JP2019147174A - レーザ出射装置の加工点補正装置、レーザ出射装置及びレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバーケーブルの取り回しが容易であり、かつ、高い精度の加工を実現できるレーザ出射装置の加工点補正装置、レーザ出射装置及びレーザ加工装置を提供する。【解決手段】このレーザ出射装置の加工点補正装置は、レーザ発振器（１１）から光ファイバーケーブル（１３）を介して伝送されたレーザ光を出射ヘッド（１５）から被加工物（Ｈ）に照射して被加工物（Ｈ）を加工するレーザ出射装置の加工点補正装置である。そして、出射ヘッド（１５）と光ファイバーケーブル（１３）との接続部（１５ｃ）における相対回転量（θ）を検出する検出部（２１、２３）と、検出部（２１、２３）の検出結果に基づいてレーザ光の照射位置を補正する補正部（２５）とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ出射装置の加工点補正装置、レーザ出射装置及びレーザ加工装置に関する。

従来、レーザ発振器から光ファイバーケーブルを介して伝送されたレーザ光を、出射ヘッドから被加工物に照射して被加工物を加工するレーザ加工装置がある。このようなレーザ加工装置においては、一般に、出射ヘッドと光ファイバーケーブルとは互いに相対回転しないように接続され、また、光ファイバーケーブルは大きなねじれが生じないように扱われる。

特許文献１には、出射ヘッドを三次元方向に動かして被加工物を加工するレーザ加工装置において、光ファイバーケーブルと出射ヘッドとが接続部において相対回転可能にした構成が示されている。このような構成により、光ファイバーケーブルに大きなねじれが加わることが回避され、光ファイバーケーブルの取り回しが容易になる。

特開２０００−１５８１７４号公報

しかしながら、出射ヘッドと光ファイバーケーブルとを相対回転可能にした構成では、光ファイバーケーブルの出射端の光軸中心と、接続部における光ファイバーケーブルの回転中心とを、高い精度で合わせることが難しい。このため、光ファイバーケーブルが相対回転したときに、出射ヘッドに入射するレーザ光の光軸が僅かに変位し、被加工物へのレーザ光の照射位置に誤差が生じるという課題があった。レーザ光の照射位置に誤差が生じると加工精度が低下する。

本発明は、光ファイバーケーブルの取り回しが容易であり、かつ、高い精度で加工を実現できるレーザ出射装置の加工点補正装置、レーザ出射装置及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ出射装置の加工点補正装置は、
レーザ発振器から光ファイバーケーブルを介して伝送されたレーザ光を出射ヘッドから被加工物に照射して前記被加工物を加工するレーザ出射装置の加工点補正装置であって、
前記出射ヘッドと前記光ファイバーケーブルとの接続部における相対回転量を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいてレーザ光の照射位置を補正する補正部と、
を備える構成とした。

本発明に係るレーザ出射装置は、
レーザ発振器からレーザ光を伝送する光ファイバーケーブルと、
前記光ファイバーケーブルが接続され、前記光ファイバーケーブルにより伝送されたレーザ光を被加工物へ照射する出射ヘッドと、
前記出射ヘッドと前記光ファイバーケーブルとの接続部における相対回転量を検出する検出部と、
前記検出部の検出結果に基づいて前記出射ヘッドから被加工物へのレーザ光の出射位置を補正する補正部と、
を備える構成とした。

本発明に係るレーザ加工装置は、
レーザ発振器と、
上記のレーザ出射装置と、
前記出射ヘッドと前記被加工物とを相対的に移動させる移動機構と、
を備える構成とした。

本発明によれば、光ファイバーケーブルの取り回しが容易であり、かつ、高い精度の加工を実現できるレーザ出射装置の加工点補正装置、レーザ出射装置及びレーザ加工装置を提供できる。

本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置を示す構成図である。 本発明の実施形態２に係るレーザ加工装置を示す構成図である。 本発明の実施形態３に係るレーザ加工装置を示す構成図である。

以下、本発明の各実施形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るレーザ加工装置を示す構成図である。

