(57)【要約】【課題】レーザクラッド加工における金属粉末の落下位置を物理的に計測するための金属粉末落下位置計測装置粉末落下位置計測装置を提供する。【解決手段】仕切り板１１によって複数の空間１２に仕切られ、各空間１２には目盛り１５の付いた透明窓１４を設けて、各空間１２に投入された金属粉末量を計測できるようにした。各空間の金属粉末量の割合から金属粉末の落下入りのずれ量が計測できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の空間に仕切るための仕切り板と、
前記複数の空間のそれぞれに設けられ、投入された金属粉末の容量または質量を計測する計測手段と、
を有することを特徴とするレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測装置。
【請求項２】
前記複数の空間は、前記仕切り板によって十字に仕切られた４つの空間であることを特徴とする請求項１記載のレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測装置。
【請求項３】
複数の空間に仕切るための仕切り板と、
前記複数の空間のそれぞれに設けられ、投入された金属粉末の容量または質量を計測する計測手段と、
前記計測手段によって測定された前記複数の空間における金属粉末量の相対的な割合から金属粉末の落下位置を算出する算出手段と、
を有することを特徴とするレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測システム。
【請求項４】
前記算出手段は、前記金属粉末の目標落下位置に対するずれ量と前記複数の空間に投入される金属粉末量の相対的な割合とを対応させたデータテーブルから実際の金属粉末落下位置を前記目標落下位置からのずれ量として算出することを特徴とする請求項３記載のレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測システム。
【請求項５】
前記計測手段は、前記複数の空間のそれぞれの内部に設けられた圧力検出器であることを特徴とする請求項３または４記載のレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測システム。
【請求項６】
請求項１または２記載のレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測装置の前記仕切り板上端面および／またはその近傍にレーザよって蛍光を発する蛍光材が設けられていることを特徴とするレーザクラッド加工のレーザ照射位置計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測装置および落下位置計測システム、ならびにレーザ照射位置計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザクラッド加工は、ワークの加工部位の上に位置させたノズルから金属粉末を落下させつつ、金属粉末の落下点をレーザにより加熱することで金属を溶融して、ワーク加工部位への肉盛りなどを行う加工手法である（たとえば特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００１−２６９７８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このようなレーザクラッド加工においては、金属粉末の落下位置とレーザ照射位置の位置合わせが、加工精度や出来上がりに大きく影響することがわかってきた。
【０００４】
しかし、これまでは金属粉末の落下位置やレーザ照射位置を物理的に測定するための装置がなく、目測で粉末の落下位置やレーザ照射の位置合わせを行ったり、方眼紙などの上に金属粉末を落下させてその位置を確認したり、または実際に試し加工を行って、その出来上がりを見て位置調整するなど、作業者の経験や試行錯誤にたよっているのが現状である。
【０００５】
そこで本発明の目的は、レーザクラッド加工における金属粉末の落下位置を物理的に計測するためのレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測装置を提供することである。また、このレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測装置を用いて金属粉末落下位置の計測結果を知ることができるレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測システムを提供することである。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、レーザクラッド加工におけるレーザ照射位置を測定するレーザ照射位置計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明は、複数の空間に仕切るための仕切り板と、前記複数の空間のそれぞれに設けられ、投入された金属粉末の容量または質量を計測する計測手段と、を有することを特徴とするレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測装置である。
