CN110039203A - 用于求取切割喷嘴的磨损状态的方法以及用于执行这种方法的激光加工机 - Google Patents

用于求取切割喷嘴的磨损状态的方法以及用于执行这种方法的激光加工机 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于求取激光加工机的切割喷嘴(1)的磨损状态的方法，根据本发明，根据三维的切割喷嘴形状(2)来求取所述切割喷嘴(1)的磨损状态。

Description

用于求取切割喷嘴的磨损状态的方法以及用于执行这种方法 的激光加工机
本申请是申请日为2014年7月18日、申请号为201410342469.3、发明名称为“用于求取切割喷嘴的磨损状态的方法以及用于执行这种方法的激光加工机”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于求取激光加工机的切割喷嘴的磨损状态的方法。本发明也涉及一种用于执行这种方法的激光加工机。
背景技术
切割喷嘴在用于实现均匀且高质量的切割结果的激光切割过程中使用。在此，切割喷嘴的形状直接对切割气流起作用并且因此以直接的方式影响切割结果。因此，切割喷嘴的磨损也影响切割结果，该磨损典型地在切割过程期间出现。切割喷嘴的磨损的原因在于：例如经加工的材料的熔化物的附着渣和附着的溅出物，或者由掠过的或反射回来的激光辐射引起的烧灼，以及切割喷嘴与工件或其他构件的直接的或掠过的碰撞。通过这种磨损可能会这样改变切割喷嘴的形状，使得该切割喷嘴上的流动情况也变化。这尤其导致了通流横截面的改变并且因此导致了气流的优选方向的改变。由此，消极结果例如是与方向相关地改变的切割结果、例如工件上的不同程度的须状附着物。此外，前述的磨损原因也以消极的方式影响了激光切割过程期间切割喷嘴和待加工的工件之间的间距的测量。
为了应对所述磨损原因的消极结果，已知的是通过操作人员手工地检查切割喷嘴。然而，这造成了激光加工机的长时间的和高成本的停止运行时间。此外，相应的操作人员必须具有相应的经验，以便能够可靠地执行检查。
此外，由EP 1 211 015 B1已知了一种开头所述类型的方法。根据一种用于切割喷嘴的磨损控制装置，借助于摄像机单元产生来自被照明的切割头的图像信号并且然后接着分析处理所述图像信号。然而，借助于这种对拍摄的图像信号的传统的分析处理不能检测到影响气流的磨损原因。可靠地评估切割能力是不可能的。
发明内容
因此本发明的任务在于，给出一种开头所述的方法以及一种用于执行这种方法的激光加工机，该激光加工机克服了现有技术的缺点。特别是应该通过根据本发明的方法或根据本发明的激光加工机来提高或改善在激光切割时的过程安全性和过程质量。
该任务通过开头所述类型的方法来解决，该方法的特征在于，根据三维的切割喷嘴形状来求取切割喷嘴的磨损状态。
与根据本发明的方法和根据本发明的激光加工机相关的优点基本上在于，根据所述三维的切割喷嘴形状求取到的磨损状态包括关于切割喷嘴的三维形状的深度信息(也就是说关于切割喷嘴的深度轮廓的信息或者换句话说关于切割喷嘴的表面形状的信息)，并且因此可以准确得多地判断切割喷嘴的切割能力。所述更准确地判断涉及运行期间切割喷嘴形状的由磨损引起的三维变化对切割气流的影响。通过检测所述三维的切割喷嘴形状可以有利的是，例如量化该切割喷嘴上的切口、喷出物或附着物并且可以干预该切割喷嘴的磨损状态的求取。借助于根据本发明的方法能够以比目前客观的方式和方法来判断所述切割喷嘴的磨损状态。基于求取到的磨损状态可以判断：是否需要更换喷嘴。根据本发明，切割喷嘴形状理解为切割喷嘴的整体的表面形状，即包括气体通道、切割前端、喷嘴外锥等的切割喷嘴的整体三维表面几何形状。磨损状态特别是理解为三维的切割喷嘴形状与该切割喷嘴形状的原始状态(额定状态)的偏差。
此外优选地求取所述磨损状态，其方式是，将切割喷嘴形状的通过三维地分析处理所确定的实际状态与切割喷嘴形状的额定状态相比较。为了确定切割喷嘴的实际状态可以例如由摄像机装置的一个或多个摄像机记录通过三维的分析处理来计算或推导出(例如以CAD数据的形式的)切割喷嘴的三维实际形状作为实际状态。接着可以将以这种方式计算的实际形状与(例如同样以CAD数据的形式的)切割喷嘴的额定形状相比较。接着可以由实际形状与额定形状的偏差或实际状态与额定状态的偏差来求取磨损状态。额定形状或额定状态是典型地预先已知的并且存储在分析处理单元的存储器中。
