JP2004216418A

JP2004216418A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JP2004216418A
Application number: JP2003006134A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Imaizumi; 雅明今泉; Kaoru Adachi; 馨安達; Nobuyoshi Yamanaka; 伸好山中; Masaya Furumoto; 雅也古本; Takayuki Kataoka; 隆之片岡
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】レーザビームの照射位置のずれ量を間接的に検出して位置ずれを補正することができると共に、検出したずれ量に基づいてレーザビームのスキャン位置を補正することができるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】レーザ溶接装置は、レーザビームＬが照射される溶接部Ｐから発生するプラズマ光を撮像するＣＣＤカメラ４と、ＣＣＤカメラ４で撮像されたプラズマ画像に基づいてレーザビームＬの照射位置のずれ量を検出する検出装置５と、検出されたずれ量に基づいてレーザビームＬの照射位置を補正する補正装置６とを備える。検出装置５は、上記プラズマ画像の重心位置と所定の基準位置との差をずれ量として検出する。補正装置６は、レーザビームＬの照射位置をスキャンさせると共に、上記ずれ量に基づいてスキャン位置を補正する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザビームを加工部に照射して溶接や切断などの所定の加工を行うレーザ加工装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
複数枚の反射ミラーを経由して加工部にレーザビームを照射するレーザ加工装置では、加工する位置を変える場合には加工ヘッドの移動に合わせてレーザビームの光路上にある反射ミラーも移動させる必要がある。このとき、レーザビームが反射ミラーの中心からずれていると、レーザビームの照射位置もずれてしまい、所望の加工を行うことができない。そこで、加工ヘッド近傍に取り付けられている２枚の反射ミラーを直交する２軸回りにそれぞれ回転可能に配置し、この２枚の反射ミラーの角度を調整してレーザビームの照射位置の位置ずれを補正している。また、この２枚の反射ミラーを所定の角度範囲で揺動制御することによって、レーザビームをスキャンさせながら加工部に照射することが可能となり、例えばレーザ溶接装置においてはウィービング溶接が可能となる。さらに、出力が２０ｋＷ以上の大出力レーザを使用する場合も、レーザビームをスキャンさせながら加工部に照射することが可能となる。
【０００３】
レーザビームの照射位置の位置ずれを補正するためには、レーザビームの実際の照射位置と所定の基準位置とのずれ量を検出する必要がある。従来のレーザ加工装置では、レーザビーム又はその一部を直接検出体に当てて照射位置を計測し、計測された照射位置と基準位置との差を求めてずれ量を検出し、このずれ量に基づいて照射位置を補正している（特許文献１、特許文献２参照）。そして、この補正はレーザビームの照射位置を停止させた状態で行っている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−９８２７１号公報
【特許文献２】
特開平９−１０３８９３号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のレーザ加工装置では、レーザビーム又はその一部を直接検出体に当てて照射位置を計測しているので、大出力レーザの場合は検出体が溶けてしまい、照射位置を検出できないという問題がある。また、位置ずれの補正はレーザビームの照射位置を停止させた状態で行うため、停止させることができない大出力レーザの場合は補正することができないという問題もある。
【０００６】
この発明は、上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、レーザビームの照射位置のずれ量を検出して位置ずれを補正することができると共に、検出したずれ量に基づいてレーザビームのスキャン位置を補正することができるレーザ加工装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段及び効果】
