WO2024052998A1 - レーザ発振器及びレーザ加工装置 - Google Patents
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
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- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
Definitions
- the present invention relates to a laser oscillator having a function of monitoring the output of a laser beam emitted from a laser oscillation source, and a laser processing apparatus using the same.
- Laser processing equipment such as laser cutting machines and laser welding machines transmits a laser beam output from a laser oscillator, irradiates the workpiece, and performs specified processing by moving the laser beam and the workpiece relative to each other. Can be done.
- a laser oscillator one is known that amplifies excitation light generated from an excitation light source of a laser oscillation source and emits it to the outside as a laser beam.
- a laser oscillator using such a laser oscillation source in order to stably emit an amplified laser beam, the output of the emitted laser beam is constantly measured to check whether a stable laser beam is being emitted.
- a laser oscillator for discrimination and a laser processing device using the same are known.
- the laser oscillation source In a laser oscillator using a conventional laser oscillation source, when the laser beam output is constantly measured or monitored, the laser oscillation source is It is common to determine whether the laser output is normal or abnormal by calculating the expected laser output emitted from the laser and comparing it with the actual laser output measured by a photodetector, etc. . However, since the photodetector has a time constant associated with detection, the laser output waveform actually measured by the photodetector deviates from the drive command signal waveform output by the control device, and the assumed laser output is accurately measured. There was a problem in that it was not possible to compare the actual laser output measured with a photodetector or the like.
- a laser oscillator having a function of monitoring the output of a laser beam emitted from a laser oscillation source includes an excitation light source that outputs excitation light to the laser oscillation source, and a power supply that supplies a drive current to the excitation light source.
- a unit an oscillation control device that controls laser beam emission conditions, an interface unit that relays signal exchange between the power supply unit and the oscillation control device, and an output detector that detects the output of the laser beam.
- the oscillation control device calculates a command output value calculated based on the current value of the drive current supplied to the excitation light source, taking into account a time constant associated with detection of the output of the laser beam by the output detector. It is configured to create a correction command output value by performing correction calculation processing, and to monitor the output of the laser beam using the difference at the same time between the correction command output value and the measured output value detected by the output detector. ing.
- a laser oscillator that emits a laser beam
- a work holding mechanism that holds a workpiece
- an irradiation mechanism that irradiates the workpiece with a laser beam
- a main control that controls the operation of each of the above-described components.
- the laser processing apparatus includes a laser oscillator, a laser oscillation source, an excitation light source that outputs excitation light to the laser oscillation source, a power supply unit that supplies a drive current to the excitation light source, and a laser beam emission condition.
- the oscillation control device includes an oscillation control device for controlling, an interface unit for relaying signal exchange between the power supply unit and the oscillation control device, and an output detector for detecting the output of the laser beam.
- Corrected command output is performed by performing a correction calculation process on the command output value calculated based on the current value of the drive current supplied to the light source, taking into account the time constant associated with detection of the laser beam output by the output detector. It is configured to create a value and monitor the output of the laser beam using the difference at the same time between the corrected command output value and the measured output value detected by the output detector.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser oscillator and a laser processing apparatus including the same according to a first embodiment
- FIG. FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of the laser oscillator shown in FIG. 1.
- FIG. 3 is a block diagram showing in more detail the relationship between each component included in the laser oscillator shown in FIG. 2.
- FIG. It is a time chart showing the relationship between a command signal and an output signal in a conventional laser oscillator.
- 5 is a time chart showing a state in which the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the first embodiment is normally detected.
- FIG. 5 is a time chart showing a state in which an abnormal output is detected in the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the first embodiment.
- 2 is a flowchart showing an example of a control operation executed by the oscillation control device for a laser oscillator according to the first embodiment. It is a flowchart which shows the modification of the control operation performed by the oscillation control apparatus of the laser oscillator according to 1st Embodiment.
- FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of a laser oscillator according to a second embodiment.
- 10 is a block diagram showing in more detail the relationship between each component included in the laser oscillator shown in FIG. 9.
- FIG. 9 is a flowchart showing an example of a control operation executed by the oscillation control device for a laser oscillator according to the first embodiment. It is a flowchart which shows the modification of the control operation performed by the oscillation control apparatus of the laser oscillator according to 1st Embodiment.
- FIG. 7 is a time chart showing a state in which the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the second embodiment is normally detected.
- 7 is a time chart showing a first state in which an abnormal output is detected in the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the second embodiment.
- 7 is a time chart showing a second state in which an abnormal output is detected in the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the second embodiment.
- 12 is a time chart showing a third state in which an abnormal output is detected in the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the second embodiment.
- FIG. 7 is a block diagram showing an example of the configuration of a laser oscillator according to a third embodiment. It is a time chart showing an example of the relationship between a command signal and an output signal in a laser oscillator according to a third embodiment.
- the laser oscillator according to the present invention particularly monitors the output when emitting a laser beam, and can be applied to either continuous oscillation or pulsed oscillation, but in the following, pulsed oscillation
- pulsed oscillation The case of a laser beam generated by oscillation will be exemplified.
- FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a laser oscillator and a laser processing apparatus including the same according to a first embodiment, which is a typical example of the present invention.
- FIG. 2 is a block diagram showing an example of the configuration of the laser oscillator shown in FIG. 1.
- FIG. 3 is a block diagram showing in more detail the relationship between each component included in the laser oscillator shown in FIG. 2.
- the laser processing apparatus 1 includes, for example, a laser oscillator 100 that emits a laser beam LB, a work holding mechanism 10 that holds a workpiece W, and an irradiation mechanism that irradiates the workpiece W with the laser beam LB. (Processing head) 20, a transport mechanism 30 that moves the processing head 20 relative to the workpiece holding mechanism 10, and a processing control device 40 that controls a predetermined laser processing operation on the workpiece W.
- the laser processing apparatus in this specification executes a predetermined process by irradiating a workpiece W with a laser beam, such as laser welding, laser cutting, laser drilling (trepanning), laser marking, laser dicing, or laser annealing. It can be applied to any processing equipment that
- the work holding mechanism 10 includes a chuck mechanism (not shown) for attaching the work W, and is configured to grip and fix the work W. Further, the work holding mechanism 10 may include not only a mechanism for moving the work W in the three axial directions of XYZ, but also a rotation mechanism.
- a laser beam LB is introduced into the irradiation mechanism (processing head) 20 from one end (upper end) side via a transmission path 24, and is emitted toward the workpiece W from a nozzle 22 at the other end (lower end) side.
- the laser beam LB is focused to a predetermined beam diameter at a focusing point FP on the workpiece W by a focusing lens (not shown) disposed inside the processing head 20.
- the processing head 20 that irradiates the focal point FP of the workpiece W with the laser beam LB has a scanning optical unit (not shown) such as a galvano mirror built therein instead of the structure described above.
- the optical axis of the laser beam LB may be scanned with respect to the workpiece W using a scanning optical unit.
- the transport mechanism 30 is configured as a linear drive body that moves relative to each other in three axes directions of X, Y, and Z that are orthogonal to each other, and the processing head 20 is attached to one end of the linear drive body.
- the transport mechanism 30 may be configured as a 6-axis or 7-axis type industrial robot including a robot arm with the processing head 20 attached to one end.
- the processing control device 40 includes, for example, a main control section 42 that transmits and receives signals between the laser oscillator 100, the workpiece holding mechanism 10, and the transport mechanism 30 based on a processing program stored in a database, etc. and an input interface 46 for manually inputting corrections to machining programs and parameters.
- an oscillation control device 130 that controls the emission conditions of the laser beam LB
- an interface unit 140 that relays the exchange of signals between the power supply unit 120 and the oscillation control device 130
- an interface unit 140 that controls the output of the emitted laser beam LB.
- an output detector 150 for detection As an example of the laser oscillator 100 according to the first embodiment, as shown in FIG. 120, an oscillation control device 130 that controls the emission conditions of the laser beam LB, an interface unit 140 that relays the exchange of signals between the power supply unit 120 and the oscillation control device 130, and an interface unit 140 that controls the output of the emitted laser beam LB. and an output detector 150 for detection.
- the laser oscillator 100 with these configurations has a function of monitoring the output of the laser beam LB emitted from the laser oscillation source 110.
- the laser oscillation source 110 includes, for example, an excitation light source 112 that stimulatedly emits a laser, a pair of mirrors 114 and 116 that resonate and amplify the stimulatedly emitted laser, and a beam splitter that branches the amplified laser beam LB. 118.
- the excitation light source 112 outputs excitation light to a laser medium (not shown) while the drive current DC is supplied from the power supply unit 120. This causes a laser induction phenomenon in the laser medium.
