JP2010240689A - Laser beam machining method and laser beam machining apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、被加工物に一連のパルスレーザ光を照射して所望のレーザ加工を施すレーザ加工技術に係り、特に一連のパルスレーザ光の出力ピーク値を制御するレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser processing technique for performing desired laser processing by irradiating a workpiece with a series of pulse laser beams, and more particularly to a laser processing method and a laser processing apparatus for controlling an output peak value of a series of pulse laser beams. .
被加工物にパルスレーザ光を繰り返し照射するレーザ加工の最も代表的な例は、レーザシーム溶接である。レーザシーム溶接は、被加工物にパルス発振のレーザ光を一定の繰り返し周波数で照射しながら被加工物上でレーザビームスポットを溶接ラインに沿って相対的に移動させ、スポット溶接を少しずつずらしながら重ね合わせて連続した接合部を形成するようにしている。 The most typical example of laser processing for repeatedly irradiating a workpiece with pulsed laser light is laser seam welding. In laser seam welding, a laser beam spot is relatively moved along the welding line while irradiating the workpiece with pulsed laser light at a constant repetition frequency, and the spot welding is gradually shifted and overlapped. Together, continuous joints are formed.
従来より、レーザシーム溶接では、一回の溶接スケジュール内でパルスレーザ光の出力(パワー)をパルス周期で可変する技術が用いられている。たとえば、金属キャップの外周縁部を接合するレーザシーム溶接において、環状シーム溶接ラインの一周よりも少しオーバーランさせて終端部を始端部に重ねる場合に、始端部ではパルスレーザ光の出力ピーク値をパルス周期で次第に上げるアップ・スロープ・コントロールをかけ、終端部ではパルスレーザ光の出力ピーク値をパルス周期で次第に下げるダウン・スロープ・コントロールをかけるようなことが行われている。 Conventionally, in laser seam welding, a technique of varying the output (power) of pulsed laser light with a pulse period within a single welding schedule has been used. For example, in laser seam welding that joins the outer peripheral edge of a metal cap, when the end part is overlapped with the start end part by slightly overrunning the circumference of the annular seam welding line, the output peak value of the pulse laser beam is pulsed at the start end part. Up-slope control that gradually increases with the period is applied, and down-slope control that gradually decreases the output peak value of the pulsed laser light with the pulse period is performed at the terminal portion.
従来のレーザ加工装置は、CPU(マイクロコンピュータ)のメモリ書き込み/読み出し機能を利用して、一連のパルスレーザ光の出力ピーク値に対する波形制御(たとえば上記のようなアップ・スロープ・コントロールおよび/またはダウン・スロープ・コントロール)を行っている。より詳しくは、ユーザがタッチパネル等のマン・マシン・インタフェースを通じて、1回のスケジュール内の一連のパルスレーザ光について所望の出力ピーク値特性(通常、折線波形)を設定入力すると、CPUがその設定入力された出力ピーク値特性を基にパルス毎に出力ピーク値を符号化し、その2進コードを基準ピーク値データとしてメモリに書き込む。そして、レーザシーム溶接を実行する際に、CPUが、パルス毎に基準ピーク値データをメモリから順次読み出して、別途生成または再生したパルス基本出力波形に各パルス毎の基準ピーク値を掛け合わせてディジタルの基準パルス波形を生成する。 A conventional laser processing apparatus uses a memory write / read function of a CPU (microcomputer) to control a waveform for an output peak value of a series of pulsed laser beams (for example, up-slope control and / or down as described above).・ Slope control). More specifically, when a user sets and inputs a desired output peak value characteristic (usually a polygonal waveform) for a series of pulse laser beams in one schedule through a man-machine interface such as a touch panel, the CPU inputs the setting. The output peak value is encoded for each pulse based on the output peak value characteristic, and the binary code is written in the memory as reference peak value data. Then, when performing laser seam welding, the CPU sequentially reads out the reference peak value data from the memory for each pulse, and multiplies the pulse basic output waveform separately generated or reproduced by the reference peak value for each pulse to generate a digital signal. A reference pulse waveform is generated.
こうしてCPUのメモリ読み出し機能および演算機能により基準パルス波形が生成され、その基準パルス波形のディジタル値がD/A変換器によりアナログの基準パルス波形信号に変換されてパルスレーザ発生部のフィードバック制御信号に用いられる。パルスレーザ発生部では、発振出力したパルスレーザ光の出力(パワー)を測定し、あるいは電光変換用の駆動電流を測定し、その測定値が上記基準パルス波形に倣うようにフィードバック制御がかけられる。 Thus, a reference pulse waveform is generated by the memory reading function and arithmetic function of the CPU, and the digital value of the reference pulse waveform is converted into an analog reference pulse waveform signal by the D / A converter and used as the feedback control signal of the pulse laser generator. Used. The pulse laser generator measures the output (power) of the oscillated pulse laser beam or measures the drive current for electro-optic conversion, and performs feedback control so that the measured value follows the reference pulse waveform.
しかしながら、上述したような一連のパルスレーザ光の出力ピーク値に対する可変制御を専らCPUのメモリ書き込み/読み出し機能や演算処理機能に依存する従来の技術は、CPUのタスクやメモリのリソースに大きな負担を及ぼし、それによってレーザ加工装置の性能向上を困難にしている。 However, the conventional technique that relies exclusively on the CPU memory write / read function and arithmetic processing function for the variable control over the output peak value of the series of pulsed laser beams as described above places a heavy burden on CPU tasks and memory resources. This makes it difficult to improve the performance of the laser processing apparatus.
具体的には、たとえばレーザシーム溶接においては、一回の溶接スケジュール内で数千発以上のパルスレーザ光を一定の繰り返し周波数で連続的に発振出力する場合が多々ある。その場合、一回の溶接スケジュールにつき基準ピーク値の分だけで数千個以上のデータ(2進コード)がメモリに格納される。通常は複数の溶接スケジュールが設定されるので、基準ピーク値のデータ量が膨大になる。 Specifically, for example, in laser seam welding, in many cases, several thousand or more pulsed laser beams are continuously oscillated and output at a constant repetition frequency within one welding schedule. In that case, several thousand pieces of data (binary codes) are stored in the memory only for the reference peak value per welding schedule. Normally, since a plurality of welding schedules are set, the data amount of the reference peak value becomes enormous.
また、CPUのメモリ書き込み/読み出し機能や演算処理機能は、基準ピーク値の復元のためだけでなく、パルスレーザ光の出力波形の元になる原パルス波形の生成または復元のためにも用いられる。このため、CPUに負担が掛かりすぎて、パルス波形制御の速度ないし自由度が低下するという問題もある。 Further, the memory write / read function and arithmetic processing function of the CPU are used not only for restoring the reference peak value, but also for generating or restoring the original pulse waveform that is the source of the output waveform of the pulse laser beam. For this reason, there is a problem in that the CPU is overloaded and the speed or degree of freedom of pulse waveform control is reduced.
さらに、パルス波形制御の良否を判定する機能を搭載する場合は、良否判定のための波形積分演算処理等もCPUのタスクとなるため、パルス波形制御や繰り返し速度の向上が一層困難になる。 Furthermore, when a function for determining the quality of pulse waveform control is installed, waveform integration calculation processing for determining quality is also a task of the CPU, so that it is more difficult to improve pulse waveform control and repetition rate.
このように、従来は、一連のパルスレーザ光について出力ピーク値の可変制御を行う場合にCPUのタスクやメモリのリソースに大きな負担が掛かって、パルスレーザを用いるレーザ加工の性能向上が困難になっていた。 As described above, conventionally, when variable control of the output peak value is performed for a series of pulsed laser beams, a large burden is imposed on the CPU task and memory resources, and it becomes difficult to improve the performance of laser processing using a pulsed laser. It was.
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あり、パルスレーザの出力ピーク値制御におけるデータ処理効率を改善してパルスレーザ加工の性能向上を図るレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and a laser processing method and a laser for improving the performance of pulse laser processing by improving data processing efficiency in output peak value control of a pulse laser. An object is to provide a processing apparatus.