优选的是，无接触地(例如通过光学测量所述切割喷嘴表面形状)检测所述三维的切割喷嘴形状。关于三维的切割喷嘴形状的(即关于切割喷嘴的深度轮廓的)信息例如可以通过共焦显微镜来光学地测量。
这种方法的优选的变型方案包括下述方法步骤：借助于照明装置来照明切割喷嘴；借助于摄像机装置来拍摄被照明的切割喷嘴；通过分析处理所拍摄的摄像机记录来求取切割喷嘴的磨损状态；其中，为了检测三维的切割喷嘴形状，照明装置和摄像机装置相互间如此布置，使得根据通过三维地分析处理所述摄像机记录所获得的关于切割喷嘴形状的信息来求取磨损状态。由于三维地分析处理摄像机记录的原因，以这种方式求取到的磨损状态同样包含关于所述三维的切割喷嘴形状的深度信息。
优选地根据一个或多个下述不同的照明方案来实现对三维的切割喷嘴形状的检测：
一方面，切割喷嘴通过所述照明装置以结构化的光(特别是利用光截面法)来照明。通过以结构化的光来照明可以使得三维的切割喷嘴形状对于用于三维地分析处理的摄像机装置是可检测的。作为结构化的光，例如可以使用一个或多个直线(光截面法)或者一个点(三角测量法)或者伪随机分布的点云(随机图样方法)来照明并且以三角测量角度来观测。优选的是，借助于一个或多个以三角测量角度来入射的光截面由摄像机装置来拍摄三维的切割喷嘴表面形状，该光截面作为照明线投射到该切割喷嘴上。通过在切割喷嘴朝着测量装置同时横向运动时沿着光截面连续地检测深度轮廓，可以无缝地检测到该切割喷嘴的3D表面形状(深度轮廓)。在此，例如通过摄像机装置的观测可以垂直于切割喷嘴或切割喷嘴前端来实现，并且通过照明装置的照明可以为此以锐角来实现。可替换地，例如通过照明装置的照明也可以垂直于切割喷嘴来实现并且通过摄像机装置的观测为此以锐角来实现。原则上，所述摄像机装置可以以其光轴和/或所述照明装置可以以其光轴也相对于切割喷嘴或相对于切割喷嘴前端以任意角度来布置或者定向。为了在所观测的Z位置(深度信息)改变时准确成像，在此可以考虑对象和摄像机装置之间的莎姆角(Scheimpflugwinkel)。三角测量角度典型地定义为观测方向和照明方向之间的角度。
另一方面，切割喷嘴通过照明装置根据反射光暗视场照明的方式来照明。在此，通过对切割喷嘴侧向地照明仅仅照明了切割喷嘴上的凹进部或凸出部。
此外可能的是，切割喷嘴通过布置在切割喷嘴纵轴线中的照明装置根据反射光明视场照明的方式来照明。在反射光明视场照明的一个优选的变型方案中，切割喷嘴通过照明装置从一个角度范围来照明，该角度范围基本上相应于摄像机装置的数值孔径或者小于摄像机装置的数值孔径。通过遵循这个角度范围使切割喷嘴被高的辐射质量几乎垂直地照明，从而其取向不允许照明反射到摄像机装置中的那些切割喷嘴表面区域显得比其取向能够实现直接反射到摄像机装置中的那些切割喷嘴表面区域要暗。因此，同样可以识别和分析处理所述切割喷嘴形状的凹进部和/或凸出部。
优选地，三维的切割喷嘴形状同时通过至少两个照明方案来检测，从组中选择所述照明方案，所述组包括：利用光截面法的照明方案、根据反射光暗视场照明的方式的照明方案、或者根据反射光明视场照明的方式的照明方案。通过至少两个根据本发明的照明方案的组合可以获得对遭受磨损的切割喷嘴的切割能力的更准确的判断。理解为，根据本发明的照明方案也可以与已知的方法组合：所述方法对切割喷嘴进行二维地分析处理。
在根据本发明的方法的另一个优选的变型方案中，三维的切割喷嘴形状通过扫描该切割喷嘴来检测。这种扫描可以例如通过机械的器件以接触的方式(借助于针形的探测元件)来实现。可替换地，这种扫描也可以无接触地通过电器件、特别是电容器件来实现。
优选地检测所述切割喷嘴前端的三维形状。以这种方式可以非常准确地求取磨损状态，因为切割喷嘴的由磨损引起改变的几何形状对切割气体引导(即切割喷嘴上的流动情况)进而对切割喷嘴的切割能力的影响尤其显著。
此外，所述任务通过一种用于执行根据本发明的方法的激光加工机来解决，该激光加工机包括：激光加工头，其具有布置在该激光加工头上的切割喷嘴；用于检测所述三维的切割喷嘴形状的传感器单元，该传感器单元具有分析处理单元，该分析处理单元被编程用于根据所述三维的切割喷嘴形状来求取该切割喷嘴的磨损状态。
