CN111048979A - 激光振荡器的监视控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光振荡器的监视控制系统。具备：散射光检测部，其检测光纤激光振荡器在操作光纤的输入端面处的散射光强度；控制部，其基于来自CNC的激光输出指令值和散射光检测部的检测结果来控制激光输出值；正常散射光计算部，其求出正常指标值；第一阈值设定部，其设定表示由于污迹和/或损伤引起的异常的第一阈值；第二阈值设定部，其设定表示由于光轴偏移引起的异常的第二阈值；以及第三阈值设定部，其设定表示部件发生破损的级别的异常的第三阈值。另外，控制部构成为基于由散射光检测部检测出的散射光强度和第一阈值、第二阈值、第三阈值来控制激光输出值。

Description

激光振荡器的监视控制系统
技术领域
本发明涉及一种激光振荡器的监视控制系统。
背景技术
以往，由于具有能量转换效率高、能够进行高输出化、容易维护等许多优点，因此在机床等中多使用光纤激光振荡器(激光振荡器)。
这种激光振荡器A例如图5所示构成为具备：电源1；激光腔(LC)2，其具备激励源、谐振反射镜、以及作为激光介质的光纤；合束器4，其将从激光腔2引导激光的多个光纤熔焊为一根馈通光纤3以形成大输出的激光；光纤直径变换用的耦合器7或用于针对多个加工头6分配激光束的分束器8，其中，光纤直径变换用的耦合器7将从合束器4引导出的激光束通过操作光纤(process fiber)5引导至加工头6。
另外，在机床等的光纤激光振荡器A中，检测电源1的电流值、激光腔2内的功率、合束器4内的功率，CNC(计算机数值控制装置)9监视各装置单元是否按照指令值进行动作，并进行控制(例如参照专利文献1)。并且，在耦合器7、分束器8的使激光入射于操作光纤5的输入端面的部位，如图6所示，由光电二极管(PD)10监视散射光强度，探测异常，并且进行使激光振荡停止等控制。此外，在图6中，标记11、12为透镜。
专利文献1：日本特表2005-161361号公报
发明内容
发明要解决的问题
另一方面，众所周知，如图7所示，光纤(5)以芯轴的芯13、包层14、涂覆层(日语：被覆)15的三层构造形成。在耦合器7、分束器8的使激光入射于操作光纤5的输入端面的部位，通过透镜12(11)使焦点对准，将激光射出到光纤的输入端面的芯13。
而且，在这样的耦合器7或分束器8的使激光入射于光纤端面的部位，如图5至图7所示，通过光电二极管10检测散射光强度，检测异常的散射光强度，并且由CNC 9进行停止激光振荡的控制。
具体地说，如图7所示，当在光纤端面例如存在灰尘或水滴(结露)的附着、由于干燥而引起的污迹、损伤等异常时，由光电二极管10检测到的散射光强度提高。另外，在光轴偏移的情况下，散射光强度下降。
此外知道，在分束器8的反射镜存在污迹、损伤等异常的情况下，也同样会使散射光强度提高，需要进行清洁等。
因此，在耦合器7、分束器8的使激光入射于光纤端面的部位，由光电二极管10检测散射光强度，如图8所示，在检测到比预先设定的上限的阈值(警报阈值)大的散射光强度的情况下，判断为在光纤端面存在污迹、损伤，输出警报(警告)并且进行激光振荡的停止控制。
然而，在现有方法中，即使在光纤端面发生了污迹、损伤的情况下，也会射出按照指令的额定输出的激光，在该状态下的散射光强度偏离了上限的警报阈值的范围的情况下判断为异常，进行激光照射的停止控制。因此，即使是在光纤端面由于灰尘等而发生了污迹的状态，也向光纤端面输入按照指令值的额定输出的激光，因此有可能导致灰尘等燃烧，光纤端面发生破损(损伤)。
即使在光轴偏移的状态下，也照射额定输出的激光，因此不仅从加工头不射出规定强度的激光，非预期的部位(部件)被照射激光而发生破损(损伤)，有可能发生大的损害。
即，在现有方法中，针对光纤端面等部件的破损级别来决定警报阈值，因此在激光的低输出状态下无法探测到异常。由此，即使探测到异常而对激光照射进行停止控制，部件也有可能发生破损。