上記の目的を達成するために、本発明のレーザ加工方法は、一定の期間に亘り一連のパルスレーザ光を被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うレーザ加工方法であって、前記一連のパルスレーザ光の出力のピーク値を規定する基準ピーク値について、前記一定の期間に亘り時間軸に沿って繋ぎ合わさる1つまたは複数の線形的な基準ピーク値特性を設定する第1のステップと、各々の前記基準ピーク値特性について、少なくとも、初期値のデータと単位変化量のデータと演算処理回数のデータとを1ステージのパラメータデータとして生成する第2のステップと、前記レーザ加工を実施する際に、各々の前記パルスレーザ光の出力波形の元になる原パルス波形を生成する第3のステップと、前記レーザ加工を実施する際に、前記原パルス波形の生成と並行して、時間軸に沿って、各ステージ毎に前記パラメータデータを基に前記初期値に前記単位変化量を所定の周期で繰り返し継ぎ足す演算処理を行って前記基準ピーク値特性を復元する第4のステップと、各々の前記パルスレーザ光について、前記原パルス波形と復元された前記基準ピーク値特性とに基づいて所望のピーク値を有する基準パルス波形を生成する第5のステップと、前記基準パルス波形に基づいて各々の前記パルスレーザ光の出力波形および出力ピーク値を制御する第6のステップとを有する。 In order to achieve the above object, a laser processing method of the present invention is a laser processing method for performing desired laser processing by irradiating a workpiece with a series of pulsed laser beams over a certain period of time. A first step of setting one or a plurality of linear reference peak value characteristics connected along the time axis over the predetermined period for a reference peak value defining a peak value of the output of the pulse laser beam of For each of the reference peak value characteristics, at least a second step of generating at least initial value data, unit variation data, and operation processing frequency data as one-stage parameter data, and performing the laser processing A third step of generating an original pulse waveform that is a source of an output waveform of each of the pulse laser beams, and the original pulse when performing the laser processing. In parallel with the generation of the shape, along the time axis, the reference peak value characteristic is obtained by performing an arithmetic process of repeatedly adding the unit change amount to the initial value at a predetermined cycle based on the parameter data for each stage. And a fifth step of generating a reference pulse waveform having a desired peak value based on the original pulse waveform and the restored reference peak value characteristic for each of the pulse laser beams. And a sixth step of controlling the output waveform and output peak value of each pulse laser beam based on the reference pulse waveform.
また、本発明のレーザ加工装置は、一定の期間に亘り一連のパルスレーザ光を被加工物に照射して所望のレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、前記一連のパルスレーザ光の出力のピーク値を規定する基準ピーク値について、前記一定の期間に亘り時間軸に沿って繋ぎ合わさる1つまたは複数の線形的な基準ピーク値特性を設定する基準ピーク値特性設定部と、各々の前記基準ピーク値特性について、少なくとも、初期値のデータと単位変化量のデータと演算処理回数のデータとを1ステージのパラメータデータとして生成するステージ・パラメータデータ生成部と、前記レーザ加工を実施する際に、各々の前記パルスレーザ光の出力波形の元になる原パルス波形信号を生成する原パルス波形生成部と、前記レーザ加工を実施する際に、前記原パルス波形信号の生成と並行して、時間軸に沿って、各ステージ毎に前記パラメータデータを基に前記初期値に前記単位変化量を所定の周期で繰り返し継ぎ足す演算処理を行って前記基準ピーク値特性を復元する基準ピーク値特性復元部と、各々の前記パルスレーザ光について、前記原パルス波形信号と復元された前記基準ピーク値特性とに基づいて所望のピーク値を有する基準パルス波形信号を発生する基準パルス波形発生部と、前記基準パルス波形信号に基づいて各々の前記パルスレーザ光の出力波形および出力ピーク値を制御するパルスレーザ発生部とを有する。 The laser processing apparatus of the present invention is a laser processing apparatus that performs desired laser processing by irradiating a workpiece with a series of pulsed laser beams over a certain period of time, and outputs the series of pulsed laser beams. A reference peak value characteristic setting unit that sets one or a plurality of linear reference peak value characteristics connected along the time axis over the predetermined period for the reference peak value that defines the peak value, and each of the reference For the peak value characteristics, at least when performing the laser processing, a stage parameter data generation unit that generates at least initial value data, unit variation data, and calculation processing frequency data as one stage parameter data, When performing the laser processing, an original pulse waveform generation unit that generates an original pulse waveform signal that is the source of the output waveform of each pulse laser beam, In parallel with the generation of the original pulse waveform signal, along the time axis, an arithmetic processing is performed to repeatedly add the unit change amount to the initial value at a predetermined cycle based on the parameter data for each stage. A reference peak value characteristic restoring unit for restoring a reference peak value characteristic, and a reference pulse waveform having a desired peak value based on the original pulse waveform signal and the restored reference peak value characteristic for each of the pulse laser beams A reference pulse waveform generation unit that generates a signal; and a pulse laser generation unit that controls an output waveform and an output peak value of each pulse laser beam based on the reference pulse waveform signal.
本発明においては、一回の溶接スケジュールで用いる繰り返しパルスレーザ光について、たとえばタッチパネル等のマン・マシン・インタフェースを通じて設定入力された基準ピーク値の折線波形をパルス周期でそのままサンプリングして符号化するのではなく、時間軸上でその折線波形をその構成要素である複数の線形的な基準ピーク値特性に分解して、各ステージの基準ピーク値特性毎に所定の属性(初期値、単位変化量、演算処理回数)を示す複数のパラメータデータを生成し、これらステージ毎のパラメータデータを情報管理する。そして、上記の溶接スケジュールでレーザ加工を実施する際には、各々のパルスレーザ光の出力波形の元になる原パルス波形を生成するのと並行して、時間軸に沿って各ステージ毎にパラメータデータを基に初期値に単位変化量を所定の周期で繰り返し継ぎ足す演算処理を行って基準ピーク値特性を復元し、原パルス波形と復元された基準ピーク値特性とに基づいて基準パルス波形を生成し、この基準パルス波形に基づいてパルスレーザ発生部より発生される各パルスレーザ光の出力波形および出力ピーク値を制御する。 In the present invention, for a repetitively pulsed laser beam used in a single welding schedule, for example, a broken line waveform of a reference peak value set and inputted through a man-machine interface such as a touch panel is directly sampled at a pulse period and encoded. Instead, the broken line waveform on the time axis is decomposed into a plurality of linear reference peak value characteristics that are its constituent elements, and predetermined attributes (initial value, unit change amount, A plurality of parameter data indicating the number of times of arithmetic processing) is generated, and information management of the parameter data for each stage is performed. When laser processing is performed with the above welding schedule, the parameters for each stage along the time axis are generated in parallel with the generation of the original pulse waveform that is the source of the output waveform of each pulse laser beam. Based on the data, the unit peak is repeatedly added to the initial value at a predetermined cycle to restore the reference peak value characteristics, and the reference pulse waveform is restored based on the original pulse waveform and the restored reference peak value characteristics. Based on this reference pulse waveform, the output waveform and output peak value of each pulse laser beam generated from the pulse laser generator are controlled.
本発明の好適な一態様によれば、第2のステップ(またはステージ・パラメータデータ生成部)において、更に、パルスレーザ光の繰り返し周期に対する演算処理の周期を表す第1のフラグのデータをステージのパラメータデータの1つとして生成し、第4のステップ(または基準ピーク値特性復元部)において、第1のフラグで指示された周期で上記の演算処理を行う。あるいは、第2のステップ(またはステージ・パラメータデータ生成部)において、更に、演算分解能を表す第2のフラグのデータをステージのパラメータデータの1つとして生成し、第4のステップ(または基準ピーク値特性復元部)において、第2のフラグで指示された演算分解能で演算処理を行う。このような演算処理周期のフラグ機能あるいは演算分解能のフラグ機能により、各基準ピーク値特性を復元するための演算処理の効率および精度を同時に最適化することができる。 According to a preferred aspect of the present invention, in the second step (or stage parameter data generation unit), the first flag data indicating the cycle of the arithmetic processing with respect to the repetition cycle of the pulse laser beam is further stored in the stage. It is generated as one of the parameter data, and in the fourth step (or the reference peak value characteristic restoring unit), the above arithmetic processing is performed at the cycle indicated by the first flag. Alternatively, in the second step (or stage parameter data generation unit), the second flag data representing the calculation resolution is further generated as one of the stage parameter data, and the fourth step (or reference peak value) is generated. In the characteristic restoring unit), arithmetic processing is performed with the arithmetic resolution indicated by the second flag. By such a flag function of the calculation processing period or a flag function of the calculation resolution, the efficiency and accuracy of the calculation processing for restoring each reference peak value characteristic can be simultaneously optimized.
