CN101089546A - 激光加工用的间隙检测装置及方法、激光加工用系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够高精度地检测输出激光加工机中的激光的喷头与加工对象物之间的间隙的激光加工用的间隙检测装置及方法、激光加工用系统。信号处理单元(24)求间隙静电电容Cg与等离子阻抗Zp的合成阻抗Z的倒数，从该倒数的虚部求作为间隙静电电容Cg与等离子阻抗中包含的静电电容成分之和的合成静电电容，从该倒数的实部求等离子阻抗中包含的电阻成分，间隙检测装置(20)使用表现等离子阻抗的倒数的特性的模型和电阻成分求静电电容成分，从合成静电电容减去该静电电容成分求间隙静电电容Cg，间隙检测装置(20)从所求出的间隙静电电容Cg求间隙。

Description

激光加工用的间隙检测装置及方法、激光加工用系统

技术领域

本发明涉及检测输出激光加工机中的激光的喷头与由该激光加工的加工对象物之间的间隙的间隙检测装置、间隙检测方法以及激光加工用系统。

背景技术

以往，关于激光加工提出了各种技术。例如，在专利文献1中，公开了检测输出激光加工机中的激光的喷头与作为加工对象物的工件之间的间隙的技术。另外，在专利文献2中，公开了抑制在激光加工用中发生的等离子，谋求喷头与工件之间的静电电容稳定的技术。

【专利文献1】特开2000-234903号公报

【专利文献2】特开平4-356391号公报

在上述的专利文献1的技术中，把对于传感器电极的输入信号的频率选择成由激光加工中发生的等离子产生的阻抗成为纯电阻的值，通过从喷头与工件之间的间隙产生的阻抗与在激光加工中发生的等离子产生的阻抗的合成阻抗去除纯电阻，降低等离子对于间隙检测的影响。然而，即使非常注意地选择对于传感器电极的输入信号的频率，但是由于在由等离子产生的阻抗中除去电阻成分以外还包括微小的静电电容成分，因此在专利文献1的技术中，也不能够完全排除等离子对于间隙检测的影响。从而，难以高精度地检测喷头与工件之间的间隙。

发明内容

因此，本发明是为解决上述的问题而完成的，目的在于提供能够高精度地检测输出激光加工机中的激光的喷头与加工对象物之间的间隙的技术。

本发明的激光加工机用的间隙检测装置，检测输出激光加工机中的激光的喷头与由该激光加工的加工对象物之间的间隙，具备：求合成阻抗的倒数的合成导纳即合成导纳取得单元，该合成导纳取得单元合成依赖于上述间隙的间隙静电电容与依赖于对上述加工对象物的激光加工中发生的等离子的等离子阻抗的阻抗；根据上述合成导纳的虚部，求上述间隙静电电容与在上述等离子阻抗中包含的静电电容成分之和即合成静电电容的合成静电电容取得单元；根据上述合成导纳的实部，求在上述等离子阻抗中包含的电阻成分的电阻成分取得单元；使用表示上述电阻成分与上述静电电容成分的关系的模型和由上述电阻成分取得单元求出的上述电阻成分，求上述静电电容成分的静电电容成分取得单元；从上述合成静电电容减去上述静电电容成分，求上述间隙静电电容的间隙静电电容取得单元；根据由上述间隙静电电容取得单元求出的上述间隙静电电容，求上述间隙的间隙取得单元。

另外，本发明的激光加工系统，具备：具有输出激光的喷头的激光加工机；以及检测由上述激光加工的加工对象物与上述喷头之间的间隙的间隙检测装置，其中，上述间隙检测装置具备：求合成阻抗的倒数的合成导纳即合成导纳取得单元，该合成导纳取得单元合成依赖于上述间隙的间隙静电电容与依赖于对上述加工对象物的激光加工中发生的等离子的等离子阻抗的阻抗；根据上述合成导纳的虚部，求上述间隙静电电容与在上述等离子阻抗中包含的静电电容成分之和即合成静电电容的合成静电电容取得单元；根据上述合成导纳的实部，求在上述等离子阻抗中包含的电阻成分的电阻成分取得单元；使用表示上述电阻成分与上述静电电容成分的关系的模型和由上述电阻成分取得单元求出的上述电阻成分，求上述静电电容成分的静电电容成分取得单元；从上述合成静电电容减去上述静电电容成分，求上述间隙静电电容的间隙静电电容取得单元；根据由上述间隙静电电容取得单元求出的上述间隙静电电容，求上述间隙的间隙取得单元。

另外，本发明的激光加工机用的间隙检测方法，该间隙检测方法检测输出激光加工机中的激光的喷头与由该激光加工的加工对象物之间的间隙，具备：(a)求合成阻抗的倒数即合成导纳的工序，该合成阻抗合成依赖于上述间隙的间隙静电电容与依赖于对上述加工对象物的激光加工中发生的等离子的等离子阻抗的阻抗；(b)根据上述合成导纳的虚部，求上述间隙静电电容与在上述等离子阻抗中包含的静电电容成分之和即合成静电电容的工序；(c)根据上述合成导纳的实部，求在上述等离子阻抗中包含的电阻成分的工序；(d)使用表示上述电阻成分与上述静电电容成分的关系的模型和在上述工序(c)中求出的上述电阻成分，求上述静电电容成分的工序；(e)从上述合成静电电容减去上述静电电容成分，求上述间隙静电电容的工序、(f)根据上述间隙静电电容，求上述间隙的工序。

依据本发明的激光加工机用的间隙检测装置、激光加工系统以及激光加工机用的间隙检测方法，由于不仅考虑等离子阻抗中包含的电阻成分，还考虑包含在其中的静电电容成分，求喷头与加工对象物之间的间隙，因此能够抑制在激光加工中发生的等离子对于该间隙的检测产生的影响。由此，能够高精度地检测该间隙。

