JP3218761U - ギャップセンサおよびこれを備えるレーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】 レーザ加工機に外付けされるギャップセンサにおいて、センサケーブルが周辺温度等の外乱によって受ける影響をキャンセルして、より精度良くギャップを測定するとともに、レーザ加工機に接続されるセンサケーブルの設計及び接続等の調整作業を簡単化するギャップセンサを提供する。
【解決手段】 レーザ加工機２に外付けされるギャップセンサ１であって、計測用ケーブル４を介して、センサ基板１０からレーザノズル２１先端までの第１静電容量を取得する第１静電容量取得部１１と、キャンセル用ケーブル５を介して、センサ基板１０からケーブルコネクタ２２までの第２静電容量を取得する第２静電容量取得部１２と、第１静電容量から第２静電容量を差し引いて第３静電容量を算出する第３静電容量算出部１３と、数値制御装置３に対して第３静電容量を出力する第３静電容量出力部１４とを有する。
【選択図】 図１

Description

本考案は、レーザ加工機におけるレーザノズルの先端とワークとの間のギャップを測定するためのギャップセンサおよびこれを備えるレーザ加工機に関するものである。

従来、レーザ加工機においては、レーザ加工機におけるレーザノズルの先端とワークとの間のギャップが変動すると、加工ムラが生じる等の問題が発生するため、上記ギャップが所定の範囲になるようにレーザノズルの高さ位置が制御されている。このギャップを測定する方法としては、レーザノズルの先端とワークとの間に生じる静電容量を検出し、当該静電容量に基づいてギャップを測定する方法が知られている。

例えば、特開２０００−５２０７６号公報には、加工ヘッドにギャップセンサを設け、このギャップセンサにより加工ヘッド先端とワークとの間の静電容量を検出し、この静電容量から加工ヘッド先端とワークとの間の距離を求め、当該距離と予め設定された距離との差を演算し、この演算結果に基づいて加工ヘッドをワークに対して適宜、近接制御するレーザ加工機が開示されている（特許文献１）。

特開２０００−５２０７６号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された発明では、ギャップセンサが１本のセンサケーブルを介してレーザ加工機に接続されており、このセンサケーブルで検出された静電容量に基づいてギャップが測定されているが、この静電容量には、ギャップ間の静電容量だけでなくセンサケーブルに生じる静電容量等の浮遊容量が含まれている。また、ギャップの変動によって生じる静電容量の変化量は極めて小さいため、ギャップの測定結果に及ぼす前記センサケーブルの浮遊容量の影響は大きい。

特に、ギャップセンサがレーザ加工機に外付けされている場合には、このセンサケーブルにある程度の長さが必要となるため、当該センサケーブルが周辺温度等の外乱の影響を受けやすくなり、このような浮遊容量が含まれた静電容量をそのまま用いてギャップを測定した場合、ギャップの測定結果が無視できない誤差を含んだ値になるという問題がある。

本考案は、このような問題点を解決するためになされたものであって、ギャップセンサがレーザ加工機に外付けされている場合に、センサケーブルが周辺温度等の外乱によって受ける影響をキャンセルして、より精度良くギャップを測定するとともに、レーザ加工機に接続されるセンサケーブルの設計及び接続等の調整作業を簡単化するギャップセンサを提供することを目的としている。

本考案に係るギャップセンサは、ギャップセンサがレーザ加工機に外付けされている場合に、センサケーブルが周辺温度等の外乱によって受ける影響をキャンセルして、より精度良くギャップを測定するとともに、レーザ加工機に接続されるセンサケーブルの設計及び接続等の調整作業を簡単化するという課題を解決するために、レーザ加工機に外付けされ、レーザノズルの先端とワークとの間のギャップを測定するためのギャップセンサであって、一端が前記ギャップセンサのセンサ基板に接続されているとともに、他端が前記レーザ加工機のケーブルコネクタに接続されている計測用ケーブルを介して、前記センサ基板から前記レーザノズルの先端までの静電容量である第１静電容量を取得する第１静電容量取得部と、前記計測用ケーブルと同一長さおよび同一規格であって、一端が前記センサ基板に接続されているとともに、他端が絶縁されているキャンセル用ケーブルを介して、前記センサ基板から前記ケーブルコネクタまでの静電容量に相当する第２静電容量を取得する第２静電容量取得部と、前記第１静電容量から前記第２静電容量を差し引いて、前記ケーブルコネクタから前記レーザノズルの先端までの静電容量に相当する第３静電容量を算出する第３静電容量算出部と、前記レーザ加工機を制御する数値制御装置に対して、前記第３静電容量を前記ギャップに応じた静電容量として出力する第３静電容量出力部と、を有する。

