JP2010207819A - レーザ加工装置およびそのノズル判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルの交換時に取付けられたノズルが、加工条件に見合ったノズルであるか否かを判定することができるレーザ加工装置を得ること。
【解決手段】加工条件に対応して使用されるノズル種類と、ノズル種類ごとにノズル−被加工物間距離と静電容量の関係を示す基準キャリブレーションデータと、を記憶するノズル情報記憶部１１４と、ノズル交換時にキャリブレーション処理部１１７で実行されたキャリブレーション結果を、被加工物の材質と厚さを含む加工条件に基づいて選択される選択ノズル種類に対応するノズル情報記憶部１１４中の基準キャリブレーションデータと比較して、選択ノズル種類に対応するノズルが装着されているか否かを判定するノズル判定処理部１１８と、を備える。
【選択図】 図３

Description

この発明は、被加工物に対してレーザ光を用いて加工を行うレーザ加工装置およびそのノズル判定方法に関するものである。

レーザ加工装置では、加工対象である被加工物の材質や厚さなどに応じて、被加工物の加工を行う位置に対してレーザ光を照射させる加工ヘッドのノズルを変える必要がある。このノズルの交換は、レーザ加工装置の使用者による手交換が一般的である。

このようなレーザ加工装置において、レンズ組立体および／またはノズルを交換するときに、レンズ組立体および／またはノズルに設けられた識別媒体から、これらの部品を識別する機能情報と、これらの部品の過去の使用環境とメンテナンス状況を含む履歴情報と、を読み出し、これから行う被加工物の加工で使用される加工条件に見合ったレンズ組立体および／またはノズルが使用されているか否かを判定するレンズおよびノズルの管理方法が従来提案されている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２００１−３２２１２７号公報

上記したように、レーザ加工装置のノズルの交換は、使用者による手交換が一般的であり、装着間違いなどが発生することもある。その際には、上記の特許文献１に記載の従来技術は有効である。しかしながら、この特許文献１の技術では、レンズ組立体やノズルごとに、それぞれの部品についての機能情報や履歴情報を記録する識別媒体を設けなければならず、識別媒体が付されていない部品については、それが加工にふさわしい部品であるのか否かの判定を行うことができないという問題点があった。また、ノズルが加工条件に対して正しいノズルであるか否かを判定する際に、識別媒体が必要であり、この識別媒体から機能情報などを読み出さなければならないので、判定のための時間が必要になってしまうという問題点もあった。

この発明は、上記に鑑みてなされたもので、レーザ加工装置において、ノズルの交換時に取付けられたノズルが、加工条件に見合ったノズルであるか否かを、ノズルに識別媒体を付すことなく判定することができるレーザ加工装置およびそのノズル判定方法を得ることを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかるレーザ加工装置は、被加工物とレーザ光を照射するノズルとの距離を静電容量によって求め、前記ノズルの交換時にノズル−被加工物間距離と静電容量の関係をキャリブレーションするキャリブレーション処理手段を有するレーザ加工装置において、被加工物の材質と厚さを含む加工条件に対応して使用されるノズル種類と、前記ノズル種類ごとにノズル−被加工物間距離と静電容量の関係を示す基準キャリブレーションデータと、を記憶するノズル情報記憶手段と、ノズルが交換された際に前記キャリブレーション処理手段で実行されたキャリブレーション結果を、被加工物の材質と厚さを含む加工条件に基づいて選択される選択ノズル種類に対応する前記ノズル情報記憶手段中の基準キャリブレーションデータと比較して、前記選択ノズル種類に対応するノズルが装着されているか否かを判定するノズル判定処理手段と、を備えることを特徴とする。

この発明によれば、ノズルにノズルを識別する情報が記録された識別媒体を取付けることなく、ノズル交換時に取付けたノズルが加工条件に見合うものであるか否かの判定を行うことができるという効果を有する。また、この判定を、ノズルを装着した際に必ず行われるキャリブレーション処理の結果を用いて行うようにしたので、ノズルの判定に際して新たな機械的な動作が必要な処理工程を用いることなく、識別媒体からの情報の読取などを行う場合に比して、ノズル判定の処理時間を短縮化することができるという効果も有する。