此外，如图8所示，在现有方法中，具有如下情形：当光轴偏移从而散射光变小时，尽管为警报级别，也不能检测到散射光。另外，具有如下的情形：即使在光纤端面存在污迹，在激光为低输出的状态下也不能对其进行检测，从而不能探测到异常。
另一方面，检测散射光强度的光电二极管10的散射光强度的检测值由于光电二极管10自身的特性的偏差、安装位置的微小的差异(微小的角度、位置的差异)等不同。因此，需要在安装后进行强度调整、校正，进行强度调整、校正的激光振荡器在出厂时或维护/更换时、或者在激光振荡器的制造时都需要很多的工时和人力。因而，强烈期望开发一种能够减轻进行激光振荡器的强度调整、校正的工时的方法。
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种能够预防光纤等部件发生破损(损伤)、另外能够高效地进行激光振荡器在出厂时或维护/更换时、制造时等的强度调整、校正的激光振荡器的监视控制系统。
用于解决问题的方案
本发明人发现了能够预防光纤等部件发生破损、另外能够高效地进行激光振荡器在出厂时的维护/更换时、制造时等的强度调整、校正的方法，从而完成了本发明。
(1)本发明的特征在于，具备：散射光检测部(例如后述的散射光检测部20、光电二极管10)，其检测光纤激光振荡器(例如后述的激光振荡器A)的在操作光纤(例如后述的操作光纤5)的输入端面处的散射光强度；控制部(例如后述的控制部21)，其基于来自计算机数值控制装置(例如后述的CNC 9)的激光输出指令值和所述散射光检测部的检测结果来控制激光输出值；正常散射光计算部(例如后述的正常散射光计算部22)，其求出表示正常时的所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系的正常指标值(例如后述的正常指标值S1)；第一阈值设定部(例如后述的第一阈值设定部23)，其设定表示由于污迹和/或损伤引起的异常时的、所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系的第一阈值(例如后述的第一阈值S2)；第二阈值设定部(例如后述的第二阈值设定部24)，其设定表示由于光轴偏移引起的异常时的、所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系的第二阈值(例如后述的第二阈值S3)；以及第三阈值设定部(例如后述的第三阈值设定部25)，其设定表示部件发生破损的级别的异常时的所述散射光强度的第三阈值(例如后述的第三阈值S4)，其中，所述控制部构成为基于由所述散射光检测部检测出的所述散射光强度和所述第一阈值、所述第二阈值、所述第三阈值来控制激光输出值。
(2)关于本发明，在上述(1)中，也可以是，还具备警告部(例如后述的警告部26)，在检测到超过所述第一阈值的所述散射光强度的情况、检测到低于所述第二阈值的所述散射光强度的情况以及检测到达到所述第三阈值的所述散射光强度的情况下，所述警告部均发出警告。
(3)关于本发明，在上述(1)、(2)中，也可以是，所述第一阈值设定部对所述正常指标值的所述散射光强度加上作为第一正的常数的散射光强度值来设定所述第一阈值，所述第二阈值设定部从所述正常指标值的所述散射光强度减去作为第二正的常数的散射光强度值来设定所述第二阈值。
(4)关于本发明，在上述(1)、(2)中，也可以是，在所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系中，在将所述正常指标值的所述散射光强度设为S(PC)、将激光输出指令值设为PC、将a1、a2、b1、b2设为正的常数时，所述第一阈值设定部将所述第一阈值设定为S(PC)+(a1×S(PC)+b1)，所述第二阈值设定部将所述第二阈值设定为S(PC)-(a2×S(PC)+b2)。
