(57)【要約】      （修正有）【課題】レーザ光の発散角に起因する焦点位置のずれを補正し、ワークに対する焦点位置を一定に維持することが出来る。【解決手段】焦点位置補正量演算手段は、レーザ発振手段７と照射手段３５との間のレーザ光ＲＺの伝達距離の変動に伴う、レーザ光ＲＺの焦点位置ＦＰの補正量Δｆｄを演算し、焦点位置制御手段は、補正量Δｆｄに基づいて移動駆動手段を制御して、レーザ光ＲＺのワーク７０に対する焦点位置ＦＰを調整するように制御する。これにより、レーザ光ＲＺの発散角に起因する焦点位置のずれを補正することが可能となり、レーザ光ＲＺの伝達距離が変動する場合であっても、ワーク７０に対する焦点位置ＦＰを一定に維持することが出来、ワーク７０上のいずれの場所においても加工むらのない切断面を実現することが出来る。【選択図】  図８
2004195492.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振するレーザ発振手段を有し、該レーザ発振手段が発振したレーザ光をワークに集光する照射手段を有し、前記レーザ発振器と照射手段を連絡するレーザ光伝達手段を有し、前記照射手段を前記ワークに対して相対的に移動駆動させる移動駆動手段を有するレーザ加工機において、
前記レーザ光伝達手段による前記レーザ発振手段と前記照射手段との間のレーザ光の伝達距離を演算するレーザ光伝達距離演算手段を設け、
前記レーザ光の伝達距離の変動に伴う、前記レーザ光の焦点位置の補正量を演算する焦点位置補正量演算手段を設け、
前記焦点位置補正量演算手段により演算された補正量に基づいて前記移動駆動手段を制御して、前記レーザ光のワークに対する焦点位置を調整するように制御する焦点位置制御手段を設けて構成した、レーザ加工機。
【請求項２】
前記レーザ光伝達距離演算手段は、前記ワークに対する照射手段の水平方向の移動量を検出する水平方向移動量検出手段を有しており、
前記レーザ光伝達距離演算手段は、前記水平方向移動量検出手段により検出された前記ワークに対する照射手段の水平方向の移動量に基づいて、前記レーザ光の伝達距離を演算することを特徴とする、請求項１記載のレーザ加工機。
【請求項３】
前記水平方向移動量検出手段は、水平面内で互いに直交する方向の前記移動量を検出することを特徴とする、請求項２記載のレーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光をワークに対して２次元又は３次元的に移動させて加工を行なうことが出来るレーザ加工機に係り、詳しくは、ワークに対する焦点位置を一定に維持することの出来るレーザ加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のレーザ加工装置としては、加工プログラム中で、集光レンズをワークに対して垂直方向に移動制御できるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このようなレーザ加工機は、ワークの材質や板厚などに応じて送り速度や焦点距離などの加工条件が、予めデータベースに登録されており、オペレータが、加工すべきワークの材質や板厚を加工プログラム中で指定することにより、所定データが読み出されて対応する加工条件に従った加工が行なわれるようになっている。従って、レーザ光ＲＺを集光する集光レンズ３５は、上記加工条件に従って、その焦点距離が一定になるように配置制御される。例えば、焦点距離が、図９（ａ）に示すように、ワーク７０に対する焦点位置を該ワーク７０の表面上とする焦点距離ｆｄ０となるように制御され、レーザ光ＲＺが、ワーク７０上の位置Ｐ１、…、Ｐ２で集光される。これにより、ワーク７０上のいずれの場所においても加工むらのない切断面を実現することが出来る。
【０００３】
【特許文献１】
特開平４−３０００８５号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述したレーザ光ＲＺは、厳密には、図９（ａ）に示したような平行光線ではなく、同図（ｂ）に示すように、光路長ＯＬに応じてビーム径が広がる性質、即ち発散角を有する。例えば、集光レンズ３５を光路長ＯＬ１０からＯＬ２０の位置に移動・配置すると、位置Ｐ１で集光されていたレーザ光ＲＺが、集光すべき位置Ｐ２からずれて位置Ｐ３で焦光されてしまい、ワーク７０の表面上でビーム径が広がり過ぎ、そのため加工むらを生じさせてしまう場合がある。
【０００４】
特に、光路長ＯＬの変化が比較的大きい加工形状（例えば図中左右に長い切断経路を有する形状）の場合は、光路長ＯＬの最短・最長間の差が大きくなるため、上述したレーザ光ＲＺの発散角に起因する焦点位置のずれが大きくなる不都合がある。
【０００５】
そこで本発明は、レーザ光の発散角に起因する焦点位置のずれを補正し、ワークに対する焦点位置を一定に維持することが出来る、レーザ加工機を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、レーザ光（ＲＺ）を発振するレーザ発振手段（７）を有し、該レーザ発振手段（７）が発振したレーザ光（ＲＺ）をワーク（７０）に集光する照射手段（２７、３０、３５）を有し、前記レーザ発振器（７）と照射手段（２７、３０、３５）を連絡するレーザ光伝達手段（９、９ａ、９ｂ、２０、２１、２６）を有し、前記照射手段（２７、３０、３５）を前記ワーク（７０）に対して相対的に移動駆動させる移動駆動手段（５８、５８Ｘ、５８Ｙ、５８Ｚ、６４）を有するレーザ加工機（１）において、
