JP2016076544A - アラームの種類を判別する機能を備えたガスレーザ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】アラーム発生後のレーザ発振器のガス圧制御を好適に行う機能を備えたガスレーザ装置の提供。【解決手段】制御装置１４は、レーザ発振器１２において放電を停止すべきアラームが発生しているか否かを監視するアラームモニタ部１６と、ガスレーザ発振器１２において発生したアラームの種類を判別するアラーム判定部１８と、ガスレーザ発振器１２の放電管内のレーザガス圧力を制御するガス圧制御部２０と、ガスレーザ発振器１２の電源部を制御する電源制御部２２とを有し、ガス圧制御部２０は、アラームの発生後に、該アラームの種類に応じて予め定められた複数の制御パターンのうちの１つに基づいて、放電管内のレーザガス圧力を適正な値となるように制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ発振器にて生じたアラームの種類を判別する機能を備えたガスレーザ装置に関する。

従来、レーザ発振器を備えたガスレーザ加工機が加工可能な状態においてアラームが発生すると、安全のために放電を停止する指令がレーザ電源に送られる。この際、レーザ発振器の復帰準備として、該レーザ発振器の放電管内のレーザガス圧力を下げる制御も行われる。その理由は、レーザ発振器の再起動時に放電を確実に開始させるには、ガス圧を十分に低くしておく必要があるためである。

これに関連する技術として、例えば特許文献１には、レーザ放電管にレーザガスを循環させ、高周波放電によりレーザを発生させる放電励起式ガスレーザ装置の立ち上げ方法は記載されている。この方法は、ガスレーザ装置が正常に立ち上がるときの、ガスレーザ装置のレーザ電源のＤＣ電源部の出力電流特性を、正常電流特性として予め記憶するステップと、ガスレーザ装置の立ち上げ時におけるレーザ電源のＤＣ電源部の出力電流を検出するステップと、ＤＣ電源部の検出された出力電流が正常電流特性に基づいて定められた閾値を超えないように、レーザ放電管内のレーザガスの圧力を制御するステップと、を有する（請求項１等）。

また特許文献２には、各ステップの先頭にパルスを重畳してなる電源出力指令を作成する電源出力指令部と、電源出力指令に従って放電管に電圧を印加する電圧印加部と、放電管の電圧を検出する放電管電圧検出部と、放電管の電圧を監視する放電管電圧モニタ部と、電源出力指令に対する監視された放電管の電圧の変化割合と、放電管において放電が正常に行われているときのデータに基づいて予め定められる、電源出力指令に対する放電管の電圧の変化割合との差分が予め定めた閾値以内になったときに、放電が開始したと判定する放電開始判定部（ＣＮＣ）とを備えるガスレーザ発振器が記載されている。

特開２００８−３０６１１０号公報 特開２０１１−２２２５８６号公報

特許文献１及び２に記載の発明によれば、レーザ運転状態に近い高いガス圧でもガスレーザ発振器における放電開始を判定することができ、比較的短い時間で安全にレーザ発振器を立ち上げることができる。しかしこのようなガスレーザ装置では、アラーム発生からレーザ発振器が加工可能な状態に戻るまでの復帰時間の短縮と、放電のためにレーザガス圧を一旦低下させ、その後レーザ運転状態の高い圧力までレーザガス圧を上昇させる際に消費されるレーザガスの削減とがさらに望まれる。

そこで本発明は、アラーム発生後のレーザ発振器のガス圧制御を好適に行う機能を備えたガスレーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本願第１の発明は、放電励起式のガスレーザ発振器を備えたガスレーザ装置であって、前記ガスレーザ発振器において発生したアラームの種類を判別するアラーム判定部と、前記ガスレーザ発振器の放電管内のレーザガス圧力を制御するガス圧制御部と、を有し、前記ガス圧制御部は、アラームの発生後に、該アラームの種類に応じて予め定められた複数の制御パターンのうちの１つに基づいて前記放電管内のレーザガス圧力を制御することを特徴とする、ガスレーザ装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記アラーム判定部が、発生したアラームの種類が放電を開始するだけで前記ガスレーザ装置が加工可能な状態となる種類のものであると判別した場合、前記ガス圧制御部は、前記アラーム発生時から、前記放電管内のレーザガス圧力を維持する制御を行う、ガスレーザ装置を提供する。

第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記アラーム判定部が、発生したアラームの種類が前記ガスレーザ装置のガス循環系の保守作業が必要な種類のものであると判別した場合、前記ガス圧制御部は、前記アラーム発生時から、前記放電管内のレーザガス圧力を上昇させる制御を行う、ガスレーザ装置を提供する。

