JP2017001047A - レーザ加工ヘッド - Google Patents

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崇 三井
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Abstract

【課題】軽量化を図ると共に死角の原因となる段差を低減させたレーザ加工ヘッドを提供する。【解決手段】ボディ2内に嵌装されレーザ光線28を集光するレンズユニット7と、該レンズユニットと前記ボディとの境界に形成された冷却水流路14と、該冷却水流路に冷却水を供給する給水管と、前記冷却水流路から前記冷却水を排出する排水管と、前記ボディの先端側に設けられ前記レーザ光線の光束形状と略相似形に形成された円錐状のノズル3と、該ノズルに接続され、該ノズル内にアシストガスを供給するガス供給配管22とを具備し、前記冷却水流路に冷却水を流通させ、前記ノズルの先端より前記レーザ光線を照射すると共にアシストガスを噴出する。【選択図】図1

Description

本発明は、高出力のレーザ光線を照射し、金属を切断するレーザ加工ヘッド、特に遠隔装置により金属を切断するレーザ加工ヘッドに関するものである。
従来、レーザ加工ヘッドを遠隔操作する場合には、作業者が直接目視によりレーザ加工ヘッドが取付けられたロボットを操作し、レーザ加工ヘッドを予め定められた加工点迄移動させる場合が多かった。
又、原子炉の内部等、加工部分近傍に放射性物質が存在し、作業者が近づけない場合も存在する。この場合にはロボットにレーザ加工ヘッドを保持させ、作業者がカメラの映像を見ながらロボットを遠隔操作し、ロボットによりレーザ加工ヘッドを加工部分迄移動させていた。
然し乍ら、従来のレーザ加工ヘッドの場合、カメラの映像によりロボットを操作することは想定されておらず、レーザ加工ヘッドの先端部近傍にカメラを設置することができない。この為、カメラはロボットに取付けられ、レーザ加工ヘッドの斜め後方より加工箇所を撮影していた。又、従来のレーザ加工ヘッドのボディは段差が多い等死角が多く、視認性が悪かった。従って、従来はレーザ加工ヘッドを加工箇所迄精度よく移動させるのが困難であり、又死角が存在することで、移動の際にレーザ加工ヘッドが死角にある構造物と接触する虞れがあった。
又、遠隔操作を行う場合、レーザ加工ヘッドにはロボットで扱う為の重量制限があり、原子炉内部等の特殊環境下ではレーザ加工ヘッドの材質にも制限がある。従来では、レーザ加工ヘッドには比重の大きいステンレス等の金属が用いられており、又切断加工の際に用いるアシストガスの流路がレーザ加工ヘッドのボディ内に形成される等形状が複雑であり、レーザ加工ヘッドの重量化、大型化を避けることができず、ロボットでの扱いが困難であった。
尚、特許文献1には、ノズルや鏡筒を透明材料で作成することで、レーザ照射部品の過熱を防止するレーザ照射装置及びそれに用いる鏡筒、ノズルが開示されている。
特開平9−300089号公報
本発明は斯かる実情に鑑み、軽量化を図ると共に死角の原因となる段差を低減させたレーザ加工ヘッドを提供するものである。
本発明は、ボディ内に嵌装されレーザ光線を集光するレンズユニットと、該レンズユニットと前記ボディとの境界に形成された冷却水流路と、該冷却水流路に冷却水を供給する給水管と、前記冷却水流路から前記冷却水を排出する排水管と、前記ボディの先端側に設けられ前記レーザ光線の光束形状と略相似形に形成された円錐状のノズルと、該ノズルに接続され、該ノズル内にアシストガスを供給するガス供給配管とを具備し、前記冷却水流路に冷却水を流通させ、前記ノズルの先端より前記レーザ光線を照射すると共にアシストガスを噴出するレーザ加工ヘッドに係るものである。
又本発明は、前記ガス供給配管は、前記ノズルの基部に設けたガス供給ブロックを介して前記ノズルに接続され、前記ガス供給配管は前記ボディの軸心と平行に延在しているレーザ加工ヘッドに係るものである。
