专利名称：激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种激励气体或固体介质获得激光输出的激光振荡器、或者涉及一种激光装置，包含通过来自这种振荡器的激光进行激光切割或激光焊接等激光加工的激光加工机等。
背景技术：
一般的激光装置主要包括激光振荡器、传输并会聚光的光传输系统、驱动工件的装置、辅助配件类、以及控制这些的控制装置。例如，用于一般的激光切割的激光装置包括激光振荡器、XYZ驱动的加工平台、具备反射镜的光传输系统、会聚激光的激光加工头、将辅助气体提供给激光头的辅助气体供给系统、激光振荡器及光传输系统、冷却加工头的冷却水循环装置、集尘装置、激光介质气体供给系统、以及控制这些的CNC(computer numericalcontrol)。而且，激光振荡器包括激光气体循环冷却系统、谐振器、放电管系统、向放电管供给激励能量的电源、以及控制这些的激光控制装置。或者在现有技术中，CNC兼具激光控制装置的作用。
在这种激光装置中设有各种传感器。最一般的传感器是激光功率传感器。当把从后反射镜取出的一部分激光照射到激光功率传感器上时，激光功率传感器通过测定温度上升计算热流量，由此检测激光器的输出。另外，在激光装置中设有测定各处各介质的温度、压力、流量、电流以及/或者电压的传感器。激光装置根据这些传感器的测量值适当输出警告，进行规定的反馈控制。由此，激光装置在抵御各种干扰因素输出稳定的激光的同时，实现稳定的激光加工。
近年来，激光装置中使用的激光振荡器的输出有愈加增大的趋势。因此，在近年的激光装置的各处，在振荡器刚刚启动之后的温度与正常运转时的温度之间产生大幅差异。如上所述，激光装置是具备多个子系统的复杂且精密的装置，而且多数情况下这些子系统的特性随所述的温度变化而变化。
例如，加工头附近的聚光透镜当透过高输出的激光时，由于其中心部分变热，所以在聚光透镜中心部分与周边部分之间产生温度差。因此，由于伴随透镜中心部膨胀，透镜中心部分的折射率发生变化，所以产生所谓实际的焦点距离发生变化的，热透镜效果。因此，激光加工启动时与正常运转时相比，对加工工件表面的透镜的最佳位置变得不同。
另外，在激光振荡器内，作为激光介质的激光气体由于放电而温度上升。由此，因为激光气体膨胀所以打乱了激光气体供给系统，因此，激光气体压力控制混乱，激光输出及放电电压变得混乱。另外，此时由于放电管以及放电电极自身也被加热，所以放电特性也发生变化。而且，由于谐振器机体因热膨胀而扭曲，导致在激光器启动时与正常运转后激光输出不同。
对于这种情况，在特开2000-94173号公报中公开了测定聚光透镜的温度、由此控制随热透镜效果的最佳的透镜位置。另外，在特开平10-229229号公报中公开了通过检测激光气体温度，在对振荡器气体进行加热直到使激光稳定的激光气体温度后使激光振荡，来改善激光输出控制的方法。在这种情况下，通过测定振荡器内各组成部件的温度，同时进行必要时间的气体加热，可以得到稳定的输出。
另外，在特开平7-106678号公报中公开了测定激光气体的温度与放电电极的温度，根据这些温度进行激光装置的控制。
这样，测定激光装置的各组成部件的温度，同时根据随该温度的特性变化进行激光装置的控制，由此，可以在输出开始后在较短的时间实现激光的稳定输出及稳定的激光加工。
但是，由于要在激光装置的组成部件，例如在放电电极、聚光透镜等上设置温度传感器，所以需要物理空间，另外即使在可以设置的情况下，由于例如施加高电压的放电电极或聚光透镜的中心部分等特定的聚焦组成部件的温度测定比较困难，所以在激光装置运转时很难连续地取得正确的温度。而且，这样的传感器自身也需要费用，像激光器那样在从获得输出指令之后的1毫秒内得到实际输出的高响应速度的温度传感器价格是非常高的。因此，在激光装置中全部使用这种高响应速度的温度传感器是不现实的。
为了解决这样的问题，在特开平10-135542号公报中公开了如下内容根据由激光介质的温度变化而导致的特性变化，为了控制激光输出，从现在时刻之前很近的激光输出时间与激光输出及关闭时间，对伴随作为激光介质的激光气体的温度上升的影响进行参数化。
但是，由于最近的高性能的高输出气体激光装置具备作为强力的激光气体冷却装置的高性能的热交换器，所以提供给激光振荡区的激光气体的温度非常稳定。另外，这些激光装置还具有强力的激光气体通风机，激光振荡区内的激光气体在1毫秒以内被全部置换。因此，激光气体自身的温度在激光输出启动之后数毫秒内稳定，构成放电电极、放电管、谐振器等激光装置的组成部件的光学部件等不能象激光气体那样在短时间内冷却。因此，在从激光输出启动后的数秒钟到数分钟，这些组成部件的特性随温度变化而变化。由此，根据特开平10-135542号公报，实际上不适宜进行激光装置各聚焦组成部件的温度变化的即时控制。
