JP6659654B2 - レーザ加工前に外部光学系の異常を警告するレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関し、特にレーザ加工前に外部光学系の異常を警告するレーザ加工装置に関する。

レーザ切断する材料や厚さ等から焦点位置を予め設定してレーザ加工が行われている。加工不具合が発生した場合には、レーザ発振器からの出力光をワークへ出射するための外部光学系が汚染されていないか確認するか、又は、外部光学系に温度センサや散乱光センサを取付けることにより外部光学系の汚染を検出していた。

本願に関連する技術としては、例えば特許文献１〜７が公知である。特許文献１には、保護ガラスに付着した異物の影響を受けずに溶接品質の評価を行うレーザ加工装置が開示されている。斯かるレーザ加工装置は、保護ガラスを介して照射板にレーザ光を照射して反射したパワーモニタ時画像と、保護ガラスを介して溶接時にワークにレーザ光を照射して反射した溶接時画像とを差分することにより、保護ガラスに付着した異物画像を含まない差分処理反射光画像を取得し、差分処理反射光画像から溶接品質の評価を行う。

特許文献２には、保護ガラスにスパッタが付着した場合に、溶接不良の発生を容易に抑制するレーザ溶接方法が開示されている。斯かるレーザ溶接方法は、レーザ溶接を行う前に、出力が小さい検査用レーザ光を溶接部に照射して戻る戻り光を、ミラーを介して、受光し、戻り光の強度を基準強度と比較してレーザ出力の低下量及び焦点ズレ量を算出すると共に、レーザ発振器の出力及び焦点距離を調整する。

特許文献３には、レーザ光の焦点位置と被加工物の加工位置との相対的ずれを補正する機能を備えたレーザ加工機が開示されている。斯かるレーザ加工機は、加工位置の映像を、切換えミラーを介して、テレビカメラで撮像し、予め設定されている焦点位置と加工位置との相対的な位置ずれ量を検出し、加工位置を焦点位置に合わせる。

特許文献４には、レーザ光源から出力したレーザ光の強度分布を、ビームスプリッタを介して、観察するためのＣＣＤカメラを備えた光源装置が開示されている。

特許文献５には、光学部品の状態や加工点におけるレーザ出力状態をインラインで適確に監視するレーザ加工用モニタリング装置が開示されている。斯かるモニタリング装置は、光ファイバの終端面から出射されたレーザ光の光強度を、ベントミラーを介して、検出するレーザ光検出器と、被加工物の加工点からレーザ照射ユニットに反射されてきた光の強度を検出する反射光検出器と、レーザ光の強度と反射光の強度とに基づいて光学部品の状態を判定する第１の判定部と、を備えている。

特許文献６には、ファイバレーザ加工機におけるレーザ出力及び戻り光検出方法が開示されている。斯かるファイバレーザ加工機は、プロセスファイバから出射されたレーザ光のベンドミラー透過光と、加工部からの戻り光のベンドミラー透過光とをそれぞれ第１吸収体と第２吸収体に入射させ、第１吸収体及び第２吸収体からの散乱光をそれぞれ第１光電変換素子及び第２光電変換素子で検出する。

特許文献７には、プロセスの状態を評価するためのシステムが開示されている。斯かるシステムは、レーザ出力光を、半透明のマジックミラーを介して、ワークに照射し、反射光をマジックミラーで反射してカメラで受光し、加工品質を評価する。

特開２００９−０３９７７９号公報 特開２０１６−０９７４１２号公報 特開平０１−２１８７８８号公報 特開２００８−２１０９７７号公報 特開２００６−２４７６８１号公報 特開２０１２−１７９６２７号公報 特表２０１６−５３０６１１号公報

外部光学系は時間と共に劣化する。その結果、集光点でレーザパワーの損失が発生する。軽度の汚染であっても、光軸ずれ、ビーム径異常、モード異常（強度分布異常）、熱レンズ効果による焦点ずれ等が発生するため、レーザ加工の品質に著しい劣化を招く。この場合、速やかに光学部品を交換するか又はクリーニングする必要がある。しかしながら、加工不具合が発生した後に光学部品のメンテナンスを行うのでは、自動運転時に大量の不良部品が発生するという問題があった。

また、外部光学系のメンテナンスによりレンズ、保護ウインド等の部品交換を行うが、交換部品が仕様を満たすものであるかの確認はレーザ加工を行うことにより確認している。しかしながら、レンズ、保護ウインド等の反射防止（ＡＲ）コーティングに欠陥がある場合、レーザ加工時に大きな反射光が発生し、外部光学系を損傷することがあった。

