JP5631138B2 - レーザ切断加工方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、板状のワークをレーザ切断加工するレーザ切断加工方法及び装置に係り、さらに詳細には、ワークに対してピアシング加工を行うことにより、当該ワークに対する適正な焦点位置を検出し、この検出した焦点位置でもってワークのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工方法及び装置に関する。

従来、板状のワークのレーザ切断加工を行うレーザ加工機においては、当該レーザ加工機の制御を行うＣＮＣ装置に、各被加工材毎の加工条件を予め登録した条件ファイルを備えている。そして、ワークの切断加工を行うときには、レーザ加工機にセットしたワークに対応した条件ファイルを呼び出し、この条件ファイルに登録してある加工条件によって前記ワークのレーザ切断加工を行っている。

ところで、レーザ切断加工において安定的な加工を行なうには、ワークの表面に対するレーザ光の焦点位置は重要な条件である。そこで、前記条件ファイルに登録してある加工条件の位置に焦点位置を合せるべく集光レンズの位置を調節した場合であっても、使用している集光レンズの劣化状態や、使用レンズの個体差、レーザ発振器の経時変化による焦点長さの変動などの外乱に対する補正機能を有していないため、前記外乱によって安定した加工ができない場合がある。この場合、集光レンズの焦点位置を再び検出して再登録する必要がある。

すなわち、レーザ切断加工を行う場合、集光レンズの焦点位置は重要な要素であるから、集光レンズの焦点位置を検出することが行われている（例えば特許文献１、２参照）。

特開平７−１３２３９１号公報 特開２００５−３３４９２８号公報

前記特許文献１に記載の発明においては、ワークの表面に対する集光レンズの焦点位置を上下に調節し、ワークの表面に焦点位置が一致して、検出した加工光の強度が最大になったときに、焦点位置がワーク表面に一致したものとして検出する構成がある。

前記特許文献２に記載の発明においては、ワークの表面に焦点位置が一致すると、輝度の高い青色のプラズマが発生することを利用し、このプラズマの発生を検出したときに、焦点位置がワーク表面に一致したものとして検出するものである。

すなわち、従来は、ワークの表面に焦点位置が一致したときの集光レンズの位置を検出し、この検出位置を基準にしてワークに対する焦点位置を調節して各種のレーザ加工を行うものである。すなわち、従来は、ワークのレーザ切断加工を行う前に、焦点位置検出の工程が必要であり、かつ焦点位置検出後には、焦点位置を調節する工程が必要であり、作業能率向上において問題がある。

本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、レーザ切断加工方法であって、板状のワークのレーザ切断加工を行うに先立って、ワークに対する集光レンズの接近位置を種々変更してワークに対する焦点位置を種々変更した複数回のピアシング加工を行い、この複数回のピアシング加工時においてピアシング加工を開始して穴が貫通するまでの時間に検出した散乱光量の検出値が最小値のときの焦点位置を保持してワークのレーザ切断加工を行うことを特徴とするものである。

また、レーザ切断加工方法であって、板状のワークのレーザ切断加工を行うに先立って、ワークに対する集光レンズの接近位置を種々変更してワークに対する焦点位置を種々変更した複数回のピアシング加工を行い、この複数回のピアシング加工時に検出した加工時間が最小のときの焦点位置を保持してワークのレーザ切断加工を行うことを特徴とするものである。

また、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光するための集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、ワークに対して前記集光レンズの焦点位置を調節する焦点位置調節手段と、ワークのピアシング加工時においてピアシング加工を開始して穴が貫通するまでの時間の散乱光量を検出して電圧に変換する光・電気変換手段と、この光・電気変換手段によって変換した検出光電圧と前記焦点位置調節手段によって調節した焦点位置とを関連付けて記憶する第１のメモリと、次回のピアシング加工時においてピアシング加工を開始して穴が貫通するまでの時間に検出した検出光電圧と焦点位置とを関連付けて記憶する第２のメモリと、前記第１メモリの検出光電圧と第２メモリの検出光電圧とを比較して小さい値を選択し、第１メモリを更新する比較手段と、この比較手段によって選択された検出光電圧に関連した焦点位置に焦点位置を調節する前記焦点位置調節手段と、を備えていることを特徴とするものである。

