JP2760622B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、炭酸ガスレーザ加工装置に関する。

（従来の技術） 従来、炭酸ガスレーザ加工装置では、レーザ発振器か
ら出射されたレーザ光を集光して被加工物に照射するた
めに、一般にレーザ光の伝送路内に設けられたいくつか
の反射鏡でレーザ光を反射させて被加工物上の集光ミラ
ーまで伝送している。そして、レーザ加工装置の据付
時、あるいはレーザ加工作業開始前には、被加工物に照
射されるレーザ光が所定の大きさあるいはビームモード
になるように、伝送路内にある反射鏡などの取付角度が
目視によって調整されるようになっている。例えば、レ
ーザ加工装置のビームアライメントのチェックはHe-Ne
レーザによる目視、また、集光後のビームチェックはア
クリルバームパターンによる目視、さらに集光レンズの
損傷のチェックは単に目視に頼っていた。

（発明が解決しようとする課題） ところが、レーザ加工装置の稼働日数の経過とともに
被加工物に照射されるレーザ光のモードや大きさが次第
に変化してくる。

この原因としては、例えばレーザ発振器の出射鏡の劣
化と歪、反射鏡と集光ミラーの表面の汚れ、あるいはレ
ーザ光の伝送路中に浮游している塵や水分によるレンズ
効果の変化などがある。この結果、被加工物に照射され
るレンズ光の大きさやモードが変化し、被加工物の加工
品質、例えば被加工物の切断面の品質が変り、さらに、
かりに反射鏡やその保持部の熱変化で反射光の角度がず
れると、被加工物の切断形状も違ってくることになる。
この傾向は、とくにレーザ光の伝送路の長いものや反射
鏡数の多い（例えばスキャナ形）伝送路ほど著しい。し
かし、従来は、これらのチェックは、前述したようにす
べてオペレータの目視に頼っていた。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、レーザ光
のビーム位置とモードおよびビーム径を自動的に検出し
ビームモニタ装置にそれらの信号を入力するビームセン
シング装置を設けてレーザ加工装置のビームのアライメ
ント、集光レンズのずれ等を自動的に修正して加工点で
のレーザビームの位置を自動調整して常に安定したレン
ズ加工を行うことができる炭酸ガスレーザ加工装置を提
供することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段及び作用） 本発明は、レーザ発振器、このレーザ発振器からのレ
ーザ光を伝送する複数個のビームベンダ及びレーザ光を
集光する集光光学系よりなり、ビームベンダのうち２個
はビーム光路調整機構を備え、かつ、ビームセンシング
装置とビームモニタ装置が集光光学系の前後にそれぞれ
配設されたレーザ加工装置において、レーザ加工前にレ
ーザ光の特性を調整して基準値を設定する手段と、該基
準値を各ビームモニタ装置に記憶させる手段と、レーザ
加工中にレーザ光を各ビームセンシング装置でサンプリ
ングしてレーザ情報を得る手段と、該レーザ情報を各ビ
ームモニタ装置に記憶してある基準値と比較し両者の偏
差を算出する手段と、該偏差が所定の許容値を超えてい
るときには該偏差を修正して該許容値内に収める手段
と、該偏差を修正しても該許容値内に収まらないときに
はアラーム信号を発生する手段と、からなるレーザ加工
装置に関する。

