CN111479648B - 用于监控工件的射束处理的装置、方法及用途 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于监控工件的射束处理的装置和方法。该装置包括：至少一个照射装置(12)，所述至少一个照射装置用于在第一时间间隔期间照射工件的处理区域；检测装置(15)，该检测装置用于检测从处理区域发出的电磁辐射；以及处理装置(19)，该处理装置用于对在第一时间间隔内和第二时间间隔内检测到的电磁辐射进行单独的处理。此外，提供了一种用于工件的激光射束处理的装置和方法。

Description

用于监控工件的射束处理的装置、方法及用途

技术领域

本发明涉及用于监控工件的射束处理的装置及其用途、用于工件的射束处理的装置及其用途、用于监控工件的射束处理的方法以及用于工件的射束处理的方法。

背景技术

工件的射束处理、比如激光射束切割的主要需求是改进所处理的工件的质量，从而避免例如粗糙的切割边缘、毛刺和挂渣形成。另外，自主处理机和自主处理过程对于节省人员支出是有用的。因此，需要允许控制和调节工件的射束处理的装置和方法。

DE102009050784B4公开了一种用于通过在空间分辨检测器和照射源的应用下提供机加工射束来基于图像而调节机加工过程的方法。将不同照度下的图像组合以用于评估。缺点在于，对所有图像进行联合评估，这可能会导致结果生成缓慢。此外，这种评估需要复杂的算法来执行图像分析。

EP2886239A1公开了一种用于在激光接合过程中、特别是在混合激光电弧焊中监控和控制处理路径的方法。在该过程中，将处理激光射束引导通过处理光学系统而引导到待接合的工件的表面上，并通过工件或处理光学系统在处理路径上的运动而将处理激光射束沿着工件的对接接头导引。表面的区域与处理激光射束同轴并被照射辐射均匀地照射，并且以图像传感器对从该区域通过处理光学器件的至少一部分反射的照射辐射进行空间分辨的检测和评估。此外，从借助于基于纹理的图像处理而由图像传感器获得的图像中确定由处理激光射束感应的对接接头的位置和毛细管的位置，并且将处理激光射束的处理路径控制为对接接头和毛细管的分别检测到的位置的函数。

发明内容

本发明的任务是提供一种用于改进对工件的射束处理、特别是激光射束切割的监控的装置和方法。本发明的另一任务是提供一种用于改进对工件的射束处理的监控的装置和方法，通过该装置和方法可以实现自主的射束处理和高质量的被处理工件。

这些任务通过根据本发明的用于监控工件的射束处理的装置及其用途、用于工件的射束处理的装置及其用途、用于监控工件的射束处理的方法以及用于工件的射束处理的方法来实现。

根据有利的实施方式，提供了一种用于监控工件的射束处理、特别是激光射束处理的装置，该装置包括：至少一个照射装置，所述至少一个照射装置用于在多个第一时间间隔期间照射工件的处理区域，第一时间间隔通过第二时间间隔而彼此间隔开，在第二时间间隔期间，处理区域未被照射装置照射；检测装置，该检测装置用于检测从处理区域发出的电磁辐射；以及处理装置，该处理装置用于对在第一时间间隔内检测到的电磁辐射和在第二时间间隔内检测到的电磁辐射进行单独的处理；其中，检测装置适于通过以一定帧频提供具有多个帧的视频流来检测电磁辐射，所述帧包括电磁辐射的图像，第一时间间隔和第二时间间隔与该帧频同步。

使用以上实施方式的装置来监控射束处理允许对射束处理过程进行在线和/或实时观察、自动控制和/或反馈控制。由此，可以实现自主射束处理机和自主射束处理过程，以便节省时间和人员支出。另外，由于对在第一时间间隔和第二时间间隔内检测到的电磁辐射进行了单独的处理，因此可以获得示出处理区域的不同类型的检测结果。例如，一方面，在第一时间间隔内，可以在处理期间检测到被照射的处理区域，从而呈现出第一类型的检测结果。另一方面，在第二时间间隔内，可以在没有附加照射的情况下观察到第二类型的检测结果，该结果仅反映了由工件本身在处理期间发出的电磁辐射，例如在处理区域处产生的被加热材料和/或熔融材料的辉光。因此，可以将相同类型的多个检测结果进行组合以用于评估，从而允许在长时间的射束处理期间连续或不连续地观察处理区域。

由于第一时间间隔和第二时间间隔与帧频同步，所以允许将在第一时间间隔内拍摄的帧与在第二时间间隔内拍摄的帧直接分离。此外，在第一时间间隔内检测到的帧的组合仅示出了被照射的处理区域，而在第二时间间隔内检测到的帧的单独组合提供了仅示出由工件本身在处理期间发射的电磁辐射的多个帧。因此，可以对相同照射场景的帧进行组合以用于评估。

