JP3900084B2 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

この発明は、３次元レーザ加工機等に用いられる、移動式のレーザ加工ヘッドに関するものである。

第４図は、例えば特開平７−１７８５４６号公報などに示される、従来のレーザ加工ヘッドを示す断面図である。第４図において、レーザ発振器（図示せず）から出射されたレーザ光Ｌが光路６を通って加工ヘッド部を構成するトーチ本体１に入射した後、ノズル部７の孔からレーザ光Ｌが出射され、加工対象であるワーク（図示せず）を加工するものである。

トーチ本体１の一部を構成するとともに、磁石８とスイッチ５と貫通孔１０とを夫々所定の位置に備えるフランジ４と、フランジ４の形状に対応して形成され、内周壁３ａ，内底面３ｂを備えた溝３を有し、且つ磁石８，貫通孔１０に対応して夫々磁性体９とネジ１１及び弾性部材１２とを備えるブラケット２とを有し、溝３にフランジ４を嵌合させ磁石８と磁性体９との磁力で接合することにより、ブラケット２がトーチ本体１を保持するようになっている。

以上の構成において、トーチ本体１の先端にある先端ノズル部７等に何らかの障害物、例えばワークが衝突して磁石８と磁性体９との磁気力で固定した固定力を越えた衝撃力がトーチ本体１に加わると、加工ヘッド部がその衝撃力で壊れることを防止するために、磁石８と磁性体９とが離れ、障害物が接触した部分と反対方向のフランジ４の上面が弾性部材１２を押し、フランジ４がブラケット２の溝３から持ち上がり、脱離するような構造となっている。

上述のように、一旦フランジ４が溝３から脱離したトーチ本体１は、障害物からの回避、或いは障害物の除去後、フランジ４が弾性部材１２によって押圧されてフランジ４は溝３に再び嵌合され、磁石８と磁性体９とにより磁気的に固定され、トーチ本体１は元の状態に復帰するようになっている。

しかし、実際には、フランジ４が本来の嵌合（ハメアイ）状態から脱離してその一部が持ち上がった後、ブラケット２の上縁面２ａに乗り上げた状態で引っ掛かってしまう場合があり、スムーズな復帰動作をしないという不具合があった。また、フランジ４と上縁面２ａとが引っ掛かるということが起きないようにハメアイ隙間を大きくすると、芯出し精度が低下するといった不具合があった。

また、近年、レーザ加工機においては、その性能向上にともなって、加工動作の高速化及び高加速度化が進んでいる。また、３次元レーザ加工機の場合、ノズルの方向は下向きのみではなく、通常水平方向にまで回転する。質量の大きなトーチ本体１及び先端ノズル部７が加工時の移動（特に加速）によって位置ずれを起こさないように、磁石などによる固定力は大きくする必要があった。一方、固定力を過度に強くすると、障害物との衝突時に衝撃を十分に吸収できず、トーチ本体１が傾斜する以前に、衝撃力によって先端ノズル部７が破損する場合が多く、この点に着目すると固定力をあまり強く設定できないといった問題点があった。

この発明は、上述のような問題点を解決するためになされたものであり、簡単な構成により、確実に破損防止機能が動作し、加工ヘッド部の損傷を防ぐとともに、一旦係合状態から脱離した加工ヘッド部が確実に元の係合状態へ復帰することができるレーザ加工ヘッドを得ることを目的とするものである。

この発明は、レーザ光の光軸方向に沿った方向の第一の端部に外周面に嵌着部を形成したフランジを有するとともに、第二の端部にレーザ光出射用ノズルを有する第一の加工ヘッド部と、この第一の加工ヘッド部の前記フランジ部と係合し、前記嵌着部と対向する内周面に凹部が形成された第二の加工ヘッド部と、前記嵌着部に嵌着されたＯリングとを備え、前記Ｏリングが前記凹部の支持部と圧接することにより、前記第一の加工ヘッド部を前記第二の加工ヘッド部に保持するとともに、前記Ｏリングが前記凹部の支持部から外れることで、前記第一の加工ヘッド部が前記第二の加工ヘッド部との係合から脱離するレーザ加工ヘッドを提供するものである。

