(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工ヘッド（３）に形成されている開口部（７）の縁部輪郭（９）を識別するための方法において、
前記開口部（７）を介して観察される、前記加工ヘッド（３）から距離を置いて設けられている基準面（８）の部分領域（２１）と、前記開口部（７）を包囲する、前記加工ヘッド（３）における領域（２２）と、をそれぞれが含んでいる複数の画像（Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．）を時間的に連続して撮影し、その際、前記画像（Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．）の撮影時点（ｎ，ｎ−１）間に、前記基準面（８）の輝度特性を変更し、
撮影された前記画像（Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．）の比較評価によって、前記縁部輪郭（９）を識別する、
ことを特徴とする、方法。
【請求項２】
前記輝度特性を変更するために、前記基準面（８）と前記加工ヘッド（３）とを、相互に相対的に移動させる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記基準面（８）は、加工すべきワークピース（４）の表面である、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記基準面（８）の前記輝度特性を変更するために、前記基準面（８）の照明を時間的に変更する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記開口部（７）を通過して出射される加工ビームに同軸の観察方向（２３）に沿って、前記画像（Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．）を撮影する、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記開口部（７）を通過して出射される加工ビームに同軸の照明方向（１５）に沿って、前記基準面（８）の照明を行う、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記比較評価の際に、撮影された前記画像のうちのそれぞれ２つの画像（Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１）；Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−２）；Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−３），．．．）から少なくとも１つの差分画像（Ｄ（ｎ））を形成する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの差分画像（Ｄ（ｎ））を形成する前に、撮影された前記画像間における画像位置変化又は輝度変化を補償するための画像処理アルゴリズムを用いて、前記画像（Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１）；Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−２）；Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−３），．．．）を処理する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記差分画像のうちの少なくとも２つの差分画像（Ｄ（ｎ），Ｄ（ｎ−１），．．．）から１つの結果画像（Ｅ（ｎ））を形成し、該結果画像（Ｅ（ｎ））について前記縁部輪郭（９）の識別を行う、請求項７又は８に記載の方法。
【請求項１０】
所定数（ｍ）の、連続する撮影時点（ｎ，ｎ−１，．．．，ｎ−ｍ＋１）に撮影された画像Ｂ（ｎ）から、式：Ｅ（ｎ）＝Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−１）＋Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−２）＋．．．＋Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−ｍ＋１）に従い、前記結果画像Ｅ（ｎ）を形成する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
所定数（ｍ）の、異なる撮影時点（ｎ，ｎ−１，．．．）に撮影された差分画像（Ｄ（ｎ），Ｄ（ｎ−１），．．．）の平滑平均値として、前記結果画像（Ｅ（ｎ））を形成する、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記結果画像（Ｅ（ｎ））を、式：Ｅ（ｎ）＝α＊Ｅ（ｎ−１）＋（１−α）＊Ｄ（ｎ）に従い形成する、但し、αは定数であり、Ｄ（ｎ）は差分画像を表す、請求項９に記載の方法。
【請求項１３】
