专利名称：用于控制激光束加工机的方法及激光束加工机的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于控制激光束加工机的方法以及激光束加工机。
背景技术：
激光束机加工因为能够实现非接触、高速、高质量的机加工而被广泛用于各种材料的诸如钻、切、焊以及热处理之类的各种领域中。另一个优点在于，单个激光束振荡器仅通过改变激光束振荡条件就能够进行上述各种类型的机加工。
但是，如此大的灵活性带来一种危险的可能性，即机加工质量可能受到由于某些原因对要被加工的物体的照射条件以及激光束振荡条件中的变化的影响。因此，保持机加工质量成为一个问题。
有关激光束机加工的传统技术包括例如在日本未审查专利公开公报No.2002-336985中公开的技术，其在通过光纤将激光束导引至光投射头的激光束加工机中，允许光投射头移动，同时，在防止光纤干扰的工件、夹具等的同时导引光纤。日本未审查专利公开公报No.2002-307180公开了一项技术，该技术通过在光圈与fθ透镜之间布置由透镜和透镜移动装置构成的焦距变化装置，并利用从fθ透镜观察的光圈位置的变化，来根据机加工程序移动透镜。此外，日本未审查专利公开公报No.2002-254189公开了一项技术，该技术通过在单个激光束加工机上提供多个激光束振荡器来拓宽可机加工板材的厚度范围。
为了防止出现由于机加工质量依赖于激光束振荡状态和照射能量状态而变化所导致的麻烦，有必要一直监视激光束振荡状态和机加工质量。特别是，在作为自动机器的结合了激光束振荡器的装配机和工作机中，基于来自例如个人电脑和定序器的控制设备的电信号，进行数字控制或对激光照射条件或者照射的打开/关闭的控制。因此，有必要自动监视激光束振荡器侧是否根据规定的条件而操作。
在激光束加工机的情况中，来自激光束振荡器的激光束通过光纤被传输、被反射镜反射、被透镜放大或缩小等等，这样使用各种光学构件，直到激光束到达要被加工的物体。此外，为了确保人体和机械的安全使用了光闸机构。在这样的构造中，可能出现的问题是如果在操作期间某些光学构件被破坏或者特性降级，则物体不能被加工，这会相当大地影响机加工的质量。
传统上，各种方法被用来检测激光束的特性。图1是示出了激光束检测的传统原理的示图。公知的一种方法是这样的，即在激光束振荡器内布置具有略微反射激光束1的特性的半反射镜2，并通过光学检测传感器3检测反射光束。图1所示的方法是这样一种方法，即通过接收来自光学检测传感器3的输出，监视激光束的输出能量与振荡脉冲的形状和时间。
发明内容
但是，在传统方法中，必须将光学元件插入在光路(光学传输路径)中，因此，导致了装置结构变复杂、每次激光束被光学元件反射或者激光束穿过光学元件时激光束特性都改变等等问题。因此，通常仅在最低限度地必须的位置处进行监视。一般，如上所述，在大多数情况下监视只在激光束振荡器内进行，并且在光学传输路径中某些光学元件被损坏的情况下，几乎不可能监视要被加工的物体是否被激光束照射，或者监视实际照射要被加工的物体的有效照射能量的变化。
本发明是考虑了上述问题而开发的，本发明的一个目的是提供能够监视照射要被加工的物体的激光束振荡器的有效能量和振荡状态而不影响激光束性能的激光束加工机和用于控制激光束加工机的方法，此外，另一个目的是提供能够维持照射要被加工的物体的有效能量的条件并且能够自动检测和指示有必要进行维护的情形的激光束加工机和用于控制激光束加工机的方法。
在根据本发明的用于控制激光束加工机的方法中，沿激光束传输路径布置至少一个光学检测传感器，通过光学检测传感器检测从激光束传输路径散射的散射光束，从而通过接收光学检测传感器的输出获得激光束的特性。
根据本发明的激光束加工机包括用于产生激光束的激光束振荡器；用于传输激光束振荡器产生的激光束的激光束传输路径；用于接收从激光束传输路径发出的激光束以获得平行激光束的准直透镜；用于接收准直透镜的输出以将激光束聚集到要被加工的物体上的机加工聚光透镜；沿激光束传输路径设置的至少一个光学检测传感器；和用于接收光学检测传感器的输出并进行预定处理以获得激光束特性的算术控制部分。
