(57)【要約】【課題】高エネルギービームを用いたワークピース切断時に不完全切断を確実に識別することができる方法および装置を提供すること【解決手段】相互作用領域の、切断フロントに対向する終端部でドロス滴を検出するために、撮影された画像を評価すること、並びに、ドロス滴の発生に基づいて不完全切断を識別することを含む、不完全切断を識別するための方法および撮影された画像の評価、相互作用領域の、切断フロントに対向する終端部でのドロス滴の検出、並びに、ドロス滴の発生に基づいた不完全切断の識別を行うように構成されている評価装置を有している、不完全切断を識別するための装置【選択図】図３ｃ
2014226728.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギービーム（５）、殊にレーザビームによるワークピース（２）の切断時に、不完全切断を識別するための方法であって、
前記高エネルギービーム（５）と前記ワークピース（２）との相互作用領域（２２）を含む、前記ワークピース（２）の観察領域（２１）の画像（Ｂ）を撮影することを含む方法において、
前記相互作用領域（２２）の、切断フロント（２３）に対向する終端部でドロス滴（２５）を検出するために、前記撮影された画像（Ｂ）を評価すること、並びに、
前記ドロス滴（２５）の発生に基づいて前記不完全切断を識別することを含む
ことを特徴とする、不完全切断を識別するための方法。
【請求項２】
前記画像（Ｂ）の撮影は、前記相互作用領域（２２）のサーモグラフィの撮影を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記画像（Ｂ）の撮影は、前記相互作用領域（２２）の、外部から照明された画像の撮影を含む、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記相互作用領域（２２）の前記画像（Ｂ）を、前記高エネルギービーム（５）のビーム軸（１１）に対して同軸に撮影する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記相互作用領域（２２）の前記画像（Ｂ）を、前記ワークピース（２）上に前記レーザビーム（５）を出すためのレーザ処理ノズル（６）のノズル開口部（６ｂ）を通じて撮影する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記ドロス滴（２５）を検出するために、前記撮影された画像（Ｂ）を、前記ノズル開口部（６ｂ）の内側輪郭（６ａ）の縁部で評価する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記相互作用領域（２２）の、前記切断フロント（２３）に対向する終端部の画像（Ｂ）の局部的な強度極小値（ＩＭＩＮ）の発生に基づいて前記ドロス滴（２５）を検出する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記相互作用領域（２２）の、前記切断フロント（２３）に対向する終端部における前記相互作用領域（２２）の形状の変化に基づいて前記ドロス滴（２５）を検出する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記不完全切断を識別した場合に、前記切断プロセスを開ループ制御するまたは閉ループ制御する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
コンピュータプログラム製品であって、
コーディング手段を有しており、当該コーディング手段はデータ処理装置上で前記コンピュータプログラムが実行される場合に、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法の全てのステップを行うように構成されている、
ことを特徴とするコンピュータプログラム製品。
【請求項１１】
高エネルギービーム（５）、殊にレーザビームによるワークピース（２）の切断時に、不完全切断を識別するための装置であって、
前記高エネルギービーム（５）と前記ワークピース（２）との相互作用領域（２２）を含む、前記ワークピース（２）の観察領域（２１）の画像を撮影する画像検出装置（１０）を有している装置において、
前記撮影された画像（Ｂ）の評価、前記相互作用領域（２２）の、前記切断フロント（２３）に対向する終端部でのドロス滴（２５）の検出、並びに、前記ドロス滴（２５）の発生に基づいた前記不完全切断の識別を行うように構成されている評価装置（１８）を有している、
ことを特徴とする、不完全切断を識別するための装置。
【請求項１２】
前記画像検出装置（１０）は、前記相互作用領域（２２）のサーモグラフィを撮影するように構成されている、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記画像検出装置（１０）は、前記相互作用領域（２２）の、外部から照明された画像を撮影するように構成されている、請求項１１または１２記載の装置。
【請求項１４】
前記画像検出装置（１０）は、前記高エネルギービーム（５）のビーム軸（１１）に対して同軸に前記観察領域（２１）を撮影するように構成されている、請求項１１から１３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１５】
