CN107225337A - 用于在工件的热辅助刺穿时进行刺穿识别的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在工件的热辅助刺穿时进行刺穿识别的方法和装置，在所述方法中工件被加载有第一交变信号。为了以此为出发点提供对所实现的刺穿快速并且精确的识别的方法，根据本发明提出所述方法包括以下方法步骤：a）检测由所述第一交变信号在与工件间隔开的测量电极中所引起的第二交变信号；b）在输出相位偏移信号的情况下获取第一交变信号与第二交变信号之间的相位偏移；c）检测所述相位偏移信号或者由所述相位偏移信号所推导出的测量参量在预先给定的时间间隔内关于时间的变化曲线；其中借助于以下方面来识别所实现的工件刺穿：所述相位偏移信号或者由所述相位偏移信号所推导出的测量参量在所述时间间隔内处于预先给定的波动范围之内。

Description

用于在工件的热辅助刺穿时进行刺穿识别的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于在工件的热辅助刺穿时进行刺穿识别的方法，在所述方法中，所述工件被加载有第一交变信号。
此外，本发明涉及一种用于在工件的热辅助刺穿时进行刺穿识别的装置，所述装置具有用于产生第一交变信号的交变信号发生器。
背景技术
工件的热切割通常通过经过聚焦的激光射束和气体射流的组合使用来实现。在此根据分离机理在激光射束-熔化切割、激光射束-汽化切割或者激光-火焰切割之间进行区分。广泛传播的是所述激光射束-熔化切割。在此通过下述方式实现材料分离：材料通过激光射束在切割前部区域中的加热功率熔化并且通过切割气体射流的同时的脉冲传输而从切缝中排出。高功率激光器、尤其CO2激光器、纤维激光器、片状激光器和二极管激光器被使用，其中大多数使用圆偏振或者非偏振激光射束（zirkular polarisierte oderunpolarisierte Laserstrahlung），以避免在轮廓切割时吸收特性中的方向依赖性。
在刺入过程或者刺穿过程中，在所述工件中产生第一孔。在此，通常利用激光射束仅以脉冲运行的方式工作，以便尽可能快速地、同时却尽可能受保护地刺入到材料中。对所实现的刺穿的识别是难以解决的。在手动编程的刺入过程中，对于工件类型和工件厚度的每种特定的情况来说，将刺入参数包括典型的刺入持续时间保存在数据库中。但是由于不可预见的材料偏差和工序中的变化，所述刺入持续时间在此必须设有时间上的安全缓冲（Sicherheitspuffer）。所述安全缓冲应当确保：在生产运行中刺入开始与切割之间的时间不被选择得过短并且不生产废料。但是如果时间过长，那么不必要地延长了用于加工的总时间，并且尽管刺入过程原本已经结束仍向所述工件中引入其他工序能量。该能量可能改变材料的特性并且使可再生地维持不变的切割质量变得困难。
用于自动地识别所实现的刺穿的装置避免了该缺点。该装置例如拥有光学传感器，所述光学传感器检测在刺入过程中所反射的光线并且将反射光线在阈值之上的变化解释为所述刺入过程的结束。但是，光学传感器的使用需要一定的结构空间。此外，要么所述传感器布置在所述工件的近旁，从而使得所述传感器在分离条件下承受高的热负荷，要么所述传感器相对于分离工序以一定的间距来布置，这导致不利的信噪比，从而使得所述传感器的信号通常必须得到增强。此外，光学传感器具有下述缺点：在辐射过程中存在影响因素，所述影响因素改变传感器信号，所述影响因素例如是喷嘴直径。
DE 10 2010 039 525 A1描述了另一种途径，由DE 10 2010 039 525 A1公开了用于根据开头所提及的类型进行刺穿识别的方法和装置。为了自动地识别所述刺穿使用了电容式间距传感器，如所述电容式间距传感器也在切割过程期间用于无接触的间距测量那样并且在此确保在激光喷嘴与工件上侧面之间的间距。在电容式间距测量系统中，金属间距传感器和金属工件形成可变的电容器，所述可变的电容器被连接到LC-谐振电路中。如果所述工件被加载有第一交变信号，那么通过传感器与工件之间的间距来确定该电容器的电容。在所述刺穿的区域中经过所述工件时，由于突然的间距变化，所述间距传感器探测到：在所述工件中已经形成刺穿。
发明内容
在该方法中，所述刺穿识别基本上依赖于对LC-发生器-输出信号中的振幅升高的检测。但是，振幅大小被多个因素影响，例如被存在于所述谐振电路中的电阻和中间空间的大小影响，但是尤其被工件与传感器（所述传感器在下文中也被称为“测量电极”）之间的间距影响。
