JP2007044739A - レーザ加工モニタリング装置 - Google Patents

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恭 松田
Junpei Kase
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Abstract

【課題】 光ファイバ伝送方式においてレーザ加工ヘッド側の実際のレーザ出力状態や加工状態あるいは光学系の状態等を信頼性の高いインライン方式でモニタリングしてレーザ加工の生産管理、品質管理、生産効率を向上させること。
【解決手段】 レーザ加工ヘッド12の上面には、レーザ伝送用の光ファイバ14及びモニタリング用のレーザ光検出器26及び反射光検出器28が取り付けられる。光拡散板44は、光ファイバ14の終端面14aより出たレーザ光LBの一部であるベントミラー34からのビーム状の漏れ光MLBを入射角に対してランダムな角度で分散させて後方に通す。光拡散板44を抜けた光MLB'は光通路45内で径方向一様なパワー密度分布を有する拡散光MLB'となり、この拡散光MLB'の一部が光検出器26の受光面26aに入光する。反射光計測系においても、ワークWからの反射光RLBに対して光拡散板35が光拡散板44と同様の作用を奏する。

【選択図】 図2

Description

本発明は、光ファイバを用いるレーザ加工のモニタリング装置に関する。
近年、高出力レーザは、溶接、切断あるいは表面処理等の加工業の分野で広く利用されている。特にレーザ溶接加工は、高精度および高速の加工を実現できること、被加工物(ワーク)に与える熱歪が小さいこと、高度の自動化が可能になることから、ますますその重要性を高めている。また、光ファイバを利用した遠隔でのレーザ溶接も可能であり、レーザ発振器からたとえば30m〜50mも離れた遠隔の場所で溶接加工が行われることもめずらしくない。一般のレーザ溶接機は、本体内蔵のレーザ発振器より発振出力されたレーザ光のレーザ出力をモニタリングする機能が本体に備わっており、レーザ発振器に異常があればレーザ出力のモニタリングを通じて即時にその事態を検知できるようになっている。
しかしながら、遠隔でのレーザ加工にあっては、レーザ発振器より発振出力されたレーザ光が入射ユニット、光ファイバおよびレーザ加工ヘッド等の光学系を経て遠隔の場所で被加工物へ照射されるため、レーザ光路上の何処かの光学部品に生じた汚れや損傷・劣化によって被加工物の加工点でのレーザ出力が異常に低下していても本体側はそれを把握できない。このため、加工後の検査(外観検査、破壊検査または非破壊検査等)に至ってはじめて不良を発見するはめになり、生産管理の面で(不良品の多発等の)問題がある。また、各部のメンテナンス(チェック、清掃、修理、部品交換等)を短いサイクルで定期的に行う対処法は、メンテナンス作業のために生産ラインを頻繁にストップしなければならず、生産効率の面で問題がある。また、従来より、レーザ加工ヘッドから出射されたレーザ光の出力状態をレーザパワーメータによる計測でモニタリングすることも行われている。しかし、この方法も、レーザ加工を止めて実施されるものであり、やはり生産性を下げるという不利点がある。
本発明は、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、光ファイバ伝送方式においてレーザ加工ヘッド側の実際のレーザ出力状態や加工状態あるいは光学系の状態等を信頼性の高いインライン方式でモニタリングしてレーザ加工の生産管理、品質管理、生産効率を向上させるレーザ加工モニタリング装置を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の第1のレーザ加工モニタリング装置は、
レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有するレーザ光測定部と、前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の一部を拡散して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる光拡散板とを有する。
上記の構成においては、光ファイバの終端面より出たレーザ光の一部(たとえばミラー漏れ光)を光拡散板が入射角に対してランダムな角度で分散させて後方へ通すことにより、光拡散板を抜けた光は平均化されたパワー密度分布を有する拡散光となり、この拡散光の全部または一部がレーザ光測定部の受光面に入光または入射する。こうして、レーザ光のビームサイズの変化や光強度分布の変化を光拡散板における光拡散ないし均一化(平均化)によってキャンセルし、レーザ光測定部においてレーザ光の光強度を一定の感度で検出することができる。
本発明の第2のレーザ加工モニタリング装置は、レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有するレーザ光測定部と、前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の一部を集光して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる集束レンズとを有する。
上記の構成においては、光ファイバの終端面より出たレーザ光の一部(たとえばミラー漏れ光)が集束レンズに入射し、その集束レンズに入射した光のビーム全体が集束してレーザ光測定部の受光面に入光または入射する。レーザ光のビームサイズの変化や光強度分布の変化があっても、レーザ光測定部の受光面に入射する被測定光への影響はなく、レーザ光測定部においてレーザ光の光強度を一定の感度で検出することができる。
