JP2012227353A

JP2012227353A - レーザ発振器制御装置

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Publication number: JP2012227353A
Application number: JP2011093684A
Authority: JP
Inventors: Takashi Senda; 孝志千田
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2011-04-20
Filing date: 2011-04-20
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2031-04-20
Also published as: US8599892B2; JP5729107B2; CN102751652A; EP2515394A3; US20120269217A1; EP2515394A2

Abstract

【課題】発振モジュールの構成を変えることなく、レーザ発振器の全体としての出力の細かな調整が可能なレーザ発振器制御装置を提供する。
【解決手段】制御対象となるレーザ発振器２は、レーザ加工機に装備可能であって、それぞれがレーザビームを発振する発振モジュール７を複数有し、これら複数の発振モジュール７の発振したレーザビームＲｂを集めて出力する。レーザ発振器制御装置４に、駆動する発振モジュール７を選択するモジュール選択手段１２を設ける。モジュール選択手段１２は、レーザ加工機のレーザ加工時の出力に応じて、定められた選択条件Ｒに従い、駆動する発振モジュール７の数を定める選択条件判定部１３を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、板金加工等のレーザ加工機に装備されるレーザ発振器を制御するレーザ発振器制御装置に関する。

レーザ加工に用いられるレーザ発振器として、それぞれがレーザビームを発振する発振モジュールを数台程度有し、これら複数の発振モジュールの発振したレーザビームを集光して出力とするものがある。各発振モジュールは、１台でレーザ発振器を構成可能なものであり、１台の発振モジュールでは不足する大出力のレーザ発振器が必要な場合に、要求される出力に応じて複数台を組み合わせて用いられる。切断加工等を行うレーザ加工機では、要求される切断能力を向上していく為に、発振モジュールの搭載数が増加する傾向にある。
複数台の発振モジュールを備えたレーザ発振器の出力の制御は、従来はレーザ発振器の全体として行っていて、各発振モジュールを同じ割合で制御する。例えば、レーザ発振器の最大定格出力に対して５０％の出力に制御する場合は、全ての発振モジュールの出力を５０％に制御している。

特開２００３−３７３１６号公報

レーザ発振器は、その最大定格出力に対して、低い出力の加工は安定しないという問題がある。これは、一般的にレーザ発振器の出力制御の分解能が低くて、例えば１０％未満は制御できないことによる。そのため、加工中にパワー指令値を変化させるときに、出力変更を細かく行うことができず、その加工から見ると、バラツキが大きくなり、微調整が困難で加工品質が安定しない。また、任意の単位で出力指令できる場合であっても、小さな出力の指令（例えば１０％の指令）に対して、大きな出力の指令（例えば４０％の指令）である場合の方が、加工が安定する。
例えば、レーザ加工で板金の切断加工を行うときに、曲線部分では正しい形状に切断加工するには、直線部分に対して低速でレーザビームを移動させる必要がある。低速であると、レーザビームから素材に入る熱量が多くなるため、レーザ出力を低下させる必要があるが、微調整の性能上の制限で、適切なレーザ出力に制御できず、過熱状態となったり、あるいは熱量が不足となり、安定した加工が行えない。

この発明の目的は、発振モジュールの構成を変えることなく、レーザ発振器の全体としての出力の細かな調整が可能なレーザ発振器制御装置を提供することである。
この発明の他の目的は、適切な発振モジュールの選択によって、より効果的に出力の制御を可能とすることである。
この発明のさらに他の目的は、効果的な場合のみ発振モジュールの選択個数を減らすことで、偏った発振モジュールの使用による耐久性低下を防止することである。

この発明のレーザ発振器制御装置（４）は、レーザ加工機に装備可能であって、それぞれがレーザビームを発振する発振モジュール（７）を複数有し、これら複数の発振モジュール（７）の発振したレーザビームを集めて出力とするレーザ発振器（２）を制御する装置であって、駆動する発振モジュール（７）を選択するモジュール選択手段（１２）を設けたことを特徴とする。

