JP6364536B2 - レーザ切断加工方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属板などのワークのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工方法及び装置に係り、さらに詳細には、ワークのレーザ切断加工時に、例えば穴などのレーザ切断加工時の形状、寸法の加工精度の低下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。

板状のワークにレーザ切断加工を行う場合、例えば夏季に屋外に保管されていた板状のワークは工場内の温度よりも高温であるので、そのままレーザ切断加工を行うと、例えば穴等の形状、寸法の加工精度が低下するという問題がある。また、適宜形状の穴を複数列、複数行に配置して順次レーザ切断加工を行う場合、初期のレーザ切断加工においては形状、寸法を精度良く切断加工を行うことができる。しかし、レーザ切断加工が進行すると、レーザ切断加工時の熱が周囲に伝導され、次第に蓄熱されるものである。したがって、蓄熱に起因する熱膨張により切断精度が低下することがある。また、場合によっては、蓄熱に起因してバーニングを生じることがある。そこで、レーザ切断加工位置へ冷却水を噴射してレーザ切断加工位置の冷却を行うことが行われている（例えば特許文献１，２参照）。

特開昭５８−２３５９０号公報 特開平５−１５４６７４号公報

前記特許文献１に記載の構成においては、レーザ切断加工位置の周囲に冷却水を噴出して冷却を行うので、ワークの熱膨張等を抑制してレーザ切断加工を行うことができ、精度のよいレーザ切断加工を行うことができる。しかし、ワークの冷却が充分でない場合には、レーザ切断加工の進行方向の前側に熱伝導によって蓄熱されることがあり、この蓄熱に起因してレーザ切断加工精度が低下することがある。

特許文献２の記載に係る構成においては、レーザ加工ヘッドに備えた温度センサによってレーザ切断加工位置付近のワークの温度を検出し、この検出温度が設定温度以上の場合に、ノズルからレーザ加工位置付近へ冷却水を噴射して、ワークを冷却しながらレーザ切断加工を行うものである。そして、温度センサによる検出温度が設定温度以下になると、冷却水の噴出を停止するものである。したがって、例えばバーニングを防止してレーザ切断加工を行うことができるものである。

前記特許文献１，２に記載の構成は、レーザ切断加工位置近傍の周囲に冷却水を噴射して加工位置付近の冷却を行う構成である。したがって、レーザ切断加工時に、レーザ切断加工位置において溶損を生じ易い部分の溶損を防止してのレーザ切断加工を行うことができる。しかし、レーザ切断加工の進行方向の前側に、熱伝導によって蓄熱されることを防止し得るものではない。

したがって、レーザ切断加工が進行し、レーザ切断加工の進行方向の前側であって蓄熱されている部分のレーザ切断加工を行う場合には、蓄熱に対してレーザ切断加工時の熱が追加されることとなり、冷却水を噴射して冷却しているにも拘わらず、冷却が不充分になり、レーザ切断加工の精度が低下する場合がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、板状のワークのレーザ切断加工方法であって、ワーク全体に対して冷却水を掛けて予めワーク全体を冷却した後にワークのレーザ切断加工を行うに際し、レーザ加工ヘッドに備えた冷却水ノズルから冷却水を噴射する際のレーザ加工ヘッドの高さ位置は、レーザ切断加工時におけるレーザ加工ヘッドの高さ位置よりも高いことを特徴とするものである。

また、板状のワークのレーザ切断加工方法であって、ワーク全体に対して冷却水を掛けて予めワーク全体を冷却した後にワークのレーザ切断加工を行うに際し、ワークの温度を検出する温度センサの検出温度と設定温度との比較の結果、検出温度≧設定温度の場合に、前記冷却水ノズルから冷却水を噴射する際のレーザ加工ヘッドの高さ位置は、レーザ切断加工時におけるレーザ加工ヘッドの高さ位置よりも高い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であって、レーザ切断加工装置のレーザ切断加工位置へワークを相対的に搬入するとき、又は搬入した後に、ワーク上面へ冷却水を噴射してワークの冷却を行った後にレーザ切断加工を行うことを特徴とするものである。

また、板状のワークのレーザ切断加工方法であって、ワーク全体に対して冷却水を掛けて予めワーク全体を冷却した後にワークのレーザ切断加工を行うに際し、レーザ切断加工装置のレーザ切断加工位置へワークを相対的に搬入するとき、又は搬入した後に、ワーク上面へ冷却水を噴射してワークの冷却を行った後にレーザ切断加工を行うために、レーザ加工ヘッドに備えた冷却水ノズルから冷却水を噴射する際のレーザ加工ヘッドの高さ位置は、レーザ切断加工時におけるレーザ加工ヘッドの高さ位置よりも高く保持し、ワークの温度を検出する温度センサの検出温度と設定温度との比較の結果、検出温度≧設定温度の場合に、前記冷却水ノズルから冷却水を噴射す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方法において、ワーク上面への冷却水の噴射はほぼ全面に行い、かつワーク上面が冷却水によって濡れた状態にあるときにワークのレーザ切断加工を開始する。

