JP2924423B2 - レーザ加工装置とその集光レンズ高さ制御方法 - 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−ザ等のレ
−ザ装置により軟鋼板等の被加工物に切断や穴明け等の
加工を行うレ−ザ加工装置において、特に加工の歩留ま
りを向上し品質の安定化を図るレ−ザ加工装置とその集
光レンズ高さ制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】軟鋼板等を切断する従来のレ−ザ加工装
置の構成例を図３に示す。図３におけるレ−ザ加工装置
はそれぞれ以下の要素から構成されている。すなわち各
部はレ−ザ発振器１、レ−ザ光ガイド２、折り曲げ鏡
３、集光レンズ４、レンズガイド５、そのレンズガイド
５との長さの和が集光レンズ４の焦点距離とほぼ一致す
る長さとなるように作られている加工ト−チ６、被加工
物７、補助ガス用配管８ａ、切断用補助ガスボンベ８
ｂ、集光レンズ４を取り付けたレンズガイド５を加工ト
−チ６と共に昇降するサ−ボモ−タ９ａ、そのサ−ボモ
−タ９ａの動力を加工ト−チ６に伝達するためのギア対
９ｂと９ｃ、加工テ−ブルベ−ス１０ａ、加工テ−ブル
１０ｂ、被加工物７を支持する剣山１０ｃ、加工テ−ブ
ル駆動用サ−ボモ−タ１０ｄであり、加工テ−ブル駆動
用サ−ボモ−タ１０ｄを動かしかつ従来のレンズ高さの
設定に用いられている数値制御装置１１、倣いセンサ１
２、倣い装置１３などである。前記各要素から構成され
たレ−ザ加工装置の各部をつなぐ信号線は、それぞれレ
−ザ出力指令信号１４、加工速度を決めるサ−ボ指令信
号１５、レンズ位置を設定するサ−ボ指令信号１６、倣
い装置１３の出力１７である。

【０００３】次に上記装置の動作と加工に至るまでの準
備作業について説明する。レ−ザ発振器１はレ−ザ媒質
を励起してレ−ザ光１ａを出力する。レ−ザ光ガイド２
を通過したレ−ザ光１ａは、途中に設けられた反射鏡３
により光軸を集光レンズ４の方向に曲げられて集光レン
ズ４により集光され、集光レンズ４の焦点付近に置かれ
た被加工物７に照射される。被加工物７は加工テ−ブル
１０ｂ上の加工物支持剣山１０ｃの上に固定され、サ−
ボモ−タ１０ｄが加工テ−ブル１０ｂを動かすことによ
り移動させられる。集光レンズ４と被加工物７の間には
被加工物７に近づくにつれて内径を細く絞られた加工ト
−チ６を設け、この加工ト−チ６に接続されたガス配管
８ａを通じてガスボンベ８ｂより供給される補助ガスが
集光したレ−ザ光と同軸方向に被加工物７のレ−ザ照射
部分に吹き付けられる。加工形状、レ−ザ出力および被
加工物７の移動速度などの切断条件を入力した数値制御
装置１１は、レ−ザ出力指令信号１４をレ−ザ発振器１
に出力し、加工形状や移動速度に応じたサ−ボ指令信号
１５をサ−ボモ−タ１０ｄに送り、加工テ−ブル１０ｂ
上の被加工物７を動かして所要の形状に加工する。

【０００４】上記の加工を行う前に、まずレンズガイド
５の中の集光レンズ４の位置またはレンズガイド５と加
工ト−チ６の長さを変えて集光レンズ４の焦点位置を、
例えば加工ト−チ６の先端に合わせる。その後、加工ト
−チ６の先端と被加工物７の間隔を、加工中に発生する
被加工物７の反りや歪みおよび表面に付着したスパッタ
付着物と加工ト−チ６の先端との接触によって、加工ト
−チ６および加工レンズ４の取り付けに狂いが生じて加
工不良の原因とならないように２〜５ｍｍあけて、加工
テストを行いながら加工ト−チ６の先端と被加工物７の
間隔を調整することにより、切断速度が最大となる間隔
を倣い装置１３に設定する。切断加工中は、倣い装置１
３に設定された加工ト−チ６と被加工物７との間隔を保
つように数値制御装置１１はサ−ボモ−タ９ａを動かし
て加工を進める。