前記縁部輪郭（９）を識別するために、前記結果画像（Ｅ（ｎ））をバイナリ画像（ＢＩ（ｎ））に変換する、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記縁部輪郭（９）を識別するために、前記結果画像（Ｅ（ｎ））又は前記バイナリ画像（ＢＩ（ｎ））において、幾何学識別のためのアルゴリズムを使用する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記縁部輪郭（９）を識別するために、１０個から５０個の画像（Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．）を撮影する、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１６】
コンピュータプログラムがデータ処理装置において実行される場合、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の方法の全てのステップの実施に適合されているコード手段を有し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１７】
加工機械（１）において、
加工ヘッド（３）と、
前記加工ヘッド（３）における開口部（７）に形成されている縁部輪郭（９）と、
前記開口部（７）を介して観察される、前記加工ヘッド（３）から距離を置いて設けられている基準面（８）の部分領域（２１）と、前記開口部（７）を包囲する、加工ヘッド（３）における領域（２２）と、をそれぞれが含んでいる複数の画像（Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．）を時間的に連続して撮影する画像検出装置（１３）と、
撮影された前記画像（Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．）の比較評価によって、前記縁部輪郭（９）を識別する評価装置（２７）と、
を備えており、
前記加工機械（１）は、前記画像（Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．）の撮影時点間に前記基準面（８）の輝度特性を変更するように構成されている、
ことを特徴とする、加工機械（１）。
【請求項１８】
前記画像検出装置（１３）は、観察方向（２３）から少なくとも２つの画像（Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．）を撮影するための結像光学系（１９）を有している、請求項１７に記載の加工機械。
【請求項１９】
更に、照明方向（１５）に沿って前記基準面（８）を照明する照明装置（１４）を備えている、請求項１７又は１８に記載の加工機械。
【請求項２０】
更に、前記加工ヘッド（３）から距離を置いてワークピース（４）を載置するためのワークピース載置面（２５）を備えている、請求項１７乃至１９のいずれか１項に記載の加工機械。
【請求項２１】
更に、前記ワークピース（４）と前記加工ヘッド（３）との間で相対運動を生じさせるための運動装置（２４）を備えている、請求項２０に記載の加工機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加工ヘッドに形成されている開口部の縁部輪郭、特に加工ノズルの開口部の縁部輪郭を識別するための方法に関する。また本発明は、加工機械にも関する。
【０００２】
加工ノズル、特に、切断ノズルは、レーザ加工プロセス、特にレーザ切断プロセスにおいて、均一且つ高品質の切断結果を達成するために使用される。レーザビーム及びプロセスガスビームが通過する加工ノズルの開口部幾何学、特に加工ノズルの開口部の縁部輪郭は、ガス流に直接的に作用するので、従って、加工結果に直接的に影響を及ぼす。加工プロセスにおいては、加工ノズルが摩耗する。摩耗は、加工材料のスラグが付着する際、また加工材料の溶解物の飛沫が付着する際に生じるか、又は、レーザビームが僅かに接触すること又はレーザビームが後方反射することによる燃焼時に生じるか、また、加工ノズルがワークピース又はその他の構成部材と衝突することによって生じると考えられる。この摩耗によって、加工ノズルの縁部輪郭が変化し、例えば（円形の）丸い幾何学形状とは異なる形状になる可能性がある。これによって、切断結果が方向に依存して変化する可能性がある。
【０００３】
切断結果に及ぼされる悪影響に対応するために、加工ノズル又は加工ノズルの開口部を衝突後にユーザによって手動で検査することが公知である。しかしながらこのことは、時間とコストを要するレーザ加工機械の非稼働時間の原因となる。
【０００４】
独国特許出願公開第４３３６１３６号明細書より、レーザビーム加工装置の加工状態を検出するための方法と装置が公知となっている。ワークピースに由来する、切断ヘッドのいわゆるノズル穴を通過して出射されたビームの測定によって、自発的な材料除去プロセスの発生を検出することができる。また、切断ヘッドノズルの、レーザビームのビーム軸からのずれも検出され、必要であればそのずれを補償することができる。
【０００５】
欧州特許出願公開第１６００２４７号明細書からは、切断ノズル開口部を光学的な検査装置を用いて検査することが公知である。切断ノズルの検査は、切断ノズルを外側から又は下方から照明することによって行われる。切断ノズルの画像がカメラを用いて撮影され、ノズル開口部の直径又はその平均値が検出される。切断ノズルの開口部の真円度が許容範囲外にある場合には、警告を発することができる。
