CN106825913A - 用于监测激光材料加工的工作空间的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于加工系统的监测装置，该加工系统用于借助高能加工光束加工工件，尤其是在空间受限的加工区域内，其中，该监测装置包括用于提供测量光束的测量光束源，和用于检测由环境反射的测量光束分量的记录单元，其中，该监测装置设置为，将测量光束耦合进加工系统的加工光束光学装置中，从而使测量光束和加工光束能够指向环境中的共同位置，其中，该监测装置还设置为，依据测得的测量光束的反射分量得出至少一个距离值，由该距离值能够推导出加工光束光学装置与反射测量光束的环境区域的距离，并且其中，该监测装置还包括判定单元，该判定单元用于判定测得的距离值是否位于容许距离值范围内。

Description

用于监测激光材料加工的工作空间的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种用于加工系统的监测装置，该加工系统用于借助高能加工光束加工工件，尤其是在空间受限的加工区域内。该高能加工光束优选为激光光束，且该加工系统优选为激光加工系统，例如用于焊接或切割工件。

背景技术

这种加工系统的加工光束通常为显著的危险源。例如通过加工光束的杂散反射或错误的定向可能造成加工系统区域的大规模损坏。因此，已知的是设置所谓的安全室，其形成由防护壁构成、包围加工系统的装置。换句话说，加工区域或加工系统的工作空间有针对性地在空间上受到限制，以便阻挡高能加工光束，保护安全室外的区域。

然而，为了确保有效的保护，特别是在使用数千瓦范围的激光的装置中，存在对防护壁的性能的高要求。该防护壁必须具有例如对抗激光直接照射的高稳定性。这相应地造成了对所使用的材料和材料强度的高要求，由此显著提高了成本。同样的情况也涉及可能的卷闸门或其他进入安全室的入口系统，其应使工件能够送抵和运走。这种入口系统同样必须耗费成本地进行强化，并因此只能通过高功率马达驱动。

此外，为了整体提高安全性并降低对这种安全室的要求，已知的是设置所谓的主动安全系统。该主动安全系统监测加工光束的实际定向，和/或该加工光束在安全室内部的撞击区域。由此可确保加工光束只射向安全室的为此所设的区域内，并特别是不在较长的时间范围内直接击中防护壁。

此外，例如在文件DE 20 2007 012 255 U1中所述，已知安装在防护壁上的传感器装置，其记录激光束在防护壁上的撞击。同样已知的是，在安全室内部设置摄像机，以检测激光束在安全室内部的实际撞击点。这种解决方案例如在文件WO 2008/019847 A1中公开。现有技术DE 10 2008 052 570 A1还公开了一种安装在机器人上的摄像机，其监测由机器人操纵的激光焊接头的定向。由此也可确保激光束只射向工作空间的预定区域。

然而，已经表明，已知的解决方案并不能确保在所有加工情况下的足够可靠的监测，此外也往往需要复杂且昂贵的装置措施。

发明内容

因此，本发明的任务在于提供一种开头所述类型的监测装置，其成本低并可实现可靠的监测。

这种任务通过一种监测装置得以实现，其包括用于提供测量光束的测量光束源和用于检测由环境反射的测量光束分量的记录单元，其中，该监测装置设置为，将测量光束耦合进加工系统的加工光束光学装置中，从而使测量光束和加工光束能够指向环境中的共同位置，其中，该监测装置还设置为，依据测得的测量光束的反射分量得出至少一个距离值，由该距离值能够推导出加工光束光学装置与反射测量光束的环境区域的距离，并且其中，该监测装置还包括判定单元，该判定单元用于判定测得的距离值是否位于容许距离值范围内。

发明人认识到，已知的安装在防护壁上的传感器系统是极其昂贵的，并且需要复杂的改建措施。此外，这一解决方案往往在防护壁已经发生损坏时才能检测到加工系统的不良状态。在基于分布在安全室内的摄像机的解决方案中，必须始终确保摄像机的视野不被无意地遮蔽。这伴随着相应的高设置消耗和高学习消耗。在安装在机器人上的摄像机装置中，则又只能间接地从焊接头的位置推断激光束在环境中的实际撞击点。由此便无法检测焊接头内部的错误，例如激光束错误地偏转向非预定的方向。

替代地，本发明设置为，至少在加工光束光学装置和环境中的撞击区域之间，通过同轴平行发射的测量光束直接追踪加工光束的实际路径。由此能够优选连续监测实际的光束长度或加工光束光学装置与环境中的撞击区域的距离。由此能够确定，测量光束是否击中、以及由此加工光束是否也击中相对较接近加工光束光学装置设置的工件，或者是否相隔较大距离才发生碰撞，例如击中通常离得较远的防护壁。

