JP2005081358A - Laser pulse monitoring method and device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ加工装置等で被加工物にレーザを照射して穴加工、マーキング加工等を行う際に、レーザの加工品質を自工程で確認するためのレーザパルスモニタリング方法に関するものである。 The present invention relates to a laser pulse monitoring method for confirming laser processing quality in a self-process when a workpiece is irradiated with a laser by a laser processing apparatus or the like to perform hole processing or marking processing.
図4は、CO2レーザ等のパルスレーザを使用して、被加工物をレーザ加工する従来の方法を示す。先ず、レーザパルス照射指令出力手段101で設定された加工方法、手順がレーザ電源のレーザ出力制御手段102に転送され、加工用レーザ103を発振させることによって、射出されたレーザ光が対物レンズ104で絞られ、レーザスポット105により被加工物106に穴加工等の加工が行われる。ここで、加工不良を監視するために、ビームスプリッタ108によってレーザエネルギーの何%かがパイロディテクタ等の光検出手段107に送られ、アンプ等の熱量/電圧変換手段109によって電圧変換される。この値が、予め設定された基準電圧指令手段110によりD/A変換器等の基準電圧発生手段111の発する値を超えていれば、レーザエネルギーは安定して出力されているとみなし、2値化手段112によってパルス化され、カウンタ等のパルス積算手段115で計数される。最終的に、積算されたパルス数Nとレーザパルス照射指令出力手段101で設定されたパルス数nを演算器等で比較することで加工不良を判定し、表示手段116でレーザ加工不良を通知していた。
上記従来の方法では、加工用レーザ103の出力波形状態まで監視できていないため、レーザの寿命により発生するエネルギーピーク量不足と照射時間不足を検出できない問題点があった。レーザ加工は、エネルギーの絶対量だけではなく、ピーク値や時間の組合せによって目的どおりの加工が行えるため、単にレーザパルスの計測、またレーザエネルギーの計測だけでは、レーザ寿命による加工不良を検出できない課題があった。 In the above conventional method, since the output waveform state of the processing laser 103 cannot be monitored, there is a problem in that it is impossible to detect an energy peak shortage and an irradiation time shortage caused by the life of the laser. Because laser processing can be performed as desired not only by the absolute amount of energy but also by the combination of peak value and time, it is not possible to detect processing defects due to laser life by simply measuring laser pulses or measuring laser energy. was there.
このような課題を解決する技術として、自工程中に、加工品質とレーザ不良の両方をモニタ判定する方法としては、波形制御方式のレーザ装置の場合、レーザ出力波形を基準波形と比較して判定を行う発明が提案されている(特許文献1参照)。しかしながら、この発明は、レーザ出力波形を用いて比較判定しなければならず、簡単で、低コストな方法とは言いがたい。 As a technique for solving such problems, as a method for monitoring and determining both processing quality and laser defects during the own process, in the case of a waveform control type laser device, determination is made by comparing the laser output waveform with the reference waveform. The invention which performs is proposed (refer patent document 1). However, the present invention must make a comparative determination using the laser output waveform, and is not a simple and low-cost method.
そこで、本発明は、これらの課題を解決するため、前記レーザパルス照射指令出力手段101で設定された照射指令パルス数nに対する積算された実照射レーザパルス数Nとの比較に加えて、レーザ寿命についても、図2に示すように、レーザパルス照射指令出力手段101で設定される照射指令パルスと、レーザ熱量/電圧変換手段109で変換される実照射電圧波形と2値化手段112により形成される実照射パルスを比較し、レーザ照射指令パルス立ち上がり開始時刻dtから2値化されたパルスの立ち上がり開始時刻dTまでの時間ΔTを計測することで、レーザの加工品質とレーザ寿命を自工程で同時にモニタリングする方法/装置を提供するものである。 Therefore, in order to solve these problems, the present invention provides a laser lifetime in addition to the comparison with the integrated actual irradiation laser pulse number N with respect to the irradiation command pulse number n set by the laser pulse irradiation command output means 101. 2, the irradiation command pulse set by the laser pulse irradiation command output means 101, the actual irradiation voltage waveform converted by the laser heat quantity / voltage conversion means 109, and the binarization means 112 are formed. By comparing the actual irradiation pulse and measuring the time ΔT from the laser irradiation command pulse rising start time dt to the binarized pulse rising start time dT, the laser processing quality and the laser life can be simultaneously measured in the own process. A method / device for monitoring is provided.
