DE102004056334A1 - Verfahren zum Steuern einer Laserstrahlmaschine und Laserstrahlmaschine - Google Patents

Verfahren zum Steuern einer Laserstrahlmaschine und Laserstrahlmaschine Download PDF

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DE102004056334A1
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Naohisa Kawasaki Matsushita
Susumu Kawasaki Iida
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Fujitsu Ltd
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Fujitsu Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23KSOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702Auxiliary equipment
    • B23K26/705Beam measuring device

Abstract

Es wird eine Laserstrahlmaschine offenbart, die die effektive Energie eines Laserstrahloszillators, mit der ein mechanisch zu bearbietendes Objekt bestrahlt wird, und den Zustand eines Oszillation überwachen kann, ohne die Eigenschaften eines Laserstrahls zu beeinflussen. Eine Laserstrahlmaschine umfasst: einen Laserstrahloszillator; einen Laserstrahltransmissionsweg; eine Kollimatorlinse; eine Kondensorlinse zur mechanischen Bearbeitung; zumindest einen optischen Detektionssensor, der entlang dem Laserstrahltransmissionsweg vorgesehen ist; und eine arithmetische Steuersektion, um die Ausgabe des optischen Detektionsensors zu empfangen und einen vorbestimmten Prozess auszuführen, um die Charakteristik eines Laserstrahls zu erhalten.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Steuern einer Laserstrahlmaschine und auf eine Laserstrahlmaschine.
  • Ein mechanische Bearbeitung mittels Laserstrahlen wird in verschiedenen Feldern wie z.B. Bohren, Schneiden, Schweißen und thermische Bearbeitung verschiedener Materialien weithin genutzt, weil eine berührungsfreie mechanische Bearbeitung mit hoher Geschwindigkeit und hoher Qualität möglich ist. Ein anderer Vorteil besteht darin, dass die oben erwähnten verschiedenen Arten einer mechanischen Bearbeitung mittels eines einzelnen Laserstrahloszillators durchgeführt werden können, indem nur die Bedingungen der Laserstrahloszillation geändert werden.
  • Eine solch enorme Flexibilität bringt jedoch die mögliche Gefahr mit sich, dass aus gewissen Gründen die Qualität der mechanischen Bearbeitung wegen Änderungen in den Bedingungen der Laserstrahloszillationen und der Bestrahlungsbedingungen für ein mechanisch zu bearbeitendes Objekt leiden kann. Daher ist die Aufrechterhaltung der Qualität einer mechanischen Bearbeitung ein Problem.
  • Herkömmliche Techniken, die sich auf eine Laserstrahlmaschine beziehen, schleißen z.B. eine in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2002-336985 offenbarte Technik ein, welche die Bewegung eines Lichtprojektionskopfes erlaubt und zur gleichen Zeit eine Lichtleitfaser führt, während verhindert wird, dass die Lichtleitfaser ein Werkstück, eine Aufspannvorrichtung etc. in einer Laserstrahlmaschine stört, die einen Lichtstrahl durch die Lichtleitfaser zum Lichtprojektionskopf leitet. Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2002-307180 offenbart eine Technik, die eine Linse gemäß dem Fortgang einer mechanischen Bearbeitung bewegt, indem ein aus einer Linse und einem Linsenbewegungsmittel bestehendes, eine Brennweite variierendes Mittel zwischen einer Apertur und einer fθ-Linse angeordnet und die Änderung in der Position der Apertur, von der fθ-Linse aus betrachtet, genutzt wird. Außerdem offenbart die ungeprüfte japanische Patentveröffentli chung (Kokai) Nr. 2002-254189 eine Technik, die den Bereich der mechanisch bearbeitbaren Plattendicke erweitert, indem mehrere Laserstrahloszillatoren auf einer einzigen Laserstrahlmaschine vorgesehen werden.
  • Um das Auftreten einer Störung zu verhindern, die durch eine Änderung in der Qualität der mechanischen Bearbeitung in Abhängigkeit vom Zustand der Laserstrahloszillation und dem Zustand der Bestrahlungsenergie verursacht wird, ist es notwenig, zu allen Zeiten den Zustand der Laserstrahloszillation und die Qualität der mechanischen Bearbeitung zu überwachen. Insbesondere beim Zusammenbauen der Maschinen und Werkzeugmaschinen, die einen Laserstrahloszillator enthalten, wie automatische Maschinen, wird eine numerische Steuerung oder eine Steuerung der Laserbestrahlungsbedingungen oder des Ein/Ausschaltens der Bestrahlung auf der Basis elektrischer Signale von einem Steuergerät wie z.B. einem Personal Computer und einem Programmgeber durchgeführt. Infolgedessen ist es notwendig, automatisch zu überwachen, ob die Seite des Laserstrahloszillators gemäß den spezifizierten Bedingungen arbeitet.
  • Im Fall einer Laserstrahlmaschine wird ein Laserstrahl von einem Laserstrahloszillator durch eine Lichtleitfaser übertragen, durch einen Spiegel reflektiert, durch eine Linse vergrößert oder verkleinert etc., und somit werden verschiedene optische Elemente genutzt, bis der Laserstrahl ein mechanisch zu bearbeitendes Objekt erreicht. Außerdem wird ein Blenden- oder Shuttermechanismus verwendet, um die Sicherheit des Menschen und der Maschinenanordnung sicherzustellen. In solch einer Konfiguration kann ein Problem insofern aufgeworfen werden, als ein Objekt nicht mechanisch bearbeitet werden kann, falls einige optische Elemente während eines Betriebs zerbrochen oder die Charakteristiken verschlechtert werden, und dies wird die Qualität einer mechanischen Bearbeitung beträchtlich beeinflussen.
