DE102020125009A1

DE102020125009A1 - Lasersystem und verfahren zur steuerung einer laservorrichtung

Info

Publication number: DE102020125009A1
Application number: DE102020125009.6A
Authority: DE
Inventors: Wataru Hanakawa; Hiroaki Tokito
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-10-02
Filing date: 2020-09-25
Publication date: 2021-04-08
Also published as: US20210104860A1; CN112589257A; JP2021057555A

Abstract

Es handelt sich um ein Lasersystem, das eine Überhitzung eines Lichtleitelements, das Laserlicht leitet, verhindert. Das Lasersystem umfasst eine Laservorrichtung mit einer Resonatoreinheit, die Laserlicht erzeugt, und einem Lichtleitelement, das das von der Resonatoreinheit erzeugte Laserlicht leitet, eine Detektionsvorrichtung, die die Temperatur der Laservorrichtung oder die Stärke des durch das Lichtleitelement geleiteten Laserlichts als Detektionswert detektiert, eine Ausstrahlungssteuereinheit, die eine Ausstrahlung des Laserlichts von der Resonatoreinheit zu dem Lichtleitelement anhält, wenn der Detektionswert einen vorab festgelegten Schwellenwert überstiegen hat, und eine Anhaltezeitbestimmungseinheit, die auf Basis des von der Detektionsvorrichtung detektierten Detektionswerts eine Anhaltezeit, für die die Ausstrahlung des Laserlichts durch die Ausstrahlungssteuereinheit angehalten wird, bestimmt.

Description

Allgemeiner Stand der Technik
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersystem und ein Verfahren zur Steuerung einer Laservorrichtung.
Beschreibung des Stands der Technik
Lasersysteme, die Betriebsanomalien durch Überwachen der Temperatur der Aufbauelemente detektieren, sind bekannt (siehe zum Beispiel die Patentoffenlegungsschrift 2011-24361). Herkömmlich stellt bei Lasersystemen das Überhitzen des Lichtleitelements, das das Laserlicht leitet, ein Problem dar.
Kurzdarstellung der Erfindung
Bei einer Form der vorliegenden Offenbarung umfasst ein Lasersystem eine Laservorrichtung mit einer Resonatoreinheit, die Laserlicht erzeugt, und einem Lichtleitelement, das das von der Resonatoreinheit erzeugte Laserlicht leitet, eine Detektionsvorrichtung, die die Temperatur der Laservorrichtung oder die Stärke des durch das Lichtleitelement geleiteten Laserlichts als Detektionswert detektiert, eine Ausstrahlungssteuereinheit, die eine Ausstrahlung des Laserlichts von der Resonatoreinheit zu dem Lichtleitelement anhält, wenn der Detektionswert einen vorab festgelegten Schwellenwert überstiegen hat, und eine Anhaltezeitbestimmungseinheit, die auf Basis des von der Detektionsvorrichtung detektierten Detektionswerts eine Anhaltezeit, für die die Ausstrahlung des Laserlichts durch die Ausstrahlungssteuereinheit angehalten wird, bestimmt.
Bei einer anderen Form der vorliegenden Offenbarung wird bei einem Verfahren zur Steuerung einer Laservorrichtung mit einer Resonatoreinheit, die Laserlicht erzeugt, und einem Lichtleitelement, das das von der Resonatoreinheit erzeugte Laserlicht leitet, die Temperatur der Laservorrichtung oder die Stärke des durch das Lichtleitelement geleiteten Laserlichts als Detektionswert detektiert, eine Ausstrahlung des Laserlichts von der Resonatoreinheit zu dem Lichtleitelement angehalten, wenn der Detektionswert einen vorab festgelegten Schwellenwert überstiegen hat, und auf Basis des detektierten Detektionswerts eine Anhaltezeit, für die die Ausstrahlung des Laserlichts angehalten wird, bestimmt.
Nach der vorliegenden Offenbarung wird die Ausstrahlung von Laserlicht für eine bestimmte Anhaltezeit angehalten, wenn der Detektionswert einen vorab festgelegten Schwellenwert überstiegen hat, wodurch verhindert werden kann, dass das Lichtleitelement überhitzt und bei diesem Lichtleitelement ein Problem (ein Verformen, ein Schmelzen oder dergleichen) auftritt. Durch das Bestimmen der Anhaltezeit auf Basis des Detektionswerts kann die Anhaltezeit automatisch als ideale Zeit für das Abkühlen des Lichtleitelements festgelegt werden.
Figurenliste

1 ist eine Ansicht eines Lasersystems nach einer Ausführungsform.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für den Betriebsablauf des Lasersystems zeigt.
3 ist eine Ansicht, die die zeitliche Veränderung der Temperatur des Lichtleitelements zeigt.
4 ist eine Ansicht eines Lasersystems nach einer anderen Ausführungsform.
5 ist eine Ansicht eines Lasersystems nach noch einer anderen Ausführungsform.
6 ist eine Ansicht eines Lasersystems nach noch einer anderen Ausführungsform.
7 ist eine Ansicht einer Laservorrichtung nach einer Ausführungsform und zeigt in einem Bereich B einen Querschnitt einer Lichtleitfaser.
8 ist eine vergrößerte Ansicht, in der der Hauptbereich der in 7 gezeigten Laservorrichtung vergrößert ist.
9 ist eine Ansicht einer Laservorrichtung nach einer anderen Ausführungsform.
10 ist eine vergrößerte Schnittansicht, in der der Hauptbereich der in 9 gezeigten Laservorrichtung vergrößert ist.
11 ist eine Ansicht, die eine andere Funktion des in 1 gezeigten Lasersystems zeigt.