前記レーザ光伝達手段（９、９ａ、９ｂ、２０、２１、２６）による前記レーザ発振手段（７）と前記照射手段（２７、３０、３５）との間のレーザ光（ＲＺ）の伝達距離（例えばＬ）を演算するレーザ光伝達距離演算手段（５９Ｘ、５９Ｙ、５９Ｚ、６２）を設け、
前記レーザ光（ＲＺ）の伝達距離（例えばＬ）の変動に伴う、前記レーザ光（ＲＺ）の焦点位置（ＦＰ）の補正量（例えばΔｆｄ）を演算する焦点位置補正量演算手段（６１、６２）を設け、
前記焦点位置補正量演算手段（６１、６２）により演算された補正量（例えばΔｆｄ）に基づいて前記移動駆動手段（５８、５８Ｘ、５８Ｙ、５８Ｚ、６４）を制御して、前記レーザ光（ＲＺ）のワーク（７０）に対する焦点位置（ＦＰ）を調整するように制御する焦点位置制御手段（６２、６３）を設けて構成される。
【０００７】
請求項２の発明は、前記レーザ光伝達距離演算手段は、前記ワーク（７０）に対する照射手段（２７、３０、３５）の水平方向の移動量（例えばＸ、Ｙ）を検出する水平方向移動量検出手段（例えば５９Ｘ、５９Ｙ）を有しており、
前記レーザ光伝達距離演算手段は、前記水平方向移動量検出手段（例えば５９Ｘ、５９Ｙ）により検出された前記ワーク（７０）に対する照射手段（２７、３０、３５）の水平方向の移動量（例えばＸ、Ｙ）に基づいて、前記レーザ光（ＲＺ）の伝達距離（例えばＬ）を演算することを特徴として構成される。
【０００８】
請求項３の発明は、前記水平方向移動量検出手段（５９Ｘ、５９Ｙ）は、水平面内で互いに直交する方向の前記移動量（Ｘ、Ｙ）を検出することを特徴として構成される。
【０００９】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、焦点位置制御手段（６２、６３）は、焦点位置補正量演算手段（６１、６２）により演算された補正量（例えばΔｆｄ）に基づいて、移動駆動手段（５８、５８Ｘ、５８Ｙ、５８Ｚ、６４）を制御して、レーザ光（ＲＺ）のワーク（７０）に対する焦点位置（ＦＰ）を調整するので、レーザ光（ＲＺ）の発散角に起因する焦点位置（ＦＰ）のずれを補正することが可能となり、レーザ光（ＲＺ）の伝達距離（例えばＬ）が変動する場合であっても、ワーク（７０）に対する焦点位置（ＦＰ）を一定に維持することが出来る。これにより、ワーク（７０）上のいずれの場所においても加工むらのない切断面を実現することが出来る。
【００１０】
請求項２の発明によれば、レーザ光伝達距離演算手段は、水平方向移動量検出手段（例えば５９Ｘ、５９Ｙ）により検出されたワーク（７０）に対する照射手段（２７、３０、３５）の水平方向の移動量（例えばＸ、Ｙ）に基づいて、レーザ光（ＲＺ）の伝達距離（例えばＬ）を演算するので、移動量の絶対量が少なく、焦点位置（ＦＰ）の変動に与える影響が小さな、照射手段（２７、３０、３５）の垂直方向の移動量を検出することなく、簡単な構成とすることが出来る。また、レーザ加工機（１）においてワークの大部分を占める板材などにおいては、照射手段（２７、３０、３５）の垂直方向の移動は少なく、その変化量はほとんど無視出来るから、加工精度の向上を達成しつつ、機械構成が複雑化することを防止することが出来る。
【００１１】
請求項３の発明によれば、レーザ光伝達距離演算手段（６２）は、水平方向移動量検出手段（５９Ｘ、５９Ｙ）により検出された水平面内で互いに直交する方向の移動量（Ｘ、Ｙ）に基づいて、レーザ光（ＲＺ）の伝達距離（例えばＬ）を演算するので、照射手段（２７、３０、３５）駆動用の既存のＸ、Ｙ方向の移動量検出手段（５９Ｘ、５９Ｙ）を使用することが出来、簡単な構成とすることが出来る。
【００１２】
なお、括弧内の番号などは、図面における対応する要素を示す便宜的なものであり、従って、本記述は図面上の記載に限定拘束されるものではない。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１は、本発明が適用されるレーザ加工機の一例を示す概略斜視図、図２は、図１のレーザ加工機におけるサドルを示した詳細正面（一部断面）図、図３は、図２のサドルのうちトーチ付近を示した拡大断面図、図４は、図１のレーザ加工機における制御装置を示したブロック図、図５は、図１のレーザ加工機の上面図に示したＸ、Ｙ座標の説明図、図６は、移動量と光路長の関係を示す図で、（ａ）はＸ、Ｙ座標上の移動量を示す図、（ｂ）は移動量を一軸に展開した図、図７は、焦点距離補正量マップの一例を示す図、図８は、本発明による集光レンズの移動制御の説明図、図９は、従来のレーザ加工機における光路長に対する焦点距離の関係を示した説明図で、（ａ）はレーザ光を平行光線とした場合、（ｂ）はレーザ光の発散角を考慮した場合である。
【００１４】
