[发明专利]用于确定高能射束焦点位置的设备和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定高能射束、特别是激光射束在高能射束的射束方向上相对于工件和/或相对于设备的基准轮廓的焦点位置的设备。本发明也涉及到一种用于确定高能射束、特别是激光射束在高能射束的射束方向上相对于工件和/或相对于设备的基准轮廓的焦点位置的方法，所述设备具有用于将高能射束聚焦到工件上的聚焦元件。对于这个设备例如可以涉及到加工头、特别是激光加工头。

背景技术

对于工件加工来说，用于工件加工的高能射束的焦点位置或焦点平面位置是重要的参数。在高能射束的传播方向上的焦点平面位置或焦点位置的地点取决于：聚焦元件前面的高能射束的发散或汇聚；对于所使用的高能射束(准确地说对于高能射束的波长范围)或在使用激光射束的情况下对于其工作波长而言，聚焦元件的焦距。

一般来说，高能射束的发散或者汇聚可良好地控制，并且，在基础调节后仅经历一些微小的变化。然而，在射束功率大的情况下并且特别是在采用二氧化碳-激光辐射的情况下重要的是：聚焦元件在工件加工期间的焦距变化。如果使用透镜作为聚焦元件，则因透镜的不均匀发热和冷却而形成了径向的温度梯度，所述温度梯度导致了透镜的折射率n的变化，所述折射率取决于径向坐标(也就是说n＝n(r))。在工件加工时的折射率变化典型的方式导致了焦距缩短(这称之为热透镜)。因此，聚焦透镜的实际焦距f_FL此外是照射功率P_L和射束形状(例如射束直径D_R)、聚焦透镜的污染程度和时间的函数：f_L＝f(P_L,D_R,t,…)。因此，为了在工件加工期间确定焦点位置或者焦点平面的位置，一般来说需要考虑聚焦元件的实际焦距。

此外，用于确定在射束方向中的高能射束的焦点位置已知的是：采用合适的测量装置进行测量光路或者说射束焦散面，或者，如情况可能只在射束缩腰(Strahltaille)附近检测辐射功率。这也可能的是，在聚焦元件与工件之间具有多种不同选择的间距的情况下，分别切削工件并且根据这个切削剖面宽度推断出相对于工件的焦点位置。但是，上文说明的可能性以典型的方式不允许在线(on-line)、也就是说在工件加工期间检测焦点位置。

从WO 2011/009594 A1中已经知道采用激光射束加工工件用的激光加工头。激光加工头具有用于观测工件加工范围的配备有成像光学系统的摄像机以及用于将激光射束聚焦到工件表面上或者与工件表面有关定义的位置上的聚焦透镜。另外，WO 2011/009594 A1说明了一种分析处理装置，所述分析处理装置构造成用于，根据在光轴方向上的成像光学系统的调节行程(所述调节行程是必要的)用以在聚焦透镜焦点位移时又清晰地调节摄像机图象，用以计算出校正-调节行程，所述校正-调节行程补偿聚焦光学系统相对于工件表面或者与工件表面有关定义的位置上的焦点位移。

DE 10 2010 017 316 A1说明了一种系统，所述系统具有焊接设备，所述焊接设备如此设置，使得在工件上堆焊出焊道。这个系统可以具有多个摄像机，所述摄像机对准焊道并且如此设置，使得产生相应数量的图象。一控制装置根据该图象产生出焊道的立体图象并且在立体图象的基础上调节焊道堆焊参数。代替多个摄像机也可以使用单个的摄像机，以便从两个不同的远景或者视向拍摄图象以及进行图象差别分析或者以便产生出立体图象。

从DE 10 2005 032 946 A1中已知一种采用激光射束加工对象的设备，所述设备具有用于对象成像的观测装置以及激光-扫描装置。为了在准备模式中立体地观测对象，所述观测装置可以构造为具有两个成像光路和两个目镜的立体显微镜。通过光学的耦合装置可以在激光-扫描装置工作时也可以通过同一目镜密切追踪加工过程的进程。

在DE 10 2011 016 519 A1中说明了一种用于控制采用高能加工射束加工工件的方法和设备，在所述方法中，加工射束穿过透镜，所述透镜为了使加工射束入射到工件上的入射点位移可以垂直于其光轴运动。在一示例中，配备有用于产生可电子分析处理的图象的监测摄像机，其成像光路通过透镜聚焦到入射点。