CN110091052B - 评价装置、评价方法及显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种无需在激光装置的各部安装传感器即可利用简单的方法来检测动作异常的激光装置的评价装置。将从激光振荡器的开始激励至激光脉冲的上升为止的经过时间(即，累积时间)与取决于激光脉冲的脉冲能量的脉冲能量依存物理量的正常的对应关系存储于存储部。由数据获取部获取表示评价对象的激光振荡器的激励开始时刻的信息及从评价对象的激光振荡器输出的激光脉冲的光强度的随时间变化的测定结果。判定部根据由数据获取部获取的信息计算出累积时间及脉冲能量依存物理量，并将累积时间的计算值及脉冲能量依存物理量的计算值与正常的对应关系进行比较，从而判定评价对象的激光振荡器的动作的正常性。

Description

评价装置、评价方法及显示装置
本申请主张基于2018年1月29日申请的日本专利申请第2018-012661号的优先权。该日本申请的全部内容通过参考援用于本说明书中。
技术领域
本发明涉及一种用于评价激光装置的正常性的评价装置、评价方法及显示激光装置的评价结果的显示装置。
背景技术
已知有一种具备故障诊断功能的激光加工装置(例如，专利文献1)。下述专利文献1中公开的激光加工装置具有：多个传感器，其检测各部的状态；及运算机构，从多个传感器的输出推导出各部的动作状态。多个传感器包括激光输出传感器、流量计、气体温度传感器、全反射镜温度传感器、折射镜(bend mirror)温度传感器、放电管内气体压力传感器等。当这些传感器的输出超出了正常范围时，判断为各部出现了异常。
专利文献1：日本特开平11-156570号公报
为了实现以往的故障诊断功能，必须在激光加工装置的各部分别安装传感器。并且，即使在装置整体无法进行正常动作的状态下，只要各部的传感器的输出正常，则无法检测出这种异常状态。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需在激光装置的各部分别安装传感器即可利用简单的方法来检测出动作异常的激光装置的评价装置及评价方法。本发明的又一目的在于提供一种容易将动作异常通知给操作员的显示装置。
根据本发明的一种观点，提供一种评价装置，其具有：
存储部，其存储从激光振荡器的开始激励至激光脉冲的上升为止的经过时间(即，累积时间)与取决于激光脉冲的脉冲能量的脉冲能量依存物理量之间的正常的对应关系；
数据获取部，获取表示评价对象的激光振荡器的激励开始时刻的信息及从所述评价对象的激光振荡器输出的激光脉冲的光强度的随时间变化的测定结果；及
判定部，根据由所述数据获取部获取的信息，计算出所述累积时间及所述脉冲能量依存物理量，并将所述累积时间的计算值及所述脉冲能量依存物理量的计算值与存储在所述存储部中的所述正常的对应关系进行比较，从而判定所述评价对象的激光振荡器的动作的正常性。
根据本发明的其他观点，提供一种评价方法，其具备如下步骤：
向评价对象的激光振荡器发送振荡指令信号，
检测从所述评价对象的激光振荡器输出的激光脉冲，
计算出从基于所述振荡指令信号的振荡指令时刻至所述激光脉冲的上升为止的经过时间(即，累积时间)及取决于所述激光脉冲的脉冲能量的脉冲能量依存物理量，
将所述累积时间的计算值及所述脉冲能量依存物理量的计算值与所述累积时间和所述脉冲能量依存物理量之间的预先规定的正常的对应关系进行比较，从而判定所述评价对象的激光振荡器的动作的正常性。
根据本发明又一观点，提供一种显示装置，
其在显示画面中显示从激光振荡器的开始激励至激光脉冲的上升为止的经过时间(即，累积时间)与取决于激光脉冲的脉冲能量的脉冲能量依存物理量之间的正常的对应关系以及通过检测从评价对象的激光振荡器输出的激光脉冲而获得的所述累积时间的计算值与所述脉冲能量依存物理量的计算值之间的对应关系。