前記画像検出装置（１０）は、前記ワークピース（２）上に前記レーザビーム（５）を出すためのレーザ処理ノズル（６）のノズル開口部（６ｂ）を通して前記相互作用領域（２２）の前記画像（Ｂ）を撮影するように構成されている、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
前記評価装置（１８）は、前記ドロス滴（２５）を検出するために、前記撮影された画像（Ｂ）を、前記ノズル開口部（６ｂ）の内側輪郭（６ａ）の縁部で評価するように構成されている、請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記評価装置（１８）は、前記相互作用領域（２２）の、前記切断フロント（２３）に対向する終端部の画像（Ｂ）の局部的な強度極小値（ＩＭＩＮ）の発生に基づいて前記ドロス滴（２５）を検出するように構成されている、請求項１１から１６までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１８】
前記評価装置（１８）は、前記相互作用領域（２２）の、前記切断フロント（２３）に対向する終端部における、前記相互作用領域（２２）の形状の変化に基づいて前記ドロス滴（２５）を検出するように構成されている、請求項１１から１７までのいずれか１項記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高エネルギービーム、殊にレーザビームを用いた切断時の不完全切断（Schnittabrisses）を識別するための方法に関する。この方法は、ワークピースの、観察領域の画像を撮影することを含む。ここでこの観察領域は、高エネルギービームとワークピースとの相互作用領域を含む。本発明は、不完全切断を識別する、対応する装置にも関する。
【背景技術】
【０００２】
高エネルギービーム、例えばプラズマビームまたはレーザビームを用いた、ワークピースの熱切断時には、不完全切断が生じ得る。すなわち、高エネルギービームは完全に（金属製）ワークピースを切断することができない。なぜなら、完全なカーフ部分を溶かすのに、溶融用エネルギー（Streckenenergy）が十分でないからである。この原因は、しばしば、前進速度が高すぎること、高エネルギービームの出力が低すぎること、酸素ガス圧が低すぎること、または、使用されている高エネルギービームの焦点はずれが強すぎることである。不完全切断の発生時には、ワークピースの完全な厚さにわたって、切断継ぎ目ないしはカーフが形成されなくなり、高エネルギービームは単に、ワークピース内に跡をつけるだけである。
【０００３】
本願発明の出願人の、ＤＥ１０２０１１００３７１７から、レーザ切断プロセスのプロセス観察ないしはプロセス閉ループ制御のための装置および方法が公知である。これは、レーザ切断プロセスを特徴付ける多数の特性量を検出および評価することができる。特性量としては、殊に、不完全切断の識別が挙げられる。レーザ切断プロセス中に、切断へりの形態の材料境界が検出され、この切断エッジに基づいてカーフ幅が求められることによって不完全切断が識別される。所定のカーフ幅を下回ると、不完全切断が存在することが推測される。ワークピースが特殊鋼から成る場合には、サーモグラフィ内で検出された。光っている面の幅（これは実質的に、切断フロントの幅に相当する）が、材料境界に基づいて求められたカーフ幅よりも大きい場合にも、不完全切断が検出される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、高エネルギービームを用いたワークピース切断時に不完全切断を確実に識別することができる方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述の課題は、高エネルギービーム、殊にレーザビームによるワークピースの切断時に、不完全切断を識別するための方法であって、前記高エネルギービームと前記ワークピースとの相互作用領域を含む、前記ワークピースの観察領域の画像を撮影することを含む方法において、前記相互作用領域の、切断フロント（切断開始部）に対向する終端部でドロス滴を検出するために、前記撮影された画像を評価すること、並びに、前記ドロス滴の発生に基づいて前記不完全切断を識別することを含むことを特徴とする、不完全切断を識別するための方法によって解決される。
【０００６】
上述の課題はさらに、高エネルギービーム、殊にレーザビームによるワークピースの切断時に、不完全切断を識別するための装置であって、前記高エネルギービームと前記ワークピースとの相互作用領域を含む、前記ワークピースの観察領域の画像を撮影する画像検出装置を有している装置において、前記撮影された画像の評価、前記相互作用領域の、前記切断フロントに対向する終端部でのドロス滴の検出、並びに、前記ドロス滴の発生に基づいた前記不完全切断の識別を行うように構成されている評価装置を有している、ことを特徴とする、不完全切断を識別するための装置によって解決される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】画像検出装置と評価装置とを有する、レーザ切断プロセスを観察および閉ループ制御するための装置の実施例の概略図
