JP4656058B2 - ガスレーザ発振器およびガスレーザ加工機 - Google Patents

Description

【技術分野】
本発明は、ブロワを用いたガスレーザ発振器および該ガスレーザ発振器を備えたガスレーザ加工機に関する。
【背景技術】
一般に、ガスレーザ発振器は密閉された筐体内に一対の電極を有し、前記筐体内に封入されたレーザガスをブロワによって強制的に循環している。そして、前記一対の電極によって生じる放電によって、前記レーザガスを励起し、部分反射鏡と全反射鏡によって共振され、外部に照射される。そして複数のミラーを介して加工ヘッドに送られ、加工テーブル上のワークの加工を行う。
ところで、このようなレーザ発振器においてレーザガスを循環させるブロワは一種の消耗品として扱われている。レーザ発振中に何らかの原因でブロワが停止すると、レーザガス循環が止まり、筐体内の光学部品や電極を損傷してしまう。また、レーザ加工に使用している場合は、レーザ発振器内の光学部品や電極を損傷することにより、レーザビームの品質が異常になったまま加工を続けてしまい、広範囲に加工不良を及ぼし、多大な影響がでてしまう。従来のブロアのメンテナンスとしては一般的に、定期点検時にレーザ発振器使用時間から予測されるブロア推定寿命によりブロワの劣化状態を判断していた。また、従来のブロワの異常を知る手段としては、例えば日本国特開平１−１０６４８７号公報に開示されたレーザ発振器停止時に惰性回転するブロワの電流値と惰性回転時間との関係から異常を検知する方法や、日本国２００３−１１０１７２号公報に開示されたブロアに電力を供給するインバータ部の出力電流を所定値と比較することで異常を検知する方法が知られている。
従来の推定寿命によるブロワ劣化の判断は、予防保全上から早期のブロワ交換を余儀なくしている他、定期点検時以外には発見できないないという欠点があった。また、日本国特開平１−１０６４８７号公報に開示された従来のブロアの異常検知手段では、ブロア停止時にしか異常を検知できず、発振器もしくは加工機の使用中の異常停止を防止するのは困難である。一方、日本国２００３−１１０１７２号公報に開示された従来のブロアの異常検知方法では、加工中の異常停止を防止することは可能であるが、一般的にブロワの電流値はブロワの劣化以外に、筐体内のレーザガス圧力によっても変化するので、レーザガスの圧力変化をブロワの劣化と判断してしまう欠点がある。
【発明の開示】
本発明は、上述のような問題点を解決するためになされたもので、その目的は、レーザガスの圧力変化にかかわらず、発振器もしくは加工機の使用中にフロアの劣化を検出できる装置を有したガスレーザ発振器およびガスレーザ加工機を得るものである。
本発明に係るガスレーザ発振器およびガスレーザ加工機においては、ブロワに駆動電力を供給するインバータの出力電流値を検出する電流検出手段と、筐体内のレーザガスの圧力を検出する圧力検出手段とを備え、前記電流検出手段にて検出された前記インバータの出力電流値と、前記圧力検出手段にて検出されたレーザガス圧力値と、別途記憶している前記インバータの出力電流値と前記レーザガスの圧力値との関係式を利用して前記ブロワの異常を検出するものである。
本発明は上記構成により、レーザガスの圧力変化にかかわらず、発振器もしくは加工機の使用中にブロアの劣化を検出することができる。これにより、レーザ発振器においては、レーザ発振中のブロワ異常停止を未然に防止することができ、ブロア異常停止に伴う筐体内の光学部品や電極が損傷することを大幅に低減できるという効果が得られる。また、レーザ加工機においては、レーザ加工中のブロワ異常停止を未然に防止することができ、従来のブロア異常停止に伴う広範囲に及ぶ加工不良を加工機が停止した部分のみに抑えることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施の形態１を示すレーザ発振器の側面図である。
第２図は、本発明の実施の形態１を示すレーザ発振器の正面図およびブロワ劣化を検出するための構成図である。
第３図は、レーザガス圧力とブロワ電流の関係を示すグラフの一例である。
第４図は、本発明の実施の形態１の動作を示すフローチャート図である。
