CN108367384A - 用于在热分离工件时识别即将发生的或已发生的切口损失的方法和装置 - Google Patents

Abstract

为了在热分离工件（208）时能够在分离期间就已识别可能的切口损失，根据本发明建议一种用于识别即将发生的或已发生的切口损失的方法，其中进行到切割区域中的能量输入，该方法包括以下方法步骤：a）对工件（208）施加第一交变信号，b）检测由该第一交变信号在与该工件（208）间隔的测量电极（207）中引起的第二交变信号，c）在输出相移信号的情况下，确定在第一和第二交变信号之间的相移，d）将相移信号与对于相移信号的预给定的上极限值和预给定的下极限值进行比较。

Description

用于在热分离工件时识别即将发生的或已发生的切口损失的 方法和装置

技术领域

本发明涉及一种用于在热分离工件时识别切口损失（Schnittabriss）的方法，其中在热分离工件时进行到切割区域中的能量输入。

此外，本发明还涉及用于在热分离工件时识别切口损失的装置。

本发明意义上的方法和装置被应用在工件的热分离中，例如应用于利用割炬、激光器或等离子切割器来切割板材。该方法和装置能够实现自动化地识别切口损失；它们因此尤其是能够使用在火焰切割机、等离子切割机或激光切割机中。

背景技术

在切割金属工件时，可能出现切割错误。常见的切割错误是切口损失，其特点是不完全形成的切割缝。通常在切口损失的情况下，待分离的工件在背离加工头的切割缝区域中不完全被熔融或者真正被切割的工件部分由于再固化的残渣而被重新相互连接。

如果切口损失没有或者太晚被注意到。则这可能导致对切割机、尤其是切割嘴的过强的磨损，在激光切割机的情况下甚至导致透镜断裂。没有被识别的切口损失因此经常引起机器的显著停机时间。因此原则上期望的是，鉴于错误切割来连续地监控切割过程，从而尽可能地避免切割机的损坏。

用于识别切口损失的已知方法大多使用光学传感器系统。通常这些传感器被布置为，使得其在切割缝的区域中能够检测穿过工件的辐射通过或者其被设计用于检测在加工工件时形成的等离子的光发射或散射辐射，其中所述散射辐射可能在切口损失的情况下通过在不完全切割的工件上的反射而形成。

针对该方法的前提是，使用光学传感器，所述光学传感器可以探测确定的射线部分和其强度的存在。但是光学传感器的使用要求一定的结构空间。此外，这些传感器要么被布置在工件附近，使得其在分离条件下暴露于高热负荷下；要么布置在与分离过程的一定间距处，使得传感器信号通常必须被放大。此外，光学传感器具有缺点：在光路中存在改变传感器信号的影响因素，例如喷嘴直径。

因此，存在对用于识别切口损失的简单方法的基本需求，所述方法无需光学传感器也行。

这种方法由DE 198 47 365 C2已知。并不设置光学检测系统而是设置一种LC振荡回路，其电容通过在加工头和工件之间存在的电容来确定。如果出现切口损失，则在热加工中形成的等离子体的一部分被保留在加工头和工件之间的间隙中。由此，在LC振荡回路中的电容改变。在间隙中的等离子体在LC发生器输出信号中产生跳跃式振幅上升，其用作对切口损失的指示。

在该方法中，切口损失识别基本上依赖于对LC发生器输出信号中的振幅上升的检测。但是，振幅大小受多个因素的影响，例如受在振荡回路中存在的电阻和间隙的大小、尤其是也受加工头和工件之间的间距的影响。经常，工件和加工头之间的小的间距变化就已经关联有振幅大小的改变。此外，LC发生器输出信号通常具有背景噪声，其使得切口损失的精确的、尤其是提早检测变得困难。

这尤其是适于较小的工件，因为其形状可以影响振荡回路的电容并且可以有助于LC发生器的输出信号与噪声信号叠加。尤其是，小的振幅大小和差的信噪比使得对潜在切口损失的尽可能提早的识别变得困难。