  • Herkömmliherweise werden verschiedene Verfahren verwendet, um die Charakteristiken eines Laserstrahls zu detektieren. 1 ist ein Diagramm, das die herkömmlichen Prinzipien einer Detektion eines Laserstrahls darstellt. Ein gut bekanntes Verfahren ist eines, in welchem innerhalb eines Laserstrahloszillators ein Halbspiegel 2 mit Eigenschaften zum geringfügigen Reflektieren eines Laserstrahls 1 angeordnet ist und der reflektierte Laserstrahl durch einen opti schen Detektionssensor 3 detektiert wird. Das in 1 gezeigte Verfahren ist eines, in welchem die Ausgangsenergie eines Laserstrahls und die Form und Zeit eines Oszillationsimpulses überwacht werden, indem die Ausgabe von dem optischen Detektionssensor 3 empfangen wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Im herkömmlichen Verfahren ist es jedoch notwendig, optische Komponenten in einem optischen Weg (einem optischen Transmissionsweg) anzuordnen, und daher werden Probleme insofern aufgeworfen, als der Aufbau des Gerätes kompliziert wird, wie Charakteristiken eines Laserstrahls sich jedes Mal ändern, wenn der Laserstrahl von einer optischen Komponente reflektiert wird oder der Laserstrahl durch eine optische Komponente durchgeht etc. Infolgedessen ist es normal, eine Überwachung nur an den minimal erforderlichen Positionen durchzuführen. Wie oben beschrieben wurde, wird im allgemeinen eine Überwachung in den meisten Fällen nur an der Innenseite eines Laserstrahloszillators durchgeführt, und es war nahezu unmöglich, zu überwachen, ob ein mechanisch zu bearbeitendes Objekt mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, oder die Änderung der effektiven Bestrahlungsenergie zu überwachen, mit der das mechanisch zu bearbeitende Objekt tatsächlich bestrahlt wird, falls eine optische Komponente in einem optischen Transmissionsweg beschädigt ist.
  • Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, wobei die oben erwähnten Probleme berücksichtigt wurden, und eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Steuern einer Laserstrahlmaschine und eine Laserstrahlmaschine zu schaffen, die die effektive Energie eines Laserstrahloszillators, womit ein mechanisch zu bearbeitendes Objekt bestrahlt wird, und den Zustand der Oszillation überwachen können, ohne die Eigenschaften des Laserstrahls zu beeinflussen, und ferner ist eine weitere Aufgabe, ein Verfahren zum Steuern einer Laserstrahlmaschine und eine Laserstrahlmaschine zu schaffen, die die Bedingungen der effektiven Energie, mit der ein mechanisch zu bearbeitendes Objekt bestrahlt wird, beibehalten und eine Situation automatisch detektieren und anzeigen können, in der eine Wartung notwendig ist.
  • In dem Verfahren zum Steuern einer Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung ist entlang einem Laserstrahltransmissionsweg zumindest ein optischer Detektionssensor angeordnet, wird ein gestreuter Strahl, der aus dem Laserstrahltransmissionsweg gestreut wird, durch den optischen Detektionsdetektor detektiert, und folglich werden die Charakteristiken eines Laserstrahls erhalten, indem die Ausgabe des optischen Detektionssensors empfangen wird.
  • Die Laserstrahlmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: einen Laserstrahloszillator, um einen Laserstrahl zu erzeugen; einen Laserstrahltransmissionsweg, um den durch den Laserstrahloszillator erzeugten Laserstrahl durchzulassen; eine Kollimatorlinse, um vom Laserstrahltransmissionsweg emittierte Laserstrahlen zu empfangen, um parallele Laserstrahlen zu erhalten; eine Kondensorlinse zur mechanischen Bearbeitung zum Empfangen der Ausgabe der Kollimatorlinse, um Laserstrahlen auf einem Objekt zu sammeln oder zusammenzuführen, das mechanisch bearbeitet werden soll; zumindest einen optischen Detektionssensor, der entlang dem Laserstrahltransmissionsweg vorgesehen ist; und eine arithmetische Steuersektion, um die Ausgabe des optischen Detektionssensor zu empfangen und einen vorbestimmten Prozess durchzuführen, um die Charakteristik eines Laserstrahls zu erhalten.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Konfiguration so entworfen, dass der gestreute Strahl, der aus dem Laserstrahltransmissionsweg gestreut wird, detektiert werden kann, und daher ist es möglich, den Zustand des Laserstrahls mit Hilfe des optischen Detektionssensors zu detektieren, ohne die Eigenschaften des Laserstrahls zu beeinflussen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es daher möglich, die vom Laserstrahloszillator emittierte effektive Energie, mit der ein mechanisch zu bearbeitendes Objekt bestrahlt wird, und den Oszillationszustand zu überwachen, ohne die Eigenschaften des Laserstrahls zu beeinflussen.
  • Es ist auch möglich, die Bedingungen der effektiven Energie, mit der ein mechanisch zu bearbeitendes Objekt bestrahlt wird, aufrechtzuerhalten und eine Situation automatisch zu detektieren und zu melden, in der eine Wartung notwendig ist.
  • Die arithmetische Steuersektion führt eine Echtzeitüberwachung des Durchgangs des Laserstrahls oder seiner Größe auf der Basis eines Empfangs der Ausgabe der optischen Detektionssensoren durch.
