JP5961022B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ光によってワークを加工するレーザ加工装置に関し、特に冷却水を噴霧しながらレーザ加工する際に安定した加工が可能なレーザ加工装置に関する。

一般に、レーザ加工装置は金属板等のワークの表面に対して加工ノズルからレーザ光を照射してワークを加工する。このレーザ加工装置においては、ワークの所定の加工位置に対してレーザ光を集光させるため、加工ヘッドとワークとの間の距離を正確に把握する必要があり、静電容量式ギャップセンサによって加工ヘッドとワークとのギャップを測定し、測定値が加工のための指令ギャップと一致するように加工ヘッドの上下位置を制御している。

一方、レーザ加工装置では、レーザ加工を行うとワークが発熱するため、冷却水を噴霧することがなされている。例えば特許文献１においては、防錆剤を冷却水に混合して防錆冷却水とし、この防錆冷却水を加工ノズルからワーク表面に向けて噴霧している。これによりワーク表面の冷却及び加工部位の発錆防止の双方を可能としている。

特開平１０−３０５３８７号公報

しかしながら、冷却水をワークに向けて噴霧すると加工ノズル近傍の導電率が上がるため、静電容量式ギャップセンサの測定結果にずれを生じる。特に、冷却水に防錆剤を混合すると、導電率がさらに上がるため、静電容量式ギャップセンサの測定結果のずれがさらに大きくなる。これにより加工ノズルとワークとの距離が指令ギャップから外れる問題がある。これに加えて冷却水の噴霧量が変化すると、加工ノズル近傍の水量が変化し単位時間あたりの伝導性物質の量が変化する。このため、噴霧量の変化によっても静電容量式ギャップセンサの測定結果がずれる問題がある。

以上のようにレーザ加工の際に冷却水を噴霧する場合には、静電容量式ギャップセンサの測定結果にずれを生じるため、レーザ加工が不安定となる問題を有している。そこで、本発明は冷却水を噴霧するレーザ加工を行う際に、冷却水の流量や防錆剤によるずれを判断してずれをオフセットすることにより安定したレーザ加工を行うことが可能なレーザ加工装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、ワーク表面に向けてレーザ光を出射してワークを加工する加工ノズルと、加工ノズルのレーザ光出射孔の周囲からワーク表面に冷却水を噴霧しワークを冷却する冷却水噴霧装置と、前記加工ノズルとワークの間の距離を測定する静電容量式ギャップセンサと、前記冷却水の流量を測定する流量測定器と、前記加工ノズルが取り付けられる加工ヘッドを上下に駆動して前記加工ノズルをワークに対して上下動させる加工ヘッド上下駆動機構と、前記加工ヘッド上下駆動機構を駆動して加工ノズルとワークとの距離を所定の指令ギャップの値に設定する制御装置とを備えたレーザ加工装置であって、前記制御装置は前記流量測定器が測定した冷却水の流量測定結果に基づく前記加工ノズルとワークとの実際の距離である実ギャップと前記指令ギャップとのずれ量を求めて前記実ギャップが前記指令ギャップとなるように前記加工ヘッド上下駆動機構を駆動して加工ノズルを上下動させることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のレーザ加工装置であって、前記冷却水の導電率を測定する導電率測定器をさらに設け、前記制御装置は前記導電率測定器が測定した冷却水の導電率に基づく前記加工ノズルとワークとの実際の距離である実ギャップと前記指令ギャップとのずれ量、若しくは前記流量測定器が測定した冷却水の流量に基づいた実ギャップと指令ギャップのずれ量を求め、前記実ギャップと前記指令ギャップとなるように前記加工ヘッド上下駆動機構を駆動して加工ノズルを上下動させることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載レーザ加工装置であって、前記制御装置は指令ギャップに対する流量ごとの実ギャップを示すオフセットテーブルと、指令ギャップに対する導電率ごとの実ギャップを示すオフセットテーブルとを有していることを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、制御装置が流量測定器が測定した冷却水の流量測定結果に基づく加工ノズルとワークとの実際の距離である実ギャップと指令ギャップとのずれ量を求めた後、実ギャップが指令ギャップとなるように加工ヘッド上下駆動機構を制御して加工ノズルを上下動させる。従って、冷却水によるずれを生じることを判断し、このずれをオフセットして加工ノズルとワークとの間をレーザ加工に適したギャップとすることができ、安定したレーザ加工を行うことができる。