本発明は、ワークのレーザ切断加工を開始する前に、冷却水をワークに噴出して冷却した後にレーザ切断加工を行うものである。したがって、ワークの熱膨張等に起因する精度低下を抑制することができるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ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。 レーザ切断加工の説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態に係るレーザ切断加工装置について説明するに、図１に概念的、概略的に示すように、レーザ切断加工装置１は、ワークWとしての金属板に対して相対的にＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動自在のレーザ加工ヘッド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５が光学的に接続してある。また、レーザ加工ヘッド３には、ワークＷに対してレーザ加工ヘッド３をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動位置決めするためのサーボモータ７が備えられている。したがって、前記レーザ発振器５から発振されたレーザ光ＬＢを、レーザ加工ヘッド３からワークＷへ照射しつつ、前記サーボモータ７の駆動によってレーザ加工ヘッド３をＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動することにより、ワークＷのレーザ切断加工が行われることになる。

前記レーザ加工ヘッド３の適宜位置には、ワークＷの温度を検出するための温度センサ９が備えられていると共に、レーザ切断加工位置付近の周囲に冷却水を噴出（噴射）するための冷却水ノズル１１が備えられている。そして、この冷却水ノズル１１には、例えばポンプなどのごとき冷却水噴出手段１３が開閉弁１５を介して接続してある。したがって、ワークＷに対してレーザ加工ヘッド３を相対的に移動することにより、前記温度センサ９によってワークＷの温度を測定することができる。そして、測定温度が設定温以上の箇所に対して、冷却水ノズル１１から冷却水を噴出して冷却することができるものである。

前記レーザ発振器５の出力、前記サーボモータ７の動作、前記冷却水噴出手段１３の動作及び前記開閉弁１５の開閉動作を制御するために、前記レーザ切断加工装置１には制御装置１７が備えられている。この制御装置１７は、コンピュータから構成されているものであって、ＣＰＵ１９、ＲＡＭ２１、ＲＯＭ２３、入力手段２５及び表示手段２７を備えている。

前記制御装置１７には、自動プログラミング装置２９によって生成（作成）された各種のレーザ切断加工プログラムを格納した加工プログラム格納手段３１が備えられている。さらに、前記制御装置１７には、レーザ切断加工に先立ってレーザ切断加工位置又はレーザ切断加工領域全面に冷却水を噴出（噴射）する移動動作を行うための動作パターンを格納した噴射動作プログラム格納手段３３が備えられている。

すなわち、ワークＷが全面的に高温の場合には、ワークＷのレーザ加工領域（レーザ加工範囲）の全面に対して冷却水ノズル１１から冷却水を噴出するために、レーザ切断加工時におけるレーザ加工ヘッド３の高さ位置よりもレーザ加工位置の高さ位置を高く位置決めすると共に、ワークＷのレーザ加工領域全面に対してジグザグ状に、又は螺旋状などの適宜のパターンで移動する動作パターン（全面的噴射動作パターン）のプログラムが前記噴射動作プログラム格納手段３３に格納されている。

また、前記噴射動作プログラム格納手段３３には、前記加工プログラム格納手段３１に格納された各レーザ切断加工プログラムのＮｏに関連付けて、加工位置を予め冷却するための動作を行う予噴出プログラムが格納されている。この予噴出プログラムは、例えば適宜形状の穴をレーザ切断加工する際に、前記温度センサ９による当該レーザ切断加工位置の検出温度（測定温度）が予め設定した設定温度よりも高温の場合に、当該レーザ切断加工位置に前記冷却水ノズル１１から冷却水を噴出する動作のプログラムであって、前記自動プログラミング装置２９によるレーザ切断加工プログラムの生成時に、当該レーザ切断加工プログラムに関連付けて作成されるものである。

すなわち、予噴出プログラムは、例えば穴等のレーザ切断加工を順次行う場合に、レーザ切断加工を開始する前に、当該レーザ切断加工位置のワークＷの温度を前記温度センサ９によって予め測定した結果、測定温度が設定値以上のときに、レーザ加工ヘッド３を、レーザ切断加工時の高さ位置よりも高位置で穴等の切断加工位置付近へ移動して、冷却水ノズル１１から冷却水をレーザ加工位置付近の周囲に予め噴出するためのものである。

