JPH06134589A

JPH06134589A - レーザヘッド高さ制御方法

Info

Publication number: JPH06134589A
Application number: JP4309692A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Mise; 知樹三瀬; Yosuke Murata; 洋介村田; Isao Katayama; 勲片山
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1992-10-23
Publication date: 1994-05-17

Abstract

(57)【要約】【目的】切断加工において、ワークに傷を付けること
なく非接触で間隔一定の制御を行う場合に、ワークの穴
を通過する加工を、レーザヘッドが穴に落ち込むことな
く良好に行えるようにする。【構成】レーザヘッド６に設けられた静電容量型の変
位センサ２１の検出値で、平板状ワークＷの表面に対す
るレーザヘッド高さを一定に倣い制御する場合に適用す
る。この場合に、変位検出値Ｖの変化率が穴認定定数Ｃ
を超えず、かつ変位検出値Ｖが倣い許可上限値Ｖａを超
えないときのみ倣い制御を行うものとする。条件非充足
の場合にはレーザヘッド６の現状高さを維持させる。前
記の穴認定定数Ｃは、例えばワークＷに通常に生じる湾
曲勾配の最大値とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、板状ワークの切断加
工に適用するレーザヘッド高さ制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザによる切断加工では、良好な切断
のために焦点をワーク表面に保つ必要があり、切断用レ
ーザ加工機では、ワーク表面に接する倣い部材を設けて
ワーク表面に対するレーザヘッド高さを一定に制御する
機構が一般に装備されている。これにより、板状ワーク
に生じている波状湾曲の凹凸に対して、精度良くレーザ
ヘッド位置を保つことができる。しかし、倣い部材を摺
接させると、ワーク表面に微細な傷が付くことがあり、
鏡面加工仕上げ板のような傷付きを極度に嫌うワーク
や、傷の生じ易い材質のワークでは、前記の倣い部材が
使用できない。

【０００３】このため、図１０に示すように非接触の変
位センサを備えたものも開発されている。すなわち、レ
ーザヘッド５１の先端に変位センサ５２を設け、変位セ
ンサ５２の検出値に応じてレーザヘッド５１をサーボモ
ータ（図示せず）により昇降させ、レーザヘッド５１の
先端とワークＷａの表面との間隔ｄを一定に倣い制御す
るようにしている。変位センサ５２には静電容量式のも
の等が採用される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１１に示す
ように、ワークＷａに設けられた穴５９を通過する経路
ｃで切断加工を行うことがあり、このような場合、単に
間隔ｄが一定になるように制御するだけでは、図１０
（Ｂ）のようにレーザヘッド５１が穴５９に落ち込む。
このように落ち込みが生じると、同図に鎖線で示すよう
に、穴５９の縁５９ａにレーザヘッド５１が到ったとき
に、レーザヘッド５１が上昇する前に縁５９ａに干渉
し、レーザヘッド５１やワークＷａを損傷する。そのた
め、穴５９を通過する経路で切断することができないと
いう問題点がある。

【０００５】この発明の目的は、非接触でワークに傷付
けることなく間隔一定の制御が行え、かつレーザヘッド
の穴への落ち込みを生じることなく、穴を通過する切断
加工が行えるレーザヘッド高さ制御方法を提供すること
である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明のレーザヘッド
高さ制御方法は、レーザヘッド（６）に設けられた非接
触型変位センサ（２１）の検出値（Ｖ）に応答して平板
状ワーク（Ｗ）の表面に対するレーザヘッド（６）の間
隔を一定に倣い制御する高さ制御方法において、変位検
出値（Ｖ）の変化率が穴認定定数（Ｃ）を超えず、かつ
変位検出値（Ｖ）が倣い許可上限値（Ｖａ）を超えない
ときのみ倣い制御を行い、条件非充足の場合にレーザヘ
ッド（６）の現状高さを維持させることを特徴とする。
穴認定定数（Ｃ）は、例えばワーク（Ｗ）に通常に生じ
る湾曲勾配の最大値とする。

【０００７】

【作用】板状ワーク（Ｗ）の表面は一般に波状湾曲によ
る凹凸が生じており、通常はワーク（Ｗ）の送りに伴っ
て、変位センサ（２１）の検出値に応答して、ワーク
（Ｗ）の表面に対するレーザヘッド（６）の間隔が一定
になるように高さ制御される。

