(57)【要約】  本発明は、ワークピース（３）における熱切断プロセスを監視するための、特に閉ループ制御するための装置（１）に関する。この装置は、ワークピース（３）に切断カーフ（１６）を形成するために、加工ビーム、特にレーザビーム（２）をワークピース（３）に合わせて集束させるための集束装置（４）と、ワークピース（３）の被監視領域の少なくとも１つの画像を生成するための画像捕捉装置（９）と、評価装置（１９）とを備え、この評価装置（１９）は、少なくとも１つの画像に基づき、ワークピース（３）の厚さ方向（Ｚ）における切断カーフ（１６）のギャップ幅の推移に関して、特に切断カーフ（１６）の両方の切断側面の角度に関して、少なくとも１つの測定量を求めるように構成されている。本発明は、ワークピース（３）における熱切断プロセスを監視するための、特に閉ループ制御するための対応する方法にも関する。
2019531195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピース（３）における熱切断プロセスを監視するための、特に閉ループ制御するための装置（１）であって、
前記ワークピース（３）に切断カーフ（１６）を形成するために、加工ビーム、特にレーザビーム（２）を前記ワークピース（３）に合わせて集束させるための集束装置（４）と、
前記ワークピース（３）の被監視領域（１５）の少なくとも１つの画像（Ｂ１、Ｂ２）を生成するための画像捕捉装置（９）と、
を備えている、装置（１）において、
評価装置（１９）が設けられており、前記評価装置（１９）は、前記少なくとも１つの画像（Ｂ１、Ｂ２）に基づき、前記ワークピース（３）の厚さ方向（Ｚ）における前記切断カーフ（１６）のギャップ幅（ｂ（ｚ））の推移に関して、特に前記切断カーフ（１６）の両方の切断側面（２３ａ、ｂ）間の角度（γ）に関して、少なくとも１つの測定量（Ａ、δ）を求めるように構成されている、
ことを特徴とする装置（１）。
【請求項２】
前記画像捕捉装置（９）は、偏光器（２１）を備えており、前記偏光器（２１）は、前記被監視領域（１５）を監視するための観察ビーム（７ａ）のうち、第１の直線偏光成分（ｓ）を検出器（１２）へ伝達し、前記観察ビーム（７ａ）のうち、前記第１の直線偏光成分（ｓ）に対し垂直な第２の偏光成分（ｐ）をフィルタリングし、
前記評価装置（１９）は、前記少なくとも１つの画像（Ｂ１、Ｂ２）において前記切断カーフ（１６）の前記切断側面（２３ａ、ｂ）に沿って延在する２つの発光ストライプ（２２ａ、ｂ）に基づき、前記測定量（Ａ、δ）を求めるように構成されており、
測定量として好ましくは、両方の前記発光ストライプ（２２ａ、ｂ）間の間隔（Ａ）及び／又は角度（δ）が求められる、
請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記評価装置（１９）は、前記発光ストライプ（２２ａ、ｂ）間の間隔（Ａ）を、前記熱切断プロセスの送り方向（ｖＲ）を横切る方向での前記画像（Ｂ１、Ｂ２）の２つの強度最大値（ＩＭ１、ＩＭ２）のポジション（ＹＭ１、ＹＭ２）に基づき求めるように構成されている、
請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記画像捕捉装置（９）は、前記加工ビームのビーム軸（１３）に対し所定の角度（β）で延在する観察方向（Ｒ１）から前記被監視領域（１５）を観察するために、観察ビーム（７ａ）を形成するように構成されており、
前記観察ビーム（７ａ）は、好ましくは前記集束装置（４）を通り抜け、
前記画像捕捉装置（９）は、前記加工ビームの前記ビーム軸（１３）に対し前記角度（β）で延在する前記観察方向（Ｒ１）から、前記被監視領域（１５）の前記画像（Ｂ１）を生成するための結像光学系（１４）を含む、
請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
【請求項５】
前記加工ビームの前記ビーム軸（１３）に対する前記観察方向（Ｒ１）の前記角度（β）は１゜乃至５゜である、
請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記画像捕捉装置（９）は、前記観察ビーム（７ａ）の前記観察方向（Ｒ１）の配向、及び／又は、前記観察ビーム（７ａ）の伝達される前記第１の直線偏光成分（ｓ）の方向を、前記熱切断プロセスの送り方向（ｖＲ）に応じて、前記加工ビームの前記ビーム軸（１３）に対し垂直な平面（Ｘ、Ｙ）内で変化させ、特に前記送り方向（ｖＲ）に対し相対的に一定に保持するように構成されている、
請求項４又は５記載の装置。
【請求項７】
前記観察方向（Ｒ１）は、前記加工ビーム（２）の前記ビーム軸（１３）に対し垂直な平面（Ｘ、Ｙ）への投影において、送り方向（ｖＲ）で推移する、
請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記観察ビーム（７ａ）の伝達される前記第１の直線偏光成分（ｓ）の方向は、前記加工ビーム（２）の前記ビーム軸（１３）に対し垂直な平面（Ｘ、Ｙ）内で、前記送り方向（ｖＲ）に対し５５゜乃至１２５゜の角度（θ）で、好ましくは８０゜乃至１００゜の角度（θ）で延在する、
請求項６又は７記載の装置。
【請求項９】
前記画像捕捉装置（９）は、前記ワークピース（３）の前記被監視領域（１５）の前記少なくとも１つの画像（Ｂ１乃至Ｂ４）を、７００ｎｍ乃至２μｍの波長で生成するように構成されている、
請求項１から８までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
前記ワークピース（３）の厚さ方向（Ｚ）における前記切断カーフ（１６）の前記ギャップ幅（ｂ（ｚ））の推移に関して求められた前記少なくとも１つの測定量（Ａ、δ）に応じて、前記熱切断プロセスの少なくとも１つの調整量（Ｆ、Ｐ）に作用を与えるための、開ループ制御装置及び／又は閉ループ制御装置（２０）をさらに備えている、
請求項１から９までのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
ワークピース（３）における熱切断プロセスを監視するための、特に閉ループ制御するための方法であって、
ワークピース（３）の被監視領域（１５）の少なくとも１つの画像（Ｂ１、Ｂ２）を生成することを含み、前記被監視領域（１５）は、前記ワークピース（３）における切断プロセス時に形成される切断カーフ（１６）の切断側面（２３ａ、ｂ）を含む、
方法において、
前記少なくとも１つの画像（Ｂ１、Ｂ２）に基づき、前記ワークピース（３）の厚さ方向（Ｚ）での前記切断カーフ（１６）のギャップ幅（ｂ（ｚ））の推移に関して、特に前記切断カーフ（１６）の両方の前記切断側面（２３ａ、ｂ）間の角度（γ）に関して、少なくとも１つの測定量（Ａ、δ）を求める、
ことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの画像（Ｂ１乃至Ｂ４）を生成するために、前記被監視領域（１５）を監視するための観察ビーム（７ａ）のうち、第１の直線偏光成分（ｓ）を検出器（１２）へ伝達し、前記観察ビーム（７ａ）のうち、前記第１の直線偏光成分（ｓ）に対し垂直な第２の偏光成分（ｐ）をフィルタリングし、
前記少なくとも１つの画像（Ｂ１、Ｂ２）において、前記切断カーフ（１６）の前記切断側面（２３ａ、ｂ）に沿って延在する２つの発光ストライプ（２２ａ、ｂ）に基づき、前記測定量（Ａ、δ）を求め、
前記測定量は、好ましくは、両方の前記発光ストライプ（２２ａ、ｂ）間の間隔（Ａ）又は角度（δ）を成す、