(5)关于本发明，在上述(1)至(4)中的任一项中，也可以是，还具备激光输出抑制部，在所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系中，在将达到所述第一阈值时的所述散射光强度设为S(PCF)、将达到所述第一阈值时的激光输出指令值设为PCF时，在所述散射光强度超过所述第一阈值的情况下，所述激光输出抑制部进行警示，并且将最大激光输出指令值的钳位指令值M1设定为下降至通过PCF×(所述第三阈值/S(PCF))求出的钳位指令值M2。
(6)关于本发明，在上述(1)至(5)中的任一项中，也可以是，在所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系中，以与额定的最大激光输出指令值(PCM)下的所述第一阈值一致的方式设定所述第三阈值。
(7)关于本发明，在上述(5)、(6)中，也可以是，所述钳位指令值M1被设定为额定的最大激光输出指令值(PCM)。
发明的效果
根据本发明，能够预防光纤等部件的破损，另外能够高效地进行激光振荡器在出厂时、维护/更换时、制造时等的强度调整、校正。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的激光振荡器和激光振荡器的监视控制系统的图。
图2是表示由本发明的一个实施方式所涉及的激光振荡器的监视控制系统设定的第一阈值、第二阈值、第三阈值的图。
图3是表示由本发明的一个实施方式所涉及的激光振荡器的监视控制系统设定的第一阈值、第二阈值、第三阈值的图。
图4是在图3的第一阈值、第二阈值的设定方法的说明中使用的图。
图5是表示激光振荡器的图。
图6是表示由光电二极管检测来自通过耦合器连接的操作光纤的端面的散射光的状况的图。
图7是表示正常时、污迹附着等异常时、光轴偏移的异常时的、来自操作光纤的端面的散射光的状况的图。
图8是在以往的激光振荡器的散射光强度的监视控制方法的说明中使用的图。
附图标记说明
1：电源；2：激光腔(LC)；3：馈通光纤；4：合束器；5：操作光纤；6：加工头；7：耦合器；8：分束器；9：CNC(计算机数值控制装置)；10：光电二极管(散射光检测部)；11：透镜；12：透镜；20：散射光检测部；21：控制部；22：正常散射光计算部；23：第一阈值设定部；24：第二阈值设定部；25：第三阈值设定部；26：警告部；27：激光输出抑制部；A：激光振荡器(光纤激光振荡器)；B：激光振荡器的监视控制系统；S1：正常指标值；S2：第一阈值；S3：第二阈值；S4：第三阈值。
具体实施方式
下面，参照图1至图4来说明本发明的一个实施方式所涉及的激光振荡器的监视控制系统。
首先，本实施方式的激光振荡器A为光纤激光振荡器，例如图1所示，构成为具备：电源1；激光腔(LC)2，其被电源1供给电力，并且具备半导体激光等的激励源、谐振反射镜、以及作为使激光振荡的激光介质的光纤；合束器(Beam Combiner)4，其将从激光腔2引导激光的多个光纤熔焊为一根馈通光纤(Feed fiber)3以形成大输出的激光；光纤直径变换用的耦合器7或激光束分配用的分束器(日语：ビーム分配器)8，其中，光纤直径变换用的耦合器7将从合束器4引导出的激光束通过操作光纤5引导至加工头6。
另外，本实施方式的激光振荡器A具备激光振荡器的监视控制系统B，所述激光振荡器的监视控制系统B探测电源1的电流值、激光腔2内的功率、合束器4内的功率，监视各装置单元是否按照来自CNC(计算机数值控制装置)9的指令值进行动作，并且在耦合器7、分束器8的使激光入射于光纤端面(操作光纤5的输入端面)的部位，由光电二极管(PD)10例如监视散射光强度，来探测异常。
激光振荡器的监视控制系统B具备：散射光检测部20，其直接或间接地检测从耦合器7或分束器8向操作光纤5引导的激光值；控制部21，其基于来自CNC 9的激光输出指令值来控制激光输出值，并且基于散射光检测部20的检测结果来进行激光输出的停止控制等。
本实施方式的散射光检测部20为光电二极管10，检测耦合器7或分束器8的使激光入射于光纤端面的部位的散射光(散射光强度)。换言之，光电二极管10的散射光检测部20间接地检测从耦合器7或分束器8向操作光纤5引导的激光值。