【０００５】一般にこの種のレ−ザ加工装置で軟鋼板な
どを溶接、切断、穴明けするときには複数の加工を同じ
一枚の板から連続して加工を行っている。最初の加工に
比べて、後の加工ほど被加工物７の表面温度は上昇して
ゆき、その温度上昇に伴いレ−ザ光の被加工物への吸収
率が変化して、加工ト−チ６と被加工物７の最適間隔が
変化する。しかし、従来のレ−ザ加工装置では倣い装置
１３に設定された間隔は固定されたままであった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来のレ−ザ加工装置
では、倣い装置を用いて上記加工ト−チと焦点位置の距
離および加工ト−チと被加工物の間隔が一定となるよう
に設定し、加工時の被加工物と加工ト−チの間隔を検出
し、加工ト−チを上下させている。そのため、被加工物
の温度、表面状態等によりレ−ザ光の吸収反射係数が変
化し、加工ト−チと焦点位置と被加工物の間隔の最適値
が変化した状態でも、加工ト−チ６や加工レンズ４の焦
点位置と被加工物７の表面の間隔は最初に設定された数
値のままに倣い装置と数値制御装置により維持制御され
ており、そのため加工条件が最適状態からはずれるの
で、加工品質がばらついて問題点であった。

【０００７】本発明は、このような従来の問題点を解決
するものであり、レ−ザ加工の準備作業としての集光レ
ンズ高さと加工ト−チ位置の設定を簡便にして、加工速
度が常に最大となるようにして、加工歩留まりの向上と
品質の安定化を図るレ−ザ加工装置およびその集光レン
ズ高さ制御装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記目的を達
成するために、新たに加工ト−チの側面に光センサを設
け、不活性ガスを被加工物に吹き付けながらレ−ザ光を
照射したときに被加工物表面で生じる青色の発光を検出
し、青色発光の検出される範囲を用いて被加工物の表面
を簡便に設定する。

【０００９】さらに、被加工物の一回前の加工サイクル
での青色発光範囲を数値制御装置に記憶し、次の加工サ
イクルの開始の際に同様に青色発光を検出しながら、加
工ト−チの先端の位置を数値制御装置内に記憶した発光
範囲の約１／５の長さの範囲で昇降して、被加工物の表
面を再設定するようにレンズの高さを補正してから加工
ガスに切り替えてから次の加工を開始する方法を用い
る。

【００１０】

【作用】本発明では、前記構成による集光レンズと加工
ト−チと被加工物の間隔が被加工物によるレ−ザ光の吸
収率が大きく、かつ加工速度を最大にする条件に簡便に
設定できるようになる。また、被加工物の吸収率が高く
なる加工ト−チとレンズ位置の条件を加工サイクルごと
に青色発光の境界を確認することで補正でき、加工品質
のばらつきによる歩留まりの低下がなくなる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図１および
図２を参照しながら説明する。なお、本実施例におい
て、前述の従来例で説明したものと同じ構成要素には同
じ符号を付して説明を省略し、以下においては新たに導
入した構成要素を中心に説明する。すなはち、本実施例
の特徴となる構成は従来例で説明した補助ガス配管８ａ
の途中に不活性ガスボンベ８ｃからの窒素を含む不活性
ガス８ｃを第２の補助ガスとして流すための切替弁８ｄ
を配置し、また加工ト−チ６の側面に青色フィルタを付
けた光センサ１８が取り付けられるとともに、この光セ
ンサ１８からの出力１８ａを数値制御装置１１に伝達す
る信号線路が設置されている。また、数値制御装置１１
は、加工ト−チ６を昇降している間に光センサ出力１８
ａを受け、この光センサ出力１８ａのレベルが変化した
時の加工ト−チ６の高さを記憶する。

【００１２】次に、本実施例の動作について説明する。
従来例と同じ部分は省略し、本発明の基礎を与える青色
発光とレ−ザ光強度の関係を図２（ａ），（ｂ）により
説明し、さらに集光レンズ４と加工ト−チ６先端および
被加工物７表面との位置関係を調整する方法、および数
値制御装置１１の動作を説明する。

