(57)【要約】本発明は、加工レーザビーム（１４）を用いて被加工物（１２）を切断する装置（１０，５２，５６）であって、加工レーザビーム（１４）のビーム路が中を通るように形成されたハウジング（１６）であって、加工レーザビーム（１４）を加工領域（４８）内にある切断対象である被加工物（１２）に集光する集光レンズ（１８）を有するハウジング（１６）と、切断対象の被加工物（１２）の加工領域（４８）のインコヒーレント照明のための光源（４６）を有する照明装置（４４）と、加工レーザビーム路に同軸で結合された、切断対象の被加工物（１２）の加工領域（４８）を監視するカメラ（３２）であって、加工レーザビーム（１４）を実質的に通さない光学フィルタが、監視ビーム路（２２）においてカメラ（３２）の前方に配置されている、カメラと、加工レーザビーム（１４）によって被加工物（１２）に製作されたスリット（５０）の形状および品質を決定するために、カメラ（３２）からの画像データを処理するように構成された処理ユニット（５６）と、を備え、カメラ（３２）が、加工レーザビーム（１４）による反射および被加工物（１２）の材料蒸発の放出の両方が最小化される加工領域のグレースケール画像を記録することができるように、光学フィルタは、光学バンドパスフィルタ（３６）であって、照明装置（４４）の光源（４６）は、少なくともバンドパスフィルタ（３６）の波長通過帯域の局所発光極大を有するという特徴をもつ、装置に関する。
2013528495.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工レーザビーム（１４）を用いて被加工物（１２）を切断する装置（１０，５２，５６）であって、
前記加工レーザビーム（１４）のビーム路が中を通るハウジング（１６）であって、前記加工レーザビーム（１４）を加工領域（４８）内にある切断対象である前記被加工物（１２）に集光する集光光学素子（１８）を有するハウジング（１６）と、
切断対象の前記被加工物（１２）の加工領域（４８）のインコヒーレント照明のための光源（４６）を有する照明装置（４４）と、
前記加工レーザビーム路に同軸で結合された、切断対象の前記被加工物（１２）の前記加工領域（４８）を監視するカメラ（３２）であって、前記加工レーザビーム（１４）を実質的に通さない光学フィルタが、前記カメラ（３２）の上流の監視ビーム路（２２）に配置されている、カメラと、
前記加工レーザビーム（１４）によって前記被加工物（１２）に製作された切断スリット（５０）の形状および品質を決定するために、前記カメラ（３２）からの画像データを処理するように構成された処理ユニット（５６）と、
を備え、
前記カメラ（３２）が、前記加工レーザビーム（１４）による反射および前記被加工物（１２）の材料蒸発の放出の両方が最小化される前記加工領域のグレースケール画像を記録することができるように、前記光学フィルタは、光学バンドパスフィルタ（３６）であって、前記照明装置（４４）の前記光源（４６）は、少なくとも前記バンドパスフィルタ（３６）の波長通過帯域の局所発光極大を有する、装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置（１０，５２，５６）であって、前記切断スリット（５０）の現在の幅（ｄ’）を決定するために、前記処理ユニット（５６）が、前記カメラ（３２）からの画像データを処理するように構成されている、装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の装置（１０，５２，５６）であって、切断ノズル（２０）であって、前記加工レーザビーム（１４）と、前記カメラ（３２）の前記監視ビーム路（２２）とが通り抜け、切断ガスが導かれる切断ノズル（２０）をさらに備え、結果として、切断作業中に、前記加工レーザビーム（１４）によって溶融した切断対象の前記被加工物（１２）の材料が、前記切断スリット（５０）から下方へ吹き飛ばされる、装置。
【請求項４】
請求項１、２または３に記載の装置（１０，５２，５６）であって、前記カメラ（３２）の前記監視ビーム路（２２）を前記加工レーザビーム路に同軸で結合することができる第１のビームスプリッタ（３０）をさらに備える、装置。
【請求項５】
請求項４に記載の装置（１０，５６）であって、前記第１のビームスプリッタ（３０）と前記カメラ（３２）との間の前記監視ビーム路（２２）に配置され、前記照明装置（４４）の照明を前記加工レーザビーム路に同軸で結合することができる第２のビームスプリッタ（３８）をさらに備える、装置。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の装置（５２，５６）であって、前記被加工物（１２）の前記加工領域（４８）を均一に照射するために、前記照明装置（４４）が前記ハウジング（１６）の外側に固定される、装置。
【請求項７】
請求項１に記載の装置（１０，５２，５６）であって、前記光学バンドパスフィルタ（３６）は、干渉フィルタであって、具体的には、ファブリ・ペローフィルタである、装置。
【請求項８】
前述の請求項のいずれか１項に記載の装置（１０，５２，５６）であって、前記光学バンドパスフィルタ（３６）は、半値幅が５０ｎｍよりも小さく、特に、２０ｎｍよりも小さい波長通過帯域を有する、装置。
【請求項９】
前述の請求項のいずれか１項に記載の装置（１０，５２，５６）であって、前記照明装置（４４）の前記光源（４６）は、キセノンフラッシュランプかまたは水銀蒸発ランプである、装置。