【０００８】レーザヘッド（６）がワーク（Ｗ）の穴
（Ｗｈ）に至ると、変位センサ（２１）からワーク
（Ｗ）が急速に離れたことと同じ状態になり、すなわ
ち、変位検出値（Ｖ）が急激に大きな値となって、その
変化率が穴認定定数（Ｃ）を越える。そのため、穴（Ｗ
ｈ）であることが認識され、レーザヘッド（６）が現状
高さに維持されるように制御する。この場合に、レーザ
ヘッド（６）が穴（Ｗｈ）上にさしかかる時点で変位検
出値（Ｖ）の変化率は通常の板材の湾曲で検出される値
よりも大きくなり、穴認定定数（Ｃ）を超える。そのた
め、穴（Ｗｈ）による変位検出値（Ｖ）の低下でレーザ
ヘッド（６）が倣い制御により下降する前に、未然に現
状高さに維持することができる。レーザヘッド（６）が
穴（Ｗｈ）上にある間は、変位検出値（Ｖ）の変化率は
零または小さな値となるが、変位検出値（Ｖ）自体は大
きな値を保ち、倣い許可上限値（Ｖａ）を超える。その
ため、レーザヘッド（６）の現状高さの維持が続行され
る。

【０００９】レーザヘッド（６）が穴（Ｗｈ）上から出
ると、変位センサ（２１）は再びワーク（Ｗ）を検出す
ることになり、完全に穴（Ｗｈ）から出た状態では、変
位検出値（Ｖ）の変化率が穴認定定数（Ｃ）以下とな
り、かつ変位検出値（Ｖ）が倣い許可上限値（Ｃ）以下
となる。そのため、倣い制御が再度開始される。このよ
うに、レーザヘッド（６）が穴（Ｗｈ）内に落ち込むこ
とが防止されて、穴（Ｗｈ）を通過したときにレーザヘ
ッド（６）が穴（Ｗｈ）の縁と干渉することが回避され
る。

【００１０】

【実施例】この発明の一実施例を図１ないし図９に基づ
いて説明する。図２はこの実施例のレーザヘッド高さ制
御方法を適用するレーザ加工機の平面図である。このレ
ーザ加工機は、タレットパンチプレスと複合したもので
あり、タレット１を設置したフレーム２の上面に、レー
ザ発振器３から導かれたレーザダクト４を配置し、パン
チ駆動用ラム５によるパンチ位置の前方にレーザヘッド
６を設けてある。

【００１１】フレーム２の前方には、固定テーブル７ａ
とスライドテーブル７ｂとからなるワークテーブル７が
設けてあり、スライドテーブル７ｂはキャリッジ８と共
に、ベッド９のレール１０上を前後（Ｙ軸方向）に移動
自在である。キャリッジ８にはワークホルダ１１の取付
けられたクロススライド１２が横（Ｘ軸方向）移動自在
に搭載してある。キャリッジ８およびクロススライド１
２は、それぞれＹ軸サーボモータ１４およびＸ軸サーボ
モータ１３により送りねじ１６，１５を介して進退駆動
される。これらキャリッジ８およびクロススライド１２
の移動により、ワークホルダ１１に把持されたワークＷ
がワークテーブル７上にレーザヘッド６およびパンチ用
ラム５に対して縦横に送られる。

【００１２】図１に示すように、レーザヘッド６を設け
たガイド筒１７は、送りねじ１９とＺ軸サーボモータ１
８とからなる昇降装置２０により昇降駆動可能である。
レーザヘッド６の先端には静電容量型の非接触式の変位
センサ２１が設けてある。

【００１３】図３はレーザヘッド６の拡大断面図であ
る。レーザヘッド６はレーザビームＲを絞る対物レンズ
２２を有し、先端に変位センサ２１の中心電極を兼用す
るノズル電極２３を有している。ノズル電極２３は、取
付筒２４に取付けられて電圧取出用のコネクタ２５に接
続され、周囲をガード電極２６で囲まれている。ガード
電極２６は、ノズル電極２３の電界に指向性を持たせて
側方の物体により検出電圧が影響されないようにするも
のである。ノズル電極２３を取付けた取付筒２４および
ガード電極２６は、絶縁体でできたボルト２８でレーザ
ヘッド本体２７に取付けられている。同図において、符
号４５，４６で示す部分は絶縁体を示す。

【００１４】変位センサ２１は、ノズル電極２３と金属
性ワークＷとの隙間に生じる静電容量の変化により、両
者２３，Ｗ間の高さＨに応じた変位検出値Ｖをセンサア
ンプ２９（図１）から電圧値として出力するものであ
る。高さＨと変位検出値Ｖとは図５のように略比例関係
にある。また、この実施例では、高さＨが１．５mmとな
るときに、変位検出値Ｖが零となるようにセンサアンプ
２９を設定してある。センサアンプ２９の出力である変
位検出値Ｖは直流０〜±１０ｖの範囲とし、異常検出時
に＋１３ｖとなるように設定してある。

