JP7259362B2 - レーザ加工ヘッド、劣化検知装置及びレーザ加工機 - Google Patents
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Description
そこで、従来のレーザ加工機では、レーザ光の投光手段と受光センサを有する着脱可能なアタッチメントを備え、レーザ加工前に投光手段から保護ガラスに照射された測定光の反射光量を受光センサにより検出し、この検出値とあらかじめ設定された基準値とを比較して、保護ガラスからの散乱光の原因となる割れが生じているか否かを判断することで保護ガラスの劣化を検出していた(例えば、特許文献1参照)。また、保護ガラスの外周面に沿って複数の光検出センサを備え、レーザ加工中保護ガラスからの散乱光を常時監視し、光検出センサによる検出値が設定値以上の場合に保護ガラスの汚染として検出することで保護ガラスの交換の要否を判別するようにしていた(例えば、特許文献2参照)。
本実施の形態であるレーザ加工ヘッドについて説明する。図1は、本実施の形態であるレーザ加工ヘッドとレーザ加工ヘッド内に設けられた保護ガラスの劣化を検知する劣化検知装置とを備えたレーザ加工機の概略図である。
レーザ加工ヘッド1は、レーザ発振器から出射されたレーザ光LBを加工テーブル16上に載置された被加工物12に向かって出射する。加工テーブル16は、矢印X方向に動くことができる。また、レーザ加工ヘッド1は、一体で矢印Z方向に移動できるようにZ軸可動部13に固定されている。
Y軸可動部14は、Z軸可動部13及びレーザ加工ヘッド1を矢印Y方向に移動させることができる。
劣化検知装置15aは、レーザ加工ヘッド1が有する保護ガラスの劣化を検知することができる。
可動制御装置17は、Z軸可動部13及びY軸可動部14の動作を制御する。
本実施の形態であるレーザ加工ヘッド1を適用するレーザ加工機は、本実施の形態では1064nmの波長のレーザ光を発振するファイバレーザを適用したものとして説明するが、赤外のレーザ光を発振するCO2レーザでも適用可能である。
集光レンズ3は、ハウジング2内に備えられ、Kの矢印方向にレーザ光LBの集光を行う。
保護ガラス5は、ハウジング2内に集光レンズ3とKの矢印方向の同軸上にスペーサ4を介して配置されており、Lの矢印方向から保持具6によって取り付けられている。一般的に保護ガラス5の材料は、レーザ光LBの波長が近赤外から可視の場合は、BK7もしくは合成石英といったガラス素材が使用される。
レーザ光LBは、レーザ発振器によって出射された後、集光レンズ3で集光され、保護ガラス5を透過し、ノズル8から出射され被加工物12に照射される。
レーザ加工ヘッド1の内部では、保護ガラス5からノズル8の間は空洞となっている。スパッタは、レーザ加工ヘッド1のノズル8の開口から出射されたレーザ光LBが被加工物12に照射される際に被加工物12から生じる。生じたスパッタは、ノズル8の開口から飛び込んでレーザ加工ヘッド1内の空洞を通り保護ガラス5に付着する。また、気中の塵埃等も同様に、ノズル8の開口から飛び込んでレーザ加工ヘッド1内の空洞を通り保護ガラス5に付着する。
保護ガラス5は、レーザ加工時に生じるスパッタ及び気中の塵埃等が集光レンズ3に付着することを防止している。保護ガラス5は集光レンズ3への付着を防止する一方で、スパッタが付着する瞬間保護ガラス5には衝撃が生じ、保護ガラス5の劣化の原因となる。
AEセンサ7は、AE(Acoustic Emission)と呼ばれる現象の発生時に放出される弾性波を検出するものである。AEとは、金属もしくはガラスといった固体の内部で微小な変形又は亀裂等の破壊、相変態又は結晶粒界の移動の際に開放されるエネルギーを弾性波として放出する現象のことであり、AE波とはこの弾性波のことである。AEセンサ7は、保護ガラス5で発生し保護ガラス5から伝播してくるAE波の振動強度を検出することが可能であり、例えば圧電素子で構成される。AEセンサ7は、1MHzレベルの高速処理が可能であることが特徴である。
本実施の形態では、AEセンサ7は、レーザ加工中の保護ガラス5の劣化のうち破損時に発生するAE波を検出する。
図4は、本実施の形態に係る劣化検知装置15aの構成を説明するための説明図である。AEセンサ7はレーザ加工ヘッド1が有する。プリアンプ91、フィルタ92、メインアンプ93、A/D変換器94、CPU95、メモリ96及びディスプレイ97は劣化検知装置15aが有する。実線がアナログ信号のやり取りを示し、破線がデジタル信号のやり取りを示す。
