JP2018202421A - Laser processing head and laser beam machine - Google Patents

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Abstract

To provide a laser processing head which enables the quality monitoring of a processing state in laser processing without using a bend mirror.SOLUTION: A laser processing head comprises: a cylindrical body part (1); a connection part (1b), provided on one end side of the body part (1) to connect an optical fiber (4) for guiding a laser beam from a laser oscillator (62) into the body part (1); a nozzle part (1a), provided on the other end side of the body part (1) to emit the laser beam (L) guided by the optical fiber (4) connected with the connection part (1b); and an optical receiver (6), provided in a vicinity of the connection part (1b) by opening inside the body part (1) to receive a beam (Lf) entering the body part (1) from outside through the nozzle part (1a). The optical receiver (6) comprises a filter (6b3) which has the property of reducing or cutting a first wavelength band (fw1) including wavelengths of the laser beam (L) to make a received beam (Lf3) pass through the filter (6b3), and to emit the same toward a detector (7) that measures a luminous energy.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レーザ加工ヘッド及びレーザ加工監視装置に係る。特に、ベンドミラーを含まない光学系を有するレーザ加工ヘッドで行うレーザ加工の加工状態を、加工部位からの反射光に基づいて監視可能なレーザ加工ヘッド及びレーザ加工機に関する。   The present invention relates to a laser processing head and a laser processing monitoring device. In particular, the present invention relates to a laser processing head and a laser processing machine that can monitor a processing state of laser processing performed by a laser processing head having an optical system that does not include a bend mirror based on reflected light from a processing portion.

レーザ光による切断加工において、加工不良が発生すると、加工が良好な場合と比べて戻り反射光が著しく増加することが知られている。
これは、加工不良が切断不良の場合には未切断部分で反射した光が戻ってくるためであり、切断面が荒れるなどの品質不良の場合には、荒れた切断面で拡散反射した光が戻ってくるためである。
It is known that when a processing defect occurs in the cutting process using laser light, the return reflected light increases remarkably as compared with a case where the processing is good.
This is because when the processing defect is a cutting defect, the light reflected by the uncut portion returns, and when the quality is poor, such as when the cutting surface is rough, the light diffusely reflected by the rough cutting surface is reflected. This is to come back.

そこで、この戻り反射光を利用し、ベンドミラーを含む光学系を有するレーザ加工ヘッドで行うレーザ加工において、加工状態を監視する技術が提案されている。例えば、特許文献1には、加工部位からの反射光に基づいて加工状態の良否を監視するレーザ加工ヘッドなどが記載されている。   In view of this, a technique for monitoring the processing state in laser processing performed by a laser processing head having an optical system including a bend mirror using the return reflected light has been proposed. For example, Patent Document 1 describes a laser processing head that monitors the quality of a processing state based on reflected light from a processing site.

特許文献1に記載されたレーザ加工ヘッドは、ノズルからレーザ光をワークへ照射するための光学系に含まれるベンドミラーと、その背後(反射面とは反対側)に配置したアパーチャ及びバンドパスフィルタを有する光量センサと、を備えている。
そして、ベンドミラーには、レーザ加工に用いる光を高反射率で反射し、かつワークにおけるレーザ加工部位から反射して戻ってきた戻り反射光を透過して背後の光量センサに導く光学特性が付与されている。
その光学特性とは、詳しくは、レーザ加工のためのレーザ光の波長帯と光学系のアライメント調整のための光の波長帯については反射率が高く、他の波長帯については反射率が低い(相対的に透過率が高い)という特性である。
A laser processing head described in Patent Document 1 includes a bend mirror included in an optical system for irradiating a workpiece with laser light from a nozzle, an aperture and a band-pass filter disposed behind the mirror (opposite to the reflecting surface). A light amount sensor having
The bend mirror has an optical characteristic that reflects the light used for laser processing with high reflectivity and transmits the return reflected light that is reflected from the laser processed part of the workpiece and returns to the back light quantity sensor. Has been.
Specifically, the optical characteristics are that the reflectance is high for the wavelength band of laser light for laser processing and the wavelength band of light for alignment adjustment of the optical system, and the reflectance is low for other wavelength bands ( The transmittance is relatively high).

特開2016−97407号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2006-97407

ところで、ベンドミラーは、レーザ発振器から出力されたレーザ光を、光ファイバを用いることなく光学素子での反射によりノズルまで誘導すべくレーザ加工ヘッド内の光学経路に用いられ、一般にレーザ加工ヘッドの上部に配置される。
しかしながら、近年普及してきた、レーザ発振器からレーザ加工ヘッドへのレーザ光の誘導に光ファイバを用いる場合は、レーザ加工ヘッドの光学系をベンドミラーなしに構成できるため、加工状態の良否監視に、従来のベンドミラーを利用した構成及び方法が適用できなかった。
そのため、ベンドミラーを用いないレーザ加工ヘッドによるレーザ加工において加工状態の良否監視を可能にする具体的な工夫が望まれていた。
By the way, a bend mirror is used in an optical path in a laser processing head to guide a laser beam output from a laser oscillator to a nozzle by reflection on an optical element without using an optical fiber. Placed in.
However, in the case of using an optical fiber for guiding laser light from a laser oscillator to a laser processing head, which has been widespread in recent years, the optical system of the laser processing head can be configured without a bend mirror. The configuration and method using the bend mirror of the above could not be applied.
Therefore, there has been a demand for a specific device that can monitor the quality of the machining state in laser machining using a laser machining head that does not use a bend mirror.

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ベンドミラーを用いることなくレーザ加工における加工状態の良否監視が可能なレーザ加工ヘッド及びレーザ加工機を提供することにある。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is to provide a laser processing head and a laser processing machine capable of monitoring the quality of the processing state in laser processing without using a bend mirror.

