JP2023071400A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加工対象の部材に歪みが生じても、加工すべき箇所にレーザビームを入射させることが可能なレーザ加工装置を提供する。【解決手段】レーザ照射部１０が、板状の加工対象物５０の端面に向けてレーザビーム４０を出力する。接触部材３０が、加工対象物５０の端面を厚さ方向に挟み、加工対象物の端面５１の、厚さ方向への変位に応じて変位する。レーザ照射部支持機構１５が、接触部材３０の変位に応じてレーザビーム４０の入射位置が変化するようにレーザ照射部１０を支持する。レーザビーム４０の入射位置が、加工対象物の端面５１上を加工対象物５０の厚さ方向に対して直交する方向に移動するように、移動機構が、加工対象物及びレーザ照射部の少なくとも一方を他方に対して移動させる。【選択図】図２

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

レーザビームを用いてワーク（加工対象物）の溶接、切断、穿孔等を行うレーザ加工装置が公知である（特許文献１）。特許文献１に開示されたレーザ加工装置は、ロボットアームの先端にレーザ照射部を取り付け、ロボットアームを駆動してレーザ照射部を移動させ、目標とする箇所にレーザビームを入射させる。レーザビーム入射箇所の位置精度は、ロボットアームの動作精度に依存する。特許文献１に開示されたレーザ加工装置においては、ロボットアームで移動させた後のレーザ照射部の実測位置と指令位置との偏差に基づいてレーザ照射部の位置を補正する。これにより、所望の箇所にレーザビームを入射させることができる。

特開２０１８－２４０１１号公報

２枚の板状部材を重ねた状態で端面（エッジ）にレーザビームを入射させて溶接を行う場合、溶接時の熱で部材に歪みが生じると、レーザビームが端面から外れてしまう事態が生じ得る。本発明の目的は、加工対象の部材に歪みが生じても、加工すべき箇所にレーザビームを入射させることが可能なレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
板状の加工対象物の端面に向けてレーザビームを出力するレーザ照射部と、
前記加工対象物の端面を厚さ方向に挟み、前記加工対象物の端面の、厚さ方向への変位に応じて変位する接触部材と、
前記接触部材の変位に応じて、前記レーザビームの入射位置が変化するように前記レーザ照射部を支持するレーザ照射部支持機構と、
前記レーザビームの入射位置が、前記加工対象物の端面上を前記加工対象物の厚さ方向に対して直交する方向に移動するように、前記加工対象物及び前記レーザ照射部の少なくとも一方を他方に対して移動させる移動機構と
を備えたレーザ加工装置が提供される。

加工対象物の端部の変位に追従して接触部材が変位し、接触部材の変位に追従してレーザビームの入射位置が変化するため、加工対象物の端面が変位しても加工対象物の端面にレーザビームが入射する状態を維持することができる。

図１Ａ及び図１Ｂは、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図２Ａは、本実施例によるレーザ加工装置をｚ方向から見た概略図であり、図２Ｂ及び図２Ｃは、ｘ方向から見た概略図である。 図３Ａは、レーザ照射部のシールドガスノズルの先端部分及びローラの斜視図であり、図３Ｂは、その側面図である。 図４は、本実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ溶接を行う手順を示すフローチャートである。 図５Ａは、他の実施例によるレーザ加工装置をｚ方向から見た概略図であり、図５Ｂ及び図５Ｃは、ｘ方向から見た概略図である。 図６Ａは、さらに他の実施例によるレーザ加工装置をｚ方向から見た概略図であり、図６Ｂ及び図６Ｃは、ｘ方向から見た概略図である。 図７は、図６Ａ～図６Ｃに示した実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ溶接を行う手順を示すフローチャートである。 図８は、さらに他の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。

図１Ａ～図４を参照して、一実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図１Ａ及び図１Ｂは、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。板状の加工対象物５０が加工対象物支持機構６０によって支持される。図１Ａは、加工対象物５０が支持される前の状態を示しており、図１Ｂは、加工対象物５０が支持された状態を示している。

加工対象物５０は、例えば円盤状の板部材を２枚重ねたものであり、加工対象物支持機構６０は加工対象物５０を厚さ方向に挟んで支持する。２枚の板部材は、その端面同士がほぼ面一になるように支持される。この端面は、高さが半径に比べて十分小さい円柱の側面（円柱面）と同様の形状を有している。２枚の板部材のほぼ面一の端面を、加工対象物５０の端面５１ということとする。移動機構６１が、加工対象物支持機構６０に支持された加工対象物５０をその中心を回転中心として回転させる。

