DE102017107499A1

DE102017107499A1 - Laserbearbeitungsvorrichtung und Laserbearbeitungsverfahren zum Durchführen von Laserbearbeitung während eines Steuerns von reflektiertem Licht

Info

Publication number: DE102017107499A1
Application number: DE102017107499.6A
Authority: DE
Inventors: Takashi Izumi
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2016-04-08
Filing date: 2017-04-07
Publication date: 2017-10-12
Anticipated expiration: 2037-04-08
Also published as: US20170291258A1; JP2017185536A; CN107283049A; JP6367858B2; DE102017107499B4; CN107283049B; US10363630B2

Abstract

Ein Laserbearbeitungsverfahren wird in einer Laserbearbeitungsvorrichtung durchgeführt, die einen Laserstrahl aus einem Bearbeitungskopf zu einem Werkstück aussendet, um während eines Steuerns von reflektiertem Licht des ausgesendeten Laserstrahls auf einen vorgeschriebenen Wert oder weniger eine Laserbearbeitung durchzuführen. Das Laserbearbeitungsverfahren schließt die Schritte eines schrittweisen Erhöhens einer Laserleistung von einer niedrigeren Laserleistung als einer in einer Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung enthaltenen Laserleistung ausgehend vor einem Durchführen einer Laserbearbeitung für das Werkstück, um einen Laserstrahl aus einem Laseroszillator zu emittieren, und eines Messens von reflektiertem Licht durch einen Sensor für reflektiertes Licht, und den Schritt eines Festlegens einer Aussendebedingung zum Verringern des reflektierten Lichts auf Grundlage eines Messwertes des reflektierten Lichts und des vorgeschriebenen Wertes, und den Schritt eines Verringerns des reflektierten Lichts vor Durchführen der Laserbearbeitung durch Bestrahlen des Werkstücks mit einem Laserstrahl für eine vorbestimmte Zeitdauer unter der festgelegten Aussendebedingung ein.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laserbearbeitungsvorrichtung und ein Laserbearbeitungsverfahren zum Durchführen von Laserbearbeitung während eines Steuerns von reflektiertem Licht.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Eine Laserbearbeitung wird durchgeführt, nachdem Bearbeitungsbedingungen ausgewählt werden, zum Beispiel zu schneidende Materialien oder deren Stärke. Wenn viel reflektiertes Licht während der Laserbearbeitung auftritt, wird die Laserbearbeitung angehalten und eine Warnung ausgegeben. Als Beispiele der Technologie zum Vermeiden von solchem reflektierten Licht sind die folgenden Patentschriften öffentlich bekannt.
Die Offenlegung des ungeprüften japanischen Patents (Kokai) Nr. 2014-117730 offenbart, dass vor einem Laserbearbeiten ein Werkstück als ein vorläufiger Bearbeitungsvorgang mit einem Laserstrahl unter Durchdringungsbedingungen bestrahlt wird, während eine Fokusposition verändert wird, sodass eine Position, an der die Intensität von reflektiertem Licht gering ist, gespeichert wird, und an dieser Position ein Durchdringungsvorgang (Bohrvorgang) durchgeführt wird.
Das japanische Patent Nr. 4174267 offenbart, dass ein Werkstück mit einem Laserstrahl gepulst bestrahlt wird, bevor es durchdrungen oder geschnitten wird, und wenn der Messwert von reflektiertem Licht einen vorgeschriebenen Wert übersteigt, wird die Impulsbreite des Laserstrahls verringert.
WO 2013/014994 offenbart, dass ein Werkstück mit einem Laserstrahl bestrahlt wird, und ob die festgelegten Bearbeitungsbedingungen zu dem Werkstück passen, wird anhand des reflektierten Lichts ermittelt.
ABRISS DER ERFINDUNG
Wenn ein Laserstrahl verwendet wird, um eine Laserbearbeitung, wie beispielsweise Bohren, Schneiden, Markieren, Schweißen usw., in beispielsweise den folgenden Fällen durchzuführen, kann ein Problem bei der Bearbeitung auftreten oder viel reflektiertes Licht auftreten.

(1) Der Fall, in dem ein Material bearbeitet wird, für das keine Bearbeitungsbedingungen festgelegt sind.
(2) Der Fall, in dem auszuwählende Bearbeitungsbedingungen fehlerhaft eingegeben werden.
(3) Der Fall, in dem dieselben Materialien verwendet werden, deren Reflektionsraten sich aufgrund ihrer unterschiedlichen Oberflächenzustände, Neigungen usw. stark voneinander unterscheiden.

Wenn viel reflektiertes Licht zu einem Laseroszillator zurückgeleitet wird, wird der Laseroszillator sofort beschädigt. Ferner kann die wiederholte Zurückleitung von viel reflektiertem Licht zu einem Oszillator ein Versagen beim Oszillator verursachen. Somit verursacht das Auftreten von reflektiertem Licht, dass die Laserbearbeitung anhält, und macht es schwierig, eine stabile Produktion aufrecht zu erhalten.
Somit besteht eine Nachfrage nach einer Technologie zum Durchführen einer stabilen Laserbearbeitung durch Steuern von reflektiertem Licht von einem Werkstück ohne Beschädigen eines Laseroszillators.