【図２】種々の前進速度によるレーザ切断プロセスにおいて実施された、ワークピースの上面と下面の図
【図３ａ】良好な切断時の、相互作用領域の、画像検出装置によって撮影されたサーモグラフィ
【図３ｂ】バリが形成されている場合の、図３ａと同様のサーモグラフィ
【図３ｃ】不完全切断が存在する場合の、図３ａと同様のサーモグラフィ
【発明を実施するための形態】
【０００８】
不完全切断時には、完全なカーフ部分を溶融するのに、溶融用エネルギーが不足している。相応にドロスが、カーフから下へ排出されない。むしろドロスは、前進方向と反対に、部分的にのみ形成された切断路においてのみ、後方へ、ワークピースの上面へと流れ、その箇所において、切断時に形成されたカーフから流出する。
【０００９】
典型的に切断時、例えば熱切断時に使用される切断用酸素との反応時に生じる酸化鉄（ＦｅＯ）は、約５．７ｋｇ／ｄｍ３の密度で、典型的に、処理されるべきワークピースの原材料ないしは原材料の大部分を成す元来の鉄（Ｆｅ）よりも、２７％低い密度を有する。従って、生じたドロス体積は、ＦｅＯ密度の低減によっても、酸化時の質量増加によっても、原材料と比べて増加される。これによって、下方へ排出されないドロスが後続の経過において、後方へと、カーフから出てくる。この、後方へ、上方へ出るドロス滴は、切断プロセス中に画像が撮影される観察領域において、検出される。
【００１０】
切断実験によって、殊に熱切断時の、このドロス滴と不完全切断の直接的な関連が検証される。良好な切断時またはバリが形成されている場合にも、このようなドロスの流れは観察されない。
【００１１】
この方法の別の形態では、画像の撮影は、相互作用領域のサーモグラフィの撮影を含む。典型的に、流出しているドロス滴は、相互作用領域のサーモグラフィ内で特に良好に識別される。これは、溶解物から放出される波長での、切断プロセス、特にレーザ切断プロセスのプロセス自己発光に相当する。殊にＮＩＲ−Ａ−領域、例えば約８００−１１００ｎｍの波長におけるサーモグラフィは、サーモグラフィの、ドロス滴によってシールドされる領域における熱ビームの欠損に基づいて、ドロス滴の検出に対して特に有利であることが判明している。このサーモグラフィは、適切な、この波長領域において反応するカメラによって検出される。プロセス光の検出ないしは相互作用領域の画像の撮影は、別の波長、例えばＵＶ領域においても可能である。この場合には例えば、プラズマビームのプラズマから生じるプロセスビームが検出される。
【００１２】
別の方法では、画像の撮影は、相互作用領域の外部から照らされる画像の撮影を含む。適切な波長、例えば可視波長領域（ＶＩＳ）におけるビームによる、ワークピースの相互作用領域ないしは観察領域の外部からの照明、例えばトップライト照明によって、ワークピースの上面での輪郭が識別可能になる。このような場合には、ドロス滴の領域において、ワークピースの表面ないしは上面がもはや可視でない場合に、ドロス滴が検出される。相互作用領域のサーモグラフィの検出と外部照明領域の検出との組み合わせも可能であることを理解されたい。
【００１３】
１つの実施形態では、相互作用領域の画像は、高エネルギービームのビーム軸と同軸に撮影される。これによって、方向に依存しない観察が可能になる。同軸観察のための、高エネルギービームのビーム路からの二次ビーム（熱ビーム）の取り出しは、例えばスクレーパミラーまたは菫青石ミラーによって行われる。トップライト照明は有利であるが、必ずしも必要ではない。
【００１４】
この実施形態の発展形態では、相互作用領域の画像は、レーザビームをワークピース上に出すレーザ処理ノズルのノズル開口部によって、すなわち、処理ビームに対して同軸に撮影される。この場合には、ワークピースの観察領域の画像はレーザ切断ノズルによって、並びに、場合によっては焦点合わせレンズを通って、カメラによって撮影される。例えばＣＯ２レーザビーム切断時には、ワークピースの観察領域は、レーザビームに対して同軸に、カメラによって、ＣＯ２レーザビームに対して透過性の材料、例えばＺｎＳｅから成るレンズとレーザ切断ノズルとを通じて観察される。別の波長領域を有するレーザビームの使用時には、各レーザ波長において透過性の材料から成る光学素子が使用されることを理解されたい。透過性の焦点合わせ部材ないしは透過性の焦点合わせ装置の箇所でも、反射性の焦点合わせ部材、例えば（軸はずれ）パラボラミラーが使用される。
【００１５】
さらなる発展形態では、ドロス滴を検出するために、撮影された画像は、ノズル開口部の内側輪郭の縁部において（のみ）、典型的に、相互作用領域の、切断フロントに対向する終端部で評価される。ドロス滴は、ノズル開口部の内側輪郭の縁部に直接的に続く領域において生じるのが典型である。従って、撮影された画像を評価するためには、ノズル開口部の内側輪郭によって形成された縁部領域を正確に調査することで足り、ドロス滴の迅速な検出、ひいては不完全切断の迅速な識別が保証される。
【００１６】
別の実施形態では、切断フロントに対向する、相互作用領域の終端部の画像の局部的な強度極小値の発生に基づいて、ドロス滴が検出される。典型的にドロス滴は、相互作用領域のサーモグラフィにおいて強度極小値を形成するので、このような強度極小値が存在する場合に、ドロス滴が存在していることが推測される。熱ビームの強度の測定された値は、強度極小値の領域において、ほぼ、相互作用領域外の観察領域において測定される熱ビームの強度の値に相応する、ないしは僅かに、この熱ビームの強度の値を下回る。
