JP2597597B2 - レーザ加工機におけるセンサ出力サンプリング方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、レーザ加工機におけるセンサ出力サンプリ
ング方法に関し、特にノズルと一体型のギャップセンサ
を備えたものにおいて、そのセンサの出力特性の変化に
関係なく常に適正なギャップ量一定制御を行えるように
するためのものに関する。

（従来技術とその問題点） 従来、レーザ加工において、最適な加工状態を得るた
めにレーザ光の焦点をワークに対し、常に一定高さ位置
に保つよう、レーザノズルとワークとの間の距離すなわ
ちギャップ量を常に一定に保持するギャップ量一定制御
いわゆるギャップコントロールが行なわれている。

このためのギャップセンサとしては、レーザノズルの
側方近傍位置に接触式或は非接触式の距離センサを設け
ているものがある。しかし、加工位置とは幾分ずれた位
置でギャップ検出を行っているため、加工位置における
適正なギャップ量の測定ができず、結果的には良好な加
工状態が得られなかった。

このため、静電容量式等の電磁的ギャップセンサを、
ノズルと一体化或はノズルの先端部に溶着して、加工位
置におけるギャップ量を非接触式に検出するようにした
ものが一般的に用いられている。

しかし、レーザ照射によってワーク面から激しく跳ね
上がるスパッタＳや高反射熱がふりかかると、ノズル先
端すなわちセンサ部分が熱溶融したり、或は摩耗が熱変
形によって、センサ機能の劣化を免れなかった。

この結果、ギャップ量に対するセンサ出力特性が、当
初のセンサ出力特性（例えば第５図Ａ線）に比して、実
際のギャップ量と異なる例えばはるかに低いカーブの出
力特性（例えば第５図Ｃ線）に変化してしまう。

こうなると、適正なギャップコントロールができなく
なり、加工状態も悪化してしまうため、適正な当初のセ
ンサ出力特性を備えたノズルと交換する必要性が出てく
る。しかし、ノズル交換の頻度が多くなると、ノズルの
取替え作業が煩雑であるうえ、いちいち加工をストップ
しなければならず、作業効率を低下させる原因となり、
さらに経済的にも問題があった。

また、例えば静電容量式ギャップセンサ等ではギャッ
プ量変化に対するセンサ出力電圧の特性曲線が直線的な
比例関係になく、カーブしているため、センサ出力電圧
からギャップ量を容易に算出することができない。この
ために、測定されたギャップ量の表示を行うことができ
ず、作業者にとってはギャップ量が表示されていない
と、安心した作業が行えなかった。

このような理由から、同一のノズルで適正なギャップ
コントローラを長時間維持するために、適宜、ノズルの
センサ出力特性を測定してサンプリングし、記憶させ、
この記憶されたサンプリングデータに基づいて適正なギ
ャップコントロールを行うようにし、同時に従来では困
難であったギャップ量表示も可能とし、上記問題点を解
決しようとするものである。

（問題点を解決するための手段） そこで、本発明はノズルと一体化した非接触式ギャッ
プセンサを備えたものにおいて、実際のギャップ量に対
するノズルのセンサ出力をサンプリングし記憶する手段
を設け、例えばサンプリング指令スイッチを押すだけで
自動的にノズルを基準位置から規定量ずつ上昇させ、各
位置毎のセンサ出力を測定して、各ギャップ量に対する
センサ出力のデータをサンプリングし記憶させることに
より、このサンプリングデータに基づいた適正なギャッ
プ量で正しいギャップ量一定制御を行えるようにしたも
のである。

そして、ノズルのセンサ出力特性が変化したことによ
るノズル変換頻度を極力抑え、ノズル交換の煩しさをな
くすと同時に経済性を向上させようとしたものである。

さらに、記憶されているサンプリングデータに基づい
てセンサ出力に対応するギャップ量が簡単に読み出さ
れ、これによりギャップ量の表示も容易となってギャッ
プ量表示器を設けることが可能となり、作業者にとって
安心した作業を行えるようにしたものである。

