JP2019042793A - Laser processing machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光によって金属の板(板金)を加工するレーザ加工機に関する。 The present invention relates to a laser processing machine that processes a metal plate (sheet metal) with laser light.
レーザ発振器より射出されたレーザ光によって板金を切断または溶接したり、板金に対してマーキングを施したりするよう加工するレーザ加工機が普及している。レーザ加工機には、種々のレーザ発振器が用いられる。比較的板厚の薄い板金を高速に切断加工するためには、例えばファイバレーザ発振器がよく用いられる。 2. Description of the Related Art Laser processing machines that process a sheet metal by cutting or welding it with laser light emitted from a laser oscillator or marking the sheet metal have become widespread. Various laser oscillators are used in the laser processing machine. In order to cut a sheet metal having a relatively small thickness at high speed, for example, a fiber laser oscillator is often used.
レーザ加工機は、板金に照射されるレーザビームのビームプロファイルを板金の加工条件に応じて適切に設定する必要がある。特許文献1及び2には、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができるレーザ加工機が記載されている。 The laser processing machine needs to appropriately set the beam profile of the laser beam applied to the sheet metal according to the processing conditions of the sheet metal. Patent Documents 1 and 2 describe a laser processing machine that can process a sheet metal by selecting any one of a plurality of beam profiles.
特許文献1及び2に記載のビームプロファイルを選択するための構成は煩雑であり、簡易で安価な構成でビームプロファイルを選択することができるレーザ加工機が望まれる。 The configuration for selecting a beam profile described in Patent Documents 1 and 2 is complicated, and a laser processing machine capable of selecting a beam profile with a simple and inexpensive configuration is desired.
本発明は、簡易で安価な構成で、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができるレーザ加工機を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a laser processing machine that can process a sheet metal by selecting any one of a plurality of beam profiles with a simple and inexpensive configuration.
本発明は、レーザ光の入射面として凸曲面、レーザ光の射出面として凹アキシコン面を有し、ガウシアン型のビームプロファイルを有する発散光のレーザ光を透過させる凸凹アキシコンレンズと、レーザ光の入射面として凸アキシコン面、レーザ光の射出面として平面を有し、前記凸凹アキシコンレンズより射出されたレーザ光を透過させる平凸アキシコンレンズと、前記平凸アキシコンレンズより射出されたレーザ光を集束させて、加工対象の板金に照射する集束レンズと、前記凸凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第1の移動機構と、前記第1の移動機構によって前記凸凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第1の駆動部と、前記平凸アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第2の移動機構と、前記第2の移動機構によって前記平凸アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第2の駆動部と、前記凸凹アキシコンレンズと前記平凸アキシコンレンズとを互いに近接させて、前記集束レンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをガウシアン型とする第1のモードと、前記凸凹アキシコンレンズと前記平凸アキシコンレンズとを互いに離隔させて、前記集束レンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをリング型とする第2のモードとを切り替えるよう、前記凸凹アキシコンレンズ及び前記平凸アキシコンレンズの位置を制御する制御装置とを備えることを特徴とするレーザ加工機を提供する。 The present invention has a convex-concave axicon lens that has a convex curved surface as a laser light incident surface and a concave axicon surface as a laser light emission surface and transmits a divergent laser beam having a Gaussian beam profile, A plano-convex axicon lens that has a convex axicon surface as an incident surface and a flat surface as a laser light exit surface and transmits laser light emitted from the convex-concave axicon lens, and a laser emitted from the plano-convex axicon lens A converging lens that focuses light to irradiate a sheet metal to be processed, a first moving mechanism for moving the convex / concave axicon lens in the optical axis direction, and the convex / concave axicon lens by the first moving mechanism A first drive unit for driving the lens to move in the optical axis direction, and a second moving mechanism for moving the plano-convex axicon lens in the optical axis direction A second driving unit configured to drive the plano-convex axicon lens to move in the optical axis direction by the second moving mechanism; and the convex-concave axicon lens and the plano-convex axicon lens are brought close to each other; The first mode in which the beam profile of the laser beam focused by the focusing lens is a Gaussian type, and the laser beam focused by the focusing lens by separating the convex / concave axicon lens and the plano-convex axicon lens from each other And a control device for controlling the positions of the convex-concave axicon lens and the plano-convex axicon lens so as to switch to a second mode in which the beam profile of the lens is switched to a ring type is provided. .
