JP2001239388A

JP2001239388A - ピアス穴貫通認識装置及びその認識方法

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Publication number: JP2001239388A
Application number: JP2000052795A
Authority: JP
Inventors: Takaaki Yamanashi; 貴昭山梨
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2001-09-04
Anticipated expiration: 2020-02-29
Also published as: JP4297399B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ピアス工程においてピアス穴が実際に貫通し
たことを認識して次段の切断工程へ直ちに移行すること
により、全加工時間を短縮しワークの加工効率の向上を
図ると共に、ワークや機械本体の損傷を防止することに
ある。【解決手段】加工ヘッドの内部であってレーザ光をワ
ークに照射した場合に発する可視光が入射できる位置
に、光ファイバの先端を配置し、該光ファイバを介して
ピアス加工時に発する可視光を導光してその受光レベル
の傾きの有無を検出し、傾きが無くなった場合にその傾
きが無い状態が一定時間継続したときにピアス穴貫通を
認識する装置及び認識方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はピアス穴貫通認識装
置及びその認識方法、レーザ加工機に使用されるピアス
穴貫通認識装置及びその認識方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、レーザ加工機は加工ヘッド６
０を有し（図９）、該加工ヘッド６０からワークＷにレ
ーザ光Ｌを照射することにより、該ワークＷに所定の切
断加工を施すようになっている。

【０００３】ところが、ワークＷの内側から切断加工を
施す場合の工程は、ピアス工程と（図９（Ａ））、切断
工程（図９（Ｂ））の２つから成る。

【０００４】即ち、先ず、図９（Ａ）に示すように、加
工ヘッド６０を相対的に停止させた状態で、切断開始近
傍にピアス穴Ｐを開け、次に、図９（Ｂ）に示すよう
に、加工ヘッド６０を相対的に移動させることにより
（矢印方向）、ワークＷ上のＣ領域に切断加工を施す。

【０００５】そして、上記ピアス工程においては（図９
（Ａ））、ピアス穴Ｐを貫通するための時間を設定し、
通常、その時間は板厚秒と称する（例えばワークＷの板
厚が６ｍｍであれば、６秒である）。

【０００６】ところが、ワークＷが厚くなって、板厚秒
が１２秒、１６秒、１９秒となった場合には、ワークＷ
の表面状態などにバラツキがあり、そのためにピアス穴
Ｐを貫通させる時間が長くなることがある。

【０００７】従って、一般には、ピアス穴貫通時間は、
余裕をみて、ワークＷの板厚の１．５倍程度とし、例え
ば板厚が６ｍｍであれば、６×１．５＝９秒といったよ
うに予め長く設定するようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】

【０００９】しかし、従来は、予め設定したピアス穴貫
通時間よりも実際には早くピアス穴Ｐが（図９（Ａ））
貫通したとしても、残された時間だけ待機していなけれ
ばならない。

【００１０】そのために、ピアス穴Ｐが貫通しても、直
ちに次の切断工程に（図９（Ｂ））移行することができ
ず、待機時間が無駄に費やされている。

【００１１】その結果、ピアス穴Ｐの加工開始から（図
９（Ａ））Ｃ領域の切断加工が終了するまでの（図９
（Ｂ））全加工時間が長くなり、加工効率の低下を招来
している。

【００１２】また、ピアス工程においては（図９
（Ａ））、前記したように、加工ヘッド６０は相対的に
停止したままであり、そのため、実際にはピアス穴Ｐが
貫通した後でも、レーザ光ＬがワークＷに照射され続け
る。

