本發(fā)明涉及一種用于在工件的熱輔助刺穿時(shí)進(jìn)行刺穿識別的方法，在所述方法中，所述工件被加載有第一交變信號。

此外，本發(fā)明涉及一種用于在工件的熱輔助刺穿時(shí)進(jìn)行刺穿識別的裝置，所述裝置具有用于產(chǎn)生第一交變信號的交變信號發(fā)生器。

背景技術(shù)：

工件的熱切割通常通過經(jīng)過聚焦的激光射束和氣體射流的組合使用來實(shí)現(xiàn)。在此根據(jù)分離機(jī)理在激光射束-熔化切割、激光射束-汽化切割或者激光-火焰切割之間進(jìn)行區(qū)分。廣泛傳播的是所述激光射束-熔化切割。在此通過下述方式實(shí)現(xiàn)材料分離：材料通過激光射束在切割前部區(qū)域中的加熱功率熔化并且通過切割氣體射流的同時(shí)的脈沖傳輸而從切縫中排出。高功率激光器、尤其co2激光器、纖維激光器、片狀激光器和二極管激光器被使用，其中大多數(shù)使用圓偏振或者非偏振激光射束（zirkularpolarisierteoderunpolarisiertelaserstrahlung），以避免在輪廓切割時(shí)吸收特性中的方向依賴性。

在刺入過程或者刺穿過程中，在所述工件中產(chǎn)生第一孔。在此，通常利用激光射束僅以脈沖運(yùn)行的方式工作，以便盡可能快速地、同時(shí)卻盡可能受保護(hù)地刺入到材料中。對所實(shí)現(xiàn)的刺穿的識別是難以解決的。在手動編程的刺入過程中，對于工件類型和工件厚度的每種特定的情況來說，將刺入?yún)?shù)包括典型的刺入持續(xù)時(shí)間保存在數(shù)據(jù)庫中。但是由于不可預(yù)見的材料偏差和工序中的變化，所述刺入持續(xù)時(shí)間在此必須設(shè)有時(shí)間上的安全緩沖（sicherheitspuffer）。所述安全緩沖應(yīng)當(dāng)確保：在生產(chǎn)運(yùn)行中刺入開始與切割之間的時(shí)間不被選擇得過短并且不生產(chǎn)廢料。但是如果時(shí)間過長，那么不必要地延長了用于加工的總時(shí)間，并且盡管刺入過程原本已經(jīng)結(jié)束仍向所述工件中引入其他工序能量。該能量可能改變材料的特性并且使可再生地維持不變的切割質(zhì)量變得困難。

用于自動地識別所實(shí)現(xiàn)的刺穿的裝置避免了該缺點(diǎn)。該裝置例如擁有光學(xué)傳感器，所述光學(xué)傳感器檢測在刺入過程中所反射的光線并且將反射光線在閾值之上的變化解釋為所述刺入過程的結(jié)束。但是，光學(xué)傳感器的使用需要一定的結(jié)構(gòu)空間。此外，要么所述傳感器布置在所述工件的近旁，從而使得所述傳感器在分離條件下承受高的熱負(fù)荷，要么所述傳感器相對于分離工序以一定的間距來布置，這導(dǎo)致不利的信噪比，從而使得所述傳感器的信號通常必須得到增強(qiáng)。此外，光學(xué)傳感器具有下述缺點(diǎn)：在輻射過程中存在影響因素，所述影響因素改變傳感器信號，所述影響因素例如是噴嘴直徑。

de102010039525a1描述了另一種途徑，由de102010039525a1公開了用于根據(jù)開頭所提及的類型進(jìn)行刺穿識別的方法和裝置。為了自動地識別所述刺穿使用了電容式間距傳感器，如所述電容式間距傳感器也在切割過程期間用于無接觸的間距測量那樣并且在此確保在激光噴嘴與工件上側(cè)面之間的間距。在電容式間距測量系統(tǒng)中，金屬間距傳感器和金屬工件形成可變的電容器，所述可變的電容器被連接到lc-諧振電路中。如果所述工件被加載有第一交變信號，那么通過傳感器與工件之間的間距來確定該電容器的電容。在所述刺穿的區(qū)域中經(jīng)過所述工件時(shí)，由于突然的間距變化，所述間距傳感器探測到：在所述工件中已經(jīng)形成刺穿。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

在該方法中，所述刺穿識別基本上依賴于對lc-發(fā)生器-輸出信號中的振幅升高的檢測。但是，振幅大小被多個(gè)因素影響，例如被存在于所述諧振電路中的電阻和中間空間的大小影響，但是尤其被工件與傳感器（所述傳感器在下文中也被稱為“測量電極”）之間的間距影響。

所述lc-發(fā)生器-輸出信號通常具有背景噪聲。以下事實(shí)加劇了上述現(xiàn)象：在刺入時(shí)在所述工件的上側(cè)面上形成由加載的微粒構(gòu)成的等離子體罩。所述等離子體的形成引起了對測量電極與工件上側(cè)面之間的電容的干擾，這導(dǎo)致波動的電壓信號。對此的另一個(gè)原因在于脫離的材料組成部分，所述脫離的材料組成部分從刺入口拋向所述測量電極的方向。

