静电电容式高度传感器以及使用其的激光加工喷嘴、激光加工装置的制作方法

本公开涉及用于激光加工装置的静电电容式高度传感器以及使用其的激光加工喷嘴、激光加工装置。

背景技术：

在使用激光加工装置来进行被加工物的切断加工等的情况下，将激光的焦点对焦至被加工物的表面或者其附近在维持加工质量上很重要。因此，需要将设置于机器人臂等的激光加工喷嘴的前端与被加工物的距离保持于所希望的值。为了测量该距离一般使用静电电容式高度传感器。

在专利文献1中，公开了一种静电电容式高度传感器，向安装于激光加工喷嘴的前端部的传感器电极与电连接于接地的被加工物之间施加交流电压，通过转换电路来检测基于传感器电极与被加工物之间的静电电容而被调制了振幅的电压，将该电压换算为距离并进行测量。此外，该静电电容式高度传感器构成为去除与传感器电极连接的电缆的杂散电容的影响来进行距离测量。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：jp特开平09-331089号公报

技术实现要素：

根据专利文献1中公开的现有的结构，由于去除与传感器电极连接的电缆的杂散电容的影响并进行距离测量，因此不需要在电缆的更换时重新调整高度传感器。

然而，由于激光加工喷嘴与机器人臂等一起移动，因此向连接于传感器电极的电缆施加张力的情况较多，电缆可能从传感器电极脱离，或者电缆断线。若电缆断线，则不能测量激光加工喷嘴的前端部与被加工物的距离，担心产生加工不良。另一方面，在上述现有的结构中，担心不能良好地检测电缆的断线。这是由于在实际的高度传感器中，因电缆以外的要素引起的静电电容与转换电路电耦合，由于该静电电容在断线时也可检测到一定的电压。

本公开的技术鉴于这方面而作出，其目的在于，提供一种能够简便并且可靠地检测电缆的断线的静电电容式高度传感器。

为了实现上述目的，在本公开的技术中，在由静电电容式高度传感器检测到的信号为规定的值以上时判定为电缆断线。

具体而言，本公开所涉及的静电电容式高度传感器具有：传感器电极，被安装于激光加工喷嘴的前端；信号处理部，向传感器电极提供电压信号，并且检测来自传感器电极的信号来测量传感器电极的前端与电连接于接地的被加工物的距离；和电缆，将传感器电极与信号处理部电连接，其中，信号处理部具有：断线判定部，在来自传感器电极的信号为规定的值以上时，判定为电缆断线。

通过该结构，能够基于从传感器电极接受的信号的值来简便地判定有无电缆的断线。

优选规定的值处于如下的范围：传感器电极的前端与被加工物的距离是比激光加工时的最大距离大的规定距离时的来自传感器电极的信号的值以上、且在信号处理部未连接电缆时的来自传感器电极的信号的值以下。

通过该结构，能够防止电缆的断线的误判定，能够可靠地检测有无断线。

此外，本公开所涉及的激光加工喷嘴，具备：第1喷嘴，与上述的静电电容式高度传感器的传感器电极电连接，对激光的出射路径以及激光加工时被提供的辅助气体的流路进行划定；和第2喷嘴，被设置为空出间隔来包围第1喷嘴的外周，通过绝缘部件来与第1喷嘴以及传感器电极电绝缘。

通过该结构，能够简便地判定电缆的断线，并且通过第2喷嘴，能够遮挡向传感器电极飞来的外来的电磁噪声。

优选第1喷嘴与第2喷嘴构成为相同电位。

通过该结构，能够可靠地遮挡向传感器电极飞来的外来的电磁噪声。

优选还具备对传感器电极施加一定的静电电容的构造。

通过该结构，电缆的断线检测精度提高。

此外，本公开所涉及的激光加工装置的特征在于，具备：激光源，出射激光；光纤，对激光进行导波；上述的激光加工喷嘴，将由光纤导波的激光向被加工物照射；机器人臂，在前端安装激光加工喷嘴，使激光加工喷嘴移动；和控制部，对激光源以及机器人臂的动作进行控制，控制部至少具有：机器人控制部，提供使机器人臂的关节轴驱动或者停止的信号，以使得激光加工喷嘴的前端描绘规定的轨迹；和激光控制部，控制激光源，并且在由断线判定部判定为电缆断线时，使激光源的激光振荡停止，机器人控制部至少具有：位置控制部，基于由静电电容式高度传感器测量的距离，控制激光加工喷嘴的位置以使得传感器电极的前端与被加工物的距离为目标值。

