JP2020516459A - 動作レーザビームの焦点を制御するための方法及び装置ならびにそのような装置を有するレーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

本発明は、ワークピース（２０）を加工するために動作レーザビーム（１４）の焦点を制御する方法及び装置、ならびにそれを備えたレーザ加工ヘッド（１０）に関しており、動作レーザビーム（１４）の焦点が、光学系（２４）を駆動モータ（２８）により光学系（２４）の光軸（２６）に沿って変位することによって調整され、この方法は、光学系（２４）を所望の位置に動かして且つそれをそこに保持するために、駆動モータ（２８）の電流制御ループ（４０）に対する設定点を生成し且つ出力するステップと、光学系（２４）の光軸（２６）の方向に作用している加速度を検出するステップと、検出された加速度によって生成された力を打ち消す付加的な力を駆動モータ（２８）が生成するように、駆動モータ（２８）の電流制御ループ（４０）に対する出力設定点を、検出された加速度によりパイロット制御回路（５０）によって可変するステップと、を包含する。

Description

本発明は、ワークピースを加工するために動作レーザビームの焦点を制御するための方法及び装置、ならびにそのような装置を有するレーザ加工ヘッドに関する。

レーザ材料加工では、動作レーザビームの焦点を各々の加工状況に適合させることが、しばしば必要である。これを達成する一つの方法は、レーザ加工ヘッドにおける光学系の一つ又はそれ以上のレンズの、光学系の光軸に沿った、すなわち内部Ｚ軸に沿った、内的に制御又は調節されたモータ化された動きである。

特許文献１（DE102014101477A1）にはレーザビームでワークピースを加工するためのレーザ加工ヘッドが示されており、ここでは、ビーム成形光学系が、レーザビームの長手方向に変位可能なようにホルダ上に搭載されている。光学系を動かすために、モータによって、特にブラシレスＤＣモータ又はステッピングモータによって駆動されるベルトドライブが、光学系を所望の位置に動かし、もし大きな加速度の結果として大きな慣性力が発生しても、調整された位置にそれを保つ様に、提供される。

特許文献２（EP2302433A2）は、レーザビームでワークピースを加工するための他のレーザ加工ヘッドを記述しており、このヘッドは、レーザ加工ヘッドにそれに対して変位可能に搭載された光学系を有している。光学系をレーザビームの長手方向に変位させるために、同期リニアモータを有する調整装置が設けられる。

そのような装置では、モータの動きは、ギア又はスピンドルを使用せずに光学系の動きに直接的に変換される。バックラッシュ無しに動きを変換するという利点は、外的に印加される加速度の場合に、光学系を且つこれより作動焦点を所望の位置に保持するために、機械的性質の妨害が無いという欠点を必然的に伴う。

レーザ加工ヘッドがさらなる外的に制御されたＺ軸に取り付けられ、且つこれよりこの軸に沿って痙攣的な動きを実行するという事実によって引き起こされる外部加速度の場合には、光学系は、光学系及びそれを運ぶスライドの慣性により押されて位置から外れて、作動焦点が光学系の光軸に沿ってその所望の位置を去る。

これまで使用されてきたシステムでは、外部加速度は、光学系の移動している部分に、すなわち作動焦点の調整のために変位されることができるレンズユニットに、力（Ｆ＝ｍ×ａ）を生成する。この力は、位置制御ループにおいて外乱として作用し、レンズユニットの望まれない動きを生成する。位置コントローラは、この位置ずれを特定し、レンズユニットを所望のレンズ位置に戻して且つそこに保持するために、電流制御ループに対する設定点をそれに従って変更する。この制御プロセスはある量の時間を要し、その間に、実際のレンズ位置が所望の位置からずれる。

外部加速度に対するシステムの遅れた応答は制御ループの原理から生じる結果であり、これは、実際のレンズ位置の所望の位置からの顕著なずれが決定されたときのみに操作された変数を確立することができて、且つこれより、位置ずれの発生後のみに補正動作を取ることができる。

高く動的な動きシーケンスを許容するための良く知られた方法は、パイロット制御の原理に基づいている。ここでは、制御ループ特性及び軌道の知識を使って、所望の値に到達する前であっても操作された変数が生成され、その結果として、軌道点が、顕著な変位無しに高く動的な方法で到達されることができる。

