CN102905841B - 激光切割头以及用于借助于激光切割头切割工件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于借助于工作激光束（14）切割工件（12）的装置（10、52、56），包括：一个壳体（16），所述工作激光束（14）的光束路径被引导穿过该壳体，且该壳体具有一个聚焦光学器件（18），用于将所述工作激光束（14）聚焦在所述待被切割的工件（12）上的一工作区域（48）内；一个带有光源（46）的照射装置（44），用于所述待被切割的工件（12）的工作区域（48）的非相干照射；一个摄像机（32），同轴耦合进所述工作激光束路径，用于观察所述待被切割的工件（12）的工作区域（48）；其中一个对于所述工作激光束（14）基本不可穿透的光学滤波器被布置在观察光束路径（22）中，位于所述摄像机（32）前面，且所述装置（10、52、56）包括一个处理单元（56），被设计为处理来自所述摄像机（32）的图像数据，以确定由所述工作激光束（14）在所述工件（12）中产生的切割缝（50）的几何形状和质量，其中所述光学滤波器是光学带通滤波器（36），所述照射装置（44）的光源（46）使得其在所述带通滤波器（36）的波长通带内具有一个至少局部发射最大值，以使得所述摄像机（32）能够记录所述工作区域（48）的灰度图像，其中所述工作激光束（14）的反射和所述工件（12）的材料蒸气的放射被最小化。

Description

激光切割头以及用于借助于激光切割头切割工件的方法

本发明涉及一种用于借助于工作激光束切割工件的装置或激光切割头，本发明还涉及一种用于借助于激光切割头切割工件的方法。

近些年，激光束切割已经发展成制造工业中的一种标准方法。在激光束切割加工中，在聚焦的激光束击中工件的位置处，工件的材料（一般来说是金属）被剧烈加热使得材料熔化或汽化（schmilztoderverdampft）。在激光束完全穿透工件后，切割加工就可开始。激光束沿着部件轮廓移动，并持续熔化材料。大部分熔化物被气流从切口向下吹。结果是在次格和剩余格（Teil-undRestgitter）之间形成窄的切割缝。该切割缝几乎不会比聚焦的激光束本身更宽。在激光升华切割的情形中，输入的激光功率大到材料完全汽化，因此不再需要将材料从切割缝处吹走。

两种标准的激光束切割方法——气割（Brennschneiden）和熔化切割——之间形成区别。气割主要用于切割结构钢，氧气在这里被用作切割气体。氧气与加热的金属反应，于是加热的金属经历燃烧和氧化。在这种情况下，化学反应释放的能量是激光能量的五倍，并支持激光束。因此，该方法可被用于切割厚度达到30mm以上的结构钢。然而，由于燃烧过程会产生切割边缘，所述切割边缘一方面会被氧化，另一方面可能具有粗糙表面。

通过对比，在第二标准方法——熔化切割——中，氮气或氩气被用作切割气体。在该方法中，切割气体以通常2到20巴（bar）的压强被驱动穿过切口。氩气是惰性气体。也就是说，氩气不会与切割缝中熔化的金属反应，而是仅被向下吹走。同时，氩气保护切割边缘免受空气影响。对于几乎所有金属，氮气也可被用作切割气体。唯一的例外是钛，钛与氧气和氮气都剧烈反应，因此使用氩气切割钛。熔化切割具有的显著优势在于边缘保持不被氧化，且不再需要被重新加工。然而，仅激光束的能量用于切割，因此仅在切割薄的板时熔化切割的切割速度与气割的切割速度一样高。

在激光束切割过程中通常使用的是CO₂激光器、二极管激光器、Nd:YAG激光器、固态激光器或纤维激光器。纤维激光器是一种特殊形式的固态激光器，玻璃纤维的掺杂芯构成活性介质（aktiveMedium）。纤维激光器在其端面上具有镜，该镜构成一个谐振器并因此能够控制激光器运行。这些镜表面包括借助UV光刻在玻璃纤维中的折射率变化，所谓的纤维布拉格光栅（Faser-Bragg-Gittern）。后果是在这些光栅处不产生额外的耦合损耗，且这些光栅选择性地仅反射预期波长。对于激光活性纤维芯，铒是最常用的掺杂元素，接下来是镱和钕。激光的波长彼此几乎没有差别，在1.06μm（钕）处和1.03μm（镱）处。这些纤维激光器的一个显著优势在于发出的光波长仅非常少地被玻璃吸收，因此发出的激光可以借助于玻璃纤维从激光装置中引导至连接的激光切割头。