請求項２記載の発明によれば、冷却水の導電率を測定する導電率測定器をさらに設けており、制御装置は導電率測定器が測定した導電率の測定結果に基づいて加工ノズルとワークとの間の実ギャップと指令ギャップとのずれ量を算出あるいは抽出（選択）し、実ギャップが指令ギャップとなるように加工ヘッド上下駆動機構を駆動して加工ノズルを上下動させるため、防錆剤等を添加した冷却水を用いた場合であっても、加工ノズルとワークとの間のずれをオフセットしてこれらの間を適正なギャップとすることができ、安定したレーザ加工を行うことができる。

請求項３記載の発明によれば、制御装置が指令ギャップに対する流量ごとの実ギャップを示すオフセットテーブルと、指令ギャップに対する導電率ごとの実ギャップを示すオフセットテーブルとを有しているため、冷却水によるずれや防錆冷却水によるずれを簡単にオフセットすることができる。

本発明の一実施形態のレーザ加工装置の全体を示す正面図である。 レーザ加工装置における加工ノズル及び構成部材との関係を示す断面図である。 冷却水の流量の変動の変化に基づく実ギャップと指令ギャップとの関係を示すグラフである。 冷却水の導電率の変動の変化に基づく実ギャップと指令ギャップとの関係を示すグラフである。 本発明の一実施形態によるレーザ加工の流れを示すフローチャートである。 図５のフローチャートに続く流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を図示する実施形態により具体的に説明する。図１は本発明のレーザ加工装置１の全体正面図、図２は加工ノズル部分の構成部材を示す断面図、図３は冷却水によって発生するずれを示すグラフ、図４は防錆冷却水によって発生するずれを示すブラフ、図５及び図６はずれをオフセットするための制御を示すフローチャートである。

図１に示すように、レーザ加工装置１は装置本体２と、レーザ光を発振するレーザ発振器３とを備えている。以上に加えて、レーザ加工装置１は図２に示すように加工ヘッド駆動機構２１、静電容量式ギャップセンサ２２、冷却水噴霧装置２３、流量測定器２４、導電率測定器２５及び制御装置２７を備えている。

図１に示すように、装置本体２はベース４の長さ方向の一側（右側）からポスト５が直立状に立設され、ポスト５によって片持ち状に支持された水平のビーム部材６がベース４の上方に設けられることにより形成されている。ベース４の上部には、ワークＷが載置されるワークテーブル７が設けられている。ワークＷはクランプ８によって保持された状態でワークテーブル７上に載置される。クランプ８はＸ軸方向及びＹ軸方向に移動可能となっており、この移動によってワークＷがＸ軸方向及びＹ軸方向に位置決めされる。

ビーム部材６の先端部には、加工ヘッド１３が設けられ、加工ヘッド１３の先端部に加工ノズル１５が取り付けられている。加工ヘッド１３の内部には、レーザ発振器３からのレーザ光Ｌを加工ノズル１５の方向に反射するミラー組立体９及びレーザ光ＬをワークＷの加工位置に集光させる焦点レンズ１０が設けられている。

図２に示すように、加工ノズル１５は絶縁体１６を介して加工ヘッド１３の先端部に取り付けられている。加工ヘッド上下駆動機構２１はサーボモータ等によって形成されており、加工ヘッド１３を上下動するように駆動する。加工ヘッド１３の上下動により加工ノズル１５も一体に上下動して加工ノズル１５とワークＷとの間のギャップが調整される。静電容量式ギャップセンサ２２は加工ノズル１５とワークＷとの間の距離を静電容量によって測定するものであり、測定結果は制御装置２７に出力される。

加工ノズル１５は先細り形状に形成され先端（下端）の中心部分にレーザ光出射孔１５ｅが開口されたノズル本体１５ａを備え、ノズル本体１５ａには冷却水噴霧装置２３の構成部材としての冷却水入口１５ｂ、冷却水通路１５ｃ、冷却水噴射孔１５ｄが順次連通するように形成されている。冷却水噴射孔１５ｄはレーザ光出射孔１５ｅの周囲に開口している。

