CN102214889B

CN102214889B - 气体激光装置

Info

Publication number: CN102214889B
Application number: CN2011100505958A
Authority: CN
Inventors: 村上孝文; 西尾明彦
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2010-04-02
Filing date: 2011-03-01
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2031-03-01
Also published as: JP4782887B1; JP2011228624A; US20130315274A1; DE102011012821B4; DE102011012821A1; US20110243177A1; CN102214889A

Abstract

一种气体激光装置，具有沿气体流路使激光气体循环的送风机；检测根据送风机的转速变化的、气体流路中的激光气体的气体压力的压力检测部；向气体流路供给激光气体以及从气体流路中排出激光气体的气体供排部；指令暂时停止激光振荡器的激光振荡的指令部；和根据来自指令部的指令控制送风机以及气体供排部的控制部。控制部在由指令部指令暂时停止前，以预定转速使送风机旋转，并且控制气体供排部使压力检测部检测的气体压力成为第一目标气体压力，当由指令部指令了暂时停止时，减低送风机的转速或者停止旋转，并且控制气体供排部使压力检测部检测的气体压力成为与送风机旋转时的第一目标气体压力对应的第二目标气体压力。

Description

气体激光装置

技术领域

本发明涉及把气体用作激励介质的气体激光装置。

背景技术

已知把作为激励介质的激光气体封入激光气体容器内，通过送风机使该激光气体循环，并且通过从放电电极的放电激励激光气体发出激光的气体激光装置。在日本特开平11-112064号公报(JP11-112064A)记载的装置中，在输出激光的激光器接通状态时，使送风机旋转，在不是激光器接通状态时，使送风机暂时停止。

但是，如在JP11-112064A中记载的装置那样，在不是激光器接通状态时使送风机暂时停止时，有可能因为激光气体容器的泄漏而使容器内的气体压力变化。另外，在该状态下解除暂时停止再次使送风机旋转的情况下，在激光振荡前，需要对容器充填或者排出激光气体，把容器内的气体压力调整为设定压力。因此，恢复到能够激光振荡的状态要花费时间，成为使激光加工等的作业效率恶化的原因。

发明内容

根据本发明的一个实施方式，气体激光装置具有：流路形成部，其形成激光气体循环的气体流路；送风机，其使激光气体沿气体流路循环；激光振荡器，其把在气体流路中流动的激光气体作为激励介质振荡产生激光；激光器电源，其向激光振荡器供给用于激励激光气体的电力；压力检测部，其检测根据送风机的转速而变化的、气体流路中的激光气体的气体压力；气体供排部，其向气体流路供给激光气体以及从气体流路排出激光气体；指令部，其指令暂时停止激光振荡器的激光振荡；和控制部，其根据来自指令部的指令，控制送风机以及气体供排部，控制部在由指令部指令暂时停止前，控制送风机使送风机以预定转速旋转，并且控制气体供排部使通过压力检测部检测出的气体压力成为第一目标气体压力，当由指令部指令了暂时停止时，控制部控制送风机以便降低送风机的转速或者使送风机停止旋转，并且控制气体供排部使通过压力检测部检测出的气体压力成为与送风机旋转时的第一目标气体压力对应的第二目标气体压力。

附图说明

通过参照附图对以下的实施方式进行说明，本发明的目的、特征以及优点更加明了，在该附图中，

图1是概要表示本发明的实施方式的气体激光装置的结构的图。

图2是表示本发明的实施方式的气体激光装置的控制结构的框图。

图3是表示通过图2的控制部执行的暂时停止处理的一例的流程图。

图4A是表示本发明的实施方式的气体激光装置的动作的一例的图。

图4B是表示本发明的实施方式的气体激光装置的动作的一例的图。

图5是示意地表示气体激光装置的气体状态的图。

图6A表示图4A的比较例。

图6B表示图4B的比较例。

具体实施方式

下面参照图1～图6B说明本发明的实施方式。图1是概要地表示本发明的实施方式的气体激光装置100的结构的图。该气体激光装置100具有形成激光气体循环的气体流路101的激光气体容器10和在气体流路101上配置的激光振荡器20以及送风机30。本实施方式的气体激光装置100可以在加工、医疗、测量等广泛的领域内使用。

