JP4499248B2

JP4499248B2 - Laser processing method and apparatus

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Publication number: JP4499248B2
Application number: JP2000152929A
Authority: JP
Inventors: 宏迫
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2000-05-24
Filing date: 2000-05-24
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2020-05-24
Also published as: JP2001334380A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークにレーザ加工を行うレーザ加工方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ワークにレーザ加工を行うレーザ加工装置において、異なる板厚を加工する場合、例えば薄板を加工する場合、レーザ加工点での集光ビーム径はできるだけ小さい方が高速・高精度切断が可能であるため短焦点集光レンズが用いられている。
【０００３】
また、板厚が厚い場合には、その板厚に適した集光ビーム径が存在するために大きめの集光ビーム径が得られる長焦点集光レンズを用いてレーザ加工が行われる。
【０００４】
そこで、レーザ加工装置の中で、自動化・省力化を図るとしても、オペレータがマニュアルに基づいて加工すべき板材に応じて集光レンズを短焦点レンズあるいは長焦点レンズに交換するシステムでは、全体的に製品を完成するまでの時間が長くなり、不具合を生じる。
【０００５】
したがって、一般的には図１４（Ａ），（Ｂ）に示されているような透過レンズ型ズーミングシステムが提案されて商品化されている。ただし、このズーミング方式は1000〜2000Ｗ以下の低パワーのみである。
【０００６】
例えば、図１４（Ａ）、（Ｂ）において、図示せざるレーザ加工ヘッド内にはレーザ光ＬＢをワークＷのレーザ加工点へ集光せしめる集光レンズ１０１が設けられており、この集光レンズ１０１の上方には凸レンズ１０３と凹レンズ１０５がそれぞれ上下動自在に設けられている。すなわち、有効焦点距離Feは集光レンズ１０１自体の焦点距離に対して入射する集光レンズ１０１上のビーム径Ｄや発散角により影響を受けて変化するので、有効焦点距離Feをほぼ一定に保持しながらレーザ加工点の集光ビーム径ｄ_０を大きくしたり小さくしたりするために上記の凸レンズ１０３と凹レンズ１０５が組み合わされて上下動される。
【０００７】
凸レンズ１０３と凹レンズ１０５の上下動により、図１４（Ａ）では集光レンズ１０１上のビーム径Ｄが小さく（小ビーム径に）されてレーザ加工点の集光ビーム径ｄ_０を大きくしており、逆に図１４（Ｂ）では集光レンズ１０１上のビーム径Ｄが大きく（大ビーム径に）されて集光ビーム径ｄ_０を小さくしている。
【０００８】
また、図１５を参照するに、従来の光軸移動型レーザ加工装置１０７においては、レーザ発振器１０９から出力されたレーザ光ＬＢは９枚の反射ミラー（Ｍ１０〜Ｍ３及びＭ１）を介して集光レンズ１１１により集光される。また、このレーザ加工装置１０７では６軸制御の３次元レーザ加工機として示されている。例えば、加工テーブル（図示省略）上にセットされたワークＷの上方にはＸ軸方向、Ｙ軸方向へ移動自在なレーザ加工ヘッド（図示省略）が設けられており、しかも、このレーザ加工ヘッド内には集光レンズ１１１が備えられている。レーザ加工ヘッドは、Ｘ軸モータ１１３にリンクして図示省略のＸキャレッジによりＸ軸方向へ、Ｙ軸モータ１１５によりリンクして図示省略のＹキャレッジによりＹ軸方向へ移動されるように構成されている。また、集光レンズ１１１はＺ軸方向に上下動自在に構成されている。
【０００９】
また、ＸキャレッジにはミラーＭ６が設けられていると共にＹキャレッジには複数のミラーＭ５，Ｍ４，Ｍ３並びにミラーＭ１が設けられている。さらに、光伝播特性の立場からミラーＭ９に凸ミラー、ミラーＭ８に凹ミラーが採用され、近場加工点から遠場加工点までの光路差Δ＝4.5ｍに対して平滑ビームとなるようにミラーＭ９及びミラーＭ８の曲率が決定され固定されている。
【００１０】
また、上記のミラーＭ５には曲率可変ミラー（アダプティグ・オプティクスで、「ＡＯ」という）が採用されており、近場加工点から遠場加工点の間で生じる有効焦点距離Feの差Δ＝（Fe）_遠−（Fe）_近≒1.5〜2mmを補正して全加工領域において一定の有効焦点距離Feで加工できるようになっている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来のレーザ加工装置における透過組合せレンズズーミング方式では、以下の問題点があった。
【００１２】
(1)レーザ出力2000Ｗ以上のシステムでは、高出力に伴う熱レンズ効果のために、理論通りの集光ビーム径が形成されない。
【００１３】
(2)透過型レンズの組合せでは、光路系の汚れ等がレンズに付着した場合、上記の(1)と同様に熱レンズ効果を助長する。
【００１４】
(3)レーザ光ＬＢと組合せレンズとの正確なビームアラインメントが要求され、一枚レンズ当たりの微小なアラインメントずれでも最終加工点では結像が困難となる。
【００１５】
(4)レンズを最低２枚以上を別個に上下動しなければならないために、最大２個のステッピングモータが必要となり、構造が複雑となり、また可動部分が多くなるために故障の原因となりやすい。
【００１６】
(5)小さな集光ビーム径と大きな集光ビーム径の２条件に対して、最終端集光レンズ１０１により形成される有効焦点距離Feに差が生じる場合が多く、ノズルと集光ビームＬＢが干渉する等の不具合が生じる。
