JP6680751B2

JP6680751B2 - レーザ加工中に保護ウインドの汚れを警告するレーザ加工装置

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Publication number: JP6680751B2
Application number: JP2017226147A
Authority: JP
Inventors: 貴士和泉
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2017-11-24
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2037-11-24
Also published as: US10761037B2; CN109834385B; DE102018128952B4; DE102018128952A1; US20190219522A1; JP2019093429A; CN109834385A

Description

本発明は、レーザ加工装置に関し、特にレーザ加工中に保護ウインドの汚れを警告するレーザ加工装置に関する。

レーザ切断する材料や厚さ等から焦点位置を予め設定してレーザ加工が行われている。加工不具合が発生した場合には、レーザ発振器からの出力光をワークへ照射するための外部光学系が汚染されていないか確認するか、又は、外部光学系に温度センサや散乱光センサを取付けることにより外部光学系の汚染を検出していた。

本願に関連する技術としては、例えば特許文献１〜４が公知である。特許文献１には、プロセスの状態を評価するためのシステムが開示されている。斯かるシステムは、レーザ出力光を、コリメータと焦点レンズとの間に配置された半透明のマジックミラーを介して、ワークに照射し、反射光をマジックミラーで反射してカメラで受光し、加工品質を評価する。

特許文献２には、保護ガラスにスパッタが付着した場合に、溶接不良の発生を容易に抑制するレーザ溶接方法が開示されている。斯かるレーザ溶接方法は、レーザ溶接を行う前に、出力が小さい検査用レーザ光を溶接部に照射して戻る戻り光を、集光レンズの上流に配置されたミラーを介して、受光し、戻り光の強度を基準強度と比較してレーザ出力の低下量及び焦点ズレ量を算出すると共に、レーザ発振器の出力及び焦点距離を調整する。

特許文献３には、保護ガラスの汚れの程度を測定するレーザ加工システムが開示されている。斯かるレーザ加工システムは、保護ガラスからの散乱照射の強度を測定する照射検出器と、レーザビームの強度を、レーザビームを集束させるレンズ機構の後方に配置された部分的に透過的な鏡を介して、測定する他の照射検出器と、を備え、散乱照射測定値に対するレーザビームの照射強度の影響を補償する。

特許文献４には、加工状態の良否を判定するレーザ加工装置が開示されている。斯かるレーザ加工装置は、加工点から放射される光の空間分布を、少なくとも２つの方向で検出するための光センサを備える。

特表２０１６−５３０６１１号公報特開２０１６−０９７４１２号公報特開２００２−３６１４５２号公報特開２０１３−２３３５９３号公報

外部光学系は時間と共に劣化する。特に、保護ウインドはレーザ加工中に汚れ易く、汚れた場合にはクリーニング又は交換が必要である。メンテナンスタイミングが遅れた場合には、レーザ加工の品質に著しい低下を招く。

そこで、レーザ加工中に保護ウインドの汚れを精度良く警告する技術が求められている。

本開示の一態様は、レーザ加工中に保護ウインドの汚れを警告するレーザ加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ発振器からの出力光を集光する集光レンズ及び集光レンズの下流に配置される保護ウインドを有する外部光学系と、集光レンズと保護ウインドとの間に配置されるビームスプリッタと、二次元配列された複数のセンサ素子又は同心円状に配置された複数のセンサ素子を有していて、複数のセンサ素子がワークで反射して外部光学系に戻る戻り光の光軸を取り囲むように配置され、戻り光の強度分布を、ビームスプリッタを介して、測定する戻り光測定部と、保護ウインドの正常時におけるワークからの戻り光の強度分布を表す正常パターン、及び、保護ウインドの汚染時におけるワークからの戻り光の強度分布を表す異常パターンのうち少なくとも一方のデータを記憶する記憶部と、レーザ加工中に保護ウインドの汚れを検出する処理を行う処理部と、処理部の処理に従って保護ウインドの汚れを警告する警告部と、を備え、処理部が、正常パターン及び異常パターンの少なくとも一方のデータを教師データとして使用して保護ウインドの汚れを識別するための識別関数を生成する識別関数生成部と、戻り光の測定データと識別関数とに基づいて、保護ウインドの汚れを検出する汚れ検出部と、を有し、識別関数は、光軸を取り囲むセンサ素子の集合のうち予め定めた強度を超える強度を検出したセンサ素子の数と、センサ素子の集合を取り囲むセンサ素子の集合のうち予め定めた強度を超える強度を検出したセンサ素子の数と、センサ素子の数を夫々重みづけするパラメータと、を含む、レーザ加工装置を提供する。

本開示によれば、レーザ加工前に保護ウインドの汚れを精度良く警告できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できる。また、補正できた場合には、保護ウインドのメンテナンス期間を延長できる。

一実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す概略図である。ビアス時、切断時、及び溶接時における出射光の縦断面図（Ａ）、戻り光の平面図（Ｂ）、及び戻り光の拡大図（Ｃ）である。ビアス時、切断時、及び溶接時における戻り光の強度分布を表す正常パターン及び異常パターンを示す平面図である。一実施形態に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。一実施形態に係るレーザ加工装置の動作を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す概略図である。レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１からの出力光を導光してワークの表面に照射するための外部光学系１２と、レーザ加工装置１０の全体を制御する数値制御装置１３と、レーザ加工装置１０の駆動を制御する駆動制御装置１４と、を備えている。レーザ発振器１１は、例えば波長１０６０〜１０８０ｎｍのファイバレーザ発振器である。外部光学系１２は、レーザ発振器１１からの出力光を導光するファイバ２０と、ファイバ２０からの出力光を平行光にするコリメーションレンズ２１と、出力光を集光する集光レンズ２２と、出力光又は戻り光の一部を反射し一部を透過するビームスプリッタ２３と、集光レンズ２２の下流に配置される保護ウインド２４と、を備えている。駆動制御装置１４は、加工テーブル１６を移動させるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸と、集光レンズ２２の位置を光軸方向に移動させるＶ軸と、保護ウインド２４を出射光の光軸と直交する方向に移動させるＳ軸及びＴ軸と、これら各軸を駆動するサーボモータ及び制御部等を備えている。

レーザ加工装置１０はさらに、レーザ加工中にワークＷで反射して外部光学系１２に戻る戻り光の強度分布を、ビームスプリッタ２３を介して、測定する戻り光測定部１５を備えている。ビームスプリッタ２３は、直線型の加工ヘッド２５内において集光レンズ２２と保護ウインド２４との間に、且つ、光軸に対して角度４５°に傾斜して配置されている。これにより、保護ウインド２４と戻り光測定部１５との間にビームスプリッタ２３以外の光学部品が無いため、保護ウインド２４の汚れを精度良く検出できる。戻り光測定部１５は、順方向の出力光の光路と角度９０°をなす位置に配置されており、二次元配列された複数のセンサ素子（例えば光電素子）、同心円状に配置された複数のセンサ素子（例えば熱電対）、又は、ＣＣＤカメラ若しくはＣＭＯＳカメラ等を備えている。

図２は、ビアス時、切断時、及び溶接時における出射光の縦断面図（Ａ）、戻り光の平面図（Ｂ）、及び戻り光の拡大図（Ｃ）である。ピアス時には、戻り光の強度分布は、光軸Ｏを中心に強度が強く、光軸Ｏの周囲に向かって強度が弱くなる。切断時には、戻り光がワークＷの切断部分Ｃからの反射光のみになるため、戻り光の強度分布は概ね三日月形になる。溶接時には、戻り光がワークＷの溶融部分Ｍからの反射光であるため、戻り光の強度分布は、散乱光によるキラキラと輝いた強度の低い部分Ｌを含み、安定せず、常に変化する。このように戻り光の強度分布は、保護ウインド２４が正常であっても、レーザ加工の種類に依存して変化する。

図３は、ビアス時、切断時、及び溶接時における戻り光の強度分布を表す正常パターン及び異常パターンを示す平面図である。保護ウインドに汚れが有る場合、光軸Ｏの周囲において、強度の高い部分Ｈがポツポツと現れる。ピアス時には、戻り光の強度分布の正常パターンが概ね１つであるため、戻り光の測定データから正常パターンのデータを単純に差分することにより、保護ウインド２４の汚れを検出でき、また、切断時には、戻り光の強度分布の正常パターンの数が切断方向に依存して増加するものの、戻り光の測定データから加工中の切断方向に応じた正常パターンを差分することにより、保護ウインド２４の汚れを検出できる。しかしながら、溶接時には、散乱光による強度の低い部分Ｌの位置、大きさ、及び数が常に変化し、加工中の正常パターンが無いため、前述した差分処理では保護ウインド２４の汚れを検出できない。このため、本実施形態に係るレーザ加工装置は、正常パターン及び異常パターンからパターン認識（機械学習）を行うことにより、レーザ加工の種類に依存することなく、保護ウインド２４の異常を検出する。