第４の発明は、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記アラーム判定部が、発生したアラームの種類が前記ガスレーザ装置の放電を確実に開始する必要がある種類のものであると判別した場合、前記ガス圧制御部は、前記アラーム発生時から、前記放電管内のレーザガス圧力を低下させる制御を行う、ガスレーザ装置を提供する。

発生したアラームの種類に応じてレーザガス圧制御を、複数のパターンを用いて使い分けることにより、アラームの種類によってはレーザガス圧を下げる制御が不要となり、レーザ運転状態のレーザガス圧力を維持したまま復帰動作を行うことや、少ないレーザガス消費量でレーザ発振器の復帰動作やガス循環系の保守作業を行うことが可能となる。

本発明の好適な実施形態に係るガスレーザ装置の機能ブロック図である。 図１のガスレーザ装置が有するガスレーザ発振器の概略構造図である。 アラーム発生後の放電制御とレーザガス圧制御に関する第１のパターンを説明するグラフである。 アラーム発生後の放電制御とレーザガス圧制御に関する第２のパターンを説明するグラフである。 アラーム発生後の放電制御とレーザガス圧制御に関する第３のパターンを説明するグラフである。

図１は、本発明の好適な実施形態に係るガスレーザ装置の機能ブロック図である。ガスレーザ装置１０は、ガスレーザ発振器１２と、ガスレーザ発振器１２を制御する制御装置１４とを有する。制御装置１４は、レーザ発振器１２において放電を停止すべきアラームが発生しているか否かを監視するアラームモニタ部１６と、ガスレーザ発振器１２において発生したアラームの種類を判別するアラーム判定部１８と、ガスレーザ発振器１２の放電管内のレーザガス圧力を制御するガス圧制御部２０と、ガスレーザ発振器１２の電源部を制御する電源制御部２２とを有し、ガス圧制御部２０は、アラームの発生後に、該アラームの種類に応じて予め定められた複数の制御パターンのうちの１つに基づいて、放電管内のレーザガス圧力を適正な値となるように制御する。これについては後述する。

図２は、ガスレーザ発振器１２の一構成例を示す概略図である。ガスレーザ発振器１２は、制御装置１４の電源制御部２２からの電源出力指令に基づいて高周波電力等のレーザ出力を出力する電源部２４と、電源部２４からのレーザ出力（電圧）が印加される放電部（放電管２６）と、放電管２６に流体的に連通し、炭酸ガス等のレーザ媒質（レーザガス）で満たされたガス流路２８とを有し、放電管２６及びガス流路２８がガス循環系３０を構成する。

レーザガスは、ガス流路２８に設けられたターボブロワ等の送風機３２により、レーザ発振器内部を矢印で示す方向に循環するとともに、送風機３２の前後に配置された熱交換器３４によって冷却される。参照符号３６及び３８はそれぞれ全反射鏡及び部分反射鏡（出力鏡）を表しており、これらの反射鏡と放電管２６とにより光共振器が構成される。

なおガス流路２８及び放電管２６内（すなわちガス循環系３０内）のガス圧は、ガス流路の一部に設けられたガス圧調整部（給排気装置）４０によって調整可能であり、給排気装置４０は制御装置１４のガス圧制御部２０によって制御される。またガス循環系３０内のガス圧は、センサ部４２によって検出可能であり、検出されたガス圧は制御装置１４のアラームモニタ部１６によって監視され、該ガス圧が所定の閾値範囲外の値を示したときは、アラーム判定部１８がガス圧の異常と判定する。

放電管２６に高周波電力が供給されると、放電管２６内のレーザガスが放電により励起され、光共振器において光が発生する。光は全反射鏡３６と部分反射鏡３８との間で反射を繰り返しながら、誘導放出により増幅され、その一部は部分反射鏡３８からレーザ光（ビーム光）４４として外部へ取り出され、レーザ加工等に使用される。また多くの場合、全反射鏡３６の反放電部側（背面）には、レーザ光が外部に漏れないように、レーザ光を吸収するアブソーバ４６が設けられる。

上述のセンサ部４２は、図２に記載するような、ガス循環系３０内のガス圧を検出する圧力センサ４８の他、ガス循環系３０内のガス温度を検出する温度センサ、ビームシャッタ（図示せず）の動作異常を検出するセンサ、ビーム反射の異常を検出するセンサ等、レーザ発振器１２において放電を停止すべき異常を検出するセンサ等も含まれる。

