JP2016209906A - レーザ加工機及びレーザ加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークの縁の部分で加工ノズルがワーク又はワークサポートに衝突することを防止したレーザ加工機を得ること。【解決手段】ワークサポート３０上に載置されたワーク１２と加工ノズル２８との距離を、距離センサ１９の検出結果に基づいた倣い制御により一定に保ってレーザ加工を行うレーザ加工機１００であって、加工ノズル２８がワーク１２の縁の部分の上に位置する状態において、距離センサ１９の検出範囲全体にワーク１２が存在する場合と同じ静電容量を生じさせるダミーワーク２９と、ワークサポート３０上でダミーワーク２９を移動させ、ワーク１２の縁に沿うように接触させるシリンダ３１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、倣い制御により加工ノズルとワークとの距離を一定に保ちつつレーザ加工を行うレーザ加工機及びレーザ加工方法に関する。

従来、レーザ加工中のレーザ加工機は、倣い制御によって加工ノズルとワークとの距離を一定に保っている。特許文献１に開示されるように、倣い制御では、加工ノズルの直下に位置するワークと加工ノズルとの間の距離を非接触方式のセンサで電磁気的に検出する。

特開２００３−１８１６７４号公報

しかしながら、上記従来の技術は、ワークの縁の部分の上に加工ノズルが位置し、非接触方式のセンサの検出範囲の一部分のみにワークが存在する状態では、ワークと加工ノズルとの間の距離は、実際の距離よりも大きく検出される。したがって、加工ノズルがワークの縁に到達すると、倣い制御によりワークとノズルとの距離を小さくする制御が行われるため、ワーク又はワークを支持するワークサポートに加工ノズルが衝突してしまう可能性があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ワークの縁の部分で加工ノズルがワーク又はワークサポートに衝突することを防止したレーザ加工機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、本発明は、ワークサポート上に載置されたワークと加工ノズルとの距離を、静電センサの検出結果に基づいた倣い制御により一定に保ってレーザ加工を行うレーザ加工機である。本発明は、加工ノズルがワークの縁の部分の上に位置する状態において、静電センサの検出範囲全体にワークが存在する場合と同じ静電容量を生じさせるダミーワークを、ワークサポート上で移動させ、ワークの縁に沿うように接触させる駆動機構を備える。

本発明によれば、ワークの縁の部分で加工ノズルがワーク又はワークサポートに衝突することを防止することができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工機の構成図 実施の形態１にかかるレーザ加工機の加工パレットの上面図 実施の形態１にかかるレーザ加工機によるレーザ加工の手順を示すフローチャート 実施の形態１にかかるレーザ加工機の加工パレットの上面図 実施の形態１にかかるレーザ加工機の変形構成例を示す図 本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工機の加工パレットの上面図 本発明の実施の形態３にかかるレーザ加工機の加工パレットの断面図

以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工機及びレーザ加工方法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、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工機の構成図である。レーザ加工機１００は、レーザ加工機１００の各部を制御する数値制御ユニット１０と、加工ノズル２８とワーク１２との距離Ｌを検出する距離センサ１９と、距離センサ１９の検出結果を処理するセンサデータ処理部１８と、加工ヘッド７をＸ軸方向に移動させるＸサーボモータ２３と、Ｘサーボモータ２３を制御するＸサーボ制御部２０と、加工ヘッド７をＹ軸方向に移動させるＹサーボモータ２４と、Ｙサーボモータ２４を制御するＹサーボ制御部２１と、加工ヘッド７をＺ方向に移動させるＺサーボモータ２５と、Ｚサーボモータ２５を制御するＺサーボ制御部２２と、ワーク１２へ照射するレーザ光を発するレーザ発振器２６と、ワーク１２を載置する加工パレット２７と、加工パレット２７上に設置されるダミーワーク２９と、加工パレット２７に設置されてワーク１２を支持するワークサポート３０と、ダミーワーク２９をワークサポート３０上で滑らせて移動させるシリンダ３１とを備える。シリンダ３１は、ワークサポート３０上でダミーワーク２９を移動させ、ワーク１２の縁に沿うように接触させる駆動機構である。