通过该结构，由于检测电缆的断线并使激光振荡停止，因此能够防止被加工物的加工不良扩大。

如以上说明那样，通过本公开，能够简便并且可靠地判定将静电电容式高度传感器的传感器电极与信号处理部连接的电缆的断线。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的激光加工喷嘴的结构的图。

图2是表示静电电容式高度传感器的信号处理部的功能模块结构的图。

图3是表示静电电容式高度传感器的信号处理部的电路结构的一个例子的图。

图4是表示实施方式2所涉及的激光加工喷嘴的结构的图。

图5是表示实施方式3所涉及的激光加工装置的结构的图。

具体实施方式

以下，基于附图来对本公开的实施方式详细进行说明。以下的优选的实施方式的说明本质上仅仅是示例，完全没有意图限制本公开的技术、其应用物或者其用途。

(实施方式1)

[激光加工喷嘴的结构]

图1表示本实施方式所涉及的激光加工喷嘴1的结构。该激光加工喷嘴1被安装于未图示的机器人臂33(参照图5)的前端。此外，激光加工喷嘴1具备传感器喷嘴2(第1喷嘴)、屏蔽喷嘴3(第2喷嘴)、绝缘部件4(第1绝缘部件)和静电电容式高度传感器10(以下，简称为高度传感器10)。

另外，在以下的说明中，可能将激光加工喷嘴1中的激光的入射侧称为“上”或者“上方”，将激光的出射侧、换句话说配置有被加工物5的一侧称为“下”或者“下方”。

传感器喷嘴2是在圆锥部及其上下分别具有圆筒部的金属制部件。圆锥部被设置为朝向下方直径变小。此外，位于下方的圆筒部与高度传感器10的传感器电极11电连接。传感器喷嘴2的内空间是图中由双点划线所示的激光的出射路径，并且是激光加工时向被加工物5喷射的辅助气体的流路。即，传感器喷嘴2对激光的出射路径以及辅助气体的流路进行划定。

屏蔽喷嘴3与传感器喷嘴2同样地，是在圆锥部即其上下分别具有圆筒部的金属制部件。圆锥部被设置为朝向下方直径变小。屏蔽喷嘴3被配置为与传感器喷嘴2空出间隔并包围其外周。屏蔽喷嘴3构成为与传感器喷嘴2以及传感器电极11为相同电位。由此，屏蔽喷嘴3对针对传感器喷嘴2以及传感器电极11的外来的电磁噪声进行遮挡并且保护传感器喷嘴2不受机械式的冲击。

绝缘部件4(第1绝缘部件)是包含具有凸缘部的圆环形状的耐热树脂等的法兰部。绝缘部件4的内周面与传感器喷嘴2的下方的圆筒部的外周面抵接。在凸缘部的上表面抵接屏蔽喷嘴3的下表面。此外，绝缘部件4的下表面与传感器电极11抵接。通过绝缘部件4从而传感器喷嘴2以及传感器电极11与屏蔽喷嘴3被电绝缘。此外，绝缘部件4起到将传感器喷嘴2与屏蔽喷嘴3之间的空间密封的作用。

高度传感器10具备传感器电极11、同轴电缆12和信号处理部13。

传感器电极11是被设置为朝向下方内径和外径都变小的大致圆锥形的金属制部件。传感器电极11被安装于激光加工喷嘴1的前端，构成激光加工喷嘴1的一部分。传感器电极11的前端的开口部相当于激光的出射口以及辅助气体的喷射口。此外，通过将被加工物5配置于规定的位置，从而在传感器电极11，相应于与被加工物5的距离的静电电容被电耦合。