この構成によると、駆動する発振モジュール（７）をモジュール選択手段（１２）で選択することができるため、小さな出力としたい場合に、駆動する発振モジュール（７）の数を減らし、一部の発振モジュール（７）のみを駆動して出力制御することにより、レーザ発振器（２）の全体として細かな出力制御が行える。簡単な例で説明すると、レーザ発振器（２）の発振モジュール（７）の個数が２台で、各発振モジュール（７）の出力制御が１０％単位で行えるとすると、２台の発振モジュール（７）を共に使用する場合は、レーザ発振器（２）の全体に対する１０％単位の出力制御しか行えないが、１台の発振モジュール（７）のみを使用すると、その発振モジュール（７）の出力制御を１０％単位で行うことで、レーザ発振器（２）の全体に対する５％の単位で出力制御が行える。したがって、発振モジュール（７）自体の構成を細かな出力制御が可能なものに変えることなく、レーザ発振器（２）の全体としての出力の細かな調整が可能となる。また、出力の細かな調整が可能になるだけでなく、発振モジュール（７）は、小さな出力で駆動する場合よりも、大きな出力で駆動する場合の方が安定した出力になる傾向があり、発振モジュール（７）の駆動台数を減らして大きな出力指令で駆動することで、レーザ出力が安定して加工が安定する。さらに、個々の発振モジュール（７）が出力調整機能を持たないものであっても、レーザ発振器（２）の全体としては、出力調整が可能となる。

この発明において、前記モジュール選択手段（１２）は、前記レーザ加工機のレーザ加工時の出力に応じて、定められた選択条件に従い、駆動する発振モジュール（７）の数を定める選択条件判定部（１３）を有するものとしても良い。
上記構成の選択条件判定部（１３）を設けることで、レーザ加工機のレーザ加工時に要求される出力に応じて、駆動する発振モジュール（７）の数を適切な個数とすることができる。このため、作業者が考えて駆動台数を切り換えることが不要となり、かつ選択条件を適切な条件に設定しておくことで、発振モジュール（７）の好ましい駆動台数とでき、より効果的な出力の制御が可能となる。

この構成の場合に、前記選択条件判定部（１３）の前記定められた条件は、駆動する発振モジュール（７）の個数を減らすことで、レーザ発振器（２）の出力の制御の分解能が上げられる場合に、駆動する発振モジュール（７）の個数を減らすこととしても良い。
希望するレーザ発振器（２）の出力によっては、発振モジュール（７）の個数を減らしても、レーザ発振器（２）の出力の制御の分解能が上げらない場合がある。そのような場合に、発振モジュール（７）の駆動個数を減らすことは、レーザ発振器（２）の全体の中で一部の発振モジュール（７）のみを偏って使用することになり、耐久性の低下に繋がるが、分解能が上げられる場合のみに、駆動する発振モジュール（７）の個数を減らすことで、偏った発振モジュール（７）の使用による耐久性低下を防止することができる。

この発明のレーザ発振器制御装置は、レーザ加工機に装備可能であって、それぞれがレーザビームを発振する発振モジュールを複数有し、これら複数の発振モジュールの発振したレーザビームを集めて出力とするレーザ発振器を制御する装置であって、駆動する発振モジュールを選択するモジュール選択手段を設けたため、発振モジュールの構成を変えることなく、レーザ発振器の全体としての出力の細かな調整が可能になる。

前記モジュール選択手段が、前記レーザ加工機のレーザ加工時の出力に応じて、定められた選択条件に従い、駆動する発振モジュールの数を定める選択条件判定部を有する場合は、適切な発振モジュールの選択によって、より効果的に出力の制御を行うことが可能となる。
前記選択条件判定部の前記定められた条件が、駆動する発振モジュールの個数を減らすことで、レーザ発振器の出力の制御の分解能が上げられる場合に、駆動する発振モジュールの個数を減らすことであるときは、効果的な場合のみ発振モジュールの選択個数を減らすことで、偏った発振モジュールの使用による耐久性低下を防止することができる。

