DE69300339T2

DE69300339T2 - Vorrichtung und Verfahren zum Steuern der Leistung eines Lasers.

Info

Publication number: DE69300339T2
Application number: DE69300339T
Authority: DE
Inventors: Tsukasa Fukushima; Masanori Mizuno; Osamu Nagano
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1992-01-24
Filing date: 1993-01-21
Publication date: 1996-02-15
Anticipated expiration: 2013-01-22
Also published as: JP2917642B2; EP0557719B1; JPH05206554A; TW203668B; US5408482A; DE69300339D1; EP0557719A1

Description

1. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Steuern eines Laseroszillatorausgangssignals. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Laseroszillator, der als Laserquelle zur Verwendung bei Bearbeitungsvorgängen wie beispielsweise der Schneidbearbeitung eines Werkstücks verwendet wird.

2. Beschreibung des technischen Hintergrundes

Eine konventionelle Vorrichtung zum Steuern des Ausgangssignals eines Lasers ist in Figur 9 gezeigt. Bei einer derartigen Vorrichtung wird ein Teil des Ausgangssignals 3 des Laseroszillators 1 durch einen Teilreflektor 2 ausgelenkt, so daß die Intensität des Laserausgangssignals 3 durch einen Laserausgangssignaldetektor 4 festgestellt werden kann. Ein Eehlerverstärker 6 vergleicht einen externen Intensitätsbefehl 5 mit der Intensität des Laserausgangssignals, festgestellt vom Detektor 4, und verstärkt den sich ergebenden Kehlerwert zur Eingabe in den Laseroszillator 1, wodurch der Laseroszillator 1 so geregelt wird, daß er ein Laserausgangssignal 38 mit einem gewünschten Intensitätspegel erzeugt.
Da der Laserausgangssignaldetektor 4 ein Thermoelement aufweist, ist die Reaktionsgeschwindigkeit der Regelvorrichtung auf eine Änderung des externen Intensitätsbefehls 5 niedrig. Zur Überwindung dieser Schwierigkeit wurde eine Vorrichtung zum Regeln oder Steuern eines Laserausgangssignals verwendet, wie sie in Figur 10 gezeigt ist. Eine derartige konventionelle Vorrichtung zum Regeln eines Laserausgangssignals ist beispielsweise in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 202794/1982 und im U.S.-Patent Nr. 3806829 beschrieben.
Wie aus Figur 10 hervorgeht, weist die Regelvorrichtung einen Laseroszillator 1 auf, einen Teilreflektor 2 zum Auslenken eines Bruchteils (beispielsweise 1 oder 2%) eines Laserausgangssignals 3 des Laseroszillators 1, einen Laserausgangssignaldetektor 4 zur Erfassung der Intensität des ausgelenkten Strahls 3A, einen externen Intensitätsbefehl 5 zum Regeln der Intensität des Laserausgangssignals 3, eine Bearbeitungseinheit 7 zum Empfangen des Ausgangssignals des Laserausgangssignaldetektors 4 und des externen Intensitätsbefehls 5, und eine Speichervorrichtung 8 zum Speichern der Eingangs-/Ausgangscharakteristik (des Musters) des Laseroszillators 1. Im Betrieb wird das in der Eingangs-/Ausgangsmusterspeichervorrichtung 8 gespeicherte Muster von der Bearbeitungseinheit 7 dazu verwendet, ein Laseroszillator-Eingangssignal festzulegen, auf der Grundlage des Ausgangssignals des Laserausgangssignaldetektors 4 und des Befehls 5. Die Bearbeitungseinheit 7 gibt das sich ergebende Ausgangsmuster an den Laseroszillator 1 als ein Laseroszillator- Bingangssignal 9 aus, und veranlaßt so das Baserausgangssignal 3 des Laseroszillators 1 dazu, sich solange zu ändern, bis es den gewünschten Intensitätswert erreicht, der durch den externen Intensitätsbefehl 5 repräsentiert wird.
Nachstehend wird mit mehr Einzelheiten der Betrieb der bekannten Laserausgangssignalregelvorrichtung beschrieben, die wie voranstehend aufgebaut ist, unter Bezugnahme auf Figur 11(a), welche die Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators 1 aufgrund einer Linie durch die Punkte a und b erläutert.
Nimmt man an, daß die gewünschte Intensität des Laserausgangssignals, repräsentiert durch den externen Befehl 5, gleich Ya ist, so ist der gewünschte Eingangswert (also das Laseroszillatoreingangssignal 9) des Laseroszillators 1 entsprechend der Eingangs- /Ausgangscharakteristik gleich Xa. In einem stabilen Zustand sind der Wert des externen Befehls 5 und der Wert des Laserausgangssignals 3 gleich, so daß sie beide den Achsenwert von Ya aufweisen. Ändert sich jedoch der Befehl 5 plötzlich auf Xb, so muß nunmehr die Bearbeitungseinheit 7 einen Ausgangswert Xb erzeugen, auf der Grundlage des in der Speichervorrichtung 8 gespeicherten Musters und des Befehlswerts Yb. Durch Ändern des Laseroszillatoreingangssignals 9 des Laseroszillators auf Xb wird der Laseroszillator 1 so gesteuert, daß er das Laserausgangssignal 3 so ändert, daß dieses den neuen, gewünschten Wert Yb annimmt.
In der voranstehenden Beschreibung repräsentiert die durch die Punkte a und b gezogene Linie das normale Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster des Laseroszillators 1. Wenn sich jedoch das normale Muster für die Charakteristik geändert hat, so verschiebt sich die Charakteristik auf die Linie, welche die Punkte a' und b' in Figur 11(a) verbindet. Infolge dieser Änderung stellt das in der Speichervorrichtung 8 gespeicherte Muster der Bearbeitungseinheit 7 keine exakten Daten bezüglich der Charakteristik zur Verfügung, um ein Laseroszillatoreingangssignal zu erzeugen. Zur Überwindung dieses Problems kompensiert die Bearbeitungseinheit 7 automatisch diese Verschiebung, so daß das Laserausgangssignal 3 so gesteuert werden kann, daß die gewünschte Intensität ausgegeben wird, unabhängig von einer Verschiebung der Charakteristik. Allerdings muß diese Verschiebung vor dem Betriebsablauffestgestellt werden, da die konventionelle Vorrichtung die Kompensation in einem solchen Fall nicht durchführt, in welchem die Verschiebung im Betrieb auftritt (beispielsweise während der Schneidbearbeitung eines Werkstücks). Bei der konventionellen Vorrichtung wird die Regelung im tatsächlichen Betriebszustand nicht berücksichtigt (also wenn ein Werkstück tatsächlich unter Verwendung des Laserstrahl geschnitten wird, der vom Laseroszillator abgegeben wird). Daher kann es schwierig werden, diese Art einer Regelvorrichtung on-line einzusetzen.
Die wie voranstehend beschrieben aufgebaute, konventionelle Laserausgangssignalregelvorrichtung weist zahlreiche weitere Nachteile auf. Beispielsweise kann der Laserausgangssignaldetektor 4 nicht exakt den Wert des Laserausgangssignals 3 zu dem Zeitpunkt feststellen, an welchem sich das Eingangssignal 9 ändert (also von Ya auf Yb), da der verwendete Detektor eine ihm eigene Verzögerung bezüglich der Reaktion auf eine Änderung des Laserausgangssignals aufweist. Im einzelnen erzeugt, wenn das Laseroszillatoreingangssignal 9 empfangen wird, der Laseroszillator 1 das Laserausgangssignal 3. Allerdings ist die Reaktionsgeschwindigkeit des Laserausgangssignals 3 auf das Laseroszillatoreingangssignal 9 höher als die Reaktionsgeschwindigkeit des Laserausgangssignaldetektors 4 (also die Reaktionsgeschwindigkeit des Laserausgangssignaldetektors 4 auf das Laserausgangssignal 3). Wenn ein gewünschter Wert des Ausgangssignalbefehls 5 an die Bearbeitungseinheit 7 gegeben wird, so bezieht sich die Bearbeitungseinheit 7 auf die Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators 1, die in der Ausgangsmusterspeichervorrichtung 8 gespeichert ist, und liest den Wert für das Laseroszillatoreingangssignal 9 entsprechend einem gewünschten Wert für den Ausgangssignalbefehl 5 aus, und schickt ihn an den Laseroszillator 1 als Laseroszillatoreingangssignal 9. Genauer gesagt führt diese Laseroszillatorausgangssignal- Regelvorrichtung keine Rückkopplungsregelung des Laserausgangssignals 3 so durch, daß dieses einen gewünschten Wert für den Ausgangssignalbefehl 5 darstellt, auf der Grundlage des Laserausgangssignalwertes, der von dem Laserausgangssignaldetektor 4 festgestellt wird, sondern bezieht sich - wie voranstehend erläutert - auf eine Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators 1, die in der Ausgangsmusterspeichervorrichtung 8 gespeichert ist, liest den Wert des Laseroszillatoreingangssignals 9 entsprechend einem gewünschten Wert für den Ausgangssignalbefehl 5 aus, und schickt diesen an den Laseroszillator 1. Dies stellt keine Rückkopplungsregelung dar. Darüberhinaus ist, wie voranstehend geschildert, die Reaktionsgeschwindigkeit des Laserausgangssignals 3 auf das Laseroszillatoreingangssignal 9 so schnell, daß die Reaktion praktisch sofort erfolgt. Selbst wenn der Laserausgangssignaldetektor 4 den Wert des Laserausgangssignals 3 nicht exakt feststellen kann, und selbst wenn ein Detektor verwendet wird, der eine lange Reaktionszeit aufweist, kann daher ein Laseroszillatoreingangssignal 9 eingestellt werden, unabhängig vom Ausgangssignal des Laserausgangssignaldetektors 4 durch die Bearbeitungseinheit 7, und kann das Laserausgangssignal 3 mit hoher Geschwindigkeit steuern.
Wogegen die normale (erwartete) Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators in Figur 11(a) linear ist, kann tatsächlich die Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators 1 eine solche Form aufweisen, die einer der mehreren komplizierten Kurven entspricht, die in Figur 11(b) gezeigt sind. Die aktuelle Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators 1 weicht von der in Figur 11(a) gezeigten, linearen Darstellung infolge von Alterungseffekten und dergleichen ab. Beispielsweise ändert sich im Verlauf der Zeit t, wie in Figur 11 (b) gezeigt ist, die Eingangs-/Ausgangscharakteristik eines geschlossenen Kohlendioxid-Laseroszillators (CO&sub2;). Durch die Alterung des Laseroszillators nimmt die Intensität des Ausgangssignals für einen vorgegebenen Betrag der Erregung ab, so daß es erforderlich ist, die Erregung zu erhöhen (also den Laseroszillatoreingangssignalwert), um die infolge der Alterung hervorgerufene Abnahme der Intensität zu kompensieren. Wenn die Zeit t&sub0; bis t&sub3; vergeht, müssen sich daher die Schwellenerregungswerte (also die Werte, bei welchen ein Laserausgangssignal erzeugt wird) nach rechts bewegen, und jede folgende Charakteristikkurve weist eine geringere Steigung auf. Mit fortschreitendem Altern des Laseroszillators 1 weicht die aktuelle Eingangs-/Ausgangscharakteristik von der normalen Eingangs-/Ausgangscharakteristik ab. Ohne eine Kompensation dieser Abweichung kann ein erheblicher Fehler bei der Verwendung des Laseroszillators als Quelle in einem Bearbeitungsvorgang oder dergleichen auftreten.