在已知的激光束切割加工中，当工作激光束击中工件时产生的材料蒸气或等离子体的光学发射被检测，以监控切割过程的质量。因此，例如，发射谱的变化或者等离子体照射的强度是好的或差的激光切割过程的指示。此外，在切割加工期间产生的、待被切割的工件的材料等离子体也可电容性地通过通常与切割喷嘴集成的距离传感器被获取和评估。光电二极管被用在激光切割过程的光学评估中，所述光电二极管在没有空间分辨率的情况下捕获加工照射（Prozessleuchten）并评估该加工照射。

DE19852302A1描述了一种用于使用高能量辐射来加工工件的方法和装置。在该情形中，工件中形成的焊缝是采用投射在工件上的光线监控的，不同的焊缝的几何形状——例如凹口、焊缝斜坡、焊缝凸出或焊缝孔——形成不同的光外形在这种情况下，该光切割装置将形状为侧向圆锥曲面的光芒投射在工件上，圆形光线被布置为围绕加工束。传输速率从内向外上升的专用滤波器可被用于测量光线。因此，仅少量的光在半径的中点附近穿透，也就是说，来自加工区域的明亮的光辐射被屏蔽，而在大的半径时，存在较高的传输速率，使得相对暗的测量光也可被检测到。此外，可使用滤色器，根据半径，对于不同的光波长，该滤色器的传输速率的大小不同。

DE102004041935A1描述了一种用于观察激光加工工艺的装置，以及用于调节该激光加工工艺的装置。在激光加工期间，借助于一个交互区中的聚焦镜，工作激光束聚焦在工件上。为了使得工件的表面在交互区的区域中以同轴方式穿过光束路径以好的质量成像，所述装置包括一个辐射灵敏接收器装备和一个观察镜，该观察镜将来自交互区的区域、与工作光束路径退耦的辐射引导至该接收器装备上，所述观察镜基本具有与聚焦镜相同的成像属性。

DE102005024085A1描述了一种用于监控激光加工过程和激光加工头的装置。为了独立于过程记录加工过程的质量，监控装置包括一个辐射灵敏接收器装备，该辐射灵敏接收器装备具有一个辐射灵敏接收器和一个摄像机，用于从激光束和工件之间的交互区的区域中获取辐射。所述装置还包括一个成像装置和一个评估电路，该成像装置将待被观察的区域从交互区的区域成像至所述接收器装备，所述辐射灵敏接收器和所述摄像机的输出信号同时供应至所述评估电路，且所述评估电路处理所接收的接收器装备的输出信号，从而就其本身而言，供应表征激光加工过程的进程的输出信号。

DE10120251A1描述了一种用于监控待在工件上执行的激光加工过程的方法和传感器装置，以及一种具有这种传感器装置的激光加工头。在用于监控待在工件上执行的激光加工过程的方法中，为了确保质量，借助空间解像接收器设备选择在激光束和工件之间的交互区的区域中的一个特定观察区。借助于辐射灵敏接收器，获取到来自所选择的观察区的辐射，所述辐射灵敏接收器供应对应于所获取的辐射的电信号，且所述电信号在信号处理电路中被滤波，以检测获取的辐射的强度中的快速和/或慢速的干涉引起的变化，这样的结果是能够检测到激光加工过程中的干扰。

DE3926859A1描述了一种用于借助于激光辐射来加工工件的方法和装置。为了以简单方式实现受控方法而不会超过临界温度（例如工件材料的汽化温度），使用一个辐射检测器测量由加工点释放的热辐射，并借助所述热辐射监控一个上限温度作为预定温度范围的上限值以及一个下限温度作为所述温度范围的下限值。此外，当达到上限值时，激光辐射被关闭，且当达到下限值时，激光辐射被再次开启。

WO2009/047350A1描述了一种用于监控激光钻孔方法的系统和方法。该系统包括一个照射源和一个处理单元。该照射源照射待借助于激光钻孔装置而被加工的工件的钻孔区域，并收集来自照射源的、在钻孔过程中被钻孔区域反射的光。通过收集反射光，处理单元可确定钻孔操作终止的时刻。CCD或CMOS摄像机被用于收集工件所反射的光。所述照射装置被横向布置在激光钻孔头的旁边，以照射钻孔。

