CN112676695A

CN112676695A - 检测光学元件运行条件的方法、执行该方法的系统及设有该系统的激光处理机械

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Publication number: CN112676695A
Application number: CN202011062186.5A
Authority: CN
Inventors: 毛里齐奥·斯贝蒂; 达维德·甘多尔菲; 马蒂亚·瓦宁
Original assignee: Adige SpA
Current assignee: Adige SpA
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2020-09-30
Publication date: 2021-04-20
Anticipated expiration: 2040-09-30
Also published as: ES2925885T3; CN112676695B; PL3799998T3; TWI836145B; JP7504743B2; US11685002B2; CA3094285A1; JP2021058933A; EP3799998A1; HUE059800T2; PT3799998T; MX2020010332A; EP3799998B1; BR102020020205A2; TW202130445A; US20210101228A1; KR20210040270A

Abstract

用于检测激光处理材料的机械的处理头(14)中沿着功率激光束(B)的传播光路布置的至少一个光学元件(16)的运行条件的方法和系统，包括以下步骤：a)获取指示以激光束(B)的波长与光路同轴反向传播的光辐射的信号；b)获取指示以近红外的波长与光路同轴反向传播的光辐射的信号；c)获取指示由光学元件(16)发射的红外光辐射的信号；d)获取随声波射过光学元件(16)体积的渡越时间变化的信号或数据；e)计算红外光辐射的归一化信号；f)计算真实红外光辐射信号；以及g)根据真实红外光辐射信号、指示以近红外波长反向传播的光辐射的信号和指示以激光束(B)的波长反向传播的光辐射的信号，计算指示光学元件(16)的运行条件的信号。

Description

检测光学元件运行条件的方法、执行该方法的系统及设有该系统的激光处理机械

技术领域

本发明涉及激光处理材料，优选金属材料，具体涉及激光处理材料、尤其是激光切削、钻削或焊接所述材料的机械中的改进。

更具体而言，本发明涉及分别如权利要求1和15的前序部分所述的用于在处理材料、尤其是激光切削、钻削或焊接所述材料的机械中检测沿激光束的传播路径布置的光学元件的运行条件的方法和系统。

根据另一方面，本发明还涉及一种激光处理材料的机械，该机械包括用于检测用于整形激光束的光路的至少一个光学元件的运行条件的系统。

背景技术

在下文的发明内容和权利要求中，术语“材料”以及优选实施例中的“金属材料”是指任何制品，诸如无差别地具有闭合横截面(例如中空圆形、矩形或正方形)或开放横截面(例如扁平截面或L形、C形、U形截面)等的片材或细长型材。

在工业处理材料中，特别是在工业处理金属片材和型材中，使用激光作为若干种应用的热处理工具，这取决于激光束与处理材料的相互作用参数，特别是激光束在材料上的每入射体积的能量密度以及相互作用的时间间隔。

例如，通过在金属材料上长时间(以秒为量级)引导低能量密度(以每平方毫米表面数十瓦为量级)，执行硬化过程，同时在相同的金属材料上在飞秒或皮秒为量级的时间内引导高能量密度(以每平方毫米表面数十兆瓦为量级)，执行光蚀过程。在能量密度增高和处理时间缩短的中间范围内，这些参数的控制允许执行焊接、切削、穿孔、雕刻、标记过程。

在包括钻削和切削过程在内的许多过程中，必需在处理区域提供辅助气流，激光束与材料发生相互作用，该区域具有推动熔体的机械功能或辅助燃烧的化学功能，或屏蔽处理区域周围环境的技术功能。

在激光处理材料领域中，激光切削、钻削和焊接是可由同一机械执行的过程，该机械适配成产生在材料的至少一个工作平面上具有预定横向功率分布的高功率聚焦激光束，通常是功率密度为1至10000kW/mm²的激光束，并控制光束沿材料入射的方向和位置。可对材料执行的不同类型处理之间的差异基本上归因于所用激光束的功率以及激光束与处理材料之间的相互作用时间。

根据现有技术的激光处理机械参见图1和图2，并例如参阅本申请的申请人在EP 3272 453中的描述。

图1示意性示出基于CO₂激光器的工业处理机械，该CO₂激光器具有激光束的空中光路，该机械包括：发射源10，诸如CO₂激光发生器装置，其适配成发射单模或多模激光束B；以及多个反射镜12a、12b和12c，其适配成使发射源所发射的激光束沿着光路传导，以使光束朝向邻近材料WP布置的处理头(整体标有附图标记14)传输。处理头14包括用于激光束的光学聚焦系统16，其大体上由聚焦透镜组成，该聚焦透镜适配成沿着金属材料上的入射传播光轴聚焦激光束。喷嘴18布置在聚焦透镜的下游，并被指向材料的工作平面区域的激光束横穿。该喷嘴适配成引导由对应设备注入的辅助气体束(未示出)朝向材料上的处理区域。辅助气体用于控制执行过程(钻削或切削)以及可达成的处理质量。例如，辅助气体可包括氧气，该氧气会促进与金属的放热反应，例如铁的氧化，其中通过放热反应生成各种类型的氧化铁，向材料中释放能量，这与激光束释放的能量一起有助于保持过程的动态平衡-从而允许提高切削速度，或者包括惰性气体，诸如氮气，其不会助长材料熔融，但会对熔融材料本身起到推动作用，保护(金属)材料在处理轮廓边缘免遭无意的氧化，保护处理头免遭熔体飞溅，也可用于冷却材料上产生的凹槽侧面，从而限制热变区的延伸范围。

