JP2001150171A - レーザ加工機のフォーカス調整方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】エネルギ密度の相対量を正確に検知し、精度の
よいフォーカス調整を行うフォーカス調整方法およびそ
の装置を提供する。 【解決手段】集光レンズ４を上下方向に移動させて、加
工点の上面からＣＣＤカメラ７で、加工点付近の反射光
を平面画像として捉え、輝度値が一定値以上の面積を演
算し、この面積が最大である位置に集光レンズ４を調整
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、加工物にレーザ光
を照射して加工を行うレーザ加工機におけるフォーカス
調整を自動的に行う方法およびその装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工機のフォーカス調整は、レー
ザ光を加工物に照射し、集光レンズを光軸方向に移動さ
せて加工点のエネルギ密度が最大となる位置をさがして
設定している。これを手動で行うことは熟練を要し信頼
性に欠けるので、自動的に行う手段が開発されている
（例えば、特開昭７−１６７７９号）。

【０００３】フォーカス調整を自動的に行う従来の方法
は、図５に示すように、レーザトーチ３を上下方向に移
動させる駆動装置１０を設け、加工点の斜め上方に光セ
ンサや音センサなど加工点のエネルギ密度を間接的に検
知する検知器２１を設けている。そして、モータ９を駆
動して駆動装置１０を作動させ、集光レンズ４を光軸方
向に移動させながら、検知器２１からの情報をコンピュ
ータ２０に取り入れて演算処理し、間接的にエネルギ密
度が最大になる位置に調整している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のフォーカス調整
においては、加工点の斜め上方に設けた検知器による情
報に基づいてフォーカス調整を行っているが、エネルギ
密度を相対的に表す反射光や加工時音量は加工点から種
々の方向に放射されており、また、加工物の表面粗さな
どの影響により、それが加工点に対して対称的であると
は限らず、検知器の情報が必ずしも加工点のエネルギ密
度を相対的に表していることにはなっていない。即ち、
従来のフォーカス調整は、種々の方向に放射されている
反射光や加工時音量の一方向のみの量を検知して行って
いるので、加工点のエネルギ密度に比例した相対量とな
っているとは言い難く、そのためフォーカス調整が不十
分である場合が少なからずあった。

【０００５】そこで、本発明は、エネルギ密度の相対量
を正確に検知し、精度のよいフォーカス調整を行うフォ
ーカス調整方法およびその装置を提供することを目的と
している。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明のレーザ加工機のフォーカス調整方法は、集
光レンズを上下方向に移動させて、加工点の上面から反
射光をＣＣＤカメラで撮影し、輝度値が一定値以上の面
積を演算し、この面積が最大である位置に集光レンズを
調整するようにしたことを特徴としている。

【０００７】加工点にレーザ光の焦点が合っている場合
はその反射光が最大となる。しかしながら、レーザ光を
照射する加工面の表面粗さなどにより、反射光は必ずし
もレーザ光の軸線に対して対称に放射されていない。そ
こで、本発明は、加工点の上面から反射光をＣＣＤカメ
ラで平面画像として捉え、反射光の輝度値が一定以上の
面積が最大である位置に集光レンズが、自動的に移動す
るようにしたものである。

【０００８】ここで、集光レンズを上下方向に移動させ
る手段は、集光レンズ自体を移動させるようにしてもよ
いし、レーザトーチを移動させるようにしてもよい。ま
た、この移動は、定間隔で行ってもよいし、想定される
ジャストフォーカス近傍でより細かい間隔で移動させ、
それ以外では長い間隔で移動させるようにしてもよい。

【０００９】なお、反射光は、加工物１５の材質、使用
する加工ガスの種類および使用するレーザの種類によっ
て異なるので、予めテストして取り込む輝度の大きさを
決めるようにするのがよい。また、実際に加工する物で
フォーカス調整する場合は加工面が切削されない状態
で、表面の状態が変化しないうちに行う必要があるの
で、レーザ光の出力は実際の加工を行う場合より小さな
値とするのがよい。