這使得對所述刺穿的精確的、尤其提早的檢測變得困難。

因此，本發(fā)明基于以下任務(wù)，提供一種方法，所述方法實(shí)現(xiàn)對即將來臨的或者所實(shí)現(xiàn)的刺穿的提早的識別。

此外，本發(fā)明基于以下任務(wù)，提供一種用于實(shí)施所述方法的裝置。

關(guān)于所述方法，上面所提及的任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過一種方法得到解決，所述方法包括以下方法步驟：

a）檢測由所述第一交變信號在與所述工件間隔開的測量電極中所引起的第二交變信號；

b）在輸出相位偏移信號的情況下獲取第一交變信號與第二交變信號之間的相位偏移；并且

c）檢測所述相位偏移信號在預(yù)先給定的時(shí)間間隔內(nèi)關(guān)于時(shí)間的變化曲線或者由所述相位偏移信號所推導(dǎo)出的測量參量在預(yù)先給定的時(shí)間間隔內(nèi)關(guān)于時(shí)間的變化曲線；

其中借助于以下方面來識別所實(shí)現(xiàn)的工件刺穿：所述相位偏移信號在所述時(shí)間間隔內(nèi)處于預(yù)先給定的波動范圍之內(nèi)或者所述由所述相位偏移信號所推導(dǎo)出的測量參量在所述時(shí)間間隔內(nèi)處于預(yù)先給定的波動范圍之內(nèi)。

本發(fā)明基于以下構(gòu)思，盡可能提早地、優(yōu)選還在形成刺穿中就識別刺穿。與已知的利用lc-諧振電路的方法不同，舍棄了對振幅信號的分析。換言之，根據(jù)本發(fā)明應(yīng)用差分測量方法來進(jìn)行刺穿識別。在所述差分測量方法中，使用兩個(gè)信號并且確定所述兩個(gè)信號彼此的相位偏移，這兩個(gè)信號也就是測量信號和參考信號，所述測量信號由測量電極輸出，所述測量電極的測量信號參照所述參考信號。通過比較測量信號和參考信號的相位，產(chǎn)生所述相位偏移信號。這是經(jīng)過清理的分析信號，在所述經(jīng)過清理的分析信號中消除了測量誤差，并且所述經(jīng)過清理的分析信號具有特別好的信噪比。

為了該目的，所述工件首先被加載有時(shí)間上可變的信號（第一交變信號）。所述第一交變信號優(yōu)選是交變電壓信號u1（t）。所述第一交變信號在相對于所述工件以一定的間距布置的電極中產(chǎn)生第二交變信號、例如交變電流信號i1，φ（t），所述第二交變信號用作測量信號，并且所述第二交變信號相對于所述第一交變信號（參考信號）具有相位偏移。為了能夠盡可能精確地檢測所述相位偏移，將所述第一交變信號用作參考信號。所述相位偏移通過將所述第一交變信號與所述第二交變信號進(jìn)行比較來獲取。

已經(jīng)顯示出的是，所述相位偏移信號依賴于測量電極與所述工件之間所形成的電容。隨著所述測量電極與所述工件的間距的增大，所述相位偏移信號的量值增大。在測量電極與工件的間距恒定時(shí)，所述電容尤其由電介質(zhì)的介電常數(shù)確定。

等離子體罩在所述刺穿之前在測量電極與工件之間的中間空間形成，由于所述等離子體罩，所述電介質(zhì)的組成并且由此測量電極的組成并且由此所述相位偏移信號都持續(xù)地變化。如果所述等離子體罩消失，那么所述電介質(zhì)的組成不再變化并且所述相位偏移信號恒定。如果所述相位偏移信號在預(yù)先給定的時(shí)間間隔之內(nèi)處于預(yù)先給定的波動范圍之內(nèi)，那么這用作所實(shí)現(xiàn)的刺穿的指示。

已經(jīng)證明的是，用作參考信號的第一交變信號為了獲取所述相位偏移而首先倒相，第一交變信號的和第二交變信號的振幅彼此相配合并且相適應(yīng)，并且所述第一交變信號和所述第二交變信號隨后相加。在這種情況下，只要不存在相位偏移，那么第一交變信號和第二交變信號抵消。但是如果存在相位偏移，那么獲得相位偏移信號，所述相位偏移信號的大小和方向依賴于所述相位偏移。所述相位偏移信號在測量電極與工件的間距變化時(shí)并且在所述電介質(zhì)由于中間空間中的等離子體形成部變化時(shí)發(fā)生變化。

為了避免由于間距變化而導(dǎo)致的相位偏移信號的錯(cuò)誤，所述測量電極在熱輔助刺穿期間優(yōu)選與所述工件保持恒定的工作間距。

在此有利的是，在熱刺穿之前，利用保持在工作間距的測量電極來確定初始-相位偏移信號值，并且所述預(yù)先給定的波動范圍包括所述初始-相位偏移信號值。

優(yōu)選在所述激光射束作用到所述工件之前獲取所述初始-相位偏移信號值。

所述初始-相位偏移信號處于所述預(yù)先給定的波動范圍之內(nèi)，確切地說理想地處于所述預(yù)先給定的波動范圍的中心。就此而言，下述處理方式是優(yōu)選的，在所述處理方式中，所述預(yù)先給定的波動范圍具有與所述初始-相位偏移信號值相對應(yīng)的平均值，其中所述預(yù)先給定的波動范圍處于關(guān)于所述平均值±5%到±15%的范圍內(nèi)。