請求項１１記載の方法。
【請求項１３】
前記被監視領域（１５）を観察するための観察ビーム（７ａ）の観察方向（Ｒ１）の配向、及び／又は、前記観察ビーム（７ａ）の伝達される前記第１の直線偏光成分（ｓ）の方向を、前記熱切断プロセスの送り方向（ｖＲ）に応じて、前記加工ビームのビーム軸（１３）に対し垂直な平面（Ｘ、Ｙ）内で変化させ、特に前記送り方向（ｖＲ）に対し相対的に一定に保持する、
請求項１１又は１２記載の方法。
【請求項１４】
前記観察方向（Ｒ１）を、前記加工ビーム（２）の前記ビーム軸（１３）に対し垂直な平面（Ｘ、Ｙ）への投影において、送り方向（ｖＲ）で配向させる、
請求項１３記載の方法。
【請求項１５】
前記観察ビーム（７ａ）の伝達される前記第１の直線偏光成分（ｓ）の方向は、前記加工ビーム（２）の前記ビーム軸（１３）に対し垂直な平面（Ｘ、Ｙ）内で、前記送り方向（ｖＲ）に対し５５゜乃至１２５゜の角度（θ）で、好ましくは８０゜乃至１００゜の角度（θ）で延在する、
請求項１３又は１４記載の方法。
【請求項１６】
求められた前記測定量（Ａ、δ）に応じて、前記熱切断プロセスの少なくとも１つの調整量（Ｆ、Ｐ）に作用を与えることをさらに含む、
請求項１１から１５までのいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、典型的にはプレート状のワークピース、特に薄板における熱切断プロセスを監視するための、特に閉ループ制御するための装置に関する。この装置は、ワークピースに切断カーフを形成するためにワークピースに合わせて加工ビーム、特にレーザビームを集束させるための集束装置と、典型的には切断カーフ、従って、切断カーフの切断側面の１つのセクションを含む、ワークピースの被監視領域の少なくとも１つの画像を生成するための画像捕捉装置とを含む。本発明は、ワークピースにおける切断プロセスを監視するための、特に閉ループ制御するための、対応する方法にも関する。この方法は、切断プロセスにおいてワークピースに形成される切断カーフの切断側面、より正確には切断側面の１つのセクションを含む、ワークピースの被監視領域の少なくとも１つの画像を生成することを含む。
【背景技術】
【０００２】
国際公開第２０１５／０３６１４０号（ＷＯ２０１５／０３６１４０Ａ１）には、切断プロセスを監視するための、特に閉ループ制御するための装置が記載されており、この装置は、レーザビームとワークピースとの相互作用領域を含む、ワークピースにおける被監視領域を捕捉するための画像捕捉装置と、切断プロセスにおいて形成される切断カーフの少なくとも１つの特性量、例えば切断フロント角を求めるように構成された評価装置とを有する。
【０００３】
国際公開第２０１５／０３６１４０号（ＷＯ２０１５／０３６１４０Ａ１）に記載されている画像捕捉装置は、レーザビームのビーム軸に対し所定の角度で延在する観察方向から相互作用領域を観察するための観察ビームを形成するように構成されており、レーザビームのビーム軸に対し所定の角度で延在する観察方向から相互作用領域の画像を生成するために結像光学系を含む。観察方向が切断プロセスの送り方向で推移せず、又は、送り方向とは逆方向で推移するならば、評価装置は記録された画像に基づき、バリ発生、粗さ、及び／又は、溝発生を、切断カーフの１つ又は複数の特性量として求めることができる。
【０００４】
国際公開第２０１２／１０７３３１号（ＷＯ２０１２／１０７３３１Ａ１）には、レーザ切断プロセスを監視するための、特に閉ループ制御するための装置が記載されており、この装置を、レーザビームとワークピースとの間の相互作用領域の画像に基づき、切断ギャップにおけるバリ発生の有無を求めるように構成することができる。例えば、溶融切断プロセスの場合、切断フロントから発せられる３つの発光ストライプが出現したならば、バリ発生（くずバリ）が存在すると推定することができる。
【０００５】
独国特許発明第１０２０１４０００３３０号明細書（ＤＥ１０２０１４０００３３０Ｂ３）には、ワークピースのレーザ切断において加工レーザビームの焦点位置を監視及び必要に応じて閉ループ制御するための方法及び装置が記載されており、これによれば少なくとも１つの画像生成カメラによって、レーザ加工により引き起こされる光学的なプロセス発光及びワークピース中を進んでいる切断フロントが、１つ又は複数の画像において局所分解されて捕捉される。次いでワークピース表面に対し相対的な加工レーザビームの瞬時の焦点位置がそのつど、１つ又は複数の画像におけるプロセス発光の瞬時の拡がりと切断フロント最頂点までの最大プロセス発光の個所の瞬時の間隔とから求められる。
【０００６】
国際公開第２０１２／０３７９５５号（ＷＯ２０１２／０３７９５５Ａ１）から、ワークピースの（レーザ）加工を監視又は検査するための方法及び装置が公知となっており、これによれば、第１の偏光を有する熱放射から成る第１の放射成分と、第１の偏光とは異なる第２の偏光を有する熱放射から成る第２の放射成分とが捕捉され、これらはワークピースの加工領域における少なくとも１つの平面要素から発光される。捕捉された第１及び第２の放射成分から、少なくとも１つの平面要素におけるワークピースの表面構造のデータ値が求められる。レーザ加工の１つのバリエーションにおいて、ワークピースとレーザビームとの間の相対運動が第１の運動方向で行われ、この場合、第１の運動方向に対し、第１の偏光は平行に位置し、第２の偏光は垂直に位置する。
【０００７】
論文“Numerical investigations on high-power laser cutting of metals”, E. H. Amara等著、Appl. Phys. A (2015) 119:1245-1260には、レーザを用いた金属切断を調査するための数値シミュレーションに基づく理論的アプローチが記載されており、このアプローチは、切断フロント及び切断カーフの三次元モデルをベースとしている。数値シミュレーションに基づく結果は、それぞれ異なる６つの送り速度について実験的な監視と比較される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０３６１４０号
【特許文献２】国際公開第２０１２／１０７３３１号
【特許文献３】独国特許発明第１０２０１４０００３３０号明細書
【特許文献４】国際公開第２０１２／０３７９５５号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】論文“Numerical investigations on high-power laser cutting of metals”、E. H. Amara等著、Appl. Phys. A (2015) 119:1245-1260
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
発明の課題
本発明が基礎とする課題は、切断プロセスの切断品質に関する少なくとも１つの測定量を信頼性を伴って求めることができるようにし、特に、この測定量に基づき切断プロセスを閉ループ制御できるようにした、装置及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の対象
