(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを収束するレンズの焦点位置に対して所定の位置にノズルをセットし、該ノズルをワークから倣いセンサの測定範囲以上離反してピアッシングを開始するレーザ加工方法において、
上記ノズル先端のＺ軸位置とワークの厚さとからピアッシングを開始する計算上のノズルの位置を求め、該位置までノズルを移動してピアッシングを行い、ノズルをワークに近づけ、ノズルが倣いセンサの測定範囲内に進入した後ノズルとワークとの距離を倣いセンサで測定してノズル位置を補正することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
上記補正量を記憶して、次回以降のピアッシングを開始するノズル位置を補正することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工方法。
【請求項３】
上記ノズルをワークに近づけるとき、ノズルの移動限度をノズルが移動可能な最下端としたことを特徴とする請求項１又は２記載のレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ加工に関し、特に、レーザ加工におけるピアッシング（下孔加工）の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ加工装置は、板状のワークをレーザビームで切断して、様々の形状の製品を形成する装置である。この切断加工は、まず、ワーク上の、製品とは関係の無い位置にレーザビームでピアッシングし、ピアッシングにより穿設された貫通孔を始点として製品の形状等の切断線に沿ってレーザビームを移動してワークを切断し、製品を形成する。
【０００３】
レーザ加工装置は、上記の加工を行うために、レーザビームを収束するレンズと、収束されたレーザビームを照射するノズルと、ワークをＸ−Ｙ方向に移動するワーク位置制御部と、上記ノズルをＺ軸方向に進退させるノズル位置制御部と、装置全体を制御する制御装置とを有する。
【０００４】
また、ワークの加工面は平坦であるとは限らないのに対し、切断加工中は、レンズからワークまでの距離を一定に保ち、ワークに照射されるレーザビームの強度を一定に保つ必要がある。また、上記レンズは種々の焦点距離のものと交換可能であり、ワークの材質や厚さなどから適当な焦点距離のレンズが選択され、ノズルの先端位置は、レンズの焦点距離及び、ワークの材質や厚さ等からレンズの焦点位置に対して所定の位置にくるようにセットされる。
【０００５】
したがって、ノズル先端からワークまでの距離を一定に保てば、レンズからワークまでの距離も一定となることになり、ワークに均一な強度のレーザビームを照射でき、精度のよい切断面を得ることができる。
【０００６】
そのため、レーザ加工装置には、接触式あるいは非接触式の倣いセンサが設けられ、ノズル先端とワーク加工面との間の距離を一定に保つように倣い制御が行われている。ただし、倣い制御が可能なノズル先端と加工面との距離は、ある範囲（これを「倣い可能範囲」という）内に限定されている。
【０００７】
一方、上記のピアッシングは、ノズル先端とワーク加工面との距離が、切断時よりも離れた距離から開始される。そして、このピアッシングが開始されるときの距離は、上記の倣い可能範囲外となっている。
【０００８】
ノズルとワークとの間の距離を調整するため、従来のレーザ加工装置では、サーボモータやエンコーダを有し、制御装置はノズルをＺ軸方向に所定の距離だけ移動することができるようになっている。しかし、ノズル先端とワーク加工面との間の正確な距離は測定できない。また、倣いセンサはノズル先端とワーク加工面との距離を正確に測定できるが、その測定範囲は上述したように倣い可能範囲に限られ、ノズルの移動可能な全範囲に比較すると、ごく一部にすぎない。
【０００９】
このようなレーザ加工装置において、倣い可能範囲外でピアッシングを開始しようとする場合には、従来は次のようにしていた。まず、ノズルを倣い可能範囲までＺ軸方向に下降させ、ここでノズルとワーク加工面との距離を倣いセンサで測定し、その測定値からピアッシング開始位置までのノズルの上昇量を算出し、ノズルを上昇させてピアッシングを開始していた。
【００１０】
また、ピアッシング中は、ノズルからアシストガスが吹き付けられ、アシストガスとワークの溶融した金属とが酸化反応を起こし、その酸化反応熱も利用してピアッシングに要する時間の短縮を図ることも行われていた。
