JP2006110592A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 所要時間を短縮して安定した穿孔加工を行う。
【解決手段】 レーザ発振器（３１）のノズル（４２）から出力されるレーザ光をワークピース（Ｗ）に照射して加工を行うレーザ加工装置（１）において、ワークピースとノズルとの間のギャップ量を検出するギャップ量センサ（４３）と、レーザ加工に適した位置までノズルをワークピースに向かってアプローチさせるアプローチ手段（４１）とを具備し、アプローチ手段は、ギャップ量センサにより検出されるギャップ量が所定の値になるまでギャップ量を用いつつノズルをワークピースにアプローチさせる第一のアプローチ動作（１２ａ）と、該第一のアプローチ動作後に、ギャップ量センサにより検出されるギャップ量を用いることなしにアプローチ完了までノズルをワークピースにアプローチさせる第二のアプローチ動作（１２ｂ）とを行うようにしたレーザ加工装置が提供される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ワークピースに穿孔加工を行うのに用いられるレーザ加工装置に関する。

一般的なレーザ加工装置、例えば特許文献１に開示されるレーザ加工装置は、レーザを照射するノズルの先端とレーザ加工されるワークピースとの間の距離（以下、「ギャップ量」と称する）を検出するギャップセンサをノズル先端近傍に備えている。そして、レーザ加工装置による切断を開始するときには、ギャップセンサにより検出されるギャップ量に基づいて、ノズルをワークピースにアプローチさせる。次いで、ノズルが所望の位置まで到達すると、レーザを照射して穿孔加工が行われ、穿孔後に切断加工が開始される。そして、切断加工時においても、ノズル先端とワークピース表面との間のギャップ量を一定に維持するために、ギャップセンサを用いたギャップ制御が引き続き行われる。

ところで、切断加工の前に行われる穿孔加工時には、レーザを照射しているのでワークピースからスパッタが跳ね返り、それにより、ギャップセンサが正常に動作しなくなって、ギャップ制御軸の動作が不安定になる場合がある。このような不具合を避けるために、穿孔加工時には、ギャップセンサを用いたギャップ制御を一旦、キャンセルするようにしている。

すなわち、特許文献１などに示される一般的なレーザ加工装置においては、（１）ギャップ制御軸のアプローチ動作開始、（２）アプローチ完了、（３）ギャップ制御キャンセル、（４）穿孔指令実行、（５）ギャップ制御再開、（６）切断指令の実行開始の順番で処理が行われている。すなわち、一般的なレーザ加工装置においては、穿孔加工に適した位置にノズルをアプローチさせてから穿孔加工を行い、次いで穿孔加工完了後に切断加工を開始している。
特開平１−２１８７８０号公報

しかしながら、特許文献１に示されるような一般的なレーザ加工装置の場合には、前述したようにノズルのアプローチが完了した後で穿孔加工を行っている。つまり、一般的なレーザ加工装置の場合にはノズルのアプローチが完了するのを待つ必要があるので、全体として加工時間が延びるという問題がある。

また、穿孔加工時にはギャップ制御を一旦キャンセルしている。一方、このようなギャップ制御のキャンセルを行わない場合には、穿孔加工時に生ずるスパッタの影響によりギャップセンサの動作が不安定になるのでギャップ制御自体も不安定になって、良好な穿孔加工が得られない。ギャップ制御をキャンセルすることはこのような理由により行われているが、ギャップ制御を一旦キャンセルするためにも或る程度の時間が掛かるので、ギャップ制御をキャンセルすること自体も加工時間遅延の原因となっている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、所要時間を短縮して安定した穿孔加工を行うことのできるレーザ加工装置を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目に記載の発明によれば、レーザ発振器のノズルから出力されるレーザ光をワークピースに照射して加工を行うレーザ加工装置において、前記ワークピースと前記ノズルとの間のギャップ量を検出するギャップ量センサと、レーザ加工に適した位置まで前記ノズルを前記ワークピースに向かってアプローチさせるアプローチ手段とを具備し、前記アプローチ手段は、前記ギャップ量センサにより検出されるギャップ量が所定の値になるまで前記ギャップ量を用いつつ前記ノズルを前記ワークピースにアプローチさせる第一のアプローチ動作と、該第一のアプローチ動作後に、前記ギャップ量センサにより検出されるギャップ量を用いることなしにアプローチ完了まで前記ノズルを前記ワークピースにアプローチさせる第二のアプローチ動作とを行うようにしたレーザ加工装置が提供される。

