专利名称：激光加工装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种波形可控的激光加工装置。
直到现在，在通过向工件照射脉冲激光束实现激光加工例如焊接、切割等的激光加工装置中，利用可变控制脉冲激光的输出激光的脉冲波形技术，以满足各种加工要求。
图6表示常规的波形可控的激光加工装置的主要结构。该激光加工装置包含激光振荡单元100、激光器电源单元102和控制单元104。激光器电源单元102经过通常由晶体管构成的开关元件106电连接到激光振荡单元100的激发光源(未示出)，可由控制单元104对开关元件106进行的反馈开关控制，来控制激光器电源单元102向所述激发光源提供的直流功率或电流波形。激光振荡单元100利用从激发光源发出的激发光的能量激励固态激光器介质(未示出)，以便振荡输出具有可控激光输出(光强)波形的激光束LB。
为了实现上述激光输出波形控制，控制单元104包含激光输出测量单元108，用于测量激光束LB的输出；以及开关控制单元112，用于根据来自激光输出测量单元108的激光输出信号测量值ML的反馈信号和来自基准信号发生单元110的基准信号Mref之间的误差对开关元件106进行开关控制。
在开关控制单元112中，由运算放大器114、输入电阻116和118以及反馈电阻120组成的误差放大器122，将两个信号ML和Mref的电平相比较，以产生代表其间误差或差的误差信号ER。以及一PWM(脉宽调制)电路124产生预定频率的PWM信号MW，该信号的脉宽与误差信号相适应。PWM信号MW作为一开关控制信号经过驱动电路126提供到开关元件106。
在上述激光加工装置中，激光束LB的输出相对于用于波形控制从PWM电路124馈送到开关元件106的开关控制信号MW，可以具有很大程度的相位滞后，例如多达180°。
由于这一理由，为了稳定波形控制反馈回路，与运算放大器114的反馈电路中的电阻120相并联配置一相位补偿电路，该相位补偿电路由串联的电容128和电阻130组成，以便加强特别是高频分量的负反馈，以此补偿大的相位滞后，几乎能够将如上所述的相位反相。
然而，这可能导致降低误差放大器122的增益，特别是高频分量的增益。由于这一理由，当激光束LB上升时，两个激光输出测量值信号ML和基准信号Mref往往包含很多高频分量，使得关于各对应高频分量之间的误差(或差)的误差信号ER的增益或灵敏度随PWM电路124响应速度的降低而变低。这可能经常导致激光输出缓慢上升，如在图7A到7C中所示，以及由于其反应导致过冲，降低波形控制的精确度和可靠性。此外，从激光加工质量的观点出发，这也是不希望有的。
根据在先技术存在的这些问题提出本发明。因此，本发明的目的是提供一种提高激光输出波形控制的精确度或可靠性的激光加工装置。
本发明的另目的是提供一种提高激光输出上升特性的激光加工装置。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种功率反馈型激光加工装置，具有激光振荡单元，用于利用从激发光源发出的激发光的能量激励固态激光器介质，以便振荡输出激光，激光器电源单元向所述激发光源供电，以及激光输出测量单元测量激光输出，根据反馈信号和预设的基准值之间的误差控制激光输出，所述反馈信号是来自所述激光输出测量单元的激光器功率测量值，所述激光加工装置包含功率测量单元，用于测量向激发光源提供的功率，其中利用代表来自所述功率测量单元的功率测量信号的交流分量校正所述反馈信号，以便控制激光输出。
在上述结构中，利用基本上与控制信号同相的功率测量值信号的交流分量，校正其相位相对于控制信号明显滞后的激光输出测量值信号或反馈信号，以此，该反馈信号能够进行相位补偿，以稳定功率反馈回路。
另一方面，可以利用功率测量值信号的高频分量校正基准值，以控制激光输出。另外，可以这样配置，取代功率测量装置提供电流测量装置，用于测量提供到激发光源的电流，使得可以利用来自功率测量装置代表功率测量值的信号的高频分量校正该反馈信号，以控制激光输出。作为一种替代方案，可以利用功率测量值信号的交流分量校正该基准值，以控制激光输出。
