JP6190707B2 - センサのキャリブレーション用の基準部材及びセンサのキャリブレーション方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工機におけるセンサのキャリブレーション用の基準部材及びセンサのキャリブレーション方法に関するものである。

レーザ加工機は、レーザ加工ヘッドのノズルの先端からワークに向けてレーザビームを照射することにより、ワークを切断したり溶接したりする。このようなレーザ加工機では、ノズルの先端からワークの表面までの距離（以下「ギャップ」または「ノズルギャップ」という）が変動すると、加工面にムラが生じる等の問題が発生する。

そのため、ノズルの先端からワークの表面までのギャップを、レーザ加工ヘッドに装備したセンサで測定し、センサの検出距離が一定となるようにノズルギャップ指令値をノズルの昇降機構（レーザ加工ヘッドの昇降機構）に入力してノズルギャップを制御するようにしている（例えば、特許文献１参照）。センサとしては、例えば、静電容量式のものが使用されている。

ところで、この種のセンサによってノズルの先端からワークの表面までの距離を測定する場合、予め、実際のノズルギャップとセンサの出力の関係の整合をとるために、キャリブレーション（較正）を行っておく必要がある。例えば、ノズルチェンジャー装置においてノズル交換を行った後には、センサのキャリブレーションを行う必要がある。

キャリブレーションを行う場合には、まず、上面がＺ軸方向（鉛直方向）の定位置に位置するように保持されたキャリブレーションプレート（キャリブレーション用の基準部材）の上方にノズルを移動させ、その位置でノズルを下降させて、ノズルの先端をキャリブレーションプレートの上面に接触させることで、接触した位置をＺ軸方向の基準点（ノズルギャップのゼロ点）として設定する。この際、キャリブレーションプレートの撓みの影響が出ないように、例えばノズルを微小量ずつ上下させて接触させる方法が採られることが多い。

次いで、基準点の設定後、ノズルを上昇させ、基準点を基準にして複数のＺ軸方向におけるノズルの位置とセンサの出力との相関関係を設定していく。

そして、実際の加工時には、キャリブレーション後のセンサの検出値に応じてノズルギャップを制御する。

ところで、従来のキャリブレーションプレートは、凹凸のない平板状のものであった。そのため、平板状のワークや角パイプ上では、センサの検出値に基づく指令値通りのノズルギャップに制御できるが、丸パイプ上では、指令値よりも小さいノズルギャップになってしまうことが分かった。

これは、図６に示すように、丸パイプ１００の加工時には、Ａ、Ｂ、Ｃの各位置でのギャップＧＡ、ＧＢ、ＧＣが、平板加工時のギャップＧａ、Ｇｂ、Ｇｃよりも広がるためにノズル１２部分のギャップＧが縮まる傾向が出るからであることが分かった。なお、図中１３はガード電極である。

特開平１１−１２３５７３号公報

前述のように、従来のキャリブレーションプレートは平板状のものであるため、丸パイプの加工時には、適正なノズルギャップの管理ができず、そのため加工能力を充分に発揮できないおそれがあった。

本発明は、上記事情を考慮し、レーザによる加工対象物の形状に関係なく、指令値通りのノズルギャップとなるようにすることができ、加工能力を向上させることができるセンサのキャリブレーション用の基準部材及びセンサのキャリブレーション方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明は、鉛直方向をＺ軸方向とするとき、ワークに対して上方からレーザビームを照射するノズルをＺ軸方向に昇降自在に備えると共に、前記ノズルの先端とその下方に位置するワークとの間のギャップを検出するセンサを備えたレーザ加工ヘッドと、上面がＺ軸方向の定位置に位置するように保持され、前記センサのキャリブレーション時に、前記ノズルを下降させてノズルの先端を前記上面に接触させることで、接触した位置をＺ軸方向の基準点として設定するためのキャリブレーション用の基準部材と、を備えたレーザ加工機におけるセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、上面が円筒状凸湾曲面として形成された湾曲プレート部を有することを特徴とする。

請求項２の発明は、鉛直方向をＺ軸方向とするとき、ワークに対して上方からレーザビームを照射するノズルをＺ軸方向に昇降自在に備えると共に、前記ノズルの先端とその下方に位置するワークとの間のギャップを検出するセンサを備えたレーザ加工ヘッドと、上面がＺ軸方向の定位置に位置するように保持され、前記センサのキャリブレーション時に、前記ノズルを下降させてノズルの先端を前記上面に接触させることで、接触した位置をＺ軸方向の基準点として設定するためのキャリブレーション用の基準部材と、を備えたレーザ加工機におけるセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、上面が平坦面として形成された平面プレート部と、上面が円筒状凸湾曲面として形成された湾曲プレート部と、を有することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２に記載のセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、前記平面プレート部と前記湾曲プレート部とが一体に設けられていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項３に記載のセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、前記平面プレート部が一枚の平板部材の一側に形成され、前記湾曲プレート部が、前記平板部材の他側に確保されたスペースに半円筒状の湾曲プレート材を接合することで形成されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４に記載のセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、前記湾曲プレート部が、前記円筒状凸湾曲面の径を違えて複数設けられていることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項２に記載のセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、前記平面プレート部と前記湾曲プレート部とが別体に設けられていることを特徴とする。