已經(jīng)證明的是，根據(jù)方法步驟c）來檢測所述相位偏移信號在所述預(yù)先給定的時(shí)間間隔內(nèi)的方差，所述方差被作為所推導(dǎo)出的測量參量。

但是，考慮到特別低的噪聲和高的測量精度，已經(jīng)證明為特別有利的是，根據(jù)方法步驟c）來檢測所述相位偏移信號在所述預(yù)先給定的時(shí)間間隔內(nèi)的關(guān)于時(shí)間的第一導(dǎo)數(shù)并且將所述第一導(dǎo)數(shù)用作所推導(dǎo)出的測量參量。

此外，也能夠借助于本發(fā)明來識別還沒有實(shí)現(xiàn)但是即將來臨的刺穿并且必要時(shí)對其作出反應(yīng)。該可行方案基于：所述等離子體罩能夠在所述刺穿過程的進(jìn)程中和所述刺入口中材料熔化增加的進(jìn)程中完全或者部分地消失。由此改變所述等離子體罩對所述相位偏移信號的影響，所述相位偏移信號因此向明顯更高和更低的電壓偏移。該現(xiàn)象尤其在具有更大的材料厚度的工件的情況下變得明顯，通常在10mm以上的材料厚度中變得明顯。所述偏移向更高的還是向更低的電壓進(jìn)行，依賴于工件厚度并且依賴于材料類型。

考慮到上述情況，在特別優(yōu)選的處理方式中規(guī)定，在所述工件的熱輔助刺穿時(shí)借助于加工單元實(shí)現(xiàn)向刺入口中的能量輸入，并且以下述方式實(shí)現(xiàn)對所述刺穿的監(jiān)控：當(dāng)根據(jù)方法步驟c）所檢測的關(guān)于時(shí)間的變化曲線在預(yù)先給定的時(shí)間間隔內(nèi)超過預(yù)先給定的最大波動范圍時(shí)，或者當(dāng)在根據(jù)方法步驟c）的關(guān)于時(shí)間的變化曲線中檢測到峰值處于預(yù)先給定的最大峰值之上時(shí)，改變向所述刺入口中的能量輸入。

在此，向所述刺入口中的能量輸入在刺穿即將來臨時(shí)被降低或者提高。如果所述能量輸入被降低，那么所述工件受到保護(hù)并且獲得更加干凈的刺穿。如果所述能量輸入被提高，那么所述刺穿過程得到加速。

能夠改變向所述刺入口中的能量輸入，其方式為：縮小或者增大加工單元與工件的間距。但是，該措施也改變了所述相位偏移信號，從而對所述能量輸入的改變優(yōu)選通過其他措施來實(shí)現(xiàn)。

對于所述加工單元包括激光器的情況來說例如已經(jīng)證明的是，改變向所述刺入口中的能量輸入，其方式為：改變所述激光器的聚焦位置、脈沖頻率、功率和/或占空比。

與之相反，如果所述加工單元包括切割燒嘴，那么也能夠通過下述方式來改變向所述刺入口中的能量輸入，其方式為：提高或者降低氣體壓力、優(yōu)選提高或者降低切割氣體壓力。

引入具有向所述刺入口中的降低的能量輸入的相位可能導(dǎo)致通報(bào)使用者，以便向使用人員以視覺或者聽覺的方式示出改變了的條件，從而能夠在錯(cuò)誤解釋的情況下手動地進(jìn)行干預(yù)。

關(guān)于用于在工件的熱輔助刺穿時(shí)進(jìn)行刺穿識別的裝置，上面所提及的任務(wù)根據(jù)本發(fā)明通過對開頭所提及的類型的裝置的改進(jìn)得到解決，所述裝置包括：與所述工件間隔開的測量電極，所述測量電極用于檢測由所述第一交變信號所引起的第二交變信號；相位鑒別器，所述相位鑒別器用于獲取所述第一交變信號與所述第二交變信號之間的相位偏移，所述相位鑒別器輸出相位偏移信號，并且其中電子電路被設(shè)置用于檢測所述相位偏移信號關(guān)于時(shí)間的變化曲線或者由所述相位偏移信號所推導(dǎo)出的測量參量關(guān)于時(shí)間的變化曲線并且以下述方式來設(shè)計(jì)：當(dāng)所述相位偏移信號或者所述由所述相位偏移信號所推導(dǎo)出的測量參量在預(yù)先給定的時(shí)間間隔內(nèi)處于預(yù)先給定的波動范圍之內(nèi)時(shí)，鑒定為工件刺穿。