上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。
1) 筒状の本体部と、
前記本体部の一端側に設けられ、レーザ発振器からのレーザ光を前記本体部に誘導するための光ファイバを接続する接続部と、
前記本体部の他端側に設けられ、前記接続部に接続された前記光ファイバで誘導された前記レーザ光を出射するノズル部と、
前記接続部の近傍に前記本体部の内部に開口して設けられ、前記ノズル部を通して外部から前記本体部内に進入した光を受光する受光部と、
を備え、
前記受光部は、
前記レーザ光の波長を含む第1の波長帯を低減又はカットする特性のフィルタを備え、受光した前記光を前記フィルタを通過させてから光量を計測する検出器に向け出光するレーザ加工ヘッドである。
2) 前記フィルタは、
一面側に、前記第1の波長帯及び前記第1の波長帯よりも短い第2の波長帯の光を低減又はカットする第1の特性を有する第1の光学膜を有し、
他面側に、前記第1の波長帯と前記第2の波長帯との間の第3の波長帯を通過させる第2の特性を有する第2の光学膜を有し、
前記受光部は、受光した光を前記第1の光学膜、前記第2の光学膜の順に通過させて前記検出器に向け出光することを特徴とする1)に記載のレーザ加工ヘッドである。
3) レーザ発振器と、レーザ加工ヘッドと、前記レーザ発振器と前記レーザ加工ヘッドとの間に接続されて前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドに誘導する光ファイバと、を備え、
前記レーザ加工ヘッドは、
筒状の本体部と、
前記本体部の一端側に設けられ前記光ファイバを接続する接続部と、
前記本体部の他端側に設けられ前記光ファイバで誘導された前記レーザ光を出射するノズル部と、
前記接続部の近傍に前記本体部の内部に開口して設けられ、前記ノズル部を通して外部から前記本体部内に進入した光を受光する受光部と、
前記受光部を通過した前記光の光量を計測する検出器と、
を備え、
前記受光部は、
前記レーザ光の波長を含む第1の波長帯を低減又はカットする特性のフィルタを備え、受光した前記光を前記フィルタを通過させてから前記検出器に向け出光するレーザ加工機である。
4) 前記フィルタは、
一面側に、前記第1の波長帯及び前記第1の波長帯よりも短い第2の波長帯の光を低減又はカットする第1の特性を有する第1の光学膜を有し、
他面側に、前記第1の波長帯と前記第2の波長帯との間の第3の波長帯を通過させる第2の特性を有する第2の光学膜を有するフィルタを備え、
前記受光部は、入光した光を第1の光学膜、第2の光学膜の順に通過させて前記検出器に向け出光することを特徴とする3)に記載のレーザ加工機である。
In order to solve the above problems, the present invention has the following configuration.
1) A cylindrical main body,
A connecting portion that is provided on one end side of the main body portion and connects an optical fiber for guiding laser light from a laser oscillator to the main body portion;
A nozzle part that is provided on the other end side of the main body part and emits the laser light guided by the optical fiber connected to the connection part;
A light receiving portion that is provided in the vicinity of the connection portion so as to be opened inside the main body portion, and that receives light that has entered the main body portion from the outside through the nozzle portion;
With
The light receiving unit is
A laser processing head including a filter having a characteristic of reducing or cutting a first wavelength band including the wavelength of the laser light, and emitting the received light toward a detector that measures the amount of light after passing through the filter. .
2) The filter
On the one surface side, the first optical film having a first characteristic that reduces or cuts light in the first wavelength band and a second wavelength band shorter than the first wavelength band,
A second optical film having a second characteristic that transmits a third wavelength band between the first wavelength band and the second wavelength band on the other surface side;
The light receiving section is the laser processing head according to 1), in which the received light passes through the first optical film and the second optical film in this order and is emitted toward the detector.
3) a laser oscillator, a laser processing head, and an optical fiber that is connected between the laser oscillator and the laser processing head and guides the laser light output from the laser oscillator to the laser processing head,
The laser processing head is
A tubular body,
A connecting portion that is provided on one end side of the main body and connects the optical fiber;
A nozzle part that is provided on the other end side of the main body part and emits the laser light guided by the optical fiber;
A light receiving portion that is provided in the vicinity of the connection portion so as to be opened inside the main body portion, and that receives light that has entered the main body portion from the outside through the nozzle portion;
A detector for measuring the amount of the light that has passed through the light receiving unit;
With
The light receiving unit is
The laser processing machine includes a filter having a characteristic of reducing or cutting a first wavelength band including the wavelength of the laser light, and outputs the received light to the detector after passing through the filter.
4) The filter
On the one surface side, the first optical film having a first characteristic that reduces or cuts light in the first wavelength band and a second wavelength band shorter than the first wavelength band,
A filter having a second optical film having a second characteristic that transmits a third wavelength band between the first wavelength band and the second wavelength band on the other surface side;
The light receiving section is the laser processing machine according to 3), in which the incident light passes through the first optical film and the second optical film in this order and is emitted toward the detector.

本発明によれば、ベンドミラーを用いることなくレーザ加工における加工状態の良否監視が可能である、という効果が得られる。   According to the present invention, it is possible to monitor the processing state in laser processing without using a bend mirror.

図1は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドの実施例である加工ヘッド51を説明するための縦断面図である。FIG. 1 is a longitudinal sectional view for explaining a machining head 51 which is an example of a laser machining head according to an embodiment of the present invention. 図2は、加工ヘッド51を備えたレーザ加工機61の全体構成を説明するための斜視図である。FIG. 2 is a perspective view for explaining the overall configuration of the laser processing machine 61 provided with the processing head 51. 図3は、加工ヘッド51に取り付けられた受光部6を説明するための縦断面図である。FIG. 3 is a longitudinal sectional view for explaining the light receiving unit 6 attached to the processing head 51. 図4は、レーザ加工部位からの反射光Lfの加工ヘッド51内における進行経路を説明するための縦断面図である。FIG. 4 is a longitudinal sectional view for explaining a traveling path of the reflected light Lf from the laser processing site in the processing head 51. 図5は、加工良好時の反射光Lfの波長特性を説明するためのグラフである。FIG. 5 is a graph for explaining the wavelength characteristics of the reflected light Lf when processing is good. 図6は、加工不良時の反射光Lfの波長特性を説明するためのグラフである。FIG. 6 is a graph for explaining the wavelength characteristics of the reflected light Lf at the time of processing failure. 図7は、受光部6のフィルタ部材6bを通過した通過反射光Lf4の波長特性を説明するためのグラフである。FIG. 7 is a graph for explaining the wavelength characteristic of the reflected reflected light Lf4 that has passed through the filter member 6b of the light receiving unit 6. In FIG.