【００１７】
(6)組合せレンズが汚れなどにより交換の必要が発生したとき、再び３枚のレンズ１０１，１０３，１０５の正確なアラインメントが必要となりメンテナンスがやりにくい。
【００１８】
(7)レーザ出力3000Ｗ以上の棚付の自動化セルシステムでは、薄板加工と厚板加工とが混在しており、現在薄板の5”レンズ、厚板のとき7.5”レンズをオペレータ自身が交換するために、実際のレーザ加工時間以外の機械停止時間が長く、トータルとして加工システムの効率低下となっていた。
【００１９】
また、図１５に示されている従来の光軸移動型レーザ加工装置１０７においては、曲率可変ミラーＭ５からパスラインＰＬまでの距離が1000〜1500mm程度と短いので、曲率可変ミラーＭ５を利用しても集光レンズ１１１に入射するレーザ光ＬＢのビーム径Ｄの最大変化量が約2〜3mmと小さいためにレーザ加工点での集光ビーム径ｄ_０を大きく変化させることは困難であった。
【００２０】
本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、その目的は、透過型組合せレンズを採用せずに、ワークの板厚に適した集光ビーム径にてレーザ加工を実現し、高出力レーザにも対応でき、レンズ方式よりも構造的な簡略化を図り、アラインメントズレに対する調整困難さをも軽減し得るレーザ加工方法及びその装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１によるこの発明のレーザ加工方法は、レーザ発振器から出力されたレーザビームを複数のミラーで反射させた後、ワークに対して相対的にＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動自在なレーザ加工ヘッド内に設けた集光レンズで集光せしめ、この集光レンズで集光されたレーザビームを加工テーブルに載置したワークへ向けて照射せしめると共に、前記加工テーブルとレーザ加工ヘッドを相対的にＸ軸方向、Ｙ軸方向へ移動せしめ、前記ワークにレーザ加工を行うレーザ加工方法において、
レーザビームの光路中に第１曲率可変ミラーを配置し且つ第２曲率可変ミラーを前記集光レンズの近傍に配置し、前記第１及び第２曲率可変ミラーのうち一方の曲率半径を凹面とし、他方の曲率半径を凸面とするように対で制御すると共にワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定となるように前記第２曲率可変ミラーの曲率半径を制御せしめることを特徴とするものである。
【００２２】
したがって、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーによるズーム式のレーザ加工システムであるのでレーザ出力3000Ｗ以上も適用可能となる。２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径が大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御されるので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。この理由で、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工がレンズの交換なしで容易に行われる。
【００２３】
しかも、第２曲率可変ミラーの曲率半径が自動的に制御されることによりワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定とすることが容易に行われ、安定したレーザ加工が行われる。
【００２４】
請求項２によるこの発明のレーザ加工方法は、請求項１記載のレーザ加工方法において、前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御する際に、レーザ加工点で小さな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とし、レーザ加工点で大きな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とすることを特徴とするものである。
【００２５】
したがって、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径が大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御されるので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。この理由で、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工がレンズの交換なしで容易に行われる。
【００２６】
請求項３によるこの発明のレーザ加工方法は、請求項１記載のレーザ加工方法において、第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御する際に、レーザ発振器からレーザ加工点までのレーザビームの光路長が近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定とすべき前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径と前記レーザビームの光路長との一次関数式を予め光伝播計算により求め、この一次関数式に基づいて前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を制御することを特徴とするものである。
【００２７】