在一些实施方式中，检测装置可以适于通过提供视频流来记录检测到的电磁辐射。因此，所记录的视频流、即示出了检测到并记录的电磁辐射的视频流和/或所记录的视频流中所包括的帧的任意组合可以用于存储有关处理过程的信息并用于该信息的比较。

根据其他实施方式，处理装置可以适于提供包括在第一时间间隔内检测到的电磁辐射的图像的第一帧流和包括在第二时间间隔内检测到的电磁辐射的图像的第二帧流。由此，可以获得两个单独地且/或以不同方式处理的帧流，每个帧流示出了检测到的电磁辐射和处理区域。使用该实施方式的处理减少了随后分析监控数据所需的时间，因为可以并行分析第一流和第二流。

处理装置可以适于通过处理由检测装置提供的视频流来提供第一帧流和第二帧流。例如，处理装置可以从视频流中选择出在第一时间间隔内检测到的帧中的一些或全部帧，并将它们组合以产生一个帧流。对于在第二时间间隔内检测到的帧也是如此。此外，在相同类型的时间间隔内检测到的帧可以直接组合，或者在进一步处理后组合。此外，处理装置可以适于通过处理由检测装置提供的所记录的视频流来提供第一帧流和第二帧流。

根据其他实施方式，可以在检测装置与处理区域之间布置滤波装置，该滤波装置适于或可以适于选择性地使由照射装置发射并被处理区域反射的在一定波长范围内的电磁辐射通过。这允许主要地或选择性地检测由一个或多个照射装置照射的处理区域，因为由处理区域反射并到达检测装置的电磁辐射可以被滤波从而比由工件本身在处理期间发射的电磁辐射更强。

在一些实施方式中，用于监控工件的射束处理的装置可以具有中心轴线，并且所述至少一个照射装置、检测装置和滤波装置中的至少一者可以与中心轴线同轴地布置并且/或者可以轴向对称地形成。由此，可以实现用于监控射束处理的装置的一个或更多个部件的轴向对称或同轴对称。这进一步允许用于监控的装置与轴向对称的射束处理装置、例如包括激光射束源的射束处理装置进行组合或一体式布置。另外，在同轴布置的一个或多个照射装置的情况下，可以均匀地照射处理区域。

此外，检测装置可以包括光电二极管阵列、光敏元件阵列和/或摄像机。此外，检测装置可以适于为图像的至少一部分提供可选择的和/或变化的曝光时间。

根据实施方式，所述至少一个照射装置可以适于发射在200 nm至900 nm的波长范围内、优选地在300 nm至850 nm的范围内、更优选地在380 nm至820nm的范围内的电磁辐射。另外或替代性地，所述至少一个照射装置可以构造成用于均匀地照射处理区域。

用于监控射束处理的装置可以包括放大装置，该放大装置用于对从处理区域发出并至少在第一时间间隔内和/或在第二时间间隔内被检测到的电磁辐射的至少一部分进行放大。例如，检测装置可以包括提供对检测到的电磁辐射的电子放大的放大装置。根据其他示例，放大可以是选择性的。

另一实施方式涉及用于工件的射束处理、特别是用于激光射束处理的装置，该装置包括用于工件的射束处理的射束源和根据前述实施方式中的任一实施方式的用于监控射束处理的装置。

根据实施方式，用于射束处理的装置和用于监控射束处理的装置可以各自具有中心轴线，并且可以彼此同轴地布置。这样允许两个装置的节省空间的构型。

在其他实施方式中，用于工件的射束处理的装置可以包括布置在检测装置与处理区域之间的二向色镜，该二向色镜使处理射束或使从处理区域发出的电磁辐射的至少一部分偏转。这允许了用于射束处理的装置的例如下述构型：在该构型中，由于处理射束在二向色镜处偏转，因此射束源不相对于用于射束处理的装置的中心轴线同轴地布置。另外，通过这些实施方式，可以避免对源自处理射束的电磁辐射的检测。

根据另一实施方式，提供了根据以上实施方式中的任一实施方式的用于监控工件的射束处理的装置的用途，该装置用于监控激光射束切割。此外，一个实施方式涉及根据以上实施方式中的任一实施方式的用于射束处理的装置的用途，该装置用于激光射束切割。由此，可以改进被切割工件的质量，从而避免例如粗糙的切割边缘、毛刺和挂渣形成。

另一实施方式提供了一种用于监控工件的射束处理、尤其是激光射束处理的方法，特别地，该方法使用了根据上述实施方式中的任一实施方式的用于监控工件的射束处理的装置，该方法包括：在多个第一时间间隔期间照射该工件的处理区域，第一时间间隔通过第二时间间隔而彼此间隔开，在第二时间间隔期间，处理区域未被照射装置照射；检测从处理区域发出的电磁辐射；以及对在第一时间间隔内检测到的电磁辐射和在第二时间间隔内检测到的电磁辐射进行单独的处理；其中，检测过程以一定帧频提供具有多个帧的视频流，所述帧包括电磁辐射的图像，第一时间间隔和第二时间间隔与该帧频同步。

