CN109834385B - 在激光加工中警告保护窗口的污染的激光加工装置 - Google Patents

在激光加工中警告保护窗口的污染的激光加工装置 Download PDF

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Abstract

本发明的激光加工装置具有：分束器，其配置在聚光透镜和保护窗口之间；返回光测定部，其经由分束器测定通过工件反射并返回到外部光学系统的返回光的强度分布；存储部，其存储表示保护窗口正常时的返回光的强度分布的正常图案以及表示保护窗口污染时的返回光的强度分布的异常图案中的至少一方的数据；处理部，其根据返回光的测定数据和正常图案及异常图案中至少一方的数据来检测在激光加工中进行检测保护窗口的污染的处理；以及警告部，其根据处理来警告保护窗口的污染。

Description

在激光加工中警告保护窗口的污染的激光加工装置
技术领域
本发明涉及一种激光加工装置，特别涉及一种在激光加工中警告保护窗口的污染的激光加工装置。
背景技术
根据进行激光切断的材料和厚度等，预先设定焦点位置并进行激光加工。当产生了加工故障时，确认用于将来自激光振荡器的输出光照射给工件的外部光学系统是否被污染，或者通过在外部光学系统上安装温度传感器或散射光传感器来检测外部光学系统的污染。
作为与本申请关联的技术，例如后述的文献是公知的。在日本特表2016-530611号公报中公开用于评价过程状态的系统。涉及的系统使激光输出光经由配置在准直器和焦点透镜之间的半透明魔术镜照射到工件，通过魔术镜将反射光进行反射并由照相机来接收光，评价加工品质。
日本特开2016-097412号公报中公开一种激光焊接方法，其在溅射附着于保护玻璃上时，容易抑制焊接不良的产生。涉及的激光焊接方法为，在进行激光焊接之前，经由配置在聚光透镜的上游的镜子，接收将输出较小的检查用激光照射到焊接部并返回的返回光，将返回光的强度与基准强度进行比较，并计算激光输出的下降量以及焦点偏离量，并且调整激光振荡器的输出以及焦点距离。
日本特开2002-361452号公报中公开一种测定保护玻璃的污染程度的激光加工系统。涉及的激光加工系统具备：照射检测器，其测定来自保护玻璃的散射照射的强度；其他照射检测器，其经由配置在使激光束聚光的透镜机构的后方的部分性透过的镜子来测定光束的强度，补偿与散射照射测定值相对的激光束的照射强度的影响。
日本特开2013-233593号公报中公开一种判定加工状态是否良好的激光加工装置。上述激光加工装置具备用于在至少2个方向检测从加工点放射的光的空间分布的光传感器。
发明内容
外部光学系统随时间老化。特别是保护窗口在激光加工中容易污染，在被污染的情况下，需要清洁或更换。当维护时间延迟时，会导致激光加工的品质显著下降。
因此，寻求一种在激光加工中精度优良地警告保护窗口的污染的技术。
本发明的一个方式为在激光加工中警告保护窗口的污染的激光加工装置，该激光加工装置具有：激光振荡器；外部光学系统，其具有将来自激光振荡器的输出光聚光的聚光透镜以及配置在聚光透镜的下游的保护窗口；分束器，其配置在聚光透镜和保护窗口之间；返回光测定部，其经由分束器测定通过工件反射并返回到外部光学系统的返回光的强度分布；存储部，其存储正常图案以及异常图案中的至少一方的数据，正常图案表示保护窗口正常时的来自工件的返回光的强度分布，异常图案表示保护窗口污染时的来自工件的返回光的强度分布；处理部，其在激光加工中进行检测保护窗口的污染的处理；以及警告部，其根据处理部的处理来警告保护窗口的污染，处理部具有污染检测部，该污染检测部根据返回光的测定数据和正常图案及异常图案中至少一方的数据来检测保护窗口的污染。
附图说明
图1是表示一个实施方式涉及的激光加工装置的概略结构的概略图。
图2(A)是刺穿时、切断时以及焊接时的出射光的纵截面图、图2(B)是返回光的平面图以及图2(C)是返回光的放大图。
图3是表示刺穿时、切断时以及焊接时的返回光的强度分布的正常图案以及异常图案的平面图。
图4是表示一个实施方式涉及的数值控制装置的结构的框图。
图5是表示一个实施方式涉及的激光加工装置的动作的流程图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。在各个附图中，对于相同或类似的结构要素赋予相同或类似的符号。另外，以下记载的实施方式不限定权利要求书记载的发明的技术范围以及用词的含义。
图1是表示本实施方式的激光加工装置的概略结构的概略图。激光加工装置10具备激光振荡器11、用于将来自激光振荡器11的输出光导光并照射到工件的表面的外部光学系统12、控制激光加工装置10的整体的数值控制装置13以及控制激光加工装置10的驱动的驱动控制装置14。激光振荡器11例如是波长1060～1080nm的光纤激光振荡器。外部光学系统12具备：将来自激光振荡器11的输出光导光的光纤20、将来自光纤20的输出光设为平行光的准直透镜21、将输出光聚光的聚光透镜22、反射输出光或返回光的一部分并透过一部分的分束器23、配置在聚光透镜22的下游的保护窗口24。驱动控制装置14具备：使加工工作台16移动的X轴、Y轴以及Z轴、使聚光透镜22的位置沿光轴方向移动的V轴、使保护窗口24沿与出射光的光轴正交的方向移动的S轴以及T轴、驱动这些各轴的伺服电动机以及控制部等。