  • Während die arithmetische Steuersektion bei Empfang des optischen Detektionssensors einen vorbestimmten arithmetischen Prozess durchführt und das Ergebnis auf einer Anzeigesektion anzeigt, ist es möglich, eine Echtzeitüberwachung des Durchgangs des Laserstrahls oder der Größe der Laserstrahlabgabe durchzuführen.
  • Die arithmetische Steuersektion überwacht, ob es in dem Laserstrahltransmissionsweg Störungen gibt, oder überwacht die effektive Energie, mit der ein mechanisch zu bearbeitendes Objekt bestrahlt wird, bei Empfang der Ausgabe des optischen Detektionssensors.
  • Außerdem ist es möglich, zu überwachen, ob es Störungen in dem Laserstrahltransmissionsweg gibt, und die effektive Energie zu überwachen, mit der ein mechanisch zu bearbeitendes Objekt bestrahlt wird, wenn die arithmetische Steuersektion die Ausgabe des optischen Detektionssensors empfängt.
  • Die arithmetische Steuersektion stellt die Stärke eines Laserstrahls auf der Basis des Ergebnisses eines Vergleichs ein, der zwischen der Ausgabe des optischen Detektionssensors und dem vorher in einem Speichermittel gespeicherten Standardwert der Ausgabe des optischen Detektionssensors vorgenommen wird.
  • Da die arithmetische Steuersektion die Ausgabe des optischen Detektionssensors mit dem Standardwert des optischen Detektionssensors vergleicht, der vorher in einem Speichermittel gespeichert wurde, ist es möglich, auf der Basis der Vergleichsergebnisses die Stärke des Laserstrahls auf einen optimalen Wert einzustellen.
  • Es ist vorzuziehen, zwischen dem mechanisch zu bearbeitenden Objekt und der Kondensorlinse zur mechanischen Bearbeitung ein Linsenschutzglas zum Abhalten der geschmolzenen zerstäubenden Objekte, die am mechanisch zu bearbeitenden Objekt erzeugt werden, vorzusehen.
  • Da das Linsenschutzglas zwischen der Kondensorlinse zur mechanischen Bearbeitung und dem mechanisch zu bearbeitenden Objekt angeordnet ist, ist es möglich, zu verhindern, das geschmolzene zerstäubende Objekt an der konvergierenden Linse zur mechanischen Bearbeitung haften.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung klarer verstanden, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird, in welchen:
  • 1 ein Diagramm ist, dass die herkömmlichen Prinzipien einer Detektion durch Laserstrahlen darstellt;
  • 2 ein Flussdiagramm ist, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung darstellt;
  • 3 ein Diagramm ist, das eine Konfiguration auf der Basis der Prinzipien der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 4 ein Diagramm ist, das darstellt, wie ein optischer Detektionssensor gestreute Laserstrahlen detektiert;
  • 5 ein Diagramm ist, das ein Beispiel einer Beobachtung des Zustands der Laserstrahloszillation durch die gestreuten Strahlen darstellt;
  • 6 ein Diagramm ist, das eine Überwachung von Oszillationsimpulswellenformen zeigt;
  • 7 ein Diagramm ist, das die zu überwachenden Inhalte und Inhalte darstellt, die je nach den Messpositionen und den Differenzen zwischen Positionen beurteilt werden können; und
  • 8 ein Blockdiagramm ist, das ein Beispiel einer Gesamtkonfiguration eines Systems gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das die Prinzipien des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein optischer Detektionssensor entlang einem Laserstrahltransmissionsweg angeordnet ist (S1), ein gestreuter Strahl, der aus dem Laserstrahltransmissionsweg gestreut wird, durch den optischen Detektionssensor detektiert wird (S2) und somit die Charakteristiken eines Laserstrahls erhalten werden können (S3), indem die Ausgabe des optischen Detektionssensors empfangen wird.
  • 3 ist ein Diagramm, das eine Konfiguration basierend auf den Grundlagen der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Figur bezeichnet Bezugsziffer 20 einen Laserstrahloszillator, der Laserstrahlen erzeugt, bezeichnet 1 den durch den Laserstrahloszillator 20 erzeugten Laserstrahl, bezeichnet 21 eine Kondensorlinse zum Lenken von Strahlen in eine Lichtleitfaser, die die Laserstrahlen 1 empfängt, zusammenführt und die Laserstrahlen in eine Lichtleitfaser lenkt, bezeichnet 22 eine Lichtleitfaser als einen Laserstrahltransmissionsweg, der einen durch den Laserstrahloszillator 20 erzeugten Laserstrahl überträgt, bezeichnet 23 eine Kollimatorlinse, um parallele Strahlen zu erhalten, indem die aus der Lichtleitfaser 22 emittierten Laserstrahlen empfangen werden, und 24 bezeichnet eine Kondensorlinse zur mechanischen Bearbeitung, um die Ausgabe der Kollimatorlinse 23 zu empfangen und die Laserstrahlen auf einem mechanisch zu bearbeitenden Objekt zusammenzuführen. Der Laserstrahltransmissionsweg meint im allgemeinen Sinne einen optischen Transmissionsweg, der vom Laserstrahloszillator 20 zu einem mechanisch zu bearbeitenden Objekt verläuft. Bezugsziffer 25 bezeichnet ein Linsenschutzglas, um geschmolzene zerstäubende Objekte abzuhalten, die während der Periode einer Laserstrahlbestrahlung an dem mechanisch zu bearbeitenden Objekt erzeugt werden, und 26 bezeichnet ein durch den Laserstrahl mechanisch zu bearbeitendes Objekt.
