JP6800271B2 - レーザ加工機及び加工条件設定方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工機及び加工条件設定方法に関する。

レーザ発振器から照射されたレーザ光によって板金（材料の一例）を切断し、所定形状の製品を製作するレーザ加工機が普及している。レーザ加工機では、板金に照射されるレーザ光を加工条件に応じて適切に制御する必要がある（例えば特許文献１参照）。加工条件は、レーザ光によって板金を切断するときの切断速度、レーザ発振器のレーザ出力、レーザ加工ヘッド内に設けられた集束レンズの焦点距離、レーザ照射ノズルの開口径など、複数の条件を含んでいる。加工条件に含まれる個々の条件は、板金の材質及び板厚に応じて適当な値に設定されている必要がある。ワークの材質及び板厚に応じて最適な条件が異なることから、加工条件は、板金の材質及び板厚の組み合わせ毎に設定されている。

特開２００４−００９０８５号公報

加工条件の設定においては、数多くの材質及び板厚に対して多様な条件を決定し、これらの条件が適当かどうかを検証する必要がある。このため、加工条件の設定には、膨大な工数が必要とされる。そのため、より少ない工数で加工条件の設定を行うことができる手法が望まれている。

本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、少ない工数で加工条件の設定を行うことができるレーザ加工機及び加工条件設定方法を提供することである。

かかる課題を解決するため、本発明の一態様は、レーザ発振器から射出されたレーザ光を用いて、材料を切断するレーザ加工ユニットと、切断速度を含む加工条件に従って、レーザ加工ユニットを制御する制御装置と、を有するレーザ加工機を提供する。制御装置は、材料の材質及び板厚の組み合わせ毎に、加工条件を保持する加工条件保持部と、材料の材質及び板厚に応じた切断速度の理論値を演算するための切断速度理論式に基づいて、切断速度の理論値を演算する理論値演算部と、切断速度理論式を構成するパラメータを調整し、切断速度理論式を補正し、補正した切断速度理論式を加工条件に関連付けた上で加工条件保持部に格納するパラメータ調整部と、加工条件保持部に保持された情報に基づいて、材料の材質及び板厚に応じた、切断速度を含む加工条件を設定する加工条件設定部と、を有している。切断速度理論式は、パラメータ調整部により調整可能なパラメータとして、材料へのレーザ光の吸収率であるレーザ吸収率、又は材料を溶融させるエネルギーである溶融エネルギーを含んでいる。
また、本発明の別の態様は、レーザ発振器から射出されたレーザ光を用いて、材料を切断するレーザ加工ユニットと、切断速度を含む加工条件に従って、レーザ加工ユニットを制御する制御装置と、を有するレーザ加工機を提供する。制御装置は、材料の材質及び板厚に応じた切断速度の理論値を演算するための切断速度理論式に基づいて、切断速度の理論値を演算する理論値演算部と、切断速度理論式を構成するパラメータを調整し、切断速度理論式を補正するパラメータ調整部と、パラメータ調整部により補正された切断速度理論式に基づいて演算された切断速度を含む加工条件を設定する加工条件設定部と、レーザ加工ユニットによる加工の良否を判定する加工監視部と、を有している。切断速度理論式は、パラメータ調整部により調整可能なパラメータとして、材料へのレーザ光の吸収率であるレーザ吸収率、又は材料を溶融させるエネルギーである溶融エネルギーを含んでいる。パラメータ調整部は、加工良否の判定結果に基づいて、切断速度理論式のパラメータについて学習を行う。

また、本発明は、パラメータとして、レーザ光によって切断する材料へのレーザ光の吸収率であるレーザ吸収率、又は材料を溶融させるエネルギーである溶融エネルギーを含む切断速度理論式に基づいて、材料を切断するときの材料の材質及び板厚に応じた切断速度の理論値を演算し、演算された切断速度の理論値に基づいて、パラメータを調整して切断速度理論式を補正し、材料の材質及び板厚の組み合わせ毎に加工条件を保持する加工条件保持部に、補正した切断速度理論式を加工条件に関連付けて格納し、加工条件保持部に保持された情報に基づいて、材料の材質及び板厚に応じた、切断速度を含む加工条件を設定する加工条件設定方法を提供する。

本発明によれば、少ない工数で加工条件の設定を行うことができる。

図１は、第１の実施形態に係るレーザ加工機を模式的に示す構成図である。 図２は、ＮＣ装置を中心とするレーザ加工機の構成を示すブロック図である。 図３は、レーザ光による板金の切断状態を示す説明図である。 図４は、加工条件の設定手順を説明するフローチャートである。 図５は、レーザ光に関するパラメータを説明する説明図である。 図６は、入射角を説明する説明図である。 図７は、板厚と平均吸収率との関係を示すグラフである。 図８は、平均カーフ幅を説明する説明図である。 図９は、板厚と切断速度との関係を示すグラフである。 図１０は、平均吸収率と板厚との関係を示すグラフである。 図１１は、平均吸収率を補正した場合における板厚と切断速度との関係を示すグラフである。 図１２は、加工条件の一例を示す説明である。 図１３は、材質がステンレス、レーザ出力が６ｋＷである場合での、板厚と切断速度との関係を示すグラフである。 図１４は、平均吸収率を補正した場合における板厚と切断速度との関係を示すグラフである。 図１５は、材質がステンレス、レーザ出力が９ｋＷである場合での、板厚と切断速度との関係を示すグラフである。 図１６は、平均吸収率を補正した場合における板厚と切断速度との関係を示すグラフである。 図１７は、材質がアルミニウム、レーザ出力が６ｋＷである場合での、板厚と切断速度との関係を示すグラフである。 図１８は、平均吸収率を補正した場合における板厚と切断速度との関係を示すグラフである。 図１９は、材質がアルミニウム、レーザ出力が９ｋＷである場合での、板厚と切断速度との関係を示すグラフである。 図２０は、平均吸収率を補正した際の板厚と切断速度との関係を示すグラフである。 図２１は、第２の実施形態に係るレーザ加工機の構成を示すブロック図である。