又本発明は、前記ボディの外周面に前記ガス供給配管を固定可能な配管固定部を設け、前記ガス供給配管は前記ガス供給ブロックと前記配管固定部とに掛渡って設けられ、前記ガス供給配管が把持部とされるレーザ加工ヘッドに係るものである。
更に又本発明は、前記ノズルの先端部を着脱可能なノズルチップとし、該ノズルチップを前記ノズルよりも放熱性の高い材質としたレーザ加工ヘッドに係るものである。
本発明によれば、ボディ内に嵌装されレーザ光線を集光するレンズユニットと、該レンズユニットと前記ボディとの境界に形成された冷却水流路と、該冷却水流路に冷却水を供給する給水管と、前記冷却水流路から前記冷却水を排出する排水管と、前記ボディの先端側に設けられ前記レーザ光線の光束形状と略相似形に形成された円錐状のノズルと、該ノズルに接続され、該ノズル内にアシストガスを供給するガス供給配管とを具備し、前記冷却水流路に冷却水を流通させ、前記ノズルの先端より前記レーザ光線を照射すると共にアシストガスを噴出するので、前記ノズルが殆ど段差の少ない形状となることで死角が減少し、死角の影にある構造物との接触を回避できると共に、前記ボディ内にアシストガスの流路を設ける必要がなく、該ボディの肉厚が減少され軽量化を図ることができるという優れた効果を発揮する。
本発明の実施例に係るレーザ加工ヘッドを示す側断面図である。 本発明の実施例に係るレーザ加工ヘッドを示す平面図である。 (A)は該レーザ加工ヘッドを移動させる移動装置を示す側面図であり、(B)は該移動装置が開となった状態を示す(A)のA−A矢視図であり、(C)は該移動装置が閉となった状態を示す(A)のA−A矢視図である。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
先ず、図1、図2に於いて、本発明の実施例に係るレーザ加工ヘッド1について説明する。尚、図1、図2中、紙面に対して左側を先端側、右側を基端側としている。
図1、図2中、2はボディを示している。該ボディ2の先端側にはノズル3が設けられ、前記ボディ2の基端側にはコネクタ接続部4が設けられている。
前記ボディ2は、円筒状で軽量の金属製、例えばチタン製であり、先端側ボディ部5と基端側ボディ部6とを有し、前記先端側ボディ部5内にはレンズユニット7が嵌装されている。
該レンズユニット7は前記先端側ボディ部5に嵌合するレンズホルダ8を有し、該レンズホルダ8には先端側から複数のレンズからなる集合レンズ組9、保護ガラス11、スペーサ12が順次嵌装されている。又、前記レンズホルダ8の基端部にリングナット13が螺合されることで、前記レンズユニット7、前記スペーサ12が前記先端側ボディ部5内で固定され、前記基端側ボディ部6はネジ等の固着具により前記先端側ボディ部5に固着される。
前記レンズユニット7の基端と前記スペーサ12との間には前記保護ガラス11が設けられており、該保護ガラス11により前記レンズユニット7が前記基端側ボディ部6に対して気密に封止される。又、前記先端側ボディ部5と前記レンズホルダ8との境界には、該レンズホルダ8の全周に亘って冷却水流路14が液密に形成されている。
前記先端側ボディ部5の周面の所要位置には、内部に流路(図示せず)が形成された給水ブロック15が取付けられ、該給水ブロック15の流路は前記冷却水流路14と連通する。前記給水ブロック15と対向する位置に内部に流路(図示せず)が形成された排水ブロック16が取付けられ、該排水ブロック16の流路は前記冷却水流路14と連通する。
前記給水ブロック15には、前記ボディ2の軸心と平行となる様給水管17が接続され、該給水管17は前記給水ブロック15内の流路を介して前記冷却水流路14と連通している。又、前記排水ブロック16には、前記ボディ2の軸心と平行となる様排水管18が接続され、該排水管18は前記排水ブロック16内の流路を介して前記冷却水流路14と連通している。
