JP4262973B2 - Irradiation energy control method in laser processing - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーの出力量を調節しながら走査し、かつ照射して、表面の薄膜の除去や、表面改質、部材自体の一部を除去する加工、燒結・溶融造形等を行うレーザー加工において、高精度、高機能加工を実現するために、レーザーヘッド、又は加工テーブルの移動速度が変化しても、単位時間、単位面積当りの照射エネルギー密度が一定となるようにレーザーエネルギーを制御する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
数値制御部におけるプログラムによって設定される移動指令により、レーザーの照射エネルギーを選択しながら走査し、かつ照射して、表面の薄膜の除去や、表面改質、部材自体の一部を除去する加工、燒結・溶融造形等を行うレーザー加工において、
（１）．レーザー出力を行う時間の制御、
（２）．レーザー出力に伴う走査の経路、及び走査部の位置決め制御、
（３）．レーザー照射エネルギーに対する走査部の速度を入力としたことによる制御
が加工時の寸法精度や機能・特性に大きな影響を与えることは、周知の事実である。
【０００３】
前記（３）の照射エネルギーの制御において、加工装置固有の特性、及び加工条件により、照射エネルギーの量が変化するため、その都度、適切な速度の条件を設定することを必要とする。
【０００４】
同一の加工装置の場合にも、例えば照射エネルギーが一定という条件の下に、同一照射スポット径のレーザー加工を行うならば、加速・減速領域では、速度が変化するため単位時間、及び単位面積当りのレーザー照射エネルギーは変化する。
【０００５】
このような単位時間、及び単位面積当りの照射エネルギー密度が変化した場合には、加工ムラが発生し、寸法精度の劣化や、機能・特性の劣化、ばらつきが生じ、特に速度が零となる領域、又は零付近の領域では、単位時間、及び面積当りの照射エネルギー密度が極端に過多になるために精度・機能不良部領域が大きく発生する傾向にある。
【０００６】
このような精度・機能不良領域の発生に対処するため、従来技術においても、図４のブロック線図に示すように走査部が設けられているレーザーヘッド、または加工テーブルの移動位置を計測器等で検出し、検出時間と当該位置との関係に基づいて、照射エネルギー制御部において、速度を演算し、当該演算された速度に基づいて、照射エネルギーを調整することによって、単位時間、及び単位面積当りのエネルギー密度を一定とするように、演算の推移にしたがって照射エネルギーの制御を行っていた。
【０００７】
しかし、図４のように、レーザーヘッド、または加工テーブルの移動位置をフィードバックして演算された速度をレーザー出力制御部に入力するという従来技術の方式では、必然的に、前記のような演算を行う時間を必要とし、ひいては演算された速度によって移動している時期と、当該速度に基づいて制御を行っている時期との間には、時間遅れが生じ、速度に同期した適性なレーザー加工ができず、精度不良や機能不良が発生していた。
【０００８】
このような時間的な遅れを原因として、図４に示す従来技術の方式では、速度変化が多い複雑な加工においては、高精度、高機能によるレーザー加工が不可能であり、後の工程において修正しなければならない工数が増大するという傾向を免れることができなかった。
【０００９】
【関連特許１】
特開平０５−１３８３７４
【関連特許２】
特開平７−４５４９６
【関連特許３】
特開２０００−２１０７８２
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の如き従来技術の欠点を克服し、従来技術よりも簡単な方法でありながら、レーザーヘッド、または加工テーブルにおける速度と、照射エネルギーの制御との間に、前記従来技術の如き時間遅れを克服し、速度変化を伴う複雑な加工においても、単位時間、及び単位面積当りのエネルギー密度を略一定とするような照射エネルギーの制御を可能とし、ひいては、高精度、高機能加工を行い得るような照射エネルギー制御方法を提供することを課題としたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の構成は、数値制御部におけるプログラムによって設定されたレーザーヘッド、又は被加工材を積載するための加工テーブル等に設けたレーザー走査部における３次元方向の速度成分を、ベクトル合成したことによる大きさの速度（ｖ）を指令速度として、照射エネルギー制御部に入力する際、照射エネルギー（Ｅ）を最大値の一定量とし、しかも照射面における単位面積あたりのエネルギー密度（ｅ）を、略一定とするために、速度（ｖ）に対する指令とレーザーヘッド、または加工テーブルに対する移動位置に対する指令とをプログラムにおいて予め設定されている単位時間に基づく各時刻毎に同期して行い、速度（ｖ）が最大値の一定量に至る時期と前記移動位置がレーザースポット径（ｄ）を一定とするような時期とを同期させながら照射エネルギー制御部に入力することを特徴とするレーザー加工における照射エネルギー制御方法からなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
照射するレーザーエネルギーをＥとし、照射面におけるレーザースポット径をｄとし、レーザー走査部の３次元のベクトル合成による大きさの速度をｖとし、単位時間、単位面積当りのエネルギー密度をｅとした場合、
ｅ≒Ｋ・Ｅ／（ｄ・ｖ）……（１）
という近似式が成立するものとされている。
【００１３】
尚、係数Ｋは実験によって求められる値であって、被加工対象物によっては、速度（ｖ）の函数となることが判明している。
