JP6329834B2 - レーザ切断加工方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、ワークのレーザ切断加工方法及び装置に係り、さらに詳細には、例えばバーニングなどのレーザ切断不良の発生を抑制することのできるレーザ切断加工方法及び装置に関する。

例えば板状のワークのレーザ切断加工を行うとき、レーザ切断加工時の熱がワークに蓄熱されて、切断溝の幅が次第に広くなることや、バーニングを発生するなど、レーザ切断不良を生じることがある。そこで、ワークのレーザ切断加工位置付近に冷却水を噴霧して冷却することが行われている（例えば特許文献１参照）。また、ワークのレーザ加工位置付近の温度を検出し、検出温度が設定温度を越えると、レーザ加工位置付近へ冷却水を噴出して冷却することが行われている（例えば特許文献２，３参照）。

特開２０００−５２０８１号公報 特開平５−１５４６７４号公報 特開２００７−７５８７６号公報

前記特許文献１，２，３に記載の構成においては、ワークの表面に対して冷却水を噴霧するので、ワーク表面の冷却は行われるものの、ワーク内部に蓄熱した熱によりバーニング等のレーザ切断不良を生じることがある。また、レーザ切断加工中にレーザ切断加工における切断溝へアシストガスや前記冷却水と言った冷却流体を噴射して冷却を行おうとするが、熱源であるレーザを照射しながらの冷却になり、十分な冷却を行えず、バーニング等のレーザ切断不良を生じることがある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、ワークに対して互に直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動自在なレーザ加工ヘッドを適宜方向へ移動してワークのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工方法であって、ワークに対して所定時間又は所定距離のレーザ切断加工を行う毎にレーザ加工ヘッドの移動及びレーザ光の出力を一時停止し、当該一時停止位置で冷却流体及びアシストガスの噴出を継続して、ワークの表面及び内部の冷却を繰り返し行うことを特徴とするものである。

また、ワークに対して互に直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動自在なレーザ加工ヘッドを適宜方向へ移動してワークのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工方法であって、ワークのレーザ切断加工を行ってレーザ切断不良箇所の検出を行い、２回目のレーザ切断加工を行うに際し、前記レーザ切断不良箇所に相当する不良相当箇所又は当該不良相当箇所をも含む付近のレーザ切断加工を行うとき、レーザ加工ヘッドの移動及びレーザ光の出力を一時停止し、この一時停止位置において冷却流体及びアシストガスの噴出を継続してワークの表面及び内部を冷却することを、所定時間毎又は所定距離のレーザ切断加工毎に繰り返すことを特徴とするものである。

また、前記レーザ切断加工方法において、前記一時停止位置においてレーザ切断加工ヘッドを僅かに戻すことを特徴とするものである。

また、ワークに対して互に直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動自在なレーザ加工ヘッドを備えたレーザ切断加工装置であって、前記レーザ加工ヘッドの動作を制御するための制御装置は、ワークのレーザ加工を行うためのレーザ加工用プログラムを格納した加工プログラムメモリと、前記加工プログラムメモリの加工プログラムを読み取るプログラム読取手段と、上記プログラム読取手段によって読み取られたレーザ加工用プログラムに従ってレーザ加工ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の動作を制御する動作制御手段と、ワークに対して所定時間又は所定距離のレーザ切断加工を行う毎に前記レーザ加工ヘッドの移動及びレーザ光の出力を一時停止するための指令を出力する一時停止指令手段と、を備えていることを特徴とするものである。

