CN115279532A - 故障检测装置及激光加工系统 - Google Patents

Abstract

故障检测装置(1)包括加工激光源(10)、检测激光源(20)、光纤(70)、激光头(80)、聚光透镜(36)、第二光电探测器(110)、第三光电探测器(120)、第四光电探测器(130)、第五光电探测器(140)以及判断部(50)，加工激光源(10)射出加工激光，检测激光源(20)射出检测激光，在光纤(70)的射入端和射出端的附近设有模消除部(78)，聚光透镜(36)将加工激光汇聚在光纤的射入端，判断部(50)根据由第二受光器、第三受光器、第四受光器、第五受光器测量出的光的强度的相对比及该强度随时间的变化，判断光纤、聚光透镜、激光头以及被加工体的加工状态中的任一者是否产生不良。

Description

故障检测装置及激光加工系统

技术领域

本公开涉及一种具有光纤的故障检测装置及激光加工系统，尤其涉及一种具有可传输高输出加工激光的光纤的故障检测装置及激光加工系统。

背景技术

一种激光加工系统已得到广泛使用，其将来自直接二极管激光器(DDL)光源等的高输出加工激光通过光纤传输到加工头，并进行汇聚和照射，由此对被加工件(工件)进行焊接、溶断穿孔等。在上述光纤传输加工激光的过程中，如果光纤断线，则因为加工激光的输出能量较大，所以可能对包括光纤的涂覆树脂等的周边装置造成损伤。因此，一般而言，在使用高输出加工激光的激光加工系统中，设有用于检测传输激光的光纤断线的装置。

关于用于检测传输高输出激光的光纤断线的装置，至今已有很多提案。作为现有技术所涉及的断线检测装置，有人提出以下装置：例如，使用沿传输激光的光纤布置的包覆电线构成闭合回路，通过电气方式检测到闭合回路因光纤断线时产生的热量而断线(开路)或短路，而检测到光纤断线。

还有人提出另一断线检测装置，其沿光纤布置有使气体循环的管来代替包覆电线，监控循环气体的流量，当循环气体的流量发生变化时，判断光纤发生断线。

还有人提出另一断线检测装置，在利用光纤传输用于加工被加工件的激光(加工激光)的激光加工系统中，包括一对光电探测器，该一对光电探测器分别监控射入光纤和从光纤射出的加工激光的光强(输出强度)，根据由各光电探测器测量出的加工激光的光强的差异或相对值的变化，检测光纤断线或光纤造成的能量损耗。

更具体而言，专利文献1记载的光纤断裂检测装置包括光纤、一对受光器以及检测部，光纤传输用于加工被加工件的高能量加工激光，一对受光器设在光纤的射入端和射出端附近，检测部比较上述受光器的输出来检测光纤断裂。

此外，同样，专利文献2记载的激光传输用光纤装置包括光纤、可见光选择反射单元以及受光检测器，光纤传输用于加工被加工件的高功率激光，可见光选择反射单元布置在光纤的射出端附近，受光检测器布置在光纤的射入端附近，受光检测器接收高功率激光和由可见光选择反射单元选择的可见光。该可见光是在光纤的包覆材料因光纤断线等而燃烧时产生的。并且，激光传输用光纤装置通过比较高功率激光和可见光的光强，检测光纤断线等异常。

专利文献1：日本公开专利公报特开平10-038751号公报

专利文献2：日本公开专利公报特开平07-266067号公报

发明内容

-发明要解决的技术问题-

然而，在使用包覆电线或气体循环用管的断线检测装置中，当与光纤互相独立的包覆电线的闭合回路断线、短路或循环气体的流量发生变化时，即使光纤没有断线，有时也会误检测为光纤断线。例如，在使用包覆电线的断线检测装置中，当构成闭合回路的一对包覆电线因与光纤之间的摩擦而剥离时，有时涂覆电线的一对芯线会接触(短路)，导致断线检测功能启动。

此外，专利文献1和专利文献2中记载的技术均将用于加工被加工件的高输出激光用于断线检测。具体而言，比较射入光纤和从光纤射出的加工激光(专利文献1)或射入光纤的高功率激光和从光纤射出的可见光(专利文献2)，检测光纤断线。然而，用于加工被加工件的激光(加工激光)的输出强度会因激光源装置的工作状态或使用时间等而变动，光纤的透射率实质上容易发生变化。因此，使用传输加工激光的光纤本身难以检测该光纤的传输损耗等，可能引起误检测。

此外，一般而言，因加工激光(专利文献1)和包覆材料燃烧而产生的可见光(专利文献2)的波段较宽，容易与依赖于上述波长和光纤的组成(构成光纤的玻璃分子的密度)在光纤内产生的瑞利散射光(因大小比光的波长小的粒子引起光散射现象而产生的散射光)发生干涉，加工激光或可见光不稳定，同样有时会引起误检测等。

此外，专利文献1、2中并未具体公开以下构成，该构成在使用具有光纤的激光加工系统进行激光加工时，可适当地检测包括光纤本身的加工系统的内部和被加工体中产生的不良。

-用以解决技术问题的技术方案-

本公开所涉及的方面涉及一种故障检测装置，该故障检测装置包括加工激光源、检测激光源、光纤、聚光透镜、第二受光器、第三受光器、第四受光器、激光头、第五受光器以及判断部，所述加工激光源射出加工激光，所述检测激光源射出检测激光，所述光纤传输所述检测激光的第二部分光和所述加工激光，且在所述光纤的射入端附近设有模消除部，在所述光纤的射出端附近设有另一模消除部，所述聚光透镜将所述第二部分光和所述加工激光汇聚在所述光纤的射入端，所述第二受光器布置在所述聚光透镜的附近，所述第三受光器布置在所述模消除部附近，且测量从所述模消除部释放的光的强度，所述第四受光器布置在所述另一模消除部附近，且测量从所述另一模消除部释放的光的强度，所述激光头与所述光纤的射出端相连，且朝向被加工体射出所述第二部分光和所述加工激光，所述第五受光器布置在所述激光头的内部，所述判断部根据至少由所述第二受光器、所述第三受光器、所述第四受光器、所述第五受光器测量出的光的强度的相对比及该强度随时间的变化，判断所述光纤、所述聚光透镜、所述激光头以及所述被加工体的加工状态中的任一者是否产生不良。

