JP2018024003A - レーザ加工機のノズル寿命判定方法およびレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工機において、交換が必要となるノズルの損耗、劣化を効果的に判定できるようにすること。【解決手段】液体を噴射して柱状の液体流を形成するノズル２６ｂを有し、該ノズルにレーザ光を導入してワークにレーザ光を照射してワークを加工するレーザ加工機１０のノズル寿命判定方法において、レーザアライメント調整を行う度にアライメントカメラ３２で撮像したノズルの画像をレーザ加工機の入力・表示部１２０に表示し、アライメント調整を行ったノズルの画像を属性データと共に保存し、少なくとも正常なノズルのカメラ画像と、現在のノズルのカメラ画像とを、属性データと共に入力・表示部に並べて表示し、現在のノズルが使用可能であるか否かを目視により判定できるようにした。【選択図】図２

Description

本発明は、液体を噴射して柱状の液体流を形成するノズルを有し、該ノズルにレーザ光を導入して照射する光学ヘッドからテーブルに載置されたワークにレーザ光を照射してワークを加工するウォータジェットレーザ加工機のノズル寿命判定方法、および、該ノズル寿命判定方法を実施可能なレーザ加工機に関する。

液体をノズルから噴射して形成される柱状の液体流にレーザ光を通してワークを加工するウォータジェットレーザ加工機では、レーザ光の光軸を液体流の中心軸に一致させなければならない。特許文献１には、レーザ光の光軸を液体流の中心軸に一致させるアライメント調整を行うため、ノズル近傍を観察するカメラを備えたレーザ加工装置が開示されている。

レーザ加工機では、加工中のレーザ光の熱によりノズル孔は徐々に損傷し、内径が基準寸法よりも大きくなったり、ノズル孔の内面に亀裂が生じたりする。また、ノズルは、加工中にワークから飛散するスパッタが衝突したり、付着してノズル孔の形状がいびつになる。このように、レーザ加工機では加工に供された時間が経過するうちにノズルの損傷、劣化のために、ノズルから放出される柱状の液体流が乱れて層流ではなく乱流となり、柱状の液体流の側面から放射されるレーザ光が増加し、適正なレーザ加工ができなくなる。

特開２００１−２８７０７１号公報

そこで、ノズルが損傷、劣化したときに、新しいノズルと交換する必要があるが、例えば、加工不良が出たときにノズルを交換したのでは、加工不良となったワークが無駄になることに加えて、レーザ加工機をいったん停止しなければならないので加工効率が低下する。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、交換が必要となるノズルの損耗、劣化を効果的に判定できるようにしたノズル寿命判定方法およびレーザ加工機を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、ノズルから水を噴出して形成したウォータジェットにレーザ光線を導入してワークをレーザ加工するウォータジェットレーザ加工機のノズル寿命判定方法であって、レーザ光線を照射する光学ヘッド内に設けられ、レーザ光路の上流側からノズル孔を撮影するアライメントカメラで、正常な状態のノズル孔をウォータジェットを噴射した状態で撮像してその画像を記憶し、前記アライメントカメラで使用後のノズル孔をウォータジェットを噴射した状態で撮像し、記憶した正常な状態のノズル孔画像と使用後のノズル孔画像とを並べて表示し、画像データの差分に基づいてノズル寿命判定を行うようにしたレーザ加工機のノズル寿命判定方法が提供される。

本発明の他の特徴によれば、テーブルに載置されたワークにレーザ光を照射してワークを加工するレーザ加工機において、水を噴射してウォータジェットを形成するノズルと、該ノズルにレーザ光を導入する光学システムと、ノズル孔の画像を撮像するアライメントカメラとを有した光学ヘッドと、前記アライメントカメラで撮像したノズル孔の画像を表示する表示部と、前記アライメントカメラで撮像したノズル孔の画像データに属性データを埋め込み、画像ファイルを生成する画像ファイル生成部と、前記表示部のノズル孔画像の、画面に表示されたカメラ画像取得ボタンによって画像ファイルを格納する記憶部と、前記記憶部に格納されている画像ファイルのうち正常なノズルのカメラ画像から生成した画像ファイル、および、使用後のノズルのカメラ画像から生成した画像ファイルを含む複数の画像ファイルを時系列で並べて前記表示部に表示させる表示処理部とを具備するレーザ加工機が提供される。

