CN100471610C - 激光材料加工系统的集中控制结构 - Google Patents

Abstract

用于监控工件加工过程的装置、系统、和方法，包括引导入射激光束指向工件，并用光学探测器来测量作为入射激光束的结果的、由工件发射的信号。探测器基于光学信号产生至少两个信号。这个方法也包含基于两个输出的商和两个商之一的量值，使用光源监控器来测定工件加工过程的质量。

Description

激光材料加工系统的集中控制结构

有关申请

本申请是于2000年4月10日提交的U.S.S.N09/546,155的部份延续。本申请要求对U.S.S.N09/546,155申请的优先权，并整体引用在此作为参考。

技术领域

本发明涉及操作一个材料加工系统的集中控制结构。

发明背景

材料加工装置，诸如激光和等离子体弧光喷灯，被广泛地应用于金属材料的切割、焊接和热处理中。基于激光的装置通常包括一个喷管，气流和激光束通过它与工件相互作用。光束和气流均从喷管通过一个通气口喷出，并冲击到工件的一个目标区域上。激光束加热了工件。工件被加热，再结合气体和工件材料间的某种化学反应，就可以用来加热、液化和/或气化工件的一个选定的区域，这依赖于光束的聚焦点和能级而定。这个反应可以让操作者切割或是更改工件。

类似地，等离子体弧光喷灯通常包括一个其中装有电极的阴极块，一个在喷灯体内装有一个中心喷口的喷管，电气连接，冷却和弧光控制流体的通道，一个旋动环，用于在电极和喷管之间形成的等离子体腔中控制流体流动方式，以及电源装置。喷灯产生等离子体弧光，它是具有高温和高动量的等离子气的压缩了的、电离化的射流，它从喷管的通气口射出并冲击在工件上。喷灯中用的气体可以是惰性的(如氩、氮)也可以是活性的(如氧或者空气)。

通常希望任何材料的加工结果都具有高质量。例如：用激光和等离子体切割的截口的边缘应该是没有杂质、光滑的、直线的和均匀的。譬如说，由于激光加热工件的不均匀性、辅助气体和工件之间过分的化学反应，或是切割的碎片没有去除干净，这些因素引起的边缘不轨则性都应该尽量减小。

目前，CNC-控制的等离子体弧光或是激光切割系统的操作通常需要有几个人工参数调节以使工件加工结果获得预期的质量。因而，用户通常选取加工参数的一些保守数值以确保在操作条件下、在一个较宽的范围内加工的可靠性。折衷常常导致材料加工生产率的降低(例如，由于激光切割速率减小所致)。如果要用更有挑战性的加工参数，就需要有一个可靠的、自动化的方法来监控切割过程，它可以实时地警示用户切割质量降低。也需要这样的系统按操作条件的改变来调节，以维持最优化加工性能，即维持好的切割质量和最大的生产率。

发明内容

在一个方面，本发明涉及材料加工系统的一个控制结构。尤其是，在一个实施例中，本发明涉及激光束切割系统的一个集中控制结构，其中系统的“智能”被综合成一个单一的控制器。在另一个实施例中，本发明涉及等离子体弧光切割系统的一个集中控制结构，其中系统的“智能”被综合成一个单一的控制器。

在一个方面，本发明的特征在于控制综合的激光束系统的一个方法。按照该方法的一个实施例，将第一组加工参数输入到控制器中。基于第一组加工参数产生第二组加工参数。控制器至少提供一个命令信号给至少一个输助器件来控制由至少一个辅助器件所产生的一个输出参数。这至少一个辅助器件可以是一个能源，或是一个自动加工控制器。探测辅助器件产生的输出参数，基于被探测的输出参数来调节要提供给辅助器件的命令信号。

在另一个方面，本发明的特征在于控制综合的材料加工流系统的一个方法。在一个实施例中，材料加工流是激光束。在另一个实施例中，材料加工流是一个等离子体弧光。

至少一个辅助器件可以是自动加工控制器。可以探测从自动加工控制器喷出的气体的压强，基于这一压强可以调节提供给自动加工控制器的命令信号以控制气流。至少一个辅助器件可以是激光束的能源。可以探测由能源产生的、表示激光系统的能量束的一个反馈信号，基于这一反馈信号可以调节提供给能源的命令信号以控制激光系统的能量束。

至少一个辅助器件可以包括一个第一辅助器件和一个第二辅助器件。探测第一辅助器件产生的第一个输出参数，基于第一个输出参数可以调节提供给第二个辅助器件的命令信号。例如，第一个辅助器件可以是自动加工控制器，第二个辅助器件是激光束的能源。探测到从自动加工控制器排出的气体的压强，可以基于这一压强调节提供给能源的命令信号以控制激光束的能量。探测到由能源产生的、表示激光系统的能量束的一个反馈信号，基于这个反馈信号可以调节提供给自动加工控制器的命令信号以控制气流。换一种方式，第一个辅助器件可以是能源，而第二个辅助器件是激光高度控制器。探测到能源产生的反馈信号，基于这个反馈信号可以调节提供给激光高度控制器的命令信号以控制均衡。

在一个方面，本发明涉及用激光束监控工件的加工的一种方法。引导入射激光束指向工件，然后用光学探测器测量入射激光束引起的工件发射的至少一个信号。基于工件发射出的至少一个信号，探测器产生两个或者更多的输出。一个光源监控器基于两个或更多输出的比值和基于两个输出中至少一个的量值，可以决定工件加工的质量。在一个实施例中，两个输出中至少一个的量值可以是一个极大值。

本发明的各个实施例可以包括以下步骤：决定工件加质量包括基于两个输出的比值和两个输出中至少一个的量值确定出在查找表中的一个位置，接着在查找表的这个位置上提取一个质量数值。

在一种实施例中，探测器的两个输出可以包含光的第一谱带和光的第二谱带。在另一个实施例中，光的第一谱带可以包括比第二谱带低的光的波长带。在另一个实施例中，光的第一谱带可以是在约450nm和约650nm之间的谱带，而光的第二谱带可以是在约950nm和约1,150nm之间的谱带。

在一个实施例中，本发明的特征在于加工和监控工件的一种装置。这个装置包括引导一束入射激光束指向工件的光源。还包括一个光学探测器，用来测量工件对入射激光束响应后发射出的至少一个信号。光学探测器基于至少一个信号能够产生两个输出。本装置也包括一个光源监控器，它与光学探测器交流信息。光源监控器基于两个输出的比值和两个输出中至少一个的量值，能够决定工件加工的质量。

在本发明的各个实施例中，光源监控器基于两个输出的比值和至少其中之一的量值能够决定查找表中的一个位置，然后从查找表中的这一位置提取质量数值。在另一个实施例中，两个输出中至少一个的量值可以是极大值。

从以下的描述，以及从权利要求书中可以更清楚地了解以上所述和本发明的其他目的、方面、特征和优点。

附图说明

结合附图阅读以下描述的较佳实施例，可以更全面地理解本发明的上述和其他门的、特征和优点以及本发明自身，其中：

图1是一个自动化的等离子体弧光系统的示图。

图2是按照本发明的一个实施例的紧密耦合等离子体弧光系统的示图。

图3是流程图，示出按照本发明的一个实施例的控制器显示屏的层次。

图4是按照本发明的一个实施例的控制器显示屏的屏幕照像。

图5A是按照本发明的一个实施例所用的控制器中的参数形式的收藏库的屏幕照像。

图5B是按照本发明的一个实施例所用的控制器中改变消耗器屏幕的屏幕照像。

图6是方块图，说明按照本发明的一个实施例的闭路电源。

图7A是按照本发明的一个实施例的闭路电源的侧视图。

图7B是按照本发明的一个实施例的闭路电源的另一个侧视图。

图7C是按照本发明的一个实施例的闭路电源的顶视图。

图8是按照本发明的一个实施例的自动加工控制器的顶视图。

图9是方块图，说明按照本发明的一个实施例的自动加工控制器。

图10A是按照本发明的一个实施例的气流控制阀门按比例的横截面图。

图10B是按照本发明的一个实施例，从图10A中的A区域取出的部件分解图。

图11A是按照本发明的一个实施例的自动加工控制器的侧视图。

图11B是按照本发明的一个实施例的自动加工控制器的另一个侧视图。

图12A是按照本发明的一个实施例的自动加工控制器的另一个侧视图。

图12B是按照本发明的一个实施例的自动加工控制器的又一个侧视图。

图13是示图，说明按照本发明的一个实施例的喷灯高度控制器、电源和CNC之间的相互作用。

图14是方块图，说明按照本发明的一个实施例的喷灯高度控制器。

图15是流程图，说明按照本发明的一个实施例的紧密耦合的等离子体加工。

图16是流程图，说明按照本发明的一个实施例的部份程序执行。

图17是流程图，说明按照本发明的一个实施例的驱动系统的控制。

图18是流程图，说明按照本发明的一个实施例的喷灯高度控制的控制。

图19是流程图，说明按照本发明的一个实施例的电源的控制。

图20是流程图，说明按照本发明的一个实施例的自动加工控制的控制。

图21是按照本发明的一个实施例的材料加工装置的方块图。

图22A是按照本发明的一个实施例的加工头装配的截面图。

图22B是按照本发明的一个实施例所用的喷嘴的一个特写的截面示图。

图23是按照本发明的一个实施例的包括光源监控器的一个材料加工装置的方块图。

图24A是按照本发明的一个实施例的、用以监控由工件发射出的光束的材料加工装置的一个光学接收器的透视图。

图24B是本发明的激光切割头和光学接收器的一个实施例的横截面图。

图24C是按照本发明的一个实施例的气门的一个特写横截面示图。

图25是按照本发明的一个实施例，说明材料加工装置所执行的监控加工质量的探测系统。

图26是本发明中描写材料加工系统的一个实施例的数据曲线图。

图27是按照本发明的一个实施例的紧密耦合激光切割系统的示图。

发明内容

本发明涉及执行材料加工流的一个材料加工系统的集中控制结构，在该流中，系统的“智能”部份被综合成单一的控制器。集中控制结构消除了多余的硬件和软件，把整个系统综合起来，因此改进了性能，减少了运转时间。在一个实施例中，材料加工系统是一个等离子体弧光加工系统，它分配等离子体弧光作为材料加工流，并且包括集中控制结构。在此，把这种实施例称为紧密耦合等离子体弧光系统，或简称为等离子体弧光系统。在下面将要描述的另一个实施例中，材料加工系统是一个激光束加工系统，它分配一束激光作为材料加工流，并且包括集中控制结构。在此，把这个实施例称为紧密-耦合激光束系统，或简称为激光束系统。

