專利名稱：用于控制激光束加工機的方法及激光束加工機的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于控制激光束加工機的方法以及激光束加工機。
背景技術：
激光束機加工因為能夠實現非接觸、高速、高質量的機加工而被廣泛用于各種材料的諸如鉆、切、焊以及熱處理之類的各種領域中。另一個優點在于，單個激光束振蕩器僅通過改變激光束振蕩條件就能夠進行上述各種類型的機加工。
但是，如此大的靈活性帶來一種危險的可能性，即機加工質量可能受到由于某些原因對要被加工的物體的照射條件以及激光束振蕩條件中的變化的影響。因此，保持機加工質量成為一個問題。
有關激光束機加工的傳統技術包括例如在日本未審查專利公開公報No.2002-336985中公開的技術，其在通過光纖將激光束導引至光投射頭的激光束加工機中，允許光投射頭移動，同時，在防止光纖干擾的工件、夾具等的同時導引光纖。日本未審查專利公開公報No.2002-307180公開了一項技術，該技術通過在光圈與fθ透鏡之間布置由透鏡和透鏡移動裝置構成的焦距變化裝置，并利用從fθ透鏡觀察的光圈位置的變化，來根據機加工程序移動透鏡。此外，日本未審查專利公開公報No.2002-254189公開了一項技術，該技術通過在單個激光束加工機上提供多個激光束振蕩器來拓寬可機加工板材的厚度范圍。
為了防止出現由于機加工質量依賴于激光束振蕩狀態和照射能量狀態而變化所導致的麻煩，有必要一直監視激光束振蕩狀態和機加工質量。特別是，在作為自動機器的結合了激光束振蕩器的裝配機和工作機中，基于來自例如個人電腦和定序器的控制設備的電信號，進行數字控制或對激光照射條件或者照射的打開/關閉的控制。因此，有必要自動監視激光束振蕩器側是否根據規定的條件而操作。
在激光束加工機的情況中，來自激光束振蕩器的激光束通過光纖被傳輸、被反射鏡反射、被透鏡放大或縮小等等，這樣使用各種光學構件，直到激光束到達要被加工的物體。此外，為了確保人體和機械的安全使用了光閘機構。在這樣的構造中，可能出現的問題是如果在操作期間某些光學構件被破壞或者特性降級，則物體不能被加工，這會相當大地影響機加工的質量。
傳統上，各種方法被用來檢測激光束的特性。圖1是示出了激光束檢測的傳統原理的示圖。公知的一種方法是這樣的，即在激光束振蕩器內布置具有略微反射激光束1的特性的半反射鏡2，并通過光學檢測傳感器3檢測反射光束。圖1所示的方法是這樣一種方法，即通過接收來自光學檢測傳感器3的輸出，監視激光束的輸出能量與振蕩脈沖的形狀和時間。
發明內容
但是，在傳統方法中，必須將光學元件插入在光路(光學傳輸路徑)中，因此，導致了裝置結構變復雜、每次激光束被光學元件反射或者激光束穿過光學元件時激光束特性都改變等等問題。因此，通常僅在最低限度地必須的位置處進行監視。一般，如上所述，在大多數情況下監視只在激光束振蕩器內進行，并且在光學傳輸路徑中某些光學元件被損壞的情況下，幾乎不可能監視要被加工的物體是否被激光束照射，或者監視實際照射要被加工的物體的有效照射能量的變化。
本發明是考慮了上述問題而開發的，本發明的一個目的是提供能夠監視照射要被加工的物體的激光束振蕩器的有效能量和振蕩狀態而不影響激光束性能的激光束加工機和用于控制激光束加工機的方法，此外，另一個目的是提供能夠維持照射要被加工的物體的有效能量的條件并且能夠自動檢測和指示有必要進行維護的情形的激光束加工機和用于控制激光束加工機的方法。
