JP7113320B2 - 変動要因特定方法及びレーザ加工装置 - Google Patents

変動要因特定方法及びレーザ加工装置 Download PDF

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Description

本開示は、レーザ発振器のレーザ出力の変動要因を特定する変動要因特定方法及びレーザ加工装置に関する。
特許文献1には、レーザ発振器と、前記レーザ発振器により出射されたレーザ光のレーザ出力を測定する出力測定部と、前記レーザ出力を目標値に近づけるために、前記出力測定部の測定値に基づいて、レーザ発振器の操作信号を制御する制御部とを備えたレーザ加工装置が開示されている。
特開2003-53564号公報
ところで、レーザ加工装置に特許文献1のようなフィードバック制御をさせる場合、出力測定部による測定から、その測定値がレーザ出力に反映されるまでの間に、レーザ出力と目標値との差が大きくなる出力変動が発生することがある。このような出力変動は加工精度の低下を招くので、装置又はユーザが、このような出力変動を防止するために対策を施しやすくしたいという要望がある。
本開示は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、装置又はユーザがレーザ発振器の出力変動を防止するために対策を施しやすくすることにある。
上記の目的を達成するため、本開示は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器により出射されたレーザ光の光量を測定する出力測定部と、前記レーザ光のレーザ出力を目標値に近づけるように、前記出力測定部の測定値に基づいて、前記レーザ発振器に供給する駆動電流のフィードバック制御を行う制御部とを備えたレーザ加工装置において、前記制御部によって実行される変動要因特定処理であって、前記制御部が、前記フィードバック制御を行う電流制御実行処理と、前記出力測定部の測定値に基づいて、前記電流制御処理の実行中に前記レーザ出力と前記目標値との差が所定の閾値を超える出力変動が発生した変動発生タイミングを特定するタイミング特定処理と、前記電流制御実行ステップの実行中に前記レーザ加工装置において測定された複数の第1物理量から、前記タイミング特定処理において特定された変動発生タイミングに応じて定まる第1監視時間内に異常値となる異常物理量を特定する異常物理量特定処理と、前記異常物理量特定処理で特定された異常物理量の変動の要因となる複数の第2物理量から、前記異常物理量が異常値となった異常開始タイミングに応じて定まる第2監視時間内に異常値となる物理量を変動要因として特定する変動要因特定処理と、前記変動要因特定処理で特定された変動要因を示す情報を出力装置に出力させる変動要因出力処理とを実行することを特徴とする。
これにより、変動要因が異常値となることに起因して異常物理量が異常値となり、当該異常物理量が異常値となることに起因して出力変動が発生した場合に、装置又はユーザが、出力装置によって出力された情報を参照することにより変動要因を認識できる。したがって、装置又はユーザが、出力変動を防止するために対策を施しやすくなる。
本開示によれば、装置又はユーザが出力変動を防止するために対策を施しやすくなる。
本開示の実施形態1に係るレーザ加工装置の構成を示す模式図である。 本開示の実施形態1に係るレーザ装置の構成を示す模式図である。 複数のレーザモジュールの構成を示す模式図である。 レーザモジュールの側面図である。 レーザモジュールの正面図である。 制御部の動作を示すフローチャートである。 加工プログラムの実行中におけるレーザ出力の目標値、測定値、補正前出力、及び補正量を示すグラフである。 加工プログラムの実行中におけるレーザ装置の温度の測定値を示すグラフである。 加工プログラムの実行中におけるレーザ装置の湿度の測定値を示すグラフである。 加工プログラムの実行中における循環液の圧力を示すグラフである。
以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本開示、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