前記給水管17と前記排水管18の基端側端には、それぞれ接続部17a,18aが設けられている。該接続部17a,18aには軸心方向から冷却水を供給、排出するホースが遠隔操作により連結解除可能となっている。又、前記接続部17a,18aとホースとを連結した状態では、前記接続部17a,18aとホースが液密となっている。前記給水管17はホースを介して冷却水源に接続され、冷却水は前記給水管17及び前記給水ブロック15を経て前記冷却水流路14に流入し、該冷却水流路14を流通し、前記排水ブロック16、前記排水管18を経て排水される。冷却水の流通の過程で、前記レンズユニット7が冷却される。
又、前記先端側ボディ部5の周面の、前記給水管17及び前記排水管18から前記ボディ2の軸心を中心に90°回転した位置には着脱部19が設けられている。該着脱部19は、例えば断面台形状であり、該着脱部19にはヘッド把持部(図示せず)が軸心方向から嵌脱可能となっている。前記レーザ加工ヘッド1は、前記着脱部19を介してヘッド把持部に取付けられる。又、該ヘッド把持部はクレーン等の移動装置に取付けられる。
更に、前記先端側ボディ部5の周面の、前記着脱部19と180°回転した位置には、配管固定部21が設けられている。該配管固定部21は、例えば上下方向に2分割した構造となっており、後述するガス供給配管22を上下方向から挾持し、該ガス供給配管22を前記先端側ボディ部5に固定できる様になっている。
前記ノズル3は、軽量の金属製、例えばチタン製であり、先端側の中空の円錐部23と、基端側の中空の円筒部24と、該円筒部24の基端部に形成されたフランジ部25とを有している。
前記円錐部23の先端には、先端部が円錐状となったノズルチップ26が嵌入されている。該ノズルチップ26は、前記円錐部23等よりも放熱性の高い材質、例えば銅製であり、内部に円錐状の空間が形成され、該空間は軸心方向に貫通する。又、該ノズルチップ26は、前記円錐部23の先端に設けられた固定リング27により、前記円錐部23に対して着脱可能となっている。
前記ノズル3及び前記ノズルチップ26の内部には、レーザ光線28の光路となる円錐状の空洞29が形成され、該空洞29は後述する前記レーザ光線28の光束の形状と相似、或は略相似に形成される。
前記ボディ2と前記ノズル3との間には、前記ボディ2と前記ノズル3とを接続する円筒状の接続部材31が介設されている。該接続部材31は、先端側と基端側にそれぞれフランジ部32,33が形成されており、該フランジ部33を介して前記接続部材31が前記先端側ボディ部5にボルト等で固着され、前記フランジ部32と前記フランジ部25を介して前記接続部材31が前記ノズル3にボルト等で固着される。
又、前記ノズル3と前記接続部材31との間には保護ガラス34が介在しており、該保護ガラス34により前記ノズル3内と前記レンズユニット7との間が気密に閉塞される。
前記集合レンズ組9は、光ファイバ35の端面より射出された前記レーザ光線28を前記ノズルチップ26の先端、又は略先端で集光させる様構成されている。
前記円筒部24の周面の前記配管固定部21と対峙する位置には、内部にガス供給流路36が形成されたガス供給ブロック37が取付けられ、前記ガス供給流路36は前記円筒部24に穿設された孔38を介して前記ノズル3内部と連通している。
又、前記ガス供給ブロック37には、前記ガス供給配管22の一端が螺子込み等により連結されている。該ガス供給配管22は、前記先端側ボディ部5との間に所要の空間が形成される様、前記ガス供給ブロック37と前記配管固定部21とで支持され、前記ガス供給配管22は前記ボディ2の軸心と平行となっている。前記ガス供給配管22の他端には接続部39が設けられ、前記ガス供給配管22にガス導入管41(図1中では一部のみ図示)が接続され、該ガス導入管41はアシストガス供給源に接続されている。前記接続部39と前記ガス導入管41とはマニピュレータの遠隔操作により容易に着脱可能となっている。
尚、前記ガス供給配管22の、前記ガス供給ブロック37と前記配管固定部21との間は、後述するチャック装置42(図3参照)により把持される把持部となっている。
前記コネクタ接続部4は、前記基端側ボディ部6の基端側に取付けられた円筒状の雌型カップリング(図示せず)と光ファイバ芯合せ部43とを有している。前記光ファイバ35端部には雄型カップリング44が取付けられ、前記コネクタ接続部4と前記雄型カップリング44とは嵌脱可能となっている。又、該雄型カップリング44の先端は、前記光ファイバ芯合せ部43のセンタリング孔と嵌合する様になっている。
