JP2012223772A - Laser processing device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ加工装置に関し、特に、被加工物に対するレーザ光の位置が検出可能なレーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus, and more particularly to a laser processing apparatus capable of detecting the position of laser light with respect to a workpiece.
一般に、レーザ加工機を用いて被加工物の加工を行う場合、加工の準備工程として、レーザ光が加工ノズルの中心を通るように加工レンズや加工ノズルの位置を調整するための芯出し工程が必要である。例えば、特許文献１では、加工ヘッドの下にファイバまたは光センサを配置し、光センサの信号強度によって加工ノズルの中心をレーザ光が通過しているかを検出しノズルを移動するようにした、レーザ加工機のノズル芯出し装置が提案されている。 In general, when processing a workpiece using a laser processing machine, as a preparation step for processing, there is a centering step for adjusting the position of the processing lens and the processing nozzle so that the laser beam passes through the center of the processing nozzle. is necessary. For example, in Patent Document 1, a fiber or an optical sensor is arranged under a processing head, and the laser is moved by detecting whether the laser beam passes through the center of the processing nozzle based on the signal intensity of the optical sensor. A nozzle centering device for a processing machine has been proposed.
特許文献１では、スパッタ光を検知するための光ファイバ受光部をレーザ加工ヘッドの下面から露出するように設置している。そのためレーザ加工時に被加工物からの飛散物が発生して、光ファイバ受光部に付着してしまうと、光ファイバの出射側に接続された光センサから正しい信号強度が得られなくなる。 In patent document 1, the optical fiber light-receiving part for detecting sputter light is installed so that it may be exposed from the lower surface of a laser processing head. For this reason, if scattered objects from the workpiece are generated during laser processing and adhere to the optical fiber light receiving portion, the correct signal intensity cannot be obtained from the optical sensor connected to the output side of the optical fiber.
本発明の目的は、被加工物からの飛散物による影響を回避でき、加工ノズルに対するレーザ光の位置を高精度に検出できるレーザ加工装置を提供することである。 The objective of this invention is providing the laser processing apparatus which can avoid the influence by the scattered material from a to-be-processed object, and can detect the position of the laser beam with respect to a process nozzle with high precision.
上記目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工装置は、
中空のハウジングを有する加工ヘッドと、
加工ヘッドの内部に設けられ、レーザ光を集光して被加工物に向けて照射するための加工レンズと、
加工ヘッドの端部に設けられ、集光したレーザ光の進行方向に沿ってアシストガスを供給するための加工ノズルと、
加工ヘッドの内部に設けられ、被加工物の加工部で発生した光を加工レンズを介して受光するための光センサとを備え、
光センサは、被加工物の加工部で発生した光のうち、加工ノズル内面および加工ヘッド内面の一方または両方において１回以上反射した光を受光するように配置されていることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a laser processing apparatus according to the present invention comprises:
A processing head having a hollow housing;
A processing lens provided inside the processing head, for condensing the laser beam and irradiating the workpiece;
A processing nozzle provided at the end of the processing head and for supplying an assist gas along the traveling direction of the focused laser beam;
An optical sensor that is provided inside the processing head and receives light generated by the processing portion of the workpiece through the processing lens;
The optical sensor is arranged to receive light reflected at least once on one or both of the inner surface of the processing nozzle and the inner surface of the processing head among the light generated in the processing portion of the workpiece.
本発明によれば、加工部で発生した光を加工レンズを介して受光するための光センサを加工ヘッドの内部に設けることによって、被加工物からの飛散物による影響を回避できる。また、光センサは、加工ノズル内面や加工ヘッド内面において１回以上反射した光を受光するように配置することによって、光強度の高い正反射レーザ光と被加工物からの発光を簡単に分離できる。その結果、加工ノズルに対するレーザ光の位置を高精度に検出することができる。 According to the present invention, by providing an optical sensor for receiving light generated in the processing section through the processing lens, the influence of the scattered object from the workpiece can be avoided. Also, the optical sensor can be easily separated from the high-intensity specularly reflected laser beam and the light emitted from the work piece by receiving light reflected at least once on the inner surface of the processing nozzle or the inner surface of the processing head. . As a result, the position of the laser beam with respect to the processing nozzle can be detected with high accuracy.
実施の形態１．
図１は、本発明によるレーザ加工装置の一例を示す構成図である。レーザ加工装置は、金属板などの被加工物（ワーク）Ｗに向けてレーザ光２を照射して、切断、マーキング、穴あけ、溶接、溶着または表面改質などの加工を行う装置であり、レーザ発振器１と、反射ミラー３と、加工レンズ４と、アクチュエータ１０と、加工ヘッド５と、光センサ６と、加工ノズル１１と、増幅器７と、数値制御装置８と、信号処理装置９などで構成される。なお、図面に記載した部材、構成部品等の寸法は、理解容易のために縮尺を適宜変えている。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a laser processing apparatus according to the present invention. The laser processing apparatus is an apparatus that performs processing such as cutting, marking, drilling, welding, welding, or surface modification by irradiating a workpiece (work) W such as a metal plate with laser light 2. The oscillator 1, the reflection mirror 3, the processing lens 4, the actuator 10, the processing head 5, the optical sensor 6, the processing nozzle 11, the amplifier 7, the numerical control device 8, the signal processing device 9, etc. Is done. In addition, the dimensions of the members, components, and the like described in the drawings are appropriately changed for easy understanding.
ここで理解容易のため、被加工物（ワーク）Ｗを照射するレーザ光の光軸をＺ方向とし、Ｚ方向に対して垂直な方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向とする。被加工物Ｗは、一般に、ＸＹ面内の位置およびＺ方向の高さの位置決めが可能な加工テーブル（不図示）の上に搭載される。 Here, for easy understanding, the optical axis of the laser beam that irradiates the workpiece (work) W is defined as the Z direction, and the directions perpendicular to the Z direction are defined as the X direction and the Y direction, respectively. The workpiece W is generally mounted on a processing table (not shown) that can be positioned in the XY plane and positioned in the Z direction.
レーザ発振器１は、例えば、ＣＯ２，ＣＯ，Ｎ２，Ｈｅ−Ｃｄ，ＨＦ，Ａｒ＋，ＡｒＦ，ＫｒＦ，ＸｅＣｌ，ＸｅＦ，ＹＡＧ等のレーザ媒質と、レーザ媒質用の励起機構と、光共振器などを備え、レーザ媒質の種類に応じた波長のレーザ光２を出力する。反射ミラー３は、レーザ光２を反射する機能を有し、一般には、レーザ発振器１から水平に出力されたレーザ光２を、被加工物Ｗに向けて鉛直下向きに偏向させる。 The laser oscillator 1, for example, CO 2, CO, N 2 , He-Cd, HF, Ar +, ArF, KrF, XeCl, XeF, a laser medium YAG or the like, and the excitation mechanism for the laser medium, the optical resonator The laser beam 2 having a wavelength corresponding to the type of the laser medium is output. The reflection mirror 3 has a function of reflecting the laser beam 2, and generally deflects the laser beam 2 output horizontally from the laser oscillator 1 toward the workpiece W vertically downward.
加工レンズ４は、レーザ光２を集光して被加工物Ｗに向けて照射する機能を有する。アクチュエータ１０は、加工レンズ４を支持し、レーザ光２の進行方向に対して垂直なＸＹ面内で位置決めを行う機能を有する。 The processing lens 4 has a function of condensing the laser beam 2 and irradiating the workpiece W toward the workpiece W. The actuator 10 supports the processing lens 4 and has a function of positioning in the XY plane perpendicular to the traveling direction of the laser light 2.
加工ヘッド５は、中空円柱状や中空角柱状のハウジングを有し、その内部には上述した加工レンズ４やアクチュエータ１０、さらに、後述する光センサ６、アクチュエータ１０等を備える。 The processing head 5 has a hollow cylindrical or hollow prism-shaped housing, and includes the processing lens 4 and the actuator 10 described above, and the optical sensor 6 and the actuator 10 described later.
