CN103534056B

CN103534056B - 激光加工机

Info

Publication number: CN103534056B
Application number: CN201280023543.4A
Authority: CN
Inventors: 松本圭太
Original assignee: Murata Machinery Ltd
Current assignee: Murata Machinery Ltd
Priority date: 2011-05-19
Filing date: 2012-04-04
Publication date: 2016-01-13
Anticipated expiration: 2032-04-04
Also published as: US9520693B2; WO2012157355A1; CN103534056A; EP2711121A1; US20140072003A1; EP2711121B1; EP2711121A4; JP5673813B2; JPWO2012157355A1

Abstract

本发明提供一种激光加工机，其具备将从传送用光纤（5）的出射点（P）射出的来自激光振荡器（1）的激光束（LB）变成平行光束的准直透镜（7）、将已成为平行光束的激光束（LB）聚光并照射至被加工物（W）的聚光透镜（8）、以及比聚光透镜（8）位于更靠近被加工物W侧的喷嘴（9）。从出射点（P）到喷嘴（9）的前端的距离不变。在与光轴方向正交的正交方向上错开设置多个准直透镜（7）。设置对各个准直透镜（7）的上述正交方向的位置进行切换的切换装置（10），以使多个准直透镜（7）的任意一个的透镜中心与从出射点（P）射出的激光束（LB）的中心（O）一致。多个准直透镜（7）的焦点距离相互不同。

Description

激光加工机

本申请主张2011年5月19日申请的日本特愿2011-112131的优先权，并且作为通过参照其整体而形成本申请的一部分来进行引用。

技术领域

本发明涉及用于钣金加工等的激光加工机，尤其涉及能够改变入射至激光加工机中的聚光透镜的光束直径的技术。

背景技术

光纤导光式的激光加工机基本上为图7所示的结构。即，从激光振荡器输出的激光束LB经由传送用光纤5从出射点P射出，并且经由准直透镜7入射到聚光透镜8，并照射至被加工物W。对于激光束LB而言，因光束直径越小的部分能量密度越高，所以利用成为最小光束直径的焦点位置（加工点）Q的周边来加工被加工物W。在来自出射点P的激光束LB的发散角相同的情况下，焦点位置Q中的光束直径即光斑直径S1、S2（图8（A）、（B））以及针对光斑直径S1、S2的瑞利长度R1、R2（图8（A）、（B））由入射至聚光透镜8的激光束LB的直径（以下，称为入射光束直径）D来决定。瑞利长度R1、R2是相对于最小的光斑直径S1、S2的半径而成为倍左右的光轴方向的距离，并且优选在该范围内加工被加工物W。

图8（A）、（B）是表示入射光束直径与光斑直径、瑞利长度的关系的图。如图8（A）所示，若入射光束直径D1较大，则光斑直径S1较小且瑞利长度R1较短。与此相反，如图8（B）所示，若入射光束直径D2较小，则光斑直径S2较大且瑞利长度R2较长。因此，对于板厚较薄的金属板，增大入射光束直径，以高能量密度进行高效的加工；对于板厚较厚的金属板，通过缩小入射光束直径，能量密度虽然低，但即使相对于板厚较厚的金属板，也能够在较长的瑞利长度R2的范围内进行加工。

以往，作为改变入射光束直径的方法，有以下的方法。

一种方法是：在将二氧化碳激光振荡器设为激光光源的激光加工机中，在从振荡器至聚光透镜的激光束传送光路内，设置与多枚传送用反射镜不同的曲率可变反射镜，并且通过使该曲率可变反射镜的曲率变化，来改变入射至聚光透镜的激光束的直径（例如专利文献1）。

另一种方法是：在出射点和聚光透镜之间夹设准直透镜，并且通过使该准直透镜沿光轴方向移动，来改变入射至聚光透镜的激光束的直径（例如专利文献2）。另外，准直透镜原本是用于将从出射点发散并射出的激光束变成平行光束的透镜。

