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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024063768
(43)【公開日】2024-05-13
(54)【発明の名称】レーザ加工機、及びレーザ加工機の制御方法
(51)【国際特許分類】
B23K 26/00 20140101AFI20240502BHJP
B23K 26/38 20140101ALI20240502BHJP
【ＦＩ】
B23K26/00 N
B23K26/38
B23K26/00 B
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023181764
(22)【出願日】2023-10-23
(31)【優先権主張番号】P 2022171383
(32)【優先日】2022-10-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(71)【出願人】
【識別番号】390014672
【氏名又は名称】株式会社アマダ
(74)【代理人】
【識別番号】100083806
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 秀和
(74)【代理人】
【識別番号】100111235
【弁理士】
【氏名又は名称】原 裕子
(74)【代理人】
【識別番号】100170575
【弁理士】
【氏名又は名称】森 太士
(72)【発明者】
【氏名】原 英夫
(72)【発明者】
【氏名】國廣 正人
【テーマコード（参考）】
4E168
【Ｆターム（参考）】
4E168AA02
4E168AD07
4E168CB03
4E168DA02
4E168DA23
4E168DA26
4E168DA28
4E168DA29
4E168DA43
4E168EA17
4E168FB01
4E168FB02
4E168FB05
4E168JA02
(57)【要約】
【課題】ワークへの入熱過多又は入熱不足に起因する加工不良の発生を効果的に抑制する。
【解決手段】制御装置６０は、ワークＷの材質及び厚みに基づいて、標準平均出力及び標準速度を選択する加工条件選択部６２と、加工経路上の基準点を中心に加工ヘッド３０の加減速制御を行う加工速度制御部６４と、材質及び厚みに対応する出力制御テーブルに基づいて、レーザ平均出力を標準平均出力から変化させるレーザ平均出力制御を行うレーザ平均出力制御部６５と、を含む。レーザ平均出力制御部６５は、加工経路における加工ヘッド３０と基準点との間の距離がレーザ平均出力制御距離以下となる範囲においてレーザ平均出力制御が行われるように、係数を乗じて出力制御テーブルを補正する補正処理を行う。また、レーザ平均出力制御は、レーザ平均出力に起因するパルスデューティ及びパルス周波数を調整することにより行われる。
【選択図】図１
【解決手段】制御装置６０は、ワークＷの材質及び厚みに基づいて、標準平均出力及び標準速度を選択する加工条件選択部６２と、加工経路上の基準点を中心に加工ヘッド３０の加減速制御を行う加工速度制御部６４と、材質及び厚みに対応する出力制御テーブルに基づいて、レーザ平均出力を標準平均出力から変化させるレーザ平均出力制御を行うレーザ平均出力制御部６５と、を含む。レーザ平均出力制御部６５は、加工経路における加工ヘッド３０と基準点との間の距離がレーザ平均出力制御距離以下となる範囲においてレーザ平均出力制御が行われるように、係数を乗じて出力制御テーブルを補正する補正処理を行う。また、レーザ平均出力制御は、レーザ平均出力に起因するパルスデューティ及びパルス周波数を調整することにより行われる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ加工としてのレーザ切断加工又はレーザマーキング加工を行うレーザ加工機において、
レーザ発振器から射出されたレーザビームをワークに照射して、前記レーザビームによって前記ワークを加工する加工ヘッドと、
前記ワークに対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、
前記加工ヘッドから前記ワークに照射される前記レーザビームのレーザ平均出力、及び加工経路に沿って前記ワーク上を移動する前記加工ヘッドの加工速度を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記ワークの材質及び厚みに基づいて、前記レーザ平均出力の標準値である標準平均出力と、前記加工ヘッドの加工速度の標準値である標準速度とを選択する加工条件選択部と、
前記加工経路上の基準点へと前記加工ヘッドが到達するときに前記加工ヘッドを減速させる、又は前記基準点から前記加工ヘッドが離れるときに前記加工ヘッドを加速させる加減速制御を行う加工速度制御部と、
前記加減速制御の実行に対応して、前記レーザ平均出力を前記標準平均出力から変化させるレーザ平均出力制御を行うレーザ平均出力制御部と、
前記材質及び前記厚みに基づいて、前記レーザ平均出力制御に必要な距離であるレーザ平均出力制御距離を決定するパラメータ決定部と、を含み、
前記レーザ平均出力制御部は、
前記標準速度から減速させた加工速度が前記標準速度に対する割合で表された速度割合と、前記標準平均出力から変化させた前記レーザ平均出力が前記標準平均出力に対する割合で表された出力割合とが対応付けられた出力制御テーブルに基づいて、前記レーザ平均出力制御を行い、
前記レーザ平均出力制御部は、
前記加工ヘッドの減速時においては前記加工ヘッドから前記基準点までの距離が前記レーザ平均出力制御距離以下となる範囲で前記レーザ平均出力制御が行われるように、又は前記加工ヘッドの加速時においては前記基準点から前記加工ヘッドまでの距離が前記レーザ平均出力制御距離以下となる範囲で前記レーザ平均出力制御が行われるように、係数を乗じて前記出力制御テーブルを補正する出力テーブル補正処理を行い、
前記レーザ平均出力制御は、
前記レーザ平均出力に起因するパルスデューティ及びパルス周波数を調整することにより行われる
レーザ加工機。
レーザ発振器から射出されたレーザビームをワークに照射して、前記レーザビームによって前記ワークを加工する加工ヘッドと、
前記ワークに対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、
前記加工ヘッドから前記ワークに照射される前記レーザビームのレーザ平均出力、及び加工経路に沿って前記ワーク上を移動する前記加工ヘッドの加工速度を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、
前記ワークの材質及び厚みに基づいて、前記レーザ平均出力の標準値である標準平均出力と、前記加工ヘッドの加工速度の標準値である標準速度とを選択する加工条件選択部と、
前記加工経路上の基準点へと前記加工ヘッドが到達するときに前記加工ヘッドを減速させる、又は前記基準点から前記加工ヘッドが離れるときに前記加工ヘッドを加速させる加減速制御を行う加工速度制御部と、
前記加減速制御の実行に対応して、前記レーザ平均出力を前記標準平均出力から変化させるレーザ平均出力制御を行うレーザ平均出力制御部と、
前記材質及び前記厚みに基づいて、前記レーザ平均出力制御に必要な距離であるレーザ平均出力制御距離を決定するパラメータ決定部と、を含み、
前記レーザ平均出力制御部は、
前記標準速度から減速させた加工速度が前記標準速度に対する割合で表された速度割合と、前記標準平均出力から変化させた前記レーザ平均出力が前記標準平均出力に対する割合で表された出力割合とが対応付けられた出力制御テーブルに基づいて、前記レーザ平均出力制御を行い、
前記レーザ平均出力制御部は、
前記加工ヘッドの減速時においては前記加工ヘッドから前記基準点までの距離が前記レーザ平均出力制御距離以下となる範囲で前記レーザ平均出力制御が行われるように、又は前記加工ヘッドの加速時においては前記基準点から前記加工ヘッドまでの距離が前記レーザ平均出力制御距離以下となる範囲で前記レーザ平均出力制御が行われるように、係数を乗じて前記出力制御テーブルを補正する出力テーブル補正処理を行い、
前記レーザ平均出力制御は、
前記レーザ平均出力に起因するパルスデューティ及びパルス周波数を調整することにより行われる
レーザ加工機。
【請求項2】
前記加工速度制御部は、
前記移動機構が前記加工ヘッドを減速及び加速する際の加減速度を、前記加減速度の標準値から変更することで、前記加工ヘッドの加減速に要する距離である加減速移動距離を調整する
請求項１記載のレーザ加工機。
前記移動機構が前記加工ヘッドを減速及び加速する際の加減速度を、前記加減速度の標準値から変更することで、前記加工ヘッドの加減速に要する距離である加減速移動距離を調整する
請求項１記載のレーザ加工機。
【請求項3】
前記レーザ平均出力制御部は、
前記基準点に近づく前記加工ヘッドが、前記基準点に対して前記レーザ平均出力制御距離だけ手前に位置する第１制御点から、前記基準点に至るまでの間、前記レーザ平均出力を前記標準平均出力から減少させる第１出力制御を行い、
前記基準点から離れる前記加工ヘッドが、前記基準点から、前記基準点に対して前記レーザ平均出力制御距離だけ離れた第２制御点に到達するまでの間、前記レーザ平均出力を前記標準平均出力に向けて増加させる第２出力制御を行う
請求項１又は２記載のレーザ加工機。
前記基準点に近づく前記加工ヘッドが、前記基準点に対して前記レーザ平均出力制御距離だけ手前に位置する第１制御点から、前記基準点に至るまでの間、前記レーザ平均出力を前記標準平均出力から減少させる第１出力制御を行い、
前記基準点から離れる前記加工ヘッドが、前記基準点から、前記基準点に対して前記レーザ平均出力制御距離だけ離れた第２制御点に到達するまでの間、前記レーザ平均出力を前記標準平均出力に向けて増加させる第２出力制御を行う
請求項１又は２記載のレーザ加工機。
【請求項4】
前記レーザ平均出力制御部は、
前記加工ヘッドの加工速度を監視し、
前記出力制御テーブルに基づいて、前記加工ヘッドの加工速度に応じた前記レーザ平均出力を特定することで、前記レーザ平均出力制御を行う
請求項１記載のレーザ加工機。
前記加工ヘッドの加工速度を監視し、
前記出力制御テーブルに基づいて、前記加工ヘッドの加工速度に応じた前記レーザ平均出力を特定することで、前記レーザ平均出力制御を行う
請求項１記載のレーザ加工機。
【請求項5】
前記パラメータ決定部は、
前記材質及び前記厚みの組み合わせ毎に紐付けられた複数のレーザ平均出力制御距離を格納する第１データベースを参照し、前記材質及び前記厚みに対応する前記レーザ平均出力制御距離を決定する
請求項１記載のレーザ加工機。
前記材質及び前記厚みの組み合わせ毎に紐付けられた複数のレーザ平均出力制御距離を格納する第１データベースを参照し、前記材質及び前記厚みに対応する前記レーザ平均出力制御距離を決定する
請求項１記載のレーザ加工機。
【請求項6】
前記パラメータ決定部は、
前記材質及び前記厚みの組み合わせ毎に紐付けられた複数の出力制御テーブルを格納する第２データベースを参照し、前記材質及び前記厚みに対応する前記出力制御テーブルを決定し、
前記レーザ平均出力制御部は、
前記パラメータ決定部が決定した前記出力制御テーブルに基づいて前記レーザ平均出力制御を行う
請求項５記載のレーザ加工機。
前記材質及び前記厚みの組み合わせ毎に紐付けられた複数の出力制御テーブルを格納する第２データベースを参照し、前記材質及び前記厚みに対応する前記出力制御テーブルを決定し、
前記レーザ平均出力制御部は、
前記パラメータ決定部が決定した前記出力制御テーブルに基づいて前記レーザ平均出力制御を行う
請求項５記載のレーザ加工機。
【請求項7】
前記パラメータ決定部は、
前記加減速度の標準値と、前記出力制御テーブルにおいて前記レーザ平均出力の出力変化が働き出す加工速度とに基づいて、前記出力制御テーブルに従った場合に前記レーザ平均出力の出力変化が働くテーブル作用距離を算出し、
前記レーザ平均出力制御部は、
前記レーザ平均出力制御距離と、前記テーブル作用距離とを比較して、前記レーザ平均出力制御の実行モードを決定する
請求項２記載のレーザ加工機。
前記加減速度の標準値と、前記出力制御テーブルにおいて前記レーザ平均出力の出力変化が働き出す加工速度とに基づいて、前記出力制御テーブルに従った場合に前記レーザ平均出力の出力変化が働くテーブル作用距離を算出し、
前記レーザ平均出力制御部は、
前記レーザ平均出力制御距離と、前記テーブル作用距離とを比較して、前記レーザ平均出力制御の実行モードを決定する
請求項２記載のレーザ加工機。
【請求項8】
前記レーザ平均出力制御部は、
前記テーブル作用距離が前記レーザ平均出力制御距離以上の場合、前記テーブル作用距離が前記レーザ平均出力制御距離まで減少するように、前記係数を乗じて前記出力制御テーブルを補正し、
補正した前記出力制御テーブルに基づいて、前記レーザ平均出力制御を行う
請求項７記載のレーザ加工機。
前記テーブル作用距離が前記レーザ平均出力制御距離以上の場合、前記テーブル作用距離が前記レーザ平均出力制御距離まで減少するように、前記係数を乗じて前記出力制御テーブルを補正し、
補正した前記出力制御テーブルに基づいて、前記レーザ平均出力制御を行う
請求項７記載のレーザ加工機。
【請求項9】
前記レーザ平均出力制御部は、
前記テーブル作用距離が前記レーザ平均出力制御距離よりも小さい場合、前記テーブル作用距離が前記レーザ平均出力制御距離まで増加するように、前記係数を乗じて前記出力制御テーブルを補正し、
補正した前記出力制御テーブルに基づいて、前記レーザ平均出力制御を行う
請求項７記載のレーザ加工機。
前記テーブル作用距離が前記レーザ平均出力制御距離よりも小さい場合、前記テーブル作用距離が前記レーザ平均出力制御距離まで増加するように、前記係数を乗じて前記出力制御テーブルを補正し、
補正した前記出力制御テーブルに基づいて、前記レーザ平均出力制御を行う
請求項７記載のレーザ加工機。
【請求項10】
前記レーザ平均出力制御部は、
前記出力制御テーブルを補正しても、前記テーブル作用距離が前記レーザ平均出力制御距離よりも小さい場合には、前記加減速移動距離を変更する
請求項９記載のレーザ加工機。