（第１の実施形態）
以下、本実施形態に係るレーザ加工機及び加工条件設定方法について説明する。図１に示されるレーザ加工機１００は、レーザ光によって材料を切断加工する加工機である。加工対象となる材料は、例えば板金Ｗである。レーザ加工機１００は、レーザ発振器１０と、プロセスファイバ１２と、レーザ加工ユニット２０とを備えている。また、レーザ加工機１００は、アシストガス供給装置４０と、操作表示部５０と、ＮＣ装置６０とを備えている。

レーザ発振器１０は、レーザ光を生成し、レーザ光を射出する。レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザ光を射出するレーザ発振器、又はレーザダイオードより発せられるレーザ光を直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１０は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。

レーザ発振器１０は、波長９００ｎｍ〜１１００ｎｍの１μｍ帯のレーザ光を射出する。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ〜１０８０ｎｍのレーザ光を射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ〜９５０ｎｍのレーザ光を射出する。

プロセスファイバ１２は、レーザ発振器１０より射出されたレーザ光をレーザ加工ユニット２０へと伝送する。

レーザ加工ユニット２０は、プロセスファイバ１２によって伝送されたレーザ光を用いて、板金Ｗを切断する。レーザ加工ユニット２０は、板金Ｗを載せる加工テーブル２１と、門型のＸ軸キャリッジ２２と、Ｙ軸キャリッジ２３と、コリメータユニット３０とを有している。Ｘ軸キャリッジ２２は、加工テーブル２１上でＸ軸方向に沿って移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸キャリッジ２２上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に沿って移動自在に構成されている。

コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２によって伝送されたレーザ光を板金Ｗに照射する。コリメータユニット３０は、プロセスファイバ１２の射出端より射出したレーザ光が入射されるコリメータレンズ３１と、コリメータレンズ３１より射出したレーザ光をＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー３３とを有している。また、コリメータユニット３０は、ベンドミラー３３で反射したレーザ光を集束させる集束レンズ３４を有している。コリメータレンズ３１、ベンドミラー３３及び集束レンズ３４は、予め光軸が調整された状態で配置されている。

コリメータユニット３０は、加工ヘッド３５を有している。加工ヘッド３５の先端には、レーザ光を射出するノズル３６が着脱自在に取り付けられている。ノズル３６の先端部には、円形の開口が設けられており、集束レンズ３４で集束されたレーザ光は、ノズル３６の先端部の開口から板金Ｗに照射される。

コリメータユニット３０は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２３に固定され、Ｙ軸キャリッジ２３は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２２に設けられている。よって、加工ヘッド３５、すなわち、レーザ光を板金Ｗに照射する位置を、板金Ｗの面（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動させることができる。なお、レーザ加工機１００は、加工ヘッド３５を板金Ｗの面に沿って移動させる構成に代えて、加工ヘッド３５の位置を固定したまま、板金Ｗを移動する構成であってもよい。レーザ加工機１００は、板金Ｗの面に対して加工ヘッド３５を相対的に移動させる構成を備えていればよい。

以上のように構成されるレーザ加工機１００は、レーザ発振器１０より射出されたレーザ光によって板金Ｗを切断し、所定の形状を有する製品を製作する。

アシストガス供給装置４０は、アシストガスとして窒素、酸素、窒素と酸素との混合気体、又は空気を加工ヘッド３５に供給する。板金Ｗの加工時、アシストガスはノズル３６の開口より板金Ｗへと吹き付けられる。アシストガスは、板金Ｗが溶融したカーフ幅内の溶融金属を排出する。

操作表示部５０は、ＮＣ装置６０に対して情報の入力を行うために利用者が操作する操作部と、ＮＣ装置６０から出力される情報を表示する表示部とが一体に構成されている。利用者は、操作表示部５０を操作することで、板金Ｗの材質及び板厚の他、様々な情報をＮＣ装置６０に対して入力することができる。また、利用者は、操作表示部５０に表示される情報から、加工条件などを把握することができる。

操作表示部５０は、操作部と表示部とが別体に構成されていてもよい。また、操作部は、別に設置された図示していないコンピュータによって生成された所定のデータを、通信によりＮＣ装置６０に入力する構成でもよい。

ＮＣ装置６０は、レーザ加工機１００の各部を制御する制御装置である。図２に示すように、ＮＣ装置６０は、機能的な構成として、加工制御部７０と、加工条件保持部８０と、加工プログラム保持部８５と、加工条件処理ユニット９０と、を有している。