したがって、光軸移動型レーザ加工装置においては、レーザ発振器からレーザ加工点までの距離に対して近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定に保ちながら一次関数式に基づいて直線的に第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御することで安定切断が行われる。
【００２８】
請求項４によるこの発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器から出力されたレーザビームを複数のミラーで反射させた後、レーザ加工ヘッド内に設けた集光レンズで集光せしめ、この集光レンズで集光されたレーザビームを加工すべきワークへ向けて照射せしめると共に、前記加工テーブルとレーザ加工ヘッドを相対的にＸ軸方向、Ｙ軸方向へ移動せしめ、前記ワークにレーザ加工を行うレーザ加工装置において、
レーザビームの光路中に配置した第１曲率可変ミラーと、レーザビームの光路中に集光レンズの近傍に配置した第２曲率可変ミラーと、前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を制御する曲率制御装置と、前記第１及び第２曲率可変ミラーのうち一方の曲率半径を凹面とし且つ他方の曲率半径を凸面とするように対で制御すべく曲率制御装置に指令を与えると共にワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定となるように前記第２曲率可変ミラーの曲率半径を調整する指令を与える制御装置と、を備えてなることを特徴とするものである。
【００２９】
したがって、請求項１記載の作用と同様であり、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーによるズーム式のレーザ加工システムであるのでレーザ出力3000Ｗ以上も適用可能となる。２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径が大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御されるので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。この理由で、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工がレンズの交換なしで容易に行われる。
【００３０】
しかも、第２曲率可変ミラーの曲率半径が自動的に制御されることによりワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定とすることが容易に行われ、安定したレーザ加工が行われる。
【００３１】
請求項５によるこの発明のレーザ加工装置は、請求項４記載のレーザ加工装置において、前記制御装置が、レーザ加工点で小さな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とする指令を与えると共に、加工点で大きな集光ビーム径を形成するとき、第１曲率可変ミラーの曲率半径を凹面とし且つ第２曲率可変ミラーの曲率半径を凸面とする指令を与える指令部を備えてなることを特徴とするものである。
【００３２】
したがって、請求項２記載の作用と同様であり、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径が大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御されるので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。この理由で、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工がレンズの交換なしで容易に行われる。
【００３３】
請求項６によるこの発明のレーザ加工装置は、請求項４記載のレーザ加工装置において、前記制御装置が、レーザ発振器からレーザ加工点までのレーザビームの光路長が近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定とすべき前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径と前記レーザビームの光路長との一次関数式を記憶するメモリと、この一次関数式に基づいてレーザビームの任意の光路長に対応する前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を計算する演算装置と、この演算装置で求めた計算値に基づいて前記第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御する指令を与える指令部と、を備えてなることを特徴とするものである。
【００３４】
したがって、請求項３記載の作用と同様であり、光軸移動型レーザ加工装置においては、レーザ発振器からレーザ加工点までの距離に対して近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定に保ちながら一次関数式に基づいて直線的に第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で制御することで安定加工が行われる。
【００３５】
請求項７によるこの発明のレーザ加工装置は、請求項４、５又は６記載のレーザ加工装置において、前記レーザ加工ヘッドをＹ軸方向へ移動するＹキャレッジを設け、このＹキャレッジをＸ軸方向に移動するＸキャレッジを設け、前記第１及び第２曲率可変ミラーをそれぞれ前記Ｙキャレッジおよびレーザ加工ヘッドに設けてなることを特徴とするものである。
【００３６】