发明内容

因此本发明所基于的任务在于，说明一种用于识别即将发生的或已发生的切口损失的方法，其能够实现提早识别即将发生的切口损失。

此外，本发明所基于的任务在于，说明一种用于识别即将发生的或已发生的切口损失的装置，其能够实现提早识别即将发生的切口损失。

鉴于所述方法方面，上述任务按照本发明由此来解决，该方法包括方法步骤：

a）对工件施加第一交变信号，

b）检测由该第一交变信号在与该工件间隔开的测量电极中引起的第二交变信号，

c）在输出相移信号的情况下，确定在第一和第二交变信号之间的相移，

d）将相移信号与对于该相移信号的预先给定的上极限值和预先给定的下极限值进行比较，

其中，当该相移信号超过上极限值或者低于下极限值时，能量输入被改变。

本发明所基于的思想是，尽可能提早地识别切口损失的形成，所具有的目标是，采取合适措施以便抵制切口损失的完全形成。

按照本发明因此建议两种修改方案，其中之一涉及用于识别切口损失的改善的方法以及另一种涉及用于防止切口损失的合适的措施。

与具有LC振荡回路的已知方法不同，放弃对振幅信号的评估。代替地，按照本发明，使用用于识别切口损失的差测量方法，在其中应用两个信号并且确定其相对彼此的相移，即由测量电极输出的测量信号和该测量电极的测量信号所参照的参考信号。通过比较测量信号和参考信号的相位，生成相移信号。这是经校正的评估信号，测量误差在其中是被消除的，并且其具有特别好的信噪比。

为此目的，首先给该工件施加时间上变化的信号（第一交变信号）。优选，该第一交变信号是交流电压信号。该第一交变信号在与该工件有间距地布置的电极中产生第二交变信号，例如交流电流信号 ,其被用作测量信号，并且其相对于第一交变信号（参考信号）具有相移。已经表明：该相移信号取决于由测量电极和工件形成的电容。随着测量电极至工件的间距的增加，相移信号的数值也增大。在测量电极和工件之间的间距恒定时，该电容首先由电介质的介电常数来确定。因为在切口损失的情况下在测量电极和工件之间的间隙中以增多的方式形成等离子体，电介质的组分改变并且因此使由测量电极和工件形成的电容改变。同时，通过已改变的电容观察到相移信号的改变。

为了能够尽可能精确地检测相移，使用第一交变信号作为参考信号。通过将第一交变信号与第二交变信号进行比较来确定该相移。这里，已经证明适宜的是，为了确定相移，用作参考信号的第一交变信号首先被倒转，第一和第二交变信号的振幅相互协调并且补偿，并且第一和第二交变信号接着被相加。在该情况下，只要不存在相移，第一和第二交变信号就相互抵消。但是如果存在相移，则获得相移信号，其水平和方向依赖于相移。该相移信号在测量电极至工件的间距改变时改变以及在由于在间隙中等离子体的形成使电介质改变时改变。

此外，按照本发明还说明一些措施，利用这些措施可以对所识别的、即将发生的切口损失作出反应。切口损失的常见原因是：被引入到切割区域中的能量的量太小。这里，切割区域被理解为切割接缝的部分，为了使其熔融的目的而将能量引入到该部分。能量的量过小的原因例如可能是切割设备的错误位置、激光器的错误焦点位置、过高的工件材料强度、在之后的切割缝上过短的停留持续时间或者过高的切割速度。

与这些原因无关地，当提高能量输入、也即对于切割区域的每单位面积有更多能量可供使用时，则在多数情况下可以抵制切口损失。 这可以通过如下方式来实现：例如提高加工工具的切割功率、改变激光器的焦点位置或者降低分离速度。

所提到的措施有助于：在识别到即将发生的切口损失时，可对其进行抵制，从而可以避免切口损失、工件损坏和方法中断。由此，获得特别有效并且低成本的方法。

已经证明适宜的是：以分离速度进行热分离并且通过减小分离速度来改变能量输入。

分离速度是工件在切割方向上来看被分离的速度、也即切口延长的速度。其以毫米每分钟（mm/min）来说明。分离速度是可以快速并且简单地适配的参数。其适配因此能够实现对于切口损失的识别的快速反应。其此外能够简单地被调整，因为已知的切割机通常具有用于切割单元或工件的移动单元，利用该移动单元能够使得切割单元例如激光器切割头、火焰切割头或等离子切割头与工件表面相对彼此移动。

