JPH11291070A - レーザー加工装置及び加工ヘッド駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワークが金属材料又は非金属材料の何れであ
るかに拘わらず、加工ヘッドと被加工物との間の距離を
所定間隔に保持し、加工不良の低減並びに製品歩留まり
の向上を実現する。 【解決手段】 アシストガスが供給される加工ヘッドの
ヘッド内部における圧力を検出し、そのヘッド内圧力が
所定圧力範囲となるように被加工物に対する加工ヘッド
の相対位置を駆動制御して、加工ヘッドと被加工物との
間の距離を所定間隔に保持するように制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レーザー加工装置
及び加工ヘッド駆動方法に関し、詳細には、加工不良を
無くして歩留まりの向上を図るようにしたレーザー加工
装置及び加工ヘッド駆動方法を提供することにある。

【０００２】

【従来の技術】レーザー発振器から発振され集光したレ
ーザー光を、アシストガスと共に加工ヘッド先端からワ
ークに向けて照射し、そのレーザー光によってワークを
切断等するようにしたレーザー加工装置としては、例え
ば特開平５−２８５６８０号公報等に開示されたものが
知られている。

【０００３】通常、レーザー加工装置は、加工ヘッドと
ワーク間の距離を検出するギャップセンサー（Ｚ軸のハ
イトセンサー）を有しており、このギャップセンサーか
らの検出結果に基づいて、該加工ヘッドと該ワーク間の
ギャップを所定値となるように保ちながら加工を行って
いる。

【０００４】ギャップセンサーには、種々の方式があ
り、例えば加工ヘッド先端とワークとの間の静電容量を
検出するセンサーを加工ヘッドに設け、そのセンサーに
より検出された静電容量値が所定値となるように制御し
て、該加工ヘッドと該ワークとの間の距離を一定に保つ
ように加工ヘッドを駆動する方法に使用される、いわゆ
る静電容量式のギャップセンサーが知られている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ワークが金
属である場合には、前記静電容量式のギャップセンサー
により静電容量を検出することができるが、ワークが非
金属の場合には、加工ヘッドとワーク間の静電容量が検
出できない。そのため、ギャップセンサーを使用せず
に、加工ヘッドとワークとの間の距離を一定に保って加
工している。

【０００６】しかし、ワークに反りがあったり、ワーク
移動時にバタ付きが生じた場合には、加工ヘッドとワー
クとの対向距離が変動し、レーザー加工は不安定となっ
て加工不良を引き起こし、歩留まりの低下を招く。

【０００７】また、レーザー光と共に射出するアシスト
ガスの種類や加工方法によっては、加工部においてプラ
ズマが発生することがある。プラズマが発生すると、加
工ヘッドとワーク間が導通し、該加工ヘッドが該ワーク
に接している状態と同じになって、ギャップセンサーに
誤動作が生じる。その結果、やはりレーザー加工は不安
定となって加工不良を引き起こす。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は、アシストガスが供給される加工ヘッド
のヘッド内部における圧力を検出し、そのヘッド内圧力
を所定圧力範囲となるように制御することで、加工ヘッ
ドと被加工物（ワーク）との間の距離を所定間隔となる
ように保つ。

【０００９】このようにすれば、ワークが金属材料か非
金属材料であるかに拘わらず、加工ヘッドとワークとの
間の距離を所定間隔に保つことが可能となり、レーザー
加工を安定なものとすることができると共に、加工精度
の向上も図れる。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した具体的な
実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

【００１１】＜装置構成の説明＞先ず、本発明を適用し
たレーザー加工装置の構成について説明する。本実施形
態は、本発明を、集光レンズにて集光したレーザー光
を、アシストガスと共に照射してワークを切断等するレ
ーザー加工装置及び加工ヘッド駆動方法に適用して、金
属材料以外の材質からなるワークに対しても加工ヘッド
とワークとの間の距離（以下、ノズルギャップという）
を一定に保持して、レーザー加工を安定して行い、加工
不良を無くし歩留まりの向上を図るようにしたものであ
る。

【００１２】本実施形態のレーザー加工装置は、図１及
び図２に示すように、被加工物であるワーク１にレーザ
ー加工を行う加工ヘッド３と、この加工ヘッド３のヘッ
ド内部５にアシストガスを供給するガス供給源であるア
シストガス供給ボンベ７と、アシストガスの供給圧力を
調整自在とする圧力調整手段（レギュレーター）である
アシストガス圧調整装置９と、加工ヘッド３のヘッド内
部５の圧力を検出する圧力検出手段であるヘッド内部圧
力センサー１１と、加工ヘッド３をワーク１に対して接
離させるＺ軸サーボモータ１３と、これらを制御するＮ
Ｃ装置である制御部１５とから構成されている。