DE102005010381A1描述了一种用于在借助于加工束（尤其是借助于激光束）加工工件期间测量材料的相界面的方法，以及一种被设计执行所述方法的装置。在该方法中，在加工期间，一个包括加工束击中在工件上的加工区以与加工束至少近似同轴的方式被光辐射额外地照射。加工区反射的辐射借助光学检测器以平行于光学辐射的入射方向的方式、或者以与光学辐射的入射方向成一小角度的方式带有空间分辨率地获取，以获得加工区的光学反射样式（Reflexionsmuster）。加工区中的一个或多个相界面的轮廓随之由光学反射样式确定。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于借助于工作激光束切割工件的装置或激光切割头，以及一种用于借助于装置或激光切割头来切割工件的方法，通过所述装置或激光切割头，激光切割加工的切割质量可提高。

该目的是由如权利要求1所要求的装置，以及由如权利要求15所要求的方法实现的。本发明的有利实施方案和改进方案在从属权利要求中陈述。

根据本发明，提供一种用于借助于工作激光束切割工件的装置或激光切割头，包括：一个壳体，所述工作激光束的光束路径被引导穿过该壳体，且该壳体具有一个聚焦光学器件，该聚焦光学器件用于将所述工作激光束聚焦在所述待被切割的工件上的一工作区域内；一个带有光源的照射装置，用于所述待被切割的工件的工作区域的非相干照射；一个摄像机，同轴耦合进工作激光束路径，用于观察所述待被切割的工件的工作区域；一个对于所述工作激光束基本不可穿透的光学滤波器被布置在观察光束路径中，位于所述摄像机前面；以及一个处理单元，被设计为处理来自所述摄像机的图像数据，以确定由所述工作激光束在所述工件中产生的切割缝的几何形状和质量，所述光学滤波器是光学带通滤波器，所述照射装置的光源使得其在所述带通滤波器的波长通带内具有一个至少局部发射最大值，以使得所述摄像机记录所述工作区域的灰度图像，其中所述工作激光束的反射和所述工件的材料蒸气的放射被最小化。

有利的是，所述处理单元被设计为处理来自所述摄像机的图像数据，以确定所述切割缝的当前宽度。

根据本发明，还提供一种用于借助于工作激光束切割工件的装置或激光切割头，所述装置或激光切割头包括：一个壳体，所述工作激光束的光束路径被引导穿过该壳体，且该壳体具有一个聚焦光学器件，该聚焦光学器件用于将所述工作激光束聚焦在所述待被切割的工件上的一工作区域内；一个带有光源的照射装置，用于所述待被切割的工件的工作区域的照射，尤其是均匀照射；一个摄像机，同轴耦合进工作激光束路径，用于观察所述待被切割的工件的工作区域，一个对于所述工作激光束基本不可穿透的光学滤波器被布置在观察光束路径中，位于所述摄像机前面；以及一个处理单元，被设计为处理来自所述摄像机的图像数据，以确定由所述工作激光束在所述工件中产生的切割缝的宽度。

因此，提供一种用于借助于工作激光束切割工件的装置或激光切割头，所述装置或激光切割头借助于照射装置均匀照射所述工件的工作区域，也就是交互区中的工作激光束进入工件并穿透工件以产生切割缝的区域。同轴耦合进工作激光束路径的摄像机收集由所述照射装置产生并击中所述工件的光。记录的图像被处理单元所评估，产生的切割缝的宽度被确定。切割缝宽度的确定优选地直接在产生切割缝之后进行，也就是说，在工作激光束的击中点或穿透点后方近似10mm的区域处进行。

有关切割缝的质量的直接结论可以通过空间解像摄像机光学确定切割缝宽度来得出。此外，通过预定最佳切割缝宽度值，激光切割过程可被调节至该预定的切割缝宽度，由此确保最佳的激光切割过程。馈送速率、切割气压、焦点位置和激光束功率可作为针对此目的的调节参数。

