JP4905336B2 - レーザ加工機 - Google Patents

Description

この発明は、光センサの信号に基づいて、ピアッシング加工が完了したことを検知できる装置を備えたレーザ加工機に関するものである。

従来、レーザ加工機として、レーザ光線を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発振されたレーザ光線を被加工物に向けて照射しアシストガスを供給するための加工ヘッドと、上記レーザ光線の照射による被加工物の加工部分から生じた光を検出する光センサと、上記レーザ発振器を制御するとともに、上記光センサによって検出した光センサ信号強度によって被加工物の加工状況をモニタリングできるように構成している。（例えば特許文献１参照）。
また、レーザ照射時における光センサ信号強度が、予め設定したピアッシング終了判定強度以下となったら、ピアッシング終了と判定するレーザ加工機がある（例えば特許文献２参照）。その他にも加工部分から発生する光の強度を光センサによって検出し、その光センサ信号強度の変化量を調べて、その変化量が一定量以下であり、その光センサ信号強度が変化するタイミングとレーザパルスが発振されるタイミングとが一致している時にカウントし、そのカウント値が予め設定しておいたカウント値以上のときピアッシング加工が完了したと判定するレーザ加工機もある（例えば特許文献３参照）。

特開２００５−２５４３１４号公報（ページ８、図１） 特開平５−１３８３７５号公報（ページ５、図２） 特開平４−３６１８８６号公報（ページ４、図２）

一般に、レーザ加工機により被加工物に対する切断加工を実行する場合には、予め被加工物に対し穴をあけるピアッシング加工を行う必要がある。しかし、ピアッシング加工はレーザ光が被加工物を貫通してピアッシング加工が完了するまでの時間のばらつきが軟鋼板厚１６ｍｍの場合で平均のピアッシング加工時間に対して±５秒程度のばらつきが生じる。したがって、最も時間がかかる場合を考えてレーザ照射時間を設定する必要があり、そのため無駄時間が発生する。加工時間を短縮するためには無駄時間を短縮する必要があり、ピアッシング加工完了の検知を行い、加工完了後に設定したレーザ照射時間が来る前に次の動作に移るための機能が重要となる。

一般に、ピアッシング加工が完了するまでの時間を短縮するためには、レーザ照射エネルギーを従来の条件より高くする必要がある。しかし、レーザ照射エネルギーを高くすると、被加工物の溶融が従来の条件と比べて早く進むため加工部分からの溶融物の吹き出しが従来の条件と比べて多くなる。その溶融物の吹き出しによるノズルへのスパッタの付着、溶融物による切断加工に対する悪影響を防ぐため、加工部分に溜まった溶融物や加工部分から発生するスパッタを取り除く必要がある。
そのためにエアーをサイドノズルより噴出し、溶融物やスパッタを吹き飛ばすよう構成しているが、従来は切断加工中にのみ発生し問題となっていたプラズマがピアッシング加工中にも発生するようになった。プラズマが発生すると加工部分からの発光を吸収するため、加工部分の状態をモニタすることができなくなる。従来の技術ではプラズマが発生することを想定していないため、正確なピアッシング加工の完了検知が難しくなるという問題があった。

例えば、特許文献特開平５−１３８３７５にあるレーザ照射中の光センサ信号強度が予め設定した値以下の場合はピアッシング加工が完了したと判定するという方式では、プラズマが発生し加工部分からの発光が光センサに届かない状態になった場合、誤検知するという問題がある。
また、特許文献特開平４−３６１８８６では光センサ信号強度の変化量を調べてその変化量が一定量以下であり、変化するタイミングとレーザパルスの発振されるタイミングとが一致している時にカウントし、そのカウント値が予め設定しておいた基準カウント値以上のとき、ピアッシング加工が完了したと判定している。しかし、プラズマがレーザパルスの基準カウント分、照射される時間よりも長時間存在している場合は誤検知する。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、加工部分でプラズマが発生しても誤検知することなくピアッシング完了検知ができるレーザ加工機を提供することを目的としている。