所述LC-发生器-输出信号通常具有背景噪声。以下事实加剧了上述现象：在刺入时在所述工件的上侧面上形成由加载的微粒构成的等离子体罩。所述等离子体的形成引起了对测量电极与工件上侧面之间的电容的干扰，这导致波动的电压信号。对此的另一个原因在于脱离的材料组成部分，所述脱离的材料组成部分从刺入口抛向所述测量电极的方向。
这使得对所述刺穿的精确的、尤其提早的检测变得困难。
因此，本发明基于以下任务，提供一种方法，所述方法实现对即将来临的或者所实现的刺穿的提早的识别。
此外，本发明基于以下任务，提供一种用于实施所述方法的装置。
关于所述方法，上面所提及的任务根据本发明通过一种方法得到解决，所述方法包括以下方法步骤：
a） 检测由所述第一交变信号在与所述工件间隔开的测量电极中所引起的第二交变信号；
b） 在输出相位偏移信号的情况下获取第一交变信号与第二交变信号之间的相位偏移；并且
c） 检测所述相位偏移信号在预先给定的时间间隔内关于时间的变化曲线或者由所述相位偏移信号所推导出的测量参量在预先给定的时间间隔内关于时间的变化曲线；
其中借助于以下方面来识别所实现的工件刺穿：所述相位偏移信号在所述时间间隔内处于预先给定的波动范围之内或者所述由所述相位偏移信号所推导出的测量参量在所述时间间隔内处于预先给定的波动范围之内。
本发明基于以下构思，尽可能提早地、优选还在形成刺穿中就识别刺穿。与已知的利用LC-谐振电路的方法不同，舍弃了对振幅信号的分析。换言之，根据本发明应用差分测量方法来进行刺穿识别。在所述差分测量方法中，使用两个信号并且确定所述两个信号彼此的相位偏移，这两个信号也就是测量信号和参考信号，所述测量信号由测量电极输出，所述测量电极的测量信号参照所述参考信号。通过比较测量信号和参考信号的相位，产生所述相位偏移信号。这是经过清理的分析信号，在所述经过清理的分析信号中消除了测量误差，并且所述经过清理的分析信号具有特别好的信噪比。
为了该目的，所述工件首先被加载有时间上可变的信号（第一交变信号）。所述第一交变信号优选是交变电压信号U 1 （t）。所述第一交变信号在相对于所述工件以一定的间距布置的电极中产生第二交变信号、例如交变电流信号I 1，φ （t），所述第二交变信号用作测量信号，并且所述第二交变信号相对于所述第一交变信号（参考信号）具有相位偏移。为了能够尽可能精确地检测所述相位偏移，将所述第一交变信号用作参考信号。所述相位偏移通过将所述第一交变信号与所述第二交变信号进行比较来获取。
已经显示出的是，所述相位偏移信号依赖于测量电极与所述工件之间所形成的电容。随着所述测量电极与所述工件的间距的增大，所述相位偏移信号的量值增大。在测量电极与工件的间距恒定时，所述电容尤其由电介质的介电常数确定。
等离子体罩在所述刺穿之前在测量电极与工件之间的中间空间形成，由于所述等离子体罩，所述电介质的组成并且由此测量电极的组成并且由此所述相位偏移信号都持续地变化。如果所述等离子体罩消失，那么所述电介质的组成不再变化并且所述相位偏移信号恒定。如果所述相位偏移信号在预先给定的时间间隔之内处于预先给定的波动范围之内，那么这用作所实现的刺穿的指示。
已经证明的是，用作参考信号的第一交变信号为了获取所述相位偏移而首先倒相，第一交变信号的和第二交变信号的振幅彼此相配合并且相适应，并且所述第一交变信号和所述第二交变信号随后相加。在这种情况下，只要不存在相位偏移，那么第一交变信号和第二交变信号抵消。但是如果存在相位偏移，那么获得相位偏移信号，所述相位偏移信号的大小和方向依赖于所述相位偏移。所述相位偏移信号在测量电极与工件的间距变化时并且在所述电介质由于中间空间中的等离子体形成部变化时发生变化。
为了避免由于间距变化而导致的相位偏移信号的错误，所述测量电极在热辅助刺穿期间优选与所述工件保持恒定的工作间距。
在此有利的是，在热刺穿之前，利用保持在工作间距的测量电极来确定初始-相位偏移信号值，并且所述预先给定的波动范围包括所述初始-相位偏移信号值。
优选在所述激光射束作用到所述工件之前获取所述初始-相位偏移信号值。
所述初始-相位偏移信号处于所述预先给定的波动范围之内，确切地说理想地处于所述预先给定的波动范围的中心。就此而言，下述处理方式是优选的，在所述处理方式中，所述预先给定的波动范围具有与所述初始-相位偏移信号值相对应的平均值，其中所述预先给定的波动范围处于关于所述平均值±5%到±15%的范围内。
已经证明的是，根据方法步骤c）来检测所述相位偏移信号在所述预先给定的时间间隔内的方差，所述方差被作为所推导出的测量参量。