図１は、本発明の一実施例であるレーザ加工機１を示しており、該レーザ加工機１は、図１に示すように、レーザ照射装置１ａ、制御装置１ｂ、及びレーザ発振器７が内部に設けられたレーザ発振装置１ｃを備えている。レーザ照射装置１ａには、制御装置１ｂを介してレーザ発振装置１ｃが付設されており、ベース２とコラム５が設けられている。
【００１５】
ベース２にはワーク設置用のテーブル３が設けられている。テーブル３には、ワーク７０を載置する水平なワーク搭載面３ａが形成されている。またコラム５は、上記テーブル３を跨ぐ形で、後述するＸ軸駆動モータ５８Ｘを介して、図の矢印±Ｘ軸方向に移動駆動自在に設けられている。
【００１６】
またコラム５には、矢印±Ｘ軸方向とは直角な水平方向である矢印±Ｙ軸方向に伸延した形で、サドル用レール５ａ、５ａが設けられている。サドル用レール５ａ、５ａには、サドル６が、後述するＹ軸駆動モータ５８Ｙを介して、サドル用レール５ａ、５ａに沿って移動駆動自在に設けられている。またサドル６は、レーザ光路管９を介して、レーザ発振器７の側部に設けられた発振器出口７ａに接続されている。
【００１７】
レーザ光路管９は、コラム５の動きに伴ってＸ軸方向に伸縮自在なＸ軸伸縮管９ａと、サドル６の動きに伴ってＹ軸方向に伸縮自在なＹ軸伸縮管９ｂからなり、Ｘ軸伸縮管９ａとＹ軸伸縮管９ｂが接続されているレーザ光路管９内部には、反射鏡１２が設けられている。従って、レーザ発振器７により射出されたレーザ光ＲＺ（一点鎖線）は、発振器出口７ａから＋Ｘ軸方向に射出され、＋Ｘ軸方向に伸びる光路ＯＰ１（一点鎖線）に沿ってＸ軸伸縮管９ａの内部を通過すると、反射鏡１２により＋Ｙ軸方向に反射されて、＋Ｙ軸方向に伸びる光路ＯＰ２（一点鎖線）に沿ってＹ軸伸縮管９ｂの内部を通過し、サドル６に到達するようになっている。
【００１８】
また、レーザ光路管９の内部には、例えば公知のリニアスケールなどからなる、後述するＸ軸移動量検出部５９Ｘ及びＹ軸移動量検出部５９Ｙが設けられている。Ｘ軸移動量検出部５９Ｘは、Ｘ軸方向へのコラム５の移動量（以下、「Ｘ軸移動量Ｘ」という。）を検出するようになっている。また、Ｙ軸移動量検出部５９Ｙも同様に、Ｙ軸方向へのサドル６の移動量（以下、「Ｙ軸移動量Ｙ」という。）を検出するようになっている。
【００１９】
図２は、サドル６の詳細を示しており、サドル６は、図２に示すように、矢印±Ｙ軸方向に移動駆動自在なサドル本体１３を有している。サドル本体１３には、ヘッド用レール１５、１５が、矢印±Ｘ軸方向、及び矢印±Ｙ軸方向に直角な、従って鉛直な矢印±Ｚ軸方向に伸延した形で設けられており、ヘッド用レール１５、１５に加工ヘッド１６が設けられている。また加工ヘッド１６には、ヘッド本体１７が、Ｚ軸駆動モータ５８Ｙを備えた移動駆動手段１９を介して、ヘッド用レール１５、１５に沿って矢印±Ｚ軸方向に移動駆動自在に設けられている。
【００２０】
なお、サドル６の内部には、上述したＸ軸、Ｙ軸移動量検出部５９Ｘ、５９Ｙと同様に、後述するＺ軸移動量検出部５９Ｚが設けられており、該Ｚ軸移動量検出部５９Ｚは、Ｚ軸方向へのヘッド本体１７の移動量（以下、「Ｚ軸移動量Ｚ」という。）を検出するようになっている。
【００２１】
ヘッド本体１７には、Ｚ軸方向に伸延された円筒形の外スリーブ部材２０が、Ｚ軸に平行な軸心ＣＴ１中心に矢印±Ａ軸方向に回転自在に支持されており、外スリーブ部材２０内には、該外スリーブ部材２０よりも小径で、かつＺ軸方向に伸延した円筒形の内スリーブ部材２１が、該外スリーブ部材２０と同芯状に互いに回転自在な形で配置されている。またヘッド本体１７には、Ａ軸駆動歯車２３が回転駆動自在に設けられたＡ軸駆動モータ５８Ａ、及びＢ軸駆動歯車２２が回動駆動自在に設けられたＢ軸駆動モータ５８Ｂが設けられている。その一方で、外スリーブ部材２０の外周側には外スリーブ歯車２０ａが、上記Ｂ軸駆動歯車２２に噛合した形で形成されており、内スリーブ部材２１の外周側には内スリーブ歯車２１ａが、上記Ａ軸駆動歯車２３に噛合した形で形成されている。
【００２２】
内スリーブ部材２１の内部にはレーザ光ＲＺが通過できるレーザ通過空間ＫＲ１が形成されており、内スリーブ部材２１は、外スリーブ部材２０の上端よりも更に上方に伸延しており、内スリーブ部材２１の上端はジョイント部２１ｂとなっている。一方、サドル本体１３には、上述したレーザ光路管９のＹ軸伸縮管９ｂの先端が接続されたレーザ受入部材２５が、ヘッド本体１７の矢印±Ｚ方向の動きに対して追従しない形で設けられており、レーザ受入部材２５内には反射鏡２４が設けられている。従って、レーザ光路管９のＹ軸伸縮管９ｂを介して受け入れたレーザ光ＲＺ（一点鎖線）が、該レーザ受入部材２５のレーザ供給部２５ａから−Ｚ軸方向に伸びる光路ＯＰ３（一点鎖線）に沿って送り出されるようになっている。このレーザ供給部２５ａは、上記内スリーブ部材２１のジョイント部２１ｂと図の矢印±Ｚ方向に向き合った形で配置されており、これらレーザ供給部２５ａとジョイント部２１ｂの間は矢印±Ｚ方向に伸縮自在なジョイント光路管２６（二点鎖線）により接続されている。
【００２３】
