JP2004195467A

JP2004195467A - レーザー加工における照射エネルギー制御方法

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Publication number: JP2004195467A
Application number: JP2002363242A
Authority: JP
Inventors: Koji Yamaoka; 岡恒治山; Yukinori Urushizaki; 崎幸憲漆; Seiichi Tomita; 田誠一富; Tomoyuki Tsuchida; 田智之土
Original assignee: Matsuura Machinery Corp; Matsuura Kikai Seisakusho KK
Current assignee: Matsuura Machinery Corp; Matsuura Kikai Seisakusho KK
Priority date: 2002-12-16
Filing date: 2002-12-16
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2022-12-16
Also published as: JP4262973B2

Abstract

【課題】レーザーヘッド、又は加工テーブルの速度（ｖ）の、照射するレーザーパワー（Ｐ）に対する時間上の時間遅れを回避しながら、単位時間、及び単位面積当りのエネルギー密度（ｅ）を一定とすることを可能とするレーザー加工制御方法の構成を提供すること。
【解決手段】数値制御部におけるプログラムによって予め設定されたレーザーヘッド、又は被加工材を積載するための加工テーブル等に設けたレーザー走査部における３次元方向の速度成分を、ベクトル合成したことによる大きさの速度（ｖ）を指令速度として、照射エネルギー制御部に入力することによって、照射エネルギー（Ｅ）に基づく単位時間、および単位面積あたりのエネルギー密度（ｅ）を、略一定とすることに基づき、高性能、高機能による加工を実現し得るレーザー加工における照射エネルギー制御方法。
【選択図】図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーの出力量を調節しながら走査し、かつ照射して、表面の薄膜の除去や、表面改質、部材自体の一部を除去する加工、燒結・溶融造形等を行うレーザー加工において、高精度、高機能加工を実現するために、レーザーヘッド、又は加工テーブルの移動速度が変化しても、単位時間、単位面積当りの照射エネルギー密度が一定となるようにレーザーエネルギーを制御する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
数値制御部におけるプログラムによって設定される移動指令により、レーザーの照射エネルギーを選択しながら走査し、かつ照射して、表面の薄膜の除去や、表面改質、部材自体の一部を除去する加工、燒結・溶融造形等を行うレーザー加工において、
▲１▼．レーザー出力を行う時間の制御、
▲２▼．レーザー出力に伴う走査の経路、及び走査部の位置決め制御、
▲３▼．レーザー照射エネルギーに対する走査部の速度を入力としたことによる制御
が加工時の寸法精度や機能・特性に大きな影響を与えることは、周知の事実である。
【０００３】
前記▲３▼の照射エネルギーの制御において、加工装置固有の特性、及び加工条件により、照射エネルギーの量が変化するため、その都度、適切な速度の条件を設定することを必要とする。
【０００４】
同一の加工装置の場合にも、例えば照射エネルギーが一定という条件の下に、同一照射スポット径のレーザー加工を行うならば、加速・減速領域では、速度が変化するため単位時間、及び単位面積当りのレーザー照射エネルギーは変化する。
【０００５】
このような単位時間、及び単位面積当りの照射エネルギー密度が変化した場合には、加工ムラが発生し、寸法精度の劣化や、機能・特性の劣化、ばらつきが生じ、特に速度が零となる領域、又は零付近の領域では、単位時間、及び面積当りの照射エネルギー密度が極端に過多になるために精度・機能不良部領域が大きく発生する傾向にある。
【０００６】
このような精度・機能不良領域の発生に対処するため、従来技術においても、図４のブロック線図に示すように走査部が設けられているレーザーヘッド、または加工テーブルの移動位置を計測器等で検出し、検出時間と当該位置との関係に基づいて、照射エネルギー制御部において、速度を演算し、当該演算された速度に基づいて、照射エネルギーを調整することによって、単位時間、及び単位面積当りのエネルギー密度を一定とするように、演算の推移にしたがって照射エネルギーの制御を行っていた。
