CN110191779A - 用于监控热切割过程的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监控、尤其调节在工件(3)上的热切割过程的设备(1)，包括：聚焦装置(4)，该聚焦装置用于将加工射束、尤其激光射束(2)聚焦到所述工件(3)上，用于在所述工件(3)上形成切缝(16)；图像感测装置(9)，该图像感测装置用于产生所述工件(3)的待监控区域的至少一个图像；以及分析评估装置(19)，该分析评估装置构造为用于根据所述至少一个图像确定至少一个关于所述切缝(16)的间隙宽度在所述工件(3)的厚度方向(Z)上的走势、尤其关于所述切缝(16)的两个切割侧面之间的角度的测量值。本发明也涉及一种用于监控、尤其调节在工件(3)上的热切割过程的对应的方法。

Description

用于监控热切割过程的设备和方法
技术领域
本发明涉及一种用于监控、尤其调节在通常板状工件上、尤其在板材上的热切割过程的设备，该设备包括：聚焦装置，该聚焦装置用于将加工射束、尤其激光射束聚焦到工件上，用于在工件上形成切缝；以及包括图像感测装置，该图像感测装置用于产生工件的待监控区域的至少一个图像，该待监控区域通常包含切缝的区段和从而包含切缝的切割侧面。本发明也涉及一种用于监控、尤其调节在工件上的热切割过程的对应的方法，该方法包括：产生工件的待监控区域的至少一个图像，该待监控区域包含在切割过程中在工件上形成的切缝的切割侧面，更确切地说切割侧面的区段。
背景技术
在WO 2015/036140 A1中说明了一种用于监控、尤其调节切割过程的设备，该设备具有：用于在工件上感测待监控区域的图像感测装置，其中，所述待监控区域包括激光射束与工件的相互作用区域；以及具有分析评估装置，该分析评估装置构造为用于求出在切割过程中形成的切缝的至少一个典型的特征参数，例如切割前角。
在WO 2015/036140 A1中所说明的图像感测装置构造为用于形成观察射束，该观察射束用于从相对于激光射束的射束轴线以一角度延伸的观察方向观察相互作用区域，并且所述图像感测装置包括成像光学器件，该成像光学器件用于从相对于激光射束的射束轴线以一角度延伸的观察方向产生相互作用区域的图像。如果观察方向不沿切割过程的进给方向或与该进给方向相反地延伸，则分析评估装置可以根据所拍摄的图像求出作为切缝的(多个)典型特征参数的毛刺形成、粗糙度和/或槽纹形成。
在WO 2012/107331 A1中说明了一种用于监控、尤其调节激光切割过程的设备，该设备可以构造为用于根据激光射束和工件之间的相互作用区域的图像求出在切割间隙上是否存在毛刺形成。例如，在熔化切割过程中，在出现三个从切割前沿出发的发光条纹时，可以推断出存在毛刺形成(碎毛刺)。
在DE 10 2014 000 330 B3中说明了用于监控和必要时调节在激光切割工件时加工激光射束的聚焦位置的方法和设备，其中，借助至少一个成像的摄像机在一个或多个图像中以局部分辨的方式感测由激光加工引起的光学过程放射以及在工件中前进的切割前沿。然后，在所述一个或多个图像中分别由过程放射的瞬时延伸和最大过程放射位置到最上方的切割前沿顶点的瞬时间距求出加工激光射束相对于工件表面的瞬时聚焦位置。
由WO 2012/037955 A1已知用于监控或检查工件的(激光)加工的方法和设备，其中，感测热辐射的具有第一偏振的第一辐射分量和热辐射的具有与第一偏振不同的第二偏振的第二辐射分量，这些辐射分量由在工件加工区域中的至少一个面元件发出。由感测到的第一和第二辐射分量求出在至少一个面元件上的工件表面结构的数据值。在激光加工的一个变型中实现在工件和激光射束之间沿第一运动方向的相对运动，其中，第一偏振平行于第一运动方向，而第二偏振垂直于第一运动方向。
在E.H.Amara等人的应用物理A(2015)119：1245-1260中的文章“对金属高功率激光切割的数值研究”中，说明了基于数值模拟用于研究借助激光进行金属切割的理论方法，该方法基于切割前沿以及切缝的三维模型。基于数值模拟的结果对六种不同的进给速度与实验性的观察结果进行比较。
发明内容
本发明所基于的任务是，提供一种设备和方法，所述设备和方法能够实现可靠地求出至少一个用于切割过程的切割质量的测量值并且尤其根据该测量值调节切割过程。
所述任务根据本发明通过开头所述类型的设备来解决，所述设备具有分析评估装置，该分析评估装置构造为用于根据至少一个图像确定至少一个关于切缝的间隙宽度在工件厚度方向上的走势、尤其关于切缝的两个切割侧面之间的角度的测量值。工件的待监控区域的图像通常是热图像，所述图像通常从工件上侧被拍摄。为了产生该图像，图像感测装置具有探测器，该探测器通常呈图像传感器的形式，该图像传感器呈摄像机、例如CMOS摄像机或必要时CCD摄像机的形式。待监控区域可以包含切缝的切割前沿，该切割前沿在加工射束与工件的相互作用中形成，然而，待监控区域也能够仅包括在切割前沿之后的切割侧面。然而，待监控区域不应离切缝的切割前沿或加工射束和工件之间的相互作用区域太远，尤其当应根据所述至少一个测量值进行切割过程的调节时。