附图说明
本发明的主题的其他的优点和有利的构造方案由说明书、权利要求书和附图得出。前述的特征以及还进一步解释的特征自身地或者多个地以任意组合同样可以得到应用。所示的和所述的实施方式不应理解为最终的列举结果，而是更确切地说具有用于描述本发明的示例性特征。附图的视图极其示意性示出根据本发明的主题并且不应理解为是按正确比例示出。
附图中：
图1a，1b示出切割喷嘴的横截面图和正视图；
图2示出以光截面法照明的切割喷嘴；
图3示出根据暗视场照明方式照明的切割喷嘴；以及
图4示出根据明视场照明方式照明的切割喷嘴。
在附图的下述说明中对于相同的或功能相同的部件使用相同的标号。
具体实施方式
在图1a、1b中示出的切割喷嘴1用于激光切割工件。切割喷嘴1具有通过三维的表面几何形状表征的切割喷嘴形状2，此外该切割喷嘴形状由切割喷嘴1的切割前端3、切割喷嘴1的喷嘴外锥4以及切割喷嘴1的气体通道5限界。
在激光切割期间，由于磨损典型地出现所述切割喷嘴1上的缺陷。切割喷嘴1的由磨损引起的第一缺陷可以是切割喷嘴材料中的三维的缺陷部位6、例如通过掠过的或者反射回到的激光辐射引起的烧灼部或者由于切割喷嘴1与工件碰撞引起的划痕。由磨损引起的其他缺陷可以是切割喷嘴前端3上的三维的材料沉积部7、例如加工的工件材料的熔化物的附着渣或者溅出物。此外，气体通道5的几何形状的狭窄部8或者气体通道5的烧灼部9同样是切割喷嘴1的由磨损引起的缺陷，该狭窄部例如由切割喷嘴1与工件或者其他构件的碰撞而引起。所有前述的缺陷为最初的切割喷嘴形状2的变化部，所述变化部根据当前的磨损状态可能会以消极的方式影响激光切割过程。因为一方面这些缺陷改变了切割喷嘴1上的流动情况，从而通常不再实现均匀的切割结果，并且另一方面所述缺陷也妨碍了对于调节切割过程关系重大的、切割喷嘴1和工件之间的间距的检测。
在图2中示出具有激光加工头11的激光加工机10，该激光加工头具有根据图1的切割喷嘴1以及用于检测所述三维的切割喷嘴形状2的传感器单元12。传感器单元12包括：构造为用于产生激光-光截面16的激光器13的照明装置，用于照明所述切割喷嘴1；摄像机装置14，用于拍摄经照明的切割喷嘴1；分析处理单元15。为了求取所述切割喷嘴1的当前的磨损状态，执行具有下述方法步骤的方法：
为了检测所述三维的切割喷嘴形状2、特别是检测所述切割喷嘴前端3的三维形状，在第一方法步骤中借助于激光器13以光截面法来照明所述切割喷嘴1。为此，所述光截面16通过激光器13产生并且以所谓的三角测量角度α(例如α＝45°)投射到切割喷嘴1上，从而该切割喷嘴1上显现出构造为激光线的照明线。为了检测所述三维的切割喷嘴形状2，激光器13和摄像机装置14相应于彼此布置，即摄像机装置14以其光轴17相对于切割喷嘴前端3以90°的角度来布置，并且激光器13相对于切割喷嘴前端3或相对于切割喷嘴1以三角测量角度α来布置。在另一方法步骤中，借助于摄像机装置14拍摄经照明的切割喷嘴1，即投射的激光线被摄像机装置14接收。接着，在另一方法步骤中求取所述切割喷嘴1的磨损状态，其方式是三维地分析处理所拍摄的摄像机记录，即其方式是由摄像机记录来获得或者通过图像处理来计算出关于所述三维的切割喷嘴形状2的信息。
由摄像机记录可以即基于已知的三角测量角度α在三角学上计算出沿着激光线的所有点的Z坐标(即垂直于摄像机投影面的坐标)作为关于所述三维的切割喷嘴形状2的信息。分析处理单元15被编程用于，通过这种对摄像机记录的三维地分析处理来获得关于所述三维的切割喷嘴形状2的信息(特别是Z坐标)并且根据所述信息来求取该磨损状态。通过计算出的关于所述三维的切割喷嘴形状2的信息(例如以三维坐标的形式)可以确定所述切割喷嘴形状2的实际状态并且将该实际状态与切割喷嘴形状2的额定状态相比较。通过实际状态与额定状态之间的比较可以倒推出切割喷嘴1的磨损状态。如果求取到的磨损状态超过了预定的或者允许的值，那么可以促使更换切割喷嘴。