所述裝置實(shí)現(xiàn)了對即將來臨的或者所實(shí)現(xiàn)的刺穿的提早的識別。為此設(shè)置了交變信號發(fā)生器，所述交變信號發(fā)生器適用于產(chǎn)生第一交變信號，能夠利用所述第一交變信號來加載所述工件。所述第一交變信號優(yōu)選是交變電壓信號u1（t）。所述第一交變信號在相對于所述工件以一定的間距布置的電極中產(chǎn)生第二交變信號，所述第二交變信號利用測量電極來檢測，所述測量電極與所述工件具有間距。所述第二交變信號、例如交變電流信號i1，φ（t）和所述第一交變信號u1（t）作為測量信號施加在相位鑒別器處，所述相位鑒別器輸出所述相位偏移信號，從所述相位偏移信號中能夠推導(dǎo)出兩個(gè)信號的相位偏移。已經(jīng)顯示出的是，所述相位偏移依賴于由所述測量電極和所述工件所形成的電容。在測量電極與工件的間距恒定時(shí)，所述電容尤其由所述電介質(zhì)的介電常數(shù)確定。

因?yàn)樵谒龃檀┲霸跍y量電極與工件之間的中間空間中形成等離子體，所以所述電介質(zhì)的組成發(fā)生變化，并且由此由測量電極和工件所形成的電容發(fā)生變化。通過改變了的電容實(shí)現(xiàn)了對所述相位偏移信號的改變。在實(shí)現(xiàn)刺穿時(shí)，所述等離子體罩消失，并且所述相位偏移信號恒定。因此，所述電子電路以下述方式來設(shè)計(jì)：使得所述電子電路監(jiān)控所述相位偏移信號關(guān)于時(shí)間的變化曲線，并且當(dāng)所述相位偏移信號在預(yù)先給定的時(shí)間間隔期間處于同樣預(yù)先給定的波動范圍之內(nèi)時(shí)，所述電子電路作為對所實(shí)現(xiàn)的刺穿的指示來評估所述相位偏移信號關(guān)于時(shí)間的變化曲線。

所述測量電極接近于真正的切割工序，這對信噪比產(chǎn)生有利的影響。所述裝置尤其被設(shè)計(jì)用于實(shí)施根據(jù)本發(fā)明的方法，從而使得與此有關(guān)的闡述也適用于根據(jù)本發(fā)明的裝置。

附圖說明

在下文中，本發(fā)明借助于實(shí)施例和附圖得到進(jìn)一步描述。其中詳細(xì)地示出了：

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的用于刺穿識別的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出了第一曲線圖，在所述第一曲線圖中示出了相位偏移信號依賴于時(shí)間的情況；

圖3示出了第二曲線圖，在所述第二曲線圖中示出了相位偏移信號依賴于時(shí)間的情況；

圖4為了闡述用于刺穿識別的方法而以時(shí)間的順序示出了由工件和用于刺穿識別的裝置構(gòu)成的組件在刺穿之前、刺穿期間和刺穿之后的情況；

圖5示出了具有根據(jù)本發(fā)明的用于刺穿識別的裝置和屏蔽元件的激光切割頭；

圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的用于刺穿識別的裝置的示意圖，所述裝置也能夠用于切割斷裂識別；

圖7示出了在切割斷裂的情況下圖6的示意圖的截取區(qū)段；

圖8示出了曲線圖，在所述曲線圖中示出了相位偏移-直流電壓-信號在切割過程中依賴于時(shí)間的情況。

具體實(shí)施方式

在圖1中示意性地示出的用于刺穿識別的裝置總共配備有附圖標(biāo)記20。裝置20包括交變信號發(fā)生器200、測量電極207，倒相器201、相位鑒別器202和電子電路250，所述電子電路被設(shè)計(jì)用于識別所實(shí)現(xiàn)的刺穿。

所述裝置20是激光切割機(jī)器的部分，并且所述裝置在對工件208進(jìn)行熱加工時(shí)用于監(jiān)控向所述工件208中的刺穿過程并且用于在所述刺穿過程期間操控所述激光切割機(jī)器。所述激光切割機(jī)器包括可動的激光加工單元（未示出）,所述激光加工單元具有激光切割頭209，在所述激光切割頭處固定有所述測量電極207。為了調(diào)設(shè)所述激光切割頭209與工件表面的預(yù)先給定的間距，設(shè)置了高度傳感設(shè)備（未示出），所述高度傳感設(shè)備確定所述激光切割頭209的位置和由此確定所述測量電極207的位置。

在下文中借助于所描述的激光切割機(jī)器來闡述根據(jù)本發(fā)明的方法。

在刺穿過程開始之前，在第一步驟中以下述方式將所述測量電極207定位在所述工件208上方：使得所述工件表面和所述測量電極207相對彼此具有大約下述間距，所述間距與在所述刺穿過程期間推測的稍后的工作間距相對應(yīng)。

所述交變信號發(fā)生器200產(chǎn)生交變電壓信號u1（t），所述交變電壓信號施加在所述工件208處。該交變電壓信號u1（t）及其電場引起：在所述測量電極207中產(chǎn)生第二交變信號，也就是交變電流信號i1，φ（t）。兩個(gè)交變信號u1（t）和i1，φ（t）具有相同的周期持續(xù)時(shí)間；但是，它們的區(qū)別在于相位，其中所述交變電流信號i1，φ（t）以角度φ為幅度相對于所述第一交變電壓信號u1（t）進(jìn)行相位偏移。相位偏移的大小在此尤其依賴于所述測量電極207與所述工件208的間距。

隨后，在第二步驟中基于實(shí)際的測量信號獲取相位偏移的初始值。該值在下文中被稱為“初始-相位偏移信號值”。為了獲取所述初始-相位偏移信號值，首先借助于所述倒相器201來使所述參考信號u1（t）倒相，即以180°為幅度進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)。所述倒相器201提供經(jīng)過相位旋轉(zhuǎn)的交變電流信號i1，inv（t）作為輸出信號。

