JP2021074745A

JP2021074745A - レーザー加工機

Info

Publication number: JP2021074745A
Application number: JP2019202859A
Authority: JP
Inventors: 康祥牧戸; Yasuyoshi Makido
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2021-05-20

Abstract

【課題】設備コスト及びスペースを抑え、加工時の飛散物の拡散の防止及び回収性能に優れ、位置合わせ精度に優れたレーザー加工機の提供。【解決手段】ノズル部及び位置出し部を含む、被加工物に接離可能なノズル位置出し機と、該ノズル部に接続される集塵機とを備え、該ノズル部は被加工物の端部近傍に設定された加工位置を含む該被加工物の少なくとも一部をノズル部内に挿入するための第１開口部と、該レーザーを該加工位置に照射するためのレーザー側に配される第２開口部とを有し、該位置出し部は、第１開口部と対向する位置でかつ第２開口部と一定距離離れた位置に配され、該被加工物の端部に接触した状態で該被加工物をノズル部内に固定可能であり、ノズル部内に固定された該被加工物に、該ノズル位置出し機を該被加工物から離れる方向に移動させて該第２開口部と該加工位置とを位置合わせした状態でレーザーを照射するレーザー加工機。【選択図】図１

Description

本発明は、被加工物をレーザー加工するレーザー加工機に関する。

レーザー加工においては、作業時に発生するスパッタ（微粒子）やヒューム(金属蒸気が凝集した微細な粒子)などの飛散物が発生し、その飛散物がレーザー光を遮蔽したり、被加工物に付着したりすることによって、品質低下や設備故障、作業環境悪化等が問題となることがあった。このため、発生した飛散物を回収する装置及び方法が種々提案されている。

特許文献１には、飛散物の飛散防止壁及びエアーを供給排気するノズル等を、被加工物（ワーク）とレーザー光源との間に設けて形成した遮蔽空間で、前記被加工物からの飛散物の拡散を防止し、回収するレーザー加工機が開示されている。また、特許文献２には、被加工物とレーザー光源との間に、送風機から送風された気体を集塵機へと運ぶダクトが、レーザー光を通過するための開口部が設けられた状態で配置されたレーザー加工機が開示されている。

特開２０１０−２５３４９８号公報特開２０１７−１００１７０号公報

上記飛散物を回収可能な形態で、被加工物をレーザー加工する場合には、飛散物を回収できるダクトやノズル等の集塵装置の下側（レーザー光源と反対側の）近傍又は集塵装置内部等に被加工物を配置した状態で、レーザーの照射位置と、当該被加工物の加工位置を位置合わせして固定する必要がある。ここで、特許文献１及び２に示すレーザー加工機はいずれも、被加工物表面の内側部分(例えば、中央部近傍)を加工することを想定しており、加工位置が被加工物の端部近傍の場合には、レーザー加工に困難を伴う場合があった。

位置出し機等を用いて被加工物を所定の位置に固定する場合は、通常、図３（ａ）に示すように、被加工物１の端部に位置出し機８が近接した状態（破線で囲まれた領域６参照）で、被加工物を固定する。ここで、当該被加工物１は、図３（ｂ）に示すように、飛散物を回収するために、集塵装置の下側近傍または内部（図３（ｂ）ではノズル９内）に固定されている。そして、該集塵装置の開口部（又は透過ガラス等）を介して、被加工物の加工位置７（破線で囲まれた領域）にレーザーが矢印ｙの向きで照射され、発生した飛散物が矢印ｘ_２に示す方向に回収されることになる。従って、図３（ｂ）に示すように、加工位置が被加工物の端部近傍の場合には、上記位置出し機と、上記集塵装置とが、スペース上共存することができず、各装置を多軸化して可動式にする等、設備コストや設備スペースが増大するとともに、被加工物にレーザー照射する際の位置合わせ精度が低下する恐れがあった。