参见图2，紧密-耦合的等离子体弧光系统10包括计算机数值化的控制器(CNC)12、显示屏13、电源14、自动化加工控制器16、喷灯高度控制器18驱动系统20、切割台22以及等离子体弧光喷灯24。

通常，在与运动相关的加工中，CNC12控制等离子体弧光喷灯24在切割台22上的运动，并控制切割过程的定时。在本发明中，CNC12不仅能够控制等离子体弧光喷灯24的运动，也能控制等离子体弧光系统10的其他部件的操作，以及其他切割过程。CNC12可以同时控制等离子体弧光系统10的各个部件。

CNC12与用户相互作用。CNC12允许用户选择或提供某些加工参数。基于用户的选择和/或输入，CNC12产生操作等离子体弧光系统10所需的其他加工参数。如后面图16所示，切割程序600提供喷灯运动和切割弧光操作的部份特定信息。CNC12命令电源14、自动加工控制器16、喷灯高度控制器18、和驱动系统20执行操作。CNC12也监控某些加工条件，以确定等离子体弧光系统10是否操作适当。根据监控的信息，需要时CNC12可以调节等离子体弧光系统10的其他部件的操作。将参考图3、4、5A-5B及15-20对CNC12作更加详细的描述。

电源14产生足以使气体电离的高频信号以产生等离子体弧光，以及维持弧光的直流信号。在本发明中，通常在电源中提供的所有智能和形成切割过程的调节控制都已经移动到CNC12和/或自动加工控制器16中去了。在接收了CNC发出的一个适当的命令信号时，电源14把一个输入信号转变为一个足以产生和维持等离子体弧光的输出信号。CNC12通过反馈机制控制电源14的几个部件，包括电源14产生的输出。参考图6和7A-7C，将对电源14作更加详细的讨论。

自动加工控制器16是设计来替代通常位于电源和/或气控组件处的手动气流控制的。自动加工控制器16包括比例气流控制阀门以控制切割气和屏蔽气的流速。或者，可以用伺服控制阀门来替代比例气流控制阀门。在一个实施例中，伺服控制阀门可以是一个双道、双气门充气的流控伺服阀，Victory Controls，LLC of Bristol，CT出售的型号为300106-001的阀。自动加工控制器16也包括压强传感器以测量切割气和屏蔽气的压强。这一压强信息提供给CNC12，然后需要时CNC12调节比例气流控制阀门来改变流速。自动加工控制器16的智能部分也位于CNC12中。参考图8-12，将对自动加工控制器16作更加详细的描述。

喷灯高度控制器18控制喷灯24和工件之间的间隔。然而，与通常喷灯高度控制器18不同的是，喷灯高度控制器18的智能移动到了CNC12之中。喷灯高度控制器18作为一个分开的伺服轴直接收CNC12控制，方式类似于常规等离子体弧光系统中的驱动系统20。基于在等离子体弧光喷灯24中测量到的弧光电压，CNC12对喷灯高度控制器提供一个命令信号以调节间隔。参考图13，14，对喷灯高度控制器18作更加详细的描述。

驱动系统20接收CNC发出的命令信号，使等离子弧光喷灯24在切割台22上沿x或y方向运动。切割台22支撑着工件。等离子弧光喷灯24安装在喷灯高度控制器18上，后者则安装在台架26上。驱动系统20使架台26相对于台22运动，并使等离子体弧光喷灯沿台架26运动。关于等离子体弧光喷灯24位置的信息则提供给CNC12。因此，CNC12允许相互响应，保持一个精确的切割路径。驱动系统20和切割台22的操作并不构成本发有的创造方面，而是熟悉本技术领域的人员所熟知的技巧。

计算机数值控制器

CNC12包括显示器、硬盘、微处理器、和随机存取存储器(RAM)。例如，显示器可以是一个摄像列(VGA)彩色双超旋转向列的(DSTN)液晶显示器(LCD)或者是一个有源矩阵变换电路薄膜晶体管(TFT)显示器。例如，CNC12可以包括2.1GB的硬盘，也可以再选取一个软盘驱动器。例如，微处理器可以是166MHz的奔腾

处理器。例如，CNC12可以包括32MB的随机存取存储器(RAM)。CNC12还可以包括用于切割(譬如，气体控制的)和运动逻辑(譬如，跟踪系统、指向标、复位)的界面信号的导线。运动逻辑可以包括跟踪系统的逻辑，它跟踪一个图样或部位来引导喷灯24。运动逻辑可以包括标记一个工件的逻辑。运动逻辑还可以包括把喷灯移动到原来位置的逻辑，为CNC12提供精确的位置信息。

CNC12的编制程序和操作是由菜单驱动的。图3给出了一个屏幕等级的例子。在图3所示的例子中，屏幕等级分为主屏、设置、和形状管理器。部分而言，主屏允许用户任意选择诸如信息文件应装载或保存，部分选项的选取，以及选定对紧密-耦合等离子体弧光系统10的手动操作。部分而言，设置屏幕允许选取切割参数，诸如所用的切割气体。部分而言，形状管理器允许用户从一个形状库中选取切割图案。CNC12包括给用户输入某些加工参数的一个图形用户界面。例如，用户可以提供关于电源类型、喷灯类型、待切割材料的类型、电流的设置、等离子体气和屏蔽气的类型、切割表面(如，在水上)、待切割材料的厚度、以及是否安装了如图4所示的消声器这一系列信息。用户还可以从参数化的形状库中用于切割的许多形状中选择任何形状，以及所需的尺寸。图5A中提供了一个参数化形状库的实例。

基于用户输入的加工参数，CNC12产生其他的加工参数。CNC12产生其他的加工参数。可以从工厂预先设定的数据库中，或者从用户定义的数据库中提供这些加工参数。产生的加工参数可以包括切割速率、截口的直径、设定弧光电压、切割高度、穿透的高度、以及传递失效时再试的次数。加工参数也可以包括在预流、点火、切割流、持续减少、关闭和流后期间的切割气和屏蔽气的压强设定。加工参数还可以包括对流后、供气、预流、清洗、穿透、缓行、持续减少延迟等各个时间间隔的设定。图4给出了对用户输入的加工参数响应而产生的其他加工参数。在接收到用户输入以启动等离子体弧光系统10，并产生启动等离子体弧光系统的操作所需要的所有参数时，CNC12执行软件程序来启动和控制等离子体弧光系统10的各个部件的操作。参考图15-20，将对软件程序作详细的讨论。

在一个实施例中，CNC12包括跟踪和记录消耗品寿命的数据库。例如，如果把新的电极或者喷嘴放入等离子体喷灯，则这个信息就提供给CNC12。数据库将记录消耗品变更的日期和时间，以及按分钟、穿透(pierces)、英寸和毫米来记录它维持多久。图5B给出了一个CNC提供的变更消耗品屏幕的实例。

电源

电源14的目的是结合电力和气体来产生切金属切割的电离化气体。图6给出了本发明的电源14的一个实施例。电源14的电力是由(图2所示的)CNC12所控制的，而气体供应则是由(图2所示的)APC16所控制的。

参看图6，电源14包括三相电源输入30。三相电源输入30与主接触器开关32电气互通。主接触器开关32是和主变压器34电气互通的。主变压器34是和直流功率组件电气互通的。直流功率组件可以是断续器、换流器或者可控硅整流器。在图6说明的实施例中，直流功率组件是第一断续器组件36和第二断续器组件38。第一断续器组件36与第二断续器组件38和第一断续器的感应器35与第二断续器的感应器37是电气互通的。断续器的感应器35、37和浪涌注入与喷灯点火回路组件40是电气互通的。浪涌注入与喷灯点火回路组件40和阴极复式接头42电气互通，后者与喷灯电源及冷却剂导线43电气互通。电压反馈卡52是和浪涌注入与喷灯点火回路组件40电气互通。

电源14还包括控制变压器46，它和三相电源输入是电气互通的。控制变压器46是和开关电源开关电源48与一个热交换器/冷却单元50电气互通的。一对冷却剂导线58，60从热交换器冷却单元50与阴极复式接头42中伸出。

电源14也包括气体复式接头54。一个导向器弧光导线56从浪涌注入和喷灯点火回路组件40伸出到气体复式接头54。屏蔽气和导向器弧光导线62从气体复式接头54伸出到喷灯导线44。切割气导线64，66从切割气源68’，68”通过电源14伸到喷灯导线44。

操作中，三相电源输入30接收一个输入信号。输入信号可以是电压范围在约200伏至600伏的交流信号。输入30通过主接触器开关32把电源提供给主变压器34。输入30通过两个次级线圈(图中未画出)改变输入功率。每个线圈向断续器件36，38提供功率。例如，主变压器可以向每个断续器36，38提供210VAC的信号。断续器组件36，38提供供给喷灯24的切割电压。三相电源输入30还向控制变压器46提供功率，它又通过控制变压器46的两个次级线圈(图中未画出)改变输入的功率。控制变压器46的两个次级线圈把功率提供给热交换器或单元50及开关电源开关电源48两者。例如，控制变压器46提供120VAC的信号给开关电源48，提供240VAC的信号给热交换器和冷却单元50。开关电源48提供24VAC的信号给CNC12以提供附加功率。

断续器的感应器35，37提供直流整流输出信号以维持喷灯24处的电弧光。浪涌注入和喷灯点火回路40提供高频和初始的浪涌电流，使喷灯24点燃。

断续器的感应器35，37的直流输出信号被电压反馈卡52所监控。当主接触开关52给电源14提供能量时，电压反馈卡52给CNC12信号，以示电源14已准备就绪。当建立导向器弧光时，电压反馈卡52给CNC12以信号。当建立切割弧光时，电压反馈卡52给CNC12以信号。当建立切割弧光时，电压反馈卡52给CNC12以信号，说明可以开始运动了。一旦已经发生弧光的传递和开始运动，电压反馈卡52就用来给CNC12提供电压反馈，并且CNC12利用喷灯高度控制器18来调节弧光电压。如果在过程中存在任何失误，失误被CNC12探测到，过程被终止，由CNC12发出一个出错消息。

