JP2603873B2 - レ−ザ加工機及びレ−ザ加工方法 - Google Patents

レ−ザ加工機及びレ−ザ加工方法

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JP2603873B2
JP2603873B2 JP1320676A JP32067689A JP2603873B2 JP 2603873 B2 JP2603873 B2 JP 2603873B2 JP 1320676 A JP1320676 A JP 1320676A JP 32067689 A JP32067689 A JP 32067689A JP 2603873 B2 JP2603873 B2 JP 2603873B2
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cutting
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はレーザ光によって金属を加工するレーザ化工
機及びレーザ加工方法の改良に関するものである。
［従来の技術］ 第12図（ａ）はＸ、Ｙ、Ｚ、Ｃ、Ａの５軸を備えた従
来のレーザ加工機の斜視図、同（ｂ）は加工ヘッドの斜
視図で、図中１はレーザ光を発振するレーザ発振機、２
は加工機本体、３は集光レンズ及び加工ガスノズルを備
えた加工ヘッド、４は加工テーブル、５はレーザ発振機
及び加工機本体を制御する制御装置である。また同図
（ｂ）に示す加工ヘッド３は、上下に移動するＺ軸と該
Ｚ軸と同軸で回転するＣ軸と、該Ｚ軸と直交し、回転す
るＡ軸とから構成されており、自由な姿勢をとることが
できる。
また第13図は上記制御装置５の構成図で、5aは加工プ
ログラムを内蔵するメモリ、5bはその読出し装置、5cは
バッファ、5dはバッファにセットされた命令を解析する
機能、5eはその解析に基ずく移動指令生成機能、5fはそ
の移動指令を駆動モータに伝えるモータ制御機能、5gは
駆動アンプ、5hはモータ、5iはモータの回転数を検出す
る位置検出器である。
次に第14図（ａ）により動作について説明する。レー
ザ発振機１により発振されたレーザビーム６は、伝送路
内の反射鏡７で反射し、加工ヘッド３の集光レンズ８に
よりその焦点位置に極小に集光され、加工に必要な高エ
ネルギを有するようになる。この集光されたレーザビー
ムを加工テーブル10上の被加工物９に垂直に照射するこ
とにより、照射面の温度が被加工物の融点に達し、被加
工物９は溶融する。そこで溶融部に加工ガスを吹き付け
て溶融物を除去し加工が行われるのである。なお11は加
工テーブル10をＸ、Ｙ平面内で移動制御するNC制御装置
である。また第14図（ｂ）で12はＯリング、13はレンズ
押え、14は加工ノズル、15はアシストガス流入口、16は
アシストガスである。
上記のように構成された制御装置５は、メモリ5aに内
蔵する加工すべき形状に応じた加工プログラムにより駆
動モータ5hを駆動して被加工物を所定の形状に加工する
のである。
ところでこのようにしてレーザ切断を行うと、被加工
物10の切断面には第15図（ａ）に示すような筋目（以下
ドラグライン17と称する）が発生する。これは微小なス
ポットに集光したレーザビーム６のエネルギによって、
アシストガス16と反応した被加工物９が溶融され、その
溶融物がアシストガス流により材料中を下向きに通過し
て火花18となって被加工物９の裏面から放出され、上記
溶融物が材料中を通過した跡として、前記ドラグライン
17が発生するのである。レーザビーム６は被加工物９に
対し垂直下方に照射されるが、レーザビーム６は被加工
物９に対し切断方向に進行するので、上記ドラグライン
17は図にみるように切断方向に対し斜め後方に流れるの
である。
［発明が解決しようとする課題］ 従来のレーザ加工機は上記のように構成されかつ動作
する。レーザビーム６は常に被加工物９の表面に対して
垂直に照射されるので、切断速度が大きくなればなるほ
どドラグライン17は第15図（ｂ）に示すように加工ライ
