JP6771684B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、被加工物をレーザ光により加工するレーザ加工装置に関するものである。

レーザ加工は、レーザ光を集光して被加工物に照射し、被加工物を溶融、蒸発等させ、被加工物の形状を変化させる加工方法である。レーザ加工においては、レーザ加工装置の状態、加工条件によってはさまざまな加工不良が発生する。加工不良の具体例を挙げると、加工時に加工物の下面に酸化生成物が付着するドロス、加工面に凹凸が発生するキズ等がある。

加工不良は、被加工物の状態、加工条件、機械の整備不良といった様々な原因によって発生する。加工不良の原因となる被加工物の状態としては、温度、被加工物に含まれる不純物、表面状態、サビ等が挙げられる。加工不良の原因となる加工条件としては、レーザの出力、加工速度、ガスの圧力等が挙げられる。加工不良の原因となる機械の整備不良としては、ノズルの損傷、ノズルの芯ずれ、機械振動、光学系の汚れが挙げられる。

そして、加工不良の発生の発見が遅れると多数の不良品を発生させることになり、生産効率が低下する。一方、作業者が加工中に加工不良の発生を発見することは難しく、加工終了後に被加工物を目視確認することにより初めて加工不良が発見される場合が多い。そのため、人手に依らずに加工不良を検知する手法、さらには加工不良に応じて加工条件を調整する手法が開発されている。

特許文献１には、レーザ加工システムの状態量を観測する状態量観測部と、レーザ加工システムによる加工結果を取得する動作結果取得部と、状態量観測部からの出力および動作結果取得部からの出力を受け取り、レーザ加工システムの状態量および加工結果に関連付けてレーザ加工条件データを学習する学習部と、を含む機械学習装置が開示されている。

特開２０１７−１６４８０１号公報

しかしながら、上記の従来技術では、加工状態の監視と分類、および加工中の状態量から加工条件の修正を行うが、加工状態の変化には注目していないために、加工不良が発生する原因を推定することは困難であり、加工不良の発生原因に応じた適切な機械の整備や加工条件の調整を行うことができない。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加工中に発生した不良の原因を推定できるレーザ加工装置を得ることを目的としている。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ光を射出するレーザ発振器と、レーザ光を被加工物へ集光する光学系を有する加工ヘッドと、被加工物と加工ヘッドとの相対位置関係を制御する駆動部と、設定された加工条件に従い、レーザ光が被加工物上の加工経路を走査するように、レーザ発振器および駆動部を制御する制御装置と、加工中の被加工物の状態を観測し、観測結果を時系列信号として出力する検出部と、を備える。本発明は、加工経路を複数に分割した区間ごとに時系列信号に基づいて被加工物の加工の状態を評価することにより、状態が良好であるか不良であるかを示す判定結果を含んだ評価情報を求める加工状態観測部と、判定結果が不良を示す区間を含んだ２つ以上の区間の評価情報に基づいて、不良の原因を推定する推定部と、をさらに備える。

本発明によれば、加工中に発生した不良の原因を推定できるレーザ加工装置を得ることができるという効果を奏する。

本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置の構成を示す図 実施の形態１にかかる被加工物に指定された加工経路および加工経路の分割された区間を示す図 実施の形態１にかかる区間ごとの評価情報の一例を示した図 実施の形態１にかかる不良の原因の推定からの整備作業を説明するフローチャート 本発明の実施の形態２にかかる評価値が急激に悪化する場合の一例を示す図 実施の形態２にかかる評価値が徐々に悪化する場合の一例を示す図 実施の形態２にかかる評価値が変動しながら悪化する場合の一例を示す図 実施の形態１から３にかかるレーザ加工装置の機能の一部をコンピュータシステムで実現する場合のハードウェア構成を示す図

以下に、本発明の実施の形態にかかるレーザ加工装置を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１にかかるレーザ加工装置１の構成を示す図である。レーザ加工装置１は、レーザ発振器２と、光路３と、加工ヘッド４と、駆動部５と、制御装置６と、検出部７と、加工状態観測部８と、記憶部９と、推定部１０と、を備えている。なお、図１に示した点線はレーザ光を表している。また、記憶部９は、制御装置６、加工状態観測部８および推定部１０のいずれかに含まれていてもよい。レーザ加工装置１は、図示していない表示部を備えているが、表示部は制御装置６の一部であってもよい。

レーザ発振器２はレーザ光を発振して射出する。レーザ発振器２から射出されたレーザ光は光路３を介して、加工ヘッド４へ供給される。加工ヘッド４は、レーザ光を被加工物１１へ集光する光学系を有している。駆動部５は、少なくとも１組のモータおよび位置検出器により構成されるサーボ制御装置であり、加工ヘッド４と被加工物１１との相対位置関係を制御して変化させることができる。加工ヘッド４は、供給されたレーザ光を被加工物１１へ照射する。

制御装置６は、設定された加工条件に従って、レーザ光が被加工物１１上の加工経路を走査するように、レーザ発振器２および駆動部５を制御する。

検出部７は、加工中の被加工物１１の状態を観測するセンサであり、観測結果を時系列信号として出力する。検出部７は、さらに、加工中のレーザ加工装置１の状態を観測して、観測結果を時系列信号として出力してもよい。

加工状態観測部８は、被加工物１１上の加工経路を複数に分割した区間ごとに、検出部７から取得した時系列信号に基づいて、その区間における被加工物１１の加工の状態を評価して評価情報を求める。評価情報は、被加工物１１の加工の状態が良好であるか不良であるかを示す判定結果を含む。

