JP5396357B2 - レーザ加工装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、待機状態でのエネルギ消費を考慮したレーザ加工装置及びその制御方法に関する。

現状のレーザ加工装置では、レーザ発振器自体の起動及び停止に際して比較的長い時間を要することから、昼休みや段取り時など実際に加工を行っていない時間（待機時間）においても、ほとんどの場合に即時レーザ発振が可能な状態で待機している（例えば下記特許文献１，２参照）。

すなわち、待機時間であっても、レーザ発振器における種火放電（ベース放電）を継続して行い、かつ、レーザガスについてはガス送風機がガス圧力を加工作業時と同様な高圧状態のままとしている。また、レーザ発振器を冷却するための温調装置についても、待機時間に拘わらず加工時と同様に作動させている。

特開平４−２５９２７７号公報 特開２０００−２７１７６７号公報

このように、従来のレーザ加工装置にあっては、待機時間中には、ベース放電を継続して行うなど、無駄なエネルギを消費しており、改善が望まれている。

そこで、本発明は、レーザ加工装置における待機時間中での無駄なエネルギ消費を抑えることを目的としている。

本発明は、レーザ発振手段と、このレーザ発振手段を冷却する冷却手段と、前記レーザ発振手段及び前記冷却手段を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記レーザ発振手段がレーザ光の出射を停止させた状態からあらかじめ設定してある規定時間が経過した後に、前記レーザ発振手段のベース放電を停止させる制御部を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光の出射を停止させてから規定時間経過後に、レーザ発振手段のベース放電を停止させるようにしたので、レーザ加工装置における待機時間中での無駄なエネルギ消費を抑えることができる。

本発明の一実施形態に係わるレーザ加工装置の全体構成図である。 図１のレーザ加工装置におけるレーザ発振器と温調器とＮＣ装置との相互の関係を示す構成図である。 （ａ）は通常の待機状態での図１に対応する構成図、（ｂ）は本発明の省エネモードでの図１に対応する構成図である。 （ａ）は通常の待機状態を含む発振器出力変位図、（ｂ）は通常の待機状態での温調器の温度変位図である。 （ａ）は省エネモードＡでの温調器の温度設定領域を示す温度変位図、（ｂ）は省エネモードＢ及び通常待機状態での温調器の温度変位図である。 タイマを使用する場合の省エネモードの運転開始動作を示すフローチャートである。 タイマを使用する場合の省エネモードの運転終了動作を示すフローチャートである。 スイッチを使用する場合の省エネモードの運転開始動作を示すフローチャートである。 スイッチを使用する場合の省エネモードの運転終了動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１に示す本発明の一実施形態に係わるレーザ加工装置は、レーザ加工機本体１と、レーザ加工機本体１のレーザ加工ヘッド３に対して窒素や酸素、空気などのアシストガスを供給するアシストガス供給機５と、レーザ加工機本体１のレーザ発振器７を冷却するための温調器９と、これらレーザ発振器７及び温調器９を制御するＮＣ装置１１と、を備えている。なお、上記したレーザ発振器７はレーザ発振手段を、温調器９は冷却手段を、ＮＣ装置１１は制御手段を、それぞれ構成している。また、ここでのレーザ発振器７はその一例として炭酸ガスレーザを使用している。

レーザ加工機本体１は、加工テーブルに対して図１中で上下方向にＸ軸ガイド１３に沿って移動するＸ軸キャリッジ１５と、Ｘ軸キャリッジ１５に対して図１中で左右方向に移動するＹ軸キャリッジ１７と、を備えている。そして、このＹ軸キャリッジ１７に対して図１中で紙面に直交する方向に移動する前記レーザ加工ヘッド３をＹ軸キャリッジ１７に取り付けている。

レーザ発振器７から発振されて出射するレーザ光は、例えば光ファイバ１８によって、Ｘ軸ガイド１３、Ｘ軸キャリッジ１５及びＹ軸キャリッジ１７を通ってレーザ加工ヘッド３まで運ばれる。アシストガス供給機５からのアシストガスは、ガス配管１９や切替弁２０によって、Ｘ軸ガイド１３、Ｘ軸キャリッジ１５及びＹ軸キャリッジ１７を通って、酸素、窒素、空気のいずれかが選択的にレーザ加工ヘッド３まで運ばれる。

