JP2016155140A - レーザ加工判別方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工位置からの反射光の反射光レベルを複数の波長毎に検出してレーザ加工状態の良否を判別する方法及び装置を提供する。
【解決手段】レーザ発振器から発振されたレーザ光をワークへ照射してのレーザ加工時のレーザ加工状態の判別を行うレーザ加工状態判別方法であって、レーザ加工位置ＷＰからの反射光における反射光レベルを複数の波長毎のサンプリングポイントにおいて検出し、各サンプリングポイントにおける反射光の検出レベルが予め設定した各サンプリングポイントにおける閾値を越えた場合、この閾値を越えたサンプリングポイント数が予め設定した割合以上の場合に加工不良と判別する。前記サンプリングポイントは、検出波長領域に均等に配置してある。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ加工機によるレーザ加工時に、レーザ加工状態の良否を判別するレーザ加工判別方法及び装置に係り、さらに詳細には、レーザ加工位置からのレーザ光の反射光における反射光レベルを、複数の波長毎に検出して、レーザ加工の良否を判別するレーザ加工判別方法及び装置に関する。

レーザ加工機によってワークのレーザ加工を行う場合、レーザ加工位置からのレーザ光の反射光を検出することによってレーザ加工の良否の判別が行われている（例えば特許文献１参照）。

特開２００６−２４７６８１号公報

前記特許文献１に記載の構成は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を、光ファイバを介してレーザ照射ユニットに伝送している。上記光ファイバから出射されたレーザ光を、前記レーザ照射ユニットに備えたベンドミラーによってワーク方向へ反射し、この反射されたレーザ光を集光レンズによって集光してワークへ照射している。そして、ワークの加工位置からの反射光は、前記ベンドミラー及び当該ベンドミラーの後方に備えられた光学フィルタを透過して反射光検出器へ入射される構成である。

上記構成において、パルスレーザをワークへ照射してレーザ加工を行うと、ワークの加工位置からの反射光の光強度はレーザ出力とは一定の比例関係にあるものの、反射光の波形は、特許文献１の図３（Ｃ）に示されているように、矩形から相当崩れたレーザ出力波形として検知されるものである。すなわち、特許文献１に記載の構成における前記光学フィルタは、レーザ加工位置からの反射光における測定波長として、レーザ光と同じ波長の光を選択的に通す干渉フィルタである。

そして、光ファイバ出射直後のレーザ光強度測定値に対する反射光強度測定値の比率を、予め設定してある判定基準値と比較する。前記比率が前記判定基準値よりも大きい場合には、加工部は正常（異常なし）と判定しているものである。

ところで、レーザ加工においては、ワークの材質、板厚、アシストガス、加工方法などの各種の加工条件によって反射光量のばらつきが大きいものである。例えば、チタン等のレーザ切断加工時は強い反射光を発生する。しかし、アルミニウム、ＳＵＳ、真鍮等においては反射光は弱い傾向にある。

したがって、反射光レベルの大きなばらつきに対応するために幅広い明暗に対応した（明るい光で飽和せず、暗い光でノイズに干渉しない）コントロールシステムを用いなければならなかった。すなわち、コントロールシステムの構成が複雑で高価な構成となるものであった。

また、レーザ加工の加工状態を判別するための閾値は、例えばワークの有り無しの検出を行うための閾値、ピアス加工時の貫通状態を検出する閾値、ピアス不良を判別する閾値、切断加工時の切断不良を判別する閾値など、複数の閾値が設定されており、各閾値は加工条件によらず統一されている。したがって、加工条件によっては実際の加工状態を正しく認識できない場合がある。すなわち、例えば、材質によっては切断不良中の反射光が弱く、充分に識別できる程度に検出できない場合もある。

ところで、レーザ加工方法、材質などにより、レーザ加工位置からの反射光における反射光レベルは反射光の波長域が異なる。しかし、現状の検出装置においては、検出可能な波長域における反射光における反射光レベルの総和を用いて、レーザ加工状態の良否の判別を行っている。したがって、例えばワークの材質によっては切断不良中の反射光レベルが小さく、前記切断加工時の切断不良を検出するための閾値では切断加工の良否を判別できない場合もある。すなわち、従来は、反射光の検出可能な波長域における検出レベルの総和を用いて加工状態の判別を行っているため、加工条件により異なる反射光状態に対応できない場合もあった。