独国特許出願公開第１０２０１４１０１４７７号明細書 欧州特許出願公開第２３０２４３３号明細書

このタイプのパイロット制御のための必要条件は動きの性質に対する洞察であり、これは現代のＮＣシステムでは問題ではないが、それ自身で自立したレーザ加工ヘッドに対しては、この情報に対する標準化された通信チャンネルが無いために可能ではない。

上記を考慮して、本発明の目的は、ワークピースを加工するために動作レーザビームの焦点を制御する方法及び装置、ならびにそのような装置を備えたレーザ加工ヘッドを提供することであって、高く動的なマシンの動きの場合でさえも作動焦点位置を正確に維持するために、加速度によるレンズ位置のその所望の位置からのずれを可能な最小の値に制限することを可能にすることである。

この目的は、請求項１にしたがった方法、請求項４にしたがった装置、及び請求項７にしたがったレーサ加工ヘッドによって達成される。本発明の有益な実施形態及びさらなる発展は、従属請求項に記述されている。

それゆえ本発明によれば、光学系を所望の位置に動かして且つそれをそこに保持するために、駆動モータの電流制御ループに対する設定点が生成されて且つ出力される。光学系の光軸の方向に作用している加速度が検出され、駆動モータの電流制御ループに対する出力設定点は、検出された加速度に基づいて可変され、駆動モータが、検出された加速度によって生成された力を打ち消す付加的な力を生成する。駆動モータの電流制御ループに対する設定点は、好ましくは、モータ電流が増加されるように可変される。

駆動モータの電流制御ループに対する出力設定点の変動は、検出された加速度に従って決定された所定の値を適用することによって、特に有益な方法で実行される。

本発明に従った方法は、好ましくは、焦点及び／又は焦点距離を調整する光学系をその光学系の光軸に沿って変位するための駆動モータと、光学系をターゲット位置に動かして且つそれをそこに保持するために駆動モータの電流制御ループに対する設定点を出力する位置コントローラと、光学系の光軸の方向に作用する加速度を検出する加速度センサと、駆動モータが検出された加速度によって生成された力を打ち消す付加的な力を生成するように、駆動モータの電流制御ループに対する位置コントローラからの設定点出力を検出された加速度によって可変するパイロット制御回路と、を備える装置で実行され得る。

有益なことには、パイロット制御回路が、モータ電流が増加されるように駆動モータの電流制御ループに対する設定点が変更されるように構成されている。有益なことには、ここに比較器が設けられており、比較器には、位置コントローラによる駆動モータの電流制御ループに対する設定点、及び検出された加速度に従ってパイロット制御回路によって決定された設定点値が供給され、駆動モータの電流制御ループに対する設定点がパイロット制御回路の設定点値を適用することによって可変される。

本発明に従った方法をレーザ加工、特にレーザ溶接又はレーザ切断において実行するために、動作レーザビームの経路がそこを通ってガイドされるハウジングを有するレーザ加工ヘッドが、動作レーザビームの焦点を制御するために本発明の装置を備えており、焦点及び／又は焦点距離を調整する少なくとも一つの光学系が、レーザ加工ヘッド内の光学系の光軸に沿って変位可能である。

それゆえ本発明は、加速度センサを使用して、外部加速度の状態を検出し、光学系スライドにおける外力を補償する付加的な力を生成するためにこの情報を使用してモータ電流を直接的に増すというアイデアに基づく。外部加速度の値は、電流制御ループに外乱フィードフォワード制御として直接的に結合される。ドライブの力はモータ電流に直接的に比例するので、モータ電流の増加は、位置制御ループの制御ずれを介した遅れ無しに、外部加速度による力を直接的に打ち消す。

制御ループにおけるこのタイプの介入に対しては、操作された変数の変化を得るために制御ずれが最初に生じる必要は無く、外乱の作用に直接的に応答して反対向きの力が生成され、これにより、実際の位置のずれが最小化される。
本発明が、図面を参照して以下により詳細に、一つの例として説明される。

本発明に従ったレーザ加工ヘッドの模式的な簡略図である。 動作レーザビームの焦点を制御するために本発明に従った装置を使用する駆動モータに対する制御ループの模式的なブロック図である。