【００１７】
別の実施形態では、ドロス滴は、切断フロントに対向している終端部での、相互作用領域の形状の変化に基づいて検出される。ドロス滴によって、例えば、それ以外の場合には凸状（外側へ）に湾曲している、相互作用領域の終端部が、サーモグラフィにおいて自身の形状を変化させ、殊に、近似的に直線または場合によっては凹状（すなわち、相互作用領域内へ）湾曲されている形状を取る。
【００１８】
別の実施形態では、切断プロセスにおいて、不完全切断の識別時に、開ループ制御または閉ループ制御の形で介入が行われる。例えば、不完全切断の開始時には、切断プロセスの切断パラメータが適切に（開ループ制御されてまたは閉ループ制御されて）整合され、これによって、レーザ切断プロセスが継続された場合に、不完全切断が阻止される。択一的に、不完全切断の識別時に切断プロセスを中断する、または、該当箇所を再度処理するために切断プロセスを新たに開始することが可能である。
【００１９】
本発明は、コンピュータプログラム製品にも関する。ここでこのコンピュータプログラム製品は、コンピュータプログラムがデータ処理装置上で実行される場合に、上述した方法の全てのステップを実施するのに適しているコーディング手段を有している。データ処理装置は例えば、開ループ制御装置および閉ループ制御装置および／または評価装置のことである。
【００２０】
本発明の別の態様は、冒頭に記載した様式の装置に関する。これはさらに、評価装置を含んでいる。この評価装置は、撮影された画像を評価するように、相互作用領域の、切断フロントに対向する終端部でドロス滴を検出するように、並びに、ドロス滴の発生に基づいて不完全切断を識別するように構成ないしはプログラミングされている。
【００２１】
切断プロセスを観察するために、切断過程時に、すなわち高エネルギービームとワークピースとの間の相対運動時に、ワークピースの一部分（すなわち観察領域）の画像を撮影する画像検出装置に対して付加的に、本発明の方法では、評価ユニットが設けられている。この評価ユニットは、撮影された画像に基づいて、後続の切断プロセスにおいてドロス滴の検出を行い、ドロス滴が（繰り返し）検出される場合に、不完全切断が存在すると推測するように構成されている、ないしは、プログラミングされている。
【００２２】
１つの実施形態では、画像検出装置は、相互作用領域のサーモグラフィないしはプロセス自己発光を撮影するように構成されている。すなわちこの画像検出装置は、少なくともＮＩＲ／ＩＲ波長領域において反応する。このような画像検出装置によって、ＮＩＲ／ＩＲ領域において撮影された画像に基づいて、ドロス滴の検出ひいては不完全切断の識別が行われる。相互作用領域ないしはその形状は、この場合には、適切な波長フィルタを介して、画像検出装置によって観察される。この波長フィルタは、例えば近赤外領域または紫外線領域における波長を通す（プラズマビームのプラズマ発光を検出するため）。画像検出装置が、相互作用領域を検出するため、並びに、ワークピースの材料境界を検出するために種々の検出器を有することができることに留意されたい。
【００２３】
別の実施形態では、画像検出装置は、相互作用領域の外部から照明された画像を撮影するように構成されている。外部照明のために、例えばトップライト照明のために、付加的な照明源を設けることができる。この照明源は照明ビームを、レーザビームに対して同軸で、または、軸はずれで、ワークピース上に、より正確には、ワークピースの観察領域に向ける。
【００２４】
ＮＩＲ／ＩＲ領域における相互作用領域も、材料境界（典型的に可視波長領域において）も検出する適切な波長フィルタと結び合わせて、検出器（例えばＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラ）を１つだけ使用することが有利である。なぜなら、スペースも節約され、コストも低くなるからである。
【００２５】
別の実施形態では、画像検出装置は、高エネルギービームのビーム軸に対して同軸に、観察領域を撮影するように構成されている。観察領域の同軸検出は、切断方向と無関係に行うことができる。画像検出装置を、場合によっては、観察領域の非同軸撮影用に構成することが可能であることを理解されたい。
【００２６】
１つの発展形態では、画像検出装置は、ワークピース上にレーザビームを出すためのレーザ処理ノズルのノズル開口部を通じて、相互作用領域の画像を撮影するように構成されている。この場合には、観察領域の観察は、レーザ処理ノズルを通じて、すなわちレーザビームに対して同軸に行われる。この場合には、典型的に円形である、レーザ処理ノズルの内側輪郭は、観察領域の境界を形成する。
【００２７】
別の実施形態では、評価装置は、ドロス滴を検出するために、ノズル開口部の内側輪郭の縁部で（場合によっては縁部のみで）撮影された画像を評価するように構成ないしはプログラミングされている。ドロス滴は、切断プロセスに後続して形成される。すなわち、相互作用領域の、切断フロントに対向する終端部で形成される。これは典型的に、ノズル開口部の内側輪郭の縁部において存在する。従って、撮影された画像（場合によってはこの画像のみ）を評価することによって、この縁部領域においてドロス滴の検出、ひいては不完全切断の識別が行われる。