本発明によればこの課題は、以下のように構成された評価装置を有する、冒頭で述べた形式の装置によって解決される。即ち、この評価装置は、少なくとも１つの画像に基づき、ワークピースの厚さ方向における切断カーフのギャップ幅の推移に関して、特に切断カーフの両方の切断側面間の角度に関して、少なくとも１つの測定量を求めるように構成されている。典型的にはワークピースの上側から記録されるワークピースの被監視領域の画像は通常、サーモグラフである。画像を生成するために画像捕捉装置は、典型的にはカメラ、例えば、ＣＭＯＳカメラ又は場合によってはＣＣＤカメラの形式の画像センサの形態で検出器を有する。被監視領域は、加工ビームとワークピースとの相互作用において形成される切断カーフの切断フロントを含むことができるが、被監視領域が切断フロント後方の切断側面だけを含むようにしてもよい。ただし、特に切断プロセスの閉ループ制御を少なくとも１つの測定量に基づいて行おうとするならば、被監視領域が切断カーフの切断フロントから、又は、加工ビームとワークピースとの間の相互作用領域から、過度に離れて隔たっているのは望ましくない。
【００１２】
発明者が認識したのは、典型的にはプレート状のワークピースの上側からワークピースの下側への、ワークピースの厚さ方向での切断カーフにおけるギャップ幅の推移の幾何学的形状と、切断品質との間に、物理的な関係が存在する、ということである。送り方向に沿って辿られる区間ごとにワークピースにもたらされるエネルギー（区間エネルギー）が低減し、又は、切断プロセスの他のパラメータが不適切に変化するケースにおいては、切断ギャップの幅が、ワークピース上側からワークピース下側に向かう方向で減少し、極端なケースにおいては、切断カーフがワークピース下側近くで完全に閉じられて、切断が完全に中断してしまうまで減少する。
【００１３】
ワークピースの上側から下側への切断カーフのギャップ幅の減少（即ち、横断面がＶ字型の切断カーフの形成）は、切断が中断してしまう前にすでにはっきりと切断品質（粗さ、溝発生、バリ発生及び形状の忠実さ）に強く影響を及ぼす可能性がある。厚さ方向で実質的に一定の幅を有する切断カーフを形成するように熱切断プロセスを閉ループ制御することによって、切断プロセスにおける不規則性を阻止することができ、このようにすれば高品質切断を保証することができる。この目的で提案されるのは、厚さ方向における切断カーフの推移に関する情報、特に厚さ方向における切断カーフのギャップ幅の減少に関する情報を得ることができる、少なくとも１つの測定量を求めることである。かかる測定量を表すのは、切断カーフの両方の切断側面が互いに成す角度であって、この角度は、ワークピースの厚さ方向における切断カーフのギャップ幅がワークピース下側に向かって強く減少すればするほど大きくなる。切断カーフのＶ字形状に対する尺度を表すこれら両方の切断側面間の角度は、例えば、凹状又は凸状に湾曲した切断側面であれば、ワークピース上側及びワークピース下側における個々の切断側面間の角度によって規定される。厚さ方向における切断カーフの推移を記述する測定量を、これら両方の切断側面間の角度とすることができるけれども、切断カーフのギャップ幅の推移を、あとで詳しく説明するように別の測定量によって間接的に求めることもできる。
【００１４】
１つの実施形態によれば、画像捕捉装置は偏光器を有しており、この偏光器は、被監視領域を監視するための観察ビームのうち、第１の直線偏光成分を検出器へ伝達し、さらにこの観察ビームのうち、第１の直線偏光成分に対し垂直な第２の偏光成分をフィルタリングし、この場合、評価装置は、少なくとも１つの画像において切断カーフの切断側面に沿って延在する２つの発光ストライプに基づき、測定量を求めるように構成されており、その際に測定量として好ましくは、これら両方の発光ストライプ間の間隔及び／又は角度が求められる。
【００１５】
発明者が認識したのは、切断カーフの厚さ方向におけるギャップ幅の推移を発光ストライプに基づき求めることができるが、それらの発光ストライプを観察するためには一般的には、被監視領域を監視するための観察ビームの単一の直線偏光成分を用いる必要がある、ということである。これに加えて発明者が認識したのは、このようにして形成された画像において識別することができ、かつ、切断カーフの切断フロント及び切断エッジに沿って延在している両方のストライプは、プロセス発光のうち、観察方向に対し偏光に依存する発光が特に強い角度範囲内に切断フロント若しくは切断エッジが配向されている部分に対応する、ということである。両方の発光ストライプを識別できる領域において、切断フロント角度若しくは切断カーフの両方の切断エッジ間の角度は、特に強く発光する角度範囲内に位置している。ワークピースが熱切断プロセス時にその厚さ全体にわたり現在のところはまだ完全に切り離される分離限界に近づいたとき、ただし、現在のところはまだ良好の切断が生じているが、切断カーフの幅が厚さ方向ですでに減少している高品質切断限界にも近づいているならば、発光ストライプ間の間隔も減少する。画像における両方の発光ストライプ間の角度も、切断品質に関する測定量として用いることができる。それというのも、高品質切断の場合には一般的に平行に延在する発光ストライプ間の角度が、粗悪な切断品質の切断のときには、又は、切断が中断してしまう直前においては、変化するからであり、切断が中断してしまうと両方の発光ストライプが一体化する。
【００１６】
切断側面間の角度若しくは間隔が減少したならば、そのことは切断側面の下方領域における溶融物排出が劣化したことを示唆しており、その結果、切断側面において粗さが増大することになる。よって、発光ストライプ間の間隔若しくは発光ストライプ間の角度は、プロセス状態に関する（アナログの）測定量を表しており、より正確には、熱切断プロセス、特に溶融切断プロセスにおける切断品質（高品質切断、分離切断、送り余量など）を表しており、その際にこの測定量は、特に、分離切断限界若しくは高品質切断限界からの切断プロセスの間隔に実質的に比例している。この理由から、発光ストライプ間の間隔及び／又は発光ストライプ間の角度を、切断プロセスのパラメータ（区間エネルギー、焦点位置等）を閉ループ制御するための１つ又は複数の入力量として用いることができる。上述のように、切断カーフのギャップ幅の推移に関する測定量を求めるために、必ずしも発光ストライプを用いなくてもよい。例えば、両方の切断側面間の角度（上記参照）を、切断プロセスの切断品質に関する（連続的な）測定量として用いることができる。自明のとおり、１つ又は複数の測定量に基づき、切断プロセスの閉ループ制御を行うことなく、切断プロセスの状態コントロール若しくは品質コントロールだけを行ってもよい。
【００１７】
切断プロセスのいくつかのプロセスコンフィギュレーションによれば、切断フロント全体の周囲を巡って途切れることなく溶融物が溶け出る可能性がある。また、繊維状の溶融物がそれぞれ１つの切断側面に沿って、及び切断フロントの中央で流れ出ることも起こり得る。しかしながらこの種のプロセス状態は、ここで説明している本質的な測定原理には影響を及ぼさず、即ち、直線偏光成分（ｓ偏光）を用いた観察の場合には、常に２つの発光ストライプだけしか検出されない。むしろ発光ストライプの観察に基づき、切断カーフのギャップ幅の推移に関して、特にワークピースの厚さ方向における切断側面間の角度に関して、推定を行うことができ、従って、切断側面の粗さが少ない「高品質切断」と、粗さがより多い「分離切断」とを（さらにこれらのうちの任意の中間段階を）、区別することができる。上述のように、ワークピースの上側から下側に向かう切断カーフの幅の減少は、欠陥切断が起こりそうなことを示唆している。このため測定量に基づいて、プロセスの「ロバストネス」（即ち、例えば、（レーザ）ビーム源の送り余量又は出力余量）を求めることもできる。
