JP5279969B1 - レーザ加工機 - Google Patents

Abstract

ＮＣプログラムを実行する主制御部（１３）と、主制御部（１３）からの指示に応じてレーザ光を発振するレーザ発振器（２６）と、ノズル（２８）と被加工物（１２）との距離Ｌを測定する距離センサ（１９）と、距離センサ（１９）の測定値をサンプリングするセンサデータ処理部（１８）と、センサデータ処理部（１８）から入力された距離センサ（１９）の測定値に基づいて、ノズル（２８）と被加工物（１２）との距離が一定に保たれるように加工ヘッド（７）を移動させる倣い制御部（１７）と、を備え、センサデータ処理部（１８）は、主制御部（１３）の動作周期よりも短い動作周期で距離センサ（１９）の測定値をサンプリングし、内穴加工中に被加工物（１２）の貫通穴の部分が切れ落ちてノズル（２８）と被加工物（１２）との距離が所定値よりも大きくなった場合に、レーザ発振器（２６）へ停止信号を出力してレーザ光の発振を停止させる。

Description

本発明は、レーザ加工機に関する。

レーザ加工による内穴加工は、端材として切り落とす部分に加工開始点を設定し、加工開始点から貫通穴の縁とする部分に向かって切り進め、縁をなぞるようにしてレーザ光を照射することによって行われる。

レーザ加工において切断溝は細いながらも太さを有していることと、加工ノズルから噴出されるガス圧によって被切断材に力がかかることから、内穴加工時の端材側切り落ちのタイミングは加工経路終端にノズルが到達するよりも早くなる。このため、加工終端近傍では、レーザ光が重複して照射されることによりレーザ光の照射が過剰となり終端部の変色を誘発することが品質上の問題となっている。

レーザ加工での溝幅は、設定している切断条件や周囲環境などの影響によって異なるため、常に一定に維持することは困難である。このため、端材が切り落ちたタイミングにおいてレーザ照射が止まるようにＮＣプログラムを組むことはできない。

ノズル先端の近接センサ等による切断部終了点へ差し掛かったことを検知する技術が特許文献１に開示されている。

特許文献２には、加工終了点近傍では加工が停止しないよう異常検出信号を無効化する技術が開示されている。

特開平９−１３６１８３号公報 特開平６−２６９９７０号公報

しかしながら、特許文献１ではアシストガス条件などの応答時間の長いパラメータを変更させることによって品質改善を狙っているため、高速な処理速度を必要としていない。終端変色防止には１ｍｓｅｃオーダで処理を必要とするため、特許文献１に開示される技術での対応は困難であり、処理速度が課題となる。

特許文献２に開示される技術は、加工停止すること自体を無効化するために加工終了間際での制御方法を変更するものであり、加工品質の向上には寄与しない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、内穴切断時の加工終端近傍における変色の発生を防止・軽減したレーザ加工機を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、ＮＣプログラムに従って、ノズルが装着された加工ヘッドを略環状に移動させつつレーザ光を被加工物に照射して被加工物に貫通穴を形成する内穴加工を行うレーザ加工機であって、ＮＣプログラムを実行する主制御部と、主制御部からの指示に応じてレーザ光を発振するレーザ発振器と、ノズルと被加工物との距離を測定する距離センサと、距離センサの測定値をサンプリングするセンサデータ処理部と、センサデータ処理部から入力された距離センサの測定値に基づいて、ノズルと被加工物との距離が一定に保たれるように加工ヘッドを移動させる倣い制御部と、を備え、センサデータ処理部は、主制御部の動作周期よりも短い動作周期で距離センサの測定値をサンプリングし、内穴加工中に被加工物の貫通穴の部分が切れ落ちてノズルと被加工物との距離が所定の値よりも大きくなった場合に、レーザ発振器へ停止信号を出力してレーザ発振器にレーザ光の発振を停止させることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ加工における内穴切断時の加工終端部の変色を防止又は軽減し、切断品質を高めるとともに、切断後の二次加工の手間を省略又は軽減できるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態１の構成を示す図である。 図２Ａは、内穴加工における加工経路の一例を示す図である。 図２Ｂは、内穴加工における加工経路の一例を示す図である。 図３は、内穴加工時のレーザ加工機の動作の流れを示すフローチャートである。 図４は、加工条件の変更の一例を示す図である。 図５は、従来のレーザ加工機の構成を示す図である。 図６は、従来のレーザ加工機による内穴加工時のレーザ出力の変化の一例を模式的に示す図である。 図７は、実施の形態２にかかるレーザ加工機の内穴加工時の動作の流れを示すフローチャートである。