在根據本發明的用于控制激光束加工機的方法中，沿激光束傳輸路徑布置至少一個光學檢測傳感器，通過光學檢測傳感器檢測從激光束傳輸路徑散射的散射光束，從而通過接收光學檢測傳感器的輸出獲得激光束的特性。
根據本發明的激光束加工機包括用于產生激光束的激光束振蕩器；用于傳輸激光束振蕩器產生的激光束的激光束傳輸路徑；用于接收從激光束傳輸路徑發出的激光束以獲得平行激光束的準直透鏡；用于接收準直透鏡的輸出以將激光束聚集到要被加工的物體上的機加工聚光透鏡；沿激光束傳輸路徑設置的至少一個光學檢測傳感器；和用于接收光學檢測傳感器的輸出并進行預定處理以獲得激光束特性的算術控制部分。
根據本發明，該設計該構造，使得能夠檢測從所述激光束傳輸路徑散射的散射光束，從而，可以利用光學檢測傳感器檢測激光束的狀態，而不影響激光束的性能。因此，根據本發明，可以監視照射要被加工的物體的發射自激光束振蕩器的有效能量和振蕩狀態，而不影響激光束的性能。
還可以維持照射要被加工的物體的有效能量的條件，并自動檢測和通知有必要進行維護的情形。
算術控制部分基于接收光學檢測傳感器的輸出，對激光束的通過或者其大小進行實時監視。
由于算術控制部分基于接收光學檢測傳感器的輸出，進行預定的算術處理并將結果顯示在顯示部分上，所以可以對激光束的通過或者激光束輸出的大小進行實時監視。
算術控制部分基于接收光學檢測傳感器的輸出，監視在激光束傳輸路徑中是否有問題，或者監視照射要被加工的物體的有效能量。
此外，當算術控制部分接收到光學檢測傳感器的輸出時，還可以監視在激光束傳輸路徑中是否有問題，以及監視照射要被加工的物體的有效能量。
算術控制部分基于在光學檢測傳感器的輸出與預先存儲在存儲裝置中的光學檢測傳感器輸出標準值之間的比較結果，調節激光束的強度。
由于算術控制部分將光學檢測傳感器的輸出與預先存儲在存儲裝置中的光學檢測傳感器輸出標準值進行比較，所以可以基于比較結果來調節激光束的強度。
優選地，在要被加工的物體與機加工聚光透鏡之間設置用于遮擋在要被加工的物體處產生的熔融濺射物的透鏡保護玻璃。
由于在要被加工的物體與機加工聚光透鏡之間設置了透鏡保護玻璃，所以可以防止熔融濺射物附著到機加工聚光透鏡上。
從以下結合附圖做出的描述中可以更清楚地理解本發明的特征和優點，附圖中圖1是示出了通過激光束進行檢測的傳統原理的示圖；圖2是示出了本發明的原理的流程圖；圖3是示出了基于本發明原理的構造的示圖；圖4是示出了光學檢測傳感器如何檢測散射激光束的示圖；圖5是示出了通過散射光束觀察激光束振蕩狀態的示例的示圖；圖6是示出了對振蕩脈沖波形的監視的示圖；圖7是示出了要被監視的內容和可以根據測量位置及位置之間的差來判斷的內容的示圖；以及圖8是示出了根據本發明的系統的整體構造的示例的框圖。
具體實施例方式
圖2是一個流程圖，示出了根據本發明的方法的原理。本發明特征在于沿著激光束傳輸路徑布置了至少一個光學檢測傳感器(S1)，通過光學檢測傳感器檢測從激光束傳輸路徑被散射的散射光束(S2)，從而通過接收光學檢測傳感器的輸出獲得激光束的特性(S3)。
圖3是示出了基于本發明原理的構造的示圖。在該圖中，參考標號20表示產生激光束的激光束振蕩器，1表示激光束振蕩器20所產生的激光束，21表示用于將光束導引至光纖中的聚光透鏡，其接收激光束1，并將該光束聚集并導引至光纖中，22表示作為激光束傳輸路徑的光纖，其傳輸由激光束振蕩器20所產生的激光束，23表示用于通過接收從光纖22發出的激光束來獲得平行光束的準直透鏡，以及24表示用于接收準直透鏡23的輸出并將激光束聚集到要被加工的物體上的機加工聚光透鏡。激光束傳輸路徑在廣義上指的是從激光束振蕩器20延伸到要被加工物體的光學傳輸路徑。參考標號25表示用于遮擋在激光束照射期間在要被加工的物體處產生的熔融濺射物的透鏡保護玻璃，26表示要被激光束加工的物體。