电源14可以按几种方式之一操作。一种操作电源14的方式是用全自动模式。操作者一旦选定分程序和等离子体加工，只要简单地按下起始按钮，CNC12将检查电源14是否接通，如果没有，则将给电源14能量并验证其状态。然后CNC12继续像往常一样执行分程序。任何一个错误条件都会使电源关闭，并向操作者提供一个出错消息。

第二种操作电源14的方式是手工遥控模式。进入CNC12的诊断屏幕，并选择接通电源，操作者可以手工地给电源14加电。这允许执行遥控诊断和测试。

第三种接通电源14的方式是本地手动模式。一个受过特殊训练的服务代理人可以接通电源14、接合接通电源继电器而手工地给电源加电。

在电源14加电过程中，CNC12接收到确认三相电源输入30存在的信号。如果没有从电源14发出的这个信号，CNC12将暂停、关闭、并警示操作者。此外，所有电源的功能都能用CNC12提供的诊断屏幕，从CNC12手工遥控测试。

在切割过程中，电压反馈卡52可以遥控监测等离子体弧光喷灯24中的弧光电压，并以此信息作为反馈信号传给喷灯高度控制器(THC)18。由于CNC12控制了电源功能的所有方面，所以电压反馈卡52也能够执行这里提供的其他功能。

一旦给出了起动命令，CNC12将给主接触开关32添加电，允许断续器36，38对它们的输出充电到全开路电压。全开路由电压反馈卡52探测，并将信号转送给CNC12。如果全开路是在容限之内，而且所有其他参数都能满足，则CNC12启动断续器36，38，并将输出电流设置点传下去。然后CNC12启动浪涌注入/喷灯点火回路40使之产生高频信号，并启动导向器弧光转发。在某些实施例中，喷灯24可以有装载弹簧的机构，使电极和喷嘴接触以形成一个导向器弧光。当导向器弧光在喷灯24中建立起来时，输出电压发生变化，并由电压反馈卡52测得。电压反馈卡52把电压的改变转送给CNC12。当弧光延伸出去伸向工件时，最终接触到工件，并且电压反馈卡52也测得相应的电压变化，并将此信息转送给CNC12。CNC12用这个信息作为弧光传递信号，并且继续进行穿透操作。

一旦穿透操作完成，整个机器运动被约束、稳定住，电压反馈卡52返回到它原来喷灯高度控制器18的功能。上述条件中的任何一个失误都将产生一个适当的出错消息给操作者，并使系统10回到等待模式。

电源14包括新型的冷却系统。在通常的冷却系统中，为了安全的原因，泵、槽和其他部件都固定在底架上。由于在等离子体切割操作过程中，电极处于一个提高的电压水平，喷灯导线中会发生电解作用。测试表明95％以上的冷却剂损耗是由电解作用引起的。在电源14中热交换器和冷却单元50就是设计来消除电解作用的。把所有热交换器和冷却单元50的组件和电极电位联系起来，就可以阻止电解作用，使冷却剂得以保持。把热交换器/冷却单元50放在一个分开的、带有适当标记的围栏中，可以保持安全。

CNC12可以直接监控流的速率、流的水平和冷却剂的温度，并能智能地响应每个失误情况，改正任何差错。在温度过高的情况下，CNC12将允许切割操作完成当前的任务。然后，CNC12将警示操作者，并命令电源14处于等待状态。这样就使电源14保持接通，让扇运转使冷却剂冷下来，但是禁止电源14的输出。如果冷却剂水平降至过低，CNC12将允许切割操作完成当前的任务。然后，CNC12将警示操作者，并命令电源14关闭。直至已经满足冷却剂水平的条件，CNC12才允许再次接通电源。如果CNC12探测到冷却剂流有损失，它将立即终止切割操作，切断电源14，并警示操作者。

CNC12和电源14中的断续器36，38有直接的联系，并把和预期的输出电流成比例的模拟信号输送给断续器36，38。这允许电流输出的近—无限分辨率。在输出电流持续增加或持续减少的这种操作期间，极平滑的过渡是可能的。这减少了喷灯中消耗品的压力，因此延长了消耗品的有效寿命。

图7A-7C给出了电源14中每个部件的物理位置。图7A-7C中提供的各部件的特定的布置仅是例举，根据本发明还可以使用其他的布置方式。

自动加工控制器

自动加工控制器16接收从计算机化的数值控制器(CNC)12发出的命令信号来控制进入等离子体弧光喷灯24的气体流。通常被放置在等离子体电源处的自动加工控制器16排除了手工操作气流控制的需要，。自动加工控制器16取代了螺线管阀门，该阀门通常放置在电源和/或带有比例流控(PFC)阀门的气控组件处，后者就放在紧靠等离子体弧光喷灯24的实体的前面。

图8给出了自动加控制器16的顶视图。为清楚起见，没有画出气体软管和软管的联接。自动加工控制器16包括气体复式接头70，71，阀门72、73、74、75，压强传感器76、77，压强开关78，和把自动加工控制器16安装到喷灯高度控制器18上去所用的托架，如图13所示。

参看图8和9，自动加工控制器16包括第一复式接头70和第二复式接头71。第一复式接头是一个腔体，通过应用气流控制，允许对提供给等离子体弧光喷灯的屏蔽气体进行混和和调节。自动加工控制器16还包括第一按比例流控(PFC)阀门72，第二按比例流控(PFC)阀门73，和第三按比例流控(PFC)阀门74。第一个PFC阀门72和第二个PFC阀门73是和第一复式接头70实际互通的。第一PFC阀门72控制第一切割气的气流。第二PFC阀门73控制第二切割气的气流。例如，第一切割气可以是氮气，第二切割气可以是氧气。可以在第一复式接头70中混合第一切割气和第二切割气。

第三PFC阀门74和第二复式接头71是实际互通的，后者还和一个可控的螺线管阀门75实际互通。这个可控螺线管阀门75控制应用于等离子体弧光喷灯的屏蔽气体。例如，屏蔽气体可以是空气。可以使一部分屏蔽气体排放入大气。第三PFC阀门74控制排放到大气的量。因此，通过把过量气体排放到大气中来控制屏蔽气体流。

自动加工控制器16还可以进一步包括和第二压强传感器77。参看图9，第一压强传感器76分接到第一复式接头内部的线81。第一压强传感器76监控第一切割气、第二切割气、或者是第一切割气和第二切割气的混合物的出口压强。把来自第一传感器76的压强提供给CNC12，作为反馈。需要时，CNC12可以提供一个调节命令给第一PFC阀门72和/或第二PFC阀门73，以调节切割气流。把第二压强传感器77分接到第二复式接头71内部的线82。第二压强传感器77监控提供给等离子体弧光喷灯24的屏蔽气体的出口压强。第二传感器77测得的压强提供给CNC12作为反馈。需要时，CNC12可以提供一个调节命令给第三PFC阀门74，以控制屏蔽气的气流。

操作时，用户从存储在CNC12中的许多程序中选取一个切割程序，并选取某些加工变量。例如，用户可以选取八个加工变量。如参照图4中所讨论的，这八个加工变量包括电源类型，喷灯类型、材料类型、电流设置、等离子体/屏蔽气类型、切割表面、材料厚度和水消声器的安装。CNC12访问内部数据库，根据用户提供的加工变数设定并调节切割气和屏蔽气的气流速率。数据库可以是制造厂默认的数据库，也可以是用户定义的数据库。图4中给出了说明气控参数的CNC显示的一个实例。

CNC12向第一PFC阀门72、第二PFC阀门73、第三PFC阀门74、以及受控的螺线管阀门75提供命令信号。第一PFC阀门72、第二PFC阀门73、第三PFC阀门74响应命令信号，调节可应用的气体的气流。按比例螺线管阀门允许气流可控变化地通过按比例螺线管阀门，这和标准的螺线管阀门不同，后者要么完全关闭，要么完全打开。在美国专利No.5,232,196中详细描述一个按比例螺线管阀门实例的结构和操作，在此引用其内容作为参考。

参考图10A和10B，按比例螺线管阀门包括螺线管线圈138，组件衔铁(armature)组件124，轭架140、电极134，和平弹簧132。当能量加给螺线管线圈138时，线圈的磁动势感应出磁通量流过轭架140和电极134，跨过工作隙135，经过组件衔铁组件124，经由磁通集中器148返回轭架140。磁通在组件衔铁组件124和电极件134之间感应出一个吸引力，使衔铁组件组件124向电极件134运动。当衔铁组件组件124向电极件134移动，离开阀门体112内的通气口122时，平弹簧132反作用于螺线管的力，并控制了衔铁组件组件124净偏离的量值。增加线圈的电流，就增加了衔铁组件组件124和电极件134之间的吸引力，从而增加衔铁组件124向电极件134的移动。组件组件组件平弹簧132对螺线管线圈138感应的力起阻力作用。平弹簧132是三叶瓣的，在六个自由度之一中它的外直径是受制约的。图10B说明平弹簧132的外直径是如何限制在O-环130和组件衔铁组件的壁架178之间的。当线圈电流增加时，阀门流出的气流按比例增加。当电流减小时，气流也按比例减小。参考图10A和10B所描写的PFC阀门仅仅是一个示例。根据本发明，还可以使用按其他原理或结合其他结构而工作的按比例螺线管阀门。

螺线管阀门75按照CNC12发出的命令信号开启或关闭。螺线管阀门75是比按比例螺线管阀门72、73、74更简单的阀门。螺线管阀门75不具备按比例螺线管阀门72、73、74中所描述的平弹簧组件来启动按比例的气流控制。代替的是，螺线管阀门75有两个位置：开启位置和关闭位置。例如，当命令信号处于0态时，螺线管阀门75关闭。当命令信号处于1态时，螺线管阀门75开启。