以下に添付図面を参照して、この発明にかかるレーザ加工装置およびそのノズル判定方法の好適な実施の形態を詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、この発明にかかるレーザ加工装置の構成の一例を示す図であり、図２は、レーザ加工装置に装着される加工ヘッドの種類の一例を示す図である。このレーザ加工装置は、加工台１と、加工台１上に設けられ、加工対象である被加工物Ｗを保持する加工テーブル２と、被加工物Ｗに対してレーザ加工処理を行う加工ヘッド３と、加工ヘッド３の先端部に取り付けられるノズル４と、加工ヘッド３の位置の制御などを行う数値制御装置１１と、を備える。ここで、加工テーブル２上の互いに直交する２つの方向をＸ軸とＹ軸とし、これらに垂直な方向をＺ軸とする。

加工ヘッド３は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動可能なように図示しないＸ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータおよびＺ軸サーボモータに接続され、Ｘ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータおよびＺ軸サーボモータはそれぞれ数値制御装置１１に接続される。これによって、加工ヘッド３は、加工テーブル２上の任意の位置に移動させることができるとともに、被加工物Ｗとの間の距離を任意に変えることができる。

加工ヘッド３の先端部に装着されるノズル４は、図２に示されるように、複数の種類のものが用意される。これは、被加工物Ｗの材質や厚さによって、加工に適したノズル形状が変わるためである。これらのノズル４は、金属（導電性材料）によって形成される。ここでは、ノズルＡ〜Ｃの３種類のものが例示されているが、これらの種類に限られるものではない。

数値制御装置１１は、マンマシンインタフェースとして、操作盤１１１、液晶表示装置などの表示装置による画面表示部１１２を具備する。そして、数値制御装置１１は、加工プログラムにしたがって、Ｘ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータ、Ｚ軸サーボモータを駆動して、加工テーブル２上の被加工物Ｗに対するノズル４の離間距離を所定の値に保持しながら、レーザ加工を行う。

また、数値制御装置１１は、レーザ加工だけでなく、ノズル４交換時に、ノズル高さを認識するためのキャリブレーション処理も行う。加工テーブル２上には、交換により装着されたノズル４のキャリブレーション処理を行うためのキャリブレーション作業領域１２が設けられている。このキャリブレーション作業領域１２は、加工テーブル２上に鉄板などの金属板が設けられたものであり、キャリブレーション処理時に、装着したノズル４をこのキャリブレーション作業領域１２へと移動させて、金属（導電性材料）で構成されるノズル４とキャリブレーション作業領域との間の静電容量を測る際に使用される。なお、キャリブレーション処理の詳細については、後述する。

図３は、図１の数値制御装置の機能構成を模式的に示すブロック図である。この数値制御装置は、操作盤１１１と、画面表示部１１２と、表示処理部１１３と、ノズル情報記憶部１１４と、加工情報設定部１１５と、加工情報記憶部１１６と、キャリブレーション処理部１１７と、ノズル判定処理部１１８と、加工制御部１１９と、これらの各処理部を制御する制御部１２０と、を備える。

操作盤１１１は、使用者による加工条件や加工プログラムなどの入力、キャリブレーション処理などのコマンドの入力を受け付ける入力インタフェースとなるものであり、キーボードやボタンなどの入力装置によって構成される。加工条件としては、被加工物の材質と厚さを含む条件が入力される。画面表示部１１２は、使用者に対して、現在の加工状況などの情報を視覚的に表示するものであり、液晶表示装置などの表示装置によって構成される。表示処理部１１３は、他の処理部によって作成された情報を画面表示部１１２に表示する処理を行う。

ノズル情報記憶部１１４は、加工条件（被加工物の材質や被加工物の厚さ）に対応付けられる最適なノズルの種類と、ノズル種類ごとのノズル４−被加工物Ｗ間距離と静電容量との関係を示す基準キャリブレーションデータと、を含むノズル情報を記憶する。