【００１３】上記加工ヘッド３は、図１及び図２に示す
ように、図示しないレーザー発振器から発振されたレー
ザー光を、集光レンズ１７によって所定のスポット径に
集光してヘッド先端からワーク１に向けて照射し、その
照射したレーザー光によってワーク１を切断又は溶接す
るものである。かかる加工ヘッド３は、例えば図示しな
いキャリッジによってＹ軸方向に移動自在とされると共
に、前記制御部１５により制御されたＺ軸サーボモータ
１３によってＺ軸方向に上下動自在とされている。

【００１４】アシストガス供給ボンベ７は、空隙部とし
て形成されるヘッド内部５にアシストガスを供給するガ
ス供給源であり、アシストガス供給ホース１９を介して
該ヘッド内部５にアシストガスを供給するようになって
いる。

【００１５】アシストガス圧調整装置９は、アシストガ
ス供給ボンベ７と加工ヘッド３との間に設けられてお
り、該アシストガス供給ボンベ７から供給されるアシス
トガスを所望の圧力に調整してヘッド内部５へ送り込む
ようになっている。そして、このアシストガス圧調整装
置９は、アシストガスの供給圧力を自由に調整可能とさ
れている。

【００１６】ヘッド内部圧力センサー１１は、図２に示
すように、ヘッド内部５にその先端を臨ませるようにし
て加工ヘッド３に埋め込まれる形態で設けられており、
アシストガスが供給されるヘッド内部５における圧力を
検出するようになっている。そして、このヘッド内部圧
力センサー１１は、前記制御部１５に接続されており、
その検出したヘッド内部５の圧力値データを該制御部１
５に転送するようになされている。

【００１７】制御部１５は、ヘッド内部圧力センサー１
１から検出されたヘッド内部５の圧力を、予め設定した
所定圧力範囲となるように、Ｚ軸サーボモータ１３を制
御して加工ヘッド３を昇降させ、該加工ヘッド３とワー
ク１との間の距離を一定に保つようになす。ここに言う
所定圧力範囲は、ある決められた所定圧力値に、加工に
際して影響のない程度のプラスマイナスαを含む意であ
る。

【００１８】上記構成のレーザー加工装置においては、
加工ヘッド３がワーク１に対して接近すると、該加工ヘ
ッド３の先端より吹き出したアシストガスがワーク１に
ぶつかり、これが抵抗となってヘッド内部５の圧力が増
加し、逆に、加工ヘッド３がワーク１より離れるとヘッ
ド内部５の圧力が低下する。この原理を利用して、ヘッ
ド内部５の圧力が前記所定値となるようにＺ軸サーボモ
ータ１３を制御して加工ヘッド３をワーク１に対して昇
降自在となし、該加工ヘッド３と該ワーク１との距離
（ノズルギャプ）Ｈを一定に保つようにする。

【００１９】＜動作の説明＞次に、上記のように構成さ
れたレーザー加工装置における加工ヘッド駆動方法につ
いて説明する。

【００２０】先ず、ヘッド内部圧力センサー１１の調整
を行う。図３は、ワーク表面のパスラインと、アシスト
ガス圧調整装置９の開度調整動作を示すフローチャート
である。始めに、ステップＳ１において、ワーク１では
なくてセンサー調整用板を加工ヘッド３の下（Ｚ軸下）
に配置する。次に、ステップＳ２において、アシストガ
ス供給ボンベ７より供給されるアシストガスを、アシス
トガス圧調整装置９によって一定圧力で加工ヘッド３の
ヘッド内部５に供給する。

【００２１】次いで、ステップＳ３において、Ｚ軸サー
ボモータ１３を駆動させて、加工ヘッド３をセンサー調
整用板に接近するように下降させる。そして、ステップ
Ｓ４において、ヘッド内部５における圧力（ヘッド内圧
力）が大きく上がった場合（ＹＥＳ）はステップＳ５に
進み、ＮＯの場合はステップＳ３に戻る。ステップＳ５
においては、ヘッド内圧力が大きく上がったときの加工
ヘッド３のＺ軸座標をノズルギャップ零（０ｍｍ）と
し、これを基準とする。そして、そのＺ軸位置から必要
な分（制御部１５で指令された値）、加工ヘッド３を上
昇させた点のアシストガスのアシストガス圧調整装置９
（レギュレーター）の開度を記録する。