これらの構成部材に加えて、冷却水噴霧装置２３は冷却水が充填されたタンク２８と、エア供給源２９と、ミキシングブロック３０とを備えている。タンク２８は蒸留水や水道水等の冷却水が充填されるのに加え、これらに防錆剤が混合された防錆冷却水が分別充填されるものであり、ワークＷに供給される冷却水の種類を切り換えることが可能となっている。防錆剤は噴霧した冷却水によってワークＷが錆びることを防止したり、冷却水に溶け込んだ物質の析出を防止するために用いられる。エア供給源２９は空気或いは窒素等の不活性ガスをミキシングブロック３０に供給する。

ミキシングブロック３０はタンク２８からの冷却水とエア供給源２９からのエアとを混合して霧状とする。加工ノズル１５の冷却水入口１５ｂは管路３２を介してミキシングブロック３０に接続されており、霧状の冷却水がミキシングブロック３０から供給される。供給された霧状の冷却水は加工ノズル１５のレーザ光出射孔１５ｅから出射してワークＷの加工位置の周囲に霧状の冷却水が噴霧される。この冷却水の噴霧によってワークＷの加工部位の冷却を行うことができる。ワークＷの冷却を液状の冷却水そのものではなく、霧状の冷却水の噴霧によって行う理由は、ワークＷの切断加工への影響をなくすためである。

ミキシングブロック３０とタンク２８とは配管３１によって接続されており、この配管３１に流量測定器２４及び導電率測定器２５が挿入されている。流量測定器２４としては水の流量を調整する流量弁が用いられる。流量測定器２４はタンク２８から加工位置に供給される冷却水の流量を測定し、導電率測定器２５はタンク２８から供給される冷却水の導電率を測定する。この場合、導電率測定器２５は防錆冷却水を使用する場合に、特にその導電率を測定するものであるが、単なる冷却水を使用する場合に、その導電率を測定しても良い。これらの流量測定器２４及び導電率測定器２５で測定された測定結果は制御装置２７に出力される。

制御装置２７は加工ヘッド上下駆動機構２１を制御する。この制御装置２７による制御は加工ノズル１５とワークＷの間の距離が所定の指令ギャップの値となるように加工ヘッド上下駆動機構２１を駆動することによって行われる。この場合、制御装置２７は静電容量式ギャップセンサ２２が測定した加工ノズル１５とワークＷとの間のギャップが入力され、この測定結果が指令ギャップの値であるか否かを判断する。

これに加えて、制御装置２７は冷却水や防錆冷却水に起因して発生する加工ノズル１５とワークＷの間の実際の距離（実ギャップ）を指令ギャップとするように加工ヘッド上下駆動機構２１を駆動する。すなわち、冷却水をワークＷに噴霧するときには、流量測定器２４がその冷却水の流量を測定し、その測定結果が制御装置２７に入力される。制御装置２７は測定結果の流量に基づく加工ノズル１５とワークＷとの間の実際の距離（実ギャップ）を抽出（選択）し、この実ギャップと指令ギャップとの間のずれ量を算出する。

防錆冷却水をワークＷに噴霧するときは、導電測定器２５が防錆冷却水の導電率を測定するとともに流量測定器２４が防錆冷却水の流量を測定し、これらの測定結果が制御装置２７に入力される。制御装置２７は入力されたこれらの測定結果に基づく加工ノズル１５とワークＷとの間の実際の距離（実ギャップ）を抽出（選択）し、この実ギャップと指令ギャップとの間のずれ量を算出する。

図３は導電率が一定の５０μＳ／ｃｍとなっている冷却水を用いた場合の流量の変化に基づいた実ギャップの変動を示している。導電率が一定の場合に冷却水の流量が変化すると、流量の変化度合いに応じて実ギャップが指令ギャップからずれる。これは導電率が５０μＳ／ｃｍ以外で一定の値となっている場合においても同様である。図４は流量が一定の２０ｃｃ／ｍｉｎとなっている冷却水を用いた場合の導電率の変化に基づいた実ギャップの変動を示している。流量が一定の場合に冷却水の導電率が変化すると、導電率の変化度合いに応じて実ギャップが指令ギャップからずれる。これは流量が２０ｃｃ／ｍｉｎ以外で一定の値となっている場合においても同様である。

