JPH03110091A - レーザ光の焦点位置決め方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ この発明は、被加工物に照射されるレーザ光の焦点位置
決め方法に関するものである。

〔従来の技術〕

第４図は一般的なレーザ加工機の構成を示す図であり９
図において、（１）は加工テーブルのペース、（２）は
ベース（１）上をＸ軸方向に移動可能なＸ軸テーブル、
（３）はＸ軸テーブル（２）を駆動するモータ、（４）
はＸ軸テーブル（２）上を図示しないモータによりＸ軸
と直交する方向に移動可能なＹ軸テーブル、（５）はＸ
軸及びＹ軸のそれぞれと直交する方向に昇降する昇降体
であり、ここではこの昇降体（５）の移動軸をＺ軸とす
る。（６）は昇降体（５）を保護するカバー、（７）は
昇降体（５）の先端に装着された加工ヘッド、（８）は
Ｚ軸部分を支える枠体、（９）はレーザ光を出力するレ
ーザ発振器、　（１Ｇ）はレーザ光を加工ヘッド（７）
まで導く案内筒、　（１１）は数値制御装置を内蔵する
レーザ加工機の制御装置である。

図に示す構成において、レーザ光はレーザ発振器（９）
から出力され、案内筒（ｉｏ）の中を導かれて加工ヘッ
ド（７）に至り、ここで、加工ヘッド（７）内部のレン
ズにより集光されてＹ軸テーブル（４）の上に載せられ
た被加工物に照射される。

そＬ４．制御装置！　［１１）は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸を駆動
するとともにレーザ光の出力等を制御し、被加工物を所
望の形状に加工する。

ところで、レーザ加工では、レンズにより集光したレー
ザ光の焦点位置を、被加工物に対して適正な位置に位置
決めすることが加工品質を保つ上で重要となる。このた
め９例えば、特開昭５９−２２３１８９号公報に示され
ているように、加工ヘッド部分に被加工物と加工ヘッド
との距離を測定する距離センサを設け、この距離センサ
からの信号に基づいて、被加工物に対するレーザ光の焦
点位置が所定の位置になるように自動的に位置決めする
。

いわゆる焦点位置決め機能を備えたレーザ加工機が多く
出現している。

ここで、距離センサを備えた加工ヘッドの例を第５図及
び第６図に示す。

第５図は非接触式の距離センサを使用した場合の加工ヘ
ッド部分の例であり２図において、（７）は加工ヘッド
、　（１２）はレーザ光、　（１３）は集光レンズ、　
　（１４）は被加工物、　　（Ｉｓ）は距離センサであ
る。

レーザ発振器（９）から出力されたレーザ光（１２）は
、加工ヘッド（７）に設けられた集光レンズ（１３）に
より集光されて被加工物（１４）上に照射される。

距離センサ（１５）は加工ヘッド（７）に設けられてお
り、被加工物（１４）との距離に応じた信号を出力して
制御装置（１１）に伝える。

第６図は接触式の距離センサを用いた場合の加工ヘッド
部分の例を示し２図において、　（１６）はスプーンと
呼ばれる接触子であり、スプーン（１６）の軸（１６ａ
）が距離センサ（１５）内を摺動自在に移動するように
なっている。この場合の距離センサ（Ｉｓ）は、スプー
ン（１６）の軸（１６ａ）の距離センサ（１５）内への
挿入量に応じて信号を出力することにより。

被加工物（１４）と加工ヘッド（７）間の距離を制御装
ｆｉ（１１）に伝える。

なお、非接触式の距離センサとしては、光式や静電容量
式のものがあり、一方、接触式の距離センサとしては、
差動トランス等が使われている。

次に、レーザ加工におけるレーザ光の焦点位置決め方法
について説明する。

第７図は制御装ｆｆｉ　（１１）の焦点位置決め機能の
制御ブロック図である。

図において、距離センサ（１５）は加工ヘッド（７）と
被加工物（１４）間の距離に応じたアナログ信号を出力
する。＾／Ｄ変換器（１８）はアナログ信号をデジタル
データに変換して補正処理回路（１９）に送る。

そして、補正処理回路（１９）は、上記のデータに基づ
き、もし、被加工物（１４）と加工ヘッド（７）が所定
の距離より雌れていれば加工ヘッド（７）を下げるよう
に、また、被加工物（１４）と加工ヘッド（７）が所定
の距離より近ければ加工ヘッド（７）を上げるようなＺ
軸の補正指令をサーボアンプ（２０）へ出力する。