プリアンプ91は、AEセンサ7から出力された微弱なAE信号を増幅する。
フィルタ92は、例えばバンドパスフィルタを用いて、保護ガラス5の破損の検知時に設定した設定周波数帯域以外の範囲をノイズ成分として除去する。詳しくは後述する。
メインアンプ93は、ノイズ除去後、AE信号を再度増幅する。
A/D変換器94は、アナログのAE信号をデジタルのAE信号に変換する。
CPU95は、メモリ96が格納している保護ガラス5の劣化検知処理で用いるプログラムを実行する。プログラムが行う劣化検知処理の詳細は後述する。
ディスプレイ97は、CPU95によって指示された内容を表示する。
前置増幅部72は、検出部71から出力された電気信号を増幅する。前置増幅部72は、図4のプリアンプ91が相当する。
ノイズ除去部73は、アナログフィルタを用いて、前置増幅部72から出力された電気信号のノイズ成分を除去する。ノイズ除去部73は、図4のフィルタ92が相当する。ノイズ除去に関しては後で詳細に述べる。
主増幅部74は、ノイズ除去部73でノイズ除去されたAE信号をさらに増幅する。主増幅部74は、図4のメインアンプ93が相当する。
第1比較部76aは、これ以上の値であれば保護ガラス5が破損している状態を表す値である第1基準値と、AE波検出値とを比較する。
第1判定部77aは、AE波検出値が第1基準値以上であれば、保護ガラス5が破損しており交換が必要であると判定する。第1基準値より小さければ、保護ガラス5は破損していないと判定する。
結果報知部78は、第1判定部77aの判定結果を報知する。本実施の形態では、保護ガラス5を交換する場合にのみ保護ガラス5の交換を促す警告を報知するが、保護ガラス5の交換しない場合においても判定結果を報知してもよい。結果報知部78は、表示画面に警告を表示してもよいし、警告音を発してもよい。また、結果報知部78は、表示、警告音又はネット回線等の通信を用いた通知の少なくともいずれかを行って報知するように構成されていてもよい。本実施の形態では、結果報知部78は警告する場合表示画面に警告を表示することとし、図4のディスプレイ97が相当する。
ステップS2では、前置増幅部72が、検出部71が出力した微弱なAE信号を増幅する。
ステップS3では、前置増幅部72が出力したAE信号に対してノイズ除去部73がバンドパスフィルタを用いてノイズを除去する。図7は、図3で示したAE信号の周波数特性図である。縦軸が電圧、横軸が周波数である。保護ガラス5の破損時AE波として特徴が表れる範囲である周波数範囲を設定周波数帯域Bとして、ノイズ除去部73は、設定周波数帯域B以外の周波数範囲はノイズとしてバンドパスフィルタを用いて除去する。
ステップS4では、主増幅部74が、ノイズ除去部73でノイズ除去されたAE信号をさらに増幅する。
ステップS5では、A/D変換部75が、主増幅部74で増幅されたAE信号をアナログ信号からデジタル信号に変換する。
ステップS6では、第1比較部76aが、AE波検出値と、あらかじめ設定した保護ガラス5が破損している状態を示す第1基準値との比較を行う。第1基準値は、図7では第1基準値Cとして示す。
第1基準値Cよりも小さければ、保護ガラス5は破損しておらず使用可能であると判定し再度ステップS1に戻る。
ステップS1からステップS7までの動作は、保護ガラス5の破損が検知されるまで、あらかじめ定められた一定間隔で繰り返し行われる。
また、AEセンサ7を複数配置すること又はAE波検出値を詳細に分析することといったことにより、保護ガラス5の破損具合、発生位置及び破損の進展方向の評価も可能となる。
実施の形態2に係る劣化検知装置と実施の形態1に係る劣化検知装置との相違は、実施の形態1ではAEセンサにより保護ガラスの破損を検知できるのに対し、本実施の形態ではAEセンサにより保護ガラスに付着したスパッタによる汚染状態を検知することができる点である。なお、以下では、実施の形態1との相違点のみ説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態1と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。
