JP2005138160A - 帯材保持台の加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 帯材保持台のレーザ照射位置の局所的な含水率を反映させた正確なスリット加工を可能とする。
【解決手段】 含水性材質の帯材保持台１９にレーザ光Ｌを照射して帯材植え込み用のスリット１９ａを形成する加工装置において、レーザ光Ｌを帯材保持台１９に向けて照射するレーザ加工機構１１と、レーザ光Ｌと帯材保持台１９とを相対的に移動させるＸＹテーブル２１と、レーザ加工時の加工音を取得する集音手段３０と、ＸＹテーブル２１および集音手段４３に接続されると共に帯材保持台１９に対するレーザ光Ｌの移動速度を含む加工条件について加工音の値に応じた最適条件を保存しているデータベース２７を有するコンピュータ２５とを備え、集音手段３０で取得した加工音の値に基づいてデータベース２７を参照して加工条件を演算補正しながらレーザ光Ｌで帯材保持台１９にスリット１９ａを形成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、帯材保持台の加工装置に関し、詳しくは、帯材（刃材、罫材、ミシン目形成材など）を帯材保持台に植え込んで形成される抜型において、該帯材保持台に帯材植え込み用のスリットをレーザ光により精度良く形成するものに関する。

従来、紙器やダンボール箱や樹脂フィルム箱などを製作するには、これら紙器等の展開形状の型を有する抜型を用いて打抜加工することにより行っており、その抜型は帯材保持台に型形状となるスリットを予めレーザ加工して設け、そのスリットに屈曲された刃材や罫材などの帯材を植え込むことにより形成されている。

上記紙器等の製品の品質を向上させるためには抜型の寸法精度が非常に重要であり、換言すれば、帯材を植え込む帯材保持台のスリットの寸法が精度良く加工されているか否かがポイントとなる。
スリットの加工は、図８に示すように、合板からなる帯材保持台１にレーザ光Ｌの焦点ＦをＺ方向の上方にずらした状態で照射し、レーザ光Ｌに対して帯材保持台１を予め設定した経路に従って水平方向のＸ−Ｙ方向に移動させることで、一定の幅を持ったスリット１ａを所定形状に形成している。

つまり、レーザ光Ｌの焦点Ｆを帯材保持台１より若干上方にずらしていることで、スリット１ａに帯材を植え込めるだけの幅を持たせることができる訳であるが、一定の角度を有するレーザ光Ｌを帯材保持台１の厚み分だけ貫通させるため、帯材保持台１の表面と裏面とではレーザ光Ｌから受けるエネルギーは相違することとなる。
帯材保持台１の表面側においては、焦点Ｆ距離を調節することでスリット１ａの幅ｄ１を所定の値に守ることができるが、裏面側では帯材保持台１をＸ−Ｙ方向に移動させなければ、集光された角度で逆に拡がりを持つことになり、裏面側のスリット幅がｄ２’のように大きくなってしまう。そこで、スリット１ａの裏面側の幅が大きくなる前に帯材保持台１をＸ−Ｙ方向に移動させることで、スリット１ａの裏面側の幅ｄ２を狭くすることができ表面側の幅ｄ１と同一となるように調節している。

しかし、合板からなる帯材保持台１は個々に含水率が相違し、その含水率に応じてレーザ光から帯材保持台１に伝達される熱エネルギーが異なり、即ち、含水率の大きい箇所では刃物保持台１自体に伝達する熱エネルギーが小さい一方、含水率の小さい箇所では刃物保持台１自体に伝達される熱エネルギーが大きくなるため、帯材保持台１をレーザ光Ｌに対して設定通りの加工速度でＸ−Ｙ方向に移動させたとしても、スリット１ａの裏面側の幅ｄ２にバラツキが生じてしまう現象が発生していた。
帯材保持台１の加工されたスリット１ａの幅ｄ１、ｄ２が植え込まれる帯材の厚さに少しでも合わないと、帯材の挟持力が低下して打抜加工中に短い帯材が脱落したり、帯材保持台１に対して帯材が垂直とならない等の問題が発生する。