本発明の好適な一態様によれば、レーザ加工モニタリング装置に、レーザ光測定部より出力されたレーザ光の光強度を表す電気信号に基づいて、レーザ加工ヘッドより被加工物の加工点に照射される直前のレーザ光のレーザパワーに関するモニタリング情報を生成する信号処理部が備えられる。上記のように、レーザ光測定部においてレーザ光の光強度を一定の感度で検出することができるので、信号処理部で得られるモニタリング情報の精度や信頼性も大きく向上する。
本発明の第3のレーザ加工モニタリング装置は、レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、前記被加工物の加工点から前記レーザ加工ヘッド内に反射されてきた光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有する反射光測定部と、前記レーザ加工ヘッド内で前記被加工物の加工点からの前記反射光の全部または一部を拡散して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる光拡散板とを有する。
上記の構成においては、被加工物の加工点からの反射光の全部または一部を光拡散板が入射角に対してランダムな角度で分散させて後方へ通すことにより、光拡散板を抜けた光は平均化されたパワー密度分布を有する拡散光となり、この拡散光の全部または一部が反射光測定部の受光面に入光または入射する。レーザ光のビームサイズや光強度分布が変化しても、光拡散板における拡散ないし均一化(平均化)によってその変化をキャンセルし、反射光測定部において反射光の光強度を一定の感度で検出することができる。
本発明の第4のレーザ加工モニタリング装置は、レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、前記被加工物の加工点から前記レーザ加工ヘッド内に反射されてきた光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有する反射光測定部と、前記レーザ加工ヘッド内で前記被加工物の加工点からの前記反射光の全部または一部を集光して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる第2の集束レンズとを有する。
上記の構成においては、被加工物の加工点からの反射光の全部または一部が集束レンズに入射し、その集束レンズに入射した光のビーム全体が集束してレーザ光測定部の受光面に入光または入射する。レーザ光のビームサイズの変化や光強度分布の変化があっても、反射光測定部の受光面に入射する被測定光への影響はなく、反射光測定部において反射光の光強度を一定の感度で検出することができる。
本発明の好適な一態様によれば、レーザ加工モニタリング装置に、反射測定部より出力された反射光の光強度を表す第2の電気信号に基づいて、加工点におけるレーザ加工の良否に関するモニタリング情報を生成する信号処理部が備えられる。上記のように、反射光測定部において反射光の光強度を一定の感度で検出することができるので、信号処理部で得られるモニタリング情報の精度や信頼性も大きく向上する。
本発明の第5のレーザ加工モニタリング装置は、レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された第1の受光面を有するレーザ光測定部と、前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の一部を拡散して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる第1の光拡散板と、前記被加工物の加工点から前記レーザ加工ヘッド内に反射されてきた光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された第2の受光面を有する反射光測定部と、前記レーザ加工ヘッド内で前記被加工物の加工点からの前記反射光の全部または一部を拡散して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる第2の光拡散板とを有する。
上記の構成においては、上記第1および第3のレーザ加工モニタリング装置のそれぞれの構成を併有することにより、レーザ光のビームサイズの変化や光強度分布の変化があっても、レーザ光測定部および反射光測定部の受光面にそれぞれ入射する被測定光への影響はなく、レーザ光測定部および反射光測定部においてレーザ光の光強度および反射光の光強度をそれぞれ一定の感度で検出することができる。
本発明の第6のレーザ加工モニタリング装置は、レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された第1の受光面を有するレーザ光測定部と、前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の一部を集光して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる第1の集束レンズと、前記被加工物の加工点から前記レーザ加工ヘッド内に反射されてきた光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置されたに第2の受光面を有する反射光測定部と、前記レーザ加工ヘッド内で前記被加工物の加工点からの前記反射光の全部または一部を集光して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる第2の集束レンズと を有する。
上記の構成においては、上記第2および第4のレーザ加工モニタリング装置のそれぞれの構成を併有することにより、レーザ光のビームサイズの変化や光強度分布の変化があっても、レーザ光測定部および反射光測定部の受光面にそれぞれ入射する被測定光への影響はなく、レーザ光測定部および反射光測定部においてレーザ光および反射光の光強度をそれぞれ一定の感度で検出することができる。