另外，在这些公报中由于没有充分考虑冷却过程，所以对于连续变化的激光控制，无法应用在这些公报中公开的激光装置。其原因在于这些公报主要考虑脉冲振荡的情。实际上，在高输出激光器中，在以最大的额定输出进行加工后，经常马上转而进行低输出的连续输出或低占空的脉冲输出的加工。在这种情形下，与激光输出继续进行无关，全部激光装置进入冷却过程。因此，通过仅仅与激光输出结束的时间相对应的控制，并不能期望得到更精密的控制。特开平7-106678号公报也存在同样的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光装置，它可以解决激光装置存在的所述现有技术问题，无需在激光装置的组成部件上设置温度传感器，可以长期稳定地工作。
为了实现上述的目的，根据本发明的第一方式提供一种激光装置，它对从激光振荡器输出的激光进行聚光并在激光加工机中进行激光加工，其特征在于，包括激光输出值计算单元，其根据向所述激光振荡器的指令值计算激光输出值；温度变化推定单元，其根据由该激光输出值计算单元计算出的激光输出值与经过时间，推定所述激光装置内的聚焦组成部件的温度变化或温度；调节单元，其根据由该温度变化推定单元推定出的所述聚焦组成部件的温度变化或温度，对所述激光振荡器的激光控制条件或所述激光加工机的激光加工条件进行调整。
即，在第一方式中，因为在设计开发阶段进行设计，以使可以根据激光输出值和时间经过推定计算聚焦组成部件，例如放电电极的温度变化或温度，所以，通过根据聚焦组成部件的温度变化或温度的推定值，调整激光装置的激光振荡器以及激光加工机的控制条件或加工条件，由此无需实际测定聚焦组成部件的温度，即，无需使用温度传感器，可以长时间地进行稳定的激光加工。另外，最理想的是激光输出值是规定时间的平均值。
根据第二种方式，在第一种方式中，其特征在于，使用激光输出指令值或指令输出峰值、指令脉冲频率、指令脉冲占空(duty)中的至少一种计算所述激光输出值。
即，在第二种方式中，根据向激光振荡器发送的指令值单纯地进行计算或使用规定的映射，来求取这些输出值。这样求得的激光输出表示由称为脉冲输出的ON/OFF输出对各组成部件产生的热影响，所以根据激光输出与经过时间，可以容易地推定聚焦组成部件的温度变化或温度。
根据第三方式，在第一方式中，其特征在于，使用指令放电电压值、指令放电电流值、指令脉冲频率、指令脉冲占空中的至少一个计算所述激光输出值。
即，在所述第三方式中，因为由聚焦组成部件使用相关联的指令放电电压值等，所以可以更准确地计算激光输出值。
根据第四方式，提供一种激光装置，其对从激光振荡器输出的激光进行聚光并在激光加工机中进行激光加工，其特征在于，包括激光输出值测定单元，其通过激光功率传感器测定激光输出值；温度变化推定单元，其根据由该激光输出值测定单元测定的激光输出值与经过时间，推定所述激光装置内的聚焦组成部件的温度变化或温度；调节单元，其根据由该温度变化推定单元推定的所述聚焦组成部件的温度变化或温度，调整所述激光振荡器的控制条件或所述激光加工机的激光加工条件。
即，在所述第四方式中，由于测定了实际的激光输出，所以可以更精确地推定聚焦组成部件的温度变化或温度。而且，根据聚焦组成部件的温度变化的推定值，调整激光装置的激光振荡器及激光加工机的控制条件和加工条件，由此，无需实际测定聚焦组成部件的温度，即无需使用温度传感器，可以长时间进行稳定的激光加工。对于激光输出的测定，虽然希望使用响应性良好的激光功率传感器，但是也可以预先测定激光功率传感器的响应时间常数，在一定的输出条件下，根据激光功率传感器输出的变化率计算实际时间的激光输出。
根据第五方式，在从第一至第四的任意一种方式中，其特征在于，根据所述激光装置的内部或外部的温度或用于所述激光振荡器的冷却水的温度和由所述温度变化推定单元推定的温度变化，推定所述聚焦组成部件的温度。
即，在所述第五方式中，由于可以从测定温度及激光输出推定激光装置内的聚焦组成部件的温度，所以可以根据该推定温度进行正确的控制。
根据第六方式，在从第一至第五的任何一种方式中，其特征在于，根据指数函数模型或一次延迟模型计算所述激光装置中的所述聚焦组成部件的所述温度变化或温度。
即，在所述第六方式中，在激光输出时，尽管聚焦组成部件的温度始终变化，但通过使用指数函数模式或一次延迟模型，可以简便并准确地计算这样的温度变化。另外，在使用一次延迟模型时，加热时与冷却时的时间常数可以是相同的，也可以是相互不同的。
根据第七方式，在从第一至第五的任何一种方式中，其特征在于，所述激光装置内的所述聚焦组成部件是放电管、放电电极、激光器气体、激励光灯、及激励激光二极管中的至少一种。
即，在第七方式中，根据因构成激光振荡器的各部件的温度变化而产生的特性变化，对控制条件进行加减，由此，可以得到稳定的输出。
根据第八方式，在从第一至第五的任何一种方式中，其特征在于，所述激光装置内的所述聚焦组成部件是聚光透镜或曲率可变反射镜，所述激光加工条件是聚光透镜与工件之间的距离或曲率可变反射镜的曲率。
