JP2013146734A - レーザ加工機のギャップ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な操作でギャップ測定の校正処理を実施することを可能とするレーザ加工機のギャップ制御装置を提供する。
【解決手段】レーザ加工の開始前に、ノズル１３の寄生・浮遊静電容量Ｃ０を測定し、且つ、ギャップｄを変化させながら発振回路部２１で検出される発振周波数に基づいて、ギャップｄと発振周波数との関係を測定し、更に、ギャップ間静電容量Ｃｄとギャップｄとの関係式を設定する。そして、レーザ加工の開始後に、前記関係式によりギャップｄを求めると共に、レーザ照射の停止時に、ノズル１３とワークＷとの間を遠ざけることにより、寄生・浮遊静電容量Ｃ０を再計測し、この寄生・浮遊静電容量Ｃ０に基づいて、前記関係式を再設定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザ加工機に用いられる加工ヘッドのノズル先端部とワークの加工面との間のギャップが一定となるように制御するレーザ加工機のギャップ制御装置に関する。

レーザ加工機は、加工ヘッドのノズル先端部からレーザビームを照射することにより、ワークを切断する。このようなレーザ加工機は、ノズル先端部からワーク表面までの距離が変動すると、加工面にムラが生じる等の問題が発生するので、ノズル先端部からワーク表面までの距離が一定となるように制御している。

ノズル・ワーク間のギャップｄを測定するために、従来より、ノズル先端部とワークとの間の静電容量（これを、「ギャップ間静電容量Ｃｄ」とする）を測定し、このギャップ間静電容量Ｃｄに基づいてギャップｄを測定する方法が知られている。この方法では、発振周波数検出回路を用いて、ノズル及び発振回路接続用の配線に生じる静電容量（これを、「周囲静電容量Ｃ」とする）と、ノズル及び発振回路接続用の配線が有するインダクタンスＬとの間で生じる発振周波数を検出し、この周波数に基づいて、周囲静電容量Ｃを測定する。

即ち、検出される発振周波数をｆとすると、（１）式の関係がある。

ｆ＝１／２π（ＬＣ）^１／２ …（１）
よって、インダクタンスＬが既知であれば、発振周波数ｆを測定することにより、周囲静電容量Ｃを求めることができる。また、周囲静電容量Ｃには、ギャップ間静電容量Ｃｄ以外に、ケーブルやノズル等が有する寄生・浮遊静電容量Ｃ０が存在する。即ち、下記の（２）式が成立する。

Ｃ＝Ｃ０＋Ｃｄ …（２）
従って、寄生・浮遊静電容量Ｃ０を測定し、周囲静電容量Ｃから寄生・浮遊静電容量Ｃ０を減じることにより、ギャップ間静電容量Ｃｄを求めることができる。

更に、ギャップ間静電容量Ｃｄとギャップｄとの間には、εを誘電率、Ｓを面積とした場合に、下記の（３）式の関係がある。

Ｃｄ＝εＳ／ｄ …（３）
従って、ギャップ間静電容量Ｃｄを求めることにより、（３）式を用いてノズルとワークとの間のギャップｄを算出することができる。

ここで、上記の演算でギャップｄを求めるためには、寄生・浮遊静電容量Ｃ０を求める必要があり、従来より、レーザ加工機による加工の開始前に、校正処理としてワークからノズルを遠ざけた状態、即ち、ギャップ間静電容量Ｃｄを無視できる状態として静電容量を測定し、この静電容量を寄生・浮遊静電容量Ｃ０としている。更に、ノズルとワークとの間の距離を徐々に変化させて、ギャップｄと発振周波数ｆとの関係をいくつかの点で測定し、この測定結果に基づいて、（３）式に示す面積Ｓを設定している。

上記のことから、（１）〜（３）式を用いることにより、加工ノズルの先端部とワークとの間のギャップｄを算出できる（例えば、特許文献１参照）。

ところが、ノズル及びその接続配線に存在する寄生・浮遊静電容量Ｃ０は、周囲温度により大きく変化する。従って、従来においては、一定の時間間隔で上記の校正処理を実施して、寄生・浮遊静電容量Ｃ０、及び面積Ｓを校正する処理を行っていた。

特開２００３−２０２２４１号公報

上述したように、従来におけるギャップ測定方法では、所定時間が経過する毎にレーザ加工を停止して校正処理を実行するので、校正に長時間を要してしまい、レーザ加工機におけるトータルの加工時間が長くなるという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、簡単な操作でギャップ測定の校正処理を実施することを可能とするレーザ加工機のギャップ制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、レーザ加工機の加工用のノズルと、ワークとの間のギャップを制御するレーザ加工機のギャップ制御装置において、前記ノズル周辺の静電容量及びインダクタンスによる発振周波数を検出する発振周波数検出手段と、前記発振周波数検出手段で検出される発振周波数に基づいて、前記ノズルがワークに接近したときの周囲静電容量Ｃを検出し、該周囲静電容量Ｃに基づいて、ノズルとワークとのギャップに存在するギャップ間静電容量Ｃｄを求める静電容量演算手段と、前記静電容量演算手段で求められたギャップ間静電容量Ｃｄに基づいて、前記ノズルとワークとの間のギャップを算出するギャップ演算手段と、前記ギャップ演算手段で算出されたギャップとなるように、前記ノズルの位置を制御するギャップ補正手段と、を有し、前記ギャップ演算手段は、レーザ加工の開始前に、前記ノズルの寄生・浮遊静電容量Ｃ０を測定し、且つ、前記ギャップを変化させながら前記発振周波数検出手段にて検出される発振周波数に基づいて、ギャップと発振周波数との関係を測定し、更に、ギャップ間静電容量Ｃｄとギャップｄとの関係式を設定し、前記レーザ加工の開始後に、前記関係式によりギャップｄを求めると共に、レーザ照射の停止時に、前記ノズルとワークとの間を遠ざけることにより、前記寄生・浮遊静電容量Ｃ０を再計測し、この寄生・浮遊静電容量Ｃ０に基づいて、前記関係式を再設定することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、前記ギャップ演算手段は、レーザ照射が停止し、次の加工位置に前記加工ノズルが移動するまでの時間が所定時間よりも長い場合に、この移動時間内に、前記関係式の再設定処理を実行することを特徴とする。

本発明に係るレーザ加工機のギャップ制御装置では、レーザ加工を開始する前に、ノズルの寄生・浮遊静電容量Ｃ０を測定してギャップと発振周波数との関係を測定し、更に、ギャップ間静電容量Ｃｄとギャップｄとの関係式を設定し、レーザ加工の開始後に、この関係式によりギャップｄを求めると共に、レーザ照射の停止時に、ノズルとワークとの間を遠ざけることにより、寄生・浮遊静電容量Ｃ０を再計測し、この寄生・浮遊静電容量Ｃ０に基づいて、関係式を再設定するので、レーザ加工時間に大きなタイムロスを発生させることなく、高精度にギャップｄを設定することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るギャップ制御装置が搭載されたレーザ加工機の構成を模式的に示す説明図である。 ノズル周辺に存在する静電容量を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るギャップ制御装置による校正処理の手順を示すフローチャートである。 本実施形態に係るギャップ制御装置により再校正処理を実行するタイミングを示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るレーザ加工機のギャップ制御装置の構成を模式的に示す説明図である。

図１に示すように、このギャップ制御装置１００は、ワークＷに向けてレーザを照射する加工ヘッド１１に接続されており、該加工ヘッド１１には上下機構１７が設けられ、更にその先端部には、ガード電極１２、及びレーザを照射するノズル１３が設けられている。

上下機構１７は、サーボアンプ１４によって回転が制御される上下軸モータ１５に連結されており、該上下軸モータ１５の回転動に伴って上下方向にスライド移動するように構成されている。

また、ガード電極１２は、ケーブル１６を介してギャップセンサ２０に接続されている。ギャップセンサ２０は、発振回路部（発振周波数検出手段）２１と演算処理部（静電容量演算手段、ギャップ演算手段）２２を備えており、発振回路部２１は、ノズル１３、ガード電極１２、及びケーブル１６の周囲に存在する周囲静電容量、及びインダクタンスに起因して生じる発振周波数ｆを検出する。

