JP4453407B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ加工機に関し、より詳しくは、被加工物の加工状況を監視できるように構成したレーザ加工機に関する。

従来、レーザ加工装置としてレーザ光線を発振するレーザ発振器と、このレーザ発振器から発振されたレーザ光線を加工対象にむけて照射するフォーカスヘッドと、上記レーザ光線の照射によって加工対象の溶融部分から生じた光を検出する検出手段と、上記レーザ発振器を制御するとともに、上記検出手段によって検出した光量によって被加工物の加工状況をモニタリングできるように構成したものが知られている(例えば、特許文献１参照)。また、上記構成のレーザ加工装置において、基準光発生手段と検出機能判定部を設け、検出光量が予め設定した光量よりも小さい場合に光検出手段の不良を判定できることを特徴としたものもある（例えば、特許文献２参照）。

特開平４−８１２８６号公報（第２頁、第１図）

特許第２７０５４８５号公報（第１頁、第１図）

このような加工状況をモニタリングできるレーザ加工装置は、検出手段自身の機能の良否を検知する手段がないため、光を検出する機能が低下した場合などにおいては被加工物の加工状況を誤って把握する結果を招くものか、あるいは、検出手段自身の機能の良否を検知する手段はあっても、モニタリングの精度に影響する他の要因、例えばノズルの特性など検出手段以外の影響を抑制する手段については何も記載されていないものであった。

すなわち、一般的には、上記検出手段で検出される受光量は、レーザ光線の出力、焦点位置、加工速度などにより変化し、これらの要素は加工面の品質を決定する。通常は、反射光の受光量が少なくなるほど加工面の品質がよくなる。ただし、この受光量が変動する要因として、上記の被加工物の加工状況、検出手段自身の機能の良否以外に、ノズルに付着するスパッタ、加工方向などが挙げられる。このように色々な要因で検出される受光量が変化してしまうと結果的に良好な加工は望めない。従って、加工状況の正確なモニタリングをする必要があり、このためには、これら加工品質とは関係のない受光量変動の要因を排除する必要がある。

本発明は、このような事情に鑑み、受光量を変化させる要因の影響を抑制して、被加工物をより高精度に加工できるレーザ加工機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明に係るレーザ加工装置においては、
加工対象を加工するためのレーザ光線を発振するレーザ発振器と、
このレーザ発振器から出力されたレーザ光線を加工対象にフォーカスするフォーカスヘッドと、
該フォーカスヘッドの先端部に着脱可能に装着したノズルと嵌め合うガイドと、ＬＥＤ電源部と、上記ガイドに設けられ該電源部により発光するＬＥＤとを有する基準光発生手段と、
上記フォーカスヘッドに装着され、上記レーザ光線の照射によって加工対象から生じた光と上記基準光発生手段から発生した基準光とを検出する光検出手段と、
上記ノズルが上記ガイドに嵌め合う位置において該光検出手段で検出した基準光の値により、異なる２つの基準光の発光レベルで求めた上記加工で使用するノズルと基準ノズルの光検出信号を対比して両者の特性が一致するように加工時の光検出信号を調整する相関調整手段と、該相関調整手段により調整された実加工時の光の検出量から加工対象の加工状況をモニタリングすることにより上記レーザ発振器を制御する制御装置とを備えた。

本発明の構成によれば、光検出手段の較正をせずに光検出手段の特性のばらつきを考慮することなく、またノズルの特性（ノズルの径や新品度など）にかかわりなく、精度よく加工状態をモニタリングすることができるため、被加工物をより高精度に加工することができる。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置の模式図である。レーザ加工装置はレーザ光線６を発振するレーザ発振器１０と、このレーザ発振器１０から発振されたレーザ光線６を集光する集光レンズ４を収納したフォーカスヘッド３とを備えており、上記レーザ発振器１０は制御装置１によって発振のタイミング、デューティー比、繰り返し周波数などが制御されるようになっている。上記フォーカスヘッド３は図示しない昇降機構によって昇降されるようになっており、またフォーカスヘッド３と加工対象７を載せた図示しない加工テーブルとをボールネジやリニアモータなどの駆動機構によって水平面内で相互に直交する方向に相対移動させることにより、上記加工対象７に所望のレーザ加工を施すことができるようになっている。フォーカスヘッド３の先端部はノズル５を着脱可能な構造となっており、ノズルの径を変えることによりフォーカスヘッド内を流れる図示しない加工ガス流量を調整できるようになっている。