加工ヘッド７は、Ｘサーボモータ２３、Ｙサーボモータ２４及びＺサーボモータ２５によって、ＸＹＺの各軸方向に駆動される。Ｘ軸及びＹ軸は、ワーク１２が載置される面と平行な平面に含まれる。Ｚ軸は、ワーク１２が載置される面に垂直である。

なお、紙面の都合上、図１ではワーク１２をレーザ加工機１００の内側に図示しているが、ワーク１２は、レーザ加工機１００の構成要素ではない。

数値制御ユニット１０は、レーザ加工機１００の全体の動作を制御する主制御部１３と、レーザ発信器２６に対して指令を送り、レーザのオンオフを制御する加工機制御部１４と、Ｘサーボ制御部２０及びＹサーボ制御部２１にＸ軸方向及びＹ軸方向の位置指令を出力する位置制御部１５と、Ｚサーボ制御部２２にＺ軸方向の位置指令を出力する高さ制御部１７と、シリンダ３１を制御するシリンダ制御部３２とを有する。

距離センサ１９は、非接触方式でワーク１２との距離を検出する静電容量式の静電センサであり、加工ノズル２８とワーク１２との間の静電容量に対応した電圧値である静電倣い電圧を測定する。センサデータ処理部１８は、距離センサ１９から電圧値を取り込み、加工ノズル２８とワーク１２との距離Ｌを算出する。距離センサ１９及びセンサデータ処理部１８は、加工ノズル２８とワーク１２との距離を測定するセンサを構成する。

Ｘサーボ制御部２０は、Ｘサーボモータ２３にＸ軸方向の移動量を出力し、加工ヘッド７をＸ軸に沿って移動させる。Ｙサーボ制御部２１は、Ｙサーボモータ２４にＹ軸方向の移動量を出力し、加工ヘッド７をＹ軸に沿って移動させる。Ｚサーボ制御部２２は、Ｚサーボモータ２５にＺ軸方向の移動量を出力し、加工ヘッド７をＺ軸に沿って移動させる。Ｘサーボモータ２３、Ｙサーボモータ２４、Ｚサーボモータ２５は、ＸＹＺ各軸の位置検出器を有しており、Ｘサーボ制御部２０、Ｙサーボ制御部２１又はＺサーボ制御部２２から入力されるＸＹＺの各軸の移動量に従って加工ヘッド７を移動させる。

レーザ発振器２６は、加工機制御部１４からの指令に基づいて、ワーク１２の加工に用いるレーザ光をオンオフする。

数値制御プログラムに従って加工を行う場合の制御について、図１に基づいて説明する。主制御部１３はレーザ加工用の数値制御プログラムを解析し、加工機制御部１４、位置制御部１５及び高さ制御部１７にプログラムの指令内容に対応した情報を与える。

プログラム指令がレーザ発振器２６に対しての指令である場合、主制御部１３は、加工機制御部１４に指令を与える。レーザ発振器２６に対しての指令の具体例を挙げると、レーザ光のオンオフである。レーザ発振器２６からの信号は、加工機制御部１４を経由して主制御部１３に伝えられる。従って、数値制御ユニット１０はレーザ発振器２６の状況を知ることができる。

プログラム指令が位置指令の場合は、主制御部１３は位置制御部１５に移動位置及び移動速度の情報を与える。位置制御部１５は与えられた情報に基づいて移動距離を計算し、Ｘ、Ｙ軸に分配しＸサーボ制御部２０及びＹサーボ制御部２１に移動量を出力する。また、位置制御部１５は、出力した移動位置と、Ｘサーボ制御部２０及びＹサーボ制御部２１からの情報とに基づいて、加工ヘッド７の実際の位置の管理も行う。Ｘサーボ制御部２０及びＹサーボ制御部２１はＸサーボモータ２３及びＹサーボモータ２４を駆動し、加工ヘッド７をワーク１２に対し相対移動させる。加工ヘッド７が数値制御プログラムの指令に従って加工ノズル２８からレーザを発した状態で移動することによりレーザ加工が行なわれる。また、位置制御部１５は移動位置、移動量及び残りの移動距離の情報を主制御部１３に伝える。

