JP5887375B2 - 停電検出時に加工ノズルを退避するレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、停電等によってレーザ加工機への電力供給が絶たれたときに、加工ノズルを退避するレーザ加工装置に関する。

一般に、レーザ加工においては、ノズルとワークとの間の距離をギャップセンサによって検出し、その検出値に基づいてギャップ制御を行いながらワークを加工する。このため、停電等により供給電力の異常が発生すると、ギャップセンサが誤作動し、ギャップセンサの誤った検出値に基づいてギャップ制御が行われ、加工ノズルとワークとが衝突するおそれがある。

一方、停電等によってレーザ加工機への電力供給が絶たれたときに、加工ヘッドの落下による加工ヘッドとワークとの衝突を防止するようにした装置が知られている（例えば特許文献１，２参照）。特許文献１記載の装置では、加工ノズルの昇降用のボールねじの下部に油圧シリンダを設け、停電によって油圧シリンダのシリンダ室から圧油が抜けると、係止部材をスプリング力により上方に移動させる。これにより、係止部材の係止部とボールねじの下部の被係止部材の被係止部とが係合し、ボールねじの回転が阻止される。特許文献２記載の装置では、加工ヘッドと一体の可動部からストッパを突設するとともに、そのストッパの下方に、加工位置調整用の別のストッパを配置する。これにより、停電によって加工ヘッドが落下すると、ストッパ同士が当接し、加工ヘッドとワークとの衝突を防止する。

実公平３−４４３８８号公報 特許第２７５１７６６号公報

しかしながら、特許文献１，２記載の装置は、加工ヘッドの落下を機械的に阻止するものであるため、構成部品を追加する必要があり、コストの上昇を招く。

本発明の一態様は、加工ノズルから射出されたレーザ光をワークに照射してワークを加工するレーザ加工装置であって、レーザ光をワークに照射する加工ノズルと、加工ノズルをワークに対し相対移動させるアクチュエータと、アクチュエータを制御する制御部と、加工ノズルとワークとの間の距離を検出する距離検出器と、電源部と、電源部から供給される電力の異常を検出する電力異常検出部と、を備え、制御部は、加工ノズルとワークの加工部位との間の距離を所定値に制御するギャップ制御を行うように、距離検出器により検出された検出値に基づいてアクチュエータを制御するギャップ制御部と、ギャップ制御が行われているときに、加工プログラムに基づいてワークの加工部位を変更するようにアクチュエータを制御する位置制御部と、電力異常検出部により電力の異常が検出されるまでは、ギャップ制御を有効化し、電力異常検出部により電力の異常が検出されると、ギャップ制御を無効化する切替制御部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、供給電力の異常が検出されるまでは、ギャップ制御を有効化し、供給電力の異常が検出されると、ギャップ制御を無効化するようにしたので、安価な構成で、停電発生時等に、加工ノズルとワークとの衝突を防止することができる。

本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す図。 本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の主要な制御構成を示すブロック図。 図２の切替制御部における処理の一例を示すフローチャート。 図３の変形例を示す図。 図２の変形例を示す図。

以下、図１〜図５を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置の全体構成を示す図である。レーザ加工装置１００は、レーザ加工機１と、レーザ光を生成してレーザ加工機１に出力するレーザ発振器２と、レーザ加工機１およびレーザ発振器２を制御する制御装置（数値制御装置）３とを備える。

レーザ加工機１は、レーザ光を照射する加工ノズル１０（図２）を有する５軸レーザ加工機である。すなわち、レーザ加工機１は、例えばＸ軸用、Ｙ軸用、Ｚ軸用、Ａ軸用およびＣ軸用の各アクチュエータ１１を有し、アクチュエータ１１の駆動により加工ノズル１０がワークＷに対して直交３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）および回転２軸（Ａ軸、Ｃ軸）の方向に相対移動する。これにより、ワークＷの加工部位を変更し、加工プログラムに基づいてワークＷに対し所望のレーザ加工を行うことができる。なお、本実施形態に係るレーザ加工装置１００は、加工、医療、計測等、幅広い分野で用いることができる。