在根据上述实施方式的方法的改型中，可以通过提供视频流来记录检测到的电磁辐射。由此，所记录的视频流和/或视频流中包括的帧的任何组合可以用于存储关于处理过程的信息并用于该信息的比较。

第一时间间隔和第二时间间隔可以与帧频同步成使得第一时间间隔和第二时间间隔各自对应于一个或更多个帧的持续时间。例如，用于检测一个帧的持续时间可以小于1/帧频。

根据用于监控工件的射束处理的方法的其他实施方式，单独的处理可以提供在第一时间间隔内检测到的电磁辐射的第一帧流和在第二时间间隔内检测到的电磁辐射的第二帧流。此外，可以通过处理由检测提供的视频流来获得第一帧流和第二帧流。

在用于监控工件的射束处理的方法的一些实施方式中，可以在对从处理区域发出的电磁辐射进行检测之前对其进行滤波，以选择性地使由照射装置发射并被处理区域反射的在一定波长范围内的电磁辐射通过。

此外，根据用于监控工件的射束处理的方法的实施方式，可以使用在 200nm至900nm的波长范围内、优选地在300nm至850nm的范围内、更优选地在380nm至820nm的范围内的电磁辐射来照射处理区域，并且 /或者可以均匀地照射处理区域。

根据用于监控工件的射束处理的方法的一些实施方式，可以对从处理区域发出并至少在第一时间间隔内和/或在第二时间间隔内被检测到的电磁辐射的至少一部分进行放大。

在根据其他实施方式的用于监控工件的射束处理的方法中，可以通过二向色镜使处理射束或使从处理区域发出的电磁辐射的至少一部分偏转。

另一实施方式提供了一种用于工件的射束处理、特别是用于激光射束处理的方法，特别地，该方法使用了根据上述任一实施方式的用于监控工件的射束处理的装置或用于工件的射束处理的装置，该方法包括根据上述任一实施方式的监控工件的射束处理的方法的步骤。

用于监控工件的射束处理的方法和用于工件的射束处理的方法的上述实施方式具有与以上针对相应装置所提及优点及效果的相同的优点和效果。

附图说明

参照以下附图，在下面的对典型实施方式的描述中更详细地描述了上述实施方式中的一些实施方式，在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的用于射束处理的装置的示例；

图2示意性地示出了由图1的示例产生的视频流；

图3a和图3b示出了通过图1的示例在没有照射的情况下检测到的处理区域的视频帧；

图4a和图4b示出了通过图1的示例在有照射的情况下检测到的处理区域的视频帧；以及

图5示意性地示出了根据本发明的用于监控射束处理的装置的另一示例。

具体实施方式

在下面的对附图的描述中，相同的附图标记指代相同的部件。通常，仅描述关于各个实施方式的差异。

在本文中所述的实施方式中，术语“提供多个帧”或“提供一帧”可以分别被“检测多个帧”或“检测一帧”同义地代替。此外，在对实施方式的描述中使用的术语“在时间间隔内”可以涵盖术语“在时间间隔期间”。这些术语的改型可以以类似方式解释。在一些实施方式中，用于射束处理的装置可以被称为射束处理装置，而用于射束处理的方法可以被称为射束处理方法。

如上所述，根据一个实施方式，提供了一种用于监控工件的射束处理、特别是激光射束处理的装置，该装置包括：至少一个照射装置，所述至少一个照射装置用于在多个第一时间间隔期间照射工件的处理区域，第一时间间隔通过第二时间间隔而彼此间隔开，在第二时间间隔期间处理区域未被照射装置照射；检测装置(或替代性地称为“检测性装置”)，该检测装置用于检测从处理区域发出的电磁辐射；以及处理装置，该处理装置用于对在第一时间间隔内检测到的电磁辐射和在第二时间间隔内检测到的电磁辐射进行单独的处理；其中，检测装置适于通过以一定帧频提供具有多个帧的视频流来检测电磁辐射，所述帧包括电磁辐射的图像，第一时间间隔和第二时间间隔与该帧频同步。

在一些实施方式中，处理装置可以附加地适于使照射装置和检测装置以及用于监控射束处理的装置的可选的其他装置、比如实施方式中的滤波装置和/或放大装置同步。处理装置可以经由数据导线连接至照射装置、检测装置、连接至用于监控射束处理的装置的可选部件和/或连接至射束处理装置，特别是连接至本文中描述的实施方式的射束处理装置。因此，可以促进射束处理过程的自动控制和反馈控制。例如，处理装置可以适于使检测装置的电子放大与帧频同步。此外，处理装置可以适于使检测装置的曝光时间与帧频同步。

根据实施方式，多个第一时间间隔和第二时间间隔可以对应于射束处理的时间间隔。此外，第二时间间隔可以布置或设置在第一时间间隔之间。此外，可以预先确定多个第一时间间隔和第二时间间隔。例如，时间间隔可以由处理装置计算出，并且照射装置可以被相应地控制。处理区域也可以被理解为射束处理区域。