激光气体容器10以与大气隔离的状态封入规定的激光气体。作为激光气体可以使用包含二氧化碳气体、氮气、氩气等激光介质的激光振荡用介质气体。

激光振荡器20具有输出镜21、后反射镜22、在输出镜21和后反射镜22之间配置的放电管23。放电管23与气体流路101连通，从激光器电源24向放电管23提供电力。当从电源24提供电力时，激光气体在通过放电管23的过程中被激励，成为激光活性状态。通过放电管23产生的光在输出镜21和后反射镜22之间被放大，进行激光振荡，产生激光。输出镜21是部分透镜，通过输出镜21的激光成为输出激光24向外部输出。

送风机30通过由电动机驱动的风扇或鼓风机构成。即，在本说明书的送风机30中还包含压缩比小于鼓风机的风扇。经由未图示的送风机逆变器向送风机30供给电力，通过该电力送风机30旋转，沿气体流路101使激光气体循环。在送风机30的上游侧以及下游侧的流路101中分别设置第一热交换机31和第二热交换机32。对各热交换机31、32供给规定的冷却介质(例如冷却水)。激光气体通过与该冷却介质的热交换在通过热交换机31、32时被冷却，保持为规定的温度。

为抑制送风机30的发热，在气体流路101设置冷却装置40。冷却装置40具有在冷却通路41内使冷却介质循环的冷却介质循环装置42和冷却冷却介质的冷却介质冷却装置43，通过使冷却介质流过送风机30的发热部冷却送风机30。作为流过冷却通路41的冷却介质例如可以使用冷却水，冷却介质循环装置42可以通过压送冷却介质的泵构成。冷却介质冷却装置43例如可以作为通过与大气的热交换冷却冷却介质的热交换器构成。

在气体流路101上连通用于向气体流路101供给激光气体的供气流路50、和用于从气体流路101中排出激光气体的排气流路60。在供气流路50上设置供气装置51，在供气装置51的上游连接贮留激光气体的、压力比气体流路101高的气罐(未图示)。供气装置51可以通过可开闭的阀门装置构成，根据该阀门装置的开闭经由供气装置51从气罐向气体流路101供给激光气体。此外，可以不将阀门装置构成为简单的开关阀，而是构成为变更吸气流路50的开口面积的可变阀。

在排气流路60上串联设置排气阀61和排气装置62。排气阀61是可开闭的阀门装置，例如通过变更排气流路60的开口面积的可变阀构成。排气装置62通过从低压的气体流路101吸入激光气体的排气扇构成。排气扇通过经由排气逆变器63供给的电力而旋转，根据排气装置62(排气扇)的转速和排气阀的开度从气体流路101排出激光气体。

把激光输出时的激光气体容器10内的压力(气体压力)设定为例如大气压的1/40～1/5左右。激光气体容器10被密封，但是难以完全防止泄漏，微量的大气会侵入激光气体容器10内。此外，激光振荡时会发生激光气体的分解或从激光气体的内壁放出分子，这些是使激光气体容器10内的激光气体的质量恶化的原因。考虑这一点，在本实施方式中，在激光振荡时经由供气流路50和排气流路60对气体流路101始终供排激光气体。通过微量更换激光气体容器10内的激光气体，抑制激光气体的质量恶化。

激光气体容器10内的气体压力P，代表地通过压力计33检测。压力计33设置在第一热交换机31的下游侧且在送风机30的上游侧。因此，通过压力计33检测的气体压力P根据送风机30的转速变化。即，送风机30旋转时气体压力P降低，送风机30停止时气体压力P上升。

此时，当使容器10内的气体总重量恒定时，送风机30的转速和通过压力计33检测的气体压力P存在一定的相关关系。当把送风机30的设定转速N1下的气体压力设定为P1时，送风机30停止旋转时(转速0)的气体压力成为P2(＞P1)。该关系可以预先通过实验或者分析来求出。此外，为了与送风机30的下游侧(送风机30和第二热交换机32之间)的气体压力区别，有时用Pa表示送风机上游侧的气体压力，用Pb表示送风机下游侧的气体压力。