記憶部９は、加工状態観測部８で評価された被加工物１１の評価情報を記憶する。

推定部１０は、被加工物１１の判定結果が不良とされた場合に、記憶部９に保存された、不良と判定された区間を含む２つ以上の区間における被加工物１１の評価値に基づいて、不良の原因を推定する。

レーザ発振器２の種類は限定されない。レーザ発振器２の一例は、ファイバレーザ発振器であるが、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧ結晶等を励起媒体とする固体レーザであってもよい。また、レーザ発振器２は、レーザダイオードの光をそのまま利用するダイレクトダイオードレーザ等であってもよい。

光路３は、レーザ発振器２から出力されたレーザ光を加工ヘッド４まで伝送する経路であり、レーザ光を空中で伝搬させる経路でもよいし、光ファイバを通じてレーザ光を伝送させる経路でもよい。光路３は、レーザ光の特性に応じて設計される必要がある。

加工ヘッド４は、レーザ光を被加工物１１へ照射する機能を有しており、被加工物１１の表面付近に焦点を結ぶような光学系を備えていることが望ましい。加工ヘッド４は、さらに、良好な加工結果を得るために、加工中の被加工物１１の表面に向けて、ノズルから加工ガスを吹き付ける仕組みを備えていることが望ましい。

駆動部５は、加工ヘッド４と被加工物１１との相対位置を制御する機能を有していればよい。したがって、駆動部５は、加工ヘッド４を移動させる機能および被加工物１１を移動させる機能の少なくともいずれか一方の機能を有していればよい。また、駆動部５の具体例は、リニアモータおよび位置検出器によって構成されるサーボ制御装置であるが、モータおよびギアによる駆動方式を採用してもよく、回転軸を有する制御機構であってもよい。

制御装置６は、設定された加工条件に従って、レーザ光が被加工物１１上の加工経路を走査するようにレーザ発振器２および駆動部５を制御する。

上記加工条件に含まれる被加工物１１の性質の具体例は、材質、厚さ、表面の状態等である。また、上記加工条件に含まれるレーザ発振器２の動作条件の具体例は、レーザ出力強度、レーザ出力周波数、レーザ出力のデューティ比、モード、波形、波長等である。また、上記加工条件に含まれる光路３、加工ヘッド４および駆動部５の条件の具体例は、光路３の光学系、集光光学系、被加工物１１に対するレーザ光の焦点の位置、レーザの集光径、被加工物１１と加工ヘッド４との距離、加工ガスの種類、加工ガスの圧力、ノズルの穴径、ノズルの種類、加工速度等である。また、上記加工条件に含まれる加工時の雰囲気の具体例は、温度、湿度等である。なお、ここで示した加工条件は一例であり、レーザ加工装置１の種類、加工目的、具備する装置等に応じて加工条件の項目を増減することができる。

検出部７は、加工中に被加工物１１の状態を観測するものであり、加工中に発生する光の強度および波長、加工中に発生する音波、超音波といった物理量の計測値を時系列信号として計測する。

検出部７の一例は、被加工物１１からの反射光の強さを測定するフォトダイオードであり、加工中に計測した光強度を時系列情報として出力する。検出部７の他の例は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）センサ、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサ、スペクトル分光器、音響センサである。検出部７は、上記の例を組み合わせたものであってもよい。また、レーザ光が光ファイバを用いて伝送される場合、検出部７は、加工の際に発生した光が光ファイバを通じて伝わったものを検出してもよい。

さらに、被加工物１１の状態を直接的に監視するものではないが、レーザ加工装置１の状態または雰囲気を観測するセンサとして、加速度センサ、ジャイロセンサ、距離センサ、位置検出器、温度センサ、湿度センサ等を、検出部７に追加してもよい。被加工物１１の加工状態およびレーザ加工装置１の状態を、より正確に観測できるためには、複数または多種類のセンサを検出部７として用いる方がよい。

加工状態観測部８は、被加工物１１上の加工経路を分割した区間ごとに、その区間の加工中に検出部７から得られる時系列信号に基づいて、その区間における被加工物１１の加工の状態を評価して評価情報を求める。加工状態観測部８は、その区間の評価情報を求める際に、その区間の加工に用いられた加工条件をさらに用いてもよい。

図２は、実施の形態１にかかる被加工物１１に指定された加工経路および加工経路の分割された区間を示す図である。図３は、実施の形態１にかかる区間ごとの評価情報の一例を示した図である。

図２の被加工物１１上に、作業者によって指定された加工経路１１ａが示されている。加工経路１１ａは、区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃおよび区間Ｄの４つの区間に分割されており、区間Ａ、区間Ｂ、区間Ｃ、区間Ｄの順に加工される。

そして、各区間の加工時もしくは加工後に、各区間の加工時に検出部７から得られた時系列信号に基づいて、各区間それぞれに対して加工状態観測部８が評価を行って評価情報を求める。

加工状態観測部８は、図３に示すような評価情報を求めるために各区間の評価および判定を行う。図３の「評価」の欄に示されている評価値は、被加工物１１の加工の状態の良好度合いを評価して示した数値である。すなわち、評価値は、評価を行う区間の加工がどの程度の確からしさで良好であるかを評価して０から１の値で表したものである。加工状態観測部８は、０．５をしきい値として、評価値が０．５以上の値であれば良好と判定し、０．５未満の値であれば不良と判定して判定結果を「判定」の欄に示す。したがって、加工状態観測部８が求める評価情報には評価値および判定結果が含まれることになる。

加工状態観測部８による加工状態の評価情報の算出は、検出部７から得られる時系列信号から得られる情報を解析し、加工の特性を表す特徴量を求めて、特徴量の値の組を評価することによって行うことができる。