即，在第八方式中，通过加工条件的变更，可以修正由激光束透过透光部件产生的热透镜效果的影响。
根据第九方式，在从第一至第五的任何一种方式中，其特征在于，在所述激光装置内的所述聚焦组成部件的温度达到规定的温度之前中断激光加工。
即，在第九方式中，可以使直到热透镜效果稳定的待机时间为所需要的最小限度。
根据第十方式，在从第一至第五的任何一种方式中，其特征在于，在所述激光装置的所述聚焦组成部件的温度达到了规定的临界温度的情况下，停止所述激光装置。
即，在第十方式中，虽然是短时间内的且是断续的输出，但可以输出超过连续运转时的临界输出即连续额定输出的激光功率。
根据第十一方式，在从第一至第五的任何一种方式中，其特征在于，在所述激光装置的所述聚焦组成部件的温度达到了规定的机器预热结束温度的情况下，判断为所述激光装置启动时的气体预热运转结束。
即，在第十一方式中，可以进行所需的充足时间的机器预热运转。
根据第十二方式，在从第一至第五的任何一种方式中，其特征在于，根据所述激光装置的聚焦组成部件的温度，对所述激光振荡器的激光气体的压力进行前馈控制。
即，在所述第十二方式中，通过推定聚焦组成部件的温度，可以预测激光气体压力的变化。通过进行前馈控制使得消除该激光气体压力变化，比只有反馈控制的情况更加提高控制性。
利用所述各种方式，可以起到无需使用温度传感器，长时间地进行稳定的激光加工的共同的效果。
另外，利用第二方式，起到可以容易地推定聚焦组成部件的温度变化或温度的效果。
另外，利用第三方式，起到可以计算更准确的激光输出值的效果。
另外，利用第四方式，起到可以更精密地推定温度的效果。
另外，利用第五方式，由于可以由测定温度及激光输出推定激光装置内的聚焦组成部件的温度，所以起到可以根据该推定温度进行准确控制的效果。
另外，利用第六方式，通过使用指数函数模型或一次延迟模型，起到可以简便且准确地进行计算的效果。
另外，利用第七方式，起到可以得到稳定的输出的效果。
另外，利用第八方式，起到可以通过加工条件的变更修正因热透镜效果产生的影响的效果。
另外，利用第九方式，起到可以使直到热透镜效果稳定的待机时间为所需要的最小限度。
另外，利用第十方式，起到可以输出超过连续运转时的临界输出即连续额定输出的激光功率的效果。
另外，利用第十一方式，起到可以进行所需的充分时间的机器预热运转的效果。
另外，利用第十二方式，起到可以比只有反馈控制的情况更加提高控制性的效果。
图1是根据本发明的一个实施方式的激光装置的概略图；图2a是激光输出L1的映射的图；图2b是表示激光输出L1与聚焦组成部件的温度Te的映射的图；图2c是表示聚焦组成部件的温度Te与峰值输出P的映射的图；图2d是表示聚焦组成部件的温度Te与脉冲占空D的映射的图；图3是表示输出、聚光透镜温度、会聚点的位置变动与时间的关系的图；图4a是表示本发明的激光装置的一个动作程序的流程图；图4b是表示本发明的激光装置的其它动作程序的流程图；图5a是表示本发明的激光装置的另外的动作程序的流程图；图5b是表示本发明的激光装置的另外的动作程序的流程图。
具体实施例方式
下面，参照
本发明的实施方式。
图1是根据本发明的一个实施方式的激光装置的概略图。根据本发明的激光装置100包含激光振荡器2与激光加工机11，如图1所示，激光振荡器2与激光加工机11经控制装置1相互电连接。
激光振荡器2是感应放电激励型的激光振荡器，包括与激光气体压力控制系统18连接的放电管9。激光气体压力控制系统18经由在激光振荡器2上形成的激光气体供给口17及激光气体排出口19可以向放电管9供给激光气体以及从放电管9排出激光气体。在放电管9的一端设置具有非常小的部分透过性的后反射镜6(谐振器内部反射镜)，在放电管9的另一端设置了具有一定比例的部分透过性的输出反射镜8。在后反射镜6的背面设置了激光功率传感器5。如图所示，在后反射镜6及输出反射镜8之间的光谐振空间内设有二个放电部29a、29b。
各放电部29a、29b分别包含了一对夹着放电管9设置的放电电极7a、7b。这些放电电极7a、7b是同一尺寸，且涂布电介质涂层。如图1所示，放电电极7a经匹配电路3与激光电源4相连接。另外，放电电极7b也同样经匹配电路与激光电源相连接，但为了容易理解没有将这些图示出来。这些激光电源被分别独立控制，可以自由地调整对所相对应的各放电部29a、29b供给的电力。
另外，如图所示，在放电管9中设置通风机14，在通风机的上流及下流分别设置热交换器12、12′。而且，激光振荡器2与冷却水循环系统22连接，使得放电管9内的激光气体等被适当冷却。
另外，如图1所示，在激光振荡器2上设置分别测定激光振荡器2的内部空间的温度Ti及外部空间的温度To的温度传感器61、62。另外，在激光振荡器2的冷却水循环系统22上设置测定冷却水的温度Tw的温度传感器63。
另外，虽然在图1中表示了高速轴流式激光振荡器，但激光振荡器也可以是其它形式的激光振荡器，例如3轴正交型振荡器或通过热扩散冷却的气体平板激光器。
