(57)【要約】  レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドの先端にあるチップについて、摩耗やスパッタ付着等の異常を診断する方法を提供する。回転軸（Ａ）を中心に回転可能であり、回転軸（Ａ）周りの一部に導電体（３）が設けられた治具（１）を用いる。レーザ光の出射方向が治具（１）の回転軸（Ａ）と一致し、チップ（１１）が治具（１）の近傍に位置するように、レーザ加工ヘッド（２１）を移動させる。治具（１）を回転させた状態で、信号処理部（１３）が計測を行う。検出した静電容量値のばらつきが所定閾値よりも大きいとき、チップ（１１）は異常であると判定する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ加工装置において、レーザ加工ヘッドの先端にあるチップにおける異常の有無を診断する方法であって、
前記レーザ加工装置は、前記チップに第１電圧信号を供給するとともに、前記チップからの第２電圧信号を受け、前記第２電圧信号から検出した静電容量値から、前記チップの先端と被加工物との距離を計測する信号処理部を備えており、
回転軸を中心に回転可能であり、回転軸周りの一部に導電体が設けられた治具を用い、
レーザ光の出射方向が前記治具の回転軸と一致し、かつ、前記チップが前記治具の近傍に位置するように、前記レーザ加工ヘッドを移動させるステップと、
前記治具を回転させた状態で、前記信号処理部が計測を行うステップと、
前記信号処理部が検出した静電容量値のばらつきが、所定閾値よりも大きいとき、前記チップは異常であると判定するステップとを備える
ことを特徴とするチップ診断方法。
【請求項２】
レーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドが取り付けられ、前記レーザ加工ヘッドを移動させるロボットアームと、
レーザ加工ヘッドの先端に取り付けられたチップと、
前記チップに第１電圧信号を供給するとともに、前記チップからの第２電圧信号を受け、前記第２電圧信号から検出した静電容量値から、前記チップの先端と被加工物との距離を計測する信号処理部と、
前記ロボットアームの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、回転軸を中心に回転可能であり、回転軸周りの一部に導電体が設けられた治具を用いた、前記チップの異常診断を実行する診断制御部を備え、
前記信号処理部は、前記チップの異常判定を行うチップ異常判定部を備え、
前記診断制御部は、
レーザ光の出射方向が前記治具の回転軸と一致し、かつ、前記チップが前記治具の近傍に位置するように、前記ロボットアームに前記レーザ加工ヘッドを移動させ、
前記治具を回転させた状態で、前記信号処理部に計測を指示し、
前記チップ異常判定部は、
前記治具を回転させた状態で検出した静電容量値のばらつきが、所定閾値よりも大きいとき、前記チップは異常であると判定する
ことを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドの先端にあるチップについて、摩耗やスパッタ付着等の異常を診断する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置を用いて被加工物の切断加工等を行う場合、レーザ光の焦点を被加工物の表面あるいはその近傍に合わせることが加工品質を維持する上で重要である。このため、ロボットアーム等に設けられたレーザ加工ノズルの先端と被加工物との距離を所望の値に保つ必要があり、この距離計測のために静電容量式ハイトセンサが一般に用いられる。【０００３】
静電容量式ハイトセンサでは、レーザ加工ヘッドの先端にあるチップがセンサ電極として用いられる。ところが、レーザ加工を繰り返していくと、チップは徐々に摩耗し、形状が変化する。また、加工中に発生したスパッタがチップに付着すると、付着したスパッタによりチップの形状が変化する。チップ形状の変化は、静電容量式ハイトセンサによる計測に影響を及ぼす。【０００４】