上記の構成により、確実に破損防止機能が動作し、加工ヘッド部の損傷を防ぐとともに、一旦係合状態から脱離した加工ヘッド部が確実に元の係合状態へ復帰することができる。
また、この発明は、凹部の上部にテーパ形状部が形成されたレーザ加工ヘッドを提供するものである。
上記の構成により、加工ヘッド部の元の係合状態への復帰が、より確実に且つスムーズになる。

実施の形態１．
図１及び図２は、この発明の第一の実施の形態によるレーザ加工ヘッドを説明するための要部断面図である。図１は、フランジ付きパイプが中空かご型部材と係合した状態、図２はフランジ付きパイプが中空かご型部材との係合から脱離し、傾いた状態を示している。

図１において、２１は下端にレーザ光出射用ノズルとしての先端ノズル部１７を取り付けるとともに上端にフランジ２１ａを有する第一の加工ヘッド部としてのフランジ付きパイプ、２２は内面にフランジ２１ａを嵌合溝２３にて嵌合し支持固定する第二の加工ヘッド部としての中空かご型部材である。中空かご型部材２２は、フランジ付きパイプ２１の嵌着部２１ｂと中空かご型部材２２の圧接凹部２２ａとの間に挿入された弾性を有するＯリング２４を介して、フランジ付きパイプ２１を支持固定している。

Ｏリング２４は、嵌着部２１ｂに嵌着保持されており、また、中空かご型部材２２の圧接凹部２２ａにはこのＯリング２４を僅かにつぶす程度の凹形状の支持部２２ｂが形成されている。また、圧接凹部２２ａの上部にはテーパ形状部２２ｃが形成されている。

フランジ付きパイプ２１の、中空かご型部材２２への固定に、磁石を用いず、Ｏリング２４を用いたことにより、簡単な構成で、一定以上の衝撃力を受けた場合の、フランジ付きパイプ２１の中空かご型部材２２からの確実な脱離を可能とすることが出来る。

図１に示すように、加速力及び回転により作用方向の変化する重力はともに、フランジ付きパイプ２１及びそれに取り付けられた先端ノズル部１７などを含む可動部の重心Ｇに作用する。この場合、点Ｐを支点に点Ｑが上方に移動するモーメントが作用し、このモーメントによりフランジ付きパイプ２１が傾斜することになる。しかし、重心Ｇに作用する力Ｆは、Ｏリング２４を介して圧接凹部２２ａに作用するため、圧接凹部２２ａのＯリング２４に対する保持力は、この力Ｆに比例して増大する。したがって、圧接凹部２２ａの支持部２２ｂからＯリング２４がはずれることはない。

また、先端ノズル部１７にワーク（図示せず）が当接し、図２に示すように、フランジ付きパイプ２１が傾く場合を考える。

フランジ付きパイプ２１はＯリング２４とＯリング２４保持のための凹形状の支持部２２ｂとの接触点Ｐを支点として傾くが、フランジ付きパイプ２１の傾きにより、Ｏリング２４が圧接凹部２２ａに乗り上げた場合にも、圧接凹部２２ａの上部にテーパ形状部２２ｃを設けたことと、該テーパ形状部２２ｃの表面に接するＯリング２４が、弾性を有し表面がなめらかな材質であるために、従来例のもののようにブラケット（中空かご型部材２２に相当）とフランジとの双方が硬い材質で構成され、それによりブラケットのテーパ面にフランジのエッジ部が抉るように引っ掛かるということが起こらないこととが相俟って、一旦傾いたフランジ付きパイプ２１が傾いた（本来の位置からずれた）状態のまま留まるといったことが起きず、テーパ形状部２２ｃをＯリング２４が下に向かってなめらかに滑り、結果的に、フランジ付きパイプ２１が本来の位置に再現性よく復帰，嵌合することが可能になる。