加工情報設定部１１５は、操作盤１１１から入力された加工条件に合致するノズル種類をノズル情報記憶部１１４から選択し、選択したノズル種類（以下、選択ノズル種類という）を装着するように使用者に対して指示する情報を作成する。この選択ノズル種類を指示する情報は、表示処理部１１３に渡され、画面表示部１１２で表示出力される。また、加工情報設定部１１５は、操作盤１１１から入力された加工条件や加工プログラムを加工情報として加工情報記憶部１１６に記憶する。加工情報記憶部１１６は、操作盤１１１から入力された加工条件や加工プログラム、選択ノズル種類などの加工情報が記憶される。

キャリブレーション処理部１１７は、加工ヘッド３のノズル４が交換された場合に、交換後のノズル４に対して、ノズル−被加工物間距離を校正（キャリブレーション）する処理を行う。この実施の形態１では、ノズル４の接触傷防止の面から非接触型の静電容量方式で、ノズル−被加工物間距離を測定するものを用いる場合を対象としている。この静電容量方式でノズル−被加工物間距離を測定する場合には、金属材料（導電性材料）で形成されているノズル形状が変化すると、ノズル−被加工物間の静電容量も変化するために、それまで使用していたノズル−被加工物間距離と静電容量の関係を使用できなくなり、そのために校正する必要がある。そのため、通常、静電容量の異なるノズルを交換した場合に、キャリブレーション処理を行う。

この静電容量を利用したキャリブレーション処理の一例について説明する。ノズル４（加工ヘッド３）を金属板が配置されたキャリブレーション作業領域１２へと移動させ、ノズル４の高さを所定の範囲で変化させる。その範囲内での所定の高さごとに、金属（導電性材料）で構成されるノズル４に交流信号を印加して、キャリブレーション作業領域１２の金属板との間の静電容量にしたがって変化する交流信号を検出し、ノズル４と金属板との間の静電容量（直流信号）を求める。そして、ノズル４の高さと静電容量との間の関係をキャリブレーション結果としてプロットする。なお、キャリブレーション処理は、キャリブレーション作業領域１２で行う必要はなく、ノズル４の先端と対向する部分が金属板であれば、加工テーブル２や被加工物Ｗ上で行ってもよい。

図４は、キャリブレーション処理部で得られたキャリブレーション結果の一例を示す図である。この図で、横軸は、静電容量から得られるセンサ電圧の値を示し、縦軸は被加工物（金属板）からのノズル高さを示している。これらの横軸と縦軸はともに任意単位である。この図に示されるように、ノズル４の種類によって、ノズル高さでのセンサ電圧（静電容量）が異なってくる。

ノズル判定処理部１１８は、選択ノズル情報と加工ヘッド３に装着されたノズル４とが同じものであるか否か、または、装着されたノズル４が損傷しているか否かを判定する。判定の結果、異なる場合または損傷している場合には、装着されたノズル４が異なるものであることを示す警告情報を表示処理部１１３に渡し、画面表示部１１２を介して使用者に警告情報を表示出力する。

具体的には、ノズル判定処理部１１８は、キャリブレーション処理部１１７によるキャリブレーション結果を、ノズル情報記憶部１１４から取得した選択ノズル種類に対応する基準キャリブレーションデータと比較して、加工ヘッド３に装着されたノズル４が、選択ノズル情報と同じものか否かを判定する。一般的に、キャリブレーション結果をｎ次（ｎは自然数）で近似した場合に、近似して得られた係数が、基準キャリブレーションデータをｎ次近似した場合の係数の値から所定の範囲内に収まるときは、装着されたノズル４が選択ノズル種類と同じものであると判定する。また、キャリブレーション処理部１１７によって求められた係数が、基準キャリブレーションデータから求められる係数の値から所定の範囲内に収まらないときは、装着されたノズル４が選択ノズル種類と同じものでないか、または装着されたノズル４が選択ノズル種類と同じものであるが損傷していることが考えられる。そのため、この場合には、ノズル４を正当なものと交換する旨の表示画面を表示処理部１１３に渡す。

