CN110125534B - 用于监测防护玻璃的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对激光加工头内的防护玻璃(8)的监测，此防护玻璃承受灰尘、烟尘和/或污染(9)，目的在于，实现对防护玻璃(8)的污染的预报。为此，在捕捉时间点分别捕捉图块(19)，借助基于频率分析的压缩算法存储计算机可读的图像数据，并且为每个图像数据基于其数据大小确定数据大小数值(kB)。如果预先设定的最低数量的、时间上间接或直接彼此相继的捕捉时间点的数据大小数值(kB)降低和/或分别低于预先设定数量的阈值(20)之一，则产生信号。

Description

用于监测防护玻璃的方法
技术领域
本发明涉及一种用于针对使得防护玻璃需要清洁或替换的污染监测激光加工设备的激光加工头上的防护玻璃的方法，此激光加工设备例如用于借助激光束接合工件。
背景技术
在接合时，例如熔焊或钎焊时，或者在借助激光束切割工件时，通常产生溅射或废气，其可能污染激光加工头，尤其污染用于将激光束输出到工件上的玻璃。一方面，增长的模糊性降低为加工过程提供的激光功率。另一方面，附着的溅射物可能偏转和/或散射激光束，其中，由溅射物所容纳或吸收的激光能量可能导致防护玻璃的损伤(例如熔化、凹陷和裂纹)或者断裂。
由现有技术中已知对防护玻璃的监测，其测量防护玻璃的温度并在超过温度阈值时生成故障信号。例如，在EP 1 310 782 A1中公开了，通过测量电阻而获取温度。在DE 102004 006 565 A1中提出，测量光学元件的长度变化并接着由长度变化得知温度改变。
此种监测的缺点在于，由于玻璃的导热性差而引起的延迟时间以及与环境温度的相关性，也就是说，在寒冷环境中监测可能响应过慢，因为相比于温暖的环境，需要更高的污染程度才能触发故障信号。
在DE 10 2016 123 000 B3中已知一种与环境温度无关地运行的防护玻璃监测方法。在此，评价通过激光的开关引起的防护玻璃的温度变化。
此外，已知基于散光测量的系统。但是，借助散光测量的污染监测既显示出与污染类型(吸收或反射测量光)的相关性，又显示出与污染在防护玻璃上的位置的相关性。将散光与过程中产生的干扰光分开也可能是困难的，因此，此种监测可能不可靠。
此外，DE 203 14 918 U1描述了一种用于监测激光透镜的防护玻璃的断裂和/或污染的设备，其中，设置至少一个布置在防护玻璃的端面周围的、与评价装置相连的光探测器，其对应于至少一个电磁辐射源，该电磁辐射源的电磁辐射通过防护玻璃的端面耦合。但是，此设备仅测量在玻璃内产生的干扰，而难以探测到表面的污染。
热量和光学的方法普遍需要额外的、安装在防护玻璃上的装置用于监测，例如温度传感器或光传感器。
发明内容
本发明的目的在于，避免上述缺点，如污染监测与室温的相关性，其中，应实现一种可用于任何类型的(吸收光的)污染的、用于监测防护玻璃的方法，其既抗干扰、又由于省却了额外的工具而成本低廉。
本发明的目的通过具有独立权利要求1的特征的方法实现。本发明的其他有利的实施形式由从属权利要求中给出。在权利要求9中描述了尤其有利的应用。
根据本发明，提供的用于针对污染监测激光加工设备的防护玻璃的方法包含，借助图像捕捉系统在激光加工过程期间、在预先设定的捕捉时间点捕捉整个待加工的工件表面的、或者工件表面限定区域的图像。
下文中，概念“图块”用于工件表面或局部区域本身的照片。
因此，分别以预先设定的、优选规律的时间间隔，例如一分钟的时间间隔捕捉图块，并与捕捉时间一同存储。在此，捕捉防护玻璃背后的图块，也就是说，防护玻璃布置在用于捕捉图块的图像捕捉系统与工件之间。
工件必须在待捕捉的图块区域中具有光辐射，此光辐射使得工件表面上的结构可见。其中，光辐射普遍地理解为能够由图像捕捉系统所探测到的电磁辐射。此光辐射可能通过照射到工件上的外部光、例如环境光的反射引起。光辐射也可由工件的自发光引起，工件例如加热至发出充足的、处于图像捕捉系统能够探测到的频率范围内的电磁辐射的温度。
图块具有预先设定的几何形状和尺寸，其优选在整个监测持续期间保持恒定。