特許文献１には、レーザ加工機の静電容量式ハイトセンサの構成が開示されている。この構成では、センサの上部の外径を大きくすることによって、被加工物のスパッタなどが絶縁体層の表面に付着することを抑制している。特許文献２には、静電容量式ハイトセンサにおいて、スパッタや粉塵の付着を防止できるノズル及びレーザ加工ヘッドの構成が開示されている。特許文献３には、静電容量式ハイトセンサにおいて、スパッタや粉塵等の付着を防止できるとともに、冷却を効果的に行うことができるノズルの構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−３２３７８４号公報
【特許文献２】特開２０１４−１３６２１８号公報
【特許文献３】特開２０１４−１３６２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
静電容量式ハイトセンサによる計測を精度良く行うためには、例えばレーザ加工の前に、チップの状態を簡易に診断できることが望ましい。すなわち、チップについて、摩耗やスパッタ付着等の異常がないかを事前に診断することによって、ユーザは、チップに異常があるとき、そのチップを正常なチップに交換することができる。これにより、チップ異常に起因した施工不良を未然に防止することができる。【０００７】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は、レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドの先端にあるチップについて、摩耗やスパッタ付着等の異常を診断する方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明では、回転軸を中心に回転可能であり、回転軸周りの一部に導電体が設けられた治具を用いる。治具を回転させた状態で、ハイトセンサによって静電容量を検出し、そのばらつきの大小に基づいて、チップの異常の有無を診断する。【０００９】
具体的には、レーザ加工装置において、レーザ加工ヘッドの先端にあるチップにおける異常の有無を診断する方法は、前記レーザ加工装置は、前記チップに第１電圧信号を供給するとともに、前記チップからの第２電圧信号を受け、前記第２電圧信号から検出した静電容量値から、前記チップの先端と被加工物との距離を計測する信号処理部を備えており、回転軸を中心に回転可能であり、回転軸周りの一部に導電体が設けられた治具を用い、レーザ光の出射方向が前記治具の回転軸と一致し、かつ、前記チップが前記治具の近傍に位置するように、前記レーザ加工ヘッドを移動させるステップと、前記治具を回転させた状態で、前記信号処理部が計測を行うステップと、前記信号処理部が検出した静電容量値のばらつきが、所定閾値よりも大きいとき、前記チップは異常であると判定するステップとを備える。【００１０】
この構成によれば、回転軸を中心に回転可能であり、回転軸周りの一部に導電体が設けられた治具を用いる。レーザ光の出射方向が治具の回転軸と一致し、かつ、チップが治具の近傍に位置するように、レーザ加工ヘッドを移動させて、治具を回転させた状態で、信号処理部が計測を行う。チップの形状が均一であるときは、信号処理部が検出した静電容量値はばらつきが小さい。一方、摩耗やスパッタ付着等によってチップの形状が不均一になっているときは、信号処理部が検出した静電容量値は、治具の回転に伴い、ばらつきが大きくなる。このため、静電容量値のばらつきが所定閾値よりも大きいとき、チップは異常であると判定することができる。【００１１】
また、レーザ加工装置は、レーザ加工ヘッドと、前記レーザ加工ヘッドが取り付けられ、前記レーザ加工ヘッドを移動させるロボットアームと、レーザ加工ヘッドの先端に取り付けられたチップと、前記チップに第１電圧信号を供給するとともに、前記チップからの第２電圧信号を受け、前記第２電圧信号から検出した静電容量値から、前記チップの先端と被加工物との距離を計測する信号処理部と、前記ロボットアームの動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、回転軸を中心に回転可能であり、回転軸周りの一部に導電体が設けられた治具を用いた、前記チップの異常診断を実行する診断制御部を備え、前記信号処理部は、前記チップの異常判定を行うチップ異常判定部を備え、前記診断制御部は、レーザ光の出射方向が前記治具の回転軸と一致し、かつ、前記チップが前記治具の近傍に位置するように、前記ロボットアームに前記レーザ加工ヘッドを移動させ、前記治具を回転させた状態で、前記信号処理部に計測を指示し、前記チップ異常判定部は、前記治具を回転させた状態で検出した静電容量値のばらつきが、所定閾値よりも大きいとき、前記チップは異常であると判定する。【００１２】