以下に、本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態１の構成を示す図である。レーザ加工機１００は、ＮＣユニット１０、センサデータ処理部１８、距離センサ１９、Ｘサーボ制御部２０、Ｙサーボ制御部２１、Ｚサーボ制御部２２、Ｘサーボモータ２３、Ｙサーボモータ２４、Ｚサーボモータ２５、レーザ発振器２６及びガス制御装置２７を備える。ＮＣユニット１０は、主制御部１３、加工機制御部１４、位置制御部１５及び倣い制御部１７を有する。

距離センサ１９は、ノズル２８と被加工物１２との間の距離Ｌを計測する。距離センサ１９の方式は各種あるが以下の説明では静電容量式のセンサである場合を例とする。ただし、光学式センサなどを静電容量式以外のセンサを適用可能であることは言うまでもない。センサデータ処理部１８は、主制御部１３よりも短い動作周期で距離センサ１９からセンサデータ（距離センサ１９と被加工物１２との間の静電容量に応じた電圧値）をサンプリングする。センサデータ処理部１８は、サンプリングしたセンサデータが所定の値よりも小さい場合（すなわち、ノズル２８と被加工物１２との間の距離が所定の値よりも大きい場合）にレーザ発振器２６に対して停止命令を出力する。

Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸のサーボモータ２３〜２５は、各軸の位置検出器を有する。

ＮＣプログラムに従って加工を行う場合の制御について、図１に基づいて説明する。主制御部１３は加工用ＮＣプログラムを１ブロックずつ解析し、後段の各制御部にプログラムの指令内容に応じた情報を与える。

プログラム指令がレーザ光や加工ガスやワーククランプのオンオフ等のレーザ発振器２６やガス制御装置２７に対する指令の場合は加工機制御部１４に指令情報を与える。加工機制御部１４は指令情報に応じてレーザ発振器２６やガス制御装置２７に信号を与える。レーザ発振器２６やガス制御装置２７は、指令信号に応じてレーザ光出力のオンオフや加工ガス電磁弁のオンオフ等を実行させる。また、逆にレーザ発振器２６やガス制御装置２７からのリミットスイッチや各種センサ等の信号が加工機制御部１４を経由して主制御部１３に伝えられ、ＮＣユニット１０はレーザ発振器２６やガス制御装置２７の状況を知ることができる。

プログラム指令が位置指令の場合は、主制御部１３は位置制御部１５に移動位置や移動速度等の情報を与える。位置制御部１５は与えられた情報に応じて、移動距離を計算し、Ｘ、Ｙ軸に分配しＸサーボ制御部２０及びＹサーボ制御部２１に移動量を出力する。また、同時に指令移動距離に対して出力した移動量や残りの移動距離、Ｘサーボ制御部２０、Ｙサーボ制御部２１からの情報による実際の位置等の管理も行う。Ｘサーボ制御部２０及びＹサーボ制御部２１はＸサーボモータ２３及びＹサーボモータ２４を駆動し、加工ヘッド７を被加工物１２に対し相対移動させる。このようにして加工ヘッド７はプログラムの指令形状に従って移動し、加工が行なわれる。また、逆に位置制御部１５は位置や出力した移動量や残りの移動距離等の情報を主制御部１３に伝える。

