JP3680025B2

JP3680025B2 - レーザ加工装置のレーザ加工ヘッド

Info

Publication number: JP3680025B2
Application number: JP2001394944A
Authority: JP
Inventors: 泰範茶畑; 孝二政氏
Original assignee: 株式会社日平トヤマ
Priority date: 2001-12-26
Filing date: 2001-12-26
Publication date: 2005-08-10
Anticipated expiration: 2021-12-26
Also published as: JP2003191086A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ光をワークに照射して切断や溶接を行うようにしたレーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ加工装置として特開平６−１９０５８１号公報に示すものが提案されている。このレーザ加工装置は、レーザ加工すべきワークを支持するワークテーブルを２軸制御により傾斜自在かつ回転自在に配設している。又、ワークのレーザ加工を行うレーザ加工ヘッドに、レーザ発振器からのレーザ光を導く光ファイバーケーブルを接続している。前記レーザ加工ヘッドを２軸制御により回転自在かつ傾斜自在に設け、レーザ発振器からのレーザ光を平行光線化するためのコリメータを前記レーザ加工ヘッドの上方の所定位置に収納している。そして、前記コリメータにおいて平行光線化したレーザ光を前記レーザ加工ヘッドの先端部に収納した集光レンズへ導くようになっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記従来のレーザ加工ヘッドにおいては、コリメータがレーザ加工ヘッドの上方に設けられているため、コリメータからレーザ加工ヘッドの先端部に収納した集光レンズまでの光路長が長くなる。このため、レーザ光の拡散距離も長くなり、エネルギーのロスが多くなるという問題があった。特にＹＡＧレーザは拡散角が大きいため、上述の問題が顕著に表れる。
【０００４】
この発明の目的は上記従来の技術に存する問題点を解消して、加工ヘッドを小型化してコリメータを透過したレーザ光の集光レンズまでの光路長を短くしてエネルギーのロスを低減することができるレーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、ワークテーブルに支持されたワークに対し、２軸制御により回転制御自在かつ傾斜制御自在に設けたレーザ加工ヘッドの相対移動によりレーザ光を照射してレーザ加工を行うように構成したレーザ加工装置において、レーザ加工ヘッドの垂直軸線を中心に回転制御される回転支持筒の下端部にレーザ光を反射する第１反射ミラーを収納し、前記回転支持筒の下端外周部に対し水平軸線を中心に回転されて傾斜制御される加工ノズルを設け、この加工ノズルに前記第１反射ミラーからのレーザ光を集光レンズに入射する第２反射ミラーを収納し、前記回転支持筒の下端部寄りにおいて前記第１反射ミラーの直上に位置するようにコリメータを収納し、該コリメータに対しレーザ発振器からのレーザ光を導くための光ファイバーケーブルを接続し、前記コリメータを前記回転支持筒を支持するフレーム側に取付部材を介して取り付けたことを要旨とする。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記コリメータは前記フレーム側に垂下固定した取付部材の下端に連結した固定支持筒の内部に取り付けられ、該固定支持筒は前記回転支持筒の下端部に対しベアリングを介して相対回動可能に支持されていることを要旨とする。
【０００７】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２において、前記回転支持筒の下端開口部には前記第１反射ミラーのホルダーを収納するミラーホルダー収納ケースを取り外し可能に装着し、前記ミラーホルダー収納ケースを前記加工ノズルとともに取り外した状態で一点指向型加工ノズルを装着可能に構成されていることを要旨とする。