本発明は、上述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ発振器から発振されたレーザ光をワークへ照射してのレーザ加工時のレーザ加工状態の判別を行うレーザ加工状態判別方法であって、レーザ加工位置からの反射光における反射光レベルを複数の波長毎のサンプリングポイントにおいて検出し、各サンプリングポイントにおける反射光の検出レベルが予め設定した各サンプリングポイントにおける閾値を越えた場合、この閾値を越えたサンプリングポイント数が予め設定した割合以上の場合に加工不良と判別することを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工状態判別方法において、前記サンプリングポイントは、検出波長領域に均等に配置してあることを特徴とするものである。

また、レーザ加工状態の判別を行うレーザ加工判別装置であって、ワークのレーザ加工時に、レーザ加工位置からの反射光の波長領域において予め設定された複数のサンプリングポイントの反射光レベルを検出するための反射光検出手段と、各サンプリングポイントにおいての良好レーザ加工時の反射光レベルの閾値を予め格納した閾値データベースと、前記反射光検出手段によって検出した各サンプリングポイントの反射光レベルと前記閾値データベースに格納された各サンプリングポイントの閾値とを比較する比較手段と、上記比較手段による比較の結果、閾値を越えたポイント数が予め設定した割合以上か否かを演算する演算手段と、上記演算手段の演算結果によってレーザ加工の良否を判別する判別手段と、を備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工判別装置において、前記閾値データベースには、各種ワークの各種加工条件における正常加工時の、前記各サンプリングポイントの閾値が格納してあることを特徴とするものである。

本発明によれば、レーザ加工位置からの反射光における反射光レベルを複数の波長毎にサンプリングして、予め設定した波長毎の閾値と比較し、かつ前記閾値を越えたサンプリング数が予め設定した割合以上の場合に加工不良と判別しているものである。したがって、加工条件により異なる反射光状態を監視でき、加工状態の良否の判別を良好に行い得るものである。

レーザ加工ヘッドの構成を示す概略的な説明図である。 レーザ加工が良好に行われている場合のレーザ加工位置からの反射光レベルと、レーザ加工が不良状態の場合における反射光レベルの状態を示す説明図である。 機能ブロック図である。

図１に概念的、概略的に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ加工機（図示省略）のレーザ加工ヘッド１は、レーザ発振器（図示省略）から発振されたレーザ光ＬＢを、集光レンズ３方向へ反射するベンドミラー５を備えている。

このベンドミラー５は、ファイバーレーザ発振器から発振された場合は波長が１μｍ帯のレーザ光を透過し難く、例えばＣＯ２レーザ発振器から発振された場合は１０μｍ帯のレーザ光を透過し難く、かつレーザ加工機のアライメント調整のために、レーザ加工機に備えたガイド光発振器から発振されたガイド光（レーザ光）を透過し難いものである。前記集光レンズ３によって集光したレーザ光ＬＢをワークＷへ照射することによってワークＷのレーザ加工が行われるものである。ワークＷのレーザ加工を行うとき、ワークＷの加工位置ＷＰから反射した反射光ＲＬＢの一部は前記ベンドミラー５及びベンドミラー５の背部側に備えたフィルタ７を透過して、反射光検出手段としての反射光検出器９に入射される構成である。

前記フィルタ７は、可視光全域を透過させるフィルタであって、複数枚使用して透過率を調節してある。前記反射光検出器９においては、前記フィルタ７を透過した反射光をコントローラ（図示省略）内の受光素子に入射し、この入射した反射光の光量が電流に変換される。そして、この電流は後の回路で電圧に変換されるものである。なお、前記光量が少な過ぎたり多過ぎたりすると、光量と電流とが比例関係にならないことがある。