本発明の好適な一態様によれば、レーザ光測定部より出力されたレーザ光の光強度を表す第1の電気信号と、反射測定部より出力された反射光の光強度を表す第2の電気信号に基づいて、レーザ光が通る光学部品の状態および/またはレーザ光の加工点におけるレーザパワーの状態に関するモニタリング情報を生成する信号処理部が備えられる。上記のように、レーザ光測定部および反射光測定部においてレーザ光の光強度および反射光の光強度をそれぞれ一定の感度で検出することができるので、信号処理部で得られるモニタリング情報の精度や信頼性も大きく向上する。
なお、本発明において、上記第1および第4のレーザ加工モニタリング装置のそれぞれの構成を併有する態様、あるいは上記第2および第3のレーザ加工モニタリング装置のそれぞれの構成を併有する態様も可能である。
本発明のレーザ加工モニタリング装置によれば、上記のような構成および作用により、光ファイバ伝送方式においてレーザ加工ヘッド側の実際のレーザ出力状態や加工状態あるいは光学系の状態等を信頼性の高いインライン方式でモニタリングしてレーザ加工の生産管理、品質管理、生産効率を向上させることができる。
以下、添付図を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。
図1に、本発明の一実施形態におけるレーザ加工モニタリング装置の適用可能なレーザ加工装置の全体構成を示す。このレーザ加工装置は、基本構成として、レーザ加工用のレーザ光(たとえばパルスレーザ光)LBを発振出力するレーザ発振器10aを内蔵するレーザ加工機本体10と、所望の加工場所に配置されるレーザ加工ヘッド12と、レーザ加工機本体10とレーザ加工ヘッド12とを光学的に結ぶ光ファイバ14と、モニタリング用の所要の信号処理や表示出力等を行うモニタ装置本体16と、システム全体のシーケンスを制御するコントローラ18とを有する。
このレーザ加工装置において、レーザ加工機本体10内のレーザ発振器10aで生成または発振出力されたレーザ光LBは、光ファイバ14を通って遠隔のレーザ加工ヘッド12まで伝送され、レーザ加工ヘッド12よりワーク(被加工物)Wの加工点WPに向けて集光照射される。たとえば溶接加工の場合、ワークWの加工点WPでは、互いに重ね合わされた(または突き合わされた)2つの部材がレーザ光LBのレーザエネルギーにより溶融接合する。モニタ装置本体16は、後述するレーザ加工ヘッド12に取り付けられるモニタリング用の2つの光検出器つまりレーザ光検出器26および反射光検出器28と協働して本実施形態のレーザ加工モニタリング装置を構成するものであり、両光検出器26,28よりそれぞれ発生される電気信号(光強度検出信号)SL,SRに基づいてレーザ伝送路上の光学部品の状態、加工点WPにおけるレーザ光LBのレーザ出力状態、加工品質等に関する計測値や良否判定を表示出力する。
レーザ発振器10aは、たとえばYAGレーザ、ファイバレーザ、ディスクレーザ等のような固体レーザのレーザ発振器あるいは炭酸ガスレーザ等のガスレーザのレーザ発振器を有している。レーザ加工機本体10には、レーザ発振器10aより出射されたレーザ光LBを光ファイバ14の一端面に集光入射させる入射ユニット(図示せず)や、光ファイバ14に入射する直前のレーザ光LBのレーザ出力を測定するレーザ出力測定部(図示せず)等も設けられている。光ファイバ14は、たとえば任意のマルチモード光ファイバでよい。
レーザ加工ヘッド12は、たとえばアルミニウムからなる中空のハウジングまたはヘッド本体20を有し、このヘッド本体20内の所定位置に後述する光学レンズやミラー等を配置している。このヘッド本体20において、ワークWの加工点WPと向き合う本体下面にはレーザ出射口22が設けられ、このレーザ出射口22とは反対側の本体上面には光ファイバ14の終端部を着脱可能に取り付けるための光ファイバ出射部24および上記モニタリング用のレーザ光検出器26および反射光検出器28が取り付けられている。
図2に、この実施形態におけるレーザ加工ヘッド12の具体的な構成を示す。ヘッド本体20の下面中心部から下方に延びる筒部29が形成され、この筒部29の下端部に位置するレーザ出射口22に保護ガラス30が取り付けられ、この保護ガラス30の内奥近傍に集束レンズ32が配置されている。
集束レンズ32の直上にはヘッド本体20内部のほぼ中心位置にてベントミラー34がその反射面34aをたとえば45°の角度で斜め下方に向けて配置され、さらにその直上には反射光検出器28がその受光面28aを垂直下方に向けて配置されている。ここで、反射光検出器28は、ヘッド本体20の上面に設けられたセンサ取付口に取り付けられている。ベントミラー34と反射光検出器28との間にはたとえばセラミックからなる光拡散板35が配置されている。光拡散板35と反射光検出器28との間の光通路37は円筒(横断面が円形のトンネル)に形成されている。
ヘッド本体20の上面には、ヘッド中心軸線上の反射光検出器28より横にずれた位置、つまりベントミラー34、集束レンズ32を通る光軸から横(図2の右側)にオフセットした位置にて、筒状の光ファイバ出射部24が垂直上方に延びている。この光ファイバ出射部24の上端には、光ファイバ14の終端部を着脱可能に受けるコネクタまたはレセプタクル36が設けられている。
光ファイバ出射部24の内部には、光ファイバ14の終端面14aから放射状に出たレーザ光LBを平行光にするためのコリメートレンズ38が配置されるとともに、このコリメートレンズ38の真下にベントミラー40がその反射面40aをたとえば45°の角度で斜め上方に向けて配置されている。ここで、ベントミラー40の反射面40aはベントミラー34の反射面34aと光学的に対向しており、光ファイバ14の終端面14aからのレーザ光LBはベントミラー40で光路を垂直方向から水平方向に直角に曲げてからベントミラー32に入射し、ベントミラー32で光路を水平方向から垂直下方に直角に曲げて集束レンズ32に入射するようになっている。集束レンズ32は、ワークWの加工点WPにレーザ光LBを集光させる。