【０００８】
また上記課題を解決するための本発明は、複数の空間に仕切るための仕切り板と、前記複数の空間のそれぞれに設けられ、投入された金属粉末の容量または質量を計測する計測手段と、前記計測手段によって測定された前記複数の空間における金属粉末量の相対的な割合から金属粉末の落下位置を算出する算出手段と、を有することを特徴とするレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測システムである。
【０００９】
また上記課題を解決するための本発明は、前記落下位置計測装置の前記仕切り板上端面および／またはその近傍にレーザよって蛍光を発する蛍光材が設けられていることを特徴とするレーザクラッド加工のレーザ照射位置計測装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測装置によれば、仕切り板によって分割された複数の空間を持ち、各空間に投入される金属粉末量を容量または質量として計測する計測手段を設けたので、仕切り板上からレーザクラッド加工に用いる金属粉末を落下させれば、落下させた金属粉末の落下位置に応じて金属粉末が仕切り板により分割された複数の空間に投入されることになり、各空間の金属粉末量から各空間相互の金属粉末量の割合を求めれば、金属粉末の落下位置を物理量として求めることができるようになる。
【００１１】
本発明のレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測システムによれば、仕切り板によって分割された複数の空間を持ち、各空間に投入される金属粉末量を容量または質量として計測する計測手段を設け、この計測手段により測定された複数の空間における金属粉末量の相対的な割合から金属粉末の落下位置を算出することとしたので、簡単に金属粉末の落下位置を計測することができる。
【００１２】
本発明のレーザ照射位置計測装置によれば、上述した落下位置計測装置の仕切り板の上端面にレーザによって蛍光を発する蛍光材を設けたので、この蛍光材の発光部位からレーザ照射位置を計測することができ、しかも、金属粉末の落下位置の計測を連続的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
図１は本発明を適用したレーザクラッド加工用金属粉末の落下位置計測装置（以下、金属粉末落下位置計測装置と称する）を示す部分破断斜視図であり、図２は金属粉末投下方向から見た平面図である。
【００１５】
金属粉末落下位置計測装置１は、底の付いた円筒形状（バケツ形状）をしており、その内部に仕切り板１１が十字にはめ込まれていて、互い独立した４つの空間１２が設けられている。バケツ形状の外筒１３には、それぞれに仕切られた空間１２ごとに内部が見える透明窓１４が設けられていて、この透明窓１４には目盛り１５が刻まれている。したがって、本第１の実施形態では、この目盛り１５が各空間に投入された金属粉末の容量を計測する計測手段となる。なお、仕切り板１１で仕切られた各空間１２は互いに同じ容積である。
【００１６】
バケツ形状の開口部内径Ｌ（図２参照）は、金属粉末を全て取り込むことができる大きさであれば限定されるものではない。しかし、あまりにも大きいと、投入する金属粉末の量を多くしないと各空間１２の投入量の差を目盛り１５によって読み取ることができないので好ましくない。したがって、たとえば、自動車用エンジンのピストンバルブをレーザクラッド加工する際の金属粉末ノズル径を考えた場合、バケツ開口部の内径Ｌは１０ｍｍ程度でよい。この大きさであれば、金属粉末が金属粉末落下位置計測装置１からこぼれ落ちることなく全て収容され、かつ、透明窓１４に設けられた目盛り１５により各空間１２での投入量の差を比較的少ない金属粉末投入量で確認することができる。もちろん、これに限定されるものではなく、バケツ形状の開口部内径Ｌは、金属粉末を落下させるノズルの大きさや金属粉末自体の大きさなどに応じて適当な大きさとすればよい。
【００１７】
仕切り板１１の厚さは、できる限り薄いほうが好ましい。これは、金属粉末を落下させたときに仕切り板１１上端面に粉末が堆積しないようにするためである。
【００１８】
バケツ形状を形成する外筒１３の形状は、全ての空間を上から下まで同じ容積とするために直円筒形状が好ましい。また、全ての空間１２の容積が同じであれば、上に行くにしたがって開口が大きくなるような形状であってもよい。
【００１９】
このように構成された金属粉末落下位置計測装置１によれば、図３に示すように、この金属粉末落下位置計測装置１に上方からレーザクラッド加工に使用する粉末ノズル１８から金属粉末１９を落とし入れると、金属粉末１９の投入位置が十字に設けられた仕切り板１１の中心であれば、各空間１２にそれぞれ設けられた目盛り１５から見える粉末の量が同じ値を示すことになる。一方、金属粉末の投入位置がいずれかの方向へずれていれば、ずれている側の空間１２に投入される金属粉末の量が多くなる。したがって、各空間１２の目盛り１５によって示された粉末量を比較することで、どちらの方向に金属粉末投入位置がずれているかがわかる。そして、各空間１２の粉末量の値の相対値によりどれほどずれているかも見極めることができる。