根据本发明，该设计该构造，使得能够检测从所述激光束传输路径散射的散射光束，从而，可以利用光学检测传感器检测激光束的状态，而不影响激光束的性能。因此，根据本发明，可以监视照射要被加工的物体的发射自激光束振荡器的有效能量和振荡状态，而不影响激光束的性能。
还可以维持照射要被加工的物体的有效能量的条件，并自动检测和通知有必要进行维护的情形。
算术控制部分基于接收光学检测传感器的输出，对激光束的通过或者其大小进行实时监视。
由于算术控制部分基于接收光学检测传感器的输出，进行预定的算术处理并将结果显示在显示部分上，所以可以对激光束的通过或者激光束输出的大小进行实时监视。
算术控制部分基于接收光学检测传感器的输出，监视在激光束传输路径中是否有问题，或者监视照射要被加工的物体的有效能量。
此外，当算术控制部分接收到光学检测传感器的输出时，还可以监视在激光束传输路径中是否有问题，以及监视照射要被加工的物体的有效能量。
算术控制部分基于在光学检测传感器的输出与预先存储在存储装置中的光学检测传感器输出标准值之间的比较结果，调节激光束的强度。
由于算术控制部分将光学检测传感器的输出与预先存储在存储装置中的光学检测传感器输出标准值进行比较，所以可以基于比较结果来调节激光束的强度。
优选地，在要被加工的物体与机加工聚光透镜之间设置用于遮挡在要被加工的物体处产生的熔融溅射物的透镜保护玻璃。
由于在要被加工的物体与机加工聚光透镜之间设置了透镜保护玻璃，所以可以防止熔融溅射物附着到机加工聚光透镜上。
从以下结合附图做出的描述中可以更清楚地理解本发明的特征和优点，附图中图1是示出了通过激光束进行检测的传统原理的示图；图2是示出了本发明的原理的流程图；图3是示出了基于本发明原理的构造的示图；图4是示出了光学检测传感器如何检测散射激光束的示图；图5是示出了通过散射光束观察激光束振荡状态的示例的示图；图6是示出了对振荡脉冲波形的监视的示图；图7是示出了要被监视的内容和可以根据测量位置及位置之间的差来判断的内容的示图；以及图8是示出了根据本发明的系统的整体构造的示例的框图。
具体实施例方式
图2是一个流程图，示出了根据本发明的方法的原理。本发明特征在于沿着激光束传输路径布置了至少一个光学检测传感器(S1)，通过光学检测传感器检测从激光束传输路径被散射的散射光束(S2)，从而通过接收光学检测传感器的输出获得激光束的特性(S3)。
图3是示出了基于本发明原理的构造的示图。在该图中，参考标号20表示产生激光束的激光束振荡器，1表示激光束振荡器20所产生的激光束，21表示用于将光束导引至光纤中的聚光透镜，其接收激光束1，并将该光束聚集并导引至光纤中，22表示作为激光束传输路径的光纤，其传输由激光束振荡器20所产生的激光束，23表示用于通过接收从光纤22发出的激光束来获得平行光束的准直透镜，以及24表示用于接收准直透镜23的输出并将激光束聚集到要被加工的物体上的机加工聚光透镜。激光束传输路径在广义上指的是从激光束振荡器20延伸到要被加工物体的光学传输路径。参考标号25表示用于遮挡在激光束照射期间在要被加工的物体处产生的熔融溅射物的透镜保护玻璃，26表示要被激光束加工的物体。
参考标号11至16表示沿激光束传输路径设置的光学检测传感器，27表示算术控制部分，用于通过在接收光学检测传感器11至16的输出的基础上进行预定处理来获得激光束特性，28表示用于显示激光状态的显示部分。例如，微处理器被用作算术控制部分27。例如，液晶显示部分、CRT、等离子显示器等被用作显示部分28。图3示出了一个示例，其中布置了多个光学检测传感器，但是如果至少有一个光学检测传感器，就能够获得激光束的基本特性。
激光束1发射自激光束振荡器20。所发射的激光束1被接下来的聚光透镜21聚集，以被聚焦到光纤22的输入面上，并进入光纤。穿过了光纤22的激光束从光纤22发出，到准直透镜23中。准直透镜23使从光纤22发出的散射光束成为平行光束。
通过准直透镜23被变得平行的激光束进入机加工聚光透镜24。机加工聚光透镜24聚集平行光束，并且要被加工的物体26受其照射。通过激光束的照射，要被加工的物体26经受诸如钻、切、焊以及热处理等的处理。在这种情况下，由于在机加工聚光透镜24和要被加工的物体26之间布置了透镜保护玻璃25，所以可以防止在要被加工的物体26处产生的熔融溅射物附着到机加工聚光透镜24上。