【００１３】このため、ワークＷの下面がレーザ光Ｌに
晒されて汚れたり、機械本体のフレームにレーザ光Ｌが
当たって損傷を受けるなど種々の弊害がある。

【００１４】本発明の目的は、ピアス工程においてピア
ス穴が実際に貫通したことを認識して次段の切断工程へ
直ちに移行することにより、全加工時間を短縮しワーク
の加工効率の向上を図ると共に、ワークや機械本体の損
傷を防止することにある。先にも、出願人自らの特許
で、特許２８３７７１２号又は特許２８３７７４８号と
いった所謂「ピアスアイ」というピアス穴貫通認識に関
わるものがあるが、一長一短があり、本発明はその認識
を更に確実もものにするための技術を提供する。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、図１〜図８に示すように、加工ヘッド２
の内部であってレーザ光ＬをワークＷに照射した場合に
発する可視光Ｓ１が入射できる位置に、光ファイバ３の
先端３Ａを配置し、該光ファイバ３を介してピアス加工
時に発する可視光Ｓ１を導光してその受光レベルの傾き
の有無を検出し、傾きが無くなった場合にその傾きが無
い状態が一定時間継続したときにピアス穴貫通を認識す
ることを特徴とするピアス穴貫通認識装置という技術的
手段を講じている。

【００１６】上記本発明の構成によれば、ピアス加工時
に発する可視光Ｓ１の受光レベルは（図３）、ピアス穴
Ｐ１が開き始めるｔ３から貫通するｔ４までは、受光レ
ベルの傾きは有るが（図５のａ部分）、貫通後は（ｔ４
以降）、受光レベルの傾きは無くなるので（図５のｂ部
分）、その傾きが無い状態が一定時間Ｔ継続した場合に
ピアス穴貫通を認識する。

【００１７】これにより、ピアス工程においてピアス穴
が実際に貫通したことを認識することができ、従来のよ
うに無駄な待機時間が無くなって、次段の切断工程へ直
ちに移行することにより、全加工時間を短縮しワークの
加工効率の向上を図ると共に、ワークや機械本体の損傷
を防止することが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明を、実施の形態によ
り添付図面を参照して、説明する。図１は本発明の実施
の形態を示す図である。

【００１９】図１に示す加工ヘッド２は、後述するレー
ザ加工機１の（図８）上部フレーム１１に属するＹ軸キ
ャリッジに取り付けられている。

【００２０】この加工ヘッド２は（図１）、その先端に
ノズル２１を有し、該ノズル２１の基端部には、集光レ
ンズ７が止め具１４、１５を介して取り付けられてい
る。

【００２１】また集光レンズ７の上方には、ベンドミラ
ー１０がブラケット２２、２３を介して取り付けられて
いる。

【００２２】この構成により、レーザ発振器５４から発
振されたレーザ光Ｌは、直進して加工ヘッド２内でベン
ドミラー１０で反射した後、集光レンズ７に向かって直
進し、該集光レンズ７を透過後ワークＷに照射され加工
点Ｋに集光される。

【００２３】加工ヘッド２に形成された貫通孔２０から
は、光ファイバ３が内部に入り込み、該光ファイバ３
は、ファイバ押さえ１９により側壁２Ａに固定され、そ
の先端３Ａが前記加工点Ｋを指向している。

【００２４】これにより、ピアス加工時に（図７
（Ｂ））前記レーザ光ＬをワークＷに照射した場合に、
該レーザ光Ｌが集光した加工点Ｋ（図１）から発せられ
た可視光Ｓ１が、光ファイバ３の先端３Ａから入射し、
該光ファイバ３内を伝播して後述するコントローラ４に
入る。

【００２５】若し、光ファイバ３の先端３Ａを、集光レ
ンズ７とワークＷの間に配置した場合には、加工中に発
生するスパッタや粉塵などにより、また加工中に集光レ
ンズ７の下方からノズル２１内に入り込むアシストガス
などにより、光ファイバ３が損傷を受けたり、ノイズの
影響を受ける。

【００２６】そのため、本発明によれば、光ファイバ３
の先端３Ａは、前記したように、集光レンズ７の上方で
あって、ベンドミラー１０の側方に配置され、加工中で
も上記スパッタなどにより損傷を受けずに正常に動作す
るようになっている。

