WO2014002583A1 - レーザ出力制御装置、レーザ発振器およびレーザ出力制御方法 - Google Patents

レーザ出力制御装置、レーザ発振器およびレーザ出力制御方法 Download PDF

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Definitions

  • the current pulse generator 48 generates a current command pulse waveform (output command pulse waveform) Ow5 by performing an AND operation between the current command value P5 and the output timing Ow1.
  • the current pulse generator 48 outputs the current command pulse waveform Ow5 to the laser power source 13 as a current command.
  • the feedback control unit 47 adjusts the current command value so that the average output monitor value M3 becomes a value (for example, the same value) corresponding to the average output command value Px (step S11), and generates a current command value P5. .
  • the feedback control unit 47 performs laser beam output feedback control (PID calculation) using the average output monitor value M3.
  • the current pulse generator 48 generates a current command pulse waveform (current command) Ow5 using the adjusted current command value P5 (step S12). At this time, the current pulse generator 48 generates a current command pulse waveform Ow5 by performing an AND operation between the current command value P5 and the output timing Ow1. Then, the current pulse generator 48 outputs the current command pulse waveform Ow5 as a current command to the laser power source 13 (step S8).
  • the switching unit 43 determines that the on-pulse width W is greater than the predetermined value T, and the laser output control device 11 performs peak value control.
  • a waveform 33 in FIG. 5-2 is an actual laser output waveform when the pulse wave has a high frequency, and corresponds to the current command pulse waveform Ow5.
  • the waveform 34 corresponds to the average output monitor value M3 when the pulse wave has a high frequency.
  • FIGS. 7A to 7C are diagrams for explaining the output command value of the laser beam used when the peak value control is performed.
  • FIG. 7A is a diagram illustrating a relationship between the average output command value and the peak output value.
  • the peak output value shown in FIG. 7A is the peak output value P1 loaded to the laser command value when the peak value control is performed, and is a waveform when the laser output control device 11 performs the process of st5. .