（実施例） 以下、本発明の炭酸ガスレーザ加工装置の一実施例を
図面を参照して説明する。

第１図は本発明のレーザ加工装置の一実施例の全体図
を示し、炭酸ガスレーザ発振器１はレーザ光２を出射
し、このレーザ光２はビームベンダ3A,3B,3Cによってそ
のレーザ光路を図示のように変えられ、集光レンズ４に
入射され、かつ、集光される。そして、通常の加工時に
は、被加工物（図示なし）上に照射されて各種レーザ加
工を行うようになっている。第１図の実施例では、ビー
ムベンダ3C、集光レンズ４を含むレーザ加工ヘッド５が
加工機（図示なし）の通常の加工範囲を外れた特定の位
置、すなわちビーム確認位置、にある状態を示してい
る。このビーム確認位置では、集光レンズ４の上方と、
集光レンズ４の下方かつ焦点６の下側にビームセンシン
グ装置7A,7Bが集光レンズ４と焦点６に対して対称の位
置にそれぞれ設置されている。さらに、これらのビーム
センシング装置7A,7Bには、それぞれビームモニタ装置8
A,8Bが接続されている。また、センシングビーム取り出
しミラー9Aがセンシングミラー取り出しミラー駆動機構
10の中に配設され、またセンシング用のレーザビームを
取り出すためのキーとして、センシングが必要な時の
み、取り出しミラー9Aはミラー移動制御装置11の指示に
より駆動されてレーザ光路内に挿入される。これにより
センシング用ビームをビームセンシング装置7Aへ送るよ
うに構成されている。しかしセンシング不要時には、ミ
ラー9Aはレーザ光路から外れるようになっている。さら
に、ビームベンダ3A,3Bは、それらに内蔵されているベ
ンダミラー（図示なし）の角度をベンダミラー制御装置
12の指示により自在に変更し、レーザ光２の光路を調整
する。集光レンズ４は、さらに、集光レンズ調整機構13
に取り付けられていて、集光レンズ調整機構13の作動に
より、ミラーマウントを移動して必要により、レーザ光
２と直交する２方向（X,Y）にその位置を移動調整でき
るようになっている。

次に、このようにして構成された本発明の炭酸ガスレ
ーザ加工装置の操作を説明する。炭酸ガスレーザ加工装
置で被加工物を加工する際には、まず、加工を始める前
に、実際の加工条件と同一条件の出力光をレーザ発振器
１から出射する。そして、そのレーザビームをセンシン
グビーム取り出しミラー9Aにより取り出し、さらに、ビ
ームセンシング装置7Aで抽出して、ビームモニタ装置8A
にモニタ画像として、例えば第２図に示すようなＸ方向
のビームモード14と、Ｙ方向のビームモード（図示な
し）を表示装置15に表示する。ここで、第２図におい
て、横軸はビームの位置と径、縦軸はビーム横面のモー
ドを示し、これらによりレーザビームの進行方向に対す
る位置ずれとビーム径及びビーム横断面のエネルギー分
布を表わすようになっている。

ついで、表示装置15に表示された画像からレーザビー
ム位置、径及びビームモードが所定の許容値（基準値）
内にあるか否かを判断する。もし、表示装置15を見て画
像が特定の製品を加工するために規定されている基準値
から外れているときには、基準値内になるように修正す
る。この修正は、まず、レーザビーム位置については、
第１図に示したビームベンダ3A,3Bの角度をベンダミラ
ー制御装置12により自動的に修正変更して調整する。ま
た、径、ビームモードについては、レーザ発振器１のミ
ラー角度の調整をするか、あるいはガスレーザ発振器１
の出力鏡（図示なし）やビームベンダ3A,3B,3C内のミラ
ー（図示なし）を清掃するか、ないしはレーザビーム伝
送路中にあるドライエアの量等を調整して行う。さら
に、この修正の際、レーザビーム径が許容値（基準値）
内に入らない場合には、コリメータを伝送路中、本実施
例ではレーザ発振器１とビームベンダ3Aとの間、に挿入
してレーザビーム径が基準値内に入るように調整する。
また、コリメータを使用しなくともレーザビーム径が基
準値内に入っている場合には、コリメータをレーザビー
ムの伝送路外にはずしておく。このようにして調整した
レーザビームの情報は、ビームモニタ装置8Aに記憶され
る。

以上の操作が終了した後、センシングビーム取り出し
ミラー9Aをレーザ光路外にずらし、レーザ光を集光レン
ズ４に送る。また、この集光レンズ４を通過した後のレ
ーザ光についても、ビームセンシング装置7Bとビームモ
ニタ装置8Bにより監視する。もし、レーザ光の情報（レ
ーザビーム位置、径、レーザモード）が許容される基準
値から外れているときには、集光レンズ４の異状（例え
ば、汚れ、スパッタの付着、取り付け位置不良）や炭酸
ガス吹付けノズル部（図示なし）の異状をチェックし、
基準値をもつレーザビームに修正し、その情報をビーム
モニタ装置8Bに記憶させた後本加工に入る。

