JP5452784B1

JP5452784B1 - レーザ加工装置

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Publication number: JP5452784B1
Application number: JP2013546115A
Authority: JP
Inventors: 友博京藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-09-05
Filing date: 2013-04-23
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2033-04-23
Also published as: DE112013004346T5; CN104602859A; US20150158123A1; WO2014038241A1; US9446481B2; CN104602859B; JPWO2014038241A1

Abstract

レーザ加工装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器から射出されたレーザ光を被加工物に照射する加工ヘッド４と、レーザ光をレーザ発振器から加工ヘッド４まで導く光学系を有する光路ダクトと、を備えるレーザ加工装置であって、レーザ加工装置には、被加工物を加工する際のパラメータを異ならせた複数の動作モードが用意され、動作モードには、他の動作モードよりもレーザ光の出力範囲が低く設定される省エネルギーモードが含まれる。

Description

本発明は、レーザ光で被加工物を加工するレーザ加工装置に関する。

従来、生産現場では様々な工作機械が用いられている。このような工作機械では、被加工物を加工する際に、工作機械が備える各要素に動作条件としてのパラメータが設定されている。工作機械には、より高品質な加工を求められる場合や、消費エネルギーをより抑えた加工を求められる場合などがあり、その求められる条件によって、各要素に設定されるパラメータも異なることとなる。そこで、工作機械の動作状況や動作目的に応じて、パラメータが異なる複数の動作モードへの切り替えが可能とされた工作機械が、例えば特許文献１〜３に開示されている。

特開２０１１−１１５９６７号公報特開平６−１６１５３５号公報特開２０１０−２４０８００号公報

ここで、工作機械のひとつとして、レーザ光で被加工物を加工するレーザ加工装置が挙げられる。一般的に、レーザ加工装置では、生産性および品質がより高い状態で被加工物の加工が行われるように、出荷時にパラメータの最適化が図られているという実情がある。

生産性および品質の向上のために最適化されたパラメータでの加工は、エネルギーの消費量が大きくなりやすい。近年の省エネルギー化への要求のもとでは、生産性および品質を抑えることのできるパラメータで加工を行って、エネルギーの消費量を抑えたいとの要望もある。

しかしながら、上記従来技術には、レーザ加工装置における動作モードの切替えについては開示されていない。また、レーザ加工装置に特有のパラメータ、例えばレーザ光の出力に関するパラメータの設定については開示されていない。そのため、上記従来技術をそのまま適用して、動作状況や動作目的に応じた動作モードの切替えが可能なレーザ加工装置を得ることは困難であるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、レーザ光の出力といったレーザ加工装置に特有のパラメータを異ならせた複数の動作モードに切り替えて被加工物の加工が可能なレーザ加工装置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、レーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ発振器から射出されたレーザ光を被加工物に照射する加工ヘッドと、レーザ光をレーザ発振器から加工ヘッドまで導く光学系を有する光路ダクトと、を備えるレーザ加工装置であって、レーザ加工装置には、被加工物を加工する際のパラメータを異ならせた複数の動作モードが用意され、動作モードには、他の動作モードよりもレーザ光の出力範囲が低く設定される省エネルギーモードが含まれることを特徴とする。

本発明によれば、レーザ加工装置に特有のパラメータを異ならせた複数の動作モードに切り替えて被加工物の加工が可能になるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の概略構成を示す図である。図２は、レーザ発振装置の概略構成を示す図である。図３は、記憶部に記憶された運転モードごとのパラメータのテーブル（パラメータテーブル）を示す図である。図４は、レーザブロアの回転数を異ならせた場合の、放電電極への投入電力とレーザ出力との関係を示す図である。図５は、冷却装置の温度を異ならせた場合の、放電電極への投入電力とレーザ出力との関係を示す図である。

