CN105531071A - 用于监视、尤其用于调节切割过程的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于监视、尤其调节工件(3)上的切割过程的装置(1)，包括：用于将高能射线(2)、尤其激光射线聚焦到工件(3)上的聚焦元件(4)；用于感测工件(3)上的待监视区域的图像感测机构(9)，待监视区域包括高能射线(2)与工件(3)的相互作用区域(18)；以及分析机构(19)，用于根据所感测的相互作用区域(18)获知切割过程的、尤其在切割过程中形成的切缝(16)的至少一个标志性特征参量(α)。图像感测机构(9)用于形成观察射线(7a)以从相对于高能射线(2)的射线轴线(13)成角度(β)地延伸的观察方向(R1)观察相互作用区域(14)并且可包括成像光具(14)用于从相对于高能射线(2)的射线轴线(13)成所述角度(β)地延伸的观察方向(R1)产生相互作用区域(18)的图像。分析机构(19)还可用于根据所感测的相互作用区域(18)获知切缝(16)的切割前方角度(α)和/或超过和/或低切缝(16)的预给定切割前方角度(α_G)，以作为切割过程的标志性特征参量，并且，所述装置(1)可包括调节机构(20)用于通过影响切割过程的至少一个调节参数(v，P)来将切割前方角度(α)调节到预给定的恒定值(α_G)。本发明还涉及对应的方法。

Description

用于监视、尤其用于调节切割过程的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于监视、尤其用于调节工件上的切割过程的装置，包括：用于将高能射线、尤其激光射线聚焦到工件上的聚焦元件；用于感测工件上的待监视区域的图像感测机构，所述待监视区域包括所述高能射线与所述工件的相互作用区域；以及分析机构，所述分析机构被构造或编程用于根据被感测的相互作用区域获知切割过程的至少一个标志性特征参量，尤其是在切割过程中形成的切缝的至少一个标志性特征参量。本发明也涉及一种用于监视、尤其用于调节工件上的切割过程的方法，包括：将高能射线、尤其激光射线聚焦在工件上，优选借助基本上与所述高能射线的射线轴线同轴线地延伸的观察光路感测所述工件的待监视区域，所述待监视区域包括所述高能射线与所述工件的相互作用区域，以及根据所感测的相互作用区域获知切割过程的、尤其是切割过程中形成的切缝的至少一个标志性特征参量。工件的待监视区域的感测优选借助基本上与所述高能射线的射线轴线同轴线地延伸的观察光路进行。

背景技术

用于监视激光切割过程的装置被申请人的WO2012/107331A1公开，该装置可用来感测激光切割过程的、例如即将到来的切口裂缝的标志性特征参量。在那里，即在切割缝隙低于预给定的缝隙宽度时识别到将发生的切口裂缝。替换地或附加地，将被观察的切割前方的面与参考面比较，该参考面相应于良好切口或者说合格切割时的切割前方的面。如果由参考面发出的辐射强度超过在正常切割时的额定亮度极限值，则可探测到切口裂缝。

在WO2013/053832A1中描述了一种在激光切割过程中测量反向散射光用于检验切割质量的装置。当切口实际上延伸穿过工件时，反向散射光的被测强度较小。为了优化残渣的运走，借助控制机构这样适配在切割过程中使用的气体脉冲的频率或压力，使得反向散射光的被测强度得到最小值。

切口裂缝的通常原因是向工件中的输入能量不足。太小的延伸能量导致切割前方变扁，即导致切割前方角度增大，由此，切割下棱边上的溶化物不再能被完全驱走并且在切缝中凝固。切割下棱边的闭合导致过程不规则性，所述过程不规则性通常持续阻止分离切割。因此，代表切割缝隙标志性特征参量的切割前方角度是即将出现的切口裂缝的指标。

切割前方或者说切割前方角度原则上可通过与高能射线同轴线地垂直观察从相互作用区域发出的温度辐射而能够测量。在工件厚度已知时，可根据切缝中的射出区域长度推断出切割前方角度。在此，问题在于，在工件下方滴出熔化丝导致射出区域的延长，使得通过这种方式不能可靠地进行切割前方角度的测量。

在WO2012/107331A1中建议，探测作为工件材料边界的切割前方上棱边和切割前方下棱边并且由此在考虑工件厚度的情况下求得激光切割过程的切割前方角度。为了这个目的，沿着切割缝隙或者说切缝的缝隙中心典型地在可见波长范围内测量切割前方上棱边和切割前方下棱边之间的间距。如果切割前方角度偏离额定值或额定范围，则这可能意味着切割误差或非最佳工作点，该切割误差或非最佳工作点可通过恰当的措施来修正，例如通过适配切割速度。

在穿过切割喷嘴进行同轴的过程观察时，不论在观察温度辐射、反向散射的高能辐射时还是在观察材料边界时，都存在观察范围受到切割喷嘴的通常呈圆形的内轮廓的限制的问题。尤其是在火焰切割过程时使用小的喷嘴直径，使得切割前方下棱边即使在良好切口时也处于由喷嘴口限界的观察区域之外并且切割前方角度不能被可靠地确定。

在DE102011016519A1中描述了用于控制借助高能加工射线加工工件的方法和装置，在该方法中，加工射线穿过透镜，透镜为了使加工射线到所述工件上的照射位置移动而可垂直于它的光轴运动。在一个实施例中，设置用于产生可电子分析的图像的监视相机，该监视相机的成像光路通过透镜被聚焦到照射位置上。

由WO2012/107331A1也公开了借助相互作用区域的图像推断出切割缝隙上的毛刺形成的存在或误差。例如在熔化切割过程中可借助切割缝隙区域中的热图像强度的反复波动的误差和/或在出现三个从切割前方出发的光带时推测出毛刺形成的存在。在结构钢火焰切割过程中(使用氧气作为切割气体)，在热图像中或在可见波长范围中可在切缝的切割棱边上探测到周期性反复的沟纹或沟道并且可借助沟道的频率推断出即将出现的材料烧毁。

在FrankSchneider，Shaker出版社，2005年的博士论文“在采用激光射线对电工钢片进行高速切割时的监视、调节和自动化”中以采用高达100米/分钟的切割或进给速度进行高速切割为题。在该应用中，可在切割前方后的后面形成溶液阻塞，该溶液阻塞在高速情况下可变得如此大，使得溶液和切割前方之间的毛细管暂时地被溶液流向下封闭。在这种情况下，激光射线从被堵塞的毛细管反射回来并被热探测器或者说热电堆拖带的或者说后续的观察中测量。在拖带的观察时和在高速情况下发生强烈的、短时的反射并从而出现强烈变动的测量信号。因为测量信号的标准偏差典型地随着速度的增大而增加，可以借助该标准偏差来调节高速切割过程。

发明内容

本发明的任务在于，提供用于监视、尤其用于调节切割过程的装置和对应的方法，所述装置和方法使得能够可靠地求得切割过程的标志性特征参量，尤其是在切割过程中形成的切缝的标志性特征参量，和/或使得能够有利地调节切割过程。

本发明的第一方面涉及一种开始所述类型的装置，在该装置中，所述图像感测机构造成用于形成观察射线，所述观察射线用于从相对于所述高能射线的射线轴线成一角度地延伸的观察方向观察所述相互作用区域，并且，所述图像感测机构包括成像光具，所述成像光具用于从相对于所述高能射线的射线轴线以所述角度延伸的所述观察方向产生所述相互作用区域的图像。

被建议用于获知所述至少一个标志性特征参量的测量原则基于从相对于所述高能射线的射线轴线成角度地延伸的(至少)一个视线角度或至少一个观察方向感测相互作用区域的(至少)一个图像，也就是说，观察光路的形成所述观察射线的部分在聚焦元件和工件之间的会聚性光路中相对于聚焦元件的光轴并从而相对于高能射线的射线轴线成角度地延伸。根据这样的观察射线，在恰当分析拍摄的图像的情况下，可以获知切割过程的、尤其是切缝的标志性特征参量，并且，如果需要则可干预切割过程，以进行切割质量方面的优化。

与高能射线的射线轴线同轴线地延伸的观察光路在聚焦元件的入射侧上平行于所述高能射线的射线轴线或与所述高能射线的射线轴线同中心地延伸。为了从同轴线的观察光路产生或选择出非同轴线的观察射线，可例如在观察光路中设置光圈。该成像光具在探测器面上形成至少一个、尤其正好一个偏心地，即不穿过聚焦元件中心轴线地走向并从而在聚焦元件和工件之间的会聚光路中相对于工件或相对于高能射线的射线轴线成角度地，延伸的观察射线。

通过相对于射线轴线成角度的观察，可获知在同轴线地或垂直地观察相互作用区域时不能识别的标志性特征参量，尤其是切缝的特性。对于相对于射线轴线成角度地延伸的观察射线，理解为这样的射束，在该射束的情况下，在聚焦元件和工件之间的会聚光路中观察射线的主射线相对于被用于加工的高能射线的主射线偏差至少约2°。