また、本発明は、発散光のレーザ光が入射されて収束光に変換する凸レンズと、前記凸レンズより射出された収束光のレーザ光が入射される凹レンズとを有し、前記凸レンズから射出される収束光の収束角に応じて前記凹レンズより射出されるビーム径を可変させるビーム径可変装置と、前記凸レンズを光軸方向に移動させるための第1の移動機構と、前記第1の移動機構によって前記凸レンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第1の駆動部と、前記凹レンズを光軸方向に移動させるための第2の移動機構と、前記第2の移動機構によって前記凹レンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第2の駆動部と、前記ビーム径可変装置より射出されたレーザ光が入射され、レーザ光の入射面として平面、レーザ光の射出面として凹アキシコン面を有する平凹アキシコンレンズと、レーザ光の入射面として凸アキシコン面、レーザ光の射出面として凸曲面を有し、前記平凹アキシコンレンズより射出されたレーザ光を集束させて、加工対象の板金に照射する両凸アキシコンレンズと、前記平凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第3の移動機構と、前記第3の移動機構によって前記平凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第3の駆動部とを備えることを特徴とするレーザ加工機を提供する。 The present invention also includes a convex lens that receives divergent laser light and converts it into convergent light, and a concave lens that receives convergent light laser light emitted from the convex lens, and is emitted from the convex lens. A beam diameter varying device that varies the beam diameter emitted from the concave lens according to the convergence angle of the convergent light, a first moving mechanism for moving the convex lens in the optical axis direction, and the first moving mechanism. A first driving unit that drives the convex lens to move in the optical axis direction, a second moving mechanism for moving the concave lens in the optical axis direction, and the concave lens is moved in the optical axis direction by the second moving mechanism. And a laser beam emitted from the beam diameter variable device is incident, a plane as a laser beam incident surface, and a concave axicon as a laser beam emission surface A plano-concave axicon lens having a convex axicon surface as a laser light incident surface, a convex curved surface as a laser light exit surface, and focusing the laser light emitted from the plano-concave axicon lens A biconvex axicon lens that irradiates the sheet metal, a third movement mechanism for moving the plano-concave axicon lens in the optical axis direction, and the plano-concave axicon lens by the third movement mechanism. A laser processing machine comprising: a third drive unit that is driven to move in a direction.
本発明のレーザ加工機によれば、簡易で安価な構成で、複数のビームプロファイルのうちからいずれかのビームプロファイルを選択して板金を加工することができる。 According to the laser processing machine of the present invention, a sheet metal can be processed by selecting any one of a plurality of beam profiles with a simple and inexpensive configuration.
以下、第1〜第5実施形態のレーザ加工機について、添付図面を参照して説明する。第1〜第5実施形態のレーザ加工機において、同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その説明を省略することがある。 Hereinafter, laser processing machines according to first to fifth embodiments will be described with reference to the accompanying drawings. In the laser processing machines of the first to fifth embodiments, the same reference numerals are given to portions having the same function, and the description thereof may be omitted.
<第1実施形態>
図1において、レーザ加工機100は、レーザ光を生成して射出するレーザ発振器10と、レーザ加工ユニット20と、レーザ発振器10より射出されたレーザ光をレーザ加工ユニット20へと伝送するプロセスファイバ12とを備える。また、レーザ加工機100は、操作部40と、レーザ発振器10及びレーザ加工ユニット20を制御するNC装置50とを備える。NC装置50は、制御装置の一例である。
