JPH0452091A

JPH0452091A - レーザ加工システム

Info

Publication number: JPH0452091A
Application number: JP2155291A
Authority: JP
Inventors: Hideomi Takahashi; 秀臣高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-06-15
Filing date: 1990-06-15
Publication date: 1992-02-20

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、溶接、切断、熱処理等、大出力レザを用いて
行うレーザ応用加工に係り、特に、そのシステム構成に
改良を施したレーザ加工システムに関するものである。

（従来の技術）一般に、レーザ加工においては、エネルギー密度１０３
〜１０９Ｗ／ｃｍ２　（ＣＷ）、１０７〜１０１３Ｗ／
　ｃ　ｍ　（パルス）という従来の電子ビムの能力を超
えた、極めて高い光エネルギーによる熱加工がその本質
であると言われているが、この様な加工用レーザに課せ
られた条件には次の様なものがある（レーザ学会綿、［
レーザハンドブックＪ　ｐ６６９−６７１）。

■熱加工を行うに十分な高出力レーザであり、発振波長
が光と材料の相互作用領域にあること。

■レーザ波長が十分短く、精密加工が可能であり、また
、レーザ励起効率が十分高いこと。

■出力制御性、光学部品、検出器等の性能が良好で、良
い集光特性が得られること。

■レーザ操作時の安全性が十分高く、また、レザ装置及
びランニングコストが十分安価であること。

これらの要求を満足するものとして、例えば、炭酸ガス
レーザ装置がある。この炭酸ガスレーザ装置は発振の量
子効率が４１％と高く、励起効率も２６％以上と計算さ
れている。なお、現在では、励起効率３０％のものまで
作られており、また、最大連続出力波１１００ｋのもの
までつくられている。また、炭酸ガスレーザ装置の発振
波長１０゜６μにおいては、金属の反射率が９０％を超
えるので、レーザビームの吸収が行われにくくなり不利
であるが、出力が数ｋｗ領領域なると、金属はレーザビ
ームを強く吸収するようになるので、前記の様な不利は
解消する。従って、炭酸ガスレーザ装置は、その出力領
域がｌｋｗ以下の場合には精密を要しない非金属加工に
、また、出力領域がｌｋｗ以上の場合には金属加工に適
したレーザ装置であるといえる。

また、上記の様なレーザ加工の応用分野の一般的な特徴
は次の通りである。

■応用分野は極めて広範囲である。レーザは特定の加工
法を提供するというより、電気がエネルギー源として広
く用いられるように、光エネルギー源として広く用いら
れる。

■無人化、省力化に適している。非接触加工なのでＮＣ
の機能が十分に発揮され、熟練工の確保が困難となる将
来において有効な加工法といえる。

■高品質及び高生産性を提供する。現在はレザ装置の価
格が高いため、高付加価値の分野における特殊加工の域
を出ないが、将来、価格の低下に伴い、汎用加工装置と
して一般に広く使用されることが予想される。

この様にレーザは、ＮＣ等コンピュータとの結合で用い
られる情勢にあり、機能面の汎用性が実現され、個性尊
重時代の生産技術に適した加工法である。

この様なレーザ加工システムの基本構成を第４図のブロ
ック図に示した。即ち、第４図において、レーザ発振器
１より放射されたレーザ光１０１が、光伝送系２を経由
したレーザ光１０２としてレザ加工機３に導かれ、ここ
で加工物の加工に供される。また、このレーザ加工機３
においては、制御部４により、加工機の状態信号３１に
応じて送出されるコンピュータによる数値制御信号３２
等によって、円滑な制御が行なわれている。一方、レー
ザ発振器１も、その動作状態信号１１に応じて送出され
る制御信号１２によって制御されている。

