特許 7557069 レーザ加工装置の数値制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-17

(45)【発行日】2024-09-26

(54)【発明の名称】レーザ加工装置の数値制御装置

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/08 20140101AFI20240918BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20240918BHJP

   B23K 26/0622 20140101ALI20240918BHJP

   G05B 19/416 20060101ALI20240918BHJP

【ＦＩ】

B23K26/08 Z

B23K26/00 M

B23K26/0622

G05B19/416 E

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2023531297

(86)(22)【出願日】2021-07-01

(86)【国際出願番号】 JP2021024985

(87)【国際公開番号】W WO2023276115

(87)【国際公開日】2023-01-05

【審査請求日】2024-02-06

(73)【特許権者】

【識別番号】390008235

【氏名又は名称】ファナック株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100106002

【弁理士】

【氏名又は名称】正林 真之

(74)【代理人】

【識別番号】100165157

【弁理士】

【氏名又は名称】芝 哲央

(74)【代理人】

【識別番号】100160794

【弁理士】

【氏名又は名称】星野 寛明

(72)【発明者】

【氏名】八木 順

【審査官】柏原 郁昭

(56)【参考文献】

【文献】特開昭５８－２１２８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－２７１４３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭５９－０４２１９４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２３Ｋ ２６／０８

Ｂ２３Ｋ ２６／００

Ｂ２３Ｋ ２６／０６２２

Ｇ０５Ｂ １９／４１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザ加工ヘッドとワークを相対移動させながら、前記レーザ加工ヘッドから出射するパルスレーザによって前記ワークを加工するレーザ加工装置を制御する数値制御装置であって、
加工プログラムに基づいて、前記相対移動の速度を制御する速度指令を生成する速度指令生成部と、
前記速度指令に応じて、少なくとも前記パルスレーザの周波数、デューティを含むレーザ出力指令値を生成するレーザ指令生成部と、
前記周波数に基づいて前記パルスレーザの周期指令を算出し、前記周期指令に対して、前記レーザ加工装置の性能の制限によって変化した変化後周期指令の変化率を計算する変化率演算部と、
前記変化率を用いて、前記速度指令生成部が生成した前記速度指令を調整する速度調整部と、を備える
数値制御装置。

【請求項2】

請求項１に記載の数値制御装置であって、
前記変化後周期指令は、前記周期指令に対する前記レーザ加工装置の性能の制限を反映させるモデルに基づいて、前記変化率演算部の模擬計算によって算出される。

【請求項3】

請求項２に記載の数値制御装置であって、
前記レーザ加工装置の性能の制限は、前記周期指令に対する前記レーザ加工装置の分解能の制限である。

【請求項4】

請求項１に記載の数値制御装置であって、
前記変化後周期指令として、前記レーザ加工装置の試運転において実測された前記パルスレーザの周期実測値を用いる、又は前記周期実測値に基づいて算出された値を用いる。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レーザ加工装置の数値制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

パルスレーザを利用して被加工物に等間隔で穴を開ける技術が知られている。例えば、特許文献１の３頁の左上欄から左下欄には「第４図（ａ）は移動手段により移動される被加工物（９）の移動速度を示し、…。第４図（ｂ）はパルス発生器からの出力の大きさ、即ち周波数の大きさを示しており、電圧－周波数変換器（１５）からの出力信号の大きさ、即ち周波数の大きさを示すものであり、被加工物（９）の移動速度に応じて変化している。ここで、被加工物（９）の送り速度をＶ、電圧－周波数変換器（１５）の出力波形の周波数をＦ、第３図に示す設定器（１６）の出力、即ち設定ピッチをＰ’とすると、
Ｆ＝Ｖ／Ｐ’と表せ、
これからピッチはＰ’＝Ｖ／Ｆ ……（１）となる。
また、実際に形成される穴（１０）のピッチをＰとすると、
Ｐ＝Ｖ／Ｆという関係があり、上記（１）式よりＰ＝Ｐ’となり、ピット設定器（１４）の出力はピッチＰを設定することができ、被加工物の移動速度Ｖが変化しても一定のピッチの穴（１０）を被加工物（９）に開けることができることになる。」と記載されている。
上述した穴開けのほか、現在、半導体製品の加工、ガラスレンズの加工など、様々な精密加工にもパルスレーザを活用している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開昭５９－４２１９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、装置性能の制限を受け、レーザ加工ヘッドと被加工物の相対移動速度の変化に合わせてパルスレーザの周波数を変化させても、周波数が高くなると、装置が出力するパルスレーザの周期が周波数の変化に追従できず、その変化は不連続になる。