【００２８】
別の実施形態では、評価装置は、相互作用領域の、切断フロントに対向する終端部の画像の局部的な強度極小値の発生に基づいて、ドロス滴を検出するように構成ないしはプログラミングされている。ドロス滴によって典型的に、切断フロントに対向するその終端部で、相互作用領域が影になるので、この領域における強度極小値を検出することによって、ドロス滴の存在を推測することができる。
【００２９】
付加的または択一的に、ドロス滴の検出を、切断フロントに対向する、相互作用領域の終端部での、相互作用領域の形状の変化に基づいて評価装置によって行うこともできる。なぜなら、上述したように、ドロス滴が発生しているときの、その箇所での相互作用領域の形状は、良好な切断時ないしはバリが形成されているときの形状とは異なるからである。強度極小値ないしは相互作用領域の形状の変化を介したドロス滴の検出のための２つの手法は、基本的に、サーモグラフィの撮影時にも、相互作用領域の外部照明画像の撮影時にも可能である。
【００３０】
評価ユニットによって識別された不完全切断は、評価ユニット内自体でも、これに後続する論理ユニット（例えば開ループ制御装置または閉ループ制御装置）内においても行うことが可能な評価を介して、切断プロセスのパラメータに影響を与えるために使用することができる。これによって、始まっている不完全切断が阻止される。この目的のために作用が及ぼされる、切断プロセスのパラメータとしては、不完全切断を回避するために落とされるべき前進速度の他に、高エネルギービームの出力等が挙げられる。高エネルギービームの出力は、不完全切断を回避するために高くされるべきである。場合によって存在する焦点はずれを修正するために、場合によっては、焦点合わせ位置ないしは切断処理のために設けられている切断ヘッドとワークピースとの間の間隔も制御可能である。なぜならこれも、不完全切断を助長し得るからである。
【００３１】
本発明のさらなる利点は、説明および図面に記載されている。同様に、上述した、および後述する特徴は単独で、または、複数の任意の組み合わせにおいて使用可能である。図示されたおよび記載された実施形態は、最終的な列挙として理解されるべきものではなく、むしろ、本発明を描写するための例示的な特徴を有している。
【実施例】
【００３２】
図１は、ＣＯ２レーザ処理設備を用いた、ワークピース２でのレーザ切断プロセスを観察および閉ループ制御するための装置１の構造例を示している。図１には、このうちの、焦点合わせレンズ４と切断ガスノズル６と偏向ミラー７とを備えた処理ユニット３（レーザ処理ヘッドの一部）のみが示されている。焦点合わせレンズ４は、このレーザ処理設備のＣＯ２レーザビーム５をフォーカシングするセレン化亜鉛から成る。このような場合では、偏向ミラー７は、部分透過的に形成されており、プロセス観察装置１のための入射側の構成部分を形成する。
【００３３】
偏向ミラー７は、（約１０μｍの波長を有する）入射したＣＯ２レーザビーム５を反射し、プロセス観察のために重要なビーム８を通す。このビーム８はこの例では、約５５０ｎｍと２０００ｎｍの間にあり、ワークピース２によって反射され、ＣＯ２レーザビーム５とワークピース２との相互作用領域２２によって放射されたビームである。部分透過性の偏向ミラー７に対して択一的に、装置１のプロセスビーム８を通すためにスクレーパミラーまたはホールミラーを使用することもできる。
【００３４】
装置１内には、部分透過ミラー７の後方に、別の偏向ミラー９が配置されている。この別の偏向ミラーは、プロセスビーム８を、画像検出ユニットとしての幾何学形状高解像度カメラ１０へと偏向する。カメラ１０は、高速カメラであり得る。これは、レーザビーム軸１１ないしレーザビーム軸の延長部分１１ａに対して同軸に、ひいては方向に依存せずに配置されている。基本的に、ＶＩＳ波長領域におけるトップライト照明方法においても、場合によっては、ＮＩＲ波長領域におけるトップライト照明方法においても、この波長領域において照射する付加的な照明源が設けられている限りは、カメラ１０による画像撮影が可能である。択一的に、波長領域ＵＶおよびＮＩＲ／ＩＲにおけるプロセス自己発光の撮影が可である。
【００３５】
この例では結像のために、部分透過ミラー７とカメラ１０との間に、図１では、レンズとして示されている、結像する、フォーカシングする光学システム１２が設けられている。これは、プロセス観察にとって重要なビーム８をカメラ１０に対してフォーカシングする。
【００３６】
図１に示された例では、別のビーム成分ないしは波長成分が、カメラ１０による検出から排除されるべき場合には、カメラ１０の前のフィルタ１３が有利である。フィルタ１３は例えば、狭帯域の帯域通過フィルタとして形成される。レーザビーム軸１１に沿ったカメラ１０の位置並びにこの実施例において設けられている結像光学素子１２および／またはフィルタ１３の位置は、当業者に公知の、見やすくするために、両矢印によって示されているポジショニングシステム１４によって調整される、並びに、必要な場合には変えられる。
【００３７】