ヘッド本体20の上面には、反射光検出器28と並んで光ファイバ出射部24とは反対側にオフセットした位置に、レーザ光検出器26がその受光面26aを垂直下方に向けて配置されている。ここで、レーザ光検出器26は、ヘッド本体20の上面に設けられたセンサ取付口に取り付けられている。このレーザ光検出器26の真下には、ベントミラー42がその反射面42aをたとえば45°の角度で斜め上方に向けて配置されている。ここで、ベントミラー42の反射面42aはベントミラー40の反射面40aとベントミラー34を介して光学的に対向しており、光ファイバ14の終端面14aからのレーザ光LBがベントミラー34で反射する際にベントミラー34の後方(左方)へ漏れた光MLBがベントミラー42に入射し、ベントミラー42で光路を水平方向から垂直上方に直角に曲げてレーザ光検出器26の受光面26aに入射するようになっている。ベントミラー34とベントミラー42との間には、たとえばセラミックからなる光拡散板44が配置されている。光拡散板44とレーザ光検出器26との間の光路45は円筒(横断面が円形のトンネル)に形成されている。
レーザ光検出器26は、光電変換素子たとえばフォトダイオードを有しており、ベントミラー34から水平方向の後方に漏れるレーザ光LBの漏れ光MLBを受光してその光強度を表す電気信号SLを発生する。ここで、漏れ光MLBの光強度は、光ファイバ14の終端面より出射された直後のレーザ光LBの光強度またはレーザ出力PLと一定の比例関係にある。レーザ光検出器26の出力信号(レーザ光強度検出信号)SLは信号線46を介してモニタ装置本体16へ送られる。
反射光検出器28は、光電変換素子たとえばフォトダイオードを有しており、光学レンズ32から垂直上方にベントミラー34を抜けてくる反射光RLBを受光してその光強度を表す電気信号SRを発生する。ここで、反射光RLBの光強度は、ワークWの加工点WPにおける表面反射率、溶け込み具合等にも依存するが、少なくとも加工点WPにおけるレーザ出力とは一定の比例関係にある。反射光検出器28の出力信号(反射光強度検出信号)SRは信号線48を介してモニタ装置本体16へ送られる。
図1において、モニタ装置本体16は、正面のパネルにキーまたはボタン類を含むパネル入力部16aや液晶画面等のパネル表示部16bを備えるとともに、本実施形態のモニタリングに必要な各種演算処理を行う電子回路を内蔵している。このモニタ装置本体16内蔵の電子回路は、たとえばマイクロコンピュータを含み、機能的には図3に示すように制御部50、レーザ光計測演算部52、反射光計測演算部54、比較部56,58、モニタ区間設定部60、演算区間設定部62等を有している。制御部50は、パネル入力部16aおよびパネル表示部16bを通じてユーザとマン・マシン・インタフェースを行うほか、レーザ溶接機本体10でレーザ光LBが発振出力される度に本体10より同期用のタイミング信号を受け取り、コントローラ18からはレーザ加工条件または条件番号を受け取って、ユニット内の各部に所要の制御信号またはデータを与える。
図3において、レーザ光計測演算部52は、レーザ照射ユニット12に搭載のレーザ光検出器26より送られてくる光強度検出信号SLを基に、レーザ加工ヘッド12内で光ファイバ14の終端面より出射された直後のレーザ光LBの光強度測定値PLを求める。一般に、レーザ溶接用のレーザ光LBは、図4の(a)に示すように略矩形のレーザ出力波形を有するパルスレーザ光として発振出力される。このようなパルスレーザ光LBを光ファイバ14に通すと、図4の(b)に示すように振幅または光強度(レーザ出力)がファイバ伝送中に減衰するものの、光ファイバ14から出た直後も略矩形のレーザ出力波形は大体維持されている。レーザ光計測演算部52は、レーザ光検出器26からの光強度検出信号SLのピーク値または平均値を求め、それに所定の係数を乗じてレーザ光LBのファイバ出射直後の光強度測定値PLを求める。レーザ光計測演算部50で得られたレーザ光強度測定値PLは、制御部50に与えられるとともに、両比較部56,58にも与えられる。制御部50は、レーザ光計測演算部50からのレーザ光強度測定値PLをそのままパネル表示部16bに表示出力してもよい。
比較部56には、制御部50より比較基準値APLと判定基準値Jとが与えられる。ここで、比較基準値APLは、コントローラ18より与えられるレーザ光LBのレーザ出力設定値、あるいはレーザ加工機本体10のレーザ出力測定部より与えられるレーザ光LBのレーザ出力測定値に対応している。比較判定部56は、比較基準値APLに対するレーザ光強度測定値PLの割合または比率(PL/APL)を求め、その比率(PL/APL)と判定基準値Jとを比較する。制御部50は、比較部56からの比較結果を受け、比率(PL/APL)>Jのときはレーザ加工ヘッド12内で光ファイバ14の終端面より出射された直後のレーザ光LBのレーザ出力が基準値を超えている、つまり正常と判定し、比率(PL/APL)≦Jのときは該レーザ光LBのレーザ出力は基準値よりも低下している、つまり異常であると判定する。
このようにレーザ光検出器26にてレーザ出力の異常低下が検出されるときは、レーザ発振元のレーザ発振器10aからレーザ加工ヘッド12内のベントミラー32に至るレーザ伝送路上の光学部品の何れかに許容度を超える汚れ・損傷・劣化等がある場合である。レーザ発振器10a回りに異常があれば、レーザ加工機本体10内のレーザ出力測定部によるモニタリングで検出される。本体10側の異常でなければ、通常は、ベントミラー40,32に汚れ・損傷・劣化等は殆ど発生しないので、光ファイバ14の何処かに原因(主に損傷・劣化)があると断定ないし推定することができる。制御部50は、パネル表示部16aを通じて判定結果を表示出力し、異常の判定結果を出すときは適当な警報またはメッセージを発してもよい。さらにコントローラ18にも判定結果を送ることができる。