この発明の一実施形態に係るレーザ発振器制御装置を備えたレーザ加工装置の概念構成を示すブロック図である。同レーザ発振器制御装置の各発振モジュールの出力を示すモニタ画面例の説明図である。同レーザ発振器制御装置のモジュール選択手段が行う処理の流れ図である。同レーザ発振器制御装置のモジュール選択手段による各種の計算例の説明図である。

この発明の一実施形態を図１ないし図４と共に説明する。図１はレーザ加工機の全体の概念構成を示すブロック図である。このレーザ加工機は、加工機本体１と、レーザ発振器２と、加工機本体１を制御する加工機制御装置３と、レーザ発振器２を制御するレーザ発振器制御装置４とで構成される。加工機本体１は、レーザビームをワーク（図示せず）に対して照射するレーザヘッド５を有する加工機であり、例えば、板材の切断加工、および模様やマーク等の溝加工を行う板材加工機や、基板の穴明け加工用の加工機、立体物の外面を削り取る加工を行う加工機、レーザ溶接加工を行う加工機等からなる。加工機本体１が板材加工機の場合、レーザヘッド５とワークとを相対移動させる移動機構（図示せず）を備える。移動機構（図示せず）は、レーザヘッド５を移動させるものであっても、レーザヘッド５が位置固定とされてワークを移動させるものであっても良い。

レーザ発振器２は、レーザビームＲＢを発生させる装置であり、発生させたレーザビームＲＢは導光路６により、加工機本体１のレーザヘッド５に案内する。導光路６は、光ファイバまたはダクト等により構成される。

レーザ発振器２は、それぞれがレーザビームＲｂを発振する複数台の発振モジュール７と、これら複数の発振モジュール７の発振したレーザビームＲｂを集めて１本のレーザビームＲＢの出力とする集光手段８とを備える。発振モジュール７は、レーザ発振器２に１台設だけ設けても使用可能なものであるが、必要な最大定格出力に応じて複数台が並列に用いらられる。集光手段８は、複数のレンズ９等で構成される。

発振モジュール７は、金属加工等の加工に用いられるレーザビームＲｂを発生させることができるものであり、励起光源として、ファイバレーザ等の固体レーザや、半導体レーザ等を発振源とする。半導体レーザの場合、多数（例えば数十ないし数百）の励起光源を備えたものとされる。発振モジュール７は、図示は省略するが、励起光源の他に、集光器や増幅器を有する。また、各発振モジュール７は、個々に出力制御が可能なものが用いられる。

加工機制御装置３は、レーザ発振器制御装置手段４へレーザ出力の制御指令を与えるレーザ出力制御手段１０と、加工機本体１の制御を行う加工機本体制御手段１１とを有する。加工機制御装置３は、コンピュータ式の数値制御装置とプログラマブルコントローラ等からなり、加工プログラム（図示せず）を解読して実行することで、加工機本体１やレーザ発振器制御装置４に制御指令の出力を行う。

レーザ発振器制御装置４は、レーザ発振器２の出力やオンオフを制御する手段であり、マイクロコンピュータ等のコンピュータやその制御用のプログラム、および電子回路等により構成される。このレーザ発振器制御装置４に、レーザ発振器２の駆動する発振モジュール７を選択するモジュール選択手段１２が設けられている。モジュール選択手段１２は、選択条件判定部１３、モジュール選択部１４、およびモジュール出力制御部１５を有していて、選択条件判定部１３は、レーザ加工機１のレーザ加工時の出力の指令値に応じて、定められた選択条件Ｒに従い、駆動する発振モジュール７の数、及びどの発振モジュール７を駆動かを定める。レーザ加工機１のレーザ加工時の出力の指令値は、加工機制御装置３のレーザ出力制御手段１０から指令される。