図面の様々な図において、対応する要素には同じ参照番号が付けられている。

図１に模式的に示されるように、レーザ加工ヘッド１０はハウジング１２を有し、そこを通って、動作レーザビーム１４に対する動作レーザビーム経路がガイドされる。動作レーザビーム１４は、例えば対応する光ファイバ１６を介して、レーザ加工ヘッド１０に供給される。そのハウジング１２を有するレーザ加工ヘッド１０は、例えば産業用ロボット（図示せず）のハンド１８に搭載されて、それによって、ワークピース２０に対してｘ、ｙ、及びｚ方向にガイドされることができる。

ハウジング１２に対する動作レーザビーム１４のフォーカス２２の点又は位置を調整するために、光学系２４が、その光軸２６の方向に変位可能に配置されている。

図１では模式的に単一のレンズとして示されているが、レンズシステムとして構成されることもでき、且つその光軸２６の方向にスライド又は同様のもの（図示せず）に配置されている光学系２４を変位させるために、駆動モータ２８（図２を参照）が設けられている。これは、図１では二重矢印としてのみ示されている。レーザ加工ヘッド１０のハウジング１２における光学系２４の点又は位置を検出するために変位センサ３０が設けられており、その出力Ａは、駆動モータ２８を制御する制御回路３２に供給されて、光学系２４をその光軸２６に沿って、すなわちシステムのｚ方向に、その所望の位置まで常に動かして、且つそこに保持する。

示されていない方法で、動作レーザビーム１４をコリメートするための他の光学系がレーザ加工ヘッド１０に設けられ得て、その光学系は、光ファイバ１６の光出口表面をイメージングする。このコリメータ光学系もまた、駆動モータによって動作レーザビーム１４をフォーカスし且つ／又はフォーカスサイズを調整するための光学系２４と同様の方法で、その光軸に沿って動かされることができる。

ワークピース２０に対する動作レーザビーム１４のフォーカス２２の位置が主として、産業用ロボットのｚ方向に沿ったレーザ加工ヘッドの変位によって調整される一方で、レーザ加工ヘッド１０のハウジング１２に対する動作レーザビーム１４の焦点及び焦点距離は、駆動モータによる光学系２４及び／又はコリメート光学系（図示せず）の変位によって、行われる。

図２に示されるように、制御回路３２は、変位センサ３０によって実際の位置が供給される比較器回路３６に、所望の位置に対する設定点を提供する所望の位置調整器３４を備えている。これより、比較器回路３６は、もし適用可能であれば位置ずれを決定し、それを位置コントローラ３８に供給し、これが、電流制御ループ４０に対する仕様を他の比較器回路４２に供給する。電流制御ループ４０は、比較器回路４２からの出力信号がモータ電流を調整するための設定点として供給される電流コントローラ４４と、電流コントローラ４４によって制御されるアクチュエータ４６と、を備えており、このアクチュエータがモータ電流を調整する。

レーザ加工ヘッド１０に、特にｚ方向に作用する外部加速度、すなわち光学系２４の光軸２６に沿って且つスライドなどの上に作用する加速度を検出するために、加速度センサ４８が設けられており、その出力は、線Ｂによって模式的に示されているように、制御ループ３２でパイロット制御回路５０に供給される。

パイロット制御回路４８は、検出された加速度に対応する設定点値を比較器４２に供給し、前記設定点値が、フィードフォワード制御として位置コントローラ３８の設定点値に直接的に加えられる。外部加速度に対応する決定された設定点値は、これより電流制御ループ４０に直接的に結合される。

駆動モータ２８による光学系２４の変位によって焦点が調整された後に、焦点位置をその所望の位置に確実に固定するために、レーザ加工ヘッド１０に特にｚ方向に、すなわち光軸２６の方向に作用する加速度が、加速度センサ４８によって検出されて、直ちにパイロット制御回路５０に提供される。検出された加速度から、パイロット制御回路５０は、光学系スライドに作用する力のような光学系２４ならびにその保持及びガイド手段に作用する力を補償するために駆動モータ２８によって印加されなければならない付加的な力を決定し、対応する設定点値を出力し、これが位置コントローラ３８の設定点に直接的に印加されて、制御回路４０がモータ電流を、それに従って増加させる。駆動モータ２８によって印加される力はモータ電流に直接的に比例するので、モータ電流の増加は、光学系２４の実際の位置のその所望の位置からのずれが最初に生じなければならないということ無しに、外部加速度による力を直接的に打ち消す力を生成する。