【０００６】
発明の課題
本発明が基礎とする課題は、従来技術の欠点を解消することができる方法及び加工機械を提供することである。特に、障害に対する、縁部輪郭の識別のロバスト性が改善されるべきである。
【０００７】
発明の対象
この課題は、加工ヘッドに形成されている開口部、特に加工ノズルの開口部の縁部輪郭を識別するための方法によって解決され、この方法においては、開口部を介して観察される、加工ヘッドから距離を置いて設けられており、有利には照明される基準面の部分領域と、開口部を包囲する、加工ヘッドにおける領域と、をそれぞれが含んでいる複数の画像が時間的に連続して撮影され、画像の撮影時点間に、基準面の輝度特性が変更され、また、撮影された画像の比較評価によって、縁部輪郭が識別される。
【０００８】
本発明の方法によってもたらされる利点は、機械を動作させながら、即ち加工プロセスを行いながらそれと同時に、方法を実施することができるということである。このようにして、場合によっては生じる欠陥（例えば、加工ヘッドとワークピースの衝突に起因する加工ヘッドの開口部の変形）を即座に識別することができ、また、その欠陥に早期に介入又は反応して、更なるワークピースの加工時の欠陥商品の発生を回避することができる。更に比較評価によって、縁部輪郭を識別する際の向上した精度、並びに、例えば開口部の内側において生じる反射のような障害に対する識別の高いロバスト性を達成することができる。これを下記において説明する。
【０００９】
加工ヘッドにおける開口部の縁部輪郭を識別するためには、開口部に対応付けられている画像領域と、加工ヘッドに対応付けられている画像領域との間に輝度コントラストを生じさせることが必要である。この輝度コントラストは、通常の場合、加工ノズルの開口部を、加工ノズルの開口部によって画定される外部の均一な照明装置でもって、若しくは、内側から又は外側から照明することによって形成される。例えば、外部の照明をＬＥＤ照明によって行うことができる。ＬＥＤ照明は、拡散プレートを用いることによって、加工ノズルの開口部を可能な限り均一に照明する。上記において述べたように、機械が動作している間の検出が所望される場合には、加工すべきワークピースの表面を照明する必要がある。この照明を、例えば、ＬＥＤ、レーザダイオード又はその他の照明源の、レーザビームと同軸の照明ビーム、又は観察部に入力される照明ビームによって行うことができる。粗い（金属製の）ワークピース表面又はノズル表面のその種の照明は、一般的に完全に均一には行われない。何故ならば、反射度がそのような表面の局所的な面法線の方向又は角度に大きく依存するからである（これに関しては例えば独国特許出願公開第１０２０００５０１０３８１号公報を参照されたい）。これによって、自動化された画像処理においては加工ノズル又は開口部に一義的に対応付けることができない領域が開口部の縁部に生じる。
【００１０】
評価又は画像処理のために２つ以上の画像を使用することによって、本発明において提案されるように、加工ヘッド又は加工ノズルが一定の照明条件で照明され、その一方で、開口部を介して観察される基準面の輝度特性が画像を撮影する度に変更される場合には、縁部輪郭の識別を改善することができる。このようにして、比較評価の際に、撮影された全ての画像が同一の輝度又は類似の輝度を示し、且つ、加工ノズル又は加工ヘッドに対応付けられる領域を識別することができる。更に、撮影毎に変化し、加工ヘッド又は加工ノズルにおける開口部に対応付けられる領域を識別することができる。評価の際に複数の画像を考慮することによって、縁部輪郭を識別する際の精度を連続的に高めることができる。
【００１１】
１つの有利なヴァリエーションにおいては、輝度特性を変更するために、基準面と加工ヘッドとが、特に開口部を横切る方向において、即ち水平方向において相互に相対的に移動される。基準面は、どの表面でもそうであるように、粗さ又は非平坦性を有している。相対運動によって、連続的に撮影される画像においては、基準面のその都度異なる部分領域が開口部を介して観察されるので、基準面の粗さに起因し且つ位置に依存する輝度差は、連続して撮影される複数の画像にわたり変動する。基準面の照明は、有利には、基準面に対して垂直に又はほぼ垂直に延びる方向から均一に、例えば加工ノズルの開口部を介して行われるか、又は、加工ノズルを包囲するリング状の照明の形で行われる。
【００１２】
１つの別の有利なヴァリエーションにおいては、基準面が加工すべきワークピースの表面を形成している。このヴァリエーションは、開口部の縁部輪郭の本発明による識別をワークピース加工中に行うことができるので特に有利である。上記において述べたように、通常は金属製のワークピースの表面が十分な粗さを有しているので、撮影された複数の画像においては、ワークピースと加工ヘッドの相対運動に起因する、粗いワークピース表面の輝度差の変動を測定することができる。
【００１３】
