JPS6119356B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 この発明はレーザ加工時の異常状態をほぼ瞬時
に検出するレーザ加工異常検出装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

切削加工や研削加工と同様、レーザ加工におい
てもその加工が定常状態で行なわれているかどう
か、すなわち加工中の異常を検知する必要がある
ことはいうまでもない。このときの異常状態とし
ては、レーザ光の出力の異常、レンズ，ミラーな
ど光学系の破損による加工の異常、さらには、レ
ーザビームを光学系で集光して加工する際に、加
工物の位置ずれなどにより所定の径でレーザ光が
加工点に照射できなくなる焦点はずし距離の異常
などがある。

従来、溶接，穴あけ，切断などのレーザ加工に
おいて、加工状態の良・否の判断は、加工後に作
業者が加工状態を目視で検査することによつて行
なつていた。

また、加工システムの異常はレーザ発振器から
出力されるレーザ光の一部を抽出し、この抽出し
たレーザ光の光量を検出することによつてのみ行
なわれていた。

しかしながら、上述のように目視による検査で
は、検査を行なう作業者の判定基準の差によつて
結果が異なることが多く、結果的に加工物の品質
にばらつきが生じていた。さらに、この方法では
加工後の状態を検査しているため、加工状態に異
常が認められたときに原因をすみやかに明らかに
することができない。このため、加工作業を中止
し、実験を行なうことによつてレーザ加工機にど
のような異常が発生したかを調査したうえで、修
理・調整をしなければならなかつた。

また、レーザ光の出力を監視するだけでは、上
述のような光学系の破損，焦点はずし異常などの
異常状態を検出することができず、加工の異常を
検出するには、不十分なものであつた。

〔発明の目的〕

本発明の目的はレーザ加工中に加工状態の異常
を検出し、この異常を知らせるとともに、その異
常の原因を表示する装置を提供するにある。

〔発明の概要〕

レーザ光を受光する第１の受光部と、加工物か
ら発生する蒸気の発光を受光する第２の受光部
と、これら第１および第２の受光部とが接続され
た信号処理部と、この信号処理部を制御するとと
もに信号処理部からの信号と適正値とを比較しこ
の結果を出力する制御部とを具備したことを特徴
とするレーザ加工異常検出装置であつて、第１お
よび第２の受光部から得られたレーザ光と蒸気の
発光のそれぞれの発光量とそれぞれの検出時刻の
時間差とを信号処理部が演算し、この演算結果と
記憶された適正値とを制御部が比較し、この比較
の結果を表示するものである。

〔発明の実施例〕

本発明者はレーザ加工について種々の実験を重
ねたところ、レーザ出力，焦点はずし距離等の加
工条件の変化に対応して加工物のレーザ光照射に
より発生する蒸発物の発光の光量と、レーザ光を
照射してから蒸気の発光が検出されるまでの時間
とが変化することを見い出した。すなわち、加工
物表面のパワ密度が変化することにより、レーザ
光照射から蒸気の発光までの時間が変化し、ま
た、加工物への照射エネルギの変化により蒸気の
発光の光量が変化することがわかつた。第１図は
この実験結果の一例を示す図である。図の横軸
は、加工物への照射エネルギＥとその平均パワ密
度ｉであり、縦軸は、蒸気の発光量IRとレーザ
照射から蒸気が発光するまでの時間DTである。
この図によれば、照射エネルギＥと蒸気の発光量
IRとはほぼ比例関係にあり、Ｅが増加すればIR
も増加することがわかる。また、照射エネルギＥ
の増大によりパワ密度ｉが増加すればDTは減少
することがわかる。なお、DTは加工速度に関連
の深い量であり、照射エネルギを一定に保ち、パ
ワ密度ｉのみを変化させた場合でも、第１図と同
様にパワ密度ｉの増大にともない減少する特性が
ある。

このような傾向を考えれば、IRの測定により
照射エネルギＥの変化を知ることができ、DTの
測定によりパワ密度ｉの変化を知ることができ
る。

本発明の一実施例装置を第２図に示す。レーザ
発振器１からパルス発振で発振したレーザ光２は
ダイクロイツクミラー３によつて反射するが、一
部は微弱光として透過していく。反射したレーザ
光２ａは集光レンズ４で集光され、加工物５に照
射され加工が行なわれる。なお、集光レンズ４の
下には保護ガラス６が設けられ、加工物５からの
加工時における飛散物が集光レンズ４に付着する
のを防止している。

