補助制御装置を備えたレーザ加工システム
【課題】従来、検出装置による異常の検知または加工の完了の検知に基づくレーザ制御指令からレーザ出力の停止までに時間がかかり過ぎるという問題があった。
【解決手段】本発明に係るレーザ加工システムは、レーザ出力信号とデジタル信号とを出力する数値制御装置と、レーザ出力信号をアナログ信号に変換する変換装置と、アナログ信号を制御するパルス信号を生成するパルス信号発生装置と、レーザ光線の送出／停止を強制的に制御する論理信号を生成する補助制御装置と、パルス信号と論理信号との間の論理演算結果を出力する論理演算装置と、論理演算結果に基づいてレーザ出力の送出／停止を交互に行なうレーザ駆動信号を生成するスイッチング装置と、レーザ光線による被加工物からの放射光または反射光の強度を測定する検出装置と、を有し、補助制御装置は検出装置により測定された光の強度に応じて論理信号を生成することを特徴とする。
【解決手段】本発明に係るレーザ加工システムは、レーザ出力信号とデジタル信号とを出力する数値制御装置と、レーザ出力信号をアナログ信号に変換する変換装置と、アナログ信号を制御するパルス信号を生成するパルス信号発生装置と、レーザ光線の送出／停止を強制的に制御する論理信号を生成する補助制御装置と、パルス信号と論理信号との間の論理演算結果を出力する論理演算装置と、論理演算結果に基づいてレーザ出力の送出／停止を交互に行なうレーザ駆動信号を生成するスイッチング装置と、レーザ光線による被加工物からの放射光または反射光の強度を測定する検出装置と、を有し、補助制御装置は検出装置により測定された光の強度に応じて論理信号を生成することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工システムに関し、特に高速でレーザの出力を制御する補助制御装置を備えたレーザ加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のレーザ加工システムは、数値制御装置（CNC：Computer Numerical Control)で制御され、ソフトウエアのデジタル制御により多彩な機能が実現可能となっている。これらのレーザ加工システムでは、レーザ電源装置によってレーザ媒体を放電励起するか、もしくは励起光源からレーザ媒体に励起光を照射することでレーザ光線を得ている。レーザ光線は集光レンズ等によって被加工物上の小さな領域に集められレーザ加工が進行する。
【０００３】
このようなシステムにおいては、数値制御装置からのデジタル信号をアナログ信号に変換してレーザ電源装置に与え、レーザ電源装置はアナログ信号にしたがって電気エネルギーをレーザ媒体に与え、これによって指令どおりの強度を持つレーザ光線が、指令されたタイミングで出力される。数値制御装置からは０．５〜８［ｍｓ］の短い周期でデジタル信号が送信される。デジタル信号はアナログ信号へ変換され、レーザ電源装置へ送信され、さらにレーザ媒体が励起されてレーザ光線の照射が行われる。多くの場合、デジタル信号送出からレーザ出力まで０．１［ｍｓ］以内に完了する。
【０００４】
被加工物にレーザを照射して被加工物の切断を行うレーザ加工の手順は次の通りである。まず、レーザを被加工物に集光するための加工ヘッドを被加工物の切断開始点に接近させる。加工ヘッドと被加工物との間の距離が最適化された後、被加工物の切断開始点に穴あけ加工（ピアシング）を行う。穴あけ加工が完了した後にレーザを所望の方向に移動させて被加工物の切断を行う。
【０００５】
ここで、被加工物のレーザ加工において、異常が発生した場合、被加工物のダメージを最小限に抑えるために迅速にレーザ光線の出力を停止する必要がある。レーザ加工における異常はレーザ光線が照射されている被加工物の加工点からの異常な放射光として検出することができる。そこで、レーザ加工の異常を、加工点からの放射光の発光強度により検出する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
従来のレーザ加工システムの構成について図１を用いて説明する。プロセッサ１０２１からの制御信号に従ってＩ／Ｏユニット１０２４がレーザ発振器１００２を駆動し、レーザ発振器１００２からはパルス状のレーザ光線１００６が発射される。このレーザ光線１００６は、ミラー１００３で反射されてレーザ加工機１００４に送られる。
【０００７】
レーザ加工機１００４には、被加工物１００８が固定されるテーブル１００７と、被加工物１００８にレーザ光線１００６を照射する加工ヘッド１００５とが設けられている。加工ヘッド１００５に導入されたレーザ光線１００６は、加工ノズル１００５ａの近傍で集光されて被加工物１００８に照射される。レーザ加工機１００４には、テーブル１００７をＸ軸、Ｙ軸方向に移動制御するためのサーボモータ１００９，１０１０が設けられ、さらに加工ヘッド１００５を上下方向に移動制御するためのサーボモータ１０１１が設けられている。これらサーボモータ１００９〜１０１１は、それぞれサーボアンプ１０２７〜１０２９に接続されており、プロセッサ１０２１からの軸制御信号に従って回転制御される。また、レーザ加工機１００４への指示は、ＣＲＴ１０２５を介して行われる。加工ヘッド１００５には、光量検出装置１０１２が取り付けられ、該光量検出装置１０１２は加工点（切断点）で発生する放射光を、レンズ（図示せず）を介して検出し、検出された光量に比例した大きさの信号を出力する。この検出信号は、増幅器１０１３で増幅され、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１０２６に入力され、Ａ／Ｄ変換器１０２６の出力がプロセッサ１０２１に入力される。
【０００８】
被加工物の切断中において、光量検出装置１０１２で検出され、増幅器１０１３及びＡ／Ｄ変換器１０２６を介して入力された加工点で発生する光量を読取り、この検出光量とあらかじめ設定された加工異常の判断基準値とを比較し、検出光量が判断基準値以下であれば、加工異常は発生していないと判断する。一方、検出光量が判断基準値を越えていれば、プロセッサ１０２１は異常信号を出力し、Ｉ／Ｏユニット１０２４を介してレーザ発振器１００２のレーザ光線遮断シャッタ（図示せず）を閉じることにより加工を停止させる。ここで、光量検出装置１０１２が検知した光量に基づいてレーザ光線遮断シャッタを閉じるまでには、少なくと、数ミリ〜十数ミリ秒を要する。
【０００９】
上記従来技術のように、レーザ照射による加工点の発光現象を捉えて、レーザの出力を制御しようとする場合には、被加工物のダメージを避けるために異常を検知してから加工を停止するまでの工程を０．５［ｍｓ］以内で実行する応答速度が要求される場合がある。しかしながら、上述のように、従来技術においては、光量検出装置が異常を検知してからレーザ出力に反映されるまでは、数ミリ〜十数ミリ秒を要し、被加工物にダメージを与える恐れがあるという問題があった。
【００１０】
ところで、一般的に、レーザ切断においては、未加工の被加工物上において、最初から切断加工条件でレーザ切断を行なうことはできず、切断に先立って切断の開始点に穴をあける穴あけ加工を行う必要がある。まず、レーザ加工ヘッドを被加工物に接近させていき、被加工物上の穴あけ加工に最適な高さに加工ヘッドを保つ。ここで、被加工物の代表的な材料である銅、真鍮、アルミ合金は、高出力レーザに用いられる赤外領域を含む光に対する反射率が高い。被加工物に対する集光点の位置が最適でないと、被加工物表面で反射したレーザ光線がレーザ共振器のミラーや励起用ファイバーなどを破損する。さらに、ビーム伝送用のダクトやミラー、レンズ、ファイバーも破損する恐れがある。よって、集光点の位置を最適な位置に位置決めしてからレーザ光線を照射する必要がある。
【００１１】
また、被加工物は平板であっても、多少の反り等がある場合もあり、レーザ加工システムでは、被加工物と加工ノズルとの間の静電容量を測定するなどして、両者の間の距離を常時測定し、これが一定になるようにＺ軸との間でフィードバック制御を行い、許容範囲の狭い加工ノズルと被加工物との間の距離および集光点の位置が一定となるようにしている。このときに、加工ノズルと被加工物との間の距離が最適な距離となってからレーザの照射を開始するまでに数ミリから十数ミリ秒の時間がかかり、タクトタイムが長くなる原因となっていた。
【００１２】
さらに、穴あけ加工にかかる時間は一定ではなく、被加工物表面の性状や温度など、様々な要因により、同一被加工物においても加工時間の長短がある。したがって、レーザ切断においては、穴あけ加工を完了する最長の時間を穴あけ加工時間として設定し、その時間が経過した後に切断加工に移行するようにしている。また、穴あけ加工の完了を光量検出装置により検知するレーザ加工システムも知られている（例えば、特許文献２）。穴あけ加工が始まると、加工点は強く発光するが、やがて穴あけ加工が進行し被加工物を貫通すると、発光は弱まる。加工点での発光を検知している光量検出装置は、強度の変化を捉えて穴あけ加工の終了を検出し、レーザ出力を止めて、切断加工に移行する。これにより、実際の穴あけ加工時間の長短に合わせて穴あけ加工を終了できるので、穴あけ加工時間として設定した最長の穴あけ時間を使って穴あけ加工を行なうよりも、タクトタイムを短縮できる。
【００１３】
しかしながら、前述のように従来の方法では、光量検出装置からの信号を受けて、実際にレーザ照射が停止するまでに、数ミリ〜数十ミリ秒を要してしまう。これは、レーザ照射を継続して過入熱になると加工不良となるようなレーザ加工の場合、無視できない時間である。勿論、数値制御装置の補間周期を限りなく短くしていけば解消できる問題ではあるが、数値制御装置の演算能力には限りがあって種々の有効な機能を削らなければ補間周期は短縮できず、一定の補間周期で制御することを前提に作成されているソフトウエア及びハードウエアを大幅に変更することになり、現実的な解決策にはならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平５−１５４６７６号公報
【特許文献２】特開平２−１７９３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従来のレーザ加工システムにおいては、数値制御装置によるデジタル制御において、光量検出装置による異常の検知または加工の完了の検知に基づくレーザ制御指令からレーザ出力の停止までに時間がかかり過ぎるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本願発明に係るレーザ加工システムは、レーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号と、を所定の送出周期で出力する数値制御装置と、レーザ出力信号をアナログ信号に変換する変換装置と、デジタル信号に基づいて、アナログ信号を制御するためのパルス信号を生成するパルス信号生成装置と、レーザ光線の送出または停止を強制的に制御する論理信号を生成する補助制御装置と、パルス信号と論理信号との間で論理演算を行って論理演算結果を出力する論理演算装置と、論理演算結果に基づいて、レーザ出力の送出及び停止を交互に行なうためのレーザ駆動信号を生成するスイッチング装置と、レーザ駆動信号に応じて出力されるレーザ光線が照射された結果、被加工物から放射または反射される光の強度を測定する検出装置と、を有し、補助制御装置は、検出装置により測定された光の強度に応じて、論理信号を生成することを特徴とする。
【００１７】
本願発明の一実施例に係るレーザ加工システムにおいて、補助制御装置は、検出装置が測定した被加工物から放射される光の強度が所定の強度以上の場合に、レーザの出力を停止するための論理信号を出力することが好ましい。
【００１８】
本願発明の他の実施例に係るレーザ加工システムにおいて、補助制御装置は、検出装置が測定した被加工物から反射される光の強度が所定の強度以上の場合に、レーザの出力を送出するための論理信号を出力するようにしてもよい。
【００１９】
本願発明のさらに他の実施例に係るレーザ加工システムにおいて、論理演算装置は、補助制御装置が出力する論理信号を利用するか、または利用しないかを切り換える切替装置をさらに有するようにしてもよい。そして切替装置に送る制御信号は、レーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号とに加えて、数値制御装置から所定の送出周期で送られることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の一実施例に係る発明では、数値制御装置からの一定の送出周期毎の信号と、補助制御装置から高速の信号とを論理演算し、その結果によりレーザ出力をオン／オフ制御するようにしている。これにより、例えば、補助制御装置でレーザ加工の異常や加工終了の検出を高速で行い、その結果に基づいてレーザ照射を制御することにより、各種加工の高速化を実現できる。さらに、レーザ加工の種類に応じて、補助制御装置からの論理信号に基づいてレーザ光線の送出または停止を選択したり、補助制御装置からの信号によらず数値制御装置からの指令のみでレーザ制御を行なうなど、フレキシブルなレーザ加工システムを実現できる。
【００２１】
本発明の他の実施例にかかる発明では、加工ヘッドを被加工物の加工点に向けて移動する間に、レーザ光線あるいは距離測定用レーザ光線の照射の結果生ずる被加工物からの光量が予め設定された値よりも大きくなった瞬間に、補助制御装置からの信号によりレーザ出力を増大させることができるので、最も早期のタイミングで穴あけ加工を開始することが可能になり、レーザ加工のタクトタイムを短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来のレーザ加工システムの構成図である。
【図２】本発明の実施例１に係るレーザ加工システムの構成図である。
【図３】本発明の実施例１に係るインターフェース回路の構成図である。
【図４】本発明の実施例１に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施例１に係るインターフェース回路における信号の波形図である。
【図６】加工ヘッドを被加工物に接近させた場合のレーザ光線と反射光との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係るインターフェース回路の構成図である。
【図８】本発明の実施例２に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施例２に係るインターフェース回路における信号の波形図である。
【図１０】本発明の実施例３に係るインターフェース回路の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下図面を参照して、本発明に係るレーザ加工システムについて説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【実施例１】
【００２４】
