JP2007216269A

JP2007216269A - レーザ加工機

Info

Publication number: JP2007216269A
Application number: JP2006040884A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Nishimoto; 茂西本; Shinji Nakadeguchi; 真治中出口; Shinji Nakajima; 伸治中島
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】被加工材の表面やレーザ変位計のセンサー部分が汚染されている場合や、被加工材や加工ヘッドが傾いて被加工材と加工ヘッドの距離が一定とならない状態となる場合など、距離の検出を阻害する要因に対して焦点調整機構が安定して機能しないという問題があった。
【解決手段】加工ヘッドに、一端部が固定された第１アーム、この第１アームの他端部に、中央部を支点にして揺動自在に取付けられた第２アーム、この第２アームの両端部に、ノズルの両側に位置するよう所定間隔をおいてそれぞれ回動自在に取付けられ、被加工材上を転動するガイドローラを備え、レーザビームの照射中、ガイドローラと被加工材の接触面がレーザビームの焦点位置となるように、第１アーム、第２アーム、及びガイドローラの取付け位置を設定したものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ加工機に関するものである。

レーザ加工機において、溶接や切断などの加工で良好な品質を得るためには、被加工材（以下「ワーク」という）に対して一定のパワー密度で加工する必要がある。このため、レーザビームの焦点とワークとの相対位置を一定に保つための焦点調整機構を備えている。
従来の焦点調整機構としては、加工ヘッドにレーザ変位計を備え、このレーザ変位計を用いてワークとの距離を検出し、検出結果をフィードバックして焦点位置を制御する方法が提案されている（例えば特許文献１）。又、ワーク表面を焦点位置とするように配置された複数のガイドローラを備えたレーザ光照射ヘッド位置決め装置が提案されている（例えば特許文献２）。

特開平６−７９７９号公報特開平９−３２７７８１号公報

特許文献１のレーザ加工機によれば、ワークの表面やレーザ変位計のセンサー部分が汚染されている場合、ワークや加工ヘッドが傾いている場合など、距離の検出を阻害する要因に対して焦点調整機構が安定して機能しないという問題があった。又、特許文献２のレーザ光照射ヘッド位置決め装置によれば、ワークや加工ヘッドに傾きを生じている場合など、ワークと加工ヘッドの距離が一定とならない状態となって焦点調整機構が機能しないという問題があった。
この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、レーザビームの焦点とワークとの相対位置を一定に保つための焦点調整機構を備え、ワークに対して加工に適したパワー密度を安定して得ることにより、良好な品質で加工できるレーザ加工機を提供することを目的としている。

この発明に係わるレーザ加工機は、被加工材にレーザビームを照射する加工ヘッド、この加工ヘッドに、一端部が固定された第１アーム、この第１アームの他端部に、中央部を支点にして揺動自在に取付けられた第２アーム、この第２アームの両端部に、上記ノズルの両側に位置するよう所定間隔をおいてそれぞれ回動自在に取付けられ、上記被加工材上を転動するガイドローラを備え、上記レーザビームの照射中、上記ガイドローラと上記被加工材の接触面が上記レーザビームの焦点位置となるように、上記第１アーム、上記第２アーム、及び上記ガイドローラの取付け位置を設定したものである。

この発明のレーザ加工機によれば、ワークの表面状態や、ワークと加工ヘッドの位置関係によらず、ワークや加工ヘッドの傾きに対して、レーザビームの焦点とワークとの相対位置を一定に保つことができ、ワークに対して加工に適したパワー密度を安定して得られる。又、ワークや加工ヘッドの傾きに対して、レーザビームの反射光がローラに影響を与えないため、ローラの破損を防止できる。更に、構成部品が少ないため、小型で安価に製作できる。

以下、図面に基づいて、この発明の各実施の形態を説明する。
なお、各図間において、同一符号は同一あるいは相当部分を示す。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１によるレーザ加工機の加工ヘッドを示す図であり、より具体的には加工の進行方向（矢印Ａの反対方向）から見た場合を正面としたときの側面図、図２は、その正面図である。
図１及び図２において、１は、加工ヘッド、２は、レーザビームＢ_１とアシストガスとを通すノズル、２０は、レーザビームＢ_１の光ファイバーであり、加工ヘッド１には、垂直状の第１アーム５の上端部５ａが固定して取付けられ、その下端部５ｂには、水平状の第２アーム４が中央部の支軸６を支点にしてシーソ状に揺動自在に取付けられている。
この第２アームの両端部４ａ、４ｂには、ワーク１０上を押圧されながら転動するガイドローラ３、３が、レーザビームＢ_１（図５）の走査軸上でノズル２の両側（この場合は前後）に所定間隔（Ｋ_１）（Ｋ_２）をおいて支軸３ａ、３ｂを介してそれぞれ回動自在に取付けられている。
又、このガイドローラ３、３は、その軸方向中央部断面が、加工ヘッド走査軸上におけるレーザビーム焦点位置の前後に同一直線上一列状態となるよう配置され、更にレーザビームＢ_１の照射中、ワークの表面状態や、ワークと加工ヘッドの位置関係によらず、ワークや加工ヘッドの傾きに対して、ガイドローラ３、３のワーク１０への接触面１０ａが常にレーザビームＢ_１の焦点位置となるように、第１アーム５、第２アーム４、及びガイドローラ３、３の取付け位置をあらかじめ設定して組立てられる。
なお、３０は、ロボットアームである。

