JP2020066011A

JP2020066011A - レーザ加工機及びレーザ加工方法

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Publication number: JP2020066011A
Application number: JP2018198451A
Authority: JP
Inventors: 田中　洋一; Yoichi Tanaka; 洋一田中; 千秋河原; Chiaki Kawahara
Original assignee: Amada Holdings Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2018-10-22
Filing date: 2018-10-22
Publication date: 2020-04-30
Anticipated expiration: 2038-10-22
Also published as: US11666991B2; EP3871825A1; WO2020085073A1; CN112912201B; US20210339342A1; JP6636115B1; EP3871825B1; EP3871825A4; CN112912201A

Abstract

【課題】レーザビームを所定の振動パターンで振動させて板金を切断するときに、製品の角を高精度に切断することができるレーザ加工機を提供する。【解決手段】移動機構は、レーザビームを射出する加工ヘッドを板金Ｗの面に沿って板金に対して相対的に移動させる。ビーム振動機構は、移動機構によって加工ヘッドを相対的に移動させながら、板金Ｗに照射するレーザビームを所定の振動パターンで振動させる。振動制御部は、角部を有する製品を製作するとき、加工ヘッドが角部に向かって移動して角部から所定の距離Ｌ１だけ手前の第１の位置Ｐ１に到達したら、第１の位置Ｐ１から角部まで振動パターンの振幅を順に小さくし、加工ヘッドが、角部から、角部から所定の距離だけ先の第２の位置Ｐ２に到達するまで振動パターンの振幅を順に大きくするようビーム振動機構を制御する。【選択図】図１２

Description

本発明は、レーザ加工機及びレーザ加工方法に関する。

レーザ発振器より射出されたレーザビームによって板金を切断して、所定の形状を有する製品を製作するレーザ加工機が普及している。非特許文献１には、レーザビームを所定の振動パターンで振動させながら板金を切断することが記載されている。

JANUARY 2017 The FABRICATOR 67, Shaping the beam for the best cut

レーザ加工機は、角を有する製品を製作するよう板金を切断することがある。このとき、レーザ加工機がレーザビームを所定の振動パターンで振動させながら板金を切断すると、製品の角を高精度に切断することができず、加工不良となることがある。本発明は、レーザビームを所定の振動パターンで振動させて板金を切断するときに、製品の角を高精度に切断することができるレーザ加工機及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、レーザビームを射出する加工ヘッドを板金の面に沿って前記板金に対して相対的に移動させる移動機構と、前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させながら、前記板金に照射するレーザビームを所定の振動パターンで振動させるビーム振動機構と、前記板金に前記振動パターンで振動させたレーザビームを照射することにより前記板金を切断して角部を有する製品を製作するとき、前記加工ヘッドが前記角部に向かって移動して前記角部から所定の距離だけ手前の第１の位置に到達したら、前記第１の位置から前記角部まで前記振動パターンの振幅を順に小さくし、前記加工ヘッドが、前記角部から、前記角部から前記所定の距離だけ先の第２の位置に到達するまで前記振動パターンの振幅を順に大きくするよう前記ビーム振動機構を制御する振動制御部とを備えるレーザ加工機を提供する。

本発明は、移動機構が、レーザビームを射出する加工ヘッドを板金の面に沿って前記板金に対して相対的に移動させ、前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させながら、ビーム振動機構が、前記板金に照射するレーザビームを所定の振動パターンで振動させ、前記板金に前記振動パターンで振動させたレーザビームを照射することにより前記板金を切断して角部を有する製品を製作するとき、振動制御部が、前記加工ヘッドが前記角部に向かって移動して前記角部から所定の距離だけ手前の第１の位置に到達したら、前記第１の位置から前記角部まで前記振動パターンの振幅を順に小さくし、前記加工ヘッドが、前記角部から、前記角部から前記所定の距離だけ先の第２の位置に到達するまで前記振動パターンの振幅を順に大きくするよう前記ビーム振動機構を制御するレーザ加工方法を提供する。

本発明のレーザ加工機及びレーザ加工方法によれば、レーザビームを所定の振動パターンで振動させて板金を切断するときに、製品の角を高精度に切断することができる。

図１は、一実施形態のレーザ加工機の全体的な構成例を示す図である。図２は、一実施形態のレーザ加工機におけるコリメータユニット及び加工ヘッドの詳細な構成例を示す斜視図である。図３は、ビーム振動機構によるレーザビームの板金への照射位置の変位を説明するための図である。図４Ａは、レーザビームの平行振動パターンを示す図である。図４Ｂは、レーザビームの直交振動パターンを示す図である。図４Ｃは、レーザビームの円振動パターンを示す図である。図４Ｄは、レーザビームのＣ字状振動パターンを示す図である。図４Ｅは、レーザビームの８の字状振動パターンを示す図である。図５は、図４Ｂに示す直交振動パターンを用いたときの実際の振動パターンを示す図である。図６は、一実施形態のレーザ加工機が備えるＮＣ装置の機能的な構成例を示すブロック図である。図７は、加工プログラムの一例を示す図である。図８は、加工条件ファイルの一例を示す図である。図９は、各振動パターンを決定するための第１のパラメータを示す表である。図１０は、各加工条件番号に対応して振動パターン番号と各振動パターンを決定するための第２のパラメータとを設定する設定リストを示す表である。図１１は、移動機構が加工ヘッドを移動させる際の制御周期と、ビーム振動機構がレーザビームを振動させるときの制御周期との関係を示す図である。図１２は、一実施形態のレーザ加工機が製品の２７０度の角部の外側を切断する際の動作であり、一実施形態のレーザ加工方法を示す図である。図１３は、一実施形態のレーザ加工機が製品の９０度の角部の外側を切断する際の動作であり、一実施形態のレーザ加工方法を示す図である。