加工ノズル１１は、加工ヘッド５の下端部に設けられ、加工レンズ４によって集光したレーザ光２の進行方向に沿って、例えば、Ｏ２（酸素）ガスやＮ２（窒素）ガスなどのアシストガスを供給する。なお、アシストガスの供給源、供給源と加工ヘッド５との配管、フローバルブ等は図示を省略している。 The processing nozzle 11 is provided at the lower end of the processing head 5, and assists with, for example, O 2 (oxygen) gas or N 2 (nitrogen) gas along the traveling direction of the laser light 2 collected by the processing lens 4. Supply gas. The assist gas supply source, the piping between the supply source and the machining head 5, the flow valve, and the like are not shown.
光センサ６は、加工ヘッド５の内部に設けられ、被加工物Ｗの加工部で発生した光を加工レンズ４を介して受光する機能を有する。増幅器７は、光センサ６からの検出信号を増幅する機能を有する。 The optical sensor 6 is provided inside the processing head 5 and has a function of receiving light generated at a processing portion of the workpiece W through the processing lens 4. The amplifier 7 has a function of amplifying the detection signal from the optical sensor 6.
信号処理装置９は、マイクロプロセッサ等で構成され、所定のプログラムに従って、数値制御装置８との信号の送受信を行うとともに、光センサ６の検出信号に基づいて加工ノズル１１の中心に対するレーザ光２の偏差を計算したり、その偏差が小さくなるようにアクチュエータ１０を駆動する。 The signal processing device 9 is constituted by a microprocessor or the like, transmits and receives signals to and from the numerical control device 8 according to a predetermined program, and transmits the laser light 2 to the center of the processing nozzle 11 based on the detection signal of the optical sensor 6. The actuator 10 is driven so that the deviation is calculated or the deviation is reduced.
数値制御装置８は、マイクロプロセッサ等で構成され、加工条件が予め設定されたプログラムに従って、レーザ発振器１の動作条件（例えば、レーザ光のオン時間／オフ時間、レーザ出力など）、アシストガスの流量、加工テーブルの位置などを制御する。 The numerical control device 8 is constituted by a microprocessor or the like, and according to a program in which processing conditions are set in advance, the operating conditions of the laser oscillator 1 (for example, on / off time of laser light, laser output, etc.), the flow rate of assist gas Control the position of the processing table.
アシストガスは、被加工物Ｗと反応して融解を助ける働きや、融解した被加工物を除去する働きなどがあり、さらに、加工ノズル１１からのガス噴射により、融解した金属の飛散物が加工ノズル１１内に進入するのを防止し、加工レンズ４を保護する働きもある。レーザ光２は、被加工物Ｗの加工を行う前に噴射されるアシストガスの中心、つまり加工ノズル１１の中心を通過することが望ましい。 The assist gas has a function of reacting with the workpiece W to help melting, a function of removing the melted workpiece, and the like. It also functions to prevent entry into the nozzle 11 and protect the processed lens 4. The laser beam 2 desirably passes through the center of the assist gas that is injected before the workpiece W is processed, that is, the center of the processing nozzle 11.
加工ノズル１１の中心からレーザ光２の位置がずれると、レーザ光２に対してアシストガスの噴射量に偏りが発生し、その結果、被加工物Ｗの融解や融解した被加工物Ｗの飛散が偏り加工不良となる。そのため、レーザ加工前には、アクチュエータ１０の駆動によって加工ノズル１１の中心をレーザ光２が通過するように調整する必要があり、この作業を芯出し工程、軸出し工程などと呼ぶ。 When the position of the laser beam 2 deviates from the center of the processing nozzle 11, the assist gas injection amount is biased with respect to the laser beam 2, and as a result, the workpiece W is melted or the melted workpiece W is scattered. Will be biased. Therefore, before laser processing, it is necessary to adjust the center of the processing nozzle 11 to pass through the center of the processing nozzle 11 by driving the actuator 10, and this operation is called a centering step, an axising step, or the like.
図２は、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄの配置例を示す平面図であり、被加工物Ｗから＋Ｚ方向に観察している。光センサ６は、被加工物Ｗから生じる光のうち可視光の領域に感度があるものを使用しており、受光素子６ａ〜６ｄの入射側には防塵用の板ガラスが設置されている。ここでは、４つの受光素子６ａ〜６ｄを光軸周りに９０度間隔で配置した場合を例示しているが、２つの受光素子を１８０度間隔で配置したり、３つの受光素子を１２０度間隔で配置したり、一般には、Ｎ個の受光素子を光軸周りに（３６０／Ｎ）度間隔で配置することが可能である。 FIG. 2 is a plan view showing an arrangement example of the light receiving elements 6a to 6d of the optical sensor 6, and is observed from the workpiece W in the + Z direction. The optical sensor 6 uses light generated from the workpiece W that has sensitivity in the visible light region, and a dust-proof plate glass is installed on the incident side of the light receiving elements 6a to 6d. Here, the case where four light receiving elements 6a to 6d are arranged at intervals of 90 degrees around the optical axis is illustrated, but two light receiving elements are arranged at intervals of 180 degrees, or three light receiving elements are arranged at intervals of 120 degrees. In general, it is possible to arrange N light receiving elements at intervals of (360 / N) degrees around the optical axis.
次に、動作について説明する。まず、レーザ発振器１から出力されたレーザ光２は、反射ミラー３により反射し、加工ヘッド５内の加工レンズ４で集光され、被加工物Ｗの加工部を照射する。このとき加工部から発生する光の空間分布が光センサ６によって検出され、各受光素子６ａ〜６ｄの検出信号は、増幅器７を経由して信号処理装置９に入力される。 Next, the operation will be described. First, the laser beam 2 output from the laser oscillator 1 is reflected by the reflection mirror 3, is condensed by the processing lens 4 in the processing head 5, and irradiates the processing portion of the workpiece W. At this time, the spatial distribution of the light generated from the processing unit is detected by the optical sensor 6, and the detection signals of the respective light receiving elements 6 a to 6 d are input to the signal processing device 9 via the amplifier 7.
信号処理装置９は、加工ノズル１１の中心をレーザ光２が通過した場合における各受光素子６ａ〜６ｄの信号強度を基準値として予め記憶しており、各受光素子６ａ〜６ｄの信号強度の変化を解析することによって加工ノズル１１の中心からレーザ光２の中心までの距離を求めることができ、さらに、その計算結果を用いてアクチュエータ１０により加工レンズ４の位置を調整することによって、加工ノズル１１の中心をレーザ光２が通過するように設定できる。 The signal processing device 9 stores in advance the signal intensity of each of the light receiving elements 6a to 6d when the laser beam 2 passes through the center of the processing nozzle 11 as a reference value, and the change in the signal intensity of each of the light receiving elements 6a to 6d. Can be obtained from the center of the processing nozzle 11 to the center of the laser beam 2, and the position of the processing lens 4 is adjusted by the actuator 10 using the calculation result. The laser beam 2 can be set so as to pass through the center.
本実施形態では、加工レンズ４の位置調整によってレーザ光２の芯出しを行う場合を例示したが、反射ミラー３の位置や角度、加工ノズル１１のＸＹ位置などを調整するためのアクチュエータを設けることによっても同様な芯出しを実施できる。 In the present embodiment, the case where the laser beam 2 is centered by adjusting the position of the processing lens 4 is exemplified, but an actuator for adjusting the position and angle of the reflection mirror 3 and the XY position of the processing nozzle 11 is provided. The same centering can be performed by
特許文献１では、スパッタ光を検知するための光ファイバ受光部をレーザ加工ヘッドの下面から露出するように設置している。そのためレーザ加工時に被加工物からの飛散物が発生して、光ファイバ受光部に付着してしまうと、光ファイバの出射側に接続された光センサから正しい信号強度が得られないことがある。 In patent document 1, the optical fiber light-receiving part for detecting sputter light is installed so that it may be exposed from the lower surface of a laser processing head. For this reason, if scattered objects from the workpiece are generated during laser processing and adhere to the optical fiber light receiving portion, the correct signal intensity may not be obtained from the optical sensor connected to the output side of the optical fiber.