可以在第一时间间隔和/或第二时间间隔中的一些时间间隔内检测电磁辐射。然而，不仅可以在第一时间间隔和第二时间间隔内检测电磁辐射，而且还可以在由第一时间间隔和第二时间间隔组成的整个持续时间期间检测电磁辐射。此外，可以在第一时间间隔和/或第二时间间隔中的每个时间间隔期间检测电磁辐射。这些实施方式促进了对射束处理过程的连续监控。

所述至少一个照射装置可以适于发射在200nm至900nm的波长范围内、优选地在300nm至850nm的范围内、更优选地在380nm至820nm 的范围内的电磁辐射。例如，照射装置可以是可以发射处于所述波长范围内的光的光源、比如二极管阵列。另外或替代性地，至少一个照射装置可以构造成用于均匀地照射处理区域。这可以例如由环形结构的照射装置或由环形布置的多个照射装置来实现。

如上所述，检测装置可以适于通过以一定帧频提供电磁辐射的多个帧来检测电磁辐射。由照射装置产生的第一时间间隔和第二时间间隔可以与帧频同步成使得第一时间间隔和第二时间间隔各自对应于一个或更多个帧的持续时间。例如，照射的第一时间间隔可以各自对应于一帧的持续时间，而第二时间间隔可以各自对应于两帧的持续时间，反之亦然。此外，多个帧中的一些或全部帧可以具有相同的持续时间。

此外，检测装置可以包括光电二极管阵列、光敏元件阵列和/或摄像机。而且，检测装置可以是空间分辨的。因此，检测装置可以提供视频帧中所包括的空间分辨图像。此外，检测装置可以适于提供可选择的和/或变化的曝光时间，以用于拍摄和/或记录图像的至少一部分。

处理装置可以适于提供包括在第一时间间隔内检测到的电磁辐射的图像的第一帧流和包括在第二时间间隔内检测到的电磁辐射的图像的第二帧流。由此，可以获得两个单独地且/或以不同方式处理的帧流。因此，通过仅组合第一时间间隔的帧，可以在照射期间连续地显示处理区域。此外，通过仅组合第二时间间隔的帧，可以在没有照射的情况下连续地显示在处理期间由工件本身发出的被检测到的电磁辐射。此外，第一帧流和第二帧流各自允许分别对检测到的电磁辐射或对处理区域进行实时监控。由此，额外地促进了射束处理装置和射束处理过程的自动控制和反馈控制。

处理装置可以适于通过处理由检测装置提供的视频流来提供第一帧流和第二帧流。例如，处理装置可以从多个帧中选择出在第一时间间隔内检测到的帧中的一些或全部帧，并将它们组合以产生第一帧流。对于在第二时间间隔内检测到的帧而言也是如此，从而产生第二帧流。此外，在相同类型的时间间隔内检测到的帧可以在检测之后直接组合或在进一步处理之后组合。

根据其他实施方式，可以在检测装置与处理区域之间布置滤波装置，该滤波装置适于或可适于选择性地使由照射装置发射并被处理区域反射的在一定波长范围内的电磁辐射穿过。例如，滤波装置可以是带通滤波器。在一些示例中，滤波装置可以是能够例如使用处理装置而调节的，从而被设置在由照射装置发射的波长范围内。

此外，用于监控射束处理的装置可以包括放大装置，该放大装置用于对从处理区域发出并至少在第一时间间隔内和/或在第二时间间隔内被检测到的电磁辐射的至少一部分进行放大。放大装置可以是检测装置的部件。

包含滤波装置和/或放大装置的用于监控射束处理的装置的实施方式允许主要检测由照射装置照射的处理区域，特别是在第一时间间隔期间进行检测。

在一些实施方式中，照射装置和检测装置可以被同步，例如如上述的那样。然而，不仅照射装置和检测装置可以被同步，而且放大装置和/或滤波装置也可以被同步。特别地，可以将放大装置和/或滤波装置控制成只在第一时间间隔期间主动地对电磁辐射进行放大和/或滤波。例如，在一些示例中，第一时间间隔和第二时间间隔的变化的照射以及对检测到的电磁辐射的放大和/或滤波可以与检测装置的帧频同步。因此，在表示工件被照射装置照射的时间段的第一时间间隔期间，并且在一些实施方式中，在电磁辐射的第一帧流内，可以有效地避免检测工件本身由于射束处理而发出的电磁辐射。

此外，示出被照射的处理区域的帧可能比未被照射的处理区域的帧更亮。在这些情况下，可以将放大和/或同步选择成使得示出未被照射的处理区域的帧比示出被照射的处理区域的帧被更强烈地放大。