反射光計測演算部54は、レーザ加工ヘッド12に搭載の反射光検出器42より送られてくる光強度検出信号SRを基に、レーザ溶接中にワークWの加工点WPから加工ヘッド12側へ放射された反射光RLBの光強度測定値PRを求める。一般に、この種の反射光RLBは、図4の(c)に示すように矩形から相当崩れたレーザ出力波形として検知される。この実施形態では、モニタ区間設定部60および演算区間設定部62が設けられており、ユーザがパネル入力部16aを通じて所望のモニタ区間TMよび演算区間TCを任意に設定入力できるようになっている。
モニタ区間TMは、たとえば、図5および図6に示すように1個(単ショット)のパルスレーザ光のみを含む期間に設定することも可能であれば、図7および図8に示すように複数個(複数ショット)のパルスレーザ光を含む期間に設定することも可能である。後者(複数ショット)の場合は、パルス列全体(一括)で良否判定の評価を行うことも可能である。演算区間TCは、パルスレーザ光の立ち上がりエッジ(ta)より所望時間後の第1の時点(tb)から立ち下がりエッジ(td)よりも所望時間前の第2の時点(tc)までの区間(ta〜tb)として設定することができる。実際、ワークWからの反射光RLBは、パルスレーザ光の立ち上がり時にはワーク表面状態の影響を受けて不安定なオーバーシュート波形を示し、それが落ち着いた後に本来のレーザ出力に応じた反射光強度を示す。反射光計測演算部54は、制御部50(あるいはユーザ)からの指示にしたがい、反射光RLBの光強度測定値PRを求めるために、演算区間TCでたとえば積分値ERあるいは平均値PAVを演算する。積分値ERは、当該パルスレーザ光のレーザエネルギー(ジュール)に相当する。平均値PAVは、光強度検出信号SRを適当な周期でサンプリングして相加平均としてよい。図示省略するが、演算区間TC内の最大値またはピーク値をもって光強度測定値PRとすることもできる。1パルス毎のモニタリングと複数ショット分のモニタリングとは、基本的にはユーザの設定するモニタ区間TMの長さが違うだけであり、アルゴリズムやハードウェアまたはソフトウェアで特別な切り替えを要しない。
反射光計測演算部54で得られた光強度測定値PRは、制御部50に与えられるとともに比較部58にも与えられる。制御部50は、反射光計測演算部54からの光強度測定値PRをそのまま表示パネル16bに表示出力してもよい。比較部58には、上記のようにレーザ光計測演算部52から光強度測定値PLBを与えられ、制御部50からは加工部正常/異常判定用の判定基準値Dおよび溶接良否判定用の判定基準値Fや所要の係数Kを与えられる。ここで、係数Kは、レーザ加工条件(特にワークWの材質等)に応じて設定される。溶接良否判定用の判定基準値Dは、コントローラ18より与えられるレーザ光LBのレーザ出力設定値、あるいは溶接機本体10のレーザ出力測定部より与えられるレーザ光LBのレーザ出力測定値に対応したものでよく、上限値FHおよび下限値FLとして設定されてよい。
加工部正常/異常判定のために、比較部58は、光ファイバ出射直後のレーザ光強度測定値PLBに対する反射光強度測定値PRの割合または比率(PR/PLB)を求め、その比率(PR/PLB)を判定基準値Dと比較する。制御部50は、比較部58からの比較結果を受け、比率(PR/PLB)>Dのときはレーザ光LBの加工点WPにおけるレーザ出力が基準値または閾値を超えている、つまり加工部は正常(異常なし)であると判定し、比率(PR/PLB)≦Dのときはレーザ光LBの加工点WPにおけるレーザ出力が基準値または閾値よりも低下している、つまり加工部に異常ありと判定する。
このように加工部に異常ありと判定されるときは、ワークWの状態(特に表面状態)に異常があるか、あるいはレーザ加工ヘッド12内の光路上の光学部品つまりベントミラー40,34、集束レンズ32および保護レンズ30のいずれかに許容度を超える汚れ・損傷・劣化等がある場合である。いずれにしても、レーザ加工をいったん停止して加工部の検査を行うべき場面である。
ワークW側の異常が想定できないときは、光学部品側に原因があると断定ないし推定できる。通常、加工ヘッド12に内蔵されているベントミラー40,34や集束レンズ32に原因(汚れ・損傷・劣化等)があることはめったになく、ワークWと向き合う保護レンズ30が汚れているケースが原因の殆どである。一般に、保護レンズ30の汚れは経時的に増大する。したがって、比率(PR/PLB)が経時的に低下する様子をモニタリングすることも可能である。制御部50は、パネル表示部16aを通じて検査や点検を促す判定結果を表示出力し、異常の判定結果を出すときは適当な警報またはメッセージを発してもよい。さらに、コントローラ18に判定結果を送ってもよい。
溶接良否判定のために、比較部58は、反射光強度測定値PRを判定基準値F(上限値FHおよび下限値FL)と比較する。制御部50は、比較部58からの比較結果を受け、FL<PR<FHのときはレーザ光LBの加工点WPにおけるレーザ出力が正常範囲内にあり溶接良好と判定し、PR≦FLまたはPR≧FHときはレーザ光LBの加工点WPにおけるレーザ出力が正常範囲外にあり、溶接不良と判定する。制御部50は、溶接良否についての判定結果をパネル表示部16aを通じて表示出力したり、コントローラ18に送る。さらに、レーザ出力フィードバック制御のために判定結果あるいは反射光強度測定値PRをレーザ溶接機本体10に送ることもできる。