根据本发明，无需在激光装置的各部安装传感器即可利用简单的方法来检测出动作异常。
附图说明
图1是组装了基于实施例的评价装置的评价对象的激光装置的概略图。
图2是表示从激光装置的控制装置发送到激光振荡器的振荡指令信号S0的波形及从光检测器供给到评价装置的检测信号S1的波形的曲线图。
图3是表示累积时间与取决于脉冲能量的脉冲能量依存物理量之间的关系的散布图。
图4是基于实施例的评价装置的框图。
图5是显示有表示激光装置的动作的异常状态的信息的显示装置的主视图。
图6是表示基于实施例的激光装置的动作的正常性评价方法的顺序的流程图。
图中：10-激光振荡器，11-第1光学系统，12-折射镜(bending mirror)，13-第2光学系统，14-工作台，15-加工对象物，20-控制装置，21-光检测器，25-警报发出装置，26-显示装置，30-评价装置，31-判定部，32-存储部，33-数据获取部，34-显示控制部，50-表示累积时间tBU与脉冲能量依存物理量之间的正常的对应关系的范围，S0-振荡指令信号，S1-检测信号。
具体实施方式
下面，参考图1～图6，对基于实施例的激光装置的评价装置及评价方法进行说明。
图1是组装了基于实施例的评价装置的评价对象的激光装置的概略图。激光振荡器10从控制装置20接收振荡指令信号S0从而输出脉冲激光束。作为激光振荡器10，可以使用各种脉冲激光振荡器，例如可以使用进行脉冲振荡的二氧化碳激光振荡器。激光振荡器10包括光学谐振腔、放电电极及放电电极驱动电路等。
从激光振荡器10输出的脉冲激光束通过第1光学系统11后被折射镜12反射，接着通过第2光学系统13而入射至保持于工作台14上的加工对象物15。加工对象物15例如为印刷电路板，通过脉冲激光束对其进行钻孔加工。
入射至折射镜12的脉冲激光束的一部分透过折射镜12而入射于光检测器21。光检测器21检测入射的激光脉冲，并输出与激光脉冲的光强度相对应的电信号(即，检测信号S1)。作为光检测器21可以使用具有能够追踪脉冲波形的变化的响应速度的红外线传感器，例如可以使用碲化镉汞传感器(MCT传感器)等。
第1光学系统11包括光束扩展器、非球面透镜及光圈等。光束扩展器改变激光束的光束直径及束散角。非球面透镜将光束分布由高斯形状改变为平顶形状。光圈对光束的剖面形状进行整形。
第2光学系统13包括光束扫描器及fθ透镜等。光束扫描器例如包括1对加尔瓦诺镜，其基于来自控制装置20的指令使激光束沿二维方向扫描。fθ透镜将光束扫描器进行扫描的激光束聚光在加工对象物15的表面。另外，也可以采用将光圈的位置缩小投影至加工对象物15的表面上的结构。
工作台14能够将加工对象物15保持在水平的保持面上，并且能够使加工对象物15沿水平面内的两个方向移动。控制装置20控制工作台14的移动。工作台14例如使用XY工作台。
评价装置30根据从控制装置20发送过来的振荡指令信号S0及从光检测器21供给过来的检测信号S1来评价激光装置的动作的正常性。评价装置30在显示装置26中显示激光装置的动作的正常性的评价结果。而且，在判定激光装置的动作出现异常的情况下，评价装置30使警报发出装置25发出警报。
图2是表示从控制装置20(图1)发送到激光振荡器10(图1)的振荡指令信号S0的波形及从光检测器21(图1)供给到评价装置30(图1)的检测信号S1的波形的曲线图。
若在时刻t0振荡指令信号S0上升，则激光振荡器10开始向放电电极供给高频电力。通过向放电电极供给高频电力，激光振荡器10的激光介质开始被激励。即，振荡指令信号S0的上升相当于激光振荡器10的振荡指令，振荡指令信号S0的上升时刻相当于激光振荡器10开始激励的时刻。
在从开始激励的时刻t0延迟的时刻t1，激光脉冲上升。对应于激光脉冲的上升，检测信号S1也上升。在此，将从开始激励的时刻t0至激光脉冲的上升时刻t1为止的经过时间称作累积时间tBU。在激光脉冲的上升时刻，显现出基于增益开关的极短时间的峰波形，之后维持几乎恒定的光强度。在此，将维持几乎恒定的光强度的部分称作脉冲波形的主要部分。