また有利には、１つのヴァリエーションにおいては、基準面の輝度特性を変更するために、基準面の照明が時間的に変更される。輝度特性を時間的に変更するために、照明装置の照明強度を、種々の撮影時点にわたり変化させることができる、及び／又は、複数の撮影時点にわたり局所的に変化する照明強度を有している照明パターンを設けることができる。択一的に、例えば照明ビームの照明強度を複数の撮影時点にわたり時間的及び／又は局所的に変更することによって、基準面自体に由来する、又は基準面によって反射された照明ビームの輝度特性も変更することができる。それらのいずれの場合においても、必要に応じて、加工ヘッドに対する基準面の相対運動を省略することができる。
【００１４】
有利には、１つの別のヴァリエーションにおいては、開口部を通過して出射される加工ビーム、特にレーザビームに同軸の観察方向に沿って、画像が撮影される。この場合、観察方向は典型的には開口部の縁部輪郭に対して垂直に延びているので、縁部輪郭を正確に識別することができる。また、加工ビームに同軸に延びる観察方向からは、縁部輪郭の場合によっては存在する欠陥又はずれを非常に簡単に識別することができる。
【００１５】
１つの有利なヴァリエーションにおいては、開口部を通過して出射される照明ビーム、特にレーザビームに同軸又はほぼ同軸な照明方向に沿って、基準面の照明が行われる。このようにして、基準面の照明が、開口部を介して、即ち内側から外側に向かって行われる。この場合、（付加的な）外部の照明装置は必要ない。またこの場合、照明ビームと加工ビーム若しくはレーザビームとは、典型的には少なくとも部分的に重畳する。
【００１６】
有利には、１つのヴァリエーションにおいて、比較評価の際に、撮影された複数の画像のうちの２つの画像から、少なくとも１つの差分画像が形成される。差分画像を形成する際に、静的な障害（例えば、加工ノズルにおける内部反射）が減算され、それによって、例えば基準面の運動に起因する、観察される基準面における輝度変化のみが残存する。通常の場合、１つ又は複数の差分画像が、その都度、画像の絶対的な減算、特にピクセル毎の減算によって形成される。撮影時点ｎ毎に、先行の時点ｎ−ｍ（ｍ＝１，２，．．．）に撮影された画像Ｂ（ｎ−ｍ）を用いる減算によって、ちょうど１つの差分画像Ｄ（ｎ）が形成される。しかしながらまた、撮影時点ｎ毎に複数の差分画像Ｄｍ（ｎ）が形成されることも考えられ、それらの差分画像Ｄｍ（ｎ）はそれぞれ、撮影時点ｎに撮影された画像Ｂ（ｎ）と、先行の時点ｎ−ｍに撮影された画像Ｂ（ｎ−ｍ）とから、ピクセル毎の減算によって取得される。即ち、Ｄｍ（ｎ）＝Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−ｍ）（但し、ｍ＝１，２，．．．）が当てはまる。
【００１７】
１つの発展形態においては、少なくとも１つの差分画像を形成する前に、画像処理アルゴリズムを用いて画像が処理される。ピクセル毎の減算を行う前にその種の処理を行うことは、僅かな画像位置変化又は輝度変化（揺らぎ）を補償するためには好適であると考えられる。そのような揺らぎは、連続する２つの撮影時点間に生じ、また撮影された画像全体、即ち、加工ヘッド又は開口部外の領域に対応付けられている画像領域にも影響を及ぼす。例えば、画像検出装置の検出面の位置の極僅かな変化が生じ、それによって、撮影された画像が検出面に対して相対的にずれる可能性がある。その種のずれを撮影された複数の画像間の相互相関によって識別することができ、また適切な画像シフトによって補償することができる。例えばバックグラウンドノイズによって惹起される、撮影された画像間の輝度の揺らぎを、適切なフィルタリングによって、例えばメディアンフィルタ又は平均値フィルタを使用して補償調整することができる。
【００１８】
特に有利な１つのヴァリエーションにおいては、少なくとも２つの差分画像から１つの結果画像Ｅ（ｎ）が形成され、この結果画像Ｅ（ｎ）について縁部輪郭の識別が行われる。例えば、複数の差分画像を必要に応じて重み付けして加算することによって、その種の結果画像を形成することができる。その種の結果画像の形成によって、リングメモリにはもはや存在しない複数の画像から算出された差分画像も、縁部輪郭の識別の際に考慮することができる。
【００１９】
１つの発展形態においては、結果画像Ｅ（ｎ）が、所定数ｍの、連続する撮影時点ｎ，ｎ−１，．．．，ｎ−ｍ＋１に撮影された画像Ｂ（ｎ）から、式：Ｅ（ｎ）＝Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−１）＋Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−２）＋．．．＋Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−ｍ＋１）、即ち、Ｅ（ｎ）＝Ｄ１（ｎ）＋Ｄ２（ｎ）＋．．．＋Ｄｍ−１（ｎ）から形成される。これによって、計算時間に関して効果的な、撮影された画像の解析を行うことができる。結果画像を形成するための、所定数ｍの画像を、例えば、リングメモリに保持することができる。
【００２０】
１つの別の発展形態においては、結果画像Ｅ（ｎ）が、所定数ｍの、異なる撮影時点ｎ，ｎ−１，．．．に撮影された差分画像の平滑平均値として形成される。平滑平均値としての結果画像Ｅ（ｎ）の決定は、一般的に、式Ｅ（ｎ）＝１／ｍ＊（Ｄ（ｎ）＋Ｄ（ｎ−１）＋．．．＋Ｄ（ｎ−ｍ＋１））に従い行われ、この場合、標準化（１／ｍ）は省略することができる。