以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置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、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の概略構成を示す図である。レーザ加工装置５０は、レーザ発振装置１、光路ダクト２、ベンドミラー（光学系）３、加工ヘッド４、駆動部５、パージ部６、集塵機７、切替部（出力切替部）８、運転状態監視部９、制御部１０、表示部１１、記憶部２３を備える。レーザ加工装置５０は、レーザ発振装置１から発振されるレーザ光を加工ヘッド４から被加工物２０に向けて射出し、被加工物２０を加工する。

図２は、レーザ発振装置１の概略構成を示す図である。レーザ発振装置１は、筐体１６の内部に、レーザ発振器３０、冷却装置１５、レーザブロア（送風機）１７が収容されて構成される。筐体１６の内部には、ガスレーザにおけるレーザ媒質であるＣＯ_２やＣＯ、Ｈｅ、Ｎ_２、Ｈ_２等のレーザガスが封入されている。レーザブロア１７は、レーザガスを流動させて、筐体１６内にレーザガスを循環させる。

レーザ発振器３０は、放電電極１２、部分反射鏡１３、全反射鏡１４を備える。筐体１６の内部で、放電電極１２に高電圧が投入されると、放電電極１２の間に放電が発生する。この放電により、レーザガスが励起され、これにより発生した光は部分反射鏡１３と全反射鏡１４との間で共振される。そして、共振された光の一部がレーザ光として部分反射鏡１３を透過し、光路ダクト２内に向けて射出される。

レーザ発振器３０は、レーザ光の射出時に高電圧が印加される放電電極１２によって高温になりやすい。冷却装置１５は、レーザ発振器３０を冷却する。冷却装置１５には、水等の液体冷媒（流体）や窒素等の気体冷媒（流体）を流すことが可能となっている。冷却装置１５の温度が、温度計２１によって測定される。温度計２１によって測定された温度情報は、制御部１０に送られる。なお、レーザブロア１７によって筐体１６内のレーザガスが循環されることによっても、レーザ発振器３０の冷却が図られる。レーザブロア１７の回転数を大きくしてレーザガスの循環量を大きくするほど、レーザ発振器３０を冷却する効果が大きくなる。

光路ダクト２の内部は、レーザ発振器３０から射出されたレーザ光を加工ヘッド４まで導く光路を形成する。光路ダクト２には、屈曲した部分が設けられる。ベンドミラー３は、光路ダクト２の屈曲部に設けられて、レーザ光の進路を変更させてレーザ光を光路ダクト２に沿って進行させる。

パージ部６は、光路ダクト２の内部にパージガスを供給する。パージガスには、レーザ光の吸収に影響を与えないガス、例えば窒素や乾燥空気が用いられる。

光路ダクト２の内部を通過して加工ヘッド４に至ったレーザ光は、加工ヘッド４の先端から被加工物２０に向けて射出される。駆動部５は、加工ヘッド４をＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動させる。加工ヘッド４が移動することで、被加工物２０におけるレーザ光の照射位置も移動し、所望の形状に被加工物２０を加工することが可能となる。

集塵機７は、被加工物２０の加工時に発生する粉塵等を集塵する。集塵機７は、被加工物２０の加工部分の周囲の空気を吸引するコンプレッサ（図示せず）等を有して構成される。切替部８は、レーザ加工装置５０に設定されたパラメータの変更を行うための操作部である。切替部８によって変更可能なパラメータとして、例えば、レーザ発振装置１から射出されるレーザ光の出力や、被加工物２０を加工する際の加工ヘッド４のＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向への速度が挙げられる。

運転状態監視部９は、レーザ加工装置５０の運転状態を監視する。具体的には、レーザ発振器３０からレーザ光が射出されている時間の積算（累積時間）、およびレーザ発振器３０から射出されたレーザ光のビーム形状の観察を行っている。そして、運転状態監視部９は、累積時間が予め定められた閾値を超えた場合、またはビーム形状が予め定められた所定の形状から外れた場合に、レーザ光劣化情報を制御部１０に送信する。

