JP2014036981A - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工位置を、ハレーションを生じることなく撮像することのできる機能を備えたレーザ加工ヘッドを提供する。
【解決手段】レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズ４７と、レーザ加工位置から飛散するスパッタ等から前記集光レンズ４７を保護する保護ガラス８９と、レーザ加工位置を撮像する撮像手段８１と、前記撮像手段８１による撮像位置を照明する照明手段９５とを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズ４７と前記保護ガラス８９との間に、リング状の照明手段９５を備え、前記保護ガラス８９の上方に備えた前記撮像手段８１に対する、前記照明手段９５からの照明光の直接入射及び前記保護ガラス８９からの反射光の入射を防止するために、リング状の照明手段９５の内側に遮光部材９７を備え、前記遮光部材９７は筒状であって、リング状の前記照明手段９５からの照明光をレーザ加工ヘッドの先端側へ反射するための光反射面９９を、前記遮光部材９７の外周面に備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズと、レーザ加工位置から集光レンズ方向へ飛散するスパッタ等の汚染物質から前記集光レンズを保護する保護ガラスと、レーザ加工位置を撮像する撮像手段と、当該撮像手段による撮像位置を照明する照明手段とを備えたレーザ加工ヘッドに係り、さらに詳細には、ハレーションを生じることなく撮像位置を鮮明に撮像することのできるレーザ加工ヘッドに関する。

レーザ加工ヘッドに備えた集光レンズによってレーザ光を集光してワークに対して照射し、ワークのレーザ切断加工やレーザ溶接などを行うとき、レーザ加工位置をＣＣＤカメラなどの撮像手段によって撮像してモニタリングを行うことがある（例えば特許文献１参照）。

特開２０００−４２７７５号公報

レーザ加工ヘッドに備えた撮像手段としてのＣＣＤカメラによって、レーザ加工最中の加工位置を撮像してモニタリングを行うこともある。この場合、レーザ加工位置からの反射光が強烈で、ハレーションを生じて鮮明に撮像することができない場合がある。また、レーザ加工後に、レーザ加工位置を撮像する際に、レーザ加工ヘッドの外部（側方）から照明光を照射すると、影を生じ加工位置を鮮明に撮像することが難しいものである。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズと、レーザ加工位置から飛散するスパッタ等から前記集光レンズを保護する保護ガラスと、レーザ加工位置を撮像する撮像手段と、前記撮像手段による撮像位置を照明する照明手段とを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズと前記保護ガラスとの間に、リング状の照明手段を備え、前記保護ガラスの上方に備えた前記撮像手段に対する、前記照明手段からの照明光の直接入射及び前記保護ガラスからの反射光の入射を防止するために、リング状の照明手段の内側に遮光部材を備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記遮光部材は筒状であって、リング状の前記照明手段からの照明光をレーザ加工ヘッドの先端側へ反射するための光反射面を、前記遮光部材の外周面に備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記集光レンズと前記保護ガラスとの間の高さ位置であってレーザ光の光路から離反した位置に前記撮像手段を備え、レーザ加工位置からの光を前記撮像手段方向へ反射する反射鏡を、レーザ光の光路に対して出入自在に備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記保護ガラスの汚れを検出する汚れ検出手段を備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、リング状の照明手段の内側に遮光部材を備えているので、前記照明手段からの照明光が撮像手段へ直接的に入射されるようなことがなく、ハレーションを生じるようなことはないものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す断面説明図である。 図１における主要部分の構成を拡大した拡大説明図である。 レーザ光の光路に対してウエッジ付ガラスを出入する構成を示す平面説明図である。 レーザ光の光路に対してウエッジ付ガラスを出入する構成を示す平面説明図である。 ウエッジ付ガラスと回転部材とを一体的に回転するための構成を示す平面説明図である。

図１を参照するに、本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１は、産業用ロボット（図示省略）におけるロボットアームの先端部に備えられているものである。なお、前記ロボットアームに対するレーザ加工ヘッド１の取付け構造は一般的な構成であってよいものであるから、ロボットアームに対するレーザ加工ヘッド１の取付け構造についての説明は省略する。

