JP2005334926A

JP2005334926A - レーザ加工機におけるレーザ加工工具のノズルプリセッタ

Info

Publication number: JP2005334926A
Application number: JP2004155948A
Authority: JP
Inventors: Tsunehiko Yamazaki; 恒彦山崎; Naotomi Miyagawa; 直臣宮川
Original assignee: Yamazaki Mazak Corp
Current assignee: Yamazaki Mazak Corp
Priority date: 2004-05-26
Filing date: 2004-05-26
Publication date: 2005-12-08
Also published as: CN1701897A; US7345257B2; CN100441359C; US20050263509A1; EP1600248A3; EP1600248A2

Abstract

【課題】レーザ加工機に装備される加工工具のノズルの位置調整を機外で行う装置を提供する。
【解決手段】ノズルプリセッタは、レーザ加工工具６０が着脱自在にセットされるベース９１０と、このベースの上部に装備されてレーザビームに替えて光線を照射する代替ビーム源９２０と、前記レーザ加工工具の本体に対して位置調整手段を介して取り付けられるノズル支持部材６６０と、このノズル支持部材に着脱自在に装着されるターゲット部材９３０と、ターゲット部材の中心に設けられる小径穴９３２に対向して設けられる受光素子９４０と、受光素子の出力電圧を増幅するアンプと、アンプの出力を表示する告知手段からなる。
【選択図】図１３

Description

本発明は、レーザ加工機に交換自在に装着された加工工具において、加工レンズで絞られた光軸中心とノズル中心とをレーザ加工機の機外で予め一致させることによって、レーザ加工機の生産性の向上と安全性の向上を実現することが出来るレーザ加工機におけるレーザ加工工具のノズルプリセッタに関する。

従来、レーザ加工機は、レーザ発振器から出力されたレーザビームを加工レンズまで導き、加工レンズの焦点位置に絞り込み、その近傍に設置された被加工物を瞬時に気化、及び溶融させることによって実行される。
また、レーザ加工機は、上記レーザビームと共に被加工物の酸化反応及び溶融された被加工物を急速に排出させるためのアシストガスを必要とし、その酸化反応と溶融被加工物の排出を効率よく実施するためにアシストガスを適切な流束径と適切な流速を実現するための加工ノズルを必要とする。
上記の機能を有するレーザ加工工具（以下、「加工工具」ともいう）において、レーザ加工を安定、且つ、高速高精度に実施する為には、前記光軸中心とノズル中心とを正確に一致させ、それを維持させる必要がある。

加工レンズは、被加工物の近傍に位置するため、常に被加工物の気化、あるいは、溶融した微細物体及びレンズ設置環境に起因する要因によって表面に汚れが付着し加工レンズの透過率の低下させることによってレーザビームが加工レンズ内に熱となって蓄積され、その結果、加工レンズの幾何学的形状を変化させ、加工精度の低下等を引き起こし、更には加工レンズの破損等加工不能となる。
従って、加工レンズは消耗品であり、適宜交換する必要がある。
しかしながら、加工レンズの幾何学的な形状は、製作上の理由によってかなり大きな誤差を含む為、光軸中心とノズル中心とが一致することはなく、加工レンズを交換する都度手動にて光軸中心とノズル中心を一致させる必要がある。

さらに、光軸中心とノズル中心を一致させるには、レーザ加工機に加工工具を装着した状態において、レーザ加工作業を中断し、ノズル先端にターゲットを付着し、レーザ発振器からの低出力のレーザビームを短時間照射し、ターゲット上に残されたビームによる焼痕に対して、ノズルの複数の調整ネジを手動にて調整することにより加工ノズルを水平方向に移動させ、ビーム焼痕とノズル中心を一致させていた。

また、ベンダミラーに角度調整可能なミラーホルダを取付け、光軸中心とノズル中心を合わせる芯出し方法が知られている（特許文献１参照）。
さらに、集光レンズ上方に、角度調整可能なオプティカルフラットを取付け、集光レンズ下方に、アシストガス噴射口及びワークの加工穴を観察できる反射鏡を取付け、反射鏡を介して撮像するＣＣＤカメラによって、オプティカルフラットにより光軸中心とノズル中心を合わせる芯出し方法が知られている（特許文献２参照）。
特開２００３−１７０２８７号公報特開２００３−２２５２８７号公報