前記出力制御テーブルを補正しても、前記テーブル作用距離が前記レーザ平均出力制御距離よりも小さい場合には、前記加減速移動距離を変更する
請求項９記載のレーザ加工機。
【請求項11】
前記出力制御テーブルには、前記速度割合を定義する区間が３つ以上規定されている
請求項１記載のレーザ加工機。
請求項１記載のレーザ加工機。
【請求項12】
前記レーザ平均出力制御部は、
前記レーザ平均出力の変化の微細遷移を計算し、前記区間毎に階段状の制御指令とならないように最適化した前記レーザ平均出力に係る制御指令を決定する
請求項１１記載のレーザ加工機。
前記レーザ平均出力の変化の微細遷移を計算し、前記区間毎に階段状の制御指令とならないように最適化した前記レーザ平均出力に係る制御指令を決定する
請求項１１記載のレーザ加工機。
【請求項13】
前記出力制御テーブルは、
前記加工ヘッドが前記基準点に到達する減速時に対応する出力制御テーブルと、前記加工ヘッドが前記基準点から離れる加速時に対応する出力制御テーブルと含む
請求項３記載のレーザ加工機。
前記加工ヘッドが前記基準点に到達する減速時に対応する出力制御テーブルと、前記加工ヘッドが前記基準点から離れる加速時に対応する出力制御テーブルと含む
請求項３記載のレーザ加工機。
【請求項14】
前記パラメータ決定部は、前記材質及び前記厚みに基づいて決定した前記レーザ平均出力制御距離を、前記加工ヘッドから排出されるアシストガス流量に基づいて調整し、
前記レーザ平均出力制御部は、調整後の前記レーザ平均出力制御距離を用いて前記出力テーブル補正処理を行う
請求項１記載のレーザ加工機。
前記レーザ平均出力制御部は、調整後の前記レーザ平均出力制御距離を用いて前記出力テーブル補正処理を行う
請求項１記載のレーザ加工機。
【請求項15】
レーザ発振器から射出されたレーザビームをワークに照射して、前記レーザビームによって前記ワークを加工する加工ヘッドと、
前記ワークに対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、を備え、レーザ加工としてのレーザ切断加工又はレーザマーキング加工を行うレーザ加工機の制御方法において、
前記加工ヘッドから前記ワークに照射される前記レーザビームのレーザ平均出力、及び加工経路に沿って前記ワーク上を移動する前記加工ヘッドの加工速度を制御する制御装置が、
前記ワークの材質及び厚みに基づいて、前記レーザ平均出力の標準値である標準平均出力と、前記加工ヘッドの加工速度の標準値である標準速度とを選択し、
前記加工経路上の基準点へと前記加工ヘッドが到達するときに前記加工ヘッドを減速させる、又は前記基準点から前記加工ヘッドが離れるときに前記加工ヘッドを加速させる加減速制御を行い、
前記加減速制御の実行に対応して、前記標準速度から減速させた加工速度が前記標準速度に対する割合で表された速度割合と前記標準平均出力から変化させた前記レーザ平均出力が前記標準平均出力に対する割合で表された出力割合とが対応付けられた出力制御テーブルに基づいて、前記レーザ平均出力を前記標準平均出力から変化させるレーザ平均出力制御を行い、
前記制御装置は、
前記材質及び前記厚みに基づいて、前記レーザ平均出力制御に必要な距離であるレーザ平均出力制御距離を決定し、
前記加工ヘッドの減速時においては前記加工ヘッドから前記基準点までの距離が前記レーザ平均出力制御距離以下となる範囲で前記レーザ平均出力制御が行われるように、又は前記加工ヘッドの加速時においては前記基準点から前記加工ヘッドまでの距離が前記レーザ平均出力制御距離以下となる範囲で前記レーザ平均出力制御が行われるように、係数を乗じて前記出力制御テーブルを補正する出力テーブル補正処理を行い、
前記レーザ平均出力制御は、
前記レーザ平均出力に起因するパルスデューティ及びパルス周波数を調整することにより行われる
レーザ加工機の制御方法。
前記ワークに対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、を備え、レーザ加工としてのレーザ切断加工又はレーザマーキング加工を行うレーザ加工機の制御方法において、
前記加工ヘッドから前記ワークに照射される前記レーザビームのレーザ平均出力、及び加工経路に沿って前記ワーク上を移動する前記加工ヘッドの加工速度を制御する制御装置が、
前記ワークの材質及び厚みに基づいて、前記レーザ平均出力の標準値である標準平均出力と、前記加工ヘッドの加工速度の標準値である標準速度とを選択し、
前記加工経路上の基準点へと前記加工ヘッドが到達するときに前記加工ヘッドを減速させる、又は前記基準点から前記加工ヘッドが離れるときに前記加工ヘッドを加速させる加減速制御を行い、
前記加減速制御の実行に対応して、前記標準速度から減速させた加工速度が前記標準速度に対する割合で表された速度割合と前記標準平均出力から変化させた前記レーザ平均出力が前記標準平均出力に対する割合で表された出力割合とが対応付けられた出力制御テーブルに基づいて、前記レーザ平均出力を前記標準平均出力から変化させるレーザ平均出力制御を行い、
前記制御装置は、
前記材質及び前記厚みに基づいて、前記レーザ平均出力制御に必要な距離であるレーザ平均出力制御距離を決定し、
前記加工ヘッドの減速時においては前記加工ヘッドから前記基準点までの距離が前記レーザ平均出力制御距離以下となる範囲で前記レーザ平均出力制御が行われるように、又は前記加工ヘッドの加速時においては前記基準点から前記加工ヘッドまでの距離が前記レーザ平均出力制御距離以下となる範囲で前記レーザ平均出力制御が行われるように、係数を乗じて前記出力制御テーブルを補正する出力テーブル補正処理を行い、
前記レーザ平均出力制御は、
前記レーザ平均出力に起因するパルスデューティ及びパルス周波数を調整することにより行われる
レーザ加工機の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ加工機、及びレーザ加工機の制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
レーザ加工、例えばレーザ切断加工では、切断経路に沿ってワークを切断する際に、角部などにドロスが発生するなどといった切断不良が発生することが知られている。例えば特許文献１には、角部を切断する際に加工条件を変化させることで、角部の切断不良を防止するレーザ加工方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２００７－１９６２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１には、通常の切断加工条件と角部の切断加工条件との間における加工条件の変更は、レーザ出力（レーザパワー）、パルスデューティ、パルス周波数、アシストガス圧および切断加工速度のうちの少なくとも一つを変更することによって行われることが開示されている。また、特許文献１に拘らず、機械と制御装置の高性能化が進み、旧来と比較して加工ヘッドの急な加減速が可能になり、それに伴い、旧来と比較してレーザ出力、パルスデューティ、パルス周波数を急激に変化させることも可能となった。
【0005】
しかしながら、角部で単にワークへの入熱量を減少させても、ワークが過剰に溶けてしまったり、ワークが溶けきれなかったりすることがある。要するに、次のような現象が発生する。
【0006】
加工条件に定義される加工速度の標準値に従って加工ヘッドが移動し、一定の加工速度でワークを切断していたときはワークへの入熱が一定であるが、このときワークに入熱された熱エネルギは、金属の特性上、切断溝の周辺部へ熱伝導される。ここで、急激に加工ヘッドが減速し、レーザ出力等を制御して急激にワークへの入熱を減少させても、熱伝導で伝わった熱は急激に冷却されることはないから、板厚が厚いとワークが過剰に溶けてしまう場合が発生する。さらに、板厚が厚い場合は元々加工速度が遅くなるので、正常な切断であっても熱がワークにこもりやすくなり、切断速度に対して入熱量が少しでも過多になると、ワークが過剰に溶け落ちたり、ドロスが発生したりする場合がある。一方、板厚が薄ければ、入熱される熱エネルギが少なくても切断が可能である。伝導される熱エネルギが少ないので、急激な減速に伴ってワークへの入熱を減少させると、ワークが溶けきれない場合が発生する可能性がある。さらに、角部の切断加工では熱が拡散できるワークの容積が小さくなることに起因して、切断時に入熱される熱量は、逃げ場を失いワークにこもることで入熱量が過多となり、ワークが過剰に溶け落ちたり、ドロスを発生させたりしやすくなる。
【0007】
また、入熱量が過多になることで、切断面の焼け（酸化皮膜の状態）として褐色化又は黒色化が発生する。レーザ切断加工では、角部に到達する際に加工ヘッドが減速する工程で切断される切断面、すなわち角部を曲がる前の切断面よりも、角部を通過して加工ヘッドが加速する工程で切断される切断面、すなわち角部を曲がった後の切断面に焼けが発生しやすい。
【0008】
このような入熱量に起因する加工不良は、レーザ切断加工に限らず、レーザビームを照射してワークに凹状の有底の溝（条痕）を形成するレーザマーキング加工においても同様に発生する。レーザマーキング加工においては、ワークへの入熱過多又は入熱不足に起因して、マーキング深さの不均一さが発生する。
【0009】
また、レーザマーキング加工においても、入熱量が過多になることで、溝表面の焼け（酸化皮膜の状態）として褐色化又は黒色化が発生する。レーザマーキング加工における溝表面の焼けは、角部を曲がる前と、角部を曲がった後とでほぼ対称に発生する。
【0010】
レーザ切断加工時に発生する材料表面の焼けが、レーザマーキング加工時に発生する材料表面の焼けと相違するのは、以下の原因が考えられる。１つ目に考えられる原因としては、レーザ切断加工においては、角部を曲がった後の加速時に熱が拡散できるワークの容積が、角部を曲がる前の減速時のそれと比べて小さくなることが挙げられる。２つ目に考えられる原因としては、角部を曲がった直後は直線時の適切なカッティングフロントとは異なるカッティングフロントになっており、アシストガスの流れが不適切になり、アシストガスの冷却効果、ドロスの排出が適切になされていない可能性があるからである。
【0011】
このようにレーザ切断加工及びレーザマーキング加工のいずれのレーザ加工においても共通しているのは、加減速時に適切な出力制御ができておらず、入熱量が過大になり過燃焼が発生してしまう。一方、入熱量を少なくしすぎると、レーザ切断加工においてはワークが溶けきれない、レーザマーキング加工においてはマーキング深さの不均一さなどの不良が発生してしまう。よって、加減速時に適切な入熱量のコントロールが求められる。
【0012】
そして、角部のレーザ加工において発生する加工不良は、加工ヘッドの加減速に伴う箇所での加工、例えば円弧での加工においても同様に発生する現象である。つまり、加工ヘッドのベクトルを変更する変更位置、又は加工ヘッドの移動を停止させる停止位置といった基準点に向かってレーザビームを減速させる減速時には、角部のレーザ加工における加工不良と同様の加工不良が発生する。また、レーザビームによってワークへ入熱された位置といった基準点を起点としてレーザビームを加速させる加速時においても、角部のレーザ加工における加工不良と同様の加工不良に発生する。
【0013】
以上の課題点を整理すると、加工ヘッドを減速させる減速時、又は加工ヘッドを加速する加速時におけるレーザビームの出力パラメータ、及びその出力パラメータに係わるその他のパラメータについて、ワークへの入熱過多又は入熱不足に起因する加工不良の発生を効果的に抑制することができる制御方法が望まれている、ということである。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明の一態様のレーザ加工機は、レーザ加工としてのレーザ切断加工又はレーザマーキング加工を行うレーザ加工機であり、レーザ発振器から射出されたレーザビームをワークに照射して、前記レーザビームによって前記ワークを加工する加工ヘッドと、前記ワークに対して前記加工ヘッドを相対的に移動させる移動機構と、前記加工ヘッドから前記ワークに照射される前記レーザビームのレーザ平均出力、及び加工経路に沿って前記ワーク上を移動する前記加工ヘッドの加工速度を制御する制御装置と、を備える。制御装置は、前記ワークの材質及び厚みに基づいて、前記レーザ平均出力の標準値である標準平均出力と、前記加工ヘッドの加工速度の標準値である標準速度とを選択する加工条件選択部と、前記加工経路上の基準点へと前記加工ヘッドが到達するときに前記加工ヘッドを減速させる、又は前記基準点から前記加工ヘッドが離れるときに前記加工ヘッドを加速させる加減速制御を行う加工速度制御部と、前記加減速制御の実行に対応して、前記レーザ平均出力を前記標準平均出力から変化させるレーザ平均出力制御を行うレーザ平均出力制御部と、前記材質及び前記厚みに基づいて、前記レーザ平均出力制御に必要な前記ワーク距離であるレーザ平均出力制御距離を決定するパラメータ決定部と、を含む。レーザ平均出力制御部は、前記標準速度から減速させた加工速度が前記標準速度に対する割合で表された速度割合と、前記標準平均出力から変化させた前記レーザ平均出力が前記標準平均出力に対する割合で表された出力割合とが対応付けられた出力制御テーブルに基づいて、前記レーザ平均出力制御を行う。前記レーザ平均出力制御部は、前記加工ヘッドの減速時においては前記加工ヘッドから前記基準点までの距離が前記レーザ平均出力制御距離以下となる範囲で前記レーザ平均出力制御が行われるように、又は前記加工ヘッドの加速時においては前記基準点から前記加工ヘッドまでの距離が前記レーザ平均出力制御距離以下となる範囲で前記レーザ平均出力制御が行われるように、係数を乗じて前記出力制御テーブルを補正する出力テーブル補正処理を行う。レーザ平均出力制御は、前記レーザ平均出力に起因するパルスデューティ及びパルス周波数を調整することにより行われる。
【0015】