レーザ発振器３０は、レーザ光を射出する際の温度変化等によって部分反射鏡１３が経年劣化して、その形状が変形したりする場合がある。部分反射鏡１３の形状が変形することでレーザ発振器３０から射出されるレーザ光のビーム形状も変形し、加工精度の低下を招く場合がある。例えば、ビーム形状が真円形状であることが好ましいところ、部分反射鏡１３の経年劣化により、楕円形状になってしまう場合がある。なお、以下の説明において、経年劣化等によりレーザ光のビーム形状が変化することを、単にレーザ光の劣化ともいう。

運転状態監視部９は、累積時間が予め定められた閾値を超えた場合には、経年劣化等によりビーム形状が変形しているものと判断して、レーザ光劣化情報を制御部１０に送信する。また、運転状態監視部９は、ビーム形状を直接観察して、ビーム形状が変形している場合にも、レーザ光劣化情報を制御部１０に送信する。

ビーム形状を直接観察するために、例えば、ベンドミラー３をハーフミラーで構成し、ベンドミラー３を透過したレーザ光のビーム形状を観察すればよい。この場合、運転状態監視部９には、ベンドミラー３を透過したレーザ光が照射される位置に配置されてビーム形状を観察する観察手段（図示せず）が含まれる。

また、ビーム形状を直接観察するために、例えば、加工ヘッド４から射出されたレーザ光が照射可能な位置にビーム形状を観察する観察手段（図示せず）を配置してもよい。予め定められたタイミングまたは任意のタイミングで、観察手段にレーザ光が照射される位置に加工ヘッド４を移動させれば、ビーム形状を観察できる。この場合、運転状態監視部９には、レーザ光が照射可能な位置に配置された観察手段が含まれる。

制御部１０は、レーザ加工装置５０の各種動作、各種パラメータの制御を行う。制御部１０は、記憶部２３に記憶された加工プログラムに従って、レーザ発振装置１や駆動部５を制御して、被加工物２０の加工を行わせる。

また、制御部１０は、レーザ加工装置５０の運転モードに合わせたパラメータの制御を行う。図３は、記憶部２３に記憶された運転モードごとのパラメータのテーブル（パラメータテーブル）を示す図である。制御部１０は、記憶部２３に記憶されたパラメータテーブルを参照して、各種パラメータの制御を行う。

本実施の形態では、運転モードごとに設定されるパラメータとして、「レーザ光の出力範囲」、「レーザブロア１７の回転数」、「冷却装置１５の温度設定」、「光路ダクト２のパージ流量」、「加工ヘッド４のＸ，Ｙ，Ｚ軸の速度（移動速度）」、「集塵機７の吸込み風量」を例示するが、これに限られない。これらのパラメータのうち、「レーザ光の出力範囲」と「加工ヘッド４の移動速度」は、切替部によってユーザーが設定を変更可能なパラメータである。これらのパラメータは、ユーザーに解放されたパラメータであるといえる。一方、これらを除くパラメータである「レーザブロア１７の回転数」、「冷却装置１５の温度設定」、「光路ダクト２のパージ流量」、「集塵機７の吸込み風量」は、レーザ加工装置５０の出荷時に予め設定されてユーザーが変更できないパラメータである。これらのパラメータは、ユーザーに解放されていないパラメータであるといえる。

パラメータの設定や制御は、制御部１０によって行われる。例えば、制御部１０は、放電電極１２に印加する電圧を制御して、レーザ光の出力を制御する。また、制御部１０は、温度計２１から送信された温度情報に基づいて、冷却装置１５での冷媒の流量を制御して、冷却装置１５の温度を制御する。また、制御部１０は、パージ部６と光路ダクト２との間に設けられた弁（図示せず）の開度を調節して、パージ流量の制御を行う。また、制御部１０は、駆動部５を制御して加工ヘッド４の移動速度を制御する。また、制御部１０は、集塵機７を制御して吸込み風量を制御する。

本実施の形態に示すレーザ加工装置５０では、品質重視モード、生産性重視モード、省エネルギーモードの３種類の運転モードが用意されている。まず、ユーザーに解放されたパラメータの各運転モードにおける設定範囲について説明する。