レーザ照射部１０が加工用のレーザビーム４０を、加工対象物５０の端面５１に向けて出力する。加工対象物５０を回転させながらレーザビーム４０が加工対象物５０の端面５１に入射することにより、２枚の板部材の縁の溶接加工が行われる。

加工対象物５０の厚さ方向をｚ方向とし、レーザビーム４０の中心軸に平行な方向をｙ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。レーザビーム４０の中心軸の延長線は、加工対象物５０の中心を通過する。加工対象物５０を回転させると、端面５１内の任意の箇所は、ｚ方向に対して直交し、かつレーザビーム４０の経路と交差するように移動する。

図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ本実施例によるレーザ加工装置をｚ方向及びｘ方向から見た概略図である。レーザ照射部１０は、鏡筒１２及びシールドガスノズル１１を含む。レーザ発振器７０から出力されたレーザビームがレーザ伝送ファイバ７１を伝送されてレーザ照射部１０に入力される。レーザ照射部１０に入力されたレーザビームは、鏡筒１２内のレンズによって加工対象物５０の端面５１に集光される。

シールドガスノズル１１が、鏡筒１２から加工対象物５０の端面５１に向かって延びる。シールドガスノズル１１は、鏡筒１２から加工対象物５０の端面５１に向かって細くなっており、レーザビーム４０が先端の開口部を通って加工対象物５０の端面５１に入射する。シールドガス供給装置７５からシールドガスノズル１１内にシールドガスが供給される。シールドガスによって、鏡筒１２からシールドガスノズル１１を経由して加工対象物５０の端面５１に向うガスの流れが形成される。

シールドガスノズル１１の先端にローラ３０が取り付けられている。ローラ３０の回転軸はｚ方向に平行である。ローラ３０の外周面に、周方向に一周する溝３１が設けられている。加工対象物５０の端部が溝３１内に挿入される。言い換えると、ローラ３０は、加工対象物５０に接触してその端部をｚ方向に挟む。加工対象物５０の回転に応じて、ローラ３０が回転する。加工対象物５０に接触する接触部材として、ローラ３０に代えて、加工対象物５０が回転すると加工対象物５０の端部と摺動する部材を用いてもよい。

レーザ照射部１０は、レーザ照射部支持機構１５によって支持されている。より具体的には、レーザ照射部１０の鏡筒１２が、支軸１７を介して支持部材１６に支持されている。支軸１７は、ｘ方向に平行な回転軸を中心として回転可能である。すなわち、レーザ照射部支持機構１５は、レーザ照射部１０を、ｘ軸に平行な軸を中心として揺動可能に支持している。支軸１７は、揺動中心が、レーザ照射部１０の重心の近傍を通過するように取り付けられている。

溶接時に発生する熱により、加工対象物５０に歪が生じ、加工対象物５０の端部がｚ方向に変位する場合がある。または、円盤状の加工対象物５０の表面が、幾何学的に正確な平面から歪んでいる場合、加工対象物５０が回転するとローラ３０に接触している箇所がｚ方向に変位する。

図２Ｃは、加工対象物５０の端部がｚ方向に変位する前後のレーザ加工装置の概略図である。変位前の状態を破線で表し、変位後の状態を実線で表している。加工対象物５０の端部がｚ方向に変位すると、端部に接触しているローラ３０も追従してｚ方向に変位する。ローラ３０のｚ方向への変位に追従して、レーザ照射部１０が支軸１７を中心として、ローラ３０の変位量に応じた角度だけ回転する。レーザ照射部１０が回転すると、レーザビーム４０の入射位置も、加工対象物５０の端面５１のｚ方向への変位に追従して移動する。

図３Ａは、レーザ照射部１０のシールドガスノズル１１の先端部分及びローラ３０の斜視図であり、図３Ｂは、その側面図である。

シールドガスノズル１１の先端の開口部を通ってレーザビーム４０が出力される。シールドガスノズル１１の先端に、ローラ支持部材３２が取り付けられている。ローラ支持部材３２は、側面から見てＬ字状であり、Ｌ字の角部から見て一方の先端にローラ３０が取り付けられており、他方の先端に弾性部材３４、例えばコイルバネの一端が取り付けられている。弾性部材３４の他方の端部は、シールドガスノズル１１に固定された支柱３５に取り付けられている。