-发明的效果-

本公开所涉及的故障检测装置能够以较高的可靠性检测光纤断线及其他激光加工系统的不良。

附图说明

图1是示出实施方式所涉及的故障检测装置的简略构成的方框图；

图2是示出光纤及其连接部的简略构成的图；

图3是沿图2的III-III线剖开的剖面示意图；

图4是示出激光加工系统和故障检测装置的各种不良及其征兆与来自第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器的测量信号之间的关系的图；

图5是示出激光加工系统和故障检测装置的各种不良与被加工体的加工品质之间的关系的图；

图6是示出变形例所涉及的故障检测装置的简略构成的方框图；

图7是示出激光加工系统和故障检测装置的各种不良及其征兆与来自第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器、第四光电探测器、第五光电探测器、第六光电探测器的测量信号之间的关系的图。

具体实施方式

首先说明本公开的简略构成。本公开的方面所涉及的故障检测装置包括加工激光源、检测激光源、第一受光器、光纤以及激光头，加工激光源射出加工激光，检测激光源射出检测激光，第一受光器测量检测激光的第一部分光的强度，光纤传输检测激光的第二部分光和加工激光，且在光纤的射入端附近设有模消除部，在光纤的射出端附近设有另一模消除部，激光头与光纤的射出端相连，且朝向被加工体射出第二部分光和加工激光。故障检测装置还包括聚光透镜、第二受光器、第三受光器、第四受光器、第五受光器以及判断部，聚光透镜将第二部分光和加工激光汇聚在光纤的射入端，第二受光器布置在聚光透镜的附近，第三受光器布置在模消除部的附近，第四受光器布置在另一模消除部的附近，第五受光器布置在激光头的内部，判断部根据至少由第二受光器、第三受光器、第四受光器、第五受光器测量出的光的强度的相对比及该强度随时间的变化，判断光纤、聚光透镜、激光头以及被加工体的加工状态中的任一者是否产生不良。

由于该方面所涉及的故障检测装置具有上述构成，因此能够适当地判断在故障检测装置及包括其的激光加工系统、激光加工中产生的不良及其征兆的有无和种类。此外，能够在适当的时期对故障检测装置和激光加工系统的不良部位进行维护或事先使激光加工系统停止工作来维持被加工体的加工品质。

下面参照附图对本公开所涉及的故障检测装置的实施方式进行说明。在各实施方式的说明中，为了易于理解，会按情况使用表示方向的词语(例如“左侧”和“右侧”等)，但上述词语仅用于说明，并不对本公开进行限定。需要说明的是，在各附图中，用实线表示故障检测装置的各构成部件的电气连接，用直线箭头表示来自各构成部件(光源等)的各激光的前进方向。此外，各附图的直线箭头为了明确示出各激光，图示中会将各激光的光轴错开，但实际上各激光在光纤内是在同一光轴上传输的。

[实施方式]

下面参照图1～图5，对本公开所涉及的故障检测装置1的实施方式进行说明。图1是示出本实施方式所涉及的故障检测装置1的简略构成的方框图。图2是示出光纤70及其连接部的简略构成的图。图3是沿图2的III-III线剖开的剖面示意图。

如图1所示，实施方式所涉及的故障检测装置1大概包括加工激光源10、检测激光源20、光纤70、第一光电探测器100(受光器)、第二光电探测器110(受光器)、第三光电探测器120(受光器)、第四光电探测器130(受光器)、第五光电探测器140(受光器)、激光头80、第一壳体160以及不良判断部(判断部)50。本实施方式所涉及的激光加工系统具有故障检测装置1、系统控制部60、第一收纳室16以及第二收纳室18。第一收纳室16收纳加工激光源10、检测激光源20、第一壳体160、第一光电探测器100以及不良判断部50。此外，第一壳体160收纳半反射镜12、聚光透镜36以及第二光电探测器110。此外，第一壳体160还间接收纳第三光电探测器120。

需要说明的是，此处，间接收纳表示：第三光电探测器120布置到安装有光纤70的端部的筒状的连接部161中后，间接安装在第一壳体160上。换言之，即以下构造：第三光电探测器120内置在光纤70的端部处的连接部161中，将该光纤70的连接部161安装到第一壳体160上。

加工激光源10射出用于加工被加工件(工件，未图示)的任意高输出加工激光L_P。加工例如是焊接、溶断以及穿孔。加工激光源10例如可以是直接二极管激光器(DDL)光源，其射出峰值波长较长、波段较宽(975nm±20nm)、输出强度为数千瓦级(～10⁴W)的加工激光L_P。如图所示，加工激光L_P被半反射镜12反射，并被光纤70定向(引导)，该半反射镜12以与加工激光L_P的光轴成45度角的方向布置。半反射镜12优选为实质上使加工激光L_P的所述波段的光全反射，且实质上使后述检测激光L_D等波长更短的光全透过。