【請求項１０】
請求項１〜８に記載の装置（１０，５２，５６）であって、前記照明装置（４４）の前記光源（４６）は、少なくともＬＥＤ、特に、ＲＣＬＥＤかまたは少なくともレーザである、装置。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか１項に記載された装置（１０，５２，５６）であって、前記照明装置（４４）の前記光源（４６）は、少なくとも１つのレーザを有し、レーザ光のコヒーレンスを分解するために、そのレーザのビーム射出側に、経時変化するディフューザーであって、前記レーザによって生成されたレーザ光が中を通過するディフューザーを有する、装置。
【請求項１２】
請求項１〜８のいずれか１項に記載された装置（１０，５２，５６）であって、前記照明装置（４４）の前記光源（４６）は、複数のレーザを有し、前記照明装置（４４）の結果として生じる照明がインコヒーレント光を生じるように、前記複数のレーザのレーザ光が重畳される、装置。
【請求項１３】
前述の請求項のいずれか１項に記載の装置（１０，５２，５６）であって、前記カメラ（３２）は、ＨＤＲ方式を用いて前記画像データを処理するように構成された画像記録装置を備える、装置。
【請求項１４】
前述の請求項のいずれか１項に記載の装置（１０，５２，５６）であって、前記切断スリット（５０）の現在の幅（ｄ’）が、所定値（ｄ）に調整されるように、切断作業中に、前記装置（１０，５２，５６）の切断ガス圧や送り速度などの工程パラメータを設定するように構成された制御ユニット（５８）をさらに備える、装置。
【請求項１５】
前述の請求項のいずれか１項に記載の装置（１０，５２，５６）を用いて被加工物を切断する方法であって、
前記カメラ（３２）によって前記加工領域（４８）のグレースケール画像を記録するステップと、
前記カメラによって記録された前記加工領域（４８）の前記グレースケール画像に基づいて前記切断スリット（５０）の前記現在の幅（ｄ’）を決定するステップと、を含む方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、さらに、
前記装置（１０，５２，５６）の切断ガス圧、送り速度、焦点位置およびレーザビーム電力などの前記装置（１０，５２，５６）の現在の工程パラメータを取得するステップと、
前記切断スリット（５０）の現在の幅（ｄ’）を所定値（ｄ）に制御または調整するために、前記工程パラメータを設定するステップと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工用レーザビーム（ｗｏｒｋｉｎｇ  ｌａｓｅｒ  ｂｅａｍ）を用いて被加工物を切断する装置またはレーザ切断ヘッドと、レーザ切断ヘッドを用いて被加工物を切断する方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザビーム切断は、製造業において標準的手法へと発展した。レーザビーム切断工程では、集光レーザビームが被加工物に当たる位置において、一般的には金属である被加工物の材料が強く加熱されるため、溶融したり蒸発したりする。レーザビームが被加工物を完全に貫通するとすぐに切断工程の開始が可能となる。レーザビームは、製品形状に沿って移動し、材料を絶え間なく溶融する。融成物は、ほとんどが、ガス流によって切溝から下方に吹き飛ばされる。その結果、サブグリッドと残りのグリッドとの間に細長い切断スリットができる。切断スリットが集光レーザビーム自体より幅広いことは、ほとんどない。レーザ昇華切断の場合、入力レーザ電力が非常に大きいので、材料は完全に蒸発し、そのため、材料を切断スリットから吹き飛ばす必要がなくなる。
【０００３】
レーザビーム切断の２つの標準的手法、具体的には、ガス切断法（ｆｌａｍｅ  ｃｕｔｔｉｎｇ）と溶融切断法（ｆｕｓｉｏｎ  ｃｕｔｔｉｎｇ）との間には違いがある。ガス切断は、圧倒的に構造用鋼を切断するのに使用され、ここでは、切断ガスとして酸素が利用される。酸素は、加熱された金属と反応して、後者は、すぐに燃焼され酸化する。この場合、化学反応によってエネルギーが放出され、このエネルギーは、レーザエネルギーの５倍にもなり、レーザビームを補助する。したがって、この方法は、３０ｍｍを越える厚さを有する構造用鋼を切断するのに使用可能である。ただし、燃焼工程によって、切口に酸化が生じ、また、粗面が生じることもある。 
【０００４】
これと比較して、第２の手法である溶融切断では、窒素またはアルゴンが切断ガスとして使用される。この手法では、切断ガスは切溝を通じて、通常２〜２０バールの圧力で駆動される。アルゴンは不活性ガスである。すなわち、アルゴンは、切断スリットの溶融金属と反応せずに、単に下方に吹き飛ばされるだけである。同時に、アルゴンは切口を空気から保護する。窒素もまたほとんどすべての金属の切断ガスとして使用可能である。唯一の例外は、チタンであり、チタンは、酸素および窒素の両者に対して強く反応するため、アルゴンを用いて切断される。溶融切断は、切口が未酸化状態のままであるため、再加工の必要性がないという大きな利点がある。ただし、切断には、レーザビームのエネルギーのみが利用可能であるため、切断速度が、薄いシートにおけるガス切断と同じくらい高速となる。
【０００５】