ところで、レーザ加工においては、加工ノズル１０の先端部からワークＷの加工部位までの距離（以下、これを距離Ｌと呼ぶ）が加工品質に影響を与える。したがって、レーザ加工を行う場合、ワークＷの加工部位を変更するためのアクチュエータ１１の制御（位置制御）と、距離Ｌを一定に保つためのアクチュエータ１１の制御（ギャップ制御）とを同時に行う必要がある。以下では、便宜上、位置制御によって制御されるアクチュエータ１１を第１アクチュエータ１１Ａと呼び、ギャップ制御によって制御されるアクチュエータ１１を第２アクチュエータ１１Ｂと呼ぶ。例えば、ＸＹ平面上のワークＷを加工する場合（図２参照）、第１アクチュエータ１１ＡはＸ軸用およびＹ軸用アクチュエータであり、第２アクチュエータ１１ＢはＺ軸用アクチュエータである。

図２は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１００の主要な制御構成を示すブロック図である。レーザ加工装置１００は、加工ノズル１０と制御装置３の他、商用電源に接続される電源部４と、電源部４から供給される電力を蓄える蓄電部５と、電源部４から供給される電力の異常を検出する電力異常検出部６と、距離Ｌを検出する距離検出器７とを有する。電力異常検出部６は、例えば電流計または電圧計により構成でき、電流または電圧の検出値が予め定めた閾値を下回ると、電力供給の異常を検出する。距離検出器７は、例えば非接触式のギャップセンサにより構成できる。

図２には、第２アクチュエータ１１Ｂ（Ｚ軸用アクチュエータ）の一例として、ボールねじ１１ａを回転駆動するサーボモータが示されている。加工ノズル１０は、ボールねじ１１ａの回転に伴いワークＷの加工部位Ｗａに接近および離間し、これにより距離Ｌが変化する。加工ノズル１０の位置は、位置検出器８により検出される。位置検出器８は、例えばサーボモータの回転量を検出するエンコーダにより構成できる。なお、第１アクチュエータ１１Ａ（例えばＸ軸用アクチュエータ、Ｙ軸用アクチュエータ）も、ボールねじを回転駆動するサーボモータにより構成できる。

蓄電部５からの電力は制御装置３に供給される。制御装置３は、加工ノズル１０のワークに対する目標相対移動量を演算する移動量演算部３１と、移動量演算部３１により演算された目標移動量に応じてアクチュエータ１１（サーボモータ）を制御するサーボ制御部３２とを有する。

移動量演算部３１は、加工プログラムを読み出すプログラム読み出し部３１１と、読み出された加工プログラムの加工経路指令を解析するプログラム解析部３１２と、プログラム解析部３１２によって解析された加工経路指令に対し補間指令を行う補間処理部３１３と、サーボ制御部３２に移動指令を出力する出力部３１４と、位置制御とギャップ制御の切替処理を行う切替制御部３１５と、切替制御部３１５からの指令により位置制御用回路またはギャップ制御用回路に制御回路を切り替える回路切替部３１６と、距離検出器７から出力された信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部３１７と、Ａ／Ｄ変換部３１７を介して入力された距離検出器７からの信号に基づきギャップ制御を行うギャップ制御回路３１８とを有する。

ギャップ制御回路３１８は、距離検出器７による検出値に応じて距離Ｌを所定値に保つような移動指令を出力する。切替制御部３１５は、オン信号の出力により回路切替部３１６のスイッチ３１６ａを位置ａに切り替える。これにより、ギャップ制御回路３１８からの移動指令がサーボ制御部３２に出力され、ギャップ制御が有効となる。一方、切替制御部３１５は、オフ信号の出力により回路切替部３１６のスイッチ３１６ａを位置ｂに切り替える。これによりギャップ制御回路３１８からの移動指令が遮断され、ギャップ制御が無効となり、第２アクチュエータ１１Ｂは加工プログラムによる位置指令で動作するようになる。

