(57)【要約】【課題】レーザビームを集光してワークを切断するレーザ加工装置において、レーザ切断パラメータが最適化されていないことにより発生するワークの切断不良の発生を防止し、生産性を向上させることのできるレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザビームを集光する集光手段と、前記集光手段を備えたトーチと、集光したレーザビームと同時にワークに吹き付けられるアシストガスを備え、レーザビームによるワークの切断を行なうレーザ加工装置において、前記ワークの切断時に発生する音響を検出する手段と、前記音響検出手段により得られた音響信号を分析する制御手段を備え、前記制御手段は任意の位置にトーチを移動させる軸移動手段とレーザ切断パラメータを制御するレーザ加工パラメータ制御手段も具備し、音響信号の分析結果により、トーチ位置の移動、レーザ出力、アシストガス流量などのレーザ切断パラメータを制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームを集光する集光手段と、前記集光手段を備えたトーチと、集光したレーザビームと同時にワークに吹き付けられるアシストガスを備え、レーザビームによるワークの切断を行なうレーザ加工装置において、
前記ワークの切断時に発生する音響を検出する音響検出手段と、前記音響検出手段により得られた音響信号を分析する制御手段を備え、
前記制御手段は任意の位置にトーチを移動させる軸移動手段とレーザ切断パラメータを制御するレーザ切断パラメータ制御手段も具備し、音響信号の分析結果により、トーチ位置の移動、レーザ切断パラメータを制御することを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記音響検出手段として、レーザビームによるワーク切断時に、アシストガスが切断カーフ幅部を通過する音響を検出することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記制御手段として、検出された音響が、あらかじめ設定されたしきい値よりも高い周波数の場合、レーザ加工パラメータを制御することを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
【請求項４】
前記音響検出手段として、レーザビームによるワーク切断時に、集光されたレーザビームがワーク表面に照射されている箇所で発生する音響を検出することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項５】
前記制御手段として、検出された音響信号に時間的に不規則な信号がある場合に、レーザ加工パラメータを制御することを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は主として板金切断の用途に用いられるレーザ加工装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３に従来の板金切断用のレーザ加工装置の構成の一例を示す。以下、図３を参照しながら従来のレーザ加工装置を説明する。
【０００３】
図３において、レーザ発振器１から出射されたレーザビーム２は、全反射ミラー３にて反射され、ワーク４近傍へ導かれる。レーザビーム２は、トーチ５内部に備えられた集光手段６によって高密度のエネルギビームに集光され、ワーク４に照射され、切断加工が行われる。ワーク４は加工テーブル７上に固定されており、Ｘ軸モータ８あるいはＹ軸モータ９によって、トーチ５はワーク４に対して相対的に移動する事で、所定の形状の切断加工が行われる。
【０００４】
また図４において、切断部分の拡大図を示す。通常レーザ切断では、集光手段６を介してワーク４に照射されるレーザビーム２と同軸に、アシストガス１０と呼ばれる気体をワーク４に吹き付け、トーチ５をワーク４に相対的に移動方向１４に移動させて切断を行なう。集光された高密度のレーザビーム２により、ワーク４は高温となり溶融状態となるが、切断を行うにはこの溶融状態のワークを切断幅部１３から適切に排出することが必要になる。前記アシストガス１０をワーク４に吹付けることにより、溶融物１１を円滑に排出することが可能となる。また軟鋼切断などの場合に、酸素をアシストガス１０として使用する場合があるが、これは上記のような溶融物１１の排出と同時に、酸化反応を発生させ、その熱エネルギーをワーク４の切断に利用することでエネルギー利用の効率を上げるためである。
【０００５】
このようなレーザ加工装置において、良好なレーザ切断を行うためには上記のようなＸ軸モータ８あるいはＹ軸モータ９によるトーチ５とワーク４の相対移動する速度、アシストガス１０の流量、圧力、などの多数の切断パラメータを、最適に制御する必要があり、図３においては制御手段１２がその役割を果たしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１３８０８２号公報
【特許文献２】特開平５−２３７６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような従来のレーザ加工装置は、下記課題を有している。
【０００８】
