JP4454065B2 - レーザ加工装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザビームで被加工材としてのワークに切断、溶接、熱処理などの加工を施すレーザ加工装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のレーザ加工は、レーザ発振器から出力されたレーザビームを直接、あるいは反射鏡を介して集光光学素子に導光し、ワークに照射して切断、溶接、熱処理などの加工を行っている。前記レーザ発振器については、それぞれの加工に適したエネルギ分布のレーザビームを出力するレーザ発振器を設計あるいは購入している。
【0003】
レーザビームのエネルギ分布などの特性が、所望する加工に適さない場合、凹凸面鏡、焦点距離の長いレンズなどを用いて、レーザビームの伝搬特性を変化させることが一般的である。切断加工においても、薄板の精密切断と軟鋼板の厚板切断、ステンレスの無酸化切断では最適なレーザビームのエネルギ分布が異なる。
【0004】
従来の偏心光学系を用いてレーザビームを回転させレーザ加工を行う装置は、レーザ加工ヘッドに機構が設けられている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、加工の最適化には、それぞれの加工に適したレーザビームのエネルギ分布を得ることが必要である。特に、レーザ切断加工の場合は顕著である。一般的にレーザ切断加工において、精密切断用と厚板切断用ではレーザ発振器の光の性質の仕様が異なる。薄板精密切断では、真円度の良い小さな集光径を必要とするため、シングルモードと呼ばれる正規分布型のエネルギ分布の光が適しているとされている。厚板切断および無酸化切断には、ある程度の集光径が必要であり、低次モードと呼ばれるリング状のエネルギ分布の光が適しているとされている。
【0006】
薄板に適したエネルギ分布のレーザ発振器は、一般的に低出力である。出力を高く設計しても、薄板用のエネルギ分布の光で厚板を切断することは困難である。厚板用レーザ発振器で薄板を切断した場合、切断は可能であるが精密板金で必要とされる精度を得ることは困難である。従って、一般的なレーザ加工機には、低次モードのレーザ発振器が搭載される場合が多い。
【0007】
出力2〜3kWでのレーザ切断において、集光部のエネルギー密度が大きくなりすぎてプラズマが発生し、加工に影響を与える場合がある。特に最大出力近傍、高いアシストガス圧力を使用するステンレスなどの厚板(6t以上)における無酸化切断においてプラズマの発生により加工不良となる場合が多い。近年、1Maを越える圧力を用いて、ステンレスの10t以上の板厚を切断する無酸化切断が開発され普及しつつあるが、プラズマ発生を抑制する技術の開発が求められている。
【0008】
レーザ加工ヘッド内部に偏心光学系を備えると、偏心回転によるレーザ加工でない通常のレーザ加工を行う場合にレーザ加工ヘッドを交換する必要があり、1個のワークにおける加工工程中に偏心回転によるとレーザ加工と通常のレーザ加工が存在する場合に、レーザ加工ヘッドを交換する必要が生じる。
【0009】
この発明の目的は、偏心光学系を回転せしめる回転装置をレーザビームの光路中に移動させてレーザ加工を行うようにしたレーザ加工装置を提供することにある。
【0016】
【課題を解決するための手段】
この発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器より出力されたレーザビームを反射鏡で伝搬し、レーザ加工ヘッド内に備えたレンズなどの集光光学素子よりワークへ向けて照射してワークにレーザ加工を行うレーザ加工装置において、前記レーザ発振器と前記集光光学素子との間のレーザビームの経路中に、透過光学素子を備えた光学系用ホルダを配置し、この光学系用ホルダを回転自在かつ傾斜自在に設け、前記透過光学素子を前記レーザビームの経路中より退避せしめるべく、前記ホルダ用フレームを移動せしめる移動用作動装置を設けてなることを特徴とするものである。
【0017】
したがって、ワークにレーザ加工を行う際、前記レーザ発振器と前記集光光学素子との間のレーザビームの経路中に、微小角度に傾斜させた透過光学素子を備えた光学系用ホルダを配置して、この光学系用ホルダを任意の回転数で回転させると共に傾斜せしめることにより、加工特性の向上が図られる。