图2示意性示出一种工业处理机械，其中激光束射入光纤。该机械包括：发射源10，诸如能够将激光束射入到传输光纤中的激光发生器装置，例如掺镱光纤激光器或直接二极管激光器，其适配成发射单模或多模激光束；以及光纤光缆12d，其适配成使发射源所发射的激光束朝向邻近材料WP布置的处理头14传导。在处理头处，从光纤发出的激光束具有其自控的发散度，该激光束由准直屈光系统20准直并由反射系统22反射，之后通过光学聚焦系统16(大体上由聚焦透镜组成)聚焦，经过发射喷嘴18沿着传播光轴入射到材料WP上。

图3举例示出根据现有技术实施例的处理头14。附图标记30指代具有圆柱或圆锥截面的管状通道，在其内部传输激光束(标有附图标记B)。由发射源10生成的激光束B通过空中光路经多次反射后或在光纤中传输到处理头，在反射偏转器元件32上准直，该反射偏转器元件32将其传播光轴向处理材料上的入射方向偏转。光学聚焦系统16处于反射偏转器元件32与布置在下游的保护玻璃34(其适配成保护聚焦系统免受任何熔体飞溅)的中间，并包括与机械调节机构38耦合的透镜架单元36，用于在横向于光束的传播方向(XY轴)和光束传播方向(Z轴)上校准透镜的定位。

随着第一近似，理想的激光束(即理想地校准成平行光束的激光束)在光学聚焦系统的下游以其束腰集中在有限大小的焦斑上。一般而言，在工业处理用途中，通过将横面与束腰的对应位置相对于光束入射材料壁和光束输出材料壁精确到十分之一毫米，即可达到最佳处理条件。

在单模光束的情形下，正常准直激光束的功率密度分布通常呈高斯形态，具有旋转对称性，即功率集中在光束纵轴(Z轴)周围，并沿外围裙边递减，或者在多模光束的情形下，它可描述为高斯轮廓的包络，具有旋转对称性。

在高功率激光应用领域中，使用单模或多模激光辐射束可在第一近似中描述为高斯分布，这是响应技术控制需求。实际上，高斯光束很容易用少量参数来描述，并易于在控制下沿着从发射源到处理机头的传输光路进行传播，因为它具有传播特性而无需修改功率分布，因此可以通过远场传播条件下的半径值和发散值来描述光束(在此情形下，可以使用几何光学近似)。在聚焦光束的近场传播条件下，沿着几何光学近似不再有效的处理轨迹，光束在其每个横截面中仍保持功率分布的高斯形态。

反之，包括更高阶横向模式的激光束具有非高斯功率分布。通常，这些条件是通过使用从高斯分布开始修改光束形状的折射系统(透射型光学系统，即透镜)或反射系统(反射型光学系统，即反射镜)来获得。

甚至可以实时控制光束的横向功率分布，例如根据相对于高斯分布的宽功率分布进行控制，以便在更大厚度的材料上进行切削操作(其中针对近红外波长范围内的激光，“大厚度”是指约4mm至约25mm的厚度)，根据相较于高斯分布的窄功率分布进行控制，以便在更小厚度上进行快速切削操作(其中“小厚度”是指等于或小于4mm的厚度)，或根据其他可选形态的非旋转对称性功率分布进行控制。

控制激光束的传播方向或其除高斯形态以外的其他横向功率分布形态，也可能具有除材料处理区域上旋转对称以外的其他对称性，例如相对于受控的辅助气体分布或取决于要遵循的处理路径和要执行的处理类型，为过程带来优势。例如，激光束的光轴位置相对于辅助气流的对称轴在切削过程前进方向上的不平衡允许提高过程速度方面的性能，从而确保减少气体消耗。控制激光束的功率分布，可能破坏光束的旋转对称性，允许功率分布在必要时相对于处理轨迹局部化或扩展化，并且一部分激光功率可用于主要过程中的辅助操作。

显然，为了获得上述优势，应当尽量精确且可重复地对激光束的传播方向或激光束的横向功率分布形态进行控制。因此，沿着激光束传播路径布置的光学元件，特定但非排他地，用于整形布置在机械的处理头中的激光束的光学元件，必需具有结构整体性并且不存在表面杂质。实际上，这些元件因暴露于不利的物理运行和环境条件而易受损伤或磨损，尤其是在大功率材料的激光处理应用领域中，即激光束功率等于或大于700W时。例如，进入处理头的光束的准直透镜、任何光束的偏转镜和聚焦透镜都可能暴露于高运行温度下，这取决于处理激光束的入射，可能导致光学元件体积内部的裂纹或结构变形。另一方面，光学器件的光学保护元件设置在来自光路的激光束的输出处并面对用于供给辅助气体的喷嘴，该光学保护元件不暴露于高运行温度，这取决于处理激光束入射暴露于喷嘴腔(光学元件所面对的体积区域)中存在的高环境压力下，或更甚者取决于光学元件的上游区域(理想地处于环境压力下)与光学元件的下游区域(处于辅助气体压力下，通常为1至25bar)之间的高压差-在光学元件所沉入的处理头体积内。光学保护元件面对处理材料的表面在处理过程中也暴露于熔融材料射流，这会致其变脏并因此使其浊化。

沿激光束的传播路径布置并具有结构和/或表面性质的光学元件的状态或运行条件发生变化，即结构缺陷(非完整性)和元件表面杂质的状态，可能损害元件的光学功能，因此损害穿过该元件的处理激光束的几何和光学特性以及机械的总体运行。例如，这将直接影响聚焦的程度和位置，使得机械的光学系统不再随着时间推移以已知且一致的方式聚焦激光束。