図8は、本実施の形態でAEセンサ7が検出するAE波の例を表した図である。横軸は時間、縦軸は電圧である。保護ガラス5にスパッタが付着する際に発生するAE波は、保護ガラス5の表面とスパッタとの衝突の摩擦及び分子レベルでの結合が原因である。
検波部79は、主増幅部74から出力されたAE信号を半波整流回路で包絡線検波する。
パルス出力部80は、包絡線検波波形にパルス閾値を設定し、検波結果である包絡線検波波形がパルス閾値以上となった際に1つのパルスを出力する。
計数部81は、新しい保護ガラス5が取り付けられた以降にパルス出力部80が出力したパルスの数を累積でカウントする。カウントした値を以下ではAE計数値と呼ぶものとする。なお、保護ガラス5が交換された時点でAE計数値は0にリセットされる。
第2比較部76bは、AE計数値と、これ以上の値であれば保護ガラス5を交換するべき汚染状態を表す値である第2基準値とを比較する。
第2判定部77bは、AE計数値が第2基準値以上であれば、保護ガラス5は汚染状態であり交換が必要であると判定する。第2基準値より小さければ、保護ガラス5は交換するべき汚染状態ではないと判定する。
実施の形態1と同様に、ステップS11~ステップS14において、検出部71がAE波を検出しアナログのAE信号に変換する。そして、前置増幅部72は、検出部71が出力するAE信号を増幅する。前置増幅部72が出力するAE信号に対してノイズ除去部73がノイズ除去を行い、主増幅部74がさらにノイズ除去されたAE信号を増幅する。
ステップS16では、パルス出力部80が、AE信号を図11で示すパルス閾値Dに基づいてパルス閾値D以上となった際に1つのパルスとして出力する。図12は、パルスとして出力された結果を表す図である。縦軸は電圧であり、横軸は時間である。
ステップS17では、計数部81が、ステップS16で出力されたパルスの数をカウントし、AE計数値を求める。
ステップS19では、第2判定部77bが、保護ガラス5を交換するか否かを判定する。AE計数値が第2基準値よりも小さかった場合、第2判定部77bは保護ガラス5を交換しないという判定をする。そして、ステップS11に戻り、AE波の検出を再度行う。
AE計数値が第2基準値以上であった場合、保護ガラス5の汚染による劣化が進んでいるため、第2判定部77bは、保護ガラス5を交換するためYESという判定をする。そして、ステップS20へ進む。
ステップS20では、結果報知部78が保護ガラス5の交換をするべき旨の警告を報知する。ディスプレイ97には、保護ガラス5の交換を促す警告が表示される。
ステップS11からステップS20の動作は、保護ガラス5を交換するべきスパッタによる汚染状態が検出されるまで、あらかじめ定められた一定間隔で繰り返し行われる。
実施の形態3と実施の形態1及び2との相違は、実施の形態1ではAEセンサにより保護ガラスの破損の検知及び、実施の形態2では保護ガラスに付着したスパッタによる汚染状態の検知ができるのに対し、本実施の形態では、AEセンサ7により保護ガラス5の破損及びスパッタの付着を検出することができる点である。
なお、以下では、実施の形態1及び2との相違点のみ説明し、同一又は対応する部分についての説明は省略する。符号についても、実施の形態1及び2と同一又は相当部分は同一符号とし、説明を省略する。
AE波は、保護ガラス5の破損時は、保護ガラス5の原子レベルの格子配列がずれることで発生する。一方、保護ガラス5へのスパッタの付着時は、保護ガラス5の表面とスパッタとの衝突時の摩擦及び分子レベルでの結合によって発生する。
したがって、本実施の形態では、各々の場合に応じてAE波の周波数及び振幅は異なるため、両者を区別して検出することができる。
つまり、保護ガラス5へのスパッタの付着と保護ガラス5の破損とは、レーザ加工中に不可逆的に発生する現象であり、保護ガラス5の破損を検出するまで保護ガラス5へのスパッタの付着を検出することが可能である。
実施の形態1と同様に、第1比較部76aは、AE波検出値とこれ以上の値であれば保護ガラス5の破壊を表す第1基準値とを比較する。また、実施の形態2と同様に、第2比較部76bは、AE計数値とこれ以上の値であれば保護ガラス5の交換が必要な汚染状態を表す第2基準値とを比較する。
ステップS21~ステップS24までは実施の形態1及び2と同様である。
本実施形態ではステップS25からステップS27では実施の形態1と同様に、第1比較部76a及び第3判定部77cによって、保護ガラス5が破壊されており交換が必要か否かを判定する。
