JP2519928B2

JP2519928B2 - レ−ザ加熱装置の熱量制御方法

Info

Publication number: JP2519928B2
Application number: JP62122493A
Authority: JP
Inventors: 邦博斉藤
Original assignee: Nippei Toyama Corp
Current assignee: Nippei Toyama Corp
Priority date: 1987-05-21
Filing date: 1987-05-21
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JPS63290697A

Description

【発明の詳細な説明】発明の技術分野本発明は、レーザを熱源として加熱対象に切断、焼き
入れあるいは溶接などの加工を行う際に、レーザのパワ
ーを制御し、熱量を時間の経過とともに適切な値に制御
する方法に係る。

従来技術例えば特開昭58−161396号の発明は、はんだ付けの熱
源として、レーザビームを用い、レーザのエネルギーや
その照射時間、およびはんだの供給速度やタイミングな
どを予め設定し、標準的なシーケンスに基づいて、プロ
グラム制御を実行している。

ところが、このようなプログラム制御では、同一仕様
の電子部品でも、加熱部分の熱容量が製品ごとに異なっ
ているため、個々の電子部品について最適な加熱特性が
得られなくなる。

そこで、特許出願人は、特願昭61−137708号の発明
で、レーザの照射過程で、加熱対象の温度を一定の時間
ごとに測定し、その測定結果と目標の温度との大小関係
の程度に応じ、レーザパワーの指令値に適切な係数を掛
けることによって、レーザパワーの修正を行うことを提
案している。このような修正方法によると、製品とごに
熱容量が異なっていても、ある程度の範囲で追従が可能
である。

しかし、一方で、加熱対象の種類が変化したときな
ど、目標の温度と実際の温度との差、つまり偏差が予定
の偏差よりも大きく外れてしまうと、実際の温度が目標
の温度に到達しないままの状態となる。すなわち、加熱
対象の熱容量が大きく変化するか、または予測外の熱的
な外乱が作用すると、目標の時間温度変化曲線が得られ
ないことになる。

もっとも、上記の発明は、レーザはんだ付けのみを対
象としているため、そのような不都合は現実に発生しな
いものの、このようなレーザ加熱が他の加工分野例えば
溶接や焼き入れ、あるいは切断などに用いられると、加
熱対象の熱的状態が加工対象に応じて大きく変動するた
め、上記の修正方法は、そのまま利用できないことにな
る。

発明の目的したがって、本発明の目的は、加熱対象の熱的特性や
加熱過程での外乱に応じて、レーザパワーの値を大きな
範囲で柔軟に修正できるようにし、加熱対象を目標の時
間温度変化曲線に沿って、忠実に追従できるようにする
ことである。また、本発明の他の目的は、このような熱
量の制御過程で、加熱状態の良否を簡単に判別できるよ
うにすることである。

発明の解決手段そこで、本発明は、修正すべき時点で、前回の温度上
昇勾配とそれに対応するレーザパワー値とから、次回の
目標温度に対応する次回のレーザパワー値を演算により
求め、この求められた次回のレーザパワー値に基づい
て、現在のレーザパワー値を修正するようにしている。
ここで、次回のレーザパワー値は、具体例によれば、実
際の温度上昇曲線の偏角によって、比例式を基礎として
求められる。

また、加熱状態の良否は、制御過程でのレーザパワー
値の積分値を標準の積分値と比較することにより、ある
いは各時点のレーザパワー値と予め設定した標準の許容
誤差とを比較することによって、プログラムの分野で簡
単に判断できる。

加熱装置の一例第１図は、レーザ加熱装置１の概要を示している。

このレーザ加熱装置１は、加熱対象２を加熱するため
に、レーザ発振器３を備えており、また加熱対象２の加
熱点2aの温度を測定するために、温度センサー４を備え
ている。上記レーザ発振器３は、レーザ制御器５の制御
下に置かれ、レーザを光学系６を介して加熱対象２の加
熱点2aに向けて照射する。一方、温度センサー４は、例
えば赤外線センサーなどの温度検出端７で加熱点2aの温
度を非接触状態で測定する。