  • Bezugsziffern 11 bis 16 bezeichnen optische Detektionssensoren, die entlang dem Laserstrahltransmissionsweg vorgesehen sind, 27 bezeichnet eine arithmetische Steuersektion, um die Charakteristiken des Laserstrahls zu erhalten, indem bei Empfang der Ausgabe der optischen Detektionssensoren 11 bis 16 ein vorbestimmter Prozess ausgeführt wird, und 28 bezeichnet eine Anzeigesektion, um den Zustand des Lasers anzuzeigen. Ein Mikroprozessor wird z.B. als die arithmetische Steuersektion 27 verwendet. Beispielsweise wird als die Anzeigesektion 28 eine Flüssigkristallanzeigesektion, eine CRT, eine Plasmaanzeige etc. genutzt. 3 zeigt ein Beispiel, in welchem mehrere optische Detektionssensoren angeordnet sind; die grundlegenden Charakteristiken des Laserstrahls können aber erhalten werden, falls es zumindest einen optischen Detektionssensor gibt.
  • Der Laserstrahl 1 wird vom Laserstrahloszillator 20 emittiert. Der emittierte Laserstrahl 1 wird durch die folgende Kondensorlinse 21 so zusammengeführt, dass er auf eine Eingangsfläche der Lichtleitfaser 22 fokussiert wird, und tritt in die Lichtleitfaser ein. Der Laserstrahl wird, nachdem er durch die Licht leitfaser 22 gelangt ist, aus der Lichtleitfaser 22 in die Kollimatorlinse 23 emittiert. Die Kollimatorlinse 23 macht die aus der Lichtleiterfaser emittierten gestreuten Strahlen zu parallelen Strahlen.
  • Die durch die Kollimatorlinse 23 parallelisierten Laserstrahlen treten in die Kondensorlinse 24 zur mechanischen Bearbeitung ein. Die Kondensorlinse 24 zur mechanischen Bearbeitung führt die parallelen Strahlen zusammen, und das mechanisch zu bearbeitende Objekt 26 wird damit bestrahlt. Durch die Bestrahlung der Laserstrahlen durchäluft das mechanisch zu bearbeitende Objekt 26 Prozesse wie z.B. Bohren, Schneiden, Schweißen und eine thermische Bearbeitung. Da das Linsenschutzglas 25 zwischen der Kondensorlinse 24 zur mechanischen Bearbeitung und dem mechanisch zu bearbeitenden Objekt 26 angeordnet ist, ist es in diesem Fall möglich, zu verhindern, dass geschmolzene zerstäubende Objekte, die am mechanisch zu bearbeitenden Objekt 26 erzeugt werden, an der Kondensorlinse 24 zur mechanischen Bearbeitung haften.
  • Während der Periode einer solchen Reihe von Prozessen zur mechanischen Bearbeitung mittels Laserstrahlen überwacht jeder der optischen Detektionssensoren 1116 die gestreuten Laserstrahlen an jeder Installationsposition. 4 ist ein Diagramm, das darstellt, wie der optische Detektionssensor die gestreuten Laserstrahlen detektiert. Die gleichen Buchstaben oder Ziffern sind den selben wie denjenigen in 3 zugeordnet. Man nimmt an, dass sich der Laserstrahl 1 wie schematisch gezeigt ausbreitet. Zu diesem Zeitpunkt wird angenommen, dass die Ausgangswellenform des Laserstrahloszillators (siehe 3) eine durch A dargestellte ist. Die vertikale Achse repräsentiert die Laserstrahlleistung, und die horizontale Achse repräsentiert die Zeit. Der Laserstrahl mit solch einer Wellenform wird vom Laserstrahloszillator 20 emittiert. Zu dieser Zeit erzeugt der Laserstrahl 1 gestreute Strahlen X, die bezüglich der Richtung, in der der Laserstrahl durchgeht, in zufällige Richtungen streuen. Die gestreuten Strahlen X werden durch einen optischen Detektionssensor 30 detektiert. Der optische Detektionssensor 30 entspricht jedem der in 3 gezeigten jeweiligen optischen Detektionssensoren 1116.
  • Eine PD (Photodiode) wird z.B. als der optische Detektionssensor 30 genutzt. Der optische Detektionssensor 30 ist dann dafür eingerichtet, die gestreuten Strahlen X in der Richtung von etwa 90 Grad bezüglich der Richtung, in der der Laserstrahl durchgeht, zu detektieren (überwachen). Die durch den optischen Detektionssensor 30 detektierten Signale werden in elektrische Signale umgewandelt und auf einem Oszilloskop 31 als eine Wellenform B beobachtet, die im wesentlichen die gleiche wie die Oszillationswellenform A des Laserstrahloszillators 20 ist.
  • 5 und 6 sind Diagramme, die einen Fall zeigen, in welchem eine Überwachung eines Zustands einer Laserstrahloszillation durch ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt wird. 5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Beobachtung des Zustands einer Laserstrahloszillation durch die gestreuten Strahlen darstellt. In der Figur repräsentiert die horizontale Achse die Ausgabe eines Leistungsmessgeräts, und die vertikale Achse repräsentiert die Ausgabe eines Leistungsmessgeräts (W) und die Ausgabe eines optischen Detektors (V). Diese Figur zeigt die gemessenen Werte des Leistungsmessgeräts bzw. die gemessenen Werte des optischen Detektionssensors (detektierte Ausgaben), wenn ein Laserstrahloszillator mit kontinuierlicher Oszillation verwendet und nur die Ausgabe variiert wird, während die Oszillationszeit konstant gehalten wird. P zeigt die Ausgangswellenform des Leistungsmessgeräts (dargestellt durch eine Schraffur), bzw. K zeigt die Ausgabe des optischen Detektionssensors.