そこで、特許第２５２８５８７号公報では図９に示すレーザ加工装置１が提供されている。詳しくは、レーザ加工装置１は、レーザ発生装置２と、レーザ発生装置２を制御する制御装置３と、制御装置３に接続され加工対象物である帯材保持台７の重量を計測する重量計測器５と、帯材保持台７を直接支持するため重量計測器５の上面に立設された針状部材６と、重量計測器５を支持すると共に水平方向のＸ−Ｙ方向に移動可能なテーブル４とを備えている。

図９に示すレーザ加工装置１によれば、重量計測器５で計測された帯材保持台７の重量からその含水率が算出されて、この含水率に応じて加工速度等の制御データを補正し、現状の含水率に合った制御データを自動設定してレーザ加工を行うので、帯材保持台７の個々の含水率を反映させた精度良いスリット加工を可能としている。

しかしながら、上記公報に開示されたレーザ加工装置１では、帯材保持台７全体の重量を計測して含水率を算出しているため、帯材保持台７全体の平均含水率しか算出することができない。帯材保持台７に含有された水分が板全体にわたって均一に分布している場合はそれでも問題はないが、水分の分布が不均一な場合にはスリット幅にバラツキが発生してしまう恐れがある。
特許第２５２８５８７号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、帯材保持台のレーザ照射位置の局所的な含水率を反映させた正確なスリット加工を可能とすることを課題としている。

上記課題を解決するため、本発明は、含水性材質の帯材保持台にレーザ光を照射して帯材植え込み用のスリットを形成する加工装置において、
上記レーザ光を上記帯材保持台に向けて照射するレーザ加工機構と、
上記レーザ光と上記帯材保持台とを相対変位させる移動手段と、
レーザ加工時の加工音を取得する集音手段と、
上記移動手段および上記集音手段に接続されると共に、上記帯材保持台と上記レーザ光との相対移動速度を含む加工条件について加工音の値に応じた最適加工条件を保存しているデータベースを有するコンピュータとを備え、
上記コンピュータは上記集音手段で集音された加工音の値に基づいて上記帯材保持台と上記レーザ光との相対移動速度を含む加工条件を上記データベースより取得される最適加工条件に演算補正する演算制御手段を設けていることを特徴とする帯材保持台の加工装置を提供している。

本発明者は、鋭意研究の結果、帯材保持台に含まれる水分（細胞水）量の大小に応じてレーザ光を照射した際の加工音が異なることを見い出した。即ち、レーザ光が帯材保持台に含有された水分に照射されることでミクロな細胞内の水蒸気爆発が発生し、その水蒸気爆発音を含む加工音の値を調べることにより、帯材保持台の局所的な含水率を考慮することが可能となる。
したがって、上記構成とすれば、上記集音手段で取得されたレーザ加工時の加工音をコンピュータに取り込み、予め用意されたデータベースと照合して当該加工音に応じた最適加工条件を取得してレーザ光の移動速度等を最適値に自動演算補正することにより、局所的な含水率に応じた加工条件の設定が可能となり、含水率が不均一な帯材保持台のスリット加工も正確な寸法精度を確保して行うことができる。
なお、上記含水性材質の刃物保持台は、木質製の単板または積層板、発泡樹脂板、異種材料の集積材などで形成される。また、上記加工音は、加工作業に伴って付随する音も含むものである。