Ｌ字の角部と弾性部材３４が取り付けられた箇所との間に位置する支点３３において、ローラ支持部材３２がシールドガスノズル１１の先端に取り付けられている。ローラ支持部材３２は、支点３３を通過するｚ方向に平行な回転軸を中心として揺動可能である。ローラ支持部材３２が揺動すると、ローラ３０がレーザビーム４０の経路の方向（ｙ方向）に変位する。弾性部材３４はローラ支持部材３２に対して、ローラ３０が加工対象物５０の端面５１（図２Ａ、図２Ｂ）に近づく向きの力を印加する。

図２Ｂに示したように、レーザ照射部１０を加工対象物５０に近づけてローラ３０を加工対象物５０に接触させ、さらにレーザ照射部１０を加工対象物５０に近づけると、弾性部材３４が弾性変形し、弾性部材３４の復元力によってローラ３０が加工対象物５０に押し付けられる。これにより、ローラ３０が加工対象物５０に接触した状態が維持される。

図４は、本実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ溶接を行う手順を示すフローチャートである。加工対象物５０を加工対象物支持機構６０（図１Ａ、図１Ｂ）で支持し、ローラ３０を加工対象物５０の端部に接触させる（ステップＳ１）。より具体的には、加工対象物５０の端部をローラ３０の溝３１に挿入し、溝３１の側面に接触させる。移動機構６１を制御して、加工対象物支持機構６０に支持された加工対象物５０の回転を開始する（ステップＳ２）。加工対象物５０を回転させた状態でレーザ照射を開始する（ステップＳ３）。

レーザ照射は、加工対象物５０の端面５１の周方向の全域に対して行う。さらに、既にレーザ照射済の箇所に、一定の長さだけ重ねてレーザ照射が行われるまで、レーザ照射を継続する（ステップＳ４）。加工対象物５０の端面５１の所定の範囲の加工が終了すると、レーザ照射を終了させる（ステップＳ５）。その後、加工対象物５０の回転を停止させる（ステップＳ６）。

次に、図１Ａ～図４に示した実施例の優れた効果について説明する。
上記実施例では、図２Ｃに示したように加工対象物５０の端面５１が厚さ方向（ｚ方向）に変位しても、レーザビーム４０の入射位置が追従して変位する。このため、加工対象物５０の端面５１に安定してレーザビーム４０を入射させることができる。これにより、高品質のレーザ溶接を行うことができる。

次に、上記実施例の変形例について説明する。上記実施例では加工対象物５０が円盤状である場合を示しているが、中心から端面５１までの距離が周方向に変化する形状、例えば楕円状の加工対象物５０を加工するような構成とすることも可能である。このような加工対象物５０を回転させると、レーザビーム４０の経路と交差する位置の端面５１が、ｙ方向（図２Ａ）に変位する。レーザ照射部１０を、端面５１のｙ方向への変位に追従してｙ方向に移動可能に支持することにより、このような加工対象物５０の加工を行うことができる。

上記実施例では、２枚の円盤状の板部材を重ね合わせたものを加工対象物５０としているが、２つの部材を、その端面の位置がほぼ一致するように重ね合わせたものを加工対象物５０としてもよい。例えば、円盤の内部に開口を設けた円環状の部材を２枚重ね合わせたものを加工対象物５０としてもよい。その他に、例えば球面に沿うお椀型の部材を、くぼんだ面同士を対向させて重ね合わせたものを加工対象物５０としてもよい。

上記実施例では、加工対象物５０の端面上で、ｚ方向に対して直交する方向にレーザビームの入射位置を移動させるために、移動機構６１が加工対象物５０を回転させている。その反対に、加工対象物５０を静止させ、レーザ照射部１０を移動させてもよい。または、加工対象物５０及びレーザ照射部１０の両方を移動させてもよい。すなわち、移動機構６１が、加工対象物５０及びレーザ照射部１０の少なくとも一方を他方に対して移動させるようにしてもよい。

次に、図５Ａ～図５Ｃを参照して他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図１Ａ～図４を参照して説明した実施例と共通の構成については説明を省略する。

図５Ａ～図５Ｃは、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。図２Ａ～図２Ｃを参照して説明した実施例の場合と同様に、ｘｙｚ直交座標系を定義する。図２Ａ～図２Ｃに示した実施例では、レーザ照射部１０がレーザ照射部支持機構１５によって揺動可能に支持されている。これに対して本実施例では、レーザ照射部１０がレーザ照射部支持機構１５によってｚ方向に並進移動可能に支持されている。