すなわち、本発明は、ノズル先端に、ノズル先端とワ
ークとの間のギャップ量を非接触式に検出するギャップ
センサを備え、このギャップセンサによって検出された
ギャップ量に基づいてギャップ量一定制御を行いながら
加工を行うレーザ加工機において、レーザ加工機は、サ
ンプリング指令に基づき、ギャップ量一定制御OFF状態
においてノズルを所定のサンプリング基準位置から光軸
方向に規定量ずつ移動させ、この移動させる毎の各ギャ
ップ量に対するノズルからのセンサ出力をサンプリング
してサンプリングデータ記憶回路に記憶させるサンプリ
ング手段と、ノズルチェック指令に基づき、ギャップ量
一定制御OFF状態においてノズルを所定のチェック基準
位置に位置決めし、その位置でのギャップセンサのセン
サ出力を測定し、その値が上記記憶されているサンプリ
ングデータに基づいて設定された基準出力範囲内であれ
ばOKとし、基準出力範囲外であればNGと判定するノズル
チェック手段とを備え、このノズルチェック手段の判定
結果がOKのとき上記記憶されているサンプリングデータ
に基づいてギャップ量一定制御を行い、ノズルチェック
手段の判定結果がNGのとき上記サンプリング手段を作用
させ新たにサンプリングを行ってサンプリングデータ記
憶回路内のサンプリングデータを書き換えて記憶させる
ものである。

（作用） これにより、ノズルを最初に装着したとき、或は加工
不良に気がついたとき、或は任意時に、サンプリング指
令手段によってサンプリング指令を出すと、第１図のサ
ンプリング制御フローに示すように、サンプリング駆動
手段によって、ギャップ量一定制御OFF状態におおい
て、ノズルが例えば基準ブロックに対応する所定のサン
プリング基準位置から（例えばノズル先端と基準ブロッ
ク間のギャップ量が０の位置から）光軸方向に、規定量
例えば0.1mmずつ上昇送りされる。すなわち、この各高
さ位置が、ギャップ量を0.1mm、0.2mm、0.3mm、…と実
際に変化させた位置である。

この各ギャップ量に移動される毎に、ノズルからのセ
ンサ出力がサンプリングされ、サンプリングデータ記憶
回路へ書き込まれる。このサンプリングデータをグラフ
化すると、例えば第５図Ａ線のような特性曲線が得られ
る。

そして、ギャップ量一定制御ONのギャップコントロー
ル時には、第２図のギャップコントロール制御フローに
示すように、ノズルセンサのセンサ出力に基づいて、サ
ンプリングデータ記憶回路に記憶されている対応するギ
ャップ量を読み出し、このギャップ量と予め設定された
コントロール基準値としての設定ギャップ量とを比較
し、その偏差量分をギャップコントロール信号として、
光軸方向の駆動モータ回路へ送り、ノズル先端とワーク
との間のギャップ量が上記設定ギャップ量と一致するよ
うにノズルを光軸方向にコントロールする。

なお、ノズルの長時間使用等により、ノズル先端のセ
ンサが劣化し、センサ出力特性が変化してしまうと、ギ
ャップの適正コントロールが行えなくなるため、ノズル
チェック手段により、予めノズルチェックを行う。すな
わち、ノズルを所定のチェック基準位置に位置決めして
その位置でのセンサ出力を測定し、その値が基準出力範
囲内にあった場合はそのままのサンプリングデータでOK
とし、基準出力範囲外のときは新たに、サンプリング指
令手段によってサンプリング指令を行うことにより、上
述のように自動的に実際の各ギャップ量に対するセンサ
出力のサンプリングが行われ、サンプリングデータ記憶
回路内のセンサ出力のデータが新しく書き換えられる。