品質重視モードでは、レーザ光の出力範囲を大きくしつつ、加工ヘッド４の移動速度を低く抑えることで、被加工物２０の加工品質の向上が図られる。具体的には、レーザ光の出力範囲が４０００Ｗまで設定可能とされ、加工ヘッド４の移動速度が５ｍ／ｓまで設定可能とされる。

生産性重視モードでは、品質重視モードと同様の範囲でレーザ光の出力範囲を設定しつつ、品質重視モードよりも加工ヘッド４の移動速度の設定範囲を大きくすることで、被加工物２０の加工速度の向上が図られる。具体的には、レーザ光の出力範囲が４０００Ｗまで設定可能とされ、加工ヘッド４の移動速度が１５ｍ／ｓまで設定可能とされる。

省エネルギーモードでは、品質重視モードや生産性重視モードよりもレーザ光の出力範囲を低く抑えつつ、加工ヘッド４の移動速度を品質重視モードと同様に低く抑えることで、被加工物２０を加工する際の省エネルギー化が図られる。具体的には、レーザ光の出力範囲が２０００Ｗまで設定可能とされ、加工ヘッド４の移動速度が５ｍ／ｓまで設定可能とされる。

ユーザーは、切替部８を操作することで、運転モードごとに定められた範囲内でレーザ光の出力と加工ヘッド４の移動速度を設定することができる。レーザ光の出力と加工ヘッド４の移動速度がこれらの範囲外となる値で設定された場合には、制御部１０が表示部１１等に警告を出させ、設定のさらなる変更をユーザーに促してもよい。また、警告が出ている間は、レーザ加工装置５０が運転しないように制御されてもよい。すなわち、制御部１０が、レーザ光が規定外の出力で射出されることを規制する出力規制部としても機能し、加工ヘッド４が規定外の速度で移動するのを規制する速度規制部としても機能する。もちろん、複数の制御部１０を設けてそれぞれに別々の機能を振り分けても構わない。

次に、各運転モードでのユーザーに解放されていないパラメータの設定範囲について説明する。まず、「レーザブロア１７の回転数」は、品質重視モードと生産性重視モードでは１２０００ｒｐｍに設定される。省エネルギーモードでは、品質重視モードや生産性重視モードよりも低い９０００ｒｐｍに設定される。これは、省エネルギーモードでのレーザ光の出力範囲が、品質重視モードや生産性重視モードよりも低いため、レーザブロア１７の回転数を抑えても、レーザ発振器３０を十分に冷却することが可能となるからである。

さらに、エネルギー効率の観点からも、省エネルギーモードではレーザブロア１７の回転数を抑えることが好ましい。図４は、レーザブロア１７の回転数を異ならせた場合の、放電電極１２への投入電力とレーザ出力との関係を示す図である。図４において、レーザブロア１７の回転数が１２０００ｒｐｍである場合を実線で示し、９０００ｒｐｍである場合を破線で示している。

図４に示すように、実線と破線では傾きが異なり、領域Ａとなる範囲では同じレーザ出力を得る際に、レーザブロア１７の回転数を低くしたほうが、投入電力を低くすることができる。一方、領域Ｂとなる範囲では同じレーザ出力を得る際に、レーザブロア１７の回転数を高くしたほうが、投入電力を低くすることができる。

ここで、本実施の形態では、レーザ出力を４０００Ｗにする場合が領域Ｂの範囲内での使用にあたり、レーザ出力を２０００Ｗにする場合が領域Ａの範囲内での使用にあたる。したがって、レーザ出力が２０００Ｗまでに設定された省エネルギーモードでは、レーザブロア１７の回転数を９０００ｒｐｍに抑えたほうがエネルギー効率の向上を図ることができる。

次に、「冷却装置１５の温度設定」は、品質重視モードと生産性重視モードでは１０±３℃に設定される。省エネルギーモードでは、品質重視モードや生産性重視モードよりも高い温度である１５±３℃に設定される。これは、省エネルギーモードでのレーザ光の出力範囲が、品質重視モードや生産性重視モードよりも低いため、冷却装置１５の温度を高くしても、レーザ発振器３０を十分に冷却することが可能となるからである。