そして、上記レーザ制御器５は、主制御装置８によっ
て制御される関係にある。すなわち、この主制御装置８
は、入力側で温度センサー４のほか、入力装置９にも接
続されており、また出力側でレーザ制御器５のほか、デ
ィスプレイ10に接続されており、また外部メモリ11にも
双方向的に接続されている。

そして、本発明の熱量制御方法は、上記主制御装置８
のプログラムによって実行される。

本発明の熱量制御方法。

第２図ないし第４図は、本発明の熱量制御方法を主制
御装置８のプログラムとして表している。

まず、第２図は準備段階のフローチャートを示してい
る。まず、プログラムの開始段階で、オペレータは、初
期値として目標温度Ta_i（ｉ＝１、２・・ｎ）サンプリ
ング時刻ｉ（ｉ＝１、２・・ｎ）、係数などを入力して
から、レーザをオンの状態に設定するとともに、サンプ
リングのためのサンプリング用のカウンタをオンとし、
さらに温度測定開始の指令を与える。

これらの入力値は、必要に応じ、ディスプレイ10によ
って表示される。また、このときの目標温度Ta_iは、第
５図Ａに示すように、サンプリング時刻ｉに対応する目
標温度Ta_iとして、時間温度変化曲線上に表される。

このあと、制御プログラムは、本発明の方法に基づい
て、第３図のフローチャートを実行していく。

あるサンプリング時刻ｉにおいて、現在の温度が測定
され、続いて測定温度T_i-2、T_i-1、T_iおよび目標温度Ta
_i+1が読み込まれる。その次の段階で、次回のレーザパ
ワー値P_iが演算により求められる。

そのときの演算式は、第６図Ａ、Ｂから、下記のよう
にして求められる。

まず、時点での偏角α_i、α_i-1は、温度勾配の差とし
て、次のようにして求められる。

α_i＝（Ta_i+1−T_i）／Δｔ−（T_i−T_i-1）／Δｔ α_i-1＝（T_i−T_i-1）／Δｔ−（T_i-1−T_i-2）／Δｔまた、補正量ΔP_iは、比例関係から次式で計算でき
る。

α_i-1：ΔＰ_i-1＝α_i：ΔP_i ΔP_i＝α_i・ΔP_i-1／α_i-1 ……（１）結局、求めるレーザパワー値P_iは、下記で与えられ
る。

P_i＝P_i-1＋ΔP_i ＝P_i-1＋α_i・ΔP_1-i／α_i-1 ……（２）次の段階で、そのレーザパワー値P_iは、適当な係数を
掛けた状態で、主制御装置８からレーザ制御器５に、補
正のための指令値として送り込まれるため、レーザ制御
器５は、その新たなレーザパワー値P_iに基づいて、レー
ザ発振器３のレーザパワーを第５図Ｂおよび第６図Ｂの
ように修正していく。

このあと、測定温度T_iおよびレーザパワー値P_iは、外
部メモリ12に転送され、そこで記憶される。

このような過程の後に、全部のサンプリング回数が終
了したかどうかの判断（ｉ＞ｎ）が行われ、まだサンプ
リング時間が残っているときには、以上の一連のプログ
ラムを次の新たなサンプリング時刻ｉ＋１について繰り
返す。しかし、全サンプリング回数が終了したときに
は、加熱動作を終了するために、レーザオフ、サンプリ
ング用のカウンタオフの状態に設定され、また温度測定
指令も取り残され、温度測定終了となる。