【００２７】この光ファイバ３は、コントローラ４を介
してＮＣ装置５に接続されている。

【００２８】そして、コントローラ４の詳細は、図２に
示され、受光部４Ａとアンプ４Ｂとレベル検出部４Ｃと
傾き検出判定部４Ｄと出力部４Ｅにより構成されてい
る。

【００２９】このうち受光部４Ａは、前記光ファイバ３
内を伝播して来た可視光Ｓ１を電気信号Ｓ２に変換する
光電変換素子であって、例えばホト・トランジスタによ
り構成されている。

【００３０】アンプ４Ｂは、上記受光部４Ａから入力さ
れた電気信号Ｓ２を増幅し、増幅電気信号Ｓ３を出力す
る。

【００３１】レベル検出部４Ｃは、前記アンプ４Ｂから
入力された増幅電気信号Ｓ３に基づいて、ピアス加工時
に発せられた可視光Ｓ１の受光レベル（図３）を検出し
（図６のステップ１０３）、受光レベル信号Ｓ４を次段
の傾き検出判定部４Ｄに送出する。

【００３２】また、傾き検出判定部４Ｄは、前段のレベ
ル検出部４Ｃにより検出された受光レベルに基づいてそ
の傾き（図４）の有無を検出し（図６のステップ１０
４）、傾きが無くなった場合には（図６のステップ１０
５のＹＥＳ）、その傾きが無い状態が一定時間継続した
ときに（図６のステップ１０６のＹＥＳ）、ピアス穴貫
通信号Ｓ５を次段の出力部４Ｅに送出する。

【００３３】これにより、ピアス穴貫通が認識され、ピ
アス加工は終了する（図６のステップ１０７）。

【００３４】即ち、図３に示すように、ピアス加工時に
発する可視光Ｓ１の受光レベルは、ｔ１において前記加
工ヘッド２からワークＷに対してレーザ光Ｌを照射し始
めると、当初は遮るものが何も無いことから、Ｈ１から
急激に上昇し、その後蒸気などに遮られて、ｔ２におい
て最小となる。

【００３５】そして、蒸気などの遮るものが減少する
と、受光レベルは、再度急激に上昇してｔ３においてＨ
３になると、ピアス穴Ｐ１が開き始め、該受光レベルは
以後図示するように低下してｔ４で一定となりピアス穴
Ｐ１が貫通する。

【００３６】従って、一定の閾値Ｈ２を（図３）設定し
ておき、受光レベルがこの閾値Ｈ２以下になる時点と、
ピアス穴Ｐ１が貫通する時点とが一致していれば、受光
レベルが閾値Ｈ２に以下になった時点でピアス穴貫通を
認識することができる。

【００３７】しかし、実際には、前記したように、受光
レベルは、ピアス穴貫通前の例えばｔ２において閾値Ｈ
２以下になることがあり、閾値Ｈ２だけを基準としたの
では、ピアス穴貫通を正確には認識できない。

【００３８】そのため、レベル検出部４Ｃの（図２）後
段に傾き検出判定部４Ｄを接続することにより、図４に
示すように、レベル検出部４Ｃから送られてきた受光レ
ベルのデータを所定の時間ごとに抽出して、その傾きの
有無を検出する。

【００３９】例えば、受光レベルの大きさがｈ４、ｈ
３、ｈ２、ｈ１のデータｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４をτ
１、τ２、τ３、τ４ごとに抽出し、その場合の抽出時
間間隔τは等しいものとする（τ＝τ２−τ１＝τ３−
τ２＝τ４−τ３）。

【００４０】従って、この場合の受光レベルの傾きは、
それぞれ次のようになる。

【００４１】ｔａｎθ１＝（ｈ４−ｈ３）／τ２−τ１＝ｈ₄₃／τ・・・ｔａｎθ２＝（ｈ３−ｈ２）／τ３−τ２＝ｈ₃₂／τ・・・ｔａｎθ３＝（ｈ２−ｈ１）／τ４−τ３＝ｈ₂₁／τ・・・