したがって、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーがそれぞれＹキャレッジおよびレーザ加工ヘッドに設けられることにより、第１及び第２曲率可変ミラーの間の距離が短くても集光レンズ上のビーム径が大きく変化されるので、結果としてレーザ加工点での集光ビーム径が大きく変化されるためにワークの板厚に幅広い対応が可能となる。
【００３７】
請求項８によるこの発明のレーザ加工装置は、請求項４、５又は６記載のレーザ加工装置において、前記加工テーブルをＸ軸方向へ移動自在に設け、前記レーザ加工ヘッドをＹ軸方向へ移動するＹキャレッジを設け、前記第１曲率可変ミラーを前記レーザ発振器の近傍に設け、前記第２曲率可変ミラーを前記Ｙキャレッジ又はレーザ加工ヘッド内に設けてなることを特徴とするものである。
【００３８】
したがって、一軸テーブル移動、一軸光軸移動式のレーザ加工装置にも幅広く適用できる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４０】
図１を参照するに、本実施の形態に係わる光軸移動型レーザ加工装置１は、反射型曲率可変ミラーによるズームシステムが適用されたものである。なお、図１５に示されている従来の光軸移動型レーザ加工装置１と比較するために、便宜上、同様の構造のミラーには同符号が用いられている。
【００４１】
レーザ加工装置１には、レーザ発振器３が備えられており、このレーザ発振器３内には出力ミラー５が設けられていると共にレーザ発振器３の前方近傍には複数のミラーＭ１０，Ｍ９，Ｍ８，Ｍ７が設けられている。
【００４２】
なお、光伝播特性の立場からミラーＭ９には凸ミラー、ミラーＭ８には凹ミラーが採用され、近場加工点から遠場加工点までの光路差Δ＝4.5ｍに対して平滑ビームとなるようにミラーＭ９及びミラーＭ８の曲率が決定され固定されている。
【００４３】
加工すべきワークＷは加工テーブル７上に図示せざるクランプ装置によりクランプされており、このワークＷの上方にはＸ軸方向、Ｙ軸方向へ移動自在なレーザ加工ヘッド９が設けられており、しかも、このレーザ加工ヘッド９内には集光レンズ１１が備えられている。レーザ加工ヘッド９は、Ｘ軸モータ１３にリンクして図示省略のＸキャレッジによりＸ軸方向へ、Ｙ軸モータ１５によりリンクして図示省略のＹキャレッジによりＹ軸方向へ移動されるように構成されている。
【００４４】
なお、Ｘキャレッジ、Ｙキャレッジの駆動は例えばラックアンドピニオンあるいはボールネジによって行われる。ＸキャレッジにはミラーＭ６が設けられていると共にＹキャレッジには２つの第１曲率可変ミラーＭ５（本実施の形態では「ＡＯ１」とも称する）と第２曲率可変ミラーＭ２（本実施の形態では「ＡＯ２」とも称する）並びに複数のミラーＭ４，Ｍ３，Ｍ１が設けられている。なお、上記のＸ軸モータ１３及びＹ軸モータ１５は制御装置１７に電気的に接続されている。
【００４５】
上記構成により、レーザ発振器３から出力されたレーザ光ＬＢ（レーザビーム）は複数のミラーＭ１０〜Ｍ７を経て、さらにミラーＭ６、第１曲率可変ミラーＭ５及び複数のミラーＭ４，Ｍ３及び第２曲率可変ミラーＭ２及びミラーＭ１を経て、すなわち本実施の形態では合計１０枚の反射ミラー（Ｍ１０〜Ｍ１）を経てレーザ加工ヘッド９内に備えられた集光レンズ１１で集光される。この集光レンズ１１で集光されたレーザ光ＬＢは、加工すべきワークＷへ向けて照射されてレーザ加工が行われる。
【００４６】
なお、制御装置１７には曲率制御装置１９が接続されており、制御装置１７から出力されるアナログ信号により曲率制御装置１９を介して第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径を変化させるようになっている。
【００４７】
一般的に、レーザ光ＬＢには発散角があるために一様なビーム径で進行するのではなく徐々に広がっていくので、図３（Ａ），（Ｂ）に示されているようにレーザ加工点におけるレーザ光ＬＢの集光ビーム径ｄ_０は集光レンズ１１に入射するレーザ光ＬＢのビーム径Ｄの大きさに左右されるものであり、集光レンズ１１におけるレーザ光ＬＢの有効焦点距離Feは集光レンズ１１自体の焦点距離F_０に対して入射するレーザ光ＬＢの発散角（光伝播波面曲率半径Reにより表される）の影響が付加されるものである。換言すれば、入射するレーザ光ＬＢのビーム径Ｄとレーザ光ＬＢの光伝播波面曲率半径Reが異なると、集光ビーム径ｄ_０と有効焦点距離Feは変化する。
【００４８】
また、集光レンズ１１に入射するビーム径Ｄの大きさと集光ビーム径ｄ_０の関係は、ｄ_０＝１．２７λＭ^２Fe／Ｄで表されるので、図３（Ａ）に示されているようにビーム径Ｄが小さくなれば集光ビーム径ｄ_０が大きくなる。逆に、図３（Ｂ）に示されているようにビーム径Ｄが大きくなれば集光ビーム径ｄ_０が小さくなる。
【００４９】
上述したように、本実施の形態では２枚の第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２を組み合わせたズーミングシステムが形成されている。ワークＷに対して最適なレーザ加工点の集光ビーム径ｄ_０にて加工ができるように第１曲率可変ミラーＭ５と第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を対で制御し、またこれに伴って集光レンズ１１の加工点での有効焦点距離Feが常に一定となるように第２曲率可変ミラーＭ２の曲率を調整するのが本発明の基本的な特徴である。
【００５０】
なお、第１曲率可変ミラーＭ５からパスラインＰＬ（レーザ加工点）までの距離は1000〜1500mm程度と短いため、この間にミラーＭ５とミラーＭ２の２枚の曲率可変ミラーが配置されてもほとんどレーザ光ＬＢの発散角の影響はない。
【００５１】
図２を参照するに、制御装置１７は、ＣＰＵ２１を備えており、このＣＰＵ２１には種々のデータを入力せしめるためのキーボードのごとき入力装置２３が接続されていると共に種々のデータを出力するためＣＲＴのごとき表示装置２５が接続されている。
【００５２】