加工制御部７０は、加工プログラムを加工プログラム保持部８５より読み出し、加工対象となる板金Ｗの材質及び板厚に対応する加工条件を加工条件保持部８０より読み出す。加工制御部７０は、加工プログラム及び加工条件に基づいて、レーザ発振器１０及びレーザ加工ユニット２０を制御する。加工制御部７０がレーザ発振器１０及びレーザ加工ユニット２０を制御することにより、加工条件に従った加工が板金Ｗに対して行われる。

加工条件保持部８０は、板金Ｗを切断するときの加工条件を保持している。加工条件は、板金Ｗをレーザ光によって切断するときの切断速度を含む。これ以外にも、加工条件は、ノズル３６の開口径であるノズル径、レーザ発振器１０のレーザ出力、レーザ光のパルス条件（周波数、デューティ）、アシストガスの種類及び圧力、集束レンズ３４の焦点距離などを含む。加工条件保持部８０が保持している加工条件は、加工制御部７０によって利用される。

加工プログラム保持部８５は、板金Ｗを切断するための加工プログラムを保持している。加工プログラム保持部８５が保持する加工プログラムは、加工制御部７０によって利用される。

加工条件処理ユニット９０は、加工条件保持部８０が保持する加工条件の設定を行う。加工条件処理ユニット９０は、理論値演算部９１と、パラメータ調整部９２と、加工条件設定部９３とを備えている。

理論値演算部９１は、板金Ｗの材質及び板厚に応じた切断速度の理論値を演算するための切断速度理論式に基づいて、切断速度の理論値を演算する。図３を用いて、切断速度理論式について説明する。図３において、集束レンズ３４に入射するレーザ光（レーザビーム）の入射直径はＤであり、集束レンズ３４によって集束されたレーザ光が板金Ｗに照射される。

レーザ出力をＰＬ（Ｗ）（Ｗ＝Ｊ／ｓ）、板金Ｗへのレーザ光の吸収率であるレーザ吸収率をＡ、板金Ｗを溶融（蒸発を含む）させるエネルギーである溶融エネルギーをＥｍ（Ｊ／ｃｍ^３）、カーフ幅をＷｋ（ｍｍ）、板金の板厚をｔｃ（ｍｍ）とする。切断速度の理論値（以下「理論切断速度」という）Ｖｃ（ｃｍ／ｓ）は、式（１）で示される切断速度理論式より、以下の通り定義される。

Ｖｃ＝ＰＬ×Ａ／（Ｅｍ×Ｗｋ×ｔｃ）・・・（１）
式（１）では、全てのエネルギーが切断カーフの切断フロントに吸収され、板金Ｗによる熱伝導ロスはないと仮定している。また、式（１）では、切断カーフ内の溶融金属は、アシストガスにより完全に排出されると仮定している。

式（１）に示されるように、切断速度理論式は、レーザ出力ＰＬ、レーザ吸収率Ａ、溶融エネルギーＥｍ、カーフ幅Ｗｋ及び板厚ｔｃをパラメータとして構成されている。理論切断速度Ｖｃは、レーザ出力ＰＬ及びレーザ吸収率Ａに比例し、溶融エネルギーＥｍ、カーフ幅Ｗｋ及び板厚ｔｃに反比例することが分かる。

パラメータ調整部９２は、切断速度理論式を構成するパラメータのうち、レーザ吸収率Ａを調整し、切断速度理論式を補正する。

加工条件設定部９３は、パラメータ調整部９２により補正された切断速度理論式に基づいて、加工条件の切断速度を設定する。

以下、図４を参照し、加工条件処理ユニット９０による加工条件の設定手順を説明する。この加工条件の設定手順は、利用者が操作表示部５０を操作して、所定の操作項目（例えば「加工条件の設定」）を実行することにより、開始される。

ステップＳ１０において、理論値演算部９１は、加工条件の設定に必要な情報を取得する。理論値演算部９１が取得する情報としては、レーザ光に関する情報、板金Ｗに関する情報、加工条件に関する情報が挙げられる。

レーザ光に関する情報は、図５に示すように、最小集光半径ｒ０（ｍｍ）、レイリー長Ｚｒ（ｍｍ）、レーザ光の品質を表す定数などである。最小集光半径ｒ０は、集束レンズ３４の焦点位置（集束レンズ３４の焦点距離ｆ）において最小（その直径ｄ）となるビーム光の半径である。レイリー長Ｚｒは、ビーム光の断面積が焦点距離ｆにおける断面積の２倍になる位置とビーム光の焦点位置との間の距離である。レーザ光の品質を表す定数は、例えばＢＰＰ（ｍｍ・ｍｒａｄ）である。ＢＰＰは、ビームパラメータ積（Beam Parameter Products）と言われ、最小集光半径ｒ０と、焦点距離ｆ以後のレーザ光の広がり角αとの積となる。