また、温調器９は、温調（冷却）媒体として例えば冷却水を、冷却水配管２１によってレーザ発振器７との間を循環させる。

ＮＣ装置１１は、レーザ発振器７に対して起動及び停止の信号を出力し、温調器９に対してはレーザ発振器７の作動状態、すなわちレーザ発振器７が起動しているか停止しているかの信号（ＯＮ，ＯＦＦ信号）を出力する。また、このＮＣ装置１１に対してレーザ発振器７は、レーザ発振器７が起動中か停止中かの信号を出力し、ＮＣ装置１１に対して温調器９は、起動中の信号を出力する。

ここで、本実施形態では、ＮＣ装置１１の制御部は、昼休みや段取り時など実際に加工を行っていない時間（待機時間）に、レーザ発振器７及び温調器９に対し、レーザ加工装置における待機時間中での無駄な消費電力を含む消費エネルギを抑えるための信号出力を行う。以後は、この待機時間中での無駄な消費エネルギを抑えるための信号出力を行ったときの運転モードを、省エネモードとし、本実施形態では、２種（２段階）の省エネモードＡ，Ｂを設定している。

図３（ａ）は、省エネモードに移行する前の通常の一般的な待機状態を示しており、加工時と同様に、温調器９からレーザ発振器７には常時冷却水を供給して循環させている。なお、ここでの冷却水は、例えばレーザガスの冷却に使用する。このときＮＣ装置１１は、レーザ発振器７に対しレーザ光の出射を停止させる信号を出力する一方、レーザ発振器７からは待機中の信号入力を受ける。

上記レーザ発振器７の通常の待機状態では、レーザ光が出射する加工可能な状態に対し、放電電圧を低くしてレーザ光が出射しない状態のベース放電を行う。また、レーザガスについては、図示しない送風機がレーザ光を出射しているときと同様の高圧状態で常時送風している。

また、このときＮＣ装置１１は、温調器９に対しレーザ発振器７が起動中である旨の信号を出力する一方、温調器９からは該温調器９が起動中である旨の信号入力を受ける。

図４は、上記省エネモードに移行する前の通常の待機状態でのレーザ発振器７の発振器出力（ａ）と、温調器９の温調状態を示している。これによれば、温調器９は、レーザ発振器７がレーザ光を出射させる発振状態と、レーザ光が出射する状態に対して放電電圧を低くしてレーザ光が出射しない状態のベース放電を行っている待機状態とに拘わらず、冷却水の設定温度（例えば２５℃）に対して±２℃となるように温調している。

これに対し、図３（ｂ）は、省エネモードＡの状態を示し、ＮＣ装置１１は、レーザ発振器７及び温調器９に対して省エネモードＡの指令信号を出力している。このとき、レーザ発振器７は、ベース放電を停止するとともに、レーザガスの供給圧力を低下させており、この状態の情報をＮＣ装置１１に送信する。また、温調器９は、冷却水温情報をＮＣ装置１１に送信する。

このとき温調器９は、図５（ａ）に示すように、前記図４（ｂ）に対してより具体的に示してある図５（ｂ）の通常待機時の設定温度範囲に対し、上限温度Ｔを高く設定して温度設定範囲を拡大させる広域制御としている。なお、図５の時間軸上で「ＯＮ」は温調器９の図示しないコンプレッサが作動している状態で、「ＯＦＦ」はコンプレッサが停止している状態であり、「ＯＮ」と「ＯＦＦ」とが繰り返されている。

この際、レーザ発振器７はベース放電を行っていないので、冷却水の温度上昇が図５（ｂ）の通常待機時に比較して緩やかとなっており、冷却水温度が上記した上限温度Ｔに達するか上限温度Ｔを超えたときに、それまで「ＯＦＦ」となっていたコンプレッサが「ＯＮ」となって作動状態となる。