但是，考虑到特别低的噪声和高的测量精度，已经证明为特别有利的是，根据方法步骤c）来检测所述相位偏移信号在所述预先给定的时间间隔内的关于时间的第一导数并且将所述第一导数用作所推导出的测量参量。
此外，也能够借助于本发明来识别还没有实现但是即将来临的刺穿并且必要时对其作出反应。该可行方案基于：所述等离子体罩能够在所述刺穿过程的进程中和所述刺入口中材料熔化增加的进程中完全或者部分地消失。由此改变所述等离子体罩对所述相位偏移信号的影响，所述相位偏移信号因此向明显更高和更低的电压偏移。该现象尤其在具有更大的材料厚度的工件的情况下变得明显，通常在10mm以上的材料厚度中变得明显。所述偏移向更高的还是向更低的电压进行，依赖于工件厚度并且依赖于材料类型。
考虑到上述情况，在特别优选的处理方式中规定，在所述工件的热辅助刺穿时借助于加工单元实现向刺入口中的能量输入，并且以下述方式实现对所述刺穿的监控：当根据方法步骤c）所检测的关于时间的变化曲线在预先给定的时间间隔内超过预先给定的最大波动范围时，或者当在根据方法步骤c）的关于时间的变化曲线中检测到峰值处于预先给定的最大峰值之上时，改变向所述刺入口中的能量输入。
在此，向所述刺入口中的能量输入在刺穿即将来临时被降低或者提高。如果所述能量输入被降低，那么所述工件受到保护并且获得更加干净的刺穿。如果所述能量输入被提高，那么所述刺穿过程得到加速。
能够改变向所述刺入口中的能量输入，其方式为：缩小或者增大加工单元与工件的间距。但是，该措施也改变了所述相位偏移信号，从而对所述能量输入的改变优选通过其他措施来实现。
对于所述加工单元包括激光器的情况来说例如已经证明的是，改变向所述刺入口中的能量输入，其方式为：改变所述激光器的聚焦位置、脉冲频率、功率和/或占空比。
与之相反，如果所述加工单元包括切割烧嘴，那么也能够通过下述方式来改变向所述刺入口中的能量输入，其方式为：提高或者降低气体压力、优选提高或者降低切割气体压力。
引入具有向所述刺入口中的降低的能量输入的相位可能导致通报使用者，以便向使用人员以视觉或者听觉的方式示出改变了的条件，从而能够在错误解释的情况下手动地进行干预。
关于用于在工件的热辅助刺穿时进行刺穿识别的装置，上面所提及的任务根据本发明通过对开头所提及的类型的装置的改进得到解决，所述装置包括：与所述工件间隔开的测量电极，所述测量电极用于检测由所述第一交变信号所引起的第二交变信号；相位鉴别器，所述相位鉴别器用于获取所述第一交变信号与所述第二交变信号之间的相位偏移，所述相位鉴别器输出相位偏移信号，并且其中电子电路被设置用于检测所述相位偏移信号关于时间的变化曲线或者由所述相位偏移信号所推导出的测量参量关于时间的变化曲线并且以下述方式来设计：当所述相位偏移信号或者所述由所述相位偏移信号所推导出的测量参量在预先给定的时间间隔内处于预先给定的波动范围之内时，鉴定为工件刺穿。
所述装置实现了对即将来临的或者所实现的刺穿的提早的识别。为此设置了交变信号发生器，所述交变信号发生器适用于产生第一交变信号，能够利用所述第一交变信号来加载所述工件。所述第一交变信号优选是交变电压信号U 1 （t）。所述第一交变信号在相对于所述工件以一定的间距布置的电极中产生第二交变信号，所述第二交变信号利用测量电极来检测，所述测量电极与所述工件具有间距。所述第二交变信号、例如交变电流信号I 1，φ （t）和所述第一交变信号U 1 （t）作为测量信号施加在相位鉴别器处，所述相位鉴别器输出所述相位偏移信号，从所述相位偏移信号中能够推导出两个信号的相位偏移。已经显示出的是，所述相位偏移依赖于由所述测量电极和所述工件所形成的电容。在测量电极与工件的间距恒定时，所述电容尤其由所述电介质的介电常数确定。
因为在所述刺穿之前在测量电极与工件之间的中间空间中形成等离子体，所以所述电介质的组成发生变化，并且由此由测量电极和工件所形成的电容发生变化。通过改变了的电容实现了对所述相位偏移信号的改变。在实现刺穿时，所述等离子体罩消失，并且所述相位偏移信号恒定。因此，所述电子电路以下述方式来设计：使得所述电子电路监控所述相位偏移信号关于时间的变化曲线，并且当所述相位偏移信号在预先给定的时间间隔期间处于同样预先给定的波动范围之内时，所述电子电路作为对所实现的刺穿的指示来评估所述相位偏移信号关于时间的变化曲线。
所述测量电极接近于真正的切割工序，这对信噪比产生有利的影响。所述装置尤其被设计用于实施根据本发明的方法，从而使得与此有关的阐述也适用于根据本发明的装置。
附图说明
在下文中，本发明借助于实施例和附图得到进一步描述。其中详细地示出了：
图1示出了根据本发明的用于刺穿识别的装置的结构示意图；