上記したモニタ装置本体16では、加工部正常/異常判定のために、比較部58において光ファイバ出射直後のレーザ光強度測定値PLBと反射光強度測定値PRとの比率(PR/PLB)を求めて判定基準値Dと比較した。しかし、別の手法として、レーザ光強度測定値PLBおよび反射光強度測定値PRのいずれもレーザ光LBの加工点WPにおけるレーザパワー状態と一定の関係にある点を利用して、レーザ光強度測定値PLBおよび反射光強度測定値PRの両面から加工点のレーザパワー状態を総合的または複合的に評価することも可能である。
上記のように、この実施形態のレーザ加工モニタリング装置においては、レーザ加工ヘッド12に2つの光検出器26,28を取り付け、この加工ヘッド12内で光ファイバ14の終端面14aより出射された直後のレーザ光LBの光強度をレーザ光測定部の光検出器26を用いて測定するとともに、ワークWからレーザ加工ヘッド12に反射されてきた光RLBの光強度を反射光測定部の光検出器28を用いて測定し、レーザ光LBの光強度測定値PLBと反射光RLBの光強度測定値PRとに基づいてレーザ光LBの通る光学部品の状態、ワークWの状態、レーザ出力状態等について光学的計測や良否判定をインラインで行えるようにしており、生産管理または品質管理の面でユーザに信頼性の高い有益なモニタリング情報を提供することができる。また、異常・故障の発見・通報が適時に出されるため、保護ガラス交換等のメンテナンスのために生産ラインをストップさせる時間を必要最小限に食い止めることができる。
さらに、このレーザ加工モニタリング装置においては、レーザ加工ヘッド12内で光検出器26,28の受光面26a,28aの手前または前方に光拡散板44,35をそれぞれ配置する構成により、レーザ光LBの通る光学部品、特に光ファイバ14あるいはレーザ発振器10a内の固体レーザ媒体の熱歪みまたは熱レンズ効果等によりレーザ光LBのビーム径や光強度分布に変化が生じても計測への影響を最小限に抑えるようにしている。
図9につき、この点の本発明の作用を詳細に説明する。説明の便宜上、レーザ光LBのビームモードをシングルモードとする。つまり、レーザ光LBのビーム形状は円形で、光強度(パワー)分布APLBはガウス分布を示すものとする。
この場合、図9の(A)に示すように、理想形態としてレーザ光LBのビーム中心が光検出器26の受光面26aの中心に一致するような光軸合わせが設計・製作ないし組立・取付の段階で行われる。通常、レーザ光LBのビームサイズよりも光検出器26の受光面26aの方が小さい関係にある。
しかしながら、装置の稼動中は、経時変化や温度変化等によって上記のようにレーザ光学系の熱レンズ効果を通じてレーザ光LBの横モードやビーム径が変化することがあり、たとえば図9の(B)に示すように、レーザ光LBのビーム中心軸が光検出器26の受光面中心軸から相対的に横へずれてしまうと、光検出器26の出力信号(レーザ光強度検出信号)SLに変動誤差が生じ、ひいてはモニタ装置本体16内の信号処理回路で得られるレーザ光強度測定値PLにも測定誤差が生じる。
この点、この実施形態においては、光拡散板44が、光ファイバ14の終端面14aより出たレーザ光LBの一部であるベントミラー34からのビーム状の漏れ光MLBを入射角に対してランダムな角度で分散させて後方に通すように作用する。これにより、光拡散板44を抜けた光MLB'は一定の直径dを有する光通路45内で径方向一様なパワー密度分布を有する拡散光MLB'となり、この拡散光MLB'の一部が光検出器26の受光面26aに入光または入射する。このように、レーザ光LBのビームサイズの変化や光強度分布の変化を光拡散板44における拡散ないし均一化(平均化)によってキャンセルし、光検出器26においてレーザ光LBの光強度を常に一定の感度で検出することができる。このことによって、モニタ装置本体16内の信号処理回路で得られるレーザ光強度測定値PLにも測定誤差がなくなる。
反射光計測系においても、ワークWからの反射光RLBに対して光拡散板35が上記光拡散板44と同様の作用(拡散・均一化)を奏することにより、光検出器28において反射光RLBの光強度を常に一定の感度で検出することができる。
加えて、この実施形態のレーザ加工ヘッド12においては、光ファイバ14、レーザ光検出器26および反射光検出器28の全部をレーザ加工ヘッド12の上面に接続または取付しているので、光ファイバ14および信号線46,48の全部をヘッド上方に集約して架空配線ないし敷設することができる。このことにより、図示しないヘッド支持部またはロボットアーム等への加工ヘッド12の取付または搭載が簡単になり、加工場所付近のスペース効率や使い勝手が改善され、加工ヘッド12自体のメンテナンス性も改善される。また、何らかの原因でレーザ光検出器26または反射光検出器28の取付口が開いて加工ヘッド12の中から外部へレーザ光が出たとしても、加工ヘッド12の側方ではなく上方へ漏れるため、付近の作業者に照射するおそれはなく、安全面でも優れている。
上記した実施形態では、レーザ加工ヘッド12に取り付けるレーザ光測定部26および反射光測定部28を光電変換素子で構成し、それらの光電変換素子より出力される電気信号SL,SRを信号線46,48を介してモニタ装置本体16へ送るようにした。しかし、たとえば図10に示すように、レーザ加工ヘッド12において、レーザ光測定部26および/または反射光測定部28を光ファイバ70,72で構成することも可能である。
より詳細には、レーザ光検出器26(図2)の取付位置にコネクタまたはレセプタクル64を介して光ファイバ70の一端部を取り付け、ベントミラー42より垂直上方に反射したレーザ光LBの漏れ光MLBが光ファイバ70の一端面(受光面)70aに入射するようにする。また、反射光検出器28(図2)の取付位置にコネクタまたはレセプタクル66を介して光ファイバ72の一端部を取り付け、ベントミラー34より垂直上方に透過した反射光RLBが光ファイバ72の一端面(受光面)72aに入射するようにする。両光ファイバ70,72の他端部(終端部)はモニタ装置本体(図示せず)に接続され、モニタ装置本体側で両光ファイバ70,72の他端面より出射されたレーザ漏れ光MLB,反射光RLBがそれぞれ光電変換素子(図示せず)によって電気信号SL,SRに変換されるようになっている。