そこで請求項１のレーザ加工装置は、レーザビームＬが照射される加工部から発生するプラズマ光を撮像する撮像手段４と、この撮像手段４で撮像されたプラズマ画像に基づいてレーザビームＬの照射位置のずれ量を検出する検出手段５と、検出されたずれ量に基づいてレーザビームＬの照射位置を補正する補正手段６とを備えることを特徴としている。
【０００８】
上記請求項１のレーザ加工装置では、レーザビームＬが照射される加工部から発生するプラズマ光を撮像し、撮像されたプラズマ画像に基づいてレーザビームＬの照射位置のずれ量を検出し、検出されたずれ量に基づいてレーザビームＬの照射位置を補正する。
【０００９】
このように請求項１のレーザ加工装置によれば、レーザビームＬの照射位置のずれ量をプラズマ画像に基づいて間接的に検出するので、大出力のレーザビームＬを使用する場合でも、レーザビームＬの照射位置を補正することができる。これによって、大出力のレーザビームＬを用いたレーザ加工の加工精度が向上する。
【００１０】
また請求項２のレーザ加工装置は、上記検出手段５は、上記プラズマ画像の重心位置と所定の基準位置との差をずれ量として検出することを特徴としている。
【００１１】
上記請求項２のレーザ加工装置では、撮像されたプラズマ画像の重心位置をレーザビームＬの照射位置と判断してずれ量を検出している。これは、プラズマ画像の重心位置は、最も輝度の高い部分であるはずであり、この最も輝度の高い部分にレーザビームＬが照射されていると考えられるからである。これによって、ずれ量の検出精度が向上し、より正確な補正が可能となる。
【００１２】
さらに請求項３のレーザ加工装置は、レーザビームＬの照射位置をスキャンさせるレーザ加工装置において、上記補正手段６は、上記ずれ量に基づいてスキャン位置を補正することを特徴としている。
【００１３】
上記請求項３のレーザ加工装置では、上記プラズマ画像に基づいて検出されたずれ量に基づいてレーザビームＬのスキャン位置を補正している。補正は、スキャンの両端位置に対して行うようにしてもよいし、スキャンの中心位置に対して行うようにしてもよい。このように、レーザビームＬをスキャンさせながら照射位置を補正することができるので、大出力のレーザビームＬを使用する場合でも正確な補正が可能となり、大出力のレーザビームＬを用いたレーザ加工の加工精度が向上する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、この発明のレーザ加工装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は、この発明のレーザ加工装置の実施の形態の概略的構成を示す構成図である。この実施形態では、レーザ加工装置としてレーザ溶接装置を例にとり説明する。
【００１５】
レーザ溶接装置は、図示しないレーザ発振器からのレーザビームＬを、レーザスキャン装置１のミラー及びレーザスキャン装置２のミラーを含む複数枚のミラーによって順番に反射させながら集光して、図示しない溶接ヘッド先端部を通して加工部である溶接部Ｐに照射して溶接を行う装置である。溶接は、図１の紙面左右方向に延びて設定される溶接線Ａに沿って溶接ヘッドを相対移動させながら行われる。
【００１６】
レーザスキャン装置１、２は、回転自在に配置されると共にレーザビームＬを反射させるミラーを備え、このミラーを所定の角度範囲内で揺動させてレーザビームＬをスキャンさせる装置である。ここで、レーザスキャン装置１のミラーは図１の紙面に平行な回転軸回りに回転可能であり、またレーザスキャン装置２のミラーは図１の紙面に垂直な回転軸回りに回転可能である。したがって、レーザスキャン装置１のミラーの角度を変更すれば溶接線Ａに対して垂直方向（Ｙ軸方向）に照射位置が移動し、またレーザスキャン装置２のミラーの角度を変更すれば溶接線Ａに対して平行方向（Ｘ軸方向）に照射位置が移動する。
【００１７】
このようにレーザ溶接装置では、レーザスキャン装置１、２の各ミラーの角度を調節することによってレーザビームＬの照射位置を動かすことができ、また各ミラーを揺動させることによって、レーザビームＬを溶接位置においてウィービング（スキャン）させることができる。尚、レーザスキャン装置１、２は、制御装置３によって制御される。