実施の形態２．
図３は、この発明の第二の実施の形態によるレーザ加工ヘッドを説明するための要部断面図である。

図３において、図１，図２と同一の符号を付したものは、同一またはこれに相当するものであるため、詳細な説明は省略する。

図３において、フランジ付きパイプ３１はバネ３７によって中空かご型部材３２の内面に押圧されている。また、３５は係合機構をかご型部材３２から分離した独立した係合部材であり位置決め機能を備えた、内側上部にテーパを形成したリング状部材（以下適宜、テーパリングと記す）、３６はテーパリング３５の位置調整を行う中空かご型部材に取り付けられた調整ネジ、３８はかご型部材３２の接触面３２ｄとフランジ３１ａの接触面３１ｃとの間に挿入された低摩擦係数面として機能するスリップシートである。
３３は嵌合溝であるが、この実施の形態のものの場合、上述の第一の実施の形態のものと異なり、フランジ付きパイプ３１の嵌着部３１ｂに嵌着されたＯリング３４の外周側には位置決め用のテーパリング３５及びそのテーパリング３５の位置を調整する調整ネジ３６が設けられており、このため、フランジ３１ａと嵌合溝３３との寸法精度は、第一の実施の形態のものほど、厳密な寸法精度を要求されない。

バネ３７でフランジ３１ａを押す力が働く場合、フランジ３１ａ側の接触面３１ｃと中空かご型部材３２側の接触面３２ｄとが直接、接していると、接触面３１ｃと接触面３２ｄとの間には摩擦力が働く。特に一旦傾くと、フランジ３１ａのエッジ部が接触面３２ｄに集中加重を加える。このため、その点の摩擦力が増大し、当接が解除されていても、バネ３７の押力を大きくしなければ自動的には復帰できない不具合が発生する。そこで、接触面３１ｃと接触面３２ｄとの間に摩擦係数の低いスリップシート３８を設けることにより、バネ３７の押力を大きくすることなくスムーズな位置復帰が可能となり、大きなバネの押力によって破損防止効果を低下させることはない。

また、嵌合溝３３内におけるフランジ付きパイプ３１の位置決めはＯリング３４の弾性力の釣り合いにより、ほぼ決定され、再現性よく位置決めされるものであるが、この実施の形態のもののようにフランジ３１ａを下方に押すバネ３７が存在し、そのバネ３７の押す力が過大に働く場合、接触面３１ｃと３２dとの間には有限の摩擦力が働き、フランジ付きパイプ３１は動き難くなる。すなわち、この摩擦力によって結果的にフランジ付きパイプ３１の位置決め精度は低下する。接触面３１ｃと３２ｄとの間に上述のスリップシート３８を挿入することにより、このバネ３７による摩擦力に起因する位置決め精度の低下も、極めて小さく抑えることが可能となる。

このスリップシート３８は、加工中にかかるアシストガスのシールとしても機能する。

なお、この実施の形態のものでは図３に示すように、スリップシート３８を用いて摩擦力を軽減した低摩擦係数面を実現したが、接触面のうち少なくとも一方に低摩擦係数の被膜を形成してもよい。たとえば、部材がアルミの場合はアルマイト被膜を設けてもよい。

また、フランジ付きパイプ３１を押圧するバネ３７は、この実施の形態のものでは図３に示すように、その線径にまで縮むようにテーパ型としている。このようなテーパバネを使用することにより、ワークに対して垂直方向に当接した場合、その破損防止の余裕ストロークが増し、いっそう、破損防止効果が上がる。

また、フランジ付きパイプ３１を押圧するバネに関しては、この実施の形態では径の大きなテーパバネとしたが、安価な小径バネを複数個用いてもよい。

また、フランジ３１ａの外周面形状を、例えば円弧形状にして、エッジ部が存在しないようにしてもよい。このような構成にすることにより、フランジ３１ａの傾斜及び復帰時に中空かご型部材の内面にフランジ３１ａが引っ掛かりにくくなり、よりスムーズな傾斜及び復帰動作が可能になる。