近似の方法として、たとえば、キャリブレーション結果が、１次式で近似できる場合には、キャリブレーション処理部１１７によるキャリブレーション結果と基準キャリブレーションデータとを１次近似した場合の傾きによって両者が等しいか否かを判定する。しかし、種類が異なるノズル４同士で、キャリブレーション結果に大きな相違がない場合には、２次以上の近似を用いて判定を行う必要がある。実験を行った結果では、４次以上の近似で精度良く判定を行うことができる。

加工制御部１１９は、加工情報記憶部１１６に記憶されている加工プログラムと加工条件に基づいて、被加工物Ｗに対する加工制御を行う。

つぎに、このレーザ加工装置におけるノズル判定処理について説明する。図５は、この発明によるレーザ加工装置のノズル判定処理の実施の形態１の手順の一例を示すフローチャートである。使用者によって操作盤１１１を介して、数値制御装置１１側で被加工物Ｗの材質と厚さを含む加工条件や加工プログラムが設定される（ステップＳ１１）。ついで、加工情報設定部１１５は、入力された加工条件中の被加工物Ｗの材質と厚さから、その被加工物Ｗに適するノズル種類を、ノズル情報記憶部１１４から選択する（ステップＳ１２）。その後、加工情報設定部１１５によって作成された選択ノズル種類を装着するように指示する表示画面を、表示処理部１１３は画面表示部１１２に表示する（ステップＳ１３）。なお、このとき、加工情報設定部１１５は、加工情報記憶部１１６に、入力された加工条件や加工プログラム、選択されたノズル種類を記憶させる。

使用者が画面表示部１１２に表示された内容にしたがって加工ヘッド３にノズル４を装着する（ステップＳ１４）。その後、使用者によってキャリブレーション処理の実行が操作盤１１１を介して指示されると、キャリブレーション処理部１１７は、キャリブレーション処理を開始する（ステップＳ１５）。このキャリブレーション処理は、加工テーブル２上のキャリブレーション作業領域１２上で行うように、加工ヘッド３が図示しないＸ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータおよびＺ軸サーボモータを介して駆動制御される。このキャリブレーション処理では、上述したように、ノズル４の各高さにおける静電容量（またはそれに変換可能な値）が測定される。なお、このキャリブレーション処理は、ノズル４を交換した場合に、必ず行われる処理であり、ノズル判定処理のためだけに行われる処理ではない。

ついで、ノズル判定処理部１１８は、キャリブレーション処理部１１７で得られたキャリブレーション結果が、ノズル情報記憶部１１４に記憶されている選択ノズル種類に対応するノズル４の基準キャリブレーションデータと一致するかを判定する（ステップＳ１６）。その結果、両者が一致する場合（ステップＳ１６でＹｅｓの場合）には、ノズル判定処理部１１８は、加工作業を継続してもよいと判定し（ステップＳ１７）、表示処理部１１３は、続く加工処理を行うための表示画面を画面表示部１１２に表示させるなどして、ノズル判定処理が終了する。一方、両者が一致しない場合（ステップＳ１６でＮｏの場合）には、両者が一致しない理由として、選択ノズル種類で指示されたノズルが加工ヘッド３に装着されていないか、または選択ノズル種類で指示されたノズル４が加工ヘッド３に装着されているがノズル４が損傷しているかのいずれかであると考えられる。そのため、ノズル判定処理部１１８は、所定のノズル４が装着されているかおよびノズル損傷がないかを確認することを指示する警告画面を作成し、表示処理部１１３は画面表示部１１２にその警告画面を表示する（ステップＳ１８）。そして、ノズル判定処理が終了する。

この実施の形態１によれば、ノズル４を交換した際には必ず行うキャリブレーション処理の結果を用いて、加工条件に合致するノズル４が加工ヘッド３に装着されているか否かを判定するようにしたので、ノズル４の種類を示す情報を記録した識別媒体をノズル４に装着する必要がないという効果を有する。また、この加工処理を行うための正しいノズル４が装着されているかを確認するための機械的な処理工程を必要とすることなく、ノズル４を交換した際に必ず行われるキャリブレーション処理の結果を用いるので、識別媒体中の情報を読込む処理が必要な従来の方法に比して、処理時間を短くすることができるという効果も有する。