前記雄型カップリング44を前記コネクタ接続部4に嵌入することで、前記雄型カップリング44と前記コネクタ接続部4が結合すると共に、前記光ファイバ芯合せ部43によりガイドされて芯合せが行われ、前記光ファイバ35から射出される前記レーザ光線28の光軸と、前記ボディ2の軸心とが一致する様になっている。
前記レーザ加工ヘッド1は、ヘッド把持部(図示せず)を介してマニピュレータ等の移動装置に取付けられ、該移動装置により前記レーザ加工ヘッド1を移動させることで、所要の作業が実行される。以下、該レーザ加工ヘッド1によるレーザ切断加工について具体的に説明する。
該レーザ加工ヘッド1により、被加工物の切断加工を行なう際には、前記ノズルチップ26は被加工物の表面から所定距離離れた位置に保持される。前記光ファイバ35より所定の光強度の前記レーザ光線28が射出され、前記レンズユニット7により集光され、前記ノズルチップ26の先端を透して被加工物に照射される。
この時、前記レーザ光線28の焦点位置は、前記ノズルチップ26の先端又は先端近傍とするのが望ましい。前記レーザ光線28の焦点位置を、前記ノズルチップ26の先端又は先端近傍とすることで、前記空洞29を該ノズル3の外形形状と同様の円錐状とすることができ、前記ノズル3及び前記ノズルチップ26は最小の形状とすることができる。又、前記ノズルチップ26先端の開口面積を小さくすることができ、前記ノズル3の小型化が図れる。
又、前記レーザ光線28の照射と並行して、アシストガス供給源(図示せず)より、前記ガス導入管41、前記ガス供給配管22、前記ガス供給流路36、前記孔38を介して、酸素等のアシストガスが前記ノズル3内に供給され、前記レーザ光線28と共に前記ノズルチップ26の先端より噴出される。アシストガスは、溶融金属を吹飛ばし、溶融金属による再固着を防止する。
更に、前記レーザ光線28が前記ノズルチップ26の先端又は先端近傍で集光することから、被加工物には前記レーザ光線28はデフォーカス状態で照射される。この為、照射面でのビーム径が大きくなり、溶断幅が大きくなり、溶融金属による再固着が防止されると共に、アシストガスが効果的に溶融部に吹付けられる。
この時、該ノズルチップ26先端の開口面積が小さくなっているので、該ノズルチップ26より噴出されるアシストガスの流速を増大させることができ、切断効率を向上させることができる。又、アシストガスの流出方向は前記レーザ光線28の光軸と一致しているので、アシストガスをより効果的に溶融部に吹付けられる。更に、前記ノズル3と前記レンズユニット7との間に前記保護ガラス34が設けられているので、アシストガスが前記レンズユニット7内に流入せず、該レンズユニット7内にほこり等が侵入するのを防止することができる。
被加工物に対して前記レーザ光線28を照射すると共に、アシストガスを吹付け、更に前記レーザ加工ヘッド1を所定の速度で移動させることで、被加工物の切断が行われる。
被加工物の切断加工中、前記給水管17より冷却水が供給され、前記冷却水流路14を流通することで、前記レンズユニット7が冷却され、該レンズユニット7を構成するレンズの熱変形が防止される。
本実施例に於いては、前記レーザ加工ヘッド1のヘッド把持部(図示せず)への取付け、前記レーザ加工ヘッド1に対する前記給水管17、前記排水管18、前記ガス導入管41の取付け、及び前記ヘッド把持部を介した前記レーザ加工ヘッド1の加工箇所迄の移動等は、全て遠隔操作にて行われる様になっている。
次に、図3(A)〜図3(C)に於いて、前記レーザ加工ヘッド1をヘッド把持部(図示せず)に取付ける場合、或は前記レーザ加工ヘッド1に前記雄型カップリング44、前記ガス導入管41、冷却水ホース等を着脱する際に、前記レーザ加工ヘッド1を保持する前記チャック装置42について説明する。該チャック装置42は、遠隔操作されるマニピュレータが把持し、チャッキング操作を行える構造となっている。