在这样一系列激光束加工处理期间，光学检测传感器11～16中的每个在各自的安装位置监视散射激光束。图4是示出了光学检测传感器如何检测散射激光束的示图。相同的字母或者标号被分配给与图3中相同的元件。假设激光束如示意性示出的那样传播。此时，激光束振荡器20的输出波形(参照图3)假设是如A所示的那样。纵轴代表激光束功率，横轴代表时间。具有如此波形的激光束发射自激光束振荡器20。此时，激光束1产生散射光束X，其在相对于激光束通过方向的随机方向上散射。散射光束X被光学检测传感器30检测。光学检测传感器30对应于图3所示的各个光学检测传感器11～16中的每个。
例如，PD(光电二极管)被用作光学检测传感器30。然后，使该光学检测传感器30适应于在相对于激光束通过方向的大约90度方向上检测(监视)散射光束X。光学检测传感器30检测到的信号被转换成电信号，并作为与激光束振荡器20的振荡波形A基本上相同的波形B，在示波器31上被观察。
图5和图6是示出了通过根据本发明的方法对激光束振荡状态进行监视的情况的示图。图5是示出了通过散射光束观察激光束振荡状态的示例的示图。在该图中，横轴代表功率计的输出，纵轴代表功率计的输出(W)和光学检测器的输出(V)。该图分别示出了当使用连续振荡型激光束振荡器并且只有输出变化而振荡时间保持恒定的时候，功率计的测量值和光学检测传感器的测量值(检测到的输出)。分别地，P示出功率计输出波形(以阴影示出)，K示出光学检测传感器的输出。
在该图中，功率计的输出P是通过直接测量激光束的功率获得的，光学检测传感器的输出K代表了光学检测传感器同时测量到的散射光束的强度。如果激光束的功率升高了，那么功率计的输出如P所示地线性增大。与此不同，光学检测传感器的输出K在高输出区域表现了一定程度的饱和状态，但是可以认为输出K仍然与功率计输出基本上成比例地增大。因此，可以使用光学检测传感器的输出代替使用光束功率计测量光束功率来进行测量。
图6是示出了对振荡脉冲波形的监视的示图。该图在左侧示出了一组波形，并且该图在右侧示出了电源波形f1以及与此对应的光学传感器监视波形f2。在这种情况下，可以通过使用装备有脉冲波形控制功能的脉冲振荡YAG激光器监视散射光束，来确认对脉冲波形的检查结果。在该图中，示出了三个波形使用脉冲波形设定画面设定的脉冲波形(以阴影示出)；此时的激光束振荡器的电源波形f1；和光学检测传感器监视到的散射光束的强度f2。电源波形f1与光学传感器监视到的波形f2彼此非常相似。如以上描述的，可以发现通过监视散射光束能够观察到与电源波形非常相似的波形。
光学检测传感器11被布置在激光束振荡器20和用于将光束导引至光纤中的聚光透镜21之间，光学检测传感器12被布置在用于将光束导引至光纤中的聚光透镜21和光纤22之间，光学检测传感器13被布置在光纤22和准直透镜23之间，光学检测传感器14被布置在准直透镜23和机加工聚光透镜24之间，光学检测传感器15被布置在机加工聚光透镜24和透镜保护玻璃25之间，光学检测传感器16被布置在透镜保护玻璃25和要被加工的物体26之间。
现在，继续对图3的说明。光学检测传感器11至16在激光束机加工期间产生各自的检测输出，给算术控制部分27。算术控制部分27基于算术控制部分接收到的各个光学检测传感器11至16的输出，进行必要的算术处理，并当时机需要时，将结果显示在显示部分28上。
图7是示出了要被监视的内容和能够根据测量位置及位置之间的差来判断的内容的示图。假设表示光学检测传感器11至16的标号被用作代表测量位置的符号。通过监视各个光学检测传感器11至16的内容，可以一直监视激光束加工机中所包含的传输光学系统和激光束振荡器的状态。以下将说明能够通过各个光学检测传感器被确认的内容，以及能够基于在各个光学元件之前和之后的传感器输出之间的差来判断的内容。
1.光学检测传感器11(紧接在激光束振荡器之后安装的)(i)确认激光束振荡器20是否已经根据从算术控制部分20发送来的指令开始振荡。
(ii)监视激光束振荡器20的有效输出。
(iii)使用脉冲激光器时的脉冲宽度和脉冲波形。
(iv)使用连续振荡激光器时的激光振荡时间。
在这种情况下，可能的动作和措施包括基于与标准值比较的自动调节和异常通知、基于与标准值比较的异常通知等等。