請求項７の発明は、鉛直方向をＺ軸方向とするとき、ワークに対して上方からレーザビームを照射するノズルをＺ軸方向に昇降自在に備えると共に、前記ノズルの先端とその下方に位置するワークとの間のギャップを検出するセンサを備えたレーザ加工ヘッドと、上面がＺ軸方向の定位置に位置するように保持され、前記センサのキャリブレーション時に、前記ノズルを下降させてノズルの先端を前記上面に接触させることで、接触した位置をＺ軸方向の基準点として設定するためのキャリブレーション用の基準部材と、を備えたレーザ加工機におけるセンサのキャリブレーション方法であって、前記キャリブレーション用の基準部材として、上面が平坦面として形成された平面プレート部と、上面が円筒状凸湾曲面として形成された湾曲プレート部と、を有するものを使用し、平板材や角パイプをレーザ加工する前のキャリブレーション時には、前記平面プレート部に対してキャリブレーションを行い、丸パイプをレーザ加工する前のキャリブレーション時には、前記湾曲プレート部に対してキャリブレーションを行うことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、上面が円筒状凸湾曲面として形成された湾曲プレート部を有しているので、丸パイプをレーザ加工する前のキャリブレーションは湾曲プレート部に対して行うことにより、加工対象ワークが丸パイプであっても、指令値通りのノズルギャップを実現することができ、その結果、加工能力を向上させることができて、加工品質の向上が図れる。

請求項２の発明によれば、上面が平坦面として形成された平面プレート部と、上面が円筒状凸湾曲面として形成された湾曲プレート部とを有しているので、平板材や角パイプをレーザ加工する前のキャリブレーションは平面プレート部に対して行い、丸パイプをレーザ加工する前のキャリブレーションは湾曲プレート部に対して行うことにより、加工対象ワークが平板状や角パイプであっても丸パイプであっても、指令値通りのノズルギャップを実現することができ、その結果、加工能力を向上させることができて、加工品質の向上が図れる。

請求項３の発明によれば、平面プレート部と湾曲プレート部とが一体に設けられているので、１つの単品部材として取り扱うことができる。

請求項４の発明によれば、平面プレート部を構成する平板部材の一部に半円筒状の湾曲プレート材を接合するだけで構成できるので、半円筒状の湾曲プレート材として丸パイプの一部を利用することにより、特別な曲げ加工を不要にすることができる。

請求項５の発明によれば、径違いで複数の湾曲プレート部を有するので、加工対象の丸パイプの径に応じて使い分けることによって、より適正に丸パイプを加工する場合のノズルギャップを制御することができる。

請求項６の発明によれば、平面プレート部と湾曲プレート部とが別体に設けられているので、平面プレート部と湾曲プレート部とをそれぞれ別に任意の場所に配置することができる。

請求項７の発明によれば、平面プレート部と湾曲プレート部とを加工対象物の形状に応じて使い分けるので、加工対象ワークが平板状や角パイプであっても丸パイプであっても、指令値通りのノズルギャップを実現することができ、その結果、加工能力を向上させることができて品質の向上が図れる。

本発明の第１実施形態のキャリブレーションプレートの斜視図である。 本発明の第２実施形態のキャリブレーションプレートの斜視図である。 本発明の第３実施形態のキャリブレーションプレートの斜視図である。 本発明の第４実施形態のキャリブレーションプレートの斜視図である。 本発明の実施形態のキャリブレーションプレートが適用されるレーザ加工機のレーザ加工ヘッド周辺の構成を示す側面図である。 従来の問題点の説明のための側面図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は第１実施形態のキャリブレーションプレートの斜視図、図５は実施形態のキャリブレーションプレートが適用されるレーザ加工機のレーザ加工ヘッド周辺の構成を示す側面図である。

図５に示すように、レーザ加工ヘッド１の先端部には、ワークＷに対して上方からレーザビームを照射するノズル２が設けられている。このノズル２の上部には、センサコーン３を経由してケーブル等によりセンサコントローラ４と接続されている。当該ノズル２からその下方に位置するワークＷまでのギャップ（「ノズルギャップ」ともいう）Ｇを、静電容量等の電気特性との相関関係に基づいて検出するセンサＳ（ノズル２とセンサコーン３で構成）が設けられている。