実施形態１のレーザ加工装置１Ａは、被加工物Ｈの切断、溶接又は穿孔等の加工を、レーザ光の照射により行う装置である。レーザ加工装置１Ａは、レーザ光を出力するレーザ発振器１１、光ファイバーケーブル１３、出射ヘッド１５、ロボット１７、被加工物Ｈを保持するステージ１９、エンコーダ２１、計数部２３、補正量演算部２５及びロボット制御部２９を備える。

このうち、エンコーダ２１及び計数部２３が、本発明に係る検出部の一例に相当する。また、補正量演算部２５が、本発明に係る補正部の一例に相当する。また、エンコーダ２１、計数部２３及び補正量演算部２５が、本発明に係るレーザ出射装置の加工点補正装置の一例に相当する。また、エンコーダ２１、計数部２３、補正量演算部２５、光ファイバーケーブル１３及び出射ヘッド１５が、変発明に係るレーザ出射装置の一例に相当する。また、ロボット１７が、本発明に係る移動機構及びヘッド移動機構の一例に相当する。

光ファイバーケーブル１３は、レーザ発振器１１から出射ヘッド１５へレーザ光を伝送する。

出射ヘッド１５は、光学系１５ｂが設けられる本体部１５ａと、光ファイバーケーブル１３の一端が接続される接続部１５ｃとを備える。接続部１５ｃは、光ファイバーケーブル１３をほぼ出射端の光軸を中心に回転自在に接続する。ただし、光ファイバーケーブル１３の回転中心と、光ファイバーケーブル１３の出射端の光軸とには公差等により僅かな誤差が含まれる。この誤差により、接続部１５ｃで光ファイバーケーブル１３が回転すると、光ファイバーケーブル１３の出射端の光軸が僅かに変位する。上記の光学系１５ｂは、特に制限されないが、レーザ光のビームプロファイルを成形しレーザ光の経路を決定する、種々の光学素子を含む。光学素子には、各種のレンズ、ミラー、偏光子、回折格子、波長板等が含まれていてもよい。

ロボット１７は、複数のサーボモータの駆動により出射ヘッド１５を動かして、出射ヘッド１５の位置及び角度を制御する。ロボット１７は、複数のサーボモータの駆動指令に基づいて動作する。

エンコーダ２１は、出射ヘッド１５に取り付けられ、光ファイバーケーブル１３の回転量及び回転方向を示す信号を出力する。

計数部２３は、エンコーダ２１の信号を計数し、検出結果として、出射ヘッド１５と光ファイバーケーブル１３との相対回転量θを求める。相対回転量θの情報は、即時に補正量演算部２５に出力される。

補正量演算部２５は、光ファイバーケーブル１３の相対回転量θと、出射ヘッド１５から出射されるレーザビームの光軸の変化量との関係を表わしたデータテーブル又は関数データを記憶した記憶部を備える。補正量演算部２５は、このデータテーブル又は関数データを用いて、入力された相対回転量θからレーザビームの光軸の変化量を計算し、この変化量を相殺する出射ヘッド１５の位置の補正量（Δｘ、Δｙ）を即時に求める。そして、補正量演算部２５は、このデータをロボット制御部２９へ出力する。補正量（Δｘ、Δｙ）は、例えば、予め出射ヘッド１５の本体部１５ａに予め設定された光軸に垂直な二方向の変位量を表わす。

上記のデータテーブル又は関数データは、レーザ加工装置１Ａの調整段階で、調整員が、光ファイバーケーブル１３を回転させながらレーザビームの光軸位置を計測し、回転角度と計測された光軸位置とを対応させることで作成し、記憶部に格納しておけばよい。あるいは、このような処理を、コンピュータが自動的に行ってもよい。すなわち、光ファイバーケーブル１３と出射ヘッド１５とを相対的に回転させる駆動部と、出射ヘッド１５から出射されるレーザビームの光軸のずれを計測する計測部と、計測部の計測結果と計数部２３の検出結果を入力するコンピュータを設ける。そして、コンピュータが、計測部が計測した光軸のずれと、計数部２３が検出した相対回転量θとを対応づけて、上記のデータテーブル又は関数データを作成し、補正量演算部２５の記憶部に記憶させればよい。