また、レーザは前述した様に種々の方面に応用され、多
機能に用いられるので、その使用条件も様々である。即
ち、レーザは衝撃硬化や合金化処理そして焼き入れ等の
表面改質、穿孔や溶接及び切断そして溶着等の加工物の
機械加工等に利用されている。例えば、衝撃硬化では、
エネルギー密度が１０８〜１０１０（Ｗ／ｃｍ２）、照
射時間が１０−８〜１Ｏ−６（ｓ）の領域が加工に適し
ており、溶接及び切断では、エネルギー密度が１０５〜
１０７　（Ｗ／ｃｍ２）、照射範囲１０−３〜１０（ｓ
）の領域が最適となる。さらに、金属材料の切断を例に
とっても、切断品質はレーザ光のモト、集光スポット径
、パワー密度そして焦点深度など、使用されるレーザ加
工機の特性によるものと、噴射ガスの種類、流量・圧力
、焦点位置そして切断速度など使用の都度、設定される
ものとがある。また、レーザ発振器本体を考えると、放
電部構造や寸法そして光共振型系といった固定条件から
、ガス圧力や成分そして冷却水やレーザガスの風速、さ
らには電源電圧や電流等、外部より操作可能な条件等が
ある。そのため、レーザ加工システムにおいては、これ
らの諸条件の影響を統合して制御を用い、最適な加工性
能を確保する必要がある。

（発明が解決しようとする課題）しかしながら、第４図に示した様な従来のレザ加工シス
テムにおいては、影響する因子が多いため、単に実験デ
ータを多く記憶して制御に用いるだけでは、影響する各
因子間の相互作用によって、制御応答が望ましくない方
向に走る場合が生じる。

そこで、レーザ発振器や光伝送系そしてレーザ加工機の
それぞれの単体の機能を基礎物理過程がらシミュレート
したシミュレータにより、加工条件や瞬時の加工結果を
評価判定して、最適な動作条件や加工条件を把握すると
共に、全体を統括した制御を行うことのできるレーザ加
工システムの開発が切望されていた。

本発明は、以上の欠点を解消するために提案されたもの
で、その目的は、設定された加工条件や瞬時の加工結果
を評価判定すると共に、シミュレーションの実行により
動作を予測し、最適な動作条件を導出して、全体を統括
した制御を行うことのできる、精度の高いレーザ加工シ
ステムを提供することにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明は、レーザ発振器と加工装置とを光伝送系で結合
し、これらを制御部で制御することにより加工制御を行
うレーザ加工システムにおいて、対象機器の動作を予測
するシミュレータを、前記レーザ発振器、加工装置ある
いは光伝送系の少なくともいずれか一つに接続し、また
、前記シミュレータによるシミュレーション結果と実測
データとの差が所定の範囲を越えた場合には、シミュレ
タの内部定数を自動的に修正するように構成し、その予
測データを前記制御部に送出するように構成したことを
特徴とするものである。

（作用）本発明のレーザ加工システムによれば、システム内にシ
ミュレータを組込んで制御に用いたことにより、対象機
器の動作を予測し、従来のワイドバック制御だけでは最
適解の得られない制御における諸状態に対して最適解を
見出すことができるので、常に安定した品質の良いレー
ザ加工を行うことができる。さらに、シミュレータによ
るシミュレーション結果と実測データとの差が所定の範
囲を越えた場合には、シミュレータの内部定数が自動的
に修正されるように構成されているので、シミュレータ
の特性を常に最適な動作状態とすることができる。

（実施例）以下、本発明の一実施例を第１図乃至第３図に基づいて
具体的に説明する。なお、第４図に示した従来型と同一
の部材には同一の符号を付して、説明は省略する。

本実施例においては、第１図に示した様に、レーザ発振
器１にシミュレータ１０が接続され、このシミュレータ
１０が制御部４に接続されている。

また、前記シミュレータ１０には、各瞬時におけるレー
ザ発振器１の動作状態を示す動作状態信号１３が人力さ
れ、また、その信号に基づくシミュレーションによる予
測結果信号１４が、前記制御部４に入力されるように構
成されている。

