JP2800946B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、スパッタの発生状況を観察することによ
り、材質を判別し、かつレーザ加工条件を最適化するレ
ーザ加工装置に関する。

（従来の技術） 従来のレーザ加工装置としては、実験データによりレ
ーザ加工条件の一覧表を予め作成し、これをテーブルデ
ータとして登録しておいて、被加工材の材質及び板厚に
応じたデータを検索することにより、レーザパワー、パ
ルス周波数、デューティ比などのレーザ出力条件、及び
アシストガス種、加工速度などから成るレーザ加工条件
を確定するようにした例がある。

一方、このようにして設定されるレーザ加工条件も、
現状では条件データが不足していたり、材質指定されて
いない被加工材に対し、必ずしも最適のレーザ加工条件
が設定されず、加工不良が生ずることがあった。

また、最適のレーザ加工条件が設定されていない場合
には、レーザ加工中、被加工材から熱溶断によるスパッ
タが飛散し、このスパッタが冷却して粉塵となり、各種
部材に付着し、機械や部品を汚染し、機械動作に支障を
来たすことがあった。

具体例には、例えばレーザ・パンチ複合加工機におい
て、熱切断加工中に発生した粉塵がパンチング加工部の
金型上面に飛散すると、パンチング加工時においてワー
ク下面に付いて製品不良となってしまう。また、金型が
装着されていないタレットステーションでは金型を装着
する際、粉塵が付着していると金型がステーション内で
カジリ現象を起こすということもあった。

そこで、熱切断加工中に発生した粉塵が飛散してタレ
ットの合芯座などに付着した場合、タレット外周のショ
ットピン穴に、ショットピンに形成したエヤノズルから
エヤーを吹付けたり、エヤーを吸引したりして粉塵を吹
き飛ばしたり、あるいは吸引する手段が採られていた。

（発明が解決しようとする課題） 上記の如く、従来のレーザ加工装置では、データテー
ブルによりレーザ加工条件が設定されるが、データ不足
のこともあり、必ずしも最適のレーザ加工条件が設定さ
れていなかった。

また、最適のレーザ加工条件が設定されていない場合
には、スパッタを多く飛散し、機械や製品を汚染すると
いう問題点があった。

そこで、本発明は、スパッタを有効利用し、この発生
状況を観察することにより、最適のレーザ加工条件を設
定することができるレーザ加工装置を提供することを目
的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記課題を解決する本発明は、被加工材にレーザビー
ムを照射し前記被加工材を熱切断するレーザ加工機にお
いて、 前記被加工材の材質及び板厚に応じレーザ加工条件を
定めるデータテーブルと、 前記被加工材の材質及び板厚に応じ、前記データテー
ブルから検索されたレーザ加工条件を設定するレーザ加
工条件設定手段と、 レーザ加工の実行中、前記被加工材から出力されるス
パッタの色を検出するスパッタ色検出手段と、 レーザ加工の実行中、前記被加工材から出力されるス
パッタの強度を検出するスパッタ強度検出手段と、 前記スパッタ色検出手段で検出されるスパッタの色か
ら被加工材の材質を判別する材質判別手段と、 前記スパッタ強度検出手段で検出されたスパッタ強度
からレーザ加工条件をより最適方向に移行させる加工条
件適正化手段を備えたことを特徴とする。

また、前記スパッタ強度検出手段は、照度センサまた
は及び赤外線センサで構成されることを特徴とする。

また、前記スパッタ強度検出手段は、レーザセンタに
対しワーク円周上の異なる位置にそれぞれ設けられるこ
とを特徴とする。

（作用） 本発明のレーザ加工装置は、上記構成であるので、ス
パッタ色から材質判定でき、スパッタ強度から最適のレ
ーザ加工条件を推定することができる。

また、スパッタ強度検出手段として照度または及び赤
外線量を検出するセンサを用いる場合には、両センサの
検出結果を用いて、例えばファジー推論することによ
り、より適正なレーザ加工条件を設定することが可能と
なる。