  • the peak value control is control performed on the assumption that the output waveform detected by the power sensor 12 can follow the actual output of the laser beam. For this reason, when the off pulse width W off is shorter than the predetermined value T, the waveform may be different from the actual output of the laser beam. In this case, the laser output control device 11 performs the average value control. By switching between peak value control and average value control using the on-pulse width W and off-pulse width W off , the laser light output from the laser oscillator 1 is stabilized even when the off- pulse width W off is short.
  • the peak value control or the average value control is performed using the average output command value Px.
  • the peak value control or the average value is performed using the peak output value P1 (command value). Control may be performed.
  • High-frequency laser light is often used to reduce the thermal influence on the peripheral part by lowering the average heat input, and control of the average laser energy is sufficient. For this reason, the laser output control device 11 controls the average value output when the output period of the laser light is high frequency, and controls the peak value output when the output period of the laser light is low frequency. Therefore, the followability of the output at a low frequency is improved.
  • the apparatus configuration is simplified. Therefore, it is possible to easily control the output of the laser beam with a simple configuration.
  • the laser output control device, laser oscillator, and laser output control method according to the present invention are suitable for laser light output control.

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Abstract

　レーザ発振器を制御するレーザ出力制御装置において、レーザ光の出力波形を生成する際に用いられるレーザ出力指令のパルス幅の大きさに基づいて、レーザ光の出力制御に用いる電流指令値を、パルス波形のピーク値としたピーク値制御と、パルス波形の平均値とした平均値制御と、の何れかに切替える切替部と、ピーク値制御する場合に、パルス波形のピーク値を用いた電流指令値を生成するピーク値指令生成部と、平均値制御する場合に、パルス波形の平均値を用いた電流指令値を生成する平均値指令生成部と、を備え、ピーク値指令生成部および平均値指令生成部へは、同一の測定部で測定されたレーザ光の出力値が入力され、レーザ光の出力値がレーザ出力指令に対応する値となるよう電流指令値が生成される。

Description

レーザ出力制御装置、レーザ発振器およびレーザ出力制御方法
　本発明は、レーザ光の出力を制御するレーザ出力制御装置、レーザ発振器およびレーザ出力制御方法に関する。
　被加工物のレーザ加工を行うレーザ加工機は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、レーザ発振器を制御するレーザ出力制御装置と、を備えている。従来のレーザ出力制御装置は、レーザ出力を制御する際に、レーザ出力を高速検出可能なパワーセンサ（高周波に追従する高速パワーセンサ）にてレーザピーク出力を検出し、ピーク値制御または平均値制御を実施している。
　高速パワーセンサを用いる場合、装置が高価になるとともに、ノイズなどの外乱要因に対する不安定性が増加するので制御が複雑になる。また、高速パワーセンサを用いて平均値制御を行う場合、低周波に対応するためセンサの時定数を長くする必要があった。センサの時定数を長くするため、遅れ回路用フィルタのコンデンサ等の容量を大きくする必要が生じ、装置が高価になる。
