具有激光光束输出的自动修正功能的激光装置的制作方法

专利名称：具有激光光束输出的自动修正功能的激光装置的制作方法
技术领域：
本发明广义说涉及振荡技术，更详细说涉及具有激光光束输出的自动修 正功能的激光装置。
背景技术：
在加工、医疗、测量等领域中使用的激光装置中，公知具有激光振荡部、 测定用激光振荡部振荡的激光光束的输出的输出测定部、基于操作员输入的激 光振荡指令值(通常是输出指令值)和由输出测定部得到的激光输出测定值控 制激光振荡部的动作的振荡控制部的装置。激光振荡部通常具有激励流动气 体、结晶体等激光介质的激励部(通过放电、光、热、化学反应等)、放大由 激励部激励的激光介质的光能作为激光光束射出的光共振部(包含互相相对的 射出镜(部分透过镜)以及后镜)构成。
输出测定部具有光电二极管、热电元件等光检测器，该光检测器在激光 振荡部的外侧与光共振部的后镜相接近地配置。而且，用具有很小的透过率的 部分透过镜构成光共振部的后镜，由此，使用光检测器检测透过后镜的激光光 束的一部分。透过后镜的一部分光的输出与从射出镜射出的激光光束的输出成 比例，所以作为结果通过输出测定部测定激光光束的有效输出。
在具有上述结构的激光装置中，有时由于环境(温度，湿度等)的变化、 随时间的构成要素(镜子等)的位置偏离、污损等，实际的激光光束的输出对 于激光振荡(输出)指令值的偏差变大。此时，振荡控制部能够根据由输出测 定部得到的激光输出测定值进行消除输出偏差的反馈控制。但是，为了执行应 答性优良的反馈控制，需要尽可能提高输出测定部的测定精度。
对此，例如在专利第2804027号公报(JP-28040270-B2)中公开的激光装 置中，采用了以下的结构在激光振荡开始时，数值控制装置(电源控制部) 计算输出的希望的指令值和对应的测定值的比率，将该比率作为修正系数，自 动修正实际作业时的指令值。该修正系数关于预定的多个不同的指令值范围，
作为各范围中任意的指令值和对应的测定值的比率，可以事先分别求出。才艮据 该结构，激光振荡部根据为了抵消由于环境的变化或者构成要素的位置偏离等 引起的输出偏差而进行了自动修正的指令值进行动作，所以能够不依赖输出测 定部的测定精度，振荡要求输出的激光光束。
已知激光装置中的激光光束的输出的指令值和测定值在激光装置的整个 额定输出范围中并不呈现线性关系。例如，有时在额定输出范围中较高的输出 区域，测定值对于指令值的增量的增量率与较低的输出区域相比下降。因此，
在上述JP-28040270-B2中公开的激光装置中的输出修正方法中，关于各个不 同的指令值范围，预先求出修正系数，由此来提高修正的可靠性。但是在该结 构中，将输出的各个指令值范围中的任意的指令值作为基准求出修正系数，所 以在指令值范围内指令值和测定值呈现非线性的关系时，关于成为修正系数的 计算基准的指令值以外的指令值，难以确保正确对应的输出。

发明内容
本发明的目的在于提供一种激光装置，其能够在激光装置的整个额定输 出范围中，排除由于环境的变化、随时间的结构要素的位置偏离、污损等引起 的输出偏差，确保与指令值正确对应的输出。
为了实现上述目的，本发明提供一种激光装置，其具有激光振荡部、对 该激光振荡部供给振荡用电力的电源、测定由该激光振荡部振荡的激光光束的 输出的输出测定部、根据激光振荡指令值和由输出测定部得到的激光输出测定 值控制电源的电源控制部，电源控制部具有按照激光振荡指令值向电源指令 向激光振荡部的电力供给动作的电力供给指令部，和根据电力供给指令部所给 予的多个不同的激光振荡指令值以及关于按照这些激光振荡指令值激光振荡 部振荡的激光光束，由输出测定部得到的多个不同的激光输出测定值，求出近 似地表示激光输出测定值对于激光振荡指令值的相关性的函数的函数运算部， 电力供给指令部在函数运算部求出函数之后，根据该函数对激光振荡指令值执 行修正处理，并且按照进行了修正处理后的激光振荡指令值，向电源指令电力 供给动作。