本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、設備コスト及び設備スペースを抑えることができ、レーザー加工時の飛散物の拡散の防止及び回収性能に優れ、さらに、被加工物の位置合わせ精度に優れたレーザー加工機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための一態様は、レーザー光源からのレーザーを、被加工物の加工位置に照射して、該被加工物を加工するレーザー加工機であって、ノズル部および位置出し部を有する、前記被加工物に接離可能なノズル位置出し機と、前記ノズル部に接続される集塵機と、を備え、前記ノズル部は、前記被加工物の端部近傍に設定された前記加工位置を含む該被加工物の少なくとも一部をノズル部内に挿入するための第１開口部と、前記レーザーを該加工位置に照射するための前記レーザー側に配される第２開口部と、を有し、前記位置出し部は、前記第１開口部と対向する位置でかつ前記第２開口部と一定距離離れた位置に配され、前記被加工物の端部に接触した状態で、前記被加工物の少なくとも一部を前記ノズル部内に固定可能であり、前記ノズル部内に固定された前記被加工物に対して、前記ノズル位置出し機を該被加工物から離れる方向に移動させて該ノズル部の第２開口部と前記加工位置とを位置合わせした状態で、該第２開口部を介して、前記レーザーを照射することを特徴とするレーザー加工機である。

本発明に係るレーザー加工機（以降、本加工機と言うこともある）は、被加工物に接離可能な上記ノズル位置出し機を有しており、上記位置出し部で被加工物をノズル部内の所定の位置に固定した後、ノズル部を移動させて、上記第２開口部と被加工物の加工位置を位置合わせした状態で、第２開口部を介して加工位置にレーザーを照射することができる。そして、レーザー加工時に被加工物等から発生する飛散物をノズル部に接続された集塵機で回収することができる。
このように、本加工機は、上述した多軸化された可動式の複数の装置の設置する必要がないため、設備コストを低く抑えることができ、また、設備スペースも小さくすることができる。さらに、本加工機は、簡単な構造であるとともに、優れた位置合わせ精度で被加工物のレーザー加工及び飛散物の拡散の防止及び回収を容易に行うことができる。

本発明によれば、設備コスト及び設備スペースを抑えることができ、レーザー加工時の飛散物の拡散の防止及び回収性能に優れ、さらに、被加工物の位置合わせ精度に優れたレーザー加工機を提供することができる。

本発明に係るレーザー加工機の一実施形態を用いた被加工物のレーザー加工における動作手順を示す図である。（ａ）は、被加工物の固定工程を説明するための概略断面図であり、（ｂ）は、レーザー照射工程及び飛散物回収工程を説明するための概略断面図である。（ａ）は、位置出し機による被加工物の固定方法を説明するための概略断面図であり、（ｂ）は、ノズル内に配置された被加工物に開口部を介してレーザーを照射する方法を説明するための概略断面図である。本発明に係るレーザー加工機の一実施形態を示す概略断面図である。

以下、本発明を適用した具体的な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図１は、本加工機の一実施形態を用いた被加工物のレーザー加工における動作手順を示す図である。図２（ａ）及び（ｂ）は、本加工機を用いた際の被加工物の固定工程、レーザー照射工程及び飛散物回収工程を説明するための図である。また、図３（ａ）及び（ｂ）は、従来のレーザー加工機における、位置出し機による被加工物の固定方法、レーザー照射方法を説明するための図である。さらに、図４は、本加工機の一実施形態を示す概略図である。なお、本発明が以下の実施形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

上述したように、被加工物の加工位置にレーザーを照射する際には、レーザー照射位置へ、被加工物の位置出しが必要となるが、図３に示すように、従来のレーザー加工機では、ノズル等の集塵装置と位置出し機とはスペース上共存することが困難であり、各装置を多軸化して可動式にする必要があった。このため、設備コストや設備スペースの増大、位置合わせ精度の低下が問題となる場合があった。

一方、本加工機は、図１、図２及び図４に示すように、ノズル部２ａと位置出し部２ｂを有するノズル位置出し機２を有することで、複数の装置を多軸可動式にせずに、被加工物１のレーザー照射位置への固定と、加工位置７へのレーザー光源１０からのレーザーの照射、さらに、飛散物の集塵機１２への（ダクト１１を介した）回収が可能である。

＜レーザー加工機＞
以下、本加工機について、より詳細に説明する。
本加工機は、図２及び図４に示すように、レーザー光源からのレーザーを、被加工物１の加工位置７に照射して、該被加工物１を加工するレーザー加工機である。
なお、レーザー光源及びレーザー光の種類等は特に限定されず、従来公知のものから、使用用途に応じて、適宜選択することができる。
被加工物１の形状（例えば、平板状、棒状）及び材質（例えば、金属やエナメル）は特に限定されず、本発明の効果が得られる範囲で適宜選択することができるが、後述するように、レーザー加工箇所が少なくとも被加工物の端部近傍に配置されるものとする。例えば、エナメル被覆電線を被加工物として、その先端部のエナメルを、本加工機によるレーザー加工によって、剥離することができる。