　特許文献１に記載のレーザ加工機は、アンプの遅れの補正を次の様に行っている。アンプから出力される計測値を逐次推定し、アンプによるレーザ出力計測値と、レーザ出力指令値とアンプの応答特性とに基づいて、計測値シミュレート手段によって生成されたシミュレート値との差に応じて、レーザ出力指令値をフィードバック補正している。これにより、パワーセンサの反応遅れを補正している。
特開２００４－２５２０４号公報
　しかしながら、上記従来の技術では、アンプの応答特性に合わせたシミュレート値を用いており，アンプの応答特性に合わせたレーザ出力の計測値を予測する必要があるので、装置構成が複雑になるとともに、装置が高価になるという問題があった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡易な構成で容易にレーザ光の出力を制御するレーザ出力制御装置、レーザ発振器およびレーザ出力制御方法を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ光を出力するレーザ発振器を制御するレーザ出力制御装置において、前記レーザ光の出力波形を生成する際に用いられるレーザ出力指令に基づいて、前記レーザ光がレーザ発振をしている間のパルス幅を算出するパルス幅演算部と、制御方法を、前記パルス幅の大きさに基づいて、前記レーザ発振器の制御に用いる電流指令値を算出するために、パルス波形のピーク値を用いて制御を行うピーク値制御と、パルス波形の平均値を用いて制御を行う平均値制御と、の何れか一方に切替える切替部と、前記レーザ発振器をピーク値制御する場合に、前記レーザ発振器から出力されるレーザ光の出力値に基づいて、当該出力値が前記レーザ出力指令に対応する値となるよう、前記パルス波形のピーク値を用いた電流指令値を生成するピーク値指令生成部と、前記レーザ発振器を平均値制御する場合に、前記レーザ発振器から出力されるレーザ光の出力値に基づいて、当該出力値が前記レーザ出力指令に対応する値となるよう、前記パルス波形の平均値を用いた電流指令値を生成する平均値指令生成部と、を備え、前記ピーク値指令生成部および前記平均値指令生成部へは、同一の測定部で測定された前記レーザ光の出力値が入力されることを特徴とする。
　本発明によれば、簡易な構成で容易にレーザ光の出力を制御することが可能になるという効果を奏する。
図１は、実施の形態に係るレーザ出力制御装置を備えたレーザ加工機の構成を示す図である。 図２は、レーザ発振器の構成を示すブロック図である。 図３は、実施の形態に係るレーザ出力制御装置の構成を示すブロック図である。 図４は、レーザ光の出力制御手順を示すフローチャートである。 図５－１は、ピーク値制御を行う場合の出力モニタ値を示す図である。 図５－２は、平均値制御を行う場合の出力モニタ値を示す図である。 図６は、実施の形態に係るレーザ出力制御装置の動作処理手順を説明するための図である。 図７－１は、平均出力指令値とピーク出力値との関係を示す図である。 図７－２は、ピーク出力値と出力タイミングとを用いて生成される出力指令パルス波形を示す図である。 図７－３は、ピーク値制御の場合にレーザ電源に出力される電流指令パルス波形を示す図である。 図８－１は、平均値制御に用いる平均出力指令値を示す図である。 図８－２は、フィードバック制御後の電流指令値と平均出力指令値との関係を示す図である。 図８－３は、平均値制御の場合にレーザ電源に出力される電流指令パルス波形を説明するための図である。
　以下に、本発明の実施の形態に係るレーザ出力制御装置、レーザ発振器およびレーザ出力制御方法を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態
　図１は、実施の形態に係るレーザ出力制御装置を備えたレーザ加工機の構成を示す図である。レーザ加工機１００は、レーザ発振器１、レーザ出力制御装置（フィードバック制御装置）１１、加工テーブル９、左右のコラム４，５、クロスレール６、Ｙ軸ユニット７、Ｚ軸ユニット８、加工ヘッド１０および加工制御装置２０を有する。
　加工テーブル９は、ベッド３上にてＸＹ平面内を移動可能に設けられている。加工テーブル９は、レーザ加工の対象とする加工材料（被加工物）が載置される。クロスレール６は、左右のコラム４，５の間に水平に掛け渡されている。Ｙ軸ユニット７は、クロスレール６にてＹ軸方向へ移動可能に設けられている。Ｚ軸ユニット８は、Ｙ軸ユニット７にてＺ軸方向へ移動可能に設けられている。加工ヘッド１０は、Ｚ軸ユニット８に取り付けられている。加工ヘッド１０の先端には、加工ノズル（レーザ用ノズル）が取り付けられている。
　加工制御装置２０は、マンマシンインタフェースであり、操作盤２１および画面表示部２２を具備している。画面表示部２２は、例えば液晶パネルである。加工制御装置２０は、図示省略のＸ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータおよびＺ軸サーボモータへの各軸指令によって、加工テーブル９、Ｙ軸ユニット７およびＺ軸ユニット８の位置を制御する。
　また、加工制御装置２０は、後述するレーザ出力指令部２を備えている。レーザ出力指令部２は、加工プログラムに基づいて、レーザ光の出力指令（レーザ出力指令値）をレーザ出力制御装置１１に送信する。
