JP7274319B2 - レーザ加工機、及び保護ガラスの汚れ監視方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワーク材に対してレーザ切断又はレーザ溶接等のレーザ加工を行うレーザ加工機、及び保護ガラスの汚れ監視方法に関する。

レーザ加工機のレーザ加工ヘッドの内部には、レーザ光を集束させる集束レンズが設けられており、集束レンズは高価である。レーザ加工中に発生するスパッタやヒュームが集束レンズに付着することを防止するため、通常、レーザ加工ヘッドにおける集束レンズの光射出側には、集束レンズを保護する保護ガラスが交換可能に設けられている。ここで、レーザ加工中に、ワーク材に向かうレーザ光、ワーク材からの反射レーザ光、又はワーク材で発生する光は、保護ガラスの汚れによって保護ガラスの内部で乱反射する。

一方、保護ガラスの汚れの度合いが大きくなると、その汚れの影響によって加工不良が発生する。そのため、保護ガラスの内部で乱反射する散乱光強度（散乱光の強度）を検出し、その検出値に基づいて、保護ガラスの交換が必要であるか否か判定している（特許文献１参照）。そして、保護ガラスの交換が必要であると判定された場合には、その判定結果を報知している。

特表２００１－５０９８８９号公報

ところで、ワーク材の材質によってレーザ光の反射率が異なり、保護ガラスの汚れの度合いが同じであっても、ワーク材の材質が異なると、保護ガラスの内部で乱反射する散乱光強度も異なる。そのため、ワーク材がレーザ光の反射率の高い材質からなる場合には、保護ガラスの汚れの度合いが小さく、良好加工を継続できる状態にも拘わらず、散乱光強度が大きくなって、保護ガラスの交換が必要であると判定されることがある。反対に、ワーク材がレーザ光の反射率の低い材質からなる場合には、保護ガラスの汚れの度合いが大きく、加工不良が発生しているにも拘わらず、散乱光強度が小さく、保護ガラスの交換が必要でないと判定されることがある。つまり、保護ガラスの汚れによる加工不良を十分に防止しつつ、保護ガラスの不必要な交換をなくすことが困難であるという問題があった。

そこで、本発明は、前述の問題を解決するため、ワーク材の材質に応じて適切なタイミングで保護ガラスを交換できる、新規な構成のレーザ加工機、及び保護ガラスの汚れ監視方法を提供することを目的する。

本発明の第１実施態様に係るレーザ加工機では、レーザ加工ヘッドは、集束レンズの光射出側に保護ガラスと、レーザ加工中に前記保護ガラスの内部で乱反射する散乱光強度（散乱光の強度）を検出する光検出器と、を備えている。また、監視コントローラは、ワーク材に起因する前記保護ガラスの交換要否判定の１つ以上の交換閾値を登録する閾値登録部と、登録された前記交換閾値の中から、ワーク材の材質に応じた交換閾値を選択する閾値選択部と、前記光検出器の検出値（検出された散乱光強度）と選択された前記交換閾値とを比較して、前記保護ガラスの交換要否を判定する交換判定部と、を備えている。

本発明の第１実施態様に係るレーザ加工機は、前記保護ガラスの交換が必要であると判定された場合に、その判定結果を報知する報知部を備えてもよい。また、本発明の第１実施態様に係るレーザ加工機は、前記保護ガラスの交換が必要であると判定された場合に、レーザ発振器のビーム（レーザ光）を停止する発振器制御部を備えてもよい。

本発明の第１実施態様によると、前記閾値選択部は、ワーク材に起因する前記保護ガラスの交換要否判定の１つ以上の前記交換閾値の中から、ワーク材の材質に応じた交換閾値を選択する。そして、前記交換判定部は、前記光検出器の検出値と選択された前記交換閾値とを比較して、前記保護ガラスの交換要否を判定する。これにより、ワーク材の材質に応じて適切なタイミングで前記保護ガラスを交換することができる。

本発明の第２実施態様に係る保護ガラスの汚れ監視方法は、レーザ加工中に、レーザ加工ヘッドの集束レンズの光射出側の保護ガラスにおける内部での散乱光強度（散乱光の強度）を検出し、ワーク材に起因する前記保護ガラスの交換要否判定の１つ以上の交換閾値の中から、ワーク材の材質に応じた交換閾値を選択し、検出された散乱光強度と選択された交換閾値とを比較して、前記保護ガラスの交換要否を判定する。

本発明の第２実施態様によると、前述のように、ワーク材の起因する前記保護ガラスの交換要否判定の１つ以上の前記交換閾値の中から、ワーク材の材質に応じた交換閾値を選択する。そして、検出された散乱光強度と選択された前記交換閾値とを比較して、前記保護ガラスの交換要否を判定する。これにより、ワーク材の材質に応じて適切なタイミングで前記保護ガラスを交換することができる。

本発明によれば、前記保護ガラスの汚れによる加工不良を十分に防止しつつ、前記保護ガラスの不必要な交換をなくすことができる。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工機の模式的な斜視図である。 図２（ａ）は、本発明の実施形態に係るレーザ加工機におけるレーザ加工ヘッドの模式的な断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）におけるIIB-IIB線に沿った断面図である。 図３は、本発明の実施形態に係るレーザ加工機の制御ブロック図である。 図４は、複数の交換閾値とワーク材Ｗの材質を対応付けた閾値テーブルを示す図である。 図５は、本発明の実施形態の作用を説明するフローチャート図である。 図６は、ワーク材の材質毎に、加工不良に至るまでの加工回数と保護ガラスの内部での散乱光強度との関係を示すグラフ図である。 図７（ａ）は、ステンレス鋼のワーク材の場合において、加工不良の発生時における保護ガラスの汚れの度合い示す図面代用写真である。図７（ｂ）は、アルミニウムのワーク材の場合において、加工不良の発生時における保護ガラスの汚れの度合い示す図面代用写真である。

本発明の実施形態ついて図１から図５を参照して説明する。

なお、本願の明細書又は特許請求の範囲において、「設けられる」とは、直接的に設けられることの他に、別部材を介して間接的に設けられることを含む意である。「Ｘ軸方向」とは、水平方向の１つである左右方向のことをいい、「Ｙ軸方向」とは、Ｘ軸方向に直交する水平方向の１つである前後方向のことをいい、「Ｚ軸方向」とは、上下方向（鉛直方向）のことをいう。「及び／又は」とは、２つのうちのいずれか一方と両方を含む意である。図面中、「ＦＦ」は前方向、「ＦＲ」は後方向、「Ｌ」は左方向、「Ｒ」は右方向、「Ｕ」は上方向、「Ｄ」は下方向をそれぞれ指している。

図１に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ加工機１０は、板状のワーク材（金属ワーク材）Ｗに対してレーザ光を用いて切断やマーキング等を行う加工機である。そして、本発明の実施形態に係るレーザ加工機１０の具体的な構成は、以下の通りである。

レーザ加工機１０は、Ｘ軸方向に延びたベッド１２を備えている。ベッド１２には、ワーク材Ｗを支持するＸ軸方向に延びた加工テーブル１４が設けられている。加工テーブル１４は、Ｘ軸方向に間隔を置いて配置された複数の支持板（スキッド板）１６を有している。各支持板１６は、Ｙ軸方向に延びており、各支持板１６の上部には、ワーク材Ｗを点接触で支持するための複数の山型の突起１６ａがＹ軸方向に間隔を置いて形成されている。

ベッド１２には、加工テーブル１４を跨ぐようにＹ軸方向に延びた門型の可動フレーム１８がＸ軸方向へ移動可能に設けられている。可動フレーム１８は、ベッド１２の適宜位置に設けられたＸ軸モータ２０の駆動によりＸ軸方向へ移動する。また、可動フレーム１８の水平部１８ａには、キャリッジ２２がＹ軸方向へ移動可能に設けられている。キャリッジ２２は、可動フレーム１８の適宜位置に設けられたＹ軸モータ２４の駆動によりＹ軸方向へ移動する。