- Examples of such an excitation light source 112 include a discharge tube into which a laser gas such as CO 2 gas is introduced, a solid medium such as a YAG rod, an optical fiber, or a laser diode (LD).
- the pair of mirrors 114 and 116 are arranged to face each other in the longitudinal direction of the excitation light source 112. Note that when a fiber laser is used as the excitation light source 112, the fiber itself amplifies the laser internally, so a configuration in which the pair of mirrors 114 and 116 are not provided is adopted.
- one mirror 114 is a partial reflection mirror that transmits a portion of the laser to be amplified, and the other mirror 116 is configured as a high reflection mirror that mostly reflects the laser. Further, it is preferable that the mirror 116 has a concave reflecting surface.
- the beam splitter 118 transmits the main beam of the laser beam LB that has passed through the mirror 114 and guides it to the transmission path 24, and also branches a part of the beam as a detection beam DB and guides it to the output detector 150.
- the beam splitter 118 may adopt a structure in which a mirror that reflects the laser beam LB toward the output detector 150 is moved in and out of the optical path.
- the power supply unit 120 receives the drive command signal DS output from the oscillation control device 130 via the interface unit 140, and converts the drive command signal DS into a drive current DC.
- the current converter 122 supplies the excitation light source 112 with a current converter 122, and the current detector 124 actually measures the current value of the drive current DC actually supplied to the excitation light source 112.
- the current detection unit 124 is configured as, for example, a current transformer, and measures the current value of the drive current DC supplied to the excitation light source 112 with a time constant of several microseconds, and outputs it as a current measurement signal CS. .
- the oscillation control device 130 receives the oscillation command signal OS from the processing control device 40, and performs oscillation control to continue outputting the drive command signal DS to the power supply unit 120 while receiving the oscillation command signal OS. conduct. Further, the oscillation control device 130 has a function of monitoring the output of the laser beam LB emitted from the laser oscillation source 110 in real time.
- the oscillation control device 130 controls the detection of the output of the laser beam LB by the output detector 150 with respect to the command output value calculated based on the current value of the drive current DC supplied to the excitation light source 112.
- a correction command output value is created by performing correction calculation processing in consideration of the accompanying time constant, and the laser beam is Monitor the LB output.
- the interface unit 140 includes a digital converter 142 that converts the drive command signal DS, which is a digital signal from the oscillation control device 130, into an analog signal, and a digital converter 142 that converts the received analog signal as a drive voltage. and an analog converter 144 that performs the following steps.
- the digital conversion unit 142 includes a D/A conversion unit 142a that converts the drive command signal DS received from the oscillation control device 130 into an analog signal and outputs the analog signal to the analog conversion unit 144, and a current from the current detection unit 124 of the power supply unit 120. It further includes an A/D converter 142b that converts the measurement signal CS and the output measurement signal PS from the output detector 150 into digital signals and outputs the digital signals to the oscillation control device 130.
- the analog converter 144 is a signal converter circuit 144a that converts the drive command signal DS as an analog signal received from the D/A converter 142a of the digital converter 142 into a drive voltage and outputs it to the current converter 122 of the power supply unit 120. further including.
- the drive voltage is output so as to include a voltage value corresponding to the intensity level and on/off timing of the drive current DC supplied to the excitation light source 112, and the drive voltage waveform is converted into a drive current waveform in the current converter 122. .
- the output detector 150 may be a measuring device using, for example, a photodiode method that converts the light intensity of the laser beam LB into a voltage value, or a pyroelectric method that measures the amount of heat or temperature change when the laser beam LB is absorbed. Ru.
- the output detector 150 receives the detection beam DB, which is a part of the pulsed laser beam LB branched from the beam splitter 118, measures the temperature with a time constant of several seconds, and outputs it as an output measurement signal PS. do.
- the oscillation control device 130 determines whether the real-time output of the laser beam LB is normal based on the current value of the drive current DC supplied to the excitation light source 112 and the measured output value from the output detector 150. You can monitor what happens.
- FIG. 4 is a time chart showing the relationship between command signals and output signals in a conventional laser oscillator.
- FIG. 5 is a time chart showing a state in which the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the first embodiment is normally detected.
- FIG. 6 is a time chart showing a state in which an abnormal output is detected in the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the first embodiment.
- a drive command signal when a drive command signal is outputted in the form of a pulse with a command value Sc from an oscillation control device to a power supply unit, the command output value by the oscillation control device is equal to the drive command signal.
- the waveform is similar to that of .
- the actual measured output value of the output value Pa is detected by the output detector.
- the output detector has a time constant of several seconds, the actual measured output value is detected as a waveform including a predetermined rising section Tl and falling section Tt.
- the drive current DC is supplied from the power supply unit 120 to the excitation light source 112 at the command value Ic.
- the oscillation control device 130 calculates a command output value of the output value Pc based on the detected value of the drive current DC.
- the oscillation control device 130 subsequently performs a correction calculation process that takes into account the time constant during detection by the output detector 150.
- the correction command output value y(t) is expressed by the following equation 1. Perform exponential moving average processing like this.
- the corrected command output value subjected to correction calculation processing and the measured output value are superimposed on the same time axis, the corrected command output value becomes a waveform corrected based on the time constant a of the output detector 150. Therefore, it is possible to monitor the output in real time in the overlapping section Ti of all the sections in which output values are being detected.
- the oscillation control device 130 can determine that an abnormality has occurred in any component of the laser oscillator 100.
- FIG. 6 illustrates a case where the actual measured output value obtained from the output detector 150 is smaller than expected
- the drive current DC supplied from the power supply unit 120 may be reduced due to some trouble on the detection circuit.
- the detected current value may be smaller than the actually supplied current value.
- the output value is calculated by considering the absolute value of the difference ⁇ p. It becomes possible to determine abnormalities.
- FIG. 7 is a flowchart illustrating an example of a control operation executed by the oscillation control device for a laser oscillator according to the first embodiment.
- the oscillation control device 130 when the oscillation control device 130 receives the oscillation command signal OS from the processing control device 40, it outputs the drive command signal DS to the power supply unit 120 (step S101).
- the power supply unit 120 that has received the drive command signal DS supplies the drive current DC to the excitation light source 112 of the laser oscillation source 110, thereby emitting the laser beam LB from the laser oscillation source 110, as shown in FIG. is started.
- the oscillation control device 130 acquires the current value of the drive current DC actually supplied to the excitation light source 112 from the current detection section 124 of the power supply unit 120 (step S102). Then, the oscillation control device 130 calculates a command output value based on the current value of the acquired drive current DC, and further performs a correction calculation on the calculated command output value to generate a corrected command output value (step S103).
- the oscillation control device 130 obtains the measured output value from the output detector 150 (step S104).
- the oscillation control device 130 compares the correction command output value Pcc subjected to the correction calculation process in step S103 with the measured output value Pa obtained in step S104, and determines whether a difference ⁇ p has occurred between the two at the same time. (Step S105).
- step S105 If it is determined in step S105 that there is no difference ⁇ p between the correction command output value Pcc and the measured output value Pa, the oscillation control device 130 returns to step S101 while receiving the oscillation command signal OS. Then, the drive command signal DS is continued to be output to the power supply unit 120, and the subsequent steps are repeated.
- step S105 if it is determined in step S105 that a difference ⁇ p has occurred between the correction command output value Pcc and the measured output value Pa, the oscillation control device 130 determines that an abnormality has occurred in the output of the laser oscillator 100. Then, an abnormality occurrence signal ES is output to the main control unit 42 of the processing control device 40 to notify it (step S106). Subsequently, the oscillation control device 130 outputs a drive stop command SS to the power supply unit 120 (step S107), and ends the control operation. At this time, the main control unit 42 which has received the abnormality occurrence signal ES from the oscillation control device 130 outputs a display command signal DC to display on the display unit 44 that an output abnormality has occurred in the laser oscillator 100. It may be configured to do so.
- the oscillation control device 130 of the laser oscillator 100 adjusts the current value of the drive current DC from the power supply unit 120 while the laser beam LB is being emitted from the laser oscillation source 110. Based on the measured output value Pa from the output detector 150, a monitoring operation can be performed in real time to determine whether an output abnormality has occurred.
- FIG. 8 is a flowchart showing a modification of the control operation executed by the laser oscillator oscillation control device according to the first embodiment.
- step S105 when the oscillation control device 130 determines in step S105 that a difference ⁇ p has occurred between the correction command output value Pcc and the measured output value Pa, Furthermore, it is determined whether the absolute value of the difference ⁇ p is greater than or equal to a predetermined threshold (step S105a). If it is determined in step S105a that the absolute value of the difference ⁇ p is smaller than the predetermined threshold, the oscillation control device 130 returns to step S101 while receiving the oscillation command signal OS, and drives the power supply unit 120. Continue outputting the command signal DS and repeat the subsequent steps.
