JP2008290135A - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加工速度を自動的に設定する機能を備えた高速レーザ加工において、加工品質が悪化し得る速度範囲での加工を自動的に回避することができる安価なレーザ加工装置及び加工方法を提供する。
【解決手段】レーザ切断速度が遷移速度範囲内にある場合は、切断速度は自動的に遷移速度範囲外又はその境界値に設定される。従って加速度の制限等から定められるレーザ切断速度が遷移速度範囲内にある場合であっても、実際に遷移速度範囲内の切断速度でレーザ加工が行われることはなく、常に切断面の品質が良好に安定した加工を行うことができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ光を集光して被加工物に照射し、加工ヘッドを被加工物に対し相対的に移動させ、被加工物上の集光点を走査して、走査軌跡上の形状を以って切断等のレーザ加工を行う技術に関する。

一般に、集光点を走査する方式のレーザ加工装置では、種々の金属材料からなる最大厚さ２ｍｍ程度までの薄板を、１０ｍ／分以上の高い加工速度で切断加工等をすることができる。このようなレーザ加工装置では、円、コーナ部等の円弧を含む形状を切断加工するときに、加工ヘッドに指令した加工経路と実際の加工経路とが、その高速ゆえに乖離することがある。そこで例えば特許文献１には、予め作成されたＣＮＣデータを読み込んでおき、エッジを構成する最初の補間指令に対し自動減速指令コードを付加する技術が開示されている。

また、特にワークのコーナ部において正確なエッジを形成するために、特許文献２には、レーザ出力、周波数、デューティ、アシストガス圧等のレーザ加工条件を切り替える方法が開示されている。この方法は、コーナ部等において減速時は加工条件を一定に保持し、減速完了点において加工速度を一定に保持するとともに加工条件を切り替え、加速開始とともに減速前の加工条件に切り替えるものである。

さらに特許文献３には、コーナ部における加工速度の低下に対応してレーザ出力を低下させる制御方法が開示されている。この方法では、レーザ加工機に設定されている加工条件に従ってレーザ出力のデューティ比を直線的又は指数関数的に制御して、コーナ部での加工精度の向上を図っている。

特開平３−１５５４８５号公報 特開平７−１９５１８６号公報 特開昭６３−２７３５８５号公報

上述のように薄板材料のレーザ加工は近年高速化の傾向にあるが、円又は円弧を含む部分を加工する場合は、加工精度の向上を図るためにレーザ加工速度が直線形状の加工時に比べ制限される。具体的には、被加工物に対するレーザ加工ヘッドの相対速度（レーザ加工速度）について、その加速度の大きさ又は加々速度（加速度の時間変化）の大きさに上限値が設けられる。例えば図５は、円又は円弧の加工において切断方向に対する法線方向の加速度ａの上限値が１０ｍ／ｓ²に設定された場合の、円又は円弧の半径ｒと加工速度ｖとの関係を表すグラフである。ここで円又は円弧の場合、加速度ａ、半径ｒ及び加工速度ｖの間にはａ＝ｖ²／ｒの関係が成り立つので、加速度が上限値を超えない（概ね上限値に等しくなる）ように加工速度を制御した場合、半径ｒの変化に伴って加工速度はグラフのように自動的に変化する。

しかし発明者らは、レーザ加工速度と被加工物の切断面の状態との関係を注意深く調査したところ、例えば１０〜２０ｍ／分のようなある加工速度範囲Ｄ内のレーザ加工速度では、被加工物の切断面の面粗度が悪化するとともに、しばしばドロスを伴う場合が多い（詳細は後述）ことを見出した。ここで上述のように加工速度を自動的に設定する制御を行うと、レーザ加工速度がこの速度範囲Ｄ内に入る（図示例では半径２．８〜１１．１ｍｍの円又は円弧を加工する）ときには、その間の切断面の品質が悪化する虞がある。

また上記特許文献等の従来技術においても、実際の加工経路を指定された加工経路にいかに正確に合わせるかについては種々の改良がなされているが、極端に低速又は高速ではない言わば中間の特定の加工速度範囲において加工品質が悪化することや、その加工品質の悪化を回避する方法についての記載はない。