根据其他示例，在第一时间间隔期间，可以将照射设置和/或同步为比在处理期间由工件本身发射的电磁辐射、比如热辐射更亮。这允许在第一时间间隔期间主要检测由照射装置照射的处理区域。另一方面，在第二时间间隔期间、即在没有附加照射的情况下观察处理区域的期间，允许检测由工件本身发射的电磁辐射。

根据实施方式，用于监控工件的射束处理的装置可以具有中心轴线，并且所述至少一个照射装置、检测装置和滤波装置中的至少一者可以与中心轴线同轴地布置并且/或者可以轴向对称地形成。因此，在一些实施方式中，可以实现用于监控射束处理的装置和/或用于射束处理的装置的一个或更多个部件的轴向对称或同轴对称。在一些示例中，中心轴线可以平行于射束方向布置，特别地，射束可以与中心轴线同轴地朝向工件发射。

如上所述，另一实施方式涉及一种用于工件的射束处理、特别是用于激光射束处理的装置，该装置包括用于工件的射束处理的射束源和根据前述实施方式中的任一实施方式的用于监控射束处理的装置。本发明的实施方式中的用于工件的射束处理的射束源可以产生高能射束、例如激光射束或者诸如电子射束或质子射束之类的粒子射束。激光射束源的示例是纤维激光器，该纤维激光器可以提供500W或更大、优选地为4000W或更大并且更优选地为8000W或更大的激光射束功率。

用于射束处理的装置的一些示例可以包括提供射束的射束处理头，用于监控射束处理的装置是射束处理头的一体式部件。此外，照射装置可以布置在射束处理头的内部或外部。

此外，用于射束处理的装置可以包括处理控制装置，该处理控制装置连接至或包括用于监控射束处理的装置的处理装置。处理控制装置可以经由数据导线连接至部件并且连接至用于射束处理的装置的射束源。该构型允许对射束处理装置以及射束处理过程进行在线和/或实时观察、自动控制和/或反馈控制。由此，可以实现自主射束处理机和自主射束处理过程。

根据其他实施方式，用于射束处理的装置和用于监控射束处理的装置可以各自具有中心轴线，并且可以彼此同轴地布置。这通过将用于监控射束处理的装置布置在用于射束处理的装置内而允许了用于射束处理的装置的紧凑构型。此外，用于工件的射束处理的装置可以另外包括布置在检测装置与处理区域之间的二向色镜，该二向色镜使处理射束或使从处理区域发出的电磁辐射的至少一部分偏转，例如朝向检测装置偏转。例如，二向色镜可以将处理射束偏转并传输至处理区域，并且选择性地使从处理区域反射或发射的电磁辐射穿过。因此，在进行激光射束处理的情况下，激光射束可以经由传输纤维而从用于射束处理的装置的侧面被引导到用于射束处理的装置中，并且通过在二向色镜处的偏转而被引向处理区域。替代性地，激光射束可以经由传输纤维被居中地、例如沿着中心轴线引导到用于射束处理的装置中，而检测装置定位在用于射束处理的装置的侧面。在该示例中，从处理区域发出的电磁辐射可以在二向色镜处朝向检测装置偏转，而处理射束穿过二向色镜。

另一实施方式提供了一种用于监控工件的射束处理、特别是激光射束处理的方法，特别地，该方法使用了根据上述实施方式中的任一实施方式的用于监控射束处理的装置或用于射束处理的装置，该方法包括：在多个第一时间间隔期间照射工件的处理区域，第一时间间隔通过第二时间间隔而彼此间隔开，在第二时间间隔期间，处理区域未被照射装置照射；检测从处理区域发出的电磁辐射；以及对在第一时间间隔内检测到的电磁辐射和在第二时间间隔内检测到的电磁辐射进行单独的处理；其中，检测过程以一定帧频提供电磁辐射的具有多个帧的视频流，每个帧包括电磁辐射的图像，第一时间间隔和第二时间间隔与该帧频同步。本文中描述的该实施方式的方法及其改型提供了与以上针对相应装置所述的优点相同的优点。对于涉及用于射束处理的方法的实施方式而言也是如此。

示例

图1示意性地示出了用于射束处理的装置的示例。在该示例中，用于射束处理的装置包括射束处理头10，并且用于监控射束处理的装置一体地布置在射束处理头10内。可以提供未示出的其他部件，比如准直透镜或聚焦透镜。

在本示例中，射束处理头10具有包括中心轴线(未示出)的管状壳体10a。在射束处理头的一个端部处，壳体10a渐缩并具有形成激光射束出口的开口梢端10b。梢端10b由喷嘴形成，该喷嘴用于将高压气体射束与激光射束同轴地引向工件，以便去除熔融金属。