<First Embodiment>
In FIG. 1, a
レーザ発振器10としては、レーザダイオードより発せられる励起光を増幅して所定の波長のレーザ光を射出するレーザ発振器、またはレーザダイオードより発せられるレーザ光を直接利用するレーザ発振器が好適である。レーザ発振器10は、例えば、固体レーザ発振器、ファイバレーザ発振器、ディスクレーザ発振器、ダイレクトダイオードレーザ発振器(DDL発振器)である。
The
レーザ発振器10は、波長900nm〜1100nmの1μm帯のレーザ光を射出する。ファイバレーザ発振器及びDDL発振器を例とすると、ファイバレーザ発振器は、波長1060nm〜1080nmのレーザ光を射出し、DDL発振器は、波長910nm〜950nmのレーザ光を射出する。
The
レーザ加工ユニット20は、加工対象の板金Wを載せる加工テーブル21と、門型のX軸キャリッジ22と、Y軸キャリッジ23と、Y軸キャリッジ23に固定されたコリメータユニット30とを有する。X軸キャリッジ22は、加工テーブル21上でX軸方向に移動自在に構成されている。Y軸キャリッジ23は、X軸キャリッジ22上でX軸に垂直なY軸方向に移動自在に構成されている。
The
コリメータユニット30は、プロセスファイバ12の射出端より射出した一点鎖線で示すレーザ光が入射される凸凹アキシコンレンズ31と、凸凹アキシコンレンズ31より射出したレーザ光が入射される平凸アキシコンレンズ32とを有する。また、コリメータユニット30は、平凸アキシコンレンズ32より射出したレーザ光をX軸及びY軸に垂直なZ軸方向下方に向けて反射させるベンドミラー33と、ベンドミラー33で反射したレーザ光を集束させる集束レンズ34と、加工ヘッド35とを有する。
The
以上のように構成されるレーザ加工機100は、レーザ発振器10より射出されたレーザ光によって板金Wを加工する。板金Wの加工とは、板金Wの切断あるいは溶接、または、板金Wに対するマーキングのいずれであってもよい。
The
図2を用いて、コリメータユニット30の詳細な構成例を説明する。図2において、プロセスファイバ12の射出端12eより射出した一点鎖線で示す発散光のレーザ光は、凸凹アキシコンレンズ31に入射される。凸凹アキシコンレンズ31は、レーザ光の入射面31a1が凸曲面、レーザ光の射出面31b1が凹状の円錐面である凹アキシコン面となっている。射出面31b1の曲率は0である。
A detailed configuration example of the
凸凹アキシコンレンズ31は、凸凹アキシコンレンズ31を光軸方向に移動自在とするための移動機構311に取り付けられている。駆動部312が移動機構311を駆動することによって、凸凹アキシコンレンズ31は矢印で示すように光軸方向に移動する。
The convex /
凸凹アキシコンレンズ31の射出面31b1より射出されたレーザ光は、平凸アキシコンレンズ32に入射される。平凸アキシコンレンズ32は、レーザ光の入射面32a1が凸状の円錐面である凸アキシコン面、レーザ光の射出面32b1が平面となっている。入射面32a1の曲率は0である。
The laser beam emitted from the exit surface 31 b 1 of the convex /
平凸アキシコンレンズ32は、平凸アキシコンレンズ32を光軸方向に移動自在とするための移動機構321に取り付けられている。駆動部322が移動機構321を駆動することによって、平凸アキシコンレンズ32は、矢印で示すように光軸方向に移動する。
The plano-
移動機構311及び321は、例えば、ギア、ベルト、ラック・ピニオン、ウォームギア、ボールねじ等のいずれか(またはこれらの任意の組み合わせ)でよく、駆動部312及び312は例えばモータである。NC装置50は、駆動部312を制御して凸凹アキシコンレンズ31を移動させ、駆動部322を制御して平凸アキシコンレンズ32を移動させる。駆動部312及び322は、NC装置50以外の制御装置によって制御されてもよい。
The moving mechanisms 311 and 321 may be any one of gears, belts, rack and pinions, worm gears, ball screws, or the like (or any combination thereof), and the driving units 312 and 312 are, for example, motors. The NC
凸凹アキシコンレンズ31の入射面31a1は、射出端12eから入射面31a1の表面までの距離がd1であるときに、発散光を平行光に変換するような曲率に設定されている。凸凹アキシコンレンズ31の射出面31b1は、平行光を発散光に変換する。平凸アキシコンレンズ32の入射面32a1には、発散光が入射される。射出面31b1と入射面32a1それぞれの光軸に対する角度は、双方の屈折作用によって発散光を平行光に変換するような角度に設定されている。
The entrance surface 31a1 of the convex /
射出面32b1は平面であるから、ベンドミラー33には平行光が入射される。ベンドミラー33で光軸が90度曲げられた平行光は、集束レンズ34によって焦点位置が板金Wの表面またはその近傍となるよう集束されて、板金Wに照射される。
Since the emission surface 32b1 is a flat surface, parallel light is incident on the
コリメータユニット30は、X軸キャリッジ22及びY軸キャリッジ23によってX軸方向及びY軸方向に任意に移動自在であるから、加工ヘッド35から射出されるレーザ光を板金Wに照射する位置をX軸方向及びY軸方向に任意に移動させることができる。
Since the
図2では、図示していないが、集束レンズ34を光軸方向に移動自在に構成することによって、板金Wに照射するレーザ光の焦点位置を可変できるように構成してもよい。この場合、集束レンズ34を移動させるための移動機構及び駆動部を設ければよい。
Although not shown in FIG. 2, the focusing
以上のように、第1実施形態のレーザ加工機100は、凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32を備え、凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32が光軸方向に移動自在に構成されている。よって、後述するように、第1実施形態のレーザ加工機100によれば、板金Wに照射するレーザ光のビームプロファイルを複数のビームプロファイルのうちから選択することができる。第1実施形態のレーザ加工機100は、選択したビームプロファイルを用いて板金Wを加工することができる。