【００１１】
こうして、ピアッシングが開始され、進行していくと、孔の深さが徐々に深くなり、それに連れてノズルが段々とワーク近づき、やがて倣い可能範囲に入り、孔がワークを貫通した後は、倣い制御がされて切断時の距離を保持するようになる。もっとも、ピアッシング中は一定の高さにノズルを保ち、ピアッシング後にノズルを倣い範囲に下降する方法もある。
【００１２】
図７は、上記の従来技術によりピアッシングした状態を示す図である。同図において、１はノズルで、ここからレーザビームの照射とアシストガスの吹き付けとが行われ、ワーク２に孔２ａが穿設される。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の方法では、ノズルを一旦倣い可能範囲に進入させた後、再び上昇させるので、ノズルの動作が複雑で、動作時間も長くなり、ピアッシングに時間が掛かるといった問題があった。
【００１４】
また、孔２ａの形成に伴い、孔の回りに溶融した金属が盛り上がり、加工後に盛上部３が形成される。このような盛上部３が形成された部分では、ワーク２の板厚が厚くなるので、切断不良になったり、切断時にノズル１と盛上部３とが干渉するおそれがあった。
【００１５】
さらに、盛上部３ができると、倣いセンサが誤った間隔を出力したり、センサの接触子が盛上部３に引っかかることもあり、その場合、ノズルとワークとの間隔が変化して切断不良の原因となった。
【００１６】
そのため、ピアッシング後に盛上部３を切断する場合、ここだけノズルの高さやレーザビームの出力等の切断条件を変更する必要が生じ、ピアッシング作業が複雑で時間がかかっていた。
【００１７】
本発明は、上記の問題の解決を図ったもので、レーザ加工において、ピアッシング時間を短縮できるレーザ加工方法及び装置を提供することを目的としている。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、レーザビームを収束するレンズの焦点位置に対して所定の位置にノズルをセットし、該ノズルをワークから倣い可能範囲以上離反してピアッシングを開始するレーザ加工方法において、上記ノズル先端のＺ軸位置とワークの厚さとからピアッシングを開始するノズルの計算上の位置を求め、該位置までノズルを移動してピアッシングを行い、ノズルをワークに近づけ、ノズルが倣い可能範囲内に進入した後ノズルとワークとの距離を倣いセンサで測定してノズル位置を補正することを特徴としている。
【００１９】
このとき、上記補正量を記憶して、次回以降のピアッシングを開始するノズル位置を補正したり、上記ノズルをワークに近づけるとき、ノズルの移動限度をノズルが移動可能な最下端までとすることが望ましい。
【００２０】
上記方法を実施する本発明のレーザ加工装置は、レーザビームを照射するノズルと、該ノズルをＺ軸方向に移動するＺ軸管理部と、ノズルとワークとの間の距離を測定する倣いセンサと、を有するレーザ加工装置において、上記Ｚ軸管理部が、予め入力されたワークの板厚に基づいてノズルを計算上のピアッシング開始位置に移動してピアッシングを開始させ、その後ノズルをワークに向けて移動して上記倣いセンサによりノズルとワークとの間の距離を測定し、該測定値によりノズルのＺ軸方向の位置を補正することを特徴としている。
【００２１】
また、本発明の他の方法は、レーザビームによりワークのピアッシングを行い、ピアッシング中の加工部にアシストガスを吹き付けるレーザ加工方法において、上記加工部にブローガスを吹き付けることを特徴としている。
【００２２】
また、上記ブローガスをレーザビームと交叉する方向から吹き付けたり、上記ブローガスをピアッシング開始後、所定時間経過後に吹き付けることとしたり、上記レーザ加工方法が、ノズルとワークとの間の距離を倣いセンサによりセンシングしてワークに対するノズルの位置を一定に保つ倣い制御が可能なレーザ加工方法の場合は、上記ピアッシング中に上記倣い制御をＯＦＦにすることが望ましい。
【００２３】
上記方法を実施するレーザ加工装置は、ノズルからワークにアシストガスを吹き付けながらレーザビームによりピアッシングを行うレーザ加工装置において、ワークにブローガスを吹き付けるブローノズルを設けたことを特徴としている。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を用いて本発明の実施例を説明する。