この構成によれば、回転軸を中心に回転可能であり、回転軸周りの一部に導電体が設けられた治具を用いる。診断制御部は、レーザ光の出射方向が治具の回転軸と一致し、かつ、チップが治具の近傍に位置するように、レーザ加工ヘッドを移動させて、治具を回転させた状態で、信号処理部に計測を指示する。チップの形状が均一であるときは、信号処理部が検出する静電容量値はばらつきが小さい。一方、摩耗やスパッタ付着等によってチップの形状が不均一になっているときは、信号処理部が検出する静電容量値は、治具の回転に伴い、ばらつきが大きくなる。このため、チップ異常判定部は、静電容量値のばらつきが所定閾値よりも大きいとき、チップは異常であると判定することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドの先端にあるチップについて、摩耗やスパッタ付着等の異常を診断することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態で用いる治具の構成
【図２】実施形態に係るレーザ加工装置の構成
【図３】実施形態における信号処理部の機能構成
【図４】実施形態におけるチップ診断方法の流れを示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
【００１６】
本実施形態では、チップ診断方法、すなわち、レーザ加工装置において、レーザ加工ヘッドの先端にあるチップにおける異常の有無を診断する方法について、説明する。
【００１７】
図１は本実施形態に係るチップ診断方法で用いる治具の構成を示す。図１に示す治具１は、絶縁材によって形成された筒状部材２と、筒状部材２に貼り付けられた金属３とを備えている。筒状部材２を形成する絶縁材は、例えば、樹脂やセラミックス等である。金属３は、例えば鉄または銅であり、筒状部材２の周方向における一部に貼り付けられている。治具１は、回転軸Ａを中心にして、例えばモータ等を含む回転機構によって、回転可能になっている。
【００１８】
本実施形態では、チップ診断方法を実行するとき、レーザ光の出射方向が治具１の回転軸Ａと一致し、かつ、チップ１１が治具１の近傍に位置するように、レーザ加工ヘッドを移動させる。そして、治具１を回転させた状態で、後述する静電容量方式ハイトセンサによって計測を行う。ここで、チップ１１の形状が均一であるときは、計測される静電容量値のばらつきは小さい。一方、チップ１１が摩耗していたり、スパッタがチップ１１に付着していたりすると、チップ１１の形状が不均一になるため、計測される静電容量値のばらつきは大きくなる。そこで、計測される静電容量値のばらつきの大小に基づいて、チップ１１の異常の有無を診断する。
【００１９】
図２は本実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す。図２に示すように、レーザ加工装置は、レーザ加工ヘッド２１と、ロボットアーム２３と、光ファイバ２４と、レーザ光源２５と、制御部３０とを備えている。なお、説明の便宜上、上記の構成部品以外の種々の部品等については図示及びその説明を省略する。また、図示しないが、レーザ加工装置は、レーザ加工ヘッド２１に供給されるアシストガスの供給経路も備えている。
【００２０】
レーザ加工ヘッド２１は、静電容量式ハイトセンサ１０（以下、適宜、単にハイトセンサ１０という）と、加工ノズル２２とを備えており、ロボットアーム２３の先端に取り付けられている。ハイトセンサ１０は、チップ１１と、同軸ケーブル１２と、信号処理部１３とを備えており、チップ１１の先端と被加工物との距離を計測する。チップ１１の先端の開口部は、レーザ光の出射口及びアシストガスの噴射口にあたる。また、被加工物を所定の位置に配置することによって、チップ１１には、被加工物との距離に応じた静電容量が電気的に結合される。同軸ケーブル１２は、チップ１１と信号処理部１３との間を電気的に接続する。信号処理部１３については、後述する。
【００２１】
レーザ光源２５は、電源（図示せず）と、電源からの電力供給を受けてレーザ光を発生するレーザ共振器（図示せず）と、当該レーザ光を集光し、光ファイバ２４に結合させるための光学系（図示せず）とを有している。
【００２２】