ワーク材Ｗに向かってアシストガスを噴射しながらレーザ光を照射する筒状のレーザ加工ヘッド２８は、キャリッジ２２にＺ軸方向へ移動可能に設けられている。レーザ加工ヘッド２８は、その先端側に、ノズル３０を有している。レーザ加工ヘッド２８は、キャリッジ２２の適宜位置に設けられたＺ軸モータ３２の駆動によりＺ軸方向へ移動する。

レーザ光を出力（発振）するレーザ発振器は例えばファイバレーザ発振器２６であり、ファイバレーザ発振器２６はプロセスファイバ３４を介してレーザ加工ヘッド２８と接続されている。なお、レーザ発振器としてファイバレーザ発振器２６の代わりに、ＣＯ₂レーザ発振器、ＹＡＧレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、又はダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）等を用いてもよい。

図１及び図２（ａ）（ｂ）に示すように、レーザ加工ヘッド２８の内部には、プロセスファイバ３４の射出端から出射されレーザ光をコリメートするコリメートレンズ３６が設けられている。また、レーザ加工ヘッド２８の内部におけるコリメートレンズ３６の光射出側（下側）には、レーザ光をワーク材Ｗに向かって集束させる集束レンズ３８が設けられている。更に、レーザ加工ヘッド２８における集束レンズ３８の光射出側には、集束レンズ３８をスパッタやヒュームから保護する保護ガラス４８と、保護ガラス４８の内部で乱反射する散乱光強度（受光量）を検出する光検出器５０がそれぞれ設けられている。保護ガラス４８は、ガラスホルダ４６に着脱可能に収納されている。ガラスホルダ４６は、レーザ加工ヘッド２８に着脱可能（引き出し可能）に設けられている。なお、レーザ加工ヘッド２８の内部におけるノズル３０側は、酸素、窒素等のアシストガスを供給するアシストガス供給源（図示省略）に配管（図示省略）を介して接続されている。

図３に示すように、レーザ加工機１０は、加工プログラム等に基づいて、Ｘ軸モータ２０、Ｙ軸モータ２４、Ｚ軸モータ３２、及びファイバレーザ発振器２６等を制御（駆動）するＮＣ（numerical control）装置４０を備えている。ＮＣ装置４０は、１つ又は複数のコンピュータによって構成されており、加工プログラム等を記憶するメモリと、加工プログラム等を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）とを有している。ＮＣ装置４０のメモリは、ワーク材Ｗの材質と板厚（厚み）、アシストガスの種類、加工速度等からなる加工条件を複数登録する加工条件登録部４２としての機能を有している。ＮＣ装置４０のＣＰＵは、登録された複数の加工条件の中から、いずれかの加工条件を選択する加工条件選択部４４としての機能を有している。

前述の構成により、ワーク材Ｗを加工テーブル１４に支持させた状態で、ＮＣ装置４０は、Ｘ軸モータ２０及びＹ軸モータ２４を駆動してレーザ加工ヘッド２８をワーク材Ｗに対してＸ軸方向及び／又はＹ軸方向に位置決めする。そして、ＮＣ装置４０は、レーザ加工ヘッド２８の位置決めを行いつつ、ファイバレーザ発振器２６等を駆動してレーザ加工ヘッド２８からワーク材Ｗに向かってアシストガスを噴射しながらレーザ光を照射する。これにより、ワーク材Ｗに対してレーザ加工としてのレーザ切断を行うことができる。