就此而论，已被证实为有利的是，逐级地减小分离速度。

为了能够有效地抵制即将发生的切口损失，经常需要对分离速度的快速适配。尤其是，分离速度的逐级减小关联有能量输入的快速提高。同时，可以监控对相移信号的改变的评估并且将其考虑作为用于分离速度的进一步逐级改变的基础。已经被证实为有利的是，分离速度首先以15%至40%范围中的百分比、优选以20%而相对于原始分离速度被减少，接着以级的方式根据相移信号被适配，所述级优选具有关于原始分离速度的在2%至10%范围中的级宽；特别优选以+/-5%的级被适配。

在该方法的优选的构型方案中规定：在分离速度减小之后，如果相移信号又处于下极限值和上极限值之间的范围中的话，则分离速度又被提高。

在到切割区域中的能量输入减少之后，相移信号规律地又回到如下值范围内，所述值范围处于上极限值和下极限值之间的范围内并且大致相应于在即将发生的切口损失之前的值范围。在该情况下，已经证明适宜的是，再次逐级地提高分离速度。由此，又可以回到原始的分离速度，从而保证经优化的、有效的分离过程。

在该方法的同样优选的构型方案中，改变能量输入，其方式是，停止工件的热分离。

对工件的热分离的中断同样适合用于，减小切割机的机器构件的损坏；这是一种要特别简单地执行的措施。

在该方法方式的适合的修改方案中还规定：在停止工件的热分离之后，自切口损失点起重新开始分离过程。

切口损失点是如下点，切口损失已在该点处开始出现。必要时可以要求：将切割射束移动回到切口损失点。

在该方法的另一优选的修改方案中规定：在热分离时，测量电极与工件的间距利用间距调节来被保持为预先给定的间距额定值，并且当相移信号超过上极限值或者低于下极限值时，将测量电极调整到预先给定的固定位置。

平坦的工件表面通常具有如下不平坦度，其可能损害切口损失方法的精度。但是在工件具有不同的工件高度的情况下，为了实现在相移信号中的良好的信噪比也期望的是，维持与工件的尽可能均匀的间距。被利用用于将测量电极间距调节至预先给定的额定值的间距调节有助于经改善的信噪比。但在即将发生的切口损失的情况下，对测量电极间距的同时的间距调节促使提高测量的不准确性，因为间距调节的精度通常也受到在切口损失情况下出现的等离子体的影响。为了在即将发生的切口损失的情况下优化在切口损失测量中的信噪比，在超过上极限值或低于下极限值的情况下，测量电极优选被调整到预先给定的、固定的高度位置，优选调整到在切口损失之前所设定的间距。由此减少间距引起的错误信号。

就此而论被证实为有利的是，在超过上极限值或者低于下极限值之前的时间间隔中从测量电极对于工件表面的高度值或者间距值中确定预先给定的固定高度位置。

从测量电极的在超过极限值其中之一紧之前的高度值或者间距值，能够以良好近似的方式来确定测量电极的优化的高度位置或优化的间距。

当相移信号超过上极限值或者低于下极限值时，优选输出警告信号。

警告信号的输出给操作人员指明潜在的或实际的切口损失。其有助于使得操作人员必要时，例如在没有成功避免切口损失的情况下手动地干预自动化的切割过程。

鉴于该装置方面，上面提到的任务通过用于在热分离工件时识别切口损失的装置来解决，该装置具有：交变信号发生器，用于产生第一交变信号；与工件间隔的测量电极，用于检测由交变信号在测量电极中引起的第二交变信号；鉴相器，用于确定在第一和第二交变信号之间的相移，其中鉴相器输出相移信号；以及用于将该相移信号与针对相移信号的预先给定的上极限值和预先给定的下极限值进行比较的电子电路，其中该电子电路被设计为，使得其在超过上极限值或者低于下极限值时改变能量输入。