出于这些原因，在激光处理领域中，希望能在处理结果尚未超过容许公差时尽快确定光学元件的状态或运行条件，而不会关注不能接受的运行条件，并且需要通过对元件本身或过程的(受损)结果的简单目视检查(可能情况下)来更换元件，以使运行条件恢复到更接近完整的理想条件以及清洁光学元件，对此可精确地控制处理光束，而不会伪更改其功率分布或处理材料上的入射光斑。

US 2016/377548描述了一种通过光学分析来检测和分类半导体材料样品中缺陷的系统和方法。

JP S 59220294描述了检测由经受激光处理的工件产生的声波以控制处理操作。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于在对激光处理材料的机械中检测沿着激光束的传播光路布置的至少一个光学元件的运行条件、特别是用于以快速客观的方式检测至少一个光学元件的运行条件以在所有运行条件下获得精确处理结果的方法。

本发明的另一目的是提供一种用于在激光处理材料期间实时连续检测沿着激光束的传播光路布置的至少一个光学元件的运行条件而无需机械停机并无需目视或实验检查处理头的光学器件的方法。

根据本发明，达成上述目的的解决方案为具有权利要求1所述特征的用于检测至少一个光学元件的运行条件的方法。

特定实施方案参阅从属权利要求的主题，其内容应理解为属于本说明书的组成部分。

本发明的又一目的是提供一种用于检测至少一个光学元件的运行条件的系统以及一种用于对材料进行激光处理的机械。

总而言之，本发明是基于以下考虑：光学元件(无论是透射型还是反射型)的体积条件和表面状态，例如包括元件体积所承受的机械应力(横向于处理激光束的传播轴的变形)、元件暴露表面的机械表面张力(沿处理激光束的传播轴方向的轴向变形)、元件的运行温度条件和元件的不透明度，可以从该元件对处理激光束的背向反射或漫射、该元件在其周围空间区域中的热发射以及声波在该元件的体积中传播的现象中推导得出。

根据本发明，上述考虑应用于激光处理材料、尤其是激光切削、钻削或焊接材料的机械，特别是应用于在机械的处理头中沿着光束传播方向布置的用于整形处理激光束的光学元件，这是通过在穿过处理头的激光束传播部分的上游布置传感器机构，以及在至少一个要监视的光学元件处布置传感器机构，优选将所有光学元件布置在处理头中的激光束传播路径中，这些光学元件从上游到下游包括光学准直系统、可能用于反射和整形光束的光学系统、光学聚焦系统、用于保护来自光路的激光束的输出处不受外部环境影响的光学系统，例如用于保护光路不受环境影响的光学元件，旨在当其结构和表面条件为初始最佳条件时不修改入射光束的横向功率分布。

适当地测量指示处理激光束的背向反射或漫射、指示元件在其周围空间区域中的热发射以及指示与一个或每个光学元件相关联的体声波的传播的物理量，允许获取处理激光束通过所考虑的光学元件并可能通过其上游的光路条件的签名，这取决于传感器机构沿传播路径的位置。

因此，本发明是基于以下原理：在光路的不同位置上检测性质不同的检查信号，该信号指示沿该光路插入的一个或多个光学元件的运行条件，并连续性或按预定周期性且实时获取过程信息以及有关处理材料性质的信息叠加有关光学元件的信息，并处理该信息，其中通过实时组合该信息并将过程中得出的信息与有关光学元件的信息分离，以便生成分级别的合成数据，该合成数据通知形成一部分监视路径的一组光学元件的磨损状态和清洁度。

上述级别可以直接与机械或操作者必须对之作出反应的信号相关联，这些信号例如指示运行条件，诸如：“元件未正确就位”、“元件就位并处于理想条件”、“元件处于可补救的磨损或脏污条件”、“元件处于无法补救的磨损或脏污条件”、“需要直接立即干预的临界预定破损条件”。

优选地，获取检查信号和随后处理指示运行条件的合成数据以与生产率兼容的周期进行，例如在每次加载新的型材或新的片材时或在处理工件或工件几何形状结束时。

有利地，通过本发明的方法实施的自动控制可以在慢速信号的情形下，即直接与光学元件内部的热过程相关的情形下，以10Hz以上的运行频率实时实施，而在快速信号的情形下，即与光发射相关的情形下，以10Hz以下的运行频率实时实施，诸如激光束穿过光学元件时的漫射，例如，每25us采样一次信号，每500us进行累积处理。

有利地，适配成执行本发明的方法的控制系统与现有技术系统的区别在于，它可以整合到处理头中。

附图说明

下面结合附图并通过非限制性实例，在本发明的具体实施方式中详细阐述本发明的更多特征和优势，图中：

图1和图2是根据现有技术的激光处理机械的实例；

图3示出根据现有技术的激光机的处理头的结构的实例；

图4示意性示出本发明优选实施例中用于检测激光机的处理头的多个光学元件的运行条件的系统；

图5示意性示出用于执行本发明的方法的光学元件相关联的传感器布置；

图6和图7是在执行本发明的方法中测量或计算的量值之间关系的示意图；以及

图8是根据本发明的方法为建立激光机的处理头的光学系统的运行条件的参考数据库所执行操作的流程图。

具体实施方式

上文已就现有技术对图1至图3予以描述，本文中提及其内容的原因在于它们是用于执行根据本发明教导的方法的控制处理机械的常规实施方式。

图4示意性举例示出根据本发明优选实施例的用于检测激光机的处理头中的多个光学元件的运行条件的系统。在本图中，使用前述各图的描述中已用的相同附图标记来指代与图1至图3所示那些相同或功能上等效的元素或组件。