图1示出了定位在由不锈钢制成的工件11附近的射束处理头10。在由图1示出的布置中，梢端10b指向工件11，从而限定了处理区域11a。

在射束处理头10内且在梢端10b附近设置有两个光源12作为照射装置。在本示例中，两个光源12包括发射波长约为808nm的脉冲光的LED。

在壳体10a的一个侧壁中，射束处理头10联接至用于传输激光射束的传输纤维17。在图1中，在射束处理头10的左侧示出了传输纤维。

射束处理头还包括二向色镜13、作为检测装置的摄像机15和作为滤波装置的滤波器18。二向色镜13设置在光源12与滤波器18之间，将1060 nm至1080nm的光(＞99.9％)向下反射45°并透射400nm至900nm之间的光(＞50％)。二向色镜13居中地定位在壳体10a内，并且相对于射束处理头的中心轴线倾斜，从而面向传输纤维17。传输纤维是普通的100 μm阶跃折射率纤维。滤波器18定位在二向色镜13与摄像机15之间，并且是用于选择性地使约808±10nm的光通过的带通滤波器。摄像机15配置成提供空间分辨的视频图像流。摄像机15是单色的，并且在该示例中被设置为500×500像素的空间分辨率和8位的亮度分辨率。摄像机15连接至用于评估视频流的处理装置19。

光源12、摄像机15和滤波器18相对于射束处理头10的中心轴线同轴地布置。

可选地，射束处理头可以包括位于梢端10b与二向色镜13之间以及位于滤波器18与摄像机15之间的附加光学装置(未示出)，以用于对在射束处理头10内行进的激光射束或光线进行整形。

在射束处理头10的操作期间，约1070nm的激光射束16经由传输纤维17从射束处理头的侧面馈送到射束处理头中。激光射束16在二向色镜 13处偏转，并且基本上平行于射束处理头10的中心轴线通过梢端10a被引向处理区域11a。由于激光射束16不能穿过二向色镜13，因此避免了对激光射束的检测。在处理区域11a内，工件11的材料被激光射束16加热并熔融，从而发出辉光和热辐射。

处理区域11a被使用具有约808nm的波长和122Hz、90μs脉冲的光的脉冲光源12间歇地照射。由此，在多个第一时间间隔期间均匀地照射工件11的处理区域11a，第一时间间隔通过第二时间间隔而彼此间隔开，在第二时间间隔期间，处理区域未被照射源12照射。

在第一时间间隔期间，即在由光源12照射期间，照射光14通过梢端 10b被引向处理区域11a并被反射回到射束处理头中。照射光14穿过二向色镜13和滤波片18，并最后到达摄像机15。

由于激光射束处理，被加热的材料和产生的熔融物发出辉光和热辐射，热辐射通过梢端10b辐射到射束处理头中。所产生的电磁辐射涵盖广泛的波长范围，该波长范围包括约808nm的波长。因此，由于滤波器18 允许具有约808nm的波长的电磁辐射穿过，因此不仅在第一时间间隔期间由脉冲光源12照射的工件区域产生的照射光穿过滤波器18并到达摄像机15，而且在没有由光源12附加照射的第二时间间隔期间由工件本身发射的辐射的一部分也穿过滤波器18并到达摄像机15。

摄像机15通过以一定帧频提供相同持续时间的多个视频帧来检测电磁辐射。由脉冲光源12提供的第一时间间隔和第二时间间隔与该帧频同步成使得第一时间间隔和第二时间间隔各自对应于单个视频帧的持续时间。因此，摄像机15产生由如图2中所示的视频帧1至8组成的流20，从而以交替的方式示出了被照射和未被照射的处理区域11a。因此，每隔一个视频帧对应于相同类型的时间间隔。

图2示出了连接至摄像机15的处理装置19如何处理视频帧1至8。处理装置19从由摄像机15产生的视频帧的流20中选择在第一时间间隔内检测到的视频帧1、3、5和7。处理装置19组合视频帧1、3、5和7，以产生视频帧的第一流21，该第一流21表示被照射的处理区域11a的视频影片。在第二时间间隔内检测到的视频帧2、4、6、8被选择并以类似的方式组合以产生视频帧的第二流22，该第二流22反映了未被照射的处理区域11a的视频影片。

因此，第一流21代表被照射的处理区域11a，而第二流22反映了在未由光源12附加照射的情况下的处理区域11a。如将在下面参照示出了对 6mm不锈钢的熔切的图3a、图3b和图4a、图4b描述的，第一流21和第二流22提供了有关处理区域的不同信息。

图3a显示了在第二时间间隔期间、即在没有附加照射的情况下检测到的处理区域的一个视频帧。如为了可视化而在图3b中更详细地示出的，图3a的视频帧反映了具有外周31和区域32的辐射区30。辐射区30内的两个直箭头对应于辐射区30的长度33和宽度34。在图3a和图3b中描绘的圆圈示出了辐射核心区域35，该辐射核心区域35被呈不规则形状的最高辐射强度区域36包围。

因此，图3a的视频帧尤其允许观察：辐射核心区域；辐射区的大小和周界；辐射区的至少在激光射束的传播方向的右边和/或左边的圆形度和对称性；强度分布；辐射区的对比度、长度和宽度(切口宽度)；以及熔膜波纹。