同轴电缆12是具有内部布线12a(内部导体)、覆盖内部布线12a的电介质、覆盖电介质的屏蔽线12b(外部导体)、覆盖屏蔽线12b的绝缘被膜的一般结构的电缆。同轴电缆12在其前端具有同轴连接器12c。内部布线12a经由同轴连接器12c而与传感器喷嘴2电连接。屏蔽线12b经由同轴连接器12c而与屏蔽喷嘴3电连接。因此，同轴电缆12的内部布线12a与屏蔽线12b构成为相同电位。通过屏蔽线12b来遮挡外来的电磁噪声。

信号处理部13具有兼顾将内部产生的电压信号提供给传感器电极11的信号提供端子和接受从传感器电极11返回的信号的信号检测端子的外部端子t。外部端子t与同轴电缆12的一端连接。如后面所述，信号处理部13具有基于来自传感器电极11的信号，对激光加工喷嘴1的前端、即传感器电极11的前端与电连接于接地的被加工物5的距离进行测量的功能。另外，信号提供端子与信号检测端子也可以被分立地设置。

[高度传感器的信号处理部的功能模块结构]

图2表示高度传感器10的信号处理部13的功能模块结构。

高度传感器10的信号处理部13具有：信号产生部14、信号检测部15、距离计算部16、断线判定部17。

信号产生部14产生具有规定的频率f和振幅的电压信号vo，经由外部端子t以及同轴电缆12来向传感器电极11提供该信号vo。

信号检测部15具有外部端子t，对从传感器电极11返回的电压信号vin进行检测。此外，信号检测部15具有与外部端子t连接的阻抗调整用电阻18(参照图3)。阻抗调整用电阻18直接连接于信号产生部14与外部端子t之间的路径即可。

距离计算部16基于被信号检测部15检测到的电压信号vin来计算传感器电极11的前端与被加工物5的距离，将该值发送给未图示的外部的控制部或者存储部。如后面所述，在激光加工装置30(参照图5)中，基于被距离计算部16计算出的距离与目标值的差异，控制激光加工喷嘴1的位置。

断线判定部17对被信号检测部15检测到的电压信号vin进行监视，在信号vin为规定的阈值vth以上的情况下，判定为同轴电缆12断线。在判定为同轴电缆12断线的情况下，断线判定部17将断线检测信号直接发送给未图示的外部的控制部或者存储部，或者经由距离计算部16来间接发送给上述的控制部或者存储部。

电压信号vin是提供给传感器电极11的电压信号vo通过与外部端子t(信号检测端子)电耦合的静电电容等而被振幅调制的调制信号。电压信号的振幅|vo|与调制信号的振幅|vin|的关系由式(1)表示。

[数学式1]

这里，

r是阻抗调整用电阻18的电阻值

c是与外部端子t电耦合的静电电容值的总和

ω是电压信号vo的角频率，ω＝2πf。

根据式(1)可知，从外部端子t(信号检测端子)输出的电压信号vo由电阻值r和静电电容值c以及电压信号vo的频率f决定，通过一般的低通滤波器来接受振幅调制。被振幅调制的电压信号vo作为调制信号vin而被外部端子t检测。

此外，静电电容值c使用图2所示的c0、c1、cw通过式(2)来表示。

c＝c0+c1+cw…(2)

这里，

c0是在信号处理部13内与外部端子t电耦合的静电电容值

c1是同轴电缆12的杂散电容值

cw是传感器电极11的前端与被加工物5之间的静电电容值。

静电电容值c0是由信号处理部13内的元件的配置、布线布局等决定的值，几乎一定。同样地，若激光加工喷嘴1、同轴电缆12的配置确定则静电电容值c0也几乎一定。另一方面，静电电容值cw根据传感器电极11的前端与被加工物5的距离而变化。因此，能够根据信号vin的值来计算静电电容值cw，能够根据该值来计算传感器电极11的前端与被加工物5的距离。