本発明によれば、少なくとも正常なノズルのカメラ画像と、使用後のノズルのカメラ画像とを、表示装置に並べて表示することによって、オペレータは、その経験に基づき現在のノズルが使用可能であるか否か或いはノズルの交換の要否を目視により判定することが可能となる。

本発明を適用するレーザ加工機の光学ヘッドの一例を示す略図である。 本発明の好ましい実施形態によるノズル観察装置のブロック図である。 入力・表示部に表示されるノズルの状態を観察するためのノズル観察ウィンドウの略図であり、交換直後のノズルを示す図である。 図３と同様のノズル観察ウィンドウの略図であり、レーザ加工に供した後のノズルを示す図である。 図３と同様のノズル観察ウィンドウの略図であり、図４の状態から更に時間が経過して、内周面が損傷、劣化したノズルを示す図である。 図３と同様のノズル観察ウィンドウの略図であり、図３〜図５に示したノズルの画像を時系列で並べて示す図である。 本発明のノズル寿命判定方法の一例を示すフローチャートである。

図１を参照すると、本発明を適用するレーザ加工機の光学ヘッドの一例が図示されている。光学ヘッド１０は、ハウジング１２内に配設され、レーザ発振器１４からのレーザ光を光ファイバーのような導光部材１４ａを介して受け取り、コリメーションレンズ１８へ向けて照射するレーザ照射ヘッド１６を具備している。レーザ照射ヘッド１６からのレーザ光は、コリメーションレンズ１８で平行光線となって、第１のミラー２０によって第２のミラー２２に向けて反射され、該第２のミラー２２によってフォーカスレンズ２４へ向けて反射される。フォーカスレンズ２４で絞られたレーザ光は、ワークを固定する該レーザ加工機のテーブル（図示せず）向けて、ノズルヘッド２６を通してハウジング１２の外部に照射される。このとき、光学ヘッド１０が照射するレーザ光の光軸はＺ軸に略平行となっている。なお、ワークを固体するテーブルが光学ヘッド１０に対面するように設けられており、光学ヘッド１０はテーブルに対してＸ、Ｙ、Ｚの直線３方向に相対移動可能となっている。

第１と第２のミラー２０、２２は平面状の反射面を有しており、該反射面の方向（反射面に垂直な方向）を調節し、光学ヘッド１０から照射されるレーザ光の方向を調節するためミラー配向変更手段としてモータ２０ａ、２２ａを有している。また、第１と第２のミラー２０、２２、特にフォーカスレンズ２４へ向けレーザ光を反射する第２のミラー２２は、レーザ発振器１４から照射されるレーザ光の波長に適合し、該レーザ光を反射し、かつ、該レーザ光の波長以外の波長の光を透過する誘電体多層膜を含んでいる。より詳細には、ガラス板にこうした誘電体多層膜を蒸着して形成されている。第２のミラー２２を誘電体多層膜から形成することによって、ノズル２６ｂから照射されるレーザ光とノズル２６ｂとの位置関係をアライメントカメラ３２によって観察することが可能となっている。以降、アライメントカメラを単にカメラと称する。

ノズルヘッド２６は、水供給源３０から管路２８を介して水の供給を受ける中空状の部材である。ノズルヘッド２６の底壁にウォータジェットを噴出するノズル２６ｂが設けられ、該底壁の反対側のフォーカスレンズ２４に対面する上面にガラス等の透明な部材より成る窓２６ａが設けられている。ノズル２６ｂは光学ヘッド１０のハウジング１２の底面に形成されているオリフィス１２ｂを通じてハウジング１２の外部に連通している。

図２を参照すると、本発明の好ましい実施形態によるノズル観察装置１００は、カメラ１０２、カメラ画像取得部１０４、表示画面取得部１０６、画像ファイル生成部１０８、内蔵記憶部１１２、表示処理部１１８および入力・表示部１２０を主要な構成として具備している。カメラ画像取得部１０４、表示画面取得部１０６および画像ファイル生成部１０８は、ハードウエア的にレーザ加工機のＮＣ装置のＣＰＵおよびメモリを利用して、そして、ソフトウエア的に同ＮＣ装置の制御プログラムの一部として形成することができる。また、内蔵記憶部１１２は、レーザ加工機のＮＣ装置のＲＡＭ、フラッシュメモリ、ハードディスク等に割り当てられた記憶領域によって形成することができる。

カメラ１０２は、上述したレーザ光のアライメント調整用に光学ヘッド１０に内蔵されているカメラ３２によって形成することができる。入力・表示部１２０は、例えば該レーザ加工機の操作盤に取り付けられた表示装置としてのタッチパネルから形成することができる。