【0005】

図３は、従来技術における問題点を表すグラフである。横軸はレーザ加工ヘッドの送り速度を示す。図３には３つのグラフがあるが、「パルス周波数」グラフは、パルスレーザの周波数の変化を示す。被加工物に一定のピッチでレーザを照射して加工を行うために、レーザ加工ヘッドの送り速度に比例してレーザのパルス周波数を変化させる制御をする。「パルス周期」グラフは、レーザ加工装置が出力するパルスレーザの周期の変化を示す。「パルス周期ごとの走査距離」グラフは、パルスレーザの各周期の間にレーザ加工ヘッドが走行する距離の変化を示す。以下、パルスレーザの各周期の間にレーザ加工ヘッドが走行する距離を「パルス距離間隔」ということもある。

【0006】

パルス周期がパルス周波数の逆数であるので、パルス周波数がレーザ加工ヘッドの送り速度に比例して直線的に変化する場合、パルス周期が滑らかな双曲線に沿って連続的に変化するはずである。しかし、レーザ加工装置は、パルス周期指令に対する分解能の制限など各種制限を受け、パルス周波数に基づいて算出されたパルス周期指令に追従できない。その結果、図３に示したように、レーザ加工装置が出力するパルスレーザの周期が不連続に変化し、グラフに段差が現れる。パルス周波数が高ければ高いほど、パルス周期グラフに現れる段差が顕著になる。

【0007】

その影響を受けて、「パルス周期ごとの走査距離」グラフにも段差が現れる。すなわち、パルス距離間隔が一定になれず、パルスレーザによって照射するスポットの間隔が一定になれない。それによって、レーザ加工の精度が悪くなり、加工された部分に欠陥が形成されるなどの課題がある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一実施形態に係る数値制御装置は、レーザ加工ヘッドとワークを相対移動させながら、前記レーザ加工ヘッドから出射するパルスレーザによって前記ワークを加工するレーザ加工装置を制御する数値制御装置であって、加工プログラムに基づいて、前記相対移動の速度を制御する速度指令を生成する速度指令生成部と、前記速度指令に応じて、少なくとも前記パルスレーザの周波数、デューティを含むレーザ出力指令値を生成するレーザ指令生成部と、前記周波数に基づいて前記パルスレーザの周期指令を算出し、前記周期指令に対して、前記レーザ加工装置の性能の制限によって変化した変化後周期指令の変化率を計算する変化率演算部と、前記変化率を用いて、前記速度指令生成部が生成した前記速度指令を調整する速度調整部と、を備える。

【発明の効果】

【0009】

上記の実施形態によれば、パルス周期の変化が不連続であっても、パルスレーザによって加工面に照射するスポットの間隔が一定になれる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態における数値制御装置の構成を示すブロック図である。

【図2】本発明の一実施形態の効果を説明する模式図である。

【図3】従来技術における問題点を説明するグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

【0012】

＜実施形態１＞
図１は、本発明の一実施形態における数値制御装置の構成を示すブロック図である。この実施形態の数値制御装置は、レーザ加工ヘッド１４から出射するパルスレーザによってワークを加工するレーザ加工装置１０を制御する数値制御装置２０である。当該レーザ加工装置１０は、レーザ加工ヘッド１４から出射するパルスレーザを制御するレーザ制御部１１と、レーザ加工ヘッド１４とワークを相対移動させる駆動軸１３を制御する駆動軸制御部１２を有する。本実施形態の説明を簡潔にするために、本実施形態において、ワークが固定され、駆動軸制御部１２が制御する駆動軸１３がレーザ加工ヘッド１４だけを移動させることとする。すなわち、レーザ加工ヘッド１４の送り速度（移動速度）がレーザ加工ヘッド１４とワークの相対移動速度である。

