JP2010125518A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ギャップ制御動作の起動等の時間を短縮し、ギャップ制御動作の高精度および高速化を図る。
【解決手段】加工ノズル(24)から射出されたレーザ光を集光して被加工物(W)に照射しつつ、加工プログラムに基づいて加工ノズルおよび被加工物を相対移動させることにより被加工物を加工するレーザ加工装置(1)は、加工ノズルが取付けられている制御軸(29)と、加工ノズルを被加工物に向かって前進および被加工物から後退させるように制御軸を駆動する駆動部(22)と、駆動部を制御するサーボ制御部(12)と、駆動部の位置を検出する位置検出部(23)と、加工ノズルと被加工物との間のギャップを検出するギャップセンサ(25)とを含む。サーボ制御部は、位置検出部により検出された駆動部の位置をギャップセンサにより検出されたギャップ検出値に基づいて変更し、それにより、加工ノズルと被加工物との間のギャップを一定に維持するギャップ制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置、例えばワークを所望の輪郭線に沿って切断または溶接するレーザ加工装置に関する。

レーザ加工装置においては、集光レンズがレーザ光を集光してワークの一点にスポットを形成し、スポットが形成されたワークの一部分は加熱により溶融もしくは蒸発する。このような状態で、ワークを移動させると、ピアシングまたは切断加工が行われる。従って、実際の加工においては、ワーク上の凹凸、うねりおよび／または反り（以下、「反り等」と称する）によってワーク上のスポット径が変化しないようにすることが要求される。それゆえ、特許文献１に開示されるように、加工プログラムを実行しながら、同時にノズルとワークとの間の距離を一定に保つギャップ制御が行われる。

図４は従来技術におけるレーザ加工装置の略図である。図４に示されるように、レーザ加工装置に含まれる数値制御装置１００（ＣＮＣ）は、移動量計算部１１０とサーボ制御部１２０とを含んでいる。移動量計算部１１０はメインＣＰＵにより動作し、サーボ制御部１２０はサーボ制御専用ＣＰＵにより動作する。

移動量計算部１１０は、加工プログラムの読出部３１０、加工経路指令の解析部３２０、補間処理部３３０、移動指令の出力部３４０、Ａ／Ｄ変換処理部４００、ギャップ制御処理部４１０、切換部３００とを含んでいる。また、サーボ制御部１２０は、位置制御処理部１３０、速度制御処理部１４０および電流制御処理部１５０を含んでいる。

また、ワークＷに対してレーザ光を出力する加工ノズル２４は、Ｚ軸モータ２２により昇降する。図示されるように、Ｚ軸モータ２２の位置を検出するＺ軸モータ位置検出器２３がＺ軸モータ２２に取付けられている。また、接触子２６を用いてワークＷと加工ノズル２４との間のギャップ距離を検出するギャップセンサ２５が加工ノズル２４に取付られている。

移動量計算部１１０の読出部３１０および解析部３２０が加工プログラムの読出しおよび解析をそれぞれ行う。そして、加工プログラムに記述されたギャップ制御動作モードの指令に基づいて、切換部３００が駆動し、出力部３４０により作成された加工ノズル２４の移動指令からギャップ制御処理部４１０により作成される加工ノズル２４の移動指令に切換え、それにより、ギャップ制御が行われる。

ギャップ制御動作においては、ギャップセンサ２５がワークＷと加工ノズル２４との間のギャップ距離をギャップ検出値として検出する。ギャップ検出値は、ワークＷ上の反り等に応じて変化する。そして、ギャップ検出値は、Ａ／Ｄ変換処理部４００（外部入力インターフェース機器）においてＡ／Ｄ変換され、次いで、移動量計算部１１０に取込まれる。そして、ギャップ制御処理部４１０において、ギャップ検出値に応じた加工ノズル２４の移動指令が作成される。
特許２５２８５０９号

