JP2005111534A - レーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】 過酷な環境下でも焦点距離や光軸の傾きのフィードバック制御ができるレーザ加工機を提供する。
【解決手段】 複数の直線軸及び旋回軸を基準にして、数値制御により移動及び旋回され、射出ヘッド２からレーザ光を照射して、ワーク６をレーザ加工するレーザ加工機において、ワーク６との相対距離を測定する複数の非接触の変位センサ１と、変位センサ１からの測定値に基づき、ワーク６でのレーザ光の焦点距離を制御する焦点距離制御手段と、レーザ光の光軸の傾きを制御する光軸制御手段とを備え、変位センサ１は、射出ヘッド２から離れた位置に配設された光素子装置４と、射出ヘッド２の近傍にセンサヘッド３によりその先端部が支持され、光素子装置４の発光素子からの測定光を伝搬すると共に、ワーク６に反射された測定光を光素子装置４の受光素子へ伝搬する光ファイバ５とを有するものである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レーザの焦点距離やレーザ光軸を制御して、加工を行うレーザ加工機に関する。

レーザ加工機では、切断／溶接加工等に用いるレーザ光の焦点がずれると、又、レーザの光軸が傾いてワーク（被加工物）に照射されると、ワークの加工性能に大きく影響を及ぼすため、変位センサを用いて、レーザ加工機のヘッドとワークとの相対距離と、ヘッドとワークの傾きをフィードバックして、レーザ光の焦点距離や光軸の傾きを制御している。特に、３次元形状を加工する場合には、変位センサを用いてリアルタイムのフィードバック制御を行って、レーザ光の焦点距離及び光軸の傾きを適切に保ち、加工性能が低下しないようにしている。

レーザ加工機に用いられる変位センサとしては、接触式、静電容量式、光学式等、様々な方式がある。近年では、非接触で、高精度であり、フィードバック応答が速い光学式の変位センサが用いられている。図３に、光学式の変位センサを用いたレーザ加工機の概略を示す。図３に示すように、変位センサ２１は、レーザ加工機の射出ヘッド２２の近傍に設けられ、ワーク２３との相対距離を測定することで、レーザ加工機のレーザ光の焦点距離を適切に保っている。又、複数台の変位センサを用いることで、射出ヘッドとワークの傾きを適切に保っている。変位センサ２１は、ＬＤ（Laser Diode）光を発光するＬＤ発光部２４と、ワーク２３に反射されたＬＤ光を受光するＬＤ受光部２５と、ＬＤ受光部２５にて受光されたＬＤ光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換部２６とを有し、電気ケーブル２７を用いて、電気信号の送受信を行い、ワーク２３でのレーザ光の焦点距離及び光軸の傾きのフィードバック制御を行う。

特開２００２−１８５８２号公報

従来、レーザ加工機では、接触式の変位センサが用いられていることが多かったが、加工の自由度や加工精度の点で限界があり、近年では、非接触式の変位センサが用いられるようになってきた。しかしながら、非接触式の変位センサであっても、計測範囲が狭かったり、周囲の環境に左右されたりして、外乱に弱く、リアルタイムのフィードバック制御には至らず、結局のところ、ティーチングプレイバックによる加工に頼らざるを得ず、生産性に問題があった。