また、上記した広域制御によって、コンプレッサの作動、停止頻度を減少でき、電力消費量を低減することができる。

さらに、広域制御を行ったり、設定上限水温を高くすることで、冷却水温は上昇するが、省エネモードＡでの温度がより低くなっているレーザ発振器７の内部温度とのバランスにより、レーザ発振器７内部の温度を通常の待機状態と同じ温度域で安定させることができる。このため、レーザ光を出射させて行う加工作業に速やかに移行することができる。

一方、省エネモードＢは、上記した省エネモードＡに対し、省エネモードＡと同様にレーザ発振器７のベース放電停止は実施しているが、レーザ発振器７でのレーザガスの圧力は通常の待機状態と同様に高く保ったままで、かつ、温調器９の冷却水温度も通常の待機状態と同様のコンプレッサの断続制御を行っている。

このような通常待機時、省エネモードＡ，Ｂの各状態を比較して示したものが表１である。

これによれば、レーザ発振器７の消費電力については、通常待機時を「１００」とした場合、省エネモードＢでは「６２」となって３８％低減し、省エネモードＡではガス圧を低くすることによる送風機の消費電力低下によってさらに低い「２９」となって７１％低減している。

一方、温調器９の消費電力については、通常待機時を「１００」とした場合、広域制御としている省エネモードＡでは「５５」となり４５％低減している。

また、レーザガス消費量については、通常待機時を「１００」とした場合、省エネモードＡではガス圧を低くしていることから「８８」となって１２％低減している。このレーザガス消費量は、表１に示すようにレーザ発振器７の起動時（電源オン）と停止時（電源オフ）に多くなるので、省エネモードを適用することでガス消費量減少に有効である。なお、レーザ発振器７の停止時には、ガス配管中に対し一旦ガスを抜いてから新鮮なガスを供給しておくので、特に多量のガスが必要となっている。

表１中の移行時間・復帰時間について説明する。このうち、起動（１１分３０秒）は、レーザ発振器７の起動（電源オン）から加工可能な状態となるまでの時間、停止（４分）は、レーザ発振器７の停止（電源オフ）から上記したガスの入れ替えなどを行って、レーザ発振器が完全に停止し電源オンによる起動が可能な状態となるまでの時間をそれぞれ示す。

また、省エネモードＢ（０．5秒・５秒）は、移行時間が０．５秒で復帰時間が５秒、省エネモードＡ（２０秒・４０秒）では、移行時間が２０秒で復帰時間が４０秒であることを示している。ここで、省エネモードでの移行時間とは、後述する起動時間が経過した後の通常の待機運転から、省エネモード運転に移行する（省エネモード運転となる）までの時間で、復帰時間とは、省エネモード運転を終了させる動作を行った後に、通常の待機運転に移行する（通常の待機運転となる）までの時間である。

なお、表１中の冷却水加熱とは、冷却水温の下がり過ぎを防ぐために、冷却水を加熱して温度を一定に保つ機能であり、省エネモードでは冷却水加熱を実施していない。

このような省エネモードの運転については、ＮＣ装置１１に内蔵したタイマ１１ａを利用する場合と、ＮＣ装置１１に設けた操作部としてのスイッチ１１ｂを利用する場合とがある。

まず、タイマ１１ａを使用する場合の省エネモードの運転開始ついて、ＮＣ装置１１における制御部の制御動作を示す図６のフローチャートに基づき説明する。

レーザ発振器７のベース放電が「ＯＮ」となっている状態で（ステップ６０１）、省エネモードＡのあらかじめ設定した起動時間Ｔ_Aと、省エネモードＢのあらかじめ設定した起動時間Ｔ_Bとを比較する（ステップ６０３）。ここで起動時間とは、レーザ光の出射を停止した通常の待機運転から省エネモード運転を開始させる動作を行うまでの時間であり、この起動時間は適宜に設定可能である。