【0013】

図１に示したように、数値制御装置２０は、プログラム解析部２２と、速度指令生成部２３と、レーザ指令生成部２４と、変化率演算部２５と、速度調整部２６と、備える。プログラム解析部２２は、加工プログラム２１を解析して、解析した情報を関連する部分に送る。例えば、レーザ加工ヘッド１４の送り速度に関する情報であれば、速度指令生成部２３に送り、パルスレーザの周波数に関する情報であれば、レーザ指令生成部２４に送る。

【0014】

速度指令生成部２３は、プログラム解析部２２が解析した加工プログラム２１に基づいて、レーザ加工ヘッド１４の送り速度を制御する速度指令Ｆを生成する。速度指令生成部２３は、生成した速度指令Ｆをレーザ指令生成部２４と速度調整部２６に送る。レーザ指令生成部２４は、パルスレーザのパワーコントロールができる。レーザ指令生成部２４は、速度指令Ｆに応じて、少なくともパルスレーザの周波数、デューティを含むレーザ出力指令値を生成する。例えば、レーザ指令生成部２４は、次の数式１によって、速度指令Ｆに比例したパルスレーザの周波数指令値ｆを生成して、変化率演算部２５とレーザ制御部１１に送る。

【数1】

数式１において、Ｄは定数であり、レーザ加工装置１０が目指す、パルスレーザの各周期の間にレーザ加工ヘッド１４が走行する距離である。以下、定数Ｄを「目標パルス距離間隔」ともいう。

【0015】

レーザ制御部１１は、レーザ指令生成部２４からの周波数指令値ｆに基づいて、パルスレーザの周期指令Ｔ（＝１／ｆ）を算出して、レーザ加工ヘッド１４が出射するパルスレーザを制御する。

【0016】

変化率演算部２５は、レーザ指令生成部２４からの周波数指令値ｆに基づいて、パルスレーザの周期指令Ｔ（＝１／ｆ）を算出する。なお、変化率演算部２５は、周期指令Ｔに対して、レーザ加工装置１０の性能の制限によって変化した変化後周期指令Ｔ’の周期変化率Ｒを計算して、速度調整部２６に送る。周期変化率Ｒは、下記の数式２によって計算される。

【数2】

但し、ｎは任意の自然数である。Ｔ（ｎ）は、レーザ加工装置１０の性能の制限を受けて周期指令の変化（周波数指令値ｆに基づいて算出された周期指令（１／ｆ）から外れること）が始まる直前の時点の周期指令を指す。Ｔ’（ｎ＋ａ）は、周期指令が変化している間の各時点の変化後周期指令Ｔ’である。ａは「１、２、３、…」などの自然数である。時間に対する速度指令Ｆの変化率（加速度）が変わる場合、新しい加速度におけるＴ（ｎ）を用いる必要がある。

【0017】

速度調整部２６は、周期変化率Ｒを用いて、速度指令生成部２３が生成した速度指令Ｆを調整して、調整後速度指令Ｆ’を生成して駆動軸制御部１２に送る。速度調整部２６は、下記の数式３に基づいて速度指令を調整する。

【数3】

但し、Ｆ（ｎ）は、Ｔ（ｎ）に対応するｎ時点の速度指令Ｆである。

【0018】

変化後周期指令Ｔ’は、周期指令Ｔに対するレーザ加工装置１０の性能の制限を反映させるモデルに基づいて、変化率演算部２５の模擬計算によって算出される。例えば、変化率演算部２５は、周期指令Ｔに対するレーザ加工装置１０の分解能の制限を反映させるモデルに基づいて、変化後周期指令Ｔ’を算出する。以下、レーザ加工装置１０の分解能の制限、及びそれを反映させた変化後周期指令Ｔ’の計算方法について説明する。