本発明の好適な一態様によれば、第3のステップ(または原パルス波形生成部)において、原パルス波形を0%〜200%の間で連続した任意の値を有するパルス信号として生成し、第5のステップ(または基準パルス波形発生部)において、原パルス波形の値に基準ピーク値特性の値を掛け合わせて基準パルス波形を生成する。この場合、第3のステップ(または原パルス波形生成部)において生成される原パルス波形が一定期間にわたり全て同一の波形を有してもよく、あるいは、第3のステップ(または原パルス波形生成部)において生成される原パルス波形が各々の独立した波形を有してもよい。本発明においては、一連のパルスレーザ光の出力のピーク値を規定する基準ピーク値の復元に必要なデータが実質的にステージ毎のパラメータデータだけで済むので、演算処理部のタスクやメモリのリソースが大幅に軽減され、そのぶん原パルス波形に対する波形制御の自由度や精度を向上させることができる。 According to a preferred aspect of the present invention, in the third step (or the original pulse waveform generator), the original pulse waveform is generated as a pulse signal having an arbitrary value between 0% and 200%, In the fifth step (or reference pulse waveform generation unit), a reference pulse waveform is generated by multiplying the value of the original pulse waveform by the value of the reference peak value characteristic. In this case, the original pulse waveforms generated in the third step (or the original pulse waveform generation unit) may all have the same waveform over a certain period, or the third step (or the original pulse waveform generation unit) The original pulse waveform generated in) may have each independent waveform. In the present invention, since the data necessary for restoring the reference peak value that defines the peak value of the output of a series of pulsed laser beams is substantially only parameter data for each stage, the task of the arithmetic processing unit and the memory resources Is greatly reduced, and the degree of freedom and accuracy of waveform control for the original pulse waveform can be improved.
本発明の好適な一態様においては、基準ピーク値特性設定部およびステージ・パラメータデータ生成部がCPU(マイクロコンピュータ)で構成され、基準ピーク値特性復元部がFPGA(フィールドプログラマブル・ゲートアレイ)内に構築される。この場合、FPGA内には、基準ピーク値特性に関するパラメータデータをCPUより受け取って保持するパラメータデータメモリも更に構築されるのが好ましく、各々の基準ピーク値特性を復元する度毎に当該ステージのパラメータデータをパラメータデータメモリより移して保持するバッファメモリも更に構築されてよい。 In a preferred aspect of the present invention, the reference peak value characteristic setting unit and the stage parameter data generation unit are configured by a CPU (microcomputer), and the reference peak value characteristic restoration unit is provided in an FPGA (field programmable gate array). Built. In this case, it is preferable that a parameter data memory for receiving and holding parameter data relating to the reference peak value characteristic from the CPU is further built in the FPGA, and the parameter of the stage is restored every time the reference peak value characteristic is restored. A buffer memory for transferring and holding data from the parameter data memory may be further constructed.
本発明のレーザ加工方法またはレーザ加工装置によれば、上記のような構成および作用により、パルスレーザの出力ピーク値制御におけるデータ処理効率を改善してパルスレーザ加工の性能向上を達成することができる。 According to the laser processing method or the laser processing apparatus of the present invention, the data processing efficiency in the output peak value control of the pulse laser can be improved and the performance improvement of the pulse laser processing can be achieved by the configuration and operation as described above. .
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。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に、本発明の一実施形態におけるレーザ加工装置の構成を示す。このレーザ加工装置は、一定の期間内に一連のパルスレーザ光FBを被加工物Wに照射して所望のレーザ溶接加工を行えるファイバレーザ溶接機として構成されており、ファイバレーザ発振器10、レーザ電源12、レーザ入射部14、ファイバ伝送系15、レーザ出射部16、制御部18、タッチパネル20等を有している。
In FIG. 1, the structure of the laser processing apparatus in one Embodiment of this invention is shown. This laser processing apparatus is configured as a fiber laser welding machine capable of performing a desired laser welding process by irradiating a workpiece W with a series of pulsed laser beams FB within a certain period of time. 12, a
ファイバレーザ発振器10は、発振用の光ファイバ(以下「発振ファイバ」と称する。)22と、この発振ファイバ22の一端面にポンピング用の励起光MBを照射する電気光学励起部24と、発振ファイバ22を介して光学的に相対向する一対の光共振器ミラー26,28とを有しており、発振器全体でレーザ電源12より供給される電気エネルギーをレーザ光のレーザエネルギーに変換する電光変換部を構成している。
The
電気光学励起部24は、励起光源としてのレーザダイオード(LD)30および集光用の光学レンズ32を有している。パルスレーザ光FBを用いるレーザ加工が行われる時は、LD30が、レーザ電源12より所望のパルス波形を有するLD駆動電流(またはLD励起電流)IDを供給または注入されて発光駆動され、所定波長のパルス励起光(LD光)MBを発生する。光学レンズ32は、LD30からのパルス励起光MBを発振ファイバ22の一端面に集光入射させる。LD30と光学レンズ32との間に配置される光共振器ミラー26は、LD30側から入射したパルス励起光MBを透過させ、発振ファイバ22側から入射した発振光線を共振器の光軸上で全反射するように構成されている。
The electro-
レーザ電源12よりLD30に供給されるLD駆動電流IDを測定するために、電流センサ25およびLD電流測定回路27が設けられている。電流センサ25は、たとえばホール素子からなり、無接触でLD駆動電流IDを検出する。LD電流測定回路27は、電流センサ25の出力信号を入力してLD駆動電流IDの電流測定値(たとえば電流実効値)MIDを演算する。LD電流測定回路27で得られた電流測定値MIDは、フィードバック信号としてレーザ電源12に与えられるとともに、モニタ信号として制御部18に与えられる。
To measure the LD drive current I D supplied to the
発振ファイバ22は、図示省略するが、発光元素としてたとえば希土類元素のイオンをドープしたコアと、このコアを同軸に取り囲むクラッドとを有しており、コアを活性媒体とし、クラッドを励起光の伝播光路としている。上記のようにして発振ファイバ22の一端面に入射したパルス励起光MBは、クラッド外周界面の全反射によって閉じ込められながら発振ファイバ22の中を軸方向に伝搬し、その伝搬中にコアを何度も横切ることでコア中の希土類元素イオンを光励起する。こうして、コアの両端面から軸方向に所定波長の発振光線が放出され、この発振光線が光共振器ミラー26,28の間を何度も行き来して共振増幅され、部分反射ミラーからなる片側の光共振器ミラー28より該所定波長を有するパルスレーザ光FBが取り出される。
Although not shown, the
なお、光共振器内において、光学レンズ32,34は、発振ファイバ22の端面から放出されてきた発振光線を平行光にコリメートして光共振器ミラー26,28へ通し、光共振器ミラー26,28で反射して戻ってきた発振光線を発振ファイバ22の端面に集光させる。また、発振ファイバ22を通り抜けたパルス励起光MBは、光学レンズ34および光共振器ミラー28を透過したのち折り返しミラー36にて側方のレーザ吸収体38に向けて折り返される。光共振器ミラー28より出力されたパルスレーザ光FBは、この折り返しミラー36をまっすぐ透過し、次いでビームスプリッタ40を通ってからレーザ入射部14に入る。
In the optical resonator, the
ビームスプリッタ40は、入射したパルスレーザ光FBのごく一部(たとえば1%)を所定方向つまりパワーモニタ用のフォトセンサ(PD)42側へ反射し、残りの大部分(99%)をまっすぐ透過させる。フォトセンサ(PD)42の正面には、ビームスプリッタ40からの反射光またはモニタ光RFBを集光させる集光レンズ44が配置されている。
The
フォトセンサ(PD)42は、ビームスプリッタ40からのモニタ光RFBを光電変換して、パルスレーザ光FBのレーザ出力(パワー)を表す電気信号(レーザ出力測定信号)を出力する。レーザ出力測定回路45は、フォトセンサ42の出力信号を基に、アナログ信号処理によってパルスレーザ光FBのレーザ出力測定値MFBを求める。レーザ出力測定回路45で得られたレーザ出力測定値MFBは、フィードバック信号としてレーザ電源12に与えられるとともに、モニタ信号として制御部18に与えられる。
The photosensor (PD) 42 photoelectrically converts the monitor light R FB from the
ビームスプリッタ40をまっすぐ透過してレーザ入射部14に入ったパルスレーザ光FBは、最初にベントミラー46で所定方向に折り返され、次いで入射ユニット48内で集光レンズ50により集光されてファイバ伝送系15の伝送用光ファイバ(以下「伝送ファイバ」と称する。)52の一端面に入射する。伝送用光ファイバ52は、たとえばSI(ステップインデックス)形ファイバからなり、入射ユニット48内で入射したパルスレーザ光FBをレーザ出射部16の出射ユニット54まで伝送する。出射ユニット54は、伝送ファイバ52の終端面より出たパルスレーザ光FBを平行光にコリメートするコリメートレンズ56と、平行光のパルスレーザ光FBを所定の焦点位置つまり加工ステージ60上の被加工物WPに集光させる集光レンズ58とを有している。
The pulsed laser beam FB that passes straight through the
被加工物WPにおいては、パルスレーザ光FBが集光照射した溶接ポイントまたは溶接ライン上でレーザエネルギーにより被加工材質が溶融し、パルス照射終了後に凝固してナゲットが形成される。一回の溶接スケジュールで多数(一連)のパルスレーザ光FBを一定周期で繰り返し被加工物WPに照射するときは、上記の各部の動作がその一定周期(繰り返し周波数)で繰り返される。 In the workpiece WP, the workpiece material is melted by laser energy on the welding point or welding line where the pulsed laser beam FB is focused and irradiated, and solidifies after the pulse irradiation to form a nugget. When the workpiece WP is repeatedly irradiated with a large number (a series) of pulsed laser beams FB at a constant cycle in a single welding schedule, the operation of each part described above is repeated at the constant cycle (repetition frequency).