これに対して本実施形態では、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄを加工ヘッド５の内部で加工レンズ４の背後に設置している。加工ノズル１１から噴射されるアシストガスにより、加工ヘッド５の内部に被加工物Ｗからの飛散物が侵入できないので、受光素子６ａ〜６ｄは汚れることがなく、加工ノズル１１の中心に対するレーザ光２の偏差を検知するために必要な出力を安定して得ることができる。 On the other hand, in the present embodiment, the light receiving elements 6 a to 6 d of the optical sensor 6 are installed behind the processing lens 4 inside the processing head 5. Since the scattered gas from the workpiece W cannot enter the machining head 5 by the assist gas injected from the machining nozzle 11, the light receiving elements 6 a to 6 d are not contaminated, and the laser beam 2 for the center of the machining nozzle 11 is used. It is possible to stably obtain the output necessary for detecting the deviation.
図３は、被加工物Ｗからレーザ光２が正反射して戻る様子を示す説明図である。加工レーザがＣＯ２レーザである場合、レーザ光２の波長は１０．６μｍとなりガラスに吸収される。そのため、被加工物Ｗからの正反射レーザ光が光センサ６に当たるとセンサ６の窓材に使用しているガラスに吸収され、ガラスが白く変色して、被加工物Ｗからの発光が受光できなくなる可能性がある。また、レーザ光２として波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを使用している場合、ガラスの吸収帯域から外れているため、光センサ６のガラスに反射レーザ光が吸収されることはないが、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄに被加工物Ｗからの正反射レーザ光が入射し、光センサ６自体を破壊してしまう可能性がある。 FIG. 3 is an explanatory diagram showing a state in which the laser beam 2 is regularly reflected back from the workpiece W. When the processing laser is a CO 2 laser, the wavelength of the laser beam 2 becomes 10.6 μm and is absorbed by the glass. Therefore, when the specularly reflected laser beam from the workpiece W hits the optical sensor 6, it is absorbed by the glass used for the window material of the sensor 6, the glass turns white, and light from the workpiece W can be received. There is a possibility of disappearing. In addition, when a YAG laser having a wavelength of 1064 nm is used as the laser light 2, the reflected laser light is not absorbed by the glass of the optical sensor 6 because it is out of the absorption band of the glass. There is a possibility that regular reflection laser light from the workpiece W enters the light receiving elements 6a to 6d and destroys the optical sensor 6 itself.
これらの対策として、光センサ６の窓材にレーザ光２の波長の光を反射するフィルタ膜を設置する構成、あるいは、図４に示すように、被加工物Ｗの加工部から発光した可視光のみを反射するミラーを設置して、正反射レーザ光と被加工物Ｗからの発光を分離し、光センサ６に被加工物Ｗからの発光のみを入射させる構成が考えられる。 As a countermeasure for these, a structure in which a filter film that reflects light of the wavelength of the laser beam 2 is installed on the window material of the optical sensor 6, or visible light emitted from a processing portion of the workpiece W as shown in FIG. It is conceivable to install a mirror that reflects only the light, separate the specularly reflected laser light and the light emitted from the workpiece W, and allow only the light emitted from the workpiece W to enter the optical sensor 6.
本実施形態では、図５に示すように、被加工物Ｗの加工部で発生した光のうち、加工ノズル１１の内面および加工ヘッド５の内面の一方または両方において反射した光を受光するように、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄを配置している。これにより上記のようなフィルタ膜やミラーを設置することなく、強度の高い正反射レーザ光と被加工物Ｗからの発光を簡単に分離することができる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 5, light reflected from one or both of the inner surface of the processing nozzle 11 and the inner surface of the processing head 5 among the light generated in the processing portion of the workpiece W is received. The light receiving elements 6a to 6d of the optical sensor 6 are arranged. This makes it possible to easily separate the high-intensity specularly reflected laser light and the light emitted from the workpiece W without installing a filter film or a mirror as described above.
例えば、図６に示すように、加工ヘッド内面および加工ノズル内面で光が反射しない場合を考える。被加工物Ｗからの発光点が加工ノズル１１の中心から−Ｘ方向にｒ０だけずれており、＋Ｘ方向に傾斜した光は加工ノズル１１を貫通できるが、傾斜角の大きい光は加工ノズルのエッジ点Ａの部分に衝突してしまう。 For example, as shown in FIG. 6, a case where light is not reflected on the inner surface of the processing head and the inner surface of the processing nozzle is considered. The light emitting point from the workpiece W is shifted from the center of the processing nozzle 11 by r0 in the −X direction, and light inclined in the + X direction can penetrate the processing nozzle 11, but light having a large inclination angle is the edge of the processing nozzle. It will collide with the point A part.
このとき加工ノズル１１の中心から点Ａまでの距離をｒ１、被加工物Ｗから点Ａまでの距離をｈ１、点Ａから加工レンズ４までの距離をｈ２、加工レンズ４から光センサ６までの距離をｈ３、被加工物Ｗから光センサ６までの距離をＨ（＝ｈ１＋ｈ２＋ｈ３）、加工レンズ４の焦点距離をｆ（＝ｈ１＋ｈ２）とする。 At this time, the distance from the center of the processing nozzle 11 to the point A is r1, the distance from the workpiece W to the point A is h1, the distance from the point A to the processing lens 4 is h2, and the distance from the processing lens 4 to the optical sensor 6 is Assume that the distance is h3, the distance from the workpiece W to the optical sensor 6 is H (= h1 + h2 + h3), and the focal length of the processing lens 4 is f (= h1 + h2).
被加工物Ｗの表面における発光点の位置ｒ０および光の進行方向ｒ０’（＝ｄｒ／ｄｚ）は、下記式（１）に示す光線行列を用いて、高さＨにおける加工ノズル１１の中心から距離Ｒおよび光の進行方向Ｒ’（＝ｄＲ／ｄｚ）に変換できる。式（１）を整理すると、距離Ｒは、下記式（１ａ）で表される。 The light emitting point position r0 and the light traveling direction r0 ′ (= dr / dz) on the surface of the workpiece W are determined from the center of the processing nozzle 11 at the height H by using the ray matrix shown in the following formula (1). The distance R and the light traveling direction R ′ (= dR / dz) can be converted. When formula (1) is rearranged, the distance R is represented by the following formula (1a).
今、被加工物Ｗからの光は、点Ａで制限されるため、加工ノズル１１に入射する光の最大角度が決まり、ｒ０’をＸＺ平面上のみで考えるとして単位ベクトルで表すと、式（２）で表される。 Now, since the light from the workpiece W is limited at the point A, the maximum angle of the light incident on the processing nozzle 11 is determined, and when r0 ′ is considered only on the XZ plane, it can be expressed as a unit vector. 2).
一例として、Ｈ＝４００ｍｍ、ｆ＝１９０ｍｍ、ｒ０＝０．５ｍｍ、ｒ１＝１．５ｍｍ、ｈ１＝１０ｍｍとすると、Ｒの値は約３７．２ｍｍと計算される。よって、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄを加工ヘッド５の中心から半径方向に３７．２ｍｍ以上離して設置することで、受光素子６ａ〜６ｄに直接入射する光路が存在しなくなる。 As an example, assuming that H = 400 mm, f = 190 mm, r0 = 0.5 mm, r1 = 1.5 mm, and h1 = 10 mm, the value of R is calculated to be about 37.2 mm. Therefore, by installing the light receiving elements 6a to 6d of the optical sensor 6 away from the center of the machining head 5 by 37.2 mm or more in the radial direction, there is no optical path directly incident on the light receiving elements 6a to 6d.
