CN110114943B - 激光二极管驱动用电源及激光加工装置 - Google Patents

Abstract

一种激光二极管驱动用电源(100)，其是通过对工件(300)照射从LD(20)射出的激光从而对工件(300)进行加工的激光加工装置(200)的激光二极管驱动用电源(100)，该激光二极管驱动用电源(100)的特征在于，具备：电力转换器(10)，其具有开关元件，对LD(20)供给电流；以及控制部(11)，其对开关元件的通断动作进行控制，在控制部(11)中，作为开关元件的通断周期，设定比激光加工的时间常数的n倍的值短的值，n为比1大的值，激光加工的时间常数是工件(300)的加工所要求的表面粗糙度除以工件(300)的移动速度而得到的值。

Description

激光二极管驱动用电源及激光加工装置

技术领域

本发明涉及对工件进行加工的激光加工装置的激光二极管驱动用电源及激光加工装置。

背景技术

现有的激光二极管(Laser Diode：LD)驱动用电源通过在输出侧具有大容量的电容器的恒压源向LD输出比需要的电压高的直流电压，将该直流电压施加于LD及校准电路。现有的LD驱动用电源通过对施加于校准器的电压进行调整，从而对流过LD的电流进行调整。校准器由MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)及晶体管这样的半导体元件构成，现有的LD驱动用电源能够通过校准器的控制对电流值进行高速地变更。但是，由于流过校准器的电流成为损耗，因此电源效率恶化。

专利文献1所公开的恒流方式的LD用电源控制装置具备：电源，其对激光二极管供给电力；电流控制用开关元件及电抗器，它们插入于激光二极管和电源之间；电流检测器；以及二极管，其并联连接于电流控制用开关元件及电抗器的串联电路，在电源输出侧没有设置大容量的电容器，实现恒流动作。

专利文献1：日本专利第3456120号公报

发明内容

在激光加工中，通过加工头相对于工件移动、或工件相对于加工头移动，从而进行工件的加工。在专利文献1所公开的恒流方式的LD驱动用电源中，在通过通断控制使电流值高速地变化时，伴随着开关元件的通断而电流纹波变大，流过LD的电流的值发生变动，LD输出值即激光强度发生变动。在专利文献1所公开的LD驱动用电源中存在如下课题，即，有时由于LD输出值的变动而不能够满足加工所需要的加工表面粗糙度。

本发明就是鉴于上述问题而提出的，其目的在于得到能够降低LD输出值的变动的激光二极管驱动用电源。

为了解决上述课题，达成目的，本发明的激光二极管驱动用电源是通过对工件照射从激光二极管射出的激光而对工件进行加工的激光加工装置的激光二极管驱动用电源，该激光二极管驱动用电源的特征在于，具备：电力转换器，其具有开关元件，对激光二极管供给电流；以及控制部，其对开关元件的通断动作进行控制，在控制部中，作为开关元件的通断周期，设定比激光加工的时间常数的n倍的值短的值，n为比1大的值，激光加工的时间常数是工件的加工所要求的表面粗糙度除以工件的移动速度而得到的值。

发明的效果

本发明涉及的激光二极管驱动用电源取得能够降低LD输出值的变动这样的效果。

附图说明

图1是本实施方式涉及的激光二极管驱动用电源的结构图。

图2是表示图1所示的电力转换器的第1结构例的图。

图3是用于说明使用了图2所示的电力转换器的情况下的输出电流波形的图。

图4是表示图1所示的电力转换器的第2结构例的图。

图5是用于说明使用了图4所示的电力转换器的情况下的输出电流波形的图。

图6是表示图1所示的控制部的第1结构例的图。

图7是表示图1所示的控制部的第2结构例的图。

图8是表示通断周期、输出电流的变动、开关元件的接通时间和开关元件的断开时间的关系的图。

图9是表示图1所示的控制部的第3结构例的图。

图10是用于说明电力转换器的输出电流的变动对工件的加工造成的影响的图。

图11是表示本实施方式涉及的激光二极管驱动用电源的变形例的图。

图12是表示图11所示的LD的电流电压波形的图。

具体实施方式

下面，基于附图对本发明的实施方式涉及的激光二极管驱动用电源及激光加工装置进行详细说明。此外，并不是通过该实施方式对本发明进行限定。

实施方式.

