JP7257372B2 - laser processing machine - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ加工機に関する。 The present invention relates to a laser processing machine .
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。
2. Description of the Related Art A laser processing machine that cuts a sheet metal (an example of a material) with a laser beam emitted from a laser oscillator to manufacture a product of a predetermined shape is widely used. 2. Description of the Related Art In a laser processing machine, it is necessary to appropriately control a laser beam irradiated onto a sheet metal according to processing conditions (see
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。 In setting processing conditions, it is necessary to determine various conditions for a large number of materials and plate thicknesses and verify whether these conditions are appropriate. Therefore, setting the machining conditions requires a huge number of man-hours. Therefore, there is a demand for a technique capable of setting machining conditions with a smaller number of man-hours.
本発明の一態様は、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を提供することである。 One aspect of the present invention is to provide a laser processing machine that can set processing conditions with a small number of man-hours.
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備え、レーザ加工ユニットは、レーザ加工ユニットによって加工された実カーフ幅を検出するカーフ幅検出部を含み、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を含み、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平均吸収率を調整するための補正吸収率を有し、理論値演算部は、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と、カーフ幅検出部において検出される実カーフ幅とを比較し、平均カーフ幅と実カーフ幅との乖離に基づいて、補正吸収率の学習を行うレーザ加工機である。 One aspect of the present invention includes a laser processing unit that cuts a material using a laser beam emitted from a laser oscillator, and a control device that controls the laser processing unit according to processing conditions including a cutting speed. The unit includes a kerf width detector that detects the actual kerf width processed by the laser processing unit, and the controller uses a cutting speed theoretical formula for calculating a theoretical value of the cutting speed according to the material and plate thickness of the material. Based on the theoretical value calculation unit for calculating the theoretical value of the cutting speed, the parameter adjustment unit for adjusting the parameters constituting the theoretical cutting speed formula, and the cutting corrected by the parameter adjustment unit and a processing condition setting unit for setting processing conditions including the cutting speed calculated based on the speed theoretical formula, the cutting speed theoretical formula being a parameter that can be adjusted by the parameter adjusting unit, the average absorption of laser light to the material. The theoretical value calculation unit compares the average kerf width specified in the calculation of the cutting speed theoretical formula with the actual kerf width detected by the kerf width detection unit, A laser processing machine that learns a correction absorption rate based on the deviation between the average kerf width and the actual kerf width.
本発明の一態様によれば、少ない工数で加工条件の設定を行うことができる。 According to one aspect of the present invention, machining conditions can be set with a small number of man-hours.
(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。
(First embodiment)
A laser processing machine and a processing condition setting method according to the present embodiment will be described below. A
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。
A
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。
A
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The assist
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The processing
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。
The machining
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。
The machining
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。
The
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/cm3)、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。 PL (W) (W=J/s) is the laser output, A is the laser absorptance, which is the absorptivity of the laser beam to the sheet metal W, and Em is the melting energy, which is the energy for melting (including evaporation) of the sheet metal W. J/cm3), the kerf width is Wk (mm), and the sheet metal thickness is tc (mm). The theoretical value of the cutting speed (hereinafter referred to as "theoretical cutting speed") Vc (cm/s) is defined as follows from the theoretical cutting speed formula shown in Equation (1).
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。
Vc=PL×A/(Em×Wk×tc) (1)
Equation (1) assumes that all the energy is absorbed in the cutting front of the cutting kerf and that there is no heat conduction loss through the sheet metal W. Also, equation (1) assumes that the molten metal in the cutting kerf is completely evacuated by the assist gas.
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。 As shown in formula (1), the theoretical formula for cutting speed is composed of parameters of laser output PL, laser absorptivity A, melting energy Em, kerf width Wk, and plate thickness tc. It can be seen that the theoretical cutting speed Vc is proportional to the laser output PL and laser absorptance A, and inversely proportional to the melting energy Em, kerf width Wk and plate thickness tc.