Darüberhinaus ist die konventionelle Vorrichtung nicht mit einer Funktion versehen, welche in einer bestimmten Form anzeigen könnte, daß sich die Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators signifikant von einer normalen (erwarteten) Eingangs-/Ausgangscharakteristik unterscheidet, und daher ist das Vorhandensein einer derartigen Abweichung nicht einem Benutzer bekannt, was zu Problemen beim Einsatz in der Praxis führt. Die Verwendung der Laservorrichtung unter derart unterschiedlichen Umständen kann darüberhinaus einen ausreichenden Schutz der Hardware für die Stromversorgung des Oszillators verhindern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Überwindung der Probleme und Schwierigkeiten beim Stand der Technik, die voranstehend geschildert wurden.
Ein Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, welche es ermöglichen, daß das Laserausgangssignal eines Laseroszillators exakt auf einen externen Intensitätsbefehl reagiert, und zwar dadurch, daß das Laseroszillatoreingangssignal auf der Grundlage der aktuellen Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators erhalten wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung, welche einen bestimmten Kompensationsvorgang unter tatsächlichen Schneidbedingungen durchführt, also während ein Laserstrahl als Quellenausgangssignal zum Schneiden eines externen Werkstücks verwendet wird.
Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung bestimmter Kompensationsvorgänge, sowohl unter off-line-Bedingungen (keine Schneidbearbeitung) (also wenn kein Laserstrahl an ein externes Werkstück ausgegeben wird), und tatsächlich auch unter on-line-Bedingungen (beim tatsächlichen Schneiden) (also wenn der Laserstrahl an das externe Werkstück ausgegeben wird).
Ein zusätzliches Ziel der Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, welche einen Fehler anzeigen, wenn die ermittelte Eingangs-/Ausgangscharakteristik eines Laseroszillators sich beträchtlich von einer normalen Eingangs-/Ausgangscharakteristik entfernt hat.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 zur Verfügung gestellt, und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 5. Die Vorrichtung führt eine Approximation der tatsächlichen Eingangs-/Ausgangscharakteristik eines Laseroszillators durch. Gemäß der Erfindung werden mehrere Laseroszillatoreingangsbefehlssignalwerte in einen Laseroszillators eingegeben, und werden mehrere Ausgangssignalwerte erfaßt, die jeweils von dem Laseroszillator in Reaktion auf die Eingangsbefehlssignale ausgegeben werden, und dazu verwendet, daß Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster des Laseroszillators zu approximieren. Das auf diese Weise approximierte Charakteristikmuster wird dann in einer Speichervorrichtung vor der Verwendung in einer on-line-Betriebsart gespeichert.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung wird ein Kompensationsvorgang nur dann ausgeführt, wenn ein Laseroszillatoreingangsbefehlssignalwert Is (Tn) annähernd gleich dem Eingangsbefehlssignalwert Is(Tn + t) ist. Wenn der Kompensationsvorgang durchgeführt wird, werden in dem Kompensationsvorgang der Laseroszillatoreingangsbefehlssignalwert Is(Tn + t) zu einem Zeitpunkt (Tn + t) (wobei die Zeit t kleiner ist als die Zeit T), und der entsprechende Ausgangsdetektorsignalwert Wr(Tn + t) des Laserausgangssignaldetektors verwendet, welche vorher in einer Speichervorrichtung gespeichert wurden.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung stellt die Laserausgangssignalregelvorrichtung eine automatische Kompensierung der Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators zur Verfügung, durch Einsatz bestimmter Kompensationsvorgänge sowohl im off-line-Betrieb als auch im on-line-Betrieb, um automatisch die Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators zu kompensieren.
Gemäß einer weiteren Zielrichtung der vorliegenden Erfindung stellt die Vorrichtung eine bestimmte Fehleranzeige zur Verfügung, wenn sich die Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators beträchtlich von einer normalen (erwarteten) Charakteristik entfernt hat, und stellt hierdurch einen Schutz für die Stromversorgung des Oszillators zur Verfügung.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Kig. 1 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches eine aktuelle Eingangs-/Ausgangscharakteristik eines Laseroszillators darstellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung approximiert wurde.
Fig. 3 und 4 sind Flußdiagramme, welche den Betriebsablauf der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung zeigen.
Fig. 5(a) bis 5(c) erläutern ein Laseroszillatorseingangssignal und ein Laserausgangssignal in Kompensationsbetriebsintervallen und Zeiträumen gemäß der Erfindung.
Fig. 6 ist ein Diagramm mit einer Darstellung eines Kompensationswertes für das Laseroszillatoreingangssignal.
Fig. 7 ist ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Erläuterung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 8 ist ein Diagramm, welches den Bereich der normalen Eingangs-/Ausgangscharakteristik eines Laseroszillators zeigt.
Fig. 9 ist ein Blockschaltbild, welches die Anordnung einer im Stand der Technik bekannten Laserausgangssignalregelvorrichtung zeigt.
Fig. 10 ist ein Blockschaltbild, welches die Anordnung einer weiteren, im Stand der Technik bekannten Laserausgangssignalregelvorrichtung zeigt.
Fig. 11(a) und 11(b) sind Diagramme, welche eine normale (erwartete) bzw. eine aktuelle Laseroszillatorcharakteristik darstellen.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUS FÜHRUNGSFORMEN