【００１４】
前記（１）式において、照射エネルギー（Ｅ）を一定とし、レーザーヘッド、または加工テーブルの速度（ｖ）が加速、定速、減速の３段階を経た場合には、前記（１）式によるレーザーエネルギー（Ｅ）、速度（ｖ）、単位時間、及び単位面積当りのエネルギー密度（ｅ）の状態は、図３によって表現されることになる。
【００１５】
前記（１）式は、あくまで近似式であって、実際のｅ、Ｅ、ｄ、ｖとの関係は、相当複雑な関係であるが、何れにせよ、レーザーエネルギーｅは、前記Ｅ、ｄ、ｖをパラメーターとして変化することになる。
【００１６】
このような場合、Ｋ、ｄ、Ｅの値が一定であるならば、速度ｖを前記解決手段の項において記載したように、数値制御部７におけるプログラム（以下「ＮＣプログラム」と略称する。）によって、予め設定されている所定の単位時間に基づいて、各時刻毎に指令されるレーザー走査部の３次元方向のベクトル合成に基づく大きさの速度（ｖ）に基づいて、当該各時刻毎の照射エネルギー（ｅ）を算出することによって、前記従来技術の場合のような時間遅れを伴わずに、単位時間、及び単位面積当りのエネルギー密度（ｅ）を一定とすることを目的とする照射エネルギー制御を実現することができる。
【００１７】
即ち、前記実施形態においては、図５のブロック図に示すように、ＮＣプログラムが設定した３次元方向の各速度成分を、数値制御部７の演算によってベクトル合成による大きさの速度（ｖ）を得た上で、駆動を行う為のサーボアンプにて増幅されたうえで、直接照射エネルギー制御部に入力されるので、従来技術の場合のような時間遅れを防止しているので、よりいっそう正確に前記エネルギー密度（ｅ）を一定とすることを目的とする制御が可能となる。
【００１８】
一般に、走査部の速度が零の状態から一定速度に至るまでの段階では、図６に示すように、次第に加速される第一ジャーク領域（０≦ｔ≦ｔ１）、最大加速領域（ｔ１≦ｔ≦ｔ２）、順次減速する第二ジャーク領域（ｔ２≦ｔ≦ｔ３）の各領域によって区分される状態を示している。
【００１９】
前記各領域は、以下のような一般式によって表現することができる。
【００２０】
第一ジャーク領域(ｔ≦ｔ１) ：ｖ＝Ｊ・ｔ２/２
最大加速領域(ｔ１≦ｔ≦ｔ２） ：ｖ＝Ｊｔ１・(ｔ−ｔ１/２)
第二ジャーク領域(ｔ２≦ｔ≦ｔ３)
：ｖ＝Ｊ・{ｔ・(ｔ１−ｔ/２+ｔ２)−(ｔ１ ２+ｔ２ ２)/２}
（但し、Ｊ：予めプログラムによって設定された加加速度）
………（２）
前記（２）式のように、走査部の速度変化が生ずる場合においても、図５のブロック図に示すような照射エネルギー制御を行っている本発明の場合においては、当該速度変化に対応して、従来技術のような時間遅れを克服した状態にて照射エネルギー制御を行うことができる。
【００２１】
本発明においては、速度（ｖ）をＮＣプログラムにおいて予め設定されている単位時間に基づく各時刻毎に指令し、かつ当該プログラムによって設定されており、かつレーザースポット径（ｄ）を左右するレーザーヘッド、または加工テーブルに対する指令移動位置についても、前記各時刻毎に指令することによって、前記速度と前記指令移動位置とを同期させながら照射エネルギー制御部に入力しているので、上記高精度、高機能による加工による効果は、著しく向上することになる。
【００２２】
但し、本発明においては、ＮＣプログラムによって、単位時間に基づく各時刻毎に、速度（ｖ）が段階的に変化した状態にて照射エネルギー制御部に入力され、当該各時刻毎の照射エネルギー（Ｅ）を算出しているため、照射エネルギー（Ｅ）もまた、デジタル量による段階状の出力として発生され、アナログ量による連続状態による出力とはなっていない。
【００２３】
したがって、より高精度の制御を行うためには、ＮＣプログラムにおける単位時間を、可能な限り短時間にすることが望ましい。
【００２４】
図７は、本発明の実施形態による方法を実現する場合の金属粉末の光造形複合加工機の外観を示す。
【００２５】
前記加工機は、材料タンク側３から材料粉末６を造形タンク・テーブル４側へ、かき板５を移動させることによって、０．０２〜０．０５ｍｍ程度の材料粉末６層を形成し、その後レーザートーチ１から、材料粉末６を燒結・溶融するために必要な所定のエネルギー密度のレーザーを照射し、３次元形状を造形している。
【００２６】
上記のような実施形態による加工機においては、３次元方向（ＸＹＺ方向）に移動するための指令を行うＮＣプログラムが、数値制御部７に内蔵されており、当該数値制御部７においては、ＮＣプログラムの指令に基づく３次元方向の速度成分をベクトル合成することによって、各時間、及び位置に対応した速度を演算し、かつ所定の単位時間に基づく各時刻毎に、演算した速度をレーザーエネルギー制御部に入力している。
【００２７】
以下、実施例にしたがって説明する。
【００２８】
【実施例１】
レーザーヘッド、又は光造形タンク・テーブル４等の移動に伴う慣性、更には移動に関する初期設定条件等により、所定の単位時間毎に設定した加工プログラムによる移動速度（ｖ）と、照射エネルギー（Ｅ）とが、従来技術のような時間遅れが生じていないとしても、正確に同期していない状態、即ち出力される照射エネルギーの時間上の位相が入力される速度の位相よりも進んでいるか、又は遅れている状態が発生することがある。
【００２９】
このような場合には、加工プログラムによって設定された速度の変化が開始する段階、及び完了する段階において、照射されるレーザーエネルギー密度の過不足が発生し、加工不良が発生しやすい状態となる。
【００３０】
図１（ａ）は、速度（ｖ）の方が、出力される照射エネルギー（Ｅ）よりも位相が遅れている場合を示し、図１（ｂ）は、速度（ｖ）が、出力される照射エネルギー（Ｅ）よりも位相が進んでいる場合を示すが、このような同期しない状態、及びその程度は、レーザー加工機の種類とその構造によって左右される。