本発明の実施の形態に係るレーザ加工ヘッド及びレーザ加工機の構成を、実施例であるレーザ加工ヘッド51(以下、加工ヘッド51)及びレーザ加工機61により、図1〜図3を参照して説明する。
図1は、加工ヘッド51の模式的縦断面図であり、図2は、レーザ加工機61の全体構成を説明するための模式的斜視図である。また、図3は、加工ヘッド51が備える受光部6を説明するための縦断面図である。
説明の便宜上、上下左右前後の各方向を、各図に矢印で規定する。
The configuration of the laser processing head and the laser processing machine according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3 by a laser processing head 51 (hereinafter, processing head 51) and a laser processing machine 61 as examples. explain.
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of the processing head 51, and FIG. 2 is a schematic perspective view for explaining the overall configuration of the laser processing machine 61. As shown in FIG. FIG. 3 is a longitudinal sectional view for explaining the light receiving unit 6 included in the machining head 51.
For convenience of explanation, the respective directions in the vertical and horizontal directions are defined by arrows in the drawings.

図1に示されるように、加工ヘッド51は、筒状を呈する本体部1と、本体部1の内部に備えられたコリメートレンズ2及び集光レンズ3を含むヘッド光学系P1と、を有する。ヘッド光学系P1は、加工ヘッド51から出力するレーザ光Lの焦点調整機能を有する。
すなわち、集光レンズ3が不図示の焦点調整機構により軸方向移動するホルダ3aにより支持されており、集光レンズ3の軸方向移動により加工ヘッド51から出射するレーザ光Lの合焦位置が調整される。
本体部1の一端部(下端部)は、先細で先端に照射孔1a1を有するノズル部1aとされ、他端部(上端部)には光ファイバ接続部1bが設けられている。
As shown in FIG. 1, the processing head 51 includes a main body 1 that has a cylindrical shape, and a head optical system P <b> 1 that includes a collimating lens 2 and a condenser lens 3 provided inside the main body 1. The head optical system P1 has a function of adjusting the focus of the laser light L output from the processing head 51.
That is, the condenser lens 3 is supported by a holder 3a that moves in the axial direction by a focus adjustment mechanism (not shown), and the focal position of the laser light L emitted from the processing head 51 is adjusted by the axial movement of the condenser lens 3. Is done.
One end (lower end) of the main body 1 is a nozzle portion 1a that is tapered and has an irradiation hole 1a1 at the tip, and an optical fiber connecting portion 1b is provided at the other end (upper end).

この加工ヘッド51は、図2に示されるようなファイバレーザ加工機であるレーザ加工機61に搭載されている。
図2は、レーザ加工機61の全体構成を示す模式的斜視図である。
The processing head 51 is mounted on a laser processing machine 61 which is a fiber laser processing machine as shown in FIG.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing the overall configuration of the laser beam machine 61.

レーザ加工機61は、被加工材であるワークWにレーザ光を照射して、ワークWに対し切断や孔明け等の加工を施す。
レーザ加工機61は、レーザ光源であるファイバレーザ発振器62と、ファイバレーザ発振器62から出力されたレーザ光をワークWに照射する既述の加工ヘッド51を備えた加工本体部63と、レーザ加工機61の全体動作を制御する制御部であるNC装置64と、を含んで構成されている。
The laser processing machine 61 irradiates the workpiece W, which is a workpiece, with laser light, and performs processing such as cutting and drilling on the workpiece W.
The laser processing machine 61 includes a fiber laser oscillator 62 that is a laser light source, a processing main body 63 including the processing head 51 described above that irradiates the workpiece W with laser light output from the fiber laser oscillator 62, and a laser processing machine. And an NC device 64 that is a control unit that controls the overall operation of the apparatus 61.

ファイバレーザ発振器62と加工ヘッド51の光ファイバ接続部1bとの間は、光ファイバ4で接続され、ファイバレーザ発振器62から出力されたレーザ光が加工ヘッド51に供給される。   The fiber laser oscillator 62 and the optical fiber connection portion 1 b of the processing head 51 are connected by the optical fiber 4, and the laser beam output from the fiber laser oscillator 62 is supplied to the processing head 51.

加工本体部63は、ワークWを載置するテーブル63aと、テーブル63aに設けられ、X軸方向(左右方向)に移動するX軸キャリッジ63bと、を有している。
X軸キャリッジ63bには、X軸方向と直交するY軸方向(上下方向)に移動するY軸キャリッジ63cが設けられている。
Y軸キャリッジ63cには、Z軸ホルダ63dが設けられている。Z軸ホルダ63dは、加工ヘッド51をZ軸方向(上下方向)に移動可能に支持している。
The processing body 63 includes a table 63a on which the workpiece W is placed, and an X-axis carriage 63b that is provided on the table 63a and moves in the X-axis direction (left-right direction).
The X-axis carriage 63b is provided with a Y-axis carriage 63c that moves in the Y-axis direction (vertical direction) orthogonal to the X-axis direction.
The Y-axis carriage 63c is provided with a Z-axis holder 63d. The Z-axis holder 63d supports the machining head 51 so as to be movable in the Z-axis direction (vertical direction).