前記制御装置１７には、前記温度センサ９が接続してあると共に、当該温度センサ９によって検出した検出温度（測定温度）と比較する設定温度を予め格納した設定値メモリ３５を備えている。そして、前記検出温度と設定温度とを比較する比較手段３７が前記制御装置１７に備えられている。

以上のごとき構成において、レーザ切断加工装置１におけるワークテーブル（図示省略）上にワークＷを載置位置決めした後に、ワークＷのレーザ切断加工を行うことになる。ここで、ワークＷのレーザ切断加工を行う前に、レーザ加工ヘッド３に備えた温度センサ９によってワークＷの温度を検出する。そして、検出温度と設定値メモリ３５に予め格納された設定温度とを、比較手段３７によって比較した結果、検出温度≧設定温度の関係にある場合には、ワークＷのレーザ加工領域全面に対して冷却水を噴出して、ワークＷをレーザ加工開始前に冷却するものである。

すなわち、ワークＷのレーザ切断開始前に、ワークの検出温度≧設定温度の場合には、これからレーザ切断加工を行うためのレーザ切断加工プログラムに従って、レーザ加工領域全面に冷却水を噴出するものである。この場合は、冷却水を噴出するための動作であるから、発振器動作制御手段３９の制御の下にレーザ発振器５の出力は零に保持される。そして、加工ヘッド動作制御手段４１の制御の下に、レーザ加工ヘッド３の高さ位置を、レーザ切断加工時の高さ位置よりも高位置に保持する。そして、レーザ加工ヘッド３はワークＷに対してＸ，Ｙ軸方向へ相対的に移動制御される。また、冷却水噴出制御手段４３の制御の下に冷却水噴出手段１３及び開閉弁１５の動作が制御されて、レーザ加工領域全面に冷却水の噴出が行われることになる。

なお、検出温度＜設定温度の場合には、レーザ加工領域全面に冷却水の噴出を行うことなく、ワークＷのレーザ切断加工が開始されることになる。ところで、図２に示すように、ワークＷに対して穴Ｈ１〜Ｈ４を順次加工するとき、最初の穴Ｈ１の加工開始時には、ワークＷの温度は常温度あるので、安定したレーザ切断加工が行われることになる。

しかし、レーザ切断加工を順次行う場合、前工程におけるレーザ切断加工時の熱が伝導されて、次の加工位置に蓄熱されることになる。したがって、この蓄熱された部分は熱膨張等を生じ、レーザ切断加工の形状、寸法の精度が低下することになる。そこで、次の穴Ｈ２のレーザ切断加工を行う前に、温度センサ９によって穴Ｈ２のレーザ加工領域の温度を検出し、検出温度≧設定温度の場合には、レーザ加工ヘッド３を、レーザ切断加工位置の高さ位置よりも高く位置決めし、冷却水ノズル１１から冷却水を噴出することにより、レーザ加工領域付近の冷却を行うことになる。

すなわち、冷却水を噴出してワークのレーザ加工領域を予め冷却した後にレーザ切断加工を行うものである。したがって、熱伝導による蓄熱の悪影響を抑制してレーザ切断加工を行うこととなり、精度のよいレーザ切断加工を行い得るものである。なお、この冷却した後にレーザ切断加工を行う場合、前回のレーザ切断加工時におけるレーザ出力よりも低出力でもってレーザ切断加工を行うことが望ましいものである。この場合、ワークＷに対して過剰な熱を付与することなくレーザ切断加工を行い得るものである。

なお、ワークＷのレーザ加工領域へ予め冷却水を噴出して予め冷却するには、前述したように、穴Ｈ２位置に冷却水を噴出する際に、穴Ｈ３，Ｈ４のレーザ加工領域へレーザ加工ヘッド３を予め移動して、レーザ切断加工の進行方向の前側のレーザ切断加工領域へ予め冷却水を噴出することも可能なものである。このように、レーザ切断加工の進行方向の前側のレーザ切断加工領域へ予め冷却水を噴出することにより、ワークＷのレーザ切断加工方向の前側のレーザ切断加工領域の温度上昇を抑制することができ、ワークＷに対する穴加工を能率よく行うことができるものである。

以上のごとき説明から理解されるように、ワークＷの検出温度≧設定温度の場合には、冷却水を噴出してワークＷを冷却した後にレーザ切断加工を行うものであるから、精度のよいレーザ切断加工を行い得るものである。