图4中的系统示出激光发射源10，该激光发射源10适配成在例如光纤12d的传输机构中发射激光束，该传输机构适配成使发射源所发射的激光束朝向邻近材料WP布置的处理头14传导。

耦合到发射源10的是第一同轴激光背向反射传感器(本图中标有附图标记50)和第二同轴背向发热传感器(本图中标有附图标记52)，例如与光学组合器装置相关联，其设计成在传输光纤12d上沿着通过处理头的相同传播方向组合并发射多道激光束，这些传感器布置在各自光路会聚于传输光纤12d上的末端处。作为与光学组合器装置耦合的替选方案，可以将这些传感器布置在处理激光束所横穿的二向色镜的背面上，或者通过任何收集从光路背向发射的信号的方法，这使用到这一信号的收集装置，其定位于发射源内部的传输光纤末端处或在几根光纤串联的情形下定位于连接元件中。

在处理头14处，与至少一个要监视的光学元件或系统(属于包括准直透镜20、光束反射整形镜22、聚焦透镜16和光学保护元件34的一组光学元件相关联地布置有各自的传感器布置，它们示意性标有附图标记53₁,...,53_n，并包括红外辐射传感器54、压电传感器56和至少一个压力传感器58。优选地，上述传感器与处理头14的所有光学元件相关联地布置，以允许完整的监视。

图5详细示出传感器54、56、58与用于聚焦激光束的光学元件(诸如聚焦透镜16)相关联地布置。红外辐射传感器54在邻近光学元件16上游表面的体积区域R2中的布置是根据激光束的传播方向，根据相对于元件所在平面的倾斜取向(即，相对于其表面(如为平面))，不相接触且距离足够远，取决于容纳它的体积，以能拦截光学元件所面对的体积区域中的漫辐射，优选即使未必也来自容纳光路的通道内壁的漫辐射。在某一等效实施例中，多个红外辐射传感器54可位于该区域中，以便以组合方式检测由该区域的整个表面和体积所发射的红外辐射。压电传感器56布置成与光学元件本身的边缘相接触，以便能够根据直径或外围渡越路径，检测在光学元件体积内传导、例如由整合于其上的换能器机构发射、由元件的边缘和底面背向反射的声脉冲，特别是超声脉冲。压力传感器58布置在光学元件所面对的体积区域R1中，在本实施例中，但并非排他地，布置在光学元件的下游。如果已知将要布置该传感器的区域中的压力是大气压或预置控制压力，则可能无需设置压力传感器58。替选地，一对压力传感器可以分别在光学元件所沉入的体积中布置在光学元件的上游区域R2中和光学元件的下游区域R1中。

回顾图4，处理头14还与用于收集由传感器布置53₁,...,53_n所发射的信号的机构相关联，该机构呈整体标有附图标记60的信号寻址单元的形式。

第一同轴传感器50和第二同轴传感器52以及信号寻址单元60面对现场总线62，该现场总线62又面对工作处理与控制机构64，该工作处理与控制机构64设计成控制沿着预置处理轨迹施加激光束处理。控制沿着预置处理路径施加处理激光束包括：控制辅助气流输送(在切削应用中)；以及控制激光束的预定功率分布朝向预定工作区域辐照，其中通过参考预定工作模型或程序，即根据以处理头的运动指令和/或处理材料形式获取的处理轨迹信息和处理参数，以及指示光束功率分布、光束功率密度和激光束激活时间随处理轨迹变化的物理处理参数。处理机构64可以整合在机械的单个机载处理单元中或以分布形式实施，因此它们包括位于机械不同部分中的处理模块，例如包括处理头。

现场总线62在读取时面对处理机构66，例如工业计算机，该处理机构66耦合到数据记录存储器DB，该数据记录存储器DB设计成处理由传感器和工作处理与控制机构64所发射的信号，并计算指示所监视的光学元件的运行条件的信号或数据。

更具体而言，出于更详细地讨论用于确定至少一个光学元件的运行条件的方法的目的，下面描述由传感器所发射的信号的性质及其提供的信息。

同轴激光背向反射传感器50适配成在激光束的传播光路上游并因此在一个或多个监视的光学元件上游获取指示在与激光束的传播方向相反的方向上与光路同轴传播的光辐射的信号或数据LS_C，其波长对应于激光束的波长。它是一种在制造过程中被沿着激光束的传播轴插入的光学元件(它们仅在理想情况下完全透光)背向反射的辐射，例如在光学元件的内部体积中因漫射或微腔吸收中心(例如裂缝)产生的辐射。

同轴背向发热传感器52适配成在激光束的传播光路上游并因此在一个或多个监视的光学元件上游获取指示在与激光束的传播方向相反的方向上与光路同轴传播的光辐射的信号或数据TS_C，其具有近红外范围内并优选大于1.2μm的波长。这是在制造过程中由沿着激光束的传播轴插入的光学元件的表面因处理激光束横穿这些光学元件的能量而在所谓的“热带”或热红外带中发射的辐射。

红外辐射传感器机构54适配成在光学元件相对于处理激光束的光路面对上游的表面附近的体积区域R2中获取体积信号或数据IR_V，其指示由与之相关联的光学元件在激光束的传播轴之外以红外光谱范围内的波长所发射的邻近光辐射。这种光辐射例如是由热效应引起、由光学元件发射并在体积区域R2中由体积壁漫射的辐射。该辐射不仅因施加激光束而发出，从而传达有关光学元件清洁程度的信息，而且还在关断激光束时实质上传达光学元件的“环境温度指示”。

