JP5802411B2 - レーザ加工用ノズル、レーザ加工装置の制御方法、プログラム及びレーザ加工装置 - Google Patents
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そのため、垂直切断をする際には、ノズル孔がノズル軸線に対して直交して開口する従来のトーチに交換する必要があり、トーチ交換が煩雑であるために、上記傾斜開口部を有するノズルを、レーザ加工装置に適用、実用化することが困難であった。
請求項1に記載の発明は、ノズル孔からレーザビームを照射するとともにアシストガスを噴射しながら被加工材を切断するためのレーザ加工用ノズルであって、前記ノズル孔が形成されたノズル本体は、先端側がノズル軸線に対して傾斜する傾斜開口部を有するとともに先端部分に垂直切断する際に前記被加工物と対向することで前記被加工材との間のキャパシタンスを安定して検出するための前記ノズル軸線と直交する平坦部が形成されていることを特徴とする。
また、ノズル軸線を被加工材に垂直に配置した場合に、平坦部と被加工材との間の静電容量に基づいてノズル孔と被加工材との間隔を制御することで効率的かつ安定した垂直切断をすることができる。
また、レーザ加工用ノズルと被加工材との間に形成されるキャパシタンス(静電容量)によりノズルと被加工材との間隔を制御するので、高品質な垂直切断を効率的かつ安定して行なうことができる。
また、ノズル軸線を被加工材に垂直に配置して、傾斜開口部を切断方向に向けることにより、効率的かつ安定した垂直切断をすることができる。
図1は、第1の実施形態に係るレーザ加工装置の一例を示す図であり、符号100はレーザ加工装置を示している。
レーザ加工装置100は、レールLに沿って矢印X方向に走行自在とされた2台の走行台車1と、これら走行台車1間に配置された加工装置本体2とを備え、定盤上に載置された被加工材Wを切断(開先切断、垂直切断)するように構成されている。
また、前記トーチTの先端には、後述するレーザ加工用ノズル10が設置されている。
第1回転機構6が、レーザ加工用ノズル10を旋回軸O2周りに回転させることにより、XY面上におけるノズル孔の位置、傾斜開口部12の向き(開先切断時に被加工材W側に開口する向き、垂直切断時に切断方向に開口)を制御するように構成されている。なお、同一の切断ラインにおいて、開先切断と垂直切断する場合とでは、第1回転機構6は、レーザ加工用ノズル10の傾斜開口部12が、90°向きを変えるように旋回軸O2周りに回動するとともに、XY方向の位置制御を行なって、ノズル孔を切断ラインに合わせるようになっている。
第2回転機構7が、レーザ加工用ノズル10を傾斜回動軸線O3周りに回動することにより、旋回軸O2に対するノズル軸線O1の傾斜を制御して、ノズル軸線O1が開先角度と対応する向きになるように構成されている。
レーザ加工用ノズル10は、ノズル孔からアシストガスを噴射するとともにレーザビームBを被加工材Wに照射して、被加工材Wを切断(開先切断、垂直切断)するようになっている。
なお、図2において、符号8Aは集光ミラー、符号8Bは反射レンズであって、これら集光ミラー8A及び反射レンズ8BによってレーザビームBを、レーザ加工用ノズル10のノズル孔に案内するようになっている。
レーザ加工用ノズル10は、図3(A)の正断面、及び図3(B)の下面図に示されるように、ノズル本体11の先端部分に、ノズル軸線O1に対して傾斜して開口する傾斜開口部12が形成され、傾斜開口部12の周縁部はノズル軸線O1方向の先端部分(被加工材に位置する側)に平坦部13が形成されている。
なお、この平坦部13はノズル軸線O1と直交する面により構成されている。
この場合、ノズル孔の傾斜開口部12のノズルテーパー角θ1が、被加工材Wにおける開先角度と一致し、または近似する角度に形成されていると、傾斜開口部12と被加工材Wとがほぼ平行に対向して、傾斜開口部12の先端側と基端側における被加工材Wとの隙間の偏りを小さくすることができる。