此外，在如本实施方式那样、使用光电二极管来作为散射光检测部20的情况下，能够将以往为了进行光轴的对准而具备的光电二极管10兼用作散射光检测部20。另外，在本实施方式中，将CNC 9兼用作激光振荡器的监视控制系统B的控制部21。
另外，激光振荡器的监视控制系统B具备：正常散射光计算部22，其针对CNC 9的激光输出指令(激光输出指令值)求出正常的散射光强度；第一阈值设定部23，其根据CNC 9的激光输出指令来设定散射光强度的上限值的第一阈值；第二阈值设定部24，其根据CNC 9的激光输出指令值来设定散射光强度的下限值的第二阈值；第三阈值设定部25，其设定作为任何的激光输出均不能超过的级别的、散射光强度的警报值的第三阈值；以及警告部26，其在散射光强度超过第一阈值的情况、低于第二阈值的情况、达到了第三阈值的情况下发出警告。
并且，激光振荡器的监视控制系统B具备激光输出抑制部27，所述激光输出抑制部27检测超过第一阈值的散射光强度，并且将激光最大输出强制地抑制为比CNC 9的激光输出指令(除了最大激光输出指令值以外，还可以包括频率、占空指令等。)低的激光输出，并保持(钳位)激光输出以使散射光强度不超过第三阈值。
此外，正常散射光计算部22、第一阈值设定部23、第二阈值设定部24、第三阈值设定部25、激光输出抑制部27可以具备于控制部21(在本实施方式中为CNC 9)。
在用本实施方式的激光振荡器的监视控制系统B对激光振荡器A进行监视控制时，例如由光电二极管10的散射光检测部20和正常散射光计算部22自动地测定针对CNC 9的激光输出指令的正常的散射光，如图2所示，求出正常的激光输出指令与散射光强度的关系的正常指标值(标准散射光强度)S1。
接着，如图2(和图1)所示，由第一阈值设定部23决定对由正常散射光计算部22求出的正常的激光输出指令与散射光强度的关系的正常指标值S1加上规定的散射光的值(作为第一正的常数的散射光强度值)而得到的第一阈值S2。该第一阈值S2为在光纤端面、分束器8的反射镜等存在污迹、损伤从而需要进行清洁等维护的级别。
由第二阈值设定部24决定从由正常散射光计算部22求出的正常的激光输出指令与散射光强度的关系的正常指标值S1减去规定的散射光的值(作为第二正的常数的散射光强度值)而得到的第二阈值S3。该第二阈值S3为由于光轴偏移从而需要进行对准的级别的值。
由第三阈值设定部25对测定正常的散射光而得到的值进行校正而决定根据光纤的端面等部件的破损(损伤)级别求出的固定值的第三阈值S4。该第三阈值S4为任何的激光输出均不能超过的级别、例如光纤等发生破损的级别的值。
另外，在本实施方式的激光振荡器的监视控制系统B中，控制部21在激光振荡器A的工厂出厂时、维护/更换时、制造时等根据来自CNC 9的激光输出指令来自动地设定散射光强度的正常指标值S1、以及第一阈值S2、第二阈值S3、第三阈值S4的警报阈值。
像这样，通过设定第一阈值S2、第二阈值S3、第三阈值S4这三个警报阈值，当在某个激光输出指令值下散射光强度超过了第一阈值S1时，这使警告部26发出警报(警告)，用户能够判断为在光纤端面、反射镜产生了污迹、损伤，从而能够认识到处于需要进行清洁等的状态。
即，在光纤端面、反射镜产生了污迹、损伤的情况下，在指令值的额定输出的激光被照射到光纤端面之前，检测出超过第一阈值S2的散射光强度。
由此，在本实施方式的激光振荡器的监视控制系统B中，通过设定第一阈值S2，能够在光纤端面的灰尘等燃烧而使得光纤端面产生破损(损伤)之前对其进行探测，从而能够防止由于污迹等使部件发生破损。
另外，在超过了第一阈值S2的阶段，立即致使部件发生破损的风险低，因此能够不因警报而停止，从而促使操作者认识到进行清洁、对准调整等的必要性，也能够减少激光加工的停机时间。
接着，在散射光强度的检测值低于第二阈值S3的情况下，产生了光轴偏移，这通过警告部26进行警告，能够判断为处于需要进行对准的状态。在像这样低于第二阈值S3的情况下，不清楚激光束的照射部位，因此使激光振荡器A立即因警报而停止。