カメラ画像取得部１０４は、入力・表示部１２０を構成するタッチパネルに表示されたカメラ画像取得ボタンをタップまたはクリックすることによって、カメラ１０２が現在撮像している画像のデータをカメラ１０２から取得する。カメラ画像取得部１０４が取得した画像データは、カメラ画像取得部１０４から画像ファイル生成部１０８へ出力される。

画像ファイル生成部１０８は、カメラ画像取得部１０４からの画像データに属性データを埋め込み、例えばTIFF (Tagged Image File Format)のような画像ファイルを生成する。属性データは、ノズルヘッド２６（ノズル２６ｂ）の識別記号、画像撮像日時、オペレータの名前、ワーク材料、加工方法、オペレータによる摩耗の評価結果等を含むことができる。ノズルヘッド２６（ノズル２６ｂ）の識別記号、画像撮像日時、オペレータの名前、ワーク材料、加工方法は、例えば、機械情報格納部１１０から取得することができる。機械情報格納部１１０は、例えばレーザ加工機のＮＣ装置に内蔵のメモリ領域から形成することができる。属性データは、レーザ加工機のＮＣ装置が読み取った加工プログラムを解釈することによって加工プログラムから収集したり、オペレータが加工に先立って手操作によって入力したり、或いは、ＬＡＮのようなコンピュータネットワークを介してサーバーやＣＡＭシステムから収集することができる。

生成された画像ファイルは、ノズル観察装置１００の内蔵記憶部１１２に格納される。内蔵記憶部１１２内のデータは、例えばＵＳＢ（ユニバーサル・シリアル・バス）のような適当な出力ポート１１４を介してＵＳＢメモリのような外部記憶部１１６に出力するようにできる。或いは、出力ポート１１４と外部記憶部１１６は、ＬＡＮのようなコンピュータネットワークと、該コンピュータネットワークに接続されたサーバーとによって置換してもよい。外部記憶部１１６に画像データに属性データを埋め込んだ画像ファイルを格納することによって、レーザ加工機のサービス担当者にレーザ加工機の正確な情報を簡単に提供することができ、保守や修理を効率的にかつ適切に行うことが可能なる

また、カメラ画像取得部１０４が取得した画像データは、表示処理部１１８へ出力され、カメラ１０２が撮像したノズル２６ｂの画像が入力・表示部１２０に表示される。図３〜図６に、入力・表示部１２０に表示されるノズル２６ｂの画像を例示する。図３〜図６は、一例としてノズル２６ｂの状態を観察するためのノズル観察ウィンドウを示している。特に、図３は、アライメント調整用のカメラ３２で撮像した交換直後のノズル２６ｂを、アライメント調整作業で用いるターゲットサークル５０と重ね合わせて入力・表示部１２０のノズル観察ウインドウに表示している。このとき、ターゲットサークル５０の直径は、ノズル２６ｂの許容摩耗内径と一致する大きさに設定してある。従って、交換直後のノズル２６ｂは、まだ摩耗していないので、ターゲットサークル５０より小さい。

図４は、交換後一定時間加工に供した後のノズル２６ｂの画像を示している。図４のノズル２６ｂの状態は、図３のノズル２６ｂと比較して、若干、内径が拡大して、ターゲットサークル５０とほぼ重なっている。この状態では、まだノズル２６ｂは使用可能である。図５は、更に加工時間が経過して、内径がターゲットサークル５０をかなり上回り、しかも内周面が損傷、劣化したノズル２６ｂを示している。

更に、図６は、図３〜図５に示したノズル２６ｂの画像を時系列順に並べて表示した画面を示している。このように、ノズル２６ｂの画像を個別に或いは複数の画像を時系列で表示することによって、オペレータは、経験に基づきノズル（ノズルヘッド２６）の交換の要否を目視により判定することができる。現在装着されているノズル２６ｂ（ノズルヘッド２６）が損耗によって交換すべきであると判定すべき基準画像や、判定基準の説明をテキストとして、ノズル２６ｂの画像と共にノズル観察ウインドウ内に表示するようにしてもよい。もちろん、熟練オペレータは、時系列に並べたノズル画像だけで寿命判定することができる。