发明人发现，切缝的间隙宽度在工件厚度方向上从通常板状工件的上侧到工件下侧的走势的几何形状和切割质量之间存在物理相关性：对于沿着进给方向所经过的每段距离引入到工件中的能量(距离能量)减小的情况或切割过程的其它参数不利地改变的情况，切割间隙的宽度从工件上侧朝工件下侧方向减小，直至在极端情况下切缝靠近工件下侧被完全闭合并且出现完全的切割裂纹。
切缝的间隙宽度从工件上侧到下侧的减小(即形成横截面为V形的切缝)能够在形成切割裂纹之前已经明显强地影响切割质量(粗糙度、槽纹形成、毛刺形成和形状稳定性)。通过调节热切割过程用于产生具有在厚度方向上基本恒定的宽度的切缝，可以防止在切割过程中的不规则性并且以这种方式可以保证质量切割为此目的提出，确定至少一个测量值，该测量值能够提供关于切缝在厚度方向上的走势、尤其关于切缝的间隙宽度在厚度方向上减小的信息。这样的测量值是切缝的两个切割侧面相互围成的角度，并且该角度越大，则切缝的间隙宽度沿工件厚度方向到工件下侧越剧烈地减小。两个切割侧面之间的角度构成切缝的V形状的量度，所述角度例如在切割侧面凹形或凸形地弯曲的情况下通过在工件上侧上的和在工件下侧上的相应切割侧面之间的角度限定。描述切缝在厚度方向上走势的测量值可以是两个切割侧面之间的角度，但也可以如下面进一步所说明的那样间接地通过另一测量值确定切缝的间隙宽度的走势。
在一个实施方式中，图像感测装置具有偏振器，该偏振器将用于观察待监控区域的观察射束的第一线性偏振分量透射到探测器并且将观察射束的垂直于第一线性偏振分量的第二偏振分量过滤，其中，分析评估装置构造为用于根据至少一个图像中的两个沿着切缝的切割侧面延伸的发光条纹求出测量值，并且其中，优选地求出在两个发光条纹之间的间距和/或角度作为测量值。
发明人已经发现，根据发光条纹可以确定间隙宽度在切缝厚度方向上的走势，为了观察所述发光条纹通常需要使用观察射束的唯一线性偏振分量，用于观察待监控区域。此外，发明人已经发现，两个发光条纹能够在以这种方式产生的图像中看到并且沿着切割前沿以及沿着切缝的切割侧面延伸，这两个发光条纹相应于过程放射(Prozessemission)的一部分，在该部分中，切割前沿或者切割棱边在偏振相关的放射特别强的角度范围内朝观察方向定向。在能够看到两个发光条纹的区域中，切割前沿角或者切缝的两个切割侧面之间的角度位于放射特别强的角度范围中。在接近工件在热切割过程中在其整个厚度上刚好还被完全分离的分离极限时，然而也在接近刚好还存在良好切割、但切缝的宽度在厚度方向上已经减小的质量切割极限时，发光条纹之间的间距也减小。图像中的两个发光条纹之间的角度也可以被用作切割质量的测量值，因为在质量切割中通常平行延伸的发光条纹之间的角度在具有不良切割质量的切割时或者在即将形成切割裂纹之前改变，在所述切割裂纹时两个发光条纹合并。
如果切割侧面之间的角度或间距减小，这意味着在切割侧面的下方区域中的熔融流出变差，这导致在切割侧面上的较大粗糙度。因此，发光条纹之间的距离或发光条纹之间的角度表示用于过程状态的(模拟的)测量值，更确切地说表示在热切割过程中、尤其在熔化切割过程中的切割质量(质量切割、分离切割、进给储备，...)，其中，该测量值尤其基本上与切割过程到分离极限或质量切割极限的间距成比例。由于该原因，发光条纹之间的间距和/或发光条纹之间的角度可以被用作用于调节切割过程参数(距离能量、聚焦位置等)的输入参数。如上面已经进一步所说明的那样，并非强制地要求使用发光条纹来确定用于切缝间隙宽度走势的测量值。例如，两个切割侧面之间的角度(参见上文)可以用作切割过程的切割质量的(连续的)测量值。当然，根据(多个)测量值仅能够进行切割过程的状态控制或质量控制，而不能进行切割过程的调节。
在切割过程的一些过程配置时，连续的熔化能够围绕整个切割前沿延伸。也可能够出现熔融线分别沿着一个切割侧面以及在切割前沿上居中地流出。然而，这种过程状态并不影响在这里所说明的基本测量原理，即在具有线性偏振分量(s向偏振)的观察中总是仅探测到两个发光条纹。然而，可以根据观察发光条纹推断出切缝的间隙宽度的走势，尤其推断出在工件厚度方向上的切割侧面之间角度，使得能够将具有切割侧面的小粗糙度的“质量切割”与具有更大粗糙度(和所述粗糙度的任意中间等级)的“分离切割”区别。如上面已经进一步所说明的那样，切缝的宽度从工件上侧到下侧的减小意味着即将发生的错误切割。因此，根据测量值也可以确定过程的“稳健性”(即，例如(激光)射束源的进给储备或功率储备)。
在一个扩展方式中，分析评估装置构造为用于根据图像的两个强度最大值横向于热切割过程的进给方向的位置确定发光条纹之间的间距。在此，通常在所述图像的图像局部中横向于进给方向感测或分析评估探测到的观察辐射的强度轮廓或者说强度分布，所述图像局部例如可以沿着图像或摄像机的图像行或者说像素行延伸。尤其对于观察方向与进给方向一起运动的情况，被分析评估的图像行或或者说像素行可以固定地限定在图像中或摄像机的芯片上，但被分析评估的图像区域的位置也可以相对于加工射束或进给方向被改变。代替分析评估唯一图像行或者说像素行，必要时也可以参考多个图像行，用于分析评估或确定强度轮廓，对所述多个图像行以适当方式求平均，其方式例如是：使用单个图像行的强度值的算术平均值或中值。在必要时被求平均的强度轮廓中，求出两个强度最大值之间的间距，并且如上面已经进一步所说明的那样，该间距可以用作用于切割过程的切割质量的测量值。对于由强度轮廓计算强度最大值的位置而言，可以使用来自图像处理的方法。