加工ステージ60は、たとえばXYテーブル機構を有しており、レーザシーム溶接が行われる時は、パルスレーザ光FBのビームスポットが被加工物WP上で溶接ラインに沿って移動するように、制御部18の制御の下で被加工物WPをXY方向で動かすように構成されている。
The
ファイバレーザ発振器10は、発振ファイバ22が口径10μm程度、長さ数メートル程度の細長いコアを活性媒体とするため、ビーム径が細くてビーム広がり角の小さなパルスレーザ光FBを発振出力することができる。しかも、発振ファイバ22の一端面に入射した励起光MBが発振ファイバ22の中で数メートルの長い光路を伝搬する間に何度もコアを横切って励起エネルギーを使い果たすので、非常に高い発振効率でパルスレーザ光FBを生成することができる。また、ファイバレーザ発振器10は、発振ファイバ22のコアが熱レンズ効果を起こさないため、ビームモードが非常に安定している。
The
このファイバレーザ溶接機は、後述するように、1回の溶接スケジュール内の一連のパルスレーザ光FBについてそれらの出力(パワー)ピーク値を複数の各区間毎に所望のリニア(線形的)な特性で可変できるようになっており、しかもパルスレーザの出力ピーク値制御に関して制御部18内のCPUおよびメモリの負担を従来よりも大幅に軽減し、そのぶんCPUの演算処理能力とメモリのリソースを他の機能(パルス波形制御、良否判定等)に充てており、精密溶接加工の厳しい要求仕様にも十分余裕を持って対応できるようになっている。
As will be described later, this fiber laser welder has desired output (power) peak values for a series of pulsed laser beams FB within a single welding schedule for each of a plurality of sections. In addition, the burden on the CPU and memory in the
図2に、この実施形態における制御部18の具体的な構成例を示す。図示のように、制御部18は、ハードウェア的には、CPU(マイクロコンピュータ)64、FPGA(フィールドプログラマブル・ゲートアレイ)66、ディジタル−アナログ(D/A)変換器68,アナログ−ディジタル(A/D)変換器70,72および接続装置74を有している。
FIG. 2 shows a specific configuration example of the
CPU64は、中央演算処理装置、プログラムメモリ、データメモリおよびインタフェース回路等を含んでおり、プログラムメモリに格納されている各種プログラム(ソフトウェア)にしたがって装置全体ないし各部の動作を制御する。特に、1回の溶接スケジュールで繰り返しパルスレーザ光FBを用いるレーザ加工における出力ピーク値制御に関して、CPU64は、タッチパネル20の表示部20aおよび入力部20bを介してユーザ(作業員、保守員等)の希望する基準ピーク値特性を入力する。
The
ここで、図3に示すように、円形の金属キャップ76の外周縁部をレーザシーム溶接で下地の本体(図示せず)に接合するレーザ加工を例にとる。このレーザシーム溶接は、金属キャップ76の外周縁部に設定された環状の溶接ライン78に沿って一連のパルスレーザ光FBのビームスポットBSFBを少しずつずらして重ね合わせながら移動させる。この場合、始端部ないし終端部の接合仕上がりないし接合強度を確実なものとするために、図4に示すようにシーム溶接部を一周よりも少しオーバーランさせて終端部を始端部にオーバーラップさせる。
Here, as shown in FIG. 3, laser processing for joining the outer peripheral edge of a
上記のようなレーザシーム溶接(図3、図4)のために、ユーザは、タッチパネル20を通じて、溶接スケジュールで設定可能な各条件項目について所望の特性または値を入力する。
For laser seam welding (FIGS. 3 and 4) as described above, the user inputs desired characteristics or values for each condition item that can be set in the welding schedule through the
より詳しくは、当該溶接スケジュールの加工に用いられる繰り返しパルスレーザ光FB1〜FBnの個数(n)、繰り返し周期や、各パルスレーザ光FBの出力波形の基本となる原パルス波形fbの特性(波形形状、ピーク値、パルス幅)等が設定入力される。図5の設定入力例では、当該溶接スケジュールで選定された加工時間内に5000個の繰り返しパルスレーザ光FB1〜FB5000が設定され、それらのパルスレーザ光FB1〜FB5000にそれぞれ対応する5000個の原パルス波形fb1〜fb5000について全部同一の波形形状(矩形)、ピーク値およびパルス幅が設定されている。ここで、原パルス波形fbiのピーク値は、0〜200%の任意の値を有する相対値で表される。 More specifically, the number (n) of the repetitive pulse laser beams FB 1 to FB n used for the processing of the welding schedule, the repetitive cycle, and the characteristics of the original pulse waveform fb that is the basis of the output waveform of each pulse laser light FB ( Waveform shape, peak value, pulse width) etc. are set and input. In the setting input example of FIG. 5, 5000 repetitive pulse laser beams FB 1 to FB 5000 are set within the machining time selected in the welding schedule, and 5000 corresponding to the pulse laser beams FB 1 to FB 5000 respectively. The same waveform shape (rectangle), peak value, and pulse width are set for each of the original pulse waveforms fb 1 to fb 5000 . Here, the peak value of the original pulse waveform fb i is represented by a relative value having an arbitrary value of 0 to 200%.
さらに、この実施形態では、パルスレーザ光FB1〜FBnの出力のピーク値を規定する基準ピーク値について、たとえばシリアルに繋ぎ合わさる複数(たとえば5つ)のステージの線形的な基準ピーク値特性A1,A2,A3,A4,A5が折線波形および/またはデータ表の形態で設定入力される。 Further, in this embodiment, for the reference peak values that define the peak values of the outputs of the pulse laser beams FB 1 to FB n , for example, linear reference peak value characteristics A of a plurality of (for example, five) stages connected serially. 1 , A 2 , A 3 , A 4 , A 5 are set and input in the form of a broken line waveform and / or data table.
第1ステージの基準ピーク値特性A1は、1〜99発目のパルスレーザ光FB1〜FB99に対するものであり、パルス繰り返し回数が増えるにしたがって相当大きな勾配でリニアに上昇するアップ・スロープの波形を示し、始端の値(初期値)が10Wである。 The reference peak value characteristic A 1 of the first stage is for the 1st to 99th pulse laser beams FB 1 to FB 99 , and is an up-slope that rises linearly with a considerably large gradient as the number of pulse repetitions increases. A waveform is shown, and the starting value (initial value) is 10 W.
第2ステージの基準ピーク値特性A2は、100〜2999発目のパルスレーザ光FB100〜FB2999に対するものであり、パルスの繰り返し回数が増えるにしたがって非常に小さな勾配でリニアに低下するダウン・スロープの波形を示し、始端の値(初期値)が500Wである。 Reference peak value characteristic A 2 of the second stage is for the pulsed laser beam FB 100 ~FB 2999 of 100-2999 shot eyes, down to decrease to a very linear with small slope in accordance with the number of repetitions of the pulse is increased The waveform of the slope is shown, and the starting value (initial value) is 500 W.
第3ステージの基準ピーク値特性A3は、3000〜3999発目のパルスレーザ光FB3000〜FB3999に対するものであり、パルスの繰り返し回数に依らずに一定の値を保ち続けるフラットな波形を示し、始端の値(初期値)が400Wである。 The third stage reference peak value characteristic A 3 is for the 3000 to 3999th pulse laser beams FB 3000 to FB 3999 , and shows a flat waveform that keeps a constant value regardless of the number of pulse repetitions. The starting value (initial value) is 400W.
第4ステージの基準ピーク値特性A4は、4000〜4999発目のパルスレーザ光FB4000〜FB4999に対するものであり、パルスの繰り返し回数が増えるにしたがって比較的小さな勾配でリニアに低下するダウン・スロープの波形を示し、始端の値(初期値)が400Wである。 The reference peak value characteristic A 4 of the fourth stage is for the 4000 to 4999th pulse laser beams FB 4000 to FB 4999 , and is a down / linear decrease with a relatively small gradient as the number of pulse repetitions increases. The waveform of the slope is shown, and the starting value (initial value) is 400W.