なお、レーザ発振器１をシミュレートするシミュレータ
１０は、例えば第２図に示す様に構成されている。この
シミュレータは、レーザ発振器の放電から発振に至るシ
ミュレーションを行うもので、放電部で行われる各種放
電化学反応、即ち、レーザ媒質ガス分子や生成反応種間
の各種衝突素過程や、電子とこれら粒子との反応、そし
て励起状態粒子とレーザ光との反応を記述する各種レト
方程式が立てられている。これらは一連の連立微分方程
式となるので、ルンケ・フッタ・ジル法等の連立微分方
程式を解く一般的手法によって数値積分されてシミュレ
ーションが行なわれている。

即ち、これらの連立微分方程式を構成している放電化学
反応の素過程の反応速度定数ｋｉは、反応速度定数表２
２として与えられており、また、電子が介在する反応は
電子のエネルギーによって反応速度定数が異なるので、
ボルツマン方程式２３によって電子の分布関数を求め、
これによって反応速度定数ｋｅを与えている。また、分
布関数は、ガス圧力や成分そしてガス温度に加えて放電
都電界によって決まるので、回路方程式２４を解いて電
界Ｅを求め、これによって分布関数を求めている。レー
ト方程式２１の計算が進むと（即ち、時間が進行すると
）、放電プラズマ状態が変化し、電子密度ｎｅが増大し
てくるので、放電部の等価抵抗Ｒｄが変化する。そこで
、適当な時点で、回路方程式２４より得られる端子電圧
より放電プラズマの電界Ｅを再計算し、ボルツマン方程
式２３を再度解いて新しい分布関数を求める。

なお、本発明においては、特に、前記シミュレータの内
部定数を外部の状態の変化に応じて修正するための制御
部３０が設けられており、シミュレーション結果が実測
データと大きく異なる場合には、シミュレータの内部定
数が修正されるように構成されている。この制御部３０
の作用は、主として、シミュレータの放電維持電圧を制
御するもので、シミュレーションにおける陰極機構とい
う、本発明の提案者の見出した新しい理論より、次式で
示す電圧ｖ６を放電維持電圧に加えるものである。即ち
、 γ・　（ｅｘｐ（α−η・δ）　−１１＝１　　・・・
■ｎ＋　＝　　ｎｅＶｅ　　　ｅφμや　・δ／２ε。

）・・・■ Ｖ６＝ｅ・ηや　・δ２／２ε。　　　　　　・・・■
γ：陰極面よりのイオンによる二次電子放出係数 α；電離係数 η：付着係数ｎ８　：電子密度 ■。　＝電子の移動速度 μ。：イオンの移動度ｎ＋　：正イオン密度ｅ：電子の電荷 ε０　：真空の誘電率 δ：陰極層厚さＶ６　：陰極層での電圧降下ここで、■、の計算は次の様に行う。まず、データとし
てγ、ε。、ｅを読み込み、ボルツマンコードより得ら
れるαとηより０式からδを求める。次に、放電電流ｉ
を電極面積Ａで割って電流密度ｊ　　（＝ｉ／Ａ）を求
め、放電プラズマ部での電子密度ｎや及び電子の移動度
■。との積ｎ。

ｖ、＝ｊ／ｅを求め、イオンの陰極層部での移動度μや
をデータとして入力し、■式から正イオン密度ｎ＋を求
める。得られた正イオン密度ｎ４及びすでに０式で求め
たδを用いて、■式よりＶ６を求め、放電維持電圧の補
正値とするもので、制御部３０における上記の演算は自
動的に行われるように構成されている。

この様にして修正されたボルツマンコードより与えられ
たガス圧力、成分、電源条件に対する新しい電子反応速
度定数ｋｅが得られるので、レート方程式２１により各
種放電化学反応の進行状態が求まり、光共振型式２５に
よりレーザ出力■ν２６が得られる。さらに、装置条件
及びガス条件２７は、レート方程式２１、ボルツマン方
程式２３、回路方程式２４及び光共振型式２５の初期値
や条件値を決定する要素となる。また、回路方程式２４
は、電源条件２８によりその回路定数や初期設定値が決
められている。

この様に、シミュレータ１０においては、第３図に示し
た様に、レーザ出力ＰＬや端子電圧Ｖｄそして放電電流
１１さらにはガス成分（図示せず）の変化等が逐次計算
されるので、レーザ出力要求に最適な電源条件及びガス
圧力や成分等が瞬時に設定される。