上記データベースと照合する加工音は、上記帯材保持台の含水率に応じて上記レーザ光の照射開始時に発生する水蒸気爆発音を含む加工音としていることが好ましい。

レーザ光を照射した直後の加工スタート時は、レーザ光の全径を用いて帯材保持台を切断することになるが、その後、レーザー光と帯材保持台とを相対的に移動させて連続してスリット加工を進めると、レーザ光は全径でなく径方向の一部分のみが帯材保持台のバージン部分（未切断部分）を切断し、その他の光線は既にスリットが形成された切断跡を通過するだけとなる。上記集音手段で取得される加工音にこのバージン部分の面積を考慮して最適加工条件を割り出すことは可能ではあるが、加工速度が相違すればレーザ光が当たるバージン部分の面積も異なってくるのでデータベースの参照項目として加工速度を追加考慮する必要が生じる。
しかし、上記構成とすれば、レーザ光を帯材保持台に照射開始した加工スタート時の加工音を参照することとしているので、加工面積がレーザ光の全径となり条件が一定するので、加工精度を向上させることができると共にデータベースを簡素化することができる。
なお、同様の原理により、レーザ光のスポット照射による加工音をデータベースとの照合用に用いてもよい。

軟質材打ち抜き用の抜型を構成する上記帯材保持台は上記スリットに金属製の上記帯材が植え込まれるものであって、
上記帯材保持台と上記レーザ光との相対移動速度は、一つの加工区間である上記スリット全長にわたって一定または可変としていると好適である。なお、上記軟質材としては、紙材、樹脂フィルム材、繊維材などが挙げられる。

本発明は、含水性材質の帯材保持台にレーザ光を照射して帯材植え込み用のスリットを形成する加工装置において、
上記レーザ光を上記帯材保持台に向けて照射するレーザ加工機構と、
上記レーザ光と上記帯材保持台とを相対変位させる移動手段と、
上記帯材保持台ヘ向けた音波の反響音あるいは物理的衝撃手段による衝撃時の反響音を取得する反響検知手段と、
上記移動手段および上記反響検知手段に接続されると共に、上記帯材保持台と上記レーザ光との相対移動速度を含む加工条件について上記反響音の値に応じた最適条件を保存しているデータベースを有するコンピュータとを備え、
上記コンピュータは上記反響検知手段で取得された反響音の値に基づいて上記帯材保持台と上記レーザ光との相対移動速度を含む加工条件を上記データベースより取得される最適加工条件に演算補正する演算制御手段を設けていることを特徴とする帯材保持台の加工装置を提供している。

上記構成とすると、上記反響検知手段で取得された反響音データを上記データベースと照合することで、レーザ光に対する帯材保持台の加工速度等の加工条件を最適値に設定することができ、帯材保持台の含水率に応じた加工条件により正確な寸法精度でスリット加工することができる。

以上の説明より明らかなように、本発明によれば、レーザ加工時の加工音を上記集音手段からコンピュータに取り込み、データベースを参照して当該加工音に応じた最適加工条件を取得して帯材保持台とレーザ光との相対移動速度等を最適値に自動演算補正することにより、帯材保持台の局所的な含水率を反映させた加工が可能となり、含水率が不均一であっても正確にスリット加工を行うことができる。

本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
図１は第１実施形態の帯材保持台の加工装置１０の構成図を示している。
加工装置１０は、加工対象物である木製の平板状からなる帯材保持台１９に向けてレーザ光Ｌを照射するレーザ加工機構１１と、レーザ加工機構１１のレンズ１５を垂直方向（Ｚ方向に）移動させるＺテーブル２４と、帯材保持台１９を水平方向（Ｘ−Ｙ方向）に移動させるＸＹテーブル（移動手段）２０と、ＸＹテーブル２０の上面に立設されて帯材保持台１９を直接支持する針状支持材２０と、ＸＹテーブル２１をＡＣサーボ２２を介して駆動制御するＮＣコントローラ２３と、帯材保持台１９の近傍に配置固定されたマイクである集音手段３０と、集音手段３０およびＮＣコントローラ２３に接続されると共にデータベース２７を有するコンピュータ２５とを備えている。

レーザ加工機構１１は、ＣＯ₂レーザを発生するレーザ発振器１２と、レーザ発振器１２からのレーザ光Ｌを通過させるレーザ通路部１３と、レーザ光Ｌを水平方向から垂直方向に屈曲させるベンドミラー１４と、レーザ光Ｌを集光する集光レンズ１５と、レーザ発振器１２を制御する制御部１６および操作用の制御パネル１７を有する制御装置１８とを備え、レーザ通路部１３の下端開口１３ａからレーザ光Ｌを所定の角度で集光照射している。