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Laserbearbeitungsverfahren bereit, das in einer Laserbearbeitungsvorrichtung durchgeführt wird, die einen Laserstrahl aus einem Bearbeitungskopf zu einem Werkstück aussendet, um eine Laserbearbeitung während eines Steuerns von reflektiertem Licht des ausgesendeten Laserstrahls auf einen vorgeschriebenen Wert oder weniger durchzuführen. Das Laserbearbeitungsverfahren schließt die Schritte ein eines schrittweisen Erhöhen einer Laserleistung von einer niedrigeren Laserleistung als einer in einer Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung enthaltenen Laserleistung ausgehend vor einem Durchführen einer Laserbearbeitung für das Werkstück, um einen Laserstrahl aus einem Laseroszillator zu emittieren, und eines Messen von reflektiertem Licht durch einen Sensor für reflektiertes Licht, eines Festlegens einer Aussendebedingung zum Verringern des reflektierten Lichts auf Grundlage eines Messwertes des reflektierten Lichts und des vorgeschriebenen Wertes, und eines Verringerns des reflektierten Lichts vor Durchführen der Laserbearbeitung durch Bestrahlen des Werkstücks mit einem Laserstrahl für eine vorbestimmte Zeitdauer unter der festgelegten Aussendebedingung.
Ein zweiter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das Laserbearbeitungsverfahren im ersten Aspekt bereit, in dem der Schritt des schrittweisen Erhöhens der Laserleistung von der niedrigen Laserleistung ausgehend, um einen Laserstrahl aus dem Laseroszillator zu emittieren, und des Messens des reflektierten Lichts durch einen Sensor für reflektiertes Licht den Schritt eines Emittierens eines gepulsten Laserstrahls einschließt, der eine Aus-Zeit der Laserstrahlaussendung aufweist.
Ein dritter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das Laserbearbeitungsverfahren im ersten oder zweiten Aspekt bereit, das nach dem Schritt des Verringerns des reflektierten Lichts ferner den Schritt eines Ausführens eines Aussendebefehls unter einer Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung einschließt, um das reflektierte Licht zu messen. Wenn der Messwert des reflektierten Lichts den vorgeschriebenen Wert überschreitet, kehrt der Prozess wieder zu dem Schritt des schrittweisen Erhöhens der Laserleistung von der niedrigen Laserleistung ausgehend, um einen Laserstrahl aus dem Laseroszillator zu emittieren, und des Messens des reflektierten Lichts durch einen Sensor für reflektiertes Licht zurück.
Ein vierter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das Laserbearbeitungsverfahren im ersten oder zweiten Aspekt bereit, das ferner die Schritte eines Ausführens eines Aussendebefehls unter einer Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung, um das reflektierte Licht nach dem Schritt des Verringerns des reflektierten Lichts zu messen, und eines Bewegens einer Fokusposition des Laserstrahls einschließt, wenn der Messwert des reflektierten Lichts den vorgeschriebenen Wert überschreitet. Der Prozess kehrt wieder zu dem Schritt des schrittweisen Erhöhens der Laserleistung von der niedrigen Laserleistung ausgehend, um einen Laserstrahl aus dem Laseroszillator zu emittieren, und des Messens des reflektierten Lichts durch einen Sensor für reflektiertes Licht zurück.
Ein fünfter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das Laserbearbeitungsverfahren im zweiten Aspekt bereit, in dem die Impulsbreite des Laserstrahls im Schritt des schrittweisen Erhöhens der Laserleistung von der niedrigen Laserleistung ausgehend, um einen Laserstrahl aus dem Laseroszillator zu emittieren, und des Messens des reflektierten Lichts durch einen Sensor für reflektiertes Licht länger ist als eine Erfassungszeitdauer zum Erfassen der Tatsache, dass der Messwert des reflektierten Lichts den vorgeschriebenen Wert überschreitet.
Ein sechster Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das Laserbearbeitungsverfahren in einem des ersten bis fünften Aspekts bereit, in dem eine an dem Bearbeitungskopf angeordnete Messeinheit für reflektiertes Licht verwendet wird, um reflektiertes Licht zu messen.
Ein siebter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das Laserbearbeitungsverfahren in einem des ersten bis fünften Aspekts bereit, in dem es sich bei dem Laseroszillator um einen Faserlaseroszillator handelt und der Sensor für reflektiertes Licht in dem Faserlaseroszillator bereitgestellt ist, um reflektiertes Licht zu messen, das zu einem Kernteil einer optischen Faser zurückgeleitet wird.
Ein achter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das Laserbearbeitungsverfahren in einem des ersten bis fünften Aspekts bereit, in dem es sich bei dem Laseroszillator um einen Faserlaseroszillator handelt und der Sensor für reflektiertes Licht in dem Faserlaseroszillator bereitgestellt ist, um reflektiertes Licht zu messen, das zu einem Mantelteil einer optischen Faser zurückgeleitet wird.
Ein neunter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt das Laserbearbeitungsverfahren in einem des ersten bis fünften Aspekts bereit, in dem es sich bei dem Laseroszillator um einen Faserlaseroszillator handelt und der Sensor für reflektiertes Licht in dem Faserlaseroszillator bereitgestellt ist, um reflektiertes Licht zu messen, das zu einem Kernteil und einem Mantelteil einer optischen Faser zurückgeleitet wird.
Ein zehnter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt eine Laserbearbeitungsvorrichtung bereit, die einen Laserstrahl zu einem Werkstück aussendet, um eine Laserbearbeitung während eines Steuerns von reflektiertem Licht des ausgesendeten Laserstrahls auf einen vorgeschriebenen Wert oder weniger durchzuführen. Die Laserbearbeitungsvorrichtung schließt einen Festkörper-Laseroszillator, eine Laserleistungsquelle, die eine Impulslaseroszillation ermöglicht, eine Aussendesteuereinheit zum Ausführen eines Aussendebefehls für die Laserleistungsquelle, eine Messeinheit für reflektiertes Licht zum Messen von reflektiertem Licht von dem Werkstück, eine Datenspeichereinheit zum Speichern von einem oder mehreren vorgeschriebenen Werten des reflektierten Lichts, eine Steuereinheit zum Ausgeben eines Befehls zum schrittweisen Erhöhen einer Laserleistung von einer niedrigeren Laserleistung als der in einer Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung enthaltenen Laserleistung ausgehend, um einen gepulsten Laserstrahl zu emittieren, eine Vergleichseinheit zum Vergleichen des Messwertes des reflektierten Lichts und des vorgeschriebenen Wertes, und eine Berechnungseinheit zum Berechnen einer Aussendebedingung zum Verringern von reflektiertem Licht auf Grundlage eines Ergebnisses eines Vergleichs zwischen dem Messwert des reflektierten Lichts und dem vorgeschriebenen Wert.
