JP2014108452A - 軸心合せ方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光の光軸とノズルの軸心とを容易に一致させることができる軸心合せ方法及び装置を提供する。
【解決手段】レーザ加工ヘッドの先端部に備えたノズルの軸心とレーザ光の光軸とを合せる軸心合せ方法であって、前記レーザ加工ヘッド１を使用して、内方向への突出部ＷＰの無い円形状の穴ＷＨをワークに加工する（ａ）工程と、前記レーザ加工ヘッド１に対する前記ノズル７の固定手段による固定を解除して、前記レーザ加工ヘッド１に対して前記ノズル７をＸ、Ｙ方向へ移動可能な状態にする（ｂ）工程と、前記ワークＷに対して前記ノズル７を適宜に嵌合動作させつつ前記ノズル外周のテーパ面を、前記穴ＷＨに嵌合する（ｃ）工程と、前記穴ＷＨにノズル７の前記テーパ面を嵌合した状態において、前記固定手段によって前記ノズル７を前記レーザ加工ヘッド１に固定する（ｄ）工程、の各工程を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドの先端部に備えたノズルの軸心とレーザ光の光軸とを合せる軸心合せ方法及び装置に係り、さらに詳細には、前記ノズルの軸心とレーザ光の光軸との軸心合せを自動的に、かつ容易に行うことができる軸心合せ方法及び装置に関する。

レーザ加工機におけるレーザ加工ヘッドの先端部に備えたノズルの軸心と、レーザ光の光軸とが一致していないときには、板状のワークのレーザ切断加工を行う場合、レーザ切断加工の進行方向によっては、ノズルの軸心に対するレーザ光の光軸が前後したり、進行方向の左右になる場合がある。したがって、レーザ切断加工の進行方向によって加工条件が異なることとなり、加工精度向上や切断品質向上において問題がある。そこで、従来は、ノズルの軸心とレーザ光の光軸を一致させることが行われている。

従来、ノズルの軸心とレーザ光の光軸とを一致させる作業としては、次のように行われていた。すなわち、レーザ加工ヘッドに備えたノズルの先端面に、例えば適宜のテープを貼り付けた後、レーザ光を照射して前記テープに穴加工を行う。そして、前記ノズルの先端からテープを取り外して、ノズル先端の跡と加工された穴の位置とを見て、ノズルの軸心とレーザ光の光軸が一致しているか否かを確認している。

前記ノズルの軸心とレーザ光の光軸とが一致していない場合には、ノズル加工ヘッドに対してノズルをＸ、Ｙ軸方向へ位置調節して、再びテープをノズル先端に貼り付けて、穴加工を行うことによって、ノズルの軸心とレーザ光の光軸とが一致しているか否かの確認を再度行っている。したがって、ノズルの軸心とレーザ光の光軸とを一致させる作業が中々厄介なものであった。

そこで、ノズルの軸心とレーザ光の光軸とを自動的に一致させることが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平６−３２８２８１号公報

前記特許文献１に記載の構成は、レーザ加工ヘッドを使用して板状のワークに丸穴を加工した後、丸穴加工の開始位置において前記レーザ加工ヘッドにおける下端側のノズルを前記丸穴内に挿入し、前記ワークに対してレーザ加工ヘッドをＸ、Ｙ軸方向に移動して、レーザ加工ヘッドと前記丸穴の内周面との接触を検出することによって、ノズルの軸心とレーザ光の光軸とのずれを演算によって求めている。そして、前記ノズルの軸心とレーザ光の光軸とが一致していないときには、レーザ加工ヘッド内に、Ｘ、Ｙ軸方向へ移動可能に備えた集光レンズを、Ｘ、Ｙ軸方向のアクチュエータの駆動によってＸ、Ｙ軸方向へ位置調節する構成である。

