JP2656991B2 - レーザ制御装置 - Google Patents

レーザ制御装置

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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ発振器を制御するレーザ制御装置に関
し、特にレーザ発振器の保守情報を表示するレーザ制御
装置に関する。
〔従来の技術〕
CO2ガスレーザ等のガスレーザ発振器は高効率で高出
力が得られ、ビーム特性も良いので、数値制御装置と結
合されたNCレーザ装置として金属加工等に広く使用され
るようになった。このようなガスレーザ発振器において
は、発振効率を向上させるために、レーザ発振を行って
高温になったレーザガスを充分再冷却する必要がある。
このため、レーザガスを絶えずルーツブロワ等の送風機
で冷却器を通して装置内を循環させている。
しかし、この送風機によりレーザガスが高速で循環し
ている送風系内部には、送風機の軸受け部に使用されて
いる潤滑剤、例えばグリースまたはオイルが封入されて
おり、この潤滑剤が送風系に微量であるが混入する。ま
た、レーザ発振器を製造する場合においても偶発的に送
風系内部にSi(シリコン)、Fe(鉄)を主成分とする塵
埃等が混入する。
混入した潤滑剤、塵埃等は送風系を経由してレーザ共
振器を構成する光学部品の表面に付着し、光学部品の反
射率または透過率を低下させる。
また、レーザ共振器に使用されている光学部品、特に
出力鏡を構成する誘電体コーティングは光耐力が弱いた
めに、これらの潤滑剤、塵埃等が付着しない場合におい
てもレーザ発振とともに誘電体が剥離する。
このような原因により、レーザ発振効率は稼働時間と
ともに低下する。第6図はレーザの稼働時間とレーザ発
振効率の関係を示す図である。第6図の横軸はレーザ発
振器の稼働時間hであり、縦軸はレーザ発振効率ηであ
る。ここで、レーザ発振効率ηは励起入力に対するレー
ザ出力値を%で表している。レーザ発振効率ηが下限レ
ーザ発振効率ηlになる時Tcで、レーザ発振器の光学部
品の清掃等をすべき警告が表示装置に表示することが行
われている。このような例として特開平1−271081号が
ある。この警告を見たオペレータはレーザ発振器内部の
光学部品の清掃を警告が発生した後、速やかに実施しな
ければならない。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかし、オペレータはレーザ発振装置を起動してみ
て、始めて警告を知ることとなる。通常、オペレータは
レーザ発振装置を使用してレーザ加工の予定を長期的に
立てているため、突然発生する警告に対して、直ちに光
学部品の清掃、交換を実施することが不可能な場合が多
い。
この結果、ともすれば光学部品の清掃や交換がなおざ
りになり、レーザ発振器は指令出力と実際に出射される
レーザ出力が一致するように入力電力を増加させ、過大
な負担がレーザ励起用電源にかかる。さらに、このよう
な状況が長く続くと、レーザ励起電源や放電管等の破壊
に至る場合も生じていた。
これらの対策として注入電力をクランプする機能を追
加することも考えられるが、レーザ励起電源や放電管が
破壊されるのが防止できるが、光学部品の清掃は積極的
に実施されないまま、光学部品の清掃で初期性能を回復
するものが、交換をしなければならない程度まで劣化し
てしまうような結果となる。
また、このような警告が発生する前に光学部品の清掃
を行う為に注意深くレーザ発振器のレーザ発振効率を起
動毎に確認し、下限レーザ発振効率ηlより高い、レー
ザ発振効率η1を目安にクリーニングを行うことも可能
である。
第7図はレーザ発振効率の変化の異なる2つの特性曲
線を示す図である。各軸の意味は第6図と同じである。
効率特性曲線Cでは効率η1から稼働時間haで下限レー
ザ発振効率ηlに達する。一方、効率特性曲線Bでは、
発振効率η1から下限レーザ発振効率ηlに到達するま
では長時間となる。従って、特性曲線Bの場合は光学部
品を清掃しなくも良いのに清掃をすることになる。