ところで、ワークとしてＳＵＳを用い、レーザ加工として切断加工を行ったときの反射光ＲＬＢを前記反射光検出器９によって検出した。その際の反射光ＲＬＢの波長と反射光レベルの関係は、図２に示すとおりであった。すなわち図２（Ａ）はワークＷのレーザ加工が良好に行われている場合の、反射光の波長と反射光レベル（Ａ／Ｄカウント値）との関係を示すものである。そして、図２（Ｂ）は、ワークＷのレーザ加工が不良状態での反射光の波長と反射レベルとの関係を示すものである。図２（Ａ）から明らかなように、レーザ加工が良好に行われている場合には、例えば波長Ｂ〜Ｃの間においては波長が異なる毎に種々の反射光レベルを示している。しかし、図２（Ｂ）から明らかなように、レーザ加工が不良の場合には、同じ波長範囲Ｂ〜Ｃ間においての反射光レベルが良好な場合に比較して大きく異なっている。すなわち、レーザ加工が良好な場合における反射光レベルパターンと、レーザ加工が不良の場合における反射光レベルパターンは大きく異なるものである。

ところで、前記反射光検出器９においては、波長が約４００ｎｍ〜７００ｎｍの反射光の光量を検出していた。図２より明らかなように、上記波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲には、波長が約４００ｎｍ〜５５０ｎｍの反射光量の大きな範囲が含まれている。そこで、各種の材質のワークにおいて、例えばピアス加工、切断加工等の種々の加工を行って、反射光において反射光量の大きな波長帯を検出したところ、反射光量には種々の大きさがあるものの、反射光量の大きな波長の範囲は約４００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲に多く含まれることを見い出した。なお、前記波長Ｂ〜Ｃの範囲は、波長が４００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲に含まれるものである。

また、図２に示すように、可視光において、約５５０ｎｍ〜８１１ｎｍの波長においては、反射光量は小さなものの、各種の材質、各種の加工条件において反射光量に大きな変動が少ない安定波長帯であることを見い出した。

そこで、本実施形態においては、前記フィルタ７として、レーザ加工位置ＷＰからの反射光において反射光量の大きな波長帯（例えば約４００ｎｍ〜５５０ｎｍ）の反射光を透過し、反射光量の小さな波長帯（例えば約５５０ｎｍ〜８１１ｎｍ）の反射光を遮光（遮断）するフィルタ７を使用している。しかし、前記フィルタ７は、検出した反射光の全波長帯を透過するフィルタであってもよいものである。なお、上記フィルタとしては、例えば、透過型フィルタ、反射型フィルタ、色ガラスフィルタ、拡散板、限定波長反射ミラー、限定波長透過ミラー、プリズムなどの波長限定型光学素子を用いることができる。

そして、反射光検出器９内のフォトダイオードにおいて可視光を測定できる範囲の波長は３２０ｎｍ〜１１００ｎｍであった。

前記説明より理解されるように、例えばピアス加工や切断加工などの各種のレーザ加工を行った場合、レーザ加工が正常（良好）な場合における反射光量に比較して、レーザ加工が不良な場合に反射される反射光量が大きく変化する反射光の波長の範囲は約４００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲である。したがって、この波長帯において、レーザ加工位置からの反射光量の大きさを検出することにより、レーザ加工の良否を判別できることになる。

そこで、本実施形態においては、反射光の波長４００ｎｍ〜５５０ｎｍの範囲内において、反射光の光量（Ａ／Ｄカウント値）を検出するためのサンプリングポイントとしての、予め設定された複数の波長の光量を前記反射光検出器９において検出している。そして、レーザ加工判別装置１１（図３参照）においてレーザ加工状態の良否の判別を行う構成である。なお、前記複数のサンプリングポイントは、各材質、及び各加工条件毎に設定することが望ましいものである。

前記レーザ加工判別装置１１は、コンピュータから構成してあって、レーザ加工位置ＷＰからの反射光ＲＬＢを前記反射光検出手段９によって検出したときに、予め設定した複数の波長毎のサンプリングポイントにおける反射光レベル（Ａ／Ｄカウント値）を検出するサンプリングレベル検出手段１３を備えている。そして、前記サンプリングレベル検出手段１３によって検出した各サンプリングポイント毎の反射光の検出レベル（反射光レベル）を格納する検出レベルメモリ１５を備えている。