図２に本発明の実施例１に係るレーザ加工システムの構成図を示す。また、本発明の実施例１に係るレーザ加工システムのインターフェース回路の構成を図３に示す。レーザ加工システム１１は、レーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号と、を出力する数値制御装置１と、レーザ出力信号をアナログ信号に変換する変換装置２３１と、レーザ光線の送出または停止を強制的に制御する論理信号を生成する補助制御装置７と、デジタル信号に基づいて、アナログ信号を制御するためのパルス信号を生成するパルス信号生成装置２２と、パルス信号と論理信号との間で論理演算を行って論理演算結果を出力する論理演算装置２８と、論理演算結果に基づいて、レーザ出力の送出及び停止を交互に行なうためのレーザ駆動信号を生成するスイッチング装置２７と、を有する。さらに、レーザ加工システム１１は、レーザ駆動信号に応じてレーザの励起エネルギーを生成するレーザ電源装置３１と、レーザ電源装置３１が生成した励起エネルギーを用いてレーザ媒体を励起する放電管３２と、放電管３２で増幅されたレーザ光線を被加工物５５に照射する加工ヘッド５と、加工ヘッド５からレーザ光線が照射された結果、被加工物５５から放射または反射される光の強度を測定する検出装置６と、を有する。実施例１に係るレーザ加工システム１１は、補助制御装置７が、検出装置６により測定された光の強度に応じて、レーザ光線の送出または停止を強制的に制御する論理信号を生成する点を特徴としている。
【００２５】
レーザ加工システム１１は、被加工物（ワーク）５５を搭載したテーブル５４を水平方向に移動させるサーボモータ８と、加工ヘッド５を垂直方向に移動させるモータ（図示せず）と、を有し、これらのモータを駆動するサーボアンプ９を備えている。
【００２６】
次に、レーザ加工システム１１によるレーザ加工の方法について図４のフローチャートを用いて説明する。実施例１においては、レーザ加工を実行し、被加工物からの異常な放射光を検知した場合にレーザ加工を停止する場合を例にとって説明する。
【００２７】
まず、ステップＳ１０１において、数値制御装置１がインターフェース２１を介してレーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号ＤＳ３（図３参照）と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２と、を所定の送出周期で出力する。デジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２は、それぞれ、パルス状のレーザ駆動信号を生成するためにレーザの送出期間及び停止期間を決める信号であり、典型的には送出期間及び停止期間は、共に１０[μｓ]〜５０［ｍｓ］であるに。デジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２は、１０〜１６ｂｉｔのデジタルデータであり、被加工物の移動のための移動量の送出周期（補間周期）と同期している。ここで、送出周期（補間周期）とは、レーザ出力の送出期間を決める１つのパルスの立ち上がり開始時間から、次のパルスの立ち上がり開始時間までの期間をいう。
【００２８】
また、レーザ出力を行なわない期間でも、レーザ媒体に若干の準備エネルギーを注入するために、後段においてレーザ電源装置へ供給するレーザ駆動信号に、準備エネルギー分に相当するバイアス指令電圧を加算するためのバイアス信号ＤＳ４を出力するようにしてもよい。
【００２９】
次に、ステップＳ１０２において、変換装置２３１がレーザ出力信号ＤＳ３をアナログ信号ＡＳ１に変換する。アナログ信号ＡＳ１の波形を図５に示す。図５において、横軸は時間、縦軸は電圧レベルを示す。アナログ信号ＡＳ１の電圧値は、レーザを駆動する期間は電圧Ｖｃ［Ｖ］であり、レーザを停止している期間は０［Ｖ］である。ここで、バイアス信号ＤＳ４を入力した場合には、バイアス電圧変換装置２３２によりアナログ化されてバイアス指令信号ＡＳＢが得られる。
【００３０】
次に、ステップＳ１０３において、パルス信号生成装置２２がデジタル信号ＤＳ１及びＤＳ２に基づいてパルス信号ＬＳ２を生成する。パルス信号ＬＳ２の波形を図５に示す。パルス信号ＬＳ２の値は、デジタル信号ＤＳ１によって決定されるレーザ光線送出期間においてはハイ（Ｈ）であり、デジタル信号ＤＳ２によって決定されるレーザ光線停止期間においてはロー（Ｌ）である。レーザ光線停止期間が満了すると、パルス信号生成装置２２は再びパルス信号ＬＳ２の値をハイにし、以降これを繰り返すので複数のパルスＰ１〜Ｐ５が得られる。ＤＳ１及びＤＳ２は補間周期で入力されるので、新たにＤＳ１及びＤＳ２の値が変更されるまでは、このパルス列が継続する。
【００３１】
次に、ステップＳ１０４において、補助制御装置７がハイレベルの論理信号ＬＳ３を出力する。図５に論理信号ＬＳ３の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ0〜ｔ1の期間において、論理信号ＬＳ３がハイレベルとなっているのは、レーザ加工を実行していることを示している。なお、後述するように、時刻ｔ＝ｔ1以降で論理信号ＬＳ３がローレベルとなっているのは、時刻ｔ＝ｔ1において検出装置６が被加工物５５からの異常な放射光６１（図２参照）を検出し、その検出結果に基づいて補助制御装置７がローレベルの論理信号ＬＳ３を出力していることを示している。ここで「放射光」とは、被加工物に穴あけ加工や切断加工を行うためのレーザ光線を照射した際に被加工物から放射される光をいう。
【００３２】
次に、ステップＳ１０５において、論理演算装置２８がパルス信号ＬＳ２とハイレベルの論理信号ＬＳ３との間で論理演算を行って論理演算結果ＬＳ５を出力する。ここで、論理演算は論理積（ＡＮＤ）である。図５に論理演算結果ＬＳ５の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ0〜ｔ1の期間において、論理信号ＬＳ３がハイレベルとなっているため、同期間において、論理演算結果ＬＳ５の波形は、パルス信号ＬＳ２の波形と同様になり、パルス信号ＬＳ２のパルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３と同様のパルスＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３が得られる。一方、パルス信号ＬＳ２のパルスＰ４に対応する論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１４は、時刻ｔ＝ｔ1に至るまではハイレベルであるが、時刻ｔ1以降はローレベルとなる。また、パルス信号ＬＳ２のパルスＰ５に対応する論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１５は、常にローレベルであり、パルス波形としては観測されない。
【００３３】
次に、ステップＳ１０６において、スイッチング装置２７が論理演算結果ＬＳ５に基づいてアナログ信号ＡＳ１から送出周期を有するレーザ駆動信号ＡＳ２を生成する。図３に示すように、スイッチング装置２７は、論理演算結果ＬＳ５がハイレベルのときにオン状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２はアナログ信号ＡＳ１と同一のＶｃ［Ｖ］となる。一方、スイッチング装置２７は、論理演算結果ＬＳ５がローレベルのときにオフ状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２は０［Ｖ］となる。その結果、レーザ駆動信号ＡＳ２は、最大値がＶｃ［Ｖ］であって、論理演算結果ＬＳ５と同様な送信周期を有するパルス波形となる。スイッチング装置２７における信号のオン／オフは、１０［μｓ］以内にレーザ出力に反映される。
【００３４】
図５にレーザ駆動信号ＡＳ２の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ0〜ｔ1の期間において、レーザ駆動信号ＡＳ２の波形は、論理演算結果ＬＳ５の波形と同様になり、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３と同様のパルスＰ２１、Ｐ２２、Ｐ２３が得られる。一方、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１４に対応するレーザ駆動信号ＡＳ２のパルスＰ２４は、時刻ｔ＝ｔ1に至るまではＶｃ［Ｖ］であるが、時刻ｔ1以降は０［Ｖ］となる。また、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１５に対応するレーザ駆動信号ＡＳ２のパルスＰ２５は、常に０［Ｖ］であり、パルス波形としては観測されない。なお、レーザ駆動信号ＡＳ２にバイアス指令信号ＡＳＢを加算器２５により加算する場合は、バイアス指令信号ＡＳＢを加えたレーザ駆動信号ＡＳ３の波形は、図５に示すようにレーザ駆動信号ＡＳ２に所定のバイアス指令信号ＡＳＢを加えた信号波形となり、レーザ駆動信号ＡＳ２のパルスＰ２１〜Ｐ２５と同様のパルスＰ３１〜Ｐ３５を有するパルス波形となる。
【００３５】
次に、ステップＳ１０７において、レーザ電源装置３１が電源４からの電力の供給を受けて、インターフェース２６を介して入力された、バイアス指令信号を加えたレーザ駆動信号ＡＳ３に応じてレーザの励起エネルギーを生成する。上述のように、バイアス指令信号を加えたレーザ駆動信号ＡＳ３はデジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２及び論理信号ＬＳ３によって決められるパルス波形を有しているため、励起エネルギーもＰ３１〜Ｐ３５と同様なパルス波形となる。
【００３６】
次に、ステップＳ１０８において、放電管３２が励起エネルギーを用いてレーザ光線５０を出力する。即ち、放電管３２に励起エネルギーが供給され、出力鏡３４とリア鏡３３とに挟まれたレーザ媒体がレーザ発振して、レーザ光線５０が出力される。放電管３２から出力されたレーザ光線５０は、反射鏡５１または光ファイバー（図示せず）を用いて加工ヘッド５に導かれる。
【００３７】
次に、ステップＳ１０９において、加工ヘッド５が、放電管３２が出力したレーザ光線５０を被加工物５５に照射する。具体的には、加工ヘッド５内に装備されたレンズ５２により被加工物５５上にレーザ光線５０が集光される。レーザ光線５０は加工ヘッド５の先端に設けられた加工ノズル５３を通過して被加工物５５に照射されるが、この加工ノズル５３からは同時に窒素や酸素などのアシストガスも供給される。レーザ光線５０を集光して照射された被加工物５５は一般的に１０００℃以上の高温になり、同時に供給されるアシストガス流により溶融除去されるなどして、レーザ切断などの各種加工が実現する。
【００３８】
典型的には、レーザ出力は１〜１０［ｋＷ］、被加工物５５上の集光点の大きさは０．０１〜１［ｍｍ］、レンズ５２と被加工物５５との距離は５０〜５００［ｍｍ］である。加工ノズル５３は一般に銅製であり、そのノズル径は直径０．５〜６［ｍｍ］、加工ノズル５３の内部のアシストガスの圧力は０．０１〜３［ＭＰａ］である。被加工物５５は、鋼板、鋼管の他、プレス成型された金属や各種樹脂、ステンレス鋼、アルミ合金、真鍮、銅など種々の材料で形成される。加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離は０．５〜５０［ｍｍ］であり、切断加工時には０．５〜４［ｍｍ］の範囲に保たれる。集光されたレーザ光線５０の集光点（焦点）は、被加工物５５の表面近傍１０［ｍｍ］以内のところにある。
【００３９】
レーザ加工は、被加工物５５の上で集光点を走査することで進行する。集光点の走査のために、加工ノズル５３と被加工物５５との相対位置を移動させるが、それにはサーボアンプ９を用いる。レーザ発振装置３とサーボアンプ９は、共に数値制御装置１で制御される。数値制御装置１はＮＣプログラムを解読し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、そのほかのサーボアンプ９それぞれに移動量を送出する。移動量の送出は一定周期毎に行われ、これにより、各軸の間は同期して駆動されることになり、被加工物５５上で円弧や直線を描くようにして加工ヘッド５を走査することができる。この移動量の送出周期は補間周期と呼ばれ、典型的には０．５〜８［ｍｓ］に設定される。
【００４０】
次に、ステップＳ１１０において、検出装置６が被加工物５５からの放射光６１の強度を測定する。図２に示すように、レーザ加工システム１１には、加工点５６の状態を監視する検出装置６が備えられている。レーザ光線５０をレンズ５２で集光し、被加工物５５の表面に照射すると、レーザ照射に際し加工点５６は高温のため発光する。過度に発光量が大きくなったときは、被加工物５５に何らかの異常が生じたものと推測することができる。放射光６１を検出した検出装置６からは、放射光６１の強度に応じた信号が補助制御装置７に送信される。
【００４１】
次に、ステップＳ１１１において、補助制御装置７が放射光６１の強度の変化を監視する。補助制御装置７は検出装置６から放射光６１の強度に応じた信号を時々刻々受信しているため、放射光６１の強度の変化を検出することができる。
【００４２】
次に、ステップＳ１１２において、補助制御装置７は放射光６１の強度が閾値以上であるか否かを判断する。ここで閾値は被加工物５５に何らかの異常が生じたか否かを判断する放射光の強度の基準値とすることができる。放射光６１の強度が閾値未満である場合には、ステップＳ１０１に戻ってレーザ加工を継続して実行する。
【００４３】
一方、放射光６１の強度が閾値以上である場合には、被加工物５５に何らかの異常が生じているものと判断し、ステップＳ１１３において、補助制御装置７がローレベルの論理信号ＬＳ３を出力する。論理信号ＬＳ３は、図５に示すように時刻ｔ＝ｔ1においてハイレベルからローレベルへ変わる。
【００４４】
次に、ステップＳ１１４において、論理演算装置２８がパルス信号ＬＳ２とローレベルの論理信号ＬＳ３との間で論理演算を行ってローレベルの論理演算結果ＬＳ５を出力する。ここで、論理演算装置２８で行う論理演算は論理積（ＡＮＤ）である。図５にパルス信号ＬＳ２、論理信号ＬＳ３及び論理演算結果ＬＳ５の各波形を示す。時刻ｔ＝ｔ1以降においてもパルス信号ＬＳ２は変化しないが、論理信号ＬＳ３がローレベルとなるため、パルス信号ＬＳ２と論理信号ＬＳ３との論理積である論理演算結果ＬＳ５はローレベルとなる。ここで、論理信号ＬＳ３がハイレベルからローレベルに変化するタイミングは、パルス信号ＬＳ２の立ち上がり時間及び立ち下り時間とは無関係であるため、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１４は、パルスの立ち下りを待たずに強制的にローレベルに変化する。
【００４５】
