CN101130217A - 激光处理设备和使用该设备的激光处理方法 - Google Patents

Abstract

在激光处理设备中，激光被光学传输部件传输到发射光学单元，并且激光被发射光学单元照射到工件，以执行激光处理。发射光学单元具有：火炬体；工件检测探头，提供于火炬体的末端；聚焦透镜，用于将激光发射在位于距火炬体末端规定距离的焦点处；第一电路，用于将电源提供给探头，并且使用根据探头和工件之间的距离而改变的信号的输入来计算所述距离；第二电路，用于根据来自探头的信号来检测探头和工件之间的接触；以及控制单元，用于根据探头与工件的接触以及探头和工件之间的距离来控制激光的生成。该结构提供高度安全的手持式激光处理设备，其能够使用简单的结构检测工件相对位置。

Description

激光处理设备和使用该设备的激光处理方法

技术领域

本发明涉及激光处理设备和使用该激光处理设备的激光处理方法，并且特别是，涉及具有手持式发射光学单元的激光处理设备，以及使用该激光处理设备的激光处理方法。

背景技术

焊接有时候是在使用自动设备进行激光焊接并不适合的情况下，由持有用于临时轨道焊接的手持式发射光学单元等的工人来执行的。在这种情况下，激光处理设备一般配备有安全特征，用于防止对不需要照射的部件进行激光照射，并且防止工人无意被暴露到激光照射，同时保护工人和其他人免遭发射的高能量激光照射，检测发射光学单元和工件之间的位置关系，以便以一致的质量来执行激光处理，并且只有在位置关系位于预定范围内时才使得能够激光照射。

例如在日本公开专利申请5-318158、5-318159和2002-239771中公开了其中将接触传感器和/或非接触传感器附着到发射光学单元(在日本专利申请5-318158、5-318159和2002-239771中称作“激光火炬”，下文中称作火炬)以检测工件的技术，以作为用于检测发射光学单元和工件之间位置关系的方法。

在日本公开专利申请5-318158号公开的火炬具有这样的电路结构，其中用于传导由激光谐振器所发射的激光的纤维的发射端位于其前面具有锥形喷嘴的手柄状外壳(grip housing)中，聚焦透镜位于发射端的前面以便从发射端发射的激光聚焦在接近喷嘴前端表面的点上，并且当喷嘴前端与工件相接触时激光谐振器被激活。激光因此被合适地聚焦到工件上。

日本公开专利申请5-318159中公开了用于检测何时火炬的前端进入距离工件的预定距离内的一种装置，以增强位于火炬前端的喷嘴的耐用性，其中提供的接触传感器从喷嘴的前端伸出所需的距离；压缩气体被引入到喷嘴中，并且提供了压力传感器用于在当压缩气体从喷嘴的前端释放时，来检测何时压缩气体的释放压力大于预设的压力，并且将喷嘴的前端放置在距工件一定距离处；将线圈附着到火炬上，并且提供了感应邻近传感器(感应传感器)，用于检测线圈的电感变化；并且提供了静电邻近传感器(静电传感器)，用于检测喷嘴前端和工件之间的电容变化。在这些火炬中，当检测到火炬前端已经位于距离工件一定距离处时生成激光。

在日本公开专利申请2002-239771公开的YAG激光火炬具有：能够检测非接触或接触的第一检测装置，用于检测在处理开始之前工件的存在；能够检测非接触的两个第二检测装置，用于检测处理期间工件的存在；激光发射开关，用于打开和关闭YAG激光的光路快门(shutter)，其中该激光发射开关只有在由第一检测装置在处理开始之前检测到工件的存在时才被激活；以及确认开关，用于接通或断开YAG激光谐振器。在这些火炬中，当第一检测装置检测工件的存在时，通过按下激光发射开关来生成激光。还可以设置火炬使得当第二检测装置检测到在处理期间没有工件时YAG激光的发射被阻挡。

日本公开专利申请2002-239771中公开了这样一种火炬，其中当确认开关在处理之前被接通时，在YAG激光谐振器被接通的同时将可见光发射到工件上的，并且可见光检测器用作第一检测装置，用于在处理之前检测工件的存在，并且在激光处理期间通过使用用于检测YAG激光反射的检测器、或者在激光处理期间检测在所处理的部分中生成的红外线和可见区域中的光的检测器，作为第二检测装置，来检测工件的存在。