以下、一実施形態のレーザ加工機及びレーザ加工方法について、添付図面を参照して説明する。図１において、レーザ加工機１００は、レーザビームを生成して射出するレーザ発振器１０と、レーザ加工ユニット２０と、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームをレーザ加工ユニット２０へと伝送するプロセスファイバ１２とを備える。

また、レーザ加工機１００は、操作部４０と、ＮＣ装置５０と、加工プログラムデータベース６０と、加工条件データベース７０と、アシストガス供給装置８０と、表示部９０とを備える。ＮＣ装置５０は、レーザ加工機１００の各部を制御する制御装置の一例である。

レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１０は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。

レーザ発振器１０は、波長９００ｎｍ〜１１００ｎｍの１μｍ帯のレーザビームを射出する。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍのレーザビームを射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザビームを射出する。

レーザ加工ユニット２０は、加工対象の板金Ｗを載せる加工テーブル２１と、門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｙ軸キャリッジ２３と、Ｙ軸キャリッジ２３に固定されたコリメータユニット３０と、加工ヘッド３５とを有する。Ｘ軸キャリッジ２２は、加工テーブル２１上でＸ軸方向に移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に移動自在に構成されている。Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３は、加工ヘッド３５を板金Ｗの面に沿って、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、または、Ｘ軸とＹ軸との任意の合成方向に移動させる移動機構として機能する。

加工ヘッド３５を板金Ｗの面に沿って移動させる代わりに、加工ヘッド３５は位置が固定されていて、板金Ｗが移動するように構成されていてもよい。レーザ加工機１００は、板金Ｗの面に対して加工ヘッド３５を相対的に移動させる移動機構を備えていればよい。

加工ヘッド３５には、先端部に円形の開口３６ａを有し、開口３６ａよりレーザビームを射出するノズル３６が取り付けられている。ノズル３６の開口３６ａより射出されたレーザビームは板金Ｗに照射される。アシストガス供給装置８０は、アシストガスとして窒素、酸素、窒素と酸素との混合気体、または空気を加工ヘッド３５に供給する。板金Ｗの加工時に、アシストガスは開口３６ａより板金Ｗへと吹き付けられる。アシストガスは、板金Ｗが溶融したカーフ幅内の溶融金属を排出する。

図２に示すように、コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２より射出された発散光のレーザビームを平行光（コリメート光）に変換するコリメーションレンズ３１を備える。また、コリメータユニット３０は、ガルバノスキャナユニット３２と、ガルバノスキャナユニット３２より射出されたレーザビームをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー３３を備える。加工ヘッド３５は、ベンドミラー３３で反射したレーザビームを集束して、板金Ｗに照射する集束レンズ３４を備える。

レーザビームの焦点位置を調整するために、集束レンズ３４は図示していない駆動部及び移動機構によって、板金Ｗに近付く方向及び板金Ｗより離隔する方向に移動自在に構成されている。

レーザ加工機１００は、ノズル３６の開口３６ａより射出されるレーザビームが開口３６ａの中心に位置するように芯出しされている。基準の状態では、レーザビームは、開口３６ａの中心より射出する。ガルバノスキャナユニット３２は、加工ヘッド３５内を進行して開口３６ａより射出されるレーザビームを、開口３６ａ内で振動させるビーム振動機構として機能する。ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームをどのように振動させるかについては後述する。

ガルバノスキャナユニット３２は、コリメーションレンズ３１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２１と、スキャンミラー３２１を所定の角度となるように回転させる駆動部３２２とを有する。また、ガルバノスキャナユニット３２は、スキャンミラー３２１より射出されたレーザビームを反射するスキャンミラー３２３と、スキャンミラー３２３を所定の角度となるように回転させる駆動部３２４とを有する。

駆動部３２２及び３２４は、ＮＣ装置５０による制御に基づき、それぞれ、スキャンミラー３２１及び３２３を所定の角度範囲で往復振動させることができる。スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方を往復振動させることによって、ガルバノスキャナユニット３２は、板金Ｗに照射されるレーザビームを振動させる。

ガルバノスキャナユニット３２はビーム振動機構の一例であり、ビーム振動機構は一対のスキャンミラーを有するガルバノスキャナユニット３２に限定されない。

図３は、スキャンミラー３２１とスキャンミラー３２３とのいずれか一方または双方が傾けられて、板金Ｗに照射されるレーザビームの位置が変位した状態を示している。図３において、ベンドミラー３３で折り曲げられて集束レンズ３４を通過する細実線は、レーザ加工機１００が基準の状態であるときのレーザビームの光軸を示している。

なお、詳細には、ベンドミラー３３の手前に位置しているガルバノスキャナユニット３２の作動により、ベンドミラー３３に入射するレーザビームの光軸の角度が変化し、光軸がベンドミラー３３の中心から外れる。図３では、簡略化のため、ガルバノスキャナユニット３２の作動前後でベンドミラー３３へのレーザビームの入射位置を同じ位置としている。

ガルバノスキャナユニット３２による作用によって、レーザビームの光軸が細実線で示す位置から太実線で示す位置へと変位したとする。ベンドミラー３３で反射するレーザビームが角度θで傾斜したとすると、板金Ｗへのレーザビームの照射位置は距離Δｓだけ変位する。集束レンズ３４の焦点距離をＥＦＬ（Effective Focal Length）とすると、距離Δｓは、ＥＦＬ×ｓｉｎθで計算される。

ガルバノスキャナユニット３２がレーザビームを図３に示す方向とは逆方向に角度θだけ傾ければ、板金Ｗへのレーザビームの照射位置を図３に示す方向とは逆方向に距離Δｓだけ変位させることができる。距離Δｓは開口３６ａの半径未満の距離であり、好ましくは、開口３６ａの半径から所定の余裕量だけ引いた距離を最大距離とした最大距離以下の距離である。

ＮＣ装置５０は、ガルバノスキャナユニット３２の駆動部３２２及び３２４を制御することによって、レーザビームを板金Ｗの面内の所定の方向に振動させることができる。レーザビームを振動させることによって、板金Ｗの面上に形成されるビームスポットを振動させることができる。

以上のように構成されるレーザ加工機１００は、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームによって板金Ｗを切断して所定の形状を有する製品を製作する。レーザ加工機１００は、レーザビームの焦点を、板金Ｗの上面、上面より所定の距離だけ上方、または上面より所定の距離だけ下方で板金Ｗの板厚内のいずれかの適宜の位置に位置させて、レーザビームを所定の振動パターンで振動させながら板金を切断する。

加工プログラムデータベース６０には、板金Ｗを切断するための加工プログラムが記憶されている。ＮＣ装置５０は、加工プログラムデータベース６０より加工プログラムを読み出し、加工条件データベース７０に記憶されている複数の加工条件ファイルのうちのいずれかの加工条件ファイルを選択する。ＮＣ装置５０は、読み出した加工プログラム及び選択した加工条件ファイルで設定されている加工条件に基づいて板金Ｗを切断するようレーザ加工機１００を制御する。

後述するように、レーザ加工機１００は、加工条件ファイルで設定されている各加工条件に対応して、レーザビームの振動パターンを設定することができるように構成されている。表示部９０は、ＮＣ装置５０による制御に基づき、各加工条件に対応してレーザビームの振動パターンを設定する際の設定項目を表示する。

図４Ａ〜図４Ｅを用いて、ＮＣ装置５０がガルバノスキャナユニット３２によってレーザビームを振動させる振動パターンの例を説明する。板金Ｗの切断進行方向をｘ方向、板金Ｗの面内でｘ方向と直交する方向をｙ方向とする。加工条件データベース７０に記憶されている加工条件ファイルの各加工条件には振動パターンが設定されており、ＮＣ装置５０は、加工条件で設定されている振動パターンでレーザビームを振動させるようガルバノスキャナユニット３２を制御する。

図４Ａ〜図４Ｅは、振動パターンを理解しやすいよう、加工ヘッド３５をｘ方向に移動させない状態での振動パターンを示している。図４Ａは、ビームスポットＢｓをビームスポットＢｓの進行によって形成された溝Ｗｋ内でｘ方向に振動させる振動パターンである。図４Ａに示す振動パターンを平行振動パターンと称することとする。このとき、溝Ｗｋのカーフ幅Ｋ１はほぼビームスポットＢｓの径となる。ビームスポットＢｓを切断進行方向と平行方向に振動させる周波数をＦｘ、切断進行方向と直交する方向に振動させる周波数をＦｙとすれば、平行振動パターンはＦｘ：Ｆｙが１：０の振動パターンである。

図４Ｂは、ビームスポットＢｓをｙ方向に振動させる振動パターンである。ビームスポットＢｓをｙ方向に振動させることによって、溝Ｗｋはカーフ幅Ｋ１よりも広いカーフ幅Ｋ２となる。図５に示す振動パターンを直交振動パターンと称することとする。直交振動パターンは、Ｆｘ：Ｆｙが０：１の振動パターンである。

図４Ｃは、ビームスポットＢｓが円を描くようにビームスポットＢｓを振動させる振動パターンである。ビームスポットＢｓを円形に振動させることによって、溝Ｗｋはカーフ幅Ｋ１よりも広いカーフ幅Ｋ３となる。図４Ｃに示す振動パターンを円振動パターンと称することとする。円振動パターンは、Ｆｘ：Ｆｙが１：１の振動パターンである。

図４Ｄは、ビームスポットＢｓがアルファベットのＣを描くようにビームスポットＢｓを振動させる振動パターンである。ビームスポットＢｓをＣ字状に振動させることによって、溝Ｗｋはカーフ幅Ｋ１よりも広いカーフ幅Ｋ４となる。図４Ｄに示す振動パターンをＣ字状振動パターンと称することとする。Ｃ字状振動パターンは、Ｆｘ：Ｆｙが２：１（＝１：１／２）の振動パターンである。また、ＦｙはＦｘと位相差１／２π（＝９０°）である。