また、ＣＰＵ２１には、入力装置２３から入力されたデータや後述する演算装置で計算された計算値を記憶するメモリ２７が接続されている。なお、このメモリ２７には近場加工点と遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離Feがほぼ一定となるように、第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径と出力ミラー５からレーザ加工点までのレーザ光路長との一次関数式が、予めレーザ光ＬＢの光伝播計算に基づいて得られたデータが記憶されている。
【００５３】
また、ＣＰＵ２１には、上記の一次関数式に基づいて各レーザ加工点に対応する第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径を計算する演算装置２９が接続されている。
【００５４】
また、ＣＰＵ２１には、第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２のうち一方の曲率半径を凹面とし且つ他方の曲率半径を凸面とするように対で制御すべく曲率制御装置１９に指令を与える指令部３１が接続されている。
【００５５】
例えば、レーザ加工点で小さな集光ビーム径ｄ_０を形成するときは、第１曲率可変ミラーＭ５の曲率半径を凸面とし且つ第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を凹面とする指令を与える。レーザ加工点で大きな集光ビーム径ｄ_０を形成するときは、第１曲率可変ミラーＭ５の曲率半径を凹面とし且つ第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を凸面とする指令を与えるものである。
【００５６】
また、上記の指令部３１は、ワークＷのレーザ加工点での有効焦点距離Feをほぼ一定となるように第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を調整する指令も曲率制御装置１９に与える。
【００５７】
また、上記の指令部３１は、レーザ発振器３からレーザ加工点までのレーザビームの光路の距離が近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離Feをほぼ一定とすべく、予めメモリ２７に記憶されている一次関数式により演算装置２９で計算された計算値に基づいて第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径を対で制御する指令を曲率制御装置１９に与えるものでもある。
【００５８】
より詳しく説明すると、図４及び図５を参照するに、レーザ発振器３の出力ミラー５からの距離が9576mmの近場加工点において集光レンズ１１上のビーム径Ｄが小ビーム（Φ16）及び大ビーム（Φ35）となるように第１曲率可変ミラーＭ５と第２曲率可変ミラーＭ２を制御される一例が示されている。換言すれば、上述したように小ビーム（Φ16）のときはレーザ加工点での集光ビーム径ｄ_０が大きくなるので厚板のワークＷのレーザ加工に適しており、大ビーム（Φ35）のときは集光ビーム径ｄ_０が小さくなるので薄板のワークＷのレーザ加工に適している。
【００５９】
図４を参照するに、集光レンズ１１上の小ビーム形成（大きい集光ビーム径ｄ_０形成）の例に基づいて光伝播の様子を説明すると、出力ミラー５から出射されたレーザ光ＬＢはミラーＭ９の凸ミラーにて拡大されてからミラーＭ８の凹ミラーによりほぼ平滑に制御される。次に、第１曲率可変ミラーＭ５が８ｍＲ凹面に設定されることによりレーザ光ＬＢは縮小され、最後に第２曲率可変ミラーＭ２が5.2ｍＲ凸面に設定されることにより、集光レンズ１１上でＤ＝φ16の平滑ビームが形成される。
【００６０】
図５を参照するに、集光レンズ１１上の大ビーム形成（小さい集光ビーム径ｄ_０形成）の例に基づいて光伝播の様子を説明すると、ミラーＭ９及びミラーＭ８は図４の小ビーム形成の場合と同様に設定され、第１曲率可変ミラーＭ５が５ｍＲ凸面に設定されることによりレーザ光ＬＢは拡大され、第２曲率可変ミラーＭ２が7.5ｍＲ凹面に設定されることにより、集光レンズ１１上でＤ＝φ35の平滑ビームが形成される。
【００６１】
以上のように、加工対象板厚に応じて小ビーム径や大ビーム径が形成できるように第１曲率可変ミラーＭ５と第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径が対で制御される。なお、この時に形成されるレーザ加工点での集光ビーム径ｄ_０は、レンズ焦点距離F_０＝190.5mmの集光レンズ１１が使用されたとき、それぞれ小ビーム（Φ16）ではｄ_０＝462μm、大ビーム（Φ35）ではｄ_０＝254μmとなり、厚板切断用と薄板切断用に使用可能となる。
【００６２】
なお、ワークＷとしては軟鋼材の薄板から厚板のみならず、ステンレスＳＵＳ（アシストガスがＮ_２）の切断やアルミニウムＡｌ等の切断にも材料特性に応じて適切に第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径を制御して実施可能となる。
【００６３】
図６を参照するに、次に重要なパラメータは有効焦点距離Feであるので、集光レンズ１１上の波面曲率半径Reと有効焦点距離Feとの関係について説明する。レーザ光路中の第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２が変化されることにより、集光レンズ１１上の波面曲率半径Reは、正及び負の極性を持って変化することは良く知られている。一般に、│Re│≫F_０（レンズ焦点距離）のとき、有効焦点距離Ｆeは（１）式で近似される。
【００６４】
Fe≒F_０（１＋F_０／Re）＝F_０＋F_０ ^２／Re）……（１）