【００４２】そして、傾き検出判定部４Ｄは（図２）、
このようにして求めた傾きｔａｎθ１などが（式〜
式）、所定の値、例えばｔａｎθ_MIN以下の場合には、
受光レベルの傾きが無くなったと見做し、その受光レベ
ルが無い状態が一定時間、例えばＴだけ継続した場合
に、ピアス穴貫通を認識することとした。

【００４３】この受光レベルの傾きの有無の様子は図５
に示され、ピアス穴Ｐ１が開き始めたｔ３から、ピアス
穴Ｐ１が貫通するｔ４までは、該受光レベルの傾きは有
るが（ａ部分）、ｔ４以降は、該受光レベルの傾きは無
くなり（ｂ部分）、その傾きが無い状態が一定時間Ｔ継
続する。

【００４４】この判断により、ピアス工程においてピア
スが実際に貫通したことを正確に認識できるので、次段
の切断工程へ直ちに移行することにより、全加工時間を
短縮しワークの加工効率の向上を図ると共に、ワークや
機械本体の損傷を防止することができる。

【００４５】このような判断をする傾き検出判定部４Ｄ
の後段には、図２に示すように、出力部４Ｅが接続さ
れ、該傾き検出判定部４Ｄからのピアス穴貫通信号Ｓ５
が入力された場合に、次段のＮＣ装置５に（図１）ピア
ス加工終了信号Ｓ６を送出する。

【００４６】ＮＣ装置５は（図１）、レーザ発振器５４
等を制御することにより、レーザ加工機１全体を制御す
る。

【００４７】例えば、ＮＣ装置５は、ピアス加工時には
（図３のｔ３〜ｔ４）、レーザ発振器５４に（図１）起
動信号Ｓ７を送出することにより、該レーザ発振器５４
からレーザ光Ｌを発振させ前記加工ヘッド２を介してワ
ークＷへ照射させる。

【００４８】そして、ＮＣ装置５は、前記出力部４Ｅ
（図２）からピアス加工終了信号Ｓ６が入力された場合
には、ピアス加工を終了させる（図６のステップ１０
７）。その後、通常の切断加工のための新たな加工条件
に入る。

【００４９】図８は、本発明の適用例として加工ヘッド
Ｙ軸移動、ワークＸ軸移動の加工機を示す図であり、図
示するレーザ加工機１は、下部フレーム１２と、該下部
フレーム１２に跨がって設けられた上部フレーム１１、
及び加工テーブル１３を有している。

【００５０】上部フレーム１１内には、既述した加工ヘ
ッド２、及びその光軸移動機構、レーザ発振器５４（図
１）等が収納されている。

【００５１】また、上部フレーム１１の側面には（図
８）、制御ボックス５２が取り付けられ、該制御ボック
ス５２には、前記光ファイバ３が接続されたコントロー
ラ４（図１）及びＮＣ５装置が内蔵されている。

【００５２】加工テーブル１３の（図８）縦方向（Ｘ軸
方向）に平行して設けられたボールねじ１８には、ワー
クＷを把持するクランプ１６が取り付けられたＸ軸キャ
リッジ１７が螺合している。

【００５３】この構成により、前記ＮＣ装置５の（図
１）制御により、ボールねじ１８を回転させるとＸ軸キ
ャリッジ１７がＸ軸方向に移動し、それに伴って、クラ
ンプ１６に把持されたワークＷもＸ軸方向に移動し所定
位置に位置決めされる（図６のステップ１０１）。

【００５４】ワークＷが位置決めされると、前記ＮＣ装
置５（図１）からレーザ発振器５４に起動信号Ｓ７が送
出されてレーザ光ＬがワークＷに照射されることによ
り、ピアス加工が開始され（図６のステップ１０２）、
その後は（図６のステップ１０３以降）、既述したよう
にレーザ光Ｌが加工点Ｋに（図８）集光された場合に発
する可視光Ｓ１の受光レベル（図３）が検出されるなど
種々の制御が行われる。