本発明の一態様のレーザ加工機は、加工ヘッドを減速させる減速時、又は加工ヘッドを加速する加速時に、基準点からレーザ平均出力制御距離の範囲でレーザ平均出力制御を行うことができる。これにより、基準点に到達するとき、又は基準点から離れる際の入熱量を最適化することができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明の一態様によれば、加工ヘッドを減速させる減速時、又は加工ヘッドを加速する加速時におけるレーザビームの出力パラメータやそれに係わるその他のパラメータを適切に制御することができる。これにより、レーザビームの移動区間におけるワークへの入熱過多又は入熱不足に起因する加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、図面を参照し、実施形態に係るレーザ加工機及びレーザ加工機の制御方法について説明する。
【0019】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るレーザ加工機についての主要な構成を示すブロック図である。図２は、第１の実施形態に係るレーザ加工機の構成を模式的に示す図である。図１及び図２に示すように、レーザ加工機１は、レーザ加工としてのレーザ切断加工又はレーザマーキング加工を行う加工である。レーザ加工機１は、レーザ発振器１０から射出されたレーザビームをワークＷに照射して、レーザビームによってワークＷを加工する加工ヘッド３０と、ワークＷに対して加工ヘッド３０を相対的に移動させる移動機構２２と、加工ヘッド３０からワークＷに照射されるレーザビームのレーザ平均出力、及び加工経路に沿ってワークＷ上を移動する加工ヘッド３０の加工速度を制御する制御装置６０と、を備えている。ここで、レーザ平均出力とは、単位時間当たりのレーザビームの出射に伴う平均出力を指し、具体的には、レーザ出力（レーザパワー）、パルスデューティ、パルス周波数によって決定される。
図１は、第１の実施形態に係るレーザ加工機についての主要な構成を示すブロック図である。図２は、第１の実施形態に係るレーザ加工機の構成を模式的に示す図である。図１及び図２に示すように、レーザ加工機１は、レーザ加工としてのレーザ切断加工又はレーザマーキング加工を行う加工である。レーザ加工機１は、レーザ発振器１０から射出されたレーザビームをワークＷに照射して、レーザビームによってワークＷを加工する加工ヘッド３０と、ワークＷに対して加工ヘッド３０を相対的に移動させる移動機構２２と、加工ヘッド３０からワークＷに照射されるレーザビームのレーザ平均出力、及び加工経路に沿ってワークＷ上を移動する加工ヘッド３０の加工速度を制御する制御装置６０と、を備えている。ここで、レーザ平均出力とは、単位時間当たりのレーザビームの出射に伴う平均出力を指し、具体的には、レーザ出力（レーザパワー）、パルスデューティ、パルス周波数によって決定される。
【0020】
制御装置６０は、ワークＷの材質及び板厚（厚み）に基づいて、レーザ平均出力の標準値である標準平均出力と、加工ヘッド３０の加工速度の標準値である標準速度とを選択する加工条件選択部６２と、加工経路上の基準点へと加工ヘッド３０が到達するときに、加工ヘッド３０を減速させる、又は基準点から離れるときに加工ヘッド３０を加速させる加減速制御を行う加工速度制御部６４と、加減速制御の実行に対応して、レーザ平均出力を標準平均出力から変化させるレーザ平均出力制御をレーザ平均出力制御部６５と、材質及び板厚に基づいて、レーザ平均出力制御に必要な距離であるレーザ平均出力制御距離を決定するパラメータ決定部６３と、を含む。ここで、レーザ平均出力制御部６５は、標準速度から減速させた加工速度が標準速度に対する割合で表された速度割合と、標準平均出力から変化させたレーザ平均出力が標準平均出力に対する割合で表された出力割合とが対応付けられた出力制御テーブルに基づいて、レーザ平均出力制御を行う。このときに、レーザ平均出力制御部６５は、加工ヘッド３０の減速時においては加工ヘッド３０から基準点までの距離がレーザ平均出力制御距離以下となる範囲でレーザ平均出力制御が行われるように、又は加工ヘッド３０の加速時においては基準点から加工ヘッド３０までの距離がレーザ平均出力制御距離以下となる範囲でレーザ平均出力制御が行われるように、係数を乗じて出力制御テーブルを補正する補正処理を行う。また、レーザ平均出力制御は、レーザ平均出力に起因するパルスデューティ及びパルス周波数を調整することにより行われる。
【0021】
また、加工速度制御部６４は、移動機構２２が加工ヘッド３０を減速させる際の減速度（負の加速度）を、その減速度の標準値から変更して、減速に要す時間を長く、言い換えれば、加工ヘッド３０の減速に要す距離（加減速移動距離Ｌ１）を調整してもよい。この概念は、減速時に限らず、加工ヘッド３０を、標準速度よりも遅い加工速度（角部における加工速度）から標準速度まで加速させるときであっても同様である。すなわち、加工速度制御部６４は、移動機構２２が加工ヘッド３０を加速する際の加速度（正の加速度）を、その加速度の標準値から変更して、加速に要す時間を長く、言い換えれば、加工ヘッド３０の加速に要す距離（加減速移動距離Ｌ１）を調整してもよい。
【0022】
なお、レーザ平均出力を制御すると考えれば、ワークＷへの入熱量という観点で、（１）加工速度、（２）レーザ出力（レーザパワー）、（３）パルスデューティ及びパルス周波数が考えられる。少なくともこれらの制御パラメータは、ワークＷから溶融された金属のメルト状態、ワークＷ内の熱伝導状態、及びカッティングフロントを含むカーフの様態を変化させる。しかしながら、これらの制御パラメータのうちレーザ出力は、レーザピークパワーとして、特に切断加工におけるカッティングフロントの先端部のワークＷの金属溶解（金属融解）に直接関わる。そのため、レーザ出力は他のパラメータと比較して影響度が大きい分、レーザ出力を低下させるには限界がある。なお、レーザ平均出力を制御するという点では異なるが、ワークの熱量を制御すると考えれば、ワークＷからの放熱という観点で、アシストガス圧が考えられる。ただし、加工中のアシストガス圧は加工ヘッド３０内のアシストガス圧によって変化する。そのため、本実施形態のレーザ加工において想定する加工時間内の指令に即応することは難しい。したがって、本実施形態に係るレーザ平均出力制御は、制御パラメータのうち、パルスデューティ及びパルス周波数を調整することとした。
【0023】
図３は、第１の実施形態に係るレーザ加工の概念を説明する図である。レーザ加工機１及びレーザ加工機１の制御方法の説明に先立ち、本実施形態に係るレーザ加工の概念について説明する。以下の説明では、レーザ加工機１によるレーザ加工は、レーザビームによってワークＷを切断するレーザ切断加工であるものとする。加工速度は切断速度ともいい、加工経路は切断経路ともいう。また、図３に示すように、直線Ｒａを切断し、直線Ｒａと直線Ｒｂとが角度θで組み合わされた角部Ｃｎで方向を転換した後に、直線Ｒｂを切断するような切断経路を想定する。
【0024】
以下、角部Ｃｎの切断は角部Ｃｎの外側を切断することを前提に説明を行う。なお、角の内側（内角）を切断する場合には、工具となるレーザビームのビーム径（直径）を考慮して、角部Ｃｎの手前で折り返し、製品外形をトレースしながら工具軌跡を形成する（工具径補正（Tool Radius Compensation）を行う）ことは周知の事実である。さらに角部Ｃｎでレーザビームを停止させないために、つまり角部Ｃｎをレーザビームが円弧補間しながら加工する方法も当業者に周知の技術である。したがって、内角を切断する場合の解釈において、角部Ｃｎは、仮想点として読み替えることもできる。
【0025】
通常、レーザビームＬＢを射出する加工ヘッド３０は、加工条件に定義される加工速度である標準速度で切断経路上を移動する。切断経路上の角部Ｃｎ（基準点の一例）へと加工ヘッド３０が到達するとき、加工ヘッド３０は最小速度まで減速する。そして、加工ヘッド３０は、角部Ｃｎへと到達した後に標準速度まで加速する。加工ヘッド３０が減速を開始する減速開始位置Ｐ１１、加工ヘッド３０が加速を終了する加速終了位置Ｐ１２は、移動機構２２に設定される、加工ヘッド３０の加減速度の標準値と、標準速度と、角部Ｃｎにおける加工ヘッド３０の最小速度とによって定まる、加工ヘッド３０の加減速に要する距離（以下「加減速移動距離」という）Ｌ１によって定まる。角部Ｃｎにおける加工ヘッド３０の最小速度は、基本的にゼロとして扱うこともできる。
【0026】
角部Ｃｎを通過するときに加工ヘッド３０の減速及び加減が発生することで、角部Ｃｎに対するワークＷへの入熱量が最適値からずれてしまう。つまり、通常時の切断では、カーフの両側の金属にレーザビームのエネルギ、或いは酸化還元反応のエネルギが熱として溜まり、それが周囲の金属に熱伝導で伝わる。ワークＷに入熱されるエネルギの位置及び熱伝導される位置は通常時の加工速度に伴い移動するが、通常時の加工速度から外れた加減速中は、そのワークＷの入熱、蓄熱、及び放熱のバランスが変化する。さらに、角部Ｃｎを曲がったときから、角部Ｃｎの内側は熱伝導される金属の容積が小さくなる。ワークＷへの入熱量を抑制しないと切断に必要なエネルギ以上の熱がワークＷにこもることになる。ワークＷへの入熱量とワークＷの蓄熱量とのバランスの崩れが、ワークＷの過剰な溶け落ち、ドロスの発生、切断面の焼けといった加工不良が発生する要因と考えられる。そこで、入熱量を制御するため、加工ヘッド３０の減速中及び加速中に、加工ヘッド３０の速度に応じてレーザ平均出力を標準平均出力から区間毎に段階的に変化させる方法を検討した。この方法によれば、角部Ｃｎを切断する場合におけるワークＷへの入熱量を制御することができ、加工不良の発生に対して一定の抑制効果を得ることができた。
【0027】
しかしながら、レーザ加工機１の機種によって加工ヘッド３０を移動させる移動機構２２の仕様も様々であり、加工ヘッド３０の加減速度の標準値も機種によって相違する。加工ヘッド３０の加減速度が大きくなると、加工ヘッド３０の速度が変化する距離、すなわち、加減速移動距離Ｌ１が短くなる。したがって、角部Ｃｎに対する入熱量の制御が難しくなり、加工不良の発生を十分に抑制することが困難となる。
【0028】
つまり、加減速の所要時間及び所要距離と、レーザ平均出力を標準平均出力から制御するレーザ平均出力制御でワークＷへ入熱されて蓄熱されるエネルギとの関係は、板厚も考慮すれば線形的に計算できない。そのため、加減速の所要時間及び所要距離の変化に対応するレーザ平均出力制御方法が必要である。また、区間と区間との間の加工条件の差異（例えば、パルス周波数又はパルスデューティの差異）が大きいと、階段状の指令となり切断面（カーフ側面）の状態が急激に変化することになり、滑らかな切断面を得られない場合がある。さらに、ワークＷに入熱された角部Ｃｎの加熱状態によっては、既に熱がこもった状態にあるため、角部Ｃｎへ到達するときの減速制御及びレーザ平均出力制御と同じように、角部Ｃｎから離れるときの加速制御及びレーザ平均出力制御を行うと、加工不良を起こす場合がある。
【0029】
そこで、発明者らが鋭意検討したところ、以下の通り、角部Ｃｎにおける加工不良の発生を抑制するための一つの解決策を導いた。
【0030】
加工条件には、本実施形態に関わる従来からある切断条件と、関連する従来からあるエッジ条件と、まったく関わらないピアス条件などがある。エッジ条件は、本実施形態のレーザ切断加工が開示する角部の加工条件と技術分野としては一致する。しかしながら、本実施形態は、切断条件をベースにその条件から滑らかに遷移する条件でもって角部を加工する目的なので、以降で説明する加工条件は切断条件となる。
【0031】
切断条件は、少なくとも発振器の種類、焦点レンズの仕様、ノズルの仕様、ワークＷの材質、板厚（ｍｍ）、加工速度（ｍｍ／ｍｉｎ）、レーザ出力（Ｗ）、パルス周波数（Ｈｚ）、パルスデューティ（％）、焦点位置（ｍｍ）などの情報が定義されている。この切断条件は、その情報が呼出し番号と共にデータテーブルにマッピングされ、制御装置６０の何れかの場所に格納されている。切断条件は、加工プログラムに記載されたコードを制御装置６０が解読したときデータテーブルから呼び出されて利用可能になる。なお、切断条件に規定される各パラメータの値は、そのパラメータの標準値に相当する。
【0032】
まず、角部Ｃｎの減速時及び加速時における最適な切断条件は、直線を低速で切断した際の切断条件と同じになると考えた。そこで、所定の材質及び板厚の板金を基準ワークとし、標準速度に対して所定の割合Ａ（Ａ＜１００％）だけ減速した加工速度を幾つか設定し、個々の加工速度で基準ワークを直線切断した。また、加工速度毎に、レーザ平均出力を変更しながら直線切断を繰り返し行った。変更したレーザ平均出力のパラメータは、レーザ発振器１０で制御されるパラメータのうちパルス周波数及びパルスデューティである。要するに、レーザピークパワー（レーザパワー）を変化させずに、単位時間当たりのワークＷへのレーザビームの照射時間及び非照射時間（パルスデューティ）、並びに単位時間当たりのレーザビームの照射回数（パルス周波数）を調整した。これにより、ワークＷが溶解するためのエネルギをワークＷへ入熱しつつ、熱伝導する熱量を抑えるようにレーザ平均出力のパラメータを変更した。
【0033】
図４Ａは、加工速度とレーザ平均出力との対応関係を規定する出力制御テーブルを示す図である。図４Ｂは、図４Ａの出力制御テーブルの詳細を示す図である。予め基準ワークに対する切断結果を評価して、加工速度別に、加工不良の発生が最も小さくなるパルスデューティ及びパルス周波数の最適条件を求め、これを出力制御テーブルとして作成した。図４Ａ及び図４Ｂに示すように、加工速度が５０％以上の場合、パルスデューティ及びパルス周波数は、各々の標準値に対して１００％の値が最適となる。一方で、加工速度が５０％未満の場合、パルスデューティ及びパルス周波数は、各々の標準値に対して所定の割合だけ減少させた値が最適となる。この出力制御テーブルに従って、レーザ平均出力を制御すると、加工ヘッド３０の減速中又は加速中に、加工速度が０％から５０％未満の範囲で、レーザ平均出力の出力変化が働くこととなる。図４Ａに示すように、本実施形態では、出力制御テーブルに、加工速度を定義する区間が３つ以上規定されている。
【0034】
図４Ａ及び図４Ｂを更に説明する。例えば、ステンレス鋼板厚１．５ｍｍの角部切断の場合に、加工速度３２０００ｍｍ／ｍｉｎ、レーザ出力４０００Ｗ、パルス周波数１００００Ｈｚ、パルスデューティ１００％が加工条件テーブルに設定されていたとする。図４Ｂの加工速度（％）は、加工速度３２０００ｍｍ／ｍｉｎを基準とする速度割合のことであり、１００％が３２０００ｍｍ／ｍｉｎ、５０％が１６０００ｍｍ／ｍｉｎであることを示す。同様に出力（レーザパワー）（％）は、レーザ出力４０００Ｗを基準とする出力割合のことであり、１００％が４０００Ｗ、５０％が２０００Ｗであることを示す。デューティ（％）は、パルスデューティ１００％を基準とするパルスデューティ割合のことであり、１００％が１００％、５０％が５０％であることを示す。周波数（％）は、パルス周波数１００００Ｈｚを基準とする周波数割合のことであり、１００％が１００００Ｈｚであり、５０％が５０００Ｈｚであることを示す。
【0035】
図４Ａ及び図４Ｂに示す出力制御テーブルを用いて、角部Ｃｎの切断を行った。しかしながら、角部Ｃｎにおける加工不良の発生を顕著に抑制することができない場合があった。出力制御テーブルは直線を切断したときの最適条件から作成されているため、例えば、高速で切断していた場合と低速で切断していた場合との違いを考えれば、同じ板厚であれば高速切断の方がワークＷへのレーザ平均出力が大きいことになり、加工速度の時間を加味して、ワークＷへの入熱が一定となることが想像されるであろう。熱伝導はそのワークＷの容積に対して為される物理現象であるから、加工速度が高速であるのか、それとも低速であるのかの線形変化に対して、熱伝導のエネルギ量が線形で変化することがないことが想定される。つまり、角部Ｃｎの切断の場合には入熱の環境が相違することが原因と考えられる。要するに、レーザパワーを変化させずに、パルスデューティ及びパルス周波数を調整し、さらに所望の加減速移動距離でワークＷが溶解するエネルギをワークＷへ入熱しつつ熱伝導する熱量を抑えるように、レーザ平均出力のパラメータと加減速に要す距離との双方を変更することを検討した。
【0036】
まず、角部Ｃｎに差し掛かるとき、加工速度は減速し始める。図４Ａ及び図４Ｂのような場合、Ｘ軸及びＹ軸で移動される加工ヘッド３０は、Ｘ軸の方向及びＹ軸の方向の何れか一方、若しくは両方が反転する、すなわち一旦速度がゼロとなる。減速を伴う移動範囲が、通常の加工速度から変化している範囲となり、切断条件を変化させる範囲となる。つまり、以下の式１に示す加減速移動距離Ｌ１（加速移動距離又は減速移動距離）によって、角部Ｃｎの加工軌跡においてＸＹ軸の加減速制御の開始位置及びＸＹ軸の加減速制御の終了位置が定まる。
加減速移動距離Ｌ１（ｍｍ）＝１／２×加工速度（ｍｍ／ｍｉｎ）＾２／加減速度（ｍｍ／ｍｉｎ＾２）・・・（式１）
加減速移動距離Ｌ１（ｍｍ）＝１／２×加工速度（ｍｍ／ｍｉｎ）＾２／加減速度（ｍｍ／ｍｉｎ＾２）・・・（式１）
【0037】
また、図４Ａ及び図４Ｂのような場合、ＸＹ軸が特定の加工速度（％）に到達すると、レーザ平均出力制御を開始し、ＸＹ軸が一旦速度ゼロとなった時にレーザ平均出力も最小となる。つまり、以下の式２に示す実効距離ＬＸによって、角部Ｃｎの加工軌跡においてレーザ平均出力制御の開始位置及びレーザ平均出力制御の終了位置が定まる。
実効距離ＬＸ（ｍｍ）＝１／２×レーザ平均出力制御の開始時加工速度（ｍｍ／ｍｉｎ）＾２／加減速度（ｍｍ／ｍｉｎ＾２）・・・（式２）
実効距離ＬＸ（ｍｍ）＝１／２×レーザ平均出力制御の開始時加工速度（ｍｍ／ｍｉｎ）＾２／加減速度（ｍｍ／ｍｉｎ＾２）・・・（式２）
【0038】
次いで、前述したように予備実験では「加工速度が５０％未満の場合、パルスデューティ及びパルス周波数は、各々の標準値に対して所定の割合だけ減少させた値が最適となる」ことが分かっている。しかしながら、この予備実験は、他の加工環境において万能でないことが分かった。加工速度が５０％のときから本実施形態のレーザ平均出力制御が開始されることを基準として、これが係数１となるように、補正値算定方法を検討した。
【0039】
補正値算定の考え方は、以下の通りである。例えば、板厚１．５ｍｍのステンレス鋼を用いた角部Ｃｎのレーザ切断の場合、３２０００ｍｍ／ｍｉｎの加工速度が５０％となるのは、１６０００ｍｍ／ｍｉｎのときである。そして、加工速度が１６０００ｍｍ／ｍｉｎからゼロに至るまでの間に、加工ヘッド３０が移動する移動距離を基準の移動距離とする。これと異なる条件のときの加速度（減速度）で加工ヘッド３０が移動する距離が基準の移動距離を上回る場合は、加工速度が５０％になる以前からレーザ平均出力制御を開始する必要がある。一方、基準の移動距離を下回る場合は、加工速度が５０％になってからレーザ平均出力制御を開始すればよいということである。すなわち、以下の式３、式４によって算定された係数を用いて、所望の加工速度（％）時からレーザ平均出力制御を開始すればよいということである。
最大速度割合Ｒ＝レーザ平均出力制御が行われる所望の最大の加工速度（％）／１００・・・（式３）
係数＝最大速度割合Ｒ÷０．５・・・（式４）
最大速度割合Ｒ＝レーザ平均出力制御が行われる所望の最大の加工速度（％）／１００・・・（式３）
係数＝最大速度割合Ｒ÷０．５・・・（式４）
【0040】
【0041】
図５Ａは、係数を乗じて補正した出力制御テーブルを示す図である。図５Ｂは、図５Ａの出力制御テーブルの詳細を示す図である。図５Ａ及び図５Ｂに示す出力制御テーブルは、図４Ａ及び図４Ｂにおいてレーザ平均出力の出力変化が働く範囲の加工速度（０％～５０％）に対して係数である「１．５」を乗じ、係数を乗じた後の加工速度（０％～７５％）によって出力制御テーブルを更新したものである。補正後の出力制御テーブルによれば、加工ヘッド３０の減速中に、加工速度が７５％から０％となる距離の範囲で、レーザ平均出力の出力変化が働くこととなる。このため、レーザ平均出力の出力変化が働く距離（実効距離ＬＸ）を伸ばすことができ、角部Ｃｎに対する入熱量を減少させることができる。すなわち、レーザ平均出力の出力変化が働く距離（実効距離ＬＸ）に応じて、角部Ｃｎの入熱量を制御することができる。
【0042】
しかしながら、式４で計算される係数が２を超える場合が発生する。係数が１の場合は、加工速度が５０％から０％となる距離の範囲で、レーザ平均出力の出力変化が働く。係数が２の場合は、加工速度が１００％から０％となる距離の範囲で、レーザ平均出力の出力変化が働く。しかし、係数が２を超えるという状況は、加工速度１００％からレーザ平均出力制御を開始してもレーザ平均出力制御に必要な距離が足りず、減速の移動距離がもっと必要ということである。
【0043】
つまり、加減速移動距離Ｌ１を延ばす必要があり、言い換えれば、減速度を変更する、具体的には減速の時間を長くする必要があるということである。そこで、発明者は係数が２を超えた場合に、必要な減速度を、以下の式５に示す変更減速度と計算した。なお、レーザ平均出力制御に要す距離は、計算された係数で必要とされる距離であり、ＸＹ軸に要す加減速移動距離Ｌ１に等しい。
変更減速度＝元の速度＾２／（２×レーザ平均出力制御に要す距離）・・・（式５）
変更減速度＝元の速度＾２／（２×レーザ平均出力制御に要す距離）・・・（式５）
【0044】
係数が２を超えた場合は、ＸＹ軸の減速に要する距離を伸ばし、ＸＹ軸の減速開始と同時にレーザ平均出力制御を開始することで、実効距離ＬＸが伸びるため、角部Ｃｎに対する入熱量を減少させることができる。なお、この内容は、減速時のみならず、加速時においても同様であり、加速時における説明は省略する。
【0045】
図４Ａ及び図５Ａを見るに、角部Ｃｎに対して特定の距離（上述の実効距離ＬＸ）からパルスデューティ及びパルス周波数を変化させることでレーザ平均出力を変化させている。レーザ出力は変化させず、パルスデューティ及びパルス周波数を変化させているのは、平均出力（単位時間当たりのワークＷへの入熱量）を少なくする狙いである。一方で、１回の照射で与えるエネルギ量は大きいままにして、ワークＷが融解する条件を変化させない意図がある。さらに、パルスデューティ及びパルス周波数の変化のさせ方は、パルス周波数が放物線のような２次関数的な変化をさせ、パルスデューティはハイパボリックタンジェントのような変化をさせるということである。なお、図４Ａ及び図５Ａの各曲線はステンレス鋼の条件を例示したものであり、ワークＷの材質や板厚の変化に伴って最適化されてよい。
【0046】
発明者らは、種々の係数を乗じた複数の出力制御テーブルを用意し、個々の出力制御テーブルに従ってレーザ平均出力を変化させる実験を種々の角度の角部Ｃｎに対して行った。また、係数が２を超えた場合は、加工ヘッド３０の加減速度を変更して加減速に要する距離を伸ばし、レーザ平均出力を変化させる実験を種々の角度の角部Ｃｎに対して行った。そして、発明者らは、係数及び加減速の変更を通じて得られた個々の実効距離ＬＸをその切断結果によって評価した。そうすると、レーザ平均出力の出力変化が必要な距離には、ワークＷの材質及び板厚に応じて、ワークへの入熱過多又は入熱不足の抑制に有効な値があることを確認した。この値がレーザ平均出力制御距離Ｌ２である。そして、レーザ平均出力制御距離Ｌ２に応じて、レーザ平均出力を標準平均出力から変化させることで、ワークへの入熱過多又は入熱不足を効果的に抑制することができる。
【0047】
このように、ワークＷの材質及び板厚に応じた最適なレーザ平均出力制御距離Ｌ２を利用することで、角部Ｃｎに対する入熱量を最適化することができる。また、発明者らが実験を重ねた結果、ワークＷの材質及び板厚に応じて定められるレーザ平均出力制御距離Ｌ２の範囲でレーザ平均出力制御を行うことで、角部Ｃｎの角度θの大きさ、加工ヘッドの加速度及び減速度、並びに加工ヘッドの加工速度（標準速度）に拘わらず、加工不良の発生を抑制できることを確認した。
【0048】
したがって、角部Ｃｎの形状、加工ヘッドの加速度及び減速度、並びに標準速度に拘わらず、ワークＷの材質及び板厚に応じてレーザ平均出力制御距離Ｌ２を定め、そのレーザ平均出力制御距離Ｌ２に基づいてレーザ平均出力を変化させる出力制御を行うことで、加工不良の発生を効果的に抑制することができるのである。このレーザ平均出力制御距離Ｌ２は、ワークＷの材質及び板厚に応じた値であり、レーザ加工機１の機種に応じた固有の値である加減速移動距離Ｌ１とは相違する。また、所望のレーザ平均出力制御距離Ｌ２が加減速移動距離Ｌ１以上必要な係数２を超える場合には、加減速度を変更することで加減速移動距離Ｌ１を延長し、レーザ平均出力制御距離Ｌ２を維持することができる。本実施形態に係るレーザ加工機１及びレーザ加工機１の制御方法は、ワークＷの材質及び板厚に応じたレーザ平均出力制御距離Ｌ２という考えに基づいてなされたものである。
【0049】
次に、加減速移動距離Ｌ１とレーザ平均出力制御距離Ｌ２とに対応し、レーザ平均出力制御を行う際、前述したとおり、区間と区間との間の加工条件の差異が影響する。すなわち、区間と区間との間の加工条件の差異、例えばパルス周波数及びパルスデューティの差異が大きいと、階段状の指令となり切断面（カーフ側面）の状態が急激に変化することになる。これにより、滑らかな切断面を得られない場合がある。この課題に対応するために、区間の数を増やすことが考えられる。
【0050】
図６は、レーザ平均出力に係る制御指令の微細遷移を説明する図である。しかし、いくら区間の数を増やしても、区間と区間との間の加工条件の差異が大きければ階段状の制御指令となることは避けられない。そこで、発明者は区間と区間との間を補間する、要するに、ＸＹ軸の加減速度とレーザ平均出力とに係る各パラメータの要求に基づいて、レーザ平均出力の変化の微細遷移を計算する計算部によって、最適化したレーザ平均出力に係る制御指令を決定し制御することにした。
【0051】
これによって、区間と区間との間の加工条件の差異（例えば、パルス周波数やパルスデューティの差異）が大きい場合であっても、階段状の制御指令とならずに切断面（カーフ側面）の状態が急激に変化することを抑制することができる。
【0052】
図７は、減速時のレーザ平均出力に係る制御指令と、加速時のレーザ平均出力に係る制御指令とを説明する図である。さらに、角部Ｃｎに至る減速時のレーザ平均出力に係る制御指令と、角部Ｃｎを通過した後の加速時のレーザ平均出力に係る制御指令と個別に設定することも可能である。例えば、レーザ切断加工では、減速時と加速時とでは、ワークＷに入熱され蓄積された熱の伝導できる方向と金属の容積とが異なる。また、角部Ｃｎが鋭角か鈍角かの違いによっても熱のこもる範囲が相違するので、ワークＷに入熱され蓄積された熱の伝導できる方向と金属の容積とが異なる。そのため、減速時と加速時とで、レーザ平均出力に係る制御指令の設定を変化させることで、より繊細な制御を行うことも可能である。
【0053】
なお、上述した説明では、切断経路の１つの角部Ｃｎを示したが、角部Ｃｎの数は複数であってよく、この場合、角部Ｃｎのそれぞれにおいてレーザ平均出力制御距離Ｌ２を定めることができる。また、レーザ平均出力制御距離Ｌ２に応じてレーザ平均出力を変化させる出力制御の概念は、角部Ｃｎを起点として所定距離だけ手前にある地点から加工ヘッド３０を減速させるシーンであって、角部Ｃｎを起点として所定距離だけ離れた地点まで、加工ヘッド３０を加速させるシーンであっても、それぞれ適用することができる。
【0054】
また、上述の説明によれば、レーザ平均出力制御が行われる加工速度が５０％から０％の範囲で移動する距離を実効距離ＬＸとして、これを係数１と暫定的に定めたものである。また式４の０．５もその仮定に準じた定数である。これを一般化した場合、式２及び式４は、それぞれ以下の式６及び式７ようになる。
実効距離ＬＸ（ｍｍ）＝１／２×（加工速度（ｍｍ／ｍｉｎ）×Ｎ（％））＾２／加減速度（ｍｍ／ｍｉｎ＾２）・・・（式６）
係数＝最大速度割合Ｒ÷ Ｎ（％）・・・（式７）
実効距離ＬＸ（ｍｍ）＝１／２×（加工速度（ｍｍ／ｍｉｎ）×Ｎ（％））＾２／加減速度（ｍｍ／ｍｉｎ＾２）・・・（式６）
係数＝最大速度割合Ｒ÷ Ｎ（％）・・・（式７）
【0055】
再び図１及び図２を参照し、第１の実施形態に係るレーザ加工機１の構成について説明する。レーザ加工機１は、レーザビームによってワークＷをレーザ切断加工する加工機である。加工対象となるワークＷは、シート上の材料であり、代表的には板金である。
【0056】
レーザ加工機１は、レーザ発振器１０と、プロセスファイバ１２と、レーザ加工ユニット２０と、アシストガス供給装置４０と、操作表示部５０と、制御装置６０とを備えている。
【0057】
