JP6363661B2

JP6363661B2 - レーザ制御装置、方法及びプログラム

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Publication number: JP6363661B2
Application number: JP2016146481A
Authority: JP
Inventors: 龍介宮田
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2016-07-26
Filing date: 2016-07-26
Publication date: 2018-07-25
Anticipated expiration: 2036-07-26
Also published as: CN107658679B; JP2018018895A; US20180034232A1; DE102017212569B4; DE102017212569A1; US10230209B2; CN107658679A

Description

本発明は、レーザ発振器を制御する装置、方法及びプログラムに関する。

従来、加工可能な状態のレーザ加工機において、レーザ発振器の故障が発生した場合に、故障箇所の拡大を防ぐための保護手法が用いられている。例えば、レーザ発振器の故障が生じた際にはレーザ出力が低下するため、この出力低下現象を検出してレーザ発振を停止することで発振器の故障箇所が拡大することを防ぐ技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

ところが、レーザ発振がパルス波形の電圧指令による場合、レーザ出力値を正確に求めることが難しく、また、パルスのオン時間が検出周期よりも短いとレーザ出力値を正確に検出できない。
そこで、パルス波形の１周期当たりの積分値を回路で求め、パルスの出力とする提案（例えば、特許文献２参照）がされている。

特開２００３−２２４３１６号公報特開平８−３１６５５８号公報

しかしながら、パルス波形の周期が長い場合には、積分値により出力低下を判定できるまでの時間が長く掛かるため、故障箇所の拡大を防ぐ効果が十分ではなかった。

本発明は、レーザ発振器が故障した場合に、短時間で出力を停止できるレーザ制御装置、方法及びプログラムを提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ制御装置（例えば、後述のレーザ制御装置２０）は、レーザ発振器（例えば、後述のレーザ発振器１０）から出力された光強度の実瞬間値に対して１次遅れフィルタを掛ける平均化回路（例えば、後述の平均化回路２１２）と、前記平均化回路により得られた第１のフィルタ値に対して、所定の処理周期毎に１次遅れフィルタを掛けて第２のフィルタ値を算出するデータ処理部（例えば、後述のデータ処理部２２２）と、前記レーザ発振器への出力指令値に基づいて、出力低下基準値を生成する基準値生成部（例えば、後述の基準値生成部２２３）と、前記実瞬間値又は前記第２のフィルタ値を、前記出力低下基準値と比較することにより前記レーザ発振器の出力低下を判定する出力低下判定部（例えば、後述の出力低下判定部２２５）と、を備え、前記出力低下判定部は、前記出力指令値におけるパルスオン時間が前記処理周期、及び前記レーザ発振器の電源の立ち上がり時間の合計を超える場合、前記実瞬間値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定し、前記パルスオン時間が前記合計以下の場合、前記第２のフィルタ値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定する。

前記データ処理部は、前記出力指令値に基づく指令波形に対して、前記処理周期毎に１次遅れフィルタを掛けて推定平均値を算出し、前記基準値生成部は、前記パルスオン時間が前記合計以下の場合、前記推定平均値に基づく前記出力低下基準値を生成してもよい。

前記出力低下判定部は、前記パルスオン時間が前記合計を超える場合、前記電源の立ち上がり以後、前記出力指令値がピークからボトムへ切り替わるより前の期間において、前記出力低下を判定してもよい。

前記レーザ制御装置は、前記出力低下基準値を時系列に記憶する記憶部（例えば、後述の基準値記憶部２２４）を備え、前記出力低下判定部は、前記出力低下基準値として、前記記憶部に記憶された所定時間前の値を用いてもよい。

前記立ち上がり時間は、前記電源への出力指令が実行されてから、前記電源から出力される電流がピーク値の所定割合に達するまでの時間であってもよい。

本発明に係るレーザ制御方法は、レーザ発振器から出力された光強度の実瞬間値に対して平均化回路により１次遅れフィルタを掛けた第１のフィルタ値に対して、所定の処理周期毎に１次遅れフィルタを掛けて第２のフィルタ値を算出するデータ処理ステップと、前記レーザ発振器への出力指令値に基づいて、出力低下基準値を生成する基準値生成ステップと、前記実瞬間値又は前記第２のフィルタ値を、前記出力低下基準値と比較することにより前記レーザ発振器の出力低下を判定する出力低下判定ステップと、をコンピュータが実行し、前記出力低下判定ステップにおいて、前記出力指令値におけるパルスオン時間が前記処理周期、及び前記レーザ発振器の電源の立ち上がり時間の合計を超える場合、前記実瞬間値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定し、前記パルスオン時間が前記合計以下の場合、前記第２のフィルタ値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定する。