図３は、サドル６のうちトーチ３０付近を示しており、外スリーブ部材２０の下端付近には、図３に示すように、該外スリーブ部材２０の側部に配置された形で回転先端部材２７が設けられている。回転先端部材２７のうち図３左端側は、上記軸心ＣＴ１と直角な軸心ＣＴ２を中心とした基本的に円筒形に形成された回転部材２９となっており、回転先端部材２７は、外スリーブ部材２０に対して軸心ＣＴ２を中心に図の矢印±Ｂ軸方向に回転自在に軸支されている。また回転先端部材２７の図３下端部にはトーチ３０が設けられており、該トーチ３０は、前記軸心ＣＴ２に直角な方向である図の矢印Ｍ方向に突出した形になっている。回転先端部材２７のうち上記回転部材２９は外スリーブ部材２０内に嵌入しており、その端部には傘歯車２７ａが設けられている。上述した内スリーブ部材２１の下端にも傘歯車２１ｃが設けられており、回転部材２９の傘歯車２７ａと内スリーブ部材２１の傘歯車２１ｃは互いに噛合している。
【００２４】
回転先端部材２７の内部には、レーザ光ＲＺが通過し得るレーザ通過空間ＫＲ２が形成されており、レーザ通過空間ＫＲ２は、回転先端部材２７の図３左端部から軸心ＣＴ２に沿った方向に外スリーブ部材２０内に開口している。一方、内スリーブ部材２１のレーザ通過空間ＫＲ１はその下端において、下方、即ち外スリーブ部材２０内に開口しており、外スリーブ部材２０内には、これらレーザ通過空間ＫＲ１の下方及び、レーザ通過空間ＫＲ２の左方に対応した形で反射鏡３２が設けられている。従って、上述したレーザ受入部材２５のレーザ供給部２５ａから−Ｚ軸方向に送り出されたレーザ光ＲＺは、反射鏡３２により反射されて、軸心ＣＴ２方向に対して平行に伸びる光路ＯＰ４（一点鎖線）に沿ってレーザ通過空間ＫＲ２に進入するようになっている。
【００２５】
また回転部材２９内には、軸心ＣＴ２方向に入射して来たレーザ光ＲＺを屈折し、かつ軸心ＣＴ２方向と平行な方向に移動駆動自在な集光レンズ３５が設けられている。集光レンズ３５には、該集光レンズ３５を軸心ＣＴ２方向と平行な方向に移動駆動及び位置決め可能な、例えばリニアアクチュエータからなる後述するレンズ移動モータ６４が設けられている。また、回転先端部材２７の内部にも、反射鏡３３が集光レンズ３５により屈折されたレーザ光ＲＺをトーチ３０に向けて、従って矢印Ｍ方向に反射し得る形で設けられている。
【００２６】
トーチ３０の先端には、レーザ光射出用の射出口３０ａが図の矢印Ｍ方向に向けて形成されており、また該トーチ３０の先端と、該先端前方のワーク７０の位置との間における矢印Ｍ方向の距離を検知して所定の電気信号を出力するセンサ３６が設けられている。トーチ３０には、該センサ３６からの電気信号を出力するためのケーブル３７が接続されており、該ケーブル３７は、演算回路（図示せず）を内蔵する回路ケーシング３９に接続されている。
【００２７】
また、ガスボンベ等からなる公知のアシストガス供給手段（図示せず）が、ヘッド本体１７のガス流通孔４２に接続されており、該ガス流通孔４２は、ヘッド本体１７と外スリーブ部材２０の間に設けられたガス輸送穴４３を介して、ガス輸送管４５に接続されている。更にガス輸送管４５は、外スリーブ部材２０の外部及び回転先端部材２７の外部を通って回転先端部材２７に接続されている。そして、回転先端部材２７内のレーザ通過空間ＫＲ２に面した該回転先端部材２７の内壁面２７ｂには、前記ガス輸送管４５からのアシストガスＡＧを回転先端部材２７内のレーザ通過空間ＫＲ２に放出し得る形で放出穴４５ａが開口している。
【００２８】
図４は、制御装置１ｂを示したブロック図を示している。制御装置１ｂは、図４に示すように主制御部５１を有しており、主制御部５１にはバス線５２を介して、キーボード５３、ディスプレイ５４、システムプログラムメモリ５５、加工制御部５６、画像制御部５７、駆動制御部５８、加工プログラムメモリ６０、加工データベース６１、ＮＣ解析部６２、Ｘ軸移動量検出部５９Ｘ、Ｙ軸移動量検出部５９Ｙ、Ｚ軸移動量検出部５９Ｚ、サーボ制御部６３などが接続されている。また、駆動制御部５８には、Ｘ軸駆動モータ５８Ｘ、Ｙ軸駆動モータ５８Ｙ、Ｚ軸駆動モータ５８Ｚ、Ａ軸駆動モータ５８Ａ、及びＢ軸駆動モータ５８Ｂが接続されており、サーボ制御部６３には、レンズ移動モータ６４が接続されている。
【００２９】
レーザ加工機１は以上のような構成を有するので、レーザ加工機１を用いてワーク７０を加工する際には、まずオペレータ（作業者）は、加工すべきワーク７０を図１に示すワーク搭載面３ａ上に載置する。次いでオペレータは、制御装置１ｂが備える起動スイッチ（図示せず）を介して起動指令を入力し、この指令を受けた主制御部５１は、システムプログラムメモリ５５からシステムプログラムＳＹＳを読み込み、これ以降、読み込まれた該システムプログラムＳＹＳに従って処理を進める。
【００３０】
まず主制御部５１は、画像制御部５７に対して、加工プログラムＰＲＯの作成を促す画面（図示せず）の表示を指令し、画像表示部５７は該画面をディスプレイ５４に表示させる。オペレータは、該表示された画面に従い、加工形状に応じた加工プログラムＰＲＯを、キーボード５３を介して作成する。またこの際、所定専用コードに基づいてワーク７０の材質及び板厚を該加工プログラムＰＲＯ中に指定する。
【００３１】