本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、
レーザ発振器の起動時にレーザ発振効率を計算し、これ
らのデータから下限レーザ発振効率に到達する時間を推
定して、表示するレーザ制御装置を提供することを目的
とする。
〔課題を解決するための手段〕
本発明では上記課題を解決するために、 高周波電圧による励起入力によって励起されるレーザ
発振器を制御するレーザ制御装置において、前記レーザ
発振器のレーザ出力を測定するレーザ出力測定手段と、
前記励起入力と、レーザ出力からレーザ発振効率を計算
する効率計算手段と、複数の前記レーザ発振効率を基
に、レーザ発振効率の効率特性曲線を生成する特性曲線
生成手段と、前記効率特性曲線から、下限レーザ発振効
率までの稼働可能時間を計算する稼働時間計算手段と、
前記稼働可能時間を表示する表示装置と、を有すること
を特徴とするレーザ制御装置が、提供される。
〔作用〕 効率計算手段は、レーザ励起入力とレーザ出力からレ
ーザ発振効率を計算する。このレーザ発振効率をレーザ
発振器の起動時毎に求め、これらのデータから効率特性
曲線を求める。稼働時間計算手段は効率特性曲線から、
下限レーザ発振効率までの稼働可能時間を計算する。こ
の稼働可能時間は表示装置に表示される。
従って、オペレータはレーザ発振器内部の光学部品の
清掃時期を正確に予知することが可能になる。これによ
って、事前に光学部品の清掃を実施する計画を立てるこ
とが出来るので、光学部品のメインテナンスが確実に、
また速やかに行われる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第2図は本発明の一実施例のレーザ制御装置のハード
ウエアの構成を示したブロック図である。図において、
プロセッサ1は図示されていないROMに格納された制御
プログラムに基づいて、メモリ10に格納された加工プロ
グラムを読み出し、NCレーザ装置全体の動作を制御す
る。出力制御回路2は内部にD/Aコンバータを内蔵して
おり、プロセッサ1から出力された出力指令値を電流指
令値に変換して出力する。励起用電源3は商用電源を整
流した後、スイッチング動作を行って高周波の電圧を発
生し、電流指令値に応じた高周波電流を放電管4に供給
する。なお、励起用電源3の出力電圧及び高周波電流は
出力制御回路2を経由して、プロセッサ1によって読み
取れるように構成されている。この出力電圧及び高周波
電流は後述の励起入力の計算に使用される。
放電管4の内部にはレーザガス19が循環しており、励
起用電源3から高周波電圧が印加されると放電を生じて
レーザガス19が励起される。
リア鏡5は反射率99.5%のゲルマニウム(Ge)製の
鏡、出力鏡6は反射率65%のジンクセレン(ZnSe)製の
鏡であり、これらはファブリペロー型共振器を構成し、
励起されたレーザガス分子から放出される10.6μmの光
を増幅して一部を出力鏡6からレーザ光7として外部に
出力する。
出力されたレーザ光7は、後述するシャッタ23aが開
いている時には、ベンダミラー8で方向を変え、集光レ
ンズ9によって0.2mm以下のスポットに集光されてワー
ク17の表面に照射される。
メモリ10は加工プログラム、各種のパラメータ等を格
納する不揮発性メモリであり、バッテリバックアップさ
れたCMOSが使用される。なお、この他にシステムプログ
ラムを格納するROM、一時的にデータを格納するRAMがあ
るが、本図ではこれらを省略してある。
位置制御回路11はプロセッサ1の指令によってサーボ
アンプ12を介してサーボモータ13を回転制御し、ボール
スクリュー14及びナット15によってテーブル16の移動を
制御し、ワーク17の位置を制御する。図では1軸のみを
表示してあるが、実際には複数の制御軸がある。表示装
置18にはCRT或いは液晶表示装置等が使用される。
送風機20にはルーツブロワが使用され、レーザガス19
を冷却器21a及び21bを通して循環する。冷却器21aはレ
ーザ発振を行って高温となったレーザガス19を冷却する
ための冷却器であり、冷却器21bは送風器20による圧縮