本発明に係るレーザ制御プログラムは、レーザ発振器から出力された光強度の実瞬間値に対して平均化回路により１次遅れフィルタを掛けた第１のフィルタ値に対して、所定の処理周期毎に１次遅れフィルタを掛けて第２のフィルタ値を算出するデータ処理ステップと、前記レーザ発振器への出力指令値に基づいて、出力低下基準値を生成する基準値生成ステップと、前記実瞬間値又は前記第２のフィルタ値を、前記出力低下基準値と比較することにより前記レーザ発振器の出力低下を判定する出力低下判定ステップと、をコンピュータに実行させ、前記出力低下判定ステップにおいて、前記出力指令値におけるパルスオン時間が前記処理周期、及び前記レーザ発振器の電源の立ち上がり時間の合計を超える場合、前記実瞬間値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定させ、前記パルスオン時間が前記合計以下の場合、前記第２のフィルタ値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定させる。

本発明によれば、レーザ発振器が故障した場合に、短時間で出力を停止できる。

実施形態に係るレーザシステムの機能構成を示す図である。実施形態に係る条件１における出力低下判定の手法を示す図である。実施形態に係る出力低下判定を実施する期間を示す図である。実施形態に係る条件２における出力低下判定の手法を示す図である。実施形態に係る条件１を満たす試験結果を例示する図である。実施形態に係る条件２を満たす試験結果を例示する第１の図である。実施形態に係る条件２を満たす試験結果を例示する第１の図である。

以下、本発明の実施形態の一例について説明する。
図１は、本実施形態に係るレーザ制御装置２０を含むレーザシステム１の機能構成を示す図である。

レーザシステム１は、レーザ発振器１０と、このレーザ発振器１０のレーザ発振動作を制御するレーザ制御装置２０とを備える。
また、レーザ制御装置２０は、処理回路２１と、コントローラ２２とを備える。

レーザ発振器１０は、レーザ電源１０１と、レーザ共振器１０２と、検出部１０３とを備える。
レーザ電源１０１は、レーザ発振のための電力を供給し、レーザ制御装置２０からの指令電圧に基づいて、レーザ共振器１０２へ電流を出力する。
レーザ共振器１０２は、レーザ電源１０１から供給された電流に応じて、所定の周波数のレーザ光を出力する。
検出部１０３は、レーザ共振器１０２から出力された光強度を検出し、実瞬間値としてレーザ制御装置２０へ提供する。

処理回路２１は、波形形成部２１１と、平均化回路２１２とを備える。
波形形成部２１１は、コントローラ２２から受信した出力指令値に基づいて、レーザ発振器１０へ出力する指令電圧のパルス波形を形成する。
また、波形形成部２１１は、形成したパルス波形と、パルスのオン及びオフへの指令切替え信号（ピーク：１、ボトム：０）とを、コントローラ２２へ提供する。

平均化回路２１２は、検出部１０３で検出された光強度の実瞬間値に１次遅れフィルタを掛ける回路である。これにより、設定された時定数に基づく所定期間の実瞬間値が平均化され、連続的に実平均値Ｈ（第１のフィルタ値）が出力される。

コントローラ２２は、指令部２２１と、データ処理部２２２と、基準値生成部２２３と、基準値記憶部２２４と、出力低下判定部２２５とを備える。
指令部２２１は、レーザ共振器に対する出力指令を行う。具体的には、パルス発振動作におけるピーク強度、ボトム強度、ピーク時間及びボトム時間が出力指令値として指定され、処理回路２１の波形形成部２１１に提供される。

データ処理部２２２は、処理回路２１の平均化回路２１２により得られた実平均値Ｈに対して、所定の処理周期（サンプリング周期）Ｔ１毎に１次遅れフィルタを掛けて実平均値Ｓ（第２のフィルタ値）を算出する。
また、データ処理部２２２は、波形形成部２１１により形成された指令波形に対して、実平均値Ｈと同様に、処理周期Ｔ１毎に１次遅れフィルタを掛けて推定平均値を算出する。