【００１８】
１つの発展形態によれば、評価装置は、発光ストライプ間の間隔を、熱切断プロセスの送り方向を横切る方向の画像の２つの強度最大値のポジションに基づいて求めるように構成されている。この場合、検出される観察放射の強度プロフィル若しくは強度分布が、典型的には送り方向を横切る方向の画像の１つの画像セクションにおいて捕捉若しくは評価され、この画像セクションを、例えば、画像若しくはカメラの１つの画像ライン若しくは１つの画素ラインに沿って延在させることができる。特に、観察方向が送り方向と共に動かされるケースにおいては、評価される画像ライン若しくは画素ラインを、画像内若しくはカメラのチップにおいて固定的に規定しておくことができるが、評価される画像領域のポジションを、加工ビーム若しくは送り方向に対し相対的に変化させてもよい。単一の画像ライン若しくは画素ラインを評価する代わりに、強度プロフィルの評価若しくは特定のために、場合によっては複数の画像ラインを利用することもでき、これらの複数の画像ラインについて適切な手法により平均化され、これは、例えば、個々の画像ラインの強度値の算術平均値又は中央値が用いられるようにして行われる。場合によっては、平均化された強度プロフィルにおいて、両方の強度最大値の間隔が求められ、上述のように、切断プロセスの切断品質に関する測定量として、この間隔を用いることができる。強度プロフィルから強度最大値のポジションを計算するために、画像処理による方法を用いることができる。
【００１９】
選択的又は付加的な画像評価において、ワークピースを上から見たときの両方の発光ストライプ間の角度、又は、（断面方向における）両方の切断側面間の角度が求められ、角度若しくは角度差が測定量として利用される。角度測定のために、例えば、ハフ変換など文献に記載されている画像評価アルゴリズムを同様に用いることができる。
【００２０】
上述のように、切断側面間の角度を、又は、負のＺ方向若しくはワークピースの厚さ方向での切断カーフの幅の減少を、測定量として用いることができる。切断側面間の角度を直接、又は、場合によっては（ワークピースの厚さが既知である限りは）、ワークピース上側における切断カーフのギャップ幅及びワークピース下側におけるギャップ幅の特定に基づき、求めることができる。厚さ方向での切断ギャップの幾何学的形状を特定するために、例えば、光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ）若しくはＯＣＴセンサを用いることができ、即ち、以下のような干渉法を用いることができる。即ち、この方法によれば、ワークピース上側からの振動運動によって、加工ビーム後方の切断カーフの深さプロフィルが測定され、その際に、例えば、切断カーフの切断側面間の角度、ワークピース下側における切断ギャップのギャップ幅、及び、ワークピース上側における切断ギャップのギャップ幅が測定される。この目的のために、ワークピースのパターン化された照明又は比率ゴニオメータ（“Ｑｕｏｔｉｅｎｔｅｎｇｏｎｉｏｍｅｔｅｒ”）を用いることもできる。場合によっては、ワークピース下側におけるギャップ幅が焦点直径よりも（著しく）小さいときには、ワークピース下側におけるギャップ幅の特定に基づきすでに、粗悪な切断品質であると推定することができる。
【００２１】
さらに別の画像評価において、高品質切断の画像と分離切断の画像とがクラスタリングされ、切断プロセスの被監視領域の現在の画像が、比較による画像評価を介してそれらのクラスタに割り当てられる。このためにも、公知の画像評価アルゴリズム、例えば、Ｈａａｒアルゴリズムなどを用いることができる。このケースでも同様に、分離切断若しくは高品質切断のクラスタリングされた画像における発光ストライプに基づき、切断品質に関する測定量を求めることができ、この測定量が（ほぼ）連続的な測定量であるならば、場合によってはこの測定量を閉ループ制御に用いることができる。
【００２２】
すべての画像評価アルゴリズムにおいて必須又は有利となり得るのは、記録された画像を事前に現在の送り方向に関連させて旋回させ、場合によっては黒白画像補償調整、ひずみ修正、及び画像処理において知られているさらに別のメカニズムを改善することである。これらに加えて有利となり得るのは、時間的に相前後して続く複数の画像を画素ごとに中央値、平均値又は同等のフィルタリングによって平均化することである。さらに有利であるのは、プロセス障害を伴う画像（自然発生的な気化又はプラズマ形成に起因するかなり大きい突発的な画像輝度）を、画像評価にあたり無視することである。ただし、かかるプロセス障害を、送り余量に対するさらに別のインジケータとして、又は、切断中断からのプロセスの僅かな間隔に対する示唆として、用いることができる。
【００２３】
１つの実施形態によれば、画像捕捉装置は、加工ビームのビーム軸に対し所定の角度で延在する観察方向から被監視領域を観察するために、観察ビームを形成するように構成されており、この場合、観察ビームは好ましくは集束装置を通り抜け、さらにこの場合、画像捕捉装置は、加工ビームのビーム軸に対し所定の角度で延在する観察方向から、被監視領域の画像を生成するための結像光学系を含む。かかる非同軸の観察を実現する目的で、装置若しくは画像捕捉装置を、例えば、冒頭で引用した国際公開第２０１５／０３６１４０号（ＷＯ２０１５／０３６１４０Ａ１）に記載されているように構成することができる。なお、この文献をここで参照したことにより、その内容全体が本願の内容に取り込まれるものとする。発光ストライプの非同軸の観察が有利であると判明したけれども、必ずしもこのようにしなくてもよく、即ち、基本的には被監視領域の観察を、加工ビームのビーム軸に対し同軸で、又は、このビーム軸に対し平行に行うこともできる。
【００２４】
１つの発展形態によれば、加工ビームのビーム軸に対する観察方向の角度は１゜乃至５゜であり、好ましくは約１．５゜乃至４．５゜である。ここで挙げた用途のためには、加工ビームのビーム軸に対し比較的小さい角度での観察が有利であると判明した。
【００２５】
さらに別の発展形態によれば、画像捕捉装置は、観察ビームの観察方向の配向、及び／又は、観察ビームの伝達される第１の直線偏光成分の方向を、熱切断プロセスの送り方向に応じて、加工ビームのビーム軸に対し垂直な平面内で変化させる、特に送り方向に対し相対的に一定に保持する、ように構成されている。冒頭で引用した国際公開第２０１５／０３６１４０号（ＷＯ２０１５／０３６１４０Ａ１）に記載されているように、以下のようにした場合に好適になり得る。即ち、たとえ送り方向即ち加工ビームとワークピースとの間の相対運動の方向が変化しても、送り方向と観察方向との間の角度が、ビーム軸に対し垂直な平面内で一定の値を有するようにするのである。例えば、撮像による捕捉のためには、以下のようにした場合に好適になり得る。即ち、観察方向がワークピース平面における投影において送り方向とは逆に推移するようにし、これは引きずり観察若しくはドラッギング観察（“ｓｃｈｌｅｐｐｅｎｄｅ  Ｂｅｏｂａｃｈｔｕｎｇ”）とも呼ばれ、又は、必要に応じて送り方向で推移するようにし、これは突き刺し観察若しくはスティッキング観察（“ｓｔｅｃｈｅｎｄｅ  Ｂｅｏｂａｃｈｔｕｎｇ”）とも呼ばれる。
【００２６】