【００１０】また、反射光の輝度が大きくてＣＣＤカメ
ラ７で取り扱える範囲を超える場合は、減光フィルタを
途中に入れるとよい。本発明のフォーカス調整方法は、
請求項２に記載のように、レーザトーチに集光レンズを
上下方向に移動させる駆動装置と位置検知器を設けると
ともに、画像処理装置を介してコンピュータに接続され
たＣＣＤカメラをレーザトーチ上部に設けたフォーカス
調整装置で行うのが望ましい。

【００１１】集光レンズの移動はモータを駆動源とし、
位置検知器はエンコーダを用いモータの軸回転を検出す
るようにするのが簡便である。画像処理装置は、ＣＣＤ
カメラからのアナログ情報をデジタル信号に変換するも
ので、コンピュータは、反射光の輝度が一定値以上のも
のを取り出し、その面積を演算し、演算した結果を集光
レンズの位置と関係付けてデータ保存するほか、 反射
光の撮影、集光レンズの移動などの自動制御を行うもの
である。

【００１２】なお、ＣＣＤカメラの前部には可視光のみ
を通過させるようにするためフィルタを設ける。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下本発明を図面に示す実施形態
例に基づいて説明する。図１は、本発明のフォーカス調
整方法を行うためのフォーカス調整装置を示すもので、
１はレーザ発振器で、３はレーザトーチ、５はレーザ光
を９０度方向変換するためのミラー、４は集光レンズで
ある。

【００１４】なお、ミラー５にはＣＯ２レーザ、ＹＡＧ
レーザ、エキシマレーザなどのレーザ光は反射するが可
視光を通過させる表面処理が施されている。レーザトー
チ３にはモータ９の駆動によって上下に移動させる駆動
装置１０が付設されており、モータ９にはレーザトーチ
３の位置を検出する位置検知器８が設けられている。こ
の位置検知器８としてはエンコーダを使用している。

【００１５】モータ９はコンピュータ１２からの指示に
よって作動し、その時点の位置情報が位置検知器８から
コンピュータ１２へ出力される。また、レーザトーチ３
の上部にはフィルタ６とＣＣＤカメラ７が設けられてい
る。そして、ＣＣＤカメラ７は画像処理装置１１に接続
され、画像処理装置１１はコンピュータ１２に接続され
ている。フィルタ６はＣＣＤカメラ７のレンズ前方に設
けられており、可視光のみを通過させるもので、例えば
ＹＡＧレーザの場合は赤外線をカットするフィルタを、
ＹＡＧ３倍波の場合は紫外線をカットするフィルタを用
いている。

【００１６】次に、このように構成されたフォーカス調
整装置の作用について説明する。レーザ発振器１からの
レーザ光２はミラー３によって９０度方向変換され、集
光レンズ４でビームを絞り、加工物１５へ照射される。
そして、加工物１５からの反射光１４（可視光）はミラ
ー５およびフィルタ６を通過し、ＣＣＤカメラ７にその
映像が撮影される。そして、画像処理装置１１でコンピ
ュータ１２で処理できる信号に変換し画像データとし
て、コンピュータ１２へ送られる。

【００１７】レーザ光２が集光レンズ４によって加工物
１５の表面で正確に集光する場合（ジャストフォーカ
ス）は、最もエネルギ密度が高い状態となり、反射光１
４の強さも最大となる。そして、反射光が一定以上の輝
度の部分を取り出すと図４（ａ）の状態の画像データが
得られる。一方、レーザ光２が集光レンズ４によって加
工物１５の表面で集光しない場合（デフォーカス）は図
４（ｂ）の状態の画像データが得られる。 したがっ
て、モータ９を駆動させてレーザトーチ３を上方または
下方へ所定間隔で移動させ、その時々の画像を取り込
み、反射光の中の一定輝度以上のものの面積の最大であ
る位置に調整するようにすればジャストフォーカスにす
ることができる。なお、レーザ光の出力は実際の加工を
行う場合より低くしている。

【００１８】次に、このフォーカス調整装置でフォーカ
ス調整を行う場合の手順について図２に示すフローチャ
ートに基づいて説明する。このフォーカス調整はコンピ
ュータ１２に組み込まれた手順に基づいて自動的に行わ
れる。作業者は、フォーカス調整開始のスイッチをＯＮ
にするだけである。 フォーカス調整開始のスイッチが
押されると、まず、ステップ１１０で、駆動装置１０が
作動し、レーザトーチ３が上方へ移動しＡ点（調整開始
点）に位置する。そして、予め定めた一定の距離（１ピ
ッチ）レーザトーチ３が下降し、停止する（ステップ１
２０）。