このように、センサ出力特性が変化しても、その時点
で、そのノズルのセンサ出力のサンプリングを行うこと
で、ノズルからのセンサ出力は書き換られたサンプリン
グデータによって実際のギャップ量と相応したギャップ
量で、適正なギャップコントロールを続行できるため、
ノズル劣化の度にノズルを交換する必要性が解消され
る。

（実施例） 次に本発明の具体的一実施例を第４図および第５図に
より説明する。

本実施例は、Ｘ軸方向に送り移動されるワークに対
し、レーザ加工ヘッドをＹ軸およびＺ軸方向に送り移動
し、例えば平板加工に用いられるレーザ加工機に関す
る。

ノズル１は、上記の図示しないレーザ加工ヘッドに装
着され、光軸をＺ軸と一致させている。ノズル１自体が
ギャップセンサとしての静電容量センサを形成してお
り、ノズル先端とワークＷとの間の静電容量C_Lを検出す
ることにより、両者間のギャップ量を非接触式に測定す
るようになっている。

ノズル１からのセンサ出力は、センサ回路２によって
直流電圧に変換され、データ処理回路３へ送られる。デ
ータ処理回路３には、サンプリングデータ記憶回路４、
ギャップ量表示回路５、データ比較回路６、Ｚ軸駆動パ
ルス発生回路７及び出力チェック回路８が設けられてい
る。

サンプリングデータ記憶回路４には、例えば、0.1m
m、0.2mm、0.3m……と、0.1mm毎のギャップ量データが
予め登録されており、この各ギャップ量に対応する図示
しないセンサ出力記憶部には、上記センサ回路２からの
センサ出力電圧が各ギャップ量データに対応して記憶さ
れ、しかも、サンプリング毎に逐次新しいサンプリング
データに書き換えられる。

サンプリング完了後に、ノズルからのセンサ出力に基
づいてサンプリングデータ記憶回路４から出力されるギ
ャップ量データは、上記データ比較回路６へ送られ、操
作部に設けたギャップ量設定手段９によって予め設定さ
れた設定ギャップ量と比較される。この両者間の偏差量
がギャップコントロール信号として上記Ｚ軸駆動パルス
発生回路７へ送られ、NC装置10内の割込み回数11を介し
てＺ軸モータ駆動制御回路12へ送られ、Ｚ軸コントロー
ルが行なわれ、ノズル１が光軸方向に移動制御される。

また、上記サンプリングデータ記憶回路４から出力さ
れるギャップ量データは上記ギャップ量表示回路５を介
してそのままギャップ量表示器13に数値表示される。

NC装置10には、ノズル１および図示しないスライドテ
ーブルをＸ、Ｙ、Ｚ軸方向に加工送りするための通常の
加工プログラム14と、ノズルチェック用のプログラム15
とが組み込まれ、それぞれ加工指令16およびノズルチェ
ック指令17によって選択的に実行される。

加工プログラム14からのＺ軸送り制御信号は上記割込
み回数11を介してＺ軸モータ駆動制御回路12へ送られ、
Ｚ軸モータ18を駆動制御し、ノズル１を光軸方向に送り
制御する。

ノズルチェックプログラム15は、ギャップ量一定制御
OFF状態において、第３図のノズルチェック制御フロー
に示すように、まずノズル１を例えば基準ブロックに対
応するチェック基準位置に自動的に位置決めする。この
チェック基準位置は、例えばＺ軸方向にノズル先端と基
準ブロック間のギャップ量が4.0mmとなる位置に設定さ
れている。この位置でのノズル１からのセンサ出力は、
上記出力チェック回路８に送られ、操作部に設けた基準
出力設定手段19によって予め設定された基準出力の範囲
内にあるか否かが判定される。

この基準出力は、第５図斜線範囲で示すように、チェ
ック基準ギャップ量が4.0mmで、例えば6.2V〜7.4Vと範
囲設定し、チェック時におけるセンサ出力がこの範囲内
にあれば、例えば第５図ａ、ｂ点では“OK"を、範囲外
であれば、例えば第５図ｃ点では“NG"を、ノズル良否
表示手段20で表示する。