另外，在本实施方式中，静电电容值c0、c1是5pf左右，静电电容值cw根据传感器电极11的前端与被加工物5的距离而变化为opf～几pf，但这些值可根据信号处理部13的大小、内部布局、同轴电缆12的电缆长或者激光加工条件等而适当地变更。

进一步地，能够根据信号vin的值来判定同轴电缆12的断线。在本实施方式中，对断线的有无进行判定的阈值vth的设定范围通过式(3)来表示。在信号vin的值为阈值vth以上时，判定为同轴电缆12断线。

[数学式2]

这里，

cw1是使传感器电极11的前端与被加工物5的距离比激光加工时的该距离大规定的长度时的静电电容值。

激光加工时的该距离通常为几mm左右，与此相对地，在本实施方式中，将cw1所对应的传感器电极11的前端与被加工物5的距离设定为几十cm～1m左右。即，在式(3)中，cw1是将传感器电极11的前端与被加工物5的距离设为比激光加工时设定的最大距离大规定距离时的外部端子t所电耦合的静电电容值。随着传感器电极11的前端与被加工物5的距离变大，静电电容值cw变小，因此如根据式(1)、(2)可知那样，对应的vin的值变大。

根据本实施方式，通过信号检测端子即外部端子t从传感器电极11接受的信号vin的值能够简便地判定有无同轴电缆12的断线。此外，在选择阈值vth的下限值时，通过使用比通常的激光加工时充分大地取传感器电极11的前端与被加工物5的距离时的静电电容值cw1，能够相比于通常的激光加工时由外部端子t(信号检测端子)检测的电压信号，vth的下限值更充分变大，因此能够可靠地防止断线的误判定。

此外，根据式(1)、(2)可知，式(3)中的vth的上限值是在外部端子t(信号检测端子)未连接同轴电缆12时由外部端子t检测的电压信号的值。通过在由式(3)表示的范围内设定阈值vth，能够可靠地判定有无同轴电缆12的断线。此外，阈值vth的上限、下限能够预先取得数据并持续使用。因此，能够在不追加专用的硬件等的情况下，仅通过调制信号的值来简便地进行断线的判定。

另外，在式(3)所示的范围内，根据激光加工条件、特别是传感器电极11的前端与被加工物5之间的设定距离等，阈值vth能够任意地变更。此外，在变更了激光加工喷嘴1中的各部件的配置、内部结构等的情况下，当然也可根据与外部端子t(信号检测端子)电耦合的静电电容值的变化等，变更阈值vth的设定范围。

图3表示高度传感器10的信号处理部13的具体的电路结构的一个例子。在图3所示的结构中，信号处理部13具有：cpu20、数字-模拟信号转换器21(以下，称为dac21)、模拟-数字信号转换器22(以下，称为adc22)、阻抗调整用电阻18、外部端子t。

cpu20从未图示的存储部读取控制程序等，输出具有规定的周期的脉冲列信号。此外，cpu20接受来自adc22的信号并计算传感器电极11的前端与被加工物5的距离。cpu20进一步地，若每单位时间从adc22接受的脉冲列信号为规定的计数以上则判定为同轴电缆12断线，并将断线检测信号发送给未图示的外部的控制部或者存储部。换句话说，cpu20相当于图2所示的距离计算部16和断线判定部17。

dac21将从cpu20提供的脉冲列信号转换为具有规定的频率的模拟电压信号，并且以规定的范围对该模拟电压信号进行放大并输出为电压信号vo。换句话说，dac21相当于图2所示的信号产生部14。

adc22对经由同轴电缆12而从传感器电极11送来的调制信号vin进行检测，转换为与信号vin的振幅相应的计数的脉冲列信号，提供给cpu20。adc22相当于图2所示的信号检测部15的一部分。

此外，通过将高度传感器10的信号处理部13设为图3所示的结构，能够减小信号的偏移的影响。此外，也能够进行传感器电极11与被加工物5的接触检测。

另外，图3所示的信号处理部13的结构仅仅是一个例子，也可以是除此以外的结构。例如，也可以是取代dac21而使用交流电源、取代adc22而使用模拟滤波器的结构。

(实施方式2)