図１は本発明の実施例の図である。同図において、１０はトーチで、先端にノズル１１が取り付けられている。トーチ１０内にはレンズ１２があり、レーザ発振器から射出されたレーザビーム１３は、図示しない反射鏡によってトーチ１０内のレンズ１２により収束され、レーザビーム１３と同軸に設けられたノズル１１からワーク１４に照射される。ノズル１１はトーチ１０に、たとえば、ネジで取り付けられており、レンズ１２との距離、すなわち、レンズの焦点位置に対して所定の位置にセットできるようになっている。
【００２５】
ワーク１４は、レーザ加工装置の図示しないＸ−Ｙテーブル上に固定され、Ｘ，Ｙ平面内を移動自在である。また、トーチ１０は、Ｚ軸方向に進退自在である。また、トーチ１０の下端には、たとえば、静電容量式の、非接触式倣いセンサ１５が設けられ、倣い可能範囲内で、ノズル１１先端とワーク１４との間の距離を計測でき、倣い制御によりこの距離を一定に保つことができる。
【００２６】
トーチ１０のレンズ１２より下方には、アシストガス流入口１６があり、図示しないガス供給源から酸素、窒素、空気のいずれかのガスが供給される。アシストガスは、ノズル１１の先端の孔１１ａからレーザビーム１３とほぼ平行に吹き出し、ワーク１４の孔１４ａ内に吹き込まれ、溶融金属の酸化反応を促進させ、酸化反応熱によってピアッシングの進行を促す。
【００２７】
トーチ１０の左側面には、サポート１７が取り付けられ、ここにブローガス流入口１８が形成されるとともに、ブローノズル１９が取り付けられる。ブローガス流入口１８には、図示しないガス供給源から、窒素又は空気からなるブローガスが供給される。ブローノズル１９は、レーザビーム１３と交叉する方向にブローガスを吹き出す。
【００２８】
図２は、本発明のレーザ加工装置の制御系統のブロック図である。主制御部２１はコンピュータからなり、レーザ加工装置全体を制御するところで、図示しないが、ワークの板厚やピアッシング開始位置、レーザ出力、成型品の形状といった加工条件を入力するキーボード等の入力装置を有する。この主制御部２１には、レーザ制御部２２、Ｘ−Ｙ位置制御部２３、Ｚ軸管理部２４が接続されている。
【００２９】
レーザ制御部２２は、レーザ発振器２５のレーザ出力の増減や、ＯＮ，ＯＦＦを行い、さらに、アシストガス機器２６を制御してアシストガスの開閉や圧力の調整等を行う。
【００３０】
Ｘ−Ｙ位置制御部２３には、Ｘ軸アンプ２７とＹ軸アンプ２８とを介してサーボモータ２９，３０が接続され、各サーボモータ２９，３０にはエンコーダ３１，３２が設けられている。そして、このような構成によって、Ｘ−Ｙテーブル上のワーク１４をＸ−Ｙ平面の任意の位置に移動できると共に、移動した後の位置情報をＸ−Ｙ位置制御部２３を介して主制御部２１に入力する。したがって、主制御部２１に入力された成型品の形状に合わせてワークを自在に移動できることになる。
【００３１】
Ｚ軸管理部２４は、Ｚ軸アンプ３３とＺ位置制御部３４を介してサーボモータ３５とエンコーダ３６に接続され、ノズル１１をＺ軸方向に自在に移動し、かつ、エンコーダ３６からのノズル１１の位置信号を主制御部２１に入力する。Ｚ軸管理部２４には、倣い制御部３７が接続され、倣い制御部３７には倣いセンサ１５が接続されている。この倣いセンサ１５は、静電容量式で非接触式のものを用いている。
【００３２】
つぎに、図３、図４により本発明の第１実施例の作用を説明する。図３はＺ軸管理部２４の動作を示すフローチャートで、図４は、図３の実施例におけるノズル１１のＺ軸高さと、時間の経過との関係を線図にしたものである。ピアッシングを開始するにあたり、従来は、ノズルをＺ軸方向に移動して倣い可能範囲まで一旦下降し、再び上昇させてピアッシング開始位置を決定していたのを、この実施例では、より簡単な動作で行えるようにしたものである。
【００３３】
フローチャートの開始に先だって、予めワークの板厚やピアッシング開始高さ、成型品の形状等の必要なデータを主制御部２１に入力しておく。
ピアッシング開始の指示が主制御部２１からＺ軸管理部２４にされると、Ｚ軸管理部２４は、Ｚ軸アンプ３３にサーボモータ３５を駆動するよう指示を出す（１０１）。サーボモータ３５が回転すると、ノズル１１は下降を始めるが、下降量はエンコーダ３６により逐一Ｚ位置制御部３４に入力される。Ｚ軸管理部２４はＺ位置制御部３４からの信号を監視して、ノズル１１が計算上のピアッシング開始位置に達するのを待つ（１０３）。