由此，在本实施方式的激光振荡器的监视控制系统B中，通过设定第二阈值S3，能够在被照射额定输出的激光之前探测到光轴偏移，能够防止非予期的部位(部件)被照射激光而产生大的损害等。
接着，在散射光强度的检测值超过第三阈值S4的情况下，这通过警告部26进行警告。第三阈值S4为不能超过的警报级别，因此使激光振荡器A立即因警报而停止。
在此，在本实施方式的激光振荡器的监视控制系统B中，具备激光输出抑制部27。因此，在超过第一阈值S2的阶段，根据需要，由激光输出抑制部27进行如下控制：强制地将CNC 9(控制部21)的激光输出指令、频率、占空指令抑制得低并保持(钳位)，以使散射光强度不超过第三阈值S4。
即，如图2所示，在本实施方式中，在激光输出指令值与散射光强度的关系中，在将达到第一阈值S2时的散射光强度设为S(PCF)、将达到第一阈值S2时的激光输出指令值设为PCF时，当在某个激光输出指令值下散射光强度超过了第一阈值S2的情况下，进行警示，并且进行将最大激光输出指令设定为PCF×(第三阈值/S(PCF))、从而将最大激光输出指令值的钳位指令值M1降低为钳位指令值M2的控制。
由此，在本实施方式的激光振荡器的监视控制系统B中，通过具备激光输出抑制部27，激光振荡器A的输出被控制在输出指令的钳位M2的范围内，能够在可靠地防止部件的破损的同时继续安全地进行激光加工。因而，能够避免对激光振荡器A的不必要的停止控制，从而能够进一步减少激光加工的停机时间。
在此，激光输出、进而激光输出指令值越小则变动越小。
因此，如图3和图4所示，可以将第一阈值S2和第二阈值S3决定为a×激光输出指令+b。即，可以以初始状态求出标准散射光强度(标准指令值)：S(PC)，并将第一阈值S2和第二阈值S3分别设定为△Sa(PC)＝S(PC)+(a1×PC+b1)、△Sb(PC)＝S(PC)-(a2×PC+b2)，其中，a1≥0，a2≥0、b1≥0，b2≥0。
相比于图2所示的对正常指标值S1加上某个固定量的散射光强度来设定第一阈值S2、或从正常指标值S1减去某个固定量的散射光强度来设定第二阈值S3的情况，像这样在如图3和图4所示那样设定了第一阈值S2和第二阈值S3的情况下，能够高精度地进行对激光振荡器A的监视控制。
另外，激光输出(激光输出指令值)越小则其变动、进而散射光强度的变动越小，因此如图3所示在激光输出小的区域R，优选将第一阈值S2设为固定值。通过像这样将第一阈值S2设为固定值，能够防止散射光强度由于噪声的影响而超过警报阈值的第一阈值S2，能够更进一步地、恰当地进行激光振荡器A的监视控制。
因而，根据本实施方式的激光振荡器的监视控制系统B，通过设定第一阈值S2、第二阈值S3、第三阈值S4来进行散射光强度的监视/控制，能够区分进行清洁、对准的必要性等轻微的状态、致使部件破损的严重的状态，从而能够在将停机时间抑制为最小限的同时预防部件的破损。
另外，在本实施方式的激光振荡器的监视控制系统B中，在工厂出厂时、单元更换时(以及制造时)，CNC 9(控制部21)能够自动地进行校准。
即，通过具备控制部21、散射光检测部20(光电二极管10)、正常散射光计算部22、第一阈值设定部23、第二阈值设定部24、第三阈值设定部25，能够根据散射光检测部20的光电二极管10的特性的偏差、安装位置的微小的差异来自动地设定正常指标值S1、第一阈值S2、第二阈值S3、第三阈值S4，不像以往那样需要许多工时和人力，能够高效地进行强度调整、校正。
另外，如本实施方式那样，通过将以往为了进行光轴的对准而具备的光电二极管10兼用作散射光检测部20，能够高精度地进行监视、控制，并且能够实现经济性优良的激光振荡器的监视控制系统B。
以上对本发明所涉及的激光振荡器的监视控制系统的一个实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的一个实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内恰当地进行变更。