在一实施方式中，图像感测机构被构造用于改变所述观察射线在垂直于高能射线的射线轴线的平面中的观察方向定向。典型地，该平面平行于通常板形的工件的支承平面或表面延伸。高能射线和工件沿着激光切割过程的瞬时进给方向沿支承平面相互运动，该瞬时进给方向取决于工件上的待切割轮廓。瞬时进给方向、从而切缝延伸方向在切割过程中典型地改变。为了能够在切割过程中持续获知确定标志性特征参量，观察方向应相对于进给方向、即相对于切缝沿其形成的方向的定向尽可能保持恒定。这可通过如下方式实现，即，图像感测机构在切割过程中恰当地改变观察方向。对于改变所述观察方向的定向存在多种可能性。

在一实施方式中，图像感测机构具有光圈，用于改变观察射线的观察方向的定向。在这种情况下，可进行相对于高能射线的射线轴线对称的成像。观察射线穿过光圈孔，光圈孔在这种情况下产生配属于观察方向的观察射线。为了改变观察射线的定向或取向，(机械式)光圈在最简单的情况下可构造为可转动的、具有相对于高能射线的射线轴线偏心布置的光圈孔的(孔)板。这样的孔板能够例如以恒定的角速度转动并通过图像感测机构的同步拍摄时间点调整分别希望观察方向。替换地或附件地，所述(孔)板能够可移动地构造，用于遮暗观察光路的希望区域或用于影响观察射线的定向。

所述光圈也可构造成可切换的光圈，例如以电子开关(例如LCD屏幕或具有可开关的像素的LCOS显示屏，所述像素分别遮暗观察光路的部分区域)或机械开关的形式，所述机械开关具有多个可机械控制的元件，这些元件可借助控制机构在两个切换状态之间转换，用于分别遮盖或打开观察光路的部分区域。当然，为了出于过程观察目的而高分辨率地观察工件的待监视区域，可以打开或关闭观察光路的孔径的其它区域。

在另一实施方式中，成像光具被构造用于从不同定向的观察方向产生相互作用区域的多个图像。在这种情况下，相互作用区域的多个图像可被同时拍摄并成像在一个或多个探测器面上。分析机构在这种情况下可仅分析探测器面的分别相应于一个希望的观察方向的那个或那些区段，使得即使在这种情况下观察方向也可在垂直于射线轴线的平面中被改变，其方式是，可在从不同观察方向拍摄的图像之间转换，以获知切割过程的标志性特征参量。

在必要情况下，成像光具也可被构造用于在相对于高能射线的射线轴线同轴线地延伸的观察方向上拍摄相互作用区域的图像，即平行于高能射线的射线轴线(典型地垂直于工件平面)，例如用于探测工件的材料边界，例如切缝的切割棱边。这样的观察尤其能够以借助高分辨率进行。

在一扩展构造中，成像光具具有多个成像光学元件，用于从不同观察方向产生相互作用区域的多个图像。这些光学成像元件例如可以是球面或非球面的透镜元件。这些透镜元件能够相互隔开间距地布置，该间距大约相应于探测器面上图像之间的间距。在此情况下，每个成像光学元件产生一个自己的成像射线或者说观察射线，用于分别在探测器面的对应区域上产生对应的图像。透镜元件典型地偏心地、即相对于高能射线的光路或其延长线不同轴地布置观察光路中，以使得能够相对于高能射线的射线方向成角度地进行所希望的观察。

在一扩展构造中，成像光学元件布置成透镜阵列或网格组件。透镜元件(“小透镜”或透镜阵列)、例如微透镜的网格组件能够以成行和成列布置的透镜的形式或者也以两个交叉柱形透镜阵列的形式实现。在后一种情况下，成像光具除了沿第一轴线产生曲率或成像作用的第一柱形透镜阵列的柱形透镜外还具有第二柱形透镜阵列，该第二柱形透镜阵列沿着相对于第一轴线垂直的第二轴线产生成像作用。通过交叉的柱形透镜，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横截面。

相对于使用成像光学元件产生一个或多个图像附加地或替换地，成像光具也可以为此目的而具有用于通过影响观察光路的射线方向来形成各观察射线的机构。

该机构例如可构造成具有至少一个配属给观察方向的射线偏转区域的偏转机构。例如，在这种情况下，入射的观察射线可被偏转机构偏转到成像光学元件(例如透镜元件)的一个或多个不同区域上，用于被聚焦在成像光学元件的像平面中的不同的、相互隔开间距的区域上，在这些区域上产生相互作用区域的图像。为了该目的，偏转机构例如可具有至少一个偏转棱镜。替换于使用偏转棱镜，偏转机构也可以反射式地构造并且例如具有多个镜面形式的射线偏转区域，这些射线偏转区域使配属给各观察方向的观察射线向不同方向偏转。

替换地或附加地，成像光具为了产生一个或多个图像也可具有一机构，该机构两次以相反方式影响用于形成观察射线的观察光路的射线方向，使得总体产生射线偏移，即该机构是射线偏移机构。该射线偏移机构尤其可布置在成像光具的聚焦的观察光路中，例如在两个形成射线望远镜的光学元件之间。该射线偏移机构可例如具有一个、两个或更多由对于照明射线而言可投射的材料、例如石英玻璃构成的块，这些块构造成平面平行的块或平板，用于产生照射的观察射线的平行偏移。这些块可相互倾斜地布置，以实现，所述两个或多个观察射线照射到探测器面的不同区域上，以产生两个或更多个横向偏移的图像。

在另一实施方式中，所述装置附加地包括控制机构，所述控制机构构造用于根据切割过程的进给方向改变所述观察方向在垂直于射线轴线的平面中的定向。如上所述，确定的标志性特征参量，例如切割前方斜率，仅可在相对于进给方向的确定观察方向下获知。为了控制观察方向，控制机构可这样控制用于改变观察方向的定向的图像感测机构和/或分析机构，使得后者分析探测器面的恰当的、配属于希望的观察方向的区域。

在一扩展构造中，控制机构构造用于使观察方向相对于切割过程的进给方向的定向保持恒定。通过这种方式，即使在进给方向在切割过程中改变的情况下也能在切割过程中可靠地获知确定的标志性特征参量，例如切割前方角度。

在一实施方式中，观察方向在垂直于高能射线的射线轴线的平面中，更准确地说在垂直于射线轴线的平面中的投影中，逆着切割过程的进给方向延伸。在这种逆着切割过程的切割方向的、也被称为拖带式观察的观察中，在切割前方角度足够小的情况下切割前方被切割前方的上棱边遮盖；切缝显得昏暗。如果切割前方斜率变平缓并且切割前方角度变大，则不再存在完全遮盖；切缝显得明亮或局部明亮。因此，从在拖带式观察时拍摄的图像的或该图像的部分区域的亮度值或测得的整体强度可推断切割前方角度，以作为切割过程的标志性特征参量。在本申请的意义上，对于逆着切割过程的进给方向定向也理解为与逆着进给方向的定向的偏差小于约+/-23°的观察方向，因为在这类角度偏差的情况下也还能够获知切割前方角度。

在一扩展构造中，分析机构构造用于根据所感测的相互作用区域获知切缝的切割前方角度和/或超过和/或低于切缝的预给定切割前方角度，以作为切割过程的标志性特征参量。如上所述，在该观察方向上可看见的切割前方的长度在切割前方变平缓时增加，使得能够根据从拖带式观察时拍摄的图像所确定的强度值来测量或获知切割前方斜率或切割前方角度。所述强度值可以是拍摄的图像的整体强度，但通常情况下为了确定强度值而仅分析拍摄的图像在切割前方区域中的在空间上受限的部分区域，即确定该在空间上受限的部分区域中的整体强度。尤其能够通过比较该强度值与例如相应于拍摄图像的位于切割前方之外的部分区域的整体强度的强度参考值，来感测或探测超过切割前方角度的临界值。替换地或附加地，也可以感测或探测低于切割前方角度的临界值，例如在低于此前所述的强度值之一的情况下。通过这种方式可以例如避免由于带入过多能量而在使用氧气进行激光切割时产生的烧损或者在使用惰性气体如氮气进行激光融化切割时产生的不准确轮廓。通过本发明提高了切割机的生产能力，其方式是相应提高了进给速度。

在一另外的扩展构造中，观察方向相对于高能射束的射束轴线的延伸角度与预给定切割前方角度偏差小于5°，优选小于2°。被证实有益的是，观察角度尽可能接近这样的切割前方角度：在超过该切割前方角度时不再存在良好切口，因为在这种情况下拍摄的图像的或该图像在切割前方区域中的部分区域的整体强度波动特别强或者可以观察到拍摄图像的闪烁。这样的闪烁原因在于切割前方角度围绕观察角度的小变化，因为在临稍微更陡的切割前方角度的情况下过程照明被工件上侧面遮盖，但在切割前方角度较平缓的情况下过程照明能被探测器感测。如果几乎不存在例如由于高激光功率和低进给速度导致的切口裂缝危险，则可替换地这样选择观察角度，使得探测器可通过所述闪烁感测到低于切割前方角度。

在另一实施方式中，观察射线相对于高能射线的射线轴线的角度处于约5°和15°之间，优选处于约5°和10°之间。如上所述，进行观察的角度应基本上与希望的或预给定的切割前方角度(在该切割前方角度还存在良好切口)一致。进行良好切口的切割前方角度可位于上面给出的区间之内。根据过程或过程参数，例如根据进给速度以及所使用的工件材料，以及根据高能射线的射线几何特征，良好切口的最大可能切割前方角度在必要情况下也可位于该数值范围以外。