図４に示される従来技術においては、ギャップ検出値は外部入力インターフェース機器を通じてＡ／Ｄ変換された上で、移動量計算部１１０に入力される。Ａ／Ｄ変換に必要とされる時間は短いものの、ギャップ検出値が移動量計算部１１０に取込まれるまでの時間は、外部入力インターフェース機器と数値制御装置１００との間の通信周期のために遅れることになる。

また、ギャップ制御処理部４１０においては、ギャップ検出値からギャップ制御のための移動指令を作成する演算処理は補間周期もしくは補間周期よりも速い制御周期で行われる。しかしながら、この演算処理は、サーボ制御のための制御周期と比較すればかなり低速であるので、ギャップ制御処理部４１０においても遅延が生じる。

さらに、図４においては、ギャップ制御動作のための移動指令をサーボ制御部１２０に指令して、位置制御処理部１３０、速度制御処理部１４０および電流制御処理部１５０を通じてサーボアンプ２１に出力されるまでにも、遅延が生じる。

これらのことにより、ギャップセンサ２５がギャップ距離を検出してから加工ノズルの軸が動作するまでの間にかなりの時間が必要とされることになる。そして、Ｘ軸およびＹ軸方向にワークＷを動作させる送り速度が大きい場合には、加工ノズル２４の昇降動作がワークＷの反り等に追従できなくなり、結果的に、加工精度が低下する。

一般にレーザ加工においては、ワークＷの部位または形状、加工プログラムの指令手法によっては切換部３００を頻繁に起動する場合がある。例えばピアシングを行う場合には、レーザ光照射時に発生するプラズマの影響によってギャップセンサ２５が誤動作するのでピアシング時にはギャップ制御を行わない指令を加工プログラムに含ませる場合がある。従来のギャップ制御手法においては、移動量計算部１１０の出力部３４０による移動指令の出力と、ギャップ制御処理部４１０による移動指令の出力とを切換えて動作させる必要がある。このような切換動作を頻繁に行うと、切換動作に伴う待ち時間が発生する。このこともまた、タクトタイムが延びる要因の一つになる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ギャップ制御動作の起動および終了に要する時間を短縮すると共に、ギャップ制御動作の高精度化および応答性の向上を可能にす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番目の発明によれば、加工ノズルから射出されたレーザ光を集光して被加工物に照射しつつ、加工プログラムに基づいて前記加工ノズルおよび前記被加工物を相対移動させることにより前記被加工物を加工するレーザ加工装置において、前記加工ノズルが取付けられている制御軸と、前記加工ノズルを前記被加工物に向かって前進および前記被加工物から後退させるように前記制御軸を駆動する駆動部と、前記駆動部を制御するサーボ制御部と、前記駆動部の位置を検出する位置検出部と、前記加工ノズルと前記被加工物との間のギャップを検出するギャップセンサと、を具備し、前記サーボ制御部は、前記位置検出部により検出された前記駆動部の位置を前記ギャップセンサにより検出されたギャップ検出値に基づいて変更し、それにより、前記加工ノズルと前記被加工物との間のギャップを一定に維持するギャップ制御を行うようにした、レーザ加工装置が提供される。

すなわち１番目の発明においては、従来技術のようにギャップ制御時に移動量計算部において制御軸に関する計算を行う必要が無い。また、ギャップ検出値を外部入力インターフェース機器に通して移動量計算部に入力する必要もない。このため、ギャップ制御時に制御軸に対する応答性を高められ、ギャップ制御を高精度で行うことができる。さらに、ギャップ制御時において切換部による切換処理を行う必要が無く、従って、ギャップ制御動作の起動および終了に要する時間を短縮することもできる。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記サーボ制御部においては、前記位置検出部により検出される前記駆動部の位置と前記ギャップセンサにより検出される前記ギャップ検出値とによって位置制御ループが形成されており、前記駆動部の位置に前記ギャップ検出値が加算されることにより前記駆動部に対する位置制御が行われ、前記ギャップ検出値のフィードフォワード処理によって、前記駆動部に対する速度制御および電流制御が行われるようにした。
すなわち２番目の発明においては、フィードフォワード処理を行っているので位置制御処理が終了するのを待つ必要がない。従って、制御上の遅れを解消し、より高い応答性を確保することができる。