Ausführliche Erklärung
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung anhand der Zeichnungen ausführlich erklärt. Bei den verschiedenen Ausführungsformen, die im Anschluss erklärt werden, sind gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und wird auf eine wiederholte Erklärung verzichtet. Zunächst wird unter Bezugnahme auf 1 ein Lasersystem 10 nach einer Ausführungsform erklärt. Das Lasersystem 10 ist ein Laserbearbeitungssystem, das Laserlicht L₁ zu einem Werkstück W strahlt und eine Laserbearbeitung vornimmt.
Das Lasersystem 10 umfasst eine Laservorrichtung 12, eine Steuervorrichtung 14 und Temperatursensoren 16, 18 und 20. Die Laservorrichtung 12 weist einen Laseroszillator 22, ein Lichtleitelement 24 und eine Kühlvorrichtung 26 auf. Der Laseroszillator 22 ist ein Gaslaseroszillator (zum Beispiel ein Kohlendioxidlaseroszillator) oder ein Festkörperlaseroszillator (zum Beispiel ein YAG-Laseroszillator oder ein Faserlaseroszillator) oder dergleichen und erzeugt Laserlicht und strahlt dieses zu dem Lichtleitelement 24 aus.
Konkret weist der Laseroszillator 22 eine Resonatoreinheit 28 und eine Laserstromquelle 30 auf. Die Resonatoreinheit 28 erzeugt durch eine Lichtoszillation in ihrem Inneren Laserlicht und strahlt dieses als Laserlicht L₁ zu dem Lichtleitelement 24 aus. Die Laserstromquelle 30 liefert der Resonatoreinheit 28 gemäß einem Befehl von der Steuervorrichtung 14 Strom für den Laserlichterzeugungsbetrieb durch die Resonatoreinheit 28. Das Lichtleitelement 24 weist ein optisches Aufbauelement wie etwa eine Lichtleitfaser, einen Lichtleitweg, Reflexionsspiegel oder optische Linsen und dergleichen auf und leitet das von der Resonatoreinheit 28 erzeugte Laserlicht L₁ zu dem Werkstück W.
Die Kühlvorrichtung 26 kühlt das Lichtleitelement 24. Konkret weist die Kühlvorrichtung 26 eine Flusserzeugungsvorrichtung 32 (eine Pumpe oder dergleichen) und einen Kühlmediumfließweg 34 auf. Der Kühlmediumfließweg 34 ist ein geschlossener Fließweg, der so ausgebildet ist, dass er durch einen Verlauf durch das Lichtelement 24 mit diesem Lichtleitelement 24 in Kontakt steht, und mit einem Kühlmedium (zum Beispiel Wasser) gefüllt ist. Der Kühlmediumfließweg 34 ist zum Beispiel durch ein Rohr, das mit dem Lichtleitelement 24 in Kontakt steht, und in dem Lichtleitelement 24 gebildete Öffnungen abgegrenzt.
Die Flusserzeugungsvorrichtung 32 bringt das Kühlmedium im Inneren des Kühlmediumfließwegs 34 gemäß einem Befehl von der Steuervorrichtung 14 zum Fließen in die Richtung des Pfeils A in 1. Zum Beispiel weist die Flusserzeugungsvorrichtung 32 einen im Inneren des Kühlmediumfließwegs 34 angeordneten Rotor und einen Motor (beide nicht dargestellt), der den Rotor dreht, auf. Das durch die Flusserzeugungsvorrichtung 32 in einen Fluss gebrachte Kühlmedium fließt in das Lichtleitelement 24 und tritt nach seinem Verlauf durch das Lichtleitelement 24 aus dem Lichtleitelement 24 aus. Auf diese Weise wird das Lichtleitelement 24 durch das im Inneren des Kühlmediumfließwegs 34 umlaufende Kühlmedium gekühlt.
Der Temperatursensor 16 ist an dem Lichtleitelement 24 ausgebildet und detektiert als Detektionswert eine Temperatur T₁ des Lichtleitelements 24. Folglich bildet der Temperatursensor 16 bei der vorliegenden Ausführungsform eine Detektionsvorrichtung, die die Temperatur T₁ der Laservorrichtung 12 (konkret, des Lichtleitelements 24) als Detektionswert detektiert. Der Temperatursensor 18 ist an einer stromaufwärts von dem Lichtleitelement 24 befindlichen Position an dem Kühlmediumfließweg 34 ausgebildet und detektiert eine Temperatur T₂ des in das Lichtleitelement 24 fließenden Kühlmediums. Der Temperatursensor 20 ist an einer stromabwärts von dem Lichtleitelement 24 befindlichen Position an dem Kühlmediumfließweg 34 ausgebildet und detektiert eine Temperatur T₃ des aus dem Lichtleitelement 24 austretenden Kühlmediums. Die Temperatursensoren 16, 18 und 20 weisen zum Beispiel Thermoelemente, Thermosäulen, Thermistorelemente oder Platin-Temperaturmesswiderstände auf.
Die Steuervorrichtung 14 steuert den Laserlichterzeugungsbetrieb des Laseroszillators 22 und den Kühlbetrieb der Kühlvorrichtung 26. Konkret weist die Steuervorrichtung 14 einen Prozessor 36, einen Speicher 38 und eine Zeitmesseinheit 40 auf. Der Prozessor 36 weist eine CPU, eine GPU oder dergleichen auf und ist über einen Bus 42 kommunikationsfähig mit dem Speicher 38 und der Zeitmesseinheit 40 verbunden. Der Prozessor 36 führt die Rechenverarbeitungen für verschiedene später besprochene Funktionen aus. Der Speicher 38 weist einen ROM und einen RAM und dergleichen auf und speichert verschiedene Daten. Die Zeitmesseinheit 40 misst die Zeit, die ab einem bestimmten Zeitpunkt vergangen ist.
Das durch die Resonatoreinheit 28 erzeugte Laserlicht L₁ wird durch das Lichtleitelement 24 geleitet und zu einem Werkstück W₁ gestrahlt, und das Werkstück W₁ wird durch dieses Laserlicht L₁ laserbearbeitet. Ein Teil des Laserlichts L₁, das zu dem Werkstück W₁ gestrahlt wurde, wird an der Oberfläche des Werkstücks W₁ reflektiert und als Rückkehrlicht L₂ durch das Lichtleitelement 24 zu der Resonatoreinheit 28 hin übertragen.
Das durch das Lichtleitelement 24 geleitete Laserlicht L (das heißt, das Laserlicht L₁ und das Rückkehrlicht L₂) können zu einer Ursache für eine Erwärmung der einzelnen Aufbauelemente des Laseroszillators 22 und des Lichtleitelements 24 werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform hält die Steuervorrichtung 14 die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 zu dem Lichtleitelement 24 an, um ein Überhitzen der Aufbauelemente des Laseroszillators 22 und des Lichtleitelements 24 zu verhindern.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 2 der Betrieb des Lasersystems 10 erklärt. Der Ablauf, der in 2 gezeigt ist, beginnt, wenn der Prozessor 36 von einem Betreiber, einem übergeordneten Computer oder einem Computerprogramm oder dergleichen einen Betriebsstartbefehl erhalten hat. In Schritt S1 beginnt der Prozessor 36 mit der Ausstrahlung von Laserlicht von der Resonatoreinheit 28 zu dem Lichtleitelement 24. Konkret betreibt der Prozessor 36 die Laserstromquelle 30, wodurch der Resonatoreinheit 28 Strom geliefert wird. Die Resonatoreinheit 28, die die Stromversorgung von der Laserstromquelle 30 erhält, erzeugt in ihrem Inneren Laserlicht und strahlt Laserlicht L₁ zu dem Lichtleitelement 24 aus.
In Schritt S2 beginnt der Prozessor 36 mit der Detektion des Detektionswerts T₁ durch den Temperatursensor 16. Konkret detektiert der Temperatursensor 16 die Temperatur T₁ des Lichtleitelements 24 fortlaufend (zum Beispiel periodisch) und sendet sie als Detektionswert T₁ sequentiell an die Steuervorrichtung 14. Zusammen mit der Detektion des Detektionswerts T₁ beginnt der Prozessor 36 mit der Temperaturdetektion durch die Temperatursensoren 18 und 20.
Konkret detektiert der Temperatursensor 18 eine Temperatur T₂ des Kühlmediums an einer stromaufwärts von dem Lichtleitelement 24 gelegenen Position fortlaufend (zum Beispiel periodisch) und sendet sie sequentiell an die Steuervorrichtung 14. Der Temperatursensor 20 detektiert eine Temperatur T₃ des Kühlmediums an einer stromabwärts von dem Lichtleitelement 24 gelegenen Position fortlaufend (zum Beispiel periodisch) und sendet sie sequentiell an die Steuervorrichtung 14. Der Prozessor 36 speichert die Temperatur (den Detektionswert) T₁ und die Temperaturen T₂ und T₃, die von den Temperatursensoren 16, 18 und 20 erlangt wurden, jeweils in dem Speicher 38.
In Schritt S3 bestimmt der Prozessor 36, ob der zuletzt erlangte Detektionswert T₁ einen Schwellenwert T_th1 überschritten hat (T₁ ≧ T_th1) oder nicht. Dieser Schwellenwert T_th1 wird von dem Betreiber festgelegt und vorab in dem Speicher 38 gespeichert. Bei T₁ ≧ T_th1 bestimmt der Prozessor 36 JA und geht zu Schritt S4 über, während er bei T₁ < T_th1 NEIN bestimmt und zu Schritt S8 übergeht.
In Schritt S4 hält der Prozessor 36 die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 zu dem Lichtleitelement 24 an. Als ein Beispiel gibt der Prozessor 36 einen Befehl zur Unterbrechung der Lieferung von Strom von der Laserstromquelle 30 an die Resonatoreinheit 28 an die Laserstromquelle 30 aus, wodurch der Laserlichterzeugungsbetrieb der Resonatoreinheit 28 angehalten wird.
Als anderes Beispiel kann der Laseroszillator 22 zudem eine Blende (nicht dargestellt) aufweisen, die in dem Lichtweg des Laserlichts L₁ zwischen der Resonatoreinheit 28 und dem Lichtleitelement 24 ausgebildet ist und den Lichtweg des Laserlichts L₁ öffnen und abdecken kann. In diesem Fall kann der Prozessor 36 die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 zu dem Lichtleitelement 24 durch Schließen dieser Blende unterbrechen, ohne den Laserlichterzeugungsbetrieb der Resonatoreinheit 28 anzuhalten.