以观察射线相对于高能射线的射线轴线的希望(观察)角度进行观察可穿过聚焦元件进行，只要所需要的数字孔径(NA)是给定的。所述数字孔径NA直接从希望的观察角度以NA＝nxsin(β)计算得出，其中，n:＝周围介质的折射率(通常为空气，n＝1)；β:＝希望的(最大)观察角度。图像感测机构的或成像光具的数字孔径这样选择，使得该数字孔径允许相对于射线轴线以希望的角度或在希望的角度范围内进行观察。

在另一实施方式中，图像感测机构构造用于形成另一观察射线用于从另一观察方向观察相互作用区域并且成像光具构造用于从给另一观察方向产生相互作用区域的另一图像。从两个或多个观察方向产生所述相互作用区域的两个或多个图像可以对于求得不同的标志性特征参量具有意义，所述不同的标志性特征参量仅分别从不同的观察方向才能被根本地或良好地感测。同样可进行两个或多个从不同观察方向拍摄的图像之间的比较，从而能够以更高角度确定同一个标志性特征参量或者能够通过关联或计算图像数据来提取附加信息。

在另一实施方式中，分析机构构造用于将从相互作用区域的所述另一图像确定的强度值和从在垂直于高能射束的射束轴线的平面中逆着进给方向拍摄的相互作用区域的图像确定的强度值进行比较。在这种情况下，将拖带式的、即逆着进给方向拍摄的图像的或该图像的尤其包含切割前方的图像的部分区域的整体强度与另一图像或该图像的部分区域的整体强度比较以获知切割前方斜率或切割前方角度，该另一图像同时从另一观察方向拍摄。

从所述另一图像确定的强度值用作参考值，并且能够例如与从逆着切割方向或进给方向拍摄的图像确定的强度值比较，其中，或者将各图像的整体强度或者将在各图像中被定位在同一位置的部分区域的整体强度用于该比较。该比较可通过不同方式进行，例如通过将两个强度值相减。所得到的差可与整体强度的阈值进行比较，从而求得切割前方角度是否超过或低于预给定值。取代差，也可将与两个强度值相关的其它参量例如商与阈值进行比较，以获知切割前方角度或者超过或低于预给定切割前方角度。

拍摄所述另一图像的观察方向能够例如在进给方向上定向，即将切割前方的拖带式拍摄的图像与刺穿式拍摄的图像进行比较，其中，观察方向在工件平面中相互围成180°的角度。但是，沿高能射线的射线轴线延伸的同轴线观察方向或者在必要情况下其它观察方向也可用作用于确定切割前方角度的基准。此外，沿着高能射线的射线轴线进行的同轴线观察还可被用于，使得能够实现待监视区域的更高分辨率的过程观察。

在另一实施方式中，观察方向在垂直于高能射线的射线轴线的平面中不沿着或逆着切割过程的(瞬时)进给方向定向并且分析机构构造用于根据拍摄的图像获知毛刺形成、粗糙度和/或沟道形成，以作为标志性特征参量。在这种情况下，替换于或附加于获知切割前方斜率，确定切缝的其它标志性特征参量，例如在切割方向或进给方向上的沟道形成或沟道间距以及在切缝的侧棱边上的沟道深度、工件下侧面上的毛刺形成和/或切缝的切割缝隙侧面上的粗糙度。切割前方斜率，更准确地说超过预给定切割前方角度，也可形成切口裂缝或者飞边或沟道形成(作为切口裂缝的前级)的指标。

为了这个目的，可尤其是选择一个观察方向或者可选择两个相互成约180°角度定向的观察方向，所述观察方向在工件平面上的投影中相对于进给方向以约+/-90°(典型地在约+/-70°和+/-110°之间)角度延伸，因为从这样的观察方向可分别特别好地看到切缝的两个侧面切割棱边之一对相互作用区域的影响，这使获知上述标志性特征参量变得容易。

在另一实施方式中，所述装置附加地包括用于在待监视区域中照明工件的照明源。所述照明可尤其与高能射线的射线轴线同轴线地进行，以使工件的或切缝的上棱边可见并且通过这种方式使切缝的位置和方向确定变得容易。所述照明源例如可产生波长在360nm和800nm(VIS)或约800nm和约1000nm(NIR)之间的照明。所述照明可与高能射线同轴线地进行，即以直射光照明的形式。在这种情况下，照明射线可例如几何地耦合到不被用来观察的角度区域中，例如以安装在准直光路中的镜子或孔镜的形式，所述镜子或孔镜将照明和观察的光路在地点上汇聚。替换地，照明射线可通过射线分配器耦入，所述射线分配器例如反射50％照明射线并传输50％观察射线。所述射线分配器也可被设计为极化射线分配器，使得仅其极化在反射时在工件上转动的射线进入观察光路中。但也可将照明源相对于高能射线的射线轴线不同轴线地定向。

照明源例如可被设计为二极管激光器、照明二极管(LED)或闪光灯，其中，在窄频谱区域中具有大的功率密度对于照明是有利的。为了保证均匀的照明，例如通过玻璃棒或玻璃纤维使射线均匀化是有利的。

在另一实施方式中，图像感测机构构造用于通过用于将所述激光射线穿透在所述工件上的激光切割喷嘴的喷嘴开口拍摄图像。在这种情况下，所述激光切割喷嘴的所述喷嘴开口的环形内边缘限制所述观察区域或可借助所述图像感测机构感测的所述待监视区域。穿过所述激光切割喷嘴在必要情况下也可进行所述待监视区域的同轴线观察，用于实现更高分辨率的过程监视。

在另一实施方式中，图像感测机构具有探测器，尤其是相机，探测器具有探测器面，在探测器面上产生图像。该探测器通常是地点分辨的探测器，例如CCD传感器或CMOS传感器，该CMOS传感器也可实施为HDR(高动态范围)传感器。相机的同一个探测器面可用于感测多个图像，但也可设置多个探测器或探测器面用于感测图像。由相互作用区域发射的被用于观察的辐射是在与工件材料相关的波长范围中的热辐射。在含铁工件的情况下，典型地有益的是在约800nm到1100nm或1400nm(NIR区域)之间的波长范围中观察。在第一种情况下可例如使用基于硅的相机，在第二种情况下可使用基于InGaAs的相机。在非铁金属的情况下，熔化温度较低，因而，在必要情况下能够对观察有必要或有益的是对于例如在1.4μm到3.0μm(InGaAs)之间的短波红外区域(SWIR)或必要时在约15μm到1mm之间的远红外区域(FIR)的较长波长敏感的相机。原则上，在约15nm或更小的波长范围中的窄带观察是有利的，以避免彩色像差。为了产生这样的窄带观察，可在图像感测机构中设置窄带的波长选择性滤波器。

在另一实施方式中，所述装置附加地包括控制和/或调节机构，用于根据获知的至少一个标志性特征参量控制和/或调节切割过程的参数。该控制和/或调节机构典型地用于控制或调节整个切割过程，即切割过程所需的高能射线相对于工件的运动以及切割参数例如进给速度或切割速度、过程气体压力、激光功率等。

这些和其它参数可根据获知的标志性参数来控制或调节。例如可根据获知的切割前方角度来受控地或受调节地减小进给速度，以避免切口裂缝。当预给定切割前方角度(在该切割前方角度时还进行良好切口)被超过时，可例如减小进给速度。

本发明的另一方面涉及一种开头提到类型的装置，所述装置可以尤其如上所述地构造，在该装置中，分析机构构造用于借助所感测的相互作用区域获知切缝的切割前方角度和/或超过切缝的预给定切割前方角度和/或低于预给定切割前方角度，以作为切割过程的标志性参数。所述装置附加地包括调节机构，所述调节机构构造或编程用于通过影响切割过程的至少一个调节参数将切割前方角度调节到预给定的恒定值。切割前方角度的述预给定的恒定值典型地与预给定切割前方角度一致，只要获知所述超过或低于所述预给定切割前方角度。

发明人认识到，为了借助高能射线、尤其借助激光射线调节切割过程，有益的是，使用切缝的三维形式、尤其是切割前方角度作为调节参量，即，将切割前方斜率或切割前方角度调节到预给定的恒定额定值。为了这个目的，获知切割前方角度的实际值和/或获知超过和/或低于所述预给定切割前方角度，这可通过上述方式进行。切割前方的瞬时形式或者说瞬时切割前方角度因此被用作用于调节的实际值。典型地这样影响被带入到工件中的伸展能量以作为调节参量：使得对于工件的当前材料类型和材料厚度出现恒定的额定几何形状或恒定的切割前方斜率。

已经表明，切割前方斜率或切割前方角度直接与切口裂缝边界相关并且在切割前方斜率适配于高能射线的对应射线焦散面的情况下出现最佳加工点，该最佳加工点可短暂地保持在切口裂缝边界以下。同种材料的不同批次由于生产原因而具有不同的切割倾向和切口裂缝界限，这些不同批次分别短时地在各个切口裂缝边界之下具有相同的切割前方斜率或者说相同的切割前方形状。