- step S105a determines that an abnormality has occurred in the output of the laser oscillator 100, and An abnormality occurrence signal ES is output to the control unit 42 to notify it (step S106).
- step S106 the oscillation control device 130 outputs a drive stop command SS to the power supply unit 120 (step S107), and ends the control operation.
- the oscillation control device 130 determines that an output abnormality occurs only when a difference ⁇ p exceeding a predetermined threshold value occurs, and in this case, performs work. In addition to notifying the person, the drive current DC to the laser oscillation source 110 is also surely stopped. Therefore, it is possible to reliably stop the laser oscillator 100 when an output abnormality occurs.
- the laser oscillator according to the first embodiment has a correction command output value calculated based on the current value of the drive current supplied to the excitation light source and an output detector in the oscillation control device. Since the output of the laser beam is monitored using the difference between the actual measured output value detected at the same time, the output value to be compared can be monitored in real time.
- FIG. 9 is a block diagram showing an example of the configuration of a laser oscillator according to a second embodiment, which is another example of the present invention.
- FIG. 10 is a block diagram showing in more detail the relationship among the components included in the laser oscillator shown in FIG. 9.
- a laser oscillator 200 includes a laser oscillation source 210 including a plurality of excitation light sources (a first excitation light source 212a, a second excitation light source 212b), and a plurality of power supply units. (a first power supply unit 220a, a second power supply unit 220b), and the analog conversion section 244 of the interface unit 240 includes a multiplexer 244b in addition to the signal conversion circuit 244a.
- the configuration is different from the laser oscillator 100 according to the embodiment. That is, the laser oscillator 200 according to the second embodiment is configured to include two or more excitation light sources and corresponding power supply units.
- the laser oscillation source 210 includes, for example, a first excitation light source 212a and a second excitation light source 212b that stimulatedly emit laser, a pair of mirrors 214 and 216 that resonate and amplify the stimulatedly emitted laser, and an amplified laser.
- a beam splitter 218 that branches the laser beam LB is included. Both the first excitation light source 212a and the second excitation light source 212b output excitation light to a laser medium (not shown) while the drive current DC is being supplied from the first power supply unit 220a or the second power supply unit 220b. do.
- the first power supply unit 220a includes a current converter 222a that converts the drive command signal DS1 output from the oscillation control device 130 into a drive current DC1 and supplies the drive current DC1 to the first excitation light source 212a. , and a current detection unit 224a that actually measures the current value of the drive current DC1 actually supplied to the first excitation light source 212a.
- the second power supply unit 220b includes a current converter 222b that converts the drive command signal DS2 output from the oscillation control device 130 into a drive current DC2 and supplies the drive current DC2 to the second excitation light source 212b; It includes a current detection unit 224b that actually measures the current value of the drive current DC2 that is actually supplied.
- the interface unit 240 includes, as an example, a digital conversion section 242 and an analog conversion section 244.
- the analog converter 244 converts the drive command signal DS as an analog signal received from the D/A converter 242a of the digital converter 242 into drive voltages DS1 and DS2, and converts the drive command signal DS into drive voltages DS1 and DS2 to the current converter 222a of the first power supply unit 220a.
- a signal conversion circuit 244a that outputs to the current conversion section 222b of the second power supply unit 220b, and receives current measurement signals CS1 and CS2 from the plurality of current detection sections 224a and 224b, and converts the current values of the drive currents DC1 and DC2 into A.
- FIG. 11 is a time chart showing a state in which the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the second embodiment is normally detected.
- FIG. 12 is a time chart showing a first state in which an abnormal output is detected in the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the second embodiment.
- FIG. 13 is a time chart showing a second state in which an abnormal output is detected in the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the second embodiment.
- FIG. 14 is a time chart showing a third state in which an abnormal output is detected in the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the second embodiment.
- the oscillation control device 130 when the oscillation control device 130 outputs the drive command signal DS at the command value Sc, the drive currents DC1 and DC2 are supplied to the first power supply unit 320a and Command values Ic1 and Ic2 are supplied from the second power supply unit 320b to the first excitation light source 212a and the second excitation light source 212b, respectively. Then, as in the case of the first embodiment, the oscillation control device 130 calculates the first command output value and the second command output value of the output values Pc1 and Pc2 based on the detected values of the drive currents DC1 and DC2. do.
- the oscillation control device 130 performs correction calculation processing on the generated first command output value and second command output value, respectively, to obtain the first corrected command output value. and generates a second correction command output value. Thereafter, as in the case of the first embodiment, by comparing the first correction command output value, the second correction command output value, and the actual measured output value in the overlapping section Ti where the laser beam LB is being emitted, Perform output monitoring in real time.
- the current value Ic1 of the first drive current supplied to the first excitation light source 212a is smaller than the value corresponding to the drive command Sc, for example. If detected, the first command output value Pc1 generated in the oscillation control device 130 will also be a small value, so the first correction command output value Pcc1 subjected to the correction calculation process will also be calculated to be smaller than the expected value.
- the second drive current for the second excitation light source 212b has a current value Ic2 corresponding to the drive command Sc, the second correction command output value Pcc2 has a normal waveform, and as a result, it is detected by the output detector 150.
- the measured output value Pa of the laser beam LB matches the waveform in a normal state.
- the oscillation control device 130 Since the second command output value Pc2 that is calculated also becomes a small value, the second correction command output value Pcc2 that has been subjected to the correction calculation process is also calculated to be smaller than the expected value.
- the first drive current for the first excitation light source 212a is the current value Ic1 corresponding to the drive command Sc, the first correction command output value Pcc1 has a normal waveform, and as a result, it is detected by the output detector 150.
- the measured output value Pa of the laser beam LB matches the waveform in a normal state.
- the oscillation control device 130 determines whether an abnormality occurs in the processing control device 40, as in the first embodiment. Notify that the abnormality is occurring and the component where the abnormality is occurring. Note that at this time, the oscillation control device 130 may be configured to output the drive stop command SS to the first power supply unit 220a or the second power supply unit 220b corresponding to the excitation light source determined to have an abnormality. good.
- the first drive current Ic1 to the first excitation light source 212a and the second drive current IC2 to the second excitation light source 212b are detected in accordance with the drive command Sc.
- the output Pa of the laser beam LB in the output detector 150 is detected to be low, resulting in differences of ⁇ p1 and ⁇ p2 between the first correction command output value Pcc1 and the second correction command output value Pcc2, respectively. may be obtained.
- the oscillation control device 130 uses components other than these (for example, a pair of mirrors 214, 216 , the beam splitter 218, the output detector 150, etc.), and the abnormality can be notified.
- the oscillation control device 130 may be configured to output the drive stop command SS to the first power supply unit 220a or the second power supply unit 220b.
- FIGS. 11 to 14 illustrate the case where the drive current supplied to the first excitation light source 212a or the second excitation light source 212b is smaller than expected, as in the first embodiment, the actual measured output Even if the command output value or correction command output value is calculated to be higher than the value, it is possible to determine an abnormality in the output by considering the absolute value of the difference ⁇ p. Further, in FIGS. 11 to 14, a case is illustrated in which two units are provided as the plurality of power supply units, but a configuration may be provided in which three or more power supply units are provided.
- the laser oscillator according to the second embodiment has the effect described in the first embodiment, and also prevents output abnormalities even in the case of a laser oscillator equipped with a plurality of excitation light sources and power supply units. Can be detected. Furthermore, it is also possible to specify the component such as the excitation light source or power supply unit in which an abnormality has occurred.
- FIG. 15 is a block diagram showing an example of the configuration of a laser oscillator according to a third embodiment, which is still another example of the present invention.
- FIG. 16 is a time chart showing an example of the relationship between the command signal and the output signal in the laser oscillator according to the second embodiment.
- the same reference numerals are given to parts that can have the same or common configurations as those in the first and second embodiments. A repeated explanation of these steps will be omitted.
- the laser oscillator 300 uses a pulse signal (oscillation information signal) that determines the oscillation timing, output setting value, etc. of the laser beam LB, especially when pulse-oscillating the laser beam LB.
- the configuration differs from the laser oscillator 100 according to the first embodiment in that a pulse generator (oscillation command device) 360 that generates PS is provided separately. That is, the laser oscillator 300 according to the third embodiment performs on/off control of the laser beam LB based on a pulse signal PS from a pulse generator 360 configured separately from the oscillation control device 130.