ついで、本加工では、まず第１図に示したレーザ加工
ヘッド５を所定の加工位置に移動させ、当該被加工物に
対応した加工シーケンスプログラムにしたがって本加工
を行う。そして、本加工の合間に、レーザ加工ヘッド５
をビームセンシング装置7A,7Bに取り付けられている位
置へ移動させ、そこでレーザビーム情報（レーザビーム
位置、径、ビームモード）をサンプリングし、すでにビ
ームモニタ装置8Aに記憶されているレーザビーム情報と
比較し、両者の偏差を算出する。比較の結果、サンプリ
ングしたレーザビーム情報が所定の許容値内に入ってお
れば次の加工を行う。かりに、両者の偏差が該許容値を
超えていた場合には、ビームモニタ装置8A,8Bの指示に
より所定の許容値に入るようにレーザビームを修正して
から次の加工を行う。もし、修正しても許容値に入らな
ければ別途アラーム信号を出して次の加工を中止する。

ここで、レーザビームの修正方法について説明する。
例えば、第３図に示すように、表示装置15に表示された
実線で示す予め記憶された基準となるレーザビーム情報
16Aに対し、点線で示す横方向と高さ方向にずれたレー
ザビーム情報16Bがサンプリングされた場合について説
明する。そのずれ量が、例えば横方向で2mm以上、高さ
方向で±20％以上となった時には、次の加工前にレーザ
ビームの調整を行う。この調整は、まず、第１図に示し
たセンシング装置7Aとビームモニタ装置8Aとにより集光
レンズ４に入光する前のレーザビームを調整することに
より行う。この調整では、まず、レーザビーム位置を調
整する。レーザビーム位置の調整は、ビームモニタ装置
8A,8Bに入ったレーザビームの位置ずれ量に関する情報
をベンダミラー制御装置12に送り、ここで、このずれ情
報を基準にしてビームベンダ3A,3B,3Cのミラー角度を変
更し、レーザビームの位置ずれを修正し、許容値内に入
れる。この修正操作によりレーザビーム位置が許容値内
に入ったら、次にビーム径とレーザモードの調整をレー
ザ加工装置のオペレータがマニュアルで行う。すなわ
ち、ビーム径とレーザモードが許容値内に入っていない
場合には、アラーム信号を出す。オペレータは、このア
ラーム信号によりビーム径とレーザモードをビームモニ
タ装置8Aで確認した後、ビーム径についてはコリメータ
をレーザ光の光路内に挿入して許容値内に入れるように
する。また、レーザモードについては、レーザ発振器１
のミラーや出力鏡の角度の調節、伝送路内のドライエア
のチェック等により調整する。

以上の調整操作によりサンプリングされたレーザビー
ムの情報が所定の許容値内に入った時には、次に集光レ
ンズ４にレーザビームを送り、ビームセンシング装置7B
とビームモニタ装置8Bによりレーザビームをチェックす
る。そして、そのレーザビーム情報が許容値内に入って
いれば、次の加工に入る。もし、許容値内に入っていな
い場合には、再度、アラーム信号を出す。オペレータ
は、このアラーム信号を基にビームモニタ装置8Bでレー
ザビーム情報をチェックし、もしビームモードが許容値
外の時には、集光レンズ４と炭酸ガスノズルをチェック
し、異状（例えば、集光レンズへの溶接スパッタの付
着）があれば、それらを交換する。次にビーム位置をチ
ェックし、ビーム位置が基準値よりずれている場合に
は、集光レンズ４のレンズ位置を集光レンズ調整機構13
により移動させてビーム位置を許容値内に収めるように
調整する。さらに、ビーム径をチェックし、ビーム径が
許容値を超えている場合には、集光レンズ４の焦点位置
をチェックし、焦点位置と基準値のずれ量の分だけレー
ザ加工装置の集光系の高さを調整する。