モジュール選択部１４は、選択条件判定部１３で選択された発振モジュール７を駆動する指令をモジュール出力制御部１５に与える。モジュール出力制御部１５は、選択された発振モジュール７の出力の合計が、上記レーザ加工時の出力の指令値となるように、各発振モジュール７へ出力の指令および停止の指令を与える。

選択条件判定部１３における前記の定められた条件Ｒは、例えば、駆動する発振モジュール７の個数を減らすことで、レーザ発振器２の出力の制御の分解能が上げられる場合にのみ、駆動する発振モジュール１の個数を減らすこととされる。前記定められた条件Ｒのより具体的な例、およびモジュール選択手段１２のより具体的な処理の流れは、以下の動作説明欄において説明する。

この構成によると、駆動する発振モジュール７をモジュール選択手段１２で選択することができるため、小さな出力としたい場合に、駆動する発振モジュール７の数を減らし、一部の発振モジュール７のみを駆動して出力制御することにより、レーザ発振器２の全体として細かな出力制御が行える。図示の例のように、レーザ発振器２の発振モジュールの個数が４台で、各発振モジュール１の出力制御が１０％単位で行えるとすると、４台の発振モジュール１を共に使用する場合は、レーザ発振器２の全体に対する１０％単位を出力制御しか行えないが、１台の発振モジュール７のみを使用すると、その発振モジュール７の出力制御を１０％単位で行うことで、レーザ発振器２の全体に対する２．５％の単位で出力制御が行える。したがって、発振モジュール７自体の構成を細かな出力制御が可能なものに変えることなく、レーザ発振器２の全体としての出力の細かな調整が可能となる。また、個々の発振モジュール７が出力調整機能を持たないものであっても、レーザ発振器２の全体としては、フル出力、３／４、１／２、１／４、の４種類に出力調整が可能となる。

また、上記構成の選択条件判定部１３を設けることで、加工機本体１のレーザ加工時の必要な出力に応じて、駆動する発振モジュール７の数を適切な個数とすることができる。このため、作業者が考えて駆動台数を切り換えることが不要となり、かつ選択条件を適切な条件に設定しておくことで、発振モジュール７の好ましい駆動台数とでき、より効果的な出力の制御が可能となる。
前記選択条件判定部１３の前記定められた条件が、駆動する発振モジュール７の個数を減らすことで、レーザ発振器１の出力の制御の分解能が上げられる場合に、駆動する発振モジュール７の個数を減らすこととしたため、次の利点が得られる。すなわち、希望するレーザ発振器２の出力によっては、発振モジュール２の個数を減らしても、レーザ発振器２の出力の制御の分解能が上げらない場合がある。そのような場合に、発振モジュール７の駆動個数を減らすことは、レーザ発振器２の全体の中で一部の発振モジュール７のみを偏って使用することになり、耐久性の低下に繋がるが、分解能が上げられる場合のみに、駆動する発振モジュール７の個数を減らすことで、偏った発振モジュール７の使用による耐久性低下を防止することができる。
また、出力の細かな調整が可能になるだけでなく、発振モジュール７は、小さな出力で駆動する場合よりも、大きな出力で駆動する場合の方が安定した出力になる傾向があり、発振モジュール７の駆動台数を減らして大きな出力指令で駆動することで、レーザ出力が安定して加工が安定する。

上記構成において、レーザ発振器制御装置４には、ノーマルモードと安定モードとに切換可能なモード切換手段１６を設けることが好ましい。ノーマルモードは、従来と同様に、レーザ発振器２の有する全て発振モジュール７を同じ出力となるように制御するモードである。安定モードは、上記のモジュール選択手段１２で駆動する発振モジュール７を選択するモードである。また、ノーマルモードと安定モードとの区別と、各発振モジュール７がどのような出力となるように制御されているかを、表示装置１７の画面に表示する出力モニタ手段１８を設けることが好ましい。表示装置１７は、例えば操作盤に備えられた液晶ディスプレイ等である。