カメラ１０は、この例では、トップライト方法（Auflichtverfahren）において駆動される。すなわち、ワークピース２の上方に付加的な照明源１５が設けられている。この照明源は、別の部分透過性のミラー１６を介して、照明ビーム１７を、レーザビーム軸１１に対して同軸に、ビーム路内に入力する。付加的な照明源１５として、レーザダイオードまたはダイオードレーザを設けることができる。これは図１に示されているように、レーザビーム軸１１に対して同軸に配置されるが、軸外しで配置することもできる。付加的な照明源１５は、例えば、処理ユニット３外（殊に隣）にも配置可能であり、ワークピース２に向けられる。択一的に、照明源１５は処理ユニット３内に配置される。しかし、レーザビーム５に対して同軸に、ワークピース２に配向されない。装置１が付加的な照明源１５を用いなくても動作可能であることを理解されたい。
【００３８】
図１に示された例では、カメラ１０は、レーザ熱切断プロセスの間、相互作用領域２２を含んでいる、ワークピース２の観察領域２１の画像Ｂを撮影する。熱切断の間、ワークピース２とノズル６ないしは処理ユニット３（レーザ処理ヘッド）との間の相対運動が、ノズル６ないしは処理ユニット３の、正のＸ方向に沿った運動によって行われる（矢印を参照）。択一的または付加的に、ワークピース２は反対方向（負のＸ方向）で、ノズル６ないしは処理ユニット３（レーザ処理ヘッド）に対して相対的に動かされる。それぞれの場合において、ワークピース２と処理ユニット３との間の相対運動が、前進速度ｖとして示された相対速度で行われる。熱接続プロセスにおいて、相互作用領域２２に対して、先行して、切断フロント２３（図１中、相互作用領域２２の右側）が形成される。ここには、後に（負のＸ方向において）、切断カーフ２４（以降では、時には、切断溝とも称される）が続く。
【００３９】
図２は、線形の目標切断輪郭によるテスト切断の実施後の、ワークピース２（構造用鋼から成る）の、上面２ａの平面図と、下面２ｂの平面図を示す。テスト切断時には、ワークピース２では、最低の前進速度ｖ１と最高の前進速度ｖ２との間の線形の速度勾配（すなわち、一定の加速度）で走行がなされた。
【００４０】
図２から良好に見て取れるように、上述したプロセスパラメータに対して標準的に使用される前進速度ｖｓｏｌｌ＝１．７５ｍ／ｍｉｎを下回る、比較的低い前進速度ｖの場合には、良好な切断が得られる。すなわち、ワークピース２の上面でも、ワークピース２の下面でも、貫通する、真っ直ぐなカーフ２４が得られる。標準的な前進速度ｖｓｏｌｌよりも僅かに速い前進速度ｖの場合には、バリが形成される。これは図２において、ワークピース２の下面で識別される。最高前進速度ｖ２までのさらに速い前進速度ｖの場合には、不完全切断が生じる。すなわち、レーザビーム５は、ワークピース２の上面で跡をつけ、ワークピース２の全体的な厚さｄにわたったカーフ２４はもはや形成されない。
【００４１】
図２に示された不完全切断の場合には、ドロスはもはや、カーフ２４から下方へ排出されず、むしろ、前進方向とは反対の方向（図１における負のＸ方向）において、部分的にのみ形成された切断路において後方へと流れる。構造鋼の、切断用酸素との反応時に生じる酸化鉄（ＦｅＯ）は、元来の鉄（Ｆｅ）よりも低い密度を有する。ここで生じたドロス体積は、ＦｅＯ密度の低減によっても、酸化物の質量増加によっても、ワークピース２の原材料と比べて増加し、これによって、下へと排出されないドロスが後に後方へ、ワークピース２の上面２ａでカーフ２４から出る。
【００４２】
相互作用領域２２に対する後走行（Nachlauf）において出て来るドロス滴は、観察領域２１において、画像（サーモグラフィ）Ｂにおいて、カメラ１０によって検出される。これを、以降で、図３ｃに基づいて説明する。図３ｃはそれぞれ、構造鋼熱切断時の、ＮＩＲ／ＩＲ領域における観察領域２１の画像Ｂを示す。熱ビームは、カメラ１０によって、フィルタ１３を用いて撮影された。このフィルタは、熱ビーム８に対してのみ、（近）赤外領域において透過性であった。ここで、破線で示された輪郭は、熱ビーム８の種々の強度の領域の間の境界を示す（図１を参照）。ここで、ワークピース２のこの輪郭は、識別されない。画像Ｂにおいて検出される処理ビーム８ないしは熱ビーム８は、レーザ切断プロセスの自己発光である。これは典型的に、直接的に温度分布と同一視されない。しかし、容易にするために、カメラ１０の測定された強度分布Ｉは、サーモグラフィとも称される。カメラ１０によって撮影された画像Ｂは、レーザ切断ノズル６（図１を参照）のノズル開口部６ｂの円形の内側輪郭６ａによって制限される。
【００４３】
良好な切断時にも（図３ａ、ｖ＝１．７５ｍ／ｍｉｎ）、バリ形成時にも（図３ｂ、ｖ＝１．９２ｍ／ｍｉｎ）、所定の時点ｔ０で始まり、１ｍｓの間隔で撮影された、同軸撮影された５つの画像Ｂのシーケンスにおいて、異常な点は見出されなかった。相互作用領域２２ないしは（図示されていない）カーフの幾何学的な形状並びに切断フロント２３上の溶解物のビーム放射は、図示されたシーケンスの個々の画像Ｂ間でほぼ一定である。
【００４４】
しかし、図３ｃに示された、５つの画像Ｂのシーケンスでは、第２から第４までの画像Ｂにおいて異常な点が識別された。これは詳細には、レーザ処理ノズル６の内部輪郭６ａの後方領域における明らかなドロス滴である。レーザ切断ノズル６の円形の内側輪郭６ａはここで、カメラ１０によって撮影された画像Ｂを制限する（この実施例では、内側輪郭６ａの直径Ｄは１．４ｍｍである）。観察領域２１の、ドロス滴２５が生じている領域は、図３ｃにおいてそれぞれ、楕円形のマーキングによって示されている。
【００４５】