図３は、加工の進行方向にワーク１０が傾いている場合を示す図である。
第２アーム４は、支軸６を中心に回転してガイドローラ３、３とワーク１０が接触する。このため、レーザビームＢ_１の焦点とワーク１０の相対距離は変化しない。
図４は、進行する加工ヘッド１が垂直な方向に対し傾きを生じている場合（加工ヘッド１が垂直状態でワーク１０の被加工面が傾く場合もある）を示す図である。図５はその部分拡大図である。
ガイドローラ３、３が加工の進行方向の軸上にあるため、レーザビームＢ_１の焦点とワーク１０との相対距離は変化しない。又、レーザビームＢ_１の波長に対して反射する特性を持つワーク１０の場合でも、レーザビームＢ_１の反射光Ｂ_２によってローラ３、３が損傷することがない。

次に具体的な加工例について説明する。
例えば、厚み１．０（ｍｍ）のオーステナイト系ステンレス鋼ＳＵＳ３０４を２枚用いて重ね合わせ溶接する場合について、図１を用いて説明する。
第２アーム４に取付けられたガイドローラ３、３は、直径１０（ｍｍ）、幅４（ｍｍ）で、ワーク１０と接する面は放物線状の曲面形状である。そして、ガイドローラ３、３が接触するワーク面がレーザビームＢ_１の焦点位置となるように組立てられている。又、ロボットのロボットアーム３０の先端に取付けられた加工ヘッド１には、ロボットによって２５（Ｎ）の荷重が加えられ、ガイドローラ３、３でワーク１０を押圧している。そして、加工ヘッド１を６０００（ｍｍ／分）の速度でワーク１０を溶接方向に沿って走査する。波長が約１（μｍ）のＹＡＧレーザ発振器より光ファイバー２０を経て、加工ヘッド１に組み込まれている光学系によってワーク１０の表面に集光される。このとき、ワーク１０の表面において、レーザビームＢ_１のスポット径は０．６（ｍｍ）、出力は３５００（Ｗ）である。先端部が直径８ｍｍのガスノズルより流量０．０２（ｍ³／分）の窒素をワーク１０に対して噴射する。以上の条件において、２枚のワークを重ね合わせて溶接した結果、ワーク１０の表面が汚れている場合や、ワーク１０、又は加工ヘッド１に傾きを生じている場合でも、レーザビームＢ_１の焦点とワーク１０との相対位置を一定に保つことができた。そして、ワーク１０に対して加工に適したパワー密度を安定して得ることができ、良好な品質で溶接することができた。

このような構成によれば、ワーク１０の表面状態、ワーク１０や加工ヘッド１の傾きに対して、ワーク１０に対して加工に適したパワー密度を安定して得られる。又、ワーク１０や加工ヘッド１の傾きに対して、レーザビームＢ_１の反射光Ｂ_２がガイドローラ３、３に影響を与えないため、ガイドローラ３、３の破損を防止できる。更に、構成部品が少ないため、小型で安価に製作できる。

実施の形態２．
図６は、この発明の実施の形態２によるレーザ加工機の加工ヘッドを示す図であり、より具体的には加工の進行方向（矢印Ａの反対方向）から見た場合を正面としたときの側面図、図７は、その正面図である。なお、実施の形態１と同一又は相当部分については、説明を省略する。
図６及び図７において、この実施の形態２における水平状第２アーム４１は、加工ヘッド１に、中央部の支軸６を介して直接取付けられてシーソ状に揺動する。
この第２アームの両端部４１ａ、４１ｂには、垂直状第３アーム５１の上端部５１ａが支軸６ａを介してそれぞれ上下動自在に取付けられ、この一対の垂直状第３アーム５１には、この第３アーム自体を常時平行状態に保つための保持部、すなわち水平状第２アーム４１と平行してもう１本の第４アーム４２が設けられ、井桁状のフレームを形成している。
なお、第３アーム５１を常時平行に保つ他の手段としては、図示しないが支軸６ａの取付け部分を変更して、この部分に第３アーム５１を常時平行に保つ保持部を設けることが考えられる。
垂直状第３アーム５１の下端部５１ｂには、ワーク上を転動するガイドローラ３、３が、レーザビームＢ_１の走査軸上でノズルの前後に所定間隔をおいてそれぞれ支軸３ａ、３ｂを介して回動自在に取付けられている。
レーザビームＢ_１の照射中、ガイドローラ３、３のワーク１０への接触面１０ａが常にレーザビームＢ_１の焦点位置となるように、第２アーム４１、第３アーム５１、及びガイドローラ３、３の取付け位置をあらかじめ設定して組立てられる。
又、前後それぞれのガイドローラ３、３は、ノズル２が進行する軌道上同一直線上となるようにノズル２と一列状態となるよう組立てられている。
この構成によれば、実施の形態１と同様の効果が期待できる。