压强传感器76、77监控流过PFC阀门72、73、74和螺线管阀门75的气体输出，并把这个信息传递给CNC12。需要时，CNC12可以调节提供给PFC阀门72、73、74以及螺线管阀门75的命令信号，，这样在CNC12和自动加工控制器16之间就创建了一个闭环动力学关系。这个动力学关系通过更精确地控制流入等离子体弧光喷灯24的等离子体气流和屏蔽气流来改进等离子体切割过程。

压强传感器76，77收集到的压强信号也可以用于调节其他加工参数。在一个实施例中，用在切割程序600(图16)内的运动速率和概况来调节自动加工控制器16和喷灯高度控制器18的加工参数。例如，在切割一个角的操作中，喷灯24进入并离开角，喷灯24的速率必然相应地先减小再增大。在切割角的操作中，速率减小的区域引起弧光从工件上除去了太多的材料，结果截口宽度变宽，部分尺寸完成得不精确，而且消耗品的寿命减少。CNC12现在能应用包含在切割程序600中有关切割路径和速率的知识，用自动加工控制器16调节气流。然后气流的调节支配着由电源14产生的弧光电流水平的变化，和由喷灯高度控制器18产生的喷灯高度的变化。这些调节进一步支配了在切割程序600中切割路径的变化，以弥补截口宽度的变化。这个结是一个综合的切割过程。

在一个实施例中，自动加工控制器12包含安全反馈特征。在一个实施例中，安全反馈特征通过使在经过线80中提供的通气口83的屏蔽气流流过第二复式接头71而监控在屏蔽帽处的空气压强。通气口83制约屏蔽气流。如果将帽子除去，则压强的下降将由一个压强安全开关78来监控。压强安全开关78通过感测帽子处的压强而指示已经除去了屏蔽帽。如果在屏蔽帽处没有维持适当的压强，则禁止电源14，并且在CNC显示器13上出现出错消息。这个安全反馈特征确保了在开启电源14之前或是电源14在使用之中时，屏蔽帽是在位的。第一压强传感器76和第二压强传感器77也起着确保有适当气流的安全监控作用。如果不能维持适当的气流，则CNC12可以终止加工过程。

在一个实施例中，自动加工控制器16也包括一个如图11A和11B中所示的屏蔽气转向复式接头84。屏蔽气转向复式接头84的目的是要把屏蔽气从图6所示的、耦合在由电源14伸出来的线62上的导向器弧光线中分离出来。屏蔽气转向复式接头84是连接在托架79上的。托架79也连接到屏蔽气复式接头71和自动加工控制器16的切割气复式接头70上。屏蔽气转向复式接头84使导向器弧光线和自动加工控制器16保持分开。屏蔽气从屏蔽气转向复式接头84，经过线85，流到自动加工控制器16中去。然后在屏蔽气复式接头71中调节屏蔽气的气流，调节好的屏蔽气从自动加工控制器16的屏蔽气复式接头71流经线86，回到屏蔽气转向复式接头84中去。然后把调节好的屏蔽气馈送给也包含导向器弧光导线的喷灯导线87的一端。喷灯导线87的另一端连接到喷灯24以供应调节好的屏蔽气给喷灯24，同时也使导向器弧光导线和喷灯的喷管电连接。图12A和12B说明氮线64和氧线66供应切割气体到切割气复式接头70中去。切割气从切割气复式接头70流经线90而供应给喷灯24。

这里描述的自动加工控制器16提供几个优点。首先，改进了切割质量。基于监控气流使切割过程闭环执行，而且基于连续反馈控制气流而改进了切割质量。不同于手动控制的气流阀门的自动控制也提高了精度。此外，从复式接头70、71到等离子体弧光喷灯24的短线提供接近瞬时的响应，进一步改进了切割质量。其次，减少了等离子体弧光系统的操作循环时间，这是因为操作者极少介入，而且由于复式接头70、71和等离子体弧光喷灯24之间的距离减小，所以清除气体的时间也很短。例如，一般等离子体弧光系统需要持续期为几秒钟的清除时间。另一方面，本发明可以在少于约200毫秒的时间内建立起稳定的气流条件。由于可以在一个较短的时间间隔内建立起稳定的气流条件，自动加工控制器通过使不稳定气流条件极小化而改进了消耗品使用寿命。第三，自动加控制器包括安全特征。例如，如果气流不足，本发明就能阻止等离子体弧光点火，并在CNC显示器上产生出错消息，以警示用户。本发明还不允许超出容限的气流条件，允许CNC在不损坏等离子体喷灯的消耗品的情况下，安全地关闭系统。

喷灯高度控制器

喷灯高度控制器18的目是对预期的金属切割过程提供最优化电压。切割电压和间隔之间有直接的关系。间隔是指金属加工表面和喷灯电极之间的间隙。

参考图13和14，喷灯高度控制器(THC)18包括马达91所驱动的机械滑动物或升降机90。马达91和CNC12是电气互通的。等离子体弧光喷灯24连接着滑动物90。在马达91内装备的一个编码器和CNC12电气互通。编码器从滑动物90把位置信息提供给CNC12。喷灯24和电源14内装备的电压反馈卡52以及CNC12都是电气互通的，从而把电压信息提供给CNC12。CNC12用编码器提供的位置信息、电压反馈卡52提供的电压信息、连同已编程到CNC12中去的预期的工件切割路径，向马达91提供输入信号，以改变间隔。

为了启动切割加工，CNC12降低喷灯24直到它和工件92相接触。一旦喷灯24接触到工件92，电压反馈卡52就向CNC12发出信号，指示工件92的位置。

喷灯24接触到工件92后，由CNC12决定把喷灯24缩回到一个穿透高度。在把喷灯24中的导向器弧光传递给一个切割弧光时，电压反馈卡52发出一个信号94给CNC12，允许CNC12控制喷灯高度控制器18的运动。

电压反馈卡52按比例，譬如说可以是40：1，减小从喷灯24读得的电压，这样就提供一个低压信号94给CNC12。CNC12把减小的电压乘以电压反馈卡52在减小电压时所用的比值的倒数，来决定确切的切割弧光电压。如果切割弧光电压不是处于CNC12根据给定的分切割程序决定的一个设定电压值，则CNC12将向马达91发送一个信号95，向上或向下调节喷灯高度控制器18来调节电压。如果THC18不能对CNC12发出的命令95响应，或者切割电压超出编程到CNC12中所设定的电压容限，则CNC12将终止当前操作，并在CNC显示屏13上发布一个出错消息给操作者。

在一段切割结束时，在下一个工件的初始穿透循环开始之前，使喷灯24升高，越过障碍物而运动，因为可以编程使喷灯24在各工件之间升高。如果，如用户所决定的，运动到下一部份去的距离很短，则可以跳过完全收缩和初始平台感测的过程，可以对THC18的穿透高度和电压立即定位，开始下一个切割循环。这一特征大大地改进了在一个平台上切割分散工件92的总加工时间。

在操作中，如果喷灯24经过平台上没有金属的一个区域，，例如，离开一个工件92的边缘，则CNC12将探测到一个大的电压尖峰信号。CNC12对电压尖峰信号的响应是阻止THC18的运动，阻止THC18把喷灯24驱动到工件92中去。

在工件92的运动剖面十分复杂的区域中，例如有尖角或是曲线，则喷灯的运动将会减慢。喷灯运动放慢引起沿切割路径除去更多金属，结果就使得切割路径变宽、电压增加。CNC12将阻止THC18在运动剖面复杂的区域运动，以防止THC18把喷灯24驱动到工件92中去。

如果碰到切割弧光有所损失，由电压反馈卡52发送一个信号给CNC12而测得这个损失，CNC12将停止切割过程，并在CNC12的显示屏13上向操作者发出出错消息。

CNC程序

如图15中说明的，在接收到用户输入以初始化等离子体弧光系统和产生为了启动等离子体弧光系统的操作所需的全部参数时，CNC12提供命令信号给驱动系统20、喷灯高度控制器18、电源14和自动加工控制器16，并从以上所述的各个部件接收反馈信号。CNC执行图16-20中说明的程序。例如，只要系统在操作，CNC可以按1毫秒的时间间隔完成这些程序。

CNC执行分程序，向紧密-耦合等离子弧光系统10提供信息来把工件切割成预期的形状。参考图16所示的流程图，在接到启动命令(步骤605)时，CNC12检查切割程序，以确定这个切割程序是否已经完成(步骤610)。如果所有的操作都已完成，则程序终止(步骤615)。如果切割程序没有完成，则CNC12便要检查切割程序的运动部分，以决定是否应移开构台和喷灯。如果必须移开构台和喷灯，则CNC12提供一个命令将构台和喷灯移开(步骤620)，然后CNC12回到检查程序(步骤610)，决定切割程序是否已完成。如果不需要移动构台和喷灯，则CNC12就决定是否必须切断等离子体弧光。如果必须切断等离子体弧光，则CNC12提供一个命令来停止等离子体弧光(步骤625)，然后CNC12回到检查程序(步骤610)，决定切割程序是否已经完成。如果不需要切断等离子体弧光，则程序就检查看是否应该启动等离子体弧光。如果不需要启动等离子体弧光，则CNC12就回到检查程序(步骤610)，来决定切割程序是否已经完成。如果需要启动等离子体弧光，则CNC12就提供一个命令来启动等离子体弧光(步骤630)，并检查确定弧光已从导向器弧光传递给了工件633。如果弧光已传递给了工件，则CNC12回到检查程序(步骤610)，并决定切割程序是否已经完成。如果没有传递导向器弧光，则CNC12检查重试的次数(步骤635)。如果已经超过重试的次数，则CNC显示器上会出现出错消息(步骤640)。如果没有超过重试的数目，则递增重试次数(步骤645)，并再重新尝试启动等离子体弧光(步骤635)。