參考標號11至16表示沿激光束傳輸路徑設置的光學檢測傳感器，27表示算術控制部分，用于通過在接收光學檢測傳感器11至16的輸出的基礎上進行預定處理來獲得激光束特性，28表示用于顯示激光狀態的顯示部分。例如，微處理器被用作算術控制部分27。例如，液晶顯示部分、CRT、等離子顯示器等被用作顯示部分28。圖3示出了一個示例，其中布置了多個光學檢測傳感器，但是如果至少有一個光學檢測傳感器，就能夠獲得激光束的基本特性。
激光束1發射自激光束振蕩器20。所發射的激光束1被接下來的聚光透鏡21聚集，以被聚焦到光纖22的輸入面上，并進入光纖。穿過了光纖22的激光束從光纖22發出，到準直透鏡23中。準直透鏡23使從光纖22發出的散射光束成為平行光束。
通過準直透鏡23被變得平行的激光束進入機加工聚光透鏡24。機加工聚光透鏡24聚集平行光束，并且要被加工的物體26受其照射。通過激光束的照射，要被加工的物體26經受諸如鉆、切、焊以及熱處理等的處理。在這種情況下，由于在機加工聚光透鏡24和要被加工的物體26之間布置了透鏡保護玻璃25，所以可以防止在要被加工的物體26處產生的熔融濺射物附著到機加工聚光透鏡24上。
在這樣一系列激光束加工處理期間，光學檢測傳感器11～16中的每個在各自的安裝位置監視散射激光束。圖4是示出了光學檢測傳感器如何檢測散射激光束的示圖。相同的字母或者標號被分配給與圖3中相同的元件。假設激光束如示意性示出的那樣傳播。此時，激光束振蕩器20的輸出波形(參照圖3)假設是如A所示的那樣。縱軸代表激光束功率，橫軸代表時間。具有如此波形的激光束發射自激光束振蕩器20。此時，激光束1產生散射光束X，其在相對于激光束通過方向的隨機方向上散射。散射光束X被光學檢測傳感器30檢測。光學檢測傳感器30對應于圖3所示的各個光學檢測傳感器11～16中的每個。
例如，PD(光電二極管)被用作光學檢測傳感器30。然后，使該光學檢測傳感器30適應于在相對于激光束通過方向的大約90度方向上檢測(監視)散射光束X。光學檢測傳感器30檢測到的信號被轉換成電信號，并作為與激光束振蕩器20的振蕩波形A基本上相同的波形B，在示波器31上被觀察。
圖5和圖6是示出了通過根據本發明的方法對激光束振蕩狀態進行監視的情況的示圖。圖5是示出了通過散射光束觀察激光束振蕩狀態的示例的示圖。在該圖中，橫軸代表功率計的輸出，縱軸代表功率計的輸出(W)和光學檢測器的輸出(V)。該圖分別示出了當使用連續振蕩型激光束振蕩器并且只有輸出變化而振蕩時間保持恒定的時候，功率計的測量值和光學檢測傳感器的測量值(檢測到的輸出)。分別地，P示出功率計輸出波形(以陰影示出)，K示出光學檢測傳感器的輸出。
在該圖中，功率計的輸出P是通過直接測量激光束的功率獲得的，光學檢測傳感器的輸出K代表了光學檢測傳感器同時測量到的散射光束的強度。如果激光束的功率升高了，那么功率計的輸出如P所示地線性增大。與此不同，光學檢測傳感器的輸出K在高輸出區域表現了一定程度的飽和狀態，但是可以認為輸出K仍然與功率計輸出基本上成比例地增大。因此，可以使用光學檢測傳感器的輸出代替使用光束功率計測量光束功率來進行測量。