本実施例では、レーザ照射部支持機構１５が、支持部材１６及びリニアガイド機構１８を含む。レーザ照射部１０がリニアガイド機構１８を介して支持部材１６に支持されている。レーザ照射部１０が、リニアガイド機構１８によって支持部材１６に対してｚ方向に案内される。ｚ方向は重力方向に平行であり、レーザ照射部１０の重量がバネ１９によって支えられている。バネ１９として、コイルバネ、空気バネ等を用いることができる。図５Ｂでは、レーザ照射部１０の下方に圧縮バネを配置した例を示しているが、レーザ照射部１０の上方に引張バネを配置してもよい。

図５Ｃに示すように、加工対象物５０の端部のｚ方向への変位に追従してローラ３０がｚ方向に変位すると、ローラ３０の変位に追従してレーザ照射部１０がｚ方向に変位する。レーザ照射部１０が上方に向かって変位すると、バネ１９が伸び、下方に向かって変位すると、バネ１９が縮む。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても、図１Ａ～図４に示した実施例と同様に、加工対象物５０の端面５１が厚さ方向（ｚ方向）に変位しても、レーザビーム４０の入射位置が追従して変位する。このため、加工対象物５０の端面５１に安定してレーザビーム４０を入射させることができる。これにより、高品質のレーザ溶接を行うことができる。

次に、上記実施例の変形例について説明する。上記実施例では、加工対象物５０の厚さ方向（ｚ方向）を重力方向に平行にしているが、厚さ方向を水平にしてもよい。この場合は、レーザ照射部１０の並進移動方向も水平になる。このため、レーザ照射部１０を支えるバネ１９は不要である。

次に、図６Ａ～図７を参照して、さらに他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図５Ａ～図５Ｃに示した実施例と共通の構成については説明を省略する。

図６Ａ～図６Ｃは、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。図５Ａ～図５Ｃに示した実施例では、ローラ３０がレーザ照射部１０のシールドガスノズル１１の先端に取り付けられている。これに対して本実施例では、ローラ３０はレーザ照射部１０に取り付けられておらず、変位センサ２５によってｚ方向に移動可能に支持されている。変位センサ２５は、ローラ３０のｚ方向の位置を検出し、ローラ３０の位置に応じた電気信号を出力する。

また、図５Ａ～図５Ｃに示した実施例では、レーザ照射部１０がバネ１９によって重力方向に支持されている。これに対して本実施例では、レーザ照射部１０が駆動部２７によって重力方向に支持されている。駆動部２７は、モータ２７Ａ、ボールネジのネジ軸２７Ｂ、およびネジ軸２７Ｂが挿入されたナット２７Ｃを含む。ナット２７Ｃはレーザ照射部１０に固定されている。ネジ軸２７Ｂの回転に応じてレーザ照射部１０がｘ方向に移動する。

変位センサ２５の検出結果が制御部２６に入力される。制御部２６は、変位センサ２５の検出結果に基づいてモータ２７Ａを駆動することにより、図６Ｃに示すように、ローラ３０の変位に追従してレーザ照射部１０をｚ方向に変位させる。

図７は、本実施例によるレーザ加工装置を用いてレーザ溶接を行う手順を示すフローチャートである。以下、図４に示したフローチャートとの相違点について説明する。本実施例では、ローラ３０を加工対象物５０の端部に接触させた（ステップＳ１）後、ローラ３０の位置の検出結果に基づくレーザ照射部１０の位置制御を開始する（ステップＳＡ１）。

その後のステップＳ２～ステップＳ６の手順は、図４に示した手順と同一である。加工が終了して加工対象物５０の回転を停止させた（ステップＳ６）後、レーザ照射部１０の位置制御を終了する（ステップＳＡ２）。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においては、加工対象物５０の端面５１が厚さ方向（ｚ方向）に変位すると、レーザビーム４０の入射位置を追従して変位させる。このため、加工対象物５０の端面５１に安定してレーザビーム４０を入射させることができる。これにより、高品質のレーザ溶接を行うことができる。

次に、上記実施例の変形例について説明する。
上記実施例では、レーザ照射部１０をｚ方向に移動させる駆動部２７としてボールネジ機構を用いたが、その他のアクチュエータを用いてもよい。例えば、リニアモータ、ボイスコイルモータ等を用いてもよい。また、上記実施例では、駆動部２７がレーザ照射部１０をｚ方向に並進移動させているが、図２Ａ～図２Ｃに示したように、レーザ照射部１０を揺動させるようにしてもよい。

次に、図８を参照してさらに他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図１Ａ～図４に示した実施例と共通の構成については説明を省略する。

図８は、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。図１Ａ～図４に示した実施例では、円盤状の加工対象物５０を回転させながらレーザ加工を行う。これに対して本実施例によるレーザ加工装置で加工する加工対象物５０は、直線状の端面５１を有している。