例えば、図３に示した光学式の変位センサ２１は、ワーク２３との距離が近い射出ヘッド２２の部分に設けられており、又、ＬＤ発光部２４、ＬＤ受光部２５に用いられる光素子は、周囲の温度や外乱光に影響され易いため、レーザ加工時に発生する熱や光の影響を受け易く、測定誤差を生じる原因ともなる。又、過酷な環境下、例えば、原子炉の解体作業時にレーザ加工機を用いる場合には、放射線が存在するため、ＬＤ発光部２４、ＬＤ受光部２５に用いられる光素子が、放射線の影響を受けて誤動作、又は故障してしまうおそれがある。特に、このような過酷な環境下では、遠隔操作により、レーザ光の焦点距離及び光軸の傾きのフィードバック制御が行えるレーザ加工機が望まれている。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、外乱に強い非接触の変位センサを用い、過酷な環境下でも焦点距離や光軸の傾きのフィードバック制御ができるレーザ加工機を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の請求項１に係るレーザ加工機は、
複数の直線軸及び旋回軸を基準にして、数値制御により移動及び旋回され、射出ヘッドからレーザ光を照射して、被加工物をレーザ加工するレーザ加工機であって、
被加工物との相対距離を測定する非接触の変位センサと、
非接触の変位センサからの測定値に基づき、被加工物でのレーザ光の焦点距離を制御する焦点距離制御手段とを備え、
非接触の変位センサは、射出ヘッドから離れた位置に配設された発光手段及び受光手段と、射出ヘッド近傍に、その先端が支持され、発光手段からの測定光を伝搬して被加工物へ射出すると共に、被加工物に反射された測定光を受光手段へ伝搬する光ファイバとを有することを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項２に係るレーザ加工機は、
複数の直線軸及び旋回軸を基準にして、数値制御により移動及び旋回され、射出ヘッドからレーザ光を照射して、被加工物をレーザ加工するレーザ加工機であって、
被加工物との相対距離を測定する非接触の変位センサと、
非接触の変位センサを複数台設置し、非接触の変位センサからの測定値に基づき、レーザ光の光軸の傾きを制御する光軸制御手段とを備え、
非接触の変位センサは、射出ヘッドから離れた位置に配設された発光手段及び受光手段と、射出ヘッド近傍に、その先端が支持され、発光手段からの測定光を伝搬して被加工物へ射出すると共に、被加工物に反射された測定光を受光手段へ伝搬する光ファイバとを有することを特徴とする。

上記課題を解決する本発明の請求項３に係るレーザ加工機は、
複数の直線軸及び旋回軸を基準にして、数値制御により移動及び旋回され、射出ヘッドからレーザ光を照射して、被加工物をレーザ加工するレーザ加工機であって、
被加工物との相対距離を測定する非接触の変位センサと、
非接触の変位センサからの測定値に基づき、被加工物でのレーザ光の焦点距離を制御する焦点距離制御手段と、
非接触の変位センサを複数台設置し、非接触の変位センサからの測定値に基づき、レーザ光の光軸の傾きを制御する光軸制御手段とを備え、
非接触の変位センサは、射出ヘッドから離れた位置に配設された発光手段及び受光手段と、射出ヘッド近傍に、その先端が支持され、発光手段からの測定光を伝搬して被加工物へ射出すると共に、被加工物に反射された測定光を受光手段へ伝搬する光ファイバとを有することを特徴とする。
つまり、非接触の変位センサを複数台設置することで、レーザ光の焦点距離を制御するだけでなく、射出ヘッドの傾き、即ち、レーザ光の光軸の傾きも制御する。

本発明によれば、レーザ加工機の射出ヘッド部分から離れた位置に、光学式の変位センサの光素子部分を設け、光ファイバを用いて測定光を射出ヘッド近傍に導いて、被加工物との相対距離を測定するので、過酷な環境下、例えば、放射線環境下でも、光素子部分が誤動作したり、故障したりすることなく、レーザ光の焦点距離や光軸の傾きのフィードバック制御を行って、レーザ加工機を使用することができる。

本発明に係るレーザ加工機は、レーザ光の焦点距離や光軸の傾きを制御する非接触かつ光学式の変位センサを有し、その変位センサに光ファイバを用いることにより、外乱に強い構成にしたものである。具体的には、測定を行う部分、つまり、レーザ加工機の射出ヘッドの部分に光ファイバの先端部を配設し、外乱の影響を受けにくい射出ヘッドから離れた位置まで光ファイバを延設し、その位置に発光素子、受光素子及び光電変換素子等の光素子を設けた構成である。

