具体实施方式

在下文中，除非另有说明，相同和等同的元件将使用相同的附图标记。

图1示出了根据本公开的实施例的激光加工系统100的示意图。激光加工系统100包括加工头101、例如激光切割或激光焊接头。

激光加工系统100包括用于提供激光束10(也称为“激光束”或“加工激光束”)的激光设备110和用于测量测量值、例如工件1与加工头101(例如喷嘴)之间的距离的测量装置。加工头或喷嘴包括开口212，激光束10通过所述开口212从加工头101发射。

根据实施例，激光加工系统100或其部件、例如加工头101可沿着加工方向20可移动。加工方向20可以是激光加工系统100(例如加工头101)相对于工件1的切割或焊接方向和/或移动方向。特别是，加工方向20可以是水平方向。加工方向20也可以被称为“进给方向”。

激光设备110可包括用于将激光束10耦入加工头的光纤端137和用于准直激光束10的准直器光学器件112。在加工头101内，激光束10通过合适的光学元件或光学器件103向工件1的方向偏转或反射约90°。测量装置可具有用于将光学测量光束13耦入加工头101内的光纤端138。光学元件103、例如半透明镜可配置成允许例如从工件1反射回来的光穿射至测量装置。光学测量光束和激光束可具有不同的波长，使得只有后向反射的测量光到达测量装置。当然，激光束10的耦入点可与测量光束13的耦入点互换，使得测量光束向工件偏转90°，半透明镜103反射测量光束波长。

测量装置可配置为能够确定到工件1的距离。由此，加工头与工件表面之间的距离或布置在加工头端部处的喷嘴与工件表面之间的距离可以保持恒定。在加工过程中，能将距离保持得越恒定，加工过程就越稳定。

测量装置可以包括相干层析成像器120或者可以是相干层析成像器120。相干层析成像器120可包括具有宽带光源(例如，超发光二极管，SLD)的评估单元130，所述评估单元将测量光耦入光波导132中。在优选地包括光纤耦合器的分束器134中，测量光通常被分到参考臂136和经由光波导的光纤端138引入加工头101中的测量臂中。相干层析成像器120还可包括准直器光学器件122，所述准直器光学器件122配置为能够对光学测量光束13进行准直。准直器光学器件122可集成到加工头101中或安装在加工头101上。此外，准直器光学器件112或122可用于在预先的调整步骤、例如手动调整中，使测量光束13和激光束10的光轴相对于彼此同轴地在聚焦光学器件124(图1)的区域内对准。为此，准直器光学器件112或122可设计成在x和y方向上可移位，即垂直于激光束10和测量光束13的光轴可移位。

在加工头101中，还设有配置为能够将激光束10和/或光学测量光束13聚焦到工件1上的聚焦光学器件124。聚焦光学器件124可以是用于激光束10和测量光束13的共同聚焦光学器件、例如聚焦透镜。

在一些实施例中，激光束10和光学测量光束13可至少区段性地平行或甚至同轴，特别是可至少区段性地同轴叠加。例如，相干层析成像器120可配置为能够将光学测量光束13耦入激光设备110的光束路径中。光学测量光束13和激光束10的合并可发生在准直器光学器件122的下游和聚焦光学器件124的上游。替代地，测量光束13的光束路径和激光束10的光束路径大体上是分开引导的，并且仅在准直器光学器件122的下游和聚焦光学器件124的上游合并或者仅在聚焦光学器件124的下游和激光加工头101的开口上游合并。激光束10的光束轴和测量光束13的光束轴在开口212附近可以是平行的甚至是同轴的，并且优选地垂直于工件表面。

本文所述的距离测量原理是基于光学相干层析成像的原理，使用干涉仪利用光的相干特性。为了进行距离测量，光学测量光束13被引导到工件1的表面2上。从所述表面反射回来的测量光由聚焦光学器件124成像到光波导138的出口/入口表面上，在光纤耦合器134中与从参考臂136反射回来的光叠加，然后被引导回到评估单元130。叠加的光包含关于参考臂136与测量臂之间的路径长度差的信息。该信息在评估单元130中被评估，由此用户获得关于工件表面与加工头101之间的距离的信息。

测量装置可配置为用于激光束相对于开口的居中对准。为了使激光束10在开口212中居中地定位，测量光束13的光束路径中的测量光学器件可以通过调整装置在垂直于测量光束13的光束轴的平面中移位。当垂直于其光轴移位时，测量光学器件可配置为能够相应地使测量光束13移位。例如，测量光学器件可包括光纤端138、准直器光学器件122和聚焦光学器件124中的至少一个。替代地，测量光学器件也可设计成可枢转。