次に、ステップＳ１１５において、スイッチング装置２７がローレベルの論理演算結果ＬＳ５に基づいて０［Ｖ］のレーザ駆動信号ＡＳ２を生成する。図５にレーザ駆動信号ＡＳ２の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ1以降において論理演算結果ＬＳ５はローレベルとなるため、スイッチング装置２７はオフした状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２は０［Ｖ］となる。上述の通り、論理演算結果ＬＳ５は時刻ｔ＝ｔ1において強制的に０［Ｖ］になるため、レーザ駆動信号ＡＳ２もパルスＰ２４の立ち下りを待たずに強制的に０［Ｖ］となる。その結果、バイアス指令信号を加えたレーザ駆動信号ＡＳ３は、時刻ｔ＝ｔ1においてパルスＰ３４の立ち下りを待たずに強制的にバイアス電圧のみとなり、ステップＳ１１６において、レーザ加工システム１１はレーザ出力を停止する。ここで、検出装置６が異常な放射光６１を検出してからレーザ光線が停止するまでの時間は１０［μｓ］以下である。
【００４６】
以上のようにして、被加工物５５からの放射光６１を監視し、異常が生じたときにレーザの出力を瞬時に停止することができるので、被加工物におけるダメージを最小限に抑えることができる。
【００４７】
以上の説明においては、検出装置が被加工物から異常な放射光を検出した場合にレーザ光線の出力を停止する例を示したが、放射光の強度に応じてレーザ光線の強度を増減するようにしてもよい。即ち、被加工物５５からの放射光５１が被加工物５５に異常が生じているのを示すのではなく、単にレーザ光線５０の強度が高いと判断できる場合には、補助制御装置７が数値演算装置１にレーザ光線の強度を低くするような制御信号を送信するようにしてもよい。この場合、検出装置６の信号を受けて補助制御装置７は、光量の大きさに応じて数値制御装置１に信号を送信する。例えば、光量が多い場合には、レーザ出力が過大であるので、レーザ出力に関するオーバライドを１００％から数１０％に変更する。その信号を受けて、数値制御装置１がレーザ出力信号を減少させるので、レーザ電源装置３１から放電管３２へ注入される励起エネルギーも減少し、レーザ出力も減少する。これにより、レーザ加工が安定に進むように制御される。
【実施例２】
【００４８】
次に、本発明の実施例２に係るレーザ加工システムについて説明する。実施例２に係るレーザ加工システムの構成は図２に示した実施例１に係るレーザ加工システムと同様である。図２に示すように、被加工物５５にレーザ光線５０を照射して加工を行うためには、加工ヘッド５の加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離を最適化する必要がある。そして、タクトタイムの短縮のためには、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離を最適化した直後にレーザ光線の照射を開始して穴あけ加工を行うことが重要である。
【００４９】
実施例２に係るレーザ加工システムは、レーザ電源装置が所定の励起エネルギーを放電管に供給することにより、加工ノズルと被加工物との間の距離を測定するための距離測定用レーザ光線を被加工物に照射し、補助制御装置が、検出装置が所定の強度以上の反射光を測定した場合に、レーザの出力を送出するための論理信号を出力する点を特徴としている。
【００５０】
加工ヘッドを被加工物に近づける手順について図６を用いて説明する。図６（ａ）は加工ヘッド（図示せず）を被加工物５５に近づけて、加工ノズルと被加工物５５との間の距離を測定するための距離測定用レーザ光線５００を照射する様子を示している。この距離測定用レーザ光線５００は、加工用のレーザ光線より強度が弱く被加工物には影響を与えないが、被加工物からの反射光を測定することが可能な強度に設定することが好ましい。ここで、「反射光」とは、被加工物にほとんど影響を与えない程度の強度のレーザ光線を照射した際に、被加工物表面から反射される光をいう。反射光を用いて距離を測定するための距離測定用レーザ光線として、例えば波長が可視光域で出力が４［ｍＷ］以下のレーザ光線が用いられる。図６（ａ）においては、距離測定用レーザ光線５００はレンズ５２により集光されるが、焦点５７の位置は加工点５６の位置とは一致していない。この場合、距離測定用レーザ光線５００の反射光６２は検出装置６により強度が低い光線として検出される。
【００５１】
一方、図６（ｂ）に示すように、焦点５７が加工点５６と一致した場合には、距離測定用レーザ光線５００の反射光６２は検出装置６により強度が強い光線として検出される。そこで、実施例２に係るレーザ加工システムにおいては、検出装置６により検出された反射光６２の強度に基づいて加工ノズルと被加工物５５との間の距離が最適化されたことを検知し、その直後に穴開け加工を開始する点を特徴としている。
【００５２】
図７に本発明の実施例２に係るレーザ加工システムのインターフェース回路２０を示す。図３に示した実施例１に係るレーザ加工システムのインターフェース回路２と異なる点は、レーザ駆動信号ＡＳ２に、バイアス指令信号ＡＳＢによるバイアス指令電圧だけでなく、距離測定用信号ＡＳＭによる加工ノズルと被加工物との間の距離を測定するための距離測定用電圧を加えている点である。レーザ駆動信号ＡＳ２に距離測定用電圧を加えたレーザ駆動信号ＡＳ４を用いることにより、レーザ駆動信号ＡＳ２が０［Ｖ］の場合であっても、加工ノズルと被加工物との間の距離を測定するための距離測定用レーザ光線を照射することができ、加工ノズルと被加工物との間の距離を測定することができる。
【００５３】
次に、本発明の実施例２に係るレーザ加工システムによるレーザ加工の方法について図８のフローチャートを用いて説明する。実施例２においては、レーザ加工を実行する前に、加工ノズルと被加工物との距離を最適化し、その後にレーザ加工を実行する場合を例にとって説明する。
【００５４】
まず、ステップＳ２０１において、数値制御装置１がインターフェース２１を介して加工ノズル５３（図２参照）と被加工物５５との間の距離を測定するための距離測定用レーザ光線を照射するための距離測定用レーザ出力信号ＤＳ５（図７参照）と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２と、を所定の送出周期で出力する。デジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２は、実施例１のものと同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００５５】
実施例２においては、初期の段階では加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離は最適化されておらず、被加工物５５を加工するためのレーザ光線は照射されない。しかしながら、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化された瞬間に加工用のレーザ光線を照射することが好ましい。そこで、図７に示すように、加工用のレーザ光線を照射する前の時点から、レーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号ＤＳ３がインターフェース回路２０に入力されている。
【００５６】
また、レーザ出力を行なわない間でも、レーザ媒体に若干の準備エネルギーを注入するために、後段においてレーザ電源装置へ供給するレーザ駆動信号に、準備エネルギー分に相当するバイアス指令値を加算するためのバイアス信号ＤＳ４を出力するようにしてもよい点は実施例１と同様である。
【００５７】
次に、ステップＳ２０２において、距離測定電圧変換装置２３３が距離測定用レーザ出力信号ＤＳ５を距離測定用信号ＡＳＭに変換する。さらに、変換装置２３１がレーザ出力信号ＤＳ３をアナログ信号ＡＳ１に変換する。アナログ信号ＡＳ１の波形を図９に示す。図９において、横軸は時間、縦軸は電圧レベルを示す。アナログ信号ＡＳ１の電圧値は、レーザを駆動する期間は電圧Ｖｃ［Ｖ］であり、レーザを停止している期間は０［Ｖ］である。ここで、バイアス信号ＤＳ４を入力した場合には、バイアス電圧変換装置２３２によりアナログ化されてバイアス指令信号ＡＳＢが得られる。実施例２においては、図９に示すように、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間は加工ノズル５３が被加工物５５に接近している段階であって最適な位置に到達していないものとする。そのため、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間は、被加工物５５を加工するためのレーザ光線は照射されない。しかしながら、アナログ信号ＡＳ１をレーザ光線の照射を行う電圧に設定することにより、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化された瞬間にレーザ光線の照射を実行できるようになる。
【００５８】
次に、ステップＳ２０３において、パルス信号生成装置２２がデジタル信号ＤＳ１及びＤＳ２に基づいてパルス信号ＬＳ２を生成する。パルス信号ＬＳ２の波形を図９に示す。パルス信号ＬＳ２の値は、デジタル信号ＤＳ１によって決定されるレーザ光線送出期間はハイ（Ｈ）であり、デジタル信号ＤＳ２によって決定されるレーザ光線停止期間はロー（Ｌ）である。レーザ光線停止期間が満了すると、パルス信号生成装置２２は再びパルス信号ＬＳ２の値をハイにし、以降これを繰り返すので複数のパルスＰ４１〜Ｐ４５が得られる。ＤＳ１及びＤＳ２は補間周期で入力されるので、新たにＤＳ１及びＤＳ２の値が変更されるまでは、このパルス列が継続する。
【００５９】
次に、ステップＳ２０４において、補助制御装置７がローレベルの論理信号ＬＳ３を出力する。図９に論理信号ＬＳ３の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間において、論理信号ＬＳ３がローレベルとなっているのは、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化されておらず、距離測定用レーザ光線５００（図６参照）の反射光６２が弱いことに対応している。なお、後述するように、時刻ｔ＝ｔ3以降で論理信号ＬＳ３がハイレベルとなっているのは、時刻ｔ＝ｔ2において検出装置６が、被加工物５５からの反射光６２が所定の強度以上であることを検出し、その検出結果に基づいて補助制御装置７がハイレベルの論理信号ＬＳ３を出力していることを示している。
【００６０】
次に、ステップＳ２０５において、論理演算装置２８がパルス信号ＬＳ２とローレベルの論理信号ＬＳ３との間で論理演算を行って論理演算結果ＬＳ５を出力する。ここで、論理演算は論理積（ＡＮＤ）である。図９に論理演算結果ＬＳ５の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間において、論理信号ＬＳ３がローレベルとなっているため、同期間において、論理演算結果ＬＳ５の波形は、ローレベルでありパルス波形としては観測されない。一方、パルス信号ＬＳ２のパルスＰ４２に対応する論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ５２は、時刻ｔ＝ｔ3に至るまではローレベルであるが、時刻ｔ3以降はハイレベルとなる。また、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ５３〜５５の波形は、パルス信号ＬＳ２のパルスＰ４３〜４５と同様な波形となる。
【００６１】
次に、ステップＳ２０６において、スイッチング装置２７が論理演算結果ＬＳ５に基づいてアナログ信号ＡＳ１から送出周期を有するレーザ駆動信号ＡＳ２を生成する。図７及び９に示すように、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間において、論理演算結果ＬＳ５がローレベルのときにオフ状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２は０［Ｖ］となる。一方、スイッチング装置２７は、時刻ｔ＝ｔ3以降において論理演算結果ＬＳ５がハイレベルのときにオン状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２はアナログ信号ＡＳ１と同一のＶｃ［Ｖ］となる。その結果、レーザ駆動信号ＡＳ２は、最大値がＶｃ［Ｖ］であって、論理演算結果ＬＳ５と同様な送信周期を有するパルス波形となる。スイッチング装置２７における信号のオン／オフは、１０［μｓ］以内にレーザ出力に反映される。
【００６２】
図９にレーザ駆動信号ＡＳ２の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間において、レーザ駆動信号ＡＳ２の波形は、常に０［Ｖ］であり、パルス波形としては観測されない。一方、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ５２に対応するレーザ駆動信号ＡＳ２のパルスＰ６２は、時刻ｔ＝ｔ3に至るまでは０［Ｖ］であるが、時刻ｔ3以降はＶｃ［Ｖ］となる。なお、図７に示すように、本実施例においては、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離を測定するための距離測定用レーザ光線を照射するために、レーザ駆動信号ＡＳ２に距離測定用信号ＡＳＭを第２加算器２５２により加えている。これに加えてさらに、バイアス指令信号ＡＳＢを第１加算器２５１により加算する場合は、距離測定用電圧及びバイアス指令信号を加えたレーザ駆動信号ＡＳ４の波形は、図９に示すようにレーザ駆動信号ＡＳ２に所定のバイアス指令信号ＡＳＢと距離測定用信号ＡＳＭとを加えた信号波形となり、レーザ駆動信号ＡＳ２のパルスＰ６１〜Ｐ６５と同様のパルスＰ７１〜Ｐ７５を有するパルス波形となる。ここで、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間においては、被加工物を加工するためのレーザ光線は出力されず、距離測定用レーザ光線のみが出力されることになる。
【００６３】
次に、ステップＳ２０７において、レーザ電源装置３１が電源４からの電力の供給を受けて、インターフェース２６を介して入力された、レーザ駆動信号ＡＳ２に距離測定用信号ＡＳＭ及びバイアス指令信号ＡＳＢを加えたレーザ駆動信号ＡＳ４に応じてレーザの励起エネルギーを生成する。ここで、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間においては、レーザ駆動信号ＡＳ２は０［Ｖ］であるので信号ＡＳ４は、距離測定用信号ＡＳＭとバイアス指令信号ＡＳＢとを加算したものである。バイアス指令信号ＡＳＢの大きさは小さいので、距離測定用信号ＡＳＭに応じてレーザの励起エネルギーが生成される。距離測定用電圧及びバイアス指令電圧を加えた距離測定用レーザ駆動信号ＡＳ４は、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間においては、一定の電圧値を示し、時刻ｔ＝ｔ3以降においてデジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２及び論理信号ＬＳ３によって決められるパルス波形となるため、励起エネルギーもＰ６１〜Ｐ６５と同様なパルス波形となる。