图1是本实施方式涉及的激光二极管驱动用电源的结构图。图1所示的具备：激光二极管驱动用电源100；LD 20，其为通过从激光二极管驱动用电源100供给的电流而射出激光的激光二极管；加工头22，其用于对工件300进行加工；以及光纤21，其是向加工头22传输从LD 20射出的激光的光学耦合系统及光放大器的一个例子。

激光二极管驱动用电源100具备电力转换器10、以及对电力转换器10内的开关元件的通断动作进行控制的控制部11。电力转换器10通过将由电流检测器13检测出的电流值与电流指令值进行比较，从而对在电力转换器10设置的开关元件的通断动作进行控制。电力转换器10是通过使开关元件进行通断动作，从而将从交流电源400供给的交流电力转换为直流电力的恒流方式的电力转换器。

从LD 20输出的激光通过光纤21传输至加工头22，通过加工头22内的透镜23聚光于工件300之上。由此，进行工件300的切断加工。由于在加工工件300时，需要在工件300之上使激光的聚光位置移动，因此在使工件300移动的未图示的工件移动机构之上设置工件300，或在激光加工装置200中设置使加工头22移动的未图示的加工头移动机构。

图2是表示图1所示的电力转换器的第1结构例的图。图2所示的电力转换器10-1为非绝缘型的降压斩波方式的电力转换器。电力转换器10-1具备：整流电路1，其对从交流电源400供给的交流电力进行整流；电容器2，其与整流电路1并联连接；开关元件3；斩波二极管4；以及电抗器5。

开关元件3的漏极与整流电路1和电容器2的一端连接。开关元件3的源极与斩波二极管4的阴极和电抗器5的一端连接。斩波二极管4的阳极与电容器2的另一端和LD 20的阴极连接。电抗器5的另一端与LD 20的阳极连接。

图3是用于说明使用了图2所示的电力转换器的情况下的输出电流波形的图。在图3中示出加工指令12即电流指令、由图1所示的控制部11生成的开关元件驱动信号、电力转换器10-1的输出电流波形。另外，在图3中示出电抗器大的情况下的开关元件驱动信号及输出电流波形，示出电抗器小的情况下的开关元件驱动信号及输出电流波形。

在将电流指令输入至控制部11而电流快速上升的情况下，开关元件3以确定的通断周期开始通断动作。伴随于此，输出电流波形如图3所示上升。电流波形由于开关元件的通断动作而产生变动，将其称为电流纹波。如果增大电抗器则能够对电流纹波的变动宽度进行抑制，但输出电流的上升变慢。如果减小电抗器则输出电流的上升变快，因此输出电流以短时间达到电流目标值，但电抗器越小电流纹波变得越大。

图4是表示图1所示的电力转换器的第2结构例的图。图4所示的电力转换器10-2为绝缘型的电力转换器，是通过逆变器6将由整流电路1整流后的电力转换为交流电力，经由变压器7再次进行整流的方式。输出至变压器7的次级侧的电流经由二极管8或二极管9和电抗器5流向LD 20。输出电压通过变压器7的匝数比而被调整，输出电流通过接通时间相对于逆变器6内的多个开关元件的通断周期的比率而被调整。

图5是用于说明使用了图4所示的电力转换器的情况下的输出电流波形的图。在图5中示出电流指令、逆变器6的输出电压波形、电力转换器10-2的输出电流波形。

由于逆变器6为全桥结构，因此逆变器6的输出电压波形如图5所示为正负的矩形波。通过对该矩形波的脉度进行调整而对输出进行调整。这里，在逆变器6的输出电压在正侧和负侧为非对称的情况下，在流过变压器7的电流中产生暂时的直流成分。如果产生直流成分则变压器7的铁芯偏磁，如果电流值变强则会成为饱和，因此有可能产生电流的短路事故。因此，变压器7的输出波形必须在正侧和负侧对称。电力转换器10-2的通断周期与正侧输出及负侧输出的1组量的时间，即图5所示的逆变器周期相等。

