JP6884184B2 - ウォータジェットレーザ加工機 - Google Patents

Description

本願は、ウォータジェットレーザ加工機に関する。

従来、水柱によって案内されたレーザビームをワークに対して照射することによって、ワークを加工するウォータジェットレーザ加工機が知られている。このようなウォータジェットレーザ加工機では、水柱を噴射するためのノズルが破損した場合、水柱が適切に形成されない可能性がある。この場合、レーザを意図した通りに案内することができず、そのため、ワークを適切に加工することができない可能性がある。

上記のような問題に関連して、例えば、特許文献１は、液柱の異常を検出するための検出手段を備えるレーザ加工装置を開示している。このレーザ加工装置は、レーザビームを案内する液柱を通すためのパイプを備えている。パイプはさらに、液柱の周りを流れて液柱を整流するための気体を通すように構成されている。検出手段は、上記の気体の異常を検出するための様々なセンサ（例えば、流量センサ、音響センサ及び圧力センサ）を有している。これらのセンサは、ノズルの周辺において、気体をパイプに導くための流路に設けられている。このレーザ加工装置では、これらのセンサによって検出された気体の異常が、液柱の異常として認識される。

特開２０１３−２１５７６９号公報

特許文献１のレーザ加工装置では、上記のように、ノズルの周辺に様々なセンサが設けられており、したがって、それらの配線を含めて付加的な構成要素が必要となり、ノズルの周辺の設計が複雑になる可能性がある。本開示は、より簡単な構成でノズルの破損を検出することができるウォータジェットレーザ加工機を提供することを目的とする。

本開示の一態様は、水柱によってレーザビームを案内し、レーザビームをワークに対して照射することによってワークを加工するウォータジェットレーザ加工機において、水柱を噴射しかつ水柱の中にレーザビームを導入可能に構成されたノズルと、ノズルに加圧された水を供給するポンプと、ポンプからノズルに供給される水の圧力を検出する圧力センサと、ポンプからノズルに供給される水の圧力の低下を判断するための閾値、および、ポンプからノズルに供給される水の圧力と水柱の層流層の長さとの関係を記憶する記憶部と、圧力センサによって検出される圧力と、記憶部に記憶された閾値と、に基づいて、圧力センサによって検出される圧力が低下したか否かを判定し、これによって、ノズルが破損を含んでいるか否かを判定し、ノズルが破損を含むと判定された場合に、圧力センサによって検出される圧力と記憶部に記憶された関係とに基づいて、層流層の長さを算出し、さらに、層流層の長さが意図されている加工深さより長いか否かを判定することによって、ワークを加工することができるか否かを判定する判定部と、を備えるウォータジェットレーザ加工機である。

本発明者は、鋭意研究の結果、ノズルに破損（例えば、クラック）が生じた場合、ポンプからノズルに供給される水の圧力が低下することを見出した。したがって、ポンプとノズルとの間に水の圧力を検出するように圧力センサを配置することによって、ポンプからノズルに供給される水の圧力の低下、すなわち、ノズルの破損を検出することができる。したがって、ポンプとノズルとの間に圧力センサを含むという簡単な構成によって、ノズルが破損を含んでいるか否かを容易に判断することができる。

記憶部は、ポンプからノズルに供給される水の圧力と、水柱の層流層の長さと、の関係をさらに記憶してもよく、判定部は、ノズルが破損を含むと判定された場合に、圧力センサによって検出される圧力と記憶部に記憶された関係とに基づいて、層流層の長さを算出し、さらに、層流層の長さが意図されている加工深さより長いか否かを判定することによって、ワークを加工することができるか否かを判定してもよい。本発明者はさらに、ポンプからノズルに供給される水の圧力と、水柱の層流層の長さとの間には、相関性があることを見出した。したがって、この態様によれば、ノズルが破損を含む場合でも、層流層の長さを算出することによって、破損を含むノズルを用いてワークを加工することができるか否かを判定することができる。よって、ノズルの使用期間を延ばすことができる。