Auf diese Weise wirkt der Prozessor 36 bei der vorliegenden Ausführungsform als Ausstrahlungssteuereinheit 44 (1), die die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 zu dem Lichtleitelement 24 anhält, wenn der Detektionswert T₁ den Schwellenwert T_th1 überstiegen hat. Außerdem startet der Prozessor 36 zu dem Zeitpunkt, zu dem er die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 angehalten hat, die Zeitmesseinheit 40, wodurch mit der Messung der vergangenen Zeit t ab dem Zeitpunkt t₁, zu dem die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 angehalten wurde, begonnen wird.
In Schritt S5 bestimmt der Prozessor 36 auf Basis des zuletzt erlangten Detektionswerts T₁ eine Anhaltezeit t_s, für die die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 zu dem Lichtleitelement 24 angehalten wird. Konkret ermittelt der Prozessor 36 die Anhaltezeit t_s durch eine bestimmte Berechnung unter Verwendung des Detektionswerts T₁. Anschließend wird das Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Anhaltezeit t_s erklärt.
Zunächst ermittelt der Prozessor 36 aus dem Detektionswert T₁ die Wärmemenge Q, die sich durch das Laserlicht L (das Laserlicht L₁, das Rückkehrlicht L₂) in dem Lichtleitelement 24 angesammelt hat. Als ein Beispiel kann die Wärmemenge Q unter Verwendung des Wärmekapazität C_G des Lichtleitelements 24 und der Temperatur T₁ (das heißt, des Detektionswerts T₁) dieses Lichtleitelements 24 aus der Formel Q = C_G × T₁ ermittelt werden.
Dann ermittelt der Prozessor 36 unter Verwendung der Temperatur T₂, die durch den Temperatursensor 18 detektiert wurde, und der Temperatur T₃, die durch den Temperatursensor 20 detektiert wurde, die Wärmeabstrahlungsmenge J des Lichtleitelements 24 durch die Kühlvorrichtung 26. Als ein Beispiel kann die Wärmeabstrahlungsmenge J unter Verwendung der zuletzt erlangten Temperaturen T₂ und T₃ und der Wärmeabstrahlungsmenge C_c des Kühlmediums aus der Formel J = ∫[C_C × (T₃ - T₂)]dt ermittelt werden. Die Integrationszeit dt kann als vorherbestimmte Zeit (zum Beispiel einige ms) festgelegt werden. Oder sie kann als Zeit, die mit der Periode τ₃ (oder einem ganzzahligen Vielfachen nτ₃ der Periode τ₃), mit der die Temperatursensoren 18 und 20 die Temperaturen T₂ und T₃ detektieren, übereinstimmt, festgelegt werden.
Dann ermittelt der Prozessor 36 unter Verwendung der Wärmemenge Q und der Wärmeabstrahlungsmenge J die Anhaltezeit t_s aus der Formel t_s = Q/J (= C_GT₁/∫[C_C × (T₃ - T₂)]dt). Auf diese Weise bestimmt der Prozessor 36 die Anhaltezeit t_s, indem er sie durch die wie oben beschriebenen Berechnungen ermittelt. Folglich wirkt der Prozessor 36 bei der vorliegenden Ausführungsform als Anhaltezeitbestimmungseinheit 46 (1), die auf Basis des Detektionswerts T₁ die Anhaltezeit t_s bestimmt. Die Berechnung der Anhaltezeit t_s ist nicht auf das Beispiel, das die oben beschriebenen Formeln verwendet, beschränkt, sie kann unter Verwendung anderer Formeln vorgenommen werden. Die Formeln, die für die Berechnung der Anhaltezeit t_s verwendet werden, können durch den Betreiber beliebig festgelegt werden.
In Schritt S6 bestimmt der Prozessor 36, ob die von der Zeitmesseinheit 40 gemessene vergangene Zeit t die in Schritt S5 bestimmte Anhaltezeit t_s erreicht hat (t = t_s) oder nicht. Wenn die vergangene Zeit t die Anhaltezeit t_s erreicht hat, bestimmt der Prozessor JA und geht zu Schritt S7 über, und wenn die vergangene Zeit t die Anhaltezeit t_s nicht erreicht hat (t < t_s), bestimmt er NEIN und führt Schritt S6 als Schleife aus.
In Schritt S7 beginnt der Prozessor 36 erneut mit der Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 zu dem Lichtleitelement 24. Als ein Beispiel gibt der Prozessor 36 einen Befehl zum Wiederbeginn der Lieferung von Strom von der Laserstromquelle 30 an die Resonatoreinheit 28 an die Laserstromquelle 30 aus, wodurch die Laserlichterzeugungstätigkeit der Resonatoreinheit 28 erneut begonnen wird. Als anderes Beispiel kann der Prozessor 36 dann, wenn der Laseroszillator 22 über die oben genannte Blende verfügt, die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 zu dem Lichtleitelement 24 durch Öffnen dieser Blende wiederbeginnen.
Der Prozessor 36 speichert die Position des Laserlichts L₁ in Bezug auf das Werkstück W zu dem Zeitpunkt t₁, zu dem in Schritt S4 die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ unterbrochen wurde, in dem Speicher 38 und nimmt den Wiederbeginn der Ausstrahlung des Laserlichts L₁ in Schritt S7 in einem Zustand vor, in dem das Laserlicht L₁ in Bezug auf das Werkstück W an der in dem Speicher 38 gespeicherten Position angeordnet wurde. Dadurch kann verhindert werden, dass die Qualität der Laserbearbeitung durch die Unterbrechung der Ausstrahlung des Laserlichts L₁ in Schritt S4 beeinflusst wird.
In Schritt S8 bestimmt der Prozessor 36, ob die Laserbearbeitungstätigkeit abgeschlossen ist oder nicht. Zum Beispiel bestimmt der Prozessor 36 durch Analysieren des Computerprogramms für die Laserbearbeitung, ob die ausgeführte Laserbearbeitung abgeschlossen ist oder nicht. Wenn der Prozessor 36 bestimmt, dass die Laserbearbeitungstätigkeit abgeschlossen ist (das heißt, JA), hält er den Laserlichterzeugungsbetrieb der Resonatoreinheit 28 an und beendet den in 2 gezeigten Ablauf. Wenn der Prozessor 36 andererseits bestimmt, dass die Laserbearbeitungstätigkeit nicht abgeschlossen ist (das heißt, NEIN), kehrt er zu Schritt S3 zurück.
Wie oben beschrieben wurde, bestimmt der Prozessor 36 dann, wenn der Detektionswert T₁ den Schwellenwert T_th1 überstiegen hat, auf Basis des Detektionswerts T₁ die Anhaltezeit t_s und hält die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 über den Zeitraum der bestimmten Anhaltezeit t_s an. 3 zeigt die Kurve der zeitlichen Veränderung der Temperatur T₁ des Lichtleitelements 24, während die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 über den Zeitraum der Anhaltezeit t_s angehalten wurde.
Bei der Kurve, die in 3 gezeigt ist, wird angenommen, dass zu dem Zeitpunkt t₁ eine Temperatur T_{1_MAX} detektiert wird und auf Basis dieser Temperatur T_{1_MAX} in Schritt S3 JA bestimmt wird und in Schritt S4 die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ angehalten wird. Wie in 3 gezeigt ist, nimmt die Temperatur T₁ nach dem Anhalten der Ausstrahlung des Laserlichts L₁ schlagartig von der Temperatur T_{1_MAX} ab und ist sie zu dem Zeitpunkt t₂ (= t₁+ t_s), zu dem seit dem Zeitpunkt t₁ die Anhaltezeit t_s vergangen ist, auf eine Temperatur T_{1_MIN} gefallen.
Bei dem Beispiel, das in 3 gezeigt ist, ist die Temperatur T_{1_MiN} ein Wert, der nahe an der Gleichgewichtstemperatur liegt, bei der die Temperatur T₁ nach dem Anhalten der Ausstrahlung des Laserlichts L₁ abnimmt und in einen Gleichgewichtszustand gelangt. Auf diese Weise kann durch vorübergehendes Anhalten der Ausstrahlung des Laserlichts L₁, wenn der Detektionswert (die Temperatur) T₁ den Schwellenwert T_th1 überstiegen hat, verhindert werden, dass das Lichtleitelement 24 überhitzt und bei diesem Lichtleitelement 24 ein Problem (ein Verformen, ein Schmelzen oder dergleichen) auftritt. Durch das Bestimmen der Anhaltezeit t_s auf Basis des Detektionswerts T₁ kann die Anhaltezeit t_s automatisch als ideale Zeit für das Abkühlen des Lichtleitelements 24 festgelegt werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ermittelt der Prozessor 36 die Anhaltezeit t_s durch eine bestimmte Berechnung unter Verwendung des Detektionswerts T₁. Noch konkreter ermittelt der Prozessor 36 als bestimmte Berechnung unter Verwendung des Detektionswerts T₁ die Wärmemenge Q und die Wärmeabstrahlungsmenge J und aus der Wärmemenge Q und der Wärmeabstrahlungsmenge J die Anhaltezeit t_s. Durch diese Ausführung ist es möglich, die Anhaltezeit t_s unter Einbeziehung der Wärmeabstrahlung durch die Kühlvorrichtung 26 quantitativ als Zeit, die wie in der Darstellung von 3 für das Abkühlen des Lichtleitelements 24 ideal ist, aus dem Detektionswert T₁ zu bestimmen.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 4 ein Lasersystem 50 nach einer anderen Ausführungsform erklärt. Das Lasersystem 50 unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Lasersystem 10 darin, dass keine Temperatursensoren 18 und 20 eingerichtet sind. Anschließend erfolgt unter Bezugnahme auf 2 eine Erklärung des Betriebs des Lasersystems 50. Der Prozessor 36 des Lasersystems 50 führt den in 2 gezeigten Ablauf aus. Hier unterscheidet sich der Betriebsablauf des Lasersystems 50 in Schritt S5 von jenem des Lasersystems 10. Konkret wirkt der Prozessor 36 des Lasersystems 50 in Schritt S5 als Anhaltezeitbestimmungseinheit 46 und bestimmt auf Basis des zuletzt erlangten Detektionswerts T₁ die Anhaltezeit t_s. Als ein Beispiel ist in dem Speicher 38 des Lasersystems 50 vorab eine erste Datentabelle gespeichert, die eine Beziehung zwischen der Temperatur T₁ des Lichtleitelements 24 und der Anhaltezeit t_s zeigt. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt ein Beispiel für die erste Datentabelle. Tabelle 1