板金Ｗに関する情報は、軟鋼、ステンレス又はアルミなどの材質、板厚ｔｃなどである。板厚ｔｃは、一つの材質に対して複数用意されている。

加工条件に関する情報は、切断速度を除いた他の加工条件に関する情報であり、レーザ出力、加工焦点、ノズル径、アシストガスの種類及び圧力、ノズルギャップなどである。ここで、加工焦点は、上下方向（板金Ｗの厚さ方向）における板金Ｗの上面と焦点位置との距離である。ノズルギャップは、加工ヘッド３５におけるノズル３６と板金Ｗの上面との間のギャップである。

これらの情報は、例えば利用者が操作表示部５０を操作することで、ＮＣ装置６０に入力される。もしくは、これらの情報は、コンピュータによって生成され、通信によりＮＣ装置６０に入力される。理論値演算部９１は、このようにしてＮＣ装置６０に入力された情報を取得する。

ステップＳ１１において、理論値演算部９１は、各板厚ｔｃに対する入射角φｉｎを計算する。図６において、切断フロントはＦで、加工焦点はｆｐで示されている。レーザ光の入射方向と、切断フロントＦに直交する方向とのなす角度が入射角φｉｎである。ここで、一般的に入射角φｉｎとはレーザ光の照射面の垂線とレーザ光とのなす角であるが、切断フロントＦが理想的な平面であるとすれば、板金Ｗの下面と切断フロントＦとのなす角度が入射角φｉｎとなる。入射角φｉｎは、レーザ光の光学的な特性より計算される。板金Ｗの上面でのビーム半径をｒＴ、板金Ｗの下面でのビーム半径をｒＢとする。入射角φｉｎは、式（２）で表される。

φｉｎ＝ａｒｃｔａｎ（ｔｃ／（ｒＴ＋ｒＢ））・・・（２）
ステップＳ１２において、理論値演算部９１は、各板厚ｔｃに対する平均吸収率Ａaveを計算する。平均吸収率Ａaveは、ステップＳ１１で計算された入射角φｉｎに対するレーザ吸収率Ａを示すものである。理論値演算部９１は、板金Ｗの屈折率と、板金Ｗの吸収係数と、各板厚ｔｃに対する入射角φｉｎとに基づいて、平均吸収率Ａaveを計算する。この計算により、図７に示すような、各板厚ｔｃに対する平均吸収率Ａaveが得られる。

ステップＳ１３において、理論値演算部９１は、各板厚ｔｃに対する平均カーフ幅Ｗk_aveを計算する。図８に示すように、平均カーフ幅Ｗk_aveは、レーザ光の光学的な特性より計算される。具体的には、平均カーフ幅Ｗk_aveは、板金Ｗの上面のビーム直径（ｒＴ×２）と、板金Ｗ下面のビーム直径（ｒＢ×２）と、焦点位置におけるビーム直径（ｒ０×２）とに基づいて、式（３）で表される。

Ｗk_ave＝２×（ｒＴ＋ｒ０＋ｒＢ）／３・・・（３）
ステップＳ１４において、理論値演算部９１は、各板厚ｔｃに対する理論切断速度Ｖcalを計算する。理論切断速度Ｖcal（ｍ／ｍｉｎ）は、式（１）に示す基本式に則り、式（４）で表される。

Ｖcal＝ＰＬ×Ａave／（Ｅｍ×Ｗk_ave×ｔｃ×１０００×６０）・・・（４）
ステップＳ１５において、パラメータ調整部９２は、切断データを取得する。切断データは、最適な条件下で板金Ｗを切断して、所定の板厚ｔｃに対する切断速度の最適値（以下「最適切断速度」という）を実験的に求めたデータである。切断データは、例えば操作表示部５０を介してＮＣ装置に入力される。もしくは、切断データは、コンピュータによって生成され、通信によりＮＣ装置６０に入力される。パラメータ調整部９２は、このようにしてＮＣ装置６０に入力された情報を取得する。

ステップＳ１６において、パラメータ調整部９２は、最適切断速度と、理論切断速度Ｖcalとを比較する。図９には、板厚ｔｃと理論切断速度Ｖcalとの関係が実線で示され、所定の板厚ｔｃに対する最適切断速度が丸印でプロットされている。理論切断速度Ｖcalは、いくつかの板厚ｔｃにおいて、最適切断速度との間にずれが生じている。パラメータ調整部９２は、操作表示部５０に比較結果を表示する。操作表示部５０に表示する比較結果は、図９に示すような板厚ｔｃと切断速度との関係を示すグラフである。なお、パラメータ調整部９２は、比較結果として、板厚ｔｃ毎に、最適切断速度と理論切断速度Ｖcalとの差を求めてもよい。

ステップＳ１７において、パラメータ調整部９２は、平均吸収率Ａaveを調整するための補正吸収率Ａave_amを設定する。この補正吸収率Ａave_amで、切断速度理論式における平均吸収率Ａaveを置き換えることで、切断速度理論式を補正することができる（式（５））。すなわち、平均吸収率Ａaveを調整すること、切断速度理論式を補正することができる。

Ｖcal＝ＰＬ×Ａave_am／（Ｅｍ×Ｗk_ave×ｔｃ×１０００×６０）・・・（５）
各板厚ｔｃに対する補正吸収率Ａave_amは、利用者が操作表示部５０を操作することでＮＣ装置６０に入力される。もしくは、各板厚ｔｃに対する補正吸収率Ａave_amは、外部のコンピュータからＮＣ装置６０に入力される。パラメータ調整部９２は、このようにしてＮＣ装置６０に入力された情報から、各板厚ｔｃに対する補正吸収率Ａave_amを設定する。