最好，本发明的激光加工装置还包含开关装置，其连接在所述激光器电源单元和所述激发光源之间；以及开关控制装置，用于按照预定频率通过脉宽调制对所述开关装置进行开关控制。
最好，该开关装置还包含加法器，其将测量值信号的交流分量加到反馈信号上；运算放大器，其将来自所述加法器的输出信号与所述基准值相比较，以放大其间的误差信号；以及电容器，配置在所述运算放大器的反馈电路中，用于相位补偿。另外，该开关装置可以包含减法器，其从所述基准值中减去测量值信号的交流分量；运算放大器，其将来自减法器的输出信号与所述基准值相比较，以放大其间的误差信号；以及电容器，配置在所述运算放大器的反馈电路中，用于相位补偿。在本发明中，利用功率测量值信号或电流测量值信号的交流分量，补偿反馈信号的相位以便稳定功率反馈回路，其结果是，以此使得形成构成误差放大器的运算放大器的快速响应的频率特性，进行稳定的和快速响应的激光输出波形控制。
根据结合附图的如下详细说明本发明的上述和其它目的、方面、特征和优点将变得更明显，其中
图1是表示根据本发明的一个实施例的激光加工装置主要结构的方块图；图2是表示在该实施例的激光加工装置中包含的开关控制单元示范性结构的电路图；图3是表示在该实施例的开关控制单元包含的误差放大器频率特性与常规实例比较的示意图；图4A到4C是表示在该实施例的激光加工装置的各个部分的波形示意图；图5是表示在该实施例的一种变更开关控制单元的电路图；图6是表示常规激光加工装置的主要结构的方块图；图7A到7C是表示在常规激光加工装置的各个部分的波形示意图。
下面参照附图1到5进行说明，这些附图以非限定性方式表示了目前的本发明的优选实施例。
图1表示根据本发明的一个实施例的激光加工装置主要结构的方块图。该激光加工装置包含激光振荡单元10、激光器电源单元12和激光器冷却单元14和控制单元15。
激光振荡单元10包含用作激发光源的激发灯20和用作激发介质的YAG棒22，这两者配置在小室18内；以及配置在小室18之外位于YAG棒22光轴上的一对反射镜24和26。
激发灯20点亮并发出激发光时，利用激发光的能量激励YAG棒22。从YAG棒22的相反两端沿光轴发射的光由于光谐振器反射镜24和26之间的放大作用反复反射，然后以脉冲激光束LB的形式传输通过输出反射镜24。在传输通过输出反射镜24之后，脉冲激光束LB经过例如由反射镜和光纤组成的光传输系统(未示出)发送到激光输出单元，该激光输出测量单元位于激光加工部位并从激光输出单元照射到工件(未示出)。
激光器电源单元12包含一电容128，用于存储要提供到激光振荡单元10的激光振荡能量；以及一充电电路30，其用于将工业AC(交流)例如3相AC电源电压(U,V,W)整流为DC(直流)，以向电容28充电直到预定DC电压。激光器电源单元12即电容28的一端经过开关元件例如IGBT(绝缘栅双极型晶体管)32电连接到激发灯20。
激光器冷却单元14用于将由激光振荡单元10中的激发灯20和YAG棒22产生的热量排放到外部，并且向激光振荡单元10提供致冷剂例如温度可控的冷却水CW。
控制单元16包含一CPU(微处理器)34，用于对整个装置和其中的每个单元的工作进行控制；存储器36，用于存储各种程序、各种设定值和为使进行预定处理所需的其它数据；以及各种测量装置38-48和用于波形控制的开关控制单元50。
各种测量装置之中，激光输出测量单元38具有接收从光谐振器反射镜26反向漏出的激光束LB’的光电探测器，以及一测量电路，用于根据从光电探测器输出的电信号确定脉冲激光束LB的激光输出。激光输出测量单元38将从测量电路获得的激光输出测量值信号SL馈送到开关控制单元50和CPU34。
电压测量电路40经过电压检测用引线电连接到激发灯20的两对端并测量例如从激光器电源单元12向激发灯20施加的有效值(RMS)电压(灯电压)，以便向功率计算电路44馈送灯电压的测量值。