熱を除去するための冷却器である。
シャッタ制御回路22はプロセッサ1の指令に基づいて
シャッタ23aを開閉する。シャッタ23aは表面に金メッキ
が施された銅板またはアルミ板で構成されており、閉時
には出力鏡6から出力されたレーザ光7を反射してビー
ムアブソーバ23bに吸収させる。シャッタ23aを開くとレ
ーザ光7がワーク17に照射される。
パワーセンサ24は熱電あるいは光電変換素子等で構成
され、リア鏡5から一部透過して出力されたレーザ光を
入力してレーザ光7の出力パワーを測定する。A/D変換
器25はパワーセンサ24の出力をディジタル値に変換して
プロセッサ1に入力する。
第1図は本発明の一実施例のレーザ制御装置の稼働可
能時間を求める機能を達成するためのブロック図であ
る。パワーセンサ24によって測定されたレーザ出力はAD
変換器25でディジタル値に変換されて、メモリ10に格納
される。一方、励起用電源3の出力電圧及び高周波電流
もメモリ10に読み込まれる。このレーザ出力、出力電
圧、高周波電流はレーザの立ち上がり時毎に記憶されて
いく。効率計算手段31はこの出力電圧及び高周波電流か
ら励起入力を求め、この励起入力とレーザ出力からレー
ザ発振効率を求める。特性曲線生成手段32はこのレーザ
発振効率から特性曲線を生成する。稼働時間計算手段33
は特性曲線から下限レーザ発振効率に到達するまでの稼
働可能時間を計算して、表示装置18に表示する。
第3図は本発明の処理のフローチャートである。図に
おいて、Sに続く数値はステップ番号を示す。
〔S1〕効率計算手段31はメモリ10のレーザ出力を読み取
り、励起用電源3の出力電圧、高周波電流から励起入力
を求める。この励起入力とレーザ出力からレーザ発振効
率を求める。
〔S2〕特性曲線生成手段32はこれらのレーザ発振効率か
ら、特性曲線を生成する。特性曲線については後述す
る。
〔S3〕稼働時間計算手段33は、この特性曲線から、下限
レーザ発振効率ηlに到達するまでの稼働可能時間を計
算する。
〔S4〕この稼働可能時間を表示装置18に表示する。な
お、効率計算手段31、特性曲線生成手段32、稼働時間計
算手段33はソフトウェアで構成される。
なお、稼働可能時間を越えて、レーザ装置が運転され
ているときは、その旨の警告を表示装置18に表示すると
ともに、オペレータへの警告音を発生する警告音発生装
置を設けることもできる。
第4図は特性曲線の例を示す図である。第4図では横
軸はレーザ発振器の稼働時間h、縦軸はレーザ発振効率
ηである。特性曲線Aは稼働時間とともに、レーザ発振
効率が低下していく様子を表している。今、点Pbの位置
にあるものとすると、稼働可能時間hr経過後に下限レー
ザ発振効率ηlに到達するものと推定できる。特性曲線
Aは一般に、 A=K・exp(−αt) で表すことができる。ここで、Kは定数、αは減衰定数
である。
第5図は第4図のB部の詳細を示す図である。ここで
は、点Pbでのレーザ発振効率をNとし、一回前のレーザ
発振効率を(N−1)とし、8回前のレーザ発振効率を
(N−8)で表している。これらの点を回帰分析によ
り、回帰曲線として、 A=K・exp(−αt) を満足するようにK、αを求める。
また、これらのレーザ発振効率のデータは連続に取ら
ずに、1個おき、あるいは2個おき毎にとるように、複
数個のデータから任意に抽出、選択できるようにするこ
ともできる。
上記の説明では、下限レーザ発振効率ηlに到達する
までの稼働可能時間を表示装置に表示することで説明し
たが、一般に一回当たりの稼働時間は一定である場合が
多いので、一回当たりの稼働時間から、使用可能な起動
回数を計算して、前記表示装置に表示するようにするこ
ともできる。
上記の説明では、CO2ガスレーザ装置のレーザ発振効
率を例に説明したが、光励起型固体レーザの場合には励
起光を発生させる励起入力と、励起ランプの出力との効
率に対して、同様に適用することができる。すなわち、
上記のように特性曲線を求め、励起ランプの寿命を表示
することができる。また、励起用にレーザダイオードを
使用する場合も、レーザダイオードを一定時間毎に交換
