JP2742500B2 - レーザ加工機 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工機に関し、
特に切断加工を行なえるレーザ加工機に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ加工機は、照射レーザ光のエネル
ギ密度、雰囲気ガス、出射ヘッドと加工対象物（ワー
ク）との距離を調整することにより、切断、溶接等の加
工を行なうことができる。

【０００３】ワーク上のレーザ光のエネルギ密度を一定
に保つためには、ワークとレーザ光を出射するヘッドと
の間の距離を一定に保つことが望まれる。レーザ光の出
射ヘッドとワークとの間の距離を検出するために、通常
出射ヘッドにはハイトセンサが備えられている。代表的
には、静電容量式ハイトセンサが用いられる。

【０００４】切断加工においては、初めは孔の開いてい
ないワークにレーザ光を照射し、孔を開口するピアッシ
ング工程が行なわれる。金属の切断工程においては、通
常レーザ光の照射と共に酸素ガスの吹き付けが行なわれ
る。

【０００５】ピアッシング工程においては、ワークに未
だ孔が開いていないため、ガス吹き付けと同時にレーザ
光照射が行なわれると、ワーク上にプラズマ状態の小火
花（プルーム）が発生する。プルームはプラズマ状態で
導電性を有するため、プルームが発生した状態では、ハ
イトセンサはワークと接触しているかのような出力信号
を与える。

【０００６】この出力信号を、正規なハイトセンサの信
号として制御を行なうと、レーザ光の出射ヘッドがワー
クと接触しているかのような判断が行なわれ、ワークか
らヘッドを引き離す制御が行なわれ、ピアッシングが中
断されてしまう。

【０００７】このため、ピアッシングを正常に行なうた
め、ピアッシングが行なわれる所定期間内はハイトセン
サの出力による倣い制御を不作動（オフ）とする制御が
行なわれる。

【０００８】ピアッシングが終了し、ワークに孔が開く
と、レーザ照射ヘッドから吹き出したガスは孔を通過し
てワークの向こう側に吹き飛ばされ、プラズマも吹き飛
ばされる。このため、ハイトセンサは正常な機能を復活
する。

【０００９】ピアッシングが完全に行われ、ハイトセン
サが正常動作を回復した後、ハイトセンサの出力に基づ
く倣い制御を作動状態（オン）とする。ところが、ピア
ッシングの段階で、プルームが極端に成長し、レーザ照
射ヘッドの内側および外側全体に火花が広がり、火災事
故を生じる場合がある。たとえば、ハイトセンサのケー
ブルや、ガス吹き出しのためのガスチューブが火によっ
て消失してしまうことがある。このような場合には、ヘ
ッドを変換することになる。

【００１０】このような事故を防止するために、レーザ
光の照射ヘッドにホトダイオードを取付け、炎が発生し
た時は、その発光を検出する技術が提案されている（特
開平５−１３８３７５号公報）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、特別
の検出器を設ける必要なく、かつプルームの発達等の異
常事態発生に対応することのできるレーザ加工機を提供
することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のレーザ加工機
は、レーザ光をワーク上に照射するための照射ヘッド
と、前記照射ヘッドに結合され、ワークと照射ヘッド間
の間隔を検出するためのハイトセンサと、前記ハイトセ
ンサの出力を受け、ワークと照射ヘッド間の間隔を一定
に保つための信号を形成する倣い制御回路と、切断工程
初期の設定期間倣い制御を不作動とするためのピアッシ
ング回路と、前記ハイトセンサの出力を受け、プルーム
発生時間を計測し、前記設定期間内でもプルーム発生時
間が所定時間を越えた時は倣い制御を強制的に開始さ
せ、レーザ光をオフさせる異常防止手段とを有する。

【００１３】

【作用】切断工程初期のピアッシング期間は、ピアッシ
ング回路が倣い制御を不作動とするため、プルームが発
生してもレーザ光を照射する照射ヘッドはワークから所
定距離に保持される。