レーザ発振器１０は、レーザビームを生成し、レーザビームを射出する。レーザ発振器１０としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザビームを射出するレーザ発振器、又はレーザダイオードより発せられるレーザビームを直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器１０は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器（ＤＤＬ発振器）である。なお、レーザ発振器１０は、ＣＯ２レーザ発振器であっても構わない。
【0058】
レーザ発振器１０は、波長９００ｎｍ～１１００ｎｍの１μｍ帯のレーザビームを射出する。ファイバレーザ発振器及びＤＤＬ発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍのレーザビームを射出し、ＤＤＬ発振器は、波長９１０ｎｍ～９５０ｎｍのレーザビームを射出する。
【0059】
プロセスファイバ１２は、レーザ発振器１０より射出されたレーザビームをレーザ加工ユニット２０へと伝送する。
【0060】
レーザ加工ユニット２０は、プロセスファイバ１２によって伝送されたレーザビームを用いて、ワークＷを切断する。レーザ加工ユニット２０は、ワークＷを載せる加工テーブル２１と、移動機構２２と、加工ヘッド３０とを有している。
【0061】
移動機構２２は、門型のＸ軸キャリッジ２３と、Ｙ軸キャリッジ２４とを含んでいる。Ｘ軸キャリッジ２３は、加工テーブル２１上でＸ軸方向に沿って移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２４は、Ｘ軸キャリッジ２３上でＸ軸に垂直なＹ軸方向に沿って移動自在に構成されている。Ｙ軸キャリッジ２４は、Ｘ軸方向に移動自在のＸ軸キャリッジ２３に設けられている。
【0062】
Ｘ軸キャリッジ２３及びＹ軸キャリッジ２４は、例えば、サーボモータ、ラック・ピニオン機構などの駆動機構によって駆動され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動する。Ｘ軸キャリッジ２３及びＹ軸キャリッジ２４は、リニアモータによって駆動されてもよく、Ｘ軸キャリッジ２３及びＹ軸キャリッジ２４を駆動する駆動機構は、レーザ加工機１の機種によって相違してもよい。また、ラック・ピニオン機構の代わりにボールねじとナットの機構であっても構わない。
【0063】
加工ヘッド３０は、プロセスファイバ１２によって伝送されたレーザビームをワークＷに照射する。加工ヘッド３０は、プロセスファイバ１２の射出端より射出したレーザビームが入射されるコリメータレンズ３１と、コリメータレンズ３１より射出したレーザビームをＸ軸及びＹ軸に垂直なＺ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー３３とを有している。また、加工ヘッド３０は、ベンドミラー３３で反射したレーザビームを集束させる集束レンズ３４を有している。コリメータレンズ３１、ベンドミラー３３及び集束レンズ３４は、予め光軸が調整された状態で配置されている。
【0064】
加工ヘッド３０は、加工ヘッド本体部３５を有している。加工ヘッド本体部３５の先端には、レーザビームを射出するノズル３６が着脱自在に取り付けられている。ノズル３６の先端部には、円形の開口が設けられており、集束レンズ３４で集束されたレーザビームは、ノズル３６の先端部の開口からワークＷに照射される。
【0065】
加工ヘッド３０は、Ｙ軸方向に移動自在のＹ軸キャリッジ２４に固定されている。よって、加工ヘッド３０は、移動機構２２を駆動させることにより、ワークＷの面に沿って、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ移動することができる。
【0066】
なお、レーザ加工機１は、加工ヘッド３０をワークＷの面に沿って移動させる構成に代えて、加工ヘッド３０の位置を固定したまま、ワークＷを移動する構成であってもよい。レーザ加工機１は、ワークＷの面に対して加工ヘッド３０を相対的に移動させる移動機構を備えていればよい。
【0067】
アシストガス供給装置４０は、アシストガスとして窒素、酸素、窒素と酸素との混合気体、又は空気を加工ヘッド３０に供給する。ワークＷの加工時、アシストガスはノズル３６の開口より排出され、ワークＷへと吹き付けられる。アシストガスは、ワークＷが溶融したカーフ幅内の溶融金属を排出し、又はワークＷや切断カーフ（切断溝）やカッティングフロントおよび溶融金属を冷却する。
【0068】
操作表示部５０は、制御装置６０に対して情報の入力を行うために利用者が操作する操作部と、制御装置６０から出力される情報を表示する表示部とが一体に構成されている。利用者は、操作表示部５０を操作することで、様々な情報を制御装置６０に対して入力することができる。また、利用者は、操作表示部５０に表示される情報から、加工条件などを把握することができる。
【0069】
操作表示部５０は、操作部と表示部とが別体に構成されていてもよい。また、操作部は、別に設置された図示していないコンピュータによって生成された所定のデータを、通信により制御装置６０に入力する構成でもよい。
【0070】
制御装置６０は、レーザ加工機１の各部を制御する装置である。制御装置６０は、例えばＮＣ（数値制御（Numerical Control））装置などのコンピュータである。コンピュータは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのハードウェアプロセッサと、メモリと、各種のインターフェースとを主体に構成されている。メモリ、各種のインターフェースは、バスを介してハードウェアプロセッサに接続されている。
【0071】
コンピュータには、所定のコンピュータプログラムがインストールされている。ハードウェアプロセッサがコンピュータプログラムを実行することにより、コンピュータは、後述する様に、制御装置６０が備える複数の情報処理回路として機能する。
【0072】
制御装置６０には、各種のデータベースが接続されている。
【0073】
加工プログラムデータベース（加工プログラムＤＢ）７１は、種々のワークＷの加工に必要な加工プログラムを格納している。
【0074】
加工条件データベース（加工条件ＤＢ）７２は、ワークＷとして利用される材料の材質及び板厚毎に、その材料を加工するための加工条件を格納している。加工条件には、ワークＷをレーザビームによって切断するときの加工ヘッド３０の加工速度、加工ヘッド３０からワークＷに照射されるレーザビームのレーザ平均出力が含まれている。レーザ平均出力は、レーザ発振器１０のレーザ出力（レーザパワー）、パルス周波数、及びパルスデューティによって構成される。加工条件選択部６２によって選択される加工速度及びレーザ平均出力は、加工速度の標準値である標準速度、及びレーザ平均出力の標準値である標準平均出力に相当する。加工条件には、加工速度及びレーザ平均出力以外にも、アシストガスの種類及び圧力、集束レンズ３４の焦点距離などが含まれる。
【0075】
出力制御距離データベース（出力制御距離ＤＢ）７３は、ワークＷとして利用される材料の材質及び板厚毎に、レーザ平均出力制御距離Ｌ２を格納している。図８は、出力制御距離ＤＢに格納されるデータの一例を示す図である。例えば、出力制御距離ＤＢ７３は、材料の材質毎に、板厚とレーザ平均出力制御距離Ｌ２との対応関係を示すデータを格納している。材料の材質及び板厚に対応付けられるレーザ平均出力制御距離Ｌ２は、予め実験又はシミュレーションを通じて取得されている。図８において、線Ａ１は、本実施形態に係るレーザ平均出力制御を行ったときの効果が最も顕著に現れる板厚とレーザ平均出力制御距離Ｌ２との対応関係を示している。ただし、線Ａ１に規定される板厚毎のレーザ平均出力制御距離Ｌ２を５０％増とした線Ａ２と、線Ａ１に規定される板厚毎のレーザ平均出力制御距離Ｌ２を５０％減とした線Ａ３との範囲においても、本実施形態に係るレーザ平均出力制御の効果が発生することが、実験結果より明らかとなっている。したがって、板厚毎のレーザ平均出力制御距離Ｌ２は、線Ａ２と線Ａ３との範囲から選択されればよい。
【0076】
なお、出力制御距離ＤＢ７３に格納されるレーザ平均出力制御距離Ｌ２と、加工条件ＤＢ７２に格納される加工条件は、対応する材質及び板厚同士で相互に紐付けられている。また、出力制御距離ＤＢ７３は、材質及び板厚の他、アシストガスの種類と対応付けてレーザ平均出力制御距離Ｌ２を格納してもよい。
【0077】
出力制御テーブルデータベース（出力制御テーブルＤＢ）７４は、ワークＷとして利用される材料の材質及び板厚毎に、出力制御テーブルを格納している。図４Ａ及び４Ｂに示すように、出力制御テーブルは、加工速度とレーザ平均出力との対応関係を規定するテーブルである。出力制御テーブルに記述される加工速度は、標準速度に対して所定の割合Ａ（Ａ＜１００％）だけ減速した加工速度が、標準速度に対する割合（速度割合）として表されている。同様に、出力制御テーブルに記述されるレーザ平均出力は、標準平均出力に対して所定の割合Ｂ（Ｂ＜１００％）だけ減少させたレーザ平均出力が、標準平均出力に対する割合（出力割合）として表されている。出力制御テーブルは、例えば次のように作成される。具体的には、ワークＷとして利用される材料の材質及び板厚毎に、加工速度、パルス周波数、及びパルスデューティをそれぞれ相違させながら、材料を直線切断する。そして、加工速度別に、加工不良の発生が最も小さくなるレーザ平均出力（具体的には、パルス周波数、及びパルスデューティ）の最適条件を求めることで、出力制御テーブルが作成される。なお、出力制御テーブルＤＢ７４に格納される出力制御テーブルと、加工条件ＤＢ７２に格納される加工条件は、対応する材質及び板厚同士で相互に紐付けられている。また、出力制御距離ＤＢ７３は、材質及び板厚の他、アシストガスの種類と対応付けて出力制御テーブルを格納してもよい。
【0078】
図１に示すように、制御装置６０は、複数の情報処理回路として、加工プログラム選択部６１、加工条件選択部６２、パラメータ決定部６３、加工速度制御部６４、レーザ平均出力制御部６５、及びアシストガス制御部６６を有している。
【0079】
加工プログラム選択部６１は、加工プログラムＤＢ７１から、ワークＷの加工に必要な加工プログラムを選択する。
【0080】
加工条件選択部６２は、加工条件ＤＢ７２から、加工プログラム選択部６１が選択した加工プログラムに記載される情報に従って、ワークＷの材質及び板厚に対応する加工条件を選択する。この加工条件の選択により、レーザ平均出力の標準値である標準平均出力と、加工ヘッド３０の加工速度の標準値である標準速度が選択される。
【0081】
パラメータ決定部６３は、ワークＷの材質及び板厚に基づいて、レーザ平均出力制御に必要なレーザ平均出力制御距離Ｌ２を決定する。また、パラメータ決定部６３は、ワークＷの材質及び板厚に基づいて、ワークＷの加工に利用する出力制御テーブルを決定する。
【0082】
加工速度制御部６４は、加工プログラム選択部６１が選択した加工プログラム、及び加工条件選択部６２が選択した加工条件に基づいて移動機構２２を制御する。加工速度制御部６４は、移動機構２２を制御することで、加工ヘッド３０を切断経路に沿って移動させるとともに、切断経路に沿って移動する加工ヘッド３０の加工速度を制御する。本実施形態との関係において、加工速度制御部６４は、切断経路上の角部Ｃｎへと加工ヘッド３０が到達するときに加工ヘッド３０を最小速度（ゼロ）まで減速させ、角部Ｃｎへと到達した後に加工ヘッド３０を標準速度まで加速させる加減速度制御を行う。
【0083】
レーザ平均出力制御部６５は、加工プログラム選択部６１が選択した加工プログラム、及び加工条件選択部６２が選択した加工条件に基づいてレーザ発振器１０を制御する。レーザ平均出力制御部６５は、レーザ発振器１０を制御することで、加工ヘッド３０からワークＷに照射されるレーザビームＬＢのレーザ平均出力を制御する。本実施形態との関係において、レーザ平均出力制御部６５は、切断経路における加工ヘッド３０と角部Ｃｎとの距離がレーザ平均出力制御距離Ｌ２以下である場合に、レーザ平均出力を標準平均出力から変化（減少）させるレーザ平均出力制御を行う。
【0084】
アシストガス制御部６６は、加工プログラム選択部６１が選択した加工プログラム、及び加工条件選択部６２が選択した加工条件に基づいてアシストガス供給装置４０を制御する。アシストガス制御部６６は、アシストガス供給装置４０を制御することで、加工ヘッド３０に供給されるアシストガスの圧力を制御する。
【0085】
図９は、第１の実施形態に係るレーザ加工機の制御方法を示すフローチャートである。このフローチャートに示す処理は、制御装置６０によって実行される。
【0086】
まず、ステップＳ１０において、加工プログラム選択部６１は、加工プログラムＤＢ７１からワークＷの加工に必要な加工プログラムを選択する。
【0087】
ステップＳ１１において、加工条件選択部６２は、加工プログラム選択部６１が選択した加工プログラムに記載される情報に基づいて、加工条件ＤＢ７２から、ワークＷの材質及び板厚に対応する加工条件を選択する。
【0088】
ステップＳ１２において、加工条件選択部６２は、選択した加工条件に基づいて、標準平均出力及び標準速度を選択する。
【0089】
また、パラメータ決定部６３は、出力制御距離ＤＢ７３を検索し、選択した加工条件に紐付けられたレーザ平均出力制御距離Ｌ２を決定する。パラメータ決定部６３は、出力制御テーブルＤＢ７４を検索し、加工条件に紐付けられた出力制御テーブルを決定する。
【0090】
ステップＳ１３において、パラメータ決定部６３は、標準速度から、角部Ｃｎにおいてとるべき最小速度（ゼロ）まで加工ヘッド３０が減速するために必要な距離を加減速移動距離Ｌ１として算出する。パラメータ決定部６３は、移動機構２２に設定されている加減速度の標準値と、標準速度とに基づいて、加減速移動距離Ｌ１を算出する。
【0091】
また、パラメータ決定部６３は、出力制御テーブルを参照し、出力制御テーブルに従った場合にレーザ平均出力の出力変化が働くテーブル作用距離Ｌ３を算出する。例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示す出力制御テーブルでは、レーザ平均出力の出力変化が働き出す加工速度は、標準速度に対して５０％の加工速度となる。この場合、パラメータ決定部６３は、標準速度に対して５０％となる加工速度から、角部Ｃｎにおける最小速度まで加工ヘッド３０が減速するのに必要な距離を算出する。そして、パラメータ決定部６３は、算出した距離をテーブル作用距離Ｌ３として決定する。