在将摄像机同轴耦合进激光束路径的基础上，观察激光切割过程直接从上方到切割缝来进行，也就是垂直于工件表面并平行于工作激光束。由于熔化的材料平行于工作激光束基本被向下吹走，因此来自熔化材料或材料蒸气所产生的干扰光放射在与工作激光束同轴的方向上最少，工作激光束与穿过切割喷嘴的吹走方向基本一致。这就是说，由于摄像机的同轴布置，结合工作激光束的波长被光学滤波器的光学减弱（Ausblenden），因此可使得工作激光束导致的干扰反射以及材料蒸气的干涉放射最小化，使得根据本发明，缝宽度通过摄像机基于照射装置的外部照射而确定，并可被用于激光切割加工的调节过程。

为了能够借助于切割气体将工作激光束所熔化的工件的材料向下从切割缝吹走，有利地是，所述装置或激光切割头具有切割喷嘴，工作激光束和摄像机的观察光束路径行进经过该切割喷嘴，且切割气体被带动经过该切割喷嘴。

为了相对于待被切割的工件的工作区域简单地修正（Nachführen）摄像机的观察光束路径，有利地是，所述装置或激光切割头具有第一光束分离器，通过该第一光束分离器，所述摄像机的观察光束路径可同轴耦合进所述激光束路径。

为了将所述照射装置紧凑布置在所述装置或激光切割头中，有利地是，所述装置或激光切割头具有第二光束分离器，该第二光束分离器被布置在所述观察光束路径中，位于所述第一光束分离器和所述摄像机之间，通过该第二光束分离器，所述照射装置的照射可同轴耦合进所述激光束路径。

然而，还可设想将照射装置紧固在所述壳体的外侧，以均匀照射所述工件的工作区域。

根据本发明的一个尤其有利的实施方案，所述照射装置的光源被配置为使得其发射的光辐射位于一个非常窄的波长范围中，以使得在观察摄像机的前面使用光学带通的情况下，所述光源可被所述观察摄像机观察到，并因此在激光切割头的运行中干扰辐射几乎被消除。

对于光学带通滤波器的实际实现，所述光学带通滤波器有利地是干涉滤波器，尤其是法布里珀罗滤波器，其波长通带的半值宽度小于50um，尤其小于20um。

对于工件的照射的一个简单实现，有利地是，所述照射装置的光源是氙闪光灯或汞蒸气灯。

由于发射波长的简单适配的可能性，有利地是，所述照射装置的光源是至少一个LED，尤其是RCLED，或者是至少一个激光器。

然而，还可设想所述照射装置的光源具有至少一个激光器，以及在其光束出口侧具有一个时间变化漫射器，所述激光器产生的激光行进通过该时间变化漫射器，以消除激光的相干性。

此外，所述照射装置的光源可具有多个激光器，这些激光器的激光被叠加，使得所述照射装置产生的照射形成非相干光。

有利地，使用的摄像机包括一个图像记录装置，该图像记录装置被设计为借助于HDR方法处理图像数据。

在所述装置或激光切割头的根据本发明的实施方案中，所述装置或激光切割头还具有一个控制单元，该控制单元被设计为设置在激光切割加工期间的加工参数，例如所述激光切割头的切割气压或馈送速率，使得所述切割缝的宽度被调节至一个预定值。

根据本发明，还提供一种用于使用根据本发明的装置或激光切割头来激光束切割工件的方法。在该方法中，所述待被切割的工件的工作区域的灰度图像被摄像机记录，以及在距离工作激光束和工件之间的交互区一预定距离处通过处理单元确定切割缝的当前宽度。

在使用调节加工的情况下，控制单元获取加工参数，例如所述装置或激光切割头的切割气压、馈送速率、焦点位置和激光束功率，并设置所述加工参数，以将所述切割缝的当前宽度控制或调节至一个预定值。

借助附图，下文中更详细地描述本发明，在附图中：

图1示出了根据本发明第一示例性实施方案的激光切割头的极大简化的示意图，

图2示出了在激光切割加工期间工件的极大简化的局部立体图，

图3示出了根据本发明第二示例性实施方案的激光切割头的极大简化的示意图。

在不同的附图中，相互对应的部件带有相同的参考标记。

图1示出了以激光加工机器或系统的方式使用的根据本发明第一示例性实施方案的激光切割头10的极大简化的示意图。

为了切割工件12，来自激光加工机器的工作激光束14被引导穿过激光切割头10的壳体16至工件12上，如光学轴线L所指示的，借助于聚焦光学器件18经过切割喷嘴20聚焦在工件12上。工作激光束14的激光（聚焦在工件12的区域中）熔化工件12中交互区21中的材料，该材料被加工气流向下吹并离开工件12，所述加工气流沿工件12的方向被引导穿过切割喷嘴20。喷嘴20的尺寸被夸大示出：在实际的实施方式中，切割喷嘴20的开口22大体靠近工件12的表面，以例如执行电容性的距离调节，此外能够在工件12上施加合适的切割气体压力。然而，还可设想在升华切割加工中不使用任何切割喷嘴，在升华切割加工中材料完全汽化。

