JP2012000619A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光が照射された時の加工点からの光強度のモニタリング精度を向上させること。
【解決手段】レーザ光線２を生成するレーザ発振器１と、加工レンズ４にて集光されたレーザ光線２を加工ノズル１１を介して被加工物１２に照射するとともに、加工ノズル１１を介してアシストガスを供給する加工ヘッド５と、レーザ光線２が照射された時の加工部分からの光を検出する光センサ６ａ、６ｂと、レーザ光線２の照射開始時から被加工物１２の溶融開始時までを処理区間として設定し、処理区間内における光センサ６ａ、６ｂによる検出結果に基づいてレーザ光線２の位置を推定する信号処理装置９とを設ける。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザ加工装置に関する。

レーザ加工装置では、加工の準備工程として芯出しが行われることがある。この芯出しでは、レーザ光線が加工ノズルの中心を通るように加工レンズの位置や加工ノズルの位置が調整される。その際には、薄いアクリル板やテープにレーザ光線で穴を開け、加工穴の形状やガスの流れを作業者が目視で判断しながら加工レンズや加工ノズルの位置が調整される。

また、レーザ光線の照射による被加工物の加工部分から生じた光を検出する光センサをレーザ加工装置に設け、その光センサによって検出した信号強度によって被加工物の加工状況をモニタリングできるようにしたものがある（特許文献１）。

特開２００５−２５４３１４号公報

しかしながら、上記従来の技術によれば、目視による判断は熟練者でなければ難しい上、どの程度ノズルの中心に調整に持っていけば良いかなどは経験による部分が大きく、作業に時間がかかるという問題があった。

目視による判断を避けるために、自動芯出し機能を搭載したものもある。この自動芯出し機能では、レーザの位置を直接測定することは困難なため、加工点からの光がモニタリングされることが多い。

しかしながら、加工点はレーザ光線が照射されると溶融し、加工ガス等の影響により加工面が荒れるようになる。このため、加工点からの光をモニタリングする方法では、光センサからの信号強度のばらつきが大きくなり、芯出し精度の低下を招くという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ光が照射された時の加工点からの光強度のモニタリング精度を向上させることが可能なレーザ加工装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のレーザ加工装置は、レーザ光線を生成するレーザ発振器と、加工レンズにて集光された前記レーザ光線を加工ノズルを介して被加工物に照射するとともに、前記加工ノズルを介してアシストガスを供給する加工ヘッドと、前記レーザ光が照射された時の加工部分からの光を検出する光センサと、前記レーザ光の照射開始時から前記被加工物の溶融開始時までを処理区間として設定し、前記処理区間内における前記光センサによる検出結果に基づいて前記レーザ光線の位置を推定する信号処理装置とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、レーザ光が照射された時の加工点からの光強度のモニタリング精度を向上させることが可能という効果を奏する。

図１は、本発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１の概略構成を示すブロック図である。 図２は、本発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１の光センサによって検出した信号強度波形を示す図である。 図３は、本発明に係るレーザ加工装置の実施の形態２の光センサによって検出した信号強度波形を示す図である。

以下に、本発明に係るレーザ加工装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、こ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、本発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１の概略構成を示すブロック図である。図１において、このレーザ加工装置には、レーザ光線２を生成するレーザ発振器１と、レーザ光線２を所定方向へ反射して偏向させる反射ミラー３と、反射ミラー３により反射されたレーザ光線２を集光する加工レンズ４と、加工レンズ４により集光されたレーザ光線２に対しアシストガスを供給する加工ヘッド５と、加工部分からの光を検出する複数の光センサ６ａ、６ｂと、光センサ６ａ、６ｂからの信号を増幅するアンプ７と、加工条件等を設定する数値制御装置８と、アンプ７からの信号を処理し、レーザ光線２の位置を推定する信号処理装置９と、加工レンズ４を駆動するアクチュエータ１０が設けられている。

ここで、レーザ発振器１は、被加工物１２の材料や加工条件などによって、発振タイミング、デューティ比および繰り返し周波数などを変更できるようにしてもよい。

また、加工ヘッド５には、加工レンズ４にて集光されたレーザ光線２を被加工物１２に照射する加工ノズル１１が設けられ、この加工ノズル１１を通してアシストガスを供給することができる。また、この加工ノズル１１は、着脱できるように構成してもよく、加工ノズル１１のノズル径を変更することで、加工ヘッド５に流れるアシストガスの流量を調整できるようにしてもよい。