レーザビーム切断作業で使用されるのは、通常、炭酸ガスレーザ、ダイオードレーザ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ、固体レーザ、あるいは、ファイバレーザである。ファイバレーザは、固体レーザの特殊な形態であり、グラスファイバのドープコアが、活性媒体を形成する。ファイバレーザは、その端面において、共振器を構成する複数のミラーを有し、それによりレーザ操作の制御が可能になっている。これらの反射面は、グラスファイバにＵＶ光を用いて書き込まれた屈折率変化、いわゆる、ファイバブラッググレーティングを備える。その結果、こうしたグレーティングでは、追加的な結合損失が増加することがなく、後者は、所望の波長のみを選択的に反射する。エルビウムは、レーザ活性ファイバコアのドーピング要素として最も頻繁に利用され、その後にイッテルビウムおよびネオジウムが続く。レーザ光の波長は、互いにほとんど違いがなく、１．０６μｍ（ネオジウム）と１．０３μｍ（イッテルビウム）である。これらのファイバレーザの大きな利点としては、発光された光波長が、ガラスによって非常に弱く吸収されるのみであるため、発光されたレーザ光を、グラスファイバを利用してレーザ装置から接続されたレーザ切断ヘッドへと導くことが可能な点がある。
【０００６】
既知のレーザビーム切断工程では、切断作業の質を監視するために、加工レーザビームが被加工物に当たるときに生成される材料の蒸発またはプラズマによる発光が検査される。したがって、例えば、発光スペクトルまたはプラズマ発光の強度における変化が、高品質または低品質なレーザ切断作業の指標となる。さらに、切断工程中に上昇する切断対象の被加工物の材料のプラズマも容量的に得ることが可能であり、一般的には切断ノズルに一体化するように構成された距離センサによって評価することが可能である。空間分解能なしでプロセス照明を捉えて評価するフォトダイオードが、レーザ切断作業の光学的評価に使用される。
【０００７】
ＤＥ１９８５２３０２Ａ１は、高エネルギー放出を伴う被加工物の加工方法およびその装置について記載している。この場合、被加工物において生じる溶接線は、その被加工物に投影される光の線を使用して監視され、例えば、切欠、継ぎ目過充填、継ぎ目隆起、または継ぎ目穴などの異なる継ぎ目形状により、光の輪郭は異なる。この場合の光切断装置は、被加工物に対して横方向に円錐面形状の光ファンを投影し、円形の光の線が、加工ビームの周囲に配置される。透過率が内側から外側へと増加する特殊なフィルタを使用して光の線を測定することが可能である。その結果、わずかな光だけが半径の中点の近傍を貫通し、すなわち、加工域から発生する明るい光放射を遮蔽しつつ、大きい半径に対して高い透過率を提供し、そのため比較的暗い測光量も検出することができる。さらに、半径の機能として、異なる光の波長に対して透過率の大きさが異なるカラーフィルタを使用することも可能である。
【０００８】
ＤＥ１０２００４０４１９３５Ａ１は、レーザ加工工程を監視する装置およびレーザ加工工程を調節する装置について記載している。加工レーザビームは、レーザ加工工程の間、相互作用域にある集光ミラーを用いて、被加工物に集光される。被加工物の表面が、ビーム路を通じて相互作用域の領域内で同軸に高品質で結像されるのを可能にするために、装置は、放射感応受光素子配列と、相互作用域の領域からの受光素子配列への放射に配向され、加工ビーム路の外側で連結されている監視ミラーとを備え、監視ミラーは、集光ミラーと実質的に同様の結像特性を有する。
【０００９】
ＤＥ１０２００５０２４０８５Ａ１は、レーザ加工作業およびレーザ加工ヘッドを監視する装置について記載している。加工作業の質を工程から独立して記録するために、監視装置は、放射感応受光素子と、レーザビームと被加工物との間の相互作用域の領域からの放射を捉えるカメラとを有する放射感応受光素子配列を備える。一方で、レーザ加工作業の方向の特性を示す出力信号を提供するために、装置はさらに、相互作用域の領域から受光素子配列へ監視対象領域を結像する画像装置と、放射感応受光素子とカメラとの出力信号が同時に供給され、受け取った受光素子配列の出力信号を処理する評価回路とを有する。
【００１０】
ＤＥ１０１２０２５１Ａ１は、被加工物に対して実施されるレーザ加工作業を監視する方法およびセンサ装置、またそのようなセンサ装置を有するレーザ加工ヘッドについて記載している。被加工物に対して実施されるレーザ加工作業を監視する方法では、品質保証の目的で、空間分解受光素子配列を使用して、レーザビームと被加工物との間の相互作用域の領域において具体的な観察視野（ｏｂｅｒｖａｔｉｏｎ  ｆｉｅｌｄ）を選択する。選択された観察視野からの放射を、放射感応受光素子を用いて捕捉し、放射感応受光素子は、捕捉した放射に対応する電気信号を提供し、電気信号を信号処理回路においてフィルタリングして、捕捉した放射の強度における高速および／または低速の干渉に起因する変化を検出し、その結果としてレーザ加工作業における障害を検出することが可能になるようにする。
【００１１】
ＤＥ３９２６８５９Ａ１は、レーザ放射を利用して被加工物を加工する装置および方法について記載している。被加工物の材料の蒸発温度など臨界温度のオーバーシュートなく、簡単なやり方で制御方法を達成するために、放射検出器を使用して、加工位置から放出する熱放射を測定し、高い温度を所定の温度範囲の上限値とし、低い温度をこの温度範囲の下限値として監視する。さらに、レーザ放射のスイッチは、上限値に達するとオフになり、下限値に達するとオンになる。
【００１２】