为了调节切割前方角度而可被影响的切割过程调节参数典型地可以是影响被带入到工件中的伸展能量的调节参数。伸展能量相应于由高能射线供给的、沿切缝的每单位长度(例如cm)的能量。所述调节参数还可以是高能射线和工件之间的进给速度、高能射线的功率、高能射线的射线焦散面或焦点位置以及在切割过程中所使用的切割气体的气体混合和气体供给(即例如体积流量)。

在一实施方式中，调节机构构造用于根据待切割轮廓、尤其根据待切割轮廓的曲率半径来选择用于调节切割前方角度的调节参数。已经表明，用于将所述切割前方角度调节到恒定额定值的调节参数的选择与待切割轮廓的几何形状、尤其其曲率半径相关，因为在曲率半径相应小或在切割相对较小轮廓的情况下，进给速度受到参与运动的轴的动态性能的限制。在这种情况下有利的是，为了调节切割过程，不使用进给速度而是使用其它调节参数，例如高能射线的功率。但当高能射线的功率达到其最大值时(典型地在切割较长的直线轮廓(具有无限大曲率半径)时是这种情况)，可使用进给速度作为调节参量。

在一实施方式中，调节机构构造用于，当进给速度由于工件的材料和厚度而不是由于在工件上待切割的轮廓的几何形状而被限制在最大值时，影响高能射线和工件之间的进给速度，以作为用于调节切割前方角度的调节参数。该最大进给速度典型地在切割(长的)直线轮廓时被达到，即在切缝沿直线延伸的情况下达到。最大进给速度在这种情况下不是由参与运动的轴的动态性能限制，而是由被切割的工件材料的类型和厚度限制，因为在超过该最大进给速度时或早或晚会出现切口裂缝。通过使用进给速度作为调节参量，可以这样适配进给速度：使得达到所希望的恒定切割前方角度并且阻止切口裂缝。

在一扩展构造中，调节机构构造用于在影响进给速度期间使高能射线的功率保持在恒定的、尤其最大的值。如果在切割这样的轮廓时：在该轮廓情况下参与运动的轴的动态性能不限制进给速度的上限，高能射线、例如激光射线的功率保持在恒定值，则可提高切割过程的生产能力。该恒定值尤其是对于对应装置(例如激光切割机)以及对于对应的工件材料的类型和厚度而言的最大值，该最大值对于多种材料而言与产生所述高能射线的射线源、例如激光源的最大可能功率一致。通过这种方式可使被带入工件中的延伸能量最大化。

在另一实施方式中，调节机构构造用于，当高能射线和工件之间的进给速度由于工件上的待切割轮廓的几何形状而被限制在最大值时，影响高能射线的功率，以作为用于调节切割前方角度的调节参数。与上面描述的实施方式不同，在这种情况下，最大进给速度受到参与高能射线和工件之间的运动的轴的动态性能的限制，这些轴必须能够以希望的精度跟随待切割的轮廓。在这种情况下有益的是，不使用进给速度而是使用高能射线的功率作为用于调节切割前方角度的调节参量，因为通过这种方式可提高切割过程的过程能力。

调节机构优选构造用于在影响高能射线功率期间使进给速度保持在用于切割所述轮廓的最大可能值，以便以该最大可能速度实施切割过程。进给速度的最大可能值可沿着待切割的轮廓变化。

在一扩展构造中，调节机构构造用于调制高能射线的功率并且影响对高能射线的功率的所述调制，以作为用于调节切割前方角度的调节参数。高能射线典型地在所谓“连续波”或连续振荡运行中使用，在所述“连续波”或连续振荡运行中持续地产生功率并且所述功率的振幅被减小或增大。尤其在切割很小的轮廓(具有很小的曲率半径)时，可通过调制所述功率，即高能射线不是持续地接通，来优化切割质量和过程能力。例如在这种情况下可以脉冲地产生所述功率并且所述功率调制可被用作用于调节切割前方角度的调节参量。

在另一实施方式中，分析机构构造用于获知超过切缝的所述预给定切割前方角度并且调节机构具有不连续调节器，尤其是两点调节器或三点调节器，用于调节切割前方角度。如上面所述，分析机构可构造用于不是绝对测量切割前方角度的量，而是仅探测超过或者必要时低于所述预给定切割前方角度。

在这种情况下对于调节有利的是例如呈两点调节器或三点调节器形式的不连续调节器。在两点测量或者说在两点调节器的情况下，所述调节尤其也可通过切割前方围绕切割前方角度额定值摆动的方式来实现。因为切割过程动态地进行，因而切割前方角度从来不绝对恒定。但围绕预给定的恒定切割前方角度的摆动却可通过上面所述方式测量。在必要情况下在调节切割前方角度时也可考虑摆动频率。其存在对于良好调整的延伸能量或良好切口而言可形成判据的“波”也经过切割前方。

在另一实施方式中，分析机构构造用于获知切缝的切割前方角度，并且调节机构具有连续的(例如线性的)调节器，尤其是PID调节器，用于调节切割前方角度。如上所述，也可获知切割前方角度的绝对值。在这种情况下有利的是，使用连续调节器、例如PID调节器来调节。采用更复杂的调节方案也是可能的。

本发明的另一方面还涉及一种开头所提到的用于监视、尤其用于调节工件上的切割过程的方法。该方法的特征在于，形成用于观察射线从相对于高能射线的射线轴线成角度地延伸的观察方向观察所述相互作用区域，以及从相对于高能射线的射线轴线以所述角度延伸的观察方向产生所述相互作用区域的图像。该方法使得能够实现上面与装置相关地描述的优点。当然，上面与装置相关地描述的实施方式也可作为方法的相应变型来实现。

本发明的另一方面涉及一种开头提到类型的方法，该方法尤其可具有上面描述的方法步骤。该方法的特征在于：获知切缝的切割前方角度和/或超过和/或低于切缝的预给定切割前方角度，以作为切割过程的标志性特征参量，以及通过影响切割过程的至少一个调节参数将所述切割前方角度调节到预给定的恒定值。

在一变型中，根据在工件上待切割的轮廓、尤其根据在工件上待切割的轮廓的曲率半径来选择用于调节切割前方角度的调节参数。如上所述，为了优化过程能力或生产能力，有利的是，根据待切割轮廓来选择恰当的调节参数。

在一变型中，当进给速度由于工件的材料和厚度而被限制在最大值时，影响高能射线和工件之间的进给速度，以作为用于调节切割前方角度的调节参数。在这种情况下有益的是，在影响进给速度期间，高能射线的功率保持在恒定的、尤其最大的值，该最大值尤其是可与产生所述高能射线的射线源的最大可产生的功率一致。

在另一变型中，当高能射线和工件之间的进给速度由于在工件上待切割的轮廓的几何特征而被限制在最大值时，影响高能射线的功率，以作为用于调节切割前方角度的调节参数。在这种情况下有益的是，在影响高能射线的功率期间所述进给速度被保持在恒定值。

在一扩展构造中，尤其在切割具有极小曲率半径的轮廓时，调制高能射线的功率并且影响对高能射线的功率的所述调制，以作为用于调节切割前方角度的调节参数。

在另一变型中，切割前方角度被调节达到的所述预给定恒定值处于2°导6°之间，优选处于3°到5°之间。这些用于切割前方角度额定值的值在大多数待切割材料情况下被证实是有益的，其中，使用处于约3mm到约25mm之间的材料厚度。在此说明的用于调节切割过程的方法既可用于火焰切割过程，也可用于熔化切割过程。

本发明还涉及一种计算机程序产品，所述计算机程序产品被构造用于当所述计算机程序在数据处理设备上运行时执行上述方法的所有步骤。所述数据处理设备例如可以是安装在如上所述装置中的控制和调节机构和/或分析机构，但也可以是外设机构，所述外设机构典型地是加工机的一部分。

本发明的其它优点从说明书和附图中获知。前面提到的和还要进一步列举的特征也可以各自单独地或多个以任意组合地被应用。所示出和所说明的实施方式不应理解为穷举，而是具有用于描述本发明的示例性特性。

附图说明

附图示出：

图1a用于监视和调节工件上的激光切割过程的装置的实施例的示意图；

图1b用于在这样的装置中形成观察射线的光圈沿图1a的剖切线B-B的视图；

图2a-d激光射线和工件之间的相互作用区域的来自四个不同的、相互垂直的观察方向的热图像的四个视图；

图3类似于图1a的视图，具有用于产生来自不同观察方向相互作用区域图像的网格组件；

图3a在工件上切割的圆形轮廓的视图；

图4a-c图3的网格组件的细节视图；

图5a，b用于图1a的装置的具有用于从不同观察方向产生所述相互作用区域的图像的偏转棱镜的成像光具的视图；

图6a-d不同进给速度时在激光切割过程中形成的切缝的切割前方角度的视图，和

图7在使用两点调节情况下将切割前方角度调节到恒定的额定值的视图。

具体实施方式

图1a示出用于借助激光射线2监视和调节工件3上的激光切割过程的装置1的范例性构造，该装置构造成激光加工头的形式，该激光加工头是未详细示出的激光加工机的部件。激光射线2在所示实施例中由二氧化碳激光器产生。替换地，激光射线2可以例如由固体激光器产生。为了在工件3上进行切割加工，激光射线2借助呈聚焦透镜4形式的聚焦元件聚焦到工件3上。聚焦透镜4在所示实施例中是由硒化锌制成的透镜，该透镜将激光射线2穿过激光加工喷嘴5、更准确地说穿过其喷嘴开口5a聚焦到工件3上，确切地说在所示实施例中聚焦到工件3的上侧面上的焦点位置F上。激光射线2在那里形成与工件3的相互作用区域18，在该相互作用区域的后面逆着激光切割过程的进给方向v或者说切割方向产生切缝16。在激光射线2由固态激光器产生的情况下，可使用例如由石英玻璃制成的聚焦透镜。

