JPH0655360B2

JPH0655360B2 - レ−ザ加工ヘツド調整装置

Info

Publication number: JPH0655360B2
Application number: JP60218671A
Authority: JP
Inventors: 節雄上田; 静夫吉原; 外志夫長原
Original assignee: 株式会社日平トヤマ
Priority date: 1985-09-30
Filing date: 1985-09-30
Publication date: 1994-07-27
Anticipated expiration: 2009-07-27
Also published as: JPS6277193A

Description

【発明の詳細な説明】発明の技術分野本発明は、レーザ光線をアシストガスとともに被加工物
に照射して必要な加工を施すレーザ加工装置に関し、特
に加工ヘッドのノズルと被加工物との距離を常に一定に
保つための加工ヘッド調整装置に係る。

従来技術レーザ加工装置では、加工ヘッドと被加工物との距離が
加工精度に直接影響する。このため、高精度加工では、
加工ヘッドの先端と被加工物との距離を常に一定に保つ
ことにより、レーザ光線を被加工物の加工位置に収束さ
せるための焦点制御が必要となる。

従来、このような距離の測定手段として、接触子を持つ
接触式センサ、あるいは電磁式、電気容量式の非接触セ
ンサ、さらに空気の背圧を利用したセンサ等が用いられ
ている。

上記接触式センサでは、センサと被加工物の接触部とに
おいて、多大の摩擦が生じ、滑らかな加工ができなくな
る。また電磁式、電気容量式センサで、距離を測定しよ
うとすると、被加工物が非導電体、例えば木材、セラミ
ックス、プラスチックなどの材料であるとき、このよう
なセンサは使用できくなる。また空気の背圧を利用した
センサでは、空気を利用しているため、検出信号が不安
定であり、レーザ光線の集光点、すなわち加工点と背圧
式センサの検出点とが離れているため、精度の高い焦点
制御ができないだけでなく、背圧式センサが空気の背圧
を利用しているために、センサ用の空気源が必要とな
り、コスト的にも高くなり、また装置全体も大掛かりな
ものになってしまう。

発明の目的したがって、本発明の目的は、専用の空気源を必要とせ
ず、また被加工物が非導電体であっても加工できるよう
にし、さらに非加工物に対し、非接触状態で検出できる
ようにして、被加工物の表面状態からの影響を受けるこ
となく、良好なレーザ加工を行えるようにすることであ
る。

発明の解決手段そこで、本発明は、上記目的を達成するために、レーザ
加工に不可欠なアシストガスに着目し、そのアシストガ
スの圧力を２つの位置で測定することにより、その圧力
差から加工ヘッドの先端、すなわちノズルと被加工物と
の距離を間接的に測定するようにしている。

すなわち、本発明では、アシストガスを噴射するととも
に、レーザ光線を照射するためのノズル孔の先端の内側
およびその被加工物に対向するノズルの先端面側にそれ
ぞれ微細な圧力検出用の孔が形成されている。被加工物
に上記ノズル孔からアシストガスが噴射されていると
き、それぞれの孔の部分に負の圧力が現れ、開口部の違
いによって、それらの圧力値に差が出る。そこで、圧力
センサは、その２つの圧力差を検出し、電気的な信号に
変換する。そして、制御装置は、その圧力信号を入力と
し、その信号レベルの大きさ、およびその符号を判別
し、その判別結果に基づいて、サーボモータの回転方向
およびその回転量を制御し、それによってレーザ光線の
集光レンズを移動させ、ノズルの先端と被加工物との距
離を常に合焦状態とし、一定に保つように働く。

また、上記圧力検出用の孔は、好ましい実施例による
と、それぞれの位置に２以上設けられており、圧力の測
定を平均化しながら検出していく。また上記制御装置
は、その内部に適当な時定数のダンパー回路、および比
例動作の範囲を設定するための比例判別回路を備えてい
る。このため、圧力信号は、そのダンパー回路の時定数
によって、安定化し、ノイズやその他の不安定要素を取
り除かれた状態で制御の情報となる。また上記比較判別
回路は、圧力信号の急変時に、サーボロックをかけるこ
とによって、所定の加工範囲からはずれたときに、サー
ボ制御を中止することにより、不必要な制御を中断する
ように働く。

実施例の構成まず、第１図は本発明のレーザ加工装置１を示してい
る。レーザ光線２は、レーザ発振器３によって発生し、
ミラー４によって加工ヘッド５の内部に導かれ、集光レ
ンズ６によって収束され、ノズル８のノズル孔９から被
加工物の加工位置に照射される。

そして、上記加工ヘッド５の上部はサドル１０によって
架台１１に固定されており、また加工ヘッド５の下方部
分の伸縮可能なスリーブ１２およびノズル８はともに送
りナット１３側のスライダ１４に固定されている。

