JP4536602B2 - ギャップ検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、レーザ加工機用のノズルとワーク間のギャップを検出するギャップ検出装置に関するものである。

従来のレーザ加工機用のギャップ検出装置では、被加工物の加工中に、出力不足などが原因で、ノズルとワーク間にプラズマが発生すると、そのプラズマがインピーダンスとして作用してしまうため、正しくノズルとワーク間のギャップを検出することができなくなることがある。
そこで、加工中にプラズマが発生する際に生じる基準範囲値以上の静電容量の変化を検出すると、ノズルとワーク間のギャップの誤検出に伴って、ノズルが被加工物に衝突してしまう事態の発生を防止するため、ノズルとワーク間のギャップを一定時間維持するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

これに対して、例えば、特許文献２に開示されているギャップ検出装置では、プラズマが発生している最中でも、ノズルとワーク間のギャップを検出することができるようにするため、センサ電極に存在する電圧を測定し、その測定電圧の実数部と虚数部を決定するようにしている。
なお、特許文献２に開示されているギャップ検出装置では、１つの信号発生器を搭載して、１つの周波数信号を発生し、ノズルに繋がっているケーブルに当該周波数信号を供給するようにしている。この周波数信号の周波数は、プラズマが純粋なオーム抵抗として作用するように選択されている。

特開平６−７９７６号公報（段落番号［０００８］、図１） 特開２０００−２３４９０３号公報（段落番号［００１０］、図１）

従来のギャップ検出装置は以上のように構成されているので、プラズマが発生している最中でも、ノズルとワーク間のギャップを検出することができる。しかし、ノズルに繋がっているケーブルに供給している周波数信号の周波数成分が１種類だけであるため、プラズマの発生状況が変化すると、ギャップの検出精度が劣化することがある課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、プラズマの発生状況が変化しても、精度よくノズルとワーク間のギャップを検出することができるギャップ検出装置を得ることを目的とする。

この発明に係るギャップ検出装置は、ケーブルを通る合成信号における複数の周波数成分を検波する検波手段を設け、その検波手段により検波された複数の周波数成分から、レーザ加工中に発生するプラズマが、ノズルと加工対象との間のギャップによる静電容量に並列結合されたインピーダンスとして働くとした電気回路モデルに基づいて、信号発生手段から出力された合成信号から検波手段へと導かれたケーブルを通る合成信号までの伝達関数を有し、この伝達関数を用いて、加工中に発生するプラズマの影響を排除するよう検出信号を生成するようにしたものである。

以上のように、この発明によれば、ケーブルを通る合成信号における複数の周波数成分を検波する検波手段を設け、その検波手段により検波された複数の周波数成分から、レーザ加工中に発生するプラズマが、ノズルと加工対象との間のギャップによる静電容量に並列結合されたインピーダンスとして働くとした電気回路モデルに基づいて、信号発生手段から出力された合成信号から検波手段へと導かれたケーブルを通る合成信号までの伝達関数を有し、この伝達関数を用いて、加工中に発生するプラズマの影響を排除するよう検出信号を生成するように構成したので、プラズマの発生状況が変化しても、精度よくノズルとワーク間のギャップを検出することができる効果がある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるギャップ検出装置を示す構成図であり、図において、ギャップ検出装置１の信号発生部２は計測に必要な信号を生成する処理部であり、信号発生部２は信号発生器２ａと信号発生器２ｂと加算器２ｃから構成されている。
信号発生部２の信号発生器２ａは周波数が共振周波数近傍の信号を発生し（ここでは、説明の便宜上、共振周波数の信号を発生するものとする）、信号発生部２の信号発生器２ｂは周波数が共振周波数近傍より低い信号を発生する（ここでは、説明の便宜上、共振周波数より低い信号を発生するものとする）。
信号発生部２の加算器２ｃは信号発生器２ａにより発生された周波数ｆ₁の信号と信号発生器２ｂにより発生された周波数ｆ₂の信号とを合成し、その合成信号を出力する。
なお、信号発生部２は信号発生手段を構成している。