例如，当光学测量光束13被引导通过测量光学器件时，测量光学器件自动移位。由此，测量装置可记录基于测量光束13的反射的测量信号或测量值。测量装置可以将测量值转换为距离。

可将针对测量光学器件的不同位置或针对测量光学器件的每个位置的相应的测量值或距离相对于测量光学器件的相应位置作图。这形成了局部信号分布，由此可得出开口的中心：如果测量光束没有射入开口212，则光学测量光束13可能会在加工头中被反射。相反，如果测量光束13通过开口212被引导至表面上、例如引导至工件1上或引导至对中基体上并被反射，则测量值急剧增大。由测量值确定的距离可对应于到工件1或到对中基体的距离。这种方法特别适用于其中激光束和测量光束耦合在一起的激光加工头，如下文参照图5所述。

因此，当测量光学器件在相互垂直的两个方向x、y上移位时，可以记录与开口212的形状或横截面相对应的信号分布，从而可以确定测量光学器件的与信号分布的中央或中心相对应的位置。测量光学器件在所述两个方向中的一个或每一个上的移位路径或调整路径的尺度可使得在该方向上能够设定下述位置：测量光学器件的第一位置，在该位置处，测量光束不从开口212中射出或测量光束在加工头中被反射；以及测量光学器件的第二位置，在该位置处，测量光束穿过开口被引导到表面上、例如被引导到工件或对中基体上，并被反射。此外，测量光学器件的第三位置可以是能被设定的，在该位置处，测量光束也在加工头中被反射或者不从开口射出。测量光学器件的第三位置可以在加工头中相对于开口212与第一位置相反。当测量光学器件在一个方向上移位时，可以按顺序相继通过第一和第二(以及可选的第三)位置。在任何情况下，测量光学器件在x和/或y方向上的移位路径可配置为使得开口212的边缘可以在测量光学器件的x和/或y移位时的测量值中表示出来，即，测量光学器件在x和/或y方向上存在具有与到表面的距离相对应的测量值的设定和那些不具有测量值或具有不同于到表面的距离的测量值的设定。

测量光学器件可以是共同光学元件，即测量光学器件可布置在激光光束10和测量光束13的共同光束路径中，并且配置成能够在垂直于其光轴移位时使激光束10和测量光束13相应地移位。在这种情况下，测量光学器件也是激光光学器件，或者测量光学器件和激光光学器件由共同光学元件实现。因此，基于测量值，可以确定共同光学元件的与激光束居中对准相对应的位置。举例来说，共同光学元件可包括或可以是聚焦光学器件、准直器光学器件和/或发射出激光束和测量光束的光纤端。替代地，在激光束10和测量光束13的光束路径分开的情况下，除了测量光束13的光束路径中的测量光学器件外，还可提供激光束10的光束路径中的激光光学器件，以将激光束10居中地定位在开口212中，所述激光光学器件可通过调整装置在与激光束10的光束轴垂直的平面中被调整。激光光学器件可包括例如聚焦光学器件、准直器光学器件和/或发射出激光束的光纤端。激光光学器件配置为能够通过相应地使激光光学器件垂直于激光束10的光轴移位而使激光束10移位。由此，可根据基于测量光学器件在测量光束的光束路径中的移位的测量值来确定激光光学器件的对应于激光束居中对准的位置。这样，激光束10或测量光束13可在激光加工头中以简单且自动化的方式进行居中对准。

参照图2，更详细地描述了根据一个实施例的用于设定激光束10和测量光束13相对于激光加工头101的壳体210的开口212的居中对准的方法。为此，可以使用图1或图5所示的激光加工系统。根据本公开，提供了一种通过在测量光学器件移位时测量光学测量光束13的反射来进行居中对准的简化方法。可通过调整装置(未示出)自动地和/或电机驱动地执行测量光学器件的移位或调整。然后，激光束10的居中对准的设定可以通过设定相应的共同光学元件在共同的光束路径中的位置或通过设定激光束的光束路径中的激光光学器件通过调整装置(未示出)自动地和/或电机驱动地进行。在下文中，将参照激光束和测量光束的共同光束路径中的共同光学元件，示例性地说明激光加工系统或激光束的居中对准方法。但是，本发明并不限于此，而是在光束路径分开的情况下，除了测量光束的光束路径中的测量光学器件外，还可在激光束的光束路径中设置用于激光束居中对准的激光光学器件。