また、垂直切断する場合は、図5に示すように、ノズル軸線O1を被加工材Wの加工面に垂直に向けるとともに、傾斜開口部12を切断方向(垂直切断する際のノズル思考方向)に向けて、平坦部13が被加工材Wの加工面と対向するように配置する。その結果、レーザ加工用ノズル10と被加工材Wの加工面との間に形成されるキャパシタンスによりノズル本体11と被加工材Wの間隔を検出して、静電容量に基づいて間隔を制御することにより、効率的かつ安定した垂直切断をすることができる。
なお、図6は、6mm厚のステンレス(SUS)を開先切断した場合の例を示している。
レーザ加工用ノズル10Aが第1の実施形態に係るレーザ加工用ノズル10と異なるのは、レーザ加工用ノズル10における平坦部13がノズル本体11の外周面からノズル本体11の内周に至る範囲、すなわち周壁部の壁厚(=a)と同一範囲に形成されていたのに対して、レーザ加工用ノズル10Aでは、平坦部13Aがノズル本体11の周縁壁部の半分(円周の1/2)、すなわちノズル孔内径(=d)の1/2までの範囲に形成されている点である。その他は、第1の実施形態と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
レーザ加工用ノズル10Bが第1の実施形態に係るレーザ加工用ノズル10と異なるのは、レーザ加工用ノズル10Bでは、平坦部13Bがノズル本体11の周縁壁部の外周面からノズル孔に到るまでの範囲、すなわちノズル本体11の壁厚(=a)より小さい範囲(例えば、ノズル本体11の壁厚(=a)の1/2の範囲)に形成されている点である。その他は、第1の実施形態と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
レーザ加工用ノズル10Cが第1の実施形態に係るレーザ加工用ノズル10と異なるのは、レーザ加工用ノズル10Cでは、平坦部13Cがノズル本体11Cの傾斜開口部12Cの反対側の周縁壁部先端部分に、周縁壁部から離間するように外方にオフセットすることで略長円(の半分)状に形成されている点である。その他は、第1の実施形態と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
レーザ加工用ノズル10Dが第1の実施形態に係るレーザ加工用ノズル10と異なるのは、レーザ加工用ノズル10Dでは、平坦部13Dがノズル本体11Dの傾斜開口部12Dの反対側の周縁壁部先端部分に矩形状に形成されている点である。その他は、第1の実施形態と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。
なお、平坦部13C,13Dと異なる形状、例えば、扇形等の平坦部としてもよいことはいうまでもない。また、平坦部の基端側に軸線O1と直交する面積が小さな箇所が形成されていてもよい。
図11は、平坦部13の範囲を変化させて、6mm厚、12mm厚のステンレス(SUS)を30°又は45°で開先切断した結果を示しており、図11に示した◎は所望の開先角度を良好な切断面で開先切断できることを、○は所望の開先角度を通常レベルの切断面で開先切断できることを示している。
また、平坦部13Aをノズル本体11のノズル内径(=d)の1/2に形成した(オ)については、6mm厚、12mm厚のステンレス(SUS)の双方において、開先角度30°では良好な切断面で開先切断できたが、開先角度45°では、切断面が通常品質レベルとなることが確認された。
(ステップ1、2)
まず、「被加工材Wの板厚、開先角度(θ2)、切断ライン軌跡」等の作業内容を入力、設定する(SP1)。
次に、切断指令があった場合に、開先切断であるか、垂直切断であるかを判定する(SP2)。開先切断の場合はSP3に進み、垂直切断の場合はSP10に進む。
(ステップ3)
第1回転機構6により、レーザ加工用ノズル10を旋回軸O2周りに回動して基準位置にする(SP3)。
SP3を実行したら、SP4に進む。
基準位置は、ノズルカット面が切断方向に対して直交する位置であり、旋回軸O2を移動する際には、ノズル軸O1の中心と被加工材WがずれないようにX軸、Y軸を制御する。