一般に、加工ノズル１１や加工ヘッド５は金属で作製されており、その内面は被加工物Ｗから発光した可視光を反射する。そのため、図６のような位置に光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄを設置することで、被加工物Ｗからの発光のうち、無反射で受光素子６ａ〜６ｄに入射する光路はなくなり、加工ヘッド５の内面及び加工ノズル１１の内面の少なくとも一方で反射した成分のみが光センサ６に到達するようになる。 In general, the processing nozzle 11 and the processing head 5 are made of metal, and the inner surface thereof reflects visible light emitted from the workpiece W. Therefore, by installing the light receiving elements 6a to 6d of the optical sensor 6 at positions as shown in FIG. 6, there is no optical path incident on the light receiving elements 6a to 6d without reflection in the light emitted from the workpiece W. Only the component reflected by at least one of the inner surface of the head 5 and the inner surface of the processing nozzle 11 reaches the optical sensor 6.
また、レーザ光２が被加工物Ｗで反射され、加工ヘッド５内を反射し、光センサ６の受光素子６ａ〜６ｄに到達する光路も存在する。しかし、この光路で光センサ６に入射する反射レーザ光は被加工物Ｗで散乱反射された光であるため、被加工物Ｗから正反射で加工ヘッド５内に帰ってくる正反射レーザ光よりも十分光強度が低く、光センサ６に入射しても、ガラスを変色させことや光センサ６自体を破壊することがない。 There is also an optical path in which the laser beam 2 is reflected by the workpiece W, is reflected inside the machining head 5 and reaches the light receiving elements 6 a to 6 d of the optical sensor 6. However, since the reflected laser light incident on the optical sensor 6 in this optical path is light scattered and reflected by the workpiece W, the specular reflection laser light returned from the workpiece W to the processing head 5 by regular reflection. However, even if the light intensity is low, the glass is not discolored and the optical sensor 6 itself is not destroyed.
さらに、加工ノズル１１および加工ヘッド５の内面を鏡面とすることにより、被加工物Ｗからの光が加工ノズル１１の内面または加工ヘッド５の内面で反射する際の反射ロスを極力抑え、光センサ６から高い信号強度が得られる。また、被加工物Ｗで散乱された反射レーザ光で光センサ６が壊れることはないが、安全のため、加工ノズル１１の内面や加工ヘッド５の内面にレーザ光２の波長の光を吸収し、被加工物Ｗから発光した可視光を反射する塗料や部材を設置することにより、光センサ６に入射する反射レーザ光の光強度をより低減できる。 Furthermore, by making the inner surfaces of the processing nozzle 11 and the processing head 5 into mirror surfaces, the reflection loss when light from the workpiece W is reflected by the inner surface of the processing nozzle 11 or the inner surface of the processing head 5 is suppressed as much as possible. 6 gives a high signal strength. Further, although the optical sensor 6 is not broken by the reflected laser light scattered by the workpiece W, the light of the wavelength of the laser light 2 is absorbed by the inner surface of the processing nozzle 11 and the inner surface of the processing head 5 for safety. By installing a paint or a member that reflects visible light emitted from the workpiece W, the light intensity of the reflected laser light incident on the optical sensor 6 can be further reduced.
実施の形態２．
上述した実施の形態１において、被加工物Ｗからの光が加工ノズル１１の内面または加工ヘッド５の内面で反射し、光センサ６に到達する光路は複数存在する。例えば、図７のように１回反射で光センサ６に到達する光路や、図９のように２回反射で到達する光路などが存在する。
Embodiment 2. FIG.
In the first embodiment described above, there are a plurality of optical paths in which light from the workpiece W is reflected by the inner surface of the processing nozzle 11 or the inner surface of the processing head 5 and reaches the optical sensor 6. For example, there are an optical path that reaches the optical sensor 6 with a single reflection as shown in FIG. 7 and an optical path that reaches with a double reflection as shown in FIG.
図７と図９の光路はともに、被加工物Ｗの加工点から＋Ｘ方向の傾きを持って出射された光であるが、光センサ６に到達する位置が相違しており、図７の場合は−Ｘ側に位置する受光素子６ｂに到達し、一方、図９の場合は＋Ｘ側に位置する受光素子６ａに到達する。つまり、加工ノズル１１の内面及び加工ヘッド５の内面での反射回数が奇数回か偶数回かで、光センサ６での受光位置が異なることになる。 Both the optical paths in FIG. 7 and FIG. 9 are light emitted with an inclination in the + X direction from the processing point of the workpiece W, but the positions reaching the optical sensor 6 are different. Reaches the light receiving element 6b located on the -X side, while in the case of FIG. 9, it reaches the light receiving element 6a located on the + X side. That is, the light receiving position at the optical sensor 6 differs depending on whether the number of reflections on the inner surface of the processing nozzle 11 and the inner surface of the processing head 5 is odd or even.
本実施形態では、奇数回反射と偶数回反射の場合で、レーザ光２が加工ノズル１１の中心からずれたとき、光センサ６からの出力がどう変化するかを説明する。最初に奇数回反射について検討する。 In the present embodiment, how the output from the optical sensor 6 changes when the laser beam 2 deviates from the center of the processing nozzle 11 in the case of odd-numbered reflection and even-numbered reflection will be described. First consider the odd number of reflections.
図１１は、図７と比較して、加工ノズル１１の中心からレーザ光２がずれて、被加工物Ｗの発光点１５が−Ｘ方向にずれた場合を示す。指向特性１６は、発光点１５からの光の発光角度と強度を示したもので、発光点１５から楕円までの距離が光の強度、発光点１５から楕円に引かれた直線が光の出射角度を示している。よって、発光点１５からの光は被加工物Ｗに対して垂直な方向に出射される光の強度が最も高く、水平に近くなるほど強度が低くなる。 FIG. 11 shows a case where the laser beam 2 is shifted from the center of the processing nozzle 11 and the light emission point 15 of the workpiece W is shifted in the −X direction as compared with FIG. 7. The directivity characteristic 16 indicates the light emission angle and intensity from the light emission point 15. The distance from the light emission point 15 to the ellipse is the light intensity, and the straight line drawn from the light emission point 15 to the ellipse is the light emission angle. Is shown. Therefore, the light emitted from the light emitting point 15 has the highest intensity of light emitted in the direction perpendicular to the workpiece W, and the intensity decreases as it becomes closer to the horizontal.
ここで、図１１の光路ａは、図７の光線と同じ角度の光であるが、受光素子６ｂには到達せず、一方、光路ａよりも強度が低いが、より傾斜した角度で出射される光路ａ’が受光素子６ｂに到達する。よって、図７のように、加工ノズル１１に対するレーザ光２の位置ずれ（芯ズレ）がない状態では、強度の高い光路ａの角度が入射している。これに対して図１１は、強度の低い光路ａ’の光が受光素子６ｂに入射しているため、奇数回反射で受光素子６ｂに入射する光路は、−Ｘ方向の芯ズレに対してセンサ出力が低くなる。逆に、＋Ｘ方向に発光点１５がずれると、光路ａよりも強度が高い光が１回反射で受光素子６ｂに入射するため、センサ出力は増加する。 Here, the optical path a in FIG. 11 is light having the same angle as the light beam in FIG. 7, but does not reach the light receiving element 6b. On the other hand, although the intensity is lower than the optical path a, it is emitted at a more inclined angle. The optical path a ′ reaching the light receiving element 6b. Therefore, as shown in FIG. 7, the angle of the optical path a having a high intensity is incident in a state where there is no positional deviation (core misalignment) of the laser light 2 with respect to the processing nozzle 11. On the other hand, in FIG. 11, since the light of the light path a ′ having low intensity is incident on the light receiving element 6b, the light path incident on the light receiving element 6b by the odd number of reflections is a sensor with respect to the misalignment in the −X direction. Output is low. Conversely, when the light emitting point 15 is shifted in the + X direction, light having a higher intensity than the optical path a is reflected once and enters the light receiving element 6b, so that the sensor output increases.