根据具有上述结构的本发明的激光装置，还考虑指令值修正前的状态下 的激光振荡指令值和激光输出测定值的相关性，激光振荡部在希望的输出范围(例如激光装置的额定输出范围)中，为了能够振荡与激光加工用激光振荡指 令值正确对应的输出的激光光束，可以自动地修正激光振荡指令值。因此，例 如，即使在激光装置具有在额定输出范围中的较高的输出区域，测定值对于指 令值的增量的增量率与较低的输出区域相比緩慢降低的非线性输入输出特性 时，也能够切实地自动修正所给予的激光振荡指令值使其随动于那样的非线性 特性，来使激光振荡部振荡与激光振荡指令值正确对应的输出的激光光束。这 样的激光振荡指令值的修正处理例如能够在每次起动激光装置时，或者在操作 员要求的时刻自动地执行。结果，根据激光装置，能够在整个的额定输出范围 中排除由于环境(温度，湿度等)的变化、随时间的构成要素的位置偏离、污 损等引起的输出偏差，确保与激光振荡指令值正确对应的输出。
在上述的激光装置中，函数运算部作为激光振荡指令值使用供给电力指 令值，能够求出近似表示激光输出测定值对于供给电力指令值的相关性的函 数。此时，电力供给指令部可以作为激光振荡指令值使用激光输出指令值，并 且作为对激光振荡指令值实施的修正处理，按照函数运算部求得的逆函数，根 据激光输出指令值运算供给电力指令值，通过对电源给予供给电力指令值指令 电力供给动作。
或者，函数运算部可以作为激光振荡指令值使用激光输出指令值，求出 近似表示激光输出测定值对于激光输出指令值的相关性的函数。此时，电力供 给指令部可以作为激光振荡指令值使用激光输出指令值，并且作为对激光振荡 指令值实施的修正处理，按照与函数运算部求出的函数所表示的相关性相反的 相关性，根据激光输出指令值运算供给电力指令值，通过对电源给予供给电力 指令值指令电力供给动作。


通过与附图相关联的以下最佳实施方式的说明，本发明上述以及其他的 目的、特征及优点会更加明确。在该附图中，
图l是表示本发明的激光装置的基本结构的功能框图。
图2示意地表示图1的激光装置的具体结构。
图3A 图3D说明本发明第一实施方式的激光装置的指令值自动修正功
沐 月匕。
图4A 图4C说明本发明第二实施方式的激光装置的指令值自动修正功能。
图5是表示变形例的激光装置的基本结构的功能框图。
具体实施例方式
下面参照附图详细说明本发明的实施方式。在附图中，对相同或者类似 的构成要素赋予共同的参照符号。
参照附图，图1用功能框图表示本发明的激光装置10的基本结构。激光 装置IO具有激光振荡部12、对激光振荡部12供给振荡用电力E的电源14、 测定由激光振荡部12振荡的激光光束L的输出P的输出测定部16、根据激光 振荡指令值C和由输出测定部16得到的激光输出测定值M控制电源14的电 源控制部18。
电源控制部18具有按照激光振荡指令值C对电源14指令向激光振荡部 12的电力供给动作的电力供给指令部20、和才艮据给予电力供给指令部20的多 个不同的激光振荡指令值C (CI, C2,…Cn);和关于按照这些激光振荡指令 值C激光振荡部12振荡的激光光束L; Ll， L2,…Ln,由输出测定部14得 到的多个不同的激光输出测定值M; Ml, M2,…Mn,求出近似地表示激光 输出测定值M对于激光振荡指令值C的相关性的函数F的函数运算部22。电 力供给指令部20在函数运算部22求出函数F后，根据函数F对激光振荡指 令值C实施修正处理，并且按照施行了修正处理的激光振荡指令值C对电源 14指令电力供给动作。
更详细地说，电源控制部18的电力供给指令部20对电源14供给根据激 光振荡指令值C (例如操作员输入的)得到的供给电力指令值Cs,由此可以 对电源14指令电力供给动作。这里，在激光振荡指令值C为激光输出指令值 时，电力供给指令部20按照给予的规则(在初始状态下是一次函数)，根据激 光输出指令值运算给予电源14的供给电力指令值Cs。另外，在激光振荡指令 值C为供给电力指令值时，电力供给指令部20使该供给电力指令值恰当化(在 初始状态下原样不变)，得到给予电源14的供给电力指令值Cs。