このセンサＳは、センサコントローラ４を介して制御装置５に電気的に接続されている。なお、センサＳは、静電容量や渦電流や作動トランス等の電気特性を利用したセンサであればよく、特にそのタイプについては限定されない。

また、レーザ加工ヘッド１は、レーザ加工機の本体に上下方向に延伸されたボールねじ６に螺合されており、このボールねじ６がモータ７（Ｚ軸駆動装置）により回転駆動されて昇降自在に設けられている。モータ７の回転軸には、レーザ加工ヘッド１の上下方向の移動量変化を検出してレーザ加工ヘッド１の上下方向の位置を測定するためにエンコーダ８等の加工ヘッド移動量検出装置が設けられており、この加工ヘッド移動量検出装置は制御装置５に電気的に接続されている。

制御装置５は、センサコントローラ４を介してセンサＳからの検出信号とエンコーダ８によるレーザ加工ヘッド１の移動量の検出データに基づいて、ノズルギャップＧの制御を行う。例えば、センサＳが静電容量式センサである場合は、ワークＷとノズル２との距離が変化するとセンサＳの静電容量が変化し、この静電容量は電圧等の電気特性値の変化に変換される。ノズルギャップＧの制御が行われるためには、ノズルギャップＧと電圧の相関関係を明らかにするためのキャリブレーションが必要である。このキャリブレーションは、通常、ギャップＧの大きさ毎の電圧値を測定して、ノズルギャップＧと電圧との正常な相関関係を求める。その基準として、最初にノズル２の先端のＺ軸方向におけるゼロ点の検出が行われる。キャリブレーションプレートは、キャリブレーション時のゼロ点検出に用いられる。

キャリブレーションプレートは、上面がＺ軸方向の定位置に位置するように保持されており、センサＳのキャリブレーション時に、ノズル２を下降させてノズル２の先端をキャリブレーションプレートの上面に接触させることで、接触した位置をＺ軸方向の基準点（ゼロ点）として設定する。

キャリブレーションプレートは、キャリブレーションの基準となる導電性材料よりなる部材であり、第１実施形態のキャリブレーションプレート（キャリブレーション用の基準部材）１０は、図１に示すように、上面が平坦面として形成された平面プレート部１１と、上面が円筒状凸湾曲面として形成された湾曲プレート部１２と、を有しており、平面プレート部１１と湾曲プレート部１２とが一体に設けられている。なお、平面プレート部１１には、取付部としての一対の取付用孔１１ａ，１１ｂを形成してある。

平面プレート部１１と湾曲プレート部１２は、１枚の共通の平板部材を曲げ加工して形成してもよいが、別体で作成して境界部１３で接合（例えば溶接）することにより一体化してもよい。その際、湾曲プレート部１２は、平板を丸めて形成してもよいが、半円筒状の湾曲プレート材として丸パイプの一部を利用することにより、特別な曲げ加工を不要にすることもできる。

このキャリブレーションプレート１０を用いる場合、平板材や角パイプをレーザ加工する前のキャリブレーションは、平面プレート部１１に対して行い、丸パイプをレーザ加工する前のキャリブレーションは、湾曲プレート部１２に対して行う。そうすることで、加工対象ワークが平板状や角パイプであっても丸パイプであっても、指令値通りのノズルギャップを実現することができ、その結果、加工能力を向上させることができて、品質の向上が図れる。

特に、この第１実施形態のキャリブレーションプレート１０は、平面プレート部１１と湾曲プレート部１２とが一体に設けられているので、１つの単品部材として取り扱うことができるメリットがある。

図２は第２実施形態のキャリブレーションプレートの斜視図である。

図２に示すように、このキャリブレーションプレート（キャリブレーション用の基準部材）２０では、平面プレート部１１が一枚の平板部材２１の一側に形成され、湾曲プレート部１２が、前記平板部材２１の他側に確保されたスペースに半円筒状の湾曲プレート材２２を接合することで形成されている。接合部２３は、例えば溶接されている。

このキャリブレーションプレート２０は、平面プレート部１１を構成する平板部材２１の一部に半円筒状の湾曲プレート材２２を接合するだけで構成できるので、半円筒状の湾曲プレート材２２として丸パイプの一部を利用することにより、特別な曲げ加工を不要にすることができる。その他の作用・効果については、第１実施形態と同様である。

図３は第３実施形態のキャリブレーションプレートの斜視図である。

図３に示すように、このキャリブレーションプレート（キャリブレーション用の基準部材）３０では、円筒状凸湾曲面の径の違う複数の湾曲プレート部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃが共通の平板部材３１上に設けられており、残りのスペースに平面プレート部１１が確保されている。各湾曲プレート部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃは、例えば、径違いの丸パイプを半分に切った部材（半円筒状の湾曲プレート材）３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを切断面を下にして共通の平板部材３１の上面に載せ、合わせ目を接合することで構成されている。この場合も接合部３３は、例えば溶接されている。

