JP4395347B2

JP4395347B2 - レーザ加工ヘッド

Info

Publication number: JP4395347B2
Application number: JP2003317351A
Authority: JP
Inventors: 功明塩地; 純一高見
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2003-09-09
Filing date: 2003-09-09
Publication date: 2010-01-06
Anticipated expiration: 2023-09-09
Also published as: JP2005081399A

Description

この発明は、レーザ加工装置におけるレーザ加工ヘッドに関する。

レーザ加工機のレーザ加工ヘッド内に使用されている集光レンズは、レーザ光をワークＷの加工点に向けて集光し、エネルギー密度を上げる目的で使用される透過レンズである。この集光レンズは、レーザ光の熱影響を受けないように、透過性のよい材質が選定されている。例えば、集光レンズなどの透過光学素子の母材として、可視光領域（0.82μｍ〜0.38μｍ）で使用されている一般的な光学ガラス（BK7,SK16,LF1など）が波長透過特性の問題で使用できないため、ZnSe（Zinc Selenide）やKCl（Potassium Chloride）など特殊な物質の結晶が用いられている。

上述のZnSeはKClのように大気中の水分を吸収して損壊する潮解性がなく、機械的強度も優れているので炭酸ガスレーザ加工機などの集光レンズとして広く使用されている。

しかし、集光レンズは劣化等により透過性が失われ、熱吸収や、焦点距離の変動が起こり、焼損が発生する。ZnSe（Zinc Selenide）は、過熱燃焼したときに発生するガスが有毒であるため、焼損時にはレーザ光の照射を即座に停止しなければならない。

特に、集光レンズの焼損時に入射側に発生する煤塵は、レーザ加工ヘッドの光軸内に拡散して付着するため、光軸を構成する蛇腹や反射ミラー等がダメージを受ける。集光レンズの焼損が発生しても、この焼損を検出できない限り、レーザ光の出射を止めることはできない。そのために、集光レンズの焼損を検出する方法として、焼損時の発光や発煙を検出する方法が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１２６９７７号公報

ところで、従来の集光レンズの焼損検出においては、焼損の結果、発煙等の現象や生成物を検出した場合は、焼損により発生する煙がレーザ加工ヘッドの光軸内に拡散している。このため、上記の焼損検出だけでは、上記の焼損により発生した煙による光軸内部の汚染は防げないという問題点があった。

この発明は上述の課題を解決するためになされたものである。

本発明は、前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、レーザ発振器（３）で発振されたレーザ光（ＬＢ）を垂直下方向に反射するベンドミラー（７）をレーザ加工ヘッド（５）内の上部に備え、前記レーザ光（ＬＢ）を集光する集光レンズ（９）を、前記レーザ加工ヘッド（５）において筒体をなすハウジング（１１）内の下端部に備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズ（９）の焼損時に発生した煙を検出するレンズ焼損検出装置（１５）を前記集光レンズ（９）よりも高位置に備え、前記レンズ焼損検出装置（１５）が煙を検出したときに前記ハウジング（１１）内の煙を吸引し外部へ排気するための排出口（４０）を、前記レンズ焼損検出装置（１５）より高位置において前記ハウジング（１１）の側壁に設け、前記レンズ焼損検出装置（１５）が煙を検出したときに前記ハウジング（１１）内を密閉する加工ヘッドシャッタ（４３）を、前記ベンドミラー（７）と前記排出口（４０）の間に備えていることを特徴とするものである。

また、レーザ発振器（３）で発振されたレーザ光（ＬＢ）を垂直下方向に反射するベンドミラー（７）をレーザ加工ヘッド（５）内の上部に備え、前記レーザ光（ＬＢ）を集光する集光レンズ（９）を、前記レーザ加工ヘッド（５）において筒体をなすハウジング（１１）内の下端部に備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズ（９）の焼損時に発生した煙を検出するレンズ焼損検出装置（１５）を前記集光レンズ（９）よりも高位置に備え、前記レンズ焼損検出装置（１５）が煙を検出したときに前記ハウジング（１１）内を密閉する加工ヘッドシャッタ（４３）を、前記ベンドミラー（７）と前記レンズ焼損検出装置（１５）との間に備えていることを特徴とするものである。