基準値生成部２２３は、出力指令値（ピーク強度、ボトム強度、ピーク時間、ボトム時間）に基づいて、出力低下基準値を生成する。
具体的には、例えば、ピーク強度に所定の割合（例えば、９０％）を乗じた値を第１の基準値、データ処理部２２２で算出される推定平均値に所定の割合（例えば、９０％）を乗じた値を第２の基準値とし、後述の条件に応じて、いずれかの基準値が用いられる。

基準値記憶部２２４は、基準値生成部２２３により生成された出力低下基準値を時系列に、時刻情報と共に一時記憶する。

出力低下判定部２２５は、実瞬間値又は実平均値Ｓを、出力低下基準値と比較することによりレーザ発振器の出力低下を判定し、指令部２２１に通知することによりレーザ出力を停止する。
このとき、出力低下判定部２２５は、以下の２つの条件のいずれを満たすかに応じて、比較対象データを切り替える。
なお、出力低下判定部２２５は、出力低下基準値として、基準値記憶部２２４に記憶された所定時間前の値を用いることで、比較対象データ（実瞬間値又は実平均値Ｓ）との同期を取る。

（条件１）出力指令値におけるパルスオン時間Ｔｏｎが処理周期、及びレーザ電源１０１の立ち上がり時間Ｔ２の合計を超える場合（Ｔｏｎ＞Ｔ１＋Ｔ２）、出力低下判定部２２５は、実瞬間値がピーク強度に基づく第１の基準値未満になると、出力が低下したと判定する。

（条件２）出力指令値におけるパルスオン時間Ｔｏｎが処理周期、及びレーザ電源１０１の立ち上がり時間Ｔ２の合計以下の場合（Ｔｏｎ≦Ｔ１＋Ｔ２）、出力低下判定部２２５は、実平均値Ｓが推定平均値に基づく第２の基準値未満になると、出力が低下したと判定する。

ここで、立ち上がり時間Ｔ２は、レーザ電源１０１への出力指令が実行されてから、レーザ電源１０１から出力される電流が、ボトム強度からピーク強度の所定割合、例えば９０％以上に達するまでの時間として予め記憶される。

図２は、本実施形態に係る条件１における出力低下判定の手法を示す図である。
条件１（パルスオン時間Ｔｏｎ＞処理時間Ｔ１＋立ち上がり時間Ｔ２）の場合、出力低下判定部２２５は、指令切替え信号が０（ボトム）から１（ピーク）になってからの経過時間Ｔ３を処理時間Ｔ１毎にカウントする。
そして、出力低下判定部２２５は、Ｔ３≧立ち上がり時間Ｔ２の期間において、実瞬間値の処理時間Ｔ１毎のサンプリング値と出力指令値とを比較し、実瞬間値＜ピーク強度×所定の割合（例えば、９０％）の場合に出力が低下したと判定する。

なお、この例では、電圧値による比較を行っているが、実瞬間値のレーザ強度と電圧値とは、所定の変換規則に従って相互に変換可能であり、レーザ強度により比較されてもよい。

図３は、本実施形態に係る条件１における出力低下判定を実施する期間を示す図である。
出力低下判定部２２５は、条件１（Ｔｏｎ＞Ｔ１＋Ｔ２）の場合、電源の立ち上がり以後、出力指令値がピークからボトムへ切り替わるより前の期間において、出力低下を判定する。

具体的には、パルス波形がボトムからピークへ移った瞬間からピークの間にのみ、経過時間Ｔ３がカウントされる。この経過時間Ｔ３は、パルス波形がボトムの場合、Ｔ３＝０と定義され、Ｔ３≧Ｔ２の期間が出力低下判定を実施する期間となる。
なお、パルス波形がピークからボトムに移るタイミングは、Ｔ３＝０となり、Ｔ３≧Ｔ２の期間からは除外されるので、指令の切替え時の不安定な値による判定処理が抑制される。

図４は、本実施形態に係る条件２における出力低下判定の手法を示す図である。
データ処理部２２２において、出力指令の１周期分に渡り、実平均値Ｈを平均した実平均値Ｓと、出力指令を平均した推定平均値とが算出される。
条件２（パルスオン時間Ｔｏｎ≦処理時間Ｔ１＋立ち上がり時間Ｔ２）では、ピーク値でのサンプリングができないため、実平均値Ｓと推定平均値とを比較し、実平均値Ｓ＜推定平均値×所定の割合（例えば、９０％）の場合に出力が低下したと判定する。