以上の操作を繰り返すことによりレーザビーム情報を
許容値内修正できたら、次の加工に移る。

このように、本発明の炭酸ガスレーザ加工装置では、
集光レンズ４の前後にビームセンシング装置7A,7Bを設
け、このビームセンシング装置7A,7Bで抽出したレーザ
ビーム情報により、レーザビームの特性を制御しながら
被加工物を加工するので、常に安定したレーザ加工を行
うことができる。

さらに、本発明に用いるビームセンシング方法の一例
を第４図に示す。第４図において、レーザ発振器１から
出射されたレーザ光２はビームベンダ3Cによってその方
向を変えられ、集光レンズ４の方向へ進む。この時、レ
ーザビームをビームセンシング装置7A,7Bによりセンシ
ングしてモニタするが、第４図のものにおいては、この
センシング用ビームを取り出す方法として、ビームベン
ダ3Cと集光レンズ４との間に配設したセンシングビーム
取り出し用直角ミラー9Bを使用する。すなわち、この方
法は、第５図に示すように、紙面に垂直方向のレーザ光
２に対してセンシングビーム取り出し用直角ミラー9Bを
第５図（ａ）の矢印Ｓの方向に一定速度で第５図
（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すように通過させる。この
時、直角ミラー9Bは、第４図に示すように、レーザ光２
に対して45°の角度をもって通過する。そして、直角ミ
ラー9Bは、この45°に傾けた場合のレーザ光進行方向に
対する投影が直角となるようなミラー形状となってい
る。このような構成にすることにより、１回のセンシン
グビーム取り出し用直角ミラー9Bの操作で、ビームセン
シング装置7A,7Bの両方にセンシングビームを取り出す
ことが可能となる。すなわち、ビームセンシング装置7A
には直角ミラー9Bで反射されたビームが、また、ビーム
センシング装置7Bには直角ミラー9Bを通過したビームが
取り出される。

さらに、この取出し状態を第６図により説明する。第
６図は本実施例によりサンプリングされたレーザビーム
の状態をビームモニタ装置15上で見たものである。第６
図において、縦軸はエネルギー強度、横軸はビーム径方
向の距離を示す。ここで実線16Cはセンシングビーム取
り出し用直角ミラー9Bにより反射され、ビームセンシン
グ装置7Aによりセンシングされたビームの情報を示し、
また、点線16Dはビームセンシング装置7Bによりセンシ
ングされたビームの情報を示す。もし、ここで集光レン
ズ４や集光系のノズル部等に異常がなければ、第６図に
示すように、実線16Cと点線16Dの波形は、左右は逆であ
るが上下に対象形となってビームモニタ装置上に表示さ
れる。もし、光学系等に異常があれば、実線16Cと点線1
6Dの波形が異なることになる。したがって、このような
ビームセンシング方法によれば、１回のレーザ光のサン
プリングで同時に２カ所でレーザビームのチェックがで
き、かつ、集光レンズを含む加工集光部の異常を容易か
つ適確にチェックできるようになる。

次に本発明の炭酸レーザ加工装置の他の実施例を第７
図について説明する。この実施例のレーザ加工装置で
は、主要部の一部の構成は、第１図のものと同じである
ので、共通の部分名称は同一符号を付してその説明は省
略する。第７図に示す実施例のビームセンシング方法で
は、ビームセンシング装置7A,7Bでビームをセンシング
する時には、レーザ加工装置の機能を利用する。すなわ
ち、通常、レーザ加工装置は、レーザビームを操作して
加工を行うが、このため、レーザ光または加工テーブル
をＸ方向（第７図では左右方向）、Ｙ方向（同じく紙面
に垂直方向）、Ｚ方向（同じく上下方向）の３方向に移
動する機能をもつ。そこで、本実施例では、レーザ加工
装置をもつこのような機能を利用して、レーザ光のサン
プリングを行うものである。すなわち、ビームセンシン
グ装置7Aでレーザビームをセンシングする場合には、集
光レンズ４を内蔵した集光ヘッド17を先に述べたＹ方向
とＺ方向にビームセンシング装置7A上を移動させてレー
ザビームをサンプリングする。また、ビームセンシング
装置7Bでレーザビームをセンシングする場合には、集光
ヘッド17をＸ方向とＹ方向にビームセンシング装置7B上
を移動させてレーザビームをサンプリングする。このよ
うにサンプリングすることにより、ビームセンシング装
置7A,7Bの地点での直交する２方向のレーザビームの情
報をチェックでき、かつ、必要によりそれを修正でき
る。さらに、このビームセンシング方法によれば、レー
ザ光のサンプリングに、レーザ加工装置の動作機能を利
用できるので、実用上、レーザ加工装置の構造を簡略化
できる。