本実施形態に係るレーザ加工装置100は、図1に示すように、レーザ発振器10と、レーザ光出射ヘッド40と、伝送ファイバ50と、制御部60と、電源70と、出力装置としての表示装置80と、コントローラ90と、チラー14と、除湿装置15とを備えている。レーザ発振器10と、伝送ファイバ50の集光ユニット13側の端部(入射端)とは筐体11に収容されている。
レーザ発振器10は、複数のレーザ装置20と、ビーム結合器12と、集光ユニット13とを有している。
レーザ装置20は、図2に示すように、互いに異なる波長のレーザ光LB1を発する例えば10個のレーザモジュール30と、10個のレーザモジュール30からそれぞれ出射されたレーザ光LB1を結合させて出射する回折格子22と、回折格子22により出射されたレーザ光の一部をレーザ光LB2として透過させる一方、残りを反射光LB3として反射させる部分透過ミラー23と、部分透過ミラー23からの反射光LB3を受光し、反射光LB3の光量を測定するフォトダイオード24と、レーザ装置20内部の温度を測定する温度測定部20aと、レーザ装置20内部の湿度を測定する湿度測定部20bとを有している。
各レーザモジュール30は、図3~5に示すように、レーザダイオードバー(LDバー)31を有しており、レーザダイオードバー31は、並列に配置された複数のエミッタ31bを有する半導体レーザアレイである。言い換えるとレーザダイオードバー31は、エミッタ31bを有する並列に配置された複数のレーザダイオードからなる半導体レーザアレイである。レーザダイオードバー31は、平面視矩形状の平板形状をなし、その一方の面には板状の正電極32が配置され、正電極32の一方の面が取り付けられている。また、レーザダイオードバー31の他方の面には、正電極32よりも広い板状の負電極33が配置され、負電極33の一方の面の一部が取り付けられている。レーザダイオードバー31の一側面が、レーザ光LB1を出射するレーザ光出射面31aを構成している。各電極(正電極32,負電極33)には、配線35が接続され、当該配線35を介して後述する電源70から電流(電力)が供給される。なお、一つのレーザダイオードバー31に含まれるエミッタ31bの個数は、例えば50個に設定される。10個のレーザモジュール30のレーザダイオードバー31は、互いに直列に接続されている。
負電極33のレーザダイオードバー31の取付面におけるレーザダイオードバー31の取り付けられていない領域には、レーザダイオードバー31の近傍の温度を測定する熱電対36が取り付けられている。レーザダイオードバー31の近傍の温度を測定する手段として、熱電対36に代えて、RTD(Resistance Temperature Detector,測温抵抗体)、サーミスタ、IC(Integrated Circuit)センサ等の他の手段を用いてもよい。また、サーミスタ、ICセンサ等の半導体デバイスをレーザダイオードバー31と一体的に形成しても良く、これにより、レーザダイオードバー31の内部温度を間接的または直接的に測定することができ、測定される温度を、レーザダイオードバー31の内部温度により近付けることができる。
ビーム結合器12は、複数のレーザ装置20からそれぞれ出射されたレーザ光LB2(図2参照)を一つのレーザ光LB4に結合して集光ユニット13に出射する。ビーム結合器12には、レーザ光LB4の一定の割合を占める一部の光量を測定するフォトダイオード12a、ビーム結合器12内部の温度を測定する温度測定部12b、及びビーム結合器12内部の湿度を測定する湿度測定部12cが設けられている。
集光ユニット13は、内部に配設された集光レンズ(図示せず)によって、入射されたレーザ光LB4を集光して所定の倍率でビーム径を縮小して伝送ファイバ50に出射する。図2中、符号LB5は、集光ユニット13によって出射されるレーザ光である。集光ユニット13は図示しないコネクタを有し、コネクタには伝送ファイバ50の入射端が接続されている。集光ユニット13には、レーザ光LB5の一定の割合を占める一部の光量を測定するフォトダイオード13a、集光ユニット13内部の温度を測定する温度測定部13b、及び集光ユニット13内部の湿度を測定する湿度測定部13cが設けられている。
レーザ発振器10をこのような構成とすることで、レーザ出力が数kWを超える高出力のレーザ光LB5を得ることができる。