（１）式は重要な近似式で、有効焦点距離Feがレンズ焦点距離F_０を中心として、波面曲率半径Reの極性に応じて前後にF_０ ^２／Reだけ変化することになる。
【００６５】
この有効焦点距離Feのパラメータの重要性の理由は、実際のレーザ加工の際に集光レンズ１１上で小ビームや大ビームを採用するときに、有効焦点距離Feが大きく変化すると加工用ノズル（図示省略）と集光されたレーザ光ＬＢが干渉して加工不良が発生する場合があるからである。したがって、有効焦点距離Feを一定となるように第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２が制御される必要がある。
【００６６】
そこで、図５において集光レンズ１１上で大ビーム（φ35）が形成される場合のレーザ加工点での集光レンズ１１上の波面曲率半径Reは、Re＝−171.4(mR)と計算されるので、有効焦点距離Feは、190.3mmとなる。
【００６７】
次に、図４において小ビーム（φ16）が形成される場合で、有効焦点距離Feが上記の図５における大ビーム形成の場合と同様な値となるように第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を決定するまでの方法について説明する。
【００６８】
図７を参照するに、このグラフは、加工点9576mmの近場で、第１曲率可変ミラーＭ５の曲率が８mR凹に固定された場合において、第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径に対する集光レンズ１１上の波面曲率半径Re及び有効焦点距離Feの関係を示している。
【００６９】
図７に示されているように第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径が−5.15〜−5.1 mR（凸面）の間に変曲点があり、波面曲率半径Reの極性が変化することが判る。
【００７０】
したがって、（１）式により有効焦点距離Feは、（２）式のような一次関数式で表される。
【００７１】
Fe＝2.65・Ｒ_ＡＯ２＋204.1………（２）
ただし、Ｒ_ＡＯ２は第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径である。
【００７２】
そこで、（２）式により、Fe＝190.3mmとなるためにはＲ_ＡＯ２＝−5.2ｍが決定される。
【００７３】
以上のように、ワークＷの加工対象に合わせてレーザ加工点の集光ビーム径ｄ_０を適切に制御する場合には、有効焦点距離Feが一定となるように第２曲率可変ミラーＭ２を適切に制御しなければならない。
【００７４】
図８を参照するに、このグラフでは、上記の概念を取り入れて、加工点9576mmの近場で、集光ビーム径ｄ_０が235〜462μmまで変化する場合の第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の制御の方法が示されている。
【００７５】
このグラフからも明らかなように、集光ビーム径ｄ_０が約320μmより小さい領域では、第１曲率可変ミラーＭ５の曲率半径Ｒ_ＡＯ５は負（凸面）、第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径Ｒ_ＡＯ２は正（凹面）に設定されなければならない。また、集光ビーム径ｄ_０が約350μmより大きい領域では、設定するミラーの曲率半径を反転させ、第１曲率可変ミラーＭ５の曲率半径Ｒ_ＡＯ５は正（凹面）、第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径Ｒ_ＡＯ２は負（凸面）に設定されなければならない。
【００７６】
また、図９を参照するに、このグラフは上記の図８の制御方法で得られた結果を集光レンズ１１上のビーム直径に対する集光ビーム径ｄ_０及び有効焦点距離Feの関係でまとめたものである。グラフから集光ビーム径ｄ_０の変化に対して有効焦点距離Feが一定に制御されていることが判る。
【００７７】
以上のことから、最終的には、光軸移動型レーザ加工装置１の近場加工点から遠場加工点までの全領域に対して均一な集光ビーム径ｄ_０及び有効焦点距離Feの基で安定加工が得られなければならない。
【００７８】
図１０を参照するに、このグラフは小ビーム径Ｄを得る条件で、出力ミラー５からレーザ加工点までの距離に対する集光レンズ１１上のビーム径Ｄの関係が近場加工点9576mmと遠場加工点13656mの場合に示されている。この時、遠場加工点でのレンズ上の波面曲率半径Reと有効焦点距離FeはそれぞれRe＝20.1（m）、Fe＝192.3（mm）となり、近場加工点のFe＝190.3（mm）よりも２mm程度長くなり、均一な有効焦点距離Feとはならない。
【００７９】
そこで、図１１を参照するに、このグラフは遠場領域においても有効焦点距離Feを近場加工点とほぼ同じになるように調整すべく第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を調整した結果を示したものである。このときの設定条件は第１曲率可変ミラーＭ５が10mR（凹面）で、第２曲率可変ミラーＭ２が−8.15 mR（凸面）となる。その結果として、遠場領域においても有効焦点距離FeはFe＝190.3（mm）となる。以上のように、出力ミラー５からのレーザ光路長に対して第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径が変化される必要がある。
【００８０】
図１２を参照するに、このグラフは、集光レンズ１１上の小ビーム径を得るための第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径の設定方法を示すもので、出力ミラー５からの距離に対する第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径の関係が示されている。このグラフから、第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径は、出力ミラー５からの距離に対して一次関数式で近似できる。その関係式が下記の（３）式及び（４）式に示される。