該チャック装置42は、板状の固定板部45を有し、該固定板部45の下端部は2股形状に形成され、各股部の下端に水平方向に開放された断面コ字状の固定保持片46が固着されている。
前記固定板部45には、水平方向に延出する2本のシリンダ47,47が上下に固着されている。該シリンダ47,47の一端には端板48,48が固着され、該端板48,48に一端が固着されたガイドシャフト49,49が前記シリンダ47,47と同心に設けられている。該ガイドシャフト49,49は、前記固定板部45及び後述する可動板部51を貫通し、他端部にはそれぞれフランジ52,52が形成されている。
軸受53,53を介して前記可動板部51が前記ガイドシャフト49,49に摺動自在に設けられている。前記シリンダ47,47内には押圧バネ54,54が嵌装され、又該押圧バネ54,54は前記端板48,48と前記軸受53,53との間に圧縮状態で設けられる。前記可動板部51は、前記押圧バネ54,54により前記固定板部45から離反する方向へと付勢されている。
前記可動板部51の下端には、前記ガイドシャフト49と平行に延伸し、中途部で下方に屈曲したL字形状の移動保持片55が固着されており、該移動保持片55は前記可動板部51と一体に移動する様になっている。又、前記移動保持片55は、前記固定保持片46と干渉しない様に、該固定保持片46,46との間に設けられている。
通常状態、即ち前記可動板部51が前記押圧バネ54,54により押圧された状態では、前記可動板部51が前記固定板部45から離反し、前記可動板部51が前記フランジ52,52に当接した状態となっている(図3(C)参照)。この状態では、前記固定保持片46と前記移動保持片55との対峙する垂直面間の距離は前記ガス供給配管22の外径より小さくなる様に設定されている。この時、前記フランジ52,52は前記可動板部51の抜け止めとして機能する様になっている。
該可動板部51を前記固定板部45側に近接させ、前記押圧バネ54,54が圧縮された状態では、前記固定保持片46と前記移動保持片55とが離反し、両者の間に前記ガス供給配管22が通過可能な空間が形成される(図3(B)参照)。
前記チャック装置42により前記レーザ加工ヘッド1を保持させる場合には、図示しないマニピュレータにより把持部56を把持すると共に、前記可動板部51を押圧し、該可動板部51を前記固定板部45に近接させて、前記固定保持片46と前記移動保持片55とを離反させる。
前記固定保持片46と前記移動保持片55との間に前記ガス供給配管22を挿入し(図3(B)参照)、前記可動板部51への押圧を解除することで、前記押圧バネ54の復元力で前記固定板部45から離反する方向に移動する前記可動板部51と共に前記移動保持片55が移動し、前記ガス供給配管22が前記固定保持片46と前記移動保持片55とにより保持される(図3(C)参照)。以上により、前記チャック装置42を介して前記レーザ加工ヘッド1がマニピュレータに保持される。
この状態で、前記チャック装置42を図示しないマニピュレータにより移動させ、前記レーザ加工ヘッド1の前記着脱部19を介してヘッド把持部(図示せず)へ取付ける。取付け後は、上記と逆の手順で前記ガス供給配管22から前記固定保持片46と前記移動保持片55とを取外し、前記レーザ加工ヘッド1の移動が完了する。
上述の様に、本実施例では、前記ノズル3を略円錐状とし、前記レーザ光線28の光束の形状と相似にし、又殆ど段差のない形状としているので、死角が減少し、カメラの映像を見ながら前記レーザ加工ヘッド1を移動させる際に、該レーザ加工ヘッド1が死角の影にある障害物と接触するのを回避することができる。
又、本実施例では、前記ノズル3の前記円筒部24に前記ガス供給ブロック37を取付け、該ガス供給ブロック37に前記ガス供給配管22を接続し、前記ノズル3内に直接アシストガスを供給する構成となっているので、前記ボディ2にアシストガスを供給する為の流路を形成する必要がなく、該ボディ2の肉厚を減少させ軽量化が図れると共に、該ボディ2の形状を前記レーザ光線28の光束の形状と相似とさせることができ、小型化することができる。