続いて、本発明の実施形態に係るレーザ加工機１０の特徴部分について説明する。

ガラスホルダ４６に備えた光検出器５０は、フォトダイオードからなり、散乱光強度に応じた電気信号（電圧信号又は電流信号）を出力する。また、光検出器５０の先端部は、ガラスホルダ４６に形成された挿入孔に挿入した状態で、保護ガラス４８の外周面に近接する。なお、保護ガラス４８内部での散乱光は、ワーク材Ｗに向かうレーザ光、ワーク材Ｗからの反射レーザ光、又はワーク材Ｗで発生して集束レンズ３８に向かう光が、保護ガラス４８表面に付着した汚れによって乱反射して生じる光である。

図３に示すように、レーザ加工機１０は、レーザ加工中に保護ガラス４８の汚れを監視するため監視コントローラ５２を備えており、監視コントローラ５２は、ＮＣ装置４０に接続されている。監視コントローラ５２は、コンピュータによって構成されており、監視プログラム等を記憶するメモリと、監視プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）とを有している。また、監視コントローラ５２には、光検出器５０がＩＦ（Interface）回路５４及びＡＤ（Analog-to-Digital）コンバータ５６を介して接続されている。ＩＦ回路５４は、光検出器５０から出力された電気信号を増幅して、ノイズをカットする。監視コントローラ５２には、光検出器５０の検出値（検出カウント値）や報知情報等を表示するディスプレイ５８が接続されている。

監視コントローラ５２のメモリは、閾値登録部６０として機能を有しており、監視コントローラ５２のＣＰＵは、閾値選択部６２としての機能及び交換判定部６４としての機能を有している。また、ディスプレイ５８は、報知部６６としての機能を有しており、ＮＣ装置４０のＣＰＵは、発振器制御部６８としての機能を有している。そして、閾値登録部６０、閾値選択部６２、交換判定部６４、報知部６６、及び発振器制御部６８の具体的な内容は、後述の通りである。

図３及び図４に示すように、閾値登録部６０は、保護ガラス４８の交換要否を判定するための複数の交換閾値（交換閾値カウント値）とワーク材Ｗの材質を対応付けた閾値テーブルを登録する。交換要否判定の複数の交換閾値は、ワーク材Ｗの材質に起因するワーク材Ｗのレーザ光の反射率に応じて設定されており、交換閾値は、ワーク材Ｗのレーザ光の反射率が低くなる程感度を鋭くするように小さく設定されている。なお、閾値登録部６０が交換閾値をワーク材Ｗの材質毎に複数登録するだけでなく、同じ材質であってもワーク材の厚みに応じて複数登録してもよい。この場合、厚板の方が薄板と比較してカッティングフロントが長く、レーザ光の反射光量が多い分だけ、散乱光強度が高くなるので、厚板の交換閾値を薄板の交換閾値よりも高く設定することになる。

図４に示すように、鉄鋼の交換閾値が５０であるのに対し、ステンレス鋼の交換閾値は９０、アルミニウムの交換閾値は１４０と設定した。つまり、アルミニウムは鉄鋼と比較してレーザ光の反射率が高いので、アルミニウム切断用の交換閾値を用いれば、本来交換不要を交換要と誤判断したケースを無くすことができるということである。

続いて、図５等を参照しつつ、本発明の実施形態に係る保護ガラスの汚れ監視方法を含めて、本発明の実施形態の作用について説明する。本発明の実施形態に係る保護ガラスの汚れ監視方法は、閾値選択ステップと、検出ステップと、交換判定ステップと、報知ステップと、ビーム停止ステップとを備えている。

加工プログラムの指令に応じて、閾値選択部６２は、登録された複数の交換閾値の中から、ワーク材Ｗの材質に応じた交換閾値を選択し（ステップＳ１０３、閾値選択ステップ）、ファイバレーザ発振器２６等を駆動させてワーク材Ｗのレーザ加工を開始する（ステップＳ１０２）。光検出器５０は、レーザ加工中に、保護ガラス４８の表面の汚れによる保護ガラス４８の内部での散乱光強度（散乱光の強度）を検出する（ステップＳ１０３、検出ステップ）。