加工プログラムＰＲＯの作成が完了すると、オペレータは、作成が完了した旨の信号をキーボード５３を介して入力し、これを受けて主制御部５１は、作成された加工プログラムＰＲＯを加工プログラムメモリ６０に格納する。なお、加工プログラムＰＲＯは予め作成されたものをオンライン又は記録媒体を介してレーザ加工機１に対して供給してもよい。
【００３２】
次いでオペレータが、上記加工プログラムＰＲＯを実行する旨をキーボード５３を介して入力すると、これを受けて主制御部５１は、加工制御部５６に対して加工プログラムＰＲＯの実行を指令する。加工制御部５６は、加工プログラムＰＲＯの実行にあたり、まず駆動制御部５８に対してトーチの射出口３０ａの原点復帰を指令する。これを受けて駆動制御部５８は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸駆動モータ５８Ｘ、５８Ｙ、５８Ｚに所定信号を出力し、コラム５、サドル６、及びヘッド本体１７をそれぞれ所定量移動させて、トーチの射出口３０ａを図５に示す機械原点ＺＰに配置する。
【００３３】
ところで、レーザ加工機１には、互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ３次元座標系が予め設定されており、図５に示すように、機械原点ＺＰを基準とした、上記Ｘ、Ｙ座標がワーク搭載面３ａ上に設定されている。従ってこれらＸ、Ｙ、Ｚ座標は、コラム５、サドル６、及びヘッド本体１７の各軸の移動量Ｘ、Ｙ、Ｚ、つまり原点復帰されたトーチの射出口３０ａの各軸の移動量と一致する関係にある。なお、図５において、Ｚ座標は紙面鉛直方向に設定されているが、説明の都合上省略している。
【００３４】
トーチの射出口３０ａが機械原点ＺＰに配置されると、加工制御部５６は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸移動量検出部５９Ｘ、５９Ｙ、５９Ｚに所定信号を出力し、各Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸移動量Ｘ、Ｙ、Ｚを０にリセットする。
【００３５】
原点復帰が終了すると、次いで加工制御部５６は、加工プログラムＰＲＯ中に指定されたワーク７０の材質及び板厚に応じた加工条件データを、加工データベース６１から呼び出す。加工データベース６１には、材質（例えばＳＰＨＣ、ＳＵＳ）及び板厚（例えば２．３ｍｍ、６ｍｍ、２５ｍｍ）の組合せに対応して、複数の加工条件データが格納されている。加工条件データは、トーチ３０の送り速度、レーザ出力、ワーク７０に対して垂直方向（例えばワーク７０が板材の場合はＺ軸方向）の集光レンズ３５の焦点距離ｆｄなどのデータがからなる。つまり、上記焦点距離ｆｄは、材質及び板厚の組合せに対応して、レーザ光ＲＺを集光すべきワーク７０の板厚に対する垂直方向の位置（以下、「焦点位置ＦＰ」という。）を所定位置に設定する形で、加工データベース６１に格納されている。
【００３６】
所定の加工条件データを呼び出すと、加工制御部５６は、駆動制御部５８に対して、加工プログラムＰＲＯ中の加工ステップに従い、例えば直線補間指令などの所定指令を出力する。駆動制御部５８は、Ｘ軸、Ｙ軸駆動モータ５８Ｘ、５８Ｙに所定信号を出力し、コラム５及びサドル６をＸ、Ｙ軸方向にそれぞれ所定量移動駆動させて、トーチの射出口３０ａを上記機械原点ＺＰから加工開始位置であるピアシングポイントに移動配置させる。また、Ｚ軸駆動モータ５８Ｚに所定信号を出力し、ヘッド本体１７を所定量移動駆動させて、集光レンズ３５を、上記加工条件データに基づき例えば焦点距離ｆｄ０に移動配置させる。
【００３７】
そして加工制御部５６は、レーザ制御部（図示せず）に対して上記加工条件データのレーザ出力に基づく発振を指令し、これを受けてレーザ制御部はレーザ発振器７により所定出力のレーザ光ＲＺを発振させる。また、アシストガス供給手段から供給されるアシストガスＡＧが、ワーク７０に向けて放出される。
【００３８】
こうして駆動制御部５８は、加工制御部５６の指令に従って、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸軸駆動モータ５８Ｘ、５８Ｙ、５８Ｚにより、コラム５、サドル６、及びヘッド本体１７を、上記加工条件の送り速度で移動駆動させる。これにより、レーザ光ＲＺを射出するトーチの射出口３０ａが、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向にそれぞれ移動駆動されて、ワーク７０の加工制御が開始されることとなる。
【００３９】
また、ワーク７０の加工開始の際に、主制御部５１は、ＮＣ解析部６２に対して焦点距離制御の実行を指令し、これを受けてＮＣ解析部６２は、上述した加工制御と共に、レーザ光ＲＺの光路長に基づいて、集光レンズ３５が移動配置された焦点距離ｆｄ０を補正する。
【００４０】
即ち、本発明に係るレーザ加工機１は、レーザＲＺの光路長に基づいて焦点距離ｆｄを可変制御することにより、レーザ光ＲＺの発散角に起因する焦点位置ＦＰのずれを補正して、ワーク７０に対する焦点位置ＦＰを一定に維持するものである（詳細は後述）。従ってＮＣ解析部６２は、ワーク７０に対する焦点位置ＦＰを一定に維持するため、加工データベース６１に格納されている焦点距離補正量マップＭＡＰを呼び出す。