Ein elfter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Laserbearbeitungsvorrichtung im zehnten Aspekt bereit, die ferner eine Mechanismuseinheit mit einer Antriebswelle, welche die Fokusposition eines Laserstrahls ändern kann, und eine Mechanismussteuereinheit zum Steuern der Mechanismuseinheit einschließt. Nachdem ein Laserstrahl unter der Aussendebedingung zum Verringern des reflektierten Lichts emittiert wurde, wenn der Messwert des reflektierten Lichts den vorgeschriebenen Wert überschreitet, steuert die Mechanismussteuereinheit die Mechanismuseinheit derart, dass eine Fokusposition eines Laserstrahls geändert wird.
Ein zwölfter Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt die Laserbearbeitungsvorrichtung im elften Aspekt bereit, in der die Laserleistungsquelle bei einer Geschwindigkeit von 200 μs oder weniger gestartet wird und die Aussendesteuereinheit einen Impulsbefehl von 200 μs oder weniger als Aussendebefehl des Laserstrahls ausgibt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Ansicht einer Laserbearbeitungsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist ein Blockdiagramm der Laserbearbeitungsvorrichtung in der ersten Ausführungsform.
3 ist ein Ablaufplan eines Laserbearbeitungsverfahrens in der ersten Ausführungsform.
4 ist ein Schaubild, das eine Entsprechungsbeziehung zwischen befehlsbedingter Laserleistung und Messwerten von reflektiertem Licht in der ersten Ausführungsform angibt.
5 ist eine Schnittansicht eines Werkstücks, das sich in der ersten Ausführungsform in einem Verringerungsschritt für reflektiertes Licht ändert.
6 ist ein Blockdiagramm einer Laserbearbeitungsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein Ablaufplan eines Laserbearbeitungsverfahrens in der zweiten Ausführungsform.
8 ist ein Blockdiagramm einer Laserbearbeitungsvorrichtung in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist ein Ablaufplan eines Laserbearbeitungsverfahrens in der dritten Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In den folgenden Figuren sind ähnliche Elemente mit denselben Bezugsziffern bezeichnet. Man beachte, dass die nachstehend beschriebenen Inhalte den technischen Umfang der in Ansprüchen beschriebenen Erfindungen und die Bedeutung von Begriffen nicht einschränken.
(Erste Ausführungsform)
Unter Bezugnahme auf 1 und 2 wird die Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung in einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist eine schematische Ansicht der Laserbearbeitungsvorrichtung in der ersten Ausführungsform. 2 ist ein Blockdiagramm der Laserbearbeitungsvorrichtung in der ersten Ausführungsform. Eine Laserbearbeitungsvorrichtung 10 führt eine Bearbeitung, wie beispielsweise Bohren, Schneiden, Markieren, Schweißen usw., für ein Werkstück 11 durch. Die Laserbearbeitungsvorrichtung 10 weist einen Bearbeitungskopf 12 zum Aussenden eines Laserstrahls L zum Werkstück 11, einen Tisch 13, auf dem das Werkstück 11 zu platzieren ist, eine Mechanismussteuereinheit 14, die ein Antreiben von Mechanismusteilen, wie beispielsweise Antriebswellen des Bearbeitungskopfes 12 und des Tisches 13, steuert, einen Laseroszillator 16, der über eine optische Faser 15 mit dem Bearbeitungskopf 12 verbunden ist, und eine numerische Steuervorrichtung 17 auf, welche die Mechanismussteuereinheit 14 und den Laseroszillator 16 steuert.
Der Bearbeitungskopf 12 bewegt sich in Hinsicht auf das auf dem Tisch 13 platzierte Werkstück 11 in den X-, Y- und Z-Richtungen. Der Bearbeitungskopf 12 bewegt auch eine Sammellinse 20 in der B-Achsen-Richtung, um eine Fokusposition des Laserstrahls L zu verschieben. Wie in 2 gezeigt, weist der Bearbeitungskopf 12 eine Antriebswelle 19 zur Bewegung in der Z-Achsen-Richtung und eine Antriebswelle 21 zum Bewegen der Sammellinse 20 in der B-Achsen-Richtung auf. Der Tisch 13 weist eine Antriebswelle auf, die nicht veranschaulicht ist, aber zum Bewegen in den X- und Y-Achsen-Richtungen verwendet wird.
Die Mechanismussteuereinheit 14 weist Servomotoren 22 und 23 zum Drehen der Antriebswellen 19 und 21, Servoverstärker 24 und 25 zum Steuern der Drehung der Servomotoren 22 und 23 und Positionssteuereinheiten 26 und 27 zum Steuern der Position der Servomotoren 22 und 23 auf.
