JPH0343953B2

JPH0343953B2 -

Info

Publication number: JPH0343953B2
Application number: JP58109686A
Authority: JP
Inventors: Akira Moryama; Atsushi Aikawa
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 1983-06-18
Filing date: 1983-06-18
Publication date: 1991-07-04
Also published as: JPS603994A

Description

【発明の詳細な説明】この発明はレーザ加工機における被加工材料
（以下、ワークと呼ぶ）とヘツドとの距離を制御
する制御装置に関し、特に、少なくとも３個の距
離測定センサを用いてレーザビーム線上でのワー
クとヘツドとの距離を間接的に測定し、又、前記
センサが非接触式である場合にはワーク種別或い
は同一ワーク上での反射率の相違を考慮し、常時
所定の距離を保つことができるようにしたもので
ある。

一般に、レーザ加工機におけるワークとヘツド
との距離は、レーザビーム線（以下、この方向を
Ｚ軸方向と呼ぶ）上でワークに焦点を合わせ所定
間隔を保持するよう制御している。例えば平板状
ワークの切断加工においては、ベツド上のワーク
から一定距離を置いてヘツドを配し、レーザビー
ムの強度は一定として一定距離を保ちながらワー
ク或いはヘツドを水平方向（XY方向）に相対的
に等速運動させるが如くである。一般には定めら
れたワーク形状に従い、ヘツドを一定距離に保つ
べく数値制御装置によりプログラム指令してい
る。

ところが、ワークの歪み又はソリ等の不規則な
変位、或いは、余りにも複雑な形状等に対しては
プログラムすることが出来ない。このような場合
にはワークの歪みやソリを少なくすべくフリーベ
アを有するヘツドで強制的に押えつけて加工を行
なつたり、或いは、ワークとの距離を測定するセ
ンサを設けてＺ軸指令値を補正すること等が行な
われていた。

しかし、強制力を与える方法は平板状ワークに
限定されると共に加工表面に傷を生じ、又、プロ
グラム出来ないような複雑な形状に対しては何ら
の対策が出来ない。距離測定センサを用いてＺ軸
指令を補正する方式のものにあつても接触式のセ
ンサ１個を用いたものである。該センサはレーザ
ビーム線上に置くことはできないのでその測定値
は不正確なものであつた。又、該センサが加工穴
に落ち込んだり、ワーク端部より外れたりした場
合には即座に加工を中止しなければならず、反自
動的な不完全なものであつた。

なお、ワークと加工ヘツドとの距離を変えるこ
となくレーザビームの焦点を変更する方式も考え
られるが、例えばレーザ切断加工においてはアシ
ストガスのノズルもワーク表面より一定の高さに
保たなければならないのでヘツド自体の調整機構
も必要である。

この発明は上記従来技術の問題点を改善するも
ので、レーザビーム線上のワークとヘツドとの距
離を間接的に測定すると共に、又該距離測定セン
サを非接触式とする場合にはワーク種別或いは同
一ワーク上での反射率の相違を考慮し常時所定の
距離を保つことができるレーザ加工機のＺ軸制御
装置を提供することを目的とする。

以下図面を用いる本発明の実施例について詳細
に説明する。

レーザ加工機の一例を第１図に側面図で示す。
レーザ加工機１はデイスプレイ装置付きの数値制
御装置３を有し、この数値制御装置からの指令を
受けてレーザビーム発生装置５からレーザビーム
を発生する。レーザビームの強度はチヨツパ等強
度調整装置７を介して行なわれ、強度調整された
レーザビーム９は反射鏡１１によりヘツド１３に
導かれる。一方、ベツド１５上に置かれたワーク
Ｗはクランプ装置１７に把持され、前記数値制御
装置からの指令を受けてレーザビーム方向（Ｚ
軸）に垂直な平面XY方向に移動制御される。本
例示図面ではヘツド１３を上下に移動してワーク
Ｗとヘツド１３との距離を調節しているが、ヘツ
ド１３を固定し、ベツド１５の方を上下動させる
こともできる。XY及びＺ軸共に適宜な制御方式
によりサーボ機構で制御している。