レーザ光線を発振するレーザ発振器と、当該レーザ発振器から発振されたレーザ光線を被加工物に照射するとともに、アシストガスを供給する加工ヘッドと、上記レーザ光線の照射による加工部分から生じた光を検出する光センサと、エアーを加工部分に噴出するサイドノズルと、上記レーザ発振器を制御するとともに、上記光センサによって検出した光の光量によって被加工物の加工状況をモニタリングするように構成したレーザ加工機において、ピアッシング加工中の加工部分におけるプラズマの発生を検知することにより、ピアッシング加工完了検知ができる装置を備えたものである。

この発明によれば、ピアッシング加工の際にプラズマが発生し被加工物の加工部分の状態のモニタが難しくなった場合でも、その影響を受けることなくピアッシング加工の完了を検知することができるという顕著な効果を奏するものである。

実施の形態１.
図１は本発明によるレーザ加工機の装置配置図である。図１において、前記レーザ加工機は、レーザ光を出力するレーザ発振器１と、レーザ発振器１から出力されたレーザ光２と、レーザ光２を所定方向へ反射して偏向させる反射ミラー３と、反射ミラー３により反射されたレーザ光２を集光する加工レンズ４と、加工レンズ４により集光されたレーザ光２に対しアシストガスを供給するための加工ヘッド５と、加工部分から発生する光を検出する光センサ６と、光センサ６からの信号を増幅するアンプ７と、加工条件等を設定する数値制御装置８と、アンプ７で増幅された信号をフィルタリングするフィルタ部と、当該フィルタリングされた信号の解析をすることで被加工物１０の加工部分の状態を判断し、その状態によって完了判定の閾値と判定時間を設定することができる情報処理部と、フィルタリングされた信号と情報処理部で決定された閾値と判定時間とにより、ピアッシングが完了しているか否かを判断し、ピアッシングが完了したと判断した場合は、それを前記数値制御装置８に送信することで、次の加工条件に変えることができる制御装置９と、被加工物１０の加工部分の溶融物とスパッタを吹き飛ばすためのサイドノズル１１と、から構成されている。

次に、上記レーザ加工機の動作について説明する。
まず、レーザ発振器１から出力されたレーザ光２を前記反射ミラー３により反射させ、加工ヘッド５内のレーザ光２を集光する加工レンズ４で集光し、被加工物１０の加工部分に照射する。そして前記光センサ６を用いて、加工部分から発生する光の強度を検出し、当該光センサからの信号をアンプ７により増幅した後、制御装置９に入力する。

次に、制御装置９では、まずフィルタ部でローパスフィルタなどを用いてフィルタリングしノイズ等の影響を少なくする。そのフィルタリングされた光センサ信号を情報処理部に入力し、その信号により加工部分の状態を判断し、その判断した状態により完了検知用の閾値と判定時間を設定する。その設定された閾値とフィルタリングされた光センサ信号を用いて、光センサ信号強度が閾値以下になっている時間が連続して判定時間以上続けば、ピアッシングが完了していると判定する。ピアッシングが完了していると判定した場合は、その情報を数値制御装置８に通信する。この一連の動作のフローチャートを図２に示す。

トータルの加工時間を短縮し生産性を上げるためには、ピアッシング加工時間を短縮する必要があり、ピアッシング加工を短縮するためには、被加工物に照射するレーザのエネルギーを従来と比べて上げる必要がある。

一方、レーザの照射エネルギーを上げると加工部分は従来の条件よりも急激に溶融するため、溶融物の除去とスパッタの加工ヘッドへの付着を防ぐ必要が出てくる。通常、溶融物の除去とスパッタの加工ヘッドへの付着の防止のために、サイドノズル１１からエアーを噴出する。しかし、当該エアーの影響により、これまで切断加工の際にのみ問題になっていたプラズマがピアッシング加工の際にも発生することが判明した。