2.对光学检测传感器11和12之间的差的测量用于将光束导引至光纤的聚光透镜21的破损或污染在这种情况下，可能的动作和措施包括异常通知。
3.对光学检测传感器12和13之间的差的测量光纤22的破损，或者用于将光束导引至光纤的透镜与光纤之间的不良中心对准在这种情况下，可能的动作和措施包括异常通知。
4.对光学检测传感器13和14之间的差的测量准直透镜23的破损或污染在这种情况下，可能的动作和措施包括异常通知。
5.对光学检测传感器14和15之间的差的测量机加工聚光透镜的破损或污染在这种情况下，可能的动作和措施包括异常通知。
6.对光学检测传感器15和16之间的差的测量透镜保护玻璃25的污染在这种情况下，可能的动作和措施包括更换保护玻璃。
7.光学检测传感器16监视用于机加工的有效能量确认要被加工的物体26是否已经根据从算术控制部分27发送来的指令被用激光束照射。
测量用于机加工的有效能量算术控制部分27可以如上所述通过计算与标准值的差，将激光束的功率调节至最佳值，并且同时将光学检测传感器的输出如实地显示在显示部分28上。
在这种情况下，可能的动作和措施包括基于与标准值比较的自动调节和异常通知，以及在关心激光束照射是否存在的情况下的异常通知。
如上所述，根据本发明，光学检测传感器被使得适应于检测从激光束传输路径被散射的散射光束，从而，光学检测传感器能够检测激光束的状态而不影响激光束的性能。所以，根据本发明，可以监视从激光束振荡器20发射的有效能量，要被加工的物体26被该能量被照射；和振荡状态，而不影响激光束的性能。还可以维持照射要被加工物体26的有效能量的条件，并自动检测和指示有必要进行维护的情形。
此外，根据本发明，算术控制部分27接收光学检测传感器的输出，进行预定的算术处理，并将结果显示在显示部分28上，因此，可以对激光束是否已经通过或者输出大小进行实时监视。
在本发明中，算术控制部分27通过接收光学检测传感器的输出，可以监视激光束传输路径中是否有问题；以及照射要被加工的物体26的有效能量。
此外，根据本发明，用于机加工的有效能量、脉冲波形、照射时间等等的标准值被预先存储在存储装置中作为机加工条件，在这些条件下可以获得高质量的产品，并且监视到的值一直与标准值相比较，因此，可以控制激光束加工机和机加工质量，同时，可以通过将基于比较结果的反馈提供给激光束振荡器20来自动维持和控制最佳条件。换句话说，由于算术控制部分27将光学检测传感器的输出与预先存储在存储装置中的光学检测传感器的标准值比较，所以可以基于比较结果，将激光束的强度调节至最佳值。
此外，通过判断哪个光学检测传感器检测到了问题，可以指出激光束传输路径的存在问题的部分，从而采取即时措施。
图8是示出了根据本发明的系统的整体构造的一个示例的框图。相同的字母或标号被分配给与图3中相同的元件。在该图中，标号20表示激光束振荡器。标号21表示用于将来自激光束振荡器20的输出聚集并导引至光纤中的聚光透镜，40表示用于将来自用于将光束导引至光纤中的聚光透镜的输出光束导引至光纤22的光纤连接器。标号22表示用于传输激光束的光纤，41表示用于将从光纤22发出的激光束导引至准直透镜23的光纤连接器。
标号23表示用于接收从光纤22发出的光束以获得平行激光束的准直透镜，42表示用于将从准直透镜23发出的激光束偏转90度的偏转反射镜，24表示用于接收来自偏转反射镜42的激光束并将该激光束聚集到要被加工的物体26上的机加工聚光透镜，26表示要被加工的物体，43表示用于放置并沿三维方向(沿x、y和z方向)移动要被加工的物体26的工作台。
标号50表示用于控制系统的整体操作的控制单元。在控制单元50中，标号44表示用于接收布置在激光束传输路径中的光学检测传感器11至16的输出的光学传感器接收部分，45表示其中存储了激光束条件标准值的激光条件标准值数据库，27表示用于接收来自光学传感器接收部分44的输出并进行预定处理以获得激光束特性的算术控制部分。例如，微处理器被用作算术控制部分27。标号28表示连接到算术控制部分27的显示部分，其显示所出现的错误、出现错误的地方等等。以上提到的液晶显示器、CRT、等离子显示器等被用作显示部分28。