图2示出了第一曲线图，在所述第一曲线图中示出了相位偏移信号依赖于时间的情况；
图3示出了第二曲线图，在所述第二曲线图中示出了相位偏移信号依赖于时间的情况；
图4为了阐述用于刺穿识别的方法而以时间的顺序示出了由工件和用于刺穿识别的装置构成的组件在刺穿之前、刺穿期间和刺穿之后的情况；
图5示出了具有根据本发明的用于刺穿识别的装置和屏蔽元件的激光切割头；
图6示出了根据本发明的用于刺穿识别的装置的示意图，所述装置也能够用于切割断裂识别；
图7示出了在切割断裂的情况下图6的示意图的截取区段；
图8示出了曲线图，在所述曲线图中示出了相位偏移-直流电压-信号在切割过程中依赖于时间的情况。
具体实施方式
在图1中示意性地示出的用于刺穿识别的装置总共配备有附图标记20。装置20包括交变信号发生器200、测量电极207，倒相器201、相位鉴别器202和电子电路250，所述电子电路被设计用于识别所实现的刺穿。
所述装置20是激光切割机器的部分，并且所述装置在对工件208进行热加工时用于监控向所述工件208中的刺穿过程并且用于在所述刺穿过程期间操控所述激光切割机器。所述激光切割机器包括可动的激光加工单元（未示出）,所述激光加工单元具有激光切割头209，在所述激光切割头处固定有所述测量电极207。为了调设所述激光切割头209与工件表面的预先给定的间距，设置了高度传感设备（未示出），所述高度传感设备确定所述激光切割头209的位置和由此确定所述测量电极207的位置。
在下文中借助于所描述的激光切割机器来阐述根据本发明的方法。
在刺穿过程开始之前，在第一步骤中以下述方式将所述测量电极207定位在所述工件208上方：使得所述工件表面和所述测量电极207相对彼此具有大约下述间距，所述间距与在所述刺穿过程期间推测的稍后的工作间距相对应。
所述交变信号发生器200产生交变电压信号U 1 （t），所述交变电压信号施加在所述工件208处。该交变电压信号U 1 （t）及其电场引起：在所述测量电极207中产生第二交变信号，也就是交变电流信号I 1，φ （t）。两个交变信号U 1 （t）和I 1，φ （t）具有相同的周期持续时间；但是，它们的区别在于相位，其中所述交变电流信号I 1，φ （t）以角度φ为幅度相对于所述第一交变电压信号U 1 （t）进行相位偏移。相位偏移的大小在此尤其依赖于所述测量电极207与所述工件208的间距。
随后，在第二步骤中基于实际的测量信号获取相位偏移的初始值。该值在下文中被称为“初始-相位偏移信号值”。为了获取所述初始-相位偏移信号值，首先借助于所述倒相器201来使所述参考信号U 1 （t）倒相，即以180°为幅度进行相位旋转。所述倒相器201提供经过相位旋转的交变电流信号I 1，inv （t）作为输出信号。
作为输入信号，在所述相位鉴别器202处不仅施加有所述经过相位旋转的交变电流信号I 1，inv （t），而且还施加有经过相位偏移的交变电流信号I 1，φ （t）。如果所述交变电流信号I 1，φ （t）和I 1，inv （t）相对于彼此没有相位偏移，那么所述交变电流信号在振幅大小相同的情况下完全抵消。但是在相位偏移的情况下，根据：I 1，φ （t）超前还是滞后于I 1，inv （t），产生正的或者负的相位偏移信号，所述相位偏移信号在此以直流电压信号UDC的形式作为所述相位鉴别器202的输出信号而存在。所述信号的量值是相位角△φ的量度，所述信号I 1，φ （t）、I 1，inv （t）的相位的区别在于所述相位角。为了实现对所述信号I 1，φ （t）、I 1，inv （t）的简单的比较，可选地对施加在所述相位鉴别器202处的信号中的至少一个信号进行预先增强，以便使得两个信号I 1，φ （t）、I 1，inv （t）的振幅大小彼此匹配。
如此获取的初始-相位偏移信号值由所述电子电路250存储并且随后在考虑公差值的情况下用于确定预先给定的波动范围，所述预先给定的波动范围用于随后的工件刺穿识别。机器控制部的高度传感设备在此被解除激活，从而使得测量电极207与工件208之间的间距保持恒定。
在检测到所述初始-相位偏移信号值之后，开始所述刺穿过程。在此，以激光射束的形式实现向稍后的刺穿的工件区域中的能量输入。所述激光射束在所述激光切割头中聚焦。通过向所述工件208中的能量输入，该工件在稍后的刺穿的区域中被熔化。在此，在所述工件208的上侧面上产生由电加载的微粒构成的等离子体罩。该等离子体罩引起了测量电极207与所述工件208的上侧面之间的电容的变化。此外，工件208相对于所述测量电极207的间距发生变化并且脱离的工件组成部分能够朝所述测量电极207的方向加速。所有这些都促使：在所述刺穿过程期间，所述信号I 1，φ （t）相对于所述参考信号I 1，inv （t）的相位偏移持续地发生变化。因为测量电极207与所述工件208的上侧面之间的电容由于可变的等离子体而随着时间发生变化，所以在所述刺穿过程期间，获得剧烈波动的相位偏移信号UDC 作为所述相位鉴别器202的输出信号。