【００３１】
実施例１においては、ＮＣプログラムによって各所定時刻毎に設定され、かつベクトル合成による演算の結果による速度（ｖ）を、対応する各時刻毎に、ストレートに照射エネルギー制御部に入力するのではなく、当該速度（ｖ）から、当該各時刻より所定単位数だけ前（過去）の時刻における速度（ｖ’）を差し引いたことによる速度差（ｖ−ｖ’）を設定し、当該速度差（ｖ−ｖ’）に、実験によって算出された各レーザー加工機固有の補正係数Ｑを掛け合わせたことによる速度を単位とする補正量（Ｑ（ｖ−ｖ’））、当該速度（ｖ）から差し引いたことによる補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））を、プログラムにおいて予め設定されている単位時間に基づく各時刻毎に指令し、かつ当該プログラムによって設定された出力される照射エネルギー（Ｅ）についても、前記各時刻毎に指令することによって、前記速度（ｖ）と前記指令移動位置とを同期させ、当該補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））を、前記（１）式の算出を目的として、照射エネルギー制御部にインプットすることによって、制御を行っている。
【００３２】
前記補正係数Ｑについては、前記のように同期させた場合の補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））の最大値に至る時刻と、照射エネルギー（Ｅ）が最大に至る時刻とが一致するような数値を以下に述べるような実験によって確認している。
【００３３】
前記補正係数Ｑの絶対値による数値は、各時刻より前の時刻の単位数によって左右され、単位数が１である場合には、補正係数Ｑの絶対値もまた、大抵の場合１よりも小さくなっており、単位数がｎの場合には、補正係数Ｑの絶対値による数値もまた、ｎよりも、大抵の場合小さい値となっている。
【００３４】
時間（ｔ）を基準とした場合、図１（ａ）に示すように、速度（ｖ）の位相が、照射エネルギー（Ｅ）の位相よりも遅れている場合には、Ｑは、正の数値であって、所定の単位数だけ前（過去）の時刻による速度（ｖ’）と、前記補正係数Ｑによって補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））を入力することによって、結果的には、位相が進んだ状態にある前の時刻による速度（ｖ’）の影響を増大するように正の数値Ｑを増大することによって、照射エネルギー（Ｅ）と、入力する補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））との位相を一致させ、同期を得ている。
【００３５】
逆に、図１（ｂ）に示すように、速度（ｖ）の位相がレーザーエネルギー（Ｅ）の位相よりも進んでいる場合には、補正係数Ｑは、負の数値であって、所定の単位数だけ前（過去）の時刻による速度（ｖ’）と、補正係数Ｑによる補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））によって、位相が進んだ状態にある前の時刻による速度（ｖ’）の影響によって進んだ位相を減殺するように負の補正係数Ｑを小さくすること（負の絶対値を大きくすること）によって、照射エネルギー（Ｅ）と、入力する補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））との位相を一致させ、同期を得ている。
【００３６】
尚、前記所定単位の時間だけ前の速度（ｖ’）を設定する場合の、「所定単位」の数としては、１単位内である場合が多いが、必ずしも１単位に限定される訳ではなく、３単位程度の時間だけ前の速度（ｖ’）を設定することによっても、前記位相のずれを修正することが可能である。
【００３７】
図１（ａ）、（ｂ）のような時間上の位相のずれが生じている場合において、実施例１による補正速度を採用することによって、図１（ｃ）のように、照射エネルギー（Ｅ）の位相と、レーザーヘッドの速度の位相とを一致させた状態を得ることができる。
【００３８】
【実施例２】
前記（１）式に示すように、レーザー出力（Ｅ）と速度（ｖ）とは、概略比例関係にある。
【００３９】
そして、実施例１において図１（ｃ）に示すように、レーザー出力（Ｅ）と（ｖ）とが同期している場合は、走査の直後、及び終了直前の段階では、レーザーヘッドの速度（ｖ）が零に近い段階が到来するが、他方では、ＮＣプログラムは所定の単位時間による時刻毎に段階的に３方向の速度成分を指令する以上、当該速度成分に対するベクトル合成による速度もまた、段階的に演算され、レーザーヘッドが実際に移動している速度が零近辺の場合には、零自体ではないにも拘らず、照射エネルギー制御部に対し、零による指令速度として入力され、当該入力に基づく演算結果として、照射エネルギーもまた零として出力されることを避けることができない。
【００４０】
ことろが、走査の開始直後、及び終了直前において、速度（ｖ）が零付近の段階であっても、微小なレーザーエネルギー（Ｅ）を必要としており、前記のように、速度（ｖ）を零として入力され、かつ照射エネルギー（Ｅ）が零として出力された場合には、適切な条件による加工が不可能となり、加工精度・機能において、不良が発生せざるを得ない。
【００４１】
実施例２においては、速度（ｖ）がレーザーエネルギー制御部にインプットされている段階におけるレーザーエネルギー（Ｅ）の下限値（Ｅ１）を設定し、図２に示すように、速度（ｖ）が零、又は零付近であったとしても、下限エネルギー（Ｅ１）によるレーザーの照射が可能となるように設定している点において、特徴を有している。
【００４２】