第５図は、本発明の実施の形態２を示すレーザ発振器の正面図およびブロワ劣化を検出するための構成図である。
第６図は、本発明の実施の形態２の動作を示すフローチャート図である。
第７図は、実施形態３および４におけるレーザ発振器の正面図及びブロワ劣化を検出するための構成図である。
第８図は、本発明の実施の形態３の動作を示すフローチャート図である。
第９図は、本発明の実施の形態４の動作を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための最良の形態】
実施の形態１．
第１図は、本発明を実施するための実施の形態１におけるレーザ発振器の横断面を示す概略図であり、第２図はレーザ発振器の縦断面とブロワ異常を検出する装置と加工機本体部分を示したレーザ加工機の概要図である。
第１図、第２図において筐体７内にはＣＯ_２、Ｎ_２、Ｈｅなどのレーザガスが封入されている。このレーザガスは筐体７内に配置された複数のブロワ５によって矢印６方向に強制循環されている。そして、一対の電極１間の放電空間２を通過した後、高温となったレーザガスはガスダクト３を通り、熱交換器４によって冷却されるようになっている。そして冷却されたレーザガスは再び複数のブロワ５によって電極１間に還流される。そして、一対の電極１によって生じる放電によって、循環されたレーザガスを励起し、部分反射鏡２０と全反射鏡１６によって共振され、外部に照射される。そして複数のミラー２６を介して加工機本体２１内の加工ヘッド２４に送られ、加工テーブル２５上のワーク２３へ照射し、加工を行う。レーザ発振器およびレーザ加工機は制御装置１４内の発振器および加工機制御部１８によりその動作を制御される。
前記筐体７内に封入されているレーザガスの圧力は機種によって異なるが、一般的に設定値は約５０Ｔｏｒｒから約２００Ｔｏｒｒの間に設定され、設定値からのずれは±２Ｔｏｒｒ程度に収まるように保たれている。また、レーザガス交換時には０．１Ｔｏｒｒ付近まで筐体７内圧力を低下させる。筐体７内のレーザガス圧力は、レーザガス圧力検出手段であるガス圧センサ１２によってモニタしている。そして、ガス圧センサ１２の出力をレーザガス圧力比較手段である圧力比較回路１３によって、正常レーザガス圧と比較し、レーザガス圧が正常か異常かを判する。
一方、ブロワ５の駆動部は電力を供給するインバータ１０と、ブロワ電流検出手段である電流検出回路９、サーマルリレー８によって構成される。万一、焼付き等によってブロワ５に大電流が流れるとサーマルリレー８が働き、レーザ発振器が停止するようになっている。更に、電流検出回路９によってインバータ１０の出力電流を検出し、ブロア電流比較手段である電流比較回路１１によって正常電流値と比較し、電流値が正常か異常かを判断する。
ブロワ５は前述したように５０〜２００Ｔｏｒｒ程度という真空状態で高速回転しているため、蒸気圧の高い真空グリスを軸受け機構に塗布することによって、摩擦を軽減する方式を採用している。しかし、この方式でも軸受け機構の磨耗が生じることが多い。軸受け機構の磨耗が生じるとブロワの回転に必要な電流値が増加することになる。
一方、ブロワ電流の変動は前述した通り、レーザガス圧力の変動による要因もある。ここで、ブロワ電流値とレーザガス圧力との関係を第３図に示す。第３図は、発明者が本発明の検討に使用したレーザ発振器での値であるが、一般的にレーザガス圧力が増加するとブロワ電流も増加し、レーザガス圧が低くなるとブロワ電流も低下するという関係が成り立つ。
そこで、ブロワ電流が変動する要因をブロワ異常に特定するため、以下のような構成とした。圧力比較回路１３の結果出力と、電流比較回路１１の結果出力はＡＮＤ回路１５に送られＡＮＤ処理が実施される。ＡＮＤ回路１５の結果と電流検出回路９の出力とガス圧センサ１２の出力とは、制御装置１４内の比較演算部１７に送られ比較演算部１７にてブロア異常かどうか判断し、異常と判断した場合、発振器および加工機制御部１８に信号を出し発振器および加工機を停止させるとともに、警報装置１９にも信号を出しオペレータへ異常を知らせる。