检测激光源20射出检测激光L_D。检测激光源20例如可以是氦氖(He-Ne)激光源或半导体激光源，其射出峰值波长比加工激光L_P短、波段比加工激光L_P窄(600nm±5nm)、输出强度为数百毫瓦(～1W)的检测激光L_D。

需要说明的是，第一光电探测器100布置在检测激光源20的光射出部附近且检测激光L_D的光路附近。第二光电探测器110布置在聚光透镜36与光纤70的射入端72之间且加工激光L_P和检测激光L_D的光路附近。第三光电探测器120布置在设在第一壳体160上的筒状的连接部161的内部且光纤70的模消除部78(参照图2)附近。其中，第一光电探测器100测量检测激光L_D的第一部分光L_D1的光强，并将测量出的信号P₁₀提供给不良判断部50。也就是说，第一光电探测器100是为了判断检测激光L_D是否为规定输出而设置的。

第二光电探测器110测量以下光的光强，该光是从聚光透镜36透过的加工激光L_P和检测激光L_D的第二部分光L_D2中，偏离规定光路的光。此外，第二光电探测器110测量以下光的光强，该光是被被加工体反射而通过激光头80和光纤70返回第一壳体160的内部的光中，被聚光透镜36反射的光。由第二光电探测器110测量出的信号P₁₁提供给不良判断部50。需要说明的是，第二光电探测器110设定为：对波长与检测激光L_D相同的光的受光灵敏度高于对波长与加工激光L_P相同的光的受光灵敏度。例如，用半导体材料构成第二光电探测器110时，通过适当地设定半导体材料，由此能够如上所述地设定受光灵敏度。此外，也可以在第二光电探测器110的受光面或其附近，布置带通滤波器，并如上所述地设定受光灵敏度。第二光电探测器110主要是为了判断是否发生聚光透镜36的污染和后述的光纤烧损而设置的。需要说明的是，后面会对第三光电探测器120进行说明。

需要说明的是，本实施方式的第二部分光L_D2是除了从检测激光L_D射入第一光电探测器100的第一部分光L_D1以外的射入光纤70的光成分。为了使检测激光L_D的第一部分光L_D1射入第一光电探测器100，可以在检测激光源20与半反射镜12之间布置另一半反射镜(未图示)，并用其将检测激光L_D分为第一部分光L_D1和第二部分光L_D2。

激光头80具有第二壳体82，第二壳体82相当于第二收纳室18。第二壳体82中收纳准直透镜84、聚光透镜86、保护玻璃88、第四光电探测器130以及第五光电探测器140。第四光电探测器130布置在设在第二壳体82上的筒状的连接部821的内部且光纤70的模消除部78(参照图2)附近。第五光电探测器140布置在第二壳体82的内部且设有连接部821的一侧。第五光电探测器140测量以下光的光强，该光是被被加工体反射而射入激光头80的内部的加工激光L_P和检测激光L_D的第二部分光L_D2的返回光中，偏离规定光路的光。此外，第五光电探测器140测量以下光的光强，该光是被激光头80的内部的光学部件(例如，保护玻璃88)反射的加工激光L_P和检测激光L_D的第二部分光L_D2的返回光。由第五光电探测器140测量出的信号P₁₄提供给不良判断部50。第五光电探测器140主要是为了判断激光头80的内部的光学部件有无污染等而设置的。需要说明的是，后面会对第四光电探测器130进行说明。

光纤70将第一壳体160与第二壳体82物理连接且光学连接起来。准直透镜84将加工激光L_P和检测激光L_D的第二部分光转换为平行光，聚光透镜86朝向被加工体汇聚从准直透镜84透过的加工激光L_P和检测激光L_D的第二部分光L_D2。保护玻璃88防止因加工激光L_P的照射而从被加工体产生的烟尘和飞溅物等进入第二壳体82的内部。

[光纤及其连接部的构成]

如图2所示，在光纤70的射入端72和射出端74，分别设有端盖76。端盖76由圆柱状的石英玻璃构成。端盖76分别与光纤70的射入端72和射出端74熔接相连。

端盖76的外径大于后述光纤70的第二包层70d的外径。端盖76能够降低光纤70的射入端72和射出端74的加工激光L_P的能量密度，并分别抑制光纤70的射入端72和射出端74的损伤。

光纤70的射出侧的端部收纳在设在第二壳体82上的连接部821的内部。在收纳在连接部821的内部的光纤70中，在被除去部分包覆部70e(参照图3)而露出的第二包层70d上，设有模消除部78。

此外，光纤70的射入侧的端部收纳在连接部161的内部，在收纳在连接部161的内部的光纤70中，在被除去部分包覆部70e(参照图3)而露出的第二包层70d上，设有所述模消除部78。需要说明的是，在连接部161和连接部821，分别设有未图示的水冷机构，对收纳在内部的光纤70进行冷却。

模消除部78将射入第二包层70d的加工激光L_P和检测激光L_D释放到第二包层70d的外部而除去。模消除部78例如通过在第二包层70d的外周面上实施蚀刻处理而形成。

第四光电探测器130测量以下光的光强，并将测量的信号P₁₃提供给不良判断部50，该光是射入第二包层70d的加工激光L_P和检测激光L_D的第二部分光L_D2或其返回光中，从设在光纤70的射出侧的模消除部78释放的光。

第三光电探测器120主要测量以下光的光强，并将测量出的信号P₁₂提供给不良判断部50，该光是射入第二包层70d的加工激光L_P和检测激光L_D的第二部分光L_D2中，从设在光纤70的射入侧的模消除部78释放的光。

如图3所示，光纤70至少具有作为光波导的第一芯70a、作为光波导路的第二芯70c、第一包层70b以及第二包层70d，第二包层70d的外周面被遮光性的包覆部70e覆盖。