伝送ファイバ50は、レーザ発振器10により出射されて伝送ファイバ50の入射端に入射されたレーザ光LB5をレーザ光出射ヘッド40に導く。
レーザ光出射ヘッド40は、伝送ファイバ50によって導かれたレーザ光LB6を外部に向けて照射する。例えば、図1に示すレーザ加工装置100では、所定の位置に配置された加工対象物であるワークWに向けて、レーザ光出射ヘッド40によりレーザ光LB6を出射する。このようにすることで、ワークWがレーザ加工される。レーザ光出射ヘッド40には、レーザ光LB6の一定の割合を占める一部の光量を測定する出力測定部としてのフォトダイオード40aが設けられている。
制御部60は、レーザ光LB6のレーザ出力を所定の目標値に近づけるように、フォトダイオード40aの測定値に基づいて、レーザ発振器10に供給する駆動電流のフィードバック制御を行う。ここで、制御部60による駆動電流の制御は、電源70に指令電圧値を出力することによって行われる。また、制御部60は、ワークWに対して所定の加工を行うときに実行する加工プログラムを記憶している。加工プログラムは、加工中の各タイミングにおけるレーザ光LB6のレーザ出力の目標値を規定する。制御部60による制御の詳細については、後述する。
電源70は、制御部60により出力された指令電圧値に基づいて、駆動電流を複数のレーザ装置20のそれぞれに対して供給する。
表示装置80は、後述する異常物理量を示す情報、及び後述する変動要因を示す情報を、制御部60の制御により出力表示する。
コントローラ90は、加工プログラム実行の開始等をさせる入力をユーザから受け付け、加工プログラム実行の開始等を指示する指令を制御部60に出力する。
チラー14は、複数のレーザ装置20に循環液を循環させることにより、レーザ発振器10の各レーザ装置20の温度を制御するチラー本体部14aと、チラー本体部14aの動作を制御するための入力を受け付け、当該入力に応じた指令をチラー本体部14aに出力するチラー操作部14bとを備えている。循環液は、各レーザ装置20内部と、当該レーザ装置20とチラー本体部14aとの間に配設された配管16内を循環する。各レーザ装置20に対応する配管16は、並列に接続されている。
除湿装置15は、レーザ発振器10の各レーザ装置20にドライエアを供給して除湿する除湿装置本体部15aと、除湿装置本体部15aの動作を制御するための入力を受け付け、当該入力に応じた指令を除湿装置本体部15aに出力する除湿操作部15bとを備えている。ドライエアは、各レーザ発振器10に導入管17を介して導入されるとともに、導出管18を介して導出される。本実施形態では、導入管17及び導出管18が、レーザ発振器10を並列に接続するように配設されているが、レーザ発振器10を直列に接続するように配設してもよい。
以下、制御部60が駆動電流を制御する動作について、図6を参照して説明する。
まず、S101において、制御部60は、記憶している加工プログラムの実行により、レーザ光LB6のレーザ出力を、当該加工プログラムに設定された各タイミングの目標値に近づけるように、フォトダイオード40aの測定値に基づいて、指令電圧値のフィードバック制御を行う。つまり、レーザ装置20に供給される駆動電流のフィードバック制御を行う(電流制御実行ステップ)。制御部60は、加工プログラムの実行中におけるフォトダイオード12a,13a,24,40a、温度測定部12b,13b,20a、熱電対36、湿度測定部12c,13c,20bの測定値をデータログとして記憶する。図7Aは、S101での加工プログラムの実行中におけるレーザ光LB6のレーザ出力の目標値、S101での加工プログラムの実行中におけるレーザ光LB6のレーザ出力の測定値、指令電圧値を一定にしたときのレーザ光LB6のレーザ出力(補正前出力)、及びS101での加工プログラムの実行中におけるレーザ光LB6のレーザ出力の測定値と指令電圧値を一定にしたときのレーザ光LB6のレーザ出力との差(補正量)を示す。図7Bは、S101での加工プログラムの実行中におけるレーザ装置20の温度の測定値を示し、図7Cは、S101での加工プログラムの実行中におけるレーザ装置20の湿度の測定値を示し、図7Dは、S101での加工プログラムの実行中におけるチラ-14によって循環させられる循環液の圧力を示す。ここで、レーザ光LB6のレーザ出力の測定値は、制御部60によって、フォトダイオード40aの測定値に基づいて算出される。
