JP2024506353A - マシニングプロセス中の欠陥を識別する方法及びマシニング装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、マシニングプロセス中の、特に切削プロセス中の欠陥を識別する方法に関し、方法は、工作物を、マシニングツール、特にレーザマシニングヘッドと工作物を相互に関して移動させながら機械加工する、より詳しくは切削するステップと、工作物のモニタ対象領域の画像を記録するステップであって、前記モニタ対象領域はマシニングツールと工作物との相互作用領域（１８）を含むようなステップと、モニタ対象領域の画像を、マシニングプロセスの少なくとも１つの欠陥を識別するために評価するステップと、を含む。欠陥を識別するために、画像の評価中、相互作用領域（１８）内の強度プロファイル（Ｉ）の局所的強度低下（ΔＩ）の有無が、マシニングプロセスの進行方向（Ｖ）に検出される。本発明はまた、関連するマシニング装置にも関する。

Description

本発明は、工作物を、マシニングロッド、特にレーザマシニングヘッドと工作物を相互に関して移動させながら機械加工する、より詳しくは切削するステップと、工作物のモニタ対象領域の画像を記録するステップであって、前記モニタ対象領域はマシニングツールと加工物との相互作用領域を含むようなステップと、モニタ対象領域の画像を、マシニングプロセスの少なくとも１つの欠陥を識別するために評価するステップと、を含む、マシニングプロセス中、より詳しくは切削プロセス中の少なくとも１つの欠陥を識別する方法に関する。本発明はまた、工作物を機械加工する、より詳しくは切削するためのマシニングツール、特にレーザマシニングヘッドと、マシニングツールと工作物を相互に関して移動させる移動装置と、工作物上のモニタ対象領域の画像を記録するための画像撮影装置であって、前記モニタ対象領域はマシニングツール、より詳しくはレーザマシニングヘッドと工作物との相互作用領域を含むようなステップと、モニタ対象領域の画像の評価に基づいてマシニングプロセスの少なくとも１つの欠陥を識別するように構成された評価装置と、を含むマシニング装置にも関する。

不完全な切削動作の形態の欠陥は、マシニングビーム、例えば、２－Ｄレーザ切削装置の形態の広範囲を機械加工するマシニング装置の場合のプラズマ又はレーザビーム等を使用する切削プロセスの形態のマシニングプロセスの範囲内の欠陥として生じ得る。不完全切削動作の場合、マシニングビームは、光線エネルギが切削ギャップの体積全体を溶融させるのに不十分であるため、（金属）工作物全体を切断することができなくなる。

（特許文献１）は、工作物の、高エネルギビームと工作物との間の相互作用領域を含むモニタ対象領域の画像を、前記高エネルギビーム、特にレーザビームで切削する際の不完全切削動作を識別するために記録することを提案している。画像は、相互作用領域の、切削面と反対の端でのスラグ小滴の検出のために評価され、スラグの小滴の発生に基づいて不完全切削動作が識別される。スラグ小滴は、相互作用領域の、切削面と反対の端における形状の変化に基づいて、及び／又は相互作用領域の、切削面とは反対の端の画像中の局所的強度最小値の発生に基づいて検出できる。

（特許文献２）には、フォトダイオードの形態の検出器を使って短い不完全切削動作を検出できることが記載されており、前記フォトダイオードは追従型として、すなわち切削ギャップを後ろ向きで見るように設計され、その観察方向は加工用レーザビームの光軸に関して５°を超える極角に向けられる。前記公報にはまた、不完全切削動作が識別される際に擬欠陥が生じ得ることも記載されており、これは、他の影響、例えば切削速度の高速化やより広い切削ギャップが、同程度に、不完全切削動作に起因する影響に上塗りされ得るからである。

（特許文献３）は、マシニングプロセスのプロセス品質に関する少なくとも１つの特性が工作物の、加工領域と工作物との間の相互作用領域を含み得るモニタ対象領域に基づいて特定される方法を開示している。この方法では、プロセス品質に関する少なくとも１つの位置依存特性が同じ加工位置におけるその少なくとも１つの特性の複数の測定値に基づいて特定され、及び／又はプロセス品質に関する少なくとも１つの方向依存特性が同じ加工方向へのその少なくとも１つの特性の複数の測定値に基づいて特定される。

その中に記載されている方法を利用すると、加工位置又は作業空間内の位置に依存するが、切削すべき輪郭の形状、マシニングプロセスの種類（例えば、ガス切断や溶断）、及びマシニングパラメータには実質的に依存しない欠陥位置領域を識別することが可能である。位置依存欠陥の具体例には、とりわけ、作業空間内に配置され、スラグにより汚染されるとマシニングプロセス及び、したがって切削結果を損ない得る支持バーが含まれる。ミスカット、不完全切削動作、スラグの付着、バリ及びスパッタの形成、切削エッジの焼損という形態の欠陥は、汚染された支持バーが切削プロセスに及ぼす障害の数例である。

（特許文献４）は、支持スラットの横方向範囲の実際の状態が捕捉機器によって捕捉される方法を開示している。例えば、支持スラットの実際の状態は、光学的方法を適用することによって捕捉でき、これはいわば、光学的方法及び／又はイメージング方法からの方法である。前者の場合、支持スラットは捕捉機器の発光素子と光センサとの間に配置でき、支持スラットの横方向範囲を光ビームによって光センサ上に結像させることができる。後者の場合、支持スラットと捕捉機器のカメラが相互に対向して位置付けられ得て、支持スラットの横方向の範囲の画像がカメラによって記録される。

支持スラットの輪郭の実際の値を光センサによって捕捉することにより、工作物の支持体の除去すべき付着物の存在をモニタする方法が、（特許文献５）に記載されている。

独国特許第１０２０１３２０９５２６Ｂ４号明細書 国際公開第２０１６／１８１３５９Ａ１号パンフレット 独国公開特許第１０２０１８２１７５２６Ａ１号明細書 独国公開特許第１０２０１７２１０１８２Ａ１号明細書 欧州特許第２０８２８１３Ａ１号明細書

本発明は、マシニングプロセス中の欠陥を確実に識別するための方法及びマシニング装置を提供する目的に基づく。

本発明によれば、この目的は、欠陥を識別するために、相互作用領域内の強度プロファイルの局所的な強度低下の有無が画像の評価中にマシニングプロセスの進行方向に検出されることを特徴とする、冒頭に記載された種類の方法により達成される。

マシニングプロセス中、例えばレーザ切削中に、相互作用領域（プロセス発光ゾーン又はプロセス光）の画像がイメージングセンサシステム又は画像撮影装置によってリアルタイムで（例えば、４００Ｈｚより高い周波数で）撮影され、適当な画像処理アルゴリズムを利用してリアルタイムで評価されることにより、マシニングプロセス中の欠陥の識別を可能にする相互作用領域の特徴が抽出又は解析される。

相互作用領域の画像の評価範囲内で抽出される特徴に基づく欠陥の識別中には、欠陥の存在又は欠陥の種類の、プロセスに依存できる識別（ｐｒｏｃｅｓｓ－ｒｅｌｉａｂｌｅ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を可能にする妥当性チェックがきわめて重要である。不完全切削動作の形態のマシニングプロセスの欠陥を識別するにあたり、実際の不完全切削動作と擬似的な不完全切削動作を純粋に相互作用領域の幾何学的特徴に基づいて、例えば相互作用領域の長さに基づいて明確に区別することは不可能であることがわかっている。このような擬似的な不完全切削動作は、例えば工作物マウントの支持バー又は工作物の種類（例えば二重金属シート）に起因する、切削プロセス中に発生する不完全切削動作の場合と同様に相互作用領域の幾何学的特徴を変化させる他の欠陥が発生した場合に発生し得る。

これらの場合、すなわち「欠陥のある」切削プロセスの場合、一般に、純粋に相互作用領域の幾何学的特徴に基づく不完全切削動作のプロセスに依存できる識別はあり得ず、すなわち、たとえ不完全切削動作が切削プロセス中に発生していなくても不完全切削動作が識別されることがあり得る。しかしながら、相互作用領域の進行又は切削方向、すなわち工作物とマシニングツールとの間の瞬間的な相対的移動方向への強度プロファイルを使って、不完全切削動作が存在するか否かの区別を行うことができる。しかしながら、以下に詳しく説明するように、不完全切削動作を識別するためには一般に、相互作用領域の別の幾何学的特徴が追加で必要となる。

強度プロファイルの局所的な強度低下は通常、欠陥のない切削プロセスの場合、切削面又は相互作用領域の実際に予想される（名目上の）端の領域で発生する。しかしながら、不完全切削動作が存在すると、相互作用領域の進行方向への長さが伸び、その結果、局所的強度低下は相互作用領域の端でなく相互作用領域の中で発生し、すなわち、進行方向への強度は、強度低下又は局所的強度最小値の前後両方において局所的強度最小値に対して増大する。

例えば、局所的強度低下の存在は、相互作用領域内の強度プロファイルが局所的最小値を有する場合に検出でき、その強度値は相互作用領域内の最大強度値の特定のパーセンテージ未満、例えば８０％未満である。強度プロファイルの強度値は、進行方向に局所的強度最小値の上流及び下流で増大し、最終的に強度プロファイルは相互作用領域の前端と後端で急激に低下する。局所的強度低下が検出される最大強度値のパーセンテージは必ずしも事前に特定されず、任意選択的に現在の加工地点に基づいて規定され得る。

局所的強度低下の有無の検出には、代替的又は追加的な別の基準も任意選択的に使用され得る。例えば、局所的強度低下の有無は、強度プロファイルの勾配に基づいて、いわば進行方向への強度プロファイルの偏差に基づいて検出され得る。強度プロファイルの勾配は、相互作用領域内の強度プロファイルの局所的最小値において、勾配が負の数値から正の数値へと増大するゼロクロシングを有する。勾配のゼロクロシングは、勾配の局所的最小値及び局所的最大値との間にある。同様に、局所的強度低下を勾配のプロファイルに基づいて、例えば局所的最小値又は局所的最大値の絶対値に基づいて検出することもでき、これは局所的強度低下の急峻度を表す。例えば、局所的最小値又は局所的最大値の位置における勾配の絶対値又は局所的最小値から局所的最大値への勾配の増大を使用し、そのための閾値と比較できる。

変形型として、不完全切削動作は、相互作用領域内で局所的強度低下がないことが検出された場合にのみ、工作物の切削中の欠陥として識別される。ここで利用されるのは、切削方向への強度プロファイルに局所的強度低下（「不連続性」）がなく、また局所的強度最小値もないか、又は実際の不完全切削動作の場合の最大強度値と僅差の局所的強度最小値しかないことであり、これは典型的には支持バーの形態の欠陥の場合又は二重金属シートが存在する場合に当てはまり、それは材料フローにおけるこのような「欠陥」により、相互作用領域のそれぞれの地点において生成されるプロセス発光はより低くなるからである。したがって、実際の不完全切削動作と擬似的な不完全切削動作を相互作用領域内の強度プロファイルに基づいて区別することができる。

欠陥を識別するために、ある変形型において、相互作用領域の少なくとも１つの幾何学的特徴、特に進行方向への相互作用領域の長さが画像評価中に画像解析により検出又は特定される。前述のように、相互作用領域の幾何学的特徴は、マシニングプロセス中の欠陥、特に不完全切削動作の形態の欠陥を識別するために使用できる。この場合、それぞれの欠陥を識別するために、幾何学的特徴は相互作用領域の他の特徴と、例えば相互作用領域内又は関心対象のプロセス光領域（以下参照）内の強度若しくは強度プロファイルと組み合わせられてよい。

この変形型の発展形において、不完全切削動作は切削中、相互作用領域の長さに依存する特性が閾値を超えた場合、且つ相互作用領域内で局所的強度低下がないことが検出された場合に識別される。

相互作用領域の長さに依存する特性は、相互作用領域の長さに依存する関数である。最も単純なケースでは、この特性は相互作用領域の長さそのものである。また、その特性を相互作用領域の長さに比例する変数とすることもでき、すなわち相互作用領域の長さに重み係数が乗じられる。しかしながら、特性と相互作用領域の長さとの間により複雑な関係もあり得る。相互作用領域の長さに加えて、記録された画像のその他のパラメータも特性に含めることができ、例えばこれは記録された画像の、又は記録された画像の部分的領域の（平均）強度、相互作用領域の幅、その他である。