３番目の発明によれば、１番目の発明において、さらに、前記加工プログラムに基づいて前記加工ノズルの移動量を計算する移動量計算部を具備し、該移動量計算部により計算された移動量に基づいて前記加工ノズルの移動指令が出力された場合には、前記サーボ制御部は、前記ギャップ制御を中断するようにした。
すなわち３番目の発明においては、ギャップ制御動作を完全に終了することなしに、加工プログラムからの移動指令を制御軸に出力できる。従って、加工ノズルが被加工物上に堆積した異物または被加工物自体に衝突するのを容易に避けられる。

４番目の発明によれば、２番目の発明において、前記ギャップ制御を行う場合には、前記ギャップ検出値が加算されることなしに、前記位置検出部により検出された前記駆動部の位置は前記サーボ制御部に通知されるようにした。
すなわち４番目の発明においては、ギャップ制御により制御軸が移動した移動量が移動量計算部に通知されて、そこで座標更新処理が行われる。従って、移動量計算部における座標値と機械の実際の位置を一致させられる。

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様の部材には同様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。
図１は本発明に基づくレーザ加工装置の略図である。図１に示されるように、レーザ加工装置１に含まれる数値制御装置１０（ＣＮＣ）は、加工ノズル２４の移動指令を作成する移動量計算部１１と、Ｚ軸モータ２２を制御するサーボ制御部１２とを含んでいる。

移動量計算部１１はメインＣＰＵにより動作し、サーボ制御部１２はサーボ制御専用ＣＰＵにより動作する。また、数値制御装置１０は、加工ノズルなどの機械の位置、速度、レーザ状態、加工条件などを表示する表示部、例えばＣＲＴ、液晶表示器を含んでいる。さらに、数値制御装置１０は、レーザ出力条件、各種データを入力する入力部、例えばキーボード、マウスなども含んでいる。

図示されるように、移動量計算部１１は、加工プログラムの読出部３１、加工経路指令の解析部３２、補間処理部３３、移動指令の出力部３４、座標値更新処理部３５を含んでいる。また、サーボ制御部１２は、位置制御処理部１３、速度制御処理部１４および電流制御処理部１５を含んでいる。図１から分かるように、サーボ制御部１２は移動指令をサーボアンプ２１に入力する。

さらに、ワークＷに対してレーザ光を出力する加工ノズル２４は、Ｚ軸モータ２２により制御軸２９に沿って昇降する。図示されるように、制御軸２９はワークＷの上面に対して概ね垂直に延びている。また、Ｚ軸モータ２２の回転量を測定してその回転量に応じたパルスを出力するＺ軸モータ位置検出器２３がＺ軸モータ２２に取付けられている。

また、可動テーブル４０に保持されたワークＷと加工ノズル２４との間のギャップＧを接触子２６により検出するギャップセンサ２５が加工ノズル２４に取付られている。接触子２６はワークＷ上の反り等に応じて昇降し、その昇降動作は変換機構部２８によって回転運動に変換される。そして、位置検出器２７は、変換された回転運動に応じた数のパルスを出力する。位置検出器２７はＺ軸モータ位置検出器２３と同様の構成であるものとする。図１に示されるように、位置検出器２７から出力されたパルスは位置制御処理部１３に出力される。

なお、接触子２６を使用する代わりに、静電容量型のギャップセンサ（図示しない）を用いて、その出力をＺ軸モータ位置検出器２３の出力と同種に変換する変換回路を設けてもよい。

レーザ加工装置によりワークＷをレーザ加工する場合には、図示しないレーザ発振器を通じてレーザ光が加工ノズル２４から射出される。レーザ光は、図示しない集光レンズによって集光されつつワークＷを照射する。

