CN110769968A - 激光加工机 - Google Patents

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Abstract

轮廓选择器(31)具有至少一个通过使入射的激光折射来变换光束轮廓的光束成形透镜，并射出具有从多个光束轮廓中选择的光束轮廓的激光。准直透镜(33)将入射的发散光的激光变换为准直光。聚焦透镜(36)使从准直透镜(33)射出的准直光聚焦并向加工对象的金属板(W)照射。移动机构(34)以减小从聚焦透镜(36)射出的聚焦光的伴随着利用轮廓选择器(31)进行的光束轮廓选择而发生的焦点位置的偏移的方式使准直透镜(33)沿光轴移动。

Description

激光加工机
技术领域
本公开涉及利用激光来加工金属板的激光加工机。
背景技术
利用从激光振荡器射出的激光对金属板进行切断或者焊接并对金属板施加标记来进行加工的激光加工机正在普及。激光加工机可采用各种激光振荡器。为了对板厚较薄的金属板高速地进行切断加工而优选采用例如光纤激光振荡器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特表2015－500571号公报
专利文献2:国际公开第2011/124671号
发明内容
激光加工机需要根据金属板的加工条件来适当地设定向金属板照射激光束的光束轮廓。专利文献1和专利文献2记载了一种激光加工机，其能够从多个光束轮廓中选择任意的光束轮廓来对金属板进行加工。
专利文献1和专利文献2所记载的用于选择光束轮廓的结构复杂而希望获得能够以简单廉价的结构来选择光束轮廓的激光加工机。
实施方式的目的是提供一种激光加工机，其能够以简单廉价的结构从多个光束轮廓中选择任意的光束轮廓来对金属板进行加工。
根据实施方式的一个方案，提供一种激光加工机，其特征在于，具备：轮廓选择器，其具有至少一个通过使入射的激光折射来变换光束轮廓的光束成形透镜，并射出具有从多个光束轮廓中选择的光束轮廓的激光；准直透镜，其将入射的发散光的激光变换为准直光；聚焦透镜，其使从所述准直透镜射出的准直光聚焦并向加工对象的金属板照射；以及移动机构，其以减小从所述聚焦透镜射出的聚焦光的伴随着利用所述轮廓选择器进行的光束轮廓选择而发生的焦点位置的偏移的方式使所述准直透镜沿光轴移动。
采用实施方式的激光加工机，能够以简单廉价的结构从多个光束轮廓中选择任意的光束轮廓来对金属板进行加工。
附图说明
图1是表示第一实施方式的激光加工机的整体的结构例的图。
图2是表示图1中的轮廓选择器31和旋转机构32的结构例的俯视图。
图3是表示轮廓选择器31所具备的光束成形透镜313(多面体透镜)的结构例的俯视图。
图4是表示轮廓选择器31所具备的光束成形透镜314(轴锥透镜)的结构例的侧视图。
图5是表示图1中的移动机构34的结构例的侧视图。
图6是表示在第一实施方式的激光加工机中将轮廓选择器31设定为光束成形透镜313位于激光的光轴上的状态的图。
图7是表示设定为光束成形透镜313位于激光的光轴上的状态的轮廓选择器31的俯视图。
图8是表示在第一实施方式的激光加工机中将轮廓选择器31设定为光束成形透镜314位于激光的光轴上的状态的图。
图9是表示设定为光束成形透镜314位于激光的光轴上的状态的轮廓选择器31的俯视图。
图10是表示第二实施方式的激光加工机的整体结构例的图。
图11是表示第三实施方式的激光加工机的整体结构例的图。
图12是表示第四实施方式的激光加工机的整体结构例的图。
图13是表示作为第一～第四实施方式的激光加工机的变形例的矩形状的轮廓选择器310的图。
具体实施方式
以下参照附图对第一～第四实施方式的激光加工机进行说明。在第一～第四实施方式的激光加工机中，有时对具有相同功能的部分标记相同符号而省略说明。
＜第一实施方式＞
在图1中，激光加工机100具备：生成激光并射出的激光振荡器10；使激光向加工对象的金属板W照射来加工金属板W的加工头30；以及使从激光振荡器10射出的激光向加工头30传输的工艺光纤20。另外，激光加工机100具备：操作部40、对激光振荡器10和加工头30进行控制的NC装置50。NC装置50是控制装置的一例。
作为激光振荡器10，优选：对从激光二极管发出的激励光进行放大并使预定波长的激光射出的激光振荡器、或者是直接利用从激光二极管发出的激光的激光振荡器。激光振荡器10例如是固体激光振荡器、光纤激光振荡器、圆盘激光振荡器、直接二极管激光振荡器(DDL振荡器)。
激光振荡器10如单点划线所示那样射出波长900nm～1100nm的1μm帯的激光。如果以光纤激光振荡器和DDL振荡器为例，则光纤激光振荡器射出波长1060nm～1080nm的激光，DDL振荡器射出波长910nm～950nm的激光。
加工头30具备：选择向金属板W照射的激光束的光束轮廓的轮廓选择器31；以及用于使轮廓选择器31旋转而从多个光束轮廓中选择任意的光束轮廓的旋转机构32。所谓光束轮廓是表示以剖面观察激光时的强度分布的特性。
从工艺光纤20的射出端20e射出的激光是发散光并向轮廓选择器31入射。如图1所示，从工艺光纤20射出的激光的光束轮廓是从周边部朝向中央部而强度急剧增大的高斯型。
从轮廓选择器31射出的激光向准直透镜33入射。准直透镜33使入射的发散光的激光平行光化而成为准直光。准直透镜33如后述那样构成为利用移动机构34在光轴方向上自由地移动。
从准直透镜33射出的准直光向偏转镜35入射。偏转镜35使入射激光的方向弯曲90度并向聚焦透镜36入射。聚焦透镜36使准直光聚焦而使得焦点位置成为金属板W的表面或者其附近来向金属板W照射聚焦光。
虽然省略了图示，加工头30构成为在与金属板W的表面离开预定距离的状态下沿着金属板W的表面自由地移动。
如图2所示，轮廓选择器31具备：不会使光束成形的圆形的玻璃板312；以及嵌入了两种圆形的光束成形透镜313和314的圆形的基底板311。基底板311例如是铝金属板。玻璃板312、光束成形透镜313和314的直径为10mm左右。
玻璃板312、光束成形透镜313和314以各自的圆中心位于一个圆周上的方式配置于基底板311。在基底板311的外周部形成有齿。
旋转机构32具备：与基底板311的齿啮合的齿轮321；以及通过使齿轮321旋转而使基底板311旋转的电动机322。通过使电动机322旋转而使基底板311以基底板311的中心为旋转轴进行旋转，能够选择性地使玻璃板312、光束成形透镜313和314的任一个位于激光的光轴上。
当玻璃板312位于激光的光轴上时，玻璃板312不会使光束成形，因此轮廓选择器31会直接射出高斯型的光束。图2中由单点划线的圆表示的LB示出了光束的剖面。也可以取代在基底板311上嵌入玻璃板312的方式而形成使光束直接通过的开口。
轮廓选择器31只要具有不对高斯型的激光进行光束成形而使其作为高斯型的激光射出的非光束成形部即可。玻璃板312或者开口是非光束成形部。虽然在图2中是轮廓选择器31具有两种光束成形透镜313和314，但是也可以仅采用任意一方。
图1示出了将轮廓选择器31设定为玻璃板312位于激光的光轴上的状态。因此，向金属板W照射高斯型的光束来加工金属板W。向金属板W照射的光束的焦点位置设定为轮廓选择器31在图1的状态下最适当的位置。
光束成形透镜313的一例是多面体透镜。如图3所示，作为多面体透镜的光束成形透镜313是在凸透镜的表面(激光的入射面)形成有多个六边形状的平面3130的透镜。光束成形透镜313不限于图3所示的形状，也可以构成为在凸透镜的表面具有多个四边形状的平面。光束成形透镜313只要是在激光的入射面形成有四边形以上的多边形的多个平面的多面体透镜即可。此外，多面体透镜是复眼透镜且只要在聚焦位置形成多个切面(小平面)状的光强度面即可。
光束成形透镜314的一例是轴锥透镜。如图4所示，作为轴锥透镜的光束成形透镜314是激光的入射面3141为平面且激光的射出面3142呈圆锥状的旋转对称棱镜。
图5示出了使准直透镜33在光轴方向上移动的移动机构34的概略结构的一例。移动机构34例如构成为具有滚珠丝杠。准直透镜33由以下部分进行保持，即：作为在内周面形成有内螺纹的螺母发挥功能的保持部343、以及供主轴345贯通的保持部344。螺纹轴341表面的外螺纹和保持部343的内螺纹经由滚珠啮合。通过使电动机342旋转而使准直透镜33沿着螺纹轴341和主轴345移动。
移动机构34只要是由齿轮、皮带、齿条小齿轮、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠等任一(或者它们任意的组合)、电动机等的驱动部构成即可。移动机构34的结构是任意的。
图6示出了轮廓选择器31如图7所示那样设定为光束成形透镜313位于激光的光轴上的状态。光束成形透镜313通过使入射的激光折射而将高斯型的光束变换为中央部呈平坦状的光束轮廓即顶帽型(平顶型)的光束。
由于当光束成形透镜313将高斯型的光束变换为顶帽型的光束时束径会扩大，因此当准直透镜33位于和图1相同的位置时，则向金属板W照射的激光的焦点位置会从图1中的焦点位置向上方移动。因此，NC装置50利用移动机构34使准直透镜33在与光轴平行的方向上向轮廓选择器31侧移动。
例如是NC装置50利用移动机构34使准直透镜33向轮廓选择器31侧移动，以使得束径缩小因光束成形透镜313而使束经扩大的量。通过这样而使得在图6中在与图1中的焦点位置相同的焦点位置向金属板W照射顶帽型的光束。
轮廓选择器31也可以在设定为光束成形透镜313位于激光的光轴上的状态下有意地使焦点位置与图1中的焦点位置不同。
移动机构34只要使准直透镜33沿着光轴移动而减小从聚焦透镜36射出的聚焦光的伴随着利用轮廓选择器31进行的光束轮廓选择而发生的焦点位置的偏移即可。
此外，如果将向金属板W照射的光束的焦点位置设定为轮廓选择器31在图6的状态下最适当的位置，并将轮廓选择器31切换为图1的状态，则焦点位置会从图6中的焦点位置向下方移动。该情况下，NC装置50只要利用移动机构34使准直透镜33向偏转镜35侧移动即可。
图8示出了轮廓选择器31如图9所示那样设定为光束成形透镜314位于激光的光轴上的状态。光束成形透镜314通过使入射的激光折射而将高斯型的光束变换为中央部的强度低且周边部的强度高的环状的光束轮廓即环型(环面型)的光束。
同样地，当光束成形透镜314使高斯型的光束变换为环型的光束时束径会扩大，因此当准直透镜33位于和图1相同的位置时，则向金属板W照射的激光的焦点位置会从图1中的焦点位置向上方移动。因此，NC装置50利用移动机构34使准直透镜33在与光轴平行的方向上向轮廓选择器31侧移动。
如图8所示，NC装置50只要使准直透镜33向轮廓选择器31侧移动而使束径缩小因光束成形透镜314而使束径扩大的量即可，并在与图1中的焦点位置相同的焦点位置向金属板W照射环型的光束。
轮廓选择器31也可以在设定为光束成形透镜314位于激光的光轴上的状态下有意地使焦点位置与图1中的焦点位置不同。
此外，如果将向金属板W照射的光束的焦点位置设定为轮廓选择器31在图8的状态下最适当的位置，并将轮廓选择器31切换为图1的状态，则焦点位置从图8中的焦点位置向下方移动。该情况下，NC装置50也只要利用移动机构34使准直透镜33向偏转镜35侧移动即可。
当使用光束成形透镜313时和使用光束成形透镜314时焦点位置会发生变化，在需要对焦点位置进行调整的情况下，只要利用移动机构34使准直透镜33移动即可。
＜第二实施方式＞
如图10所示，也可以将轮廓选择器31配置在准直透镜33和偏转镜35之间。当轮廓选择器31配置在准直透镜33和偏转镜35之间时，则向轮廓选择器31入射的激光的束径变大。因此，需要使玻璃板312、光束成形透镜313和314的直径为20～25mm左右。
如上所述，根据第一实施方式，玻璃板312、光束成形透镜313和314的直径为10mm左右即可，第一实施方式可低成本地实现。因此与第二实施方式相比更优选第一实施方式。
＜第三实施方式＞
如图11所示，也可以将轮廓选择器31配置在偏转镜35和聚焦透镜36之间。该情况下，也需要使玻璃板312、光束成形透镜313和314的直径为20～25mm左右。因此，与第三实施方式相比更优选第一实施方式。
＜第四实施方式＞
如图12所示，也可以将轮廓选择器31配置在聚焦透镜36和金属板W之间。该情况下，也需要使玻璃板312、光束成形透镜313和314的直径为20～25mm左右。因此，与第四实施方式相比更优选第一实施方式。
作为以上的第一～第四实施方式的变形例，也可以采用如下结构。如图13所示，激光加工机100也可以取代圆形的轮廓选择器31而采用在矩形状的基底板315上将玻璃板312、光束成形透镜313和314呈直线状排列的轮廓选择器310。该情况下，激光加工机100也可以取代旋转机构32而设置使轮廓选择器310滑动的移动机构37。移动机构37也可以是与图5所示的移动机构34同样的结构。
在以上的第一～第四实施方式中，操作者能够对操作部40进行操作而对NC装置50设定金属板W的材质、板厚、加工方法。NC装置50根据金属板W的材质、板厚、加工方法的至少其一而利用轮廓选择器31(或者310)来选择最适当的光束轮廓。NC装置50也可以根据金属板W的材质、板厚、加工方法的中任意两个的组合来选择最适当的光束轮廓。
当金属板W为板厚小于4mm的薄板时，NC装置50可以选择束径小而能量密度高的、例如图1所示的高斯型的光束轮廓。如果采用这种方式，则激光加工机100能够高速地将金属板W切断。
当金属板W为不锈钢或者铝而板厚为4mm以上时，NC装置50可以选择图5A所示的顶帽型的光束轮廓。顶帽型的光束轮廓也适于焊接或者淬火。
当金属板W为低碳钢而板厚为9mm以上的厚板时，则NC装置50可以选择图6所示的环型的光束轮廓。
如上所述，根据第一～第四实施方式的激光加工机，能够仅通过利用轮廓选择器31或者310选择性地使非光束成形部(玻璃板312或者开口)和第一或者第二光束成形透镜(313或者314)位于激光的光轴上，而从多个光束轮廓中选择任意的光束轮廓。能够以与专利文献1和2所记载的结构相比简单廉价的结构从多个光束轮廓中选择任意的光束轮廓来加工金属板W。
本申请的公开与2017年6月20日提出的日本专利申请特愿2017－120382号所记载的主题关联并引用其全部公开内容。
需要注意的是：除了上述内容以外，在不偏离本发明的新的有利的特征的前提下，也可以对上述实施方式加以修正或变更。因此，这样的全部的修正或变更也包含于权利要求书。

Claims (6)

1.一种激光加工机，其特征在于，具备：
轮廓选择器，其具有至少一个通过使入射的激光折射来变换光束轮廓的光束成形透镜，并射出具有从多个光束轮廓中选择的光束轮廓的激光；
准直透镜，其将入射的发散光的激光变换为准直光；
聚焦透镜，其使从所述准直透镜射出的准直光聚焦并向加工对象的金属板照射；以及
移动机构，其以减小从所述聚焦透镜射出的聚焦光的伴随着利用所述轮廓选择器进行的光束轮廓选择而发生的焦点位置的偏移的方式使所述准直透镜沿光轴移动。
2.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，
向所述轮廓选择器入射的激光的光束轮廓为高斯型，
所述轮廓选择器具有：非光束成形部，其将高斯型的激光不进行光束成形而作为高斯型的激光来射出；以及多面体透镜，其作为将高斯型的激光进行光束成形而变换成顶帽型的光束成形透镜。
3.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，
向所述轮廓选择器入射的激光的光束轮廓为高斯型，
所述轮廓选择器具有：非光束成形部，其将高斯型的激光不进行光束成形而作为高斯型的激光来射出；以及轴锥透镜，其作为将高斯型的激光进行光束成形而变换成环型的光束成形透镜。
4.根据权利要求1所述的激光加工机，其特征在于，
向所述轮廓选择器入射的激光的光束轮廓是高斯型，
所述轮廓选择器具有：非光束成形部，其将高斯型的激光不进行光束成形而作为高斯型的激光来射出；多面体透镜，其作为将高斯型的激光进行光束成形而变换成顶帽型的第一光束成形透镜；以及轴锥透镜，其作为将高斯型的激光进行光束成形而变换成环型的第二光束成形透镜。
5.根据权利要求4所述的激光加工机，其特征在于，
所述轮廓选择器具有基底板，该基底板将所述非光束成形部、所述多面体透镜、以及所述轴锥透镜配置为位于一个圆周上，
还具备旋转机构，该旋转机构为了从高斯型、顶帽型、以及环型中选择从所述轮廓选择器射出的激光的光束轮廓而使所述基底板旋转。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的激光加工机，其特征在于，
从对由激光振荡器射出的激光进行传输的工艺光纤的射出端射出的发散光的激光向所述准直透镜入射，
所述轮廓选择器配置在所述射出端和所述准直透镜之间。
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