閾値は絶対値とすることができるが、閾値はまた特性の現在の／指定された加工地点のパーセンテージの変化でもあり得る。この場合、画像に基づいて特定された特性は現在明示された特性に関する。このために、例えば画像に基づいて特定された特性の、加工地点での特性に対する比率を形成することができる。この場合、その比率が閾値と比較される。

この場合、不完全切削動作を識別するために２つの基準が満たされなければならない。すなわち、第一に、特性は指定された閾値（不完全切削動作閾値）を超えなければならず、第二に、強度プロファイルの局所的強度低下が相互作用領域内で発生しないという基準が満たさなければならない。不完全切削動作が存在するのは、相互作用領域のそれぞれの記録画像の中の、例えば約１０ｍｍ程度のある（短い）経路長にわたって両方の基準が満たされた場合である。この場合、マシニングプロセスには障害が生じ得て、例えば前進の停止がトリガされ得るか、又は情報項目／警告／エラーメッセージが発せられ、出力され得る。

特性を計算するために、相互作用領域、すなわちプロセス光のプロセスゾーンの長さの正確な特徴が特定される。続いて、関心対象のプロセス光領域の大きさが、プロセスゾーン又はモニタ対象領域からのデータを利用して規定される。典型的に、関心対象のプロセス光領域の特徴は、画像がマシニングノズルを通じて記録される場合、進行方向にノズルエッジまでの範囲であり、進行方向を横切る相互作用領域の幅全体にわたって延びる。例えば、相互作用領域の長さは、強度を強度閾値と比較することによって、又は強度勾配を評価することによって特定される。例えば、長さ測定中の強度閾値は関心対象のプロセス光領域の平均強度の比率（上記参照）と重み係数の形態で計算できる。

一般に、例えばカメラの形態の画像撮影機器から見える切削面又は相互作用領域（プロセス発光）の特徴は、工作物の下面まで検出可能である。相互作用領域の変化（伸長）は、切削プロセスの欠陥、例えば前進、焦点位置、ガス圧、光学系の汚染、支持バー、二重金属シートの形態の工作物等により引き起こされる。実際の切削作業中、切削面又は相互作用領域の、特に進行方向へのその長さの実質的な変化の原因となるのは主として支持バー及び、それより頻度は少ないが、二重金属シートである。

上述のように、これらの欠陥が発生した場合の特性の変化は、実際の不完全切削動作の場合の変化と同程度である。したがって、特性のみを使って実際の不完全切削動作と擬似的な不完全切削動作を区別することはできない。局所的強度低下が強度プロファイル内で発生するか否かを検証することに基づく妥当性確認及び時間又は経路長に依存する観察によってのみ、不完全切削動作を確実に識別することが可能となる。不完全切削動作は典型的に、両方の基準がある経路長にわたって満たされた場合のみ識別される。

別の変形型において、加工位置における局所的強度低下の検出、特に反復的検出は、その加工位置におけるマシニングプロセスの位置依存欠陥、特に支持バーの存在に関連付けられる。前述のように、特に汚染された支持バーは、マシニングプロセス、特に切削プロセスに障害を与える位置依存欠陥となり得る。支持バーの、特に他の位置依存欠陥の加工位置がわかっていれば、これらはマシニングプロセスのために、特に切削すべき部品又は輪郭について相応に考慮され得る。

例えば支持バーによる位置依存欠陥が発生する加工位置を見つけるために、相互作用領域の強度プロファイルの局所的強度低下の形態の欠陥の発生が、装置座標（Ｘ／Ｙ／Ｚ）における現在の加工位置に関連付けられる。これらの座標に基づいて、マシニング装置の加工空間内の位置依存欠陥、例えば支持バー又は支持バーの個々の位置でのホットスポットを正確に特定し、任意選択的に分類することができ、これについて後述する。

発展形において、位置依存欠陥の程度、特に支持バーの（局所的）汚染の程度は、強度プロファイルに基づいて、特に強度プロファイルの勾配に基づいて特定される。位置依存欠陥の特徴、すなわち大きさは、局所的強度低下の領域内の強度プロファイルの勾配に基づいて推測できる。例えば、支持バーの汚染の程度は、局所的強度低下の領域内の強度プロファイルの勾配の局所的最小値又は局所的最大値の絶対値に基づいて特定できる。原則として、勾配の局所的最小値又は局所的最大値のより小さい絶対値は支持バーの汚染のより大きい程度に関連付けることができ、その逆でもある、ということが当てはまる。代替的に、又はそれに加えて、位置依存欠陥の程度はまた、記録された画像の強度プロファイルにおける局所的な強度低下の大きさに基づいて特定することもできる。原則として、強度低下のより大きい絶対値は、加工位置における支持バーの汚染のより小さい（局所的）程度に関連付けられ、その逆でもあり得る、ということが当てはまる。

支持バーの汚染の程度は、マシニングプロセスの欠陥の程度に影響を与える。特定の加工位置におけるスラグや汚染がわずかなしかない「新品の」支持バーは切削プロセスに小さい影響しか与えないが、「古い」、汚れの激しい支持バーは特定の加工位置におけるマシニングプロセスに重大な影響を与え得る。

位置依存欠陥の大きさ又は程度は、マシニングプロセス、例えば切削プロセス、より正確には切削プロセスの切削プログラムを調整して、位置依存欠陥の変動若しくは欠陥の程度を考慮に入れるため、又はマシニングプロセスの範囲内の手順の変更若しくは制御の変更を実行するために使用できる。例えば、位置依存欠陥の程度に応じて、工作物上の切削すべき工作物部品の（再）ネスティング、アプリケーションプラニング、汚れのひどい支持バーの任意選択的な交換等を実行することができる。欠陥の程度又は汚染の程度に関する情報は適切に公式化され、及び／又は使用者に表示され得る。

