(57)【要約】  本発明は、レーザ加工機の機械座標系に対するウォータジェットの傾きを測定する方法を提供することを目的としている。本発明では、光学ヘッド（１０）から噴出するウォータジェット（３４）の内部に導入、案内されたレーザ光とテーブル（３６）に固定されたワーク（Ｗ）とを相対移動させ、ワークを加工するレーザ加工機のウォータジェットの傾き測定方法において、ウォータジェット（３４）の内部を通るレーザ光が反射して軸線方向へ進むことが可能な安定長の範囲内におけるテーブルに対するウォータジェットの傾きを測定するようにした。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ヘッドから噴出するウォータジェットの内部に導入、案内されたレーザ光とテーブルに固定されたワークとを相対移動させ、ワークを加工するレーザ加工機のウォータジェットの傾き測定方法において、  前記ウォータジェットの内部を通るレーザ光が反射して軸線方向へ進むことが可能な安定長の範囲内におけるテーブルに対するウォータジェットの傾きを測定することを特徴としたレーザ加工機のウォータジェットの傾き測定方法。
【請求項２】
前記光学ヘッドを鉛直の第１の送り軸に沿って第１の高さ位置に配置し、  前記光学ヘッドからウォータジェットを略鉛直下方向へ噴出し、  前記ウォータジェットの中心位置を水平な平面内で測定し、  前記光学ヘッドを前記第１の送り軸に沿って第２の高さ位置に配置し、  前記光学ヘッドからウォータジェットを略鉛直下方向へ噴出し、  前記ウォータジェットの中心位置を前記水平な平面内で測定し、  前記第１の高さ位置における前記ウォータジェットの中心位置と、前記第２の高さ位置における前記ウォータジェットの中心位置との差分と、第１と第２の高さ位置の前記第１の送り軸に沿った長さとに基づいて、前記第１の送り軸に対する前記ウォータジェットの傾きを算出するようにした請求項１に記載のレーザ加工機のウォータジェットの傾き測定方法。
【請求項３】
前記テーブルに測定装置を配置し、  水平の第２の直線送り軸に沿って前記テーブルと前記光学ヘッドとを一方向に相対移動させて該第２の直線送り軸に沿った前記ウォータジェットの位置を前記測定装置により測定し、  前記第２の直線送り軸に沿って反対方向に前記テーブルと前記光学ヘッドとを相対移動させて前記第２の直線送り軸に沿った前記ウォータジェットの位置を前記測定装置により測定し、  測定されたウォータジェットの２つの位置を平均して、前記第２の直線送り軸に沿った前記ウォータジェットの中心位置とし、  前記第２の直線送り軸に垂直な水平の第３の直線送り軸に沿って前記テーブルと前記光学ヘッドとを一方向に相対移動させて該第３の直線送り軸に沿った前記ウォータジェットの位置を前記測定装置により測定し、  前記第３の直線送り軸に沿って反対方向に前記テーブルと前記光学ヘッドとを相対移動させて前記第３の直線送り軸に沿った前記ウォータジェットの位置を前記測定装置により測定し、  測定されたウォータジェットの２つの位置を平均して、前記第３の直線送り軸に沿った前記ウォータジェットの中心位置とする請求項２に記載のレーザ加工機のウォータジェットの傾き測定方法。
【請求項４】
前記測定装置は、前記第２と第３の直線送り軸に対して垂直な水平２方向にレーザ光を照射し、受光するレーザ式センサを具備する請求項３に記載のレーザ加工機のウォータジェットの傾き測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ノズルから水を噴射して形成されるウォータジェットにレーザ光を通してワークを加工するレーザ加工機において、レーザ加工機の機械座標系に対するウォータジェットの傾きを測定するレーザ加工機のウォータジェットの傾き測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】  