Temperatur T₁ Anhaltezeit t_s

T_{1_1} t_{s_1}

T_{1_2} t_{s_2}

T_{1_3} t_{s_3}

• • • • • •

T_{1_n} t_{s_n}
Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, sind in der ersten Datentabelle mehrere Anhaltezeiten t_s in einem Zusammenhang mit Temperaturen T₁ gespeichert. Die wie in 3 gezeigte Veränderungscharakteristik bei der Veränderung der Temperatur T₁ des Lichtleitelements 24 von T_{1_MAX} bis T_{1_MIN} hängt von dem Material des Lichtleitelements 24 ab. Folglich kann für jedes Material des Lichtleitelements 24 eine erste Datentabelle experimentell oder durch eine Simulation oder dergleichen erstellt werden.
Der Prozessor 36 wendet in diesem Schritt S5 den zuletzt erlangten Detektionswert (die Temperatur) T₁ auf die erste Datentabelle an und sucht in der ersten Datentabelle die dem letzten Detektionswert T₁ entsprechende Anhaltezeit t_s. Auf diese Weise kann der Prozessor 36 die Anhaltezeit t_s aus dem Detektionswert T₁ bestimmen.
Anstatt die erste Datentabelle zu verwenden, kann der Prozessor 36 als anderes Beispiel auch aus dem zuletzt erlangten Detektionswert T₁ und dem Material des Lichtleitelements 24 eine nichtlineare Funktion annehmen, die der Abnahmecharakteristik der Temperatur T₁ in dem Bereich zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ in 3 entspricht. Der Prozessor 36 kann aus dieser nichtlinearen Funktion die Anhaltezeit t_s ermitteln.
Als noch ein anderes Beispiel erlangt der Prozessor 36 ferner wie in 3 gezeigt eine Temperatur T₁_Δ, die der Temperatursensor 16 zu einem um eine bestimmte Zeit Δt nach dem Zeitpunkt t₁ liegenden Zeitpunkt t₃ (= t₁ + Δt) detektiert hat. Diese bestimmte Zeit Δt wird zum Beispiel so festgelegt, dass sie mit der Periode τ₁ (oder einem ganzzahligen Vielfachen nτ₁ der Periode τ₁), mit der der Temperatursensor 16 die Temperatur T₁ detektiert, übereinstimmt.
Dann bestimmt der Prozessor 36 die Anhaltezeit t_s auf Basis des Grads der Veränderung (des Temperaturgefälles) des Detektionswerts T₁ von dem Zeitpunkt t₁ bis zu t₃. Dieser Grad der Veränderung wird zum Beispiel als Veränderungsausmaß des Detektionswerts (der Temperatur) T₁ von dem Zeitpunkt t₁ bis zu t₃ ΔT₁ = T_{1_MAX} - T₁_Δ oder als Tendenz des Detektionswerts T₁ von dem Zeitpunkt t₁ bis t₃ ΔT₁/Δt = (T_{1_MAX} - T_{1_Δ})/(t₃- t₁) ausgedrückt.
In dem Speicher 38 des Lasersystems 50 ist vorab eine zweite Datentabelle gespeichert, die eine Beziehung zwischen dem Grad der Veränderung (ΔT₁ oder ΔT₁/Δt) und der Anhaltezeit t_s zeigt. Diese zweite Datentabelle ist der in Tabelle 1 gezeigten Datentabelle ähnlich, wobei in dieser zweiten Datentabelle mehrere Anhaltezeiten t_s in einem Zusammenhang mit Graden der Veränderung (ΔT₁ oder ΔT₁/Δt) gespeichert sind. Die zweite Datentabelle kann für jedes Material des Lichtleitelements 24 experimentell oder durch eine Simulation oder dergleichen erstellt werden.
Der Prozessor 36 ermittelt in Schritt S5 aus den von dem Temperatursensor 16 erlangten Detektionswerten T_{1_MAX} und T_{1_}Δ den Grad der Veränderung (ΔT₁ oder ΔT₁/Δt) , wendet den erlangten Grad der Veränderung (ΔT₁ oder ΔT₁/Δt) auf die zweite Datentabelle an und sucht die entsprechende Anhaltezeit t_s. Auf diese Weise kann der Prozessor 36 die Anhaltezeit t_s aus den Detektionswerten T_{1_MAX} und T₁__Δ bestimmen.
Anstatt die oben beschriebene zweite Datentabelle zu verwenden, kann der Prozessor 36 als noch ein anderes Beispiel auch aus dem oben beschriebenen Grad der Veränderung (ΔT₁ oder ΔT₁/Δt) und dem Material des Lichtleitelements 24 eine nichtlineare Funktion annehmen, die der Abnahmecharakteristik der Temperatur T₁ in dem Bereich zwischen den Zeitpunkten t₃ und t₂ in 3 entspricht. Der Prozessor 36 kann aus dieser nichtlinearen Funktion die Anhaltezeit t_s ermitteln.
Wie oben beschrieben bestimmt der Prozessor 36 die Anhaltezeit t_s bei der vorliegenden Ausführungsform auf Basis des Detektionswerts T₁ des Temperatursensors 16 und einer Datentabelle oder einer nichtlinearen Funktion. Durch die vorliegende Ausführungsform kann die Anhaltezeit t_s ohne Verwendung der oben beschriebenen Temperatursensoren 18 und 20 bestimmt werden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 5 ein Lasersystem 60 nach noch einer anderen Ausführungsform erklärt. Das Lasersystem 60 unterscheidet sich in dem folgenden Punkt von dem oben beschriebenen Lasersystem 10. Das heißt, das Lasersystem 60 ist nicht mit einem Temperatursensor 16, sondern mit einem Lichtsensor 62 versehen.
Der Lichtsensor 62 weist eine Photodiode oder dergleichen auf, empfängt das Laserlicht L und detektiert die Stärke M (zum Beispiel die Laserstärke oder die Laserleistung) dieses Laserlichts L. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Lichtsensor 62 zwischen der Resonatoreinheit 28 und dem Lichtleitelement 24 angeordnet und detektiert als Detektionswert die Stärke M des durch das Lichtleitelement 24 geleiteten Laserlichts L (des Laserlichts L₁, des Rückkehrlichts L₂).
Folglich bildet der Lichtsensor 62 bei der vorliegenden Ausführungsform eine Detektionsvorrichtung, die die Stärke M des Laserlichts L detektiert. Der Lichtsensor 62 kann die Stärke M eines aus dem Laserlicht L₁ und dem Rückkehrlicht L₂ detektieren, oder der Lichtsensor 62 kann einen ersten Lichtsensor 62A, der die Stärke M des Laserlichts L₁ detektiert, und einen zweiten Lichtsensor 62B, der die Stärke M des Rückkehrlichts L₂ detektiert, aufweisen.
Anschließend erfolgt unter Bezugnahme auf 2 eine Erklärung des Betriebs des Lasersystems 60. Der Prozessor 36 des Lasersystems 60 führt den in 2 gezeigten Ablauf aus. Hier unterscheidet sich der Betriebsablauf des Lasersystems 60 in Schritt S2, S3 und S5 von jenem des Lasersystems 10.
In Schritt S2 beginnt der Prozessor 36 des Lasersystems 60 mit der Detektion des Detektionswerts M durch den Lichtsensor 62. Konkret detektiert der Lichtsensor 62 die Stärke M des Laserlichts L (des Laserlichts L₁, des Rückkehrlichts L₂) fortlaufend (zum Beispiel periodisch) und sendet sie als Detektionswert M sequentiell an die Steuervorrichtung 4. Der Prozessor 36 speichert den von dem Lichtsensor 62 erlangten Detektionswert M in dem Speicher 38.
In Schritt S3 bestimmt der Prozessor 36, ob der zuletzt erlangte Detektionswert M einen vorab festgelegten Schwellenwert M_th überstiegen hat (M ≧ M_th) oder nicht.
Dieser Schwellenwert M_th wird von dem Betreiber festgelegt und vorab in dem Speicher 38 gespeichert. Bei M ≧ M_th bestimmt der Prozessor 36 JA und geht zu Schritt S4 über, während er bei M < M_th NEIN bestimmt und zu Schritt S8 übergeht.
Alternativ kann der Prozessor 36 in diesem Schritt S3 JA bestimmen, wenn der zuletzt erlangte Detektionswert M den Schwellenwert M_th nach dem Überschreiten dieses Schwellenwerts M_th für eine bestimmte Zeit t_M fortlaufend überstiegen hat. Zum Beispiel bringt der Prozessor 36 die Zeitmesseinheit 40 zu dem Zeitpunkt, zu dem der zuletzt erlangte Detektionswert M den Schwellenwert M_th überschritten hat, dazu, eine vergangene Zeit t' zu messen.
Dann kann der Prozessor 36 beobachten, ob der Detektionswert M den Schwellenwert M_th so lange überschreitet, bis die vergangene Zeit t' eine bestimmte Zeit t_M erreicht, oder nicht und JA bestimmen, wenn der Schwellenwert M_th für die bestimmte Zeit t_M fortlaufend überstiegen wurde. Die bestimmte Zeit t_M wird von dem Betreiber vorab festgelegt und in dem Speicher 38 gespeichert.
In Schritt S5 wirkt der Prozessor als Anhaltezeitbestimmungseinheit 46 und bestimmt auf Basis des zuletzt erlangten Detektionswerts M die Anhaltezeit t_s. Konkret ermittelt der Prozessor 36 die Anhaltezeit t_s durch eine bestimmte Berechnung unter Verwendung des Detektionswerts M. Im Anschluss wird das Berechnungsverfahren zur Ermittlung der Anhaltezeit t_s erklärt.
Zunächst ermittelt der Prozessor 36 aus dem Detektionswert M die Wärmemenge Q, die sich durch das Laserlicht L in dem Lichtleitelement 24 angesammelt hat. Um die Wärmemenge Q zu ermitteln, ermittelt der Prozessor 36 zunächst die Lichtgesamtmenge I des Laserlichts L aus der Formel I = fM(t)dt. Hier ist M(t) die zeitliche Veränderung der Detektionswerte M, die der Lichtsensor 62 vor der Ausführung von Schritt S4 detektiert hat. Wenn der Lichtsensor 62 die Stärke M zum Beispiel mit einer Periode τ₂ detektiert, kann die Integrationszeit dt als ganzzahliges Vielfaches (nτ₂) der Periode τ₂ festgelegt werden. In diesem Fall wird die Lichtgesamtmenge I der Integralwert der in dem Zeitraum nτ₂ detektierten Detektionswerte M.