图1a中也可看到被构造得部分透射的偏转镜6，该偏转镜将入射的激光射线2(例如具有约10.6μm的波长)反射并将与过程监视相关的观察射线传输给另一部分透射的偏转镜8。偏转镜6被构造为对于呈波长为约800nm至1100nm、必要时高于1100nm的热辐射形式的观察射线而言可部分透射。另一部分透射的偏转镜8将观察射线反射给图像感测机构9。照明源10用于以照明射线11同轴线地照明工件3。照明射线11被所述另一部分传输的偏转镜8以及由偏转镜6传输并穿过激光加工喷嘴5的喷嘴开口5a转向到工件3上。

替换部分透射的偏转镜6，8，也可使用仅从边缘区域反射入射射线的刮板镜或孔镜，用于将观察射线7导送给图像感测机构9或者用于将照明射线11导送给工件3。也可以使用至少一个在侧面装入到激光射线2的光路中的镜子，用于能够实现观察。

可以设置二极管激光或LED或闪光灯作为照明源10，它们如图1a所示可以与激光射线轴线13同轴线地布置，但也可以不同轴地布置。照明源10例如也可布置在装置1之外(尤其旁边)并且对准工件3；替换地，照明源10可布置在装置1之内，但不与激光射线2同轴线地指向工件3。必要时装置1也可无照明源10地运行。

在观察光路7中布置在所述另一部分透射的偏转镜8后面的高几何分辨率相机12是图像感测机构9的部件。相机12可以是高速相机，该高速相机与激光射线轴线13或者与激光射线轴线13的延长线同轴线地和从而与方向无关地布置。在所示实施例中，通过相机12在NIR/IR波长范围内以垂直光照射法拍摄图像，用于拍摄过程自有照明或拍摄切割过程的热图像。在图1a所实施例中可在相机12前布置滤镜，如果要排除其他射线或波长分量被相机12感测到。滤镜可例如构造为具有例如约15nm半值宽度的窄带带通滤波器。

为了在相机12的探测器面12a上产生工件3的在图2a-d中所示的、包括相互作用区域18的待监视区域15的图像B1至B4，图像感测机构9具有成像光具14。在所示实施例中，成像光具14具有光圈25，光圈25围绕中心转动轴线D可转动地被支承，从而，在转动时，偏心布置的光圈孔25a的位置在一个围绕转动轴线D的圆弧上运动。

通过使光圈25布置在成像光具14的借助透镜17聚焦的光路中，观察光路7的仅穿过聚焦透镜4的边缘区域并在聚焦透镜4后面的会聚光路中相对于激光射线2的射线轴线13成一个角度β地定向的部分穿过相对于激光射线2的射线轴线13的延长线偏心地布置的光圈孔25a，并且形成观察射线7a，该观察射线被成像在探测器面12a上。在图1a所示实施例中，观察射线7a的观察方向R1在至XY平面或者说工件平面中的投影中逆着进给方向v延伸以形成希望的切割轮廓，激光射线2和工件3在XY平面中沿着进给方向v相对运动。

当然，也可以取代可机械调节的光圈25而使用可电子调节的光圈，例如呈LCD阵列形式，其中，各个像素或像素组可电子式接通或关断，用于产生光圈作用。机械式光圈25也可与图1a，b中所示不同地横向于观察光路7，例如在YZ平面中，运动或移动，用于将观察光路7的不同部分遮暗或者为了观察而打开。光圈25也能够以一个或多个可张开和合拢的机械元件的形式实现。

如在图2a-d中可看出，工件3的待监视区域15的分别由成像光具14拍摄的图像被激光切割喷嘴5的圆形内轮廓5b限界。受激光切割喷嘴5的内轮廓5b限界的待监视区域15包含相互作用区域18的图像B1至B4，该图像在图2a-d所示出的视图中从不同取向的观察方向R1至R4拍摄。

图2a示出相互作用区域18的图像B1，该图像从图1a中所示的观察方向R1拍摄。观察方向R1在XY平面中的投影在图2a中用箭头示出。如上面已经说明过的，观察方向R1在图1a所示实施例中逆着进给方向v延伸，即在负的X方向上延伸，这被称为关于工件3上的切割前方16a而言的拖带式观察，在切割前方16a之后形成切缝16。切割前方16a的切割前方角度α被定义为切割前方16a在工件3上侧面上的上棱边与切割前方16a在工件3下侧面上的下棱边之间的连接线与激光射线2的射线轴线13或者说与板形工件3的厚度方向所围成的角度。

在拖带式观察时存在切割前方角度α，当低于该切割前方角度α时切割前方16a并且从而从切割前方16a出发的热辐射被切割前方16a在工件3上侧面上的棱边完全遮盖，使得切缝16或配属于相互作用区域18的图像B1显得昏暗。如果切割前方16a变得更平缓并且切割前方角度α变得更大，则切割前方16a不再被其上棱边完全遮盖，使得在拖带式观察中可见的切割前方16a的长度变大并且切缝部分局部显得明亮或整体显得明亮。

从由相互作用区域18的在拖带式观察情况下拍摄的图像B1确定的亮度值或强度值I1可推断出作为切割过程的标志性特征参量的切割前角α。图像B1的被测量的整体强度可用作强度值I1，但强度值I1却也可根据图像B1的在空间上被限界的、例如包含切割前方16a的区域来确定。在后一种情况中也通过求得在空间上被限界的区域中或图像区段中的整体强度来确定强度值I1。

如果根据所拍摄的图像B1确定的强度值I1增加，则切割前方角度α典型地也增加。根据强度值I1的测量值与例如在之前进行的测试测量中求得的切割前方角度α的对应，可借助分析机构19从在拖带式观察情况下确定的强度值I1来确定切割前方角度α。为了提高精度可能有利的是，使根据在空间上被限界的部分区域或图像区段确定的强度值I1与另一强度值I2相关联，该另一强度值I2根据拍摄的图像B1的另一在空间上被限界的部分区域或图像区段确定，该部分区域或图像区段不包含切割前方16a。

但是，通常情况下不需要为了切割过程的控制或调节而知道切割前方角度α的精确值。而是通过将强度值I1或由该强度值I1和所述另一强度值_I2求出的量值与一阈值1s(在该阈值时可认为存在良好切口)比较，就足可以推断出超过切割前方角度α_G的临界值，在该临界值不再存在良好切口(参见更下面与图6a-d相关的说明书)。

被验证为对于拖带式观察有利的是，观察方向R1相对于激光射线2的射线轴线1的角度β基本上与预给定的切割前方角度α_G(在该切割前方角度时还存在良好切口)一致。尤其有利的是，偏差小于5°，尤其小于2°。偏差所在的值范围主要取决于进行观察的角度范围(例如偏心光圈孔25a的大小)，使得偏差在必要时也可能更大。

对于8°的预给定切割前方角度α_G，观察方向R1相对于射线轴线13的角度β应对在3°到13°之间，优选在6°到10°之间。观察方向R1相对于激光射线2的射线轴线13的合适角度β典型地在约5°到约15°之间，尤其在5°到10°之间，其中，精确的值与工件3的厚度以及与使用的工件材料相关。观察方向R1相对于激光射线2的射线轴线13的角度β(图像B1以该角度拍摄)通过中心转动轴线D和光圈25的光圈孔25a之间的间距预给定。该间距、从而观察射线R1相对于激光射线2的射线轴线13的角度β必要时可通过光圈25在YZ平面中的移动来调整或改变。为了以例如6°或10°或更大的大角度β观察，在需要情况下可增加聚焦透镜4的直径或者可从聚焦透镜4之外进行观察，即观察光路7不穿过或者仅部分穿过聚焦透镜4延伸。以更小的角度β(通常至少2°)观察也是可能的。

如果将切割前方角度α与相互作用区域18的从另一观察方向R2拍摄的另一图像B2的强度值I2相关联，则可以提高在求得切割前方角度α时的精度。在图2b所示实施例中，该另一观察方向R2在XY平面中相对于(第一)观察方向R1以180°的角度取向，即该另一观察方向R2(在XY平面中的投影中)在进给方向(正X方向)上延伸，这也被称为刺入式观察。为了简化从两个不同观察方向R1，R2拍摄的强度值I1，I2之间的比较，两个观察方向R1，R2相对于射线轴线13所具有的角度β是一样的(对此也参见图3)，但在必要情况下也可为不同的观察方向选择不同的角度。

从图2b的在刺入式观察情况下拍摄的图像B2所确定的强度值I2用作参考值，并且可例如被从在图2a示出的在拖带式观察情况下拍摄的图像B1的强度值I1中减去。这样得出的差或者必要时由强度值I1，I2求得的商I1/I2可在分析机构19中与阈值或参考值I_ref比较，用于确定切割前方角度α是否超过预给定切割前方角度α_R(在该预给定切割前方角度α_R时还存在良好切口)。为了比较，典型地使用相应于两个图像B1，B2的整体强度或两个图像B1，B2的被定位在相同部位上的部分区域的整体强度的强度值I1，I2。