また、ここでは＋Ｘ方向に出射して一回反射で受光素子６ｂに入射する光路のみを考えていたが、同時にこれと対称な光路、即ち、−Ｘ方向に出射して一回反射で受光素子６ａに入射する光路も存在する。両者の光路は対称であるため、Ｘ方向の芯ズレ、つまり発光点１５のズレに対してセンサ出力特性（センサ出力の増減）が反転しており、受光素子６ａ，６ｂの出力特性は図８のようになる。 Here, only the optical path that is emitted in the + X direction and is incident on the light receiving element 6b with a single reflection is considered. However, at the same time, the light path is symmetrical to the light path, that is, the light receiving element is emitted in the -X direction and reflected once. There is also an optical path incident on 6a. Since both optical paths are symmetrical, the sensor output characteristics (increase / decrease in sensor output) are reversed with respect to the X-direction misalignment, that is, the deviation of the light emitting point 15, and the output characteristics of the light receiving elements 6a and 6b are as shown in FIG. become that way.
次に、偶数回反射の場合を同様に考える。図９と図１２に示すように、被加工物Ｗの加工点から＋Ｘ方向の傾きを持って出射された光については、−Ｘ方向の芯ズレに対して受光素子６ａの出力は低下し、一方、＋Ｘ方向の芯ズレに対して受光素子６ａの出力は増加する。さらに、加工点から−Ｘ方向に出射され、２回反射で受光素子６ｂに入射する光路も考慮すると、２回反射のセンサ出力特性は図１０のようになる。 Next, the case of even number of reflections is considered similarly. As shown in FIGS. 9 and 12, for the light emitted with the inclination in the + X direction from the processing point of the workpiece W, the output of the light receiving element 6a is reduced with respect to the misalignment in the −X direction, On the other hand, the output of the light receiving element 6a increases with respect to the misalignment in the + X direction. Further, considering the optical path emitted from the processing point in the −X direction and incident on the light receiving element 6b by two reflections, the sensor output characteristics of the two reflections are as shown in FIG.
従って、図８と図１０に示すように、１回反射と２回反射では、加工ノズル１１に対する芯ズレから発生する受光素子６ａの出力特性と受光素子６ｂの出力特性は互いに逆になることが判る。 Therefore, as shown in FIGS. 8 and 10, the output characteristics of the light receiving element 6a and the output characteristics of the light receiving element 6b that are generated due to the misalignment with respect to the processing nozzle 11 may be reversed in the single reflection and the double reflection. I understand.
また、ここでは１回反射と２回反射だけを議論したが当然３回、４回などの多数反射の光路も存在する。光センサ６に到達するまでの反射回数が多くなる光路は、発光点１５からの出射角度が水平に近くなるため、受光強度が弱くなる。受光素子６ａ，６ｂのセンサ出力を反射回数ごとに示したものが図１３と図１４である。 Also, here, only one-time reflection and two-time reflection are discussed, but there are naturally many-reflection optical paths such as three times and four times. In the optical path where the number of reflections until reaching the optical sensor 6 increases, the emission angle from the light emitting point 15 becomes almost horizontal, so the received light intensity becomes weak. FIGS. 13 and 14 show the sensor outputs of the light receiving elements 6a and 6b for each number of reflections.
実施の形態１のように、加工ノズル１１の内面と加工ヘッド５の内面を鏡面とした場合、光センサ６の出力信号は、奇数回反射と偶数回反射の合計となる。しかしながら、図１３と図１４に示すように、奇数回反射と偶数回反射の信号強度はレーザ光２の偏差に関して逆特性となるため、受光素子６ａ，６ｂのセンサ出力は相殺されてしまう。 As in the first embodiment, when the inner surface of the processing nozzle 11 and the inner surface of the processing head 5 are mirror surfaces, the output signal of the optical sensor 6 is the sum of odd-numbered reflection and even-numbered reflection. However, as shown in FIGS. 13 and 14, the signal intensity of the odd-numbered reflection and the even-numbered reflection has opposite characteristics with respect to the deviation of the laser beam 2, so that the sensor outputs of the light receiving elements 6 a and 6 b are canceled out.
そこで、図１５のように、加工ノズル１１の内面または加工ヘッド５の内面の一部に、被加工物Ｗから発光した可視光を吸収する光吸収領域１４を設けて、光センサ６に到達する光路のうち奇数回反射または偶数回反射のいずれか一方を遮断することが好ましい。これにより図１７のように、受光素子６ａ，６ｂから出力される信号強度の差が大きくなり、加工ノズル１１の中心に対するレーザ光２の位置をより高精度に計測できる。本実施形態では、光吸収領域１４は、反射率の低い黒色塗料を塗布することで実現しているが、代替として黒い樹脂などを設置することで実現してもよい。 Therefore, as shown in FIG. 15, a light absorption region 14 that absorbs visible light emitted from the workpiece W is provided on the inner surface of the processing nozzle 11 or a part of the inner surface of the processing head 5 to reach the optical sensor 6. It is preferable to block either the odd number reflection or the even number reflection in the optical path. As a result, as shown in FIG. 17, the difference in signal intensity output from the light receiving elements 6a and 6b is increased, and the position of the laser beam 2 with respect to the center of the processing nozzle 11 can be measured with higher accuracy. In this embodiment, the light absorption region 14 is realized by applying a black paint having a low reflectance, but may be realized by installing a black resin or the like as an alternative.
次に、例えば、図１６のような２回反射の光路を遮断する場合を考える。実施の形態１のときと同様に、ＸＺ平面内で考える。Ｚ方向については、被加工物Ｗから１回目の反射が起こる場所までの距離をｚ１、１回目の反射が起こる場所から２回目の反射が起こる場所までの距離をｚ２、２回目の反射が起こる場所から加工レンズ４までの距離をｚ３、加工レンズ４から光センサ６までの距離をｚ４、被加工物Ｗから光センサ６までの距離をＨとする。ｘ方向については、加工ヘッド５の中心から被加工物Ｗの発光点のズレをｘ０、一回目の反射が起こる領域の半径をｘ１、２回目の反射が起こる領域の半径をｘ２、光センサ６の設置半径をｘｉｎ、加工レンズ４の焦点距離をｆとする。 Next, for example, consider a case where an optical path of twice reflection as shown in FIG. 16 is blocked. As in the first embodiment, the XZ plane is considered. For the Z direction, the distance from the workpiece W to the place where the first reflection occurs is z1, the distance from the place where the first reflection occurs to the place where the second reflection occurs is z2, and the second reflection occurs. The distance from the place to the processing lens 4 is z3, the distance from the processing lens 4 to the optical sensor 6 is z4, and the distance from the workpiece W to the optical sensor 6 is H. For the x direction, the deviation of the emission point of the workpiece W from the center of the processing head 5 is x0, the radius of the region where the first reflection occurs is x1, the radius of the region where the second reflection occurs is x2, and the optical sensor 6 Xin and the focal length of the processing lens 4 are f.
被加工物Ｗからの光は、下記の式（３）で表された単位ベクトルの方向に出射されたものが光センサ６に到達する。 The light emitted from the workpiece W that is emitted in the direction of the unit vector represented by the following expression (3) reaches the optical sensor 6.