从激光振荡器20输出的激光束的功率、激光束形状、激光束质量等激光性能，很大地取决于激光气体容器10内的气体压力P。在本实施方式的气体激光装置100中，作为用于得到希望的激光性能的气体压力，预先设定与送风机30的设定转速N1对应的气体压力P1。在激光振荡时，使送风机30以设定转速N1旋转，并且控制激光气体的供排使压力计33检测的气体压力P成为设定气体压力P1。由此，能够得到稳定的激光性能。

根据来自控制部70的信号控制激光器电源24、送风机30(送风机逆变器)、供气装置51、排气阀61以及排气逆变器63。图2是表示本实施方式的气体激光装置100的控制结构的一部分的框图。控制部70包含具有CPU、ROM、RAM、其他周边电路等的运算处理装置，具有控制来自激光器电源24的电力供给的电力控制部71、控制送风机30的旋转的送风机控制部72、控制供气装置51和排气阀61的开闭的压力控制部73、和控制排气装置62的旋转的排气控制部74。

向控制部70输入来自压力计33的信号、和来自暂时停止开关75的指令暂时停止激光振荡器20的激光振荡的信号，控制部70根据这些输入信号执行以下的处理。例如在通过气体激光装置100进行工件的激光加工的情况下，在更换工件时等暂时不需要激光输出时指令暂时停止，与在激光加工作业结束后指令的完全停止不同。在控制部70的存储器中预先存储送风机30的设定转速N1、送风机旋转时以及送风机停止时的设定气体压力P1、P2。

图3是表示用控制部70执行的处理的一例，特别是暂时停止处理的一例的流程图。该流程图表示的处理例如在激光振荡状态下暂时停止开关75接通时，即当输入暂时停止指令时开始。在暂时停止开关75接通前，通过送风机控制部72的处理送风机30以设定转速N1旋转，通过压力控制部73的处理将激光气体容器10内的气体压力P保持在设定气体压力P1，通过电力控制部71的处理向放电管23供给电力，激光振荡器20振荡发出激光，并且通过排气控制部74的处理排气装置62以预定转速N10旋转。

在步骤S1，向激光器电源24输出控制信号，停止来自放电管23的放电动作。由此停止来自激光振荡器20的激光输出。

在步骤S2，向送风机逆变器输出控制信号，停止送风机30的旋转。由此停止沿气体流路101的激光气体的流动。

在步骤S3，向供气装置51和排气阀61输出控制信号，使它们分别关闭，并且向排气逆变器63输出控制信号，暂时停止排气装置62的旋转。该处理是考虑送风机30在指令暂时停止后不立即停止，而是减速后停止，到送风机30完全停止为止容器10内的气体压力P不稳定这一点，在送风机30完全停止前停止激光气体的供排。

此外，在该例中在指令暂时停止后使送风机30的旋转完全停止，但是也可以不完全使送风机30的旋转停止，而是减低到预定转速N2。即，也可以在步骤S2，在把送风机30的转速减低到预定转速N2后，在步骤S3停止激光气体的供排。预定转速N2是比预定转速N1低的值。可以使送风机30的转速减低预定转速ΔN，来代替减低到预定转速N2。

在步骤S4，判定送风机30的停止动作是否完成，即送风机30的旋转是否完全停止。该处理例如通过判定在送风机30的停止指令后是否经过了预定的减速时间，或者通过监视来自送风机逆变器的输出进行。当在步骤S4被否定时返回步骤S2，肯定时前进到步骤S5。

在步骤S5，读入来自压力计33的信号，控制供气装置51和排气阀61的开闭，使通过压力计33检测到的气体压力P成为送风机停止时的设定气体压力P2，并且把排气装置62的转速控制为预定的预定转速N11。由此即使更换激光气体容器10内的激光气体，例如在大气侵入到激光气体容器10内的情况下，也能够将气体压力P保持在设定气体压力P2。此时，因为激光振荡停止，所以不会发生激光振荡引起的气体分解，并且因为气体温度比激光振荡时低，所以从激光气体容器内壁的分子释放少。因此，激光气体容器10内的激光气体的更换量少量即可，排气装置62不需要大的排气能力。因此，把预定转速N11设定为比激光振荡时的排气装置62的转速N10低的值。

