JP5312537B2 - 状態検出装置およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工ノズルとワークの間の状態、例えば、ギャップ長やプラズマなど、を検出するための状態検出装置および、これを用いたレーザ加工装置に関する。

下記特許文献１には、センサ電極とワークピースの間隔を測定する方法が開示されており、加工中に発生するプラズマの影響を軽減するために、加工ノズルとワークピースとの間に発生するプラズマをオーミック抵抗Ｒｐとしてモデル化し、加工ノズルとワークピースとの間の静電容量をキャパシタンスＣｍとしてモデル化して、ギャップ長さを検出している。

特開２０００−２３４９０３号公報 特開平２−５７９０４号公報

上記のようなギャップ検出装置では、加工中に発生するプラズマがあたかもオーミック抵抗Ｒｐとして挙動することを前提に、計測交流信号の周波数を選定している。

しかしながら、実際にはどんなに注意深く周波数を選定しても、プラズマは抵抗成分だけではなくキャパシタンス成分を含んでいる。その結果、「プラズマは電気回路的にはオーミック抵抗として挙動する」という仮定に基づいて計算したギャップ値は、プラズマの影響を受けてしまい、正確なギャップ値を検出できないという問題点がある。

そのため、特に、薄ステンレス鋼板の加工など、強いプラズマが頻繁に発生する加工の場合、プラズマの影響による誤検出を避けるために、加工速度を低く抑えなければならず、作業効率が低下してしまう。

本発明の目的は、レーザ加工ノズルとワークの間の状態、例えば、ギャップ長やプラズマなどを精度良く検出できる状態検出装置を提供することである。

また本発明の目的は、この状態検出装置を用いたレーザ加工装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る状態検出装置は、レーザ加工ノズルとワークの間の状態を検出するものであって、
レーザ加工ノズルに設けられた測定電極とワークの間に参照信号を供給するための信号発生回路と、
測定電極とワークの間の状態に応じて変化する電気信号を測定するための測定回路と、
レーザ加工ノズルとワークの間に発生するプラズマを抵抗成分と静電容量成分の並列回路としてモデル化し、測定電極とワークの間のギャップを静電容量成分としてモデル化して、該抵抗成分と、プラズマに起因した該静電容量成分およびギャップに起因した該静電容量成分の和である合成静電容量とを入力変数とし、検出対象である前記状態を出力変数とする関数モデルを有し、測定回路による測定データに基づいて前記状態を演算するための演算回路とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、レーザ加工ノズルとワークの間に発生するプラズマをモデル化した関数モデルを有する演算回路を備え、この演算回路が測定回路による測定データに基づいて演算することによって、レーザ加工ノズルとワークの間の状態、例えば、ギャップ長やプラズマなどの状態を精度良く検出できる。

実施の形態１．
図１は、本発明の第１実施形態を示す回路構成図である。加工ヘッドＨＤの先端には、レーザ発振器（不図示）から供給されるレーザ光を照射するためのレーザ加工ノズルが設けられる。レーザ加工の際、レーザ加工ノズルは、加工対象であるワークＷに接近し、焦点位置で加工できるように位置決めされる。

加工ノズルがワークＷに対して対向していることは、あたかもコンデンサであるとみなすことができる。こうした加工ノズルとワークＷ間のギャップによる静電容量は、コンデンサ５としてモデル化できる。コンデンサ５は、ノズルに相当する上側の電極板５ａと、ワークＷに相当する下側の電極板５ｂとを有する。

ノズルとワークＷとの間のギャップ長が変化すると、コンデンサ５の容量が変化する。従って、コンデンサ５の容量を測定することによって、ノズルとワークＷとの間のギャップ長を算出できるため、コンデンサ５はギャップセンサとして機能する。

上側の電極板５ａとして機能するノズルは、ケーブル９の内線９ａを通じて、本発明に係る状態検出装置１の測定端子１２に接続される。下側の電極板５ｂとして機能するワークＷは、通常、グランド電位となるように接地される。

なお、ここでは、ノズル自体を測定電極として用いる例を説明するが、ノズル先端に別個のセンサ電極を取り付けて、このセンサ電極を測定電極として使用することも可能である。

一方、レーザ光がワークＷを照射すると、加工条件によってノズルとワークＷとの間にプラズマＰが発生することがある。プラズマＰは、従来のような抵抗成分のみでなく、本発明ではインピーダンス回路としてモデル化している。

特に、本実施形態では、抵抗成分と静電容量成分の並列回路としてモデル化している。従って、ノズルとワークＷとの間は、プラズマＰによる抵抗成分、プラズマＰによる静電容量成分、およびギャップによるコンデンサ５の静電容量成分が並列接続されていることになる。そこで、ノズルとワークＷとの間の電気的特性を計測することによって、ノズルとワークＷとの間の状態を観測することができる。

状態検出装置１は、信号発生回路１０と、リファレンス素子１１と、バッファ回路２０と、温度検出回路３０と、Ａ／Ｄ（アナログデジタル）コンバータ２１，３１と、演算回路４０と、Ｄ／Ａ（デジタルアナログ）コンバータ４１などで構成される。

信号発生回路１０は、一定の周波数を有する交流参照信号、例えば、正弦波や方形波などを発生し、既知の基準抵抗や基準インピーダンスからなるリファレンス素子１１を経由して、測定端子１２に供給する。測定端子１２に供給された参照信号は、ケーブル９の内線９ａを通じて、ノズルの測定電極とワークＷとの間に供給される。

ノズルとワークＷとの間の静電容量を高精度に求めるためには、参照信号はある程度高い周波数、例えば、数百ｋＨｚ以上の周波数を有することが好ましい。

参照信号を測定電極に供給した場合、測定電極１２とワークの間の状態、例えば、ギャップ長やプラズマ量などに応じて、測定端子１２の信号が変化する。測定端子１２の信号は、ＯＰアンプなどのバッファ回路２０を経由して、Ａ／Ｄコンバータ２１によってデジタルデータに変換される。

バッファ回路２０の出力は、ケーブル９の外線９ｂにも接続されている。ケーブル９の外線９ｂの他端は、加工ヘッドＨＤ内部のガード電極８と接続される。こうしてケーブル９の外線９ｂを、内線９ａと同電圧で低インピーダンス駆動することによって、ケーブルの浮遊容量を解消できるため、ケーブル９の延長による測定誤差を防止できる（特許文献２）。

温度検出回路３０は、熱電対やサーミスタなどを有し、環境温度を検出する。検出した信号は、Ａ／Ｄコンバータ３１によってデジタルデータに変換される。

演算回路４０は、マイクロコンピュータなどで構成され、測定端子１２の電圧信号および環境温度をデジタルデータとしてサンプリングし、これらのデータに基づいて測定電極１２とワークの間の状態、例えば、ギャップ長やプラズマ量を算出する。

Ｄ／Ａコンバータ４１は、演算回路４０から出力されるデジタルデータをアナログ信号に変換して、外部のレーザ加工装置制御回路に供給する。外部のレーザ加工装置制御回路は、状態検出装置１から得られる状態パラメータに基づいて、レーザ光及び／又はワークＷの位置決め制御、例えば、倣い制御、またはレーザ光の出力制御などを実行する。なお、外部のレーザ加工装置制御回路は、演算回路４０からデジタルデータを直接受け取ることも可能である。

演算回路４０は、データサンプリングの際、信号発生回路１０の動作と同期をとるために、同期信号を信号発生回路１０に供給している。

図２は、図１に示す状態検出装置１の代替例を示す回路構成図である。図２では、信号発生回路１０から出力される参照信号をデジタルデータとしてサンプリングするためのＡ／Ｄコンバータ４２を追加している。演算回路４０は、測定端子１２の電圧信号と、参照信号を同期してサンプリングすることにより、図１に示す同期信号を省略できる。

図３は、演算回路４０の動作を示すフローチャートである。まずステップＳ１において、測定端子１２の電圧信号をサンプリングした測定データを用いて、ノズルとワークＷとの間にある測定箇所のアドミタンスを求める。なお、アドミタンスはインピーダンスの逆数である。