Der Laseroszillator 16 ist mit dem Bearbeitungskopf 12 über die optische Faser 15 verbunden, die einen Durchmesser von 100 μm aufweist. Der Laseroszillator 16 ist ein Faserlaseroszillator mit einer maximalen Leistung von 4 kW und weist einen Faserlaserresonator 30 auf. Eine Laserleistungsquelle 31 ermöglicht es dem Faserlaserresonator 30, Impulse zu erzeugen. Eine Aussendesteuereinheit 32 gibt an die Laserleistungsquelle 31 einen Aussendebefehl gemäß Bearbeitungsbedingungen, wie beispielsweise Laserleistung, Frequenz, Betriebsart usw., aus. Die Laserleistungsquelle 31 wird durch einen durch die Aussendesteuereinheit 32 ausgegebenen Impulsbefehl von 200 μs oder weniger mit einer Geschwindigkeit von 200 μs oder weniger gestartet. Dies verbessert die Ansprechempfindlichkeit einer Laseraussendung und verursacht dementsprechend, dass ein Aussendebefehl eines Laserstahls leicht einem Messwert von reflektiertem Licht zugeordnet wird.
Der Faserlaserresonator 30 ist aus einer Vielzahl von Laserresonatoren zusammengesetzt, die nicht veranschaulicht sind, und erzeugt einen Laserstrahl L mit großer Leistung durch Verwenden eines Strahlkombinators, um eine Vielzahl von Fasern auf der Aussendeseite zu koppeln. Der Laserstrahl L wird durch einen Klappspiegel 18 reflektiert und auf das Werkstück 11 aufgebracht. Ein Sensor für reflektiertes Licht 33 zum Messen von reflektiertem Licht R von dem Werkstück 11 ist zum Koppeln einer Vielzahl von Fasern mit dem Strahlkombinator verbunden.
Der Sensor für reflektiertes Licht 33 schließt einen thermoelektrischen Sensor, einen photoelektrischen Sensor usw. ein und misst das reflektierte Licht R, das zu mindestens einem von dem Kernteil und dem Mantelteil der optischen Faser 15 zurückgeleitet wird. Die Messung von zwei Arten von zum Kernteil und zum Mantelteil zurückgeleitetem Licht ermöglicht es, dass Aussendebedingungen zum Verringern von reflektiertem licht genauer eingestellt werden. Ein Messwert 28 des Sensors für reflektiertes Licht 33 wird durch eine Verstärkungseinheit 34 verstärkt und in einen Digitalwert umgewandelt und in einer Datenspeichereinheit 29 gespeichert. Ferner ist ein Leistungssensor 35, der einen aus einem rückseitigen Spiegel des Laserresonators mit einer Durchlässigkeit von 0,5% auszuleitenden Überwachungslaserstrahl M misst, mit dem Faserlaserresonator 30 verbunden. Der Leistungssensor 35 schließt einen thermoelektrischen Sensor, einen photoelektrischen Sensor usw. ein. Eine Ausgabe des Leistungssensors 35 wird durch eine Verstärkungseinheit 36 verstärkt und in einen Digitalwert umgewandelt und an die in 1 gezeigte numerische Steuervorrichtung 17 ausgegeben.
Die numerische Steuervorrichtung 17 weist eine Steuereinheit 37, wie beispielsweise eine CPU, und eine Datenspeichereinheit 38 auf, wie beispielsweise einen RAM oder einen ROM. Die Steuereinheit 37 ruft ein in der Datenspeichereinheit 38 gespeichertes Bearbeitungsprogramm 39 auf und führt es aus, um die Gesamtheit der Laserbearbeitungsvorrichtung 10 auf Grundlage von verschiedenen Befehlen zu steuern. Das Bearbeitungsprogramm 39 gibt Bearbeitungsbedingungen 40 einschließlich Laserleistung, Frequenz, Betriebsart usw. auf Grundlage des Materials, der Stärke usw. des Werkstücks 11 ein und speichert dieselben in der Datenspeichereinheit 38. In der Datenspeichereinheit 38 ist ein vorgeschriebener Wert 41 von vom Werkstück 11 reflektiertem Licht gespeichert.
Unter Bezugnahme auf 3 bis 5 wird ein in der Laserbearbeitungsvorrichtung der ersten Ausführungsform durchgeführtes Laserbearbeitungsverfahren beschrieben. 3 ist ein Ablaufplan des Laserbearbeitungsverfahrens in der ersten Ausführungsform. 4 ist ein Schaubild, das die Beziehung zwischen der Laserleistung in der ersten Ausführungsform und dem Messwert von reflektiertem Licht veranschaulicht. 5 ist eine Schnittansicht eines Werkstücks, das sich in der ersten Ausführungsform in einem Verringerungsschritt für reflektiertes Licht ändert.
Wie in 3 gezeigt, startet in Schritt S100 eine Prüfbearbeitung. In dieser Hinsicht wird, wie in 4 gezeigt, bevor ein Werkstück durch Laser bearbeitet wird, die Laserleistung schrittweise von einem niedrigeren Wert als der Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung ausgehend erhöht und danach ein Laserstrahl emittiert. Wenn ein Messwert von reflektiertem Licht einen vorgeschriebenen Wert überschreitet, werden in Schritt S101 Aussendebedingungen zum Verringern des reflektierten Lichts festgelegt. In dieser Hinsicht wird die maximale Leistung, bei welcher der Messwert von reflektiertem Licht einen vorgeschrieben Wert (z. B. 1.260 W) nicht überschreitet, d. h. die letzte Laserleistung, bevor die Laserleistung den vorgeschrieben Wert überschreitet, als eine Aussendebedingung festgelegt.