As described above, the
図3を用いて、第1実施形態のレーザ加工機100において、凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32の位置に応じてビームプロファイルがどのように変化するかを説明する。図3においては、ベンドミラー33を省略して、光軸が一直線となるように、凸凹アキシコンレンズ31、平凸アキシコンレンズ32、集束レンズ34を配置した状態を概念的に示している。図3において、Liは光束中の内側のビーム、Loは光束中の外側のビームを示す。
With reference to FIG. 3, how the beam profile changes in accordance with the positions of the convex /
射出端12eから射出されたレーザ光は、図4Aに示すようなガウシアン型のビームプロファイルを有する。ビームプロファイルとはレーザ光を断面で見たときの強度分布を示す特性(形状)である。ガウシアン型のビームプロファイルは、周辺部から中央部に向かって強度が急峻に大きくなる特性を有する。
The laser beam emitted from the
図3の(a)は、平凸アキシコンレンズ32を凸凹アキシコンレンズ31に近接するように移動させた状態を示している。凸凹アキシコンレンズ31でコリメートされているビームは平凸アキシコンレンズ32内部でもほぼ同じ位置でコリメートされる(そのまま平行光として進む)。互いに近接している凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32は、実質的に、平凸レンズと同様の働きをする。よって、所定の焦点距離を有する集束レンズ34によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは図4Aに示すようなガウシアン型となる。
FIG. 3A shows a state in which the plano-
図3の(b)は、図3の(a)の状態から、平凸アキシコンレンズ32のみを凸凹アキシコンレンズ31から離れるように移動させた状態を示している。図3の(b)においては、内側のビームLiのさらに内側にはビームの存在しない領域が生じ、平凸アキシコンレンズ32から集束レンズ34へと伝搬するコリメートされたビームは、太いリングのような状態となる。集束レンズ34によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは、集束点ではガウシアン型、集束点の手前側及び奥側(図3の左側及び右側)では、図4Bに示すような太いリング型となる。
FIG. 3B shows a state in which only the plano-
図3の(c)は、図3の(b)の状態から、凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32を互いに同じ距離だけ、射出端12e側へと移動させた状態を示している。このとき、凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32を透過する内側のビームLi及び外側のビームLoはそれぞれ発散光となり、ビームLoの発散角の方がビームLiの発散角よりも大きい。
FIG. 3C shows a state in which the convex /
集束レンズ34がビームLi及びLoを集束させると、ビームLoはビームLiよりも奥側(図3の右側)に集束するので、集束点は奥側に移動する。集束レンズ34によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは、集束点よりも奥側では図4Cに示すような鋭いリング型となる。なお、集束点の手前側及び集束点では、図4Aに示すガウシアン型よりも中心に鋭いピークを有するビームプロファイルとなる。
When the focusing
図3の(d)は、図3の(b)の状態から、凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32を互いに同じ距離だけ、集束レンズ34側へと移動させた状態を示している。このとき、凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32を透過する内側のビームLi及び外側のビームLoはそれぞれ収束光となり、ビームLoの収束角の方がビームLiの収束角よりも大きい。
FIG. 3D shows a state in which the convex-
集束レンズ34がビームLi及びLoを集束させると、ビームLoはビームLiよりも手前側に集束するので、集束点は手前側に移動する。集束レンズ34によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは、集束点よりも手前側では図4Cに示すような鋭いリング型となる。なお、集束点及び集束点の奥側では中心に鋭いピークを有するビームプロファイルとなる。
When the focusing
図3の(a)に示すように、凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32を互いに近接させて、ビームプロファイルをガウシアン型とするモードを第1のモードとする。図3の(c)または(d)に示すように、凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32を互いに離隔させて、ビームプロファイルをリング型とするモードを第2のモードとする。NC装置50は、第1のモードと第2のモードとを切り替えることができる。
As shown in FIG. 3A, a mode in which the convex /
第1のモードにおいて、射出端12eから凸凹アキシコンレンズ31の入射面31a1までの距離を第1の距離とすると、第2のモードにおいては、射出端12eから入射面31a1までの距離は第1の距離とは異なる第2の距離である。
In the first mode, if the distance from the
第1実施形態のレーザ加工機100において、距離d1が120mmとなるように凸凹アキシコンレンズ31の入射面31a1の曲率を設定し、射出面31b1の凹アキシコン面の角度と、平凸アキシコンレンズ32における入射面32a1の凸アキシコン面の角度とを9度に設定したとする。凸凹アキシコンレンズ31を図3の(a)の状態から射出端12e側に5mm移動させ、凸凹アキシコンレンズ31と平凸アキシコンレンズ32との間隔を40mmとして、図3の(c)の状態にしたとする。すると、集束点よりも奥側において、直径400μm程度のリング型のビームプロファイルが形成される。