  • In der Figur wird die Ausgabe P des Leistungsmessgeräts erhalten, indem die Leistung des Laserstrahls direkt gemessen wird, und die Ausgabe K des optischen Detektionssensors repräsentiert die Stärke des gestreuten Strahls, die gleichzeitig durch den optischen Detektionssensor gemessen wird. Falls die Leistung des Laserstrahls erhöht wird, nimmt die Ausgabe des Leistungsmessgeräts linear zu, wie durch P dargestellt ist. Im Gegensatz dazu repräsentiert die Ausgabe K des optischen Detektionssensors einen gesättigten Zustand bis zu einem gewissen Grad im Bereich hoher Ausgabe; aber man kann sagen, dass die Ausgabe K auch im wesentlichen im Verhältnis zur Ausgabe des Leistungsmessgerätes zunimmt. Daher ist es möglich, dass eine Messung unter Verwendung der Ausgabe des optischen Detektionssensors anstelle einer Messung der Strahlleistung unter Verwendung des Strahlleistungsmessgeräts durchgeführt wird.
  • 6 ist ein Diagramm, das die Überwachung der Wellenform von Oszillationsimpulsen zeigt. Die Figur auf der linken Seite zeigt eine eingestellte Wellenform, und die Figur auf der rechten Seite zeigt eine Wellenform f1 der Stromversorgung und eine überwachte Wellenform f2 des optischen Sensors, die ihr entspricht. In diesem Fall können die Ergebnisse der Inspektion der Impulswellenform bestätigt werden, indem die gestreuten Strahlen unter Verwendung eines Impulsoszillations-YAG-Lasers überwacht werden, der mit einer Steuerfunktion für Impulswellenformen ausgestattet ist. In dieser Figur sind die drei Wellenformen dargestellt: die Impulswellenform (dargestellt durch eine Schraffur), die unter Verwendung einer Anzeige zur Einstellung von Impulswellenformen eingestellt wird; die Wellenform f1 der Stromversorgung des Laserstrahloszillators zu dieser Zeit; und die Stärke f2 des gestreuten Strahls, der durch den optischen Detektionssensor überwacht wird. Die Wellenform f1 der Stromversorgung und die überwachte Wellenform f2 des optischen Sensors sind einander ähnlich. Wie oben beschrieben wurde, stellt man fest, dass eine der Wellenform der Stromversorgung ziemlich ähnliche Wellenform beobachtet werden kann, indem die gestreuten Strahlen überwacht werden.
  • Der optische Detektionssensor 11 ist zwischen dem Laserstrahloszillator 20 und der Kondensorlinse 21 zum Lenken von Strahlen in eine Lichtleitfaser angeordnet, der optische Detektionssensor 12 ist zwischen der Kondensorlinse 21 zum Lenken von Strahlen in eine Lichtleitfaser und der Lichtleiterfaser 22 angeordnet, der optische Detektionssensor 13 ist zwischen der Lichtleitfaser 22 und der Kollimatorlinse 23 angeordnet, der optische Detektionssensor 14 ist zwischen der Kollimatorlinse 23 und der Kondensorlinse 24 zur mechanischen Bearbeitung angeordnet, der optische Detektionssensor 15 ist zwischen der Kondensorlinse 24 zur mechanischen Bearbeitung und dem Linsenschutzglas 25 angeordnet, und der optische Detektionssensor 16 ist zwischen dem Linsenschutzglas 25 und dem mechanisch zu bearbeitenden Objekt 26 angeordnet.
  • Nun wird mit Verweis auf 3 die Erläuterung wieder aufgenommen. Die optischen Detektionssensoren 11 bis 16 erzeugen die jeweiligen Detektionsausgaben während der Periode einer mechanischen Bearbeitung mittels Laserstrahlen für die arithmetische Steuersektion 27. Die arithmetische Steuersektion 27 führt auf der Basis der Ausgaben der jeweiligen optischen Detektionssensoren 11 bis 16, welche die arithmetische Steuersektion empfangen hat, notwendige arithmetische Prozesse durch und zeigt das Ergebnis wie erforderlich an.
  • 7 ist ein Diagramm, das die zu überwachenden Inhalte und die Inhalte zeigt, die je nach den Messpositionen und den Differenzen zwischen den Positionen beurteilt werden können. Es wird angenommen, dass die die optischen Detektionssensoren 11 bis 16 bezeichnenden Bezugsziffern als die Symbole verwendet werden, die die Messpositionen repräsentieren. Es ist möglich, zu allen Zeiten den Zustand des Laserstrahloszillators und des optischen Transmissionssystems, das in der Laserstrahlmaschine eingebaut ist, zu überwachen, indem die Inhalte der jeweiligen optischen Detektionssensoren 11 bis 16 überwacht werden. Die Inhalte, die durch die optischen Detektionssensoren bestätigt werden können, und die Inhalte, die auf der Basis der Differenzen zwischen den Sensorausgaben vor und nach jeder der optischen Komponenten beurteilt werden können, werden im folgenden erläutert.
    • 1. Optischer Detektionssensor 11 (installiert unmittelbar nach dem Laserstrahloszillator) (i) Ob der Laserstrahloszillator 20 gemäß der von der arithmetischen Steuersektion 27 gesendeten Anweisung erzeugt hat, wird bestätigt. (ii) Überwachung der effektiven Ausgabe des Laserstrahloszillators 20 (iii) Impulsbreite und Impulswellenform, wenn ein Impulslaser genutzt wird. (iv) Laserstrahloszillationszeit, wenn ein Laser mit kontinuierlicher Oszillation verwendet wird. In diesem Fall schließen mögliche Aktionen und Maßnahmen eine automatische Einstellung oder Justierung und Meldung einer Anomalie auf der Basis des Vergleichs mit dem Standardwert, eine Meldung einer Anomalie basierend auf dem Vergleich mit dem Standardwert etc. ein.