参照抵抗３は一端が信号発生部２と接続されて、他端が中心電極ケーブル４と接続されている。
中心電極ケーブル４はレーザ加工機用のノズル５の先端に繋がっており、信号発生部２から出力された合成信号をレーザ加工機用のノズル５に導いている。
レーザ加工機における加工ヘッド先端のノズル５はセンサ電極として機能し、また、被加工物であるワーク６（ワーク６は回路のＧＮＤと繋がっている）と一緒にコンデンサのような働きをしてギャップ容量Ｃを生じる。ギャップ容量Ｃはノズル５とワーク６間の距離に応じて変化する。
なお、被加工物の加工中に、出力不足などが原因で、ノズル５とワーク６間にプラズマが発生すると、そのプラズマがギャップ容量Ｃと並列に結合されたプラズマインピーダンスとしてシステムに影響を及ぼすことになる。プラズマインピーダンスのうち、容量的な成分はギャップ容量Ｃと区別できないので、この実施の形態１では、プラズマインピーダンスが主にオーム抵抗として作用する周波数を選択している。プラズマの影響はプラズマ抵抗Ｒとなり、この影響を排除することを考える。

ＯＰアンプ７はバッファーとして機能し、中心電極ケーブル４を通る合成信号に相当する信号を出力する。
検波部８はＯＰアンプ７の出力信号から周波数ｆ₁の成分と周波数ｆ₂の成分を検波し、周波数ｆ₁の成分である検波信号Ｋ₁と、周波数ｆ₂の成分である検波信号Ｋ₂とを出力する。なお、検波部８は検波手段を構成している。
検出信号生成部９は検波部８から出力された検波信号Ｋ₁と検波信号Ｋ₂からノズル５とワーク６間のギャップに対応する検出信号を生成する処理を実施する。なお、検出信号生成部９は検出信号生成手段を構成している。

図中、Ｌ₁は中心電極ケーブル４のケーブルインダクタ、Ｚ₁は中心電極ケーブル４を被覆しているガード電極ケーブル１０と中心電極ケーブル４の間に存在するケーブル間容量、Ｚ₂は基板特性、Ｚ₃はガード電極ケーブル１０のケーブル浮遊容量、Ｃ_inはＯＰアンプ７のＯＰアンプ入力容量である。

次に動作について説明する。
信号発生部２の信号発生器２ａは、ギャップ容量Ｃの変化に対してシステムゲインが感度よく変化する周波数ｆ₁の信号、即ち、周波数が共振周波数の信号を発生する。
信号発生部２の信号発生器２ｂは、ノズル５とワーク６間で発生するプラズマによるプラズマ抵抗Ｒの変化に対してシステムゲインが感度よく変化する周波数ｆ₂の信号、即ち、周波数が共振周波数より低い信号を発生する。
信号発生部２の加算器２ｃは、信号発生器２ａから周波数ｆ₁の信号を受け、信号発生器２ｂから周波数ｆ₂の信号を受けると、その周波数ｆ₁の信号と周波数ｆ₂の信号を合成し、その合成信号Ｖ_inを出力する。

信号発生部２から出力された合成信号Ｖ_inは、参照抵抗３を介して中心電極ケーブル４に導かれ、中心電極ケーブル４が合成信号Ｖ_inをレーザ加工機用のノズル５に導いている。
なお、中心電極ケーブル４を通る合成信号Ｖ_inは測定信号として分岐され、その測定信号がＯＰアンプ７に入力されている。

ＯＰアンプ７は、バッファーとして機能し、その測定信号に相当する出力信号Ｖ_outを検波部８に出力する。
なお、ＯＰアンプ７の出力信号Ｖ_outは、検波部８の手前で分岐され、基板特性Ｚ₂を介して、ガード電極ケーブル１０に導かれている。
その理由は、ＯＰアンプ７の出力信号Ｖ_outが、ギャップ容量Ｃ以外の浮遊容量の影響をなるべく受けないようにするためである。