光ファイバ２４は、レーザ共振器で発生し光学系で集光されたレーザ光を受け取り、レーザ加工ヘッド２１に導波する。レーザ加工の種類やレーザ光強度等によってシングルクラッドタイプやダブルクラッドタイプ等の光ファイバ２４が適宜選択される。同様に光ファイバ２４のコア径やクラッド径も適宜変更しうる。
【００２３】
ロボットアーム２３は、先端にレーザ加工ヘッド２１が取り付けられており、加工プログラム等に基づく制御部３０からの信号を受けて、所定の軌跡を描くようにレーザ加工ヘッド２１を移動させる。また、レーザ加工の際には、レーザ加工ヘッド２１の先端であるチップ１１の先端と被加工物との距離が所定の距離となるように、レーザ加工ヘッド２１の位置を制御する。
【００２４】
制御部３０は、ロボットアーム２３の動作を制御するロボット制御部３１と、レーザ光源２５の光量等を制御するレーザ制御部３４とを有している。
【００２５】
ロボット制御部３１は、加工プログラム等に基づいて、ロボットアーム２３の先端、つまりレーザ加工ヘッド２１の先端が所定の軌跡を描くように、ロボットアーム２３の関節軸を駆動または停止させる信号を供給する。また、ロボット制御部３１は位置制御部３２を有し、位置制御部３２は、ハイトセンサ１０で計測された距離に基づいてチップ１１の先端と被加工物との距離が目標値になるようレーザ加工ヘッド２１の位置、具体的にはロボットアーム２３の位置を制御する信号をロボットアーム２３に供給する。
【００２６】
レーザ制御部３４は、所望の強度のレーザ光が出射されるように、電源から供給される電力やレーザ共振器の温度等を制御している。
【００２７】
また、本実施形態では、ロボット制御部３１は、治具１を用いてチップ１１の異常診断を実行する診断制御部３３を備える。診断制御部３３は、チップ診断方法を実行する際に、ロボットアーム２３、およびハイトセンサ１０における信号処理部１３の動作を制御する。また、診断制御部３３は、治具１を回転させる機構（図示せず）に対して、回転を指示する信号を送信する。
【００２８】
図３は信号処理部１３の機能ブロック構成を示す。信号処理部１３は、信号発生部１４と、信号検出部１５と、距離算出部１６と、チップ異常判定部１７とを備える。
【００２９】
信号発生部１４は、所定の周波数ｆと振幅とを有する電圧信号Ｖｏを発生し、外部端子Ｔ及び同軸ケーブル１２を介してチップ１１に電圧信号Ｖｏを供給する。
【００３０】
信号検出部１５は外部端子Ｔを有し、チップ１１から戻ってきた電圧信号Ｖｉｎを検出する。また、信号検出部１５は外部端子Ｔに接続されたインピーダンス調整用抵抗を有している。インピーダンス調整用抵抗は、信号発生部１４と外部端子Ｔとの間の経路に直接に接続されていればよい。
【００３１】
距離算出部１６は信号検出部１５で検出された電圧信号Ｖｉｎに基づき、チップ１１の先端と被加工物との距離を算出する。図２に示すレーザ加工装置では、距離算出部１６で算出された距離と目標値との差異に基づき、レーザ加工ヘッド２１の位置を制御している。
【００３２】
チップ異常判定部１７は、チップ１１の異常診断を行う場合において、信号検出部１５で検出された電圧信号Ｖｉｎから、チップ１１の異常の有無を判定する。
【００３３】
ここで、電圧信号Ｖｉｎは、チップ１１に供給された電圧信号Ｖｏが、外部端子Ｔに電気的に結合された静電容量等によって振幅変調された変調信号であり、電圧信号の振幅｜Ｖｏ｜と変調信号の振幅｜Ｖｉｎ｜との関係は式（１）で表わされる。
【数１】
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ここで、
Ｒはインピーダンス調整用抵抗の抵抗値
Ｃは外部端子Ｔに電気的に結合された静電容量値の総和
ωは電圧信号Ｖｏの角周波数であり、ω＝２πｆである。
【００３４】
式（１）から明らかなように、外部端子Ｔから出力された電圧信号Ｖｏは、抵抗値Ｒと静電容量値Ｃ及び電圧信号Ｖｏの周波数ｆによって定まる、一般的なローパスフィルタによって振幅変調を受け、変調信号Ｖｉｎとして外部端子Ｔで検出される。
【００３５】
また、静電容量値Ｃは図３に示すＣ０、Ｃ１、ＣＷを用いて式（２）で表わされる。
Ｃ＝Ｃ０＋Ｃ１＋ＣＷ・・・（２）
ここで、
Ｃ０は信号処理部１３内で外部端子Ｔに電気的に結合された静電容量値
Ｃ１は同軸ケーブル１２の浮遊容量値
ＣＷはチップ１１の先端と被加工物との間の静電容量値
である。
【００３６】
静電容量値Ｃ０は、信号処理部１３内の素子の配置や配線レイアウト等によって定まる値であり、ほぼ一定である。同様に、レーザ加工ヘッド２１や同軸ケーブル１２の配置が定まると静電容量値Ｃ１もほぼ一定となる。一方、静電容量値ＣＷは、チップ１１の先端と被加工物との距離に応じて変化する。よって、信号Ｖｉｎの値から静電容量値ＣＷを算出することができ、この値からチップ１１の先端と被加工物との距離を算出することができる。
【００３７】
また、チップ異常判定部１７は、治具１が回転している状態において、信号Ｖｉｎの値から算出した静電容量値ＣＷに大きなばらつきがあるか否かを判定する。大きなばらつきがあるときは、チップ１１に異常があると判定する。
【００３８】
図４は本実施形態に係るチップ診断方法の一例を示すフローチャートである。チップ診断方法が開始されると、まず、診断制御部３３は、ロボットアーム２３に制御信号を供給することによって、レーザ加工ヘッド２１を治具１の位置へ移動させる（Ｓ１１）。このとき、レーザ光の出射方向が治具１の回転軸Ａと一致し、かつ、チップ１１が治具１の近傍に位置するようにする。
【００３９】
そして、診断制御部３３は、治具１の回転機構に対して回転を指示する信号を送信し、治具１を回転させる。そして信号処理部１３に対して、チップ診断を指示する信号を送信する。信号処理部１３は、診断制御部３３からチップ診断を指示する信号を受信すると、信号発生部１４が電圧信号Ｖｏを発生し、チップ異常判定部１７が判定を行う（Ｓ１２）。
【００４０】
チップ異常判定部１７は、治具１が回転している状態において、信号Ｖｉｎの値から算出した静電容量値ＣＷに大きなばらつきがあるか否かを判定する（Ｓ１３）。この判定は、例えば、静電容量値ＣＷのばらつきを所定閾値と比較することによって行う。静電容量値ＣＷに大きなばらつきがあるとき、すなわち、静電容量値ＣＷのばらつきが所定閾値よりも大きいときは、チップ１１に異常があると判定する（Ｓ１４）。一方、静電容量値ＣＷに大きなばらつきがないときは、チップ１１に異常はないと判定する（Ｓ１５）。チップ異常判定部１７は、異常判定結果を示す信号を診断制御部３３に送信する。
【００４１】
診断制御部３３は、チップ異常判定部１７から送信された異常判定結果を示す信号を受信すると、その異常判定結果をユーザに通知する（Ｓ１６）。例えば、レーザ加工装置に配置されているモニタに、異常判定結果を表示する。ユーザは、チップ１１に異常があると判定された場合は、チップ１１を正常なチップと交換する。
【００４２】
以上のように本実施形態によると、チップ１１の異常診断において、回転軸Ａを中心に回転可能であり、回転軸Ａ周りの一部に導電体３が設けられた治具１を用いる。レーザ光の出射方向が治具１の回転軸Ａと一致し、かつ、チップ１１が治具１の近傍に位置するように、レーザ加工ヘッド２１を移動させて、治具１を回転させた状態で、信号処理部１３が計測を行う。チップの形状が均一であるときは、信号処理部１３が検出した静電容量値はばらつきが小さい。一方、摩耗やスパッタ付着等によってチップの形状が不均一になっているときは、信号処理部１３が検出した静電容量値は、治具の回転に伴い、ばらつきが大きくなる。このため、静電容量値のばらつきが所定閾値よりも大きいとき、チップは異常であると判定することができる。
【００４３】
なお、治具１の構成は、実施形態で示したものに限られない。例えば、金属３の代わりに、他の種類の導電体を筒状部材２に貼り付けた構成としてもよい。あるいは、筒状部材２を用いずに、円盤状の部材を用いて、その周縁の一部に金属片を立てた構成としてもかまわない。
【００４４】
また、ハイトセンサ１０の信号処理部１３は、レーザ加工装置の制御部３０に組み込まれていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明では、レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドの先端にあるチップについて、摩耗やスパッタ付着等の異常を診断することができるので、施工不良を未然に防止する上で有用である。
【符号の説明】
【００４６】
１  治具
３  導電体
１１  チップ
１３  信号処理部
１７  チップ異常判定部
２１  レーザ加工ヘッド
２３  ロボットアーム
３０  制御部
３３  診断制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
2019220731.tif 000008
2019220731.tif 000009