次に倣い機能の制御について説明する。プログラム指令が倣い機能のオンオフの指令の場合は、主制御部１３は倣い制御部１７に指令情報を与える。倣い制御部１７は倣い機能オンを指令されると、センサデータ処理部１８から入力される距離Ｌの情報と予め設定されている所定の距離とを比較し、その差が無くなるようにＺ軸サーボ制御部２２に移動量を出力する。Ｚサーボ制御部２２はＺサーボモータ２５を駆動し、加工ヘッド７を上下に移動する。距離センサ１９はノズル２８と被加工物１２との距離Ｌに対応するセンサデータを出力し、センサデータはセンサデータ処理部１８を介して倣い制御部１７にフィードバックされる。このようにして被加工物１２の歪み等で距離Ｌが変化するとセンサデータが変化し、この変化に応じてＺ軸位置が変化して、常に加工ヘッド７と被加工物１２との距離Ｌが設定された所定の距離に保たれる。また、逆に倣い制御部１７は倣い状況の情報を主制御部１３に伝える。

次に、内穴加工時の動作について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、内穴加工の一例を示す図であり、図２Ａは内穴加工における加工経路の一例を示し、図２Ｂは端材が切れ落ちる瞬間の被加工物の状態を模式的に示す。図２Ａに示す加工経路は、Ａ点を加工開始点としてレーザ光を被加工物１２に照射し、穴の縁となるＢ点に向かって切り進め、その後、端材１２ａとして切り落とす部分を囲むように穴の縁に沿って再びＢ点に到達する経路である。レーザ光が幅を有することに加え、ノズルから噴出されるガス圧によって被加工物１２に力がかかることから、図２Ｂに示すように加工経路終端にノズル２８が到達するよりも早く端材１２ａが切り落ちる。従来のレーザ加工機でこのような加工経路で内穴加工を行う場合には、Ｂ点の近傍では、加工開始点であるＡ点から切り進める際と、加工終了間際にＣ点側から切り進める際との２回レーザが照射されることとなり、２回目のレーザ照射によって被加工物１２に変色が発生することが問題となる。

図３は、内穴加工時のレーザ加工機１００の動作の流れを示すフローチャートである。レーザ加工中、主制御部１３は、加工ヘッド７が加工終端近傍の所定の位置（例えば図２のＣ点）に到達することを監視する（ステップＳ１０１）。ここでの所定の位置は加工用ＮＣプログラム中に定義されている。加工終端近傍の所定の位置に到達するまでは（ステップＳ１０１／Ｎｏ）、通常の加工条件（連続波）でのレーザ加工を継続する（ステップＳ１０１）。加工ヘッド７が所定の位置に到達したら（ステップＳ１０１／Ｙｅｓ）、主制御部１３は、パルス間隔がセンサデータ処理部１８の動作周期以上となるように加工条件を変更する（ステップＳ１０２）。具体的には、位置制御部１５を介してＸサーボ制御部２０及びＹサーボ制御部２１に指示を送り、加工ヘッド７の移動速度を低下させる。また、主制御部１３は、加工機制御部１４を介してレーザ発振器２６へ指示を送り、レーザの発振方法を連続発振からパルス発振に変更するとともに、発振周波数をセンサデータ処理部１８の動作周期（サンプリング周期）以下とする。また、レーザ光のデューティ比を低下させる。このように加工条件を変更することにより、端材が切れ落ちた箇所の検出精度（空間分解能）を高めることができる。

加工条件を変更したのち、センサデータ処理部１８は、距離センサ１９からの出力を監視する（ステップＳ１０３）。内穴加工で端材１２ａが切れ落ちた場合、距離センサ１９と被加工物１２との間の静電容量がゼロになるため、距離センサ１９から静電容量に応じてセンサデータ処理部１８に入力される電圧がゼロとなる。このため、センサデータ処理部１８は、距離センサ１９から入力される電圧が所定の値よりも小さくなったら端材１２ａが切れ落ちたと判断する。端材１２ａが切れ落ちるまでは（ステップＳ１０３／Ｎｏ）、ステップＳ１０２で変更した加工条件でのレーザ加工を継続する（ステップＳ１０３）。