Dann ermittelt der Prozessor 36 unter Verwendung der Lichtgesamtmenge I eine Wärmeeinbringungsmenge q durch das Laserlicht L in das Lichtleitelement 24 als Funktion q = f(I) der Lichtgesamtmenge I. Die Parameter dieser Funktion f(I) können von dem Betreiber experimentell oder durch eine Simulation oder dergleichen beliebig festgelegt werden. Zum Beispiel kann die Funktion f(I) als Funktion, die die Zeit t und die Lichtgesamtmenge I als Parameter enthält, festgelegt werden.
Zusammen mit der Wärmeeinbringungsmenge q ermittelt der Prozessor 36 wie bei dem oben beschriebenen Lasersystem 10 unter Verwendung der durch den Temperatursensor 18 detektierten Temperatur T₂ und der durch den Temperatursensor 20 detektierten Temperatur T₃ die Wärmeabstrahlungsmenge J (= ∫[C_C × (T₃ - T₂)]dt) des Lichtleitelements 24 durch die Kühlvorrichtung 26. Anschließend ermittelt der Prozessor 36 unter Verwendung der Wärmeeinbringungsmenge q und der Wärmeabstrahlungsmenge J die Wärmemenge Q aus der Formel Q = q - J (= f (I) - ∫[C_C × (T₃ - T₂)]dt) .
Dann ermittelt der Prozessor 36 unter Verwendung der Wärmemenge Q und der Wärmeabstrahlungsmenge J die Anhaltezeit t_s aus der Formel t_s = Q/J (= q - J) /J = f (I) /J[Cc × (T₃ - T₂)]dt - 1). Auf diese Weise bestimmt der Prozessor 36 die Anhaltezeit t_s, indem er sie durch die wie oben beschriebenen Berechnungen ermittelt. Die Berechnung der Anhaltezeit t_s ist nicht auf das Beispiel, das die oben beschriebenen Formeln verwendet, beschränkt, sie kann unter Verwendung anderer Formeln vorgenommen werden. Die Formeln, die für die Berechnung der Anhaltezeit t_s verwendet werden, können durch den Betreiber beliebig festgelegt werden.
Auf diese Weise ermittelt der Prozessor 36 des Lasersystems 60 bei der vorliegenden Ausführungsform die Anhaltezeit t_s durch bestimmte Berechnungen unter Verwendung des Detektionswerts (der Stärke) M. Durch diese Ausführung ist es möglich, die Anhaltezeit t_s unter Einbeziehung der Wärmeabstrahlung durch die Kühlvorrichtung 26 quantitativ als Zeit, die wie in der Darstellung von 3 für das Abkühlen des Lichtleitelements 24 ideal ist, aus dem Detektionswert M zu bestimmen.
Der Prozessor 36 des Lasersystems 60 kann aus der durch den Lichtsensor 62 detektierten Stärke M des Rückkehrlichts L₂ durch eine Berechnung auch die Temperatur T₁ des Lichtleitelements 24 ermitteln. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 2 ein anderes Beispiel für den Betrieb des Lasersystems 60 erklärt. In Schritt S2 beginnt der Prozessor 36 mit der Detektion des Detektionswerts T₁.
Konkret detektiert der Lichtsensor 62 fortlaufend die Stärke M des Rückkehrlichts L₂ und erlangt der Prozessor 36 die Daten hinsichtlich der Stärke M sequentiell von dem Lichtsensor 62. Dann ermittelt der Prozessor 36 mit jeder Erlangung der Stärke M durch das oben beschriebene Berechnungsverfahren die Wärmeeinbringungsmenge q (q = F(I)) aus der Stärke M und die Wärmeabstrahlungsmenge J (= ∫[C_C × (T₃ - T₂)]dt) aus den Temperaturen T₂ und T₃.
Dann ermittelt der Prozessor unter Verwendung der Wärmeeinbringungsmenge q und der Wärmeabstrahlungsmenge J sowie der Wärmekapazität C_G des Lichtleitelements 24 die Temperatur T₁ des Lichtleitelements 24 aus der Formel T₁ = (q - J)/C_G (= (f(I) - ∫[C_C × (T₃ - T₂)]dt)/C_G). Auf diese Weise detektiert der Prozessor 36 unter Verwendung der durch den Lichtsensor 62 detektierten Stärke M des Rückkehrlichts L₂ die Temperatur T₁ des Lichtleitelements 24 als Detektionswert. Folglich bilden der Lichtsensor 62 und der Prozessor 36 bei dieser Ausführungsform die Detektionsvorrichtung, die den Detektionswert T₁ detektiert.
In Schritt S3 bestimmt der Prozessor 36, ob der zuletzt erlangte Detektionswert T₁ den Schwellenwert T_th1 überstiegen hat (T₁ ≧ T_th1) oder nicht. Bei T₁ ≧ T_th1 bestimmt der Prozessor 36 JA und geht zu Schritt S4 über, während er bei T₁ < T_th1 NEIN bestimmt und zu Schritt S8 übergeht. Nach der vorliegenden Ausführungsform kann der Detektionswert T₁ ohne Verwendung des oben beschriebenen Temperatursensors 16 auf Basis der durch den Lichtsensor 62 detektierten Stärke M des Rückkehrlichts L₂ detektiert werden. Da es außerdem möglich wird, den Detektionswert T₁ mit einer höheren Geschwindigkeit als bei einer Detektion durch den Temperatursensor 16 zu detektieren, kann der in 2 gezeigte Ablauf mit einer höheren Geschwindigkeit ausgeführt werden.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 6 ein Lasersystem 70 nach noch einer anderen Ausführungsform erklärt. Das Lasersystem 70 unterscheidet sich von dem oben beschriebenen Lasersystem 60 darin, dass keine Temperatursensoren 18 und 20 eingerichtet sind. Anschließend erfolgt unter Bezugnahme auf 2 eine Erklärung des Betriebs des Lasersystems 70.
Der Betriebsablauf des Lasersystems 70 unterscheidet sich in Schritt S2, S3 und S5 von jenem des oben beschriebenen Lasersystems 10. In Schritt S2 beginnt der Prozessor 36 des Lasersystems 70 mit der Detektion des Detektionswerts T₁. Konkret detektiert der Prozessor 36 die Temperatur T₁ des Lichtleitelements 24 so wie bei dem anderen Beispiel für den Betrieb des oben beschriebenen Lasersystems 60 mit jeder Detektion der Stärke des Laserlichts L durch den Lichtsensor 62 durch eine Berechnung als Detektionswert T₁ (T₁ = (q - J)/C_G).
In Schritt S3 bestimmt der Prozessor 36 wie bei dem anderen Beispiel für den Betrieb des oben beschriebenen Lasersystems 60, ob der zuletzt erlangte Detektionswert T₁ den Schwellenwert T_th1 überstiegen hat (T₁ ≧ T_th1) oder nicht. Dann wirkt der Prozessor 36 in Schritt S5 als Anhaltezeitbestimmungseinheit 46 und bestimmt wie bei dem oben beschriebenen Lasersystem 50 auf Basis des zuletzt erlangten Detektionswerts T₁ die Anhaltezeit t_s.
Als ein Beispiel wendet der Prozessor 36 den zuletzt erlangten Detektionswert T₁ auf die in der oben beschriebenen Tabelle 1 gezeigte erste Datentabelle an und sucht aus dieser ersten Datentabelle die Anhaltezeit t_s, die dem letzten Detektionswert T₁ entspricht. Als anderes Beispiel nimmt der Prozessor 36 eine nichtlineare Funktion, die der Abnahmecharakteristik der Temperatur T₁ in dem Bereich zwischen den Zeitpunkten t₁ und t₂ in 3 entspricht, an und ermittelt aus dieser nichtlinearen Funktion die Anhaltezeit t_s.
Auf diese Weise bestimmt der Prozessor 36 bei der vorliegenden Ausführungsform die Anhaltezeit t_s auf Basis des aus der Stärke M des Laserlichts L erlangten Detektionswerts T₁ und der Datentabelle oder der nichtlinearen Funktion. Durch diese Ausführung kann die Anhaltezeit t_s ohne Verwendung der oben beschriebenen Temperatursensoren 16, 18 und 20 bestimmt werden.
Die Eigenschaften der oben beschriebenen Lasersysteme 10, 50, 60 und 70 können auch kombiniert werden. Zum Beispiel kann das Lasersystem 10 ferner den Lichtsensor 62 umfassen und kann der Prozessor 36 die Schritte S2, S3 und S5 so wie bei dem Betriebsablauf des Lasersystems 50, 60 oder 70 ausführen.
In diesem Fall kann in Schritt S3 der Temperatursensor 16 die Temperatur T₁ als Detektionswert detektieren und der Lichtsensor 62 die Stärke M als Detektionswert detektieren. Dann kann der Prozessor 36 in Schritt S3 bestimmen, ob der Detektionswert T₁ oder M den Schwellenwert überstiegen hat oder nicht und in Schritt S5 die Anhaltezeit t_s auf Basis des Detektionswerts T₁ oder M bestimmen. Folglich bilden in diesem Fall der Temperatursensor 16 und der Lichtsensor 62 die Detektionsvorrichtung.
Der oben beschriebene Schritt S5 muss nicht unbedingt nach Schritt S4 ausgeführt werden. Zum Beispiel kann der Schritt S5 bei einer anderen Form als jener, bei der die Anhaltezeit t_s auf Basis des Grads der Veränderung (ΔT₁ oder ΔT₁/Δt) bestimmt wird, auch gleichzeitig mit dem Schritt S4 ausgeführt werden. Oder er kann vor dem Schritt S4 ausgeführt werden. Bei den oben beschriebenen Lasersystemen 10 und 60 wurde ein Fall beschrieben, bei dem die Wärmeabstrahlungsmenge J durch eine Berechnung (J = ∫[C_c × (T₃ - T₂)]dt) ermittelt wurde, doch besteht keine Beschränkung darauf und kann die Wärmeabstrahlungsmenge J als eine den Spezifikationen der Kühlvorrichtung 26 entsprechende Konstante festgelegt werden.