図２は、上記出力モニタ手段１８による表示例を示す。同図の例は、１台の発振モジュール７の最大定格出力が５００Ｗで、４台の発振モジュール７を有し、レーザ発振器２の最大定格出力が２０００Ｗの場合の例である。図中の４本の棒グラフは、各発振モジュール７の出力を示す。黒塗り部分が出力である。レーザ発振器制御装置４（図１）に加工機制御装置３から与えられる出力指令が２０００Ｗ指令の場合は、ノーマルモードおよび安定モードの場合を図２（Ａ），（Ｂ）にそれぞれ示すように、いずれも、全ての発振モジュール７が最大出力となる。

１０００Ｗ指令の場合は、ノーマルモードでは図２（Ｃ）に示すように、全ての発振モジュール７の出力がその発振モジュール７の最大定格出力の１／２であるが、安定モードでは、同図（Ｄ）に示すように、２台の発振モジュール７が最大出力とされ、残り２台の出力は零とされる。
２００Ｗ指令の場合は、ノーマルモードでは図２（Ｅ）に示すように、全ての発振モジュール７の出力が、最大定格出力の１／１０となる５０Ｗであるが、安定モードでは、同図（Ｆ）のように、１台の発振モジュール７のみが駆動され、その出力が２００Ｗとされる。
この例では、ノーマルモード、安定モードともに駆動可能であるが、１００Ｗ指令の場合、１台の発振モジュール７の出力すべき値は２５Ｗであり、発振モジュール７の制御可能な最小出力が定格最大出力５００Ｗの十分の１の５０Ｗであるとすると、ノーマルモードでは制御することができない。図１の選択条件判定部１３と、例えばこのようにノーマルモードでは制御することができない出力を出したい場合に、発振モジュール７の駆動打数を減らすものとしても良い。

同図の例からわかるように、レーザ出力が２．０ｋｗまで可能なレーザ発振器２では、加工条件が１．０ｋｗの加工は、１／２の指令値となる。従来は、上記ノーマルモードのように、常に４つずつ全ての発振モジュール７を選択しているので、出力は、５０％に相当する出力を指令値としていた。これに対して、発振モジュール７の駆動台数が選択可能である場合は、２つの発振モジュール７を選択することで、出力指令を１００％とすることができ、安定した出力制御が行える。
特に、高出力を必要とする切断加工に対して、印字（マーキング）やケガキ加工等は低出力の加工となる。例えば、高出力で２０００Ｗの切断加工に対して、印字では２００Ｗのマーキング加工となる。このとき、従来では、１０％以下の出力指令値となり、安定した加工が困難となる。これに対して、発振モジュール７の駆動する選択数を１台とすることで、４０％の出力指令となるので、４倍の指令となり安定性が向上とする。

図３は、図１のモジュール選択手段１２の処理の流れ図を示す。まず、オペレータの入力等により、モジュール選択手段１２に対して、１台の発振モジュール７の最大定格出力と、搭載される発振モジュール７の台数を登録する（Ｓ１）。これより、モジュール選択手段１２は、トータル最大定格出力を算出する（Ｓ２）。
次に、モジュール選択手段１２は、加工機制御装置３から加工条件データのうちのレーザ出力を読み出す（Ｓ３）。ついで、その読み出した加工条件データのレーザ出力を用いて、（加工条件データレーザ出力）／（トータル最大定格出力）の割合である「標準レーザ出力指令比率」を算出する（Ｓ４）。「トータル最大定格出力」は、レーザ発振器２の最大定格出力、つまり全ての発振モジュール７の最大定格出力の和である。

ステップＳ５では、ステップＳ３で読みだした加工条件データレーザ出力を出すことができる最小の発振モジュール７の台数を算出する。この台数は、（加工条件データレーザ出力）／（１台の発振モジュール７の最大定格出力）で求められる。計算結果が、例えば「２．５」のように端数を生じる場合は、桁上げ処理、つまり端数分を１と見做して台数を増やす処理を行い、先の「２．５」の計算結果の場合は「３」台とする。
ステップ６では、ステップＳ５で算出した最小モジュール数による「出力指令比率」の算出を行う。すなわち、（出力指令比率）＝（１モジュール最大定格出力）／（最小モジュール選択数）として求める。