プラズマが発生すると、レーザ光を吸収、または反射するため加工の妨げとなる。また、加工部分からの発光も吸収するため、加工部分の状態をモニタすることができなくなる。プラズマの発生しない正常なピアッシング加工の時は図３のような信号波形が得られるが、プラズマが発生すると加工部分からの発光が吸収されるため、図４のように光センサから得られる光センサ信号強度は、プラズマが発生していない場合と比べて、下がることが判明した。なお、図３及び図４中、縦軸は光センサ信号強度のレベルを示し、予め設定した判定時間内において、プラズマの発生していない加工時の信号のピーク値を１としている。また、横軸は時間を示し、図中の曲線はピアシング加工が完了するまでに得られた信号波形のうち、その一部分を示している。さらに、図４は、ピアシング加工時に、プラズマが１回発生した場合の典型的な信号波形を示している。この図において、プラズマは楕円で囲んだ部分に相当する時間内（楕円で囲んだ部分に該当する時間軸上の時間）で発生している。

レーザ照射中の検出光量が一定値以下の場合はピアッシング加工が完了したと判定するという方式（特許文献特開平５−１３８３７５参照）では、例えばプラズマの発生時に加工部分からの発光を光センサによって検出できない状態になった場合、穴が開いたものと判断し誤検知する。

また、別の方式として、レーザ照射中に加工部分から発生する光の強度を光センサにより検出し、その光センサ信号強度の変化量を調べて、その変化量が予め決めた量以下であり、その光センサ信号強度が変化するタイミングとレーザパルスのタイミングとが一致している時にカウントし、そのカウント値が予め決めた基準カウント値以上のとき、ピアッシングが完了したと判定しているものがある（特許文献特開平４−３６１８８６参照）。しかし、プラズマが基準カウント値分のレーザパルスが発振される時間存在している場合は、誤検知する。

しかし、上記のいずれの場合においても、制御装置９を用いることで、プラズマが発生している場合の光センサ信号強度を記憶しておき、実際に加工している時の光センサ信号強度と比べることで、プラズマの発生を見極めることができる。すなわち、プラズマが発生している場合は、プラズマが発生しない場合よりもピアッシング完了の閾値は低く、判定時間は長くという様なピアッシング完了検知の条件が厳しくなる方向に変更することで誤検知することなくピアッシングの完了検知を行うことができる。

例えば、光センサ信号強度がプラズマの発生していない加工時の信号のピーク値と比べて５％〜５０％（より好ましくは１０％〜２５％）に落ちている状態が予め設定した時間続いた場合は、プラズマが発生していると見なし、プラズマが発生していない場合の設定値よりも閾値は低く、判定時間は長くという様に、ピアッシング完了検知の条件が厳しくなる方向に変更する。閾値を低くすることにより、プラズマの影響で光センサにより検出される光量がプラズマの発生していない場合と比べて低下しても、誤検知を防ぐことができる。また判定時間を予想されるプラズマの寿命と比べて長くすることにより、誤検知を防ぐことができる。

実施の形態２.
実施の形態１では、フィルタリングした信号をそのまま用いてプラズマ発生の有無を判定していたが、レーザパルスのオン、オフの信号を制御装置に入力しレーザ照射中のみの信号でプラズマ発生の有無の判定を行っても良い。

例えば、図５のように基本的な構成は実施の形態１と同じであるが、発振器よりレーザパルスのオン、オフの状態信号を制御装置に入力して、レーザ照射時の光センサ信号の平均値を計算する。その平均値によりレーザ照射時の加工部分の状態を判断し、ピアッシング加工の完了の閾値と判定時間を決定する。

このとき、レーザ照射時の光センサ信号強度の平均値が閾値を下回る状態が予め設定した時間続くとピアッシング加工が完了したとみなし、ピアッシングが完了したことを数値制御装置に知らせる。レーザ照射時の平均値を用いることにより、照射中の加工部分の状態を発振器の放電等によるノイズの影響をより減らした状態でモニタすることができる。