ドロス滴２５を検出するために、撮影された画像Ｂは殊に、レーザ処理ノズル６の内側輪郭６ａ近傍において評価装置１８（図１）によって評価される。ここで、装置１ないしは評価装置１８の撮影された画像Ｂに対して前進方向ｖの方向が既知である、ということが利用される。従って、画像Ｂの評価は、理想的な場合には、相互作用領域２２の、切断フロント２３に対向する終端部における比較的小さい領域に制限される。
【００４６】
ドロス滴２５を識別するためには、相互作用領域２２の、切断フロント２３に対向する終端部で、局部的な強度極小値ＩＭＩＮの発生が検出されれば十分である。付加的または択一的に、この検出は、撮影された複数の画像間の、切断フロント２３に対向する、相互作用領域２２の終端部の形状の変化を識別することによっても行われる。これは例えば、その外側縁部が、凸状の形状から、例えば凹状の幾何学形状へと移行する場合であり、例えば、図３ｃに示されたシーケンスの第３の画像Ｂの場合がそうである。
【００４７】
サーモグラフィＢが、場合によっては（可視領域の波長の場合には）、検出された材料境界（ワークピース２の輪郭）と比較されることを理解されたい。これによって、ドロス滴２５の検出が改善される。場合によってはドロス滴２５の検出を、サーモグラフィを撮影せずに、すなわち材料境界の検出のみに基づいて行うこともできる。この場合には、典型的に、相互作用領域２２の外部照明画像が形成され、ドロス滴２５が検出される。これは、ワークピース２の表面ないしは上面２ａが、ドロス滴２５の領域において、もはや可視でない場合である。さらに、材料境界とサーモグラフィを並行して撮影するために、画像検出装置１０はさらなるカメラないしは検出器も有することができる。
【００４８】
ドロス滴２５の繰り返しの発生ないしは検出は、評価装置１８によって、不完全切断として識別される。ここで有利であるのは、後方へ、カーフ２４から上へと生じるドロス滴２５の原因となる、熱切断時の別のエラーケースが生じていない、ということである。従ってこれは、構造鋼における不完全切断に対する一義的な特徴である。従ってこの特徴に基づいて、一義的に、切断が失敗しているケース「構造鋼の不完全切断」を推測することができる。良好な切断時ないしはバリ形成時には（図３ａと図３ｂを参照）、このようなドロス流出はまだ観察されない。なぜなら、ドロスは、良好な切断時にも、バリが形成されている場合にも、カーフ２４から下方へと排出されるからである。
【００４９】
評価装置１８は、場合によっては、図１に示された、開ループ制御装置ないしは閉ループ制御装置１９と、信号技術的に接続されている。ここでこの開ループ制御装置ないしは閉ループ制御装置１９は、レーザ切断プロセスを開ループ制御ないしは閉ループ制御し、詳細には、評価装置１８によって求められた、レーザ切断プロセスの特徴的な特性量に依存して、例えば、不完全切断の存在を求める。開ループ制御装置／閉ループ制御装置１９は、不完全切断の開始時に、レーザ切断プロセスの切断パラメータを適切に整合させることができ、これによって、レーザ切断プロセスを継続した場合に、不完全切断が阻止される。しかし択一的に、開ループ制御装置ないしは閉ループ制御装置１９が、不完全切断の識別時に切断プロセスを中断する、または、場合によっては切断プロセスを新たに始めることもできる。これによって、該当箇所が再び処理され、ワークピース２は、不完全切断に該当する領域において完全に切断される。
【００５０】
切断エラー（ここでは、不完全切断）の確実な検出は、生産性を向上させる。これは、欠陥部品を発生させないことによるコスト削減並びに不必要な後処理による時間を節約すことによって達成される。ここに記載した不完全切断の識別は、別の高いエネルギービーム、例えばプラズマビームによる（熱）切断プロセスにおいても実行され得ることを理解されたい。不完全切断の識別も、特殊鋼、特にワークピース材料としての構造鋼に制限されず、別の材料も使用可能である。
【図１】
2014226728.tif 000003
【図２】
2014226728.tif 000004
【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
2014226728.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成26年7月8日(2014.7.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高エネルギービーム（５）によるワークピース（２）の切断時に、不完全切断を識別するための方法であって、
前記高エネルギービーム（５）と前記ワークピース（２）との相互作用領域（２２）を含む、前記ワークピース（２）の観察領域（２１）の画像（Ｂ）を撮影することを含む方法において、
前記相互作用領域（２２）の、切断フロント（２３）に対向する終端部でドロス滴（２５）を検出するために、前記撮影された画像（Ｂ）を評価すること、並びに、
前記ドロス滴（２５）の発生に基づいて前記不完全切断を識別することを含む
ことを特徴とする、不完全切断を識別するための方法。
【請求項２】