作為輸入信號，在所述相位鑒別器202處不僅施加有所述經(jīng)過相位旋轉(zhuǎn)的交變電流信號i1，inv（t），而且還施加有經(jīng)過相位偏移的交變電流信號i1，φ（t）。如果所述交變電流信號i1，φ（t）和i1，inv（t）相對于彼此沒有相位偏移，那么所述交變電流信號在振幅大小相同的情況下完全抵消。但是在相位偏移的情況下，根據(jù)：i1，φ（t）超前還是滯后于i1，inv（t），產(chǎn)生正的或者負(fù)的相位偏移信號，所述相位偏移信號在此以直流電壓信號udc的形式作為所述相位鑒別器202的輸出信號而存在。所述信號的量值是相位角△φ的量度，所述信號i1，φ（t）、i1，inv（t）的相位的區(qū)別在于所述相位角。為了實(shí)現(xiàn)對所述信號i1，φ（t）、i1，inv（t）的簡單的比較，可選地對施加在所述相位鑒別器202處的信號中的至少一個(gè)信號進(jìn)行預(yù)先增強(qiáng)，以便使得兩個(gè)信號i1，φ（t）、i1，inv（t）的振幅大小彼此匹配。

如此獲取的初始-相位偏移信號值由所述電子電路250存儲并且隨后在考慮公差值的情況下用于確定預(yù)先給定的波動范圍，所述預(yù)先給定的波動范圍用于隨后的工件刺穿識別。機(jī)器控制部的高度傳感設(shè)備在此被解除激活，從而使得測量電極207與工件208之間的間距保持恒定。

在檢測到所述初始-相位偏移信號值之后，開始所述刺穿過程。在此，以激光射束的形式實(shí)現(xiàn)向稍后的刺穿的工件區(qū)域中的能量輸入。所述激光射束在所述激光切割頭中聚焦。通過向所述工件208中的能量輸入，該工件在稍后的刺穿的區(qū)域中被熔化。在此，在所述工件208的上側(cè)面上產(chǎn)生由電加載的微粒構(gòu)成的等離子體罩。該等離子體罩引起了測量電極207與所述工件208的上側(cè)面之間的電容的變化。此外，工件208相對于所述測量電極207的間距發(fā)生變化并且脫離的工件組成部分能夠朝所述測量電極207的方向加速。所有這些都促使：在所述刺穿過程期間，所述信號i1，φ（t）相對于所述參考信號i1，inv（t）的相位偏移持續(xù)地發(fā)生變化。因?yàn)闇y量電極207與所述工件208的上側(cè)面之間的電容由于可變的等離子體而隨著時(shí)間發(fā)生變化，所以在所述刺穿過程期間，獲得劇烈波動的相位偏移信號udc作為所述相位鑒別器202的輸出信號。

一旦實(shí)現(xiàn)了穿過所述工件208的刺穿，所述等離子體罩就消失，由此所述相位偏移信號突然變?yōu)閹缀鹾愣ǖ男盘栔怠Ｔ诖檀┲?，所述相位偏移信號的基本上恒定的信號值基本上與所述初始-相位偏移信號值相對應(yīng)，從而借助于所述相位偏移信號及其變化曲線不僅能夠根據(jù)所述值的恒定性而且能夠根據(jù)所述值的量值來可靠地識別刺穿。為此，由所述電子電路250檢測并且分析所述相位偏移信號在時(shí)間間隔內(nèi)關(guān)于時(shí)間的變化曲線。為了該目的，所述電子電路250以下述方式來設(shè)計(jì)：當(dāng)在由所述電子電路所分析的200ms的時(shí)間間隔內(nèi)所述相位偏移信號處于圍繞著所述初始-相位偏移信號值±10%的預(yù)先給定的波動范圍之內(nèi)時(shí)，識別出所實(shí)現(xiàn)的刺穿。

如果是這種情況，那么所述電子電路250例如輸出視覺的和/或聽覺的提示信號，并且所述電子電路而后從所述刺穿開始啟動切割過程，或者所述電子電路結(jié)束所述刺穿過程。

圖2示例性地示出了在使用圖1中的裝置的情況下在穿過實(shí)心材料刺穿時(shí)相位偏移-電壓信號udc（以v為單位）關(guān)于時(shí)間t（以秒為單位）的典型的變化曲線，所述實(shí)心材料由具有10mm的材料厚度的不銹鋼制成。

所述信號變化曲線總體上配備有附圖標(biāo)記10。在圖2的示圖中，所述信號變化曲線被劃分成多個(gè)區(qū)段a、b、c。區(qū)段a表示下述信號區(qū)段，所述信號區(qū)段與所述測量電極207到最初估計(jì)的工作高度上的移動相對應(yīng)。如果所述測量電極207已經(jīng)到達(dá)該工作高度，那么所述裝置提供恒定的相位偏移信號值，所述相位偏移信號值由所述電子電路250檢測作為初始-相位偏移信號值。在所述信號變化曲線10中，該恒定的信號值用附圖標(biāo)記11來表示。