また、本考案に係るレーザ加工機は、上述したギャップセンサが外付けされている。

本考案によれば、ギャップセンサがレーザ加工機に外付けされている場合に、センサケーブルが周辺温度等の外乱によって受ける影響をキャンセルして、より精度良くギャップを測定するとともに、レーザ加工機に接続されるセンサケーブルの設計及び接続等の調整作業を簡単化することができる。

本考案に係るギャップセンサおよびこれを備えるレーザ加工機を含むレーザ加工システムの一実施形態を模式的に示す全体構成図である。

以下、本考案に係るギャップセンサおよびこれを備えるレーザ加工機を含むレーザ加工システムの一実施形態について図面を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態のレーザ加工システムは、主として、レーザ加工機２と、これに外付けされるギャップセンサ１と、前記レーザ加工機２を駆動制御する数値制御装置３とから構成されており、前記ギャップセンサ１がセンサ基板１０からレーザノズル２１の先端までの静電容量を取得して所定の処理を施した後に、前記数値制御装置３に当該静電容量を出力し、この出力された静電容量に基づいて、レーザノズル２２の先端とワークとの間のギャップを測定するようになっている。以下、各構成について説明する。

レーザ加工機２は、金属平板等のワークに対してレーザ光を照射して、切断、マーキング、溶接等の加工を施すための機械である。本実施形態において、レーザ加工機２は、消費電力が１．５ｋＷ程度で、全体の大きさがコンパクトな小型のレーザ加工機２によって構成されている。そして、レーザ光を照射するレーザノズル２１が、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に沿って三次元空間内を移動可能に構成されており、数値制御装置３から出力される制御信号に従って駆動制御されるようになっている。

また、レーザ加工機２には、ケーブルコネクタ２２が設けられており、このケーブルコネクタ２２に、一端がギャップセンサ１のセンサ基板１０に接続されている計測用ケーブル４の他端が接続されるようになっている。そして、前記ケーブルコネクタ２２が、内部配線を介してレーザノズル２１に接続されている。

さらに、レーザノズル２１を除いたレーザ加工機２全体およびワークは、グラウンド（ＧＮＤ）電位になっているが、レーザノズル２１は、ＧＮＤ電位から絶縁されている。したがって、レーザノズル２１の先端には、ギャップセンサ１から計測用ケーブル４を介して出力された電圧が印加されて、ギャップ間に擬似的なコンデンサが構成される。そして、このコンデンサにより生じる静電容量（以下、「ギャップ間に構成される擬似的なコンデンサにより生じる静電容量」を「ギャップ間の静電容量」と表記することもある。）がギャップに反比例することを利用して、ギャップが測定される。

次に、ギャップセンサ１は、ケース等に収容されたセンサ基板１０を有しており、レーザ加工機２に外付けされている。本実施形態において、センサ基板１０には、図１に示すように、ギャップ間の静電容量を計測するための計測用ケーブル４と、この計測用ケーブル４を介して取得された静電容量に含まれる浮遊容量をキャンセルするためのキャンセル用ケーブル５とがそれぞれ接続されている。

計測用ケーブル４は、センサ基板１０とレーザ加工機２のケーブルコネクタ２２とを接続するものであり、当該計測用ケーブル４を介してセンサ基板１０からレーザノズル２１の先端までの静電容量である第１静電容量が取得されるようになっている。この第１静電容量には、ギャップ間の静電容量だけでなく計測用ケーブル４に生じる静電容量等の浮遊容量が含まれている。また、計測用ケーブル４に生じる静電容量は、計測用ケーブル４の周辺温度、長さ、規格等によって変動するため、本来取得したいギャップの静電容量とは誤差がある。そこで、計測用ケーブル４に生じる静電容量の影響をキャンセルするため、本実施形態では、キャンセル用ケーブル５を用いて、センサ基板１０からケーブルコネクタ２２までの静電容量に相当する第２静電容量を取得するようになっている。