上記送りナット１３は調整方向の送りねじ１５に対し、
ねじ対偶の下に嵌り合っている。そしてこの送りねじ１
５は、軸受１６によって、サドル１０に対し、同じ位置
で回転自在に支持されており、サーボモータ１７によっ
て駆動されるようになっている。これらの送りナット１
３、送りねじ１５およびサーボモータ１７などは、加工
ヘッド５の位置調節手段を構成している。

一方、アシストガス１８は、第２図に示すように、ガス
ボンベ１９の内部に収納されており、レギュレータ１９
ａを経て、ノズル８のポートからノズル８の内部に導か
れ、ノズル孔９の先端から被加工物７に対し噴射され
る。

そして本発明のレーザ加工ヘッド調整装置２０は、第２
図に示されている。上記のノズル８は、ノズル孔９の先
端側内面で開口する微細な１または２以上の第１の検出
孔２１、および上記ノズル孔９の近くで、被加工物７と
対向する面で開口する微細な１または２以上の第２の検
出孔２２を備えている。これらの第１の検出孔２１、お
よび第２の検出孔２２は、ともに圧力センサ２３の内部
の圧力−電気変換手段として微差圧センサ２４によって
それらの圧力差に比例する電気信号に変換され、差動ト
ランス・プリアンプ２５によって電気的な圧力信号Ａと
して、制御装置２６の入力となる。

この制御装置２６は、圧力センサ２３に接続されたダン
パー回路２７、これに接続された比較判別回路２８、こ
の比較判別回路２８の出力を入力とするロック回路２９
によって構成されており、これらの比較判別回路２８お
よびロック回路２９は、ともに上記サーボモータ１７の
サーボ制御器３０に接続されている。なお、このサーボ
モータ１７に、サーボ制御器３０に接続されたエンコー
ダ３１が連結されている。

実施例の作用加工ヘッド５は、レーザ光線２を集光レンズ６によって
収束し、その収束点を被加工物７の加工点に一致させる
ことにより、被加工物７に必要な加工を施す。もちろ
ん、このレーザ光線２は、被加工物７との間の相対的な
移動によって、被加工物７に必要な加工軌跡を連続的に
形成していく。

一方、このような加工中にアシストガス１８は、レギュ
レータ２０で最適な圧力に変換され、ノズル８の内部に
送り込まれ、そのノズル孔９からレーザ光線２の照射方
向に噴射される。

この加工時に、圧力センサ２３は、第１の検出孔２１の
圧力Ｐ_１、および第２の検出孔２２の圧力Ｐ_２を検出
し、それらの圧力差を微差圧センサ２４によって検出
し、さらに、差動トランス・プリアンプ２５によって、
その圧力差Ｐ_０を電気的な信号に変換し、圧力信号をＡ
として、制御装置２６に送り込む。

このときの圧力差Ｐ_０は、集光されたレーザ光線２の最
適焦点時の圧力差を０として検出している。第４図に示
すように、ノズル８の先端と被加工物７との距離ｈが、
切断時の理想的な最適距離ｈ_０のとき、圧力Ｐ_１、Ｐ_２
の差をＰ_０とする。仮に距離ｈ_０が長くなったとき、圧
力Ｐ_２の値が高くなり、それらの圧力差Ｐ_０は増大す
る。逆に、距離ｈ_０が小さくなると、圧力Ｐ_２が低くな
るため、圧力差Ｐ_２は減少する方向に変化する。このよ
うに、切断時の最適距離ｈ_０があらかじめ設定されてい
ると、最適距離ｈ_０の過不足に応じて圧力信号Ａの信号
レベル、およびその符号は変化することになる。

そこで、制御装置２６は、まずその圧力信号Ａをダンパ
ー回路２７の積分機能によって積分し、ノイズやその発
生過程でのその他の原因による不安定要素を取り除い
て、積分化圧力信号Ｂに変換してから、比較判別回路２
８に送り込む。そこで、この比較判別回路２８は、所定
の調整範囲内、つまり第４図で斜線以外にあるかどうか
を判別し、調整範囲内にあるときに、圧力信号Ａに比例
する制御信号Ｃを発生し、これをサーボ制御器３０に送
り込む。したがって、サーボ制御器３０は、制御信号Ｃ
の符号に応じて、サーボモータ１７の回転方向を設定
し、さらにその信号レベルに比例してサーボモータ１７
の回転量を制御していく。この回転量は、エンコーダ３
１によって、検出され、サーボ制御器３０のフィードバ
ック信号として帰還される。このサーボモータ１７の回
転によって送りねじ１５が回転し、送りナット１３の上
下動によって、加工ヘッド５の内部の集光レンズ６も上
下動するため、レーザ光線２は、被加工物７に対し焦点
位置を設定していく。このような焦点制御が行われる
と、ノズル８と被加工物７との距離ｈが所定の最適距離
ｈ_０に自動的に調整されるため、制御装置２６は、サー
ボモータ１７の回転を停止させ、その後の動作に備える
ことになる。