図１は、本発明に係るレーザ加工機に用いられる変位センサの一構成例を示す概略図である。

図１に示すように、本発明に係るレーザ加工機に用いられる変位センサ１は、レーザ加工機の射出ヘッド２の近傍に設けられたセンサヘッド３と、射出ヘッド２とは離れた位置に配設された光素子装置４（発光手段及び受光手段）と、センサヘッド３と光素子装置４との間を接続する光ファイバ５とを有している。上記構成により、ワーク６（被加工物）との相対距離を非接触で測定を行う。センサヘッド３には、光ファイバ５の先端部が保持されており、更に、その先端部分に、ワーク６へ測定光を射出し、ワーク６から反射された測定光を受光する光ファイバ先端部７を備える。又、光素子装置４は、測定光となるＬＤ（Laser Diode）光を発光するＬＤ発光部と、ワーク３に反射されたＬＤ光を受光するＬＤ受光部及びＬＤ受光部にて受光されたＬＤ光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換部とを備える。つまり、光素子装置４のＬＤ発光部で発光されたＬＤ光は、光ファイバ５を伝搬して、センサヘッド３の光ファイバ先端部７からワーク６へ射出され、ワーク６で反射されたＬＤ光は、センサヘッド３の光ファイバ先端部７で受光され、光ファイバ５を伝搬して、光素子装置４のＬＤ受光部にて受光され、Ｏ／Ｅ変換部にて電気信号に変換され、ワーク６でのレーザ光の焦点距離を制御する焦点距離制御装置（焦点距離制御手段）へ、電気ケーブル８を用いて電気信号として送信される。この焦点距離制御装置では、変位センサ１において測定されたワーク６との相対距離となる電気信号を用いて、ワーク６でのレーザ光の焦点距離のフィードバック制御を行って、レーザ加工機の焦点距離を適切に制御している。又、非接触の変位センサ１を複数台設置することで、焦点距離を制御するだけでなく、射出ヘッド２の傾き、即ち、レーザ光の光軸の傾きを制御すると、更に効果的に加工性能を向上させることができる。

光ファイバ５自体は、発光用のファイバと受光用のファイバの対のファイバから構成され、発光用のファイバから出射されたＬＤ光は、光ファイバ先端部７に設けられた光学系（図示せず）にて、所定のスポット径を有する光へ変換されてワーク６へ照射され、ワーク６で反射されたＬＤ光は、光学系にて、受光用のファイバへ入射される。変位センサ１でのワーク６との相対距離の計測は、ワーク６に反射された測定光（ＬＤ光）の反射強度を測定することで、相対距離を算出している。この場合、測定光となるＬＤ光の波長としては、溶接／切断加工用に用いられるＹＡＧレーザやＣＯ₂レーザ等のレーザ光からの影響を受けない波長帯域を選択して用いる。なお、測定光の反射強度に限定せず、位相や干渉を測定することで、相対距離を算出してもよい。

上述したように、本発明は、レーザ加工が行われるワーク６に近接する射出ヘッド２には、変位センサの心臓部となる光素子を配設せず、その代わりに光素子に接続された光ファイバ５の先端部を配設し、外乱の影響を受けない位置に光素子を配設し、光ファイバ５を用いて測定光の発光／受光を行うことで、外乱の問題を回避する構成である。又、光ファイバ５自体は、絶縁性、防爆性等の優れた性質を有しており、熱や放射線等の影響も受けにくいため、光素子等にとっては過酷な環境であっても使用することができる。

図２は、本発明に係るレーザ加工機の実施形態の一例を示す概略図である。
特に、レーザ加工機の加工ヘッド部分について図示しており、図２（ａ）ではワーク側から見た図を、図２（ｂ）では側面から見た図を示した。

本発明に係るレーザ加工機では、加工ヘッド１１がクランプ１２を用いて支持部１０に支持されており、加工ヘッド１１内部に配設された切断／溶接用のレーザを用いて、射出ヘッド２からワーク６へレーザ光を照射する。被加工物となるワーク６を３次元加工できるように、加工ヘッド１１を支持する支持部１０は、数値制御により、三つの直線軸ｘ、ｙ、ｚと二つの回転旋回軸α、β（図示せず）を基準に移動可能である。所謂、多軸ＮＣ制御装置と呼ばれるものであり、詳細は図示しないが、構成例としては、ベッド上に設けられたｘ軸方向移動手段と、ｘ軸方向移動手段上に設けられたｙ軸方向移動手段と、ｙ軸方向移動手段上に設けられたｚ軸方向移動手段とを有し、更に、ｚ軸方向移動手段上に、α軸回転手段及びβ軸回転手段を有するものである。従って、加工ヘッド１１は、直線軸ｘ、ｙ、ｚに沿って直線的に移動することができると共に、回転旋回軸α、βを中心として旋回することができ、これにより、射出ヘッド２からレーザ光をワーク６に照射して、ワーク６を３次元にレーザ加工することが可能となる。