ン進行方向すなわち切断方向20とは逆向きに曲り、した
がって被加工物９の裏面から放出される火花18も切断方
向20と逆方向に大きく流れる。この結果火花18と化した
溶融物は被加工物９の裏面から分離しなくなり、被加工
物の裏面にバリ状のドロス19となって多量に固着する。
このため良好な切断が困難となるだけでなく、それ以上
の切断速度を上げることが不可能となる。
第16図はその一例である材質SPSS、板厚1mmの被加工
物を、集光レンズの焦点距離9.525cm、レーザ出力1kw、
入射角が被加工物に対して垂直の条件で切断した場合の
切断速度Ｖとドラグライン17の流れ量Ｌとの関係を示す
線図である。本例から判るように、切断速度Ｖの増大に
伴ってドラグライン流れ量Ｌも増加し、切断速度が14m/
分においてＬは0.8mm以上にも達し、被加工物の裏面か
ら放出される火花８も、被加工物の裏面とほぼ平行に近
い状態となって、切断方向20とは逆向きの後方へ大きく
流れている。この結果火花18によつて生じた溶融物が被
加工物の裏面から容易に分離しなくなり、上記条件にお
ける切断速度Ｖは14m/分が限度である。このように被加
工物へのレーザビーム照射軸の入射角を垂直とする従来
技術においては、レーザ出力を増大させても切断速度Ｖ
は上記以上には上げることはできず、切断速度に限界が
存在するという問題があった。
また上記従来の装置においては、加工中の加工ヘッド
３は被加工物９との位置関係は一定であるところから、
曲線を含む形状を加工する場合はプログラム作成に多大
の時間を必要とするため、加工する形状は直線あるいは
直線を組み合わせた簡単な図形に限られ、これが従来装
置の問題点として指摘されていた。
本発明は上記従来装置の上記問題点を解消するために
なされたもので、切断時加工速度の増大に伴うドロスの
付着を低減し加工速度を大巾に向上させることを可能に
するとともに、加工プログラムを解読して被加工物に対
して常に進行方向に所定の傾斜を保持してレーザビーム
を照射することのできるレーザ加工機及びレーザ加工方
法を提供しようとするものである。
［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工機
においては、 加工テーブルと加工ヘッドをＸ、Ｙ平面内で相対移動
制御する制御装置に加工プログラム解析機能とともに傾
斜量演算機能及び物理定数記憶機能を備え、加工中加工
プログラムを解析することにより、加工形状に沿って上
記レーザビームの照射角を常に加工ライン進行方向に対
して後側に傾斜させ、被加工物の材質、板厚及び加工速
度に応じて、上記レーザビームの照射角の傾斜を変化さ
せ得るように構成されている。
また、レーザ発振器より出力されるレーザビームを加
工ヘッドより被加工物に照射し、上記被加工物を相対移
動させながら切断加工を行うレーザ加工方法において、
上記被加工物に照射するレーザビームを加工ヘッドの相
対的進行方向に対して後側に傾斜させ、そのレーザビー
ムの照射角θを被加工物の材質、板厚及び加工速度に応
じて変化させるように構成されている。
なおレーザビームの被加工物に対する照射角を傾斜さ
せる技術として、既に特開昭62−289387号公報に開示さ
れた技術がある。該技術は高反射材料をレーザビームで
加工を行う際、照射したレーザビームが高反射材料の表
面で一部反射し、その反射ビームがレーザ発振器へ戻っ
てレーザビームの誘導放出を増大させ、所定値以上の出
力を生起させて出力を制御不能とするのを防止するため
に、照射レーザビームの光軸と加工材料面からの反射光
の光軸が一致しないように、レーザビームの被加工物へ
の照射角が垂直以外の角度を占めるように構成したもの
である。
該発明はレーザビームの照射角を傾斜させる点で本願
発明に類似するものの、 該発明が本願発明と発明の目的が異なり、したがって
被加工物が高反射材料に限定される。
該発明は加工プログラムの解析機能を有せず、したが
って曲線部の加工時に適切な姿勢変更ができないのに対
し、本願発明は加工プログラムの解析機能を備え、曲線
部で滑らかな姿勢変更が可能である。