激光加工装置10还具备返回光测定部15，该返回光测定部15经由分束器23测定在激光加工中由工件W反射并返回到外部光学系统12的返回光的强度分布。分束器23在直线型的加工头25内配置在聚光透镜22和保护窗口24之间并且相对于光轴倾斜角度45°。由此，由于在保护窗口24和返回光测定部15之间没有分束器23以外的光学部件，因此能够高精度地检测出保护窗口24的污染。返回光测定部15配置在与前进方向的输出光的光路成90°的位置，具备二维排列的多个传感器元件(例如光电元件)、配置成同心圆状的多个传感器元件(例如热电偶)或CCD照相机或者CMOS照相机等。
图2(A)是刺穿时、切断时以及焊接时的出射光的纵截面图、图2(B)是返回光的平面图以及图2(C)是返回光的放大图。在刺穿时，返回光的强度分布为，以光轴O为中心的强度较强，向光轴O的周围的强度变弱。在切断时，返回光仅为来自工件W的切断部分C的反射光，因此返回光的强度分布大概为月牙形。焊接时，返回光为来自工件W的熔融部分M的反射光，因此返回光的强度分布包括因散射光而产生的一闪一闪的强度低的部分L，不稳定，并且一直在变化。如此，即使保护窗口24正常，返回光的强度分布也依赖于激光加工的种类而发生变化。
图3是表示刺穿时、切断时以及焊接时的返回光的强度分布的正常图案以及异常图案的平面图。当保护窗口有污染时，在光轴O的周围会零星出现强度高的部分H。在刺穿时，返回光的强度分布正常图案大概为一个，因此简单地从返回光的测定数据将正常图案的数据进行差分，从而能够检测出保护窗口24的污染，另外，在切断时，返回光的强度分布的正常图案的数量依赖于切断方向而增加，但是从返回光的测定数据将与加工中的切断方向对应的正常图案进行差分，从而能够检测出保护窗口24的污染。但是，在焊接时，由于因散射光而产生的强度低的部分L的位置、大小以及数量经常发生变化，没有加工中的正常图案，因此无法通过上述差分处理检测出保护窗口24的污染。因此，本实施方式涉及的激光加工装置通过正常图案以及异常图案进行图案识别(机器学习)，从而能够不依赖于激光加工的种类而检测出保护窗口24的异常。
具体地说，将围绕光轴O的传感器元件的集合P1中检测出超过预定强度的返回光的强度的传感器元件的数量设为x1，将围绕传感器元件的集合P1的传感器元件的集合P2中检测出超过预定强度的返回光的强度的传感器元件的数量设为x2，并且，如果将x1、x2的各自的权重设为w1、w2，将刺穿设为w0(以下将w0、w1、w2简单称为“权重”)，则用于识别保护窗口24的污染的线形识别函数u(即直线的式子)如下。
u＝w0+w1x1+w2x2
当识别函数u>0时，能够检测为在保护窗口24上有污染，当识别函数u<0时，能够检测为在保护窗口24上没有污染。并且，为了求出识别函数的参数w0、w1、w2(即权重)，(1)在w0、w1、w2中分别设定随机的值，(2)将正常图案以及异常图案的至少一方的数据作为训练数据输入x1、x2，并且(3)如果输出不正确(即虽然读入了正常图案但检测为有污染时，或者虽然读入了异常图案但检测为无污染时)，向正确的方向更新权重的值，(4)当有更新时，进行重复(1)～(3)的步骤的学习。如果对于所有的训练数据进行了正确的输出，则结束学习。更新权重值的处理能够使用公知的梯度下降法等，例如权重的更新式如下。
Figure BDA0001874060080000052
O＜p＜1(学习率)
Figure BDA0001874060080000051
离光轴O越远返回光的强度分布变得越弱，因此离光轴O越远越能够容易检测出保护窗口24的污染。因此，通过学习而求出的权重成为w1<w2的可能性较高。通过以上的学习来生成识别函数u。另外，当返回光测定部15是照相机时，由于传感器元件的数量增大，因此识别函数u如下。
u＝w0+wix1+w2x2…+wixi
另外，当返回光测定部15是配置成同心圆状的多个传感器元件(例如热电偶)时，传感器元件的集合P1、P2分别为一个，因此x1、x2的各自的值表示0或1。
图4是表示本实施方式的数值控制装置的结构的框图。数值控制装置13具备：由存储各种数据的RAM、ROM或非易失性存储器等构成的存储部30、由CPU、ASIC或FPGA等构成的处理部31、由显示面板、扬声器、输出接口等构成的警告部32。存储部30、处理部31或警告部32由总线等相互连接。处理部31在激光加工中进行检测保护窗口24的污染的处理，警告部32按照处理部31的处理来警告保护窗口24的污染。