Unter Bezugnahme auf Figur 1 wird eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der Figur wird ein Bruchteil 3A eines Laserstrahlausgangssignals 3, welches von einem Laseroszillator 1 abgegeben wird, durch einen Teilreflektor 2 ausgelenkt, und von einem Laserausgangssignaldetektor 4 erfaßt, der beispielsweise ein Thermoelement aufweist, um die Intensität des Laserausgangssignals 3 festzustellen. Der Laserstrahl 38 stellt den übrigbleibenden Anteil des Laserausgangssignals 3 dar, der vom Teilreflektor 2 durchgelassen (nicht ausgelenkt) wird. Das Ausgangssignal 4A des Laserausgangssignaldetektors 4 weist einen Signalausgangserfassungswert auf, der proportional zur Intensität des Laserausgangssignals 3 ist. Das Ausgangssignal 4A des Laserausgangssignaldetektors 4 und ein externer Intensitätsbefehl 5, der ein Spannungssignal proportional zu einem Ausgangssignal mit gewünschter Laserintensität (Energiepegel) darstellt, werden in eine Verarbeitungseinheit 7 eingegeben. Vor dem Betriebsablauf wird in einer Speichervorrichtung 8 das Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster für den Laseroszillator 1 gespeichert. Dieses Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster wird ebenfalls der Bearbeitungseinheit 7 zugeführt, die so ausgebildet ist, daß sie ein Laseroszillatoreingangssignal 9 erzeugt, auf der Grundlage des gespeicherten Eingangs-/Ausgangscharakteristikmusters, des Ausgangssignalerfassungswertes, und des Intensitätsbefehls 5. Bei der vorliegenden Ausführungsform können die Bearbeitungseinheit 7 und die Speichervorrichtung 8 durch Mikroprozessoren gebildet werden, so daß ihre Steuerfunktionen einfach durch eine Änderung des Mikrokodes (des Programme) geändert werden können, auf eine im Stand der Technik wohl bekannte Weise.
Auf der optischen Achse des Laserstrahls 3 ist eine Totalreflektorvorrichtung 10 angebracht. Die Reflektorvorrichtung 10 besteht aus einem Mechanismus, der es erlaubt, daß eine totalreflektierende Oberfläche entweder in einer Position angeordnet wird, um 100% des Laserstrahlanteils 38 entlang einem Weg 10A zu reflektieren, oder in einer zweiten Position, um den Laserstrahl 38 ohne Reflexion durchzulassen, entsprechend der Vorgabe durch eine Steuerung (nicht dargestellt). Wenn der Strahl 3b durch die Totalreflektorvorrichtung 10 reflektiert wird, so liegt die optische Achse des Weges 10a des reflektierten Lichts in einem vorgegebenen Winkel zur optischen Achse des Laserstrahls 3b. Auf der Achse des reflektierten Lichtes befindet sich ein Absorber 11, der so angeordnet ist, daß das reflektierte Licht auf ihn auffällt und vollständig verschluckt wird.
In der ersten Position erreicht kein Laserausgangssignal ein gewünschtes Ziel (beispielsweise ein zu schneidendes Werkstück). Daher kann das Werkstück auf sichere Weise vor der Regelvorrichtung in der richtigen Position angebracht werden, um dann den Laserstrahl zu empfangen, wenn die Steuerung den Totalreflektor 10 in die zweite Position bewegt.
Der Betriebsablauf der ersten Ausführungsform wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Figuren 2 und 3 beschrieben. Zuerst wird auf der Grundlage von Figur 3 der Betriebsablauf zum Approximieren der Eingangs-/Ausgangscharakteristik gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert. Figur 3 ist ein Flußdiagramm, welches den Betriebsablauf der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung zeigt. Dieser Betriebsablauf kann durch ein Programm gesteuert werden, welches in der Speichervorrichtung 8 in Form von Mikrokode gespeichert ist.
Nach der Start des Programms im Schritt S 10 stellt die Vorrichtung fest, ob der Laserstrahl an ein externes Ziel (beispielsweise ein Werkstück) ausgegeben wird, Schritt S 11. Wenn der von dem Laseroszillator 1 ausgegebene Laserstrahl 3b durch die Totalreflektorvorrichtung 10 in den Absorber 11 reflektiert wird, also im off-line-Betrieb, wenn tatsächlich kein Schneidvorgang durchgeführt wird, gibt die Bearbeitungseinheit 7 einen Signalwert Xa an den Laseroszillator 1 als das Laseroszillatoreingangssignal 9 im Schritt S 12 aus. Nach Abwarten über einen vorbestimmten Zeitraum t in einem darauffolgenden Schritt S 13, wobei t der Zeitkonstante oder Reaktionsverzögerung des Laserausgangssignaldetektors 4 entspricht, empfängt die Bearbeitungseinheit 7 einen Laserausgangssignalwert Ya von dem Laserausgangssignaldetektor 4. Dieser Signalwert Ya wird in Reaktion auf das Laseroszillatoreingangssignal Xa ausgegeben. Die Bearbeitungseinheit 7 speichert dann sowohl den Eingangswert Xa und den entsprechenden Ausgangswert Ya in der Speichervorrichtung 8 als Datenpaar (Xa, Ya) im Schritt S 14. Entsprechend werden in den Schritten S 15-17 und den Schritten 18-20 Laserausgangssignale Yb und Yc in Reaktion auf Laseroszillatoreingangssignale Xb und Xc eingegeben bzw. in der Speichervorrichtung 8 als Datenpaare (Xb, Yb) und (Xc, Yc) gespeichert. Daher werden drei unterschiedliche Laseroszillatorausgangswerte erhalten, in Reaktion auf drei frei wählbare Laseroszillatoreingangssignale (Eingangsbefehlswerte).
Unter Verwendung der drei auf diese Weise erhaltenen Datenpaare bestimmt die Bearbeitungseinheit 7 die Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators 1, die tatsächlich durch eine Kurve dargestellt wird. Insbesondere bestimmt die Bearbeitungseinheit 7 die aktuelle Eingangs-/Ausgangscharakteristik durch Approximieren der Kurve unter Verwendung zweier Abschnitte, auf der Grundlage der drei auf diese Weise erhaltenen Datenpaare. Ein erster Abschnitt ac, der in Figur 2 gezeigt ist, wird im Schritt S 21 unter Verwendung der Datenpaare (Xa, Ya) und (Xc, Yc) erhalten. Dieser Abschnitt ac kann durch den folgenden, linearen Ausdruck ausgedrückt werden:
X = (A1/BI)+Y + C1 ... (1)
hierbei ist:
A1 = Xc - Xa
B1 = Yc - Ya