若在时刻t2振荡指令信号S0下降，则激光振荡器10停止向放电电极供给高频电力。若停止向放电电极供给高频电力，则激光振荡器10的激光介质不会被激励。即，振荡指令信号S0的下降意味着激光振荡器10的激励停止指令。若激光振荡器10停止被激励，则从激光振荡器10输出的激光脉冲的强度会逐渐下降。
将检测信号S1的一个脉冲波形以时间积分的值取决于每个脉冲的能量(脉冲能量)。在本说明书中，将取决于脉冲能量的该积分值称作“脉冲能量依存物理量”。
由于基于增益开关的极短时间的峰波形的时间宽度与整个脉冲宽度相比非常短，因此可以将从脉冲波形去除了基于增益开关的极短时间的峰波形的部分后的积分值用作脉冲能量依存物理量。并且，由于激励停止后的尾部部分的时间宽度与激光脉冲的脉冲宽度相比也非常短且尾部部分的光强度随着时间的经过急剧下降，因此也可以将去除了尾部部分后的脉冲波形的积分值用作脉冲能量依存物理量。如此，可以将脉冲波形的主要部分的积分值用作脉冲能量依存物理量。
累积时间tBU依赖于投入到激光振荡器10的放电电极的高频电力(激励强度)，并且累积时间tBU随着激励强度的变大而变短。脉冲波形的主要部分的光强度也依赖于激励强度，并且脉冲波形的主要部分的光强度随着激励强度的变大而变高。因此，累积时间tBU与脉冲能量依存物理量之间的关系具有脉冲能量依存物理量随着累积时间tBU的变长而变小的趋势。
图3是表示累积时间tBU与取决于脉冲能量的脉冲能量依存物理量之间的关系的散布图。横轴以线性标度表示累积时间tBU，纵轴以线性标度表示取决于脉冲能量的脉冲能量依存物理量。在激光振荡器10的动作为正常的情况下，在激光振荡器10的额定电力范围内改变激励强度并收集累积时间tBU与脉冲能量依存物理量的数据，并将该些数据标绘到散布图，则标绘点位于表示正常对应关系的范围50内。表示正常对应关系的范围50显示出沿着朝向脉冲能量依存物理量随着累积时间tBU的变长而变小的方向倾斜的直线的细长形状。
与基于激光振荡器10的动作出现了异常时获取的脉冲波形计算出的累积时间tBU的计算值及脉冲能量依存物理量的计算值相对应的散布图上的位置则脱离表示正常对应关系的范围50。
若与计算值相对应的位置从表示正常对应关系的范围50朝向累积时间tBU变长的方向或者脉冲能量依存物理量变大的方向脱离，则推定为激光振荡器10的振荡模式异常。例如，可以怀疑振荡模式处于高次模。
若与计算值相对应的位置从表示正常对应关系的范围50朝向累积时间tBU变短的方向或者脉冲能量依存物理量变小的方向脱离，则推定为第1光学系统11(图1)出现了异常。例如，可以怀疑第1光学系统11内的光学零件的透过率下降。另外，也可以怀疑光检测器21本身出现了异常。
若与计算值相对应的位置位于从表示正常对应关系的范围50朝向累积时间tBU变长且脉冲能量依存物理量变小的方向延伸的区域，则推定为在激光振荡器10内出现了异常。例如，可以推定激光振荡器10的光学谐振腔内的放大率下降或损失增大等。由此，可以怀疑光学谐振腔的中心线不重合、激励能量供给源的异常、构成光学谐振腔的反射镜的损伤等。
图4是基于实施例的评价装置30的框图。评价装置30包括判定部31、存储部32、数据获取部33及显示控制部34。判定部31、数据获取部33及显示控制部34的功能例如可以使计算机执行程序来实现。
存储部32存储累积时间tBU与脉冲能量依存物理量之间的正常对应关系。例如，存储部32存储散布图(图3)中的表示正常对应关系的范围50。
数据获取部33从控制装置20获取表示评价对象的激光振荡器10的激励开始时刻(图2的时刻t0)的信息。例如，数据获取部33检测从控制装置20输入过来的振荡指令信号S0的上升，从而获取振荡指令信号S0的上升时刻。振荡指令信号S0的上升时刻相当于表示激励开始时刻的信息。另外，数据获取部33从光检测器21接收检测信号S1，从而获取从激光振荡器10输出的激光脉冲的光强度的随时间变化的测定结果。