ワークWと加工ヘッド51とがX軸及びY軸方向において相対移動可能であれば、上記の構成に限定されない。例えば、X軸キャリッジ63bを固定として加工ヘッド51をY軸とZ軸方向に移動可能とし、ワークWを不図示のクランパによりX軸方向に移動させるものであってもよい。   The configuration is not limited to the above as long as the workpiece W and the machining head 51 are relatively movable in the X-axis and Y-axis directions. For example, the machining head 51 may be moved in the Y-axis and Z-axis directions with the X-axis carriage 63b fixed, and the workpiece W may be moved in the X-axis direction by a clamper (not shown).

加工ヘッド51は、内部に備えた既述のヘッド光学系P1により、ファイバレーザ発振器62から光ファイバ4を介して供給されたレーザ光に対し、焦点調整などの所定の光学的処理を施して、ノズル部1aの照射孔1a1からワークWに向けレーザ光Lを照射するようになっている。   The processing head 51 performs predetermined optical processing such as focus adjustment on the laser light supplied from the fiber laser oscillator 62 via the optical fiber 4 by the head optical system P1 described above. The laser beam L is irradiated from the irradiation hole 1a1 of the nozzle portion 1a toward the workpiece W.

従って、加工ヘッド51は、X軸キャリッジ63bとY軸キャリッジ63cとの協働動作により、ワークWに対向する範囲において、少なくともワークWに沿う2次元的移動が可能である。また、ワークWの所望の加工部位Wpに対してレーザ光Lを所定の焦点位置をもって照射し、加工を施すことができる。   Therefore, the machining head 51 can move at least two-dimensionally along the workpiece W in a range facing the workpiece W by the cooperative operation of the X-axis carriage 63b and the Y-axis carriage 63c. Further, it is possible to perform processing by irradiating the desired processing portion Wp of the workpiece W with the laser beam L at a predetermined focal position.

図1において、加工ヘッド51の本体部1の内部におけるレーザ光Lの光束Ltは、一点鎖線で示されており、光束Ltの軸線は実線で示されている。
図1に示されるように、光ファイバ4の出口から本体部1の内部に拡散出射したレーザ光Lは、コリメートレンズ2によって平行光束とされる。
この平行光束が集光レンズ3に入光し、例えばワークWの表面Wsに合焦するようにノズル部1aの先端の照射孔1a1からワークWに向け出射される。
In FIG. 1, the light beam Lt of the laser light L inside the main body 1 of the machining head 51 is indicated by a one-dot chain line, and the axis of the light beam Lt is indicated by a solid line.
As shown in FIG. 1, the laser light L diffused and emitted from the exit of the optical fiber 4 into the main body 1 is converted into a parallel light beam by the collimator lens 2.
This parallel light beam enters the condenser lens 3 and is emitted toward the workpiece W from the irradiation hole 1a1 at the tip of the nozzle portion 1a so as to be focused on the surface Ws of the workpiece W, for example.

合焦位置は、既述のように、不図示の焦点調整機構によって集光レンズ3が光軸CLa方向に移動することで調整される。この焦点調整は、NC装置64により制御される。   As described above, the in-focus position is adjusted by moving the condenser lens 3 in the direction of the optical axis CLa by a focus adjusting mechanism (not shown). This focus adjustment is controlled by the NC device 64.

レーザ加工機61は、ノズル部1aから出射したレーザ光Lが、ワークWの加工部位で反射して戻ってきた反射光Lfの光量を検出する検出部SRを備えている。
検出部SRは、反射光Lfの一部が反射光Lf3(図4参照)として受光する受光部6と、入光した反射光Lf3の光量を計測する検出器7と、受光部6と検出器7との間に接続され受光部6に入光した反射光Lfを検出器7に誘導する光ファイバ8と、を有する。
検出器7は、さらに、検出した光量対応した電気信号を検出信号SG1としてNC装置64に向け出力する。
The laser processing machine 61 includes a detection unit SR that detects the amount of the reflected light Lf that is returned from the laser beam L emitted from the nozzle unit 1a after being reflected by the processing portion of the workpiece W.
The detection unit SR includes a light receiving unit 6 in which a part of the reflected light Lf is received as reflected light Lf3 (see FIG. 4), a detector 7 that measures the amount of incident reflected light Lf3, and the light receiving unit 6 and the detector. 7 and an optical fiber 8 that guides the reflected light Lf incident on the light receiving unit 6 to the detector 7.
The detector 7 further outputs an electrical signal corresponding to the detected light amount to the NC device 64 as a detection signal SG1.

図3は、受光部6を説明するための縦断面図である。
受光部6は、所定径のアパーチャ孔6a1を有するアパーチャ6aと、所定の光学特性を付与されたフィルタ部材6bと、アパーチャ6aとフィルタ部材6bとを並設保持するハウジング6cと、を有する。
この構成により、アパーチャ孔6a1を通過してフィルタ部材6bに入射した光Laは、フィルタ部材6bの光学特性に応じた特定の波長範囲(後述の第3の範囲fw3)の光Lbとして出力する。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view for explaining the light receiving unit 6.
The light receiving unit 6 includes an aperture 6a having an aperture hole 6a1 having a predetermined diameter, a filter member 6b having a predetermined optical characteristic, and a housing 6c that holds the aperture 6a and the filter member 6b side by side.
With this configuration, the light La that has entered the filter member 6b through the aperture hole 6a1 is output as light Lb in a specific wavelength range (a third range fw3 described later) according to the optical characteristics of the filter member 6b.

フィルタ部材6bは、波長依存性なく光を透過する基材6b1と、基材6b1のアパーチャ6a側の表面にコーティングされたフィルタとしての入射側光学膜6b2と、アパーチャ6aとは反対側の表面にコーティングされたフィルタとしての出射側光学膜6b3と、を有する。   The filter member 6b includes a base material 6b1 that transmits light without wavelength dependency, an incident side optical film 6b2 as a filter coated on the surface of the base material 6b1 on the aperture 6a side, and a surface opposite to the aperture 6a. And an output side optical film 6b3 as a coated filter.