また、スパッタ強度を異なる２位置で検出する場合に
は、例えば両検出結果をそれぞれのしきい値と比較し、
各検出結果が各しきい値を超えるか否かの判別により最
適方向へ向かうオフセット量を変更させることができ、
各強度検出結果に応じて迅速に最適レーザ加工条件を見
出すことができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第２図を参照するに、本発明の一実施例に係るレーザ
加工装置の一例としてのパンチ・レーザ複合加工機１
は、下部フレーム３と、この下部フレーム３の両側に立
設されたサイドフレーム5R、5Lと、このサイドフレーム
5R、5L上に設けられた上部フレーム７とからなる門型形
状のフレームで構成されている。

この下部フレーム３と上部フレーム７との間隙部には
パンチング加工部９と、このパンチング加工部９に近接
してレーザ加工部11が備えられている。すなわち、パン
チング加工部９は上部フレーム７に回転自在に支承され
た回転軸13に装着された上部タレット15と、下部フレー
ム３に回転自在に支承された回転軸17に装着された下部
タレット19などで構成されている。

この上部タレット15と下部タレット19は円盤状に構成
されており、かつ、それぞれが相対向して設けられてい
た。また、上部タレット15の円周上には適宜な間隔で複
数のパンチ（図示省略）が装着されていると共に、下部
タレット19の円周上における前記パンチと対応した位置
には、複数のダイ（図示省略）が装着されている。ま
た、上部タレット15と下部タレット19とは図示省略の駆
動装置により同期を取って旋回され、一点鎖線で示した
加工位置に複数のパンチ・ダイから所望のパンチとダイ
とが割出されて位置決めされるようになっている。

つまり、上部タレット15と下部タレット19は、あたか
も一体の如く、常に位置決めの回動割出しが行われると
ともに、パンチ中心とダイ中心の位置決めは第３図およ
び第４図に示されているように、上部フレーム７側に出
入可能に設けられたショットピン21と上部タレット15の
合芯座23によって確保される。

ショットピン21は短い長さの先細まりのテーパ状をな
し、上部タレット15の側面にあけられた複数の合芯座23
に、ショットピン21と合致する形状のテーパ溝をもった
ブッシュ25が嵌着されている。

さらに、第２図において、一点鎖線で示した加工位置
の上部フレーム７には図示を省略してあるが、パンチを
打圧するストライカと、このストライカを上下動させる
駆動装置と、が設けられている。

上記構成により、加工位置に割出されたパンチとダイ
との協働により、ワークＷにパンチング加工が行われる
こととなる。

前記下部フレーム３上の右側にはワークテーブル27が
設けられたており、このワークテーブル27にはＹ軸方向
（第２図において左右方向）へ移動自在なキャレッジベ
ース29が設けられている。

キャレッジベース29にはＸ軸方向（第２図において紙
面に対して直交する方向）へ延伸した平行な複数のガイ
ドレール31が設けられている。

このガイドレール31には、ガイド部材33を介してＸ軸
方向へ移動自在なキャレッジ35が取付けられている。こ
のキャレッジ35にはワークＷをクランプするワーククラ
ンプ37が固定されている。

上記構成により、キャレッジベース29が図示省略の駆
動モータによりＹ軸方向に移動され、キャレッジ35は図
示省略の駆動モータによりガイドレール31に案内されな
がらＸ軸方向へ移動される。

これにより、ワーククランプ37にクランプされたワー
クＷはＸ軸、Ｙ軸方向に移動されて、ワークＷの所望位
置がパンチング加工部９の加工位置に位置決めされる。
次いで、パンチとダイとの協働によりワークＷの所望位
置にパンチング加工されることとなる。

前記門型フレームのサイドフレーム5Lの左側には、レ
ーザ加工部11のうちのレーザ発振器39が設けられてい
る。このレーザ発振器39の上部にはＹ軸方向へ延伸した
光軸フレーム41が片持式に取付けられている。

この光軸フレーム41の先端内にはベンドミラー43が備
えられている。また、光軸フレーム41の先端下部にはＺ
軸方向（第３図において上下方向）へ延伸したレーザ加
工ヘッド45が設けられている。しかも、このレーザ加工
ヘッド45の下端にはノズル47が装着されている。