この構成例においても、上記した第1の実施形態と同様の作用効果が得られる。特に、レーザ光計測系においては、光拡散板44によりレーザ光LBの漏れ光MLBを拡散・均一化して光ファイバ70の受光面70aに入射させるようにしたので、光ファイバ70の出射端側に配置される光電変換素子より高精度および高信頼性のレーザ光強度検出信号SLを得ることができる。また、反射光計測系においても、光拡散板35により反射光RLBを拡散・均一化して光ファイバ72の受光面72aに入射させるようにしたので、光ファイバ72の出射端側に配置される光電変換素子より高精度および高信頼性の反射光強度検出信号SRを得ることができる。
図11に、別の実施形態によるレーザ加工モニタリング装置の要部の構成を示す。図中、上記実施形態(図2,図10)のものと実質的に同一の構成または機能を有する部分には同一の符号を附してある。
この実施形態では、レーザ加工ヘッド12の上面において、両光ファイバ70,72の取付口に垂直上方に延在する円筒体74,76を設け、円筒体74,76の上面にレセプタクル64,66を介して光ファイバ70,72の一端部をそれぞれ取り付けるとともに、円筒体74,76内の所定位置つまり光ファイバ70,72の受光面70a,72aから各焦点距離だけ隔てた位置に集束レンズ78,80をそれぞれ設けている。
この構成によれば、レーザ光計測系においては、光ファイバ14の終端面14aからのレーザ光LBがベントミラー34で反射する際にベントミラー34の後方(左方)へ漏れた光MLBがベントミラー42で光路を水平方向から垂直上方に直角に曲げ、集束レンズ78を通って光ファイバ70の受光面70aに入射する。ここで、集束レンズ78は、ベントミラー34からの漏れ光MLBを光ファイバ70の受光面70aに集光入射させる。つまり、図9の(D)に示すように、レーザ光LBに対応する漏れ光MLBのビーム全体を光ファイバ70の受光面70aに入光させるので、レーザ光LBのビームサイズの変化や光強度分布の変化をキャンセルすることが可能であり、これによって、光ファイバ70の出射端側に配置される光電変換素子より高精度および高信頼性のレーザ光強度検出信号SLを得ることができる。
同様に、反射光計測系においても、ワークWの加工点WPからレーザ加工ヘッド12の保護ガラス30、光学レンズ32、ベントミラー34を透過してきた反射光RLBが集束レンズ80により集光され、そのビーム全体が光ファイバ72の受光面72aに入射する。これにより、レーザ光LBのビームサイズの変化や光強度分布の変化が反射光RLBに影響しても、その影響分をモニタリングの受光段階でキャンセルし、光ファイバ72の出射端側に配置される光電変換素子より高精度および高信頼性の反射光強度検出信号SRを得ることができる。
上記実施形態のレーザ加工ヘッド12(図11)において、モニタリング用の光ファイバ70,72を図12に示すように光電変換素子を有するレーザ光検出器26,28に置き換えることも可能であり、この構成においてもモニタリングの精度や信頼性に関して上記と同様の作用効果を得ることができる。
上記した実施形態ではレーザ伝送用の光ファイバ14やレーザ光測定部(26,70)、反射光測定部(28,72)の全部をレーザ加工ヘッド12の上面に取り付けたが、一変形例としてその一部または全部をレーザ加工ヘッド12の側面に取り付ける構成も可能である。また、図示省略するが、レーザ加工ヘッドにおいて光ファイバの終端面をレーザ出射口または保護レンズと対向する位置に取り付け、光ファイバの終端面より出たレーザ光をベントミラーを介さずにまっすぐ直進させて保護レンズの外に出射させることも可能である。その場合は、途中に反射率の非常に低いミラーを配置し、該ミラーで反射した光をレーザ光測定部の受光面に導くようにすればよい。本発明は、上記実施形態におけるようなレーザ溶接に限定されるものではなく、光ファイバを利用する任意のレーザ加工に適用可能である。
本発明によるレーザ加工モニタリング装置の適用可能なレーザ加工装置の全体構成を示す図である。 実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す縦断面図である。 実施形態のモニタ装置本体内の信号処理部の機能的な構成を示すブロック図である。 実施形態のレーザ加工用モニタリング装置の各部におけるパルスレーザ光の波形を示す波形図である。 実施形態において単一のパルスレーザ光に対するモニタ区間および演算区間および光強度測定演算の方法(一例)を示す図である。 実施形態において単一のパルスレーザ光に対するモニタ区間および演算区間および光強度測定演算の方法(一例)を示す図である。 実施形態において一連(複数ショット)のパルスレーザ光に対するモニタ区間および演算区間および光強度測定演算の方法(一例)を示す図である。 実施形態において一連(複数ショット)のパルスレーザ光に対するモニタ区間および演算区間および光強度測定演算の方法(一例)を示す図である。 実施形態における本発明の作用を説明するための図である。 別の実施形態におけるレー加工ヘッドの構成を示す上面図である。 別の実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す縦断面図である。 別の実施形態におけるレーザ加工ヘッドの構成を示す縦断面図である。
符号の説明
10 レーザ加工機本体
10a レーザ発振器
12 レーザ加工ヘッド
14 レーザ伝送用光ファイバ
16 モニタ装置本体
18 コントローラ
20 ヘッド本体
22 レーザ出射口
24 光ファイバ取付部
26 レーザ光検出器
28 反射光検出器
30 保護ガラス
32 集束レンズ