【００４１】
ここで、焦点距離補正量マップＭＡＰについて図６及び図７に沿って説明する。図６は、総移動量Ｌと光路長ＯＬ１の関係を示す図で、（ａ）はＸ、Ｙ座標上の総移動量Ｌを示す図、（ｂ）は総移動量Ｌを一軸に展開した図、図７は、焦点距離補正量マップＭＡＰの一例を示す図である。
【００４２】
図６（ａ）に示すテーブル３ａは、図５に示すレーザ加工機１中のテーブル３ａのみを抜粋した形で示している。従って、図６（ａ）中左下隅に示す機械原点ＺＰは、図５に示す機械原点ＺＰと対応する位置にある。Ｘ、Ｙ座標は、既に述べたように、図６（ａ）に示すテーブル３ａ上に機械原点ＺＰを基準として設定されており、加工プログラムＰＲＯの実行前は、トーチの射出口３０ａは該機械原点ＺＰに原点復帰されている。
【００４３】
この状態でトーチの射出口３０ａが、例えば、加工ポイントＰ１（Ｘ１、Ｙ１）へ移動駆動される場合、トーチの射出口３０ａの各軸の移動量はそれぞれＸ１、Ｙ１である。また、該移動駆動に伴って、Ｘ軸伸縮管９ａ及びＹ軸伸縮管９ｂは、それぞれ上述と同様にＸ１、Ｙ１の長さだけ伸延される。
【００４４】
ところで、レーザ光ＲＺが発振器出口７ａより射出されてから集光レンズ３５により屈折されるまでの、光路長ＯＬ１は、レーザ光ＲＺが通過した距離の総和である。即ち、該光路長ＯＬ１は、発振器出口７ａからＸ軸伸縮管９ａを介して反射鏡１２までの光路ＯＰ１（図１参照）、該反射鏡１２からＹ軸伸縮管９ｂを介してレーザ受入部材２５内部の反射鏡２４までの光路ＯＰ２（図１参照）、該反射鏡２４から外スリーブ部材２０内部の反射鏡３２までの光路ＯＰ３（図２、図３参照）、及び該反射鏡３２から集光レンズ３５までの光路ＯＰ４（図３参照）の距離の総和で表される。
【００４５】
従って、上述したトーチの射出口３０ａの加工ポイントＰ１への移動駆動により、上記光路長ＯＬ１は、Ｘ軸伸縮管９ａ及びＹ軸伸縮管９ｂが伸延された長さ、つまりＸ軸移動量Ｘ１とＹ軸移動量Ｙ１の和だけ長くなったこととなる。ここで、機械原点ＺＰから各軸の移動量Ｘ、Ｙ、Ｚの総和を、トーチの射出口３０ａの総移動量Ｌと定義すると、光路長ＯＬ１は総移動量Ｌ１＝Ｘ１＋Ｙ１だけ長くなったこととなる。
【００４６】
同様に、トーチの射出口３０ａが、加工ポイントＰ２（Ｘ２、Ｙ２）へ移動駆動されると、光路長ＯＬ１は総移動量Ｌ２＝Ｘ２＋Ｙ２だけ長くなり、また加工ポイントＰ３（Ｘ３、Ｙ３）へ移動駆動されると、光路長ＯＬ１は総移動量Ｌ３＝Ｘ３＋Ｙ３だけ長くなる。更に、図６（ａ）中右上隅に示す、トーチの射出口３０ａがテーブル３ａ上を移動し得る最大のＸ、Ｙ座標の加工ポイントＰ４（Ｘ４（Ｘｍａｘ）、Ｙ４（Ｙｍａｘ））に移動駆動されると、光路長ＯＬ１は総移動量Ｌ４（Ｌｍａｘ）＝Ｘ４（Ｘｍａｘ）＋Ｙ４（Ｙｍａｘ）だけ長くなる。
【００４７】
即ち、トーチの射出口３０ａの移動駆動による光路長ＯＬ１の変動量は、トーチの射出口３０ａが移動駆動されるＸ、Ｙ座標に関係なく、上述した総移動量Ｌのみで表すことが出来る。従って、該光路長ＯＬ１の変動量は、図６（ｂ）に示すように、各軸の移動量Ｘ、Ｙ、Ｚを総和として一軸に展開された、０からＬｍａｘの総移動量Ｌで表される。なお、簡便な説明とするため、光路長ＯＬ１の変動量についてＸ、Ｙ軸のみで説明したが、ヘッド本体１７をＺ軸方向に移動駆動した場合は、上記総移動量ＬにそのＺ軸移動量Ｚを加算すればよい。
【００４８】
ここで、レーザ光ＲＺの発散角とは、レーザ光ＲＺが発振器出口７ａから離れることで広がるビーム径の変化量を、該出口７ａ付近でのビーム径に対する角度で表したものである。即ち、レーザ光ＲＺは、発振器出口７ａから離れるほど、つまり光路長ＯＬ１が長くなるほど、ビーム径が広がる関係にあるので、同様に上述した総移動量Ｌが大きいほど、ビーム径が広がる関係にある。
【００４９】
即ち、総移動量Ｌが大きくなるに従って、レーザ光ＲＺの発散角に応じて焦点距離ｆｄが大きくなるように集光レンズ３５を移動制御すれば、ワーク７０に対する焦点位置ＦＰを一定に維持することが可能となる。本実施形態にあっては、図７に示すように、ワーク７０に対する焦点位置ＦＰを一定に維持するように、前述の加工条件データに基づいて集光レンズ３５が移動配置された上記焦点距離ｆｄ０に対する補正量として（つまり焦点位置ＦＰの補正量として）、総移動量Ｌに対する焦点距離補正量Δｆｄを示す焦点距離補正量マップＭＡＰが準備されている。
【００５０】
焦点距離補正量マップＭＡＰは、図７に示すように、総移動量Ｌが大きくなるに従い、レーザ光ＲＺの発散角に応じて焦点距離補正量Δｆｄが大きくなる例えば曲線ＣＶを呈している。なお該曲線ＣＶは一例であって、その関係は発散角によって異なり、例えば発散角を一定であれば、焦点距離補正量Δｆｄは総移動量Ｌに対して正比例の関係となる。但し、発散角が一定でなくても、焦点位置ＦＰを略一定に維持できる範囲で正比例の関係として近似することも可能である。
【００５１】