在替代的或附加的图像分析评估中，求出在俯视到工件上时两个发光条纹之间的角度或(在横截面方向上)两个切割侧面之间的角度，并且参考所述角度或角度差作为测量值。对于角度测量也可以使用在文献中所说明的图像-分析评估算法，例如霍夫变换。
如上面已经进一步所说明的那样，切割侧面之间的角度或切缝的宽度在负的Z方向上或者说在工件厚度方向上的减小可以被用作测量值。切割侧面之间的角度可以被直接求出或必要时根据确定切缝在工件上侧上的间隙宽度以及在工件下侧上的间隙宽度来求出(只要已知工件的厚度)。为了确定切割间隙在厚度方向上的几何形状，例如可以使用光学相干断层扫描(OCT)或OCT传感器，即干涉测量的方法，在该方法中，通过工件上侧的震荡运动测量切缝在加工射束之后的深度轮廓，并且在此例如测量切缝的切割侧面之间的角度、在工件下侧上的切割间隙的间隙宽度以及在工件上侧上的切割间隙的间隙宽度。为此目的也可以使用工件的结构性照射或商值测角仪(Quotientengoniometer)。必要时，如果在工件下侧上的间隙宽度(明显地)小于焦点直径，则已经可以根据确定在工件下侧上的间隙宽度推断出不良的切割质量。
在进一步的图像分析评估中，质量切割和分离切割的图像被分组，并且切割过程的待监控区域的当前图像可以通过比较的图像分析评估被分配给这些组。为此，也可以使用已知的图像分析评估算法，例如Haar算法(Haar-Algorithmus)。在这种情况下，也可以根据在分离切割或者质量切割的分组图像中的发光条纹求出用于切割质量的测量值，该测量值必要时可以被用于调节，只要所述测量值是(近似)连续的测量值。
在所有图像分析评估算法中可以必要的或有利的是，将所拍摄的图像事先关于当前进给方向旋转并且必要时通过黑白图像均衡、矫正和其它在图像处理中已知的机理改善。附加地可以有利的是，借助中值、平均值或类似的滤波器对多个时间上连续的图像逐像素地求平均。此外，有利的是，在分析评估图像时忽略具有过程干扰的图像(由于自发的蒸发或等离子体形成而引起的突然较高的图像亮度)。然而，这种过程干扰可以作为对于小进给储备的指示器或者作为该过程接近切割裂纹的提示。
在一个实施方式中，图像感测装置构造为用于形成观察射束，该观察射束用于从相对于加工射束的射束轴线以一角度延伸的观察方向观察待监控区域，其中，观察射束优选穿过聚焦装置，并且其中，图像感测装置包括成像光学器件，该成像光学器件用于从相对于加工射束的射束轴线以一角度延伸的观察方向产生待监控区域的图像。为了能够实现这种不同轴的观察，所述设备或图像感测装置例如可以如在开头所引用的WO 2015/036140A1中所说明的那样构造，该文献通过参考其全部内容而成为本申请的内容。不同轴地观察发光条纹经证明是有利的，但该观察不是强制必要的，即原则上也能够与加工射束的射束轴线同轴地或平行地观察待监控区域。
在一个扩展方式中，观察方向相对于加工射束的射束轴线的角度在1°至5°之间，优选在约1.5°至4.5°之间。在相对于加工射束的射束轴线较小的角度下的观察经证明对于本应用是有利的。
在另一扩展方式中，图像感测装置构造为用于根据热切割过程的进给方向改变、尤其相对于进给方向恒定地保持观察射束的观察方向的定向和/或观察射束的透射的第一线性偏振分量在垂直于加工射束的射束轴线平面内的方向。如在开头所引用的WO 2015/036140 A1中所说明的那样，可以有利的是，即使进给方向、即在加工射束和工件之间的相对运动方向改变，进给方向和观察方向之间的角度在垂直于射束轴线的平面内也具有恒定值。例如，对于成像感测有利的是，观察方向在工件平面内的投影中与进给方向相反地延伸(这也称为拖拽观察(schleppende Beobachtung))或必要时沿进给方向延伸(这也称为刺入观察(stechende Beobachtung))。
在许多应用情况下也证明是有利的是，通过偏振滤波器滤出的偏振分量的定向相对于进给方向保持恒定。尤其，经过滤的偏振分量可以平行于进给方向或垂直于进给方向定向，以便改善或简化观察。为了将线性偏振分量的方向与进给方向一起改变或旋转该方向，例如可以使用马达式驱动的(通常可旋转的)偏振滤波器或可电动式旋转的偏振滤波器(LCD偏振器)。如果使用可旋转的光阑用于改变观察射束的观察方向的定向，所述光阑通常具有至少一个偏心的光阑开口，则偏振滤波器可以被装配到可旋转的光阑上并且与该光阑一起旋转，而无需单独的驱动器用于偏振滤波器的旋转。
在另一实施方式中，观察方向在垂直于加工射束的射束轴线的平面内的投影中沿进给方向延伸，即进给方向和观察方向在该平面内平行且相同地定向。这种所谓的刺入观察经证明尤其对于发光条纹的探测是有利的。