第１実施例を説明する。第２図は歪或いはソリ
のあるワークＷを切断加工するに際し、Ｚ軸位置
決め指令手段１９にヘツド１３に設けたセンサＤ
からの検出値を用いて補正を与え、サーボモータ
Ｍでサーボ軸２１を制御している状況を示す。第
４図はヘツド部の詳細断面図を示す。第５図はヘ
ツド部の底面図を示す、ヘツド１３には等間隔で
３個の光学式非接触距離測定センサD₁，D₂，D₃
を設けている。該センサは、発光ダイオードから
発光された光波をワークに当て、その反射光をフ
オトトランジスタで受け、その受光量をアナログ
電圧として検出するものである。第２図における
センサＤはこの３個のセンサの総称である。各セ
ンサにスパツタ及びレーザ散乱光を遮蔽すると共
に外部光線を遮蔽する遮蔽板２３を設けている。
なお、第４図、第５図に示すセンサD₄は後述す
る実施例で使用するものである。

第３図は第１実施例を説明するブロツク図であ
る。ヘツド位置決め指令手段１９の指令信号を受
けてヘツドサーボ制御手段２５に制御信号を発生
し、サーボモータＭの駆動結果をエンコーダ等位
置検出器D₀で検出しフイードバツク制御してい
る。このヘツド位置決め指令を、距離測定センサ
Ｄの検出信号により補正値算出手段２９で補正量
を算出し、補正手段３１で補正する。ここにセン
サＤの算出値とはセンサD₁，D₂，D₃の検出値平
均を示し、例えば第５図のように各センサが等配
位置で正三角形の各頂点に設けられた場合には単
純平均値で良い。

ワークが平板状であり、第２図に示すようにソ
リが生じている場合の例を掲げて上記構成による
Ｚ軸制御動作について説明する。ヘツド位置決め
指令はワークＷと各距離測定センサとの距離を30
mmに指令しているとする。加工が開始され、ヘツ
ド若しくはくはワークがXY移動を開始する。曲
線的なソリのあるワークＷは距離測定センサD₁，
D₂，D₃の設けられている微小範囲に関しては平
面的であると見ることができる。従つて、この単
純平均値を用いればレーザビームの中心点０での
ワークＷとの距離が算出できる。この平均値が例
えば32mmであればヘツド位置決め指令値を−２mm
補正し、28mmであれば＋２mm補正すれば良い。こ
の平均値は距離測定センサが１個の場合と比べよ
り正確である。この補正による追従範囲は例えば
±５mmの如く定めておけばよい。従つて、ヘツド
位置決め指令された指令曲線の上下に所定範囲内
で補正を加えることが可能である。

又、３個の距離測定センサの内１個が異常値を
示したとしてもその値は平均値にとり入れず残り
の２個のセンサの平均値を用いることもでき、或
いは前に測定した値をホールドしておき、異常検
出時の測定値は無視することもできる。このよう
な異常値を示す例としては、既に加工した穴等を
前記距離測定センサが検出した場合、或いは、ワ
ーク端部より外れた場合等がある。なお、ワーク
が薄い場合、例えば0.6mm鋼板の場合、このワー
クより外れた距離測定センサの検出値は異常値と
して発見できない状態が考えられるが、この場合
にはワークを載置するテーブル１５の表面を針状
としておき、測定対象に入らないようにすること
で防止できる。又、非接触式光学センサに対して
はテーブル表面を黒色塗装しておき反射率を極端
に変化させることが異常値であることを示すこと
もできる。

本実施例の他の適用例としては、プログラム不
可能な形状にも追従させられることが掲げられ
る。例えばSinカーブを変形したような曲線があ
るとすると、先ず、この変形SinカーブをSinカー
ブ若しくは三角波形等で近似してＺ軸指令をして
おく。距離測定センサによりこのＺ軸指令を例え
ば±５mmで補正制御することができるので、前記
変形Sinカーブの軌跡を正確に描かせることが可
能となる。