次に、S102において、制御部60は、S101で記憶したデータログを参照することにより、フォトダイオード40aの測定値に基づいて、S101での加工プログラムの実行中におけるレーザ光LB6のレーザ出力の測定値と、加工プログラムによって規定された目標値との差が所定の閾値THを超える出力変動が発生した変動発生タイミングt1(図7A~図7D参照。)を特定して記憶する(タイミング特定ステップ)。この時、レーザ光LB6のレーザ出力は停止しない。
次に、S103において、制御部60は、S101での加工プログラムの実行中にレーザ加工装置100において測定される複数の第1物理量から、変動発生タイミングt1に応じて定まる第1監視時間T1内に異常値となる異常物理量を特定する(異常物理量特定ステップ)。この時、レーザ光LB6のレーザ出力は停止しない。これにより、レーザ出力の停止による施工不良の発生を防ぐことができる。複数の第1物理量は、温度測定部12b,13b,20a、熱電対36、及び湿度測定部12c,13c,20bの測定値を含む。第1監視時間T1は、変動発生タイミングt1の所定時間前のタイミングから、変動発生タイミングt1の所定時間後のタイミングまでの時間等に設定される。そして、制御部60は、異常物理量を示す情報を、表示装置80に出力表示させる。これにより、ユーザは、異常物理量を、出力変動の要因である可能性の高い物理量として認識できる。また、制御部60は、S101での加工プログラムの実行中に異常物理量が異常値となった異常開始タイミングt2を特定して記憶する。例えば、温度測定部20aの測定値は、第1監視時間T1において0~H1℃の数値範囲内に収まらなくなった場合に、異常値であるとみなされる。図7A~図7Dの例では、レーザ光LB6のレーザ出力の測定値が低下するのに同期して温度測定部20aの測定値が上昇し、第1監視時間T1内において、温度測定部20aにより測定された温度がH1℃を超えているので、当該温度が異常物理量として特定される。これにより、ユーザは、レーザ装置20(レーザダイオードバー31)の温度を、出力低下の要因である可能性の高い物理量として認識し、チラー14のチラー操作部14bに対し、循環液の温度を下げるための入力を行える。また、湿度測定部20bの測定値は、第1監視時間T1内において所定の数値範囲Ra内に収まらなくなった場合に、異常値であるとみなされる。図7A~図7Dの例では、第1監視時間T1内において、湿度測定部20bにより測定された湿度は所定の数値範囲Ra内に収まっているので、異常物理量でないとみなされる。
次に、S104において、制御部60は、S103で特定された異常物理量の変動の要因となる複数の第2物理量から、S103で特定された異常開始タイミングt2に応じて定まる第2監視時間T2内に異常値となる物理量を変動要因として特定する(変動要因特定ステップ)。この時、レーザ光LB6のレーザ出力は停止しない。これにより、レーザ出力の停止による施工不良の発生を防ぐことができる。第2監視時間T2は、異常開始タイミングt2の所定時間前のタイミングから、異常開始タイミングt2の所定時間後のタイミングまでの時間等に設定される。具体的には、S103で特定された異常物理量が、温度測定部20aにより測定された温度である場合には、チラー14によって循環させられる循環液の圧力、流量及び温度(冷却水温)を含む複数の第2物理量から、変動要因を特定する。チラー14によって循環させられる循環液の圧力は、H2~H3Paの数値範囲内に収まらない場合に、異常値であるとみなされる。図7A~図7Dの例では、第2監視時間T2内において、チラー14によって循環させられる循環液の圧力が、H2Paを下回っているので、循環液の圧力が変動要因として特定される。また、S103で特定された異常物理量が、湿度測定部20bにより測定された湿度である場合には、温度測定部20aにより測定される温度、及び除湿装置15によって供給されるドライエアの圧力を含む複数の第2物理量から、変動要因を特定する。
次に、S105において、制御部60は、S104で特定した変動要因を示す情報を、表示装置80に出力表示させる(変動要因出力ステップ)。この時、レーザ光LB6のレーザ出力は停止しない。これにより、レーザ出力の停止による施工不良の発生を防ぐことができる。出力表示により、ユーザが、表示装置80に出力表示された情報を参照することにより、変動要因を認識でき、出力変動を防止するための対策を施しやすくなる。例えば、変動要因がチラー14によって循環させられる循環液の圧力、流量及び温度のいずれか1つの物理量である場合、ユーザは、出力変動が抑制されるように、チラー14のチラー操作部14bに対し、変動要因となる物理量を制御する入力操作を行える。また、変動要因が除湿装置15によって供給されるドライエアの圧力である場合、ユーザは、出力変動が抑制されるように、除湿装置15の除湿操作部15bに対し、ドライエアの圧力を制御する入力操作を行える。
なお、上記実施形態では、レーザ発振器10にレーザ装置20を複数設けたが、1つだけ設けてもよい。かかる場合、レーザ装置20から出力されたレーザ光LB2がそのまま伝送ファイバ50に入射される。
また、上記実施形態では、1つのレーザ装置20に含まれるレーザモジュール30及びレーザダイオードバー31の数を10個に設定したが、レーザ装置20に要求される最大出力やレーザ装置20の価格等に応じて他の個数に設定してもよい。
また、上記実施形態では、1つのレーザダイオードバー31に含まれるエミッタ31bの個数を50個に設定したが、レーザモジュール30に要求される最大出力やレーザダイオードバー31の価格等に応じて他の個数に設定してもよい。
また、上記実施形態では、温度測定部12b,13b,20a、熱電対36、及び湿度測定部12c,13c,20bの測定値から異常物理量を特定したが、レーザ加工装置100における各部の電圧値、及び電流値や、フォトダイオード12a,13a,24,40aの測定値に基づいて得られるレーザ加工装置100内の各部でのレーザ光の損失量から異常物理量を特定できるようにしてもよい。
また、上記実施形態では、S103で、制御部60が、第1監視時間T1内における温度が異常値であるとみなす条件を、当該温度が所定の数値範囲内に収まらないこととしたが、当該温度の傾きが所定の数値範囲内に収まらないこと等、他の条件としてもよい。
また、上記実施形態では、S104で、制御部60が、第2監視時間T2内における循環液の圧力が異常値であるとみなす条件を、当該圧力が所定の数値範囲内に収まらないこととしたが、当該圧力の傾きが所定の数値範囲内に収まらないこと等、他の条件としてもよい。
また、上記実施形態では、出力装置を、変動要因を示す情報を表示する表示装置80としたが、変動要因を示す情報を信号として他の装置に出力する装置としてもよい。そして、他の装置が、変動要因を認識し、出力変動を防止するために対策を施すようにしてもよい。
また、上記実施形態では、異常物理量が湿度測定部20bにより測定された湿度である場合に変動要因の特定対象となる複数の第2物理量に、温度測定部20aにより測定される温度、及び除湿装置15によって供給されるドライエアの圧力の両方を含めたが、いずれか一方だけを含めてもよい。
また、上記実施形態では、異常物理量が温度測定部20aにより測定された温度である場合に変動要因の特定対象となる複数の第2物理量に、チラー14によって循環させられる循環液の圧力、流量及び温度のうちのすべての物理量を含めたが、いずれか1つ又は2つの物理量だけを含めてもよい。第2の物理量は、レーザ発振器10内に関連する物理量だけでなく、レーザ発振器10外の周辺機器(例えばチラー14)に関連する物理量も含めることで、レーザ発振器10だけでなく、周辺機器のメンテナンスを促すことができる。
本開示の変動要因特定方法及びレーザ加工装置は、装置又はユーザに、出力変動を防止するための対策を施しやすくさせることができ、レーザ発振器のレーザ出力の変動要因の特定に有用である。
100 レーザ加工装置
10 レーザ発振器
14 チラー
15 除湿装置
40a フォトダイオード(出力測定部)
60 制御部
80 表示装置(出力装置)
T1 第1監視時間
T2 第2監視時間
TH 閾値
t1 変動発生タイミング
t2 異常開始タイミング

Claims (6)

  1. レーザ発振器と、
    前記レーザ発振器により出射されたレーザ光の光量を測定する出力測定部と、