また、ワークに対して互に直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動自在なレーザ加工ヘッドを備えたレーザ切断加工装置であって、前記レーザ加工ヘッドの動作を制御するための制御装置は、ワークのレーザ加工を行うためのレーザ加工用プログラムを格納した加工プログラムメモリと、前記加工プログラムメモリの加工プログラムを読み取るプログラム読取手段と、上記プログラム読取手段によって読み取られたレーザ加工用プログラムに従ってレーザ加工ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への動作を制御する動作制御手段と、ワークのレーザ切断加工においてのレーザ切断不良箇所を検出するレーザ切断不良箇所検出手段と、前記レーザ切断不良箇所検出手段によって検出したレーザ切断不良箇所に相当する不良相当箇所又は当該不良相当箇所をも含む付近のレーザ切断加工を行うとき、ワークに対して所定時間又は所定距離のレーザ切断加工を行う毎に前記レーザ加工ヘッドの移動及びレーザ光の出力を一時停止するための指令を出力する一時停止指令手段と、を備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ切断加工装置において、前記レーザ加工ヘッドの一時停止時に、当該レーザ加工ヘッドを僅かに戻すレーザ加工ヘッド戻し手段を備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、レーザ加工ヘッドの移動及びレーザ光の出力を一時停止した位置において、レーザ切断加工位置への冷却水の噴出及びアシストガスの噴出を継続するものである。したがって、レーザ切断加工位置付近におけるワーク表面の冷却を行うことができることは勿論のこと、アシストガスの噴出によって、冷却水の一部は切断溝内へ深く押し込まれる態様となり、ワークの内部をも冷却することができる。よって、ワークの蓄熱を効果的に減少し、バーニング等のレーザ切断不良を抑制できるものである。

本発明のレーザ切断加工装置の構成を概念的、概略的に示した機能ブロック図である。 ワークのバーニング発生箇所の説明図である。

図１に概念的、概略的に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ切断加工装置１は、ワークWに対して直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動自在なレーザ加工ヘッド３を備えている。このレーザ加工ヘッド３には、レーザ発振器（図示省略）から発振されたレーザ光ＬＢを集光する集光レンズ５が備えられていると共に、レーザ光ＬＢと同時にアシストガスＡＧを噴出するレーザノズル７が備えられている。また、前記レーザ加工ヘッド３には、ワークＷのレーザ切断加工位置方向へ冷却水を噴出する冷却水ノズル９が備えられている。

また、前記レーザ切断加工装置１には、ワークＷに対する前記レーザ加工ヘッド３の移動動作等を制御する制御装置１１が備えられている。この制御装置１１は、例えばコンピュータから構成してあって、ＣＰＵ１３、ＲＡＭ１５、ＲＯＭ１７を備えていると共に表示画面１９Ａを備えた表示手段１９が備えられている。上記制御装置１１には、ワークＷのレーザ切断加工を行うためのレーザ加工用プログラムを格納した加工用プログラムメモリ２１が備えられている。

そして、ワークＷのレーザ切断加工を行うために、前記加工プログラムを読み取り解析するプログラム読取手段（プログラム解析手段）２３が制御装置１１に備えられていると共に、上記プログラム読取手段２３によって読み取られたレーザ加工用プログラムに従って前記レーザ加工ヘッド３のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動動作を制御する動作制御手段２５が備えられている。すなわち、前記レーザ加工ヘッド３をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動するためのサーボモータの動作は前記動作制御手段２５によって制御されるものである。

上記構成により、加工プログラムメモリ２１に格納されたレーザ加工用プログラムに従ってレーザ加工ヘッド３の動作を制御することにより、ワークＷにレーザ切断加工が行われることになる。この場合、例えば図２（Ａ）に示すように、穴Ｈ内のスタート位置Ｓ１からレーザ切断加工を開始し、矢印Ａ方向にレーザ加工を行うことにより、穴Ｈのレーザ切断加工が行われる。そして、穴Ｈの外側のスタート位置Ｓ２から矢印Ｂ方向にレーザ切断加工を行うと、ワークＷから製品ＷＰが切断分離されることになる。