その後、交換判定部６４は、光検出器５０の検出値（検出カウント値）が選択された交換閾値を越えているか否か判定する（ステップＳ１０４、交換判定ステップ）。換言すれば、交換判定部６４は、光検出器５０の検出値と選択された交換閾値とを比較して、保護ガラス４８の交換要否を判定する。そして、光検出器５０の検出値が選択された交換閾値以下の場合（ステップＳ１０４のＮｏの場合）には、交換判定部６４は、保護ガラス４８の交換が必要でないと判定する（ステップＳ１０５）。併せて、報知部６６は、「正常」のメッセージ表示してもよい。

一方、光検出器５０の検出値が選択された交換閾値を越えている場合（ステップＳ１０４のＹｅｓの場合）には、交換判定部６４は、保護ガラス４８の交換が必要であると判定する（ステップＳ１０６）。併せて、報知部６６は、その判定結果として「交換必要」のメッセージ表示する（ステップＳ１０７、報知ステップ）。また、発振器制御部６８は、ファイバレーザ発振器２６のビームを停止する（ステップＳ１０８、ビーム停止ステップ）。なお、「交換必要」のメッセージ表示の代わりに、ランプ（図示省略）の点灯表示若しくは点滅表示、又は音声発生器（図示省略）の音声によって判定結果を報知してもよい。

保護ガラス４８の交換が必要でないと判定された場合に、監視コントローラ５２又はＮＣ装置４０は、ワーク材Ｗのレーザ加工が終了したか否か判断する（ステップＳ１０９）。そして、ワーク材Ｗのレーザ加工が終了した場合（ステップＳ１０９のＹｅｓの場合）には、監視コントローラ５２及びＮＣ装置４０による一連の処理を終了する。監視コントローラ５２又はＮＣ装置４０は、ワーク材Ｗのレーザ加工が終了していない場合（ステップＳ１０９のＮｏの場合）には、監視コントローラ５２又はＮＣ装置４０は、ステップＳ１０３に処理を戻す。

前述のように、閾値選択部６２は、ワーク材Ｗの材質に起因するワーク材Ｗのレーザ光の反射率に応じて設定された複数の交換閾値の中から、ワーク材Ｗの材質に応じた交換閾値を選択する。そして、交換判定部６４は、光検出器５０の検出値と選択された交換閾値とを比較して、保護ガラス４８の交換要否を判定する。これにより、ワーク材Ｗの材質に応じて適切なタイミングで保護ガラス４８を交換することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、保護ガラス４８の汚れの度合いが小さく、良好加工を継続できる状態にも拘わらず、保護ガラス４８の交換が必要であると判定されることがない。また、保護ガラス４８の汚れの度合いが大きく、加工不良が発生しているにも拘わらず、保護ガラス４８の交換が必要でないと判定されることがない。つまり、本発明の実施形態によれば、保護ガラス４８の汚れによる加工不良を十分に防止しつつ、保護ガラス４８の不必要な交換をなくすことができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、例えば、レーザ切断を行うレーザ加工機１０に適用した技術的思想を、レーザ溶接を行うレーザ加工機（図示省略）に適用する等、その他、種々の態様で実施可能である。そして、本発明に包含される権利範囲は、前述の実施形態に限定されないものである。

本発明の実施例について図６及び図７（ａ）（ｂ）を参照して説明する。

図６に示すように、板厚６ｍｍの異なる材質（鉄鋼、ステンレス鋼、アルミニウム）からなるワーク材について加工試験を行った。そして、加工試験の結果として、ワーク材の材質毎に、加工不良に至るまでの加工回数と保護ガラスの内部での散乱光強度（散乱光の強度）との関係をまとめた。なお、図６中における散乱光強度は、検出カウント値であり、図６中における「×」は、加工不良の発生を表している。