前記画像（Ｂ）の撮影は、前記相互作用領域（２２）のサーモグラフィの撮影を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記画像（Ｂ）の撮影は、前記相互作用領域（２２）の、外部から照明された画像の撮影を含む、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記相互作用領域（２２）の前記画像（Ｂ）を、前記高エネルギービーム（５）のビーム軸（１１）に対して同軸に撮影する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記相互作用領域（２２）の前記画像（Ｂ）を、前記ワークピース（２）上に前記高エネルギービーム（５）を出すためのレーザ処理ノズル（６）のノズル開口部（６ｂ）を通じて撮影する、請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記ドロス滴（２５）を検出するために、前記撮影された画像（Ｂ）を、前記ノズル開口部（６ｂ）の内側輪郭（６ａ）の縁部で評価する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記相互作用領域（２２）の、前記切断フロント（２３）に対向する終端部の画像（Ｂ）の局部的な強度極小値（ＩＭＩＮ）の発生に基づいて前記ドロス滴（２５）を検出する、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記相互作用領域（２２）の、前記切断フロント（２３）に対向する終端部における前記相互作用領域（２２）の形状の変化に基づいて前記ドロス滴（２５）を検出する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記不完全切断を識別した場合に、前記切断プロセスを開ループ制御するまたは閉ループ制御する、請求項１から８までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記高エネルギービーム（５）はレーザビームである、請求項１から９までのいずれか１項記載の方法。
【請求項１１】
コンピュータプログラムであって、
コーディング手段を有しており、当該コーディング手段はデータ処理装置上で前記コンピュータプログラムが実行される場合に、請求項１から１０までのいずれか１項記載の方法の全てのステップを行うように構成されている、
ことを特徴とするコンピュータプログラム。
【請求項１２】
高エネルギービーム（５）によるワークピース（２）の切断時に、不完全切断を識別するための装置であって、
前記高エネルギービーム（５）と前記ワークピース（２）との相互作用領域（２２）を含む、前記ワークピース（２）の観察領域（２１）の画像を撮影する画像検出装置（１０）を有している装置において、
前記撮影された画像（Ｂ）の評価、前記相互作用領域（２２）の、前記切断フロント（２３）に対向する終端部でのドロス滴（２５）の検出、並びに、前記ドロス滴（２５）の発生に基づいた前記不完全切断の識別を行うように構成されている評価装置（１８）を有している、
ことを特徴とする、不完全切断を識別するための装置。
【請求項１３】
前記画像検出装置（１０）は、前記相互作用領域（２２）のサーモグラフィを撮影するように構成されている、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
前記画像検出装置（１０）は、前記相互作用領域（２２）の、外部から照明された画像を撮影するように構成されている、請求項１２または１３記載の装置。
【請求項１５】
前記画像検出装置（１０）は、前記高エネルギービーム（５）のビーム軸（１１）に対して同軸に前記観察領域（２１）を撮影するように構成されている、請求項１２から１４までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１６】
前記画像検出装置（１０）は、前記ワークピース（２）上に前記高エネルギービーム（５）を出すためのレーザ処理ノズル（６）のノズル開口部（６ｂ）を通して前記相互作用領域（２２）の前記画像（Ｂ）を撮影するように構成されている、請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記評価装置（１８）は、前記ドロス滴（２５）を検出するために、前記撮影された画像（Ｂ）を、前記ノズル開口部（６ｂ）の内側輪郭（６ａ）の縁部で評価するように構成されている、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記評価装置（１８）は、前記相互作用領域（２２）の、前記切断フロント（２３）に対向する終端部の画像（Ｂ）の局部的な強度極小値（ＩＭＩＮ）の発生に基づいて前記ドロス滴（２５）を検出するように構成されている、請求項１２から１７までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１９】
前記評価装置（１８）は、前記相互作用領域（２２）の、前記切断フロント（２３）に対向する終端部における、前記相互作用領域（２２）の形状の変化に基づいて前記ドロス滴（２５）を検出するように構成されている、請求項１２から１８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項２０】
前記高エネルギービーム（５）はレーザビームである、請求項１２から１９までのいずれか１項記載の装置。