加工対象物５０の厚さ方向をｚ方向とし、レーザビーム４０の中心軸の方向をｙ方向とし、加工すべき端面５１の長手方向をｘ方向とするｘｙｚ直交座標系を定義する。加工対象物５０の端面５１が、加工対象物５０の厚さ方向（ｚ方向）に対して直交し、かつレーザビーム４０の経路と交差する方向（ｘ方向）に移動するように、加工対象物５０が、並進移動可能に支持されている。

本実施例では、直線状の端面５１を持つ加工対象物５０を並進移動させながら、レーザ照射部１０からレーザビーム４０を端面５１に入射させることにより、レーザ溶接を行う。本実施例においても、図２Ａ～図２Ｃに示した実施例と同様に、ローラ３０が加工対象物５０の端部に接触することにより、ローラ３０のｚ方向への変位に追従してレーザ照射部１０が揺動する。なお、図５Ａ～図５Ｃに示した実施例のように、レーザ照射部１０がｚ方向に並進移動するようにしてもよい。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても、図１Ａ～図４に示した実施例と同様に、加工対象物５０の端面５１が厚さ方向（ｚ方向）に変位しても、レーザビーム４０の入射位置が追従して変位する。このため、加工対象物５０の端面５１に安定してレーザビーム４０を入射させることができる。これにより、高品質のレーザ溶接を行うことができる。

次に、図８に示した実施例の変形例について説明する。
図８に示した実施例でが、加工対象物５０の端面５１が直線状であるが、ｙ方向の位置が異なるように波打った形状の端面５１を有するものを加工対象物５０としてもよい。このような加工対象物５０を加工する場合には、端面５１の波打った形状に応じてレーザ照射部１０がｙ方向に変位するように、レーザ照射部１０を支持すればよい。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ レーザ照射部
１１ シールドガスノズル
１２ 鏡筒
１５ レーザ照射部支持機構
１６ 支持部材
１７ 支軸
１８ リニアガイド機構
１９ バネ
２５ 変位センサ
２６ 制御部
２７ 駆動部
２７Ａ モータ
２７Ｂ ボールネジのネジ軸
２７Ｃ ナット
３０ ローラ
３１ 溝
３２ ローラ支持部材
３３ 支点
３４ 弾性部材
３５ 支柱
４０ レーザビーム
５０ 加工対象物
５１ 加工対象物の端面
６０ 加工対象物支持機構
６１ 移動機構
７０ レーザ発振器
７１ レーザ伝送ファイバ
７５ シールドガス供給装置

Claims (7)

1. 板状の加工対象物の端面に向けてレーザビームを出力するレーザ照射部と、
   前記加工対象物の端面を厚さ方向に挟み、前記加工対象物の端面の、厚さ方向への変位に応じて変位する接触部材と、
   前記接触部材の変位に応じて、前記レーザビームの入射位置が変化するように前記レーザ照射部を支持するレーザ照射部支持機構と、
   前記レーザビームの入射位置が、前記加工対象物の端面上を前記加工対象物の厚さ方向に対して直交する方向に移動するように、前記加工対象物及び前記レーザ照射部の少なくとも一方を他方に対して移動させる移動機構と
   を備えたレーザ加工装置。
2. 前記移動機構は、前記加工対象物の端面が、前記加工対象物の厚さ方向に対して直交し、かつ前記レーザビームの経路と交差する方向に移動するように、前記加工対象物を回転または移動させる請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記接触部材は、前記レーザ照射部の、前記加工対象物に対向する先端部分に取り付けられており、
   前記レーザ照射部支持機構は、前記レーザ照射部の先端部分が前記接触部材の変位に追随して変位するように、前記レーザ照射部を揺動可能にまたは並進移動可能に支持する請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記接触部材は、前記レーザ照射部に対して前記レーザビームの経路の方向に移動可能に取り付けられている請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記レーザ照射部支持機構は、
   前記接触部材の変位を検出する変位センサと、
   前記レーザビームの入射位置が前記加工対象物の厚さ方向に移動するように前記レーザ照射部を揺動または並進移動させる駆動部と、
   前記変位センサの検出結果に基づいて前記駆動部を制御する制御部と
   を含む請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
6. 前記接触部材は回転可能なローラを含み、前記ローラの外周面に前記加工対象物の端部が挿入される溝が形成されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
7. 前記加工対象物の端面は円周に沿う形状を有しており、
   前記移動機構は、前記加工対象物の端面が沿う円周の中心を回転中心として前記加工対象物を回転させる請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
   

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