JP2010272670A

JP2010272670A - ガスレーザ発振装置の制御方法およびガスレーザ発振装置およびレーザ加工機

Info

Publication number: JP2010272670A
Application number: JP2009122886A
Authority: JP
Inventors: Atsuki Yamamoto; 敦樹山本; Hidefumi Omatsu; 英文尾松
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-05-21
Filing date: 2009-05-21
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】従来のガスレーザ発振装置の制御方法において、レーザガスの温度が低くなるとガスの密度が高くなり、送風機の翼車にかかる負荷は増加し、この結果、同期電動機の負荷が増え脱出トルクを超えると脱調し、回転停止に至るという課題を有していた。
【解決手段】レーザガスを圧送する翼車部と当該翼車部を回転させる同期電動機を有した送風機と、同期電動機の回転子磁極位置を算出する磁極位置演算手段と固定子回転磁界を算出する固定子回転磁界演算手段を有して送風機を駆動させる送風機駆動手段とを備えたガスレーザ発振装置において、送風機の同期電動機の回転子磁極位置と固定子回転磁界がなす角度の絶対値が予め設定された値以上あるいは超える場合に、ガス圧制御手段によりガス配管経路内のガス圧力を下げるようにガスレーザ発振装置を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明はレーザ媒質にガスを用いたレーザ発振装置の制御方法およびレーザ発振装置およびレーザ加工機に関するものである。

近年、レーザ発振装置およびレーザ加工機は加工対象物を非接触でかつ熱影響が少なく加工できるという特徴から多様な材質や形状の切断や溶接等に多用されている。また、省電力化としてレーザガスを圧送する送風機内部の駆動用電動機として、誘導電動機から消費電力の低い同期電動機を使用する場合がある。

図４は従来のレーザ発振装置の概略構成の一例を示している。以下、図４を参照しながら従来のレーザ発振装置を説明する。

図４に於いて、１はガラスなどの誘電体よりなる放電管であり、２，３は放電管１周辺に設けられた電極である。４は電極２，３に接続された電源である。電極２，３間に挟まれた放電管１内の空間でレーザガスを放電励起する。６は全反射鏡、７は部分反射鏡であり光共振器を構成している。８は部分反射鏡７より出力されるレーザビームである。

矢印９はレーザガスの流れる方向を示している。１０はガス配管経路であり、１１および１２は放電空間５における放電と送風機１３の運転により温度上昇したレーザガスの温度を下げるための熱交換器、１３はレーザガスを循環させるための送風機である。

１４はガス圧検出手段でありガス配管経路１０内のガス圧力を検出する圧力センサーを有し、ガス圧力に比例した信号を出力する。

電磁弁１５はレーザガスを予め封入したボンベ３０からのレーザガス給気経路を開閉する弁であり、オリフィス１６で給気流量を設定しレーザガス供給手段を構成する。電磁弁１７はレーザガスを排出するためのポンプ１９に接続されている排気経路を開閉する弁であり、オリフィス１８で排気流量を設定しレーザガス排気手段を構成する。レーザガス排気手段により放電で乖離したレーザガスを排出し、新たなレーザガスをレーザガス供給手段により給気し補充する。これにより安定したレーザ発振を維持する。

２０はガス圧制御手段であり、半導体歪みゲージ等で構成されるガス圧検出手段１４の出力信号と予め設定した目標ガス圧力信号との差により、電磁弁１６および１８を開閉しレーザガスの給排気量を随時調整することでガス配管経路１０内のガス圧力が目標ガス圧力となるように制御する。

一般的には送風機１３の吸入口のガス圧力を目標ガス圧力とする。

図５に送風機１３の概略構造を示す。

レーザガスを圧縮送風するための翼車４０が翼車室４１に配置され、レーザガスを吸入口４２から吐出口４３に圧送する。回転子４５および固定子４６からなる同期電動機４４が翼車４０に接続され回転トルクを与えている。同期電動機４４は図４における送風機駆動手段２１により駆動されている。

同期電動機４４を回転制御する場合、回転子４５の磁極位置を検出する必要があるが、回転子４５にエンコーダーやレゾルバ等の位置センサーを具備しないセンサーレス方式が価格を低減する為に有効な手段として用いられる。

図６に送風機駆動手段２１の概略構成を示す。

送風機駆動手段２１は、同期電動機４４の誘起電圧を検出する誘起電圧検出手段５０と、誘起電圧検出手段５０の出力より回転子磁極位置を算出する磁極位置演算手段５１と、磁極位置演算手段５１の出力より、駆動に必要な固定子回転磁界を算出する固定子回転磁界演算手段５２を有し、回転子磁極位置と固定子回転磁界を同期させて任意回転数となるように駆動制御している。