(x0', y0', z0')=((f*xin-(f-z4)x0)/f(H-3*z2)-z4*(H-z2-z4),0,H*f/(H*f-z4*(H-z4))) …（３） (x0 ', y0', z0 ') = ((f * xin- (f-z4) x0) / f (H-3 * z2) -z4 * (H-z2-z4), 0, H * f / (H * f-z4 * (H-z4)))… (3)
一例として、Ｈ＝４００ｍｍ、ｆ＝１９０ｍｍ、ｘ０＝０ｍｍ、ｘ１＝１．５ｍｍ、ｘ２＝１５ｍｍ、ｘｉｎ＝３８ｍｍとすると、式（３）の角度で出射された光が到達する１回目と２回目の反射領域までの距離ｚ１とｚ２は、光線行列を用いて、下記式（４）のように計算できる。 As an example, when H = 400 mm, f = 190 mm, x0 = 0 mm, x1 = 1.5 mm, x2 = 15 mm, and xin = 38 mm, the first and second times when the light emitted at the angle of Expression (3) arrives The distances z1 and z2 to the reflection region can be calculated as shown in the following formula (4) using a ray matrix.
ここで、被加工物Ｗ上の発光点がずれた場合を考えると、ｘ０＝±０．５ｍｍの時、ｚ１とｚ２の範囲は以下の範囲で移動する。
ｚ１＝１５．８±０．０２ｍｍ
ｚ２＝１７３．３±０．２４ｍｍ
Here, considering the case where the light emission point on the workpiece W is shifted, when x0 = ± 0.5 mm, the range of z1 and z2 moves within the following range.
z1 = 15.8 ± 0.02 mm
z2 = 173.3 ± 0.24mm
よって、２回反射で光センサ６に到達する光路を遮断するためには、加工ノズル１１の内面および加工ヘッド５の内面において、被加工物Ｗから１５．８±０．０２ｍｍまたは１７３．７±０．２４ｍｍの範囲に光吸収領域１４を設けることが好ましい。ただし、ｚ１の領域は一回反射で光センサ６に到達する光路に近接しており、黒塗する幅も０．０４ｍｍと狭いため、ｚ２の領域を光吸収領域１４とすることがより好ましい。 Therefore, in order to block the optical path reaching the optical sensor 6 by two reflections, 15.8 ± 0.02 mm or 173.7 ± from the workpiece W on the inner surface of the processing nozzle 11 and the inner surface of the processing head 5. It is preferable to provide the light absorption region 14 in a range of 0.24 mm. However, since the z1 region is close to the optical path that reaches the optical sensor 6 by a single reflection and the width of black coating is as narrow as 0.04 mm, the z2 region is more preferably the light absorption region 14.
本実施形態では、加工ノズル１１及び加工ヘッド５を中空円柱状に形成した場合、加工ヘッド５の内面において被加工物Ｗから１７３．３ｍｍ±０．２４ｍｍの範囲にリング状の光吸収領域１４を設けることが好ましい。 In the present embodiment, when the processing nozzle 11 and the processing head 5 are formed in a hollow cylindrical shape, the ring-shaped light absorption region 14 is formed within a range of 173.3 mm ± 0.24 mm from the workpiece W on the inner surface of the processing head 5. It is preferable to provide it.
また、ここでは正反射のみを検討したが、実際には、加工ヘッド５、加工ノズル１１内での反射に散乱反射の成分も含まれる。そのため、光吸収領域１４は高さ方向に２〜３倍程度に拡大してもよい。 Although only regular reflection is considered here, in reality, the reflection in the machining head 5 and the machining nozzle 11 includes a component of scattering reflection. Therefore, the light absorption region 14 may be enlarged about 2 to 3 times in the height direction.
また、上記の検討では２回反射について検討したが、同様に光線行列を解くことによって、４回反射、６回反射など、任意の偶数回反射について光路を遮断することもできる。 Further, in the above examination, the reflection twice was examined, but similarly, by solving the ray matrix, the optical path can be blocked for any even number of reflections such as four reflections and six reflections.
なお、加工ノズル１１や加工ヘッド５内の奇数回反射と偶数回反射の反射領域が重なっており、奇数回反射と偶数回反射の光路を光吸収領域１４だけでは完全に分離できないことがある。その場合は、１回反射または２回反射のような反射回数が少ない光路を優先的に残すことによって、光センサ６から大きな出力が得られると共に、センサ出力の差（受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差）も大きくなる。 The odd-numbered reflection and even-numbered reflection reflection regions in the processing nozzle 11 and the processing head 5 overlap each other, and the odd-numbered reflection and even-numbered reflection optical paths may not be completely separated by the light absorption region 14 alone. In this case, a large output is obtained from the optical sensor 6 by preferentially leaving an optical path with a small number of reflections such as one-time reflection or two-time reflection, and a difference in sensor output (between the light receiving elements 6a and 6b). The output difference or the output difference between the light receiving elements 6c and 6d) also increases.
実施の形態３．
図１８は、本発明による実施の形態３を示す説明図である。本実施形態は、加工ノズル１１の内面および加工ヘッド５の内面において、実施の形態２の光吸収領域１４の代わりに光散乱面１３を設けて、奇数回反射および偶数回反射のいずれか一方の光路を散乱反射させている。
Embodiment 3 FIG.
FIG. 18 is an explanatory view showing Embodiment 3 according to the present invention. In this embodiment, a light scattering surface 13 is provided on the inner surface of the processing nozzle 11 and the inner surface of the processing head 5 instead of the light absorption region 14 of the second embodiment, and either one of the odd number reflection and the even number reflection is provided. The light path is scattered and reflected.
被加工物Ｗから光センサ６に到達する光路の途中に光散乱面１３を設置することによって、光の散乱により発光点１５が多少ずれても光センサ６に入射する光量は変化しない。さらに、散乱反射により光が広がって反射されるため、光センサ６から離れた領域に散乱面１３を設置することにより、光センサ６への入射光量を減少させることもできる。そのため、受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差が大きくなり、レーザ光の芯ズレを高精度に検知することができる。なお、光散乱面１３を設ける範囲は、実施の形態２で計算した光吸収領域１４の範囲と同じである。 By installing the light scattering surface 13 in the middle of the optical path reaching the optical sensor 6 from the workpiece W, the amount of light incident on the optical sensor 6 does not change even if the light emitting point 15 is slightly shifted due to light scattering. Further, since light is spread and reflected by scattering reflection, the amount of incident light on the optical sensor 6 can be reduced by installing the scattering surface 13 in a region away from the optical sensor 6. Therefore, the output difference between the light receiving elements 6a and 6b or the output difference between the light receiving elements 6c and 6d is increased, and the misalignment of the laser beam can be detected with high accuracy. The range in which the light scattering surface 13 is provided is the same as the range of the light absorption region 14 calculated in the second embodiment.
実施の形態２の光吸収領域１４を設置した場合と比較して、光散乱面１３を設置した場合、散乱反射された光が若干、光センサ６に入射するため、芯ズレ検知精度は低下する傾向がある。光散乱面１３は、光吸収領域１４と同様に塗料（例えば、反射率の高い白色塗料）の塗布によって形成してもよいが、加工ノズル１１の内面や加工ヘッド５の内面にブラスト加工などの粗面化処理を施すことによって光散乱面１３を容易に作製することができる。粗面化処理で得られる表面は、塗料の塗布と比較して、反射率の経年劣化が少なく、長期にわたってセンサ出力が変動しにくいという利点がある。 Compared with the case where the light absorption region 14 of the second embodiment is installed, when the light scattering surface 13 is installed, the scattered and reflected light is slightly incident on the optical sensor 6, so that the misalignment detection accuracy is lowered. Tend. The light scattering surface 13 may be formed by applying a paint (for example, a white paint having a high reflectance) in the same manner as the light absorption region 14, but the inner surface of the processing nozzle 11 or the inner surface of the processing head 5 may be blasted. By performing the roughening treatment, the light scattering surface 13 can be easily produced. The surface obtained by the roughening treatment has the advantage that the sensor output is less likely to fluctuate over a long period of time as compared with the application of the paint, with less deterioration over time of the reflectance.