そこで、レーザ加工前に外部光学系に起因する種々の異常を精度良く警告する技術が求められている。

本開示の一態様は、レーザ加工前に外部光学系の異常を警告するレーザ加工装置であって、レーザ発振器と、レーザ発振器からの順方向の出力光を、ビームスプリッタを介して、導光してワークの表面に照射するための外部光学系と、外部光学系から出射する出射光の光軸に対して垂直に配置されていて出射光に対して一定の反射率を有する反射板と、反射板で反射して外部光学系に戻る戻り光の強度分布を、ビームスプリッタを介して、測定する戻り光測定部と、外部光学系の正常時における戻り光の強度分布を基準データとして記憶する記憶部と、戻り光の強度分布の測定データと基準データとの比較に基づいて、レーザ加工前に外部光学系に起因する光軸ずれ、ビーム径異常、モード異常、ゴースト、保護ウインドの汚れ、及び熱レンズ効果による焦点ずれの少なくとも１つを特定する処理を行う前処理部と、前処理部に従って外部光学系の異常を警告する警告部と、を備える、レーザ加工装置を提供する。

本開示によれば、レーザ加工前に外部光学系の種々の異常を精度良く警告できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できる。また、補正できた場合には、外部光学系のメンテナンス期間を延長できる。

一実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す概略図である。 正常時及び異常時における戻り光の強度分布を示す断面図である。 第１実施形態に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。 第１実施形態に係るレーザ加工装置の動作を示すフローチャートである。 第２実施形態に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。 第２実施形態に係るレーザ加工装置の動作を示すフローチャートである。 第３実施形態に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。 第３実施形態に係るレーザ加工装置の動作を示すフローチャートである。 第４実施形態に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。 第４実施形態に係るレーザ加工装置の動作を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本開示の実施形態を詳細に説明する。各図面において、同一又は類似の構成要素には同一又は類似の符号が付与されている。また、以下に記載する実施形態は、特許請求の範囲に記載される発明の技術的範囲及び用語の意義を限定するものではない。

図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置の概略構成を示す概略図である。レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１からの順方向の出力光を導光してワークの表面に照射するための外部光学系１２と、レーザ加工装置１０の全体を制御する数値制御装置１３と、レーザ加工装置１０の駆動を制御する駆動制御装置１４と、を備えている。レーザ発振器１１は、例えば波長１０６０〜１０８０ｎｍのファイバレーザ発振器である。外部光学系１２は、ファイバ２０と、ファイバ２０からの出力光を平行光にするコリメーションレンズ２１と、出力光又は戻り光の一部を反射し一部を透過するビームスプリッタ２２と、出力光を集光する集光レンズ２３と、外部光学系１２を保護する保護ウインド２４と、を備えている。駆動制御装置１４は、加工テーブル１６を移動させるＸ軸、Ｙ軸、及びＺ軸と、集光レンズ２３の位置を光軸方向に移動させるＶ軸と、保護ウインド２４を光軸と直交する方向に移動させるＳ軸及びＴ軸と、ビームスプリッタ２２の角度を調整するためのＵ軸及びＷ軸と、これら各軸を駆動するサーボモータ及び制御部等と、を備えている。

レーザ加工装置１０はさらに、レーザ発振器１１からの順方向の出力光の強度分布を、ビームスプリッタ２２を介して、測定する出力光測定部１５と、加工テーブル１６の任意の場所又は加工テーブル１６の外側に配置された反射板１７と、反射板１７で反射して外部光学系に戻る戻り光の強度分布を、ビームスプリッタ２２を介して、測定する戻り光測定部１８と、を備えている。反射板１７は、例えば平滑なミラー又は銅板であり、外部光学系１２から出射する出射光の光軸に対して垂直に配置されていて出射光に対して一定の反射率（例えば波長１０６０〜１０８０ｎｍのレーザ光に対して約９８％の反射率）を有する。ビームスプリッタ２２は、Ｌ字型の加工ヘッド２５内の湾曲部分においてコリメーションレンズ２１と集光レンズ２３との間に光軸に対して角度４５°で傾斜して配置されている。出力光測定部１５は、順方向の出力光の光路と角度０°をなす位置に配置され、戻り光測定部１８は、順方向の出力光の光路と角度９０°をなす位置に配置されており、いずれもＣＣＤカメラ若しくはＣＭＯＳカメラ、又は、２次元配列された光電素子等を備えている。代替実施形態では、ビームスプリッタ２２が、直線型の加工ヘッド内においてコリメーションレンズ２１と集光レンズ２３との間に配置されていてもよい。斯かる場合には、出力光測定部１５が順方向の出力光の光路と角度９０°をなす位置に配置される。

図２は、正常時及び異常時における出射光の強度分布を示す断面図である。外部光学系１２が正常である（位置ずれ、角度ずれ、汚れ、ＡＲコート無し等が無い）とき、レーザ加工装置１０が反射板１７に向かってレーザ光を出射すると、戻り光測定部１８によって測定される戻り光の強度分布には、光軸ずれ、ビーム径異常、ゴースト、モード異常、保護ウインドの汚れ等の異常が観察されないが、外部光学系１２が異常である（位置ずれ、角度ずれ、汚れ、ＡＲコート無し等が有る）とき、戻り光測定部１８によって測定される戻り光の強度分布には、光軸ずれ、ビーム径異常、ゴースト、モード異常、保護ウインドの汚れ等の異常が観察される。本実施形態に係るレーザ加工装置１０は、戻り光測定部１８によって測定される戻り光の強度分布と、出力光測定部１８によって測定される出力光の強度分布とに基づいて、レーザ加工前に外部光学系１２の種々の異常を精度良く警告する。