第一芯70a从剖面观察时呈圆形，且布置在光纤70的轴心。第一包层70b与第一芯70a的外周面接触，与第一芯70a同轴布置，且剖视时呈环状。第二芯70c与第一包层70b的外周面接触，与第一芯70a同轴布置，且从剖面观察时呈环状。第二包层70d与第二芯70c的外周面接触，与第一芯70a同轴布置，且从剖面观察时呈环状。

第一芯70a、第二芯70c、第一包层70b以及第二包层70d均由石英形成。不过，第一包层70b的折射率设为低于第一芯70a和第二芯70c各自的折射率。此外，第二包层70d的折射率设定为低于第二芯70c的折射率。也就是说，光纤70是所谓的多芯光纤。将来自多个激光源的激光结合而形成加工激光L_P的情况下，加工激光L_P的光束轮廓有时会大幅度扩大。通过将多芯光纤用作光纤70，在加工激光L_P的光束轮廓发生变更的情况下，也能够可靠地向激光头80引导加工激光L_P。

[关于激光加工系统和故障检测装置的不良及不良征兆的诊断]

故障检测装置1监控由第一光电探测器100、第二光电探测器110、第三光电探测器120、第四光电探测器130、第五光电探测器140测量出的测量信号P₁₀～P₁₄的相对比及各信号随时间的变化。而且，由不良判断部50对监控结果进行诊断，且考虑到激光加工系统和故障检测装置1、激光加工中产生的不良(光纤70、聚光透镜36、激光头80、加工激光源10等激光加工系统和故障检测装置1的内部和被加工体的加工状态中的任一者是否产生不良等)及它们的相互关系(根据至少由第二光电探测器110、第三光电探测器120、第四光电探测器130、第五光电探测器140测量出的光的强度的相对比及该强度随时间的变化)，判断征兆的有无和种类。这样一来，能够在适当的时期对不良部位进行维护或事先使系统停止工作来维持被加工体的加工品质。

图4是示出激光加工系统和故障检测装置1的各种不良及其征兆与来自第一光电探测器100、第二光电探测器110、第三光电探测器120、第四光电探测器130、第五光电探测器140的测量信号之间的关系的图。图5是示出激光加工系统和故障检测装置1的各种不良与被加工体的加工品质之间的关系的图。需要说明的是，在本实施方式中，在同时使加工激光源10射出加工激光L_P且使检测激光源20射出检测激光L_D的状态(启动状态)下，判断、诊断激光加工系统和故障检测装置1的各种不良及激光加工的不良的有无。此外，在图4所示的例子中，当各诊断项目正常时，测量信号P₁₀～P₁₄各自的值设定为“1”。此外，产生不良时的测量信号P₁₀～P₁₄是以正常时的值为基准的相对值。

需要说明的是，将得到的测量信号P₁₀～P₁₄与从激光照射开始起经过的时间和后述诊断项目、征兆模式、错误模式相关联，作为履历保存到未图示的存储部中。此时，也可以根据来自系统控制部60的命令，将测量信号P₁₀～P₁₄保存到存储部中。

在图4、5所示的例子中，举出七类与不良相关的诊断项目(以下简称项目)。下面对各项目进行说明。需要说明的是，在本实施方式中，“错误”是指在安全上或被加工体的加工品质上，要使激光加工系统和故障检测装置1紧急停止工作的级别的不良，尤其是要使加工激光源10和检测激光源20紧急停止工作的级别的不良。实际上由不良判断部50判断为错误时，系统控制部60至少使加工激光源10和检测激光源20停止工作。“征兆”是指虽然不至于使激光加工系统和故障检测装置1停止工作，但如果放任不管可能会导致发生错误的不良。此外，在图4中，检测模式的编号与检测阶段的错误记载中错误后的编号一致。存在多种检测模式的情况是因各种不同原因产生不良的情况，错误的出现方式也存在多种模式。此外，作为检测阶段的征兆，征兆后的字母与图5所示的项目编号和产生前的征兆模式栏的征兆后的字母一致、对应。当检测(判断)出征兆前测量信号的值的数字持续增加时，数字越大，则表示不良程度越接近征兆级别。此外，当检测(判断)出征兆后测量信号的值的数字持续增加时，数字越大，则表示不良程度越接近错误级别。此外，在图5中，重要度表示对激光加工系统和故障检测装置1本身的影响或对被加工体的加工品质的影响程度，数字小则表示上述影响的程度更大。

<A：来自被加工体的反射光大>

图4、5所示的项目编号A与来自被加工体的反射光的强度大到规定以上的不良对应。如图4、5所示，例如，该项目编号A中各征兆(征兆D、征兆G、征兆H)表示产生了分别主要起因于(对应于)项目编号D、G、H的不良。例如，如果来自被加工体的反射光的强度变大，则反射光通过光纤70返回第一壳体160的内部的光量也变大。当返回光被聚光透镜36反射时，第二光电探测器110的受光量变大，判断产生了征兆D。该征兆模式是与聚光透镜36的污染对应的模式。此外，如果来自射入侧的模消除部78的泄漏光变大，则第三光电探测器120的受光量变大，判断产生了征兆G。该征兆模式是与加工激光L_P和检测激光L_D与光纤70的耦合效率降低对应的模式。此外，如果来自被加工体的反射光的强度变大，且被加工体的表面的散射变大，则例如，第五光电探测器140的受光量变小，判断产生了征兆H。该征兆模式是与加工激光源10的输出降低对应的模式。