欠陥の種類はまた、相互作用ゾーンの別の特徴に基づいて、例えばその幅及び／又は長さに基づいて分類することもできる。欠陥の特徴、すなわち大きさ又は程度もまた特定できる。このために、欠陥の局所的特徴及びプロファイルは、切削プロセス中及び／又はその経過において、例えば１つの同じ加工位置上で、又はそこを横切って何度も切削することによって捕捉できる。位置依存欠陥に加えて、又はその代替として、加工方向に依存する欠陥もまた、相互作用領域の画像又は画像の時間シーケンスを評価することによって識別でき、前記欠陥の特徴又は種類は、例えば冒頭で引用した（特許文献１）に記載されているように特定でき、その全体を参照によって本願に援用する。

別の変形型において、マシニングプロセスの欠陥の種類は、相互作用領域の時間的に連続する複数の画像の評価に基づいて推定される。前述のように、マシニング中の加工空間に関する軌道及びひいては現在の加工位置はわかる。このことにより、記録された画像を加工位置又は加工空間に関連付けることが可能となる。

支持バーは典型的に加工空間内の第一の方向（例えば、Ｘ方向）の特定の座標に配置され、第二の方向（Ｙ方向）に延びる。その結果、Ｘ方向における特定の位置でＹ方向に繰り返される欠陥又は、バーに極端な量のスラグが付着している場合は、任意選択的に継続する欠陥がある。それに対して、欠陥は一般的にＸ方向に、正確に言えばＸ方向への支持バーの範囲に局所的に限定される。複数の連続画像を評価することにより、支持バーの形態のマシニングプロセスの位置依存欠陥を推定できる。

二重金属シートの特定の加工空間における位置依存及び方向依存の欠陥もまた、軌道に沿った移動中にそれぞれの加工位置及び加工方向に関連付けられる相互作用領域の複数の画像に基づいて特定できる。例えば、二重金属シートの形態の欠陥をこのようにして推定できる。

本発明の別の態様は、冒頭に記した種類のマシニング装置に関し、その中では、欠陥を識別するために、評価装置は、画像の評価中に相互作用領域内での強度プロファイルの局所的な強度低下の有無をマシニングプロセスの進行方向に検出するように構成される。マシニングプロセス中に支持バー又は二重金属シートが瞬間的に横切ると、相互作用領域の中で本来は実質的に一定である強度プロファイルの局所的強度低下が起こる。

例えば、局所的強度低下は、相互作用領域内の強度プロファイルに局所的最小値がある場合に検出でき、その強度値は相互作用領域内の最大強度値の特定のパーセンテージ未満、例えば８０％未満である。強度プロファイルの強度値は、進行方向に局所的強度最小値の上流及び下流で増大し、最終的に相互作用領域の前端及び後端において急激に低下する。

代替的に、又はそれに加えて、局所的強度低下の有無はまた、強度プロファイルの勾配に基づいても検出できる。前述のように、例えば、相互作用領域内の局所的最小値若しくは局所的最大値の位置の勾配の絶対値又は局所的最小値から局所的最大値への勾配の増大を使って、このための閾値と比較できる。

ある実施形態において、評価装置は、局所的強度低下が相互作用領域内にないことが検出された場合にのみ、工作物の切削中に不完全切削動作を欠陥として特定するように構成される。局所的強度低下が存在しなければ、これは典型的に、支持バーを横切っていない場合、又は二重金属シートがない場合に当てはまり、すなわち切削プロセスはこれらの欠陥の変形によって影響を受けない。この場合、不完全切削動作は、純粋に相互作用領域の幾何学的基準に基づいて、又は相互作用領域の幾何学的特徴に基づいて推定できる。

欠陥を識別するために、別の実施形態の評価ユニットは、画像の評価中に、相互作用領域の少なくとも１つの幾何学的特徴、特に進行方向への相互作用領域の長さを検出するように構成される。前述のように、欠陥の種類はとりわけ、相互作用領域の幾何学的特徴に基づいて識別でき、すなわち欠陥を分類できる。例えば、進行方向への相互作用領域の長さを使って、ある不完全切削動作基準が満たされない場合に不完全切削動作がないことを識別することができる。

発展形において、評価ユニットは、相互作用領域の長さに依存する特性が閾値を超えたとき、且つ相互作用領域内で局所的強度低下が検出されないときに、切削中の不完全切削動作を識別するように構成される。不完全切削動作のプロセスに依存できる識別のためには両方の基準が満たされる必要があり、すなわち、第一にその特性がある閾値を超えなければならないこと、及び第二に相互作用領域内で局所的強度低下が検出されないことである。

別の実施形態において、評価装置は、加工位置における局所的強度低下の検出、特に繰り返される検出を、その加工位置におけるマシニングプロセスの位置依存欠陥、特に支持バーの存在に関連付けるように構成される。局所的強度低下が、異なる工作物が機械加工される場合に、１つの同じ加工位置において少なくとも２回又は３回以上発生すれば、支持バーがこの加工位置に存在する可能性が非常に高く、すなわち二重金属シートの形態の欠陥を事実上排除できる。このようにして、汚れの激しい支持バーの形態の欠陥は、二重金属シートの形態の欠陥からプロセスに依存して区別できる。

別の実施形態において、評価装置は、位置依存欠陥の程度、特に支持バーの汚染の程度を、強度プロファイルに基づいて、特に強度プロファイルの勾配に基づいて特定するように構成される。前述のように、位置依存欠陥の領域内の勾配の局所的最小値又は局所的最大値の絶対値が比較的小さい場合、汚れの激しい支持バー又は二重金属シートが存在する。勾配の局所的最小値又は局所的最大値の絶対値が比較的大きければ、これは、事実上汚染されていない支持バーの存在を示し、それは切削プロセスにほとんど影響を与えない。強度プロファイルの勾配を他の方法で評価して、位置依存欠陥の程度を推定することもできる。強度プロファイル自体もまたこの目的のために、例えば局所的強度低下の絶対値によって評価でき、すなわち相互作用領域内の最大強度値と局所的強度最小値の強度値の差が特定される。

別の実施形態において、評価装置はマシニングプロセスの欠陥の種類を、相互作用領域の時間的に連続する複数の画像の評価に基づいて推定するように構成される。前述のように、例えば支持バー又は二重金属シートの存在は、欠陥の種類として識別され、又は相互に区別され得る。