その平均値がプラズマ発生時の予め設定したデータ範囲に入る場合は、プラズマが発生していると判定し、プラズマが発生していない場合の設定値よりも閾値は低く、判定時間は長くという様にピアッシング完了検知の条件を厳しくなる方向に変更することで誤検知することなくピアッシングの完了検知することができる。

例えば、プラズマの発生していない正常な加工時における１レーザパルス間の光センサ信号強度の平均値と比べて５％〜５０％（より好ましくは１０％〜２５％）に落ちているレーザパルスが予め設定したパルスカウント分間続く場合は、プラズマが発生していると見なす。閾値を低くすることにより、プラズマの影響で光センサにより検出される光量が低下しても、誤検知を防ぐことができる。また判定時間を予想されるプラズマの寿命と比べて長くすることにより、誤検知を防ぐことができる。以上の説明した内容を図６のフローチャートに示す。

実施の形態３.
１回のピアッシング加工が完了するまでの間にプラズマが発生する回数は、１回〜３回程度である。しかし、加工条件によっては５回以上プラズマが発生する場合がある。このようにプラズマが頻繁に発生する場合は、図７のように加工条件を他の条件に切り替えるように数値制御装置に信号を送ることもできる。プラズマが発生すると、プラズマがレーザ光を吸収、または反射するためピアッシング加工時間が長くなってしまうため加工効率が下がる。加工条件をプラズマの発生が抑えられる条件に変更することにより、加工の効率を上げることができる。プラズマの発生回数をカウントしカウント数が予め設定した値を超えると、そのことを数値制御装置に通信しレーザの条件を変更する。

プラズマの発生は、被加工物の温度やサイドノズルから噴出させるエアーのガス圧、レーザ照射エネルギーが関係するため、サイドノズルから噴出するエアーのガス圧やレーザ照射エネルギーを標準的な加工条件よりも一時的に下げるなどの対策を取ることでプラズマの発生を抑えることができる。

本発明の実施の形態によるレーザ加工装置を示す図である。 本発明の実施の形態１における制御フローチャートである。 正常なピアッシング加工中の光センサ信号強度の変化を示す図である。 プラズマが発生した場合の光センサ信号強度の変化を示す図である。 発振器よりパルスオン、オフの信号を得る場合のレーザ加工装置を示す図である。 本発明の実施の形態２における制御フローチャートである。 プラズマが頻発していることを数値制御装置に通信する場合のレーザ加工装置を示す図である。

符号の説明

１ レーザ発振器、２ レーザ光、３ 反射ミラー、４ 加工レンズ、５ 加工ヘッド、６ 光センサ、７ アンプ、８ 数値制御装置、９ 制御装置、１０ 被加工物、１１ サイドノズル。

Claims (6)

1. レーザ光線を発振するレーザ発振器と、
   当該レーザ発振器から発振されたレーザ光線を被加工物に照射するとともにアシストガスを供給する加工ヘッドと、
   前記レーザ光線の照射による加工部分から生じた光を検出する光センサと、
   エアーを加工部分に噴出するサイドノズルと、
   を有し、
   前記レーザ発振器から被加工物に照射するエネルギーを制御するとともに、前記光センサによって検出した光の光量によって被加工物の加工状況をモニタリングする構成としたレーザ加工機において、
   ピアッシング加工中の前記加工部分におけるプラズマの発生を検知することにより、ピアッシング加工完了を検知する装置を備えたことを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記光センサによって検出した光センサ信号強度が正常なピアッシング加工時の光センサ信号強度のピーク値と比べて１／２以下である状態が所定時間続いた場合、プラズマが発生したと判定する制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 上記ピアッシング加工完了の検知は、フィルタリングした信号をそのまま用いるか、あるいは、レーザ照射時の光センサ信号の平均値で行う制御装置を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
4. ピアッシング加工中にプラズマの発生が頻発した場合、加工条件の変更を数値制御装置へ通信することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
5. 前記プラズマが発生したと判定した場合、ピアッシング加工完了の検知用の閾値を変更することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工機。
6. 前記プラズマが発生したと判定した場合、ピアッシング加工完了の検知用の判定時間を変更することを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工機。

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