下面，对控制开关元件3的动作的控制部的结构例进行说明。

图6是表示图1所示的控制部的第1结构例的图。图6所示的控制部11-1是对非绝缘型的降压斩波方式的电力转换器10-1进行以恒定频率的PWM(Pulse Width Modulation)驱动的控制电路的一个例子。

控制部11-1具备：放大器31，其将由电流检测器13检测出的电流放大；误差放大电路32，其对由放大器31放大的电流和电流指令值35进行比较而将与该误差对应的信号放大而输出；三角波产生器34；PWM产生电路33；以及驱动电路30。

PWM产生电路33对从三角波产生器34输出的三角波和从误差放大电路32输出的信号进行比较而将与误差放大电路32的输出信号对应的脉度的PWM信号输出。驱动电路30将从PWM产生电路33输出的PWM信号转换为开关元件3的驱动信号。

通过误差放大电路32将由电流检测器13检测出的电流与电流指令值35进行比较，将与该误差对应的信号输入至PWM产生电路33。在PWM产生电路33中，对三角波和误差放大电路32的输出值进行比较，对与误差放大电路32的输出信号对应的脉度的PWM信号进行输出。PWM信号被驱动电路30放大而转换为驱动信号，通过驱动信号对开关元件3进行驱动。在这样的电路的情况下，三角波产生器34的频率与开关元件3的通断频率相等。

图7是表示图1所示的控制部的第2结构例的图。图7所示的控制部11-2不是由三角波实现的恒定频率驱动，而是在控制部11-2不具备驱动的基准频率电路的控制电路的一个例子。在如控制部11-2那样频率产生变化的电路中，能够定义开关元件3的通断频率。

控制部11-2具备驱动电路30、放大器31及比较器36。在控制部11-2中，控制为通过比较器36对由电流检测器13检测出的电流与电流指令值35进行比较，在由电流检测器13检测出的电流比电流指令值35大的情况下，开关元件3变为断开，在由电流检测器13检测出的电流比电流指令值35小的情况下，开关元件3变为接通。

这里，2个电阻器R₁、R₂连接于比较器36，在比较器36的输入输出产生滞后。如果将电流指令值设为I，将由带有滞后的比较器36导致的电流变动宽度设为dI，则在电流指令值I和电流变动宽度dI之间下述(1)式的关系成立。

[数学式1]

在将电抗器5的电感设为L，将电力转换器10-1的输入电压设为V_in，将电力转换器10-1的输出电压即LD 20的正向电压设为V_out，将斩波二极管4的正向电压设为V_d时，开关元件3接通时的输出电流的电流变动宽度dI由下述(2)式表示。另外，开关元件3断开时的输出电流的电流变动宽度dI由下述(3)式表示。

[数学式2]

[数学式3]

图8是表示通断周期、输出电流的变动、开关元件的接通时间和开关元件的断开时间的关系的图。上述(2)式的dt_on为开关元件3的接通时间，上述(3)式的dt_off为开关元件3的断开时间，通过dt＝dt_on+dt_off求出通断周期dt。设想在上述(2)式及(3)式中电流正常稳定地流动的状况，忽略电路的电阻损耗。根据上述(2)式及(3)式，通断周期dt由下述(4)式表示。

[数学式4]

图9是表示图1所示的控制部的第3结构例的图。图9所示的控制部11-3由微型计算机及FPGA(Field Programmable Gate Array)这样的电路构成。由电流检测器13检测出的电流通过AD(Analog toDigital)转换器43转换为数字信号，通过减法运算器45求出转换后的值和电流指令值44的差，按照该差分在控制器46中生成开关元件3的控制信号。

通常，基于从振荡器41输出的恒定频率的信号，通过PWM信号生成器42将该控制信号转换为PWM信号，输入开关元件3的驱动电路30。在该电路结构内，将一部分构成为数字电路、或在FPGA的内部对其全部进行处理是任意的。