本発明のさらなる利点は、説明文と図面から明らかである。同様に、前述の特徴及び以下で提示される特徴はその都度単独でも、あらゆる所望の組合せにより複数でも使用できる。図示され、説明されている実施形態は網羅的リストではなく、本発明を概説するための例示的な性質のものであると理解すべきである。

レーザ切削プロセスを実行するためのレーザマシニング装置の概略図を示す。 工作物のモニタ対象領域であって、相互作用領域を含む領域の画像を記録することにより、レーザ切削プロセスをモニタするための機器の概略図を示す。 図３ａ～図３ｃは、欠陥のない切削プロセス、不完全切削動作、及び支持バーの横切りの場合の、相互作用領域の、及び相互作用領域に沿った強度プロファイルの画像の概略図を示す。 図４ａ及び図４ｂは、それぞれ、汚染の激しい支持バー及びほとんど新品の支持バーが横切るときの、図３ａ～図３ｃと同様の概略図を示す。

以下の図面の説明の中で、同じ参照符号は同じ又は機能的に同じコンポーネントについて使用されている。

図１は、レーザ源２、レーザマシニングヘッド４、及び工作物支持体５を有するレーザマシニング装置１の形態のマシニング装置を示す。レーザ源２により生成されたレーザビーム６は、ビームガイド３によって、偏向ミラー（図示せず）を利用してレーザマシニングヘッド４へと案内され、そこに収束され、また同様に図示されていないミラーを利用して、工作物８の表面８ａに垂直に位置合わせされ、すなわちレーザビーム６のピーク軸（光軸）は工作物８に垂直である。図の例では、レーザ源２はＣＯ_２レーザ源である。代替的に、レーザビーム６は例えばソリッドステートレーザによって生成できる。

工作物８をレーザにより切削するために、第一のレーザビーム６はピアシングに使用され、すなわち工作物８は点の形態の位置において溶融又は酸化され、それによって生成された溶融物は吹き飛ばされる。その後、レーザビーム６は工作物８の上方を移動されて、連続的な切り溝が形成され、それに沿ってレーザビーム６は工作物８を切断する。

ピアシングとレーザ切削はどちらも、ガスの追加により支援できる。酸素、窒素、圧縮空気、及び／又は特定用途のガスが切削ガス１０として使用され得る。発生した粒子やガスは、工作物支持体５の下方に配置された吸引チャンバ（ここでは図示せず）から、吸引装置１１を利用して吸引され得る。

レーザマシニング装置１はまた、レーザマシニングヘッド４と工作物８を相互に関して移動させるための移動装置１２も含む。図の例では、マシニング中に工作物８は工作物支持体５の上に載せられ、レーザマシニングヘッド４はマシニング中、ＸＹＺ座標系のうちの２つの軸Ｘ、Ｙに沿って移動される。このために、移動装置１２はガントリ１３を含み、これは両方向矢印により示されるドライブを利用してＸ方向に移動可能である。レーザマシニングヘッド４は、移動装置１２の両方向矢印により示される別のドライブを利用してＸ方向に移動させて、レーザマシニングヘッド４の移動可能性により、又は工作物８により指定される加工野のＸ方向及びＹ方向における何れの所望の加工位置Ｂ_Ｘ，Ｙにも移動させることができる。それぞれの加工位置Ｂ_Ｘ，Ｙで、レーザビーム６は（瞬間的）進行方向Ｖを有し、これはレーザマシニングヘッド４と工作物８との間の（瞬間的）相対速度に対応する。

図２は、図１のレーザマシニング装置１による工作物８に対するレーザ切削プロセスのプロセスモニタ及びプロセス制御を行うための機器１４の例示的な構造を示しており、そのうちセレン化亜鉛で製作された、レーザマシニング装置１のレーザビーム６を収束させるための収束レンズ１５を備えるレーザマシニングヘッド４、切削ガスノズル１６、及び偏向ミラー１７のみがごく概略的に示されている。このケースでは、偏向ミラー１７は部分的に透過性を有する設計を有し、プロセスモニタ機器１４のための入口側コンポーネントを形成する。

偏向ミラー１７は、入射レーザビーム６（波長約１０μｍ）を反射し、工作物８によって反射され、レーザビーム６の工作物８との相互作用領域１８により発せられた、この例では約５５０ｎｍ～２０００ｎｍの範囲の波長を有するプロセスモニタ関連放射１９を透過させる。部分的透過性を有する偏向ミラー１７の代わりに、スクレーパミラー又はホールミラーもプロセス放射１９を機器１４に供給するために使用できる。

別の偏向ミラー２０は機器１４の中で部分的に透過性を有するミラー１７の下流に配置され、プロセス放射１９を画像撮影ユニットとしての幾何学的に高分解能のカメラ２１へと偏向させる。カメラ２１はハイスピードカメラとすることができ、これはレーザビーム軸２２又はレーザビーム軸の延長部２２ａと同軸に配置され、したがって方向に関係なく配置される。原則として、ＶＩＳ波長範囲の、任意選択的にＮＩＲ波長範囲でも、この波長範囲を発出する追加の照明源が提供されていれば可能な、反射光方式を利用するカメラ２１で画像を記録することも可能であり、代替的に、ＵＶ及びＮＩＲ／ＩＲの波長範囲のプロセス自己発光を記録することも可能である。

イメージングのために、図２ではレンズとして示されているイメージング収束光学系２３が、この例では部分的透過性を有するミラー１７とカメラ２１の間に提供され、前記光学系はプロセスモニタに関係する放射１９をカメラ２１に収束させる。図２に示される例では、別の放射又は波長成分がカメラ２１により捕捉されるのを防止すべきである場合、カメラ２１の前方のフィルタ２４が有利である。フィルタ２４は例えば狭帯域バンドパスフィルタの形態とすることができる。