工作激光束14穿过光导纤维24供给至激光切割头10，光导纤维24的纤维端部被夹持在纤维夹持器26中。出现在光导纤维24的纤维端部处的激光束14借助于准直光学器件28被校准，并被引导至第一光束分离器30，第一光束分离器30在聚焦光学器件18的方向上偏转激光束14。

然而，准直光学器件28和光导纤维24相对于聚焦光学器件18的布置并不被限制为图1中示出的实施例；激光束14也可被准直光学器件28加宽，以沿着光学轴线L径直行进至聚焦光学器件18。在该情形中，光束分离器30被设计为使得击中其的大部分的激光辐射穿过（在该情形中，用于照射和观察工件12的部件被布置在准直光学器件28在图1中安装的位置），而在描述的第一种情形中，光束分离器30使得击中其的大部分的辐射反射。第一光束分离器30还可以是双色镜，该双色镜调谐工作激光束14的波长以使得其基本完全反射工作激光束14，并对于剩余波长区域基本可穿透。因此第一光束分离器30可作为光学滤波器工作，该光学滤波器不会使工作激光束14穿过进入观察光束路径12。

第一光束分离器30被布置在激光切割头10的壳体内，位于在工作激光束14的通道区域中，使得摄像机32的观察光束路径22（由其光学轴线指示）同轴耦合进工作激光束14的光束路径。成像光学器件34和光学带通滤波器36被布置在观察光束路径22中，位于摄像机32的前面，其将在下文更精准地描述。

在观察光束路径22中，还有一个第二光束分离器38被布置在第一光束分离器30和光学带通滤波器36之间，穿过该第二光束分离器38，一个照射光束路径40（由其光学轴线指示）借助于光学器件42从照射装置44同轴耦合进观察光束路径22，并因此耦合进入工作激光束14的光束路径中。

照射装置44具有光源46，用于产生照射光。设置照射装置44的光源46的目的是照射工件12上的工作区域48，工作激光束14在工作区域48中击中工件12，并在交互区21穿透工件12，以在工件12中产生切割缝50，如图2中示出的。此处，照射优选地均匀地进行，但对于本发明先决条件仅在于能够足够地获得切割缝的几何形状。

通过实施例，适合用作光源46的光源是半导体发光二极管或LED，其设置有光学谐振器，结果是光学谐振器放大了发光二极管的自发发射。不同于普通的半导体发光二极管，这些所谓的RCLED（共振腔发光二极管）具有非常窄的发射谱，具有近似5到10μm的半值宽度或FWHM（最大值半处的全宽度）。然而，通过实施例，可设想使用具有高发射强度的氙闪光灯或汞蒸气灯，波长区域由滤波器适当地限制。

可作为照射装置44的光源46使用的又一可行光源是激光光源。激光光源是激光器，其光束被放大使得激光照射工作区域48以及切割缝50。结果，在照射工件12的表面后，通常产生所谓的斑纹图案或粒点，在所述工件12的大体光学粗糙的表面的相干照射（激光波长的量值的阶次不均衡）的情况下，当所述工件在摄像机上成像时，所述斑纹图案或粒点在反射光的远场中是可见的。然而，可使用相干光，只要切割缝50的线路（Verlauf）或其宽度被充分地检测。

然而，如果斑纹图案导致干涉太强，则为了使得该效应最小化，可以通过斑纹干涉在眼睛或摄像机32的整合时间内的一个足够快的时间变化来消除激光的相干性或降低斑纹对比度。此处，例如，光源46的激光可被引导穿过一个转动漫射器（未示出）。通过实施例，一个带有粗糙表面的玻璃板合适作为漫射器。如果漫射器位于光源46的激光束的焦点处，则统计学的相位变化被引入光束，而空间相干性被保持。如果未聚焦的光束被引导穿过漫射器，则空间相干性和时间相干性都会被消除。