キャンセル用ケーブル５は、計測用ケーブル４と同一長さおよび同一規格のセンサケーブル等によって構成されており、一端がセンサ基板１０に接続され、他端が絶縁テープ等を巻き付けられて絶縁されている。また、キャンセル用ケーブル５の他端は、ケーブルコネクタ２２の近傍で計測用ケーブル４に巻き付けられており、キャンセル用ケーブル５が計測用ケーブル４とほぼ同様の条件で配線されている。さらに、キャンセル用ケーブル５には、計測用ケーブル４と同じタイミングで同じ電圧が印加されるようになっている。これにより、キャンセル用ケーブル５で取得される静電容量は、計測用ケーブル４において取得される、センサ基板１０からケーブルコネクタ２２までの静電容量に相当する。

また、計測用ケーブル４およびキャンセル用ケーブル５とこれらの周囲におけるＧＮＤ電位の導体との間にも静電容量が生じる。このため、キャンセル用ケーブル５の他端を計測用ケーブル４の他端近傍に合わせて絶縁テープ等を巻き付けることにより、前記計測用ケーブル４と前記キャンセル用ケーブル５との配置位置がほぼ一致するように工夫されている。よって、計測用ケーブル４とこの周囲におけるＧＮＤ電位の導体との間の位置関係と、キャンセル用ケーブル５とこの周囲におけるＧＮＤ電位の導体との間の位置関係とが、ほぼ一致するようになるため、さらに精度の良いキャンセル用の第２静電容量を取得することが可能となる。

つぎに、ギャップセンサ１におけるセンサ基板１０は、発振回路、共振回路、検波回路、増幅回路、出力回路等の各種回路等が配置された静電容量センサ等によって構成されており、図１に示すように、センサ基板１０からレーザノズル２１の先端までの静電容量である第１静電容量を取得する第１静電容量取得部１１と、センサ基板１０からケーブルコネクタ２２までの静電容量に相当する第２静電容量を取得する第２静電容量取得部１２と、ケーブルコネクタ２２からレーザノズル２１の先端までの静電容量に相当する第３静電容量を算出する第３静電容量算出部１３と、この第３静電容量を数値制御装置３に対して出力する第３静電容量出力部１４とを有している。以下、各構成部についてより詳細に説明する。

第１静電容量取得部１１は、計測用ケーブル４を介して第１静電容量を取得するものである。本実施形態において、第１静電容量取得部１１は、計測用ケーブル４を介して入力される静電容量の変化を検出することにより、第１静電容量を取得する。

第２静電容量取得部１２は、キャンセル用ケーブル５を介して第２静電容量を取得するものである。本実施形態において、第２静電容量取得部１２は、キャンセル用ケーブル５を介して入力される静電容量の変化を検出することにより、第２静電容量を取得する。

第３静電容量算出部１３は、第１静電容量から第２静電容量を差し引いて第３静電容量を算出する。この第３静電容量には、ギャップ間の静電容量だけでなく、ケーブルコネクタ２２より先の浮遊容量、つまりレーザ加工機２の内部配線やレーザノズル２１等に生じる静電容量が含まれているが、レーザ加工機２内で生じる静電容量は、周辺温度等の外乱の影響をほとんど受けない。したがって、第３静電容量は、ギャップに応じた静電容量として扱うことが可能である。

第３静電容量出力部１４は、第３静電容量算出部１３によって算出された第３静電容量を出力するものである。本実施形態において、第３静電容量出力部１４は、第３静電容量をデジタル変換し、数値制御装置３に出力するようになっている。

数値制御装置３は、コンピュータ等によって構成されており、加工プログラムによってレーザ加工機２を制御しワークの加工を行うものである。本実施形態において、数値制御装置３は、ギャップセンサ１から出力される第３静電容量を取得する。そして、この第３静電容量がギャップの距離に反比例する関係に基づいてギャップを算出する。この算出したギャップと所定のギャップ指令値との間に差分が生じている場合には、当該差分に応じた制御信号をレーザ加工機２に出力して、レーザノズル２１の高さ位置（Ｚ軸方向の位置）を変更制御するようになっている。

つぎに、本実施形態のギャップセンサ１およびこれを備えるレーザ加工機２の作用について説明する。

レーザノズル２２の先端とワークとの間のギャップの測定を始める前に、計測用ケーブル４の一端をギャップセンサ１のセンサ基板１０に接続するとともに、他端をケーブルコネクタ２２に接続する。これにより、センサ基板１０からレーザノズル２１の先端までの第１静電容量を取得する準備が整う。