存储部30预先存储表示保护窗口24正常时的返回光的强度分布的正常图案以及表示保护窗口污染时的来自工件的返回光的强度分布的异常图案中至少一方的数据。存储部30还存储表示通过返回光测定部15测定到的返回光的强度分布的返回光测定数据。
处理部31的结构要素由通过CPU执行的程序模块或通过ASIC、FPGA等构成的集成电路来安装。处理部31如上所述，具备识别函数生成部40，该识别函数生成部40使用正常图案以及异常图案中至少一方的数据作为训练数据，生成用于识别保护窗口24的污染的识别函数u。处理部31还具备：驱动指令部41，其对驱动控制装置14进行指令，该指令为根据加工条件使出射光的光轴在工件W上移动的指令；以及输出指令部42，其对激光振荡器11进行指令，该指令为根据加工条件输出激光的指令。
处理部31还具备污染检测部34，该污染检测部34根据由返回光测定部15测定出的返回光的测定数据、正常图案以及异常图案中的至少一方的数据，来检测保护窗口24的污染。污染检测部43可以通过返回光的测定数据与通过正常图案以及异常图案中至少一方的数据之间的差分处理来检测保护窗口24的污染，但是优选根据返回光的测定数据和由识别函数生成部40生成的识别函数u(即通过图案识别)来检测保护窗口24的污染。
处理部31还可以具备：第一警告指令部44，其对警告部32进行指令，该指令为警告保护窗口24的污染的指令；以及异常图案存储指令部45，其在检测出保护窗口24的污染的情况下，对存储部30进行指令，该指令为将返回光的测定数据作为异常图案进行存储的指令。
处理部31还可以具备：窗口位置调整量计算部46，其在检测出保护窗口24的污染情况下，计算用于调整保护窗口24的位置的位置调整量；以及窗口位置调整指令部47，其根据位置调整量，对驱动控制装置14进行保护窗口24的移动指令。处理部31还可以具备第二警告指令部48，在即使进行保护窗口24的位置调整还依然检测出保护窗口24的污染的情况下，该第二警告指令部48对警告部32进行指令，该指令为警告有过度的保护窗口24的污染的指令。
处理部31还可以具备识别函数更新部49，在通过污染检测部43检测出保护窗口24的污染，但是并未没有污染的情况下，识别函数更新部49更新识别函数u的参数(即上述的“权重”)。即，识别函数更新部49将通过污染检测部43检测出保护窗口24的污染时的返回光测定数据作为正常图案进行读入，更新识别函数u的参数。
图5是表示本实施方式的激光加工装置10的动作的流程图。如果在激光加工中开始对保护窗口24的污染进行确定的处理，则在步骤S10中，通过正常图案以及异常图案中的至少一方的数据来生成识别函数u。在步骤S11中，对驱动控制装置14进行指令，该指令为根据加工条件使光轴在工件W上移动的指令。在步骤S12中，对激光振荡器进行指令，该指令为根据加工条件输出激光的指令。
在步骤S13中，根据返回光测定数据以及识别函数u来检测保护窗口24的污染。在步骤S14中，在没有检测出保护窗口24的污染的情况下(步骤S14为否)，返回步骤S10，继续激光加工。另一方面，在步骤S14中，在检测出保护窗口24的污染的情况下(步骤S14为是)，在步骤S15中判定是否是第二次之后(步骤S15为否)，在步骤S16中，对警告部32进行指令，该指令为不中止激光加工而警告保护窗口24的污染的指令。然后，在步骤S17中，对存储部30进行指令，该指令为将检测出保护窗口24的污染时的返回光测定数据作为异常图案进行存储的指令。
在步骤S18中，计算用于调整保护窗口24的位置的位置调整量，以使保护窗口24的污染离开出射光的区域。在步骤S19中，对驱动控制装置14进行指令，该指令为调整窗口24的位置的指令。然后，为了确认保护窗口24的位置调整是正确的，返回步骤S10，重复对保护窗口24的污染进行检测的处理。
在步骤S10中，再次通过正常图案以及异常图案中至少一方来生成识别函数u。另外，在步骤S17中，在存储了异常图案的情况下，在步骤S10中为了更新识别函数u，异常图案是必须的。在步骤S14中，在即使进行保护窗口24的位置调整还依然检测出保护窗口24的污染的情况下(步骤S14为是)，由于在步骤S15中判定为是第二次(步骤S15为是)，因此对警告部32进行指令，该指令为中止激光加工并警告保护窗口24的过度污染的指令。在步骤S21中，操作者确认保护窗口24，在真正有过度污染的情况下(步骤S21为是)，操作者进行保护窗口24的清洁或更换。
另一方面，在步骤S21中，操作者确认保护窗口24，在没有过度污染的情况下(步骤S21为否)，在步骤S23中，更新识别函数u的参数。通过重复以上的学习，即使在返回光的强度分布不稳定的激光加工中，也能够高精度地警告保护窗口24的污染。进一步，能够不产生大量的加工不良而继续自动运行。另外，在能够进行补正的情况下，能够延长保护窗口24的维护期间。
能够通过上述实施方式的计算机执行的程序能够记录在计算机可读取的非临时性的记录介质、CD-ROM等中并进行提供。在本说明书中说明了各种实施方式，但是本发明应被理解为不限于上述各种实施方式，在以下权利要求书记载的范围内能够进行各种变更。