また、本加工機は、ノズル部２ａ及び位置出し部（位置出し治具）２ｂを有するノズル位置出し機２と、ノズル部２ａに（直接的または間接的に（例えば、ダクト１１を介して））接続される集塵機（バキューマー）１２とを備えている。また、本加工機は、被加工物の端部を固定するための位置出し部２ｂとともに、被加工物のもう一方の端部を固定するための位置出し用突き当てばね（位置出し機構）３を備えることができる。さらに、本加工機は、位置出し部２ｂにより所定の位置に固定された被加工物１を固定するためのクランプ（ワーク固定クランプ：調心クランプ）４を有することができる。
なお、ノズル位置出し機２は、被加工物１に接離可能な構造を有しており、例えば、図２に示す実施形態では、紙面左方向（ｚ方向と反対側の方向：−ｚ方向）に可動することで、被加工物１（の端部）に（位置出し部２ｂが）接触し、紙面右方向（ｚ方向：被加工物から離れる方向）に可動することで、被加工物１から離れることができる。なお、ノズル位置出し機２は、−ｚ方向に移動し、位置出し部２ｂが被加工物１の端部に接触し、被加工物１を固定した後であれば、加工位置にレーザーを照射するために、位置出し部２ｂがｚ方向に移動し、被加工物１の端部から離れたとしても、クランプ４等により、被加工物１を所定の位置に固定した状態で保持できる。同様に、位置出し用突き当てばね３も被加工物１のもう一方の端部に接触し、被加工物１を固定した後であれば、レーザー照射時には、被加工物１の端部に接触していなくてよい。このように、位置出し部２ｂ及び位置出し用突き当てばね３は、後述する固定工程において、被加工物の各端部に接触していればよく、後述する加工工程においては、被加工物の各端部に接触せずに、離れた状態で存在できる。
なお、ノズル位置出し機２は、以下に詳細に説明するノズル部２ａ及び位置出し部２ｂを有していればよく、本発明の効果が得られる範囲で、その構造は適宜設定することができる。

加工点を覆う前記ノズル部（バキュームノズル）２ａは、図２に示すように、第１開口部２ｉと、第２開口部２ｉｉとを有する。

第１開口部２ｉは、被加工物１の端部近傍（これらの図では、紙面右側の端部近傍）に設定された加工位置７を含む被加工物１の少なくとも一部を、ノズル部内に挿入するための開口である。上記加工位置は、被加工物１内の端部付近の部分であれば特に限定されず、被加工物１（例えば、レーザー光源側の表面）の端部を含んでいてもよいし、含んでいなくてもよく、被加工物の端部からの加工位置までの距離も特に限定されない。しかしながら、本加工機の効果を最大限に活用する観点から、被加工物の加工位置は、被加工物の端部を含む被加工物の一部であることが好ましい。
被加工物１は、ノズル部の第１開口部２ｉから、少なくとも上記加工位置を含む部分が、ノズル部内に挿入されていればよく、被加工物の一部がノズル部内に配置されてもよいし、被加工物全体がノズル部内に配置されてもよい。このように、ノズル部２ａは、被加工物の少なくとも一部が挿入され、（例えば、第１開口部及び第２開口部を除いて）被加工物の周囲を覆っている。
なお、ノズル部２ａの形状は、被加工物１の形状に沿った形状とし、可能な限りサイズを小さくすることが好ましい。このような形状のノズル部２ａにより、被加工物１のレーザー照射範囲（加工位置部分）を覆うことにより、飛散物のノズル部の外側への漏れ（外漏れ）を容易に防ぐことができ、さらに低流量であっても、レーザー照射範囲（飛散物発生源）に飛散物を回収するのに必要な流速を容易に与えることができる。