即ち、図２に示すように、ケーブル１６やガード電極１２等の発振回路部２１に接続される要素には寄生・浮遊静電容量が存在しており、これらの合計をＣ０として示す。更に、ノズル１３の先端部とワークＷ（被加工対象物）との間には、ギャップ間静電容量Ｃｄが存在している。また、発振回路部２１にはインダクタンスＬが存在している。従って、発振回路部２１は、寄生・浮遊静電容量Ｃ０とギャップ間静電容量Ｃｄとを加算した全体の静電容量（周囲静電容量）Ｃと、インダクタンスＬとの間の共振周波数で発振することになる。

即ち、発振周波数ｆは次の（１）式で示すことができる。

ｆ＝１／２π（ＬＣ）^１／２ …（１）
また、演算処理部２２は、発振回路部２１で求められた発振周波数ｆ、ギャップ間静電容量Ｃｄ、及び寄生・浮遊静電容量Ｃ０に基づいて、下記の（２）、（３）式に基づいて、ノズル１３の先端部とワークＷとの間のギャップｄを計測する。

Ｃ＝Ｃ０＋Ｃｄ …（２）
Ｃｄ＝εＳ／ｄ …（３）
演算処理部２２で求められたギャップｄのデータは、図１に示すＮＣ制御装置（ノズル位置制御手段）３１に設けられる減算器２３にて、ギャップ指令値との減算が行われ、ギャップ偏差が求められる。求められたギャップ偏差は、倣い制御部（ギャップ補正手段）２４に出力され、該倣い制御部２４では、サーボアンプ１４に制御指令信号を出力する。これにより、サーボアンプ１４は、上下軸モータ１５の制御信号を出力し、加工ヘッド１１の高さがギャップ指令値に等しくなるように制御する。

ここで、レーザ加工を開始する前の校正処理として、寄生・浮遊静電容量Ｃ０の測定、及び面積Ｓを設定する処理を行う必要がある。更に、加工開始後においては、温度変化により寄生・浮遊静電容量Ｃ０、及び面積Ｓの設定値が変化するので、定期的にこれらを校正する必要がある。即ち、加工が開始された後において、上述した（１）〜（３）式（関係式）で使用した寄生・浮遊静電容量Ｃ０、及び面積Ｓの設定値を再設定する必要がある。

以下、本実施形態に係るギャップ制御装置によるギャップ校正の処理手順を、図３に示すフローチャートを参照して説明する。

初めに、ステップＳ１１において、レーザ加工用のノズル１３が交換されたか否かを判断する。ノズル１３が交換されていない場合には（ステップＳ１１でＮＯ）、既に測定した校正データを用いることができるので、加工開始前の校正処理を行わずに、ステップＳ１６に処理を進める。また、ノズル１３が交換された場合には（ステップＳ１１でＹＥＳ）、ステップＳ１２に処理を進める。

ステップＳ１２において、ノズル１３を十分高い位置まで上昇させ、このときの発振周波数ｆに基づいて、寄生・浮遊静電容量Ｃ０を計測する。具体的には、ノズルが十分高い位置に存在することによりギャップ間静電容量Ｃｄはほぼゼロとなるので、上述した（１）式に基づいて、静電容量Ｃを求めると、この静電容量は、寄生・浮遊静電容量Ｃ０と等しくなる。

ステップＳ１３において、タッチ座標検出動作を実行する。この処理では、ノズル１３の先端部をワークＷの表面に接触させ、この位置をギャップｄ＝０とし、徐々にノズル１３を上昇させながら、発振周波数ｆを測定する。そして、例えば、ｄ＝０．２ｍｍ、１．５ｍｍ、２．８ｍｍでの発振周波数ｆを測定する。

ステップＳ１４において、発振周波数ｆとギャップｄとの関係を求め、ステップＳ１５において、ギャップｄとギャップ間静電容量Ｃｄとの関係を示す特性を求める。この処理では、ステップＳ１３の処理で求めたデータに基づき、前述した（１）式に発振周波数ｆを代入して、周囲静電容量Ｃを求め、更に、ステップＳ１２の処理により寄生・浮遊静電容量Ｃ０が求められているので、該寄生・浮遊静電容量Ｃ０に基づいて、前述の（２）式によりギャップ間静電容量Ｃｄを求める。更に、このギャップ間静電容量Ｃｄ、及びステップＳ１３で求めたギャップｄを（３）式に代入することにより、面積Ｓを設定する。その結果、（１）〜（３）式において、寄生・浮遊静電容量Ｃ０が決定し、面積Ｓが設定される。