また、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光するための集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、ワークに対して前記集光レンズの焦点位置を調節する焦点位置調節手段と、ワークのピアシング加工時の貫通時間を検出するための貫通時間検出手段と、この貫通時間検出手段によって検出した貫通時間と前記焦点位置調節手段によって調節した焦点位置とを関連付けて記憶する第１のメモリと、次回のピアシング加工時に検出した貫通時間と焦点位置とを関連付けて記憶する第２のメモリと、前記第１メモリの貫通時間と第２メモリの貫通時間とを比較して小さい値を選択し、第１メモリを更新する比較手段と、この比較手段によって選択された貫通時間に関連した焦点位置に焦点位置を調節する前記焦点位置調節手段と、を備えていることを特徴とするものである。

また、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光するための集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、ワークに対して前記集光レンズの焦点位置を調節する焦点位置調節手段と、前記レーザ加工ヘッドの移動を制御するための制御装置における加工条件ファイルから選択された加工条件における焦点位置を含み、この焦点位置に対して＋方向、−方向に焦点位置を調節してのワークに対する複数回のピアシング加工時においてピアシング加工を開始して穴が貫通するまでの時間の散乱光量をその都度検出して電圧に変換する光・電気変換手段と、この光・電気変換手段によって変換した複数回の検出光電圧と前記焦点位置調節手段によって調節した焦点位置とを関連付けて記憶するメモリと、前記メモリの複数回の検出光電圧を比較して最小値を選択する比較手段と、この比較手段によって選択された最小値の検出光電圧に関連した焦点位置に焦点位置を調節する前記焦点位置調節手段と、を備えていることを特徴とするものである。

また、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光するための集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、ワークに対して前記集光レンズの焦点位置を調節する焦点位置調節手段と、前記レーザ加工ヘッドの移動を制御するための制御装置における加工条件ファイルから選択された加工条件における焦点位置を含み、この焦点位置に対して＋方向、−方向に焦点位置を調節してのワークに対する複数回のピアシング加工時の貫通時間をその都度検出するための貫通時間検出手段と、この貫通時間検出手段によって検出した複数回の貫通時間と前記焦点位置調節手段によって調節した焦点位置とを関連付けて記憶するメモリと、前記メモリの貫通時間を比較して最小値を選択する比較手段と、この比較手段によって選択された最小値の貫通時間に関連した焦点位置に焦点位置を調節する前記焦点位置調節手段と、を備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、予めピアシング加工を行ってピアシング加工時における適正な焦点位置を求め、この求めた焦点位置の条件でもってレーザ切断加工を行うものであるから、例えば集光レンズが劣化しているような場合であっても、適正な焦点位置を直ちに求めることができ、切断面精度を良好に保持しての、ワークのレーザ切断加工を能率よく開始することができるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ切断加工装置の全体的構成を概念的、概略的に示した説明図である。 ピアシング加工の説明図である。 ピアシング加工時の焦点位置と検出光電圧との関係を示す説明図である。

図１を参照するに、概念的、概略的に示すように、板状のワークＷのレーザ切断加工を行うレーザ切断加工装置１は、一般的なレーザ加工機と同様に、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向へ移動位置決め自在なレーザ加工ヘッド３を備えている。周知のように、上記レーザ加工ヘッド３内には集光レンズ５が備えられていると共に、レーザ発振器７から発振されたレーザ光ＬＢを前記集光レンズ５の方向へ反射するためのベンドミラー９が備えられている。

また、前記レーザ加工ヘッド３には、前記ワークＷに対する焦点位置の調節を行うために、前記集光レンズ５をワークＷに対して接近離反する方向（図１においては上下方向）へ位置調節するためのサーボモータ１１が備えられている。さらに、前記レーザ加工ヘッド３には、ワークＷのレーザ加工位置から散乱光（可視光）を検出するための適数の光センサ１３が備えられている。なお、前記散乱光は、ワークＷにレーザ光ＬＢが照射されて金属が溶けて発光した可視光であって、加工位置からのレーザ光ＬＢの反射光ではない。

前記レーザ切断加工装置１の制御を行うための制御装置１５はＣＮＣ制御装置などからなるものであって、ＣＰＵ１７、入力手段１９、ＲＯＭ２１、ＲＡＭ２３及び表示手段２５を備えている。さらに前記制御装置１５には、ワークＷのレーザ切断加工を行うときの加工条件を、各種のワークＷの材質、板厚に対応して予め登録した加工条件ファイル２７が備えられている。この加工条件ファイル２７に登録してある加工条件としては、例えば、ワーク表面に対する切断焦点位置、切断速度、レーザ出力、パルスレーザの周波数、デューティ比、使用ガス種、ガス圧、レーザ加工ヘッドに備えたノズルとワーク表面との切断ギャップなどである。そして、前記加工条件ファイル２７に予め格納してある加工条件に基づいてレーザ発振器７、サーボモータ７などの制御が行われて、ワークＷに対するレーザ切断加工が行われるものである。