在一个示例中，共同光学元件、在该情况下为聚焦光学器件124在垂直于激光束10或测量光束13的光束轴的平面内在x和y两个方向中的至少一个方向上移位，由此，如图2中上部示例性地示出的那样，对于x方向上的移位，测量光束13(不同的虚线)的光束轴也在这个方向上移位。在聚焦光学器件124移位的同时，基于光学测量光束13的反射、例如在加工头的壳体210内或工件表面2上的反射，确定对于聚焦光学器件124的每个位置而言的测量值。在一个实施例中，在此基于光学测量光束13从工件表面2的反射以及从参考臂136后向反射的光来确定到工件1的距离d1。如果光学测量光束13没有穿过开口212，则不会得到测量值，或者至少不会得到与距离d1相对应的测量值。在此，到工件1的距离d1可以是已知的。然而，如果测量光束13至少部分地穿过开口212，则针对聚焦光学器件124的相应位置X(见图2的中部)得出与距离d1相对应的测量值。当聚焦光学器件124垂直于光束轴在x和y方向上移位时，开口212的形状可以通过测量值的分布来映现，其中心M对应于聚焦光学器件124的用于使测量光束13居中对准的位置(见图2的下部)。因此，聚焦光学器件124的用于使测量光束13在x方向上居中对准的位置可以确定为在其上获得距离信号的x移位段的中央。同样的情况也适于用于y方向上的居中对准的位置。

由于整个开口212可以在测量信号的分布中映现，因此可以选择具有任何直径的开口。因此，无论选择什么样的喷嘴进行加工，都可以执行居中对准的方法。

对于激光束10和测量光束13的同轴路线，共同光学元件(在该情况下为聚焦光学器件124)的用于使测量光束13居中对准的确定位置也对应于共同光学元件的用于使激光束10居中对准的位置。特别是，在图5所示的示例性实施例中，激光束10和测量光束13通过光纤同轴地耦入加工头或加工头的加工光学器件中，就是这种情况。替代地，激光束10的光束轴可以以已知的方式、例如以已知的x和/或y偏置，相对于测量光束13的光束轴平行地偏置。

然而，在根据图1的激光加工系统的实施例中，测量光束13和激光束10在两个不同的位置处耦入加工头或加工光学器件中。因此，激光束10的位置可能无法从测量光束13的几何位置自动推导出来。在这种情况下，例如，可能需要烧入部310，从而激光束10相对于开口212的几何位置变得可见或可测量。这将通过参照图3A和3B的示例来解释。

在第一步骤中，激光加工头可移动到一个位置x、y和z(相对于机床坐标系)，光束对中将在该位置处进行。该位置可以是在基体、例如工件1或单独的对中站的表面O上。在此，z方向表示平行于开口212区域内的激光束轴的方向，x和y方向在垂直于此的平面内延伸。在第二步骤中，激光束10持续限定的时间以限定的参数引燃至表面O上。如图3A和3B所示，在表面O上产生了一个空间结构，即所谓的烧入部310，所述烧入部至少在x、y平面内能够几何地检测到。在光束对中操作期间，激光加工头的位置至少在x、y方向上可保持不变。然后，通过测量光学器件的移位，使光学测量光束13在x-y平面内偏移、例如栅格式地偏移，以便扫描开口212、表面O和烧入部310(形貌测量)。其它形式的用于扫描的运动也是可设想到的，例如圆形、螺旋形、蜿蜒形、之字形等。因此，在每个x、y坐标处，都会产生测量值、即距离值。在图4A和图4B中，示意性地示出了在烧入部310的位置附近的相应地在x方向和y方向上测量的测量值变化曲线。由信号急剧上升或下降所对应的点X1和X2得出正好位于两者中央的中心X3。烧入部310的位置X4或烧入部的中心可确定为位置X1和X2之间的测量值的极值、即最小值或最大值的位置。中心X3与烧入部的位置X4之间的距离形成偏置ΔX。针对Y方向进行同样的计算。有了偏置ΔX和ΔY，现在可通过设定激光光学器件的相应位置，将激光束10对中在开口212的中心。