上記フォーカスヘッド３にはフォトダイオード等の光センサ（望ましくは３個以上）がとりつけてあり、検出された信号はセンサアンプで増幅され制御装置１に入力するようにしている。光センサを３個以上使用するのは、加工方向による光の偏りを考慮したためである。光検出手段２は光センサおよびセンサアンプによって構成されている。上記制御装置1によって発振制御されたレーザ発振器１０からのレーザ光線６はフォーカスヘッド３の集光レンズ４で集光されて加工対象７に照射されるようになっている。光検出手段２を構成する光センサは、レーザ光線６の照射によって生じた光をノズル５の孔を介してセンシングする。光検出手段２で検出された検出光量は制御装置１のモニタリング部１２によって加工状態を判断できるようになっている。モニタリング部は検出した検出光量をもとにレーザ発振器１０を制御し、これによって加工条件を変化させることにより、良質な加工結果を得ることができる。なお、図中斜め矢印はパラメータ調整していることを示す。以下の図においても同様である。

また、レーザ加工装置には基準光発生手段８が備えられており、基準光発生手段はＬＥＤなどの発光素子と定電流電源などのＬＥＤ電源部及び該発光素子を覆うように設けられガイド９で構成されている。このガイド９はノズル５と嵌め合う形状となっている。基準光を計測するとき、レーザ加工装置は、昇降機構と駆動機構によってノズル５の位置をガイド９とが嵌め合う位置に合わせる。ガイド９により光検出手段２は外部からの光を受けることなく、一定の距離で基準光発生手段８の光を計測できる。なお、ガイド９とノズル５の接触する部分はゴムなどで被覆しノズルを傷つけないようになっている。

次に、本発明の加工手順のフローについて説明する。図２は全体の加工手順のフローを示したフローチャートである。加工手順は、大別して事前作業部、基準光による検査作業部、および、本加工部の大きくわけて３部分からなる。工場出荷前等の事前作業部では基準ノズルＮＡを用いて光検出手段２で検出した溶融部分の反射光の検出光量とそのときの加工品質を測定し（Ｓ１）、反射光の検出量と加工品質の相関をマッピングする（Ｓ２）。基準光による検査作業部は、実際の本加工の前に使用するノズルＮＢに対して行う。したがって、ロット毎や一定時間毎の作業となる（Ｓ３、Ｓ４）。本加工部は実際の加工対象に対してビームを照射し加工することをさす（Ｓ５）。

事前作業部のフローの内容について、図３に示す事前作業部の模式図を用いて追加説明する。本発明の加工装置は、工場出荷される前にあらかじめ各種の加工対象に対して加工を実施しており、ユーザが簡単に加工条件を選定できるよう、標準加工条件が用意されている。この工場出荷前の加工においては基準ノズルを使用する。なお、基準ノズルは加工対象の材質や板厚などに応じて、ある程度別々に用意してもかまわない。後述する実施の形態３における円形状の曲線や放射状の直線の加工もこの事前作業にて行う。

一般的に、加工品質がよくなるように加工すると、溶融部分の反射光は少なくなる。したがって、あらかじめ最も加工品質がよくなる条件で加工を行い、溶融部分の反射光を光検出手段２で測定しておけば、後に最適な条件で加工できているかどうかが反射光の検出レベルでわかる。反対に、加工条件を悪くしていくと、溶融部分からの反射光量は多くなってくる。さらに加工条件が悪くなると、もはや正常加工ができなくなり、バーニングやガウジングが起きてしまう。ここでは、バーニングとは切断溝幅が広がる過燃焼、ガウジングとは溶融物が上に吹き上がる現象と定義する。ステンレス材を加工する場合も、加工品質がよくなる条件では反射光が少なく、加工条件が悪いとプラズマ発生にいたる。これらの検出された反射光量と加工品質の相関をマッピングした様子を図４に示す。この相関を使うことにより、本加工時の反射光量から加工状態をモニタリングできる（図５）。また、本加工時に最適加工条件での光量よりあきらかに少ない光量を検出した場合、ノズルにスパッタが付着したものと判断することができる。

