特表 2024-508104 レーザ温度制御方法及び機械加工装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-02-22

(54)【発明の名称】レーザ温度制御方法及び機械加工装置

(51)【国際特許分類】

   H01S 3/04 20060101AFI20240215BHJP

   H01S 3/00 20060101ALI20240215BHJP

   B23K 26/00 20140101ALI20240215BHJP

【ＦＩ】

H01S3/04

H01S3/00 B

B23K26/00 M

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2023545737

(86)(22)【出願日】2022-05-16

(85)【翻訳文提出日】2023-07-27

(86)【国際出願番号】 CN2022093034

(87)【国際公開番号】W WO2022242591

(87)【国際公開日】2022-11-24

(31)【優先権主張番号】202110556119.7

(32)【優先日】2021-05-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】520167047

【氏名又は名称】上海名古屋精密工具股▲分▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＳＨＡＮＧＨＡＩ ＮＡＧＯＹＡ ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ ＴＯＯＬＳ ＣＯ．， ＬＴＤ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ． ２９８８ Ｂａｏ’ａｎ Ｒｏａｄ， Ｊｉａｄｉｎｇ Ｄｉｓｔｒｉｃｔ Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１８０１， Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】100185694

【弁理士】

【氏名又は名称】山下 隆志

(72)【発明者】

【氏名】孫思叡

【テーマコード（参考）】

4E168

5F172

【Ｆターム（参考）】

4E168AD00

4E168CA11

4E168DA46

5F172NS07

5F172ZZ01

(57)【要約】

レーザの熱負荷の変化の状況に応じて冷媒の目標動作温度を先にリアルタイムに大まかに調整し、ＰＩＤ制御によってレーザ自体の温度変化に基づいて冷媒の目標動作温度をリアルタイムに精細に調整し、冷媒の目標動作温度を大まかに調整及び精細に調整すると同時にＰＩＤアルゴリズム制御によって冷媒の実際の温度を前記目標動作温度に近づけて一定にさせるレーザ温度制御方法を提供する。本発明の方法は、レーザの動作温度の安定性と応答性を大幅に向上させ、水冷却器の温度が安定しているのにレーザの温度が不安定である「偽安定」現象を回避する。レーザの出力パワーに応じて冷却能力を動的に調整し、レーザがゼロからフルパワーまでの動作範囲で動作する場合、レーザ温度の最大変動範囲を±０．２５℃以下であるように保証する。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レーザの熱負荷の変化の状況に応じて冷媒の目標動作温度を先にリアルタイムに大まかに調整し、ＰＩＤ制御によってレーザ自体の温度変化に基づいて冷媒の目標動作温度をリアルタイムに精細に調整し、冷媒の目標動作温度を大まかに調整及び精細に調整すると同時にＰＩＤアルゴリズム制御によって冷媒の実際の温度を前記目標動作温度に近づけて一定にさせることを特徴とするレーザ温度制御方法。

【請求項2】

レーザの熱負荷を監視し、前記レーザの熱負荷の変化の状況に応じて冷媒の目標動作温度を先にリアルタイムに大まかに調整し、ＰＩＤ制御によってレーザ自体の温度変化に基づいて冷媒の目標動作温度をリアルタイムに精細に調整し、冷媒の目標動作温度を大まかに調整及び精細に調整すると同時にＰＩＤアルゴリズム制御によって冷媒の実際の温度を前記目標動作温度に近づけて一定にさせることで、デュアルＰＩＤ制御システムを構成し、システム結合を低減し、レーザの熱負荷の監視は、レーザの熱負荷の監視であってもよく、レーザの熱負荷を調整する制御命令の監視であってもよいことを特徴とする請求項１に記載のレーザ温度制御方法。

