18）的切割射束（22）对准板状材料（12）的上侧面，该切割射束在产生切割缝隙（32）后从板状材料的下侧面射出，

在该方法中，在切割过程期间从板状材料（12）下侧面射出的加工光线被设置在板状材料（12）下方的探测装置（31）感测，其特征在于，

所述分割装置（18）在分割过程期间至少在X向或Y向上移动，

在板状材料（12）下方为分割装置（18）对应配置一射束捕获装置（26），该射束捕获装置接收探测装置（31），

该射束捕获装置（26）至少在X向上与分割装置（18）共同地移动，并且

通过激活探测装置（31）来感测从下侧面射出的加工光线。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述射束捕获装置（26）只部分地在Y向上延伸，它与分割装置（18）共同地在Y向上移动。

3.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述探测装置（31）包括至少一个传感器元件（34），所述传感器元件为了感测加工光线而在指向板状材料（12）下侧面的位置中取向。

4.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过至少两个相互对置的传感器元件（34）感测板状材料（12）的下侧面，所述传感器元件最好这样相互对准：使得传感器元件（34）各自的感测锥相互邻接或者使得沿着工件支座（16）的纵向中轴线形成搭接区域。

5.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过多个成列布置并相互对准的传感器元件（34）构成探测区，通过每列传感器元件（34）由这些传感器元件（34）的感测锥覆盖至少一半下侧面。

6.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，一列传感器元件（34）相对于对置的一列传感器元件（34）错开两个传感器元件（34）之间的一半距离设置。

7.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，随着切割射束（22）刺入板状材料（12）中的加工步骤开始或在该加工步骤期间，激活探测装置（31）的至少一个传感器元件（34），在首次在板状材料（12）下侧面上感测到加工光线时，分析计算装置（46）求得“刺入”加工步骤结束。

8.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在用于由板状材料（12）制造工件的切割过程期间探测在板状材料（12）下侧面上射出的加工光线，通过分析计算装置（46）进行分析计算并且在加工光线亮度低于阈值时发出故障通知。

9.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在用于由板状材料（12）制造工件的切割过程期间探测在板状材料（12）下侧面上射出的加工光线，通过分析计算装置（46）求出射出的加工光线的强度和/或时间变化。

10.如上述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，在用于由板状材料（12）制造工件的切割过程期间探测在板状材料（12）下侧面上射出的加工光线以及通过分析计算装置（46）进行分析计算，将通过分析计算装置（46）求出的信号传送给装置（11）的用于调节加工过程的控制装置（47）。

11.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，通过可移动地设置的探测装置（31）在沿X向移动期间感测基于工件支座（16）的支座条（17）生成的亮度变化并且在分析计算时除去。

12.一种用于在板状材料（12）的至少一个分割过程中接收板状材料（12）的装置，用于实施如权利要求1至11中任一项所述的方法，该装置具有分割装置（18）并具有探测装置（31），通过该分割装置，切割射束（22）对准板状材料（12）的上侧面，该切割射束在产生切割缝隙（32）后从板状材料（12）的下侧面射出，该探测装置（31）对准板状材料下侧面用于感测从下侧面射出的加工光线，其特征在于，所述分割装置（1）至少在X向上可移动，通过由射束捕获装置（26）接收的激活探测装置（31）能够感测相对于板状材料（12）位置变化的、向下射出的加工光线。

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