为此，测量光束源可以设置为，以适当的波长产生并发射光或激光辐射。在更广泛的意义上，测量光束源也可以设计为用于连接光导体的接口的形式或包括这种接口，以便耦合外部产生的测量光束。

测量光束可以连续地作为单一光束脉冲或作为光束脉冲序列射出，并以已知的方式进行光学调整。此外，可以理解的是，测量光束也可以不依赖于当前加工光束的产生而耦合进加工光束光学装置。因此，根据本发明，可以设置为，测量光束在未平行产生加工光束的情况下进入加工光束光学装置，并由该加工光束光学装置指向特定的环境区域。由此能够提前检测到加工光束的预期撞击区域。而替代地或补充地，也可以设置为平行产生并定向测量光束和加工光束。

记录单元可以为任何适合的单元，通过该单元例如可以检测反射的测量光束分量击中记录单元的撞击时间点，和/或检测撞击强度和反射的测量光束的其他光束特性。测量光束源和记录单元可以是监测装置的光学测距单元的组成部分。

为了使测量光束耦合进加工光束光学装置以及可能同时产生的加工光束，监测装置可以设置有光学的接口区域，通过该接口区域，测量光束能够进入加工光束光学装置，且反射的测量光束分量也能够优选又从中射出。在此，测量光束的耦合和/或去耦优选同轴于加工光束进行。原则上，耦合进(和/或去耦于)加工光束光学装置也可以由此实现，即，测量光束在加工系统内部的任何其他位置耦合进加工光束，并与该加工光束共同进入加工光束光学装置。例如测量光束和加工光束的耦合和/或去耦可以直接在加工系统的加工光束源内部进行，随后，相互耦合的光束由光导体引至加工光束光学装置。

根据本发明还可以设置为，监测装置设计为单独的模块，其能够简单地加装在现有的加工系统特别是激光焊接头上。在这种情况下，监测装置和焊接头可以分别具有能够相互耦接的光学接口区域，该接口区域实现上述的测量光束耦合进(和/或去耦于)加工光束光学装置。

测得的距离值可以是时间数据，其涉及从测量光束发射到检测到反射的测量光束分量的持续时间。在已知监测装置和加工光束光学装置的构造以及特别是测量光束在其中经过的路程的情况下，可以进一步得出从加工光束光学装置中射出和撞击到环境中之间的持续时间。也可能的是，距离值得出为长度数据意义上的具体的间距值。这可以例如基于上述的持续时间的测量值实现。

判定单元可以提供为已知的运算单元和/或分析电子装置的形式。当监测装置设计为能够单独操作的、并能够加装在现有的加工系统上的模块时，判定单元优选构成该模块的组成部分。但也可以设置为，判定单元设置在外部，并通过相应的通信连接装置与监测装置的其他部件进行通信。此外，判定单元可以进一步设置为，确定测得的距离值与容许距离值范围的可能的偏差的值或至少确定该偏差的绝对值。

如以下将详细说明的，容许距离值范围一般可以包括固定的或可变的容许的上限和/或下限。此外，该距离值范围一般可以包括任意数量的值，例如也可以只包括作为上限的单一值。

可以这么说，距离值范围能够通过确定上限或/和下限界定一个围绕加工光束光学装置的虚拟的容许工作空间，其中，只有位于该工作空间之内的测量光束在环境中的撞击区域或反射区域被识别为容许。若相反地，测量光束由离得更远的环境区域，如防护壁反射，则通过判定单元可测出，当前的距离值位于容许距离值范围之外。

由此，能够优选连续地监测加工光束是否只在与加工光束光学装置相距预定距离的情况下撞击环境，并由此始终与可能的防护室的防护壁保持足够的距离。如下所述，这也能够可靠地检查加工光束光学装置在开始加工前是否确实位于工件对面。

本发明的一个扩展方案设置为，距离值的测定基于测量光束的传播时间的测量进行，特别是其中，该传播时间的测量通过飞行时间测量单元进行，该飞行时间测量单元包括测量光束源和记录单元。传播时间的测量可以涉及发射测量光束(例如以单一光束脉冲的形式)与通过记录单元检测到反射的测量光束分量之间的持续时间。如上所述，在已知监测装置和/或加工光束光学装置的相关尺寸以及特别是测量光束在其中经过的路程的情况下，也可以由此得出加工光束光学装置和环境之间的期望的距离值。

根据本发明可以进一步设置为，测量光束源包括激光二极管和/或LED。这实现了测量光束和特别是单一测量光束脉冲的特别精确的定义和发射。

也可以设置为，记录单元包括光电二极管。这实现了通过构造相对简单的传感装置进行的反射测量光束分量的快速和精确的检测。替代地或补充地，记录单元可以包括图像传感器。

在本发明的一个扩展方案中设置为，监测装置设置为，依照由判定单元得出的判定结果影响加工系统的运行。为此，监测装置可以设置为，产生或改变以期望的方式影响加工系统运行的控制信号。