上記構成により、レーザ発振器39で発振されたレーザ
ビームLBは光軸フレーム41内を通りベンドミラー43で折
曲げられ、レーザ加工ヘッド45の下端に装着されたノズ
ル47からアシストガス（不活性ガス）と共に、ワークク
ランプ37にクランプされたワークＷに照射されて所望の
形状に熱切断加工されることとなる。

ワークＷにレーザビームLBを照射して熱切断加工を行
うと、大なり小なりスパッタが発生する。そのスパッタ
が冷却された結果としての粉塵を除去するため、前記パ
ンチング加工部９の近傍であるレーザ加工ヘッド45に粉
塵清掃装置49が設けられいてる。

より詳細には、第１図に示されているように、レーザ
加工ヘッド45の側壁には、ブラシ位置決め用シリンダ51
の後端に形成されたフランジ53がピン55によってヒンジ
状に取付けられ、そのピストンロッド57の先端はエヤー
モータ取付用ブラケット59の上部に設けられた取付座61
にピン63によってヒンジ状に取付けられている。

エヤーモータ取付用ブラケット59の後端は、レーザ加
工ヘッド45の側壁にピン65によってヒンジ状に取付けら
れている。

エヤーモータ取付用ブラケット59の先端にはエヤーモ
ータ67が固定されており、エヤーモータ67の回転軸69に
は粉塵除去用ブラシ71が取付けられている。

レーザ加工作業時、粉塵清掃装置49は、二点鎖線によ
って示すようにレーザ加工ヘッド45に垂直状態に保持さ
れている。

粉塵処理装置49は、以上のように構成されているの
で、レーザ加工時に発生した粉塵が合芯座23に付着した
場合、その粉塵を除去するため、自動運転中のプログラ
ムに割込ませ、運転を停止させて機械を原点に復帰さ
せ、ブラシ位置決め用シリンダ51を起動させてピストン
ロッド57を伸長させ、エヤーモータ取付用ブラケット59
を、ピン55を軸として片持ち状に傾倒させて、第１図の
実線で示す状態にする。この際、合芯座23の位置に粉塵
除去用ブシ71を合致させるため、ブラシ位置決め用シリ
ンダ51の作動を調整させる。

粉塵除去用ブラシ71の位置が決まったら、ブラシ位置
決め用シリンダ51の作動を停止させ、エヤーモータ67を
起動して粉塵除去用ブラシ71を回転させて上部タレット
15の合芯座23に嵌設させたブッシュ25の内面を磨動させ
て粉塵を除去する。

１つの合芯座23の粉塵除去が終ると、タレットを回転
させて、次の合芯座23の粉塵除去を行い、前部終了する
と、上記とは逆に作動させて粉塵清掃装置49を元の位置
に復帰させる。

そして、割込み停止させたプログラム運転を再開させ
る。

粉塵清掃装置49の作用を示すと、第５図において、ま
ず、ステップ501でNC装置の操作パネル（いずれも図示
省略）のモード選択スイッチをONにし、自動操作モード
にし、自動運転を開始する。ここで、通常は自動的な加
工が為される。

ステップ502では、レーザ切断加工作業において、プ
ログラムの積算時間計で時間を計測し、積算時間が設定
時間になったら次のステップ503へ進む。

ステップ503では、自動運転中のプログラムに割込ま
せて運転を停止させ、機械を原点に復帰させ、レーザ加
工ヘッド45を降下させる。

ステップ504では、ブラシ位置決め用シリンダ51を作
動させて、粉塵清掃装置49を片持状に傾斜させ、調整し
ながら上部タレット15の合芯座23に合致させ、エヤーモ
ータ67を起動させ、合芯座23に嵌設させたブッシュ25の
内面を粉塵除去用ブラシ71によって自動清掃する。

次いで、ステップ505では、金型、タレットの全合芯
座23,23…のブッシュ25をすべて清掃する。

ステップ506では、全部終了すると、上記とは逆に作
動させて粉塵清掃装置49の元の位置に復帰させ、割込み
停止させたプログラム運転を再開させ、レーザ切断加工
作業を継続する。