此外还公开了这样一种火炬，其中提供了限制开关而不是可见光检测器来作为第一检测装置，在将火炬的末端按在工件上时其工作。该火炬被配置使得即使在限制开关和工件不再相互接触时，YAG激光仍被不断地发射，同时第二检测装置检测在激光处理期间从工件发射的光。

此外还公开了这样一种火炬，其中提供静电传感器来作为第一检测装置。在该火炬中，工件的存在是在处理之前根据工件是否是金属的或非金属的来检测，并且YAG激光只有在工件位于静电传感器的检测范围内时才能被发射。

此外还公开了其中提供了限制开关、静电开关和其他邻近开关的火炬。在该火炬中，邻近传感器在处理开始之前确定工件的材料是金属的还是非金属的，关于是否发射YAG激光的判断是通过限制开关的操作来进行的，并且在处理期间YAG激光只有在当工件位于邻近传感器的检测范围内时才发射。

不过，上述的现有技术具有如下问题。在日本公开专利申请5-318158中公开的火炬中，由于当喷嘴和工件不再彼此相接触时激光谐振器停止，因此当工件具有弯曲表面、水平差等的时候，不能够进行连续处理。

在日本公开专利申请5-318159中公开的技术中，通过使用接触传感器、压力传感器、电感传感器、静电传感器或其他类型的传感器等，检测火炬对工件的邻近，并且在检测之后允许激光谐振，并且由于当火炬的末端不与工件相接触时仍然能够发射激光，因此不同于在日本公开专利申请5-318158中公开的火炬，可以在工件具有弯曲表面、水平差等时执行激光处理。不过，在日本公开专利申请5-318159中公开的技术中，存在非期望的激光发射的风险，并且当接通手动开关时并不必然保持安全，并且传感器与工件或其他可以由传感器所检测的目标邻近，因此传感器检测火炬邻近工件。

在日本公开专利申请2002-239771中所公开的火炬中，由于提供了两种类型的检测器，因此火炬具有复杂的结构，并且两种类型的传感器的协调和维护存在问题。

发明内容

本发明的一个目标是提供一种高度安全的手持式激光处理设备，其能够通过使用简单的结构来检测工件的相对位置，并且提供使用激光处理设备的激光处理方法。

根据本发明的激光处理设备包括：光学传输部件，用于传输激光；以及发射光学单元，接收来自所述光学传输部件的所述激光，并且将所述激光照射到工件以用于激光处理。所述发射光学单元包括：火炬体；工件检测探头，提供给火炬体的末端；聚焦透镜，用于将激光发射在位于距所述火炬体末端预定距离处的焦点处；第一电路，用于将电源提供给所述探头，并且通过使用根据所述探头和所述工件之间的距离而改变的信号输入来计算所述距离；第二电路，用于根据来自所述探头的信号来检测所述探头和所述工件之间的接触；以及控制单元，用于根据所述探头与所述工件的接触以及所述探头和所述工件之间的距离，来控制所述激光的生成。

该结构使得单个工件检测传感器可以在激光处理之前检测工件的存在，并且在激光处理期间检测工件检测探头和工件之间的距离。

优选的，直到控制单元检测到探头和工件之间的接触才生成激光。

该结构减少了发射非期望的激光的可能性，并且可以获得高度安全的激光处理设备。

探头可以是静电电容传感器的探头，并且根据探头和工件之间的电容而改变的信号，可以是探头和工件之间的静电电容的检测信号。

该探头还可以是过流传感器的探头，该探头可以具有传感器线圈，并且根据探头和工件之间的距离而改变的信号可以是传感器线圈的阻抗的检测信号。

优选的，将指示激光照射的手动开关提供给火炬体。

也可以在火炬体附近的位置中提供指示激光照射的足动开关。

另外，可以将用于关闭整个设备的安全开关提供给火炬体或在火炬体附近的位置中。

根据本发明的激光处理方法，包括激光处理准备阶段和激光处理过程阶段。所述激光处理准备阶段包括步骤：将电源提供给工件检测探头并检测探头和工件之间的接触，当检测到接触时根据需要使用控制单元将气体提供给工件，以及使用控制单元以便将激光谐振器的激励电流增加到一定电平从而获得所需的输出。所述激光处理过程阶段包括步骤：检测工件检测探头和工件位于相距彼此的规定距离范围内，当从控制单元接收到激光发射命令时生成激光以启动激光处理，以及在工件检测探头和工件位于规定距离范围内的同时，连续执行激光处理。