また、加工ヘッド５は、昇降機構を介して昇降できるように構成してもよいし、ボールネジやリニアモータなどの駆動機構を介して被加工物１２に対して水平方向に移動できるようにしてもよい。あるいは、被加工物１２を設置する加工テーブルを加工ヘッド５に対して水平方向に移動できるようにしてもよい。

また、信号処理装置９は、レーザ光線２の照射開始時から被加工物１２の溶融開始時までを処理区間として設定し、処理区間内における光センサ６ａ、６ｂによる検出結果に基づいてレーザ光線２の位置を推定することができる。

具体的には、信号処理装置９には、レーザ光線２の照射開始時から被加工物１２の溶融開始時までを処理区間として設定する処理区間設定部２１と、光センサ６ａ、６ｂによる信号強度と、レーザ光線２が加工ヘッド５の中心を通る時の信号強度とを比較する信号比較部２２と、信号比較部２２による比較結果に基づいて、レーザ光線２の位置を推定するレーザ光線位置推定部２３が設けられている。また、信号処理装置９には、レーザ光線位置推定部２３による推定結果に基づいてアクチュエータ１０を駆動制御するアクチュエータ制御部２４が設けられている。

次に、上記レーザ加工装置の動作について説明する。

レーザ発振器１から出力されたレーザ光線２を反射ミラー３により反射させ、加工ヘッド５内の加工レンズ４で集光し、加工ノズル１１を介して出射させることにより、被加工物１２の加工部分に照射する。この時、加工ノズル１１を通してレーザ光線２に対してアシストガスを供給する。なお、このアシストガスとしては、例えば、酸素ガス、窒素ガス、ヘリウムガスまたはアルゴンガスを用いることができる。レーザ切断の場合は、このアシストガスを被加工物１２に高速に吹き付けて溶融金属などを吹き飛ばしたりすることができる。レーザ溶接の場合は、このアシストガスを被加工物１２に緩やかに吹き付けて溶融金属などの飛散や酸化などを防止したりすることができる。

そして、光センサ６ａ、６ｂを用いて、被加工物１２の加工部分からの光の強度を検出し、光センサ６ａ、６ｂからの信号をアンプ７により増幅した後、信号処理装置９に入力する。

信号処理装置９は、加工ノズル１１の中心をレーザ光線２が通った場合における各光センサ６ａ、６ｂの信号強度の比よりレーザ光線２の加工ノズル１１の中心からの距離を求めることができる。

また、信号処理装置９は、その計算結果を用いてアクチュエータ１０を介して加工レンズ４の位置を動かすことで、自動的に加工ノズル１１の中心をレーザ光線２が通るようにすることができる。

ここで、レーザ光線２の照射開始時から被加工物１２の溶融開始時までを処理区間として設定し、処理区間内における光センサ６ａ、６ｂによる検出結果に基づいてレーザ光線２の位置を推定することにより、光センサ６ａ、６ｂからの信号強度のばらつきを小さくすることができ、レーザ光線２の位置の推定精度を向上させることができる。

また、加工レンズ４をアクチュエータ１０により駆動することで、芯出し工程を自動で行うことができ、熟練者の経験に頼ることなく芯出し精度を向上させることが可能となるとともに、作業にかかる時間を短くすることができる。

また、複数の光センサ６ａ、６ｂを用いて、被加工物１２の加工部分からの光の強度を検出することにより、加工方向による光の偏りが発生した場合においても、その影響を低減することができる。

図２は、本発明に係るレーザ加工装置の実施の形態１の光センサによって検出した信号強度波形を示す図である。なお、Ｌ１は、レーザ光線２の位置が加工ノズル１１の中心と一致している場合、Ｌ２は、レーザ光線２の位置が加工ノズル１１の中心とずれている場合を示す。

図２において、レーザ光線２の照射開始時から被加工物１２の溶融開始時までは、信号強度が単調に増加していくが、被加工物１２の溶融が始まると、信号強度にばらつきが生じる。信号強度のばらつきは、加工点の溶融による加工面の変化により生じる。このため、レーザ光線２の照射開始時から被加工物１２の溶融開始時までを処理区間ＰＴ１として設定し、処理区間ＰＴ１の信号を用いてレーザ光線２の位置を推定することにより、レーザ光線２の位置の推定精度を高めることができる。