【０００７】
しかし、図４のように、レーザーヘッド、または加工テーブルの移動位置をフィードバックして演算された速度をレーザー出力制御部に入力するという従来技術の方式では、必然的に、前記のような演算を行う時間を必要とし、ひいては演算された速度によって移動している時期と、当該速度に基づいて制御を行っている時期との間には、時間遅れが生じ、速度に同期した適性なレーザー加工ができず、精度不良や機能不良が発生していた。
【０００８】
このような時間的な遅れを原因として、図４に示す従来技術の方式では、速度変化が多い複雑な加工においては、高精度、高機能によるレーザー加工が不可能であり、後の工程において修正しなければならない工数が増大するという傾向を免れることができなかった。
【０００９】
【関連特許１】
特開平０５−１３８３７４
【関連特許２】
特開平７−４５４９６
【関連特許３】
特開２０００−２１０７８２
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、前記の如き従来技術の欠点を克服し、従来技術よりも簡単な方法でありながら、レーザーヘッド、または加工テーブルにおける速度と、照射エネルギーの制御との間に、前記従来技術の如き時間遅れを克服し、速度変化を伴う複雑な加工においても、単位時間、及び単位面積当りのエネルギー密度を略一定とするような照射エネルギーの制御を可能とし、ひいては、高精度、高機能加工を行い得るような照射エネルギー制御方法を提供することを課題としたものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明の構成は、数値制御部におけるプログラムによって予め設定されたレーザーヘッド、又は被加工材を積載するための加工テーブル等に設けたレーザー走査部における３次元方向の速度成分を、ベクトル合成したことによる大きさの速度（ｖ）を指令速度として、照射エネルギー制御部に入力することによって、照射エネルギー（Ｅ）に基づく単位時間、および単位面積あたりのエネルギー密度（ｅ）を、略一定とすることに基づくレーザー加工における照射エネルギー制御方法からなる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
照射するレーザーエネルギーをＥとし、レーザースポット径をｄとし、レーザー走査部の３次元のベクトル合成による大きさの速度をｖとし、単位時間、単位面積当りのエネルギー密度をｅとした場合、
ｅ≒Ｋ・Ｅ／（ｄ・ｖ）……（１）
という近似式が成立するものとされている。
【００１３】
尚、係数Ｋは実験によって求められる値であって、被加工対象物によっては、速度（ｖ）の函数となることが判明している。
【００１４】
前記（１）式において、照射エネルギー（Ｅ）を一定とし、レーザーヘッド、または加工テーブルの速度（ｖ）が加速、定速、減速の３段階を経た場合には、前記（１）式によるレーザーエネルギー（Ｅ）、速度（ｖ）、単位時間、及び単位面積当りのエネルギー密度（ｅ）の状態は、図３によって表現されることになる。
【００１５】
前記（１）式は、あくまで近似式であって、実際のｅ、Ｅ、ｄ、ｖとの関係は、相当複雑な関係であるが、何れにせよ、レーザーエネルギーＥを、前記ｅ、ｄ、ｖをパラメーターとして変化することになる。
【００１６】
このような場合、Ｋ、ｄ、ｅの値が一定であるならば、速度ｖを前記解決手段の項において記載したように、数値制御部７におけるプログラム（以下「ＮＣプログラム」と略称する。）によって、予め設定されている所定の時間単位に基づいて、各時刻毎に指令されるレーザー走査部の３次元方向のベクトル合成に基づく大きさの速度（ｖ）に基づいて、照射エネルギー（Ｅ）を算出することによって、前記従来技術の場合のような時間遅れを伴わずに、単位時間、及び単位面積当りのエネルギー密度（ｅ）を一定とすることを目的とする照射エネルギー制御を実現することができる。
【００１７】
即ち、前記実施形態においては、図５のブロック図に示すように、ＮＣプログラムが設定した３次元方向の各速度成分を、数値制御部７の演算によってベクトル合成による大きさの速度（ｖ）を得た上で、駆動を行う為のサーボアンプにて増幅されたうえで、直接照射エネルギー制御部に入力されるので、従来技術の場合のような時間遅れを防止しているので、よりいっそう正確に前記エネルギー密度（ｅ）を一定とすることを目的とする制御が可能となる。