上記課題を解決するため、本発明レーザパルスモニタリング方法/装置は、レーザ熱量を電圧値に変換する工程と、前記電圧値を予め設定された穴加工、マーキング等のレーザ加工に必要な基準電圧値と比較して2値化する工程と、2値化されたデータを積算する工程と、前記積算されたデータの積算数Nを予め設定されたレーザ照射指令パルス数nと比較する工程と、Nとnの両数値が合致しなければ、加工不良であると判定する工程と、レーザ照射指令パルスの立ち上がり開始時刻dtから前記2値化された電圧値の立ち上がり開始時刻dTまでの時間ΔTを計測する工程と、前記ΔTが予め設定された基準時間よりも大きい時、レーザ寿命であると判定する工程とを実行することを特徴とする。 In order to solve the above-described problems, the laser pulse monitoring method / device of the present invention includes a step of converting a laser heat amount into a voltage value, and a reference voltage value necessary for laser processing such as preset hole processing and marking. Comparing the binarized data, a step of integrating the binarized data, a step of comparing the integrated number N of the integrated data with a preset number n of laser irradiation command pulses, N If both numerical values of n and n do not match, the process is determined to be a processing failure, and the time ΔT from the rise start time dt of the laser irradiation command pulse to the rise start time dT of the binarized voltage value is measured. And a step of determining that the laser lifetime is reached when ΔT is greater than a preset reference time.
また、本発明は、レーザパルス照射指令出力手段で設定された加工方法、手順がレーザ出力制御手段と時間計測手段に転送され、前記レーザ出力制御手段により加工用レーザを発振させることで被加工物が加工されるレーザ加工装置において、前記加工用レーザへ供給されるレーザエネルギーの一部が光検出手段に送られ、熱量/電圧変換手段により電圧変換された数値が2値化手段によってパルス化され、このパルスを積算した数値が、予め設定された基準電圧指令手段の数値と比較して、低い場合をレーザ加工不良と判定するとともに、レ−ザパルス照射指令出力手段からレーザ出力制御手段に転送された照射指令パルスの立ち上がり開始時刻dtと、2値化手段によって2値化されたパルスの立ち上がり開始時刻dTとの差ΔTを時間計測手段で計測し、このΔTと基準時間とを比較することによりレーザ寿命を判定することを特徴とする。 In the present invention, the processing method and procedure set by the laser pulse irradiation command output means are transferred to the laser output control means and the time measurement means, and the laser output control means oscillates the processing laser to process the workpiece. In the laser processing apparatus, a part of the laser energy supplied to the processing laser is sent to the light detection means, and the numerical value converted by the heat quantity / voltage conversion means is pulsed by the binarization means. When the value obtained by integrating the pulses is lower than the preset value of the reference voltage command means, it is determined that the laser processing is defective, and is transferred from the laser pulse irradiation command output means to the laser output control means. The difference ΔT between the rising start time dt of the irradiation command pulse and the rising start time dT of the pulse binarized by the binarizing means Measured by measuring means, and judging the laser lifetime by comparing the ΔT and the reference time.