以上のごとき課題を解決するための手段から理解されるように、この発明によれば、集光レンズのレンズ焼損検出信号により、レーザ光入射側のレーザ加工ヘッド内の煙を排出するので、前記煙の自然拡散を防止する効果がある。その結果、前記煙が光軸内の各部材を汚染するなどのダメージを防止できる。

また、上記のレンズ焼損検出信号により、加工ヘッド遮断装置でレーザ光入射側のレーザ加工ヘッド内を密閉することで、より一層光軸内への煙の拡散を阻止する効果がある。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１を参照するに、この実施の形態に係るレーザ加工装置１は、レーザ光ＬＢを発振するレーザ発振器３を備え、このレーザ発振器３で発振されたレーザ光ＬＢは強度調整装置（図示省略）を経てレーザ加工装置１に備えられたレーザ加工ヘッド５内の上部に設けられたベンドミラー７を介して垂直下方向へ反射される。このレーザ光ＬＢはレーザ加工ヘッド５内の下部に設けられた集光レンズ９で集光される。この集光されたレーザ光ＬＢの照射光軸心に対して、例えば数値制御のワーク移送位置決め装置（図示省略）で移送位置決めされたワークＷ上に、レーザ光ＬＢの焦点を結ばせて、所望の形状に切断するなどのレーザ加工が行なわれる。

なお、レーザ加工ヘッド５は、筒体をなすハウジング１１の先端部（下端部）内に集光レンズ９が装着されており、集光レンズ９の出射側にはノズル１３が設けられている。

また、集光レンズ９に対して入射側のハウジング１１には、前記集光レンズ９の焼損時に発生した煙を検出するレンズ焼損検出装置としての例えば反射式光センサ１５が設けられている。反射式光センサ１５としては、集光レンズ９の入射側（図１において上部）のハウジング１１内の光軸に同軸２芯の光ファイバが設けられ、このうちの１芯はセンサアンプ１７より光ファイバを通じて前記光軸内に検出用の光を出射し、もう１方の光ファイバで光軸の内壁から反射する光量をセンサアンプ１７に戻して検出するものである。この場合、例えば煙の粒子径は２〜３μｍであり、発煙により上記の検出用の光が煙の粒子で反射し、反射光量が増加したことが光ファイバを用いてセンサアンプ１７により増幅することにより、集光レンズ９の焼損が検出されるものである。なお、上記のレーザ発振器３およびセンサアンプ１７は制御装置１９に接続されている。

また、レーザ発振器３の出射口には、出射されるレーザ光ＬＢを遮断又は開放するレーザ光遮断装置としての例えば発振器シャッタ２１が設けられている。この発振器シャッタ２１の開閉動作は制御装置１９の指令により行われる。

また、集光レンズ９は、熱による焦点位置変動の防止を目的として集光レンズ９を冷却する冷却装置２３が設けられている。この冷却装置２３としては、集光レンズ９の表面に気体としての例えばパージエアを吹き付けて空冷するためのエア供給管路２５がパージエアを供給するエア供給源２７とレーザ加工ヘッド５との間に設けられている。エア供給管路２５の途中にはパージエア供給のＯＮ／ＯＦＦを制御するための冷却開閉装置としての例えば切替えバルブ２９（電磁弁）が設けられている。この切替えバルブ２９は制御装置１９に接続されている。なお、切替えバルブ２９とレーザ加工ヘッド５との間のエア供給管路２５は集光レンズ９に気体を吹き付けるためのパージエア吹付け回路３１を構成している。