検波部８は、ＯＰアンプ７から出力信号Ｖ_outを受けると、その出力信号Ｖ_outから周波数ｆ₁の成分と周波数ｆ₂の成分を検波し、周波数ｆ₁の成分である検波信号Ｋ₁と、周波数ｆ₂の成分である検波信号Ｋ₂とを検出信号生成部９に出力する。
検出信号生成部９は、検波部８から検波信号Ｋ₁と検波信号Ｋ₂を受けると、詳細は後述するが、その検波信号Ｋ₁と検波信号Ｋ₂からノズル５とワーク６間のギャップに対応する検出信号を生成する。

ここで、ギャップ容量Ｃは数［ｐＦ］と小さいため、中心電極ケーブル４は出来る限り、近辺からの浮遊容量の影響を受けないようにする必要がある。
実用的なケーブルの太さを考えた場合、中心電極ケーブル４とガード電極ケーブル１０は、どうしてもケーブル間容量Ｚ₁が存在してしまう。
しかし、中心電極ケーブル４とガード電極ケーブル１０を同電位にすれば、浮遊容量の影響をなくすことができる。
したがって、ＯＰアンプ７は、使用する周波数帯域で位相がずれないものを選定することが重要である。

実際の回路を考えた場合、中心電極ケーブル４のケーブルインダクタＬ₁、ＯＰアンプ７のＯＰアンプ入力容量Ｃ_in、ガード電極ケーブル１０のケーブル浮遊容量Ｚ₃なども考慮する必要がある。これらを考慮することにより、より実際の現象に近いモデルとなる。
信号発生部２より出力された合成信号Ｖ_inからＯＰアンプ７の出力信号Ｖ_outまでの伝達関数Ｈ（Ｓ）は、以下の式で表される。

ＡはＯＰアンプ７の伝達関数、ｓはラプラス演算子である。以下、式（１）で表される伝達関数Ｈ（Ｓ）の大きさをシステムゲインと称する。

ここで、図２はギャップ容量Ｃを変化させたときの周波数とシステムゲインの関係を示すボード線図であり、図３はプラズマ抵抗Ｒを変化させたときの周波数とシステムゲインの関係を示すボード線図である。
また、図４はギャップ容量Ｃとプラズマ抵抗Ｒを格子状に変化させたときの周波数ｆ₁＝１［ＭＨｚ］におけるシステムゲインと周波数ｆ₂＝２０［ｋＨｚ］におけるシステムゲインの関係を示す２周波数解析グラフ図であり、図４には等Ｃ曲線と等Ｒ曲線がプロットされている。
以下、図２から図４を参照して、ギャップの検出原理を説明する。

図２及び図３は式（１）の伝達関数Ｈ（Ｓ）のボード線図をプロットしたものであるが、ギャップ容量Ｃの変化によるシステムゲインの変化は、図２に示すように、共振周波数近傍で最も大きく表れる。
図２の例では、共振周波数が約１［ＭＨｚ］であるが、共振周波数は、主に参照抵抗３を設計することで変えることが可能である。
図１の例では、ギャップ容量Ｃを検出する信号の周波数を１［ＭＨｚ］に設計して、参照抵抗３をＲ_ref＝２２［ｋΩ］に設計している。この場合、信号発生部２の信号発生器２ａは、周波数ｆ₁＝１［ＭＨｚ］の信号を発生する。

一方、プラズマ抵抗Ｒの変化によるシステムゲインの変化は、図３に示すように、共振点よりも低い周波数で顕著に表れる。
したがって、プラズマ抵抗Ｒの大きさを求めるには、共振点よりも低い周波数ｆ₂を用いるのがよい。
即ち、レーザ加工機用のノズル５とワーク６間のギャップ容量Ｃとプラズマ抵抗Ｒをそれぞれ精度よく求めるには、それぞれの変化によってシステムゲインが変わる別々の周波数ｆ₁，ｆ₂を用いるのがよい。
図１の例では、プラズマ抵抗Ｒを検出する信号の周波数を２０［ｋＨｚ］に設計している。即ち、信号発生部２の信号発生器２ｂは周波数ｆ₂＝２０［ｋＨｚ］の信号を発生するようにしている。

