(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
切断対象物にレーザ光線を照射するレーザ加工ヘッドと、前記レーザ光線の照射と停止、及び出力値を制御するレーザ発振制御部と、前記レーザ加工ヘッドの位置情報を取得する位置情報取得部と、前記レーザ光線の光軸と同心であり、該レーザ光線を含む円錐状の保護領域を設定する保護領域設定部と、保護対象物の位置情報が記憶された記憶部と、前記保護領域への前記保護対象物の侵入を検知する検知部と、演算制御部とを具備し、該演算制御部は、前記検知部から検知信号が出力されると、前記レーザ発振制御部に前記レーザ加工ヘッドからの前記レーザ光線の照射を停止させることを特徴とするレーザ切断装置。
【請求項２】
前記保護領域は、前記レーザ光線の照射範囲よりも大きくなる様設定された請求項１のレーザ切断装置。
【請求項３】
前記保護領域は、前記レーザ光線の出力値の増減に基づき拡大縮小される様設定された請求項１又は請求項２のレーザ切断装置。
【請求項４】
前記保護領域の設定条件として、前記レーザ光線の広がり角と、該レーザ光線の出力値と、前記レーザ加工ヘッドの移動速度とを含み、更に前記保護領域は、前記レーザ光線が直接前記保護対象物に照射された場合に、該保護対象物の上昇温度ΔＴが所定値未満となる様に、前記レーザ光線の出力値、前記レーザ加工ヘッドの移動速度が設定された請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載のレーザ切断装置。
【請求項５】
前記保護領域の設定条件として、前記レーザ光線の広がり角と、前記レーザ加工ヘッドの先端からの距離とを含み、更に前記保護領域は、前記レーザ光線が直接前記保護対象物に照射された場合に、該保護対象物の上昇温度ΔＴが所定値未満となる様に、前記レーザ加工ヘッドの先端からの距離が設定された請求項１〜請求項３のうちいずれか１項に記載のレーザ切断装置。
【請求項６】
所定の広がり角のレーザ光線を照射して切断対象物を切断するレーザ切断方法であって、前記レーザ光線の光軸と同心に該レーザ光線を含む円錐状の保護領域を設定し、リアルタイムで演算された該保護領域の位置情報と予め取得された保護対象物の位置情報との比較に基づき前記保護領域内への前記保護対象物の侵入を検知し、該保護対象物が前記保護領域に侵入した場合に前記レーザ光線の照射を停止させることを特徴とするレーザ切断方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力のレーザ光線を照射し、金属を切断するレーザ切断装置、特に遠隔装置により金属を切断するレーザ切断装置及びレーザ切断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
工場等でレーザ切断を行う場合、切断対象物の加工点の後方に遮光板や水槽等を予め設置し、切断対象物の後方に位置する保護対象物が切断されない様にするのが一般的である。
【０００３】
然し乍ら、原子力施設内等、作業者が立入れない場所では、切断対象物の後方に遮光板や水槽等を設置できない場合があり、この場合には作業者がカメラ等で切断対象物を視認しながら、遠隔操作により他の保護対象物を損傷させない様、レーザ光線の照射方向や出力を調整する必要があった。
【０００４】
又、従来では、遠隔操作されるレーザ切断装置の加工ヘッド先端を中心とした保護エリアを設定し、保護エリア内に切断対象物以外の構造物が存在するかどうかを確認し、保護エリア内に切断対象物以外の構造物が存在する場合には、加工ヘッドの移動の制限、或は切断処理の制限等を行うものもあった。
【０００５】
然し乍ら、従来の保護エリアは加工ヘッドの先端を中心とした球状であり、レーザ光線の照射方向以外の方向も保護エリアとして設定され、又保護エリアの大きさはレーザ光線の出力に拘わらず一定であり、レーザ光線により保護対象が損傷する虞れがない場合でも、保護エリアに構造物が干渉したと見なされる為、実用的なシステムとは言えなかった。
【０００６】