ダイクロイツクミラー３の後方には第１の受光
部１１が設けられている。この第１の受光部１１
はダイクロイツクミラー３を透過したレーザ光２
ｂを受光するためのものである。また、加工物５
の加工部付近には第２の受光部１２が設けられて
いる。この第２の受光部１２は集光されたレーザ
光２ａが加工物５に照射したときに発生する蒸気
の発光５ａを受光するためのものである。これら
の第１の受光部１１は石英光フアイバー１３で、
第２の受光部１２はライトガイド１４でそれぞれ
信号処理部１５に接続されており、第１および第
２の受光部１１，１２で受光された光は石英光フ
アイバー１３，ライトガイド１４を介して信号処
理部１５へ送られる。信号処理部１５はレーザ光
２ａの光量と蒸気の発光５ａの光量を検出し、さ
らに、これらのレーザ光２ａと蒸気の発光５ａと
の検出時刻の時間差を検出する。信号処理部１５
にはマイクロコンピユータを用いた制御部１６が
接続され、この制御部１６によつて信号処理部１
５は動作制御を受ける。また、信号処理部１５は
検出結果を制御部１６へ送る。制御部１６にはレ
ーザ光２ｂの光量，蒸気の発光５ａの光量，時間
差の適正な加工条件における所定値が設定されて
いる。制御部１６は信号処理部１５から受けたデ
ータとこれらの適正値とを比較し、その結果を
CRTデイスプレイ１７，プリンタ１８に表示す
る。

第３図は信号処理部１５の詳細を説明するため
のブロツク図である。石英光フアイバー１３，ラ
イトガイド１４によつて送られたそれぞれの光は
受光素子２１ａ，２１ｂで電流に変換される。さ
らに、受光素子２１ａ，２１ｂは電流電圧回路２
２ａ，２２ｂに接続され、さらにこれらのは電圧
増幅回路２３ａ，２３ｂに接続されている。ここ
で、電流信号は電圧信号に変換され、さらに増幅
される。電圧増幅回路２３ａ，２３ｂには積分回
路２４ａ，２４ｂがそれぞれ接続され、増幅され
た電圧は積分回路２４ａ，２４ｂにより積分さ
れ、結果的にレーザ光２ｂ，蒸気の発光５ａのそ
れぞれの光量が演算される。また、電圧増幅回路
２３ａ，２３ｂにはそれぞれレーザ光２ｂの発振
開始を検出する発振開始検出回路２５と、蒸気の
発光５ａの開始を検出する発光開始検出回路２６
とが接続されている。これらの回路２５，２６で
発振，発光の開始時を検出すると、クロツク２７
が接続された時間測定回路２８により、レーザ光
２ｂの発振検出時刻と蒸気の発光５ａの発光時刻
との時間差が演算される。この時間差の値は制御
部１５へ送られる。

一方、積分回路２４ａ，２４ｂは両者ともマル
チプレクサ２９に接続されており、このマルチプ
レクサ２９はＡ／Ｄコンバータ３０に接続されて
いる。制御部１５はマルチプレクサ２９を制御
し、初めに積分回路２４ａで演算したレーザ光２
ｂの光量をＡ／Ｄコンバータ３０に通し、そのと
き光量をデジタル値に変換させる。次にマルチプ
レクサ２９を制御し切り換えることによつて、積
分回路２４ｂで演算した蒸気の発光５ａの光量を
Ａ／Ｄコンバータによつて、デジタル値に変換さ
せる。このように、求められたレーザ光２ｂの光
量と蒸気の発光５ａの光量のデジタル値は両方と
も制御部１６へ送られる。

このように、レーザ光２ｂと加工物５の蒸気の
発光５ａの検出時刻の時間差、すなわちレーザ光
２が発振されてから加工物５が金属蒸気により発
光するまでの時間、さらにレーザ光２ｂの光量，
蒸気の発光５ａの量とを演算・検出すると、制御
部１５は以下のように所定値と比較し結果を
CRTデイスプレイ１７，プリンタ１８に表示す
る。

第４図は制御部１６の動作を示す流れ図であ
る。制御部１６にはレーザ出力，加工物の材質，
穴あけ，溶接などの加工条件に応じた、レーザ光
２ｂの光量，蒸気の発光５ａの光量，レーザ光２
と蒸気の発光５ａとの時間差の値の適正値が設定
されている。この適正値はあらかじめ種々の加工
条件に応じ実験を行なうことによつて求められた
ものである。