なお、レーザ光線２が被加工物７の切断範囲からはずれ
たとき、あるいは切断済みの部分に再びレーザ光線２が
照射されたとき、圧力信号Ａが大きく急変することにな
る。このとき、比較判別回路２８は、積分化圧力信号Ｂ
が調整範囲外にあることを判別し、ロック回路２９を動
作させる。そこで、ロック回路２９は、ロック信号Ｄを
発生し、これによってサーボ制御器３０の動作を中止さ
せる。このようにして、焦点制御は、所定の範囲内での
み連続的に行われる。なお、このようなサーボモータ１
７の制御速度の範囲は、外部から設定できるようになっ
ている。

発明の効果本発明では、ノズルと被加工物との距離の測定に、外部
から影響されないアシストガスが用いられ、その噴出部
の異なった２点の圧力差によって距離が間接的に測定さ
れるから、従来のような背圧式センサと異なり、精密な
圧力源や、専用の噴射ノズルなどを必要とせず、また加
工範囲の狭いコーナー部でも有効な距離計測が可能とな
る。

また、ノズルの部分に第１および第２の検出孔が均一な
状態で、２以上設けられていると、各測定部分の圧力値
が平均化されるため、平均的な計測動作が可能となる。

また、制御装置の内部に適当な時定数のダンパー回路が
設けられていると、圧力信号のふらつきやノイズなどが
軽減されるため、制御の不安定さがなくなり、安定な制
御が継続的に可能となる。

さらにまた、制御装置の内部に比較判別回路が設けられ
ており、調整範囲内でサーボロックが掛けられため、被
加工物が被加工物の大きな開口部または所定の加工範囲
からはずれたとき、その期間中に焦点制御が自動的に中
止され、サーボモータの高い速度での追従がなくなるた
め、不必要な制御や異常な制御による衝突を未然に防止
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザ加工装置の機械的な部分の側面図、第２
図は本発明のレーザ加工ヘッド調整装置のブロック線
図、第３図はノズル先端部分の拡大断面図、第４図は距
離に対する圧力信号のレベルの関係を示すグラフであ
る。１……レーザ加工装置、２……レーザ光線、５……加工
ヘッド、６……集光レンズ、、７……被加工物、８……
ノズル、９……ノズル孔、１３……送りナット、１５…
…送りねじ、１７……サーボモータ、１８……アシスト
ガス、２０……レーザ加工ヘッド調整装置、２１……第
１の検出孔、２２……第２の検出孔、２３……圧力セン
サ、２４……微差圧センサ、２５……差動トランス・プ
リアンプ、２６……制御装置、２７……ダンパー回路、
２８……比較判別回路、２９……ロック回路、３０……
サーボ制御器。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光線を加工ヘッドの集光レンズによ
り収束し、被加工物と上記加工ヘッド先端のノズルとの
距離を加工ヘッドの位置調節手段により調節するととも
に、ノズルのノズル孔からアシストガスを噴射しなが
ら、レーザ光線の収束点を被加工物に照射し、被加工物
に所望の加工を施すレーザ加工装置において、上記ノズル孔の先端側内面で開口する微細な第１の検出
孔と、上記ノズル孔の近くで被加工物と対向する面に開
口する微細な第２の検出孔と、上記第１および第２の検
出孔の圧力差を検出し、ノズル先端と被加工物との距離
に比例する圧力信号を発生する圧力センサと、この圧力
センサからの圧力信号を入力として上記距離を常に所定
の値に修正するための制御信号を発生する制御装置と、
上記制御信号を入力として上記位置調節手段中のサーボ
モータの回転を制御するサーボ制御器とを具備すること
を特徴とするレーザ加工ヘッド調整装置。
【請求項２】上記の第１の検出孔および第２の検出孔を
それぞれの面に２以上形成してなることを特徴とする特
許請求の範囲第１項記載の加工ヘッド調整装置。
【請求項３】上記制御装置の内部に上記圧力信号を所定
の時定数の下に積分化するダンパー回路を組み込んでな
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ
加工ヘッド調整装置。
【請求項４】上記制御装置の内部に圧力信号の調整範囲
を判別するための比較判別回路、および圧力信号が上記
調整範囲を越えて変動したときにサーボ制御器の動作を
停止させるロック回路を組み込んでなることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載のレーザ加工ヘッド調整装
置。