    • 2. Messung einer Differenz zwischen den optischen Detektionssensoren 11 und 12. Bruch oder Kontamination der Kondensorlinse 21 zum Lenken des Strahls in eine Lichtleitfaser In diesem Fall schließen mögliche Aktionen und Maßnahmen die Meldung einer Anomalie ein.
    • 3. Messung einer Differenz zwischen dem optischen Detektionssensor 12 und dem optischen Detektionssensor 13. Bruch der Lichtleitfaser 22 oder schlechte Mittenjustierung zwischen der Linse zum Lenken von Strahlen in eine Lichtleitfaser und der Lichtleitfaser In diesem Fall schließen mögliche Aktionen und Maßnahmen die Meldung einer Anomalie ein.
    • 4. Messung einer Differenz zwischen dem optischen Detektionssensor 13 und dem optischen Detektionssensor 14. Bruch oder Kontamination der Kollimatorlinse 23 In diesem Fall schließen mögliche Aktionen und Maßnahmen eine Meldung einer Anomalie ein.
    • 5. Messung einer Differenz zwischen dem optischen Detektionssensor 14 und dem optischen Detektionssensor 15. Bruch oder Kontamination der Kondensorlinse zur mechanischen Bearbeitung In diesem Fall schließen mögliche Aktionen und Maßnahmen eine Meldung einer Anomalie ein.
    • 6. Messung einer Differenz zwischen dem optischen Detektionssensor 15 und dem optischen Detektionssensor 16. Kontamination des Linsenschutzglases 25 In diesem Fall schließen mögliche Aktionen und Maßnahmen einen Austausch des Schutzglases ein.
    • 7. Optischer Detektionssensor 16 Überwachen der effektiven Energie zur mechanischen Bearbeitung Ob das mechanisch zu bearbeitende Objekt 26 mit einem Laserstrahl gemäß der Anweisung bestrahlt wurde, die von der arithmetischen Steuersektion 27 gesendet wurde, wird bestätigt. Messung der effektiven Energie zur mechanischen Bearbeitung
  • Es ist möglich, dass die arithmetische Steuersektion 27 die Leistung des Laserstrahls auf einen optimalen Wert einstellt, indem die Differenz vom Standardwert, wie oben beschrieben wurde, berechnet wird, und gleichzeitig die Ausgabe des optischen Detektionssensors auf der Anzeigesektion 28 anzuzeigen, wie sie ist.
  • In diesem Fall schließen mögliche Aktionen und Maßnahmen eine automatische Justierung und Meldung einer Anomalie auf der Basis eines Vergleichs mit dem Standardwert und eine Meldung einer Anomalie ein, falls das Vorhandensein oder Fehlen der Laserstrahlbestrahlung von Belang ist.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist gemäß der vorliegenden Erfindung der optische Detektionssensor dafür eingerichtet, die gestreuten Strahlen, die aus dem Laserstrahltransmissionsweg gestreut werden, zu detektieren, und daher ist es möglich, dass der optische Detektionssensor den Zustand des Laserstrahls detektiert, ohne die Eigenschaften des Laserstrahls zu beeinflussen. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es deshalb möglich, zu überwachen: die vom Laserstrahloszillator 20 emittierte effektive Energie, mit der das mechanisch zu bearbeitende Objekt 26 bestrahlt wird, und den Oszillationszustand, ohne die Eigenschaften des Laserstrahls zu beeinflussen. Es ist auch möglich, die Bedingungen der effektiven Energie beizubehalten, mit der das mechanisch zu bearbeitende Objekt 26 bestrahlt wird, und eine Situation automatisch zu detektieren und anzuzeigen, in der eine Wartung notwendig ist.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung empfängt außerdem die arithmetische Steuersektion 27 die Ausgabe des optischen Detektionssensors, führt einen vorbestimmten arithmetischen Prozess durch und zeigt das Ergebnis auf der Anzeigesektion 28, und daher ist es möglich, eine Überwachung in Echtzeit in Bezug darauf, ob ein Laserstrahl durchgegangen ist, oder die Größe der Ausgabe durchzuführen.
  • In der vorliegenden Erfindung kann die arithmetische Steuersektion 27 überwachen: ob es Störungen im Laserstrahltransmissionsweg gibt, und die effektive Energie, mit der das mechanisch zu bearbeitenden Objekt 26 bestrahlt wird, indem die Ausgabe des optischen Detektionssensors empfangen wird.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung werden außerdem die Standardwerte der effektiven Energie zur mechanischen Bearbeitung, der Impulswellenform, der Bestrahlungszeit etc. vorher in einem Speichermittel als die Bedingungen für eine mechanische Bearbeitung gespeichert, unter denen Produkte hoher Qualität erhalten werden können, und die überwachten Werte werden zu allen Zeiten mit den Standardwerten verglichen, und deshalb ist es möglich, die Laserstrahlmaschine und die Qualität der mechanischen Bearbeitung zu steuern und gleichzeitig die optimalen Bedingungen automatisch beizubehalten und zu steuern, indem die Rückkoppelung über die Vergleichsergebnisse an den Laserstrahloszillator 20 geliefert werden. Da die arithmetische Steuersektion 27 die Ausgabe des optischen Detektionssensors mit dem Standardwert des optischen Detektionssensors vergleicht, der vorher in einem Speichermittel gespeichert wurde, ist es mit anderen Worten möglich, die Stärke des Laserstrahls auf der Basis der Vergleichsergebnisse auf einen optimalen Wert einzustellen.
  • Durch Beurteilen, welcher Detektionssensor Störungen detektiert hat, ist es außerdem noch möglich, den Teil des Laserstrahltransmissionswegs zu bestimmen, an welchem die Störungen existieren, und daher Sofortmaßnahmen zu ergreifen.
  • 8 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer gesamten Konfiguration eines Systems der vorliegenden Erfindung zeigt. Die gleichen Buchstaben oder Ziffern sind den gleichen Komponenten wie denjenigen in 3 zugeordnet. In der Figur bezeichnet Ziffer 20 den Laserstrahloszillator. Ziffer 21 bezeichnet die Kondensorlinse zum Zusammenführen und Lenken der Ausgaben vom Laserstrahloszillator 20 in eine Lichtleitfaser, und 40 bezeichnet einen Verbinder der Lichtleitfaser, um die Ausgangsstrahlen von der Kondensorlinse zum Lenken von Strahlen in eine Lichtleitfaser in die Lichtleitfaser 22 zu lenken. Ziffer 22 bezeichnet die Lichtleitfaser zum Übertragen des Laserstrahls, und 41 bezeichnet einen Verbinder für die Lichtleitfaser, um den aus der Lichtleitfaser 22 emittierten Laserstrahl in die Kollimatorlinse 23 zu leiten.
  • Ziffer 23 bezeichnet die Kollimatorlinse, um die von der Lichtleitfaser 22 emittierten Strahlen zu empfangen, um parallele Laserstrahlen zu erhalten, 42 bezeichnet einen Umlenkspiegel, um den von der Kollimatorlinse 23 emittierten Laserstrahl um 90 Grad umzulenken, 24 bezeichnet die Kondensorlinse zur mechanischen Bearbeitung, um den Laserstrahl vom Biegespiegel 42 zu empfangen und den Laserstrahl auf das mechanisch zu bearbeitende Objekt 26 zusammenzuführen, 26 bezeichnet das mechanisch zu bearbeitende Objekt, und 43 bezeichnet einen Tisch, um das mechanisch zu bearbeitende Objekt 26 zu platzieren und in einer dreidimensionalen Richtung (in der X-, Y- und Z-Richtung) zu bewegen.
  • Ziffer 50 bezeichnet eine Steuereinheit, um die gesamte Operation des Systems zu steuern. In der Steuereinheit 50 bezeichnet Ziffer 44 eine Empfangssektion für optische Sensoren, um die Ausgaben der optischen Detektionssensoren 11 bis 16 zu empfangen, die im Laserstrahltransmissionsweg angeordnet sind, 45 bezeichnet eine Datenbank für Standardwerte des Laserzustands, in der die Standardwerte der Laserstrahlbedingungen gespeichert sind, und 27 bezeichnet die arithmetische Steuersektion, um die Ausgabe von der Empfangssektion 44 für optische Sensoren zu empfangen und einen vorbestimmten Prozess auszuführen, um die Charakteristiken eines Laserstrahls zu erhalten. Als die arithmetische Steuersektion 27 wird z.B. ein Mikroprozessor verwendet. Ziffer 28 bezeichnet die Anzeigesektion, die mit der arithmetischen Steuersektion 27 verbunden ist und welche Fehler anzeigt, die aufgetreten sind, den Ort, wo die Fehler aufgetreten sind etc. Als die Anzeigesektion 28 wird die oben erwähnte Flüssigkristallanzeige, eine CRT, eine Plasmaanzeige etc. verwendet.
  • Ein Signal zur Steuerung der Laserstrahloszillationen wird von der Steuereinheit 50 an den Laserstrahloszillator 20 abgegeben, und ein Tischsteuersignal wird an den Tisch 43 abgegeben. Ziffern 11 bis 16 bezeichnen die optischen Detektionssensoren, die an die jeweiligen Positionen im Laserstrahltransmissionsweg angeordnet sind. Als der optische Detektionssensor wird z.B. eine Sonnenbatterie, eine Photodiode etc. genutzt. Die Operationen in dem in der oben erwähnten Weise konfigurierten System sind wie folgt:
    Der Laserstrahlsozillator 20 wird durch das von der Steuereinheit 50 abgegebene Signal zur Steuerung der Laserstrahloszillationen angesteuert und emittiert Laserstrahlen. Nachdem sie durch die Kondensorlinse 21 zum Lenken von Strahlen in eine Lichtleitfaser zusammengeführt sind, treten die emittierten Laserstrahlen über den Verbinder der Lichtleitfaser in die Lichtleitfaser 22 ein. Die Laserstrahlen, die durch die Lichtleitfaser 22 durchgegangen sind, treten über den Verbinder 41 der Lichtleitfaser in die Kollimatorlinse 23 ein. Die Kollimatorlinse 23 wandelt die Einfallsstrahlen in parallele Strahlen um. Die von Kollimatorlinse 23 emittierten Laserstrahlen werden durch den folgenden Umlenkspiegel 24 um 90 Grad umgelenkt und treten in die Kondensorlinse 24 zur mechanischen Bearbeitung ein. Die Kondensorlinse 24 führt die Einfallsstrahlen zusammen, um sie auf dem mechanisch zu bearbeitenden Objekt 26 zu fokussieren.