【００１４】一方、異常防止手段がピアッシング期間中
もプルーム発生時間を計測し、プルーム発生時間が所定
時間を越えた時は、倣い制御を強制的に開始させる。異
常が発生した時には照射ヘッドはワークから隔離され、
レーザ光がオフされる。このため、異常による事故を未
然に防止することが可能となる。

【００１５】

【実施例】図１は、本発明の実施例によるレーザ加工機
の主要部を示すブロック図である。図において、レーザ
光の出射光学系である出射ヘッド１は、ガス吹き出しノ
ズルを兼ねたハイトセンサ２を先端に有する。

【００１６】ハイトセンサ２は、ワーク３との間の距離
を静電容量によって検出する。ハイトセンサ２の出力
は、ハイトセンサアンプ５で増幅され、倣い制御回路１
２およびレベル比較回路７に供給される。

【００１７】倣い制御回路１２は、ＮＣ（数値制御）コ
ントローラ１１または操作パネル上に設けられたハイト
設定ボリューム等から設定高さを受け、ハイトセンサア
ンプ５から受けた検出高さと比較し、照射ヘッド１のハ
イトセンサ２が、ワーク３から所定距離に保持されるよ
うに、高さデータをフィードバックする。なお、この倣
い制御回路１２については、図２を参照して後に詳述す
る。

【００１８】レベル比較回路７は、ハイトセンサアンプ
５から受けた出力信号と所定の閾値とを比較し、ハイト
センサアンプ５の出力信号が閾値以下の場合、出力信号
を発生する。

【００１９】ある程度以上のプルームが発生すると、ハ
イトセンサ２とワーク３とは電気的に短絡され、ハイト
センサの出力はほぼ零となる。ハイトセンサの出力が閾
値以下になる時間長を計測することにより、プルーム発
生時間を計測できる。

【００２０】レベル比較回路の出力信号は、プルーム発
生時間計測回路８に供給され、レベル比較回路７の信号
が活性化された時間、すなわちハイトセンサアンプ５の
出力が閾値よりも低く、ハイトセンサがワーク３と接し
ていると見なされる時間を計測し、積分する。

【００２１】一方、ピアッシング判定回路１４は、ＮＣ
コントローラ１１から工程データを受け、「ピアッシン
グ中」を表す信号の有無を判定し、ピアッシング期間
中、ピアッシングである旨を表す信号をプルーム発生時
間計測回路８に供給する。

【００２２】プルーム発生時間計測回路８が計測したプ
ルーム発生時間の積分値が所定値以下の場合は、ピアッ
シング判定回路１４からピアッシング信号を受けている
間は、プルーム発生時間計測回路８は出力を発生しな
い。

【００２３】プルーム発生時間計測回路の測定する計測
時間の積分値が一定値以下で、ピアッシング判定回路１
４から供給されるピアッシング信号が消滅した時は、プ
ルーム発生時間計測回路８はリセットされる。なお、倣
い制御回路１２は、ＮＣコントローラ１１から倣い制御
をオンにする制御信号を受ける。

【００２４】ピアッシング期間中であっても、プルーム
発生時間計測回路８の計測した積分時間が所定値を越え
た時は、プルーム発生時間計測回路８はタイムアップ信
号を倣い制御切換回路９に供給する。

【００２５】倣い制御切替回路９は、プルーム発生時間
計測回路８の出力信号を受けた時は、倣い制御を強制的
に復活するための倣い制御強制オン信号を倣い制御回路
１２に供給する。

【００２６】なお、プルーム発生時間計測回路８が発生
するタイムアップ信号はＮＣコントローラ１１にも送ら
れる。図２は、倣い制御回路１２の構成例を示す。倣い
制御回路１２には、ハイトセンサアンプ５からのハイト
信号およびＮＣコントローラから供給されるハイト設定
信号が入力され、それらの信号が減算回路２４によって
減算されて差信号を発生する。この差信号は、不感帯設
定回路２６に供給され、不感帯として設定された値を越
えた時は、リミッタ回路２８に供給される。