図４Ｅは、ビームスポットＢｓが数字の８を描くようにビームスポットＢｓを振動させる振動パターンである。ビームスポットＢｓを８の字状に振動させることによって、溝Ｗｋはカーフ幅Ｋ１よりも広いカーフ幅Ｋ５となる。図４Ｅに示す振動パターンを８の字状振動パターンと称することとする。８の字状振動パターンは、Ｆｘ：Ｆｙが２：１の振動パターンである。

実際には、加工ヘッド３５が切断進行方向に移動しながらレーザビームが振動するので、振動パターンは、図４Ａ〜図４Ｅに示す振動パターンに切断進行方向（ｘ方向）の変位を加えた振動パターンとなる。図４Ｂに示す直交振動パターンを例にすると、ビームスポットＢｓはｘ方向に移動しながらｙ方向に振動するので、実際の直交振動パターンは図５に示すような振動パターンとなる。

次に、図６〜図１０を参照しながら、板金Ｗの加工条件に応じて適切な振動パターンがどのように設定されるかについて説明する。図６に示すように、ＮＣ装置５０は、機能的な構成として、ＮＣ制御部５０１、パターンプログラム生成部５０２、パターンプログラム保持部５０３、振動制御部５０４、移動機構制御部５０５、発振器制御部５０６、加工条件設定部５０７、表示制御部５０８を有する。

操作部４０によって加工プログラムを読み出す指示がなされると、ＮＣ制御部５０１は、板金Ｗを切断するために予め作成された、加工プログラムデータベース６０に記憶されている加工プログラムを読み出す。加工プログラムは、一例として図７に示すような、機械制御コードで表現された複数の指令によって構成される。

図７において、Ｍ１０２は加工条件ファイルを選択する指令であり、ここでは一例として、Ｃ−ＳＵＳ３．０なる名称の加工条件ファイルを選択するよう指令されている。Ｍ１００はレーザ加工を実行させる指令を示す。アルファベットＥが付された番号（Ｅ番号）は後述する加工条件番号を示す。Ｇ０１で始まる指令は、レーザビームを始点からＸ及びＹで指定される終点までを結ぶ直線上を移動速度Ｆで移動させる直線補間の加工指令を示す。

Ｇ０２で始まる指令は、始点及び終点を結ぶ円弧上を移動速度Ｆで移動させる円弧補間の加工指令を示す。ここでは、円弧の半径を指定する円弧を特定する方法と円弧の中心を指定して円弧を特定する方法とのうち、前者の方法が示されている。

加工条件データベース７０には、図８に示すＣ−ＳＵＳ３．０なる名称の加工条件ファイル、及びその他の複数の加工条件ファイルが記憶されている。図８に示す加工条件ファイルは、振動パターンを決定するための後述するパラメータを付加していない状態を示している。パラメータは、振動パターンによる具体的な振動のさせ方を決定するための要素である。まず、振動パターンを決定するためのパラメータを付加していない状態の加工条件ファイルの概略は次のとおりである。

図８に示すように、加工条件ファイルは、レーザ発振器１０の名称、板金Ｗの材質及び板厚、ノズル３６の種類であるノズルタイプ、開口３６ａの径であるノズル径、集束レンズ３４の焦点距離の情報を含む。これらの情報は、加工条件ファイルに設定されているいずれの加工条件番号の加工条件を選択しても共通に適用される条件を示している。加工条件ファイルは、図８では図示が省略されている他の情報を含んでもよい。

加工条件ファイルには、複数の加工条件番号に対応して、板金Ｗを加工する際の各種の条件が設定されている。加工条件番号は、図７に示す加工プログラムのアルファベットＥが付された番号（Ｅ番号）に相当する。図８において、速度は加工ヘッド３５の移動速度である板金Ｗの加工速度（速度データ）を示す。出力、周波数、デューティは、それぞれレーザ発振器１０のレーザ出力（レーザパワー）、パルス発振するときの周波数、デューティを示す。ガス圧及びガス種類は、それぞれアシストガス供給装置８０が供給するアシストガスのガス圧及びガス種類を示す。

ノズルギャップは、ノズル３６の先端から板金Ｗの上面までの距離を示す。工具径補正量は、製品の端部に沿ってレーザビームを走査する際にレーザビームを端部から変位させる距離を示す。工具径補正量は、ビームスポットＢｓの半径に相当する距離である。焦点補正量は、レーザビームの焦点を基準となる位置（０．００）から上方または下方に変位させる距離を示す。各加工条件番号に対応して、図８では図示が省略されている他の条件が設定されていてもよい。

図９に示すように、加工条件データベース７０には、各振動パターンを選択するための振動パターン番号に対応させて、各振動パターンを決定するための第１のパラメータが記憶されている。振動パターン番号は、レーザビームの振動パターンを選択するパターン選択情報である。第１のパラメータは、各振動パターンの形状を決定するためのパラメータである。ここでは理解を容易にするために各振動パターン番号に対応させて振動パターン名称を示しているが、加工条件データベース７０に振動パターン名称が記憶されている必要はない。