消除光源46的激光的相干性的另一可能性在于来自多个不同激光器的激光的叠加，照射装置44产生的照射不再具有相干效应，且避免了工件12表面上的斑纹图案。

照射装置44的光源46的优选发射波长位于630nm和670nm之间的波长范围，光源46的最大强度例如有利地在640nm处。

布置在摄像机32前面的光学带通滤波器36的波长通带优选地适配于照射装置44的光源46的一个至少局部的发射最大值。此处，滤波器36的波长通带的半值宽度或FWHM（最大值半处的全宽度）被选择为使得光源46的最大发射值精确地位于光学带通滤波器36的通带内。半值宽度优选地小于100nm，更优选地小于50nm，尤其是小于20nm。光学带通滤波器36优选地是法布里珀罗滤波器（Fabry-Perot-Filter）或法布里珀罗标准量具（Fabry-Perot-Etalon），特定频率范围的电磁波通过该类型的滤波器，并通过干涉消除其余的频率分量。对于光学带通滤波器36的半值宽度，有利地是当该范围尽可能地窄时，当操作激光切割头10时，基于工作激光束14的反射或基于切割蒸气焊炬（Schneiddampffackel）的热辐射（这起因于借助于工作激光束14通过工件材料的汽化而对工件12的切割过程），在摄像机图像中产生尽可能少的干扰。然而，也可设想提供一种对于工作激光束基本不可透的光学滤波器来替代光学带通滤波器36。

因此，通过将照射装置44的光源46调谐至光学带通滤波器36的通带，可将工件12均匀照射，由于窄的观察波长范围，即使在工作激光束14开启的情形中，摄像机32的图像也不被干扰。此外，根据本发明可这样设置，通过调制光源46的强度和在摄像机32检测情况下的后续关联，也就是说，通过使用锁定方法（Lock-in-Verfahrens），消除摄像机32中对光源46照射的工件表面12的记录中的其他干扰。

摄像机32可被设计成CMOS摄像机或CCD摄像机，根据本发明，摄像机优选地包括一个图像记录装置，该图像记录装置被设计为借助于HDR方法处理图像数据。在该方法中，不同的图像由一个图像传感器的多次扫描来产生，或者通过利用多个摄像机的同时图像记录来产生，或者通过利用一个摄像机的顺序图像记录但具有不同的曝光时间（这被称为多重曝光技术）来产生。单独被记录的图像的修正可包括不同类型的方法。在最简单的情形中，这些方法包括对来自至少两个被记录图像的一图像序列的多个图像中的单独图像值的求和和判定。出于更好地恢复图像的目的，可以由一个图像序列确定图像值或像素，所述图像序列由以加权方式记录的至少两个图像组成。作为加权方法，其可以使用通过信息内容加权的熵方法，或者其可以通过考虑摄像机响应函数做出加权判定。该过程使得能够记录图像和图像序列，或者带有极高动态范围的视频，且工件的亮区域和暗区域可以被同时消除。结果，这意味着工件表面的反射区域和不光滑区域被同时记录。

图3示出了根据本发明的第二示例性实施方案的激光切割头52。第二示例性实施方案的激光切割头52基本对应于图1中示出的激光加工头10，虽然仅摄像机32、成像光学器件34和光学带通滤波器36被设置为与第一光束分离器30直接对置，但这样的结果是观察光束路径22直接耦合进工作激光束14的光束路径中。在这种情况下，照射装置44通过夹持器54装配在壳体16上，这样的结果是工件12的工作区域的照射不与工作激光束14同轴进行，而是通过光锥55侧向击中工作区域。由于在激光切割过程中喷嘴20通常非常接近地沿着工件12被引导，然而，根据图1的实施方案是优选的，因为在图2示出的布置中对于光源46产生的光是能够被切割喷嘴20所遮蔽的。然而，照射装置44的布置不限于图1和图2中示出的实施方案。因此，例如，可通过一个没有连接至激光切割头10或52的照射装置完成照射。因此，通过实施例，可设想照射工件12与激光切割头52相对的侧面。在该情形中，工作激光束14产生的缝50表现为明亮的，这是由于从下方照进工件12的光穿透切割缝50。

下文的目的是描述图1的激光加工头10和图2的激光切割加工头52的功能。如图1和2中示出的，摄像机32连接至加工单元56，加工单元56转而通过数据线连接至控制单元58。