次に、制御装置１４による、ガスレーザ発振器１２のガス循環系３０のガス圧調整の詳細について説明する。ガスレーザ装置１０では、放電を停止すべき異常が発生したときに、その旨を知らせる警報や画面表示等のアラームが出力され、レーザ発振器１２の放電を停止する処理がされる。このような放電の停止を必要とする異常の例としては、ビームシャッタの動作異常（「シャッタ動作異常」）、反射鏡におけるビーム光の反射異常（「ビーム反射異常」）、レーザ溶接に使用されるアシストガスが準備できていない状態（「アシストガス未準備」）、全反射鏡の背面に設けたアブソーバの温度が過度に上昇した状態（「アブソーバ温度異常」）、作業者に危険が及ぶ可能性ある場合等に、レーザ発振器１２が非常停止した場合（「非常停止状態」）、放電に関するパラメータ（印加電圧、ガス圧、ガス流量等）が変更された場合（「放電パラメータ変更」）等が挙げられる。

上述のような放電の停止を要するアラームの発生後は、従来は、レーザガス圧を一旦低下させ、異常の要因を取り除いた後、復帰動作（放電の開始及びそれに続くレーザガス圧上昇）が行われていた（後述する図３参照）。従って従来は、レーザ発振器１２を再び加工可能な状態に復帰させるまでに時間がかかっていたことに加え、レーザガスの消費量も多くなっていた。

そこで本発明では、アラームの発生後、レーザ発振器を加工可能な状態まで復帰させる際に、該アラームの種類を判別し、アラームの種類に応じて予め定められた（例えば制御装置が有する適当なメモリに、アラームの種類と関連付けて予め記憶した）複数の制御パターンのうちの１つに基づいて放電管内のレーザガス圧力を制御することにより、復帰時間の短縮（稼働率の向上）とレーザガス消費量の削減とを図ることができる。具体的には、該アラームの種類を、以下の３つに分類し、発生したアラームがそれらのいずれに該当するかを、上述のアラーム判定部１８が判別する。
（１）アラーム発生後、放電を確実に開始する必要がある場合
（２）アラーム発生後、レーザ発振器の状態を保持したまま、放電を開始しただけでレーザ発振器を再度加工可能な状態に復帰させることができる場合
（３）アラーム発生後、レーザ発振器のガス循環系の保守作業を行う場合

上記種類（２）に該当するアラームには例えば、上述した放電停止を要するアラーム（「シャッタ動作異常」、「ビーム反射異常」、「アシストガス未準備」、「アブソーバ温度異常」、「非常停止状態」、「放電パラメータ変更」等）が該当する。これらのアラームは基本的には、ガス循環系３０内のガス圧を変更せずに原因を除去できるアラームだからである。

上記種類（１）に該当するアラームには例えば、ガスレーザ装置の起動時に放電が開始しない旨を示すアラーム（「放電失敗」）が該当する。或いは、上記種類（２）に該当するアラームであっても、該アラームの原因を排除しても放電が開始しない場合に発生するアラームも上記種類（１）に含まれる。

上記種類（３）に該当するアラームには例えば、ガス循環系３０内のレーザガス圧力が設定値（大気圧より低い値）より大幅に高い等、レーザガス圧の異常を示すアラーム（「ガス圧異常」）が該当する。このようなアラームが発生した場合は、ガス循環系３０の一部に孔が空いている等、ガス循環系３０の気密性が保たれていない可能性があるので、ガス循環系３０の点検・保守作業を行う必要があるからである。

図３は、発生したアラームが上記種類（１）に該当すると判定された場合の、放電制御とレーザガス圧制御に関する第１の制御パターンを説明するグラフである。第１の制御パターンは、実質的に従来のパターンと同様でよい。すなわち、加工可能な状態（期間Ａ）にあるガスレーザ発振器１２において、放電停止を要するアラームが発生した場合（時点α）、ガス循環系３０内のレーザガス圧Ｐは、期間Ａにおける圧力Ｐ１から、放電が確実に行える圧力Ｐ２まで、所定のガス圧整定時間にわたって低下するように制御される（期間Ｂ）。

レーザガス圧がＰ２まで低下したら、期間Ｃの間に発生したアラームの原因を除去し、制御装置１４からガスレーザ発振器１２に対し、復帰動作指令が送られる（時点β）。なおアラームの原因は、その内容によっては、期間Ｂの間に除去しておいてもよい。

レーザ発振器１２では、制御装置１４からの復帰動作指令を受信したら、先ず期間Ｄにおいて放電部２６での放電が開始され、次にレーザガス圧の上昇が行われる（期間Ｅ）。そして期間Ｆにおいてデータ保存等の処理がなされ、レーザ発振器１２は再度、加工可能な状態に戻る（期間Ｇ）。従って図３の場合は、期間Ｄ、Ｅ及びＦの合計が「復帰時間」となる。