さらに同様に多くの適用事例において好適であると判明したのは、偏光フィルタによりフィルタリング除去される偏光成分の配向を、送り方向に対し相対的に一定に保持することである。特に、観察を改善する若しくは簡単にする目的で、フィルタリングされた偏光成分を、送り方向に対し平行に、又は、送り方向に対し垂直に配向することができる。直線偏光成分の方向を送り方向と共に変化させる目的で、又は、これを旋回させる目的で、例えば、モータ駆動型の（典型的には旋回可能な）偏光フィルタ又は電気的に旋回可能な偏光フィルタ（ＬＣＤ偏光器）を用いることができる。観察ビームの観察方向の配向を変化させるために、典型的には少なくとも１つの偏心絞り開口を有する旋回可能な絞りが用いられるならば、偏光フィルタを旋回可能な絞りに取り付け、それと共に旋回させることができ、この場合には偏光フィルタを旋回させるために固有の駆動部が必要とされない。
【００２７】
さらに別の実施形態によれば、観察方向は、加工ビームのビーム軸に対し垂直な平面への投影において送り方向に推移し、即ち、送り方向と観察方向とは、この平面において平行であり、等しく配向されている。このようないわゆるスティッキング観察は、特に発光ストライプの検出のために有利であると判明した。
【００２８】
さらに別の発展形態によれば、観察ビームの伝達される第１の直線偏光成分の方向は、加工ビームのビーム軸に対し垂直な平面内で（即ち、ワークピース平面において）、送り方向に対し５５゜乃至１２５゜の角度で延在し、好ましくは８０゜乃至１００゜の角度で、特に好ましくは９０゜の角度で延在する。上述のように、発光ストライプは典型的には、観察ビームが直線偏光成分を有するケースについてのみ、観察することができる。この直線偏光成分は、理想的には送り方向に対して垂直に延在する（ｓ偏光）。
【００２９】
１つの発展形態によれば、画像捕捉装置は、ワークピースの被監視領域の少なくとも１つの画像を、７００ｎｍ乃至２μｍの波長で生成するように構成されている。鉄をベースとするワークピース材料のためには、被監視領域を観察するために７００ｎｍ乃至１０００ｎｍ、好ましくは８００ｎｍ乃至９４０ｎｍの観察波長が有利であると判明した。これらの波長を、ＳｉＯベースの画像センサ若しくは検出器によって捕捉することができる。これよりも長い波長（例えば、１．６μｍまでの波長）で観察することも可能であるけれども、ＩｎＧａＡｓベースの画像センサ若しくは検出器が必要とされ、これらは著しくコストが嵩み、かつ、一般的にはより低い画像レートを有する。より長い波長で観察することの利点は、（例えば、Ａｌ、Ｃｕなど）溶融温度がより低い材料から成るワークピースであっても、発光ストライプを監視できることである。７００ｎｍを下回るさらに短い波長によっても通常は、信頼性のある評価を保証するために十分に強い温度放射がもはや供給されない。
【００３０】
典型的にはカメラによって記録される若しくは生成される画像を、より正確には画像データを評価する目的で、評価装置は、例えば、計算ユニット若しくはマイクロプロセッサの形態で構成可能な通常の画像処理装置を有する。しかも評価装置は通常、データ交換のためにインタフェースを介して、加工プロセスを開ループ制御若しくは閉ループ制御するための開ループ制御装置若しくは閉ループ制御装置と接続されている。
【００３１】
さらに別の実施形態によれば、装置は付加的に、ワークピースの厚さ方向におけるギャップ幅の推移に関して求められた少なくとも１つの測定量に応じて、熱切断プロセスの少なくとも１つの調整量に作用を与えるための、開ループ制御装置及び／又は閉ループ制御装置を含む。このケースにおいては、熱切断プロセスの調整量（例えば、送り速度、レーザ出力、焦点位置、ガス圧力等）に作用を与えること、これらの調整量を整合若しくは閉ループ制御することによって、等しく維持される切断品質（特にエッジの粗さ）を、ひいてはより確実な分離切断を保証する目的で、例えば、発光ストライプに基づき求められた測定量若しくは測定値が用いられる。
【００３２】
さらに、求められた測定値若しくは測定量を、プロセス状態を検査するために記録及び監視することができる。許容できない偏差が生じたならば、オペレータにその情報を通知することができ、及び／又は、プロセスを改善する措置（調節、洗浄）を自動的に又は手動で導入することができる。測定量に基づき、装置の保守が近づいていることも推定することができる。
【００３３】
この装置はさらに別の構成要素を含むことができ、例えば、被監視領域においてワークピースを照明するために用いられる照明源を含むことができる。画像捕捉装置を、特に、レーザビームをワークピースに向けて放出させるためのレーザ加工ノズルのノズル開口を通して、画像を記録若しくは生成するように構成することができる。この装置を、例えば、レーザ切断ヘッド又はレーザ切断機とすることができる。
【００３４】
本発明のさらに別の態様は、以下のことをさらに含む冒頭で述べた形式の方法に関する。即ち、この方法は、少なくとも１つの画像に基づき、ワークピースの厚さ方向における切断カーフのギャップ幅の推移に関して、特に切断カーフの両方の切断側面間の角度に関して、少なくとも１つの測定量を求めることを含む。上述のように、このようにして求められた測定量を、例えば、プロセス状態を検査するために記録して監視することができ、さらに許容できない偏差が生じたときには、必要に応じてオペレータにその情報を通知することができる。
【００３５】
上述のように、切断側面間の角度を、又は、負のＺ方向若しくはワークピースの厚さ方向での切断カーフの幅の減少を、測定量として用いることができ、その際に切断側面間の角度を直接、又は、例えば（ワークピースの厚さが既知である限りは）、ワークピース上側における切断カーフのギャップ幅及びワークピース下側におけるギャップ幅の特定によって、求めることができる。厚さ方向における切断ギャップの幾何学的形状を特定するために、上述のように、光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ）、ワークピースのパターン化された照明、又は、比率ゴニオメータを用いることができる。必要に応じて、例えば、ワークピース下側におけるギャップ幅を加工ビームの焦点直径と比較すれば、このギャップ幅が切断品質に関する測定量として十分なものとなり得る。ワークピース下側のギャップ幅が加工ビームの焦点直径よりも小さいケースであれば、このことは粗悪な切断品質を示唆する。
【００３６】
１つの変形実施形態によれば、少なくとも１つの画像を生成するために被監視領域を監視するための観察ビームのうち、第１の直線偏光成分が検出器へ伝達され、さらにこの観察ビームのうち、第１の直線偏光成分に対し垂直な第２の偏光成分がフィルタリングされ、その際に少なくとも１つの画像において、切断カーフの切断側面に沿って延在する２つの発光ストライプに基づき測定量が求められ、この測定量は好ましくは、これら両方の発光ストライプ間の間隔又は角度を成す。上述のように、発光ストライプに基づき、ワークピースの厚さ方向における切断カーフのギャップ幅の推移を推定することができる。
【００３７】
さらに別の変形実施形態によれば、被監視領域を観察するための観察ビームの観察方向の配向、及び／又は、観察ビームの伝達される第１の直線偏光成分の方向が、熱切断プロセスの送り方向に応じて、加工ビームのビーム軸に対し垂直な平面内で変化させられ、特に送り方向に対し相対的に一定に保持される。
【００３８】
１つの変形実施形態によれば、観察方向は、加工ビームのビーム軸に対し垂直な平面への投影において送り方向に配向され、即ち、スティッキング観察が行われ、このことは、特に発光ストライプの監視のために有利であると判明した。
【００３９】