プログラム指令が倣い制御のオンオフの指令の場合は、主制御部１３は高さ制御部１７に指令情報を与える。高さ制御部１７は倣い制御のオンを指令されると、加工ノズル２８とワーク１２との距離を一定距離に保つ倣い制御を実行する。倣い制御を実行する場合、高さ制御部１７は、センサデータ処理部１８から入力される距離Ｌの情報と予め設定されている距離とを比較し、差を無くすためにＺ軸サーボ制御部２２に移動量を出力する。Ｚサーボ制御部２２はＺサーボモータ２５を駆動し、加工ヘッド７を上下に移動する。距離センサ１９は加工ノズル２８とワーク１２との距離Ｌに対応するセンサデータを出力し、センサデータはセンサデータ処理部１８を介して高さ制御部１７にフィードバックされる。上記のようにしてワーク１２の歪みで距離Ｌが変化するとセンサデータが変化し、センサデータの変化に基づいてＺ軸位置を変化させることにより、加工ヘッド７とワーク１２との距離Ｌが一定に保たれる。また、高さ制御部１７はトレースの状況の情報を主制御部１３に伝える。

プログラム指令がアプローチ動作の実行指令の場合は、主制御部１３は高さ制御部１７にアプローチ速度及びノズル高さの情報を与える。高さ制御部１７は、与えられた情報に基づいて移動距離を計算し、アプローチ動作の実行を指令されると、Ｚサーボ制御部２２にＺ軸方向の移動量を出力する。Ｚサーボ制御部２２は、高さ制御部１７から与えられたＺ軸方向の移動量に基づいてＺサーボモータ２５を駆動し、加工ヘッド７を下に移動させる。距離センサ１９は加工ノズル２８とワーク１２との距離Ｌに対応するセンサデータを出力し、センサデータはセンサデータ処理部１８を介して高さ制御部１７にフィードバックされる。高さ制御部１７は、センサデータ処理部１８からフィードバックされるセンサデータに基づいて、加工ヘッド７を下降させる。

シリンダ制御部３２は、ワーク１２が加工パレット２７のワークサポート３０上に載置されたことを主制御部１３から通知されると、シリンダ３１を制御して、ダミーワーク２９をワーク１２の縁に沿うように接触させる。シリンダ３１には油圧式又は空気圧式のものを適用できる。なお、レーザ加工機は、導光光学系といった構成も備えるが、一般的なレーザ加工機と同様のものを適用可能であり、本発明の特徴と直接関係しないため、図示は省略している。

加工パレット２７には、複数のワークサポート３０が設けられており、ワーク１２はワークサポート３０の上に配置される。

シリンダ３１には、ダミーワー２９が取り付けられている。ダミーワーク２９は、ワーク１２と同じ材料で形成されており、ワーク１２と同じ厚さであり、ワークサポート３０の上に配置されている。ダミーワーク２９は、距離センサ１９の検出範囲の半径以上の幅を有する。シリンダ制御部３２がシリンダ３１を稼働させることにより、ダミーワーク２９はワークサポート３０上を滑って移動する。ダミーワーク２９は、ワークサポート３０上に配置されているため、ワーク１２とダミーワーク２９とは導通して同じ電位に保たれる。

図２は、実施の形態１にかかるレーザ加工機の加工パレットの上面図である。実施の形態１にかかるレーザ加工機１００は、四つのダミーワーク２９を備えており、各ダミーワーク２９は、ワーク１２の四辺の各々と同じ長さである。

ワーク１２を加工パレット２７の基準位置に配置した後、シリンダ制御部３２はシリンダ３１を制御してダミーワーク２９をワーク１２に近づけ、ダミーワーク２９がワーク１２に接触したところでダミーワーク２９の移動を停止させる。これにより、ワーク１２はダミーワーク２９によって四方を囲まれた状態となり、ダミーワーク２９は、ワーク１２の縁に沿った状態で静止する。