【０００８】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項において、前記第１反射ミラーの背面には加工ノズルの先端の開口穴から第２反射ミラーを介してワークを撮像する撮像手段が設けられていることを要旨とする。
【０００９】
請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項において、前記回転支持筒は上下に分割可能に構成され、その分割された下部回転支持筒内にコリメータが収納されていることを要旨とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化したレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの一実施形態を図面に従って説明する。
【００１１】
図２に示すように、このレーザ加工装置のベッド１１にはワーク１３を支持するワークテーブル１２がＸ軸方向（図２の紙面の左右方向）に往復動可能に支持されている。
【００１２】
前記ワークテーブル１２の両側方には一対のコラム（図示略）が立設され、両コラムの上部にはＹ軸支持体（図示略）が架設されている。このＹ軸支持体にはＹ軸サドル（図示略）が図２のＹ軸（紙面と直交する）方向に往復動可能に支持されている。前記Ｙ軸サドルにはＺ軸支持体１４がＺ軸（上下）方向に往復動可能に支持されている。
【００１３】
前記Ｚ軸支持体１４には取付筒１５が上下方向に取り付けられ、該取付筒１５には上部回転支持筒１６が垂直軸線Ｏ１の周りで回動可能に装着されている。前記Ｚ軸支持体１４にはフレーム１７が取り付けられ、該フレーム１７には案内筒１８が取り付けられている。前記上部回転支持筒１６の上端部は、前記案内筒１８に回転可能に嵌入されている。
【００１４】
前記取付筒１５の外周面には支持台２１が一体に設けられ、該支持台２１にはサーボモータ２２が取り付けられている。このサーボモータ２２の上端部に取り付けた駆動プーリ２３と、前記上部回転支持筒１６の上部外周面に嵌合固定した被動プーリ２４との間にはベルト２５が掛装されている。そして、前記サーボモータ２２が起動されて駆動プーリ２３が回転されると、ベルト２５を介して被動プーリ２４及び上部回転支持筒１６が垂直軸線Ｏ１の周りで往復回動される。
【００１５】
前記上部回転支持筒１６の下端開口部には下部回転支持筒２６が直列に連結されている。この下部回転支持筒２６の下端内周面には図１に示すように上下一対のフランジ部２６ａ，２６ｂが一体に形成されている。両フランジ部２６ａ，２６ｂの取り付け穴２６ｃにはアンギュラベアリング２７を介して固定支持筒２８が支持されている。この固定支持筒２８の上端外周面には、前記アンギュラベアリング２７に係止される段差部２８ａが設けられている。固定支持筒２８の下端外周部にはネジ部２８ｂが形成され、該ネジ部２８ｂに螺合したナット２９によってフランジ部２６ａ，２６ｂに対する固定支持筒２８の上下方向の移動を規制している。前記固定支持筒２８内にはレーザの屈折光を平行光線化するためのコリメータ３０が上下方向に挿入され、該コリメータ３０の上端部には光ファイバーケーブル３１が接続されている。この光ファイバーケーブル３１は前記上部回転支持筒１６内を上方に向って導出され、レーザ発振器３２に接続されている。
【００１６】
前記固定支持筒２８の上端外周部にはフランジ２８ｃが溶接により固定され、該フランジ２８ｃには取付部材３３の下端外周部に溶接したフランジ部３３ａがボルトにより連結されている。前記取付部材３３の上端部は、図２に示すように前記Ｚ軸支持体１４に取り付けられた取付板３４に対しボルトにより連結されている。前記コリメータ３０には該コリメータ３０を冷却するための冷却パイプ３５，３５が接続され、図示しない冷却用の水を供給して循環するようになっている。前記光ファイバーケーブル３１及び冷却パイプ３５は保護パイプ３６によって保護されている。
【００１７】