【００８１】
Ｒ_ＡＯ１＝0.4367・Ｌ＋4.04………（３）
Ｒ_ＡＯ２＝−0.644・Ｌ＋0.757………（４）
ただし、Ｌは出力ミラー５からの距離である。
【００８２】
上記の場合と同様、集光レンズ１１上の大ビーム径を得るための第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径を設定するために、第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径は出力ミラー５からの距離に対する一次関数式で予め近似できる。
【００８３】
したがって、上記の一次関数式は予めメモリ２７に記憶され、この一次関数式に基づいて演算装置２９により出力ミラー５からレーザ加工点までの距離に応じて第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径が計算され、この計算値に基づいて制御すべく指令部３１から曲率制御装置１９を経て第１曲率可変ミラーＭ５及び第２曲率可変ミラーＭ２へ指令が与えられる。
【００８４】
以上のように、本発明の２枚の第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２によるズーム式のレーザ加工システムが採用されることで、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の曲率半径が大ビームあるいは小ビームに応じて対で、しかも正負の曲率で制御され、さらに、光軸移動型レーザ加工装置１においては、出力ミラー５からの距離に対して直線的に制御されることで安定切断が可能となる。
【００８５】
前述した実施の形態では、レーザ加工ヘッド９がワークＷに対してＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動自在な光軸移動型レーザ加工装置１に適用されたもので説明したのであるが、一軸テーブル移動、一軸光軸移動型のレーザ加工装置にも適用される。
【００８６】
以下、後者のレーザ加工装置３３について、前述した実施の形態の場合と同様の構造については同符号を付して説明する。
【００８７】
図１３を参照するに、レーザ加工装置３３は、ワークＷは加工テーブル３７上にクランプ装置３５によりクランプされ、加工テーブル３７がＸ軸方向に移動自在に構成されている。また、レーザ加工装置３３には、レーザ発振器３が備えられており、レーザ発振器３の前方近傍には複数のミラーＭ１６，Ｍ１５並びに第１曲率可変ミラーＭ１４（前述した実施の形態と同様「ＡＯ１」と称する）、ミラーＭ１３が設けられている。
【００８８】
また、加工テーブル３７の上方にはレーザ加工ヘッド９がＹ軸モータ１５によりリンクして図示省略のＹキャレッジによりＹ軸方向へ移動されるように構成されており、レーザ加工ヘッド９内には集光レンズ１１が備えられている。
【００８９】
Ｙキャレッジには第２曲率可変ミラーＭ１２（前述した実施の形態と同様「ＡＯ２」と称する）並びにミラーＭ１１が設けられている。
【００９０】
上記構成により、レーザ発振器３から出力されたレーザ光ＬＢは複数のミラーＭ１６、Ｍ１５を経て第１曲率可変ミラーＭ１４、さらにミラーＭ１３、及び第２曲率可変ミラーＭ１２、ミラーＭ１を経てレーザ加工ヘッド９内に備えられた集光レンズ１１で集光される。このとき、第１曲率可変ミラーＭ１４及び第２曲率可変ミラーＭ１２の曲率半径が前述した実施の形態と同様に有効焦点距離Feがほぼ一定となるようにして大ビームあるいは小ビームに応じて対で、しかも正負の曲率で制御され、さらに、出力ミラーからの距離に対して直線的に制御される。集光レンズ１１で集光されたレーザ光ＬＢは、加工すべきワークＷへ向けて照射されてレーザ加工が行われる。
【００９１】
以上のことから全体的にまとめると、本発明のレーザ加工のシステムでは従来の透過レンズ型ズーミングシステムに比較して考慮すると以下の利点がある。
【００９２】
(1)反射ミラー型曲率可変ミラーが採用されているのでレーザ出力3000Ｗ以上にも適用可能である。
【００９３】
(2)透過レンズ型のような熱レンズ効果が発生しないのでレーザ加工システムとして安定する。
【００９４】
(3)レーザ光ＬＢと組合せレンズとのビームアラインメントが透過レンズ型より簡単である。
【００９５】
(4)メカ的構造が簡略となりうる。
【００９６】
(5)集光レンズ１１上のビーム径Ｄを拡大あるいは縮小させたり、また有効焦点距離Feを変化させたりする基本動作において、透過レンズ型ではレンズ間の距離を変化させることにより制御する必要があり、このときにレンズ間のアラインメントずれにより、加工点でのノズルとの干渉が生じやすいが、本発明のレーザ加工システムでは第１及び第２曲率可変ミラーＭ５，Ｍ２の位置は動的に変化しないので、結果として安定集光状態が得られる。
【００９７】
(6)レーザ出力が3000Ｗ以上においても集光レンズ１１の交換なしに250〜450μmの集光ビーム径ｄ_０が得られるので、薄板から厚板までのワークＷの棚付の自動化用セルシステムなどが効率よく稼動可能となることから、無人化、省力化を図ることができる。
【００９８】
(7)集光レンズ１１に近い位置に配置された第２曲率可変ミラーＭ２では、図７に示されているように曲率半径の変化に対して焦点位置のみが変化するので、レーザ加工点の焦点位置を大きく上下動したいとき、レンズを上下動するのではなく、制御装置１７により第２曲率可変ミラーＭ２の曲率半径を制御することにより自動焦点が可能となる。
【００９９】
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。