入射側光学膜6b2は、第1の波長λ1を中心とする第1の範囲fw1の波長帯及び第1の波長λ1よりも短い第2の波長λ2を中心とする第2の範囲fw2の波長帯の光を低減又はカットする特性を有する。ここで低減とは、完全に除去する場合を含み、例えば、低減する波長範囲の光量を、その波長範囲以外の光量と同じ程度まで低減できるものを含む。以下、カットの意味は、この低減を含むものとする。
第1の波長λ1は、レーザ加工に用いるレーザ光の波長に対応して設定し、第2の波長λ2は、アライメント調整用の光(赤色)の波長に対応して設定する。
例えば、
第1の波長λ1=1070nm、第1の範囲fw1は、概ね±70nm
第2の波長λ2=630nm、第2の範囲fw2は、概ね±100nm
とする。
以下の説明においては、第1及び第2の波長λ1,λ2を、それぞれ1070nm,630nmとした場合で説明する。
The incident-side optical film 6b2 includes a wavelength band in the first range fw1 centered on the first wavelength λ1 and a wavelength band in the second range fw2 centered on the second wavelength λ2 shorter than the first wavelength λ1. It has the characteristic of reducing or cutting the light. Here, the term “reduction” includes a case where the light is completely removed. For example, the reduction includes a light amount in a wavelength range to be reduced to the same extent as a light amount outside the wavelength range. Hereinafter, the meaning of cut includes this reduction.
The first wavelength λ1 is set corresponding to the wavelength of laser light used for laser processing, and the second wavelength λ2 is set corresponding to the wavelength of alignment adjustment light (red).
For example,
The first wavelength λ1 = 1070 nm, and the first range fw1 is approximately ± 70 nm.
The second wavelength λ2 = 630 nm and the second range fw2 is approximately ± 100 nm.
And
In the following description, the first and second wavelengths λ1 and λ2 are assumed to be 1070 nm and 630 nm, respectively.

出射側光学膜6b3は、第3の波長λ3を中心とする第3の範囲fw3の波長の光を通過させるバンドパスフィルタの特性を有する。
例えば、
第3の波長λ3=675nm、第3の範囲fw3は、概ね±125nm
とする。すなわち、出射側光学膜6b3は、波長が550nm〜800nmの光のみを通過させる。この第3の範囲の設定については、後述する。
The emission-side optical film 6b3 has a band-pass filter characteristic that allows light having a wavelength in the third range fw3 centering on the third wavelength λ3 to pass.
For example,
The third wavelength λ3 = 675 nm and the third range fw3 is approximately ± 125 nm.
And That is, the emission side optical film 6b3 allows only light having a wavelength of 550 nm to 800 nm to pass therethrough. The setting of the third range will be described later.

以上詳述した受光部6は、図1に示されるように、アパーチャ6aが下を向く姿勢で、加工ヘッド51の本体部1における上端部に取り付けられている。
アパーチャ6aのアパーチャ孔6a1は、本体部1の内部に、レーザ光Lの光束Ltに掛からない位置に開口している。
検出器7は、加工ヘッド51から離れた位置に配置されるか加工ヘッド51に搭載される。
The light receiving portion 6 described in detail above is attached to the upper end portion of the main body portion 1 of the processing head 51 so that the aperture 6a faces downward as shown in FIG.
The aperture hole 6a1 of the aperture 6a is opened inside the main body 1 at a position where it does not reach the light beam Lt of the laser light L.
The detector 7 is arranged at a position away from the processing head 51 or mounted on the processing head 51.

次に、反射光Lfについて詳述する。
図1に示される加工ヘッド51を用い、例えば板状のワークにレーザ光Lを照射して切断(孔明けを含む)加工を行っている状態で、加工が良好な場合、反射光Lfは比較的低レベルである。
一方、切断加工に不良が生じた場合、既述のように反射光Lfが多く生じる。これについて、次に図4を参照して説明する。図4は図1に対応した図であり、反射光Lfの経路等の記載が付加されている。
Next, the reflected light Lf will be described in detail.
When the processing head 51 shown in FIG. 1 is used and, for example, cutting (including drilling) is performed by irradiating a plate-like workpiece with the laser beam L, the reflected light Lf is compared. Low level.
On the other hand, when a defect occurs in the cutting process, a large amount of reflected light Lf is generated as described above. This will be described next with reference to FIG. FIG. 4 is a diagram corresponding to FIG. 1 and includes a description of the path of the reflected light Lf and the like.

反射光Lfには、ワークWに照射した第1の波長λ1(1070nm)と、ラマン効果により生じた可視光波長(400〜800nm)帯内の光と、が含まれる。
反射光Lfの一部は、ノズル部1aの先端の照射孔1a1を通過して本体部1の内部に進む(反射光Lf1とする)。
反射光Lf1の一部として光束Lt内に進んだ光は、そのまま光束Ltの内部を、光束の外側に出ることなく戻るように進む。そして、集光レンズ3及びコリメートレンズ2を通過して光ファイバ4内に進入しファイバレーザ発振器62へと向かい、例えば、戻り光として検出される。
The reflected light Lf includes the first wavelength λ1 (1070 nm) irradiated to the workpiece W and light in the visible light wavelength (400 to 800 nm) band generated by the Raman effect.
Part of the reflected light Lf passes through the irradiation hole 1a1 at the tip of the nozzle portion 1a and proceeds to the inside of the main body 1 (referred to as reflected light Lf1).
The light that has traveled into the light beam Lt as a part of the reflected light Lf1 travels so as to return inside the light beam Lt without exiting the light beam. Then, the light passes through the condenser lens 3 and the collimating lens 2 and enters the optical fiber 4 toward the fiber laser oscillator 62, and is detected as return light, for example.