附图说明

图1是表示本发明实施形态1的激光加工系统的结构的图。

图2是表示本发明实施形态1的间隙检测装置的结构的图。

图3是表示本发明实施形态1的间隙检测方法的流程图。

图4是表示合成导纳特性的曲线图。

图5是表示本发明实施形态1的间隙检测方法的流程图。

图6是表示本发明实施形态2的间隙检测装置的结构的图。

图7是表示本发明实施形态2的间隙检测装置的变形例的结构的图。

图8是表示本发明实施形态3的间隙检测装置的结构的图。

图9是表示本发明实施形态4的间隙检测装置的结构的图。

图10是表示本发明实施形态4的信号处理单元的动作的流程图。

图11是表示本发明实施形态4的激光加工系统的校准动作的流程图。

图12是表示间隙静电电容与间隙的关系的图。

具体实施方式

实施形态1

图1是表示本发明实施形态1的激光加工机系统的结构的图。如图1所示，本实施形态1的激光加工系统具备在作为加工对象物的金属板等工件50上照射激光、加工该成品50的激光加工机1、测定激光加工机1中的后述的喷头4与工件50之间的间隙的间隙检测装置20。

激光加工机1具备受理由用户输入的各种信息的操作面板2。通过用户在操作面板2上进行操作，能够向激光加工机1输入工件50的材质或者厚度等加工条件等。另外，在激光加工机1中，在加工头6的顶端安装输出激光的喷头4，在该喷头4的周围，经由绝缘材料安装保护电极5。而且，在激光加工机1中，设置使加工头6移动的加工机控制器3。激光加工机1由加工机控制器3移动加工头6的同时，用从喷头4输出的激光加工工件50。

图2是表示间隙检测装置20的结构的图。在对于工件50进行激光加工时，为了把激光的焦距调节到所希望的位置以使以最佳的强度对于工件50照射激光，需要适当地控制输出激光的喷头4与工件50之间的间隙d。为此，需要高精度地检测间隙d。在本实施形态1的间隙检测装置20中能够高精度地检测间隙d。间隙检测装置20把检测出的间隙d的值输出到激光加工机1的加工机控制器3。加工机控制器3根据从间隙检测装置20接收的间隙d的值控制加工头6。由此，把喷头4与工件50之间的间隙的保持为适当的值，在激光加工中以最佳的强度向工件50照射激光。

如图2所示，间隙检测装置20具备安装了中心电极电缆26以及保护电极电缆27的间隙检测装置主体21。间隙检测装置主体21具备生成并输出输入信号Vin的信号生成单元22、接受并输出输入信号Vin的缓冲电路23、根据来自缓冲电路23的输出信号Vout求间隙d的信号处理单元24、基准电阻Rref。输入信号Vin是正弦波或者三角波等交流信号。信号生成单元22的输出端子与基准电阻Rref的一端连接。缓冲电路23例如由运算放大器构成。在该运算放大器的正输入端子上连接基准电阻Rref的另一端，在负输入端子上连接该运算放大器的输出端子。即，该运算放大器起到电压跟随电路的作用，接受基准电阻Rref另一端的信号直接作为输出信号Vout，输出到信号处理单元24。

另外，基准电阻Rref的另一端经过中心电极电缆26与激光加工机1内的中心电极40连接。在本例子中，喷头40起到中心电极40的作用。中心电极40与工件50起到电容器作用，构成依赖于间隙d的间隙静电电容Cg。从而，如果间隙d变化，则间隙静电电容Cg变化。间隙检测装置主体21的信号处理单元24求间隙静电电容Cg，从所求出的间隙静电电容Cg求间隙d。另外，在本例子中，喷头4虽然起到中心电极40的作用，但也可以设置成根据间隙d，使与工件50的距离变化的中心电极40在喷头4附近，与该喷头4独立地与工件50相对。

这里，如果使喷头4与工件50相对移动进行激光加工，则根据加工条件，在喷头4与工件50之间发生等离子。该等离子作用成在中心电极40与工件50之间构成阻抗Zp。即，在中心电极40与工件50之间形成依赖于该等离子的阻抗Zp(以下，称为「等离子阻抗Zp 」)。从而，正在进行激光加工时，在中心电极电缆40与工件50之间，形成相互并联连接的间隙静电电容Cg和等离子阻抗Zp，基准电阻Rref可认为电气上与间隙静电电容Cg和等离子阻抗Zp的合成阻抗Z连接。而且，在激光加工过程中由于工件50接地，因此在电气上，在信号生成单元22的输出端子与接地电压之间串联连接基准电阻Rref和合成阻抗。由此，在与基准电阻Rref的另一端连接的缓冲电路23中把输入信号Vin分压后输入，从缓冲电路23输出输入信号Vin的分压信号。

在激光加工机1内的保护电极电缆5上连接保护电极电缆27。而且，在保护电极电缆27上连接缓冲电路23的输出端子。从而，中心电极电缆26的电压与保护电极电缆27的电压几乎相等。在本例子中，中心电极电缆26和保护电极电缆27构成同心电缆25，同心电缆25的中心导体是中心电极电缆26，包围该中心导体的外侧导体是保护电极电缆27。从而，能够使同心电缆25的中心导体与外侧导体的电压几乎相等。由此，能够降低把间隙检测装置主体21和激光加工机1连接起来的电缆中的杂散电容在检测间隙d时产生的影响。