【００２７】リミッタ回路２８は、入力信号が所定値を
越える時はその超過分をカットし、一定範囲内で変動す
る信号を電圧−周波数変換回路３０に供給する。電圧−
周波数変換回路３０は、入力信号の電圧に応じた周波数
信号を発生し、２相パルス生成回路３４に供給する。

【００２８】減算回路２４の発生する差信号は、方向判
別回路３２にも供給され、ハイト信号とハイト設定信号
の大小関係により、照射ヘッドが所定高さよりも高いか
低いかの方向判別信号を、２相パルス生成回路３４に供
給する。

【００２９】照射ヘッドが所定値よりも高いか低いかの
信号と、その程度を表す信号とを受けた２相パルス生成
回路３４は、照射ヘッド１を所定位置に復帰させるため
の２相パルス信号を発生する。

【００３０】この２相パルス信号は、ゲート回路３６を
介してＡ相信号およびＢ相信号としてＮＣコントローラ
１１に供給される。ゲート回路３６は、ＮＣコントロー
ラ１１から供給される倣い制御オン／オフ信号および倣
い制御切替回路９から供給される倣い制御強制オン信号
に基づいて制御される。

【００３１】このように、ＮＣコントローラ１１から倣
い制御オン信号を受けている場合、または倣い制御切替
回路９から倣い制御強制オン信号を受けている場合に
は、倣い制御回路１２はハイト信号に基づいた制御信号
を発生する。

【００３２】なお、倣い制御回路１２がこのようにハイ
トセンサアンプから受け取ったハイト信号に基づき、Ａ
相、Ｂ相信号を発生する構成によれば、ＮＣコントロー
ラ１１としては、通常の機械加工機に用いられるＮＣコ
ントローラを使用することができる。

【００３３】図３（Ａ）、（Ｂ）に、ピアッシングが正
常に行なわれた場合とピアッシング中異常が発生し、プ
ルームが成長した場合のハイトセンサ出力の例を示す。
図３（Ａ）は、正常にピアッシングが終了した場合のハ
イトセンサ出力の時間変化を示す。正常な場合、ピアッ
シングは、たとえば１〜２秒の短時間で終了する。ピア
ッシングにおいては、レーザ光が照射した時、プルーム
が発生し、ハイトセンサ出力はあたかもハイトセンサが
ワークと接触しているかのような低い電圧の出力信号を
与える。

【００３４】レーザ光がオフの期間は、プルームが減少
し、ハイトセンサ出力は正常の値に復活する傾向を示
す。すなわち、レーザ光照射期間ＬＯＮでハイトセンサ
出力が零の期間ｔ１、ｔ２は、プルームが発生している
期間であり、ハイトセンサ出力が零よりも高い値に設定
された閾値以上を示す期間は、プルームが消滅もしくは
減少している期間である。

【００３５】図においては、レーザ光を照射している期
間ｔ２において、ワークに孔が開口されたものとしてい
る。ワークに孔が開口されると、以後は吹き付けられた
ガスは孔を通過してワークの反対側に吹き抜ける。この
ため、プルームはワークの反対側に吹き飛ばされ、以後
ハイトセンサは正常な動作を回復する。

【００３６】したがって、ハイトセンサ出力は徐々に立
ち上がり、正常な値を示すようになる。この場合、ピア
ッシングが開始されてからピアッシング用として設定さ
れた所定時間経過した時に、倣い制御が復活する。ピア
ッシング期間としては、たとえば数秒を設定する。