センサデータ処理部１８は、端材１２ａが切れ落ちたことを検出したら（ステップＳ１０３／Ｙｅｓ）、レーザ発振器２６に停止命令を出力する（ステップＳ１０４）。レーザの発振方法をパルス発振に変更しておくことにより、次のパルスが発生するまでの間であればどのタイミングで停止命令を出しても変色の発生を防止できる。

レーザ発振器２６は、センサデータ処理部１８からの停止命令に応じて、レーザ発振を停止する（ステップＳ１０５）。

レーザ発振器２６がレーザ発振を停止したのち、主制御部１３は、ＮＣプログラムに従って加工ヘッド７を加工終端まで移動させる（ステップＳ１０６）。主制御部１３はレーザ発振器２６へレーザ光を発振させる指令を出すが、センサデータ処理部１８からの停止命令に応じてレーザ発振器２６が指令をキャンセルするため、レーザ光は発振されない。

図４は、内穴加工時のレーザ出力の変化の一例を模式的に示す図である。図中で、破線のパルスはセンサデータ処理部１８からの停止命令によってレーザ発振器２６が発振を停止したものを表している。時刻Ｔ１において、加工ヘッド７が加工終端近傍の特定の位置に到達したため、レーザの発振方法を連続発振からパルス発振に切り換えている。また、時刻Ｔ２において、端材１２ａが切れ落ちたことをセンサデータ処理部１８が検出したため、それ以降は、加工ヘッド７が加工終端に到達する時刻Ｔ３まで期間のレーザ発振が停止されている。

比較のために、従来のレーザ加工機で距離センサのセンサデータに基づいてレーザ発振器を停止させる場合の動作について説明する。図５は、従来のレーザ加工機の構成を示す図である。図６は、従来のレーザ加工機による内穴加工時のレーザ出力の変化の一例を模式的に示す図である。従来のレーザ加工機１５０においては、端材１２ａが切れ落ちた際にセンサデータ処理部６８が距離センサ６９から取得したデータは倣い制御部６７へ出力され、さらに倣い制御部６７から主制御部６３へ出力される。端材１２ａが切れ落ちた際のセンサデータが入力されたことを受けて、主制御部６３は、レーザ発振器７６を停止させるために加工機制御部６４を介してレーザ発振器７６へ停止命令を送り、レーザ発振を停止させる。したがって、動作周期の長い主制御部６３における処理がボトルネックとなって、端材１２ａが切れ落ちた後、次のパルスレーザが発せられる前にレーザ発振器７６を停止させることができない。すなわち、実施の形態１にかかるレーザ加工機１００と同様に、加工ヘッド５７が加工終端近傍の特定の位置に到達した時刻Ｔ１においてレーザの発振方法を連続発振からパルス発振に切り換え、端材１２ａが切れ落ちたことを時刻Ｔ２においてセンサデータ処理部６８が検出したとしても、加工ヘッド５７が加工終端に到達する時刻Ｔ３まで期間のレーザ発振が継続される。したがって、従来のレーザ加工機１５０では、加工終端の近傍で被加工物１２に変色が発生してしまう。

このように、本実施の形態によれば、内穴加工時に端材１２ａが切れ落ちたことを距離センサによって検出した後は、レーザの発振を停止させるため、加工終端近傍で被加工物に変色が発生することを防止できる。これにより、変色した部分を除去するための二次加工の手間を省略できる。