激光加工机11包含对从激光振荡器2的输出反射镜8输出的激光进行反射的多个反射镜，例如在图1中包含有三个反射镜10a、10b、10c。如图所示，由这些反射镜10a、10b、10c反射的激光通过聚光透镜13及加工头16照射到加工平台21上面的加工工件20上。另外，通过变更加工平台21的位置，可以将加工工件20的位置定位在规定的地方。另外，如图1所示，在激光加工机11中设有辅助气体供给系统15。来自设置在激光加工机11外部的辅助气体源(未图示)的辅助气体由辅助气体供给系统15供给到加工头16的期望的位置。
电连接激光振荡器2与激光加工机11的控制装置1由数字计算机构成，具有由双向总线相互连接的ROM(只读存储器)、RAM(随机访问存储器)、CPU(微处理器)、输入端及输出端。这些输入端及输出端被适当地与激光振荡器2及激光加工机11的规定的组成部件相连接。例如，图1中所示的温度传感器61、62、63经由相对应的AD转换器(未图示)分别与控制装置1的输入端连接。另外，检测放电管9中的激光气体的压力的压力传感器(未图示)也与控制装置1的输入端连接。因为是这样的结构，所以控制装置1可以作为后述的温度变化推定单元31及控制条件调整单元32进行工作。
在激光装置100工作时，由激光气体压力控制系统18将激光气体经由激光气体供给口17提供给放电管9。然后，通过通风机14激光气体在由放电管9形成的循环路径中循环。如在图1中箭头所指示的那样，从通风机14送出的激光气体通过用于除去压缩热量的热交换器12′被提供给各放电部29a、29b。
当通过放电部29a、29b中的放电电极7a、7b施加规定的电压时，例如在施加从数百kHz到数十MHz的交流电压时，通过放电作用激励激光气体，由此产生激光。根据众所周知的原理，激光在光谐振空间被放大，经由输出反射镜8取出输出激光。由放电作用导致变为高温的激光气体通过热交换器12冷却，再次返回到通风机14。另外，这时，冷却水循环系统22工作，冷却放电管9内的激光气体等。
如图所示，从输出反射镜8取出的激光由激光振荡器2提供给激光加工机11。在激光加工机11中，激光由三个反射镜10a、10b、10c适当地反射。被反射的激光由聚光透镜13会聚，通过加工头16照射在加工工件20上。由此，可以对工平台21上的加工工件20进行例如切断或焊接等加工。
在这样的激光装置100中，使用放电电极7a、7b中的放电电压波形与放电电流波形之间的位相差确定放电注入电力的大小。在激光装置100中，为了有效地将放电能量提供给激光气体，设置了用于调整所述位相差的匹配电路3。但是，激光装置100内的聚焦组成部件，例如放电电极7a、7b的温度在使用激光装置100时随着激光输出及经过时间上升。放电电极7a之间及放电电极7b之间的阻抗特性随着该放电电极7a、7b的温度变化而变化。由此，电源电路整体的特性发生变化，放电注入效率也发生变化。因此，放电电极7a、7b的放电特性发生变化，由此，在激光的输出指令值与实际的激光输出值之间产生偏差。
因此，根据放电电极7a及放电电极7b的温度调节激光的输出指令值的峰值输出或脉冲占空，抑制实际的激光输出与激光的输出指令值之间的偏差。
另外，放电电极7a、7b被放电管9内的激光气体及来自冷却水循环系统22的冷却水等进行冷却，所以，例如即使将激光装置100的输出设定在最大值，放电电极7a、7b的温度也仅仅上升到某温度。然后，如果将激光的输出下降到某规定的值，那么通过所述冷却作用使放电电极7a、7b的温度逐渐下降。
如上所述，由于通过温度传感器取得所述放电电极的温度是困难的，所以在本发明中使用温度变化推定单元31推定例如放电电极7a、7b等聚焦组成部件的温度或温度变化。
在温度变化推定单元31中，在推定例如放电电极7a、7b等聚焦组成部件的温度时，使用激光输出值计算单元90。激光输出值计算单元90是将例如图2a所示的实际的激光输出L1作为由经过时间t及激光输出指令值L0形成的函数，通过实验等预先求得了的映射。这样的映射被预先保存在控制装置1的ROM或RAM等存储器中。而且，使用这样的映射，根据激光输出指令值L0及经过时间t求出对应的激光输出L1。另外，还可以根据未图示的另外的映射，由激光输出指令值L0算出放电电压和/或放电电流，根据这些求得激光输出L1。另外，可以根据作为由激光输出指令值L0、激光输出指令值L0的峰值、指令脉冲频率、指令脉冲占空形成的函数的映射来求得作为平均值的激光输出L1。由此，可以简单方便地求得准确的激光输出L1。
然后，根据表示激光输出L1与例如放电电极7a、7b等聚焦组成部件的温度Te的关系的其它映射(图2b)来推定放电电极7a、7b的温度Te。如图2b所示的映射及后述的映射也存储在控制装置1的ROM或RAM等存储器中。当然，在求放电电极7a、7b以外的聚焦组成部件的温度时，使用为这些聚焦组成部件预先准备的同样的映射(未图示)。