在步骤S6，判定暂时停止开关75是否关断，即是否输入了暂时停止解除指令，当在步骤S6被否定时返回步骤S5，当肯定时前进到步骤S7。

在步骤S7，向送风机逆变器输出控制信号，使送风机30以设定转速N1旋转。由此激光气体沿气体流路101循环。

在步骤S8，向供气装置51和排气阀61输出控制信号，使它们分别关闭，并且向排气逆变器63输出控制信号，暂时停止排气装置62的旋转。即，在送风机30的转速达到设定转速N1前，因为气体压力P不稳定，所以关闭供气装置51和排气阀61，停止向容器10内的激光气体的供排。

在步骤S9，判定送风机30的转速是否达到设定转速N1。该处理例如可以通过判定在送风机30的停止解除指令后是否经过了预定的增速时间、或者通过监视来自送风机逆变器的输出来进行。

在步骤S10，读入来自压力计33的信号，控制供气装置51和排气阀61的开闭，以使压力计33检测的气体压力P成为设定气体压力P1，并且将排气装置62的转速控制为预定转速N10。

在步骤S11，判定压力计33检测的气体压力P是否为设定气体压力P1。当在步骤S11肯定时前进到步骤S12，当否定时返回步骤S10。

在步骤S12，向激光器电源24输出控制信号，重新开始来自放电管23的放电。由此在预定的气体压力P1下，能够从激光振荡器20输出稳定的激光。到此结束暂时停止处理。

更具体地说明本实施方式的气体激光装置100。图4A、图4B分别表示激光振荡的暂时停止指令后以及暂时停止解除指令后的送风机转速和激光气体容器10内的气体压力P的变化。此外，图中一并表示气体压力P的控制目标值(虚线)。

在激光振荡的暂时停止指令前，如图4A所示，送风机30以设定转速N1旋转，气体压力P被控制为作为控制目标值的设定气体压力P1。此时的容器10内的气体状态用图5的α表示。在图5中，Pa是送风机30的上游侧即通过压力计33检测的气体压力，Pb是送风机30的下游侧(送风机30和第二热交换机32之间)的气体压力，G是容器内的气体总重量。在送风机30以设定转速N1旋转时，送风机上游侧的气体压力Pa成为在状态α下表示的设定气体压力P1，送风机下游侧的气体压力Pb为P3(P＞1)。此时的容器10内的气体总重量是G1。

当在图4A的时刻t1接通暂时停止开关75时，来自激光振荡器20的激光的输出停止，并且送风机30开始停止动作(步骤S1、步骤S2)。由此，能够抑制气体激光装置100的无用的电力消费，能够得到节电的效果。在暂时停止开关75接通后，送风机转速降低，与此相伴送风机上游侧的气体压力Pa增加。在送风机30完全停止前的期间内(时刻t1～t2)无法通过激光气体的供排进行压力调整(步骤S3)。

当在时刻t2送风机30的旋转完全停止时，开始通过激光气体的供排进行压力调整，把送风机上游侧的气体压力Pa控制为设定气体压力P2(步骤S5)。此时，排气装置62因为以比激光振荡停止前低的转速N11(＜N10)旋转，所以能够更加抑制电力消费量。暂时停止的气体状态由图5的β表示，送风机上游侧和下游侧的气体压力Pa、Pb互相相等。在该情况下，容器10内的气体压力P成为与送风机旋转时的设定气体压力P1对应的值P2，即通过气体总重量不变时的送风机转速和气体压力P之间的相关关系决定的值，气体总重量维持G1不变。

其后，当在图4B的时刻t3关断暂时停止开关75时，送风机30开始旋转动作(步骤S7)。此时，伴随送风机30的转速的上升，送风机上游侧的气体压力Pa增加，但是在送风机转速达到设定转速N1前的期间内(时刻t3～t4)，不进行通过激光气体的供排的压力调整(步骤S8)。

当在时刻t4送风机转速达到设定转速N1时，开始通过激光气体的供排进行压力调整，将送风机上游侧的气体压力Pa控制为设定气体压力P1(步骤S10)。在该状态下放电管23开始放电，激光振荡器20输出激光(步骤S 12)。此时的激光气体容器10内的气体状态成为图5的α。在该种情况下，因为在送风机旋转停止时将容器10内的气体压力控制为P2，所以仅通过将送风机转速增加到设定转速N1，容器10内的气体压力成为P1。因此，在暂时停止开关75关断后，能够在短时间内开始放电管23的放电，能够提高激光加工等的作业效率。

对此，在把送风机停止旋转时的气体压力控制为P2以外的值时，难以在暂时停止开关75关断后在短时间内开始放电。以下说明该点。图6A、图6B表示把送风机旋转停止时的气体压力设定为P1时的送风机转速和气体压力P的变化的例子。此时，如图6A所示，为了使通过暂时停止开关75的接通送风机30停止旋转后的气体压力从P2减小到P1，需要在时刻t2～ta中从激光气体容器10内排出激光气体。因此，在时刻ta以后，容器10内的气体状态成为图5的γ，气体总重量G2比暂时停止前的气体总重量G1减少。

其后，如图6B所示，当在时刻t3关断了暂时停止开关75时，伴随送风机转速的增加气体压力Pa减小，时刻t4的气体压力Pa变得低于设定气体压力P1。因此，为了开始激光振荡，需要经由供气装置51向容器内充填激光气体，使气体压力Pa成为设定气体压力P1。当在时刻tb气体压力Pa成为设定气体压力P1时，虽然能够进行激光振荡，但是与图4B相比，到成为能够激光振荡的状态要花费时间。另外，容器10内的激光气体的更换量多，浪费大。

根据本实施方式能够起到以下的作用效果。

(1)因为通过暂时停止开关75的接通使激光输出停止，并且使送风机30的旋转停止，所以能够抑制气体激光装置100的电力消费量。

(2)因为把送风机停止旋转时的激光气体容器10内的气体压力P控制为与送风机旋转时的设定气体压力P1对应的设定气体压力P2，所以在指令解除激光振荡的暂时停止后，能够在短时间内使激光气体容器10内的气体压力P恢复为设定气体压力P1，能够高效率地进行激光加工等作业。

(3)即使在暂时停止指令后，减低送风机30的转速来代替停止送风机30的旋转的情况下，能够同样地抑制气体激光装置100的电力消费量，并且在暂时停止解除指令后，能够在更短的时间内使气体压力P恢复到设定气体压力P1。

(4)因为在送风机30完全停止，气体压力P稳定前，不进行容器10内的气体压力P的调整，所以能够避免不必要的激光气体的供排。

(5)因为在送风机停止旋转时减低排气装置62的转速，所以能够更进一步抑制电力消费量。

(6)因为在排气流路60上设置排气装置62，并且对于排气装置62串联设置排气流路60的开口面积可变更的排气阀61，所以能够高精度地调整容器10内的气体压力P。

此外，在上述实施方式中通过冷却装置40冷却送风机30，但是也可以冷却气体激光装置的其他的结构部件。在该种情况下，也可以根据暂时停止开关75的接通关断变更冷却装置40的冷却能力。例如可以在停止暂时指令后，控制部70控制冷却介质循环装置42使冷却介质的循环量比指令暂时停止前少。

在上述实施方式中，通过激光气体容器10形成激光气体循环的气体流路，但是流路形成部的结构不限于此。虽然在送风机30的上游设置了压力计33，但是只要能够检测根据送风机30的转速而变化的气体压力P，则也可以在其他位置(例如在送风机30的下游)设置压力检测部。虽然通过暂时停止开关75的操作指令激光振荡暂时停止，但是也可以使用其他的指令部。