【００６４】
次に、ステップＳ２０８において、放電管３２が励起エネルギーを用いて距離測定用レーザ光線５００を出力する。即ち、放電管３２に励起エネルギーが供給され、出力鏡３４とリア鏡３３とに挟まれたレーザ媒体はレーザ発振し、距離測定用レーザ光線５００が出力される。放電管３２から出力された距離測定用レーザ光線５００は、反射鏡５１または光ファイバー（図示せず）を用いて加工ヘッド５に導かれる。
【００６５】
次に、ステップＳ２０９において、加工ヘッド５が放電管３２から出力された距離測定用レーザ光線５００を被加工物５５に照射する。具体的には、加工ヘッド５内に装備されたレンズ５２により被加工物５５上に距離測定用レーザ光線５００が集光される。距離測定用レーザ光線５００は加工ヘッド５の先端に設けられた加工ノズル５３を通過して被加工物５５に照射される。
【００６６】
次に、ステップＳ２１０において、検出装置６が被加工物５５からの反射光６２の強度を測定する。図２に示すように、レーザ加工システム１１には、反射光６２の強度を測定する検出装置６が備えられている。図６に示すように、距離測定用レーザ光線５００は被加工物５５で反射され、反射光６２が検出装置６により検出される。なお、加工ヘッド５が被加工物５５に十分接近しておらず、両者間の距離が最適化されていない段階では、図６（ａ）に示すように距離測定用レーザ光線５００の焦点５７の位置は被加工物５５の上方に有る。そのため、反射光６２の強度は、同図（ｂ）に示すように距離測定用レーザ光線５００の焦点５７の位置が被加工物５５の表面の位置と一致した場合に比べて弱くなる。反射光６２を検出した検出装置６からは、反射光６２の強度に応じた信号が補助制御装置７に送信される。
【００６７】
次に、ステップＳ２１１において、補助制御装置７が反射光６２の強度の変化を監視する。補助制御装置７は検出装置６から反射光６２の強度に応じた信号を時々刻々受信しているため、反射光６２の強度の変化を検出することができる。
【００６８】
次に、ステップＳ２１２において、補助制御装置７が反射光６２の強度は閾値以上であるか否かを判断する。ここで閾値は加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化されたときに生じる反射光の強度とすることができる。反射光６２の強度が閾値未満である場合には、ステップＳ２０１に戻って、加工ヘッド５と被加工物５５との間の距離を変えて距離測定用レーザ光線の照射を継続して実行する。
【００６９】
一方、反射光６２の強度が閾値以上である場合には、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化されたものと判断し、ステップＳ２１３において、補助制御装置７がハイレベルの論理信号ＬＳ３を出力する。論理信号ＬＳ３は、図９に示すように時刻ｔ＝ｔ3において論理信号ＬＳ３はローレベルからハイレベルへ変わる。
【００７０】
次に、ステップＳ２１４において、論理演算装置２８がパルス信号ＬＳ２とハイレベルの論理信号ＬＳ３との間で論理演算を行ってハイレベルの論理演算結果ＬＳ５を出力する。ここで、論理演算装置２８で行う論理演算は論理積（ＡＮＤ）である。図９にパルス信号ＬＳ２、論理信号ＬＳ３及び論理演算結果ＬＳ５の各波形を示す。時刻ｔ＝ｔ3以降においてもパルス信号ＬＳ２は変化しないが、論理信号ＬＳ３がハイレベルとなるため、パルス信号ＬＳ２と論理信号ＬＳ３との論理積である論理演算結果ＬＳ５は、パルス信号ＬＳ２と同様な信号となる。ここで、論理信号ＬＳ３がローレベルからハイレベルに変化するタイミングは、パルス信号ＬＳ２の立ち上がり時間及び立ち下り時間とは無関係であるため、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ５２は、パルスの立ち上がりを待たずに強制的にハイレベルに変化する。
【００７１】
次に、ステップＳ２１５において、スイッチング装置２７がハイレベルの論理演算結果ＬＳ５に基づいて波高値Ｖｃ［Ｖ］のレーザ駆動信号ＡＳ２を生成する。図９にレーザ駆動信号ＡＳ２の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ3以降において論理演算結果ＬＳ５はハイレベルとなるため、スイッチング装置２７はオンした状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２は波高値Ｖｃ［Ｖ］のパルス波形となる。上述の通り、論理演算結果ＬＳ５は時刻ｔ＝ｔ3において強制的に、Ｖｃ［Ｖ］になるため、レーザ駆動信号ＡＳ２もパルスＰ６３の立ち上がりを待たずにパルスＰ６２の周期の途中から強制的にＶｃ［Ｖ］となる。その結果、レーザ駆動信号ＡＳ２に距離測定用信号ＡＳＭ及びバイアス信号ＡＳＢを加えたレーザ駆動信号ＡＳ４は、時刻ｔ＝ｔ3においてパルスＰ７３の立ち上がりを待たずにパルスＰ７２の周期の途中から強制的にＶｃ［Ｖ］に距離測定用電圧及びバイアス電圧を加えた電圧を波高値とするパルス波形となり、ステップＳ２１６において、レーザ加工システム１１は加工用のレーザ出力を送出する。ここで、検出装置６が閾値を超える反射光６２を検出してからレーザ光線が出力されるまでの時間は１０［μｓ］以下である。
【００７２】
以上のようにして、被加工物５５からの反射光６２を監視し、加工ヘッド５の先端に設けられた加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化されたときにレーザの出力を瞬時に開始することができるので、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化されてからレーザ加工を開始するまでの時間を最短とすることができる。
【００７３】
実施例２においては、距離測定用レーザ光線５００を出力するために距離測定用レーザ出力信号ＤＳ５を数値制御装置１からインターフェース回路２０に供給する例を示したが、このような例には限られない。即ち、距離測定用レーザ光線５００を出力するために、距離測定用レーザ出力信号ＤＳ５を供給する代わりに、レーザ出力信号ＤＳ３として加工用のレーザ光線よりも弱い励起エネルギーを用いて距離測定用のレーザ光線を被加工物に照射するようにしてもよい。
【００７４】
また、実施例２に係る発明は、穴あけ加工（ピアシング）の開始のタイミングの制御にも有効であることを説明する。被加工物として金属板をレーザ切断する場合、２［ｍ］×４［ｍ］程度の被加工物を切り抜いていくが、一つの切断箇所と他の切断箇所との間の加工ヘッドの移動は、被加工物とヘッドの衝突を防ぐために、加工ヘッドを若干高く浮かせた状態で行うのが一般的である。次の切断開始点に到達すると、加工ヘッドが下降して被加工物に接近し、穴あけ加工に最適な高さに位置決めされ穴あけ加工が開始される。このとき、最適な高さであることを確認してから穴あけ加工を行うと、Ｚ軸が静止するまで若干の時間を要する。しかし、穴あけ加工開始可能な加工ヘッドの高さには幅があり、Ｚ軸が一定の高さ以下になれば静止していなくても穴あけ加工を開始できる。
【００７５】
そこで、被加工物５５と加工ノズル５３との間の距離を測定するための反射光の強度の測定結果を検出装置６から補助制御装置７へ送信し、被加工物５５に加工ヘッド５が接近しつつある場合に、加工ヘッド５と被加工物５５との間の距離が一定範囲内になった瞬間に穴あけ加工が開始されるように制御信号ＬＳ３が切り換わるようにしてもよい。こうすることで、穴あけ加工の開始が可能になった直後に、穴あけ加工が実際に始まるので、無駄な待ち時間を排除でき、加工時間の短縮を図ることができる。
【実施例３】
【００７６】
次に、本発明の実施例３に係るレーザ加工システムについて説明する。実施例３に係るレーザ加工システムの全体的な構成は、図２に示す実施例１に係るレーザ加工システムの構成と同様である。図１０に実施例３に係るレーザ加工システムのインターフェース回路２００の構成を示す。実施例１及び２のインターフェース回路２、２０と異なる点は、論理演算装置２９が、補助制御装置７が出力する論理信号ＬＳ３を利用するか、または利用しないかを切り換える切替装置３０をさらに有する点である。
【００７７】
切替回路３０は、数値制御装置１からの切替制御信号ＬＳ１により切り換えることができる。例えば、図１０に示すように切替回路３０において、端子ａに切り換えた場合には、論理演算装置２９の論理信号ＬＳ４をローレベルに設定することができ、端子ｂに切り換えた場合には、論理信号ＬＳ４をハイレベルに設定することができ、これらの場合は、補助制御装置７が出力する論理信号ＬＳ３をレーザ光線の出力制御のために利用していない。一方、端子ｃに切り換えた場合には、論理演算装置２９の論理信号ＬＳ４は補助制御装置７が出力する論理信号ＬＳ３をそのまま利用することができ、端子ｄに切り換えた場合には、反転回路３０１により補助制御装置７が出力する論理信号ＬＳ３の反転信号を利用することができ、これらの場合は、補助制御装置が出力する論理信号をレーザ光線の出力制御のために利用している。
【００７８】
上記のように切替装置３０を用いて、補助制御装置７が出力する論理信号を切り換える例について説明する。図２に示すように、被加工物５５に加工ヘッド５を近づけていき、加工ヘッド５と被加工物５５との間の距離が最適化された場合に穴あけ加工を開始する。このとき、加工ヘッド５が被加工物５５から十分な距離を隔てて上方にあるときから、数［Ｗ］〜数１０［Ｗ］の出力が極めて小さいレーザ光線５０を照射しておく。加工ヘッド５の下降に伴い、集光点が被加工物５５に接近していくと、レンズ５２を通してレーザ発振装置３に戻っていくレーザ光線５０の量が多くなる。この量を検出装置６により検出し、戻り光が一定以上になったときに一気にレーザ出力を増大させる。これにより、被加工物５５の表面に瞬間的にキーホールが形成され穴あけ加工が進む。もし、このタイミングがずれると、銅などの反射率の高い被加工物では、レーザエネルギー密度がキーホール形成に十分な強度にならずに、全レーザエネルギーが機械光路を逆行することになり、装置にとって極めて危険な状態になるが、これを防ぐことができる。
【００７９】
これを実現するために、切替装置３０において、端子ｃを選択しておき、補助制御装置７から０．５％に相当するオーバライド信号が与えられるようにしておき、数[Ｗ]〜数十［Ｗ］の出力が極めて小さいレーザ光線５０を照射するようにする。数値制御装置１は穴あけ加工に必要なレーザ出力指令をインターフェース回路に与えているが、加工ヘッド５が被加工物５５の上方にあるときは、補助制御装置７から０．５％に相当するオーバライド信号が与えられているので、乗算器Ｃ１の働きによりレーザ出力は小さく抑えられている。
【００８０】
加工ヘッド５は次第に被加工物５５に接近し微弱な戻り光が大きくなってくる。穴あけ加工開始が可能な高さのときの戻り光の強度を予め判定値としておくと、戻り光がその判定値を超えた瞬間に切替装置３０において端子ｂを選択するように切り替える。この場合、補助制御装置７からのオーバライド信号は５［Ｖ］、すなわち１００％となり、レーザ出力は一気に増大し、穴あけ加工が進行する。このような構成を採用することにより、加工ヘッド５と被加工物５５との間の距離が最適化された後、瞬時に穴あけ加工を開始することができ、タクトタイムを短縮することができる。
【００８１】
また、上記の例は、数値制御装置１からのレーザ出力指令を、補助制御装置７からの信号によって、送出停止とするのではなく、増減自在としたものであるが、補助制御装置７からの送出停止を意味する論理信号であっても、同様の動作が可能である。レーザ電源装置３１に対して励起エネルギーの値を設定する指令を与えてから実際にレーザが出力されるまでの時間は極めて短時間であるが、それでも若干の遅れ時間を生ずる。それは、レーザ電源装置３１の回路内の種々の遅れ要素のほかに、レーザ媒体が励起されてから実際にレーザ増幅がおきるまでの時間に時間差があるために生じるものである。レーザの種類によっても異なるが数十ナノ秒から数ミリ秒の遅れがある。
【００８２】
ここで、補助制御装置７からの制御信号をパルス列として与えることとし、その周波数をレーザの応答速度に比して高く設定する。すなわち、アナログレーザ出力指令に対するレーザ出力の応答時定数が１００［μｓ］のレーザにあっては、例えば２５［ｋＨｚ］とする。ここで、パルスデューティを０〜１００％で制御すると、制御信号の周波数に対してレーザの応答周波数が遅いため、矩形パルスのレーザ出力指令であっても三角波のレーザ出力となり、実質的にパルスデューティでレーザ出力を増減することが可能になる。
【００８３】
このようにして、補助制御装置７からの論理信号でレーザ出力を増減することが可能であるが、アナログ信号で増減する場合に比べて、０［Ｗ］近辺や定格出力での指令に対して指令電圧がオフセットすることなく、正確に指令できるという特徴がある。さらに、パルス信号生成装置から数［Ｈｚ］から５［ｋＨｚ］のパルス指令を与えると、実際のレーザ出力は、パルス信号生成装置からの指令に応じたパルス状のレーザ出力でありながら、補助制御装置から出力を制御することが可能となる。
【００８４】
以上の説明においては、レーザ光線を被加工物に照射した際に、被加工物から放出される光または被加工物から反射される光を用いる例を示したが、被加工物の温度や、被加工物が発する音や、被加工物に起因する圧力の変化を検出する検出装置等、多種多様な検出装置を設けることが可能であり、それらの検出装置からの信号は、上述したインターフェース回路内で自在に演算処理が可能となるように設計することが可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１ 数値制御装置
２、２０、２００ インターフェース回路
２１ インターフェース
２２ パルス信号生成装置
２３１ 変換装置
２３２ バイアス電圧変換装置
２３３ 距離測定電圧変換装置
２５ 加算器
２５１ 第１加算器
２５１ 第２加算器
２６ インターフェース
２７ スイッチング装置
２８、２９ 論理演算装置
３ レーザ発振装置
３０ 切替装置
３１ レーザ電源装置
３２ 放電管
３３ リア鏡
３４ 出力鏡
４ 電源
５ 加工ヘッド
５０ レーザ光線
５１ ミラー
５２ レンズ
５３ 加工ノズル
５４ テーブル
５５ 被加工物
６ 検出装置
６１ 放射光
６２ 反射光
７ 補助制御装置
８ サーボモータ
９ サーボアンプ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工システムに関し、特に高速でレーザの出力を制御する補助制御装置を備えたレーザ加工システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年のレーザ加工システムは、数値制御装置（CNC：Computer Numerical Control)で制御され、ソフトウエアのデジタル制御により多彩な機能が実現可能となっている。これらのレーザ加工システムでは、レーザ電源装置によってレーザ媒体を放電励起するか、もしくは励起光源からレーザ媒体に励起光を照射することでレーザ光線を得ている。レーザ光線は集光レンズ等によって被加工物上の小さな領域に集められレーザ加工が進行する。
【０００３】