生じている加速度を考慮に入れた本発明に従った制御ループにおける介入のために、対応する操作された変数を得ることができる前に制御ずれが生じなければならないということは無く、外部の外乱の作用時に直ちに、すなわち外部加速度によって引き起こされた力の作用時に直ちに、反対方向の力が生成されて、光学系２４の、及びこれよりフォーカス２２の、各々の所望の位置からのずれが最小化される。

Claims (8)

1. ワークピース（２０）を加工するために動作レーザビーム（１４）の焦点を制御する方法であって、前記動作レーザビーム（１４）の前記焦点が、光学系（２４）を駆動モータ（２８）によって前記光学系（２４）の光軸（２６）に沿って変位することによって調整され、前記方法が、
   前記光学系（２４）を所望の位置に動かして且つそれをそこに保持するために、前記駆動モータ（２８）の電流制御ループ（４０）に対する設定点を生成し且つ出力するステップと、
   前記光学系（２４）の前記光軸（２６）の方向に作用している加速度を検出するステップと、
   検出された加速度によって生成された力を打ち消す付加的な力を前記駆動モータ（２８）が生成するように、前記駆動モータ（２８）の前記電流制御ループ（４０）に対する出力設定点を、検出された加速度によって可変するステップと、
   を包含する、方法。
2. 前記駆動モータの前記電流制御ループ（４０）に対する設定点が、モータ電流が増加されるように可変されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記駆動モータ（２８）の前記電流制御ループ（４０）に対する出力設定点が、検出された加速度に従って決定された設定点値を適用することによって可変されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. ワークピース（２０）を加工するために動作レーザビーム（１４）の焦点を制御する装置であって、
   前記焦点及び／又は焦点距離を調整する光学系（２４）を、前記光学系（２４）の光軸（２６）に沿って変位する駆動モータ（２８）と、
   前記光学系（２４）を所望の位置に動かして且つそれをそこに保持するために、前記駆動モータ（２８）の電流制御ループ（４０）に対する設定点を出力する位置コントローラ（３８）と、
   加速度を検出する加速度センサ（４８）と、
   検出された加速度によって生成された力を打ち消す付加的な力を前記駆動モータ（２８）が生成するように、前記駆動モータ（２８）の前記電流制御ループ（４０）に対する前記位置コントローラ（３８）からの設定点出力を、検出された加速度によって可変するパイロット制御回路（５０）と、
   を備える、装置。
5. 前記パイロット制御回路（５０）が、モータ電流が増加されるように前記駆動モータ（２８）の前記電流制御ループ（４０）に対する設定点が可変されるように構成されていることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
6. 比較器（４２）が設けられており、前記比較器（４２）に、前記位置コントローラ（３８）による前記駆動モータ（２８）の前記電流制御ループ（４０）に対する設定点、及び検出された加速度に従って前記パイロット制御回路（５０）によって決定された設定点値が供給され、前記駆動モータ（２８）の前記電流制御ループ（４０）に対する設定点が前記パイロット制御回路（５０）の設定点値を適用することによって可変されることを特徴とする、請求項４又は５に記載の装置。
7. 加速度センサ（４８）が前記光学系（２４）の光軸（２６）の方向に沿って作用する加速度を検出する、請求項４〜６のいずれか１項に記載の装置。
8. 動作レーザビームの経路がそこを通ってガイドされるハウジング（１２）を有するレーザ加工ヘッド（１０）であって、焦点及び／又は焦点距離を調整する少なくとも一つの光学系（２４）が、前記レーザ加工ヘッド（１０）内の前記光学系（２４）の光軸（２６）に沿って変位可能であり、前記レーザ加工ヘッド（１０）が、請求項４、５、６、又は７の一つに従った前記動作レーザビーム（１４）の焦点を制御する装置を備える、レーザ加工ヘッド。
   

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