こうしたノズル２６ｂのカメラ画像の取得および画像ファイルの保存は、例えば、レーザ加工に伴い行うアライメント調整作業に際して行うことができる。図７に示すノズルの交換要否判定フローチャートを参照すると、ノズル（ノズルヘッド２６）を新しいノズル（ノズルヘッド２６）と交換した（ステップＳ１０）とき、この加工に使用していない新しいノズル２６ｂのノズル孔をカメラ１０２（３２）で撮像し画像を保存する（ステップＳ１２）。次いで、交換した新ノズル２６ｂを用いてレーザ加工が行われる（ステップＳ１４）。なお、ステップＳ１２の前段では、後述するステップＳ１８、Ｓ２０のレーザアライメント調整位置への移動およびレーザアライメント調整の開始がなされるが、その説明は省略する。

ステップＳ１４では、レーザ加工後、所定時間が経過したかが判断される（ステップＳ１６）。このステップによって、例えば１０時間経過後の区切りのよいタイミングでノズル寿命の判定が行われる。所定時間が経過していない（ステップＳ１６でNoの）場合、ステップＳ１４に戻りレーザ加工が続けられる。所定時間が経過している（ステップＳでYesの）場合、レーザ光のアライメント調整を行うために、光学ヘッド１０がレーザアライメント調整位置へ移動する（ステップＳ１８）。アライメント調整は、前回のアライメント調整から積算された加工時間が一定の値になったとき、或いは、所定回数の加工プロセスを実行したときなどに行うようにできる。

アライメント調整では、ノズル２６ｂの孔およびノズルヘッド２６の上面に生じるレーザスポットを光学ヘッド１０に内蔵されているカメラ３２によって、ウォータジェットが噴出した状態で撮像し、その画像を入力・表示部１２０に表示し、オペレータがそれを目視しながら、手操作によって、レーザ光の光軸（レーザスポット）がノズル２６ｂの中心に一致するように、モータ２０ａ、２２ａを駆動し第１と第２のミラー２０、２２の角度が調整される（ステップＳ２０）。

アライメント調整作業中に、オペレータが入力・表示部１２０に表示されたノズル観察ウインドウ中のカメラ画像取得ボタン４０をタップまたはクリックすることによって、カメラ画像取得部１０４は、カメラ１０２（３２）からの画像データを画像ファイル生成部１０８に出力する。このとき、カメラ画像取得ボタン４０ではなく、表示画面取得ボタン４２をウインドウ中に表示させ、該表示画面取得ボタン４２をタップまたはクリックすることによって、入力・表示部１２０に現在表示されている画面を、プリントスクリーンと同様に表示画面取得部１０６によって取得し、画像ファイル生成部１０８に画像データとして出力するようにしてもよい。

画像ファイル生成部１０８が、新たな画像データに基づいて生成した画像ファイルは内蔵記憶部１１２に格納されると共に、図３〜図５のような現在のノズル２６ｂのみの画像として、或いは、図６に示すように、少なくとも正常なノズルのカメラ画像としてノズルヘッド２６交換直後のノズル２６ｂの画像を含む複数の画像が入力・表示部１２０に表示される。これにより、オペレータは現在のノズル２６ｂが加工に使用可能であるか否かを判定する（ステップＳ２４）ことができる。ステップＳ２４において、オペレータがノズル２６ｂの寿命が尽きたと判定した場合（ステップＳ２４でYesの場合）、ステップＳ２６で、オペレータが判定結果につき不可を示す入力を行い、ノズル交換が行われる（ステップＳ２８）。ノズルの寿命判定は、例えば画像データの差分に基づいて行うことができる。

ステップＳ２４において、オペレータがノズル２６ｂの損傷、劣化は軽微で使用可能であると判定した場合（ステップＳ２４でNoの場合）、ステップＳ３０で、オペレータが判定結果につき使用可能を示す入力を行い、レーザアライメント調整が完了する（ステップＳ３２）。ステップＳ３０におけるノズルが使用可能であることを示す入力は、例えば、ノズル２６ｂの形状が新品に近い非常に良好な場合には３つの星を入力し、それよりは幾分劣化したような状態である場合に２つの星を入力し、使用可能であるが交換時期が近付いているような状態の場合には１つの星を入力するようにできる。そして、ステップＳ１４に戻り、レーザ加工を続行する。