下面，详细地说明信息处理单元24中的间隙的检测方法。图3是表示本实施形态1的间隙检测方法的流程图。如图3所示，首先在步骤s1中，信号处理单元24求从输入信号Vin到输出信号Vout的传递函数F(s)。在传递函数F(s)中代入了s＝jω的F(jω)称为频率传递函数。这里，j表示虚数单位，ω表示角频率。另外，在本例中，输入信号Vin的信息预先存储在信号处理单元24中。信号处理单元24采样从缓冲电路23输出的输出信号Vout，根据由此得到的数据和预先存储的输入信号Vin的数据求传递函数F(s)。在步骤s1中，不需要对于所有的频带求传递函数F(s)，只要至少求一个角频率ω下的频率传递函数F(jω)即可。然而，由于为了取得间隙静电电容Cg而求出传递函数F(s)，因此需要留意间隙静电电容Cg对于间隔的变化的灵敏度，求某个程度高的频带下的值。在本例中，求大于等于数10kHz的频带下的频率传递函数F(jω)。因此，把对于信号处理单元24中的输出信号Vout的采样频率设定为充分高的值，另外，在信号生成单元22中，生成输入信号Vin使得包括该频带的成分。

接着，在步骤s2中，信号处理单元24从所求出的传递函数F(s)求作为合成阻抗Z的倒数的合成导纳Z^-1。即，信号处理单元24起到求合成导纳Z^-1的合成导纳取得单元的作用。这里，也不需要求所有频带中的合成导纳Z^-1，只要至少求一个频带下的合成导纳Z^-1即可。

这里，把从信号生成单元22的输出到缓冲电路23的输出的系统视为电气电路，用以下的公式(1)的数学模型表现从输入信号Vin到输出信号Vout的传递函数F(s)。

【数5】

$F\left(s\right)=\frac{\mathrm{Vout}\left(s\right)}{\mathrm{Vin}\left(s\right)}=\frac{A\left(s\right)}{1+\mathrm{Rref}(\frac{1}{Z\left(s\right)}+\frac{1}{X\left(s\right)})}......\left(1\right)$

其中，公式(1)中的A(s)以及X(s)是根据实际使用的缓冲电路23以及同心电缆25的种类或形成基准电阻Rref和缓冲电路23的基板的特性决定的参数。另外，Vin(s)、Vout(s)、Z(s)分别表示输入信号Vin、输出信号Vout、合成阻抗Z。在本例中，参数A(s)、X(s)的值预先存储在信号处理单元24中。这些参数A(s)、X(s)的值与在步骤s1中求出的传递函数F(s)相同，只要知是所使用的频率下的值即可。

在上述公式(1)中，合成阻抗Z(s)以及参数X(s)都以倒数的形式存在。如从后述的说明所明确的那样，合成阻抗Z(s)以及参数X(s)处理为倒数有各种优点，十分方便。在步骤s2中，求作为合成阻抗Z(s)的倒数的合成导纳Z(s)^-1正是为了这一点。

在公式(1)中，如果在s中代入jω，则成为以下的公式(2)。

【数6】

$F\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{A\left(\mathrm{j\ω}\right)}{1+\mathrm{Rref}(Z{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1}+X{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1})}......\left(2\right)$

为了从频率传递函数F(jω)求其频率下的合成导纳Z(jω)^-1，把公式(2)像以下那样变形。

【数7】

$Z{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1}=(\frac{A\left(\mathrm{j\ω}\right)}{F\left(\mathrm{j\ω}\right)}-1)\frac{1}{\mathrm{Rref}}-X{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1}......\left(3\right)$

在步骤s2中，信号处理单元24把所求出的频率传递函数F(jω)的值、参数A(jω)、X(jω)的值和基准电阻Rref的值代入到公式(3)，求合成导纳Z(jω)^-1。另外，基准电阻Rref的值预先存储在信号处理单元24中。

接着，在步骤s3中，信号处理单元24从所求出的合成导纳Z(jω)^-1求间隙静电电容Cg。在说明该步骤s3中的处理之前，首先说明在激光加工机中发生的等离子的特性。

合成导纳Z(jω)^-1能够使用间隙静电电容Cg、作为等离子阻抗Zp(jω)的倒数的等离子导纳Zp(jω)，用以下的公式(4)表示。

【数8】

Z(jω)^-1＝Zp(jω)^-1+jωCg                 ......(4)

而且，等离子阻抗Zp(jω)由于能够考虑成是电阻成分Rp与静电电容成分Cp并联连接的电路的合成阻抗，因此公式(4)能够变形为以下的公式(5)。

【数9】

$Z{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1}=(\frac{1}{\mathrm{Rp}}+\mathrm{j\ωCp})+\mathrm{j\ωCg}$

$=\frac{1}{\mathrm{Rp}}+\mathrm{j\ω}(\mathrm{Cg}+\mathrm{Cp})......\left(5\right)$

而且，如果取Rp＝R、Cg+Cp＝C，则公式(5)能够变形成以下的公式(6)。

【数10】

这样，合成导纳Z(jω)^-1能够考虑为是电阻值R的电阻元件、电容C的电容器并联连接了的电路的合成阻抗的倒数。

在上述的步骤s2中求出的合成阻抗导纳Z(jω)^-1由于是复数，因此如公式(6)表示的那样，能够分开成实部R^-1和虚部ωC。而且，在横轴表示实部R^-1、纵轴表示以角频率ω除虚部ωC的值即C的R^-1-C平面中，如果绘制在步骤s2中求出的合成导纳Z(jω)^-1，能够分析在激光加工用发生的等离子的特性。另外在横轴为实轴、纵轴为虚轴的复平面中，绘制合成导纳Z(jω)^-1，也能够分析在激光加工用中发生的等离子的特性。