プログラム読み出し部３１１によって読み出される加工プログラムは、ギャップ制御開始前に加工ノズル１０をワークＷに対し初期位置へ相対移動させるための移動指令と、レーザ加工中に加工ノズル１０をワークＷに対し相対移動させるためのギャップ制御指令とを含む。ギャップ制御の開始前は、回路切替部３１６のスイッチ３１６ａは位置ｂに切り替わっており、移動指令に従い第１アクチュエータ１１Ａと第２アクチュエータ１１Ｂとが制御され、加工ノズル１０が初期位置に移動する。各軸の加工開始位置への位置決めが完了すると、加工プログラム中に書き込まれたギャップ制御のモードオン指令により、切替制御部３１５が回路切替部３１６へオン指令を出力する。これにより回路切替部３１６のスイッチ３１６ａが位置ａに切り替わり、アクチュエータ１１Ｂに対するギャップ制御での移動指令が有効となる。ギャップ制御中は、加工プログラムの移動指令に従い第１アクチュエータ１１Ａが制御され、加工ノズル１０がワークＷに対し相対移動する。加工指令には、第２アクチュエータ１１Ｂの駆動指令は書き込まれておらず、第２アクチュエータ１１Ｂは、ギャップ制御中はギャップ制御回路３１８によって制御される。

サーボ制御部３２は、位置制御処理部３２１と、速度制御処理部３２２と、電流制御処理部３２３とを有し、位置検出器８によって検出された検出値に応じて第２アクチュエータ１１Ｂをフィードバック制御する。

なお、図２の移動量演算部３１は、第２アクチュエータ１１Ｂに対応した制御構成である。第１アクチュエータ１１Ａについてはギャップ制御が不要であるため、切替制御部３１５、回路切替部３１６、Ａ／Ｄ変換部３１７、およびギャップ制御回路３１８が、移動制御部３１から省略される。したがって、第１アクチュエータ用の移動制御部３１においては、出力部３１４から出力された移動指令（加工指令）がそのままサーボ制御部３２に入力され、移動指令に応じて第１アクチュエータ１１Ａ（サーボモータ）がフィードバック制御される。

図３は、切替制御部３１５における処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、例えばギャップ制御回路３１８からの指令によるギャップ制御が開始されると開始される。したがって、初期状態では、切替制御部３１５はオン信号を出力して回路切替部３１６のスイッチ３１６ａを位置ａに切り替え、ギャップ制御が有効化されている。

ステップＳ１では、電力異常検出部６からの信号を読み込む。すなわち、供給電源の状態を監視する。ステップＳ２では、電力異常検出部６が供給電源の異常を検出したか否かを判定する。ステップＳ２が肯定されるとステップＳ３に進み、否定されるとステップＳ１に戻る。

ステップＳ３では、プログラム読み出し部３１１からの信号に基づき、ギャップ制御、つまりプログラム運転を実行中か否かを判定する。ステップＳ３が肯定されるとステップＳ４に進み、否定されるとステップＳ１に戻る。ステップＳ４では、回路切替部３１６にオフ信号を出力する。供給電源の異常を認識した切替制御部３１５が回路切替部３１６にオフ信号を出力することにより、回路切替部３１６のスイッチ３１６ａが位置ｂに切り替えられ、ギャップ制御が無効化される。

本実施形態に係るレーザ加工装置１００の主要な動作を説明する。通常のプログラム運転時には、出力部３１４は、加工プログラムに基づいて第１アクチュエータ１１Ａの移動指令を出力し、第１アクチュエータ１１Ａは位置検出器８からの信号に基づきフィードバック制御（位置制御）される。これにより、ワークＷに対し加工ノズル１０が相対移動し、ワークＷの加工部位Ｗａが変更される。