具体的には、光軸Ｏを取り囲むセンサ素子の集合Ｐ_１のうち予め定めた強度を超える戻り光の強度を検出したセンサ素子の数をｘ_１とし、センサ素子の集合Ｐ_１を取り囲むセンサ素子の集合Ｐ_２のうち予め定めた強度を超える戻り光の強度を検出したセンサ素子の数をｘ_２とし、さらに、ｘ_１、ｘ_２のそれぞれの重みをｗ_１、ｗ_２とし、バイアスをｗ_０すると（以下、ｗ_０、w_１、ｗ_２を単に「重み」という。）、保護ウインド２４の汚れを識別するための線形の識別関数ｕ（即ち、直線の式）は以下の通りになる。

識別関数u＞０の場合には、保護ウインド２４に汚れが有り、識別関数u＜０の場合、保護ウインド２４に汚れが無いと検出できる。そして、識別関数のパラメータｗ_０、w_１、ｗ_２（即ち、重み）を求めるために、（１）ｗ_０、w_１、ｗ_２にそれぞれランダムな値を設定し、（２）正常パターン及び異常パターンの少なくとも一方のデータを教師データとしてｘ_１、ｘ_２を入力すると共に、（３）出力が正しくなければ（即ち、正常パターンを読み込んだのに汚れが有ると検出された場合、又は、異常パターンを読み込んだのに汚れが無いと検出された場合）、重みの値を正しい方向に更新し、（４）更新があった場合には、（１）〜（３）のステップを繰返す学習を行う。全ての教師データについて正しい出力が行われたら、学習を終了する。重みの値を更新する処理は、公知の勾配降下法等を利用でき、例えば重みの更新式は以下のようになる。

戻り光の強度分布は光軸Ｏから離れるほど弱くなるため、保護ウインド２４の汚れは光軸Ｏから離れるほど検出され易くなる。このため、学習によって求めた重みは、ｗ_１＜ｗ_２となる可能性が高い。以上の学習によって識別関数ｕが生成される。なお、戻り光測定部１５がカメラである場合には、センサ素子の数が増大するため、識別関数ｕは以下のようになる。

また、戻り光測定部１５が、同心円状に配置された複数のセンサ素子（例えば熱電対）である場合には、センサ素子の集合Ｐ_１、Ｐ_２はそれぞれ１つになるため、ｘ_１、ｘ_２のそれぞれの値は、０又は１を表す。

図４は、本実施形態に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。数値制御装置１３は、種々のデータを記憶するＲＡＭ、ＲＯＭ、又は不揮発性メモリ等から構成される記憶部３０と、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、又はＦＰＧＡ等から構成される処理部３１と、表示パネル、スピーカ、及び出力インターフェイス等から構成される警告部３２と、を備えている。記憶部３０、処理部３１、又は警告部３２は、バス等によって相互に接続されている。処理部３１は、レーザ加工中に保護ウインド２４の汚れを検出する処理を行い、警告部３２は、処理部３１の処理に従って保護ウインド２４の汚れを警告する。

記憶部３０は、保護ウインド２４の正常時における戻り光の強度分布を表す正常パターン、及び、保護ウインドの汚染時におけるワークからの戻り光の強度分布を異常パターンのうち少なくとも一方のデータを予め記憶している。記憶部３０はさらに、戻り光測定部１５によって測定された戻り光の強度分布を表す戻り光測定データを記憶する。

処理部３１の構成要素は、ＣＰＵによって実行されるプログラムモジュール、又は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等によって構成される集積回路によって実装される。処理部３１は、前述したように、正常パターン及び異常パターンのうち少なくとも一方のデータを教師データとして使用して保護ウインド２４の汚れを識別するための識別関数ｕを生成する識別関数生成部４０を備えている。処理部３１はさらに、加工条件に応じて出射光の光軸をワークＷ上に移動させる指令を駆動制御装置１４に対して行う駆動指令部４１と、加工条件に応じてレーザ光を出力する指令をレーザ発振器１１に対して行う出力指令部４２と、を備えている。