前述のように、ワークＷのレーザ切断加工を行うと、穴Ｈのレーザ切断加工時の熱がワークＷに蓄熱される。そして、スタート位置Ｓ２から矢印Ｂ方向にレーザ切断加工を行うと、今回のレーザ切断加工時の熱と蓄熱されている熱とが重なり合うこととなり、バーニングが発生してレーザ切断不良箇所ＮＧ１〜ＮＧ４を生じることがある。したがって、レーザ切断加工装置１には、レーザ切断不良箇所ＮＧ１〜ＮＧ４を検出するためのレーザ切断不良箇所検出手段２７が備えられている。

より詳細には、前記レーザ切断不良箇所検出手段２７の一部として、前記レーザ加工ヘッド３には、レーザ加工位置からの反射光、散乱光を検出する光ファイバ（光センサ）２９が備えられている。なお、ワークＷのレーザ切断加工時にバーニングが発生すると、前記光センサ２９への入射光の光量が多くなるので、光センサ２９の検出値と予め設定した設定値とを比較することにより、バーニング等のレーザ切断加工の不良の発生を検出することができるものである。

したがって、前記光センサ２９によるバーニング発生の検出と、前記レーザ加工ヘッド３の動作位置すなわち前記プログラム読取手段２３によるレーザ加工用プログラムの読み取り位置とを合わせることにより、ワークＷのレーザ切断加工時におけるバーニング発生箇所（レーザ切断不良箇所ＮＧ）を検出することができるものである。そして、前記レーザ切断不良箇所検出手段２７によって検出されたレーザ切断不良箇所ＮＧのデータはレーザ切断不良箇所メモリ３１に格納される。

なお、レーザ切断不良箇所ＮＧの検出方法としては、例えばワークＷのレーザ切断加工を行う。そして、例えばＣＣＤカメラによってワークＷを撮像し、この撮像した画像を、表示画面１９Ａに表示されている製品ＷＰの画像（ＣＡＤ，ＣＡＭデータの画像）に重ね合わせる。そして、撮像したレーザ切断不良箇所ＮＧの始点、終点を画面上でタッチすることによってレーザ切断不良箇所ＮＧを指示することも可能である。また、製品ＷＰが表示されている表示画面１９Ａ上において、レーザ切断不良箇所ＮＧの大凡の位置を指示することも可能である。

既に理解されるように、ワークＷのレーザ切断加工を行うと、バーニング発生によるレーザ切断不良箇所ＮＧの検出を行うことができ、かつレーザ切断不良箇所ＮＧのデータはレーザ切断不良箇所メモリ３１に格納できるものである。したがって、次回のレーザ切断加工時に、前記レーザ切断不良箇所ＮＧに相当する不良相当箇所のレーザ切断加工を行うときには、ワークＷを充分に冷却し、蓄熱量を低減してレーザ切断加工を行うことにより、バーニング発生によるレーザ切断不良箇所ＮＧの発生を抑制することができるものである。

したがって、本実施形態においては、前記レーザ切断不良箇所ＮＧ又は当該レーザ切断不良箇所ＮＧをも含む付近のレーザ切断加工を行うとき、レーザ加工ヘッド３の移動及びレーザ光ＬＢの出力を一時停止して、この一時停止位置の冷却を行うことを繰り返しつつレーザ切断加工を行うものである。すなわち、ワークＷに対して所定時間又は所定距離のレーザ切断加工を行う毎に、レーザ加工ヘッド３の移動及びレーザ光ＬＢの出力を一時停止し、この一時停止位置において冷却水の噴出及びアシストガスＡＧの噴出を継続してワークＷの冷却を行うものである。

よって、前記制御装置１１には、パラメータメモリ３３が備えられている。このパラメータメモリ３３には、ワークＷの材質、板厚に対応して前記レーザ加工ヘッド３の一時停止時間が予め実験的に求められて、パラメータとして格納されているものである。なお、レーザ光ＬＢの出力停止時間は、レーザ加工ヘッド３の一時停止時間と同一である。また、制御装置１１には、レーザ切断時間を計時する計時手段３５が備えられていると共に、前記プログラム読取手段２３によって読み取られた座標位置の変化に基いて、レーザ切断加工の経路長を演算する距離演算手段３７が備えられている。