また、レーザ加工ヘッド５には、集光レンズ９に対してレーザ光入射側のハウジング１１内に発生した煙を排出するガス排出装置３３が設けられている。ガス排出装置３３としては、集光レンズ９に近い光軸内部の煙を含むガスを吸引するためのガス排出管路３５がレーザ加工ヘッド５のハウジング１１に連通しており、ガス排出管路３５は真空発生器３７に連通している。つまり、レーザ加工ヘッド５のハウジング１１内の煙が真空発生器３７によりガス排出管路３５を介して吸引され、前記真空発生器３７から外部へ排出される。

なお、この実施の形態では、上記の真空発生器３７は、上述した冷却装置２３の切替えバルブ２９にエア供給管路２５により連通されて真空発生回路３９を構成しており、集光レンズ９が焼損したことを反射式光センサ１５で検出したとき、レンズ焼損検出信号で切替えバルブ２９がパージエア吹付け回路３１を遮断すると同時に前記真空発生回路３９に切り替えることにより、例えばエアが真空発生器３７内でガス排出管路３５内を負圧にするように外部へ噴射されることにより、ガス排出管路３５内の負圧で、前記加工ヘッド５のハウジング１１の側壁に設けられた排出口４０より光軸内の煙などのガスが吸引され、外部へ排気される。

なお、真空発生器３７は、上記の切替えバルブ２９により作動しなくとも、独自に作動するよう制御装置１９に接続されていても構わない。また、他の形態の真空発生器であっても構わない。

さらに、ハウジング１１内の光軸と真空発生器３７の間のガス排出管路３５には、発煙を除去するために粉塵除去性能が０．１μｍ以下の粉塵除去装置としての例えばフィルタ４１を設ける。この実施の形態のフィルタエレメントは、０．０１μｍである。これにより、例えば煙の有毒な気体がフィルタ４１で除去された後に、外部に排気されることとなる。

また、レーザ加工ヘッド５には、集光レンズ９に対してレーザ光入射側のレーザ加工ヘッド５内を密閉する加工ヘッド遮断装置としての例えば加工ヘッドシャッタ４３を設ける。この加工ヘッドシャッタ４３は制御装置１９に接続され、集光レンズ９が焼損したことを検出すると同時にレーザ加工ヘッド５内を密閉するために、煙および蒸気が例えばベンドミラー７や蛇腹などの主たる光軸の方へ拡散しないように防ぐことが可能である。

図２を参照するに、制御装置１９は、中央処理装置としてのＣＰＵ４５に、キーボードなどの入力装置４７とＣＲＴやＬＣＤなどからなる表示装置４９が接続されている。

また、上記のＣＰＵ４５には、入力装置４７から入力されたワークＷの大きさや形状、レーザ加工の指示を含む加工プログラムなどのデータを記憶するメモリ５１が接続されている。

また、上記のＣＰＵ４５には、レンズ焼損検出装置としての例えば反射式光センサ１５のレンズ焼損検出信号により、発振器シャッタ２１を作動してレーザ光ＬＢの出射を停止すると共に切替えバルブ２９を作動して集光レンズ９の冷却を停止し、レーザ加工ヘッド５内のレーザ光入射側の煙を排出するよう指令を与える指令部５３が接続されている。

また、上記の指令部５３は、レンズ焼損検出信号により、オペレータに警報を発するよう図２に示されているアラーム５５に指令を与えることもできる。

上記構成により、レーザ加工中にレーザ加工ヘッド５内の集光レンズ９が焼損した時、この焼損時に発生する煙は反射式光センサ１５により検出される。このレンズ焼損検出信号により、制御装置１９の指令部５３から各機器へ指令が与えられる。