図４は、発生したアラームが上記種類（２）に該当すると判定された場合の、放電制御とレーザガス圧制御に関する第２の制御パターンを説明するグラフである。第２の制御パターンでは、レーザガス圧は実質的に変化しない。すなわち、加工可能な状態（期間Ａ）にあるガスレーザ発振器１２において、放電停止を要するアラームが発生した場合（時点α）でも、種類（２）のアラームの場合はレーザガス圧を変更する制御が不要なので、アラーム発生時のガス圧Ｐ１を維持したまま、期間Ｃにおいて異常の原因を除去し、復帰動作指令が送られる（時点β）。制御装置１４からの復帰動作指令を受信したら、期間Ｄにおいて放電部２６での放電が開始され、次に期間Ｆにおいてデータ保存等の処理がなされ、レーザ発振器１２は再度、加工可能な状態に戻る（期間Ｇ）。従って図４の場合は、図３における期間Ｂ及びＥが不要であり、レーザ発振器がアラーム発生から再度可能な状態に戻るまでの時間及びレーザガス量が、図３の場合と比べ大幅に短縮できる。

図５は、発生したアラームが上記種類（３）に該当すると判定された場合の、放電制御とレーザガス圧制御に関する第３の制御パターンを説明するグラフである。発生したアラームが上記種類（３）に該当するときは、レーザ発振器１２のガス循環系３０を大気開放する場合や、ガス循環系３０の密閉度が規定値であることをテストする場合等、ガス循環系３０内のレーザガスの圧力を、加工可能な状態（期間Ａ）よりも高くすべき場合である。第３の制御パターンでは、レーザガス圧を下げずに、アラーム発生時のガス圧Ｐ１よりもガス圧を高くする制御が行われる。図５の例では、期間Ｅ′においてレーザガス圧がＰ１からＰ３まで上昇し、その後期間Ｈにおいて、レーザガス圧をＰ３に維持した状態でガス循環系３０の所定の保守作業が行われる。従って図５の場合は、ガス循環系３０のガス圧が保守作業に適した値（Ｐ３）になるまでの時間を短縮でき、かつレーザガス消費量も削減できる。

上述のように、発生したアラームの種類に応じて、アラーム発生後の放電制御とレーザガス圧制御を上述の３つ制御パターンに使い分けることにより、アラームの種類によってはレーザガス圧を下げる制御が不要となり、レーザ運転状態のレーザガス圧力を維持したまま復帰動作を行うことや、比較的少ないレーザガス消費量でガス循環系の保守作業を行うことが可能となる。

なお制御装置１４では、アラーム判定部１８が判別したアラームの種類に基づいて、ガス圧制御部２０が自動的に、ガス循環系３０内のガス圧を好適に制御することができるが、アラーム発生時に作業者が、該アラームの種類を手動で制御装置１４に入力するようにしてもよい。

１０ ガスレーザ装置
１２ レーザ発振器
１４ 制御装置
１６ アラームモニタ部
１８ アラーム判定部
２０ ガス圧制御部
２２ 電源制御部
２４ 電源部
２６ 放電部
２８ ガス流路
３０ ガス循環系
３２ 送風機
３４ 熱交換器
３６ 全反射鏡
３８ 部分反射鏡
４０ ガス圧調整部
４２ センサ部
４４ ビーム光
４６ アブソーバ
４８ 圧力センサ

Claims (4)

1. 放電励起式のガスレーザ発振器を備えたガスレーザ装置であって、
   前記ガスレーザ発振器において発生したアラームの種類を判別するアラーム判定部と、
   前記ガスレーザ発振器の放電管内のレーザガス圧力を制御するガス圧制御部と、を有し、
   前記ガス圧制御部は、アラームの発生後に、該アラームの種類に応じて予め定められた複数の制御パターンのうちの１つに基づいて前記放電管内のレーザガス圧力を制御することを特徴とする、ガスレーザ装置。
2. 前記アラーム判定部が、発生したアラームの種類が放電を開始するだけで前記ガスレーザ装置が加工可能な状態となる種類のものであると判別した場合、
   前記ガス圧制御部は、前記アラーム発生時から、前記放電管内のレーザガス圧力を維持する制御を行う、請求項１に記載のガスレーザ装置。
3. 前記アラーム判定部が、発生したアラームの種類が前記ガスレーザ装置のガス循環系の保守作業が必要な種類のものであると判別した場合、
   前記ガス圧制御部は、前記アラーム発生時から、前記放電管内のレーザガス圧力を上昇させる制御を行う、請求項１又は２に記載のガスレーザ装置。
4. 前記アラーム判定部が、発生したアラームの種類が前記ガスレーザ装置の放電を確実に開始する必要がある種類のものであると判別した場合、
   前記ガス圧制御部は、前記アラーム発生時から、前記放電管内のレーザガス圧力を低下させる制御を行う、請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスレーザ装置。

Images