この例では、カメラ２１は反射光方式を使って操作され、すなわち、追加の照明源２５が工作物８の上方に提供され、入力は、別の部分的透過性を有するミラー２６によって照明放射２７をレーザビーム軸２２と同軸のビーム経路に結合する。レーザダイオード又はダイオードレーザを追加の照明源２５として提供でき、図２に示されるようにレーザビーム軸２２に関して同軸に、又は軸外に配置できる。例えば、追加の照明源２５はまた、レーザマシニングヘッド４の外（特にその隣）にも配置され得て、工作物８に向けられ得るが、代替的に、照明源２５はレーザマシニングヘッド４の中に、ただしレーザビーム６と同軸で工作物８に向けられないように配置され得る。機器１４はまた、追加の照明源２５を用いずにも操作され得ると理解されたい。

レーザガス切断プロセス中、カメラ２１は工作物８の、図２に示される例では相互作用領域１８を含むモニタ対象領域２８の画像Ｂを記録する。切削プロセス中、レーザマシニングヘッド４が前進速度Ｖとして示される相対速度でプラスのＹ方向に（矢印参照）移動されることによって、工作物８とレーザ破壊加工ヘッド４との間の相対移動が起こされる。切削プロセス中、切削面２９は相互作用領域１８の先導領域に形成され、切溝９により追尾領域と（マイナスのＹ方向）つながる。

カメラの形態の画像撮影装置２１は、評価装置３０に信号で接続される。評価装置３０は、マシニングプロセスの少なくとも１つの欠陥、例えば不完全切削動作を、モニタ対象領域２８の記録画像Ｂ又は時間的に連続する画像Ｂの評価に基づいて識別するように構成又はプログラムされる。

このために、評価装置３０は、相互作用領域１８の画像Ｂ又は連続する記録画像Ｂのシーケンスを評価して、相互作用領域１８の、切削プロセスの欠陥を示す特徴を抽出又は識別する。

図３ａは、良好な切削の場合の、すなわち欠陥のない切削プロセスの場合の相互作用領域１８の画像Ｂの例を示す。図３ａから明らかであるように、相互作用領域１８は、進行方向Ｖに比較的短い長さＬを有し、図の例では、進行方向Ｖに対して横方向の相互作用領域１８の幅の約２倍に対応する。相互作用領域１８の進行方向Ｖへの長さＬは、評価装置３０により、画像Ｂ内の空間依存強度Ｉを強度閾値と比較することによって特定される。例えば、長さ測定中の強度閾値は、プロセス光関心対象領域（ＲＯＩ）Ｂ_ＲＯＩの平均強度と重み係数の商の形態で計算できる。図の例では、プロセス光関心対象領域Ｂ_ＲＯＩは工作物８のモニタ対象領域２８の画像Ｂの長方形の一部領域である。プロセス光関心対象領域Ｂ_ＲＯＩの特徴は、画像がマシニングノズル１６を通じて記録されるときに、進行方向Ｖに切削面２９からマシニングノズル１６のノズル開口１６ｂのノズルエッジ１６ａに到達する。進行方向Ｖを横切る方向に、プロセス光関心対象領域は相互作用領域１８の幅全体にわたって延びる。

特性は、進行方向Ｖへの相互作用領域１８の長さＬから形成でき、この特性は不完全切削動作閾値を規定する閾値Ｓと比較される。単純にするために、以下においては、相互作用領域１８の長さＬ自体が特性を形成すると仮定する。特性、すなわち図の例では相互作用領域１８の長さＬが図３ａのように閾値Ｓより小さい場合、評価装置３０は不完全切削動作を識別しない。不完全切削動作が通常はまだ存在しない場合の閾値Ｓは、切削プロセスの前に経験的に特定され得る。また、閾値Ｓは、絶対値ではなく、その特性の現在の／規定された加工地点における変化のパーセンテージとすることもできる。この場合、画像に基づいて特定される特性は現在明示される特性に関する。このために、例えば画像に基づいて特定される特性（この場合、Ｌ）と加工地点における特性の商を形成することが可能である。すると、商は閾値と比較される。

相互作用領域１８の特性、すなわち長さＬが閾値Ｓより大きいことは、評価ユニット３０が不完全切削動作を識別するのに不十分であり、それは、この場合に不完全切削動作は存在し得るが、閾値Ｓを超えることはまた、切削プロセスの他の欠陥に起因することもあり得るからであり、それについて図３ｂ及び３ｃに基づいて以下に説明する。

図３ｂは、不完全切削動作があるときの相互作用領域１８の画像、図の例ではＹ方向に対応する進行方向Ｖに沿った強度プロファイルＩ（Ｙ）、及び強度プロファイルＩ（Ｙ）の勾配ｄＩ／ｄＹを示す。図３ｂから明らかであるように、相互作用領域１８は、図３ａに示される良好な切削の場合よりその長さＬは顕著に長く、すなわち、相互作用領域１８の長さＬの閾値Ｓを超える。しかしながら、相互作用領域１８の長さＬの閾値Ｓはまた、支持バー７が切削プロセス中に横切った場合にも超えられ、これは図３ｃにおいて相互作用領域１８の対応する画像Ｂに基づいて示されている。したがって、相互作用領域１８の長さＬの形態の特性そのものでは、図３ｂに示される実際の不完全切削動作と図３ｃに示される擬似的な不完全切削動作の区別はできない。

しかしながら、図３ｂ及び図３ｃの一番下に示される相互作用領域１８内の進行方向Ｖへの強度プロファイルＩ（Ｙ）に基づけば、又は進行方向Ｖへの強度プロファイルＩ（Ｙ）の勾配ｄＩ／ｄＹに基づけば、このような区別をつけることができる。図３ｂに示される強度プロファイルＩ（Ｙ）の場合は相互作用領域１８内に局所的強度低下ΔＩ又は不連続部分はなく、すなわち図３ｃの場合のような局所的強度最小値Ｉ_ＭＩＮがない。図３ｃから明らかであるように、局所的強度最小値Ｉ_ＭＩＮ又は強度低下ΔＩは進行方向Ｖのある地点で発生し、そこは、図３ａに示される欠陥のない切削プロセスの場合の相互作用領域１８の場合に相互作用領域１８のほぼ端であると予想される。このことにより、強度プロファイルＩ（Ｙ）の強度低下ΔＩ又は不連続部分の発生を適当な画像評価アリゴリズムによってリアルタイムで識別することが容易となる。