さらに、エネルギー効率の観点からも、省エネルギーモードでは冷却装置１５の温度を高くすることが好ましい。図５は、冷却装置１５の温度を異ならせた場合の、放電電極１２への投入電力とレーザ出力との関係を示す図である。図５において、冷却装置１５の温度が１０±３℃である場合を実線で示し、１５±３℃である場合を破線で示している。

図５に示すように、実線と破線では傾きが異なり、領域Ｃとなる範囲では同じレーザ出力を得る際に、冷却装置１５の温度を高くしたほうが、投入電力を低くすることができる。一方、領域Ｄとなる範囲では同じレーザ出力を得る際に、冷却装置１５の温度を低くしたほうが、投入電力を低くすることができる。

ここで、本実施の形態では、レーザ出力を４０００Ｗにする場合が領域Ｄの範囲内での使用にあたり、レーザ出力を２０００Ｗにする場合が領域Ｃの範囲内での使用にあたる。したがって、レーザ出力が２０００Ｗまでに設定された省エネルギーモードでは、冷却装置１５の温度を１５±３℃に高めたほうがエネルギー効率の向上を図ることができる。

次に、「光路ダクト２のパージ流量」は、品質重視モードと生産性重視モードでは５０Ｌ／ｍｉｎに設定される。省エネルギーモードでは、品質重視モードや生産性重視モードよりも小さい流量である２５Ｌ／ｍｉｎに設定される。これは、省エネルギーモードでのレーザ光の出力範囲が、品質重視モードや生産性重視モードよりも低いことで、光路中でのガスへの吸収によるレーザ光の劣化が少ないため、パージガスの流量を小さくしてもレーザ光の劣化を十分に抑えることが可能となるからである。

次に、「集塵機７の吸込み風量」は、品質重視モードと生産性重視モードでは８０ｍ^３／ｍｉｎに設定される。省エネルギーモードでは、品質重視モードや生産性重視モードよりも小さい風量である６０ｍ^３／ｍｉｎに設定される。これは、品質重視モードや生産性重視モードに比べて加工速度が遅いために、発生する粉塵の量も抑えられるので、集塵機７の吸込み風量を小さくしても十分に集塵を行うことが可能となるからである。

運転モードの切替えは、ユーザーの切替操作によって行われる場合と、制御部１０によって自動的に行われる場合とがある。運転モードの切替えがユーザーの切替操作によって行われる場合として、例えば、表示部１１に現在の運転モードを示す情報が表示され、図示しない操作部等をユーザーが操作することで任意の運転モードに切り替えが行われるように構成してもよい。

例えば、生産品の納期が近く、エネルギーの消費量に関わらず生産効率を重視したい場合には、生産性重視モードに切り替えればよい。また、例えば、生産品の納期に余裕があり、高い加工精度が要求されていない場合には、省エネルギーモードに切り替えればよい。また、例えば、生産品の納期に余裕があり、高い加工精度が要求されている場合には、品質重視モードに切り替えればよい。

運転モードの切替えが自動的に行われる場合として、例えば、運転状態監視部９から送信されたレーザ光劣化情報を制御部１０が受信した際に、制御部１０が自動的に省エネルギーモードに切り替えるように構成してもよい。ここで、制御部１０は、動作モードを自動的に切り替えるモード切替部として機能する。レーザ光劣化情報が送信される場合には、上述したようにレーザ光が劣化している蓋然性が高い。

レーザ光が劣化している場合には、品質重視モードや生産性重視モードレベルのレーザ光の出力範囲では、加工精度の低下の影響が大きく、被加工物２０の加工を継続できない場合がある。一方、レーザ光が劣化している場合であっても、レーザ光の出力範囲を低く抑えつつ、加工ヘッド４の移動速度も低く抑えることで、加工精度の低下の影響を抑えることが可能となる。