【００１８】
一般に、走査部の速度が零の状態から一定速度に至るまでの段階では、図６に示すように、次第に加速される第一ジャーク領域（０≦ｔ≦ｔ_１）、最大加速領域（ｔ_１≦ｔ≦ｔ_２）、順次減速する第二ジャーク領域（ｔ_２≦ｔ≦ｔ_３）の各領域によって区分される状態を示している。
【００１９】
前記各領域は、以下のような一般式によって表現することができる。
【００２０】

前記（２）式のように、走査部の速度変化が生ずる場合においても、図５のブロック図に示すような照射エネルギー制御を行っている本発明の場合においては、当該速度変化に対応して、従来技術のような時間遅れを克服した状態にて照射エネルギー制御を行うことができる。
【００２１】
更には、速度（ｖ）を指令速度として、プログラムによって設定されたレーザーヘッド、または加工テーブルに対する指令移動量と同期させながら照射エネルギー制御部に入力した場合には、上記高精度、高機能による加工による効果は、著しく向上することになる。
【００２２】
但し、本発明においては、ＮＣプログラムによって、単位時間に基づく各時刻毎に、速度（ｖ）が段階的に変化した状態にて照射エネルギー制御部に入力され、照射エネルギー（Ｅ）を算出しているため、照射エネルギー（Ｅ）もまた、デジタル量による段階状の出力として発生され、アナログ量による連続状態による出力とはなっていない。
【００２３】
したがって、より高精度の制御を行うためには、ＮＣプログラムにおける単位時間を、可能な限り短時間にすることが望ましい。
【００２４】
図７は、本発明の実施形態による方法を実現する場合の金属粉末の光造形複合加工機の外観を示す。
【００２５】
前記加工機は、材料タンク側３から材料粉末６を造形タンク・テーブル４側へ、かき板５を移動させることによって、０．０２〜０．０５ｍｍ程度の材料粉末６層を形成し、その後レーザートーチ１から、材料粉末６を燒結・溶融するために必要な所定のエネルギー密度のレーザーを照射し、３次元形状を造形している。
【００２６】
上記のような実施形態による加工機においては、３次元方向（ＸＹＺ方向）に移動するための指令を行うＮＣプログラムが、数値制御部７に内蔵されており、当該数値制御部７においては、ＮＣプログラムの指令に基づく３次元方向の速度成分をベクトル合成することによって、各時間、及び位置に対応した速度を演算し、かつ所定の時間毎に、演算した速度をレーザーエネルギー制御部に入力している。
【００２７】
以下、実施例にしたがって説明する。
【００２８】
【実施例１】
レーザーヘッド、又は光造形タンク・テーブル４等の移動に伴う慣性、更には移動に関する初期設定条件等により、所定の単位時間毎に設定した加工プログラムによる移動速度（ｖ）と、照射エネルギー（Ｅ）とが、従来技術のような時間遅れが生じていないとしても、正確に同期していない状態、即ち出力される照射エネルギーの時間上の位相が入力される速度の位相よりも進んでいるか、又は遅れている状態が発生することがある。
【００２９】
このような場合には、加工プログラムによって設定された速度の変化が開始する段階、及び完了する段階において、照射されるレーザーエネルギー密度の過不足が発生し、加工不良が発生しやすい状態となる。
【００３０】
図１（ａ）は、速度（ｖ）の方が、出力される照射エネルギー（Ｅ）よりも位相が遅れている場合を示し、図１（ｂ）は、速度（ｖ）が、出力される照射エネルギー（Ｅ）よりも位相が進んでいる場合を示すが、このような同期しない状態、及びその程度は、レーザー加工機の種類とその構造によって左右される。
【００３１】
実施例１においては、ＮＣプログラムによって各所定時刻毎に設定され、かつベクトル合成による演算の結果による速度（ｖ）を、対応する各時刻毎に、ストレートに照射エネルギー制御部に入力するのではなく、当該速度（ｖ）から、当該各時刻より所定単位数だけ前（過去）の時刻における速度（ｖ’）を差し引いたことによる速度差（ｖ−ｖ’）を設定し、当該速度差（ｖ−ｖ’）に、実験によって算出された各レーザー加工機固有の補正係数（Ｑ）を掛け合わせたことによる速度を単位とする補正量（Ｑ（ｖ−ｖ’））、当該速度（ｖ）から差し引いたことによる補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’）を、出力される照射エネルギーと同期させ、当該補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））を、照射エネルギー制御部にインプットすることによって、制御を行っている。