C1 = Xc - (A1/B1)*Yc
Entsprechend wird ein Abschnitt cb im Schritt S 22 unter Verwendung der Datenpaare (Xc, Yc) und (Xb, Yb) bestimmt. Dieser Abschnitt cb kann durch den folgenden, linearen Ausdruck ausgedrückt werden:
x = (A2/B2)*Y + C2 ... (2)
hierbei ist:
A1 = Xb - Xc
B1 = Yb - Yc
C1 = Xb - (A2/B2)*Yb
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators durch zwei Abschnitte unter Verwendung der drei voranstehend erhaltenen Datenpaare approximiert. Wie deutlich aus Figur 2 hervorgeht, kann die aktuelle Eingangs-/Ausgangscharakteristik durch die beiden Abschnitte genauer dargestellt werden als durch eine einzige, gerade Linie ab wie bei der konventionellen Vorrichtung.
Nach der Approximation der aktuellen Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators wird die approximierte Charakteristik im Schritt S 23 in der Speichervorrichtung 8 gespeichert. Während der Einschaltphase der Regelvorrichtung werden die Approximationsdaten in der Speichervorrichtung 8 als original Eingangs-/Ausgangscharakteristik gespeichert. Allerdings wird darauf hingewiesen, daß die Prozedur in vorbestimmten Intervallen T wiederholt werden kann, um eine approximierte Darstellung der tatsächlichen Eingangs-/Ausgangscharakteristik unter den jeweils aktuellsten Bedingungen des Laseroszillators zur Verfügung zu stellen. Das Programm endet im Schritt S 24, wenn die Approximation überschrieben wird, oder wenn im Schritt S 11 festgestellt wird, daß das Laserausgangssignal auf ein Ziel (beispielsweise ein Werkstück) gerichtet wird.
Auf der Grundlage von Figur 4 wird nunmehr ein Kompensationsvorgang im on-line-Betrieb beschrieben (also wenn ein Laserausgangssignal auf ein Ziel gerichtet wird), wobei Figur 4 ein Flußdiagramm darstellt, welches den Betriebsablauf der in Figur 1 gezeigten Vorrichtung erläutert, nach einem Start im Schritt S 30. Wenn der vom Laseroszillator 1 ausgegebene Laserstrahl 3b intakt ausgegeben wird, ohne von dem Totalreflektor 10 reflektiert zu werden, gemäß der Festlegung im Schritt S 31, so wird die Bearbeitungseinheit 7 freigeschaltet. Im Schritt S 32 speichert die Einheit 7 einen Laseroszillatoreingangsbefehl als einen Wert Is(T1) und speichert ein entsprechendes Ausgangssignalintensitätserfassungssignal 4A als einen Wert Wr(T1) zum Zeitpunkt T1 im Schritt S 32. Die Bearbeitungseinheit 7 wartet über einen Zeitraum t, beginnend mit T1 im Schritt S 33, und speichert danach einen Eingangsbefehlswert Is(T1 + t) und einen entsprechenden Ausgangserfassungswert Wr(T1 + t) zum Zeitpunkt T1 + t in der Speichervorrichtung 8 im Schritt S 34. Im Schritt S 35 bestimmt die Bearbeitungseinheit 7, ob der Eingangsbefehlswert Is(T1) gleich oder annähernd gleich dem Eingangsbefehlswert Is(T1 + t) ist. Ist der Eingangsbefehlswert Is(T1) nicht gleich dem Eingangsbefehlswert Is(T1 + t) (dies ist die Nein- Verzweigung im Schritt S 35), so wird der Kompensationsvorgang nicht ausgeführt, und das Programm kehrt zum Schritt S 31 zurück. Wenn der Kompensationswert für den Kompensationsvorgang im Schritt S 36 bestimmt wird, so wird der Wert zur Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators, die bereits (also vor T1) in der Speichervorrichtung 8 gespeichert wurde, im Schritt S 37 hinzuaddiert oder hiervon subtrahiert.
Wie voranstehend erläutert wird in vorbestimmten Zeitintervallen mit einer Dauer T, festgelegt im Schritt S 38, die voranstehend geschilderte Folge dadurch wiederholt, daß zum Schritt S 31 zurückgekehrt wird. Beispielsweise werden zum Zeitpunkt T 2 ein Laseroszillatoreingangsbefehlswert Is(T2) und ein Ausgangssignalerfassungswert Wr(T2) in der Speichervorrichtung 8 gespeichert. Zum Zeitpunkt T2 +t speichert die Bearbeitungseinheit 7 einen Eingangsbefehlswert Is(T2 + t) und einen Ausgangssignalerfassungswert Wr(T2 + t) in der Speichervorrichtung 8, und die übrigen Schritte werden auf ähnliche Weise wie voranstehend beschrieben durchgeführt. Der Fluß endet im Schritt S 39, wenn im Schritt S 31 festgelegt wird, daß der Laserstrahl 3b nicht nach außerhalb der Vorrichtung ausgegeben wird (beispielsweise zu einem Werkstück).
Die Abfolge der Operationen in den Figuren 3 und 4 läßt sich noch besser unter Bezugnahme auf die Figuren 5(a) bis 5(c) verstehen. In den Figuren 5(a) und 5(b) ist Is(T1) gleich Is(T1 + t) zum Zeitpunkt T1 + t, und daher kann die Kompensationsoperation durchgeführt werden.
Wie bei der konventionellen Vorrichtung kompensiert die Bearbeitungseinheit 7 automatisch das Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster, welches in der Speichervorrichtung 8 gespeichert ist, durch Addieren oder Subtrahieren eines Kompensationswertes zum bzw. vom Laseroszillatoreingangssignal 9, welches aus dem gespeicherten Muster festgelegt wird. Allerdings ist zum Zeitpunkt T2 + t der Wert von Is(T2) nicht gleich Is(T2 + t), und daher führt die Bearbeitungseinheit 7 gemaß der vorliegenden Erfindung nicht die Kompensationsoperation durch. Wenn beispielsweise das Eingangssignal dem Wert Is(T2 + t) entspricht, so wird erwartet, daß das Laserausgangssignalerfassungssignal beispielsweise einen Wert "w" aufweist. Wie aus Figur 5(c) hervorgeht, hat jedoch der Erfassungswert 4A des Laserausgangssignals zu diesem Zeitpunkt noch nicht den Wert "w" erreicht, und weist stattdessen einen Wert Wr(T2 + t) auf, infolge der langsamen Reaktion des Laserausgangssignaldetektors 4. Offensichtlich ist "w" nicht gleich Wr(T2 + t). Wenn daher zum Zeitpunkt T2 + t eine Kompensation durchgeführt würde, so könnte sich ein unrichtiger Kompensationswert ergeben, da - wie nachstehend noch genauer erläutert wird - der Kompensationswert in einer Beziehung zum tatsächlich ermittelten, aktuellen Laserausgangssignal steht. Daher muß die Zeit t so gewählt werden, daß sie größer ist als die Zeitkonstante (Verzögerung) T des Laserausgangssignaldetektors 4, um sicherzustellen, daß die Kompensationsoperation korrekt durchgeführt wird.