前記レーザ加工ヘッド１には、ボックス本体２９が備えられており、このボックス本体２９の上側にはボルト等の固定具によって蓋部材３１が取付けてある。そして、この蓋部材３１の上部には筒状のレンズホルダ３３が一体的に立設してあり、このレンズホルダ３３の上端部には、光ファイバ３５の端部を保持した光ファイバホルダ３７が着脱可能に備えられている。そして、前記レンズホルダ３３内には、前記光ファイバ３５の出射端から出射されたレーザ光ＬＢを平行光線化するコリメーションレンズ３９が備えられている。

前記ボックス本体２９における底部２９Ｂの下面には、ボルト等のごとき固定具によって軸受ボックス４１が一体的に取付けてあり、この軸受ボックス４１内には、筒状の回転体４３がレーザ光ＬＢの光軸回りに回転自在に備えられている。この回転体４３は、後述するように、モータによって回転駆動されるものである。

前記軸受ボックス４１の下部にはボルト等のごとき固定具によってハウジングボックス４５が一体的に備えられている。そして、このハウジングボックス４５内には、前記コリメーションレンズ３９によって平行光線化されたレーザ光ＬＢを集光してワークＷへ照射する集光レンズ４７がレンズホルダ４９を介して内装されている。

前記集光レンズ４７によってレーザ光ＬＢを集光してワークＷに照射するとき、レーザ光ＬＢの光軸を屈折偏心させると共に回転するために、ウエッジ付ガラスが前記ボックス本体２９内に備えられている。より詳細には、前記ボックス本体２９は、図３に示すように、環状の周壁部５１を備えた箱状に形成してある。そして、このボックス本体２９の前記底部２９Ｂであって、前記レーザ光ＬＢの光軸に一致する部分に上下方向の貫通穴５３が形成してあり、この貫通穴５３の部分に、筒状の前記回転体４３が回転自在に備えられている。

そして、前記回転体４３の上端部には、前記ボックス本体２９内において回転自在なリング板等のごとき回転部材５５がボルト等のごとき固定具によって一体的に固定してある。したがって、前記回転部材５５は回転体４３の一部と見なすことができるものである。前記回転部材５５には、図３に示すように、放射外方向へ突出した複数の突出部５７が備えられており、上記各突出部５７の間には凹部５９が備えられている。そして、前記回転体４３を回転駆動するために、レーザ加工ヘッド１の適宜位置に備えたモータ６１の駆動プーリ６３に掛回したエンドレスベルト６５が前記回転体４３に掛回してある。したがって、前記モータ６１を駆動することにより、前記回転体４３を回転駆動することができるものである。

前記ボックス本体２９における前記蓋部材３１には、モータなどのごとき回転用アクチュエータ６７（図１参照）が装着してあり、この回転用アクチュエータ６７における回動軸６９（図３参照）には支持アーム７１の基端部側が一体的に固定してある。前記支持アーム７１の先端側は、前記回動軸６９を回動することにより、前記回転部材５５に対応した位置へ位置決め自在、かつ回転部材５５に対応した位置から退避自在な構成である。

換言すれば、前記支持アーム７１の先端側は、レーザ光ＬＢの光路に対して出入自在な構成である。そして、前記支持アーム７１の先端側に形成した貫通穴の部分に回転自在に支持されたリング状のガラスホルダ７３には、前記レーザ光ＬＢの光軸を屈折偏心させるためのウエッジ付ガラス７５が備えられている。このウエッジ付ガラス７５は、上面又は下面の一方の面は光軸に対して傾斜した面（ウエッジを付けた面）に形成してあり、他方の面は、光軸に垂直な平面に形成してある。

したがって、前記ウエッジ付ガラス７５にレーザ光ＬＢが入射されると、レーザ光ＬＢの光軸は屈折偏心されるものである。よって、前記ウエッジ付ガラス７５を回転すると、レーザ光ＬＢの光軸は偏心回転されることになる。