記憶部は、ある時点に圧力センサによって検出される圧力を閾値として記憶してもよく、判定部は、このある時点よりも後に圧力センサによって検出される圧力が、閾値を所定の時間以上にわたって下回る場合に、圧力センサによって検出され圧力が低下したと判定してもよい。この態様によれば、圧力センサによって検出される圧力がわずかに変動する場合であっても、圧力の低下を正確に検出することができ、したがって、ノズルが破損を含むか否かをより正確に判定することができる。

本開示の一態様によれば、簡単な構成でノズルの破損を検出することができるウォータジェットレーザ加工機を提供することが可能である。

実施形態に係るウォータジェットレーザ加工機を示す概略図である。 図１のウォータジェットレーザ加工機の動作を示すフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、実施形態に係る流体供給装置及びウォータジェットレーザ加工機を説明する。同様な又は対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。理解を容易にするために、図の縮尺は変更されている場合がある。

図１は、実施形態に係るウォータジェットレーザ加工機１００を示す概略図である。ウォータジェットレーザ加工機（以下、単に「レーザ加工機」とも称され得る）１００は、水柱３４によってレーザビームを案内し、レーザビームをワークＷに対して照射することによってワークＷを加工する。レーザ加工機１００は、例えば、レーザヘッド１０と、純水製造装置３０と、高圧ポンプ４０と、パルセーションダンパ４１と、圧力センサ４２と、ワークテーブル３６と、制御装置５０と、を備えている。レーザ加工機１００は、他の構成要素を更に備えてもよい。

レーザヘッド１０は、ワークＷに対してレーザビームを照射する。例えば、レーザヘッド１０は、ワークテーブル３６に対して、直交する３軸方向（Ｘ、Ｙ及びＺ方向）の各々に直線的に相対移動可能である。レーザヘッド１０の移動は、例えば制御装置５０に組み込まれたＮＣ装置によって制御されてもよい。レーザヘッド１０では、ハウジング１２の外部に（又は内部に）配置されたレーザ発信器１４から、レーザビームが出射される。例えば、レーザ発信器１４は、可視光レーザ（例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）を出射する。レーザビームは、例えば光ファイバ等の導光部材１４ａを介して、レーザ照射ヘッド１６によって受け取られる。レーザ照射ヘッド１６は、レーザビームをコリメーションレンズ１８へ向けて照射する。レーザ照射ヘッド１６からのレーザビームは、コリメーションレンズ１８によって平行光線に変換されて、第１のミラー２０によって第２のミラー２２に向けて反射され、第２のミラー２２によってレーザフォーカスレンズ２４へ向けて反射される。レーザフォーカスレンズ２４によって絞られたレーザビームは、ノズル２６のノズル孔２６ｂを通して、ハウジング１２の外部に照射される。

第１及び第２のミラー２０，２２は、平面状の反射面を有しており、かつ、ミラー配向変更手段としてそれぞれ第１モータ２０ａ及び第２モータ２２ａを有している。反射面の配向を第１モータ２０ａ及び第２モータ２２ａによって調整することにより、レーザビームの焦点位置を水平な２方向（Ｘ方向及びＹ方向）に調整することができる。例えば、第１及び第２のミラー２０，２２、特に、レーザフォーカスレンズ２４へ向けてレーザビームを反射する第２のミラー２２は、誘電体多層膜を含んでもよい。誘電体多層膜は、レーザ発信器１４から照射されるレーザビームの波長に適合され、レーザビームを反射し、かつ、レーザビームの波長以外の波長の光を透過する。このような誘電体多層膜は、例えば、ガラス板に蒸着によって形成される。第２のミラー２２が誘電体多層膜を含む場合、ノズル孔２６ｂから照射されるレーザビームとノズル孔２６ｂとの位置関係を、カメラ３２によって監視することが可能である。例えば、カメラ３２のピントは、ノズル孔２６ｂの開口面と同一レベルのノズルヘッド２６ａの面に合わせられる。レーザヘッド１０の構成要素（例えば、レーザ発信器１４、第１モータ２０ａ、第２モータ２２ａ及びカメラ３２等）の動作は、例えば制御装置５０に組み込まれた機械制御装置によって制御されることができる。