【請求項3】

熱負荷の監視及びレーザの温度の監視は、レーザのリアルタイムの熱負荷及びリアルタイムの温度をそれぞれ測定し、レーザの熱負荷に変化が生じた時、予めプログラムされたレーザの現在の熱負荷に適合する設定温度を冷却器の冷媒目標動作温度とし、温度検出モジュールは、レーザを継続的に検出し、温度変化曲線を取得し、予めプログラムされたＰＩＤ制御パラメータに基づいて冷却器の冷媒目標動作温度を動的に変更し、冷却器は、絶えず更新される冷媒目標動作温度及び内部ＰＩＤアルゴリズムに基づいて冷媒温度の調整を行うことを特徴とする請求項１に記載のレーザ温度制御方法。

【請求項4】

レーザ本体及びレーザヘッドに独立した温度制御を実施することを特徴とする請求項１に記載のレーザ温度制御方法。

【請求項5】

請求項１に記載のレーザ温度制御方法を備えたことを特徴とする機械加工装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、温度を制御する方法に関し、特に、精密レーザ加工を実施し易くし、加工精度を向上させるレーザ温度の通知方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ、特にパルスレーザは、工業生産に広く応用されており、レーザは、その特性上、動作時に多量の熱を放出し、一般にレーザの動作可能温度範囲は±５～１０℃であるが、実際の動作条件下でレーザが発生する熱量（温度）はこの範囲をはるかに超えているため、温度の精密且つ一定した制御は、レーザの応用の技術的障害の１つとなっている。

【0003】

水冷却器は、広く応用されている冷却機構であり、レーザの恒温制御にも多く使用されている。レーザには、ユーザが水冷却器などの冷却装置に接続するのに便利な水冷コネクタが予め設けられている。

【0004】

一般的に、水冷却器は、冷媒として冷却水／冷却液を使用し、そこから出た低温水がレーザの内部循環管路を流れ、熱を奪った後に水冷却器に戻り、水冷却器は、還流水の温度を監視し、冷却能力を調製し、高温の還流水の温度を設定温度付近に安定させる。一般的なレーザ加工の応用では、上記の構成で十分に使用でき、即ち、レーザの動作時、その温度は常に±５℃未満の動作範囲内に制御される。

【0005】

精密レーザ加工は、以下の点で一般的なレーザの応用と異なる。１）精密レーザ加工では、レーザの周波数とエネルギーをリアルタイムに制御する必要があり、そのレーザの出力パワーは絶えず変化し、その発熱量は絶えず変化し、即ち、変化する熱負荷であるが、一般的レーザ加工のレーザは、スイッチング機能のみを有し、唯一の出力パワーを有し、その発熱量は変化せず、即ち、不変の熱負荷である；２）精密レーザ加工の加工精度の要求は、ミクロンからナノメートルレベルであり、レーザのわずかな温度変化が加工精度に大きな影響を与え、加工誤差が発生する。一般にレーザ加工の加工要求は、ミリメートルレベルであり、レーザの温度変化は加工精度に大きな影響を与えるほどではなく、加工誤差の許容範囲内に収まる。

【0006】

従って、現在の一般的なレーザ冷却システムは、精密レーザ加工への応用において次のような問題が存在する。１）レーザの出力パワーが変化する時、レーザの動作温度は一定に保持されることができず、少なくとも３～５℃の範囲内で変動し、その原因は、温度制御は、典型的な遅延制御システムであり、レーザパワーの変化により即時に発熱量が変化し、この熱量の変化は、中間冷却剤が昇温して水冷却器に察知されるまでに時間を要する。水冷却器は、察知した温度変化に基づいて冷却パワーを調整する場合、レーザの出力パワーは既に（複数回）変化を生じており、このように、水冷却器の冷却パワーがレーザパワーと協調できなくなり、比例積分微分制御（ＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌＩｎｔｅｇｒａｌＤｅｒｉｖａｔｉｖｅ、ＰＩＤ）パラメータの発振を招く。同様に、上記同じ理由に基づき、レーザパワーが不変の場合でも、温度が平衡に達するまでの制御は比較的遅く、通常は５分以上の時間を要する。