　レーザ出力制御装置１１は、レーザ発振器１を制御する装置であり、レーザ発振器１に接続されている。本実施の形態のレーザ出力制御装置１１は、レーザ出力指令値から算出したオンパルス幅Ｗに基づいて、レーザ発振器１を平均値出力（平均値制御）とピーク値出力（ピーク値制御）の何れかに切替えながらレーザ発振器１にレーザ光を出力させる。オンパルス幅Ｗは、レーザ発振している時間であり、パルスのオン時間である。平均値制御は、レーザ発振器１に出力するレーザ出力指令値をパルス波形の平均値とした制御であり、ピーク値制御は、レーザ発振器１に出力するレーザ出力指令値をパルス波形のピーク値とした制御である。
　図２は、レーザ発振器の構成を示すブロック図である。レーザ発振器１は、レーザ出力制御装置１１に接続されており、レーザ電源１３と、パワーセンサ（測定部）１２と、共振器１４と、を有している。
　レーザ出力制御装置１１は、加工制御装置２０のレーザ出力指令部２に接続されており、レーザ出力指令部２からレーザ出力指令値を受信する。また、レーザ出力制御装置１１は、パワーセンサ１２とレーザ電源１３に接続されている。レーザ出力制御装置１１は、パワーセンサ１２からレーザパワーの出力モニタ値を受信する。
　レーザ出力制御装置１１は、レーザ出力指令値と出力モニタ値とに基づいて、レーザ電源１３をフィードバック制御する。レーザ出力制御装置１１は、レーザ出力指令値に基づいてレーザ光のオンパルス幅Ｗを算出し、オンパルス幅Ｗに基づいて平均値出力とピーク値出力との何れかへの切替えを行う。レーザ出力制御装置１１は、オンパルス幅Ｗが所定値以下の場合に、レーザ光を平均値制御し、オンパルス幅Ｗが所定値よりも大きい場合に、レーザ光をピーク値制御する。レーザ出力制御装置１１は、レーザ電源１３を制御することにより、共振器１４から出力されるレーザ光の出力値を制御する。
　レーザ電源１３は、レーザ出力制御装置１１から送られてくる電流指令（パルス波形）に基づいて、電流を発生させ、これにより、電流指令に応じたレーザ光を共振器１４に出力させる。共振器１４は、レーザ電源１３から送られてくる電流に応じたレーザ光を出力する。
　パワーセンサ１２は、共振器１４から出力されるレーザ光のパワー（出力値）をモニタし、レーザ出力制御装置１１に送る。本実施の形態のレーザ出力制御装置１１は、同一のパワーセンサ１２によって測定されたレーザ光の出力値を用いて、ピーク値制御および平均値制御を行う。このため、レーザ出力制御装置１１へは、ピーク値制御および平均値制御の何れを行う場合であっても、同一のパワーセンサ１２で測定されたレーザ光の出力値が入力される。
　図３は、実施の形態に係るレーザ出力制御装置の構成を示すブロック図である。レーザ出力制御装置１１は、出力タイミング生成部４１、パルス幅演算部４２、切替部４３、ピーク出力値演算部４４、出力パルス生成部４５、フィードバック制御部４６、フィードバック制御部４７、電流パルス生成部４８を備えている。
　なお、ここでのピーク出力値演算部４４、出力パルス生成部４５、フィードバック制御部４６が、特許請求の範囲に記載のピーク値指令生成部に対応している。また、ここでのフィードバック制御部４７、電流パルス生成部４８が、特許請求の範囲に記載の平均値指令生成部に対応している。
　出力タイミング生成部４１およびパルス幅演算部４２は、それぞれレーザ出力指令部２に接続されている。出力タイミング生成部４１へは、レーザ出力指令値として、周波数ｆ、デューティＤなどが送られてくる。出力タイミング生成部４１は、周波数ｆとデューティＤを用いて、出力タイミング（オン／オフタイミング）Ｏｗ１を生成する。出力タイミング生成部４１は、出力タイミングＯｗ１を出力パルス生成部４５と電流パルス生成部４８に送る。なお、出力タイミング生成部４１は、パルス値制御を行う場合に、出力タイミングＯｗ１を出力パルス生成部４５に送り、平均値制御を行う場合に、出力タイミングＯｗ１を電流パルス生成部４８に送ってもよい。
　パルス幅演算部４２へは、レーザ出力指令値として、平均出力指令値Ｐｘ、周波数ｆ、デューティＤなどが送られてくる。デューティＤ＝パルスオン時間／１周期である。パルス幅演算部４２は、周波数ｆとデューティＤを用いてオンパルス幅Ｗを演算する。パルス幅演算部４２は、オンパルス幅Ｗを切替部４３に送る。
　切替部４３は、オンパルス幅Ｗが所定値Ｔよりも大きいか否かを判定する。換言すると、オンパルス幅Ｗの時間がＴよりも長いか否かが判定される。切替部４３は、オンパルス幅ＷがＴよりも大きい場合、ピーク出力値演算部４４に平均出力指令値ＰｘとデューティＤを送信する。切替部４３は、オンパルス幅ＷがＴ以下の場合、フィードバック制御部４７に平均出力指令値Ｐｘを送信する。
　ピーク出力値演算部４４は、ピーク値制御を行う際に、平均出力指令値ＰｘをデューティＤで除することによって、ピーク出力値Ｐ１（指令値）を算出する。ピーク出力値演算部４４は、算出したピーク出力値Ｐ１を出力パルス生成部４５に送る。
　出力パルス生成部４５は、ピーク出力値Ｐ１と出力タイミングＯｗ１とのＡＮＤ演算を行うことによって、出力指令パルス波形Ｏｗ２を生成する。出力パルス生成部４５は、生成した出力指令パルス波形Ｏｗ２をフィードバック制御部４６に送る。
　フィードバック制御部４６は、パワーセンサ１２で測定されたレーザ光の出力モニタ値Ｍ１を読み込む。フィードバック制御部４６は、出力モニタ値Ｍ１が、ピーク出力指令値Ｐ１に対応する値となるように、電流指令値（出力指令パルス波形Ｏｗ２）を調整し、電流指令値Ｏｗ３を生成する。フィードバック制御部４６は、電流指令値Ｏｗ３を用いて、レーザ電源１３への電流指令パルス波形（出力指令パルス波形）Ｏｗ４を生成する。フィードバック制御部４６は、電流指令パルス波形Ｏｗ４を電流指令としてレーザ電源１３に出力する。