図の例では、局所的強度低下ΔＩの存在は、勾配ｄＩ／ｄＹの局所的最小値（ｄＩ／ｄＹ）_ＭＩＮと強度プロファイルＩ（Ｙ）の勾配ｄＩ／ｄＹの局所的最大値（ｄＩ／ｄＹ）_ＭＡＸの両方が図３ｂ、ｃで破線を使って示されている（絶対）閾値（ｄＩ／ｄＹ）ｓを超える場合に、評価装置３０によって検出される。閾値（ｄＩ／ｄＹ）ｓは、経験的に特定又は現在の加工地点に基づいて規定できる。勾配ｄＩ／ｄＹの評価による局所的強度低下ΔＩの有無の検出は有利であることが分かった。

代替的に、強度低下ΔＩの発生は、強度最小値Ｉ_ＭＩＮが相互作用領域３０内の強度プロファイルＩ（Ｙ）の最大強度Ｉ_ＭＡＸの指定されたパーセンテージ未満、例えば８０％未満であるとき、すなわち局所的強度低下ΔＩが最大強度Ｉ_ＭＡＸの少なくとも２０％であるときに、評価装置３０によって検出され得る。また、上述の勾配ｄＩ／ｄＹに基づく強度低下ΔＩの存在のための基準とここに記載の基準を組み合わせることも可能である。例えば、ここに記載の基準は前述の基準の妥当性を確認する役割を果たすことができる。

相互作用領域１８内の局所的強度低下ΔＩがないことが、例えば約１０ｍｍのオーダのある（短い）経路長にわたって、例えばコンピュータ又は適当なハードウェア及び／若しくはソフトウェア、例えばＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等であり得る評価装置３０によって検出された場合、且つ相互作用領域１８の特性、すなわち長さＬの閾値Ｓを超えた場合、評価装置３０は不完全切削動作を識別する。

図２から明らかであるように、評価装置３０は、レーザ切削プロセスを制御する開ループ又は閉ループ制御装置３１に信号で接続される。評価装置３０により識別された不完全切削動作がある場合、開ループ／閉ループ制御装置３１は、レーザ切削プロセスの切削パラメータを適当に調整してレーザ切削プロセスのその後の実行中に不完全切削動作が継続しないようにすることができる。しかしながら、代替的に、開ループ又は閉ループ制御装置３１が、不完全切削動作が識別されたときに切削プロセスを停止するか、又は任意選択的に切削プロセスを再開して、影響を受けた地点を再び機械加工して、不完全切削動作により影響を受けた工作物８の領域を完全に切削することも可能であり、また、開ループ／閉ループ制御装置３１が不完全切削動作に関する情報を使用者に向けて出力することも可能である。

不完全切削動作等のプロセス関連の欠陥に加えて、切削プロセスの位置依存欠陥３７及び／又は角度依存欠陥３８（図１参照）を相互作用領域１８の特徴に基づいて識別することも可能である。例えば、工作物支持体５の１つの（又は１つの同じ）加工位置Ｂ_Ｘ，Ｙでの局所的強度低下ΔＩが検出された場合（特に、複数回検出された場合）、支持バー７の形態のマシニングプロセスの位置依存欠陥３７又は、任意選択により支持バー７の局所的汚染（ホットスポット）をこの加工位置Ｂ_Ｘ，Ｙに関連付けることができる。それぞれの加工位置Ｂ_Ｘ，Ｙは、画像Ｂの記録中に移動装置１２の関連付けられた機械座標Ｘ、Ｙ、Ｚに基づいてそれぞれの記録画像Ｂに関連付けることができる。

図４ａ、ｂに基づいて明らかであるように、位置依存欠陥の強さの程度は、強度プロファイルＩ（Ｙ）に沿った局所的強度低下ΔＩの絶対値若しくは大きさに基づいて、及び／又は強度プロファイルＩ（Ｙ）の勾配ｄＩ／ｄＹに基づいて特定でき、すなわち、図４ａに示される例の場合、局所的強度低下ΔＩは強度プロファイルＩ（Ｙ）の最大強度値Ｉ_ＭＡＸの約６５％であり、局所的強度低下ΔＩは図４ｂに示される例の場合、最大強度値Ｉ_ＭＡＸの約９５％より大きい。（任意選択的に局所的にのみ）汚染のひどい支持バー７は図４ａに示される例において存在し、実際に汚染されていない支持バー７は図４ｂに示される例において存在する。その結果、支持バー７の汚染の程度は評価ユニット３０により強度低下ΔＩの大きさに基づいて推定できる。

位置依存欠陥の強さを特定するためには、図３ｂ、ｃに関して説明したように強度プロファイルＩ（Ｙ）の勾配ｄＩ／ｄＹ（図４ａ、ｂでは図示せず）を評価することもできる。この場合、欠陥の程度又は強さは、例えば強度プロファイルＩ（Ｙ）の勾配ｄＩ／ｄＹの局所的最小値（ｄＩ／ｄＹ）_ＭＩＮの絶対値又は勾配ｄＩ／ｄＹの局所的最大値（ｄＩ／ｄＹ）_ＭＡＸの絶対値に基づいて特定できる。

原則として、図４ａに示される強度プロファイルＩ（Ｙ）は異なる種類の欠陥にも、例えば二重金属シートにも起因し得る。しかしながら、強度低下ΔＩが１つの同じ加工位置Ｂ_Ｘ，Ｙで複数回検出される場合、支持バー７がこの加工位置Ｂ_Ｘ，Ｙにあると仮定することができる。

したがって、マシニングプロセスの欠陥の種類、例えば支持バー又は二重シートメタルの存在は、例えば図４ａ、ｂに示されるように、相互作用領域１８の時間的に連続する複数の画像Ｂの評価に基づいて推定できる。

マシニングプロセス中の欠陥を識別するための上述の方法は、切削プロセスに限定されず、他のマシニングプロセスにおいても、例えば溶接プロセスにおいても使用され得る。追加的に、異なる種類のマシニングビーム、例えばプラズマビームをレーザビーム６の代わりに使用することができる。この場合、マシニングツール４としてプラズマヘッドがレーザマシニングヘッドの代わりに使用される。