特徴量の一例は、区間ごとに検出部７から得られる時系列信号から得られる計測値の平均値および標準偏差である。そして、平均値および標準偏差の組に対してそれぞれに基準値を設け、基準値からの差に応じて各区間で発生している不良の不良度合いを評価する。不良度合いは、１から上記評価値を減じた値と定義してもよい。なお、検出部７の構成または種類に応じて、特徴量を求める方法を変更する必要がある。

特徴量を求める方法は種々あり、検出部７から得られる時系列信号を統計解析、周波数解析、フィルタバンク解析、またはウェーブレット変換等の方法により時系列信号を解析することで得られる値の組を特徴量とすることもできる。なお、ここに挙げた特徴量を求める方法は一例であり、時系列信号の一般的な解析方法を用いて特徴量を求めてもよい。

加工状態観測部８による加工状態の評価情報を求めるには、検出部７から得られる時系列信号を解析して得られた特徴量に対して、線形判別、ロジスティクス回帰、サポートベクターマシン、関連ベクトルマシン、決定木等といった分類器による手法を用いることができる。また、加工状態の評価には、Ｋ-ｍｅａｎｓアルゴリズム、混合ガウス分布、混合ベルヌーイ分布等を用いるクラスタリングの手法を用いることもできる。

また、加工状態の評価情報を求めるために、検出部７から得られる時系列信号の情報を直接利用してもよいし、時系列信号を解析して得られた特徴量を利用してもよい。ニューラルネットワーク、ディープニューラルネットワーク、リカレントニューラルネットワーク等といったニューラルネットワークを用いる手法によって加工状態の評価を行うことも可能である。

上に挙げた加工状態の評価手法は一例であり、一般の分類アルゴリズム、一般のクラスタリング手法、および、これらを組み合わせた手法を用いることが可能である。また、加工状態の評価のために、他のアルゴリズムを使用してもよい。

なお、推定部１０における不良の原因の推定を正確に行うためには、加工状態観測部８において、特徴量を利用して、被加工物１１の不良の状態をさらに詳しく分類して、被加工物の不良の状態の分類を示す分類情報を含む評価情報を求めておくことが望ましい。分類情報の値は、ドロス、キズ、上面荒れ、下面荒れ、酸化膜はがれ、およびバーニングのうちの少なくとも１つを含むことができる。さらに、このように分類された状態での各不良についての不良の度合いを求めておいて評価情報に含めておくことが望ましい。

また、評価を行う区間は、被加工物１１の上に指定される加工経路を分割するものであれば良く、区間の作成方法は限定されない。一例としては、加工経路の一定長の距離ごとに区間を作成してもよい。また、他の例としては、加工の一定時間ごとに加工経路を分割して区間を作成してもよい。また、加工経路の進行方向または形状が変化する点で加工経路を分割して区間を作成してもよい。また、加工中に検出部７から得られる時系列信号から得られる情報と、加工に用いられた加工条件とから連続的に加工状態を判別し、評価情報が変化した点を基準に分割した区間を作成してもよい。また、上記の方法を組み合わせた手法を用いてもよい。

記憶部９は、加工状態観測部８が求めた評価情報を記憶する。評価情報には、上述したように評価値および判定結果が含まれている。この際、より正確な不良の原因推定を推定部１０に行わせるために、評価情報に加えて、区間ごとの加工条件、加工の進行方向、加工の位置、検出部７から得られる時系列信号の解析結果、加工の形状等を記憶部９に記憶させてもよい。推定部１０は、記憶部９に記憶されたこれらの情報を不良の原因の推定にさらに用いてもよい。加工の進行方向および加工の位置は、制御装置６から得られる情報である。

推定部１０は、加工状態観測部８による判定結果が不良を示す区間を含んだ２つの区間の評価情報に基づいて、不良の原因を推定する。具体的には、推定部１０は、加工状態観測部８によって加工中に区間が不良であると判定された場合に、不良であると判定された区間における評価値と、記憶部９に記憶されている他の１つの区間における評価値とから、不良が発生した原因の推定を行う。すなわち、不良と判定された区間を含んだ２つの区間それぞれの評価値に基づいて、不良が発生した原因を推定する。ここでは、不良が発生した原因の推定に評価値を用いたが、推定部１０は、判定結果が不良とされた区間を含んだ２つの区間の評価情報に基づいて、不良の原因を推定するのであれば、評価情報に含まれる他の量を用いてもかまわない。評価情報に特徴量を含めて、２つの区間の特徴量を比較することにより不良の原因を推定してもよい。

さらに、推定部１０は、推定した原因に応じて、制御装置６へ推定した不良の原因を通知したり、作業者へ提示させるために制御装置６の表示部に不良の原因を表示させたりする。通知を受けた制御装置６は、推定した原因を解消するような整備を行うように、レーザ加工装置１の動作を変更したり加工条件を変更したりする。

以下では、推定部１０における不良の原因の推定方法を具体的に説明する。

レーザ加工中に発生する不良の原因には、以下のような原因が挙げられる。
・保護ガラス等の光学系の汚れ
・ノズルの損傷または変形
・ノズルへのスパッタの付着
・芯ずれ
・被加工物１１の表面状態または組成の違い
・被加工物１１の温度が高いこと
・加工条件の調整不良
・熱レンズ効果

芯ずれとは、レーザ光の光軸がノズルの中心軸から外れている状態である。また、被加工物１１の表面状態または組成の違いとは、良好な加工が行える場合に比べて被加工物１１の表面状態または組成が異なる状態である。熱レンズ効果とは、集光光学系に熱がたまり、光学特性が変化した状態である。