- the laser oscillator 300 includes, as an example, a laser oscillation source (not shown), a power supply unit 120, an oscillation control device 130, an interface unit 340, and an output detector 150.
- a laser oscillation source not shown
- a power supply unit 120 for supplying power to the laser oscillator 300
- an oscillation control device 130 for controlling the laser oscillation of the laser oscillation of the laser.
- an interface unit 340 for detecting the pulse signal PS output from the pulse generator 360 separately provided outside is input to the interface unit 340.
- the interface unit 340 includes a digital converter 342 including a D/A converter 342a and an A/D converter 342b, and an analog converter 344 including a signal converter circuit 344a. Then, when the pulse signal PS is input while receiving the drive command signal DS, the signal conversion circuit 344a converts the drive voltage corresponding to the output setting value designated by the pulse signal PS at a predetermined oscillation timing. It has a function of outputting to the current converter 122 of the power supply unit 120.
- the oscillation control device 130 calculates the command output value of the output value Pc based on the detected value of the drive current DC.
- the oscillation control device 130 performs correction calculation processing and generates a correction command output value. Thereafter, as in the case of the first embodiment, comparison with the actually measured output value is performed to perform output monitoring in real time.
- the laser oscillator according to the third embodiment has the effects described in the first embodiment, and can also be used in cases where the oscillation control device does not know the oscillation information such as a pulse signal. However, it is possible to monitor the output of the laser beam in real time.
- Laser processing device Work holding mechanism 20 Irradiation mechanism (processing head) 22 nozzle 24 transmission path 30 transport mechanism 40 processing control device 42 main control section 44 display section 46 input interface 100 laser oscillator 110 laser oscillation source 112 excitation light source 114 mirror (partial reflection mirror) 116 Mirror (total reflection mirror) 118 Beam splitter 120 Power supply unit 122 Current converter 124 Current detector 130 Oscillation control device 140 Interface unit 142 Digital converter 142a D/A converter 142b A/D converter 144 Analog converter 144a Signal converter circuit 150 Output detector 200 Laser oscillator 220a First power supply unit 220b Second power supply unit 222a Current converter 224a Current detector 222b Current converter 224b Current detector 240 Interface unit 242 Digital converter 242a D/A converter 242b A/D converter 244 Analog converter Section 244a Signal conversion circuit 244b Multiplexer 300 Laser oscillator 340 Interface unit 342 Digital conversion section 342a D/A conversion section 342b A/D conversion section 344 Analog conversion section 344
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Abstract
本発明は、レーザ発振源から出射されるレーザビームの出力を監視する機能を有するレーザ発振器であって、レーザ発振源に励起光を出力する励起光源と、励起光源に駆動電流を供給する電源ユニットと、レーザビームの出射条件を制御する発振制御装置と、電源ユニットと発振制御装置との間の信号のやり取りを中継するインターフェースユニットと、パルスレーザビームの出力を検出する出力検出器と、を備え、発振制御装置は、励起光源に供給される駆動電流の電流値に基づいて演算された指令出力値に対して、出力検出器によるレーザビームの出力の検出に伴う時定数を考慮して補正演算処理することにより補正指令出力値を作成するとともに、当該補正指令出力値と出力検出器で検出された実測出力値との同一時刻における差分を用いてレーザビームの出力を監視する。
Description
本発明は、レーザ発振源から出射されるレーザビームの出力を監視する機能を有するレーザ発振器及びこれを用いたレーザ加工装置に関する。
レーザ切断機やレーザ溶接機等のレーザ加工装置は、レーザ発振器から出力されたレーザビームを伝送してワークに照射し、当該レーザビームとワークとを相対移動させることにより、所定の加工を行うことができる。このようなレーザ発振器の一例として、レーザ発振源の励起光源から発生した励起光を、当該レーザ発振源で増幅し、レーザビームとして外部に出射するものが知られている。
このようなレーザ発振源を用いたレーザ発振器において、増幅されたレーザビームを安定的に出射させるために、出射されるレーザビームの出力を常時計測して、安定したレーザビームが出射されているかを判別するレーザ発振器及びこれを用いたレーザ加工装置が公知である。
従来のレーザ発振源を用いたレーザ発振器において、レーザビームの出力を常時測定すなわち監視する場合、制御装置から励起光源に駆動電流を供給するために出力される駆動指令信号に基づいて、レーザ発振源から出射される想定レーザ出力を演算により求め、当該想定レーザ出力と光検出器等で測定した実測レーザ出力とを比較することにより、レーザ出力が正常か異常かを判別するのが一般的である。しかしながら、光検出器には検出に伴う時定数があるため、制御装置が出力する駆動指令信号波形に対し、実際に光検出器で測定されるレーザ出力波形が乖離し、精度良く当該想定レーザ出力と光検出器等で測定した実測レーザ出力とを比較することができないという問題があった。
このような経緯から、レーザ発振源から出射される想定レーザ出力と光検出器で測定した実測レーザ出力との乖離を抑制して、リアルタイムに出力を監視することができるレーザ発振器が求められている。