　フィードバック制御部４７は、平均値制御を行う際に、パワーセンサ１２で測定されたレーザ光の出力モニタ値Ｍ２を読み込む。フィードバック制御部４７は、出力モニタ値Ｍ２の平均化処理を行うことによって、平均出力モニタ値Ｍ３を算出する。フィードバック制御部４７は、平均出力モニタ値Ｍ３が、平均出力指令値Ｐｘに対応する値となるように）、電流指令値（平均出力指令値Ｐｘ）を調整し、電流指令値Ｐ５を生成する。フィードバック制御部４７は、生成した電流指令値Ｐ５を電流パルス生成部４８に送る。
　電流パルス生成部４８は、電流指令値Ｐ５と出力タイミングＯｗ１とのＡＮＤ演算を行うことによって、電流指令パルス波形（出力指令パルス波形）Ｏｗ５を生成する。電流パルス生成部４８は、電流指令パルス波形Ｏｗ５を電流指令としてレーザ電源１３に出力する。
　図４は、レーザ光の出力制御手順を示すフローチャートである。レーザ出力制御装置１１は、レーザ出力指令部２から送られてくるレーザ出力指令値を受信して読込む（ステップＳ１）。レーザ出力制御装置１１へは、レーザ出力指令値として、平均出力指令値Ｐｘ、周波数ｆ、デューティＤなどが送られてくる。
　パルス幅演算部４２は、周波数ｆとデューティＤを用いてパルス幅を算出する。ここでのパルス幅演算部４２は、パルス幅のうちオンパルス幅Ｗを算出する（ステップＳ２）。そして、切替部４３は、オンパルス幅Ｗが所定値Ｔよりも大きいか否かを判定する（ステップＳ３）。
　所定値Ｔは、パワーセンサ１２の特性（平均化時間（フィルタ時定数）など）に基づいて、予め設定される値である。所定値Ｔを小さく設定しすぎると、レーザ光出力値がピーク値まで到達しないような高周波のパルス波に対してもピーク値制御を行なってしまうこととなる。このため、所定値Ｔは、ピーク値制御を行なう際に、パワーセンサ１２がレーザ光出力値のピーク値を検出できるような値に設定しておく。例えば、レーザ光をパルス出力する際に、パルス出力を開始してからパルスのピーク値に到達するまでの時間がｔ１であるとすると、ｔ１≦Ｔとなるよう所定値Ｔが設定される。
　オンパルス幅ＷがＴよりも大きい場合（ステップＳ３、Ｙｅｓ）、レーザ出力制御装置１１は、ピーク値制御を行なう。具体的には、オンパルス幅ＷがＴよりも大きい場合、切替部４３が、ピーク出力値演算部４４に平均出力指令値ＰｘとデューティＤを送信する。ピーク出力値演算部４４は、平均出力指令値ＰｘをデューティＤで除することによって、ピーク出力値Ｐ１（指令値）を求める（ステップＳ４）。
　また、出力タイミング生成部４１は、周波数ｆとデューティＤを用いて、出力タイミング（オン／オフタイミング）Ｏｗ１を生成する。そして、出力パルス生成部４５は、ピーク出力値Ｐ１と出力タイミングＯｗ１とのＡＮＤ演算を行うことによって、出力指令パルス波形Ｏｗ２を生成する（ステップＳ５）。
　フィードバック制御部４６は、パワーセンサ１２で測定されたレーザ光の出力モニタ値Ｍ１を読込む（ステップＳ６）。そして、フィードバック制御部４６は、出力モニタ値Ｍ１が、ピーク出力指令値となるように、電流指令値（ここでは、出力指令パルス波形Ｏｗ２）を調整する（ステップＳ７）。
　換言すると、フィードバック制御部４６は、生成した出力指令パルス波形Ｏｗ２と出力モニタ値Ｍ１との差分を算出し、差分が０となるような電流指令値Ｏｗ３を生成することによって、フィードバック制御（ＰＩＤ演算）を行なう。このように、フィードバック制御部４６は、電流指令値が所望のピーク出力指令値となるように、出力モニタ値Ｍ１に基づいて、電流指令値を調整する。
　この後、フィードバック制御部４６は、電流指令値Ｏｗ３を用いて、レーザ電源１３への電流指令パルス波形Ｏｗ４を生成する。そして、フィードバック制御部４６は、電流指令パルス波形Ｏｗ４を電流指令としてレーザ電源１３に出力する（ステップＳ８）。
　一方、オンパルス幅ＷがＴ以下の場合（ステップＳ３、Ｎｏ）、レーザ出力制御装置１１は、平均値制御を行う。具体的には、オンパルス幅ＷがＴ以下の場合、切替部４３が、フィードバック制御部４７に平均出力指令値Ｐｘを送信する。フィードバック制御部４７は、パワーセンサ１２で測定されたレーザ光の出力モニタ値Ｍ２を読み込む（ステップＳ９）。そして、フィードバック制御部４７は、出力モニタ値Ｍ２の平均化処理を行うことによって（ステップＳ１０）、平均出力モニタ値Ｍ３を算出する。
　フィードバック制御部４７は、平均出力モニタ値Ｍ３が、平均出力指令値Ｐｘに対応する値（例えば同じ値）になるように、電流指令値を調整し（ステップＳ１１）、電流指令値Ｐ５を生成する。換言すると、フィードバック制御部４７は、平均出力モニタ値Ｍ３を用いて、レーザ光出力のフィードバック制御（ＰＩＤ演算）を行う。
　この後、電流パルス生成部４８は、調整後の電流指令値Ｐ５を用いて、電流指令パルス波形（電流指令）Ｏｗ５を生成する（ステップＳ１２）。このとき、電流パルス生成部４８は、電流指令値Ｐ５と出力タイミングＯｗ１とのＡＮＤ演算を行うことによって、電流指令パルス波形Ｏｗ５を生成する。そして、電流パルス生成部４８は、電流指令パルス波形Ｏｗ５を電流指令としてレーザ電源１３に出力する（ステップＳ８）。なお、レーザ光の出力指令が連続波である場合、切替部４３は、オンパルス幅Ｗが所定値Ｔよりも大きいと判断し、レーザ出力制御装置１１は、ピーク値制御を行う。
　図５－１は、ピーク値制御を行う場合の出力モニタ値を示す図であり、図５－２は、平均値制御を行う場合の出力モニタ値を示す図である。図５－１における波形３１は、パルス波が低周波である場合の実際のレーザ出力波形であり、電流指令パルス波形Ｏｗ４に対応している。また、波形３２は、パルス波が低周波である場合の出力モニタ値Ｍ１に対応している。
　また、図５－２における波形３３は、パルス波が高周波である場合の実際のレーザ出力波形であり、電流指令パルス波形Ｏｗ５に対応している。また、波形３４は、パルス波が高周波である場合の平均出力モニタ値Ｍ３に対応している。