【0019】

例えば、レーザ加工装置１０の周期指令Ｔに対する分解能Ｓが０．５μｓであり、変化率演算部２５が周波数指令値ｆに基づいて算出したｎ時点のパルスレーザの周期指令Ｔ（ｎ）が０．５μｓであり、（ｎ＋１）時点の周期指令Ｔ（ｎ＋１）が０．６μｓであり、（ｎ＋２）時点の周期指令Ｔ（ｎ＋２）が０．７μｓであり、（ｎ＋３）時点の周期指令Ｔ（ｎ＋３）が０．８μｓであり、（ｎ＋４）時点の周期指令Ｔ（ｎ＋４）が０．９μｓであり、（ｎ＋５）時点の周期指令Ｔ（ｎ＋５）が１．０μｓであり、（ｎ＋６）時点の周期指令Ｔ（ｎ＋６）が１．１μｓであるとする。なお、時間に対する速度指令Ｆの変化率（加速度）が一定であるとする。また、レーザ制御部１１が周波数指令値ｆに基づいて算出する周期指令Ｔも同様である。

【0020】

算出された周期指令Ｔの中、ｎ時点の周期指令Ｔ（ｎ）＝０．５μｓ及び（ｎ＋５）時点の周期指令Ｔ（ｎ＋５）＝１．０μｓが分解能Ｓ（０．５μｓ）の整数倍なので、レーザ加工装置１０は、その周期指令の変化に追従でき、周期指令のとおりにパルスレーザを制御することができる。しかし、他の時点における周期指令の値（０．６～０．９及び１．１μｓ）が分解能Ｓ（０．５μｓ）の整数倍ではないので、レーザ加工装置１０は、その周期指令の変化に追従できない。その結果、レーザ加工装置１０は、（ｎ＋１）から（ｎ＋４）時点については、その前に分解能Ｓの整数倍になったｎ時点の周期指令（０．５μｓ）でパルスレーザを制御し、（ｎ＋６）時点については、その前に分解能Ｓの整数倍になった（ｎ＋５）時点の周期指令（１．０μｓ）でパルスレーザを制御することになる。

【0021】

そのため、実際にパルスレーザを制御する周期指令が図３の「パルス周期」グラフのように、段階的に変化する。その結果、たとえ数式１に基づいて周波数指令値ｆを生成してパルスレーザを制御しても、パルス距離間隔が目標パルス距離間隔Ｄのように、一定になることができない。

【0022】

本実施形態は、次の数式４によって、レーザ加工装置１０の分解能の制限を反映させて、実際にパルスレーザを制御する周期指令に近似する変化後周期指令Ｔ’を算出する。

【数4】

数式４において、ｆｌｏｏｒはＣ言語などにおいて使用される関数であって、数値の小数点以下を切り捨てる関数である。なお、前述したように、Ｓは周期指令Ｔに対するレーザ加工装置１０の分解能であり、Ｔは周波数指令値ｆに基づいて算出された周期指令である。

【0023】

例えば、上述した例における（ｎ＋２）時点の周期指令Ｔ（ｎ＋２）＝０．７μｓ、Ｓ＝０．５μｓの場合について、数式４を用いて計算すると、変化後周期指令Ｔ’が次の数式５に示されるように０．５μｓになる。

【数5】

更に、数式４を用いて、上述した例の他の時点の変化後周期指令Ｔ’を計算すると、（ｎ＋１）から（ｎ＋４）時点の変化後周期指令Ｔ’は全て０．５μｓであり、（ｎ＋５）と（ｎ＋６）時点の変化後周期指令Ｔ’は１．０μｓである。

【0024】

この結果は、周期指令Ｔの値が分解能Ｓの整数倍ではないときに、レーザ加工装置１０がその前に分解能Ｓの整数倍になった時点の周期指令を用いてパルスレーザを制御することと同じである。すなわち、数式４で示したモデルによって、レーザ加工装置１０の分解能の制限が周期指令に対して及ぼす影響を反映させることができる。