【００１８】
また、溶接ヘッドの近傍には、撮像手段であるＣＣＤカメラ４が配置されている。ＣＣＤカメラ４は、レーザビームＬが照射される溶接部Ｐから発生するプラズマ光を撮像し、画像データを制御装置３に出力する。制御装置３は、検出装置５及び補正装置６を備えて構成されている。
【００１９】
検出装置５は、ＣＣＤカメラ４で撮像されたプラズマ画像に基づいてレーザビームＬの照射位置のずれ量を検出する。ずれ量は様々な方法で検出することができるが、この実施形態では検出装置５は、プラズマ画像の重心位置と所定の基準位置との差をずれ量として検出している。即ち、検出装置５は、撮像されたプラズマ画像の重心位置をレーザビームＬの照射位置と判断してずれ量を検出している。これは、プラズマ画像の重心位置は、最も輝度の高い部分であるはずであり、この最も輝度の高い部分にレーザビームＬが照射されていると考えられるからである。これによって、ずれ量の検出精度が向上し、より正確な補正が可能となる。尚、ずれ量は、Ｘ軸方向のずれ量Ｘと、Ｙ軸方向のずれ量Ｙとが検出される。
【００２０】
また補正装置６は、検出されたずれ量に基づいてレーザスキャン装置１、２を制御してレーザビームＬの照射位置を補正する。図２及び図３は、補正装置６の処理を説明するためのフローチャートである。図２のステップＳ１で入力監視を行い、ステップＳ２ではレーザ溶接装置全体を制御する本体制御装置から周波数データ及び振幅データを受信する。ステップＳ３では受信データに変更があるか否かを判断し、変更がない場合はそのままステップＳ５に進み、変更がある場合はステップＳ４に進み、スキャン制御に必要な移動位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐｅ及び移動位置Ｐ１、Ｐ２の移動速度を算出した後に、ステップＳ５に進む。尚、図４に示すように、移動位置Ｐ１、Ｐ２はスキャンの両端位置であり、移動位置Ｐｅはスキャンの終了位置である。
【００２１】
ステップＳ５では、検出装置５からずれ量Ｘ、Ｙを受信し、ステップＳ６では、ずれ量Ｘ、Ｙを補正データαｘ、αｙに変換する。補正データαｘとは、レーザスキャン装置２のミラーを駆動するモータのパルスデータであり、補正データαｙとは、レーザスキャン装置１のミラーを駆動するモータのパルスデータである。
【００２２】
ステップＳ７では、今回の補正データαｘ、αｙと前回の補正データαｘ１、αｙ１との差Δｘ、Δｙを算出する。そして、ステップＳ８では、差Δｘ、Δｙがそれぞれ１回あたりの補正最大量Δｍａｘより大きいか否かを判断する。差Δｘ、Δｙが補正最大量Δｍａｘ以下の場合は、ステップＳ９において差Δｘ１、Δｙ１を差Δｘ、Δｙに等しく設定する。一方、差Δｘ、Δｙが補正最大量Δｍａｘより大きい場合は、ステップＳ１０において差Δｘ１、Δｙ１を補正最大量Δｍａｘに等しく設定する。
【００２３】
それからステップＳ１１では、前回の補正データにステップＳ９又はステップＳ１０で求めた差Δｘ１、Δｙ１を加えて、今回の補正データαｘ１、αｙ１を算出する。尚、ステップＳ１０において差Δｘ１、Δｙ１を補正最大量Δｍａｘに等しく設定したのは、前回の補正データとの差が大きすぎるときは、ノイズ等の影響で正確にずれ量を検出できなかったおそれがあるため、今回の補正データαｘ１、αｙ１に制限を加えるためである。
【００２４】
ステップＳ１２では、ウィービング（スキャン）の実行要求があるか否かを判断する。実行要求がある場合は図３のステップＳ１３に進み、実行要求がない場合は図３のステップＳ２３に進む。
【００２５】
ステップＳ１３では、補正後の移動位置Ｐ１、即ちＰ１’をレーザスキャン装置１、２に出力する。Ｐ１’は、Ｐ１のｘ座標値及びｙ座標値に補正データαｘ１、αｙ１を加えることによって算出される（図４参照）。そして、Ｐ１’の出力が完了するまでの間は入力監視及び状態出力を行い、出力が完了するとステップＳ１６に進む（ステップＳ１４、ステップＳ１５）。
【００２６】
続いて、ステップＳ１７では、補正後の移動位置Ｐ２、即ちＰ２’をレーザスキャン装置１、２に出力する。Ｐ２’は、Ｐ２のｘ座標値及びｙ座標値に補正データαｘ１、αｙ１を加えることによって算出される（図４参照）。そして、Ｐ２’の出力が完了するまでの間は、入力監視及び状態出力を行い、出力が完了するとステップＳ１９に進む（ステップＳ１７、ステップＳ１８）。