図３に示すように、レーザ光ＬＢの光路から前記ウエッジ付ガラス７５が退避した位置、すなわち前記支持アーム７１がストッパ７７に当接し、前記ウエッジ付ガラス７５が前記回転部材５５から離反した位置にあるときは、前記コリメーションレンズ３９によって平行光線化されたレーザ光ＬＢは、前記回転部材５５を通過して、前記集光レンズ４７に直接入射される。したがって、光ファイバ３５の出射端から出射されたレーザ光ＬＢは、コリメーションレンズ３９によって平行光線化されて直進し、前記集光レンズ４７によって集光されてワークＷへ照射される。よって、ワークＷのレーザ切断加工が行われることになる。

図３に示すごとき状態から、支持アーム７１を時計回り方向に回動して、支持アーム７１の先端側をレーザ光ＬＢの光路内に進入すると、支持アーム７１の先端側に備えられたガラスホルダ７３は前記回転部材５５に重なるように位置決めされる（図４参照）。上述のように、前記回転部材５５とガラスホルダ７３とが重なるように位置決めしたとき、当該回転部材５５とガラスホルダ７３とを一体的に回転するために、前記ガラスホルダ７３には、前記回転部材５５に備えた前記凹部５９に対して係合離脱自在な係合部材７９が備えられている。（図３，５参照）
したがって、前記凹部５９に前記係合部材７９が係合した状態にあるときに、前記回転部材５５を回転すると、係合部材７９を介してガラスホルダ７３が回転されることになる。よって、前記ガラスホルダ７３に備えたウエッジ付ガラス７５を透過することによって光軸が屈折偏心されたレーザ光ＬＢは偏心回動されることになる。このように、レーザ光ＬＢの光軸を屈折偏心させて、偏心回動することにより、ワークのレーザ溶接が容易に行われ得るものである。

ところで、前記回転部材５５と前記係合部材７９との位置的関係は相対的なものであるから、前記ガラスホルダ７３に回転部材５５を備えて、回転体４３に係合部材７９を備えた構成とすることも可能なものである。なお、前記説明においては、回転部材５５に複数の突出部５７を備えることによって凹部５９を備えた場合について説明した。しかし、前記突出部５７は１個であってもよいものである。この場合、前記係合部材７９が突出部５７に当接することによって一体的に押圧回転されることになるので、前記係合部材７９は一種の当接部材又は被押圧部材と称することもできるものである。

前述のごとき説明より理解されるように、本実施形態に係るレーザ加工ヘッド１に備えられた支持アーム７１の先端側は、レーザ光ＬＢの光路に対して出入自在である。そして、この支持アーム７１の先端側に、ウエッジ付ガラス７５を回転自在に備えた構成であるから、本実施形態に係るレーザ加工ヘッド１は、レーザ切断加工とレーザ溶接の両方に使用することができるものである。そして、前記ウエッジ付ガラス７５をレーザ光ＬＢの光路に位置決めしたときには、コリメーションレンズ３９と集光レンズ４７との間であって、前記コリメーションレンズ３９によってレーザ光ＬＢが平行光線化された領域内であるから、レーザ光ＬＢの径は大径である。

したがって、レーザ光ＬＢがファイバーレーザであって高出力のレーザ光ＬＢであっても、前記ウエッジ付ガラス７５に入射されるレーザ光ＬＢは大径であってエネルギー密度は小さなものであり、ウエッジ付ガラス７５を損傷するようなことがないものである。また、コリメーションレンズ３９によって平行光線化されたレーザ光ＬＢ内の領域であっても、ウエッジ付ガラス７５は両面が非平行なガラスであるから、レーザ光ＬＢの光軸を効果的に屈折偏心させることができるものである。

前記レーザ加工ヘッド１において、前記ハウジングボックス４５の側面にはレーザ加工位置の撮像を行うＣＣＤカメラ等のごとき撮像手段８１が備えられている。そして、前記ハウジングボックス内において前記集光レンズ４７より下方位置であって、前記ＣＣＤカメラ８１に対応した位置には、ワークＷのレーザ加工位置からの光を前記ＣＣＤカメラ８１方向へ反射する反射鏡８３が備えられている。上記反射鏡８３は、レーザ光ＬＢの光路に対して出入自在に備えられている。

すなわち、前記ハウジングボックス４５には、レーザ光ＬＢの光軸に対して直交する方向（図１，２において紙面に対して垂直な方向）であって、前記ハウジングボックス４５に対して出入自在なミラー出入用スライダ８５が備えられており、このミラー出入用スライダ８５に前記反射鏡８３が傾斜して備えられている。なお、前記ミラー出入用スライダ８５は、例えばリニアモータ、流体圧シリンダなどのごとき適宜のリニアアクチュエータ（図示省略）の作動によって往復動されるものである。