図３を詳しく見ると、周波数１［ＭＨｚ］においても、プラズマ抵抗Ｒの影響を受けてシステムゲインが変化していることがわかる。
また、どの周波数においても、システムゲインがギャップ容量Ｃとプラズマ抵抗Ｒの両方の影響を受けるので、２つを完全に分離することができない。
そこで、２つの周波数ｆ₁，ｆ₂におけるシステムゲインからギャップ容量Ｃとプラズマ抵抗Ｒを検出することを考える。

ＯＰアンプ７の出力信号Ｖ_outは、上述したように、検波部８に入力され、検波部８がその出力信号Ｖ_outから周波数ｆ₁の成分と周波数ｆ₂の成分を検波する。
この周波数ｆ₁の成分の大きさと周波数ｆ₂の成分の大きさは、信号発生部２から出力される合成信号Ｖ_inの大きさを“１”にしたときの周波数ｆ₁及び周波数ｆ₂におけるシステムゲインに相当している。

検出信号生成部９は、図４に示すような２周波数解析を行う機能を有しており、検波部８から出力された検波信号Ｋ₁と検波信号Ｋ₂からノズル５とワーク６間のギャップに対応する検出信号を生成する。即ち、プラズマの影響を排除するため、プラズマが発生していない状態（プラズマ抵抗Ｒ＝∞[Ω]（実用的には十分に大きな値）と仮定した場合）の周波数ｆ₁の成分の検出信号を生成する。
具体的には、プラズマが発生していない状態（図４の例では、周波数ｆ₂におけるゲインが“１．０”）では、ギャップに対応する検出信号として、周波数ｆ₁の成分である検波信号Ｋ₁（図４の例では、ゲインが約０．４２〜１．０の範囲の信号Ａ）をそのまま出力すればよい。しかし、プラズマが発生している状態（図４の例では、周波数ｆ₂におけるゲインが“１．０”未満）では、以下のように、検波信号Ｋ₁の信号を補正し、その補正信号をギャップに対応する検出信号として出力する。
例えば、周波数ｆ₂におけるゲインが“０．４”で、周波数ｆ₁におけるゲインが“０．４”である場合、ギャップ容量Ｃが７ｐＦの等Ｃ曲線上に存在するので、プラズマが発生していない状態、即ち、周波数ｆ₂におけるゲインが“１．０”のところまで、７ｐＦの等Ｃ曲線上を移動し、７ｐＦの等Ｃ曲線と信号Ａの交点に位置する値（図４の例では、約０．５２の値）をギャップに対応する検出信号として出力する。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、中心電極ケーブル４を通る合成信号における周波数ｆ₁の成分と周波数ｆ₂の成分を検波する検波部８を設け、その検波部８により検波された周波数ｆ₁の成分と周波数ｆ₂の成分からノズル５とワーク６間のギャップに対応する検出信号を生成するように構成したので、プラズマの発生状況が変化しても、精度よくノズル５とワーク６間のギャップを検出することができる効果を奏する。

また、この実施の形態１によれば、周波数が共振周波数の信号と、周波数が共振周波数より低い信号とを発生して、それらの合成信号をノズル５に供給するように構成したので、ギャップ変動やプラズマ変動に対する感度を高めることができる効果を奏する。

実施の形態２．
図５はこの発明の実施の形態２によるギャップ検出装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
信号発生部２の信号発生器２ｄは中心電極ケーブル４の断線時に有意差が生じる周波数ｆ₃の信号を発生する。
信号発生部２の加算器２ｅは信号発生器２ｂにより発生された周波数ｆ₂の信号と信号発生器２ｄにより発生された周波数ｆ₃の信号とを合成し、その合成信号を出力する。
信号発生部２の加算器２ｆは信号発生器２ａにより発生された周波数ｆ₁の信号と加算器２ｅの出力信号とを合成し、その合成信号を出力する。