前記下部回転支持筒２６の下端部には図１に示すようにフランジ部２６ｄが一体に形成されている。このフランジ部２６ｄにはミラーホルダー収納ケース４１のフランジ部４１ａが取り外し可能にボルトＢにより連結されている。このミラーホルダー収納ケース４１内には第１反射ミラー４２を収納したミラーホルダー４２ａが図示しないブラケットを介して取り付けられている。前記ミラーホルダー収納ケース４１の側壁には加工ノズル４３が水平軸線Ｏ２の周りで傾斜可能に装着されている。前記ミラーホルダー収納ケース４１には回転支持筒４４がアンギュラベアリング４５を介して水平軸線Ｏ２を中心に回転可能に支持されている。この回転支持筒４４に前記加工ノズル４３が取り付けられている。前記加工ノズル４３の上部にはミラーカバー４６が装着され、該ミラーカバー４６には第２反射ミラー４７が収納されている。
【００１８】
図３に示すように、前記下部回転支持筒２６の外周面にはサーボモータ４８が取り付けられ、そのサーボモータ４８の出力軸に嵌合したプーリ４９と、前記回転支持筒４４の外端外周部に一体に形成したプーリ５０との間にはベルト５１が掛装されている。従って、サーボモータ４８が起動されプーリ４９が回転されると、ベルト５１を介してプーリ５０が回転され、前記加工ノズル４３が水平軸線Ｏ２の周りで往復回動され、加工ノズル４３の傾斜角制御が行われる。前記加工ノズル４３の内部には集光レンズ５２が収納され、前記第１反射ミラー４２及び第２反射ミラー４７を経て下方に導かれたレーザ光を収束して前記ワーク１３に照射し、例えば切断加工を行うようになっている。
【００１９】
この実施形態では、前記サーボモータ２２、駆動及び被動プーリ２３，２４及びベルト２５により、前記上部及び下部回転支持筒１６，２６の回転制御機構を構成している。又、前記サーボモータ４８、プーリ４９，５０、ベルト５１により前記加工ノズル４３の傾斜制御機構を構成している。前記回転制御機構及び傾斜制御機構には図示しない制御装置から制御信号が出力され、加工ノズル４３を垂直軸線Ｏ１及び水平軸線Ｏ２の回りで２軸制御するようになっている。
【００２０】
図１に示すように前記反射ミラー４２の背面には撮像手段としてのＣＣＤカメラ５３が取り付けられている。このＣＣＤカメラ５３によって、ワーク１３から反射された反射光を撮像し、ワーク１３のレーザ加工状態を判断するためのデータを検出するようになっている。
【００２１】
次に、前記のように構成したレーザ加工装置についてその動作を説明する。
図２において図示しない制御装置からの制御信号によりベッド１１上のワークテーブル１２がＸ軸方向にワーク１３の移動制御を行うとともに、Ｚ軸支持体１４がＹ軸方向及びＺ軸方向に移動制御される。ワークテーブル１２及びＺ軸支持体１４のＸ，Ｙ，Ｚ軸方向の移動制御は図示しないサーボモータを備えた移動機構により数値制御される。又、前記上部及び下部回転支持筒１６，２６がサーボモータ２２の回転制御により垂直軸線Ｏ１の周りで回転制御され、加工ノズル４３がサーボモータ４８の作動により水平軸線Ｏ２の周りで回動制御される。このようにして加工ノズル４３のワーク１３に対する数値制御動作が予め作成した加工プログラムに基づいて行われる。
【００２２】
レーザ発振器３２から出力されたレーザ光が光ファイバーケーブル３１を通ってコリメータ３０に導かれ、ここで屈折光が平行光線化されて前記第１反射ミラー４２に入反射される。その後、第２反射ミラー４７に入反射されたレーザ光が集光レンズ５２に入射されて収束される。この収束されたレーザ光は加工ノズル４３の先端部からワーク１３に照射され、ワーク１３が切断加工される。
【００２３】
前記上部及び下部回転支持筒１６，２６の回転動作が行われても、前記コリメータ３０は、前記第１反射ミラー４２と非接触のため取付部材３３によって取付板３４に固定された状態に保持される。
【００２４】
次に、前記のように構成したレーザ加工装置についてその効果を列記する。
（１）前記実施形態では、前記下部回転支持筒２６の下端部にコリメータ３０を収納し、該コリメータ３０を前記第１反射ミラー４２の直上近傍に配置するようにした。このため、コリメータ３０から集光レンズ５２までのレーザ光の光路長が短くなる。従って、レーザ光のエネルギーロスを低減することができ、ワークの加工を確実に行うことができる。
【００２５】
（２）前記実施形態では、下部回転支持筒２６の下端開口部に対し、第１反射ミラー４２のミラーホルダー４２ａを収納したミラーホルダー収納ケース４１を取り外し可能に構成した。このミラーホルダー収納ケース４１を取り外した状態で下部回転支持筒２６の下端開口部に対し１点指向型の加工ノズルを取り外し可能に装着するようにした。このため、使用目的に応じて加工ノズルを取り替えて使用することができる。