根据本发明，捕捉的每个图块以计算机可读的图像数据的形式存储在图像数据存储器中，其中，图像数据资料在存储以前借助基于频率分析的压缩算法进行处理，从而降低图像数据所需的存储空间。在此，优选使用无损处理的压缩算法。
根据经过压缩的图像数据的数据大小确定数据大小数值。此数据大小数值可单独地为每个图像数据确定，但也可基于多个时间上彼此相继捕捉的图像数据的数据大小、也就是说一系列预先设定数量的彼此相继捕捉的图块的数据大小确定。在最简单的情况下，此数据大小数值例如为压缩图像数据的数据大小。由此数据大小数值和与其分别对应的捕捉时间点继而构成一个例如持续增长的列表，其中，为每个捕捉时间点保存有一个数据大小数值。
通过借助基于频率分析的压缩算法处理捕捉的图块，图像结构的每个改变都引起压缩图像数据的数据大小的改变。穿过防护玻璃的污染捕捉工件表面，尤其该污染对压缩图像数据的数据大小有影响，因为污染造成捕捉的图块内的模糊。图像模糊又引起图像细节的缩减，这意味着模糊图像的傅里叶合成所需的频率的数量降低。
因此，基于压缩的图像数据的数据大小确定的数据大小数值为对防护玻璃的污染的直接衡量标准。因为压缩的图像数据的数据大小随着防护玻璃污染的增加而降低，所以基于数据大小确定的数据大小数值也相应地随着增加的污染而降低。
相应地，如由统计过程控制已知，确定用于评价数据大小数值的时间序列的规则。例如，确定一个或多个用于数据大小数值的阈值，超出此阈值则通过信号报告过程中的干扰，即受污染的防护玻璃。替代地或额外地，可为时间上彼此相继的数据大小数值的改变确定规则，这些数据大小数值通过信号报告受污染的防护玻璃。
根据由统计过程控制已知的规则-例如从所谓的“西电准则(Western ElectricRules)”中选择的合适的规则，在预先设定的最低数量的、时间上间接或直接彼此相继的捕捉时间点所对应的数据大小数值降低和/或小于预先设定的阈值或阈值之一时，则生成信号，例如污染告警信号。
根据本发明的方法的优点在于，可以使用已经存在于激光加工设备内的图像捕捉系统和数据处理系统。因此，不需要额外安装的工具。此方法可自动化地进行，其中，其执行迅速，从而能够即时地显示告警或故障。
根据本发明的一种设计方案，通过构建预先设定数量的、时间上直接彼此相继捕捉的图块的压缩图像数据的数据大小的平均值而确定数据大小数值。例如，可通过由在此捕捉时间点捕捉的、在此捕捉时间点之前紧邻的捕捉时间点捕捉的、以及在此捕捉时间点之后紧邻的捕捉时间点捕捉的图像数据的数据大小构建一个平均值，从而为此捕捉时间点计算出数据大小数值。
本发明可进一步规定，将捕捉的图块转化为根据JPEG标准(JPEG表示“联合图像专家小组(Joint Photographic Experts Group)”，此标准也已知为ISO/IEC 10918-1)的计算机可读图像数据，其中，压缩的图像数据以已知的图像格式“JPEG文件交换格式(JPEG File Interchange Format)”(JFIF)存储。
此外还可设置，确定至少两个阈值，其中，为告警信号定义第一阈值，并为故障信号定义第二阈值。因此，如果根据预先设定的规则，预先设定数量的、例如四个时间上间接或直接彼此相继的捕捉时间点的数据大小数值小于第一阈值，则生成告警信号。如果根据预先设定的规则，预先设定数量的、时间上间接或直接彼此相继的捕捉时间点的数据大小数值小于第二阈值，其中，第二阈值小于第一阈值，则生成故障信号，优选用于激光加工设备的停止信号。此故障信号可例如引起加工激光的切断。
此外还可以设置，在第一次出现告警信号之后永久地-直至例如手动重置-或者仅在根据本方法探测到告警状态(从而可-根据各个彼此相继的评价的结果-例如多次地引起并发出告警显示)时间的期间输出告警信号。
如果在预先设定的第一数量的、时间上彼此相继的捕捉时间点处确定的数据大小数值保持在预先设定的标准偏差之内，例如由预先设定的第二数量的之前捕捉的数据大小数值计算出的标准偏差，则可尤其在产生告警信号之后自动重置。
根据本发明的一种设计方案，作为图像捕捉系统使用例如对860nm至900nm之间的波长范围敏感的红外相机。