电流测量电路46接收例如来自霍尔CT48的电流检测信号，该霍尔CT48是一装配到电源单元12中的灯电流供给电路的电流传感器，并测量提供到激发灯20的有效值电流(灯电流)I，以便向功率计算电路44和开关控制单元50馈送代表灯电流测量值的信号SI。
功率计算电路44根据来自电压测量电路40的灯电压测量值信号SV和根据来自电流测量电路46的灯电流测量值信号SI通过计算求出灯功率SP的测量值，以便将代表灯功率测量值的信号SP馈送到开关控制单元50。
开关控制单元50将用于波形控制的开关控制信号SW经过驱动电路52馈送到IGBT32。在这一实施例的激光输出波动控制中，开关控制单元50利用来自激光输出测量单元38的激光输出测量值信号SL作为主反馈信号，和利用来自功率计算电路44的灯功率测量值信号SP或来自电流测量电路46的灯电流测量值信号SI作为辅助反馈信号。然后，开关控制单元50将反馈信号SL,SPc(SIc)和来自CPU34的具有预期脉冲波形的基准信号Sref相比较，以便得到比较误差，产生例如用于PWM的开关控制信号SW，以便消除比较误差。因此，利用开关控制信号SW经过驱动电路52对IGBT32进行开关控制。
这种反馈控制系统提供控制，使得从激光振荡单元10振荡输出的脉冲激光束LB的输出跟随波形基准信号Sref的波形。
然后，CPU34使通信接口单元54、输入单元56和显示单元58等相关联。通信接口单元54用于与外围设备(未示出)交换数据或信号。输入单元56例如包含在该装置控制台面板上配置的键开关，并用于所有的各种设定值。显示单元58包含安装到控制台面板上的显示器并显示输入的各种设定值、各种测量值。在图1中，作为测量值仅从激光输出测量单元38将激光输出测量值信号SL输入到CPU34并可显示。然而，可以将由其它测量单元40,44和46得到的测量值信号输入到CPU34，用以显示或进行所需的数据处理。
图2以举例方式表示在该实施例中包含的开关控制单元结构。开关控制单元50是由模拟电路形成的，并包含加法器60、反相电路62、误差放大器64以及PWM电路66。
在加法器60中，来自激光输出测量单元38的激光输出测量值信号SL(图1)作为主反馈信号经过输入晶体管70提供到运算放大器68的反相输入端(-)。电容72接收来自功率计算电路44(图1)的灯功率测量值信号SP或来自电流测量电路46(图1)的灯电流测量值信号SI。传输通过电容72的信号SP(SI)的交流分量SPc(SIc)经过输入晶体管74提供到运算放大器68的反相输入端(-)作为辅助反馈信号。运算放大器68的同相输入端(+)接到地电位，反馈电阻76接入在输出端和同相输入端(+)之间。
按此构成的加法器60将功率测量值信号SP的交流分量SPc或电流测量值信号SI的交流分量SIc相加到激光功率测量值信号SL上，并提供一以具有反极性的校正的反馈信号-SF形式的反极性信号作为其输出。
反相电路62包含运算放大器78、输入电阻80和反馈电阻82。利用这一反相电路62将反极性的校正的反馈信号-SF极性反相，以便得到正极性的校正的反馈信号SF。
误差放大器64包含运算放大器84、一对输入电阻86和88，及反馈电阻90。运算放大器84具有同相输入端(+)，其经过输入电阻86接收来自反相电路62的校正反馈信号SF，并具有反相输入端(-)，其经过输入电阻88接收来自CPU34的基准信号Sref应注意，来自CPU34的基准信号Sref是在利用数模变换电路变换成模拟信号之后馈送到反相输入端(-)的。
在这一误差放大器64中，运算放大器84具有输出端，该输出端输出一代表信号SF和信号Sref之间的差或误差(SF-Sref)的误差信号ER。由输入电阻86和88与反馈电阻90的比值确定的信号放大倍数。
在这一误差放大器64中为保证用于波形控制的反馈电路的稳定性，运算放大器84的反馈电路还设有由串联的电阻90、电容92和电阻94组成的相位补偿电路，这些电容92和电阻94的串联电路与电阻90相并联。然而应注意，在这一装置中，由于校正的反馈信号SF相对于从PWM电路66输出的开关控制信号SW小的相位移(滞后)，可能向相位补偿电路提供特别是高频分量的弱负反馈，后面将予以说明。