さらに本願発明は被加工物の材質、厚さ及び加工速度
に応じてレーザビーム照射角の傾斜を変化できるが、該
発明にはその機能はない。
などの基本的な相違点がある。
したがって該発明は本願発明とは全く異なる発明であ
る。
［作用］ 本発明においては、レーザ発振器より出力されるレー
ザビームを加工ヘッドより被加工物に照射し、上記被加
工物を相対移動させながら切断加工を行うレーザ加工方
法において、上記被加工物に照射するレーザビームを加
工ヘッドの相対的進行方向に対して後側に傾斜させ、そ
のレーザビームの照射角θを被加工物の材質、板厚及び
加工速度に応じて変化させることにより、切断加工時は
ドラグラインの曲がり量が小さくなり、ドロスの付着を
低減させて切断速度の上昇を可能ならしめる。さらに被
加工物の材質、板厚及び加工速度などに最適の傾斜量を
自動的に設定し得るので、経験の少ない作業員でも操作
でき、しかも板厚の大きい被加工物を加工できる。
［発明の実施例］ 第１図は本発明の一実施例を示すレーザ加工機の加工
ヘッドの断面図で、図中３〜20は従来装置と同一または
相当部品、21、22は反射鏡、23はレーザビームの入射
軸、24、25は歯車、26はモータ、27は照射軸である。
図にみるように、加工ヘッド内に反射鏡21、22を配置
する。反射鏡21はレーザビーム６の垂直な入射軸23に対
し45度傾斜させ、反射鏡22はレーザビーム６が入射軸23
に対し所定の角度θだけ傾斜するように、加工ヘッド３
の進行方向に対して後側に傾けて配置されている。反射
鏡22、23を介して反射したビーム６は集光レンズ８によ
り集光され、被加工物９に照射される。
この結果第２図にみるようにドラグライン17の曲り量
は小さくなり、火花18の流れ量も小さくドロスの付着も
なくなる。
第３図はレーザ出力1KW、集光レンズ８の焦点距離を
9.525cm、切断速度を14m/分とし、材質SPCC、板厚1mmの
被加工物を直線切断する場合のレーザビーム入射角θと
ドラグライン曲り量Ｌとの関係を示す線図で、入射角θ
が大きくなるほどドラグラインの曲り量Ｌは小さくなっ
ていることが判る。また第４図は第３図と同一条件で切
断加工したとき、照射軸の入射角θと切断速度との関係
を示す線図で、限界切断速度Ｖはθの大きいほど大きく
なることが判る。上記例よりレーザビームの照射軸を切
断方向へ進ませるように傾斜させて切断することが、ド
ロス付着量を低減し、したがって切断速度の向上に有効
であることが明確となった。また上記例よりθは10度以
下では効果がなく、第３図より20〜30度の間にドラグラ
イン曲り量Ｌが０となる点が存在するであろうことが推
定される。Ｌはゼロであることが理想であるので、加工
速度14m/分では適当な入射角θは20〜30度の間にあるこ
とが判る。また第３図によれば、θ＜10度では最高切断
可能速度が上がる。しかし入射角θを大きくすれば最高
切断可能速度がどこまでも大きくなる保証はなく、また
被加工物への照射角度を鋭角に傾斜させたときの低速切
断性能は未確認であるが、15〜20m/分程度の実現可能な
切断速度であれば、入射角θは30度で十分であり、した
がってθが10〜30度であれば、従来の切断加工速度を大
巾に向上させることができる。なお第４図に○印で示す
切断可能とはドロスや切断精度に関係なく被加工物が離
れることをいう。
なお上記実施例はレーザビームによる切断加工の例で
あるが、本発明は溶接加工にも適用可能である。切断加
工ではドロス付着量の低減と切断速度の向上が実現でき
るのに対して、レーザ溶接の場合は溶け込み深さ（溶融
した深さ）の増大と加工速度の向上といった効果を得る
こととなる。
また上記実施例においては、Ｘ、Ｙテーブルに被加工
物を保持するものについて説明したが、被加工物と加工
ヘッドが相対移動するものについても適用可能である。
第５図（ａ）、（ｂ）はレーザビームを傾斜させる他
の実施例を示すレーザ加工機の加工ヘッドの断面図で、
図中３〜20は従来装置と同一または相当部品、30、31は
加工レンズ移動用ねじである。