第一のアプローチ動作後の第二のアプローチ動作においてはスパッタの影響により検出されたギャップ量が不安定となる可能性があるものの、１番目の発明においては、第二のアプローチ動作においては実際のギャップ量を使用していないので、ノズルを正確かつ安定してアプローチさせられる。さらに、１番目の発明においては、第一および／または第二のアプローチ動作を一旦キャンセルすることを行っておらず、キャンセルに要する時間を排除して加工時間全体を短縮することができる。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記第二のアプローチ動作の開始と同時にレーザ光を前記ワークピースに照射して加工を行うようにした。
すなわち２番目の発明においては、ノズルのアプローチの途中でレーザ加工を開始するようにしているので、ノズルのアプローチ完了後にレーザ加工を開始する場合よりも加工時間を短縮することができる。

３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記第一のアプローチ動作においては、前記ギャップ量センサにより検出されるギャップ量に基づいて前記ノズルのアプローチ速度を算出し、前記第二のアプローチ動作においては、前記所定の値が前記第一のアプローチ動作の終了直前における前記ワークピースと前記ノズルとの間のギャップ量に等しいことと、前記ノズルのアプローチ速度の平均値が前記第一のアプローチ動作の終了直前のアプローチ速度の半分の値に等しいこととを条件としてギャップ量をシミュレートすることにより、前記ノズルのアプローチ速度を算出するようにした。
すなわち３番目の発明においては、シミュレートによりギャップ量およびアプローチ速度を算出しているので、これらギャップ量およびアプローチ速度を比較的正確に求めることができる。

４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、さらに、前記シミュレートされた前記ギャップ量に信号もしくは設定値によって重みをつけることにより前記アプローチ速度を調整する調整手段を備えた。
すなわち４番目の発明においては、シミュレートされたギャップ量に重みをつけることにより、さらに適切な値のアプローチ速度をシミュレートにより算出することができる。

各発明によれば、所要時間を短縮して安定した穿孔加工を行うことができるという共通の効果を奏しうる。

さらに、２番目の発明によれば、ノズルのアプローチ完了後にレーザ加工を開始する場合よりも加工時間を短縮することができるという効果を奏しうる。

さらに、３番目の発明によれば、ギャップ量およびアプローチ速度を比較的正確に求めることができるという効果を奏しうる。

さらに、４番目の発明によれば、さらに適切な値のアプローチ速度をシミュレートにより算出することができるという効果を奏しうる。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同一の部材には同一の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
本発明に基づくレーザ加工装置のブロック図である。図１に示されるように、レーザ加工装置１は該レーザ加工装置１を制御するための計算機数値制御装置（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ、ＣＮＣ）１０を含んでいる。図示されるように、表示装置２１、例えばＣＲＴ、液晶などがＣＮＣ１０接続されており、これら表示装置２１には後述するノズル４２の位置、移動速度、レーザ出力状態、加工条件などが表示される。また、入力装置２２、例えばキーボード、マウスなどもＣＮＣ１０に接続されており、これら入力装置２２は操作者がレーザ加工装置１の指令値、各種データ、パラメータなどを入力するのに使用される。