ステップＳ７では、最小モジュール出力指令単位の算出を行う。最小指令単位を１／１００とするとき、つぎのようになる。
・（標準指令）＝（トータル最大定格出力）／１００
・（最小指令）＝（最小モジュール出力）／１００
なお、標準指令は、全ての発振モジュール７を用いて各発振モジュール７を同じ出力とする場合の指令である。
ステップＳ８では改善率（％）の算出を行う。
（改善率）＝〔（標準指令単位）／（最小指令範囲）〕×１００

ステップＳ８では、定められた選択条件を充足するかの判定、具体的には、改善率（％）が設定割合（ｎ％）以上であるか否かを判定する。例えば、ｎは４００％、つまり改善率が標準の４倍以上であるか否かを判定する。
改善率（％）が設定割合（ｎ％）以上である場合は、ステップＳ１０に進み、また改善率（％）が設定割合（ｎ％）未満である場合はステップＳ１１に進み、それぞれのステップＳ１０，Ｓ１１で定められたモジュール選択数の決定を行う。ステップＳ１０では、（モジュール設定数）＝最小モジュール選択数である。ステップＳ１１では、（モジュール設定数）＝標準モジュール選択数である。

なお、図１の選択条件判定部は、図３のステップＳ３〜Ｓ９のまでの処理を行い、モジュール選択部１４は、ステップＳ１０，Ｓ１１の処理を行う。

図４は、発振モジュール７の出力および搭載台数が種々異なる場合の、発振モジュール７の選択駆動による改善例を示す。同図は、図３の流れ図に従って計算した例である。なお、これらの例では、定格最大出力の１／１００を制御可能な最小単位とする。
ケース１は、５００Ｗの発振モジュール７を４台搭載した場合を示す。この場合、全ての発振モジュール７を同じ出力に制御する場合は、最小分解能が２０Ｗであるが、発振モジュール７の選択駆動を可能とすることで、最小分解能が５Ｗに改善される。
ケース２は、６００Ｗの発振モジュール７を４台搭載した場合を示す。この場合、全ての発振モジュール７を同じ出力に制御する場合は、最小分解能が２４Ｗであるが、発振モジュール７の選択駆動を可能とすることで、最小分解能が６Ｗに改善される。
ケース３は、５００Ｗの発振モジュール７を６台搭載した場合を示す。この場合、全ての発振モジュール７を同じ出力に制御する場合は、最小分解能が３０Ｗであるが、発振モジュール７の選択駆動を可能とすることで、最小分解能が５Ｗに改善される。

１…加工機本体
２…レーザ発振器
３…加工機制御装置
４…レーザ発振器制御装置
５…レーザヘッド
７…発振モジュール
８…集光手段
１０…レーザ出力制御手段
１１…加工機本体制御手段
１２…モジュール選択手段
１３…選択条件判定部
１４…モジュール選択部
１６…モード切換手段
１７…表示装置
Ｒ…選択条件
ＲＢ，Ｒｂ…レーザビーム

Claims

レーザ加工機に装備可能であって、それぞれがレーザビームを発振する発振モジュールを複数有し、これら複数の発振モジュールの発振したレーザビームを集めて出力とするレーザ発振器を制御する装置であって、
駆動する発振モジュールを選択するモジュール選択手段を設けたことを特徴とするレーザ発振器制御装置。
前記モジュール選択手段は、前記レーザ加工機のレーザ加工時の出力に応じて、定められた選択条件に従い、駆動する発振モジュールの数を定める選択条件判定部を有する請求項１記載のレーザ発振器制御装置。
前記選択条件判定部の前記定められた条件は、駆動する発振モジュールの個数を減らすことで、レーザ発振器の出力の制御の分解能が上げられる場合に、駆動する発振モジュールの個数を減らすことである請求項２記載のレーザ発振器制御装置。