実施の形態２．
実施の形態１では、ノズル判定処理部１１８は、キャリブレーション結果が、加工情報設定部１１５で選択された選択ノズル種類の基準キャリブレーションデータと一致しない場合に、選択ノズル種類が装着されていないかおよび装着されたノズル４に損傷があるかのいずれかである旨を警告する場合を説明した。この実施の形態２では、実施の形態１よりもさらに詳細なノズル判定を行う場合を説明する。

この実施の形態２におけるレーザ加工装置（数値制御装置１１を含む）の構成は、実施の形態１で説明したものと同じであるので、その説明を省略し、ノズル判定処理について説明する。

図６は、この発明によるレーザ加工装置のノズル判定処理の実施の形態２の手順の一例を示すフローチャートである。まず、図５のステップＳ１１〜ステップＳ１５と同じ処理を行って、交換されたノズル４のキャリブレーション処理を行う（ステップＳ３１〜ステップＳ３５）。すなわち、加工情報設定部１１５で、加工条件に見合った選択ノズル種類を使用者に提示し、使用者によってノズル４が加工ヘッド３に装着される。その後、キャリブレーション処理部１１７がキャリブレーション処理を実行し、所定の高さごとに測定された静電容量を、キャリブレーション作業領域１２の金属板とノズル先端との間の距離と、静電容量との関係を示すキャリブレーション結果として記録する。

ついで、ノズル判定処理部１１８は、ノズル情報記憶部１１４から選択ノズル種類に対応する基準キャリブレーションデータを抽出した後（ステップＳ３６）、キャリブレーション結果が基準キャリブレーションデータと一致するか否かを判定する（ステップＳ３７）。キャリブレーション結果が基準キャリブレーションデータと一致する場合（ステップＳ３７でＹｅｓの場合）には、ノズル判定処理部１１８は、加工作業を継続してもよいと判定し（ステップＳ３８）、表示処理部１１３は、続く加工処理を行うための表示画面を画面表示部１１２に表示させるなどして、ノズル判定処理が終了する。

一方、キャリブレーション結果が基準キャリブレーションデータと一致しない場合（ステップＳ３７でＮｏの場合）には、ノズル判定処理部１１８は、ノズル情報記憶部１１４に他のノズル種類の基準キャリブレーションデータが存在するかを判定し（ステップＳ３９）、他のノズル種類の基準キャリブレーションデータが存在する場合（ステップＳ３９でＹｅｓの場合）には、他のノズル種類の基準キャリブレーションデータをノズル情報記憶部１１４から抽出し（ステップＳ４０）、キャリブレーション結果が取得した他のノズル種類の基準キャリブレーションデータと一致するか否かを判定する（ステップＳ４１）。

キャリブレーション結果が取得した他のノズル種類の基準キャリブレーションデータと一致する場合（ステップＳ４１でＹｅｓの場合）には、ノズル判定処理部１１８は、加工ヘッド３に装着されたノズル４が、加工情報設定部１１５で選択された選択ノズル種類とは異なるノズル種類であると判定する。そして、選択ノズル種類を装着する旨の警告を、表示処理部１１３を介して画面表示部１１２に出力し（ステップＳ４２）、ノズル判定処理が終了する。また、キャリブレーション結果が取得した他のノズル種類の基準キャリブレーションデータと一致しない場合（ステップＳ４１でＮｏの場合）には、ステップＳ３９へと戻る。

また、ステップＳ３９で、ノズル情報記憶部１１４に他のノズル種類の基準キャリブレーションデータが存在しない場合（ステップＳ３９でＮｏの場合）には、ノズル判定処理部１１８は、比較対象となるノズル情報記憶部１１４に基準キャリブレーションデータがなく、すべてのノズル種類の基準キャリブレーションデータとも一致しないので、加工ヘッド３に装着したノズル４が損傷しているものと判定する。そして、装着したノズル４が損傷していないか確認する旨の警告を、表示処理部１１３を介して画面表示部１１２に出力する（ステップＳ４３）。以上によって、ノズル判定処理が終了する。