図３は、実施の形態１にかかるレーザ加工機によるレーザ加工の手順を示すフローチャートである。ステップＳ１で、加工パレット２７に設置されているワークサポート３０の上にワーク１２を載置する。ステップＳ２で、ワーク１２の各辺と間隔を空けた状態でダミーワーク２９をワークサポート３０の上に載置する。ステップＳ３で、シリンダ３１によりダミーワーク２９をワークサポート３０上で滑らせ、ダミーワーク２９をワーク１２の各辺に接触させる。ステップＳ４で、加工プログラムを実行し、ワーク１２をレーザで加工する。なお、ダミーワーク２９の重量が、手作業でもワークサポート３０の上を滑らせることができる程度であるならば、シリンダ３１を用いずに、手作業でダミーワーク２９をワーク１２の各辺に接触させてもよい。すなわち、手作業でもワークサポート３０の上を滑らせることができる程度の重量のダミーワーク２９を用いる場合には、シリンダ制御部３２及びシリンダ３１を備えない構成のレーザ加工機であっても、図３に示す手順に従ってレーザ加工を行うことができる。

上記の手順により、レーザ加工機１００は、ワークサポート３０上に載置されたワーク１２と加工ノズル２８との距離を、距離センサ１９の検出結果に基づいた倣い制御により一定に保ってレーザ加工を行う。

図４は、実施の形態１にかかるレーザ加工機の加工ヘッドの動きを示す図である。図４（ａ）は、ワーク１２の中央部の上に加工ヘッド７が位置する状態であり、図４（ｂ）は、ワーク１２の縁の直上に加工ヘッド７が位置する状態であり、図４（ｃ）は、ダミーワーク２９の上に加工ヘッド７が位置する状態である。図４（ａ）に示すように、ワーク１２の中央部から倣い制御を行いながら進行してきた加工ヘッド７が、図４（ｂ）に示すようにワーク１２の縁の上部に達すると、距離センサ１９の検出範囲１９ａの一部分のみにワーク１２が存在する状態になる。しかし、ワーク１２の周囲にはダミーワーク２９が配置されているため、距離センサ１９は、ダミーワーク２９との間に生じる静電容量も検出することになる。ダミーワーク２９は、ワーク１２と同じ材料で形成され、ワーク１２と同じ厚さを有し、距離センサ１９の検出範囲１９ａの半径以上の幅を有しているため、加工ノズル７がワーク１２の縁の直上に位置する時には、ダミーワーク２９が距離センサ１９の検出範囲１９ａ内に存在し、検出範囲１９ａ全体にワーク１２が存在する場合と同じ距離が検出される。すなわち、ダミーワーク２９は、加工ノズル２８がワーク１２の縁の部分の上に位置する状態において、距離センサ１９の検出範囲１９ａ全体にワーク１２が存在する場合と同じ静電容量を生じさせる。したがって、実施の形態１にかかるレーザ加工機１００は、ワーク１２の縁の部分で倣い制御を行っても、加工ノズル２８がワーク１２又はワークサポート３０に衝突することは防止される。

レーザ加工の終了時には、図４（ｃ）に示すように、加工ヘッド７の下にはワーク１２は存在しないが、ワーク１２と同じ材料及び同じ厚さのダミーワーク２９が距離センサ１９の検出範囲１９ａ全体に存在しているため、レーザ加工終了まで倣い制御を継続しても、加工ノズル２８がワーク１２又はワークサポート３０に衝突することは防止される。

上記のように、実施の形態１にかかるレーザ加工機１００は、ワーク１２の周囲にダミーワーク２９を配置するため、ワーク１２の縁の部分で倣い制御を行っても、加工ノズル７がワーク１２又はワークサポート３０に衝突することは防止できる。

上記の説明においては、シリンダ３１を用いてダミーワーク２９を移動させているが、シリンダ３１の代わりにサーボモータを用いてダミーワーク２９を移動させても良い。

図５は、実施の形態１にかかるレーザ加工機の変形構成例を示す図である。ダミーワーク２９とワーク１２とを配線３３を用いて接続している。ダミーワーク２９又はワーク１２の下面に酸化皮膜が形成されていたり、非導電性のコーティングが施されていたりしても、ダミーワーク２９とワーク１２とを配線３３で接続することにより、ワーク１２とダミーワーク２９とを同電位とすることができる。これにより、ワーク１２及びダミーワーク２９の下面の導通状態によらず、ワーク１２の縁の部分での倣い制御で加工ノズル７がワーク１２又はワークサポート３０に衝突することを防止する効果が得られる。

なお、図５には、四つのダミーワーク２９の各々を配線３３でワーク１２に直接接続した構成を示しているが、複数のダミーワーク２９のいずれかを配線３３でワーク１２に直接接続し、他のダミーワーク２９は、ワーク１２に接続済のダミーワーク２９に対して配線で接続する構成をとることもできる。