すなわち、発振器シャッタ２１が作動してレーザ発振器３から出るレーザ光ＬＢを遮断するので、集光レンズ９を通過するレーザ光ＬＢが停止される。さらに、アラーム５５が作動してオペレータに警報が与えられる。また、パージエア吹付け回路３１の切替えバルブ２９が作動してエア供給源２７から供給されるパージエアが集光レンズ９を冷却するパージエア吹付け回路３１から真空発生器３７への真空発生回路３９に切り替えられる。したがって、集光レンズ９へのパージエア供給が停止すると同時に、ガス排出管路３５内が負圧になるので、レーザ加工ヘッド５内のレーザ光入射側の煙が排出口４０よりガス排出管路３５へ吸引され、煙が途中のフィルタ４１で除去されてから清浄エアが真空発生器３７により外部へ排出される。

したがって、集光レンズ９へのパージエア供給が停止されるので、光軸内への煙の拡散を遅くすることができ、レーザ加工ヘッド５内の煙がすぐに排出されるので、煙の自然拡散を防止できる。その結果、光軸内のベンドミラー７や蛇腹などの光軸部材を汚染するなどの悪影響を防止できる。

また、上記の動作に加えて、レンズ焼損検出信号により、加工ヘッドシャッタ４３でレーザ光入射側のレーザ加工ヘッド５内を密閉すると、光軸内への煙の拡散を阻止するという点で、より一層の効果がある。

実際の試験結果では、集光レンズ９の焼損が発生してから約１秒でレンズ焼損が検出され、ほぼ同時に煙の排出が開始された。煙はフィルタ４１を通過後、目視で認められず除去された。

なお、この発明は前述した実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことによりその他の態様で実施し得るものである。単なるレーザ加工装置だけでなく、レーザ加工装置を備えた板材の複合加工装置などにも幅広く利用されるものである。

この発明の実施の形態のレーザ加工装置の概略説明図である。制御装置のブロック構成図である。

符号の説明

１レーザ加工装置
３レーザ発振器
５レーザ加工ヘッド
７ベンドミラー
９集光レンズ
１５反射式光センサ（レンズ焼損検出装置）
１９制御装置
２１発振器シャッタ（レーザ光遮断装置）
２３冷却装置
２９切替えバルブ（冷却開閉装置）
３３ガス排出装置
３７真空発生器
４１フィルタ（粉塵除去装置）
４３加工ヘッドシャッタ（加工ヘッド遮断装置）
５３指令部
５５アラーム

Claims

レーザ発振器（３）で発振されたレーザ光（ＬＢ）を垂直下方向に反射するベンドミラー（７）をレーザ加工ヘッド（５）内の上部に備え、前記レーザ光（ＬＢ）を集光する集光レンズ（９）を、前記レーザ加工ヘッド（５）において筒体をなすハウジング（１１）内の下端部に備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズ（９）の焼損時に発生した煙を検出するレンズ焼損検出装置（１５）を前記集光レンズ（９）よりも高位置に備え、前記レンズ焼損検出装置（１５）が煙を検出したときに前記ハウジング（１１）内の煙を吸引し外部へ排気するための排出口（４０）を、前記レンズ焼損検出装置（１５）より高位置において前記ハウジング（１１）の側壁に設け、前記レンズ焼損検出装置（１５）が煙を検出したときに前記ハウジング（１１）内を密閉する加工ヘッドシャッタ（４３）を、前記ベンドミラー（７）と前記排出口（４０）の間に備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
レーザ発振器（３）で発振されたレーザ光（ＬＢ）を垂直下方向に反射するベンドミラー（７）をレーザ加工ヘッド（５）内の上部に備え、前記レーザ光（ＬＢ）を集光する集光レンズ（９）を、前記レーザ加工ヘッド（５）において筒体をなすハウジング（１１）内の下端部に備えたレーザ加工ヘッドであって、前記集光レンズ（９）の焼損時に発生した煙を検出するレンズ焼損検出装置（１５）を前記集光レンズ（９）よりも高位置に備え、前記レンズ焼損検出装置（１５）が煙を検出したときに前記ハウジング（１１）内を密閉する加工ヘッドシャッタ（４３）を、前記ベンドミラー（７）と前記レンズ焼損検出装置（１５）との間に備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。