【0018】
すなわち、シングルモードのエネルギ分布を持つレーザ発振器において、低次モードを持つレーザ発振器と同等の切断特性が得られる。また、三軸直交型のレーザ発振器において、高速軸流型のレーザ発振器と同等の切断特性が得られる。
【0019】
また、プラズマの発生しやすい無酸化切断においても適用すると、プラズマの発生が抑制される。
【0020】
したがって、移動用作動装置を作動せしめることにより、前記ホルダ用フレームが移動されて前記透過光学素子が前記レーザビームの経路中より容易に退避される。
【0021】
また、前記レーザ加工装置において、前記光学系用ホルダを回転せしめる回転装置が動力伝達装置と駆動モータからなると共に、前記光学系用ホルダを傾斜せしめる傾斜角度作動装置がリンクとアクチュエータからなることを特徴とするものである。
【0022】
したがって、駆動モータを駆動せしめると、回転が動力伝達装置に伝達された後、光学系用ホルダが任意の回転数で回転される。また、アクチュエータを作動せしめると、リンクを介して光学系用ホルダが容易に傾斜される。
【0023】
また、前記レーザ加工装置において、前記回転装置、前記傾斜角度作動装置および前記移動用作動装置を制御せしめる制御装置を備えてなることを特徴とするものである。
【0024】
したがって、制御装置でもって前記回転装置、前記傾斜角度作動装置および前記移動用作動装置が制御される。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【0026】
図1を参照するに、レーザ加工装置1はレーザ発振器3を備えており、このレーザ発振器3から出力されたレーザビームLBは、レーザ発振器3の前方(図1において右方)に設けられた反射鏡5へ伝搬される。そして、この反射鏡5の図1において下方にはレーザ加工ヘッド7が設けられている。このレーザ加工ヘッド7内にはレンズなどの集光光学素子9が備えられている。
【0027】
上記構成により、レーザ発振器3より出力されたレーザビームLBを反射鏡5で伝搬し、レーザ加工ヘッド7内に備えたレンズなどの集光光学素子9よりワークWへ向けて照射してワークWにレーザ加工が行われることになる。
【0028】
前記レーザ発振器3と前記集光光学素子9との間のレーザビームLBの経路中(とりわけ図においては前記レーザ発振器3と前記反射鏡5の間)には、光学系用ホルダ装置11が設けられている。この光学系用ホルダ装置11としては、透過光学素子13を備えた光学系用ホルダ15が回転自在かつ傾斜自在に設けられている。したがって、ワークWにレーザ加工を行う際、前記レーザ発振器3と前記反射鏡5との間のレーザビームLBの経路中に配置した微小角度に傾斜させた透過光学素子13を備えた光学系用ホルダ15を任意の回転数で回転させると共に傾斜せしめることによりレーザビームのエネルギ分布を変化させることができる。而して、最適なエネルギ分布となり加工特性の向上を図ることができる。
【0029】
前記光学系用ホルダ装置11を、図2を参照してより詳細に説明すると、ベース17が備えられており、このベース17上には図2において上下方向へ延伸したガイドレール19が敷設されている。このガイドレール19上にはホルダ用フレーム21が図2において上下方向へ移動自在に設けられている。そして、このホルダ用フレーム21上には複数の軸受け23でもって中空の回転体25が設けられている。この回転体25の図2において左端には動力伝達装置のうちのプーリ27が一体化されている。
【0030】
前記ホルダ用フレーム21上には回転装置のうちの駆動モータ29が取り付けられており、この駆動モータ29には出力軸31を介して駆動プーリ33が連結されている。しかも、この駆動プーリ33と前記プーリ27とにはベルト35が巻回されている。
【0031】
上記構成により、駆動モータ29を駆動せしめると、出力軸31を介して駆動プーリ33が回転されると、ベルト35、プーリ27を介して回転体25が回転されることになる。
【0032】
前記回転体25の図2において右端の上部側壁にはリンク37が一体化されていると共に、このリンク37にはピン39でもって前記透過光学素子13を備えた光学系用ホルダ15の上部が揺動可能に設けられている。前記光学系用ホルダ15の下部には別のリンク41がピン43でもつて装着されている。前記リンク41は別の中空の回転体45の下部における左側壁に一体化されている。しかも、この回転体45は軸受け47でもって揺動フレーム49に回転可能に設けられている。