その後、ステップＳ１６において、レーザ加工を開始する。レーザ加工中においては、発振回路部２１にて発振周波数ｆが求められ、更に、前述した（１）〜（３）式を用いることにより、ギャップｄを算出し、ノズル１３とワークＷとの間の距離がギャップｄとなるように、上下軸モータ１５の駆動が制御される。具体的には、図１に示す演算処理部２２でギャップｄが検出されると、ギャップ指令値との偏差が求められ、倣い制御部２４により、この偏差がゼロになるように上下軸モータ１５が制御される。

その後、ステップＳ１７において、レーザ加工が開始されてから一定の時間が経過したか否かを判断する。そして、一定の時間が経過した場合には（ステップＳ１７でＹＥＳ）、ステップＳ１８において、ノズルを十分に高い位置まで上昇させ、この状態で発振周波数ｆを計測し、計測した発振周波数ｆを（１）式に代入して寄生・浮遊静電容量Ｃ０を再計測する。それ以外のデータは、ステップＳ１２〜Ｓ１５で求めたデータを用いて、面積Ｓを設定する。その結果、上述した（１）〜（３）式を新たな演算式に変更することができる。

ステップＳ１９において、新たに設定した（１）〜（３）式に基づき、ギャップｄの測定を行う。そして、サーボアンプ１４、及び上下軸モータ１５は、上記の処理で求められるギャップｄが所望の数値となるようにノズル１３の高さを制御する。こうして、一定時間毎に演算式を校正して、ギャップｄが所定の数値となるように制御することができることとなる。

ステップＳ２０において、レーザ加工を終了するか否かが判断され、レーザ加工を継続する場合には（ステップＳ２０でＮＯ）ステップＳ１７に処理を戻し、継続しない場合には（ステップＳ２０でＹＥＳ）、本処理を終了する。

なお、ステップＳ１７の処理では、一定時間が有るか否かを判断する以外に、空き時間が存在するか否かを判断し、空き時間が存在する場合に、ステップＳ１８，Ｓ１９の処理を実行するようにしても良い。

次に、図４に示すタイミングチャートを参照して、レーザ加工開始後に再校正処理を実行する例について説明する。図４において、（ａ）はノズル１３のＺ軸（上下方向）の移動を示し、（ｂ）はノズル１３のＸ軸、Ｙ軸方向の移動を示し、（ｃ）はレーザ加工の実行を示し、（ｄ）は再校正処理の実行を示し、（ｅ）は再校正監視時間を示している。

図４に示す時刻ｔ０にてレーザ加工が開始されると、ノズル１３の高さがＺ１からＺ２に上昇し、ノズル１３が平面方向に移動して時刻ｔ１にて所定の加工位置まで移動する。その後、図４（ｃ）に示す時刻ｔ２にてレーザ加工が開始される。そして、時刻ｔ３でレーザ加工が終了すると、次の加工位置にノズル１３を移動させるために、再度ノズル１３をＺ２の位置まで上昇させ、更に平面方向に移動させる。

その後、時刻ｔ４〜ｔ５の間でレーザ加工を実行する。また、次回のレーザ加工位置までノズル１３を移動させる距離が大きい場合には、時刻ｔ５〜ｔ８の間でノズル１３を平面方向に移動させる必要がある。即ち、再校正処理を実行可能な空き時間が存在する。本実施形態では、この空き時間を利用して図４（ａ）の時刻ｔ５〜ｔ８に示すように、ノズル１３を上方の高い位置（Ｚ３）まで上昇させる。そして、この状態で、図３のステップＳ１８，Ｓ１９の処理による、寄生・浮遊静電容量Ｃ０と面積Ｓの再校正処理を実行する。即ち、図４（ｄ）に示す時刻ｔ６〜ｔ７間で再校正処理を実行する。