已经存在于激光加工设备中的图像捕捉系统，例如设置用于沿着预先设定的加工轨迹引导激光束的或者用于质量保证的系统，可有利地至少用于图像捕捉。
根据此方法的一个变体，可使用至少一个例如外部的光源，其照亮、即以电磁辐射照射由图块捕捉的工件表面区域，使得由工件表面反射的光能够由图像捕捉系统所探测。
例如，在激光加工设备中可以在防护玻璃之前或之后安装一个或多个发光模块，其直接地照射工件表面。
根据一种实施形式，借助图像捕捉系统在激光加工期间捕捉影片，即一系列连续的图片，其中，在预先设定的、重复的捕捉时间点处分别将影片的单个图片的至少一个图块借助基于频率分析的压缩算法压缩，并分别作为计算机可读的图像数据存储在图像数据存储器中。
此外，本发明还可设计使用至少两个图像捕捉系统，其可为激光加工设备的两个组成部分，其中，只有在一系列的捕捉时间点处的每个-或者在多于两个图像捕捉系统的情况下多数-数据捕捉系统的数据大小数值都满足相应预先设定的用于识别污染的规则时，例如低于相应预先设定的阈值时，才输出信号。在此，借助相应图像捕捉系统捕捉的图块的几何大小和/或形状可能不同于借助一个或多个其他图像捕捉系统捕捉的图块的几何大小和/或形状，其中，为每个图像捕捉系统建立自己的具有数据大小数值的列表，和/或为每个图像捕捉系统预先设定自己的、用于根据数据大小确定的数据大小数值的阈值。
通过至少两个独立的图像捕捉系统使防护玻璃的监测冗余，并且即便在其中一个系统失灵的情况下也确保了防护玻璃的监测。
可有利地使用用于监测激光焊设备的加工头内的防护玻璃的方法，该加工头具有光学系统、例如扫描仪透镜，其中，使用用于激光焊设备集成的过程观察的系统的图像捕捉系统用于捕捉图块。在此，可选择性地在由防护玻璃固定件所镶嵌的防护玻璃上、在其朝向激光透镜的表面上直接相邻于防护玻璃固定件地布置用于照亮工件表面的发光模块。
附图说明
下面根据参考附图的实施例进一步说明本发明，其中，相同的或类似的特征以相同的附图标记标识；在此示意性地示出了：
图1激光加工头的纵截面；
图2焊缝的俯视图；以及
图3时间上一系列的数据大小数值。
具体实施方式
图1中的两个在激光焊过程中待接合的工件6，在此实施例中为两个薄板，在接合处7接触。
通过激光束生成器1产生的激光束2借助扫描仪透镜10垂直地传导到焊接位置3处的接合处7的端侧上。通过激光束2与工件材料的相互作用构成相互作用区4，在其中，工件6的材料变热并部分熔化。
在相互作用区4中，由于激光和由发光模块21照射到工件6表面上的光的反射以及工件6表面附近的辐射排放而产生电磁反射17。
为了引导和偏转激光束2，激光加工头10具有准直单元14，半透偏转单元12，聚焦单元13和主动偏转单元11。防护玻璃8保护敏感的光学元件免受污染9。
对由相互作用区4发出的电磁反射17的测量借助光学图像捕捉系统16进行，在此实施例中为相机，其具有前置相机聚焦单元15。近红外波长范围内的电磁反射17通过图像捕捉系统16测得。
由图像捕捉系统16捕捉的图像数据传递到图像处理单元18，并在那作为具有无损JPEG文件交换格式的计算机可读图像数据保存在图像数据存储器中。
为了监测防护玻璃8的污染程度，由图像处理单元18为每个图像确定数据大小数值，在此为JPEG数据的数据大小。
在图2中所示的工件6和接合处7的俯视图中，示例性地示出了可能的图块19。此图块19在此示例中为沿着x方向的长度为ax、沿着y方向的长度为ay的矩形。
在预先设定的、反复的捕捉时间点分别捕捉图块19的一个图像，并将确定JPEG数据的数据大小确定为数据大小数值kB。
针对图3中所示的用于监测防护玻璃的方法的设计方案分析，数据大小数值kB是否持续变小并且最终经常处于阈值20、在此为标准偏差下方。如在图3所示的图表的右侧可见，五个时间上彼此相继确定的数据大小数值kB中的四个小于阈值20。根据适用于此具体示例的规则，在最后确定的五个数据大小数值的80％位于阈值20下方时，则应生成信号，因此生成了故障信号。在时间点t 1处，已经生成了告警信号，因为规则规定，在最后确定的十个数据大小数值的最多20％大于各个直接在其之前确定的数据大小数值时，也就是说，预先设定的最低数量的、时间上间接彼此相继的捕捉时间点处的数据大小数值kB降低时，应产生告警信号。