不良が発生した際に、不良が発生した区間を含んだ２つの区間を比較することで得られる情報から、不良の原因の絞り込みが行えるようにこれらの原因を予め分類しておく。

一例として、不良と判定された区間の直前の区間の評価値と、不良と判定された区間の評価値とを比較することで、不良が突発的に発生したものか否かを判別することができる。これについて説明する前に、不良の原因を、突発的に発生する原因と、突発的には発生しない原因とに以下のように分類しておく。

（突発的に発生する不良の原因）
・保護ガラス等の光学系の汚れ
・ノズルの損傷または変形
・ノズルへのスパッタの付着
・被加工物１１の表面状態または組成の違い
・加工条件の調整不良
・芯ずれ

（突発的には発生しない不良の原因）
・熱レンズ効果
・被加工物１１の温度が高いこと
・芯ずれ

芯ずれは、加工ヘッド４のノズルが何かに衝突したために突発的に発生する場合と、ノズル部分の固定が不十分で、加工ヘッド４が加減速を繰り返したときにその振動で徐々にノズルが移動して発生する場合がある。したがって、芯ずれは、突発的に発生する不良の原因または突発的には発生しない不良の原因のいずれの原因にもなり得る。

また、加工条件の調整不良は、加工開始時から不良が発生するため、最初の区間で良好な加工が行えたか否かを確認すれば、加工条件の調整不良が不良の原因か否かを判別することができる。

不良と判定された区間の直前の区間の評価値に比べて、不良と判定された区間の評価値が大きく変化した場合には、突発的に発生する不良の原因によって加工に不良が発生していると考えられる。したがって、推定部１０によって推定される不良の原因の候補は、保護ガラス等の光学系の汚れ、ノズルの損傷または変形、ノズルへのスパッタの付着、被加工物１１の表面状態または組成の違い、芯ずれ、となる。なお、評価値が大きく変化した場合か否かは第一の閾値を用いて判定することができる。

他方、不良と判定された区間の直前の区間の評価値に比べて、不良と判定された区間の評価値の変化が小さい場合には、加工状態が徐々に不良状態に近づいていったと考えられ、突発的には発生しない不良の原因によって加工に不良が発生していると考えられる。したがって、推定部１０によって推定される不良の原因の候補は、熱レンズ効果、被加工物１１の温度が高いこと、芯ずれ、となる。なお、評価値変化が小さいか否かについては第二の閾値を用いて判定することができる。第二の閾値は第一の閾値とは同じでもよいが、異なる値にしてもかまわない。

また、不良と判定された区間が、加工開始時の最初の区間であれば、推定部１０は、加工条件の調整不良が不良の原因であると推定できる。

図４は、実施の形態１にかかる不良の原因の推定からの整備作業を説明するフローチャートである。

まず、推定部１０が不良の原因を推定する（ステップＳ１）。推定部１０は、上述したように不良の原因が一つに絞り切れない場合は、複数の原因からなる不良の原因の候補を推定する。

次に、推定部１０は、推定した不良の原因または不良の原因の候補に基づいて制御装置６に整備を指示する（ステップＳ２）。具体的には、推定部１０が推定した複数の原因の候補が得られた場合、複数の原因の候補から原因を１つ選択して、選択された原因を取り除くための整備作業を制御装置６に指示する。なお、ステップＳ２において、選択された原因を制御装置６の表示部に表示させるなどして、選択された原因を取り除けるような整備を作業者へ依頼するようにしてもかまわない。

ステップＳ２での推定部１０からの指示に従って、制御装置６は、選択された原因を取り除くための整備作業を行う（ステップＳ３）。具体的には、制御装置６は、整備作業をレーザ発振器２または駆動部５に行わせる。なお、作業者が整備を依頼された場合は、作業者が整備作業を行う。

その後、レーザ加工装置１は、試し加工を実行する（ステップＳ４）。

そして、加工状態観測部８によって、試し加工で不良が発生したか否かが判定される（ステップＳ５）。試し加工で不良が発生しない場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、レーザ加工装置１は、通常の加工を再開する（ステップＳ６）。

試し加工で不良が発生した場合（ステップＳ５:Ｙｅｓ）、推定部１０は、不良の原因の候補から制御装置６が整備作業を行った対象であった原因を取り除く（ステップＳ７）。そして、推定部１０は、原因の候補が残っているか否かを判定する（ステップＳ８）。

原因の候補が残っていない場合（ステップＳ８:Ｎｏ）、レーザ加工装置１は、試し加工を終了する（ステップＳ９）。

原因の候補が残っている場合（ステップＳ８:Ｙｅｓ）、ステップＳ２へ戻り、残っている原因の候補から原因を１つ選択して、選択された原因を取り除けるような整備作業を制御装置６に指示する。または、選択された原因を取り除けるような整備を作業者へ依頼する。

なお、上記ステップＳ２において、複数の原因の候補から原因を１つ選択する場合には、推定部１０は、複数の原因の候補の中で可能性または発生頻度が高いと考えられるものから順に選択するようにする。このようにして選択された原因を取り除けるように、推定部１０は、整備作業を制御装置６に指示するか、または整備を作業者へ依頼することにより、効率的に整備作業を行わせることができる。また、作業者が不在でも不良の原因を除去することができるように、レーザ加工装置１が自動的に整備作業を行える原因から順に推定部１０が選択して、整備作業を制御装置６に指示するようにしてもよい。

また、ステップＳ２において、作業者がどの区間でどのような不良が発生したのかを理解しやすいように、制御装置６の表示部へ評価値および判定結果といった評価情報を表示させたり、表示部に表示された加工経路の区間の上に対応する評価値および判定結果といった評価情報を表示させたりしてもよい。