また、集光レンズ３５が移動配置された上記焦点距離ｆｄ０は、例えば機械原点ＺＰでその焦点位置ＦＰが設定されている場合は、機械原点ＺＰでは焦点距離ｆｄ０の補正が必要ないので、上記曲線ＣＶは、図７に示すように、機械原点ＺＰで焦点距離補正量Δｆｄが０となる。なお、機械原点ＺＰで焦点位置ＦＰが設定されていない場合であっても、上記曲線ＣＶをΔｆｄ軸方向に所定量平行移動すればよい。以下、上記焦点距離ｆｄ０は、焦点位置ＦＰが機械原点ＺＰで設定されているものとして説明を進める。
【００５２】
こうして、ＮＣ解析部６２は、加工データベース６１から上述した焦点距離補正量マップＭＡＰを呼び出し、上述した加工プログラムＰＲＯによる加工制御と共に、加工経路上において該焦点距離補正量マップＭＡＰに基づいて焦点距離制御を実行する。
【００５３】
例えば、ワーク７０は、図５に示すように例えば板状であり、該ワーク７０の加工経路を、加工ポイントＰＡ→ＰＢ→ＰＣからなる切断経路ＣＬと仮定して、上記焦点距離制御について図５、図７、及び図８に沿って説明する。図８は、本発明による集光レンズ３５の移動制御の説明図である。なお、図８は、レーザ光ＲＺの光路を反射鏡１２（図１参照）及び反射鏡３２、３３（図３参照）を除いた形に簡略化して示している。
【００５４】
トーチの射出口３０ａが加工ポイントＰＡに達すると、ＮＣ解析部６２は、直ちに、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸移動量検出部５９Ｘ、５９Ｙ、５９Ｚにより検出される加工ポイントＰＡの各Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸の移動量ＸＰＡ、ＹＰＡ、ＺＰＡ（図５参照）を参照する。上述したように、ワーク７０は板状と仮定したので、Ｚ軸移動量ＺＰＡは０であり、総移動量ＬＰＡを、ＬＰＡ＝ＸＰＡ＋ＹＰＡとして演算し、更に、既に呼び出している図７に示す焦点距離補正量マップＭＡＰに基づいて、該総移動量ＬＰＡに対応する焦点距離補正量ΔｆｄＰＡを参照する。なお、Ｚ軸移動量ＺＰＡが有る（０でない）場合、総移動量ＬＰＡに加算する演算を行なえばよい。
【００５５】
そして、ＮＣ解析部６２は、サーボ制御部６３に対して上記焦点距離補正量ΔｆｄＰＡに基づく集光レンズ３５の移動制御を指令する。サーボ制御部６３は、レンズ移動モータ６４により、集光レンズ３５を、図３に示す回転部材２９内において、軸心ＣＴ２方向に沿って図中左方に焦点距離補正量ΔｆｄＰＡだけ移動駆動、位置決めする。これを図８で説明すると、集光レンズ３５は、加工ポイントＰＡにおいて、焦点距離ｆｄ０から焦点距離補正量ΔｆｄＰＡだけ上昇した位置に配置され、レーザ光ＲＺは、ワーク７０に対する焦点位置ＦＰで集光され、例えばワーク７０の表面上に集光されることとなる。
【００５６】
なお、集光レンズ３５を焦点距離補正量ΔｆｄＰＡだけ上昇させた分、光路長ＯＬ１は短くなるので、総移動量ＬＰＡから焦点距離補正量ΔｆｄＰＡを減算して正確な総移動量ＬＰＡを演算し、上記焦点距離補正量ΔｆｄＰＡの精度を向上させることも可能ではあるが、焦点距離補正量ΔｆｄＰＡが各軸の移動量Ｘ、Ｙ、Ｚに比べて微小な場合、上述したように焦点距離補正量ΔｆｄＰＡによる減少量を無視することも可能である。
【００５７】
次いで、トーチの射出口３０ａが加工ポイントＰＢに達すると、ＮＣ解析部６２は、総移動量ＬＰＢを、ＬＰＢ＝ＸＰＢ＋ＹＰＢ（図５参照）として演算し、図７に示す焦点距離補正量マップＭＡＰに基づいて、該総移動量ＬＰＢに対応する焦点距離補正量ΔｆｄＰＢを参照すると、サーボ制御部６３に対して該焦点距離補正量ΔｆｄＰＢに基づく集光レンズ３５の移動制御を指令する。サーボ制御部６３は、レンズ移動モータ６４により、集光レンズ３５を、図８に示すように、加工ポイントＰＢにおいて、焦点距離ｆｄ０から更に焦点距離補正量ΔｆｄＰＢだけ上昇した位置に配置され、レーザ光ＲＺは、加工ポイントＰＡと同様にワーク７０の表面上である焦点位置ＦＰに集光されることとなる。
【００５８】
更に、加工ポイントＰＣにおいても、同様の焦点距離制御が実行され、集光レンズ３５は、図８に示すように、焦点距離ｆｄ０から、焦点距離補正量マップＭＡＰに基づく総移動量ＬＰＣ＝ＸＰＣ＋ＹＰＣ（図５参照）に対応する焦点距離補正量ΔｆｄＰＣだけ上昇した位置に配置され、レーザ光ＲＺは、加工ポイントＰＡ、ＰＢと同様に、ワーク７０の表面上である焦点位置ＦＰに集光されることとなる。
【００５９】
なお、焦点距離制御の一例として、切断経路ＣＬ上の加工ポイントＰＡ、ＰＢ、ＰＣについて説明したが、切断経路ＣＬ上に存在する所定距離（例えば、単一の入力パルスに応じたＸ軸、Ｙ軸駆動モータ５８Ｘ、５８Ｙによるトーチの射出口３０ａの移動量）毎の全加工ポイントにおいて、上述した焦点距離制御が実行されている。
【００６０】
このように、集光レンズ３５は、図８中右方に移動されるにつれて、焦点距離補正量Δｆｄが次第に大きくなる位置に順次移動駆動・位置決めされ、レーザ光ＲＺが常にワーク７０の表面上の一定の焦点位置ＦＰに集光されながら、ワーク７０が切断経路ＣＬに沿って切断されていく。そして、これ以降に続く加工プログラムＰＲＯの各加工ステップが実行されると共に、上記焦点距離制御が実行されてゆく。
【００６１】