そして、数値制御装置１０の記憶装置または外部記憶装置（いずれも図示しない）に記憶されたワークＷ用の加工プログラムが読出部３１により読出される。次いで、加工プログラムの内容は解析部３２により解析され、補間処理部３３を通じて出力部３４からＸ軸、Ｙ軸方向における移動指令が出力される。Ｘ軸、Ｙ軸方向における移動指令によって、ワークＷを保持する可動テーブル４０はＸ軸、Ｙ軸方向に動作される。これにより、ワークＷは所望の輪郭線に沿って加工処理される。

図２は本発明に基づくレーザ加工装置のギャップ制御動作を示すフローチャートである。図２は、一つの実施例として、レーザ加工装置１がワークＷを切断加工する場合を示されている。ただし、レーザ加工装置１がワークＷを溶接加工する場合であっても概ね同様であるものとする。

図２に示されるように、はじめに、ステップＳ１において、レーザ切断加工時に、Ｚ軸モータ位置検出器２３の所定周期毎の出力をサーボ制御部１２に一旦取込む。Ｚ軸モータ位置検出器２３の出力値Ｍは、Ｚ軸モータ２２の回転量に応じた数のパルスであるものとする。

次いで、ステップＳ２においては、実行中の加工プログラムにおいてギャップ制御動作が指令され実行中か否かを判定する。そして、ギャップ制御動作が実行中であると判定されなかった場合には、ステップＳ４に進む。一方、ギャップ制御動作が実行中であると判定された場合には、ステップＳ３に進む。

ところで、通常、切断加工プログラムは、ワークＷを所望の輪郭線に沿って切断するためにＸ軸およびＹ軸方向に関する移動情報を含んでいる。そして、このような移動情報に基づいて、Ｘ軸およびＹ軸方向に関する移動指令が作成される。しかしながら、加工ノズル２４の焦点位置を一定に維持するために、加工プログラムはＺ軸方向に関する移動情報を含んでいない。このため、ギャップ制御時においては、移動量計算部１１によって計算されるＺ軸方向の移動指令はゼロであり、制御軸２９は通常は昇降しない。すなわち、レーザ加工時には、加工ノズル２４は所定の高さに留まっている。

しかしながら、ワークＷの被加工面に反り等が存在する場合には、レーザ加工時に加工ノズル２４とワークＷの被加工面との間の距離が輪郭線に沿って変化する。このような場合には、加工ノズル２４がワークＷに衝突して、これらが破損するようになる。あるいはレーザ光の焦点位置がワークＷの被加工面から逸脱し、従って、ワークＷの加工が良好に行えなくなる可能性がある。

このため、本発明においては、ギャップセンサ２５の接触子２６がワークＷの加工面に載置されている。そして、可動テーブル４０が移動するときに、接触子２６はワークＷの反り等に応じて昇降する。この接触子２６の昇降動作は、変換機構部２８、例えばラックアンドピニオンによって回転運動に変換される。そして、位置検出器２７は変換機構部２８から伝達された回転運動に応じた数のパルスを所定周期毎に出力する。このパルス数をギャップセンサ２５の出力値Ｍ’と呼ぶ。

そして、ステップＳ３においては、ギャップセンサ２５の出力値Ｍ’は、Ｚ軸モータ位置検出器２３の出力値Ｍに加算され、新たな出力値Ｍとして更新される（Ｍ←Ｍ＋Ｍ’）。これにより、ワークＷ上の反り等に基づくギャップＧの変化を補正できる。新たな出力値Ｍはサーボ制御部１２の位置制御処理部１３に入力される。そして、この出力値Ｍに基づいて、サーボ制御部１２は加工ノズル２４とワークＷとの間のギャップＧを一定に維持するようＺ軸モータ２２を制御する。

このように本発明においては、従来技術のようにギャップ制御時に移動量計算部１１において制御軸２９に関する計算を行う必要が無い。また、ギャップＧを外部入力インターフェース機器を通じて移動量計算部１１に入力する必要もない。このため、制御軸２９に対する応答性を高められ、ギャップ制御を高精度で行うことができる。さらに、従来技術のような切換部による切換処理を行う必要が無いので、本発明においてはギャップ制御動作の起動および終了に要する時間を短縮することも可能である。