【００１５】図１において制御系を説明する。ＮＣ装置
３０は、このレーザ・タレットパンチ複合機の全体を制
御する装置であり、その機能手段の一部として倣い制御
手段３１が設けてある。倣い制御手段３１は、変位セン
サ２１の変位検出値Ｖに応じた速度指令値をＺ軸サーボ
モータ１８に出力し、高さＨが一定になるように制御す
る手段である。

【００１６】この倣い制御手段３１と変位センサ２１と
の間に、所定の条件で倣い制御を止めて現状高さを維持
させる穴認識制御装置３２が設けてある。穴認識制御装
置３２は、ＣＰＵおよびメモリ装置等からなる制御装置
であり、その記憶プログラムとハードウェアにより、サ
ンプリング手段３３、倣い制御出力更新許可手段３４、
瞬間異常判定手段３７、および現状維持出力手段３８等
が構成される。倣い制御出力更新許可手段３４は、穴認
識傾き判定手段３５と、高さ判定手段３６とを有する。

【００１７】有効／無効選択手段３９はスイッチング手
段等からなり、そのオフ時（無効モード選択時）に、穴
認識制御装置３２は演算を停止すると共に、入力切換ス
イッチ４２をＮＣ装置３０側へ切り換える。入力切換ス
イッチ４２は、変位センサ２１のアンプ２９の出力を穴
認識制御装置３２に入力する配線に介在させたものであ
る。

【００１８】穴認識制御装置３２のサンプリング手段３
２は、変位センサ２１の変位検出値Ｖと、Ｘ軸方向ワー
ク移動速度およびＹ軸方向ワーク移動速度のデータを設
定サンプリング周期Δｔで穴認定傾き判定手段３５に取
り込む手段である。各軸移動速度は、Ｘ軸サーボモータ
１３およびＹ軸サーボモータ１４のタコジェネレータか
ら得られるアナログ電圧値であり、また変位検出値Ｖも
アナログ値であるため、Ａ／Ｄ変換器４３を介して入力
する。Ａ／Ｄ変換器４３は１個で各入力に兼用させても
良い。サンプリング周期Δｔは、例えば10msec〜1000ms
ecの範囲において10msec単位で可変とし、任意の値に設
定する。

【００１９】倣い制御出力更新許可手段３４は、変位検
出値Ｖの変化率｜αｎ｜が穴認定定数Ｃを超えず、かつ
変位検出値Ｖinが倣い許可上限値Ｖａを超えないときの
み倣い制御を行い、条件非充足の場合にレーザヘッド６
の現状高さを維持させる手段である。すなわち、｜αｎ｜＜ＣでかつＶin＜Ｖａのときに倣い制御出力をＶｎ（センサーアンプ今回測定
値）とし（図７参照）、条件非充足の場合に現状維持出
力手段３８により倣い制御出力Ｖｂとして現状維持を指
令する零の値を出力させる手段である。この｜αｎ｜＜
Ｃの条件を判定する手段が穴認定傾き判定手段３５であ
り、Ｖin＜Ｖａの条件を判定する手段が高さ判定手段３
６である。変化率αｎは次式によって演算される。

【００２０】

【数１】

【００２１】Ｋはアンプ２９の特性係数であり、この実
施例では上記のように３／１０としている。なお、ΔＬ
の値は、測定のばらつきを無くすために、上記のように
今回サンプリング値Ｐ_nと前回サンプリング値Ｐ_n-1と
の平均をとっている。穴認定定数Ｃは任意に設定する定
数であり、図６のようにワークＷに通常に生じている湾
曲勾配ΔＨ／ΔＬの最大値を設定する。倣い許可上限値
Ｖａは、倣い制御を行うのに不適切であると判定する定
数であり、-5.00V〜+5.00Vの範囲で任意の値に設定され
る。高さ判定手段３６で監視する変位検出値Ｖinは、セ
ンサアンプ出力ＶをＡ／Ｄ変換器４３でディジタル値に
変換した値である。

【００２２】図１の瞬間異常判定手段３７は、変位検出
値Ｖinを監視し、アラーム認識時間tpに満たない短時間
だけ変位検出値Ｖinの異常があった場合に、現状維持出
力手段３８により穴認識制御装置３２の倣い制御出力Ｖ
ｂを零としてレーザヘッド６に現状高さを維持させる手
段である。