特許文献１には、水をノズルから噴射して形成されるウォータジェットにレーザ光を通してワークを加工するレーザ加工機において、レーザ光の光軸をウォータジェットの中心軸に一致させるアライメント調整装置を備えたレーザ加工装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２３５３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】  特許文献１の発明によれば、レーザ光の光軸をウォータジェットの中心軸に一致させることはできるが、ノズルから噴出するウォータジェットは、ノズルの製造誤差や取り付け誤差によって、レーザ加工機の機械座標系、特にＺ軸に対して傾いてしまうことがある。ウォータジェットが傾いてしまうと、ウォータジェットに対してレーザの光軸を調整しても、加工精度が低下してしまう。【０００５】  本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、レーザ加工機の機械座標系に対するウォータジェットの傾きを測定する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】  上述の目的を達成するために、本発明によれば、光学ヘッドから噴出するウォータジェットの内部に導入、案内されたレーザ光とテーブルに固定されたワークとを相対移動させ、ワークを加工するレーザ加工機のウォータジェットの傾き測定方法において、  前記ウォータジェットの内部を通るレーザ光が反射して軸線方向へ進むことが可能な安定長の範囲内におけるテーブルに対するウォータジェットの傾きを測定するレーザ加工機のウォータジェットの傾き測定方法が提供される。
【発明の効果】
【０００７】  本発明によれば、安定長の範囲でウォータジェットの傾きを測定するようにしたので、ウォータジェットの傾きを正確に測定可能となり、該ウォータジェットの傾きに基づいて、レーザ加工機のＸ、Ｙ、Ｚ軸の直線送り軸の移動量を調整し、必要に応じてＡ、Ｂ、Ｃ軸の回転送り軸を調整し、ウォータジェットの傾きを補正することが可能となる。これによって、光学ヘッドが生成するレーザ光をワーク表面に対して垂直に照射することが可能となり、加工精度が向上する。更に、ウォータジェットの傾きをワーク表面に対して任意の角度に調整可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明のウォータジェットの傾き測定方法を適用するレーザ加工機の光学ヘッドの一例を示す略示断面図である。
【図２】測定装置の一例を示す斜視図である。
【図３】図２の測定装置の平面図である。
【図４】本発明のウォータジェットの傾き測定方法のメインルーチンを示すフローチャートである。
【図５】本発明のウォータジェットの傾き測定方法のウォータジェット中心位置測定サブルーチンを示すフローチャートである。
【図６】本発明のウォータジェットの傾き測定方法を説明するための模式図である。
【図７】本発明のウォータジェットの傾き測定方法において、ウォータジェットの中心位置のＸ座標を測定する方法を説明するための模式図である。
【図８】本発明のウォータジェットの傾き測定方法において、ウォータジェットの中心位置のＹ座標を測定する方法を説明するための模式図である。
【図９】ウォータジェットを噴出するノズルに供給する超純水の圧力に対するウォータジェットの安定長の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】  図１に、本発明を適用可能な工作機械の一例としてレーザ加工機の光学ヘッドを示す。図１において、レーザ加工機は、光学ヘッド１０と、光学ヘッド１０の下方に配設されたテーブル３６とを具備している。光学ヘッド１０とテーブル３６とはＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直線送り軸装置（図示せず）によって直交３軸方向に相対移動可能となっている。