一方、切断不良の散乱光は、散乱分布が広いことから、ノズル部1aの照射孔1a1を通過して光束Ltの外側へ進む光も多い。
光束Ltの外側へ進んだ反射光である反射光Lf2は、本体部1の内面1cに反射するなどして、一部は光束Ltを斜めに突き抜けながら、集光レンズ3及びコリメートレンズ2を通過し本体部1の上部に達する。
そして、本体部1の上部に達した反射光Lf2の内の一部が反射光Lf3として受光部6のアパーチャ孔6a1に至り、受光部6の内部に進入する(図3の光Laに相当)。
On the other hand, since the scattered light with poor cutting has a wide scattering distribution, a lot of light passes through the irradiation hole 1a1 of the nozzle portion 1a and travels outside the light beam Lt.
The reflected light Lf2, which is reflected light that has traveled to the outside of the light beam Lt, is reflected by the inner surface 1c of the main body 1 and passes through the condenser lens 3 and the collimating lens 2 while partially passing through the light beam Lt obliquely. And reaches the upper part of the main body 1.
A part of the reflected light Lf2 reaching the upper part of the main body 1 reaches the aperture hole 6a1 of the light receiving unit 6 as reflected light Lf3 and enters the light receiving unit 6 (corresponding to the light La in FIG. 3). .

既述のように、受光部6に進入した反射光Lf3は、アパーチャ孔6a1で光量が所定の値に絞られ、フィルタ部材6bにより、第1の範囲fw1及び第2の範囲fw2の波長帯がカットされた後、第3の範囲fw3の波長の光のみが通過を許容される。
このフィルタリングの作用について、さらに図5〜図7を参照して説明する。
As described above, the amount of light of the reflected light Lf3 that has entered the light receiving unit 6 is reduced to a predetermined value by the aperture hole 6a1, and the wavelength band of the first range fw1 and the second range fw2 is reduced by the filter member 6b. After being cut, only light having a wavelength in the third range fw3 is allowed to pass.
The action of this filtering will be further described with reference to FIGS.

図5は、レーザ加工が良好な場合の反射光Lfの波長特性を示すグラフである。
図6は、レーザ加工が不良の場合の反射光Lfの波長特性を示すグラフである。
図7は、レーザ加工が不良の場合の、受光部6のフィルタ部材6bを通過した通過反射光Lf4(図3の光Lbに相当)の波長特性を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing the wavelength characteristics of the reflected light Lf when laser processing is satisfactory.
FIG. 6 is a graph showing the wavelength characteristics of the reflected light Lf when the laser processing is defective.
FIG. 7 is a graph showing the wavelength characteristics of the reflected reflected light Lf4 (corresponding to the light Lb in FIG. 3) that has passed through the filter member 6b of the light receiving unit 6 when the laser processing is defective.

図5に示されるように、レーザ加工が良好な場合の反射光Lfは、レーザ加工に供される波長(第1の波長λ1)に対応した波長のみの光である。
図6に示されるように、レーザ加工で不良が生じると、第1の波長λ1の光量が増加すると共に、可視光領域の内の、400〜550nmにも強い反射光が検出される。すなわち、二つの波長帯において強い反射光帯Pk1,Pk2が生じている。
As shown in FIG. 5, the reflected light Lf in the case where laser processing is satisfactory is light having only a wavelength corresponding to the wavelength (first wavelength λ1) used for laser processing.
As shown in FIG. 6, when a defect occurs in laser processing, the amount of light at the first wavelength λ1 increases, and reflected light that is strong in the visible light region of 400 to 550 nm is detected. That is, strong reflected light bands Pk1 and Pk2 are generated in two wavelength bands.

これに対し、図7に示される、フィルタ部材6bを通過した通過反射光Lf4では、反射光帯Pk1,Pk2における、例えば600〜900nm帯の光量よりも大きい過剰な光量はカット(減少)され、そこからさらに、反射光帯Pk1,Pk2の間の、加工が良好な場合より光量増で特性が平坦な安定波長帯ARaとして波長550〜800nm帯が抽出されている。
例えば、入射側光学膜6b2の特性が、光量減少ではなく完全に遮断する特性とされている場合、530〜730nm帯の光は遮断され、図7に示される通過反射光Lf4は、概ね730〜800nm帯のみに光量のある光として得られる。
On the other hand, in the reflected reflected light Lf4 that has passed through the filter member 6b shown in FIG. 7, the excessive light quantity larger than the light quantity in the 600 to 900 nm band in the reflected light bands Pk1 and Pk2, for example, is cut (reduced). From there, a wavelength band of 550 to 800 nm is extracted as a stable wavelength band ARa between the reflected light bands Pk1 and Pk2 with increased light quantity and flat characteristics as compared with the case where processing is good.
For example, when the characteristic of the incident side optical film 6b2 is a characteristic that completely blocks rather than a reduction in the amount of light, light in the 530 to 730 nm band is blocked, and the passing reflected light Lf4 shown in FIG. It is obtained as light having a light amount only in the 800 nm band.

図4に示されるように、検出器7は、通過反射光Lf4を光電変換して得られた信号を増幅し、検出信号SG1としてNC装置64に向け送出する。
NC装置64は、到来した検出信号SG1を、A/D変換すると共に予め設定されている良否判定の閾値と比較し、その結果に基づいて通過反射光Lf4が不良状態の反射光であるか否かを判定する。
As shown in FIG. 4, the detector 7 amplifies a signal obtained by photoelectrically converting the passing reflected light Lf4, and sends it to the NC device 64 as a detection signal SG1.
The NC device 64 performs A / D conversion on the incoming detection signal SG1 and compares it with a preset pass / fail judgment threshold, and based on the result, whether or not the passing reflected light Lf4 is a reflected light in a defective state. Determine whether.