压电传感器56适配成获取随射过光学元件的体积的声波、特别是超声波的渡越时间变化的信号或数据PS，所述渡越时间取决于光学元件体积完整性的状态和元件的温度，而这又取决于通过光学元件入射的处理激光束的功率分布以及元件的杂质(脏污、表面发黑)。具体而言，压电传感器56适配成检测超声波的速度。

压力传感器58适配成获取信号或数据，其指示渗透到光学元件的至少一个表面所面对的区域体积中的气体压力p，例如光学保护元件的下游区域中的气体压力，该光学保护元件在切削过程中充当辅助气体喷嘴腔室的密封件。如果未设传感器的相邻区域中的压力为已知或预定，则指示压力的信号或数据也可以是指示元件的上游区域与下游区域之间的压力差的差分信号或数据。在设置有一对压力传感器的替选实施例中，在光学元件所沉入的处理头的体积中，分别在光学元件的上游区域R2和光学元件的下游区域R1中，信号寻址单元60或处理机构66适配成计算元件的上游区域与下游区域之间的压力差。

工作处理与控制机构64布置成实时提供指示工作过程进度参数的信号或数据，这些信号或数据至少且必要地参考单个光学元件包括：

-由处理激光束控制的光功率P；

-在光学元件所面对的区域或光学元件所沉入的区域中供应的气体(例如辅助气体)的标称压力，该气体由用于调节上述压力的比例阀来控制，下面该压力标有附图标记p_nom(在光学元件浸入大气压的情形下，标称压力可为已知，不进行测量)；

-代码ID_tool，其适配成唯一标识所用的处理工具，因此唯一标识过程中控制的工作参数集，诸如切削喷嘴与处理材料之间的投射距离，其重点在于，激光束焦斑的轴向位置、激光束相对于当前处理区域中材料表面的垂线的入射角；以及

-在工作运行条件下，处理头与材料之间相互位置的相对移动速度(标有v_feed)。

工作处理与控制机构64进一步布置成实时提供指示生产进度和处理材料块的信号或数据，这些信号或数据至少且必要地参考单个光学元件包括：

-代码ID_mat，其标识处理材料及其表面状态，特别是表面粗糙度；

-处理材料的厚度(标有Th)；以及

-处理步骤(标有Ph(n))，其代表工具(标有ID_tool)的时间阶段规范，例如在切削的情形下，突破钻削、切削进段、直线行进轨迹和局部平整表面上切削、非平表面上切削、非正交于表面切削之间的差别，在突破钻削的情形下，可将同一钻削划分为多个子步骤之一，例如修改投射高度、聚焦位置或功率，或者在直线行进轨迹和局部平整表面上切削的情形下，以恒定速度开始加速和巡航的子步骤。

参照图6、图7和图8来描述根据本发明当前优选实施例由处理机构66实施的用于检测至少一个光学元件的运行条件的方法。图6和图7是分别就信号相关性和信号处理流程方面执行本发明的方法中测量或计算的量值之间关系的示意图，其中在椭圆框中指示的量值是测量量，矩形框中指示的量值是表格量，平行四边形框中指示的量值是计算量。图6示出关于通用光学元件的测定量或计算量之间的关系，而图7清楚地表达出针对多个光学元件重复上述关系，由其上发展出逻辑/数学关系的平行平面来表示。图8的流程图是为建立处理头的光学系统的运行条件的参考数据库而执行操作的综合高级表示，用作与光学系统的当前运行条件进行比较的项。优选地，参考数据库是通过对一组已知材料的特殊设计样品应用所述方法而获得。

一般而言，所述方法包括两个步骤。在第一步骤中，在“空载”运行条件下获取并处理传感器的响应，其中在不存在处理材料的情况下，激光源处于活动状态，而功率激光束在机械的处理头中通过光路传播。在第二步骤中，在工作运行条件下获取并处理传感器的响应，其中所述功率激光束入射到材料处理区域上。为了确保在制作工件期间(即在工作运行条件期间)进行实时控制，当以表格形式提供在空载运行条件下获取的数据时，必须按所指示的顺序执行这两个步骤，即首先在空载状态下，然后在工作运行条件下。

在切削处理过程的情形下，在空载运行条件下和工作运行条件下皆能发射辅助气流，该辅助气流在工作运行条件下指向材料的处理区域。

指示至少一个光学元件的运行条件的信号或数据构成指示制造过程中光学元件质量的综合参数，该信号或数据是从处理材料过程中传感器响应的处理值以及空载运行条件下传感器响应的处理值开始获得。

传感器响应可以被记录并存储以供后期处理或实时处理。

优选地，在安装光路时(例如，在安装机械的新处理头或置换其中的光学元件时)执行初始校准步骤，其中指示光学元件的运行条件的信号或数据代表光学元件的理想条件，并在空载运行条件下，例如当机械停止生产时按排定的规律执行排定的检查循环，而在工作运行条件下，指示光学元件的运行条件的信号或数据代表材料处理期间光学元件的当前条件。

便利地，验证循环通过生产率来调节，并作为操作者的自由选择来提供，例如在每次几何形状变化时，或在一个待生产工件与另一个待生产工件之间，或在原料(无论它是管材还是钣金或其他材料)变化时，或在生产批次变化时。也可以提供时间间隔，在此情形下，所述机械在不同的验证期限当中选择第一个期限。

在更特定的项中，在空载运行条件下，关于代表完整光路的同轴传感器50、52的信号或数据，以及关于代表各个光学组件的体积辐射传感器54、压电传感器56和压力传感器58的信号或数据，以所描述的顺序或以其他可能的顺序执行下述操作。在下式中，下标符号“0”指示空载运行条件。