【0033】
前記ホルダ用フレーム21上には傾斜角度作動装置のうちのアクチュエータとしてのシリンダ51が設けられており、このシリンダ51に装着されたピストンロッド53の先端が前記揺動フレーム49に取り付けられている。
【0034】
上記構成により、シリンダ51を作動させピストンロッド53を図2において右方へ移動せしめると、揺動フレーム49が右方へ移動されて回転体45およびリンク41を介して透過光学素子13を備えた光学系用ホルダ15がピン39を支点として図2において反時計方向廻りに回動してレーザビームLBの光軸に対して任意の傾斜角度でもって傾斜されることになる。
【0035】
前記ベース17上には移動用作動装置としての例えばシリンダ55が設けられており、このシリンダ55に装着されたピストンロツド57の先端には前記ホルダ用フレーム21が固定されている。
【0036】
上記構成により、シリンダ55を作動させピストンロツド57を図2において下方へ縮めると、図3に示されているように、ホルダ用フレーム21が下方へ移動しレーザビームLBの光軸に対して透過光学素子13を備えた光学系用ホルダ15が退避されることになる。
【0037】
したがって、駆動モータ29を駆動せしめると、回転が動力伝達装置の駆動プーリ33、ベルト35、プーリ27を介して回転体25に伝達された後、透過光学素子13を備えた光学系用ホルダ15が任意の回転数で回転されることによりレーザビームのエネルギ分布を変化させることができる。また、アクチュエータのシリンダ51を作動せしめると、リンク41を介して光学系用ホルダ15を容易に傾斜させることができる。
【0038】
また、移動用作動装置のシリンダ55を作動せしめることにより、前記ホルダ用フレーム21が移動されて前記透過光学素子13を前記レーザビームLBの経路中より容易に退避させることができる。
【0039】
しかも、前記回転装置の駆動モータ29、前記傾斜角度作動装置のシリンダ51および前記移動用作動装置のシリンダ55は制御装置としての例えばCNC装置の制御コードを使用して制御せしめることができる。
【0040】
したがって、ワークWにレーザ加工を行う際、前記レーザ発振器3と前記集光光学素子9との間のレーザビームLBの経路中に、微小角度に傾斜させた透過光学素子13を備えた光学系用ホルダ15を配置して、この光学系用ホルダ15を任意の回転数で回転させることによりレーザビームのエネルギ分布を変化させることができる。而して、最適なエネルギ分布となり加工特性の向上を図ることができる。
【0041】
すなわち、シングルモードのエネルギ分布を持つレーザ発振器3において、低次モードを持つレーザ発振器3と同等の切断特性を得ることができる。また、三軸直交型のレーザ発振器3において、高速軸流型のレーザ発振器3と同等の切断特性を得ることができる。
【0042】
また、プラズマの発生しやすい無酸化切断においても適用すると、プラズマの発生を抑制せしめることができる。前記レーザビームモードをレーザ発振器固有のレーザビームモードとすることにより、より一層の最適なエネルギ分布となり加工特性の向上を図ることができる。
【0043】
前記透過光学素子13を備えた光学系用ホルダ15をレーザビームLBの光軸に対して傾斜させる傾斜角度θの値は、レーザ加工方法によって異なるが、角度の設定範囲は2.5〜20度である。レーザ加工方法によつて最適な設定角度を持った光学系用ホルダ15を用意して交換する必要がある。
【0044】
傾斜角度θを調整する機構を備えることにより、異なるレーザ加工方法において光学系用ホルダ15を交換する必要がなくなる。さらに、光学系用ホルダ15を退避せしめるスライド機構を備えることにより、本装置を使用する場合と使用しない場合の切り替えを、CNC装置のプログラムなどの制御により自動で行うことができる。
【0045】