【００２７】
ステップＳ１９では、ウィービングの終了要求があるか否かを判断する。終了要求がない場合は図２のステップＳ５に戻り、上述した補正処理を実行する。一方、終了要求がある場合は、ステップＳ２０に進む。
【００２８】
ステップＳ２０では、補正後の終了位置Ｐｅ、即ちＰｅ’をレーザスキャン装置１、２に出力する。Ｐｅ’は、Ｐｅのｘ座標値及びｙ座標値に補正データαｘ１、αｙ１を加えることによって算出される（図４参照）。そして、Ｐｅ’の出力が完了するまでの間は、入力監視及び状態出力を行い、出力が完了するとステップＳ２３に進む（ステップＳ２１、ステップＳ２２）。
【００２９】
ステップＳ２３では状態出力モードに設定して、補正処理を終了する。尚、ステップＳ１２においてウィービングの実行要求がない場合は、直ちにステップＳ２３に進み、補正処理を終了する。
【００３０】
以上のように上記レーザ溶接装置によれば、レーザビームＬの照射位置のずれ量Ｘ、Ｙをプラズマ画像に基づいて間接的に検出しているので、大出力のレーザビームＬを使用する場合でも、レーザビームＬの照射位置を補正することができる。これによって、大出力のレーザビームＬを用いたレーザ溶接の精度が向上する。
【００３１】
また、上記レーザ溶接装置によれば、撮像されたプラズマ画像の重心位置をレーザビームＬの照射位置と判断してずれ量Ｘ、Ｙを検出しているので、ずれ量Ｘ、Ｙの検出精度が向上する。これは、プラズマ画像の重心位置は、最も輝度の高い部分であるはずであり、この最も輝度の高い部分にレーザビームＬが照射されていると考えられるからである。このように間接的であってもずれ量Ｘ、Ｙを正確に検出できるので、より正確な補正が可能となる。
【００３２】
さらに、上記レーザ溶接装置によれば、プラズマ画像に基づいて検出されたずれ量Ｘ、Ｙに基づいてレーザビームＬのスキャンの両端位置Ｐ１、Ｐ２を補正している。このように、レーザビームＬをスキャンさせながら照射位置を補正することができるので、大出力のレーザビームＬを使用する場合でも正確な補正が可能となり、大出力のレーザビームＬを用いたレーザ溶接の精度が向上する。
【００３３】
以上にこの発明のレーザ加工装置の具体的な実施の形態について説明したが、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態においては、スキャンの両端位置Ｐ１、Ｐ２に対して補正を行っているが、スキャンの中心位置に対して行うようにしてもよい。また、上記実施の形態においては、レーザ溶接装置を例にとり説明したが、レーザ切断装置のようにレーザビームＬを加工部に照射して所定の加工を行うレーザ加工装置であれば同様に実施できることはもちろんである。さらに上記においては、撮像されたプラズマ画像の重心位置をレーザビームの照射位置と判断しているが、２値化プラズマ画像の外接長方形の中心位置をレーザビームの照射位置と判断してもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のレーザ加工装置の実施の形態の概略的構成を示す構成図である。
【図２】上記実施の形態における補正処理を説明するためのフローチャートである。
【図３】上記実施の形態における補正処理を説明するためのフローチャートである。
【図４】上記補正処理を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１レーザスキャン装置
２レーザスキャン装置
３制御装置
４ＣＣＤカメラ
５検出装置
６補正装置
Ａ溶接線
Ｌレーザビーム

Claims

レーザビーム（Ｌ）が照射される加工部から発生するプラズマ光を撮像する撮像手段（４）と、この撮像手段（４）で撮像されたプラズマ画像に基づいてレーザビーム（Ｌ）の照射位置のずれ量を検出する検出手段（５）と、検出されたずれ量に基づいてレーザビーム（Ｌ）の照射位置を補正する補正手段（６）とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
上記検出手段（５）は、上記プラズマ画像の重心位置と所定の基準位置との差をずれ量として検出することを特徴とする請求項１のレーザ加工装置。
レーザビーム（Ｌ）の照射位置をスキャンさせるレーザ加工装置において、上記補正手段（６）は、上記ずれ量に基づいてスキャン位置を補正することを特徴とする請求項１又は請求項２のレーザ加工装置。