本発明によれば、レーザ加工不良数を計測することに併せて、レーザ照射指令パルスの立ち上がり開始時刻に対するレーザ実照射パルスの立ち上がり開始時刻をモニタリングすることで、レーザ加工不良とレーザ寿命の判定を1つのセンサだけで、リアルタイムに行うことが出来る。その結果、加工ロスを事前に防ぐことが出来、レーザ加工の品質性能の維持ならびに生産性の向上を低コストで実現できる。 According to the present invention, in addition to measuring the number of laser processing defects, by monitoring the rising start time of the actual laser irradiation pulse with respect to the rising start time of the laser irradiation command pulse, the laser processing defects and the laser life can be determined. This can be done in real time with just one sensor. As a result, machining loss can be prevented in advance, and maintenance of quality performance of laser machining and improvement of productivity can be realized at low cost.
本発明によれば、レーザ加工不良数を計測することに併せて、レーザ照射指令パルスの立ち上がり開始時刻に対するレーザ実照射パルスの立ち上がり開始時刻をモニタリングすることで、レーザ加工不良とレーザ寿命の判定を1つのセンサだけで、リアルタイムに行うことが出来る。その結果、加工ロスを事前に防ぐことが出来、レーザ加工の品質性能の維持ならびに生産性の向上を低コストで実現できる。 According to the present invention, in addition to measuring the number of laser processing defects, by monitoring the rising start time of the actual laser irradiation pulse with respect to the rising start time of the laser irradiation command pulse, the laser processing defects and the laser life can be determined. This can be done in real time with just one sensor. As a result, machining loss can be prevented in advance, and maintenance of quality performance of laser machining and improvement of productivity can be realized at low cost.
以下に本発明の1実施形態について、図1〜3を参照して説明する(図4に示す従来技術の各手段と共通の機能をもつものについては、同一の符号を用いて説明する。)。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3 (the same reference numerals are used for those having the same functions as the conventional means shown in FIG. 4). .
図1は、CO2レーザ等のパルスレーザを使用して、被加工物をレーザ加工穴加工、マーキング加工等のレーザ加工を行う本発明の一実施形態を示す。 FIG. 1 shows an embodiment of the present invention in which a laser beam such as laser drilling or marking is performed on a workpiece using a pulse laser such as a CO 2 laser.
図1において、101は、レーザパルス照射指令出力手段で、ここでレーザ出力情報について、照射指令が発せられる。すなわち、レーザパルス照射指令出力手段101からレーザ加工の出力情報がレーザ出力制御手段102に与えられる。このレーザ出力制御手段102は、前記レーザパルス照射指令出力手段101の指令に基づき、レーザ電源の出力を制御する。そして、加工用レーザ103にレーザ制御信号、すなわちレーザ加工情報を与えて、この加工情報に基づき、加工用レーザ103が照射指令に従ったレーザ加工を行う。加工用レーザ103は、対物レンズ104を通して光学的に絞られ、レーザスポット105を形成し、被加工物106に穴加工、マーキング加工等の加工が施される。107は、ビームスプリッタ108により前記加工用レーザ103の発するレーザエネルギーの一部を取り出し、検出するパイロディテクタ等の光検出手段、109は、前記光検出手段107から転送されたレーザ熱量を電圧に変換する熱量/電圧変換手段で、レーザエネルギーを電圧のアナログ値に変換する。110は、基準電圧指令手段で、加工不良の判定のために用いる基準電圧が任意に設定出来る。111は、基準電圧発生手段で、D/A変換器等が使用される。この基準電圧発生手段111からの基準電圧値(アナログ値)ならびにレーザ熱量の電圧変換手段109で変換された電圧値(アナログ値)は、それぞれが2値化手段112によりパルス化して、比較される。115は、前記パルス化した数値を積算するパルス積算手段である。116は、前記比較結果に基づき、レーザ加工不良を表示する表示手段、113は、時間計測手段で、レーザパルス照射指令出力手段101が発したレーザ照射指令パルスの立ち上がり開始時刻dtから2値化手段112により2値化されたパルスの立ち上がり開始時刻dTまでの時間ΔTを計測する。114は、前記時間計測手段113で計測したΔTと予め定められた基準時間とを比較して、ΔTが前記基準時間より大であれば、レーザ寿命と判定するレーザ寿命判定手段、117は、その表示手段である。 In FIG. 1, 101 is a laser pulse irradiation command output means, and here, an irradiation command is issued for laser output information. That is, output information of laser processing is given from the laser pulse irradiation command output means 101 to the laser output control means 102. The laser output control means 102 controls the output of the laser power source based on the command from the laser pulse irradiation command output means 101. Then, a laser control signal, that is, laser processing information is given to the processing laser 103, and the processing laser 103 performs laser processing according to the irradiation command based on the processing information. The processing laser 103 is optically focused through the objective lens 104 to form a laser spot 105, and the workpiece 106 is subjected to processing such as hole processing and marking processing. 