なお、この時の出力信号は、サーボアンプ（２０）がデ
ジタルアンプならばデジタル量で、アナログアンプなら
ばアナログ量で出力する。

サーボアンプ（２０）は上記信号に基づいて各種のサー
ボ処理を行ってＺ軸モータ（２１）を駆動し、これによ
って加工ヘッド（７）がＺ軸上を上下に移動するごとに
なる。

つぎに、補正処理回路（１９）での処理を第８図のフロ
ー図により説明すると、まず、ステップ２２にて、前記
で説明した焦点位置決め機能がＯＮかＯＦＦかを判定す
る。通常、焦点位置決め機能の０Ｎ１０ＦＦは、操作盤
のスイッチやプログラムの指令により行われている。

判定の結果、焦点位置決め機能がＯＦＦの場合は何も処
理は行わず、焦点位置決め機能がＯＮの場合はステップ
２３にて補正計算処理を行なう。この補正計算処理では
、＾／Ｄ変換器（１８）から入力されたデータを距離に
換算し、予め設定された所定の距離に対する誤差を計算
する０次に、ステップ２４にて補正出力処理を行うが、
補正出力処理では、ステップ２３にて求めた誤差に対し
、Ｚ軸指令として出力する補正移動量を計算して出力す
る。なお。

補正移動量計算では、制御ループの安定性等を考慮した
サーボ処理を誤差に対して行う。

以上のような処理を補正処理回路（１９）で繰り返し行
うことにより、加工ヘッド（７）が所定の位置に設定さ
れ、レーザ光の焦点位置が決まることになるのである。

しかしながら１以上の方法における補正出力処理による
Ｚ軸の移動速度は２通常、レーザ加工機のＺ軸早送り速
度に比べてかなり遅いため１例えば加工ヘッド（７）の
位置がＺ軸の上方にあって。

被加工物（１４）との距離が大きく離れている場合。

焦点位置決め機能により加工ヘッド（７）が降下して加
工ヘッド（７）と被加工物（１４）の距離が、予め設定
された距離になるまでに時間が掛かるという問題が生じ
ることになる。

そこで、この対策の一つとして、プログラム内で、焦点
位置決め機能をＯＮする際に加工ヘッドが被加工物近く
の所定の位置まで早送りで移動するように、Ｚ軸移動ブ
ロックをプログラムする方法がある。しかし、この方法
ではプログラムそのものが煩雑になるうえに、被加工物
を変更することによって所定の位置から被加工物までの
距離が変化した場合は、プログラム中の全てのＺ軸移動
ブロックを編集し直す必要があるために、その作業に多
大の時間を要するという問題がある。

そこで、これらの間層点を解決する方法が特開昭６１−
２７３２９２号公報で紹介されており、以下、第９図に
より説明する。図において、（７）は加工ヘッド、　（
１４）は被加工物、　（１５）は距離センサ、　（１６
１は接触子、　（２５）は加工ヘッド（７）と別体に設
けられた減速センサ、　（２６）は加工ヘッド（７）に
装着されたドッグである。

なお９図に示す（Ｐ６）は加工ヘッド（７）の現在位置
、　（Ｐ、）は減速位置および（Ｐ、）は加工開始位置
である。

次に、焦点位置決め方法について説明する。加工ヘッド
（７）が現在位ａｐ、にあるとき焦点位置決め機能をＯ
Ｎすると、加工ヘッド（７）は早送り（高速）移動で被
加工物（１４）の方向（矢印Ｂ）に駆動される。そして
、加工ヘッド（７）が降下を続けて第９図（Ｃ）に示す
減速位置Ｐ、に近づくと、減速センサ（２５）が加工ヘ
ッド（７）　に設けられたドッグ（２６）を検知して信
号を出力する。この信号によって、加工ヘッド（７）の
降下が早送り移動から距離センサ（１５）の信号による
移動（つまり、低速度）に切換わり、その後、予め設定
された加工開始位置Ｐ、まで移動されることになる。こ
れによって。

加工ヘッド（７）の位置決めがされ、レーザ光の焦点位
置が所定の位置に決まるのである。

［発明が解決しようとする課題］ 従来のレーザ光の焦点位置決め方法は以上説明したよう
に、減速センサ（２５）が加工ヘッド（７）に装着され
たドッグ（２６）を検知した時に出力する信号に基づい
て加工ヘッド（７）を早送り移動から低速移動に切換え
るようにしているため、移動速度の切換え位置である減
速位置Ｐ、を設定するための減速センサ（２５）やドッ
グ（２６）などが必要になるとともに、減速センサ（２
５）とドッグ（２６）の取付位置によって減速位置Ｐ、
が決定されるために、被加工物（１４）の厚さが興なる
都度、減速センサ（２５）又はドッグ（２６）の取付位
置を変更しなければならず。