【００３７】図３（Ｂ）は、ピアッシングが正常に終了
せず、プルームが異常に成長した場合のハイトセンサ出
力信号の波形を示す。ピアッシングが開始した後、レー
ザ光の照射によりハイトセンサ出力が零となる期間が表
れることは、図３（Ａ）と同様である。ところが、正常
な動作であれば、ワークに孔が開口され、プルームが消
滅する期間を過ぎても、レーザ光が照射される度にハイ
トセンサ出力は零となる動作を繰り返す。すなわち、こ
の場合には、ワークに孔が開口されず、プルームが成長
していることが示される。

【００３８】このハイトセンサ出力が零となる時間ｔ
１、ｔ２、…を積分し、所定の値を越えた時には、ピア
ッシングが正常に終了せず、異常が発生したものと判断
する。たとえば、プルームが発達して炎となり、ヘッド
を消失しようとする事態である。このような場合には、
設定されたピアッシング期間終了前であっても倣い制御
を復活させる。

【００３９】倣い制御を復活させると、ハイトセンサ出
力が零となる時には、ハイトセンサがワークと接触して
いるかの判断を行なうため、レーザ照射ヘッドはワーク
から遠ざかるように制御される。また、事故を防止する
ため、レーザ光はオフされる。その後、制御は中断さ
れ、異常を表す警告信号が発生する。

【００４０】図４は、このような制御を、図１、図２の
回路を用いて行なう場合のタイミングチャートを示す。
図４（Ａ）は正常動作の場合のタイミングチャートの例
を示し、図４（Ｂ）は異常が発生した時のタイミングチ
ャートの例を示す。

【００４１】図４（Ａ）は、上からＮＣコントローラ１
１が発生する倣い制御オン／オフ信号、レーザ光のオン
／オフ、数値制御を行なう本回路の動作、倣い制御切替
回路９の状態を示す。

【００４２】まず、ＮＣコントローラ１１から倣い制御
回路１２に供給される倣い制御オン／オフ信号は、時間
ｔ０において立ち上がり、倣い制御を開始する。この倣
い制御期間ａ１は、照射ヘッド１をワーク３上の所定高
さに設定するためのものである。

【００４３】倣い制御期間ａ１終了時には、照射ヘッド
１はワーク３上の所定高さに設定されている。次に、時
間ｔ１において、倣い制御信号はオフとされ、ピアッシ
ングを開始する。ピアッシング開始は、レーザ光のオン
および本回路のオンを伴う。ピアッシングとして設定さ
れた期間ａ２中、倣い制御オン／オフ信号はオフ状態を
続け、ピアッシングを実行する。

【００４４】ピアッシング用に設定された期間ａ２が終
了する時間ｔ２において、倣い制御オン／オフ信号は再
び立ち上がり、切断期間ａ３の状態となる。レーザ光お
よび本回路の動作は、オン状態を継続し、切断加工を実
行する。

【００４５】倣い制御オンにより、ハイトセンサアンプ
からの信号が倣い制御回路１２に取り込まれ、高さデー
タがＮＣコントローラ１１に供給されて照射ヘッド１の
倣い制御が切断加工中実行される。

【００４６】切断期間ａ３が終了した時間ｔ３におい
て、行なうべき加工を終了すると、倣い制御オン／オフ
信号はオフ状態（ａ４）とされ、レーザ光はオフし、本
回路の動作も終了する。

【００４７】なお、ピアッシングおよびそれに引き続く
切断加工において、異常が発生していない場合、倣い制
御切替回路９は常にオフ状態の出力を発生する。図４
（Ｂ）は、異常が発生した場合の信号波形を示す。

【００４８】まず、時間ｔ０で倣い制御が開始し、レー
ザ照射ヘッドが所定高さに配置されることは、図４
（Ａ）の場合と同様である。時間ｔ１において、倣い制
御がオフとされ、ピアッシングが開始される。

【００４９】ピアッシング用に設定されたピアッシング
期間終了前に、プルームが異常成長し、プルーム発生時
間計測回路８がタイムアップ信号を発生する。このタイ
ムアップ信号が発生すると、倣い制御切替回路９は、倣
い制御強制オン信号を発生する。