また、レーザ切断加工の進行方向の前側のレーザ切断加工領域に予め冷却水を噴出するものであるから、レーザ切断加工時の熱伝導による蓄熱を抑制することができ、レーザ切断加工領域を改めて冷却することを省略することも可能であり、レーザ切断加工の能率向上を図ることができるものである。なお、レーザ切断加工領域に予め冷却水を噴射し冷却した後に、冷却をしながらレーザ切断加工をする場合は、蓄熱の抑制効果は高まり温度上昇をさらに抑制することができる。また、冷却水を噴射する際はレーザ加工ヘッド３の高さ位置を、レーザ切断加工時の高さ位置よりも高位置に保持する旨説明したが、レーザ切断加工時の高さと同等の位置に保持して行っても良い。

ところで、前記説明においては、温度センサ９によってワークＷの温度を検出し、設定温度以上の場合に、ワークＷの上面に全体的に冷却水を噴出して冷却する旨説明した。しかし、例えば夏季の炎天下にワークＷを保管している場合、温度を測定するまでもなく、ワークＷは高温度あることは既知である。したがって、このような場合には、レーザ切断加工装置のレーザ切断加工位置に搬入した後に、又は搬入するときに、ワークＷの上面に全体的に冷却水を噴出して、ワークを予め冷却した後にレーザ切断加工を行うことが望ましいものである。

前述のように、レーザ切断加工位置に搬入した後に冷却水をワークＷに対して全面的に噴射するには、前述したように、ワークＷに対してレーザ加工ヘッド３を相対的にＸ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動し、レーザ加工ヘッド３に備えた冷却水のズル１１から冷却水を噴出すればよいものである。なお、レーザ切断加工位置へワークＷを搬入するときに、ワークＷに対して冷却水を全面的に噴射する構成としては、前記レーザ切断加工位置へのワークＷの搬入経路の上方に適宜構成の冷却水ノズルを備えた構成とすればよいものである。この場合、ワーク検出センサを備えて、ワークＷが所定位置に搬入されたときに冷却水ノズルから冷却水を噴射し、上記所定位置を経過したときに冷却水の噴射を停止する構成とすることが望ましいものである。

前述のように、ワークＷの上面のほぼ全面に冷却水の噴射を行ってワークＷを全体的に予め冷却してレーザ切断加工を行う場合、ワーク上面が冷却水によって濡れた状態にあるときに、レーザ切断加工を開始することが望ましいものである。

１ レーザ切断加工装置
３ レーザ加工ヘッド
９ 温度センサ
１１ 冷却水ノズル
３１ 加工プログラム格納手段
３３ 噴射動作プログラム格納手段
３５ 設定値メモリ
３７ 比較手段

Claims (5)

1. 板状のワークのレーザ切断加工方法であって、ワーク全体に対して冷却水を掛けて予めワーク全体を冷却した後にワークのレーザ切断加工を行うに際し、レーザ加工ヘッドに備えた冷却水ノズルから冷却水を噴射する際のレーザ加工ヘッドの高さ位置は、レーザ切断加工時におけるレーザ加工ヘッドの高さ位置よりも高いことを特徴とするレーザ切断加工方法。
2. 板状のワークのレーザ切断加工方法であって、ワーク全体に対して冷却水を掛けて予めワーク全体を冷却した後にワークのレーザ切断加工を行うに際し、ワークの温度を検出する温度センサの検出温度と設定温度との比較の結果、検出温度≧設定温度の場合に、前記冷却水ノズルから冷却水を噴射する際のレーザ加工ヘッドの高さ位置は、レーザ切断加工時におけるレーザ加工ヘッドの高さ位置よりも高い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であって、レーザ切断加工装置のレーザ切断加工位置へワークを相対的に搬入するとき、又は搬入した後に、ワーク上面へ冷却水を噴射してワークの冷却を行った後にレーザ切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。
4. 板状のワークのレーザ切断加工方法であって、ワーク全体に対して冷却水を掛けて予めワーク全体を冷却した後にワークのレーザ切断加工を行うに際し、レーザ切断加工装置のレーザ切断加工位置へワークを相対的に搬入するとき、又は搬入した後に、ワーク上面へ冷却水を噴射してワークの冷却を行った後にレーザ切断加工を行うために、レーザ加工ヘッドに備えた冷却水ノズルから冷却水を噴射する際のレーザ加工ヘッドの高さ位置は、レーザ切断加工時におけるレーザ加工ヘッドの高さ位置よりも高く保持し、ワークの温度を検出する温度センサの検出温度と設定温度との比較の結果、検出温度≧設定温度の場合に、前記冷却水ノズルから冷却水を噴射することを特徴とするレーザ切断加工方法。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ切断加工方法において、ワーク上面への冷却水の噴射はほぼ全面に行い、かつワーク上面が冷却水によって濡れた状態にあるときにワークのレーザ切断加工を開始することを特徴とするレーザ切断加工方法。

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