また、前記レーザ加工判別装置１１には、閾値データベース１７が備えられている。この閾値データベース１７には、ワークＷの材質、板厚、アシストガス種、各種のレーザ加工において、レーザ加工が良好な状態時の各サンプリングポイントの検出レベル（反射光レベル）の閾値が予め格納してある。したがって、レーザ加工時に前記反射光検出手段９によって検出した各サンプリングポイントにおける反射光レベルと前記閾値データベース１７に予め格納された各サンプリングポイントの閾値とを比較手段１９によって比較することにより、レーザ加工の良否を判別することができるものである。

前記比較手段１９の比較結果に基づいて、レーザ加工の良否を判別するために、各サンプリングポイントの閾値を越えたポイント数Ｐ１と、各サンプリングポイントの閾値以下のポイント数Ｐ２との比率Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）を演算する演算手段２１が前記レーザ加工判別装置１１に備えられている。また、前記レーザ加工判別装置１１には、前記比率Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）の閾値を予め格納した判別メモリ２３が備えられている。さらに前記レーザ加工判別装置１１は、前記演算手段２１の演算結果と前記判別メモリ２３に格納された閾値とを比較してレーザ加工状態の良否を判別する判別手段２５を備えていると共に、この判別手段２５の判別結果を、レーザ加工機におけるＮＣ装置等の制御装置（図示省略）に通知するための判別通知手段２７が備えられている。

以上のごとき構成において、レーザ発振器（図示省略）から発振されたレーザ光ＬＢを、レーザ加工ヘッド１に備えたベンドミラー５によって集光レンズ３方向へ反射し、この集光レンズ３によって集光しワークＷへ照射すると、ワークＷのレーザ加工が行われる。そして、ワークＷのレーザ加工位置ＷＰからの反射光ＲＬＢの一部は、集光レンズ３、ベンドミラー５、フィルタ７を透過して反射光検出手器９へ入射される。前記反射光検出器９に入射した反射光ＲＬＢは、予め設定した複数の波長に対応した複数のサンプリングポイントにおける反射光レベルがサンプリングレベル検出手段１３によって検出される。

そして、前記サンプリングレベル検出手段１３によって検出された各サンプリングポイント毎の検出レベルは検出レベルメモリ１５に格納される。上記検出レベルメモリ１５に格納された各検出レベルは、予め閾値メモリデータベース１７に格納されている、各サンプリングポイントに対応した閾値データと比較手段１９において比較される。この場合、加工種入力手段２９からレーザ加工の加工種をレーザ加工判別手段１１に入力すると、この加工種入力手段２９から入力されたワークＷの材質、板厚、アシストガス種、レーザ加工種に対応した閾値データが、検索手段３１によって前記閾値データベース１７から検索される。そして、検索された各サンプリングポイントの閾値データと前記検出レベルメモリ１５に格納された各サンプリングポイントにおける検出データの検出レベルが比較されるものである。

前記比較手段１９の比較の結果、閾値データの閾値を越えた検出レベルポイント数Ｐ１と閾値以下のポイント数Ｐ２との比率Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）が演算手段２１によって演算される。そして、演算手段２１の演算結果と判別メモリ２３に格納されている閾値Ａとが判別手段２５において比較される。ここで、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）＜Ａの場合には、レーザ加工状態は良好状態（正常状態）にあるものとして、判別通知手段２７からレーザ加工機の制御装置へレーザ加工状態が通知される。逆に、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）≧Ａの場合には、レーザ加工状態は不良状態（異常状態）として制御装置へ通知されるものである。

したがって、レーザ加工機における制御装置においては、前記判別通知手段２７からのレーザ加工状態の通知情報に対応してレーザ加工条件を制御でき、レーザ加工状態を常に良好な状態に維持することができるものである。また、上記制御装置においては、異常状態が予め設定した所定時間以上継続した場合には、レーザ加工を停止することも可能なものである。

以上のごとき説明から理解されるように、本実施形態によれば、予め設定した反射光の複数の波長毎のサンプリングポイントの反射光レベルを検出し、レーザ加工が正常時における各サンプリングポイントの反射レベルと比較するものである。そして、検出した複数のサンプリングポイントにおける反射光レベルが、正常時における反射光レベル以上の場合に、反射光レベル以上のポイント数が予め設定した割合以上になると、レーザ加工が不良状態であると判別するものである。