また、記憶部９が区間ごとの評価情報に加えて、区間ごとの加工条件、区間ごとの加工の進行方向、検出部７から得られる時系列信号の解析結果等を記憶する場合、推定部１０は、不良の発生した原因を推定する際に、評価情報に加えて記憶部９に記憶されているこれらの情報を用いることもできる。

推定部１０が不良が発生した区間を含んだ２つの区間を、評価値といった評価情報を用いて比較を行うために選ぶ方法としては、様々な選び方が考えられるが、既に説明した選び方を含めた具体例には以下のような選び方が考えられる。

・加工条件の調整に問題が無いことを確認するために、同一の被加工物１１の中で、同じ加工条件で加工した異なる２つの区間を選ぶ方法。
・検出された不良が、突発的な不良なのか、連続的に発生した不良なのか、を区別するために、不良と判定された区間およびその直前の区間を選ぶ方法。
・材料の状態が適切であるかを確認するために、２つ目の区間として、不良が発生した被加工物と材質および厚さは同じであるが別の被加工物の加工経路上で加工された区間を選ぶ方法。

上に列挙した方法は一例であり、区間の選び方を制限するものではなく、目的に応じて比較を行う区間を選択してもよい。また、不良の原因の推定のために、異なる区間の選び方を併用することもできる。

推定部１０が不良の原因を推定する際、事前に原因別の不良の発生頻度を記憶しておき、区間の加工状態を分類した評価情報と組み合わせて、不良原因の推定に用いることができる。また、複数の不良原因の候補が存在する場合、推定部１０は、推定した原因の候補の全てを制御装置６の表示部などに示してもよいし、上述したように可能性が高いものから順に示してもよいし、自動的に整備が可能なものから順に示してもよい。

また、推定部１０は、不良の原因を推定するに際して、不良発生前のレーザ加工装置１の動作情報を利用することができる。具体的には、切断加工では、切断開始前にピアスと呼ばれる穴を被加工物１１へ開ける。ピアスを開ける際は、同じ位置へレーザ光を断続的に照射するため、切断加工時に比べて、被加工物１１が溶融して発生するスパッタが四方八方へ飛び散ることがある。したがって、ピアス加工の直後に判定結果が不良とされた場合は、飛散したスパッタがノズルへ付着したり、保護ガラスを汚したりしたことが原因である可能性が高い。そのため、ピアス穴を開けた直後の区間で不良が発生した場合には、ノズルへのスパッタの付着、または保護ガラス等の光学系の汚れが原因である可能性が高い。他方、ピアス加工直後の判定結果が良好とされた場合は、ノズルへのスパッタの付着、または保護ガラス等の光学系の汚れが原因である可能性は低いと考えられる。

このように、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１においては、検出部７で得られた時系列信号に基づいて加工状態観測部８が加工の状態の評価を行って評価情報を求めて、記憶部９が評価情報を記憶する。加工に不良が発生したと判定された場合に、推定部１０が不良の原因を推定し、その不良の原因を解消するように、制御装置６にレーザ加工装置１の機械の整備または加工条件の調整を行なわせる。

不良の原因が推定できない場合は、不良の原因と想定される全ての原因の項目に関して確認を行う必要があるため、余分な作業が発生し、レーザ加工装置１が良好な加工を実現できるように復帰させるまでに手間および時間が必要であった。これに対して、実施の形態１にかかるレーザ加工装置１は、加工中に不良が発生した際、不良と評価された区間を含んだ２つの区間の評価情報から、不良が発生した原因を推定する。これにより、不良の原因が絞り込まれ、確認が必要な作業を減らすことができるので、より効率的に良好な加工へ復帰させることが可能となる。すなわち、不良の発生原因に基づいたレーザ加工装置１の整備または加工条件の調整を行うことが容易になり、加工不良が発生した場合でも、素早く良好な加工状態へ回復させることができる。

実施の形態２．
実施の形態２では、推定部１０が、さらに正確に不良の原因の推定を行うために、２つより多くの区間の評価値といった評価情報を利用する。２つより多くの区間の評価情報から、不良の原因を推定することで、不良の原因の推定を実施の形態１よりもさらに正確に行うことができる。特に、前兆が存在するものの、突発的には発生しない不良に関して、加工状態の評価値の推移に基づいて不良の原因をさらに絞り込むことができる。

実施の形態２にかかるレーザ加工装置１の構成は図１と同じであるが、推定部１０の動作は実施の形態１とは異なる。しかし、推定部１０以外の構成の動作は実施の形態１と同じなので、ここでは推定部１０以外の構成の動作の説明を省略する。

実施の形態２にかかる推定部１０の動作を以下に詳しく説明する。

推定部１０は、加工状態観測部８による判定結果が不良を示す区間を含んだ３つ以上の区間の評価情報に基づいて、不良の原因を推定する。具体的には、推定部１０は、加工状態観測部８によって加工中に区間が不良であると判定された場合に、不良であると判定された区間における評価値と、記憶部９に記憶されている他の２つ以上の区間における評価値とから、不良が発生した原因の推定を行う。他の２つ以上の区間は、不良であると判定された区間より前に加工された区間から選択する。すなわち、不良と判定された区間を含んだ３つ以上の区間それぞれの評価値に基づいて、不良が発生した原因を推定する。ここでは、不良が発生した原因の推定に評価値を用いたが、推定部１０は、判定結果が不良とされた区間を含んだ３つ以上の区間の評価情報に基づいて、不良の原因を推定するのであれば、評価情報に含まれる他の量を用いてもかまわない。評価情報に特徴量を含めて、３つ以上の区間の特徴量を比較することにより不良の原因を推定してもよい。