この実施の形態２によれば、実施の形態１の効果に加えて、装着されているノズル４が、選択ノズル種類で指示されたノズル種類が装着されていないのか、または損傷したノズル４が装着されているのかという判断までを使用者に対して提供することができるという効果を有する。

なお、上述した説明では、数値制御装置１１の加工情報設定部１１５が、操作盤１１１から入力された加工条件に合致する選択ノズル種類を装着するように使用者に対して指示する場合を例に挙げたが、これは一例であり、使用者が加工条件表に基づいて選択ノズル種類を装着してもよい。

以上のように、この発明にかかるレーザ加工装置は、交換したノズルの正当性を評価する場合に有用である。

この発明によるレーザ加工装置の構成の一例を示す図である。 レーザ加工装置に装着される加工ヘッドの種類の一例を示す図である。 図１の数値制御装置の機能構成を模式的に示すブロック図である。 キャリブレーション結果の一例を示す図である。 この発明によるレーザ加工装置のノズル判定処理の実施の形態１の手順の一例を示すフローチャートである。 この発明によるレーザ加工装置のノズル判定処理の手順の実施の形態２の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 加工台
２ 加工テーブル
３ 加工ヘッド
４ ノズル
１１ 数値制御装置
１２ キャリブレーション作業領域
１１１ 操作盤
１１２ 画面表示部
１１３ 表示処理部
１１４ ノズル情報記憶部
１１５ 加工情報設定部
１１６ 加工情報記憶部
１１７ キャリブレーション処理部
１１８ ノズル判定処理部
１１９ 加工制御部
１２０ 制御部

Claims (3)

1. 被加工物とレーザ光を照射するノズルとの距離を静電容量によって求め、前記ノズルの交換時にノズル−被加工物間距離と静電容量の関係をキャリブレーションするキャリブレーション処理手段を有するレーザ加工装置において、
   被加工物の材質と厚さを含む加工条件に対応して使用されるノズル種類と、前記ノズル種類ごとにノズル−被加工物間距離と静電容量の関係を示す基準キャリブレーションデータと、を記憶するノズル情報記憶手段と、
   ノズルが交換された際に前記キャリブレーション処理手段で実行されたキャリブレーション結果を、被加工物の材質と厚さを含む加工条件に基づいて選択される選択ノズル種類に対応する前記ノズル情報記憶手段中の基準キャリブレーションデータと比較して、前記選択ノズル種類に対応するノズルが装着されているか否かを判定するノズル判定処理手段と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記ノズル判定処理手段は、前記キャリブレーション結果と前記基準キャリブレーションデータとが一致せず、前記キャリブレーション結果が、前記ノズル情報記憶手段中のすべての他のノズル種類の基準キャリブレーションデータと一致しない場合に、交換されたノズルが損傷していると判定することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 加工ヘッドの先端にノズルを装着し、前記ノズルを被加工物の加工位置に対向させてレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工装置のノズル判定方法において、
   入力された被加工物の材質と厚さを含む加工条件に対応して使用されるノズル種類を選択ノズル種類として選択する第１の工程と、
   前記加工ヘッドに使用者によって加工ヘッドが交換されると、ノズル−被加工物間距離と静電容量の関係をキャリブレーションする第２の工程と、
   前記加工ヘッドのキャリブレーション結果を、前記第１の工程で得られた選択ノズル種類のノズル−被加工物間距離と静電容量の関係を示す基準キャリブレーションデータと比較して、前記選択ノズル種類に対応するノズルが装着されているか否かを判定し、前記キャリブレーション結果と前記基準キャリブレーションデータとが一致しない場合に、前記ノズルの異常を前記使用者に対して通知する第３の工程と、
   を含むことを特徴とするレーザ加工装置のノズル判定方法。

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