さらに、レーザ加工装置１は、ＣＮＣ１０に接続されたレーザ発振器３１を含んでいる。レーザ発振器３１はノズル４２に接続されており、レーザ発振器３１において発振増幅されたレーザ光がこのノズル４２から照射される。さらに、図示されるようにノズル４２にはギャップセンサ４３が設けられている。ギャップセンサ４３はノズル４２の先端４２ａとレーザ加工されるワークピースＷとの間の距離、つまりギャップ量ｘを非接触式に検出して、ＣＮＣ１０のギャップ量算出手段１１に供給する役目を果たす。また、ノズル４２をギャップセンサ４３と一緒に昇降させる昇降軸部（図示しない）を矢印Ｚの方向に動作させるのに用いられるモータ４１もＣＮＣ１０に接続されている。昇降軸部が延びる方向はノズル４２の長手方向に等しいものとする。なお、図１においてはノズル４２から照射されたレーザ光がワークピースＷに跳ね返ることにより形成されるスパッタｓが示されている。

図示されるように、レーザ加工装置１のＣＮＣ１０は、ギャップセンサ４３からの出力値に応じてギャップ量ｘを算出するギャップ量算出手段１１と、ノズル４２のＺ方向へのアプローチ速度、すなわちギャップ制御速度ｖを算出するギャップ制御速度算出手段１２とを含んでいる。そして、図１から分かるように、ギャップ制御速度算出手段１２は、ギャップ量ｘに基づいてギャップ制御速度ｖを演算する演算処理部１２ａと、ギャップ量ｘを用いることなしにシミュレートによりギャップ制御速度ｖを算出するシミュレート処理部１２ｂとを備えている。これら演算処理部１２ａおよびシミュレート処理部１２ｂのいずれか一方は、ＣＮＣ１０に備えられた切換器１５によってギャップ量ｘに応じて選択される。演算処理部１２ａおよびシミュレート処理部１２ｂにおける具体的な処理は後述する。さらに、図示されるように、ギャップ制御速度算出手段１２は切換器１５を介してモータ４１に接続されており、モータ４１はギャップ制御速度算出手段１２により算出されたギャップ制御速度ｖに基づいてが作動するようになっている。

図２は、本発明に基づくレーザ加工装置のノズルがアプローチしつつレーザ出力するフローチャートを示す図である。図２のフローチャートを実行するためのプログラム１００はＣＮＣ１０の記憶部（図示しない）、例えばＲＯＭまたはＲＡＭなどに予め記憶されているものとする。図２に示されるプログラム１００のステップ１０１においては、穿孔加工用のレーザ出力条件と、穿孔加工を開始する穿孔ギャップ量ｘ１とを設定する。次いで、ステップ１０２において、プログラム指令によりギャップ制御モードを開始する。これにより、保持テーブルなどに予め保持されたワークピースＷに向かってレーザ加工装置１のノズル４２をアプローチさせる。

そして、ステップ１０２におけるギャップ制御モードの開始と同時にステップ１０３において、ギャップセンサ４３によりギャップ量ｘの検出が行われる。なお、ギャップセンサ４３によるギャップ量ｘの検出動作は随時行われているものとする。さらに、ギャップ制御モードの開始と同時にステップ１０４においては、図１に示される切換器１５によって演算処理部１２ａが選択され、ギャップ制御速度ｖの制御が通常の演算処理により行われるようになる。

図３は、ギャップ量ｘとギャップ制御速度ｖとの関係を示す図である。図３においては、縦軸はギャップ制御速度ｖを示しており、横軸はギャップ量ｘを示している。図３においては、ギャップ量ｘが大きいほどギャップ制御速度ｖも大きくなり、またギャップ量ｘが小さくなるほど、つまりノズル４２がワークピースＷに接近するほどギャップ制御速度ｖが小さくなる。本発明の演算処理部１２ａにおいては、ギャップ量ｘが穿孔ギャップ量ｘ１よりも大きい場合（かつ初期ギャップ量ｘ０よりも小さい場合）に、ステップ１０３で検出されたギャップ量ｘに基づいて図３に示される線形関係が得られるようにギャップ制御速度ｖを算出している。

次いで、ステップ１０５において、ギャップセンサ４３により検出される現在のギャップ量ｘが穿孔加工を開始する穿孔ギャップ量ｘ１以下であるか否かが判定される。ギャップ量ｘが穿孔ギャップ量ｘ１以下であると判定された場合にはステップ１０６に進む。一方、ギャップ量ｘが穿孔ギャップ量ｘ１よりも大きいと判定された場合にはステップ１０３に戻り、ギャップ量ｘが穿孔ギャップ量ｘ１以下になるまで処理を繰り返す。