このとき、レーザ加工用ノズル10の傾斜開口部12のノズルテーパー角度θ1が、開先角度θ2と近い角度に形成されている場合、傾斜開口部12の周壁部は、被加工材Wとほぼ一定の間隔をあけて平行に対向して、傾斜開口部12の先端側と基端側における被加工材Wとの隙間の偏りを小さくすることができる。
次に、切断指示された開先角度(=θ2)に基づき、図13(A)に示すような切断方向と直交する方向のオフセット量、図13(B)に示すような切断方向のオフセット量を設定する(SP4)。SP4を実行したら、SP5に進む。
開先切断の条件(開先角度、切断ライン等)を取り込んで、位置決め機構4、第2回転機構7により、レーザ加工用ノズル10の傾斜、傾斜開口部12の向きを設定する(SP5)。SP5を実行したら、SP6に進む。
レーザ加工用ノズル10からレーザ光を照射するとともにアシストガスを噴射して加工を開始する(SP6)SP6を実行し、加工が終了(SP7)したら、SP8に進む。
(NC装置で常に切断方向に対し、図-1の姿勢になるように旋回軸とX軸およびY軸の同期制御を行いノズル中心の軌跡が切断ラインと合うように制御する。)
(NC装置で常に切断方向に対し、図-1の姿勢になるように旋回軸とX軸およびY軸の同期制御を行いノズル中心の軌跡が切断ラインと合うように制御する。)
(ステップ8)
第1回転機構6により、レーザ加工用ノズル10を旋回軸O2周りに回動して基準位置に戻す(SP8)。
例えば、図14(A)では旋回軸O2を基準位置となる0°に設定して、直線状の開先切断を行った場合の例、図14(B)では旋回軸O2を基準位置(=0°)に対して45°に設定して直線状の開先切断を行った場合の例を示している。
(ステップ10)
旋回軸O2を構成する第1回転機構6をオフセットする(SP10)。SP10を実行したら、SP11に進む。
第1回転機構6をオフセットするために移動する際には、ノズルカット面が切断方向に対して直交する位置であり、旋回軸O2を移動する際には、ノズル軸O1の中心と被加工材WがずれないようにX軸、Y軸を制御する。
図15(A)に示すように切断方向と直交する方向のオフセット量を設定する(SP11)。
ステップ1で設定された垂直切断の切断ライン軌跡等の条件を取り込み、位置決め機構4に対して設定する(SP12)。
被加工材Wの加工面へのアシストガスの供給及びレーザビームBの照射を行ない、かつステップ12で設定した切断ライン軌跡に従った、該被加工材Wの垂直切断を行う(SP13)。例えば、図16(A)では旋回軸O2を基準位置(=0°)に対して90°で直線状の垂直切断を行った場合の例、図16(B)では旋回軸O2を基準位置(=0°)に対して45°で直線状の垂直切断を行った場合の例を示している。
なお、このような垂直切断に際しては、図15(A)(B)に示すように、第2回転機構7により、ノズル軸線O1が被加工材Wの加工面に対して垂直となるように傾斜させて、レーザ加工用ノズル10の平坦面13が、被加工材Wの加工面に対して平行となるように姿勢制御する。
そして、以上のようなステップ10〜14を経ることで、ノズル本体11のレーザ加工用ノズル10と被加工材Wの間に形成されるキャパシタンスに基づき、レーザ加工用ノズル10の平坦部13と被加工材Wの加工面との間隔を所定値に制御することができる。また、垂直切断加工が終了(SP14)したらステップ8に進み、旋回軸O2が基準位置(=0°)に戻して本フローを終了する。
図17は、レーザ加工用ノズルによる円弧状切断ラインの開先切断と直線状切断ラインの垂直切断を平面視した図であり、図18は、図17に示した開先切断及び垂直切断におけるレーザ加工用ノズルの姿勢を示す図であり、(A)はA−A矢視断面を、(B)はB−B矢視断面を、(C)はC−C矢視断面を示している。
なお、上述した開先切断及び垂直切断は、図14及び図16の例に限定されず、操作盤からの指示に基づき、その順番、切断長さ、切断幅、角度(開先切断)等が種々設定可能である。
また、ノズル軸線O1を被加工材Wに垂直に配置した場合に、平坦部13、13A、13B、13C,13Dと被加工材Wとの間の静電容量に基づいてノズル孔と被加工材Wとの間隔を制御することで効率的かつ安定した垂直切断をすることができる。
6 第1回転機構
7 第2回転機構