そして、Ｔ_A＞Ｔ_Bの場合には、省エネモードＢの上記起動時間Ｔ_Bに到達したかどうかを判断し（ステップ６０５）、起動時間Ｔ_Bに到達している場合には、省エネモードＢを起動する（ステップ６０７）。すなわち、レーザガス圧は通常待機状態のままでレーザ発振器７のベース放電を「ＯＦＦ」にして停止する。また、冷却水の温度設定範囲も通常待機状態と同様に設定温度に対して±２℃とする。なお、この場合、起動時間Ｔ_Bが第１の規定時間に相当する。

その後、省エネモードＡの上記起動時間Ｔ_Aに到達したかどうかを判断し（ステップ６０９）、起動時間Ｔ_Aに到達している場合には省エネモードＡを起動する。すなわち、レーザガス圧を低圧としてガス供給量を低減させるとともに、温調器９の設定温度範囲を拡大して広域制御とする（ステップ６１１）。なお、この場合、起動時間Ｔ_Aが第２の規定時間に相当する。

一方、前記ステップ６０３で、Ｔ_A≦Ｔ_Bの場合には、省エネモードＢは実施せず、省エネモードＡの上記起動時間Ｔ_Aに到達したかどうかを判断した後（ステップ６０９）、上記と同様にして起動時間Ｔ_Aに到達している場合には、省エネモードＡを起動する（ステップ６１１）。なお、この場合、起動時間Ｔ_Aが第１の規定時間に相当する。

次に、省エネモードから通常の待機運転モードへ復帰する動作を図７のフローチャートに基づき説明する。省エネモードＡの状態（ステップ７０１）から、図示しないスタートボタンが押されたかどうかを判断する（ステップ７０３）。スタートボタンが押されている場合には、省エネモードＡから、レーザガス圧を通常圧力にして省エネモードＢに移行した後（ステップ７０５）、表１で言えば５秒後にベース放電を「ＯＮ」状態とする（ステップ７０７）。

次に、スイッチ１１ｂを使用する場合の省エネモードの運転開始について、図８のフローチャートに基づき説明する。まず、レーザ発振器７のベース放電が「ＯＮ」状態で（ステップ８０１）、省エネモードボタンに相当する前記スイッチ１１ｂが押されたかどうかを判断する（ステップ８０３）。省エネモードボタンが押された場合には、省エネモードＢが起動してからあらかじめ設定してある所定時間経過後に省エネモードＡに移行する。

上記した省エネモードＡから通常の待機運転モードへ復帰する動作は、図９のフローチャートに示すように、省エネモードＡの状態（ステップ９０１）から、省エネモードボタンに相当する前記スイッチ１１ｂが押されておらずＯＦＦとなっているかどうかを判断する（ステップ９０３）。スイッチ１１ｂが押されておらずＯＦＦとなっている場合には、省エネモードＡからあらかじめ設定してある所定時間経過後に省エネモードＢに移行した後（ステップ９０５）、ベース放電を「ＯＮ」状態として通常の待機状態とする（ステップ９０７）。

上記した実施形態では、タイマ１１ａを利用する場合とスイッチ１１ｂを利用する場合のいずれにおいても、省エネモードから通常の待機状態に戻る際には、省エネモードＡからレーザガス圧が通常圧力となる省エネモードＢを経て行っている。これにより、通常の待機状態でのベース放電に必要なガス圧を確保でき、通常の待機状態への移行を円滑に行うことができる。なお、省エネモードＡから省エネモードＢを経ずに直接通常の待機状態に戻るようにしてもよい。

このように、本実施形態では、レーザ光の出射を停止させてからあらかじめ設定してある規定時間が経過した後に、レーザ発振器７におけるベース放電を停止させるようにしたので、レーザ加工装置における待機時間中での無駄な消費電力を抑えることができる。

また、本実施形態では、レーザ光の出射を停止させた状態からあらかじめ設定してある規定時間が経過した後に、レーザ発振器７に供給するレーザガスの圧力を低下させてレーザガス供給量を低減させている。これにより、レーザガスを供給する送風機の消費電力も低減して全体の消費電力をより一層低減できるとともに、レーザガスの無駄な消費を低減することができる。