図6に示される二つの波長帯の反射光帯Pk1,Pk2は、加工状態の不良化に伴い出現するが、その光量は、照射するレーザ光Lの出力、ワークの材質、加工態様など多くの項目に応じて変化し易く、定量的に把握するのが難しいことが経験的に把握されている。
一方、安定波長帯ARaは、平坦であってピークこそないものの、加工の不良化に伴い確実に光量が増加し、その増量も各種パラメータの影響を受けにくく定量的な把握に適していることが明らかになっている。
The reflected light bands Pk1 and Pk2 of the two wavelength bands shown in FIG. 6 appear with the deterioration of the machining state, but the amount of the light varies depending on the output of the laser beam L to be irradiated, the material of the workpiece, the machining mode, etc. It has been empirically understood that it is easy to change according to the item and difficult to grasp quantitatively.
On the other hand, although the stable wavelength band ARa is flat and does not have a peak, the amount of light surely increases with processing defects, and the increase is not affected by various parameters and is suitable for quantitative grasping. It has become clear.

実施例のフィルタ部材6bでは、入射側光学膜6b2により大光量の二つの波長帯の反射光帯Pk1,Pk2をカットしてその影響を排除した上で、バンドパスフィルタである出射側光学膜6b3により求める安定波長帯ARaを抜き出している。
これにより、検出光量が不安定になる要因を排除し高精度の良否判定が可能になっている。
また、一つの光学部材(フィルタ部材6b)で二種のフィルタリングが可能であり、受光部6はコンパクトかつ低コストになっている。
In the filter member 6b of the embodiment, the incident side optical film 6b2 cuts off the reflected light bands Pk1 and Pk2 of two wavelength bands with a large amount of light and eliminates the influence thereof, and then the emission side optical film 6b3 which is a bandpass filter. The stable wavelength band ARa obtained by the above is extracted.
As a result, it is possible to determine whether the detected light quantity is unstable or not with high accuracy.
Moreover, two types of filtering are possible with one optical member (filter member 6b), and the light receiving unit 6 is compact and low-cost.

以上詳述したように、実施例のレーザ加工ヘッド51は、レーザ加工中のワークWの加工部位からの反射光を、照射するレーザ光Lの光束Lt内ではなく光束Ltの外側で受光するようになっている。
すなわち、反射光の内の正反射成分ではなく乱反射した拡散成分を検出するようになっている。
反射光の内の拡散成分の多くは加工不良によって生じるため、レーザ加工ヘッド51は、加工不良依存の反射光を的確に抽出してより高精度に加工の良否監視に供されると共に、レーザ加工ヘッド51を備えたレーザ加工機61は、レーザ加工の良否状態監視をより高精度に行うことができる。
As described above in detail, the laser processing head 51 of the embodiment receives the reflected light from the processing part of the workpiece W during laser processing not on the light beam Lt of the laser beam L to be irradiated but on the outside of the light beam Lt. It has become.
That is, the diffuse component diffusely reflected is detected instead of the regular reflection component in the reflected light.
Since most of the diffused component of the reflected light is caused by processing defects, the laser processing head 51 accurately extracts reflected light that depends on processing defects, and is used for high-precision monitoring of processing, and laser processing. The laser processing machine 61 provided with the head 51 can monitor the quality of laser processing with higher accuracy.

本発明の実施例は、上述した構成、手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形してもよい。   The embodiment of the present invention is not limited to the above-described configuration and procedure, and may be modified without departing from the gist of the present invention.

受光部6は、一つに限らず、複数備えていてもよい。
複数備える場合は、反射光Lf3の検出効率の観点で、光軸CLaまわりの周方向に離隔配置することが望ましい。
また、受光部6は、本体部1の内周面に設けてもよい。
ただ、反射光Lf2の分布が本体部1内の上部の光軸にCLaに近い位置ほど密になるため、受光部6のアパーチャ孔6a1は、その上部の光束Ltにできるだけ近い位置にあるのが好ましい。すなわち、光ファイバ接続部1bの近傍に設置されるのが好ましい。
第1〜第3の波長λ1〜λ3、第1〜第3の範囲fw1〜fw3は、それぞれ上述の値に限定されず適宜設定してよい。
The light receiving unit 6 is not limited to one, and a plurality of light receiving units 6 may be provided.
In the case of providing a plurality, it is desirable to dispose them in the circumferential direction around the optical axis CLa from the viewpoint of detection efficiency of the reflected light Lf3.
The light receiving unit 6 may be provided on the inner peripheral surface of the main body unit 1.
However, since the distribution of the reflected light Lf2 is closer to the upper optical axis in the main body 1 and closer to CLa, the aperture hole 6a1 of the light receiving unit 6 is located as close as possible to the light flux Lt on the upper part. preferable. In other words, it is preferably installed in the vicinity of the optical fiber connecting portion 1b.
The first to third wavelengths λ1 to λ3 and the first to third ranges fw1 to fw3 are not limited to the above values, and may be set as appropriate.

1 本体部
1a ノズル部、 1a1 照射孔、 1b 光ファイバ接続部
1c 内面
2 コリメートレンズ
3 集光レンズ、 3a ホルダ
4 光ファイバ
6 受光部
6a アパーチャ、 6a1 アパーチャ孔、 6b フィルタ部材
6b1 基材、 6b2 入射側光学膜、 6b3出射側光学膜
6c ハウジング
7 検出器
8 光ファイバ
51 レーザ加工ヘッド(加工ヘッド)
61 レーザ加工機
62 ファイバレーザ発振器
63 加工本体部
63a テーブル、 63b X軸キャリッジ
63c Y軸キャリッジ、 63d Z軸ホルダ
64 NC装置(制御部)
ARa 安定波長帯
CLa 光軸
fw1 第1の範囲、 fw2 第2の範囲、 fw3 第3の範囲
L レーザ光
La,Lb 光、 Lf,Lf1,Lf2,Lf3 反射光
Lf4 通過反射光、 Lt 光束
Pk1,Pk2 反射光帯
P1 ヘッド光学系
SG1 検出信号
SR 検出部
W ワーク
Wp 加工部位、 Ws 表面
λ1 第1の波長、 λ2 第2の波長
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Main-body part 1a Nozzle part, 1a1 Irradiation hole, 1b Optical fiber connection part 1c Inner surface 2 Collimating lens 3 Condensing lens, 3a Holder 4 Optical fiber 6 Light receiving part 6a Aperture, 6a1 Aperture hole, 6b Filter member 6b1 Base material, 6b2 Incident Side optical film, 6b3 emission side optical film 6c housing 7 detector 8 optical fiber 51 laser processing head (processing head)
61 Laser Processing Machine 62 Fiber Laser Oscillator 63 Processing Body 63a Table, 63b X-axis Carriage 63c Y-axis Carriage, 63d Z-axis Holder 64 NC Device (Control Unit)
ARa Stable wavelength band CLa Optical axis fw1 First range, fw2 Second range, fw3 Third range L Laser light La, Lb light, Lf, Lf1, Lf2, Lf3 Reflected light Lf4 Passed reflected light, Lt Light flux Pk1, Pk2 Reflected light band P1 Head optical system SG1 Detection signal SR Detection unit W Work Wp Processing site, Ws Surface λ1 First wavelength, λ2 Second wavelength