さらに、前記制御装置１１には、設定値メモリ３９が備えられている。この設定値メモリ３９には、レーザ加工ヘッド３の一時停止を繰り返す際の継続した加工時間が予め設定してあると共に、一時停止を繰り返す際の加工距離が予め格納してある。そして、上記設定値メモリ３９に格納された設定時間、設定距離と前記計時手段３５の計時時間、距離演算手段３７の演算結果とを比較する比較手段４１が備えられている。

また、制御装置１１には、前記比較手段４１の比較が一致したときに、前記レーザ加工ヘッド３の移動及びレーザ光ＬＢの出力を一時停止する指令を、前記動作制御手段２５及びレーザ光ＬＢの出力を制御するレーザ光出力制御手段（図示省略）へ出力する一時停止指令手段４３が備えられている。さらに、前記制御装置１１には、レーザ加工ヘッド３が一時停止した後に、レーザ切断加工を再開する際の切断再開条件を予め格納した切断再開条件メモリ４５が備えられている。

前記切断再開条件メモリ４５には、前記各レーザ切断不良箇所ＮＧ１〜ＮＧ４に相当する不良相当箇所のレーザ切断加工を行う場合のレーザ光の出力、レーザ加工ヘッドの移動速度の条件が予め実験的に求められて格納されている。なお、各不良相当箇所のレーザ切断加工を行うレーザ切断加工条件はそれぞれ同一であってもよいものである。

また、前記制御装置１１には、レーザ加工ヘッド３の移動を一時停止した際に、レーザ加工ヘッド３を予め設定された距離だけ加工経路を辿って戻る動作を指令する戻り動作指令手段４５が備えられている。

以上のごとき構成において、加工プログラムメモリ２１に格納されたレーザ加工用プログラムに従ってワークＷのレーザ切断加工を行うと、最初のレーザ切断加工においてのレーザ切断不良箇所ＮＧがレーザ切断不良箇所検出手段２７によって検出される。そして、検出されたレーザ切断不良箇所ＮＧの位置データはレーザ切断不良箇所メモリ３１に格納される。

上述のように、レーザ切断不良箇所ＮＧを検出した後、２回目以後のレーザ切断加工時においては、プログラム読取手段２３によって読み取られた座標位置とレーザ切断不良箇所メモリ３１に格納されたレーザ切断不良箇所ＮＧの座標位置とが比較手段４１によって比較される。そして、前記両座標位置が一致すると、一時停止指令手段４３の指令によってレーザ加工ヘッド３の移動及びレーザ光ＬＢの出力が一時停止される。なお、レーザ加工ヘッド３の移動が一時停止された停止位置においては、冷却水ノズル９からの冷却水の噴出及びアシストガスＡＧの噴出は継続されるものである。

したがって、前記一時停止位置においては、冷却水によってワークＷの上面が冷却される。また、アシストガスＡＧが噴出されていることにより、冷却水の一部はワークＷの切断溝内に深く入り込む態様となり、ワークＷの内部をも冷却することになる。よって、レーザ切断不良箇所ＮＧに相当する不良相当箇所の蓄熱は減少されるものである。レーザ加工ヘッド３の一時停止時間が計時手段３５によって計時され、この計時時間とパラメータメモリ３３にパラメータとして格納された停止時間とが比較手段４１によって比較されて一致すると、切断再開条件メモリ４５に格納された切断再開条件によってレーザ加工ヘッド３の移動が低速でもって再開されると共に、レーザ光ＬＢの出力が低出力で再開されて、レーザ切断加工が再開されることになる。そして、予め設定した時間を経過した後は、レーザ加工用プログラムに従った加工速度及びレーザ出力に制御されて、レーザ切断加工が行われるものである。