另外，可以不使用映射，通过规定的计算公式计算例如放电电极7a、7b等聚焦组成部件的温度Te。这时使用的计算公式例如为指数函数模型或一次延迟模型。通过使用这样的公式，可以比较简便并且准确地算出温度Te。
然后，根据由温度变化推定单元31推定出的例如放电电极7a、7b等聚焦组成部件的温度Te，调节激光输出指令值L0的峰值输出P或脉冲占空D。在这种情形下，根据与如图2c所示的峰值输出P有关的映射以及与如图2d所示的脉冲占空D有关的映射求得峰值输出P和/或脉冲占空D。
然后，所求得的峰值输出P及脉冲占空D提供给控制条件调整单元32，根据这些峰值输出P及脉冲占空D通过控制条件调整单元32调整激光振荡器2的激光控制条件。这时，调节输出时的放电电压和/或放电电流，由此，根据放电电极7a及放电电极7b的温度调节激光的输出指令值的峰值输出或脉冲占空。由此来抑制实际的激光输出与激光的输出指令值之间的偏差。另外，通过调节(シマ一)放电时的电压及/或电流，也可以抑制实际的激光输出与激光的输出指令值之间的偏差。
因此，在本发明中，不实际测定聚焦组成部件的温度，即，不使用用于这些组成部件的温度传感器而调整激光装置100的激光控制条件，由此可以长时间进行稳定的激光加工。另外，在希望更好的控制的情形下，理想的办法是根据例如放电电极7a、7b等聚焦组成部件的温度Te，动态地控制匹配电路3内的电容和/或电抗。
另外，在本发明中，激光输出L1是在规定的时间例如大约0.5秒内的激光输出的平均值。激光输出L1是从数十Hz到数kHz的比较短的时间内的反复的脉冲，与此相对，例如放电电极7a、7b等聚焦组成部件的温度Te在从数秒钟至数分钟级的较长时间内进行变化。因此，在本发明中，为了使计算时方便，将规定时间中的平均值作为激光输出L1使用。另外，根据映射求出的激光输出L1是经过了例如10秒钟等足够长的稳定时间后的值，最好通过对该值进行恰当的补偿运算求得所述规定值中的激光输出。在这种情况下，与逐一计算激光输出的情况相比较，可以使计算量大幅减少，并且可以降低控制装置1的CPU所承受的负荷。
同样，作为平均值的激光输出L1可以根据作为由指令放电电压值、指令放电电流值、指令脉冲频率、指令脉冲占空形成的函数的映射(图中未示出)来求得。在这种情形下，由于由放电电极7a、7b使用具有关联的指令放电电压值等，所以可以更准确地计算激光输出L1。
在其它的实施方式中，代替根据映射求激光输出L1，通过使用激光功率传感器5可以直接检测激光输出L1。然后，使用与所述相同的方法计算例如放电电极7a、7b等组成部件的温度Te。在该实施方式中，由于直接测定实际的激光输出L1，所以可以更精密地推定例如放电电极7a、7b等聚焦组成部件的温度变化。另外，在来自激光功率传感器5的响应速度缓慢的情况下，通过激光功率传感器5检测激光输出后经过规定的时间稳定下来的激光输出，可以使用由激光功率传感器5检测到的值修正根据所述映射求得的激光输出L1。
但是，聚焦组成部件的推定温度Te实际上是由基准温度T0与温度变化量ΔT相加后的结果(Te＝T0+ΔT)。基准温度T0是根据激光装置100的设置环境确定的规定值，例如设置激光装置100的房间的温度(即，激光振荡器2的外部空间的温度To)、激光振荡器2的内部空间的温度Ti或冷却水循环系统22所使用的冷却水的温度Tw等。因此，可以说是温度变化推定单元31严密地推定温度变化量ΔT。
虽然设置激光装置100的房间的温度及激光振荡器2所具备的冷却水循环系统22的冷却水温度Tw通常是被比较严密地管理的，但这些温度To、Ti、Tw随季节而变化，夏季变高而冬季变低。另外，在特定的地域，由于技术及经济的原因，也存在无法恒定地维持冷却水自身温度Tw的情况。
因此，在将这些温度To、Ti、Tw中任何一个作为基准温度T0使用的情况下，基准温度T0常常不是恒定的。因此，在这样的情形下，使用图1所示的温度传感器61、62、63检测激光振荡器2的内部空间温度Ti、激光振荡器2的外部空间的温度To、或冷却水循环系统22的冷却水温度Tw。然后，在根据这些温度变更基准温度T0的基础上，算出推定温度Te(Te＝T0+ΔT)。由此，对于外部环境变化，可以得到更稳定的激光输出L1。
另外，虽然在前述的实施方式中说明了聚焦组成部件中的放电电极7a、7b，但是可以推定其它的聚焦组成部件的温度，例如激光气体、YAG(yttrium-aluminum-garnet)晶体(未图示)、输出反射镜8、聚光透镜13、激励光灯(未图示)、激光二极管(未图示)的温度。这些聚焦组成部件的温度可以使用与前述相同的方法来求得。当然，也可以由温度变化推定单元31推定这些多个聚焦组成部件中的某几个温度，根据这些多个温度，由控制条件调整单元32进行激光装置100的激光振荡器2的控制。另外，在激光振荡器2采用直流放电方式的情况下，也使导电性电极包含于聚焦组成部件中。