In the
<第2実施形態>
第2実施形態のレーザ加工機100は、図1における凸凹アキシコンレンズ31を図5に示す凸凹アキシコンレンズ31Bに置換した構成を有する。
Second Embodiment
The
図5において、凸凹アキシコンレンズ31Bは入射面31a2が凸曲面、射出面31b2が凹アキシコン面となっている。入射面31a2の曲率は、二点鎖線にて示す凸凹アキシコンレンズ31の入射面31a1の曲率よりも小さい。
In FIG. 5, the convex /
凸凹アキシコンレンズ31Bは、入射面31a2の曲率を入射面31a1の曲率よりも小さくした分を、射出面31b2に凸の所定の曲率を付与することによって補って、凸凹アキシコンレンズ31と同様の作用を奏するように構成している。射出面31b1と射出面31b2とを比較するため、射出面31b1を二点鎖線にて示している。
The convex /
<第3実施形態>
第3実施形態のレーザ加工機100は、図1における凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32をそれぞれ図6に示す凸凹アキシコンレンズ31C及び平凸アキシコンレンズ32Cに置換した構成を有する。
<Third Embodiment>
The
図6において、凸凹アキシコンレンズ31Cは入射面31a2が凸曲面、射出面31b1が凹アキシコン面となっている。入射面31a2の曲率は、二点鎖線にて示す凸凹アキシコンレンズ31の入射面31a1の曲率よりも小さい。
In FIG. 6, the convex /
平凸アキシコンレンズ32Cは入射面32a2が凸アキシコン面、射出面32b1が平面となっている。凸凹アキシコンレンズ31Cにおける入射面31a2の曲率を入射面31a1の曲率よりも小さくした分を、平凸アキシコンレンズ32Cの入射面32a2に凸の所定の曲率を付与することによって補っている。
In the plano-
これによって、凸凹アキシコンレンズ31C及び平凸アキシコンレンズ32Cが、凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32と同様の作用を奏するように構成している。入射面31a1と入射面31a2とを比較するため、入射面31a1を二点鎖線にて示している。
Thus, the convex /
<第4実施形態>
第4実施形態のレーザ加工機100は、図1における凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32をそれぞれ図7に示す凸凹アキシコンレンズ31D及び平凸アキシコンレンズ32Dに置換した構成を有する。
<Fourth embodiment>
The
図7に示すように、凸凹アキシコンレンズ31Dは凹アキシコン面である射出面31b3の中心部が平面31b4となっており、平凸アキシコンレンズ32Dは凸アキシコン面である入射面32a3の中心部が平面32a4となっている。
As shown in FIG. 7, in the convex /
図8を用いて、第4実施形態のレーザ加工機100において、凸凹アキシコンレンズ31D及び平凸アキシコンレンズ32Dの位置に応じてビームプロファイルがどのように変化するかを説明する。図8においても、ベンドミラー33を省略して、光軸が一直線となるように、凸凹アキシコンレンズ31D、平凸アキシコンレンズ32D、集束レンズ34を配置した状態を概念的に示している。図8において、Liは内側のビーム、Loは外側のビーム、Lcは平面31b4及び32a4を通る中心側のビームを示す。
With reference to FIG. 8, in the
内側のビームLi及び外側のビームLoに対する凸凹アキシコンレンズ31D及び平凸アキシコンレンズ32Dによる作用は、凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32による作用と同様である。よって、中心側のビームLcが存在することによる作用を説明する。
The action of the convex /
図8の(a)は、平凸アキシコンレンズ32Dを凸凹アキシコンレンズ31Dに近接するように移動させた状態を示している。図8の(a)は図3の(a)と同様であり、集束レンズ34によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは図4Aに示すようなガウシアン型となる。
FIG. 8A shows a state in which the plano-
図8の(b)は、図8の(a)の状態から、平凸アキシコンレンズ32Dのみを凸凹アキシコンレンズ31Dから離れるように移動させた状態を示している。図8の(b)においては、内側のビームLiよりも内側に平面31b4及び32a4を通る中心側のビームLcが存在するから、集束点の手前側及び奥側(図8の左側及び右側)では、図4Dに示すように、太いリングの中央にも所定の強度が存在するビームプロファイルとなる。
FIG. 8B shows a state in which only the plano-
図8の(c)は、図8の(b)の状態から、凸凹アキシコンレンズ31D及び平凸アキシコンレンズ32Dを互いに同じ距離だけ、射出端12e側へと移動させた状態を示している。集束点よりも奥側では、図4Eに示すように、鋭いリングの中央にも所定の強度が存在するビームプロファイルとなる。
FIG. 8C shows a state in which the convex /
図8の(d)は、図8の(b)の状態から、凸凹アキシコンレンズ31D及び平凸アキシコンレンズ32Dを互いに同じ距離だけ、集束レンズ34側へと移動させた状態を示している。集束点よりも手前側では、図4Eに示すビームプロファイルとなる。
FIG. 8D shows a state in which the convex /
第1実施形態のレーザ加工機100において、リング型のビームプロファイルのリングの直径を大きくすると、リング中心のエネルギが不足することがある。第4実施形態のレーザ加工機100によれば、リング中心のエネルギを補うことができる。
In the
<第5実施形態>
図9に示すコリメータユニット30は、図2に示すコリメータユニット30における凸凹アキシコンレンズ31及び平凸アキシコンレンズ32がそれぞれ凸レンズ36及び凹レンズ37に置換されている。凸レンズ36は正の焦点距離を有する両凸レンズであり、凹レンズ37は負の焦点距離を有する両凹レンズである。
<Fifth Embodiment>
In the
また、図9に示すコリメータユニット30は、集束レンズ34が平凹アキシコンレンズ38及び両凸アキシコンレンズ39に置換されている。第5実施形態のレーザ加工機100は以上のような構成を有する。
In the