再度第１図において、本例では、前記レーザ加工ヘッ
ド45のレーザセンタ73より外方に距離L1,L2だけ伸びる
アーム75,77を設け、その先端にスパッタ79を検出する
スペクトラ分析センサS1、照度センサS2、赤外線センサ
S3から成るセンサ群を設ける。距離L1は例えば200mm、L
2は例えば300mmとされる。

長さL1のアーム75の先端に取付けられたセンサ群をグ
ループ１、距離L2のアーム75の先端に取付けられたセン
サ群を第２グループとする。各グループのセンサGS1、G
S2は、それぞれレーザ加工ヘッド45の回りに複数個（例
えば３個）設けられる。各センサS1,S2,S3は、自己の直
下に到来するスパッタ79の状態を検出可能とされる。

距離L1は、スパッタが飛散しても許容される距離であ
る。距離L2は、スパッタが飛散し過ぎの状態を示す境界
を示す距離である。

スペクトラ分析センサS1は、スパッタ79の色を検出
し、現在切断されているワークの材質を判別する。照度
センサS2はスパッタ79の明るさを検出する。赤外線セン
サS3は、スパッタの赤外線量からスパッタ大きさを検出
する。

各センサS1,S2,S3はアンプを介してNC装置と接続され
ている。

上記構成のセンサS1,S2,S3において、本例では、照度
センサS2及び赤外線センサS2の検出結果は、それぞれ自
己に設定されたしきい値と比較され、検出値がしきい値
より大なるとき、オンの状態信号を出力するものとす
る。

第６図に、最適のレーザ加工条件を設定するための処
理フローを示した。

まず、ステップ601で、NC操作パネルにおいてセンサ
電源オンとされ、自動モード（テープメモリ）とする
と、ステップ602へ移行し、自動運転中及びレーザモー
ドが判別され、レーザモードでステップ603へ移行す
る。

ステップ603では、実加工する材質、板厚が指定され
ているか否かを判別し、指定されていない場合には、ス
テップ604へ移行する。

ステップ604では、仮材質または仮板厚を決定し、次
のステップ605へ移行し、ここで、仮決定された材質、
板厚に応じレーザ加工条件を仮決定する。板厚の仮決定
では、より厚めの板厚を決定する。

ステップ606では、仮決定のレーザ加工条件でトライ
切断する。このとき、次いでステップ607では、スペク
トラ分析センサS1により材質判別し、スペクトラ分析状
態に応じ材質グループ内でのレーザ加工条件により適正
化できる場合には、ステップ608へ移行し、同一材質グ
ループ内でレーザ加工条件を修正する。

ステップ607で材質判別でき、かつ比較的良好なレー
ザ加工条件を設定できれば、ステップ610へ移行する。

一方、前記のステップ603で材質及び板厚の指定があ
る場合には、ステップ609へ移行し、データテーブルの
検索によりレーザ加工条件を設定し、ステップ610へ移
行する。

ステップ610では、スパッタ強度を検出する第１グル
ープのセンサG1のうち照度センサS2及び赤外線センサS3
が共にオンしているか否かを判別し、いずれかがオフま
たは共にオフであればステップ611へ移行して、この条
件のまま切断を続行する。また、現在のワーク条件下に
ついてのレーザ加工条件が未登録である場合には、最適
条件テーブルへの書き込みを行いデータテーブルを補足
する。

次に、ステップ610で第１グループのセンサGS1が共に
オンである場合には、スパッタが多く飛散しているの
で、ステップ612へ移行し、次の判別処理を行う。

ステップ612では、第２グループのセンサGS2のうち、
照度センサS2,赤外線センサS3が共にオンしているか否
かを判別し、いずれか１つまたは両方がオフの場合に
は、稀かにスパッタが多すぎるとしてステップ613へ移
行し、ここで、次候補のレーザ加工条件を設定し、切断
トライし、ステップ610へ返る。

また、ステップ612で第２グループの両センサS2,S3が
共にオンしている場合には、スパッタがより多く飛散し
過ぎであるとして、次候補のレーザ加工条件を設定し、
切断トライし、ステップ610へ返る。