ＷＯ２００９／０４７３５０Ａ１は、レーザ穴あけ法を監視するシステムおよび方法について記載している。このシステムは、照明光源と処理ユニットとを備える。照明光源は、レーザ穴あけ装置を用いて、加工対象である被加工物の穴あけ領域を照射し、穴あけ作業中に穴あけ領域によって反射された照明光源からの光を集める。反射光を集めることにより、処理ユニットは、穴あけ作業を終了する瞬間を決定することができる。ＣＣＤまたはＣＭＯＳカメラを使用して被加工物によって反射された光を集める。照明光源は、ドリル穴を照射するように、レーザ穴あけヘッドの横方向に隣接して配置される。
【００１３】
ＤＥ１０２００５０１０３８１Ａ１には、被加工物の加工中に、加工ビーム、具体的にはレーザビームを用いて材料の境界面を測定する方法と、この方法を実行するように構成された装置とが記載されている。この方法では、加工の間、被加工物上の加工ビームの衝突位置を含む加工域が、光放射を用いて少なくとも加工ビームとほぼ同軸でさらに照射される。加工域の反射パターンを得るために、加工域によって反射された放射は、光検出器による空間分解能を利用して光放射の入射方向に対して平行または小角度で捕捉される。そして、加工域の１つまたは複数の境界面の輪郭が、光学反射パターンから決定される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９８５２３０２号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００４０４１９３５号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０２００５０２４０８５号明細書
【特許文献４】独国特許出願公開第１０１２０２５１号明細書
【特許文献５】独国特許出願公開第３９２６８５９号明細書
【特許文献６】国際公開第２００９／０４７３５０号
【特許文献７】独国特許出願公開第１０２００５０１０３８１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、加工レーザビームを用いて被加工物を切断する装置またはレーザ切断ヘッドと、装置またはレーザ切断ヘッドを用いて被加工物を切断する方法を提供することであり、それによってレーザ切断法の切断品質を向上させることが可能となる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
この目的は、請求項１において請求された装置および請求項１５において請求された方法によって達成される。本発明の効果的改良および発展は、従属請求項に記載される。
【００１７】
本発明によれば、加工レーザビームを用いて被加工物を切断する装置またはレーザ切断ヘッドが提供され、この装置またはレーザ切断ヘッドは、加工レーザビームのビーム路が中を通るハウジングであって、加工レーザビームを加工領域内にある切断対象である被加工物に集光する集光光学素子を有するハウジングと、切断対象の被加工物の加工領域のインコヒーレント照明のための光源を有する照明装置と、加工レーザビーム路に同軸で結合された、切断対象の被加工物の加工領域を監視するカメラであって、加工レーザビームを実質的に通さない光学フィルタが、カメラの上流の監視ビーム路に配置されている、カメラと、加工レーザビームによって被加工物に製作された切断スリットの形状および品質を決定するために、カメラからの画像データを処理するように構成された処理ユニットと、を備え、カメラが加工レーザビームによる反射および被加工物の材料蒸発の放出の両方が最小化される加工領域のグレースケール画像を記録することができるように、光学フィルタは、光学バンドパスフィルタであって、照明装置の光源は、少なくともバンドパスフィルタの波長通過帯域の局所発光極大を有する。
【００１８】
ここで、切断スリットの現在の幅を決定するためには、処理ユニットが、カメラからの画像データを処理するように構成されていることが好都合である。
【００１９】
本発明によれば、加工レーザビームを用いて被加工物を切断する装置またはレーザ切断ヘッドがさらに提供され、この装置またはレーザ切断ヘッドは、加工レーザビームのビーム路が中を通るハウジングであって、加工レーザビームを加工領域内にある切断対象である被加工物に集光する集光光学素子を有するハウジングと、照明、特に、均一な照明のための光源を有する照明装置と、加工レーザビーム路に同軸で結合された、切断対象の被加工物の加工領域を監視するカメラであって、加工レーザビームを実質的に通さない光学フィルタが、カメラの上流の監視ビーム路に配置されている、カメラと、加工レーザビームによって被加工物に製作された切断スリット幅を決定するために、カメラからの画像データを処理するように構成された処理ユニットと、を備える。
【発明の効果】
【００２０】
したがって、加工レーザビームを用いて被加工物を切断する装置またはレーザ切断ヘッドが提供される。上記装置またはレーザ切断ヘッドは、照明装置を用いて被加工物の加工領域を均一に照射し、この加工領域では、相互作用域にある加工レーザビームが、切断スリットを形成するように被加工物へ進行し、貫通する。加工レーザビームと同軸に結合されたカメラが、照射装置によって生成され被加工物に当たる光を集める。記録された画像は、処理ユニットを使用して、生成された切断スリットの幅が決定された旨の評価がなされる。切断スリットの幅の決定は、スリットの生成の直後であることが好ましく、すなわち、加工レーザビームの衝突点または貫通点の約１０ｍｍ下流の領域においてなされるのが好ましい。
【００２１】
切断スリットの品質に関する直接的結果は、切断スリット幅の空間分解能カメラを用いた光学的判断を介して得ることができる。さらに、規定することにより、レーザ切断作業の最適切断スリット幅の値をこの規定された切断スリット幅に調整することができ、その結果、最適化されたレーザ切断作業が確実になる。送り速度、切断ガス圧、集光位置、およびレーザビーム電力は、この目的のための調整パラメータとして利用可能である。
【００２２】
レーザビーム路へのカメラの同軸結合に基づいて、レーザ切断作業の監視は、上方から直接切断スリット内へ、すなわち、被加工物表面に対して垂直にかつ加工レーザビームに対して平行に実施される。溶融した材料は、溶融物質からの発光または材料蒸発を妨げながら、実質的に、加工レーザビームに対して平行に下方へ吹き飛ばされ、つまり、生成されたものは、切断ノズルを通じた吹き出しの方向と実質的に一致する加工レーザビームと同軸方向において最も下になるように吹き飛ばされる。これは、次に、カメラの同軸上の配置により、光学フィルタによる加工レーザビームの波長の光学的切抜きに連動して、加工レーザビームによって引き起こされる干渉性反射と、材料蒸発の干渉性発光の両方を最小化することが可能であり、そのため、本発明によれば、照明装置による外部発光に基づいてカメラによってスリット幅を決定することができ、レーザ切断法の調整作業に使用することが可能であることを意味する。
【００２３】
加工レーザビームによって溶融された被加工物の材料を切断ガスを用いて切断スリットから下方へ吹き飛ばすためには、装置またはレーザ切断ヘッドが切断ノズルを有し、この切断ノズルを通じて加工レーザビームおよびカメラの監視ビーム路が通過し、また切断ガスが導かれるようにするのが都合がよい。
【００２４】
切断対象である被加工物の加工領域に対するカメラの監視ビーム路を簡単に修正するためには、装置またはレーザ切断ヘッドが、カメラの監視ビーム路をレーザビーム路に同軸上で結合することができる第１のビームスプリッタを有するのが都合がよい。
【００２５】
切断対象の被加工物の加工領域に対するカメラの監視ビーム路を簡単に修正するためには、装置またはレーザ切断ヘッドが、第１のビームスプリッタとカメラとの間の監視ビーム路に配置された第２のビームスプリッタを有するのが都合よく、これによって照明装置の照明がレーザビーム路に同軸上で結合される。
【００２６】
ただし、被加工物の加工領域を均一に照らすために、ハウジングの外側に照明装置を固定することもあり得る。
【００２７】
本発明の特に好適な改良点によれば、照明装置の照明光源は、照明光源が発した光放射が非常に狭い波長範囲になるように構成されており、そのため監視カメラの上流の光学帯域の使用を前提として、上記照明光源は、上記監視カメラによって監視されることが可能であり、その結果、レーザ切断ヘッドの作業では干渉性放射は実質的に除去される。
【００２８】
実際の光学バンドパスフィルタの実施では、後者は干渉フィルタ、特に、ファブリ・ペローフィルタであるのが都合よく、波長通過帯域の半値幅が、５０μｍよりも小さく、特に、２０μｍよりも小さいと都合がよい。
【００２９】
被加工物の照射を簡単に実行するためには、照明装置の照明光源がキセノンフラッシュランプまたは水銀蒸気ランプであるのが都合よい。
【００３０】
照射波長が簡単に適応する可能性があるので、照明装置の照明光源は、少なくともＬＥＤ、特にＲＣＬＥＤであるかまたは少なくともレーザであることが好都合である。
【００３１】
ただし、レーザ光のコヒーレンスを分解するために、照明装置の光源が、少なくとも１つのレーザと、そのビーム出力側に、レーザによって生成されるレーザ光が通る経時変化する拡散器と、を有することもあり得る。
【００３２】
さらに、照明装置の光源は、結果として生じる照明装置の照明が、インコヒーレント光を引き起こすように、複数のレーザであってそのレーザ光が重畳している複数のレーザを有することが可能である。
【００３３】
使用されるカメラは、ＨＤＲ方式を用いて画像データを加工するように構成された画像記録装置を備えるのが好都合である。
【００３４】
装置またはレーザ切断ヘッドの発明の改良では、上記装置またはヘッドは、レーザ切断法の間に、切断スリットの幅を所定値に調節するように、切断ガス圧またはレーザ切断ヘッドの送り速度などの工程パラメータを設定するように構成された制御ユニットをさらに有する。
【００３５】
本発明によれば、本発明の装置またはレーザ切断ヘッドを使用した被加工物をレーザビームで切断する方法が提供される。この方法では、切断対象である被加工物の加工領域のグレースケール画像がカメラを用いて記録され、切断スリットの現在の幅が、加工レーザビームと被加工物との間の相互作用域から所定の距離にある処理ユニットによって決定される。
【００３６】
調節工程用に使用されることを前提とすると、制御ユニットは、切断スリットの現在の幅を所定値に制御または調節するために、装置またはレーザ切断ヘッドの切断ガス圧、送り速度、焦点位置、レーザビーム電力などの工程パラメータを取得し、これらの工程パラメータを設定する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
図面を用いて本発明を以下により詳細に説明する。
【００３８】