对于在图2a，b中所示的沿着或逆着进给方向v延伸的观察方向R1，R2附加地或替换地，也可以从不处于图1a的图平面(XZ平面)中的观察方向对相互作用区域18进行观察，该图平面沿切缝16的中心平面延伸。(在给定角度β下)从焦点F出发处于一个圆锥面上的所有方向都是可能的观察方向。因为偏心光圈孔25a的定向或取向确定观察方向，因而可以通过转动光圈25来选择合适的观察方向。

在图2c，d中示出相互作用区域18的从与X方向成-90°(即负Y方向)的第三观察方向R3以及从与X方向成+90°(即正Y方向)的第四观察方向R4拍摄的两个图像B3，B4。借助从这两个观察方向R3，R4拍摄的图像B3，B4可更准确地观察切缝16的两个(在图1a中未示出的)侧边缘。

分析机构19可根据所拍摄的在XY平面中在与进给方向v成+/-90°的角度地延伸的图像B3，B4获知毛刺形成、粗糙度和/或沟道形成来作为切缝16的标志性特征参量。例如可根据从第三观察方向R3拍摄的图像B3获知在切割或进给方向v上的沟道形成或沟道间距以及切缝16的在图1a中布置在图平面之前的那个侧棱边上的沟道深度。

相应地，也可根据从第四观察方向R4拍摄的第四图像B4获知沟道形成或沟道间距以及切缝16的位于图1a的图平面之后的那个侧棱边上的沟道深度。沟道可例如以周期性反复的结构的形式(典型地以隆起或凹陷的形式)在相互作用区域18的图像B3，B4的边缘上看出，并且可根据这些结构之间的间距推断出沟道间距以及根据这些结构的幅度推断出沟道深度。

根据第三和第四图像B3，B4，分析机构19也可获知工件3下侧面上的毛刺形成和/或切缝16的两个切割缝隙侧边或者说棱边上的粗糙度。在毛刺形成情况下，切缝16的下棱边不再作为水平线延伸，使得在各图像B3，B4中分别出现可被分析机构19探测到的几何偏差。当然，为了上述目的，第三和第四观察方向R3，R4不必强制性地相对于进给方向v成直角延伸。而是在必要情况下也能够以例如在XY平面中相对于进给方向例如处于约+70°和+110°(或-70°和-110°)之间的角度进行观察。

为了即使在进给方向v在切割过程中沿着弯曲的切割轮廓改变的情况下也能够以希望的观察方向、例如逆着进给方向v的观察方向R1来观察确定的标志性特征参量，例如切割前方角度α，需要根据进给方向v或进给方向v在XY平面中的取向来改变观察方向R1在XY平面中的定向。控制和调节机构20可用于这个目的，该控制和调节机构在进给方向v改变时带动转动光圈25并从而带动光圈孔25a相应地围绕转动轴线D转动，使得观察方向R1始终保持逆着进给方向v定向。通过带动光圈25转动，在图2b-d中示出的每个其他观察方向R2至R4相对于进给方向v的定向可保持恒定。

因为控制和调节机构20控制切割过程，因而该机构具有关于瞬时进给速度v方面的必要信息，并且能够适当地控制图像感测机构9，更准确地说是光圈25。在必要情况下，光圈25也可不具有多个光圈孔25a，使得能够从不同的观察方向R1至R4同时观察相互作用区域18。在这种情况下，成像光具14应这样设计，使得配属于不同观察方向R1至R4的图像B1至B4在探测器面12a的不同部分区域上产生。

下面根据在图3中示出的装置1解释用于同时从不同观察方向R1，R2……产生多个图像的另一种可能性。在图1a中所示装置1中，观察射线7a通过观察光路7中的非中心孔径(光圈孔25a)产生并且观察光路7的成像借助唯一的成像透镜17相对于激光射线2的射线轴线13对中心地进行，与此相反，在图3中所示的装置1具有包括多个呈透镜元件22，23形式的光学元件的成像光具14，这些透镜元件用于在探测器12的探测器面12a上产生多个分别从不同观察方向R1，R2……拍摄的图像。

在图4a-c中示出的成像光具14细节中，该成像光具具有多个呈网格组件24(透镜阵列)布置的六个第一柱形透镜22和六个第二柱形透镜23，用于在探测器面12a上产生数目为6x6＝36个图像。该成像光具14在图3所示实施例中还具有处于望远镜布置中的两个透镜17a，17b，用于使观察光路的射线横截面能够适配于相机12的探测器面12a。替换地，不同观察方向的成像也可以按照全光原理或借助光场相机进行。典型地，平行分析所有36个图像不是有意义的。而是将分析典型局限于特别好地适合于获知确定的标志性特征参量的那些图像。

在这种情况下，控制机构20根据瞬时进给方向v这样控制分析机构19，使得仅对从具有对获知各标志性特征参量有利的定向的观察方向拍摄的那些图像进行分析，如更下面详细说明的那样。如果附加地还要改变观察角度β，则需要恰当地选择或改变由分析机构19分析的图像相对于网格组件24的中心的径向间距。

在图4a-c所示的网格组件24中，可引用例如两个图像B1，B2来获知切割前方角度α，这两个图像配属于两个观察射线7a，7b或两个观察方向R1，R2，这两个方向基本上沿着进给方向v或逆着进给方向v定向，该进给方向相应于负的或正X的方向。如在图4c中可见，由于相机12上的在Y方向上相对于X轴镜像对称地延伸的图像位置的错误，观察方向R1，R2(两个图像B1，B2沿着它们拍摄)与X方向偏差约5°。观察方向R1，R2的这种定向虽然不是理想的，但同样能够实现拖带的或这刺穿的观察，并且因此在通常情况下足够用于以足够精度求得切割前方角度α。

当然，根据希望的分辨率，也可以在网格组件24中设置更多或更少柱形透镜，并且可以取代交叉的柱形透镜22，23而使用球面或必要时非球面透镜用于形成网格组件24。在最简单的情况下，四个成像光学元件可形成网格组件24。当然，一个单独的、相对于激光射线2的射线轴线13的延长线偏心布置的光学元件也足够用于从相对于激光射线2的射线轴线13以角度β延伸的观察方向来拍摄相互作用区域18的图像。在必要情况下，网格组件24可被局限于环形区域，即可放弃网格组件24中心的网格元件，因为这些仅能被利用来产生相对于激光射线2的射线轴线13具有极小角度的图像。在必要情况下，可在网格组件24的中心区域对中地布置相对大的透镜，用于能够以高分辨率同轴地观察相互作用区域18。

在图5a，b中示出成像光具14的替代设计方案，具有成像透镜25和用于影响观察光路7的射线方向的机构，该机构呈构造为偏转棱镜26的射线偏转机构的形式。偏转棱镜26具有四个楔形区段，这些楔形区段具有平的、相对于观察射线或相对于其射线轴线以一个角度布置的面26a-d，这些面围绕中心的平的区域27布置。两个第一面26a，b用作射线偏转区域，用于使入射的观察射线在X方向上偏转，使得入射的观察射线不是垂直于成像透镜25的中心平面照射到成像透镜25上，由此形成第一和第二观察射线7a，7b，用于在探测器面12a上产生沿X轴线相互间隔开的第一和第二图像B1，B2。

第三面26c和第四面26d相应地用作用于在探测器面12a上产生沿Y方向相互间隔开的第三和第四图像B3，B4的射线偏转区域。不使观察射线偏转的中心区域27用于在探测器面12a上产生布置在观察光路7中心的图像B，该图像可被用于过程观察。在图5a，b所示实施例中，总体得到偏转透镜26的近似凸形的几何形状。当然，也可使用具有基本凹形的几何形状的偏转透镜，用于产生多个图像B1至B4……。

图5a，b中示例性示出的偏转组件26使用了四个面26a-c，这些面围绕平的中心区域27布置并且将观察光路7的360°角度范围划分为分别90°的四个扇形段，该偏转组件26典型地太粗略而不能以足够精度求得切割前方角度α，因为通常不满足各个选择出的观察方向或各个选择出的观察射线7a，7b使得能够逆着切割过程的进给方向v观察的条件。通常情况下，为了以足够精度求得切割前方角度α，需要将整个待使用的360°范围区域划分成至少八个或至少十六个弧形角段。

如上面已经说明的那样，控制和调节机构21也可用于根据求得的标志性特征参量的值来干预切割过程并适配或改变确定的切割参数。根据图6a-d，下面详细解释切割前方角度α对切割质量或对切割结果的影响。图6a示出切口或切缝16，在切缝16中，切割前方16a的切割前方角度α为约3°，图6b示出具有约4.9°的切割前方角度α的切割前方16a。两个切割前方角度α小于预给定切割前方角度α_G＝5°，在该预给定切割前方角度α_G＝5°时恰好还存在良好切口。图6c示出具有约10°的切割前方角度α的切割前方16a，即明显超过预给定切割前方角度α_G＝5°，这导致在切缝16上的飞边形成。最后，图6d示出在切口裂缝时存在的切割前方16a，在切口裂缝情况下，工件3的下边缘不再被割断。当然，在图6d所示切口裂缝的情况下，不再能够实现有意义的切割前方角度α确定。