その結果、レーザ光ＲＺの発散角に起因する焦点位置のずれが防止されるので、ワーク７０に対する焦点位置ＦＰを一定に維持することが出来る。例えば加工形状がＸ、Ｙ座標上に比較的広い形状など、加工形状が発散角の影響を受ける場合であっても、加工プログラムＰＲＯ中にワーク７０の材質と板厚を指定するだけで、該材質と板厚に応じた焦点位置ＦＰが自動的に一定に維持され、加工むらのない良好な切断面を実現することが出来る。
【００６２】
なお、上述した実施の形態において、焦点位置制御の一例として、加工プログラムＰＲＯによる加工制御中に演算した総移動量Ｌに基づいて、集光レンズ３５の位置を順次制御するフィードバック制御として説明したがこれに限られない。例えば、上記加工制御を実行する前に、加工プログラムＰＲＯを先読みして、全加工ポイントに対応する焦点距離補正量Δｆｄを予め準備してもよい。これにより、加工プログラムＰＲＯの実行中に加工データベース６１へのアクセスやが総移動量Ｌの演算が不要となるので、集光レンズ３５の位置決めのタイミングに遅れが生じる場合などの不都合を解消することが出来る。
【００６３】
また、上述した実施の形態において、焦点距離補正量ＭＡＰを準備して焦点距離ｆｄを補正する一例を示したが、焦点位置ＦＰの補正量を演算するものであればいずれの演算方法であってもよい。例えば焦点距離補正量ＭＡＰの代わりに所定式を準備して焦点位置ＦＰの補正量を演算してもよい。また、該ＭＡＰや所定式を準備することなく、例えば、集光レンズ３５から光路方向に所定距離離れたビーム径を検出して、該ビーム径と所定距離の関係に基づいて、焦点位置ＦＰの補正量を演算することも可能である。
【００６４】
更に、上述した実施の形態において、２次元的な加工形状に基づく加工制御例について説明したが、これに限らず加工形状が３次元的であってもよく、例えば、Ｘ軸及びＹ軸駆動モータ５８Ｘ、５８Ｙ以外に、Ｚ軸、Ａ軸、及びＢ軸駆動モータ５８Ｚ、５８Ａ、５８Ｂを適宜駆動しながら、焦点距離ｆｄをワーク７０の表面に対して垂直方向に可変制御することにより、本発明を適用することが出来る。
【００６５】
また、上述したレーザ光ＲＺは、金属などからなるワーク７０の切断、穴あけなどの加工が可能な所定出力のレーザ光を安定して照射出来るものであればいずれのものであってもよく、例えば、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザなどのいずれも本発明に適用することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明が適用されるレーザ加工機の一例を示す概略斜視図である。
【図２】図２は、図１のレーザ加工機におけるサドルを示した詳細正面（一部断面）図である。
【図３】図３は、図２のサドルのうちトーチ付近を示した拡大断面図である。
【図４】図４は、図１のレーザ加工機における制御装置を示したブロック図である。
【図５】図５は、図１のレーザ加工機の上面図に示したＸ、Ｙ座標の説明図である。
【図６】図６は、移動量と光路長の関係を示す図で、（ａ）はＸ、Ｙ座標上の移動量を示す図、（ｂ）は移動量を一軸に展開した図である。
【図７】図７は、焦点距離補正量マップの一例を示す図である。
【図８】図８は、本発明による集光レンズの移動制御の説明図である。
【図９】図９は、従来のレーザ加工機における光路長に対する焦点距離の関係を示した説明図で、（ａ）はレーザ光を平行光線とした場合、（ｂ）はレーザ光の発散角を考慮した場合である。
【符号の説明】
１……レーザ加工機
７……レーザ発振手段（レーザ発振器）
９……レーザ光伝達手段（レーザ光路管）
９ａ……レーザ光伝達手段（Ｘ軸伸縮管）
９ｂ……レーザ光伝達手段（Ｙ軸伸縮管）
２０……レーザ光伝達手段（外スリーブ部材）
２１……レーザ光伝達手段（内スリーブ部材）
２６……レーザ光伝達手段（ジョイント光路管）
２７……照射手段（回転先端部材）
３０……照射手段（トーチ）
３５……照射手段（集光レンズ）
５８……移動駆動手段（駆動制御部）
５８Ｘ、５８Ｙ、５８Ｚ……移動駆動手段（Ｘ軸駆動モータ、Ｙ軸駆動モータ、Ｚ軸駆動モータ）
５９Ｘ、５９Ｙ……レーザ光伝達距離演算手段、水平方向移動量検出手段（Ｘ軸移動量検出部、Ｙ軸移動量検出部）
５９Ｚ……レーザ光伝達距離演算手段（Ｚ軸移動量検出部）
６１……焦点位置補正量演算手段（加工データベース）
６２……レーザ光伝達距離演算手段、焦点位置補正量演算手段、焦点位置制御手段（ＮＣ解析部）
６３……焦点位置制御手段（サーボ制御部）
６４……移動駆動手段（レンズ移動モータ）
７０……ワーク
ＦＰ……焦点位置
Ｌ……伝達距離（総移動量）
ＲＺ……レーザ光
Ｘ……水平方向の移動量（Ｙ軸移動量）
Ｙ……水平方向の移動量（Ｙ軸移動量）
Δｆｄ……焦点位置の補正量（焦点距離補正量）
【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】
2004195492.tif 000009
【図８】
2004195492.tif 000010
【図９】
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