Auf der Grundlage von Figur 6, welche ein Diagramm darstellt, bei dem das Laseroszillatoreingangssignal 9 entlang der X-Achse und das Ausgangssignalerfassungssignal des Laserausgangssignaldetektors 4 entlang der Y-Achse dargestellt ist, wird nunmehr ein Verfahren zur Ermittlung des Kompensationswertes beschrieben. Ein Abschnitt ab ist ein Teil der Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators, die vor diesem Betriebsablauf der Speichervorrichtung 8 gespeichert wurde. Wenn der Abschnitt ab durch einen linearen Ausdruck approximiert wird, so läßt er sich folgendermaßen darstellen:
X = (A/B)*Y + C ... (3)
hierbei ist:
A = Xb - Xa
A = Yb - Ya
C = Xb - (A/B)*Yb
Nimmt man an, daß Is ein Laseroszillatoreingangssignal 9 ist, welches in der Speichervorrichtung 8 gespeichert ist, entsprechend einem externen Intensitätsbefehl, der einen gewünschten Wert Wr aufweist, so ergibt sich, wenn das aktuelle Laserausgangserfassungssignal Wr' beträgt (unter der Annahme, daß Wr größer ist Wr'), ein Kompensationswert Δx für das Laseroszillatoreingangssignal 9 aus folgendem Ausdruck:
Δx = (Wr - Wr')*A/B ... (4)
Daher ergibt sich ein Laseroszillatoreingangssignalwert Is' entsprechend der gewünschten Laserintensität Wr aus folgendem Ausdruck:
Is' = Is + Δx
Wenn sich daher die Laseroszillatorcharakteristik ändert, während die Regelvorrichtung sich im on-line-Betrieb befindet (also tatsächlich ein Schneidvorgang durchgeführt wird), kann daher das Laseroszillatoreingangssignal 9 ständig in Intervallen mit einer vorbestimmten Dauer T kompensiert werden, um die ordnungsgemäße Beziehung zwischen dem Eingangsbefehl und dem Laserausgangssignal 3 aufrechtzuerhalten, anders als bei der konventionellen Vorrichtung.
Nunmehr wird ein Betriebsablauf beschrieben, bei welchem sowohl die Funktion der Approximation der Eingangs-/Ausgangscharakteristik im off-line-Betrieb als auch die Funktion der Kompensation des Laserausgangssignals im on-line-Betrieb verwendet werden. Wenn der Laserstrahl 3b nicht an das außen befindliche Ziel ausgegeben wird (off- line-Betrieb), so werden Laserausgangssignalwerte entsprechend Laseroszillatoreingangsbefehlswerten an frei wählbaren drei oder mehr Punkten gespeichert, und dann wie voranstehend geschildert dazu verwendet, das aktuelle Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster des Laseroszillators zu approximieren. Wenn der Laserstrahl 3b an das äußere Ziel ausgegeben wird (on-line-Betrieb), so werden ein Laseroszillatoreingangsbefehlswert Is (Tn) in Intervallen einer vorgegebenen Dauer T und ein entsprechender Laserausgangssignalerfassungswert Wr (Tn) gespeichert, und werden ebenfalls ein Eingangsbefehlswert Is(Tn + t) und ein entsprechender Laserausgangswert Wr(Tn + t) gespeichert. Nur wenn der Eingangsbefehlswert Is(Tn) gleich oder annähernd gleich dem Eingangsbefehlswert Is(Tn + t) ist, wird die Kompensationsoperation durchgeführt.
Nachstehend wird unter Bezugnahme auf die Figuren 7 und 8 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich hauptsächlich von der voranstehend beschriebenen Ausführungsform darin, daß sie mit einer Anzeigevorrichtung ausgerüstet ist. Vor dem Schneidbetrieb werden in der Speichervorrichtung 8 mehrere normale (erwartete) Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster gespeichert, die einen wahlweise begrenzten Bereich (Breite) aufweisen, angedeutet durch den schraffierten Bereich zwischen den durchgezogenen Linien in Figur 8. Eine Bearbeitungseinheit 7 bestimmt den aktuellen Eingangsbefehlswert 9 für einen Laseroszillator 1. Die Intensität eines Laserstrahls 3, der von dem Laseroszillator 1 in Reaktion auf den Eingangsbefehlswert 9 ausgegeben wird, wird von einem Lasersignalausgangsdetektor 4 festgestellt. Unter Verwendung sowohl des erfaßten Laserausgangssignalwertes als auch des Eingangsbefehlswertes bestimmt die Bearbeitungseinheit 7 das aktuelle Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster des Laseroszillators 1.
Die Bearbeitungseinheit 7 stellt eine bestimmte Fehleranzeige (beispielsweise ein optisches Signal oder ein Kontaktsignal) auf eine Anzeigevorrichtung 12 zur Verfügung, wenn die durch den Betriebsablauf ermittelte Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators von dem vorher gespeicherten Bereich normaler Charakteristikmuster abgewichen ist. Wenn sich beispielsweise herausstellt, daß die aktuelle Laseroszillatoreingangs-/ausgangscharakteristik auf der Linie L1 liegt, so stellt die Bearbeitungseinheit 7 fest, daß das Charakteristikmuster in den Bereich der normalen Eingangs-/Ausgangscharakteristiken fällt, und daher wird auf der Anzeigevorrichtung 12 keine Fehleranzeige bereitgestellt. Stellt sich allerdings heraus, daß das Charakteristikmuster außerhalb des schraffierten Bereiches liegt (beispielsweise L2), so zeigt die Anzeigevorrichtung 12 ein Fehlersignal, um dem Benutzer in bezug auf eine Abweichung von dem normalen Eingangs-/Ausgangscharakteristikbereich zu alarmieren. Wenn er auf einen Fehler aufmerksam geworden ist, kann der Benutzer sofort den Schneidvorgang beenden, um irgendwelche Beschädigungen der Regelvorrichtung, der Werkzeugmaschinen, der Stromversorgungsgeräte usw. zu verhindern.
Nachdem die bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben wurden sollte deutlich geworden sein, daß angesichts der voranstehend geschilderten Lehren weitere Modifikationen und Abänderungen der Erfindung möglich sind. Es wird daher darauf hingewiesen, daß sich Änderungen der bestimmten Ausführungsform der Erfindung vornehmen lassen, die beschrieben wurden, wobei diese Änderungen innerhalb des gesamten, beabsichtigten Umfangs der Erfindung liegen, wie durch die beigefügten Patentansprüche festgelegt.