第２開口部２ｉｉは、レーザー光源から照射されるレーザー光を透過させ、被加工物１の加工位置７に照射するための開口であり、ノズル部２ａのレーザー側に配される。
第２開口部２ｉｉの開口形状及び開口位置は、用いるレーザー光源及びレーザー光の種類や配置、被加工物の形状等に応じて適宜設定することができるが、飛散物の外漏れを防ぐ観点から、第２開口部の開口形状（レーザー照射窓）はレーザーが照射可能な必要最低限とすることが好ましい。
第２開口部２ｉｉは、被加工物の加工位置７と、第２開口部２ｉｉとを位置合わせしてレーザーを照射する際に、第１開口部２ｉと対向する位置に配される位置出し部２ｂにレーザーが照射されない、位置出し部２ｂから一定距離離れた位置に配置する。なお、当該一定距離は特に限定されず、第２開口部２ｉｉと位置出し部２ｂとが接して（連結して）いなければよく、用いるレーザー光の照射角度(矢印ｙに示す照射方向)に応じて、その距離を適宜設定することができる。

位置出し部２ｂは、上述したように、第１開口部２ｉと対向する位置でかつ第２開口部２ｉｉと一定距離離れた位置に配され、被加工物１の端部（レーザー加工する側の端部）に接触した状態で、被加工物（の少なくとも一部）をノズル部内に固定することができる。すなわち、位置出し部２ｂによりノズル部２ａ内に固定された被加工物１に対して、ノズル位置出し機２を被加工物１から離れる方向（ｚ方向）に移動させて、ノズル部２ａの第２開口部２ｉｉと加工位置７とを位置合わせした状態で、第２開口部２ｉｉを介して、レーザーを照射する。このように、本加工機では、加工点を遮蔽物（ノズル部２ａ）で覆うことで、飛散物の拡散を防止するとともに、ノズル部に接続された集塵機の作用により、飛散物を回収することができる。

集塵機１２は、上述したように、ノズル部に直接的または間接的に接続され、被加工物のレーザー加工時に発生する飛散物を回収することができればよく、その配置及び構造等は特に限定されない。例えば、図２に示す本加工機の実施形態では、紙面下側にノズル部２ａに接続する集塵機（不図示）を配置してもよい。集塵機は、例えば、被加工物の加工位置に不図示の送風機から気体を送風（ブロー）し、図２（ｂ）の矢印ｘ_１の方向に気流を発生させ、飛散物を回収する構造であってもよいし、集塵機の負圧のみで同様の方向に気体を送風した場合と同程度の気流を発生させ、飛散物を回収する構造であってもよい。しかしながら、新たな装置（気体噴射装置）を必要としないことから、集塵機の負圧のみで気流を発生させる後者の構造が好ましい。
なお、上述したノズル部、位置出し部及び集塵機はいずれも、本発明の効果が得られる範囲で、その構造を適宜変更することができる。

＜レーザー加工方法＞
上述した本加工機を用いて、被加工物をレーザー加工する場合、図１に示すように、以下の工程を含むレーザー加工方法を採用することができる。ここで、破線Ａは、被加工物を固定する際の位置出し部２ｂの（被加工物側の）端部の位置（基準位置）を表す。また破線Ｂは、被加工物の加工位置にレーザー照射する際の位置出し部２ｂの上記端部の位置（照射位置）を表す。さらに、破線Ｃは、レーザー加工終了時における、位置出し部２ｂの上記端部の位置（終了位置）を表す。
・被加工物１をレーザー照射位置に固定する工程(固定工程)。
・被加工物１にレーザーを照射し、レーザー加工を行う工程（加工工程）。
・飛散物を集塵機１２に回収する工程（回収工程）。

また、上記固定工程は、以下の工程を含むことができる。
・被加工物１の端部を位置出し部２ｂの端部に接触させる工程（接触工程）。
・被加工物１のもう一方の端部を位置出し用突き当てばね３の端部に接触させる工程（ばね接触工程）。
・被加工物１をクランプ４で固定する工程（クランプ固定工程）。

さらに、上記加工工程は、以下の工程を含むことができる。
・ノズル位置出し機２を被加工物から離れる方向（上記破線Ｂの照射位置）に移動する工程（移動工程）。
・被加工物１の加工位置７に、レーザー光源１０からレーザーを照射する工程（照射工程）。