４ レーザマシニングヘッド
７ 支持バー
８ 工作物
１２ 移動装置
１８ 相互作用領域
２１ カメラ
２８ モニタ対象領域
３０ 評価装置
Ｂ 画像
Ｂ_Ｘ，Ｙ 加工位置
Ｉ（Ｙ） 強度プロファイル
ΔＩ 局所的強度低下
Ｌ 相互作用領域の長さ
Ｓ 閾値
Ｖ 加工の進行方向

Claims (14)

1. マシニングプロセス中、より詳しくは切削工程中に少なくとも１つの欠陥を識別する方法において、
   工作物（８）を、マシニングツール、特にレーザマシニングヘッド（４）と前記工作物（８）を相互に関して移動させながら機械加工する、より詳しくは切削するステップと、
   前記工作物（８）のモニタ対象領域（２８）の画像（Ｂ）を記録するステップであって、前記モニタ対象領域は前記マシニングツールと前記工作物（８）との相互作用領域（１８）を含むようなステップと、
   前記モニタ対象領域（２８）の前記画像（Ｂ）を、前記マシニングプロセス中の前記少なくとも１つの欠陥を識別するために評価するステップと、
   を含み、
   前記欠陥を識別するために、前記画像（Ｂ）の評価中、前記相互作用領域（１８）内の強度プロファイル（Ｉ）の局所的強度低下（ΔＩ）の有無が、前記マシニングプロセスの進行方向（Ｖ）に検出される方法。
2. 不完全切削動作は、前記相互作用領域（１８）内で前記局所的強度低下（ΔＩ）がないことが検出された場合にのみ、前記工作物（８）の切削中の欠陥として識別される、請求項１に記載の方法。
3. 前記欠陥を識別するために、相互作用領域（１８）の少なくとも１つの幾何学的特徴、特に前記進行方向（Ｖ）への前記相互作用領域（１８）の長さ（Ｌ）が前記画像（Ｂ）の前記評価中に検出される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 切削中、前記進行方向（Ｖ）への前記相互作用領域（１８）の前記長さ（Ｌ）に依存する特性が閾値（Ｓ）を超えたとき、且つ前記局所的強度低下（ΔＩ）がないことが前記相互作用領域（１８）内で検出されたときに、不完全切削動作が識別される、請求項３に記載の方法。
5. 加工位置（Ｂ_Ｘ，Ｙ）における前記局所的強度低下（ΔＩ）の前記検出、特に反復的検出は、前記加工位置（Ｂ_Ｘ，Ｙ）における前記マシニングプロセスの位置依存欠陥、特に支持バー（７）の存在に関連付けられる、請求項１～４の何れか１項に記載の方法。
6. 前記位置依存欠陥の程度、特に前記支持バー（７）の汚染の程度は、前記強度プロファイル（Ｉ（Ｙ））に基づいて、特に前記強度プロファイル（Ｉ（Ｙ））の勾配に基づいて特定される、請求項５に記載の方法。
7. 前記マシニングプロセスの欠陥の種類は、前記相互作用領域（１８）の時間的に連続する複数の画像（Ｂ）の前記評価に基づいて推定される、請求項１～６の何れか１項に記載の方法。
8. 工作物（８）を機械加工する、より詳しくは切削するマシニングツール、特にレーザマシニングヘッド（４）と、
   前記マシニングツールと前記工作物（８）を相互に関して移動させる移動装置（１２）と、
   前記工作物（８）のモニタ対象領域（２８）の画像（Ｂ）を記録する画像撮影装置（２１）であって、前記モニタ対象領域は、前記マシニングツール、より詳しくはレーザマシニングヘッド（４）と前記工作物（８）との相互作用領域（１８）を含むような画像撮影装置（２１）と、
   マシニングプロセスの少なくとも１つの欠陥を前記モニタ対象領域（２８）の前記画像（Ｂ）の評価に基づいて識別するように構成された評価装置（３０）と、
   を含むマシニング装置（１）において、
   前記欠陥を識別するために、前記評価装置（３０）は、前記画像（Ｂ）の評価中に前記相互作用領域（１８）内での強度プロファイル（Ｉ）の局所的な強度低下（ΔＩ）の有無を前記マシニングプロセスの進行方向（Ｖ）に検出するように構成されるマシニング装置（１）。
9. 前記評価装置（３０）は、前記局所的な強度低下（ΔＩ）がないことが前記相互作用領域（１８）内で検出された場合にのみ前記工作物（８）の切削中の欠陥として不完全切削動作を識別するように構成される、請求項８に記載のマシニング装置。
10. 前記欠陥を識別するために、前記評価装置（３０）は、前記画像（Ｂ）の前記評価中に、相互作用領域（１８）の少なくとも１つの幾何学的特徴、特に前記相互作用領域（１８）の長さ（Ｌ）を前記進行方向（Ｖ）に検出するように構成される、請求項８又は９に記載のマシニング装置。
11. 前記評価装置（３０）は、前記相互作用領域（１８）の前記長さ（Ｌ）に依存する特性が閾値（Ｓ）を超えたとき、且つ前記局所的な強度低下（ΔＩ）がないことが前記相互作用領域（１８）内で検出されたときに、切削中の不完全切削動作を識別するように構成される、請求項１０に記載のマシニング装置。
12. 前記評価装置（３０）は、加工位置（Ｂ_Ｘ，Ｙ）における前記局所的な強度低下（ΔＩ）の前記検出、特に反復的検出は、前記加工位置（Ｂ_Ｘ，Ｙ）における前記マシニングプロセスの位置依存欠陥、特に支持バー（７）の存在に関連付けられるように構成される、請求項８～１１の何れか１項に記載のマシニング装置。
13. 前記評価装置（３０）は、前記位置依存欠陥の程度、特に前記支持バー（７）の汚染の程度を、前記強度プロファイル（Ｉ（Ｙ））に基づいて、特に前記強度プロファイル（Ｉ（Ｙ））の勾配（ｄＩ／ｄＹ）に基づいて特定するように構成される、請求項１２に記載のマシニング装置。
14. 前記評価装置（３０）は、前記マシニングプロセスの欠陥の種類を、前記相互作用領域（１８）の時間的に連続する複数の画像（Ｂ）の前記評価に基づいて推定するように構成される、請求項８～１３の何れか１項に記載のマシニング装置。

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