光軸中心とノズル中心を一致させる作業を機械上にて行う必要があったため、加工作業を一時中断する必要があり、生産性を著しく低下させると共に、ターゲットに残された焼痕とノズル中心とを必要十分に一致させる作業には熟練を必要とした。
加工レンズの不良による加工レンズの交換は、いつ必要となるかを予め推測が出来ず、常に人手に頼ることになり、長時間無人化運転は、不可能であった。
また、ターゲットに照射されるレーザビームは、加工用のレーザ発振器から出力される強力なものであり、ノズル近傍に目を近づける必要のある作業は危険を伴うものであった。
本発明は以上の問題を解決するレーザ加工機におけるレーザ加工のノズルプリセッタを提供するものである。

本発明のレーザ加工機に交換自在に装着される加工工具を機外で調整するプリセッタは、基本的手段として、加工工具が着脱自在に装着されるベースと、ベースの上部に装備されてレーザビームに替えて光線を照射する代替ビーム源と、加工工具の本体に対して位置調整手段を介して取付けられるノズル支持部材と、ノズル支持部材に着脱自在に装着されるターゲット部材と、ターゲット部材の中心に設けられる小径穴に対向して設けられる受光素子と、受光素子の出力電圧を増幅するアンプと、アンプの出力を表示する告知手段を備える。
また、ノズル支持部材の位置調整手段は、加工工具本体の外周部に等間隔に設けられる４本の調整ネジであり、代替ビーム源は受光素子である。
次に、レーザ加工機は、ベッドと、ベッド上に配設されてワークを支持するパレットと、ベッドの長手方向の軸線であるＸ軸に沿って移動制御されるコラムと、コラムに支持されてＸ軸に直交するＹ軸に沿って移動制御されるサドルと、サドルに支持されてＸ軸とＹ軸が形成する平面に対して垂直なＺ軸に沿って移動制御される加工ヘッドと、加工エリアの外側に用意される自動工具交換位置に配設されるレーザ加工工具のツールチェンジマガジンを備え、レーザ加工工具は、集光レンズを含む光学系の手段を備えるトーチと、トーチの先端に交換自在に装着されるノズルを備えるものである。

本発明は、光軸中心とノズル中心との一致作業を、レーザ加工機の機外でプリセットすることにより、実行可能なため、加工作業を中断する必要が無く生産性が大幅に向上する。
レーザ加工工具の準備が機外で可能なため、レーザ加工工具をレーザ加工機とノズルプリセッタとの間で、交換後直ちに加工が可能となり生産性が大幅に向上する。
予め必要な数量の加工工具の準備が可能となるため、加工材質、及び板厚の変化に迅速に対応可能となり、多品種一品生産での生産性が大幅に向上する。
予め加工工具の準備が可能なため、自動加工工具交換装置の運営が可能となり、長時間無人化運転が可能となる。
光軸中心とノズル中心との一致作業に熟練が不要となり、非熟練者でも容易に可能となる。
低出力で安全な代替光源の採用により作業者が危険を伴うことなく作業が可能となる。
ノズルプリセッタは、手動にて移動自在で卓上型であるため、作業の自由度が増すと共に、作業者に無理な負担をかけることがない。

図１は、本発明を適用するレーザ加工機の全体構成を示す斜視図、図２は平面図、図３は正面図、図４は要部の斜視図、図５は側面図である。
全体を符号１で示すレーザ加工機は、ベッド１０上に配設されるパレット（テーブル）２０を有し、板状のワークＷ_１が載置される。ベッド１０の長手方向の延長線上にはパレット交換装置１２が配置され、次加工用のワークＷ_２を載置したパレット２０ａが用意されている。

ベッド１０上の両側には、長手方向に沿って一対のガイドレール３４が取付けられており、ガイドレール３４上には、コラム３０がＸ軸方向に移動自在に装備される。

コラム３０のＸ軸上の駆動手段は、例えば、リニアモータが使用されており、ガイドレール３４に設けた固定子と直動ガイド３２に設けた移動子との間でリニアモータが形成される。

コラム３０には、Ｘ軸に直交するＹ軸に沿ってガイドレール４４が設けてあり、サドル４０がＹ軸上で移動自在に装備される。サドル４０は、ガイドレール４４に係合する直動ガイド４２を備え、ガイドレール４４と直動ガイド４２との間でリニアモータが形成される。

サドル４０は、Ｘ軸、Ｙ軸が形成する平面に垂直なＺ軸方向にガイドレールが設けあり、加工ヘッド５０がＺ軸に沿って移動自在に装備される。加工ヘッド５０は、レーザ発振装置７２から送られてくるレーザ光が導入される光学系を備える。