実施の形態１でも述べたように、不良は、突発的に発生する不良と、突発的には発生しない不良と、に分けることができる。さらに、突発的には発生しない不良に関しては、不良が発生するまでの評価値の推移に基づいてさらに２つに分類することができる。これにより、不良の原因をさらに正確に絞り込むことができる。

したがって、不良が発生する前の評価値の推移に基づいて、不良を次の３つに分類する。
（１）不良が発生する前兆が見られず、不良が突然に発生する場合
（２）徐々に評価値が悪くなり、不良が発生する場合
（３）区間によって評価値が変化し、評価値が波打ちながら不良が発生する場合

上記３つの場合に対応する評価値の区間ごとの変化の様子を図５から図７に示す。図５は、本発明の実施の形態２にかかる評価値が急激に悪化する場合の一例を示す図である。図６は、実施の形態２にかかる評価値が徐々に悪化する場合の一例を示す図である。図７は、実施の形態２にかかる評価値が変動しながら悪化する場合の一例を示す図である。図５から図７の横軸は、加工状態観測部８によって評価値が求められた各区間の加工の順番を示す数値を示し、縦軸は区間ごとに求められた評価値を示している。

図５は、不良が発生する前兆が見られず、不良が突然に発生する場合の評価値の変化を示している。最初の区間から、良好であることを示す１に近い評価値が連続して得られていたにも関わらず、突然に不良を示す０に近い評価値に変化して、加工状態が不良と判定される。

図６は、評価値が徐々に悪くなる場合を示しており、最初の区間は、良好であることを示す１に近い評価値であったが、徐々に評価値が減少して、最終的に不良と判定されている。

図７は、評価値が区間ごとに大きく変動しながら悪くなる場合の評価値の変化の例である。最終的に不良と判定されるに至るまでは、０．５以上の良好と判定される評価値を維持はしているものの、評価値が変動しながら推移し、最終的には評価値が０．５以下となって不良と判定されている。図７のような場合に、評価値の変動の有無の判定は、例えば、不良の原因の推定に用いる区間における評価値を各区間の加工の順番を示す数値の１次関数で近似し、その近似値と各区間における評価値との差の絶対値の総和にしきい値を設けるといった手法で行うことができる。

図６のような評価値の変動を示す不良の原因の一つは熱レンズ効果である。熱レンズ効果は、光学系の温度が上昇することで光学系の特性が変化して焦点位置が変動する現象である。光学系の温度は徐々に上昇するため、評価値といった評価情報への影響は徐々に現れることになる。そのため、熱レンズ効果が発生する場合には、評価値が徐々に悪くなっていく。

図７のような評価値の変動を示す不良の原因の一つに被加工物１１の温度が高くなることがある。レーザ加工中に被加工物１１はレーザからエネルキーを吸収するため、被加工物１１の温度は、徐々に上昇していく。被加工物１１の温度は、加工直後の加工経路付近が最も高くなりやすく、場所によって温度分布が形成される。そのため、これまで加工を行った場所と、現在加工している場所との位置関係によって被加工物１１のうち温度が相対的に高い領域で加工を行うことになる場合と、被加工物１１の中で温度が相対的に低い領域で加工を行うことになる場合とが発生すると考えられる。その結果、被加工物１１の加工経路の中で、加工する区間に依存して評価値が変化する。したがって、被加工物１１の温度が高いことが原因で不良が発生する場合には、加工状態の評価値が図７のように区間によって変動する。

また、レーザ光の光軸がノズルの中心軸から外れる芯ずれが発生した場合には、加工の進行方向に依存して、評価値が変化する。これは、レーザ光の光軸がずれた方向によって、加工点に対する加工ガスの流れ方が変化するために発生する。したがって、芯ずれが原因で不良が発生する場合には、加工の進行方向に依存して評価値が大きく変動するので、図７に示すように評価値が変動することがある。しかし一方で、ノズルが被加工物１１の切れ端等に接触してノズルの位置が変化した場合には、図５に示したように評価値が急に悪化する場合も考えられ、評価値が変動していたかどうかで、芯ずれが原因と一概に断定することはできない。

以上のことから、不良が発生した際に、不良が発生した区間の評価値とそれ以前に加工された複数の区間の評価値とから、不良が発生した原因を３つに場合分けすると、次のように分類をすることができる。

（１）不良が発生する前兆が見られず、不良が突然に発生する場合
・保護ガラス等の光学系の汚れ
・ノズルの損傷または変形
・ノズルへのスパッタの付着
・被加工物１１の表面状態または組成の違い
・加工条件の調整不良
・芯ずれ

（２）徐々に評価値が悪くなり、不良が発生する場合
・熱レンズ効果

（３）区間によって評価値が変化し、評価値が波打ちながら不良が発生する場合
・被加工物１１の温度が高い
・芯ずれ

以上の分類に基づき、不良の原因の候補を決定し、実施の形態１において図４を用いて説明したのと同様の手順で、推定部１０は、不良の原因を１つずつ取り除くように、制御装置６または作業者へ整備を依頼する。

また、事前に、原因のわかっている不良が発生した場合の区間の変化に従った評価値といった評価情報の推移のパターン、または不良の状態および不良の度合いのパターンを集めてデータベースを構築しておく。そして、そのデータベースに対してパターンマッチングを行うことで推定部１０が不良の原因を推定するようにしてもよい。さらに、推定部１０がデータベースに含まれるパターンを教師データとして機械学習を行うことで分類器を作成し、分類器によって不良の原因を推定するようにしてもよい。