该装置能够实现尽可能提早地识别潜在的切口损失并且采取合适的措施，以便抵制切口损失的完全形成。

为此设置交变信号发生器，其适合用于产生第一交变信号，该第一交变信号可以被施加给所述工件。该第一交变信号优选是交流电压信号。该第一交变信号在与该工件隔有间距地布置的电极中引起第二交变信号，该第二交变信号利用测量电极被检测，测量电极具有与工件的间距。第二交变信号例如交流电流信号和第一交变信号作为测量信号施加在鉴相器上，该鉴相器输出相移信号，从该相移信号能够导出这两个信号的相移。已经表明：相移取决于由测量电极和工件所形成的电容，其在测量电极和工件的恒定间距的情况下首先由电介质的介电常数来确定。因为在切口损失的情况下，在测量电极和工件之间的间隙中以增多的方式形成等离子体，因此电介质的组分改变并且因此使由测量电极和工件形成的电容改变。通过改变的电容实现了相移信号的改变。电介质的组分改变并且因此使由测量电极和工件形成的电容改变。同时，通过已改变的电容观察到相移信号的改变。

此外还设置电子电路，其被设计用于，鉴于超过或者低于预先给定的极限值来监控相移信号。所述电子电路在此被设计为，使得其在超过上极限值或者低于下极限值时改变到工件切割区域中的能量输入。

因为对于切口损失而言的通常原因是引入到切割区域中的能量的量太小，由此可以在大多数情况下通过改变能量输入来抵制切口损失，如果能量输入被提高、也即对于切割区域的每单位区域有更多的能量可供使用的话。

附图说明

下面根据实施例和两个附图来进一步描述本发明。具体地，以示意图形式：

图1示出根据本发明的切口损失识别装置的示意性电路图，和

图2示出图表，在图表中示出根据时间的相移直流电压信号。

具体实施方式

图1在区段A中示出根据本发明的切口损失识别装置的示意性电路图，整体上给其分配附图标记20。该装置20包括交变信号发生器200、测量电极207、反相器201、鉴相器202、控制单元203以及三个独立的电子电路204、205、206。

该装置20是激光切割机（未示出）的部分，其例如被用于切割由金属、优选由不锈钢、铝、铜或黄铜组成的平坦的工件208。

激光切割机包括：工作台，该工作台具有用于接纳工件208的支承面（未示出）；以及能够移动的激光加工单元（同样未示出），该激光加工单元具有激光切割头209。测量电极207被固定在激光切割头209上。为了调整激光切割头209与工件表面的预先给定间距，设置高度传感器（未示出），其确定激光切割头209的位置并因此确定测量电极207的位置。

下面根据上面描述的激光切割机来阐述根据本发明方法。

首先，给工件208施加交流电压信号。为此，交变信号发生器200生成交流电压信号，其施加在工件208上并且接着被用作参考信号。

交流电压信号在测量电极207中引起交流电流信号。这两个交变信号和具有相同的周期持续时间；但是它们在相位上不同，其中交流电流信号相对于第一交流电压信号以角度被相移。在此，相移的大小在此尤其取决于测量电极207与工件208的间距。借助测量电极207检测交流电流信号。

在正常的切割条件下，测量电极207与工件208的间距通过高度传感器（除了调节偏差之外）尽可能保持恒定。虽然由此得到的交流电流信号具有一定的噪声，但是显示出相对参考信号的时间上几乎恒定的相移。

为了确定该相移，首先借助反相器201使参考信号反相，也即相位旋转180°。反相器201提供经相位旋转的交流电流信号作为输出信号。

在鉴相器202上不仅施加经相位旋转的交流电流信号而且也施加经相移的交流电流信号作为输入信号。鉴相器202也包括整流器。如果交流电流信号和没有相对彼此相移，那么它们在相同的振幅大小情况下完全相互抵消。然而，在相移情况下，视和超前还是滞后而定地得到直流电压信号U_DC形式的正相移信号或负相移信号。该信号的数值是相角的度量，在其中这些信号的相位不同。为了能够简单地比较这些信号，可选地将施加在鉴相器202上的信号其中至少之一预先放大（未示出），以便使得这两个信号的振幅大小相互适配。