【００２６】
（３）前記実施形態では、第１反射ミラー４２のミラーホルダー４２ａの背面に対しＣＣＤカメラ５３を取り付けた。このため、ワーク１３のレーザ加工動作途中において、例えば切断等の加工状態を撮像して制御装置に入力することができ、このため、加工状態を監視して適正なレーザ加工作業を行うデータを得ることができる。
【００２７】
（４）前記実施形態では、上部回転支持筒１６と下部回転支持筒２６により回転支持筒を構成した。このため、取付板３４に取付部材３３を介してコリメータ３０を取り付けた状態で、上部回転支持筒１６に対し固定支持筒２８を支持した下部回転支持筒２６を取り付けることによりコリメータ３０の装着や取り外しを容易に行うことができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上詳述したように、請求項１〜５記載の発明は、コリメータから集光レンズまでのレーザ光の光路長を短くしてレーザ光のエネルギーのロスを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明を具体化したレーザ加工ヘッドの要部拡大断面図。
【図２】レーザ加工ヘッド全体を示す縦断面図。
【図３】レーザ加工ヘッドの正面図。
【符号の説明】
１４…Ｚ軸支持体、１５…取付筒、１６…上部回転支持筒、２６…下部回転支持筒、２７…アンギュラベアリング、２８…固定支持筒、３０…コリメータ、３１…光ファイバーケーブル、３２…レーザ発振器、４１…ミラーホルダー収納ケース、４２…第１反射ミラー、４２ａ…ミラーホルダー、４３…加工ノズル、４４…回転支持筒、４７…第２反射ミラー、５２…集光レンズ、５３…撮像手段としてのＣＣＤカメラ。

Claims

ワークテーブルに支持されたワークに対し、２軸制御により回転制御自在かつ傾斜制御自在に設けたレーザ加工ヘッドの相対移動によりレーザ光を照射してレーザ加工を行うように構成したレーザ加工装置において、
レーザ加工ヘッドの垂直軸線を中心に回転制御される回転支持筒の下端部にレーザ光を反射する第１反射ミラーを収納し、前記回転支持筒の下端外周部に対し水平軸線を中心に回転されて傾斜制御される加工ノズルを設け、この加工ノズルに前記第１反射ミラーからのレーザ光を集光レンズに入射する第２反射ミラーを収納し、前記回転支持筒の下端部寄りにおいて前記第１反射ミラーの直上に位置するようにコリメータを収納し、該コリメータに対しレーザ発振器からのレーザ光を導くための光ファイバーケーブルを接続し、前記コリメータを前記回転支持筒を支持するフレーム側に取付部材を介して取り付けたことを特徴とするレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド。
請求項１において、前記コリメータは前記フレーム側に垂下固定した取付部材の下端に連結した固定支持筒の内部に取り付けられ、該固定支持筒は前記回転支持筒の下端部に対しベアリングを介して相対回動可能に支持されているレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド。
請求項１又は２において、前記回転支持筒の下端開口部には前記第１反射ミラーのホルダーを収納するミラーホルダー収納ケースを取り外し可能に装着し、前記ミラーホルダー収納ケースを前記加工ノズルとともに取り外した状態で一点指向型加工ノズルを装着可能に構成されているレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド。
請求項１〜３のいずれか一項において、前記第１反射ミラーの背面には加工ノズルの先端の開口穴から第２反射ミラーを介してワークを撮像する撮像手段が設けられているレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド。
請求項１〜４のいずれか一項において、前記回転支持筒は上下に分割可能に構成され、その分割された下部回転支持筒内にコリメータが収納されているレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド。