JP2702833B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、炭酸ガスレーザ等によ
る鋼板等の被加工物に施す切断や穴開け等の加工におい
て、特に加工品質を安定化し歩留りの向上を図ったレー
ザ加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼板等の切断を行う従来のレーザ加工装
置の構成例を図面を用いて説明する。

【０００３】図３に従来のレーザ加工装置の構成例を示
す。図３において、２はレーザ発振器、３はレーザ光ガ
イド、４は折曲げ鏡、５は集光レンズ、６は加工トー
チ、７は加工トーチ６に設けられた伝達ギア、８は加工
トーチ６を昇降するためのサーボモータ、９は被加工物
を移動させる加工テーブル、９Ａは被加工物を保持する
剣山、１０は鋼板等の被加工物、３２は後述のピックア
ップ４０の上下動を伝達する支持ロッド、３３は加工ト
ーチ６の被加工物１０に対する高さを検出する高さセン
サユニット、３４は高さ指令補正演算器、３５はレーザ
出力を決めるレーザ出力指令信号、３６は加工テーブル
９の動きを決める加工テーブル動作指令信号、３７は加
工トーチ高さ指令信号、３７Ａは加工トーチ高さ指令補
正信号、３８は高さセンサユニット３３からの高さ補正
指令信号の出力、３９はレーザ出力を決定し装置全体を
制御する数値制御装置、４０は加工トーチ６の被加工物
１０に対する高さを検出する高さセンサユニット３３の
ピックアップである。この他に図３には図示していない
が、加工トーチ６から被加工物１０に補助ガスを吹き付
けるための補助ガス源がある。

【０００４】以上のような構成の従来のレーザ加工装置
の動作について説明する。レーザ発振器２が発生したレ
ーザ光はレーザガイド３を通過し、光路の途中に設けら
れた折曲げ鏡４により光軸を集光レンズ５の方向に曲げ
られて集光レンズ５に入射し、集光レンズ５によって集
光され、集光レンズ５の焦点付近に置かれた被加工物１
０を照射する。被加工物１０は加工テーブル９の被加工
物支持用の剣山９Ａ上に置かれており、加工テーブル９
を動かすことにより被加工物１０を移動する。加工トー
チ６は集光レンズ５と被加工物１０の間を被加工物１０
に近付くにつれて内径をテーパー状に細く絞られ、集光
されたレーザ光と同軸に補助ガスを送給し被加工物１０
のレーザ光照射部分に吹き付ける。被加工物１０の加工
形状、レーザ出力、被加工物１０の移動速度および加工
トーチ６の被加工物１０に対する高さ等の加工条件を入
力してある数値制御装置３９は、レーザ出力をレーザ出
力指令信号３５をレーザ発振器２に送ることにより制御
し、加工形状や移動速度に応じて加工テーブル動作指令
信号３６を加工テーブル９に送り、加工テーブル１０を
動かして加工テーブル９に載せた被加工物１０を所要の
形状に加工する。また、加工トーチ高さ指令信号３７に
よりサーボモータ８を動かし、伝達ギア７を介して加工
トーチ６を昇降させて加工トーチ高さを可変する。加工
トーチ６と同軸に置かれた高さを検出する高さセンサユ
ニット３３のピックアップ４０は、被加工物１０が加工
トーチ６に対して相対的に上下するのに合わせて昇降
し、その動きが支持ロッド３２を介して高さセンサユニ
ット３３に伝達される。加工トーチ６の被加工物１０に
対する高さが所定の設定高さから変化すると、高さセン
サユニット３３は高さ補正指令信号３８を出力し、高さ
指令補正演算器３４によって加工トーチ高さ指令信号３
７を補正し、加工トーチ高さ指令補正信号３７Ａにより
加工トーチ６の高さを制御して所定の高さに戻す。図３
に示した従来例では、高さ検出を被加工物１０に接触す
るピックアップ４０によって行っているが、誘電率の変
化や参考光の反射による方式等、非接触式のセンサを用
いることもある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】一般のレーザ加工装置
において、一定のレーザ出力を照射して、一定の加工速
度で切断加工を行った場合の、被加工物１０の板厚の変
化に対する材料切断面の面粗さの変化の傾向について、
測定した結果を図４に示す。図４は横軸に被加工物１０
の板厚を、縦軸に面粗さを示しているが、ある板厚に対
して最適のレーザ出力と切断速度であれば、切断面の面
粗さを小さくすることができるが、板厚が変化して板厚
が大きくなると板厚の増加に従い、切断に必要な入熱が
不足し、溶融除去しきれない材料がドロスとして切断部
に付着し切断面が粗くなる。一方、板厚が小さくなると
板厚の減少に伴い、入熱が過剰となり被加工物１０の材
料元素と酸素が反応する自己燃焼現象が発生し切断面が
粗くなる。したがって、被加工物１０の板厚が変化する
場合には、その板厚の変化に対して、その都度レーザ出
力を調整することが必要になる。