加工ヘッド５０には、レーザ加工工具６０が交換自在に装備される。加工エリアは、カバー９０で覆われ、安全が確保される。ベッド１０に隣接して強電盤７０やレーザ発振装置７２が配設される。オペレータが様々な駆動を指示する操作盤８０は、ベッド１０上の長手方向の端部に配設される。ベッド１０上の操作盤８０に近い方の端部には、レーザ加工工具の段取りステーション１００が装備される。

図６は、レーザ加工工具の段取りステーション１００をテーブル側からみた正面図、図７は平面図である。
レーザ加工工具の段取りステーション１００は、トーチとノズルを備えたレーザ加工工具のツールチェンジマガジンを備えた工具ステーション２００とレーザ加工工具のノズルのノズルチェンジマガジンを備えたノズルステーション３００を備える。

本発明は、上述したレーザ加工機に利用されるレーザ加工工具のノズルプリセッタを提供するものである。
図８は、レーザ加工機におけるレーザビームの焦点位置調整の原理を示す説明図である。
レーザ加工機の加工ヘッド５０に取付けられるレーザ加工工具６０は、トーチ部材６１とノズル部材６５により構成される。
トーチ部材６１は、トーチ部材本体６１０を有し、内部に加工レンズ６２０が装備される。

トーチ部材６１の先端には、ノズル取付部材６６０が取付けられる。このノズル取付部材６６０は、トーチ部材本体６１０に螺合する。４本の調整ネジ６７０により軸線位置を調整することができる。このノズル取付部材６６０に対して、ノズル部材６５が取付けられる。ノズル部材６５は、本体６５０にノズル穴６５２が設けてあり、取付手段６５４によりノズル取付部材６６０に対して着脱される。
加工レンズ６２０で集光されたレーザビームは、焦点ＢＣを形成する。この焦点ＢＣがレーザ加工機の機械中心ＭＣに一致することが望ましい。

しかしながら、図９に示すように、トーチ部材本体６１０内に装備される加工レンズ６２０は、レンズ自体の光学的な誤差や、レンズの取付誤差等により、その焦点ＢＣが必ずしも機械中心ＭＣに一致しない場合が多い。

図１０は、従来のノズルの中心位置の調整手段を示す説明図である。
従来は、レーザ加工機の加工ヘッド５０に装着されたレーザ加工工具６０のノズル本体６５０のノズル穴６５２の出口部に紙等でつくられたターゲットＴＧを貼りつけて、微弱なレーザビームを照射させる。
ターゲットＴＧ上には、ビーム焦点ＢＣによるマークが形成される。このマークの位置をみて、オペレータは、４本の調整ネジ６７０を調整して、ノズル取付部材６６０の機械中心ＭＣを焦点ＢＣの位置に一致させる作業を行っている。
しかしながら、この作業は実機上で行われるので、その間はレーザ加工は中断される。

本発明のレーザ加工機にあっては、複数本の交換用のレーザ加工工具が用意される。
そこでこのレーザ加工工具におけるノズルの位置調整を機外で実施する装置を提供するものである。

図１１は、本発明のノズルプリセッタの構成を示す説明図である。
全体を符号９００で示すノズルプリセッタは、ベース９１０を有し、ベース９１０の上部にはレーザ加工工具６０を着脱自在に支持する支持部９１２を備える。
支持部９１２の上部の中心位置には代替ビーム源９２０が取付けられる。この代替ビーム源９２０は、レーザ発振器に替えて、例えば、ＬＥＤまたは半導体レーザ等の発光源が利用される。

ノズルプリセッタ９００のベース９１０に取付けられるレーザ加工工具６０は、トーチ部材６１の本体６１０とノズル部を支持するための支持部材６６０を有する。支持部材６６０には、取付手段６５４を介して、ターゲット部材９３０が着脱自在に取付けられる。このターゲット部材９３０は、中心穴９３２を有し、中心穴９３２の直下に受光素子９４０が取付けられる。受光素子９４０は、代替ビーム９２０のビームが加工レンズ６２０により集光されてターゲット９３０の中心穴９３２を通過して受光素子９４０に達する光量を検知する。
受光素子９４０は、光を電圧に変換してアンプ９５０に送り、アンプ９５０の出力は、告知手段９６０へ送られる。

図１４は、受光素子９４０が受ける光線の強度Ｑと電圧Ｖの関係を示す。

図１２は、本発明のノズルプリセッタ９００に調整前のレーザ加工工具６０を
取付けた状態を示す。
代替ビーム９２０の光は、加工レンズ６２０で集光されて、ターゲット部材９３０上に焦点ＢＣを形成する。
この状態では、ターゲット部材９３０中心穴９３２を通過する光量は小さく受光素子９４０が発生させる電圧も低く、図１４の閾値に達しない。