Claims (5)

1.一种激光加工装置，其在激光加工中警告保护窗口的污染，其特征在于，
该激光加工装置具有：
激光振荡器；
外部光学系统，其具有将来自上述激光振荡器的输出光聚光的聚光透镜以及配置在上述聚光透镜的下游的保护窗口；
分束器，其配置在上述聚光透镜和上述保护窗口之间；
返回光测定部，其具备二维排列的多个传感器元件或配置成同心圆状的多个传感器元件，以包围通过工件反射并返回到上述外部光学系统的返回光的光轴的方式配置上述多个传感器元件，经由上述分束器测定上述返回光的强度分布；
存储部，其存储正常图案以及异常图案中的至少一方的数据，正常图案表示上述保护窗口正常时的来自上述工件的返回光的强度分布，异常图案表示上述保护窗口污染时的来自上述工件的返回光的强度分布；
处理部，其在激光加工中进行检测上述保护窗口的污染的处理；以及
警告部，其按照上述处理部的处理来警告上述保护窗口的污染，
上述处理部具有：
识别函数生成部，其将上述正常图案以及上述异常图案中的至少一方的数据作为训练数据使用，生成用于识别上述保护窗口的污染的识别函数；以及
污染检测部，其根据上述返回光的测定数据和上述识别函数，来检测上述保护窗口的污染，
上述识别函数包含包围上述光轴的上述传感器元件的集合中的检测出超过预先决定的强度的返回光的强度的上述传感器元件的数量、包围上述传感器元件的集合的上述传感器元件的集合中的检测出超过预先决定的强度的返回光的强度的上述传感器元件的数量、以及分别对上述传感器元件的数量进行加权的参数。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置，其特征在于，
上述处理部还具有异常图案存储指令部，在通过上述污染检测部检测出上述保护窗口的污染的情况下，该异常图案存储指令部对上述存储部进行将上述返回光的测定数据作为异常图案进行存储的指令。
3.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，
上述激光加工装置还具有驱动控制装置，该驱动控制装置使上述保护窗口在与出射光的光轴正交的方向上移动，
上述处理部还具有：窗口位置调整量计算部，其在通过上述污染检测部检测出上述保护窗口的污染的情况下，计算用于调整上述保护窗口的位置的位置调整量；以及窗口位置调整指令部，其根据上述位置调整量，对上述驱动控制装置进行上述保护窗口的移动指令。
4.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，
上述处理部还具有识别函数更新部，在通过上述污染检测部检测出上述保护窗口的污染，但是并没有污染的情况下，该识别函数更新部更新上述识别函数的参数。
5.根据权利要求1或2所述的激光加工装置，其特征在于，
越是远离上述返回光的光轴的上述传感器元件的集合，进行加权的上述参数越大。
CN201811391001.8A 2017-11-24 2018-11-21 在激光加工中警告保护窗口的污染的激光加工装置 Active CN109834385B (zh)

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