这种对运行的影响可以主要设定在，当由判定单元得出的判定结果表明，当前测得的距离值不位于容许距离值范围内时。如上所述，这表示测量光束和由此可能平行产生的加工光束以相距加工光束光学装置的不期望的距离，在环境中击中对象。根据上述扩展方案，监测装置在这种情况下可以采取相应的对策，并特别是直接干预加工系统的运行。这也可以取决于，判定单元的特定的结果，例如未遵守容许距离值范围的结果，是否超过一定的最小持续时间或单一测量过程的最小数量。

在这种情况下，还可以设置为，监测装置设置为，输出警告信号和/或引发加工系统输出警告信号。该警告信号可以是内部的控制信号，其被加工系统的控制装置相应地识别并分析。该警告信号也可以是能够从外部察觉的警告信号，例如音频或视觉警告信号，加工系统的操作人员能够简单地察觉该警告信号。

此外，根据本发明可以设置为，依照由判定单元得出的判定结果，监测装置设置为，限制或抑制加工系统的运行。因此，监测装置可以根据得出的判定结果设置为，影响加工系统的运行参数，并特别是影响加工光束的产生及其定向和/或强度。换句话说，监测装置可以在未遵守容许距离值范围时，促使至少暂时地抑制加工光束的产生，或限制加工光束源的功率。

如上所述，监测装置在此可以特别设置为，在加工光束产生之前就已进行测得的距离值的判定。由此可以例如确定与加工光束光学装置相对的工件的存在。在这种情况下，容许距离值范围可以界定加工光束光学装置和工件表面之间的容许工作空间，并优选基于已知的工件的形状和/或材料强度及其在空间中的设置来确定该容许距离值范围(例如工件以已知的高度夹紧在工作台上)。若测得的距离值超过容许距离值范围，就表明通过环境的反射发生得意外地迟。这可以推断出相应的工件的不在。在这种情况下，能够由监测装置阻止加工光束的产生，以便例如避免加工台的不期望的损坏。

在这种情况下可以进一步设置为，监测装置设置为，中断加工系统的电源。为此，监测装置可以包括保险装置、继电器或类似的开关装置，这些装置与加工系统的电源相互作用。替代地，监测装置可以与这种开关装置分离设置，但可以设置为，通过通信连接装置访问、并通过相应的控制信号致动该开关装置。

电源一般可以与全部的、或只与选定的加工系统的部件相互作用。例如可以是加工系统的加工光束源的电源。此外可以设置为，监测装置优选提供双通道的释放信号，该释放信号只在判定单元的判定结果积极时接通加工系统的电源，并由此实现加工光束的产生。一旦判定单元检测到距离值位于容许距离值范围之外，则取消释放信号并中断电源。这阻止了加工光束的进一步产生。

本发明的一个扩展方案设置为，监测装置依据判定单元得出的判定结果设置为，产生用于调节加工光束，且特别是用于调节加工光束的聚焦位置的控制信号。“控制信号”这一概念在此可以理解为能够在相应调节的框架内使用的任何信号和/或任何由此传递的信息，例如当前与容许距离值范围的偏差。此外，特别是可以调节加工光束的、可关于测得的距离值调整的参数，以获得有利的工作成果或保障足够的安全性。这例如涉及加工光束相对于工件的位置、定向或传播速度。

通过调节加工光束的聚焦位置，能够确保加工光束的焦点始终位于待加工的部件表面。这特别是在加工非平面的部件时是有利的。在这种情况下，容许距离值范围可以定义为加工光束光学装置至相对的部件表面区域的期望的距离，加上可能的公差范围。因此，容许距离值区域界定了优选极端狭窄的虚拟工作空间，该工作空间沿着部件表面延伸，并优选包含该部件表面。若测得的距离值未落在该狭窄的容许距离值范围内，则表明，加工光束光学装置与部件表面相距不期望的距离。据此可能需要再调节聚焦位置，以补偿测得的偏差。为此，监测装置可以特别是基于实际测得的距离值而产生相应的校正信号。

在本发明的一个扩展方案中，依据当前的加工状况定义容许距离值范围，和/或能够依据当前的加工状况，通过修改装置测得该容许距离值范围。换句话说，可以设置为，容许距离值范围能够灵活地适应于当前的加工状况。