在工作处理与控制机构从激光发射源要求的激光束功率P与由激光背向反射传感器50检测到的信号LS_C之间，校准相关曲线。通过根据功率斜变将激光束功率P控制在预定的最小值与最大值之间，获得相关曲线。相关曲线定义为：

LS_C(P)₀＝f(P) (1)

并存储在处理机构66的存储器DB中。

相比之下，如果在空载运行条件或工作条件下的后续测量提供不同的读数(通常更高)，则它们指示光路存在更多的背向反射或漫射，通过信号通知光路本身总体处于磨损的状态。阈值比较允许将检测到的信号与光链状态的一般性指示符相关联。然而，如果报告磨损问题，则重点在于，应当获知哪个光学元件或哪组光学元件受到影响。

同样地，在工作处理与控制机构从激光发射源要求的激光束功率P与由背向发热传感器52检测到的信号TS_C之间，校准相关曲线。通过根据功率斜变将激光束功率P控制在预定的最小值与最大值之间，获得相关曲线。相关曲线定义为：

TS_C(P)₀＝f(P) (2)

并存储在处理机构66的存储器DB中。

在“空载”运行条件下，假定全部收集到的热辐射皆因光学元件的发热而由光学系统本身产生。从本质上而言，即使TS_C信号也可仅给出总体信息，因为光学元件所发射的热辐射沿着传感器下游的整体光路整合，在传感器整合到光组合器装置中或几根光纤串联的等效连接元件中或定位于布置在激光束光路上游的激光源内部的传输光纤末端处的收集装置中的情形下，它作为处理头中的整体光路。

存储激光背向反射和背向发热信号，以作为后续空载测量的比较基础。

经分析的另一信号是在光学元件相对于处理激光束的光路面对上游的表面附近的体积区域中的体积信号或数据IR_V，其指示由与之相关联的光学元件以红外光谱范围内的波长所发射的邻近光辐射。

通过收集经多次反射到达传感器的信号，这种邻近辐射通知传感器所指向的光学元件，特别是其表面，并通知其紧邻的光学元件。同样在此情形下，在工作处理与控制机构从激光发射源要求的激光束功率P与由红外辐射传感器54检测到的信号IR_V之间，校准相关曲线。通过根据功率斜变将激光束功率P控制在预定的最小值与最大值之间，获得相关曲线。相关曲线定义为：

IR_V(P)₀＝f(P) (3)

并存储在处理机构66的存储器DB中。

由于传感器“看到”过多的信息，因此该曲线存在失准。为了克服信息叠加的限制，并获得仅涉及传感器54直接观察到的光学元件的排他性信息，通过减去TS_C的重标值并将结果除以LS_C的重标值，对信号IR_V进行归一化，具体是根据以下关系式：

IR_{V_norm}(P)₀＝(IR_V(P)₀–k*TS_C(P)₀)/(h*LS_C(P)₀) (4)

采用适当的k和h。

出于归一化目的，对TS_C和LS_C的值进行重标，以便能够考虑到信号TS_C和LS_C以及IR_V的可能不同的检测标度、背向反射辐射的光耦变化或来自其他光纤的散杂信号分量。有利地，如此选择k和h的值，以便在光路的初始“出厂”表征步骤期间，对于相同配置的“处理头模型”，上述相关曲线为唯一且通用，而无论单个样本的信号变化如何，皆从视为净室中最大标准化程度的光学元件清洁度条件开始。

通过这种方式，获得与最近的光学元件的磨损状态和清洁度更加相关的信号，因为有关光路其余部分的信息已被独立地测量并已最小化。

然而，这样获得的信号未能提供完全有用的信息，因为它主要是由分析中的光学元件表面发射而生成。

期望进一步的独立测量，其直接通知光学元件的应力和表面张力状态。该测量可以通过压电换能器56的信号来获得。

根据对随声波通过光学元件体积的渡越时间变化的信号PS的分析，可能获得从元件体积中的温度和机械应力以及元件本身的表面张力效应之和导出的信息。

有利地，在空载步骤中，通过收集使压电传感器的信号PS的渡越时间与压力相关的曲线，并在激光源关断的情况下对其进行更改，消除由气压生成的张力对光学元件表面的影响。压力值是由沉入同一测量对象体积中的压力传感器58读取的值，因此它是直接测量值，将该值与比例阀所实际调节的压力相比较。然后，再在空载步骤中，收集渡越时间信号PS与入射激光功率P和压力p的相关性值的矩阵。

在下式中，

p(p_nom)₀＝f(p_nom)

PS_ref(p)₀＝f(p) (5)

PS_m(p,P)₀＝PS_ref(p)₀+f(P)₀ (6)

PS(P)₀＝PS_m(p,P)₀-PS_ref(p)₀ (7)

其中，随通过所述光学元件体积的声波渡越时间变化的信号或数据PS(P)是指示激光束功率对所述声波的渡越时间的贡献的信号或数据，并通过下项之差值算得：(i)可测渡越时间的信号或数据PS_m(p,P)，其指示激光束功率和光学元件所面对的预定体积区域中存在的气体压力对所述声波的渡越时间的共同贡献，或指示光学元件所沉入的体积中光学元件的上游区域与光学元件的下游区域之间的压力差，与(ii)参考渡越时间的信号或数据PS_ref(p)，其指示光学元件所面对的体积区域中存在的气体压力对所述声波的渡越时间的贡献，或指示光学元件所沉入的体积中光学元件的上游区域与光学元件的下游区域之间的压力差，该参考渡越时间的信号或数据PS_ref(p)的预先确定是始自基于不存在激光束的情况下进行的初步校准步骤中气压与声波通过光学元件体积的渡越时间之间的关系模型，获取指示光学元件所面对的体积区域中存在的气体的当前压力或指示光学元件所沉入的体积中光学元件的上游区域与光学元件的下游区域之间压力差的信号或数据。