举例来说，在常规装置(图6)的相位补偿电路中电容128的电容量为47000微法，电阻130的阻值设定为500欧，在本装置的相位补偿电路中电容92的电容量为47000微法，电阻130的阻值设定为20千欧。由于在本相位补偿电路中高频分量弱负反馈的结果，可以显著地改进误差放大器64的频率特性。
图3表示在该实施例的误差放大器频率特性与常规实例比较的实例(图1)。输入电阻86,88(116,118)及反馈电阻90(120)的阻值分别设定为2千欧和100千欧。
PWM电路66包含一用于产生比较用基准信号例如恒定频率的锯齿波信号的电路，以及一比较器，用于将来自误差放大器64的误差信号ER与锯齿波信号相比较，以产生PWM信号即开关控制信号SW。在每一开关同期中开关控制信号SW的脉宽限定了IGBT32的导通时间，并可随误差信号ER变大相应地增加，但随误差信号ER变小相应地降低。
按本实施例的激光输出波形控制的开关控制单元50的工作如下。
在每一开关周期中，开关控制信号SW接通时间内或IGBT32的导通时间内，直流电流I从激光器电源单元12经过开关元件32提供到激光振荡单元10中的，以便点亮激发灯20。在该激光振荡单元10中，如上所述，利用来自激发灯20的激发光激励YAG棒22以产生激光，由于光谐振器反射镜24和26使该光发生光谐振或放大并形成激光束LB。其中，从激光器电源单元12向激发灯20提供的功率测量值信号SP的变化即交流分量与开关控制信号SW或导通时间(脉冲持续时间)同步，该导通时间是IGBT32的一个控制变量。相反，激光束LB的输出变化不与之同步，可能显著地滞后例如为180°量级。
这一实施例的开关控制单元50利用来自激光输出测量单元38的激光输出测量值信号SL作为一主反馈信号，并利用来自功率计算电路44的灯功率测量值信号SP或者来自电流测量电路46的电流测量值信号SI中的交流分量SPc(SIc)作为用于校正的辅助反馈信号。在开关控制单元50中，加法器60将两个反馈信号SL和SPc(SIc)相加在一起，以及误差放大器64将作为加法结果得到的校正的反馈信号SF与基准信号Sref相比较，得到比较误差(SF-Sref)。然后根据该比较误差(SF-Sref)确定在下一个开关周期中的IGBT32导通时间。
其中馈送到误差放大器64的校正的反馈信号SF是通过利用接近与开关控制信号SW同相的辅助反馈信号SPc(SIc)校正(相位补偿)主反馈信号得到的，随着该主反馈信号相对于开关控制信号SW变为相位相反，有相当大程度的滞后。这样保证了波形控制反馈回路的高可靠性。由于这一理由，利用特别是由误差放大器64中相位补偿电路(92,94)的消弱的高频分量，如上所述改进了频率特性和提高响应速度。
因此，如在图4A到4C中所示，这一实施例能够实现脉冲激光束LB稳定和快速上升并消除过冲。这种激光输出波形控制的精确度和可靠性的提高可以提高激光加工的质量。
图5是表示在该实施例的一种变型开关控制单元50的电路图。在这个图中，对于具有与与图2中相似结构的元件使用相同的标号。
在这种变型方案中，基准信号Sref传输通过反相电路62并在此以后利用加法器60将其相加到辅助反馈信号SPc(SIc)上，得到第一比较误差(SF-{Sref-SPc(SIc)}。即，加法器60和反相电路62构成一减法器，用于从基准信号Sref中减去辅助反馈信号SPc(SIc)。然后，在误差放大器64中，将第一比较误差(SF-{Sref-SPc(SIc)}馈送到运算放大器84的反相输入端(-)，而主反馈信号SL馈送到同相输入端(+)，以得到第二比较误差{SL+SPc(SIc)-Sref}。第二比较误差是与在上述实施例的相同结果，使相同的误差信号ER可馈送到PWM电路66。
虽然上面已经介绍了本发明的优选实施例，但本发明可以根据其技术构思以各种方式变化或改进。例如激光振荡单元10、激光器电源单元12和控制单元16的结构和工作性能并不局限于在上述实施例中的，而是可以各种方式变化。虽然上述实施例采用PWM作为开关控制系统，但也采用其它适合于该反馈系统的控制系统。