【００５５】以下、上記構成を有する本発明の動作を、
図６に基づいて説明する。

【００５６】この場合、本発明が適用されるレーザ加工
機１（図８）により加工される製品は、例えば、図７
（Ａ）に示す形状を有し、円形の穴Ａ１、Ａ２があいて
いる製品Ａとする。

【００５７】この場合、先ず、図６のステップ１０１に
おいて、ワークＷを位置決めし、ステップ１０２におい
て、ピアス加工が開始され、ステップ１０３において、
可視光Ｓ１の受光レベルを検出する。

【００５８】即ち、ＮＣ装置５は（図１）、レーザ加工
機１の（図８）ボールねじ１８を制御してそれを回転さ
せ、Ｘ軸キャリッジ１７をＸ軸方向に移動させると、ク
ランプ１６に把持されたワークＷもＸ軸方向に移動し、
該ワークＷは所定位置に位置決めされる。

【００５９】このとき、加工ヘッド２は、ワークＷ上の
ピアス穴Ｐ１を（図７（Ｂ））開けるべき位置の直上方
にある。

【００６０】この状態で、ＮＣ装置５が（図１）レーザ
発振器５４に起動信号Ｓ７を送信すると、該レーザ発振
器５４が起動してレーザ光Ｌが発振され、該レーザ光Ｌ
はベンドミラー１０で反射して集光レンズ７を透過して
ワークＷに照射され、加工点Ｋ、換言すれば、前記ピア
ス穴Ｐ１を（図７（Ｂ））開けるべき位置に集光する。

【００６１】これにより、ピアス加工が開始される。

【００６２】一方、レーザ光ＬがワークＷに照射された
場合に発せられた可視光Ｓ１は（図１）、集光レンズ７
を透過して光ファイバ３の先端３Ａから入射し、該光フ
ァイバ３内を伝播してコントローラ４に入力する。

【００６３】コントローラ４内では、その受光部４Ａ
（図２）において、前記可視光Ｓ１が電気信号Ｓ２に変
換されて次段のアンプ４Ｂで増幅され、増幅電気信号Ｓ
３が出力されて次段のレベル検出部４Ｃに入力する。

【００６４】レベル検出部４Ｃにおいては、前記増幅電
気信号Ｓ３に基づいて可視光Ｓ１の受光レベルが検出さ
れる（図３）。

【００６５】次に、図６のステップ１０４において、受
光レベルの傾きの有無を検出し、ステップ１０５におい
て、その傾きが無くなったか否かを判断し、傾きが有る
場合には（ＮＯ）、ステップ１０４に戻って同じ動作を
繰り返し、傾きが無くなった場合には（ＹＥＳ）、ステ
ップ１０６において、その傾きが無い状態が一定時間継
続したか否かが判断され、継続しない場合には（Ｎ
Ｏ）、ステップ１０４に戻って同じ動作を繰り返し、継
続した場合には（ＹＥＳ）、ステップ１０７において、
ピアス加工を終了する。

【００６６】即ち、レベル検出部４Ｃが（図２）可視光
Ｓ１の受光レベルを検出すると、該レベル検出部４Ｃ
は、その検出結果を受光レベル信号Ｓ４として次段の傾
き検出判定部４Ｄに送出する。

【００６７】そして、傾き検出判定部４Ｄは、入力した
受光レベル信号Ｓ４に基づいて、受光レベルの（図３）
傾きの有無を検出する。

【００６８】例えば、図４に示すように、求めた受光レ
ベルの傾きがｔａｎθ３＝（ｈ２−ｈ１）／τ４−τ３
＝ｈ₂₁／τであるとし、このｔａｎθ３が所定の値ｔａ
ｎθ _MIN以下の場合には、受光レベルの傾きが無くなっ
たと見做す。