このようなシステムにおいては、数値制御装置からのデジタル信号をアナログ信号に変換してレーザ電源装置に与え、レーザ電源装置はアナログ信号にしたがって電気エネルギーをレーザ媒体に与え、これによって指令どおりの強度を持つレーザ光線が、指令されたタイミングで出力される。数値制御装置からは０．５〜８［ｍｓ］の短い周期でデジタル信号が送信される。デジタル信号はアナログ信号へ変換され、レーザ電源装置へ送信され、さらにレーザ媒体が励起されてレーザ光線の照射が行われる。多くの場合、デジタル信号送出からレーザ出力まで０．１［ｍｓ］以内に完了する。
【０００４】
被加工物にレーザを照射して被加工物の切断を行うレーザ加工の手順は次の通りである。まず、レーザを被加工物に集光するための加工ヘッドを被加工物の切断開始点に接近させる。加工ヘッドと被加工物との間の距離が最適化された後、被加工物の切断開始点に穴あけ加工（ピアシング）を行う。穴あけ加工が完了した後にレーザを所望の方向に移動させて被加工物の切断を行う。
【０００５】
ここで、被加工物のレーザ加工において、異常が発生した場合、被加工物のダメージを最小限に抑えるために迅速にレーザ光線の出力を停止する必要がある。レーザ加工における異常はレーザ光線が照射されている被加工物の加工点からの異常な放射光として検出することができる。そこで、レーザ加工の異常を、加工点からの放射光の発光強度により検出する技術が知られている（例えば、特許文献１）。
【０００６】
従来のレーザ加工システムの構成について図１を用いて説明する。プロセッサ１０２１からの制御信号に従ってＩ／Ｏユニット１０２４がレーザ発振器１００２を駆動し、レーザ発振器１００２からはパルス状のレーザ光線１００６が発射される。このレーザ光線１００６は、ミラー１００３で反射されてレーザ加工機１００４に送られる。
【０００７】
レーザ加工機１００４には、被加工物１００８が固定されるテーブル１００７と、被加工物１００８にレーザ光線１００６を照射する加工ヘッド１００５とが設けられている。加工ヘッド１００５に導入されたレーザ光線１００６は、加工ノズル１００５ａの近傍で集光されて被加工物１００８に照射される。レーザ加工機１００４には、テーブル１００７をＸ軸、Ｙ軸方向に移動制御するためのサーボモータ１００９，１０１０が設けられ、さらに加工ヘッド１００５を上下方向に移動制御するためのサーボモータ１０１１が設けられている。これらサーボモータ１００９〜１０１１は、それぞれサーボアンプ１０２７〜１０２９に接続されており、プロセッサ１０２１からの軸制御信号に従って回転制御される。また、レーザ加工機１００４への指示は、ＣＲＴ１０２５を介して行われる。加工ヘッド１００５には、光量検出装置１０１２が取り付けられ、該光量検出装置１０１２は加工点（切断点）で発生する放射光を、レンズ（図示せず）を介して検出し、検出された光量に比例した大きさの信号を出力する。この検出信号は、増幅器１０１３で増幅され、アナログ信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器１０２６に入力され、Ａ／Ｄ変換器１０２６の出力がプロセッサ１０２１に入力される。
【０００８】
被加工物の切断中において、光量検出装置１０１２で検出され、増幅器１０１３及びＡ／Ｄ変換器１０２６を介して入力された加工点で発生する光量を読取り、この検出光量とあらかじめ設定された加工異常の判断基準値とを比較し、検出光量が判断基準値以下であれば、加工異常は発生していないと判断する。一方、検出光量が判断基準値を越えていれば、プロセッサ１０２１は異常信号を出力し、Ｉ／Ｏユニット１０２４を介してレーザ発振器１００２のレーザ光線遮断シャッタ（図示せず）を閉じることにより加工を停止させる。ここで、光量検出装置１０１２が検知した光量に基づいてレーザ光線遮断シャッタを閉じるまでには、少なくと、数ミリ〜十数ミリ秒を要する。
【０００９】
上記従来技術のように、レーザ照射による加工点の発光現象を捉えて、レーザの出力を制御しようとする場合には、被加工物のダメージを避けるために異常を検知してから加工を停止するまでの工程を０．５［ｍｓ］以内で実行する応答速度が要求される場合がある。しかしながら、上述のように、従来技術においては、光量検出装置が異常を検知してからレーザ出力に反映されるまでは、数ミリ〜十数ミリ秒を要し、被加工物にダメージを与える恐れがあるという問題があった。
【００１０】
ところで、一般的に、レーザ切断においては、未加工の被加工物上において、最初から切断加工条件でレーザ切断を行なうことはできず、切断に先立って切断の開始点に穴をあける穴あけ加工を行う必要がある。まず、レーザ加工ヘッドを被加工物に接近させていき、被加工物上の穴あけ加工に最適な高さに加工ヘッドを保つ。ここで、被加工物の代表的な材料である銅、真鍮、アルミ合金は、高出力レーザに用いられる赤外領域を含む光に対する反射率が高い。被加工物に対する集光点の位置が最適でないと、被加工物表面で反射したレーザ光線がレーザ共振器のミラーや励起用ファイバーなどを破損する。さらに、ビーム伝送用のダクトやミラー、レンズ、ファイバーも破損する恐れがある。よって、集光点の位置を最適な位置に位置決めしてからレーザ光線を照射する必要がある。
【００１１】
また、被加工物は平板であっても、多少の反り等がある場合もあり、レーザ加工システムでは、被加工物と加工ノズルとの間の静電容量を測定するなどして、両者の間の距離を常時測定し、これが一定になるようにＺ軸との間でフィードバック制御を行い、許容範囲の狭い加工ノズルと被加工物との間の距離および集光点の位置が一定となるようにしている。このときに、加工ノズルと被加工物との間の距離が最適な距離となってからレーザの照射を開始するまでに数ミリから十数ミリ秒の時間がかかり、タクトタイムが長くなる原因となっていた。
【００１２】
さらに、穴あけ加工にかかる時間は一定ではなく、被加工物表面の性状や温度など、様々な要因により、同一被加工物においても加工時間の長短がある。したがって、レーザ切断においては、穴あけ加工を完了する最長の時間を穴あけ加工時間として設定し、その時間が経過した後に切断加工に移行するようにしている。また、穴あけ加工の完了を光量検出装置により検知するレーザ加工システムも知られている（例えば、特許文献２）。穴あけ加工が始まると、加工点は強く発光するが、やがて穴あけ加工が進行し被加工物を貫通すると、発光は弱まる。加工点での発光を検知している光量検出装置は、強度の変化を捉えて穴あけ加工の終了を検出し、レーザ出力を止めて、切断加工に移行する。これにより、実際の穴あけ加工時間の長短に合わせて穴あけ加工を終了できるので、穴あけ加工時間として設定した最長の穴あけ時間を使って穴あけ加工を行なうよりも、タクトタイムを短縮できる。
【００１３】
しかしながら、前述のように従来の方法では、光量検出装置からの信号を受けて、実際にレーザ照射が停止するまでに、数ミリ〜数十ミリ秒を要してしまう。これは、レーザ照射を継続して過入熱になると加工不良となるようなレーザ加工の場合、無視できない時間である。勿論、数値制御装置の補間周期を限りなく短くしていけば解消できる問題ではあるが、数値制御装置の演算能力には限りがあって種々の有効な機能を削らなければ補間周期は短縮できず、一定の補間周期で制御することを前提に作成されているソフトウエア及びハードウエアを大幅に変更することになり、現実的な解決策にはならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開平５−１５４６７６号公報
【特許文献２】特開平２−１７９３７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従来のレーザ加工システムにおいては、数値制御装置によるデジタル制御において、光量検出装置による異常の検知または加工の完了の検知に基づくレーザ制御指令からレーザ出力の停止までに時間がかかり過ぎるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本願発明に係るレーザ加工システムは、レーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号と、を所定の送出周期で出力する数値制御装置と、レーザ出力信号をアナログ信号に変換する変換装置と、デジタル信号に基づいて、アナログ信号を制御するためのパルス信号を生成するパルス信号生成装置と、レーザ光線の送出または停止を強制的に制御する論理信号を生成する補助制御装置と、パルス信号と論理信号との間で論理演算を行って論理演算結果を出力する論理演算装置と、論理演算結果に基づいて、レーザ出力の送出及び停止を交互に行なうためのレーザ駆動信号を生成するスイッチング装置と、レーザ駆動信号に応じて出力されるレーザ光線が照射された結果、被加工物から放射または反射される光の強度を測定する検出装置と、を有し、補助制御装置は、検出装置により測定された光の強度に応じて、論理信号を生成することを特徴とする。
【００１７】
本願発明の一実施例に係るレーザ加工システムにおいて、補助制御装置は、検出装置が測定した被加工物から放射される光の強度が所定の強度以上の場合に、レーザの出力を停止するための論理信号を出力することが好ましい。
【００１８】
本願発明の他の実施例に係るレーザ加工システムにおいて、補助制御装置は、検出装置が測定した被加工物から反射される光の強度が所定の強度以上の場合に、レーザの出力を送出するための論理信号を出力するようにしてもよい。
【００１９】
本願発明のさらに他の実施例に係るレーザ加工システムにおいて、論理演算装置は、補助制御装置が出力する論理信号を利用するか、または利用しないかを切り換える切替装置をさらに有するようにしてもよい。そして切替装置に送る制御信号は、レーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号とに加えて、数値制御装置から所定の送出周期で送られることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の一実施例に係る発明では、数値制御装置からの一定の送出周期毎の信号と、補助制御装置から高速の信号とを論理演算し、その結果によりレーザ出力をオン／オフ制御するようにしている。これにより、例えば、補助制御装置でレーザ加工の異常や加工終了の検出を高速で行い、その結果に基づいてレーザ照射を制御することにより、各種加工の高速化を実現できる。さらに、レーザ加工の種類に応じて、補助制御装置からの論理信号に基づいてレーザ光線の送出または停止を選択したり、補助制御装置からの信号によらず数値制御装置からの指令のみでレーザ制御を行なうなど、フレキシブルなレーザ加工システムを実現できる。
【００２１】
本発明の他の実施例にかかる発明では、加工ヘッドを被加工物の加工点に向けて移動する間に、レーザ光線あるいは距離測定用レーザ光線の照射の結果生ずる被加工物からの光量が予め設定された値よりも大きくなった瞬間に、補助制御装置からの信号によりレーザ出力を増大させることができるので、最も早期のタイミングで穴あけ加工を開始することが可能になり、レーザ加工のタクトタイムを短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】従来のレーザ加工システムの構成図である。
【図２】本発明の実施例１に係るレーザ加工システムの構成図である。
【図３】本発明の実施例１に係るインターフェース回路の構成図である。
【図４】本発明の実施例１に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】本発明の実施例１に係るインターフェース回路における信号の波形図である。
【図６】加工ヘッドを被加工物に接近させた場合のレーザ光線と反射光との関係を示す図である。
【図７】本発明の実施例２に係るインターフェース回路の構成図である。
【図８】本発明の実施例２に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の実施例２に係るインターフェース回路における信号の波形図である。
【図１０】本発明の実施例３に係るインターフェース回路の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下図面を参照して、本発明に係るレーザ加工システムについて説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
【実施例１】
【００２４】
図２に本発明の実施例１に係るレーザ加工システムの構成図を示す。また、本発明の実施例１に係るレーザ加工システムのインターフェース回路の構成を図３に示す。レーザ加工システム１１は、レーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号と、を出力する数値制御装置１と、レーザ出力信号をアナログ信号に変換する変換装置２３１と、レーザ光線の送出または停止を強制的に制御する論理信号を生成する補助制御装置７と、デジタル信号に基づいて、アナログ信号を制御するためのパルス信号を生成するパルス信号生成装置２２と、パルス信号と論理信号との間で論理演算を行って論理演算結果を出力する論理演算装置２８と、論理演算結果に基づいて、レーザ出力の送出及び停止を交互に行なうためのレーザ駆動信号を生成するスイッチング装置２７と、を有する。さらに、レーザ加工システム１１は、レーザ駆動信号に応じてレーザの励起エネルギーを生成するレーザ電源装置３１と、レーザ電源装置３１が生成した励起エネルギーを用いてレーザ媒体を励起する放電管３２と、放電管３２で増幅されたレーザ光線を被加工物５５に照射する加工ヘッド５と、加工ヘッド５からレーザ光線が照射された結果、被加工物５５から放射または反射される光の強度を測定する検出装置６と、を有する。実施例１に係るレーザ加工システム１１は、補助制御装置７が、検出装置６により測定された光の強度に応じて、レーザ光線の送出または停止を強制的に制御する論理信号を生成する点を特徴としている。
【００２５】
レーザ加工システム１１は、被加工物（ワーク）５５を搭載したテーブル５４を水平方向に移動させるサーボモータ８と、加工ヘッド５を垂直方向に移動させるモータ（図示せず）と、を有し、これらのモータを駆動するサーボアンプ９を備えている。
【００２６】
次に、レーザ加工システム１１によるレーザ加工の方法について図４のフローチャートを用いて説明する。実施例１においては、レーザ加工を実行し、被加工物からの異常な放射光を検知した場合にレーザ加工を停止する場合を例にとって説明する。
【００２７】
まず、ステップＳ１０１において、数値制御装置１がインターフェース２１を介してレーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号ＤＳ３（図３参照）と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２と、を所定の送出周期で出力する。デジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２は、それぞれ、パルス状のレーザ駆動信号を生成するためにレーザの送出期間及び停止期間を決める信号であり、典型的には送出期間及び停止期間は、共に１０[μｓ]〜５０［ｍｓ］であるに。デジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２は、１０〜１６ｂｉｔのデジタルデータであり、被加工物の移動のための移動量の送出周期（補間周期）と同期している。ここで、送出周期（補間周期）とは、レーザ出力の送出期間を決める１つのパルスの立ち上がり開始時間から、次のパルスの立ち上がり開始時間までの期間をいう。