【０００６】さらに、図５に被加工物１０全体にうねり
が発生している場合に、一定のレーザ出力を照射して一
定の加工速度でレーザ切断を行った場合の、切断方向に
沿ったうねりの状態と実効的板厚と材料切断面粗さの相
関関係を示している。すなわち、被加工物１０表面にう
ねりがあり、レーザ光の光軸に対して被加工物１０の表
面が傾斜している部分では、実効的板厚が大きくなり、
かつ切断面の面粗さ（面粗度）が大きくなることを表し
ている。

【０００７】上記した従来のレーザ加工装置において
は、高さセンサユニット３３により加工トーチ６の被加
工物１０に対する高さを制御する目的は、被加工物１０
の傾斜や反りまたはうねりにより加工テーブル９で被加
工物１０を動かしたとき、被加工物１０の場所により加
工トーチ６の被加工物１０に対する高さが変化し、加工
条件が最初の設定値から変化することを防止することに
ある。しかしながら、従来のレーザ加工装置において
は、被加工物１０に傾斜や反りまたはうねりが発生して
いても、高さセンサのピックアップ４０が面している部
分の平均の高さしか測定することができなかった。その
ため、被加工物１０に傾斜や反りまたはうねりが発生し
ていると、レーザ光は被加工物１０の表面に斜めに入射
することになり、実効的に板厚が増加した状態となり、
図５に示した被加工物のうねりに対する切断面粗さの変
化の影響を受けることを避けられないという問題があっ
た。

【０００８】本発明は、このような従来の問題を解決す
るもので、被加工物に傾斜や反りやうねりがあっても、
加工品質が安定し、加工歩留りが高いレーザ加工装置を
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器と、被加
工物を保持し移動させる加工テーブルと、レーザ光を集
光しレーザ加工を行う加工トーチと、その加工トーチの
周囲の加工トーチと同心の同一円周上に等間隔に設けら
れ、被加工物の高さ方向の変化量を検出する少なくとも
３個以上の高さセンサと、加工トーチを昇降させるサー
ボモータと、レーザ発振器と加工テーブルと加工トーチ
を昇降させるサーボモータとを制御する数値制御装置
と、高さセンサの出力の算術平均信号を演算する算術平
均演算器と、その算術平均演算器の出力信号に従って数
値制御装置から出力された加工トーチ高さ指令信号を補
正する高さ指令補正演算器とを備え、前記高さセンサの
少なくとも一つを基準として、この高さセンサに対する
他の高さセンサの水平方向の変化分を前記他の高さセン
サの出力の方向余弦成分で算出する方向余弦演算手段
と、前記基準とした高さセンサに対する他の高さセンサ
の垂直方向の変化分を前記他の高さセンサの出力の方向
正弦成分で算出する方向正弦演算手段とを有し、これら
方向余弦演算手段と方向正弦演算手段からの出力により
レーザ光に対する被加工物の傾斜の度合いを演算するベ
クトル演算回路と、そのベクトル演算回路の出力からレ
ーザ発振器に送られるレーザ出力指令信号を補正するレ
ーザ出力指令補正演算器を設けたものである。

【００１０】

【作用】加工トーチの周囲の同一円周上に等間隔に設け
た少なくとも３個以上の高さセンサの出力から、高さセ
ンサ出力の算術平均信号により、従来例のレーザ加工装
置と同様に、加工トーチの被加工物からの高さを設定す
る加工トーチ高さ指令信号に対して、高さ補正指令信号
を送り、加工トーチ高さ指令補正信号により加工トーチ
の被加工物からの高さを一定に保つ一方、レーザ光に対
する被加工物の傾斜の度合い（以下、傾斜度と省す）と
して被加工物のレーザ光に対する傾きのベクトルを、各
高さセンサについての取り付け方向の（水平方向と垂直
方向の各高さセンサの変化分、すなわち変化分の余弦成
分と正弦成分であらわされる）単位ベクトルに高さセン
サの出力を乗じて算出し、演算して得られた傾斜度を基
に、レーザ発振器に送られるレーザ出力設定出力を補正
し、常に実効的板厚に応じたレーザ出力を得ることによ
り、被加工物に傾斜や反りまたはうねりがあっても、加
工品質が安定し、加工歩留りが高いレーザ加工装置を実
現することができる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明のレーザ加工装置の一実施例に
ついて図面を参照して説明する。図１は本発明のレーザ
加工装置の一実施例についてその構成を示しており、図
２は同実施例に用いている加工トーチ高さ検出部の構成
を示している。

【００１２】図１および図２において、図３と同じ部分
には同じ符号を付し、説明は省略して異なる点について
説明する。

【００１３】まず、図１において、１はレーザ加工装置
全体を制御する数値制御装置、１１は加工トーチ６の被
加工物１０に対する高さを検出する後述の高さセンサ２
４Ａ〜２４Ｃ用の接触式のリング状のピックアップ、１
２はピックアップ１１の上下動を伝達する３本の支持ロ
ッド（図２に示す１２Ａ〜１２Ｃ）でピックアップ１１
に自在継ぎ手で接続されている。１３は高さセンサ演算
ユニット、１４は高さ指令補正演算器、１５はレーザ出
力指令補正演算器である。レーザ加工装置には、図示さ
れていないが他に、加工トーチ６から被加工物１０に補
助ガスを吹き付けるための補助ガス源がある。

【００１４】上記の構成のレーザ加工装置において、レ
ーザ光ガイド３の一端はレーザ発振器２の出力口に取り
付けられ、レーザ光路の途中に折曲げ鏡４を置き、レー
ザ光ガイド３の他端には集光レンズ５を保持する加工ト
ーチ６を取り付ける。加工トーチ６のレーザ光ガイド３
への取り付け部は同軸の２重筒が互いに嵌合しており、
加工トーチ６の外側面の伝達ギア７を介してサーボモー
タ８により加工トーチ６が滑らかに昇降する構造となっ
ている。加工トーチ６は集光レンズ５から先端に向かっ
て離れるに従い細くなる集光レンズ５の焦点とほぼ等し
い長さのテーパー部を有している。被加工物１０は加工
テーブル９上の被加工物支持用の剣山９Ａの上に載せら
れ、加工トーチ６との間隔が数ミリメートルに保たれる
ように、加工トーチ６が上下に移動する。

【００１５】次に、図２において、２２は高さセンサ用
ピックアップ１１を取り付けるリングで２２Ａ〜２２Ｃ
の３箇所の取り付け部で加工トーチ６に取り付けられ、
２３Ａ〜２３Ｃは高さ変化検出板ばねで取り付けリング
２２に１２０度間隔で設けられた扇形の穴に一端を固定
されており、固定されていない一端はセンサ用ピックア
ップ１１に１２０度間隔で取り付けられた支持ロッド１
２Ａ〜１２Ｃの一端が取り付けられている。２４Ａ〜２
４Ｃは高さ変化検出用歪ゲージ（以下、高さセンサとい
う）で高さ変化検出板ばね２３Ａ〜２３Ｃの上に張り付
けられている。２５Ａ〜２５Ｃは歪ゲージ出力アンプ、
２６は入力信号を加算して算術平均を出力する算術平均
演算器、２７Ｂおよび２７Ｃは高さセンサ２４Ａに対す
る高さセンサ２４Ｂおよび２４Ｃの方向余弦を信号入力
に乗じる方向余弦演算器、２８Ｂおよび２８Ｃは高さセ
ンサ２４Ａに対する高さセンサ２４Ｂおよび２４Ｃの方
向正弦を信号入力に乗じる方向正弦演算器、２９は入力
を加算してその絶対値を出力する演算器Ａ、３０は入力
を加算してその絶対値を出力する演算器Ｂ、３１は入力
信号を加算して出力する加算演算器である。なお、歪ゲ
ージ出力アンプ２５Ａ〜２５Ｃ、算術平均演算器２６、
方向余弦演算器２７Ｂおよび２７Ｃ、方向正弦演算器２
８Ｂおよび２８Ｃ、演算器Ａ２９、演算器Ｂ３０と加算
演算器３１は高さセンサ演算ユニット１３内に実装され
る。

【００１６】さらに、図１と図２の両図を参照して説明
する。１６はレーザ出力を決めるレーザ出力指令信号
で、１６Ａは補正されたレーザ出力指令信号、１７は加
工テーブル９の動作を決める加工テーブル動作指令信
号、１８は加工トーチ６の高さを決める加工トーチ高さ
指令信号、１８Ａは補正された加工トーチ高さ指令信
号、１９は高さセンサ出力、２０は加工トーチ６の高さ
指令信号１８を補正するための高さセンサ演算ユニット
１３の出力信号、２１はレーザ出力指令信号を補正する
ための高さセンサ演算ユニット１３の出力信号である。
高さセンサ２４Ａ〜２４Ｃはアンプ２５Ａ〜２５Ｃに接
続され、アンプ２５Ａ〜２５Ｃの出力は算術平均演算器
２６に入力されるほか、アンプ２５Ａの出力は演算器Ａ
２９にも入力され、アンプ２５Ｂの出力は方向余弦演算
器２７Ｂを介して演算器Ａ２９にまた方向正弦演算器２
８Ｂを介して演算器Ｂ３０に、アンプ２５Ｃの出力は方
向余弦演算器２７Ｃを介して演算器Ａ２９にまた方向正
弦演算器２８Ｃを介して演算器Ｂ３０に入力され、演算
器Ａ２９と演算器Ｂ３０の出力は加算演算器３１に入力
される。算術平均演算器２６の出力が加工トーチ６の高
さ指令信号１８を補正する高さセンサ演算ユニット１３
の出力信号２０、加算演算器３１の出力がレーザ出力指
令信号１６を補正する高さセンサ演算ユニット１３の出
力信号２１となる。

【００１７】以上のような構成のレーザ加工装置の実施
例についてその動作を説明する。レーザ発振器２が出射
したレーザ光は、光ガイド３を通過し、光路の途中に設
けられた折曲げ鏡４により光軸を集光レンズの方向に屈
折され、集光レンズ５に入射して集光され、ほぼ集光レ
ンズの焦点付近に位置する被加工物１０を照射する。被
加工物１０は加工テーブル９上の被加工物支持用の剣山
９Ａ上に載置されており、加工テーブル９を動かすこと
により被加工物１０を移動させる。また、加工トーチ６
は集光したレーザ光と同軸に補助ガスを被加工物１０の
レーザ光照射部分に吹き付ける。被加工物１０の加工形
状や、レーザ出力、被加工物１０の移動速度、加工トー
チ６の被加工物１０に対する高さ等の切断条件を入力さ
れ記憶した数値制御装置１は、レーザ出力指令信号１６
を出力し、高さセンサ演算ユニット１３の出力信号２１
に従って、レーザ出力指令補正演算器１５により補正さ
れた出力指令信号１６Ａがレーザ発振器２に入力され
る。また、数値制御装置１は加工形状や必要な移動速度
に応じた加工テーブル動作指令信号１７を出力し、加工
テーブル９に入力し加工テーブル９を動かして、加工テ
ーブル９上の被加工物１０を移動させて所定の形状にレ
ーザ加工を行う。さらに、数値制御装置１は加工トーチ
６の被加工物１０に対する高さを決める加工トーチ高さ
指令信号１８を出力し、高さセンサ演算ユニット１３か
らの出力信号２０に従って、高さ指令補正演算器１４に
よって補正された加工トーチ高さ指令信号１８Ａをサー
ボモータ８に伝え、サーボモータ８を動かして、加工ト
ーチ６の外壁に取り付けられた伝達ギア７を介して加工
トーチ６を昇降させる。

【００１８】加工トーチ６と同軸に配設された高さセン
サ用ピックアップ１１は、被加工物１０が上下するのと
同時に昇降するが、被加工物１０に傾斜や反りやうねり
があると、３本の支持ロッド１２Ａ〜１２Ｃを均等には
押し上げず、被加工物１０の傾斜や反りやうねりに応じ
て、それぞれ異なる高さに３本の支持ロッド１２Ａ〜１
２Ｃを押し上げ、板ばね２３Ａ〜２３Ｃを変形させる。
板ばね２３Ａ〜２３Ｃの変形量を高さセンサ（歪ゲー
ジ）２４Ａ〜２４Ｃが電気信号に変換し、その電気信号
をアンプ２５Ａ〜２５Ｃにより増幅する。被加工物１０
の加工トーチ６に対する高さが最初の設定高さから変化
すると高さセンサ演算ユニット１３は、アンプ２５Ａ〜
２５Ｃの出力信号を算術平均演算器２６によって演算し
て得た平均高さから、高さ指令補正信号として出力信号
２０を出力し、加工トーチ高さ指令信号１８を補正し、
補正された加工トーチ高さ指令信号１８Ａがサーボモー
タ８を駆動し加工トーチ６の高さを修正する。