ノズル２６は、水柱３４を噴射しかつ水柱３４の中にレーザビームを照射する。具体的には、ノズル２６は、ノズルヘッド２６ａを有している。ノズルヘッド２６ａは、高圧ポンプ４０から管路２８を介して水の供給を受ける中空状の部材である。レーザフォーカスレンズ２４に対面するノズルヘッド２６ａの上面には、ガラス等の透明な部材から形成された窓２６ｃが設けられている。ノズルヘッド２６ａには、ノズル孔２６ｂが設けられている。ノズルヘッド２６ａには、ノズルヘッド２６ａとは別体のノズル本体（不図示）が着脱可能に取付けられてもよく、ノズル孔２６ｂは、このノズル本体に設けられていてもよい。この場合、異なる内径のノズル孔２６ｂを有する複数のノズル本体のなかから、加工の条件に応じて、１つのノズル本体を選択することができる。このような構成によって、ノズル２６の内径は変更可能である。水柱３４の圧力は、水の流量及びノズル孔２６ｂの内径に応じて変化する。例えば、水の流量が２０ｍｌ／ｍｉｎ〜１５０ｍｌ／ｍｉｎで、ノズル孔２６ｂの内径が３０μｍ〜１３５μｍの場合、水柱３４の圧力は、概ね５０ＭＰａ（５００ｂａｒ）〜５ＭＰａ（５０ｂａｒ）である。ノズル孔２６ｂからハウジング１２の外部に照射されるレーザビームは、水柱３４によって包囲され、水柱３４と周囲の空気との間の境界面で全反射しながら進む。したがって、レーザビームは水柱３４に沿って進む。

純水製造装置３０は、水柱３４を形成するために使用される水（例えば、純水又は純水よりもさらに不純物の少ない超純水）を生成する。純水製造装置３０は、給水源６０（例えば、水道）に流体的に繋がれており、例えば、タンク、ポンプ及びフィルタ等の構成要素を含むことができる。

高圧ポンプ４０は、純水製造装置３０から供給された水を加圧し、加圧された水を、パルセーションダンパ４１及び管路２８を介してノズル２６に供給する。高圧ポンプ４０は、例えば、エア駆動式のダイヤフラムポンプであることができる。他の実施形態では、高圧ポンプ４０は、他のタイプの容積ポンプ（例えば、回転式又は往復式）であってもよい。

パルセーションダンパ４１は、高圧ポンプ４０から送り出される加圧された水の脈動を除去するように構成されている。加圧された水の脈動は、加工品質に影響を与える可能性がある。したがって、加圧された水がノズル２６に供給される前に、加圧された水から脈動が除去される。高圧ポンプ４０が脈動を発生させないタイプのポンプである場合には、パルセーションダンパ４１は無くてもよい。

圧力センサ４２は、高圧ポンプ４０からノズル２６に供給される水の圧力を検出するように構成されている。例えば、圧力センサ４２は、高圧ポンプ４０とノズル２６との間（本実施形態では、パルセーションダンパ４１とノズル２６との間）の流路に接続されることができる。圧力センサ４２は、制御装置５０と有線又は無線によって通信可能であり、検出した圧力を制御装置５０に送るように構成されている。

ワークテーブル３６は、例えば、ベッド（不図示）上に配置され、ワークＷを把持する。ワークテーブル３６は、不図示の回転機構等の送り装置を有していてもよい。ワークテーブル３６の動作は、例えば制御装置５０に組み込まれたＮＣ装置によって制御されてもよい。

制御装置５０は、レーザ加工機１００のなかの様々な構成要素と有線又は無線によって接続されており、これらの構成要素を制御するように構成されている。制御装置５０は、例えば、コンピュータ、サーバー、又は、タブレット等であることができる。制御装置５０は、例えば、判定部５１と、記憶部５２と、表示部５３と、を有している。制御装置５０は、他の構成要素（例えば、ＲＯＭ（read only memory）、及び／又は、入力装置（例えば、マウス、キーボード及び／又タッチパネル）等）を有することができる。制御装置５０の構成要素は、バス（不図示）等を介して互いに接続されることができる。