また、前記制御装置１５は、ワークＷに対するレーザ加工時に、レーザ加工位置の散乱光を検出する前記光センサ１３でもって検出した光量を電圧（検出光電圧）に変換するための光・電圧変換手段２９を備えていると共に、前記サーボモータ１１を制御して、ワークＷの表面に対する前記集光レンズ５の焦点位置を調節するための焦点位置調節手段３１を備えている。

さらに、前記制御装置１５には、ワークＷに対してピアシング加工を行ったときに、前記光センサ１３によって検出した散乱光の光量（この光量は、ピアシング加工を開始して穴が貫通するまでの非常に短い時間に検出した光量である）を前記光・電気変換手段２９によって電圧に変換した検出光電圧の値、すなわち散乱光量の検出値と、ピアシング加工時の焦点位置とを関連付けて記憶する第１メモリ３３を備えている。また、次に焦点位置を変更してピアシング加工を行ったときの焦点位置と検出光電圧の検出値とを関連付けて記憶する第２メモリ３５を備えている。

さらに制御装置１５は、前記第１，第２のメモリ３３，３５に格納されている検出光電圧の検出値を比較する比較手段３７を備えている。この比較手段３７は、第１，第２のメモリ３３，３５の検出光電圧を比較して小さい値を選択し、そして、第１メモリ３３の内容を選択した小さい値に更新する機能及びワークＷのレーザ切断加工を行うために予めＲＡＭ２３に格納した加工プログラムにおける焦点位置のパラメータを、第１メモリ３３に格納された焦点位置に更新する機能を有するものである。したがって、第１メモリ３３には、ワークＷにピアシング加工を行ったときに検出した最小の検出光電圧の値と、そのときの焦点位置とが関連付けて格納されているものである。

また、前記制御装置１５には、前記第１メモリ３３に格納されている焦点位置に集光レンズ５の焦点位置を調節した状態において、前記ＲＡＭ２３に格納されている加工プログラムに従ってワークＷのレーザ切断加工を行うべく、前記レーザ加工ヘッド３のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向への移動を制御する軸動作制御手段３９が備えられている。

以上のごとき構成において、ワークＷのレーザ切断加工を行うには、ワークＷの表面に対する集光レンズ５の焦点位置を適正の位置に位置調節を行うために複数回のピアシング加工を行うものである。この場合、ピアシング加工は、ワークＷの端材となる部分に行うものである。そして、ピアシング加工を行うに際しては、ワークＷの材質、板厚に対応して加工条件ファイル２７から対応する加工条件が選択される。この選択した加工条件における焦点位置が正しければ問題ないが、例えば集光レンズ５の劣化等によって焦点位置が僅かに変化している場合がある。

そこで、図２の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）及び（Ｅ）に示すように、選択した前記加工条件における焦点位置Ａを中心として、予め設定してあるパラメータＢ１，Ｂ２でもって焦点位置をワークＷの上面側（Ａ＋Ｂ１，Ａ＋Ｂ２）及び下面側（Ａ−Ｂ１，Ａ−Ｂ２）へ位置変更して複数回のピアシング加工を、例えばＡ＋Ｂ２，Ａ＋Ｂ１，Ａ，Ａ−Ｂ１，Ａ−Ｂ２の順に行うものである。上述のごとくピアシング加工を順次行うとき、光センサ１３によって検出した散乱光の光量を光・電気変換手段２９によって電圧に変換する。そして順次検出した電圧（検出光電圧）を比較手段３７によって比較することを繰り返し、最小の検出光電圧を第１メモリ３３に格納し、第１メモリ３３の内容を更新する。

また、入力手段１９から入力され、加工すべきワークＷに対応して加工条件ファイル２７から選択した加工条件に従ってレーザ切断加工を行うべくＲＡＭ２３に格納されている加工プログラムにおける焦点位置のパラメータを、前記第１メモリ３３に格納し更新した焦点位置に更新する。

すなわち、前述のごとく、複数回のピアシング加工を順次行ったときの検出光電圧が、図３に示すように、最小の値がＡ−Ｂ１の焦点位置の場合には、加工条件ファイル２７に登録されている焦点位置Ａは、レーザ切断加工を行う加工プログラム中においては焦点位置Ａ−Ｂ１に更新され、この焦点位置Ａ−Ｂ１に焦点位置を保持してワークＷのレーザ切断加工が行われるものである。