例如，加工系统可以包括定位系统，如优选为工业机器人，以便能够在空间内灵活地移动和设置加工光束光学装置。在已知定位系统的当前的轴线位置的情况下，能够由此灵活地限定和/或检测加工光束光学装置在空间内的位置，并由此灵活地限定和/或检测适当的容许距离值范围。此外，也可以参考关于加工系统的环境的其他信息，以顾及例如加工光束光学装置与可能的安全室的防护壁的当前距离。该距离越小，容许距离值范围的当前上限就可以选择越小，以防止加工光束持久地击中防护壁。

如下所述，加工光束光学装置也可以包括偏转装置，以使测量光束和加工光束指向共同的环境区域。在这种情况下，偏转装置的当前的轴线位置可以在当前加工状况的意义下被顾及，并可以相应地使容许距离值范围灵活地适应该轴线位置。例如对于相对大的偏转位置，在其中测量光束和加工光束以相应的大角度从加工光束光学装置射出，可以相比于在相对小的偏转位置，定义较大的距离值为容许。这实现了围绕加工光束光学装置的矩形虚拟工作空间以及任意其他形状的界定。

最后，根据该扩展方案还可以设置为，依据工件的当前加工阶段选择容许距离值范围。如上所述，可以例如在关于工件存在的事先检查中选择较窄的容许距离值范围，接着，在连续加工运行中，容许距离值范围扩大，以提高容错能力。

当前的容许距离值范围可以在学习模式中也由此测得，即，加工系统在不产生加工光束的情况下沿加工路径输送工件。监测装置在此可以连续地检测单个或所有加工位置的当前距离值。测得的距离值加上可能的公差范围就可以存储为每个加工位置的容许距离值范围。

如上所述，根据本发明还可以设置为，加工光束光学装置包括至少一个共同的偏转装置，测量光束和加工光束能够通过该偏转装置指向共同的环境位置。该偏转装置可以以已知的方式设计为扫描镜，其优选能够围绕至少两个轴线进行调节。由此能够精确限定加工光束和测量光束的定向或相应的光束从加工光束光学装置射出的角度。通过借助共同的偏转装置的偏转，进一步确保了，借助测量光束测得的信息能够尽可能准确地推导出加工光束，因为能够获得在加工光束光学装置和环境之间的基本上相同的光束走向。

在这种情况下，还可以设置为，由监测装置测得的距离值涉及共同的偏转装置和环境的反射区域之间的距离。

本发明的一个扩展方案设置为，判定单元设置为，检测低于和/或超过容许距离值范围的情况。

因此，容许距离值范围可以不仅包括上限，还附加包括下限。若测得的距离值低于该下限，就表明，测量光束太早反射，并因此被非预定区域反射。这可能特别是这种情况，即，加工光束光学装置发生故障，并处于非预定的偏转位置。在这些情况下，测量光束可能被焊接头的内部区域反射，相比于实际预定的环境中的撞击区域，该内部区域明显更接近加工光束光学装置，或甚至直接构成该加工光束光学装置的组成部分。意外短的距离值也可能发生在可能的共同偏转装置损坏并任由测量光束穿过，而不是将其引导出加工系统时。可以理解的是，监测装置能够在出现相应的短距离值时，也采取上述安全功能和/或对策中的任一项，并能够例如抑制加工光束的产生。

此外，本发明的扩展方案设置为，判定单元设置为，识别有关距离值的测得的故障。这总体上可以通过进行测得的距离值的可信度检查来实现。特别是，判定单元还可以设置为，将欠缺由环境反射的测量光束分量和/或对于同一测量过程测得多个距离值识别为相应的故障。

在欠缺由环境反射的测量光束分量的情况下，测得的距离值可以例如为零或无穷大。也可能显示为预定的错误值，因为不能记录可用的测量信号，并因此无法测出距离值。这能够被判定单元识别为相应的故障。

多个距离值例如可能发生在反射的测量光束分量由于经由加工光束光学装置的光学元件的后向反射而包括了多个单一信号和/或反射分量，并因此对于同一测量过程测得了相应的多个距离值时。这也能够被判定单元识别为故障。

若检测到相应的多个距离值，判定单元可以进一步设置为，基于进一步的可信度观察和/或强度比较来确定很可能对应环境中的实际撞击点的距离值。之后该值可以作为通过判定单元进一步判定的基础。例如可以设置为，仅提出绝对值最大的距离值用于进一步的判定。

判定单元可以进一步设置为，在考虑到故障识别的条件下判定测得的距离值是否位于容许距离值范围内。例如，判定单元可以在识别到相应的故障时直接确定当前没有位于容许距离值范围内的距离值。也可以设置为，更准确的距离值的判定只在识别到不存在故障时进行。

其结果是，通过该扩展方案能够确保识别出错误的测量过程并相应地加以考虑。特别是能够在识别到故障时采取前述的任何安全功能和/或对策，例如关闭加工系统，或是限制或抑制该加工系统的运行。