図７は従来のレーザ加工機の概略構成の一例を示している。以下、図７を参照しながら従来のレーザ加工機を説明する。

この図７において、レーザ発振装置２２から出力されたレーザビーム８は、反射鏡６０にて反射され、ワーク６１近傍へ導かれる。レーザビーム８は、トーチ６２内部に備えられた集光レンズ６３によって高密度のエネルギビームに集光され、ワーク６１に照射され、加工が行われる。ワーク６１は加工テーブル６４上に固定されており、Ｘ軸モータ６５あるいはＹ軸モータ６６によって、トーチ６２はワーク６１に対して相対的に移動する事で、任意形状の加工が行われる。

特開２００６−１２８７６号公報

レーザガスを圧送する送風機内部の同期電動機は、翼車を回転させるに必要なトルク性能を有するが、レーザガスの圧力が一定でもガス温度が低下した場合に翼車にかかる負荷が増加し、同期電動機の負荷が増えることがある。

同期電動機の負荷が増え脱出トルクを超えると脱調し、回転停止に至るため、ガスの送風が停止してレーザ出力が低下し、ガスレーザ発振装置およびレーザ加工機の継続使用を阻害するという課題を有していた。

本発明は、安定して継続使用ができる信頼性の高いガスレーザ発振装置およびレーザ加工機装置を提供することを目的とする。

レーザガスを圧送させるための送風機と、前記レーザガスを循環させるためのガス配管経路と、上記ガス配管経路にレーザガスを供給するレーザガス供給手段と、ガス配管経路のレーザガスを排出するレーザガス排出手段と、前記ガス配管経路内のガス圧力を検出するガス圧検出手段と、ガス圧力を一定圧力にする為に前記ガス圧検出手段の信号を参照し前記レーザガス供給手段およびレーザガス排出手段を制御するガス圧制御手段と、前記送風機を駆動させる送風機駆動手段を備え、前記送風機はレーザガスを圧送する翼車部と、前記翼車部を回転させる同期電動機を有し、前記送風機駆動手段は、同期電動機の回転子磁極位置を算出する磁極位置演算手段と、固定子回転磁界を算出する固定子回転磁界演算手段を備えたガスレーザ発振装置において、前記送風機の同期電動機の回転子磁極位置と固定子回転磁界がなす角度の絶対値が予め設定された値以上あるいは超える場合に前記ガス圧制御手段により、前記ガス配管経路内のガス圧力を下げることを特徴とするガスレーザ発振装置の制御方法である。

また、上記のガスレーザ発振装置の制御方法を使用したガスレーザ発振装置、またそのガスレーザ発振装置を設けたレーザ加工機である。

以上の構成により、本発明は、レーザガスの温度が変動した場合でも安定したレーザガスの圧送ができるため、ガスレーザ発振装置およびレーザ加工機の継続使用ができ、信頼性の高い装置を得ることができる。

本発明の実施の形態におけるレーザ発振装置の構成説明図本発明のレーザ発振装置制御方法によるガス圧力制御の状態を示すグラフ本発明のレーザ発振装置制御方法による同期電動機の回転子磁極位置と固定子回転磁界がなす角度の関係説明図従来のレーザ発振装置の構成説明図送風機の概略構造説明図送風機駆動手段の概略構成説明図レーザ加工機の概略構成説明図

（実施の形態）
以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。図１は本発明のガスレーザ発振装置の制御方法の実施の形態である。

前述の技術背景で述べた図４と同一の構成要素については同一の符号を付し説明を省略する。また、基本的な動作の説明についても同一であるところは割愛するものとする。図１の構成が図４の構成と異なるのは、送風機駆動手段２１とガス圧制御手段２０が接続されている点である。

図２、図３において、本発明のポイントである送風機駆動手段２１内部で演算される送風機の同期電動機４４の回転子４５の磁極位置と固定子４６の回転磁界がなす角度δと、角度δの情報によりガス圧制御手段２０がガス圧力を下げる制御について、ガス配管経路１０内のレーザガス温度、およびガス圧力の関係を参考にしながら説明する。

放電及び送風により温度が上昇したレーザガスは熱交換器１１および１２により冷却される。熱交換器１１および１２は一般的に冷却水との熱交換を行うが、この冷却水はレーザ発振装置とは別に準備されたチラー等により冷却され、外気温が低い場合は冷却水温度が設定温度より低い状態になっていることが多く、この場合はレーザガスの温度も定常時に対して低い状態になる。