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。
The
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。
The machining
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。
A procedure for setting machining conditions by the machining
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。
In step S10, the
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。 As shown in FIG. 5, the information about the laser light includes the minimum condensing radius r0 (mm), the Rayleigh length Zr (mm), the constant representing the quality of the laser light, and the like. The minimum condensing radius r0 is the radius of the light beam that is the minimum (its diameter d) at the focal position of the converging lens 34 (the focal length f of the converging lens 34). The Rayleigh length Zr is the distance between the position where the cross-sectional area of the light beam is twice the cross-sectional area at the focal length f and the focal position of the light beam. A constant representing the quality of laser light is, for example, BPP (mm·mrad). BPP is called a beam parameter product, and is the product of the minimum condensing radius r0 and the divergence angle α of the laser light after the focal length f.
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。 The information about the sheet metal W includes the material such as mild steel, stainless steel or aluminum, the sheet thickness tc, and the like. A plurality of plate thicknesses tc are prepared for one material.
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。
The information on processing conditions is information on processing conditions other than the cutting speed, such as laser output, processing focus, nozzle diameter, type and pressure of assist gas, and nozzle gap. Here, the processing focus is the distance between the upper surface of the sheet metal W and the focus position in the vertical direction (thickness direction of the sheet metal W). The nozzle gap is the gap between the
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。
These pieces of information are input to the
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。
In step S11, the
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。
φin=arctan(tc/(rT+rB)) (2)
In step S12, the
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。
In step S13, the
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。
Wk_ave=2×(rT+r0+rB)/3 (3)
In step S14, the
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。
Vcal=PL×Aave/(Em×Wk_ave×tc×1000×60) (4)
In step S15, the
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。
In step S16, the
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。
In step S17, the
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。
Vcal=PL×Aave_am/(Em×Wk_ave×tc×1000×60) (5)
The corrected absorption rate Aave_am for each plate thickness tc is input to the
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。
For example, the user operates the
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。
In step S18, the
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。
In step S19, the
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。
When the cutting speed theoretical formula is reconstructed in this way, the processing
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。 Specific examples will be described below. First, cutting data on the optimum cutting speed was collected for a plurality of sheet metals W having different materials and thicknesses tc. The material of the sheet metal W is stainless steel and aluminum. Further, the plate thickness tc of the sheet metal W is 3 mm to 25 mm for both stainless steel and aluminum. Also, the laser outputs are 6 kW and 9 kW.
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。 On the other hand, the known physical property values of the sheet metal W (refractive index, absorption coefficient, and melting energy Em), and parameters that can be defined by experimental conditions (minimum light collection radius r0, processing focus fp, incident angle φin, and average kerf width Wk_ave ), the average absorptance Aave for each plate thickness tc is calculated. Then, the theoretical cutting speed Vcal for each plate thickness tc was obtained and compared with the cutting data.
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。 In FIG. 13, the material of the sheet metal W is stainless steel, and the laser output PL is 6 kW. Further, in FIG. 15, the material of the sheet metal W is stainless steel, and the laser output PL is 9 kW. In both FIGS. 13 and 15, the solid line is the theoretical cutting speed Vcal for each plate thickness tc, and the circular marks are cutting data (optimum cutting speed) for each plate thickness tc.
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。 In FIGS. 13 and 15, there is no large deviation between the theoretical cutting speed Vcal and the cutting data, and the results of the two are almost the same. However, each laser output PL has a slight deviation at plate thicknesses of 3 to 6 mm. Therefore, the average absorption coefficient Aave is adjusted with respect to the plate thickness tc so as to reduce the error between the cutting data and the theoretical cutting speed Vcal. FIG. 14 shows the adjustment result for FIG. 13, and FIG. 16 shows the adjustment result for FIG. As shown in FIGS. 13 and 15, it can be seen that the corrected theoretical cutting speed formula (corrected theoretical cutting speed Vcal) accurately matches the cutting data. In order to improve the correction accuracy of the theoretical cutting speed Vcal (cutting speed theoretical formula), it is desirable to repeat the cutting experiment as much as possible and use a large amount of cutting data to improve the adjustment accuracy of the average absorption rate Aave. . Thereby, laser cutting can be stabilized.