【0092】
ステップＳ１４において、レーザ平均出力制御部６５は、テーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２以上であるか否かを判断する。テーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２以上である場合、ステップＳ１５の処理に進み、テーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２未満である場合、ステップＳ１６の処理に進む。
【0093】
ステップＳ１５において、レーザ平均出力制御部６５は、パラメータ決定部６３が決定した出力制御テーブルを補正する第１の出力制御テーブル補正処理を行う。図１０Ａは、加減速移動距離、レーザ平均出力制御距離、テーブル作用距離との関係を示す図である。図１０Ｂは、パラメータ決定部が決定した出力制御テーブルを示す図である。図１０Ｃは、係数により補正した補正後の出力制御テーブルを示す図である。
【0094】
図１０Ｂに示す出力制御テーブルでは、加工速度が５０％未満となる範囲において、レーザ平均出力の出力変化が働く。一方で、レーザ加工機１の機種によっては、移動機構２２における加減速度の標準値が小さいことがある。そのため、出力制御テーブルに応じたテーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２よりも大きくなってしまうことがある（図１０Ａ参照）。この場合、角部Ｃｎからレーザ平均出力制御距離Ｌ２よりも遠い位置を加工ヘッド３０が移動するときに、レーザ平均出力の出力変化が働いてしまう。そこで、レーザ平均出力制御部６５は、レーザ平均出力の出力変化が働く範囲の加工速度（０％～５０％）に対して、１未満となる所定の係数を乗じ、係数を乗じた後の加工速度によって出力制御テーブルを補正する。具体的には、レーザ平均出力制御部６５は、レーザ平均出力制御距離Ｌ２をテーブル作用距離Ｌ３で除算した値を係数として、この係数によって出力制御テーブルを補正する。これにより、図１０Ｃに示すように、補正された出力制御テーブルでは、レーザ平均出力の出力変化が働き始める加工速度が相対的に小さくなるので、補正後の出力制御テーブルから導かれるテーブル作用距離Ｌ３をレーザ平均出力制御距離Ｌ２と一致させることができる。
【0095】
ステップＳ１６において、レーザ平均出力制御部６５は、パラメータ決定部６３が決定した出力制御テーブルを補正する第２の出力制御テーブル補正処理を行う。図１１Ａは、加減速移動距離、レーザ平均出力制御距離、テーブル作用距離との関係を示す図である。図１１Ｂは、パラメータ決定部が決定した出力制御テーブルを示す図である。図１１Ｃは、係数により補正した補正後の出力制御テーブルを示す図である。
【0096】
図１１Ｂに示す出力制御テーブルでは、加工速度が５０％未満となる範囲において、レーザ平均出力の出力変化が働く。一方で、レーザ加工機１の機種によっては、移動機構２２における加減速度の標準値が大きいことがある。そのため、出力制御テーブルに応じたテーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２よりも小さくなってしまうことがある（図１１Ａ参照）。この場合、角部Ｃｎからレーザ平均出力制御距離Ｌ２の範囲を加工ヘッド３０が移動しているにも係わらず、レーザ平均出力の出力変化が働かないという事態が発生する。そこで、レーザ平均出力制御部６５は、レーザ平均出力の出力変化が働く範囲の加工速度（０％～５０％）に対して、１よりも大きい所定の係数を乗じ、係数を乗じた後の加工速度によって出力制御テーブルを補正する。具体的には、レーザ平均出力制御部６５は、レーザ平均出力制御距離Ｌ２をテーブル作用距離Ｌ３で除算した値を係数として、この係数によって出力制御テーブルを補正する。これにより、図１１Ｃに示すように、補正された出力制御テーブルでは、レーザ平均出力の出力変化が働き始める加工速度が相対的に大きくなるので、補正後の出力制御テーブルから導かれるテーブル作用距離Ｌ３とレーザ平均出力制御距離Ｌ２とを一致させることができる。なお、本実施形態の出力制御テーブルでは、レーザ平均出力の出力変化が働くのが加工速度の５０％未満となる範囲を例示しているので、係数の上限は最大でも２である。
【0097】
ステップＳ１７において、レーザ平均出力制御部６５は、テーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２以上であるか否かを判断する。ステップＳ１７の判断は、第２の出力制御テーブル補正処理により補正された出力制御テーブルから定められるテーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２に到達したか否かを判断するために行われる。テーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２以上である場合、ステップＳ１９の処理に進み、テーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２未満である場合、ステップＳ１８の処理に進む。
【0098】
ステップＳ１８において、レーザ平均出力制御部６５は、移動機構２２の加減速度を、その標準値から補正する加減速補正処理を行う。図１２Ａは、加減速補正処理前における加減速移動距離、レーザ平均出力制御距離、テーブル作用距離との関係を示す図である。図１２Ｂは、加減速補正処理後おける加減速移動距離、レーザ平均出力制御距離、テーブル作用距離との関係を示す図である。
【0099】
ステップＳ１６の第２の出力制御テーブル補正処理を行うことで、テーブル作用距離Ｌ３の範囲を拡大することができる。しかしながら、図１２Ａに示すように、第２の出力制御テーブル補正処理は、係数２、すなわち、加減速移動距離Ｌ１の範囲内でしか、テーブル作用距離Ｌ３を拡大することができない。そこで、レーザ平均出力制御部６５は、移動機構２２の加減速度の標準値に１未満の係数を乗じることで移動機構２２の加減速度を補正し、移動機構２２による加工ヘッド３０の加減速度の絶対値を小さくすることできる。その結果、加減速移動距離Ｌ１、ひいてはテーブル作用距離Ｌ３を延ばすことできる。これにより、図１２Ｂに示すように、テーブル作用距離Ｌ３とレーザ平均出力制御距離Ｌ２とを一致させることができる。加減速補正処理を行うと、ステップＳ１９に進む。
【0100】
ステップＳ１９において、加工速度制御部６４、レーザ平均出力制御部６５及びアシストガス制御部６６は、加工プログラム及び加工条件に従って切断加工を開始する。
【0101】
ステップＳ２０において、レーザ平均出力制御部６５は、切断経路における角部Ｃｎと加工ヘッド３０との距離がレーザ平均出力制御距離Ｌ２以下であるか否を判断する。角部Ｃｎと加工ヘッド３０との距離がレーザ平均出力制御距離Ｌ２以下である場合には、ステップＳ２１の処理に進み、角部Ｃｎと加工ヘッド３０との距離がレーザ平均出力制御距離Ｌ２よりも大きい場合には、ステップＳ２２の処理に進む。
【0102】
ステップＳ２１において、レーザ平均出力制御部６５は、加工ヘッド３０の加工速度を監視する。そして、レーザ平均出力制御部６５は、加工ヘッド３０の加工速度に応じてレーザ発振器１０を制御して、レーザ平均出力、具体的にはパルスデューティ及びパルス周波数を変化させる（レーザ平均出力制御）。この制御において、レーザ平均出力制御部６５は、出力制御テーブルを参照することで、そのときの加工ヘッド３０の加工速度（区間）に応じて、目標となるパルスデューティ及びパルス周波数を特定することができる。
【0103】
なお、図６に示すように、区間と区間との間の加工条件の差異が大きい場合、レーザ平均出力制御部６５は、レーザ平均出力の変化の微細遷移を計算する（計算部）。そして、レーザ平均出力制御部６５は、計算結果に基づいて、階段状の制御指令とならないように最適化したレーザ平均出力に係る制御指令を決定し、決定した制御指令に基づいて、パルスデューティ及びパルス周波数を制御する。
【0104】
また、上述の説明では、出力制御テーブルＤＢ７４に格納される出力制御テーブルは、角部Ｃｎに至る減速時と、角部Ｃｎを通過した後の加速時とで共通している。しかしながら、角部Ｃｎに至る減速時に対応する出力制御テーブルと、角部Ｃｎを通過した後の加速時に対応する出力制御テーブルとをそれぞれ格納していてもよい。これにより、レーザ平均出力制御部６５は、角部Ｃｎに至る減速時と、角部Ｃｎを通過した後の加速時とで出力制御テーブルを使い分けることができる。これにより、図７に示すように、レーザ平均出力制御部６５は、減速時と加速時とで、レーザ平均出力に係る制御指令の設定を変化させることができるので、より繊細な制御を行うことができる。
【0105】
図９に示すように、ステップＳ２２において、レーザ平均出力制御部６５は、レーザ平均出力の通常制御を行う。具体的には、レーザ平均出力制御部６５は、標準平均出力に基づいてレーザ発振器１０を制御して、レーザ平均出力を制御する。
【0106】
ステップＳ２３は、レーザ平均出力制御部６５は、切断加工が終了したか否かを判断する。切断加工が終了していない場合には、ステップＳ２０の処理に戻り、レーザ切断加工が終了した場合には、本処理を終了する。
【0107】
このように本実施形態において、レーザ平均出力制御部６５は、切断経路における角部Ｃｎと加工ヘッド３０との距離がレーザ平均出力制御距離Ｌ２以下である場合に、レーザ平均出力を標準平均出力から変化させるレーザ平均出力制御を行っている。これにより、ワークＷの材質及び板厚に応じた距離（レーザ平均出力制御距離Ｌ２）の範囲で出力制御を行うことができる。加工ヘッド３０が角部Ｃｎに到達するとき、又は加工ヘッド３０が角部Ｃｎから離れるときの入熱量を最適化することができるので、加工不良の発生を効果的に抑制することができる。その結果、角部Ｃｎの角度θの大きさ、加工ヘッド３０の加速度及び減速度、並びに標準速度に関係なく、加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0108】
すなわち、本実施形態に係るレーザ加工機１によれば、角部Ｃｎの角度θの大きさ、加工ヘッド３０の加速度及び減速度、並びに標準速度に関係なく、レーザ平均出力制御距離Ｌ２の範囲でレーザ平均出力が変化するように、加工プログラム及び加工条件に対して補正をかけることができる。これにより、複数の機種のレーザ加工機１で同一の加工プログラムを使い回すような場合であっても、機種の違いに拘わらず、ワークＷの材質及び板厚に応じた距離（レーザ平均出力制御距離Ｌ２）の範囲で出力制御を行うことができる。これにより、加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0109】
また、本実施形態において、加工速度制御部６４は、移動機構２２が加工ヘッド３０を減速及び加速する際の加減速度を、加減速度の標準値から変更することで、標準速度から角部Ｃｎにおける加工速度まで減速するのに必要な加減速移動距離Ｌ１を調整している。これにより、加減速移動距離Ｌ１がレーザ平均出力制御距離Ｌ２よりも短いような場合であっても、加減速移動距離Ｌ１を延ばすことできるので、レーザ平均出力制御距離Ｌ２の範囲内でレーザ平均出力を適切に変化させることができる。したがって、角部Ｃｎの入熱量を最適化することができるので、加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0110】
図１３は、角穴のレーザ切断加工を説明する図である。ワークＷの材質及び板厚に応じたレーザ平均出力制御距離Ｌ２に基づいてレーザ平均出力を変化させる出力制御を用い、ワークＷに対して角穴を加工した。角穴の形状を評価するため、角部Ｃｎ近傍、及び中央部のそれぞれで、角穴の幅Ｄ１、Ｄ２を比較した。この比較によれば、角部Ｃｎ近傍の幅Ｄ１と、中央部の幅Ｄ２との差が小さく、角穴の形状を精度よく加工できることが確認できた。上述したように、レーザ平均出力制御距離Ｌ２に基づいてレーザ平均出力を変化させる出力制御を行うことで、角部Ｃｎの入熱量を最適化することができる。この出力制御により、加工不良の抑制効果のみならず、角部Ｃｎの形状不良について抑制でき、加工精度の向上という効果を得ることができる。
【0111】
図３に示すように、本実施形態に係るレーザ平均出力制御部６５は、角部Ｃｎに近づく加工ヘッド３０が、角部Ｃｎに対してレーザ平均出力制御距離Ｌ２だけ手前に位置する第１制御点Ｐ２１から角部Ｃｎへと至る間に、レーザ平均出力を標準平均出力から減少させる第１出力制御を行う。また、レーザ平均出力制御部６５は、角部Ｃｎから離れる加工ヘッド３０が、角部Ｃｎから、角部Ｃｎに対してレーザ平均出力制御距離Ｌ２だけ離れた第２制御点Ｐ２２へと至る間に、レーザ平均出力を標準平均出力に向けて増加させる第２出力制御を行う。これにより、加工ヘッド３０が角部Ｃｎに近づくときの入熱量、及び加工ヘッド３０が角部Ｃｎから離れるときの入熱量をそれぞれ最適化することができる。これにより、加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0112】
本実施形態において、レーザ平均出力制御部６５は、加工ヘッド３０の加工速度を監視し、出力制御テーブルに基づいて、加工ヘッド３０の加工速度に応じたレーザ平均出力を特定することで、レーザ平均出力制御を行っている。このため、レーザ加工機１の機種に係わらず、レーザ平均出力制御距離Ｌ２内におけるレーザ平均出力の出力変化を同じにすることができる。これにより、角部Ｃｎに対する入熱量を最適化することができるので、加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0113】
本実施形態において、パラメータ決定部６３は、ワークＷの材質及び板厚の組み合わせ毎に紐付けられた複数のレーザ平均出力制御距離Ｌ２を格納する出力制御距離ＤＢ７３を参照し、ワークＷの材質及び板厚に対応するレーザ平均出力制御距離Ｌ２を決定している。このため、パラメータ決定部６３は、ワークＷの材質及び板厚に対応するレーザ平均出力制御距離Ｌ２を適切に決定することができる。