通常レーザ加工装置は、メーカーがあらかじめ切断パラメータを制御手段１２内に具備させており、顧客は、そのパラメータをもとにしてワーク４の切断を行っている。しかし、あらかじめ具備されている切断パラメータは、レーザ加工装置メーカーにより、ある特定の条件のもとで得られた切断データを基に設定されているものであった。しかし実際には、顧客が使用するワーク４やアシストガス１０の成分などの品質上のバラツキや、全反射ミラー３、集光手段６の劣化によるレーザビーム２の集光状態の変化、レーザ発振器１自身の消耗によるレーザビーム２自身の状態の変化などが起こるため、当初条件の切断パラメータのままでは、長期間に渡って継続的に良好な切断を行うことが、困難であった。そのため、顧客は都度、レーザ切断の状態を観察しながら、切断パラメータを適宜調整し、状況に合わせてパラメータの最適化を常時行う必要があった。
【０００９】
従来はレーザ加工装置のオペレーターが、溶融物１１の排出状態やワーク４表面状態を視認する、あるいはアシストガス１０が切断幅部１３を通過するときの通過音やワーク４表面に集光されたレーザビーム２が照射されたときに発生する音など、感覚的、経験的に判断しながら切断パラメータの調整を行っており、属人的な手法を取ることが多かった。
【００１０】
このような課題を解決するため、従来の技術として溶融物１１の排出状態をモニタにより監視し切断パラメータを調整する方法が取られていた。しかし、かかる従来技術は視覚に頼っていた部分の改善のみに止まっていたため、切断パラメータを十分に最適化するには至っていなかった（例えば、特許文献１を参照）。
【００１１】
あるいは異なる従来技術として、音響センサを利用したレーザ加工装置も提案されていた。この音響センサは、ワークにピアス孔を開ける場合の検知のみに使用されており、通常切断時の切断パラメータ調整に積極的に利用するには至らなかった。ピアス孔が貫通したかどうかだけであれば、音響で明確に判別できるためレーザ加工装置の機能として組込むことが容易であった。しかしこの場合、ピアス孔が開いた場合に、次の加工プログラムに進むという内容であり、加工パラメータを調整するには至っていなかった。これは通常切断の場合に発生する音と切断状態との相違をレーザ加工装置自身で検知、判断したりすることが困難なためであり、結局はオペレーターが経験と感覚により手動で加工パラメータを調整することになっていた（例えば、特許文献２を参照）。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、上記問題点を解決するために、レーザビームを集光する集光手段と、前記集光手段を備えたトーチと、集光したレーザビームと同時にワークに吹き付けられるアシストガスを備え、レーザビームによるワークの切断を行なうレーザ加工装置において、前記ワークの切断時に発生する音響を検出する手段と、前記音響検出手段により得られた音響信号を分析する制御手段を備え、前記制御手段は任意の位置にトーチを移動させる軸移動手段とレーザ出力、アシストガス流量などのレーザ切断パラメータを制御するレーザ切断パラメータ制御手段も具備し、音響信号の分析結果により、トーチ位置の移動、レーザ出力、アシストガス流量などのレーザ切断パラメータを制御する事を特徴とするレーザ加工装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に示す構成により、ワークやアシストガスの品質バラツキや、全反射ミラー、集光レンズの劣化によるレーザビーム２の集光状態の変化、レーザ発振器自身の消耗によるレーザビーム自身の状態の変化などにより発生する切断パラメータの微調整の必要性を、レーザ加工装置自身が判断、制御することで速やかに最適化することが可能となり、切断不良を低減し生産性を向上させたレーザ加工装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置の構成図
【図２】本発明の実施の形態におけるレーザ加工装置のレーザ切断幅部の詳細図
【図３】従来のレーザ加工装置の構成図
【図４】従来のレーザ加工装置におけるレーザ切断幅部の詳細図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１６】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態の一例を示すレーザ加工装置の構成図である。
【００１７】
本発明のレーザ加工装置はレーザ発振器１から射出されたレーザビーム２を集光する集光手段６と、集光手段６を備えたトーチ５と、集光したレーザビームと同時にワーク４に吹き付けられるアシストガス１０を備えており、レーザビーム２によるワーク４の切断を行なうものである。
【００１８】
さらに、ワークの切断時に発生する音響を検出する音響検出手段１５と、音響検出手段１５により得られた音響信号を分析する制御手段１２を備えている。この制御手段１２は、任意の位置にトーチ５を移動させる軸移動手段としてのＸ軸モータ８とＹ軸モータ９を制御する。また制御手段１２は、レーザ出力やアシストガス流量などのレーザ切断パラメータを制御するレーザ切断パラメータ制御手段も備える。
【００１９】
音響検出手段１５はトーチ５近傍に設けられる。音響検出手段１５はレーザビーム２が集光されてワーク４に照射されている切断部分近傍から発生する音響を検出するよう設置されている。音響検出手段１５は制御手段１２に接続され、制御手段１２において音響信号はリアルタイムで検出、分析される。そして、音響信号の分析結果により、トーチ位置の移動、レーザ出力、アシストガス流量などのレーザ切断パラメータの制御を行う。
【００２０】
このように、各切断パラメータが最適になるように自動で調整を行っているため、常に良好切断を行うことが可能となる。
【００２１】
上記説明が本発明のレーザ加工装置の基本の構成と動作の内容である。以下、さらにその構成と動作の詳細な内容を図２を用いて説明する。
【００２２】