例えば、利用者は、操作表示部５０を操作して、「＋１０％」又は「−１０％」といった調整量を入力する。パラメータ調整部９２は、「＋１０％」が入力されたなら、理論値である平均吸収率Ａaveに対して１０％アップした値を補正吸収率Ａave_amとして設定する。一方、パラメータ調整部９２は、「−１０％」が指定されたなら、平均吸収率Ａaveに対して１０％マイナスした値を補正吸収率Ａave_amとして設定する。図１０において、調整前の平均吸収率Ａaveが破線で示され、調整後の平均吸収率Ａave、すなわち、補正吸収率Ａave_amが実線で示されている。

ステップＳ１８において、パラメータ調整部９２は、補正吸収率Ａave_amの調整を終了するか否かを判断する。例えば、Ｎ回分の切断データが存在する場合に、全ての切断データに対して、ステップＳ１６及びステップＳ１７の処理を繰り返し行う。調整を終了する場合には、ステップＳ１８で肯定判定され、ステップＳ１９に進む。一方、調整を終了しない場合には、ステップＳ１８で否定判定され、ステップＳ１６に戻る。

ステップＳ１９において、パラメータ調整部９２は、ステップＳ１７で設定された補正吸収率Ａave_amで、切断速度理論式における平均吸収率Ａaveを置き換えることで、切断速度理論式を再構築する（式（５）参照）。図１１には、補正吸収率Ａave_amで再構築された切断速度理論式で得られる理論切断速度Ｖcalが実線で示され、最適切断速度が丸印でプロットされている。図１１から分かるように、補正吸収率Ａave_amで補正された理論切断速度Ｖcalは、最適切断速度に対して精度よく一致している。

このようにして切断速度理論式が再構築されると、加工条件設定部９３は、ステップＳ１０で取得された加工条件と、パラメータ調整部９２により補正された切断速度理論式とを関連づけた上で、加工条件保持部８０に格納する。加工条件設定部９３は、加工条件保持部８０に格納された情報に基づいて、板金Ｗの材質及び板厚に応じた加工条件、すなわち、加工方法、加工焦点、補正吸収率、レーザ出力、切断速度、ガス圧力、ノズルギャップなどを設定することができる。図１２に示すように、設定された加工条件は、操作表示部５０に表示される。本実施形態に係る加工条件は、切断速度理論式により一般化されているので、種々のレーザ出力に対応した加工速度を一度に設定することができる。

以下、具体的な実施例について説明する。まず、材質及び板厚ｔｃが異なる複数の板金Ｗを対象に、最適切断速度に関する切断データを収集した。板金Ｗの材質は、ステンレス及びアルミニウムである。また、板金Ｗの板厚ｔｃは、ステンレス及びアルミニウムともに、３ｍｍ〜２５ｍｍである。また、レーザ出力は６ｋＷ及び９ｋＷである。

一方、板金Ｗの既知の物性値（屈折率、吸収係数、及び溶融エネルギーＥｍ）、及び、実験条件により規定できるパラメータ（最小集光半径ｒ０、加工焦点ｆｐ、入射角φｉｎ、及び平均カーフ幅Ｗk_ave）を基に、各板厚ｔｃに対する平均吸収率Ａaveを計算により算出する。そして、各板厚ｔｃに対する理論切断速度Ｖcalを求め、切断データと比較した。

図１３において、板金Ｗの材質はステンレスであり、レーザ出力ＰＬは６ｋＷである。また、図１５において、板金Ｗの材質はステンレスであり、レーザ出力ＰＬは９ｋＷである。図１３及び図１５ともに、実線は、各板厚ｔｃに対する理論切断速度Ｖcalであり、丸印は、各板厚ｔｃに対する切断データ（最適切断速度）である。

図１３及び図１５において、理論切断速度Ｖcalと切断データとの間に大きな乖離はなく、両者はほぼ一致する結果となっている。しかしながら、各レーザ出力ＰＬともに、板厚３〜６ｍｍにおいて僅かに乖離が発生している。そこで、板厚ｔｃに対して平均吸収係数Ａaveを調整し、切断データと理論切断速度Ｖcalとの誤差が小さくなるようにした。図１４に、図１３に対する調整結果を示し、図１６に、図１５に対する調整結果を示す。図１３及び図１５に示すように、補正後の切断速度理論式（補正後の理論切断速度Ｖcal）は、切断データに対して精度よく一致していることが分かる。また、理論切断速度Ｖcal（切断速度理論式）の補正精度を向上させるためには、切断実験をできるだけ繰り返し、多くの切断データを用いることで、平均吸収率Ａaveの調整精度を向上させることが望ましい。これにより、レーザ切断加工を安定させることができる。

図１７において、板金Ｗの材質はアルミニウムであり、レーザ出力ＰＬは６ｋＷである。また、図１９において、板金Ｗの材質はアルミニウムであり、レーザ出力ＰＬは９ｋＷである。図１７及び図１９ともに、実線は、各板厚ｔｃに対する理論切断速度Ｖcalであり、丸印は、各板厚ｔｃに対する切断データ（最適切断速度）である。

