CN117580671A - 激光加工装置的数值控制装置 - Google Patents

Abstract

一种控制激光加工装置的数值控制装置，该激光加工装置一边使激光加工头与工件相对移动，一边通过从所述激光加工头射出的脉冲激光对所述工件进行加工，所述数值控制装置具备：速度指令生成部，其基于加工程序，生成对所述相对移动的速度进行控制的速度指令；激光指令生成部，其根据所述速度指令，生成至少包含所述脉冲激光的频率和占空比的激光输出指令值；变化率运算部，其基于所述频率计算所述脉冲激光的周期指令，针对所述周期指令计算由于所述激光加工装置的性能的限制而变化的变化后周期指令的变化率；以及速度调整部，其使用所述变化率来调整所述速度指令生成部生成的所述速度指令。

Description

激光加工装置的数值控制装置

技术领域

本发明涉及激光加工装置的数值控制装置。

背景技术

已知有利用脉冲激光在被加工物上等间隔地开孔的技术。例如，专利文献1的第三页的左上栏到左下栏记载了“第4图(a)表示通过移动单元移动的被加工物(9)的移动速度，……。第4图(b)表示来自脉冲发生器的输出的大小即频率的大小，表示来自电压-频率转换器(15)的输出信号的大小即频率的大小，根据被加工物(9)的移动速度而变化。在此，若将被加工物(9)的进给速度设为V，将电压-频率转换器(15)的输出波形的频率设为F，将第3图所示的设定器(16)的输出即设定间距设为P’，则表示为F＝V/P’，由此间距成为P’＝V/F……(1)。

另外，若将实际形成的孔(10)的间距设为P，则存在P＝V/F的关系，根据上述(1)式而成为P＝P’，间距设定器(14)的输出能够设定间距P，即使被加工物的移动速度V变化，也能够在被加工物(9)上开设一定间距的孔(10)。”。

除了上述开孔之外，目前还在半导体产品的加工、玻璃透镜的加工等各种精密加工中也利用脉冲激光。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭59-42194号公报

发明内容

发明所要解决的课题

但是，受到装置性能的限制，即使与激光加工头和被加工物的相对移动速度的变化相匹配地使脉冲激光的频率变化，当频率变高时，装置输出的脉冲激光的周期也无法追随频率的变化，其变化变得不连续。

图3是表示现有技术中的问题点的图表。横轴表示激光加工头的进给速度。图3中有3个曲线图，“脉冲频率”曲线图表示脉冲激光的频率的变化。为了以一定的间距对被加工物照射激光来进行加工，进行与激光加工头的进给速度成比例地使激光的脉冲频率变化的控制。“脉冲周期”曲线图表示激光加工装置输出的脉冲激光的周期的变化。“每个脉冲周期的扫描距离”曲线图表示在脉冲激光的各周期的期间激光加工头行进的距离的变化。以下，有时也将在脉冲激光的各周期的期间激光加工头行进的距离称为“脉冲距离间隔”。

由于脉冲周期是脉冲频率的倒数，所以在脉冲频率与激光加工头的进给速度成比例地直线变化的情况下，脉冲周期应该沿着平滑的双曲线连续地变化。但是，激光加工装置受到对于脉冲周期指令的分辨率的限制等各种限制，无法追随基于脉冲频率计算出的脉冲周期指令。其结果，如图3所示，激光加工装置输出的脉冲激光的周期不连续地变化，在图表中出现阶梯差。脉冲频率越高，脉冲周期曲线图中出现的阶梯差越显著。

受到该影响，在“每个脉冲周期的扫描距离”曲线图中也出现阶梯差。即，脉冲距离间隔不恒定，通过脉冲激光照射的点的间隔不恒定。由此，存在激光加工的精度变差，在加工后的部分形成缺陷等课题。

用于解决课题的手段

本公开的一实施方式的数值控制装置控制激光加工装置，该激光加工装置一边使激光加工头与工件相对移动，一边通过从所述激光加工头射出的脉冲激光对所述工件进行加工，所述数值控制装置具备：速度指令生成部，其基于加工程序来生成对所述相对移动的速度进行控制的速度指令；激光指令生成部，其根据所述速度指令来生成至少包含所述脉冲激光的频率和占空比的激光输出指令值；变化率运算部，其基于所述频率计算所述脉冲激光的周期指令，针对所述周期指令，计算由于所述激光加工装置的性能的限制而变化的变化后周期指令的变化率；以及速度调整部，其使用所述变化率来调整所述速度指令生成部生成的所述速度指令。

发明效果

根据上述实施方式，即使脉冲周期的变化不连续，通过脉冲激光向加工面照射的点的间隔也恒定。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的数值控制装置的结构的框图。