したがって、レーザ光の軸心とレーザ加工ヘッドのずれ量を確認する際は、レーザ加工ヘッドをそれぞれＸ，Ｙ軸方向に移動してワークの丸穴の内周面に接触させているが、ノズルと加工ヘッドは一体に固定されているので、ゆっくりと慎重にワークに接触させないと衝撃でノズルやヘッドの破損につながり易いという問題がある。また、接触検知のために絶縁部材やノズルとワーク間で電圧を印加する構成や、電気的検出手段を設ける必要がある。さらに、集光レンズをＸ，Ｙに移動する機構など、心出しのための特別な機構を設ける必要がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ加工ヘッドの先端部に備えたノズルの軸心とレーザ光の光軸とを合せる軸心合せ方法であって、前記レーザ加工ヘッドを使用して、内方向への突出部の無い円形状の穴をワークに加工する（ａ）工程と、前記レーザ加工ヘッドに対する前記ノズルの固定手段による固定を解除して、前記レーザ加工ヘッドに対して前記ノズルをＸ、Ｙ方向へ移動可能な状態にする（ｂ）工程と、前記ワークに対して前記ノズルを適宜に嵌合動作させつつ前記ノズル外周のテーパ面を、前記穴に嵌合する（ｃ）工程と、前記穴にノズルの前記テーパ面を嵌合した状態において、前記固定手段によって前記ノズルを前記レーザ加工ヘッドに固定する（ｄ）工程、の各工程を備えていることを特徴とするものである。

また、前記軸心合せ方法において、前記ノズルの適宜な嵌合動作は、回転動作又は振動動作であることを特徴とするものである。

また、レーザ加工ヘッドの先端部に備えたノズルの軸心とレーザ光の光軸とを合せる軸心合せ装置であって、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動自在なレーザ加工ヘッドの先端部に対して前記ノズルを固定自在かつ前記レーザ加工ヘッドに対して前記ノズルをＸ、Ｙ方向へ移動可能に固定を解除自在な固定手段と、前記レーザ加工ヘッドを使用して、内方向への突出部の無い円形状の穴をワークに加工するための穴加工プログラムを格納したプログラムメモリと、前記プログラムメモリに格納された穴加工プログラムに従って前記レーザ加工ヘッドのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の動作を制御する動作制御手段と、前記ワークに加工された円形状の穴に対して、前記ノズルを適宜に嵌合動作させつつ当該ノズル外周のテーパ面を嵌合するために、前記レーザ加工ヘッドのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の動作を制御する前記動作制御手段と、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、ワークにレーザ加工した円形状の穴に、レーザ加工ヘッドに備えたノズルのテーパ面を係合することによって、レーザ光の光軸とノズルの軸心とを一致するものであるから、特別な装置を必要とせず簡易な方法で正確な心合わせを容易に実現でき、前述したごとき従来の問題を解消し得るものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドとノズルとの主要部分の構成を概念的、概略的に示す説明図である。 機能ブロック図である。 ワークに対する穴加工の説明図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態について説明するに、ワークに対してレーザ加工ヘッドを相対的にＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動自在に備え、かつ前記レーザ加工ヘッドの先端部にノズルを着脱交換自在に備えたレーザ加工機は既によく知られた構成である。したがって、レーザ加工機及びレーザ加工ヘッドについての詳細な構成の説明は省略し、主要な構成のみについて説明することとする。

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、レーザ加工機に備えたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各サーボモータ（図示省略）を駆動制御することにより、板状のワーク（ダミーワーク等をも含む）Ｗに対して、相対的にＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動位置決め自在に備えられている。前記レーザ加工ヘッド１の先端部には円板形状のノズルホルダ３が一体的に備えられており、このノズルホルダ３の下面には、ノズル係合凹部５が形成してある。