次に、本実施の形態１におけるレーザ発振器およびレーザ加工機の動作について、第３図を参照しながら第４図のフローチャート図を用いて説明する。ここでは、発明者が本発明を検討したレーザ発振器の設定ガス圧５５±２Ｔｏｒｒと、第３図に示したレーザガス圧とブロア電流の関係と、第３図より求めた上記設定ガス圧に対応する設定ブロア電流３．１±０．１Ａとを例に用いる。もちろん、設定ガス圧や設定ブロア電流およびレーザガス圧とブロア電流の関係式は、適用する発振器によって適宜決定すればよく、特に上記値に限定されるものではない。
まず、電流検出回路９によってブロア電流Ｉｄを検出し検出値をブロア電流比較回路１１および比較演算部１７へ出力する。（ステップＳ０１）
次に、ガス圧センサ１２によって筐体７内のレーザガス圧Ｐｄを検出し検出値を圧力比較回路１３および比較演算部１７へ出力する。（ステップＳ０２）
次に、電流比較回路１１において電流比較回路１１に記憶されている設定ブロア電流Ｉｓ（３．１±０．１Ａ）と上記ブロア電流値Ｉｄとを比較し、電流値Ｉｄが設定ブロア電流値３．１±０．１Ａの範囲に入っていればＨｉｇｈ信号（以下Ｈ）を出力し、電流値Ｉｄが設定ブロア電流値３．１±０．１Ａの範囲に入っていなければＬｏｗ信号（以下Ｌ）をＡＮＤ回路１５へ出力する。（ステップＳ０３）
次に、圧力比較回路１３において圧力比較回路１３に記憶されている設定ガス圧Ｐｓ（５５±２Ｔｏｒｒ）と上記レーザガス圧Ｐｄとを比較し、ガス圧Ｐｄが設定ガス圧５５±２Ｔｏｒｒの範囲に入っていればＨｉｇｈ信号（以下Ｈ）を出力し、ガス圧Ｐｄが設定ガス圧５５±２Ｔｏｒｒの範囲に入っていなければＬｏｗ信号（以下Ｌ）を出力する。（ステップＳ０４）
次に、ＡＮＤ回路１５において、電流比較回路１１の出力と圧力比較回路１３の出力とをＡＮＤ処理を実施し結果を比較演算部１７へ出力する。（ステップＳ０５）
ステップＳ０５においてＡＮＤ処理の結果がＨｉｇｈ（以下Ｈ）の場合は、ブロア５は正常と判断し再びステップＳ０１よりブロア異常の監視を継続する。ステップＳ０５においてＡＮＤ処理の結果がＬｏｗ（以下Ｌ）の場合は、ブロアの異常の可能性が考えられるので、以下の処理を行う。
比較演算部１７において、比較演算部１７に記憶されているブロア電流値とレーザガス圧の関係（第３図）を用い、ステップＳ０２で検出したガス圧Ｐｄに対応する理想的なブロア電流値Ｉｃを演算する。（ステップＳ０６）
そして、比較演算部１７において、ステップＳ０１で検出したブロア電流値ＩｄがＩｃ±０．１Ａの範囲に入っていれば、ブロア５は正常と判断し再びステップＳ０１よりブロア異常の監視を継続する。ブロア電流値ＩｄがＩｃ±０．１Ａの範囲に入っていなければ、ブロア５は異常と判断し発振器および加工機制御部１８に停止信号を出すとともに、警報装置１９にも信号を出す。（ステップＳ０７）
発振器および加工機制御装置１８は発振器および加工機を停止させるとともに、警報装置１９はオペレータに警報を発する。（ステップＳ０８）
警報を受けたオペレータによりブロア５の交換を行う。（ステップＳ０９）
本実施の形態１は、以上のような構成を備え動作を実現することで、ブロワを駆動させるインバータの出力電流値とガス圧センサの出力を利用して、ブロワ電流の変動の要因であるガス圧力の要因を取り除き、ブロワの異常を確実に検出できるレーザ発振器を構成した。これにより、レーザ発振中にブロワが停止し、筐体内の光学部品や電極が損傷することを大幅に低減できるという効果が得られる。また、本発振器を用いたレーザ加工機においては、加工不良を最小限に抑えることができるという効果が得られる。
また、通常インバータに電流検出機能がついており、ブロワ電流がある一定値よりも低下した時に、アラームを出すようにしている。一方、ブロワ電流検出回路では、インバータからの出力電流を検出し、ガス圧にあった電流値でなければアラームを出すようにしている。このように、ブロワ電流を二箇所で検出する事によって、二重にインターロックをとっている。
さらには、ブロワ電流検出回路はブロワの個数分備える必要はなく、ブロワの個数にあった設定値を設定しておけば、電流検出回路は１つでよい。
実施の形態２．
ところで、実施の形態１では、レーザガス圧の異常検出とブロアの異常検出を別の動作にて行っていたが、同じ動作中に行っても良い。構成としては、第５図に示したように実施の形態１の構成図である第２図に対し、圧力比較回路１３から発振器および加工機制御部１８に停止信号を出す経路を設けたことが特徴である。その動作を第６図のフローチャート図を用いて説明する。