ところで、ワークＷのピアシング加工を行ったときに、検出光電圧の値が最小となることは、光センサ１３の散乱光の受光量が少ないことである。換言すれば、ピアシング加工時間が最も短いことになる。ピアシング加工時間が最も短いことは、当該ワークＷの表面に対する焦点位置が最適な位置に位置調節してあることになる。したがって、ピアシング加工時間が最小のときにおける焦点位置に焦点位置を調節してレーザ切断加工を行うことにより、高精度のレーザ加工を行うことができるものである。

既に理解されるように、ワークＷのレーザ切断加工を行うに先立って、ワークＷに対する集光レンズ５の接近位置を種々変更することによってワークＷに対する焦点位置を変更して複数回のピアシング加工を行ったときに検出した散乱光量の検出値が最小値となるときの焦点位置に焦点位置を調節してワークＷのレーザ切断加工を行うものであるから、集光レンズ５の劣化等によって焦点位置が変化しているような場合であっても、レーザ切断加工時にはワークＷの表面に対して焦点位置を適正の位置に調節した状態でもってレーザ切断加工が行われることとなるものである。したがって、レーザ切断加工を常に高精度に行うことができるものである。

ところで、前記説明においては、ワークＷにピアシング加工を開始して、穴が貫通するまでの間の散乱光の光量を検出し、検出値が最小の値の焦点位置を求めている。しかし、散乱光量が最小になることはピアシング加工時間が最小になることに等しいから、ピアシング加工開始時から穴貫通時までの時間を検出し、複数回のピアシング加工時に検出した加工時間が最小のときの焦点位置を第１メモリ３３に格納すると共に、加工プログラムにおける焦点位置のパラメータを、第１メモリ３３に格納した焦点位置に更新する構成とすることも可能である。

この場合、制御装置１５に貫通時間検出手段４１を備える。そして、ワークＷに対してレーザ光ＬＢを照射してピアシング加工を開始すると、ワーク表面の金属が溶けて散乱光を発光するので、この散乱光を前記光センサ１３によって検出したときから貫通時間（ピアシング加工時間）の計時を開始する。そして、ワークＷに穴が貫通されると、ワークＷの金属が溶けている部分が急激に少なくなって散乱光量が急激に少なくなるので、このときに計時を終了することによってピアシング加工の加工時間を検出することができるものである。

したがって、前述と同様に、検出したピアシング加工時間とそのときの焦点位置を関連付けて第１メモリ３３に格納し、次のピアシング加工時のピアシング加工時間とそのときの焦点位置を関連付けて第２メモリ３５に格納する。そして、前述したように、比較手段３７によって第１，第２のメモリ３３，３５に格納されているピアシング加工時間を比較することを順次繰り返すことにより、最小のピアシング加工時間を求めることができる。したがって、この求めた最小のピアシング加工時間に対応した焦点位置に集光レンズ５の焦点位置を調節してレーザ切断加工を行うことにより、前述と同様の効果を奏し得るものである。

なお、本発明は前述したごとき実施形態に限ることなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態でも実施可能である。すなわち、前記説明においては、焦点位置を、Ａ＋Ｂ２，Ａ＋Ｂ１，Ａ，Ａ−Ｂ１，Ａ−Ｂ２に順次変更して複数回のピアシング加工を順次行なう毎に、検出光電圧又はピアシング加工時間を検出し、前回の検出値と今回の検出値とを比較し、今回の検出値が小さい場合にはメモリに格納することを繰り返す。そして、今回の検出値が前回の検出値よりも大きくなったときに、前回の検出値が最小の値であるとしている。

しかし、加工条件における焦点位置Ａを含み、この焦点位置Ａを中心として＋方向、−方向（上下方向）に焦点位置を調節して（Ａ＋Ｂ１，Ａ＋Ｂ２：Ａ−Ｂ１，Ａ−Ｂ２）、ワークに対する複数回のピアシング加工時の散乱光量をその都度検出した値（検出値）とその際の焦点位置とを関連付けて、例えば第１メモリ３３にその都度記憶する構成とする。そして、上記メモリ３３に記憶した全ての検出値を比較手段３７によって比較して、最小の検出値を選択する構成とする。そして、この選択した最小の検出値に対応した位置に焦点位置を調節してレーザ切断加工を行う構成とすることもできるものである。