図３は、第１実施形態に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。数値制御装置１３は、種々のデータを記憶するＲＡＭ、ＲＯＭ、又は不揮発性メモリ等から構成される記憶部３０と、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、又はＦＰＧＡ等から構成される前処理部３１と、表示パネル、スピーカ、及び出力インターフェイス等から構成される警告部３２とを備えている。記憶部３０、前処理部３１、又は警告部３２は、バス等によって相互に接続されている。前処理部３１は、外部光学系１２の異常（光軸ずれ）を特定する処理を行い、警告部３２は、前処理部３１の処理に従って外部光学系１２の異常を警告する。

記憶部３０は、外部光学系１２の正常時における戻り光の強度分布（図２参照）を表す基準データを予め記憶している。記憶部３０はさらに、出力光測定部１５によって測定された出力光の強度分布を表す出力光測定データと、戻り光測定部１８によって測定された戻り光の強度分布を表す戻り光測定データと、を記憶する。

前処理部３１の構成要素は、ＣＰＵによって実行されるプログラムモジュール、又は、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等によって構成される集積回路によって実装される。前処理部３１は、出射光の光軸を反射板１７上に移動させる指令を駆動制御装置１４に対して行う駆動指令部４０と、レーザ光を出力する指令をレーザ発振器１１に対して行う出力指令部４１と、を備えている。

前処理部３１はさらに、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいて第１光軸ずれ量を計算する第１光軸ずれ量計算部４２と、第１光軸ずれ量に基づいて駆動制御装置１４によるビームスプリッタ２２の角度調整（Ｕ軸及びＷ軸の回転角調整）のための第１調整量を計算する第１調整量計算部４６と、第１調整量を駆動制御装置１４に対して指令するビームスプリッタ角度調整指令部４７と、ビームスプリッタの角度調整を行っても依然として光軸ずれが有る場合に、過度な光軸ずれであることを警告する指令を警告部３２に対して行う第２警告指令部４８と、を備えている。代替実施形態では、レーザ加工装置１０がさらに、ビームスプリッタ２２の角度を手動調整する角度調整機構（図示せず）を備えていてもよい。斯かる場合には、警告部３２が、第１調整量計算部４６によって計算された第１調整量と共に光軸ずれを警告する。オペレータは、角度調整機構を使用して第１調整量に基づいて手動でビームスプリッタ２２の角度を調整する。斯かる代替実施形態では、ビームスプリッタ角度調整指令部４７が必須の構成要素ではない。

前処理部３１はさらに、出力光測定データと基準データとの比較に基づいて第２光軸ずれ量を計算する第２光軸ずれ量計算部４３と、第１光軸ずれ量と第２光軸ずれ量とに基づいて外部光学系１２の異常領域を特定する第１異常領域特定部４４と、異常領域の警告指令を警告部３２に対して行う第１警告指令部４５と、を備えていてもよい。第１異常領域特定部４４によって特定される異常領域は、ビームスプリッタ２２自体又はビームスプリッタ２２より上流又は下流における１つ又は複数の光学部品を含む。

図４は、第１実施形態に係るレーザ加工装置１０の動作を示すフローチャートである。レーザ加工前に外部光学系１２の異常（光軸ずれ）を警告する処理を開始すると、ステップＳ１０では、出射光の光軸を反射板１７上に移動させる指令を行う。ステップＳ１１では、レーザ光を出力する指令を行う。ステップＳ１２では、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいて第１光軸ずれ量を計算する。ステップＳ１３では、出力光測定データと基準データとの比較に基づいて第２光軸ずれ量を計算する。

ステップＳ１４及びステップＳ１９においては、外部光学系１２における異常領域を特定する。即ち、第１光軸ずれが有り且つ第２光軸ずれが無い場合には（ステップＳ１４のＹＥＳ）、ビームスプリッタ２２自体又はビームスプリッタ２２より下流における光学部品（即ち、集光レンズ２３）の位置ずれ又は角度ずれによって第１光軸ずれが発生している可能性が高いため、ステップＳ１５においてループが２回目であるか判定した後（ステップＳ１５のＮＯ）、ステップＳ１６において集光レンズ２３又はビームスプリッタ２２の位置ずれ又は角度ずれを警告する。次いで、第１光軸ずれが有り且つ第２光軸ずれも有る場合には（ステップＳ１９のＹＥＳ）、ビームスプリッタ２２自体又はビームスプリッタ２２より上流における光学部品（即ち、コリメーションレンズ２１）の位置ずれ又は角度ずれによって第２光軸ずれが発生している可能性が高いため、ステップＳ２０においてループが２回目であるか判定した後（ステップＳ２０のＮＯ）、ステップＳ２１においてコリメーションレンズ２１又はビームスプリッタ２２の位置ずれ又は角度ずれを警告する。なお、光軸ずれが有るか無いかは、戻り光又は出力光の光軸位置が基準データの光軸位置から許容範囲内であるかを判定することにより行われる。