第４図に示されるように、制御部１６は信号処
理部１５から得た検出値のうち、まず初めに、レ
ーザ光２ｂの光量について適正値と比較する。こ
こで、検出した値が所定値と比較し、その許容範
囲より大きければ「レーザ出力過大」、小さけれ
ば「レーザ出力過小」という表示を出力し、レー
ザ発振器１側に異常があることを知らせる。レー
ザ光２ｂの光量が比較の結果、適正であれば、次
に蒸気の発生量IR、時間差DTについて適正値と
比較する。この比較結果から得られた適正、過
大、過少から異常を知らせる各メツセージが出力
される。ここで、第１図において斜線で示た範囲
内を仮に溶接加工が適正に行なわれる発光量
IR、時間差DTの二つの条件の適正値CNとした場
合、例えば、時間差DTが適正値CNの許容範囲よ
り過大であれば、第１図からわかるように照射エ
ネルギーＥが低下した状態となる。すなわち、上
記したようにレーザ光量が適正の条件の下である
ので、照射エネルギーＥの低下は、換言すれば加
工部分におけるパワー密度が低下している状態に
なつていることから、「パワー密度低下」という
メツセージが出力される。ところで、この条件の
下で蒸気の発生量IRが適正値CNと比較された場
合では、適正、過大、過少のいずれの比較結果が
得られたとしても「パワー密度低下」の状態にあ
ることには変りはない。この「パワー密度低下」
というは、上記レーザ光量が適正の条件下にある
ということを考えて別の見方をすれば、加工部に
おけるレーザスポツトの拡大、すなわち焦点外し
が過大であることを意味している。ただし、ここ
で発光量IRが過少という比較結果からは第２図
における集光レンズ４や、ライトガイド１４等の
光学系が破損し光量検出に支障をきたしているこ
とが推定され、「光学系破損」という形のメツセ
ージが出力され異常が知らされることになる。以
上のことは時間差DTが過少の場合には逆の現象
となつて現われる。すなわち、時間差DTの過少
ではパワー密度過大であり発光量IRの検出比較
結果にかかわらず「焦点外し過少」というメツセ
ージが出力される。ただし、第４図では発光量
IRの過大の場合については、たとえばシールド
ガスを併用した場合の例を考えて、シールドガス
が不足していることを意味する「シールド不良」
というメツセージを出力している例を示してい
る。なお、レーザ光量、時間差DTがともに適正
で発光量IRが適正でない場合、その過大、過少
の比較結果にもとずいて図に示すメツセージが出
力される。

このようにすれば、レーザ加工時に異常が生じ
た場合、その異常がどのような状態かあるいは異
常の原因がどこにあるかを知ることができる。こ
のため、異常発生後の対応を速やかに行なうこと
ができる。なお、第１および第２の受光部１１，
１２で測定したレーザ光２ｂ，金属蒸気の発光５
ａの光量，検出時刻の時間差の演算は専用の信号
処理部１５を用いて行なわれるため、演算速度が
非常に速くなる。

なお、制御部１６に接続された出力装置は、本
実施例においてCRTデイスプレイ１７，プリン
タ１８を設けたが、他にプロツビーデイスクドラ
イブを設け、デイスクに異常記録を残すようにし
てもよい。

さらに、信号処理部１５を設けられた受光素子
２１ａ，２１ｂを第１および第２の受光部１１，
１２と一体に設けてもよい。この場合は信号処理
部１５に接続する石英光フアイバー１３，ライト
ガイド１４が不要となり、通常の導電線で接続す
るだけでよい。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明のレーザ加工異常
検出装置によれば、レーザ加工を行なう際、加工
中に瞬時に異常を検出することができ、しかもそ
の原因がどこかにあるかを表示することができ
る。このため、異常が発生した後に、その原因を
調べる必要がなく速やかにその対応ができるよう
になり、レーザ加工システムの維持管理の合理化
をはかることが可能となつた。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザ加工中の蒸気の発光の光量とレ
ーザ発振から蒸気が発光するまでの時間の特性を
示す図、第２図は本発明の一実施例を示す概略
図、第３図は信号処理部の構成の一例を示すブロ
ツク図、第４図は制御部の動作の一例を示す流れ
図である。 １１……第１の受光部、１２……第２の受光
部、１５……信号処理部、１６……制御部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ レーザ光を受光する第１の受光部と、レーザ
   光が加工物に照射した際に加工物から発生する蒸
   気の発光を受光する第２の受光部と、これら第１
   および第２の受光部とが接続され上記レーザ光と
   上記蒸気の発光のそれぞれの光量を検出するとと
   もにそれぞれの検出時刻の時間差を演算する信号
   処理部と、この信号処理部を制御するとともに信
   号処理部からの信号と適正値とを比較しこの結果
   を出力する制御部とを具備したことを特徴とする
   レーザ加工異常検出装置。