本发明还涉及一种加工系统，其用于借助高能加工光束加工工件，并包括根据前述方面的任一项所述的监测装置。

本发明还涉及一种用于监测加工系统的方法，该加工系统用于借助高能加工光束加工工件，该方法特别是借助根据前述方面的任一项所述的监测装置，该方法包括以下步骤：

-提供测量光束；

-使测量光束耦合进加工系统的加工光束光学装置；

-调节加工系统的加工光束光学装置，以使测量光束射向环境中的位置；

-检测由环境反射的测量光束分量；

-依据检测的测量光束的反射分量得出至少一个距离值，其中，由该距离值能够推导出加工光束光学装置与反射测量光束的环境区域的距离；以及

-判定得出的距离值是否在容许距离值范围内。

应理解的是，该方法也可以包括其他步骤，以获得前文以根据本发明的监测装置为例所述的效果并发挥作用。特别是可以设置为，除了提供测量光束之外也提供加工光束，以在连续的加工过程中实现平行的距离值监测。此外，该方法也可以包括基于测量光束的传播时间得出距离值的步骤，特别是借助于飞行时间测量单元以及使用相应的激光二极管、LED和/或光电二极管。该方法还可以根据判定结果包括其他步骤，以在测得的距离值与容许距离值范围发生偏差时，采取前述安全功能和对策。在这种情况下，可以附加地设置限制或抑制加工系统的运行的步骤，例如通过中断加工系统的电源。

附图说明

以下示例性地参照附图对本发明进行说明。在此，在所示的各个实施方案中，同类的或作用相同的部件共同以相同的标号标记。

图1示出了激光焊接头以及耦接其上的根据本发明的第一实施例的监测装置的示意图；

图2示出了由图1中的监测装置界定的虚拟工作空间的示意图；

图3示出了用于根据本发明的另一实施例的监测装置的测量单元的局部图；

图4示出了用以说明根据本发明的加工光束的调节的示意图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的监测装置并总体以10标记。监测装置10包括运算单元12，该运算单元包括未单独示出的判定单元。运算单元12连接到测量单元14，该测量单元在当前的情况下设计为飞行时间传感器装置形式的光学测距单元。详细地说，测量单元14包括激光二极管16形式的测量光束源，该测量光束源向激光焊接头20的方向发射测量光束脉冲18。此外，测量单元14包括光电二极管22形式的记录单元，借助该记录单元能够检测由环境反射的测量光束分量24。

还可以看出，运算单元12通过虚线示出的通信连接装置26连接到未单独示出的激光加工系统的电源28。更确切的说，运算单元12能够通过通信连接装置26访问两个中继单元30，该中继单元分别对应电源28的不同的电压水平。

如通过虚线框32所示出的，监测装置10设计为可单独操作的、安装在激光焊接头20上的模块。激光焊接头20以已知的方式设置在未示出的关节型机器人上，以便能够在空间中任意地设置和移动。

如图1所示，未单独示出的激光加工系统，连同激光焊接头20和安装在该激光焊接头上的监测装置10，设置在示意性示出的安全室50内。该安全室界定了围绕激光加工系统的、空间上受限的加工区域。为此，安全室50以已知的方式具有底部区域B和防护壁区域S，该安全室以这些区域包围激光加工系统并遮蔽其他工厂环境。在此，图1仅示范性地示出了单侧的防护壁区域S。在安全室50中还设置有工件W，该工件夹紧在加工台52上并与底部区域B相距预定高度H。

详细的说，激光焊接头20包括加工光束光学装置34。该加工光束光学装置在输入侧具有设计为光导体的接口36，该接口实现了来自未详细示出的激光光束源的激光束38的耦合。从接口36开始，激光束38首先通过准直透镜40，该准直透镜能够沿着轴线A，并因此沿着激光束轴滑动。接着，激光束38击中分光器42，该分光器使激光束38在通过聚焦透镜46的情况下，向加工扫描器44形式的双轴偏转装置转向。通过加工扫描器44使激光束38射向期望的环境区域，并在这种情况下射向工件W。

此外，在图1中可以看出，由监测装置10发射的测量光束脉冲18通过光学的接口区域48进入激光焊接头20和加工光束光学装置34。在此，该测量光束脉冲首先穿过对于测量光束18的波长范围来说可透过的分光器42，并在穿过聚焦透镜46之后击中加工扫描器44。测量光束脉冲18在此同轴地耦合进激光束38，并与其一同通过加工扫描器44射向环境中。