专利文献1：日本特开2000-084689号公报

专利文献2：日本特开2009-226473号公报

对于使用上述的曲率可变反射镜的方法而言，通过向不是曲率可变反射镜的反射面的背面侧施加压力而使凹凸形状变化，来使曲率可变反射镜的曲率变化。为了使曲率可变反射镜变化成所期望的凹凸形状，压力控制变得非常复杂，而且监视作用于曲率可变反射镜的各部分的压力是很困难的。

另外，对于使准直透镜沿光轴方向移动的方法而言，利用准直透镜并非使从出射点发散并射出的激光束变成平行光束，而是使其较大地聚光或者发散来改变入射光束直径。因此，伴随着入射光束直径的变化从出射点至焦点位置的距离也发生变化，并且比聚光透镜更靠近被加工物侧的喷嘴与被加工物之间的位置调整变得复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有从出射点至喷嘴的前端为止的距离不变的结构、且以简单的结构就能进行焦点位置上的光斑直径和瑞利长度的改变的激光加工机。

标记在实施方式中所使用的符号来对本发明的激光加工机进行说明。本发明的激光加工机具备将从传送用光纤（5）的出射点（P）射出的来自激光振荡器（1）的激光束（LB）变成平行光束的准直透镜（7A、7B）、将已成为平行光束的激光束（LB）聚光并照射至被加工物（W）的聚光透镜（8）、比该聚光透镜（8）位于更靠近被加工物（W）侧且喷出辅助气体的喷嘴（9），并且从上述出射点（P）至上述喷嘴（9）的前端的距离不变。在这种结构的激光加工机中，在与光轴方向正交的正交方向上错开设置多个上述准直透镜（7A、7B）；设置切换装置（10），该切换装置（10）对各个准直透镜（7A、7B）的上述正交方向的位置进行切换，以使对于多个准直透镜（7A、7B）中的任意一个的透镜中心与从上述出射点（P）射出的激光束（LB）的中心（O）一致；多个准直透镜（7A、7B）的焦点距离相互不同。切换装置（10）的驱动可以手动进行也可以自动进行。

根据该结构，通过准直透镜（7A、7B）将从出射点（P）发散并射出的激光束（LB）变成平行光束，然后该平行光束的激光束（LB）由聚光透镜（8）聚光并照射至被加工物（W）。通过由切换装置（10）切换各个准直透镜（7A、7B）的位置而改变平行光束的光束直径，来改变光斑直径（S1、S2）和瑞利长度（R1、R2）。

在像现有的专利文献2那样使1个准直透镜沿光轴方向移动中，从准直透镜出来的激光束不能成为平行光束，为了将焦点位置保持在相同的位置，需要随着准直透镜的位置调整来修正聚光透镜的位置，并且用于该修正的机构是必需的，因而结构变得复杂。或者用于该修正的调整很麻烦。然而，在本结构中，交换使用焦点距离不同的多个准直透镜（7A、7B），交换后从准直透镜（7A、7B）射出的激光束（LB）也为平行光束，通过改变从准直透镜（7A、7B）射出的激光束（LB）的光束直径，来进行焦点位置（Q）上的光斑直径（S1、S2）和瑞利长度（R1、R2）的改变。因此，因为仅进行多个准直透镜（7A、7B）的切换，所以不进行聚光透镜（8）的位置调整，就能进行焦点位置（Q）上的光斑直径（S1、S2）和瑞利长度（R1、R2）的改变。

另外，不改变从出射点（P）至喷嘴（9）的前端的距离，就能进行焦点位置（Q）上的光斑直径（S1、S2）和瑞利长度（R1、R2）的改变。因此，结构变得简单。像这样，既具有从出射点（P）至喷嘴（9）的前端的距离不变的结构，又能够以简单的结构来进行焦点位置（Q）上的光斑直径（S1、S2）和瑞利长度（R1、R2）的改变。

在本发明中，还可以具备：使加工条件与上述多个准直透镜（7A、7B）中的被决定的一个相互对照地进行存储的存储单元（23）；通过与上述存储单元（23）进行核对来选择符合上述加工条件的准直透镜（7A、7B）的选择单元（24）；控制上述切换装置（10）的驱动源（13）以使由该选择单元（24）选择的准直透镜（7A、7B）位于将从上述出射点（P）射出的激光束（LB）变成平行光束的位置的切换控制单元（25）。