また、通常は、Ｚ軸モータ位置検出器２３はＺ軸モータ２２に対する出力指令よりも遅れて追従するので誤差が発生する。サーボ制御部１２は、移動量計算部１１よりも速い周期で処理を行い、それにより、誤差を抑えるようにしている。ところが、本発明においては、ギャップセンサ２５により検出されるギャップＧをＺ軸モータ位置検出器２３の出力値Ｍと同じ単位に変換した上で、それに加算している。このため、本発明においては、移動量計算部１１よりも速い周期で処理を行うことなしに、ギャップＧを一定に維持するＺ軸モータ２２の駆動量を算出することができる。

次いで、ステップＳ４においては、位置制御処理部１３に入力された出力値Ｍに基づいて位置制御を行う。そして、ステップＳ５においては、ギャップ制御速度に対して、速度制御処理部１４がフィードフォワード処理を適用するかどうかの判定を行う。

フィードフォワード処理を有効にすると判定された場合には、ステップＳ６において、第一ＦＦ処理部１６がギャップＧに対して速度フィードフォワード処理を行い、ステップＳ７において、速度制御処理部１４が速度制御処理を実施する。

さらに、ステップＳ８においては、ギャップ制御電流に対して、電流制御処理部１５がフィードフォワード処理を適用するかどうかの判定を行う。そして、フィードフォワード処理を有効にすると判定された場合には、ステップＳ９において、第二ＦＦ処理部１７がギャップＧに対して電流フィードフォワード処理を行い、ステップＳ１０において、電流制御処理部１５が電流制御処理を実施する。

このように、速度フィードフォワード処理および電流フィードフォワード処理を行っているので位置制御処理部１３および速度制御処理部１４における処理が終了するのを待つ必要はない。従って、本発明においては、制御上の遅れを解消し、高い応答性を確保できるのが分かるであろう。その後、位置制御処理部１３で処理された電流指令はサーボアンプ２１を通じてＺ軸モータ２２に出力される（ステップＳ１１）。

ところで、前述したように通常はレーザ加工時に制御軸２９に対するＺ軸方向の移動指令は出力されず、ギャップ制御動作によってワークＷの加工面の反り等に応じて制御軸２９が昇降され、ワークＷに対して所望の輪郭線に沿った処理が行われる。

しかしながら、レーザ加工が一旦終了した後で、加工ノズル２４をワークＷ上の別の位置に移動させる場合には、加工ノズル２４がワークＷ上に堆積した異物またはワークＷ自体に衝突するのを避けるために、加工ノズル２４を制御軸２９に沿って上昇させる移動指令を加工プログラムに含ませる場合がある。

このような移動指令に基づいてギャップ制御動作時に制御軸２９が上昇すると、ギャップＧが大きくなるので、加工ノズル２４を下降させる移動指令が新たに出力されることになる。このように加工ノズル２４が昇降動作を繰返す場合には、加工ノズル２４が正常に動作できない事態が生じる。このため、ギャップ制御動作時に移動量計算部１１による制御軸２９の移動指令が出力される場合に、ギャップ制御動作を一時的に停止させるのが好ましい。

図３はレーザ加工装置のギャップ制御動作時における停止処理を示すフローチャートである。図３においては、ギャップ制御動作が実施されているときに、その動作を継続するか否かを判定する。

図３のステップＴ１において読出部３１が加工プログラムを読出し、次いでステップＴ２において解析部３２が加工プログラム内にギャップ制御指令が在るか否かを判定する。ギャップ制御指令が存在する場合には、ステップＴ３に進む。ステップＴ３においては、ギャップ制御動作を実行しているときに移動量計算部１１が、Ｚ軸方向における制御軸２９の移動指令を作成したかどうかを判定する。