本実施形態では、光学ヘッド１０は、第１の送り軸としてのＺ軸送り装置によって、上下方向に移動可能となっている。テーブル３６は、第２と第３の送り軸としてＸ軸送り装置とＹ軸送り装置とによって、左右方向（図１において左右方向）および前後方向（図１の紙面に垂直な方向）に移動可能となっている。また、各直線送り軸装置はレーザ加工機の制御装置（図示せず）によって制御される。該制御装置は、また、各直線送り軸装置の座標を読み取るために、各軸に設けられたリニアスケール（図示せず）や、各送り軸装置を駆動するサーボモータのロータリエンコーダ（図示せず）のような座標読取り装置に接続されている。
【００１０】  光学ヘッド１０は、ハウジング１２内に配設され、レーザ発振器１４からのレーザ光を光ファイバのような導光部材１４ａを介して受け取り、コリメーションレンズ１８へ向けて照射するレーザ照射ヘッド１６を具備している。レーザ照射ヘッド１６からのレーザ光は、コリメーションレンズ１８で平行光線となって、第１のミラー２０によって第２のミラー２２に向けて反射され、該第２のミラー２２によってフォーカスレンズ２４へ向けて反射される。フォーカスレンズ２４で絞られたレーザ光は、ノズルヘッド２６を通してハウジング１２の外部へＺ軸方向に照射される。
【００１１】  第１と第２のミラー２０、２２は平面状の反射面を有しており、該反射面の方向（反射面に垂直な方向）を調節し、光学ヘッド１０から照射されるレーザ光の方向を調節するためミラー配向変更手段としてモータ２０ａ、２２ａを有している。また、第１と第２のミラー２０、２２、特にフォーカスレンズ２４へ向けレーザ光を反射する第２のミラー２２は、レーザ発振器１４から照射されるレーザ光の波長に適合し、該レーザ光を反射し、かつ、該レーザ光の波長以外の波長の光を透過する誘電体多層膜を含んでいる。より詳細には、ガラス板にこうした誘電体多層膜を蒸着して形成されている。第２のミラー２２を誘電体多層膜から形成することによって、ノズル２６ｂを通過するレーザ光とノズル２６ｂとの位置関係をカメラ３２によって監視することが可能となっている。
【００１２】  光学ヘッド１０に対面させてテーブル３６が配設されている。テーブル３６の上面には、ロータリテーブル３８が取り付けられており、該ロータリテーブル３８にワークＷが取り付けられる。ロータリテーブル３８は、少なくとも１つの回転送り軸方向にワークＷを回転送り可能となっている。図１の実施形態では、ロータリテーブル３８は、簡略表示されており、ワークＷをＹ軸に平行な（図１の紙面に垂直な）軸線を中心とするＢ軸方向およびＺ軸に平行な（図１において上下方向の）軸線を中心とするＣ軸方向に回転送り可能となっている。
【００１３】  ノズルヘッド２６は、超純水供給装置３０から管路２８を介して超純水の供給を受ける中空状の部材である。超純水供給装置３０は、例えば、活性炭フィルタのようなフィルタ（図示せず）によって予め濾過した都市用水や水道水を、ポンプ（図示せず）によって加圧して逆浸透膜装置（図示せず）、紫外線殺菌装置（図示せず）、イオン交換樹脂（図示せず）等によって超純水を生成する。こうして生成された超純水は、超純水供給装置３０内に配設されているタンク（図示せず）に貯留された後、前記ポンプによって、管路２８を経て光学ヘッド１０のノズル２６ｂへ向けて供給される。
【００１４】  ノズルヘッド２６のテーブル３６に対面する底壁にウォータジェット３４を噴出するノズル２６ｂが設けられ、該底壁の反対側のフォーカスレンズ２４に対面する上面にガラス等の透明な部材より成る窓２６ａが設けられている。ノズル２６ｂは、光学ヘッド１０のハウジング１２の底面に形成されているオリフィス１２ａを通じてハウジング１２の外部に連通している。