【００１９】次に、ステップ１３０で、反射光１４の状
態をＣＣＤカメラ７で撮影し、画像処理装置１１に送
る。そして、ここでデジタル信号、即ち画像データに変
換してコンピュータ１２に送られる。コンピュータ１２
では、反射光の輝度が一定以上の部分の面積を演算し
て、位置検知器８の位置情報とともに記憶する。

【００２０】そして、ステップ１４０でレーザトーチ３
の位置がＣ点（下限値）であるかどうかを判断し、Ｃ点
でない場合はステップ１２０へ戻り、レーザトーチ３を
さらに１ピッチ下降させ、ステップ１３０で反射光の状
態をコンピュータ１２に取り込む。このように１ピッチ
毎に画像データを収集し、そして、コンピュータ１２で
は、レーザトーチ３の位置と反射光の輝度面積値の関係
を例えば図３に示すグラフのように整理する。

【００２１】ステップ１４０で、レーザトーチ３の位置
がＣ点であると判定した場合は、レーザトーチ３を輝度
面積の最大値を示した位置Ｂ点に移動させる。これによ
って、ジャストフォーカスになり、フォーカス調整を終
了する。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のレーザ加
工機のフォーカス調整方法は、集光レンズを上下方向に
移動させて、加工点の上面からＣＣＤカメラで加工点付
近の反射光を平面画像として捉え、輝度値が一定値以上
の面積を演算し、この面積が最大である位置に集光レン
ズを調整するようにしたので、加工物の表面状態などに
よって反射光が加工点から対称的でなくても、加工点の
エネルギ密度が最大である状態を正確に検知することが
でき、したがって、精度のよいフォーカス調整ができ
る。

【００２３】また、フォーカス調整方法を行う装置は、
レーザトーチに集光レンズを上下方向に移動させる駆動
装置と位置検知器を設けるとともに、画像処理装置を介
してコンピュータが接続されたＣＣＤカメラをレーザト
ーチ上部に設けたので、自動的に精度よくフォーカス調
整ができ、装置も簡素なものにできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ加工機のフォーカス調整装置の
全体を示す構成図である。

【図２】本発明のレーザ加工機のフォーカス調整方法の
フロー図である。

【図３】同フォーカス調整におけるトーチ位置−輝度面
積の出力データをグラフに表したものである。

【図４】同フォーカス状態における画像データの状態図
で、（ａ）はジャストフォーカスである場合を示し、
（ｂ）はデフォーカスの場合を示す。

【図５】従来のレーザ加工機のフォーカス調整装置の構
成図である。

【符号の説明】

１…レーザ発振器 ２…レーザ光 ３…レーザトーチ ４…集光レンズ ５…ミラー ６…フィルタ ７…ＣＣＤカメラ ８…位置検知器 ９…モータ １０…駆動装置 １１…画像処理装置 １２…コンピュータ １４…反射光 １５…加工物 ２０…コンピュータ ２１…検知器

フロントページの続き (72)発明者 藤澤 佳生 愛知県名古屋市熱田区三本松町１番１号 日本車輌製造株式会社内 (72)発明者 古田 泰之 愛知県名古屋市熱田区三本松町１番１号 日本車輌製造株式会社内 Ｆターム(参考） 4E068 CA11 CB02 CB05 CC02 CC06 CD15

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ加工機の集光レンズを上下方向に移
   動させて加工点付近のエネルギ密度を相対的に計測して
   自動的にフォーカス調整する方法において、加工点の上
   面からレーザ光の反射光をＣＣＤカメラで撮影し、輝度
   値が一定値以上の面積を演算し、この面積が最大である
   位置に集光レンズを調整するようにしたことを特徴とす
   るレーザ加工機のフォーカス調整方法。
2. 【請求項２】レーザトーチに集光レンズを上下方向に移
   動させる駆動装置と位置検知器を設けるとともに、画像
   処理装置を介してコンピュータに接続されたＣＣＤカメ
   ラをレーザトーチ上部に設けたことを特徴とする請求項
   １記載のレーザ加工機のフォーカス調整方法を行うため
   の装置。