当該下限エネルギー（Ｅ１）は、照射エネルギー制御部に入力される速度（ｖ）が、数値制御部におけるプログラムの各時刻毎の指令に基づいて、当初の零の状態から最初に零を超えた段階における最小値に対応した照射エネルギー（Ｅ）であることが理論上望ましいが、必ずしも当該照射エネルギーに限定される訳ではない。
【００４３】
実際には、前記下限エネルギー（Ｅ１）は、個別の装置に対応した実験によって適切な量を求めることができる。
【００４４】
そして、図２に示すような速度（ｖ）が零に近い時間的領域は、レーザーヘッド等の加工部における熱伝導の程度によって左右されるので、当該熱伝導の程度を考慮したうえで、前記下限エネルギー（Ｅ１）を設定すると良い。
【００４５】
このような実施例２においては、速度（ｖ）が、零又は零付近であっても、下限値のエネルギー（Ｅ１）によって、レーザー光の照射ができる。
【００４６】
但し、途中停止はアラーム（異常）停止が生じても、前記下限エネルギー（Ｅ１）によるレーザー光の照射が継続されることになるので、このような停止段階では、別途、元のレーザーエネルギーを最低とするか、又はレーザー出力自体を零とするなどの安全対策を講ずると良い。
【００４７】
【発明の効果】
このように、本発明においては、従来技術の場合のように、速度（ｖ）の、照射エネルギー（Ｅ）に対する時間遅れを克服し、双方の時間上の位相を概略同期させながら単位時間、及び単位面積当りのエネルギー密度（ｅ）を一定とした上で、高精度・高機能の加工を実現することが可能となる。
【００４８】
しかも、前記効果は、比較的簡単な構成によって実現することが可能である。
【００４９】
このように、本発明は、多面的な価値を有しており、その存在意義は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施例１における速度（ｖ）と、照射エネルギー（Ｅ）との関係を示しており、（ａ）は速度（ｖ）が照射エネルギー（Ｅ）よりも位相が遅れている場合を示しており、（ｂ）は前記位相が進んでいる場合を示しており、（ｃ）は実施例１の構成によって、相互の位相が同期している場合を示している。
【図２】 実施例２の構成に基づく示すグラフである。
【図３】 前記（１）式において、照射エネルギー（Ｅ）を一定とした場合の速度（ｖ）、照射エネルギー（Ｅ）、及び前記エネルギー密度（ｅ）の状態を示すグラフである。
【図４】 従来技術によって照射エネルギーの制御を行うブロック線図である。
【図５】 本発明の基本原理によって照射エネルギー制御を行うブロック線図である。
【図６】 前記（２）式による速度変化の状況を示すグラフである。
【図７】 本発明をも実現し得る金属粉末の光造形複合加工機の外観を示す見取り図である。
【符号の説明】
１：レーザートーチ
２：回転主軸
３：材料タンク
４：造形タンク・テーブル
５：かき板
６：材料粉末
７：数値制御部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention is a laser processing that performs scanning and irradiation while adjusting the output amount of the laser to perform removal of a thin film on the surface, surface modification, removal of a part of the member itself, sintering / melting molding, etc. In order to realize high-precision and high-functional processing, the laser energy is controlled so that the irradiation energy density per unit time and unit area is constant even if the moving speed of the laser head or processing table changes. It is about the method.
[0002]
[Prior art]
By scanning and irradiating while selecting the laser irradiation energy according to the movement command set by the program in the numerical controller, removal of the surface thin film, surface modification, processing to remove part of the member itself, In laser processing, such as sintering and melt molding,
(1). Control the time for laser output,
(2). Scanning path associated with laser output and scanning unit positioning control,
(3). It is a well-known fact that the control by inputting the speed of the scanning unit with respect to the laser irradiation energy has a great influence on the dimensional accuracy, function and characteristics during processing.