在另一扩展方式中，观察射束的透射的第一线性偏振分量在垂直于加工射束的射束轴线的平面内(即在工件平面内)相对于进给方向以55°至125°之间、优选80°至100°之间、特别优选小于90°的角度延伸。如上面已经进一步所说明的那样，通常仅对于观察射束具有线性偏振分量的情况才能够观察到发光条纹。该线性偏振分量理想地垂直于进给方向延伸(s向偏振)。
在一个扩展方式中，图像感测装置构造为用于在700nm至2μm之间的波长情况下产生工件的待监控区域的至少一个图像。对于铁基的工件材料而言，用于观察待监控区域的观察波长在700nm至1000nm之间、优选在800nm至940nm之间经证明是有利的。这些波长可以借助氧化硅基的图像传感器或探测器来感测。在较长的(例如直至1.6μm)波长情况下观察也是可能的，然而需要铟镓砷基的图像传感器或探测器，这些图像传感器或探测器明显更昂贵并且通常具有更低的帧频。在较长波长情况下观察的优点在于，即使在工件由具有较低熔化温度的材料(例如铝、铜)构成的情况下也可以观察到发光条纹。小于700nm的较短波长通常不再能够提供足够强烈的温度辐射，用于保证可靠的分析评估。
对于分析评估通常由摄像机拍摄或产生的图像、更确切地说图像数据而言，分析评估装置具有常用的图像处理装置，该图像处理装置例如能够以计算单元或微处理器的形式构造。此外，分析评估装置通常通过用于数据交换的接口与用于控制或调节加工过程的控制装置或调节装置处于连接中。
在另一实施方式中，所述设备附加地包括控制和/或调节装置，用于根据求出的至少一个关于间隙宽度在工件厚度方向上走势的测量值影响热切割过程的至少一个调整参数。在这种情况下使用例如根据发光条纹确定的测量值或测量值，以便通过影响、匹配或调节热切割过程的调整参数(例如进给速度、激光功率、聚焦位置、气体压力等)确保恒定的切割质量(尤其棱边粗糙度)并且因此确保安全的分离切割。
此外，可以记录和监控求出的测量值或测量值，用于检查过程状态。在出现不允许的偏差时，可以通知操作者和/或可以自动或手动地引入改善过程的措施(校准、清洁)。根据测量值也可以推断出设备等待保养。
所述设备可以包括其它结构元件，例如照射源，该照射源用于照射在待监控区域中的工件。图像感测装置尤其可以构造为用于穿过激光加工喷嘴的喷嘴开口拍摄或产生图像，该喷嘴开口用于使激光射束穿过到达工件上。所述设备例如可以是激光切割头或激光切割机。
本发明的另一方面涉及开头所述类型的方法，该方法还包括：根据至少一个图像求出至少一个关于切缝的间隙宽度在工件厚度方向上的走势、尤其关于切缝的两个切割侧面之间的角度的测量值。如上面已经进一步所说明的那样，以这种方式求出的测量值例如可以被记录和监控用于检查过程状态，以及在出现不允许的偏差时必要时可以通知操作者。
如上面已经进一步所示的那样，切割侧面之间的角度或切缝宽度在负的Z方向上或工件厚度方向上的减小可以被用作测量值，其中，切割侧面之间的角度可以直接求出或例如可以通过确定在工件上侧上的切缝的间隙宽度以及在工件下侧上的间隙宽度来求出(只要已知工件的厚度)。为了确定在厚度方向上的切割间隙的几何形状，可以如上面进一步所说明的那样使用光学相干断层扫描(OCT)、结构性照射或商值测角仪。必要时，在工件下侧上的间隙宽度作为用于切割质量的测量值是足够的，例如当将所述间隙宽度与加工射束的焦点直径比较时。对于工件下侧上的间隙宽度小于加工射束的焦点直径的情况，这意味着不良的切割质量。
在一个变型中，用于观察待监控区域的观察射束的第一线性偏振分量被透射到探测器，用于产生至少一个图像，并且观察射束的垂直于所述第一线性偏振分量的第二偏振分量被过滤，其中，根据所述至少一个图像中的两个沿着切缝的两个切割侧面延伸的发光条纹求出测量值，其中，该测量值优选构成两个发光条纹之间的间距和/或角度。如上面已经进一步所说明的那样，可以根据发光条纹推断出切缝的间隙宽度在工件厚度方向上的走势。
在另一变型中，根据热切割过程的进给方向改变、尤其相对于进给方向恒定地保持用于观察待监控区域的观察射束的观察方向的定向和/或观察射束的透射的第一线性偏振分量在垂直于加工射束的射束轴线的平面内的方向。
在一个变型中，观察方向在垂直于加工射束的射束轴线的平面内的投影中沿进给方向定向，即进行刺入观察，这尤其对于观察发光条纹经证明是有利的。
优选地，观察射束的透射的第一线性偏振分量在垂直于加工射束的射束轴线的平面内相对于进给方向以55°至125°之间、优选80°至100°之间、特别优选小于90°的角度延伸。在这种情况下，经过滤的线性偏振分量是垂直于包含进给方向以及加工射束的射束轴线的平面而定向的偏振分量(s向偏振)。如上面已经进一步所说明的那样，对于发光条纹的成像感测可能需要对线性偏振分量进行过滤。
在一个有利的变型中，所述方法附加地包括：根据求出的测量值影响热切割过程的至少一个调整参数。通过匹配或调节激光切割过程的一个或多个调整参数，可以保证在激光切割时的恒定的质量。
附图说明
由说明书和附图得到本发明的另外的优点。同样，之前所提及的和还进一步列举的特征可以单独使用或以多个特征任意组合地使用。所示出和所说明的实施方式不应理解为最终的穷举，而是相反地具有用于描述本发明的示例性的特点。附图示出了：