第5ステージ(最後)の基準ピーク値特性A5は、5000発目(最後)のパルスレーザ光FB5000だけに対するものであり、始端(かつ終端)の値が10Wである。
Reference peak value characteristic A 5 of the fifth stage (final) are those against only pulsed
制御部18において、CPU64は、タッチパネル20を通じて設定入力された上記のような基準ピーク値の折線波形を従来のようにパルス周期でそのままサンプリングして符号化するのではなく、時間軸上でその折線波形をその構成要素である複数(5つ)のリニアな上記の基準ピーク値特性A1,A2,A3,A4,A5に分解し、図6〜図10に示すように、各々の基準ピーク値特性A1〜A5毎にその属性を示す所定のパラメータデータを生成する。
In the
この実施形態では、各ステージの基準ピーク値特性A1〜A5について、(1)始端の値を表す「初期値」のデータ、(2)演算処理一回当たりの変化量を表す「単位変化量」のデータ、(3)初期値に変化量を繰り返し継ぎ足す演算処理の回数(時間軸分解能)を表す「演算回数」のデータ、および(4)パルス周期に対する演算の周期および分解能をそれぞれ示す「演算周期フラグ/分解能フラグ」のデータ、の4種類のパラメータデータがCPU64で生成される。
In this embodiment, with respect to the reference peak value characteristics A 1 to A 5 of each stage, (1) “initial value” data representing the start value, and (2) “unit change” representing the amount of change per calculation process. Amount ”data, (3)“ Number of times of operation ”data indicating the number of times of calculation processing (time-axis resolution) repeatedly adding the amount of change to the initial value, and (4) Indicates the cycle and resolution of the calculation for the pulse period. Four types of parameter data, “calculation cycle flag / resolution flag” data, are generated by the
かかるパラメータデータの生成において、初期値(W)および単位変化量(W)は電圧(V)に対応する所定ビット幅のディジタル値に換算される。この実施形態では、設定可能な初期値(W)の最小値は0(W)、最大値は625(W)であり、13ビット(0〜4095)のディジタル値に変換される。 In generating the parameter data, the initial value (W) and the unit change amount (W) are converted into a digital value having a predetermined bit width corresponding to the voltage (V). In this embodiment, the minimum value of the initial value (W) that can be set is 0 (W) and the maximum value is 625 (W), which is converted into a 13-bit (0 to 4095) digital value.
また、「単位変化量」には、絶対値を表す15ビット(0〜30000)のデータと符合(+/−)を表す1ビットのデータが用いられる。ここで、「単位変化量」データの小数点の位置は、2ビットの「分解能フラグ」で指示される。すなわち、「単位変化量」のディジタル値を0〜3000.0であるとして演算処理を行わせる場合は、通常分解能のモードとし、「分解能フラグ」に(0,0)がセットされる。「単位変化量」のディジタル値を0〜300.00であるとして演算処理を行わせる場合は、高分解能のモードとし、「分解能フラグ」に(0,1)がセットされる。「単位変化量」のディジタル値を0〜30.000であるとして演算処理を行わせる場合は、超高分解能のモードとし、「分解能フラグ」に(1,0)がセットされる。 For the “unit change amount”, 15-bit (0 to 30000) data representing an absolute value and 1-bit data representing a sign (+/−) are used. Here, the position of the decimal point of the “unit change amount” data is indicated by a 2-bit “resolution flag”. That is, when the arithmetic processing is performed assuming that the digital value of the “unit change amount” is 0 to 3000.0, the normal resolution mode is set and (0, 0) is set in the “resolution flag”. When the arithmetic processing is performed assuming that the digital value of “unit change amount” is 0 to 300.00, the high resolution mode is set, and (0, 1) is set in the “resolution flag”. When the arithmetic processing is performed assuming that the digital value of “unit change amount” is 0 to 30.000, the mode is set to the super-high resolution, and (1,0) is set in the “resolution flag”.
図示の例では、「演算回数」をパルス繰り返し回数に一致させ、「演算周期」をパルス周期に一致させているが、これは一例であり、それぞれ独立した値に設定可能である。 In the example shown in the figure, the “calculation count” is made to coincide with the pulse repetition count, and the “calculation cycle” is made to coincide with the pulse cycle, but this is an example, and each can be set to an independent value.
CPU64は、各基準ピーク値特性A1〜A5毎に生成した1ステージ分の上記4種類のパラメータデータを、たとえば図11に示すようなフォーマットで1セットにまとめて管理する。
The
図12に、この実施形態においてFPGA66内に構築される各種回路の一構成例を示す。図示のように、FPGA66には、データメモリ80、制御回路82、ステージ・パラメータデータ・バッファメモリ84、原パルス波形生成回路86、基準ピーク値演算回路88、設定基準ピーク値レジスタ90、バッファレジスタ92、基準パルス波形発生回路94、サイクルカウンタ96、基準パルス波形出力回路98、基準パルス波形積分回路100、電流モニタ波形バッファメモリ102,レーザ出力モニタ波形バッファメモリ104、電流モニタ波形積分回路106、レーザ出力モニタ波形積分回路108、比較判定回路110等が作り込まれる。これらの回路80〜110の動作に必要なクロックは外部のクロック回路112から供給される。
FIG. 12 shows an example of the configuration of various circuits built in the
データメモリ80には、レーザ溶接加工の開始に先立って、当該溶接スケジュールにおいてレーザ電源12に与えるべきフィードバック制御信号(基準パルス波形信号CS)の生成に必要なデータがCPU64より書き込まれる。その中でも、基準ピーク値特性の復元に用いられるパラメータデータ(図11)と、原パルス波形fbの生成または再生に用いられるデータが特に重要である。
Prior to the start of the laser welding process, data necessary for generating a feedback control signal (reference pulse waveform signal CS) to be given to the
制御回路82は、CPU64から所要の制御信号および制御に関連した各種データを受け取り、FPGA66内の各部を制御する。
The
ステージ・パラメータデータ・バッファメモリ84は、各基準ピーク値特性の復元処理を順次実行する際に、各ステージ毎にデータメモリ80よりパラメータデータ(図11)を取り込んで保持する。
The stage parameter
原パルス波形生成回路86は、当該溶接スケジュールで設定された原パルス波形fbをパルス周期で繰り返し発生する。図5の例では、タッチパネル20上で、溶接スケジュールの全期間に亘って同一波形(矩形波)の原パルス波形fb1,fb2,fb3,・・・が設定されている。原パルス波形生成回路86は、原パルス波形fbを一定の周期でサンプリングして得られた原パルス波形データ、あるいは原パルス波形fbを所定のアルゴリズムで圧縮または分解して得られた原パルス波形データをCPU80からデータメモリ80を介して受け取り、その原パルス波形データに基づいて原パルス波形fb1,fb2,fb3,・・・のディジタル信号を生成する。
The original pulse
基準ピーク値演算回路88は、制御回路82の制御の下で、時間軸に沿って、各ステージのパラメータデータ(図11)を基に所定の演算(初期値に単位変化量を継ぎ足す演算)を一定周期(「演算周期」フラグで指定された周期)で繰り返し行って、各基準ピーク値特性(A1〜A5)を順次復元する。この演算処理のために、各ステージのパラメータデータがデータメモリ80よりステージ・パラメータデータ・バッファメモリ86に上書きで転送される。
The reference peak
設定基準ピーク値レジスタ90は、当該溶接スケジュールにおいて一連のパルスレーザ光FB1〜FBnの出力ピーク値を全て一定値に揃えるモードが選択された場合に用いられ、基準ピーク値の代表値(設定値)を保持する。たとえば、図5の設定例において、ユーザが500Wを代表値(設定値)に選んだ場合は、500Wに対応する電圧(V)のディジタル値(“3276”)がCPU64よりデータメモリ80を介して設定基準ピーク値レジスタ90にロードされる。
The set reference
バッファレジスタ92は、基準ピーク値演算回路88より上記一定周期で得られる各基準ピーク値特性(A1〜A5)の値aiを逐次上書きで保持して基準パルス発生回路94に与える。また、設定基準ピーク値レジスタ90に保持されている代表値(設定値)が基準ピーク値に用いられる場合は、その代表値(設定値)がバッファレジスタ92を介して基準パルス発生回路94に与えられる。
The