在根据本发明的激光切割过程中，摄像机32所记录的带有产生的切割缝50的工作区域48的图像数据可被用于调节激光切割过程，使得切割缝50的当前宽度d’被调节至预定的值d（图2）。然而，根据本发明还可设想仅监控切割缝50的当前宽度d’，以检测激光切割过程中的故障。最后，宽度d’的值可被传递至一个复杂的控制装置，该控制装置使用多种参数以调节、监控或控制激光切割过程。

为了执行调节或监控过程，处理单元56使用数字图像处理来评价摄像机32记录的灰度图像，以确定切割缝50的当前宽度d’。切割缝50的宽度d’的确定优选地在产生切割缝之后立即进行，也就是说，在交互区21后方小于50mm的距离a处，优选地小于30mm，尤其是小于10mm，也就是说，激光束14穿过工件12的穿透点的后方。因此，切割缝50的宽度是在距离交互区21一预定距离a处穿过表现为暗黑的缝50的垂线长度。切割缝50的宽度值可指定为摄像机传感器的像素或者以mm标定。然而，即使不是优选地，还可直接在交互区21测量当前宽度d’（在该情况中a=0）。通过使用致动器，切割缝50的宽度的当前值d’被调节至一预定值d。通过实施例，用于设置均匀切割缝宽度d的调节参数可以是在工件12的方向上流经喷嘴20的切割气体的切割气压，或者是激光切割头10或52的馈送速率v。其他的加工参数例如是激光切割头10或52距离工件表面的距离，也就是说，工件12内部激光束14的焦点位置，或者参数是激光束功率。还可在激光切割过程期间通过神经网络使用一训练过程，多个加工参数被控制单元58记录，执行被相应训练的致动器过程以将切割缝宽度保持在最佳值d，或者通常执行优化的激光切割过程。

因此，根据本发明的用于借助于根据本发明的激光切割头切割工件的方法包括下列步骤：摄像机32记录工作区域48的灰度图像；在工件12和工作激光束14之间在距交互区21一预定距离a处，基于摄像机32记录的工作区域48的灰度图像确定切割缝50的当前宽度d’，或者直接在交互区21本身中确定当前宽度d’。基于该方法的调节过程包括获得当前加工参数，例如激光切割头10、52的切割气压、馈送速率、焦点位置或激光功率，以及由控制单元58设置加工参数，以控制尤其是将切割缝50的当前宽度d’调节至一规定值d。

本发明提供了一种装置或激光切割头，以及一种用于借助于一装置或激光切割头切割工件的方法，在该装置或激光切割头中没有使用工作激光束的过程照射或反射，以判定激光加工过程的质量，而是在该装置或激光切割头中，工件表面被外部光照射，并被摄像机记录以从记录的图像数据中确定缝的几何形状，尤其是缝宽度。确定的缝宽度可随之被调节至一预定值，以能够实现一个改进的激光切割过程。然而，还可使用确定的缝宽度作为控制值，用于监控激光切割过程，或者将该确定的缝宽度至输入进一个控制过程中。

Claims (20)

1.一种用于借助于工作激光束(14)切割工件(12)的装置(10、52)，包括：

-一个壳体(16)，所述工作激光束(14)的光束路径被引导穿过该壳体，且该壳体具有一个聚焦光学器件(18)，该聚焦光学器件(18)用于将所述工作激光束(14)聚焦在待被切割的所述工件(12)上的一工作区域(48)内，

-一个带有光源(46)的照射装置(44)，用于待被切割的所述工件(12)的工作区域(48)的非相干照射，

-一个摄像机(32)，同轴耦合进工作激光束路径，用于观察待被切割的所述工件(12)的工作区域(48)，一个对于所述工作激光束(14)基本不可穿透的光学滤波器被布置在观察光束路径(22)中，位于所述摄像机(32)前面，

-一个处理单元(56)，被设计为处理来自所述摄像机(32)的图像数据，以确定由所述工作激光束(14)在所述工件(12)中产生的切割缝(50)的当前宽度(d’)和质量，

-一个控制单元(58)，被设计为设置所述装置(10、52)在切割加工期间的加工参数，使得所述切割缝(50)的当前宽度(d’)被调节至一个预定值(d)；

所述光学滤波器是光学带通滤波器(36)，所述照射装置(44)的光源(46)使得该光源在所述带通滤波器(36)的波长通带内具有一个至少局部发射最大值，以使得所述摄像机(32)记录所述工作区域(48)的灰度图像，其中所述工作激光束(14)的反射和所述工件(12)的材料蒸气的放射被最小化。