【００２８】
また、レーザ出力を行なわない期間でも、レーザ媒体に若干の準備エネルギーを注入するために、後段においてレーザ電源装置へ供給するレーザ駆動信号に、準備エネルギー分に相当するバイアス指令電圧を加算するためのバイアス信号ＤＳ４を出力するようにしてもよい。
【００２９】
次に、ステップＳ１０２において、変換装置２３１がレーザ出力信号ＤＳ３をアナログ信号ＡＳ１に変換する。アナログ信号ＡＳ１の波形を図５に示す。図５において、横軸は時間、縦軸は電圧レベルを示す。アナログ信号ＡＳ１の電圧値は、レーザを駆動する期間は電圧Ｖｃ［Ｖ］であり、レーザを停止している期間は０［Ｖ］である。ここで、バイアス信号ＤＳ４を入力した場合には、バイアス電圧変換装置２３２によりアナログ化されてバイアス指令信号ＡＳＢが得られる。
【００３０】
次に、ステップＳ１０３において、パルス信号生成装置２２がデジタル信号ＤＳ１及びＤＳ２に基づいてパルス信号ＬＳ２を生成する。パルス信号ＬＳ２の波形を図５に示す。パルス信号ＬＳ２の値は、デジタル信号ＤＳ１によって決定されるレーザ光線送出期間においてはハイ（Ｈ）であり、デジタル信号ＤＳ２によって決定されるレーザ光線停止期間においてはロー（Ｌ）である。レーザ光線停止期間が満了すると、パルス信号生成装置２２は再びパルス信号ＬＳ２の値をハイにし、以降これを繰り返すので複数のパルスＰ１〜Ｐ５が得られる。ＤＳ１及びＤＳ２は補間周期で入力されるので、新たにＤＳ１及びＤＳ２の値が変更されるまでは、このパルス列が継続する。
【００３１】
次に、ステップＳ１０４において、補助制御装置７がハイレベルの論理信号ＬＳ３を出力する。図５に論理信号ＬＳ３の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ0〜ｔ1の期間において、論理信号ＬＳ３がハイレベルとなっているのは、レーザ加工を実行していることを示している。なお、後述するように、時刻ｔ＝ｔ1以降で論理信号ＬＳ３がローレベルとなっているのは、時刻ｔ＝ｔ1において検出装置６が被加工物５５からの異常な放射光６１（図２参照）を検出し、その検出結果に基づいて補助制御装置７がローレベルの論理信号ＬＳ３を出力していることを示している。ここで「放射光」とは、被加工物に穴あけ加工や切断加工を行うためのレーザ光線を照射した際に被加工物から放射される光をいう。
【００３２】
次に、ステップＳ１０５において、論理演算装置２８がパルス信号ＬＳ２とハイレベルの論理信号ＬＳ３との間で論理演算を行って論理演算結果ＬＳ５を出力する。ここで、論理演算は論理積（ＡＮＤ）である。図５に論理演算結果ＬＳ５の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ0〜ｔ1の期間において、論理信号ＬＳ３がハイレベルとなっているため、同期間において、論理演算結果ＬＳ５の波形は、パルス信号ＬＳ２の波形と同様になり、パルス信号ＬＳ２のパルスＰ１、Ｐ２、Ｐ３と同様のパルスＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３が得られる。一方、パルス信号ＬＳ２のパルスＰ４に対応する論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１４は、時刻ｔ＝ｔ1に至るまではハイレベルであるが、時刻ｔ1以降はローレベルとなる。また、パルス信号ＬＳ２のパルスＰ５に対応する論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１５は、常にローレベルであり、パルス波形としては観測されない。
【００３３】
次に、ステップＳ１０６において、スイッチング装置２７が論理演算結果ＬＳ５に基づいてアナログ信号ＡＳ１から送出周期を有するレーザ駆動信号ＡＳ２を生成する。図３に示すように、スイッチング装置２７は、論理演算結果ＬＳ５がハイレベルのときにオン状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２はアナログ信号ＡＳ１と同一のＶｃ［Ｖ］となる。一方、スイッチング装置２７は、論理演算結果ＬＳ５がローレベルのときにオフ状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２は０［Ｖ］となる。その結果、レーザ駆動信号ＡＳ２は、最大値がＶｃ［Ｖ］であって、論理演算結果ＬＳ５と同様な送信周期を有するパルス波形となる。スイッチング装置２７における信号のオン／オフは、１０［μｓ］以内にレーザ出力に反映される。
【００３４】
図５にレーザ駆動信号ＡＳ２の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ0〜ｔ1の期間において、レーザ駆動信号ＡＳ２の波形は、論理演算結果ＬＳ５の波形と同様になり、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１１、Ｐ１２、Ｐ１３と同様のパルスＰ２１、Ｐ２２、Ｐ２３が得られる。一方、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１４に対応するレーザ駆動信号ＡＳ２のパルスＰ２４は、時刻ｔ＝ｔ1に至るまではＶｃ［Ｖ］であるが、時刻ｔ1以降は０［Ｖ］となる。また、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１５に対応するレーザ駆動信号ＡＳ２のパルスＰ２５は、常に０［Ｖ］であり、パルス波形としては観測されない。なお、レーザ駆動信号ＡＳ２にバイアス指令信号ＡＳＢを加算器２５により加算する場合は、バイアス指令信号ＡＳＢを加えたレーザ駆動信号ＡＳ３の波形は、図５に示すようにレーザ駆動信号ＡＳ２に所定のバイアス指令信号ＡＳＢを加えた信号波形となり、レーザ駆動信号ＡＳ２のパルスＰ２１〜Ｐ２５と同様のパルスＰ３１〜Ｐ３５を有するパルス波形となる。
【００３５】
次に、ステップＳ１０７において、レーザ電源装置３１が電源４からの電力の供給を受けて、インターフェース２６を介して入力された、バイアス指令信号を加えたレーザ駆動信号ＡＳ３に応じてレーザの励起エネルギーを生成する。上述のように、バイアス指令信号を加えたレーザ駆動信号ＡＳ３はデジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２及び論理信号ＬＳ３によって決められるパルス波形を有しているため、励起エネルギーもＰ３１〜Ｐ３５と同様なパルス波形となる。
【００３６】
次に、ステップＳ１０８において、放電管３２が励起エネルギーを用いてレーザ光線５０を出力する。即ち、放電管３２に励起エネルギーが供給され、出力鏡３４とリア鏡３３とに挟まれたレーザ媒体がレーザ発振して、レーザ光線５０が出力される。放電管３２から出力されたレーザ光線５０は、反射鏡５１または光ファイバー（図示せず）を用いて加工ヘッド５に導かれる。
【００３７】
次に、ステップＳ１０９において、加工ヘッド５が、放電管３２が出力したレーザ光線５０を被加工物５５に照射する。具体的には、加工ヘッド５内に装備されたレンズ５２により被加工物５５上にレーザ光線５０が集光される。レーザ光線５０は加工ヘッド５の先端に設けられた加工ノズル５３を通過して被加工物５５に照射されるが、この加工ノズル５３からは同時に窒素や酸素などのアシストガスも供給される。レーザ光線５０を集光して照射された被加工物５５は一般的に１０００℃以上の高温になり、同時に供給されるアシストガス流により溶融除去されるなどして、レーザ切断などの各種加工が実現する。
【００３８】
典型的には、レーザ出力は１〜１０［ｋＷ］、被加工物５５上の集光点の大きさは０．０１〜１［ｍｍ］、レンズ５２と被加工物５５との距離は５０〜５００［ｍｍ］である。加工ノズル５３は一般に銅製であり、そのノズル径は直径０．５〜６［ｍｍ］、加工ノズル５３の内部のアシストガスの圧力は０．０１〜３［ＭＰａ］である。被加工物５５は、鋼板、鋼管の他、プレス成型された金属や各種樹脂、ステンレス鋼、アルミ合金、真鍮、銅など種々の材料で形成される。加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離は０．５〜５０［ｍｍ］であり、切断加工時には０．５〜４［ｍｍ］の範囲に保たれる。集光されたレーザ光線５０の集光点（焦点）は、被加工物５５の表面近傍１０［ｍｍ］以内のところにある。
【００３９】
レーザ加工は、被加工物５５の上で集光点を走査することで進行する。集光点の走査のために、加工ノズル５３と被加工物５５との相対位置を移動させるが、それにはサーボアンプ９を用いる。レーザ発振装置３とサーボアンプ９は、共に数値制御装置１で制御される。数値制御装置１はＮＣプログラムを解読し、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、そのほかのサーボアンプ９それぞれに移動量を送出する。移動量の送出は一定周期毎に行われ、これにより、各軸の間は同期して駆動されることになり、被加工物５５上で円弧や直線を描くようにして加工ヘッド５を走査することができる。この移動量の送出周期は補間周期と呼ばれ、典型的には０．５〜８［ｍｓ］に設定される。
【００４０】
次に、ステップＳ１１０において、検出装置６が被加工物５５からの放射光６１の強度を測定する。図２に示すように、レーザ加工システム１１には、加工点５６の状態を監視する検出装置６が備えられている。レーザ光線５０をレンズ５２で集光し、被加工物５５の表面に照射すると、レーザ照射に際し加工点５６は高温のため発光する。過度に発光量が大きくなったときは、被加工物５５に何らかの異常が生じたものと推測することができる。放射光６１を検出した検出装置６からは、放射光６１の強度に応じた信号が補助制御装置７に送信される。
【００４１】
次に、ステップＳ１１１において、補助制御装置７が放射光６１の強度の変化を監視する。補助制御装置７は検出装置６から放射光６１の強度に応じた信号を時々刻々受信しているため、放射光６１の強度の変化を検出することができる。
【００４２】
次に、ステップＳ１１２において、補助制御装置７は放射光６１の強度が閾値以上であるか否かを判断する。ここで閾値は被加工物５５に何らかの異常が生じたか否かを判断する放射光の強度の基準値とすることができる。放射光６１の強度が閾値未満である場合には、ステップＳ１０１に戻ってレーザ加工を継続して実行する。
【００４３】
一方、放射光６１の強度が閾値以上である場合には、被加工物５５に何らかの異常が生じているものと判断し、ステップＳ１１３において、補助制御装置７がローレベルの論理信号ＬＳ３を出力する。論理信号ＬＳ３は、図５に示すように時刻ｔ＝ｔ1においてハイレベルからローレベルへ変わる。
【００４４】
次に、ステップＳ１１４において、論理演算装置２８がパルス信号ＬＳ２とローレベルの論理信号ＬＳ３との間で論理演算を行ってローレベルの論理演算結果ＬＳ５を出力する。ここで、論理演算装置２８で行う論理演算は論理積（ＡＮＤ）である。図５にパルス信号ＬＳ２、論理信号ＬＳ３及び論理演算結果ＬＳ５の各波形を示す。時刻ｔ＝ｔ1以降においてもパルス信号ＬＳ２は変化しないが、論理信号ＬＳ３がローレベルとなるため、パルス信号ＬＳ２と論理信号ＬＳ３との論理積である論理演算結果ＬＳ５はローレベルとなる。ここで、論理信号ＬＳ３がハイレベルからローレベルに変化するタイミングは、パルス信号ＬＳ２の立ち上がり時間及び立ち下り時間とは無関係であるため、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ１４は、パルスの立ち下りを待たずに強制的にローレベルに変化する。
【００４５】
次に、ステップＳ１１５において、スイッチング装置２７がローレベルの論理演算結果ＬＳ５に基づいて０［Ｖ］のレーザ駆動信号ＡＳ２を生成する。図５にレーザ駆動信号ＡＳ２の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ1以降において論理演算結果ＬＳ５はローレベルとなるため、スイッチング装置２７はオフした状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２は０［Ｖ］となる。上述の通り、論理演算結果ＬＳ５は時刻ｔ＝ｔ1において強制的に０［Ｖ］になるため、レーザ駆動信号ＡＳ２もパルスＰ２４の立ち下りを待たずに強制的に０［Ｖ］となる。その結果、バイアス指令信号を加えたレーザ駆動信号ＡＳ３は、時刻ｔ＝ｔ1においてパルスＰ３４の立ち下りを待たずに強制的にバイアス電圧のみとなり、ステップＳ１１６において、レーザ加工システム１１はレーザ出力を停止する。ここで、検出装置６が異常な放射光６１を検出してからレーザ光線が停止するまでの時間は１０［μｓ］以下である。
【００４６】
以上のようにして、被加工物５５からの放射光６１を監視し、異常が生じたときにレーザの出力を瞬時に停止することができるので、被加工物におけるダメージを最小限に抑えることができる。
【００４７】
以上の説明においては、検出装置が被加工物から異常な放射光を検出した場合にレーザ光線の出力を停止する例を示したが、放射光の強度に応じてレーザ光線の強度を増減するようにしてもよい。即ち、被加工物５５からの放射光５１が被加工物５５に異常が生じているのを示すのではなく、単にレーザ光線５０の強度が高いと判断できる場合には、補助制御装置７が数値演算装置１にレーザ光線の強度を低くするような制御信号を送信するようにしてもよい。この場合、検出装置６の信号を受けて補助制御装置７は、光量の大きさに応じて数値制御装置１に信号を送信する。例えば、光量が多い場合には、レーザ出力が過大であるので、レーザ出力に関するオーバライドを１００％から数１０％に変更する。その信号を受けて、数値制御装置１がレーザ出力信号を減少させるので、レーザ電源装置３１から放電管３２へ注入される励起エネルギーも減少し、レーザ出力も減少する。これにより、レーザ加工が安定に進むように制御される。
【実施例２】
【００４８】
次に、本発明の実施例２に係るレーザ加工システムについて説明する。実施例２に係るレーザ加工システムの構成は図２に示した実施例１に係るレーザ加工システムと同様である。図２に示すように、被加工物５５にレーザ光線５０を照射して加工を行うためには、加工ヘッド５の加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離を最適化する必要がある。そして、タクトタイムの短縮のためには、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離を最適化した直後にレーザ光線の照射を開始して穴あけ加工を行うことが重要である。