图4是表示绘制了合成导纳Z(jω)^-1的R^-1-C平面的图。图4中的实线100表示把间隙d保持为恒定的同时逐渐提高加工速度时的合成导纳Z(jω)^-1的特性。另外，图4中，为了参考，代替等离子阻抗，在停止发出激光而静止的喷头4与工件50之间实际插入电阻元件，在间隙d恒定的状态下使该电阻元件的电阻值变化时的合成导纳Z(jω)^-1的特性用虚线101表示。

从图4中的实线100以及虚线101能够理解，在喷头4与工件50之间发生等离子的情况下和在喷头4与工件50之间夹住电阻元件的情况下，合成导纳Z(jω)^-1的特性显示出不同的举动。从而，从其结果可以理解，在喷头4与工件50之间发生的等离子没有作为纯电阻发生作用，在阻抗Zp(jω)中包括静电电容成分。

如实线100所示的那样，如果加大加工速度，即加大所发生的等离子的强度，则1/R的值和C的值都增大，在R^-1-C平面中表示的合成导纳Z(jω)^-1的特性虽然有轻微的倾斜但几乎线性地变化。图4中，为了容易理解夸张地表示出其斜率。从图4的结果成立以下的关系式(7)。

【数11】

$\frac{\mathrm{\Δ}\left(Z{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1}\right)\mathrm{Ccomponent}}{\mathrm{\Δ}\left(Z{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1}\right)R^{-1}\mathrm{coponent}}=k......\left(7\right)$

公式(7)左边的分母以及分子分别表示1/R的增加量以及C的增加量，右边的k表示图4所示的合成导纳Z(jω)^-1的特性的斜率。从而，对于任意强度的等离子成立以下的关系式(8)。

【数12】

$\frac{\mathrm{Cp}}{{\mathrm{Rp}}^{-1}}=\mathrm{Rp}\·\mathrm{Cp}=k......\left(8\right)$

公式(8)是表示等离子导纳Zp(jω)^-1的特性的模型式，换句话讲，是表示等离子阻抗Zp(jω)中包含的电阻成分Rp与静电电容成分Cp的关系的模型式。在步骤s3中，使用该模型式求间隙静电电容Cg。另外，参数k的值预先存储在信号处理单元24中。分析的结果，使用频率1MHz的激光加工工件50时的k的值在10^-9ΩF到10^-8ΩF的范围内。在步骤s3中使用的参数k的值设定为大于等于10^-9ΩF小于等于10^-8ΩF。

图5是详细地表示步骤s3中的处理的流程图。如图5所示，首先在步骤s31中，信号处理单元24从所求出的合成导纳Z(jω)^-1的实部求电阻成分Rp的倒数Rp^-1。接着在步骤s32中，信号处理单元24在所求出的倒数Rp^-1上乘以预先存储的参数k的值求静电电容成分Cp。另外，在步骤s31中以倒数的形式求电阻成分Rp，也可以直接求电阻成分Rp，在步骤s32中，用电阻成分Rp除参数k的值，求静电电容成分Cp。

接着在步骤s33中，信号处理单元24从合成导纳Z(jω)^-1的虚部求作为间隙静电电容Cg与静电电容成分Cp之和的合成静电电容Cc(＝Cg+Cp)。而且，在步骤s34中，信号处理单元24从合成静电电容Cc减去静电电容成分Cp求间隙静电电容Cg。

这样，信号处理单元24起到求电组成分Rp的电阻成分取得单元的作用，同时，起到求静电电容成分Cp的静电电容成分取得单元的作用。另外，信号处理单元24起到求合成静电电容Cc的合成静电电容取得单元的作用的同时，起到求间隙静电电容Cg的间隙静电电容取得单元的作用。

另外在本例中，作为表示等离子导纳Zp(jω)^-1的特性的模型，使用了公式(8)的模型式，也可以使用在事先的实验中得到的、表示电阻成分Rp与静电电容成分Cp的对应关系的查用表。这种情况下，信号处理单元24预先存储该查用表，从该查用表取得与在步骤s31中求出的电阻成分Rp相对应的静电电容成分Cp。

参照图3，如果在步骤s3中求出间隙静电电容Cg，则在步骤s4中，信号处理单元24从间隙静电电容Cg生成表示间隙d的值的检测间隙信号Vd。间隙静电电容Cg与间隙d的对应关系由于根据加工头6的形状、喷头4的形状、同心电缆25的长度等而变化，因此需要事先根据实验取得该对应关系。而且，生成表示所取得的该对应关系的查用表，预先存储在信号处理单元24中。信号处理单元24参照该查用表，取得与所求出的间隙静电电容Cg相对应的间隙d的值，输出表示该值的检测间隙信号Vd。或者，也可以事先生成表示该对应关系的近似曲线式，信号处理单元24通过把所求出的间隙静电电容Cg的值代入到该近似曲线式，求间隙d的值。

从信号处理单元24输出的检测间隙信号Vd经过未图示的电缆输入到激光加工机1的加工机控制器3。加工机控制器3根据检测间隙信号Vd控制加工头6，使得喷头4与工件50之间的间隙d成为适当的值。

如上所述，在本实施形态1中，不仅考虑等离子电阻Zp中包含的电阻成分Rp，还考虑其中包含的静电电容成分Cp，求喷头4与工件50之间的间隙d。

另一方面，在上述专利文献1的技术中，由于仅考虑电阻成分，因此在所求出的间隙静电电容Cg中包括静电电容成分Cp。从而，不能够充分地排除激光加工中发生的等离子对于间隙d的检测产生的影响，不能够高精度地检测间隙d。