    前記レーザ光のレーザ出力を目標値に近づけるように、前記出力測定部の測定値に基づいて、前記レーザ発振器に供給する駆動電流のフィードバック制御を行う制御部とを備えたレーザ加工装置において、前記制御部によって実行される変動要因特定方法であって、
    前記フィードバック制御を行う電流制御実行ステップと、
    前記出力測定部の測定値に基づいて、前記電流制御実行ステップの実行中に前記レーザ出力と前記目標値との差が所定の閾値を超える出力変動が発生した変動発生タイミングを特定するタイミング特定ステップと、
    前記電流制御実行ステップの実行中に前記レーザ加工装置において測定された複数の第1物理量から、前記タイミング特定ステップにおいて特定された変動発生タイミングに応じて定まる第1監視時間内に異常値となる異常物理量を特定する異常物理量特定ステップと、
    前記異常物理量特定ステップで特定された異常物理量の変動の要因となる複数の第2物理量から、前記異常物理量が異常値となった異常開始タイミングに応じて定まる第2監視時間内に異常値となる物理量を変動要因として特定する変動要因特定ステップと、
    前記変動要因特定ステップで特定された変動要因を示す情報を出力装置に出力させる変動要因出力ステップとを実行することを特徴とする変動要因特定方法。
  2. 請求項1に記載の変動要因特定方法において、
    前記レーザ加工装置は、前記レーザ発振器に循環液を循環させることにより、前記レーザ発振器の温度を制御するチラーをさらに備え、
    前記複数の第1物理量は、前記レーザ発振器の温度を含み、
    前記レーザ発振器の温度の変動の要因となる複数の第2物理量は、前記循環液の圧力、流量及び温度の少なくとも一つを含むことを特徴とする変動要因特定方法。
  3. 請求項1又は2に記載の変動要因特定方法において、
    前記レーザ加工装置は、前記レーザ発振器にドライエアを供給して除湿する除湿装置をさらに備え、
    前記複数の第1物理量は、前記レーザ発振器の湿度を含み、
    前記レーザ発振器の湿度の変動の要因となる複数の第2物理量は、前記レーザ発振器における温度及び前記ドライエアの圧力の少なくとも一方を含むことを特徴とする変動要因特定方法。
  4. 請求項1~3のいずれか1項に記載の変動要因特定方法において、
    前記タイミング特定ステップと、前記異常物理量特定ステップと、前記変動要因特定ステップと、は、前記レーザ光のレーザ出力を停止することなく行うことを特徴とする変動要因特定方法。
  5. 請求項1~4のいずれか1項に記載の変動要因特定方法において、
    前記第2物理量は、前記レーザ発振器内に関連する物理量だけでなく、レーザ発振器外の周辺機器に関連する物理量も含むことを特徴とする変動要因特定方法。
  6. レーザ発振器と、
    前記レーザ発振器により出射されたレーザ光の光量を測定する出力測定部と、
    前記レーザ光のレーザ出力を目標値に近づけるように、前記出力測定部の測定値に基づいて、前記レーザ発振器に供給する駆動電流のフィードバック制御を行う制御部とを備えたレーザ加工装置であって、
    前記制御部は、前記フィードバック制御を行う電流制御実行ステップと、
    前記出力測定部の測定値に基づいて、前記電流制御実行ステップの実行中に前記レーザ出力と前記目標値との差が所定の閾値を超える出力変動が発生した変動発生タイミングを特定するタイミング特定ステップと、
    前記電流制御実行ステップの実行中に前記レーザ加工装置において測定された複数の第1物理量から、前記タイミング特定ステップにおいて特定された変動発生タイミングに応じて定まる第1監視時間内に異常値となる異常物理量を特定する異常物理量特定ステップと、
    前記異常物理量特定ステップで特定された異常物理量の変動の要因となる複数の第2物理量から、前記異常物理量が異常値となった異常開始タイミングに応じて定まる第2監視時間内に異常値となる物理量を変動要因として特定する変動要因特定ステップと、
    前記変動要因特定ステップで特定された変動要因を示す情報を出力装置に出力させる変動要因出力ステップとを実行するように構成されていることを特徴とするレーザ加工装置。
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