10、10A、10B、10C,10D レーザ加工用ノズル
11、11A、11B、11C,11D ノズル本体
12、12A、12B、12C,12D 傾斜開口部
13、13A、13B、13C,13D 平坦部
100 レーザ加工装置
O1 ノズル軸線
O2 旋回軸
B レーザビーム
C 制御器
T トーチ
W 被加工材
θ1 ノズルテーパー角度
θ2 開先角度
Claims (6)
- ノズル孔からレーザビームを照射するとともにアシストガスを噴射しながら被加工材を切断するためのレーザ加工用ノズルであって、
前記ノズル孔が形成されたノズル本体は、
先端側がノズル軸線に対して傾斜する傾斜開口部を有するとともに先端部分に垂直切断する際に前記被加工物と対向することで前記被加工材との間のキャパシタンスを安定して検出するための前記ノズル軸線と直交する平坦部が形成されていることを特徴とするレーザ加工用ノズル。 - 請求項1に記載のレーザ加工用ノズルであって、
前記ノズル孔が前記ノズル軸線方向から見て円形に形成されている場合に、
前記平坦部は、
前記ノズル本体の先端側外周面から前記ノズル孔に至り、かつ前記傾斜開口部を構成する縁部の半分に至る範囲で形成されていることを特徴とするレーザ加工用ノズル。 - 請求項1に記載のレーザ加工用ノズルであって、
前記平坦部は、
前記ノズル本体の先端部分外周に延在して形成されていることを特徴とするレーザ加工用ノズル。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のレーザ加工用ノズルを有するトーチを保持し、
前記トーチを、前記被加工材の加工面に沿うXY方向と、前記XY方向と直交し前記加工面に垂直なZ方向に移動可能とされ、
かつ前記レーザ加工用ノズルを、前記Z方向に形成されたZ軸周りに回転させる第1回転機構と、前記Z軸と直交する軸線周りに回転させる第2回転機構と、を備えたレーザ加工装置の制御方法であって、
開先切断する場合は、
前記第2回転機構により前記傾斜開口部を前記被加工材に向けて前記ノズル軸線を開先角度と対応する角度に傾斜させるとともに、前記第1回転機構により前記ノズル軸線を平面視切断方向と直交する方向に向け、
垂直切断する場合は、
前記第2回転機構により前記ノズル軸線を前記被加工材の加工面に垂直に向けるとともに、前記第1回転機構により前記傾斜開口部を切断方向に向けて、前記レーザ加工用ノズルと前記被加工材との間に形成されるキャパシタンスによって前記ノズルと前記被加工材との間隔を制御しつつXY方向に移動させながらレーザビームを照射することを特徴とするレーザ加工装置の制御方法。 - 請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のレーザ加工用ノズルを有するトーチを保持し、
前記トーチを、前記被加工材の加工面に沿うXY方向と、前記XY方向と直交し前記加工面に垂直なZ方向に移動可能とされ、
かつ前記レーザ加工用ノズルを、前記Z方向に形成されたZ軸周りに回転させる第1回転機構と、前記Z軸と直交する軸線周りに回転させる第2回転機構と、を備えたレーザ加工装置を制御するプログラムであって、
開先切断する場合は、
前記第2回転機構により前記傾斜開口部を前記被加工材に向けて前記ノズル軸線を開先角度と対応する角度に傾斜させるとともに、前記第1回転機構により前記ノズル軸線を平面視切断方向と直交する方向に向け、
垂直切断する場合は、
前記第2回転機構により前記ノズル軸線を前記被加工材の加工面に垂直に向けるとともに、前記第1回転機構により前記傾斜開口部を切断方向に向けて、前記レーザ加工用ノズルと前記被加工材との間に形成されるキャパシタンスによって前記ノズルと前記被加工材との間隔を制御しつつXY方向に移動させながらレーザビームを照射するように構成されていることを特徴とするプログラム。 - 請求項5に記載のプログラムが格納された制御手段を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
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