凸レンズ36は、凸レンズ36を光軸方向に移動自在とするための移動機構361に取り付けられている。駆動部362が移動機構361を駆動することによって、凸レンズ36は矢印で示すように光軸方向に移動する。凹レンズ37は、凹レンズ37を光軸方向に移動自在とするための移動機構371に取り付けられている。駆動部372が移動機構371を駆動することによって、凹レンズ37は、矢印で示すように光軸方向に移動する。
The
後述するように、凸レンズ36及び凹レンズ37は、ビーム径Dを可変させるビーム径可変装置367を構成する。
As will be described later, the
平凹アキシコンレンズ38は、レーザ光の入射面38aが平面、レーザ光の射出面38bが凹状の円錐面である凹アキシコン面となっている。射出面38bの曲率は0である。両凸アキシコンレンズ39は、レーザ光の入射面39aが凸アキシコン面、レーザ光の射出面39bが凸曲面となっている。入射面39aの曲率は0である。
The plano-
平凹アキシコンレンズ38は、平凹アキシコンレンズ38を光軸方向に移動自在とするための移動機構381に取り付けられている。駆動部382が移動機構381を駆動することによって、平凹アキシコンレンズ38は、矢印で示すように光軸方向に移動する。
The plano-
移動機構361、371、及び381は、移動機構311及び321と同様の機構でよく、駆動部362、372、及び382は例えばモータである。NC装置50は、駆動部362、372、及び382を制御してそれぞれ凸レンズ36、凹レンズ37、及び平凹アキシコンレンズ38を移動させる。
The moving
図9において、凸レンズ36は、射出端12eから凸レンズ36までの距離が凸レンズ36の焦点距離以上となるように配置されている。よって、凸レンズ36は、レーザ光の発散光を収束光に変換する。NC装置50は、凸レンズ36を、射出端12eから凸レンズ36までの距離が凸レンズ36の焦点距離以上となる条件で光軸方向に移動させることができる。
In FIG. 9, the
仮に凹レンズ37が存在しないとすると、凸レンズ36から射出された収束光は所定の位置を集束点として集束する。凹レンズ37を、集束点より凸レンズ36側に、凹レンズ37の焦点距離と同じ距離だけずらした位置(基準位置)に配置させれば、凹レンズ37は収束光を平行光に変換する。凹レンズ37を、集束点より凸レンズ36側に、凹レンズ37の焦点距離よりも長い距離だけずらした位置に配置すれば、凹レンズ37は収束光を発散光に変換する。
If the
凹レンズ37から射出されるレーザ光のビーム径Dは、凸レンズ36から射出される収束光の収束角に応じて変化する。ビーム径可変装置367は、ビーム径Dを可変させることができる。
The beam diameter D of the laser light emitted from the
図10A及び図10Bを用いて、第5実施形態のレーザ加工機100において、ビーム径D及びビームプロファイルがどのように変化するかを説明する。図10A及び図10Bにおいては、ベンドミラー33を省略して、光軸が一直線となるように、凸レンズ36、凹レンズ37、平凹アキシコンレンズ38、両凸アキシコンレンズ39を配置した状態を概念的に示している。
How the beam diameter D and the beam profile change in the
図10Aの(a)及び(b)は、凸レンズ36と凹レンズ37との間隔が短く、凹レンズ37が凸レンズ36に対して基準位置にあり、凹レンズ37が平行光を射出している状態を示している。このとき、凸レンズ36から射出する収束光の収束角が大きいためビーム径Dは大きくなる。
FIGS. 10A and 10B show a state where the distance between the
図10Aの(a)は、平凹アキシコンレンズ38を両凸アキシコンレンズ39に近接するように移動させた状態を示している。互いに近接している平凹アキシコンレンズ38及び両凸アキシコンレンズ39は、実質的に、平凸の集束レンズと同様の働きをする。よって、平凹アキシコンレンズ38及び両凸アキシコンレンズ39によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは図4Aに示すようなガウシアン型となる。
FIG. 10A shows a state in which the plano-
図10Aの(b)は、図10Aの(a)の状態から、平凹アキシコンレンズ38のみを両凸アキシコンレンズ39から離れるように移動させた状態を示している。両凸アキシコンレンズ39によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは、集束点ではガウシアン型、集束点の手前側及び奥側(図10Aの左側及び右側)では、図4Bに示すような太いリング型となる。
FIG. 10A (b) shows a state in which only the plano-
図10Aの(c)は、図10Aの(b)の状態から、凹レンズ37を凸レンズ36側へと移動させた状態を示している。凹レンズ37は発散光を射出する。このとき、両凸アキシコンレンズ39によって集束されるレーザ光のビームプロファイルは、集束点よりも奥側では図4Cに示すような鋭いリング型となる。なお、図10Aの(b)及び(c)においては、レイリー長は比較的短い。
(C) of FIG. 10A has shown the state which moved the
図10Bの(a)及び(b)は、凸レンズ36を射出端12e側へと移動させて、凸レンズ36と凹レンズ37との間隔を図10Aの(a)及び(b)におけるそれよりも長くした状態を示している。凹レンズ37が凸レンズ36に対して基準位置にあり、凹レンズ37は平行光を射出している。このとき、凸レンズ36から射出する収束光の収束角は図10Aの(a)及び(b)におけるそれよりも小さいためビーム径Dは小さくなる。
10B (a) and (b), the
図10Bの(a)においては、図10Aの(a)の場合と同様に、集束されるレーザ光のビームプロファイルはガウシアン型となる。但し、図10Bの(a)における集束径は、図10Aの(a)におけるそれよりも小さくなる。図10Bの(b)及び(c)においても同様である。 In FIG. 10B (a), similarly to the case of FIG. 10A (a), the beam profile of the focused laser beam is a Gaussian type. However, the focusing diameter in FIG. 10B (a) is smaller than that in FIG. 10A (a). The same applies to (b) and (c) of FIG. 10B.