Nachfolgend startet in Schritt S102 die Prüfbearbeitung. In anderen Worten wird in Schritt S103 ein Laserstrahl für 500 ms unter der festgelegten Aussendebedingung emittiert. Während dieser Emission tritt, wie in 5 gezeigt, ein Schnitt an einem Bearbeitungspunkt P des Werkstücks 11 auf. Dies verursacht, dass sich das zur optischen Faser zurückgeleitete, reflektierte Licht verringert. In Schritt S104 verringert sich der Messwert des reflektierten Lichts auf 50% oder weniger, oder nachdem 500 ms verstreichen, startet in Schritt S105 die Laserbearbeitung unter den eingegebenen Bearbeitungsbedingungen (z. B. Laserleistung: 2 kW, Frequenz: 500 Hz, Betriebsart: 30%).
Wenn während der Laserbearbeitung der Messwert des reflektierten Lichts einen vorgeschriebenen Wert (z. B. 1.260 W) überschreitet (Schritt S106), kehrt der Prozess zu Schritt S100 zurück, und die Laserleistung wird wieder von einem niedrigeren Wert als der Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung ausgehend schrittweise erhöht, und danach wird ein Laserstrahl emittiert. Somit kann das reflektierte Licht verringert werden, selbst wenn das reflektierte Licht im ersten Schritt nicht verringert werden konnte. Wenn der Messwert des reflektierten Lichts den vorgeschriebenen Wert nicht überschreitet, wird die Laserbearbeitung abgeschlossen.
Bei der Prüfbearbeitung in den Schritten S100 und S101 kann die Laserleistung durch eine kontinuierliche Bestrahlung schrittweise erhöht werden. Es ist jedoch zu bevorzugen, dass ein gepulster Laserstrahl mit einer Aus-Zeit der Laseraussendung, wie in 4 gezeigt, emittiert wird. Der gepulste Laserstrahl schließt eine Aus-Zeit der Laseraussendung ein und kann entsprechend leicht verursachen, dass die befehlsbedingte Laserleistung dem Messwert des reflektierten Lichts zugeordnet wird. Ferner ist die Impulsbreite des gepulsten Laserstrahls so festgelegt, dass sie länger als eine Erfassungszeitdauer zum Erfassen der Tatsache ist, dass der Messwert des reflektierten Lichts R einen vorgeschrieben Wert überschreitet. Somit kann das reflektierte Licht, das den vorgeschriebenen Wert überschreitet, stabil erfasst werden.
Nachdem das reflektierte Licht verringert wurde, kann die stabile Laserbearbeitung ohne Beschädigen des Laseroszillators durchgeführt werden, selbst wenn die eingegebenen Bearbeitungsbedingungen zum Beispiel hinsichtlich Material, Zustand und Neigung des Werkstücks und des Fokuspunkts des Laserstrahls zum Durchführen der Laserbearbeitung nicht optimal sind.
(Zweite Ausführungsform)
Unter Bezugnahme auf 6 wird die Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung in einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 6 ist ein Blockdiagramm der Laserbearbeitungsvorrichtung in der zweiten Ausführungsform. Eine Laserbearbeitungsvorrichtung 50 weist einen Faserlaseroszillator 53 mit einer maximalen Leistung von 4 kW auf. Der Faserlaseroszillator 53 weist einen Faserlaserresonator 51 auf, der aus einer optischen Faser mit einem Durchmesser von 100 μm und einer optischen Faser mit einem Durchmesser von 200 μm zusammengesetzt ist, obwohl beide Fasern nicht veranschaulicht sind. Beide Fasern sind durch einen Faserkoppler gekoppelt und emittieren einen Laserstrahl mit einem fokussierten Stahldurchmesser von 300 μm. Der Faserlaseroszillator 53 weist keinen Sensor für reflektiertes Licht auf oder erfasst reflektiertes Licht in einem Abschnitt nahe des Bearbeitungspunktes, und entsprechend wird in der zweiten Ausführungsform eine am Bearbeitungskopf 12 angeordnete Messeinheit für reflektiertes Licht 52 verwendet, um den Messwert 28 des reflektierten Lichts R zu erheben.
Die Messeinheit für reflektiertes Licht 52 schließt zum Beispiel einen Photoreflektor ein, der das Werkstück 11 mit Referenzlicht zum Überwachen bestrahlt und das reflektierte Licht R zum Überwachen vom Werkstück 11 empfängt. Der durch die Messeinheit für reflektiertes Licht 52 Messwert 28 wird durch die Verstärkungseinheit 34 verstärkt und in einen Digitalwert umgewandelt und in der Datenspeichereinheit 29 gespeichert. Die anderen Strukturen sind mit denen der ersten Ausführungsform identisch.
Unter Bezugnahme auf 7 wird ein in der Laserbearbeitungsvorrichtung der zweiten Ausführungsform durchgeführtes Laserbearbeitungsverfahren beschrieben. 7 ist ein Ablaufplan des Laserbearbeitungsverfahrens in der zweiten Ausführungsform. In 7 sind Schritte S200 bis S204 mit den Schritten S100 bis S104 der ersten Ausführungsform identisch, und dementsprechend wird deren Beschreibung weggelassen.
In Schritt S205 wird ein Laserstrahl durch die Laserleistung emittiert, die erhalten wird, indem +1.000 W zur festgelegten Aussendebedingung addiert werden (wenn diese Leistung den Maximalwert des Laseroszillators überschreitet, der Maximalwert des Laseroszillators). Zu diesem Zeitpunkt wird in Schritt S206 ein Messwert (M1) des reflektierten Lichts unmittelbar nach dem Beginn der Laseraussendung gespeichert. Der Wert M1 wird als ein weiterer vorgeschriebener Wert des reflektierten Lichts verwendet, wie später beschrieben wird. Wenn ferner während dieses Vorgangs der Messwert des reflektierten Lichts einen vorgeschriebenen Wert (z. B. 1.260 W) überschreitet (Schritt S207), kehrt der Prozess zu Schritt S200 zurück, und die Laserleistung wird wieder von einem niedrigeren Wert als der Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung ausgehend schrittweise erhöht, und danach wird ein Laserstrahl emittiert. Diese Abfolgen werden wiederholt, um eine Laserbearbeitung mit verringertem reflektiertem Licht durchzuführen.
Wenn der Messwert des reflektierten Lichts von dem Wert M1 um 30% oder mehr verringert ist (Schritt S208), wird ein Laserstrahl durch die Laserleistung emittiert, die erhalten wird, indem +2.000 W zu der festgelegten Aussendebedingung addiert werden (wenn diese Leistung den Maximalwert des Laseroszillators überschreitet, der Maximalwert des Laseroszillators). Zu diesem Zeitpunkt wird in Schritt S210 ein Messwert (M2) des reflektierten Lichts unmittelbar nach dem Beginn der Laseraussendung gespeichert. Der Wert M2 wird als ein weiterer vorgeschriebener Wert des reflektierten Lichts verwendet, wie später beschrieben wird. Wenn ferner während dieses Vorgangs der Messwert des reflektierten Lichts einen vorgeschriebenen Wert (z. B. 1.260 W) überschreitet (Schritt S207), kehrt der Prozess zu Schritt S200 zurück, und die Laserleistung wird wieder von einem niedrigeren Wert als der Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung ausgehend schrittweise erhöht, und danach wird ein Laserstrahl emittiert. Diese Abfolgen werden wiederholt, um eine Laserbearbeitung mit verringertem reflektiertem Licht durchzuführen. Wenn der Messwert des reflektierten Lichts von dem Wert M2 um 80% oder mehr verringert ist (Schritt S211), wird die Laserbearbeitung abgeschlossen.
(Dritte Ausführungsform)
Unter Bezugnahme auf 8 wird die Konfiguration einer Laserbearbeitungsvorrichtung in einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 8 ist ein Blockdiagramm der Laserbearbeitungsvorrichtung in der dritten Ausführungsform. Eine Laserbearbeitungsvorrichtung 60 weist einen Faserlaseroszillator 65 mit einer maximalen Leistung von 6 kW auf. Der Faserlaseroszillator 65 weist einen Faserlaserresonator 61 auf, der aus einer optischen Faser mit einem Durchmesser von 100 μm und einer optischen Faser mit einem Durchmesser von 1.000 μm zusammengesetzt ist, obwohl beide Fasern nicht veranschaulicht sind. Beide Fasern sind durch einen Faserkoppler gekoppelt und emittieren einen Laserstrahl mit einem großen fokussierten Stahldurchmesser von 1.000 μm. Es ist schwierig, den Laserstrahl mit einem Durchmesser von 1.000 μm zur optischen Faser mit einem Durchmesser von 100 μm zurückzuleiten, und dementsprechend wird in der dritten Ausführungsform die am Bearbeitungskopf 12 angeordnete Messeinheit für reflektiertes Licht 52 verwendet, um das reflektierte Licht R zu messen.
Der durch die Messeinheit für reflektiertes Licht 52 Messwert des reflektierten Lichts R wird in eine Vergleichseinheit 62 eingegeben. Die Vergleichseinheit 62 schließt eine analoge Schaltung ein, wie beispielsweise einen Vergleicher zum Eingeben eines Messwertes des reflektierten Lichts R in einen nicht invertierenden Eingang und Eingeben eines vorgeschriebenen Wertes des reflektierten Lichts in einen invertierenden Eingang. Wenn der Messwert des reflektierten Lichts R den vorgeschriebenen Wert nicht überschreitet, wird eine negative Spannung in eine Berechnungseinheit 63 eingegeben. Wenn der Messwert des reflektierten Lichts R den vorgeschriebenen Wert überschreitet, wird eine positive Spannung in die Berechnungseinheit 63 eingegeben. Die Berechnungseinheit 63 schließt eine integrierte Schaltung, wie beispielsweise eine FPGA, einen DSP usw., ein und berechnet eine Aussendebedingung zum Verringern des reflektierten Lichts, wenn die positive Spannung eingegeben wird. Die Berechnungseinheit 63 gibt die festgelegte Aussendebedingung in eine Aussendesteuereinheit 64 ein. Die Aussendesteuereinheit 64 gibt an die Laserleistungsquelle 31 einen Aussendebefehl gemäß der festgelegten Aussendebedingung aus. Die anderen Strukturen sind mit denen der zweiten Ausführungsform identisch, und dementsprechend wird deren Beschreibung weggelassen.
Das Vergleichen des Messwertes des reflektierten Lichts mit dem vorgeschriebenen Wert und das Berechnen der Aussendebedingung zum Verringern des reflektierten Lichts unter Verwendung von Hardware, wie beispielsweise einer speziellen elektrischen Schaltung, einer integrierten Schaltung usw., ermöglicht es, dass die Erfassungszeitdauer des reflektierten Lichts, die der Impulsbreite des Laserstrahls entspricht, leicht zu erheben ist. Somit kann das reflektierte Licht, das den vorgeschriebenen Wert überschreitet, zuverlässig erfasst werden.
In einer anderen Ausführungsform kann anstelle der Vergleichseinheit 62 und der Berechnungseinheit 63 ein thermischer Schalter oder Ähnliches verwendet werden, der einen Schalter aktiviert, wenn der Messwert des reflektierten Lichts den vorgeschriebenen Wert überschreitet. Wenn der thermische Schalter die Aussendesteuereinheit 64 einschaltet, gibt die Aussendesteuereinheit 64 einen Laserstrahl mit der maximalen Leistung ein, die den vorgeschriebenen Wert nicht überschreitet.
Unter Bezugnahme auf 9 wird ein in der Laserbearbeitungsvorrichtung der dritten Ausführungsform durchgeführtes Laserbearbeitungsverfahren beschrieben. 9 ist ein Ablaufplan des Laserbearbeitungsverfahrens in der dritten Ausführungsform. In 9 sind Schritte S300 bis S311 mit den Schritten S200 bis S211 der zweiten Ausführungsform identisch, und dementsprechend wird deren Beschreibung weggelassen.
In der dritten Ausführungsform ist der Durchmesser eines fokussierten Strahls groß, d. h. 1.000 μm, und dementsprechend ist die Energiedichte des Laserstrahls niedrig, wenn ein Bohrvorgang für das Werkstück 11 durchgeführt wird, das zum Beispiel aus Aluminium aufgebaut ist, d. h. einem hochreflektierenden Material. Somit kann das Werkstück 11 nicht geschmolzen werden und ein großes reflektiertes Licht wird weiterhin zurückgeleitet, und dementsprechend wird der Bohrvorgang nicht fortgesetzt. Wenn daher in Schritt S305 der Messwert des reflektierten Lichts einen vorgeschriebenen Wert (z. B. 1.260 W) überschreitet (Schritt S307) wird in Schritt S312 die B-Achse im Bearbeitungskopf 12 so angetrieben, dass sie die Fokusposition des Laserstrahls um 2 mm nach oben verschiebt. Das Verschieben der Fokusposition des Laserstrahls verringert die Wahrscheinlichkeit, dass der Laserstrahl, der von der Oberfläche des Werkstücks reflektiert wird, zum Laseroszillator zurückkehrt. Somit kann das Werkstück in den Schritten S300 und S302 mit einer größeren Laserleistung bestrahlt werden, und dementsprechend kann das reflektierte Licht selbst dann verringert werden, wenn das reflektierte Licht im ersten Schritt nicht verringert werden konnte. Somit kann die Laserbearbeitung selbst für das hochreflektierende Material durchgeführt werden, das nicht dazu neigt, den Laserstrahl zu absorbieren.
In einer anderen Ausführungsform kehrt der Prozess nicht zu Schritt S300 zurück, wenn in den Schritten S305 und S309 der Messwert des reflektierten Lichts einen anderen vorgeschrieben Wert (z. B. einen höheren Wert, 1.300 W) überschreitet, und somit kann die Laserbearbeitung angehalten und ein Hinweis kann durch einen Monitor oder einen Ton ausgegeben werden, um darüber zu informieren, dass die Bearbeitung angehalten wurde. Gemäß dieser Abfolge wird, selbst wenn das Material, die Stärke usw. des Werkstücks nicht ermittelt sind, in Schritt S300 die optimale Aussendebedingung zum Verringern des reflektierten Lichts festgelegt, in Schritt S303 wird ein kleines Loch im Werkstück ausgebildet, um das reflektierte Licht zu verringern, und in den Schritten S305 und S309 wird durch eine große Laserleistung ein Laserstrahl emittiert, und dementsprechend kann die Laserbearbeitung in der kürzesten Zeit abgeschlossen werden.
In dieser Hinsicht werden der Betrieb und die Wirkung der vorliegenden Erfindung beschrieben. Selbst wenn die festgelegten Bearbeitungsbedingungen nicht optimal hinsichtlich zum Beispiel des Materials, Zustands, der Neigung usw. des Werkstücks und der Fokusposition des Laserstrahls sind, kann gemäß der vorliegenden Erfindung das reflektierte Licht verringert werden, und die Laserbearbeitung kann stabil durchgeführt werden, ohne den Laseroszillator zu beschädigen, und somit wird die Produktivität verbessert.
Man beachte, dass das Programm in den vorstehenden Ausführungsformen bereitgestellt werden kann, nachdem es in einem nichtflüchtigen, computerlesbaren Speichermedium, z. B. einer CD-ROM, gespeichert wurde.
Obwohl vorstehend verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, erkennt der Fachmann, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und vielfältige Modifikationen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der nachstehend beschriebenen Ansprüche abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2014-117730 [0003]
JP 4174267 [0004]
WO 2013/014994 [0005]

Claims

Laserbearbeitungsverfahren, das in einer Laserbearbeitungsvorrichtung (10; 50) durchgeführt wird, die einen Laserstrahl aus einem Bearbeitungskopf (12) zu einem Werkstück (11) aussendet, um eine Laserbearbeitung durchzuführen, während das reflektierte Licht des ausgesendeten Laserstrahls auf einen vorgeschriebenen Wert oder weniger geregelt wird, wobei das Laserbearbeitungsverfahren die Schritte umfasst: Schrittweises Erhöhen einer Laserleistung, vor dem Durchführen der Laserbearbeitung für das Werkstück (11), ausgehend von einer niedrigeren Laserleistung als einer in einer Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung enthaltenen Laserleistung, um einen Laserstrahl aus einem Laseroszillator (16; 53) zu emittieren, und Messen des reflektierten Lichts durch einen Sensor für reflektiertes Licht (33; 52); Festlegen einer Aussendebedingung zum Verringern des reflektierten Lichts auf der Grundlage eines Messwertes des reflektierten Lichts und des vorgeschriebenen Wertes; und Verringern des reflektierten Lichts vor dem Durchführen der Laserbearbeitung durch Bestrahlen des Werkstücks (11) mit einem Laserstrahl für eine vorbestimmte Zeitdauer unter der festgelegten Aussendebedingung.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des schrittweisen Erhöhens der Laserleistung ausgehend von der niedrigen Laserleistung, um einen Laserstrahl aus dem Laseroszillator (16; 53) zu emittieren, und des Messens des reflektierten Lichts durch einen Sensor für reflektiertes Licht (33; 52) den Schritt eines Emittierens eines gepulsten Laserstrahls einschließt, der eine Aus-Zeit der Laserabgabe aufweist.