根据本发明，通过使用单个工件检测传感器，在激光处理开始之前检测工件检测探头和工件之间的接触，并且在激光处理期间检测工件检测探头和工件之间的距离，简化了发射光学单元的结构，降低了发射光学单元的成本，并且增强了发射光学单元的维护特性。

附图说明

图1示出了根据本发明的实施例1的激光处理设备的结构；

图2示出了火炬体100的结构；

图3示出了静电电容检测电路7的C/V电压输出的例子；

图4示出了在通过根据本发明的实施例1的激光处理设备的激光处理的准备阶段中的控制顺序的例子；

图5A示出了在根据本发明的实施例1的激光处理设备的激光处理过程中的控制顺序的例子；以及

图5B示出了设置C/V电压输出的检测信号电平范围的例子。

具体实施方式

下面将参考附图来具体说明本发明的实施例。首先来说明本发明的实施例1。图1示出了根据本实施例的激光处理设备的结构；图2示出了火炬体100的结构；图3示出了静电电容检测电路7的C/V电压输出的例子；图4示出了在由根据本实施例的激光处理设备的激光处理的准备阶段中的控制顺序的例子；图5A示出了在根据本实施例的激光处理设备的激光处理过程中的控制顺序的例子；以及图5B示出了设置C/V电压输出的检测信号电平范围的例子。

在如图1所示的本实施例的激光处理设备中，从激光谐振器11输出的激光被通过光纤或其他光学传输部件15传输，并且激光6从火炬体100的末端被发射出来。在如图2所示的火炬体100中，圆锥形手柄状外壳绝缘部件3被附着到手柄状外壳1中，并且为手柄状外壳绝缘部件3的末端部件提供了由导体所形成的静电电容传感器的传感器探头4作为工件检测探头。传感器探头也起到火炬的作用。在手柄状外壳1中，放置了会聚透镜2，以便手柄状外壳1的中轴和激光的光轴彼此相重合，并且从激光谐振器11输出并且被光学传输部件15所传输的激光6发射在由距火炬体100末端规定距离的位置处的会聚透镜2所生成的焦点处。通过将由接地金属所组成的工件20放置在焦点处(聚焦位置)，可以对工件20执行激光处理。

火炬体100被链接到处理气体供应单元12，在激光处理期间和其他时间根据需要将气体控制电磁阀(solenoid valve)13打开，并且将辅助气体等从传感器探头4(火炬)的末端馈送到工件20的处理位置。另外，根据需要使用空气冷却器14对火炬体100和激光谐振器11进行冷却。另外，还为火炬体100提供操作员可以用来激活激光照射的手动开关5。火炬体100如此配置。

手动开关5作为控制单元被连接到处理设备控制单元8。从连接到传感器探头4的静电电容检测电路7输出的C/V电压输出75和接触检测电压输出76被输入到处理设备控制单元8。足动开关16位于火炬体100附近的位置，并且足动开关16连接到处理设备控制单元8。由于足动开关16具有与手动开关5相同的功能，因此操作员可以使用足动开关16来代替手动开关5以激活激光发射。

静电电容检测电路7具有第一电路，用于通过检测谐振器71在传感器探头4和工件20之间施加交流信号以测量静电电容Cx，检测根据传感器探头4和工件20之间的距离而改变的静电电容Cx，并且根据静电电容Cx来计算传感器探头4和工件20之间的距离；以及第二电路，用于根据来自传感器探头4的信号检测传感器探头4和工件20之间的接触。因检测谐振器71所施加在传感器探头4和工件20之间的交流信号而由传感器探头4和工件20之间的静电电容Cx所引入的电压，被C/V放大器72所放大，并且由C/V转换器73将其转换为C/V电压输出75作为直流电压信号，并且被输出到处理设备控制单元8。静电电容Cx根据传感器探头4和工件20之间的距离而变化，并且C/V电压输出75随着传感器探头4和工件20之间距离的下降而增加，如图3所示。