図１７及び図１９において、理論切断速度Ｖcalと切断データとの間に大きな乖離はないが、板厚ｔｃによっては僅かに乖離が発生している。そこで、板厚ｔｃに対して平均吸収係数Ａaveを調整し、切断データと理論切断速度Ｖcalとの誤差が小さくなるようにした。図１８に、図１７に対する調整結果を示し、図２０に、図１９に対する調整結果を示す。図１８及び図２０に示すように、補正後の切断速度理論式（補正後の理論切断速度Ｖcal）は、切断データに対して精度よく一致していることが分かる。

切断速度理論式において、板金Ｗの平均吸収率Ａaveは、ファイバレーザの波長１μｍに依存する物性値であり、鉄系（含むステンレス）の場合、屈折率「５．４９」及び吸収係数「３．９９」から求めた。同様に、アルミニウムの場合、屈折率「１．０２」及び吸収係数「９．４３」から板金Ｗの平均吸収率Ａaveを求めた。

このように、切断速度理論式における平均吸収率Ａaveは、理論的な物性値を基準にしている。そのため、板金Ｗを実際にレーザ加工する場合には、板金Ｗの表面状態などが要因となり、平均吸収率Ａaveにばらつきが生じる。そこで、本実施形態では、補正パラメータとしての平均吸収率Ａaveを調整し、切断速度理論式を補正することで、切断速度理論式の精度向上を図っているのである。

このように本実施形態のレーザ加工機１００において、ＮＣ装置６０は、理論値演算部９１と、パラメータ調整部９２と、加工条件設定部とを有している。理論値演算部９１は、板金Ｗの材質及び板厚ｔｃに応じた切断速度の理論値を演算するための切断速度理論式に基づいて、理論切断速度Ｖcalを演算する。パラメータ調整部９２は、切断速度理論式を構成するパラメータを調整し、切断速度理論式を補正する。加工条件設定部９３は、パラメータ調整部９２により補正された切断速度理論式に基づいて演算された切断速度を含む加工条件を設定する。そして、切断速度理論式は、パラメータ調整部９２により調整可能なパラメータとして、平均吸収率Ａave（板金Ｗへのレーザ光の吸収率）を含んでいる。

この構成によれば、切断速度理論式により材質及び板厚ｔｃに対する切断速度を一般化することができるので、切断速度理論式から板金Ｗの材質及び板厚ｔｃに応じた切断速度を計算することができる。そのため、図１２に示すように、切断速度理論式から、切断速度を含む加工条件を設定することができる。これにより、材料の材質と板厚ｔｃとの組み合わせ毎に、それぞれ個別の加工条件ファイルを作成する手間を省くことができる。その結果、レーザ加工機１００は、より短い工数で加工条件を設定することができる。

また、この切断速度理論式において平均吸収率Ａaveを調整することで、切断速度理論式を補正することができる。これにより、理論切断速度に存在するずれを調整することができるので、最適な切断速度を加工条件に設定することができる。

なお、図１２に示す例では、加工条件に、調整後の平均吸収率Ａave（すなわち、補正吸収率Ａave_am）が対応付けらている。しかしながら、補正吸収率Ａave_amは、材質、材料メーカ又は材料生産国によって板金Ｗの吸収率に違いがあることから、材質、材料メーカ及び材料生産国の組み合せ毎に、別テーブルで持つことも可能である。この場合、テーブルには、補正吸収率Ａave_am以外に、材料メーカ、材料生産国を入力するようにしてもよい。

また、本実施形態において、切断速度理論式は、レーザ発振器１０のレーザ出力ＰＬ、平均吸収率Ａave、溶融エネルギーＥｍ、平均カーフ幅Ｗk_ave及び材料の板厚ｔｃをパラメータとして構成される。具体的には、切断速度理論式は、上述の式（４）の通りである。

この構成によれば、切断速度理論式により切断速度を一般化することができるので、この切断速度理論式により板金Ｗの材質及び板厚ｔｃに応じた切断速度を計算することができる。これにより、より短い工数で加工条件を設定することができる。

式（４）に示すように、理論切断速度Ｖcalを構成するパラメータには、平均吸収率Ａave以外にも、レーザ出力ＰＬ、溶融エネルギーＥｍ、平均カーフ幅Ｗk_aveがある。

レーザ出力ＰＬには、レーザ発振器１０の性能に応じて上限が存在する。そのため、レーザ発振器１０の性能の上限を超えて補正を行うことができない。また、上限を超えて補正を行う場合には、他のパラメータとの組み合わせが必要となる。そのため、パラメータ調整部９２が調整するパラメータとしては、不向きである。

また、カーフ幅を変更すると、製品の外形形状に影響が発生する。そのため、平均カーフ幅Ｗk_aveを単純に変更することはできない。そのため、パラメータ調整部９２が調整するパラメータとしては、不向きである。

一方、平均吸収率Ａaveの場合、百分率がパラメータとなる。そのため、補正吸収率Ａave_amを設定する際に、利用者にとって入力が分かり易く、簡単に補正を行うことができる。また、平均吸収率Ａaveを補正する場合には異なる板厚ｔｃに対応できるので、利便性が高い。このような理由より、調整パラメータは、平均吸収率Ａaveを用いることが好ましい。