所述信號變化曲線10的區(qū)段b表示所述刺穿過程。在此，尤其由于高電功率的耦合，在所述工件的上側(cè)面上產(chǎn)生等離子體罩，所述等離子體罩伴隨著電容變化和具有高噪聲的波動的相位偏移信號。

如果實(shí)現(xiàn)了所述刺穿（區(qū)段c），那么所述相位偏移信號明顯下降并且所述噪聲消失，從而探測到穩(wěn)定的、時(shí)間上大約恒定的相位偏移信號。

由此能夠借助于以下方面來識別所述刺穿：所述相位偏移信號10具有小的波動寬度，也就是在時(shí)間間隔內(nèi)、在預(yù)先給定的時(shí)間間隔內(nèi)處于預(yù)先給定的波動范圍之內(nèi)，并且能夠借助于以下方面來識別所述刺穿：所述相位偏移信號下降到所述初始-相位偏移信號值11。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在共同考慮的情況下共同提供了關(guān)于刺穿的相對快速并且可靠的結(jié)論。

為了預(yù)先給定所述波動范圍，考慮之前所獲取的初始-相位偏移信號值。該初始-相位偏移信號值在圖2中通過虛線12來表示并且為有待期望的目標(biāo)值提供了良好的近似值。在實(shí)施例中，所述預(yù)先給定的波動范圍處于圍繞著所述初始-相位偏移信號值±10%的范圍中。

圖3示出了所述相位偏移-電壓信號udc（以v為單位）的另一個(gè)關(guān)于時(shí)間t（以秒為單位）的變化曲線30，如所述相位偏移-電壓信號在刺穿由具有15mm的材料厚度的不銹鋼制成的實(shí)心材料時(shí)已經(jīng)被測量的那樣。

在此，所述測量電極（207）和所述激光切割頭最初已經(jīng)與所述工件表面保持固定的位置；也就是具有大約3.5mm的工作間距。所述相位偏移-電壓信號udc關(guān)于時(shí)間的變化曲線30能夠識別出三個(gè)區(qū)段x、y、z，所述三個(gè)區(qū)段在下文中進(jìn)一步得到描述。

區(qū)段x（對應(yīng)于圖2的曲線圖中的相位區(qū)段a）描述了所述相位偏移信號，如所述相位偏移信號在所述測量電極和所述激光切割頭移動到所述工作高度中時(shí)所獲得的那樣。區(qū)段x中的信號變化曲線與所述測量電極相對于所述工件表面的間距變化相關(guān)聯(lián)。

一旦到達(dá)所述工作高度和所述恒定的信號值11，那么開始向所述工件的刺穿區(qū)域中的能量輸入。為此使用脈沖式激光器，所述脈沖式激光器在占空比為25%和脈沖頻率為70hz的情況下具有4kw的功率。

由于所述能量輸入在所述工件表面上形成等離子體罩。如已經(jīng)在圖2中所描述的那樣，這導(dǎo)致具有高背景噪聲的波動的相位偏移信號。

但是，如果從所述區(qū)段y的整體來看該區(qū)段y，那么所述相位偏移信號在變化曲線中顯示出向更低的電壓的漂移。尤其能夠識別出兩個(gè)子域y1、y2，所述兩個(gè)子域的區(qū)別在于在其相位偏移平均值。在所述子域y1中，等離子體形成部基本上在所述工件表面處進(jìn)行。但是，隨著時(shí)間的推移，出現(xiàn)了所述刺穿區(qū)域中的材料熔化增加并且隨之出現(xiàn)了所述等離子體形成部和所述等離子體罩朝工件中心的方向進(jìn)行空間偏移。由此，所述等離子體罩對所述相位偏移信號的影響發(fā)生變化，從而使得該相位偏移信號向更低的電壓偏移（區(qū)域y2）。這種現(xiàn)象在具有更大的材料厚度的工件中表現(xiàn)得特別劇烈，通常在10mm以上的材料厚度中表現(xiàn)得特別劇烈。

所述相位偏移信號在區(qū)域y2中的變化能夠有利地用于對激光器的操控。通過在所述刺穿過程的進(jìn)程中所述等離子體罩在空間上朝向所述工件中心偏移這種方式，能夠在出現(xiàn)更大的相位偏移信號波動和/或相位偏移信號漂移的情況下匹配所述激光器的功率參數(shù)或者優(yōu)選以下述方式改變對所述激光器的操控：使得根據(jù)改變了的等離子體位置來追蹤激光器的聚焦位置。這例如能夠以下述方式實(shí)現(xiàn)：

a）降低工作高度，或者

b）優(yōu)選改變所述聚焦位置，例如使所述聚焦位置朝工件下側(cè)面的方向偏移。

作為替代方案，也能夠改變所述激光器本身的功率、所述激光器的脈沖頻率、占空比或者氣體壓力。

上述措施促使實(shí)現(xiàn)特別高的刺穿質(zhì)量。

在圖4a-4e中為了闡述用于刺穿識別的方法而以時(shí)間的順序示出了由工件和用于刺穿識別的裝置構(gòu)成的組件在刺穿之前、刺穿期間和刺穿之后的情況。

圖4a示出了由工件208和激光切割頭209構(gòu)成的組件，在所述激光切割頭處安置有測量電極207。圖4a中的組件檢測所述初始-相位偏移信號值。為此，所述激光切割頭209處于工作高度，沒有進(jìn)行向所述工件中的能量輸入。