在这样的电路的情况下，从振荡器41输出的信号的周期与开关元件3的通断频率相等。由于从振荡器41输出的信号通常在数字电路的内部生成，但从结果来看能够通过该信号对开关元件3进行PWM驱动，因此如果对该信号的频率进行测量，则能够进行激光加工的时间常数的识别。激光加工的时间常数是工件300的加工所要求的表面粗糙度除以工件300的移动速度而得到的值。后面对激光加工的时间常数的详细内容进行叙述。

接着，对电力转换器10-1的输出电流的电流变动宽度dI对工件300的加工造成的影响进行说明。

图10是用于说明电力转换器的输出电流的变动对工件的加工造成的影响的图。在图10中从上按顺序示出电力转换器10-1的输出电流的变动、加工表面粗糙度小时的凹凸面、加工表面粗糙度大时的凹凸面。

在激光加工中，通过加工头22相对于静止状态的工件300移动而将工件300切断、或通过工件300相对于静止状态的加工头22移动而将工件300切断。此时，由于在LD 20流过的电流值产生变动，因此LD输出值即激光强度产生变动。因此，可以说图10的从上第1个图形所示的输出电流的变动与LD 20的激光强度的变动相等。激光强度的变动的周期为dt_p，相当于通断周期。有时将该周期dt_p称为通断时间常数或通断周期。

图10的从上第2个图形和第3个图形示出由于工件300及加工头22相对移动时的激光强度的变动，加工槽的宽度变宽或变狭窄的情况。相邻的多个大小的圆彼此接触。这是因为可以将透镜23的焦点位置处的激光的光束形状考虑为圆形，照射至工件300的圆形的激光的宽度随着时间的经过而产生变动。

如果将激光强度的变动的周期设为dx，则周期dx和周期dt_p的关系如下述(5)式所示，依赖于工件300及加工头22相对移动的移动速度v_L。

[数学式5]

dx＝V_L×dt_p…(5)

周期dx不是所谓的表面粗糙度，而是如出现在加工表面的“起伏”那样的参数。另一方面，在加工时作为加工表面的精加工精度大多考察加工的“表面粗糙度”。对于表面粗糙度存在各种定义，但表面粗糙度dz在工件300的上表面，即与工件300的加工头22相对的面处，能够定义为与激光的出射方向正交的方向的从凸凹状的起伏部的底部至顶部为止的宽度。如图10所示表面粗糙度dz相当于焦点位置处的激光的光束形状最小时和光束形状最大时的差分。

由于周期dx和表面粗糙度dz与激光的变动存在关系，并且与激光加工时的加工现象存在关系，因此不能够单纯地表示周期dx及表面粗糙度dz的关系。但是，如果考虑如图10的从上第3个图形所示的那样表面粗糙度dz变大那样的情况，则在表面粗糙度dz与周期dx之间存在下述(6)式的关系。

[数学式6]

这里，作为加工性能的表面粗糙度，在要求dz₀的表面粗糙度的情况下，激光加工后的表面的表面粗糙度dz需要比要求表面粗糙度dz₀小。因此，表面粗糙度dz最大能够为dx/2的大小，因此周期dx需要满足下述(7)式。

[数学式7]

dx≤2×dz₀…(7)

根据上述(5)式所示的周期dx与周期dt_p的关系，上述(7)式能够由下述(8)表示。

[数学式8]

v_L×dt_p＝dx≤2×dz₀…(8)

这里，将激光加工的时间常数dt_m定义为下述(9)式。移动速度v_L为加工时的移动机构的最大的移动速度。根据(9)式，能够将激光加工的时间常数dt_m理解为应该以加工现象为目标的长度即“表面粗糙度”除以加工速度而得到的值。

[数学式9]

这样，定义出的激光加工的时间常数dtm与通断周期dt_p处于下述(10)式的关系。

[数学式10]

上述(10)式的关系是指如下情况。即，在使工件300和激光相对移动而进行激光加工的情况下，为了实现所需要的表面粗糙度，激光二极管驱动用电源100的通断周期dt_p为激光加工的时间常数dt_m的2倍的值，即需要比要求表面粗糙度dz₀除以移动速度v_L而得到的值的2倍的值小。