在本实施形态1中，由于把静电电容成分Cp也考虑在内求间隙d，因此能够抑制激光加工用中发生的等离子对于间隙d的检测产生的影响。由此，能够高精度地检测该间歇d。

另外，在本实施形态1中，作为表示电阻成分Rp与静电电容成分Cp的关系的模型，使用公式(8)的模型式。该模型式由于单纯而且可靠地表现电阻成分Rp与静电电容成分Cp的关系，因此能够容易而且正确地求静电电容成分Cp。另外，能够容易地在间隙检测装置20中安装求静电电容成分Cp的功能。

另外，如上所述，作为表示电阻成分Rp与静电电容成分Cp的关系的模型，通过使用表示电阻成分Rp与静电电容成分Cp的对应关系的查用表，能够容易而且正确地求静电电容成分Cp，能够容易地在间隙检测装置20中安装求静电电容成分Cp的功能。

另外，在本实施形态1中，使用公式(2)中表示的频率传递函数F(jω)求合成导纳Z(jω)^-1。公式(2)的频率传递函数F(jω)由于单纯而且正确地表现从输入信号Vin到输出信号Vout的传递函数，因此能够容易而且正确地求合成导纳Z(jω)^-1。另外，能够容易地在间隙检测装置20中安装求合成导纳Z(jω)^-1的功能。

实施形态2

图6是表示本发明实施形态2的间隙检测装置20的结构的图。本实施形态2的间隙检测装置20在上述实施形态1的间隙检测装置20中，还具备输入参数k的值的输入单元30。

输入单元30具有例如包括操作按钮等的操作单元，通过用户在该操作单元进行操作，能够把参数k的值输入到间隙检测装置主体21。输入到输入单元30中的参数k的值输入到信号处理单元24。信号处理单元24把预先存储的参数k的值变换成所输入的值，在以后的间隙d的检测中使用该输入的值。关于其它的结构由于与实施形态1的间隙检测装置20相同，因此省略其说明。

一般，在激光加工用中发生的等离子的特性根据激光加工机1设定的间隙d的值、工件50的材质和厚度、所使用的加工气体等加工条件而变化。从而，根据加工条件，上述的图4所示的等离子导纳Zp^-1的特性变化，该特性的斜率变化。实际运用了实施形态1的激光加工系统的结果，确认了根据特别设定的间隙d的值而该特性的斜率的值变化。在本实施形态2的间隙检测装置20中，由于能够从外部输入参数k的值，因此能够根据加工条件，容易使参数k的值变化。其结果，能够更高精度地检测间隙d。

另外，在本实施形态2中，在间隙检测装置20中直接从外部输入参数k的值，但也可以从激光加工机1把参数k的值输入到间隙检测装置20。图7是表示这种情况下的激光加工机系统的结构的图。如图7所示，激光加工机1的加工机控制器3把参数k的值输入到间隙检测装置20的信号处理单元24。当用户通过在操作面板2上进行操作，能够把参数k的值输入到加工机控制器3，输入到加工机控制器3的参数k的值输出到信号处理单元24。

这样，通过从激光加工机1一侧把参数k的值输入到间隙检测装置20，能够根据加工条件容易输入参数k的值。

另外，在上述的例子中，参数k的值由用户输入，而加工机控制器3也可以根据经过操作面板2输入的加工条件自动地决定参数k的值。加工机控制器3通过预先存储表示加工条件与参数k的对应关系的查用表，能够从所输入的加工条件决定参数k的值。

实施形态3

图8是表示本发明实施形态3的间隙检测装置20的结构的图。本实施形态3的间隙检测装置20在上述实施形态1的间隙检测装置20中，进而具备跨接销31以及跨接块32。

跨接销31能够把基准电阻Rref的两端短路。如果在跨接销31上安装跨接块32中，则基准电阻Rref的两端短路。如果这样做，则输入信号Vin直接输入到缓冲电路23。从而，缓冲电路23的输出信号Vout成为与输入信号Vin相同，信号处理单元24能够直接观测输入信号Vin。关于其它的结构由于与实施形态1相同，因此省略其说明。

原本输入信号Vin是已知的，但是有时在多个间隙检测装置20之间发生偏差。特别是，在用模拟元件构成信号生成单元22的情况下，根据该模拟元件的特性的个体差，在输入信号Vin中易于发生偏差。

在本实施形态3的间隙检测装置20中，由于设置能够把基准电阻Rref两端短路的跨接销31，因此在信号处理单元24中能够直接观测输入信号Vin。从而，即使在输入信号Vin中发生偏差的情况下，也能够使该输入信号Vin的正确的信息存储到信号处理单元24中。另外，通过使用信号处理单元24中的输入信号Vin的观测结果，能够容易地进行出厂时对于本间隙检测装置20的调整。

实施形态4

图9是表示本发明实施形态4的激光加工系统的结构的图。本实施形态是的激光加工系统在上述实施形态1的激光加工系统中，搭载更新参数A(jω)、X(jω)的值的校准功能。

本实施形态4的加工机控制器3每隔预定时间、或者若通过操作面板2从用户接受了执行校准的通知，则成为校准模式。校准模式的加工机控制器3如图9所示，把校准执行信号CB输出到间隙检测装置主体21。校准执行信号CB输入到信号处理单元24。

图10是表示本实施形态4的信号处理单元24的动作的流程图。如图10所示，信号处理单元24在执行了上述的步骤s1～s4以后，在步骤s5中如果输入校准执行信号CB，则在步骤s6中更新参数A(jω)、X(jω)的值。即，信号处理单元24起到更新参数A(jω)、X(jω)的值的参数更新单元的作用。

图11是表示本实施形态4的激光加工系统整体中的校准动作的流程图。如图11所示，如果开始校准模式，则在步骤s51中，加工机控制器3控制加工头6，把喷头4与工件50之间的间隙d设定成预定值。而且，加工机控制器3把所设定的表示间隙d的值的信号与校准执行信号CB一起输出到间隙检测装置20。