如图4所示，检测到各征兆后产生的错误模式各不相同，但不管是哪种情况，一旦发生错误，被加工体的加工品质就会急剧下降。因此，在产生征兆时，例如，由系统控制部60使未图示的显示部以图像显示征兆的产生及其模式或以声音通知征兆的产生及其模式或同时执行上述二者。这样一来，能够向加工操作者等适当地做出关于故障检测装置1和激光加工系统的维护时期和维护部位的指示。此外，当检测到征兆H(加工激光源10的输出降低)时，还能够进行以下维护，即，调节加工激光源10的输出电流值，将加工激光L_P的输出值校正为设定值。在该情况下，还可以使系统控制部60具有功率反馈功能，由此自动校正加工激光L_P的输出值。

<B：光纤烧损>

图4、5所示的项目编号B与光纤70发生烧损的不良对应。如果不通过第一芯70a和/或第二芯70c而通过第一包层70b和/或第二包层70d的光量过多，则光纤70会发热、烧损导致无法进行光的传输。如图4、5所示，分别与项目编号C、G对应的不良往往作为该征兆产生。例如，如检测模式1所示，如果激光头80的内部的光学部件(代表性的是保护玻璃88)污染严重，则加工激光L_P和检测激光L_D会被保护玻璃88反射，而作为返回光射入光纤70。如果该返回光的强度变大，则例如，第一光电探测器100、第二光电探测器110、第四光电探测器130、第五光电探测器140的受光量变大，判断产生了征兆C。该征兆模式是与激光头80的内部的光学部件污染对应的模式。此外，如检测模式2所示，如果加工激光L_P出现光轴偏离等导致通过光纤70的包层70b和包层70d的光量变多，则第三光电探测器120的受光量变大，检测到与耦合效率降低对应的模式(征兆G)。需要说明的是，该征兆模式是按照与特定的光电探测器的测量信号正常时相比发生的变化来判断的。因此，即使与项目编号A(来自被加工体的反射光大)对应的征兆G和与项目编号B(光纤烧损)对应的征兆G中，测量信号P₁₀～P₁₄间的相对值略微不同，也不会对该征兆模式的判断本身造成影响。之后示出的例子也一样。

此外，在项目编号B(光纤烧损)的检测模式1中，从检测到征兆C后到光纤烧损为止，有可能进一步检测到以下两个阶段的征兆模式。首先，检测到布置在光纤70的射出侧的第四光电探测器130和第五光电探测器140的测量信号P₁₃、P₁₄分别大幅度上升的模式(征兆1)。该模式与后述项目编号E的征兆B对应。征兆1表示被保护玻璃88等激光头80的内部的光学部件反射的反射返回光的强度变大。如果该状态继续保持，就会检测到以下征兆模式(征兆2)，其表示光纤70的射出侧发生烧损，光纤70断线，可能无法继续传输加工激光L_P和检测激光L_D。该模式与项目编号E、F的错误E1、F1对应。在该情况下，布置在光纤70的射出侧的第四光电探测器130、第五光电探测器140无法接收加工激光L_P和检测激光L_D的光，测量信号P₁₃、P₁₄均变为零。如果检测到征兆2的状态继续保持，则因光纤熔化现象，光纤70会烧损至射入侧，最终导致检测到错误(项目编号B的错误B1)。如果发生光纤烧损，则加工激光L_P无法照射被加工体，就无法进行被加工体的激光加工。需要说明的是，光纤熔化现象是指以下现象，即，由于高输出激光的射入，在光纤上产生的光放电(亮点)会一边破坏该光纤一边朝向光源侧传输。

另一方面，在项目编号B(光纤烧损)的检测模式2中，在检测到征兆模式G(耦合效率降低)后又检测到错误(项目编号B(光纤烧损)的错误B2)的情况表示：在光纤70的射入侧，耦合损耗和传递损耗增加，其结果是，在光纤70的射入侧发热而引起烧损。像这样，根据发生光纤烧损的部位和模式，测量信号P₁₀～P₁₄随时间的变化及与测量信号P₁₀～P₁₄相关联的征兆模式、错误模式不同。因此，当检测到与项目编号B相关的错误时，加工操作者能够根据测量信号P₁₀～P₁₄的履历，容易地分析错误的发生原因。这样一来，能够迅速准确地进行激光加工系统和故障检测装置1的维护和恢复作业，从而能够实现停工时间的削减和维护成本的降低。

需要说明的是，根据本实施方式，在除此之外的项目中，错误发生原因的分析显然也会变得容易。例如，就项目编号A(来自被加工体的反射光大)而言，由于到错误发生为止能检测到多种征兆模式(征兆D、征兆G、征兆H)，因此能够容易地确定需要进行维护和确认作业的部位。此外，例如，如果采用在故障检测装置1中仅布置有第一光电探测器100和第二光电探测器110的构成，则无法根据从第二光电探测器110输出的测量信号P₁₁的增减确定不良的种类。这是因为，例如，无法辨别测量信号P₁₁增加的原因是聚光透镜36的污染(项目编号D)还是光纤70的耦合效率降低(项目编号G)还是来自被加工体的反射光的增加(项目编号A)。尤其是本实施方式中的光纤70那样的多芯光纤，来自被加工体的反射光容易返回第一壳体160。因此，要辨别上述不良的种类就更加困难。此外，因为加工激光L_P的输出非常大，所以其变动也较大，当第二光电探测器110接收到起因于加工激光L_P的成分时，测量信号P₁₁会立即饱和，测量精度无法提高。