好ましくは、観察ビームの伝達される第１の直線偏光成分の方向は、加工ビームのビーム軸に対し垂直な平面内で、送り方向に対し５５゜乃至１２５゜の角度で延在し、好ましくは８０゜乃至１００゜角度で、特に好ましくは９０゜の角度で延在する。フィルタリングされた直線偏光成分はこのケースにおいては、送り方向と加工ビームのビーム軸とを含む平面に対し垂直に配向された偏光成分（ｓ偏光）である。上述のように、直線偏光成分のフィルタリングは、発光ストライプを撮像により捕捉するために必要となる可能性がある。
【００４０】
１つの有利な変形実施形態によれば、この方法はさらに付加的に、求められた測定量に応じて、熱切断プロセスの少なくとも１つの調整量に作用を与えることを含む。レーザ切断プロセスの１つ又は複数の調整量を整合若しくは閉ループ制御することによって、レーザ切断にあたり等しく維持された品質を保証することができる。
【００４１】
明細書及び図面には、本発明のさらに別の利点が示されている。また、これまでに挙げた特徴及びさらに以下で説明する特徴を、それ自体単独で適用することもできるし、又は、複数を任意に組み合わせて適用することもできる。ここで図示され説明される実施形態は、本発明のすべてを列挙したものとして解されるべきではなく、むしろ本発明を説明するための例示的な特徴を有するものである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１ａ】ワークピースにおけるレーザ切断プロセスを監視及び閉ループ制御するための装置の１つの実施例を概略的に示す図である。
【図１ｂ】かかる装置において観察ビームを形成するための絞りを、図１ａのカットラインＢ−Ｂに沿って示す図である。
【図２ａ】高品質切断の場合について、切断カーフを三次元で示す図である。
【図２ｂ】高品質切断の場合について、切断カーフを上から見た図である。
【図２ｃ】高品質切断の場合について、２つの発光ストライプを含むワークピースの被監視領域のサーモグラフである。
【図３ａ】切断品質が低い分離切断の場合について、切断カーフを三次元で示す図である。
【図３ｂ】切断品質が低い分離切断の場合について、切断カーフを上から見た図である。
【図３ｃ】切断品質が低い分離切断の場合について、２つの発光ストライプを含むワークピースの被監視領域のサーモグラフである。
【図４】図２ｃのサーモグラフの１つの画像ラインに沿って、送り方向を横切る方向での強度プロフィルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下の図面の説明においては、同じ構成部材若しくは機能的に同じ構成部材には同じ参照符号が用いられる。
【００４４】
図１ａには、レーザビーム２の形態の加工ビームを用いたワークピース３におけるレーザ切断プロセスを監視及び閉ループ制御するための装置１の例示的な構造が示されている。装置１は図示の例においては、詳細には描かれていないレーザ加工機の一部分であるレーザ加工ヘッドの形態で構成されている。レーザビーム２は、図示の例においては、ＣＯ２レーザから生成される。別の選択肢としてレーザビーム２を、例えば、固体レーザにより生成することができる。レーザビーム２は、ワークピース３において切断加工を実施するために、集束レンズ４の形態の集束装置によって、ワークピース３に向けて集束される。集束レンズ４は、図示の例においては、セレン化亜鉛から成るレンズであり、このレンズはレーザビーム２を、レーザ加工ノズル５を通して、より正確にはレーザ加工ノズル５のノズル開口５ａを通して、ワークピース３に向けて集束させ、詳しくは図示の例においては、ワークピース３の上側における焦点ポジションＦに向けて集束させる。レーザビーム２はそこにおいてワークピース３との相互作用領域１８を形成し、この領域後方において、送り方向ｖ若しくはレーザ切断プロセスの切断方向とは逆方向に、切断カーフ１６が形成される。固体レーザからのレーザビーム２のケースにおいては、例えば、石英ガラスから成る集束レンズを適用することができる。
【００４５】
図１ａには半透過性に形成された偏向ミラー６も示されており、このミラーは（例えば、約１０．６μｍの波長の）入射レーザビーム２を反射し、プロセス監視に関連する観察放射をさらなる半透過性偏向ミラー８に向けて透過させる。偏向ミラー６は図示の例においては、約７００ｎｍ乃至２０００ｎｍの波長λにおける熱放射の形態の観察放射に対して、半透過性に形成されている。さらなる半透過性偏向ミラー８はこの観察放射を、画像捕捉装置９に向けて反射する。照明源１０は、ワークピース３を照明放射１１によって同軸照明するために用いられる。照明放射１１は、さらなる半透過性偏向ミラー８及び偏向ミラー６により透過させられ、レーザ加工ノズル５のノズル開口５ａを通り抜けてワークピース３に向けて案内される。
【００４６】
観察放射７を画像捕捉装置９へ案内する目的で、又は、照明放射１１をワークピース３へ案内する目的で、半透過性偏向ミラー６、８に対する代案として、周縁領域のみから入射した放射を反射するスクレーパミラー又はホールミラーを適用することもできる。観察を可能にする目的で、レーザビーム２のビーム路において側方に取り付けられた少なくとも１つのミラーを用いることもできる。
【００４７】
照明源１０として、ダイオードレーザ又はＬＥＤ又はフラッシュランプを設けることができ、これは図１ａに示されているように、レーザビーム軸１３と同軸に配置することができ、ただし、レーザビーム軸１３からずらして配置してもよい。照明源１０を、例えば、装置１の外部（特に側方）に配置し、ワークピース３に向けて配向することもできる。別の選択肢として、照明源１０を装置１の内部に配置するが、レーザビーム２と同軸ではなく、ワークピース３に向けて配向することができる。必要に応じて装置１を、照明源１０なしで駆動することもできる。
【００４８】
画像捕捉装置９の一部は、観察ビーム路７においてさらなる半透過性偏向ミラー８の後方に配置された幾何学的に高分解能のカメラ１２である。カメラ１２を高速カメラとすることができ、このカメラは、レーザビーム軸１３と同軸に配置されており、又は、レーザビーム軸１３の延長線と同軸に、即ち、方向に依存せずに配置されている。図示の例の場合には、カメラ１２による画像の記録は、プロセス固有の発光若しくは切断プロセスのサーモグラフを記録する目的で、落射照明法でＮＩＲ／ＩＲ波長領域において行われる。図１ａに示された例において、さらに別の放射成分若しくは波長成分をカメラ１２による捕捉から排除するのが望ましい場合には、カメラ１２の手前にフィルタを配置することができる。具体例としてフィルタを、例えば、約１５ｎｍの半値幅を有し約８００ｎｍの領域の波長λを透過させる狭帯域のバンドパスフィルタとして構成することができる。
【００４９】
図２ａ、ｂ若しくは図３ａ、ｂに示されているワークピース３の被監視領域１５の画像Ｂ１、Ｂ２を生成するために、カメラ１２の検出器平面１２ａにおいて画像捕捉装置９は結像光学系１４を有しており、この場合、被監視領域１５は、切断カーフ１６若しくは切断フロント１６ａを有する切断カーフ１６の１つのセクションを含む。図示の例によれば、結像光学系１４は、中央の旋回軸Ｄを中心に旋回可能に支承された絞り２５を有しており、これによって旋回時、偏心配置された絞り開口２５ａのポジションが、旋回軸Ｄを中心に円弧上で移動する。
【００５０】