ステップＳ１４及びステップＳ１９において、第１光軸ずれが無い場合には（ステップＳ１４及びステップＳ１９のＮＯ）、ステップＳ２３においてレーザ加工装置１０はレーザ加工を開始する。

ステップＳ１７において、第１光軸ずれ量に基づいてビームスプリッタの角度調整（Ｕ軸及びＷ軸の回転角調整）のための第１調整量を計算する。ステップＳ１８では、ビームスプリッタの角度調整を指令するか又はオペレータがビームスプリッタの角度調整を手動で行う。そして、補正が正しいかを確認するためにステップＳ１１に戻り、再度、反射板１７に向かってレーザ光を出力する指令を行う。

ステップＳ１４又はステップＳ１９において、第１光軸ずれが依然として有る場合には（ステップＳ１４又はステップＳ１９のＹＥＳ）、ループが２回目であるため（ステップＳ１５又はステップＳ２０のＹＥＳ）、ステップＳ２２において集光レンズ、コリメーションレンズ、又はビームスプリッタに過度な位置ずれ又は角度ずれがあることを警告する。斯かる場合には、集光レンズ、コリメーションレンズ、又はビームスプリッタのメンテナンスを促す。

ステップＳ１４及びステップＳ１９において、第１光軸ずれが無い場合には（ステップＳ１４及びステップＳ１９のＮＯ）、ビームスプリッタ２２の角度調整が正しかったこととなり、ステップＳ２３においてレーザ加工装置１０はレーザ加工を開始する。

第１実施形態によれば、レーザ加工前に外部光学系１２に起因する光軸ずれを精度良く警告できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できる。また、補正できた場合には、外部光学系１２のメンテナンス期間を延長できる。

図５は、第２実施形態に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。以下では、第１実施形態に係る数値制御装置１３とは異なる構成要素についてのみ説明する。前処理部３１は、外部光学系１２の異常（ビーム径異常）を特定する処理を行い、警告部３２は、前処理部３１の処理に従って外部光学系１２の異常を警告する。

前処理部３１はさらに、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいて第１ビーム径を計算する第１ビーム径計算部５０と、第１ビーム径に基づいて駆動制御装置１４による集光レンズ２３の位置調整（Ｖ軸又はＺ軸の位置調整）のための第２調整量を計算する第２調整量計算部５４と、第２調整量に基づいて集光レンズ２３の位置調整を駆動制御装置１４に対して指令する集光レンズ位置調整指令部５５と、集光レンズ２３の位置調整を行っても依然としてビーム径異常が有る場合には、過度なビーム径異常が有ることを警告する指令を警告部３２に対して行う第２警告指令部４８と、を備えている。

前処理部３１はさらに、出力光測定データと基準データとの比較に基づいて第２ビーム径を計算する第２ビーム径計算部５１と、第１ビーム径と第２ビーム径とに基づいて外部光学系１２の異常領域を特定する第２異常領域特定部５２と、異常領域の警告指令を警告部３２に対して行う第３警告指令部５３と、を備えていてもよい。第２異常領域特定部５２によって特定される異常領域は、ビームスプリッタ２２自体又はビームスプリッタ２２より上流又は下流における１つ又は複数の光学部品を含む。

図６は、第２実施形態に係るレーザ加工装置１０の動作を示すフローチャートである。レーザ加工前に外部光学系１２の異常（ビーム径異常）を警告する処理を開始すると、ステップＳ３０では、出射光の光軸を反射板１７上に移動させる指令を行う。ステップＳ３１では、レーザ光を出力する指令を行う。ステップＳ３２では、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいて第１ビーム径を計算する。ステップＳ３３では、出力光測定データと基準データとの比較に基づいて第２ビーム径を計算する。

ステップＳ３４及びステップＳ３９においては、外部光学系１２における異常領域を特定する。即ち、第１ビーム径異常が有り且つ第２ビーム径異常が無い場合には（ステップＳ３４のＹＥＳ）、ビームスプリッタ２２自体又はビームスプリッタ２２より下流における光学部品（即ち、集光レンズ２３）の汚れによって第１ビーム径異常が発生している可能性が高いため、ステップＳ３５においてループが２回目であるか判定した後（ステップＳ３５のＮＯ）、ステップＳ３６において集光レンズ２３の汚れを警告する。次いで、第１ビーム径異常が有り且つ第２ビーム径異常も有る場合には（ステップＳ３９のＹＥＳ）、ビームスプリッタ２２自体又はビームスプリッタ２２より上流における光学部品（即ち、ファイバ２０、コリメーションレンズ２１）のストレス又は汚れによって第２ビーム径異常が発生している可能性が高いため、ステップＳ４０においてループが２回目であるか判定した後（ステップＳ４０のＮＯ）、ステップＳ４１においてコリメーションレンズ２１の汚れ又はファイバ２０のストレスを警告する。なお、ビーム径異常が有るか無いかは、戻り光又は出力光のビーム径が基準データのビーム径から許容範囲内であるかを判定することにより行われる。