另一方面，根据本实施方式，根据测量信号P₁₀～P₁₄的相对比及测量信号P₁₀～P₁₄随时间的变化等，能够容易地确定不良的种类及其产生部位等。尤其是因为如上所述地设定第二光电探测器110的受光灵敏度，所以测量信号P₁₁中含有的起因于检测激光L_D的成分的比例变大。因此，由于起因于检测激光L_D的成分的比例变大，所以能抑制测量信号P₁₁的饱和，提高测量精度。这样一来，能够实现激光加工系统和故障检测装置1的停工时间的削减和维护成本的降低。

<C：激光头80内的光学部件污染>

图4、5所示的项目编号C与激光头80内的光学部件(例如，保护玻璃88)产生污染的不良对应。例如，加工激光L_P照射被加工体时产生的烟尘和飞溅物等附着到保护玻璃88上且达到规定量以上。在该情况下，如在项目编号B的光纤烧损中说明的那样，受射入光纤70的反射返回光的影响，第一光电探测器100、第二光电探测器110、第四光电探测器130、第五光电探测器140的受光量变大，检测到征兆C(激光头80内的光学部件污染)。

<D：聚光透镜36的污染>

图4、5所示的项目编号D与聚光透镜36产生污染的不良对应。在该情况下，如上所述，第二光电探测器110的受光量主要发生变化而变大，检测到征兆D。

<E、F：光纤断线>

图4、5所示的项目编号E、F与光纤70发生断线的不良对应。其中，项目编号F与光纤70的机械性弯曲不良对应，项目编号E与无法进行光传输的状态对应，该状态包括光纤70的弯曲不良。如图4、5所示，项目编号E的光纤断线(无法进行光传输)的错误E1与项目编号B的光纤烧损的检测模式1中的征兆2对应。此外，项目编号E的征兆B与项目编号B的光纤烧损的检测模式1中的征兆1对应。此外，项目编号E的征兆C与项目编号C的激光头80内的光学部件污染对应。因此，所述征兆B(光纤烧损)或征兆C(激光头80内的光学部件污染)、征兆B(光纤烧损)往往作为项目编号E的光纤断线(无法进行光传输)的错误E1的征兆连续产生。也就是说，作为项目编号E的错误E1的前一阶段(征兆)，可观察到被保护玻璃88等激光头80的内部的光学部件反射的反射返回光的强度(测量信号P₁₃、P₁₄)随时间流逝而增大的现象。需要说明的是，在图4中，将项目编号E的光纤断线(无法进行光传输)的征兆B作为与项目编号B的光纤烧损的检测模式1中的征兆1对应的模式。此外，项目编号F的光纤断线(机械性弯曲)的错误F1与项目编号E的光纤断线(无法进行光传输)的错误E1相同，但就该项目编号F的光纤断线(机械性弯曲)而言，往往会无征兆地突然发生错误。例如，光纤70被其他物体急剧接触而弯曲的情况等。

就项目编号E、F而言，检测到错误E1、F1表示从光纤70无法继续向激光头80射出加工激光L_P和检测激光L_D的任一者，情况十分严重。此外，由图4可明确得知，在与项目编号B的光纤烧损的检测模式1相关的错误之前，会先检测到作为征兆2的与项目编号E、F相关的错误E1、F1。因此，就上述项目而言，关于征兆模式及其变化，需要特别仔细地检查，将光纤断线防患于未然。此外，检测到断线后需要迅速使激光加工系统停止工作，并排除不良的原因。

<G：耦合效率降低>

图4、5所示的项目编号G与加工激光L_P和检测激光L_D对光纤70的耦合效率降低对应。例如，由于加工激光L_P和检测激光L_D的光轴与光纤70的轴线的位置偏离等，耦合效率降低。在该情况下，例如，加工激光L_P和检测激光L_D在光纤70的射入端72被反射，第二光电探测器110的受光量变大，检测到征兆D(聚光透镜36的污染)。如果该状态继续保持，则从光纤70的射入侧的模消除部78泄漏的光量会增加，第三光电探测器120的测量信号P₁₂就会变大。此外，相应地，向光纤70的射出侧传输的光量会变小。也就是说，第四光电探测器130、第五光电探测器140的测量信号P₁₃、P₁₄会变小。该状态被检测为征兆G(耦合效率的降低)。

<H：加工激光源10的输出降低>

图4、5所示的项目编号H与加工激光源10的输出降低对应。例如，由于某些原因，加工激光源10的输出电流值降低，加工激光L_P的光量降低。在该情况下，检测检测激光L_D的第一部分光L_D1的第一光电探测器100的测量信号P₁₀不会发生变化。另一方面，随着加工激光L_P的光量降低，离加工激光源10越远的光电探测器测量出的测量信号越小。在图4所示的例子中，第三光电探测器120、第四光电探测器130、第五光电探测器140的测量信号P₁₂、P₁₃、P₁₄变小，被检测为征兆H(加工激光源10的输出降低)。

需要说明的是，与项目编号C、D、G、H相关的不良并不会使激光加工系统和故障检测装置1立即产生重大故障。然而，如上所述，如果该状态继续保持，则可能导致加工部位的熔深不足。因此，当检测到征兆C、D、G、H中任一者时，优选通过系统控制部60以图像或声音或以这两种方式，通知不良判断部50的判断结果和通知加工操作者需要维护的部位和时期。

正如以上说明的那样，根据本实施方式的故障检测装置1，并非仅靠规定时刻的单一光电探测器的测量信号检测不良，而是配合时间变化监控由分别布置在规定位置的多个光电探测器同时且随时间推移测量出的多个测量信号，由此可由不良判断部50从多方面判断光纤70、聚光透镜36、激光头80、加工激光源10等激光加工系统和故障检测装置1的内部和被加工体的加工状态中的任一者是否产生不良等不良的产生及其原因。