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend, nach dem Schritt des Verringerns des reflektierten Lichts, den Schritt des Ausführens eines Aussendebefehls bei einer Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung, um das reflektierte Licht zu messen, wobei wenn der Messwert des reflektierten Lichts den vorgeschrieben Wert überschreitet, der Prozess wieder zu dem Schritt des schrittweisen Erhöhens der Laserleistung ausgehend von der niedrigen Laserleistung, um einen Laserstrahl aus dem Laseroszillator (16; 53) zu emittieren, und des Messens des reflektierten Lichts durch einen Sensor für reflektiertes Licht (33) zurückkehrt.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend die Schritte: nach dem Schritt des Verringerns des reflektierten Lichts Ausführen eines Aussendebefehls unter einer Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung nach dem Schritt des Verringerns des reflektierten Lichts, um das reflektierte Licht zu messen; und Verschieben einer Fokusposition des Laserstrahls, wenn der Messwert des reflektierten Lichts den vorgeschriebenen Wert überschreitet, wobei der Prozess wieder zu dem Schritt des schrittweisen Erhöhens der Laserleistung ausgehend von der niedrigen Laserleistung, um einen Laserstrahl aus dem Laseroszillator (16; 53) zu emittieren, und des Messens des reflektierten Lichts durch einen Sensor für reflektiertes Licht (33; 52) zurückkehrt.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 2, wobei die Impulsbreite des Laserstrahls in dem Schritt des schrittweisen Erhöhens der Laserleistung ausgehend von der niedrigen Laserleistung, um einen Laserstrahl aus dem Laseroszillator (16) zu emittieren, und des Messens des reflektierten Lichts durch einen Sensor für reflektiertes Licht (33; 52) länger ist als eine Detektionszeitdauer zum Detektieren der Tatsache, dass der Messwert des reflektierten Lichts den vorgeschriebenen Wert überschreitet.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei eine an dem Bearbeitungskopf angeordnete Messeinheit für reflektiertes Licht (52) verwendet wird, um reflektiertes Licht zu messen.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Laseroszillator (16) um einen Faserlaseroszillator handelt, und der Sensor für reflektiertes Licht (33) in dem Faserlaseroszillator vorgesehen ist, um reflektiertes Licht zu messen, das zu einem Kernteil einer optischen Faser zurückgelenkt wird.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Laseroszillator (16) um einen Faserlaseroszillator handelt, und der Sensor für reflektiertes Licht (33) in dem Faserlaseroszillator vorgesehen ist, um reflektiertes Licht zu messen, das zu einem Mantelteil einer optischen Faser zurückgelenkt wird.
Laserbearbeitungsverfahren nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Laseroszillator (16) um einen Faserlaseroszillator handelt, und der Sensor für reflektiertes Licht (33) in dem Faserlaseroszillator vorgesehen ist, um reflektiertes Licht zu messen, das zu einem Kernteil und einem Mantelteil einer optischen Faser zurückgeleitet wird.
Laserbearbeitungsvorrichtung (60), die einen Laserstrahl zu einem Werkstück aussendet, um eine Laserbearbeitung durchzuführen, während reflektiertes Licht des ausgesendeten Laserstrahls auf einen vorgeschriebenen Wert oder weniger geregelt wird, wobei die Laserbearbeitungsvorrichtung umfasst: einen Festkörper-Laseroszillator (65); eine Laserleistungsquelle (31), die eine gepulste Laseroszillation ermöglicht; eine Aussendesteuereinheit (64) zum Ausführen eines Aussendebefehls für die Laserleistungsquelle; eine Messeinheit für reflektiertes Licht (52) zum Messen von von dem Werkstück reflektiertem Licht; eine Speichereinheit (38) zum Speichern von einem oder mehreren vorgeschriebenen Werten des reflektierten Lichts; eine Steuereinheit (37) zum Ausgeben eines Befehls zum schrittweisen Erhöhen einer Laserleistung ausgehend von einer niedrigeren Laserleistung als einer in einer Bearbeitungsbedingung der Laserbearbeitung enthaltenen Laserleistung, um einen gepulsten Laserstrahl zu emittieren; eine Vergleichseinheit (62) zum Vergleichen des Messwertes des reflektierten Lichts und des vorgeschriebenen Wertes; und eine Berechnungseinheit (63) zum Berechnen einer Aussendebedingung zum Verringern des reflektierten Lichts auf Grundlage eines Ergebnisses des Vergleichs zwischen dem Messwert des reflektierten Lichts und dem vorgeschriebenen Wert.
Laserbearbeitungsvorrichtung (60) nach Anspruch 10, ferner umfassend: eine Mechanismuseinheit mit einer Antriebswelle, welche die Fokusposition eines Laserstrahls ändern kann; und eine Mechanismussteuereinheit (14) zum Steuern der Mechanismuseinheit, wobei nachdem ein Laserstrahl unter der Aussendebedingung zum Verringern des reflektierten Lichts emittiert wird, wenn der Messwert des reflektierten Lichts den vorgeschriebenen Wert überschreitet, die Machanismussteuereinheit (14) die Mechanismuseinheit derart steuert, dass eine Fokusposition eines Laserstrahls geändert wird.
Laserbearbeitungsvorrichtung (60) nach Anspruch 11, wobei die Laserleistungsquelle (31) bei einer Geschwindigkeit von 200 μm oder weniger gestartet wird und die Aussendesteuereinheit (64) einen Impulsbefehl von 200 μm oder weniger als Aussendebefehl des Laserstrahls ausgibt.