【００１９】一方、高さセンサ２４Ａの取り付け方向と
平行な水平方向の高さセンサ２４Ｂおよび２４Ｃの変化
分として、高さセンサ２４Ｂおよび２４Ｃの高さセンサ
２４Ａに対する方向余弦成分を方向余弦演算器２７Ｂお
よび２７Ｃにより算出し、この方向余弦成分をアンプ２
５Ｂおよび２５Ｃの出力に乗じ、演算器Ａ２９により方
向余弦を求め、また、高さセンサ２４Ｂおよび２４Ｃの
垂直方向の変化分として、高さセンサ２４Ｂおよび２４
Ｃの高さセンサ２４Ａに対する方向正弦成分を方向正弦
演算器２８Ｂおよび２８Ｃにより算出し、この方向正弦
成分をアンプ２５Ｂおよび２５Ｃの出力に乗じ、演算器
Ｂ３０により方向正弦を求める。演算器Ａ２９および演
算器Ｂ３０により求めた２つの出力を、加算演算器３１
によりさらに加算することにより、加工トーチ６の真下
付近の被加工物１０の傾斜の度合を求める。被加工物１
０の板厚を傾斜角の余弦で除した数値が示す分だけ被加
工物の実効板厚は増加するので、加算演算器３１の出力
２１に従い補正演算器１５によりレーザ出力指令信号１
６が補正されたレーザ出力指令信号１６Ａにより最適の
レーザ出力に維持制御される。

【００２０】このような構成のレーザ加工装置により、
被加工物１０の傾斜や反りやうねりにより、実効的に板
厚が変化しても、レーザ加工を行いながら実効的な板厚
の変化を検出し、加工トーチ６の高さとレーザ出力を常
に最適値に維持することができる。

【００２１】なお、以上の説明のように本実施例では、
方向余弦演算器２７Ｂおよび２７Ｃと、方向正弦演算器
２８Ｂおよび２８Ｃと、演算器Ａ２９と、演算器Ｂ３０
と、加算演算器３１とでベクトル演算回路を構成してい
るが、ベクトル演算回路は別の回路方式を採用してもよ
い。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように本発明の
レーザ加工装置によれば、加工トーチ直下の被加工物に
傾斜や反りまたはうねりがあっても、加工トーチの周囲
の加工トーチと同心の同一円周上に設けられた３個以上
の高さセンサにより、加工トーチの被加工物に対する高
さと同時に被加工物の傾斜度が測定され演算されるの
で、加工トーチの高さの修正を行うと同時に、レーザ光
が被加工物表面に対し斜めに照射されるために生じる被
加工物の実効的板厚の変化に対しレーザ出力の調整を行
うので、常に最適の加工条件により面粗度の小さい良好
な加工が可能となり、加工品質の安定化と加工の歩留り
の向上をはたすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ加工装置の一実施例の構成図

【図２】同実施例における高さセンサ部の機械および電
気的構成図

【図３】従来のレーザ加工装置の構成図

【図４】同一加工条件によるレーザ加工における板厚と
面粗度の関係図

【図５】被加工物のうねりと面粗度および実効的板厚の
関係図

【符号の説明】

１ 数値制御装置 ２ レーザ発振器 ６ 加工トーチ ８ サーボモータ ９ 加工テーブル １０ 被加工物 １４ 高さ指令補正演算器 １５ レーザ出力指令補正演算器 １６ レーザ出力指令信号 １８ 加工トーチ高さ指令信号 ２４Ａ〜２４Ｃ 歪ゲージ（高さセンサ） ２６ 算術平均演算器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器と、被加工物を保持し移動さ
   せる加工テーブルと、レーザ光を集光しレーザ加工を行
   う加工トーチと、その加工トーチの周囲の加工トーチと
   同心の同一円周上に等間隔に設けられ、被加工物の高さ
   方向の変化量を検出する少なくとも３個以上の高さセン
   サと、加工トーチを昇降させるサーボモータと、レーザ
   発振器と加工テーブルと加工トーチを昇降させるサーボ
   モータとを制御する数値制御装置と、高さセンサの出力
   の算術平均信号を演算する算術平均演算器と、その算術
   平均演算器の出力信号に従って数値制御装置から出力さ
   れた加工トーチ高さ指令信号を補正する高さ指令補正演
   算器とを備え、前記高さセンサの少なくとも一つを基準
   として、この高さセンサに対する他の高さセンサの水平
   方向の変化分を前記他の高さセンサの出力の方向余弦成
   分で算出する方向余弦演算手段と、前記基準とした高さ
   センサに対する他の高さセンサの垂直方向の変化分を前
   記他の高さセンサの出力の方向正弦成分で算出する方向
   正弦演算手段とを有し、これら方向余弦演算手段と方向
   正弦演算手段からの出力によりレーザ光に対する被加工
   物の傾斜の度合いを演算するベクトル演算回路と、その
   ベクトル演算回路の出力からレーザ発振器に送られるレ
   ーザ出力指令信号を補正するレーザ出力指令補正演算器
   を設けたレーザ加工装置。