また、レーザ光がノズルの中心から外れている状態である芯ずれの状態で加工を行うと、レーザ光のずれの方向に対応した進行方向の加工中に加工状態が劣化する。したがって、加工の進行方向によって加工の区間を分類して、進行方向ごとに評価値を評価することで、芯ずれが発生しているかどうかを推定部１０は推定することができる。

具体的には、Ｘ軸方向およびＹ軸方向を有する２次元平面上で、進行方向をＸ軸プラス方向、Ｘ軸マイナス方向、Ｙ軸プラス方向およびＹ軸マイナス方向の４つに分ける。そして、加工を行った区間とその評価値を４つの方向ごとに合計して、４つの値を比較することで、芯ずれの方向を推定することができる。

例えば、Ｘ軸プラス方向の評価値の合計値が、他の方向、すなわち、Ｘ軸マイナス方向、Ｙ軸プラス方向、Ｙ軸マイナス方向のそれぞれの評価値の合計値に対して、２０％以上低い場合は、レーザ光がノズルの中心に対してＸ軸プラス方向にずれており、芯ずれが発生していると推定できる。また、進行方向それぞれの評価値の合計値に進行方向による偏りがない場合は、芯ずれが不良の原因でないことが推定できる。このように、加工区間の評価値に加えて加工の進行方向の情報を用いて、推定部１０は、不良の原因をさらに絞り込むことができる。

このように、推定部１０は、実施の形態１で説明した加工条件以外にも、加工の進行方向、評価情報の推移のパターンにも基づいて、不良の原因を推定することができる。さらに、加工条件、加工の進行方向、および評価情報の推移のパターンを組み合わせて、不良の原因の推定に使用してもよい。

不良と判定された区間と推定部１０が比較するために用いる複数の区間の選び方には、既に説明した選び方を含めて、具体的には以下のような選び方が考えられる。

・検出された不良が、突発的な不良なのか、または前兆のある不良なのかを区別するために、不良と判定された区間の直前の複数の区間を選ぶ方法。
・加工条件の調整に問題が無いことを確認するために、同一の被加工物１１の中で、不良と判定された区間と同じ加工条件で加工した複数の区間を選ぶ方法。
・材料の状態が適切であるかを確認するために、不良が発生した被加工物と材質および厚さは同じであるが別の被加工物の加工経路上で加工された複数の区間を選ぶ方法。
・加工の進行方向によって、評価値に差がないのかを確認するために、同じ進行方向に加工した複数の区間を選ぶ方法。

上に列挙した方法は一例であり、区間の選び方を制限するものではなく、目的に応じて比較を行う区間を選択してもよい。また、不良の原因の推定のために、異なる区間の選び方を併用することもできる。

また、不良と判定された区間に加えてさらに複数の区間を用いて、推定部１０が不良の原因を推定する場合には、不良が発生した場合でも、通常の加工を継続して評価値の変動のデータを取得した後に原因の推定を行うようにしてもよい。

以上説明したように、実施の形態２にかかるレーザ加工装置１によれば、不良と判定された区間を含んだ３つ以上の区間の評価情報に基づいて、不良の原因を推定するので、実施の形態１に比べてさらに正確に不良の原因の推定を実行することができる。

実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態１および２で利用した加工の区間ごとの評価値に加えて、検出部７に含まれるセンサから得られる情報を用いて、推定部１０が不良の原因を推定する手法について述べる。実施の形態３における検出部７および推定部１０以外の構成は、実施の形態１で示した図１と同じ構成であるため、検出部７および推定部１０以外の説明は省略する。

検出部７は、実施の形態１で説明した構成に加えて、以下のセンサ機能を備える。検出部７は、光学系の温度を測定する温度センサ、被加工物１１の表面状態を観察するカメラ、被加工物１１の表面温度を測定するサーモグラフィ、加工ガスの流量センサ、といった機能の少なくとも一つをさらに有する。これらのセンサなどから得られる情報も利用して、推定部１０が不良の原因の推定を行うことで、原因の推定をさらに高精度に行うことが可能になる。

推定部１０は、加工状態観測部８での評価時に、加工中に区間が不良と評価された場合に、不良と判定された区間を含んだ２つ以上の区間の評価値といった評価情報に加えて、検出部７に追加されたセンサから得られた情報も利用して、不良が発生した原因を推定する。その後は、実施の形態１において図４を用いて説明したのと同様の手順で、推定部１０は、不良の原因を１つずつ取り除くように、制御装置６または作業者へ整備を依頼する。

光学系の温度を測定する温度センサは、熱レンズ効果が起きているか否かの判定に利用することができる。加工中に不良が発生した場合に、光学系の温度を測定する温度センサから取得された情報から、光学系の温度を知ることができ、熱レンズ効果が発生しているかどうかを判断できる。

被加工物１１の表面状態を観察するカメラは、加工前に被加工物１１の画像を撮影する。撮影した画像を解析することにより、被加工物１１の表面の色または金属光沢、サビの状況を加工経路上の区間ごとに予め抽出しておくことができる。そして、被加工物１１の表面状態が異なる区間を加工した際に一方の区間において不良が発生した場合、被加工物１１の表面状態に起因した不良であることを推定することができる。また、被加工物１１の表面状態が均一であることが確認できていれば、材料の表面状態を不良の原因の候補から外すことができる。

また、サーモグラフィを用いれば、加工中に被加工物１１の表面温度を測定することができる。加工中に不良が発生した際に、被加工物１１の温度が設定された温度よりも高い領域を加工していれば、被加工物１１の温度が高いことが原因で不良が発生したことが推定できる。また、加工中に不良が発生した際に、被加工物１１の温度が設定された温度以下であれば、被加工物１１の温度が高いことは、不良の原因の候補から外すことができる。