此外，故障检测装置1和激光加工系统中经常会产生多种不良。根据本实施方式，即使产生多种不良，也很少被看漏。这样一来，能够将不必要的维护作业和错误的再次发生防患于未然。此外，产生多种不良时，加工操作者等存在仅关注一个明显不良的倾向。然而，这样一来，往往会看漏可能发展为严重故障的征兆。另一方面，根据本实施方式，就不良的产生而言，可考虑到随时间推移的变化等时间性原因、故障检测装置1和激光加工系统的空间布局，来进行数据的收集、分析，因此能够在不看漏可能发展为严重故障的征兆的情况下，将严重故障的产生防患于未然。

此外，第三光电探测器120测量从设在光纤70的射入端72附近的模消除部78释放的光的强度。根据由第二光电探测器110和第三光电探测器120测量出的光的强度及该强度随时间的变化，不良判断部50能够判断加工激光L_P和检测激光L_D与光纤70的耦合效率降低的征兆D、G的有无。具体而言，如图4所示，激光加工系统工作时，如果第二光电探测器110的测量信号P₁₁和第三光电探测器120的测量信号P₁₂中的至少一者比正常情况(＝1)大，则判断产生了加工激光L_P和检测激光L_D与光纤70的耦合效率降低的征兆。

第四光电探测器130测量从设在光纤70的射出端74附近的模消除部78释放的光的强度。根据由第四光电探测器130和第五光电探测器140测量出的光的强度及该强度随时间的变化，不良判断部50能够判断加工系统和故障检测装置1的各种不良及其征兆的有无。尤其是通过同时使用第四光电探测器130的测量信号P₁₃和第五光电探测器140的测量信号P₁₄，能够可靠地判断来自被加工体的反射返回光的增加所引起的不良及其征兆有无产生。此外，能够可靠地判断激光头80的内部的光学部件的污染所引起的不良及其征兆有无产生。能够可靠地判断光纤70的断线和烧损所引起的不良及其征兆有无产生。例如，如图4所示，当第四光电探测器130的测量信号P₁₃和第五光电探测器140的测量信号P₁₄均比正常情况(＝1)小时，能够判断产生了征兆G、H。尤其是测量信号P₁₃和测量信号P₁₄均未被检测到时，能够判断产生了光纤70断线(错误E1、F1)或光纤70烧损(错误B1、B2)及其征兆C中的任一者。当测量信号P₁₃和测量信号P₁₄均比正常情况(＝1)大时，能够判断产生了征兆C或错误A1、A2中的任一者。当测量信号P₁₃比正常情况(＝1)大而测量信号P₁₄比正常情况(＝1)小时，能够判断产生了错误A3。此外，通过同时使用测量信号P₁₃和测量信号P₁₄，能够提高测量的可靠性，进而提高所述不良及其征兆的判断精度。

<变形例>

下面参照图6、7，对本变形例所涉及的故障检测装置1进行说明。图6是示出本变形例所涉及的故障检测装置1的简略构成的方框图。图7是示出激光加工系统和故障检测装置1的各种不良及其征兆与来自第一光电探测器100、第二光电探测器110、第三光电探测器120、第四光电探测器130、第五光电探测器140、第六光电探测器150的测量信号之间的关系。

本变形例所示的故障检测装置1在第一壳体160的内部还具有第六光电探测器(第六受光器)150，这点与图1所示的故障检测装置1不同。此外，半反射镜12使加工激光L_P的波段的光的一部分透过。例如，半反射镜12使百分之零点几到百分之几左右的光透过。在透过半反射镜12的加工激光L_P的光路上，布置有第六光电探测器150。也就是说，第六光电探测器150测量加工激光L_P的部分光的强度。根据测量出的强度，评价加工激光L_P的输出，判断该输出是否为设定值。此外，在图6所示的例子中，第六光电探测器150布置在第一壳体160的内部且加工激光L_P和检测激光L_D各自的光路附近。因此，如图7所示，第六光电探测器150能够检测来自被加工体和激光头80的内部的光学部件的反射返回光。所以，第六光电探测器150能够检测所述错误A1～A3。此外，能够检测与光纤70烧损相关的征兆C和错误B1、B2。

也就是说，在本变形例所涉及的故障检测装置1中，不良判断部50根据至少由第二光电探测器110、第三光电探测器120、第四光电探测器130、第五光电探测器140、第六光电探测器150测量出的光的强度的相对比及该强度随时间的变化，判断激光加工系统和故障检测装置1的不良及其征兆。优选地，不良判断部50根据由第一光电探测器100、第二光电探测器110、第三光电探测器120、第四光电探测器130、第五光电探测器140、第六光电探测器150测量出的光的强度的相对比及该强度随时间的变化，判断激光加工系统和故障检测装置1的不良。此外，不良判断部50根据由第六光电探测器150测量出的光的强度及该强度随时间的变化，判断加工激光L_P是否为规定输出。通过将第六光电探测器150设在所述位置，能够直接检测加工激光L_P的输出变化。此外，能够提高对所述征兆H的判断精度。

需要说明的是，本公开的检测激光源20还能够用作加工部位的示教光源。例如，将激光头80的第二壳体82安装在未图示的机械臂上来对被加工体进行激光加工时，向被加工体照射作为可见光的检测激光L_D，并使其能够通过摄像头等被看到。示教机械臂的动作，以使检测激光L_D在被加工体上描绘规定轨迹。

-产业实用性-

本公开能够用于传输高输出加工激光的激光加工系统中的故障检测装置。

-符号说明-

1 故障检测装置

10 加工激光源

12 半反射镜

20 检测激光源

36 聚光透镜

50 不良判断部(判断部)