  • Infolgedessen können verschiedene Prozesse an dem mechanisch zu bearbeitenden Objekt 26 durchgeführt werden.
  • Der Tisch 43 empfängt hier das Steuersignal zur Steuerung des Tisches von der Steuereinheit 50 und bewegt sich um eine vorbestimmte Distanz in drei Richtungen. Wenn z.B. eine lineare Rille erzeugt wird, wird das mechanisch zu bearbeitende Objekt 26 in zwei Richtungen bewegt.
  • Während der Periode einer solchen Reihe von Operationen treten auf der anderen Seite die Ausgaben der optischen Detektionssensoren 11 bis 16 in die Empfangssektion 44 für optische Sensoren ein. Die arithmetische Steuersektion 27 empfängt die Ausgabe von der Empfangssektion 44 für optische Sensoren, führt verschiedene, in 7 gezeigte arithmetische Prozesse aus und zeigt die Ergebnisse auf der Anzeigesektion 28 an. Die arithmetische Steuersektion 27 vergleicht außerdem die Standardwerte der Laserstrahlabgabe, die in der Datenbank 45 für Standardwerte des Laserzustandes gespeichert sind, mit den Werten, die durch die optischen Detektionssensoren 11 bis 16 bei Empfang der optischen Detektionssignale detektiert werden. Die arithmetische Steuersektion 27 sendet dann ein Signal zur Steuerung der Laserstrahloszillation auf der Basis der Vergleichsergebnisse an den Laserstrahloszillator 20, so dass die Ausgabe des Laserstrahloszillators ein optimaler Wert ist. In diesem Fall beinhalten die Vergleichsoperationen z.B. das Vorsehen einer Rückkopplung, so dass der Standardwert einer Laserstrahlabgabe gleich dem gemessenen Wert wird, der durch den optischen Detektionssensor detektiert wird.
  • Wie oben beschrieben wurde, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, die effektive Energie vom Laserstrahloszillator, mit der das mechanisch zu bearbeitende Objekt bestrahlt wird, und den Zustand einer Oszillation zu überwachen, ohne die Eigenschaften eines Laserstrahls zu beeinflussen, und eine Überwachung kann durchgeführt werden, indem auf der Anzeigesektion die Charakteristiken des Laserstrahls an der Position jeder optischen Komponente in dem Laserstrahltransmissionssystem in Echtzeit angezeigt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es außerdem möglich, das Auftreten von Störungen zu verhindern, die die anormale Oszillation des Laserstrahloszillators und einen Bruch und eine Kontamination des optischen Transmissionssystems be gleiten. Außerdem ist es noch möglich, den Teil zu bestimmen, an welchem Störungen aufgetreten sind, und daher Sofortmaßnahmen zu treffen.

Claims (6)

  1. Verfahren zum Steuern einer Laserstrahlmaschine, umfassend: Anordnen zumindest eines optischen Detektionssensors entlang einem Laserstrahltransmissionsweg (Schritt 1); Detektieren gestreuter Strahlen, die aus dem Laserstrahltransmissionsweg gestreut werden, durch den optischen Detektionssensor (Schritt 2); und Erhalten der Charakteristiken eines Laserstrahls, indem die Ausgabe des optischen Detektionssensors empfangen wird (Schritt 3).
  2. Laserstrahlmaschine, mit: einem Laserstrahloszillator, um einen Laserstrahl zu erzeugen; einem Laserstrahltransmissionsweg, um den durch den Laserstrahloszillator erzeugten Laserstrahl durchzulassen; einer Kollimatorlinse, um Laserstrahlen, die vom Laserstrahltransmissionsweg emittiert wurden, zu empfangen, um parallele Laserstrahlen zu erhalten; einer Bearbeitungs-Kondensorlinse zum Empfangen der Ausgabe der Kollimatorlinse, um Laserstrahlen auf einem mechanisch zu bearbeitenden Objekt zusammenzuführen; zumindest einem optischen Detektionssensor, der entlang dem Laserstrahltransmissionsweg vorgesehen ist; und einer arithmetischen Steuersektion, um die Ausgabe des optischen Detektionssensors zu empfangen und einen vorbestimmten Prozess auszuführen, um die Charakteristik eines Laserstrahls zu erhalten.
  3. Laserstrahlmaschine nach Anspruch 2, worin die arithemtische Steuersektion den Durchgang des Laserstrahls und die Größe der Ausgabe auf der Basis eines Empfangs der Ausgabe des optischen Detektionssensors in Echtzeit überwacht.
  4. Laserstrahlmaschine nach Anspruch 2, worin bei Empfang der Ausgabe des optischen Detektionssensors die arithmetische Steuersektion überwacht, ob es in einem Laserstrahltransmissionsweg Störungen gibt, und die effektive Energie, mit der ein mechanisch zu bearbeitendes Objekt bestrahlt wird.
  5. Laserstrahlmaschine nach Anspruch 2, worin die arithmetische Steuersektion die Ausgabe des optischen Detektionssensors mit dem Standardwert der Ausgabe des optischen Detektionssensors vergleicht, der vorher in einem Speichermittel gespeichert wurde, und die Stärke des Laserstrahls auf der Basis des Vergleichsergebnisses einstellt.
  6. Laserstrahlmaschine nach Anspruch 2, worin ein Linsenschutzglas zwischen dem mechanisch zu bearbeitenden Objekt und der Kondensorlinse zur mechanischen Bearbeitung vorgesehen ist, um geschmolzene zerstäubende Objekte abzuhalten, die am mechanisch zu bearbeitenden Objekt erzeugt werden.
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