測定箇所のアドミタンスＹ_０は、ギャップによるコンデンサ５の静電容量をＣ_ｄ、プラズマＰによるインピーダンスをＺ_ｐとすると、下記の式（１）で表される。

ここで、Ｙ_０は、ある基準温度での測定箇所アドミタンス、ｊは虚数単位、ωは、参照信号の角周波数、Ｒ_ｐは、プラズマインピーダンスＺ_ｐの抵抗成分、Ｃ_ｐは、プラズマインピーダンスＺ_ｐの静電容量成分である。

測定データを用いて、測定箇所のアドミタンスＹ_０を求める方法について説明する。信号発生回路１０から演算回路４０までを、１つの系と考える。即ち、信号発生回路１０で生成した信号を入力として、Ａ／Ｄコンバータ２１でサンプリングされる電圧信号を出力とする系として、その伝達関数を考える。

本実施形態に係る状態検出装置では、この伝達関数Ｆ（ｓ）を下記の式（２）で表される数式モデルで考える。

ここで、Ｒ_ｒｅｆはリファレンス素子１１であり、Ａ（ｓ）とＸ（ｓ）はこの系の特性を表すパラメータである。Ａ（ｓ）は、主にバッファ回路２０に関連したパラメータであり、Ｘ（ｓ）は、主にケーブル９の特性に関連したものである。また、ｓは、ラプラス演算子であるが、ｓ＝ｊωを代入すれば、下記の式（３）で示す周波数伝達関数が求まる。

式（３）は、以下のように変形できる。

この式（３ａ）を用いて測定箇所のアドミタンスＹ_０を求めることができる。

このようにステップＳ１での作業は、下記のようになる。
・入出力信号データから周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求める。
・数式３ａにＦ（ｊω）を代入して、Ｙ_０（ｊω）を求める。

なお、周波数伝達関数Ｆ（ｊω）は、すべての周波数に関して計算する必要はなく、ある角周波数ωでの値を求めればよい。ギャップによる静電容量を高精度に求めるためには、上述したように、参照信号は、例えば、数百ｋＨｚ以上の周波数を有することが好ましい。

また、入出力信号データから周波数伝達関数Ｆ（ｊω）を求めるために、演算回路４０は、入力信号がどのタイミングで発生しているのかを知っていなければならない。そのため、図１では、演算回路４０は同期信号を信号発生回路１０に供給しており、図２では演算回路４０は参照信号も一緒に同期してサンプリングしている。

次に、ステップＳ２について説明する。ステップＳ１で説明した測定箇所アドミタンスＹ_０は複素数であることから、式（１）の形から、以下のように抵抗（の逆数）成分（１／Ｒ成分）と静電容量成分（Ｃ成分）に分けることができる。

測定箇所のギャップを変化させ、また環境温度を変化させ、それぞれの場合で測定箇所アドミタンスＹ_０をステップＳ１の方法で求めた後、１／Ｒ成分とＣ成分に分けてプロットしたものを図４に示す。

この図４の例では、環境温度が２０℃、測定箇所のギャップが１ｍｍのときを基準として、１／Ｒ成分とＣ成分がともに０になるよう前記特性パラメータＡ（ｓ），Ｘ（ｓ）を調整した。

図４の例では、測定箇所のギャップは１ｍｍ，５ｍｍ，１０ｍｍと変化させ、環境温度は０℃〜４０℃まで変化させ、１０℃間隔でプロットしている。温度が高くなると１／Ｒ成分は負の方向へ、温度が低くなると１／Ｒ成分は正の方向へ並行移動している様子が判る。

予め実験等により、この温度に依存した１／Ｒ成分とＣ成分の移動量を測定し、ルックアップテーブルや数式を用いて、その変化の傾向をモデル化することにより、常に基準温度での値を求めることが可能となる。

基準温度での基準位置において、１／Ｒ成分を０に設定した理由は、測定時にプラズマは発生しておらず、空気中の抵抗が十分大きく、Ｒ≒∞と仮定したためである。環境温度が変化しても、空気中の抵抗成分はやはりＲ≒∞であるため、本来ならば、１／Ｒは０の近傍にあるはずであるが、実際には１／Ｒ成分はシフトしている。これは、温度によってケーブル９などの抵抗値が変化するためと推測される。