【００２０】
具体的には、たとえば、図２に示したように、仕切り板１１の方向をＸ軸およびＹ軸として、第１空間ａでの目盛り１５の読み（すなわち第１の空間ａに入った金属粉末の量、以下同様）が５、第２空間ｂでの目盛り１５の読みが４、第３空間ｃでの目盛り１５の読みが３、第４空間ｄでの目盛り１５の読みが４となった場合、Ｘ軸方向には、ａ＋ｂ：ｃ＋ｄにより求めて、５＋４：３＋４＝９：７となり、Ｘ軸プラス方向に中心から９：７の割合でずれていることがわかる。同様にＹ軸プラス方向にはａ＋ｄ：ｂ＋ｃにより求めて、５＋４：４＋３＝９：７の割合でずれていることがわかる。
【００２１】
この金属粉末落下位置計測装置１の使用方法は、たとえば、レーザクラッド加工を行うワークを支持するＸ−Ｙステージ上や冶具上の基準点位置などにこの金属粉末落下位置計測装置１を正確に配置し、その上でＸ−Ｙステージなどをワーク加工位置まで移動させて、粉末ノズルから金属粉末を落下させることで、加工位置における金属粉末の正確な落下位置を上記のようにして割り出すことができる。なお、Ｘ−Ｙステージ上や冶具上の基準点位置などは任意に決めた位置でよいが金属粉末落下位置計測装置１で求めた金属粉末の落下位置をワーク位置に反映させることのできる位置とすることが好ましい。
【００２２】
このように本第１の実施形態によれば、金属粉末の落下位置を物理的な量として計測することができる。したがって、これまでのように作業者の目視や経験からそのずれを見極めるのではなく、確実な物理量として金属粉末の落下位置を計測することが可能となる。
【００２３】
（第２の実施形態）
図４は、本発明を適用したレーザ照射位置計測装置２を示す斜視図である。
【００２４】
このレーザ照射位置計測装置２は、構造的には、前述した第１の実施形態における金属粉末落下位置計測装置１と同等であり、バケツ形状の内部が仕切り板１１によって４つの空間１２に仕切られている。
【００２５】
そしてこのレーザ照射位置計測装置２では、仕切り板１１の上端面および／またはその近傍に、蛍光材２１を施している。この蛍光材２１はクラッド加工を行うレーザの赤外線によって蛍光を発する塗料である。
【００２６】
このように構成されたレーザ照射位置計測装置２によれば、金属粉末の投入位置を前述した第１の実施形態と同じように計測できると共に、レーザを照射することで、レーザの照射位置を計測することができる。つまり、このレーザ照射位置計測装置２の上にレーザを照射すれば、照射を受けた部分の蛍光材２１のみが光るのでその蛍光材２１の光っている部分の割合からレーザの照射位置がわかるのである。
【００２７】
蛍光材２１を付けた仕切り板１１の上端面には目盛り２２を設けておくことが好ましく、目盛り２２を設けることで、レーザ照射時において蛍光を発している部分の目盛り２２を読み取ればレーザの位置ずれ量を数値的にも見極めることができる。
【００２８】
このレーザ照射位置計測装置２の使用方法は、前述した第１の実施形態と同様に、たとえば、レーザクラッド加工を行うワークを支持するＸ−Ｙステージ上や冶具上の基点にまたはワーク載置基準点位置などにこのレーザ照射位置計測装置２を正確に配置し、Ｘ−Ｙステージなどをワーク加工位置まで移動させてから、レーザ２５を照射する。そして、そのとき蛍光を発している部分の目盛り２２を読み取ることで、レーザの照射位置を計測する。そして、その状態のまま、さらに粉末ノズルから金属粉末を落下させることで、加工位置における金属粉末の正確な落下位置を第１の実施形態のとおりに割り出す。なお、ここで、レーザ照射位置の計測を金属粉末の落下位置計測より先に行うのは、先に金属粉末をレーザ照射位置計測装置２に落下させ、その後にレーザを照射すると、レーザ照射位置計測装置２上に付着している金属を溶かしてレーザ照射位置計測装置２に融着させてしまうなどの不具合が起こる可能性があり、このような金属の融着はその後のレーザ照射位置計測装置２の使用に好ましくないためである。
【００２９】
このように本第２の実施形態によれば、レーザ照射位置の計測と、金属粉末の落下位置の計測を一つのレーザ照射位置計測装置２によって連続的に行うことができる。
【００３０】
（第３の実施形態）
本第３の実施形態は、基本構造として前述した第１の実施形態における金属粉末落下位置計測装置を用いて、自動的に金属粉末の投入位置を判別する金属粉末投入位置計測システムである。
【００３１】
図５は、この金属粉末投入位置計測システムの構成を説明するための説明図である。
【００３２】
このシステムは、金属粉末落下位置計測装置１の各空間１２内部の底面に、それぞれ圧力検出器３１を設け、これをコンピュータ３に接続している。したがって、本第３の実施形態では、投入された金属粉末の質量を計測することになり、圧力検出器３１が計測手段となり、コンピュータ３が算出手段となる。
【００３３】
コンピュータ３では、各空間１２内の圧力検出器３１からの信号によって各空間１２に投入された金属粉末の相対的な投入量を算出する。この算出には、あらかじめコンピュータ３内に記憶されたデータテーブルを用いる。データテーブルは、金属粉末の目標落下位置に対するずれ量と複数の空間１２に投入される金属粉末量の相対的な割合とを対応させたものである。