このキャリブレーションプレート３０は、径違いで複数の湾曲プレート部１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃを有するので、加工対象の丸パイプの径に応じて使い分けることによって、より適正に丸パイプを加工する場合のノズルギャップを制御することができる。

図４は第４実施形態のキャリブレーションプレートの斜視図である。

このキャリブレーションプレート（キャリブレーション用の基準部材）４０では、平面プレート部１１と湾曲プレート部１２とが別体に設けられている。従って、平面プレート部１１と湾曲プレート部１２とをそれぞれ別に任意の場所に配置することができる。その他の作用・効果は、第１実施形態と同様である。

１ レーザ加工ヘッド
２ ノズル
１０，２０，３０，４０ キャリブレーションプレート（キャリブレーション用の基準部材）
１１ 平面プレート部
１２、１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ 湾曲プレート部
２２、３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ 半円筒状の湾曲プレート材
Ｓ センサ
Ｇ ギャップ（ノズルギャップ）
Ｗ ワーク

Claims (7)

1. 鉛直方向をＺ軸方向とするとき、ワークに対して上方からレーザビームを照射するノズルをＺ軸方向に昇降自在に備えると共に、前記ノズルの先端とその下方に位置するワークとの間のギャップを検出するセンサを備えたレーザ加工ヘッドと、
   上面がＺ軸方向の定位置に位置するように保持され、前記センサのキャリブレーション時に、前記ノズルを下降させてノズルの先端を前記上面に接触させることで、接触した位置をＺ軸方向の基準点として設定するためのキャリブレーション用の基準部材と、を備えたレーザ加工機におけるセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、
   上面が円筒状凸湾曲面として形成された湾曲プレート部を有することを特徴とするセンサのキャリブレーション用の基準部材。
2. 鉛直方向をＺ軸方向とするとき、ワークに対して上方からレーザビームを照射するノズルをＺ軸方向に昇降自在に備えると共に、前記ノズルの先端とその下方に位置するワークとの間のギャップを検出するセンサを備えたレーザ加工ヘッドと、
   上面がＺ軸方向の定位置に位置するように保持され、前記センサのキャリブレーション時に、前記ノズルを下降させてノズルの先端を前記上面に接触させることで、接触した位置をＺ軸方向の基準点として設定するためのキャリブレーション用の基準部材と、を備えたレーザ加工機におけるセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、
   上面が平坦面として形成された平面プレート部と、
   上面が円筒状凸湾曲面として形成された湾曲プレート部と、
   を有することを特徴とするセンサのキャリブレーション用の基準部材。
3. 請求項２に記載のセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、
   前記平面プレート部と前記湾曲プレート部とが一体に設けられていることを特徴とするセンサのキャリブレーション用の基準部材。
4. 請求項３に記載のセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、
   前記平面プレート部が一枚の平板部材の一側に形成され、前記湾曲プレート部が、前記平板部材の他側に確保されたスペースに半円筒状の湾曲プレート材を接合することで形成されていることを特徴とするセンサのキャリブレーション用の基準部材。
5. 請求項４に記載のセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、
   前記湾曲プレート部が、前記円筒状凸湾曲面の径を違えて複数設けられていることを特徴とするセンサのキャリブレーション用の基準部材。
6. 請求項２に記載のセンサのキャリブレーション用の基準部材であって、
   前記平面プレート部と前記湾曲プレート部とが別体に設けられていることを特徴とするセンサのキャリブレーション用の基準部材。
7. 鉛直方向をＺ軸方向とするとき、ワークに対して上方からレーザビームを照射するノズルをＺ軸方向に昇降自在に備えると共に、前記ノズルの先端とその下方に位置するワークとの間のギャップを検出するセンサを備えたレーザ加工ヘッドと、
   上面がＺ軸方向の定位置に位置するように保持され、前記センサのキャリブレーション時に、前記ノズルを下降させてノズルの先端を前記上面に接触させることで、接触した位置をＺ軸方向の基準点として設定するためのキャリブレーション用の基準部材と、を備えたレーザ加工機におけるセンサのキャリブレーション方法であって、
   前記キャリブレーション用の基準部材として、上面が平坦面として形成された平面プレート部と、上面が円筒状凸湾曲面として形成された湾曲プレート部と、を有するものを使用し、
   平板材や角パイプをレーザ加工する前のキャリブレーション時には、前記平面プレート部に対してキャリブレーションを行い、丸パイプをレーザ加工する前のキャリブレーション時には、前記湾曲プレート部に対してキャリブレーションを行うことを特徴とするセンサのキャリブレーション方法。

Images