激光加工系统100的另一个实施例在图5中示出，其中，激光束10和光学测量光束13一起并进而同轴地通过共同的光纤131的光纤端238耦入激光加工头101或耦入加工光学器件。来自激光源的激光束10和测量装置的测量光束13可例如经由耦合单元140、例如光纤耦合器引入到光纤131中。激光束10和测量光束13同轴地穿过加工头101的光学器件，例如准直器光学器件222和聚焦光学器件224。这具有下述优势，由于测量光束13的光学信息使得能够直接推导出激光束10的位置，因此光束对中无需位于表面O上的烧入部。因此，测量光学器件和激光光学器件形成为位于共同的光束路径中的共同光学元件。因此，共同光学元件也可借助于相应的定位来使激光束10居中地对准。与上文所述类似地，测量光束13在x和y方向上在至少四个位置处扫描开口的内部几何形状。例如，测量光束13的偏移通过测量光学器件或共同光学元件在x和y方向上(垂直于光轴)移位来进行。首先，测量光束13例如在+x方向和-x方向上偏移(X1和X2)。由此，确定中心X3，并相应地使测量光束13在X方向上在该位置对中。然后，从X3点开始，类似地确定y方向上的中心，并使光束在y方向上在该位置对中。现在，测量光束13和激光束10都相对于开口121居中地定位。在一个示例中，共同的聚焦光学器件124可作为共同光学元件移位。然而，替代地或附加地，共同的准直器光学器件122和/或激光束和测量光束一起从中射出的光纤131的光纤端可作为共同光学元件移位(参见图5)。

图6示出了用于使激光束在加工头中居中对准的方法400的流程图。所述方法400可由本公开的加工头或激光加工系统来执行。此外，加工头可配置为能够执行根据本公开的方法400。

所述方法400在方块410处包括：提供具有壳体210的加工头101，所述壳体210具有用于从加工头101发射激光束的开口212。在方块420处，光学测量光束13被引导到位于加工头101的光束路径中的测量光学器件上。同时，在方块430处，在与测量光学器件的光轴垂直或与测量光束13的光束轴垂直的至少一个方向x和/或y上调整测量光学器件。在方块440处，根据基于光学测量光束13的在测量光学器件在所述至少一个方向x和/或y上的不同位置的情况下的反射的测量值，确定激光光学器件的与激光束10在所述至少一个方向x和/或y上居中对准相对应的设定。当测量光学器件和激光光学器件由布置在激光束和测量光束的共同光束路径中的共同光学元件形成，并且所述共同光学元件配置为能够使测量光束和激光束的光束轴移位时，所述设定可包括共同光学元件的与激光束10在相应的方向上的居中对准相对应的位置。在方块450处，设定激光光学器件的与激光束10的居中对准相对应的设定，即，例如，共同光学元件124的位置。

在此，所述方法400可包括另外的步骤：例如，如图7所示，方块430中的调整测量光学器件可包括步骤431和/或432，方块440中的确定激光光学器件的与激光束10的居中对准相对应的设定、例如共同光学元件的位置包括步骤441和/或442。在步骤431中，通过使位于测量光束13的光束路径中的测量光学器件(例如聚焦光学器件124)仅在x方向上移位，由光学测量光束13在该x方向上、即在与测量光学器件的光轴或测量光束的光束轴垂直的第一方向上扫描开口212。为此，例如，测量光束可首先在+x方向上偏移，然后在-x方向上偏移(以开口中心为坐标原点)。在步骤441中，由X方向上的测量值分布确定分布中心X3。在步骤432中，通过使测量光学器件在y方向上移位，由光学测量光束13在y方向上、即在垂直于测量光学器件的光轴或测量光束的光束轴的第二方向上扫描开口212。为此，例如，测量光束可首先在+y方向上偏移，并且在-y方向上偏移(以开口中心为坐标原点)。在步骤442中，由测量值分布确定y方向的分布中心Y3。相对于在x方向和y方向上依次扫描，替代地，步骤421和422也可以重叠进行，从而通过并行地或同时地在x和y方向上扫描测量光束来进行形貌测量。

在测量光束和激光束同轴地耦入加工头的情况下，如图5所示，分布中心X3或Y3的x位置或y位置可对应于激光束在x或y方向上的居中对准位置。当测量光束13独立于激光束10耦入加工头中时，例如在图1中所示，附加地可如上所述地考虑到偏置，所述偏置是已知的或由烧入处理确定。为此，方法400可包括：在方块420之前的借助于激光束10将烧入部310烧入到表面O中的步骤，以及例如在方块440中或之前的基于烧入部310的位置X4和Y4确定x和y方向上的偏置ΔX和ΔY(参见图3B、4A和4B)。

根据本发明，具体说明了一种激光加工系统和用于激光加工系统的方法，其中，通过光学相干层析成像，可实现激光束的简单且精确的居中对准。在一个优选实施例中，激光束的居中对准以自动化的过程进行，其中，通过电机使测量光学器件在与测量光学器件的光轴垂直的平面中移位，以用测量光束扫描加工头的出口开口，并由此确定激光光学器件的与居中对准相对应的位置。由此，可避免居中对准的繁琐和人工过程，并且可提高精度。