そして、ギャップ制御動作時にＺ軸方向における制御軸２９の移動指令が作成されたと判定された場合には、ギャップセンサ２５の出力値Ｍ’をＺ軸モータ位置検出器２３の出力値Ｍに加算するのを停止し、Ｚ軸モータ位置検出器２３の出力値Ｍのみをサーボ制御部１２に通知する。このような制御により、ギャップ制御動作は一時的に中断される（ステップＴ５）。

このような場合には、ギャップ制御動作時にＺ軸方向の移動指令に基づいて加工ノズル２４が一時的に上昇する。従って、ギャップ制御動作を完全に終了することなしに、加工ノズル２４がワークＷ上に堆積した異物またはワークＷ自体に衝突するのを避けることが可能となる。

そして、Ｚ軸モータ位置検出器２３の出力値Ｍは位置制御処理部１３を通じて移動量計算部１１の座標値更新処理部３５に入力される。座標値更新処理部３５においては、出力値Ｍに基づいて座標更新処理が行われる。従って、移動量計算部１１における座標値と機械の実際の位置とを一致させることが可能となる。

本発明に基づくレーザ加工装置の略図である。 図１に示されるレーザ加工装置のギャップ制御動作を示すフローチャートである。 レーザ加工装置のギャップ制御動作時における処理を示すフローチャートである。 従来技術におけるレーザ加工装置の略図である。

符号の説明

１ レーザ加工装置
１０ 数値制御装置
１１ 移動量計算部
１２ サーボ制御部
１３ 位置制御処理部
１４ 速度制御処理部
１５ 電流制御処理部
１６ 第一ＦＦ処理部
１７ 第二ＦＦ処理部
２１ サーボアンプ
２２ Ｚ軸モータ（駆動部）
２３ Ｚ軸モータ位置検出器（位置検出部）
２４ 加工ノズル
２５ ギャップセンサ
２６ 接触子
２７ 位置検出器
２８ 変換機構部
２９ 制御軸
３１ 読出部
３２ 解析部
３３ 補間処理部
３４ 出力部
４０ 可動テーブル
Ｗ ワーク（被加工物）

Claims (4)

1. 加工ノズルから射出されたレーザ光を集光して被加工物に照射しつつ、加工プログラムに基づいて前記加工ノズルおよび前記被加工物を相対移動させることにより前記被加工物を加工するレーザ加工装置において、
   前記加工ノズルが取付けられている制御軸と、
   前記加工ノズルを前記被加工物に向かって前進および前記被加工物から後退させるように前記制御軸を駆動する駆動部と、
   前記駆動部を制御するサーボ制御部と、
   前記駆動部の位置を検出する位置検出部と、
   前記加工ノズルと前記被加工物との間のギャップを検出するギャップセンサと、を具備し、
   前記サーボ制御部は、前記位置検出部により検出された前記駆動部の位置を前記ギャップセンサにより検出されたギャップ検出値に基づいて変更し、それにより、前記加工ノズルと前記被加工物との間のギャップを一定に維持するギャップ制御を行うようにした、レーザ加工装置。
2. 前記サーボ制御部においては、前記位置検出部により検出される前記駆動部の位置と前記ギャップセンサにより検出される前記ギャップ検出値とによって位置制御ループが形成されており、前記駆動部の位置に前記ギャップ検出値が加算されることにより前記駆動部に対する位置制御が行われ、
   前記ギャップ検出値のフィードフォワード処理によって、前記駆動部に対する速度制御および電流制御が行われるようにした請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. さらに、前記加工プログラムに基づいて前記加工ノズルの移動量を計算する移動量計算部を具備し、
   該移動量計算部により計算された移動量に基づいて前記加工ノズルの移動指令が出力された場合には、前記サーボ制御部は、前記ギャップ制御を中断するようにした請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記ギャップ制御を行う場合には、前記ギャップ検出値が加算されることなしに、前記位置検出部により検出された前記駆動部の位置は前記サーボ制御部に通知されるようにした、請求項２記載のレーザ加工装置。

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