例如，也可以如图2所示那样，在激光输出指令值与散射光强度的关系中，以与相对于额定的最大激光输出指令值(PCM)的第一阈值S2一致的方式设定第三阈值S4。另外，可以是钳位指令值M1被设定为额定的最大激光输出指令值(PCM)。
如果如上述那样进行设定，则能够消除超过第三阈值的情况。

Claims (7)

1.一种激光振荡器的监视控制系统，具备：
散射光检测部，其检测光纤激光振荡器的在操作光纤的输入端面处的散射光强度；
控制部，其基于来自计算机数值控制装置的激光输出指令值和所述散射光检测部的检测结果来控制激光输出值；
正常散射光计算部，其求出表示正常时的所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系的正常指标值；
第一阈值设定部，其设定表示由于污迹和/或损伤引起的异常时的、所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系的第一阈值；
第二阈值设定部，其设定表示由于光轴偏移引起的异常时的、所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系的第二阈值；以及
第三阈值设定部，其设定表示部件发生破损的级别的异常时的所述散射光强度的第三阈值，
其中，所述控制部构成为基于由所述散射光检测部检测出的所述散射光强度和所述第一阈值、所述第二阈值、所述第三阈值来控制激光输出值。
2.根据权利要求1所述的激光振荡器的监视控制系统，其特征在于，
还具备警告部，在检测到超过所述第一阈值的所述散射光强度的情况、检测到低于所述第二阈值的所述散射光强度的情况以及检测到达到所述第三阈值的所述散射光强度的情况下，所述警告部均发出警告。
3.根据权利要求1或2所述的激光振荡器的监视控制系统，其特征在于，
所述第一阈值设定部对所述正常指标值的所述散射光强度加上作为第一正的常数的散射光强度值来设定所述第一阈值，
所述第二阈值设定部从所述正常指标值的所述散射光强度减去作为第二正的常数的散射光强度值来设定所述第二阈值。
4.根据权利要求1或2所述的激光振荡器的监视控制系统，其特征在于，
在所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系中，在将所述正常指标值的所述散射光强度设为S(PC)、将激光输出指令值设为PC、将a1、a2、b1、b2设为正的常数时，
所述第一阈值设定部将所述第一阈值设定为S(PC)+(a1×S(PC)+b1)，
所述第二阈值设定部将所述第二阈值设定为S(PC)-(a2×S(PC)+b2)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的激光振荡器的监视控制系统，其特征在于，
还具备激光输出抑制部，在所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系中，在将达到所述第一阈值时的所述散射光强度设为S(PCF)、将达到所述第一阈值时的激光输出指令值设为PCF时，在所述散射光强度超过所述第一阈值的情况下，所述激光输出抑制部进行警示，并且将最大激光输出指令值的钳位指令值M1设定为下降至通过PCF×(所述第三阈值/S(PCF))求出的钳位指令值M2。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的激光振荡器的监视控制系统，其特征在于，
在所述激光输出指令值与所述散射光强度的关系中，以与额定的最大激光输出指令值(PCM)下的所述第一阈值一致的方式设定所述第三阈值。
7.根据权利要求5或6所述的激光振荡器的监视控制系统，其特征在于，
所述钳位指令值M1被设定为额定的最大激光输出指令值(PCM)。
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