Claims

1. Laserausgangssignalregelvorrichtung zum Regeln der Intensität eines Laserstrahls (3), der von einer Laserquelle (1) in Reaktion auf einen externen Befehl (5) ausgegeben wird, der einen gewünschten Intensitätspegel des ausgegebenen Laserstrahls festlegt, wobei die Regelvorrichtung aufweist:

einen Laserausgangssignaldetektor (4), der die Intensität des von der Laserquelle (1) ausgegebenen Laserstrahls (3) feststellt, und ein Erfassungsausgangssignal (4A) erzeugt, welches die auf diese Weise erfaßte Intensität repräsentiert; und

eine Bearbeitungseinheit (7), welche ein Eingangsintensitätsbefehlssignal (9) festlegt, um den Laseroszillator (1) auf der Grundlage zumindest des Erfassungsausgangssignals (4A) des Laserausgangssignaldetektors (4) und des externen Befehls (5) zu steuern, wobei die Bearbeitungseinheit (7) ein Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster des Laseroszillators unter Verwendung mehrerer Eingangsintensitätsbefehlssignale bestimmt, die zum Steuern des Laseroszillators verwendet werden, und mehrere Laserstrahlausgangssignale verwendet, die von dem Laseroszillator in Reaktion auf das jeweilige Eingangsintensitätsbefehlssignal ausgegeben werden, wobei die Bearbeitungseinheit (7) das Intensitätsbefehlssignal (9) an den Laseroszillator (1) auf der Grundlage des auf diese Weise festgelegten Eingangs-/Ausgangscharakteristikmusters ausgibt.