相反地，如图1中的相应箭头所示，由环境反射的测量光束分量24在相反方向上穿过加工光束光学装置34。在此，该测量光束分量从工件W开始，首先击中加工扫描器44，以便在穿过聚焦透镜46和分光器42的情况下，通过光学接口48进入监测装置10，并在那里击中光电二极管22。在先前的测量光束脉冲18射出之后，光电二极管22检测反射的测量光束分量24的撞击时间点。

其结果是，由激光二极管16发射的测量光束脉冲18由此耦合进加工光学装置34，并通过加工扫描器44射向环境中或安全室50内部的位置。在所示的情况下，激光束38和测量光束脉冲18同时产生并射向共同的工件W的撞击点X。从该撞击点X开始，相应的测量光束分量24被反射，并以上述方式返回监测装置10的测量单元14。

一般可以理解的是，图1所示的光束走向仅用于说明目的，并不描述物理上的精确走向。如上所述，测量光束脉冲18同轴地耦合进激光束38，从而可以足够准确地认为这些光束以及反射的测量光束分量24的、特别是在加工扫描器44和工件W之间的走向和经过的距离是相同的。

基于上述构造，监测装置10的运算单元12可以进行传播时间的测量并确定在射出测量光束脉冲18和击中光电二极管22之间所经过的时间。为此，记录射出测量光束脉冲18的时间点以及反射的测量光束分量24击中光电二极管22的时间点，并得出这些值的差。

基于该传播时间的测量，运算单元12进一步确定加工扫描器44和反射区域X之间的当前距离值d。为此需考虑激光二极管16和光电二极管22相距加工扫描器44的大体上固定的距离t。该距离t决定了测量光束脉冲18和反射的测量光束分量24穿过加工光束光学装置34和监测装置10所需的恒定的持续时间。剩余的持续时间分量(或其一半)相应地表示了测量光束脉冲18从加工扫描器44抵达撞击点X所需的持续时间。在相同的意义上，其对应了反射的测量光束分量24从撞击点X抵达加工扫描器44所需的持续时间分量。以已知的方式可以由该剩余的时间分量计算出实际间距值意义上的、例如以厘米表示的距离值d。因此，该距离值d表示加工扫描器44和撞击点X之间的当前存在的距离。

如下所述，由运算单元12的判定单元将以该方式测得的距离值d与容许距离值范围Z相比较，以确保激光束38只击中实际预定的安全室50内的撞击点X。在所示的情况下，容许距离值范围Z的上限O这样确定，即，工件W的待加工区域位于容许距离值范围Z之内。相反，接近防护壁S或底部区域B的可能的撞击点与加工扫描器44的距离明显更大，以致于这些撞击点的距离值d会超过上限O。为此，仅示例性地示出了对于意外击中防护壁S和底部B的两个相应的距离值d_S和d_B。

此外，图1示出了容许距离值范围Z的下限U，该下限指定了距离值d的最小值。低于该下限U则表明，在焊接头20内部出现错误，并因此造成测得的距离值d意外地短。由此可以例如注意到这样的错误情况，即，加工扫描器44错误地定向测量光束脉冲18，且该测量光束脉冲被激光焊接头20的壳体或加工光束光学装置34的其他组件反射并直接返回监测装置10中。同样也可以注意到这种情况，即，加工扫描器44可能损坏，并且测量光束脉冲18直线穿过该加工扫描器，使得该测量光束脉冲被激光焊接头20的后壁52，而不是被工件W反射。

可以看出，图1中的下限具有相对小的绝对值。因此，只可能在紧邻加工扫描器44的区域会低于下限U。

因此，如图1所示，容许距离值范围Z由下限U和上限O之间的值范围限定。换句话说，大于下限U而小于上限O的所有距离值d都被判定单元判定为容许。因此，针对所示的撞击点X测得的距离值d可容许地位于距离值范围Z内。

其结果是，由此，由运算单元12以上述方式，针对每个发射的测量光束脉冲18检测当前距离值d，并且只在该当前距离值位于容许距离值范围Z之内时，由判定单元识别为容许。若为这种情况，则运算单元12通过通信线路26向电源28的中继装置30分别发出控制信号，以接通该电源。在这一状态下，未单独示出的激光加工系统产生激光束38，并进行工件加工。

相反，若识别到当前测得的距离值d位于容许距离值范围Z之外，则停止向中继装置30发送控制信号。该中继装置因此自动处于断开位置，由此中断电源28并抑制激光束38的产生。

在所示的监测装置10中，上限O和下限U能够灵活地适应当前的加工状况。因此，在开始实际的工件加工之前，首先应检查工件W在加工台52上的存在。为此，原则上，通过判定单元进行一次距离值d的检查就应足够，因为上限O在所示的情况下结束于加工台表面。因此，超过上限O表明反射发生得意外地迟，并因此表明缺少工件W。