このとき、電源部４には所定の電力が供給されている。したがって、回路切替部３１６のスイッチ３１６ａは位置ａに切り替えられており、第２アクチュエータ１１Ｂはギャップ制御回路３１８からの移動指令により制御される。すなわち、第２アクチュエータ１１Ｂは、距離検出器７からの信号に基づきフィードバック制御（ギャップ制御）される。これにより、レーザ加工時の距離Ｌが一定に保たれ、加工部位Ｗａには、レーザ発振器２から供給されたレーザビームが一定の強度で照射され、ワークＷの高品質のレーザ加工が可能である。

一方、停電等によりレーザ加工機１への電力供給が絶たれると、電力異常検出部６が供給電力の異常を検出する。これにより切替制御部３１５が回路切替部３１６にオフ信号を出力し、スイッチ３１６ａが位置ｂに切り替えられる（ステップＳ４）。その結果、ギャップ制御回路３１８からの移動指令が遮断され、ギャップ制御が無効化される。

回路切替部３１６が位置ｂに切り替えられると、サーボ制御部３２には出力部３１４からの指令が入力され、第２アクチュエータ１１Ｂは加工プログラムによる移動指令（位置制御）に基づいて制御されるようになる。しかしながら、加工プログラムには、上述したように第２アクチュエータ１１Ｂの駆動指令が書き込まれていないため、第２アクチュエータ１１Ｂは駆動を停止する。これにより、停電発生時に距離検出器７が誤作動して所定値Ｌａよりも大きな距離Ｌを検出値として出力したとしても、加工ノズル１０がワークＷに接近することがなく、加工ノズル１０とワークＷとの衝突を防止することができる。

以上では、加工プログラムに、ギャップ制御中の第２アクチュエータ１１Ｂの移動指令が書き込まれないため、電力異常検出部６が電力異常を検出した際に、第２アクチュエータ１１Ｂの駆動が停止される。これに対し、電力異常検出部６が電力異常を検出した際に、加工ノズル１０が予め定められた所定位置までをワークＷから退避するような移動指令を、予め加工プログラムに書き込むようにしてもよい。

図４は、その場合の移動量演算部３１における処理の一例を示すフローチャートである。なお、移動量演算部３１は切替制御部３１５を含んでおり、図中、図３に示したのと同一の処理には、同一の符号を付している。

図４に示すように、ステップＳ４でギャップ制御をキャンセルすると、ステップＳ５に進む。ステップＳ５では、加工プログラムに従い第２アクチュエータ１１Ｂに制御信号（位置決め指令）を出力し、加工ノズル１０を所定位置まで移動する。例えば図２に示すようにワークＷの上方に加工ノズル１０が配置されている場合には、加工ノズル１０を所定位置まで上昇させる。これにより加工ノズル１０がワークＷから退避し、加工ノズル１０とワークＷとの干渉を確実に防止することができる。

なお、制御装置３および第２アクチュエータ１１Ｂには、蓄電部５からの電力が供給される。したがって、停電等により商用電源から電源部４への電力供給が遮断した場合であっても、上述した図３，４の処理を行うことができる。

本実施形態によれば以下のような作用効果を奏することができる。
（１）レーザ加工装置１００は、レーザ光をワークＷに照射する加工ノズル１０と、加工ノズル１０をワークＷに対し相対移動させるアクチュエータ１１と、アクチュエータ１１を制御する制御装置３と、加工ノズル１０とワークＷとの間の距離Ｌを検出する距離検出器７と、電源部４と、電源部４から供給される電力の異常を検出する電力異常検出部６とを備える。制御装置３は、加工ノズル１０とワークＷの加工部位Ｗａとの間の距離Ｌを所定値に制御するギャップ制御を行うように距離検出器７により検出された検出値に基づいてアクチュエータ１１を制御するギャップ制御回路３１８と、ギャップ制御が行われているときに、加工プログラムに基づいてワークＷの加工部位Ｗａを変更するようにアクチュエータ１１の移動指令を出力する出力部３１４と、電力異常検出部６により電力の異常が検出されるまでは、ギャップ制御を有効化し、電力異常検出部６により電力の異常が検出されると、ギャップ制御を無効化するように回路切替部３１６を切り替える切替制御部３１５とを有する。これにより安価な構成で、停電発生時等に、加工ノズル１０とワークＷとが衝突することを防止できる。すなわち、加工ノズル１０とワークＷとの衝突を機械的に阻止する場合、構成部品の追加が必要となるが、本実施形態では、構成部品を追加する必要がなく、レーザ加工装置１００を安価に構成できる。

（２）アクチュエータ１１は、加工プログラムに基づいて制御される第１アクチュエータ１１Ａと、ギャップ制御回路３１８により制御される第２アクチュエータ１１Ｂとを有する。第２アクチュエータ１１Ｂは、切替制御部３１５からの指令により回路切替部３１６が位置ｂに切り替えられると、加工プログラムの位置指令に応じて動作する。すなわち、本実施形態のレーザ加工装置１００は、位置制御用のアクチュエータ１１Ａと、位置制御用の指令でもギャップ制御用の指令でも動作するアクチュエータ１１Ｂとを備える。このため、ギャップ制御を行いながら、加工プログラムに基づいてワークＷの加工部位Ｗａを容易に変更することができる。

（３）電力異常検出部６により電力の異常が検出されて、切替制御部３１５からの指令により回路切替部３１６が切り替わると、加工プログラムにはギャップ制御中の第２アクチュエータ１１Ｂの駆動指令が書き込まれていないため、第２アクチュエータ１１Ｂは駆動を停止する。これにより、加工ノズル１０とワークＷとの衝突を確実に回避することができ、安全性が高まる。

（４）電力異常の検出時に、予め定められた所定位置まで加工ノズル１０がワークＷから退避するように蓄電部５からの電力によって第２アクチュエータ１１Ｂを制御すると（図４）、安全性がより高まる。

なお、上記実施形態では、ギャップ制御部としてのギャップ制御回路３１８からの指令により、距離検出器７により検出された検出値に基づいて加工ノズル１０とワークＷの加工部位Ｗａとの間の距離Ｌを所定値に制御（ギャップ制御）するとともに、プログラム読み出し部３１１、プログラム解析部３１２および補間処理部３１３を介して出力部３１４から出力された移動指令、すなわち位置制御部からの指令により、ギャップ制御を行いながら、加工プログラムに基づいてワークＷの加工部位Ｗａを変更（位置制御）するようにした。さらに、切替制御部３１５からの指令により回路切替部３１６を切り替えることで、電力異常検出部６により電力の異常が検出されるまではギャップ制御を有効化し、電力異常検出部６により電力の異常が検出されるとギャップ制御を無効化するようにした。しかしながら、アクチュエータ１１を制御する制御部としての制御装置３の構成は上述したものに限らない。

上記実施形態では、位置制御部により制御される第１アクチュエータ１１Ａと、位置制御部およびギャップ制御部のいずれによっても制御される第２アクチュエータ１１Ｂとを別々に設けたが、ギャップ制御中における第１アクチュエータと第２アクチュエータの制御態様は、上述したものに限らない。

上記実施形態では、電力異常の検出時にギャップ制御用回路から位置制御用回路に制御回路を切り替え、第２アクチュエータ１１Ｂの移動指令の出力を停止することで、第２アクチュエータ１１Ｂの駆動を停止するようにしたが、電力異常の検出時に第２アクチュエータ１１Ｂに停止指令を出力するようにしてもよい。上記実施形態（図４）では、電力異常の検出時に、蓄電部５からの電力により第２アクチュエータ１１Ｂを制御して、加工プログラムに基づいて予め定められた所定位置まで加工ノズル１０がワークＷから退避するようにしたが、退避制御部の構成はこれに限らない。図５は、図２の変形例を示すブロック図であり、退避制御部の他の構成を示している。