従って、温度に依存した１／Ｒ成分とＣ成分のシフト量を表す温度モデルを備えることにより、温度によって変化する測定箇所以外の部分の影響を排除し、基準温度での測定箇所アドミタンスを正確に推定することが可能となる。

このようにステップＳ２での作業は、下記のようになる。

・温度検出回路３０を用いて温度Ｔを得る。
・ステップＳ１の方法で求めた、現在の環境温度での測定箇所アドミタンスＹ_１に対して、下記の式（４）で表される温度モデルに基づいて、温度Ｔのときの１／Ｒ成分とＣ成分のシフト量を求め、基準温度でのアドミタンスＹ_０を求める。

なお、温度Ｔは、摂氏など実際の温度単位に線形な値である必要はなく、例えば、サーミスタを用いて温度検出回路３０を構成して得られる、非線形の電圧値などでもよい。

次に、ステップＳ３について説明する。いままでの説明では、測定箇所にプラズマは発生していないと仮定している。しかし、実際のレーザ加工においては、特に、ステンレス鋼やアルミニウムの加工においては、プラズマが発生しやすく、加工速度を速くすると、発生したプラズマが強くなる。

ここでは、プラズマが発生するような加工方法をプラズマ加工と称することにする。プラズマは、電気を通しやすいことから、ノズルとワークＷとの間に発生すると、図１に示したように、測定箇所は、ギャップによる静電容量を表すコンデンサ５とインピーダンス（プラズマインピーダンス）が並列接続された等価回路で表現できる。

そこで、ステップＳ２での図４と同様に、プラズマ加工中のステップＳ１で求めた測定箇所アドミタンスＹ_０を、Ｃ−１／Ｒ平面にプロットして解析する。

図５は、ギャップを一定に保ち、プラズマ加工を行ったときの測定箇所アドミタンスのＣ−１／Ｒ平面解析結果である。

特許文献１によれば、測定信号の周波数を注意深く選べば、プラズマはオーミック抵抗とみなすことができると説明している。しかしながら、実際に解析してみると、どんなに注意深く周波数を選んでも、図５から理解できるように、プラズマは、測定箇所アドミタンスの１／Ｒ成分だけでなく、Ｃ成分も変化させていることから、インピーダンス回路として機能することが判る。

そこで、プラズマによる電気的な特性をプラズマインピーダンスと称し、図１の等価回路では、単なる抵抗成分だけでなく、プラズマによる静電容量成分が並列接続されたプラズマインピーダンスとしてモデル化している。

加工中のプラズマインピーダンスの値は一定ではなく、加工速度などの要因によって、プラズマの状態とともに変化する。プラズマインピーダンスの変化の仕方について以下にもう少し詳しく述べる。

式（１）をもう一度参照する。

このように、環境温度が一定のもとでは、測定箇所アドミタンスＹ_０は、プラズマの状態と、ギャップ長とから決定される。図５に示した例では、ギャップ長を一定にして、プラズマ加工を行っているため、下記の式（５）に示すように、測定箇所アドミタンスＹ_０の、プラズマが発生していないときからの差分が、プラズマインピーダンスの逆数（すなわちプラズマアドミタンスＹ_Ｐとなる。

その変化の様子は、図５に示しており、解析箇所アドミタンスＹ_０は、Ｃ−１／Ｒ平面内でほぼ直線的に変化する特徴を持つ。つまり、プラズマアドミタンスＹ_Ｐが直線的に、すなわち、Ｃ成分と１／Ｒ成分が一定の割合で変化する特徴を持つ。この特徴をプラズマインピーダンス特性、もしくはプラズマアドミタンス特性と称することにする。

演算回路４０において、このプラズマインピーダンス特性をルックアップテーブル化したもの、もしくは数式モデルを備えることにより、プラズマアドミタンスを正確に検出することが可能となり、また、ギャップによる静電容量を正確に検出することが可能となる。

このようにステップＳ３での作業は、下記のようになる。
・ステップＳ２で求めた基準温度での測定箇所アドミタンスＹ_０（複素数）の１／Ｒ成分から、下記の式（７）に示すように、プラズマアドミタンスＹ_Ｐの１／Ｒ成分が判る。

・プラズマインピーダンス特性を表したプラズマモデルを用いて、下記の式（８）と式（９）に示すように、プラズマアドミタンスＹ_Ｐの１／Ｒ成分からプラズマアドミタンスＹ_Ｐを求める。

・前記ステップＳ２で求めた基準温度での測定箇所アドミタンスＹ_０（複素数）のＣ成分から、下記の式（１０）に示すように、ギャップによる静電容量Ｃ_ｄを求める。

最後に、ステップＳ４について説明する。ステップＳ３までで求めたギャップによる静電容量Ｃ_ｄと、実際の測定箇所（すなわち加工ヘッドＨＤの先端に装着されたノズルと加工対象であるワークＷとの間）のギャップｄとの関係は、加工ヘッドＨＤの形状などによって異なってくる。

図６は、ギャップによる静電容量Ｃ_ｄとギャップｄとの関係の一例を示すグラフである。使用するレーザ加工装置において、事前に、このギャップによる静電容量Ｃ_ｄとギャップｄとの関係を求めておいて、この関係を表したルックアップテーブルや数式などのモデルを作成しておけば（ギャップモデル）、演算回路４０においてギャップ長を算出することが可能となる。

以上のように、演算回路４０において、温度モデルおよびプラズマモデルを表したルックアップテーブルや数式などを備えることにより、環境温度に依存しないで正確なプラズマアドミタンスの算出が可能となり、さらに環境温度やプラズマの有無にかかわらずギャップによる静電容量を正確に求めることができる。

さらに、演算回路４０において、ギャップモデルを表したルックアップテーブルや数式などを備えることにより、環境温度やプラズマの有無に影響されずに、正確なギャップ長さ検出が可能となる。

本発明の第１実施形態を示す回路構成図である。 図１に示す状態検出装置１の代替例を示す回路構成図である。 演算回路４０の動作を示すフローチャートである。 測定箇所のアドミタンスについてのＣ−１／Ｒ平面解析図である。 プラズマ加工中の測定箇所のアドミタンスについてのＣ−１／Ｒ平面解析図である。 ギャップによる静電容量とギャップとの関係の一例を示すグラフである。

１ 状態検出装置、 ５ コンデンサ、 ５ａ，５ｂ 電極板、 ９ ケーブル、
１０ 信号発生回路、 １１ リファレンス素子、 １２ 測定端子、
２０ バッファ回路、 ３０ 温度検出回路、 ２１，３１，４２ Ａ／Ｄコンバータ
４０ 演算回路、 ４１ Ｄ／Ａコンバータ、
ＨＤ 加工ヘッド、 Ｐ プラズマ、 Ｗ ワーク。

Claims (5)

1. レーザ加工ノズルとワークの間の状態を検出する状態検出装置であって、
   レーザ加工ノズルに設けられた測定電極とワークの間に参照信号を供給するための信号発生回路と、
   測定電極とワークの間の状態に応じて変化する電気信号を測定するための測定回路と、
   レーザ加工ノズルとワークの間に発生するプラズマを抵抗成分と静電容量成分の並列回路としてモデル化し、測定電極とワークの間のギャップを静電容量成分としてモデル化して、該抵抗成分と、プラズマに起因した該静電容量成分およびギャップに起因した該静電容量成分の和である合成静電容量とを入力変数とし、検出対象である前記状態を出力変数とする関数モデルを有し、測定回路による測定データに基づいて前記状態を演算するための演算回路とを備えたことを特徴とする状態検出装置。
2. 環境温度を検出するための温度検出回路をさらに備え、
   前記関数モデルは、検出した環境温度を追加の入力変数として処理することを特徴とする請求項１記載の状態検出装置。
3. 前記演算回路は、ギャップ長およびプラズマ量の少なくとも１つを出力することを特徴とする請求項１または２記載の状態検出装置。
4. 前記関数モデルは、ルックアップテーブルまたは数式で定義されていることを特徴とする請求項１または２記載の状態検出装置。
5. レーザ加工ノズルと、
   レーザ加工ノズルにレーザ光を供給するためのレーザ発振器と、
   請求項１〜４のいずれかに記載の状態検出装置と、を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。

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