图1a用于监控和调节在工件上的激光切割过程的设备的实施例的示意图，
图1b用于在这样的设备中形成观察射束的光阑的沿着图1的剖面线B-B的示图，
图2a-c在质量切割中的切缝的立体视图、切缝的俯视图以及工件的待监控区域的具有两个发光条纹的热图像，
图3a-c在具有低切割质量的分离切割中的类似于图2a-c的示图，以及
图4横向于进给方向沿着图2c的热图像的图像行的强度轮廓的示图。
在下面的附图说明中，对于相同的或者功能相同的构件使用相同的附图标记。
具体实施方式
图1a示出设备1的示例性的结构，该设备用于借助呈激光射束2形式的加工射束监控和调节在工件3上的激光切割过程。在所示的示例中，设备1以激光加工头的形式构造，该激光加工头是未进一步示出的激光加工机的一部分。在所示的示例中，由CO2激光器产生激光射束2。替代地，例如可以通过固体激光器产生激光射束2。激光射束2借助呈聚焦透镜4形式的聚焦装置聚焦到工件3上，用于在工件3上执行切割加工。在所示的示例中，聚焦透镜4是由硒化锌构成的透镜，该透镜将激光射束2穿过激光加工喷嘴5、更确切地说穿过激光加工喷嘴的喷嘴开口5a聚焦到工件3上，具体而言在所示的示例中聚焦到工件3上侧上的聚焦位置F上。激光射束2在那里形成与工件3的相互作用区域18，与进给方向v或激光切割过程的切割方向相反地在所述相互作用区域之后产生切缝16。在激光射束2由固体激光器产生的情况下，可以使用例如由石英玻璃制成的聚焦透镜。
在图1a中也可以看到构造为部分透射的偏转镜6，该偏转镜将入射的(例如具有约10.6μm波长的)激光射束2反射并且将对于过程监控重要的观察辐射透射到另一部分透射的偏转镜8。在所示的示例中，偏转镜6构造为对于呈波长λ约为700nm至2000nm的热辐射形式的观察辐射部分透射的。所述另一部分透射的偏转镜8将观察辐射反射到图像感测装置9。照射源10用于与照射辐射11同轴地照射工件3。照射辐射11被所述另一部分透射的偏转镜8以及偏转镜6透射并且穿过激光加工喷嘴5的喷嘴开口5a被引导到工件3上。
替代部分透射的偏转镜6、8，也可以使用仅从边缘区域反射入射辐射的刮刀镜(Scraperspiegel)或孔镜，以便将观察辐射7引导至图像感测装置9或将照射辐射11引导至工件3。也可以使用至少一个侧向地装入到激光射束2的射束路径中的镜，以便能够实现观察。
可以将二极管激光器或LED或闪光灯设置为照射源10，该照射源可以如在图1a中所示那样与激光射束轴线13同轴地布置，但也可以离开激光射束轴线13布置。照射源10例如也可以布置在设备1外(尤其在设备1旁)并且指向工件3；替代地，照射源10可以布置在设备1内，但不与激光射束2同轴地定向到工件3上。必要时也可以在没有光源10的情况下运行设备1。
在观察射束路径7中布置在所述另一部分透射的偏转镜8之后的高几何分辨率的摄像机12是图像感测装置9的一部分。摄像机12可以是高速摄像机，该高速摄像机与激光射束轴线13或者与激光射束轴线13的延长线同轴地并且因而与方向无关地布置。在所示的示例中，通过摄像机12以反射光法在NIR/IR-波长范围内进行图像拍摄，以便拍摄切割过程的过程本身发光或热图像。在图1a中所示的示例中，如果要从借助摄像机12感测中排除其它辐射或波长部分，可以在摄像机12之前布置滤波器。该滤波器例如可以构造为具有例如约15nm的半值宽度的窄带式带通滤波器，该窄带式带通滤波器透射在约800nm范围内的波长λ。
为了产生工件3的在图2a,b或图3a,b中所示的待监控区域15的图像B1,B2，图像感测装置9在摄像机12的探测器面12a上具有成像光学器件14，所述待监控区域包含切缝16或切缝16的具有切割前沿16a的区段。在所示的示例中，成像光学器件14具有光阑25，该光阑以可绕着中心旋转轴线D旋转地支承，使得在旋转时使偏心地布置的光阑开口25a的位置在一个圆弧上绕着中心旋转轴线D运动。
通过将光阑25布置在成像光学器件14的借助透镜17聚焦的射束路径中，仅观察射束路径7的一部分穿过相对于激光射束2的射束轴线13的延长线偏心地布置的光阑开口25a并且形成观察射束7a，所述观察射束路径7的一部分穿过聚焦透镜4的边缘区域并且在聚焦透镜4之后的收敛光束路径中相对于激光射束2的射束轴线13以角度β定向，所述观察射束7a在探测器面12a上成像。在图1a所示的示例中，观察射束7a的观察方向R1在到XY平面或者说工件平面的投影中沿进给方向VR延伸，沿着该进给方向，激光射束2和工件3在XY平面内相对彼此运动，以便形成所希望的切割轮廓，即进行刺入观察。在所示的示例中，观察方向R1相对于激光射束2的射束轴线13而定向的角度β在约1°至约5°之间，例如约为4°。