図７のフローチャートでは、水供給源３０からの水の供給開始、停止については省略しているが、ステップＳ１０の直前で水の供給を停止し、直後に水の供給を開始し、次にノズルを交換するまで水の供給は続けている。ノズルヘッド２６に水が充満している状態と水が供給されていない状態では、ノズル２６ｂの位置が微妙に変化するし、水が供給されていないと透明な窓２６ａの裏面には水滴が付着して、ノズル孔の画像が不鮮明になる。これを防止するために、本発明ではウォータジェットを噴出した状態でノズル孔の撮像を行う。すると、ノズルの位置は常に一定となり、画像におけるノズル孔の内径の倍率は同じとなって、そのまま複数のノズル孔の大きさを比較、評価でき、しかも水滴の状態を受けない鮮明な画像を得ることができる。

１０ 光学ヘッド
２０ 第１のミラー
２２ 第２のミラー
２６ ノズルヘッド
２６ｂ ノズル
３０ 水供給源
３２ アライメントカメラ
４０ カメラ画像取得ボタン
４２ 表示画面取得ボタン
１００ ノズル観察装置
１０２ カメラ
１０４ カメラ画像取得部
１０６ 表示画面取得部
１０８ 画像ファイル生成部
１１２ 内蔵記憶部
１１６ 外部記憶部
１１８ 表示処理部
１２０ 入力・表示部

本発明の他の特徴によれば、テーブルに載置されたワークにレーザ光を照射してワークを加工するレーザ加工機において、水を噴射してウォータジェットを形成するノズルと、該ノズルにレーザ光を導入する光学システムと、ノズル孔の画像を撮像するアライメントカメラとを有した光学ヘッドと、前記アライメントカメラで撮像したノズル孔の画像を表示する表示部と、前記アライメントカメラで撮像したノズル孔の画像データに属性データを埋め込み、画像ファイルを生成する画像ファイル生成部と、前記表示部のノズル孔画像の画面に表示されたカメラ画像取得ボタンによって画像ファイルを格納する記憶部と、前記記憶部に格納されている画像ファイルのうち正常なノズルのカメラ画像から生成した画像ファイル、および、使用後のノズルのカメラ画像から生成した画像ファイルを含む複数の画像ファイルを時系列で並べて前記表示部に表示させる表示処理部とを具備するレーザ加工機が提供される。

Claims (5)

1. ノズルから水を噴出して形成したウォータジェットにレーザ光線を導入してワークをレーザ加工するウォータジェットレーザ加工機のノズル寿命判定方法であって、
   レーザ光線を照射する光学ヘッド内に設けられ、レーザ光路の上流側からノズル孔を撮影するアライメントカメラで、正常な状態のノズル孔をウォータジェットを噴射した状態で撮像してその画像を記憶し、
   前記アライメントカメラで使用後のノズル孔をウォータジェットを噴射した状態で撮像し、
   記憶した正常な状態のノズル孔画像と使用後のノズル孔画像とを並べて表示し、
   画像データの差分に基づいてノズル寿命判定を行うことを特徴としたレーザ加工機のノズル寿命判定方法。
2. 前記正常な状態のノズル孔の画像は、交換後、レーザ加工に未だ用いられていない新しいノズルの画像を含む請求項１に記載のノズル寿命判定方法。
3. 前記使用後のノズル孔の画像は、交換後、一定の加工時間ごとに撮像した複数のノズル孔の画像を含み、該複数のノズル孔の画像を時系列で表示するようにした請求項２に記載のノズル寿命判定方法。
4. 前記撮像したノズル孔の画像は、ノズル識別番号、画像の撮像日時、加工機の識別記号を表す属性データを含む請求項１に記載のノズル寿命判定方法。
5. テーブルに載置されたワークにレーザ光を照射してワークを加工するレーザ加工機において、
   水を噴射してウォータジェットを形成するノズルと、該ノズルにレーザ光を導入する光学システムと、ノズル孔の画像を撮像するアライメントカメラとを有した光学ヘッドと、
   前記アライメントカメラで撮像したノズル孔の画像を表示する表示部と、
   前記アライメントカメラで撮像したノズル孔の画像データに属性データを埋め込み、画像ファイルを生成する画像ファイル生成部と、
   前記表示部のノズル孔の画像のが、画面に表示されたカメラ画像取得ボタンによって画像ファイルを格納する記憶部と、
   前記記憶部に格納されている画像ファイルのうち正常なノズルのカメラ画像から生成した画像ファイル、および、使用後のノズルのカメラ画像から生成した画像ファイルを含む複数の画像ファイルを時系列で並べて前記表示部に表示させる表示処理部と
   を具備することを特徴としたレーザ加工機。

Images