【００３２】
前記補正係数Ｑの絶対値による大きさ、即ち適切な数値は、各レーザー加工機毎に、実験によって設定される。
【００３３】
そして、前記補正係数Ｑの絶対値による数値は、各時刻より前の時刻の単位数によって左右され、単位数が１である場合には、補正係数Ｑの絶対値もまた、大抵の場合１よりも小さくなっており、単位数がｎの場合には、補正係数Ｑの絶対値による数値もまた、ｎよりも、大抵の場合小さい値となっている。
【００３４】
時間（ｔ）を基準とした場合、図１（ａ）に示すように、速度（ｖ）の位相が、照射エネルギー（Ｅ）の位相よりも遅れている場合には、Ｑは、正の数値であって、所定の単位数だけ前（過去）の時刻による速度（ｖ’）と、前記補正係数Ｑによって補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））を入力することによって、結果的には、位相が進んだ状態にある前の時刻による速度（ｖ’）による影響を増大することによって、照射エネルギー（Ｅ）と、入力する補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））との位相を概略一致させ、同期を得ていることになる。
【００３５】
逆に、図１（ｂ）に示すように、速度（ｖ）の位相がレーザーエネルギー（Ｅ）の位相よりも進んでいる場合には、修正係数（Ｑ）は、負の数値であって、所定の単位数だけ前（過去）の時刻による速度（ｖ’）と、補正係数Ｑによる補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））によって、位相が進んだ状態にある前の時刻による速度（ｖ’）による影響を減殺することによって、照射エネルギー（Ｅ）と、入力する補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））との位相を概略一致させ、同期を得ていることになる。
【００３６】
尚、前記所定単位の時間だけ前の速度（ｖ’）を設定する場合の、「所定単位」の数としては、１単位内である場合が多いが、必ずしも１単位に限定される訳ではなく、３単位程度の時間だけ前の速度（ｖ’）を設定することによっても、前記位相のずれを修正することが可能である。
【００３７】
図１（ａ）、（ｂ）のような時間上の位相のずれが生じている場合において、実施例１による補正速度を採用することによって、図１（ｃ）のように、照射エネルギー（Ｅ）と、レーザーヘッドの速度とを概略一致させた状態を得ることができる。
【００３８】
【実施例２】
前記（１）式に示すように、レーザー出力（Ｅ）と速度（ｖ）とは、概略比例関係にある。
【００３９】
そして、実施例１において図１（ｃ）に示すように、レーザー出力（Ｅ）と（ｖ）とが同期している場合は、走査の直後、及び終了直前の段階では、レーザーヘッドの速度（ｖ）が零に近い段階が到来するが、他方では、ＮＣプログラムは所定の単位時間による時刻毎に段階的に３方向の速度成分を指令する以上、当該速度成分に対するベクトル合成による速度もまた、段階的に演算され、レーザーヘッドが実際に移動している速度が零近辺の場合には、零自体ではないにも拘らず、照射エネルギー制御部に対し、零による指令速度として入力され、当該入力に基づく演算結果として、照射エネルギーもまた零として出力されることを避けることができない。
【００４０】
ことろが、走査の開始直後、及び終了直前において、速度（ｖ）が零付近の段階であっても、微小なレーザーエネルギー（Ｅ）を必要としており、前記のように、速度（ｖ）を零として入力され、かつ照射エネルギー（Ｅ）が零として出力された場合には、適切な条件による加工が不可能となり、加工精度・機能において、不良が発生せざるを得ない。
【００４１】
実施例２においては、速度（ｖ）がレーザーエネルギー制御部にインプットされている段階におけるレーザーエネルギー（Ｅ）の下限値（Ｅ_１）を設定し、図２に示すように、速度（ｖ）が零、又は零付近であったとしても、下限エネルギー（Ｅ_１）によるレーザーの照射が可能となるように設定している点において、特徴を有している。
【００４２】
当該下限エネルギー（Ｅ_１）は、照射エネルギー制御部に入力される速度（ｖ）のうち、零を超えた最小値に対応した照射エネルギー（Ｅ）であることが理論上望ましいが、必ずしも当該照射エネルギーに限定される訳ではない。
【００４３】
実際には、前記下限エネルギー（Ｅ_１）は、個別の装置に対応した実験によって適切な量を求めることができる。