[0003]
In the control of the irradiation energy of (3), the amount of irradiation energy changes depending on the characteristics unique to the processing apparatus and the processing conditions. Therefore, it is necessary to set an appropriate speed condition each time.
[0004]
Even in the case of the same processing equipment, for example, if laser processing with the same irradiation spot diameter is performed under the condition that the irradiation energy is constant, the speed changes in the acceleration / deceleration region, so the unit time and unit area The laser irradiation energy changes.
[0005]
When the irradiation energy density per unit time and unit area changes in this way, processing irregularities occur, resulting in deterioration of dimensional accuracy, deterioration of function / characteristics, and variation, especially when the speed is zero. In an area near zero, the irradiation energy density per unit time and area is extremely excessive, and thus there is a tendency that a large area of accuracy and malfunction is generated.
[0006]
In order to cope with the occurrence of such an accuracy / functional failure area, the moving position of the laser head provided with the scanning unit or the processing table as shown in the block diagram of FIG. In the irradiation energy control unit, the velocity is calculated based on the relationship between the detection time and the position, and the irradiation energy is adjusted based on the calculated velocity. The irradiation energy was controlled according to the transition of the calculation so that the energy density per unit was constant.
[0007]
However, as shown in FIG. 4, in the conventional technique of inputting the speed calculated by feeding back the moving position of the laser head or the processing table to the laser output control unit, the above calculation is necessarily performed. Time is required, and as a result, there is a time lag between the time when it is moving at the calculated speed and the time when it is controlled based on the speed, and appropriate laser processing synchronized with the speed is performed. Inability to do so resulted in poor accuracy and malfunction.
[0008]
Due to such a time delay, the conventional method shown in FIG. 4 cannot perform laser processing with high precision and high function in complicated processing with many speed changes, and can be corrected in a later process. The tendency to increase the man-hours that had to be done could not be avoided.