在所述工件208處施加有交變電壓信號u1（t），所述交變電壓信號在所述測量電極207中產(chǎn)生經(jīng)過相位偏移的第二交變信號，也就是所述交變電流信號i1，φ（t）。兩個(gè)交變信號u1（t）和i1，φ（t）以所述初始-相位偏移信號值的獲取為基礎(chǔ)。

圖4b示出了該相同的組件在借助于激光射束400向所述工件208中進(jìn)行能量輸入期間的情況。在所述工件208的上側(cè)面404上已經(jīng)形成了等離子體罩210。所述等離子體罩210對所述交變信號u1（t）和i1，φ（t）的相位偏移有影響并且由此對所述相位偏移信號有影響。所述相位偏移信號作為所述間距a的量度在該方法步驟期間顯示出一定的噪聲，如例如在圖2中區(qū)段b或者在圖3中區(qū)段y中所示出的那樣。

如圖4c所示出的那樣，在所述刺穿過程期間，越來越多地形成向所述工件208中的刺入部403。在此，切割點(diǎn)401遠(yuǎn)離所述測量電極207朝工件下側(cè)面402的方向轉(zhuǎn)移。同時(shí)下述高度降低，所述等離子體罩210以所述高度伸出所述工件208的上側(cè)面404；表面上的間距a又變得更大。該過程伴隨著所述相位偏移信號的漂移。這種漂移例如可以在圖3、區(qū)段y2的相位偏移信號30中識別。如果在所述相位偏移信號中識別出漂移，那么能夠?qū)⑦@用作所述激光器的重新聚焦的基礎(chǔ)。

圖4d示出了圖4c中的組件，在所述組件中所述激光射束400的聚焦位置朝所述工件下側(cè)面402的方向偏移。這種聚焦位置的匹配具有下述優(yōu)點(diǎn)：獲得特別高的切割質(zhì)量。

在圖4e中實(shí)現(xiàn)了所述刺穿。所述激光射束400在所述刺穿的區(qū)域中無阻礙地經(jīng)過所述工件。

在圖5中詳細(xì)地示出了所述激光切割頭209。所述激光切割頭209細(xì)分成上部501和下部502。所述上部501與激光切割機(jī)器（未示出）的地線相連接。所述下部502包括切割噴嘴504和安置在所述切割噴嘴處的測量電極207。如果在工件208處施加有交變電壓，那么該交變電壓在所述測量電極207中產(chǎn)生經(jīng)過相位偏移的交變信號。因?yàn)樗黾す馇懈铑^209的上部與所述激光切割機(jī)器的地線相連接，所以必要的是：所述激光切割頭209的上部501和下部502通過絕緣部503彼此電分離。

所檢測到的相位偏移信號的精度可能被所述工件208的不規(guī)則性或者外部電容損害。不規(guī)則性在該意義下例如可能由工件棱邊、工件形狀或者工件的截取區(qū)段引起。外部電容例如可能在下述方面找到原因：在所述刺穿過程期間所述激光切割頭209的倒棱位置（fasenlage）并且由與此相關(guān)聯(lián)的所述激光切割頭209向所述工件208處的接近。該效應(yīng)可能損害對工件刺穿的精確的檢測。

為了使這種對測量結(jié)果、在此是所述相位偏移信號的影響最小化，所述激光切割頭209設(shè)有屏蔽元件506。所述屏蔽元件506構(gòu)造為屏蔽電極并且配屬于所述切割噴嘴504。所述屏蔽元件是錐狀的并且沿著所述切割噴嘴的側(cè)面包圍所述切割噴嘴504。這具有下述優(yōu)點(diǎn)：所述激光切割頭209也能夠布置在已經(jīng)經(jīng)過切割的內(nèi)輪廓上方或者布置在工件棱邊的近旁，而它們不會顯著損害所述測量結(jié)果。此外，所述激光切割頭209相對于所述工件208的位置能夠在所述刺穿過程期間被改變，而不會由此顯著損害對所述刺穿的檢測。

之前所描述的根據(jù)本發(fā)明的裝置能夠同時(shí)用于識別切割斷裂（schnittabriss）。例如，緊接著所述刺穿過程直接是切割過程。在這種情況下，所述裝置能夠用作切割斷裂識別裝置。

圖6示出了圖1中的根據(jù)本發(fā)明的裝置20的示意圖，所述裝置被用作切割斷裂識別裝置。

所述裝置20包括交變信號發(fā)生器200、測量電極207、倒相器201、相位鑒別器202、控制單元203以及三個(gè)獨(dú)立的電子電路204、205、206。

所述裝置20是激光切割機(jī)器（未示出）的部分，如所述激光切割機(jī)器例如用于切割由金屬優(yōu)選不銹鋼、鋁、銅或者黃銅制成的平坦的工件208那樣。

在下文中借助于上面所描述的激光切割機(jī)器來闡述所述切割斷裂識別方法。

首先所述工件208被加載有交變電壓信號u1（t）。為此，所述交變信號發(fā)生器200產(chǎn)生所述交變電壓信號u1（t），所述交變電壓信號施加在所述工件208處并且隨后被用作參考信號。