この様な構成を有する本実施例のレーザ加工システムに
おいては、以下に述べる様にして、精度の高いレーザ加
工を行うことができる。即ち、第１図に示した様に、レ
ーザ発振器１よりのレーザ出力１０１は光伝送系２を経
由してレーザ光１゜２としてレーザ加工機３に導かれ、
ここで加工物に照射されて被加工物を加工しており、こ
れらレーザ発振器１、光伝送系２及びレーザ加工機３は
、レーザ発振器１の動作をシミュレートしているシミュ
レータ１０のシミュレーション結果に基づいて、制御部
４により制御されている。つまり、レザ加工機３はその
状態信号３１に基づく制御信号３２が制御部４より送ら
れて制御されており、一方、レーザ発振器１はその動作
状態信号１１に応じて制御部４より制御信号１２が送ら
れて制御されている。

さらに、本実施例においては、シミュレータ１０自身に
、自己を対象機器の動作に適合させる機能を設けたこと
によって、対象機器の動作はずれによる制御システムの
暴走等を防止することができ、また、常に安定した応答
性の良い制御が可能となる。

この様に、本実施例によれば、レーザ加エシステムにシ
ミュレータを組込んで制御に用いたことにより、フィー
ドバック制御だけでは最適解の得られない制御における
諸状態に対して最適解を見出し、安定した品質の良いレ
ーザ加工を行うことができるレーザ加工システムを得る
ことができる。

また、シミュレータ１０自身に、自己を対象機器の動作
に適合させる機能を設けたことによって、対象機器の動
作はずれによる制御システムの暴走等を防止することが
でき、また、常に安定した応答性の良い制御が可能とな
る。

［発明の効果］以」二述べた様に、本発明によれば、対象機器の動作を
予測するシミュレータを、レーザ発振器、加工装置ある
いは光伝送系の少なくともいずれか一つに接続し、また
、シミュレータによるシミュレーション結果と実測デー
タとの差が所定の範囲を越えた場合には、シミュレータ
の内部定数を自動的に修正するように構成し、その予測
データを制御部に送出するように構成することによって
、設定された加工条件や瞬時の加工結果を評価判定する
と共に、シミュレーションの実行により動作を予測し、
最適な動作条件を導出して、全体を統括した制御を行う
ことのできる、精度の高いレーザ加工システムを提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ加工システムの一実施例を示す
ブロック図、第２図は第１図に示したシミュレータの基
本的な構成図、第３図はシミュレタによるシミュレーシ
ョン結果の一例を示す図、第４図は従来のレーザ加工シ
ステムの一例を示すブロック図である。１・・・レーザ発振器、２・・・光伝送系、３・・・レ
ーザ加工機、４・・・制御部、１０・・・シミュレータ
、１１・・・動作状態信号、１２・・・制御信号、１３
・・・動作状態信号、１４・・・予測結果信号、１７・
・・予測結果信号、２０・・・シミュレータ、２１・・
・レート方程式、２２・・・反応定数表、２３・・・ボ
ルツマン方程式、２４・・・回路方程式、２５・・・光
共振型式、２６・・・レーザ出力、２８・・・電源条件
、３０・・・制御部、３１・・・状態信号、３２・・・
数値制御信号。宕図Ｉ４藺（仕駄側第３図第　２　図第４図

Claims

【特許請求の範囲】レーザ発振器と加工装置とを光伝送系で結合し、これら
を制御部で制御することにより加工制御を行うレーザ加
工システムにおいて、対象機器の動作を予測するシミュレータを、前記レーザ
発振器、加工装置あるいは光伝送系の少なくともいずれ
か一つに接続し、また、前記シミュレータによるシミュ
レーション結果と実測データとの差が所定の範囲を越え
た場合には、シミュレータの内部定数を自動的に修正す
るように構成し、その予測データを前記制御部に送出す
るように構成したことを特徴とするレーザ加工システム
。