実施の形態２．
図３は、本発明に係るレーザ加工装置の実施の形態２の光センサによって検出した信号強度波形を示す図である。なお、Ｌ１１は、レーザ光線２の位置が加工ノズル１１ａの中心と一致している場合、Ｌ１２は、レーザ光線２の位置が加工ノズル１１ａの中心とずれている場合を示す。

図３において、被加工物１２の材料や加工条件により、レーザ光線２の照射開始時から被加工物１２の溶融開始時までの時間が異なる。このため、被加工物１２の材料や加工条件に応じて処理区間ＰＴ２を変えてもよい。

被加工物１２の材料や加工条件に応じて処理区間ＰＴ２を変更する方法としては、例えば、被加工物１２の材料や加工条件に応じて処理区間ＰＴ２を登録したテーブルを保持し、被加工物１２の材料や加工条件の指定に応じてテーブルから処理区間ＰＴ２を検索するようにしてもよい。あるいは、処理区間ＰＴ２をレーザ加工装置に直接入力できるようにして、レーザ加工装置は、その処理区間ＰＴ２に従ってレーザ光線２の位置を推定できるようにしてもよい。

なお、被加工物１２の材料としては、例えば、鉄や銅やステンレスなどの金属であってもよいし、ガラスやセラミックなどの絶縁体であってもよいし、アクリルやエポキシなどの樹脂であってもよいし、ＳｉやＧａＡｓなどの半導体であってもよい。あるいは、ガラスエポキシ基板などの複合材であってもよい。

また、被加工物１２の加工条件としては、例えば、加工エネルギー、加工速度、アシストガスの流量およびアシストガスの種類などを挙げることができる。

以上のように本発明に係るレーザ加工装置は、加工ヘッドの中心からのレーザ光線の位置の推定精度を向上させることができ、レーザ光線が加工ノズルの中心を通るようにする芯出し工程を自動で行う方法に適している。

１ レーザ発振器
２ レーザ光線
３ 反射ミラー
４ 加工レンズ
５ 加工ヘッド
６ａ、６ｂ 光センサ
７ アンプ
８ 数値制御装置
９ 信号処理装置
１０ アクチュエータ
１１ 加工ノズル
１２ 被加工物
２１ 処理区間設定部
２２ 信号比較部
２３ レーザ光線位置推定部
２４ アクチュエータ制御部

Claims (7)

1. レーザ光線を生成するレーザ発振器と、
   加工レンズにて集光された前記レーザ光線を加工ノズルを介して被加工物に照射するとともに、前記加工ノズルを介してアシストガスを供給する加工ヘッドと、
   前記レーザ光線が照射された時の加工部分からの光を検出する光センサと、
   前記レーザ光線の照射開始時から前記被加工物の溶融開始時までを処理区間として設定し、前記処理区間内における前記光センサによる検出結果に基づいて前記レーザ光線の位置を推定する信号処理装置とを備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記信号処理装置は、
   前記レーザ光線の照射開始時から前記被加工物の溶融開始時までを処理区間として設定する処理区間設定部と、
   前記光センサによる信号強度と、前記レーザ光線が前記加工ヘッドの中心を通る時の信号強度とを比較する信号比較部と、
   前記信号比較部による比較結果に基づいて、前記レーザ光線の位置を推定するレーザ光線位置推定部とを備え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. 前記レーザ光線位置推定部は、前記光センサによる信号強度と、前記レーザ光線が前記加工ヘッドの中心を通る時の信号強度との比に基づいて、前記レーザ光線の位置を推定することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記加工レンズの位置を制御するアクチュエータと、
   前記レーザ光線位置推定部による推定結果に基づいて前記アクチュエータを駆動制御するアクチュエータ制御部とをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記アクチュエータ制御部は、前記レーザ光線が前記加工ヘッドの中心を通るように前記アクチュエータを駆動制御することを特徴とする請求項４に記載のレーザ加工装置。
6. 前記被加工物の材料および加工条件の少なくともひとつに基づいて、前記処理区間を変更する処理区間変更部をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記光センサは複数設けられ、
   前記信号処理装置は、各光センサによる検出結果に基づいて前記レーザ光線の位置を推定することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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