一旦实现了穿过所述工件208的刺穿，所述等离子体罩就消失，由此所述相位偏移信号突然变为几乎恒定的信号值。在刺穿之后，所述相位偏移信号的基本上恒定的信号值基本上与所述初始-相位偏移信号值相对应，从而借助于所述相位偏移信号及其变化曲线不仅能够根据所述值的恒定性而且能够根据所述值的量值来可靠地识别刺穿。为此，由所述电子电路250检测并且分析所述相位偏移信号在时间间隔内关于时间的变化曲线。为了该目的，所述电子电路250以下述方式来设计：当在由所述电子电路所分析的200ms的时间间隔内所述相位偏移信号处于围绕着所述初始-相位偏移信号值±10%的预先给定的波动范围之内时，识别出所实现的刺穿。
如果是这种情况，那么所述电子电路250例如输出视觉的和/或听觉的提示信号，并且所述电子电路而后从所述刺穿开始启动切割过程，或者所述电子电路结束所述刺穿过程。
图2示例性地示出了在使用图1中的装置的情况下在穿过实心材料刺穿时相位偏移-电压信号UDC（以V为单位）关于时间t（以秒为单位）的典型的变化曲线，所述实心材料由具有10mm的材料厚度的不锈钢制成。
所述信号变化曲线总体上配备有附图标记10。在图2的示图中，所述信号变化曲线被划分成多个区段a、b、c。区段a表示下述信号区段，所述信号区段与所述测量电极207到最初估计的工作高度上的移动相对应。如果所述测量电极207已经到达该工作高度，那么所述装置提供恒定的相位偏移信号值，所述相位偏移信号值由所述电子电路250检测作为初始-相位偏移信号值。在所述信号变化曲线10中，该恒定的信号值用附图标记11来表示。
所述信号变化曲线10的区段b表示所述刺穿过程。在此，尤其由于高电功率的耦合，在所述工件的上侧面上产生等离子体罩，所述等离子体罩伴随着电容变化和具有高噪声的波动的相位偏移信号。
如果实现了所述刺穿（区段c），那么所述相位偏移信号明显下降并且所述噪声消失，从而探测到稳定的、时间上大约恒定的相位偏移信号。
由此能够借助于以下方面来识别所述刺穿：所述相位偏移信号10具有小的波动宽度，也就是在时间间隔内、在预先给定的时间间隔内处于预先给定的波动范围之内，并且能够借助于以下方面来识别所述刺穿：所述相位偏移信号下降到所述初始-相位偏移信号值11。两个标准在共同考虑的情况下共同提供了关于刺穿的相对快速并且可靠的结论。
为了预先给定所述波动范围，考虑之前所获取的初始-相位偏移信号值。该初始-相位偏移信号值在图2中通过虚线12来表示并且为有待期望的目标值提供了良好的近似值。在实施例中，所述预先给定的波动范围处于围绕着所述初始-相位偏移信号值±10%的范围中。
图3示出了所述相位偏移-电压信号UDC（以V为单位）的另一个关于时间t（以秒为单位）的变化曲线30 ，如所述相位偏移-电压信号在刺穿由具有15mm的材料厚度的不锈钢制成的实心材料时已经被测量的那样。
在此，所述测量电极（207）和所述激光切割头最初已经与所述工件表面保持固定的位置；也就是具有大约3.5mm的工作间距。所述相位偏移-电压信号UDC关于时间的变化曲线30能够识别出三个区段x、y、z，所述三个区段在下文中进一步得到描述。
区段x（对应于图2的曲线图中的相位区段a）描述了所述相位偏移信号，如所述相位偏移信号在所述测量电极和所述激光切割头移动到所述工作高度中时所获得的那样。区段x中的信号变化曲线与所述测量电极相对于所述工件表面的间距变化相关联。
一旦到达所述工作高度和所述恒定的信号值11，那么开始向所述工件的刺穿区域中的能量输入。为此使用脉冲式激光器，所述脉冲式激光器在占空比为25%和脉冲频率为70Hz的情况下具有4KW的功率。
由于所述能量输入在所述工件表面上形成等离子体罩。如已经在图2中所描述的那样，这导致具有高背景噪声的波动的相位偏移信号。
但是，如果从所述区段y的整体来看该区段y，那么所述相位偏移信号在变化曲线中显示出向更低的电压的漂移。尤其能够识别出两个子域y1、y2，所述两个子域的区别在于在其相位偏移平均值。在所述子域y1中，等离子体形成部基本上在所述工件表面处进行。但是，随着时间的推移，出现了所述刺穿区域中的材料熔化增加并且随之出现了所述等离子体形成部和所述等离子体罩朝工件中心的方向进行空间偏移。由此，所述等离子体罩对所述相位偏移信号的影响发生变化，从而使得该相位偏移信号向更低的电压偏移（区域y2）。这种现象在具有更大的材料厚度的工件中表现得特别剧烈，通常在10mm以上的材料厚度中表现得特别剧烈。