【００１５】  レーザ照射ヘッド１６からのレーザ光は、コリメーションレンズ１８、第１のミラー２０、第２のミラー２２に、フォーカスレンズ２４を経てノズルヘッド２６へ至り、ノズル２６ｂからから噴出するウォータジェット３４内に入射する。入射したレーザ光は、ウォータジェット３４内で全反射しながら該ウォータジェットに案内されて光学ヘッド１０の外部へ照射される。ウォータジェット３４内に導入されたレーザ光が、ウォータジェット３４の周囲空気との界面で全反射を繰り返すためには、ウォータジェット３４の流れが安定していなければならない。ウォータジェットがノズル２６ｂから噴出した直後は層流状態であるが、流れ方向にレイノルズ数が高くなるにつれ乱流へと次第に遷移し、徐々に渦や飛沫を生じ、ウォータジェット３４は末広がり状に直径が大きくなる。ウォータジェット３４内に渦を生じたり、ウォータジェット３４の表面から飛沫が飛散する領域では、ウォータジェット３４内に導入されたレーザ光は、その一部が、全反射せずにウォータジェット３４の表面から外部に漏洩する。本願では、ウォータジェット３４内に導入されたレーザ光の略全てがウォータジェット３４の内で全反射できるウォータジェット３４の長さを安定長と称する。安定長は、ノズル２６ｂの直径や形状、ノズル２６ｂから噴出するウォータジェットの速度またはノズル２６ｂに供給される超純水の圧力等によって変化する。表１に、安定長(mm)の変化をノズル２６ｂの直径(μm)、ノズル２６ｂに供給される超純水の圧力(MPa)をパラメータとして示す。また、表１の例を図９のグラフに示す。【表１】
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【００１６】  テーブル３６には、また、ウォータジェットの傾斜測定装置１００が取り付けられている。本実施形態では、傾斜測定装置１００は、矩形状の枠体１０２と、該枠体１０２から下方へ延びる脚部１０４と、枠体１０２の内面に取り付けられた非接触式センサとを具備している。本実施形態では、非接触センサは、Ｘ軸方向にレーザ光を照射する第１のレーザセンサ１０４ａ、１０４ｂと、Ｙ軸方向にレーザ光を照射する第２のレーザセンサ１０６ａ、１０６ｂとを具備している。例えば、オムロン株式会社からファイバセンサの商品名で市販されている光電センサを第１のレーザセンサ１０４ａ、１０４ｂおよび第２のレーザセンサ１０６ａ、１０６ｂとして用いることができる。第１と第２のレーザセンサの各々は、照射部１０４ａ、１０６ａと、受光部１０４ｂ、１０６ｂとを含み、レーザ光を生成するアンプ（図示せず）からレーザ光が光ファイバ（図示せず）を介して照射部１０４ａ、１０６ａへ導光され、受光部１０４ｂ、１０６ｂで受け取ったレーザ光が光ファイバ（図示せず）を介して前記アンプへ導光されるようになっている。照射部１０４ａ、１０６ａから受光部１０４ｂ、１０６ｂへ向けて照射されるレーザ光が遮られると、前記アンプからレーザ加工機の制御装置へスキップ信号が送出されるようになっている。傾斜測定装置１００のセンサは、レーザセンサのみならず、超音波式センサを用いてもよい。更には、レーザセンサに代えてカメラにより撮像した画像を解析するようにしてもよい。
【００１７】  以下、本実施形態の作用を説明する。  図４を参照すると、ウォータジェット３４の傾き測定が開始すると（ステップＳ１０）、テーブル３６がＸ軸およびＹ軸の送り装置によって光学ヘッド１０に対して水平方向に移動し、測定装置１００を光学ヘッド１０の下側の所定の測定位置へ移動する（ステップＳ１２）。次いで、Ｚ軸送り装置によって、光学ヘッド１０が、ウォータジェット３４の安定長の範囲内で選択されたＺ軸上の第１の測定位置（上測定位置）Ｐ1（Ｚ＝Ｚ1）（図６）へ移動する（ステップＳ１４）。
【００１８】  次いで、超純水供給装置３０のポンプが起動して、ノズル２６ｂからウォータジェット３４が噴出され（ステップＳ１６）、次いで、後述するウォータジェットの中心位置測定が開始される（ステップＳ２０）。ここで、ウォータジェットの中心位置測定を開始する前に、光学ヘッド１０に配設したエアノズル（図示せず）から空気を噴出させて、センサ１０４ａ、１０４ｂ、１０６ａ、１０６ｂの表面を清掃することが好ましい（ステップＳ１８）。