また、フランジ３１ａに着座検出センサ、或いは、先端ノズル部１７の近傍に接触センサを設け、これらセンサの信号によってレーザ加工機の非常停止を行ってもよい。

以上のように、この発明によれば、第二の加工ヘッド部に設けられた被係合部の内周面と対向する第一の加工ヘッド部のフランジの外周面に設けられた嵌着部に嵌着され被係合部の内周面と圧接するＯリングを備えたことにより、簡単な構成により、第一の加工ヘッド部の障害物との衝突時に確実に破損防止機能が動作し、障害物との衝突による第一の加工ヘッド部、ひいてはレーザ加工ヘッド全体の損傷を防ぐとともに、通常は確実に第一の加工ヘッド部が保持固定される、という効果を奏する。

また、この発明によれば、第二の加工ヘッド部の被係合部にテーパ形状部が形成されたことにより、障害物との衝突により第一の加工ヘッド部が傾斜して係合状態から外れた場合でも、フランジの外周面に設けられた嵌着部に嵌着されたＯリングがテーパ形状部を滑り落ちることにより、第一の加工ヘッド部が傾いた状態のままになることがなく、元の保持固定される位置に位置再現性よく戻る、という効果を奏する。

以上のように、この発明にかかるレーザ加工ヘッドは、例えば３次元レーザ加工機において用いられるのに適している。

この発明の第一の実施の形態によるレーザ加工ヘッドの、フランジ付きパイプが係合した状態の要部断面図である。 この発明の第一の実施の形態によるレーザ加工ヘッドの、フランジ付きパイプが傾いた状態の要部断面図である。 この発明の第二の実施の形態によるレーザ加工ヘッドの要部断面図である。 従来のレーザ加工ヘッドの要部断面図である。

符号の説明

１７ ノズル部、 ２１ 第一の加工ヘッド部、２１ａ フランジ、 ２１ｂ 勘着部、 ２２ 第二の加工ヘッド部、 ２２ａ 凹部、 ２２ｃ テーパ部、 ２４ Ｏリング、 ３１ フランジ付きパイプ、 ３１ａ フランジ、 ３２ 中空かご型部材、 ３４ Ｏリング、 ３５ 係合部材、 ３６ 調整ネジ、 ３７ バネ、 ３８ スリップシート。

Claims (4)

1. レーザ光の光軸方向に沿った方向の第一の端部に外周面に嵌着部を形成したフランジを有するとともに、第二の端部にレーザ光出射用ノズルを有する第一の加工ヘッド部と、
   この第一の加工ヘッド部の前記フランジ部と係合し、前記嵌着部と対向する内周面に凹部が形成された第二の加工ヘッド部と、
   前記嵌着部に嵌着されたＯリングとを備え、
   前記Ｏリングが前記凹部の支持部と圧接することにより、前記第一の加工ヘッド部を前記第二の加工ヘッド部に保持するとともに、前記Ｏリングが前記凹部の支持部から外れることで、前記第一の加工ヘッド部が前記第二の加工ヘッド部との係合から脱離することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 前記凹部の上部にテーパ形状部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工ヘッド。
3. レーザ光の光軸方向に沿った方向の一端に、外周面に嵌着部を形成したフランジを有するとともに、他端にレーザ光出射用ノズルを有するフランジ付きパイプと、
   前記フランジを内設し前記フランジの下面と対向する内面により前記フランジ付きパイプを保持する中空かご型部材と、
   前記中空かご型部材内に配置され、前記フランジ付きパイプの前記フランジと係合し、前記嵌着部と対向する内周面が形成され、前記フランジ付きパイプの位置決め機能を有する係合部材と、
   前記フランジ付きパイプを前記中空かご型部材の前記フランジの下面と対向する内面に押圧するバネと、
   前記嵌着部に嵌着されるとともに前記係合部材の内周面と圧接したＯリングとを備え、
   前記フランジ付きパイプを、前記Ｏリングを介して前記係合部材と係合させつつ、前記バネにより押圧し、前記中空かご型部材に保持することを特徴とするレーザ加工ヘッド。
   
   
4. フランジ付きパイプのフランジと中空かご型部材の接触面との間に低摩擦係数面として機能するスリップシートを備えたことを特徴とする請求項３に記載のレーザ加工ヘッド。

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