本発明の一態様による、レーザ発振源から出射されるレーザビームの出力を監視する機能を有するレーザ発振器は、レーザ発振源に励起光を出力する励起光源と、励起光源に駆動電流を供給する電源ユニットと、レーザビームの出射条件を制御する発振制御装置と、上記電源ユニットと発振制御装置との間の信号のやり取りを中継するインターフェースユニットと、レーザビームの出力を検出する出力検出器と、を備え、上記発振制御装置は、励起光源に供給される駆動電流の電流値に基づいて演算された指令出力値に対して、出力検出器によるレーザビームの出力の検出に伴う時定数を考慮して補正演算処理することにより補正指令出力値を作成するとともに、補正指令出力値と出力検出器で検出された実測出力値との同一時刻における差分を用いてレーザビームの出力を監視するように構成されている。
また、本発明の一態様による、レーザビームを出射するレーザ発振器と、ワークを保持するワーク保持機構と、ワークにレーザビームを照射する照射機構と、上記した各構成要素の動作を制御する主制御装置と、を含むレーザ加工装置は、レーザ発振器が、レーザ発振源と、レーザ発振源に励起光を出力する励起光源と、励起光源に駆動電流を供給する電源ユニットと、レーザビームの出射条件を制御する発振制御装置と、上記電源ユニットと発振制御装置との間の信号のやり取りを中継するインターフェースユニットと、レーザビームの出力を検出する出力検出器と、を備え、上記発振制御装置は、励起光源に供給される駆動電流の電流値に基づいて演算された指令出力値に対して、出力検出器によるレーザビームの出力の検出に伴う時定数を考慮して補正演算処理することにより補正指令出力値を作成するとともに、補正指令出力値と出力検出器で検出された実測出力値との同一時刻における差分を用いてレーザビームの出力を監視するように構成されている。
以下、本発明の代表的な一例によるレーザ発振器及び加工制御装置の実施形態を図面と共に説明する。なお、本発明によるレーザ発振器は、特にレーザビームの出射時における出力監視を行うものであり、当該レーザビームとしては連続発振あるいはパルス発振のいずれの場合にも適用し得るが、以下においては、パルス発振によるレーザビームの場合を例示する。
<第1の実施形態>
図1は、本発明の代表的な一例である第1の実施形態によるレーザ発振器及びこれを含むレーザ加工装置の構成を示す概略図である。また、図2は、図1で示したレーザ発振器の構成の一例を示すブロック図である。また、図3は、図2に示したレーザ発振器に含まれる各構成要素の関係をより詳細に示すブロック図である。
図1は、本発明の代表的な一例である第1の実施形態によるレーザ発振器及びこれを含むレーザ加工装置の構成を示す概略図である。また、図2は、図1で示したレーザ発振器の構成の一例を示すブロック図である。また、図3は、図2に示したレーザ発振器に含まれる各構成要素の関係をより詳細に示すブロック図である。
図1に示すように、レーザ加工装置1は、その一例として、レーザビームLBを出射するレーザ発振器100と、ワークWを保持するワーク保持機構10と、ワークWにレーザビームLBを照射する照射機構(加工ヘッド)20と、当該加工ヘッド20をワーク保持機構10に対して相対移動させる搬送機構30と、ワークWに対する所定のレーザ加工動作を制御する加工制御装置40と、を含む。
本明細書におけるレーザ加工装置は、例えばレーザ溶接、レーザ切断、レーザ穴あけ(トレパニング)、レーザマーキング、レーザダイシングあるいはレーザアニール等のワークWに対してレーザビームを照射することにより、所定の加工を実行する任意の加工装置として適用し得る。
ワーク保持機構10は、その一例として、ワークWを取り付けるチャック機構(図示せず)を備え、ワークWを把持固定するように構成されている。また、ワーク保持機構10は、例えばワークWをXYZの3軸方向に移動させる機構だけでなく、回転機構を備えてもよい。
照射機構(加工ヘッド)20は、その一例として、伝送路24を介して一端(上端)側からレーザビームLBが導入され、他端(下端)側のノズル22からワークWに向けて出射される。このとき、加工ヘッド20の内部に配置された集光レンズ(図示せず)により、レーザビームLBはワークW上の集光点FPで所定のビーム径に集光される。
なお、レーザビームLBをワークWの集光点FPに照射する加工ヘッド20の構成として、上記したものに代えて、内部に例えばガルバノミラー等の走査光学ユニット(図示せず)を内蔵し、当該走査光学ユニットでレーザビームLBの光軸をワークWに対して走査するものとしてもよい。これにより、レーザビームLBをいわゆる長焦点レーザとすることで、より高速でのレーザ加工(リモート加工)が可能となる。
搬送機構30は、その一例として、互いに直交するXYZの3軸方向に相対移動するリニア駆動体として構成され、その一端に加工ヘッド20が取り付けられる。また、搬送機構30は、一端に加工ヘッド20を取り付けたロボットアームを備えた6軸又は7軸タイプの産業用ロボットとして構成されてもよい。
加工制御装置40は、その一例として、データベース等に格納された加工プログラムに基づいてレーザ発振器100やワーク保持機構10及び搬送機構30との間で信号の送受信を行う主制御部42と、各種パラメータ等を表示する表示部44と、加工プログラムやパラメータの修正を手入力で行う入力インターフェース46と、を含む。
第1の実施形態によるレーザ発振器100は、その一例として図2に示すように、レーザビームLBを出射するレーザ発振源110と、レーザ発振源110の励起光源112に駆動電流DCを供給する電源ユニット120と、レーザビームLBの出射条件を制御する発振制御装置130と、電源ユニット120と発振制御装置130との間の信号のやり取りを中継するインターフェースユニット140と、出射されたレーザビームLBの出力を検出する出力検出器150と、を備える。これらの構成を備えたレーザ発振器100は、レーザ発振源110から出射されるレーザビームLBの出力を監視する機能を有する。
レーザ発振源110は、その一例として、レーザを誘導放出する励起光源112と、誘導放出されたレーザを共振させて増幅する一対のミラー114、116と、増幅されたレーザビームLBを分岐させるビームスプリッタ118と、を含む。
励起光源112は、電源ユニット120からの駆動電流DCの供給中に、レーザ媒質(図示せず)に対して励起光を出力する。これにより、レーザ媒質におけるレーザの誘導現象が発生する。このような励起光源112としては、CO2ガス等のレーザガスが導入される放電管や、YAGロッド等の固体媒質、光ファイバあるいはレーザダイオード(LD)等が例示できる。
一対のミラー114、116は、励起光源112の長手方向に対向するように配置される。なお、励起光源112としてファイバレーザを用いた場合には、ファイバ自体が内部でレーザを増幅するため、これらの一対のミラー114、116を設けない構成が採用される。
図2に示すように、一方のミラー114は増幅されるレーザの一部を透過する部分反射ミラーであり、他方のミラー116はレーザをほぼ反射する高反射ミラーとして構成される。また、ミラー116は反射面を凹面としたものを採用するのが好ましい。
ビームスプリッタ118は、ミラー114を透過したレーザビームLBの主たるビームを透過して伝送路24に導くとともに、一部のビームを検出用ビームDBとして分岐して出力検出器150に導く。なお、ビームスプリッタ118は、レーザビームLBを出力検出器150側に反射するミラーを光路上に出し入れする構造を採用してもよい。
電源ユニット120は、その一例として図3に示すように、発振制御装置130から出力された駆動指令信号DSを、インターフェースユニット140を介して受信し、当該駆動指令信号DSを駆動電流DCに変換して励起光源112に供給する電流変換部122と、励起光源112に実際に供給されている駆動電流DCの電流値を実測する電流検出部124と、を含む。電流検出部124は、例えばカレントトランス(変流器)として構成され、数μ秒単位の時定数で励起光源112に供給される駆動電流DCの電流値を測定して電流測定信号CSとして出力する。
発振制御装置130は、加工制御装置40からの発振指令信号OSを受信し、当該発振指令信号OSを受信している間、電源ユニット120への駆動指令信号DSの出力を継続するよう発振制御を行う。また、発振制御装置130は、レーザ発振源110から出射されるレーザビームLBの出力をリアルタイムで監視する機能を有している。
具体的には、発振制御装置130は、励起光源112に供給される駆動電流DCの電流値に基づいて演算された指令出力値に対して、出力検出器150によるレーザビームLBの出力の検出に伴う時定数を考慮して補正演算処理することにより補正指令出力値を作成するとともに、当該補正指令出力値と出力検出器150で検出された実測出力値との同一時刻における差分を用いてレーザビームLBの出力を監視する。
インターフェースユニット140は、その一例として図3に示すように、発振制御装置130からのデジタル信号である駆動指令信号DSをアナログ信号に変換するデジタル変換部142と、受信したアナログ信号を駆動電圧として変換するアナログ変換部144と、を含む。
デジタル変換部142は、発振制御装置130から受信した駆動指令信号DSをアナログ信号に変換してアナログ変換部144に出力するD/A変換部142aと、電源ユニット120の電流検出部124からの電流測定信号CS及び出力検出器150からの出力測定信号PSをデジタル信号に変換して発振制御装置130に出力するA/D変換部142bと、をさらに含む。
アナログ変換部144は、デジタル変換部142のD/A変換部142aから受信したアナログ信号としての駆動指令信号DSを駆動電圧に変換して電源ユニット120の電流変換部122に出力する信号変換回路144aをさらに含む。上記駆動電圧は、励起光源112に供給される駆動電流DCの強度レベル及びオンオフのタイミングに対応する電圧値を含むように出力され、電流変換部122において駆動電圧波形が駆動電流波形に変換される。
出力検出器150は、例えばレーザビームLBの光量を電圧値に変換するフォトダイオード方式や、レーザビームLBを吸収した際の熱量あるいは温度変化を測定するパイロエレクトリック方式等を用いた測定器が適用される。その一例として、出力検出器150は、ビームスプリッタ118から分岐したパルスレーザビームLBの一部である検出用ビームDBを受光し、数秒単位の時定数で温度を測定して出力測定信号PSとして出力する。