【図１】図１は、本発明の第１の代表的実施形態によるレーザ切断ヘッドを大幅に簡略化した概略図である。
【図２】図２は、レーザ切断工程の間の被加工物を大幅に簡略化した部分斜視図である。
【図３】図３は、本発明の第２の代表的実施形態によるレーザ切断ヘッドを大幅に簡略化した概略図である。
【００３９】
互いに対応する構成要素には、図面の様々な図において同一の参照番号を付している。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、レーザ加工機械またはシステムとともに使用される本発明の第１の代表的実施形態によるレーザ切断ヘッド１０を大幅に簡略化した図である。
【００４１】
被加工物１２を切断するために、レーザ加工機械からの加工レーザビーム１４を、レーザ切断ヘッド１０のハウジング１６を通じて被加工物１２へと方向付け、また、光軸Ｌによって示されるように、集光光学素子１８を利用して切断ノズル２０を通じて被加工物１２へと集光する。被加工物１２の領域に集光された加工レーザビーム１４のレーザ光は、被加工物１２の相互作用域２１にある材料を溶融し、その材料は、被加工物１２の方向において切断ノズル２０を通じて導かれる加工ガス流によって、被加工物１２から下方へと吹き飛ばされる。ノズル２０の寸法は、誇張して図示されている。すなわち、現実の実装では、例えば、容量の距離調節を実行するために、またさらに、被加工物１２に対して適切な切断ガス圧を加えることを可能にするために、切断ノズル２０の開口２２は、被加工物１２の表面に対してもっと十分に近接している。ただし、材料が完全に蒸発する昇華切断法では、切断ノズルを全く使用しないということもあり得る。
【００４２】
加工レーザビーム１４が、光ファイバ２４を通じて、レーザ切断ヘッド１０へと供給され、光ファイバ２４のファイバ端は、ファイバホルダ２６内に保持される。光ファイバ２４のファイバ端において出現したレーザビーム１４は、コリメート光学素子２８を利用して平行にされ、また、レーザビーム１４を集光素子１８の方向に偏向する第１のビームスプリッタ３０へと向けられる。
【００４３】
ただし、集光光学素子１８に対するコリメート光学素子２８と光ファイバ２４の配置は、図１に示された例に限定されない。コリメート光学素子２８によって幅が広くなったレーザビーム１４が、光軸Ｌに沿って集光光学素子１８へ直線的に伸びることも可能である。この場合、ビームスプリッタ３０は、ビームスプリッタ３０に衝突するレーザ放射の大部分を通過させるように構成されるが、（この場合、被加工物１２を照射して監視する構成要素が、図１においてコリメート光学素子２８が実装されている位置に配置される）一方では、最初に記載されたケースでは、ビームスプリッタ３０が、ビームスプリッタ３０に衝突する放射の大部分を反射する。第１のビームスプリッタ３０は、ダイクロイックミラーでもよく、このダイクロイックミラーは、加工レーザビーム１４を実質的に完全に反射し、また残存する波長域に対して実質的に透過的であるように、加工レーザビーム１４の波長に同調する。したがって、第１のビームスプリッタ３０は、加工レーザビーム１４を監視ビーム路２２へと通過させない光学フィルタとして機能することが可能である。
【００４４】
第１のビームスプリッタ３０は、カメラ３２の監視ビーム路２２（その光軸によって示される）が、加工レーザビーム１４のビーム路に同軸で結合されるように、レーザ切断ヘッド１０のハウジングの加工レーザビーム１４の通過帯域に配置される。カメラ３２の上流の監視ビーム路２２に配置されるのは、結像光学素子３４および光バンドパスフィルタ３６であり、以下により正確に説明する。
【００４５】
第１のビームスプリッタ３０と光バンドパスフィルタ３６との間の監視ビーム路２２において配置されているのが、さらなる第２のビームスプリッタ３８であって、この第２のビームスプリッタ３８を通じて、照明ビーム路４０（その光軸で示される）が、光学素子４２を利用して、照明装置４４から監視ビーム路２２と同軸で結合しており、ひいては加工レーザビーム１４のビーム路と結合している。
【００４６】
照明装置４４は、照明光を生成する光源４６を有する。照明装置４４の光源４６は、被加工物１２の加工領域４８を照射する目的で備えられ、この加工領域４８では、図２に示されるように、被加工物１２に切断スリット５０を生成するために、加工レーザビーム１４が、被加工物１２に衝突して相互作用域２１において後者を貫通する。ここで、照明は、均一に行われるのが好ましく、切断スリットの形状を十分に得ることができるということが本発明の前提である。
【００４７】
一例として、光源４６として使用される光源としてふさわしいものは、光共振器を備える半導体発光ダイオードまたはＬＥＤであり、その結果、光共振器によって発光ダイオードの自然放出が増幅することになる。一般的な半導体ＬＥＤとは異なり、これらのいわゆるＲＣＬＥＤ（共振共鳴型発光ダイオード）は、大幅に狭められた発光スペクトルであって、約５〜１０μｍの半値幅またはＦＷＨＭ（半値全幅）をもつ発光スペクトルを有する。ただし、一例として、高い発光強度をもつキセノンフラッシュランプや水銀蒸気ランプを使用することもあり得るため、波長域は、フィルタによって適宜制限される。
【００４８】