コンピュータ２５は、各種演算や一時記憶等を行う演算制御手段２６と、集音手段３０と接続するインターフェースである入力手段２８と、ＮＣコントローラ２３と接続するインターフェースである出力手段２９と、加工音と最適加工条件との関係を保存しているデータベース２７とを備えている。

データベース２７は、レーザ光Ｌに対する帯材保持台１９の水平方向（Ｘ−Ｙ方向）への移動速度や焦点距離やパワー密度などの加工条件に関して、加工音の各値に対応した最適条件の実験データを保存している。なお、データベース２７に用いられる加工音の値は、レーザ光Ｌを帯材保持台１９に照射開始した直後である加工スタート時の加工音を適用している。

集音手段３０は、レーザ光Ｌが帯材保持台１９に照射された加工箇所から２０〜５０ｍｍ程度の一定距離が維持されるように、レーザ加工機構１１のハウジングに図示しないアームを介して固定されている。また、集音手段３０が取得する加工音は、帯材保持台１９に含有される細胞水がレーザ光Ｌにより急蒸発する水蒸気爆発音の他に、ノイズ音をも含むため、不要音域をマスキングして水蒸気爆発音のみを対象として使用すると好適である。なお、集音手段３０とコンピュータ２５との間に信号増幅器を介設してもよい。

次に、上記構成の加工装置１０を用いた帯材保持台１９のスリット加工について説明する。
図２に示すように、レーザ光Ｌの焦点Ｆを帯材保持台１９の若干上方に位置させることで所定の角度で拡がるレーザ光Ｌを帯材保持台１９に照射してスリット１９ａを形成する。
レーザ光Ｌが帯材保持台１９を切断する際には、帯材保持台１９に含有された細胞水Ｗにレーザ光Ｌが当たることにより水蒸気爆発音を伴うミクロな細胞内における水蒸気爆発が発生するため、その水蒸気爆発音を含む加工音を集音手段３０で取得して電気信号としてコンピュータ２５に送信する。

ここで、レーザー光Ｌに対してＸＹテーブル２１を移動させて帯材保持台１９を連続してスリット加工している途中においては、図３（Ａ）に示すように、レーザ光Ｌは全径でなく径方向の一部分のみが帯材保持台１９の未切断部分であるバージン部分Ｖを切断し、その他の光線は既にスリット１９ａが形成された切断跡を通過するだけとなり、加工面積は加工速度に依存することとなる。そこで、本実施形態では、帯材保持台１９に照射開始した直後の加工スタート部分Ｓの加工音のみをデータベース２７との比較対象とすることで、レーザ光Ｌの全径が切断に使用されて加工面積が一定の加工条件下において加工音を考察することができる。また、全径切断となる加工スタート部分Ｓは加工音が最も大きくなるので集音しやすいというメリットもある。

なお、帯材保持台１９にスリット加工を行う場合、通常、図３（Ｂ）に示すように、帯材３１の切欠（図示せず）を嵌め込むブリッジＢを間欠的に複数設けて、被切断部が抜け落ちないようにしており、１つの帯材保持台１９のレーザ加工作業において加工スタート部分Ｓは複数発生する。
また、加工音と加工速度等との関係が保存されたデータベースにおいても、レーザ光の照射直後のスタート時の加工音を対象として取得された実験データを基に構築されていることは言うまでもない。

そして、ブリッジＢごとに取得された加工音の値に対応する最適な加工速度（ＸＹテーブル２１の送り速度）をデータベース２７から取得し、ＮＣコントローラ２３内のプログラムの加工速度を上記最適値に自動演算補正しながら加工を行う。なお、必要に応じて、コンピュータ２５と制御装置１８とを接続し、焦点距離やパワー密度も同様に自動補正するも自由である。