【００２２】次に、ステップＳ６において、必要とする
アシストガス圧及びノズルギャップを保ち、その時のア
シストガス圧調整装置９の開度を記録し、これでヘッド
内部圧力センサー１１の調整を終了する。ここに言う
「必要とするアシストガス圧及びノズルギャップ」は、
加工ヘッド３のノズルとワーク１との接触を防ぎ、アシ
ストガスを有効に働かせることのできる高さ、および加
工するのに必要な高さという意味である。その値は、例
えばプログラム又はＮＣで指令する。

【００２３】次に、ワーク１を加工する際の加工ヘッド
３の駆動方法について、図４のフローチャートを参照し
て説明する。

【００２４】先ず、ステップＳ７において、加工ヘッド
３をワーク１の加工位置に移動させて位置決めする。次
に、ステップＳ８において、アシストガス圧調整装置９
を先程記録した開度まで開き、アシストガスを加工ヘッ
ド３のヘッド内部５に噴出させる。そして、ステップＳ
９において、Ｚ軸サーボモータ１３を駆動させて加工ヘ
ッド３をワーク１に対して下降させる。

【００２５】次に、ステップＳ１０において、ヘッド内
部５のヘッド内圧力が指令値まで上がったか否かをヘッ
ド内部圧力センサー１１で検出する。指令値まで上がっ
た場合（ＹＥＳ）はステップＳ１１に進み、ＮＯの場合
はステップＳ９に戻り、ヘッド内圧力が指令値に達する
まで加工ヘッド３を下降させる。なお、ここに言う指令
値は、ある一定の許容範囲を持つ。例えば、ステップＳ
１０では、アシストガス圧５ｋｇ／ｃｍ² でノズルギャ
プ１．５ｍｍ時のレギュレータ開度を記録する。次に、
加工時にレギュレータをその開度まで開きヘッド内部圧
力センサー１１が５ｋｇ／ｃｍ² となるＺ軸高さを上下
に調整しながら動作させる。

【００２６】ステップＳ１１では、制御部１５からの出
力命令によりレーザー光を出力し、集光レンズ１７で所
望のスポット径に集光してワーク１の切断を開始する。
ワーク１の加工中は、常にヘッド内圧力をヘッド内部圧
力センサー１１によって検出し、その検出データを制御
部１５に送る。そして、ステップＳ１９において、ワー
ク１に孔が貫通したか否かを判定する。孔が貫通した場
合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１２に進み、貫通しない場
合（ＮＯ）は、ステップＳ１９を繰り返す。孔が貫通す
ると、急激にヘッド内圧力が低下するが、加工が始まる
と再びある値までヘッド内圧力が上昇する。以後は、そ
の加工中のヘッド内圧力を基準として、ヘッド内圧力が
上昇したか否かを判定する。

【００２７】ステップＳ１２において、ヘッド内圧力が
上昇し加工時における基準となるヘッド内圧力を越えた
場合（ＹＥＳ）には、ステップＳ１３に進み、加工ヘッ
ド３をＺ軸サーボモータ１３によって上昇させる。する
と、ノズルギャプが広がり、加工ヘッド３の先端より噴
出されるアシストガスがワーク１と衝突する際の抵抗が
減少するため、ヘッド内圧力が低下する。一方、ヘッド
内圧力が加工時におけるヘッド内圧力を越えない場合
（ＮＯ）は、レーザー加工を続ける。

【００２８】そして、ステップＳ１４において、今度は
ヘッド内圧力が先の加工時のヘッド内圧力より下がった
場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１５に進み、Ｚ軸サーボ
モータ１３によって加工ヘッド３を下降させる。する
と、ノズルギャプが狭くなり、加工ヘッド３の先端より
噴出されるアシストガスがワーク１と衝突する抵抗が増
加するため、ヘッド内圧力が上昇する。一方、ヘッド内
圧力が前記基準となるヘッド内圧力より下がらない場合
（ＮＯ）は、ステップＳ１６に進む。

【００２９】ステップＳ１６では、ワーク１に対して一
経路の加工が終了したか否かを判定する。加工が終了し
た場合（ＹＥＳ）は、ステップＳ１７に進むが、終了し
ていない場合（ＮＯ）は、ステップＳ１２に戻り加工を
続ける。ステップＳ１７では、レーザー光の出力をスト
ップさせると共にアシストガスの供給をストップし、且
つ加工ヘッド３を上昇させる。そして、ステップＳ１８
に進み、ワーク１に対して次経路の加工があるか否かを
判定する。ＹＥＳの場合は、ステップＳ７に戻り全ルー
チンを繰り返し、ＮＯの場合は、全ての加工を終了す
る。