する必要があるので、同様に、レーザダイオードに注入
される注入電力と、レーザ出力から発振効率を求め、稼
働可能時間を計算して、表示装置に表示することができ
る。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明では、レーザ発振効率か
ら、特性曲線を求め、稼働可能時間を計算して表示する
ように構成したので、オペレータは残りの稼働可能時間
を正確に把握することができ、光学部品の清掃等を確実
に実施することができる。
また、的確にメインテナンスができるので、光学部品
の劣化、破損を防止できる。
さらに、本発明は固体レーザの励起ランプ、レーザダ
イオード等の交換等にも適用でき、同様の効果を得るこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例のレーザ制御装置の稼働可能
時間を求める機能を達成するためのブロック図、 第2図は本発明の一実施例のレーザ制御装置のハードウ
エアの構成を示したブロック図、 第3図は本発明の処理のフローチャート、 第4図は特性曲線の例を示す図、 第5図は第4図のB部の詳細を示す図、 第6図はレーザの稼働時間とレーザ発振効率の関係を示
す図、 第7図はレーザ発振効率の変化の異なる2つの特性曲線
を示す図である。 1……プロセッサ 3……励起用電源 4……放電管 10……メモリ 18……表示装置 24……パワーセンサ 31……効率計算手段 32……特性曲線生成手段 33……稼働時間計算手段

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高周波電圧による励起入力によって励起さ
    れるレーザ発振器を制御するレーザ制御装置において、 前記レーザ発振器のレーザ出力を測定するレーザ出力測
    定手段と、 前記励起入力と、レーザ出力からレーザ発振効率を計算
    する効率計算手段と、 複数の前記レーザ発振効率を基に、レーザ発振効率の効
    率特性曲線を生成する特性曲線生成手段と、 前記効率特性曲線から、下限レーザ発振効率までの稼働
    可能時間を計算する稼働時間計算手段と、 前記稼働可能時間を表示する表示装置と、 を有することを特徴とするレーザ制御装置。
  2. 【請求項2】前記励起入力は、放電励起型ガスレーザの
    場合には放電電流と印加電圧との積による電力によって
    決定することを特徴とする請求項1記載のレーザ制御装
    置。
  3. 【請求項3】前記励起入力は、光励起型固体レーザの場
    合には励起光を発生させる励起ランプの励起入力、ある
    いはレーザダイオードの励起入力とすることを特徴とす
    る請求項1記載のレーザ制御装置。
  4. 【請求項4】前記レーザ出力測定手段はレーザ発振器を
    構成するリア鏡から透過して出射されるレーザ光を測定
    するように構成したことを特徴とする請求項1記載のレ
    ーザ制御装置。
  5. 【請求項5】前記稼働可能時間とともに、あるいは単独
    で、一回当たりの稼働時間から、使用可能な起動回数を
    計算して、前記表示装置に表示することを特徴とする請
    求項1記載のレーザ制御装置。
  6. 【請求項6】前記効率特性曲線が回帰曲線であることを
    特徴とする請求項1記載のレーザ制御装置。
  7. 【請求項7】前記回帰曲線が指数関数曲線であることを
    特徴とする請求項6記載のレーザ制御装置。
  8. 【請求項8】前記回帰曲線を生成するために使用するデ
    ータを前記複数個のデータから任意に抽出、選択できる
    ように、前記特性曲線生成手段を構成したことを特徴と
    する請求項6記載のレーザ制御装置。
  9. 【請求項9】前記稼働可能時間を越えたときに、警告表
    示を前記表示画面に表示し、同時に警告音を発する警告
    音発生装置を備えたことを特徴とする請求項1記載のレ
    ーザ制御装置。
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