所述磨损状态的求取特别是根据切割喷嘴材料中的三维的缺陷部位6和/或根据切割喷嘴1上的三维的材料沉积部7和/或根据切割喷嘴气体通道5的几何形状来求取。所述缺陷部位6、材料沉积部7以及几何形状变化部8、9是实际状态与额定状态的偏差。为了根据切割喷嘴气体通道5的几何形状来求取所述磨损状态，例如可以考虑所述气体通道5的直径的尺寸或者该气体通道的圆度。例如通过与工件的碰撞或者通过前述的溅出物和附着物可能会出现与直径原始尺寸的偏差或者与原始额定几何形状的偏差。为了检测完整的三维的切割喷嘴形状2，传感器单元12和切割喷嘴1(特别是沿着平行于切割前端3的方向18)能相对彼此移动地布置。因此可以通过由激光器13投射的激光线相对于切割喷嘴1的相对运动来驶过且检测整个切割喷嘴形状2。
在图3中所示的激光加工机10中，两个构造为反射光暗视场照明装置的照明装置19设置用于照明所述切割喷嘴1。相应地，在用于检测所述三维的切割喷嘴形状2的方法中，在第一方法步骤中所述切割喷嘴1通过照明装置19根据反射光暗视场照明的方式来照明。为此，切割喷嘴1被侧向的照明锥20照明，这些照明锥相对于切割喷嘴前端3的平面21以大约15°的入射角度β来朝着切割喷嘴1取向并且优选地包围所述切割喷嘴1。为此，照明装置19和摄像机装置14相应于彼此地布置，即摄像机装置14以其光轴17相对于切割喷嘴前端3以大约90°的角度来布置，并且照明装置19以其光轴22相对于切割喷嘴前端3的平面21以角度β＝15°来布置。因此，在反射光暗视场中能够看到与平面21存在偏差的三维的缺陷和不平处(凹进部6或凸出部7)。在反射光暗视场照明中，照明锥20这样定向，使得从切割喷嘴1直接反射的辐射不射到摄像机装置14上，而是仅仅在不平处上偏转的辐射(例如散射的、衍射的或者折射的辐射)到达该摄像机装置14。在下一个方法步骤中，以这种方式被照明的切割喷嘴1由摄像机装置14拍摄，并且根据通过三维地分析处理摄像机记录所获得的关于切割喷嘴形状2的信息来求取磨损状态。在通过分析处理单元15分析处理所述反射光暗视场摄像机记录时，例如可以通过静态的或者动态的临界值或者通过边缘检测算法(例如Canny算法)提取出被照明的区域。
最后图4示出激光加工机10，其中，不同于前述的附图中的是：设有构造为反射光明视场照明装置(例如二极管激光器)23的并且布置在切割喷嘴纵轴线24中的照明装置，用于照明所述切割喷嘴1。在用于检测所述三维的切割喷嘴形状2的方法中，在第一方法步骤中，切割喷嘴1至少部分地通过反射光明视场照明装置23从一个角度范围(以高的辐射质量垂直地)照明，该角度范围基本上相应于摄像机装置14的数值孔径。为了检测所述三维的切割喷嘴前端3，不仅反射光明视场照明装置23而且摄像机装置14为此以它们的光轴17相对于切割喷嘴前端3以90°的角度相互朝向地布置。在切割喷嘴1上由磨损造成的缺陷和不平处、特别是切割喷嘴前端3上存在的缺陷(该切割喷嘴前端的凸出部或者凹进部与经垂直照明的切割喷嘴前端3的平面21存在偏差)使照明光不直接反射回摄像机装置14，而是至少部分地沿着不再能够被摄像机装置14检测到的方向反射。在下一个方法步骤中拍摄的、经照明的切割喷嘴1的摄像机记录中，由此三维的缺陷显现出是暗的(或者较暗的)并且因此区别于平的(或无瑕疵的)切割前端3。在最后的方法步骤中，可以根据通过三维地分析处理摄像机记录所获得的关于切割喷嘴形状2的信息来求取磨损状态。为了分析处理摄像机记录和求取磨损状态同样设有分析处理单元15。
不同于附图中所示地，三维的切割喷嘴形状2同时可以通过至少两个前述的照明方案来检测，即激光加工机10的传感器12可以例如包括：用于光截面照明和用于暗视场照明的唯一摄像机装置14；或者用于光截面照明的摄像机装置14和用于暗视场照明的摄像机装置14；以及用于光截面照明的照明装置13和用于暗视场照明的照明装置19。通过借助于不同的照明方案同时地(或平行地)观测可以进一步提高所述切割喷嘴1的磨损状态的求取的准确度。

Claims (16)

1.一种用于求取激光加工机的切割喷嘴(1)的磨损状态的方法，其特征在于，根据三维的切割喷嘴形状(2)来求取所述切割喷嘴(1)的磨损状态。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过将所述切割喷嘴形状(2)的通过三维地分析处理所确定的实际状态与所述切割喷嘴形状(2)的额定状态相比较来求取所述磨损状态。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的方法，其特征在于，根据切割喷嘴材料中的三维的缺陷部位(6)和/或根据切割喷嘴(1)上的三维的材料沉积部(7)和/或根据切割喷嘴气体通道(5)的几何形状来求取所述磨损状态。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，所述三维的切割喷嘴形状(2)通过光学测量、特别是通过照明所述切割喷嘴(1)来检测。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于以下方法步骤：