そこで、図１３に示すように、オペレータは４本の調整ネジ６７０を操作して、ノズル取付部材６６０の軸線位置を変更する。集光されたビームがターゲット部材９３０の中心穴９３２を通過すると、受光素子９４０の出力電圧が上昇する。告知手段は、この電圧が閾値以上になると、これをライトの点灯等によりオペレータに告知する。
オペレータは、この告知により、ノズル取付部材６６０の中心位置が、トーチ部材６１０に取付けられた加工レンズ６２０の光軸に合致したことを知り、調整を完了する。

上述した作業により、機外で予めセットされたレーザ加工工具にあっては、ノズル取付部材６６０にターゲット部材９３０にかえて、加工用のノズルを装着した場合に、トーチ部材６１固有の加工レンズ６２０の光軸に合わせてノズルが装着される。

したがって、加工ヘッド５０に対して任意のレーザ加工工具を交換して取付けたときにも、常に所定のレーザビームの出力を得ることができ、良好な加工を継続することができる。
また、このレーザ加工工具のプリセットは、機外で、また、オフラインで実行されるために、安全性も確保され、また、生産性も向上する。

なお、上述した実施例にあっては、Ｘ軸とＹ軸上の駆動手段には、リニアモータの例を説明したが、ボールねじを用いても本発明を適用することができる。

本発明のレーザ加工機の全体の斜視図。本発明のレーザ加工機の平面図。本発明のレーザ加工機の要部の正面図。本発明のレーザ加工機の要部の斜視図。本発明のレーザ加工機の要部の側面図。レーザ加工工具の段取りステーションの正面図。レーザ加工工具の段取りステーションの平面図。レーザ加工機におけるレーザビームの焦点位置調整の原理を示す説明図。加工レンズの誤差による焦点位置の変動を示す説明図。従来のノズルの調整手段を示す説明図。本発明のノズルプリセッタの構成を示す説明図。本発明のノズルプリセッタの作用を示す説明図。本発明のノズルプリセッタの作用を示す説明図。受光素子が受ける光線の強度と電圧の関係を示す図。

符号の説明

１レーザ加工機
１０ベッド
２０パレット
３０コラム
４０サドル
５０加工ヘッド
６０レーザ加工工具
７０強電盤
７２レーザ発振装置
８０制御盤
９０カバー
１００レーザ加工工具の段取りステーション
２００レーザ加工機の工具ステーション
２２０マガジン
２３０ホルダ
２５０シリンダ
３００レーザ加工機のノズルステーション
６２０加工レンズ
９００ノズルプリセッタ
９１０ベース
９２０代替ビーム源
９３０ターゲット部材
９４０受光素子

Claims

レーザ加工機に交換自在に装着される加工工具を機外で調整するプリセッタであって、
加工工具が着脱自在に装着されるベースと、ベースの上部に装備されてレーザビームに替えて光線を照射する代替ビーム源と、加工工具の本体に対して位置調整手段を介して取付けられるノズル支持部材と、ノズル支持部材に着脱自在に装着されるターゲット部材と、ターゲット部材の中心に設けられる小径穴に対向して設けられる受光素子と、受光素子の出力電圧を増幅するアンプと、アンプの出力を表示する告知手段を備えるレーザ加工機におけるレーザ加工工具のノズルプリセッタ。
ノズル支持部材の位置調整手段は、加工工具本体の外周部に等間隔に設けられる４本の調整ネジである請求項１記載のレーザ加工機におけるレーザ加工工具のノズルプリセッタ。
代替ビーム源は受光素子である請求項１記載のレーザ加工機におけるレーザ加工工具のノズルプリセッタ。
レーザ加工機は、ベッドと、ベッド上に配設されてワークを支持するパレットと、ベッドの長手方向の軸線であるＸ軸に沿って移動制御されるコラムと、コラムに支持されてＸ軸に直交するＹ軸に沿って移動制御されるサドルと、サドルに支持されてＸ軸とＹ軸が形成する平面に対して垂直なＺ軸に沿って移動制御される加工ヘッドと、加工エリアの外側に用意される自動工具交換位置に配設されるレーザ加工工具のツールチェンジマガジンを備える請求項１記載のレーザ加工機におけるレーザ加工工具のノズルプリセッタ。
レーザ加工工具は、集光レンズを含む光学系の手段を備えるトーチと、トーチの先端に交換自在に装着されるノズルを備える請求項１記載のレーザ加工機におけるレーザ加工工具のノズルプリセッタ。