図にみるように、加工レンズ８は移動用ねじ30、31に
よりレーザビーム６の光軸に対する垂直面内において、
切断方向20と平行に移動させることができる。ねじ30を
緩めねじ31をしめこむことにより、加工レンズ８を切断
方向20側に移動させると、加工レンズ８により集光され
たレーザビーム６はレンズ８の中心よりΔｌだけずれ、
この結果第６図に示すようにレーザビーム６は角度θだ
け傾斜することとなる。
一般に加工レンズ８の平行移動量Δｌとビームの入射
角θとの間には、 Δl/f＝tanθ （ただしf:加工レンズの焦点距離） なる関係があり、例えば焦点距離ｆ＝9.525mmの加工レ
ンズを使用したときにθ＝20度の入射角を設定したい場
合は Δｌ＝9.525mm×tan20度 ＝34.7mm となり、この量（34.7mm）だけ加工レンズを切断方向へ
移動させる必要がある。
一般に第５図や第６図で示すような小さい角度の範囲
では効果が少ないので、加工レンズは微調整範囲を越え
て大きく移動させる必要がある。このため加工レンズ８
が装着された加工ヘッド３自体を平行移動させるように
構成してもよい。第７図は加工ヘッド３を移動用ねじ3
2、33により本体２に対して平行移動できるようにした
他の実施例を示すものである。
上記のようにしてレーザビーム６を加工方向に傾けて
入射させることにより、前記と同様な作用効果が得られ
る。
前記第１図に示す加工ヘッドにおいては、加工ヘッド
３の上部外周部には、モータ26ににより駆動される歯車
24、25が噛合し、NC制御装置11を介して制御されてお
り、加工ヘッド３はレーザビームの入射軸23の周りを回
動するように構成されている。これは加工方向が変化し
た場合、作業者が加工ヘッド３を回動させて常にレーザ
ビームが加工方向に傾斜しているようにするためのもの
である。
第８図はレーザビーム６をビームの進行方向に常に傾
斜させておくための制御装置の構成図で、5a〜5iは従来
の装置と同一または相当部品、5jは進行方向に対してレ
ーザビーム６の傾斜すべき角度の情報を記憶するメモ
リ、5kはメモリ5jの傾斜角と後述の移動モードとからＣ
軸、Ａ軸に加えるべき姿勢補正料を演算する傾斜補正機
能である。
図において、プログラムリード機能5bはメモリ5aより
加工プログラムを読出しバッファ5cに一時記憶させ、命
令解析機能5dはバッファ5cより加工の始点、終点の座標
と、直線、円弧等の移動モードを取り出す。これを基に
移動指令生成機能5eが一定時間の移動量を計算し、その
情報をモータ制御機能5fへ出力する。一方傾斜補正機能
5kはメモリ5jより傾斜角を読取り、命令解析機能5dが作
成した移動モードである加工の始点、終点データよりＣ
軸、Ａ軸の補正ベクトルを算出し、その情報をモータ制
御機能5fに出力する。なお、直線加工を行う場合には傾
斜補正機能5kはレーザービーム６を傾斜させるために加
工ヘッド３のＡ軸の回転角を演算即ち補正ベクトルを算
出すればよいが、曲線加工を行う場合は、傾斜補正機能
5kは加工ヘッド３のＡ軸の回転角を演算即ち補正ベクト
ルを算出するだけでは足りず、加工ヘッド３のＡ軸が機
構上の制約から円弧の接線方向に対して常に直角に向く
ようにＣ軸の回転角も演算即ち補正ベクトルも算出す
る。モータ制御機能5fは移動指令と補正ベクトルとから
モータ5hの位置指令を各サーボアンプ5gに出力する。こ
のようにして第９図（ａ）に示すように加工ヘッド３は
被加工物９に対し常に進行方向に対し所定角度傾斜して
進行する。なお上記実施例においては、モータ制御機能
5fに補正ベクトルを出力したが、移動指令生成機能5eに
出力してもよい。
上記実施例においては、レーザビーム６の被加工物９
に対する傾斜角度はメモリ5aに記憶された量であり、材
質、厚さ、加工速度などが変化するとその都度書換えて
いるが、これを加工プログラムから読みとって制御する
ことも可能である。
切断用のレーザビームは、集光レンズによって焦点位
置に集光され、被加工物に照射される。このときレーザ
ビームの強度はガウス分布をとり、移動する点光源とみ
ることができる。このときの温度分布は第10図に示す通