【００５０】この倣い制御強制オン信号に基づき、倣い
制御回路１２の制御が強制的に復活すると共に、レーザ
光はオフにされる。倣い制御回路１２が倣い制御を復活
すると、レーザ光照射ヘッド１はハイトセンサ信号に基
づき、照射ヘッド１をワーク３から遠ざけるように制御
を行なう。

【００５１】この異常信号発生時間ｔｘから所定時間経
過した後、ＮＣコントローラ１１は、倣い制御回路１
２、本回路、倣い制御切替回路９の動作もオフにし、警
告信号を発生して異常発生を通告する。

【００５２】このように、レーザ加工におけるピアッシ
ング期間中は、プルームの発生によりハイトセンサは正
常な動作を行なわないが、ハイトセンサ信号は出力され
ることを利用して、プルームの異常発生を検出し、事故
を未然に防止することが可能となる。

【００５３】なお、プルーム発生時間計測回路８が異常
を検出した後、どのような順序でシステムの動作を停止
するかは種々変更できる。たとえば、異常を検出した時
は、まずレーザ光をオフにし、所定時間経過後、倣い制
御回路をオン状態として照射ヘッドをワークから遠ざ
け、その後、他のシステムをオフにしてもよい。

【００５４】また、プルーム発生時間計測回路８は、実
際にハイトセンサ出力が閾値以下となる時間を計測する
代わり、レーザ光照射と共にハイトセンサ出力が零とな
る回数をカウントするようにしてもよい。

【００５５】また、レーザは必ずしもパルス発振のもの
に限らない。連続発振レーザを用いた場合には、図３
（Ａ）の破線で示すように、ピアッシングが終了するま
でハイトセンサ出力が閾値以下のほぼ零を示すことにな
る。

【００５６】図３（Ｂ）に示すハイトセンサ出力も、中
間で立ち上がることなく、常に閾値以下を示すようにな
る。この場合にも、図１、図２に示す回路の基本動作に
はかわりがない。

【００５７】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００５８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ピアッシング期間中にプルームが異常に発生した時は、
このプルームの異常発生を検出し、レーザ照射系を退避
させると共に異常を通知する。このため、レーザ加工機
の損傷が防止される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例によるレーザ加工機の構成を概
略的に示すブロック図である。

【図２】図１のレーザ加工機における倣い制御回路１２
の構成例を示すブロック図である。

【図３】図１、図２に示すレーザ加工機の正常時の動作
および異常発生時の動作を説明するためのハイトセンサ
出力波形のグラフである。

【図４】図１、図２に示すレーザ加工機の動作を説明す
るためのタイミングチャートである。

【符号の説明】

１ レーザ照射ヘッド ２ ハイトセンサ ３ ワーク ５ ハイトセンサアンプ ７ レベル比較回路 ８ プルーム発生時間計測回路 ９ 倣い制御切替回路 １１ ＮＣコントローラ １２ 倣い制御回路 ２４ 減算回路 ２６ 不感帯設定回路 ２８ リミッタ回路 ３０ 電圧−周波数変換回路 ３２ 方向判別回路 ３４ ２相パルス生成回路 ３６ ゲート回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光をワーク上に照射するための照
   射ヘッド（１）と、 前記照射ヘッドに結合され、ワークと照射ヘッド間の間
   隔を検出するためのハイトセンサ（２）と、 前記ハイトセンサの出力を受け、ワークと照射ヘッド間
   の間隔を一定に保つための信号を形成する倣い制御回路
   （１２）と、 切断工程初期の設定期間倣い制御を不作動とするための
   ピアッシング回路（１４）と、 前記ハイトセンサの出力を受け、プルーム発生時間を計
   測し、前記設定期間内でもプルーム発生時間が所定時間
   を越えた時は倣い制御を強制的に開始させ、レーザ光を
   オフさせる異常防止手段（８、９）とを有するレーザ加
   工機。