また、図４（ｅ）に示すように、再校正監視時間を計測しており、この時間が所定時間に達した場合（この例では、時刻ｔ１１とする）には、この時点でレーザ加工を停止させ（図４（ｃ）参照）、ノズル１３を上方の高い位置（Ｚ３）まで上昇させる。そして、時刻ｔ１２〜ｔ１３の間で寄生・浮遊静電容量Ｃ０と面積Ｓの再校正処理を実行する。

このような処理を実行することにより、レーザ加工に大きなタイムロスを発生させることなく、再校正処理を実行することができることとなる。

このようにして、本実施形態に係るレーザ加工装置のギャップ制御装置では、レーザ加工に用いるノズル１３が交換された場合には、レーザ加工の開始前に、ノズルのタッチ座標検出動作を実行することにより、ギャップ間静電容量Ｃｄからギャップｄを求める演算式を校正する。そして、加工が開始された後においては、ノズルを上昇させて寄生・浮遊静電容量Ｃ０のみを測定し、この寄生・浮遊静電容量に基づいて、演算式を再度校正する処理を実行する。

従って、従来のように、所定時間が経過する毎にタッチ座標検出動作を実行するという面倒な操作を行う必要がなく、且つ、高精度なギャップｄの測定が可能となる。その結果、周囲温度が変化した場合であってもノズル位置を高精度に設定することが可能となり、レーザ加工面にムラが発生する等の問題が発生することを防止することが可能となる。

また、ノズル１３が平面方向に大きく移動する場合には、ノズル１３を上昇させる余裕があるので、この時間を利用して再校正処理を行うことにより、レーザ加工を停止させることなく再校正処理を行うことができるので、全体の加工時間を短縮化することができる。

以上、本発明のレーザ加工機のギャップ制御装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

本発明は、レーザ加工機のギャップｄを高精度に測定してノズル位置を設定することに利用することができる。

１１ 加工ヘッド
１２ ガード電極
１３ ノズル
１４ サーボアンプ
１５ 上下軸モータ
１６ ケーブル
１７ 上下機構
２０ ギャップセンサ
２１ 発振回路部
２２ 演算処理部
２３ 減算器
２４ 倣い制御部
１００ ギャップ制御装置

Claims (2)

1. レーザ加工機の加工用のノズルと、ワークとの間のギャップを制御するレーザ加工機のギャップ制御装置において、
   前記ノズル周辺の静電容量及びインダクタンスによる発振周波数を検出する発振周波数検出手段と、
   前記発振周波数検出手段で検出される発振周波数に基づいて、前記ノズルがワークに接近したときの周囲静電容量Ｃを検出し、該周囲静電容量Ｃに基づいて、ノズルとワークとのギャップに存在するギャップ間静電容量Ｃｄを求める静電容量演算手段と、
   前記静電容量演算手段で求められたギャップ間静電容量Ｃｄに基づいて、前記ノズルとワークとの間のギャップを算出するギャップ演算手段と、
   前記ギャップ演算手段で算出されたギャップとなるように、前記ノズルの位置を制御するギャップ補正手段と、を有し、
   前記ギャップ演算手段は、
   レーザ加工の開始前に、前記ノズルの寄生・浮遊静電容量Ｃ０を測定し、且つ、前記ギャップを変化させながら前記発振周波数検出手段にて検出される発振周波数に基づいて、ギャップと発振周波数との関係を測定し、更に、ギャップ間静電容量Ｃｄとギャップｄとの関係式を設定し、
   前記レーザ加工の開始後に、前記関係式によりギャップｄを求めると共に、レーザ照射の停止時に、前記ノズルとワークとの間を遠ざけることにより、前記寄生・浮遊静電容量Ｃ０を再計測し、この寄生・浮遊静電容量Ｃ０に基づいて、前記関係式を再設定することを特徴とするレーザ加工機のギャップ制御装置。
2. 前記ギャップ演算手段は、レーザ照射が停止し、次の加工位置に前記加工ノズルが移動するまでの時間が所定時間よりも長い場合に、この移動時間内に、前記関係式の再設定処理を実行することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機のギャップ制御装置。

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