実施の形態２．
図６は、本発明の実施の形態２にかかるレーザ加工機の加工パレットの上面図である。実施の形態２にかかるレーザ加工機の構成は、実施の形態１にかかるレーザ加工機１００と同様であるが、ダミーワーク２９がワーク１２の２辺にのみ配置される点で相違している。したがって、実施の形態１にかかるレーザ加工機１００と比較して、装置構成の簡略化を図ることができる。

実施の形態２にかかるレーザ加工機は、ダミーワーク２９が配置される側でのみ、ワーク１２の縁の部分で加工ノズル７がワーク１２又はワークサポート３０に衝突することを防止する効果が得られるが、ダミーワーク２９が配置されない側ではワーク１２の縁の上に加工ヘッド７が移動しないように組んだ制御プログラムを主制御部１３に実行させることにより、加工ノズル７とワーク１２又はワークサポート３０との衝突を回避できる。

実施の形態３．
図７は、本発明の実施の形態３にかかるレーザ加工機の加工パレットの断面図である。実施の形態３にかかるレーザ加工機においては、ダミーワーク２９’のワーク１２と隣接しない側の端部２９ａは、上方向にそり上がっている。

距離センサ１９の検知範囲は、加工ノズル７の直下だけでなく、加工ノズル７を中心とし、加工ノズル７の外形よりも大径の円形の領域である。したがって、ダミーワーク２９’のワーク１２と隣接しない側の端部２９ａを上方向に反らすことにより、距離センサ１９が検知する静電容量は、そりが無い場合と比べて大きくなる。これにより、実施の形態１のダミーワーク２９と比較してダミーワーク２９’の幅を細くしても、ワーク１２の縁の部分での倣い制御で加工ノズル７がワーク１２又はワークサポート３０に衝突することを防止する効果が得られる。

実施の形態３によれば、ワーク１２に隣接しない側の端部が上方向に反り上がっていないダミーワーク２９よりも幅の狭いダミーワーク２９’を用いることにより、レーザ加工機の小型化を図ることができる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

７ 加工ヘッド、１０ 数値制御ユニット、１２ ワーク、１３ 主制御部、１４ 加工機制御部、１５ 位置制御部、１７ 高さ制御部、１８ センサデータ処理部、１９ 距離センサ、１９ａ 検出範囲、２０ Ｘサーボ制御部、２１ Ｙサーボ制御部、２２ Ｚサーボ制御部、２３ Ｘサーボモータ、２４ Ｙサーボモータ、２５ Ｚサーボモータ、２６ レーザ発振器、２７ 加工パレット、２８ 加工ノズル、２９ ダミーワーク、３０ ワークサポート、３１ シリンダ、３２ シリンダ制御部、１００ レーザ加工機。

Claims (4)

1. ワークサポート上に載置されたワークと加工ノズルとの距離を、静電センサの検出結果に基づいた倣い制御により一定に保ってレーザ加工を行うレーザ加工機であって、
   前記加工ノズルが前記ワークの縁の部分の上に位置する状態において、前記静電センサの検出範囲全体に前記ワークが存在する場合と同じ静電容量を生じさせるダミーワークを、前記ワークサポート上で移動させ、ワークの縁に沿うように接触させる駆動機構を備えることを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記ダミーワークは、前記静電センサの検出範囲の半径以上の幅を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記ダミーワークは、前記ワークと隣接しない側が上方向にそり上がっていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
4. ワークサポート上に載置されたワークと加工ノズルとの距離を、静電センサの検出結果に基づいた倣い制御により一定に保ってレーザ加工を行うレーザ加工方法であって、
   前記ワークサポートの上に前記ワークを載置する工程と、
   前記加工ノズルが前記ワークの縁の部分の上に位置する状態において、前記静電センサの検出範囲全体に前記ワークが存在する場合と同じ静電容量を生じさせるダミーワークを、前記ワークの各辺と間隔を空けた状態で前記ワークサポートの上に載置する工程と、
   前記ダミーワークを前記ワークの各辺の縁に沿うように接触させる工程と、
   前記ワークをレーザで加工する工程とを有することを特徴とするレーザ加工方法。

Images