１ レーザ切断加工装置
３ レーザ加工ヘッド
５ 集光レンズ
７ レーザ発振器
１３ 光センサ
１５ 制御装置
２７ 加工条件ファイル
２９ 光・電気変換手段
３１ 焦点位置調節手段
３３ 第１メモリ
３５ 第２メモリ
３７ 比較手段
３９ 軸動作制御手段
４１ 貫通時間検出手段

Claims (6)

1. レーザ切断加工方法であって、板状のワークのレーザ切断加工を行うに先立って、ワークに対する集光レンズの接近位置を種々変更してワークに対する焦点位置を種々変更した複数回のピアシング加工を行い、この複数回のピアシング加工時においてピアシング加工を開始して穴が貫通するまでの時間に検出した散乱光量の検出値が最小値のときの焦点位置を保持してワークのレーザ切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。
2. レーザ切断加工方法であって、板状のワークのレーザ切断加工を行うに先立って、ワークに対する集光レンズの接近位置を種々変更してワークに対する焦点位置を種々変更した複数回のピアシング加工を行い、この複数回のピアシング加工時に検出した加工時間が最小のときの焦点位置を保持してワークのレーザ切断加工を行うことを特徴とするレーザ切断加工方法。
3. レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光するための集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、ワークに対して前記集光レンズの焦点位置を調節する焦点位置調節手段と、ワークのピアシング加工時においてピアシング加工を開始して穴が貫通するまでの時間の散乱光量を検出して電圧に変換する光・電気変換手段と、この光・電気変換手段によって変換した検出光電圧と前記焦点位置調節手段によって調節した焦点位置とを関連付けて記憶する第１のメモリと、次回のピアシング加工時においてピアシング加工を開始して穴が貫通するまでの時間に検出した検出光電圧と焦点位置とを関連付けて記憶する第２のメモリと、前記第１メモリの検出光電圧と第２メモリの検出光電圧とを比較して小さい値を選択し、第１メモリを更新する比較手段と、この比較手段によって選択された検出光電圧に関連した焦点位置に焦点位置を調節する前記焦点位置調節手段と、を備えていることを特徴とするレーザ切断加工装置。
4. レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光するための集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、ワークに対して前記集光レンズの焦点位置を調節する焦点位置調節手段と、ワークのピアシング加工時の貫通時間を検出するための貫通時間検出手段と、この貫通時間検出手段によって検出した貫通時間と前記焦点位置調節手段によって調節した焦点位置とを関連付けて記憶する第１のメモリと、次回のピアシング加工時に検出した貫通時間と焦点位置とを関連付けて記憶する第２のメモリと、前記第１メモリの貫通時間と第２メモリの貫通時間とを比較して小さい値を選択し、第１メモリを更新する比較手段と、この比較手段によって選択された貫通時間に関連した焦点位置に焦点位置を調節する前記焦点位置調節手段と、を備えていることを特徴とするレーザ切断加工装置。
5. レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光するための集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、ワークに対して前記集光レンズの焦点位置を調節する焦点位置調節手段と、前記レーザ加工ヘッドの移動を制御するための制御装置における加工条件ファイルから選択された加工条件における焦点位置を含み、この焦点位置に対して＋方向、−方向に焦点位置を調節してのワークに対する複数回のピアシング加工時においてピアシング加工を開始して穴が貫通するまでの時間の散乱光量をその都度検出して電圧に変換する光・電気変換手段と、この光・電気変換手段によって変換した複数回の検出光電圧と前記焦点位置調節手段によって調節した焦点位置とを関連付けて記憶するメモリと、前記メモリの複数回の検出光電圧を比較して最小値を選択する比較手段と、この比較手段によって選択された最小値の検出光電圧に関連した焦点位置に焦点位置を調節する前記焦点位置調節手段と、を備えていることを特徴とするレーザ切断加工装置。
6. レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光するための集光レンズを備えたレーザ加工ヘッドと、ワークに対して前記集光レンズの焦点位置を調節する焦点位置調節手段と、前記レーザ加工ヘッドの移動を制御するための制御装置における加工条件ファイルから選択された加工条件における焦点位置を含み、この焦点位置に対して＋方向、−方向に焦点位置を調節してのワークに対する複数回のピアシング加工時の貫通時間をその都度検出するための貫通時間検出手段と、この貫通時間検出手段によって検出した複数回の貫通時間と前記焦点位置調節手段によって調節した焦点位置とを関連付けて記憶するメモリと、前記メモリの貫通時間を比較して最小値を選択する比較手段と、この比較手段によって選択された最小値の貫通時間に関連した焦点位置に焦点位置を調節する前記焦点位置調節手段と、を備えていることを特徴とするレーザ切断加工装置。

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