这样，在本发明中，根据由温度变化推定单元31推定出的聚焦组成部件的温度Te，由控制条件调整单元32控制激光振荡器2。为了进行激光装置100的激光加工机11的控制，也可以使用控制条件调整单元32。
图3是表示激光输出、聚光透镜温度、会聚点的位置变动与时间的关系的图。如图3所示，当在期间S1脉冲发送激光输出指令时，如前述那样由输出反射镜8输出激光。而且，因此聚光透镜13的温度Te1(推定温度)逐渐升高。但是，随着聚光透镜13的温度升高，由于热透镜效果激光的光束直径发生变化，所以，在加工工件20中的激光会聚点的位置偏移。在图3的期间S1，得知会聚点的位置向与基准方向相反的方向偏移。
然后，当在期间S2停止激光输出指令时，推定聚光透镜13的温度Te1理所当然会下降。因此，在照射了激光的情况下，向消除会聚点的位置偏移的方向变化。而且，当在期间S3再次输出激光输出指令时，聚光透镜13的温度Te1开始上升，同时会聚点的位置再次向偏移的方向变化。即，聚光透镜13的温度Te1越上升，会聚点的位置越偏移。另外，由于像这样会聚点发生偏移，使得激光加工机11中加工工件20的加工变得不稳定。
因此，在本发明中，由温度变化推定单元31推定聚光透镜13的温度Te1，根据图3，由温度Te1求得会聚点的位置变动Δx。然后，将该位置变动Δx发送到控制条件调整单元32，通过控制条件调整单元32进行控制以使加工平台21沿位置变动Δx变为零的方向移动。由此，即使在聚光透镜13的温度上升的情况下，由于一边调整会聚光的位置变动Δx一边进行加工工件20的加工，所以能够避免加工工件20的加工变得不稳定。
在该情况下，例如在期间S1求得聚光透镜13的一个温度Te1，可以仅进行一次加工平台21的调整。另外，例如在期间S1中多次求得聚光透镜13的温度Te1，可以多次进行加工平台21的调整。
另外，在图1中的反射镜10a～10c是曲率可变的反射镜时，随着聚光透镜13的温度的上升，通过变更这些反射镜10a～10c的曲率，也可以使位置变动Δx为零。另外，当然，随着聚光透镜13的温度的上升，可以共同进行加工平台21的位置调整与反射镜10a～10c的曲率调整。在该情况下，可以在更短时间内消除位置变动Δx。
但是，当长时间运行激光装置100时光学聚焦组成部件会被污染，所以激光输出逐渐下降。因此，需要对例如由放电电极7a、7b等组成部件的推定温度Te所确定的平均激光输出值L1进行修正。因此，定期地，以一定时间连续地进行固定的额定指令，在激光输出足够稳定后，对根据光学聚焦组成部件的推定温度计算出的激光输出值L1与由激光功率传感器5计算出的激光输出值进行比较。另外，最好进行将这些激光输出值之间的偏差与激光输出L1相加的修正。由此，即使在长时间运行后，也可以得到准确的激光输出L1。
另外，在光学聚焦组成部件被污染激光输出下降时，激光的传播特性也发生变化，光束直径也发生变化。因此，在调整加工平台21的移动距离，或反射镜10a～10c是曲率可变反射镜的情况下，通过进行曲率的调整，即使在光学聚焦组成部件被污染的情况下，也可以稳定地进行加工工件20的加工。
但是，虽然在所述激光装置100中随聚光透镜13的温度上升而产生热透镜效果，但热透镜效果产生后如果经过比较短的时间例如数秒后，热透镜效果稳定。因此，可以在比较稳定的状态下加工加工工件20。因此，最好在聚光透镜13的温度达到规定的值之前，不进行激光加工作业。
图4a是表示本发明的激光装置的一个动作程序的流程图。将该程序110及后述的程序120、130、140预先装入控制装置1的ROM或RAM中。在图4a所示的程序110的情况下，在激光加工机11中对加工工件20进行穿孔加工，即使在穿孔加工结束后，还要连续照射激光。这时，仅在形成的孔(穿孔)中照射激光，因此加工工件20本身不被加工。
而且，在程序110的步骤111中，通过所述方法推定光学系统组成部件的温度Te1，在这种情形下推定聚光透镜13的温度Te1。激光连续进行照射直到由温度变化推定单元31推定的聚光透镜13的温度Te1超过规定的温度T1。规定的温度T1是可以判断为为了聚光透镜13的热透镜效果稳定下来而经过了足够长的时间的温度。
然后，在步骤112，判断聚光透镜13的推定温度Te1是否比规定的温度T1大。在判断为聚光透镜13的推定温度Te1比规定的温度T1大时，进入步骤113。在该情况下，由于可以判断为聚光透镜13的热透镜效果已经稳定，所以移动加工平台21对加工工件20进行作业，在该情况下开始切割作业。由此，可以用所需要的最短时间，在稳定的状态下对加工工件20进行加工作业。另外，在步骤112中，在判定为聚光透镜13的推定温度Te1不比规定的温度T1大时，返回步骤111，直到聚光透镜13的推定温度Te1变得比规定的温度T1大，即重复进行处理直到可以判断为热透镜效果稳定。
特别地，在频繁变更激光输出指令值的情况下，以在往，每次仅单独地设定规定的等待时间，而在本发明中根据聚光透镜13的推定温度判断是否加工加工工件20，从而使伴随激光加工的等待时间只要所需的最短时间就足够了，结果可以使生产率得到提高。