加工条件データベース７０には、各振動パターン番号に対応させて、第１のパラメータとして、ｘ方向に振動させる周波数とｙ方向に振動させる周波数との周波数比、及び、ｘ方向の振動とｙ方向の振動との位相差が設定されている。

操作部４０によって振動パターンを決定するためのパラメータを設定する操作がなされると、加工条件設定部５０７は、図１０に示すような設定リストを表示部９０に表示するよう表示制御部５０８を制御する。図１０に示すように、設定リストは、各Ｅ番号に対応して振動パターン番号を選択し、各振動パターン番号の振動パターンを決定するための第２のパラメータを振動パターン番号ごとに設定するためのリストである。第２のパラメータは、第１のパラメータで形状が決定した各振動パターンの振幅及び周波数を決定するパラメータである。

図１０において、Ｑｘはｘ方向の振幅を設定する設定値、Ｑｙはｙ方向の振幅を設定する設定値を示す。例えば、Ｅ番号Ｅ２の加工条件には、ｘ方向の振幅９０（μｍ）、ｙ方向の振幅９０（μｍ）、周波数３０００（Ｈｚ）の円振動パターンが設定されている。

設定リストには図８に示す加工条件ファイルの加工条件番号に対応した全ての情報が表示される必要はない。設定リストにＥ番号のみが表示され、Ｅ番号に振動パターン番号及び第２のパラメータが対応付けられていてもよい。

レーザ加工機１００の製造メーカの設定者またはサービスマンは、操作部４０を操作することによって、図１０に示す設定リストを表示部９０に表示して、振動パターン番号及び第２のパラメータを設定することができる。レーザ加工機１００のユーザは、太実線で囲んだ設定項目を表示部９０に表示する操作を行えず、太実線で囲んだ設定項目を見ることができないようにされていることが好ましい。ユーザが操作部４０によってＥ番号のリストを表示部９０に表示するよう操作したとき、太実線で囲んだ設定項目を除く加工条件の一覧が表示されるように設定されているのがよい。

以上のように振動パターンを決定するための振動パターン番号及び第２のパラメータが付加された加工条件ファイルは、加工条件データベース７０に書き込まれる。加工条件データベース７０は、振動パターン番号及び第２のパラメータが付加された加工条件ファイルを記憶する記憶部の一例である。ＮＣ装置５０に接続された他の記憶部に加工条件ファイルが記憶されてもよい。

図７に示す加工プログラムがＮＣ制御部５０１へと供給されると、図９に示す各振動パターン番号に第１のパラメータを対応付けた情報と、Ｃ−ＳＵＳ３．０なる名称の加工条件ファイルが加工条件データベース７０より読み出される。加工条件ファイルには、振動パターン番号及び第２のパラメータが付加されている。図９に示す情報及び加工条件ファイルは、加工条件設定部５０７からＮＣ制御部５０１に供給される。

パターンプログラム生成部５０２は、ＮＣ制御部５０１が読み出した加工プログラムに含まれる全てのＥ番号に対応した振動パターンでレーザビームを振動させるためのパターンプログラムを生成する。パターンプログラムとはガルバノスキャナユニット３２を作動させる制御コードであり、コンピュータに対する命令（処理）を記述したものである。パターンプログラム生成部５０２は、ＮＣ制御部５０１に供給された第１及び第２のパラメータに基づいてパターンプログラムを生成することができる。パターンプログラム生成部５０２が生成したパターンプログラムは、パターンプログラム保持部５０３に供給されて保持される。

加工プログラムによってレーザ加工を実行させるよう指令された後、ＮＣ制御部５０１は、Ｅ番号ごとに振動パターン番号を振動制御部５０４に供給する。ＮＣ制御部５０１は、加工条件ファイルに含まれる情報のうち、振動パターンを決定するために必要な集束レンズ３４の焦点距離の情報を抽出して振動制御部５０４に供給する。ＮＣ制御部５０１は、焦点距離の情報に加えて焦点補正量の情報を抽出して振動制御部５０４に供給することが好ましい。図６では図示していないが、レーザビームの焦点位置を調整するために、焦点補正量の情報は集束レンズ３４の駆動部を制御するためにも用いられる。また、ＮＣ制御部５０１は、Ｇ０１またはＧ０２等で始まるレーザビームを移動させる加工指令に基づき、レーザビームを移動させるベクトル情報を振動制御部５０４に供給する。

振動制御部５０４は、パターンプログラム保持部５０３より振動パターン番号に対応したパターンプログラムを読み出す。振動制御部５０４は、パターンプログラム、ベクトル情報、集束レンズ３４の焦点距離及び焦点補正量に基づいて、選択された振動パターンでかつ設定された条件でレーザビームを振動させるよう、ガルバノスキャナユニット３２の駆動部３２２及び３２４を制御する。

加工プログラムもしくは加工条件ファイル、または操作部４０による手動設定によって、ノズル３６の開口３６ａより射出されるレーザビームを開口３６ａの中心からｘ方向とｙ方向との少なくとも一方にオフセットさせる距離を示すオフセット値が設定されていてもよい。この場合、ＮＣ制御部５０１はｘ方向とｙ方向のオフセット値を振動制御部５０４に供給する。