如图17所说明的，CNC执行操作驱动系统的程序。参考图17所示的流程图，在接到启动命令时(步骤700)，CNC12检查在构台的每一端和围栏处的超行程开关(步骤701)。如果超行程开关是活动的，则把反馈信号提供给CNC12，以禁止系统10(步骤702)，并在CNC12的显示器13上产生出错消息(步骤704)。如果超行程开关不活动，则CNC用和马达一起的伺服器回路中的编码器来检查喷灯24和构台26的位置(步骤706)。如果位置是准确的，则完成了通过驱动系统20的程序的单个运行。如果位置上不正确的，则CNC12向驱动系统20提供一个命令信号，以使构台26和/或喷灯24运动(步骤708)。CNC12检查喷灯系统的速率(步骤710)。如果速率超出等离子体高/低端，在用户定义的速率之上，例如是设计速率的90％(步骤712)，则启动喷灯高度控制器18(步骤714)，并且完成了检查程序。如果速率低于用户定义的速率，则禁止喷灯高度控制器18(步骤716)，并且完成程序。只要等离子体系统在操作，CNC12就重复驱动系统20的程序。

CNC12执行如图18中说明的一个程序来操作喷灯高度控制器18，。在接收到启劝信号时，CNC12检查操作模式(步骤800)。如果操作模式是自动模式，则CNC12检查是否禁止喷灯高度控制器18(步骤802)。如果禁止了喷灯高度控制器18，则这个程序便完成了。如果没有禁止喷灯高度控制器，则CNC12检查弧光电压(步骤804)。如果弧光电压太高，则喷灯高度控制器18降低等离子体弧光喷灯24(步骤806)，这个程序就完成了。如果弧光电压不太高，则CNC12检查弧光电压来决定弧光电压是否太低(步骤808)。如果弧光电压不太低，那么这个程序就完成了。如果弧光电压太低，则喷灯高度控制器18就升高等离子体弧光喷灯24(步骤810)，这个程序就完成。如果弧光高度控制器18不处于自动模式(步骤800)，则CNC12尽量高地提高喷灯到一个已知的位置以设定喷灯的高度，然后降低喷灯，使之接触到工件。然后升高喷灯到预期的位置，并检查喷灯的高度(步骤812)。如果喷灯高度太高，则喷灯高度控制器降低等离子体弧光喷灯24(步骤806)，这个程序就完成。如果喷灯高度不太高，则CNC12检查喷灯高度是否太低。如果喷灯高度不太低，则这个程序就完成。只要等离子体弧光系统在操作，CNC12就重复喷灯高度控制器18的程序。

CNC12通过执行图19所示的程序来操作电源14。CNC12检查电源14的状态(步骤900)。如果电源14不处于已准备就绪的情况，则CNC12产生一个出错消息(步骤902)。如果电源14确处于已准备就绪的情况，则CNC12接下去检查冷却剂流的错误(步骤904)。如果冷却剂流太低，则CNC12检查冷却剂的温度(步骤908)。如果冷却剂温度太高，则CNC12产生出错消息(步骤910)。如果冷却剂温度足够了，则CNC12检查冷却剂的水平(步骤912)。如果冷却剂的水平太低，则CNC12产生出错消息(步骤914)。如果冷却剂的水平足够了，则CNC12检查电流设置(步骤916)。如果电流设置不正确，则CNC12发送命令信号以调节位于控制器中的数模转换器从而发送模拟信号给断续器(步骤918)。如果电流设置是正确的，这个程序就完成了。CNC12重复这一控制电源的程序。

CNC12通过执行如图20中所示的程序，来控制自动加工控制器16的操作。CNC12检查屏蔽气的压强传感器的压强(步骤1000)。如果在传感器处测得的屏蔽气的压强不正确，则CNC12产生并应用一个命令信号，调节屏蔽气的PFC阀门74(在图8中表示的)(步骤1002)。CNC12检查位于CNC12中的屏蔽气计时器(步骤1004)，且若屏蔽气计时器已经超过，则CNC12产生一个出错消息(步骤1006)。如果屏蔽气计时器没有超过，则CNC12递增屏蔽气计时器时间，因为还没有碰到失误条件(步骤1008)。CNC12接下去检查切割气压强(步骤1010)。如果屏蔽气压强是正确的，CNC12使屏蔽气计时器复位(步骤1012)。在屏蔽气的计时器复位后，CNC12检查切割气压强(步骤1010)，决定切割气压强是否正确。如果切割气压强是正确的，则CNC12使切割气计时器复位(步骤1014)，这个程序就完成了。如果切割气压强不正确，则CNC12调节在切割气复式接头70中的PFC阀门72、73(步骤1016)。在调节好切割气复式接头70中的PFC阀门72、73之后，CNC12检查切割气计时器(步骤1018)。如果切割气时间超过了，则CNC12产生一个出错消息(步骤1020)。如果切割气的计时器没有超过时间，则CNC12递增切割气计时器(步骤1022)，控制APC16的程序就完成了。在喷灯操作的整个过程中，CNC12重复控制APC16的程序，以控制切割气流和屏蔽气流。

激光应用

到这里为止，在详述CNC12，电源14，自动加工控制器16、喷灯高度控制器18以及CNC程序时，都是针对等离子体弧光系统来描述的。如下面更详细的说明，这些同样组件可以用于材料加工系统，其中系统施行一个激光束来加工工件。能源可以是产生激光束的光源，而喷灯高度控制器可以是激光高度控制器，用于设定激光相对于工件的高度。

光源监控器

如图中为了说明目的所画的那样，按照本发明的一个系统在工业环境中监控工件的加工。系统作为一个在线切割监控系统，对切割的方向不敏感，并且有近乎实时的操作，对切割质量提供可靠的指示。通常认为切割前沿温度的测量是切割质量的一个可靠指示。更具体地，在优化条件下产生清洁的切割时，切割面平均温度是相对地不变的。切割质量严重变坏，如存在过多的浮渣、不均匀截口宽度、或是粗糙的切割边缘通常都伴随着切割面温度的变化。按照本发明的系统能够探测平均温度的粗略变化和改变振幅和频率的温度中的不规则起伏。尤其是，系统可以测量两个谱带处的光强度。处理测得的强度(例如，确定谱带间的一个比值)，结果用来与查找表相联系，以实时地确定切割质量。此外，还发现相对于激光束的温度的遥控测量是很有利的。

图21给出了材料加工系统1100的一个实施例的截面图。材料加工流源14’产生材料加工气流1110，并将它递送给加工头组件24’。一个自动加工控制器16’提供一个流，诸如辅助气，给加工头组件24’。腔体1114接收自动加工控制器16’提供的流。加工头组件24’内还配置了喷管1108。材料加工流1110和由自动加工控制器出来的流流经腔体1114和喷管1108，冲击在工件1112上，进行切割、焊接、热处理，或修改工件1112。

在一个实施例中，材料加工流源14’是等离子体源，而材料加工流1110是等离子体。在另一个实施例中，材料加工流源14’是激光，材料加工流是1110是激光束。在等离子体源的实施例中，腔体1114可以是等离子体腔。在激光源实施例中，腔体1114可以是充气室。

图22A对加工头24’和喷管1108作了附加的详细说明。图22B提供了一部分喷管1108的特写图。喷管包括中央出气通气口1206。在某些实施例中，还相对于喷管1108安装挡板1202。挡板1202包含开口1204，该开口与材料加工流1110的传播轴线相垂直，并且实质上是和中央出气通气口1206一致的。

加工头组件24’的“工作端”是和工件1112靠得最近的那部分。工作端在使用中通常会退化，因为在加工材料时它直接曝露在工件112所处的极端条件之下。例如，这些条包括高温和局部的高度反应性的气氛。

在一个实施例中，使喷管1108的轴线对准加工头组件24’的轴线。这就保证在通往工件1112的途中，材料加工流1110位于中央出气通气口1206的中央。为了维持对准，喷管1108有一些表面1208，它们的轮廓在预定的轴向延伸出去。这些有轮廓的表面1208和加工头组件24’的附近结构配合。这一配合的结果是使喷管1108和加工头组件24’有轴向对准，因此改进了精度和切割质量，并延长了组件1104的工作端的操作寿命。

现在参考图23，在本发明的另一个实施例中，材料加工系统1100包括诸如图2的CNC12的CNC12’。CNC12’通过下面将要描述的电缆1336与光源监控器1332互通，以获得关于切割质量的信息。在另一个实施例中，CNC可以具有光源监控器的功能。用光学探测器1320测量工件1112发射出来的信号1324。信号1324是工件响应冲击在工件1112上的材料加工流1110而发射的。在一个实施例中，信号1324可以是一个发射物。光学探测器1320基于光学探测器1320测得的信号1324，产生输出1328。在一个实施例中，光学探测器1320是一个硅光学二极管双色探测器，型号为No.PIN-44DP，由位于加州霍桑的UDTSensors Inc.出售。输出1328被提供给光源监控器1332。在一个实施例中，可以用两个光探测器1320，其中每个探测器对信号1324的不同频率范围敏感。两个光探测器对第一个波长范围1328a和第二个波长范围1328b响应后的输出是电气信号，它们通过电线传送给光源监控器1332。在另一个实施例中，可以用探测两个波长范围的一个三明治式的探测器来取代两个光学探测器1320。在一个实施例中，三明治式的探测器可以用型号为No.PIN-DSDS，由位于加州霍桑的UDT Sensors Inc.出售的三明治式探测器。

光源监控器1332基于输出1328a和1328b决定了在工件1112上完成的加工质量。此外，光源监控器1332可以通过电缆1336，向CNC12’提供信号，可以使用该信号通过电缆1338来控制材料加工流源14’的输出。另外，CNC12’也可以通过电缆1339提供信号给自动加工控制器16’，以调节供应给加工头组件24’的流量。在一个实施例中，光源监控器1332可以是一个独立的微处理器。在另一个实施例中，光源监控器可以是位于West Lebanon，NH的HyperthermAutomation公司出售的计算机化数值控制器。

为了决定在工件1112上完成的加工质量，装置采用了双色高温测定方法来估计工件1112响应材料加流1110而发出的信号1324。双色(即指光的两个波长)高温测定方法包括在分立的、狭的谱带中的辐射光强度的计算。系统测定辐射光的强度以决定由头组件形成的截口(例如，切割区域)的相对温度。

从数学上看，在围绕波长λ为中心的波长范围dλ的狭带上，黑体辐射光强由下式给出：

$S_{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}=\frac{2\mathrm{\π}{c}^{2}h}{{\mathrm{\λ}}^5}\frac{1}{e^{\mathrm{hc}/\mathrm{kT\λ}}-1}\mathrm{d\λ}---\left(1\right)$

其中C是光速，h是普朗克常数，k是波尔兹曼常数，T是黑体温度。在两个不同波长λ₁和λ₂上测得的强度比为：

$\frac{S_{{\mathrm{\λ}}_2}d{\mathrm{\λ}}_2}{S_{{\mathrm{\λ}}_1}d{\mathrm{\λ}}_1}=\frac{e^{\mathrm{hc}/\mathrm{kT}{\mathrm{\λ}}_1}-1}{e^{\mathrm{hc}/\mathrm{kT}{\mathrm{\λ}}_2}-1}{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}\right)}^5\frac{{\mathrm{d\λ}}_2}{d{\mathrm{\λ}}_1}---\left(2\right)$

如果两个波长带的宽度相等(即，如果光是由两个带宽相等dλ＝dλ1＝dλ2的狭的带通滤光器所滤光)，且两个波长是固定的，则强度比变为：

${\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_1}{{\mathrm{\λ}}_2}\right)}^5{e}^{\mathrm{hc}/\mathrm{kT}({\mathrm{\λ}}_2-{\mathrm{\λ}}_1/{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2)}=C_1{e}^{C_2/T}---\left(3\right)$

其中C1和C2为常数。对于λ2>λ1的情况，C2是个正的常数，意味着强度比是一个随温度单调下降的函数，即较低的强度比指示较高的相对温度。因此，强度比是辐射体温度的函数，在这里就是切割区域的温度。

考虑到在材料加工中发生过度燃烧，或是不穿透切割条件的情况时，本加工技术的优点更加明显。在上述两种情况下，辐射光强信号(S_λ1和S_λ2)在量值上比清洁切割条件下计算得到的数值要大；然而对过度燃烧切割条件，它们比值是增加的，对非穿透切割条件，比值是下降的。对非穿透切割条件，当工件温度增加时，工件发出的辐射光强增加，因此导致辐射光强信号(S_λ1和S_λ2)的增加，以及按(3)式的强度比减小。对于过度燃烧切割条件，工件温度下降，而强度比增加。此外，在过度燃烧切割条件下，通常会得到一个较宽的截口。由于截口比较宽，接收器“看得见”，入射到探测器上光量的数值就比较大，这使得两个辐射光强信号(S_λ1和S_λ2)都增大。如果用单一的波长探测方案，则光源监控器就不能辩别出是过度燃烧切割条件，还是非穿透切割条件。而且，应用两个波长(S_λ1和S_λ2)的加工技术来决定切割质量，假定是对一个特定的组分和厚度的材料(如，12.7mm的钢)，强度比的优化范围通常与平均激光功率以及喷管出口的直径无关。这是一个优点，因为可以在不同的材料加工系统装备中使用光源监控器1332，无须操作者决定惯用的操作参数。

然而，单独使用强度比来控制切割速率，也会导致不明确的结果。图26给出了对一个试验切割的、辐射光强度信号(S_λ1或S_λ2)和强度比对切割速率的曲线图，其中切割速率的变化是由0到2米/分。图6给出了试验切割速率由0变化到2米/分时发生的四个切割条件。第一个区域“A”是起始区域，它的范围是从0到大约0.33米/分。在起始区域中，截口前沿几乎是竖直的，而发射物是小的。第二个区域“B”是切割速率比优化值慢的一个区域。在本实施例中，区域B的范围约为0.33到0.9米/分。把区域B归类于(S_λ1或S_λ2)两者都增加，而由于S_λ2增加比S_λ1快，所以强度比减少。把第三个区域“C”归类于好的切割区域，因为这时的切割速率通常是优化的。在本实施例中，C区域的范围约为0.9到1.1米/分。第四个区域“D”是切割速率快于优化值的一个区域，导致非穿透切割。在本实施例中，区域D是任一个切割速率大于1.1米/分的情况。把区域D归类于强度比正在从通常优化的切割区域C中的强度水平降低，而S_λ1和S_λ2的绝对值正在增加。区域C两侧的强度比例可以有相同的数值。但切割速率却很不一样，例如，一个峰在低速率处，而另一个在一个更高的速率。仅仅基于强度比来确定质量的材料加工系统不能区分这两种不同的条件。

光源监控器1332针对这个问题，采用至少一个辐射光强信号(S_λ1或S_λ2)的量值和强度比一起来决定切割质量。对于过度燃烧切割情况，辐射光强信号(S_λ1或S_λ2)两者的量值都增加。因此，对每个波长的信号(S_λ1或S_λ2)标定一个阈值，就可以探测到过度燃烧切割条件。当强度比大于一个预定的上限，而波长信号之一(S_λ1或S_λ2)超过了第二个预先设定的极限，就可以探测到与过度燃烧相联系的条件。在一个实施例中，这个量值可以是一个最大值。在另一个实施例中，这个量值可以是最小值。在另一个实施例中，这个量值可以是最小值和最大值之间的值。

对一个非穿透切割条件，辐射光强信号(S_λ1或S_λ2)两者的量值都增加。因此，对较高波长的信号(S_λ2)标定一个阈值，就能够探测到非穿透切割条件。当强度比小于某个预先设定的下限，而波长信号(S_λ2)的任一个增加到超过第二个预先设定的极限，就可以探测到与非穿透切割相联系的条件。在一个实施例中，这个量值可以是最大值。在另一个实施例中，这个量值可以是最小值。在另外一个实施例中，这个量值可以是最小值。在另外一个实施例中，这个量值可以在最小值和最大值之间。

类似地，对很低和很高的切割速率，对这些条件计算得到的强度比可以很相近，因此掩盖了切割质量的特性(例如，切割究竟是穿透的还是非穿透的)。在低切割速率下，两个辐射光强信号(S_λ1或S_λ2)数值都很小。对高速率(例如，在优化切割速率范围之上)，当激光不能穿透工件，而是加热工件时，两个辐射光强信号(S_λ1或S_λ2)的数值都增加。

应注意到，对不同的工件材料和厚度、以及对不同的激光系统应该各自产生如图26所示的强度比对切割速率的图表，。这可以允许用户对给定的材料、给定的厚度、以及给定的激光系统决定通常最佳的切割范围。

在图24A中说明的另一个实施例中，提供具有环形形状的光学接收器1400，用于监控从加工工件的切割区域发射出来的至少一个光学信号。在这个实施例中，接收器1400包含八个端口1410，它们等距离地位于接收器1400的环1420的周围。通过每个端口1410的光学信号接着通过各根光纤(图中未表示)传送到三根纤维光缆1430a、1430b和1430c中的每一根(一般是1430)。通过每个端口1410的这部分光学信号是均匀分配给每一根光缆1430的。

在这个实施例中，如图24B和24C所示，接收器1400是位于激光切割头24’之中的。光缆1430(为简明起见只画了一根光缆1430)中的每一根都连接到各自的光学探测器1320上去。光学信号1324由各自的光缆1430传送到每个光学探测器1320上去。探测器1320测量从工件1112对材料加工流响应而发出的光学信号1324的辐射光强。然后每个探测器1320的输出(即，在一个分立的、狭的谱带中的辐射光强度)传送给一个光源监控器，诸如图23的光源监控器1332。在一个实施例中，光源监控器向操作者提供材料加工装置所产生的切割质量的指示。在另一个实施例中，光源监控器可以是独立的系统，用于监控材料加工系统的加工质量，譬如，在2003年3月31日提交的，题为“Process Monitor For Laser and Plasma Materials Processing of Material(材料的激光和等离子体材料加工中的加工监控)”(尚无编号)的共同待批专利申请所描述的系统，这些专利申请整体引用在此作为参考。

在其他的实施例中可以用另外的端口1410的间隔和数目(如，3或更多)以及相应的光纤。然而，通常希望用足够数目(如大于3)的端口1410，以保证接收器1400测量到工件在材料加工中发射出的平均光。当用了足够多的端口(如，大于3)时，切割质量的决定就对切割方向不敏感，或者不太敏感。

在图25说明的另一个实施例中，光缆1430a、1430b和1430c把光学信号传送给探测器系统1500。经过光缆1430a和1430c的光学信号随后分别经过两个滤光器1530a和1530c。滤光器1530a和1530c制约光信号通过滤光器，所以如前所述，它们每个表示辐射光强的一个狭的谱带。作为例子，滤光器1530a和1530c的型号是nos.F10-1050.0-4-0.5和F10-560.0-4-0.5，由位于Putnam，CT的CVI Laser Corp.出售。通过滤光器1530a的辐射光强信号(S_λ1)表示波长中心位于约560nm的狭带光，但通常是在约950nm到约1,150nm之间。

从滤光器1530a和1530c输出的辐射光强信号(S_λ1或S_λ2)分别传送给探测器1320a和1320c。探测器1320a和1320c把辐射光强信号(S_λ1或S_λ2)转变为电气信号，或者说相应的输出1522a和1522c。输出1522a和1522c随后传送给信号调节组件1510。例如，这个信号调节组件1520放大了输出1522a和1522c，并把放大了的信号传送到光源监控器1332。光源监控器1332基于输出1522a和1522c来决定工件的加工质量。光源监控器1322计算输出1522a相对输出1522c的比值(即，(3)式的强度比)。通常，比值是实时计算的，或在预先决定好的分立的时间点上计算，以产生作为时间函数的加工质量指示。在计算比值的同时，光源监控器1332还提取一个量值，例如，在计算比值时的相同预定时间点上的输出1522a和1522c的量值。在一个实施例中，这个量值可以是最大值。在另一个实施例中，这个量值可以是最小值。在另外一个实施例中，这个量值可以在最小值和最大值之间。

然后光源监控器1332对比值和量值与光源监控器1332内储存的一个查找表进行比较，以确定在预定的时间点上完成的材料加工的质量。在一个实施例中，这个查找表是系统制造商或系统操作者预先决定好的实验数据的集合。这个表可以包括不同工件材料(如钢、铝、和钛)、不同材料厚度、不同切割速率、不同切割加速度、和不同切割轮廓(如，曲线或者直线)的数据。下面提供查找表中可以包括的对低碳钢直线切割的数据的示例：