しかも、レーザ発振器3の出力ミラーから集光光学系7までの位置に傾斜させた透過光学素子1を配置し、集光されていないレーザビームLBを光軸からR0.05〜1mmオフセットさせ、集光光学系7に導く。この方式では、理論上集光された焦点位置におけるオフセット量はゼロとなる。このため、理論は回転のない効果はないと考えられるが、回転によりレーザビームLBのエネルギ分布が変化しているために、モード係数(レーザビームLBの質を表す係数でM2 で表す。モード係数はM2 =1がシングルモードと呼ばれ最も品質が良いとされ集光径を小さく絞ることができる。)が大きくなる。モード係数が大きいほど集光径が大きくなるため、切断幅が広くなり、アシストガスに酸素を用いたSUSの切断で発揮することができる。切断幅が狭いため、軟鋼板の切断、SUSの無酸化切断なども可能である。テストを行った傾斜角は軟鋼の場合2.5度、SUSの酸素切断の場合20度である。ただし、傾斜角度の最適化は行っていないため、これらの数値は変動する場合がある。
【0046】
実際に、改造してモード係数M2 を2.2に向上させたレーザ発振器の場合、SS400、19tは通常の状態で切断不可能であったが、本装置を使用することにより、モード係数が大きい場合(無改造、M2 =3.8)と同じ加工速度で切断可能となった。ステンレスの無酸化切断については、本装置を使用することによりプラズマの発生が抑制され、10〜20%の速度向上を図ることができる。
【0047】
また、本装置は、NC装置のプログラミング指令などにより、オンテマンド(使用したいときに挿入し、使用後は光路から離脱させる)で用いることができるため、自動化ラインに容易に組み込むことができる。
【0048】
なお、この発明は、前述した発明の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。
【0049】
【発明の効果】
以上のごとき発明の実施の形態の説明より理解されるように、本発明によれば、ワークにレーザ加工を行う際、前記レーザ発振器と前記集光光学素子との間のレーザビームの経路中に、微小角度に傾斜させた透過光学素子を備えた光学系用ホルダを配置して、この光学系用ホルダを任意の回転数で回転させることによりレーザビームは微小半径の円を描くことができる。而して、加工特性の向上を図ることができる。
【0050】
すなわち、シングルモードのエネルギ分布を持つレーザ発振器において、低次モードを持つレーザ発振器と同等の切断特性を得ることができる。また、三軸直交型のレーザ発振器において、高速軸流型のレーザ発振器と同等の切断特性を得ることができる。
【0051】
また、プラズマの発生しやすい無酸化切断においても適用すると、プラズマの発生を抑制せしめることができる。
【0052】
しかも、透過光学素子を未使用のときにはレーザビームの経路中より容易に退避せしめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明のレーザ加工装置の説明図である。
【図2】図1におけるII矢視部の平面拡大図である。
【図3】この発明の作用説明図である。
【符号の説明】
1 レーザ加工装置
3 レーザ発振器
5 反射鏡
7 レーザ加工ヘッド
9 集光光学素子
11 光学系ホルダ装置
13 透過光学素子
15 光学系用ホルダ
17 ベース
21 ホルダ用フレーム
25 回転体
27 プーリ(動力伝達装置)
29 駆動モータ
33 駆動プーリ
35 ベルト
37 リンク
39 ピン
41 リンク
43 ピン
45 回転体
49 揺動フレーム
51 シリンダ(傾斜角度作動装置)
55 シリンダ(移動用作動装置)
Claims (3)
- レーザ発振器より出力されたレーザビームを反射鏡で伝搬し、レーザ加工ヘッド内に備えたレンズなどの集光光学素子よりワークへ向けて照射してワークにレーザ加工を行うレーザ加工装置において、前記レーザ発振器と前記集光光学素子との間のレーザビームの経路中に、透過光学素子を備えた光学系用ホルダを配置し、この光学系用ホルダを回転自在かつ傾斜自在に設け、前記透過光学素子を前記レーザビームの経路中より退避せしめるべく、前記ホルダ用フレームを移動せしめる移動用作動装置を設けてなることを特徴とするレーザ加工装置。
- 前記光学系用ホルダを回転せしめる回転装置が動力伝達装置と駆動モータからなると共に、前記光学系用ホルダを傾斜せしめる傾斜角度作動装置がリンクとアクチュエータからなることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。
- 前記回転装置、前記傾斜角度作動装置および前記移動用作動装置を制御せしめる制御装置を備えてなることを特徴とする請求項2記載のレーザ加工装置。
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