次に実際の加工を始める前の、基準光による検査部のフローについて説明する。ここではノズルを介して基準光を測定する。基準光の測定は、図１に示すようにフォーカスヘッドをノズル５がガイド９に嵌め合うように移動させた位置で行う。測定結果の例を図６に示す。本加工で使用するノズルＮＢと基準ノズルＮＡとの特性から相関調整手段１１は受光検出量を調整する。そのフローの様子を図７に示す。図中の破線の枠部分は事前作業部を示す。

最後に本加工部のフローについて説明する。本加工では、溶融部分の反射光を光検出手段２を用いオンラインで測定する。反射光レベルが大きくなった場合、最適な加工条件で加工できるよう、制御装置１は加工速度、レーザパワーなどのパラメータを操作する。
以下で、さらに具体的に説明する。

本発明の加工装置は光検出手段２で検出した基準光の検出光量により制御装置１の相関調整手段１１によって調整された実加工時の光の検出量から加工対象の加工状況をモニタリングできるようになっている。例えば、ノズル５の径が変わればその孔の面積に応じてフォーカスヘッド３内に入ってくる光量は比例的に変わってくるので、その分の調整が必要である。その調整原理について説明する。本発明の加工装置は、工場出荷される前にあらかじめ各種の加工対象に対して加工を実施しており、ユーザが簡単に加工条件を選定できるよう、標準加工条件が用意されている。この工場出荷前の加工においては基準ノズルを使用する。なお、基準ノズルは加工対象の材質や板厚などに応じて別々に用意してもかまわない。

本発明の加工装置では、この基準ノズルを使用してあらかじめ基準光が測定されている。基準光の測定は、図１に示すようにフォーカスヘッドをノズル５がガイド９に嵌め合うように移動させた位置で行う。また、基準光−受光センサの入出力特性を考慮して、基準光は２つ以上の発光レベルで発光させて計測を行う。図６は２つの発光レベルａ、ｂで基準光を発光させたときの測定結果例を示している。基準ノズルでの測定結果例は図６のＮＡで示した。発光レベルａ−ｂ間の入出力特性は基準光に使用しているＬＥＤの特性と受光センサの特性により決定されるが、使い勝手を考慮してなるべく線形となるものを選択する。そのことにより、ａ−ｂ間の特性は図６のように直線近似できる。ユーザは本加工を行う前に、本加工で使用するノズルＮＢを装着させ同様の方法で基準光を計測する。

本発明の加工装置は、この計測を自動で行えるよう基準光発生手段８が定められた位置に設けてあり、フォーカスヘッド３をノズル５がガイド９に密着する位置に移動させ、基準光をいくつかの発光レベルで発光させ、光検出手段によってその光量を計測するアルゴリズムが用意されている。その測定結果例は図６のＮＢで示した。ノズルＮＢを使用した場合でも入出力特性は基本的には基準光に使用されているＬＥＤの特性と受光センサの特性により決定されるので、ＮＡと似た特性曲線となる。本実施例では入出力特性が直線となるようなＬＥＤおよび受光センサを選択しているのでＮＢのａ−ｂ間特性も同様に直線で近似できる。開口径の大きなノズルを使用すれば、ノズルに入る光量が多くなるので、ＮＢの傾きは大きくなる。また、同じ径のノズルでも、使用時間が長いノズルはノズル内の表面が酸化され光の反射率が小さくなるのでＮＢの傾きはやや小さくなる。ノズルＮＢを使用する場合、相関調整手段１１はノズルＮＢの特性がノズルＮＡの特性と一致するよう、本加工時の光検出信号の調整、例えばゲインとオフセット調整など、を行うことができるようになっている。このように調整することで、実際に加工をする条件で基準光を検出でき、ノズルの状態や受光センサのばらつき、取り付け位置の違いなどの影響を排除して基準光測定作業を自動で行うことができる。

次に制御装置１のモニタリング部１２について説明する。モニタリング部は加工時において加工対象の加工状態をモニタリングすることを目的とする。一般的に、よりよい加工条件で加工されているときほど加工対象の溶融部からの反射光は少ない。したがって、最適加工条件で加工したときの光量を記憶しておけば、光検出手段２からの光検出信号レベルから加工状態を判断することができる。

本発明の加工装置においては、あらかじめ標準的な各種加工材料に対し最適加工条件での光量が測定され記憶されている。したがって、相関調整手段１１によって調整された本加工時の光検出信号が最適加工条件の光量よりも大きい場合、加工状態が最適でないことがわかり、これをユーザに知らせることができる。またその場合、加工条件を変化させ、よりよい加工条件で加工できるようにすることができる。