【００３４】
表１に、このデータテーブルの一例を示す。
【００３５】
このデータテーブルは、実験によって求めたものである。実験は、Ｘ−Ｙステージに本第３の実施形態によるところの圧力検出器３１を内部に設けた金属粉末落下位置計測装置１を載せて、実験的にＸ軸方向およびＹ軸方向に、それぞれ独立にＸ−Ｙステージを移動させ、各位置での金属粉末投入量を計測した。
【００３６】
表１において、Ｘ位置およびＹ位置は、Ｘ−Ｙステージでの目標落下位置に対する位置ずれ量であり、０のときに目標落下位置となる。また、第１〜４空間ａ〜ｄの値はコンピュータ３が圧力検出器３１から得られた圧力に比例した信号値から算出した空間ごとの金属粉末投入量の割合（％）である。したがって、この割合で、各空間内に金属粉末が落下したことになる。なお、計測時には粉末の投下は止めている。
【００３７】
また、投入位置の位置合わせの許容範囲を±２．５％としている。これは、金属粉末の落下位置が、あらかじめ決められた位置からどの程度ずれていてもよいかを許容する値となる。
【００３８】
【表１】
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【００３９】
表１の結果からわかるように、実際にＸ−Ｙステージを移動させて実験的に生じさせた位置ずれに比例して各空間に投入された金属粉末量の割合が違っている。つまりこの実験によって、金属粉末の投入位置を計測できることがわかる。
【００４０】
したがって、このような実験によって作成されたデータテーブルをあらかじめコンピュータ３内に記憶させておけば、このデータテーブルにおける各空間の金属粉末投入量の割合から、それに対応する金属粉末の落下位置のずれ量がわかることになる。
【００４１】
ここではＸ軸およびＹ軸方向に、それぞれ個別にずらして実験を行ってデータテーブルを作成したが、Ｘ軸およびＹ軸を同時に動かしてさまざまな方向で同様の実験を行い、さまざまなデータテーブルを作成してもよい。
【００４２】
本第３の実施形態によれば、複数の空間１２内のそれぞれに設けた圧力検出器３１からの信号により、コンピュータ３が各空間１２における金属粉末量の相対的な割合を算出し、その割合から、あらかじめ記憶させたデータテーブルを参照することで、金属粉末の落下位置のずれ量を算出することとしたので、簡単に、しかも自動的に金属粉末の落下位置を計測することができる。
【００４３】
なお、本第３の実施形態においては、圧力検出器３１を各空間１２内に設けて、金属粉末の投入量を質量として自動計測するようにしたが、これに代えて、第１の実施形態の金属粉末落下位置計測装置１をそのまま用いて（すなわち圧力検出器３１を使用しない）、容量を計測するための目盛り１５の値をコンピュータ３に入力し、入力された値から各空間１２における金属粉末投入量の割合を求させ、データテーブルと対比させてずれ量を算出させるようにしてもよい。
【００４４】
以上、本発明の実施形態を説明したが本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。たとえば、上述した実施形態では、各空間１２内の金属粉末量を計測するためには、各空間内において直接、容量または質量を計測しているが、これに代えて、たとえば、投入された金属粉末を各空間ごとに集めた後、その容量または質量を計測するようにしてもよい。この場合、各空間から樋状のものそれぞれ引き出して、投入された金属粉末を各空間ごとに集めるようにしてもよい。
【００４５】
また、上述した実施形態では仕切り板を十字上にいれて４つの空間としたが、これはＸＹ平面座標軸上におけるずれを測るためである。したがって、直線的なずれを計測するだけであれば、２つの空間に分けたものであってもよい。なお、そのほか３空間や５空間に分けてもよい。
【００４６】
また、上述した実施形態では、全体をバケツ型の円筒形状としているが、円筒形ではなく、多角形筒状などであってもよい。また、投入された金属粉末の容量を量る場合には、各空間を同じ容積とする必要があるが、投入された金属粉末の量を質量として計測する場合には、空間自体の内部容積は違っていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明を適用した金属粉末落下位置計測装置を示す部分破断斜視図である。
【図２】上記金属粉末落下位置計測装置の金属粉末投下方向から見た平面図である。
【図３】上記金属粉末落下位置計測装置を説明するための説明図である。
【図４】本発明を適用したレーザ照射位置計測装置を示す斜視図である。
【図５】本発明を適用した金属粉末投入位置計測システムの構成を説明するための説明図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…金属粉末落下位置計測装置、
２…レーザ照射位置計測装置、
３…コンピュータ、
１１…仕切り板、
１２…空間、
１３…外筒、
１４…透明窓、
２１…蛍光材、
３１…圧力検出器。
【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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