りで板厚方向に温度差がある。この温度差が大きくなる
と照射位置とその下部とで溶融時間のずれを生ずること
となる。これに対し、レーザビームの照射を進行方向に
傾斜させることにより被加工物の進行方向を予熱するこ
ととなるので、照射位置下部の温度が高くなり溶融時間
のずれが小さくなる。その結果良好な切断が行われるこ
ととなる。
一般に照射による熱の拡がりは、加熱部の照射位置か
らの距離をｒ、被加工物の熱拡散率をｋ、照射後の時間
をｔとすれば の関係がある。そこで、今この加熱部の照射位置からの
距離ｒの地点で照射による熱の拡がりが時間ｔ後、準安
定状態になっていると考えると、準安定状態に相当する
距離はｒ、準安定状態に達するまでの時間はｔとするこ
とができ、 ｔ＝r/v したがって ｒ＝ｖ・ｔ そこで の式を展開すると、r2＝16ktとなり、 さらにv2t2＝16ktとなり、v2t＝16kとなる。
よってｔ＝16k/v2 で表すことができる。
したがって、被加工物の材質に応じた熱拡散率ｋと加
工速度ｖが分かれば、準安定状態に達するまでの時間ｔ
を求めることができ、上記時間ｔが分かれば、熱の拡が
りを示す準安定状態に相当する距離ｒを求めることがで
きる。そして、距離ｒが分かれば、被加工物の板厚に応
じたレーザビーム６の傾斜角である補正角θを求めるこ
とができる。
第11図は上記レーザビームの傾斜角度を被加工物の材
質や厚さあるいは加工速度から求めるように構成したレ
ーザ加工機の制御の構成図で、図中5a〜5kは第８図と同
一または相当部品、5lはバッファ5cから必要な情報を読
取り補正量を演算して、その情報をメモリ5jに出力する
傾斜量計算機能、5mは材質毎の熱拡散率を記憶する物理
定数テーブルメモリである。
図において命令を解析してモータの駆動アンプに指令
を与える処理は前記と同様である。傾斜量計算機能51
は、バッファ5cに記憶された加工プログラムより被加工
物の材質や板厚を読取り、物理定数テーブルメモリ5mを
サーチして読取った材質にしたがって熱拡散率ｋを求
め、該熱拡散率ｋと加工速度ｖとを ｔ＝16k/v2 に代入して移動伝熱量が準安定状態になる時間ｔを算出
し、さらにこのｔを ｒ＝vt に入れて準安定状態に相当する距離ｒを求め、この距離
ｒと板厚Ｔとから、次式によって補正角θを計算する。
θ＝90−TAN-1（T/r） その計算した補正角θの値をメモリ5jに記憶させる。
このようにして被加工物の材質、板厚、加工速度に応じ
た傾斜角を加工プログラムより自動的に設定することが
できる。
なお本実施例では加工プログラムより材質や板厚を求
めているが、適当なマンマシン・インタフェースを備え
て図面などから作業員が直接設定してもよい。また補正
量θもその都度計算するのではなく、予めテーブルを作
成しておき、それを検索するようにしてもよい。
［発明の効果］ 本発明はレーザ加工機及びレーザ加工方法において、
被加工物に照射するレーザビームを加工ヘッドの相対的
進行方向に対して後側に傾斜させ、そのレーザビームの
照射角θを被加工物の材質、板厚及び加工速度に応じて
変化させるようにしたので、ドラグラインが流れるのを
抑制し、これにより加工速度を上昇させることが可能と
なった。
また、加工中加工プログラムを解読して、常に上記進
行方向に対して後側の傾斜を保持するようにしたので、
加工形状が限定されることなくレーザ加工の生産性を向
上させることとなった。
さらに加工プログラムより被加工物の材質、厚さ及び
加工速度を読取り、それに応じて最適のレーザビームの
傾斜角を自動的に選択し得るように構成したので、経験
の浅い作業員でも容易に加工し得るようになるととも
に、厚板の加工が容易となった。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例である加工ヘッドの断面図、
第２図はレーザビームによる切断面の断面図、第３図は
ビーム傾斜角とドラグライン曲り量との関係を示す線
図、第４図はビーム傾斜角と切断速度との関係を示す線
図、第５図は他の実施例を示す加工ヘッドの断面図、第