なお、この第１実施例においては、非接触式光
学センサを用いて説明したが、光学式に限定され
るものではなく、適宜な取付けの設計的変更を行
なえば接触式でもよい。又、この他の非接触式セ
ンサとしては、静電容量式、高周波式、磁気式、
（うず電流式を含む）、音波式、空気圧式、その他
の距離測定用センサを用いることが可能である。
又、第５図において正三角形の各頂点に配置した
上記実施例に限定されるものではなく、少なくと
も３個の距離測定センサを適宜配列して、その配
列条件からレーザビーム線上でのワークとの距離
を算定できればいずれの配列でも良い。

次に第２の実施例を説明する。これは、第１実
施例で示した非接触式光学センサ或いは音波式セ
ンサ等反射率に影響される距離測定センサを用い
た場合に、ワークの種別による反射率の相違を考
慮できるようにしたものである。即ち、非接触式
センサが、光学式或いは音波式の如く反射率に影
響される場合には、この反射率に応じて検出量の
換算を行なうものである。例えばワークＡの反射
率をａ、ワークＢの反射率をｂ（ａ＞ｂ）とする
と、ワークＢの距離測定センサの検出量は一般に
減小する。ワークＡ及びワークＢの反射率は予め
知ることができ、或いは、予め測定することがで
きる。従つてワークＡからワークＢに変更する
際、第６図補正値算出手段２９の算出基準値を波
形処理手段３３で増幅処理すれば良い。算出基準
値を変更された補正値算出手段２９は反射率に応
じて適正な補正値を算出することができる。測定
反射率は予め表にしておき、ワーク種別により選
定して数値制御装置に入力すれば良い。

第３実施例は第２実施例における測定反射率
を、特に、反射率測定センサを加えて測定して求
めようとするもである。反射率測定センサは、例
えば前記距離測定用の光学センサと同一のものを
ワークから一定間隔を置いて前記少なくとも３個
の距離測定センサと別個に設ければその検出値が
ワークにより相違することから間接的に測定する
ことができる。又、或いは、測定距離に鈍感な光
学センサをヘツドに設け、該センサの測定値より
ワーク反射率を測定することも可能である。ヘツ
ドに反射率測定センサを設ければ単にワークが変
更された時のみにとどまらず同一ワーク上での油
の汚れなどによる反射率の変化を検出でき、この
反射率に応じて所定の補正値を算出することがで
きる。

第４実施例を説明する。第７図に非接触光学式
センサの、ワークの距離Ｚと検出電圧Ｖとの関係
を示す。第４図、第５図に示すように距離測定セ
ンサD₁，D₂，D₃に加えて非接触光学式の比較セ
ンサD₄を高さ位置をずらせて（例えば５mm上）
設けている。距離測定センサＤとの検出差電圧
を、反射率100％でV₁₀₀、反射率50％でV₅₀とす
る。（V₁₀₀＞V₅₀）この時Ｇ＝V₅₀／V₁₀₀とし、こ
の数値を用いて反射率の相違による距離測定セン
サＤの検出値を基準の反射率（例えば100％）に
換算して所定距離を得るべく補正するものであ
る。音波式センサについても同様に表わすことが
できる。

第８図に第４実施例の詳細ブロツク図を示す。
距離測定センサD₁，D₂，D₃及び比較センサD₄の
検出出力電圧をマルチプレクサ３５に入力する。
距離測定センサD₁，D₂，D₃は、波形処理指令４
９の指令を受ける波形処理手段３３と連絡され
る。各センサの入力値は微小時間毎に適時選択抽
出されるアナログ・デジタル変換器３７に入る。
次いでこの変換されたデジタル値を力装置３９を
介してコンピユータに入力する。ノイズ除去手段
４１では距離測定センサD₁，D₂，D₃から送られ
てくるデジタル量を過去の変化状況からみて余り
にも極端な変化を生じている場合にはその値をノ
イズとして除去する。このデータ除去によりデー
タが欠除した分に関しては例えば前に測定された
デジタル量をホールドして用いるようにする。
又、第１実施例で説明したように距離測定センサ
が既に加工された穴位置を測定して異常検出値を
測定してしまつたような場合にも、このノイズ除
去手段で除去することができる。