图2是说明本发明的一个实施方式的效果的示意图。

图3是说明现有技术中的问题点的曲线图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

<实施方式1>

图1是表示本发明的一实施方式的数值控制装置的结构的框图。该实施方式的数值控制装置是对通过从激光加工头14射出的脉冲激光来加工工件的激光加工装置10进行控制的数值控制装置20。该激光加工装置10具有：激光控制部11，其控制从激光加工头14射出的脉冲激光；以及驱动轴控制部12，其控制使激光加工头14与工件相对移动的驱动轴13。为了简化本实施方式的说明，在本实施方式中，工件被固定，驱动轴控制部12控制的驱动轴13仅使激光加工头14移动。即，激光加工头14的进给速度(移动速度)是激光加工头14与工件的相对移动速度。

如图1所示，数值控制装置20具备程序解析部22、速度指令生成部23、激光指令生成部24、变化率运算部25以及速度调整部26。程序解析部22解析加工程序21，将解析出的信息发送给关联的部分。例如，如果是与激光加工头14的进给速度有关的信息，则向速度指令生成部23发送，如果是与脉冲激光的频率相关的信息，则向激光指令生成部24发送。

速度指令生成部23基于程序解析部22解析出的加工程序21，生成对激光加工头14的进给速度进行控制的速度指令F。速度指令生成部23将生成的速度指令F发送到激光指令生成部24和速度调整部26。激光指令生成部24能够进行脉冲激光的功率控制。激光指令生成部24根据速度指令F生成至少包含脉冲激光的频率和占空比的激光输出指令值。例如，激光指令生成部24通过以下的数学式1生成与速度指令F成比例的脉冲激光的频率指令值f，并发送到变化率运算部25和激光控制部11。

[数1]

在数学式1中，D是常数，是作为激光加工装置10的目标的在脉冲激光的各周期的期间激光加工头14行进的距离。以下，也将常数D称为“目标脉冲距离间隔”。

激光控制部11基于来自激光指令生成部24的频率指令值f，计算脉冲激光的周期指令T(＝1/f)，来控制激光加工头14射出的脉冲激光。

变化率运算部25基于来自激光指令生成部24的频率指令值f，计算脉冲激光的周期指令T(＝1/f)。另外，变化率运算部25对于周期指令T，计算由于激光加工装置10的性能的限制而变化的变化后周期指令T’的周期变化率R，并发送至速度调整部26。周期变化率R通过下述的数学式2来计算。

[数2]

其中，n为任意的自然数。T(n)是指受到激光加工装置10的性能的限制从而周期指令的变化(偏离基于频率指令值f计算出的周期指令(1/f))即将开始前的时间点的周期指令。T’(n+a)是周期指令变化的期间的各时间点的变化后周期指令T’。a为“1、2、3、…”等自然数。在速度指令F相对于时间的变化率(加速度)变化的情况下，需要使用新的加速度中的T(n)。

速度调整部26使用周期变化率R来调整速度指令生成部23生成的速度指令F，生成调整后速度指令F’并发送到驱动轴控制部12。速度调整部26基于下述的数式3来调整速度指令。

[数3]

F′(n+a)＝F(n)×R(n+a)

其中，F(n)是与T(n)对应的n时间点的速度指令F。

基于反映了激光加工装置10对于周期指令T的性能限制的模型，通过变化率运算部25的模拟计算来计算变化后周期指令T’。例如，变化率运算部25基于反映了激光加工装置10对于周期指令T的分辨率限制的模型，计算变化后周期指令T’。以下，对激光加工装置10的分辨率限制以及反映了该限制的变化后周期指令T’的计算方法进行说明。

例如，激光加工装置10对于周期指令T的分辨率S为0.5μs，变化率运算部25基于频率指令值f计算出的n时间点的脉冲激光的周期指令T(n)为0.5μs，(n+1)时间点的周期指令T(n+1)为0.6μs，(n+2)时间点的周期指令T(n+2)为0.7μs，(n+3)时间点的周期指令T(n+3)为0.8μs，(n+4)时间点的周期指令T(n+4)为0.9μs，(n+5)时间点的周期指令T(n+5)为1.0μs，(n+6)时间点的周期指令T(n+6)为1.1μs。另外，设速度指令F相对于时间的变化率(加速度)恒定。另外，激光控制部11基于频率指令值f计算出的周期指令T也同样。

在计算出的周期指令T中，n时间点的周期指令T(n)＝0.5μs以及(n+5)时间点的周期指令T(n+5)＝1.0μs是分辨率S(0.5μs)的整数倍，因此激光加工装置10能够追随该周期指令的变化，能够如周期指令那样控制脉冲激光。但是，其他时间点的周期指令的值(0.6～0.9以及1.1μs)不是分辨率S(0.5μs)的整数倍，因此激光加工装置10无法追随该周期指令的变化。其结果，对于从(n+1)到(n+4)时间点，激光加工装置10以之前成为分辨率S的整数倍的n时间点的周期指令(0.5μs)控制脉冲激光，对于(n+6)时间点，以之前成为分辨率S的整数倍的(n+5)时间点的周期指令(1.0μs)控制脉冲激光。