また、被加工物Ｗ、光センサ６及び加工レンズ４の位置関係上、被加工物Ｗからの発光が加工レンズ４で集光されてしまい、図１９に示すように、光センサ６に光が入射しない場合が存在する。そのような場合でも、図２０のように、加工ノズル１１の内面及び加工ヘッド５の内面の一部を光散乱面１３として形成することにより、光センサ６に被加工物Ｗからの光が入射する光路を作ることができる。こうした散乱光路を利用することにより、加工ノズル１１の中心に対するレーザ光２の位置を光センサ６の出力から測定することができる。 Further, due to the positional relationship among the workpiece W, the optical sensor 6 and the processing lens 4, light emitted from the workpiece W is collected by the processing lens 4, and as shown in FIG. There is a case where it is not incident. Even in such a case, the light from the workpiece W is incident on the optical sensor 6 by forming the inner surface of the processing nozzle 11 and a part of the inner surface of the processing head 5 as the light scattering surface 13 as shown in FIG. You can make an optical path to do. By using such a scattered light path, the position of the laser light 2 with respect to the center of the processing nozzle 11 can be measured from the output of the optical sensor 6.
実施の形態４．
図２１は、本発明による実施の形態４を示す説明図である。本実施形態は、加工ヘッド５または加工ノズル１１の内部に遮光物１７を設置することによって、奇数回反射および偶数回反射のいずれか一方の光路を遮断している。
Embodiment 4 FIG.
FIG. 21 is an explanatory view showing Embodiment 4 according to the present invention. In this embodiment, the light shielding member 17 is installed inside the processing head 5 or the processing nozzle 11 to block one of the optical paths of the odd-numbered reflection and the even-numbered reflection.
実施の形態２の光吸収領域１４の設置と同様に、奇数回反射または偶数回反射の光路を遮断することによって、受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差が大きくなり、レーザ光の芯ズレを高精度に検知することができる。 Similar to the installation of the light absorption region 14 in the second embodiment, the output difference between the light receiving elements 6a and 6b or the output difference between the light receiving elements 6c and 6d is reduced by blocking the optical path of the odd number reflection or the even number reflection. It becomes large, and the misalignment of the laser beam can be detected with high accuracy.
また、遮光物１７は、加工ヘッド５及び加工ノズル１１内で複雑に反射を繰り返し光センサ６に入射する迷光の光路を遮断できるため、黒色部材などの光吸収する部材が最も望ましい。しかし、発光点１５からの光センサ６に到達する光路を遮断することができればよいため、透過率が低いものであれば金属や樹脂などで形成してもよい。 Further, the light shielding member 17 is most preferably a light absorbing member such as a black member because it can block the optical path of stray light that is repeatedly reflected in a complex manner in the processing head 5 and the processing nozzle 11 and enters the optical sensor 6. However, since it is only necessary to block the optical path from the light emitting point 15 to the optical sensor 6, it may be formed of metal or resin as long as the transmittance is low.
図２１では、２回反射の光路を遮断した場合を例示している。実施の形態２で計算したとおり、ｚ１＝１５．８ｍｍ、ｚ２＝１７３．３ｍｍであるから、被加工物Ｗから２回反射する位置までの距離はｚ１＋ｚ２＝１８９．１ｍｍであり、そこから１ｍｍ下に遮光物１７を設置している。 In FIG. 21, the case where the optical path of twice reflection is interrupted is illustrated. As calculated in the second embodiment, since z1 = 15.8 mm and z2 = 173.3 mm, the distance from the workpiece W to the position where it is reflected twice is z1 + z2 = 189.1 mm, and 1 mm below that A shading object 17 is installed on the screen.
加工ノズル１１の内部で反射される角度は、９０−ｔａｎ−１（ｘ１／ｚ１）＝８４．６°であるため、遮光物１７のＸ方向の長さは、１ｍｍ×ｔａｎ（ｘ１／ｚ１）＝０．０９ｍｍ以上あればよく、被加工物Ｗの発光点が最大０．５ｍｍずれることを考慮しても、０．０９＋０．５ｍｍ≒０．６ｍｍ以上あればよい。本実施形態では、加工ノズル１１および加工ヘッド５の反射に含まれる散乱反射も考慮して、遮光物１７のＸ方向長さを１ｍｍとしている。また、加工ノズル１１および加工ヘッド５を中空円柱形状に形成した場合、幅１ｍｍのリング状の遮光物１７を配置すればよい。なお、使用している参照符号や変数の値は、実施の形態２と同じである。 Since the angle reflected inside the processing nozzle 11 is 90−tan −1 (x1 / z1) = 84.6 °, the length of the light shield 17 in the X direction is 1 mm × tan (x1 / z1). = 0.09 mm or more, and considering that the light emitting point of the workpiece W is shifted by a maximum of 0.5 mm, 0.09 + 0.5 mm≈0.6 mm or more is sufficient. In the present embodiment, the length of the light shield 17 in the X direction is set to 1 mm in consideration of scattering reflection included in the reflection of the processing nozzle 11 and the processing head 5. Further, when the processing nozzle 11 and the processing head 5 are formed in a hollow cylindrical shape, a ring-shaped light shielding member 17 having a width of 1 mm may be disposed. The reference numerals and variable values used are the same as those in the second embodiment.
実施の形態５．
図２２は、本発明による実施の形態５を示す説明図である。本実施形態は、加工ヘッド５または加工ノズル１１の内部にミラー１８を設置することによって、奇数回反射および偶数回反射のいずれか一方の光路について反射回数を増加させ、受光光量を減衰させている。これにより芯ズレに対する光センサ６の出力特性が一致し、受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差が大きくなり、レーザ光の芯ズレを高精度に検知することができる。
Embodiment 5 FIG.
FIG. 22 is an explanatory diagram showing the fifth embodiment according to the present invention. In the present embodiment, by installing a mirror 18 inside the processing head 5 or the processing nozzle 11, the number of reflections is increased for either one of the odd-numbered reflection and even-numbered reflection optical paths, and the amount of received light is attenuated. . As a result, the output characteristics of the optical sensor 6 with respect to the misalignment match, the output difference between the light receiving elements 6a and 6b or the output difference between the light receiving elements 6c and 6d increases, and the misalignment of the laser light is detected with high accuracy. Can do.
図２２では、ミラー１８からの反射光を光センサ６に入射させた場合を例示している。ミラー１８を被加工物ＷからＺ方向にｚ１＋ｚ２＝１８９．１ｍｍ、加工ノズル１１の中心からＸ方向に１０．５ｍｍに設置した場合、加工ノズル１１の反射面に対してミラー１８の角度を３．５度傾けることで、受光素子６ａに入射する光を受光素子６ｂに入射させることができる。また、ミラー１８の角度を別の角度に設定し、光センサ６に入射しない角度に光を反射させてもよい。 FIG. 22 illustrates the case where the reflected light from the mirror 18 is incident on the optical sensor 6. When the mirror 18 is set to z1 + z2 = 189.1 mm in the Z direction from the workpiece W and 10.5 mm in the X direction from the center of the processing nozzle 11, the angle of the mirror 18 with respect to the reflection surface of the processing nozzle 11 is 3. By tilting by 5 degrees, light incident on the light receiving element 6a can be incident on the light receiving element 6b. Alternatively, the angle of the mirror 18 may be set to another angle, and the light may be reflected at an angle that does not enter the optical sensor 6.