根据该结构，选择单元（24）与存储单元（23）核对与加工条件相关的信息，来选择符合加工条件的准直透镜（7A、7B）。然后，由切换控制单元（25）控制切换装置（10）的驱动源（13），以使被选择的准直透镜（7A、7B）位于将从出射点（P）射出的激光束（LB）变成平行光束的位置。由此，能够自动地进行与加工条件相适应的准直透镜（7A、7B）的选择。

在本发明中，还可以具备：对通过上述切换装置（10）切换上述正交方向的位置而被配置在激光束（LB）的光轴上的准直透镜（7A、7B）的上述正交方向的位置进行检测的检测单元（14A、14B）；在由该检测单元（14A、14B）检测出的准直透镜（7A、7B）的透镜中心位于与从上述出射点（P）射出的激光束（LB）的中心（O）的位置不一致的位置的情况下，采取被决定的紧急应对措施的紧急应对单元（26）。紧急应对措施例如是发出警报、停止运转、再次进行准直透镜（7A、7B）的切换动作等。

由此，在准直透镜（7A、7B）的位置不合适的情况下，能够采取例如发出警报、停止运转、再次进行准直透镜（7A、7B）的切换动作等的紧急应对措施。

在本发明中，优选还具备：使上述聚光透镜（8）沿上述激光束（LB）的光轴方向移动来改变上述激光束（LB）的焦点位置（Q）的焦点位置变更机构（15）。根据该结构，因为无论是聚光透镜（8）还是准直透镜（7A、7B），动作方向都是单方向，所以使聚光透镜（8）动作的焦点位置变更机构（15）及使准直透镜（7A、7B）动作的切换装置（10）的结构简单。

在本发明中，优选为：还具有保持上述多个准直透镜（7）的透镜保持器（11）；并且上述切换装置（10）通过使上述透镜保持器（11）沿上述正交方向移动，切换上述正交方向的位置。

在在本发明中，优选为：还具有保持上述多个准直透镜（7）的透镜保持器（11）；上述切换装置（10）通过使上述透镜保持器（11）绕与上述光轴方向平行的旋转轴心（32a）旋转，来切换上述正交方向的位置。

技术方案和/或说明书和/或附图所公布的至少2种结构的任意的组合都包含在本发明中。尤其是技术方案中的各项技术方案的2项以上的任意的组合都包含在本发明中。

附图说明

本发明从参考了添加附图的以下的优选实施方式的说明中能够被更加明了地理解。然而，实施方式和附图仅用于图示和说明，并不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由添加的技术方案来确定。在添加的附图中，多个附图中的相同的部件标号表示相同或者相当的部分。