ロボット制御部２９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＣＰＵが実行する制御プログラム及び制御データが記憶された記憶部と、ロボット１７のサーボモータに駆動指令を出力するインタフェースと、を備えたコンピュータである。ロボット制御部２９の記憶部には、予め出射ヘッド１５の加工時の移動パターンを表わした制御データが記憶される。さらに、ロボット制御部２９は、補正量演算部２５から出射ヘッド１５の補正量（Δｘ、Δｙ）のデータが入力される。ロボット制御部２９は、出射ヘッド１５の移動パターンを示す制御データと補正量（Δｘ、Δｙ）のデータとに基づいて、ロボット１７の複数のサーボモータに駆動指令を出力する。

＜加工処理＞
レーザ加工装置１Ａでは、ステージ１９に被加工物Ｈが保持され、レーザ発振器１１からレーザ光が出射されて加工処理が開始される。加工処理中、ロボット制御部２９は、制御データの移動パターンが示す位置よりも補正量（Δｘ、Δｙ）だけ平行移動した位置に出射ヘッド１５が移動するように各サーボモータに駆動指令を出力する。これにより、所定の加工パターンに対応するように出射ヘッド１５と被加工物Ｈとの相対位置が変化し、かつ、光ファイバーケーブル１３の出射端の光軸にずれがあるときに、このずれを相殺するように、制御データの移動パターンが示す位置から僅かにずれた位置へ出射ヘッド１５が移動される。このような出射ヘッド１５の移動により、レーザ光の照射位置から、光ファイバーケーブル１３の出射端の光軸のずれによる誤差が除去される。

加工処理中、出射ヘッド１５の移動に伴って光ファイバーケーブル１３の張りが変化し、出射ヘッド１５の接続部１５ｃにおいて光ファイバーケーブル１３が回転する場合がある。光ファイバーケーブル１３が回転すると、出射ヘッド１５に入射されるレーサ光の光軸が変位する。一方、光ファイバーケーブル１３が回転すると、即時に、この回転がエンコーダ２１及び計数部２３によって検出され、相対回転量θのデータに反映される。また、補正量演算部２５が、即時に、相対回転量θに応じた補正量（Δｘ、Δｙ）を演算し、このデータをロボット制御部２９に出力する。ロボット制御部２９は、上述したように、常時、補正量（Δｘ、Δｙ）が反映されるようにロボット１７を駆動している。これらにより、光ファイバーケーブル１３が回転した場合でも、即時に、レーザ光の照射位置から、光ファイバーケーブル１３の出射端の光軸のずれによる誤差が除去される。

レーザ加工装置１Ａでは、上記のようなロボット１７の制御が、加工処理中を通して行われ、これにより予め設定された照射位置に高い精度でレーザ光が照射されて、被加工物Ｈを高い精度で加工することができる。

以上のように、実施形態１のレーザ加工装置１Ａによれば、光ファイバーケーブル１３と出射ヘッド１５とが相対的に回転自在に接続されている。したがって、光ファイバーケーブル１３がねじられて回転方向の張力が加わったときに、光ファイバーケーブル１３が回転してこの張力を緩和することができ、光ファイバーケーブル１３の取り回しが容易になる。また、本実施形態１のレーザ加工装置１Ａによれば、エンコーダ２１及び計数部２３が、光ファイバーケーブル１３と出射ヘッド１５との相対回転量θを検出する。さらに、補正量演算部２５が、相対回転量θに基づいてロボット制御部２９に出射ヘッド１５の移動量を修正して、レーザ光の照射位置を補正する。これらによって、光ファイバーケーブル１３の出射端の光軸が、光ファイバーケーブル１３の回転中心から偏心していても、この偏心によるレーザ光の照射位置の誤差を抑制し、被加工物Ｈを高い精度で加工することができる。

また、実施形態１のレーザ加工装置１Ａによれば、補正量演算部２５は、ロボット制御部２９を介して出射ヘッド１５の移動量を修正することで、レーザ光の照射位置を補正する。このような構成によれば、ロボット１７を、加工位置を移動させる用途と、レーザ光の照射位置を補正するために出射ヘッド１５を僅かに変位させる用途とに、兼用できるので、その分、製品コストの低減を図れる。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態２に係るレーザ加工装置を示す構成図である。実施形態２において、実施形態１と同様の構成要素については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

実施形態２のレーザ加工装置１Ｂは、レーザ光を照射して被加工物Ｈの切断、溶接又は穿孔などの加工を行う装置である。レーザ加工装置１Ｂは、レーザ発振器１１、光ファイバーケーブル１３、出射ヘッド１５、被加工物Ｈを保持するステージ１９Ｂ、エンコーダ２１、計数部２３、補正量演算部２５及びステージ制御部２９Ｂを備える。

実施形態２では、出射ヘッド１５は三軸方向に平行移動可能な構成としてもよいし、固定とされても良い。

ステージ１９Ｂは、複数のサーボモータを備え、出射ヘッド１５と被加工物Ｈとを相対的に水平方向に移動させることができる。

実施形態２のレーザ加工装置１Ｂは、出射ヘッド１５の三軸方向の平行移動と、ステージ１９Ｂの水平方向の移動とを併用して、加工パターンに合わせて被加工物Ｈと出射ヘッド１５との相対位置を変化させるように構成してもよい。この場合、出射ヘッド１５を移動させる構成とステージ１９Ｂが、本発明に係る移動機構の一例に相当する。また、実施形態２のレーザ加工装置１Ｂは、出射ヘッド１５又はステージ１９Ｂの一方の移動のみにより、加工パターンに合わせて被加工物Ｈと出射ヘッド１５との相対位置を変化させるように構成してもよい。この場合、出射ヘッド１５を移動させる構成又はステージ１９Ｂの一方が、本発明に係る移動機構の一例に相当する。

ステージ制御部２９Ｂは、ＣＰＵと、ＣＰＵが実行する制御ブログラム及び制御データが記憶された記憶部と、ステージ１９Ｂのサーボモータに駆動指令を出力するインタフェースと、を備えたコンピュータである。加工パターンに合わせてステージ１９Ｂを移動させる構成の場合、ステージ制御部２９Ｂには、ステージ１９Ｂの移動パターンを示す制御データが予め記憶される。加えて、ステージ制御部２９Ｂは、補正量演算部２５からレーザビームの光軸の変化量を相殺する補正量（Δｘ、Δｙ）のデータを入力する。ステージ制御部２９Ｂは、ステージ１９Ｂの移動パターンを示す制御データと補正量（Δｘ、Δｙ）のデータとに基づいて、ステージ１９Ｂの複数のサーボモータに駆動指令を出力する。

＜加工処理＞
レーザ加工装置１Ｂでは、ステージ１９Ｂに被加工物Ｈが保持され、レーザ発振器１１からレーザ光が出射されて加工処理が開始される。加工処理中、ステージ制御部２９Ｂは、制御データの移動パターンが示す位置よりも補正量（Δｘ、Δｙ）だけ異なる位置に被加工物Ｈが移動するようにステージ１９Ｂを駆動する。

加工処理中、接続部１５ｃにおいて出射ヘッド１５と光ファイバーケーブル１３との相対回転量θが変化すると、出射ヘッド１５に入射されるレーザ光の光軸が変位する。一方、出射ヘッド１５と光ファイバーケーブル１３との相対回転量θが変化すると、即時に、エンコーダ２１及び計数部２３がこの変化を検出し、補正量演算部２５が補正量（Δｘ、Δｙ）のデータを更新する。そして、更新された補正量（Δｘ、Δｙ）のデータを反映してステージ１９Ｂが駆動される。これにより、接続部１５ｃにおいて光ファイバーケーブル１３が回転した場合でも、即時に、光ファイバーケーブル１３の出射端の光軸のずれによる誤差が除去され、高い精度で予め設定された位置にレーザ光が照射される。

出射ヘッド１５の移動のみで加工パターンに合わせて被加工物Ｈと出射ヘッド１５との相対位置を変化させる構成の場合、ステージ制御部２９Ｂは、入力される補正量（Δｘ、Δｙ）のデータに応じて被加工物Ｈが変位するようにステージ１９Ｂを駆動する。このような構成により、接続部１５ｃにおいて光ファイバーケーブル１３が回転した場合でも、即時に、光ファイバーケーブル１３の出射端の光軸のずれによる誤差が除去され、高い精度で予め設定された位置にレーザ光が照射される。

以上のように、実施形態２のレーザ加工装置１Ｂによれば、光ファイバーケーブル１３が出射ヘッド１５に対して回転自在に接続されているので、光ファイバーケーブル１３の取り回しが容易になる。また、光ファイバーケーブル１３が接続部１５ｃで回転することで、出射ヘッド１５に入射されるレーザ光の光軸が変位しても、ステージ１９Ｂの駆動により、光軸の変位に起因するレーザ光の照射位置の誤差を除去できる。これにより被加工物Ｈを高い精度で加工することができる。

また、実施形態２のレーザ加工装置１Ｂによれば、補正量演算部２５は、ステージ制御部２９Ｂを介して被加工物Ｈの水平方向の移動により、レーザ光の照射位置を補正する。したがって、レーザ光の照射位置を補正する処理を単純化でき、この処理の負荷を低減できる。

（実施形態３）
図３は、本発明の実施形態３に係るレーザ加工装置を示す構成図である。実施形態３において、実施形態１と同様の構成要素については同一符号を付して詳細な説明を省略する。

実施形態３のレーザ加工装置１Ｃは、レーザ光を照射して被加工物Ｈの切断、溶接又は穿孔などの加工を行う装置である。レーザ加工装置１Ｃは、レーザ発振器１１、光ファイバーケーブル１３、出射ヘッド１５Ｃ、被加工物Ｈを保持するステージ１９、エンコーダ２１、計数部２３及び補正量演算部２５を備える。

実施形態３のレーザ加工装置１Ｃは、出射ヘッド１５Ｃ、ステージ１９、又はこれら両方が移動可能に設けられ、何れかの移動により所定の加工パターンに合わせて被加工物Ｈと出射ヘッド１５Ｃとの相対位置を変化させるように構成される。出射ヘッド１５Ｃを移動させる構成、ステージ１９を移動させる構成、又はこれら両方が、本発明に係る移動機構の一例に相当する。

出射ヘッド１５Ｃは、その光学系１５ｂに、光軸を光軸と交差する２軸方向に変位可能な光軸調整部１５ｅが含まれる。光軸調整部１５ｅは、光学素子（例えばミラー又はレンズ）を変位して光軸の位置をずらす光学部と、光学素子を変位させる駆動部とを有する。光軸調整部１５ｅは、補正量演算部２５から補正量（Δｘ、Δｙ）のデータを入力し、このデータに応じて駆動部を駆動させて光軸の位置を変化させる。

＜加工処理＞
レーザ加工装置１Ｃでは、ステージ１９に被加工物Ｈが保持され、レーザ発振器１１からレーザ光が出射されて加工処理が開始される。加工処理中、予め設定された加工パターンに合わせて出射ヘッド１５Ｃと被加工物Ｈとの相対位置が変化され、被加工物Ｈにレーザ光が照射されていく。

加工処理中、接続部１５ｃにおいて出射ヘッド１５Ｃと光ファイバーケーブル１３との相対回転量θが変化すると、出射ヘッド１５Ｃに入射されるレーザ光の光軸が変位する。一方、出射ヘッド１５Ｃと光ファイバーケーブル１３との相対回転量θが変化すると、即時に、エンコーダ２１及び計数部２３がこの変化を検出し、補正量演算部２５が補正量（Δｘ、Δｙ）のデータを更新する。そして、更新後の補正量（Δｘ、Δｙ）のデータに基づいて、光軸調整部１５ｅが駆動されて光軸のずれを補正する。これにより、高い精度で予め設定された位置にレーザ光が照射される。