尚、特許文献１には、砂時計形の公称危険領域がレーザ光線の焦点を中心としてレーザ光線の周囲に設けられ、前記公称危険領域内に手がある時に、安全装置がレーザ光線の強度を待機レベルに低下させる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−６１９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は斯かる実情に鑑み、遠隔操作によるレーザ切断処理の作業効率の向上を図るレーザ切断装置及びレーザ切断方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、切断対象物にレーザ光線を照射するレーザ加工ヘッドと、前記レーザ光線の照射と停止、及び出力値を制御するレーザ発振制御部と、前記レーザ加工ヘッドの位置情報を取得する位置情報取得部と、前記レーザ光線の光軸と同心であり、該レーザ光線を含む円錐状の保護領域を設定する保護領域設定部と、保護対象物の位置情報が記憶された記憶部と、前記保護領域への前記保護対象物の侵入を検知する検知部と、演算制御部とを具備し、該演算制御部は、前記検知部から検知信号が出力されると、前記レーザ発振制御部に前記レーザ加工ヘッドからの前記レーザ光線の照射を停止させるレーザ切断装置に係るものである。
【００１０】
又本発明は、前記保護領域は、前記レーザ光線の照射範囲よりも大きくなる様設定されたレーザ切断装置に係るものである。
【００１１】
又本発明は、前記保護領域は、前記レーザ光線の出力値の増減に基づき拡大縮小される様設定されたレーザ切断装置に係るものである。
【００１２】
又本発明は、前記保護領域の設定条件として、前記レーザ光線の広がり角と、該レーザ光線の出力値と、前記レーザ加工ヘッドの移動速度とを含み、更に前記保護領域は、前記レーザ光線が直接前記保護対象物に照射された場合に、該保護対象物の上昇温度ΔＴが所定値未満となる様に、前記レーザ光線の出力値、前記レーザ加工ヘッドの移動速度が設定されたレーザ切断装置に係るものである。
【００１３】
又本発明は、前記保護領域の設定条件として、前記レーザ光線の広がり角と、前記レーザ加工ヘッドの先端からの距離とを含み、更に前記保護領域は、前記レーザ光線が直接前記保護対象物に照射された場合に、該保護対象物の上昇温度ΔＴが所定値未満となる様に、前記レーザ加工ヘッドの先端からの距離が設定されたレーザ切断装置に係るものである。
【００１４】
更に又本発明は、所定の広がり角のレーザ光線を照射して切断対象物を切断するレーザ切断方法であって、前記レーザ光線の光軸と同心に該レーザ光線を含む円錐状の保護領域を設定し、保護対象物が前記保護領域に侵入した場合に前記レーザ光線の照射を停止させるレーザ切断方法に係るものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、切断対象物にレーザ光線を照射するレーザ加工ヘッドと、前記レーザ光線の照射と停止、及び出力値を制御するレーザ発振制御部と、前記レーザ加工ヘッドの位置情報を取得する位置情報取得部と、前記レーザ光線の光軸と同心であり、該レーザ光線を含む円錐状の保護領域を設定する保護領域設定部と、保護対象物の位置情報が記憶された記憶部と、前記保護領域への前記保護対象物の侵入を検知する検知部と、演算制御部とを具備し、該演算制御部は、前記検知部から検知信号が出力されると、前記レーザ発振制御部に前記レーザ加工ヘッドからの前記レーザ光線の照射を停止させるので、前記レーザ加工ヘッドの側方や基端側等、レーザ切断とは関係のない箇所に位置する前記保護対象物によって切断処理が中断されることがなく、前記レーザ加工ヘッドの移動可能な範囲が広がると共に、作業効率の向上を図ることができる。
【００１６】
又本発明によれば、所定の広がり角のレーザ光線を照射して切断対象物を切断するレーザ切断方法であって、前記レーザ光線の光軸と同心に該レーザ光線を含む円錐状の保護領域を設定し、保護対象物が前記保護領域に侵入した場合に前記レーザ光線の照射を停止させるので、レーザ切断とは関係のない箇所に位置する前記保護対象物により切断処理が中断されることがなく、前記レーザ加工ヘッドの移動可能な範囲が広がると共に、作業効率の向上を図ることができるという優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施例に係るレーザ切断装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の実施例に係る保護領域を示す説明図である。
【図３】本発明の実施例に係るレーザ切断装置による切断処理を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
【００１９】
先ず、図１に於いて、本発明の実施例に係るレーザ切断装置１について説明する。
【００２０】
該レーザ切断装置１は、レーザ加工ヘッド３と、駆動部４と、レーザ発振制御部５と、位置情報取得部６と、保護領域設定部７と、記憶部８と、検知部９と、演算制御部１１と、表示部１２、入力部１３及び操作部１４とを有している。
【００２１】
前記レーザ加工ヘッド３は、高出力のレーザ光線２を切断対象物に照射し、該切断対象物を切断するものであり、図示しないクレーン等の移動機構により３軸方向に移動可能に、又所要の方向に回転可能に設けられている。前記駆動部４は、各軸に対してそれぞれアクチュエータとして例えばモータを有する。各軸のモータの協働により前記移動機構を介し３次元方向に移動させ、或は回転させる様になっている。
【００２２】
前記レーザ発振制御部５は、前記レーザ加工ヘッド３より照射される前記レーザ光線２の照射と停止を制御し、該レーザ光線２の出力値等を制御するものであり、又後述する前記検知部９からの検知信号に基づき前記レーザ光線２の照射を停止させる様になっている。
【００２３】
前記位置情報取得部６は、例えば前記駆動部４の駆動量を検出するセンサを有し、該センサにより検出された前記駆動部４の駆動量を基に、後述する３次元の基準座標上の既知の位置、例えば原点に対する前記レーザ加工ヘッド３の位置を取得できる。
【００２４】
前記保護領域設定部７は、前記レーザ光線２の広がり角や、前記操作部１４より入力された前記レーザ光線２の出力値や保護対象物の材質、移動速度等を基に、前記レーザ加工ヘッド３の先端部より前記レーザ光線２の照射方向に広がる円錐状の保護領域１５（図２参照）を設定する。尚、該保護領域１５の軸心は前記レーザ光線２の光軸と同心であり、広がり角θ′を有している（図２参照）。
【００２５】
又、前記記憶部８には、例えば前記レーザ加工ヘッド３の初期位置を原点とする３次元座標系が格納されると共に、保護対象物である各種構造物の前記３次元座標系上の座標データが格納され、前記位置情報取得部６により取得された前記レーザ加工ヘッド３の位置情報が格納されている。
【００２６】
前記検知部９は、前記位置情報取得部６により検出された前記レーザ加工ヘッド３の位置情報と、前記保護領域設定部７により設定された前記保護領域１５と、前記記憶部８に格納された保護対象物の３次元座標データを基に、前記保護領域１５内への保護対象物の侵入を検知し、検知信号を出力する様になっている。
【００２７】
前記表示部１２は、前記レーザ加工ヘッド３や切断対象物等を撮影するカメラの映像や、前記レーザ加工ヘッド３の先端部に形成された前記保護領域１５等が表示される。又、前記入力部１３は、前記レーザ加工ヘッド３より照射される前記レーザ光線２の出力値、前記レーザ加工ヘッド３の移動速度、保護対象物の材質等、前記保護領域１５を設定する為の各種情報を入力可能となっている。更に、前記操作部１４は、例えばキーボード、タッチパネル等であり、前記駆動部４に駆動指示を出力し、前記レーザ加工ヘッド３の操作を行う様になっている。
【００２８】
次に、図２に於いて、前記保護領域１５の設定方法について説明する。尚、図２中、Ｌａは前記保護領域１５の高さを示し、ｒは該保護領域１５の底面の半径を示し、ｒ′は前記レーザ光線２のビーム径を示し、θは前記保護領域１５の広がり角を示し、θ′は前記レーザ光線２の広がり角を示している。尚、θ′は前記レーザ加工ヘッド３に内蔵された光学系により決定されるものであり、既知となっている。
【００２９】
本実施例では、保護対象物の材質をＳＵＳ（ステンレス）としている。前記保護領域１５の高さＬａは、所定の出力値の前記レーザ光線２を保護対象物に１０秒間照射した際に、保護対象物の表面温度が３００℃に到達しない距離となる様設定される。又、前記保護領域１５の半径ｒは、前記レーザ加工ヘッド３に内蔵される光学系の広がり角θ′により決定される前記レーザ光線２のビーム径ｒ′よりも大きくなる様、例えば半径ｒ′の１．２倍となる様設定される。尚、前記レーザ光線２の照射時間、前記保護対象物の表面温度、前記保護領域１５の半径ｒと前記レーザ光線２のビーム径ｒ′との関係については、上記の値に限定されるものではなく、例えば保護対象物の材質等に応じて適宜設定される。