图4表示本实施方式所涉及的激光加工喷嘴1的结构。本实施方式所示的结构与实施方式1所示的结构的不同在于，激光加工喷嘴1还具备导电部7这一点。导电部7通过圆环形状的绝缘部件6(第2绝缘部件)来与传感器喷嘴2以及屏蔽喷嘴3电绝缘，并且与接地电连接以使得导电部7具有接地电位。另外，绝缘部件6也起到防止从激光加工喷嘴1向外部泄露辅助气体的垫圈的作用。

通过设置绝缘部件6以及导电部7，与外部端子t(信号检测端子)电耦合的静电电容值的总和c由式(4)表示。

c＝c0+c1+c2+cw…(4)

这里，

c2是导电部7与传感器电极11之间的静电电容值。

此外，阈值vth的设定范围由式(5)表示。

[数学式3]

这样，通过本实施方式，通过对传感器电极11附加一定的值的静电电容，能够使静电电容值的总和c比实施方式1所示的结构大。由此，根据式(1)、(4)以及式(5)可知，基于同轴电缆12的断线的有无的调制信号vin的变化的程度比实施方式1所示的结构大。即，断线的有无的判定变得容易，断线检测精度提高。

另外，在本实施方式中，为了对传感器电极11附加一定的静电电容而设置了绝缘部件6(第2绝缘部件)以及导电部7，但并不特别限定于此，也可以另外设置对传感器电极11附加一定的静电电容的构造，增大静电电容值的总和c。例如，也可以在传感器电极11与接地之间连接另外设置的电容器。此外，为了维持传感器电极11的前端与被加工物5的距离的测量灵敏度，优选静电电容值c2比电容值c0、c1、cw小。

(实施方式3)

图5表示本实施方式所涉及的激光加工装置的结构。该激光加工装置30具备：激光源31、光纤32、机器人臂33、激光加工喷嘴1、控制部34。另外，为了方便说明，针对上述的结构部件以外的各种部件等省略图示以及其说明。此外，虽未图示，但激光加工装置30也具备向激光加工喷嘴1提供的辅助气体的提供路径。

激光源31具有：电源(未图示)、接受来自电源的电力提供并产生激光的激光谐振器(未图示)、对该激光进行聚光并用于与光纤32耦合的光学系统(未图示)。

光纤32接受在激光谐振器中产生并被光学系统聚光的激光，向激光加工喷嘴1导波。根据激光加工的种类、激光强度等可适当地选择单包层型、双包层型等的光纤32。同样地，光纤32的芯线直径、包层直径也能够适当地变更。

机器人臂33在前端安装激光加工喷嘴1，接受基于加工程序等的来自控制部34的信号，使激光加工喷嘴1移动以使得描绘规定的轨迹。此外，在激光加工时，机器人臂33控制激光加工喷嘴1的位置，以使得激光加工喷嘴1的前端即传感器电极11的前端与被加工物5的距离为规定的距离。

控制部34具有：对激光源31的光量等进行控制的激光控制部35、对机器人臂33的动作进行控制的机器人控制部36。

激光控制部35对从电源提供的电力、激光谐振器的温度等进行控制，以使得出射所希望的强度的激光。

机器人控制部36基于加工程序等，提供使机器人臂33的关节轴驱动或者停止的信号，以使得机器人臂33的前端、即激光加工喷嘴1的前端描绘规定的轨迹。此外，机器人控制部36具有位置控制部37。位置控制部37向机器人臂33基于由高度传感器10测量的距离来提供对激光加工喷嘴1的位置、具体而言机器人臂33的位置进行控制的信号，以使得传感器电极11的前端与被加工物5的距离为目标值。

接下来，对激光加工装置30的动作进行说明。

首先，启动激光加工装置30整体的电源，向激光加工装置30接通投入电力。自动地或者通过操作者的操作从而规定的激光加工用程序启动，机器人臂33向规定的初始位置移动，并且也向高度传感器10接通电力而成为可测量状态。进一步地，激光源31的电源也成为接通。