107 is a light detector such as a pyrodetector that extracts and detects part of the laser energy emitted from the processing laser 103 by a beam splitter 108, and 109 converts the laser heat transferred from the light detector 107 into a voltage. The laser energy is converted into an analog value of voltage by the heat quantity / voltage conversion means. Reference voltage 110 is a reference voltage command means that can arbitrarily set a reference voltage used for determining a processing failure. Reference voltage 111 is a reference voltage generating means that uses a D / A converter or the like. The reference voltage value (analog value) from the reference voltage generation means 111 and the voltage value (analog value) converted by the laser heat amount voltage conversion means 109 are each pulsed by the binarization means 112 and compared. . Reference numeral 115 denotes pulse integration means for integrating the pulsed numerical values. 116 is a display means for displaying a laser processing defect based on the comparison result, 113 is a time measuring means, and binarization means from the rise start time dt of the laser irradiation command pulse issued by the laser pulse irradiation command output means 101. The time ΔT until the rise start time dT of the pulse binarized by 112 is measured. 114 compares the ΔT measured by the time measuring means 113 with a predetermined reference time, and if ΔT is greater than the reference time, the laser life determining means 117 determines that the laser life is 117, It is a display means.
次に、上記レーザ加工装置のレーザパルスモニタリング方法/装置の動作について説明する。 Next, the operation of the laser pulse monitoring method / apparatus of the laser processing apparatus will be described.
先ず、加工不良の判定については、レーザパルス照射指令出力手段101で設定されたレーザ出力情報がレーザ電源等のレーザ出力制御手段102と時間計測手段113に転送される。このレーザ出力制御手段102に転送されたレーザ加工情報に従い、レーザ出力制御手段102によってレーザ電源を制御し、加工用レーザ103を発振させる。これによって、レーザ光が対物レンズ104で絞られ、レーザスポット105が被加工物106を穴あけ加工、マーキング加工等の加工を行う。 First, regarding the processing failure determination, the laser output information set by the laser pulse irradiation command output unit 101 is transferred to the laser output control unit 102 such as a laser power source and the time measurement unit 113. In accordance with the laser processing information transferred to the laser output control means 102, the laser power control means 102 controls the laser power source to oscillate the processing laser 103. As a result, the laser beam is focused by the objective lens 104, and the laser spot 105 performs processing such as drilling and marking of the workpiece 106.
ここで、加工不良を監視するために、ビームスプリッタ108によってレーザエネルギーの何%かがパイロディテクタ等の光検出手段107に送られ、アンプ等の熱量/電圧変換手段109によって電圧に変換される。この値が、基準電圧指令手段110により、任意に設定され、D/A変換器等の基準電圧発生手段111の発する値を超えていれば、レーザエネルギーは安定して出力されているとみなすことが出来る。前記電圧に変換された実照射レーザ出力値は、2値化手段112によってパルス化され、カウンタ等のパルス積算手段115で計数される。最終的に、積算されたパルス数Nとレーザパルス照射指令出力手段101で設定されたパルス数nを演算器等で比較することで加工不良を判定する。すなわち、Nとnの数値が一致しない時は、加工不良と判定する。 Here, in order to monitor processing defects, some% of the laser energy is sent to the light detection means 107 such as a pyrodetector by the beam splitter 108 and converted into a voltage by the heat quantity / voltage conversion means 109 such as an amplifier. If this value is arbitrarily set by the reference voltage command means 110 and exceeds the value emitted by the reference voltage generation means 111 such as a D / A converter, the laser energy is regarded as being stably output. I can do it. The actual irradiation laser output value converted into the voltage is pulsed by the binarizing means 112 and counted by the pulse integrating means 115 such as a counter. Finally, the processing failure is determined by comparing the integrated pulse number N with the pulse number n set by the laser pulse irradiation command output means 101 using an arithmetic unit or the like. That is, when the numerical values of N and n do not match, it is determined that the processing is defective.