上記構成とすると、帯材保持台１９の含水率が局所的に異なり不均一である場合でも、加工箇所の含水率に応じた加工速度に修正されるので、帯材保持台１９のスリット１９ａの表面側の幅ｄ１と裏面側の幅ｄ２が同一となるように正確な寸法で加工することができる。
そして、最終的には帯材保持台１９の形成されたスリット１９ａに帯材３１（刃材または罫材）を植え込むと共に、背面側に薄肉鉄板３２、紙シート３３および裏板３４を設けて打ち抜きプレス（図示せず）に装着することで高精度な抜型が構成される。つまり、スリット１９ａが正確な寸法で形成されていることにより、帯材３１に対して適切な挟持力を発揮し、打ち抜き加工中に帯材３１が脱落することが防止できると共に、帯材３１を帯材保持台１９に対して正しく垂直に植え付けることができる。

また、上記実施形態の変形例として、加工スタート部分Ｓから次のブリッジＢに到達するまでの連続的な加工においても、連続的に集音手段３０より加工音を取得し、コンピュータ２５の演算制御手段２６で連続的にＸＹテーブル２１の移動速度の最適値への自動演算補正を行い、リアルタイムでＮＣコントローラ２３にフィードバックすると好適である。
上記構成とすると、ブリッジＢ間の一つの加工区間での連続加工時においても含水率の変化に応じてフレキシブルに加工速度を変化させて調整を行うことができる。

図５および図６は第２実施形態を示す。
第１実施形態との相違点は、反響検知手段４３を設けて帯材保持台１９の含水率を求めている点である。

反響検知手段４３は、図５および図６に示すように、音波４６を生成する発音手段４５と、帯材保持台１９で反射した反響音４７を取得する集音手段（高性能マイク）４４とを備えており、コンピュータ４８の入出力手段４２に接続されている。
また、コンピュータ４８は、反響音４７の値と帯材保持台１９の含水率との関係に関する実験データを保存したデータベース４１を備えている。
なお、他の構成は第１実施形態と同様であるため同一符号を付して説明を省略する。

上記した加工装置４０の動作手順は、まず試運転時に、ＸＹテーブル２１を動かして、帯材保持台１９に形成される予定のスリットの経路に沿って予め反響検知手段４３で反響音４７の取得を行い、その反響音データに基づきデータベース４１と照合することで、次工程でレーザ光Ｌが照射される帯材保持台１９の各箇所の局所的な含水率を算出しておく。そして、上記算出された含水率に基づいた最適な加工速度の条件をＮＣコントローラ２３に送信する。

上記構成とすると、帯材保持台１９の含水率が局所的に異なり不均一である場合でも、各加工箇所における含水率に応じた加工速度でＸＹテーブル２１が送られて、帯材保持台１９のスリットを正確な寸法精度で加工することができる。
なお、反響検知手段４３による反響音４７の取得は、レーザ加工と同時に加工箇所近傍で行うことで、試運転を不要としてもよい。また、帯材保持台１９の含水率がほぼ均一であると考えられる場合には、帯材保持台１９の一部について反響音を取得することで平均含水率を求めるようにしても構わない。

図７は第３実施形態を示す。
第２実施形態との相違点は、発音手段４５で帯材保持台１９に音波を照射して反響音を取得する代わりに、物理的衝撃手段５０で帯材保持台１９の表面を打撃した際の反響音を取得して最適条件に加工速度等の加工条件を演算補正するようにしている。
物理的衝撃手段５０は、シリンダ部５１と、下端にハンマー部５２ａを有するピストン部５２とを備え、信号線５３を介してコンピュータ４８に接続されている。つまり、ピストン５２を所要のタイミングで昇降させて、刃物保持台１９の表面にハンマー部５２ａを軽く衝突させ、その反響音を集音手段４４で集音している。ハンマー部５２ａの材質は、刃物保持台１９の材質と同じものを用いれば、互いの材料の固有振動数が一致して共鳴により反響音を取得し易くなる利点があると共に、片側の材料（刃物保持台１９またはハンマー部５２ａ）の衝突負けによる変形も防止できる。
なお、この場合のデータベースは物理的衝撃手段による反響音の値と帯材保持台１９の含水率との関係に関する実験データを保存していることとする。また、他の構成は第２実施形態と同様であるため説明を省略する。