“OK"の場合は、そのままのサンプリングデータでギ
ャップコントロールを続行でき、“NG"の場合は、警報
ランプ或はアラーム等で作業者に確実に警告し、ノズル
を交換するか、或はサンプリングデータの書き換えを促
す。

サンプリングデータの書き換えは、サンプリング手段
21を操作することによって、サンプリング駆動手段とな
るＺ軸駆動パルス発生回路７からＺ軸を0.1mmずつ上昇
させるような駆動パルスが発生され、ノズル先端と基準
ブロック間のギャップ量を０から0.1mmずつ増加させ
て、その各位置でノズル１が静電容量を検出し、そのセ
ンサ出力がセンサ回路２を介してサンプリングデータ記
憶回路４へ送られ、各ギャップ量データに対応するセン
サ出力電圧のサンプリングデータが古いデータから新し
いデータに書き換えられる。

このように、現在のノズル１のセンサ出力特性がサン
プリングされ、加工時はセンサ出力に基づいてこのサン
プリングデータから実際のギャップ量と相応したギャッ
プ量データを得、データ比較回路６へ送られて、ノズル
先端とワークＷとの間のギャップ量が常に設定ギャップ
量と一致して一定になるようにギャップコントロールが
行なわれる。

なお、NC装置10に、加工指令16が何回かなされたのち
自動的にノズルチェック指令17が出されるような指令プ
ログラムを組み込んでおくことも容易に可能であり、こ
の場合、設定されたサイクルで必ずノズルチェックがか
かるため、例えば作業者がセンサ出力特性が劣化したに
もかかわらず、ノズルチェックをかけるのを見逃がして
しまって、予期しない加工不良をおこしたりするのを未
然に防止することができる。

さらに、NC装置10、にサンプリング指令で実行される
サンプリングプログラムを組み込み、ノズルチェックプ
ログラム15と同様に割込み回路11へ接続するような構成
とすることも容易に可能であり、この場合、サンプリン
グ指令によってNC装置10にてノズル１を自動的にサンプ
リング基準位置に送り移動させ、すぐにＺ軸を規定量ず
つのギャップ量に送り駆動し、サンプリングを実行する
ことができるので、作業性を向上できるものとなる。ま
た、この場合、ノズルチェックによるNG出力信号を取り
入れて、NGのときに自動的に上記サンプリングプログラ
ムを実行させるようにすることもできる。

また、ギャップセンサは、静電容量式センサに限ら
ず、磁気センサ等他の非接触センサを用いたものでもよ
い。

さらに、レーザ加工ヘッドに、Ｚ軸のみでなく他に２
本の回転主軸を設けて照射端の光軸の向きを制御できる
５軸レーザ加工機においても、Ｚ軸モータとは別のギャ
ップコントロール用モータを設けるとともにノズル部分
のみを光軸方向に移動可能とさせる機構を設け、かつ上
記データ比較回路６の信号をＺ軸駆動パルス発生回路７
へ送るかわりに、上記コントロール用モータの駆動制御
部へ送ることにより、加工プログラムによる加工送りの
他にノズル先端のギャップコントロールを付加した送り
制御が容易に可能となる。また、ノズルのサンプリング
駆動も、上記コントロールモータを駆動制御して、ノズ
ルを光軸方向に規定量ずつ移動させるようにすることも
可能である。

また、ノズル構造も、ノズル自体をギャップセンサと
して構成したもの、ノズル先端部にギャップセンサとし
ての電極を溶着したもの、或は、ギャップ検出用の第１
電極およびこの第１電極の側面部を覆って設けられ立体
ワークによるノズル側部からのセンサ出力の影響をなく
すための第２電極を設けた構造でもよく、その他非接触
式のいかなるセンサ構造においても本発明を適用するこ
とができる。