したがって、例えばピアス加工やレーザ切断加工の進行状態によって加工面の形状変化などによって反射光レベルが多少変化するような場合であっても、レーザ加工状態の変化・異常を正しく検知でき、安定した加工を行い得るものである。

なお、本発明は、前述したごとき実施形態に限ることなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態でもって実施可能なものである。すなわち、レーザ加工位置からの反射光の反射光レベルを各サンプリングポイントにおいて検出する動作を、予め設定したサンプリング時間毎に複数回行って、各サンプリングポイントにおける反射光レベルの平均値を演算し、この平均化した反射光レベルと閾値データベース１７に格納された閾値データと比較することも可能である。この場合、各サンプリング時間毎に検出した各サンプリングポイントの反射光検出レベルをそれぞれ平均化し、この平均化した反射光検出レベルと閾値データベース１７の閾値とを比較することによって実施可能なものである。

また、各ワークの材質、アシストガス種及び加工種毎のレーザ加工良好な場合における反射光レベルパターンを予めメモリに格納し、ワークのレーザ加工時に、上記メモリに格納した反射光レベルパターンと、レーザ加工時に検出した反射光レベルパターンを比較してレーザ加工の良否を判別することも可能である。この場合、予めメモリに格納してある各波長毎の反射光レベルの閾値と、各波長毎の反射光の検出レベルとを比較し、かつパターンが類似の場合には良好加工と判別することも可能である。

また、前記実施形態においては、Ｐ１／（Ｐ１＋Ｐ２）を予め設定した閾値Ａと比較して、レーザ加工状態の良否の判別を行っている。しかし、閾値データの閾値を越えた検出レベルポイント数Ｐ１が、予め設定したポイント数Ｐより多いか少ないかを演算し、すなわち、Ｐ１≧Ｐの場合には、レーザ加工状態は異常であると判別することも可能である。

１ レーザ加工ヘッド
３ 集光レンズ
５ ベンドミラー
９ 反射光検出器
１１ レーザ加工判別装置
１３ サンプリングレベル検出手段
１５ 検出レベルメモリ
１７ 閾値データベース
１９ 比較手段
２１ 演算手段
２３ 判別メモリ
２５ 判別手段

Claims (4)

1. レーザ発振器から発振されたレーザ光をワークへ照射してのレーザ加工時のレーザ加工状態の判別を行うレーザ加工状態判別方法であって、レーザ加工位置からの反射光における反射光レベルを複数の波長毎のサンプリングポイントにおいて検出し、各サンプリングポイントにおける反射光の検出レベルが予め設定した各サンプリングポイントにおける閾値を越えた場合、この閾値を越えたサンプリングポイント数が予め設定した割合以上の場合に加工不良と判別することを特徴とするレーザ加工状態判別方法。
2. 請求項１に記載のレーザ加工状態判別方法において、前記サンプリングポイントは、検出波長領域に均等に配置してあることを特徴とするレーザ加工状態判別方法。
3. レーザ加工状態の判別を行うレーザ加工判別装置であって、ワークのレーザ加工時に、レーザ加工位置からの反射光の波長領域において予め設定された複数のサンプリングポイントの反射光レベルを検出するための反射光検出手段と、各サンプリングポイントにおいての良好レーザ加工時の反射光レベルの閾値を予め格納した閾値データベースと、前記反射光検出手段によって検出した各サンプリングポイントの反射光レベルと前記閾値データベースに格納された各サンプリングポイントの閾値とを比較する比較手段と、上記比較手段による比較の結果、閾値を越えたポイント数が予め設定した割合以上か否かを演算する演算手段と、上記演算手段の演算結果によってレーザ加工の良否を判別する判別手段と、を備えていることを特徴とするレーザ加工判別装置。
4. 請求項３に記載のレーザ加工判別装置において、前記閾値データベースには、各種ワークの各種加工条件における正常加工時の、前記各サンプリングポイントの閾値が格納してあることを特徴とするレーザ加工判別装置。