即ち、鉄鋼のワーク材の場合には、加工回数が１２０回に達すると、散乱光強度が５８になり、加工不良が発生した。ステンレス鋼のワーク材の場合には、加工回数が１１０回に達すると、散乱光強度が９７になり、加工不良が発生した。アルミニウムのワーク材の場合には、加工回数が３００回に達すると、散乱光強度が１４５になり、加工不良が発生した。つまり、アルミニウムのワーク材の場合は、鉄鋼のワーク材及びステンレス鋼のワーク材の場合に比べて、加工不良の発生時における散乱光強度が高くなっている。これは、アルミニウム系の材質のワーク材は、鉄系の材質のワーク材に比べて、レーザ光の反射率が高いことによるものと考えられる。

加工試験の結果として、ステンレス鋼のワーク材の場合及びアルミニウムのワーク材の場合について、加工不良の発生時における保護ガラスの汚れの度合いを比較すると、図７（ａ）（ｂ）に示すようになる。

即ち、アルミニウムのワーク材の場合は、ステンレス鋼のワーク材の場合に比べて、加工不良の発生時における保護ガラスの汚れの度合いが小さいことが視覚的に確認できた。これも、アルミニウム系の材質のワーク材は、鉄系の材質のワーク材に比べて、レーザ光の反射率が高いことによるものと考えられる。

１０ レーザ加工機
１２ ベッド
１４ 加工テーブル
１６ 支持板
１６ａ 突起
１８ 可動フレーム
１８ａ 水平部
２０ Ｘ軸モータ
２２ キャリッジ
２４ Ｙ軸モータ
２６ ファイバレーザ発振器（レーザ発振器）
２８ レーザ加工ヘッド
３０ ノズル
３２ Ｚ軸モータ
３４ プロセスファイバ
３６ コリメートレンズ
３８ 集束レンズ
４０ ＮＣ装置
４２ 加工条件登録部
４４ 加工条件選択部
４６ ガラスホルダ
４８ 保護ガラス
５０ 光検出器
５２ 監視コントローラ
５４ ＩＦ回路
５６ ＡＤコンバータ
５８ ディスプレイ
６０ 閾値登録部
６２ 閾値選択部
６４ 交換判定部
６６ 報知部
６８ 発振器制御部

Claims (7)

1. レーザ加工ヘッドは、集束レンズの光射出側に保護ガラスと、
   レーザ加工中に前記保護ガラスの内部で乱反射する散乱光強度を検出する光検出器と、
   を備え、
   監視コントローラは、ワーク材に起因する前記保護ガラスの交換要否判定の複数の交換閾値をワーク材の材質と厚みに応じて登録する閾値登録部と、
   登録された前記交換閾値の中から、ワーク材の材質と厚みに応じた交換閾値を選択する閾値選択部と、
   前記光検出器の検出値と選択された前記交換閾値とを比較して、前記保護ガラスの交換要否を判定する交換判定部と、を備えたことを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記保護ガラスの交換が必要であると判定された場合に、その判定結果を報知する報知部を備えたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記保護ガラスの交換が必要であると判定された場合に、レーザ発振器のビームを停止する発振器制御部を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工機。
4. 前記保護ガラスの内部で乱反射する散乱光は、ワーク材に向かうレーザ光、ワーク材からの反射レーザ光、又はワーク材で発生して前記集束レンズに向かう光が、前記保護ガラス表面に付着した汚れによって乱反射して生じる光であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工機。
5. 前記交換閾値は、ワーク材の材質に起因するワーク材のレーザ光の反射率に応じて設定されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工機。
6. 前記レーザ加工は、ワーク材に対してレーザ切断を行うことであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工機。
7. レーザ加工中に、レーザ加工ヘッドの集束レンズの光射出側の保護ガラスにおける内部での散乱光強度を検出し、
   ワーク材に起因する前記保護ガラスの交換要否判定の複数の交換閾値をワーク材の材質と厚みに応じて登録し、
   登録された前記交換閾値の中から、ワーク材の材質と厚みに応じた交換閾値を選択し、
   検出された散乱光強度と選択された交換閾値とを比較して、前記保護ガラスの交換要否を判定することを特徴とする保護ガラスの汚れ監視方法。

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