校准执行信号CB如果输入到间隙检测装置20，则在步骤s52中，信号处理单元24取得与从加工机控制器3通知的间隙d的值相对应的间隙静电电容Cg。信号处理单元24如上所述，由于存储表示间隙d与间隙静电电容Cg的对应关系的查用表，因此通过参照该查用表，能够取得在步骤s51中设定的间隙d的值下的间隙静电电容Cg。

接着，在步骤s53中，信号处理单元24观测输出信号Vout，与上述步骤s1相同，求从输入信号Vin到输出信号Vout的频率传递函数F(jω)。进而，信号处理单元24使用上述的公式(5)求合成导纳Z(jω)^-1。在校准模式下，由于没有从喷头4输出激光，因此在喷头4与工件50之间不发生等离子。从而，能够认为电阻成分Rp无限大、静电电容成分Cp为0。由此，校准模式下的合成导纳Z(jω)^-1与jωCg相等。信号处理单元24在公式(5)中，在Rp^-1以及Cp中代入0，在Cg中代入所取得的值，求合成导纳Z(jω)^-1。而且，信号处理单元24成对地存储所求出的频率传递函数F(jω)的值与合成导纳Z(jω)^-1的值。

接着，在步骤s54中，信号处理单元24判定是否得到了预定数量的F(jω)以及Z(jω)^-1的值的组合。在步骤s54中，如果判定为得到了预定数量的F(jω)以及Z(jω)^-1的值的组合则执行步骤s55。

另一方面，在步骤s54中，如果判定为没有得到预定数量的F(jω)以及Z(jω)^-1的值的组合，则信号处理单元24向加工机控制器3通知其意思。加工机控制器3如果被通知到该意思，则再次执行步骤s51。在该步骤s51中，把间隙d设定成与在上一次步骤s51中设定的值不同的值。而且，加工机控制器3向间隙检测装置20通知新设定的间隙d的值。然后，间隙检测装置20的信号处理单元24再次执行步骤s52，取得与新设定的间隙d的值相对应的间隙静电电容Cg。而且，信号处理单元24再次执行步骤s53，求F(jω)以及Z(jω)^-1的值的新组合。

在步骤s55中，信号处理单元24把在步骤s53中求出的F(jω)以及Z(jω)^-1的值按各组代入到上述的公式(2)中，由此，代入相互不同的组合F(jω)以及Z(jω)^-1的值，可以得到分别包括未知的A(jω)和X(jω)^-1的多个公式(2)。而且，在步骤s56中，信号处理单元24把在步骤s55中得到的多个公式(2)作为联立方程式，从该联立方程式例如使用最小二乘法求A(jω)和X(jω)^-1的值。这里，为了求未知的2个A(jω)以及X(jω)^-1的值，该联立方程式只要至少用2个公式(2)构成即可。从而，在步骤s53中，只要至少求两组F(jω)以及Z(jω)^-1的值即可。

信号处理单元24如果求A(jω)以及X(jω)^-1的值，则向加工机控制器3通知其意思。由此，结束校准模式。信号处理单元24在检测间隙d时，在上述的步骤s2中使用在校准模式下求出的A(jω)以及X(jω)^-1的值。

如上所述，在本实施形态4的间隙检测装置20中，如果输入校准执行信号CB，则由于更新参数A(jω)、X(jω)的值，因此即使在系统中产生了温度变化或者随时间的变化的情况下，也能够可靠地抑制激光加工用中发生的等离子对于间隙d的检测产生的影响，能够高精度地检测该间歇d。

另外，也可以把Vin(jω)、A(jω)作为一个参数B(jω)掌握。这种情况下，能够把上述公式(1)变形如下。

【数13】

$\mathrm{Vout}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{B\left(\mathrm{j\ω}\right)}{1+\mathrm{Rref}(Z{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1}+X{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1})}......\left(9\right)$

信号处理单元24在校准模式下，代替取得多组F(jω)以及Z(jω)^-1的值的组合，而取得多组输出信号Vout(jω)以及合成导纳Z(jω)^-1的值的组合。而且，使用上述公式(9)，求B(jω)以及X(jω)^-1的值。信号处理单元24如果结束校准模式，则使用所求出的B(jω)以及X(jω)^-1的值和公式(9)，求合成导纳Z(jω)^-1。

这样，通过使用公式(9)求合成导纳Z(jω)^-1，不需要输入信号Vin的信息。而且，通过变更参数B(jω)、X(jω)的值，即使在输入信号Vin变动的情况下，也能够正确地求合成导纳Z(jω)^-1，能够高精度地检测间隙d。另外，即使在系统中发生了温度变化或者随时间的变化的情况下也能够可靠地抑制激光加工用中发生的等离子对于间隙d的检测产生的影响，能够高精度地检测该间隙d。

实施形态5

在本实施形态5中，说明在上述的步骤s1中求频率传递函数F(jω)方法的一个例子。在本实施形态5中，使用表示输入信号Vin与输出信号Vout的关系的时序模型式求频率传递函数F(jω)。下面详细地进行说明。

在本实施形态5中，使用三角函数波的输入信号Vin，设频率为f(Hz)。而且，在信号处理单元24中，用输入信号Vin的频率f的4倍即4f采样输出信号Vout。这样的4倍过(over)采样的优点之一是当输入信号Vin在三角函数波下成为稳定状态时，能够从时序数据容易地求频率传递函数F(jω)。

如果把输入信号Vin的第k个采样数据u记为u_k，同样，把输出信号Vout的第k个采样数据y记为y_k，则当系统处在稳定状态时，用时序数据表示了输入信号Vin与输出信号Vout的关系的时序模型式能够用以下的公式(10)表现。

