[發明專利]用于確定高能射束焦點位置的設備和方法

有效

• 申請號: 201380077102.7
• 申請日: 2013-09-13
• 公開（公告）號: CN105246636B
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: B·雷加阿爾德
• 申請（專利權）人: 通快機床兩合公司
• 主分類號: B23K26/046
• 分類號: B23K26/046
• 代理公司: 永新專利商標代理有限公司72002
• 代理人: 曾立

技術領域

本發明涉及一種用于確定高能射束、特別是激光射束在高能射束的射束方向上相對于工件和/或相對于設備的基準輪廓的焦點位置的設備。本發明也涉及到一種用于確定高能射束、特別是激光射束在高能射束的射束方向上相對于工件和/或相對于設備的基準輪廓的焦點位置的方法，所述設備具有用于將高能射束聚焦到工件上的聚焦元件。對于這個設備例如可以涉及到加工頭、特別是激光加工頭。

背景技術

對于工件加工來說，用于工件加工的高能射束的焦點位置或焦點平面位置是重要的參數。在高能射束的傳播方向上的焦點平面位置或焦點位置的地點取決于：聚焦元件前面的高能射束的發散或匯聚；對于所使用的高能射束(準確地說對于高能射束的波長范圍)或在使用激光射束的情況下對于其工作波長而言，聚焦元件的焦距。

一般來說，高能射束的發散或者匯聚可良好地控制，并且，在基礎調節后僅經歷一些微小的變化。然而，在射束功率大的情況下并且特別是在采用二氧化碳-激光輻射的情況下重要的是：聚焦元件在工件加工期間的焦距變化。如果使用透鏡作為聚焦元件，則因透鏡的不均勻發熱和冷卻而形成了徑向的溫度梯度，所述溫度梯度導致了透鏡的折射率n的變化，所述折射率取決于徑向坐標(也就是說n＝n(r))。在工件加工時的折射率變化典型的方式導致了焦距縮短(這稱之為熱透鏡)。因此，聚焦透鏡的實際焦距f_FL此外是照射功率P_L和射束形狀(例如射束直徑D_R)、聚焦透鏡的污染程度和時間的函數：f_L＝f(P_L,D_R,t,…)。因此，為了在工件加工期間確定焦點位置或者焦點平面的位置，一般來說需要考慮聚焦元件的實際焦距。

此外，用于確定在射束方向中的高能射束的焦點位置已知的是：采用合適的測量裝置進行測量光路或者說射束焦散面，或者，如情況可能只在射束縮腰(Strahltaille)附近檢測輻射功率。這也可能的是，在聚焦元件與工件之間具有多種不同選擇的間距的情況下，分別切削工件并且根據這個切削剖面寬度推斷出相對于工件的焦點位置。但是，上文說明的可能性以典型的方式不允許在線(on-line)、也就是說在工件加工期間檢測焦點位置。

從WO 2011/009594 A1中已經知道采用激光射束加工工件用的激光加工頭。激光加工頭具有用于觀測工件加工范圍的配備有成像光學系統的攝像機以及用于將激光射束聚焦到工件表面上或者與工件表面有關定義的位置上的聚焦透鏡。另外，WO 2011/009594 A1說明了一種分析處理裝置，所述分析處理裝置構造成用于，根據在光軸方向上的成像光學系統的調節行程(所述調節行程是必要的)用以在聚焦透鏡焦點位移時又清晰地調節攝像機圖象，用以計算出校正-調節行程，所述校正-調節行程補償聚焦光學系統相對于工件表面或者與工件表面有關定義的位置上的焦點位移。

DE 10 2010 017 316 A1說明了一種系統，所述系統具有焊接設備，所述焊接設備如此設置，使得在工件上堆焊出焊道。這個系統可以具有多個攝像機，所述攝像機對準焊道并且如此設置，使得產生相應數量的圖象。一控制裝置根據該圖象產生出焊道的立體圖象并且在立體圖象的基礎上調節焊道堆焊參數。代替多個攝像機也可以使用單個的攝像機，以便從兩個不同的遠景或者視向拍攝圖象以及進行圖象差別分析或者以便產生出立體圖象。

從DE 10 2005 032 946 A1中已知一種采用激光射束加工對象的設備，所述設備具有用于對象成像的觀測裝置以及激光-掃描裝置。為了在準備模式中立體地觀測對象，所述觀測裝置可以構造為具有兩個成像光路和兩個目鏡的立體顯微鏡。通過光學的耦合裝置可以在激光-掃描裝置工作時也可以通過同一目鏡密切追蹤加工過程的進程。

在DE 10 2011 016 519 A1中說明了一種用于控制采用高能加工射束加工工件的方法和設備，在所述方法中，加工射束穿過透鏡，所述透鏡為了使加工射束入射到工件上的入射點位移可以垂直于其光軸運動。在一示例中，配備有用于產生可電子分析處理的圖象的監測攝像機，其成像光路通過透鏡聚焦到入射點。