【００１３】レ−ザ光１ａを集光して被加工物７に照射
した時のレ−ザ光１ａのビ−ム強度と被加工物７による
レ−ザ光１ａの吸収率の関係を図２（ａ）に示す。図２
（ａ）の結果は軟鋼鈑を加工する場合の例であるが、１
平方センチメ−トル当たり約１０の６乗ワット以上とな
る限界強度Ｉ_０を超えるときには、吸収率が急激に上昇
する。また、集光したレ−ザ光１ａを不活性ガス８ｃを
吹き付けながら軟鋼鈑に照射した際に被加工物６表面で
観測される発光色の変化について発明者が測定した結果
を図２（ｂ）に示す。吸収率が上昇する限界強度Ｉ_０を
超えるところで発光が強くなり、発光色は赤またはオレ
ンジ色から青色に変化する。発光色が青色になる範囲は
集光レンズの焦点付近にあり、前記青色発光範囲内では
レ−ザ光強度が上昇して被加工物７表面に吹き付けられ
たガスがプラズマ化するため被加工物７へのレ−ザ光１
ａの伝達が妨げられる場合があった。また、限界強度Ｉ
_０は被加工物７の温度や表面の汚れにより変化するが、
青色発光範囲の端の付近で加工速度は最大になった。

【００１４】切断開始に当たって、数値制御装置１１は
被加工物７表面が集光レンズの焦点距離とされる位置に
なるようにサ−ボモ−タ９ａを動かし、次に切替弁８ｄ
を不活性ガスボンベ８ｃ側に切り替えて加工ト−チ６よ
り被加工物７に向けて不活性ガス８ｃを吹き付ける。そ
して、レ−ザ発振器１を制御してレ−ザ光を射出しなが
ら、サ−ボモ−タ９ａを動かして集光レンズ４の高さを
被加工物６表面から上昇させ、このようにレ−ザ光照射
位置を徐々に集光レンズ４の焦点位置よりずらしてい
く。

【００１５】このとき、集光レンズ４が上昇していくに
従いレ−ザ光は焦点位置より離れていくので、被加工物
７表面に照射されるレ−ザ光１ａの強度はビ−ム断面積
の増大に反比例して減少してゆき、レ−ザ光照射面から
出る光の発光色が青色よりオレンジ色に変化する。この
時、光センサ１８への入力光がオレンジ色になると同時
に光センサ出力１８ａのレベルが下がる。

【００１６】数値制御装置１１は、光センサ１８の出力
信号１８ａレベルが下がった時の集光レンズ４の高さを
記憶し、同時にレ−ザ発振器１の発振を停止し、切替弁
８ｄを切断用補助ガス８ｂにつなぎ替える。引き続いて
サ−ボモ−タ９ａを動かし、集光レンズ４をその所定の
記憶している高さに移動させる。集光レンズ４の位置
は、レ−ザ光１ａの被加工物７への吸収率がもっとも高
まる位置に設定され、切断加工を開始する。

【００１７】従来、切断加工を続けると、レ−ザ光１ａ
の吸収およびレ−ザ光１ａと切断用補助ガス８ｂとの反
応熱により被加工物７の温度が上昇し、被加工物７のレ
−ザ光吸収率のレ−ザ光強度依存性が変化したり、被加
工物７の形状に微小なうねりがある場合などは集光レン
ズ４と被加工物７との距離が変化するため被加工物７表
面での照射強度が変化して吸収率が変わるなど、最適加
工速度条件を維持できなくなることがあった。

【００１８】本実施例では、加工の継続による条件の変
化を以下のように補正する。すなわち、一加工サイクル
が終了した後、新たに加工サイクルを開始する時点で前
記青色発光範囲を数値制御装置１１に記憶しておき、こ
の記憶しておいた青色発光範囲を次の加工サイクルの開
始時に利用する。まず、数値制御装置１１により切替弁
８ｄを作動させて切断用補助ガス８ｂを不活性ガス８ｃ
に切り替え、不活性ガス８ｃを吹き付けながら数値制御
装置１１内に記憶していた発光範囲の約１／５の範囲で
加工ト−チ６を昇降して、レ−ザ光１ａの照射で生ずる
発光が青色発光からオレンジ色発光に変わる境界の高さ
を光センサ１８の出力信号１８ａのレベルの変化する時
の加工ト−チ６の高さとして調整する。そのあと、出力
信号１８ａのレベルが変化した時の加工ト−チ６の高さ
を新たに記憶すると共に、その高さにサ−ボモ−タ９ａ
を動かして加工ト−チ６を移動させ、切替弁８ｄを作動
させて流していた不活性ガス８ｃを切断用補助ガス８ｂ
に切り替えて加工を再開する。