レンズ１７によって集束される結像光学系１４のビーム路中に絞り２５を配置することによって、集束レンズ４の周縁領域を通過し集束レンズ４後方の収束ビーム路においてレーザビーム２のビーム軸１３に対し角度βで配向された、観察ビーム路７の一部分だけが、レーザビーム２のビーム軸１３の延長線に対し偏心配置された絞り開口２５ａを通り抜け、検出器表面１２ａにおいて結像される観察ビーム７ａが形成される。図１ａに示された例の場合、観察ビーム７ａの観察方向Ｒ１は、ＸＹ平面又はワークピース平面への投影において、所望の切断輪郭を形成するためにレーザビーム２とワークピース３とがＸＹ平面で互いに相対的に動かされるときの送り方向ｖＲで推移し、即ち、この場合、突き刺し観察又はスティッキング観察が行われる。観察方向Ｒ１がレーザビーム２のビーム軸１３に対して配向される角度βは、図示の例においては、約１゜乃至約５゜にあり、例えば、約４゜付近にある。
【００５１】
図１ａに示されているように、絞り２５には偏光フィルタ２１が取り付けられており、これは絞り２５と共に旋回軸Ｄを中心に旋回する。偏光フィルタ２１は、直線偏光成分ｐをフィルタリングするように構成されており、図示の例によればこの成分は、送り方向ｖ及びＺ方向若しくはレーザビーム２のビーム軸１３を含む平面（ＸＺ平面）に対し平行に配向されている。図１ａに示されているように、観察ビーム７ａは偏光フィルタ２１の通過後、ＸＺ平面に対し垂直に配向された偏光成分ｓだけしか有していない。観察ビーム７ａの直線偏光成分のフィルタリングは、切断カーフ１６若しくは被監視領域１５を観察するのに好適であることが判明した。自明のとおり、ＸＺ平面に対し平行に配向された偏光成分ｐの代わりに、場合によってはＸＺ平面に対し垂直に配向された偏光成分ｓ、又は、さらに異なる配向の偏光成分を、偏光フィルタ２１によってフィルタリングすることもできる。ｓ偏光された偏光成分の適用は、切断カーフ１６を観察するのに特に好適であると判明した。その理由は、実質的に図２ｃ及び図３ｃに示された発光ストライプ２２ａ、ｂに対応する、図２ａ、ｂ及び図３ａ、ｂに示された破線で描かれた線は、ｓ偏光された多数の放射を放出するために最適な角度を有するからである。
【００５２】
機械的に調整可能な絞り２５の代わりに、例えば、ＬＣＤアレイの形態など電気的に調整可能な絞りを用いることもでき、これによれば絞り作用を形成する目的で、個々の画素又は画素群が電子的にスイッチオン若しくはスイッチオフされる。また、機械的な絞り２５を、観察ビーム路７のそれぞれ異なる部分を遮蔽する、又は、観察のために開放する目的で、図１ａ、ｂに示されている観察ビーム路７を横切る方向とは異なるように、例えば、ＹＺ平面で移動若しくはシフトさせることもできる。絞り２５を、１つ又は複数の開閉可能な機械的な部材の形態で実現することもできる。相応に偏光フィルタ２１も、フィルタリングされる偏光成分の配向を適切に選択する目的で、特にフィルタリングされる偏光成分の配向を旋回させる目的で、ＬＣＤ偏光器として構成することができる。
【００５３】
図２ｃ及び図３ｃに示されているように、ワークピース３の被監視領域１５の、それぞれ結像光学系１４により記録される画像は、レーザ切断ノズル５の円形の内側輪郭５ｂにより区切られる。レーザ切断ノズル５の内側輪郭５ｂにより区切られた被監視領域１５は、相互作用領域１８の画像Ｂ１、Ｂ２を含み、この画像は図２ｃ及び図３ｃに示された図面の場合には、同じ観察方向Ｒ１から記録されたものである。ＸＹ平面への観察方向Ｒ１の投影は、図２ａにおいて矢印で描かれている。上述のように、観察方向Ｒ１は図１ａに示されている例の場合には送り方向ｖＲで、又は、送り方向ｖＲに沿って、即ち、正のＸ方向で推移し、このことはワークピース３における切断フロント１６ａに関するスティッキング観察と称され、切断フロント１６ａの後方に切断カーフ１６が形成される。
【００５４】
２つの記録された画像Ｂ１、Ｂ２には、それぞれ２つの発光ストライプ２２ａ、ｂが示されており、これらの発光ストライプは、実質的にＸ方向若しくは送り方向ｖＲに沿って延在し、この方向に沿って切断カーフ１６の切断側面２３ａ、ｂも延在し、これらの切断側面は、図２ａ及び図３ａにおいてワークピース３の１つの部分領域若しくは１つのセクションのところに描かれており、このワークピース３の上面３ａには被監視領域１５の円形の輪郭も示されている。これら両方の画像Ｂ１、Ｂ２各々は、それぞれ異なる送り速度ｖＲを伴って記録されたものであり、この場合、図２ｃに示された画像Ｂ１の場合の送り速度ｖＲのほうが遅く、図３ｃに示された画像Ｂ２における送り速度ｖＲのほうが速い。Ｙ方向即ち送り方向ｖＲを横切る方向における発光ストライプ２２ａ、ｂ間の間隔Ａ（図４を参照）は、図３ｃに示された画像Ｂ２の場合に両方の発光ストライプ２２ａ、ｂが部分的に重なり合うまで、又は、１つの共通の発光ストライプとして一体化するまで、送り速度ｖＲが高くなるにつれて減少する。一体化した両方の発光ストライプ２２ａ、ｂは、互いに角度δを成す。
【００５５】
ここで判明したのは、図２ｃに示されている画像Ｂ１が記録される切断プロセスの場合、切断カーフ１６の切断側面２３ａ、ｂは、ワークピース３の厚さ方向において（即ち、Ｚ方向において）互いに実質的に平行に、即ち、著しく小さい角度γを成して延在しており、従って、高品質切断が生じている（図２ａ、ｂを参照）、ということである。これに対し、両方の発光ストライプ２２ａ、２２ｂが部分的に一体化している図３ｃに示されている画像Ｂ２の場合には、品質がこれよりも劣った分離切断が生じており、この場合、切断側面２３ａ、ｂに沿ってバリ発生及び溝発生が生じており、切断側面２３ａ、ｂはこのケースにおいては、図３ａに描かれているように、実質的に平行ではなく厚さ方向（Ｚ方向）において互いに著しく大きくなった角度γで延在している。図３ａ、ｂに示されている切断ギャップ１６の場合、切断カーフ１６の幅ｂ（ｚ）は、Ｚ方向においてワークピース３の上面３ａから下面３ｂに向かって連続的に減少しており、その結果、図３ｂに示されている断面図の場合、切断カーフ１６は著しく際立ったＶ字型のプロフィルを有している。図３ａ、ｂに示されている、横断面が下に向かって強く先細りになっている切断カーフ１６は、溶融切断プロセスのためにはむしろ不都合であり、即ち、切断カーフ１６は、実質的に平行な切断側面２３ａ、ｂを有する、即ち、ワークピース３の厚さｄにわたって実質的に一定なギャップ幅ｂ（ｚ）を有する、図２ａ、ｂに示されている幾何学的形状となるのが望ましい。
【００５６】
常に高品質切断が生じるように切断プロセスを閉ループ制御する目的で、図２ｃ及び図３ｃに示されているサーモグラフ中の発光ストライプ２２ａ、ｂを用いることができ、これらの発光ストライプは実質的に、図２ａ、ｂを上から見た様子と図３ａ、ｂに示されている線とを表しており、ｓ偏光された放射を検出する場合、偏光に依存するプロセス発光がこれらの線に沿って特に強くなる。図２ａ、ｂに示されている切断カーフ１６の場合、発光ストライプ２２ａ、ｂに対応し強いプロセス発光が線沿いに出現する両方の線が実質的に互いに平行に延在しており、従って、これら両方の発光ストライプ２２ａ、ｂ間の間隔Ａ（図４を参照）を求めることができる。図３ａ、ｂに示されている例の場合には、発光ストライプ２２ａ、ｂに対応し偏光に依存する強いプロセス発光を有する線が、切断カーフ１６の傾斜した切断側面２３ａ、ｂに沿って延在しており、従って、観察される発光ストライプ２２ａ、ｂ間の間隔Ａは、負のＸ方向において減少する。図３ａ乃至図３ｃに示されている低品質の分離切断の場合、両方の発光ストライプ２２ａ、ｂは切断フロント１６ａの後方で合流しており、従って、図３ｃに示されているように、両方の発光ストライプ２２ａ、ｂが重なり合って、ワークピース３の上面３ａを上から見ると互いにＶ字型の配向となっている。