圖6是示出了對振蕩脈沖波形的監視的示圖。該圖在左側示出了一組波形，并且該圖在右側示出了電源波形f1以及與此對應的光學傳感器監視波形f2。在這種情況下，可以通過使用裝備有脈沖波形控制功能的脈沖振蕩YAG激光器監視散射光束，來確認對脈沖波形的檢查結果。在該圖中，示出了三個波形使用脈沖波形設定畫面設定的脈沖波形(以陰影示出)；此時的激光束振蕩器的電源波形f1；和光學檢測傳感器監視到的散射光束的強度f2。電源波形f1與光學傳感器監視到的波形f2彼此非常相似。如以上描述的，可以發現通過監視散射光束能夠觀察到與電源波形非常相似的波形。
光學檢測傳感器11被布置在激光束振蕩器20和用于將光束導引至光纖中的聚光透鏡21之間，光學檢測傳感器12被布置在用于將光束導引至光纖中的聚光透鏡21和光纖22之間，光學檢測傳感器13被布置在光纖22和準直透鏡23之間，光學檢測傳感器14被布置在準直透鏡23和機加工聚光透鏡24之間，光學檢測傳感器15被布置在機加工聚光透鏡24和透鏡保護玻璃25之間，光學檢測傳感器16被布置在透鏡保護玻璃25和要被加工的物體26之間。
現在，繼續對圖3的說明。光學檢測傳感器11至16在激光束機加工期間產生各自的檢測輸出，給算術控制部分27。算術控制部分27基于算術控制部分接收到的各個光學檢測傳感器11至16的輸出，進行必要的算術處理，并當時機需要時，將結果顯示在顯示部分28上。
圖7是示出了要被監視的內容和能夠根據測量位置及位置之間的差來判斷的內容的示圖。假設表示光學檢測傳感器11至16的標號被用作代表測量位置的符號。通過監視各個光學檢測傳感器11至16的內容，可以一直監視激光束加工機中所包含的傳輸光學系統和激光束振蕩器的狀態。以下將說明能夠通過各個光學檢測傳感器被確認的內容，以及能夠基于在各個光學元件之前和之后的傳感器輸出之間的差來判斷的內容。
1.光學檢測傳感器11(緊接在激光束振蕩器之后安裝的)(i)確認激光束振蕩器20是否已經根據從算術控制部分20發送來的指令開始振蕩。
(ii)監視激光束振蕩器20的有效輸出。
(iii)使用脈沖激光器時的脈沖寬度和脈沖波形。
(iv)使用連續振蕩激光器時的激光振蕩時間。
在這種情況下，可能的動作和措施包括基于與標準值比較的自動調節和異常通知、基于與標準值比較的異常通知等等。
2.對光學檢測傳感器11和12之間的差的測量用于將光束導引至光纖的聚光透鏡21的破損或污染在這種情況下，可能的動作和措施包括異常通知。
3.對光學檢測傳感器12和13之間的差的測量光纖22的破損，或者用于將光束導引至光纖的透鏡與光纖之間的不良中心對準在這種情況下，可能的動作和措施包括異常通知。
4.對光學檢測傳感器13和14之間的差的測量準直透鏡23的破損或污染在這種情況下，可能的動作和措施包括異常通知。
5.對光學檢測傳感器14和15之間的差的測量機加工聚光透鏡的破損或污染在這種情況下，可能的動作和措施包括異常通知。
6.對光學檢測傳感器15和16之間的差的測量透鏡保護玻璃25的污染在這種情況下，可能的動作和措施包括更換保護玻璃。
7.光學檢測傳感器16監視用于機加工的有效能量確認要被加工的物體26是否已經根據從算術控制部分27發送來的指令被用激光束照射。
測量用于機加工的有效能量算術控制部分27可以如上所述通過計算與標準值的差，將激光束的功率調節至最佳值，并且同時將光學檢測傳感器的輸出如實地顯示在顯示部分28上。
在這種情況下，可能的動作和措施包括基于與標準值比較的自動調節和異常通知，以及在關心激光束照射是否存在的情況下的異常通知。