判定部５１は、例えば、記憶部５２に記憶されたプログラムによって実現されることができ、判定部５１の処理は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサによって実行されることができる。判定部５１は、圧力センサ４２によって検出される圧力の低下に基づいて、ノズル２６が破損を含んでいるか否かを判定するように構成されている。

具体的には、ノズル２６には、様々な原因（例えば、ノズルへのデブリの衝突、レーザビームのアライメント調整不良に起因するノズルへのレーザビームの照射、及び／又は、ポンプから送られる高圧の水によるノズルへの長時間の圧力）によって、破損が発生し得る。典型的には、上記のような原因によって、微小なクラックが、ノズル孔２６ｂの周りに発生する場合がある。本発明者は、このようなクラックのサイズが大きくなるにしたがって、及び／又は、クラックの数が増えるにしたがって、高圧ポンプ４０からノズル２６に送られる水の圧力が低下することを見出した。したがって、圧力センサ４２によって検出される圧力の低下に基づいて、ノズル２６が破損を含んでいるか否かを判定することができる。本発明者はさらに、高圧ポンプ４０からノズル２６に供給される水の圧力と、層流層の長さとの間には、相関性があることを見出した。本開示において、「層流層の長さ」とは、水柱３４のなかで流線が規則正しい形を有している部分の長さを意味し得る。具体的には、水の圧力が低下すると、層流層の長さも短くなる。したがって、圧力センサ４２によって検出される圧力に基づいて、層流層の長さを予測することができる。

記憶部５２は、例えば、ハードディスクドライブ及び／又はＲＡＭ（random access memory）等を含むことができる。記憶部５２は、例えば、プロセッサが実行する様々なプログラムを記憶することができる。記憶部５２は、圧力センサ４２によって検出される圧力を記憶するように構成されている。また、記憶部５２は、高圧ポンプ４０からノズル２６に供給される水の圧力と、水柱３４の層流層の長さと、の関係を記憶している。具体的な圧力と層流層の長さとの関係は、例えば、ノズル孔２６ｂの径毎に、実験によって求めることができる。記憶部５２は、その他の様々なデータを記憶してもよい。

表示部５３は、例えば、液晶ディスプレイ又はタッチパネル等であることができる。表示部５３は、例えば、ノズル２６が破損を含む場合、及び、ワークＷを加工することができない場合に、通知を表示することができる（詳しくは、後述）。

制御装置５０は、例えば、インターネット等のネットワークＮを介して、レーザ加工機１００のユーザのスマートフォン４０１及び／又はタブレット４０２に接続されていてもよい。制御装置５０は、例えば、ノズル２６が破損を含むこと及び／又は加工が停止されたことの報知（詳しくは後述）を、ネットワークＮを介してこれらに送信するように構成されていてもよい。このような構成によって、オペレータは、問題を迅速に知ることができる。

続いて、ウォータジェットレーザ加工機１００の動作について説明する。

図２は、図１のウォータジェットレーザ加工機の動作を示すフローチャートである。図２に示される動作は、例えば、記憶部５２に記憶されたプログラムにしたがって加工が開始されるときに、開始されることができる。図２に示される動作は、オペレータからの入力にしたがって開始されてもよく、また、他のタイミングで開始されてもよい。動作が開始されると、判定部５１は、カウンタをｎ＝０（ｎ＝１，２，３・・・・）にクリアする（ステップＳ１００）。続いて、判定部５１は、圧力センサ４２から送られてきた現在の圧力を、圧力の低下を判断するための閾値として記憶部５２に記憶する（ステップＳ１０２）。続いて、判定部５１は、加工は終了したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４において加工は終了したと判定された場合、一連の動作は終了する。

ステップＳ１０４において加工は終了していないと判定された場合、判定部５１は、高圧ポンプ４０に不具合はあるか否かを判定する（ステップＳ１０６）。例えば、記憶部５２は、実験又は解析等によって求められた所定の下限圧力を予め記憶していてもよく、ステップＳ１０６では、判定部５１は、圧力センサ４２から送られてきた現在の圧力が、記憶部５２に記憶された下限圧力よりも低いか否かを判定してもよい。現在の圧力が下限圧力よりも低い場合、判定部５１は、高圧ポンプ４０に不具合があると判定してもよく、現在の圧力が下限圧力以上である場合、判定部５１は、高圧ポンプ４０に不具合はないと判定してもよい。ステップＳ１０６の判定は、他の方法にしたがって実行されてもよい。