Ferner wurde bei den oben beschriebenen Lasersystemen 10 und 50 ein Fall beschrieben, bei dem der Temperatursensor 16 den Detektionswert T₁ detektiert und der Prozessor 36 in Schritt S3 bestimmt, ob der Detektionswert T₁ den Schwellenwert T_th1 überstiegen hat oder nicht. Doch der Temperatursensor 16 kann auch ein Temperaturschalter sein, der den Detektionswert T₁ detektiert und ein EIN-Signal an den Prozessor 36 sendet, wenn dieser Detektionswert T₁ den Schwellenwert T_th1 überstiegen hat. In diesem Fall bestimmt der Prozessor 36 in Schritt S3 JA, wenn das Ausgangssignal von dem Temperatursensor 16 zu EIN geworden ist.
Außerdem wurde bei den oben beschriebenen Lasersystemen 10, 50, 60 und 70 ein Fall beschrieben, bei dem der Prozessor 36 in Schritt S7 die Ausstrahlung des Laserlichts von der Resonatoreinheit 28 erneut beginnt. Doch der Prozessor 36 kann den angehaltenen Zustand der Laserlichtausstrahlung unter bestimmten Bedingungen auch beibehalten.
Wenn zum Beispiel eine andere Betriebsinformation der Laservorrichtung 12 (die Kühlmediumfließmenge in dem Kühlmediumfließweg 34, der Laserausgangsleistungswert des Laserlichts L₁ oder dergleichen) als der Detektionswert T₁, M keinen normalen Betriebszustand anzeigt (beispielsweise außerhalb des zulässigen Bereichs liegt), kann der Prozessor 36 den angehaltenen Zustand der Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 beibehalten, indem er den Schritt S7 trotz einer Bestimmung von JA in Schritt S6 nicht ausführt.
Für die oben beschriebene Laservorrichtung 12 gibt es verschiedene Arten. Nachstehend wird unter Bezugnahme auf 7 eine Ausführungsform der Laservorrichtung 12 erklärt. Die in 7 gezeigte Laservorrichtung 12A weist einen Laseroszillator 22A, die Kühlvorrichtung 26, die Lichtleitfaser 80, ein Anschlusselement 82 und einen Bearbeitungskopf 84 auf.
Der Laseroszillator 22A ist ein Festkörperlaseroszillator, der eine Resonatoreinheit 28A, Laserstromquellen 30A und 30B und einen Strahlkombinierer 88 aufweist. Die Resonatoreinheit 28A weist mehrere Lichtquelleneinheiten 86A und 86B auf, wobei jede der mehreren Lichtquelleneinheiten 86A und 86B eine Laserdiode aufweist, die Laserlicht oszilliert.
Jede der Lichtquelleneinheiten 86A und 86B verstärkt das von der Laserdiode oszillierte Laserlicht durch eine optische Resonanz und gibt es an den Strahlkombinierer 88 aus. Die Laserstromquellen 30A und 30B liefern den Lichtquelleneinheiten 86A und 86B auf Befehl von der Steuervorrichtung 14 jeweils den Strom für den Laserlichterzeugungsbetrieb. Der Strahlkombinierer 88 vereinigt das von den Lichtquelleneinheiten 86A und 86B ausgegebene Laserlicht und strahlt es als Laserlicht L₁ zu der Lichtleitfaser 80 aus.
Die Lichtleitfaser 80 leitet das von der Resonatoreinheit 28A erzeugte Laserlicht L₁ zu dem Anschlusselement 82. Konkret weist die Lichtleitfaser 80 wie in dem Bereich B von 7 gezeigt eine Kernleitung 90 und eine Umhüllung 92, die den Außenumfang der Kernleitung 90 bedeckt, auf. Die Kernleitung 90 weist einen Kern 94 und einen Mantel 96, der so konzentrisch mit dem Kern 94 angeordnet ist, dass er den Außenumfang des Kerns 94 bedeckt, auf. Das von dem Strahlkombinierer 88 ausgestrahlte Laserlicht L₁ wird in den Kern 94 eingestrahlt und in dem Kern 94 zu dem Anschlusselement 82 übertragen. Die Lichtleitfaser 80 wird an das Anschlusselement 82 angeschlossen.
Das Anschlusselement 82 leitet das im Inneren der Lichtleitfaser 80 übertragene Laserlicht L₁ zu dem Bearbeitungskopf 84. Nachstehend erfolgt unter Bezugnahme auf 8 eine Erklärung des Anschlusselements 82. Das Anschlusselement 82 weist einen hohlen Hauptkörper 98 und einen im Inneren des Hauptkörpers 98 angeordneten Lichtleitkörper 100 auf. Die Lichtleitfaser 80 ist an das Basisende des Hauptkörpers 98 angeschlossen, und der Bearbeitungskopf 84 ist mit seinem vorderen Ende gekoppelt.
Die Umhüllung 92 der an das Basisende des Hauptkörpers 98 angeschlossenen Lichtleitfaser 80 endet an dem Basisende des Hauptkörpers 98, während die Kernleitung 90 durch das Innere des Hauptkörpers 98 verläuft und an seinem vorderem Ende an den Lichtleitkörper 100 angeschlossen (zum Beispiel geschweißt) ist. Auf Seiten des Außenumfangs der durch das Innere des Hauptkörpers 98 verlaufenden Kernleitung 90 ist ein Modenabstreifer 101 ausgebildet.
Der Modenabstreifer 101 weist eine unebene Form auf, diffundiert das im Inneren des Mantels 96 übertragene Rückkehrlicht L₂ und dämpft dieses Rückkehrlicht L₂. Das im Inneren des Kerns 94 der Kernleitung 90 übertragene Laserlicht L₁ strahlt in den Lichtleitkörper 100 ein und verläuft durch das Innere des Lichtleitkörpers 100 zu dem Bearbeitungskopf 84. Der Lichtleitkörper 100 ist zum Beispiel aus Quarz gebildet und an dem vorderen Ende des Hauptkörpers 98 angeordnet.
Ein Teil des Kühlmediumfließwegs 34 der Kühlvorrichtung 26 ist in dem Hauptkörper 98 gebildet. Das Kühlmedium, das durch die Flusserzeugungsvorrichtung 32 im Inneren des Kühlmediumfließwegs 34 in die Richtung des Pfeils A fließt, fließt in den Hauptkörper 98 und durch den Hauptkörper 98 und tritt danach aus dem Hauptkörper 98 aus. Durch das so fließende Kühlmedium werden der Hauptkörper 98 und der Lichtleitkörper 100 gekühlt.
Der Bearbeitungskopf 84 leitet das von dem Anschlusselement 82 eingestrahlte Laserlicht L₁ und strahlt dieses zu dem Werkstück W. Konkret weist der Bearbeitungskopf 84 wie in 7 und 8 gezeigt einen Kopfhauptkörper 102, eine Düse 104, einen Reflexionsspiegel 106 und eine optische Linse 108 auf. Der Kopfhauptkörper 102 ist hohl und hält in seinem Inneren den Reflexionsspiegel 106 und die optische Linse 108.
Der Kopfhauptkörper 102 ist an dem vorderen Ende des Hauptkörpers 98 des Anschlusselements 82 fixiert. An dem Kopfhauptkörper 102 ist in dem Verbindungsbereich mit dem Hauptkörper 98 ein Lichtempfangsabschnitt 102a ausgebildet. Der Lichtempfangsabschnitt 102a erhält das durch das Innere des Lichtleitkörpers 100 verlaufene Laserlicht L₁ und leitet dieses zu dem Reflexionsspiegel 106.
Der Reflexionsspiegel 106 ist zum Beispiel ein Totalreflexionsspiegel und reflektiert das Laserlicht L₁ von dem Lichtempfangsabschnitt 102a zu der optischen Linse 108. Die optische Linse 108 weist eine Fokussierlinse auf, fokussiert das Laserlicht L₁ von dem Reflexionsspiegel 106 und strahlt es zu dem Werkstück W. Die Düse 104 ist hohl und weist eine Ausstrahlungsöffnung 104a auf. Das durch die optische Linse 108 fokussierte Laserlicht L₁ wird von der Ausstrahlungsöffnung 104a zu dem Werkstück W ausgestrahlt.
Wie oben beschrieben ist, wird das durch die Resonatoreinheit 28A erzeugte Laserlicht L₁ durch den Strahlkombinierer 88, die Lichtleitfaser 80, das Anschlusselement 82 und den Bearbeitungskopf 82 geleitet und zu dem Werkstück W gestrahlt. Folglich bilden die einzelnen Aufbauelemente des Strahlkombinierers 88, der Lichtleitfaser 80, des Anschlusselements 82 und des Bearbeitungskopfs 84 das oben genannte Lichtleitelement 24.
Ein Teil des Laserlichts L₁, das auf das Werkstück W gestrahlt wurde, wird an der Oberfläche des Werkstücks W reflektiert und als Rückkehrlicht L₂ zu der Resonatoreinheit 28A hin übertragen. Konkret strahlt das Rückkehrlicht L₂ über die optische Linse 108, den Reflexionsspiegel 106 und den Lichtleitkörper 100 in die Kernleitung 90 der Lichtleitfaser 80 ein. Da das Rückkehrlicht L₂ Streulicht bildet, strahlt es in den Mantel 96 der Kernleitung 90 ein und wird im Inneren des Mantels 96 zu der Resonatoreinheit 28A hin übertragen.
Wie in 8 gezeigt ist, ist der Temperatursensor 18 an einer stromaufwärts von dem Hauptkörper 98 befindlichen Position an dem Kühlmediumfließweg 34 ausgebildet und detektiert die Temperatur T₂ des in den Hauptkörper 98 fließenden Kühlmediums. Der Temperatursensor 20 wiederum ist an einer stromabwärts von dem Hauptkörper 98 befindlichen Position an dem Kühlmediumfließweg 34 ausgebildet und detektiert die Temperatur T₃ des aus dem Hauptkörper 98 austretenden Kühlmediums. Der Temperatursensor 16 ist so an dem Hauptkörper 98 oder an dem Kopfhauptkörper 102 ausgebildet, dass er sich nahe an dem Lichtleitkörper 100 befindet, und detektiert die Temperatur T₁ des Anschlusselements 82 (konkret, des Lichtleitkörpers 100).
Und wie in 7 gezeigt ist, ist der Lichtsensor 62 zwischen dem Strahlkombinierer 88 und der Lichtleitfaser 80 angeordnet. Nun stellt das Rückkehrlicht L₂, das im Inneren des Mantels 96 zu dem Resonatoreinheit 28A hin übertragen wird, einen Grund für eine Erwärmung der Lichtleitfaser 80 und des Anschlusselements 82 (zum Beispiel des Verbindungsbereichs zwischen dem Lichtleitkörper 100 und der Kernleitung 90, des Modenabstreifers 101) dar. Bei der vorliegenden Ausführungsform soll der Lichtsensor 62 eine Überhitzung des Lichtleitelements durch das Rückkehrlicht L₂ verhindern, und ist er so ausgeführt, dass er die Stärke M des im Inneren des Mantels 96 übertragenen Rückkehrlichts L₂ detektiert. Doch der Lichtsensor 62 kann auch das Laserlicht L₁ detektieren.
Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 9 und 10 eine andere Ausführungsform der Laservorrichtung 12 erklärt. Die in 9 und 10 gezeigte Laservorrichtung 12B weist einen Laseroszillator 22B, die Kühlvorrichtung 26 einen Lichtleitaufbau 110 und den Bearbeitungskopf 84 auf. Der Laseroszillator 22B ist ein Gaslaseroszillator und weist eine Resonatoreinheit 28B und die Laserstromquelle 30 auf.
Die Resonatoreinheit 28B weist einen hinteren Spiegel 112, einen Ausgabespiegel 114 und eine Entladungsröhre 116 auf. Der hintere Spiegel 112 ist ein Totalreflexionsspiegel, während der Ausgabespiegel 114 ein Teilreflexionsspiegel ist, und der hintere Spiegel 112 und der Ausgabespiegel 114 sind einander gegenüberliegend angeordnet. Die Entladungsröhre 116 ist hohl, und in ihr Inneres wird ein Lasermedium (zum Beispiel CO₂) geliefert. Die Entladungsröhre 116 erhält eine Stromversorgung von der Laserstromquelle 30, erzeugt in ihrem Inneren eine Entladung und regt das Lasermedium an. Das im Inneren der Entladungsröhre 116 erzeugte Laserlicht resoniert optisch zwischen dem hinteren Spiegel 112 und dem Ausgabespiegel 114 und wird von dem Ausgabespiegel 114 als Laserlicht L₁ ausgestrahlt.
Der Lichtleitaufbau 110 leitet das von dem Ausgabespiegel 114 ausgestrahlte Laserlicht L₁ zu dem Bearbeitungskopf 84. Der Lichtleitaufbau 110 weist einen Gehäusekörper 118, der einen hohlen Lichtleitweg, in dem das Laserlicht L₁ übertragen wird, abgrenzt, und einen im Inneren des Gehäusekörpers 118 angeordneten Reflexionsspiegel (nicht dargestellt), der das Laserlicht L₁ in eine bestimmte Richtung reflektiert, auf.
Wie in 10 gezeigt ist, strahlt das durch den Lichtleitaufbau 110 übertragene Laserlicht L₁ in den Lichtempfangsabschnitt 102a des Bearbeitungskopfs 84 ein und wird zu dem Reflexionsspiegel 106 geleitet. Auf diese Weise wird das von der Resonatoreinheit 28B gebildete Laserlicht L₁ durch den Lichtleitaufbau 110 und den Bearbeitungskopf 84 geleitet und zu dem Werkstück W gestrahlt. Folglich bilden die einzelnen Aufbauelemente des Lichtleitaufbaus 110 und des Bearbeitungskopfs 84 das oben genannte Lichtleitelement 24.
Bei der vorliegenden Ausführungsform weist der Reflexionsspiegel 106 einen Spiegelhauptkörper 106a und eine an der Rückfläche des Spiegelhauptkörpers 106a ausgebildete Halterung 106b auf. Ein Teil des Kühlmediumfließwegs 34 der Kühlvorrichtung 26 ist in der Halterung 106b gebildet. Das Kühlmedium, das durch die Flusserzeugungsvorrichtung 32 im Inneren des Kühlmediumfließwegs 34 in die Richtung des Pfeils A fließt, fließt in die Halterung 106b und durch die Halterung 106b und tritt danach aus der Halterung 106b aus. Durch das so fließende Kühlmedium wird der Reflexionsspiegel 106 gekühlt.
Der Temperatursensor 18 ist an einer stromaufwärts von der Halterung 106b befindlichen Position an dem Kühlmediumfließweg 34 angeordnet und detektiert die Temperatur T₂ des in die Halterung 106a fließenden Kühlmediums. Der Temperatursensor 20 wiederum ist an einer stromabwärts von der Halterung 106b befindlichen Position an dem Kühlmediumfließweg 34 angeordnet und detektiert die Temperatur T₃ des aus der Halterung 106b austretenden Kühlmediums.
Der Temperatursensor 16 ist an der Halterung 106b ausgebildet und detektiert die Temperatur T₁ des Reflexionsspiegels 106. Und wie in 9 gezeigt ist, ist der Lichtsensor 62 zwischen der Resonatoreinheit 26B und dem Lichtleitaufbau 110 angeordnet. Der Lichtsensor 62 ist so ausgeführt, dass er die Stärke M wenigstens eines aus dem Laserlicht L₁ und dem Rückkehrlicht L₂ detektiert. Es versteht sich, dass die Kühlvorrichtung 26 und die Temperatursensoren 16, 18 und 20 bei der oben beschriebenen Laservorrichtung 12A oder 12B auch an beliebigen anderen Lichtleitelementen (zum Beispiel an der optischen Linse 108) ausgebildet werden können.
Bei den oben beschriebenen Lasersystemen 10, 50, 60 und 70 kann auch eine Warnung ausgegeben werden, wenn der Prozessor 36 in Schritt S3 JA bestimmt. Anschließend wird unter Bezugnahme auf 2 und 11 eine derartige Ausführungsweise erklärt. Wenn der Prozessor 36 bei dem Lasersystem 10 in Schritt S3 JA bestimmt, erzeugt er ein Warnsignal mit dem Inhalt, dass „die Gefahr besteht, dass das Lichtleitelement in einen Überhitzungszustand gelangt“, als Sprachausgabe oder in Form einer Bildschirmanzeige. Dann gibt der Prozessor 36 das erzeugte Warnsignal über einen Lautsprecher oder eine Anzeigevorrichtung (beides nicht dargestellt), der oder die an der Steuervorrichtung 14 ausgebildet ist, aus. Auf diese Weise wirkt der Prozessor 36 als Warnungserzeugungseinheit 120, die ein Warnsignal erzeugt.
Wenn der Prozessor 36 während der Ausführung von Schritt S6 als Schleife nach einer Bestimmung von NEIN in diesem Schritt S6 (das heißt, während das Anhalten der Ausstrahlung des Laserlichts L₁ fortgesetzt wird) von dem Betreiber, dem übergeordneten Computer oder dem Computerprogramm einen Befehl zur Laserlichtausstrahlung erhalten hat, kann er als Warnungserzeugungseinheit 120 wirken und ein zweites Warnsignal mit dem Inhalt, dass zum Abkühlen des Lichtleitelements 24 mit der Laserlichtausstrahlung gewartet wird, erzeugen.
Der Prozessor 36 des Lasersystems 10, 50, 60 oder 70 kann nach Schritt S5 auch ein Restzeitsignal erzeugen, das eine Restzeit t_R (= t_s - t), bis die von der Zeitmesseinheit 40 gemessene vergangene Zeit t die Anhaltezeit t_s erreicht, anzeigt. Dann kann der Prozessor 36 die Restzeit t_R zum Beispiel an der an der Steuervorrichtung 14 ausgebildeten Anzeigevorrichtung anzeigen. Durch diese Ausführung kann der Betreiber den Zeitpunkt, zu dem das Anhalten der Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 aufgehoben wird, intuitiv erfassen.
Der Prozessor 36 des Lasersystems 10, 50, 60 oder 70 kann auch einen Betriebsmodus OM des Laseroszillators 22 (der Resonatoreinheit 28) gemäß der in Schritt S5 bestimmten Anhaltezeit t_s steuern. Zum Beispiel kann der Prozessor 36 den Betriebsmodus OM dann, wenn die bestimmte Anhaltezeit t_s höchstens einen bestimmten Schwellenwert beträgt, auf einen Standardwartemodus OM₁ steuern und den Betriebsmodus OM dann, wenn die Wartezeit t_s länger als der bestimmte Schwellenwert ist, auf einen Energiesparmodus OM₂ steuern.
Hier ist der Standardwartemodus OM₁ zum Beispiel ein Betriebsmodus, in dem zwar die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ von der Resonatoreinheit 28 angehalten wird, aber die Stromversorgung der Resonatoreinheit 28 durch die Laserstromquelle 30 teilweise fortgesetzt wird, damit die Resonatoreinheit 28 die Ausstrahlung des Laserlichts L₁ rasch erneut beginnen kann. Der Energiesparmodus OM₂ ist zum Beispiel ein Betriebsmodus, bei dem die Stromversorgung der Resonatoreinheit 28 durch die Laserstromquelle 30 vollständig unterbrochen (das heißt, auf null gebracht) wird.
Der Stromverbrauch des Laseroszillators 22 im Standardwartemodus OM₁ ist höher als im Energiesparmodus OM₂. Auf diese Weise können der Stromverbrauch des Laseroszillators 22 und die Zeit bis zu dem Wiederbeginn der Ausstrahlung des Laserlichts L₁ durch Steuern des Betriebsmodus OM des Laseroszillators 22 gemäß der in Schritt S5 bestimmten Anhaltezeit t_s optimiert werden.
Der Prozessor 36 kann anstelle des Detektionswerts T₁ durch den oben beschriebenen Temperatursensor 16 auch die Temperatur T₂ durch den Temperatursensor 18 als Detektionswert detektieren. In diesem Fall beginnt der Prozessor 36 in Schritt S2 mit der Detektion des Detektionswerts T₂ und führt Schritt S3 auf Basis dieses Detektionswerts T₂ aus. Dann bestimmt der Prozessor 36 in Schritt S3 die Anhaltezeit t_s auf Basis des Detektionswerts T₂.
Beispielsweise kann der Prozessor 36 die Anhaltezeit t_s auf Basis des Detektionswerts T₂ und einer bestimmten Berechnung, einer Datentabelle (der ersten Datentabelle, der zweiten Datentabelle) oder einer nichtlinearen Funktion bestimmen. Im Vorhergehenden wurde die vorliegende Offenbarung durch Ausführungsformen erklärt, doch beschränken die oben beschriebenen Ausführungsformen die Erfindung nach den Patentansprüchen nicht.