　オンパルス幅Ｗが所定値Ｔよりも大きい場合、レーザ出力制御装置１１は、ピーク値制御を行なう。これにより、オンパルス幅Ｗが所定値Ｔよりも大きい場合、波形３２（出力モニタ値Ｍ１）がパルス波形である波形３１に追従するようレーザ光の出力制御が行われる。したがって、出力モニタ値Ｍ１と実際のレーザ出力波形とは、略一致する。
　一方、オンパルス幅Ｗが所定値Ｔ以下である場合、レーザ出力制御装置１１は、平均値制御を行なう。これにより、オンパルス幅Ｗが所定値Ｔ以下の場合、波形３４（平均出力モニタ値Ｍ３）が、波形３３の平均値出力に追従するようレーザ光の出力制御が行われる。したがって、平均出力モニタ値Ｍ３と、平均出力指令値Ｐｘに対応するレーザ出力波形とは、略一致する。
　つぎに、本実施の形態に係るレーザ出力制御装置１１の動作処理手順について説明する。図６は、実施の形態に係るレーザ出力制御装置の動作処理手順を説明するための図である。レーザ出力制御装置１１は、レーザ出力指令部２から送られてくるレーザ出力指令値を受信する。具体的には、出力タイミング生成部４１が、レーザ出力指令値として、周波数ｆ、デューティＤを受信し、パルス幅演算部４２が、レーザ出力指令値として、平均出力指令値Ｐｘ、周波数ｆ、デューティＤを受信する。
　これにより、出力タイミング生成部４１は、周波数ｆとデューティＤを用いて、出力タイミングＯｗ１を生成する（ｓｔ１）。また、パルス幅演算部４２は、周波数ｆとデューティＤを用いてオンパルス幅Ｗを演算する（ｓｔ２）。このとき、パルス幅演算部４２は、以下の式（１）を用いてオンパルス幅Ｗを算出する。
　Ｗ＝（１／ｆ）×Ｄ・・・（１）
　切替部４３は、オンパルス幅Ｗの長さに基づいて、平均値制御とピーク値制御との切替えを行う（ｓｔ３）。オンパルス幅ＷがＴよりも大きい場合、レーザ出力制御装置１１は、ピーク値制御を行なう。この場合、ピーク出力値演算部４４は、式（２）を用いてピーク出力値Ｐ１を演算する（ｓｔ４）。
　Ｐ１＝Ｐｘ／Ｄ・・・（２）
　そして、出力パルス生成部４５は、レーザ指令値に、求めたピーク出力値Ｐ１（ピーク出力値演算結果）をロードする（ｓｔ５）。出力パルス生成部４５は、レーザ指令値（ピーク出力値Ｐ１）と出力タイミングＯｗ１とのＡＮＤ演算を行うことによって、出力指令パルス波形Ｏｗ２を生成する（ｓｔ６）。
　フィードバック制御部４６は、パワーセンサ１２で測定されたレーザ光の出力モニタ値Ｍ１を用いてフィードバック制御を行なう。具体的には、フィードバック制御部４６は、出力モニタ値Ｍ１がピーク出力指令値となるように電流指令値Ｏｗ３を調整する（ｓｔ７）。さらに、フィードバック制御部４６は、調整した電流指令値Ｏｗ３を用いて、レーザ電源１３への電流指令パルス波形Ｏｗ４を生成し、レーザ電源１３に出力する。
　また、オンパルス幅ＷがＴ以下の場合、レーザ出力制御装置１１は、平均値制御を行なう。この場合、フィードバック制御部４７は、レーザ指令値に、平均出力指令値Ｐｘ（指令値）をロードする（ｓｔ８）。また、フィードバック制御部４７は、パワーセンサ１２で測定されたレーザ光の出力モニタ値Ｍ２に平均化処理を行うことによって、平均出力モニタ値Ｍ３を算出する。
　そして、フィードバック制御部４７は、平均出力モニタ値Ｍ３を用いてフィードバック制御を行なう。具体的には、フィードバック制御部４７は、平均出力モニタ値Ｍ３が平均出力指令値Ｐｘと同じ値になるように電流指令値Ｐ５を生成する（ｓｔ９）。
　この後、電流パルス生成部４８は、電流指令値Ｐ５と出力タイミングＯｗ１とのＡＮＤ演算を行うことによって、電流指令パルス波形Ｏｗ５を生成する（ｓｔ１０）。そして、電流パルス生成部４８は、電流指令パルス波形Ｏｗ５をレーザ電源１３に出力する。
　図７－１～図７－３は、ピーク値制御を行う際に用いられるレーザ光の出力指令値を説明するための図である。図７－１は、平均出力指令値とピーク出力値との関係を示す図である。図７－１に示すピーク出力値は、ピーク値制御を行う際にレーザ指令値にロードされたピーク出力値Ｐ１であり、レーザ出力制御装置１１がｓｔ５の処理を行った時点での波形である。例えば、デューティＤが２５％の場合、平均出力指令値Ｐｘの４（＝１／０．２５）倍の値がピーク出力値Ｐ１となる。
　図７－２は、ピーク出力値と出力タイミングとを用いて生成される出力指令パルス波形を示す図である。レーザ出力制御装置１１は、ピーク出力値Ｐ１と出力タイミングＯｗ１とのＡＮＤ演算を行うことによって、出力指令パルス波形Ｏｗ２を生成する。したがって、図７－２に示す出力指令パルス波形Ｏｗ２は、レーザ出力制御装置１１がｓｔ６の処理を行った時点での波形である。
　図７－３は、ピーク値制御の場合にレーザ電源に出力される電流指令パルス波形を示す図である。図７－３に示す電流指令パルス波形は、レーザ出力制御装置１１がレーザ電源１３に出力する電流指令パルス波形Ｏｗ４であり、レーザ出力制御装置１１がｓｔ７の処理を行った時点での波形である。電流指令パルス波形Ｏｗ４は、レーザ出力制御装置１１によってレーザ電源１３に出力される。
　図８－１～図８－３は、平均値制御を行う際に用いられるレーザ光の出力指令値を説明するための図である。図８－１は、平均値制御に用いる平均出力指令値を示す図である。図８－１に示す平均出力指令値は、平均値制御を行う際にレーザ指令値にロードされた平均出力指令値Ｐｘであり、レーザ出力制御装置１１がｓｔ８の処理を行った時点での波形である。
　図８－２は、フィードバック制御後の電流指令値と平均出力指令値との関係を示す図である。図８－２に示す電流指令値は、平均出力モニタ値Ｍ３が平均出力指令値Ｐｘと同じ値になるように調整された電流指令値Ｐ５であり、レーザ出力制御装置１１がｓｔ９の処理を行った時点での波形である。