为了提高结果的有效性，补充地设置为，规定初始下限U'，其具有比在连续的加工运行中(参见图1中的对应加工运行的下限U)明显较高的绝对值。换句话说，该初始下限U'明显更接近在所示的情况下保持恒定的上限O，初始容许距离值范围Z'因此相应地缩小。由此，容许距离值范围Z'，以及测得的距离值d的公差范围因此也在最初有针对性地降低，以便能够尽可能准确地推断出工件W的存在。这意味着，判断为容许的距离值d可以确实溯及通过工件W的反射的可能性，在最初减小的距离值范围Z'的情况下，明显高于在用于连续加工运行的较大距离值范围Z的情况下。

然而对于连续加工运行来说，保持这样狭窄的容许距离值范围Z'将意味着意外中断和频繁报错的风险的增加。因此替代地使用明显较大的距离值范围Z。

在图1中，撞击点X也位于初始容许距离值范围Z'内，从而使运算单元12的判定单元得出容许的判定结果，并通过接通电路28实现激光束38的产生。一旦通过提供激光束38开始加工，容许距离值范围Z就扩大，以提高容错性。

在根据图1的图示中，对于加工扫描器44的每个偏转位置选择同样的用于连续加工运行的上限O和下限U。因此，下限U和上限O至少在理论上各自界定了围绕加工扫描器44的球面虚拟工作空间。由于焊接头20的构造和加工扫描器44的可能的偏转方向，实际相关的工作空间要小得多。因此，在图2中示出了通过上限O和下限U界定的、简化为半球的虚拟工作空间。因此，容许距离值范围Z定义了围绕加工扫描器44的半球壳形状的虚拟工作空间。如上所述，位于该半球壳内部的所有撞击点X和相关联的距离值d都会被判定单元判断为容许。

此外，由图2再次表明，可能的有害安全的、击中防护壁区域S或底部区域B的撞击点位于容许的虚拟工作空间Z之外，并因此触发电源28的立即中断。由此降低了对防护壁S的要求，因为激光持久照射的风险显著降低。

可以理解的是，所示的通过上限O和下限U界定的虚拟工作空间的形状和大小仅仅是示例性的。根据本发明，例如也可以设置为，限度O、U作为加工扫描器44的当前偏转位置的函数而得以确定。也可以彻底省略下限U，因而容许距离值范围为从零至上限O。参照图2，也可以设置为，定义明显较大的上限O，从而使工件W在任何情况下都完全位于容许距离值范围Z之内。

图3示出了用于图1中的监测装置10的测量单元14的、替代的飞行时间传感器装置。可以再次看到发射测量光束脉冲18的激光二极管16。该测量光束脉冲穿过第一半透光分光器54。在此使测量光束光的限定的一部分转向第一光电二极管22的方向。接着，该测量光束脉冲18穿过第二分光器56，以便以上述方式，经由仅示意性示出的光学接口区域48进入未单独示出的加工光束光学装置34。

与前述实施方案相似，反射的测量光束分量24经由光学接口区域48回到测量单元14，并在此击中第二分光器56。于是反射的测量光束分量24被转向第二光电二极管22的方向。

通过该传感器装置也可以进行测量光束脉冲18的传播时间的测量，以监测容许距离值范围Z的遵守情况。为此，第一光电二极管22检测起始时间点，在该起始时间点第一次记录测量光束脉冲18的发射，而第二光电二极管22则检测反射的测量光束分量24在成功地在环境中反射之后的撞击时间点。测得的时间点的差是测量光束脉冲18向反射环境区域去以及从反射环境区域来的传播时间，并又可以换算成相应的距离值d。

图4示出了，借助根据图1所述的装置的工件加工的简化的示意图，以说明通过根据本发明的监测装置10进行的激光束38的聚焦位置的调节。可以再次看到示意性示出的激光焊接头20，其设置在非平面的工件W的对面。在此应以已知的方式这样调节焦点的位置，即，该焦点始终尽可能准确地定位在工件W的表面上。容许距离值范围Z的上限O相应地选择为，该上限基本上与工件表面相一致。监测装置10的运算单元12在此参考存在于加工系统内的加工信息，以使上限O持续地适应当前的加工状况。例如可以参考关于操纵激光焊接头20的关节型机器人的当前轴线位置的信息，以及工件W的形状和其在安全室50内的设置。当在示出的方向Y上沿工件表面移动激光焊接头20时，上限O因此持续调整为，其沿工件表面形成虚线所示的虚拟工作空间。

在所示的情况下，省略附加定义下限U。容许的值范围因此仅包含上限O的值。但也可以设置为，预设用于考虑公差的下限U，其中，该下限U相应地接近上限O。

其结果是，运算单元12的判定单元由此只将与当前选择的上限O一致的距离值d识别为容许。若测得的距离值d偏差于上限O，则运算单元12通过未单独示出的通信连接装置发送控制信号至激光加工系统，以便以已知的方式引发加工光束38的聚焦位置的调节。