【００１９】  ステップＳ２０において、ウォータジェットの中心位置測定サブルーチン（図５）が呼び出され、ウォータジェットの中心位置の測定が開始する（ステップＳ３２）と、先ず、後述する工程によって、レーザ光のＸ軸方向に＋側の側面位置が測定される（ステップＳ３４）。Ｘ軸送り装置によってテーブル３６がＸ軸沿いに負の方向に送られる。このとき、ノズル２６ｂから噴出されるウォータジェット３４は、第１のレーザセンサ１０４ａ、１０４ｂが作るレーザ光４０に対して、図７において矢印ＡX1で示すように、Ｘ軸沿いに正の方向に相対移動する。ウォータジェット３４のＸ軸方向に正側の側面３４+Xがレーザ光４０を遮ると、第１のレーザセンサ１０４ａ、１０４ｂのアンプからスキップ信号がレーザ加工機の制御装置に送出される。レーザ加工機の制御装置は、該スキップ信号を受信したときのＸ座標を、例えばレーザ加工機が有するＸ軸リニアスケールやＸ軸送り装置の駆動モータのロータリエンコーダから読み取り、これを記憶する。
【００２０】  ウォータジェット３４がレーザ光４０を通過した後、後述する工程によって、ウォータジェット３４のＸ軸方向の負側の側面３４-Xの位置が測定される（ステップＳ３６）。Ｘ軸送り装置によってテーブル３６をＸ軸沿いに正方向に送り、ウォータジェット３４をレーザ光４０に対して矢印ＡX2で示すようにＸ軸沿いに負の方向に相対移動する。ウォータジェット３４のＸ軸方向の負側の側面３４-Xがレーザ光４０を遮ると、第１のレーザセンサ１０４ａ、１０４ｂのアンプからスキップ信号がレーザ加工機の制御装置に送出される。レーザ加工機の制御装置は、該スキップ信号を受信したときのＸ座標を記憶する。
【００２１】  次いで、図８に示すように、Ｘ座標の場合と同様に、ウォータジェット３４のＹ軸方向の正側の側面３４+Yおよび負側の側面３４-YのＹ座標が測定される（ステップＳ３８およびステップＳ４０）。
【００２２】  こうして測定されたウォータジェット３４のＸ軸方向の正側および負側の側面３４+X、３４-XのＸ座標の平均を演算し、Ｙ軸方向の正側および負側の側面３４+Y、３４-YのＹ座標の平均を演算することによって、ウォータジェット３４の中心座標が算出される（ステップＳ４２）。算出された中心座標はレーザ加工機の制御装置に記憶される。こうして、ステップＳ３４〜ステップＳ４２を所定回数繰返してウォータジェット３４の中心座標が所定回数算出される（ステップＳ４４）。所定回数算出されたウォータジェット３４の中心座標の平均値を算出して（ステップＳ４６）、第１の測定位置Ｐ1におけるウォータジェット３４の中心座標（Ｘ1、Ｙ1）とし、該サブルーチンが終了する（ステップＳ４８）。
【００２３】  ウォータジェットの中心位置測定サブルーチンが終了し、図４のメインルーチンに戻ると、次いで、光学ヘッド１０がＺ軸方向に下動し、ウォータジェット３４の安定長の範囲内で選択された第２の測定位置（下側定位置）Ｐ2（Ｚ＝Ｚ2）（図６）へ移動する（ステップＳ２２）。光学ヘッド１０が第２の測定位置Ｐ2へ移動すると、図５のウォータジェットの中心位置測定サブルーチンが再び呼び出され、該第２の測定位置Ｐ2において、ステップＳ３２〜ステップＳ４８でウォータジェット３４の中心座標（Ｘ2、Ｙ2）が測定され、メインルーチンへ戻る。
【００２４】  こうして、第１の測定位置Ｐ1と第２の測定位置Ｐ2におけるウォータジェット３４の中心座標（Ｘ1、Ｙ1）、（Ｘ2、Ｙ2）が測定されると、次いで、以下の式から、Ｘ軸方向およびＹ軸方向へのウォータジェット３４の傾きθX、θYが演算される（ステップＳ２６）。【数１】