虽然在供气流路50设置供气装置，并且在排气流路60设置排气阀61和排气装置62，但是向气体流路101供给激光气体以及从气体流路101排出激光气体的气体供排部的结构不限于此。虽然通过排气扇构成排气装置62，在暂时停止指令时减低风扇的转速，但是也可以使排气装置62为其他的结构，在暂时停止指令时减低排气能力。也可以使暂时停止指令前和暂时停止指令后的排气装置60的转速互相相等。

在上述实施方式中，通过控制部70控制送风机30的旋转和气体的供排，但是如果在暂时停止指令前，使送风机30以预定转速N1旋转，并且控制气体的供排，以使压力计33检测的气体压力P成为设定气体压力P1(第一目标气体压力)，在暂时停止指令时，减低送风机30的转速或者停止旋转，并且控制气体的供排以使压力计33检测的气体压力P成为与送风机旋转时的设定气体压力P1对应的设定气体压力P2(第二目标气体压力)，则控制部70的处理不限于上述。

根据本发明，因为在暂时停止指令时，减低送风机的转速或者停止旋转，并且控制气体的供排，使气体流路中的气体压力成为与送风机旋转时的第一目标气体压力对应的第二目标气体压力，所以能够抑制电力消费量，并且在暂时停止指令解除后能够在短时间内恢复到可进行激光振荡的状态。

以上关联本发明的优选的实施方式说明了本发明，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离权利要求的保护范围的情况下，能够进行各种修正及变更。

Claims

1.一种气体激光装置，其特征在于，具有：

流路形成部(10)，其形成激光气体循环的气体流路；

送风机(30)，其使激光气体沿上述气体流路循环；

激光振荡器(20)，其把在上述气体流路中流动的激光气体作为激励介质振荡产生激光；

激光器电源(24)，其向上述激光振荡器供给用于激励激光气体的电力；

压力检测部(33)，其检测根据上述送风机的转速而变化的、上述气体流路中的激光气体的气体压力；

气体供排部(50，51，60，61，62)，其向上述气体流路供给激光气体以及从上述气体流路排出激光气体；

指令部(75)，其指令暂时停止上述激光振荡器的激光振荡；和

控制部(70)，其根据来自上述指令部的指令，控制上述送风机以及上述气体供排部，

上述控制部在由上述指令部指令暂时停止前，控制上述送风机以预定转速使上述送风机旋转，并且控制上述气体供排部使通过上述压力检测部检测出的气体压力成为第一目标气体压力，

当由上述指令部指令了暂时停止时，上述控制部控制上述送风机以便降低上述送风机的转速或者使上述送风机停止旋转，并且控制上述气体供排部使通过上述压力检测部检测出的气体压力成为在气体总重量不变化时的、与送风机旋转时的上述第一目标气体压力对应的第二目标气体压力。

2.根据权利要求1所述的气体激光装置，其特征在于，

当由上述指令部指令了暂时停止时，上述控制部控制上述送风机以便降低上述送风机的转速或者使上述送风机停止旋转，在上述送风机的转速降低或者旋转停止后，控制上述气体供排部，使通过上述压力检测部检测出的气体压力成为上述第二目标气体压力。

3.根据权利要求1所述的气体激光装置，其特征在于，

上述气体供排部具有从上述气体流路排出激光气体的排气装置(62)；和

向上述气体流路供给激光气体的供气装置(51)。

4.根据权利要求3所述的气体激光装置，其特征在于，

上述排气装置具有从上述气体流路内吸入激光气体的排气扇，

当由上述指令部指令了暂时停止时，上述控制部降低上述排气扇的排气能力使其低于指令暂时停止前的排气能力。

5.根据权利要求3所述的气体激光装置，其特征在于，

上述排气装置配置在与上述气体流路连通的排气流路中，

上述气体供排部还具有变更上述排气流路的开口面积的阀装置(61)。

6.根据权利要求1～5的任何一项所述的气体激光装置，其特征在于，

还具有通过使冷却介质循环来冷却预定的结构部件的冷却装置(40)，

当由上述指令部指令了暂时停止时，上述控制部还控制上述冷却装置，减少冷却介质的循环量使其低于指令暂时停止前的循环量。