【００２１】
１つの別の発展形態においては、結果画像Ｅ（ｎ）が、式：Ｅ（ｎ）＝α＊Ｅ（ｎ−１）＋（１−α）＊Ｄ（ｎ）に従い形成される。ここでαは、減衰因子として使用される定数であり、且つ、０＜α＜１であり、またＤ（ｎ）は差分画像を表す。α＜０．５の場合には、比較的古い差分画像は結果画像Ｅ（ｎ）の形成時に、比較的新しい差分画像ほど強く重み付けされない。減衰因子αに関する適切な値を、例えば、経験に基づき決定することができる。α＝０の場合には、結果画像Ｅ（ｎ）は、最新の撮影時点ｎにおける差分画像Ｄ（ｎ）に対応する。
【００２２】
更に有利な１つのヴァリエーションにおいては、縁部輪郭を識別するために、結果画像Ｅ（ｎ）、又は場合によっては差分画像Ｄ（ｎ）（α＝０、上記を参照されたい）がバイナリ画像に変換される。バイナリ画像を、例えば２値化処理によって、即ち、閾値との比較によって、結果画像から形成することができる。バイナリ画像においては、開口部を包囲する領域が典型的には黒く現れ、また開口部自体は比較的高い輝度を有しているので白く現れる。
【００２３】
１つの有利なヴァリエーションにおいては、結果画像又はバイナリ画像において縁部輪郭を識別するために、幾何学識別のためのアルゴリズム、特にハフ（Ｈｏｕｇｈ）アルゴリズム、最小二乗誤差アルゴリズム又はＲＡＮＳＡＣ（ｒａｎｄｏｍ  ｓａｍｐｌｅ  ｃｏｎｓｅｎｓｕｓ）アルゴリズムが使用される。その種のアルゴリズムは、結果画像又はバイナリ画像を基礎として、適切な誤差最小化アルゴリズムによって縁部輪郭を検出又は識別することができる。
【００２４】
最後に、本方法の１つの有利なヴァリエーションにおいては、縁部輪郭を識別するために、１０個から５０個の画像、有利には１０個から４０個の画像が撮影される。縁部輪郭を識別するために使用される画像の数とは、評価のために（リング）メモリに供給され、また差分画像の形成に用いられる画像の数ｍと解される。更に上記において述べたように、撮影される画像の数を増やすことによって、縁部輪郭を識別する精度を連続的に高めることができる。更に、ワークピース表面の照明条件の可能な限り大きな変化によって、特に上述の有利な実施の形態においては、連続する２つの撮影時点間のワークピースの大きい相対的なシフトによって、差分画像が少数であっても識別精度を改善することができる。
【００２５】
また本発明は、コンピュータプログラムがデータ処理装置において実行される場合、本発明による方法の全てのステップの実施に適合されているコード手段を有しているコンピュータプログラム製品にも関する。データ処理装置は、例えば、加工ヘッドを有している加工機械に収容されている開ループ及び閉ループ制御装置及び／又は評価装置であっても良いし、典型的には加工機械の一部である外部の装置であっても良い。
【００２６】
上記の課題は、以下の特徴を備えている加工機械によっても解決される、即ち、加工ヘッドと、加工ヘッドにおける開口部、特に加工ヘッドに取り付けられている加工ノズルにおける開口部に形成されている縁部輪郭と、開口部を介して観察される、加工ヘッドから距離を置いて設けられている基準面の部分領域と、開口部を包囲する、加工ヘッドにおける領域と、をそれぞれが含んでいる複数の画像を時間的に連続して撮影する画像検出装置と、撮影された複数の画像の比較評価によって、縁部輪郭を識別するために形成又はプログラミングされている評価装置と、を備えている加工機械であって、特にその評価装置及び／又は開ループ及び／又は閉ループ制御装置が、画像の撮影時点間に基準面の輝度特性を変更するように構成又はプログラミングされている加工機械によって解決される。この加工機械では、縁部輪郭を識別する際の高い精度及び障害に対する高いロバスト性に関して、本発明による方法と実質的に同じ利点が得られる。
【００２７】
１つの有利な実施の形態においては、画像検出装置が、有利には開口部を通過して出射される加工ビーム、特にレーザビームに同軸の観察方向から少なくとも２つの画像を撮影するための結像光学系を有している。加工ヘッドに統合されているその種の結合光学系によって、加工ヘッドは比較的コンパクトに構成されている。また、その種の統合された結合光学系によって、観察方向が加工ビームに同軸に延びる場合には、縁部輪郭の非常に正確な識別を実現することができる。
【００２８】
１つの別の有利な実施の形態においては、加工機械が、有利には開口部を通過して出射される加工ビーム、特にレーザビームに同軸の照明方向に沿って基準面を照明するための照明装置を有している。開口部を介する基準面の同軸の照明は小型の構造様式で実現される。
【００２９】
１つの別の実施の形態においては、加工機械が更に、加工ヘッドから距離を置いてワークピースを載置するためのワークピース載置面を有している。この場合、ワークピースのワークピース表面が基準面を形成しているので、基準面を別個に設けることは省略することができる。しかしながら択一的に、必要に応じて、縁部輪郭を識別するための別個の基準面を加工機械に設けることもできる。もっともこの場合には、通常、ワークピース加工中の縁部輪郭の識別は不可能である。
【００３０】