Ｘ軸キャリッジ２２及びＹ軸キャリッジ２３よりなる移動機構（以下、移動機構２２及び２３）は、移動機構２２及び２３をそれぞれ駆動する駆動部２２０及び２３０を有する。移動機構制御部５０５は、レーザビームを移動させる加工指令に基づいて駆動部２２０及び２３０を制御して、加工ヘッド３５を移動させる。移動機構制御部５０５は、例えば１ｍｓごとに駆動部２２０及び２３０を制御して加工ヘッド３５を移動させる。よって、レーザビームが板金Ｗを切断する切断進行方向は１ｍｓの制御周期（第１の制御周期）で制御される。

振動制御部５０４は、１ｍｓより短い制御周期で駆動部３２２及び３２４を制御して、１ｍｓより短い制御周期でレーザビームの振動を制御するのがよい。図１１は、Ｇ０２（またはＧ０３）で始まる加工指令に基づき、移動機構制御部５０５が１ｍｓの制御周期で加工ヘッド３５（レーザビーム）を円弧状に移動させる状態を概念的に示している。振動制御部５０４は、例えば１ｍｓを１／１００した１０μｓの制御周期（第２の制御周期）でレーザビームの振動を制御する。このようにすれば、１０μｓごとに各振動パターンで設定したパターンでレーザビームを高精度に振動させることができる。

なお、ＮＣ装置５０、移動機構２２及び２３のモータアンプまたはモータの都合で、第１の制御周期と第２の制御周期における周期は任意に設定できる。また、第１の制御周期をさらに細分化するために、第１の制御周期と第２の制御周期との中間に別の制御周期を設定することも可能である。

次に、図１２及び図１３を用いて、レーザ加工機１００がレーザビームを所定の振動パターンで振動させて板金を切断するときに、製品の角部を高精度に切断するための動作を説明する。図１２は、製品が２７０度の角部を有し、レーザ加工機１００が製品の外側の９０度の角部を切断するよう板金Ｗを切断する際の動作を示している。図１３は、製品が９０度の角部を有し、レーザ加工機１００が製品の外側の２７０度の角部を切断するよう板金Ｗを切断する際の動作を示している

図１２及び図１３は、一例として、振動パターンが図４Ｅに示す８の字状振動パターンである場合のレーザビームの軌跡を概念的に示している。上記のように実際の振動パターンは図４Ｅに示す振動パターンに加工ヘッド３５の切断進行方向の変位を加えた振動パターンとなる。図１２及び図１３においては振幅の変化を理解しやすいよう、加工ヘッド３５の切断進行方向の変位を加えない振動パターンを示している。また、振幅の変化を理解しやすいよう、８の字状振動パターンで振動する複数の位置におけるレーザビームの軌跡を示している。

加工プログラムは、図１２に示す製品の端部Ｅ０を切断するために、左方から目標位置Ｐtgt0に向けて加工ヘッド３５を移動させ、目標位置Ｐtgt0から下方へと加工ヘッド３５を移動させる加工指令を含む。移動機構制御部５０５には、ＮＣ制御部５０１から工具径補正量（ビームスポットＢｓの半径）と、ｘ方向の振幅Ｑｘ及びｙ方向の振幅Ｑｙとが供給される。よって、移動機構制御部５０５は、８の字状振動パターンによるレーザビームの工具径が二点鎖線にて示す円ＣＬ８の直径Ｄ８であると認識している。円ＣＬ８は８の字状振動パターンによるレーザビームの軌跡に外接する円である。このときの工具径補正量は円ＣＬ８の半径ｒ８である。

図１２において、移動機構制御部５０５が仮に加工プログラムに記述されているそのままの加工指令に基づいて、加工ヘッド３５を目標位置Ｐtgt0に向けて移動させたとする。すると、円ＣＬ８内の８の字状振動パターンで振動するレーザビームは、端部Ｅ０に沿って目標位置Ｐtgt0近傍までそのまま移動する。８の字状振動パターンで振動するレーザビームは、目標位置Ｐtgt0近傍で向きを変えて、端部Ｅ０に沿って下方へと移動する。この場合、製品の角部は高精度に切断されない。

そこで、移動機構制御部５０５は加工ヘッド３５を次のように移動させるよう移動機構２２及び２３を制御し、併せて、振動制御部５０４は振動パターンを次のように制御するよう駆動部３２２及び３２４を制御する。

製品の角部である目標位置Ｐtgt0の周辺を除く端部Ｅ０を切断する際には、移動機構制御部５０５は、８の字状振動パターンによるレーザビームを工具径補正量の半径ｒ８の距離だけ変位させて端部Ｅ０に沿って移動させるよう、移動機構２２及び２３を制御する。移動機構制御部５０５は、端部Ｅ０上の現在の位置が目標位置Ｐtgt0から所定の距離Ｌ１だけ手前の位置Ｐ１（第１の位置）となった時点で、加工ヘッド３５の目標位置Ｐtgt0を補正目標位置Ｐtgt1に置換する。補正目標位置Ｐtgt1は製品の内部に位置する。

移動機構制御部５０５は、加工ヘッド３５を補正目標位置Ｐtgt1から下方に移動させるときには、元の目標位置Ｐtgt0から距離Ｌ１だけ先の端部Ｅ０上の位置Ｐ２（第２の位置）を経由位置とした後に、加工プログラムの指令による目標位置に向けて加工ヘッド３５を移動させる。

製品の外側であって切断される側の角部には、振動させていない状態のレーザビームのビームスポットＢｓが位置している。円ＣＬ８は、製品の角部に位置した状態においても直径Ｄ８の円である。補正目標位置Ｐtgt1は、目標位置Ｐtgt0から距離Ｌ１だけ手前の位置Ｐ１に位置している円と角部に位置している円との双方に接する直線と、目標位置Ｐtgt0から下方に距離Ｌ１だけ進んだ位置Ｐ２に位置している円と角部に位置している円との双方に接する直線との交点である。補正目標位置Ｐtgt1は、製品の角部の角度を二等分した線分が通る位置にある。

移動機構制御部５０５が目標位置Ｐtgt0を補正目標位置Ｐtgt1に置換することによって、位置Ｐ１から位置Ｐ２までの範囲で、製品の端部Ｅ０は仮想的に線分Ｅ１となる。

振動制御部５０４は、加工ヘッド３５が位置Ｐ１に到達するまでは振幅Ｑｘ及びＱｙの振動パターンでレーザビームを振動させる。振動制御部５０４は、移動機構制御部５０５が加工ヘッド３５を位置Ｐ１から補正目標位置Ｐtgt1まで移動させるのに同期させて、振動パターンの振幅を順に小さくするよう駆動部３２２及び３２４を制御する。振動制御部５０４は、遅くともレーザビームが元の目標位置Ｐtgt0に到達した時点で振動を停止させるよう駆動部３２２及び３２４を制御する。即ち、レーザビームは少なくとも角部に位置している時点で振動が停止していればよい。

振動制御部５０４は、レーザビームが元の目標位置Ｐtgt0に近付いて、８の字状振動パターンで振動させることができなくなった時点で振動を停止させてもよい。

また、振動制御部５０４は、移動機構制御部５０５が加工ヘッド３５を補正目標位置Ｐtgt1から位置Ｐ２まで移動させるのに同期させて、振動パターンの振幅を順に大きくするよう駆動部３２２及び３２４を制御する。加工ヘッド３５が位置Ｐ２を過ぎた以降、振動制御部５０４は、振幅Ｑｘ及びＱｙの振動パターンでレーザビームを振動させる。

図１２において、補正目標位置Ｐtgt1及び仮想的な線分Ｅ１は、位置Ｐ１から角部（目標位置Ｐtgt0）まで振幅を順に小さくした振動パターン、及び、角部から位置Ｐ２まで振幅を順に大きくした振動パターンによるレーザビームの軌跡を、製品の端部Ｅ０に沿って移動させるために設定される。

レーザ加工機１００が図１２に示す製品の角部を切断する際に、ＮＣ装置５０が加工ヘッド３５を移動させる目標位置及び振動パターンの振幅を以上のように制御すれば、製品の角部を高精度に切断することができる。即ち、レーザ加工機１００は、補間加工中に工具径補正量を変更することなく、振動パターンの振幅を自在に変更して製品の内周を切断することができる。

図１３に示すように、製品が９０度の角部を有し、レーザ加工機１００が製品の外側の２７０度の角部を切断する場合も、図１２と同様の動作が実行される。図１３において、移動機構制御部５０５は、端部Ｅ０上の現在の位置が目標位置Ｐtgt0から距離Ｌ１だけ手前の位置Ｐ１となった時点で、加工ヘッド３５の目標位置Ｐtgt0を補正目標位置Ｐtgt1に置換する。補正目標位置Ｐtgt1は製品の内部に位置する。

移動機構制御部５０５は、加工ヘッド３５を補正目標位置Ｐtgt1から下方に移動させるときには、元の目標位置Ｐtgt0から距離Ｌ１だけ先の端部Ｅ０上の位置Ｐ２を経由位置とした後に、加工プログラムの指令による目標位置に向けて加工ヘッド３５を移動させる。

製品の外側であって切断される側の角部には、振動させていない状態のレーザビームのビームスポットＢｓが位置している。円ＣＬ８は、製品の角部に位置した状態においても直径Ｄ８の円である。補正目標位置Ｐtgt1は、目標位置Ｐtgt0から距離Ｌ１だけ手前の位置Ｐ１に位置している円ＣＬ８と角部に位置している円ＣＬ８との双方に接する直線と、目標位置Ｐtgt0から下方に距離Ｌ１だけ進んだ位置Ｐ２に位置している円ＣＬ８と角部に位置している円ＣＬ８との双方に接する直線との交点である。補正目標位置Ｐtgt1は、製品の角部の角度を二等分した線分が通る位置にある。

図１３においても同様に、補正目標位置Ｐtgt1及び仮想的な線分Ｅ１は、位置Ｐ１から角部まで振幅を順に小さくした振動パターン、及び、角部から位置Ｐ２まで振幅を順に大きくした振動パターンによるレーザビームの軌跡を、製品の端部Ｅ０に沿って移動させるために設定される。