６図はビーム傾斜の説明図、第７図は他の実施例を示す
加工ヘッドの断面図、第８図は制御装置の構成図、第９
図（ａ）はレーザビームと被加工物との関係を示す側面
図、同（ｂ）はレーザビームの移動を示す説明図、第10
図はレーザビームによる加熱状態を示す、（ａ）は平面
図、（ｂ）は側面図、第11図は制御装置の構成図、第12
図（ａ）は従来のレーザビーム加工機の斜視図、同
（ｂ）は加工ヘッドの斜視図、第13図は制御装置の構成
図、第14図（ａ）はレーザビームによる加工説明図、第
14図（ｂ）は加工ヘッドの断面図、第15図（ａ）（ｂ）
は切断面の説明図、第16図は切断速度とドラグライン曲
り量との関係を示す線図である。 図中１はレーザ光を発振するレーザ発振機、２は加工機
本体、３は集光レンズ及び加工ガスノズルを備えた加工
ヘッド、４は加工テーブル、５はレーザ発振機及び加工
機本体を制御する制御装置、5aは加工プログラムを内蔵
するメモリ、5bはその読みだし装置、5cはバッファ、5d
はバッファにセットされた命令を解析する機能、5eはそ
の解釈に基ずく移動指令生成機能、5fはその移動指令を
駆動モータに伝えるモータ制御機能、5gは駆動アンプ、
5hはモータ、5iは位置検出器、5jは傾斜量メモリ、5kは
傾斜補正機能、5lは傾斜量演算機能、5mは物理定数テー
ブルメモリ、６はメーザビーム、８は集光レンズ、９は
被加工物、17はドラグライン、18は火花、20は切断方向
を示す矢印、21、22は反射鏡、23はレーザビームの入射
軸、24、25は歯車、26はモータ、27は照射軸、30、31は
加工レンズ移動用ねじである。 なお図中の同一符号は同一または相当部品を示すものと
する。
フロントページの続き (72)発明者 吉安 重宏 愛知県名古屋市東区矢田南５丁目１番14 号 三菱電機株式会社名古屋製作所内 (72)発明者 廣崎 達也 愛知県名古屋市東区矢田南５丁目１番14 号 三菱電機株式会社名古屋製作所内 (72)発明者 久保 学 愛知県名古屋市東区矢田南５丁目１番14 号 三菱電機株式会社名古屋製作所内 (72)発明者 今泉 一 愛知県名古屋市東区矢田南５丁目１番14 号 三菱電機メカトロニクスソフトウェ ア株式会社内 (56)参考文献 特開 昭59−21491（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−121411（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−195888（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】レーザビームを出力するレーザ発振器と、
    上記レーザビームを集光し被加工物に照射する加工ヘッ
    ドと、被加工物を載置する加工テーブルと、該加工テー
    ブルと上記加工ヘッドをＸ、Ｙ平面内で相対移動制御す
    る制御装置とを備えてなるレーザ加工機が、 上記加工テーブルを移動制御する制御装置に加工プログ
    ラム解析機能とともに傾斜量演算機能及び物理定数記憶
    機能を備え、 加工中加工プログラムを解析することにより、加工形状
    に沿って上記レーザビームの照射角を常に加工ライン進
    行方向に対して後側に傾斜させ、被加工物の材質、板厚
    及び加工速度に応じて、上記レーザビームの照射角の傾
    斜を変化させ得るように構成した ことを特徴とするレーザ加工機。
  2. 【請求項２】レーザ発振器より出力されるレーザビーム
    を加工ヘッドより被加工物に照射し、上記被加工物を相
    対移動させながら切断加工を行うレーザ加工方法におい
    て、 上記被加工物に照射するレーザビームを加工ヘッドの相
    対的進行方向に対して後側に傾斜させ、そのレーザビー
    ムの照射角θを被加工物の材質、板厚及び加工速度に応
    じて変化させることを特徴とするレーザ加工方法。
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