激光束振荡控制信号被从控制单元50输出到激光束振荡器20，并且工作台控制信号被输出到工作台43。标号11至16表示布置在激光束传输路径中的各个位置处的光学检测传感器。例如，太阳能电池、光电二极管等被用作光学检测传感器。以上述方式构造的系统中的操作如下所述。
激光束振荡器20由从控制单元50输出的激光束振荡控制信号驱动并发射激光束。在被用于将光束导引至光纤的聚光透镜21聚集之后，所发射的激光束经由光纤连接器进入光纤22。通过了光纤22的激光束经由光纤连接器41进入准直透镜23。准直透镜23将入射光束转换成平行光束。从准直透镜23发出的激光束被接下来的偏转反射镜24偏转90度，并进入机加工聚光透镜24。机加工聚光透镜24聚集入射光束以便聚焦到要被加工的物体26上。由此，可以在要被加工的物体26上进行各种处理。
这里，工作台43从控制单元50接收工作台控制信号，并沿三个方向行进预定距离。例如，当制作线形凹槽时，要被加工的物体26沿两个方向被移动。
另一方面，在这一系列操作期间，光学检测传感器11至16的输出进入光学传感器接收部分44。算术控制部分27接收来自光学传感器接收部分44的输出，进行图7所示的各种算术处理，并将结果显示在显示部分28上。此外，算术控制部分27基于接收光学检测信号，将存储在激光条件标准值数据库45中的激光束输出标准值与光学检测传感器11至16检测到的值比较。然后，算术控制部分27基于比较结果发送激光束振荡控制信号到激光束振荡器20，使得激光束振荡器20的输出是最佳值。在这种情况下，比较操作包括例如提供反馈，使得激光束输出标准值变得等于光学检测传感器检测到的测量值。
如上所述，根据本发明，可以监视照射要被加工的物体的来自激光束振荡器的有效能量以及振荡状态，而不影响激光束的性能，并且可以通过实时地在显示部分上显示激光束传输系统中的各个光学元件位置处的激光束特性来进行监视。此外，根据本发明，可以防止伴随激光束振荡器的异常振荡和传输光学系统的破损和污染而出现问题。此外，可以指出出现问题的部分，并从而采取即时措施。
权利要求
1.一种用于控制激光束加工机的方法，包括沿激光束传输路径布置至少一个光学检测传感器(步骤1)；通过所述光学检测传感器检测从所述激光束传输路径散射的散射光束(步骤2)；以及通过接收所述光学检测传感器的输出获得激光束的特性(步骤3)。
2.一种激光束加工机，包括用于产生激光束的激光束振荡器；用于传输由所述激光束振荡器产生的所述激光束的激光束传输路径；用于接收从所述激光束传输路径发出的激光束以获得平行激光束的准直透镜；用于接收所述准直透镜的输出以将激光束聚集到要被加工的物体上的机加工聚光透镜；沿所述激光束传输路径设置的至少一个光学检测传感器；和用于接收所述光学检测传感器的输出并进行预定处理以获得激光束的特性的算术控制部分。
3.根据权利要求2所述的激光束加工机，其中，所述算术控制部分基于接收所述光学检测传感器的输出，实时地监视所述激光束的通过和所述输出的大小。
4.根据权利要求2所述的激光束加工机，其中，所述算术控制部分基于接收所述光学检测传感器的输出，监视所述激光束传输路径中是否出现问题以及要被加工的物体被照射的有效能量。
5.根据权利要求2所述的激光束加工机，其中，所述算术控制部分将所述光学检测传感器的输出与预先存储在存储装置中的光学检测传感器输出标准值比较，并基于比较结果调节所述激光束的强度。
6.根据权利要求2所述的激光束加工机，其中，在所述要被加工的物体与所述机加工聚光透镜之间设置有透镜保护玻璃，以便遮挡在所述要被加工的物体处产生的熔融溅射物。
全文摘要
本发明公开了能够监视照射要被加工的物体的激光束振荡器的有效能量和振荡状态而不影响激光束性能的激光束加工机和用于控制激光束加工机的方法。激光束加工机包括激光束振荡器、激光束传输路径、准直透镜、机加工聚光透镜、沿激光束传输路径设置的至少一个光学检测传感器和算术控制部分，所述算术控制部分用于接收光学检测传感器的输出并进行预定处理以获得激光束的特性。
文档编号B23K26/00GK1623718SQ20041009175
公开日2005年6月8日 申请日期2004年11月25日 优先权日2003年12月2日
发明者松下直久, 饭田进 申请人:富士通株式会社