ステップＳ３４及びステップＳ３９において、第１ビーム径異常が無い場合には（ステップＳ３４及びステップＳ３９のＮＯ）、ステップＳ４３においてレーザ加工装置１０はレーザ加工を開始する。

ステップＳ３７において、第１ビーム径に基づいて集光レンズ２３の位置調整（Ｖ軸又はＺ軸の位置調整）のための第２調整量を計算する。ステップＳ３８では、集光レンズ２３の位置調整を指令する。そして、補正が正しいかを確認するためにステップＳ３１に戻り、再度、反射板１７に向かってレーザ光を出力する指令を行う。

ステップＳ３４又はステップＳ３９において、第１ビーム径異常が依然として有る場合には（ステップＳ３４又はステップＳ３９のＹＥＳ）、ループが２回目であるため（ステップＳ３５又はステップＳ４０のＹＥＳ）、ステップＳ４２において集光レンズ又はコリメーションレンズに過度な汚れ若しくはファイバの過度なストレスがあることを警告する。斯かる場合には、集光レンズ、コリメーションレンズ、又はファイバのクリーニング又は交換を促す。

ステップＳ３４及びステップＳ３９において、第１ビーム径異常が無い場合には（ステップＳ３４及びステップＳ３９のＮＯ）、集光レンズ２３の位置調整が正しかったこととなり、ステップＳ４３においてレーザ加工装置１０はレーザ加工を開始する。

第２実施形態によれば、レーザ加工前に外部光学系１２に起因するビーム径異常を精度良く警告できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できる。また、補正できた場合には、外部光学系１２のメンテナンス期間を延長できる。

図７は、第３実施形態に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。以下では、第２実施形態に係る数値制御装置１３とは異なる構成要素についてのみ説明する。前処理部３１は外部光学系１２の異常（モード異常（強度分布異常）、ゴースト（ＡＲコーティング無し）、及び、保護ウインドの汚れ）を警告する処理を行い、警告部３２は前処理部３１の処理に従って外部光学系１２の異常を警告する。

前処理部３１はさらに、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいてモード異常を特定するモード異常特定部６０と、モード異常の警告指令を警告部３２に対して行う第５警告指令部６１と、を備えている。モード異常は、戻り光測定データのモード（強度分布）のパターンが基準データのモード（強度分布）のパターンから許容範囲内にない場合に特定される。

前処理部３１はさらに、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいて戻り光のゴースト（ＡＲコーティング無し）を特定するゴースト特定部６２と、ゴーストの警告指令を警告部３２に対して行う第６警告指令部６３と、を備えていてもよい。ゴーストは、基準データのビーム径より大きい領域における戻り光の強度が、僅かに有り、許容範囲内にない場合に特定される。

前処理部３１はさらに、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいて保護ウインド２４の汚れを特定する汚れ特定部６４と、保護ウインド２４の汚れの警告指令を警告部３２に対して行う第７警告指令部６７と、を備えていてもよい。保護ウインド２４の汚れは、戻り光の特定箇所の強度が、比較的高く、許容範囲内にない場合に特定される。前処理部３１はさらに、保護ウインド２４の汚れ位置に基づいて駆動制御装置１４による保護ウインド２４の位置調整（Ｓ軸又はＴ軸の位置調整）のための第３調整量を計算する第３調整量計算部６５と、第３調整量に基づいて保護ウインド２４の位置調整を駆動制御装置１４に対して指令するウインド位置調整指令部６６と、を備えていてもよい。

図８は、第３実施形態に係るレーザ加工装置１０の動作を示すフローチャートである。レーザ加工前に外部光学系１２の異常（モード異常、ゴースト（ＡＲコーティング無し）、及び、保護ウインドの汚れ）を警告する処理を開始すると、ステップＳ５０では、出射光の光軸を反射板１７上に移動させる指令を行う。ステップＳ５１では、レーザ光を出力する指令を行う。ステップＳ５２において、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいて戻り光にモード異常が有るかを特定する。モード異常が有る場合には（ステップＳ５２のＹＥＳ）、ステップＳ５３においてモード異常を警告する。斯かる場合には、外部光学系１２のクリーニング又は交換を促す。他方、モード異常が無い場合には（ステップＳ５２のＮＯ）、ステップＳ５４に進む。なお、モード異常が有るか無いかは、戻り光測定データのモード（強度分布）のパターンが基準データのモード（強度分布）のパターンから許容範囲内であるかを判定することにより行われる。