60 系统控制部

70 光纤

72 射入端

74 射出端

78 模消除部

80 激光头

82 第二壳体

821 连接部

84 准直透镜

86 聚光透镜

88 保护玻璃

100 第一光电探测器(受光器)

110 第二光电探测器(受光器)

120 第三光电探测器(受光器)

130 第四光电探测器(受光器)

140 第五光电探测器(受光器)

150 第六光电探测器(受光器)

160 第一壳体

161 连接部

L_P 加工激光

L_D 检测激光

L_D1 第一部分光

L_D2 第二部分光

Claims (13)

1.一种故障检测装置，其特征在于：

所述故障检测装置包括加工激光源、检测激光源、光纤、聚光透镜、第二受光器、第三受光器、第四受光器、激光头、第五受光器以及判断部，

所述加工激光源射出加工激光，

所述检测激光源射出检测激光，

所述光纤传输所述检测激光的第二部分光和所述加工激光，且在所述光纤的射入端附近设有模消除部，在所述光纤的射出端附近设有另一模消除部，

所述聚光透镜将所述第二部分光和所述加工激光汇聚在所述光纤的射入端，

所述第二受光器布置在所述聚光透镜的附近，

所述第三受光器布置在所述模消除部附近，且测量从所述模消除部释放的光的强度，

所述第四受光器布置在所述另一模消除部附近，且测量从所述另一模消除部释放的光的强度，

所述激光头与所述光纤的射出端相连，且朝向被加工体射出所述第二部分光和所述加工激光，

所述第五受光器布置在所述激光头的内部，

所述判断部根据至少由所述第二受光器、所述第三受光器、所述第四受光器、所述第五受光器测量出的光的强度的相对比及该强度随时间的变化，判断所述光纤、所述聚光透镜、所述激光头以及所述被加工体的加工状态中的任一者是否产生不良。

2.根据权利要求1所述的故障检测装置，其特征在于：

所述判断部根据至少由所述第二受光器、所述第三受光器、所述第四受光器、所述第五受光器测量出的光的强度的相对比及该强度随时间的变化，判断所述不良的征兆。

3.根据权利要求1或2所述的故障检测装置，其特征在于：

所述光纤的第二芯与第一芯同轴且留有规定间距地设在所述第一芯的外周侧，所述第二芯在轴心具有作为光波导的所述第一芯，并且所述第二芯从剖面观察时呈环状且作为光波导。

4.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的故障检测装置，其特征在于：

所述故障检测装置还包括测量所述检测激光的第一部分光的强度的第一受光器，

所述判断部根据由所述第一受光器、所述第二受光器、所述第三受光器、所述第四受光器、所述第五受光器测量出的光的强度的相对比及该强度随时间的变化，判断所述不良和所述不良的征兆，

而且，根据由所述第一受光器测量出的光的强度及该强度随时间的变化，判断所述检测激光是否为规定输出。

5.根据权利要求4所述的故障检测装置，其特征在于：

所述第一受光器设定为：对波长与所述检测激光相同的光的受光灵敏度高于对波长与所述加工激光相同的光的受光灵敏度。

6.根据权利要求1到5中任一项权利要求所述的故障检测装置，其特征在于：

根据由所述第二受光器和所述第三受光器测量出的光的强度及该强度随时间的变化，判断所述加工激光和所述检测激光与所述光纤的耦合效率降低的征兆。

7.根据权利要求1到6中任一项权利要求所述的故障检测装置，其特征在于：

根据由所述第四受光器和第五受光器测量出的光的强度及该强度随时间的变化，判断来自所述被加工体的反射返回光的增加或所述激光头的内部的光学部件污染或所述光纤烧损和断线所引起的所述不良和所述不良的征兆。

8.根据权利要求1到7中任一项权利要求所述的故障检测装置，其特征在于：

所述故障检测装置还包括测量所述加工激光的部分光的强度的第六受光器，

所述判断部根据至少由所述第二受光器、所述第三受光器、所述第四受光器、所述第五受光器、所述第六受光器测量出的光的强度的相对比及该强度随时间的变化，判断所述不良和所述不良的征兆，

而且，根据由所述第六受光器测量出的光的强度及该强度随时间的变化，判断所述加工激光是否为规定输出。

9.根据权利要求1到8中任一项权利要求所述的故障检测装置，其特征在于：

在所述加工激光和所述检测激光同时射出的状态下，至少由所述第二受光器、所述第三受光器、所述第四受光器、所述第五受光器测量光的强度，

所述判断部根据该测量出的光的强度的相对比及该强度随时间的变化，判断所述不良和所述不良的征兆的有无。

10.一种激光加工系统，其特征在于：

所述激光加工系统包括：

权利要求1到9中任一项权利要求所述的故障检测装置，以及

控制所述故障检测装置的控制部。

11.根据权利要求10所述的激光加工系统，其特征在于：

当所述判断部判断所述光纤和所述被加工体的加工状态中的任一者产生不良时，

所述控制部使所述故障检测装置中的至少所述加工激光源和所述检测激光源停止工作。

12.根据权利要求10或11所述的激光加工系统，其特征在于：

当所述判断部判断所述光纤、所述聚光透镜、所述激光头以及所述被加工体的加工状态中的任一者产生不良的征兆时，

所述控制部通知由所述判断部判断出的判断结果或将所述判断结果保存到存储部，或者执行上述两者。

13.根据权利要求12所述的激光加工系统，其特征在于：

所述控制部根据由所述判断部判断出的判断结果校正所述加工激光的输出或通知维护部位和维护时期，或者执行上述两者。

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