そして、ギャップ量ｘが穿孔ギャップ量ｘ１以下になると、ステップ１０６において、レーザ発振器３１からのレーザをノズル４２の先端４２ａより出力させ、それにより、ワークピースＷの穿孔加工が開始されるようになる。さらに、穿孔加工の開始と同時に、ステップ１０７において切換器１５がシミュレート処理部１２ｂへと切り換えられ、ギャップ制御速度ｖの算出がシミュレートにより行われるようになる。

以下、シミュレート処理部１２ｂにおけるシミュレート処理について説明する。はじめに、演算処理部１２ａからシミュレート処理部１２ｂに切り換えられる直前のギャップ量ｘ、つまり穿孔ギャップ量ｘ１とこのときのギャップ制御速度ｖ１とが記憶される。

次いで、ギャップ制御速度ｖ１の半分の値（０．５×ｖ１）をノズル４２がワークピースＷ表面に到達するまでの平均速度ｖｍとみなす。さらに、演算処理部１２ａからシミュレート処理部１２ｂへの切換時でのギャップセンサ４３によるギャップ量ｘ、つまり穿孔ギャップ量ｘ１をノズル４２がワークピースＷ表面まで移動する移動距離とみなす。

このような条件下において、シミュレート処理部１２ｂは、前述した平均速度ｖｍと移動距離ｘ１とを用いて、ノズル４２がワークピースＷ表面に到達するのに要する時間ｔ（＝ｘ１／ｖｍ）を算出する。そして、演算処理部１２ａからシミュレート処理部１２ｂへの切換時におけるギャップ量ｘが時間ｔのときに等速度的に零になるように、ギャップ量ｘが算出され、これに基づいてギャップ制御速度ｖが算出される。つまり、演算処理部１２ａからシミュレート処理部１２ｂに切り換えられた後においては、ギャップセンサ４３により検出される実際のギャップ量ｘを使用せず、シミュレート処理部１２ｂによるシミュレートによりギャップ量ｘおよびギャップ制御速度ｖを算出している。

前述したようにノズル４２がワークピースＷ表面に接近するとスパッタｓの影響によりギャップセンサ４３の動作が不安定になるのでギャップ制御自体も不安定になっていたが、本発明においてはギャップ量ｘが移動距離ｘ１以下になると演算処理部１２ａからシミュレート処理部１２ｂへの切換を行うようにしている。そして、シミュレート処理部１２ｂを使用した後ではギャップセンサ４３からの実際のギャップ量ｘを使用していない。このため、本発明においてはスパッタの影響によりギャップセンサ４３の動作が不安定となった場合であっても、その影響を受けることなしに、ノズル４２のギャップ制御速度ｖを算出することができ、それにより、安定した穿孔加工が得られるようになる。

なお、シミュレート処理部１２ｂにおいてギャップ量ｘおよびギャップ制御速度ｖをシミュレートする際に、所定の信号または設定値を用いてシミュレートされた値に重みを適宜つけるようにしてもよい。この場合には、図１に示されるようにシミュレート処理部１２ｂに接続された調整部１２ｃが適宜使用されるものとする。このような調整部１２ｃを用いることにより、さらに適切な値のギャップ量ｘおよびギャップ制御速度ｖをシミュレートにより算出することが可能となる。

再び図２を参照すると、プログラム１００のステップ１０８において、ワークピースＷに対する穿孔加工が完了したか否かが判定される。ワークピースＷに対する穿孔加工が完了していると判定された場合にはステップ１１１に進む。ステップ１１１においては、切換器１５によってシミュレート処理部１２ｂから演算処理部１２ａへの切換が行われ、それにより、ギャップ制御速度ｖが演算処理により算出されるようになる。