【0025】

そこで、本実施形態において、変化率演算部２５は、数式４によって変化後周期指令Ｔ’を算出し、数式２によって周期変化率Ｒを計算して速度調整部２６に送る。速度調整部２６は、周期変化率Ｒを用いて、数式３によって速度指令Ｆを調整して、調整後速度指令Ｆ’を生成する。駆動軸制御部１２は、調整後速度指令Ｆ’に基づいて、レーザ加工ヘッド１４の送り速度を制御する。

【0026】

上述した例において、周期指令Ｔ（ｎ）＝０．５μｓは、数式２における「Ｔ（ｎ）」に相当し、すなわち、周期指令の変化が始まる直前の時点の周期指令である。なお、（ｎ＋１）～（ｎ＋６）は、数式２における「（ｎ＋ａ）」に相当し、これらの時点で周期指令が変化して算出された周期指令（１／ｆ）から外れて、変化後周期指令Ｔ’（ｎ＋ａ）となる。そのうち、（ｎ＋５）時点において、変化後周期指令Ｔ’（ｎ＋５）が周期指令Ｔ（ｎ＋５）に等しく、１．０μｓである。すなわち、（ｎ＋５）時点において、実際にパルスレーザを制御する周期指令が周波数指令値ｆに基づいて算出された周期指令（１／ｆ）と一致しており、算出された周期指令（１／ｆ）から外れていない。しかし、数式２と３を用いて制御を行う計算において、このような時点における周期指令を変化後周期指令Ｔ’として扱うのが便利であり、数式４を用いてこのような時点の変化後周期指令Ｔ’を計算しても正しく状況を反映できる結果が得られる。よって、本実施形態において、このように、周期指令が変化している間に存在し、算出された周期指令（１／ｆ）と一致する周期指令についても変化後周期指令Ｔ’として扱うことにする。

【0027】

図２は本実施形態の効果を説明する模式図である。図２の上部は、時間に伴う各パラメータの変化を示す模式図である。図２の下部は、各調整後速度指令Ｆ’の下で、パルスレーザの各周期にレーザ加工ヘッドが走行する距離、すなわち、調整後パルス距離間隔Ｄ’を示す模式図である。図２は、レーザ加工ヘッドの送り速度を制御する速度指令Ｆが直線的に下がる例を示す。

【0028】

図２に示したように、パルスレーザの周期実測値Ｔａは、時間に対する変化が不連続であり、段差が現れる。一方、変化後周期指令Ｔ’を用いて、数式２と数式３によって算出された調整後速度指令Ｆ’の変化にも、周期実測値Ｔａに対応する段差が現れる。図２の一番上に示したように、調整後速度指令Ｆ’を用いて、レーザ加工ヘッド１４の送り速度を制御すると、送り速度が変化しても、調整後パルス距離間隔Ｄ’が一定の値に維持される。すなわち、パルスレーザの各周期の間にレーザ加工ヘッドが走行する距離が一定に制御される。

【0029】

この結果は、次の数式６を用いて、計算によって確認することもできる。

【数6】

例えば、図２において、周期実測値Ｔａの左側の点列の値が０．５μｓであり、中央の点列の値が１．０μｓであり、右側の点列の値が１．５μｓであるとする。なお、「Ｆ６００００」、「Ｆ３００００」及び「Ｆ２００００」で示したように、調整後速度指令Ｆ’の左側の点列の値が６００００ｍｍ／ｍｉｎであり、中央の点列の値が３００００ｍｍ／ｍｉｎであり、右側の点列の値が２００００ｍｍ／ｍｉｎであるとする。左側の点列で対応する周期実測値Ｔａが０．５μｓで、調整後速度指令Ｆ’が６００００ｍｍ／ｍｉｎであるので、この２つの値を数式６に入れて計算すると、Ｄ’＝０．５μｍになる。中央の点列及び右側の点列についても同様の計算をすると、同様にＤ’＝０．５μｍの結果になる。