また、本実施形態では、レーザ光の出射を停止させた状態からあらかじめ設定してある規定時間が経過した後に、温調器９の温度設定範囲を拡大させるようにしている。これにより、温調器９の消費電力を低減することができる。なお、温度設定範囲を拡大すると、冷却水温は上昇するが、省エネモードＡでの温度がより低くなっているレーザ発振器７の内部温度とのバランスにより、レーザ発振器７内部の温度を従来の待機状態と同じ温度域で安定させることができる。このため、レーザ光を出射させて行う加工作業に速やかに移行することができる。

また、本実施形態では、レーザ光の出射を停止させた後に、ＮＣ装置１１に設けたスイッチ１１ｂによって省エネモードを起動できるようにしている。これにより、省エネモードを利用したいときにはスイッチ１１ｂを操作することで、随時省エネモードを起動することができ、利便性が向上する。

ところで、待機状態での消費電力を抑える方法として、一般にレーザ加工装置の電源を落とす方法がある。しかしながら、レーザ発振器７は電源のオン、オフ時に大量のレーザガスを消費するため、ガス消費量に注目すると、１２時間以内の待機時間では上記省エネモードＡのほうがガス消費量を抑えることができる。

また、待機電力の９割以上をレーザ発振器７と温調器９が占めているため、本実施形態による省エネモードによって充分な消費電力の低減が期待できる。
本実施形態では、特に省エネモードＡでは、待機状態にてレーザ発振器７のベース放電停止とレーザガス圧低下によってレーザ発振器７の省エネルギ化している。この際、レーザ発振器７の省エネルギ化により発生熱量を抑え、これに関連して温調器９の省エネルギ化も達成できる。

上記レーザ発振器７及び温調器９の省エネルギ化を同時に行うことで、消費電力を減少させながらも、レーザ発振器７の内部温度を通常の待機状態の温度に保つことができる。

また、省エネモードをＡ，Ｂの２つ用意し、それらを段階的に切り替えることにより、省エネルギ状態をより効率よく利用することができる。

なお、上記実施形態では、通常の待機状態から省エネモードによる待機状態に移行する際に、レーザ光の出射を停止させた状態からあらかじめ設定してある規定時間が経過した後、としている。この場合の「レーザ光の出射を停止させた状態」とは、前述したような昼休みや段取り時のほか、ワークに対する加工プログラムが終了した後や、１つのワークに対する加工途中に実際に加工を行っていない時間がある程度発生する場合、なども含まれる。

７ レーザ発振器（レーザ発振手段）
９ 温調器（冷却手段）
１１ ＮＣ装置（制御手段）
１１ｂ スイッチ（スイッチ手段）

Claims (7)

1. レーザ発振手段と、このレーザ発振手段を冷却する冷却手段と、前記レーザ発振手段及び前記冷却手段を制御する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記レーザ発振手段がレーザ光の出射を停止させた状態からあらかじめ設定してある規定時間が経過した後に、前記レーザ発振手段のベース放電を停止させる制御部を備えていることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記制御部は、前記規定時間が経過した後に、前記レーザ発振手段に供給するレーザガスの供給量を低減させることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記制御部は、前記規定時間が経過した後に、前記冷却手段における冷却媒体の温度設定範囲を拡大させることを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記レーザ発振手段がレーザ光の出射を停止させた後に、前記制御部を動作させるための操作部を設けたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
5. レーザ発振手段がレーザ光の出射を停止させた状態からあらかじめ設定してある第１の規定時間経過後に、前記レーザ発振手段のベース放電を停止させることを特徴とするレーザ加工装置の制御方法。
6. 前記ベース放電を停止させてからあらかじめ設定してある第２の規定時間経過後に、前記レーザ発振手段に供給するレーザガスの供給量を低減させることを特徴とする請求項５に記載のレーザ加工装置の制御方法。
7. 前記ベース放電を停止させてからあらかじめ設定してある第２の規定時間経過後に、前記冷却手段における冷却媒体の温度設定範囲を拡大させることを特徴とする請求項５または６に記載のレーザ加工装置の制御方法。

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