2.根据权利要求1所述的装置(10、52)，还包括一个切割喷嘴(20)，所述工作激光束(14)和所述摄像机(32)的观察光束路径(22)通过该喷嘴，且切割气体被引导通过该喷嘴，由此在切割过程期间待被切割的所述工件(12)的被所述工作激光束(14)熔化的材料从所述切割缝(50)被向下吹。

3.根据前述权利要求1或2所述的装置(10、52)，还包括第一光束分离器(30)，通过该第一光束分离器(30)，所述摄像机(32)的观察光束路径(22)可同轴耦合进所述工作激光束路径。

4.根据前述权利要求3所述的装置(10)，还包括第二光束分离器(38)，其被布置在所述观察光束路径(22)中，位于所述第一光束分离器(30)和所述摄像机(32)之间，通过该第二光束分离器(38)，所述照射装置(44)的照射可同轴耦合进所述工作激光束路径。

5.根据权利要求1或权利要求2所述的装置(52)，其特征在于，所述照射装置(44)被紧固至所述壳体(16)的外侧，以均匀照射所述工件(12)的工作区域(48)。

6.根据权利要求1所述的装置(10、52)，其特征在于，所述光学带通滤波器(36)是干涉滤波器。

7.根据权利要求1所述的装置(10、52)，其特征在于，所述光学带通滤波器(36)是法布里珀罗滤波器。

8.根据权利要求1、2、4、6或7任一项所述的装置(10、52)，其特征在于，所述光学带通滤波器(36)的波长通带的半值宽度小于50nm。

9.根据权利要求1、2、4、6或7任一项所述的装置(10、52)，其特征在于，所述照射装置(44)的光源(46)是氙闪光灯或汞蒸气灯。

10.根据权利要求1、2、4、6或7任一项所述的装置(10、52)，其特征在于，所述照射装置(44)的光源(46)是至少一个LED。

11.根据权利要求1、2、4、6或7任一项所述的装置(10、52)，其特征在于，所述照射装置(44)的光源(46)是至少一个RCLED，或者是至少一个激光器。

12.根据权利要求1、2、4、6或7任一项所述的装置(10、52)，其特征在于，所述照射装置(44)的光源(46)具有至少一个激光器，以及在该光源的光束出口侧具有一个转动漫射器，所述激光器产生的激光行进通过该转动漫射器，以消除激光的相干性。

13.根据权利要求1、2、4、6或7任一项所述的装置(10、52)，其特征在于，所述照射装置(44)的光源(46)具有多个激光器，这些激光器的激光被叠加，使得所述照射装置(44)产生的照射形成非相干光。

14.根据权利要求1、2、4、6或7任一项所述的装置(10、52)，其特征在于，所述摄像机(32)包括一个图像记录装置，该图像记录装置被设计为借助于HDR方法处理图像数据。

15.根据权利要求1、2、4、6或7任一项所述的装置(10、52)，还包括一个控制单元(58)，该控制单元(58)被设计为设置在切割加工期间的加工参数，使得所述切割缝(50)的当前宽度(d’)被调节至一个预定值(d)。

16.根据权利要求15所述的置(10、52)，其中所述在切割加工期间的加工参数是所述装置(10、52)的切割气压和馈送速率。

17.根据权利要求1、2、4、6或7任一项所述的装置(10、52)，其特征在于，所述光学带通滤波器(36)的波长通带的半值宽度小于20nm。

18.一种借助于如权利要求1、2、4、6或7任一项所述的装置(10、52)来切割工件的方法，包括下列步骤：

-通过所述摄像机(32)记录所述工作区域(48)的灰度图像，以及

-基于所述摄像机记录的所述工作区域(48)的灰度图像，确定所述切割缝(50)的当前宽度(d’)。

19.根据权利要求18所述的方法，还包括下列步骤：

-获得所述装置(10、52)的当前加工参数，以及

-设置所述加工参数，以将所述切割缝(50)的当前宽度(d’)控制或调节至一个预定值(d)。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述装置(10、52)的当前加工参数是所述装置(10、52)的切割气压、馈送速率、焦点位置和激光束功率。