【0030】

図２の下部は、異なる送り速度の下でも、パルスレーザの各周期の間にレーザ加工ヘッドが走行する距離が一定に制御できることをイメージした模式図である。図２において、周期実測値Ｔａを示す点列の間隔、及びレーザビームを表す点列の間隔は、対応するパルスレーザの各周期の大きさをイメージしている。

【0031】

本実施形態に係る数値制御装置は、周期指令Ｔに対するレーザ加工装置１０の性能の制限を反映させるモデルに基づいて、変化率演算部２５の模擬計算によって変化後周期指令Ｔ’を算出し、周期指令Ｔに対する変化後周期指令Ｔ’の周期変化率Ｒを計算して、周期変化率Ｒを用いて速度指令Ｆを調整することによって、異なる送り速度の下でも、パルスレーザの各周期の間にレーザ加工ヘッド１４が走行する距離を一定に制御することができ、パルスレーザによって加工面に照射するスポットの間隔を一定に制御することができる。

【0032】

＜実施形態２＞
本実施形態は、実施形態１の変形である。本実施形態に係るレーザ加工装置及びその数値制御装置は、図１に示したレーザ加工装置１０及び数値制御装置２０の構成を有することができる。よって、実施形態１と同じ機能を有する構成要素について、その説明を省略する。

【0033】

本実施形態と実施形態１の主な違いは、周期変化率Ｒを計算する数式２に用いる変化後周期指令Ｔ’として、レーザ加工装置１０の試運転において実測されたパルスレーザの周期実測値Ｔａを用いることである。すなわち、変化率演算部２５は、モデルに基づいて変化後周期指令Ｔ’を算出するのではなく、記憶された周期実測値Ｔａを用いて周期変化率Ｒを計算して、速度調整部２６に送る。速度調整部２６は、当該周期変化率を用いて、数式３に基づいて速度指令を調整する。周期実測値Ｔａに測定誤差等がある場合、測定誤差等を低減する処理を行い、周期実測値Ｔａに基づいて算出された値を用いて周期変化率Ｒを計算してもよい。

【0034】

周期実測値Ｔａは、レーザ加工装置１０の様々な性能制限を受けた値なので、それを用いて計算した周期変化率Ｒによって速度指令Ｆを調整すると、より正確に調整後パルス距離間隔Ｄ’を一定に制御することができる。

【0035】

数値制御装置２０の各構成は、その動作を記述するプログラムと、当該プログラムを実行するＣＰＵと、から構成してよい。また、数値制御装置２０をコンピュータで構成し、そのコンピュータのＣＰＵが、数値制御装置２０の各構成の機能を記述したプログラムを実行することによって、各構成を実現してもよい。

【0036】

上記実施形態において、変化率演算部２５とレーザ制御部１１がそれぞれ周波数指令値ｆに基づいて周期指令Ｔを算出するとしたが、レーザ指令生成部２４が周期指令Ｔを算出して、変化率演算部２５とレーザ制御部１１に送ることにしてもよい。

【0037】

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載の範囲に限定されるものではない。上記実施形態に、多様な変更又は改良を加えることができることは当業者にとって明らかである。そのような変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。例えば、上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであるが、本発明は必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。なお、各実施形態の構成の一部について、他の構成によって置換することも可能であり、それを削除することも可能である。

【符号の説明】

【0038】

１０ レーザ加工装置
１１ レーザ制御部
１２ 駆動軸制御部
１３ 駆動軸
１４ レーザ加工ヘッド
２０ 数値制御装置
２１ 加工プログラム
２２ プログラム解析部
２３ 速度指令生成部
２４ レーザ指令生成部
２５ 変化率演算部
２６ 速度調整部
Ｄ 目標パルス距離間隔
Ｄ’ 調整後パルス距離間隔
ｆ 周波数指令値
Ｆ 速度指令
Ｆ’ 調整後速度指令
Ｒ 周期変化率
Ｓ 周期指令の分解能
Ｔ 周期指令
Ｔ’ 変化後周期指令
Ｔａ 周期実測値

【図1】

【図2】

【図3】