１つの有利な実施の形態においては、加工機械が更に、ワークピースと加工ヘッドとの間で相対運動を生じさせるための運動装置を有している。運動装置は、例えば、加工ヘッドを１つ又は複数の空間方向に移動させるように構成されている。択一的又は付加的に、ワークピース載置面上のワークピース及び／又はワークピース載置面自体を、少なくとも１つの空間方向に移動させ、これによって相対運動を生じさせることもできる。
【００３１】
本発明の更なる利点は、以下の説明及び図面より明らかになる。同様に、上述の特徴及び下記において更に説明する特徴を、単独で使用することができるか、又は複数の特徴を任意に組み合わせて使用することができる。図示及び説明する複数の実施の形態は、排他的な列記とみな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しているものとみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】加工ヘッドを備えている本発明による加工機械を示す。
【図２】画像検出装置を用いて撮影された２つの画像並びにそれらの画像から形成された差分画像を示す。
【図３】画像検出装置を用いて撮影された５つの画像、それら５つの画像から形成された差分画像、並びに、その差分画像から形成された結果画像を示す。
【００３３】
図面に関する以下の説明において、同一の構成部材又は機能が等しい構成部材に対しては同一の参照番号を付している。
【００３４】
図１には、加工機械１の例示的な構造が示されている。この加工機械１は、レーザビーム２を、加工ヘッド３によって加工されるワークピース４に焦点合わせするための加工ヘッド３を含んでいる。図示の例において、レーザビーム２はＣＯ２レーザによって形成される。択一的に、例えば固体レーザによってレーザビーム２を形成することもできる。レーザビーム２は、例えばレーザ溶接プロセス又はレーザ切断プロセスの形態での、ワークピース４におけるワークピース加工を実施するために、フォーカシングレンズ５の形態の焦点合わせ素子を用いてワークピース４に焦点合わせされる。加工ヘッド３は、更に、加工ノズル６を含んでいる。図示の例においては、フォーカシングレンズ５は、加工ノズル６を通過するレーザビーム２の焦点を、厳密に言えば、加工ノズル６の内面における開口部７を通過するレーザビーム２の焦点をワークピース４に合わせ、しかも、図示の例においては、ワークピース４の上面に形成されているワークピース表面８に焦点を合わせる。加工ノズル６の開口部７のワークピース側の端部には、リング状に延びる縁部輪郭９が形成されている。ワークピース４のワークピース表面８は、縁部輪郭９を識別するための後述の方法に関する基準面を形成している。必要に応じてこの方法を、ワークピース４には形成されておらず、この目的のために加工機械１に固有に設けられている基準面においても実施することができる。
【００３５】
また図１からは、部分透過性に形成されている偏向ミラー１０が見て取れ、この偏向ミラー１０は入射したレーザビーム２を透過させ、且つ、プロセスの監視にとって重要な（例えば可視波長範囲にある）観察ビームを、別のフォーカシングレンズ１１を介して別の部分透過性の偏向ミラー１２へと反射させる。別の部分透過性の偏向ミラー１２は、観察ビームを、加工ヘッド３のカメラとして形成されている画像検出装置１３へと反射させる。この画像検出装置１３は、ワークピース表面８の複数の画像を時間的に連続して撮影する。即ち、ワークピース表面８又は加工ノズル６のワークピース側の開口部７が、画像検出装置１３の検出面２０に結像される。
【００３６】
加工ヘッド３は更に照明装置１４を含んでおり、この照明装置１４は、加工ヘッド３から距離を置いて設けられているワークピース表面８又は基準面を照明するために使用される。照明装置１４は、開口部７を通過して出射されるレーザビーム２に同軸の照明方向１５に沿って、ワークピース表面８を照明ビーム１６でもって照明するように構成されている。照明ビーム１６は、例えば、別の部分透過性の偏向ミラー１２を透過して、加工ノズル６の開口部７を通過してワークピース４へと偏向される。観察ビーム１７を画像検出装置１３に供給するため、又は、照明ビーム１６をワークピース４に供給するために、部分透過性の偏向ミラー１０，１２の代わりに、偏光選択性のビームスプリッタ、スクレイパーミラー、又は入射したビームを縁部領域からのみ反射させる穴付きミラーを使用することもできる。観察を実現するために、レーザビーム２のビーム路において側方に設けられている１つ又は複数のミラー又は段付きミラーも使用することができる。
【００３７】
照明装置１４として、例えばダイオードレーザ又はＬＥＤを設けることができ、それらを図１において示されているように、レーザビーム軸１８に同軸に配置することができるが、しかしながらそれらを軸外に配置しても良い。照明装置１４を例えば、加工ヘッド３外（特に加工ヘッドの３の近傍に）配置し、ワークピース４に向けることもできる。場合によっては、加工ヘッド３を照明装置１４なしでも動作させることができる。
【００３８】