代替として、図２３のように、加工ノズル１１や加工ヘッド５の内部形状を変更したり、あるいはミラー１８を加工ノズル１１や加工ヘッド５と一体化して、反射回数を調整してもよい。図２３において、ミラー１８を被加工物ＷからＺ方向にｚ１＋ｚ２＝１８９．１ｍｍ、加工ノズル１１の中心からＸ方向にｘ２＝１５ｍｍに設置した場合、加工ノズル１１の反射面に対してミラー１８の角度を６度傾けることで、図２３のように反射回数を意図的に増やすことができる。これにより芯ズレに対する光センサ６の出力特性が一致し、受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差が大きくなり、レーザ光の芯ズレを高精度に検知することができる。なお、使用している参照符号や変数の値は、実施の形態２と同じである。 Alternatively, as shown in FIG. 23, the internal shape of the processing nozzle 11 and the processing head 5 may be changed, or the mirror 18 may be integrated with the processing nozzle 11 and the processing head 5 to adjust the number of reflections. In FIG. 23, when the mirror 18 is set to z1 + z2 = 189.1 mm in the Z direction from the workpiece W and x2 = 15 mm in the X direction from the center of the processing nozzle 11, the mirror 18 is placed on the reflection surface of the processing nozzle 11. By tilting the angle by 6 degrees, the number of reflections can be intentionally increased as shown in FIG. As a result, the output characteristics of the optical sensor 6 with respect to the misalignment match, the output difference between the light receiving elements 6a and 6b or the output difference between the light receiving elements 6c and 6d increases, and the misalignment of the laser light is detected with high accuracy. Can do. The reference numerals and variable values used are the same as those in the second embodiment.
実施の形態６．
図２４は、本発明による実施の形態６を示す説明図である。本実施形態は、加工ヘッド５または加工ノズル１１の内部に光屈折体１９を設置することによって、奇数回反射および偶数回反射のいずれか一方の光路について反射回数を増加させ、受光光量を減衰させている。これにより芯ズレに対する光センサ６の出力特性が一致し、受光素子６ａ，６ｂ間の出力差または受光素子６ｃ，６ｄ間の出力差が大きくなり、レーザ光の芯ズレを高精度に検知することができる。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 24 is an explanatory view showing Embodiment 6 according to the present invention. In the present embodiment, by installing the photorefractive body 19 inside the processing head 5 or the processing nozzle 11, the number of reflections is increased for either one of the odd-numbered reflection and the even-numbered reflection, and the received light amount is attenuated. ing. As a result, the output characteristics of the optical sensor 6 with respect to the misalignment match, the output difference between the light receiving elements 6a and 6b or the output difference between the light receiving elements 6c and 6d increases, and the misalignment of the laser light is detected with high accuracy. Can do.
図２４は、光屈折体１９により２回反射の光を全反射させ加工ヘッド５の内面に対して垂直入射させた場合を例示している。光屈折体１９は、被加工物Ｗを照射するレーザ光２を妨害しないように、加工レンズ４のすぐ下に設置することが望ましい。図２４の例では、加工ノズル１１の中心からＸ方向に２９ｍｍ、被加工物Ｗからｐ１＝１８９．５ｍｍの位置にガラス製の直角二等辺三角形型の光屈折体１９を設置し、その出射面が加工ヘッド５の内面に対して４．３度だけ図の方向に傾けて配置した場合、光屈折体１９に入射して内部全反射し、出射面から出射した光は、加工ヘッド５の内面によって逆方向に反射して同じ光路を戻るため、光センサ６には入射しなくなる。 FIG. 24 illustrates a case where light reflected twice by the light refracting body 19 is totally reflected and vertically incident on the inner surface of the processing head 5. It is desirable that the photorefractive body 19 be installed immediately below the processing lens 4 so as not to interfere with the laser light 2 that irradiates the workpiece W. In the example of FIG. 24, a glass right-angled isosceles triangular photorefractive body 19 is installed at a position 29 mm in the X direction from the center of the processing nozzle 11 and p1 = 189.5 mm from the workpiece W. Is inclined by 4.3 degrees with respect to the inner surface of the processing head 5 in the direction of the drawing, the light incident on the photorefractive body 19 and totally internally reflected, and the light emitted from the output surface is reflected on the inner surface of the processing head 5 Is reflected in the opposite direction and returns to the same optical path, so that it does not enter the optical sensor 6.
図２５は、光屈折体１９により２回反射の光を全反射させ、光が入射する受光素子６ａ，６ｂを変更した場合を例示している。加工ノズル１１の中心からＸ方向に１３ｍｍ、被加工物Ｗからｐ２＝１８５ｍｍの位置に、ガラス製の直角二等辺三角形型の光屈折体１９を設置し、光屈折体１９の全反射面を加工ノズル１１の反射面に対して１．２度傾けて配置している。 FIG. 25 illustrates a case where light reflected twice is totally reflected by the photorefractive body 19 and the light receiving elements 6a and 6b on which the light is incident are changed. A glass right isosceles triangular photorefractive body 19 is installed at a position of 13 mm in the X direction from the center of the processing nozzle 11 and p2 = 185 mm from the workpiece W, and the total reflection surface of the photorefractive body 19 is processed. The nozzle 11 is disposed with an inclination of 1.2 degrees with respect to the reflection surface.
光屈折体１９は、発光点１５からの可視光を透過、屈折、全反射させることができる任意の材料、例えば、ガラスや樹脂などで形成できる。また、図２４と図２５の光屈折体１９の全反射面は、金属蒸着や誘電体多層膜を施したミラーとして形成してもよい。なお、図２４と図２５で使用している参照符号や変数の値は、実施の形態２と同じである。 The photorefractive body 19 can be formed of any material that can transmit, refract, and totally reflect visible light from the light emitting point 15, for example, glass or resin. The total reflection surface of the photorefractive body 19 shown in FIGS. 24 and 25 may be formed as a mirror provided with metal vapor deposition or a dielectric multilayer film. The reference numerals and variable values used in FIGS. 24 and 25 are the same as those in the second embodiment.
１ レーザ発振器、 ２ レーザ光、 ３ 反射ミラー、 ４ 加工レンズ、
５ 加工ヘッド、 ６ 光センサ、 ６ａ〜６ｄ 受光素子、 ７ 増幅器、
８ 数値制御装置、 ９ 信号処理装置、 １０ アクチュエータ、
１１ 加工ノズル、 １３ 光散乱面、 １４ 光吸収領域、 １５ 発光点、
１６ 指向特性、 １７ 遮光物、 １８ ミラー、 １９ 光屈折体、
Ｗ 被加工物。
1 laser oscillator, 2 laser light, 3 reflecting mirror, 4 processing lens,
5 processing head, 6 optical sensor, 6a to 6d light receiving element, 7 amplifier,
8 Numerical control device, 9 Signal processing device, 10 Actuator,
11 processing nozzle, 13 light scattering surface, 14 light absorption region, 15 light emitting point,
16 directional characteristics, 17 shader, 18 mirror, 19 light refractor,
W Work piece.
Claims (3)
加工ヘッドの内部に設けられ、レーザ光を集光して被加工物に向けて照射するための加工レンズと、
加工ヘッドの端部に設けられ、集光したレーザ光の進行方向に沿ってアシストガスを供給するための加工ノズルと、
加工ヘッドの内部に設けられ、被加工物の加工部で発生した光を加工レンズを介して受光するための光センサとを備え、
光センサは、被加工物の加工部で発生した光のうち、加工ノズル内面および加工ヘッド内面の一方または両方において１回以上反射した光を受光するように配置されていることを特徴とするレーザ加工装置。 A processing head having a hollow housing;
A processing lens provided inside the processing head, for condensing the laser beam and irradiating the workpiece;
A processing nozzle provided at the end of the processing head and for supplying an assist gas along the traveling direction of the focused laser beam;
An optical sensor that is provided inside the processing head and receives light generated by the processing portion of the workpiece through the processing lens;
The optical sensor is disposed so as to receive light reflected at least once on one or both of the inner surface of the processing nozzle and the inner surface of the processing head among the light generated in the processing portion of the workpiece. Processing equipment.
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