本発明の第１実施形態の加工装置を示す構成図である。 スリットの加工を示す要部拡大断面図である。 （Ａ）はレーザ光の照射を示す斜視図、（Ｂ）はスリットのブリッジを示す図面である。 帯材保持台への帯材の植え込みを示す断面図である。 第２実施形態の加工装置を示す構成図である。 含水率の計測原理を示す要部拡大図である。 第３実施形態の含水率の計測原理を示す要部拡大図である。 帯材保持台へのスリットの形成を説明する図面である。 従来例を示す図面である。

符号の説明

１０、４０ 加工装置
１１ レーザ加工機構
１２ レーザ発振器
１３ レーザ通路部
１３ａ 開口
１４ ベンドミラー
１５ 集光レンズ
１８ 制御装置
１９ 帯材保持台
１９ａ スリット
２０ 針状支持材
２１ ＸＹテーブル（移動手段）
２２ ＡＣサーボ
２３ ＮＣコントローラ
２４ Ｚテーブル
２５ コンピュータ
２６ 演算制御手段
２７、４１ データベース
２８ 入力手段
２９ 出力手段
３０ 集音手段
３１ 帯材
３２ 薄肉鉄板
３３ 紙シート
３４ 裏板
４３ 反響検知手段
４４ 集音手段
４５ 発音手段
４６ 音波
４７ 反響音
５０ 物理的衝撃手段
Ｌ レーザ光
Ｗ 細胞水

Claims (4)

1. 含水性材質の帯材保持台にレーザ光を照射して帯材植え込み用のスリットを形成する加工装置において、
   上記レーザ光を上記帯材保持台に向けて照射するレーザ加工機構と、
   上記レーザ光と上記帯材保持台とを相対変位させる移動手段と、
   レーザ加工時の加工音を取得する集音手段と、
   上記移動手段および上記集音手段に接続されると共に、上記帯材保持台と上記レーザ光との相対移動速度を含む加工条件について加工音の値に応じた最適加工条件を保存しているデータベースを有するコンピュータとを備え、
   上記コンピュータは上記集音手段で集音された加工音の値に基づいて上記帯材保持台と上記レーザ光との相対移動速度を含む加工条件を上記データベースより取得される最適加工条件に演算補正する演算制御手段を設けていることを特徴とする帯材保持台の加工装置。
2. 上記データベースと照合する加工音は、上記帯材保持台の含水率に応じて上記レーザ光の照射開始時に発生する水蒸気爆発音を含む加工音としている請求項１に記載の帯材保持台の加工装置。
3. 軟質材打ち抜き用の抜型を構成する上記帯材保持台は上記スリットに金属製の上記帯材が植え込まれるものであって、
   上記帯材保持台と上記レーザ光との相対移動速度は、一つの加工区間である上記スリット全長にわたって一定または可変としている請求項１または請求項２に記載の帯材保持台の加工装置。
4. 含水性材質の帯材保持台にレーザ光を照射して帯材植え込み用のスリットを形成する加工装置において、
   上記レーザ光を上記帯材保持台に向けて照射するレーザ加工機構と、
   上記レーザ光と上記帯材保持台とを相対変位させる移動手段と、
   上記帯材保持台ヘ向けた音波の反響音あるいは物理的衝撃手段による衝撃時の反響音を取得する反響検知手段と、
   上記移動手段および上記反響検知手段に接続されると共に、上記帯材保持台と上記レーザ光との相対移動速度を含む加工条件について上記反響音の値に応じた最適条件を保存しているデータベースを有するコンピュータとを備え、
   上記コンピュータは上記反響検知手段で取得された反響音の値に基づいて上記帯材保持台と上記レーザ光との相対移動速度を含む加工条件を上記データベースより取得される最適加工条件に演算補正する演算制御手段を設けていることを特徴とする帯材保持台の加工装置。

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