ガス配管経路１０内のガス圧力はガス圧制御手段２０により一定に制御されるが、レーザガスの温度が低くなるとガスの密度が高くなり、送風機１３の翼車４０にかかる負荷は増加する。この結果、送風機１３の同期電動機４４の回転子磁極位置と固定子回転磁界がなす角度δが広がる。この角度δが脱調となる脱出トルクに至らないように予め設定されている値α以上かあるいは超えた場合に、ガス圧制御手段２０によりガス圧力が下がるようにレーザガス供給手段およびレーザガス排出手段を制御する。

なお、同期電動機４４の回転子磁極位置と固定子回転磁界がなす角度δは送風機駆動手段２１として一般的なベクトル制御の演算として常に計算されている。

この動作によれば、レーザガス温度が低い場合でもガス圧力を下げることによりガス密度が下がる為、送風機１３の翼車４０にかかる負荷の増加を抑制でき、この結果、送風機１３の同期電動機４４の回転子磁極位置と固定子回転磁界がなす角度δが広がることを抑制し、脱出トルクに至らない為、同期電動機４４は脱調せず、ガスレーザ発振装置の継続使用ができ、信頼性の高い装置を得ることができる。

次にレーザ加工機について説明する。

従来の技術で図７を用いて説明したが、ワーク６１を乗せる加工テーブル６４と、加工テーブル６４の移動とレーザ加工トーチ６２の少なくとも一方を移動するＸ軸モータ６５やＹ軸モータ６６などの駆動手段と、この駆動手段を制御する数値制御装置（図示せず）と、レーザビーム８を集光レンズ６３を通過させてレーザを発生するレーザ加工機に、上述した実施の形態におけるレーザ発振装置の制御方法およびその制御方法を用いたレーザ発信装置を構成とすることにより、レーザ加工機の継続使用ができ、信頼性の高い装置を得ることができる。

本発明は、レーザガスの温度が変動した場合でも安定したレーザガスの圧送ができるため、ガスレーザ発振装置およびレーザ加工機の継続使用ができ、信頼性の高い装置を提供できる。

１放電管
２、３電極
４電源
５放電空間
６全反射鏡
７部分反射鏡
８レーザビーム
９レーザガスの流れ
１０ガス配管経路
１１、１２熱交換器
１３送風機
１４ガス圧検出手段
１５、１７電磁弁
１６、１８オリフィス
１９ポンプ
２０ガス圧制御手段
２１送風機駆動手段
２２ガスレーザ発振装置
１５反射鏡
３０ボンベ
４０翼車
４１翼車室
４２吸入口
４３吐出口
４４同期電動機
４５回転子
４６固定子
５０誘起電圧検出手段
５１磁極位置演算手段
５２固定子回転磁界演算手段
５３ベクトル制御演算手段
５４スイッチング制御手段
５５スイッチング素子
５６コンバータ、平滑回路
５７回転指令手段
６０反射鏡
６１ワーク
６２トーチ
６３集光レンズ
６４加工テーブル
６５Ｘ軸モータ
６６Ｙ軸モータ

Claims

レーザガスを圧送させるための送風機と、前記レーザガスを循環させるためのガス配管経路と、上記ガス配管経路にレーザガスを供給するレーザガス供給手段と、ガス配管経路のレーザガスを排出するレーザガス排出手段と、前記ガス配管経路内のガス圧力を検出するガス圧検出手段と、ガス圧力を一定圧力にする為に前記ガス圧検出手段の信号を参照し前記レーザガス供給手段およびレーザガス排出手段を制御するガス圧制御手段と、前記送風機を駆動させる送風機駆動手段を備え、前記送風機はレーザガスを圧送する翼車部と、前記翼車部を回転させる同期電動機を有し、前記送風機駆動手段は、同期電動機の回転子磁極位置を算出する磁極位置演算手段と、固定子回転磁界を算出する固定子回転磁界演算手段を備えたガスレーザ発振装置において、
前記送風機の同期電動機の回転子磁極位置と固定子回転磁界がなす角度の絶対値が予め設定された値以上あるいは超える場合に前記ガス圧制御手段により、前記ガス配管経路内のガス圧力を下げることを特徴とするガスレーザ発振装置の制御方法。
請求項１記載のガスレーザ制御方法を使用したガスレーザ発振装置。
加工ワークを乗せる加工テーブルと、前記加工テーブルの移動とレーザ加工トーチの少なくとも一方を移動する駆動手段と、前記駆動手段を制御する数値制御装置と、レーザ光を発生する請求項２に記載のレーザ発振装置とを備えたレーザ加工機。