それらの設定が非常に煩雑で時間を要するなどの間ｚ点
があった。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、減速センサやドッグなどを用いることなく、
かつ、被加工物の厚さが異なる場合でも減速位置の設定
が容易であるレーザ光の焦点位置決め方法を得ることを
目的とする。

〔課題を解決するための手段］ この発明におけるレーザ光の焦点位置決め方法は、加工
ヘッドの現在位置の座標値をカウントするとともに加工
ヘッドの減速位置の座標値を予め設定しておき、上記加
工ヘッドの現在位置の座標値と上記減速位置の座標値と
を比較し、この比較結果に基づいて加工ヘッドを減速位
置まで高速で移動するようにしたものである。

〔作用］ この発明においては、加工ヘッドの減速位置を座標値で
設定することにより、減速位置を検知する手段を用いる
ことなく、任意の減速位置の設定ができる。

〔発明の実施例１ 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明にょるレーザ光の焦点位置決め方法を示す
フロー図、第２図は焦点位置決め機構の構成図、第３図
は焦点位置決め動作の説明図である。

第２図において、　（３５）はＮＣプログラム等による
加工ヘッド（７）の移動指令、　（３６）は指令（３５
）を解析して加工ヘッド（７）の速度や移動量をサーボ
アンプ（２０）に出力する指令計算回路、　（３７）は
加工ヘッド（７）の現在位置Ｐ、（第３図参照）の座標
値をカウントする座標値カウンタ、　（３８）は加工ヘ
ッド（７）の減速位置Ｐ、（第３図参照）を設定する座
標値設定手段であり、オペレータが制御装置（１１）の
キーボードを用いて設定した。被加工物（１４）に対す
る加工ヘッド（７）の減速位置Ｐ、の座標値が所定のメ
モリ領域に格納されている。

（１９ａ）は座標値カウンタ（３７）でカウントされた
加工ヘッド（７）の現在位ｅＰ１の座標値と、座標値設
定手段（３８）に予め記憶されている加工ヘッド（７）
の減速位置Ｐ、の座標値とを比較して補正処理を行う補
正処理回路である。

また、この補正処理回路（１９ａ）は、加工ヘッド（７
）が減速位ｒａｐ、に到達したときに、　Ａ／Ｄ変換器
（１８）を介して距離センサ（１５）から出力される加
工ヘッド（７）と被加工物（１４）間の距離に相当する
信号に基づき、予め設定されている加工開始位置Ｐ６（
第３図参照）に対する距離の誤差計算を行い。

加工ヘッド（７）を加工開始位置Ｐ、まで焦点位置決め
機能の速度で移動すべくサーボアンプ（２０）に信号を
出力する機能を有している。

なお、第２図において、従来例を示す第７図と同一、又
は相当部分には同一符号を付し説明を省略する。

次に、動作について説明する。

ＭＣプログラムや操作盤のキーボード等から制御装置（
１１）に移動指令（３５）が与えられると、指令計算回
路（３６）は、与えられた指令を解析して加工ヘッド（
７）の移動速度や移動距離を求め、それらに対応した移
動量をサーボアンプ（２０）に出力してＺ軸モータ（２
１）を駆動する。これにより加工ヘッド（７）がＺ軸方
向に所定の距離移動される。この移動時においては、Ｚ
軸モータ（２１）に設けられた検出器（図示せず）が、
与えられた移動量を正確に移動するようにサーボループ
が構成されている。

なお、座標値カウンタ（３７）は、常時、現在のＺ軸の
座標を示しているが、実際には、加工ヘッド（７）の位
置が座標値カウンタ（３７）の座標値の位置になるのは
サーボループによる時間遅れがある。

補正処理回路（１９ａ）は、座標値設定手段（３８）が
所定のメモリ領域に格納した設定座標値、即ち。

減速位置Ｐ、の座標値と、座標値カウンタ（３７）がカ
ウントしている現在位置Ｐ６の座標値を参照して誤差処
理を行ない、焦点位置決め機能としての移動量を出力す
る。この移動量は、指令計算回路（３６）から出力され
たプログラム等の指令移動量に加えられてサーボアンプ
（２０）に出力される。