图4a示出了在第一时间间隔期间、即在有附加照射的情况下检测到的处理区域的一个视频帧。图4b为了更好的可视化而反映了由图4a呈现出的细节中的一些细节。图4a、图4b示出了切割切口40及其宽度、具有特征性的切割前沿倾斜度的切割前沿41、喷嘴开口的尺寸42以及切割区域周围的工件结构43。在图4a中通过添加的虚线圆来指示的放大细节示出了切割边缘粗糙度和结构44的可检测性。

因此，图4a的视频帧尤其允许观察：切割切口40的宽度，切割切口 40的对称性，切割前沿41及其倾斜角度即切割前沿角，切割边缘的表面粗糙度、例如波纹的结构，以及工件11的结构43。

因此，如上所述那样组合由摄像机15拍摄的视频帧来产生第一视频流21和第二视频流22允许连续观察和监控关于处理区域的不同信息。

在本示例中，射束处理头10是用于射束处理的装置的一部分，该装置包括连接至处理装置19的处理控制装置(未示出)。处理控制装置经由数据导线连接至部件并连接至用于射束处理的装置的激光源。由于由处理装置19产生的视频流21和22，本示例允许对用于射束处理的装置以及射束处理过程进行在线和/或实时观察、自动控制和/或反馈控制。由此，不仅可以促进高切割质量，而且可以实现自主射束处理装置和自主射束处理过程。

其他示例

根据上述示例，每隔一个视频帧对应于相同类型的时间间隔。因此，第一时间间隔和第二时间间隔与帧频同步成使得第一时间间隔和第二时间间隔各自对应于一个视频帧的持续时间。然而，在其他示例中，第一时间间隔和/或第二时间间隔可以与帧频同步成使得第一时间间隔和/或第二时间间隔各自对应于大于一个视频帧的持续时间。

在另外其他示例中，上述示例中的摄像机15可以包括放大装置。该放大装置可以设置成为从工件区域发出的经滤波的电磁辐射提供变化的放大率。在第一时间间隔期间、即在由光源12照射期间，适当选择的放大率允许抑制或消除由工件本身在处理期间发射的电磁辐射，比如热辐射。因此，可以可靠地观察和监控被照射的处理区域。另一方面，在第二时间间隔期间、即在没有附加照射的情况下观察处理区域的期间，放大率可以被设置成允许检测和监控由处理区域本身发射的电磁辐射。因此，也可以可靠地观察和监控未被照射的处理区域。

在以上参照图1至图4描述的示例中，用于射束处理的装置包括射束处理头10，并且用于监控射束处理的装置是射束处理头10的一体式部件。替代性地，如图5中所示，用于监控射束处理的装置还可以构造为与射束处理头分离的装置100。例如，光源12和摄像机15(可能还有图1中可见的滤波器18)可以组合在壳体内，该壳体在进行射束处理期间可以定位成横向于提供射束的射束处理头，以便观察和监控处理区域。该构型还使得能够对射束处理头和整个射束处理装置以及射束处理过程进行在线和/或实时观察、自动控制和/或反馈控制。

尽管前述内容针对本发明的示例和实施方式，但是可以设想本发明的其他和进一步的实施方式。特别地，上述示例和实施方式的相互非排他的特征可以彼此组合。

附图标记列表

1至8 视频帧

10 射束处理头

10a 壳体

10b 梢端/喷嘴

11 工件

11a 处理区域

12 光源

13 二向色镜

14 待检测的光/待检测的电磁辐射

15 摄像机/检测装置

16 激光射束/处理射束

17 传输纤维

18 滤波器

19 处理装置

20至22 视频流

30 辐射区

31 辐射区的外周

32 辐射区的区域

33 辐射区的长度

34 辐射区的宽度

35 辐射核心区域

36 最高辐射强度区域

40 切割切口的切割边缘

41 切割前沿

42 喷嘴开口/梢端开口的尺寸和特征

43 切割区域周围的工件结构

44 切割边缘粗糙度和结构

100 射束处理头

Claims (25)

1.一种用于监控工件(11)的射束处理的装置，

所述装置包括：

至少一个照射装置(12)，所述至少一个照射装置用于在多个第一时间间隔期间照射所述工件(11)的处理区域(11a)，所述第一时间间隔通过第二时间间隔而彼此间隔开，在所述第二时间间隔期间，所述处理区域未被所述照射装置照射；

检测装置(15)，所述检测装置用于检测从所述处理区域发出的电磁辐射；

以及

处理装置(19)，所述处理装置用于对在所述第一时间间隔内检测到的电磁辐射和在所述第二时间间隔内检测到的电磁辐射进行单独的处理；

其中，所述检测装置(15)适于通过以一定帧频提供所述电磁辐射的具有多个帧的视频流来检测所述电磁辐射，每个帧包括所述电磁辐射的图像，所述第一时间间隔和所述第二时间间隔与所述帧频同步；