以上のように、実施形態３のレーザ加工装置１Ｃによれば、光ファイバーケーブル１３が出射ヘッド１５Ｃに対して回転自在に接続されているので、光ファイバーケーブル１３の取り回しが容易になる。また、光ファイバーケーブル１３が接続部１５ｃで回転することで、出射ヘッド１５Ｃに入射されるレーザ光の光軸が変位しても、光軸調整部１５ｅの駆動により、光軸の変位に起因するレーザ光の照射位置の誤差を除去できる。これにより、被加工物Ｈを高い精度で加工することができる。

また、実施形態３のレーザ加工装置１Ｃによれば、補正量演算部２５は、出射ヘッド１５Ｃの光軸調整部１５ｅの光学系を変位させることでレーザ光の照射位置を補正する。したがって、レーザ光の照射位置を補正する処理と、加工パターンに合わせて被加工物Ｈと出射ヘッド１５Ｃとの相対位置を変化させる駆動処理とを、互いに独立した制御により実行できる。これにより総合的に制御処理の単純化を図ることができる。

以上、本発明の各実施形態について説明した。しかし、本発明は上記の実施形態に限られない。例えば、上記実施形態では、光ファイバーケーブル１３が、出射ヘッド１５に回転自在に接続される構成を示した。しかし、本発明に係るレーザ出射装置においては、出射ヘッドに回転自在に支持される接続部を設け、この接続部に光ファイバーケーブルが固定的に接続されることで、出射ヘッドと光ファイバーケーブルとが相対的に回転自在となる構成を採用してもよい。その他、光ファイバーケーブルの相対回転量を検出する構成、相対回転量に基づく出射ヘッド又は被加工物を移動させる方向及び移動量の決定方法、レーザ加工装置の加工内容など、実施の形態で示した細部は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ レーザ加工装置
１１ レーザ発振器
１３ 光ファイバーケーブル
１５ 出射ヘッド
１５ａ 本体部
１５ｂ 光学系
１５ｃ 接続部
１５ｅ 光軸調整部
１７ ロボット
１９、１９Ｂ ステージ
２１ エンコーダ
２３ 計数部
２５ 補正量演算部
２９ ロボット制御部
２９Ｂ ステージ制御部
Ｈ 被加工物

Claims (6)

1. レーザ発振器から光ファイバーケーブルを介して伝送されたレーザ光を出射ヘッドから被加工物に照射して前記被加工物を加工するレーザ出射装置の加工点補正装置であって、
   前記出射ヘッドと前記光ファイバーケーブルとの接続部における相対回転量を検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果に基づいてレーザ光の照射位置を補正する補正部と、
   を備えるレーザ出射装置の加工点補正装置。
2. 前記補正部は、前記被加工物を移動させる移動機構の移動量を修正してレーザ光の照射位置を補正する、
   請求項１記載のレーザ出射装置の加工点補正装置。
3. 前記補正部は、前記出射ヘッドを移動させるヘッド移動機構の移動量を修正してレーザ光の照射位置を補正する、
   請求項１記載のレーザ出射装置の加工点補正装置。
4. 前記補正部は、前記出射ヘッド内の光学系を変位させてレーザ光の照射位置を補正する、
   請求項１記載のレーザ出射装置の加工点補正装置。
5. レーザ発振器からレーザ光を伝送する光ファイバーケーブルと、
   前記光ファイバーケーブルが接続され、前記光ファイバーケーブルにより伝送されたレーザ光を被加工物へ照射する出射ヘッドと、
   前記出射ヘッドと前記光ファイバーケーブルとの接続部における相対回転量を検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果に基づいて前記出射ヘッドから被加工物へのレーザ光の照射位置を補正する補正部と、
   を備えるレーザ出射装置。
6. レーザ発振器と、
   請求項５記載のレーザ出射装置と、
   前記出射ヘッドと前記被加工物とを相対的に移動させる移動機構と、
   を備えるレーザ加工装置。

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