次に、焦点位置決め方法の詳細を第１図のフローチャー
トに基づいて説明する。

まず、焦点位置決め機能がＯＮであるとき、ステップ２
７では、座標値設定手段（３８）により設定された減速
位置Ｐ、の座標値と座標値カウンタ（３７）の現在位置
Ｐ６の座標値とを比較する。そして、現在位置Ｐ０が減
速位置Ｐ、と同しか、又は現在位１２！Ｐ、が減速位置
Ｐ、より小さい場合（Ｐ、≧Ｐ、）は、ステップ３１に
て現在位置Ｐ、における加工ヘッド（７）と被加工物（
１４）間の距離に対応する信号を出力する距離センサ（
１５）の出力に切換える。つぎに、ステップ３２にて、
距離センサ（１５）の出力信号を距離に換算し、予め設
定されている加工開始位＠ｐ、の距離に対する誤差を計
算する。この誤差に対してステップ３３では、加工ヘッ
ド（７）を焦点位置決め機能の速度（低速度）で移動す
べ（、補正移動量を求めて指令を出す。

そして、最後に、ステップ３４により加工ヘッド（７）
が加工開始位置Ｐ、に到達したか否かを判断して、到達
していなければステップ３３に戻り、到達していれば焦
点位置決め機能が終了する。

一方、ステップ２７で比較した結果、現在位置Ｐ６が減
速位置Ｐ、より上にある場合（Ｐ、＜Ｐ、）は、ステッ
プ２８にて現在位置Ｐ６から減速位置Ｐ、までの移動距
離を計算する。そして、ステップ２９にて、上記の距離
を焦点位置決め機能の速度より早い速度（早送り）で移
動すべ（、移動量を計算して移動指令を出力する。

因に、これらの処理は、指令計算回路（３６）が移動指
令（３５）に対する移動量の計算を行うときの処理とほ
ぼ同様にして行われる。

なお、上記処理中は、　Ａ／Ｄ変換器（１８）からのデ
ータは無視される。

つぎに、ステップ３０で、加工ヘッド（７）が減速位置
Ｐ、に到達したか否かが判断され、到達していれば、ス
テップ３１にて距離センサ（１５）の出力に切換えられ
て、以後、前に述べたようなフローで処理が行われるこ
とになる。

即ち９以上の様子を図に示したものが第３図であり、加
工ヘッド（７）が現在位＠ｐ、にあるときに焦点位置決
め機能をＯＮすると、加工ヘッド（７）が減速位置Ｐ、
までは早送りで移動し、減速位置Ｐ、から加工開始位置
Ｐ、までは焦点位置決め機能による速度（低速）で移動
するのである。

なお、上記による早送り移動に際しては、現在位置Ｐ、
と減速位置Ｐ１の位置データに基づいて、それぞれの位
置間の距離に対応する移動量を求める必要があるが、こ
の発明では１位置データとして座標値データを用いてい
るので、被加工物（１４）を変更することによ−）て減
速位置Ｐ、が変わる場合でも、座標値設定手段（３８）
の減速位置Ｐ、の座標値を変更するだけでよい。また、
従来のように減速位置Ｐ、を検知するためのセンサ等が
不要になるという利点がある。

ところで、上記実施例では距離センサ（１５）の種類に
ついては特に触れていないが、接触式又は非接触式のい
づれを用いても、この発明による所期の目的を達成する
ことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のようにこの発明によれば、加工ヘッドの現在位置
の座標値をカウントするとともに加工ヘッドの減速位置
の座標値を予め設定しておき、加工ヘッドの現在位置の
座標値と減速位置の座標値とを比較し、この比較結果に
基づいて加工ヘッドを減速位置まで高速で移動するよう
にしたので。

被加工物の厚さが異なっても、加工ヘッドの移動速度を
切換える減速位置の設定が簡単、かつ、短時間で行うこ
とができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例によるレーザ光の焦点位置
決め方法を示すフロー図、第２図はこの発明による方法
の構成図、第３図はこの発明の方法による加工ヘッドの
動作説明図、第４図はレーザ加工機の構成図、第５図、
第６図および第９図は従来のレーザ光の焦点位置決め方
法による動作説明図、第７図は従来方法の構成図、第８
図は同フロー図である。 図において、　（１９ａ）は補正処理回路、　（３７）
は座標値カウンタ、　（３８）は座標値設定手段、　（
Ｐ、）は加工ヘッドの現在位置、　（Ｐ、）は同減速位
置、　（Ｐ、）は同加工開始位置である。 なお２図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ加工ヘッドを予め設定された所定の減速位置まで
   高速で移動し、上記減速位置に達した時点で低速に切換
   えて所定の加工開始位置まで移動することによりレーザ
   光の焦点位置決めを行う方法において、上記加工ヘッド
   の現在位置の座標値をカウントするとともに上記減速位
   置の座標値を予め設定しておき、上記加工ヘッドの現在
   位置の座標値と上記減速位置の座標値とを比較し、この
   比較結果に基づいて加工ヘッドを減速位置まで高速で移
   動することを特徴とするレーザ光の焦点位置決め方法。