【0114】
本実施形態において、パラメータ決定部６３は、ワークＷの材質及び板厚の組み合わせ毎に紐付けられた複数の出力制御テーブルを格納する出力制御テーブルＤＢ７４を参照し、ワークＷの材質及び板厚に対応する出力制御テーブルを決定している。レーザ平均出力制御部６５は、パラメータ決定部６３が決定した出力制御テーブルに基づいて出力制御を行っている。この構成によれば、パラメータ決定部６３は、ワークＷの材質及び板厚に対応する出力制御テーブルを適切に決定することができる。このため、ワークＷの材質及び板厚に対して、レーザ平均出力制御距離Ｌ２内におけるレーザ平均出力の出力変化を最適化することができる。これにより、角部Ｃｎの入熱量を最適化することができるので、加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0115】
本実施形態において、パラメータ決定部６３は、加減速度の標準値と、出力制御テーブルにおいてレーザ平均出力の出力変化が働き出す加工速度とに基づいて、出力制御テーブルに従った場合にレーザ平均出力の出力変化が働くテーブル作用距離Ｌ３を算出する。レーザ平均出力制御部６５は、レーザ平均出力制御距離Ｌ２と、テーブル作用距離Ｌ３とを比較して出力制御の実行モードを決定している。これにより、レーザ加工機１にとって最適な実行モードを用いて出力制御を行うことができる。したがって、角部Ｃｎの入熱量を最適化することができるので、加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0116】
本実施形態において、レーザ平均出力制御部６５は、テーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２以上の場合、テーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２まで減少するように、出力制御テーブルを補正している（第１の出力テーブル補正処理）。そして、レーザ平均出力制御部６５は、補正した出力制御テーブルに基づいて、出力制御を行っている。これにより、レーザ平均出力制御距離Ｌ２の範囲内でレーザ平均出力を適切に変化させることができる。したがって、角部Ｃｎの入熱量を最適化することができるので、加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0117】
本実施形態において、レーザ平均出力制御部６５は、テーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２よりも小さい場合、テーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２まで増加するように、出力制御テーブルを補正している。そして、レーザ平均出力制御部６５は、補正した出力制御テーブルに基づいて、出力制御を行っている。これにより、レーザ平均出力制御距離Ｌ２の範囲内でレーザ平均出力を適切に変化させることができる。したがって、角部Ｃｎの入熱量を最適化することができるので、加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0118】
本実施形態において、レーザ平均出力制御部６５は、出力制御テーブルを補正しても、テーブル作用距離Ｌ３がレーザ平均出力制御距離Ｌ２よりも小さい場合には、加減速移動距離Ｌ１を変更している。これにより、加減速移動距離Ｌ１がレーザ平均出力制御距離Ｌ２よりも短いような機種であっても、加減速移動距離Ｌ１を延ばすことできる。テーブル作用距離Ｌ３とレーザ平均出力制御距離Ｌ２とを一致させることができるので、レーザ平均出力制御距離Ｌ２の範囲内でレーザ平均出力を適切に変化させることができる。したがって、角部Ｃｎの入熱量を最適化することができるので、加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0119】
本実施形態において、出力制御テーブルには、速度割合を定義する区間が３つ以上規定されている。このため、レーザ平均出力制御距離Ｌ２の範囲において、レーザ平均出力の出力変化が生じる変曲点の数を増やすことができる。これにより、レーザ平均出力の出力変化をきめ細かく行うことができるので、角部Ｃｎの入熱量を最適化することができる。
【0120】
本実施形態において、レーザ平均出力制御部６５は、レーザ平均出力の変化の微細遷移を計算し、区間毎に階段状の制御指令とならないように最適化した前記レーザ平均出力に係る制御指令を決定してもよい。この構成によれば、切断面（カーフ側面）の状態が急激に変化することを抑制することができるので、滑らかな切断面を得ることができる。
【0121】
本実施形態において、出力制御テーブルは、加工ヘッド３０が角部Ｃｎに至る減速時に対応する出力制御テーブルと、加工ヘッド３０が角部Ｃｎを通過した後の加速時に対応する出力制御テーブルと含んでもよい。これにより、減速時と加速時とで、レーザ平均出力に係る制御指令の設定を変化させることができるので、より繊細な制御を行うことが可能となる。
【0122】
本実施形態では、レーザ平均出力制御距離Ｌ２に基づいてレーザ平均出力を変化させる出力制御を、角部Ｃｎのレーザ切断加工に対して適用し、角部Ｃｎにおいてとるべき加工ヘッドの加工速度をゼロとして説明した。しかしながら、レーザ切断加工を実際に場合、角部Ｃｎの角度θによっては、加工品質に影響がない範囲で、角部Ｃｎで円弧を描くように加工ヘッド３０を移動させる場合がある。この場合、角部Ｃｎにおける加工ヘッド３０の加工速度はゼロよりも大きな値となる。しかしながら、本実施形態に係る出力制御は、角部Ｃｎにおいて最小速度をとるように減速及び加速する加工態様に対して広く適用することができ、最小速度はゼロであることに限定されない。
【0123】
また、本実施形態では、直線と直線との組み合わせからなる切断経路（角部Ｃｎを含む切断経路）での加減速制御に対応して、レーザ平均出力を変化させる出力制御を説明した。しかしながら、本実施形態の出力制御は、加工ヘッド３０を減速させながら基準点まで移動させ、基準点へと到達した後に加工ヘッド３０を加速させる加減速制御を行うような切断加工に対して広く適用することできる。例えば、円弧から直線へと至る切断経路、円弧から円弧へと至る切断経路のように、減速及び加速を伴う加減速制御が発生する切断加工に適用可能である。また、加工ヘッド３０が減速しながら到達する基準点と、加工ヘッド３０が加速を開始する基準点とは、切断経路上において一致する点であっても、加工ヘッド３０が最小速度で一定の距離だけ移動する場合のように、一定の距離だけ離れた点同士であってもよい。
【0124】
図１４は、長穴のレーザ切断加工を説明する図である。一般的に、円弧部分の加工は指定された円弧補間を指令通りにレーザビームが移動するようにＸＹ軸の各軸速度が変化する。このとき、小さな半径の円弧補間と、大きな半径の円弧補間との合成された切断速度を比較すれば、大きな半径の円弧補間の方が直線補間の切断速度に近い。本実施形態において、ワークＷの材質及び板厚に応じたレーザ平均出力制御距離Ｌ２に基づいてレーザ平均出力を変化させる出力制御を用い、ワークＷに対して長穴を加工した。具体的には、直線補間から円弧補間に制御が遷移する基準点の手前でレーザ平均出力制御が働き、円弧補間から直線補間に制御が遷移する基準点を超えてレーザ平均出力制御が働く。その他に、円弧補間中は、レーザビームが移動する各軸の速度が常に変化し、極点で軸の正転又は逆転が入れ替わるので、円弧補間中は常にそれぞれの基準点（極点）の前後でレーザ平均出力制御が働く。つまり、各軸の加速時又は減速時にレーザ平均出力制御が機能する。
【0125】
レーザ平均出力制御が機能した結果を、長穴の形状を用いて評価するため、円弧部分の直径Ｄ３と、直線部分の幅Ｄ４とを比較した。この比較によれば、円弧部分の直径Ｄ３と、直線部分の幅Ｄ４との差が小さく、長穴の形状を精度よく加工できることが確認できた。また、円弧部分Ｐｔにおける加工不良の発生を評価したところ、加工不良の発生が効果的に抑制されていることが確認された。このように、角部Ｃｎ以外であっても、減速及び加速を伴う加減速制御が発生する切断加工であれば、本実施形態に係る出力制御を行うことで、加減速制御が生じる部分における入熱量を最適化することができる。これにより、加工不良の発生を抑制することができ、併せて加工精度を向上させることができた。
【0126】
このように、本実施形態によれば、加工ヘッドを減速させる減速時、又は加工ヘッドを加速する加速時におけるレーザビームの出力パラメータやそれに係わるその他のパラメータを適切に制御することができる。これにより、レーザビームの移動区間におけるワークへの入熱過多又は入熱不足に起因する加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0127】
加えて、本発明者は、本実施形態に係るレーザ平均出力制御が、レーザ加工の一つであるレーザマーキング加工についても効果的に機能することを確認した。レーザマーキング加工がレーザ切断加工と異なる点は、ワークＷを貫通せずに底を残して掘る加工ということである。本実施形態に係るレーザ加工の課題は、加工ヘッド３０を一定の速度から減速させる減速時、又は加工ヘッド３０を一定の速度まで加速させる加速時における、ワークＷへの入熱過多又は入熱不足に起因する加工不良の発生を効果的に抑制することであり、この課題はレーザマーキング加工にも共通する。
【0128】
レーザマーキングでのワークへの入熱過多や入熱不足に起因する切断不良とは、レーザビームによるワーク表面の焼け（酸化皮膜の状態）として褐色化又は黒色化、若しくはマーキング深さの不均一さである。
【0129】
レーザマーキング加工においては、材料表面の焼けは、角部を中心に、角部を曲がる前と、角部を曲がった後とでほぼ対称に発生する。一方、レーザ切断加工における材料表面の焼けは、角部を曲がる前の切断面よりも、角部を曲がった後の切断面に焼けが発生しやすい。レーザ切断加工においては、角部を曲がった後の加速時には、熱が拡散できるワークの容積が小さくなる可能性があるからである。また、角部を曲がった直後は直線時の適切なカッティングフロントとは異なるカッティングフロントになっており、アシストガスの流れが不適切になり、アシストガスの冷却効果、ドロスの排出が適切になされていない可能性があるからである。
【0130】
このように、レーザ切断加工と、レーザマーキング加工とでは材料表面の焼けが現れる部位が相違するものの、この違いは加工形態の相違に伴うものであり、材料表面の焼けという加工不良は、いずれのレーザ加工においても加減速時に適切な出力制御ができていないことに起因している。
【0131】
そして、マーキング加工についてもレーザ平均出力制御を適用する実験を行い、角部、円弧部を含む種々の形状について加工品質を確認した。その実験結果よれば、鋭角、直角及び鈍角といった角部の種類に限らず、また角部以外の円弧部といった形状についても、ワーク表面の焼け（酸化皮膜の状態）が発生しづらく、マーキング深さの均一化が図れることが確認された。
【0132】
このように、加工ヘッド３０の加速時又は減速時にレーザ平均出力制御が機能することで、ワークＷへの入熱過多又は入熱不足が発生しづらくなる。これにより、材料表面の焼け（酸化皮膜の状態）の発生を抑制し、マーキング深さの均一化を図ることができるので、レーザマーキング加工においても加工不良の発生を抑制することができる。
【0133】
（第２の実施形態）
第２の実施形態に係るレーザ加工機及びレーザ加工機の制御方法について説明する。ワークＷの熱量を制御すると考えた場合、レーザビームによる入熱以外にも、加工ヘッド３０から排出されるアシストガスによる放熱（冷却）も考慮する必要がある。第１の実施形態では、ワークＷの材質及び板厚が同じであれば、レーザ発振器１の出力、すなわちレーザ出力（レーザパワー）が異なってもワークＷに供給されるアシストガス流量は同じとしている。そのため、第１の実施形態では、レーザ出力（レーザパワー）に違いがあっても、アシストガスによる放熱の影響を無視することができた。
第２の実施形態に係るレーザ加工機及びレーザ加工機の制御方法について説明する。ワークＷの熱量を制御すると考えた場合、レーザビームによる入熱以外にも、加工ヘッド３０から排出されるアシストガスによる放熱（冷却）も考慮する必要がある。第１の実施形態では、ワークＷの材質及び板厚が同じであれば、レーザ発振器１の出力、すなわちレーザ出力（レーザパワー）が異なってもワークＷに供給されるアシストガス流量は同じとしている。そのため、第１の実施形態では、レーザ出力（レーザパワー）に違いがあっても、アシストガスによる放熱の影響を無視することができた。
【0134】
ところで、発明者が研究を重ねたところ、板厚が所定値以上となる厚板を直線加工する場合、同一の板厚であっても、高レーザ出力による加工では、低レーザ出力の場合と比べて加工速度を向上させることができることが分かった。また、加工速度が速くなると、それに伴ってアシストガス流量を増加させないと、入熱過多に起因する加工不良が発生することが判明した。これは、加工速度が速い程、単位距離あたりに供給されるアシストガスの量が少なくなることに起因していると考えられる。つまり、レーザビームによる入熱に対して、冷却に必要なアシストガス流量が不足し、入熱過多な状態となってしまう。そこで、加工速度が速くなる程アシストガス流量を増加させることで、単位距離あたりに供給されるアシストガス量を概ね一定にすることができる。これにより、ワークＷへの入熱過多に起因する加工不良の発生を効果的に抑制することができる。
【0135】
なお、アシストガス流量は、ノズル３６のノズル径、ノズル３６とワークＷとの間の距離であるノズルギャップ、加工ヘッド３０内のアシストガス圧に依存する。以下の説明では、ノズル径を変更することによりアシストガス流量を変更するものとする。また、レーザ加工の対象となるワークは主として板金である。レーザ加工の分野においては、例えば板厚が６ｍｍ以上の板金を厚板と定義することができるが、これに限定されるものではない。
【0136】