【0007】

まとめると、精密レーザ加工に使用される一般的なレーザ冷却システムは、水冷却器の一定温度を歪め、レーザの温度変化速度と振幅は、何れも水冷却器のセンサが感知する変化よりも大幅に大きく、精密レーザ加工の安定と高精度加工の実現に極めて不利である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の１つの目的は、動作状態におけるレーザの実際の温度を±１℃未満の動作範囲内に維持して、レーザ加工精度を向上させるレーザ温度制御方法を提供することである。

【0009】

本発明のもう１つの目的は、水冷却器の冷却パワーとレーザの動作パワーを互いに協調させ、ＰＩＤパラメータの発振振幅を低減し、レーザ温度を一定に維持するレーザ温度制御方法を提供することである。

【0010】

本発明のもう１つの目的は、水冷却器の冷却パワーとレーザの動作パワーを協調させ、レーザ温度制御の遅延を回避し、精密レーザ加工の実施に適したレーザ温度の制御装置を提供することである。

【0011】

本発明のさらにもう1つの目的は、精密レーザ加工を実施する機械加工装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の方法は、レーザの熱負荷を監視することによって、レーザの熱負荷の変化に基づいて冷媒温度をリアルタイムに動的に調整し、レーザが異なる熱負荷においても温度の一定化させる効果を実現する。即ち、レーザの熱負荷の変化の状況に応じて冷媒の目標動作温度を先にリアルタイムに大まかに調整し、ＰＩＤ制御によってレーザ自体の温度変化に基づいて冷媒の目標動作温度をリアルタイムに精細に調整し、冷媒の目標動作温度を大まかに調整及び精細に調整すると同時にＰＩＤアルゴリズム制御によって冷媒の実際の温度を前記目標動作温度に近づけて一定にさせる。

【0013】

本発明の方法は、恒温目標温度のＰＩＤ制御と、冷却器自体の冷却ＰＩＤ制御とからなるデュアルＰＩＤ制御システムを採用し、システム結合を大幅に低減し、レーザパワーの監視は、レーザパワーの監視であってもよく、レーザの制御命令の監視であってもよく、何れも効果は同じである。

【0014】

レーザ温度制御方法は、
熱負荷検出モジュール及び温度検出モジュールをもってレーザのリアルタイムの熱負荷及びリアルタイムの温度をそれぞれ検出し、レーザの出力パワーに変化が生じた時、予めプログラムされたレーザの現在のパワーに適合する設定温度を冷却器の冷却目標動作温度とすることと、
温度検出モジュールは、レーザを継続的に検出し、温度変化曲線を取得し、予めプログラムされたＰＩＤ制御パラメータに基づいて冷却器の冷媒目標動作温度を動的に変更し、冷却器は、絶えず更新される冷媒目標動作温度及び内部ＰＩＤアルゴリズムに基づいて冷媒温度の調整を行うことと、
を含む。

【0015】

本発明の方法の具体的な実施方式は、制御システム（電力検出モジュールと温度検出モジュールを含む）を通じてレーザの熱負荷と温度を監視し、熱負荷に基づいて冷却器の冷媒目標動作温度を調整し、レーザ温度を基準とし、レーザＰＩＤアルゴリズムに基づいて冷却器の目標動作温度を精細に調整し、即ち、レーザの現在のリアルタイムの温度がレーザの一定化目標温度よりも高い場合、冷却器の冷却目標動作温度を下げ、レーザの現在のリアルタイムの温度がレーザの一定化目標温度よりも低い場合、冷却器の冷媒目標動作温度を上げ、ＰＩＤがレーザの現在の実際の温度及びレーザの一定化目標温度の偏差の状況に応じて冷媒目標動作温度の高さを決定する。

【0016】

冷却器は、自身の冷却ＰＩＤアルゴリズムに基づいて冷媒の温度を冷媒目標動作温度に維持し、即ち、冷媒の現在の実際の温度が冷媒の目標動作温度よりも高い場合、冷却し、冷媒の現在の実際の温度が冷媒目標動作温度よりも低い場合、加熱又は冷却を停止し、冷却器ＰＩＤは、冷媒の現在の実際の温度と冷媒目標動作温度の偏差の状況に応じて冷却パワーの大きさを決定する。