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。 In FIG. 17, the material of the sheet metal W is aluminum, and the laser output PL is 6 kW. Further, in FIG. 19, the material of the sheet metal W is aluminum, and the laser output PL is 9 kW. In both FIGS. 17 and 19, the solid line is the theoretical cutting speed Vcal for each plate thickness tc, and the circle marks are cutting data (optimum cutting speed) for each plate thickness tc.
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。 17 and 19, there is no large deviation between the theoretical cutting speed Vcal and the cutting data, but there is a slight deviation depending on the plate thickness tc. Therefore, the average absorption coefficient Aave is adjusted with respect to the plate thickness tc so as to reduce the error between the cutting data and the theoretical cutting speed Vcal. FIG. 18 shows the adjustment result for FIG. 17, and FIG. 20 shows the adjustment result for FIG. As shown in FIGS. 18 and 20 , it can be seen that the corrected theoretical cutting speed formula (corrected theoretical cutting speed Vcal) accurately matches the cutting data.
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。 In the theoretical formula for the cutting speed, the average absorptivity Aave of the sheet metal W is a physical property value that depends on the wavelength of 1 μm of the fiber laser. 99”. Similarly, in the case of aluminum, the average absorption coefficient Aave of the sheet metal W was obtained from the refractive index "1.02" and the absorption coefficient "9.43".
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。 Thus, the average absorptance Aave in the cutting speed theoretical formula is based on theoretical physical property values. Therefore, when the sheet metal W is actually laser-processed, the average absorption rate Aave varies due to factors such as the surface condition of the sheet metal W. Therefore, in the present embodiment, the accuracy of the theoretical cutting speed formula is improved by adjusting the average absorption rate Aave as a correction parameter to correct the theoretical cutting speed formula.
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。
As described above, in the
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。
According to this configuration, the cutting speed can be generalized with respect to the material and the plate thickness tc by the cutting speed theoretical formula, so the cutting speed corresponding to the material and the plate thickness tc of the sheet metal W can be calculated from the cutting speed theoretical formula can be done. Therefore, as shown in FIG. 12 , the processing conditions including the cutting speed can be set from the cutting speed theoretical formula. As a result, it is possible to save the trouble of creating individual processing condition files for each combination of the material quality and plate thickness tc. As a result, the
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。 Further, by adjusting the average absorptance Aave in this cutting speed theoretical formula, the cutting speed theoretical formula can be corrected. As a result, the deviation existing in the theoretical cutting speed can be adjusted, so that the optimum cutting speed can be set as the processing condition.
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。 In the example shown in FIG. 12 , the processing conditions are associated with the post-adjustment average absorptance Aave (that is, the corrected absorptance Aave_am). However, since the absorption rate of the sheet metal W differs depending on the material, material manufacturer, or material production country, the corrected absorption factor Aave_am can be stored in a separate table for each combination of material, material manufacturer, and material production country. be. In this case, in addition to the corrected absorptance Aave_am, the material maker and material production country may be entered in the table.
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。
In the present embodiment, the theoretical formula for cutting speed is constructed using the laser output PL of the
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。 According to this configuration, since the cutting speed can be generalized by the cutting speed theoretical formula, the cutting speed corresponding to the material of the sheet metal W and the plate thickness tc can be calculated by the cutting speed theoretical formula. As a result, machining conditions can be set with a shorter man-hour.
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。 As shown in equation (4), the parameters constituting the theoretical cutting speed Vcal include the laser power PL, the melting energy Em, and the average kerf width Wk_ave in addition to the average absorption rate Aave.
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。
The laser output PL has an upper limit depending on the performance of the
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。
Also, changing the kerf width affects the outer shape of the product. Therefore, the average kerf width Wk_ave cannot be simply changed. Therefore, it is unsuitable as a parameter to be adjusted by the
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。 On the other hand, for the average absorption Aave, the parameter is percentage. Therefore, when setting the corrected absorption rate Aave_am, the input is easy for the user to understand, and the correction can be performed easily. In addition, when correcting the average absorption rate Aave, different plate thicknesses tc can be handled, which is highly convenient. For this reason, it is preferable to use the average absorption rate Aave as the adjustment parameter.