为了避免图6d所示的切口裂缝，控制和调节机构20根据由分析机构19瞬时求得的切割前方角度α将切割过程的进给速度v调整至恰当的值。在此，为预给定切割前方角度α_G配属一个进给速度v，它被-随意地-确定为100％，即它是通常还能实现良好切口的最大进给速度。在图6a-d中示出的进给速度v1至v4相应于该最大进给速度v_MAX的50％(图6a)、约100％(图6b)、110％(图6c)以及120％或更大(图6d)。

最大进给速度v_MAX是配属给确定的加工任务的标准值。根据切割前方角度α可恰当地调整或调节进给速度v，以达到，切割前方角度α保持低于预给定切割前方角度α_G。需要时尤其也可以将进给速度v减小到低于最大进给速度v_MAX的值，以避免超过预给定(最大)切割前方角度α_G。

控制和调节机构20也可用于根据求得的切割前方角度α或根据切割过程的其他特征参量，例如切缝16上的毛刺形成、粗糙度和/或沟道形成，来控制或调节切割过程的其他参数，例如激光功率、气流等。

总之，通过上述方式可求得切割前方角度α和/或切割过程的其他标志性特征参量。尤其在切割前方下棱边处于由激光切割喷嘴5的喷嘴开口5a限界的可见区域15之外的情况下，切割前方角度α也可被求得。此外，切割前方角度的求得能够可靠地在简单图像处理的意义上进行，并且，为求得标志性特征参量所需的构件可被集成到形成所述装置1的加工头中。

借助上面描述的装置1或借助其它合适的、使得能够获知超过和/或低于预给定切割前方角度α_G或直接(绝对)获知切割前方角度α的装置，可将切割前方角度α调节到恒定的额定值α_G，该额定值在此处说明的实施例中与由分析机构19获知被超过和/或低于的那个切割前方角度α_G一致。为了将切割前方角度α调节到额定值α_G，控制机构20影响至少一个调节参数，该调节参数作为用于调节的执行参量，如下面根据图7以在工件3上切割的直线轮廓30为例所解释的那样。

在图7中下方所示的工件3上示出进给速度v的与时间t相关的速度断面图。时间轴的刻度这样选择，使得各个时间点分别与直接在它下方示出的、工件3的沿X轴的地点一致。进给速度v在切割过程开始时很大，即进给速度v明显高于最大进给速度v_MAX约140％，该最大进给速度如上所述是针对确定的加工任务的标准值，确定的加工任务以工件3的厚度D和工件3的材料或材料类型为标志。

由于开始时过大的进给速度v，切割前方16a的斜率S低于额定值S_soll，额定值S_soll在所示实施例中与用于切割前方角度α的额定值α_G一致，该值约为α_G＝4°。用于切割前方角度α的典型额定值α_G在约2°到约6°之间，尤其在约3°到约5°之间。由于超过切割前方角度α的额定值α_G(或低于切割前方斜率S的额定值S_soll)，发生切口裂缝，即工件3不被激光射线2完全切透，如根据图7中所示的工件3的下侧面可很好地看到的那样。

切割前方角度α的额定值α_G的超过由分析机构19通过上述方式识别到。为了将切割前方16a的当前斜率S_Ist保持在额定值S_soll(因而也将切割前方角度α的实际值保持在额定值α_G)，调节机构20具有不连续的调节器，在所示实施例中为两点调节器31(参见图1a和图3)。根据切割前方16a的斜率实际值S_Ist是否高于额定值S_soll或低于额定值S_soll而定，两点调节器31提高或减小进给速度v。相应地，根据切割前方角度α的实际值是否低于或高于额定值α_G，使进给速度v增加或减小。也可取代两点调节器31而将其它不连续调节器，例如三点调节器或诸如此类，集成在调节机构20中，用于将切割前方角度α调节到额定值α_soll。

在与图7相关地说明的进给速度v调节中，激光射线2的功率P保持在恒定的最大值P_MAX(参见图1a)，该恒定的最大值针对当前加工任务，即工件3的材料或工件3的厚度D以及所使用的激光源来描述标准值。对于常见材料，例如钢，通常选择激光源的最大可能功率P_MAX。如果待切割轮廓如图7所示是比较长的直线轮廓30(具有无限大的曲率半径)，则典型地达到最大功率P_MAX。

被证实有益的是，根据工件3上的待切割轮廓对于切割前方角度α的调节使用不同的调节参数。例如，当高能射线的功率达到其最大值P_MAX时可使用进给速度v作为调节参数，典型地在切割较长的直线轮廓(具有无限大的曲率半径)时是这种情况。

如果待切割轮廓是相对小的轮廓34，如在图3a中所示并且具有曲率半径R，该曲率半径这样小，使得最大进给速度v_MAX通过参与激光射线2和工件3之间的运动的、具有其最大轴加速度的运动轴的动态被限制在约1g的数量级内。为了切割小的轮廓34，尤其可使用一个附加轴或者必要时使用多个附加轴，即具有小的运动范围或行驶范围的冗余的、高动态的轴。在图3a所示实施例中，装置1的激光源33的功率P被用作用于调节切割前方角度α的调节参数。在此，该调节可类似于与图7相关地描述的实施例进行。在此，进给速度v典型地保持在最大可能值v_MAX，该最大可能值可根据沿着待切割轮廓34的运动、尤其根据可能不恒定的曲率半径R变化。

在切割很小的轮廓34时，在必要情况下有利的是，取代持续振荡运行，对由激光源33产生的激光射线2的功率P进行调制。在这种情况下，尤其可将激光源33切换至脉冲运行。在这种情况下，可使用激光射线2的调制频率或脉冲频率f_M作为用于调节切割前方角度α的调节参数。替换地或附加地，在必要情况下可使用由激光源33产生的脉冲激光射线2的脉冲的脉冲持续时间作为用于调节切割前方角度α的调节参数。

替代上面与图7相关地描述的获知超过预给定切割前方角度α_G，也可确定切割前方角度α的绝对值。这能够例如以开头引用的WO2012/107331A1中所描述的方式进行，即其方式是，在图3a所示的由圆形内轮廓5b限界的工件3表面图像中，测量切割前方16a的切割前方上棱边和切割前方下棱边之间沿图3a中虚线示出的缝隙中心的间距A。切割前方角度α根据公式α＝artan(A/D)由测得的间距和工件3的厚度D得出。

如果切割前方角度α的绝对值已知，则被证实有益的是，在调节机构20中取代不连续调节器31而使用连续调节器32，例如PID调节器。当然，装置1可构造为既用于获知切割前方角度α的绝对值，也用于获知超过预给定切割前方角度α_G。获知方法或调节方法的选择可例如取决于在切割过程中是否能很好地看到切割前方16a或者切割前方16a可能由于过程自有照明而很难识别，使得不能足够精确地确定距离A。

总之，通过此处描述的将切割前方角度α调节到恒定的额定值α_G可优化切割过程的生产能力和过程能力。尤其能够通过这种方式在必要情况下实现“自给自足”的切割过程，在这样的切割过程中，装置1针对不同的材料或待切割轮廓自己调整最佳工作点。

Claims (39)

1.用于监视、尤其用于调节工件(3)上的切割过程的装置(1)，包括：

用于将高能射线(2)、尤其是激光射线聚焦到所述工件(3)上的聚焦元件(4)，

用于感测所述工件(3)上的待监视区域(15)的图像感测机构(9)，所述待监视区域(15)包括所述高能射线(2)的与所述工件(3)的相互作用区域(18)，以及

分析机构(19)，所述分析机构(19)构造成用于根据所感测的相互作用区域(18)获知切割过程的、尤其是在切割过程中形成的切缝(16)的至少一个标志性特征参量(α)，

其特征在于，

所述图像感测机构(9)构造成用于形成观察射线(7a)，所述观察射线用于从相对于所述高能射线(2)的射线轴线(13)成一角度(β)地延伸的观察方向(R1)观察所述相互作用区域(18)，并且

所述图像感测机构(9)包括成像光具(14)，所述成像光具用于从相对于所述高能射线(2)的射线轴线(13)以所述角度(β)延伸的所述观察方向(R1)产生所述相互作用区域(18)的图像(B1)。

2.根据权利要求1所述的装置，在该装置中，所述图像感测机构(9)被构造用于改变所述观察射线(7a)的观察方向(R1)在垂直于所述高能射线(2)的射线轴线(13)的平面(X，Y)中的定向。

3.根据权利要求2所述的装置，在该装置中，所述图像感测机构(9)具有光圈(25)，以改变所述观察射线(7a)的观察方向(R1)的定向。

4.根据前述权利要求之一所述的装置，在该装置中，所述成像光具(14)被构造用于从不同定向的观察方向(R1至R4)产生所述相互作用区域(18)的多个图像(B1至B4)。

5.根据权利要求4所述的装置，在该装置中，所述成像光具(14)具有多个成像光学元件(22，23)，以产生多个图像(B1至B4)。

6.根据权利要求5所述的装置，在该装置中，所述多个成像光学元件(22，23)形成网格组件(24)。

7.根据权利要求4所述的装置，在该装置中，为了产生所述多个图像(B1至B4)，所述成像光具(14)具有用于通过影响观察光路(7)的射线方向来形成各一个观察射线(7a，7b)的机构(27)。