ステップ613,614で立てられる次候補は、両ステップ
の現在状態に応じて、スパッタが距離L1までは飛散しな
いであろうと推定される１つのレーザ加工条件である。

したがって、本例では、第１図に示す距離L1,L2と、
各センサS2,S3で比較されるしきい値を適正にすること
により、スパッタが距離L2を超えて遠くまで飛散してい
るようなレーザ加工条件をスパッタを距離L1以内に押え
るレーザ加工条件に迅速に適正化してゆくことができ
る。

上記処理では、照度センサS2及び赤外線センサS3が共
にオンしているか否かでスパッタ強度を判別したが、照
度センサS2のオン・オフ及び赤外線センサS3のオン・オ
フを別々に判別し、より小さく区分された強度領域毎に
レーザ加工条件の次候補を選択するようにしてもよい。

また、第１図に示すように、センサのグループを２つ
としたが、グループ数をより大とし、各グループのセン
サによる比較結果の組合せにより、各組合せ毎に最適の
レーザ加工条件を設定するようにしてもよい。

さらに、上記実施例では、各センサの検出値をしきい
値と比較し、そのオン信号で現在状態を判別したが、各
センサの検出値をそのまま用い、ファジー推論により最
適のレーザ加工条件を推定するようにしてもよい。

また、上記実施例では、レーザ加工ヘッド45にアーム
75,77を設けセンサS1,S2,S3を取付けたが、センサ取付
け場所はこれに限定されるものではない。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、適宜
の設計的変更を行うことにより、適宜の態様で実施し得
るものである。

［発明の効果］ 以上の通り、本発明は特許請求の範囲に記載の通りの
レーザ加工装置であるので、スパッタの色及び強度を検
出することにより、最適のレーザ加工条件を自動的に設
定することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第２図のＩ矢視部の拡大正面図、第２図は本発
明のレーザ加工装置の一実施例としてのレーザ・パンチ
複合加工機の正面図、第３図はパンチ中心とダイ中心の
位置決め用ショットピンと合芯座を示す１部切欠き平面
図、第４図は第３図のIV−IV矢視図、第５図はブッシュ
清掃処理のフローチャート、第６図は最適レーザ加工条
件の設定処理方式を示すフローチャートである。 １……パンチ・レーザ複合加工機 ９……パンチング加工部 11……レーザ加工部、15……上部タレット 19……下部タレット、23……合芯座 25……ブッシュ、45……レーザ加工ヘッド 47……ノズル、49……粉塵清掃装置 71……粉塵除去用ブラシ Ｗ……ワーク、LB……レーザビーム GS1……第１グループのセンサ GS2……第２グループのセンサ S1……スペクトラ分析センサ S2……照度センサ S3……赤外線センサ

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被加工材にレーザビームを照射し前記被加
   工材を熱切断するレーザ加工機において、 前記被加工材の材質及び板厚に応じレーザ加工条件を定
   めるデータテーブルと、 前記被加工材の材質及び板厚に応じ、前記データテーブ
   ルから検索されたレーザ加工条件を設定するレーザ加工
   条件設定手段と、 レーザ加工の実行中、前記被加工材から出力されるスパ
   ッタの色を検出するスパッタ色検出手段と、 レーザ加工の実行中、前記被加工材から出力されるスパ
   ッタの強度を検出するスパッタ強度検出手段と、 前記スパッタ色検出手段で検出されるスパッタの色から
   被加工材の材質を判別する材質判別手段と、 前記スパッタ強度検出手段で検出されたスパッタ強度か
   らレーザ加工条件をより最適方向に移行させる加工条件
   適正化手段を備えたことを特徴とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】請求項１において、前記スパッタ強度検出
   手段は、照度センサまたは及び赤外線センサで構成され
   ることを特徴とするレーザ加工装置。
3. 【請求項３】請求項１において、前記スパッタ強度検出
   手段は、レーザセンタに対しワーク円周上の異なる位置
   にそれぞれ設けられることを特徴とするレーザ加工装
   置。