【００３４】
ノズルが計算上のピアッシング開始位置に達したら、前述した実施例と同様にピアッシングを開始する。そして、ピアッシングの進行に伴いノズル１１を少しづつ下方に下げていく。この下降は、ノズル１１の下降可能範囲の下端を限度とする（１０５）。
【００３５】
ピアッシングの進行に伴いノズル１１は下降を続け、やがて、ノズル先端とワーク加工面との間の距離が倣いセンサ１５の倣い可能範囲に達する（１０７）。そこで、倣いセンサ１５によりノズル先端からワーク加工面までの距離を正確に測定する。そして、それまで使用していた計算上のノズル位置との差を計算し、ノズル１１のＺ軸位置を補正する（１０９）。
【００３６】
以上でノズル先端からワーク加工面までの距離がＺ軸管理部２４及び主制御部２１に伝達されたので、主制御部２１は、切断のための目標位置を決め、Ｚ軸管理部２４に指示をだし（１１１）、Ｚ軸アンプ３３、サーボモータ３５、エンコーダ３６及びＺ位置制御部３４により、ノズル１１を切断位置に移動する（１１３）。このときピアッシングも終了する。
【００３７】
ノズル１１が切断位置に移動したら、倣い制御部３７に指示し、倣い制御に切り替える（１１５）。これによって、ノズルはワーク加工面から一定の距離に保たれて、予め入力されている成型品の形状に合わせてワークの切断加工が行われることになる。
【００３８】
以上のように、この実施例によれば、計算上で求めたピアッシング開始位置でピアッシングを開始し、その後、ノズル１１を下げて倣い制御可能範囲に入ったところでノズル位置を補正している。したがって、ノズルを一旦倣い制御可能範囲まで下降してからピアッシング開始位置まで上昇させる手間が不用となり、ピアッシング時間を短縮することができる。
【００３９】
また、ノズルを下降させる際の下限位置を、最下端、すなわちレーザ加工装置におけるノズルの下降限度位置にしているので、ワーク加工面が計算上の位置より低い場合に、ノズルが倣い可能範囲に進入できずに補正できなくなるといった事態を回避できる。ワーク加工面が計算上の位置より高い位置にある場合には、予定より早く倣い可能範囲に進入できることになる。
【００４０】
また、上記の補正量を記憶しておくことにより、２回目のピアッシングにおけるノズル１１位置を補正することができ、２回目以降の高さ制御の精度を上げることができる。
【００４１】
なお、上記実施例では、前回の補正量を記憶しておいて、次回の補正に反映させることとしているが、複数回の補正量を記憶しておき、それらの平均値をその後の補正量としてもよい。
【００４２】
次に図１及び図５を用いて本発明の第２実施例の説明をする。
まず、前述した実施例で説明したようにして、ノズル１１先端とワーク１４との距離Ｈ（図５（ａ））を倣い可能範囲ｈより広くとった位置でレーザビーム１３をワークに照射し、ピアッシングを開始する。同時にアシストガスがノズル１１から吹き付けられる。ワーク１４のレーザビームが照射された加工部が溶融し溶融金属１４ｂができ始める。アシストガスは溶融金属１４ｂ内に吹き込まれ、酸化反応を促進させ、孔１４ａが形成され始め、ピアッシングが開始される。次に、ブローノズル１９からブローガス１９ａが孔１４ａに向けて吹き付けられる。
【００４３】
ブローガスはレーザビームと交叉する方向に吹き付けられるので、孔１４ａ周辺の溶融した金属が吹き飛ばされ、従来例に示した盛上部３が形成されないようにすることができる。また、ブローガスの吹き付け開始をアシストガスの吹き付け開始から任意の時間遅らせ、ブローガスによりアシストガスが遮断されないようにすることが望ましい。
【００４４】
レーザビームの照射が続けられ、孔１４ａは図５（ｂ）に示すように、段々深くなって、やがて図５（ｃ）に示すように、ワークを貫通し、ブローガス１９ａは停止される。
【００４５】
この後、ノズル１１は主制御部２１によりコントロールされ、倣い可能範囲内で、ワーク１４との距離ｈを一定に保ちながらワークを切断していくことになる。このように、本発明によれば、盛上部３が形成されないので、ピアッシングが終了したら直ちに切断のための距離ｈやその他の加工条件に移行することができ、盛上部の切断不良を防止できるとともに、レーザ加工時間を短縮することができる。
【００４６】
なお、上記実施例では、ブローノズル１９を１個としたが、複数個設けてもよい。また、ピアッシング中にノズル１１の高さＨが徐々に下がり、最終的にｈになるようにしているが、ピアッシング中の高さをＨのまま一定に保ち、ピアッシング後にｈまで下げるようにしてもよい。