上述のごとく、レーザ切断加工が再開されて、前記不良相当箇所のレーザ切断加工を行うときには、レーザ切断加工の開始時からの時間が計時手段３５によって計時されると共に、距離演算手段３７によってレーザ切断加工開始時からのレーザ切断加工距離が演算される。そして、計時手段３５によって計時された計時時間と設定値メモリ３９に格納された設定時間とが比較され、一致すると、レーザ加工ヘッド３の移動及びレーザ光ＬＢの出力が再び一時停止される。なお、前記距離演算手段３７によって演算された演算値と前記設定値メモリ３９に格納された設定距離とが比較手段４１によって比較され、一致したときにもレーザ加工ヘッド３の移動及びレーザ光ＬＢの出力は再び一時停止されるものである。

すなわち、レーザ切断加工を再開して不良相当箇所のレーザ切断加工を行うときには、レーザ切断加工時間及びレーザ切断加工距離の両方を監視して、再び一時停止するものであるから、多くの蓄熱を抑制することができるものである。

既に理解されるように、検出したレーザ切断不良箇所ＮＧに相当する不良相当箇所又は不良相当箇所をも含む付近のレーザ切断加工を行うとき、レーザ加工ヘッド３の移動及びレーザ光ＬＢの出力を一時停止し、冷却水及びアシストガスの噴出を継続して、ワーク表面及びワーク内部の冷却を行うことを、所定時間（設定時間）毎又は所定距離（設定距離）のレーザ切断加工毎に繰り返すものであるから、蓄熱を低減して、バーニングの発生を抑制することができるものである。

なお、バーニング等の切断不良箇所の発生は、レーザ切断加工を行うことによって検出することができるものである。したがって、ワークＷのレーザ切断加工を行うに当り、最初のレーザ切断加工時から、所定時間又は所定距離のレーザ切断加工を行う毎にレーザ加工ヘッドの移動及びレーザ光の出力を一時停止する。そして、この一時停止位置で冷却水の噴出及びアシストガスの噴出を、予め設定された所定時間継続することを繰り返してレーザ切断を行うことにより、最初のレーザ切断加工時からバーニング等の発生を抑制することができるものである。

ところで、ワークＷの切断溝内へ冷却水をより多く進入させて、ワークＷの内部をより迅速に冷却するには、前記一時停止位置からレーザ加工ヘッドを、切断経路に沿って僅かに後退すること、すなわち戻すことが望ましいものである。そこで、前記制御装置１１に備えた選択手段４７によって戻り動作指令手段４５の使用を選択すると、前述したように、レーザ加工ヘッド３の移動及びレーザ光ＬＢの出力を一時停止した後、この一時停止位置から、予め設定された戻り距離だけ加工経路を辿ってレーザ加工ヘッド３が戻されることになる。

上述のように、レーザ加工ヘッド３が僅かに戻されると、レーザ加工ヘッド３の下側の切断溝は、レーザ加工ヘッド３の移動方向の前後両側に位置することとなり、アシストガスＡＧの噴出に補助されて、前記切断溝内へより多くの冷却水を流入できることとなる。したがって、ワークＷの内部をより効果的に冷却できることになり、バーニングの発生を抑制して切断能率の向上を図ることができるものである。

以上のごとき説明より理解されるように、予め設定された所定時間又は所定距離のレーザ切断加工を行う毎に、レーザ切断加工を一時停止してワーク表面及び内部の冷却を行うことを繰り返してレーザ切断加工を行うものであるから、バーニング等の発生を抑制できるものである。

なお、本発明は、前述したごとき実施形態に限ることなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態で実施可能である。すなわち、レーザ切断加工においてのバーニング等は、ワークの蓄熱等に起因することが多いものである。したがって、レーザ切断経路が予め設定した設定値より近接する場合に、レーザ切断加工を一時停止して、前述したようにワークの冷却を繰り返すことも可能である。また、一時停止位置での冷却水の供給量をより多くすることも可能である。さらに、アシストガスＡＧの噴出をパルス的に行って、ワークＷの切断溝への冷却水の流入を図ることも可能である。