【００４９】
実施例２に係るレーザ加工システムは、レーザ電源装置が所定の励起エネルギーを放電管に供給することにより、加工ノズルと被加工物との間の距離を測定するための距離測定用レーザ光線を被加工物に照射し、補助制御装置が、検出装置が所定の強度以上の反射光を測定した場合に、レーザの出力を送出するための論理信号を出力する点を特徴としている。
【００５０】
加工ヘッドを被加工物に近づける手順について図６を用いて説明する。図６（ａ）は加工ヘッド（図示せず）を被加工物５５に近づけて、加工ノズルと被加工物５５との間の距離を測定するための距離測定用レーザ光線５００を照射する様子を示している。この距離測定用レーザ光線５００は、加工用のレーザ光線より強度が弱く被加工物には影響を与えないが、被加工物からの反射光を測定することが可能な強度に設定することが好ましい。ここで、「反射光」とは、被加工物にほとんど影響を与えない程度の強度のレーザ光線を照射した際に、被加工物表面から反射される光をいう。反射光を用いて距離を測定するための距離測定用レーザ光線として、例えば波長が可視光域で出力が４［ｍＷ］以下のレーザ光線が用いられる。図６（ａ）においては、距離測定用レーザ光線５００はレンズ５２により集光されるが、焦点５７の位置は加工点５６の位置とは一致していない。この場合、距離測定用レーザ光線５００の反射光６２は検出装置６により強度が低い光線として検出される。
【００５１】
一方、図６（ｂ）に示すように、焦点５７が加工点５６と一致した場合には、距離測定用レーザ光線５００の反射光６２は検出装置６により強度が強い光線として検出される。そこで、実施例２に係るレーザ加工システムにおいては、検出装置６により検出された反射光６２の強度に基づいて加工ノズルと被加工物５５との間の距離が最適化されたことを検知し、その直後に穴開け加工を開始する点を特徴としている。
【００５２】
図７に本発明の実施例２に係るレーザ加工システムのインターフェース回路２０を示す。図３に示した実施例１に係るレーザ加工システムのインターフェース回路２と異なる点は、レーザ駆動信号ＡＳ２に、バイアス指令信号ＡＳＢによるバイアス指令電圧だけでなく、距離測定用信号ＡＳＭによる加工ノズルと被加工物との間の距離を測定するための距離測定用電圧を加えている点である。レーザ駆動信号ＡＳ２に距離測定用電圧を加えたレーザ駆動信号ＡＳ４を用いることにより、レーザ駆動信号ＡＳ２が０［Ｖ］の場合であっても、加工ノズルと被加工物との間の距離を測定するための距離測定用レーザ光線を照射することができ、加工ノズルと被加工物との間の距離を測定することができる。
【００５３】
次に、本発明の実施例２に係るレーザ加工システムによるレーザ加工の方法について図８のフローチャートを用いて説明する。実施例２においては、レーザ加工を実行する前に、加工ノズルと被加工物との距離を最適化し、その後にレーザ加工を実行する場合を例にとって説明する。
【００５４】
まず、ステップＳ２０１において、数値制御装置１がインターフェース２１を介して加工ノズル５３（図２参照）と被加工物５５との間の距離を測定するための距離測定用レーザ光線を照射するための距離測定用レーザ出力信号ＤＳ５（図７参照）と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２と、を所定の送出周期で出力する。デジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２は、実施例１のものと同様であるので、詳細な説明は省略する。
【００５５】
実施例２においては、初期の段階では加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離は最適化されておらず、被加工物５５を加工するためのレーザ光線は照射されない。しかしながら、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化された瞬間に加工用のレーザ光線を照射することが好ましい。そこで、図７に示すように、加工用のレーザ光線を照射する前の時点から、レーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号ＤＳ３がインターフェース回路２０に入力されている。
【００５６】
また、レーザ出力を行なわない間でも、レーザ媒体に若干の準備エネルギーを注入するために、後段においてレーザ電源装置へ供給するレーザ駆動信号に、準備エネルギー分に相当するバイアス指令値を加算するためのバイアス信号ＤＳ４を出力するようにしてもよい点は実施例１と同様である。
【００５７】
次に、ステップＳ２０２において、距離測定電圧変換装置２３３が距離測定用レーザ出力信号ＤＳ５を距離測定用信号ＡＳＭに変換する。さらに、変換装置２３１がレーザ出力信号ＤＳ３をアナログ信号ＡＳ１に変換する。アナログ信号ＡＳ１の波形を図９に示す。図９において、横軸は時間、縦軸は電圧レベルを示す。アナログ信号ＡＳ１の電圧値は、レーザを駆動する期間は電圧Ｖｃ［Ｖ］であり、レーザを停止している期間は０［Ｖ］である。ここで、バイアス信号ＤＳ４を入力した場合には、バイアス電圧変換装置２３２によりアナログ化されてバイアス指令信号ＡＳＢが得られる。実施例２においては、図９に示すように、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間は加工ノズル５３が被加工物５５に接近している段階であって最適な位置に到達していないものとする。そのため、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間は、被加工物５５を加工するためのレーザ光線は照射されない。しかしながら、アナログ信号ＡＳ１をレーザ光線の照射を行う電圧に設定することにより、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化された瞬間にレーザ光線の照射を実行できるようになる。
【００５８】
次に、ステップＳ２０３において、パルス信号生成装置２２がデジタル信号ＤＳ１及びＤＳ２に基づいてパルス信号ＬＳ２を生成する。パルス信号ＬＳ２の波形を図９に示す。パルス信号ＬＳ２の値は、デジタル信号ＤＳ１によって決定されるレーザ光線送出期間はハイ（Ｈ）であり、デジタル信号ＤＳ２によって決定されるレーザ光線停止期間はロー（Ｌ）である。レーザ光線停止期間が満了すると、パルス信号生成装置２２は再びパルス信号ＬＳ２の値をハイにし、以降これを繰り返すので複数のパルスＰ４１〜Ｐ４５が得られる。ＤＳ１及びＤＳ２は補間周期で入力されるので、新たにＤＳ１及びＤＳ２の値が変更されるまでは、このパルス列が継続する。
【００５９】
次に、ステップＳ２０４において、補助制御装置７がローレベルの論理信号ＬＳ３を出力する。図９に論理信号ＬＳ３の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間において、論理信号ＬＳ３がローレベルとなっているのは、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化されておらず、距離測定用レーザ光線５００（図６参照）の反射光６２が弱いことに対応している。なお、後述するように、時刻ｔ＝ｔ3以降で論理信号ＬＳ３がハイレベルとなっているのは、時刻ｔ＝ｔ2において検出装置６が、被加工物５５からの反射光６２が所定の強度以上であることを検出し、その検出結果に基づいて補助制御装置７がハイレベルの論理信号ＬＳ３を出力していることを示している。
【００６０】
次に、ステップＳ２０５において、論理演算装置２８がパルス信号ＬＳ２とローレベルの論理信号ＬＳ３との間で論理演算を行って論理演算結果ＬＳ５を出力する。ここで、論理演算は論理積（ＡＮＤ）である。図９に論理演算結果ＬＳ５の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間において、論理信号ＬＳ３がローレベルとなっているため、同期間において、論理演算結果ＬＳ５の波形は、ローレベルでありパルス波形としては観測されない。一方、パルス信号ＬＳ２のパルスＰ４２に対応する論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ５２は、時刻ｔ＝ｔ3に至るまではローレベルであるが、時刻ｔ3以降はハイレベルとなる。また、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ５３〜５５の波形は、パルス信号ＬＳ２のパルスＰ４３〜４５と同様な波形となる。
【００６１】
次に、ステップＳ２０６において、スイッチング装置２７が論理演算結果ＬＳ５に基づいてアナログ信号ＡＳ１から送出周期を有するレーザ駆動信号ＡＳ２を生成する。図７及び９に示すように、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間において、論理演算結果ＬＳ５がローレベルのときにオフ状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２は０［Ｖ］となる。一方、スイッチング装置２７は、時刻ｔ＝ｔ3以降において論理演算結果ＬＳ５がハイレベルのときにオン状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２はアナログ信号ＡＳ１と同一のＶｃ［Ｖ］となる。その結果、レーザ駆動信号ＡＳ２は、最大値がＶｃ［Ｖ］であって、論理演算結果ＬＳ５と同様な送信周期を有するパルス波形となる。スイッチング装置２７における信号のオン／オフは、１０［μｓ］以内にレーザ出力に反映される。
【００６２】
図９にレーザ駆動信号ＡＳ２の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間において、レーザ駆動信号ＡＳ２の波形は、常に０［Ｖ］であり、パルス波形としては観測されない。一方、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ５２に対応するレーザ駆動信号ＡＳ２のパルスＰ６２は、時刻ｔ＝ｔ3に至るまでは０［Ｖ］であるが、時刻ｔ3以降はＶｃ［Ｖ］となる。なお、図７に示すように、本実施例においては、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離を測定するための距離測定用レーザ光線を照射するために、レーザ駆動信号ＡＳ２に距離測定用信号ＡＳＭを第２加算器２５２により加えている。これに加えてさらに、バイアス指令信号ＡＳＢを第１加算器２５１により加算する場合は、距離測定用電圧及びバイアス指令信号を加えたレーザ駆動信号ＡＳ４の波形は、図９に示すようにレーザ駆動信号ＡＳ２に所定のバイアス指令信号ＡＳＢと距離測定用信号ＡＳＭとを加えた信号波形となり、レーザ駆動信号ＡＳ２のパルスＰ６１〜Ｐ６５と同様のパルスＰ７１〜Ｐ７５を有するパルス波形となる。ここで、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間においては、被加工物を加工するためのレーザ光線は出力されず、距離測定用レーザ光線のみが出力されることになる。
【００６３】
次に、ステップＳ２０７において、レーザ電源装置３１が電源４からの電力の供給を受けて、インターフェース２６を介して入力された、レーザ駆動信号ＡＳ２に距離測定用信号ＡＳＭ及びバイアス指令信号ＡＳＢを加えたレーザ駆動信号ＡＳ４に応じてレーザの励起エネルギーを生成する。ここで、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間においては、レーザ駆動信号ＡＳ２は０［Ｖ］であるので信号ＡＳ４は、距離測定用信号ＡＳＭとバイアス指令信号ＡＳＢとを加算したものである。バイアス指令信号ＡＳＢの大きさは小さいので、距離測定用信号ＡＳＭに応じてレーザの励起エネルギーが生成される。距離測定用電圧及びバイアス指令電圧を加えた距離測定用レーザ駆動信号ＡＳ４は、時刻ｔ＝ｔ2〜ｔ3の期間においては、一定の電圧値を示し、時刻ｔ＝ｔ3以降においてデジタル信号ＤＳ１、ＤＳ２及び論理信号ＬＳ３によって決められるパルス波形となるため、励起エネルギーもＰ６１〜Ｐ６５と同様なパルス波形となる。
【００６４】
次に、ステップＳ２０８において、放電管３２が励起エネルギーを用いて距離測定用レーザ光線５００を出力する。即ち、放電管３２に励起エネルギーが供給され、出力鏡３４とリア鏡３３とに挟まれたレーザ媒体はレーザ発振し、距離測定用レーザ光線５００が出力される。放電管３２から出力された距離測定用レーザ光線５００は、反射鏡５１または光ファイバー（図示せず）を用いて加工ヘッド５に導かれる。
【００６５】
次に、ステップＳ２０９において、加工ヘッド５が放電管３２から出力された距離測定用レーザ光線５００を被加工物５５に照射する。具体的には、加工ヘッド５内に装備されたレンズ５２により被加工物５５上に距離測定用レーザ光線５００が集光される。距離測定用レーザ光線５００は加工ヘッド５の先端に設けられた加工ノズル５３を通過して被加工物５５に照射される。
【００６６】
次に、ステップＳ２１０において、検出装置６が被加工物５５からの反射光６２の強度を測定する。図２に示すように、レーザ加工システム１１には、反射光６２の強度を測定する検出装置６が備えられている。図６に示すように、距離測定用レーザ光線５００は被加工物５５で反射され、反射光６２が検出装置６により検出される。なお、加工ヘッド５が被加工物５５に十分接近しておらず、両者間の距離が最適化されていない段階では、図６（ａ）に示すように距離測定用レーザ光線５００の焦点５７の位置は被加工物５５の上方に有る。そのため、反射光６２の強度は、同図（ｂ）に示すように距離測定用レーザ光線５００の焦点５７の位置が被加工物５５の表面の位置と一致した場合に比べて弱くなる。反射光６２を検出した検出装置６からは、反射光６２の強度に応じた信号が補助制御装置７に送信される。
【００６７】
次に、ステップＳ２１１において、補助制御装置７が反射光６２の強度の変化を監視する。補助制御装置７は検出装置６から反射光６２の強度に応じた信号を時々刻々受信しているため、反射光６２の強度の変化を検出することができる。
【００６８】
次に、ステップＳ２１２において、補助制御装置７が反射光６２の強度は閾値以上であるか否かを判断する。ここで閾値は加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化されたときに生じる反射光の強度とすることができる。反射光６２の強度が閾値未満である場合には、ステップＳ２０１に戻って、加工ヘッド５と被加工物５５との間の距離を変えて距離測定用レーザ光線の照射を継続して実行する。
【００６９】
一方、反射光６２の強度が閾値以上である場合には、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化されたものと判断し、ステップＳ２１３において、補助制御装置７がハイレベルの論理信号ＬＳ３を出力する。論理信号ＬＳ３は、図９に示すように時刻ｔ＝ｔ3において論理信号ＬＳ３はローレベルからハイレベルへ変わる。