2. Laserausgangssignalregelvorrichtung nach Anspruch 1, welche weiterhin eine Speichervorrichtung (8) aufweist, die zum Speichern des Eingangs-/Ausgangscharakteristikmusters verwendet wird, welches von der Bearbeitungseinheit (7) festgelegt wird, wobei die Laserquelle (1) zur Erzeugung des ausgegebenen Laserstrahls ein Laseroszillator ist, und die Bearbeitungseinheit (7) einen Kompensationsvorgang durchführt, welcher das Eingangsintensitätsbefehlssignal (9) kompensiert, das auf der Grundlage des gespeicherten Charakteristikmusters festgelegt wird, um das Intensitätsbefehlssignal bei einer Verschiebung einer Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators (1) seit dem Zeitpunkt zu kompensieren, an welchem die Bearbeitungseinheit (7) das Muster ermittelt und in der Speichervorrichtung (8) gespeichert hat, wobei der Kompensationsvorgang nur dann durchgeführt wird, wenn ein Erfassungsausgangssignal (4A) von dem Laserausgangssignaldetektor (4) zum Zeitpunkt T dasselbe ist wie zu einem späteren Zeitpunkt T + t.

3. Laserausgangssignalregelvorrichtung nach Anspruch 2, bei welcher die Bearbeitungseinheit (7) die Eingangs-/Ausgangscharakteristik des Laseroszillators (1) approximiert, wenn der Laserstrahl, der von dem Laseroszillator ausgegeben wird, von der Laserausgangssignalregelvorrichtung nicht nach außen ausgegeben wird, wobei die Bearbeitungseinheit (7) das Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster des Laseroszillators (1) unter Verwendung zumindest dreier Probenwerte des Eingangsintensitätsbefehlssignals (9) und zumindest dreier entsprechender Laserstrahlausgangssignale (4A) bestimmt, und wobei die Bearbeitungseinheit (7) festlegt, ob der Kompensationsvorgang in Intervallen einer vorbestimmten Zeitdauer T durchgeführt werden soll oder nicht, wobei T ein Zeitraum ist, der länger ist als t, wobei t eine Zeitkonstante ist, die größer oder gleich einer Reaktionsverzögerung des Laserausgangssignaldetektors (4) ist.

4. Laserausgangssignalregelvorrichtung nach Anspruch 1, die weiterhin eine Anzeigevorrichtung (12) aufweist, die an die Bearbeitungseinheit (7) angeschlossen ist und einen Fehlerzustand anzeigt, wenn das Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster, welches von der Bearbeitungseinheit ermittelt wird, außerhalb eines Bereiches von Mustern liegt, der von der Bearbeitungseinheit festgelegt und in der Speichervorrichtung gespeichert wird.

5. Verfahren zum Regeln einer Laserquelle (1) zur Ausgabe eines Laserstrahls (3) mit einer geregelten Intensität entsprechend einem externen Befehl (5), der einen gewünschten Intensitätspegel des ausgegebenen Laserstrahls festlegt, mit folgenden Schritten:

Erfassung der Intensität des von der Laserguelle (1) ausgegebenen Laserstrahls (3), und Erzeugen eines Laserintensitätsausgangssignals (4A), welches für die so erfaßte Intensität repräsentativ ist;

Empfangen des Laserintensitätsausgangssignals (4A) und des externen Befehls (5), und Erzeugen eines Eingangsintensitätsbefehlssignals (9) auf der Grundlage des Laserintensitätsausgangssignals und des externen Befehls;

Erzeugen mehrerer Datenpaare durch frei wählbares Abtasten mehrerer Eingangsintensitätsbefehlssignale (9) und Abtasten entsprechender Laserausgangssignale (4A), die in Reaktion auf die mehreren Eingangsintensitätsbefehlssignale erzeugt werden; und

Approximieren eines Eingangs-/Ausgangscharakteristikmusters der Laserquelle (1) auf der Grundlage der mehreren erzeugten Datenpaare, wobei der Schritt der Erzeugung eines Eingangsintensitätsbefehlssignals (9) auf der Grundlage des so approximierten Eingangs-/Ausgangscharakteristikmusters durchgeführt wird.

6. Verfahren zum Regeln einer Laserquelle nach Anspruch 5, bei welchem der Approximationsschritt zumindest mit Intensitätsbefehlssignalen durchgeführt wird, die zur Ausbildung mehrerer Linienabschnitte zum Approximieren des Eingangs-/Ausgangscharakteristikmusters der Laserguelle (1) verwendet werden.

7. Verfahren zum Regeln einer Laserquelle nach Anspruch 6, bei welchem weiterhin der Schritt der Kompensation eines Eingangsintensitätsbefehlssignals mittels Durchführung folgender Schritte vorgesehen ist:

Vergleichen des Eingangsintensitätsbefehlssignals, welches in dem Erzeugungsschritt erzeugt wurde, mit dem externen Befehlssignal, welches den gewünschten Pegel für die Laserausgangsintensität angibt, und Erzeugen eines Differenzsignals, welches deren Differenz darstellt; und

Summieren des Differenzsignals mit dem Eingangsintensitätsbefehlssignal zur Erzeugung eines kompensierten Eingangsintensitätsbefehlssignals.

8. Verfahren zum Regeln einer Laserquelle nach Anspruch 7, bei welchem der Kompensationsschritt nur dann durchgeführt wird, wenn das Eingangsintensitätsbefehlssignal zu einem Zeitpunkt T im wesentlichen gleich dem Eingangsbefehlssignal zu einem Zeitpunkt T + t ist.

9. Verfahren zum Regeln einer Laserquelle nach Anspruch 8, mit folgenden weiteren Schritten:

Speichern eines Bereichs von Eingangs-/Ausgangscharakteristiken der Laserquelle (1); und

Erzeugen einer Fehleranzeige, wenn das Eingangs-/Ausgangscharakteristikmuster, welches in dem Approximationsschritt erzeugt wurde, außerhalb des Bereiches der Eingangs-/Ausgangscharakteristiken liegt, wobei die Laserguelle (1) ein Laseroszillator ist.

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