在激光装置IO处于初始状态(或者指令值修正前的状态)时，电力供给 指令部20按照预备修正用的多个不同的激光振荡指令值(激光输出指令值或
者供给电力指令值)C (Cl， C2,…Cn),对电源14指令向激光振荡部12的 电力供给动作。由此，电源14对激光振荡部12供给与这些激光振荡指令值C
(C1, C2，…Cn)对应的电力E (El， E2，…En),激光振荡部12通过与这 些电力E (E1, E2，…En)对应的输出P (Pl， P2,…Pn)振荡多个不同的 激光光束L(Ll, L2，…Ln)。然后，输出测定部16分别测定这些激光光束L
(Ll， L2,…Ln)的输出P(Pl， P2,…Pn)，得到多个不同的激光输出测定 值M (Ml， M2，…Mn)。
因此，函数运算部22根据多个不同的激光振荡指令值C (Cl， C2,... Cn)和与这些激光振荡指令值C对应的多个不同的激光输出测定值M (Ml, M2，…Mn),通过插补法求出近似地表示希望的输出范围(例如激光装置IO 的额定输出范围)中的激光振荡指令值C和激光输出测定值M的相关性的函
在函数运算部22求出函数F后，在执行加工、医疗、测量等的激光工序 时，电力供给指令部20对于激光工序用的激光振荡指令值C (例如操作员输 入的)，施行基于函数F的适当的修正处理。该修正处理基于函数F,由此还 考虑上述初始状态下的激光振荡指令值C和激光输出测定值M的相关性，为 了激光振荡部12在希望的输出范围(例如激光装置IO的额定输出范围)中， 能够振荡与激光振荡指令值C正确对应的输出P的激光光束L,自动地改变激 光振荡指令值C,或者使其恰当。
通过4巴如此恰当化的激光振荡指令值C给予电源14，电源14向激光振 荡部12供给与激光工序用的激光振荡指令值C (例如操作员输入的)正确对 应的电力E。结果，激光振荡部12在希望的输出范围(例如激光装置10的额 定输出范围)中，通过与激光工序用的激光振荡指令值C正确对应的输出P 振荡激光光束L。
如此，在激光装置10中，考虑初始状态下的激光振荡指令值C和激光输 出测定值M的相关性，为了激光振荡部12能够在希望的输出范围(例如激光 装置10的额定输出范围)中，振荡与激光工序用的激光振荡指令值C正确对 应的输出P的激光光束L,能够自动修正激光振荡指令值C。因此，例如即使 在激光装置IO具有在额定输出范围中的较高的输出区域，测定值对于指令值 的增量的增量率与较低的输出区域相比緩慢降低这样的非线性的输入输出特 性时，也能够切实地自动修正所给予的激光振荡指令值C,使其随动于那样的
非线性特性，使激光振荡部12振荡与激光振荡指令值C正确对应的输出P的 激光光束L。
上述的激光振荡指令值C的修正处理，例如可以在起动激光装置10时或 者在操作员要求的时刻自动地执行。结果，通过激光装置10,能够在整个的 额定输出范围，排除由于环境(温度，湿度)的变化、随时间的构成要素(镜 子等)的位置偏离、污损等引起的输出偏差，确保与激光振荡指令值C正确 对应的^^出P。
图2示意地表示上述的激光装置10的具体的结构。激光装置10的激光 振荡部12具有激励流动气体、结晶体等激光介质的激励部24(通过放电、光、 热、化学反应等)；和放大由激励部24激励的激光介质的光能，作为激光光束 L进行射出的光共振部26。电源14与激励部24连接，在电源控制部18的控 制下，对激励部24供给希望的电力。
光共振部26具有在激励部24的两侧互相相对地设置的射出镜(部分透 过镜)28和后镜(部分透过镜)30。输出测定部16具有光电二极管或者热电 元件等光检测器32，光检测器32在激光振荡部12的外侧与光共振部26的后 镜30接近地配置。后镜30由具有很小的透过率的部分透过镜形成，透过后镜 30的激光光束L的一部分由光检测器32检测。透过后镜30的部分光的输出 因为与从输出镜28射出的激光光束L的输出成比例，所以作为结果通过输出 测定部16测定激光光束L的有效输出。
下面，参照图3A~图4C说明本发明的几个最佳实施方式的激光装置10 的作用效果。此外，以下说明的实施方式的结构与上述图1以及图2所示的基 本结构实质上相同。因此，为对应的构成要素赋予共同的参照符号，并省略其 详细的说明。
图3A~图3D说明本发明第一实施方式的激光装置IO的指令值自动修正 功能。在该实施方式中，电力供给指令部20作为激光振荡指令值C使用激光 输出指令值Cp，按照给予的规则(在初始状态下是一次函数)，根据激光输出 指令值Cp计算给予电源14的供给电力指令值Cs。另外，在该实施方式中，
作为根据经验的预测，把供给电力指令值Cs的特定的阈值作为边界，在不到 阈值的区域中对于供给电力指令值Cs以一次函数生成激光输出P,在阔值以 上的区域中对于供给电力指令值Cs以二次函数生成激光输出P。
首先，电源控制部18的函数运算部22作为激光振荡指令值C,使用电 力供给指令部20根据激光输出指令值Cp求出的供给电力指令值Cs，如上所 述，根据预备修正用的多个不同的供给电力指令值Cs (Csl, Cs2,…Csn)、 和与它们对应的多个不同的激光输出测定值M (Ml, M2，…Mn)，求出近似 表示激光输出测定值M对于供给电力指令值Cs的相关性的函数Fs (图3A)。 关于函数Fs,通过根据上述的预测插补数据，在不到供^^电力指令值Cs的阔 值Cs2时作为一次函tt求出，在为阔值Cs2以上时作为二次函数求出。
然后，电力供给指令部20作为对激光振荡指令值C施行的所述修正处理， 把函数运算部22求出的函数Fs的逆函数IFs (图3B )作为用于根据激光工序 用的激光输出指令值Cp计算供给电力指令值Cs的规则使用(图3C)。在该 规则(即逆函数IFs )下，电力供给指令部20根据激光工序用的激光输出指令 值Cp求出的供给电力指令值Cs抵消在修正处理前的状态下的激光输出测定 值M对于供给电力指令值Cs的相关性中的二次函数的区域(非线性区域)。 即，在修正处理前的状态下，在激光输出测定值M低于与供给电力指令值Cs 线性对应的理想的激光输出测定值的区域中，为了使输出P提高不足的量，应 用使根据激光工序用的激光输出指令值Cp求出的供给电力指令值Cs增加的、 已恰当化的新的运算规则。(图3C)
电力供给指令部20对电源14给予按照上述运算规则(即逆函数IFs)根 据激光工序用的激光输出指令值Cp求出的供给电力指令值Cs，对电源14指 令向激光振荡部12的电力E的供给。结果，激光振荡部12在希望的输出范 围(例如激光装置10的额定输出范围)，通过与激光工序用的激光输出指令值 Cp正确对应的输出P振荡激光光束L (图3D)。此外，上述的运算规则(即 逆函数IFs )在直到执行下一次指令值自动修正处理之间，用于由电力供给指 令部20根据激光输出指令值Cp求出供给电力指令值Cs。
图4A 图4C说明本发明的第二实施方式的激光装置10的指令值自动修 正功能。在该实施方式中，和图3A 图3D的实施方式相同，电力供给指令
部20作为激光振荡指令值C使用激光输出指令值Cp，按照给予的规则(在初 始状态下是一次函数)，根据激光输出指令值Cp计算给予电源14的供给电力 指令值Cs。另外，在该实施方式中，作为根据经验的预测，把激光输出指令 值Cp的特定的阔值作为边界，在不到阈值的区域中对于激光输出指令值Cp 以一次函数生成激光输出P,在为阈值以上的区域中对于激光输出指令值Cp 以二次函数生成激光输出P。
首先，电源控制部18的函数运算部22作为激光振荡指令值C使用给予 电力供给指令部20的激光输出指令值Cp,如上所述，根据预备修正用的多个 不同的激光输出指令值Cp (Cpl, Cp2,…Cpn)、和与它们对应的多个不同的 激光输出测定值M(M1， M2，…Mn),求出近似表示激光输出测定值M对 于激光输出指令值Cp的相关性的函数Fp (图4A)。关于函数Fp，通过按照 上述的预测插补数据，在不到激光输出指令值Cp的阈值Cpl时作为一次函数 求出，在为阔值Cpl以上时作为二次函数求出。