断線検知用抵抗１１はガード電極ケーブル１０とグランド間に接続されている抵抗である。
検波部１２はＯＰアンプ７の出力信号から周波数ｆ₁の成分と周波数ｆ₂の成分と周波数ｆ₃の成分を検波し、周波数ｆ₁の成分である検波信号Ｋ₁と、周波数ｆ₂の成分である検波信号Ｋ₂と、周波数ｆ₃の成分である検波信号Ｋ₃とを出力する。なお、検波部１２は検波手段を構成している。
断線検知部１３は検波部１２により検波された周波数ｆ₃の成分である検波信号Ｋ₃から中心電極ケーブル４の断線の有無を判定する処理を実施する。
なお、断線検知用抵抗１１及び断線検知部１３から断線検知手段が構成されている。

次に動作について説明する。
図６は中心電極ケーブル４が断線していない通常時と中心電極ケーブル４が断線しているケーブル断線時におけるシステムのボード線図である。
以下、図６を参照して、断線検知の原理について説明する。

中心電極ケーブル４が断線しているケーブル断線時は、中心電極ケーブル４とガード電極ケーブル１０が互いに影響を受けない状態にあるので、ケーブル間容量インピーダンスＺ₁を無限大（実用的に大きな値）にすることで模擬することができる。
図５の例では、ガード電極ケーブル１０とグランド間に断線検知用抵抗１１を挿入しているが、断線検知用抵抗１１を挿入すると、低い周波数領域において、通常時と断線時においてシステムゲインに差が生じる。
図５の例では、断線検知用抵抗１１の抵抗値Ｒ₃を１［ｋΩ］に設計している。図６のボード線図から明らかなように、１［ｋＨｚ］以下の周波数領域では、通常時のシステムゲインが約０．８であるの対して、ケーブル断線時のシステムゲインが約１である。

一方、信号発生部２は、断線時に有意差が生じる周波数ｆ₃＝２００［Ｈｚ］の信号を発生する信号発生器２ｄを実装しており、周波数ｆ₁の信号と周波数ｆ₂の信号と周波数ｆ₃の信号との合成信号Ｖ_inを出力するようにしている。
検波部１２は、図１の検波部８と同様に、ＯＰアンプ７の出力信号Ｖ_outから周波数ｆ₁の成分と周波数ｆ₂の成分を検波するとともに、周波数ｆ₃の成分を検波し、周波数ｆ₃の成分である検波信号Ｋ₃を断線検知部１３に出力する。
なお、信号発生部２から出力される合成信号Ｖ_inの大きさが“１”である場合、検波部１２により検知される周波数ｆ₃の成分の大きさは、周波数ｆ₃におけるシステムゲインに相当する。

断線検知部１３は、検波部１２から周波数ｆ₃の成分である検波信号Ｋ₃を受けると、その検波信号Ｋ₃と予め設定された閾値（例えば、“０．９”）を比較し、その検波信号Ｋ₃が閾値より小さい場合、中心電極ケーブル４が断線していないと判断して、中心電極ケーブル４が断線していない旨を示す断線検知信号（例えば、Ｌレベルの信号）を出力する。
一方、その検波信号Ｋ₃が閾値より大きい場合、中心電極ケーブル４が断線していると判断して、中心電極ケーブル４が断線している旨を示す断線検知信号（例えば、Ｈレベルの信号）を出力する。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、中心電極ケーブル４を被覆しているガード電極ケーブル１０とグランド間に断線検知用抵抗１１を挿入し、検波部１２により検波された周波数ｆ₃の成分から中心電極ケーブル４の断線の有無を判定するように構成したので、中心電極ケーブル４が断線しているとき、誤ったギャップ検出を防止することができる効果を奏する。

実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３によるギャップ検出装置を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
ギャップ検出部１４は検出信号生成部９により生成された検出信号を線形補正して、ノズルとワーク間のギャップを検出する処理を実施する。なお、ギャップ検出部１４はギャップ検出手段を構成している。
図８は検出信号生成部９により生成された検出信号と測定対象であるギャップとの対応関係を示す説明図である。

次に動作について説明する。
図８に示すように、検出信号生成部９により生成された検出信号とギャップの関係が分かっていれば、その検出信号からギャップを求めることができる。
検出信号生成部９により生成された検出信号がｘ、測定対象のギャップがｙであれば、その検出信号ｘとギャップｙの関係は、以下に示すような指数近似式がよく当てはまる。
ｙ＝ｋ₁ｅｘｐ（ｋ₂ｘ） （３）
ただし、ｋ₁，ｋ₂は所定の定数である。