获取指示光学元件所面对的体积区域中存在的气体的当前压力p的信号或数据可以是通过压力传感器58或通过从工作处理与控制机构64向处理机构66通信预置控制压力值的效应。类似地，获取指示光学元件所沉入的体积中光学元件的上游区域与光学元件的下游区域之间压力差的信号或数据是通过一对压力传感器58，通过从工作处理与控制机构64向处理机构66通信预置控制压力值的效应，或如果某一区域中仅设置一个传感器且已知另一区域的压力为预置和控制的压力，则通过这两种方法的组合。

Claims

1.一种用于检测激光处理材料(WP)、尤其是激光切削、钻削或焊接所述材料的机械的处理头(14)中沿着功率激光束(B)的传播光路布置的至少一个光学元件(16)的运行条件的方法，

其中，所述功率激光束(B)在预定运行波长具有预定横向功率分布，且

其中，所述处理头(14)内的激光束(B)的所述光路包括多个级联的光学元件(20、22、16、34)，

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a)在所述光学元件(16)的上游，获取第一信号或数据LS_C，其指示在与激光束(B)的传播方向相反的方向上与光路同轴传播且波长对应于激光束(B)的波长的第一光辐射；

b)在所述光学元件(16)的上游，获取第二信号或数据TS_C，其指示在与激光束(B)的传播方向相反的方向上与光路同轴传播且波长处于近红外范围内的第二光辐射；

c)在光学元件(16)相对于所述光路的上游表面附近的预定体积区域(R2)中，获取第三信号或数据IR_V，其指示由所述光学元件(16)以红外范围内的波长发射的邻近光辐射；

d)获取第四信号或数据PS，其随声波射过所述光学元件(16)体积的渡越时间变化；

e)根据指示由所述光学元件(16)发射的邻近光辐射的信号或数据IR_V、指示第二光辐射的信号或数据TS_C和指示第一光辐射的信号或数据LS_C，计算所述光学元件(16)的邻近光辐射的归一化信号或数据IR_{V_norm}；

f)根据邻近光辐射的归一化信号或数据IR_{V_norm}和随声波通过所述光学元件(16)体积的渡越时间变化的信号或数据PS，计算所述光学元件(16)的真实邻近光辐射的信号或数据IR_{V_real}；以及

g)根据真实邻近光辐射的信号或数据IR_{V_real}、指示第二光辐射的信号或数据TS_C和指示第一光辐射的信号或数据LS_C，计算指示所述光学元件(16)的运行条件的信号或数据SS。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，计算所述光学元件(16)的邻近光辐射的归一化信号或数据IR_{V_norm}包括：计算由所述光学元件(16)发射的邻近光辐射的信号或数据IR_ν和与指示第二光辐射的信号或数据TS_C成正比的信号或数据之差值和与指示第一光辐射的信号或数据LS_C成正比的信号或数据之比值，具体是根据以下表达式：

IR_{V_norm}＝(IR_V–k*TS_C)/(h*LS_C)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，计算所述光学元件(16)的真实邻近光辐射的信号或数据IR_{V_real}包括：计算与邻近光辐射的归一化信号或数据IR_{V_norm}成正比的信号或数据和与随声波通过所述光学元件(16)体积的渡越时间的信号或数据PS成正比的信号或数据之间之差值，具体是根据以下表达式：

IR_{V_real}＝m*IR_{V_norm}-n*PS。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，计算指示所述光学元件(16)的运行条件的信号或数据包括：计算与真实邻近光辐射的信号或数据IR_{V_real}成正比的信号或数据和与指示第二光辐射的信号或数据TS_C和指示第一光辐射的信号或数据LS_C之比值成正比的信号或数据之和值，具体是根据以下表达式：

SS＝t*(TS_C/LS_C)+s*IR_{V_real}。

5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，随声波通过所述光学元件(16)体积的渡越时间变化的信号或数据PS(P)是指示激光束(B)的功率对所述声波的渡越时间贡献的信号或数据，并通过下项之差值算得：

可测渡越时间的信号或数据PS_m(p,P)，其指示激光束(B)的功率和光学元件(16)正面对的预定体积区域(R1)中存在的气体压力对所述声波的渡越时间的共同贡献，或在光学元件所沉入的体积中光学元件(16)的上游区域(R2)与光学元件(16)的下游区域(R1)的压力差，与

参考渡越时间的信号或数据PS_rif(p)，其指示光学元件(16)正面对的体积区域(R1)中存在的气体压力对所述声波的渡越时间的贡献，或在光学元件所沉入的体积中光学元件(16)的上游区域(R2)与光学元件(16)的下游区域(R1)的压力差，

所述参考渡越时间的信号或数据PS_rif(p)是基于不存在激光束(B)的情况下执行的初步校准阶段中气压与声波通过光学元件(16)体积的渡越时间之间的关系模型，从获取指示光学元件(16)正面对的体积区域(R1)中存在的气体的当前压力或者在光学元件所沉入的体积中光学元件(16)的上游区域(R2)与光学元件(16)的下游区域(R1)的压力差的信号或数据来预先确定。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：在不存在待处理材料(WP)而发射所述功率激光束(B)的空载运行条件下，且在所述功率激光束(B)撞击在材料(WP)的处理区域上且存在朝向所述材料(WP)的工作区域输送的辅助气流的工作运行条件下，执行所述步骤a)至g)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述空载运行条件包括输送辅助气流。