[0009]
[Related Patent 1]
JP 05-138374 A
[Related Patent 2]
JP 7-45496 A
[Related Patent 3]
JP2000-210784A
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention overcomes the drawbacks of the prior art as described above, and is a simpler method than the prior art, but between the speed in the laser head or processing table and the control of irradiation energy, as in the prior art. Overcoming time delays, even in complex machining with speed changes, it is possible to control the irradiation energy so that the energy density per unit time and unit area is substantially constant, which enables high-precision and high-performance machining. It is an object to provide an irradiation energy control method that can be performed.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the configuration of the present invention is a three-dimensional velocity component in a laser scanning unit provided in a laser head set by a program in a numerical control unit or a processing table for loading a workpiece. and the velocity (v) a command velocity magnitude due to the vector synthesis, when inputting the irradiation energy control unit, the irradiation energy (E) and with an amount of a maximum value, yet the energy per unit area on the irradiated surface In order to make the density (e) substantially constant, the command for the speed (v) and the command for the moving position with respect to the laser head or processing table are synchronized at each time based on the unit time preset in the program. When the speed (v) reaches a certain amount of the maximum value and the moving position makes the laser spot diameter (d) constant. Consisting irradiation energy control method in a laser processing, characterized in that input to the irradiation energy controller while synchronizing the so that a time.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
When the laser energy to irradiate is E, the laser spot diameter on the irradiated surface is d, the velocity of the size of the laser scanning unit by the three-dimensional vector synthesis is v, and the energy density per unit time and unit area is e ,
e ≒ K ・ E / (d ・ v) …… (1)
It is assumed that the following approximate expression holds.
[0013]
The coefficient K is a value obtained through experiments, and it has been found that this is a function of the speed (v) depending on the workpiece.
[0014]
In the above formula (1), when the irradiation energy (E) is constant and the speed (v) of the laser head or processing table goes through three stages of acceleration, constant speed and deceleration, the laser according to the formula (1) The states of energy (E), speed (v), unit time, and energy density (e) per unit area are represented by FIG.
[0015]
The equation (1) is an approximate equation, and the actual relationship with e, E, d, and v is a fairly complicated relationship, but in any case, the laser energy e is the E , d, It will change with v as a parameter.
[0016]
In such a case, if the values of K, d, and E are constant, the speed v is a program in the numerical controller 7 (hereinafter abbreviated as “NC program”) as described in the section of the solution. Based on a predetermined unit time set in advance, based on the velocity (v) of the magnitude based on vector synthesis in the three-dimensional direction of the laser scanning unit commanded at each time, for each time By calculating the irradiation energy ( e ), the irradiation energy for the purpose of making the energy density (e) per unit time and unit area constant without causing a time delay as in the prior art. Control can be realized.
[0017]
That is, in the above-described embodiment, as shown in the block diagram of FIG. 5, the velocity component (v) having a magnitude obtained by vector synthesis is calculated for each velocity component in the three-dimensional direction set by the NC program by calculation of the numerical controller 7. After being obtained and amplified by a servo amplifier for driving, it is directly input to the irradiation energy control unit, so the time delay as in the case of the prior art is prevented, making it even more accurate. In addition, it is possible to perform control aimed at keeping the energy density (e) constant.
[0018]
In general, in a stage from the state where the speed of the scanning unit reaches zero to a constant speed, as shown in FIG. 6, the first jerk region (0 ≦ t ≦ t 1 ) that is gradually accelerated and the maximum acceleration region (t 1). ≦ t ≦ t 2 ) and the second jerk region (t 2 ≦ t ≦ t 3 ) that sequentially decelerates.
[0019]
Each region can be expressed by the following general formula.
[0020]
First jerk region (t ≦ t 1): v = J · t 2/2
Maximum acceleration region (t 1 ≦ t ≦ t 2 ): v = Jt 1 · (t-t 1/2)
Second jerk region (t2 ≦ t ≦ t3)
: V = J · {t · (t 1 −t / 2 + t 2 ) − (t 1 2 + t 2 2 ) / 2}
(However, J: jerk set in advance by the program)
……… (2)
Even in the case where the speed change of the scanning unit occurs as in the above equation (2), in the case of the present invention in which the irradiation energy control is performed as shown in the block diagram of FIG. Irradiation energy control can be performed in a state of overcoming the time delay as in the prior art.
[0021]
In the present invention, the laser head that commands the speed (v) at each time based on the unit time set in advance in the NC program, and is set by the program , and affects the laser spot diameter (d). Also, the command movement position with respect to the processing table is also input to the irradiation energy control unit while synchronizing the speed and the command movement position by commanding at each time, so that the above high accuracy and high function The effect of processing by means of remarkably improved.