附图标记说明
1 激光束生成器
2 激光束
3 焊接位置或加工位置
4 相互作用区
5 反射面
6 工件
7 接合处
8 防护玻璃
9 污染/脏颗粒
10 扫描仪透镜
11 主动偏转单元
12 半透偏转单元
13 聚焦单元
14 准直单元
15 相机聚焦单元
16 图像捕捉系统
17 电磁反射
18 图像处理单元
19 图块
20 数据大小数值变化的阈值
21 发光模块
ax 沿着x方向的延伸
ay 沿着y方向的延伸
t 时间
t1 时间点
kB 数据大小数值

Claims (9)

1.用于在激光加工至少一个工件(6)期间针对污染(9)监测激光加工设备的防护玻璃的方法，其特征在于，包括以下步骤：
-借助至少两个图像捕捉系统(16)在激光加工期间的预先设定的捕捉时间点穿过防护玻璃(8)分别重复地捕捉至少一个工件(6)的图块(19)，其中，所述至少一个工件(6)在待捕捉的图块(19)的区域中得到足够的照明，其中，借助其中一个所述图像捕捉系统捕捉的图块(19)的几何大小和/或形状不同于借助一个或多个其他的所述图像捕捉系统捕捉的图块的几何大小和/或形状；
-将各个所述图块(19)分别借助基于频率分析的压缩算法转化为计算机可读的图像数据，并且将各个图像数据存储在图像数据存储器中；
-为每个捕捉时间点分别确定数据大小数值(kB)，其中，所述数据大小数值(kB)分别基于至少在相应捕捉时间点捕捉的相应图像数据的图像大小；
以及
-如果对于多数的所述图像捕捉系统，在预先设定的最低数量的、时间上间接或直接彼此相继的捕捉时间点处的相应对应于其中一个所述图像捕捉系统的数据大小数值(kB)降低和/或分别低于对应于相应的所述图像捕捉系统的阈值(20)，则产生信号。
2.根据权利要求1所述的用于监测防护玻璃的方法，其特征在于，通过构建预先设定数量的所述图像数据的数据大小的平均值而确定所述数据大小数值(kB)，其中，所述图像数据所属的图块(19)在时间顺序上直接彼此相继地捕捉。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，捕捉的所述图块(19)按照JPEG标准压缩。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在数据大小数值(kB)降低的情况下
-如果对于预先设定数量的、时间上彼此相继的捕捉时间点，所述数据大小数值(kB)低于第一阈值，则产生告警信号；并且
-如果对于预先设定数量的、时间上彼此相继的捕捉时间点，所述数据大小数值(kB)低于第二阈值，其中所述第二阈值小于所述第一阈值，则输出故障信号。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助红外相机捕捉所述图块(19)。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，使用所述激光加工设备的图像捕捉系统(16)。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助至少一个光源照亮所述工件的包含在所述图块中的表面区域。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，借助所述图像捕捉系统(16)在激光加工期间捕捉影片，即一系列连续的图片，其中，在预先设定的、重复的捕捉时间点分别借助基于频率分析的压缩算法压缩所述影片的单个图像的至少一个图块(19)，并且作为图像数据存储在图像数据存储器中。
9.根据前述权利要求1至8中任一项所述的方法用于监测防护玻璃的用途，其中，所述防护玻璃在激光焊设备的具有光学系统(10)的加工头中，其中，作为至少一个图像捕捉系统(16)使用激光焊设备的质量保证系统的相机。
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