図10Bの(b)は、図10Bの(a)の状態から、平凹アキシコンレンズ38のみを両凸アキシコンレンズ39から離れるように移動させた状態を示している。図10Bの(b)におけるビームプロファイルは図10Aの(b)と同様である。
FIG. 10B (b) shows a state in which only the plano-
図10Bの(c)は、図10Bの(b)の状態から、凹レンズ37を凸レンズ36側へと移動させた状態を示している。凹レンズ37は発散光を射出する。図10Bの(c)におけるビームプロファイルは図10Aの(c)と同様である。なお、図10Bの(b)及び(c)においては、レイリー長は図10Aの(b)及び(c)におけるそれよりも長い。
FIG. 10B (c) shows a state in which the
以上のように、第5実施形態のレーザ加工機100によれば、ガウシアン型のビームの集束径を可変させる機能と、ビームプロファイルを選択する機能と、リング型のビームのレイリー長を可変させる機能とを備える。
As described above, according to the
以上説明した第1〜第5実施形態のレーザ加工機100において、オペレータは、操作部40を操作して、板金Wの材料の種別、板金Wの板厚、レーザ光の集束径、焦点位置等の各種の加工条件を設定することができる。板金Wの材料は、例えば、鉄、ステンレス、アルミニウム、銅、真鍮である。板金Wの板厚は、例えば、0.1mm〜30mmを所定の範囲として、所定の範囲内のいずれかの板厚である。
In the
第1〜第4実施形態のレーザ加工機100において、NC装置50は、操作部40によって入力された板金Wの加工条件に応じて、凸凹アキシコンレンズ31、31B、31C、31D、及び、平凸アキシコンレンズ32、32C、32Dの位置を制御する。第5実施形態のレーザ加工機100において、NC装置50は、操作部40によって入力された板金Wの加工条件に応じて、凸レンズ36、凹レンズ37、平凹アキシコンレンズ38の位置を制御する。
In the
本発明は以上説明した本実施形態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種々変更可能である。第1〜第5実施形態は互いに組み合わせが可能である。例えば、第2、第3、第5実施形態に第4実施形態におけるレンズの中心を平面にするという構成を組み合わせることができる。第5実施形態に第2、第3実施形態における凸曲面の曲率を小さくした分を、他の面に所定の曲率を付与することによって補うという構成を組み合わせることができる。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. The first to fifth embodiments can be combined with each other. For example, the configuration in which the center of the lens in the fourth embodiment is a plane can be combined with the second, third, and fifth embodiments. The fifth embodiment can be combined with a configuration in which the curvature of the convex curved surface in the second and third embodiments is made smaller by providing a predetermined curvature to another surface.
10 レーザ発振器
12 プロセスファイバ
12e 射出端
20 レーザ加工ユニット
30 コリメータユニット
31,31B,31C,31D 凸凹アキシコンレンズ
31b4,32a4 平面
32,32C,32D 平凸アキシコンレンズ
33 ベンドミラー
34 集束レンズ
36 凸レンズ
37 凹レンズ
38 平凹アキシコンレンズ38
39 両凸アキシコンレンズ
40 操作部
50 NC装置(制御装置)
100 レーザ加工機
311,321,361,371,381 移動機構
312,322,362,372,382 駆動部
367 ビーム径可変装置
W 板金
DESCRIPTION OF
39
DESCRIPTION OF
Claims (8)
レーザ光の入射面として凸アキシコン面、レーザ光の射出面として平面を有し、前記凸凹アキシコンレンズより射出されたレーザ光を透過させる平凸アキシコンレンズと、
前記平凸アキシコンレンズより射出されたレーザ光を集束させて、加工対象の板金に照射する集束レンズと、
前記凸凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第1の移動機構と、
前記第1の移動機構によって前記凸凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第1の駆動部と、
前記平凸アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第2の移動機構と、
前記第2の移動機構によって前記平凸アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第2の駆動部と、
前記凸凹アキシコンレンズと前記平凸アキシコンレンズとを互いに近接させて、前記集束レンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをガウシアン型とする第1のモードと、前記凸凹アキシコンレンズと前記平凸アキシコンレンズとを互いに離隔させて、前記集束レンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをリング型とする第2のモードとを切り替えるよう、前記凸凹アキシコンレンズ及び前記平凸アキシコンレンズの位置を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とするレーザ加工機。 A convex and concave axicon lens that has a convex curved surface as a laser light incident surface, a concave axicon surface as a laser light emission surface, and transmits divergent laser light having a Gaussian beam profile;
A plano-convex axicon lens having a convex axicon surface as a laser light incident surface and a flat surface as a laser light emission surface, and transmitting laser light emitted from the convex-concave axicon lens;
A focusing lens that focuses the laser light emitted from the plano-convex axicon lens and irradiates the sheet metal to be processed;
A first moving mechanism for moving the convex / concave axicon lens in the optical axis direction;
A first drive unit configured to drive the convex / concave axicon lens in the optical axis direction by the first movement mechanism;
A second moving mechanism for moving the plano-convex axicon lens in the optical axis direction;
A second drive unit that drives the plano-convex axicon lens to move in the optical axis direction by the second moving mechanism;
A first mode in which the convex / concave axicon lens and the plano-convex axicon lens are brought close to each other so that a beam profile of the laser beam focused by the focusing lens is a Gaussian type, the convex / concave axicon lens and the flat axicon lens The convex-concave axicon lens and the plano-convex axicon lens are switched so as to switch between a second mode in which the beam profile of the laser beam focused by the focusing lens is separated from the convex axicon lens. A control device for controlling the position;
A laser processing machine comprising:
前記制御装置は、
互いに近接している状態の前記凸凹アキシコンレンズ及び前記平凸アキシコンレンズを、前記射出端から前記凸曲面までの距離を前記第1の距離とすることによって前記第1のモードとし、
互いに離隔している状態の前記凸凹アキシコンレンズ及び前記平凸アキシコンレンズを、前記射出端から前記凸曲面までの距離を前記第1の距離とは異なる第2の距離とすることによって、前記第2のモードとする
ことを特徴とする請求項1に記載のレーザ加工機。 Laser light emitted from the exit end of the process fiber is incident on the convex / concave axicon lens, and the distance from the exit end to the convex curved surface is a first distance, and the convex / concave axicon lens and the plano-convex lens The convex curved surface and the concave axicon are arranged such that when the axicon lens is separated from each other, the plano-convex axicon lens emits parallel light by the refraction action of the convex-concave axicon lens and the plano-convex axicon lens. A curvature of each of the surface, the convex axicon surface, and an angle with respect to the optical axis of each of the concave axicon surface and the convex axicon surface,
The control device includes:
The convex-concave axicon lens and the plano-convex axicon lens in a state of being close to each other are set to the first mode by setting a distance from the exit end to the convex curved surface as the first distance,
The convex-concave axicon lens and the plano-convex axicon lens in a state of being separated from each other by setting a distance from the exit end to the convex curved surface as a second distance different from the first distance, The laser beam machine according to claim 1, wherein the laser beam machine is in the second mode.