[0022]
However, in the present invention, the NC program is input to the irradiation energy control unit in a state where the speed (v) changes stepwise at each time based on the unit time, and the irradiation energy (E ) Is calculated, the irradiation energy (E) is also generated as a stepped output by a digital amount, and is not an output by a continuous state by an analog amount.
[0023]
Therefore, in order to perform control with higher accuracy, it is desirable to make the unit time in the NC program as short as possible.
[0024]
FIG. 7 shows an external appearance of a metal powder stereolithography processing machine for realizing a method according to an embodiment of the present invention.
[0025]
The processing machine forms the material powder 6 layer of about 0.02 to 0.05 mm by moving the scraper 5 from the
[0026]
In the processing machine according to the embodiment as described above, an NC program for giving a command for moving in the three-dimensional direction (XYZ direction) is built in the numerical control unit 7. By combining the velocity components in the three-dimensional direction based on the program command, the velocity corresponding to each time and position is calculated, and the calculated velocity is laser energy controlled at each time based on a predetermined unit time. Is input to the department.
[0027]
Hereinafter, it demonstrates according to an Example.
[0028]
[Example 1]
Movement speed (v) and irradiation energy (E) according to the processing program set for each predetermined unit time according to the inertia associated with the movement of the laser head or the optical modeling tank / table 4 and the initial setting conditions for the movement. Even if there is no time delay as in the prior art, the phase is not exactly synchronized, i.e. the temporal phase of the output irradiation energy is ahead of the input velocity phase, or A delayed condition may occur.
[0029]
In such a case, excess and deficiency of the irradiated laser energy density occurs at the stage where the change in speed set by the machining program starts and at the stage where it is completed, resulting in a state where machining defects are likely to occur.
[0030]
FIG. 1A shows a case where the phase of the speed (v) is delayed from the output irradiation energy (E), and FIG. 1B shows the speed (v) being output. Although the case where the phase is ahead of the irradiation energy (E) is shown, such a state where the phase is not synchronized and the degree thereof depend on the type of laser processing machine and its structure.
[0031]
In the first embodiment, the velocity (v) set at each predetermined time by the NC program and the result of the calculation by vector synthesis is not directly input to the irradiation energy control unit at each corresponding time. , A speed difference (v−v ′) obtained by subtracting a speed (v ′) at a time (previous) a predetermined number of units before each time is set from the speed (v), and the speed difference (v -V ') and a correction amount (Q (v-v')) obtained by multiplying a correction coefficient Q specific to each laser processing machine calculated by experiment, and subtracting from the speed (v) It was that the corrected speed of (v-Q (v-v ')), irradiation energy commands for each time based on the unit time is set in advance in the program, and is output as set by the program (E) for also by command for each of the respective times, the velocity (v) and is synchronized with said command movement position, the correction velocity (v-Q (v-v ')) , said (1 For the purpose of calculating the formula (1) , control is performed by inputting to the irradiation energy control unit.
[0032]
As for the correction coefficient Q, the time when the correction speed (vQ (v−v ′)) when synchronized as described above reaches the maximum value coincides with the time when the irradiation energy (E) reaches the maximum. Such numerical values have been confirmed by experiments as described below .
[0033]
The numerical value based on the absolute value of the correction coefficient Q depends on the number of units of time before each time. When the number of units is 1, the absolute value of the correction coefficient Q is also usually smaller than 1. When the number of units is n, the numerical value based on the absolute value of the correction coefficient Q is also usually smaller than n.
[0034]
When time (t) is used as a reference, as shown in FIG. 1A, when the phase of speed (v) is delayed from the phase of irradiation energy (E), Q is a positive numerical value. In this case, by inputting the speed (v ′) at the previous (past) time by a predetermined number of units and the correction speed (vQ (v−v ′)) by the correction coefficient Q, as a result Increases the irradiation energy (E) and the input correction speed (v−Q) by increasing the positive numerical value Q so as to increase the influence of the speed (v ′) at the previous time when the phase is advanced. (V−v ′)) and the phase are matched to obtain synchronization.
[0035]
On the contrary, as shown in FIG. 1B, when the phase of the velocity (v) is ahead of the phase of the laser energy (E), the correction coefficient Q is a negative numerical value, The speed (v ') at the previous time in which the phase is advanced by the speed (v') at the previous (past) time by the number of units and the correction speed (vQ (v-v ')) by the correction coefficient Q. By reducing the negative correction coefficient Q (increasing the negative absolute value) so as to reduce the phase advanced by the influence of '), the irradiation energy (E) and the input correction speed (v-Q ( The phase is matched with that of vv ′)) to obtain synchronization.