如上所述，根據本發明，光學檢測傳感器被使得適應于檢測從激光束傳輸路徑被散射的散射光束，從而，光學檢測傳感器能夠檢測激光束的狀態而不影響激光束的性能。所以，根據本發明，可以監視從激光束振蕩器20發射的有效能量，要被加工的物體26被該能量被照射；和振蕩狀態，而不影響激光束的性能。還可以維持照射要被加工物體26的有效能量的條件，并自動檢測和指示有必要進行維護的情形。
此外，根據本發明，算術控制部分27接收光學檢測傳感器的輸出，進行預定的算術處理，并將結果顯示在顯示部分28上，因此，可以對激光束是否已經通過或者輸出大小進行實時監視。
在本發明中，算術控制部分27通過接收光學檢測傳感器的輸出，可以監視激光束傳輸路徑中是否有問題；以及照射要被加工的物體26的有效能量。
此外，根據本發明，用于機加工的有效能量、脈沖波形、照射時間等等的標準值被預先存儲在存儲裝置中作為機加工條件，在這些條件下可以獲得高質量的產品，并且監視到的值一直與標準值相比較，因此，可以控制激光束加工機和機加工質量，同時，可以通過將基于比較結果的反饋提供給激光束振蕩器20來自動維持和控制最佳條件。換句話說，由于算術控制部分27將光學檢測傳感器的輸出與預先存儲在存儲裝置中的光學檢測傳感器的標準值比較，所以可以基于比較結果，將激光束的強度調節至最佳值。
此外，通過判斷哪個光學檢測傳感器檢測到了問題，可以指出激光束傳輸路徑的存在問題的部分，從而采取即時措施。
圖8是示出了根據本發明的系統的整體構造的一個示例的框圖。相同的字母或標號被分配給與圖3中相同的元件。在該圖中，標號20表示激光束振蕩器。標號21表示用于將來自激光束振蕩器20的輸出聚集并導引至光纖中的聚光透鏡，40表示用于將來自用于將光束導引至光纖中的聚光透鏡的輸出光束導引至光纖22的光纖連接器。標號22表示用于傳輸激光束的光纖，41表示用于將從光纖22發出的激光束導引至準直透鏡23的光纖連接器。
標號23表示用于接收從光纖22發出的光束以獲得平行激光束的準直透鏡，42表示用于將從準直透鏡23發出的激光束偏轉90度的偏轉反射鏡，24表示用于接收來自偏轉反射鏡42的激光束并將該激光束聚集到要被加工的物體26上的機加工聚光透鏡，26表示要被加工的物體，43表示用于放置并沿三維方向(沿x、y和z方向)移動要被加工的物體26的工作臺。
標號50表示用于控制系統的整體操作的控制單元。在控制單元50中，標號44表示用于接收布置在激光束傳輸路徑中的光學檢測傳感器11至16的輸出的光學傳感器接收部分，45表示其中存儲了激光束條件標準值的激光條件標準值數據庫，27表示用于接收來自光學傳感器接收部分44的輸出并進行預定處理以獲得激光束特性的算術控制部分。例如，微處理器被用作算術控制部分27。標號28表示連接到算術控制部分27的顯示部分，其顯示所出現的錯誤、出現錯誤的地方等等。以上提到的液晶顯示器、CRT、等離子顯示器等被用作顯示部分28。
激光束振蕩控制信號被從控制單元50輸出到激光束振蕩器20，并且工作臺控制信號被輸出到工作臺43。標號11至16表示布置在激光束傳輸路徑中的各個位置處的光學檢測傳感器。例如，太陽能電池、光電二極管等被用作光學檢測傳感器。以上述方式構造的系統中的操作如下所述。
激光束振蕩器20由從控制單元50輸出的激光束振蕩控制信號驅動并發射激光束。在被用于將光束導引至光纖的聚光透鏡21聚集之后，所發射的激光束經由光纖連接器進入光纖22。通過了光纖22的激光束經由光纖連接器41進入準直透鏡23。準直透鏡23將入射光束轉換成平行光束。從準直透鏡23發出的激光束被接下來的偏轉反射鏡24偏轉90度，并進入機加工聚光透鏡24。機加工聚光透鏡24聚集入射光束以便聚焦到要被加工的物體26上。由此，可以在要被加工的物體26上進行各種處理。