Claims

Lasersystem (10), umfassend eine Laservorrichtung (12) mit einer Resonatoreinheit (28), die Laserlicht erzeugt, und einem Lichtleitelement (24), das das von der Resonatoreinheit (28 erzeugte Laserlicht leitet; eine Detektionsvorrichtung, die die Temperatur der Laservorrichtung (12) oder die Stärke des durch das Lichtleitelement (24) geleiteten Laserlichts als Detektionswert detektiert; eine Ausstrahlungssteuereinheit (44), die eine Ausstrahlung des Laserlichts von der Resonatoreinheit (28) zu dem Lichtleitelement (24) anhält, wenn der Detektionswert einen vorab festgelegten Schwellenwert überstiegen hat; und eine Anhaltezeitbestimmungseinheit (46), die auf Basis des von der Detektionsvorrichtung detektierten Detektionswerts eine Anhaltezeit, für die die Ausstrahlung des Laserlichts durch die Ausstrahlungssteuereinheit (44) angehalten wird, bestimmt.
Lasersystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Anhaltezeitbestimmungseinheit (46) die Anhaltezeit durch eine bestimmte Berechnung unter Verwendung des durch die Detektionsvorrichtung detektierten Detektionswerts bestimmt.
Lasersystem (10) nach Anspruch 2, wobei die Laservorrichtung (12) ferner eine Kühlvorrichtung (26) aufweist, die das Lichtleitelement (24) kühlt, wobei die Anhaltezeitbestimmungseinheit (46) als bestimmte Berechnung die durch das Laserlicht in dem Lichtleitelement (24) angesammelte Wärmemenge aus dem durch die Detektionsvorrichtung detektierten Detektionswert ermittelt, und die Anhaltezeit unter Verwendung einer Wärmeabstrahlungsmenge des Lichtleitelements (24) durch die Kühlvorrichtung (26) und der Wärmemenge ermittelt.
Lasersystem (10) nach Anspruch 3, wobei die Kühlvorrichtung (12) einen in dem Lichtleitelement (24) ausgebildeten Kühlmediumfließweg (34) und eine Flusserzeugungsvorrichtung (32), die das Kühlmedium im Inneren des Kühlmediumfließwegs (34) zum Fließen bringt, aufweist, wobei das Lasersystem (10) Temperatursensoren (16, 18) umfasst, die die Temperatur des in dem Kühlmediumfließweg (34) fließenden Kühlmediums detektieren, wobei die Anhaltezeitbestimmungseinheit (46) als bestimmte Berechnung ferner die Wärmeabstrahlungsmenge unter Verwendung der durch die Temperatursensoren (16, 18) detektierten Temperaturen ermittelt.
Lasersystem (50) nach Anspruch 1, wobei die Detektionsvorrichtung die Temperatur als Detektionswert detektiert, und die Anhaltezeitbestimmungseinheit (46) die Anhaltezeit auf Basis des Grads der Veränderung des durch die Detektionsvorrichtung detektierten Detektionswerts, nachdem die Ausstrahlungssteuereinheit (44) die Ausstrahlung des Laserlichts angehalten hat, bestimmt.
Lasersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Lichtleitelement (24) eine Lichtleitfaser (80), die das Laserlicht überträgt, und ein Anschlusselement (82), an das die Lichtleitfaser (80) angeschlossen wird, aufweist, wobei die Detektionsvorrichtung die Temperatur des Anschlusselements (82) als Detektionswert detektiert.
Lasersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Lichtleitelement (24) eine Lichtleitfaser, die das Laserlicht überträgt, aufweist, und die Detektionsvorrichtung die Stärke des zu der Resonatoreinheit (28) hin übertragenen Rückkehrlichts unter dem in der Lichtleitfaser übertragenen Laserlicht als Detektionswert detektiert.
Lasersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Ausstrahlungssteuereinheit (44) die Ausstrahlung des Laserlichts erneut beginnt, nachdem die Ausstrahlung des Laserlichts bis zum Ablauf der durch die Anhaltezeitbestimmungseinheit (46) bestimmten Anhaltezeit angehalten wurde.
Lasersystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner umfassend eine Warnungserzeugungseinheit (120), die ein Warnsignal erzeugt, wenn der Detektionswert den Schwellenwert überstiegen hat.
Verfahren zur Steuerung einer Laservorrichtung (12) mit einer Resonatoreinheit (28), die Laserlicht erzeugt, und einem Lichtleitelement (24), das das von der Resonatoreinheit (28) erzeugte Laserlicht leitet, wobei die Temperatur der Laservorrichtung (12) oder die Stärke des durch das Lichtleitelement (24) geleiteten Laserlichts als Detektionswert detektiert wird; eine Ausstrahlung des Laserlichts von der Resonatoreinheit (28) zu dem Lichtleitelement (24) angehalten wird, wenn der Detektionswert einen vorab festgelegten Schwellenwert überstiegen hat; und auf Basis des detektierten Detektionswerts eine Anhaltezeit, für die die Ausstrahlung des Laserlichts angehalten wird, bestimmt wird.