次いでバツフアカウンタ４３に検出デジタル量
を一時収納しておく。検出Ｚ値決定手段４５では
所定の計算手段（例えば単純平均）によりバツフ
アカウンタ４３に送られてきたデジタル量を処理
し、ワークとセンサとの距離を求める。ならいオ
ンオフ検知部４７で第１実施例で示してＺ軸指定
距離30mmに対する上限及び下限である例えば±５
mmを管理する。検出Ｚ値決定手段４５で算出され
た距離Ｚが上限或いは下限を越える場合にはこの
限界内に補正を止めるようにする。補正値算出手
段２９で補正値が算出され、補正手段３１にその
補正量を指令する。

本実施例では前記Ｇの値に基づき波形処理手段
３３に指令を与えている。即ち、第７図におい
て、距離測定センサＤが反射率100％で検出電圧
V₁を得ていたとする。ワークが変更され反射率
が50％になつたとすると波形処理手段３３に何ら
の信号を与えない場合には反射率100％での電圧
V₁を得るため距離Ｚを小さくしなければならな
い。そこで、Ｇをゲインとして波形処理指令４９
の基準電圧値を反射率50％ではV₂に変更するこ
ととしている。波形処理手段３３に距離測定セン
サD₁，D₂，D₃の検出電圧を増幅するよう指令す
る。なお、この波形処理指令４９の基準信号はヘ
ツド位置決め指令値に関連して定められているも
のである。

この第４実施例によれば反射率を直接測定する
ことなく位置をずらせた比較センサD₄の検出量
を用いて、距離測定センサＤとの検出差電圧を測
定し基準反射率での測定量に換算している。この
他、波形処理を行なうことなく、上記Ｇの値を用
いてコンピユータ内の検出Ｚ値決定４５を反比例
的に制御することが可能であることが第７図より
明らかである。即ち、各反射率での第７図曲線は
例えばV₁₀₀とV₅₀との差電圧を一義的に定めてい
るので、距離測定センサのある測定値をこの時の
比較センサの測定値と比較し、この差電圧を知る
ことにより基準反射率での値に換算することを行
なうことがコンピユータ内でも可能である。

次に第５実施例を示す。これは第４図、第５図
において第３実施例の反射率測定センサ乃至第４
実施例の比較センサD₄をヘツド１３のワークに
対する相対的進行方向５１の先頭位置とするもの
である。即ち、ワーク進行方向は予めプログラム
により解つているので、ヘツド１３を適宜旋回さ
せ、加工前のワーク反射率を測定してゆくもので
ある。これから加工するワークの反射率を先だつ
て知ることができるので、より適宜な制御を可能
とすることができる。なお、ヘツドにアシストガ
ス或いは水冷用のホースがある場合でも、360゜範
囲内での旋回は可能である。

以上のごとき実施例の説明より理解されるよう
に、要するに本発明の要旨は特許請求の範囲に記
載のとおりであるから、その記載より明らかなよ
うに、第１発明においては、レーザ加工用のヘツ
ド１３の周囲には光学式非接触形の距離測定セン
サD₁，D₂，D₃をほぼ等間隔に３個以上配置して
設けてあり、各距離測定センサD₁，D₂，D₃は遮
蔽部材２３によつてスパツタ、レーザ反射光およ
び外部光線より遮蔽してある。

したがつて第１発明においては、例えば孔加工
開始時のごとくスパツタの飛散及びレーザ光の反
射散乱が極めて激しい場合であつても、各距離測
定センサD₁，D₂，D₃にスパツタが付着するよう
なことがないと共に、レーザ光の反射光が照射さ
れるようなことがないものである。また外部光線
も遮蔽されているから、各距離測定センサD₁，
D₂，D₃の保護が確実であると共に外乱も少なく、
精度の良い測定を行なうことができるものであ
る。