所述相位偏移信号在区域y2中的变化能够有利地用于对激光器的操控。通过在所述刺穿过程的进程中所述等离子体罩在空间上朝向所述工件中心偏移这种方式，能够在出现更大的相位偏移信号波动和/或相位偏移信号漂移的情况下匹配所述激光器的功率参数或者优选以下述方式改变对所述激光器的操控：使得根据改变了的等离子体位置来追踪激光器的聚焦位置。这例如能够以下述方式实现：
a）降低工作高度，或者
b）优选改变所述聚焦位置，例如使所述聚焦位置朝工件下侧面的方向偏移。
作为替代方案，也能够改变所述激光器本身的功率、所述激光器的脉冲频率、占空比或者气体压力。
上述措施促使实现特别高的刺穿质量。
在图4A-4E中为了阐述用于刺穿识别的方法而以时间的顺序示出了由工件和用于刺穿识别的装置构成的组件在刺穿之前、刺穿期间和刺穿之后的情况。
图4A示出了由工件208和激光切割头209构成的组件，在所述激光切割头处安置有测量电极207。图4A中的组件检测所述初始-相位偏移信号值。为此，所述激光切割头209处于工作高度，没有进行向所述工件中的能量输入。
在所述工件208处施加有交变电压信号 U 1 （t） ，所述交变电压信号在所述测量电极207中产生经过相位偏移的第二交变信号，也就是所述交变电流信号I 1，φ （t）。两个交变信号 U 1 （t） 和I 1，φ （t）以所述初始-相位偏移信号值的获取为基础。
图4B示出了该相同的组件在借助于激光射束400向所述工件208中进行能量输入期间的情况。在所述工件208的上侧面404上已经形成了等离子体罩210。所述等离子体罩210对所述交变信号U 1 （t）和I 1，φ （t）的相位偏移有影响并且由此对所述相位偏移信号有影响。所述相位偏移信号作为所述间距A的量度在该方法步骤期间显示出一定的噪声，如例如在图2中区段b或者在图3中区段y中所示出的那样。
如图4C所示出的那样，在所述刺穿过程期间，越来越多地形成向所述工件208中的刺入部403。在此，切割点401远离所述测量电极207朝工件下侧面402的方向转移。同时下述高度降低，所述等离子体罩210以所述高度伸出所述工件208的上侧面404；表面上的间距A又变得更大。该过程伴随着所述相位偏移信号的漂移。这种漂移例如可以在图3、区段y2的相位偏移信号30中识别。如果在所述相位偏移信号中识别出漂移，那么能够将这用作所述激光器的重新聚焦的基础。
图4D示出了图4C中的组件，在所述组件中所述激光射束400的聚焦位置朝所述工件下侧面402的方向偏移。这种聚焦位置的匹配具有下述优点：获得特别高的切割质量。
在图4E中实现了所述刺穿。所述激光射束400在所述刺穿的区域中无阻碍地经过所述工件。
在图5中详细地示出了所述激光切割头209。所述激光切割头209细分成上部501和下部502。所述上部501与激光切割机器（未示出）的地线相连接。所述下部502包括切割喷嘴504和安置在所述切割喷嘴处的测量电极207。如果在工件208处施加有交变电压，那么该交变电压在所述测量电极207中产生经过相位偏移的交变信号。因为所述激光切割头209的上部与所述激光切割机器的地线相连接，所以必要的是：所述激光切割头209的上部501和下部502通过绝缘部503彼此电分离。
所检测到的相位偏移信号的精度可能被所述工件208的不规则性或者外部电容损害。不规则性在该意义下例如可能由工件棱边、工件形状或者工件的截取区段引起。外部电容例如可能在下述方面找到原因：在所述刺穿过程期间所述激光切割头209的倒棱位置（Fasenlage）并且由与此相关联的所述激光切割头209向所述工件208处的接近。该效应可能损害对工件刺穿的精确的检测。
为了使这种对测量结果、在此是所述相位偏移信号的影响最小化，所述激光切割头209设有屏蔽元件506。所述屏蔽元件506构造为屏蔽电极并且配属于所述切割喷嘴504。所述屏蔽元件是锥状的并且沿着所述切割喷嘴的侧面包围所述切割喷嘴504。这具有下述优点：所述激光切割头209也能够布置在已经经过切割的内轮廓上方或者布置在工件棱边的近旁，而它们不会显著损害所述测量结果。此外，所述激光切割头209相对于所述工件208的位置能够在所述刺穿过程期间被改变，而不会由此显著损害对所述刺穿的检测。