【数14】

y_k＝a₀u_k+a₁u_k-1                          ......(10)

而且，使用公式(10)的系数a₀、a₁，频率传递函数F(jω)能够用以下的公式(11)表示。

【数15】

F(jω)＝a₀-ja₁                            ......(11)

式中，ω＝2πf。

在信号处理单元24中，预先存储以4f的采样频率采样了输入信号Vin时的输入信号Vin的采样数据u。作为取得输入信号Vin的采样数据u的方法，例如，使用上述图8所示的间隙检测装置20，使得信号处理单元24能够直接观测输入信号Vin，通过信号处理单元24以4f的采样频率采样输出信号Vout，其结果能够得到输入信号Vin的采样数据u。

信号处理单元24在上述的步骤s1中，用4f的采样频率采样输出信号Vout，取得输出信号Vout的采样数据y。而且，信号处理单元24把所存储的采样数据u_k、u_k-1和所取得的采样数据y_k代入到公式(10)，取得以系数a₀、a₁为未知数的公式(10)。信号处理单元24使用至少3个采样数据u、至少2个采样数据y，至少准备2个以系数a₀、a₁为未知数的公式(10)，使用至少由2个公式(10)组成的联立方程式，求系数a₀、a₁的值。系数a₀、a₁的值例如能够用最小二乘法求出。信号处理单元24如果求出系数a₀、a₁的值，则把它们代入到公式(11)求频率传递函数F(jω)。

另外，假定在输入信号Vin与输出信号Vout之间发生了偏移，这种情况下，代替公式(10)，也能够使用包括系数c的以下的公式(12)。

【数16】

y_k＝a₀u_k+a₁u_k-1+C                       ......(12)

这种情况下，使用至少4个采样数据u、至少3个采样数据y，准备至少3个以系数a₀、a₁为未知数的公式(10)，使用由至少3个公式(10)组成的联立方程式，求系数a₀、a₁的值。

如上所述，在本实施形态5中，由于使用表示输入信号Vin与输出信号Vout的关系的时序模型式求频率传递函数F(jω)，因此能够简单地求频率传递函数F(jω)。即，能够在间隙检测装置20中容易地安装上述的步骤s1的处理。

实施形态6

在本实施形态6中，说明上述的步骤s4中的求间隙d的方法的一个例子。在本实施形态6中，使用表示间隙d与间隙静电电容Cg的关系的指数函数模型，从静电电容Cg求间隙d。

图12是表示使用实施形态1的间隙检测装置20求出的间隙静电电容Cg与实际的间隙d的关系的图。图12中，横轴表示在信号处理单元24中求出的间隙静电电容Cg的值，纵轴用对数表示实际的间隙d的值。如图12所示，能够用指数函数近似地表示间隙静电电容Cg与间隙d的关系。

信号处理单元24存储表示间隙静电电容Cg与间隙d的关系的指数函数式或者用指数函数近似时的间隙静电电容Cg与间隙d的对应关系的查用表。信号处理单元24在上述的步骤s4中，使用该指数函数式或者该查用表，从间隙静电电容Cg求间隙d。

如果参照图12的曲线图，则其间隙静电电容Cg当间隙d为大约0.8mm时成为0，在间隙d比0.8mm大的范围内成为负的值。这是在执行进行间隙d的检测的系统的系统同定时，以在喷头4与工件50之间夹持电阻值为已知的电阻元件的同时把间隙d设定为0.8mm时的间隙静电电容Cg的值为基准(0)，决定了上述参数A(jω)、X(jω)的值的结果。在图12的曲线图中，间隙静电电容Cg的值表示为与间隙d设定成0.8mm时的值的差分。这样，在间隙检测装置20中，不一定需要求间隙静电电容Cg的绝对值，也可以求以某间隙d的值为基准时的与该值下的间隙静电电容Cg的值的差分。

如上所述，在本实施形态6中，由于使用表示间隙d与间隙静电电容Cg的关系的指数函数模型，从间隙静电电容Cg求间隙d，因此能够简单地求间隙d。即，能够在间隙检测装置20中容易地安装上述的步骤s4的处理。

另外，如在实施形态1中也叙述过的那样，间隙静电电容Cg与间隙d的关系由于根据加工头6的形状、喷头4的形状等变化，因此在不能够用指数函数充分地近似该关系的情况下，也可以进行基于多项式的近似。或者，也可以把间隙静电电容Cg的值的范围划分成多个，在该多个划分之间进行不同的近似。或者，如在实施形态1中也使用过的那样，不进行近似而使用直接表示间隙静电电容Cg与间隙d的对应关系的查用表。

Claims (16)