又、前記ボディ2に形成された流路ではなく、前記ガス供給配管22から直接前記ノズル3にアシストガスを供給するので、加工上の制約がなくなり、アシストガスの流路を大きくすることができ、圧力損失を低減させることができる。
又、前記ボディ2及び前記ノズル3の外形形状が小さくなることで、特に前記ノズル3の形状が前記レーザ光線28の光束形状に近くなっているので、カメラを前記レーザ光線28の光軸により近い位置に設置することが可能となり、前記ノズル3の先端の視認性を向上させ、被加工物の加工点迄の移動精度を向上させることができる。
又、前記ボディ2と前記ノズル3とを軽量の金属、例えばチタン製とすることで、前記レーザ加工ヘッド1をより軽量化でき、遠隔操作を行うロボットにより移動可能な重量とすることができる。
又、前記ノズル3を分割構造とし、先端部の前記ノズルチップ26を銅等の放熱性の高い材質としたことで、該ノズルチップ26が高温となることが抑制され、レーザ加工の際の焼損を抑制できる。更に、温度が上昇し易い先端部のみを交換可能となり、保守コストを低減できる。
又、準備段階として、前記レーザ加工ヘッド1をヘッド把持部へ取付ける際に、前記チャック装置42により前記ガス供給配管22を保持して移動させる様になっているので、該ガス供給配管22が取手の機能を兼ねることとなり、前記レーザ加工ヘッド1を把持する部位を別途設ける必要がなく、部品点数の低減、更なる軽量化を図ることができる。
又、前記ガス供給配管22を前記ノズル3と前記先端側ボディ部5とに掛渡って設けたので、前記ガス供給配管22が補強部材として機能し、前記ノズル3、前記先端側ボディ部5の軽量化を図ることができる。
又、前記ノズル3、前記ボディ2、前記コネクタ接続部4毎にユニット化しているので、組立て、製作が容易となると共に、前記先端側ボディ部5の液密処理、前記ノズル3の気密処理が容易となる。
更に、本実施例では、前記レーザ加工ヘッド1のヘッド把持部(図示せず)への取付け、前記レーザ加工ヘッド1に対する前記給水管17、前記排水管18、前記ガス導入管41の取付け、及び前記ヘッド把持部を介した前記レーザ加工ヘッド1の加工点迄の移動等を全て遠隔操作で行うことができるので、設置、保守、交換等を全て遠隔操作で行うことができ、取扱い性を向上させることができる。
1 レーザ加工ヘッド 2 ボディ
3 ノズル 14 冷却水流路
17 給水管 18 排水管
21 配管固定部 22 ガス供給配管
23 円錐部 24 円筒部
26 ノズルチップ 28 レーザ光線
35 光ファイバ 37 ガス供給ブロック
42 チャック装置

Claims (4)

  1. ボディ内に嵌装されレーザ光線を集光するレンズユニットと、該レンズユニットと前記ボディとの境界に形成された冷却水流路と、該冷却水流路に冷却水を供給する給水管と、前記冷却水流路から前記冷却水を排出する排水管と、前記ボディの先端側に設けられ前記レーザ光線の光束形状と略相似形に形成された円錐状のノズルと、該ノズルに接続され、該ノズル内にアシストガスを供給するガス供給配管とを具備し、前記冷却水流路に冷却水を流通させ、前記ノズルの先端より前記レーザ光線を照射すると共にアシストガスを噴出することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
  2. 前記ガス供給配管は、前記ノズルの基部に設けたガス供給ブロックを介して前記ノズルに接続され、前記ガス供給配管は前記ボディの軸心と平行に延在している請求項1のレーザ加工ヘッド。
  3. 前記ボディの外周面に前記ガス供給配管を固定可能な配管固定部を設け、前記ガス供給配管は前記ガス供給ブロックと前記配管固定部とに掛渡って設けられ、前記ガス供給配管が把持部とされる請求項2のレーザ加工ヘッド。
  4. 前記ノズルの先端部を着脱可能なノズルチップとし、該ノズルチップを前記ノズルよりも放熱性の高い材質とした請求項1〜請求項3のうちいずれか1項に記載のレーザ加工ヘッド。
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