当有物质与传感器探头4相接触时，输出电压被接触检测放大器74所放大，并且作为接触检测电压输出76被输出到处理设备控制单元8。此时，当接触传感器探头4的物质是工件20时，由于工件20是金属，将获得其值与在非接触期间所检测的正常输出值不同的较大输出电压。

处理设备控制单元8确定C/V电压输出器75和接触检测电压输出76的检测信号电平，以确定是否激活激光。C/V电压输出75的检测信号电平的规定范围，以及接触检测电压输出76的规定检测信号电平是根据工件20的材料和/或形状而设置的，并且如上所述，当利用在传感器探头4和工件20彼此相接触时的接触检测电压输出76的检测信号电平作为参考，来设置接触检测电压输出76的规定检测信号电平时，当接触传感器探头4的物质是非金属时，接触检测电压输出76的检测信号电平不会超过所规定的检测信号电平。因此，即使当传感器探头4与非金属相接触时，也可以设置使激光照射不会出现，并且从而可以保护操作员免遭激光照射，并且提高了安全性。也可以通过利用在工件20位于激光6的焦点位置时的C/V电压输出75的检测信号电平作为参考，设置C/V电压输出75的检测信号电平的规定范围，来检测在激光处理期间焦点的位置。

处理设备控制单元8持续监控外部互锁信号9，该外部互锁信号与表明操作员穿着保护装置的信号或者其他安全措施有关，并且当互锁信号9起作用时，不将激光照射指令信号10输出到激光谐振器11。指示灯18也可以在此时点亮。

在本实施例的激光处理设备中，当互锁信号9没有起作用时，并且当手动开关5(或者足动开关16)接通时，处理设备控制单元8确定接触检测电压输出76的检测信号电平是否超过规定值，并且然后确定C/V电压输出75的检测信号电平是否在规定范围内。作出允许激光生成的判定之后，激光照射指令信号10被输出到激光谐振器11，并且激光6被照射到工件20。

作为激光处理准备的一部分，处理设备控制单元8具有以下功能：打开作为一种激光安全设备的谐振器的外部快门(图中未示出)，根据需要打开气体控制电磁阀13，将来自火炬(传感器探头4)的辅助气体等馈送到工件20的处理位置，并且将激光谐振器11的激励电流增加到获得必要输出的电平。进而，安全开关17连接到处理设备控制单元8，并且通过在紧急或其他情况下按下安全开关17可以关闭整个设备。本实施例的激光处理设备如此配置。

接下来说明如上所述配置的本实施例的激光处理设备的操作。

当在其中操作员具有保护装置或其他安全措施到位并且传感器探头4与工件20相接触的状态下接通手动开关5(或者足动开关16)时，检测到与在非接触期间所检测的正常输出值不同的较大输出电压。接触检测放大器74放大该输出电压，并且将该结果作为接触检测电压输出76输出到处理设备控制单元8，从而处理设备控制单元8在激光处理之前检测工件20的存在。此时，处理设备控制单元8打开作为激光安全设备的谐振器的外部快门(图中未示出)，根据需要将辅助气体等从火炬(传感器探头4)馈送到工件20的处理位置，将激光谐振器11的激励电流增加到获得必要输出的电平，并且为激光处理执行其他准备。

当操作员将传感器探头4从与工件20相接触移开时，静电电容Cx根据传感器探头4和工件20之间的距离而变化，并且由静电电容Cx所引起的电压被C/V放大器72所放大，被C/V转换器73转换为C/V电压输出75作为直流电压信号，并且被输出到处理设备控制单元8。当处理设备控制单元8检测到C/V电压输出75的检测信号电平在规定范围内时，也就是说，确定允许激光生成时，当互锁信号9不起作用时，将激光照射指令信号10输出到激光谐振器11，并且从激光谐振器11输出的激光6经由光纤或其他光学传输部件15进入火炬体100。

进入火炬体100的激光6通过会聚透镜2在距火炬体100的末端规定距离的位置处被聚焦和发射。当工件20位于聚焦位置时，对处理设备控制单元8进行设置，使得C/V电压输出75的检测信号电平位于预定范围内。从而，激光6被照射到工件20上，并且执行激光处理。在激光处理期间，处理设备控制单元8还不断监控C/V电压输出75的检测信号电平。