　図８－３は、平均値制御の場合にレーザ電源に出力される電流指令パルス波形を説明するための図である。レーザ出力制御装置１１は、電流指令値Ｐ５と出力タイミングＯｗ１とのＡＮＤ演算を行うことによって、電流指令パルス波形Ｏｗ５を生成する。したがって、図８－３に示す電流指令パルス波形Ｏｗ５は、レーザ出力制御装置１１がｓｔ１０の処理を行った時点での波形である。電流指令パルス波形Ｏｗ５は、レーザ出力制御装置１１によってレーザ電源１３に出力される。
　このように、ピーク値制御を行う場合には、ピーク出力値Ｐ１と出力タイミングＯｗ１とのＡＮＤ演算を行なった後に、出力モニタ値Ｍ１を用いたフィードバック制御が行われる。また、平均値制御を行う場合には、平均出力モニタ値Ｍ３を用いたフィードバック制御が行われた後、電流指令値Ｐ５と出力タイミングＯｗ１とのＡＮＤ演算が行われる。
　なお、本実施の形態では、オンパルス幅Ｗが所定値Ｔよりも大きいか否かに基づいて、ピーク値制御と平均値制御とを切替えたが、オンパルス幅Ｗ（レーザ発振している時間）およびオフパルス幅Ｗoff（レーザ発振していない時間）（パルス間隔）を用いて、ピーク値制御と平均値制御とを切替えてもよい。
　この場合、レーザ出力制御装置１１は、オンパルス幅Ｗが所定値Ｔよりも長い、かつオフパルス幅Ｗoffが所定値Ｔよりも長い場合に、ピーク値制御を実施する。パルス幅演算部４２は、上述した式（１）を用いて、オンパルス幅Ｗを算出し、以下の式（３）を用いてオフパルス幅Ｗoffを算出する。
　Ｗoff＝（１／ｆ）×（１－Ｄ）・・・（３）
　ピーク値制御は、パワーセンサ１２が検出する出力波形が、レーザ光の実出力に追従できることを前提として行われる制御である。このため、オフパルス幅Ｗoffが所定値Ｔよりも短い場合は、レーザ光の実出力と異なる波形となる場合があるので、この場合は、レーザ出力制御装置１１が平均値制御を行う。オンパルス幅Ｗおよびオフパルス幅Ｗoffを用いて、ピーク値制御と平均値制御とを切替えることにより、オフパルス幅Ｗoffが短い場合であってもレーザ発振器１が出力するレーザ光が安定する。
　なお、パワーセンサ１２の応答時間が、ピークの立上りと立下りとで異なる場合は、オンパルス幅Ｗ（パルスのオン時間）とオフパルス幅Ｗoff（パルスのオフ時間）との切替え基準時間である所定値Ｔを２種類（Ｔ１，Ｔ２）設定してもよい。この場合、レーザ出力制御装置１１は、オンパルス幅ＷがＴ１よりも長く、かつオフパルス幅ＷoffがＴ２よりも長い場合に、ピーク値制御を行う。また、本実施の形態では、レーザ出力制御装置１１とレーザ発振器１とが別構成である場合について説明したが、レーザ出力制御装置１１をレーザ発振器１内に組み込んでもよい。
　また、本実施の形態では、平均出力指令値Ｐｘを用いて、ピーク値制御または平均値制御を行う場合について説明したが、ピーク出力値Ｐ１（指令値）を用いて、ピーク値制御または平均値制御を行ってもよい。
　この場合、レーザ出力指令部２からレーザ出力制御装置１１へは、ピーク出力値Ｐ１が入力される。そして、平均値制御を行う場合、レーザ出力制御装置１１は、上述した式（２）を用いて、平均出力指令値Ｐｘを算出する。また、ピーク値制御を行う場合、レーザ出力制御装置１１は、レーザ出力指令部２からのピーク出力値Ｐ１を用いて、ピーク出力値Ｐ１と出力タイミングＯｗ１とのＡＮＤ演算を行ない、これにより、出力指令パルス波形Ｏｗ２を生成する。
　高周波のレーザ光は、平均入熱を下げることによって周辺部への熱影響を低減するために用いられる場合が多く、平均的なレーザエネルギーの制御で充分である。このため、レーザ出力制御装置１１は、レーザ光の出力周期が高周波の場合には平均値出力を制御し、レーザ光の出力周期が低周波の場合にはピーク値出力を制御している。したがって、低周波での出力の追従性がよくなる。
　このように、実施の形態によれば、レーザ出力指令値から算出したオンパルス幅Ｗに基づいて、レーザ発振器１を平均値制御とピーク値制御との何れかに切替えるので、レーザ出力指令の周波数に関わらず１つのパワーセンサ１２でレーザ光の出力を制御することが可能となる。これにより、レーザ光のパワーモニタを必要以上に高速にする必要がないので、出力モニタ用に高価なパワーセンサを用いる必要がなくなる。そして、パワーセンサ１２の特性に合わせて、レーザ出力を適切に制御することが可能となる。
　また、レーザ光の出力値をシミュレーションするための回路などが不要なので、装置構成が簡易となる。したがって、簡易な構成で容易にレーザ光の出力を制御することが可能となる。
　以上のように、本発明に係るレーザ出力制御装置、レーザ発振器およびレーザ出力制御方法は、レーザ光の出力制御に適している。
　１　レーザ発振器、　２　レーザ出力指令部、　１１　レーザ出力制御装置、　１２　パワーセンサ、　１３　レーザ電源、　１４　共振器、　２０　加工制御装置、　４１　出力タイミング生成部、　４２　パルス幅演算部、　４３　切替部、　４４　ピーク出力値演算部、　４５　出力パルス生成部、　４６，４７　フィードバック制御部、　４８　電流パルス生成部、　１００　レーザ加工機。

Claims (7)

  1. 　レーザ光を出力するレーザ発振器を制御するレーザ出力制御装置において、
    　前記レーザ光の出力波形を生成する際に用いられるレーザ出力指令に基づいて、前記レーザ光がレーザ発振をしている間のパルス幅を算出するパルス幅演算部と、
    　制御方法を、前記パルス幅の大きさに基づいて、前記レーザ発振器の制御に用いる電流指令値を算出するために、パルス波形のピーク値を用いて制御を行うピーク値制御と、パルス波形の平均値を用いて制御を行う平均値制御と、の何れか一方に切替える切替部と、