画像検出装置１３は、特に、観察ビーム路１７において別の部分透過性の偏光ミラー１２の後段に配置されている、幾何学的に高解像度のカメラとして形成されている。カメラはハイスピードカメラであって良い。図示の例では、画像検出装置１３による画像の撮影が、落射照明方式で、可視波長領域において行われる。落射照明での撮影を行うために、紫外線領域又は近赤外線領域での画像の撮影も可能である。図１に示した例では、別のビーム成分又は波長成分が画像検出装置１３による検出から排除されるべき場合には、画像検出装置１３の手前にフィルタを配置することができる。フィルタを、例えば、狭帯域バンドパスフィルタとして形成することができる。
【００３９】
画像検出装置１３は、２つの部分透過性の偏向ミラー１０，１２及び別のフォーカシングレンズ１１を含む結像光学系１９を有しており、この結像光学系１９によって、開口部７を介して観察及び照明されるワークピース表面８の実質的に円形の部分領域２１も開口部７を包囲する加工ノズル６の領域２２も含んでいる画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．（図２を参照されたい）が画像検出装置１３の検出面２０において形成される。結合光学系１９は、開口部７を通過して出射されるレーザビーム２に同軸に延びる観察方向２３から画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１）を撮影するために使用される。
【００４０】
加工機械１は、更に、ワークピーステーブル２５の形態のワークピース載置面上に載置されたワークピース４と加工ヘッド３との間で相対運動を生じさせるための運動装置２４を含んでいる。図示の例においては、ワークピース４がワークピーステーブル２５上に固定されて載置されている。可動に支承されている加工ヘッド３を、運動装置２４の１つ又は複数のアクチュエータ２６を用いて３つの空間方向ＸＹＺに移動させることができる。この際、加工ヘッド３を、開口部７を横切る方向に（図１においてはＸ方向及び／又はＹ方向に）移動させることができる。加工ヘッド３を移動させる代わりに、及び／又は、加工ヘッド３の移動に加えて、ワークピース４もワークピーステーブル２５と一緒に、及び／又は、ワークピーステーブル２５に対して相対的に移動させることができる。加工機械１は、更に、ＰＣ等の形態の評価装置２７並びに開ループ又は閉ループ制御装置２８を含んでおり、それらは信号技術的に相互に接続されている。
【００４１】
以下では、図１及び図２に基づき、加工機械１の評価装置２７において、種々の撮影時点ｎに撮影された画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．の比較評価によって縁部輪郭９をどのように識別することができるかを説明する。フレームレート、即ち、連続する２つの画像の撮影時点間の時間間隔は、典型的には、ミリ秒のオーダにあり、他方、個々の画像Ｂ（ｎ）の撮影（照明時間）は、撮影される画像Ｂ（ｎ）のモーションブラーを回避するために遙に短く、典型的にはマイクロ秒の範囲にある。画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），．．．のそれぞれ２つの撮影時点ｎ，ｎ−１の間に、例えばワークピース表面８及び加工ヘッド３が開口部７を横切るように相互に相対的に移動されることによって、ワークピース表面８の輝度特性が変更される。この際、照明されるワークピース表面８は、どの表面でもそうであるように、粗さを有しているので、ワークピース表面８の観察される部分領域２１の画像Ｂ（ｎ）は、位置に依存して異なる輝度を有しているパターンを生じさせるということが利用される。このパターンは、図２において、観察される部分領域２１内の白黒パターンとして簡略化されて示されている。観察方向２３を横切る方向において行われる、開口部７とワークピース表面８の相対運動によって、連続的な撮影時点ｎ，ｎ−１間ではワークピース表面８の輝度特性が変更され、厳密に言えば、ワークピース表面８の観察される部分領域２１の輝度特性が変更される。このことは、図２において、画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１）の部分領域２１の白黒パターンの変化から見て取れる。
【００４２】
択一的又は付加的に、ワークピース表面８の輝度特性を変更するために、照明装置１４によるワークピース表面８の照明を時間的に変更することができる。このために、照明ビーム１６の照明強度を、照明装置１４を用いて時間的に、また必要に応じて位置に依存して、連続する撮影時点ｎ，ｎ−１，．．．間で変更することができる。
【００４３】
２つの画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１）に関して図２において例示的に図示されているように、縁部輪郭９を識別するために、先ず、絶対的なピクセル毎の減算によって差分画像Ｄ（ｎ）が形成される。これによって、例えば加工ノズル６における内部反射２９のような静的な障害が減算され、ワークピース表面８の可動の部分領域２１における画像変化だけが差分画像Ｄ（ｎ）に含まれたままとなる。差分画像Ｄ（ｎ）を形成する前に、必要に応じて、画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１）の前処理を行い、撮影時点間に生じる輝度の揺らぎの影響又は全体の画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１）の画像シフトの影響を補償することができる。差分画像Ｄ（ｎ）を、時間的に直接連続していない撮影時点ｎ，ｎ−ｍに撮影された（即ちｍ＝２，３，．．．）２つの画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−ｍ）から形成することができる。