なお、本実施例では、モニターするレーザビームの情
報をビーム位置、ビーム径、ビームモードとしたが、こ
れらのほかにレーザ出力を加えることもできる。

さらに、レーザ加工中に集光レンズの損傷、レーザ出
力異状、ビーム径及び焦点変化のチェックをすることも
可能である。

また、レーザ情報サンプリング時等の出力減に対応す
るためレーザ発振器とビームベンダとの間にチョッパー
を配設することもできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、レーザ発振器から出射されたレーザ
光を反射鏡を経て集光レンズに伝送し、移動自在な加工
テーブル上の被加工物をレーザ加工する炭酸ガスレーザ
加工装置において、集光レンズにレーザ光を伝送する伝
送路と集光ミラーで集光後レーザ光が拡大される点にレ
ーザ光のビームセンシング装置を設けてレーザビームの
情報をサンプリングしてビームモニタ装置で予め記憶さ
れている基準値と比較して、光学系の異常を加工前に検
出できるようにしたので、常に安定した炭酸ガスレーザ
加工装置を得ることができる。とくに、集光レンズの損
傷もその破壊前に検知できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ加工装置の一実施例の全体図、
第２図は本発明のレーザ加工装置の表示装置に表示され
たビームモードを示す線図、第３図は表示装置に表示さ
れたビーム情報を示す線図、第４図は本発明によるビー
ムセンシング方法の一例を示す該略図、第５図は本発明
のセンシングビーム取り出し用直角ミラーでセンシング
ビームを取り出す方法を示す概略図、第６図は本発明の
実施例によりサンプリングされたレーザビームの状態を
ビームモニタ装置上で見た線図、第７図は本発明のレー
ザ加工装置の他の実施例の全体図である。 １……レーザ発振器、２……レーザ光、3A,3B,3C……ビ
ームベンダ、４……集光レンズ、５……レーザ加工ヘッ
ド、６……焦点位置、7A,7B……ビームセンシング装
置、8A,8B……ビームモニタ装置、9A……センシングビ
ーム取り出しミラー、9B……センシングビーム取り出し
用直角ミラー、10……センシングミラー駆動機構、11…
…ミラー移動制御装置、12……ベンダミラー制御装置、
13……集光レンズ調整機構。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−271087（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−33085（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−278987（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−133186（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−39285（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−177005（ＪＰ，Ａ) 実開 昭61−200684（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/18

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザ発振器、このレーザ発振器からのレ
   ーザ光を伝送する複数個のビームベンダ及びレーザ光を
   集光する集光光学系よりなり、前記ビームベンダのうち
   ２個はビーム光路調整機構を備え、かつ、ビームセンシ
   ング装置とビームモニタ装置が前記集光光学系の前後に
   それぞれ配設されたレーザ加工装置において、 レーザ加工前にレーザ光の特性を調整して基準値を設定
   する手段と、 該基準値を前記各ビームモニタ装置に記憶させる手段
   と、 レーザ加工中にレーザ光を前記各ビームセンシング装置
   でサンプリングしてレーザ情報を得る手段と、 該レーザ情報を前記各ビームモニタ装置に記憶してある
   前記基準値と比較し両者の偏差を算出する手段と、 該偏差が所定の許容値を超えているときには前記偏差を
   修正して前記許容値内に収める手段と、 前記偏差を修正しても前記許容値内に収まらないときに
   はアラーム信号を発生する手段と、 からなるレーザ加工装置。