実施の形態２．
本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態２の構成は、実施の形態１と同様である。図７は、実施の形態２にかかるレーザ加工機１００の内穴加工時の動作の流れを示すフローチャートである。本実施の形態における動作では、加工終端近傍において加工条件の変更を行わない。すなわち、図３におけるステップＳ１０１及びステップＳ１０２に相当する処理を省略した動作となっており、ステップＳ２０１〜ステップＳ２０４での処理は、実施の形態１でのステップＳ１０３〜Ｓ１０６での処理と同様である。

本実施の形態においては、センサデータ処理部１８の動作周期が、通常のレーザ加工における発振周期よりも短ければ、加工条件の変更を行わなくとも、端材１２ａが切り落ちたことを検出した後速やかにレーザ発振を停止させることができ、実施の形態１と同様に加工終端近傍における変色を防止する効果が得られる。また、センサデータ処理部１８の動作周期が、通常のレーザ加工における発振周期よりも長くても、センサデータ処理部１８の動作周期は主制御部１３の処理周期よりも短いため、図５に示した従来のレーザ加工機１５０よりも早いタイミングでレーザ発振器２６に停止命令を出すことができるため、加工終端近傍における変色の発生を軽減する効果が得られる。したがって、本実施の形態にかかるレーザ加工機１００は、変色した部分を除去するための二次加工の手間を省略又は軽減できる。

以上のように、本発明にかかるレーザ加工機は、内穴加工の加工終端近傍での変色の発生を防止・軽減できる点で有用である。

１０ ＮＣユニット、１２ 被加工物、１２ａ 端材、１３ 主制御部、１４ 加工機制御部、１５ 位置制御部、１７ 倣い制御部、１８ センサデータ処理部、１９ 距離センサ、２０ Ｘサーボ制御部、２１ Ｙサーボ制御部、２２ Ｚサーボ制御部、２３ Ｘサーボモータ、２４ Ｙサーボモータ、２５ Ｚサーボモータ、２６ レーザ発振器、２７ ガス制御装置、２８ ノズル、１００ レーザ加工機。

Claims (3)

1. ＮＣプログラムに従って、ノズルが装着された加工ヘッドを略環状に移動させつつレーザ光を被加工物に照射して該被加工物に貫通穴を形成する内穴加工を行うレーザ加工機であって、
   前記ＮＣプログラムを実行する主制御部と、
   前記主制御部からの指示に応じて前記レーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記ノズルと前記被加工物との距離を測定する距離センサと、
   前記距離センサの測定値をサンプリングするセンサデータ処理部と、
   前記センサデータ処理部から入力された前記距離センサの測定値に基づいて、前記ノズルと前記被加工物との距離が一定に保たれるように前記加工ヘッドを移動させる倣い制御部と、を備え、
   前記レーザ発振器は、前記センサデータ処理部と直接接続されており、
   前記センサデータ処理部は、前記主制御部の動作周期よりも短い動作周期で前記距離センサの測定値をサンプリングし、前記内穴加工中に前記被加工物の前記貫通穴の部分が切れ落ちて前記ノズルと前記被加工物との距離が所定の値よりも大きくなった場合に、前記レーザ発振器へ停止信号を直接出力して該レーザ発振器に前記レーザ光の発振を停止させることを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記主制御部は、前記ＮＣプログラムで指定された前記内穴加工の加工終端近傍の所定の位置に前記加工ヘッドが到達するまでは、前記レーザ発振器に前記センサデータ処理部の動作周期よりも短い発振周期でレーザ光を発振させ、前記加工終端近傍の所定の位置に前記加工ヘッドが到達した際に、前記レーザ発振器の発振周期を前記センサデータ処理部の動作周期以上とし、前記レーザ発振器の発振周期に合わせて前記加工ヘッドの移動速度を変更することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記主制御部は、前記加工終端近傍の所定の位置に前記加工ヘッドが到達するまでは、前記レーザ発振器に連続発振で前記レーザ光を発振させ、前記加工終端近傍の所定の位置に前記加工ヘッドが到達したのちは、前記レーザ発振器にパルス発振で前記レーザ光を発振させ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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