a)借助于照明装置(13；19；23)来照明所述切割喷嘴(1)，
b)借助于摄像机装置(14)来拍摄被照明的所述切割喷嘴(1)，
c)通过分析处理拍摄到的摄像机记录来求取所述切割喷嘴(1)的磨损状态，
其中，为了检测所述三维的切割喷嘴形状(2)，所述照明装置(13；19；23)和所述摄像机装置(14)相互间如此布置，使得根据通过三维地分析处理所述摄像机记录所获得的关于所述切割喷嘴形状(2)的信息来求取所述磨损状态。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，为了检测所述三维的切割喷嘴形状(2)，所述切割喷嘴(1)通过所述照明装置(13)以结构化的光、特别是利用光截面法来照明。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于，为了检测所述三维的切割喷嘴形状(2)，所述切割喷嘴(1)通过所述照明装置(19)根据反射光暗视场照明的方式来照明。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的方法，其特征在于，为了检测所述三维的切割喷嘴形状(2)，所述切割喷嘴(1)通过布置在切割喷嘴纵轴线(24)中的照明装置(23)根据反射光明视场照明的方式来照明。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述切割喷嘴(1)通过所述照明装置(23)从一个角度范围来照明，所述角度范围基本上相应于所述摄像机装置(14)的数值孔径或者小于所述摄像机装置(14)的数值孔径。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其特征在于，所述三维的切割喷嘴形状(2)同时通过至少两个照明方案来检测，所述照明方案选自下述组，所述组包括：利用光截面法的照明方案、根据反射光暗视场照明的方式的照明方案、或者根据反射光明视场照明的方式的照明方案。
11.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其特征在于，所述三维的切割喷嘴形状(2)通过扫描所述切割喷嘴(1)来检测。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，检测所述切割喷嘴前端(3)的三维形状。
13.一种用于执行根据前述权利要求中任一项所述的方法的激光加工机(10)，其包括：
-激光加工头(11)，所述激光加工头具有布置在该激光加工头上的切割喷嘴(1)，以及
-用于检测所述三维的切割喷嘴形状(2)的传感器单元(12)，所述传感器单元具有分析处理单元(15)，所述分析处理单元(15)被编程，用于根据所述三维的切割喷嘴形状(2)求取所述切割喷嘴(1)的磨损状态。
14.根据权利要求13所述的激光加工机，其特征在于，所述传感器单元(12)包括：照明装置(13；19；23)，用于照明所述切割喷嘴(1)；摄像机装置(14)，用于拍摄被照明的所述切割喷嘴(1)；其中，所述分析处理单元(15)被编程，用于通过三维地分析处理所述摄像机记录来获得关于所述三维的切割喷嘴形状(2)的信息并且根据所述信息来求取所述磨损状态。
15.根据权利要求13或14所述的激光加工机，其特征在于，为了检测所述三维的切割喷嘴形状(2)，所述传感器单元(12)和所述切割喷嘴(1)能够相对彼此移动地布置。
16.根据权利要求14或15所述的激光加工机，其特征在于，所述照明装置构造为用于产生激光-光截面(16)的激光器(13)和/或构造为反射光暗视场照明装置(19)和/或构造为反射光明视场照明装置(23)。
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