次に、図4~図8を用いて、第1の実施形態によるレーザ発振器における出力監視動作の一例を説明する。
第1の実施形態によるレーザ発振器100において、レーザ発振源110の励起光源112に供給される駆動電流DCの電流値と実際に出射されたレーザビームLBの実測出力値との間には、略比例関係が成立する。このため、発振制御装置130は、励起光源112に供給される駆動電流DCの電流値と出力検出器150からの実測出力値とに基づいて、レーザビームLBのリアルタイムでの出力が正常であるかどうかの監視を行うことができる。
図4は、従来のレーザ発振器における指令信号と出力信号との関係を示すタイムチャートである。また、図5は、第1の実施形態によるレーザ発振器における指令信号と出力信号との関係が正常に検出されている状態を示すタイムチャートである。また、図6は、第1の実施形態によるレーザ発振器における指令信号と出力信号との関係において異常な出力が検出されている状態を示すタイムチャートである。
従来のレーザ発振器では、例えば図4に示すように、発振制御装置から電源ユニットに駆動指令信号が指令値Scでパルス状に出力された場合、発振制御装置による指令出力値は、当該駆動指令信号の波形と同様の波形となる。
これと併せて、出力検出器で出力値Paの実測出力値が検出される。このとき、出力検出器は数秒単位の時定数を有するため、実測出力値は、所定の立上り区間Tlと立下り区間Ttを含む波形として検出される。
そして、同一の時間軸において指令出力値の波形と実測出力値の波形とを重合せると、パルス出力のデューティ比が大きく、実測出力値の定常状態が長い場合は、指令出力値と実測出力値の重なる区間Tc(実測出力値が定常状態)においてのみ、両者の比較が可能となる。一方、パルス出力のデューティ比が小さく、実測出力値の定常状態が短い場合、実測出力値が定常状態での比較が困難なため、指令出力値にデューティ比を掛けた値と実測出力値の平均値の比較となる。したがって、従来のレーザ発振器では、実測出力値の立上り区間Tlと立下り区間Ttでは比較ができず、加えて、実測出力値の定常状態が短い場合には精度よく比較できないという問題が存在する。
これに対して、本発明の第1の実施形態によるレーザ発振器100では、例えば図5に示すように、発振制御装置130から電源ユニット120に駆動指令信号DSが指令値Scでパルス状に出力されると、駆動電流DCが電源ユニット120から励起光源112に指令値Icで供給される。そして、発振制御装置130は、当該駆動電流DCの検出値に基づいて出力値Pcの指令出力値を演算する。
第1の実施形態によるレーザ発振器100では、続いて発振制御装置130が、出力検出器150の検出時における時定数を考慮した補正演算処理を行う。具体的には、その一例として、駆動電流DCの電流値をx(t)、出力検出器150の時定数をaとした場合に、補正指令出力値y(t)を以下の式1で示すような指数移動平均処理を行う。
そして、同一の時間軸において補正演算処理された補正指令出力値と実測出力値とを重ね合わせると、補正指令出力値が出力検出器150の時定数aに基づいて補正された波形となっているため、出力値を検出している区間のすべてにおいて重なり区間Tiにおいてリアルタイムに出力監視を行うことが可能となる。
また、第1の実施形態によるレーザ発振器100では、図6に示すように、例えば出力検出器150で測定された実測出力値の最大値Paが小さく検出された場合、補正指令出力値と実測出力値とを重ね合わせた際に両者の最大出力値PccとPaとの間に差分Δpが存在する。このような場合に、発振制御装置130はレーザ発振器100のいずれかの構成要素において異常が発生したと判別することができる。
なお、図6においては、出力検出器150から取得される実測出力値が想定よりも小さくなる場合を例示したが、検出回路上での何らかの支障により、電源ユニット120から供給される駆動電流DCが実際に供給された電流値よりも小さく検出されてしまうことがある。このような実測出力値よりも指令出力値あるいは補正指令出力値が低く演算されるような場合であっても、第1の実施形態では、上記差分Δpの絶対値を考慮することにより、出力の異常を判別することが可能となる。
図7は、第1の実施形態によるレーザ発振器の発振制御装置が実行する制御動作の一例を示すフローチャートである。
図7に示すように、まず発振制御装置130が加工制御装置40から発振指令信号OSを受信すると、電源ユニット120に対して駆動指令信号DSを出力する(ステップS101)。そして、駆動指令信号DSを受けた電源ユニット120は、レーザ発振源110の励起光源112に駆動電流DCを供給し、これにより、図2に示すように、レーザ発振源110からレーザビームLBの出射が開始される。
続いて、発振制御装置130は、電源ユニット120の電流検出部124から励起光源112に実際に供給されている駆動電流DCの電流値を取得する(ステップS102)。そして、発振制御装置130は、取得した駆動電流DCの電流値に基づいて指令出力値を演算し、さらに演算された指令出力値に対して補正演算を行って補正指令出力値を生成する(ステップS103)。
続いて、発振制御装置130は、出力検出器150からの実測出力値を取得する(ステップS104)。そして、発振制御装置130は、ステップS103で補正演算処理した補正指令出力値PccとステップS104で取得した実測出力値Paとを比較して、同一時刻において両者に差分Δpが生じているかどうかを判別する(ステップS105)。
ステップS105において、補正指令出力値Pccと実測出力値Paとの間に差分Δpが生じていないと判別した場合、発振制御装置130は、発振指令信号OSを受信している間、ステップS101に戻って、電源ユニット120に対して駆動指令信号DSの出力を継続し、以後のステップを繰り返す。
一方、ステップS105において、補正指令出力値Pccと実測出力値Paとの間に差分Δpが生じていると判別した場合、発振制御装置130は、レーザ発振器100の出力に異常が発生したと判断して、加工制御装置40の主制御部42に異常発生信号ESを出力して報知する(ステップS106)。続いて、発振制御装置130は、電源ユニット120に駆動停止指令SSを出力して(ステップS107)、制御動作を終了する。このとき、発振制御装置130からの異常発生信号ESを受信した主制御部42は、その一例として、表示部44にレーザ発振器100の出力異常が発生した旨の表示を行う表示指令信号DCを出力するように構成してもよい。
このような動作を実行することにより、第1の実施形態によるレーザ発振器100の発振制御装置130は、レーザ発振源110からレーザビームLBを出射中に、電源ユニット120からの駆動電流DCの電流値と出力検出器150からの実測出力値Paに基づいて、出力異常が発生しているかどうかをリアルタイムで監視動作を実行することができる。
図8は、第1の実施形態によるレーザ発振器の発振制御装置が実行する制御動作の変形例を示すフローチャートである。
図8に示すように、第1の実施形態の変形例では、発振制御装置130がステップS105で補正指令出力値Pccと実測出力値Paとの間に差分Δpが生じていると判別した場合、さらに当該差分Δpの絶対値が、所定の閾値以上であるかどうかを判別する(ステップS105a)。ステップS105aにおいて、差分Δpの絶対値が所定の閾値より小さいと判別した場合、発振制御装置130は、発振指令信号OSを受信している間、ステップS101に戻って、電源ユニット120に対して駆動指令信号DSの出力を継続し、以後のステップを繰り返す。
一方、ステップS105aにおいて、差分Δpの絶対値が所定の閾値以上であると判別した場合、発振制御装置130は、レーザ発振器100の出力に異常が発生したと判断して、加工制御装置40の主制御部42に異常発生信号ESを出力して報知する(ステップS106)。続いて発振制御装置130は、電源ユニット120に駆動停止指令SSを出力して(ステップS107)、制御動作を終了する。
このような動作を実行することにより、第1の実施形態の変形例では、発振制御装置130が所定の閾値を超えるような差分Δpが発生した場合にのみ出力異常と判断し、この場合に作業者への報知とともにレーザ発振源110への駆動電流DCの停止も確実に行う。このため、出力異常が発生した場合にレーザ発振器100を確実に停止させることが可能となる。
上記のような構成を備えることにより、第1の実施形態によるレーザ発振器は、発振制御装置において、励起光源に供給される駆動電流の電流値に基づいて演算された補正指令出力値と出力検出器で検出された実測出力値との同一時刻における差分を用いてレーザビームの出力を監視するようにしたため、比較対象とする出力値をリアルタイムで監視することができる。
<第2の実施形態>
図9は、本発明の別の一例である第2の実施形態によるレーザ発振器の構成の一例を示すブロック図である。図10は、図9に示したレーザ発振器に含まれる各構成要素の関係をより詳細に示すブロック図である。
図9は、本発明の別の一例である第2の実施形態によるレーザ発振器の構成の一例を示すブロック図である。図10は、図9に示したレーザ発振器に含まれる各構成要素の関係をより詳細に示すブロック図である。
なお、第2の実施形態においては、図1~図8に示した概略図等において、第1の実施形態と同一あるいは共通の構成を採用し得るものについては、同一の符号を付してこれらの繰り返しの説明は省略する。
図9に示すように、第2の実施形態によるレーザ発振器200は、複数の励起光源(第1励起光源212a、第2励起光源212b)を含むレーザ発振源210を備える点と、複数の電源ユニット(第1電源ユニット220a、第2電源ユニット220b)を備える点と、インターフェースユニット240のアナログ変換部244が信号変換回路244aに加えてマルチプレクサ244bを含む点と、において、図2に示した第1の実施形態によるレーザ発振器100と構成が異なる。すなわち、第2の実施形態によるレーザ発振器200は、2以上の複数の励起光源とこれに対応する複数の電源ユニットを備えるものとして構成される。