レーザ加工機１００が図１３に示す製品の角部を切断する際に、ＮＣ装置５０が加工ヘッド３５を移動させる目標位置及び振動パターンの振幅を以上のように制御すれば、製品の角部を高精度に切断することができる。即ち、レーザ加工機１００は、補間加工中に工具径補正量を変更することなく、振動パターンの振幅を自在に変更して製品の外周を切断することができる。

図１２及び図１３においては、板金Ｗの切断される側の角度が９０度、または製品の角部の角度が９０度の場合を例としたが、それらの角度は鋭角であっても鈍角であっても同様である。また、振動パターンは８の字状振動パターンに限定されず、図４Ａ〜図４Ｄに示す８の字状振動パターン以外の振動パターンであっても同様である。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。本実施形態においては、振動パターンによる振動のさせ方を決定するパラメータを第１のパラメータと第２のパラメータとに分けているが、各振動パターンの具体的な振動のさせ方を決定できればよく、パラメータの設定の仕方は任意である。図６に示すＮＣ装置５０内の機能的な構成は、非一時的な記憶媒体に記憶されたコンピュータプログラムをＮＣ装置５０の中央処理装置が実行することによって実現してもよい。

１０レーザ発振器
２０レーザ加工ユニット
２２Ｘ軸キャリッジ（移動機構）
２３Ｙ軸キャリッジ（移動機構）
３０コリメータユニット
３１コリメーションレンズ
３２ガルバノスキャナユニット（ビーム振動機構）
３３ベンドミラー
３４集束レンズ
３５加工ヘッド
３６ノズル
４０操作部
５０ＮＣ装置
６０加工プログラムデータベース
７０加工条件データベース（記憶部）
８０アシストガス供給装置
１００レーザ加工機
３２１，３２３スキャンミラー
２２０，２３０，３２２，３２４駆動部
５０１ＮＣ制御部
５０２パターンプログラム生成部
５０３パターンプログラム保持部
５０４振動制御部
５０５移動機構制御部
５０６発振器制御部
５０７加工条件設定部
５０８表示制御部
Ｗ板金

Claims

レーザビームを射出する加工ヘッドを板金の面に沿って前記板金に対して相対的に移動させる移動機構と、
前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させながら、前記板金に照射するレーザビームを所定の振動パターンで振動させるビーム振動機構と、
前記板金に前記振動パターンで振動させたレーザビームを照射することにより前記板金を切断して角部を有する製品を製作するとき、前記加工ヘッドが前記角部に向かって移動して前記角部から所定の距離だけ手前の第１の位置に到達したら、前記第１の位置から前記角部まで前記振動パターンの振幅を順に小さくし、前記加工ヘッドが、前記角部から、前記角部から前記所定の距離だけ先の第２の位置に到達するまで前記振動パターンの振幅を順に大きくするよう前記ビーム振動機構を制御する振動制御部と、
を備えるレーザ加工機。
前記振動制御部は、少なくともレーザビームが前記角部に位置している時点で前記振動パターンによるレーザビームの振動を停止させるよう前記ビーム振動機構を制御する請求項１に記載のレーザ加工機。
前記第１の位置から前記角部まで振幅を順に小さくした前記振動パターン、及び、前記角部から前記第２の位置まで振幅を順に大きくした前記振動パターンによるレーザビームの軌跡が前記製品の端部に沿って移動するよう、加工プログラムによって前記角部に指定されている前記加工ヘッドの目標位置を補正目標位置に置換し、前記加工ヘッドを前記第１の位置から前記補正目標位置に向けて移動させるよう前記移動機構を制御する移動機構制御部をさらに備える請求項１または２に記載のレーザ加工機。
移動機構が、レーザビームを射出する加工ヘッドを板金の面に沿って前記板金に対して相対的に移動させ、
前記移動機構によって前記加工ヘッドを相対的に移動させながら、ビーム振動機構が、前記板金に照射するレーザビームを所定の振動パターンで振動させ、
前記板金に前記振動パターンで振動させたレーザビームを照射することにより前記板金を切断して角部を有する製品を製作するとき、振動制御部が、前記加工ヘッドが前記角部に向かって移動して前記角部から所定の距離だけ手前の第１の位置に到達したら、前記第１の位置から前記角部まで前記振動パターンの振幅を順に小さくし、前記加工ヘッドが、前記角部から、前記角部から前記所定の距離だけ先の第２の位置に到達するまで前記振動パターンの振幅を順に大きくするよう前記ビーム振動機構を制御する
レーザ加工方法。
前記振動制御部が、少なくともレーザビームが前記角部に位置している時点で前記振動パターンによるレーザビームの振動を停止させるよう前記ビーム振動機構を制御する請求項４に記載のレーザ加工方法。
前記第１の位置から前記角部まで振幅を順に小さくした前記振動パターン、及び、前記角部から前記第２の位置まで振幅を順に大きくした前記振動パターンによるレーザビームの軌跡が前記製品の端部に沿って移動するよう、移動機構制御部が、加工プログラムによって前記角部に指定されている前記加工ヘッドの目標位置を補正目標位置に置換し、前記加工ヘッドを前記第１の位置から前記補正目標位置に向けて移動させるよう前記移動機構を制御する請求項４または５に記載のレーザ加工方法。