這里，工作臺43從控制單元50接收工作臺控制信號，并沿三個方向行進預定距離。例如，當制作線形凹槽時，要被加工的物體26沿兩個方向被移動。
另一方面，在這一系列操作期間，光學檢測傳感器11至16的輸出進入光學傳感器接收部分44。算術控制部分27接收來自光學傳感器接收部分44的輸出，進行圖7所示的各種算術處理，并將結果顯示在顯示部分28上。此外，算術控制部分27基于接收光學檢測信號，將存儲在激光條件標準值數據庫45中的激光束輸出標準值與光學檢測傳感器11至16檢測到的值比較。然后，算術控制部分27基于比較結果發送激光束振蕩控制信號到激光束振蕩器20，使得激光束振蕩器20的輸出是最佳值。在這種情況下，比較操作包括例如提供反饋，使得激光束輸出標準值變得等于光學檢測傳感器檢測到的測量值。
如上所述，根據本發明，可以監視照射要被加工的物體的來自激光束振蕩器的有效能量以及振蕩狀態，而不影響激光束的性能，并且可以通過實時地在顯示部分上顯示激光束傳輸系統中的各個光學元件位置處的激光束特性來進行監視。此外，根據本發明，可以防止伴隨激光束振蕩器的異常振蕩和傳輸光學系統的破損和污染而出現問題。此外，可以指出出現問題的部分，并從而采取即時措施。
權利要求
1.一種用于控制激光束加工機的方法，包括沿激光束傳輸路徑布置至少一個光學檢測傳感器(步驟1)；通過所述光學檢測傳感器檢測從所述激光束傳輸路徑散射的散射光束(步驟2)；以及通過接收所述光學檢測傳感器的輸出獲得激光束的特性(步驟3)。
2.一種激光束加工機，包括用于產生激光束的激光束振蕩器；用于傳輸由所述激光束振蕩器產生的所述激光束的激光束傳輸路徑；用于接收從所述激光束傳輸路徑發出的激光束以獲得平行激光束的準直透鏡；用于接收所述準直透鏡的輸出以將激光束聚集到要被加工的物體上的機加工聚光透鏡；沿所述激光束傳輸路徑設置的至少一個光學檢測傳感器；和用于接收所述光學檢測傳感器的輸出并進行預定處理以獲得激光束的特性的算術控制部分。
3.根據權利要求2所述的激光束加工機，其中，所述算術控制部分基于接收所述光學檢測傳感器的輸出，實時地監視所述激光束的通過和所述輸出的大小。
4.根據權利要求2所述的激光束加工機，其中，所述算術控制部分基于接收所述光學檢測傳感器的輸出，監視所述激光束傳輸路徑中是否出現問題以及要被加工的物體被照射的有效能量。
5.根據權利要求2所述的激光束加工機，其中，所述算術控制部分將所述光學檢測傳感器的輸出與預先存儲在存儲裝置中的光學檢測傳感器輸出標準值比較，并基于比較結果調節所述激光束的強度。
6.根據權利要求2所述的激光束加工機，其中，在所述要被加工的物體與所述機加工聚光透鏡之間設置有透鏡保護玻璃，以便遮擋在所述要被加工的物體處產生的熔融濺射物。
全文摘要
本發明公開了能夠監視照射要被加工的物體的激光束振蕩器的有效能量和振蕩狀態而不影響激光束性能的激光束加工機和用于控制激光束加工機的方法。激光束加工機包括激光束振蕩器、激光束傳輸路徑、準直透鏡、機加工聚光透鏡、沿激光束傳輸路徑設置的至少一個光學檢測傳感器和算術控制部分，所述算術控制部分用于接收光學檢測傳感器的輸出并進行預定處理以獲得激光束的特性。
文檔編號B23K26/00GK1623718SQ20041009175
公開日2005年6月8日 申請日期2004年11月25日 優先權日2003年12月2日
發明者松下直久, 飯田進 申請人:富士通株式會社