同样的情况也适用于聚光透镜13的冷却过程。在激光切割中兼用激光标刻的情况下，标刻与切割相比以极小的输出进行加工。因此，在刚刚切割后进入标刻时，需要进行待机直到聚光透镜稳定到与低输出相应的温度。在本发明中，由于可以推定聚光透镜13的冷却结束时间，所以也可以缩短在该点的等待时间。
另外，在图4a所示的程序110的情况下，虽然推定出了聚光透镜13的温度Te1，但也可以推定其它的温度，例如可以推定YAG激光棒的YAG晶体(未图示)的温度。而且，如果直到YAG晶体的温度达到规定的温度激光才入射，那么由于入射部中的激光的光束直径的变动变小，所以降低在入射部使用的光滤波器烧损的危险性。
但是，在使用激光装置100的激光加工机11进行焊接作业的情况下，即使是比较短的时间，也最好使激光输出超过额定输出升高至临界值附近。图4b是显示本发明的激光装置的其它动作程序的流程图。在该程序120的步骤121中，同样地推定聚焦组成部件的温度Te，然后在步骤122中，判定推定温度Te是否比规定的温度T2小。规定的温度T2是可使用激光振荡器2的最大温度，是比所述温度T1还大的值。在推定温度Te比规定的温度T2小的情况下，进入步骤123，就这样地使用激光加工机11。由此，可以使用激光加工机11直到推定温度Te到达规定的温度T2的界限。另一方面，在推定温度Te不比规定的温度T2小的情形下，进入步骤124，停止激光振荡器2的激光，适当冷却激光振荡器2。因此，虽然是比较短的时间，但在本实施方式中可以使用激光装置100直到临界的输出。
另外，根据由温度变化推定单元31推定的聚焦组成部件的推定温度Te，可以判断激光装置100的机器预热运转是否已结束。图5a是表示在这种情形下使用的本发明的激光装置的另外的动作程序的流程图。在图5a所示的程序130的步骤131中，同样地通过温度变化推定单元31推定聚焦组成部件的温度Te。然后，进入步骤132，判定推定温度Te是否比规定的温度T3高。规定的温度T3是足以判断为激光装置100的机器预热运转已经结束的温度，是比所述温度T1低的值。在判定为推定温度Te比规定的温度T3高的情况下，进入步骤133，判断为机器预热运转已经结束，开始由激光加工机11对加工工件20的加工作业。另一方面，在判断为推定温度Te不比规定的温度T3高的情形下，进入步骤131，重复进行处理直到推定温度Te变得比规定的温度T3高，即直到可以判断为机器预热运转已经结束。在进行这样的处理的情况下，由于机器预热运转所需要的时间只要是所需的最短时间就足够了，所以可以迅速开始实际的加工工件20的加工。
但是，在激光振荡器2中激光输出上升时及下降时，由于放电管9内的一部分激光气体热膨胀，所以放电管9的激光气体密封空间的压力增加，由此，激光气体的通风阻力也发生变化。因此，由于发生激光气体压力的过冲或下冲，所以实际的激光输出变得不稳定。通过由预设在激光振荡器2中的激光气体压力控制系统18使放电管9内的压力返回至规定的压力而消除这样的过冲或下冲，但是仅通过激光气体压力控制系统18使激光输出稳定需要某种程度的时间。因此，最好在激光输出上升时及下降时由压力传感器(未图示)所得到的压力值的基础上，根据由温度变化推定单元31所得到的聚焦组成部件的推定温度Te，进行放电管9中的压力控制，特别是进行前馈控制。
图5b是在该情况下使用的本发明的激光装置的另外的动作程序的流程图。在图5b的程序140的步骤141中，使用与所述相同的方法推定聚焦组成部件的温度Te2，在该情况下推定放电部29a、29b或放电部29a、29b的正下游的温度Te2。然后，在步骤142中，判断推定温度Te2是否比规定的温度T4大。这里，规定的温度T4是完全可以仅使用激光气体压力控制系统18进行放电管9的压力控制的温度。
在判断为推定温度Te2比规定的温度T4大时进入步骤143，使用激光气体压力控制系统18对放电管9内的压力进行规定的减压处理。这时的减压处理是将放电管9内的压力仅减小规定的微小量的处理。另外，在步骤142中，在判定为推定温度Te2不比规定的温度T4大时，判断为仅由激光气体压力控制系统18进行压力控制是足够的，然后结束处理。
然后，进入步骤144，由未图示的压力传感器检测放电管9的压力P1。而且，在步骤145中，判定所检测到的压力P1是否比规定的压力P0大。在判定为压力P1比规定的压力P0大的情况下返回步骤143，进行所述的减压处理。之后，在步骤144再次检测到的新的压力P1在步骤145中仍然比规定的压力P0大的情况下，返回步骤143，反复进行减压处理。另外，在步骤145中，在判断为压力P1不比压力P0大的情况下结束处理。
在该情况下，根据放电部29a、29b等的推定温度Te2预先预测放电管9的压力上升，由于通过前馈控制事先进行放电管9中的减压作用，所以与以往的情况相比，使过冲发生时的压力迅速地下降到规定的压力P0。另外，虽然在图中未表示，但在发生下冲的情形下，也通过大致相同的方法进行加压控制，这包含在本发明的范围内。