【００４７】
図６は本発明の第３実施例を示す図である。上記の実施例のように、ピアッシング中に倣い制御がＯＮになっていると、倣いセンサ１５が静電容量型非接触センサの場合には孔１４ａから飛散する溶融金属を検出することによって誤った間隔を出力し、その結果、ノズルとワークとの間隔が変化してピアッシングが不良となることがあった。
【００４８】
そこで、本実施例では、図６に示すようなフローチャートにしたがって以下のように制御されるようにしている。
ノズル１１が下降し（２０１）、ノズル１１とワーク１４との間隔（ピアッシング高さ）が所定の高さになると、倣い制御がＯＦＦされる（２０３）。
【００４９】
レーザビームが出力され、同時にアシストガスが開かれる（２０５）。そして、ワークの表面が溶融し始めるまでの指定された時間の経過を待って（２０７）ブローガスが開かれる（２０９）。
【００５０】
ブローガスは、ピアッシングが終了するまで吹き付ければよく、ピアッシングに要する時間は、予め知ることが可能である。したがって、制御装置でブローガスの吹き付け開始から時間を測り、所定のブロー時間が経過したら（２１１）、ブローガスを閉じる（２１３）。
【００５１】
以上でピアッシングは終了する。そこで、倣い制御をＯＮにし（２１５）、ノズル１１の高さを切断のための高さに保つようにし（２１７）、切断を開始する（２１９）。
【００５２】
このようにピアッシング中は倣い制御をＯＦＦにすることによって、ノズルとワーク加工面との距離を誤って測定するということが防止でき、ピアッシング不良を防止することができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、倣い可能範囲外からピアッシングを開始するレーザ加工方法において、ノズル先端のＺ軸位置とワークの厚さとからピアッシングを開始するノズルの計算上の位置を求め、該位置までノズルを移動してピアッシングを行い、ノズルをワークに近づけ、ノズルが倣い可能範囲内に進入した後ノズルとワークとの距離を倣いセンサで測定してノズル位置を補正するので、ピアッシングを短時間で行うことができる。
【００５４】
上記補正量を記憶して、次回以降のピアッシングを開始するノズル位置を補正することとすれば、さらに時間を短縮できる。
上記ノズルの移動限度をノズルが移動可能な最下端までとすれば、ワーク加工面が計算より下方にあっても、スムーズに倣い制御に移行できる。
また、ピアッシング中の加工部にアシストガスとともにブローガスを吹き付けると、ピアッシング加工後に盛上部が形成されなくなり、ピアッシング加工が容易で、加工時間を短縮することができる。
【００５５】
上記ブローガスをレーザビームと交叉する方向から吹き付ければ、効果的に盛上部の形成を防止できる。また、上記ブローガスをピアッシング開始後、所定時間経過後に吹き付けることとすれば、ブローガスによりアシストガスを吹き飛ばすことがない。
【００５６】
また、上記レーザ加工方法が、倣い制御が可能な場合、上記ピアッシング中に上記倣い制御をＯＦＦにすれば、ピアッシング中にノズル位置を誤り、ピアッシング不良となることを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ加工装置の要部構成を示す要部断面図である。
【図２】本発明のレーザ加工装置の制御系統の構成を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１実施例を示すフローチャートである。
【図４】図３の実施例において、ノズル位置と時間の経過との関連を示す線図である。
【図５】本発明によるのピアッシング状態を示す図で、（ａ）は開始後間もない状態、（ｂ）はピアッシング中、（ｃ）はピアッシング完了状態を示す。
【図６】本発明の第３実施例を示すフローチャートである。
【図７】従来のレーザ加工方法を説明する要部断面図である。
【符号の説明】
１１      ノズル
１２      レンズ
１３      レーザビーム
１４      ワーク
１４ａ    孔
１５      倣いセンサ
１９      ブローノズル
１９ａ    ブローガス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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