集光手段６で集光されたレーザビーム２がワーク４を切断している切断幅部１３近傍を拡大した詳細図である。
【００２３】
図２において、音響検出手段１５はトーチ５に直接または間接的にその近傍に設けられる。さらに、音響検出手段１５はレーザビーム２が集光されてワーク４に照射されている切断幅部１３から発生する音響を検出するよう設置する。この構成により、アシストガス１０が切断幅部１３を通過するときの音を効率よく検出することができる。したがって、切断パラメータの中でも特にアシストガス１０に関する項目の調整を精度良く最適化できる。
【００２４】
レーザにより金属材料を切断する場合、前述したように溶融物１１を円滑に排出することが必要である。アシストガス１０の圧力、流量が不足している場合は溶融物１１がワーク４を下方に十分に押し下げられないため切断不良となる。
【００２５】
良好に排出される場合は、アシストガス１０も狭い切断幅部１３を通過するときの特定の周波数の音響が発生するが、十分に通過できない場合は、そのような周波数の音響が発生しないため、その違いを検出することで、溶融物１１の排出状態を判断することができる。
【００２６】
特定の周波数の音は、あらかじめ制御手段１２にインプットされており、制御手段１２が溶融物１１の排出不足と判断した場合には、アシストガス１０の圧力を上げる、などの対応を取ることが可能となる。
【００２７】
しかし溶融物１１を排出するためにアシストガス１０の圧力を上げすぎても、逆に切断不良が発生する。溶融物１１はワーク４の鉛直方向の下方に向かって、真っ直ぐに排出されるのが望ましい。ところが、アシストガス１０の圧力が高すぎる場合や、切断幅部１３が狭すぎる場合には、アシストガス１０が切断幅部１３を通過し、ワーク下方に出たところで、溶融物１１がスプレー状に拡がるため、水平方向にも広く飛び散ることとなる。この場合、溶融物１１がワーク４下面に付着することとなり、切断不良の原因となっていた。
【００２８】
これはアシストガス１０の圧力、流量に対して切断幅部１３が狭いために発生しており、このような場合、アシストガス１０の通過音は良好切断時と比較し高音となっていることがわかった。良好切断時の通過音の周波数を基準にして一定の範囲にしきい値を設定し、検出された音響がしきい値よりも高音の場合には切断不良であると制御手段１２において判断し、良好切断となるよう切断パラメータを自動で調整することが可能となる。
【００２９】
つまり本発明は、音響検出手段１５を切断幅部１３の音響を検出するよう設定することを特徴としている。図２では音響検出手段１５がトーチ５に接続されているが、アシストガス１０の通過音はかなり大きいため、切断幅部１３のすぐ近傍ではなく、加工テーブル７、あるいはワーク４自体などに取付けても検出することが可能である。
【００３０】
上述の構成はレーザビーム２がワーク４に照射されている切断部分近傍の音響を検出することを特徴としており、これはアシストガス１０の通過音などを含む切断状態全体の音響を広く検知することとしている。
【００３１】
以下の説明は、その音響の中でも特に、レーザビーム２がワーク４に照射される箇所の音響を検知するように音響検出手段１５の位置、方向、指向性を設定することで、さらに異なる最適なパラメータの制御ができる制御の一例を述べるものである。
【００３２】
レーザによる金属切断の場合、その切断品質はワーク４の表面状態により大きな影響を受ける。軟鋼の酸素切断の場合には、ワーク４表面に付着している酸化皮膜の状態が重要であり、酸化皮膜の密着が悪い場合や、参加皮膜自身の厚さが不均一などの場合、集光されたレーザビーム２をワーク４が吸収する状態が不安定となるため、溶融物１１の溶融状態や排出の流れ方に影響を及ぼし、切断面が荒れるなどの切断不良を引き起こしていた。
【００３３】
このような問題の発生を防止するため、集光されたレーザビーム２がワーク４表面に照射されている箇所の音響を検出することで、制御手段１２において良好切断時の音響と比較して切断状態を判断することができ、その状況に応じて切断パラメータを最適に調整している。
【００３４】
また上記のように、軟鋼酸素切断の場合でワーク４の表面状態が粗悪な場合には、レーザビーム２がワーク４に照射されたときに、火花の爆ぜるような不規則な音響が発生する。基本的に切断状態が安定している場合は切断において発生する音響も安定しているが、不安定な場合には、そこから発生する音響も不安定になる。そのため時間的に不規則な音響の発生を検知し、制御手段１２において切断パラメータを最適に調整することで、良好切断を実現している。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によるレーザ加工装置は、ワーク切断時に発生する音響を検出、分析して切断状態を判断し、レーザ切断パラメータを制御することで、レーザ切断中に発生する切断不良を未然に防止し、生産性を向上させることのできるレーザ加工装置として有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１    レーザ発振器
２    レーザビーム
３    全反射ミラー
４    ワーク
５    トーチ
６    集光手段
７    加工テーブル
８    Ｘ軸モータ
９    Ｙ軸モータ
１０    アシストガス
１１    溶融物
１２    制御手段
１３    切断幅部
１４    トーチの相対移動方向
１５    音響検出手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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