レーザ発振源210は、その一例として、レーザを誘導放出する第1励起光源212a及び第2励起光源212bと、誘導放出されたレーザを共振させて増幅する一対のミラー214、216と、増幅されたレーザビームLBを分岐させるビームスプリッタ218と、を含む。第1励起光源212a及び第2励起光源212bは、いずれも第1電源ユニット220a又は第2電源ユニット220bからの駆動電流DCの供給中に、レーザ媒質(図示せず)に対して励起光を出力する。
第1電源ユニット220aは、その一例として図10に示すように、発振制御装置130から出力された駆動指令信号DS1を駆動電流DC1に変換して第1励起光源212aに供給する電流変換部222aと、第1励起光源212aに実際に供給されている駆動電流DC1の電流値を実測する電流検出部224aと、を含む。同様に、第2電源ユニット220bは、発振制御装置130から出力された駆動指令信号DS2を駆動電流DC2に変換して第2励起光源212bに供給する電流変換部222bと、第2励起光源212bに実際に供給されている駆動電流DC2の電流値を実測する電流検出部224bと、を含む。
また、インターフェースユニット240は、その一例として、デジタル変換部242とアナログ変換部244とを含む。そして、アナログ変換部244は、デジタル変換部242のD/A変換部242aから受信したアナログ信号としての駆動指令信号DSを駆動電圧DS1、DS2に変換して第1電源ユニット220aの電流変換部222a及び第2電源ユニット220bの電流変換部222bに出力する信号変換回路244aと、複数の電流検出部224a、224bからの電流測定信号CS1、CS2を受信して駆動電流DC1、DC2の電流値をA/D変換部242bに出力するマルチプレクサ244bと、をさらに含む。
次に、図11~図14を用いて、第2の実施形態によるレーザ発振器における出力監視動作の一例を説明する。
図11は、第2の実施形態によるレーザ発振器における指令信号と出力信号との関係が正常に検出されている状態を示すタイムチャートである。また、図12は、第2の実施形態によるレーザ発振器における指令信号と出力信号との関係において異常な出力が検出されている第1の状態を示すタイムチャートである。また、図13は、第2の実施形態によるレーザ発振器における指令信号と出力信号との関係において異常な出力が検出されている第2の状態を示すタイムチャートである。さらに、図14は、第2の実施形態によるレーザ発振器における指令信号と出力信号との関係において異常な出力が検出されている第3の状態を示すタイムチャートである。
第2の実施形態によるレーザ発振器200では、例えば図11に示すように、発振制御装置130から駆動指令信号DSが指令値Scで出力されると、駆動電流DC1、DC2が第1電源ユニット320a及び第2電源ユニット320bからそれぞれ第1励起光源212a及び第2励起光源212bに指令値Ic1、Ic2で供給される。そして、発振制御装置130は、第1の実施形態の場合と同様に、当該駆動電流DC1、DC2の検出値に基づいて出力値Pc1、Pc2の第1指令出力値及び第2指令出力値を演算する。
続いて、発振制御装置130は、第1の実施形態の場合と同様に、生成された第1指令出力値及び第2指令出力値に対してそれぞれ補正演算処理を行い、第1補正指令出力値及び第2補正指令出力値を生成する。以後は第1の実施形態の場合と同様に、第1補正指令出力値及び第2補正指令出力値と実測出力値との比較をレーザビームLBの出射中である重なり区間Tiで行うことにより、リアルタイムに出力監視を実行する。
また、第2の実施形態によるレーザ発振器200では、図12に示すように、例えば第1励起光源212aに供給される第1駆動電流の電流値Ic1が駆動指令Scに対応する値に比べて小さく検出された場合、発振制御装置130において生成される第1指令出力値Pc1も小さい値となるため、補正演算処理された第1補正指令出力値Pcc1も想定される値より小さく演算される。このとき、第2励起光源212bに対する第2駆動電流は駆動指令Scに対応する電流値Ic2となっているため、第2補正指令出力値Pcc2は正常な波形となり、結果として出力検出器150で検出されるレーザビームLBの実測出力値Paは正常な状態の波形と一致する。
そして、第1補正指令出力値Pcc1及び第2補正指令出力値Pcc2と実測出力値Paとを重合せて比較すると、第1補正指令出力値Pcc1と実測出力値Paとの間には差分Δpが生じているのに対して、第2補正指令出力値Pcc2と実測出力値Paとの波形は一致している。したがって、このような場合には、第1励起光源212a又は第1電源ユニット220aのいずれかの構成要素において異常が発生したものと判別することができる。
一方、例えば図13に示すように、第2励起光源212bに供給される第2駆動電流の電流値Ic2が駆動指令Scに対応する値に比べて小さく検出された場合、発振制御装置130において生成される第2指令出力値Pc2も小さい値となるため、補正演算処理された第2補正指令出力値Pcc2も想定される値より小さく演算される。このとき、第1励起光源212aに対する第1駆動電流は駆動指令Scに対応する電流値Ic1となっているため、第1補正指令出力値Pcc1は正常な波形となり、結果として出力検出器150で検出されるレーザビームLBの実測出力値Paは正常な状態の波形と一致する。
そして、第1補正指令出力値Pcc1及び第2補正指令出力値Pcc2と実測出力値Paとを重合せて比較すると、第2補正指令出力値Pcc2と実測出力値Paとの間には差分Δpが生じているのに対して、第1補正指令出力値Pcc1と実測出力値Paとの波形は一致している。したがって、このような場合には、第2励起光源212b又は第2電源ユニット220bのいずれかの構成要素において異常が発生したものと判別することができる。
第2の実施形態によるレーザ発振器200において、発振制御装置130は、上記のような判別動作を実行した後、第1の実施形態の場合と同様に、加工制御装置40に対して異常が発生していること、及び当該異常が発生している構成要素を報知する。なお、このとき発振制御装置130は、異常が発生したと判別された励起光源に対応する第1電源ユニット220a又は第2電源ユニット220bに対して駆動停止指令SSを出力するように構成してもよい。
さらに、例えば図14に示すように、第1励起光源212aへの第1駆動電流Ic1と第2励起光源212bへの第2駆動電流IC2とが、駆動指令Scに対応して検出されているのに対して、出力検出器150におけるレーザビームLBの出力Paが低く検出されて、第1補正指令出力値Pcc1と第2補正指令出力値Pcc2との間にそれぞれΔp1、Δp2の差分が生じた結果が得られる場合がある。このような場合、発振制御装置130は、第1励起光源212a及び第2励起光源212bあるいは第1電源ユニット220a及び第2電源ユニット220bではなく、これら以外の構成要素(例えば一対のミラー214、216やビームスプリッタ218、あるいは出力検出器150等)に何らかの異常が発生したと判別し、当該異常を報知することもできる。なお、このとき発振制御装置130は、第1電源ユニット220a又は第2電源ユニット220bに対して駆動停止指令SSを出力するように構成してもよい。
なお、図11~図14においては、第1励起光源212a又は第2励起光源212bに供給される駆動電流が想定よりも小さくなる場合を例示したが、第1の実施形態と同様に、実測出力値よりも指令出力値あるいは補正指令出力値が高く演算されるような場合であっても、上記差分Δpの絶対値を考慮することにより、出力の異常を判別することが可能となる。また、図11~図14では、複数の電源ユニットとして2つのユニットを備える場合を例示したが、3つ以上の電源ユニットを備えるように構成してもよい。
上記のような構成を備えることにより、第2の実施形態によるレーザ発振器は、第1の実施形態で説明した効果に加えて、複数の励起光源や電源ユニットを備えるレーザ発振器の場合でも出力異常を検知することができる。さらに異常が発生している励起光源や電源ユニット等の構成要素を特定することも可能となる。
<第3の実施形態>
図15は、本発明のさらに別の一例である第3の実施形態によるレーザ発振器の構成の一例を示すブロック図である。また、図16は、第2の実施形態によるレーザ発振器における指令信号と出力信号との関係の一例を示すタイムチャートである。なお、第2の実施形態においては、図1~図14に示した概略図等において、第1及び第2の実施形態と同一あるいは共通の構成を採用し得るものについては、同一の符号を付してこれらの繰り返しの説明は省略する。
図15は、本発明のさらに別の一例である第3の実施形態によるレーザ発振器の構成の一例を示すブロック図である。また、図16は、第2の実施形態によるレーザ発振器における指令信号と出力信号との関係の一例を示すタイムチャートである。なお、第2の実施形態においては、図1~図14に示した概略図等において、第1及び第2の実施形態と同一あるいは共通の構成を採用し得るものについては、同一の符号を付してこれらの繰り返しの説明は省略する。
図15に示すように、第2の実施形態によるレーザ発振器300は、特にレーザビームLBをパルス発振する場合において、レーザビームLBの発振タイミングや出力設定値等を決定するパルス信号(発振情報信号)PSを生成するパルス発生器(発振指令装置)360を別体で設けた点で、第1の実施形態によるレーザ発振器100と構成が異なる。すなわち、第3の実施形態によるレーザ発振器300は、レーザビームLBのオンオフ制御を、発振制御装置130から別体で構成されたパルス発生器360からのパルス信号PSに基づいて実行する。
具体的には、レーザ発振器300は、その一例として、レーザ発振源(図示せず)と、電源ユニット120と、発振制御装置130と、インターフェースユニット340と、出力検出器150と、を備える。そして、上記したとおり、外部に別体で設けられたパルス発生器360から出力されたパルス信号PSがインターフェースユニット340に入力される。