さらに照明装置４４の光源４６として使用できる光源として可能性のある光源は、レーザ光源である。レーザ光源は、レーザ光が切断スリット５０とともに加工領域４８を照射するようにビームが広がるレーザである。一般的に、被加工物１２の表面を照射するとすぐに、いわゆるスペックルパターンまたは粒状化がここで生じ、これらのスペックルパターンまたは粒状化は、被加工物１２の通常の光学的粗面（レーザ光の波長の大きさの不均一性）のコヒーレント照明を前提として、上記被加工物がカメラに結像されたときに反射光のファーフィールドにおいて可視化される。しかし、切断スリット５０の進路またはその幅が十分に検出可能である限り、コヒーレント光を使用することが可能である。
【００４９】
しかし、もしこのスペックルパターンが引き起こした干渉が強すぎるために、この影響を最小化することができない場合には、目またはカメラ３２の積分時間内のスペックル干渉の十分高速な経時変化によって、レーザ光のコヒーレンスを分解するかまたはスペックルコントラストを減少することが可能である。ここでは、例えば、光源４６のレーザ光は、回転ディフューザー（図示せず）を通じて導くことが可能である。一例として、ディフューザーとしては、表面がざらざらしたガラス板が適している。ディフューザーが、光源４６のレーザビームの焦点に位置している場合、空間的コヒーレンスが維持されたまま、統計的位相変化がビームへ導入される。焦点の合っていないビームがディフューザーを通じて導かれた場合、空間的コヒーレンスおよび時間的コヒーレンスの両方が分解される。
【００５０】
光源４６のレーザ光のコヒーレンスを分解するさらなる可能性は、複数の異なるレーザからのレーザ光の重畳にあり、その結果得られた照明装置４４の照明は、もはやコヒーレンス効果をまったくもたないため、被加工物１２の表面のスペックルパターンは回避される。
【００５１】
照明装置４４の光源４６の好ましい発光波長は、６３０ｎｍ〜６７０ｎｍの間の波長域にあるため、光源４６の強度最大は、例えば、６４０ｎｍであるのが都合よい。
【００５２】
カメラ３２の上流に配置された光バンドパスフィルタ３６の波長通過帯域は、少なくとも照明装置４４の光源４６の局所発光極大に適応しているのが好ましい。ここで、フィルタ３６の波長通過帯域の半値幅またはＦＷＨＭ（半値全幅）は、光源４６の発光極大が精密に光バンドパスフィルタ３６の通過帯域の内側になるように、選択される。半値幅は、１００ｎｍより小さくなるのが好ましく、５０ｎｍより小さく、特に、２０ｎｍより小さくなるのが好ましい。光バンドパスフィルタ３６は、ファブリ・ペローフィルタまたはファブリ・ペローエタロンであるのが好ましく、このタイプのフィルタは、特定の周波数帯域の電磁波を通過させ、残りの周波数成分を干渉により消滅させる。光バンドパスフィルタ３６の半値幅については、加工レーザビーム１４の反射による、または加工レーザビーム１４を用いた被加工物材料の蒸発を介した被加工物１２の切断作業に起因する切断蒸気トーチの熱放射による、カメラ画像における干渉を、レーザ切断ヘッド１０を操作する際にできる限り引き起こさないようにするためには、この範囲が順序のできるだけ低いところにあるのが効果的である。ただし、光バンドパスフィルタ３６の代わりに、加工レーザビームを実質的に通さない光学フィルタを備えることもあり得る。
【００５３】
したがって、照明装置４４の光源４６を光バンドパスフィルタ３６の通過帯域に同調させることによって、均一に照射されるように被加工物１２を配置することが可能となり、加工レーザビーム１４のスイッチがオンになっても、監視波長範囲が狭いために、カメラ３２の画像が攪乱されることはない。さらに、本発明によれば、光源４６の強度の変調およびその後のカメラ３２による検出時の相関による、ロックイン方式を使用することによって、光源４６によって照射される被加工物１２の表面をカメラ３２に記録する際の干渉をさらに除去することができる。
【００５４】
カメラ３２は、ＣＭＯＳカメラまたはＣＣＤカメラとして構成することが可能であり、本発明によれば、このカメラは、ＨＤＲ方式を利用して画像データを処理するように構成された画像記録装置を備えるのが好ましい。この方式では、画像センサで複数のスキャンをすることによって、または複数のカメラで同時に画像を記録することによって、あるいは、多重露光技術と呼ばれる、１つのカメラで照射時間を変えて連続して画像記録することによって、複数の画像を生成する。記録された個々の画像の修正には、多様な方法が含まれる。これらの方法には、最も単純な場合では、少なくとも２つの記録画像からの画像シーケンスの複数の画像の個々の画像値の加算および決定が含まれる。より優れた画像回復のために、画像値または画素を、加重方式で記録された少なくとも２つの画像からなる画像シーケンスから決定することが可能である。加重方式としては、情報内容によって重み付けするエントロピー法を使用するか、あるいは、カメラの応答関数を考慮した重み付け判断を行うかのいずれかが可能である。この手順によって、画像および画像シーケンスかまたは極めて高いダイナミックレンジを有する動画の記録が可能になり、そのため、被加工物の明暗領域が、同時に分解可能となる。結果的に、これは、被加工物表面の反射領域およびマット領域を同時に記録することができることを意味している。
【００５５】