そこで本発明は、加工速度を自動的に設定する機能を備えた高速レーザ加工において、加工品質が悪化し得る速度範囲での加工を自動的に回避することができる安価なレーザ加工装置及び加工方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、レーザ光を集光して被加工物に照射し、数値制御装置により、加工ヘッドを被加工物に対し相対移動させることにより前記被加工物上の集光点を走査してレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、前記数値制御装置は、前記被加工物に対する前記加工ヘッドの加工速度についての加速度の大きさ又は加速度の時間変化の大きさが予め定めた値を超えないように加工速度を制限する速度制限部と、加工速度が被加工物の加工品質に基づいて予め定められた加工速度範囲内にあるときには、前記加工速度範囲の下限値以下に加工速度を変更する速度変更部とを備えることを特徴とする、レーザ加工装置を提供する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工装置において、前記レーザ加工装置が円又は円弧形状を加工する場合に、前記速度制限部は、前記被加工物に対する前記加工ヘッドの加工方向に対する法線方向の加速度の大きさが予め定めた値を超えないように加工速度を制限する、レーザ加工装置を提供する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置において、前記速度制限部及び前記速度変更部はオペレータの指示に優先して作用する、レーザ加工装置を提供する。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、前記加工速度範囲は１０〜２０ｍ／分である、レーザ加工装置を提供する。

また請求項５に記載の発明は、レーザ光を集光して被加工物に照射し、加工ヘッドを被加工物に対し相対移動させることにより前記被加工物上の集光点を走査してレーザ加工を行うレーザ加工方法であって、前記被加工物に対する前記加工ヘッドの加工速度についての加速度の大きさ又は加速度の時間変化の大きさが予め定めた値を超えないように加工速度を制限するステップと、加工速度が被加工物の加工品質に基づいて予め定められた加工速度範囲内にあるときには、前記加工速度範囲の下限値以下に加工速度を変更するステップとを備えることを特徴とする、レーザ加工方法を提供する。

本発明によれば、レーザ切断速度が加工品質に基づいて予め定められた加工速度範囲内にある場合は、加工速度は自動的に加工速度範囲外又は境界値に設定される。従って加速度の制限等から定められるレーザ加工速度が上記加工速度範囲内の値となった場合に、実際に加工速度範囲内の切断速度でレーザ加工が行われることを回避し、故に切断面の品質が安定した加工を行うことができる。

レーザ加工装置が加工すべき形状が円又は円弧である場合は、加工速度は加工方向に対する法線方向の加速度に基づいて制限されることが加工精度の点から有利である。

速度制限部及び速度変更部をオペレータの指示に優先して作用させることにより、オペレータが指示速度を誤った場合でも適切な速度設定がなされる。

加工速度範囲を１０〜２０ｍ／分とすることにより、殆どの薄板材料の加工において加工品質の悪化を防止することができる。

本発明に係るレーザ加工装置１０は、図１に示すように、基本的には一般的なレーザ加工装置でよく、レーザ発振器１２、導光光学系１４、集光光学系１６、走査機構１８、制御装置２０及び自動プログラミング装置２２を有する。以下、各構成要素及びその機能等について簡単に説明する。

レーザ発振器１２は、例えばＣＯ₂レーザ又はＹＡＧレーザであり、数ワットから数キロワットのレーザ光を出力することができる。

導光光学系１４は、レーザ光を集光光学系１６の加工ヘッドに導くための反射鏡又は光ファイバを含む。

集光光学系１６は、レンズ又は曲率を有する反射鏡を含む。また集光光学系１６は、アシストガスを吹き付けるための加工ノズル２４と、レーザビーム光軸方向についての集光点及び被加工物の位置調整を行う位置調整機構を有する加工ヘッド２６とを有する。加工ヘッド２６はさらに、被加工物との距離を測定する距離センサ２８を有する。レーザ加工中は、距離センサ２８で測定された値に基づいて、加工ヘッド２６と被加工物との距離が一定に制御される。

走査機構１８は、被加工物に対する集光点の位置を変更するものであるが、具体的には加工ヘッド２６を移動させる場合と被加工物を移動させる場合とがある。多関節ロボットのような形態をとることもできる。