ステップＳ１０６において高圧ポンプ４０に不具合があると判定された場合、判定部５１は、これを報知し（ステップＳ１２４）、加工を停止して（ステップＳ１２２）、一連の動作を終了する。報知は、例えば、表示部５３にメッセージを表示してもよいし、音声や警告音をスピーカから出すことによって報知してもよい。

ステップＳ１０４において高圧ポンプ４０に不具合はないと判定された場合、判定部５１は、所定の時間（例えば、最低１秒間）だけ待機する（ステップＳ１０８）。続いて、判定部５１は、圧力センサ４２から送られてきた現在の圧力が、ステップＳ１０２において記憶部５２に記憶された閾値（ステップＳ１０２の時点での圧力）よりも低いか否かを判定する（ステップＳ１１０）。

ステップＳ１１０において現在の圧力が記憶された閾値よりも低くないと判定された場合、判定部５１は、ノズル２６は破損を含んでいない、又は破損は進んでいないと判断して、ステップＳ１００〜Ｓ１１０を、ステップＳ１０４において加工は終了したと判定されるまで繰り返す。

ステップＳ１１０において現在の圧力が記憶された閾値よりも低くいと判定された場合、判定部５１は、カウンタは所定の範囲内（例えば、ｎ≦１０）であるか否かを判定する（ステップＳ１１２）。ステップＳ１１２においてカウンタは所定の範囲内であると判定された場合、判定部５１は、カウンタｎに１をプラスして（ステップＳ１１４）、ステップＳ１０４〜ステップＳ１１２を繰り返す。

ステップＳ１１２においてカウンタは所定の範囲内でないと判定された場合（すなわち、圧力センサ４２によって検出される圧力が、記憶部５２に記憶された閾値を所定の時間以上にわたって下回る場合）、判定部５１は、ノズル２６が破損を含んでいると判定し、これをオペレータに対して報知する（ステップＳ１１６）。報知は、例えば、表示部５３にメッセージを表示してもよいし、音声や警告音をスピーカから出すことによって報知してもよい。

続いて、判定部５１は、圧力センサ４２から送られてくる現在の圧力と、記憶部５２に記憶されている圧力及び層流層の長さの関係と、に基づいて、層流層の長さを算出する（ステップＳ１１８）。続いて、判定部５１は、算出された層流層の長さが、意図されている加工深さより長いか否かを判定する（ステップＳ１２０）。

ステップＳ１２０において層流層の長さが加工深さより長いと判定された場合、判定部５１は、加工を続行することができると判断し、ステップＳ１００〜Ｓ１１８を、ステップＳ１０４において加工は終了したと判定されるまで繰り返す。

ステップＳ１２０において層流層の長さが加工深さより長くないと判定された場合、判定部５１は、加工を続行することが困難であると判断し、加工を停止し（ステップＳ１２２）、一連の動作を終了する。判定部５１は、例えば、高圧ポンプ４０及びレーザ発信器１４をオフする。また、判定部５１は、例えば、加工を停止したことをオペレータに対して報知してもよい。報知は、例えば、表示部５３にメッセージを表示してもよいし、音声や警告音をスピーカから出すことによって報知してもよい。

以上のような実施形態に係るレーザ加工機１００では、高圧ポンプ４０とノズル２６との間に水の圧力を検出するように圧力センサ４２を配置することによって、高圧ポンプ４０からノズル２６に供給される水の圧力の低下、すなわち、ノズル２６の破損を検出することができる。したがって、高圧ポンプ４０とノズル２６との間に圧力センサ４２を含むという簡単な構成によって、ノズル２６が破損を含んでいるか否かを容易に判断することができる。