34,40,42 ベントミラー
35,44 光拡散板
37,45 光路
38 コリメータレンズ
46,48 信号線
70,72 モニタリング用光ファイバ
74,76 筒体
78,80 集束レンズ

Claims (9)

  1. レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有するレーザ光測定部と、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の一部を拡散して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる光拡散板と
    を有するレーザ加工モニタリング装置。
  2. レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有するレーザ光測定部と、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の一部を集光して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる集束レンズと
    を有するレーザ加工モニタリング装置。
  3. 前記レーザ光測定部より出力された前記レーザ光の光強度を表す電気信号に基づいて、前記レーザ加工ヘッドより前記被加工物の加工点に照射される直前の前記レーザ光のレーザパワーに関するモニタリング情報を生成する信号処理部を有する請求項1または請求項2に記載のレーザ加工モニタリング装置。
  4. レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、
    前記被加工物の加工点から前記レーザ加工ヘッド内に反射されてきた光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有する反射光測定部と、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記被加工物の加工点からの前記反射光の全部または一部を拡散して前記反射光測定部の受光面に入射させる光拡散板と
    を有するレーザ加工モニタリング装置。
  5. レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、
    前記被加工物の加工点から前記レーザ加工ヘッド内に反射されてきた光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された受光面を有する反射光測定部と、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記被加工物の加工点からの前記反射光の全部または一部を集光して前記反射光測定部の受光面に入射させる集束レンズと
    を有するレーザ加工モニタリング装置。
  6. 前記反射測定部より出力された前記反射光の光強度を表す第2の電気信号に基づいて、前記加工点におけるレーザパワーの状態に関するモニタリング情報を生成する信号処理部を有する請求項4または請求項5に記載のレーザ加工モニタリング装置。
  7. レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された第1の受光面を有するレーザ光測定部と、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の一部を拡散して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる第1の光拡散板と、
    前記被加工物の加工点から前記レーザ加工ヘッド内に反射されてきた光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された第2の受光面を有する反射光測定部と、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記被加工物の加工点からの前記反射光の全部または一部を拡散して前記反射光測定部の受光面に入射させる第2の光拡散板と
    を有するレーザ加工モニタリング装置。
  8. レーザ発振部より発振出力されたレーザ光をレーザ伝送用の光ファイバに通してレーザ加工ヘッドまで伝送し、前記レーザ加工ヘッドより前記レーザ光を被加工物の加工点に照射するレーザ加工のモニタリング装置であって、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された第1の受光面を有するレーザ光測定部と、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記光ファイバの終端面から出た前記レーザ光の一部を集光して前記レーザ光測定部の受光面に入射させる第1の集束レンズと、
    前記被加工物の加工点から前記レーザ加工ヘッド内に反射されてきた光の光強度を測定するために前記レーザ加工ヘッド内に配置された第2の受光面を有する反射光測定部と、
    前記レーザ加工ヘッド内で前記被加工物の加工点からの前記反射光の全部または一部を集光して前記反射光測定部の受光面に入射させる第2の集束レンズと
    を有するレーザ加工モニタリング装置。
  9. 前記レーザ光測定部より出力された前記レーザ光の光強度を表す第1の電気信号と、前記反射測定部より出力された前記反射光の光強度を表す第2の電気信号に基づいて、前記レーザ光が通る光学部品の状態および/または前記レーザ光の加工点におけるレーザパワーの状態に関するモニタリング情報を生成する信号処理部を有する請求項7または請求項8に記載のレーザ加工モニタリング装置。



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