基本的には第４図とほぼ同じ流れであり、異なる点はステップＳ０４を新ステップＳ１４に置き換え、ステップＳ１０とステップＳ１１を新規に追加した。以下ステップＳ１４、Ｓ１０、Ｓ１１の説明を行う。
ステップＳ０３にてブロア電流の比較を行った後、圧力比較回路１３において圧力比較回路１３に記憶されている設定ガス圧Ｐｓ（５５±２Ｔｏｒｒ）と上記レーザガス圧Ｐｄとを比較し、ガス圧Ｐｄが設定ガス圧５５±２Ｔｏｒｒの範囲に入っていればＨｉｇｈ信号（以下Ｈ）を出力し、ガス圧Ｐｄが設定ガス圧５５±２Ｔｏｒｒの範囲に入っていなければガス圧異常と判断し発振器および加工機制御部１８に停止信号を出すとともに、警報装置１９にも信号を出す。（ステップＳ１４）
発振器および加工機制御部１８は発振器および加工機を停止させるとともに、警報装置１９はオペレータに警報を発する。（ステップＳ１０）
警報を受けたオペレータによりレーザガスの交換を行う。（ステップＳ１１）
本実施の形態２は、以上のような構成を備え動作を実現することで、実施の形態１と同様な効果を得ることができるとともに、さらにブロアの異常検出の過程においてガス圧の異常も検出することができ、ガス圧が異常な場合も即座に発振器および加工機を停止することができ、発振器筐体内の光学部品や電極の損傷を大幅に低減できるとともに、レーザ加工中であれば、加工不良を最小限に抑えることができるという効果を奏する。
実施の形態３．
第７図は、本発明を実施するための実施の形態３におけるレーザ発振器の縦断面とブロワ異常を検出する装置と加工機本体部分を示したレーザ加工機の概要図である。
第７図に示す通り、実施の形態３は、実施の形態１に比較し電流比較回路１１と圧力比較回路１３およびＡＮＤ回路１５を削除し、電流検出回路９の検出値とガス圧センサ１２の検出値を比較演算部１７に送り、ブロアの異常を判断する構成である。
次に、本実施の形態３におけるレーザ発振器およびレーザ加工機の動作について、第７図を参照しながら第８図のフローチャート図を用いて説明する。ここでも実施の形態１と同様に、発明者が本発明を検討したレーザ発振器の設定ガス圧５５±２Ｔｏｒｒと、第３図に示したレーザガス圧とブロア電流の関係と、第３図より求めた上記設定ガス圧に対応する設定ブロア電流３．１±０．１Ａとを例に用いる。もちろん、設定ガス圧やレーザガス圧とブロア電流の関係式や設定ブロア電流は、適用する発振器によって適宜決定すればよく、特に上記値に限定されるものではない。
まず、電流検出回路９によってブロア電流Ｉｄを検出し検出値を比較演算部１７へ出力する。（ステップＳ２１）
次に、ガス圧センサ１２によって筐体７内のレーザガス圧Ｐｄを検出し検出値を比較演算部１７へ出力する。（ステップＳ２２）
比較演算部１７において、比較演算部１７に記憶されているブロア電流値とレーザガス圧の関係（第３図）を用い、ステップ２で検出したガス圧Ｐｄに対応する理想的なブロア電流値Ｉｃを演算する。（ステップＳ２３）
そして、比較演算部１７において、ステップＳ２１で検出したブロア電流値ＩｄがＩｃ±０．１Ａの範囲に入っていれば、ブロア５は正常と判断し再びステップＳ２１よりブロア異常の監視を継続する。ブロア電流値ＩｄがＩｃ±０．１Ａの範囲に入っていなければ、ブロア５は異常と判断し発振器および加工機制御部１８に停止信号を出すとともに、警報装置１９にも信号を出す。（ステップＳ２４）
発振器および加工機制御部１８は発振器および加工機を停止させるとともに、警報装置１９はオペレータに警報を発する。（ステップＳ２５）
警報を受けたオペレータによりブロア５の交換を行う。（ステップＳ２６）
本実施の形態３は、以上のような構成を備え動作を実現することで、実施の形態１と同様な効果を得ることができるとともに、実施形態１よりも回路構成が簡単になるという利点が得られる。
実施の形態４．
ところで、実施の形態３では、検出したブロア電流値Ｉｄと算出したブロア電流値Ｉｃとを比較しブロアの異常を検出したが、検出したガス圧Ｐｄと算出したガス圧Ｐｃとを比較しブロアの異常を検出しても良い。構成としては、第７図と同一である。動作を第９図のフローチャート図を用いて説明する。