制御装置２７には、以上の図３及び図４に関連したオフセットテーブルが格納されている。表１はこのオフセットテーブルの一例を示し、左欄が一定の導電率（５０μＳ／ｃｍ）の場合における冷却水の流量に対応した実ギャップの押セットテーブル、右欄が一定の流量（２０ｃｃ／ｍｉｎ）の場合における冷却水の導電率に対応した実ギャップのオフセットテーブルを示している。

制御装置２７がこのようなオフセットテーブルを格納していることから、流量測定器２４が冷却水の流量を制御装置２７に出力すると、制御装置２７はその流量に応じた実ギャップをオフセットテーブルから抽出（選択）することができるとともに、導電率測定器２５が冷却水の導電率を制御装置２７に出力すると、制御装置２７はその導電率に応じた実ギャップをオフセットテーブルから抽出（選択）することができる。

そして、制御装置２７はオフセットテーブルに基づいて抽出（選択）した実ギャップのずれ量をオフセットするように加工ヘッド上下駆動機構２１を駆動する。これにより冷却水の流量や導電率が変化しても指定ギャップに合わせる調整ができ、安定したレーザ加工が可能となる。

なお、流量測定器２４や導電率測定器２５による測定はワークＷへのレーザ加工が継続している間、連続的に測定することが好ましい。これにより実ギャップと指令ギャップとのずれの算出及びずれに基づいた加工ノズルの上下動を冷却水の流量や導電率の変化に追随して行うことができ、レーザ加工をさらに安定して行うことができる。

次に、この実施形態によってワークWをレーザ加工する場合について説明する。図５及び図６は、この実施形態によるレーザ加工の一例を示すフローチャートである。

ワークWへのレーザ加工は、指令ギャップを設定することで開始される（ステップＳ１）。指令ギャップの設定は、ワークＷの材質、レーザ光Ｌの強度、その他の加工条件によって変化するものであり、加工条件に合わせた指令ギャップが制御装置２７にテーブルとして格納されている。

次に、制御装置２７は加工ヘッド上下駆動機構２１を駆動して、設定された指令ギャップに合わせた位置となるように加工ヘッド１３を上下動する（ステップＳ２）。加工ヘッド１３の上下動により加工ノズル１５が一体に上下動する。

加工ヘッド１３の上下動に続いて、静電容量式ギャップセンサ２２が加工ノズル１５とワークＷとの間のギャップを測定する（ステップＳ３）。測定されたギャップは、制御装置２７に出力され、制御装置２７は測定値が指令ギャップと一致するか否かを判定する（ステップＳ４）。

判定の結果、測定値が指令ギャップと一致している場合にはステップＳ５に移行し、一致していない場合にはステップＳ６に移行する。ステップＳ６では、測定値と指令ギャップとのずれ量を制御装置２７が算出し、このずれ量に合わせて加工ヘッド上下駆動機構２１を駆動して加工ヘッド１３を上下動する。この上下動の後、ステップＳ３に戻って静電容量式ギャップセンサ２２による加工ノズル１５とワークＷとの間のギャップの測定が行われる。

ステップＳ５では、冷却水に防錆剤が混合されているか否かが判断され、防錆剤が混合されている場合には図６のフローチャートにおけるステップＳ２１に移行する。防錆剤が混合されていない場合には、水道水や蒸留水等の単なる冷却水による冷却を行いながらのレーザ加工であり、ステップＳ７に移行する。

ステップＳ７では、冷却水噴霧装置２３によってワークＷに冷却水を噴霧する。すなわち、タンク２８内の冷却水をミキシングブロック３０でエア供給源２９からのエアに混合して霧状とした後、加工ノズル１５の冷却水噴射孔１５ｄからワークＷに対して冷却水を噴霧する。噴霧された冷却水は、流量測定器２４によって測定され（ステップＳ８）、測定結果が制御装置２７に出力される。