判定部31根据数据获取部33所获取的信息计算出累积时间tBU及脉冲能量依存物理量。而且，将累积时间tBU的计算值及脉冲能量依存物理量的计算值与存储于存储部32中的正常对应关系进行比较，从而判定激光脉冲的正常性。具体而言，在累积时间tBU的计算值与脉冲能量依存物理量的计算值之间的对应关系未落在存储于存储部32中的正常对应关系内时，判定激光脉冲出现了异常。
更具体而言，若与累积时间tBU的计算值及脉冲能量依存物理量的计算值相对应的散布图(图3)上的位置在表示正常对应关系的范围50的外侧，则判定部31判定激光脉冲出现了异常。并且，若与累积时间tBU的计算值及脉冲能量依存物理量的计算值相对应的散布图(图3)上的位置在表示正常对应关系的范围50的内侧，则判定部31判定激光脉冲正常。
判定部31求出判定为异常的激光脉冲的出现频度。出现频度例如定义为如下：相对于某一时间内输出的激光脉冲总数的异常激光脉冲的个数的比例。若异常激光脉冲的出现频度超过阈值，则判定部31判定激光装置的动作出现了异常。
另外，判定部31在判定为激光装置的动作出现了异常时，使警报发出装置25动作而发出警报。例如，警报发出装置25为扬声器，判定部31使扬声器输出警报音。而且，判定部31在判定为激光装置的动作出现了异常时，向显示控制部34发送显示异常状态的指令。
显示控制部34根据来自判定部31的指令将表示激光装置的动作的异常状态的信息显示于显示装置26。
图5是显示有表示激光装置的动作的异常状态的信息的显示装置26的主视图。在显示装置26的显示画面显示有将累积时间tBU作为一个轴(横轴)并将脉冲能量依存物理量作为另一个轴(纵轴)的散布图。在该散布图中显示有表示累积时间tBU与脉冲能量依存物理量之间的正常对应关系的范围50。而且，由在评价时间内获取的累积时间tBU的计算值及脉冲能量依存物理量的计算值构成的多个数据标绘在散布图上。在图5中示出了在比表示正常对应关系的范围50更靠上侧(脉冲能量依存物理量大的区域)标绘有多个数据的例子。
而且，在显示于显示画面上的散布图中的表示正常对应关系的范围50以外的区域，用文字形式显示了表示异常状态的信息。例如“振荡模式异常”、“光学系统异常”、“振荡器内异常”等文字显示在与其异常相对应的散布图内的区域中。
图6是表示基于实施例的激光装置的动作的正常性评价方法的顺序的流程图。以下，参考图6及图1对本实施例的评价方法进行说明。
首先，控制装置20向激光振荡器10发送振荡指令信号S0(步骤ST1)。振荡指令信号S0还输入到评价装置30。评价装置30根据来自光检测器21的检测信号S1检测激光脉冲的上升及脉冲波形(步骤ST2)。评价装置30根据振荡指令信号S0及检测信号S1计算出累积时间tBU及脉冲能量依存物理量(步骤ST3)。根据计算结果判定激光脉冲的正常性(步骤ST4)。直到已经评价的脉冲数达到规定的脉冲数为止，重复进行步骤ST1至步骤ST4的处理(步骤ST5)。
若已经评价的脉冲数达到了规定的脉冲数，则对已经评价的脉冲数的值进行初始设定。之后，评价激光装置的动作的正常性(步骤ST7)。例如，根据异常脉冲数的出现频度来判定激光装置的动作的正常性。若异常激光脉冲的出现频度超出判定阈值，则判定为激光装置的动作出现了异常。
在判定为激光装置的动作出现了异常的情况下，执行异常时的处理(步骤ST8)。例如，进行警报的发出、异常状态的显示等。之后，判定是否结束激光加工处理(步骤ST9)。在判定为激光装置的动作正常的情况下，无需进行异常时的处理，直接判定是否结束激光加工处理(步骤ST9)。