このようなあとに、第４図の加熱状態の判別プログラ
ムが開始される。まず、最初に主制御装置８は、外部メ
モリ12からレーザパワー値P_iを順次読み出し、それぞれ
のレーザパワー値P_iについて標準の許容範囲にあるかど
うかの判断を順次進めていく。全てのサンプリング時刻
ｉについて実際のレーザパワー値P_iが第５図Ｃのように
許容範囲内（P₁＜P_i＜P₂）に納まっているとき、加熱状
態が正常と判断される。しかし、あるサンプリング時に
ついて、実際のレーザパワー値P_iが許容範囲から外れて
いるときには、主制御装置８は、その状態を判断し、例
えばディスプレイ10によって、そのときのサンプリング
時刻ｉとともに異常状態を表示する。

次に、実際のレーザパワー値P_iの全ての和が求めら
れ、それが標準の範囲内（ΣP₁＜ΣP_i＜ΣP₂）にあるか
どうかの判断がなされる。レーザパワー値P_iの全ての和
が標準の範囲内にあるとき、加熱状態は正常と判断され
る。しかし、その範囲外になったとき、加熱状態は異常
状態と判断され、ディスプレイ10によって異常信号が表
示された後、一連のプログラムが終了する。

このようにして、加熱状態は、それぞれのサンプリン
グ時間ごとの実際のレーザパワー値P_iとそのときの許容
範囲との比較、およびレーザパワー値P_iの総和と標準の
値との比較によって行われるが、これらはいずれか一方
のみが行われれば足りる。また、これらの２つの判断過
程で、双方が異常の状態となったときに、実際の加熱状
態が異常であると判断することもできる。

発明の効果本発明では、サンプリングの時刻で、前回の加熱状態
から次回の目標の加熱状態を考慮しながら、レーザパワ
ーの補正が順次行われていくため、加熱対象の熱容量が
急変しても、あるいは加熱過程で大きな熱的外乱が作用
したときでも、レーザの補正が柔軟に対応して目標値に
追従するため、実際の加熱状態の温度が目標の時間温度
変化曲線に沿った状態で正確に制御できる。また、加熱
過程の終了後に、レーザパワーと標準値との比較によっ
て、加熱状態の良否が自動的に判別できるため、加熱状
態の確認が過去の熱的特性の変化から容易に判別でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザ加熱装置のブロック線図、第２図ないし
第４図は熱量制御方法のフローチャート図、第５図は時
間温度変化曲線および時間レーザパワー変化曲線のグラ
フ、第６図はレーザパワー値演算式の説明図である。１……レーザ加熱装置、２……加熱対象、３……レーザ
発振器、４……温度センサー、５……レーザ制御器、６
……光学系、７……温度検出端、８……主制御装置、９
……入力装置、10……ディスプレイ、11……外部メモ
リ。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加熱点にレーザを照射し、その加熱点の温
度を時間温度変化曲線に沿って加熱するレーザ加熱装置
において、加熱点の温度を所定の時間ごとに順次測定す
る温度測定過程と、予め設定してある時間温度変化曲線
上での現在および次回の目標温度を読み込みかつ前回の
測定温度を読み出す読み出し過程と、前回の測定温度、
現在の測定温度、現在の目標温度および次回の目標温度
から次回のレーザパワー値を計算により求める演算過程
と、この演算過程で求められたレーザパワー値に基づい
てレーザパワー値を修正する補正過程とからなることを
特徴とするレーザ加熱装置の熱量制御方法。
【請求項２】一定の時間ごとに指定されたレーザパワー
値のすべての和がある標準の値の範囲内にあるとき、正
常加熱と判断し、その範囲外にあるとき、異常過熱の状
態と判断することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
載のレーザ過熱装置の熱量制御方法。
【請求項３】所定時間ごとに指定されたレーザパワー値
が予め設定してある標準のパワー時間変化曲線の許容誤
差範囲内にあるとき、加熱正常状態と判断し、範囲外に
あるとき、異常過熱の状態と判断することを特徴とする
特許請求の範囲第１項記載のレーザ加熱装置の熱量制御
方法。