此外，如上所述通断周期dt不会对加工的品质造成影响，但有时激光加工的时间常数dt_m之外的时间常数对加工造成影响。由于激光二极管驱动用电源100对输出电流进行控制，因此在使用检测出的电流值而进行反馈控制的情况下，不仅需要考虑通断周期dt，还需要考虑在检测电流值后至反映于通断动作为止的反馈时间，即电力转换器10所具备的反馈控制系统的处理所需要的时间。因此，在控制系统中以充分长的时间常数进行累计处理的情况下，在激光加工的时间常数dt_m中需要使用通断周期dt加上控制系统的响应时间常数而得到的值。即，激光加工的时间常数dt_m包含反馈控制系统的响应时间常数。在本实施方式涉及的控制部中，在对流过激光二极管的电流进行检测而进行反馈控制时，作为激光二极管驱动用电源所具有的反馈控制系统的响应时间常数与通断周期之和，设定比激光加工的时间常数的2倍的值短的值。

本实施方式涉及的激光二极管驱动用电源100通过将反馈时间加上通断周期的时间设为比激光加工的时间常数dt_m的2倍的值小，从而能够对由电流变动造成的对加工表面粗糙度的影响进行抑制。

此外，在反馈控制的情况下，需要考虑由反馈系统的时间常数造成的延迟，另外，根据控制系统至电流值稳定为止有时会花费几个周期量的通断周期，在电流值的高速的控制这样的动机上大多是不利的。相对于此，在前馈控制的情况下，即在以相对于目标电流值预先决定的通断宽度、或预先决定的通断模式进行通断时，由于不需要进行反馈，因此能够进一步对由电流变动造成的对加工表面粗糙度的影响进行抑制。

目前为止，对使用了恒流方式的电力转换器的激光二极管驱动用电源的结构例进行了说明，但在本实施方式涉及的激光二极管驱动用电源中也可以使用恒压方式的电力转换器。下面，对使用了恒压方式的电力转换器的激光二极管驱动用电源的结构例进行说明。

图11是表示本实施方式涉及的激光二极管驱动用电源的变形例的图。图11所示的激光二极管驱动用电源100A为恒压方式的升压斩波型的开关电源。激光二极管驱动用电源100A具备电力转换器10A及控制部11A。在控制部11A中，与图1所示的控制部11同样地，作为开关元件的通断周期，设定比激光加工的时间常数的2倍的值短的值。

电力转换器10A具备整流电路1、电容器2、电抗器5a、开关元件3a、二极管4a、电容器15及电压检测器14。控制部11A除了图6所示的控制部11-1的结构要素之外，还具备LPF(Low Pass Filter)37。

电压检测器14对电容器15的两端电压进行检测，将检测出的电压用于控制部11A中的反馈控制。这里，在将电容器15的电容设为充分大的值的情况下，由于输出电压保持为恒定而不产生电压纹波，因此假设将定电容器15的电容设为比较小的值。即，电容器15相对于电力转换器10A的输出电压没有充分的容量。另外，控制部11A对电力转换器10A的输出电压进行反馈控制，但由于电压产生变动，因此在放大器31和误差放大电路32之间设置有LPF37。

图12是表示图11所示的LD的电流电压波形的图。如图12所示LD 20的电流电压波形由于LD 20的电流电压特性，即使LD电压稍微变化LD电流也会变化得大。即，该状况是指由于在通过激光二极管驱动用电源100A将LD电压控制为恒定的电容器15没有充分的容量，因此LD电压稍微产生变动。因此，由于根据LD 20的电流电压特性，LD电流变动得大而产生电流纹波，因此电流纹波为对加工造成影响的级别。为了对向该加工的影响进行抑制，必须将激光二极管驱动用电源100A的通断频率设得充分地高。