然后，电力供给指令部20作为对激光振荡指令值C实施的上述修正处理， 将表示与函数运算部22求得的函数Fp表示的相关性相反的相关性的函数RFp 作为用于根据激光工序用的激光输出指令值Cp计算供给电力指令值Cs的规 则使用(图4B)。在该规则(即逆函数RFp)下，电力供给指令部20根据激 光工序用的激光输出指令值Cp求出的供给电力指令值Cs抵消在修正处理前 的状态下的激光输出测定值M对于激光输出指令值Cp的相关性中的二次函数 的区域(非线性区域)。即，在修正处理前的状态下，在激光输出测定值M低 于激光输出指令值Cp的区域中，为了使输出P上升不足的量，应用使根据激 光工序用的激光输出指令值Cp求出的供给电力指令值Cs增加的、已恰当化 的新的运算规则(图4B)。
电力供给指令部20对电源14给予按照上述运算规则(即函数RFp)根 据激光工序用的激光输出指令值Cp求出的供给电力指令值Cs,对电源14指 令向激光振荡部12的电力E的供给。结果，激光振荡部12在希望的输出范 围(例如激光装置10的额定输出范围)，通过与激光工序用的激光输出指令值 Cp正确对应的输出P振荡激光光束L (图4C)。此外，上述的运算规则(即 函数RFp)在直到执行下一次指令值自动修正处理之间，用于由电力供给指令
部20根据激光输出指令值Cp求出供给电力指令值Cs。
虽然未图示，但本发明的激光装置10在给予电力供给指令部20的激光 振荡指令值C是对于电源14成为直接指令的供给电力指令值Cs时，也能发 挥有效的指令值自动修正功能。此时，函数运算部22作为激光振荡指令值C 使用给予电力供给指令部20的供给电力指令值Cs，如上所述，根据预备修正 用的多个不同的供给电力指令值Cs (Csl, Cs2,…Csn)、和与它们对应的多 个不同的激光输出测定值M (Ml, M2,…Mn),求出近似表示激光输出测定 值M对于供给电力指令值Cs的相关性的函数Fs (图3A)。
然后，电力供给指令部20作为对激光振荡指令值C实施的修正处理，按 照函数运算部22求出的函数Fs，修正激光工序用的供给电力指令值Cs。通过 该修正，电力供给指令部20给予电源14的激光工序用的供给电力指令值Cs 抵消在修正处理前的状态下的激光输出测定值M对于供给电力指令值Cs的相 关性中的二次函数的区域。即，在修正处理前的状态下，在激光输出测定值M 低于与供给电力指令值Cs线性对应的理想的激光输出测定值的区域中，为了 使输出P上升不足的量，实施使激光工序用的供给电力指令值Cs增加的修正 (图3C)。
电力供给指令部20通过对电源14给予上述修正后的供给电力指令值Cs， 指令电源14向激光振荡部12的电力E的供给。结果，激光振荡部12在希望 的输出范围(例如激光装置IO的额定输出范围)，通过与激光工序用的供给电 力指令值Cs正确对应的输出P振荡激光光束L。此外，上述的修正规则(即 函数Fs)在直到执行下一次指令值自动修正处理之间，用于由电力供给指令 部20修正供给电力指令值Cs。
在本发明的激光装置10中，电源控制部18进一步具有存储部34是有益 处的(参照图5 ),该存储部34用于存储预备修正用的多个不同的激光振荡指 令值C( Cl ， C2， ...Cn)以及与它们对应的多个不同的激光输出测定值M( Ml ， M2,…Mn)、和函数运算部22求出的修正处理用的函数F中的至少一方。通 过这样的结构，无需依赖外部的存储装置，可以迅速而且正确地执行适宜的指 令值自动^多正处理。
本发明的激光装置10例如可以良好地用于切断或者焊接等激光加工系统 (例如机器人系统)中。另外，也可以用于医疗用途(例如诊断或治疗)等激 光加工系统以外的各种激光系统(例如机器人系统)。无论在哪一种情况，激
光装置10能够在希望的输出范围(例如激光装置10的额定输出范围)，通过 与激光工序用的激光振荡指令值C正确对应的输出P振荡激光光束L,所以有 助于激光工序的稳定。