ステップＳ５４において、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいてゴーストが有るかを特定する。ゴーストが有る場合には（ステップＳ５４のＹＥＳ）、ステップＳ５５においてＡＲコート無し（ゴースト有り）を警告する。斯かる場合には、保護ウインド２４の交換を促す。他方、ゴーストが無い場合には（ステップＳ５４のＮＯ）、ステップＳ５６に進む。なお、ゴーストが有るか無いかは、基準データのビーム径より大きい領域における戻り光の強度が、僅かに有り、許容範囲内にない場合に特定される。

ステップＳ５６において、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいて保護ウインド２４の汚れが有るかを特定する。汚れが有る場合には（ステップＳ５６のＹＥＳ）、ループが２回目であるか判定した後（ステップＳ６１のＮＯ）、ステップＳ５７において保護ウインド２４の汚れを警告する。斯かる場合には、保護ウインド２４のクリーニング又は交換を促す。他方、汚れが無い場合には（ステップＳ５６のＮＯ）、保護ウインド２４の汚れが無いため、ステップＳ６０においてレーザ加工装置１０はレーザ加工を開始する。なお、汚れが有るか無いかは、戻り光の特定箇所の強度が、比較的高く、許容範囲内にない場合に特定される。

ステップＳ５８において、保護ウインド２４の位置調整（Ｓ軸又はＴ軸の位置調整）のための第３調整量を計算し、ステップＳ５９において、保護ウインドの位置調整を行う。そして、補正が正しいかを確認するためにステップＳ５１に戻り、再度、反射板１７に向かってレーザ光を出力する指令を行う。

ステップＳ５６において、保護ウインド２４の汚れが無い場合には（ステップＳ５６のＮＯ）、保護ウインド２４の位置調整が正しかったこととなり、ステップＳ６０においてレーザ加工装置１０はレーザ加工を開始する。ステップＳ５６において、汚れが有る場合には（ステップＳ５６のＹＥＳ）、ループが２回目であるため（ステップＳ６１のＮＯ）、保護ウインド２４の過度な汚れを警告する（ステップＳ６２）。

第３実施形態によれば、レーザ加工前に外部光学系１２に起因する種々の異常（モード異常、ゴースト（ＡＲコーティング無し）、及び保護ウインド２４の汚れ）を精度良く警告できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できる。また、補正できた場合には、外部光学系１２のメンテナンス期間を延長できる。

図９は、第４実施形態に係る数値制御装置の構成を示すブロック図である。以下では、第３実施形態に係る数値制御装置１３とは異なる構成要素についてのみ説明する。前処理部３１は外部光学系１２の異常（熱レンズ効果による焦点ずれ）を警告する処理を行い、警告部３２は前処理部３１の処理に従って外部光学系１２の異常を警告する。

前処理部３１は、反射板１７を溶融又は変形させない程度に低い出力で相対的に長時間（例えば３０秒間）レーザ光を出力する指令をレーザ発振器１１に対して行う出力指令部７０を備えている。代替実施形態として、反射板１７が出射光の一部（例えば９８％）を透過し一部（例えば２％）を反射するハーフミラーであり、レーザ加工装置１０はさらに、ハーフミラーを透過したレーザ光を除去するレーザ光除去部を備え、出力指令部７０がレーザ加工に使用する程度に高い出力で相対的に短時間（例えば１秒間）レーザ光を出力する指令をレーザ発振器１１に対して行ってもよい。出力指令部７０によって外部光学系１２が温められた状態になるため、外部光学系１２が汚染していた場合には、熱レンズ効果に起因した焦点ずれが発生する。

前処理部３１はさらに、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいて第３光軸ずれ量を計算する第３光軸ずれ量計算部７１と、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいて第３ビーム径を計算する第３ビーム径計算部７２と、第３光軸ずれ量又は第３ビーム径に基づいて熱レンズ効果による焦点ずれの警告指令を警告部３２に対して行う第８警告指令部７３と、を備えている。代替実施形態では、前処理部３１が、第３光軸ずれ量計算部７１及び第３ビーム径計算部７２のいずれか一方を備えていてもよい。

図１０は、第４実施形態に係るレーザ加工装置１０の動作を示すフローチャートである。レーザ加工前に外部光学系１２の異常（焦点ずれ）を警告する処理を開始すると、ステップＳ７０では、出射光の光軸を反射板１７上に移動させる指令を行う。ステップＳ７１では、レーザ光を長時間低出力する指令又は高出力する指令を行う。ステップＳ７２において、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいて光軸ずれ量を計算する。ステップＳ７３では、戻り光測定データと基準データとの比較に基づいてビーム径を計算する。