制御装置２０は、図１に示すように、走査機構１８を動かすための数値制御装置３０及びサーボ機構３２を備える。数値制御装置３０は、移動指令文等のＮＣ文を解読して、サーボ機構３２に移動指令を出す。サーボ機構３２は、フィードバック制御により走査機構１８を駆動する。移動指令文には、レーザ加工を行うために適切な加工速度を指定することができる。速度の指定方法としては、移動指令文自体に切断速度を明記する方法、移動指令文には加工条件という形で記述し、その加工条件に加工速度を格納しておく方法、あるいは予め加工速度を決めておき、数値制御装置３０に備えられた操作盤（図示せず）にて加工速度を選択する方法等がある。

また、レーザ加工を行わない部分の移動経路の速度も、同様に種々の方法で指令可能である。走査機構１８を動かすための加減速においては、数値制御装置３０において、先ず接線方向の加速度及び加々速度の制限を考慮しつつ、補間周期に出力される移動指令として速度指令が計画される。円弧経路においては法線方向の加速度について、円弧と直線との接続点については法線方向の加々速度について、制限を超えないように接線速度が修正される。なお接線方向及び法線方向の加速度及び加々速度を利用する代わりに、第１の座標系の各軸方向成分、又はその合成成分の絶対値の大きさを利用してもよい。このようにして、一連の円滑に接続された経路の始点から終点まで、加々速度、加速度及び速度が制限値を超えないように走査機構が駆動される。また各軸についても、加々速度、加速度及び速度の制限値が監視される。

また数値制御装置３０は、後述するように、被加工物に対する加工ヘッド２６の加工速度についての加速度の大きさ又は加速度の時間変化の大きさが予め定めた値を超えないように加工速度を制限する速度制限部３４と、速度制限部３４により制限された加工速度が被加工物の加工品質に基づいて定められる加工速度範囲内にあるときには、その加工速度範囲の下限値以下に加工速度を変更する速度変更部３６とを備える。

ここまで説明したレーザ加工装置は、レーザ加工を行うための一体の装置として説明されたが、所望の形状を得るために、オンライン又はオフラインで使用する自動プログラミング装置２２（図１）をさらに備えてもよい。自動プログラミング装置２２は、図形データから移動指令文すなわちＮＣプログラムを作成するものである。レーザ切断においては、自動プログラミング装置２２は所望の形状から、レーザ切断に必要なアプローチ経路、ミクロジョイント、コーナループ及びピアシング指令等を自動で又は指示に基いて計算することにより、ＮＣプログラムを生成する。

実際にレーザ切断で製作される板金製品の形状は、線分、円、円弧又はそれらの組合せで記述され、輪郭形状及び製品内の穴形状から構成される。レーザ切断を行う場合、原材料の板材に複数の製品が配置され、一点、一点順次、所望の形状を切断する方法と、先ず穴形状を全て切断して抜き去ってから輪郭形状を切断する方法とがある。いずれの方法でも加工ヘッドは、一連のレーザ照射を伴う経路区間と、レーザ照射を行わない経路区間とを交互に経ながら製品を切断していく。

前述のように本発明は、レーザ加工速度には切断面の品質が悪化し得る特定の範囲が存在することを見出し、この範囲を自動的に回避できる機能を備えたレーザ加工装置を提供するものである。

本願発明者らは、加工速度ごとの薄板金属のレーザ切断を注意深く観察した結果、例えば板厚１ｍｍのステンレス鋼をレーザで切断加工する場合、切断速度１０ｍ／分以下と２０ｍ／分以上とでは加工中の様相が異なることを見出した。具体的には、加工速度１０ｍ／分以下では被加工物すなわちワークの下側（レーザ加工ヘッドの反対側）に火花が発生するだけであるが、２０ｍ／分以上ではそれに加えて、ワークの上側にプラズマ様の強力な青色光が観測される。両速度範囲では、切断面の面質に相違はあるものの、いずれの切断品質も良好といえるものである。詳細には、１０ｍ／分以下の場合は切断面に縦方向（レーザ照射方向）の細かい条痕が見られるものの、平坦で面粗度の小さい切断面が得られる。一方２０ｍ／分以上では、１０ｍ／分以下に比べれば切断面の条痕が全体的にやや「うねり」を有する傾向があるものの、鏡面に近い良好な切断面が得られる。

一方、加工速度が１０〜２０ｍ／分の場合は、ワーク下側に火花が生じる点は同じであるが、ワーク上側に生じる青色光はしばしば不安定で、間欠的かつ不規則に出現と消滅とを繰り返す場合がある。結果として、切断面の面粗度が大きくなる傾向が顕著であり、またドロスが付着する場合も多い。また外観上はワーク上側の青色光が連続的に発生する場合もあるが、その場合でも面粗度の低下やドロス付着の傾向にはあまり変化がない。以上のことから、レーザ加工においては、加工時の様相が異なる２つの速度範囲（ここでは１０ｍ／分以下と２０ｍ／分以上）が存在し、またその２つの速度範囲の間に切断品質が悪化する遷移速度範囲（ここでは１０〜２０ｍ／分）が存在することがわかる。

なお上記の観察結果は板厚１ｍｍのステンレス鋼という特定の条件に限られず、板厚が約２ｍｍ以下のステンレス鋼、軟鋼及びアルミニウム合金においても概ね同様となることが確認されている。

図２は、図１のレーザ加工装置によって円又は円弧を切断加工する場合の処理の流れを示すフローチャートである。先ずステップＳ１において切断指令及びそれに含まれる切断指示速度Ｖを解読し、次にステップＳ２において法線方向の加速度ａを計算する。ここで加速度ａは、切断経路の半径ｒ及び加工速度Ｖを用いてａ＝Ｖ²／ｒにより求められる。

次にステップＳ３において、計算された加速度ａと予め定めた上限加速度Ａ（ここでは１０ｍ／ｓ²とする）とを比較する。加速度ａが上限加速度Ａより大きい場合は、切断速度ｖはｖ＝（Ａｒ）^1/2により求められる値に設定される（ステップＳ４）。一方加速度ａが上限加速度Ａ以下である場合は、切断速度ｖはそのまま指示速度Ｖに設定される（ステップＳ５）。

次のステップＳ６では、切断速度ｖが上述の遷移速度範囲内に入っているか否かを判定する。なおここでは遷移速度範囲は下限値Ｖminから上限値Ｖmaxまでの間の範囲を意味し、本実施例ではＶmin及びＶmaxはそれぞれ１０ｍ／分及び２０ｍ／分である。ここでｖが遷移速度範囲内であれば、上述のように切断面の品質が劣化する虞があるので、ステップＳ７に進んでｖをＶminに設定する。従って図３に示すように、ｖが１０ｍ／分から２０ｍ／分までの値である場合は、ｖは良好なレーザ切断品質が得られる１０ｍ／分に設定される。なおステップＳ７において加工速度ｖを１０ｍ／分より小さい値に設定してももちろんよいが、加工時間との関係から遷移速度範囲の下限値に設定されることが好ましい。

最後にステップＳ８において、設定された切断速度ｖに基づいてレーザ切断加工を行う。

以上のように、レーザ切断速度が遷移速度範囲内にある場合は、切断速度は自動的に遷移速度範囲外の値に設定される。従って加速度の制限等から定められるレーザ切断速度が遷移速度範囲内の値となった場合に、実際に遷移速度範囲内の切断速度でレーザ加工が行われることを回避し、故に切断面の品質が良好に安定した加工を行うことができる。

またオペレータが手動操作で遷移速度範囲内の切断速度を指定した場合にも、その指定された速度に関わらず上記考え方に基づいて加工速度が変更されることが好ましい。すなわち遷移速度範囲の回避をオペレータの指示に優先して行うことにより、オペレータは遷移速度範囲を意識することなく入力操作を行うことができる。

図３のグラフはレーザ切断速度が３０ｍ／分を超えないことを示しているが、これは加工ヘッド又は被加工物の送り速度に制限がある等、加工ヘッドと被加工物との相対移動速度に何らかの機構上の制約がある場合の一例を示したものである。このような制約も、上述のフローチャートに適宜組み込むことができる。