【００１９】なお、上記の動作説明では被加工物７表面
が集光レンズ４との距離が遠くなる方向、すなわち加工
ト−チ６先端を被加工物７表面より上の方へ青色発光範
囲の約１／５の範囲で移動させて位置合わせを行った
が、最適加工条件は被加工物７表面が集光レンズ４との
距離が近づく方向、すなわち加工ト−チ６先端を被加工
物７表面より下の方へ青色発光範囲の約１／５の範囲で
移動させても同様の最適条件となるものである。

【００２０】上記構成により、集光レンズ４を被加工物
７のレ−ザ光吸収率が最大となる位置に設定する作業を
簡便化でき、加工ト−チ６と被加工物７および集光レン
ズ４の間隔を最適位置に維持しながら最大の加工速度を
保つことができる。

【００２１】

【発明の効果】本発明のレ−ザ加工装置によれば、前記
青色発光を検出するための光センサにより、集光レンズ
高さを被加工物表面での吸収率が最大となる位置に設定
しているので、加工速度を最大にする条件に簡便に設定
でき、レ−ザ光の照射条件や被加工物上での吸収条件の
ばらつきによる加工品質のばらつきを減少できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す図

【図２】（ａ）レ−ザ光強度と被加工物表面での吸収率
の関係を示す図 （ｂ）不活性ガス存在下のレ−ザ光照射による焦点近傍
での青色発光範囲を示す図

【図３】従来のレ−ザ加工装置の構成を示す図

【符号の説明】

１ レ−ザ発振器 ２ レ−ザ光ガイド ３ 折り曲げ鏡 ４ 集光レンズ ５ レンズガイド ６ 加工ト−チ ７ 被加工物 ８ａ 補助ガス用配管 ８ｂ 加工用補助ガス ８ｃ 不活性ガス ８ｄ 切替弁 １０ｂ 加工テ−ブル １１ 数値制御装置 １８ 光センサ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくともレ−ザ発振器とレ−ザ光ガイ
   ドと折り曲げ鏡と集光レンズとその集光レンズを保持す
   るレンズガイドと補助ガスを吹き付ける加工ト−チと補
   助ガス源と被加工物を保持して移動する加工テ−ブル、
   および前記加工テ−ブルとレ−ザ発振器を制御する数値
   制御装置より構成されるレ−ザ加工装置において、前記
   補助ガス源に加工用補助ガスと窒素ガスを含む不活性ガ
   スの容器を納め、前記加工ト−チと補助ガス源の間に切
   替弁を入れ、前記加工ト−チの側面に光センサを設けた
   構成とし、前記不活性ガスを被加工物に吹き付けながら
   レ−ザ光を照射して被加工物表面でプラズマ化したガス
   による青色の発光を検出し、青色発光の検出されるレン
   ズ高さの青色発光範囲の中でレンズ焦点より遠方端の上
   下の前記青色発光範囲長さの約１／５の範囲内に被加工
   物の表面を設定する機能を付与したことを特徴とするレ
   −ザ加工装置。
2. 【請求項２】 被加工物の一回前の加工サイクルでの青
   色発光範囲を数値制御装置に記憶し、次のサイクルの開
   始の際に加工ト−チを数値制御装置内に記憶した青色発
   光範囲の約１／５の長さの範囲で昇降して不活性ガスを
   被加工物に吹き付けながらレ−ザ光を照射し、被加工物
   表面の青色発光を検出し、昇降範囲内で青色発光の検出
   される下端に被加工物の表面を設定するようにレンズ高
   さを補正してから加工用補助ガスを流して次の加工を開
   始させることを特徴とする請求項１記載のレ−ザ加工装
   置の集光レンズ高さ制御方法。