処理部３１はさらに、戻り光測定部１５によって測定された戻り光の測定データと、正常パターン及び異常パターンのうち少なくとも一方のデータとに基づいて、保護ウインド２４の汚れを検出する汚れ検出部４３を備えている。汚れ検出部４３は、戻り光の測定データと、正常パターン及び異常パターンのうち少なくとも一方のデータとの差分処理により保護ウインド２４の汚れを検出してもよいが、戻り光の測定データと識別関数生成部４０によって生成された識別関数ｕとに基づいて（即ち、パターン認識により）、保護ウインド２４の汚れを検出することが好ましい。

処理部３１はさらに、保護ウインド２４の汚れを警告する指令を警告部３２に対して行う第１警告指令部４４と、保護ウインド２４の汚れが検出された場合に、戻り光の測定データを異常パターンとして記憶する指令を記憶部３０に対して行う異常パターン記憶指令部４５を備えていてもよい。

処理部３１はさらに、保護ウインド２４の汚れが検出された場合に、保護ウインド２４の位置を調整するための位置調整量を計算するウインド位置調整量計算部４６と、位置調整量に基づいて保護ウインド２４の移動指令を駆動制御装置１４に対して行うウインド位置調整指令部４７と、を備えていてもよい。処理部３１はさらに、保護ウインド２４の位置調整を行っても依然として保護ウインド２４の汚れが検出される場合に、過度な保護ウインド２４の汚れが有ることを警告する指令を警告部３２に対して行う第２警告指令部４８を備えていてもよい。

処理部３１はさらに、汚れ検出部４３によって保護ウインド２４の汚れが検出されたが、汚れが無かった場合に、識別関数ｕのパラメータ（即ち、前述した「重み」）を更新する識別関数更新部４９を備えていてもよい。即ち、識別関数更新部４９は、汚れ検出部４３によって保護ウインド２４の汚れが検出されたときの戻り光測定データを正常パターンとして読み込み、識別関数ｕのパラメータを更新する。

図５は、本実施形態に係るレーザ加工装置１０の動作を示すフローチャートである。レーザ加工中に保護ウインド２４の汚れを特定する処理を開始すると、ステップＳ１０では、正常パターン及び異常パターンの少なくとも一方のデータから識別関数ｕを生成する。ステップＳ１１では、加工条件に応じて光軸をワークＷ上に移動させる指令を駆動制御装置１４に対して行う。ステップＳ１２では、加工条件に応じてレーザ光を出力する指令をレーザ発振器に対して行う。

ステップＳ１３では、戻り光測定データ及び識別関数ｕに基づいて、保護ウインド２４の汚れを検出する。ステップＳ１４において、保護ウインド２４の汚れが検出されなかった場合には（ステップＳ１４のＮＯ）、ステップＳ１０に戻り、レーザ加工を継続する。他方、ステップＳ１４において、保護ウインド２４の汚れが検出された場合には（ステップＳ１４のＹＥＳ）、ステップＳ１５において２回目であるかを判定した後（ステップＳ１５のＮＯ）、ステップＳ１６において、レーザ加工を中止せずに保護ウインド２４の汚れを警告する指令を警告部３２に対して行う。そして、ステップＳ１７において、保護ウインド２４の汚れが検出されたときの戻り光測定データを異常パターンとして記憶する指令を記憶部３０に対して行う。

ステップＳ１８では、保護ウインド２４の汚れが出射光の領域から外れるように、保護ウインド２４の位置を調整するための位置調整量を計算する。ステップＳ１９では、保護ウインド２４の位置を調整する指令を駆動制御装置１４に対して行う。そして、保護ウインド２４の位置調整が正しいことを確認するために、ステップＳ１０に戻り、保護ウインド２４の汚れを検出する処理を繰返す。

ステップＳ１０において、再度、正常パターン及び異常パターンの少なくとも一方から識別関数ｕを生成する。なお、ステップＳ１７において、異常パターンを記憶した場合には、ステップＳ１０において識別関数ｕを更新するために異常パターンは必須である。ステップＳ１４において、保護ウインド２４の位置調整を行っても依然として保護ウインド２４の汚れが検出された場合には（ステップＳ１４のＹＥＳ）、ステップＳ１５において２回目であると判定されるため（ステップＳ１５のＹＥＳ）、レーザ加工を中止して保護ウインド２４の過度な汚れを警告する指令を警告部３２に対して行う。ステップＳ２１において、操作者が保護ウインド２４を確認し、過度な汚れが本当に有った場合には（ステップＳ２１のＹＥＳ）、操作者が保護ウインド２４のクリーニング又は交換を行う。