如在图1a中可看到的那样，偏振滤波器21安装在光阑25上，该偏振滤波器与光阑25一起绕着旋转轴线D旋转。偏振滤波器21构造为用于过滤线性偏振分量p，在所示的示例中，该线性偏振分量平行于一平面(XZ平面)定向，该平面包含进给方向v以及Z方向或者说激光射束2的射束轴线13。如在图1a中可看到的那样，观察射束7a在偏振滤波器21之后仅还具有垂直于XZ平面定向的偏振分量s。对观察射束7a的线性偏振分量进行过滤对于观察切缝16或待监控区域15经证明是有利的。当然，代替平行于XZ平面定向的偏振分量p，必要时也可以借助偏振滤波器21过滤垂直于XZ平面定向的偏振分量s或其它不同定向的偏振分量。使用s向偏振的偏振分量对于观察切缝16经证明为特别有利的，因为在图2a,b中和在图3a,b中所示的以虚线示出的、基本上相应于图2c和3c所示的发光条纹22a,b的线具有最优角度，用于发出大量的s向偏振的辐射。
代替可机械调节的光阑25，也可以使用可电动调节的光阑，例如呈LCD阵列的形式，在该光阑中电子地打开或关闭单个像素或像素组，以便产生遮光效果。机械式光阑25也可以不同于在图1a,b中所示的那样横向于观察射束路径7、例如在YZ平面内运动或移动，以便遮住观察射束路径7的不同部分或为了观察而打开。光阑25也可以实现为呈一个或多个能够展开和折叠的机械元件形式。相应地，偏振滤波器21也可以构造为LCD偏振器，以便合适地选择经过滤的偏振分量的定向，尤其以便将经过滤的偏振分量的定向旋转。
如在图2c和图3c中可看到的那样，分别由成像光学器件14所拍摄的工件3的待监控区域15的图像被激光切割喷嘴5的圆形内轮廓5b限界。被激光切割喷嘴5的内轮廓5b限界的待监控区域15包含相互作用区域18的图像B1,B2，该图像在图2c和图3c所示的示图中从同一观察方向R1被拍摄。在图2a中通过箭头示出观察方向R1到XY平面内的投影。如上面已经进一步所说明的那样，在图1a所示的示例中，观察方向R1在进给方向VR上或沿着进给方向延伸，即在正的X方向上延伸，这被称为关于在工件3上的切割前沿16a的刺入观察，在所述切割前沿之后形成切缝16。
在两个所拍摄的图像B1,B2中分别可看到两个发光条纹22a,b，这些发光条纹基本上沿着X方向或者说进给方向VR延伸，切缝16的切割侧面23a,b也沿着所述X方向延伸，所述切割侧面在图2a和图3a中在工件3的部分区域或切口上示出，在该工件的上侧3a上也可看到待监控区域15的圆形轮廓。两个图像B1,B2中的每个图像以不同的进给速度VR被拍摄，其中，进给速度VR在图2c所示的图像B1中更小，而在图3c所示的图像B2中更大。发光条纹22a,b之间在Y方向上、即横向于进给方向VR的间距A(参照图4)随着进给速度VR增加而减小，直至在图3c所示的图像B2中，两个发光条纹22a,2b部分地重叠或合并为一个共同的发光条纹。这两个发光条纹22a,b相互围成角度δ。
已经示出，在图2c所示的图像B1被拍摄时的切割过程中，切缝16的切割侧面23a,23b在工件3厚度方向上(即在Z方向上)基本上彼此平行地延伸，即以非常小的角度γ延伸，使得存在质量切割(参照图2a,b)。在图3c所示的图像B2中，如果两个发光条纹23a,23b部分地合并，则相反地存在低质量的分离切割，在该分离切割中，开始形成毛刺以及沿切割侧面23a,b形成槽纹，如在图3a中所示，所述切割侧面在这种情况下基本上不平行地延伸，而是在厚度方向(Z方向)上彼此以明显更大的角度γ延伸。在图3a,b所示的切割间隙16中，切缝16的宽度b(z)在Z方向上从工件3的上侧3a到下侧3b连续地减小，使得切缝16在图3b所示的截面图中具有明显的V形轮廓。在图3a,b中所示的、在横截面上向下明显逐渐变细的切缝16对于熔融切割过程更不利，即切缝16应具有在图2a,b中所示的、具有基本上平行的切割侧面23a,23b的几何形状，即，该几何形状具有在工件3的厚度d上基本恒定的间隙宽度b(z)。
为了这样地调节切割过程，使得总是存在质量切割，可以使用在图2c和图3c中所示的在热图像中的发光条纹22a,b，所述发光条纹基本上示出了在图2a,b和图3a,b中所示的线的俯视图，偏振相关的过程放射在探测s向偏振辐射时沿着这些线特别强烈。在图2a,b所示的切缝16中，两条线基本上彼此平行地延伸，使得可以确定两个发光条纹22a,b之间的间距A(参照图4)，沿着所述两条线出现强烈的过程放射并且这两条线相应于发光条纹22a,b。在图3a,b所示的示例中，相应于发光条纹22a,b的、具有强烈的偏振相关的过程放射的线沿着切缝16的倾斜的切割侧面23a,23b延伸，使得观察到的发光条纹22a,b之间的间距在负的X方向上减小。在图3a-c中所示的具有低质量的分离切割中，两个发光条纹22a,b在切割前沿16a之后汇合，使得两个发光条纹22a,b彼此重叠并且在工件3上侧3a的俯视图中彼此呈V形地定向，如在图3c中可看到的那样。
因此，两个发光条纹22a,b之间在Y方向上的、即横向于进给方向v的间距A以及两个发光条纹22a,b之间的角度δ可以用作用于切割过程的切割质量的测量值。