    　前記レーザ発振器をピーク値制御する場合に、前記レーザ発振器から出力されるレーザ光の出力値に基づいて、当該出力値が前記レーザ出力指令に対応する値となるよう、前記パルス波形のピーク値を用いた電流指令値を生成するピーク値指令生成部と、
    　前記レーザ発振器を平均値制御する場合に、前記レーザ発振器から出力されるレーザ光の出力値に基づいて、当該出力値が前記レーザ出力指令に対応する値となるよう、前記パルス波形の平均値を用いた電流指令値を生成する平均値指令生成部と、
    　を備え、
    　前記ピーク値指令生成部および前記平均値指令生成部へは、同一の測定部で測定された前記レーザ光の出力値が入力されることを特徴とするレーザ出力制御装置。
  2. 　前記パルス幅演算部は、前記レーザ出力指令に基づいて、前記レーザ光がレーザ発振をしていない間の時間であるパルス間隔をさらに算出し、
    　前記切替部は、前記パルス幅の大きさおよび前記パルス間隔の大きさに基づいて、前記制御方法を、前記ピーク値制御と前記平均値制御との何れか一方に切替えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ出力制御装置。
  3. 　前記切替部は、前記パルス幅が第１の設定時間より長い場合には、前記制御方法を前記ピーク値制御に切替るとともに、前記パルス幅が前記第１の設定時間以下の場合には、前記制御方法を前記平均値制御に切替ることを特徴とする請求項１に記載のレーザ出力制御装置。
  4. 　前記切替部は、前記パルス間隔が第１の設定時間より長い場合には、前記制御方法を前記ピーク値制御に切替るとともに、前記パルス間隔が前記第１の設定時間以下の場合には、前記制御方法を前記平均値制御に切替ることを特徴とする請求項２に記載のレーザ出力制御装置。
  5. 　前記切替部は、前記パルス幅が第１の設定時間より長い場合には、前記制御方法を前記ピーク値制御に切替るとともに、前記パルス幅が前記第１の設定時間以下の場合には、前記制御方法を前記平均値制御に切替え、かつ前記パルス間隔が第２の設定時間より長い場合には、前記制御方法を前記ピーク値制御に切替るとともに、前記パルス間隔が前記第２の設定時間以下の場合には、前記制御方法を前記平均値制御に切替えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ出力制御装置。
  6. 　レーザ光を出力するレーザ発振器において、
    　電流指令値を出力することによって、前記レーザ光の出力を制御するレーザ出力制御装置と、
    　前記電流指令値に基づいて、前記レーザ光の出力に用いる電流を発生させる電源部と、
    　前記電源部が発生させた電流を用いて前記レーザ光を出力する共振器と、
    　前記レーザ光の出力値を測定する測定部と、
    　を有し、
    　前記レーザ出力制御装置は、
    　前記レーザ光の出力波形を生成する際に用いられるレーザ出力指令に基づいて、前記レーザ光がレーザ発振をしている間のパルス幅を算出するパルス幅演算部と、
    　制御方法を、前記パルス幅の大きさに基づいて、前記レーザ発振器の制御に用いる電流指令値を算出するために、パルス波形のピーク値を用いて制御を行うピーク値制御と、パルス波形の平均値を用いて制御を行う平均値制御と、の何れか一方に切替える切替部と、
    　前記共振器をピーク値制御する場合に、前記共振器から出力されるレーザ光の出力値に基づいて、当該出力値が前記レーザ出力指令に対応する値となるよう、パルス波形のピーク値を用いた電流指令値を生成するピーク値指令生成部と、
    　前記共振器を平均値制御する場合に、前記共振器から出力されるレーザ光の出力値に基づいて、当該出力値が前記レーザ出力指令に対応する値となるよう、パルス波形の平均値を用いた電流指令値を生成する平均値指令生成部と、
    　を備え、
    　前記ピーク値指令生成部および前記平均値指令生成部へは、同一の測定部で測定された前記レーザ光の出力値が入力されることを特徴とするレーザ発振器。
  7. 　レーザ光を出力するレーザ発振器を制御するレーザ出力制御方法において、
    　前記レーザ光の出力波形を生成する際に用いられるレーザ出力指令に基づいて、前記レーザ光がレーザ発振をしている間のパルス幅を算出するパルス幅演算ステップと、
    　制御方法を、前記パルス幅の大きさに基づいて、前記レーザ発振器の制御に用いる電流指令値を算出するために、パルス波形のピーク値を用いて制御を行うピーク値制御と、パルス波形の平均値を用いて制御を行う平均値制御と、の何れか一方に切替える切替ステップと、
    　前記レーザ発振器をピーク値制御する場合に、前記レーザ発振器から出力されるレーザ光の出力値に基づいて、当該出力値が前記レーザ出力指令に対応する値となるよう、パルス波形のピーク値を用いた電流指令値を生成するピーク値指令生成ステップと、
    　前記レーザ発振器を平均値制御する場合に、前記レーザ発振器から出力されるレーザ光の出力値に基づいて、当該出力値が前記レーザ出力指令に対応する値となるよう、パルス波形の平均値を用いた電流指令値を生成する平均値指令生成ステップと、
    　を含み、
    　前記ピーク値制御する場合および前記平均値制御する場合、ともに同一の測定部で測定された前記レーザ光の出力値が入力されることを特徴とするレーザ出力制御方法。
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