もっとも、百分率がパラメータとなる平均吸収率Ａaveを用いることが最善と考えられるが、溶融エネルギーＥｍを調整し、切断理論式を補正することも可能である。

なお、上述した実施形態では、レーザ加工機１００は、アシストガスとして窒素を用いてことを想定している。しかしながら、アシストガスとしては、酸素を用いることもできる。アシストガスとして酸素を用いる場合、酸化反応エネルギーを考慮する必要がある。酸化反応エネルギーをＥ02とした場合、理論切断速度Ｖcal（ｍ／ｍｉｎ）は、式（６）で表される。

Ｖcal＝（ＰＬ×Ａave＋Ｅ02）／（Ｅｍ×Ｗk_ave×ｔｃ×１０００×６０）・・・（６）

また、本実施形態のレーザ加工機１００は、情報の入力を行うために利用者が操作する操作表示部５０をさらに有している。この場合、パラメータ調整部９２は、操作表示部５０に入力された情報に従って、平均吸収率Ａaveを調整する。

この構成によれば、ユーザが入力する情報に従って、理論切断速度Ｖcalに生じるずれを補うことができる。これにより、最適な切断速度を加工条件に設定することができる。

なお、上述した実施形態では、平均吸収率Ａaveの調整を利用者自身が行っている。しかしながら、パラメータ調整部９２は、最適切断速度に対して理論切断速度Ｖcalが近づくように、平均吸収率Ａaveを調整してもよい。

この構成によれば、最適切断速度と理論切断速度とに生じるずれを自動的に補うことができる。これにより、最適な切断速度Ｖcalを加工条件に自動的に設定することができる。

なお、本実施形態では、加工条件保持部８０に加工条件を初期設定する状況を説明した。しかしながら、加工条件処理ユニット９０は、初期設定した加工条件を更新するときに、上述の設定方法を行ってもよい。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態に係るレーザ加工機１００について説明する。この第２の実施形態に係るレーザ加工機１００が、第１の実施形態のそれと相違する点は、加工状態を監視して、これらの情報に基づいて切断速度理論式の補正を行うことである。

図２１において、レーザ発振器１０は、レーザ光の出力を監視する出力監視部１５を備えている。また、レーザ加工ユニット２０は、出力測定部２５と、加工監視部２６と、カーフ幅検出部２７とを有している。出力測定部２５は、加工点に実際に照射されるレーザ光の出力を測定する。加工監視部２６は、加工ヘッド３５に取り付けられており、加工時に発する光を測定し、加工の良否を判定する。カーフ幅検出部２７は、加工ヘッド３５に取り付けられたカメラなどの撮像手段を備え、加工点を撮像した撮像画像に基づいて実際に加工された実カーフ幅を測定する。

このような構成を備えるレーザ加工機１００において、パラメータ調整部９２は、レーザ発振器１０の出力監視部１５において監視されるレーザ出力に合わせて、切断速度理論式におけるレーザ出力ＰＬを補正する。そして、加工条件設定部９３は、パラメータ調整部９２により補正された切断速度理論式に基づいて、切断速度を含む加工条件を再設定する。これにより、レーザ発振器１０の経年変化、レーザダイオードの故障などによる出力低下を、加工条件（切断速度理論式）に反映することができる。

なお、レーザ出力による補正では、レーザ発振器１０の出力監視部１５によって監視されるレーザ出力に限らず、レーザ加工ユニット２０の出力測定部２５から得られる情報を用いてもよい。

また、パラメータ調整部９２は、加工監視部２６による加工良否の判定結果に基づいて、補正吸収率Ａave_amの学習を行う。例えば、加工監視部２６によって加工不良が判定された場合、パラメータ調整部９２は、平均吸収率Ａaveを補正し、良好な加工結果が得られる補正吸収率Ａave_amを学習する。そして、加工条件設定部９３は、パラメータ調整部９２により補正された切断速度理論式に基づいて、切断速度を含む加工条件を再設定する。これにより、レーザ発振器１０の経年変化、レーザダイオードの故障などによる出力低下を、加工条件（切断速度理論式）に反映することができる。

一方、理論値演算部９１は、切断速度理論式の演算において特定される平均カーフ幅Ｗk_aveと、カーフ幅検出部２７において検出される実カーフ幅とを比較する。そして、理論値演算部９１は、平均カーフ幅Ｗk_aveと、実カーフ幅との乖離がある場合、例えば、実カーフ幅が平均カーフ幅Ｗk_aveの２倍以上となる場合には、操作表示部５０を制御して警報を出力する。また、理論値演算部９１は、平均カーフ幅Ｗk_aveと、実カーフ幅との乖離に基づいて、補正吸収率Ａave_amの学習を行ってもよい。

このように本実施形態によれば、板金Ｗに対する加工実績を学習することができる。この学習結果によって切断速度理論式のパラメータを補正することで、レーザ加工機１００の経年変化などの実情に合わせて切断速度の理論値を補正することができる。これにより、レーザ加工機の調整を自動的に行うことができる。