因此，实际上控制脉冲激光的周期指令如图3的“脉冲周期”图表那样阶段性地变化。其结果，即使基于数学式1生成频率指令值f来控制脉冲激光，脉冲距离间隔也不会如目标脉冲距离间隔D那样成为恒定。

本实施方式通过以下的数学式4，反映激光加工装置10的分辨率的限制，计算与实际控制脉冲激光的周期指令近似的变化后周期指令T’。

[数4]

T’＝floor(T/S)×S

在数学式4中，floor是在C语言等中使用的函数，是舍去数值的小数点以下的函数。另外，如上所述，S是激光加工装置10对于周期指令T的分辨率，T是基于频率指令值f计算出的周期指令。

例如，对于上述例子中的(n+2)时间点的周期指令T(n+2)＝0.7μs、S＝0.5μs的情况，若使用数学式4进行计算，则变化后周期指令T’如以下的数学式5所示那样成为0.5μs。

[数5]

T’＝floor(0.7/0.5)×0.5＝floor(1.4)×0.5＝1.0×0.5＝0.5[μs]

并且，当使用数学式4计算上述例子的其他时间点的变化后周期指令T’时，从(n+1)到(n+4)时间点的变化后周期指令T’全部为0.5μs，(n+5)和(n+6)时间点的变化后周期指令T’为1.0μs。

其结果与在周期指令T的值不是分辨率S的整数倍时激光加工装置10使用在此之前成为分辨率S的整数倍的时间点的周期指令来控制脉冲激光的情况相同。即，通过数学式4所示的模型，能够反映激光加工装置10的分辨率的限制对周期指令造成的影响。

因此，在本实施方式中，变化率运算部25通过数学式4计算变化后周期指令T’，通过数学式2计算周期变化率R并发送到速度调整部26。速度调整部26使用周期变化率R，通过数学式3来调整速度指令F，生成调整后速度指令F’。驱动轴控制部12基于调整后速度指令F’来控制激光加工头14的进给速度。

在上述的例子中，周期指令T(n)＝0.5μs相当于数学式2中的“T(n)”，即，是周期指令的变化即将开始前的时间点的周期指令。此外，(n+1)～(n+6)相当于式2中的“(n+a)”，在这些时间点周期指令变化从而偏离了计算出的周期指令(1/f)，成为变化后周期指令T’(n+a)。其中，在(n+5)时间点，变化后周期指令T’(n+5)等于周期指令T(n+5)，为1.0μs。即，在(n+5)时间点，实际控制脉冲激光的周期指令与基于频率指令值f计算出的周期指令(1/f)一致，不偏离计算出的周期指令(1/f)。但是，在使用数学式2和数学式3进行控制的计算中，将这样的时间点的周期指令作为变化后周期指令T’来处理是便利的，即使使用数学式4计算这样的时间点的变化后周期指令T’，也能够得到能够正确地反映状况的结果。由此，在本实施方式中，如此对于存在于周期指令变化的期间，与计算出的周期指令(1/f)一致的周期指令也作为变化后周期指令T’来处理。

图2是说明本实施方式的效果的示意图。图2的上部是表示伴随时间的各参数的变化的示意图。图2的下部是表示在各调整后速度指令F’下的在脉冲激光的各周期中激光加工头行进的距离，即调整后脉冲距离间隔D’的示意图。图2表示对激光加工头的进给速度进行控制的速度指令F直线下降的例子。

如图2所示，脉冲激光的周期实测值Ta相对于时间的变化不连续，出现阶梯差。另一方面，使用变化后周期指令T’通过数学式2和数学式3计算出的调整后速度指令F’的变化中也出现与周期实测值Ta对应的阶梯差。如图2的最上面所示，当使用调整后速度指令F’来控制激光加工头14的进给速度时，即使进给速度变化，调整后脉冲距离间隔D’也维持为恒定的值。即，将激光加工头在脉冲激光的各周期的期间行进的距离控制为恒定。

该结果也能够使用以下的数学式6通过计算来确认。

[数6]

D’＝F’×Ta

例如，在图2中，周期实测值Ta的左侧的点列的值为0.5μs，中央的点列的值为1.0μs，右侧的点列的值为1.5μs。此外，如“F60000”、“F30000”以及“F20000”所示，设调整后速度指令F’的左侧的点列的值为60000mm/min，中央的点列的值为30000mm/min，右侧的点列的值为20000mm/min。在左侧的点列对应的周期实测值Ta为0.5μs，调整后速度指令F’为60000mm/min，因此在将该2个值代入式6进行计算时，D’＝0.5μm。对于中央的点列和右侧的点列也进行同样的计算，同样成为D’＝0.5μm的结果。