ステップＳ７４において、光軸ずれが有る場合には（ステップＳ７４のＹＥＳ）、ステップＳ７６において、曲率を有する光学部品の汚れに起因した熱レンズ効果による焦点ずれを警告する。斯かる場合には、曲率を有する光学部品のクリーニング又は交換を促す。他方、光軸ずれが無い場合には（ステップＳ７４のＮＯ）、ステップＳ７５に進む。なお、光軸ずれが有るか無いかは、戻り光測定データの光軸位置が基準データの光軸位置から予め定めた許容範囲内であるかを判定することにより行われる。

ステップＳ７５において、ビーム径異常が有る場合には（ステップＳ７５のＹＥＳ）、ステップＳ７６において、曲率を有する光学部品の汚れに起因した熱レンズ効果による焦点ずれを警告する。斯かる場合には、曲率を有する光学部品のクリーニング又は交換を促す。他方、ビーム径異常が無い場合には（ステップＳ７５のＮＯ）、ステップＳ７７においてレーザ加工装置１０はレーザ加工を開始する。なお、ビーム径異常が有るか無いかは、戻り光のビーム径が基準データのビーム径から許容範囲内であるかを判定することにより行われる。

第４実施形態によれば、レーザ加工前に外部光学系１２の汚れに起因した熱レンズ効果による焦点ずれを精度良く警告できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できる。

以下、第５実施形態に係るレーザ加工装置１０について説明する。第５実施形態においては、前処理部３１が、第１実施形態から第４実施形態における構成要素の一部又は全てを備えている。また、レーザ加工装置１０は、第１実施形態から第４実施形態におけるフローチャートの一部又は全てを実行する。実行順序は問わないが、第１実施形態から第４実施形態へ流れるフローチャートが好ましい。

第５実施形態によれば、レーザ加工前に外部光学系１２に起因する種々の異常（光軸ずれ、ビーム径異常、モード異常、ゴースト、保護ウインドの汚れ、及び熱レンズ効果による焦点ずれ）を精度良く警告できる。ひいては、大量の加工不良を発生させることなく自動運転を継続できる。また、補正できた場合には、外部光学系１２のメンテナンス期間を延長できる。

前述した実施形態におけるコンピュータによって実行可能なプログラムは、コンピュータ読取り可能な非一時的記録媒体、ＣＤ−ＲＯＭ等に記録して提供できる。本明細書において種々の実施形態について説明したが、本発明は、前述した種々の実施形態に限定されるものではなく、以下の特許請求の範囲に記載された範囲内において種々の変更を行えることを認識されたい。

１０ レーザ加工装置
１１ レーザ発振器
１２ 外部光学系
１３ 数値制御装置
１４ 駆動制御装置
１５ 出力光測定部
１６ 加工テーブル
１７ 反射板
１８ 戻り光測定部
２０ ファイバ
２１ コリメーションレンズ
２２ ビームスプリッタ
２３ 集光レンズ
２４ 保護ウインド
２５ 加工ヘッド
３０ 記憶部
３１ 前処理部
３２ 警告部
４０ 駆動指令部
４１ 出力指令部
４２ 第１光軸ずれ量計算部
４３ 第２光軸ずれ量計算部
４４ 第１異常領域特定部
４５ 第１警告指令部
４６ 第１調整量計算部
４７ ビームスプリッタ角度調整指令部
４８ 第２警告指令部
５０ 第１ビーム径計算部
５１ 第２ビーム径計算部
５２ 第２異常領域特定部
５３ 第３警告指令部
５４ 第２調整量計算部
５５ 集光レンズ位置調整指令部
５６ 第４警告指令部
６０ モード異常特定部
６１ 第５警告指令部
６２ ゴースト特定部
６３ 第６警告指令部
６４ 汚れ特定部
６５ 第３調整量計算部
６６ ウインド位置調整指令部
６７ 第７警告指令部
７０ 出力指令部
７１ 第３光軸ずれ量計算部
７２ 第３ビーム径計算部
７３ 第８警告指令部

Claims (14)