１ レーザ切断加工装置
３ レーザ加工ヘッド
１１ 制御装置
２１ 加工用プログラムメモリ
２３ プログラム読取手段（プログラム解析手段）
２５ 動作制御手段
２７ レーザ切断不良箇所検出手段
２９ 光センサ（光ファイバー）
３１ レーザ切断不良箇所メモリ
３３ パラメータメモリ
３５ 計時手段
３７ 距離演算手段
３９ 設定値メモリ
４１ 比較手段
４３ 一時停止指令手段
４５ 戻り動作指令手段
４７ 選択手段

Claims (6)

1. ワークに対して互に直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動自在なレーザ加工ヘッドを適宜方向へ移動してワークのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工方法であって、ワークに対して所定時間又は所定距離のレーザ切断加工を行う毎にレーザ加工ヘッドの移動及びレーザ光の出力を一時停止し、当該一時停止位置で冷却流体及びアシストガスの噴出を継続して、ワークの表面及び内部の冷却を繰り返し行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。
2. ワークに対して互に直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動自在なレーザ加工ヘッドを適宜方向へ移動してワークのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工方法であって、ワークのレーザ切断加工を行ってレーザ切断不良箇所の検出を行い、２回目のレーザ切断加工を行うに際し、前記レーザ切断不良箇所に相当する不良相当箇所又は当該不良相当箇所をも含む付近のレーザ切断加工を行うとき、レーザ加工ヘッドの移動及びレーザ光の出力を一時停止し、この一時停止位置において冷却流体及びアシストガスの噴出を継続してワークの表面及び内部を冷却することを、所定時間毎又は所定距離のレーザ切断加工毎に繰り返すことを特徴とするレーザ切断加工方法。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ切断加工方法において、前記一時停止位置においてレーザ加工ヘッドを僅かに戻すことを特徴とするレーザ切断加工方法。
4. ワークに対して互に直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動自在なレーザ加工ヘッドを備えたレーザ切断加工装置であって、前記レーザ加工ヘッドの動作を制御するための制御装置は、ワークのレーザ加工を行うためのレーザ加工用プログラムを格納した加工プログラムメモリと、前記加工プログラムメモリの加工プログラムを読み取るプログラム読取手段と、上記プログラム読取手段によって読み取られたレーザ加工用プログラムに従ってレーザ加工ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の動作を制御する動作制御手段と、ワークに対して所定時間又は所定距離のレーザ切断加工を行う毎に前記レーザ加工ヘッドの移動及びレーザ光の出力を一時停止するための指令を出力する一時停止指令手段と、を備えていることを特徴とするレーザ切断加工装置。
5. ワークに対して互に直交するＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ相対的に移動自在なレーザ加工ヘッドを備えたレーザ切断加工装置であって、前記レーザ加工ヘッドの動作を制御するための制御装置は、ワークのレーザ加工を行うためのレーザ加工用プログラムを格納した加工プログラムメモリと、前記加工プログラムメモリの加工プログラムを読み取るプログラム読取手段と、上記プログラム読取手段によって読み取られたレーザ加工用プログラムに従ってレーザ加工ヘッドのＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への動作を制御する動作制御手段と、ワークのレーザ切断加工においてのレーザ切断不良箇所を検出するレーザ切断不良箇所検出手段と、前記レーザ切断不良箇所検出手段によって検出したレーザ切断不良箇所に相当する不良相当箇所又は当該不良相当箇所をも含む付近のレーザ切断加工を行うとき、ワークに対して所定時間又は所定距離のレーザ切断加工を行う毎に前記レーザ加工ヘッドの移動及びレーザ光の出力を一時停止するための指令を出力する一時停止指令手段と、を備えていることを特徴とするレーザ切断加工装置。
6. 請求項４又は５に記載のレーザ切断加工装置において、前記レーザ加工ヘッドの一時停止時に、当該レーザ加工ヘッドを僅かに戻すレーザ加工ヘッド戻し手段を備えていることを特徴とするレーザ切断加工装置。

Images