8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述第一、第二、第三和第四信号或数据取决于空载运行条件下的激光束(B)的功率，还取决于材料(WP)和工作运行条件下处理头(14)与所述材料(WP)之间的相互位置的相对运动速度。

9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其包括：在安装所述光路时执行初始校准步骤，由此指示所述光学元件(16)的运行条件的所述信号或数据代表光学元件(16)的理想条件，并在空载运行条件和工作运行条件下执行编程的测试循环，由此指示所述光学元件(16)的运行条件的所述信号或数据代表光学元件(16)的当前条件。

10.根据权利要求9所述的方法，其包括：当指示当前条件下所述光学元件(16)的运行条件的信号或数据与指示参考条件下所述光学元件(16)的运行条件的信号或数据之差值大于预定阈值时，发出异常信号。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其包括：当指示工作运行条件下所述光学元件(16)的运行条件的信号或数据与指示空载运行条件下所述光学元件(16)的运行条件的信号或数据之差值大于预定第二阈值时，发出异常信号。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，其包括：当指示当前测试循环中所述光学元件(16)的运行条件的信号或数据与指示先前测试循环中所述光学元件(16)的运行条件的信号或数据之差值大于预定第三阈值时，发出异常信号。

13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述至少一个光学元件包括用于准直或聚焦激光束(B)的折射光学元件(20；16)，其适配成修改入射激光束(B)的预定横向功率分布。

14.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述至少一个光学元件包括用于使激光束(B)偏转的反射光学元件(22)。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述反射光学元件(22)包括适配成修改入射光束的预定横向功率分布的反射光学元件。

16.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，所述至少一个光学元件包括光路空间的光学保护元件(34)，其旨在不修改入射激光束(B)的横向功率分布。

17.一种用于检测激光处理材料(WP)、尤其是激光切削、钻削或焊接所述材料的机械的处理头(14)中沿着功率激光束(B)的传播光路布置的至少一个光学元件(16)的运行条件的系统，

所述功率激光束(B)在预定运行波长具有预定横向功率分布，且

所述处理头(14)内的激光束(B)的所述光路包括多个级联的光学元件(20、22、16、34)，

其特征在于，所述系统包括：

-第一传感器机构(50)，其适配成布置在所述光学元件(16)的上游并检测在与激光束(B)的传播方向相反的方向上与光路同轴传播且波长对应于激光束(B)的波长的第一光辐射；

-第二传感器机构(52)，其适配成布置在所述光学元件(16)的上游并检测在与激光束(B)的传播方向相反的方向上与光路同轴传播且具有近红外范围内的波长的第二光辐射；

-第三传感器机构(54)，其适配成与所述光学元件(16)相关联并检测由所述光学元件(16)在光学元件(16)相对于所述光路的上游表面附近的预定体积区域(R2)中以红外范围内的波长发射的邻近光辐射；

-用于发射声波的机构，其适配成在所述光学元件(16)的体积内发射所述声波；

-第四传感器机构(56)，其适配成与所述光学元件(16)相关联并检测所述声波通过所述光学元件(16)体积的渡越时间；以及

-电子处理与控制机构(66)，其布置成执行根据权利要求1至16中任一项所述的用于检测所述至少一个光学元件(16)的运行条件的方法。

18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述电子处理与控制机构(66)布置成获取压力信号或数据，其指示光学元件(16)正面对的体积区域(R1)中存在的气体的当前压力，或者在光学元件(16)所沉入的体积中光学元件(16)的上游区域(R2)与光学元件(16)的下游区域(R1)的压力差。

19.根据权利要求18所述的系统，其包括第五传感器机构(58)，其与所述光学元件(16)相关联并适配成提供所述压力信号或数据。

20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述电子处理与控制机构(66)布置成从所述机械的工作处理与控制机构(64)获取指示当前工作过程参数的信号或数据以及指示生产进度和正处理工件的信号或数据。

21.一种借助在材料(WP)的至少一个工作平面具有预定横向功率分布的激光束(B)对材料(WP)进行激光处理、尤其是对所述材料进行激光切削、钻削或焊接的机械，其包括：

-用于发射激光束(B)的发射源(10)；

-用于使所述发射源(10)所发射的激光束(B)沿着光路传导的机构(12a、12b、12c；12d)，其用于使光束(B)传输到邻近所述材料(WP)布置的处理头(14)；

-用于沿处理头(14)内的传播方向朝向光束输出整形激光束(B)的光路，其中，所述光路包括多个级联的光学元件(20、22、16、34)；以及

-所述处理头(14)与所述材料(WP)之间相互位置的控制机构(64)，其适配成在所述材料(WP)上沿着处理路径传导所述聚焦激光束(B)，

其中，所述多个级联的光学元件(20、22、16、34)包括：

-至少一个折射光学元件(20)，其用于沿着材料(WP)上的入射传播光轴准直激光束(B)；

-可能至少一个反射光学元件(22)，其用于使激光束(B)偏转且适配成使所述准直激光束(B)朝向所述材料(WP)上的入射方向反射，且可能适配成修改入射光束的预定横向功率分布(B)；

-至少一个折射光学元件(16)，其用于使准直激光束(B)聚焦于所述材料(WP)的工作平面区域中；以及

-光路空间的至少一个光学保护元件(34)，其旨在不修改入射光束(B)的横向功率分布，

其特征在于，所述机械包括根据权利要求17至20中任一项所述的用于检测用于整形激光束(B)的光路的至少一个光学元件(16)的运行条件的系统。