为此，运算单元12可以进一步设置为，检测测得的距离值d是否超过或低于上限O，和/或检测相应的偏差的绝对值是多少。这些信息也可以在产生相应的控制信号时纳入考虑。

Claims (16)

1.一种用于加工系统的监测装置(10)，所述加工系统用于借助高能加工光束(38)加工工件(W)，尤其是用于在空间受限的加工区域内借助高能加工光束(38)加工工件(W)，

其中，所述监测装置(10)包括用于提供测量光束(18)的测量光束源(16)和用于检测由环境反射的测量光束分量(24)的记录单元(22)，

其中，所述监测装置(10)设置为，将所述测量光束(18)耦合进所述加工系统的加工光束光学装置(34)中，从而使所述测量光束(18)和所述加工光束(38)能够指向环境中的共同位置，

其中，所述监测装置(10)还设置为，依据测得的所述测量光束(18)的所述反射分量(24)得出至少一个距离值(d)，由所述距离值能够推导出所述加工光束光学装置(34)与反射所述测量光束(18)的环境区域(X)的距离，

并且其中，所述监测装置(10)还包括判定单元，所述判定单元用于判定测得的所述距离值(d)是否位于容许距离值范围(Z)内。

2.根据权利要求1所述的监测装置(10)，其中，所述距离值(d)的测定基于所述测量光束(18)的传播时间的测量进行，特别是其中，所述传播时间的测量通过飞行时间测量单元(14)进行，所述飞行时间测量单元包括所述测量光束源(16)和所述记录单元(22)。

3.根据前述权利要求任一项所述的监测装置(10)，其中，所述测量光束源(16)包括激光二极管和/或LED。

4.根据前述权利要求任一项所述的监测装置(10)，其中，所述记录单元(22)包括光电二极管。

5.根据前述权利要求任一项所述的监测装置(10)，其中，所述监测装置(10)设置为，依照由所述判定单元得出的判定结果影响所述加工系统的运行。

6.根据权利要求5所述的监测装置(10)，其中，所述监测装置(10)设置为，输出警告信号和/或引发所述加工系统输出警告信号。

7.根据权利要求5或6所述的监测装置(10)，其中，所述监测装置(10)设置为，限制或抑制所述加工系统的运行。

8.根据权利要求7所述的监测装置(10)，其中，所述监测装置(10)设置为，中断所述加工系统的电源(28)。

9.根据权利要求5至8任一项所述的监测装置(10)，其中，所述监测装置(10)设置为，产生用于调节所述加工光束(38)，且特别是用于调节所述加工光束(38)的聚焦位置的控制信号。

10.根据前述权利要求任一项所述的监测装置(10)，其中，依据当前的加工状况定义所述容许距离值范围(Z)，和/或依据当前的加工状况，通过所述监测装置(10)测得所述容许距离值范围。

11.根据前述权利要求任一项所述的监测装置(10)，其中，所述加工光束光学装置(34)包括至少一个共同的偏转装置(44)，所述测量光束(18)和所述加工光束(38)能够通过所述偏转装置指向共同的环境位置(X)。

12.根据权利要求11所述的监测装置(10)，其中，由所述监测装置(10)测得的所述距离值(d)涉及所述共同的偏转装置(44)和环境的所述反射区域(X)之间的距离。

13.根据前述权利要求任一项所述的监测装置(10)，其中，所述判定单元设置为，检测低于和/或超过所述容许距离值范围(Z)的情况。

14.根据前述权利要求任一项所述的监测装置(10)，其中，所述判定单元设置为，识别有关测得的所述距离值(d)的故障。

15.一种加工系统，其用于借助高能加工光束(38)加工工件(W)，

包括根据前述权利要求任一项所述的监测装置(10)。

16.一种用于监测加工系统的方法，所述加工系统用于借助高能加工光束(38)加工工件(W)，特别是借助根据权利要求1至13任一项所述的监测装置(10)，所述方法包括以下步骤：

-提供测量光束(18)；

-使所述测量光束(18)耦合进所述加工系统的加工光束光学装置(34)；

-调节所述加工系统的所述加工光束光学装置(34)，以使所述测量光束(18)射向环境中的位置(X)；

-检测由环境反射的测量光束分量(24)；

-依据检测的所述测量光束(18)的反射分量(24)得出至少一个距离值(d)，其中，由所述距离值(d)能够推导出所述加工光束光学装置(34)与反射所述测量光束(18)的所述环境区域(X)的距离；以及

-判定得出的所述距离值(d)是否在容许距离值范围(Z)内。