一方、ワークピースＷに対する穿孔加工が完了していないと判定された場合には、ステップ１０９に進み、シミュレート処理部１２ｂによってギャップ量ｘがシミュレートされる。次いで、ステップ１１０において、シミュレートされたギャップ量ｘが基準値ｘ２以下であるか否かが判定される。基準値ｘ２は移動距離ｘ１よりも小さい値であり、ノズル４２のワークピースＷへのアプローチが完了したことを示す値である。

ステップ１１０においてギャップ量ｘが基準値ｘ２以下であると判定された場合にはステップ１１１に進んで、通常の演算処理に戻る。一方、ギャップ量ｘが基準値ｘ２より大きいと判定された場合には処理を終了する。なお、ステップ１１０においてギャップ量ｘが基準値ｘ２より大きいと判定された場合には、ステップ１０９に再び戻り、ギャップ量ｘが基準値ｘ２以下になるまで処理を繰り返すようにしてもよい。さらに、図２には示さないものの、穿孔加工が完了した後に、切断加工を適宜行うことも本発明の範囲に含まれる。

図２を参照して説明したように、本発明においては、ノズル４２のアプローチが完了する前に穿孔加工を開始している。つまり、従来技術のようにノズル４２のアプローチの完了を待つ必要がないので、本発明においては従来技術の場合よりも加工時間を短縮することが可能となる。さらに、本発明においては従来技術の場合のようにギャップ制御を一旦キャンセルすることを行っていない。すなわち、本発明においてはギャップ制御を一旦キャンセルするのに要する時間が不要であるので、その分だけ加工時間をさらに短縮することができる。

本発明に基づくレーザ加工装置のブロック図である。 本発明に基づくレーザ加工装置のノズルがアプローチしつつレーザ出力するフローチャートを示す図である。 ギャップ量ｘとギャップ制御速度ｖとの関係を示す図である。

符号の説明

１ レーザ加工装置
１１ ギャップ量算出手段
１２ ギャップ制御速度算出手段
１２ａ 演算処理部
１２ｂ シミュレート処理部
１５ 切換器
２１ 表示装置
２２ 入力装置
３１ レーザ発振器
４１ モータ
４２ ノズル
４２ａ 先端
４３ ギャップセンサ
Ｗ ワークピース
ｘ ギャップ量

Claims (4)

1. レーザ発振器のノズルから出力されるレーザ光をワークピースに照射して加工を行うレーザ加工装置において、
   前記ワークピースと前記ノズルとの間のギャップ量を検出するギャップ量センサと、
   レーザ加工に適した位置まで前記ノズルを前記ワークピースに向かってアプローチさせるアプローチ手段とを具備し、
   前記アプローチ手段は、前記ギャップ量センサにより検出されるギャップ量が所定の値になるまで前記ギャップ量を用いつつ前記ノズルを前記ワークピースにアプローチさせる第一のアプローチ動作と、該第一のアプローチ動作後に、前記ギャップ量センサにより検出されるギャップ量を用いることなしにアプローチ完了まで前記ノズルを前記ワークピースにアプローチさせる第二のアプローチ動作とを行うようにしたレーザ加工装置。
2. 前記第二のアプローチ動作の開始と同時にレーザ光を前記ワークピースに照射して加工を行うようにした請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記第一のアプローチ動作においては、前記ギャップ量センサにより検出されるギャップ量に基づいて前記ノズルのアプローチ速度を算出し、
   前記第二のアプローチ動作においては、前記所定の値が前記第一のアプローチ動作の終了直前における前記ワークピースと前記ノズルとの間のギャップ量に等しいことと、前記ノズルのアプローチ速度の平均値が前記第一のアプローチ動作の終了直前のアプローチ速度の半分の値に等しいこととを条件としてギャップ量をシミュレートすることにより、前記ノズルのアプローチ速度を算出するようにした請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. さらに、前記シミュレートされた前記ギャップ量に信号もしくは設定値によって重みをつけることにより前記アプローチ速度を調整する調整手段を備えた請求項３に記載のレーザ加工装置。

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