1. レーザ加工前に外部光学系の異常を警告するレーザ加工装置であって、
   レーザ発振器と、
   前記レーザ発振器からの順方向の出力光を、ビームスプリッタを介して、導光して前記ワークの表面に照射するための外部光学系と、
   前記外部光学系から出射する出射光の光軸に対して垂直に配置されていて前記出射光に対して一定の反射率を有する反射板と、
   前記反射板で反射して前記外部光学系に戻る戻り光の強度分布を、前記ビームスプリッタを介して、測定する戻り光測定部と、
   前記外部光学系の正常時における前記戻り光の強度分布を基準データとして記憶する記憶部と、
   前記戻り光の強度分布の測定データと前記基準データとの比較に基づいて、レーザ加工前に前記外部光学系に起因する光軸ずれ、ビーム径異常、モード異常、ゴースト、保護ウインドの汚れ、及び熱レンズ効果による焦点ずれのうち少なくとも１つを特定する処理を行う前処理部と、
   前記前処理部の処理に従って前記外部光学系の異常を警告する警告部と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. さらに、前記ビームスプリッタの角度を手動調整する角度調整機構を備え、
   前記前処理部が、前記比較に基づいて第１光軸ずれ量を計算する第１光軸ずれ量計算部と、前記第１光軸ずれ量に基づいて前記角度調整機構による前記ビームスプリッタの角度調整のための第１調整量を計算する第１調整量計算部と、を有し、
   前記警告部が前記第１調整量と共に前記光軸ずれを警告する、
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. さらに、前記ビームスプリッタの角度を制御する駆動制御装置を備え、
   前記前処理部が、前記比較に基づいて第１光軸ずれ量を計算する第１光軸ずれ量計算部と、前記第１光軸ずれ量に基づいて前記駆動制御装置による前記ビームスプリッタの角度調整のための第１調整量を計算する第１調整量計算部と、前記第１調整量を前記駆動制御装置に対して指令するビームスプリッタ角度調整指令部と、を有する、
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. さらに、前記出力光の強度分布を、前記ビームスプリッタを介して、測定する出力光測定部を備え、
   前記前処理部がさらに、前記出力光の強度分布の測定データと前記基準データとの比較に基づいて第２光軸ずれ量を計算する第２光軸ずれ量計算部と、前記第１光軸ずれ量と前記第２光軸ずれ量とに基づいて前記外部光学系の異常領域を特定する第１異常領域特定部を有し、
   前記警告部が前記異常領域を警告する、
   請求項２又は３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記外部光学系が前記出力光を集光する集光レンズを有し、
   さらに、前記集光レンズの位置を制御する駆動制御装置を備え、
   前記前処理部が、前記比較に基づいて第１ビーム径を計算する第１ビーム径計算部と、前記第１ビーム径に基づいて前記駆動制御装置による前記集光レンズの位置調整のための第２調整量を計算する第２調整量計算部と、前記第２調整量に基づいて前記集光レンズの位置調整を前記駆動制御装置に対して指令する集光レンズ位置調整指令部と、を有する、
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
6. さらに、前記出力光の強度分布を、前記ビームスプリッタを介して、測定する出力光測定部を備え、
   前記前処理部がさらに、前記出力光の強度分布の測定データと前記基準データとの比較に基づいて第２ビーム径を計算する第２ビーム径計算部と、前記第１ビーム径と前記第２ビーム径とに基づいて前記外部光学系の異常領域を特定する第２異常領域特定部を有し、
   前記警告部が前記異常領域を警告する、
   請求項５に記載のレーザ加工装置。
7. さらに、前記保護ウインドを前記出射光の光軸と直交する方向に駆動する駆動制御装置を備え、
   前記前処理部が、前記比較に基づいて前記保護ウインドの汚れを特定する汚れ特定部と、前記保護ウインドの汚れ位置に基づいて前記駆動制御装置による前記保護ウインドの位置調整のための第３調整量を計算する第３調整量計算部と、前記第３調整量に基づいて前記保護ウインドの位置調整を前記駆動制御装置に対して指令するウインド位置調整指令部と、を有する、
   請求項１に記載のレーザ加工装置。
8. 前記前処理部が前記比較に基づいて前記戻り光のモード異常を特定するモード異常特定部を有し、前記警告部が前記モード異常を警告する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
9. 前記前処理部が前記比較に基づいて前記戻り光のゴーストを特定するゴースト特定部を有し、前記警告部が前記保護ウインドの反射防止コーティングの異常を警告する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
10. 前記戻り光測定部が前記順方向の出力光の光路と角度９０°をなす位置に配置される、請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
11. 前記出力光測定部が前記順方向の出力光の光路と角度０°をなす位置に配置される、請求項４又は６に記載のレーザ加工装置。
12. 前記前処理部が、前記外部光学系が温まるまで前記レーザ発振器に対して出力する指令を行う出力指令部と、前記比較に基づいて第３光軸ずれ量を計算する第３光軸ずれ量計算部と、を有し、前記警告部が、前記第３光軸ずれ量に基づいて前記熱レンズ効果による焦点ずれを警告する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
13. 前記前処理部が、前記外部光学系が温まるまで前記レーザ発振器に対して出力する指令を行う出力指令部と、前記比較に基づいて第３ビーム径を計算する第３ビーム径計算部を有し、前記警告部が、前記第３ビーム径に基づいて前記熱レンズ効果による焦点ずれを警告する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
14. 前記反射板が前記出射光の一部を透過し一部を反射するハーフミラーであり、
    さらに、前記ハーフミラーを透過したレーザ光を除去するレーザ光除去部を備え、
    前記出力指令部が、レーザ加工に使用する程度に高い出力で前記外部光学系が温まるまで前記レーザ光を出力する指令を前記レーザ発振器に対して行う、
    請求項１２又は１３に記載のレーザ加工装置。

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