【００３０】
ここで、保護対象物表面の上昇温度ΔＴは以下の式で表すことができる。
【００３１】
ΔＴ＝（２Ｈ／Ｋ）（κｔ／π）1/2 
【００３２】
上記式中、Ｈは熱流束を示し、ＫはＳＵＳの熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）を示し、κはＳＵＳの熱拡散係数を示し、ｔは経過時間（ｓ）を示している。尚、経過時間ｔは単位面積当たりの保護対象物への前記レーザ光線２の照射時間であり、該レーザ光線２のビーム径ｒ′と前記レーザ加工ヘッド３の移動速度から求めることができる。該レーザ加工ヘッド３の移動速度は一定としてもよいし、処理毎に設定する様にしてもよい。又、安全性の観点から、前記保護領域１５の設定に於いて、経過時間ｔを実際の経過時間よりも長く取るのが望ましい。
【００３３】
又、熱流束Ｈ及び熱拡散係数κは以下の式で表すことができる。
【００３４】
Ｈ＝Ｉ（１−ＲＳ）
【００３５】
κ＝Ｋ／ρＣ
【００３６】
上記式中、Ｉは前記レーザ光線２の出力値を該レーザ光線２の断面積で割ることで得られるビーム強度（Ｗ／ｍ2 ）を示し、ＲＳはＳＵＳの表面反射率を示し、ρはＳＵＳの密度（ｋｇ／ｍ3 ）を示し、ＣはＳＵＳの比熱（ｋＪ／ｋｇ・Ｋ）を示している。尚、前記レーザ光線２のビーム強度Ｉは、ビーム中心に強度が集中する不均一な分布であるが、本実施例ではビーム強度Ｉは照射面内に於いて均一として説明する。
【００３７】
又、上記式のうち、熱伝導率Ｋ、密度ρ、比熱Ｃ、表面反射率ＲＳ、即ち熱拡散係数κと表面反射率ＲＳは、保護対象物の材質によって決定される既知の値であり、上昇温度ΔＴは３００℃未満に設定された設定温度から保護対象物の現在の表面温度を引いた既知の値である。
【００３８】
従って、ビーム強度Ｉと経過時間ｔにより上昇温度がΔＴとなる様な保護対象物への入熱量が決定されるので、前記入力部１３を介して前記レーザ光線２の出力値、或は該レーザ光線２の出力値と前記レーザ加工ヘッド３の移動速度が入力されることで、前記レーザ光線２のビーム径ｒ′が決定される。
【００３９】
該レーザ光線２のビーム径ｒ′が決定されることで、前記保護領域１５の半径ｒが決定される。又、ビーム径ｒ′と既知の広がり角θ′により、ｔａｎθ′／２＝ｒ′／Ｌａの関係から、該保護領域１５の高さＬａが決定される。更に、該保護領域１５の高さＬａと半径ｒにより、ｔａｎθ／２＝ｒ／Ｌａの関係から、該保護領域１５の広がり角θが決定され、該保護領域１５の大きさが決定される。
【００４０】
尚、前記レーザ光線２の出力値と、該レーザ光線２のビーム径ｒ′との関係を予め関連付けてデータベース化し、前記レーザ光線２の出力が入力された際に、前記データベースを用いて前記レーザ光線２のビーム径ｒ′を求める様にしてもよい。データベースを用いることで処理時間の短縮を図ることができる。
【００４１】
又、前記レーザ光線２の出力を小さくすることで、前記保護領域１５の底面の断面積を小さくすることができ、図３に示される様に、前記レーザ光線２の出力を増減させることで、前記保護領域１５の拡大縮小を行うことができる。
【００４２】
尚、ビーム強度Ｉが所定値以下となる様に、前記レーザ光線２の既知の広がり角θ′と前記レーザ加工ヘッド３の先端からの距離Ｌａに基づき、保護対象物１６（図３参照）が入らない大きさの前記保護領域１５を設定してもよい。
【００４３】
次に、図３に於いて、前記レーザ切断装置１の動作について説明する。
【００４４】
先ず始めに、前記入力部１３よりレーザ光線２の出力値が設定されることで、前記保護領域設定部７が前記レーザ光線２の広がり角、該レーザ光線２の出力値、前記保護対象物１６の材質等を基に、前記レーザ加工ヘッド３の先端より前記レーザ光線２の照射方向に広がる円錐状の前記保護領域１５を設定する。
【００４５】
該保護領域１５の設定後、作業者が前記表示部１２に表示されたカメラ映像等を参照し、前記操作部１４を介して前記レーザ加工ヘッド３を切断対象物１７を切断可能な位置迄移動させる。
【００４６】
この時、前記レーザ加工ヘッド３の位置情報は、前記位置情報取得部６によりリアルタイムで取得され、前記記憶部８に格納される。
【００４７】
前記レーザ発振制御部５より前記レーザ光線２の照射指示が出力されると、前記レーザ加工ヘッド３より前記レーザ光線２が照射され、前記切断対象物１７のレーザ切断が行われる。
【００４８】
切断処理中、前記レーザ加工ヘッド３の位置がリアルタイムで演算され、前記保護領域１５の位置が演算され、前記検知部９により前記レーザ加工ヘッド３の先端に形成された前記保護領域１５の位置情報と前記保護対象物１６の位置情報との比較がリアルタイムで行われており、前記保護領域１５への前記保護対象物１６の侵入が検知された際には、前記検知部９より検知信号が出力される。
【００４９】
該検知部９から検知信号が出力されると、前記演算制御部１１が前記レーザ発振制御部５に前記レーザ光線２の停止指示を出力させ、前記レーザ加工ヘッド３から照射される前記レーザ光線２が停止される。
【００５０】
この状態で、前記切断対象物１７の切断処理を続行する場合には、前記入力部１３を介して前記レーザ光線２の出力値を低下させ、前記保護領域１５内に前記保護対象物１６が入らない様、前記保護領域１５を縮小させ保護領域１５′とする。それに伴い、前記入力部１３を介して前記レーザ加工ヘッド３の移動速度を低下させ、経過時間ｔを増加させることで、即ち前記切断対象物１７に対する前記レーザ光線２の照射時間を増加させることで、切断に必要な入熱量が確保でき、前記切断対象物１７の切断処理を続行することができる。
【００５１】
上述の様に、本実施例では、前記保護対象物１６の誤切断を防止する為の前記保護領域１５の形状を、前記レーザ加工ヘッド３の先端部から前記レーザ光線２の照射方向に向って広がる円錐状とし、略該レーザ光線２を含む範囲に限定している。
【００５２】
従って、前記レーザ加工ヘッド３の側方や基端側等、レーザ切断とは関係のない箇所に位置する前記保護対象物１６によって切断処理が中断されることがなく、前記レーザ加工ヘッド３の移動可能な範囲を広げることができ、切断停止の範囲、頻度をを少なくすることができ、作業効率の向上を図ることができる。
【００５３】
又、前記保護領域１５は、前記レーザ加工ヘッド３に内蔵された光学系の広がり角θ′及び前記レーザ光線２のビーム径ｒ′を基に設定されるので、前記レーザ加工ヘッド３の先端側であっても、切断処理に拘わらない箇所に位置する前記保護対象物１６によって切断処理が中断されるのを防止することができる。
【００５４】
又、前記保護領域１５の底面の半径ｒは、前記レーザ光線２のビーム径ｒ′よりも大きくなる様設定され、前記保護領域１５が実際のレーザ光線２の照射範囲よりも大きくなっているので、前記保護領域１５に前記保護対象物１６が侵入した際に、該保護対象物１６に対して前記レーザ光線２が照射されるのを防止することができる。
【００５５】
又、前記保護領域１５の設定の際に、経過時間ｔを実際の時間よりも長くする。即ち、前記レーザ光線２の保護対象物への照射時間を多めに見積もることで、何らかの不具合により前記レーザ光線２が設定よりも長く保護対象物に照射された場合であっても、保護対象物の誤切断を抑制でき、安全性を向上させることができる。
【００５６】
更に、前記レーザ光線２の出力値の増減により、前記保護領域１５の拡大縮小が可能となっているので、固定された配管等、保護対象物１６が移動できないものである場合でも、該保護対象物１６を前記保護領域１５内に侵入させることなく切断処理を続行させることができる。
【符号の説明】
【００５７】
１    レーザ切断装置          ２    レーザ光線
３    レーザ加工ヘッド        ４    駆動部
５    レーザ発振制御部        ６    位置情報取得部
７    保護領域設定部          ８    記憶部
９    検知部                  １１  演算制御部
１５  保護領域                １６  保護対象物
１７  切断対象物
【図１】
0006519211.tif 000002
【図２】
0006519211.tif 000003
【図３】
0006519211.tif 000004