第3判定部77cが保護ガラス5は破壊されており交換が必要であると判定した場合、ステップS33に進み、結果報知部78が保護ガラス5の交換をするべき旨の警告を報知する。
第3判定部77cが保護ガラス5は破壊されておらず破損による交換は必要ではないと判定した場合、ステップS28に進む。
本実施形態ではステップS28からステップS32では実施の形態2と同様に、第2比較部76b及び第3判定部77cで、保護ガラス5は交換が必要な汚染状態であるか否かを判定する。
保護ガラス5を交換するべきでないと判定した場合、ステップS21に戻る。そして、ステップS21からステップS33までの動作は、保護ガラス5の破損もしくは保護ガラス5を交換するべきスパッタによる汚染状態が検出されるまで、あらかじめ定められた一定間隔で繰り返し行われる。
3 集光レンズ
5 保護ガラス
7 AEセンサ
15a、15b、15c 劣化検知装置
71 検出部
72 前置増幅部
73 ノイズ除去部
74 主増幅部
75 A/D変換部
76a 第1比較部
76b 第2比較部
77a 第1判定部
77b 第2判定部
77c 第3判定部
78 結果報知部
79 検波部
80 パルス出力部
81 計数部
Claims (6)
- レーザ光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズを保護するように設けられる保護ガラスと、
前記保護ガラスの外周面の位置に設けられた篏合穴に挿入され、前記保護ガラスから発生するAE(Aco ustic Emission)波を検出し、AE信号として出力する検出部と、
を備えたことを特徴とするレーザ加工ヘッド。 - 請求項1に記載のレーザ加工ヘッドが有する前記検出部から出力された前記AE信号に基づいて求められるAE波検出値と前記保護ガラスの破損を判断する基準である第1基準値とを比較する第1比較部と、
前記第1比較部の比較結果に基づいて前記保護ガラスの交換の要否を判定する第1判定部と、
前記第1判定部の判定結果が要の場合に前記保護ガラスの交換を報知する結果報知部と、
を備えたことを特徴とする劣化検知装置。 - 請求項1に記載のレーザ加工ヘッドが有する前記検出部から出力された前記AE信号を包絡線検波する検波部と、
前記検波部による検波結果がパルス閾値以上であればパルスを出力するパルス出力部と、
前記パルス出力部により出力されたパルスの数をカウントし、AE計数値として出力する計数部と、
前記計数部から出力された前記AE計数値と前記保護ガラスの汚染を判断する基準である第2基準値とを比較する第2比較部と、
前記第2比較部の比較結果に基づいて前記保護ガラスの交換の要否を判定する第2判定部と、
前記第2判定部の判定結果が要の場合に前記保護ガラスの交換を報知する結果報知部と、
を備えたことを特徴とする劣化検知装置。 - 請求項1に記載のレーザ加工ヘッドが有する前記検出部から出力された前記AE信号に基づいて求められるAE波検出値と前記保護ガラスの破損を判断する基準である第1基準値とを比較する第1比較部と、
前記AE信号を包絡線検波する検波部と、
前記検波部による検波結果がパルス閾値以上であればパルスを出力するパルス出力部と、
前記パルス出力部により出力されたパルスの数をカウントし、AE計数値として出力する計数部と、
前記計数部から出力された前記AE計数値と前記保護ガラスの汚染を判断する基準である第2基準値とを比較する第2比較部と、
前記第1比較部の比較結果に基づいて破損による前記保護ガラスの交換の要否を判定し、前記破損による前記保護ガラスの交換は必要ないと判定した場合に前記第2比較部の結果に基づいて汚染による前記保護ガラスの交換の要否を判定する第3判定部と、
前記第3判定部の判定結果が要の場合に前記保護ガラスの交換を報知する結果報知部と、
を備えたことを特徴とする劣化検知装置。 - 前記結果報知部は、
表示画面に前記保護ガラスを交換する旨の警告を表示すること、
警告音を発すること、
又は通信を用いて他の設備に通知すること、
の少なくともいずれかを行って報知することを特徴とする請求項2から4のいずれか1項に記載の劣化検知装置。 - 請求項1に記載のレーザ加工ヘッドと、
請求項2から5のいずれか1項に記載の劣化検知装置と、
を備えたレーザ加工機。
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