图2的下部是描绘了即使在不同的进给速度下，也能够将激光加工头在脉冲激光的各周期的期间行进的距离控制为恒定的示意图。在图2中，表示周期实测值Ta的点列的间隔、以及表示激光束的点列的间隔描绘了对应的脉冲激光的各周期的大小。

本实施方式的数值控制装置基于反映了激光加工装置10对周期指令T的性能限制的模型，通过变化率运算部25的模拟计算来计算变化后周期指令T’，并计算变化后周期指令T’相对于周期指令T的周期变化率R，使用周期变化率R来调整速度指令F，由此，即使在不同的进给速度下，也能够将激光加工头14在脉冲激光的各周期的期间行进的距离控制为恒定，能够将通过脉冲激光向加工面照射的点的间隔控制为恒定。

<实施方式2>

本实施方式是实施方式1的变形。本实施方式的激光加工装置及其数值控制装置能够具有图1所示的激光加工装置10和数值控制装置20的结构。因此，对于具有与实施方式1相同功能的构成要素，省略说明。

本实施方式与实施方式1的主要不同点在于，作为在计算周期变化率R的数学式2中使用的变化后周期指令T’，使用在激光加工装置10的试运转中实测的脉冲激光的周期实测值Ta。即，变化率运算部25不是基于模型来计算变化后周期指令T’，而是使用所存储的周期实测值Ta来计算周期变化率R，并发送至速度调整部26。速度调整部26使用该周期变化率，基于数学式3调整速度指令。在周期实测值Ta存在测定误差等的情况下，也可以进行用于降低测定误差等的处理，使用基于周期实测值Ta计算出的值来计算周期变化率R。

周期实测值Ta是受到激光加工装置10的各种性能限制的值，因此若通过使用该周期实测值Ta计算出的周期变化率R来调整速度指令F，则能够更准确地将调整后脉冲距离间隔D’控制为恒定。

数值控制装置20的各结构可以由记述其动作的程序和执行该程序的CPU构成。另外，也可以由计算机构成数值控制装置20，该计算机的CPU通过执行记述了数值控制装置20的各结构的功能的程序来实现各结构。

在上述实施方式中，变化率运算部25和激光控制部11分别基于频率指令值f计算周期指令T，但也可以由激光指令生成部24计算周期指令T并发送到变化率运算部25和激光控制部11。

以上，使用实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限于上述实施方式所记载的范围。对于本领域技术人员而言，显然能够对上述实施方式施加多种变更或改良。从专利保护范围的记载可知，施加了这样的变更或改良的方式也能够包含在本发明的技术范围内。例如，上述实施方式是为了容易理解地说明本发明而详细说明的实施方式，但本发明并不限于必须具备所说明的全部结构。此外，关于各实施方式的一部分结构，也能够通过其他结构进行置换，也能够将其删除。

附图标记的说明

10激光加工装置

11激光控制部

12驱动轴控制部

13驱动轴

14激光加工头

20数值控制装置

21加工程序

22程序解析部

23速度指令生成部

24激光指令生成部

25变化率运算部

26速度调整部

D目标脉冲距离间隔

D’调整后脉冲距离间隔

f频率指令值

F速度指令

F’调整后速度指令

R周期变化率

S周期指令的分辨率

T周期指令

T’变化后周期指令

Ta周期实测值。

Claims (4)

1.一种控制激光加工装置的数值控制装置，所述激光加工装置一边使激光加工头与工件相对移动，一边通过从所述激光加工头射出的脉冲激光来加工所述工件，

其特征在于，

所述数值控制装置具备：

速度指令生成部，其根据加工程序来生成对所述相对移动的速度进行控制的速度指令；

激光指令生成部，其根据所述速度指令来生成至少包含所述脉冲激光的频率和占空比的激光输出指令值；

变化率运算部，其基于所述频率计算所述脉冲激光的周期指令，针对所述周期指令计算由于所述激光加工装置的性能的限制而变化的变化后周期指令的变化率；以及

速度调整部，其使用所述变化率来调整所述速度指令生成部生成的所述速度指令。

2.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

基于反映了所述激光加工装置对于所述周期指令的性能的限制的模型，通过所述变化率运算部的模拟计算来计算所述变化后周期指令。

3.根据权利要求2所述的数值控制装置，其特征在于，

所述激光加工装置的性能的限制是所述激光加工装置对于所述周期指令的分辨率的限制。

4.根据权利要求1所述的数值控制装置，其特征在于，

作为所述变化后周期指令，使用在所述激光加工装置的试运转中实测出的所述脉冲激光的周期实测值，或者使用基于所述周期实测值计算出的值。