上記構成より理解されるように、前記反射鏡８３は、ワークＷへレーザ光ＬＢを照射してレーザ加工を行うときには、レーザ光ＬＢの光路から退避されている。そして、前記ＣＣＤカメラ８１によって加工位置を撮像するときに、前記ＣＣＤカメラ８１に対応するように、レーザ光ＬＢの光路内に移動位置決めされるものである。したがって、レーザ光ＬＢを照射してレーザ加工を行った部分を、ＣＣＤカメラ８１によって撮像することができ、レーザ加工を行った後のレーザ加工状態を観察することができるものである。

前記ハウジングボックス４５の下側には、前記ＣＣＤカメラ８１による撮像位置を照明する照明手段８７が備えられている。そして、この照明手段８７の下側には、レーザ光ＬＢの照射位置から飛散するスパッタ等から前記集光レンズ４７を保護する保護ガラス８９が備えられている。より詳細には、前記ハウジングボックス４５の下面には、環状の照明ハウジング９１がボルト等のごとき固定具によって一体的に取付けられている。

前記照明ハウジング９１内には、例えばＬＥＤなどのごとき複数の点光源９３を同一円上に備えたリング状光源９５が備えられている。そして、前記各点光源９３から中心に向かって照射される照明光が前記反射鏡８３へ直接入射することを防止するために、前記照明ハウジング９１には遮光部材９７が備えられている。上記遮光部材９７は、下側が小径となるテーパ状の筒体に形成してあって前記リング状光源９５の内側に備えられている。

筒状の前記遮光部材９７の下端部は前記各点光源９３よりも下側に位置してある。そして、前記遮光部材９７の外周面には、前記点光源９３からの照明光をレーザ加工ヘッドの先端側（図１，２において下方向）へ反射する環状の光反射面９９が備えられている。したがって、各点光源９３からの照明光は、遮光部材９７の光反射面９９によって下方向（レーザ加工ヘッドの先端側）のみへ反射されるものである。

前記保護ガラス８９は、前記照明ハウジング９１の下面に着脱可能に備えられたリング状のガラスホルダ１０１に保持され、かつ前記遮光部材９７の下端部に近接して配置されている。そして、前記ガラスホルダ１０１には、前記保護ガラス８９の汚れを検出するための汚れ検出手段としての光ファイバ１０３が備えられている。

したがって、前記各点光源９３からの照明光が保護ガラス８９へ照射され、保護ガラス８９に付着している汚れ物質の部分において反射されると、保護ガラス８９内を伝搬して前記光ファイバ１０３の端部に入射されることになる。よって、保護ガラス８９に対する汚れ物質の付着量が多くなり、前記光ファイバ１０３に接続した光センサの検出値が予め設定した基準値より大きくなると、保護ガラス８９の交換が行われるものである。

既に理解されるように、前記ＣＣＤカメラ８１によって加工位置を撮像すべく、各点光源９３によって加工位置を照明すると、加工位置からの反射光は、光路中に位置決めされている反射鏡８３によってＣＣＤカメラ８１方向へ反射され、加工位置の撮像が行われることになる。この際、各点光源９３からの照射光は遮光部材９７の外周面に備えた環状の光反射面９９によって下方向へ反射され、前記保護ガラス８９を透過してワークＷの加工位置へ照射されることになる。

上述のように、ワークＷの加工位置を照明するとき、照明光の一部は前記保護ガラス８９の上面でもって反射される。しかし、前記遮光部材９７の下端部（先端部）と前記保護ガラス８９は近接してあるので、前記保護ガラス８９の上面での反射光が前記反射鏡８３へ入射されることが抑制される。したがって、ＣＣＤカメラ８１による撮像時に、保護ガラス８９の上面での反射光が入射されて、画面が白くぼやける現象、すなわちハレーションを防止でき、ワークＷの加工位置を鮮明に撮像することができるものである。