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ここで、θX：Ｚ軸に対するウォータジェットのＸ軸方向の傾きδＺ：第１の測定位置（上測定位置）Ｐ1と、第２の測定位置（下測定位置）Ｐ2との間のＺ軸方向の距離（＝Ｚ1−Ｚ2）δＸ：第１の測定位置（上測定位置）Ｐ1と、第２の測定位置（下測定位置）Ｐ2とで測定したウォータジェットの中心のＸ座標の差分（＝Ｘ1−Ｘ2）である。δＺは、第１の測定位置Ｐ1と、第２の測定位置Ｐ2との間のＺ軸方向の距離であるが、表１に記載の安定長よりも少し短い距離（２〜５ｍｍ）が好ましい。
【数２】
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ここで、θY：Ｚ軸に対するウォータジェットのＹ軸方向の傾きδＹ：第１の測定位置（上測定位置）Ｐ1と、第２の測定位置（下測定位置）Ｐ2とで測定したウォータジェットの中心のＹ座標の差分（＝Ｙ1−Ｙ2）である。
【００２５】  本実施形態によれば、ウォータジェット３４のＺ軸に対するＸ軸方向の傾きθXおよびＹ軸方向の傾きθYに基づいて、Ａ軸およびＢ軸の回転送り軸を調整し、ウォータジェット３４のＺ軸に対する傾きを補正することが可能となる（ステップＳ２８）。これによって、光学ヘッド１０が生成するレーザ光をワークＷの表面に対して垂直に照射することが可能となる。更に、ウォータジェット３４のＺ軸に対するＸ軸方向の傾きθXおよびＹ軸方向の傾きθYに基づいて、テーブル３６のＸ軸およびＹ軸方向の送り量を補正可能となる。この測定から補正に至る動作は、自動的に行わせることができる。加工形状に応じでウォータジェットの径を変更する必要があるときはノズル２６ｂを交換する。この交換後に測定を行うこともあれば、精密な加工を行う直前に測定を行うこともある。
【００２６】  本実施形態では、テーブル側にＢ軸およびＣ軸がある場合について述べたが、この構成に代えて、テーブル側には回転送り装置がなく、光学ヘッド１０側にＡ′軸およびＢ′軸がある場合が、図１に仮想的に示されている。つまり、光学ヘッド１０はＸ軸と平行な軸線周りにＡ′軸方向に回転送り可能であると共に、Ｙ軸と平行な軸線周りにＢ′軸方向に回転送り可能な構成が考えられる。この構成では、ステップＳ２６で算出したウォータジェット３４の傾きθX、θYを打ち消すようにＡ′軸およびＢ′軸を回転させることによって、ウォータジェット３４をＺ軸と平行に補正することができる。この構成の場合は、その後はＮＣプログラムで指令されるＸ、Ｙ、Ｚ軸の送り量を調整することなく送ることによって、所望の精度に加工することができる。
【００２７】  また、図示されていないが、ノズル２６ｂがノズルヘッド２６に対して回転調整可能に取り付けられていても、傾き補正は可能であるし、ワークＷがテーブル３６に対して回転調整可能な治具によって取り付けられていても傾き補正は可能である。
【符号の説明】
【００２８】  １０    光学ヘッド  １２    ハウジング  １４    レーザ発振器  １６    レーザ照射ヘッド  １８    コリメーションレンズ  ２０    第１のミラー  ２２    第２のミラー  ２４    フォーカスレンズ  ２６    ノズルヘッド  ２６ｂ    ノズル  ２８    管路  ３０    超純水供給装置  ３４    ウォータジェット  ３６    テーブル  ３８    ロータリテーブル  ４０    レーザ光  １００    傾斜測定装置
【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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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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