材料厚度             目标比值             最大量值S1

1/4”                2.8                  4

1/2                  4                    3

3/4                  5                    2.5

通过例子可以看到在一个特定的时间点上完成的材料加工质量的测量可以是一个数值，譬如说，它表明材料加工系统正在工件的过度燃烧切割条件、清洁(正常)的切割条件，还是不完全燃烧的切割条件下操作。

图26说明用激光系统来切割一个12.7mm厚的钢材工件的材料加工装置的一个实施例所获得的数据的示例。图形描绘了两个经滤光的信号1530a和1530c，作为S_λ2和S_λ1。图26也表明了S_λ1和S_λ2信号的比值。S_λ2数据表示探测器在一个狭的谱带中测得的滤光了的辐射光强，该谱带的中心波长等于光的波长，在一个实施例中可以是约为675nm的波长。S_λ1数据表示探测器在一个狭的谱带中测得的辐射光强，该谱带的中心波长等于光的波长，在一个实施例中，它可以是约为530nm的波长。在另一个实施例中，可以在约为450nm和约为1150nm之间的一个范围内对光学信号滤光。比值数据表示S_λ2数据和S_λ1数据的比值(即，如前所述的强度比的一个表示)。

应注意，基于要加工的材料、材料的厚度、和所用的设备，可以使用任何一对谱带。通常，谱带可以是在大约300-2,000nm之间的任意一个范围。

曲线图的X-轴表示切割加工的速率，其中速率从0增加到2米每分钟。图中还指示了区域C，好的切割区域(如，浮渣极少或截口尺寸是期望值)。曲线图也说明了比优化条件慢一些的情况，区域B，其切割速率从约0.33到0.9米/分的范围。区域D是比优化的切割条件快一些的情况，其切割速率大于约1.1米/分。最后，曲线图还说明了一个起始区域，区域A，它的范围是从约为0到约为0.33米/分。

通过改变切割速率，可以实验地决定好的切割区域、过度燃烧的区域、和非穿透切割区域。除了预先决定查找表之外，可以根据图6中所描述的由一个试验切割来自动地决定条件，以及用一个算法来辩别切割的优化区域。

图21的材料加工系统1100可以进一步包括以前在图2中表示的元件，结果得到激光切割系统的集中控制结构，其中系统的“智能”综合成单一的控制器。集中控制结构消除了重复的硬件和软件以及综合整个系统，因此改进了性能，并减少了循环时间。这里把包括集中控制结构的激光切割系统称为一个紧密耦合的激切割系统，或简称激光切割系统。

参考图27，紧密耦合激光切割系统10’包括计算机化的数值控制器(CNC)12’、显示屏13’、材料加工流源，在本实施例中它是光源14’、自动加工控制器16’、激光高度控制器18’、驱动系统20’、切割台22’和激光加工头24’。

通常，CNC12’控制激光加工头24’在切割台22’上的运动，并且加工时的切割过程的计时和运动相关。在本发明中，CNC12’不仅可以控制激光加工头24’的运动，还可以控制激光切割系统10’的其他部件的操作，以及其他切割过程。CNC12’可以同时控制激光切割系统10’的各个部件。

CNC12’和用户对接。CNC12’允许用户选择或提供某些加工参数。基于用户的选择和/或输入，CNC12’产生操作激光切割系统10’所需的其他加工参数。激光切割系统的一个切割程序(类似于以前在图16中表示的为等离子体弧光系统所用的切割程序600)为激光头的运动和激光切割操作提供部分特定的信息。CNC12’命令光源14’、自动加工控制器16’、激光头高度控制器18’、和驱动系统20’进行操作。CNC12’还监控某些加工条件，决定激光切割系统10’的操作是否适当。基于监控得到的信息，需要时CNC12’调节激光切割系统10’中其他部件的操作。CNC12’的详细说明可以借鉴以前在图3，4，5A-5B及15-20中给出的更详细的描述。

材料加工流源14’是一个光源，它产生激光束。在本发明中，所有智能及通常由光源提供的组构切割加工的各种调节控制都已经转移到CNC12’和/或自动加工控制器16’中去了。在接收到由CNC发出的适当的命令信号时，光源14’把输入信号变成足以产生并维持激光束的一个输出信号。光源14’的几个部件，包括光源14’产生的输出，均由CNC12’通过反馈机制来控制。在一个实施例中，光源14’是激光功率源，型号为no.RF050，由位于德国汉堡的Rofin-Sinar LaserGmbH出售。

自动加工控制器16’是设计来代替通常位于光源和/或气控组件处的手工气流控制的。自动加工控制器16’包括按比例流控阀门以控制辅助气和屏蔽气的流速。自动加工控制器16’还包括压强传感器，用以测量辅助气和屏蔽气的压强。这个压强信息提供给CNC12’，需要的话，它再调节按比例流控阀门来改变流速。自动加工控制器16’的智能也位于CNC12’中。在图8-12中已有过自动加工控制器16’的更详细的描述。

激光高度控制器18’控制激光加工头24’和工件之间的间隔。然而，不同于常规的高度控制器，激光高度控制器18’的智能转移到CNC12’中去了。激光高度控制器18’作为一个分开的伺服轴、按照类似于在常规等离子体弧光系统中驱动系统20’的方式，直接受控于CNC12’。CNC12’基于在激光加工头24’处测得的一个输出，把命令信号提供给激光高度控制器18’以调节间隔。激光高度控制器18’与图13和14中详细描述的喷灯高度控制器18类似。在一个实施例中，激光高度控制器18’产生的输出信号是模拟电压信号，它和激光切割头到工件之间的距离成比例。换种方式，激光高度控制器产生的输出信号也可以是数字命令信号，或者是模拟电流信号。

驱动系统20’从CNC接收命令信号，使激光加工头24’在切割台22’上沿x或y方向运动。切割台22’支撑着工件。激光加工头24’安装在激光高度控制器18’上，后者则安装在台架26’上。驱动系统20’使台架26’相对于台22’运动，并使激光加工头24’沿台架26’运动。关于激光加工头位置的信息提供给CNC12’。因此，CNC12’允许交互性响应，以及维持精确的切割路径。驱动器20’和切割台22’的操作都不构成本发明的创造方面，而是熟悉本技术领域的人员所熟知的技巧。

就像图1-19中所描述的CNC12一样，CNC12’可以接收激光切割系统10’的各个部件的输出，诸如光源14’，自动加工控制器16’、激光高度控制器18’、驱动系统20’、切割台22’、和激光加工头24’。然后CNC12’可以发送输入给原先发送输出的部件(即，第一辅助器件)，或任何一个其他部件(即，第二个辅助器件)，来改变原来发送输出的部件的输出，或者任何一个与CNC12’相互联通的其他部件的输出。

以上已经参照特定的较佳实施例对本发明作了特别说明和描述，本领域技术人员应理解，这里可以作各种形式上或细节上的改变，只要不偏离在附加的权利要求中定义的本发明的精神和范围。例如，这里描写的集中控制结构在其他金属加系统，如等离子体弧光焊接系统，的操作中可能有用。

Claims (70)

1、一种控制激光束系统的方法，所述方法包括以下步骤：

a)引导入射激光束指向工件；

b)从控制器提供至少一个命令信号给至少一个辅助器件，用以控制由所述的至少一个辅助器件所产生的输出参数，其中至少一个辅助器件是能源和自动加工控制器两者之一；

c)探测由至少一个辅助器件所产生的所述输出参数，并且基于所述的探测得的输出来调节提供给至少一个辅助器件的所述的至少一个命令信号；

c1)根据光学探测器处的所述入射激光束，探测从所述工件发射的至少一个信号，基于所述的至少一个信号，所述探测器产生两个输出；以及

c2)调节从所述控制器到至少一个辅助器件的至少一个命令信号，以控制从所述工件发射的所述至少一个信号，所述控制器提供的所述至少一个命令信号是根据所述两个输出的比值和所述两个输出中至少一个的量值的。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，提供至少一个命令信号的步骤进一步包括以下步骤：

d)基于所述比值和所述两个输出中至少一个的所述量值决定查找表中的一个位置；且

e)基于所述查找表中的所述位置，提供命令信号。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的至少一个命令信号是激光束命令信号，而所述的辅助器件是用来控制所述激光束的所述能源。

4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的至少一个命令信号是气流命令信号，而所述的至少一个辅助器件是用来控制由所述的自动加工控制器供应的所述气流的所述自动加工控制器。

5、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的至少一个辅助器件是自动加工控制器，用来控制流入所述激光束系统的气流，以及步骤c)包括探测由所述自动加工控制器流出的气流的压强，并基于所述压强调节提供给所述自动加工控制器的所述命令信号。

6、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的至少一个辅助器件包括第一辅助器件和第二辅助器件，以及步骤c)包括探测由所述第一辅助器产生的第一输出参数，以及基于所述第一输出参数调节提供给所述第二辅助器件的所述命令信号。

7、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述的第一辅助器件是所述的自动加工控制器，所述的第二辅助器件是所述的能源，以及步骤c)包括探测由所述自动加工控制器流出的排出气体的压强，并基于所述排出气体的所述压强调节提供给所述能源以控制激光束的能量的所述命令信号。

8、如权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤c)包括探测由所述能源产生的、表示所述激光束系统的能量束的一个反馈信号，并且基于所述反馈信号调节提供给所述的自动加工控制器以控制气流的所述命令信号。

9、如权利要求8所述的方法，其特征在于，探测反馈信号的步骤包括根据光学探测器处的所述入射激光束探测由所述工件发射的至少一个信号，基于所述的至少一个信号，所述探测器产生两个输出。

10、如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第一辅助器件是所述能源，所述第二辅助器件是激光高度控制器，以及步骤c)包括：探测由所述能源产生的、表示所述激光束系统的能量信号的一个反馈信号；基于所述反馈信号，调节提供给所述激光高度控制器以控制激光加工头和所述工件之间的间隔的所述命令信号。

11、如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述探测反馈信号的步骤包括对光学探测器处的所述入射激光束响应而探测从所述工件发射的至少一个信号，所述探测器基于所述的至少一个信号产生两个输出。