（発明の効果） 以上のように、本発明によれば、例えばノズルの長時
間使用により、或はスパッタや高反射熱等の影響によ
り、ノズルのセンサ機能が劣化し、センサ出力特性に変
化が生じたとしても、簡単な操作で、ノズルを移動させ
てギャップ量を規定量ずつ変化させ、それぞれのセンサ
出力をサンプリングして、サンプリングデータ記憶回路
に記憶させることができ、しかもノズルチェック手段に
よっで、新たなサンプリングが必要か否かの判定がなさ
れるため、センサ出力特性の変化の度合によってはサン
プリングデータの書き換えを行うか或いは省略すること
もでき、効率的なサンプリングが行え、常に適正なサン
プリングデータを持つことができ、実際のギャップ量と
相応したギャップ量データに基づいて適正なギャップ量
一定制御が行える。このため、ノズルを長時間有効に使
用でき、ノズルの交換頻度が少なくなって、作業性、経
済性が向上される。同一のノズルにおいて、ギャップ量
検出精度を低下することなく、正確なギャップ量一定制
御が持続でき、常に良好な加工状態が得られる。

また、記憶されているサンプリングデータに基づいて
センサ出力に対応するギャップ量が簡単に読み出され、
これによりギャップ量の表示も容易となるため、ギャッ
プ量表示器を設けることが可能となり、作業者にとって
安心した作業が行えるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザ加工機におけるサンプリン
グ制御フロー図、第２図は同上ギャップコントロール制
御フロー図、第３図は同上ノズルチェック制御フロー
図、第４図は本発明の具体的制御回路の一実施例を示す
ブロック図、第５図はセンサ出力特性の変化と基準出力
範囲を示す図である。 １……ギャップセンサを一体化したノズル、２……セン
サ回路、４……サンプリングデータ記憶回路、５……ノ
ズルチェック手段を構成する出力チェック回路、７……
サンプリング手段を構成するサンプリング駆動手段とし
てのＺ軸駆動パルス発生回路、15……ノズルチェック手
段を構成するノズルチェックプログラム、17……ノズル
チェック手段を構成するノズルチェック指令手段、18…
…コントロール用駆動モータとしてのＺ軸モータ、19…
…ノズルチェック手段を構成する基準出力設定手段、21
……サンプリング手段を構成するサンプリング指令手
段、Ｗ……ワーク。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ノズルの先端に、ノズル先端とワークとの
   間のギャップ量を非接触式に検出するギャップセンサを
   備え、このギャップセンサによって検出されたギャップ
   量に基づいてギャップ量一定制御を行いながら加工を行
   うレーザ加工機において、レーザ加工機は、サンプリン
   グ指令に基づき、ギャップ量一定制御OFF状態において
   ノズルを所定のサンプリング基準位置から光軸方向に規
   定量ずつ移動させ、この移動させる毎の各ギャップ量に
   対するノズルからのセンサ出力をサンプリングしてサン
   プリングデータ記憶回路に記憶させるサンプリング手段
   と、ノズルチェック指令に基づき、ギャップ量一定制御
   OFF状態においてノズルを所定のチェック基準位置に位
   置決めし、その位置でのギャップセンサのセンサ出力を
   測定し、その値が上記記憶されているサンプリングデー
   タに基づいて設定された基準出力範囲内であればOKと
   し、基準出力範囲外であればNGと判定するノズルチェッ
   ク手段とを備え、このノズルチェック手段の判定結果が
   OKのとき上記記憶されているサンプリングデータに基づ
   いてギャップ量一定制御を行い、ノズルチェック手段の
   判定結果がNGのとき上記サンプリング手段を作用させ新
   たにサンプリングを行ってサンプリングデータ記憶回路
   内のサンプリングデータを書き換えて記憶させることを
   特徴とするレーザ加工機におけるセンサ出力サンプリン
   グ方法。