前述のごとく、ワークＷの加工位置を照明する際、各点光源９３の照明光が保護ガラス８９を透過するとき、保護ガラス８９にスパッタ等の汚れ物質が付着していると、この汚れ物質部分で乱反射された反射光の一部が保護ガラス８９内を伝搬し、光ファイバ１０３の端部に入射されることにより、保護ガラス８９の汚れを検出することができるものである。

レーザ加工位置から飛散するスパッタ等の汚れ物質が前記保護ガラス８９に付着することを防止するために、前記保護ガラス８９の下側には、保護ガラス８９に付着する傾向にある汚染物質を吹き飛ばすためのエアー噴出ハウジング１０５（図１参照）が備えられており、エアー噴出ハウジング１０５の下部に、レーザノズル１０７が着脱交換可能に備えられている。

より詳細には、前記エアー噴出ハウジング１０５は、例えばボルト等のごとき取付具を介してレーザ加工ヘッド１に備えられているものであり、このエアー噴出ハウジング１０５は、レーザ光ＬＢの光軸に対して直交する方向（図１において右側方向）に開口した開口部１０９を備えた構成である。そして、前記エアー噴出ハウジング１０５の下部には、ワークＷの加工部から前記集光レンズ４７方向へ飛散する汚染物質を、前記開口部１０９に沿って外部へ吹き飛ばすためのエアー噴出部１１１が備えられている。

したがって、レーザ光ＬＢをワークＷへ照射してレーザ加工を行うとき、レーザ加工位置から集光レンズ４７方向へ飛散したスパッタ等の汚染物質は、エアー噴出部１１１から吹出されるエアーによって外部へ吹き飛ばされる。よって、保護ガラス８９に付着する汚染物質を抑制することができるものである。

前記説明より理解されるように、前記構成によれば、レーザ加工ヘッド１に備えたＣＣＤカメラ８１によってレーザ加工位置を撮像する際、各点光源９３によって前記レーザ加工位置を照明するとき、保護ガラス８９からの反射光によってハレーションを生じることが防止され、レーザ加工位置を鮮明に撮像することができるものである。また、前記構成によれば、保護ガラス８９の汚れを検出することができると共に、保護ガラス８９に対する汚れ物質の付着を抑制することができるものである。

１ レーザ加工ヘッド
３５ 光ファイバ
３９ コリメーションレンズ
４３ 回転体
４７ 集光レンズ
５５ 回転部材
５７ 突出部
５９ 凹部
７１ 支持アーム
７３ ガラスホルダ
７５ ウエッジ付ガラス
７９ 係合部材（当接部材、被押圧部材）
８１ 撮像手段（ＣＣＤカメラ）
８３ 反射鏡
８５ ミラー出入用スライダ
８７ 照明手段
８９ 保護ガラス
９１ 照明ハウジング
９３ 点光源（ＬＥＤ）
９５ リング状光源
９７ 遮光部材
９９ 光反射面
１０１ ガラスホルダ
１０３ 汚れ検出手段（光ファイバ）
１０５ エアー噴出ハウジング
１０９ 開口部
１１１ エアー噴出部

Claims (4)

1. レーザ発振器から発振されたレーザ光を集光する集光レンズと、レーザ加工位置から飛散するスパッタ等から前記集光レンズを保護する保護ガラスと、レーザ加工位置を撮像する撮像手段と、前記撮像手段による撮像位置を照明する照明手段とを備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズと前記保護ガラスとの間に、リング状の照明手段を備え、前記保護ガラスの上方に備えた前記撮像手段に対する、前記照明手段からの照明光の直接入射及び前記保護ガラスからの反射光の入射を防止するために、リング状の照明手段の内側に遮光部材を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記遮光部材は筒状であって、リング状の前記照明手段からの照明光をレーザ加工ヘッドの先端側へ反射するための光反射面を、前記遮光部材の外周面に備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
3. 請求項１又は２に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記集光レンズと前記保護ガラスとの間の高さ位置であってレーザ光の光路から離反した位置に前記撮像手段を備え、レーザ加工位置からの光を前記撮像手段方向へ反射する反射鏡を、レーザ光の光路に対して出入自在に備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
4. 請求項１，２又は３に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記保護ガラスの汚れを検出する汚れ検出手段を備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。

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