以上与本发明的最佳实施方式相关联地说明了本发明，但本领域的技术 人员应该理解，在不超出权利要求要求保护的范围情况下，可以进行各种修正 及变更。
权利要求
1.一种激光装置，具有激光振荡部(12)、对该激光振荡部供给振荡用电力(E)的电源(14)、测定由该激光振荡部振荡的激光光束(L)的输出(P)的输出测定部(16)、根据激光振荡指令值(C)和由该输出测定部得到的激光输出测定值(M)控制该电源的电源控制部(18)，其特征在于，所述电源控制部(18)，具有按照激光振荡指令值(C)向所述电源(14)指令向所述激光振荡部(12)的电力供给动作的电力供给指令部(20)，和根据所述电力供给指令部所给予的多个不同的激光振荡指令值(C；C1，C2，...Cn)、以及关于按照这些激光振荡指令值所述激光振荡部(12)振荡的激光光束(L；L1，L2，...Ln)，由所述输出测定部(16)得到的多个不同的激光输出测定值(M；M1，M2，...Mn)，求出近似地表示该激光输出测定值对于该激光振荡指令值的相关性的函数(F；Fs；Fp)的函数运算部(22)，所述电力供给指令部在所述函数运算部求出所述函数之后，根据该函数对激光振荡指令值执行修正处理，并且按照进行了该修正处理后的该激光振荡指令值，向所述电源指令所述电力供给动作。
2. 根据权利要求1所述的激光装置，其特征在于， 所述函数运算部(22)作为所述激光振荡指令值(C)使用供给电力指令值(Cs),求出近似地表示所述激光输出测定值(M)对于该供给电力指令值 的相关性的所述函数(Fs)，所述电力供给指令部(20)作为所述激光振荡指 令值使用激光输出指令值(Cp ),并且作为对所述激光振荡指令值施行的所述 修正处理，按照所述函数运算部求出的所述函数的逆函数(IFs),由该激光输 出指令值计算供给电力指令值(Cs)，并对所述电源(14)给予该供给电力指 令值，由此来指令所述电力供给动作。
3. 根据权利要求l所述的激光装置，其特征在于， 所述函数运算部(22)作为所述激光振荡指令值(C)使用激光输出指令值(Cp)，求出近似地表示所述激光输出测定值(M)对于该激光输出指令值 的相关性的所述函数(Fp),所述电力供给指令部(20)作为所述激光振荡指令值使用激光输出指令值(Cp),并且作为对所述激光振荡指令值执行的所述修正处理，按照与所述函数运算部求出的所述函数表示的相关性相反的相关性，由该激光输出指令值计算供给电力指令值(Cs)，并对所述电源(14)给予该供给电力指令值，由此来指令所述电力供给动作。
4.根据权利要求l-3的任何一项所述的激光装置，其特征在于， 所述电源控制部(18)还具有存储部(34),其用于存储所述多个不同的激光振荡指令值(C; CI, C2,…Cn)以及所述多个不同的激光输出测定值 (M; Ml， M2，…Mn)、和所述函数(F; Fs; Fp)中的至少一方。
全文摘要
激光装置具有激光振荡部、对激光振荡部供给振荡用电力的电源、测定由激光振荡部振荡的激光光束的输出的输出测定部、根据激光振荡指令值和由输出测定部得到的激光输出测定值控制电源的电源控制部。电源控制部具有按照激光振荡指令值对电源指令向激光振荡部的电力供给动作的电力供给指令部；和根据给予电力供给指令部的多个不同的激光振荡指令值以及关于按照这些激光振荡指令值激光振荡部振荡的激光光束，由输出测定部得到的多个不同的激光输出测定值，求出近似表示激光输出测定值对于激光振荡指令值的相关性的函数的函数运算部。电力供给指令部在函数运算部求出函数后，根据函数对激光振荡指令值执行修正处理，并且按照施行了修正处理的激光振荡指令值，向电源指令电力供给动作。
文档编号G02F1/35GK101114754SQ20071013907
公开日2008年1月30日 申请日期2007年7月24日 优先权日2006年7月25日
发明者村上孝文, 江川明, 西尾明彦 申请人:发那科株式会社