例如在图2c所示的图像B1中能够以下面结合图4来说明的方式求出两个发光条纹22a,b之间的间距A，为此，使用设备1的在图1a中所示的分析评估装置19。如在图2c中所示的那样，沿着在Y方向上延伸的图像行或像素行测量照射到探测器面12a上的辐射强度I，该辐射强度能够基本上归因于工件3的热辐射。如在图4中可看到的那样，辐射强度I具有两个强度最大值IM1,IM2，这两个强度最大值在Y方向上分别对应位置YM1,YM2。两个位置YM1,YM2之间的差YM1-YM2相应于两个发光条纹22a,b之间的间距A。代替分析评估沿着在Y方向上延伸的图像行的辐射强度I，也可以使用多个图像行的强度值，如果这些强度值是以适当的方式被求平均(例如平均值或中值)。可以使用合适的图像处理方法用于找出两个强度最大值IM1,IM2。
在图3c所示的图像B2中可以进行图像分析评估，其方式是：求出两个合并的发光条纹22a,b之间的角度δ，并且将该角度δ用作切割质量的测量值。在此，类似于在图4中所示的那样，根据辐射强度I在所拍摄的图像B2中首先确定两个发光条纹22a,b的基本上卵形或椭圆形的外轮廓，其方式例如是：观察在所拍摄的图像B2中相应于测量到的辐射强度I的预给定强度值的轮廓或几何形状。如果已知两个发光条纹22a,b的外轮廓，则可以确定所述外轮廓的纵轴线。然后测量发光条纹22a,b的两个纵轴之间的角度δ。替代地或附加地，可以使用如在文献中所说明的分析评估算法，用于角度测量(例如霍夫变换)。
在图2c所示的图像B1中，确定发光条纹22a,b之间的角度δ可能是有问题的，因为这些发光条纹几乎平行地延伸，而在图3c所示的图像B2中，确定两个汇合的发光条纹22a,b之间的间距A可能是有问题的。不过当然，在位于图2a-c和图3a-c所示的极值之间的切割速度情况下，以在图4中所示的方式，一方面根据两个强度最大值IM1,IM2可以求出两个发光条纹22a,b之间的间距A，并且另一方面可以求出两个发光条纹22a,b之间的角度δ，以便能够根据两个测量值A,δ评价切割质量。
替代地，可以在分析评估装置19中进行图像分析评估，在所述图像分析评估中将质量切割和分离切割(即具有低切割质量的切割)的图像分组，在所述图像中分别能够看到发光条纹22a,b，并且当前产生的或拍摄的图像可以通过比较的图像分析评估被分配给这些组。为此，也可以使用由图像处理已知的算法，例如Haar算法。分配为一组也构成用于切割过程的切割质量的(尽管通常不是模拟的或者连续变化的)测量值。
根据至少一个以上面进一步所说明的方式求出的测量值A,δ，在图1a中所示的调节装置20可以影响或改变至少一个调整参数，例如进给速度、在图1a中未图示出的激光功率P、聚焦位置F、在切割过程中所使用的辅助气体的气体压力等，具体而言这样地影响或改变所述至少一个调整参数，使得测量值A,δ具有预给定的值或不会离开预给定的值区间。通过这样的调节可以保证，在(熔化)切割过程中恒定的高切割质量，使得可以理想地完全避免不良切割和尤其切割裂纹。
尤其，进给速度或激光功率P可以这样地被调整，使得它们总是刚好低于还能够实现质量切割的最大允许的进给速度或激光功率，即进给储备或功率储备几乎可以完全被耗尽。为了匹配或影响进给速度，调节装置20例如可以对未进一步示出的、用于使工件3和/或激光切割头1运动的运动装置产生影响。
为了在沿着弯曲的切割轮廓进行切割期间也能够以所希望的观察方向、尤其沿进给方向VR的观察方向R1观察用于切割质量的测量值，例如间距A或角度δ，需要根据进给方向VR或根据进给方向VR在XY平面内的取向改变观察方向R1在XY平面内的定向。为此目的，可以使用分析评估装置19(必要时也使用调节装置20)，所述分析评估装置使光阑25和从而光阑开口25a在改变进给方向VR时相应地绕着旋转轴线D一起旋转，使得观察方向R1总是保持沿进给方向VR定向。通过光阑25一起旋转，线性偏振分量(通常s偏振)的定向也可以相对于进给方向VR保持恒定，所述线性偏振分量被同样一起旋转的偏振滤波器21滤出。当然，为此目的或者为了产生相对于射束轴线13以角度β定向的观察射束7a，光阑25并不是强制需要的，而是为此目的能够以其它方式构造图像感测装置9，例如如在WO 2015/036140 A1中所说明的那样。

Claims (16)

1.一种用于监控、尤其调节在工件(3)上的热切割过程的设备(1)，包括：
聚焦装置(4)，该聚焦装置用于将加工射束、尤其激光射束(2)聚焦到所述工件(3)上，用于在所述工件(3)上形成切缝(16)，以及
图像感测装置(9)，该图像感测装置用于产生所述工件(3)的待监控区域(15)的至少一个图像(B1,B2)，
其特征在于，
设置有分析评估装置(19)，该分析评估装置构造为用于根据所述至少一个图像(B1,B2)确定至少一个关于所述切缝(16)的间隙宽度(b(Z))在所述工件(3)的厚度方向(Z)上的走势、尤其关于所述切缝(16)的两个切割侧面(23a,b)之间的角度(γ)的测量值(A,δ)。
2.根据权利要求1所述的设备，在所述设备中，所述图像感测装置(19)具有偏振器(21)，所述偏振器将用于观察所述待监控区域(15)的观察射束(7a)的第一线性偏振分量(s)透射到探测器(12)并且所述偏振器将观察射束(7a)的垂直于所述第一线性偏振分量的第二偏振分量(p)过滤，其中，所述分析评估装置(19)构造为用于根据所述至少一个图像(B1,B2)中的两个沿着所述切缝(16)的切割侧面(23a,b)延伸的发光条纹(22a,b)求出所述测量值(A,δ)，并且其中，优选求出在所述两个发光条纹(22a,b)之间的距离(A)和/或角度(δ)作为测量值。