そして、キャンセル用ケーブル５の一端をセンサ基板１０に接続するとともに、計測用ケーブル４にキャンセル用ケーブル５を合わせて絶縁テープ等を巻き付けてキャンセル用ケーブル５の他端を絶縁し、ケーブルコネクタ２２の近傍に固定する。キャンセル用ケーブル５が計測用ケーブル４と同一の長さおよび同一の規格であるため、キャンセル用ケーブル５を介して取得した第２静電容量がセンサ基板１０からケーブルコネクタ２２までの静電容量に相当するようになる。

つぎに、レーザノズル２２の先端とワークとの間のギャップの測定を開始する場合、第１静電容量取得部１１が、計測用ケーブル４を介して第１静電容量を取得するとともに、第２静電容量取得部１２が、キャンセル用ケーブル５を介して第２静電容量を取得する。これにより、センサ基板１０からレーザノズル２１の先端までの第１静電容量と、センサ基板１０からケーブルコネクタ２２までの静電容量に相当する第２静電容量とが取得される。

つぎに、第３静電容量算出部１３が、第１静電容量から第２静電容量を差し引いて、ケーブルコネクタ２２からレーザノズル２１の先端までの静電容量に相当する第３静電容量を算出する。これにより、第３静電容量においては、センサ基板１０からケーブルコネクタ２２までの静電容量が相殺され、計測用ケーブル４が周辺温度等の外乱によって受ける影響がキャンセルされるため、ギャップの測定精度が向上する。

また、計測用ケーブル４の長さや規格等が製品ごとに若干異なっていても、計測用ケーブル４に生じる静電容量がキャンセルされるため、個々の製品の測定結果に差異が表れることがない。したがって、計測用ケーブル４の設計や接続等を細かく調整する必要が無くなり、ケーブルの調整作業を簡単化することが可能になる。

最後に、第３静電容量出力部１４が、第３静電容量算出部１３によって算出された第３静電容量を数値制御装置３に出力する。これにより、ギャップを測定する際に必要な静電容量とギャップとの対応関係が、周辺温度や計測用ケーブル４の設計条件等によって変動することがなくなるため、ギャップを精度良く測定することが可能になる。

以上のような本実施形態のギャップセンサ１によれば、以下のような効果を奏する。
１．計測用ケーブル４が周辺温度等の外乱によって受ける影響をキャンセルすることができ、ギャップの測定精度を向上することができる。
２．レーザ加工機２に接続されるケーブルの設計及び接続等の調整作業を簡単化することができる。

なお、本考案に係るギャップセンサ１は、上述した本実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。

例えば、上述した本実施形態では、ギャップセンサ１がレーザ加工機２に外付けされているが、この構成に限定されるものではない。すなわち、センサ基板１０とレーザ加工機２とが、計測用ケーブル４で接続されている状態であれば、ギャップセンサ１が数値制御装置３に内蔵されていてもよい。

１ ギャップセンサ
２ レーザ加工機
３ 数値制御装置
４ 計測用ケーブル
５ キャンセル用ケーブル
１０ センサ基板
１１ 第１静電容量取得部
１２ 第２静電容量取得部
１３ 第３静電容量算出部
１４ 第３静電容量出力部
２１ レーザノズル
２２ ケーブルコネクタ

Claims (2)

1. レーザ加工機に外付けされ、レーザノズルの先端とワークとの間のギャップを測定するためのギャップセンサであって、
   一端が前記ギャップセンサのセンサ基板に接続されているとともに、他端が前記レーザ加工機のケーブルコネクタに接続されている計測用ケーブルを介して、前記センサ基板から前記レーザノズルの先端までの静電容量である第１静電容量を取得する第１静電容量取得部と、
   前記計測用ケーブルと同一長さおよび同一規格であって、一端が前記センサ基板に接続されているとともに、他端が絶縁されているキャンセル用ケーブルを介して、前記センサ基板から前記ケーブルコネクタまでの静電容量に相当する第２静電容量を取得する第２静電容量取得部と、
   前記第１静電容量から前記第２静電容量を差し引いて、前記ケーブルコネクタから前記レーザノズルの先端までの静電容量に相当する第３静電容量を算出する第３静電容量算出部と、
   前記レーザ加工機を制御する数値制御装置に対して、前記第３静電容量を前記ギャップに応じた静電容量として出力する第３静電容量出力部と、
   を有する、ギャップセンサ。
2. 請求項１に記載のギャップセンサが外付けされている、レーザ加工機。

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