[0036]
Note that the number of “predetermined units” when the speed (v ′) preceding the predetermined unit time is set is often within one unit, but is not necessarily limited to one unit. It is also possible to correct the phase shift by setting the previous speed (v ′) by a time of about 3 units.
[0037]
In the case where there is a time phase shift as shown in FIGS. 1A and 1B, by adopting the correction speed according to the first embodiment, as shown in FIG. 1C, the irradiation energy (E ) And the phase of the velocity of the laser head can be obtained.
[0038]
[Example 2]
As shown in the equation (1), the laser output (E) and the velocity (v) are in a roughly proportional relationship.
[0039]
In the first embodiment, as shown in FIG. 1C, when the laser outputs (E) and (v) are synchronized, the speed of the laser head (in the stage immediately after the scanning and immediately before the end) v) is near zero, but on the other hand, the NC program commands speed components in three directions step by step for a predetermined unit time. When the speed at which the laser head is actually moving is near zero, it is input as a command speed by zero to the irradiation energy control unit even though it is not zero itself. As a result of calculation based on, it is inevitable that the irradiation energy is also output as zero.
[0040]
Of course, immediately after the start of scanning and immediately before the end, even if the velocity (v) is near zero, a minute laser energy (E) is required, and as described above, the velocity (v) When it is input as zero and the irradiation energy (E) is output as zero, processing under appropriate conditions becomes impossible, and a defect must be generated in processing accuracy and function.
[0041]
In Example 2, the lower limit (E 1 ) of the laser energy (E) when the speed (v) is input to the laser energy control unit is set, and the speed (v) is set as shown in FIG. Even if it is zero or near zero, it is characterized in that it is set so that laser irradiation with the lower limit energy (E 1 ) is possible.
[0042]
The lower limit energy (E 1 ) is such that the velocity (v) input to the irradiation energy control unit first exceeds zero from the initial zero state based on the command at each time of the program in the numerical control unit. Although it is theoretically desirable that the irradiation energy (E) corresponds to the minimum value in the stage, it is not necessarily limited to the irradiation energy.
[0043]
In practice, the lower limit energy (E 1 ) can be determined in an appropriate amount by experiments corresponding to individual devices.
[0044]
And the time region where the velocity (v) is close to zero as shown in FIG. 2 depends on the degree of heat conduction in the processing part such as a laser head. The lower limit energy (E 1 ) should be set.
[0045]
In the second embodiment, the laser beam can be irradiated with the lower limit energy (E 1 ) even when the velocity (v) is zero or near zero.
[0046]
However, even if an alarm (abnormal) stop occurs during the stop, the irradiation of the laser beam with the lower limit energy (E 1 ) is continued, so in such a stop stage, the original laser energy is separately supplied. It is advisable to take safety measures such as minimizing or setting the laser output itself to zero.
[0047]
【The invention's effect】
Thus, in the present invention, as in the case of the prior art, the time delay of the velocity (v) with respect to the irradiation energy (E) is overcome, and the unit time and It is possible to realize high-precision and high-function processing while keeping the energy density (e) per unit area constant.
[0048]
Moreover, the effect can be realized with a relatively simple configuration.
[0049]
As described above, the present invention has a multifaceted value, and its existence significance is tremendous.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows the relationship between speed (v) and irradiation energy (E) in Example 1, wherein (a) shows a case where the phase of speed (v) is delayed from irradiation energy (E). (B) shows the case where the phase is advanced, and (c) shows the case where the phases are synchronized by the configuration of the first embodiment.
FIG. 2 is a graph based on the configuration of Example 2.
FIG. 3 is a graph showing the state of speed (v), irradiation energy (E), and energy density (e) when the irradiation energy (E) is constant in the equation (1).
FIG. 4 is a block diagram for controlling irradiation energy according to a conventional technique.
FIG. 5 is a block diagram for performing irradiation energy control according to the basic principle of the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a state of speed change according to the equation (2).
FIG. 7 is a sketch showing the external appearance of a metal powder stereolithography machine that can also implement the present invention.
[Explanation of symbols]
1: Laser torch 2: Rotating spindle 3: Material tank 4: Modeling tank / table 5: Scaffold 6: Material powder 7: Numerical control unit
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