そして、上記ノズル係合凹部５には、ノズル７の上部に備えたフランジ部９がＸ、Ｙ軸方向へ位置調節可能に係合してある。前記フランジ係合凹部５からの前記ノズル７の脱落を防止するために、前記ノズルホルダ３の下面には、リング状の脱落防止部材１１が複数のボルト等のごとき固定具１３によって着脱可能に取付けてある。そして、前記ノズル係合凹部５に対応して、前記ノズルホルダ３の周方向の複数箇所（Ｘ、Ｙ軸方向の対称位置）には、前記ノズル７における前記フランジ部９の外周面を先端部でもって押圧自在な複数の調節ねじ１５が前記ノズルホルダ３の径方向（放射方向）へ位置調節自在に螺着してある。

上記各調節ねじ１５は、ノズルホルダ３に対してノズル７を、Ｘ、Ｙ軸方向へ位置調節する機能と、ノズルホルダ３に対してノズル７を一体的に固定する機能を有するものであって、一種の固定手段を構成するものである。

上記構成により、前記各調節ねじ１５を調節してノズル７をＸ、Ｙ軸方向へ位置調節することにより、ノズル７の軸心を、前記レーザ加工ヘッド１内に備えた集光レンズ１６によって集光されるレーザ光ＬＢの光軸に一致させる（合せる）ことができるものである。なお、前記レーザ光ＬＢの光軸は、レーザ加工ヘッド１の組立作業時に、レーザ加工ヘッド１の軸心と一致するように予め調節してあるから、レーザ光ＬＢの光軸とノズル７の軸心とを合せることは、レーザ加工ヘッド１の軸心に対してノズル７の軸心を合せることになるものである。

前記ノズル７は、前記フランジ部９を上部に備えた構成であって、当該ノズル７の下部側は一般的なノズルと同様に、下部側が小径になるテーパ状に構成してある。そして、ノズル７の下端部には、テーパ状のノズルチップ１７が着脱交換可能に備えられている。

前記構成において、レーザ光ＬＢの光軸とノズル７の軸心合せは、次のごとき動作によって行われる。すなわち、固定手段の１例としての前記複数の調節ねじ１５を操作して、レーザ光ＬＢの光軸に対してノズル７の軸心を合せるように調節する。なお、上記調節においては、レーザ光ＬＢの光軸とノズル７の軸心とが一致しているとは限らないものである。したがって、前述したように、例えばテープを貼り付けてレーザ光を照射して、レーザ光ＬＢの光軸とノズル７の軸心とが一致しているかを確認する必要があるものである。

ところが、本実施形態においては、前述のごとくレーザ光ＬＢの光軸とノズル７の軸心を合わせるように調節した際は、ワークＷに円形状の穴ＷＨを加工する。その後、ノズル固定手段の一例としての前記各調節ねじ１５によるノズル７の固定を解除して、レーザ加工ヘッド１に対して前記ノズル７をＸ、Ｙ方向へ移動可能な状態に保持する。そして、前記穴ＷＨの中心とレーザ光ＬＢの光軸とが一致するようにレーザ加工ヘッド１を位置決めした後（穴ＷＨの中心位置に加工ヘッドを位置決めした後）、レーザ加工ヘッド１を下降して、ノズル７における外周面のテーパ面を、前記穴ＷＨに嵌合することにより、レーザ光ＬＢの光軸とノズル７の軸心とが一致することになる。（図１においては、ワークＷを相対的に上昇して穴ＷＨにノズル７を嵌合して示してある）。

上述のように、ワークＷの穴ＷＨにノズル７を嵌合した状態において、固定手段としての前記各調節ねじ１５を締付けることにより、レーザ光ＬＢの光軸とノズル７の軸心とが一致した状態において、レーザ加工ヘッド１にノズル７を固定することができるものである。