其中，所述处理装置(19)适于提供在所述第一时间间隔内检测到的所述电磁辐射的第一帧流(21)和在所述第二时间间隔内检测到的所述电磁辐射的第二帧流(22)。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述检测装置(15)适于通过提供所述视频流来记录检测到的所述电磁辐射。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述处理装置(19)适于通过处理由所述检测装置(15)提供的所述视频流来提供所述第一帧流和所述第二帧流。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其中，在所述检测装置(15)与所述处理区域之间布置有滤波装置(18)，所述滤波装置适于或能够适于选择性地使由所述照射装置发射并被所述处理区域反射的在一定波长范围内的电磁辐射通过。

5.根据权利要求1或2所述的装置，其中，用于监控工件的射束处理的所述装置具有中心轴线，并且其中，所述至少一个照射装置(12)、所述检测装置(15)和滤波装置(18)中的至少一者与所述中心轴线同轴地布置并且/或者各自轴向对称地形成。

6.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述检测装置(15)包括光电二极管阵列、光敏元件阵列和/或摄像机。

7.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述至少一个照射装置(12)适于发射在200nm至900nm的波长范围内的电磁辐射，并且/或者所述至少一个照射装置构造成用于对所述处理区域进行均匀的照射。

8.根据权利要求7所述的装置，其中，所述至少一个照射装置(12)适于发射在300nm至850nm的波长范围内的电磁辐射。

9.根据权利要求7所述的装置，其中，所述至少一个照射装置(12)适于发射在380nm至820nm的波长范围内的电磁辐射。

10.根据权利要求1或2所述的装置，所述装置包括放大装置，所述放大装置用于对从所述处理区域发出并至少在所述第一时间间隔内和/或在所述第二时间间隔内被检测到的所述电磁辐射的至少一部分进行放大。

11.一种用于工件的射束处理的装置，所述装置包括用于所述工件(11)的射束处理的射束源和根据前述权利要求中的任一项所述的用于监控射束处理的装置。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，用于射束处理的所述装置和所述用于监控射束处理的装置各自具有中心轴线并且彼此同轴地布置。

13.根据权利要求11和12中的任一项所述的装置，所述装置包括二向色镜(13)，所述二向色镜(13)布置在所述检测装置(15)与所述处理区域之间，所述二向色镜(13)使处理射束(16)或使从所述处理区域发出的所述电磁辐射的至少一部分偏转。

14.一种根据权利要求1至10中的任一项所述的装置的用途，所述装置用于监控激光射束切割。

15.一种根据权利要求11至13中的任一项所述的装置的用途，所述装置用于激光射束切割。

16.一种用于监控工件(11)的射束处理的方法，所述方法使用了根据权利要求1至13中的任一项所述的装置，

所述方法包括：

在多个第一时间间隔期间照射所述工件的处理区域，所述第一时间间隔通过第二时间间隔而彼此间隔开，在所述第二时间间隔期间，所述处理区域未被所述照射装置(12)照射；

检测从所述处理区域发出的电磁辐射；

以及

对在所述第一时间间隔内检测到的电磁辐射和在所述第二时间间隔内检测到的电磁辐射进行单独的处理；

其中，所述检测以一定帧频提供所述电磁辐射的具有多个帧的视频流，每个帧包括所述电磁辐射的图像，所述第一时间间隔和所述第二时间间隔与所述帧频同步；

其中，所述单独的处理提供了在所述第一时间间隔内检测到的所述电磁辐射的第一帧流(21)和在所述第二时间间隔内检测到的所述电磁辐射的第二帧流(22)。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，通过提供所述视频流来记录检测到的所述电磁辐射。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中，通过处理由所述检测提供的所述视频流来获得所述第一帧流和所述第二帧流。

19.根据权利要求16或17所述的方法，其中，在对从所述处理区域发出的所述电磁辐射进行检测之前对所述电磁辐射进行滤波，以选择性地使由所述照射装置(12)发射并被所述处理区域反射的在一定波长范围内的电磁辐射通过。

20.根据权利要求16或17所述的方法，其中，使用在200nm至900nm的波长范围内的电磁辐射来照射所述处理区域，并且/或者均匀地照射所述处理区域。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，使用在300nm至850nm的波长范围内的电磁辐射来照射所述处理区域。

22.根据权利要求20所述的方法，其中，使用在380nm至820nm的波长范围内的电磁辐射来照射所述处理区域。

23.根据权利要求16或17所述的方法，其中，对从所述处理区域发出并至少在所述第一时间间隔内和/或在所述第二时间间隔内被检测到的所述电磁辐射的至少一部分进行放大。

24.根据权利要求16或17所述的方法，其中，通过二向色镜(13)使处理射束或使从所述处理区域发出的所述电磁辐射的至少一部分偏转。

25.一种用于工件的射束处理的方法，所述方法使用了根据权利要求1至13中的任一项所述的装置，

所述方法包括根据所述权利要求16至24中的任一项所述的方法的步骤。

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