また、本発明では光検出手段２で検出した基準光の検出光量は制御装置１の相関調整手段１１によってモニタリング部を調整できるようになっている。したがって、例えばノズル５の径が変わればその孔の面積に応じてフォーカスヘッド３内に入ってくる光量が変わってくるが、相関調整手段１１によりその影響を排除できる。また、ノズルはよく銅など金属製のものを使用するが、その新品度、すなわち酸化度合いや表面の汚れによって光の反射率が異なってくる。この影響についても本発明では基準光発生手段８と相関調整手段１１を設けることにより排除している。つまり本発明によれば、ノズルの状態（径、新品度）によらず高精度に加工状態をモニタリングすることができる。

さらに、一般的に受光センサの特性にはばらつきがあり、従来、特に厚板の切断加工などの加工状況を精度よくモニタリングしたい場合には、受光センサごとに較正作業を行う必要があった。ここでは、基準光発生手段８と相関調整手段１１を設けることにより受光センサごとの較正作業を不要とした。

さらに、光検出手段自体がきちんと較正されていても、光センサ取り付け位置などによっても検出される光量は異なってくることが知られている。特にガウジングで溶融物が吹き上がりノズルにスパッタが付着した場合などにおいては、その影響が大きくなる。従来はノズルにスパッタが付着した際、オペレータがその都度、加工装置をとめてノズルをとりはずし目視により確認する必要があった。本発明では光検出手段２で検出した基準光の検出光量は制御装置１の相関調整手段１１によってモニタリング部を調整できるようになっているので、ノズルへのスパッタ付着によるノズル５の径の変化、つまり、ノズル孔の面積変化によるフォーカスヘッド３内への入射光量の変化の影響を相関調整手段１１により排除できる。

また、上述のようなノズルへのスパッタ付着によるノズル５の径の変化以外にも、加工対象との接触によりノズルの孔が変形してしまうことがある。本発明では、基準光を計測したときに検出光量が所定の値よりも小さい場合、相関調整手段１１が異常と判断し、この状況を警告するメッセージを表示し、不良加工を未然に防ぐことができる。

以上のように、本発明では相関調整手段１１を設けているので、上記以外にも、ピアッシング加工においては、より正確にピアッシング終了検知を行うことができること、光検出信号からプラズマを検知する場合には、より正確にプラズマ検知を行うことができること、及び、光検出信号からバーニングやガウジングを検知する場合には、より正確にバーニングやガウジングの検知を行うことができることなどの利点がある。

実施の形態２．
図８は本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置の模式図である。実施の形態２は基本的には実施の形態１と同じ構成要素を有している。ただし、図８に示したとおり、基準光発生手段８は持ち運び可能としてある。基準光発生手段８はノズル５の先端部に着脱可能なガイド９を有している。実施の形態１のときとは違って、基準光を計測するときはユーザが手動で基準光をノズル５に装着する。基準光発生手段を持ち運び可能とすることで、加工テーブル上に基準光発生手段８のためのスペースを確保する必要がない利点がある。

実施の形態３．
レーザ加工においては、加工対象の溶融部の発光やプラズマの発生は広範囲でおきる。また、一般的に受光センサには指向性があり、センサの取付け方向と加工方向には密接な関係があり、加工状態のモニタリングにおいて加工方向の影響を受ける。従って、通常、光検出手段には複数個の受光センサが使われるが、厚板の切断時など、高品質な加工面を実現する上で加工条件を細かく設定しなければならず、複数個の受光センサを用いるだけでは不十分である。よって、このような場合には、より精度よく加工状態をモニタリングする必要があり、加工方向の影響を排除できる機能も併せて必要となる。本発明の実施の形態３によるレーザ加工装置は、この加工方向の影響を排除できる機能を持つレーザ加工機の一例を示すものである（図９）。

図９は本発明の実施の形態３によるレーザ加工装置の模式図である。図９に示したレーザ加工装置においては、ユーザが加工したいと思う加工形状データを記憶するデータ記憶部１３を備えている。レーザ加工装置はデータ記憶部１３からの形状データに基づき制御装置１よりレーザ発振器１０、フォーカスヘッド３を上下する昇降機構、水平面内駆動機構を制御し所望のレーザ加工を施す。