【0017】

本発明の方法では、熱負荷検出モジュールは、レーザの出力パワーを取得するためのデバイス、又は出力パワー値を取得するためのソフトウェアモジュール、又はデバイスとソフトウェアモジュールの組み合わせとして理解されるべきである。

【0018】

本発明の方法では、温度検出モジュールは、レーザのリアルタイムの温度を取得するデバイス、又はリアルタイムの温度値を取得するソフトウェアモジュール、又はデバイスとソフトウェアモジュールの組み合わせとして理解されるべきである。

【0019】

本発明の方法では、レーザ本体とレーザヘッドを独立して温度制御する。

【0020】

本発明の方法は、レーザの動作温度の安定性と応答性を大幅に向上させ、水冷却器の温度が安定しているのにレーザの温度が不安定である「偽安定」現象を回避する。レーザの出力パワーに応じて冷却能力を動的に調整し、レーザがゼロからフルパワーまでの動作範囲で動作する場合、レーザ温度の最大変動範囲が±０．２５℃以下であるように保証される。同時にレーザの温度調整応答性も大幅に向上し、レーザ出力が一定パワーで安定している場合、１８０秒以内にレーザ温度を±０．１℃以内に制御することができる。

【0021】

上記の方法を実施するために、本発明は、
レーザヘッドの内部温度やレーザ本体の内部温度など、レーザのリアルタイム温度データを取得するために使用される温度検出モジュールと、
入出力電圧、入出力電流及び入出力パワーなどのレーザのリアルタイムの熱負荷の関連データを取得するために使用される熱負荷検出モジュールと、
中間冷却機構、冷却機構及びＰＩＤ電気制御機構等を含む冷却器と、
産業用ＰＣや組み込み式制御器などのプログラマブルコントローラと通信モジュールを含むマスタコントローラと、
を備える。

【0022】

熱負荷検出モジュールと温度検出モジュールは、取得したデータをマスタコントローラに提供し、マスタコントローラは測定データに基づいて冷却器の冷却目標温度を調整する。

【0023】

本発明の装置の中間冷却機構は、冷媒、監視及び循環ポンプ機構（循環ポンプ、管路及び流量センサなど）を含む。

【0024】

本発明の装置の冷却機構は、冷却部材（半導体冷却チップやコンプレッサなど）及び熱交換装置（熱交換シート、熱交換銅管など）を含む。

【0025】

本発明の装置のＰＩＤ電気制御機構は、制御器（組み込み式制御器、プログラマブルコントローラ及び温度センサなど）及び電源を含む。

【0026】

本発明の装置では、マスタコントローラは、レーザ本体及びレーザヘッドを同時に監視し、レーザ本体及びレーザヘッドは、冷却器をそれぞれ設置し、独立して温度を調整及び制御する。

【発明の効果】

【0027】

本発明の方法又は本発明の装置を採用した機械加工装置は、精密レーザ加工を実現する。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】定周波水冷却器を使用して温度制御するレーザの温度変化の図である。

【図2】定周波水冷却器を使用して温度制御するレーザの温度変化の図である。

【図3】半導体水冷却器を使用して温度制御するレーザの温度変化の図である。

【図4】本発明の方法で温度制御するレーザの温度変化の図である。

【図5】本発明の方法を実施して温度制御するための装置の一実施形態の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下では、本発明の技術案を図面と併せて詳細に説明する。本発明の実施形態は、本発明の技術案を説明するものであって、限定するものではない。好適な実施形態を参照して本発明を詳細に説明するが、当業者であれば理解できるように、発明の技術案に対して修正又は均等の置き換えをすることができ、本発明の技術案の精神及び範囲を逸脱しなければ、本発明の特許請求の範囲に含まれるべきである。