ワーク６でのレーザ光の焦点距離の調整は、焦点距離制御装置が変位センサ１により検出された測定値に基づき、ｚ軸方向移動手段を用いて調整される。又、射出ヘッド２の周囲にホルダ１３に支持された３つの変位センサ１を有し、各々の変位センサ１においてワーク６との相対距離求め、それらの測定値に基づき、射出ヘッド２からワーク６への距離がＬ１になるように、各々の変位センサ１からの相対距離をＬ２に制御する光軸制御装置（光軸制御手段）も備えている。３つの変位センサ１を用いることで、相対距離の精度が高まると共に、射出ヘッド２が相対するワーク６の平面を測定値として求めることができ、光軸制御装置を用いて、射出ヘッド２からのレーザ光の光軸の傾きを制御して、ワーク６の平面に対して法線方向に制御することが可能となる。

なお、図２中では、便宜的に光素子装置４を図示したが、実際には射出ヘッド２から離れた位置に配置されており、射出ヘッド２の近傍に光素子装置４に接続された光ファイバ５の先端部を配置することで、過酷な環境下でも、外乱の影響を受けることなく測定可能にして、ワーク６との相対距離を測定することが可能となる。

本発明に係るレーザ加工機に用いられる変位センサの一構成例を示す概略図である。 本発明に係るレーザ加工機の実施形態の一例を示す概略図である。 光学式の変位センサを用いた従来のレーザ加工機の概略図である。

符号の説明

１ 変位センサ
２ 射出ヘッド
３ センサヘッド
４ 光素子装置
５ 光ファイバ
６ ワーク
７ 光ファイバ先端部
８ 電気ケーブル
１０ 支持部
１１ 加工ヘッド
１２ クランプ
１３ ホルダ

Claims (3)

1. 複数の直線軸及び旋回軸を基準にして、数値制御により移動及び旋回され、射出ヘッドからレーザ光を照射して、被加工物をレーザ加工するレーザ加工機において、
   前記被加工物との相対距離を測定する非接触の変位センサと、
   前記非接触の変位センサからの測定値に基づき、前記被加工物でのレーザ光の焦点距離を制御する焦点距離制御手段とを備え、
   前記非接触の変位センサは、前記射出ヘッドから離れた位置に配設された発光手段及び受光手段と、前記射出ヘッド近傍に、その先端が支持され、前記発光手段からの測定光を伝搬して被加工物へ射出すると共に、前記被加工物に反射された前記測定光を前記受光手段へ伝搬する光ファイバとを有することを特徴とするレーザ加工機。
2. 複数の直線軸及び旋回軸を基準にして、数値制御により移動及び旋回され、射出ヘッドからレーザ光を照射して、被加工物をレーザ加工するレーザ加工機において、
   前記被加工物との相対距離を測定する非接触の変位センサと、
   前記非接触の変位センサを複数台設置し、前記非接触の変位センサからの測定値に基づき、光軸の傾きを制御する光軸制御手段とを備え、
   前記非接触の変位センサは、前記射出ヘッドから離れた位置に配設された発光手段及び受光手段と、前記射出ヘッド近傍に、その先端が支持され、前記発光手段からの測定光を伝搬して被加工物へ射出すると共に、前記被加工物に反射された前記測定光を前記受光手段へ伝搬する光ファイバとを有することを特徴とするレーザ加工機。
3. 複数の直線軸及び旋回軸を基準にして、数値制御により移動及び旋回され、射出ヘッドからレーザ光を照射して、被加工物をレーザ加工するレーザ加工機において、
   前記被加工物との相対距離を測定する非接触の変位センサと、
   前記非接触の変位センサからの測定値に基づき、前記被加工物でのレーザ光の焦点距離を制御する焦点距離制御手段と、
   前記非接触の変位センサを複数台設置し、前記非接触の変位センサからの測定値に基づき、光軸の傾きを制御する光軸制御手段とを備え、
   前記非接触の変位センサは、前記射出ヘッドから離れた位置に配設された発光手段及び受光手段と、前記射出ヘッド近傍に、その先端が支持され、前記発光手段からの測定光を伝搬して被加工物へ射出すると共に、前記被加工物に反射された前記測定光を前記受光手段へ伝搬する光ファイバとを有することを特徴とするレーザ加工機。

Images