【００４４】
そして、図２に示すような速度（ｖ）が零に近い時間的領域は、レーザーヘッド等の加工部における熱伝導の程度によって左右されるので、当該熱伝導の程度を考慮したうえで、前記下限エネルギー（Ｅ_１）を設定すると良い。
【００４５】
このような実施例２においては、速度（ｖ）が、零又は零付近であっても、下限値のエネルギー（Ｅ_１）によって、レーザー光の照射ができる。
【００４６】
但し、途中停止はアラーム（異常）停止が生じても、前記下限エネルギー（Ｅ_１）によるレーザー光の照射が継続されることになるので、このような停止段階では、別途、元のレーザーエネルギーを最低とするか、又はレーザー出力自体を零とするなどの安全対策を講ずると良い。
【００４７】
【発明の効果】
このように、本発明においては、従来技術の場合のように、速度（ｖ）の、照射エネルギー（Ｅ）に対する時間遅れを克服し、双方の時間上の位相を概略同期させながら単位時間、及び単位面積当りのエネルギー密度（ｅ）を一定とした上で、高精度・高機能の加工を実現することが可能となる。
【００４８】
しかも、前記効果は、比較的簡単な構成によって実現することが可能である。
【００４９】
このように、本発明は、多面的な価値を有しており、その存在意義は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１における速度（ｖ）と、照射エネルギー（Ｅ）との関係を示しており、（ａ）は速度（ｖ）が照射エネルギー（Ｅ）よりも位相が遅れている場合を示しており、（ｂ）は前記位相が進んでいる場合を示しており、（ｃ）は実施例１の構成によって、相互の位相が同期している場合を示している。
【図２】実施例２の構成に基づく示すグラフである。
【図３】前記（１）式において、照射エネルギー（Ｅ）を一定とした場合の速度（ｖ）、照射エネルギー（Ｅ）、及び前記エネルギー密度（ｅ）の状態を示すグラフである。
【図４】従来技術によって照射エネルギーの制御を行うブロック線図である。
【図５】本発明の基本原理によって照射エネルギー制御を行うブロック線図である。
【図６】前記（２）式による速度変化の状況を示すグラフである。
【図７】本発明をも実現し得る金属粉末の光造形複合加工機の外観を示す見取り図である。
【符号の説明】
１：レーザートーチ
２：回転主軸
３：材料タンク
４：造形タンク・テーブル
５：かき板
６：材料粉末
７：数値制御部

Claims

数値制御部におけるプログラムによって予め設定されたレーザーヘッド、又は被加工材を積載するための加工テーブル等に設けたレーザー走査部における３次元方向の速度成分を、ベクトル合成したことによる大きさの速度（ｖ）を指令速度として、照射エネルギー制御部に入力することによって、照射エネルギー（Ｅ）に基づく単位時間、および単位面積あたりのエネルギー密度（ｅ）を、略一定とすることに基づくレーザー加工における照射エネルギー制御方法。
速度をプログラムによって設定されたレーザーヘッド、又は加工テーブルに対する指令移動量と概略同期させながら照射エネルギー制御部に入力することを特徴とする請求項１記載のレーザー加工における照射エネルギー制御方法。
指令速度として、基準となる時刻に対応した速度（ｖ）に対し、当該速度（ｖ）と、所定の単位だけ前段階の時刻における指令速度（ｖ’）との差を算出し（ｖ−ｖ’）、かつ当該差（ｖ−ｖ’）に対し、加工装置毎に、実験に基づいて確認された固有の適切な係数Ｑを乗ずることによって得られた速度を単位とする数量（Ｑ（ｖ−ｖ’））を、前記基準となる時刻に対応した速度に対し、減算することによって得られた補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））を、出力される照射エネルギーと概略同期させ、当該補正速度（ｖ−Ｑ（ｖ−ｖ’））を入力することを特徴とする請求項２記載のレーザー加工における照射エネルギー制御方法。
レーザーエネルギー制御部に入力される最低速度に対応した照射エネルギーの下限値（Ｅ_１）を設定し、照射エネルギー制御部において演算された照射エネルギーが、前記下限値以下となる場合には、当該照射エネルギーを、前記下限値を照射エネルギーの出力値とするように補正したことを特徴とする請求項３記載のレーザー加工における照射エネルギー制御方法。
照射エネルギーの下限値（Ｅ_１）が、照射エネルギー制御部に入力される速度（ｖ）の零を超えた最小値に基づいて演算された照射エネルギー（Ｅ）であることを特徴とする請求項４記載のレーザー加工における照射エネルギー制御方法。