【００７０】
次に、ステップＳ２１４において、論理演算装置２８がパルス信号ＬＳ２とハイレベルの論理信号ＬＳ３との間で論理演算を行ってハイレベルの論理演算結果ＬＳ５を出力する。ここで、論理演算装置２８で行う論理演算は論理積（ＡＮＤ）である。図９にパルス信号ＬＳ２、論理信号ＬＳ３及び論理演算結果ＬＳ５の各波形を示す。時刻ｔ＝ｔ3以降においてもパルス信号ＬＳ２は変化しないが、論理信号ＬＳ３がハイレベルとなるため、パルス信号ＬＳ２と論理信号ＬＳ３との論理積である論理演算結果ＬＳ５は、パルス信号ＬＳ２と同様な信号となる。ここで、論理信号ＬＳ３がローレベルからハイレベルに変化するタイミングは、パルス信号ＬＳ２の立ち上がり時間及び立ち下り時間とは無関係であるため、論理演算結果ＬＳ５のパルスＰ５２は、パルスの立ち上がりを待たずに強制的にハイレベルに変化する。
【００７１】
次に、ステップＳ２１５において、スイッチング装置２７がハイレベルの論理演算結果ＬＳ５に基づいて波高値Ｖｃ［Ｖ］のレーザ駆動信号ＡＳ２を生成する。図９にレーザ駆動信号ＡＳ２の波形を示す。時刻ｔ＝ｔ3以降において論理演算結果ＬＳ５はハイレベルとなるため、スイッチング装置２７はオンした状態となり、レーザ駆動信号ＡＳ２は波高値Ｖｃ［Ｖ］のパルス波形となる。上述の通り、論理演算結果ＬＳ５は時刻ｔ＝ｔ3において強制的に、Ｖｃ［Ｖ］になるため、レーザ駆動信号ＡＳ２もパルスＰ６３の立ち上がりを待たずにパルスＰ６２の周期の途中から強制的にＶｃ［Ｖ］となる。その結果、レーザ駆動信号ＡＳ２に距離測定用信号ＡＳＭ及びバイアス信号ＡＳＢを加えたレーザ駆動信号ＡＳ４は、時刻ｔ＝ｔ3においてパルスＰ７３の立ち上がりを待たずにパルスＰ７２の周期の途中から強制的にＶｃ［Ｖ］に距離測定用電圧及びバイアス電圧を加えた電圧を波高値とするパルス波形となり、ステップＳ２１６において、レーザ加工システム１１は加工用のレーザ出力を送出する。ここで、検出装置６が閾値を超える反射光６２を検出してからレーザ光線が出力されるまでの時間は１０［μｓ］以下である。
【００７２】
以上のようにして、被加工物５５からの反射光６２を監視し、加工ヘッド５の先端に設けられた加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化されたときにレーザの出力を瞬時に開始することができるので、加工ノズル５３と被加工物５５との間の距離が最適化されてからレーザ加工を開始するまでの時間を最短とすることができる。
【００７３】
実施例２においては、距離測定用レーザ光線５００を出力するために距離測定用レーザ出力信号ＤＳ５を数値制御装置１からインターフェース回路２０に供給する例を示したが、このような例には限られない。即ち、距離測定用レーザ光線５００を出力するために、距離測定用レーザ出力信号ＤＳ５を供給する代わりに、レーザ出力信号ＤＳ３として加工用のレーザ光線よりも弱い励起エネルギーを用いて距離測定用のレーザ光線を被加工物に照射するようにしてもよい。
【００７４】
また、実施例２に係る発明は、穴あけ加工（ピアシング）の開始のタイミングの制御にも有効であることを説明する。被加工物として金属板をレーザ切断する場合、２［ｍ］×４［ｍ］程度の被加工物を切り抜いていくが、一つの切断箇所と他の切断箇所との間の加工ヘッドの移動は、被加工物とヘッドの衝突を防ぐために、加工ヘッドを若干高く浮かせた状態で行うのが一般的である。次の切断開始点に到達すると、加工ヘッドが下降して被加工物に接近し、穴あけ加工に最適な高さに位置決めされ穴あけ加工が開始される。このとき、最適な高さであることを確認してから穴あけ加工を行うと、Ｚ軸が静止するまで若干の時間を要する。しかし、穴あけ加工開始可能な加工ヘッドの高さには幅があり、Ｚ軸が一定の高さ以下になれば静止していなくても穴あけ加工を開始できる。
【００７５】
そこで、被加工物５５と加工ノズル５３との間の距離を測定するための反射光の強度の測定結果を検出装置６から補助制御装置７へ送信し、被加工物５５に加工ヘッド５が接近しつつある場合に、加工ヘッド５と被加工物５５との間の距離が一定範囲内になった瞬間に穴あけ加工が開始されるように制御信号ＬＳ３が切り換わるようにしてもよい。こうすることで、穴あけ加工の開始が可能になった直後に、穴あけ加工が実際に始まるので、無駄な待ち時間を排除でき、加工時間の短縮を図ることができる。
【実施例３】
【００７６】
次に、本発明の実施例３に係るレーザ加工システムについて説明する。実施例３に係るレーザ加工システムの全体的な構成は、図２に示す実施例１に係るレーザ加工システムの構成と同様である。図１０に実施例３に係るレーザ加工システムのインターフェース回路２００の構成を示す。実施例１及び２のインターフェース回路２、２０と異なる点は、論理演算装置２９が、補助制御装置７が出力する論理信号ＬＳ３を利用するか、または利用しないかを切り換える切替装置３０をさらに有する点である。
【００７７】
切替回路３０は、数値制御装置１からの切替制御信号ＬＳ１により切り換えることができる。例えば、図１０に示すように切替回路３０において、端子ａに切り換えた場合には、論理演算装置２９の論理信号ＬＳ４をローレベルに設定することができ、端子ｂに切り換えた場合には、論理信号ＬＳ４をハイレベルに設定することができ、これらの場合は、補助制御装置７が出力する論理信号ＬＳ３をレーザ光線の出力制御のために利用していない。一方、端子ｃに切り換えた場合には、論理演算装置２９の論理信号ＬＳ４は補助制御装置７が出力する論理信号ＬＳ３をそのまま利用することができ、端子ｄに切り換えた場合には、反転回路３０１により補助制御装置７が出力する論理信号ＬＳ３の反転信号を利用することができ、これらの場合は、補助制御装置が出力する論理信号をレーザ光線の出力制御のために利用している。
【００７８】
上記のように切替装置３０を用いて、補助制御装置７が出力する論理信号を切り換える例について説明する。図２に示すように、被加工物５５に加工ヘッド５を近づけていき、加工ヘッド５と被加工物５５との間の距離が最適化された場合に穴あけ加工を開始する。このとき、加工ヘッド５が被加工物５５から十分な距離を隔てて上方にあるときから、数［Ｗ］〜数１０［Ｗ］の出力が極めて小さいレーザ光線５０を照射しておく。加工ヘッド５の下降に伴い、集光点が被加工物５５に接近していくと、レンズ５２を通してレーザ発振装置３に戻っていくレーザ光線５０の量が多くなる。この量を検出装置６により検出し、戻り光が一定以上になったときに一気にレーザ出力を増大させる。これにより、被加工物５５の表面に瞬間的にキーホールが形成され穴あけ加工が進む。もし、このタイミングがずれると、銅などの反射率の高い被加工物では、レーザエネルギー密度がキーホール形成に十分な強度にならずに、全レーザエネルギーが機械光路を逆行することになり、装置にとって極めて危険な状態になるが、これを防ぐことができる。
【００７９】
これを実現するために、切替装置３０において、端子ｃを選択しておき、補助制御装置７から０．５％に相当するオーバライド信号が与えられるようにしておき、数[Ｗ]〜数十［Ｗ］の出力が極めて小さいレーザ光線５０を照射するようにする。数値制御装置１は穴あけ加工に必要なレーザ出力指令をインターフェース回路に与えているが、加工ヘッド５が被加工物５５の上方にあるときは、補助制御装置７から０．５％に相当するオーバライド信号が与えられているので、乗算器Ｃ１の働きによりレーザ出力は小さく抑えられている。
【００８０】
加工ヘッド５は次第に被加工物５５に接近し微弱な戻り光が大きくなってくる。穴あけ加工開始が可能な高さのときの戻り光の強度を予め判定値としておくと、戻り光がその判定値を超えた瞬間に切替装置３０において端子ｂを選択するように切り替える。この場合、補助制御装置７からのオーバライド信号は５［Ｖ］、すなわち１００％となり、レーザ出力は一気に増大し、穴あけ加工が進行する。このような構成を採用することにより、加工ヘッド５と被加工物５５との間の距離が最適化された後、瞬時に穴あけ加工を開始することができ、タクトタイムを短縮することができる。
【００８１】
また、上記の例は、数値制御装置１からのレーザ出力指令を、補助制御装置７からの信号によって、送出停止とするのではなく、増減自在としたものであるが、補助制御装置７からの送出停止を意味する論理信号であっても、同様の動作が可能である。レーザ電源装置３１に対して励起エネルギーの値を設定する指令を与えてから実際にレーザが出力されるまでの時間は極めて短時間であるが、それでも若干の遅れ時間を生ずる。それは、レーザ電源装置３１の回路内の種々の遅れ要素のほかに、レーザ媒体が励起されてから実際にレーザ増幅がおきるまでの時間に時間差があるために生じるものである。レーザの種類によっても異なるが数十ナノ秒から数ミリ秒の遅れがある。
【００８２】
ここで、補助制御装置７からの制御信号をパルス列として与えることとし、その周波数をレーザの応答速度に比して高く設定する。すなわち、アナログレーザ出力指令に対するレーザ出力の応答時定数が１００［μｓ］のレーザにあっては、例えば２５［ｋＨｚ］とする。ここで、パルスデューティを０〜１００％で制御すると、制御信号の周波数に対してレーザの応答周波数が遅いため、矩形パルスのレーザ出力指令であっても三角波のレーザ出力となり、実質的にパルスデューティでレーザ出力を増減することが可能になる。
【００８３】
このようにして、補助制御装置７からの論理信号でレーザ出力を増減することが可能であるが、アナログ信号で増減する場合に比べて、０［Ｗ］近辺や定格出力での指令に対して指令電圧がオフセットすることなく、正確に指令できるという特徴がある。さらに、パルス信号生成装置から数［Ｈｚ］から５［ｋＨｚ］のパルス指令を与えると、実際のレーザ出力は、パルス信号生成装置からの指令に応じたパルス状のレーザ出力でありながら、補助制御装置から出力を制御することが可能となる。
【００８４】
以上の説明においては、レーザ光線を被加工物に照射した際に、被加工物から放出される光または被加工物から反射される光を用いる例を示したが、被加工物の温度や、被加工物が発する音や、被加工物に起因する圧力の変化を検出する検出装置等、多種多様な検出装置を設けることが可能であり、それらの検出装置からの信号は、上述したインターフェース回路内で自在に演算処理が可能となるように設計することが可能である。
【符号の説明】
【００８５】
１ 数値制御装置
２、２０、２００ インターフェース回路
２１ インターフェース
２２ パルス信号生成装置
２３１ 変換装置
２３２ バイアス電圧変換装置
２３３ 距離測定電圧変換装置
２５ 加算器
２５１ 第１加算器
２５１ 第２加算器
２６ インターフェース
２７ スイッチング装置
２８、２９ 論理演算装置
３ レーザ発振装置
３０ 切替装置
３１ レーザ電源装置
３２ 放電管
３３ リア鏡
３４ 出力鏡
４ 電源
５ 加工ヘッド
５０ レーザ光線
５１ ミラー
５２ レンズ
５３ 加工ノズル
５４ テーブル
５５ 被加工物
６ 検出装置
６１ 放射光
６２ 反射光
７ 補助制御装置
８ サーボモータ
９ サーボアンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号と、を出力する数値制御装置と、
前記レーザ出力信号をアナログ信号に変換する変換装置と、
前記デジタル信号に基づいて、前記アナログ信号を制御するためのパルス信号を生成するパルス信号生成装置と、
レーザ光線の送出または停止を強制的に制御する論理信号を生成する補助制御装置と、
前記パルス信号と前記論理信号との間で論理演算を行って論理演算結果を出力する論理演算装置と、
前記論理演算結果に基づいて、レーザ出力の送出及び停止を交互に行なうためのレーザ駆動信号を生成するスイッチング装置と、
前記レーザ駆動信号に応じて出力されるレーザ光線が照射された結果、被加工物から放射または反射される光の強度を測定する検出装置と、
を有し、
前記補助制御装置は、前記検出装置により測定された光の強度に応じて、前記論理信号を生成する、
ことを特徴とするレーザ加工システム。
【請求項２】
前記補助制御装置は、前記検出装置が測定した被加工物から放射される光の強度が所定の強度以上の場合に、レーザの出力を停止するための論理信号を出力する、請求項１に記載のレーザ加工システム。
【請求項３】
前記補助制御装置は、前記検出装置が測定した被加工物から反射される光の強度が所定の強度以上の場合に、レーザの出力を送出するための論理信号を出力する、請求項１に記載のレーザ加工システム。
【請求項４】
前記論理演算装置は、前記補助制御装置が出力する論理信号を利用するか、または利用しないかを切り換える切替装置をさらに有する、請求項１に記載のレーザ加工システム。
【請求項１】
レーザ出力値を決定するためのレーザ出力信号と、レーザ出力の送出期間及び停止期間を決定するためのデジタル信号と、を出力する数値制御装置と、
前記レーザ出力信号をアナログ信号に変換する変換装置と、
前記デジタル信号に基づいて、前記アナログ信号を制御するためのパルス信号を生成するパルス信号生成装置と、
レーザ光線の送出または停止を強制的に制御する論理信号を生成する補助制御装置と、
前記パルス信号と前記論理信号との間で論理演算を行って論理演算結果を出力する論理演算装置と、
前記論理演算結果に基づいて、レーザ出力の送出及び停止を交互に行なうためのレーザ駆動信号を生成するスイッチング装置と、
前記レーザ駆動信号に応じて出力されるレーザ光線が照射された結果、被加工物から放射または反射される光の強度を測定する検出装置と、
を有し、
前記補助制御装置は、前記検出装置により測定された光の強度に応じて、前記論理信号を生成する、
ことを特徴とするレーザ加工システム。
【請求項２】
前記補助制御装置は、前記検出装置が測定した被加工物から放射される光の強度が所定の強度以上の場合に、レーザの出力を停止するための論理信号を出力する、請求項１に記載のレーザ加工システム。
【請求項３】
前記補助制御装置は、前記検出装置が測定した被加工物から反射される光の強度が所定の強度以上の場合に、レーザの出力を送出するための論理信号を出力する、請求項１に記載のレーザ加工システム。
【請求項４】
前記論理演算装置は、前記補助制御装置が出力する論理信号を利用するか、または利用しないかを切り換える切替装置をさらに有する、請求項１に記載のレーザ加工システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１０７０８９（Ｐ２０１３−１０７０８９Ａ）
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５１８７３（Ｐ２０１１−２５１８７３）
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年６月６日（２０１３．６．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１７日（２０１１．１１．１７）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
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