基準パルス波形発生回路94は、乗算回路からなり、原パルス波形生成回路86からパルス繰り返し周波数で出力される原パルス波形信号fbiに基準ピーク値演算回路88からの基準ピーク値特性の値aiを掛け合わせて基準パルス波形信号CSiを生成する。この基準パルス波形信号CSiは、パルスレーザ光FBiの出力(波形およびピーク値)を規定または指示するディジタル信号である。
The reference pulse
基準パルス波形出力回路98は、基準パルス波形演算回路94より生成される各基準パルス波形信号CSiをラッチし、レーザ電源12に対するフィードバック制御信号として所定のタイミングで出力する。
The reference pulse
サイクルカウンタ96は、基準パルス波形発生回路94(あるいは基準ピーク値演算回路88)より各演算処理の終了時に発生される所定のパルスをカウントし、カウント値が設定値に達した時に当該ステージの演算処理がすべて終了したことを知らせる信号Kを制御回路82に与える。
The cycle counter 96 counts a predetermined pulse generated at the end of each calculation process from the reference pulse waveform generation circuit 94 (or the reference peak value calculation circuit 88). When the count value reaches a set value, the
基準パルス波形積分回路100は、基準パルス波形出力回路98より出力される各基準パルス波形信号CSiの瞬時値(ディジタル値)を取り込んで累積加算し、基準パルス波形CSiの積分値を求める。
The reference pulse
電流モニタ波形バッファメモリ102は、LD電流測定回路27より接続回路74およびA/D変換器70(図2)を介して送られてくるLD駆動電流測定値MIDをラッチする。電流モニタ波形積分回路106は、電流モニタ波形バッファメモリ102より一定周期毎にLD駆動電流測定値MIDを取り込んで累積加算し、LD駆動電流モニタ波形の積分値を求める。
The current monitor
レーザ出力モニタ波形バッファメモリ104は、レーザ出力測定回路45より接続回路74およびA/D変換器72(図2)を介して送られてくるレーザ出力測定値MFBをラッチする。レーザ出力モニタ波形積分回路108は、レーザ出力モニタ波形バッファメモリ104より一定周期毎にレーザ出力測定値MFBを取り込んで累積加算し、レーザ出力モニタ波形の積分値を求める。
The laser output monitor
比較判定回路110は、1回のモニタ期間が終了する度毎に、基準パルス波形積分回路100で得られている基準波形の積分値と電流モニタ波形積分回路106で得られているLD駆動電流モニタ波形の積分値あるいはレーザ出力モニタ波形積分回路108で得られているレーザ出力モニタ波形の積分値とを比較して、その差分(誤差)を求め、その誤差が所定の許容範囲内に入っているか否かの判定(良否判定)を行う。そして、不良の判定結果が出たときは、これをCPU64に伝えるようになっている。
The comparison /
なお、不良の判定結果をCPU64に送るときは、バッファメモリ102,104に蓄積されているモニタ波形のデータもCPU64に送れるようになっている。
Note that, when the result of the failure determination is sent to the
レーザ電源12(図1)は、図示省略するが、直流電源、LD駆動回路、コンパレータ、フィードバック信号選択回路等を有している。直流電源は、たとえばインバータ回路あるいはスイッチングレギュレータ回路からなり、一定のLD駆動電圧を出力する。LD駆動回路は、LD駆動電圧からLD駆動電流IDを生成するV−I変換回路からなり、FPGA66の基準波形出力回路90よりD/A変換器68および接続回路74を介して送られてくるアナログの基準パルス波形信号CSに倣うようにLD駆動電流IDを可変する。コンパレータは、FPGA66からのアナログ基準パルス波形信号CSを指令信号として入力するとともに、フィードバック信号選択回路よりLD駆動電流測定値MIDもしくはレーザ出力測定値MFBをフィードバック信号として入力し、両入力信号の差分を表す誤差信号を出力する。LD駆動回路は、誤差信号を零にする方向にLD駆動電流IDを可変する。フィードバック信号選択回路は、CPU64の制御の下で、LD駆動電流IDに対してフィードバック制御をかけるときはLD駆動電流測定値MIDを選択し、ファイバレーザ光FBの出力に対してフィードバック制御をかけるときはレーザ出力測定値MFBを選択するようになっている。
Although not shown, the laser power source 12 (FIG. 1) includes a DC power source, an LD drive circuit, a comparator, a feedback signal selection circuit, and the like. The DC power source is composed of, for example, an inverter circuit or a switching regulator circuit, and outputs a constant LD drive voltage. The LD drive circuit includes a V-I conversion circuit that generates an LD drive current ID from the LD drive voltage, and is sent from the reference
図13〜図17に、図5の設定例によるレーザシーム溶接(図3、図4)が行われる時のFPGA66内の主要な作用(特に基準ピーク値の復元と基準パルス波形の生成)を波形図で示す。
FIGS. 13 to 17 are waveform diagrams showing main actions (particularly, restoration of the reference peak value and generation of the reference pulse waveform) in the
レーザシーム溶接の加工が開始されると、原パルス波形生成回路86は、データメモリ80に格納されている原パルス波形データに基づいて同一波形およびピーク値を有する矩形の原パルス波形fb1,fb2,fb3,・・・のディジタル信号を一定周期ΔTBで順次生成する。この例では、原パルス波形fb1のトップピーク値が100%に設定されているものとする。
When the laser seam welding process is started, the original pulse
一方、基準ピーク値演算回路88は、ステージ・パラメータデータ・バッファメモリ86に保持されている第1ステージの基準ピーク値特性A1に係るパラメータデータ(図11)に基づいて、初期値a1(66)に単位変化量ΔPeak(32.424)を繰り返し継ぎ足す演算を行って、各原パルス波形fb1,fb2,fb3,・・・に対応する基準ピーク値特性A1の値a1,a2,a3,・・・を一定周期ΔTA1で順次出力する。ここで、たとえばa2は、a1(66)+ΔPeak(32.424)≒98.42の少数点以下を切り捨てて、a2=98として出力される。a3以降も同様である。なお、各対応する原パルス波形fbi,aiは、互いに同期して生成されるが、aiがfbiより一足早いタイミングで出力される。
On the other hand, the reference peak
基準パルス波形発生回路94は、原パルス波形生成回路86で生成された各原パルス波形fbi(トップピーク値100%)に基準ピーク値特性A1の値aiを掛け合わせて、基準パルス波形CSiを表すディジタル信号を生成する。
The reference pulse
図13に示すように、第1ステージの基準ピーク値特性A1がパルス繰り返し回数が増えるにしたがって大きな勾配でリニアに上昇するアップ・スロープの特性であることに対応して、基準パルス波形CSiのピーク値(したがってパルスレーザ光FBiの出力ピーク値)も基準ピーク値特性A1と同一またはそれに比例した勾配でリニアに上昇する。 As shown in FIG. 13, in response to the fact that the reference peak value characteristic A 1 of the first stage is an up-slope characteristic that rises linearly with a large gradient as the number of pulse repetitions increases, the reference pulse waveform CS i The peak value (and hence the output peak value of the pulsed laser beam FB i ) also increases linearly with the same or proportional gradient as the reference peak value characteristic A 1 .
第1ステージは99発目のパルスで終了し、100発目から第2ステージに移行する。図14および図15に示すように、第2ステージでも、原パルス波形生成回路86は第1ステージのときと同一の周期で同一波形の原パルス波形fb100,fb101,fb102,・・・のディジタル信号を一定周期ΔTBで順次生成する。しかし、基準ピーク値演算回路88の方は、ステージ・パラメータデータ(図11)が切り換わり、基準ピーク値特性A2の値a100,a101,a102,・・・を一定周期ΔTA2で順次出力する。ここで、たとえばa101は、a100(3276)+ΔPeak(-0.2258)≒3275.774の少数点以下を切り捨てて、a101=3275として出力される。後続のa102,・・・も同様の演算によって求められる。
The first stage ends with the 99th pulse and shifts from the 100th to the second stage. As shown in FIGS. 14 and 15, in the second stage, the original pulse
図14Aおよび図14Bに示すように、第2ステージの基準ピーク値特性A2がパルス繰り返し回数が増えるにしたがって非常に小さな勾配でリニアに低下するダウン・スロープの特性であることに対応して、基準パルス波形CSiのピーク値(したがってパルスレーザ光FBiの出力ピーク値)も基準ピーク値特性A2と同一またはそれに比例した勾配でリニアに低下する。 As shown in FIGS. 14A and 14B, in response to a characteristic of the down-slope of the reference peak value characteristic A 2 of the second stage is reduced to a very linear small gradient in accordance with the pulse number of repetitions increases, The peak value of the reference pulse waveform CS i (and hence the output peak value of the pulse laser beam FB i ) also decreases linearly with a gradient that is the same as or proportional to the reference peak value characteristic A 2 .