また図４は、図３（加速度の上限値が１０ｍ／ｓ²の場合）と同様の考え方を利用して、加速度の上限値が２０ｍ／ｓ²の場合を示すグラフである。この場合も、レーザ切断面の品質が悪化する虞がある遷移速度範囲内の切断速度でレーザ加工が行われることを回避することができる。

以上、遷移速度範囲を１０〜２０ｍ／分として説明してきたが、発明者らは、この範囲はレーザビームの特性値や、集光点のスポットサイズに依存することも見出している。例えば、Ｍ２値が１．５、ビーム直径が２４ｍｍのレーザビームを焦点距離が１２７ｍｍの集光レンズを用いてレーザ切断加工を行った場合、遷移速度範囲（すなわち切断面の悪化が確認された範囲）は１４〜１６ｍ／分と狭くなることがわかっている。このようにビーム品質が比較的高いレーザビームを使用すれば、遷移速度範囲は狭くなる傾向がある。従ってこのような場合は、それに応じて遷移速度範囲（具体的には上述のＶmin、Ｖmax）を変更すればよい。

上述の実施形態は円又は円弧の法線方向の加速度に上限値が設定されている場合についてのものであるが、加々速度に上限値が設定されている場合や、円又は円弧以外の形状の加工についてロボット各軸の加速度又は加々速度に上限値が設定されている場合にも、本発明は適用可能である。換言すれば、加工精度向上等のために種々の制約や条件が設定されている場合において、加工速度がその制約や条件に従ったときに上記遷移速度範囲に入る可能性があるときには、本発明は極めて有利な効果を奏する。

本発明に係るレーザ加工装置の基本構成を示すブロック図である。 図１のレーザ加工装置によるレーザ加工の流れを示すフローチャートである。 本発明に係るレーザ加工装置を用いて、上限加速度を１０ｍ／ｓ²として加工速度を規定した場合の円弧半径と加工速度との関係を示すグラフである。 図３に類似する図であって、上限加速度を１０ｍ／ｓ²から２０ｍ／ｓ²に変更した場合を示すグラフである。 従来のレーザ加工における、上限加速度を１０ｍ／ｓ²として加工速度を規定した場合の円弧半径と加工速度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１０ レーザ加工装置
１２ レーザ発振器
１４ 導光光学系
１６ 集光光学系
１８ 走査機構
２０ 制御装置
２２ 自動プログラミング装置
２４ 加工ノズル
２６ 加工ヘッド
２８ 距離センサ
３０ 数値制御装置
３２ サーボ機構
３４ 速度制限部
３６ 速度変更部

Claims (5)

1. レーザ光を集光して被加工物に照射し、数値制御装置により、加工ヘッドを被加工物に対し相対移動させることにより前記被加工物上の集光点を走査してレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、
   前記数値制御装置は、
   前記被加工物に対する前記加工ヘッドの加工速度についての加速度の大きさ又は加速度の時間変化の大きさが予め定めた値を超えないように加工速度を制限する速度制限部と、
   加工速度が被加工物の加工品質に基づいて予め定められた加工速度範囲内にあるときには、前記加工速度範囲の下限値以下に加工速度を変更する速度変更部とを備えることを特徴とする、
   レーザ加工装置。
2. 前記レーザ加工装置が円又は円弧形状を加工する場合に、前記速度制限部は、前記被加工物に対する前記加工ヘッドの加工方向に対する法線方向の加速度の大きさが予め定めた値を超えないように加工速度を制限する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記速度制限部及び前記速度変更部はオペレータの指示に優先して作用する、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記加工速度範囲は１０〜２０ｍ／分である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. レーザ光を集光して被加工物に照射し、加工ヘッドを被加工物に対し相対移動させることにより前記被加工物上の集光点を走査してレーザ加工を行うレーザ加工方法であって、
   前記被加工物に対する前記加工ヘッドの加工速度についての加速度の大きさ又は加速度の時間変化の大きさが予め定めた値を超えないように加工速度を制限するステップと、
   加工速度が被加工物の加工品質に基づいて予め定められた加工速度範囲内にあるときには、前記加工速度範囲の下限値以下に加工速度を変更するステップとを備えることを特徴とする、
   レーザ加工方法。

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