当操作员断开手动开关5(或者足动开关16)，或者在传感器探头4和工件20之间的距离增加，并且C/V电压输出器75的检测信号电平位于规定范围之外时，处理设备控制单元8确定不允许激光生成，并且停止激光照射指令信号10到激光谐振器11的输出。

下面来说明根据本实施例的激光处理设备的控制顺序的例子。

首先说明激光处理准备阶段。首先，火炬体100的传感器探头4与工件20相接触，并且在操作员具有保护装置或其他安全措施到位，C/V电压输出75小于规定检测信号电平，以及接触检测电压输出76小于规定检测信号电平(传感器探头4和工件20不互相接触)的状态下，处理设备控制单元8检测是否完成了激光处理的准备(步骤1)，如图4所示。直到传感器探头4与工件20相接触时，才由处理设备控制单元8来执行激光处理准备。在该结构中，即使传感器探头4在一定程度上与工件20或其他目标等接近，并且C/V电压输出75位于规定检测信号电平的范围内，也不将激光照射指令信号10输出到激光谐振器11，并且从而消除了激光的非期望发射的风险。

接触检测电压输出76等于或高于规定检测信号电平，从而已经检测到工件20的存在的处理设备控制单元8打开作为一种激光安全设备的谐振器的外部快门(图中未示出)，根据需要将辅助气体等从火炬(传感器探头4)馈送到工件20的处理位置，将激光谐振器11的激励电流增加到获得必要输出的电平(步骤2)。从而完成激光处理准备阶段。

下面说明激光处理过程。如图5A所示，操作员接通手动开关5(或足动开关16)，并且在其中操作员具有保护装置或其他安全措施到位的状态(互锁信号9不为ON(步骤1)并且气体确认和保护玻璃确认为YES(步骤2)的状态)下，将与工件20相接触的火炬体100的传感器探头4从与工件20相接触的状态移开。此时，如图5B所示，处理设备控制单元8使用C/V电压输出75的检测信号电平来确定对工件20邻近的状态(电平1)和其中距离工件205mm或以上的距离的状态，并且当C/V电压输出75的检测信号电平被确认为电平1或更低时(步骤3)，将激光照射指令信号10输出到激光谐振器11(步骤4)，并且激光6被照射到工件20(步骤5)。

在所有步骤中，与用于表明操作员穿着保护装置的信号或其他安全措施的有关的外部互锁信号9被处理设备控制单元8所连续监控，并且当外部互锁信号9不起作用时，不输出激光照射指令信号10。在所有步骤中，当接通安全开关17时关闭整个设备。

当手动开关5(或者足动开关16)断开时，当从工件20移开传感器探头4并且C/V电压输出75的检测信号电平小于电平2时，或者当传感器探头4位于工件20附近并且C/V电压输出75的检测信号电平超过电平1时(步骤6)，激光谐振器停止(步骤7)。辅助气体的馈送停止，并且当激光停止的状态持续比规定时间更长时，谐振器的外部快门(图中未示出)关闭(步骤8)。然后，如图4所示的激光处理准备阶段必须重新初始化，以便重新启动激光处理。

根据本实施例，通过使用传感器探头4在激光处理开始之前检测火炬体100和工件20之间的接触，并且在激光处理期间检测火炬体100和工件之间的距离，这样简化了火炬体100的结构，降低了火炬体100的成本，并且增强了火炬体100的维护性。

首先确认火炬体100和工件20之间的接触，并且然后仅当激光处理期间在火炬体100和工件之间的距离位于规定范围内时，执行激光处理。操作误差因此被最小化，并且由于此时确认工件20是否为金属，并且当工件20不是金属时不发射激光，因此操作员没有被暴露于激光中，从而可以高度安全地执行激光处理。