第2ステージは2999発目のパルスで終了し、3000発目から第3ステージに移行する。図15に示すように、第3ステージでも、相変わらず原パルス波形生成回路86は第1および第2ステージのときと同一の周期で同一波形の原パルス波形fb3000,fb3001,fb3002,・・・のディジタル信号を一定周期ΔTBで順次生成する。しかし、基準ピーク値演算回路88の方は、ステージ・パラメータデータ(図11)が切り換わり、第3ステージの基準ピーク値特性A3の値a3000,a3001,a3002,・・・を一定周期ΔTA3で順次出力する。ここで、たとえばa3001は、a3000(2621)+ΔPeak(0)=2621として出力される。後続の値a3001,a3002,・・・も同じ値(2621)で出力される。
The second stage ends with the 2999th pulse, and shifts from the 3000th stage to the third stage. As shown in FIG. 15, even in the third stage, the original pulse
図15に示すように、第3ステージの基準ピーク値特性A3がパルス繰り返し回数に依らずに一定値を保ち続けるフラットな特性であることに対応して、基準パルス波形CSiのピーク値(したがってパルスレーザ光FBiの出力ピーク値)も基準ピーク値特性A3と同様にフラットに一定値を保ち続ける。 As shown in FIG. 15, in response to the fact that the reference peak value characteristic A 3 of the third stage is a flat characteristic that keeps a constant value regardless of the number of pulse repetitions, the peak value of the reference pulse waveform CS i ( Therefore, the output peak value of the pulse laser beam FB i also keeps a constant value in a flat manner as in the reference peak value characteristic A 3 .
なお、別の実施例として、このように基準ピーク値特性がフラットな場合は、ステージ・パラメータデータの中で「演算処理回数」を極端に少なくするか、「演算周期」を極端に大きくすることも可能である。 As another example, when the reference peak value characteristic is flat as described above, the number of “arithmetic processing” in the stage parameter data is extremely reduced or the “arithmetic cycle” is extremely increased. Is also possible.
第3ステージは3999発目のパルスで終了し、4000発目から第4ステージに移行する。図16に示すように、第4ステージでも、相変わらず原パルス波形生成回路86は第1〜第3ステージのときと同一の周期で同一波形の原パルス波形fb4000,fb4001,fb4002,・・・のディジタル信号を一定周期ΔTBで順次生成する。しかし、基準ピーク値演算回路88の方は、ステージ・パラメータデータ(図11)が切り換わり、第4ステージの基準ピーク値特性A4の値a4000,a4001,a4002,・・・を一定周期ΔTA4で順次出力する。ここで、たとえばa4001は、a4000(2621)+ΔPeak(-2.555)≒2618.445の少数点以下を切り捨てて、a4001=2618として出力される。後続のa4002,・・・も同様の演算によって求められる。
The third stage ends with the 3999th pulse, and shifts from the 4000th to the fourth stage. As shown in FIG. 16, in the fourth stage, the original pulse
図16に示すように、第4ステージの基準ピーク値特性A4がパルス繰り返し回数が増えるにしたがって比較的小さな勾配でリニアに低下するダウン・スロープの特性であることに対応して、基準パルス波形CSiのピーク値(したがって、パルスレーザ光FBiの出力ピーク値)も基準ピーク値特性A4と同一またはそれに比例した勾配でリニアに低下する。 As shown in FIG. 16, in response to the fact that the reference peak value characteristic A 4 of the fourth stage is a down slope characteristic that linearly decreases with a relatively small gradient as the number of pulse repetitions increases, the reference pulse waveform The peak value of CS i (and therefore the output peak value of the pulsed laser beam FB i ) also decreases linearly with the same or proportional gradient as the reference peak value characteristic A 4 .
第4ステージは4999発目のパルスで終了し、最後の5000発目は第5ステージとなる。この場合、基準ピーク値演算回路88は、第5ステージの初期値a5000を出力するだけで済む。
The fourth stage ends with the 4999th pulse, and the last 5000th pulse is the fifth stage. In this case, the reference peak
上述した図5の設定例は実施形態の作用を説明するための一例にすぎず、1回の溶接スケジュールの中で任意の個数および任意の態様の基準ピーク値特性を設定することが可能である。また、他の設定項目についても種々の変形が可能である。たとえば、図17に示すように、原パルス波形fbi,fbi+1,fbi+2,・・・の波形(波形形状、ピーク値、パルス幅等)をパルス単位(あるいはステージ単位)で可変することも可能である。 The setting example of FIG. 5 described above is merely an example for explaining the operation of the embodiment, and it is possible to set an arbitrary number and an arbitrary aspect of reference peak value characteristics in one welding schedule. . Various modifications can be made to other setting items. For example, as shown in FIG. 17, the waveforms (waveform shape, peak value, pulse width, etc.) of the original pulse waveforms fb i , fb i + 1 , fb i + 2 ,. It is also possible to vary.
上記のように、この実施形態のファイバレーザ溶接機においては、1回の溶接スケジュールに含まれる一連のパルスレーザ光について出力ピーク値の可変制御を行う場合に、時間軸に沿って繋ぎ合わさる1つまたは複数の線形的な基準ピーク値特性を設定し、各々の基準ピーク値特性について、初期値のデータと単位変化量のデータと演算処理回数のデータと演算処理回数および演算分解能のフラグデータとを1ステージのパラメータデータとして生成する。そして、レーザ加工を実施する際には、各々のパルスレーザ光の出力波形の元になる原パルス波形を生成するのと並行して、時間軸に沿って各ステージ毎にパラメータデータを基に初期値に単位変化量を所定の周期で繰り返し継ぎ足す演算処理を行って基準ピーク値特性を復元し、原パルス波形と復元された基準ピーク値特性とに基づいて基準パルス波形を生成し、この基準パルス波形に基づいてパルスレーザ発生部より発生される各パルスレーザ光の出力波形および出力ピーク値を制御するようにしている。 As described above, in the fiber laser welding machine of this embodiment, when variable control of the output peak value is performed for a series of pulsed laser beams included in one welding schedule, one united along the time axis. Alternatively, a plurality of linear reference peak value characteristics are set, and for each reference peak value characteristic, initial value data, unit variation data, calculation processing count data, calculation processing count, and calculation resolution flag data are set. Generated as one-stage parameter data. When laser processing is performed, the initial pulse waveform is generated based on the parameter data for each stage along the time axis in parallel with the generation of the original pulse waveform that is the source of the output waveform of each pulse laser beam. A reference peak value characteristic is restored by performing an arithmetic process of repeatedly adding a unit change amount to a value at a predetermined cycle, and a reference pulse waveform is generated based on the original pulse waveform and the restored reference peak value characteristic. Based on the pulse waveform, the output waveform and output peak value of each pulse laser beam generated from the pulse laser generator are controlled.
かかる構成ないし方式によれば、一連のパルスレーザ光の出力のピーク値を規定する基準ピーク値の復元に必要なデータが実質的にステージ毎のパラメータデータだけで済むので、制御部18においてCPU64およびFPGA66の負担が大幅に軽減され、そのぶんCPU64およびFPGA66のデータ処理能力を他の機能(パルス波形制御、良否判定等)に充てられ、これによってパルスレーザ加工の性能向上を図り、精密溶接加工の厳しい要求仕様にも十分余裕を持って対応することができる。
According to such a configuration or method, the data necessary for restoring the reference peak value that defines the peak value of the output of a series of pulsed laser beams can be substantially only parameter data for each stage. The load on the
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものではない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。 As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, embodiment mentioned above does not limit this invention. Those skilled in the art can make various modifications and changes in specific embodiments without departing from the technical idea and technical scope of the present invention.
たとえば、実施形態の出力ピーク値制御において、演算周期や分解能を1種類のスケールに固定することも可能であり、その場合はステージのパラメータデータにおいて「演算周期」あるいは「分解能」のフラグのデータを省くことも可能である。 For example, in the output peak value control of the embodiment, it is also possible to fix the calculation cycle and resolution to one type of scale. In this case, the flag data of “calculation cycle” or “resolution” is set in the stage parameter data. It can be omitted.