前記凸曲面は発散光を平行光に変換し、前記凹アキシコン面は平行光を発散光に変換し、前記凸アキシコン面は発散光を平行光に変換する
ことを特徴とする請求項2に記載のレーザ加工機。 Curvature of the concave axicon surface and the convex axicon surface is 0,
3. The convex curved surface converts divergent light into parallel light, the concave axicon surface converts parallel light into divergent light, and the convex axicon surface converts divergent light into parallel light. Laser processing machine.
前記凸レンズを光軸方向に移動させるための第1の移動機構と、
前記第1の移動機構によって前記凸レンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第1の駆動部と、
前記凹レンズを光軸方向に移動させるための第2の移動機構と、
前記第2の移動機構によって前記凹レンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第2の駆動部と、
前記ビーム径可変装置より射出されたレーザ光が入射され、レーザ光の入射面として平面、レーザ光の射出面として凹アキシコン面を有する平凹アキシコンレンズと、
レーザ光の入射面として凸アキシコン面、レーザ光の射出面として凸曲面を有し、前記平凹アキシコンレンズより射出されたレーザ光を集束させて、加工対象の板金に照射する両凸アキシコンレンズと、
前記平凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるための第3の移動機構と、
前記第3の移動機構によって前記平凹アキシコンレンズを光軸方向に移動させるよう駆動する第3の駆動部と、
を備えることを特徴とするレーザ加工機。 It has a convex lens that receives divergent laser light and converts it into convergent light, and a concave lens that receives the convergent laser light emitted from the convex lens, and has a convergence angle of the convergent light emitted from the convex lens. A beam diameter varying device that varies the beam diameter emitted from the concave lens in response,
A first moving mechanism for moving the convex lens in the optical axis direction;
A first drive unit that drives the convex lens to move in the optical axis direction by the first moving mechanism;
A second moving mechanism for moving the concave lens in the optical axis direction;
A second drive unit that drives the concave lens to move in the optical axis direction by the second moving mechanism;
A laser beam emitted from the beam diameter variable device is incident, a plano-concave axicon lens having a plane as a laser beam incident surface and a concave axicon surface as a laser beam emission surface;
A biconvex axicon that has a convex axicon surface as the laser light incident surface and a convex curved surface as the laser light exit surface, and focuses the laser light emitted from the plano-concave axicon lens and irradiates the sheet metal to be processed. A lens,
A third moving mechanism for moving the plano-concave axicon lens in the optical axis direction;
A third drive unit that drives the plano-concave axicon lens to move in the optical axis direction by the third moving mechanism;
A laser processing machine comprising:
前記ビーム径可変装置が平行光を射出している状態で、前記平凹アキシコンレンズを前記両凸アキシコンレンズに近接させて、前記両凸アキシコンレンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをガウシアン型とする第1のモードと、前記ビーム径可変装置が発散光を射出している状態で、前記平凹アキシコンレンズを前記両凸アキシコンレンズから離隔させて、前記両凸アキシコンレンズによって集束されるレーザ光のビームプロファイルをリング型とする第2のモードとを切り替えるよう、前記凸レンズと前記凹レンズと前記平凹アキシコンレンズの位置を制御する制御装置と、
を備えることを特徴とする請求項7に記載のレーザ加工機。 The beam diameter varying device corresponds to the position of the convex lens in the optical axis direction, and the concave lens has the same distance as the focal length of the concave lens from the position where the convergent light emitted from the convex lens converges to the convex lens side. When the concave lens is positioned at a position shifted by a distance longer than the focal length of the concave lens, the convergent light is converted into parallel light. Is converted to divergent light,
With the beam diameter varying device emitting parallel light, the plano-concave axicon lens is brought close to the biconvex axicon lens, and the beam profile of the laser beam focused by the biconvex axicon lens is obtained. The biconvex axicon lens is formed by separating the plano-concave axicon lens from the biconvex axicon lens in a state where the first mode is a Gaussian type and the beam diameter varying device emits divergent light. A control device for controlling the positions of the convex lens, the concave lens, and the plano-concave axicon lens so as to switch between the second mode in which the beam profile of the laser beam focused by the ring type is switched;
The laser processing machine according to claim 7, comprising:
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