図５は、本実施形態に係る条件１を満たす試験結果を例示する図である。
試験条件として、周波数及びパルスオンの時間割合が（ａ）「１００Ｈｚ，１％」と（ｂ）「８０００Ｈｚ，８０％」とで異なる。

いずれの場合も、Ｔｏｎ（＝１００μｓ）＞Ｔ１（＝３０μｓ）＋Ｔ２（４５μｓ）の条件１を満たしており、Ｔ３≧Ｔ１＋Ｔ２の期間において、ピーク強度のサンプリングが可能であり、実瞬間値と出力指令値との比較により出力低下が判定される。

図６及び図７は、本実施形態に係る条件２を満たす試験結果を例示する図である。
試験条件として、周波数及びパルスオンの時間割合が（ｃ）「２００Ｈｚ，１％」、（ｄ）「８０００Ｈｚ，４０％」、（ｅ）「１２０００Ｈｚ，６０％」、（ｆ）「１６０００Ｈｚ，８０％」でそれぞれ異なる。

いずれの場合も、Ｔｏｎ（＝５０μｓ）≦Ｔ１（＝３０μｓ）＋Ｔ２（４５μｓ）の条件２を満たしており、全期間において、実平均値Ｓと推定平均値との比較により出力低下が判定される。

なお、いずれの場合にも、実瞬間値が出力指令値に対して遅延しているが、出力指令から実際のレーザ出力までの処理時間によるものであり、基準値記憶部２２４にバッファされた出力低下基準値を用いて同期させた後に、出力低下の有無が判定される。

本実施形態によれば、レーザ制御装置２０は、パルスオン時間Ｔｏｎと、処理時間Ｔ１及び立ち上がり時間Ｔ２の合計との大小関係に応じて、ピーク強度をサンプリングできる条件１の場合には、実瞬間値と出力指令値のピーク強度に基づく出力低下基準値とを比較して、出力低下の有無を判定する。一方、ピーク強度をサンプリングできない条件２の場合には、レーザ制御装置２０は、実瞬間値が平均化回路２１２及びデータ処理部２２２により処理された実平均値Ｓと出力低下基準値とを比較して、出力低下の有無を判定する。
したがって、レーザ制御装置２０は、指令電圧の波形によらず、短時間で出力の低下を検出できる。この結果、レーザ制御装置２０は、レーザ発振器が故障した場合に、短時間でレーザ出力を停止し、故障箇所の拡大を防ぐことができる。

なお、図１のように検出部から出力された実瞬間値は、データ処理部２２２による処理周期でサンプリングされる。パルスオン時間が短い場合にはレーザ光が検出される幅も短いため、実瞬間値をそのままデータ処理すると、データ処理部２２２の処理周期によってはサンプリングできない場合がある。そこで、レーザ制御装置２０は、平均化回路２１２における１次遅れフィルタの時定数を十分に大きく適切に設定することで、より確実に実平均値Ｈをサンプリングし、実平均値Ｓを用いて精度良く出力低下を判定できる。

また、レーザ制御装置２０は、条件２の場合に、出力指令値がデータ処理部２２２により処理された推定平均値を出力低下基準値として用いるので、比較対象を同様に平均化処理することにより、精度よく出力低下を判定できる。

また、レーザ制御装置２０は、条件１の場合に、レーザ電源１０１が立ち上がった後、ピーク強度の期間において、出力低下の判定を行う。これにより、レーザ制御装置２０は、実瞬間値のピークを用いて精度よく出力低下を判定できる。

また、レーザ制御装置２０は、出力低下基準値を一時記憶することにより、検出したレーザ強度を処理する際の遅延時間だけ前の基準値を用いて同期を取り、精度よく出力低下を判定できる。

また、条件１の場合、レーザ制御装置２０は、レーザ電源１０１の出力電流が指令に一致するまで待つことなく、所定割合まで漸近した過渡状態で出力低下判定を実施するので、より短時間で判定できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前述した実施形態に限るものではない。また、本実施形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本実施形態に記載されたものに限定されるものではない。

本実施形態では、パルス発信動作を行うレーザ発振器１０に対するレーザ制御装置２０による制御方法を説明したが、この制御方法は、連続発振動作に対しても適用可能である。

レーザ制御装置２０による制御方法は、ソフトウェアにより実現される。ソフトウェアによって実現される場合には、このソフトウェアを構成するプログラムが、コンピュータ（コントローラ２２）にインストールされる。また、これらのプログラムは、リムーバブルメディアに記録されてユーザに配布されてもよいし、ネットワークを介してユーザのコンピュータにダウンロードされることにより配布されてもよい。