また、レーザ加工機１００では、記憶部５２は、高圧ポンプ４０からノズル２６に供給される水の圧力と、水柱３４の層流層の長さと、の関係を記憶しており、判定部５１は、ノズル２６が破損を含むと判定された場合に、圧力センサ４２によって検出される圧力と記憶部５２に記憶された関係とに基づいて、層流層の長さを算出し、さらに、層流層の長さが意図されている加工深さより長いか否かを判定することによって、ワークＷを加工することができるか否かを判定する。したがって、ノズル２６が破損を含む場合でも、層流層の長さを算出することによって、破損を含むノズル２６を用いてワークＷを加工することができるか否かを判定することができる。よって、ノズル２６の使用期間を延ばすことができる。

また、レーザ加工機１００では、記憶部５２は、ある時点に圧力センサ４２によって検出される圧力を閾値として記憶し、判定部５１は、この時点よりも後に圧力センサ４２によって検出される圧力が、上記の閾値を所定の時間以上にわたって下回る場合に、圧力センサ４２によって検出される圧力が低下したと判定する。したがって、圧力センサ４２によって検出される圧力がわずかに変動する場合であっても、圧力の低下を正確に検出することができ、したがって、ノズル２６が破損を含むか否かをより正確に判定することができる。ここである時点とは、ノズル２６を新品と交換したり、水柱３４の層流層の長さが意図する加工深さより長いと確認した時等、ノズル２６が加工できる状態であると判定した時点のことである。

ウォータジェットレーザ加工機の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。当業者であれば、上記の実施形態の様々な変形が可能であることを理解するだろう。また、当業者であれば、上記の制御装置５０（又は、判定部５１）が実行するステップは、上記の順番で実施される必要はなく、矛盾が生じない限り、他の順番で実施可能であることを理解するだろう。

例えば、上記の実施形態では、記憶部５２は、圧力センサ４２によって検出されるある時点の圧力を閾値として記憶しており（ステップＳ１０２）、判定部５１は、その後に圧力センサ４２によって検出される圧力が、ステップ１０２において記憶された閾値を所定の時間以上にわたって下回る場合に、圧力は低下したと判断している。他の実施形態では、例えば、記憶部５２は、例えば実験又は解析によって求められた所定の閾値を予め記憶していてもよく、判定部５１は、圧力センサ４２によって検出される圧力が、記憶された閾値を下回る場合に、圧力は低下したと判断してもよい。この場合、例えば、所定の閾値は、高圧ポンプ４０の不具合を判定するときに用いた下限圧力よりも高い値であることができる。

２６ ノズル
３４ 水柱
４０ ポンプ
４２ 圧力センサ
５１ 判定部
５２ 記憶部
１００ ウォータジェットレーザ加工機
Ｗ ワーク

Claims (2)

1. 水柱によってレーザビームを案内し、前記レーザビームをワークに対して照射することによって前記ワークを加工するウォータジェットレーザ加工機において、
   前記水柱を噴射しかつ前記水柱の中に前記レーザビームを導入可能に構成されたノズルと、
   前記ノズルに加圧された水を供給するポンプと、
   前記ポンプから前記ノズルに供給される水の圧力を検出する圧力センサと、
   前記ポンプから前記ノズルに供給される水の圧力の低下を判断するための閾値、および、前記ポンプから前記ノズルに供給される水の圧力と前記水柱の層流層の長さとの関係を記憶する記憶部と、
   前記圧力センサによって検出される圧力と、前記記憶部に記憶された閾値と、に基づいて、前記圧力センサによって検出される圧力が低下したか否かを判定し、これによって、前記ノズルが破損を含んでいるか否かを判定し、前記ノズルが破損を含むと判定された場合に、前記圧力センサによって検出される圧力と前記記憶部に記憶された前記関係とに基づいて、層流層の長さを算出し、さらに、前記層流層の長さが意図されている加工深さより長いか否かを判定することによって、ワークを加工することができるか否かを判定する判定部と、
   を備えたことを特徴とするウォータジェットレーザ加工機。
2. 前記記憶部は、ある時点に前記圧力センサによって検出される圧力を前記閾値として記憶し、
   前記判定部は、前記ある時点よりも後に前記圧力センサによって検出される圧力が、前記閾値を所定の時間以上にわたって下回る場合に、前記圧力センサによって検出される圧力が低下したと判定する、請求項１に記載のウォータジェットレーザ加工機。

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