加工ガスの流量センサは、加工中に被加工物１１へ吹き付けられるガスの流量を測定する。ノズルにスパッタ等が付着してツマリが発生したり、ノズルの先端が変形したりすることで、加工ガスの流量が変化した場合に、流量の変化を検出できる。加工ガスの流量が変化することから、加工ガスの流量が設定値よりも大きく変動した場合に、ノズルのツマリ、またはノズルの変形が原因で加工に不良が発生していることが推定できる。また、加工ガスの流量が設定の範囲内であれば、ノズルのツマリまたはノズルの変形を不良原因の候補から外すことができる。

以上に示したセンサの例と不良の原因の組み合わせは一例であり、他のセンサと不良の原因を結びつけることで、原因の推定を行うようにしてもかまわない。このように、加工の区間の評価値といった評価情報以外の情報を用いて、不良の原因を絞り込むことができる。

実施の形態３においては、実施の形態１および２で説明した区間ごとの評価値といった評価情報を比較する手法による原因の推定結果に、追加のセンサから得られる情報を組み合わせることで、不良の原因をさらに正確に推定することができる。

実施の形態１から３にかかる制御装置６、加工状態観測部８、記憶部９および推定部１０の機能は、パーソナルコンピュータまたは汎用コンピュータといったコンピュータシステムにより実現される。図８は、実施の形態１から３にかかるレーザ加工装置１の機能の一部をコンピュータシステムで実現する場合のハードウェア構成を示す図である。レーザ加工装置１の制御装置６、加工状態観測部８、記憶部９および推定部１０の機能をコンピュータシステムで実現する場合、制御装置６、加工状態観測部８、記憶部９および推定部１０の機能は、図８に示すようにＣＰＵ（Central Processing Unit）２０１、メモリ２０２、記憶装置２０３、表示装置２０４および入力装置２０５により実現される。制御装置６、加工状態観測部８および推定部１０が実行する機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアまたはファームウェアは、プログラムとして記述されて記憶装置２０３に格納される。ＣＰＵ２０１は、記憶装置２０３に記憶されたソフトウェアまたはファームウェアをメモリ２０２に読み出して実行することにより、制御装置６、加工状態観測部８および推定部１０の機能を実現する。すなわち、コンピュータシステムは、制御装置６、加工状態観測部８および推定部１０の機能がＣＰＵ２０１により実行されるときに、実施の形態１から３で説明した制御装置６、加工状態観測部８および推定部１０の動作を実施するステップが結果的に実行されることになるプログラムを格納するための記憶装置２０３を備える。また、これらのプログラムは、制御装置６、加工状態観測部８および推定部１０の機能が実現する処理をコンピュータに実行させるものであるともいえる。記憶部９は、メモリ２０２または記憶装置２０３により実現される。メモリ２０２は、ＲＡＭ（Random Access Memory）といった揮発性の記憶領域が該当する。記憶装置２０３は、ＲＯＭ（Read Only Memory）、フラッシュメモリといった不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスクが該当する。制御装置６の表示部は表示装置２０４により実現される。表示装置２０４の具体例は、モニタ、ディスプレイである。入力装置２０５の具体例は、キーボード、マウス、タッチパネルである。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ レーザ加工装置、２ レーザ発振器、３ 光路、４ 加工ヘッド、５ 駆動部、６ 制御装置、７ 検出部、８ 加工状態観測部、９ 記憶部、１０ 推定部、１１ 被加工物、１１ａ 加工経路、２０１ ＣＰＵ、２０２ メモリ、２０３ 記憶装置、２０４ 表示装置、２０５ 入力装置。

Claims (8)

1. レーザ光を射出するレーザ発振器と、
   前記レーザ光を被加工物へ集光する光学系を有する加工ヘッドと、
   前記被加工物と前記加工ヘッドとの相対位置関係を制御する駆動部と、
   設定された加工条件に従い、前記レーザ光が前記被加工物上の加工経路を走査するように、前記レーザ発振器および前記駆動部を制御する制御装置と、
   加工中の前記被加工物の状態を観測し、観測結果を時系列信号として出力する検出部と、
   前記加工経路を複数に分割した区間ごとに前記時系列信号に基づいて前記被加工物の加工の状態を評価することにより、前記状態が良好であるか不良であるかを示す判定結果を含んだ評価情報を求める加工状態観測部と、
   前記判定結果が不良を示す前記区間を含んだ２つ以上の前記区間の前記評価情報に基づいて、不良の原因を推定する推定部と、
   を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記評価情報は、前記被加工物の加工の状態を評価した評価値を含み、
   前記推定部は、前記評価値に基づいて不良の原因を推定する
   ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記推定部は、加工の進行方向、前記評価情報の推移のパターン、および前記加工条件のうちの少なくとも１つにも基づいて不良の原因を推定する
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記制御装置は、前記推定部が推定した不良の原因を取り除くための整備作業を行う
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
5. 前記推定部は、同一の前記加工条件で加工された前記区間を含んだ２つ以上の前記区間の前記評価情報に基づいて、不良の原因を推定する
   ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
6. 前記評価情報は、前記被加工物の不良の状態の分類を示す分類情報を含む
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。
7. 前記分類情報の値は、ドロス、キズ、上面荒れ、下面荒れ、酸化膜はがれ、およびバーニングのうちの少なくとも１つを含む
   ことを特徴とする請求項６に記載のレーザ加工装置。
8. 前記加工状態観測部が求めた前記評価情報または前記推定部が推定した不良の原因を表示する表示部をさらに備える
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載のレーザ加工装置。

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