1.一种激光加工机用的间隙检测装置，该间隙检测装置检测输出激光加工机中的激光的喷头与由该激光加工的加工对象物之间的间隙，其特征在于具备：

求合成阻抗的倒数即合成导纳的合成导纳取得单元，该合成阻抗为合成依赖于上述间隙的间隙静电电容与依赖于对上述加工对象物的激光加工中发生的等离子的等离子阻抗的阻抗；

根据上述合成导纳的虚部，求上述间隙静电电容与在上述等离子阻抗中包含的静电电容成分之和即合成静电电容的合成静电电容取得单元；

根据上述合成导纳的实部，求在上述等离子阻抗中包含的电阻成分的电阻成分取得单元；

使用表示上述电阻成分与上述静电电容成分的关系的模型和由上述电阻成分取得单元求出的上述电阻成分，求上述静电电容成分的静电电容成分取得单元；

从上述合成静电电容减去上述静电电容成分，求上述间隙静电电容的间隙静电电容取得单元；

根据由上述间隙静电电容取得单元求出的上述间隙静电电容，求上述间隙的间隙取得单元。

2.根据权利要求1所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于，

上述静电电容成分取得单元作为上述模型使用以下的公式：

Rp·Cp＝k

式中，

Rp：上述电阻成分

Cp：上述静电电容成分

k：参数。

3.根据权利要求1所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于，

上述静电电容成分取得单元作为上述模型使用表示上述电阻成分与上述静电电容成分的对应关系的查用表。

4.根据权利要求2所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于，

上述参数k的值设定为大于等于10^-9ΩF、小于等于10^-8ΩF。

5.根据权利要求2所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于，

还具备输入上述参数k的值的输入单元。

6.根据权利要求1所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于还具备：

生成经由基准电阻向中心电极输入的输入信号并输出的信号生成单元，该中心电极在与上述加工对象物之间构成上述间隙静电电容；

接收上述基准电阻中的上述中心电极侧的一端中的信号，输出到上述静电电容成分取得单元的缓冲电路，

上述静电电容成分取得单元使用以下的公式求上述合成导纳：

$F\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{A\left(\mathrm{j\ω}\right)}{1+\mathrm{Rref}(Z{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1}+X{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1})}$

式中，

j：虚数单位

ω：角频率

Rref：上述基准电阻

F(jω)：从上述输入信号到上述缓冲电路的输出信号的频率传递函数

Z(jω)^-1：上述合成导纳

A(jω)、X(jω)：参数。

7.根据权利要求1所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于还具备：

生成经由基准电阻向中心电极输入的输入信号并输出的信号生成单元，该中心电极在与上述加工对象物之间构成上述间隙静电电容；

接收上述基准电阻中的上述中心电极侧的一端中的信号，输出到上述静电电容成分取得单元的缓冲电路，

上述静电电容成分取得单元使用以下的公式求上述合成导纳：

$\mathrm{Vout}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{B\left(\mathrm{j\ω}\right)}{1+\mathrm{Rref}(Z{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1}+X{\left(\mathrm{j\ω}\right)}^{-1})}$

式中，

j：虚数单位

ω：角频率

Rref：上述基准电阻

Vout(jω)：上述缓冲电路的输出信号

Z(jω)^-1：上述合成导纳

B(jω)、X(jω)：参数

8.根据权利要求6或7所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于还具备：

能够把上述基准电阻的两端短路的跨接销。

9.根据权利要求6所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于还具备：

如果输入预定的信号，则更新上述参数A(jω)、X(jω)的值的参数更新单元。

10.根据权利要求7所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于还具备：

如果输入预定的信号，则更新上述参数B(jω)、X(jω)的值的参数更新单元。

11.根据权利要求6所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于，

上述静电电容成分取得单元使用表示上述输入信号与上述输出信号的关系的时序模型式，求上述频率传递函数F(jω)。

12.根据权利要求11所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于，

上述静电电容成分取得单元作为代入到上述时序模型式中的时序数据，使用以上述输入信号的频率的整数倍频率采样上述输入信号以及上述输出信号得到的采样数据。

13.根据权利要求1所述的激光加工机用的间隙检测装置，其特征在于，

上述间隙取得单元使用表示上述间隙与上述间隙静电电容的关系的指数函数模型，根据上述间隙静电电容求上述间隙。

14.一种激光加工系统，具备：具有输出激光的喷头的激光加工机；以及

检测由上述激光加工的加工对象物与上述喷头之间的间隙的间隙检测装置；

上述间隙检测装置具备：

求合成阻抗的倒数即合成导纳的合成导纳取得单元，该合成阻抗为合成依赖于上述间隙的间隙静电电容与依赖于对上述加工对象物的激光加工中发生的等离子的等离子阻抗的阻抗；

根据上述合成导纳的虚部，求上述间隙静电电容与在上述等离子阻抗中包含的静电电容成分之和即合成静电电容的合成静电电容取得单元；

根据上述合成导纳的实部，求在上述等离子阻抗中包含的电阻成分的电阻成分取得单元；

使用表示上述电阻成分与上述静电电容成分的关系的模型和由上述电阻成分取得单元求出的上述电阻成分，求上述静电电容成分的静电电容成分取得单元；

从上述合成静电电容减去上述静电电容成分，求上述间隙静电电容的间隙静电电容取得单元；

根据由上述间隙静电电容取得单元求出的上述间隙静电电容，求上述间隙的间隙取得单元。

15.根据权利要求14所述的激光加工机系统，其特征在于，

上述激光加工机把在求上述静电电容成分时使用的参数的值输入到上述间隙检测装置，

上述静电电容成分取得单元作为上述模型使用以下的公式：

Rp·Cp＝k

式中，

Rp：上述电阻成分

Cp：上述静电电容成分

k：上述参数。

16.一种激光加工机用的间隙检测方法，该间隙检测方法检测输出激光加工机中的激光的喷头与由该激光加工的加工对象物之间的间隙，其特征在于具备：

(a)求合成阻抗的倒数即合成导纳的工序，该合成阻抗为合成依赖于上述间隙的间隙静电电容与依赖于对上述加工对象物的激光加工中发生的等离子的等离子阻抗的阻抗；

(b)根据上述合成导纳的虚部，求上述间隙静电电容与在上述等离子阻抗中包含的静电电容成分之和即合成静电电容的工序；

(c)根据上述合成导纳的实部，求在上述等离子阻抗中包含的电阻成分的工序；

(d)使用表示上述电阻成分与上述静电电容成分的关系的模型和在上述工序(c)中求出的上述电阻成分，求上述静电电容成分的工序；

(e)从上述合成静电电容减去上述静电电容成分，求上述间隙静电电容的工序；

(f)根据上述间隙静电电容求上述间隙的工序。

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