前記ワークＷの穴ＷＨの加工及び当該穴ＷＨに対するノズル７の嵌合を自動的に行うために、前記レーザ加工ヘッド１のＸ、Ｙ、Ｚ軸方向への動作を制御するための制御装置１９（図２参照）が備えられている。この制御装置１９には、プログラムメモリ２１が備えられている。前記プログラムメモリ２１には、ワークＷに前記穴ＷＨを加工するときの穴加工プログラム２３が備えられていると共に、前記穴ＷＨに前記ノズル７を嵌合するときのレーザ加工ヘッド１の動作を制御するための嵌合動作プログラム２５が備えられている。さらに、前記制御装置１９には、前記プログラムメモリ２１に備えられた前記穴加工プログラム２３、嵌合動作プログラム２５に従って、前記レーザ加工ヘッド１をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動するためのサーボモータ２７の動作を制御する動作制御手段２９が備えられている。

ところで、ワークＷにレーザ光ＬＢを照射して穴ＷＨのレーザ加工を行うと、レーザ光の断面形状が円形状であることにより、図３（Ａ）に示すように、穴ＷＨの内周面に微小突起ＷＰが形成されるものである。この微小突起ＷＰが有ると、穴ＷＨにノズル７のテーパ面を嵌合したとき、穴ＷＨの中心とノズル７の軸心との間に位置ずれを生じることになる。

そこで、本実施形態における前記穴加工プログラム２３は、前記ノズル７におけるテーパ面の大径部分に対応した大きさの穴ＷＨであって、前記ワークＷに大きな穴ＷＨの加工を行うとき、穴ＷＨの内周面に、内方向への前記微小突起（突出部）ＷＰの無い円形状の穴の加工を行うべくプログラムしてある。すなわち、ワークＷに穴ＷＨのレーザ加工を行うとき、前記ノズル７のテーパ面の大径部分に対応した大径の穴ＷＨの加工終点位置を通過するように、又は、図３（Ｂ）に示すように、穴ＷＨの加工終点位置付近に外方向への凹部ＷＣを形成すべくプログラムしてある。したがって、ワークＷに大径の穴ＷＨの加工を行うとき、前記微小突起ＷＰを生じることなく穴加工を行うことができるものである。

前記嵌合動作プログラム２５は、前記ノズル７をワークＷの穴ＷＨに嵌合する際の動作のプログラムであって、前記レーザ加工ヘッド１を微小半径の円運動を行う動作、又はレーザ加工ヘッド１をＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の所望方向へ微小振動を行う動作など、適宜に動かすための動作がプログラムされている。

したがって、前述したように、レーザ光ＬＢの光軸とノズル７の軸心が一致するように調節し、レーザ加工ヘッド１にノズル７を固定して穴ＷＨの加工を行うとき、図３（Ｂ）に示すように、中心位置Ｏから径方向にレーザ光ＬＢを相対的に移動し、予め設定された半径Ｒの円形状の穴ＷＨを加工することになる。この穴ＷＨは、ノズル７における大径のテーパ面に対応した直径であって、加工終了位置には前記凹部ＷＣが形成される。すなわち、内方向への突出部ＷＰの無い円形状の穴ＷＨがワークＷに加工されることになる。

上述のように、ワークＷに穴ＷＨをレーザ加工を行った後、各調節ねじ１５によるノズル７の固定を解除して、レーザ加工ヘッド１に対してノズル７をＸ、Ｙ軸方向へ移動可能な状態とする。その後、レーザ光ＬＢの光軸すなわちレーザ加工ヘッド１の軸心を前記中心位置Ｏに一致した状態に保持して、前記穴ＷＨにノズル７を嵌合するとき、前記嵌合動作プログラム２５のプログラムに従って、例えば前記レーザ加工ヘッド１を微小半径で回転し乍ら、又はＸ、Ｙ、Ｚ軸の所望方向へ微小振動し乍ら、前記穴ＷＨにノズル７のテーパ面を嵌合する。この際、レーザ加工ヘッド１が微小半径の回転をしていること、又は、微小振動していることにより、ノズル７の外周面と穴ＷＨとの接触部分における摩擦を小さくして、穴ＷＨに対して前記ノズル７のテーパ面を容易に正確に嵌合することができる。