如上文所述，根据本发明的激光加工装置，利用由激光器电源单元提供到激光振荡单元中的激发光源的功率或电流的交流分量，校正反馈信号(激光输出测量值)或基准信号Sref，以便进行功率控制，因此，能够实现稳定的和快速响应的激光输出波形控制，特别是提高激光输出的上升特性。
权利要求
1．一种功率反馈型激光加工装置，具有激光振荡单元，用于利用从激发光源发出的激发光的能量激励固态激光器介质，以便振荡输出激光，激光器电源单元向所述激发光源供电，以及激光输出测量单元测量激光输出，根据反馈信号和预设的基准值之间的误差控制激光输出，所述反馈信号是来自所述激光输出测量单元的激光器功率测量值，所述激光加工装置包含功率测量单元，用于测量向所述激发光源提供的功率，其中利用代表来自所述功率测量单元的功率测量信号的交流分量校正所述反馈信号，以便控制激光输出。
2．一种功率反馈型激光加工装置，具有激光振荡单元，用于利用从激发光源发出的激发光的能量激励固态激光器介质，以便振荡输出激光，激光器电源单元向所述激发光源供电，以及激光输出测量单元测量激光输出，根据反馈信号和预设的基准值之间的误差控制激光输出，所述反馈信号是来自所述激光输出测量单元的激光器功率测量值，所述激光加工装置包含功率测量单元，用于测量向所述激发光源提供的功率，其中利用代表来自所述功率测量单元的功率测量信号的交流分量校正所述基准值，以便控制激光输出。
3．一种功率反馈型激光加工装置，具有激光振荡单元，用于利用从激发光源发出的激发光的能量激励固态激光器介质，以便振荡输出激光，激光器电源单元向所述激发光源供电，以及激光输出测量单元测量激光输出，根据反馈信号和预设的基准值之间的误差控制激光输出，所述反馈信号是来自所述激光输出测量单元的激光器功率测量值，所述激光加工装置包含电流测量单元，用于测量向所述激发光源提供的电流，其中利用代表来自所述电流测量单元的功率测量信号的交流分量校正所述反馈信号，以便控制激光输出。
4．一种功率反馈型激光加工装置，具有激光振荡单元，用于利用从激发光源发出的激发光的能量激励固态激光器介质，以便振荡输出激光，激光器电源单元向所述激发光源供电，以及激光输出测量单元测量激光输出，根据反馈信号和预设的基准值之间的误差控制激光输出，所述反馈信号是来自所述激光输出测量单元的激光器功率测量值，所述激光加工装置包含电流测量单元，用于测量向所述激发光源提供的电流，其中利用代表来自所述电流测量单元的功率测量信号的交流分量校正所述基准值，以便控制激光输出。
5．根据前述权利要求中之一所述的激光加工装置，还包含开关装置，连接在所述激光器电源单元和所述激发光源之间，以及开关控制装置，用于按照预定频率通过脉宽调制对所述开关装置进行开关控制。
6．根据前述权利要求中之一所述的激光加工装置，其中所述开关装置包含加法器，其将测量值的所述信号的交流分量加到反馈信号上；运算放大器，其将来自所述加法器的输出信号与所述基准值相比较，以放大其间的误差信号；以及电容器，配置在所述运算放大器的反馈电路中，用于相位补偿。
7．根据前述权利要求5所述的激光加工装置，其中所述开关装置包含减法器，其从所述基准值中减去测量值的所述信号的交流分量；运算放大器，其将来自所述减法器的输出信号与所述基准值相比较，以放大其间的误差信号；以及电容器，配置在所述运算放大器的反馈电路中，用于相位补偿。
全文摘要
当IGBT导通时,来自激光器电源单元的电流经过开关元件提供到激光振荡单元中的激发灯使之发光,振荡输出激光束LB。开关控制单元利用来自激光输出测量单元的输出SL作为主反馈信号,及利用来自功率计算电路的灯功率测量值信号SP的或者来自电流测量电路的电流测量值信号SI中的交流分量SPc(SIc)作为用于校正的辅助反馈信号。开关控制单元将反馈信号与来自CPU具有预期脉冲波形的基准信号相比较,以得到比较误差。
文档编号B23K26/00GK1320503SQ0111720
公开日2001年11月7日 申请日期2001年4月25日 优先权日2000年4月25日
发明者牛增强, 川村浩二 申请人:宫地技术株式会社