レーザ加工が施されると光検出手段２はノズル５の孔を介し加工対象７の溶融部分の光を受光する。光検出手段２で検出された検出光量により制御装置１のモニタリング部は加工状態を判断する。レーザ加工装置は加工方向（２次元）によって検出される検出光量信号を補正できるようになっている。

ここで、もう少し詳しくこの補正原理について説明する。本発明の加工装置は、工場出荷される前にあらかじめ各種の加工対象に対して加工を実施しており、ユーザが簡単に加工条件を選定できるよう、標準加工条件が用意されている。この工場出荷前の加工においては例えば円形状の曲線や放射状の直線を同一加工条件で加工してある。同一の加工条件にかかわらず、加工対象の融解部からの発光パターンと光検出手段２の受光センサの取り付け方向との関係によって光検出信号レベルは加工方向によって異なってくる。例えば、放射状の直線を等角度間隔で実施し、その１周分の光検出信号レベルの平均値を求める。図１０はその測定結果例である。相関調整手段１１では、たとえば以下のように補正係数を求め、相関調整を行う。補正係数は、各々の方向に加工した場合の光検出信号レベルを１周分の光検出信号レベルの平均値で割ることにより加工方向毎に求める。測定点を十分多くとれば、実施した角度以外での加工にも対応できる。この場合、隣接した２つの角度の補正係数から、線型を仮定して求めることができる。

制御装置１の相関調整手段１１は、加工方向によりモニタリング部を調整できるようになっている。具体的には、加工方向により相関調整手段１１は事前に記憶させてある補正係数により検出光量のゲイン調整を行う。これにより、本発明のレーザ加工装置では加工方向によらず高精度な加工状態モニタリングが可能となり、レーザ発振器１０を制御して良質な加工結果を得ることができる。

本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置の模式図である。 本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置の加工手順全体のフローを示したフローチャートである。 本発明の実施の形態１によるレーザ加工装置の加工手順中の事前作業部の模式図である。 検出された反射光量と加工品質の相関マッピングの模式図である。 加工状態予測図である。 ２つの発光レベルａ、ｂで基準光を発光させたときの測定結果例である。 受光検出量を調整するフロー図である。 本発明の実施の形態２によるレーザ加工装置の模式図である。 本発明の実施の形態３によるレーザ加工装置の模式図である。 ノズルの加工方向による特性の測定結果例である。

符号の説明

１ 制御装置、２ 光検出手段、３ フォーカスヘッド、４ 集光レンズ、５ ノズル、６ レーザ光線、７ 加工対象、８ 基準光発生手段、９ ガイド、１０ レーザ発振器、１１ 相関調整手段、１２ モニタリング部、１３ データ記憶部

Claims (6)

1. 加工対象を加工するためのレーザ光線を発振するレーザ発振器と、
   このレーザ発振器から出力されたレーザ光線を加工対象にフォーカスするフォーカスヘッドと、
   該フォーカスヘッドの先端部に着脱可能に装着したノズルと嵌め合うガイドと、ＬＥＤ電源部と、上記ガイドに設けられ該電源部により発光するＬＥＤとを有する基準光発生手段と、
   上記フォーカスヘッドに装着され、上記レーザ光線の照射によって加工対象から生じた光と上記基準光発生手段から発生した基準光とを検出する光検出手段と、
   上記ノズルが上記ガイドに嵌め合う位置において該光検出手段で検出した基準光の値により、異なる２つの基準光の発光レベルで求めた上記加工で使用するノズルと基準ノズルの光検出信号を対比して両者の特性が一致するように加工時の光検出信号を調整する相関調整手段と、該相関調整手段により調整された実加工時の光の検出量から加工対象の加工状況をモニタリングすることにより上記レーザ発振器を制御する制御装置とを備えたレーザ加工装置。
2. 基準光発生手段は、上記いずれのノズルとも嵌め合う形状のガイドを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 基準光発生手段は、少なくとも２つの発光レベルで発光が可能なことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. ２つの発光レベル間における基準光と光検出手段との入出力特性が線形であることを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 光検出手段は、少なくとも３個のセンサを有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
6. 前記相関調整手段に予め記憶させた補正係数により、加工方向により検出光量のゲイン調整を行うことで、前記光検出手段で検出した検出光量を加工方向毎に補正することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。

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