【００２３】すなわち、瞬間異常判定手段３７は、次の
条件充足の場合に異常が発生した認識して倣い制御出力
Ｖｂを零とする。Ｖin≧Ｖmax かつ, t≦tp (tp=0〜300msec) Ｖin≦Ｖmin かつ, t≦tp また、定常異常判定手段４８は、次の条件充足の場合に
異常が発生したと認識してアラームを発生させる。Ｖin≧Ｖmax かつ, t＞tp Ｖin≦Ｖmin かつ, t＞tp ただし、ｔは、Ｖin≧Ｖmax またはＶin≦Ｖmin の状態
になっている時間である。アラーム認識時間tpは、10ms
ec〜300msec の範囲で任意の値に設定される。異常判定
の電圧の上限値Ｖmax および下限値Ｖmin は、いずれも
-9.99V〜+9.99Vの範囲で任意に設定される。下限値Ｖmi
n に対しては、材質や板厚に応じた適正な値が簡易に設
定できるように、定数選択手段４１が設けてあり、この
手段４１でＢＣＤコードの１〜７までの値を選択するこ
とにより、適宜の電圧が設定される。

【００２４】瞬間異常判定手段３７により現状維持手段
３８で倣い制御出力Ｖｂを零とする動作は、穴認定傾き
判定手段３５から出力される倣い制御出力Ｖｎに優先し
て行われる。なお、倣い制御出力Ｖｂはディジタル値で
あるため、Ｄ／Ａ変換器４４でアナログ値に変換するこ
とにより、センサアンプ３０から入力切換スイッチ４２
を介して直接にＮＣ装置３０に入力する端子と同じ端子
に入力されるようにしてある。なお、前記の各設定値や
設定範囲は、いずれもこの実施例の場合の数値例であ
り、使用機器によって適宜の値とされる。

【００２５】上記構成による高さ制御方法を説明する。
図９（Ａ）において、曲線ａは、ワークＷに対するレー
ザヘッド６の実際の高さを示す。ワークＷにはレーザヘ
ッド６の移動経路に穴Ｗｈが形成されている。ワークＷ
は、湾曲を省略して完全に平端な状態に図示してある。
４７は障害物を示す。同図（Ｂ）は、ワーク位置とセン
サアンプ２９の変位検出値Ｖとの関係を示す。

【００２６】同図において、レーザヘッド６（図１）が
穴Ｗｈに至るまでは、同図（Ｂ）の曲線ｂからわかるよ
うに、変位検出値に大きな変動がない。そのため、前記
の穴認識の二つの判定条件（｜αｎ｜＜ＣでかつＶ
in＜Ｖａ）が満たされ、穴認定傾き判定手段３５からは
倣い出力（今回サンプリング値）Ｖｎが出力されて、倣
い制御手段３１の制御によりレーザヘッド６とワークＷ
の表面との間隔が一定になるように倣い制御が行われ
る。

【００２７】レーザヘッド６の一部が穴Ｗｈに近づく
と、変位センサ２１の一部が板材Ｗから外れて静電容量
が低下し、同図（Ｂ）に曲線部分ｂ１で示すように変位
検出値Ｖが急激に立ち上がる。そのため、前記のように
演算された変化率｜αｎ｜が、穴認定定数Ｃよりも大き
くなり、倣い制御出力更新許可手段３４は、倣い制御出
力をＶｎに代えて零の値として出力する。そのため、倣
い制御手段３１はレーザヘッド６を現状高さに維持させ
る。

【００２８】レーザヘッド６が穴Ｗｈ上に完全に入る
と、センサアンプ出力Ｖの変化率｜αｎ｜は零となって
穴認定定数Ｃ以下となる。しかし、変位検出値Ｖinが倣
い許可上限値Ｖａを超えることになり、そのため倣い制
御出力として零出力が出し続けられ、レーザヘッド６の
現状高さが維持される（図９（Ａ）の曲線部分ａ２、お
よび図８参照）。

【００２９】レーザヘッド６が穴Ｗｈ上から出ると、変
位センサ２１は再びワークＷを検出することになり、完
全に穴Ｗｈから出た状態では変位検出値Ｖの変化率｜α
ｎ｜が穴認定定数Ｃ以下となり、かつ変位検出値Ｖinが
倣い許可上限値Ｖａ以下となる。そのため、倣い制御が
再度開始される。