インターフェースユニット340は、D/A変換部342a及びA/D変換部342bを含むデジタル変換部342と、信号変換回路344aを含むアナログ変換部344と、を含む。そして、信号変換回路344aは、駆動指令信号DSを受信している間にパルス信号PSが入力された際に、当該パルス信号PSで指定される出力設定値に対応する駆動電圧を所定の発振タイミングで電源ユニット120の電流変換部122に出力する機能を有する。
このような構成及び動作により、図16に示すように、第3の実施形態によるレーザ発振器300では、パルス発生器360からのパルス信号PSが指令値Poで入力されると、駆動電流DCが電源ユニット120から励起光源112に指令値Icで供給される。そして、第1の実施形態の場合と同様に、発振制御装置130は、当該駆動電流DCの検出値に基づいて出力値Pcの指令出力値を演算する。
続いて発振制御装置130が補正演算処理を行い、補正指令出力値を生成する。以後は第1の実施形態の場合と同様に、実測出力値との比較を行ってリアルタイムに出力監視を実行する。
上記のような構成を備えることにより、第3の実施形態によるレーザ発振器は、第1の実施形態で説明した効果に加えて、例えばパルス信号等の発振情報を発振制御装置が把握していない場合であっても、レーザビームのリアルタイムでの出力監視が可能となる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。また、第1の実施形態から第3の実施形態で示した具体例は、それぞれの特徴を組合せて適用してもよい。
1 レーザ加工装置
10 ワーク保持機構
20 照射機構(加工ヘッド)
22 ノズル
24 伝送路
30 搬送機構
40 加工制御装置
42 主制御部
44 表示部
46 入力インターフェース
100 レーザ発振器
110 レーザ発振源
112 励起光源
114 ミラー(部分反射ミラー)
116 ミラー(全反射ミラー)
118 ビームスプリッタ
120 電源ユニット
122 電流変換部
124 電流検出部
130 発振制御装置
140 インターフェースユニット
142 デジタル変換部
142a D/A変換部
142b A/D変換部
144 アナログ変換部
144a 信号変換回路
150 出力検出器
200 レーザ発振器
220a 第1電源ユニット
220b 第2電源ユニット
222a 電流変換部
224a 電流検出部
222b 電流変換部
224b 電流検出部
240 インターフェースユニット
242 デジタル変換部
242a D/A変換部
242b A/D変換部
244 アナログ変換部
244a 信号変換回路
244b マルチプレクサ
300 レーザ発振器
340 インターフェースユニット
342 デジタル変換部
342a D/A変換部
342b A/D変換部
344 アナログ変換部
344a 信号変換回路
360 パルス発生器
10 ワーク保持機構
20 照射機構(加工ヘッド)
22 ノズル
24 伝送路
30 搬送機構
40 加工制御装置
42 主制御部
44 表示部
46 入力インターフェース
100 レーザ発振器
110 レーザ発振源
112 励起光源
114 ミラー(部分反射ミラー)
116 ミラー(全反射ミラー)
118 ビームスプリッタ
120 電源ユニット
122 電流変換部
124 電流検出部
130 発振制御装置
140 インターフェースユニット
142 デジタル変換部
142a D/A変換部
142b A/D変換部
144 アナログ変換部
144a 信号変換回路
150 出力検出器
200 レーザ発振器
220a 第1電源ユニット
220b 第2電源ユニット
222a 電流変換部
224a 電流検出部
222b 電流変換部
224b 電流検出部
240 インターフェースユニット
242 デジタル変換部
242a D/A変換部
242b A/D変換部
244 アナログ変換部
244a 信号変換回路
244b マルチプレクサ
300 レーザ発振器
340 インターフェースユニット
342 デジタル変換部
342a D/A変換部
342b A/D変換部
344 アナログ変換部
344a 信号変換回路
360 パルス発生器
Claims (14)
- レーザ発振源から出射されるレーザビームの出力を監視する機能を有するレーザ発振器であって、
前記レーザ発振源に励起光を出力する励起光源と、
前記励起光源に駆動電流を供給する電源ユニットと、
前記レーザビームの出射条件を制御する発振制御装置と、
前記電源ユニットと前記発振制御装置との間の信号のやり取りを中継するインターフェースユニットと、
前記レーザビームの出力を検出する出力検出器と、
を備え、
前記発振制御装置は、前記励起光源に供給される前記駆動電流の電流値に基づいて演算された指令出力値に対して、前記出力検出器による前記レーザビームの出力の検出に伴う時定数を考慮して補正演算処理することにより補正指令出力値を作成するとともに、前記補正指令出力値と前記出力検出器で検出された実測出力値との同一時刻における差分を用いて前記レーザビームの出力を監視する
レーザ発振器。 - 前記発振制御装置は、前記差分の絶対値が所定の閾値より大きくなった場合に、作業者に出力の異常が発生していることを報知する
請求項1に記載のレーザ発振器。 - 前記発振制御装置は、前記出力の異常が発生していると判断した場合に、前記電源ユニットに駆動停止を指令する
請求項2に記載のレーザ発振器。 - 前記励起光源及び前記電源ユニットをそれぞれ複数備え、
前記インターフェースユニットは、複数の前記励起光源の駆動電流値を前記発振制御装置に出力するマルチプレクサをさらに含み、
前記発振制御装置は、複数の前記励起光源からの前記駆動電流値に基づいて演算された複数の前記電源ユニットに対する各々の補正出力指令値と、前記出力検出器で検出された実測出力値とに基づいて前記差分を演算する
請求項1に記載のレーザ発振器。 - 前記発振制御装置は、前記差分の絶対値が所定の閾値より大きくなった場合に、複数の前記励起光源又は前記電源ユニットのうちのいずれの構成要素に異常があるか、もしくは複数の前記励起光源又は前記電源ユニット以外の構成要素に異常があるかを特定し、作業者に当該出力の異常が発生している前記構成要素を報知する
請求項4に記載のレーザ発振器。 - 前記発振制御装置は、前記出力の異常が発生していると判断した場合に、すべての電源ユニットに駆動停止を指令する
請求項5に記載のレーザ発振器。 - 前記レーザビームの発振タイミングや出力設定値を含む発振情報信号を生成する発振指令装置をさらに備える
請求項1~6のいずれか1項に記載のレーザ発振器。 - レーザビームを出射するレーザ発振器と、ワークを保持するワーク保持機構と、前記ワークに前記レーザビームを照射する照射機構と、上記した各構成要素の動作を制御する加工制御装置と、を含むレーザ加工装置であって、
前記レーザ発振器は、レーザ発振源と、前記レーザ発振源に励起光を出力する励起光源と、前記励起光源に駆動電流を供給する電源ユニットと、前記レーザビームの出射条件を制御する発振制御装置と、前記電源ユニットと前記発振制御装置との間の信号のやり取りを中継するインターフェースユニットと、前記レーザビームの出力を検出する出力検出器と、を備え、
前記発振制御装置は、前記励起光源に供給される前記駆動電流の電流値に基づいて演算された指令出力値に対して、前記出力検出器による前記レーザビームの出力の検出に伴う時定数を考慮して補正演算処理することにより補正指令出力値を作成するとともに、前記補正指令出力値と前記出力検出器で検出された実測出力値との同一時刻における差分を用いて前記レーザビームの出力を監視する
レーザ加工装置。 - 前記発振制御装置は、前記差分の絶対値が所定の閾値より大きくなった場合に、作業者に出力の異常が発生していることを報知する
請求項8に記載のレーザ加工装置。 - 前記発振制御装置は、前記出力の異常が発生していると判断した場合に、前記電源ユニットに駆動停止を指令する
請求項9に記載のレーザ加工装置。 - 前記レーザ発振器は、前記励起光源及び前記電源ユニットをそれぞれ複数備え、
前記インターフェースユニットは、複数の前記励起光源の駆動電流値を前記発振制御装置に出力するマルチプレクサをさらに含み、
前記発振制御装置は、複数の前記励起光源からの前記駆動電流値に基づいて演算された複数の前記電源ユニットに対する各々の補正出力指令値と、前記出力検出器で検出された実測出力値とに基づいて前記差分を演算する
請求項8に記載のレーザ加工装置。 - 前記発振制御装置は、前記差分の絶対値が所定の閾値より大きくなった場合に、複数の前記励起光源又は前記電源ユニットのうちのいずれの構成要素に異常があるかを特定し、作業者に当該出力の異常が発生している前記構成要素を報知する
請求項11に記載のレーザ加工装置。 - 前記発振制御装置は、前記出力の異常が発生していると判断した場合に、すべての電源ユニットに駆動停止を指令する
請求項12に記載のレーザ加工装置。 - 前記レーザ発振器は、前記レーザビームの発振タイミングや出力設定値を含む発振情報信号を生成する発振指令装置をさらに備える
請求項8~13のいずれか1項に記載のレーザ加工装置。
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2022
- 2022-09-06 WO PCT/JP2022/033479 patent/WO2024052998A1/ja unknown
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Legal Events
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---|---|---|---|
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