他方、ステップＳ２１において、操作者が保護ウインド２４を確認し、過度な汚れが無かった場合には（ステップＳ２１のＮＯ）、ステップＳ２３において、識別関数ｕのパラメータを更新する。以上のような学習を繰返すことにより、戻り光の強度分布が安定しないレーザ加工中であっても保護ウインド２４の汚れを精度良く警告できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できる。また、補正できた場合には、保護ウインド２４のメンテナンス期間を延長できる。

前述した実施形態におけるコンピュータによって実行可能なプログラムは、コンピュータ読取り可能な非一時的記録媒体、ＣＤ−ＲＯＭ等に記録して提供できる。本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述した種々の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。

１０レーザ加工装置
１１レーザ発振器
１２外部光学系
１３数値制御装置
１４駆動制御装置
１５戻り光測定部
１６加工テーブル
２０ファイバ
２１コリメーションレンズ
２２集光レンズ
２３ビームスプリッタ
２４保護ウインド
２５加工ヘッド
３０記憶部
３１処理部
３２警告部
４０識別関数生成部
４１駆動指令部
４２出力指令部
４３汚れ検出部
４４第１警告指令部
４５異常パターン記憶指令部
４６ウインド位置調整量計算部
４７ウインド位置調整指令部
４８第２警告指令部
４９識別関数更新部
Ｗワーク
Ｃ切断部分
Ｍ溶融部分
Ｏ光軸
Ｌ強度の低い部分
Ｈ強度の高い部分
Ｐ_１光軸Ｏを取り囲むセンサ素子の集合
Ｐ_２Ｐ_１を取り囲むセンサ素子の集合

Claims

レーザ加工中に保護ウインドの汚れを警告するレーザ加工装置であって、
レーザ発振器と、
前記レーザ発振器からの出力光を集光する集光レンズ及び前記集光レンズの下流に配置される保護ウインドを有する外部光学系と、
前記集光レンズと前記保護ウインドとの間に配置されるビームスプリッタと、
二次元配列された複数のセンサ素子又は同心円状に配置された複数のセンサ素子を有していて、前記複数のセンサ素子がワークで反射して前記外部光学系に戻る戻り光の光軸を取り囲むように配置され、前記戻り光の強度分布を、前記ビームスプリッタを介して、測定する戻り光測定部と、
前記保護ウインドの正常時における前記ワークからの戻り光の強度分布を表す正常パターン、及び、前記保護ウインドの汚染時における前記ワークからの戻り光の強度分布を表す異常パターンのうち少なくとも一方のデータを記憶する記憶部と、
レーザ加工中に前記保護ウインドの汚れを検出する処理を行う処理部と、
前記処理部の処理に従って前記保護ウインドの汚れを警告する警告部と、
を備え、
前記処理部が、
前記正常パターン及び前記異常パターンの少なくとも一方のデータを教師データとして使用して前記保護ウインドの汚れを識別するための識別関数を生成する識別関数生成部と、
前記戻り光の測定データと前記識別関数とに基づいて、前記保護ウインドの汚れを検出する汚れ検出部と、
を有し、
前記識別関数は、前記光軸を取り囲む前記センサ素子の集合のうち予め定めた強度を超える強度を検出した前記センサ素子の数と、前記センサ素子の集合を取り囲む前記センサ素子の集合のうち予め定めた強度を超える強度を検出した前記センサ素子の数と、前記センサ素子の数を夫々重みづけするパラメータと、を含む、レーザ加工装置。
前記処理部はさらに、前記汚れ検出部によって前記保護ウインドの汚れが検出された場合に、前記戻り光の測定データを異常パターンとして記憶する指令を前記記憶部に対して行う異常パターン記憶指令部を有する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
さらに、前記保護ウインドを出射光の光軸と直交する方向に移動する駆動制御装置を備え、
前記処理部はさらに、前記汚れ検出部によって前記保護ウインドの汚れが検出された場合に、前記保護ウインドの位置を調整するための位置調整量を計算するウインド位置調整量計算部と、前記位置調整量に基づいて前記保護ウインドの移動指令を前記駆動制御装置に対して行うウインド位置調整指令部と、を有する、
請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
前記処理部はさらに、前記汚れ検出部によって前記保護ウインドの汚れが検出されたが、汚れが無かった場合に、前記識別関数のパラメータを更新する識別関数更新部を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
前記重みづけするパラメータは前記戻り光の光軸から離れた前記センサ素子の集合ほど大きくなる、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。