下面说明本发明的实施例2。在实施例1中工件检测传感器是静电电容传感器，而本实施例中的工件检测传感器是过流传感器。本实施例的其他方面与实施例1中所述一样。

在本实施例的激光处理设备中，在手持式发射光学单元的前面提供过流传感器的传感器探头来作为工件传感器。传感器探头容纳传感器线圈，并且通过将高频电流施加到传感器线圈来生成高频磁场。当工件位于磁场内时，磁通量穿过工件的表面，通过电磁感应过电流在垂直方向流动，并且传感器线圈的阻抗改变。过电流传感器根据由该现象所引起的谐振状态的改变来测量距离，并且谐振的幅度降低。相对于参考波形的相位差随着传感器线圈和工件之间的距离减少而增加。通过检测幅度或相位的变化或者通过对谐振幅度进行整流和检测直流电压的变化而测量传感器探头和工件之间的距离。

本实施例的激光处理设备除了使用过电流传感器作为工件检测传感器之外，结构方面、操作和效果均与实施例1的激光处理设备的相同。

根据本发明，通过使用单个工件检测传感器在激光处理开始之前检测工件检测探头和工件之间的接触，并且在激光处理期间利用工件检测焦点，这样简化了发射光学单元的结构，降低了发射光学单元的成本，并且增强了发射光学单元的维护性。

直到操作员将发射光学单元与工件相接触时，处理设备控制单元才输出激光照射指令信号，使用了具有两个阶段的控制顺序，其中首先确认发射光学单元与工件之间的接触，并且然后当在激光处理期间检测到焦点位置时执行激光处理。因此操作误差被最小化，并且由于此时确认了工件是否为金属，并且当工件不是金属时不发射激光，因此操作员不被暴露于激光中，从而可以高度安全地执行激光处理。

以上说明了本发明的实施例，但是本发明并不限于上述实施例。在由权利要求所示的技术范围内可以对本发明进行各种修改，并且通过这种修改而获得的激光处理设备也被包括在本发明的技术范围内。

Claims (8)

1.一种激光处理设备，包括：

光学传输部件，用于传输激光；以及

发射光学单元，接收来自所述光学传输部件的所述激光，并且将所述激光照射到工件以用于激光处理，

所述发射光学单元包括：

火炬体；

工件检测探头，提供于火炬体的末端；

聚焦透镜，用于将激光发射在位于距所述火炬体的末端预定距离的焦点处；

第一电路，用于将电源提供给所述探头，并且使用根据所述探头和所述工件之间的距离而改变的信号的输入来计算所述距离；

第二电路，用于根据来自所述探头的信号来检测所述探头和所述工件之间的接触；以及

控制单元，用于根据所述探头与所述工件的接触以及所述探头和所述工件之间的距离来控制所述激光的生成。

2.如权利要求1所述的激光处理设备，其中直到所述控制单元检测到所述探头和所述工件之间的接触才生成所述激光。

3.如权利要求1或2所述的激光处理设备，其中

所述探头是静电电容传感器的探头；并且

根据所述探头和所述工件之间的距离而改变的信号，是所述探头和所述工件之间的静电电容的检测信号。

4.如权利要求1或2所述的激光处理设备，其中

所述探头是过流传感器的探头；

所述探头具有传感器线圈；并且

根据所述探头和工件之间的距离而改变的信号是所述传感器线圈的阻抗的检测信号。

5.如权利要求1或2所述的激光处理设备，其中用于指示激光照射的手动开关被提供给所述火炬体。

6.如权利要求1或2所述的激光处理设备，其中用于指示激光照射的足动开关提供在所述火炬体附近的位置。

7.如权利要求1或2所述的激光处理设备，其中将用于关闭整个设备的安全开关提供给所述火炬体或在所述火炬体附近的位置。

8.一种激光处理方法，包括：

激光处理准备阶段和激光处理过程阶段这两个阶段，其中

所述激光处理准备阶段包括步骤：

将电源提供给工件检测探头并检测所述探头和工件之间的接触，

当检测到所述接触时根据需要使用控制单元将气体提供给所述工件，以及

使用所述控制单元来将激光谐振器的激励电流增加到获得必要输出的电平；并且

所述激光处理过程阶段包括步骤：

检测所述工件检测探头和所述工件位于彼此相距的规定距离范围内，当从所述控制单元接收到激光发射命令时生成激光以启动激光处理，并且在所述工件检测探头和所述工件是在所述规定距离范围内的同时，不断地执行所述激光处理。

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