基本的には第８図とほぼ同じ流れであり、異なる点はステップＳ２３およびＳ２４を新ステップＳ３３およびＳ３４に置き換えたものである。以下ステップＳ３３、Ｓ３４の説明を行う。
比較演算部１７において、比較演算部１７に記憶されているブロア電流値とレーザガス圧の関係（第３図）を用い、ステップＳ２１で検出したブロア電流値Ｉｄに対応する理想的なガス圧Ｐｃを演算する。（ステップＳ３３）
そして、比較演算部１７において、ステップＳ２２で検出したガス圧ＰｄがＰｃ±２Ｔｏｒｒの範囲に入っていれば、ブロア５は正常と判断し再びステップＳ２１よりブロア異常の監視を継続する。ガス圧ＰｄがＰｃ±２Ｔｏｒｒの範囲に入っていなければ、ブロア５は異常と判断し発振器および加工機制御部１８に停止信号を出すとともに、警報装置１９にも信号を出す。（ステップＳ３４）
本実施の形態４は、以上のような構成を備え動作を実現することで、実施の形態１と同様な効果を得ることができるとともに、実施形態１よりも回路構成が簡単になるという利点が得られる。
【産業上の利用可能性】
以上のように、この発明に係るガスレーザ発振器およびガスレーザ加工機は、特に長時間ブロアを連続運転して発振もしくは加工を行うガスレーザ発振器およびガスレーザ加工機に用いられるのに適している。

Claims (4)

1. 密閉された筐体と、
   前記筐体内に封入されたレーザガスと、
   前記レーザガスに放電を発生させる一対の電極と、
   前記レーザガスを前記電極間に流すブロワと、
   前記ブロワに駆動電力を供給するインバータの出力電流値を検出する電流検出手段と、
   前記筐体内の前記レーザガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記電流検出手段にて検出された前記インバータの出力電流値と、前記圧力検出手段にて検出されたレーザガス圧力値との関係式を記憶し、前記圧力検出手段にて検出されたレーザガス圧力値と前記関係式から理想の出力電流値を算出し、前記理想の出力電流値と前記電流検出手段にて検出された実際の出力電流値とを比較し、前記ブロワの異常を検出する制御装置とを備えたことを特徴とするレーザ発振器。
2. 前記インバータの出力電流値と設定出力電圧値とを比較する電流比較手段と、
   前記圧力検出手段にて検出されたレーザガス圧力値と設定ガス圧値とを比較する圧力比較手段と、
   前記電流比較手段と前記圧力比較手段とのそれぞれの結果をＡＮＤ処理するＡＮＤ回路とを備え、
   前記ＡＮＤ回路にて前記電流比較手段と前記圧力比較手段それぞれの結果のいずれかが設定値から外れていると判断された場合、前記制御装置にてブロア異常を判断することを特徴とする請求の範囲１に記載のガスレーザ発振器。
3. 密閉された筐体と、
   前記筐体内に封入されたレーザガスと、
   前記レーザガスに放電を発生させる一対の電極と、
   前記レーザガスを前記電極間に流すブロワと、
   前記ブロワに駆動電力を供給するインバータの出力電流値を検出する電流検出手段と、
   前記筐体内の前記レーザガスの圧力を検出する圧力検出手段と、
   前記電流検出手段にて検出された前記インバータの出力電流値と、前記圧力検出手段にて検出されたレーザガス圧力値との関係式を記憶し、前記電流検出手段にて検出された前記インバータの出力電流値と前記関係式から理想のレーザガス圧力値を算出し、前記理想のレーザガス圧力値と前記圧力検出手段にて検出された実際のレーザガス圧力値とを比較し、前記ブロアの異常を検出する制御装置を備えたことを特徴とするガスレーザ発振器。
4. 密閉された筐体と、
   前記筐体内に封入されたレーザガスと、
   前記レーザガスに放電を発生させる一対の電極と、
   前記レーザガスを前記電極間に流すブロワとを設けたガスレーザ発振器により加工を行うガスレーザ加工機において、
   前記ガスレーザ発振器は請求の範囲１から３のいずれかに記載のガスレーザ発振器であることを特徴とするガスレーザ加工機。

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