之前所描述的根据本发明的装置能够同时用于识别切割断裂（Schnittabriss）。例如，紧接着所述刺穿过程直接是切割过程。在这种情况下，所述装置能够用作切割断裂识别装置。
图6示出了图1中的根据本发明的装置20的示意图，所述装置被用作切割断裂识别装置。
所述装置20包括交变信号发生器200、测量电极207、倒相器201、相位鉴别器202、控制单元203以及三个独立的电子电路204、205、206。
所述装置20是激光切割机器（未示出）的部分，如所述激光切割机器例如用于切割由金属优选不锈钢、铝、铜或者黄铜制成的平坦的工件208那样。
在下文中借助于上面所描述的激光切割机器来阐述所述切割断裂识别方法。
首先所述工件208被加载有交变电压信号U 1 （t）。为此，所述交变信号发生器200产生所述交变电压信号U 1 （t），所述交变电压信号施加在所述工件208处并且随后被用作参考信号。
所述交变电压信号U 1 （t）在所述测量电极207中引起交变电流信号I 1，φ （t）。两个交变信号U 1 （t）和I 1，φ （t）具有相同的周期持续时间；但是，两个交变信号的区别在于相位，其中所述交变电流信号I 1，φ （t）以角度φ为幅度相对于所述第一交变电压信号U 1 （t）进行相位偏移。所述相位偏移的大小在此尤其依赖于所述测量电极207与所述工件208的间距。借助于所述测量电极207来检测所述交变电流信号I 1，φ （t）。
在正常的切割条件下，测量电极207与所述工件208之间的间距通过所述高度传感设备——不考虑正常偏差——尽可能保持恒定。尽管由此引起的交变电流信号I 1，φ （t）具有一定的噪声，但是相对于所述参考信号U 1 （t）表现出时间上几乎恒定的相位偏移。
为了获取所述相位偏移，首先借助于所述倒相器201来使所述参考信号U 1 （t）倒相，即以180°为幅度进行相位旋转。所述倒相器201提供经过相位旋转的交变电流信号I 1，inv （t）作为输出信号。
作为输入信号，在所述相位鉴别器202处不仅施加有所述经过相位旋转的交变电流信号I 1，inv （t），而且还施加有所述经过相位偏移的交变电流信号I 1，φ （t）。所述相位鉴别器202还包含整流器。如果所述交变电流信号I 1，φ （t）和I 1，inv （t）相对于彼此没有相位偏移，那么该交变电流信号在振幅大小相同的情况下完全抵消。但是在相位偏移的情况下，根据：I 1，φ （t）超前还是滞后于I 1，inv （t），产生正的或者负的相位偏移信号，所述相位偏移信号的形式为直流电压信号UDC。所述信号的量值是相位角△φ的量度，所述信号的相位的区别在于所述相位角。为了实现对所述信号的简单的比较，可选地对施加在所述相位鉴别器202处的信号中的至少一个信号进行预先增强（未示出），以便使得两个信号的振幅大小彼此匹配。
随后，由所述控制单元203将所述相位偏移信号UDC与预先给定的上极限值和下极限值进行比较。
在正常的切割运行中通常不会超过或者低于所述极限值。但是，如果出现切割断裂，那么在所述工件208的上侧面上产生等离子体罩210。该等离子体罩210决定性地通过向所述工件208中的高功率峰值的耦合而产生。
图7示出了在切割断裂的情况下的激光切割头209、所述工件208和所述等离子体罩210。在此所产生的等离子体罩210引起了测量电极207与所述工件208的上侧面之间的电容的变化。此外，由于不再穿过材料的切缝，脱离的工件组成部分朝所述喷嘴或者说所述测量电极207的方向加速。由此引起所述信号I 1，φ （t）和I 1，inv （t）的改变了的相位偏移。因为测量电极207与所述工件208的上侧面之间的电容由于可变的等离子体而随着时间变化和波动，所以也获得波动的相位偏移信号UDC作为所述相位鉴别器202的输出信号，所述相位偏移信号用于探测所述切割断裂。为此，所述相位偏移信号由所述控制单元203针对超过上极限值或者低于下极限值来监控。在超过或者低于相应的极限值的情况下：
-借助于所述电子电路204来降低分离速度；
-借助于所述电子电路205来将所述测量电极调设到预先给定的固定的位置；并且
-借助于所述电子电路206来输出视觉的和听觉的警告信号。
图8示例性地示出所述相位偏移-电压信号UDC在切割良好时（区段I）、在切割断裂正在发生时（区段II）和在实现切割断裂之后（区段III）关于时间的变化曲线。所述相位偏移信号用附图标记80来表示。
在所述切割断裂之前，所述相位偏移信号80具有在所述切割过程期间普遍的噪声。因此，区段I中的相位偏移信号1基本上恒定并且仅以围绕着平均值微小的偏差波动。正在发生的切割断裂导致区段II中的相位偏移信号80跃起直到区段III中的全振幅（Vollausschlag）。