接着，由控制单元203将相移信号的U_DC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，通常不超过或低于这些极限值。但是如果出现切口损失，则在工件208的上侧上形成等离子体囊210。这种等离子体囊210决定性地由于高功率峰值输入耦合到工件208中而形成。

区段B示出激光切割头209、工件208和在切口损失情况下的等离子体囊210。

等离子体囊210引起在测量电极207和工件208上侧之间的电容的改变。此外，被分解的工件组成部分由于切割缝不再穿透材料而在喷嘴或者测量电极207的方向加速。由此得到信号和的经改变的相移。因为在测量电极207和工件208的上侧之间的电容由于变化的等离子体而在时间变化过程中改变并且波动，因此也作为鉴相器202的输出信号而获得波动的相移信号U_DC，其被用于探测切口损失。为此，由控制单元203鉴于超出上极限值或低于下极限值来监控该相移信号。在超过或者低于相应极限值的情况下：

-借助电子电路204减小分离速度；

-借助电子电路205将测量电极调整到预先给定的固定位置；和

-借助电子电路206来输出光学的和声学的警告信号。

图2示例性示出在良好切割时情况下（区段I）的、即将发生的切口损失情况下（区段II）的和在已发生的切口损失之后（区段III）的相移电压信号U_DC的时间变化过程。该相移信号用附图标记1来标出。

在切口损失之前，相移信号1具有在切割过程期间常见的噪声。但是，相移信号1在区段I中基本上是恒定的并且仅仅以小偏差在平均值附近波动。即将发生的切口损失导致相移信号1在区段II中的振荡直至在区段III中的完全偏转。

为了能够成功地抵制即将发生的切口损失以及由此避免切口损失，重要的是，尽可能提早地识别开始的切口损失。相移信号的使用尤其是在区段II中能够实现提早的切口损失识别。上极限值和下极限值被选择为，使得它们能够实现提早的识别。

Claims (11)

1.一种用于在热分离工件时识别即将发生的或已发生的切口损失的方法，其中在切割区域中进行能量输入，所述方法包括方法步骤：

a）对工件施加第一交变信号，

b）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引起的第二交变信号，

c）在输出相移信号的情况下，确定在第一和第二交变信号之间的相移，

d）将所述相移信号与对于所述相移信号的预先给定的上极限值和预先给定的下极限值进行比较，

其中，当所述相移信号超过所述上极限值或者低于所述下极限值时，所述能量输入被改变。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，以分离速度进行所述热分离并且通过减小所述分离速度来改变所述能量输入。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述分离速度逐级地减小。

4.如前述权利要求2或3之一所述的方法，其特征在于，在所述分离速度的减小之后，如果所述相移信号又处于下极限值和上极限值之间的范围中的话，则所述分离速度又被提高。

5.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，改变所述能量输入，其方式是，停止所述工件的所述热分离。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在停止所述工件的所述热分离之后，自切口损失点起重新开始分离过程。

7.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，在热分离时，所述测量电极与工件的间距利用间距调节来被保持为预先给定的间距额定值，并且当所述相移信号超过所述上极限值或者低于所述下极限值时，将所述测量电极调整到预先给定的固定高度位置。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在超过所述上极限值或者低于所述下极限值之前的时间间隔中，从所述测量电极对于工件表面的高度值或者间距值中确定预先给定的固定高度位置。

9.如前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，当所述相移信号超过所述上极限值或者低于所述下极限值时，输出警告信号。

10.一种用于在热分离工件时识别即将发生的或已发生的切口损失的装置，其中在切割区域中进行能量输入，所述装置具有：交变信号发生器，用于产生第一交变信号；与工件间隔的测量电极，用于检测由所述交变信号在所述测量电极中引起的第二交变信号；鉴相器，用于确定在所述第一交变信号和所述第二交变信号之间的相移，其中所述鉴相器输出相移信号；以及用于将所述相移信号与对于所述相移信号的预先给定的上极限值和预先给定的下极限值进行比较的电子电路，其中所述电子电路被设计为，使得所述电子电路在超过所述上极限值或者低于所述下极限值时改变所述能量输入。

11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，所述电子电路被设计为，使得所述电子电路在超过所述上极限值或者低于所述下极限值时停止所述工件的所述热分离。