图1是本发明的第1实施方式所涉及的激光加工机的示意结构图中添加了控制系统的方框图的图。

图2（A）是表示该激光加工机的切换机构的一种状态的水平截面图，图2（B）是表示不同状态的水平截面图。

图3是表示该激光加工机的光学系统的图，其中（A）和（B）表示平行光束的光束直径相互不同的状态。

图4是对由平行光束的光束直径的不同而造成的光斑直径和瑞利长度的不同进行比较的说明图，其中（A）表示光束直径较大的状态，（B）表示光束直径较小的状态。

图5是本发明的第2实施方式所涉及的激光加工机的示意结构图。

图6是该激光加工机的切换机构的水平截面图。

图7是表示现有的激光加工机的光学系统的图。

图8是对由平行光束的光束直径的不同而造成的光斑直径和瑞利长度的不同进行比较的说明图，其中（A）表示光束直径较大的状态，（B）表示光束直径较小的状态。

具体实施方式

参照图1～图4对本发明的第1实施方式进行说明。如图1所示，该激光加工机具备激光振荡器1、加工机头2以及控制装置3。

激光振荡器1例如由固体激光振荡器构成，被振荡了的激光经由传送用光纤5传送至设置在加工机头2上的出射部件6。激光振荡器1也可以是半导体激光振荡器。

加工机头2具备：上述出射部件6；将从该出射部件6的出射点P发散并射出的激光束LB变成平行光束的准直透镜7；以及将成为平行光束后的激光束LB聚光并照射至被加工物W的聚光透镜8。出射部件6是位于传送用光纤5的前端的部件，出射部件6的出射点P成为传送用光纤5的出射点。在加工机头2的下端设置有用于吹跑被激光束LB熔化了的金属的高速流动气体、即喷出辅助气体的喷嘴9。作为辅助气体例如使用氧气、氮气、氩气。喷嘴9位于聚光透镜8的下方、即被加工物W侧。另外，出射部件6并不一定是必须的，有时也存在被省略的情况。

为了改变平行光束的光束直径，而设置多个焦点距离相互不同的准直透镜7，在本实施方式中设置有2个。第1和第2准直透镜7A、7B在与激光束LB的光轴正交的方向（X轴向）上相互错开配置，它们各自的光轴方向（Z轴向）的位置被设置于在使其中心与激光束LB的中心O一致的情况下将从出射点P射出的激光束LB变成平行光束的位置。

第1和第2准直透镜7A、7B由切换装置10在X轴方向进行位置切换。如图2（A）、（B）所示，切换装置10由安装有第1和第2准直透镜7A、7B的通用的透镜保持器11、沿X轴向引导该透镜保持器11的一对X轴轨道12、使透镜保持器11沿与Z轴向正交的X轴方向进退的切换驱动源13构成。切换驱动源13例如为气缸。如图2（A）所示，若使作为气缸的切换驱动源13做伸长动作，则焦点距离较长的第1准直透镜7A的中心与激光束LB的中心O一致，如图2（B）所示，若使切换驱动源13做收缩动作，则焦点距离较短的第2准直透镜7B的中心与激光束LB的中心O一致。

在透镜保持器11的移动范围的两端设置有用于检测第1和第2准直透镜7A、7B的位置的、由接近开关等构成的一对检测单元14A、14B。当第1准直透镜7A的中心与激光束LB的中心O一致时，一个检测单元14A检测出透镜保持器11而变为开（ON）；当第2准直透镜7B的中心与激光束LB的中心O一致时，另一个检测单元14B检测出透镜保持器11而变为开（ON）。第1和第2准直透镜7A、7B的位置也可以用线性标尺等来测出。

存在由于激光振荡器1的个体差而造成的在激光束LB的特性上产生若干差异的情况。另外，在第1和第2准直透镜7A、7B中，存在由个体差而造成的曲率等的差异。由于这些差异，后述的焦点位置Q会产生若干偏差。为了修正该焦点位置Q的偏差，期望设置对第1和第2准直透镜7A、7B的光轴方向（Z轴向）的位置以及与光轴方向正交的平面（X-Y平面）中的位置进行微调整的微调整机构。可以是仅能够微调整Z轴向的位置，也可以是仅能够微调整X-Y平面中的位置。微调整机构例如设为分别单独地将第1和第2准直透镜7A、7B安装到2个透镜安装部件（未图示）、且相对于透镜保持器11用螺丝机构等对各个透镜安装部件进行微调整的结构。

另外，如图1所示，在加工机头2中设置有使聚光透镜8沿激光束LB的光轴方向（Z轴向）移动来改变激光束LB的焦点位置Q的焦点位置变更机构15。焦点位置变更机构15由安装有聚光透镜8的透镜保持器16、沿Z轴向引导该透镜保持器16的一对Z轴轨道17以及使透镜保持器16沿Z轴向进退的进退驱动源18构成。进退驱动源18例如为伺服电机。

在图1中，控制装置3具有：对加工机头2的移动和激光振荡器1的输出进行控制的基本动作控制部20；对焦点位置变更机构15的进退驱动源18进行控制的焦点位置变更控制部21；对切换装置10的切换驱动源13进行控制的准直透镜切换控制部22。并且，准直透镜切换控制部22具有：存储单元23、选择单元24、切换控制单元25以及紧急应对单元26。