制御装置２７では、流量測定器２４から出力された冷却水の流量に基づいて加工ノズル１５とワークＷとの実際の距離である実ギャップを抽出（選択）する（ステップＳ９）。制御装置２７は指令ギャップに対する冷却水の流量ごとの実ギャップを対応させたオフセットテーブル（表１参照）が格納されており、制御装置２７はこのオフセットテーブルに基づいて実ギャップを抽出（選択）する。

次に、制御装置２７は算出した実ギャップとステップＳ１での指令ギャップとを比較する（ステップＳ１０）。実ギャップと指令ギャップとが等しい場合には、冷却水を噴霧しながらのレーザ加工を行うステップＳ１３に移行する。実ギャップと指令ギャップとが等しくない場合には、ステップＳ１１に移行する。

ステップＳ１１では、制御装置２７が実ギャップと指令ギャップとのずれ量を算出する。そして、制御装置２７は算出したずれ量に合わせて加工ヘッド１３を上下動する（ステップＳ１２）。すなわち、制御装置２７は算出したずれ量をオフセットする指令を加工ヘッド上下駆動機構２１に供給して加工ヘッド１３を上下動する。この加工ヘッド１３の上下動の後、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３では冷却水を噴霧しながらレーザ加工を行う。このレーザ加工において、制御装置２７はレーザ加工の終了か否かを判定し、レーザ加工が終了していない場合には、流量測定器２４による冷却水の流量測定を行うステップＳ８に移行する。レーザ加工が終了した場合には、フローチャートの終了となる。

ステップＳ５で冷却水に防錆剤が混合されていると判定された場合、防錆剤が混合された冷却水（防錆冷却水）を噴霧しながらのレーザ加工であり、図６のステップＳ２１に移行する。ステップＳ２１では、防錆冷却水がワークＷに噴霧される。この噴霧はステップＳ７と同様であり、防錆冷却水を霧状とした状態で加工ノズル１５の冷却水噴射孔１５ｄからワークＷに対して噴霧される。この噴霧に際し、導電率測定器２５は防錆冷却水の導電率を測定する（ステップＳ２２）。測定された防錆冷却水の導電率は制御装置２７に出力される。

制御装置２７では、導電率測定器２５の測定結果に基づいて加工ノズル１５とワークＷとの実際の距離である実ギャップを抽出（選択）する（ステップＳ２３）。表１に示すように、制御装置２７は指令ギャップに対する防錆冷却水の導電率ごとの実ギャップを対応させたオフセットテーブルが格納されており、制御装置２７はこのオフセットテーブルに基づいて実ギャップを抽出（選択）する。

次に制御装置２７は抽出（選択）した実ギャップとステップＳ１での指令ギャップとを比較する（ステップＳ２４）。実ギャップと指令ギャップとが等しい場合には、防錆冷却水を噴霧しながらのレーザ加工を行うステップＳ２６に移行する。実ギャップと指令ギャップとが等しくない場合にはステップＳ２５に移行する。

ステップＳ２５では、制御装置２７が実ギャップと指令ギャップとのずれ量を算出する。そして、制御装置２７は算出したずれ量に合わせて加工ヘッド１３を上下動する（ステップＳ２６）。すなわち、制御装置２７は算出したずれ量をオフセットする指令を加工ヘッド上下駆動機構２１に供給して加工ヘッド１３を上下動する。この加工ヘッド１３の上下動の後、ステップＳ２６に移行する。

ステップＳ２６では防錆冷却水を噴霧しながらレーザ加工を行う。このレーザ加工において、制御装置２７はレーザ加工の終了か否かを判定し、レーザ加工が終了していない場合には、導電率測定器２５による防錆冷却水の導電率測定を行うステップＳ２２に移行する。レーザ加工が終了した場合には、フローチャートの終了となる。