図１５は、厚板の直線切断時におけるノズル径とワークの熱量との関係を示す図である。同図において、円Ｃａ１はワークＷの熱量を概念的に示している。円Ｃａ１の径が大きいほど入熱過多であることを示し、円Ｃａ１の径が小さいほど入熱不足であることを示している。なお、円Ｃａ２は、入熱と放熱とのバランスが保たれている状態を示している。円Ｎｔは、ノズル３６のノズル径を示している。
【0137】
低レーザ出力の場合には加工速度が遅いため、小さいノズル径を用いることで入熱と放熱とのバランスを保つことができる（状態ａ）。一方、高レーザ出力の場合には加工速度が速くなる。そのため、小さいノズル径の場合には、単位距離あたりのアシストガスの供給量が少なくなり、入熱過多となる（状態ｂ）。一方、低レーザ出力で加工速度が遅い状態で、ノズル径が大きくなると、単位距離あたりのアシストガスの供給量が多くなり、入熱不足となる（状態ｃ）。ところが、高レーザ出力で加工速度が速い場合に、ノズル径を大きくすると熱量バランスが適正となる（状態ｄ）。
【0138】
図１６は、厚板の角部切断時におけるノズル径とワークの熱量との関係を示す図である。同図において、円Ｃｃ１は角部Ｃｎにおける熱量を概念的に示している。円Ｃｃ１の径が大きいほど入熱過多であることを示し、円Ｃｃ１の径が小さいほど入熱不足であることを示している。なお、円Ｃｃ２は、入熱と放熱とのバランスが保たれている状態を示している。円Ｎｔは、ノズル３６のノズル径を示している。
【0139】
図１６の状態ａ２は、図１５の状態ａと同じ加工条件を用いて厚板の角部を切断した状態を示している。すなわち、図１６の状態ａ２は、低レーザ出力で加工速度が遅い場合の直線切断において入熱と放熱のバランスを保つことができる、小さなノズル径のノズル３６を用いた角部の切断の状態を示している。ノズル径の小さなノズル３６を用いた加工では、減速中及び加速中の冷却範囲が狭いため、角部Ｃｎを曲がる前後に、角部Ｃｎに必要な熱量が保たれている。
【0140】
一方、図１６の状態ｄ２は、図１５の状態ｄと同じ加工条件を用いて厚板の角部を切断した状態を示している。すなわち、図１６の状態ｄ２は、高レーザ出力で加工速度が速い場合の直線切断において入熱と放熱のバランスを保つことができる、大きなノズル径のノズル３６を用いた角部の切断の状態を示している。ノズル径の大きなノズル３６を用いた加工の場合、減速中と加速中に広範囲を冷却し続けるため、角部Ｃｎを曲がる前後に冷却過多になり、角部Ｃｎに必要な熱量を保つことができない。また、角部Ｃｎを加工する際には減速中及び加速中の過渡状態が発生する。ノズル径が異なっているにも拘わらず、減速中及び加速中の過渡状態においては同じ加工速度の状態が発生する。そのため、ノズル径が大きい程、アシストガスによる冷却の影響が強く現れ、角部Ｃｎに必要な熱量を保つことができない。
【0141】
このように、ノズル径が相違する場合においては、ワークＷの放熱量の違いを加味する必要がある。そこで、本実施形態では、ノズル径に応じてレーザ平均出力制御距離Ｌ２を調整することで、調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４を新たに定めることとした。調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４は、調整前のレーザ平均出力制御距離Ｌ２と比べて、ノズル径が大きくなるにつれて短くなる関係を有している。すなわち、冷却作用が強まる場面ではレーザ平均出力制御が行われる範囲を狭くすることで、ワークＷへの入熱量を多くすることができる。これにより、入熱不足を防ぐことができ、加工品質の低下を抑制することができるのである。
【0142】
図１７は、高レーザ出力且つ大径ノズルを用いた厚板の加工の概要を示す図である。例えば、レーザ出力は９０００Ｗ、ノズル径は２．５ｍｍである。図１７の状態ｅ１から状態ｅ４は、第１の実施形態に示すレーザ平均出力制御距離Ｌ２にしたがって、レーザ平均出力制御を行うときの加工の概要を示している。図１７の状態ｆ１から状態ｆ４は、調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４にしたがって、レーザ平均出力制御を行うときの加工の概要を示している。
【0143】
図１７の状態ｅ１に示すように、レーザビームが、角部Ｃｎを起点としてレーザ平均出力制御距離Ｌ２だけ手前にある地点を通過すると、レーザ平均出力制御が開始され、加工ヘッド３０の減速に応じてレーザ平均出力が低下させられる。これにより、ワークＷへの入熱量が低下する。状態ｅ２に示すように、レーザビームが角部Ｃｎに近づくと、レーザ平均出力が低下しているので、入熱不足傾向となる。
【0144】
このような状態は、角部Ｃｎから加速する状況でも同じである。すなわち、角部Ｃｎからレーザビームが加速すると、レーザ平均出力も徐々に増加する。しかしながら、角部Ｃｎからレーザ平均距離Ｌ２だけ離れた地点にレーザビームが到達するまでは、レーザ平均出力が１００％よりも低下している。よって、状態ｅ３に示すように、ワークＷへの入熱量が不足傾向となる。そして、状態ｅ４に示すように、レーザビームが角部Ｃｎからレーザ平均距離Ｌ２だけ離れた地点を過ぎると、レーザ平均出力が１００％に保たれる。このように、レーザ平均出力制御距離Ｌ２を調整しない場合には、角部Ｃｎの加工にいて入熱不足が発生する。
【0145】
次に、調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４にしたがってレーザ平均出力制御を行う状況を説明する。状態ｆ１で示すように、角部Ｃｎを起点としてレーザ平均出力制御距離Ｌ２だけ手前にある地点をレーザビームが通過しても、レーザ平均出力制御は開始されない。よって、調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４まではレーザ平均出力は１００％が維持される。状態ｆ２で示すように、レーザビームが、角部Ｃｎから調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４だけ手前にある地点を通過すると、レーザ平均出力制御が開始され、加工ヘッド３０の減速に応じてレーザ平均出力が低下させられる。このため、角部Ｃｎに至る狭い範囲においてレーザ平均出力が低下するので、必要な熱量が保たれている。
【0146】
このような状態は、角部Ｃｎから加速する状況でも同じである。すなわち、角部Ｃｎから加工ヘッド３０が加速を開始すると、レーザ平均出力も徐々に増加する。このとき、角部Ｃｎから調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４だけ離れた地点に至るまでの間に、レーザ平均出力が１００％まで増加する。これにより、状態ｆ３で示すように、ワークＷに必要な熱量が保たれている。また、状態ｆ４に示すように、レーザビームが角部Ｃｎからレーザ平均距離Ｌ４よりも遠ざかると、レーザ平均出力が１００％に保たれる。よって、その後もワークＷに必要な熱量も保たれる。
【0147】
このような観点から、第２の実施形態においては、パラメータ決定部６３が、ワークＷの材質及び板厚に応じて定まるレーザ平均出力制御距離Ｌ２を、ノズル３６のノズル径に基づいて調整することとしている。この調整を通じて、パラメータ決定部６３は、ワークＷの材質、板厚、ノズル径に応じた調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４を決定する。レーザ平均出力制御距離Ｌ４には、ワークＷの材質、板厚、ノズル径に応じた最適な距離が、切断実験又はシミュレーションを通して決定されている。
【0148】
パラメータ決定部６３が、レーザ平均出力制御距離Ｌ２をノズル３６のノズル径に基づいて調整する方法としては、例えば２つの方法が考えられる。第１の方法は、以下の通りである。すなわち、パラメータ決定部６３は、出力制御距離ＤＢ７３から、材料の材質及び板厚に応じたレーザ平均出力制御距離Ｌ２を読み出す。パラメータ決定部６３は、加工条件に規定されたノズル径が、予め定められた所定条件のノズル径、すなわち、調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４の適用が必要なノズル径であるかどうか判断する。パラメータ決定部６３は、加工条件に規定されたノズル径が所定条件に合致する場合には、調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４が予め定義されたテーブルなどを参照し、レーザ平均出力制御距離Ｌ２を、ノズル径に応じた調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４へと調整する。これにより、パラメータ決定部６３は、レーザ平均出力制御距離Ｌ２をノズル３６のノズル径に基づいて調整することができる。
【0149】
第２の方法としては、ワークＷの材質及び板厚に応じて定まるレーザ平均出力制御距離Ｌ２をノズル３６のノズル径に基づいて予め調整し、材料の材質、板厚、ノズル３６のノズル径の組み合わせ毎に、調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４を決定しておく。そして、出力制御距離ＤＢ７３に、材料の材質、板厚、ノズル３６のノズル径毎に、調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４を格納しておく。これにより、パラメータ決定部６３は、出力制御距離ＤＢ７３から、材料の材質及び板厚並びにノズル３６のノズル径に応じた調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４を読み出すことで、レーザ平均出力制御距離Ｌ２をノズル３６のノズル径に基づいて調整することができる。
【0150】
このようにして、調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４が決定されると、レーザ平均出力制御部６５は、調整後レーザ平均出力制御距離Ｌ４を用いて出力テーブル補正処理を行うこととなる。
【0151】
このように第２の実施形態によれば、レーザ平均出力制御距離Ｌ２を調整することで、ノズル径に応じた適切な範囲でレーザ平均出力制御を行うことができる。これにより、ノズル３６のノズル径が相違するような場合であっても、入熱不足を抑制することができ、加工品質の悪化を抑制することができる。
【0152】
上述した通り、ワークＷの放熱量は、アシストガス流量に依存する。そこで、アシストガス流量の制御をアシストガス圧の制御によって行う場合には、アシストガス圧に応じてレーザ平均出力制御距離Ｌ２を調整してもよい。また、ノズルギャップが大きくなると、アシストガスの当たる範囲が広がるので、アシストガス流量が相対的に増加することなる。そこで、アシストガス流量の制御をノズルギャップの制御によって行う場合には、ノズルギャップに応じてレーザ平均出力制御距離Ｌ２を調整してもよい。このように、レーザ平均出力制御距離Ｌ２の調整は、アシストガス流量に応じて行われればよい。
【0153】
なお、レーザ出力に起因する加工速度の差違によって冷却能力が変わることは、第１の実施形態のレーザ平均出力制御であっても同様である。しかしながら、加工速度の差による冷却能力の相違は、許容できる範囲であり、材質及び板厚が同じであれば、共通のレーザ平均出力制御距離Ｌ２を用いることができる。一方、アシストガス流量の違いによっても冷却能力が変わるが、このときの冷却能力の違いは顕著となる。そのため、アシストガスに起因して冷却能力が著しく相違するような状況において、第２の実施形態に示す、レーザ平均出力制御距離Ｌ２の調整が有効となる。
【0154】
また、ワークＷの板厚が薄い場合には、レーザ出力の向上に伴って加工速度が上がったとしても、アシストガス流量を変えなくても良好な加工を行うことが可能である。高レーザ出力で加工するときの加工速度と、低レーザ出力で加工するときの加工高速との速度比に着目すると、薄板の場合には、速度比は小さい。一方、板厚が厚くなると、レーザ出力の向上に伴い速度比が増加する傾向にある。したがって、速度比が小さい薄板ではノズル径を大きくすることなく良好な加工ができる。一方、速度比が大きい厚板では、溶融物を排出できるアシストガス流量が必要となり、アシストガス流量を大きくする必要があると考えられる。例えば、速度比が２５０％よりも大きくなるような厚板を加工する場合には、アシストガス流量を大きくすることが好ましい。
【0155】
また、レーザ加工において、板厚が薄い場合、切断面は平滑となり、板厚が厚くなる程、凸凹が生じる。つまり、切断時、アシストガスの流路となる切断カーフの粗さの違いによってアシストガスの流れやすさが変わるといえる。また、例えば１．０ｍｍの板厚と、３．２ｍｍの板厚とを流路の長さで比較すると、溶融物は３．２倍の長さを流れることになる。長い流路を通り、且つ切断カーフの粗さの影響をより顕著に受けるため、板厚が厚くなるとより多くのアシストガス流量が求められると考えられる。
【0156】
また、第２の実施形態のレーザ平均出力制御は、角部Ｃｎの加工に限らず、加工ヘッド３０を減速させながら基準点まで移動させ、基準点へと到達した後に加工ヘッド３０を加速させる加減速制御を行うような切断加工に対して広く適用することできる。また、第２の実施形態のレーザ平均出力制御は、レーザ加工の一つであるレーザマーキング加工についても同様に適用することができる。
【0157】
上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【符号の説明】
【0158】
１ レーザ加工機
１０ レーザ発振器
２０ レーザ加工ユニット
２２ 移動機構
３０ 加工ヘッド
６０ 制御装置
６１ 加工プログラム選択部
６２ 加工条件選択部
６３ パラメータ決定部
６４ 加工速度制御部
６５ レーザ平均出力制御部
６６ アシストガス制御部
１０ レーザ発振器
２０ レーザ加工ユニット
２２ 移動機構
３０ 加工ヘッド
６０ 制御装置
６１ 加工プログラム選択部
６２ 加工条件選択部
６３ パラメータ決定部
６４ 加工速度制御部
６５ レーザ平均出力制御部
６６ アシストガス制御部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】