さらに、レーザ寿命については、図2、3に示すように、レーザ1パルス毎に計測される前記レーザパルス照射指令出力手段101より前記時間計測手段113に転送されたレーザ照射指令パルスの立ち上がり開始時刻dtから、2値化手段112によって2値化されたパルスの立ち上がり開始時刻dTまでの時間ΔT=dT−dtを時間計測手段113で計測し、基準時間をΔT1とすると、このΔT1とΔTを比較することで、信号処理手段等のレーザ寿命判定手段114を用いて、レーザ寿命を判定することができる。これにより、図2の通常波形に対する図3のような立ち上がり遅れΔT2が発生しても、検出が可能となる。すなわち、パルス指令に対して、レーザ加工が正常に作動している場合は、実照射による波形は、図2中段のような波形を示す。照射指令の開始時刻dtより若干遅れて立ち上がり、基準電圧に達した時刻dTから加工可能な状態となる。これに対し、レーザ発振の立ち上がりが大きく遅れる場合は、立ち上がり遅れ時間ΔT2=dT−dtは、レーザ寿命と定めた基準時間を超えることになり、レーザ寿命に達したと判定される。 Furthermore, as shown in FIGS. 2 and 3, the laser lifetime is measured by the laser pulse irradiation command output means 101 and the rise start time of the laser irradiation command pulse transferred to the time measurement means 113 as shown in FIGS. The time ΔT = dT−dt from the time dt until the pulse rising start time dT binarized by the binarizing means 112 is measured by the time measuring means 113, and ΔT1 is compared with ΔT when the reference time is ΔT1. Thus, the laser lifetime can be determined using the laser lifetime determination unit 114 such as a signal processing unit. As a result, even if a rise delay ΔT2 as shown in FIG. 3 with respect to the normal waveform of FIG. 2 occurs, detection becomes possible. That is, when laser processing is operating normally with respect to the pulse command, the waveform by actual irradiation shows a waveform as shown in the middle of FIG. The laser beam rises slightly after the start time dt of the irradiation command, and is ready for processing from the time dT when the reference voltage is reached. On the other hand, when the rise of the laser oscillation is greatly delayed, the rise delay time ΔT2 = dT−dt exceeds the reference time determined as the laser lifetime, and it is determined that the laser lifetime has been reached.
さらに、レーザ加工不良の表示をする表示手段116に加えて、レーザ寿命の表示手段117を同じ様式で設置することにより、リアルタイムにレーザ加工不良とレーザ寿命を通知することが出来る。 Furthermore, in addition to the display means 116 for displaying the laser processing failure, the laser life display means 117 is installed in the same manner, so that the laser processing failure and the laser life can be notified in real time.
101 レーザパルス照射指令出力手段
102 レーザ出力制御手段
103 加工用レーザ
106 被加工物
107 光検出手段
109 熱量/電圧変換手段
110 基準電圧指令手段
113 時間計測手段
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Laser pulse irradiation command output means 102 Laser output control means 103 Processing laser 106 Workpiece 107 Photodetection means 109 Heat quantity / voltage conversion means 110 Reference voltage command means 113 Time measurement means
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015145926A (en) * | 2014-01-31 | 2015-08-13 | 日本電産コパル株式会社 | laser exposure apparatus |
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2003
- 2003-09-05 JP JP2003313334A patent/JP2005081358A/en active Pending
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