接下来，被加工物5被设置。激光加工装置30使机器人臂33动作来使激光加工喷嘴1向被加工物5的附近移动。高度传感器10对激光加工喷嘴1与被加工物5的实际的距离进行测量。位置控制部37对由程序规定的传感器电极11的前端与被加工物5之间的目标距离和实际的距离进行比较。位置控制部37进一步根据这些差异，驱动机器人臂33以使得激光加工喷嘴1来到目标位置。

激光加工装置30向激光加工喷嘴1内提供辅助气体，由激光源31来产生激光。通过光纤32而被导波至激光加工喷嘴1内的激光向被加工物5照射。由此开始激光加工。在激光加工中，一直通过高度传感器10来测量传感器电极11的前端与被加工物5的距离。位置控制部37基于被测量的实际的距离，对激光加工喷嘴1的位置、换句话说机器人臂33的位置进行控制。

若所需要的加工结束，则激光源31中的激光振荡停止，接下来辅助气体的提供也停止。机器人臂33向规定的初始位置移动，在该位置待机直到下个加工开始。

在上述的激光加工中在与高度传感器10连接的同轴电缆12断线的情况下，信号处理部13的断线判定部17立即检测断线，将断线检测信号送到控制部34。

控制部34的激光控制部35接受该信号，使激光源31中的激光振荡立即停止。与此同时，控制部34的机器人控制部36使机器人臂33向规定的初始位置移动。

通过本实施方式，在激光加工中，高度传感器10对传感器电极11的前端与被加工物5的距离进行测量，并且也一直进行有无同轴电缆12的断线的判定。以往，通过加工装置的定期检查等来检查有无同轴电缆12的断线，不能实时地检测同轴电缆12的断线。

本实施方式的激光加工装置30实时地判定有无同轴电缆12的断线，若检测到断线则立即使激光加工装置30的动作停止。因此，能够防止被加工物5的加工不良扩大。此外，能够防止因不能进行基于高度传感器10的距离测量所导致的激光加工喷嘴1向被加工物5的碰撞。由此能够防止激光加工喷嘴1的损坏等。

另外，还担心由于接受断线检测信号从而激光控制部35紧急停止激光振荡，激光源31故障。在该情况下，激光控制部35也能够控制激光源31以使得激光振荡缓慢停止。同样地，在担心使机器人臂33紧急移动至初始位置导致机器人臂33故障的情况下，也能够控制机器人臂33的移动速度来避免故障。

此外，也能够取代使机器人臂33向初始位置移动，在担心机器人臂33故障的情况下，不从接受到断线检测信号的时刻的机器人臂33的位置移动。

另外，在实施方式1～3中，通过同轴电缆12来连接高度传感器10的传感器电极11与信号处理部13之间，但并不特别限定于此，也可以是其他种类的电缆。

此外，在实施方式3中，高度传感器10的信号处理部13也可以被设置于激光加工装置30的控制部34。但是，需要留意同轴电缆12的电缆长度不会长于必要以上。

此外，从降低电阻并提高热传导率这一点出发，优选传感器喷嘴2、屏蔽喷嘴3或者导电部7是铜乃至铜系材料，但也可以是其他材料、例如铝系材料。

产业上的可利用性

本公开的静电电容式高度传感器能够简便并且可靠地判定有无与传感器电极连接的电缆的断线，在应用于激光加工装置等上有用。

-符号说明-

1激光加工喷嘴

2传感器喷嘴(第1喷嘴)

3屏蔽喷嘴(第2喷嘴)

4绝缘部件(第1绝缘部件)

5被加工物

6绝缘部件(第2绝缘部件)

7导电部

10静电电容式高度传感器

11传感器电极

12同轴电缆(电缆)

13信号处理部

14信号产生部

15信号检测部

16距离计算部

17断线判定部

30激光加工装置

31激光源

32光纤

33机器人臂

34控制部

35激光控制部

36机器人控制部

37位置控制部

t外部端子(信号检测端子)。