【００３０】このように、本実施形態のレーザー加工装
置によれば、アシストガスが供給されるヘッド内部５の
圧力を検出するヘッド内部圧力センサー１１を加工ヘッ
ド３に設け、そのヘッド内圧力の変化に応じて加工ヘッ
ド３をワーク１に対して昇降自在に駆動制御すれば、ワ
ーク１に反りがあったり、ワーク１を移動させた時にバ
タ付きが生じても、ノズルギャップを常に所定間隔に保
持することができる。また、本実施形態のレーザー加工
装置によれば、静電容量式のギャップセンサーとは異な
り、ワーク１が金属材料又は非金属材料（例えば、木、
樹脂類、石等）の何れであるかに拘わらず、またプラズ
マが発生してもそのプラズマに影響されることなく、ワ
ーク１に所望の加工を安定して行うことができ、加工不
良の低減並びに製品歩留まりの向上が図れる。

【００３１】以上、本発明を適用した具体的な一実施形
態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に制
限されることなく種々の変更が可能である。

【００３２】上述の実施形態では、加工ヘッド３をワー
ク１に対して垂直に下降させるようにしたが、例えば垂
直に位置決めしたワーク１に対して、ロボット等により
加工ヘッド３を水平に接近させる装置構成の場合におい
ても、本発明を適用することで同様の効果が得られる。

【００３３】

【発明の効果】本発明は、以上説明したような形態で実
施され、以下に記載されるような効果を奏する。

【００３４】本発明によれば、アシストガスが導入され
る加工ヘッドのヘッド内圧力を検出するセンサーを加工
ヘッドに設け、その検出結果に基づいて加工ヘッドを被
加工物に対して接離自在にして、そのヘッド内圧力を所
定圧力範囲となるように制御しているので、ワークの反
りやワーク移動時のバタ付きがあっても、加工ヘッドと
被加工物との間の距離を所定間隔に保持することがで
き、しかもワークが金属材料又は非金属材料の何れであ
るかに拘わらず、またプラズマが発生してもそのプラズ
マに影響されることなく、ワークに所望の加工を安定し
て行うことができると共に、加工不良の低減並びに製品
歩留まりの向上を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態のレーザー加工装置を示すブロック
図である。

【図２】本実施形態のレーザー加工装置における加工ヘ
ッド先端部の断面図である。

【図３】ワーク表面のパスラインと、アシストガス圧調
整装置の開度調整動作を示すフローチャートである。

【図４】本実施形態のレーザー加工装置における加工ヘ
ッド駆動方法を示すフローチャートである。

【符号の説明】

１ ワーク ３ 加工ヘッド ５ ヘッド内部 ７ アシストガス供給ボンベ ９ アシストガス圧調整装置 １１ ヘッド内部圧力センサー １３ Ｚ軸サーボモータ １５ 制御部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アシストガスが供給される加工ヘッドの
   ヘッド内部における圧力を検出し、そのヘッド内圧力が
   所定圧力範囲となるように被加工物に対する加工ヘッド
   の相対位置を駆動制御して、該加工ヘッドと該被加工物
   との間の距離を所定間隔に保持するように制御すること
   を特徴とするレーザー加工装置における加工ヘッド駆動
   方法。
2. 【請求項２】 加工ヘッドの内部にアシストガスを供給
   し、そのアシストガスを被加工物へ噴射させると共に集
   光したレーザー光を、該加工ヘッドの先端より照射して
   被加工物に所望のレーザー加工を行うレーザー加工装置
   において、 前記加工ヘッドに、ヘッド内部の圧力を検出する圧力検
   出手段を設け、該圧力検出手段より検出されたヘッド内
   圧力が所定圧力範囲となるように、前記被加工物に対す
   る該加工ヘッドの相対位置を駆動制御して、該加工ヘッ
   ドと該被加工物との間の距離を所定間隔に保持するよう
   に制御自在に構成してあることを特徴とするレーザー加
   工装置。
3. 【請求項３】 レーザー光を照射して被加工物にレーザ
   ー加工を行う加工ヘッドと、 前記加工ヘッドの内部に供給するアシストガスの供給圧
   力を調整自在とする圧力調整手段と、 前記加工ヘッドに設けられ、該加工ヘッドの内部の圧力
   を検出する圧力検出手段と、 前記圧力検出手段より検出された圧力が所定圧力範囲と
   なるように、前記被加工物に対する前記加工ヘッドの相
   対位置を駆動制御して、該加工ヘッドと該被加工物との
   間の距離を所定間隔に保持するように制御自在する制御
   部とからなることを特徴とするレーザー加工装置。