此外，在本实施方式中，将开关元件的通断周期设为比激光加工的时间常数的2倍的值短的值，但开关元件的通断周期并不限于此，设定为比激光加工的时间常数的n倍的值短的值即可。其中，n为比1大的值。这样，如果将开关元件的通断周期设为比激光加工的时间常数的n倍的值短的值，则能够对由电流变动造成的向加工表面粗糙度的影响进行抑制。

此外，在本实施方式涉及的激光加工装置200中，也可以设置输入画面，该输入画面显示有输入表面粗糙度dz及移动速度v_L的项目。通过设置该输入画面，从而能够输入任意值的表面粗糙度dz及移动速度v_L，即使在使表面粗糙度dz及移动速度v_L产生变化的情况下，也能够对由电流变动造成的向加工表面粗糙度的影响进行抑制。

以上的实施方式所示的结构表示的是本发明的内容的一个例子，也可以与其它的公知的技术组合，在不脱离本发明的主旨的范围，也可以对结构的一部分进行省略、变更。

标号的说明

1整流电路，2电容器，3、3a开关元件，4斩波二极管，4a二极管，5、5a电抗器，6逆变器，7变压器，10、10-1、10-2、10A电力转换器，11、11-1、11-2、11-3、11A控制部，12加工指令，13电流检测器，14电压检测器，15电容器，20LD，21光纤，22加工头，23透镜，30驱动电路，31放大器，32误差放大电路，33PWM产生电路，34三角波产生器，35电流指令值，36比较器，37LPF，41振荡器，42PWM信号生成器，43AD转换器，44电流指令值，46控制器，100、100A激光二极管驱动用电源，200激光加工装置，300工件，400交流电源，R₁、R₂电阻器。

Claims (5)

1.一种激光二极管驱动用电源，其是通过对工件照射从激光二极管射出的激光而对所述工件进行加工的激光加工装置的激光二极管驱动用电源，

该激光二极管驱动用电源的特征在于，具备：

电力转换器，其具有开关元件，对所述激光二极管供给电流；以及

控制部，其对所述开关元件的通断动作进行控制，

在所述控制部中，作为所述开关元件的通断周期，设定比激光加工的时间常数的2倍的值短的值，

所述激光加工的时间常数是所述工件的加工所要求的表面粗糙度除以所述工件的移动速度而得到的值，

所述控制部在对流过所述激光二极管的电流进行检测而进行前馈控制时，相对于目标电流值以预先决定的通断宽度、或预先决定的通断模式对所述通断动作进行控制。

2.一种激光二极管驱动用电源，其是通过对工件照射从激光二极管射出的激光而对所述工件进行加工的激光加工装置的激光二极管驱动用电源，

该激光二极管驱动用电源的特征在于，具备：

电力转换器，其具有开关元件，对所述激光二极管供给电流；以及

控制部，其对所述开关元件的通断动作进行控制，

在所述控制部中，作为所述开关元件的通断周期，设定比激光加工的时间常数的2倍的值短的值，

所述激光加工的时间常数是所述工件的加工所要求的表面粗糙度除以所述工件的移动速度而得到的值，

在所述控制部中，在对流过所述激光二极管的电流进行检测而进行反馈控制时，作为所述激光二极管驱动用电源所具有的反馈控制系统的响应时间常数与所述通断周期之和，设定比所述激光加工的时间常数的2倍的值短的值。

3.一种激光二极管驱动用电源，其是通过对工件照射从激光二极管射出的激光而对所述工件进行加工的激光加工装置的激光二极管驱动用电源，

该激光二极管驱动用电源的特征在于，具备：

电力转换器，其具有开关元件，对所述激光二极管供给电流；以及

控制部，其对所述开关元件的通断动作进行控制，

在所述控制部中，作为所述开关元件的通断周期，设定比激光加工的时间常数的2倍的值短的值，

所述激光加工的时间常数是所述工件的加工所要求的表面粗糙度除以所述工件的移动速度而得到的值。

4.一种激光加工装置，其特征在于，

具备权利要求1至3中任一项所述的激光二极管驱动用电源。

5.根据权利要求4所述的激光加工装置，其特征在于，

具备输入画面，该输入画面显示有输入所述表面粗糙度及所述移动速度的项目。

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