【００４４】
縁部輪郭９の識別を、必要に応じて、差分画像Ｄ（ｎ）に基づき直接的に行うことができる。しかしながら有利には、縁部輪郭９の識別は、同一の撮影時点ｎに撮影された少なくとも２つの差分画像Ｄｍ（ｎ）から、又は、異なる撮影時点ｎ，ｎ−１に撮影された２つの差分画像Ｄ（ｎ），Ｄ（ｎ−１），．．．から形成される結果画像Ｅ（ｎ）に基づき行われる。
【００４５】
前者の場合には、撮影時点ｎに複数の差分画像Ｄｍ（ｎ）が形成される。それらの差分画像Ｄｍ（ｎ）は、それぞれ、撮影時点ｎに撮影された画像Ｂ（ｎ）と、先行の時点ｎ−ｍに撮影された画像Ｂ（ｎ−ｍ）とから、ピクセル毎の減算によって取得される。即ち、Ｄｍ（ｎ）＝Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−ｍ）、但し、ｍ＝１，２，．．．が当てはまる。
【００４６】
図３においては、複数ｍ個の連続して撮影された５つの画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１），Ｂ（ｎ−２），Ｂ（ｎ−３），Ｂ（ｎ−４）から１つの結果画像Ｅ（ｎ）が形成されることが示されている（ここでは、ｍ＝５）。これについては次式が当てはまる：
Ｅ（ｎ）＝Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−１）＋Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−２）＋．．．＋Ｂ（ｎ）−Ｂ（ｎ−ｍ＋１）、又は、
Ｅ（ｎ）＝Ｄ１（ｎ）＋Ｄ２（ｎ）＋Ｄ３（ｎ）＋Ｄ４（ｎ）
つまり、同一の撮影時点ｎに対応付けられている複数の差分画像Ｄｍ（ｎ）から１つの結果画像Ｅ（ｎ）が形成されている。
【００４７】
縁部輪郭９の識別又は結果画像Ｅ（ｎ）の形成のために評価される画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１）の数は、通常の場合、図３に示した数より多く、約１０から５０の間、有利には約２０から４０の間である。
【００４８】
択一的に、結果画像を例えば次式に従い形成することができる：
Ｅ（ｎ）＝α＊Ｅ（ｎ−１）＋（１−α）＊Ｄ（ｎ）
ここで、αは（通常は一定の）減衰因子０＜α＜１を表し、この減衰因子は比較的古い結果画像の関連性を考慮する。この場合、撮影時点ｎ毎に、上述のやり方で形成される差分画像Ｄ（ｎ）が１つだけ対応付けられる。減衰因子αに関する最適値を、例えば、経験に基づき求めることができる。このために、既知の幾何学を有している縁部輪郭９を測定することができ、その際、縁部輪郭９の識別が、減衰因子αに対して異なる値を用いて何度も実施される。減衰因子αに関する最適値は、縁部輪郭９の既知の幾何学との一致が最大となる値である。
【００４９】
減衰因子を使用する代わりに、異なる撮影時点ｎ，ｎ−１に対応付けられた、所定数ｍ個の画像Ｂ（ｎ），Ｂ（ｎ−１）に対応する複数の差分画像Ｄ（ｎ），Ｄ（ｎ−１），．．．から成る平滑平均値として、結果画像Ｅ（ｎ）を形成することができる。つまり、次式に従い結果画像Ｅ（ｎ）が形成される：
Ｅ（ｎ）＝１／ｍ＊（Ｄ（ｎ）＋Ｄ（ｎ−１）＋．．．．＋Ｄ（ｎ−ｍ＋１））
【００５０】
上記のやり方で形成された結果画像Ｅ（ｎ）においては、輝度の適切な閾値を用いて結果画像Ｅ（ｎ）の２値化を行うことによって、各画素が同じ輝度値を有している第１の画像領域を、その第１の画像領域の輝度値とは異なる輝度値を有している第２の画像領域と区別することができる。２値化された結果画像ＢＩ（ｎ）（図３を参照されたい）において、又は、場合によっては結果画像Ｅ（ｎ）自体において、（ほぼ円形の）縁部輪郭９を、輪郭識別のためのアルゴリズムを用いて、例えばハフアルゴリズム、最小二乗誤差アルゴリズム又はＲＡＮＳＡＣアルゴリズムを用いて識別することができる。
【００５１】
上述の方法は、機械を動作させながら、即ち、加工機械１を用いて実行されるレーザ加工プロセス中に実施することができるので、例えば、加工ノズル６とワークピース４の衝突に起因する加工ノズル６の開口部７の幾何学の変化を迅速に識別することができ、また、加工プロセスを早期に中断し、それによって欠陥商品を低減することができる。比較評価によって、縁部輪郭を識別する際の精度及び結像の障害（例えば内部反射の形態の障害）に対するそのロバスト性を高めることができる。また本方法を、異なる表面特性を有しているワークピース又はワークピース材料を用いても高い信頼性で実施することができる。択一的又は付加的に、上述の方法を用いることによって、加工ヘッド３に形成されており、且つ、開口部に隣接して配置されているコンポーネント又はその他の静的な幾何学の縁部輪郭を識別することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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