【００５７】
よって、切断プロセスの切断品質に関する１つ又は複数の測定量として、Ｙ方向即ち送り方向ｖを横切る方向における両方の発光ストライプ２２ａ、ｂ間の間隔Ａ、及び、これら両方の発光ストライプ２２ａ、ｂ間の角度δを用いることができる。
【００５８】
両方の発光ストライプ２２ａ、ｂ間の間隔Ａを、例えば、図２ｃに示されている画像Ｂ１の場合、あとで図４を参照しながら説明するようにして求めることができ、この目的で図１ａに示されている装置１の評価装置１９が用いられる。図２ｃに示されているように、Ｙ方向に拡がる画像ライン若しくは画素ラインに沿って、検出面１２ａに当射する放射強度Ｉが測定され、これは実質的にワークピース３の熱放射に起因するものとすることができる。図４に示されているように、放射強度Ｉは２つの強度最大値ＩＭ１、ＩＭ２を有しており、これらの最大値にはそれぞれ、Ｙ方向におけるポジションＹＭ１、ＹＭ２が対応づけられている。これら両方のポジションＹＭ１、ＹＭ２間の差分ＹＭ１−ＹＭ２が、両方の発光ストライプ２２ａ、ｂ間の間隔Ａに対応する。複数の画像ラインの強度値が適切な方法により平均化されるならば（例えば、平均値又は中央値）、Ｙ方向に拡がる１つの画像ラインに沿って放射強度Ｉを評価する代わりに、それら複数の画像ラインの強度値を用いることもできる。両方の強度最大値ＩＭ１、ＩＭ２を探し出すために、画像処理による適切な方法を用いることができる。
【００５９】
図３ｃに示されている画像Ｂ２の場合には、一体化している両方の発光ストライプ２２ａ、ｂ間の角度δを求め、この角度δを切断品質に関する測定量として用いるようにして、画像評価を行うことができる。この場合、図４に描かれているものと同じように、記録された画像Ｂ２における放射強度Ｉに基づき最初に、両方の発光ストライプ２２ａ、ｂの実質的に長円形若しくは楕円形の外側輪郭が特定され、例えば、このことは、記録された画像Ｂ２において測定された放射強度Ｉの所定の強度値に対応する輪郭若しくは幾何学的形状が観察されるようにして行われる。両方の発光ストライプ２２ａ、ｂの外側輪郭が既知であれば、それらの長手軸を特定することができる。次いで、発光ストライプ２２ａ、ｂの両方の長手軸間において角度δが測定される。角度測定のために、選択的に又は付加的に、（例えば、ハフ変換など）文献に記載されているような評価アルゴリズムを用いることができる。
【００６０】
図２ｃに示されている画像Ｂ１の場合、発光ストライプ２２ａ、ｂ間の角度δを求めるのは、それらの発光ストライプがほぼ平行に延在していることから、場合によっては問題となる一方、図３ｃに示されている画像Ｂ２の場合、合流している両方の発光ストライプ２２ａ、ｂ間の間隔Ａを求めるのは、場合によっては問題となる。しかしながら自明のように、図２ａ乃至図２ｃ若しくは図３ａ乃至図３ｃに示されている両方の極限の間にある切断速度の場合には、図４に示されているようにして、一方では、両方の強度最大値ＩＭ１、ＩＭ２に基づき、両方の発光ストライプ２２ａ、ｂ間の間隔Ａを求めることができ、他方では、両方の発光ストライプ２２ａ、ｂ間の角度δを求めることができ、これによって両方の測定量Ａ、δに基づき、切断品質を判定することができる。
【００６１】
別の選択肢として、評価装置１９において以下のような画像評価を行うことができる。即ち、この画像評価によれば、高品質切断の画像と分離切断（即ち、切断品質が劣った切断）の画像（これらの画像においてそれぞれ発光ストライプ２２ａ、ｂを見ることができる）がクラスタリングされ、現在生成された若しくは記録された画像を、比較による画像評価を介してそれらのクラスタに割り当てることができる。このためにも、画像処理において公知のアルゴリズム、例えば、Ｈａａｒアルゴリズムなどを用いることができる。１つのクラスタへの割り当てはやはり、切断プロセスの切断品質に関する測定量を成すものであり、ただし、これは通常、アナログ的に若しくは連続的に変化する測定量ではない。
【００６２】
上述のようにして求められた少なくとも１つの測定量Ａ、δに依存して、図１ａに示されている閉ループ制御装置２０は、例えば、送り速度、図１ａには具象的には描かれていないレーザの出力Ｐ、焦点ポジションＦ、切断プロセスにおいて用いられる補助ガスのガス圧力等、少なくとも１つの調整量に作用を与えることができ、又は、少なくとも１つの調整量を変化させることができ、詳しくは測定量Ａ、δが所定の値を有するように、又は、所定の値インターバルから逸脱しないようにする。かかる閉ループ制御によって保証できるのは、（溶融）切断プロセスにおいて一定の高い切断品質が達せられ、その結果、粗悪な切断及び特に切断中断を理想的には完全に回避できることである。
【００６３】
特に、送り速度又はレーザ出力Ｐを、最大許容送り速度若しくは最大許容レーザ出力よりも常に僅かに下回るように調整することができ、このときでもなお高品質切断が可能であり、即ち、送り余量若しくは出力余量をほぼ完全に使い尽くすことができる。送り速度を整合するために、又は、送り速度に作用を与えるために、閉ループ制御装置２０は例えば、ワークピース３及び／又はレーザ切断ヘッド１を移動させるための、詳しくは示されていない移動機構に作用を与えることができる。
【００６４】
湾曲した切断輪郭に沿った切断中に送り方向ｖＲが変化しても、切断品質に関する測定量、例えば、間隔Ａ又は角度δを、所望の観察方向で、特に送り方向ｖＲにおける観察方向Ｒ１で、観察できるようにするためには、ＸＹ平面における観察方向Ｒ１の配向を、送り方向ｖＲ若しくはＸＹ平面における送り方向ｖＲの向きに依存して変化させる必要がある。この目的のために評価装置１９を（場合によっては閉ループ制御装置２０も）用いることができ、これによれば、観察方向Ｒ１が常に送り方向ｖＲに配向されたままとなるよう、送り方向ｖＲが変化したときに絞り２５ひいては絞り開口２５ａが、相応に旋回軸Ｄを中心にいっしょに旋回させられる。絞り２５をいっしょに旋回させることによって、やはりいっしょに旋回する偏光フィルタ２１によってフィルタリング除去される直線偏光成分（典型的にはｓ偏光）の配向も、送り方向ｖＲに対し相対的に一定に保持することができる。自明のとおり、この目的のために、又は、ビーム軸１３に対し角度βで配向された観察ビーム７ａを形成するために、必ずしも絞り２５が必要とされるわけではなく、むしろこの目的のために画像捕捉装置９を、例えば、国際公開第２０１５／０３６１４０号（ＷＯ２０１５／０３６１４０Ａ１）に記載されているように他の方法により構成してもよい。
【図１ａ】
2019531195.tif 000003
【図１ｂ】
2019531195.tif 000004
【図２ａ】
2019531195.tif 000005
【図２ｂ】
2019531195.tif 000006
【図２ｃ】
2019531195.tif 000007
【図３ａ】
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【図３ｂ】
2019531195.tif 000009
【図３ｃ】
2019531195.tif 000010
【図４】
2019531195.tif 000011
【国際調査報告】
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2019531195.tif 000013
2019531195.tif 000014
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