为了能够有成效地反作用于正在发生的切割断裂并且由此为了避免切割断裂重要的是：尽可能提早地识别正在开始的切割断裂。所述相位偏移信号的使用尤其在区段II中实现了提早的切割断裂识别。所述上极限值Ulim,1和所述下极限值Ulim,2以下述方式来选择：使得所述上极限值和下极限值能够实现提早的识别。

Claims (11)

1.用于在工件（208）的热辅助刺穿时进行刺穿识别的方法，在所述方法中，所述工件（208）被加载有第一交变信号，其特征在于以下方法步骤：
a）检测由所述第一交变信号在与所述工件（208）间隔开的测量电极（207）中所引起的第二交变信号；
b）在输出相位偏移信号（10；30）的情况下获取第一交变信号与第二交变信号之间的相位偏移；
c）检测所述相位偏移信号（10；30）在预先给定的时间间隔内关于时间的变化曲线或者由所述相位偏移信号所推导出的测量参量在预先给定的时间间隔内关于时间的变化曲线；
其中借助于以下方面来识别所实现的工件刺穿：所述相位偏移信号（10；30）在所述时间间隔内处于预先给定的波动范围之内或者所述由所述相位偏移信号所推导出的测量参量在所述时间间隔内处于预先给定的波动范围之内。
2.按权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测量电极（207）在所述热辅助刺穿期间与所述工件（208）保持恒定的工作间距。
3.按权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述热辅助刺穿之前，利用保持在工作间距的所述测量电极（207）来确定初始-相位偏移信号值，并且所述预先给定的波动范围包括所述初始-相位偏移信号值。
4.按权利要求3所述的方法，其特征在于，所述预先给定的波动范围具有与所述初始-相位偏移信号值相对应的平均值，其中所述预先给定的波动范围处于关于所述平均值±5%到±15%的范围内。
5.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据方法步骤c）来检测所述相位偏移信号（10；30）在所述预先给定的时间间隔内的方差，所述方差被作为所推导出的测量参量。
6.按权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据方法步骤c）来检测所述相位偏移信号（10；30）在所述预先给定的时间间隔内的关于时间的第一导数并且将所述第一导数用作所推导出的测量参量。
7.按权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述工件（208）的热辅助刺穿时借助于加工单元实现向刺入口中的能量输入，并且以下述方式实现对所述刺穿的监控：当根据方法步骤c）所检测的关于时间的变化曲线在预先给定的时间间隔内超过预先给定的最大波动范围时，或者当在根据方法步骤c）的关于时间的变化曲线中检测到峰值处于预先给定的最大峰值之上时，改变向所述刺入口中的能量输入。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述加工单元包括激光器时，改变向所述刺入口中的能量输入，其方式为：改变所述激光器的聚焦位置、脉冲频率、功率和/或占空比。
9.按权利要求7所述的方法，其特征在于，当所述加工单元包括切割烧嘴时，改变向所述刺入口中的能量输入，其方式为：改变气体压力。
10.按权利要求9所述的方法，其特征在于，所述气体压力是切割气体压力。
11.用于在工件（208）的热辅助刺穿时进行刺穿识别的装置（20），所述装置具有用于产生第一交变信号的交变信号发生器（200），其特征在于，所述装置包括：与所述工件（208）间隔开的测量电极（207），所述测量电极用于检测由所述第一交变信号所引起的第二交变信号；相位鉴别器（202），所述相位鉴别器用于获取所述第一交变信号与所述第二交变信号之间的相位偏移，所述相位鉴别器输出相位偏移信号（10；30），并且电子电路（250）被设置用于检测所述相位偏移信号（10；30）关于时间的变化曲线或者由所述相位偏移信号所推导出的测量参量关于时间的变化曲线并且以下述方式来设计：当所述相位偏移信号（10；30）或者所述由所述相位偏移信号所推导出的测量参量在预先给定的时间间隔内处于预先给定的波动范围之内时，鉴定为工件刺穿。
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