したがって、ギャップ検出部１４は、検出信号生成部９から検出信号ｘを受けると、式（３）に検出信号ｘを代入して、その検出信号ｘを線形補正することにより、ノズル５とワーク６間のギャップｙを求める。
検出信号生成部９により生成された検出信号とギャップの関係をデータとして記憶、あるいは、検出信号生成部９により生成された検出信号を式（３）の近似式に代入してギャップｙを求めるギャップ検出部１４を設けることにより、加工機側において、ギャップｙを求めるための補正計算を簡略したり、省略したりすることができる効果を奏する。

この発明の実施の形態１によるギャップ検出装置を示す構成図である。 ギャップ容量Ｃを変化させたときの周波数とシステムゲインの関係を示すボード線図である。 プラズマ抵抗Ｒを変化させたときの周波数とシステムゲインの関係を示すボード線図である。 ギャップ容量Ｃとプラズマ抵抗Ｒを格子状に変化させたときの周波数ｆ₁＝１［ＭＨｚ］におけるシステムゲインと周波数ｆ₂＝２０［ｋＨｚ］におけるシステムゲインの関係を示す２周波数解析グラフ図である。 この発明の実施の形態２によるギャップ検出装置を示す構成図である。 中心電極ケーブルが断線していない通常時と中心電極ケーブルが断線しているケーブル断線時におけるシステムのボード線図である。 この発明の実施の形態３によるギャップ検出装置を示す構成図である。 検出信号生成部により生成された検出信号と測定対象であるギャップとの対応関係を示す説明図である。

符号の説明

１ ギャップ検出装置、２ 信号発生部（信号発生手段）、２ａ 信号発生器、２ｂ 信号発生器、２ｃ 加算器、２ｄ 信号発生器、２ｅ 加算器、２ｆ 加算器、３ 参照抵抗、４ 中心電極ケーブル、５ ノズル、６ ワーク、７ ＯＰアンプ、８ 検波部（検波手段）、９ 検出信号生成部（検出信号生成手段）、１０ ガード電極ケーブル、１１ 断線検知用抵抗（断線検知手段）、１２ 検波部（検波手段）、１３ 断線検知部（断線検知手段）、１４ ギャップ検出部（ギャップ検出手段）。

Claims (4)

1. 相互に周波数が異なる複数の信号を発生して、その複数の信号を合成し、その合成信号をレーザ加工機用のノズルの先端に繋がっているケーブルに供給する信号発生手段と、上記ケーブルを通る合成信号における複数の周波数成分を検波する検波手段と、上記検波手段により検波された複数の周波数成分から上記ノズルとワーク間のギャップに対応する検出信号を生成する検出信号生成手段とを備えたレーザ加工機用ギャップ検出装置であり、
   上記検出信号生成手段は、
   レーザ加工中に発生するプラズマが、上記ノズルと加工対象との間のギャップによる静電容量に並列結合されたインピーダンスとして働くとした電気回路モデルに基づいて、上記信号発生手段から出力された上記合成信号から上記検波手段へと導かれた上記ケーブルを通る合成信号までの伝達関数を有し、上記伝達関数を用いて、加工中に発生するプラズマの影響を排除するよう上記検出信号を生成することを特徴とするギャップ検出装置。
2. 信号発生手段は、周波数が共振周波数の信号と、周波数が共振周波数より低い信号とを発生することを特徴とする請求項１記載のギャップ検出装置。
3. ケーブルを被覆しているガード電極ケーブルとグランド間に断線検知用抵抗を挿入し、検波手段により検波された所定の周波数成分から上記ケーブルの断線の有無を判定する断線検知手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のギャップ検出装置。
4. 検出信号生成手段により生成された検出信号を線形補正して、ノズルとワーク間のギャップを検出するギャップ検出手段を設けたことを特徴とする請求項１記載のギャップ検出装置。

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