実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態２で説明した図６及び図７において、ガイドローラ３、３が垂直状第３アーム５１に遮蔽板７を介して取付けられたものである。
図８は、そのアーム部を拡大して模式的に示した斜視図である。
すなわち、この遮蔽板７は、ガイドローラ３、３をレーザビームＢ_１から遮蔽し、ガイドローラ３、３を保護するガイドローラの保護機構を構成するものである。
この構成によれば、加工時のレーザビームＢ_１の熱の影響を防止でき、ローラ３を損傷することなく加工できる。又、加工により飛散するドロス（dross）を防止でき、ローラ３の表面を汚染することなく加工できる。更に、ゴムや樹脂のローラを用いることができ、ワーク表面を傷つけることなく加工できる。

実施の形態４．
実施の形態４にかかるレーザ加工機の加工ヘッドは、ガイドローラ３、３のワーク１０への接触面が、レーザビームＢ_１の焦点位置となるように、図１の第１アーム５、図６の第２アーム４１又は第３アーム５１に、高さ調整機構を設けたものである。
図９は、図１の加工ヘッド１と第１アーム５の取付け部分に、高さ調整機構を設けこの部分を拡大して示した部分拡大図である。
すなわち、図９においては、第１アーム５に小判穴８を設け、この穴に挿通した取付け軸９によって第１アーム５は、加工ヘッド１へ取付けられる。
このように小判穴８で第１アーム５の取付け位置を調整することによって、第１アーム５、第２アーム４、ガイドローラ３、３の組立時、ガイドローラとワークの接触面がレーザビームの焦点位置となるようレーザビームＢ_１の焦点位置の調整が行われる。
なお、図示しないが、図６の第２アーム４１、又は第３アーム５１に、同様の小判穴８を設けることによって同様の調整を行うことができる。
この構成によれば、ガイドローラ３、３、第１アーム５、第２アーム４１、第３アーム５１の組立精度に依存することなく、ワーク１０に対してレーザビームＢ_１の焦点位置を自由に調整することができる。

この発明の実施の形態１におけるレーザ加工機の加工ヘッドを示す側面図である。この発明の実施の形態１におけるレーザ加工機の加工ヘッド加工ヘッドを説明するための正面図である。この発明の実施の形態１のレーザ加工機において、加工の進行方向にワーク１０が傾いている場合を示す状態図である。この発明の実施の形態１のレーザ加工機において、進行する加工ヘッド１が垂直な方向に対し傾きを生じている場合を示す状態図である。図４の部分拡大図である。この発明の実施の形態２によるレーザ加工機の加工ヘッドを示す側面図である。この発明の実施の形態２におけるレーザ加工機の加工ヘッド加工ヘッドを説明するための正面図である。この発明の実施の形態３におけるレーザ加工機の加工ヘッド加工ヘッドを説明するための斜視図である。この発明の実施の形態４におけるレーザ加工機の加工ヘッド加工ヘッドを説明するための部分拡大図である。

符号の説明

１加工ヘッド２ノズル
３ガイドローラ４第２アーム
３ａ支軸５第１アーム
６支軸７遮蔽板
１０ワーク１０ａ接触面
２０光ファイバー３０ロボットアーム

Claims

被加工材にレーザビームを照射する加工ヘッド、この加工ヘッドに、一端部が固定された第１アーム、この第１アームの他端部に、中央部を支点にして揺動自在に取付けられた第２アーム、この第２アームの両端部に、上記ノズルの両側に位置するよう所定間隔をおいてそれぞれ回動自在に取付けられ、上記被加工材上を転動するガイドローラを備え、
上記レーザビームの照射中、上記ガイドローラと上記被加工材の接触面が上記レーザビームの焦点位置となるように、上記第１アーム、上記第２アーム、及び上記ガイドローラの取付け位置を設定したことを特徴とするレーザ加工機。
被加工材にレーザビームを照射する加工ヘッド、この加工ヘッドに、中央部を支点にして揺動自在に取付けられた第２アーム、この第２アームの両端部に、一端部が支軸を介してそれぞれ取付けられた第３アーム、この第３アームを平行状態に保持する保持部、上記第３アームの他端部に、上記ノズルの両側に位置するよう所定間隔をおいてそれぞれ回動自在に取付けられ、上記被加工材上を転動するガイドローラを備え、
上記レーザビームの照射中、上記ガイドローラと上記被加工材の接触面が上記レーザビームの焦点位置となるように、上記第２アーム、上記第３アーム、及び上記ガイドローラの取付け位置を設定したことを特徴とするレーザ加工機。
上記第３アームに、上記ガイドローラを上記レーザビームから遮蔽し、上記ガイドローラを保護するガイドローラの保護機構を設けたことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工機。
上記ガイドローラと上記被加工材の接触面がレーザビームの焦点位置となるよう上記第１アームの高さを調節する調整機構を設けたことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工機。
上記ガイドローラと上記被加工材の接触面がレーザビームの焦点位置となるよう上記第２アーム又は上記第３アームの高さを調節する調整機構を設けたことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工機。