図５に示すように、移動量演算部３１は、図２の構成に加え、退避指令を出力する出力部３３１と、サーボ制御部３２に位置指令または退避指令を出力するように回路を切り替える回路切替部３３２と、位置指令と退避指令の切替処理を行って回路切替部３３２を切り替える切替制御部３３３とを有する。切替制御部３３３は、ギャップ制御前は、回路切替部３３２のスイッチ３３２ａを位置ａに切り替える。これによりサーボ制御部３２に加工プログラムからの移動指令が出力され、第２アクチュエータ１１Ｂは移動指令に従い制御され、加工ノズル１０が初期位置へ移動する。一方、電力異常検出部６により異常検出情報が出力されると、切替制御部３３３は、回路切替部３３２のスイッチ３３２ａを位置ｂに切り替える。これによりサーボ制御部３２に出力部３３１から退避指令が出力され、第２アクチュエータ１１Ｂは退避指令に従い制御され、加工ノズル１０がワークＷから退避する。なお、図５とは異なり、退避制御部を制御装置３の外部に設け、制御装置３の外部から第２アクチュエータ１１Ｂに退避指令を出力してもよい。

以上では、レーザ加工機１を５軸レーザ加工機として説明したが、加工ノズルから射出されたレーザ光をワークに照射してワークを加工するのであれば、レーザ加工機１は５軸以外であってもよく、レーザ加工機の構成は上述したものに限らない。

以上の説明はあくまで一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、上述した実施形態および変形例により本発明が限定されるものではない。上記実施形態および変形例の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。すなわち、本発明の技術的思想の範囲内で考えられる他の形態についても、本発明の範囲内に含まれる。また、上記実施形態と変形例の１つまたは複数を任意に組み合わせることも可能である。

３ 制御装置
４ 電源部
５ 蓄電部
６ 電力異常検出部
７ 距離検出器
１０ 加工ノズル
１１ アクチュエータ
１１Ａ 第１アクチュエータ
１１Ｂ 第２アクチュエータ
３１４ 出力部
３１５ 切替制御部
３１６ 回路切替部
３１８ ギャップ制御回路
３３１ 出力部
３３２ 回路切替部
３３３ 切替制御部

Claims (4)

1. 加工ノズルから射出されたレーザ光をワークに照射してワークを加工するレーザ加工装置であって、
   レーザ光をワークに照射する加工ノズルと、
   前記加工ノズルをワークに対し相対移動させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータを制御する制御部と、
   前記加工ノズルとワークとの間の距離を検出する距離検出器と、
   電源部と、
   前記電源部から供給される電力の異常を検出する電力異常検出部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記加工ノズルと前記ワークの加工部位との間の距離を所定値に制御するギャップ制御を行うように、前記距離検出器により検出された検出値に基づいて前記アクチュエータを制御するギャップ制御部と、
   前記ギャップ制御が行われているときに、加工プログラムに基づいて前記ワークの加工部位を変更するように前記アクチュエータを制御する位置制御部と、
   前記電力異常検出部により電力の異常が検出されるまでは、前記ギャップ制御を有効化し、前記電力異常検出部により電力の異常が検出されると、前記ギャップ制御を無効化する切替制御部と、を有することを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザ加工装置において、
   前記アクチュエータは、前記位置制御部により制御される第１アクチュエータと、前記ギャップ制御部により制御される第２アクチュエータとを有することを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項２に記載のレーザ加工装置において、
   前記制御部は、前記電力異常検出部により電力の異常が検出されると、前記第２アクチュエータの駆動を停止させることを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項２に記載のレーザ加工装置において、
   前記電源部から供給される電力を蓄える蓄電部と、
   前記電力異常検出部により電力の異常が検出されると、予め定められた所定位置まで前記加工ノズルが前記ワークから退避するように、前記蓄電部からの電力により前記第２アクチュエータを制御する退避制御部と、をさらに備えることを特徴とするレーザ加工装置。

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