さらに第１発明によれば、ヘツド１３の周囲に
ほぼ等間隔に配置した複数の距離測定センサD₁，
D₂，D₃の検出値に基いて補正量を算出する補正
算出手段２９及びこの補正算出手段２９の算出し
た補正量に基いてヘツド１３のＺ軸の補正を行な
う補正手段３１を設けているから、ヘツド１３の
Ｚ軸補正を正確に行なうことができ、被加工材と
ヘツド１３との間を常にほぼ一定の距離に保持で
き、精度の良い加工を行なうことができるもので
ある。

第２発明は、第１発明の構成に、さらに比較セ
ンサD₄を設けると共に換算手段を設けて、被加
工材の反射率が異なる場合、各距離測定センサ
D₁，D₂，D₃の検出値を基準反射率の場合の検出
値に換算して、被加工材とヘツド１３との距離を
常に正確に保持しようとするものであり、被加工
材の反射率が種々の場合に対応できるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザ加工機の側面図、第２図はレー
ザー加工状況を示す説明図、第３図は第１実施例
を示す構成ブロツク図、第４図はヘツド部の縦断
面図、第５図はヘツド部の底面図、第６図は第
２、第３、第５実施例の共通構成ブロツク図、第
７図は非接触工学センサの距離−電圧特性図、第
８図は第４実施例の構成ブロツク図。１…レーザ加工機、３…数値制御装置、５…レ
ーザビーム発生装置、９…レーザビーム、１３…
ヘツド、１９…ヘツド位置決め指令手段、２３…
遮蔽板、２９…補正値算出手段、３１…補正手
段、３３…波形処理手段、D₀…フイードバツク
用検出器、D₁，D₂，D₃…距離測定センサ、D₄…
比較センサ（第４図、第５図では反射率測定セン
サの取付位置を符号D₄で同時に示している。）

Claims

【特許請求の範囲】１ヘツド位置決め指令手段１９の指令信号を受
けてサーボモータＭを適宜に制御するヘツドサー
ボ制御手段２５を設けて、レーザ加工用のヘツド
１３をＺ軸方向に制御するレーザ加工機のＺ軸制
御装置にして、前記ヘツド１３の周囲に光学式非
接触形の距離測定センサD₁，D₂，D₃をほぼ等間
隔に３個以上配置して設けると共に各距離測定セ
ンサD₁，D₂，D₃を、適宜に設けた遮蔽部材２３
によりスパツタ、レーザ反射光および外部光線よ
り遮蔽して設け、前記各距離測定センサD₁，D₂，
D₃の検出値に基いて補正量を算出する補正値算
出手段２９を設け、この補正値算出手段２９の算
出した補正量に基いて前記ヘツド１３のＺ軸の補
正を行なう補正手段３１を設けてなることを特徴
とするレーザ加工機のＺ軸制御装置。２ヘツド位置決め指令手段１９の指令信号を受
けてサーボモータＭを適宜に制御するヘツドサー
ボ制御手段２５を設けて、レーザ加工用のヘツド
１３をＺ軸方向に制御するレーザ加工機のＺ軸制
御装置にして、前記ヘツド１３の周囲に光学式非
接触形の距離測定センサD₁，D₂，D₃をほぼ等間
隔に３個以上配置して設けると共に各距離測定セ
ンサD₁，D₂，D₃を、適宜に設けた遮蔽部材２３
によりスパツタ、レーザ反射光および外部光線よ
り遮蔽して設け、前記各距離測定センサD₁，D₂，
D₃の検出値に基いて補正量を算出する補正値算
出手段２９を設け、この補正値算出手段２９の算
出した補正量に基いて前記ヘツド１３のＺ軸の補
正を行なう補正手段３１を設けてなり、前記各距
離測定センサD₁，D₂，D₃と同様の比較センサD₄
を前記各距離測定センサD₁，D₂.D₃と高さ位置を
異にして設け、前記各距離測定センサD₁，D₂，
D₃の検出値と上記比較センサD₄の検出値に基い
て前記各距離測定センサの検出値を、ワークの光
反射率が基準反射率の場合の検出値に換算する換
算手段を設けてなることを特徴とするレーザ加工
機のＺ軸制御装置。