図３は、本発明の第２の代表的実施形態によるレーザ切断ヘッド５２を図示している。第２の代表的実施形態のレーザ切断ヘッド５２は、図１に示されたレーザ加工ヘッド１０に実質的に相当するが、カメラ３２、結像光学素子３４、および光バンドパスフィルタ３６のみが、第１のビームスプリッタ３０の正反対に位置しているため、その結果、監視ビーム路２２が、加工レーザビーム１４のビーム路に直接結合されている。この場合、照明装置４４は、ホルダ５４を介してハウジング１６に取り付けられており、その結果、被加工物１２の加工領域の照明は、加工レーザビーム１４と同軸では行われず、そこへ横方向から衝突する光円錐５５によって行われる。したがって、レーザ切断作業では、一般的に、ノズル２０が被加工物１２のごく近くに沿って導かれるが、図２に示される配置では、光源４６によって生成される光が切断ノズル２０によって陰になるため、図１による実施形態が好ましい。ただし、照明装置４４の配置は、図１および図２に示された実施形態に限定されない。したがって、例えば、照明は、レーザ切断ヘッド１０または５２に接続されていない照明装置によって実行されてもよい。そのため、一例として、レーザ切断ヘッド５２とは反対にある被加工物１２の面を照射することもあり得る。この場合、下方から被加工物１２を照射する光が切断スリット２０を貫通するため、加工レーザビーム１４によって生成されたスリット５０が明るく見える。
【００５６】
以下の目的は、図１のレーザ加工ヘッド１０と図２のレーザ加工ヘッド５２の機能を説明することにある。図１および図２に示されるように、カメラ３２は、データラインを介して制御ユニット５８へ順に接続された処理ユニット５６に接続されている。
【００５７】
本発明に関するレーザ切断作業の間、カメラ３２によって記録された、生成された切断スリット５０を有する加工領域４８の画像データは、レーザ切断作業を調整するために使用することが可能であり、そのため切断スリット５０の現在の幅ｄ’は、所定値ｄに調整される（図２）。ただし、本発明によれば、レーザ切断法の不良を検出するために、切断スリット５０の現在の幅ｄ’のみを監視することもあり得る。最後に、複数のパラメータを使用してレーザ切断法を調整し、監視し、制御する、複雑な制御装置に幅ｄ’の値を渡すことも可能である。
【００５８】
調整工程または監視工程を実行するためには、処理ユニット５６は、デジタル画像処理を使用して、切断スリット５０の現在の幅ｄ’を決定するように、カメラ３２によって記録されたグレースケール画像を評価する。切断スリット５０の幅ｄ’の決定は、切断スリットの生成の直後に行われるのが好ましく、すなわち、相互作用域２１の下流５０ｍｍ未満の距離で、好ましくは、３０ｍｍ未満、特に１０ｍｍ未満の距離、つまり、レーザビーム１４の被加工物１２を通り抜けた貫通点の下流で行われるのが好ましい。したがって、切断スリット５０の幅は、相互作用域２１からの所定の距離ａにある暗く見えるスリット５０の中を通る垂直の長さである。切断スリット５０の幅の値は、カメラセンサの画素単位またはｍｍ単位の較正によって特定される。ただし、相互作用域２１内の現在の幅ｄ’を直接測定することも可能であり、むしろこの方が好ましい（この場合、ａ＝０である）。切断スリット５０の幅の現在の幅ｄ’は、アクチュエータの使用により所定値ｄに調整される。一例として、均一な切断スリット幅ｄを設定するのに使用される調整パラメータは、被加工物１２の方向においてノズル２０を通じて出現する切断ガスの切断ガス圧であるか、またはレーザ切断ヘッド１０または５２の送り速度ｖである。さらなる工程パラメータとしては、例えば、被加工物表面からのレーザ切断ヘッド１０または５２の距離、すなわち、被加工物１２の内側のレーザビーム１４の焦点位置か、またはレーザビーム電力がある。また、レーザ切断作業中にニューラルネットワークによる学習動作を使用することも可能であり、切断スリット幅を最適値ｄに維持するかまたは一般的に最適化されたレーザ切断法を実施するかのいずれかのために、制御ユニット５８によって複数の工程パラメータを記録し、相当する学習アクチュエータ動作を実行する。
【００５９】
このように、本発明によれば、本発明に関するレーザ切断ヘッドを用いた被加工物の切断方法は、カメラ３２によって加工領域４８のグレースケール画像を記録するステップと、カメラによって記録された、被加工物１２と加工レーザビーム１４との間の相互作用域２１から所定の距離ａにあるか、または作用領域２１自体の中に直接存在する加工領域４８のグレースケール画像に基づき、切断スリット５０の現在の幅ｄ’を決定するステップと、を含む。この方法に基づく調整工程は、レーザ切断ヘッド１０、５２の切断ガス圧、送り速度、焦点位置、またはレーザ出力などの現在の工程パラメータを取得することと、切断スリット５０の現在の幅ｄ’を制御し、特に、所定値ｄに調整するために、制御ユニット５８によって工程パラメータを設定することとを含む。
【００６０】
本発明は、装置またはレーザ切断ヘッドと、その装置またはヘッドを利用して被加工物を切断する方法とを提供し、上記装置またはヘッドにおいては、レーザ加工作業の品質を査定するために加工レーザビームのプロセス照明または反射を使用することがなく、記録された画像データからスリットの形状、特に、スリット幅を決定するために、被加工物表面を外部光によって照射し、カメラによって記録する。次に、レーザ切断作業の改善を可能にするために、決定されたスリット幅を所定値へ調整する。ただし、決定されたスリット幅をレーザ切断作業の監視のために制御値として使用したり、決定されたスリット幅の値を制御工程に入力したりすることも可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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