上述存储单元23使加工条件与第1和第2准直透镜7A、7B中的被确定的一个相互对照并进行存储。加工条件是被加工物W的材料、板厚等。

上述选择单元24通过与上述存储单元23对照关于加工条件的信息来选择符合加工条件的第1准直透镜7A（或者第2准直透镜7B）。关于加工条件的信息可以是从外部提供的信息，或者也可以是从上述基本动作控制部20提供的信息。

上述切换控制单元25向切换装置10的驱动源13发出输出命令，以使由上述选择单元24选择的第1准直透镜7A（或者第2准直透镜7B）位于将从传送用光纤5的出射点P射出的激光束LB变成平行光束的位置、也就是使第1准直透镜7A（或者第2准直透镜7B）的中心与激光束LB的中心O一致。

在由上述检测单元14A、14B检测出的第1准直透镜7A（或者第2准直透镜7B）的位置未位于将从出射点P射出的激光束LB变成平行光束的位置的情况下，上述紧急应对单元26采取指定的紧急应对措施。在该实施方式中，作为紧急应对措施，向警报器27进行输出从而使其发出警报。另外，也可以采取停止激光加工机的运转、再次进行第1和第2准直透镜7A、7B的切换动作等紧急应对措施。

该结构的激光加工机，通过第1准直透镜7A（或者第2准直透镜7B）将从出射点P发散并射出的激光束LB变成平行光束，然后该平行光束的激光束LB由聚光透镜8聚光并照射至被加工物W。通过由焦点位置变更机构15使聚光透镜8的位置沿激光束LB的光轴方向（Z轴向）移动，来改变激光束LB的焦点位置Q。

另外，通过由切换装置10对第1和第2准直透镜7A、7B的位置进行相互切换来如图3（A）、（B）所示那样改变平行光束的光束直径D1、D2，从而改变光斑直径和瑞利长度。如使用了第1准直透镜7A的图4（A）所示，在平行光束的光束直径D1较大的情况下，光斑直径S1变小且瑞利长度R1变短。与此相反，如使用了第2准直透镜7B的图4（B）所示，在平行光束的光束直径D2较小的情况下，光斑直径S2变大且瑞利长度R2变长。为了进行比较，将平行光束的光束直径较大的情况和较小的情况下的各个尺寸显示在表1中。

[表1]

这样，焦点位置Q的改变由使聚光透镜8沿光轴方向（Z轴向）移动来进行，光斑直径和瑞利长度的改变由在与光轴方向垂直的方向（X轴向）上对第1和第2准直透镜7A、7B进行位置切换来进行。即，对于聚光透镜8和第1和第2准直透镜7A、7B而言，动作方向都是单方向。因此，使聚光透镜8动作的焦点位置变更机构15、以及使第1和第2准直透镜7A、7B动作的切换装置10的结构都很简单。

另外，不是像上述的专利文献2那样，使从出射点P发散并射出的激光束LB在第1和第2准直透镜7A、7B处收敛或发散，而是将通过准直透镜7A、7B后的激光束LB变成平行光束，并且通过改变该光束直径来改变焦点位置Q上的光斑直径S1、S2和瑞利长度R1、R2。因此，用于改变上述光斑直径S1、S2和瑞利长度R1、R2的第1和第2准直透镜7A、7B的位置切换对从聚光透镜8射出的激光束LB的焦点位置Q不造成影响，伴随着第1和第2准直透镜7A、7B的位置切换的聚光透镜8的位置调整变得不需要。因此，以简单的结构就能进行焦点位置Q上的光斑直径S1、S2和瑞利长度R1、R2的改变。

图5和图6表示第2实施方式。与第1实施方式相比，该激光加工机的准直透镜7的数量和切换装置10的结构不同。其他的是与第1实施方式相同的结构。

为了改变平行光束的光束直径，该激光加工机具有焦点距离相互不同的4个第1、第2、第3和第4准直透镜7A、7B、7C、7D。第1～第4准直透镜7A～7D在圆周方向上等间隔地配置，并且各个的光轴方向（Z轴向）的位置被设置于在使其中心与激光束LB的中心O一致的情况下将从出射点P射出的激光束LB变成平行光束的位置。

切换装置10由安装有第1～第4准直透镜7A～7D且平面形状为圆形的透镜保持器31、与该透镜保持器31一体旋转且位于配置有第1～第4准直透镜7A～7D的圆周的中心的旋转轴32、以及使该旋转轴32旋转的电机等旋转驱动源33构成。旋转轴32的旋转轴心32a与光轴方向（Z轴向）平行。图6是表示第1准直透镜7A的中心与激光束LB的中心O一致的状态、即第1准直透镜7A位于将从出射点P射出的激光束LB变成平行光束的位置的状态。按照每使透镜保持器31从该状态向逆时针方向（箭头AR方向）旋转90°，第2、第3、第4准直透镜7B、7C、7D依次位于变成平行光束的位置的方式，来切换第1～第4准直透镜7A～7D的位置。

以上那样，边参照附图边对本发明的优选实施方式进行了说明，但在不脱离本发明的主旨的范围内，各种的添加、变更或删除都是可以的。例如，在上述第1和第2实施方式中，准直透镜7的数量虽然分别为2个和4个，但也可以设为3个或者5个以上。因此，这样的加工机也包含在本发明的范围内。

附图标记说明：

1…激光振荡器；5…传送用光纤；7、7A、7B、7C、7D…准直透镜；8…聚光透镜；9…喷嘴；10…切换装置；11…透镜保持器；14A、14B…检测单元；15…焦点位置变更机构；23…存储单元；24…选择单元；25…切换控制单元；26…紧急应对单元；32a…旋转轴心；LB…激光束；O…中心；P…出射点；Q…焦点位置；W…被加工物。

Claims

1.一种激光加工机，其具备将从传送用光纤的出射点射出的来自激光振荡器的激光束变成平行光束的准直透镜、将已成为平行光束的激光束聚光并照射至被加工物的聚光透镜、与该聚光透镜相比位于更靠近被加工物侧且喷出辅助气体的喷嘴、以及保持多个所述准直透镜的透镜保持器，并且从所述出射点到所述喷嘴的前端的距离不变，其中，

在与光轴方向正交的正交方向上错开设置多个所述准直透镜，

设置切换装置，该切换装置对各个准直透镜的所述正交方向的位置进行切换，以使多个准直透镜中的任意一个的透镜中心与从所述出射点射出的激光束的中心一致，

所述切换装置具有通过使所述透镜保持器移动来切换所述正交方向的位置的驱动源，多个准直透镜的焦点距离相互不同。

2.根据权利要求1所述的激光加工机，其中，还具备：

存储单元，其使加工条件与所述多个准直透镜中的被决定的一个相互对照地进行存储；

选择单元，其通过核对所述存储单元来选择符合所述加工条件的准直透镜；以及

切换控制单元，其控制所述切换装置的驱动源，以使由该选择单元选择的准直透镜位于将从所述出射点射出的激光束变成平行光束的位置。

3.根据权利要求1或2所述的激光加工机，其中，还具备：

检测单元，其对由所述切换装置切换所述正交方向的位置而被配置在激光束的光轴上的准直透镜的所述正交方向的位置进行检测；

紧急应对单元，其在由该检测单元检测出的准直透镜的透镜中心位于与从所述出射点射出的激光束的中心位置不一致的位置的情况下，采取被决定的紧急应对措施。

4.根据权利要求1或2所述的激光加工机，其中，还具备：

焦点位置变更机构，其使所述聚光透镜沿所述激光束的光轴方向移动来改变所述激光束的焦点位置。

5.根据权利要求1或2所述的激光加工机，其中，

所述切换装置通过使所述透镜保持器沿所述正交方向移动，来切换所述正交方向的位置。

6.根据权利要求1或2所述的激光加工机，其中，

所述切换装置通过使所述透镜保持器绕与所述光轴方向平行的旋转轴心旋转，来切换所述正交方向的位置。