また、ファイバレーザ溶接機の各部においても種々の変形が可能であり、たとえばファイバレーザ発振器10をYAGレーザ発振器等に置き換えることも可能である。本発明レーザ加工方法およびレーザ加工装置は、レーザシーム溶接に限るものではなく、他の型式のレーザ溶接にも適用可能であり、さらには穴あけ、切断、マーキング等の他のレーザ加工にも適用可能である。
Various modifications can be made in each part of the fiber laser welder. For example, the
10 ファイバレーザ発振器
12 レーザ電源
18 制御部
20 タッチパネル
22 発振用光ファイバ
24 電気光学励起部
64 CPU
66 FPGA(フィードプログラマブル・ゲートアレイ)
80 データメモリ
84 ステージ・パラメータデータ・バッファメモリ
86 原パルス波形生成回路
88 基準ピーク値演算回路
94 基準パルス波形発生回路
DESCRIPTION OF
66 FPGA (Feed Programmable Gate Array)
80
Claims (15)
前記一連のパルスレーザ光の出力のピーク値を規定する基準ピーク値について、前記一定の期間に亘り時間軸に沿って繋ぎ合わさる1つまたは複数の線形的な基準ピーク値特性を設定する第1のステップと、
各々の前記基準ピーク値特性について、少なくとも、初期値のデータと単位変化量のデータと演算処理回数のデータとを1ステージのパラメータデータとして生成する第2のステップと、
前記レーザ加工を実施する際に、各々の前記パルスレーザ光の出力波形の元になる原パルス波形を生成する第3のステップと、
前記レーザ加工を実施する際に、前記原パルス波形の生成と並行して、時間軸に沿って、各ステージ毎に前記パラメータデータを基に前記初期値に前記単位変化量を所定の周期で繰り返し継ぎ足す演算処理を行って前記基準ピーク値特性を復元する第4のステップと、
各々の前記パルスレーザ光について、前記原パルス波形と復元された前記基準ピーク値特性とに基づいて所望のピーク値を有する基準パルス波形を生成する第5のステップと、
前記基準パルス波形に基づいて各々の前記パルスレーザ光の出力波形および出力ピーク値を制御する第6のステップと
を有するレーザ加工方法。 A laser processing method for performing desired laser processing by irradiating a workpiece with a series of pulsed laser beams over a certain period of time,
For a reference peak value that defines a peak value of the output of the series of pulsed laser beams, a first reference characteristic that sets one or more linear reference peak values connected along the time axis over the predetermined period is set. Steps,
For each of the reference peak value characteristics, at least a second step of generating, as one-stage parameter data, at least initial value data, unit variation data, and arithmetic processing frequency data;
A third step of generating an original pulse waveform that is a source of an output waveform of each of the pulsed laser beams when performing the laser processing;
When performing the laser processing, in parallel with the generation of the original pulse waveform, along the time axis, the unit change amount is repeated at a predetermined cycle on the initial value based on the parameter data for each stage. A fourth step of restoring the reference peak value characteristic by performing arithmetic processing to be added;
A fifth step of generating a reference pulse waveform having a desired peak value based on the original pulse waveform and the restored reference peak value characteristic for each of the pulse laser beams;
And a sixth step of controlling an output waveform and an output peak value of each pulsed laser beam based on the reference pulse waveform.
前記第4のステップにおいて、前記第1のフラグで指示された周期で前記演算処理を行う、
請求項1に記載のレーザ加工方法。 In the second step, further, data of a first flag representing a cycle of the arithmetic processing with respect to a repetition cycle of the pulse laser beam is generated as one of stage parameter data,
In the fourth step, the calculation process is performed in a cycle indicated by the first flag.
The laser processing method according to claim 1.
前記第4のステップにおいて、前記第2のフラグで指示された演算分解能で前記演算処理を行う、
請求項1または請求項2に記載のレーザ加工方法。 In the second step, the second flag data representing the calculation resolution is further generated as one of the stage parameter data,
In the fourth step, the calculation processing is performed with the calculation resolution indicated by the second flag.
The laser processing method according to claim 1 or 2.
前記第5のステップにおいて、前記原パルス波形の値に前記基準ピーク値特性の値を掛け合わせて前記基準パルス波形を生成する、
請求項1〜3のいずれか一項に記載のレーザ加工方法。 In the third step, the original pulse waveform is generated as a pulse signal having an arbitrary value continuous between 0% and 200%,
In the fifth step, the reference pulse waveform is generated by multiplying the value of the original pulse waveform by the value of the reference peak value characteristic,
The laser processing method as described in any one of Claims 1-3.
前記一連のパルスレーザ光の出力のピーク値を規定する基準ピーク値について、前記一定の期間に亘り時間軸に沿って繋ぎ合わさる1つまたは複数の線形的な基準ピーク値特性を設定する基準ピーク値特性設定部と、
各々の前記基準ピーク値特性について、少なくとも、初期値のデータと単位変化量のデータと演算処理回数のデータとを1ステージのパラメータデータとして生成するステージ・パラメータデータ生成部と、
前記レーザ加工を実施する際に、各々の前記パルスレーザ光の出力波形の元になる原パルス波形信号を生成する原パルス波形生成部と、
前記レーザ加工を実施する際に、前記原パルス波形信号の生成と並行して、時間軸に沿って、各ステージ毎に前記パラメータデータを基に前記初期値に前記単位変化量を所定の周期で繰り返し継ぎ足す演算処理を行って前記基準ピーク値特性を復元する基準ピーク値特性復元部と、
各々の前記パルスレーザ光について、前記原パルス波形信号と復元された前記基準ピーク値特性とに基づいて所望のピーク値を有する基準パルス波形信号を発生する基準パルス波形発生部と、
前記基準パルス波形信号に基づいて各々の前記パルスレーザ光の出力波形および出力ピーク値を制御するパルスレーザ発生部と
を有するレーザ加工装置。 A laser processing apparatus for performing desired laser processing by irradiating a workpiece with a series of pulsed laser beams over a certain period of time,
A reference peak value that sets one or a plurality of linear reference peak value characteristics that are connected along the time axis over the certain period with respect to a reference peak value that defines a peak value of the output of the series of pulsed laser beams. A characteristic setting section;
For each of the reference peak value characteristics, at least a stage parameter data generating unit that generates at least initial value data, unit change amount data, and operation processing frequency data as one stage parameter data;
When performing the laser processing, an original pulse waveform generation unit that generates an original pulse waveform signal that is a source of an output waveform of each of the pulse laser beams,
When performing the laser processing, in parallel with the generation of the original pulse waveform signal, along the time axis, the unit change amount is set to the initial value based on the parameter data for each stage at a predetermined cycle. A reference peak value characteristic restoring unit for performing the arithmetic processing to repeatedly add and restoring the reference peak value characteristic;
A reference pulse waveform generator for generating a reference pulse waveform signal having a desired peak value based on the original pulse waveform signal and the restored reference peak value characteristic for each of the pulse laser beams;
And a pulse laser generator that controls an output waveform and an output peak value of each pulsed laser beam based on the reference pulse waveform signal.
前記基準ピーク値特性復元部が、前記第1のフラグで指示された周期で前記演算処理を行う、
請求項7に記載のレーザ加工装置。 The stage parameter data generation unit further generates, as one of the stage parameter data, data of a first flag that represents a cycle of the arithmetic processing with respect to a repetition cycle of the pulse laser beam,
The reference peak value characteristic restoration unit performs the calculation process at a cycle indicated by the first flag.
The laser processing apparatus according to claim 7.
前記基準ピーク値特性復元部が、前記第2のフラグで指示された演算分解能で前記演算処理を行う、
請求項7または請求項8に記載のレーザ加工装置。 The stage parameter data generation unit further generates second flag data representing calculation resolution as one of stage parameter data,
The reference peak value characteristic restoration unit performs the calculation process with the calculation resolution indicated by the second flag.
The laser processing apparatus according to claim 7 or 8.
前記基準パルス波形発生部が、前記原パルス波形信号の値に前記基準ピーク値特性の値を掛け合わせて前記基準パルス波形信号を生成する、
請求項7〜9のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 The original pulse waveform generation unit generates the original pulse waveform signal as a pulse signal having an arbitrary value continuous between 0% and 200%,
The reference pulse waveform generation unit generates the reference pulse waveform signal by multiplying the value of the original pulse waveform signal by the value of the reference peak value characteristic;
The laser processing apparatus as described in any one of Claims 7-9.
前記基準ピーク値特性復元部がFPGA(フィールドプログラマブル・ゲートアレイ)内に構築されている、
請求項7〜12のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。 The reference peak value characteristic setting unit and the stage parameter data generation unit are constituted by a CPU (microcomputer),
The reference peak value characteristic restoration unit is constructed in an FPGA (Field Programmable Gate Array),
The laser processing apparatus as described in any one of Claims 7-12.
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JP2014093396A (en) * | 2012-11-02 | 2014-05-19 | Miyachi Technos Corp | Laser power supply device |
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JP2014223660A (en) * | 2013-05-17 | 2014-12-04 | 日本アビオニクス株式会社 | Laser welding method and laser welding apparatus |
JP2020138238A (en) * | 2019-02-28 | 2020-09-03 | 上海微電子装備(集団)股▲フン▼有限公司 | Laser welding method and laser welding system |
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2009
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