12、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个输出中的所述至少一个所述量值是最大值。

13、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述探测器包括至少两个探测器元件。

14、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述两个输出包括光的第一谱带和光的第二谱带。

15、如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述光的第一谱带有比所述的第二谱带波长低的带。

16、如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述光的第一谱带是在450nm到650nm之间的谱带。

17、如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述光的第二谱带是在950nm到1150nm之间的谱带。

18、如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以下步骤：

d)向控制器输入第一组加工参数；以及基于所述的第一组参数产生第二组加工参数。

19、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述激光束是由切割头导向工件的，所述切割头包括充气室、喷管、聚焦透镜、和光学接收器，以及探测器。

20、如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述光学接收器包括至少一个端口，用于把由所述工件发射的所述至少一个信号输送给光缆，所述光缆把由所述工件发射的所述至少一个信号输送给所述探测器。

21、一个控制激光束系统的装置，所述装置包括：

光源，它引导入射激光束到工件上去；

控制器，它与所述光源通信，它提供至少一个命令信号给至少一个辅助器件，来控制所述至少一个辅助器件产生的一个输出参数，其中至少一个辅助器件是能源和自动加工控制器两者之一；和

探测组件，用来探测由至少一个辅助器件产生的所述输出参数，用于基于所述的探测得的输出来调节提供给至少一个辅助器件的所述至少一个命令信号；

其中，所述探测组件包括：

光学探测器，用来对所述入射激光束响应而测量从所述工件发射出的至少一个信号，所述光学探测器基于所述的至少一个信号产生两个输出；和

与所述光学探测器联通的所述控制器，其中所述控制器把至少一个命令信号从所述控制器传递到至少一个辅助器件，来控制从所述工件发射的所述至少一个信号，基于所述两个输出的比值和所述两个输出中至少一个的量值，所述控制器提供所述至少一个命令信号。

22、如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述控制器由以下方式控制所述激光束系统：

基于所述两个输出的所述比值和所述其中之一的量值决定查找表中的一个位置；以及

基于所述查找表中的所述位置，提供命令信号。

23、如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述光源包括切割头，所述切割头包括充气室、喷管、聚焦透镜、和光学接收器。

24、如权利要求23所述的装置，其特征在于，所述光学接收器包括至少一个端口，用于把从所述工件发射的所述至少一个信号输送给光缆，所述光缆把从所述工件发射的所述至少一个信号输送给所述探测器。

25、如权利要求24所述的装置，其特征在于，所述光学接收器包括一个环形的圈，用来把激光切割头中的所述至少一个端口安置在圈上。

26、如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述的至少一个命令信号是激光束命令信号，而所述的辅助器件是用来控制所述激光束的所述能源。

27、如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述的至少一个命令信号是气流命令信号，而所述的至少一个辅助器件是用来控制由所述自动加工控制器供应的所述气流的所述的自动加工控制器。

28、如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述的至少一个辅助器件是自动加工控制器，用来控制气流流入所述的激光束系统，及所述探测组件探测由自动加工控制器排出的气体的压强。

29、如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述的至少一个辅助器件包括第一辅助器件和第二辅助器件，以及所述探测组件探测由所述第一辅助器件产生的第一输出参数，基于所述的第一输出参数调节提供给所述第二辅助器件的所述命令信号。

30、如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述第一辅助器件是所述的自动加工控制器，所述的第二辅助器件是所述能源，所述探测组件探测由所述自动加工控制器排出的气体的压强，基于所述排出气体的所述压强，调节提供给所述能源以控制激光束的能量的所述命令信号。

31、如权利要求30所述的装置，其特征在于，所述探测组件探测所述能源产生的反馈信号，表明所述激光束系统的一个能量束，基于所述的反馈信号调节提供给所述的自动加工控制器以控制气流的所述的命令信号。

32、如权利要求31所述的装置，其特征在于，所述反馈信号是由所述工件响应所述入射激光束而发射的至少一个信号，所述探测组件基于所述的至少一个信号产生两个输出。

33、如权利要求29所述的装置，其特征在于，所述第一辅助器件是能源，所述第二辅助器件是激光高度控制器，所述的探测组件探测由所述能源产生的反馈信号，表明所述激光束系统的一个能量信号，以及基于所述的反馈信号调节提供给所述激光高度控制器以控制激光加工头和所述工件之间的间隔的所述命令信号。

34、如权利要求33所述的装置，其特征在于，所述的反馈信号是由所述工件响应所述入射激光束而发射的至少一个信号，所述的探测组件基于所述的至少一个信号产生两个输出。

35、如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述两个输出中所述至少一个的所述量值是最大值。

36、如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述探测器包括至少两个探测元件。

37、如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述两个输出包括光的一个第一谱带和光的一个第二谱带。

38、如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述的光的第一谱带有比光的第二谱带更低的波长带。

39、如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述的光的第一谱带是在450nm到650nm之间的谱带。

40、如权利要求37所述的装置，其特征在于，所述的光的第二谱带是在950nm到1150nm之间的谱带。

41、控制材料加工系统的方法，所述方法包括以下步骤：

引导材料加工流指向一个工件；

从控制器提供至少一个命令信号给至少一个辅助器件来控制由所述至少一个辅助器件产生的输出参数，其中至少一个辅助器件是材料加工流源和自动加工控制器两者之一；

探测由至少一个辅助器件产生的所述输出参数，基于所述探测到的输出，调节提供给至少一个辅助器件的所述的至少一个命令信号；

探测由所述工件响应位于光学探测器处的所述材料加工流而发射的至少一个信号，所述探测器基于所述的至少一个信号产生两个输出；和

调节从所述控制器发出给至少一个辅助器件的至少一个命令信号，来控制由所述工件发射的所述至少一个信号，所述控制器提供的所述至少一个命令信号是基于所述两个输出的比值和所述两个输出中至少一个的量值的。

42、如权利要求41所述的方法，其特征在于，提供至少一个命令信号的步骤进一步包括以下步骤：

基于所述两个输出的所述比值和其中至少一个的所述量值可以决定查找表中的一个位置；

和

基于所述查找表中的所述位置，提供命令信号。

43、如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述材料加工流源是激光系统，而所述的材料加工流是激光束。

44、如权利要求41所述的方法，其特征在于，所述材料加工流源是等离子体弧光系统，而所述的材料加工流是等离子体弧光。

45、监控工件的加工的一个方法，所述方法包括以下步骤：

引导入射激光束指向一个工件；

测量从所述工件响应光学探测器处的入射激光束而发射的至少一个信号，所述探测器基于所述的至少一个信号产生两个输出；和

基于所述两个输出的比值和所述两个输出中至少一个的量值，决定工件的加工条件是过度燃烧切割条件还是不穿透切割条件。

46、如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述探测器包括三明治式的探测器。

47、如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述探测器包括两个元件。

48、如权利要求45所述的方法，其特征在于，进一步包括以下步骤：

基于所述两个输出的所述比值和其中至少一个的所述量值，决定查找表中的一个位置；和

基于在所述查找表中的所述位置，从所述查找表中提取一个数值。

49、如权利要求45所述的方法，其特征在于，进一步包括获得试验切割来决定表示好的切割的所述两个输出的所述比值和所述两个输出的至少一个的所述量值。

50、如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述两个输出中的至少一个的所述量值是最大值。

51、如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述探测器包括至少两个探测元件。

52、如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述两个输出包括光的第一谱带和光的第二谱带。

53、如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述的第一个光的谱带有比光的第二个谱带更低的波长带。

54、如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述光的第一个谱带是在450nm到650nm之间的谱带。

55、如权利要求52所述的方法，其特征在于，所述光的第二个谱带是在950nm到1150nm之间的谱带。

56、如权利要求45所述的方法，其特征在于，所述激光束是由切割头导向工件的，所述切割头包括充气室、喷管、聚焦透镜、和光学接收器、以及探测器。

57、如权利要求54所述的方法，其特征在于，所述光学接收器包括至少一个端口，以输送所述至少一个信号给光缆，所述光缆输送所述的至少一个信号给所述的探测器。

58、加工和监控工件的一个装置，所述装置包括：

光源，它引导入射激光束指向工件；

光学探测器，用来测量响应所述入射激光束从所述工件发射的至少一个信号，所述的光学探测器基于所述的至少一个信号产生两个输出；和

与所述光学探测器通信的光源监控器，其中光源监控器基于所述两个输出的比值和所述两个输出的至少一个的量值决定工件的加工质量。

59、如权利要求58所述的装置，其特征在于，所述探测器包括三明治式的探测器。

60、如权利要求58所述的装置，其特征在于，所述探测器包括两个元件。

61、如权利要求58所述的装置，其特征在于，光源监控器由下述方面决定工件的加工质量：

基于所述两个输出的所述比值和其中至少一个的所述量值，决定查找表中的一个位置；和

基于所述查找表中的所述位置，从所述查找表提取一个数值。

62、如权利要求58所述的装置，其特征在于，所述装置可以通过切割试验工件来决定表明好的切割的所述两个输出的一个数值和所述两个输出中至少一个的量值。

63、如权利要求58所述的装置，其特征在于，所述两个输出中至少一个的量值是最大值。

64、如权利要求58所述的装置，其特征在于，所述探测器包括至少两个探测器元件。

65、如权利要求58所述的装置，其特征在于，所述两个输出包括光的第一谱带和光的第二谱带。

66、如权利要求65所述的装置，其特征在于，所述光的第一谱带有比光的第二谱带更低的波长带。

67、如权利要求65所述的装置，其特征在于，所述光的第一谱带是在450nm到650nm之间的谱带。

68、如权利要求65所述的装置，其特征在于，所述光的第二谱带是在950nm到1150nm之间的谱带。

69如权利要求58所述的装置，其特征在于，所述光源包括切割头，所述切割头包括充气室、喷管、聚焦透镜、和光学接收器。

70、如权利要求58所述的装置，其特征在于，所述装置进一步包括与所述探测器联通的光学接收器，用以接收所述的至少一个信号。

71、如权利要求70所述的装置，其特征在于，所述的光学接收器包括至少一个端口，用于把所述的至少一个信号输送给光缆，所述光缆把所述的至少一个信号输送给所述探测器。

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