本発明は以上説明した本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、レーザ加工機は、ワークを切断する際に、レーザ光が最適な軌跡となるような制御を行うものであってもよい。

１００ レーザ加工機
１０ レーザ発振器
１２ プロセスファイバ
２０ レーザ加工ユニット
３０ コリメータユニット
３４ 集束レンズ
３５ 加工ヘッド
３６ ノズル
４０ アシストガス供給装置
５０ 操作表示部
６０ ＮＣ装置
７０ 加工制御部
８０ 加工条件保持部
８５ 加工プログラム保持部
９０ 加工条件処理ユニット
９１ 理論値演算部
９２ パラメータ調整部
９３ 加工条件設定部９３

Claims (8)

1. レーザ発振器から射出されたレーザ光を用いて、材料を切断するレーザ加工ユニットと、
   切断速度を含む加工条件に従って、前記レーザ加工ユニットを制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記材料の材質及び板厚の組み合わせ毎に前記加工条件を保持する加工条件保持部と、
   前記材料の材質及び板厚に応じた前記切断速度の理論値を演算するための切断速度理論式に基づいて、前記切断速度の理論値を演算する理論値演算部と、
   前記切断速度理論式を構成するパラメータを調整して前記切断速度理論式を補正し、前記補正した切断速度理論式を前記加工条件に関連付けて前記加工条件保持部に格納するパラメータ調整部と、
   前記加工条件保持部に保持された情報に基づいて、前記材料の材質及び板厚に応じた、前記切断速度を含む前記加工条件を設定する加工条件設定部と、を有し、
   前記切断速度理論式は、前記パラメータ調整部により調整可能なパラメータとして、前記材料へのレーザ光の吸収率であるレーザ吸収率、又は前記材料を溶融させるエネルギーである溶融エネルギーを含む
   レーザ加工機。
2. レーザ発振器から射出されたレーザ光を用いて、材料を切断するレーザ加工ユニットと、
   切断速度を含む加工条件に従って、前記レーザ加工ユニットを制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、
   前記材料の材質及び板厚に応じた前記切断速度の理論値を演算するための切断速度理論式に基づいて、前記切断速度の理論値を演算する理論値演算部と、
   前記切断速度理論式を構成するパラメータを調整し、前記切断速度理論式を補正するパラメータ調整部と、
   前記パラメータ調整部により補正された前記切断速度理論式に基づいて演算された前記切断速度を含む前記加工条件を設定する加工条件設定部と、
   前記レーザ加工ユニットによる加工の良否を判定する加工監視部と、を有し、
   前記切断速度理論式は、前記パラメータ調整部により調整可能なパラメータとして、前記材料へのレーザ光の吸収率であるレーザ吸収率、又は前記材料を溶融させるエネルギーである溶融エネルギーを含み、
   前記パラメータ調整部は、加工良否の判定結果に基づいて、前記切断速度理論式のパラメータについて学習を行う
   レーザ加工機。
3. 前記切断速度理論式は、前記レーザ発振器のレーザ出力、前記レーザ吸収率、前記溶融エネルギー、カーフ幅及び前記材料の板厚をパラメータとして含む
   請求項１又は２記載のレーザ加工機。
4. 前記切断速度理論式は、前記切断速度をＶｃ、前記レーザ出力をＰＬ、前記レーザ吸収率をＡ、前記溶融エネルギーをＥｍ、前記カーフ幅をＷｋ、及び前記材料の板厚をｔｃとした場合、下式により示される
   Ｖｃ＝ＰＬ・Ａ／（Ｅｍ・Ｗｋ・ｔｃ）
   請求項３記載のレーザ加工機。
5. 情報の入力を行うために利用者が操作する操作部をさらに有し、
   前記パラメータ調整部は、前記操作部に入力された情報に従って、前記レーザ吸収率又は前記溶融エネルギーを調整する
   請求項１から４のいずれか一項記載のレーザ加工機。
6. 前記パラメータ調整部は、
   前記材料を切断して実験的に求めた前記切断速度の最適値に対して前記切断速度の理論値が近づくように、前記レーザ吸収率又は前記溶融エネルギーを調整する
   請求項１から４のいずれか一項記載のレーザ加工機。
7. 前記レーザ加工ユニットによる加工の良否を判定する加工監視部をさらに有し、
   前記パラメータ調整部は、加工良否の判定結果に基づいて、前記切断速度理論式のパラメータについて学習を行う
   請求項１記載のレーザ加工機。
8. パラメータとして、レーザ光によって切断する材料へのレーザ光の吸収率であるレーザ吸収率、又は前記材料を溶融させるエネルギーである溶融エネルギーを含む切断速度理論式に基づいて、前記材料を切断するときの前記材料の材質及び板厚に応じた切断速度の理論値を演算し、
   演算された前記切断速度の理論値に基づいて、前記パラメータを調整して前記切断速度理論式を補正し、
   前記材料の材質及び板厚の組み合わせ毎に加工条件を保持する加工条件保持部に、前記補正した切断速度理論式を前記加工条件に関連付けて格納し、
   前記加工条件保持部に保持された情報に基づいて、前記材料の材質及び板厚に応じた、前記切断速度を含む加工条件を設定する
   加工条件設定方法。

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