所述交變電壓信號u1（t）在所述測量電極207中引起交變電流信號i1，φ（t）。兩個(gè)交變信號u1（t）和i1，φ（t）具有相同的周期持續(xù)時(shí)間；但是，兩個(gè)交變信號的區(qū)別在于相位，其中所述交變電流信號i1，φ（t）以角度φ為幅度相對于所述第一交變電壓信號u1（t）進(jìn)行相位偏移。所述相位偏移的大小在此尤其依賴于所述測量電極207與所述工件208的間距。借助于所述測量電極207來檢測所述交變電流信號i1，φ（t）。

在正常的切割條件下，測量電極207與所述工件208之間的間距通過所述高度傳感設(shè)備——不考慮正常偏差——盡可能保持恒定。盡管由此引起的交變電流信號i1，φ（t）具有一定的噪聲，但是相對于所述參考信號u1（t）表現(xiàn)出時(shí)間上幾乎恒定的相位偏移。

為了獲取所述相位偏移，首先借助于所述倒相器201來使所述參考信號u1（t）倒相，即以180°為幅度進(jìn)行相位旋轉(zhuǎn)。所述倒相器201提供經(jīng)過相位旋轉(zhuǎn)的交變電流信號i1，inv（t）作為輸出信號。

作為輸入信號，在所述相位鑒別器202處不僅施加有所述經(jīng)過相位旋轉(zhuǎn)的交變電流信號i1，inv（t），而且還施加有所述經(jīng)過相位偏移的交變電流信號i1，φ（t）。所述相位鑒別器202還包含整流器。如果所述交變電流信號i1，φ（t）和i1，inv（t）相對于彼此沒有相位偏移，那么該交變電流信號在振幅大小相同的情況下完全抵消。但是在相位偏移的情況下，根據(jù)：i1，φ（t）超前還是滯后于i1，inv（t），產(chǎn)生正的或者負(fù)的相位偏移信號，所述相位偏移信號的形式為直流電壓信號udc。所述信號的量值是相位角△φ的量度，所述信號的相位的區(qū)別在于所述相位角。為了實(shí)現(xiàn)對所述信號的簡單的比較，可選地對施加在所述相位鑒別器202處的信號中的至少一個(gè)信號進(jìn)行預(yù)先增強(qiáng)（未示出），以便使得兩個(gè)信號的振幅大小彼此匹配。

隨后，由所述控制單元203將所述相位偏移信號udc與預(yù)先給定的上極限值和下極限值進(jìn)行比較。

在正常的切割運(yùn)行中通常不會超過或者低于所述極限值。但是，如果出現(xiàn)切割斷裂，那么在所述工件208的上側(cè)面上產(chǎn)生等離子體罩210。該等離子體罩210決定性地通過向所述工件208中的高功率峰值的耦合而產(chǎn)生。

圖7示出了在切割斷裂的情況下的激光切割頭209、所述工件208和所述等離子體罩210。在此所產(chǎn)生的等離子體罩210引起了測量電極207與所述工件208的上側(cè)面之間的電容的變化。此外，由于不再穿過材料的切縫，脫離的工件組成部分朝所述噴嘴或者說所述測量電極207的方向加速。由此引起所述信號i1，φ（t）和i1，inv（t）的改變了的相位偏移。因?yàn)闇y量電極207與所述工件208的上側(cè)面之間的電容由于可變的等離子體而隨著時(shí)間變化和波動，所以也獲得波動的相位偏移信號udc作為所述相位鑒別器202的輸出信號，所述相位偏移信號用于探測所述切割斷裂。為此，所述相位偏移信號由所述控制單元203針對超過上極限值或者低于下極限值來監(jiān)控。在超過或者低于相應(yīng)的極限值的情況下：

-借助于所述電子電路204來降低分離速度；

-借助于所述電子電路205來將所述測量電極調(diào)設(shè)到預(yù)先給定的固定的位置；并且

-借助于所述電子電路206來輸出視覺的和聽覺的警告信號。

圖8示例性地示出所述相位偏移-電壓信號udc在切割良好時(shí)（區(qū)段i）、在切割斷裂正在發(fā)生時(shí)（區(qū)段ii）和在實(shí)現(xiàn)切割斷裂之后（區(qū)段iii）關(guān)于時(shí)間的變化曲線。所述相位偏移信號用附圖標(biāo)記80來表示。

在所述切割斷裂之前，所述相位偏移信號80具有在所述切割過程期間普遍的噪聲。因此，區(qū)段i中的相位偏移信號1基本上恒定并且僅以圍繞著平均值微小的偏差波動。正在發(fā)生的切割斷裂導(dǎo)致區(qū)段ii中的相位偏移信號80躍起直到區(qū)段iii中的全振幅（vollausschlag）。

為了能夠有成效地反作用于正在發(fā)生的切割斷裂并且由此為了避免切割斷裂重要的是：盡可能提早地識別正在開始的切割斷裂。所述相位偏移信號的使用尤其在區(qū)段ii中實(shí)現(xiàn)了提早的切割斷裂識別。所述上極限值ulim,1和所述下極限值ulim,2以下述方式來選擇：使得所述上極限值和下極限值能夠?qū)崿F(xiàn)提早的識別。