したがって、レーザ光が劣化している場合であっても、レーザ光の出力範囲および加工ヘッド４の移動速度が低く抑えられた省エネルギーモードであれば、ある程度の加工品質を維持して被加工物２０の加工を行うことができる場合がある。そこで、本実施の形態では、レーザ光劣化情報を受信した場合、すなわちレーザ光が劣化したと判断できる場合に、運転モードを省エネルギーモードに自動的に切り替えることで、ある程度の加工品質を維持して被加工物２０の加工を継続できるようにしている。

ここで、省エネルギーモードが用意されていない場合には、レーザ光の劣化が改善されるまで被加工物２０の加工ができずに、生産効率の大幅な低下を招いてしまう場合がある。特に、メンテナンスを行う業者がすぐに手配できない場合や、交換する部品の納入に時間がかかる場合には、加工停止時間が長くなり、大きな問題になりやすい。

一方、本実施の形態では、レーザ光が劣化した場合であっても、運転モードを省エネルギーモードに切り替えて、被加工物２０の加工を継続することができるので、生産効率の低下を抑制することができる。

なお、省エネルギーモードへの自動的な切り替えが行われる場合に、省エネルギーモードに切り替えられたことを表示部１１に表示してユーザーに報知すれば、運転モードの切替によって加工速度が低下したことを早期にユーザーに把握させることができる。

省エネルギーモードに切り替えられたことをユーザーが早期に把握することができれば、レーザ発振装置１のメンテナンス等の対応も早期に行うことが可能となり、品質重視モードや生産性重視モードへの早期の復帰が可能となる。

また、省エネルギーモードへの自動的な切り替えが行われる前に、これから省エネルギーモードへの切り替えが行われることを表示部１１に表示し、図示しない操作部を操作する等してユーザーが運転モードの切替を承認した場合にのみ、省エネルギーモードへの自動的な切り替えが行われるように構成してもよい。このように構成すれば、省エネルギーモードへの切替をより確実にユーザーに把握させることができる。

以上説明したように、本実施の形態にかかるレーザ加工装置は、レーザ加工装置に特有のパラメータを異ならせた複数の動作モードに切り替えて被加工物の加工が可能となっている。特に、ユーザーに開放されたパラメータについては、ユーザーへの選択のある程度の自由度を与えつつ、運転モードごとに定められた範囲にパラメータの値を規定している。そして、ユーザーに解放されていないパラメータについては、運転モードごとにエネルギー効率や省エネルギー化を考慮して、自動的にパラメータの値を変更している。

また、経年劣化等によりレーザ光が劣化した場合であっても、省エネルギーモードで運転を継続することで、ある程度の加工品質を維持して被加工物２０の加工を継続できるので、生産効率の低下を抑制することができる。

なお、上記の説明において示した各パラメータの値はあくまで例示に過ぎず、レーザ加工装置の仕様やその使用目的に応じて適宜変更すればよい。

１レーザ発振装置、２光路ダクト、３ベンドミラー（光学系）、４加工ヘッド、５駆動部、６パージ部、７集塵機、８切替部、９運転状態監視部、１０制御部、１１表示部、１２放電電極、１３部分反射鏡、１４全反射鏡、１５冷却装置、１６筐体、１７レーザブロア（送風機）、２０被加工物、２１温度計、２３記憶部、３０レーザ発振器、５０レーザ加工装置。

Claims

レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から射出されたレーザ光を被加工物に照射する加工ヘッドと、
前記レーザ光を前記レーザ発振器から前記加工ヘッドまで導く光学系を有する光路ダクトと、を備えるレーザ加工装置であって、
前記レーザ加工装置には、前記被加工物を加工する際のパラメータを異ならせた複数の動作モードが用意され、
前記動作モードには、省エネルギーモードが含まれることを特徴とするレーザ加工装置。
前記省エネルギーモードは、前記レーザ光の出力範囲が他の動作モードよりも低く設定されることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記レーザ加工装置の運転状態を監視する運転状態監視部と、
前記運転状態に基づいて、前記動作モードを自動的に切り替える自動モード切替部と、をさらに備え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。