3.根据权利要求2所述的设备，在所述设备中，所述分析评估装置(19)构造为用于根据所述图像(B1,B2)的两个强度最大值(IM1,IM2)横向于所述热切割过程的进给方向(VR)的位置(YM1,YM2)确定所述发光条纹(22a,b)之间的距离(A)。
4.根据前述权利要求中任一项所述的设备，在所述设备中，所述图像感测装置(9)构造为用于形成观察射束(7a)，该观察射束用于从相对于所述加工射束的射束轴线(13)以角度(β)延伸的观察方向(R1)观察所述待监控区域(15)，其中，所述观察射束(7a)优选穿过所述聚焦装置(4)，并且其中，所述图像感测装置(9)包括成像光学器件(14)，所述成像光学器件用于从相对于所述加工射束的射束轴线(13)以角度(β)延伸的观察方向(R1)产生待监控区域(15)的图像(B1)。
5.根据权利要求4所述的设备，在所述设备中，所述观察方向(R1)相对于所述加工射束的射束轴线(13)的角度(β)在1°至5°之间。
6.根据权利要求4或5所述的设备，在所述设备中，所述图像感测装置(9)构造为用于根据所述热切割过程的进给方向(VR)改变、尤其相对于所述进给方向(VR)恒定地保持所述观察射束(7a)的观察方向(R1)的定向和/或所述观察射束(7a)的透射的第一线性偏振分量(s)在垂直于所述加工射束的射束轴线(13)的平面(X,Y)内的方向。
7.根据权利要求6所述的设备，在所述设备中，所述观察方向(R1)在到垂直于所述加工射束(2)的射束轴线(13)平面(X,Y)内的投影中沿所述进给方向(VR)延伸。
8.根据权利要求6或7所述的设备，在所述设备中，所述观察射束(7a)的透射的第一线性偏振分量(s)在垂直于所述加工射束(2)的射束轴线(13)的平面(X,Y)内相对于所述进给方向(VR)以55°至125°之间、优选80°至100°之间的角度(θ)延伸。
9.根据前述权利要求中任一项所述的设备，在所述设备中，所述图像感测装置(9)构造为用于在700nm至2μm之间的波长情况下产生所述工件(3)的待监控的区域(15)的至少一个图像(B1至B4)。
10.根据前述权利要求中任一项所述的设备，还包括：控制和/或调节装置(20)，该控制和/或调节装置用于根据求出的至少一个关于所述切缝(16)的间隙宽度(b(Z))在所述工件(3)厚度方向(Z)上的走势的测量值(A,δ)影响所述热切割过程的至少一个调整参数(F,P)。
11.一种用于监控、尤其调节在工件(3)上的热切割过程的方法，包括：
产生所述工件(3)的待监控区域(15)的至少一个图像(B1,B2)，所述待监控区域包含在所述工件(3)上在切割过程中形成的切缝(16)的切割侧面(23a,b)，
其特征在于，
根据所述至少一个图像(B1,B2)求出至少一个关于所述切缝(16)的间隙宽度(b(Z))在所述工件(3)厚度方向(Z)上的走势、尤其关于所述切缝(16)的两个切割侧面(23a,b)之间的角度(γ)的测量值(A,δ)。
12.根据权利要求11所述的方法，在所述方法中，用于观察所述待监控区域(15)的观察射束(7a)的第一线性偏振分量(s)被透射到探测器(12)，用于产生所述至少一个图像(B1至B4)，并且所述观察射束(7a)的垂直于所述第一线性偏振分量的第二偏振分量(p)被过滤，并且其中，根据所述至少一个图像(B1,B2)中的两个沿着所述切缝(16)的两个切割侧面(23a,b)延伸的发光条纹(22a,b)求出所述测量值(A,δ)，其中，所述测量值优选构成所述两个发光条纹(22a,b)之间的距离(A)和/或角度(δ)。
13.根据权利要求11或12所述的方法，在所述方法中，根据所述热切割过程的进给方向(VR)改变、尤其相对于所述进给方向(VR)恒定地保持用于观察所述待监控区域(15)的所述观察射束(7a)的观察方向(R1)的定向和/或所述观察射束(7a)的透射的第一线性偏振分量(p)在垂直于所述加工射束的射束轴线(13)的平面(X,Y)内的方向。
14.根据权利要求13所述的方法，在所述方法中，所述观察方向(R1)在到垂直于所述加工射束(2)的射束轴线(13)平面(X,Y)内的投影中沿进给方向(VR)定向。
15.根据权利要求13或14所述的方法，在所述方法中，所述观察射束(7a)的透射的第一线性偏振分量(s)在垂直于所述加工射束(2)的射束轴线(13)的平面(X,Y)内相对于所述进给方向(VR)以55°至125°之间、优选80°至100°之间的角度(θ)延伸。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的方法，还包括：根据求出的测量值(A,δ)影响所述热切割过程的至少一个调整参数(F,P)。
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