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。 Although it is considered best to use the average absorptivity Aave whose percentage is a parameter, it is also possible to adjust the melting energy Em and correct the cutting theoretical formula.
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。
In addition, in the embodiment described above, it is assumed that the
Vcal=(PL×Aave+E02)/(Em×Wk_ave×tc×1000×60)・・・(6) 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。
In addition, the
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。 According to this configuration, deviations occurring in the theoretical cutting speed Vcal can be compensated according to the information input by the user. Thereby, the optimum cutting speed can be set as the processing condition.
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。
In the above-described embodiment, the user himself/herself adjusts the average absorption rate Aave. However, the
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。 According to this configuration, it is possible to automatically compensate for the deviation between the optimum cutting speed and the theoretical cutting speed. As a result, the optimum cutting speed Vcal can be automatically set for the machining conditions.
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。
Incidentally, in the present embodiment, the situation in which the processing conditions are initially set in the processing
(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。
(Second embodiment)
A
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。
In FIG. 21, the
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。
In the
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。
Note that the laser output correction is not limited to the laser output monitored by the
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。
In addition, the
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。
On the other hand, the
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。
As described above, according to the present embodiment, it is possible to learn the processing results for the sheet metal W. FIG. By correcting the parameters of the cutting speed theoretical formula based on this learning result, it is possible to correct the theoretical value of the cutting speed according to the actual situation such as aging of the
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。 The present invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, the laser processing machine may perform control such that the laser beam has an optimum trajectory when cutting the workpiece .
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
REFERENCE SIGNS
Claims (3)
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備え、
前記レーザ加工ユニットは、
前記レーザ加工ユニットによって加工された実カーフ幅を検出するカーフ幅検出部を含み、
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を含み、
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平均吸収率を調整するための補正吸収率を有し、
前記理論値演算部は、前記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と、前記カーフ幅検出部において検出される前記実カーフ幅とを比較し、前記平均カーフ幅と前記実カーフ幅との乖離に基づいて、前記補正吸収率の学習を行う
レーザ加工機。 a laser processing unit that cuts a material using a laser beam emitted from a laser oscillator;
A control device for controlling the laser processing unit according to processing conditions including cutting speed,
The laser processing unit is
a kerf width detection unit that detects an actual kerf width processed by the laser processing unit;
The control device is
a theoretical value calculation unit that calculates the theoretical value of the cutting speed based on a theoretical cutting speed formula for calculating the theoretical value of the cutting speed according to the material and plate thickness of the material;
a parameter adjustment unit that adjusts the parameters that make up the theoretical cutting speed formula and corrects the theoretical cutting speed formula;
a processing condition setting unit that sets the processing conditions including the cutting speed calculated based on the cutting speed theoretical formula corrected by the parameter adjustment unit ;
The theoretical formula for cutting speed has, as a parameter that can be adjusted by the parameter adjusting unit, a correction absorptance for adjusting the average absorptivity of the laser beam to the material,
The theoretical value calculation section compares the average kerf width specified in the calculation of the cutting speed theoretical formula with the actual kerf width detected by the kerf width detection section, and determines the average kerf width and the actual kerf width. Learning the corrected absorption rate based on the deviation from
Laser processing machine.
前記パラメータ調整部は、加工監視部による加工良否の判定結果に基づいて、前記補正吸収率の学習を行う The parameter adjusting unit learns the corrected absorption rate based on the processing quality determination result by the processing monitoring unit.
請求項1記載のレーザ加工機。 The laser processing machine according to claim 1.
前記補正吸収率は、下式で示されるAave_amの百分率である、 The corrected absorption rate is a percentage of Aave_am given by the formula:
Vcal=PL×Aave_am/(Em×Wk_ave×tc×1000×60) Vcal=PL*Aave_am/(Em*Wk_ave*tc*1000*60)
請求項1又は2記載のレーザ加工機。 3. The laser processing machine according to claim 1 or 2.
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