8.根据前述权利要求之一所述的装置，所述装置还包括控制机构(20)，所述控制机构(20)被构造用于根据切割过程的进给方向(v)改变所述观察方向(R1，R2，……)在垂直于所述射线轴线(13)的平面(X，Y)中的定向。

9.根据权利要求8所述的装置，在该装置中，所述控制机构(20)被构造用于使所述观察方向(R1)相对于所述进给方向(v)的定向保持恒定。

10.根据前述权利要求之一所述的装置，在该装置中，所述观察方向(R1)在垂直于所述高能射线(2)的射线轴线(13)的平面(X，Y)中逆着切割过程的进给方向(v)延伸。

11.根据权利要求10所述的装置，在该装置中，所述分析机构(19)被构造用于根据所感测的相互作用区域(18)获知所述切缝(16)的切割前方角度(α)和/或超过和/或低于所述切缝(16)的预给定切割前方角度(α_G)，以作为切割过程的标志性特征参量。

12.根据权利要求11所述的装置，在该装置中，所述观察方向(R1)相对于所述高能射线(3)的射线轴线(13)而言的延伸角度(β)与所述预给定切割前方角度(α_G)偏差小于5°，优选小于2°。

13.根据前述权利要求之一所述的装置，在该装置中，所述观察方向(R1)相对于所述高能射线(2)的射线轴线(13)的角度(β)处于5°到15°之间，优选处于5°到10°之间。

14.根据前述权利要求之一所述的装置，在该装置中，所述图像感测机构(9)被构造用于形成另一观察射线(7b)，用于从另一观察方向(R2)观察所述相互作用区域(18)，其中，所述成像光具(14)被构造用于从该另一观察方向(R2)产生所述相互作用区域(18)的另一图像(B2)。

15.根据权利要求14所述的装置，在该装置中，所述分析机构(19)被构造用于将根据所述相互作用区域(18)的所述另一图像(B2)确定的强度值(I2)与根据所述相互作用区域(18)的在垂直于所述高能射线(2)的射线轴线(13)的平面(X，Y)中逆着所述进给方向(v)拍摄的图像(B1)确定的强度值(I1)进行比较。

16.根据前述权利要求之一所述的装置，在该装置中，所述观察方向(R3，R4)在垂直于所述高能射线(2)的射线轴线(13)的平面(X，Y)中不沿着或逆着切割过程的进给方向(v)延伸，其中，所述分析机构(19)被构造用于根据所述拍摄的图像(B3，B4)获知毛刺形成、粗糙度和/或沟道形成，以作为所述切缝(16)的标志性特征参量。

17.根据前述权利要求之一所述的装置，所述装置还包括用于在所述待监视区域(15)中照明所述工件(3)的照明源(10)。

18.根据前述权利要求之一所述的装置，在该装置中，所述图像感测机构(9)被构造用于通过用于使激光射线(2)穿过以照射到工件(3)上的激光加工喷嘴(5)的喷嘴开口(5a)来拍摄所述图像(B1)。

19.根据前述权利要求之一所述的装置，在该装置中，所述图像感测机构(9)具有探测器(12)，尤其是相机，所述探测器具有探测器面(12a)，所述图像(B1)在所述探测器面(12a)上产生。

20.根据前述权利要求之一所述的装置，所述装置还包括控制和/或调节机构(20)，用于根据至少一个获知的所述标志性特征参量(α)来控制和/或调节切割过程的参数。

21.根据权利要求1前序部分、尤其根据前述权利要求之一所述的装置，在该装置中，所述分析机构(19)被构造用于根据所感测的相互作用区域(18)获知所述切缝(16)的切割前方角度(α)和/或超过和/或低于所述切缝(16)的预给定切割前方角度(α_G)，以作为切割过程的标志性特征参量，并且，所述装置(1)还包括调节机构(20)，用于通过影响切割过程的至少一个调节参数(v，P)来将所述切割前方角度(α)调节到预给定的恒定值(α_G)。

22.根据权利要求21所述的装置，在该装置中，所述调节机构(20)被构造用于根据所述工件(3)上的待切割轮廓(31，34)来选择用于调节所述切割前方角度(α)的所述调节参数(v，P)。

23.根据权利要求21或22所述的装置，在该装置中，所述调节机构(20)被构造用于，当进给速度(v)由于工件(3)的材料和厚度(D)而局限于最大值(v_MAX)时，影响所述高能射线(2)和所述工件(3)之间的进给速度(v)，以作为用于调节所述切割前方角度(α)的调节参数。

24.根据权利要求23所述的装置，在该装置中，所述调节机构(20)被构造用于在影响所述进给速度(v)期间将所述高能射线(2)的功率(P)保持在恒定值(P_MAX)。

25.根据权利要求21至24之一所述的装置，在该装置中，所述调节机构(20)被构造用于，当所述高能射线(2)和所述工件(3)之间的进给速度(v)由于在所述工件(3)上待切割的轮廓(34)的几何形状而局限于最大值(v_MAX)时，影响所述高能射线(2)的功率(P)，以作为用于调节所述切割前方角度(α)的调节参数。

26.根据权利要求25所述的装置，在该装置中，所述调节机构(20)被构造用于在影响所述高能射线(2)的功率(P)期间将所述进给速度(v)保持在最大值(v_MAX)。

27.根据权利要求25或26所述的装置，在该装置中，所述调节机构(20)被构造用于调制所述高能射线(2)的功率(P)，并且影响所述高能射线(2)的功率(P)的所述调制(f_M)以作为用于调节所述切割前方角度(α)的调节参数。

28.根据权利要求21至27之一所述的装置，在该装置中，所述分析机构(19)构造用于获知超过和/或低于所述切缝(16)的所述预给定切割前方角度(α_G)，并且，所述调节机构(20)具有不连续的调节器(31)，尤其是二点调节器或三点调节器，以调节所述切割前方角度(α)。

29.根据权利要求21至28之一所述的装置，在该装置中，所述分析机构(19)构造用于获知所述切缝(16)的所述切割前方角度(α)，并且，所述调节机构(20)为了调节所述切割前方角度(α)而具有连续的调节器(32)，尤其是PID调节器。

30.用于监视、尤其用于调节工件(3)上的切割过程的方法，包括：

将高能射线(2)、尤其是激光射线聚焦在所述工件(3)上，

感测所述工件(3)的待监视区域(15)，所述待监视区域(15)包括所述高能射线(2)与所述工件(3)的相互作用区域(18)，

根据所感测的相互作用区域(18)获知切割过程的、尤其是在切割过程中形成的切缝(16)的至少一个标志性特征参量(α)，

其特征在于，

形成观察射线(7a)，用于从相对于所述高能射线(3)的射线轴线(13)成一角度(β)地延伸的观察方向(R1)观察所述相互作用区域(18)，和

从相对于所述高能射线(3)的射线轴线(13)以所述角度(β)延伸的所述观察方向(R1)产生所述相互作用区域(18)的图像。

31.根据权利要求30前序部分、尤其是根据权利要求30所述的方法，包括：

获知所述切缝(16)的切割前方角度(α)和/或超过和/或低于所述切缝(16)的预给定切割前方角度(α_G)，以作为切割过程的标志性特征参量，和

通过影响切割过程的至少一个调节参数(v，P)将所述切割前方角度(α)调节到预给定的恒定值(α_G)。

32.根据权利要求31所述的方法，在该方法中，用于调节所述切割前方角度(α)的所述调节参数(v，P)根据所述工件(3)上的待切割轮廓(31，34)来选择。

33.根据权利要求31或32所述的方法，在该方法中，当进给速度(v)由于所述工件(3)的材料和厚度(D)被限制在最大值(v_MAX)时，影响所述高能射线(2)和所述工件(3)之间的进给速度(v)，以作为用于调节所述切割前方角度(α)的调节参数。

34.根据权利要求33所述的方法，在该方法中，在影响所述进给速度(v)期间，使所述高能射线(2)的功率(P)保持在恒定值(P_MAX)。

35.根据权利要求31至34之一所述的方法，在该方法中，当所述高能射线(2)和所述工件(3)之间的进给速度(v)由于所述工件(3)上的待切割轮廓(34)的几何形状而被限制在最大值(v_MAX)时，影响所述高能射线(2)的功率(P)，以作为用于调节所述切割前方角度(α)的调节参数。

36.根据权利要求35所述的方法，在该方法中，在影响所述高能射线(2)的功率(P)期间使所述进给速度(v)保持在最大值(v_MAX)。

37.根据权利要求35或36所述的方法，在该方法中，调制所述高能射线(2)的功率(P)，并且，影响对所述高能射线(2)的功率(P)的所述调制(f_M)，以作为用于调节所述切割前方角度(α)的调节参数。

38.根据权利要求31至37之一所述的方法，在该方法中，所述切割前方角度(α)被调节到的所述恒定值(α_G)处于2°和6°之间，优选处于3°和5°之间。

39.计算机程序产品，所述计算机程序产品被构造用于当计算机程序在数据处理设备上运行时执行根据权利要求30至38之一所述的方法的所有步骤。