このような実施形態によれば、流量測定器２４が測定した冷却水の流量に基づいて制御装置２７が加工ノズル１５とワークＷとの実際の距離である実ギャップを抽出（選択）して実ギャップと指令ギャップとのずれ量を求め、これに基づいて実ギャップが指令ギャップとなるように加工ヘッド上下駆動機構を制御して加工ノズル１５を上下動させる。このため、加工ノズル１５とワークＷとの間のずれをオフセットしてこれらの間をレーザ加工に適したギャップとすることができ、安定したレーザ加工を行うことができる。

また、導電率測定器２５が測定した導電率の測定結果に基づいて制御装置２７が加工ノズル１５とワークＷとの間の実ギャップと指令ギャップとのずれ量を算出し、実ギャップが指令ギャップとなるように加工ヘッド上下駆動機構２１を駆動して加工ノズル１５を上下動させるため、防錆剤等を添加した冷却水を用いた場合であっても、加工ノズルとワークとの間のずれをオフセットしてこれらの間を適正なギャップとすることができ、安定したレーザ加工を行うことができる。

さらに、制御装置２７が指令ギャップに対する流量ごとの実ギャップを示すオフセットテーブルと、指令ギャップに対する導電率ごとの実ギャップを示すオフセットテーブルとを有しているため、ずれ量の算出が容易であり、冷却水によるずれや防錆冷却水によるずれを簡単にオフセットすることができる。

上記実施形態では、制御装置２７は格納されているオフセットテーブルによって実ギャップを算出しているが、オフセットテーブルには指令ギャップに対する冷却水の流量ごとのずれ量を対応させたオフセットテーブルを格納し、制御装置２７がこのオフセットテーブルに基づいてずれ量を抽出（選択）しても良い。また、同様にオフセットテーブルに指令ギャップに対する導電率ごとのずれ量を対応させて格納し、制御装置２７がこのオフセットテーブルに基づいてずれ量を抽出（選択）しても良い。あるいは、ずれの変化量を演算式の定数としても良い。

本発明は以上の実施形態に限定されることなく種々変形が可能である。上記実施形態では、制御装置２７は格納されているオフセットテーブルによって実ギャップを算出しているが、ずれの変化量を演算式の定数として算出しても良い。

１ レーザ加工装置
１５ 加工ノズル
１５ｅ レーザ光出射孔
２１ 加工ヘッド上下駆動機構
２２ 静電容量式ギャップセンサ
２３ 冷却水噴霧装置
２４ 流量測定器
２５ 導電率測定器
２７ 制御装置
Ｗ ワーク
Ｌ レーザ光

Claims (3)

1. ワーク表面に向けてレーザ光を出射してワークを加工する加工ノズルと、加工ノズルのレーザ光出射孔の周囲からワーク表面に冷却水を噴霧しワークを冷却する冷却水噴霧装置と、前記加工ノズルとワークの間の距離を測定する静電容量式ギャップセンサと、前記冷却水の流量を測定する流量測定器と、前記加工ノズルが取り付けられる加工ヘッドを上下に駆動して前記加工ノズルをワークに対して上下動させる加工ヘッド上下駆動機構と、前記加工ヘッド上下駆動機構を駆動して加工ノズルとワークとの距離を所定の指令ギャップの値に設定する制御装置とを備えたレーザ加工装置であって、
   前記制御装置は前記流量測定器が測定した冷却水の流量測定結果に基づく前記加工ノズルとワークとの実際の距離である実ギャップと前記指令ギャップとのずれ量を求めて前記実ギャップが前記指令ギャップとなるように前記加工ヘッド上下駆動機構を駆動して加工ノズルを上下動させることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１記載のレーザ加工装置であって、
   前記冷却水の導電率を測定する導電率測定器をさらに設け、
   前記制御装置は前記導電率測定器が測定した冷却水の導電率に基づく前記加工ノズルとワークとの実際の距離である実ギャップと前記指令ギャップとのずれ量を求め、前記実ギャップが前記指令ギャップとなるように前記加工ヘッド上下駆動機構を駆動して加工ノズルを上下動させることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項１又は２記載のレーザ加工装置であって、
   前記制御装置は指令ギャップに対する流量ごとの実ギャップを示すオフセットテーブルと、指令ギャップに対する導電率ごとの実ギャップを示すオフセットテーブルとを有していることを特徴とするレーザ加工装置。

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