【００６９】そして、傾き検出判定部４Ｄは（図２）、
その受光レベルの傾きが無い状態が一定時間、例えばＴ
だけ継続した場合に、ピアス穴貫通を認識し、次段の出
力部４Ｅにピアス穴貫通信号Ｓ５を送出し、それを受信
した出力部４ＥはＮＣ装置５に（図１）ピアス加工終了
信号Ｓ６を送出する。

【００７０】これにより、ピアス加工は終了し、ＮＣ装
置５は、次段の通常切断加工のための新たな加工条件を
レーザ発振器５４へ送出する。

【００７１】このようにして、ピアス穴Ｐ１が（図７
（Ｂ））貫通すると、ＮＣ装置５は（図１）ボールねじ
１８（図８）を制御してワークＷを所定の位置に位置決
めし、レーザ発振器５４（図１）を制御して、該ワーク
Ｗにレーザ光Ｌを照射することにより、切断線Ｃ１（図
７（Ｂ））に沿って切断する切断加工を開始する（図６
のステップ１０８）。

【００７２】以後、同様に、図７（Ｂ）に示すピアス穴
Ｐ２と切断線Ｃ２、ピアス穴Ｐ３と切断線Ｃ３につい
て、図６の動作を行うことにより、円形の穴Ａ１、Ａ２
があいている製品Ａを加工する（図７（Ａ））。

【００７３】

【発明の効果】上記のとおり、本発明によれば、ピアス
工程においてピアス穴が実際に貫通したことを認識する
ことができ、従来のように無駄な待機時間が無くなっ
て、次段の切断工程へ直ちに移行することにより、全加
工時間を短縮しワークの加工効率の向上を図ると共に、
ワークや機械本体の損傷を防止するという技術的効果を
奏することとなった。

【００７４】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態を示す図である。

【図２】本発明を構成するコントローラ４の説明図であ
る。

【図３】本発明による可視光Ｓ１の受光レベルの変化を
示す図である。

【図４】図３における受光レベルの傾きを示す図であ
る。

【図５】本発明による可視光Ｓ１の受光レベルの傾きの
変化を示す図である。

【図６】本発明の動作を説明するためのフローチャート
である。

【図７】本発明による加工状況を示す図である。

【図８】本発明の適用例を示す図である。

【図９】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１レーザ加工機２加工ヘッド３光ファイバ４コントローラ５ＮＣ装置７集光レンズ１０ベンドミラー１１上部フレーム１２下部フレーム１３加工テーブル１４、１５止め具１６クランプ１７Ｘ軸キャリッジ１８ボールねじ１９ファイバ押さえ２０貫通孔２１ノズル２２、２３ブラケット５２制御ボックス５４レーザ発振器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】加工ヘッドの内部であってレーザ光をワ
ークに照射した場合に発する可視光が入射できる位置
に、光ファイバの先端を配置し、該光ファイバを介して
ピアス加工時に発する可視光を導光してその受光レベル
の傾きの有無を検出し、傾きが無くなった場合にその傾
きが無い状態が一定時間継続したときにピアス穴貫通を
認識することを特徴とするピアス穴貫通認識装置。
【請求項２】上記光ファイバの先端が集光レンズの上
方であってベンドミラーの側方に配置されている請求項
１記載のピアス穴貫通認識装置。
【請求項３】上記光ファイバがコントローラを介して
ＮＣ装置に接続され、該コントローラが、受光部と、ア
ンプと、レベル検出部と、傾き検出判定部と、出力部に
より構成されている請求項１記載のピアス穴貫通認識装
置。
【請求項４】加工ヘッドの内部で集光レンズの上方に
光ファイバの先端を配置し、レーザ光をワークに照射し
た場合に発する可視光を前記光ファイバで捕え、前記可
視光をコントローラに導き、その受光レベルを検知し、
該受光レベルの時間経過による推移を求め、その傾きの
有無を検出し、傾きが無い状態が一定時間継続したとき
にピアス穴貫通を認識することを特徴とするピアス穴貫
通認識方法。