１レーザシステム
１０レーザ発振器
２０レーザ制御装置
２１処理回路
２２コントローラ
１０１レーザ電源
１０２レーザ共振器
１０３検出部
２１１波形形成部
２１２平均化回路
２２１指令部
２２２データ処理部
２２３基準値生成部
２２４基準値記憶部
２２５出力低下判定部

Claims

レーザ発振器から出力された光強度の実瞬間値に対して１次遅れフィルタを掛ける平均化回路と、
前記平均化回路により得られた第１のフィルタ値に対して、所定の処理周期毎に１次遅れフィルタを掛けて第２のフィルタ値を算出するデータ処理部と、
前記レーザ発振器への出力指令値に基づいて、出力低下基準値を生成する基準値生成部と、
前記実瞬間値又は前記第２のフィルタ値を、前記出力低下基準値と比較することにより前記レーザ発振器の出力低下を判定する出力低下判定部と、を備え、
前記出力低下判定部は、
前記出力指令値におけるパルスオン時間が前記処理周期、及び前記レーザ発振器の電源の立ち上がり時間の合計を超える場合、前記実瞬間値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定し、
前記パルスオン時間が前記合計以下の場合、前記第２のフィルタ値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定するレーザ制御装置。
前記データ処理部は、前記出力指令値に基づく指令波形に対して、前記処理周期毎に１次遅れフィルタを掛けて推定平均値を算出し、
前記基準値生成部は、前記パルスオン時間が前記合計以下の場合、前記推定平均値に基づく前記出力低下基準値を生成する請求項１に記載のレーザ制御装置。
前記出力低下判定部は、前記パルスオン時間が前記合計を超える場合、前記電源の立ち上がり以後、前記出力指令値がピークからボトムへ切り替わるより前の期間において、前記出力低下を判定する請求項１に記載のレーザ制御装置。
前記出力低下基準値を時系列に記憶する記憶部を備え、
前記出力低下判定部は、前記出力低下基準値として、前記記憶部に記憶された所定時間前の値を用いる請求項１から請求項３のいずれかに記載のレーザ制御装置。
前記立ち上がり時間は、前記電源への出力指令が実行されてから、前記電源から出力される電流がピーク値の所定割合に達するまでの時間である請求項１から請求項４のいずれかに記載のレーザ制御装置。
レーザ発振器から出力された光強度の実瞬間値に対して平均化回路により１次遅れフィルタを掛けた第１のフィルタ値に対して、所定の処理周期毎に１次遅れフィルタを掛けて第２のフィルタ値を算出するデータ処理ステップと、
前記レーザ発振器への出力指令値に基づいて、出力低下基準値を生成する基準値生成ステップと、
前記実瞬間値又は前記第２のフィルタ値を、前記出力低下基準値と比較することにより前記レーザ発振器の出力低下を判定する出力低下判定ステップと、をコンピュータが実行し、
前記出力低下判定ステップにおいて、
前記出力指令値におけるパルスオン時間が前記処理周期、及び前記レーザ発振器の電源の立ち上がり時間の合計を超える場合、前記実瞬間値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定し、
前記パルスオン時間が前記合計以下の場合、前記第２のフィルタ値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定するレーザ制御方法。
レーザ発振器から出力された光強度の実瞬間値に対して平均化回路により１次遅れフィルタを掛けた第１のフィルタ値に対して、所定の処理周期毎に１次遅れフィルタを掛けて第２のフィルタ値を算出するデータ処理ステップと、
前記レーザ発振器への出力指令値に基づいて、出力低下基準値を生成する基準値生成ステップと、
前記実瞬間値又は前記第２のフィルタ値を、前記出力低下基準値と比較することにより前記レーザ発振器の出力低下を判定する出力低下判定ステップと、をコンピュータに実行させ、
前記出力低下判定ステップにおいて、
前記出力指令値におけるパルスオン時間が前記処理周期、及び前記レーザ発振器の電源の立ち上がり時間の合計を超える場合、前記実瞬間値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定させ、
前記パルスオン時間が前記合計以下の場合、前記第２のフィルタ値が前記出力低下基準値未満になると、出力が低下したと判定させるためのレーザ制御プログラム。