また、上記レーザー加工方法は、ノズル位置出し機２を移動させ、ノズル部内から被加工物を取り出し、レーザー加工を終了する工程（終了工程）を含むこともできる。

これらの工程は、順次行ってもよいし、複数の工程（例えば、上記加工工程及び上記回収工程）を並行して行ってもよい。以下に各工程について、詳しく説明する。

（固定工程）
まず、図１（ａ）〜（ｃ）及び図２（ａ）に示すように、被加工物１をレーザー照射位置に固定する。具体的には、位置出し部２ｂ及び位置出し用突き当てばね３のぞれぞれの端部に、被加工物１のそれぞれの端部を接触させた状態で、被加工物１の加工位置がレーザー照射位置と一致するように、基準位置Ａに固定する（接触工程およびばね接触工程）。そして、その位置で、被加工物１をクランプ４により留める（クランプ固定工程）。この際、被加工物１は、ノズル部２ａの第１開口部２ｉより挿入され、被加工物の加工位置を含む少なくとも一部が、ノズル部内に固定される。
なお、位置出し用突き当てばね３及びクランプ４は、従来公知のものを適宜使用することができ、特に限定されず、さらに、被加工物を固定可能なものであれば、他のもので代用することもできる。

（加工工程）
次に、図１（ｄ）及び（ｅ）並びに図２（ｂ）に示すように、被加工物１の加工位置に、レーザー光源からレーザーを照射し、レーザー加工を行う。具体的には、ノズル部の第２開口部２ｉｉと被加工物１の加工位置７とを位置合わせするために、ノズル位置出し機２を被加工物から離れる方向（ｚ方向）に移動させ、破線Ｂの照射位置に配置する（移動工程）。続いて、被加工物１の加工位置７に、レーザー光源１０からレーザーを照射し、加工部５を形成する（照射工程）。その際、位置出し用突き当てばね３も被加工物１から離れる方向（図２（ｂ）では、ｚ方向と反対側の方向）に移動させ、被加工物はクランプ４のみで固定された状態で、レーザー照射を受ける。

（回収工程）
また、上記加工工程と並行して、レーザー加工時に被加工物１より発生した飛散物（不図示）を、例えば、集塵機１２の負圧のみでｘ_１の方向に気流を発生させて、飛散物を回収する（回収工程）。なお、被加工物の加工位置は、ノズル部２ａにより（各開口部以外の部分を）覆われているため、飛散物の拡散を防止した状態で、飛散物の回収を行うことができる。

（終了工程）
次に、図１（ｆ）に示すように、ノズル位置出し機２をさらにｚ方向に（上記破線Ｃの終了位置まで）移動させ、ノズル部内から被加工物を取り出し、レーザー加工を終了する。
これにより、被加工物の端部近傍がレーザー加工された加工物を得ることができる。

このように、本加工機では、位置出し部により被加工物を固定した後、被加工物の加工位置と、第２開口部とを位置合わせするように、ノズルを移動させることができ、設備コストの増大や設備の大型化の必要がなく、可動軸数及び設備スペースの最小化が可能となるとともに、レーザー加工時の飛散物の飛散の防止、飛散物の回収、被加工物の位置合わせを容易に行うことができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更があっても本発明に含まれるものである。すなわち、当業者であれば、当然なしえるであろう各種変形、修正もまた本発明に含まれるものである。

なお、本加工機は、例えば、ガルバノスキャン方式のレーザー加工機として用いることができ、レーザートリミング、レーザー穴あけ、レーザー溶接、レーザー切断等のレーザー加工全般に利用することができ、その用途は限定されない。

１被加工物（ワーク）
２ノズル位置出し機
２ａノズル部
２ｂ位置出し部
２ｉ第１開口部
２ｉｉ第２開口部
７加工位置
１０レーザー光源
１２集塵機
ｚ被加工物から離れる方向

Claims

レーザー光源からのレーザーを、被加工物の加工位置に照射して、該被加工物を加工するレーザー加工機であって、
ノズル部および位置出し部を有する、前記被加工物に接離可能なノズル位置出し機と、
前記ノズル部に接続される集塵機と、を備え、
前記ノズル部は、前記被加工物の端部近傍に設定された前記加工位置を含む該被加工物の少なくとも一部をノズル部内に挿入するための第１開口部と、前記レーザーを該加工位置に照射するための前記レーザー側に配される第２開口部と、を有し、
前記位置出し部は、前記第１開口部と対向する位置でかつ前記第２開口部と一定距離離れた位置に配され、前記被加工物の端部に接触した状態で、該被加工物の少なくとも一部を前記ノズル部内に固定可能であり、
前記ノズル部内に固定された前記被加工物に対して、前記ノズル位置出し機を該被加工物から離れる方向に移動させて該ノズル部の第２開口部と前記加工位置とを位置合わせした状態で、該第２開口部を介して、前記レーザーを照射することを特徴とするレーザー加工機。