尽管本发明用示例性的实施例进行说明和描述，但是可以明白的是，对于本领域的技术人员来说，可以在不超出本发明的精神和范围的情况下进行所述的各种其它改变、省略和增加。
权利要求
1.一种激光装置，对从激光振荡器(2)输出的激光进行聚光，并在激光加工机(11)中进行激光加工，其特征在于，包括激光输出值计算单元(90)，根据向所述激光振荡器(2)发出的指令值(L0)计算激光输出值(L1)；温度变化推定单元(31)，根据由该激光输出值计算单元计算出的激光输出值(L1)与经过时间(t)，推定所述激光装置内的聚焦组成部件的温度变化或温度；和调节单元(32)，根据由该温度变化推定单元(31)推定出的所述聚焦组成部件的温度变化或温度(Te)，调整所述激光振荡器(2)的激光控制条件或所述激光加工机(11)的激光加工条件。
2.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，使用激光输出指令值(L0)或指令输出峰值(P)、指令脉冲频率、和指令脉冲占空(D)中的至少一个计算所述激光输出值(L1)。
3.根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于，使用指令放电电压值、指令放电电流值、指令脉冲频率、和指令脉冲占空中的至少一个计算所述激光输出值(L1)。
4.一种激光装置，对从激光振荡器(2)输出的激光进行聚光，并在激光加工机(11)中进行激光加工，其特征在于，包括激光输出值测定单元，通过激光功率传感器(5)测定激光输出值；温度变化推定单元(31)，根据由该激光输出值测定单元测定出的激光输出值(L1)与经过时间(t)，推定所述激光装置内的聚焦组成部件的温度变化或温度；和调节单元(32)，根据由该温度变化推定单元(31)推定出的所述聚焦组成部件的温度变化或温度(Te)，调整所述激光振荡器(2)的激光控制条件或所述激光加工机(11)的激光加工条件。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的激光装置，其特征在于，根据所述激光装置的内部或外部的温度(Ti、To)或用于所述激光振荡器(2)的冷却水的温度(Tw)和由所述温度变化推定单元(31)推定出的温度变化，推定所述聚焦组成部件的温度(Te)。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的激光装置，其特征在于，根据指数函数模型或一次延迟模型计算所述激光装置中的所述聚焦组成部件的所述温度变化或温度(Te)。
7.根据权利要求1～5任意一项所述的激光加工装置，其特征在于，所述激光装置内的所述聚焦组成部件是放电管(9)、放电电极(7a、7b)、激光器气体、激励光灯、及激励激光二极管中的至少一种。
8.根据权利要求1～5任意一项所述的激光装置，其特征在于，所述激光装置内的所述聚焦组成部件是聚光透镜(13)或曲率可变反射镜，所述激光加工条件是聚光透镜(13)与工件(20)之间的距离或曲率可变反射镜的曲率。
9.根据权利要求1～5任意一项所述的激光装置，其特征在于，在所述激光装置内的所述聚焦组成部件的温度(Te1)达到规定的温度(T1)之前中断激光加工。
10.根据权利要求1～5任意一项所述的激光装置，其特征在于，在所述激光装置的所述聚焦组成部件的温度(Te)达到了规定的临界温度(T2)的情况下，停止所述激光装置。
11.根据权利要求1～5任意一项所述的激光装置，其特征在于，在所述激光装置的所述聚焦组成部件的温度(Te)达到了规定的机器预热结束温度(T3)的情况下，判断为所述激光装置启动时的气体预热运转结束。
12.根据权利要求1～5任意一项所述的激光装置，其特征在于，根据所述激光装置的聚焦组成部件的温度(Te)，对所述激光振荡器(2)的激光气体的压力进行前馈控制。
全文摘要
本发明提供一种激光装置，其对从激光振荡器(2)输出的激光进行聚光并进行激光加工，其包括激光输出值计算单元，其根据向激光振荡器的指令值(L0)计算激光输出值(L1)；温度变化推定单元(31)，其根据由激光输出值计算单元算出的激光输出值与经过时间(t)，推定激光装置内的聚焦组成部件(7a、7b)的温度变化或温度；调节单元(32)，其根据由温度变化推定单元推定出的聚焦组成部件的温度变化或温度，调整激光控制条件或激光加工条件。由此，无需温度传感器就可进行稳定的激光加工。另外，也可以由激光功率传感器(5)测定激光输出值(L1)。
文档编号H01S3/00GK1751836SQ200510103199
公开日2006年3月29日 申请日期2005年9月20日 优先权日2004年9月21日
发明者森敦, 冈崎龙马, 安藤稔 申请人:发那科株式会社