Claims (4)

筒状の本体部と、
前記本体部の一端側に設けられ、レーザ発振器からのレーザ光を前記本体部に誘導するための光ファイバを接続する接続部と、
前記本体部の他端側に設けられ、前記接続部に接続された前記光ファイバで誘導された前記レーザ光を出射するノズル部と、
前記接続部の近傍に前記本体部の内部に開口して設けられ、前記ノズル部を通して外部から前記本体部内に進入した光を受光する受光部と、
を備え、
前記受光部は、
前記レーザ光の波長を含む第1の波長帯を低減又はカットする特性のフィルタを備え、受光した前記光を前記フィルタを通過させてから光量を計測する検出器に向け出光するレーザ加工ヘッド。
A tubular body,
A connecting portion that is provided on one end side of the main body portion and connects an optical fiber for guiding laser light from a laser oscillator to the main body portion;
A nozzle part that is provided on the other end side of the main body part and emits the laser light guided by the optical fiber connected to the connection part;
A light receiving portion that is provided in the vicinity of the connection portion so as to be opened inside the main body portion, and that receives light that has entered the main body portion from the outside through the nozzle portion;
With
The light receiving unit is
A laser processing head comprising a filter having a characteristic of reducing or cutting a first wavelength band including the wavelength of the laser light, and emitting the received light toward a detector that measures the amount of light after passing through the filter.
前記フィルタは、
一面側に、前記第1の波長帯及び前記第1の波長帯よりも短い第2の波長帯の光を低減又はカットする第1の特性を有する第1の光学膜を有し、
他面側に、前記第1の波長帯と前記第2の波長帯との間の第3の波長帯を通過させる第2の特性を有する第2の光学膜を有し、
前記受光部は、受光した光を前記第1の光学膜、前記第2の光学膜の順に通過させて前記検出器に向け出光することを特徴とする請求項1記載のレーザ加工ヘッド。
The filter is
On the one surface side, the first optical film having a first characteristic that reduces or cuts light in the first wavelength band and a second wavelength band shorter than the first wavelength band,
A second optical film having a second characteristic that transmits a third wavelength band between the first wavelength band and the second wavelength band on the other surface side;
2. The laser processing head according to claim 1, wherein the light receiving unit passes the received light in the order of the first optical film and the second optical film and emits the light toward the detector.
レーザ発振器と、レーザ加工ヘッドと、前記レーザ発振器と前記レーザ加工ヘッドとの間に接続されて前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドに誘導する光ファイバと、を備え、
前記レーザ加工ヘッドは、
筒状の本体部と、
前記本体部の一端側に設けられ前記光ファイバを接続する接続部と、
前記本体部の他端側に設けられ前記光ファイバで誘導された前記レーザ光を出射するノズル部と、
前記接続部の近傍に前記本体部の内部に開口して設けられ、前記ノズル部を通して外部から前記本体部内に進入した光を受光する受光部と、
前記受光部を通過した前記光の光量を計測する検出器と、
を備え、
前記受光部は、
前記レーザ光の波長を含む第1の波長帯を低減又はカットする特性のフィルタを備え、受光した前記光を前記フィルタを通過させてから前記検出器に向け出光するレーザ加工機。
A laser oscillator, a laser processing head, and an optical fiber that is connected between the laser oscillator and the laser processing head and guides the laser light output from the laser oscillator to the laser processing head,
The laser processing head is
A tubular body,
A connecting portion that is provided on one end side of the main body and connects the optical fiber;
A nozzle part that is provided on the other end side of the main body part and emits the laser light guided by the optical fiber;
A light receiving portion that is provided in the vicinity of the connection portion so as to be opened inside the main body portion, and that receives light that has entered the main body portion from the outside through the nozzle portion;
A detector for measuring the amount of the light that has passed through the light receiving unit;
With
The light receiving unit is
A laser processing machine comprising a filter having a characteristic of reducing or cutting a first wavelength band including the wavelength of the laser light, and passing the received light through the filter and then emitting the light toward the detector.
前記フィルタは、
一面側に、前記第1の波長帯及び前記第1の波長帯よりも短い第2の波長帯の光を低減又はカットする第1の特性を有する第1の光学膜を有し、
他面側に、前記第1の波長帯と前記第2の波長帯との間の第3の波長帯を通過させる第2の特性を有する第2の光学膜を有するフィルタを備え、
前記受光部は、入光した光を第1の光学膜、第2の光学膜の順に通過させて前記検出器に向け出光することを特徴とする請求項3記載のレーザ加工機。
The filter is
On the one surface side, the first optical film having a first characteristic that reduces or cuts light in the first wavelength band and a second wavelength band shorter than the first wavelength band,
A filter having a second optical film having a second characteristic that transmits a third wavelength band between the first wavelength band and the second wavelength band on the other surface side;
The laser beam machine according to claim 3, wherein the light receiving unit passes the incident light in the order of the first optical film and the second optical film and emits the light toward the detector.
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