【００３０】このように、レーザヘッド６が穴Ｗｈ内に
落ち込むことが防止されて、穴Ｗｈを通過したときにレ
ーザヘッド６が穴Ｗｈの縁と干渉することが回避され
る。そのため、穴Ｗｈを通過する加工が安全に行える。
なお、レーザヘッド６が穴Ｗｈに近づくと前記のように
現状高さが維持される前に、変位センサ２１の容量低下
の開始によって若干のレーザヘッド６の低下（図９
（Ａ）の曲線部分ａ１）は生じるが、この低下高さは低
い値であるため、加工動作に支障はない。

【００３１】図９（Ｂ）の曲線部分ｂ２，ｂ４は、各々
材料が跳ねた場合と、スパッタが付着した場合を示す。
この場合は、短時間における変位検出値Ｖinの変動とな
るため、瞬間異常判定手段３７における異常判定条件
（Ｖin≧Ｖmax でかつ t≦tp）が充足されることにな
り、瞬間異常判定手段３７は倣い制御出力Ｖｂを零とす
る。そのためレーザヘッド６は現状高さを維持する。曲
線部分ｂ３はプラズマが発生した場合であり、この場合
は、変位検出値Ｖinが短時間だけ大きな負の値となる。
そのため、異常判定条件（Ｖin≦Ｖmin でかつ t≦tp）
が充足されることになり、この場合もレーザヘッド６の
現状高さを維持して加工が続けられる。

【００３２】このように、瞬間異常の場合はその異常値
を無視して倣い制御が続けられ、異常検出値によってレ
ーザヘッド６の高さが不測に変化することが防止され
る。

【００３３】レーザヘッド６が障害物４７に干渉した場
合は、曲線部分ｂ５のように変位検出値Ｖの大きな値が
長時間続き、そのため変位検出値Ｖinが倣い許可上限値
Ｖａを超えることになって定常異常判定手段４８の指令
によりアラームを出力する。これによりオペレータがワ
ーク加工状態を見るなどして、適宜の処置を取ることが
できる。

【００３４】

【発明の効果】この発明のレーザヘッド高さ制御方法
は、非接触型変位センサによる間隔一定の倣い制御にお
いて、変位検出値の変化率が穴認定定数を超えず、かつ
変位検出値が倣い許可上限値を超えないときのみ倣い制
御を行い、条件非充足の場合にレーザヘッドの現状高さ
を維持させるようにしたため、ワークの湾曲に対する間
隔一定制御を非接触で行ってワークを傷付けることなく
間隔一定の良好な加工が行え、しかもワークに通常に生
じている湾曲と加工穴とを判別し、穴内へのレーザヘッ
ドの落ち込みを防止して穴を通過する切断加工を行うこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例にかかるレーザヘッド高さ
制御方法を適用するレーザ加工機の制御系の概念図であ
る。

【図２】そのレーザ加工機の平面図である。

【図３】レーザヘッドの断面図および下面図である。

【図４】移動距離と高さ変化との関係を示す説明図であ
る。

【図５】レーザヘッド高さと変位検出値との関係を示す
グラフである。

【図６】ワークの湾曲状態を示す説明図である。

【図７】倣い制御出力のグラフである。

【図８】穴を通過するときのレーザヘッド高さ位置の説
明図である。

【図９】（Ａ）はレーザヘッド高さのグラフ、（Ｂ）は
変位検出値のグラフである。

【図１０】従来例の動作説明図である。

【図１１】同従来例の穴通過経路の説明図である。

【符号の説明】

１…タレット、２…フレーム、３…レーザ発振器、７…
ワークテーブル、１１…ワークホルダ、１３…Ｘ軸サー
ボモータ、１４…Ｙ軸サーボモータ、１８…Ｚ軸サーボ
モータ、２０…昇降駆動装置、２１…変位センサ、２３
…ノズル電極、２９…センサアンプ、３０…ＮＣ装置、
３１…倣い制御手段、３２…穴認識制御装置、３３…サ
ンプリング手段、３４…倣い制御出力更新許可手段、３
５…穴認定傾き判定手段、３６…高さ判定手段、３７…
瞬間異常判定手段、Ｃ…穴認定定数、Ｈ…高さ、Ｖ，Ｖ
in…変位検出値、Ｖｂ，Ｖｎ…倣い制御出力、Ｗ…ワー
ク、Ｗｈ…穴

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザヘッドに設けられた非接触型変位
センサの検出値に応答して平板状ワークの表面に対する
レーザヘッドの間隔を一定に倣い制御する高さ制御方法
において、変位検出値の変化率が穴認定定数を超えず、
かつ変位検出値が倣い許可上限値を超えないときのみ倣
い制御を行い、条件非充足の場合にレーザヘッドの現状
高さを維持させるレーザヘッド高さ制御方法。