上述のように、ワークＷの穴ＷＨにノズル７のテーパ面を嵌合すると、穴ＷＨの中心とノズル７の軸心とが一致することになる。そして、前記穴ＷＨの中心とレーザ加工ヘッド１の軸心すなわちレーザ光ＬＢの光軸とを一致した状態に保持して前記ノズル７の嵌合を行うものであるから、前記穴ＷＨにノズル７を嵌合した状態においては、レーザ光ＬＢの光軸とノズル７の軸心とが一致することになる。上述のように、穴ＷＨにノズル７を嵌合した状態において、各調節ねじ１５によってノズル７をレーザ加工ヘッド１に一体的に固定することにより、ノズル７の軸心とレーザ光ＬＢの光軸との軸心合せ作業が終了する。

なお、本発明は、前述したごとき実施形態のみに限るものではなく、適宜の変更を行うとにより、その他の形態でもって実施可能なものである。すなわち、前記説明においては、複数の前記調節ねじ１５を手動操作する旨の説明を行った。しかし、前記調節ねじ１５の回動を、例えばサーボモータやステッピングモータなどを使用して正逆回転する構成とすることにより、前記各調節ねじ１５の操作を自動操作することも可能である。したがって、上述の場合には、レーザ加工ヘッド１に対してノズル７の着脱交換を行う毎に、レーザ光ＬＢの光軸とノズル７の軸心とを合せる作動を、手動操作を省略して自動的に行うことができるものである。

また、前記説明においては、穴ＷＨは円形の場合について説明した。しかし、穴ＷＨの形状としては、円形に限ることなく正多角形状とすることも可能である。

１ レーザ加工ヘッド
３ ノズルホルダ
５ ノズル係合凹部
７ ノズル
９ フランジ部
１５ 調節ねじ（固定手段）
１９ 制御装置
２１ プログラムメモリ
２３ 穴加工プログラム
２５ 嵌合動作プログラム
２９ 動作制御手段

Claims (3)

1. レーザ加工ヘッドの先端部に備えたノズルの軸心とレーザ光の光軸とを合せる軸心合せ方法であって、
   （ａ）前記レーザ加工ヘッドを使用して、内方向への突出部の無い円形状の穴をワークに加工する工程、
   （ｂ）前記レーザ加工ヘッドに対する前記ノズルの固定手段による固定を解除して、前記レーザ加工ヘッドに対して前記ノズルをＸ、Ｙ方向へ移動可能な状態にする工程、
   （ｃ）前記ワークに対して前記ノズルを適宜に嵌合動作させつつ前記ノズル外周のテーパ面を、前記穴に嵌合する工程、
   （ｄ）前記穴にノズルの前記テーパ面を嵌合した状態において、前記固定手段によって前記ノズルを前記レーザ加工ヘッドに固定する工程、
   の各工程を備えていることを特徴とする軸心合せ方法。
2. 請求項１に記載の軸心合せ方法において、前記ノズルの嵌合動作は、回転動作又は振動動作であることを特徴とする軸心合せ方法。
3. レーザ加工ヘッドの先端部に備えたノズルの軸心とレーザ光の光軸とを合せる軸心合せ装置であって、
   Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動自在なレーザ加工ヘッドの先端部に対して前記ノズルを固定自在かつ前記レーザ加工ヘッドに対して前記ノズルをＸ、Ｙ方向へ移動可能に固定を解除自在な固定手段と、
   前記レーザ加工ヘッドを使用して、内方向への突出部の無い円形状の穴をワークに加工するための穴加工プログラムを格納したプログラムメモリと、
   前記プログラムメモリに格納された穴加工プログラムに従って前記レーザ加工ヘッドのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の動作を制御する動作制御手段と、
   前記ワークに加工された円形状の穴に対して、前記ノズルを適宜に嵌合動作させつつ当該ノズル外周のテーパ面を嵌合するために、前記レーザ加工ヘッドのＸ、Ｙ、Ｚ軸方向の動作を制御する前記動作制御手段と、
   を備えていることを特徴とする軸心合せ装置。

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