【0030】

最大発熱量３００ワットのピコ秒レーザをレーザ光源とし、レーザ用定周波冷却器（冷却能力１．５Ｋｗ、設定目標温度２２℃、非ＰＩＤ温度制御、温度制御範囲±０．１℃）、レーザ用可変周波数水冷却器（冷却能力０．６Ｋｗ、設定目標温度２２℃、ＰＩＤ温度制御）及びレーザ用半導体水冷却器（冷却能力０．６Ｋｗ、設定目標温度２２℃、ＰＩＤ温度制御）を配置してレーザ温度制御案を構成し、室温２５°Ｃ、設定水温が２２°Ｃの場合、レーザは２５％の出力パワーから１００％の出力パワーまでの各パワーで連続して３０分間出力した後に切り替え、最後に再び２５％のパワーに戻して３０分間出力し、冷却システムの温度制御調節能力を考察し、その結果を以下の表１に示す。

【0031】

【表1】

【0032】

上記から、従来の水冷却器にレーザの冷却を応用実施する場合、レーザの変動範囲が約３℃以上であり、レーザの精密加工の必要を満たすことができないことが分かる。

【0033】

最大出力３００ワットのピコ秒レーザをレーザ光源とし、冷却器（冷却能力０．６Ｋｗ、設定目標温度２２℃、ＰＩＤ温度制御）及び本実施形態の方法を採用し、即ち、制御システム（パワー検出器及び温度検出器を含む）を通じてレーザの熱負荷及び温度を監視し、熱負荷の大幅な調整に基づいて冷却目標温度を調整し、並びにレーザの温度を基準とし、レーザＰＩＤアルゴリズムに基づいて冷却器の冷却目標温度を精細に調整し、即ち、レーザの温度が冷却目標温度よりも高い場合、レイクタウンの設定温度を下げ、レーザの温度が冷却目標温度よりも低い場合、冷却器の設定温度を上げ、ＰＩＤが温度の偏差の程度に基づいて設定温度の大きさを決定する。

【0034】

冷却器は、自身の冷却ＰＩＤアルゴリズムに基づいて冷却液の温度を設定温度に維持し、即ち、冷媒温度が設定温度よりも高い場合、冷却し、冷媒温度が設定温度よりも低い場合、加熱し、冷却器ＰＩＤは、温度の偏差の程度に基づいて冷却パワーの大きさを決定する。

【0035】

本実施形態の方法を実施するために、図５に示す装置を使用して、レーザの温度を制御することができ、その装置は、以下を含む。

【0036】

温度検出モジュール１００は、レーザヘッドの内部温度及びレーザ本体の内部温度などのレーザ５００のリアルタイムの温度データを取得するために使用される。

【0037】

熱負荷検出モジュール２００は、入出力電圧、入出力電流及び入出力電力などのレーザのリアルタイムの熱負荷関連データを取得するために使用される。

【0038】

冷却器３００は、中間冷却機構、冷却機構及びＰＩＤ電気制御機構等を含む。

【0039】

マスタコントローラ４００は、産業用ＰＣや組み込み式制御器などのプログラマブルコントローラ及び通信モジュールを含む。

【0040】

冷却機構は、冷媒６００、監視及び循環ポンプ機構等を含み、冷媒６００は、冷却器３００及びレーザ５００内を流れる。

【0041】

熱負荷検出モジュール及び温度検出モジュールは、取得したデータをマスタコントローラに提供し、マスタコントローラは、測定データに基づいて冷却器の冷却目標温度を調整する。

【0042】

得られたレーザの温度変化の状況を図４に示し、その全段階の温度変動程度は、±０．２℃であり、安定出力段階（出力１０分後）の温度変動度は、±０．１℃である。表１と比較すると、全段階の温度変動が大幅に低減されており、安定出力段階の温度変動は、わずか±０．１℃であり、レーザの温度がより一定になっている。

【0043】

本実施形態の方法及び装置は、機械加工装置に応用された後、精密レーザ加工の必要を満たすことができる。

【符号の説明】

【0044】

１００ 温度検出モジュール
２００ 熱負荷検出モジュール
３００ 冷却器
４００ マスタコントローラ
５００ レーザ
６００ 冷媒

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】