若判定为继续进行激光加工处理，则重复执行步骤ST1至步骤ST9为止的处理。上述步骤ST2至步骤ST9为止的处理由评价装置30执行。例如，若对加工对象物15(图1)的激光加工结束，则结束激光加工处理。除此之外，也可以由操作员观察显示于显示装置26(图5)的异常状态后由操作员结束激光加工处理。
接着，对采用基于上述实施例的评价装置的结构而能够获得的优异效果进行说明。
在本实施例中，无需在激光装置的各部分别安装传感器，根据从控制装置20发送过来的振荡指令信号S0及从光检测器21输出过来的检测信号S1即可评价激光装置的动作的正常性。操作员只需观察显示于显示装置26的散布图(图5)即可直观地掌握激光装置的动作状态。例如，在图5所示的例子中，容易推定出在激光振荡器10产生了振荡模式异常的情况。
并且，在上述实施例中，能够对加工对象物15(图1)进行激光加工的同时实时检测出产生异常激光脉冲的情况。若缩短计算出异常激光脉冲的出现频度的期间，则能够快速检测出激光装置的异常。
接着，对上述实施例的变形例进行说明。在上述实施例中，若异常激光脉冲的发生频度超出阈值，则发出警报并将异常状态显示在显示装置26中。另外，也可以设定比发出警报的阈值更高的容许上限值，并且在异常激光脉冲的出现频度超出了容许上限值时，使激光加工自动停止工作。由此，能够抑制不良品的增加。
在上述实施例中，如图1所示，与控制装置20分开设置了评价装置30，但是，也可以使控制装置20具有评价装置30的功能。
本发明并不限定于上述实施例。例如，可以进行各种变更、改良及组合等，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (5)

1.一种评价装置，其特征在于，具有：
存储部，其存储从激光振荡器的开始激励至激光脉冲的上升为止的经过时间即累积时间与激光脉冲的脉冲波形以时间积分的值即脉冲能量依存物理量之间的正常的对应关系；
数据获取部，获取表示评价对象的激光振荡器的激励开始时刻的信息及从所述评价对象的激光振荡器输出的激光脉冲的光强度的随时间变化的测定结果；及
判定部，根据由所述数据获取部获取的信息，计算出所述累积时间及所述脉冲能量依存物理量，并将所述累积时间的计算值及所述脉冲能量依存物理量的计算值与存储在所述存储部中的所述正常的对应关系进行比较，从而判定所述评价对象的激光振荡器的动作的正常性。
2.根据权利要求1所述的评价装置，其特征在于，
当所述累积时间的计算值与所述脉冲能量依存物理量的计算值之间的对应关系未包含在存储于所述存储部的所述正常的对应关系之内时，所述判定部发出警报。
3.根据权利要求1或2所述的评价装置，其特征在于，
所述评价装置还具有显示控制部，该显示控制部使存储于所述存储部的所述正常的对应关系以及所述累积时间的计算值与所述脉冲能量依存物理量的计算值之间的对应关系显示在显示装置。
4.一种评价方法，其特征在于，具备如下步骤：
向评价对象的激光振荡器发送振荡指令信号，
检测从所述评价对象的激光振荡器输出的激光脉冲，
计算出从基于所述振荡指令信号的振荡指令时刻至所述激光脉冲的上升为止的经过时间即累积时间及所述激光脉冲的脉冲波形以时间积分的值即脉冲能量依存物理量，
将所述累积时间的计算值及所述脉冲能量依存物理量的计算值与所述累积时间和所述脉冲能量依存物理量之间的预先规定的正常的对应关系进行比较，从而判定所述评价对象的激光振荡器的动作的正常性。
5.一种激光装置，其特征在于，包括：
激光振荡器，输出脉冲激光束；
根据权利要求1至3中任意一项所述的评价装置；及
显示装置，在显示画面中显示从激光振荡器的开始激励至激光脉冲的上升为止的经过时间即累积时间与激光脉冲的脉冲波形以时间积分的值即脉冲能量依存物理量之间的正常的对应关系以及通过检测从评价对象的激光振荡器输出的激光脉冲而获得的所述累积时间的计算值与所述脉冲能量依存物理量的计算值之间的对应关系。
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