【０１００】
【発明の効果】
以上のごとき発明の実施の形態の説明から理解されるように、請求項１の発明によれば、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーによるズーム式のレーザ加工システムであるのでレーザ出力3000Ｗ以上も適用できる。２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御するので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。したがって、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工をレンズの交換なしで容易に行うことができる。
【０１０１】
しかも、第２曲率可変ミラーの曲率半径を自動的に制御することにより、ワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定とすることを容易に確実に行えるので安定したレーザ加工を行うことができる。
【０１０２】
請求項２の発明によれば、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御するので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。したがって、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工をレンズの交換なしで容易に行うことができる。
【０１０３】
請求項３の発明によれば、光軸移動型レーザ加工装置においては、レーザ発振器からレーザ加工点までの距離に対して近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定に保ちながら一次関数式に基づいて直線的に第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で容易に制御でき安定切断を行うことができる。
【０１０４】
請求項４の発明によれば、請求項１記載の効果と同様であり、２枚の第１及び第２曲率可変ミラーによるズーム式のレーザ加工システムであるのでレーザ出力3000Ｗ以上も適用できる。２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御するので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。したがって、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工をレンズの交換なしで容易に行うことができる。
【０１０５】
しかも、第２曲率可変ミラーの曲率半径を自動的に制御することにより、ワークのレーザ加工点での有効焦点距離をほぼ一定とすることを容易に確実に行えるので安定したレーザ加工を行うことができる。
【０１０６】
請求項５の発明によれば、請求項２記載の効果と同様であり、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を大ビームあるいは小ビームに応じて対で制御するので、レーザ加工点の集光ビーム径を小さくしたり大きくしたりできる。したがって、薄板用と厚板用のワークのレーザ加工をレンズの交換なしで容易に行うことができる。
【０１０７】
請求項６の発明によれば、請求項３記載の効果と同様であり、光軸移動型レーザ加工装置においては、レーザ発振器からレーザ加工点までの距離に対して近場加工点又は遠場加工点のいずれにおいても有効焦点距離をほぼ一定に保ちながら一次関数式に基づいて直線的に第１及び第２曲率可変ミラーの曲率半径を対で容易に制御でき安定切断を行うことができる。
【０１０８】
請求項７の発明によれば、２枚組の第１及び第２曲率可変ミラーをＹキャレッジ又はレーザ加工ヘッドに設けたので、第１及び第２曲率可変ミラーの間の距離が短くても集光レンズ上のビーム径を大きく変化できる。その結果、レーザ加工点での集光ビーム径を大きく変化できるので幅広いワークの板厚に対してレーザ加工を行える。
【０１０９】
請求項８の発明によれば、一軸テーブル移動、一軸光軸移動式のレーザ加工装置にも幅広く適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のレーザ加工装置の概略的な説明図である。
【図２】レーザ加工装置を制御せしめる制御装置の構成ブロック図である。
【図３】（Ａ）はレーザ光が大きな集光ビーム径となる状態説明図で、（Ｂ）はレーザ光が小さな集光ビーム径となる状態説明図である。
【図４】出力ミラーから近場加工点までの距離に対する小ビーム径を得るときのグラフである。
【図５】出力ミラーから近場加工点までの距離に対する大ビーム径を得るときのグラフである。
【図６】集光レンズ上での波面曲率半径Reと有効焦点距離Feを示すもので、（Ａ）は波面曲率半径Reが負のときを示し、（Ｂ）は波面曲率半径Reが正のときを示す状態説明図である。
【図７】ＡＯ２の曲率半径に対する集光レンズ上の波面曲率半径Reと有効焦点距離Feの関係を示すグラフである。
【図８】集光ビーム径に対するＡＯ１とＡＯ２の曲率半径との関係を示すグラフである。
【図９】集光レンズ上でのビーム径に対する集光ビーム径と有効焦点距離との関係を示すグラフである。
【図１０】出力ミラーから近場加工点と遠場加工点までの距離に対する小ビーム径を得るときのグラフである。
【図１１】出力ミラーから遠場加工点までの距離に対する小ビーム径を得るときのグラフである。
【図１２】小ビーム径の場合で、出力ミラーからの距離に対するＡＯ１及びＡＯ２の設定を示すグラフである。
【図１３】本発明の他の実施の形態のレーザ加工装置の概略的な説明図である。
【図１４】従来のレーザ加工装置における透過組合せレンズのズーミング方式を示すもので、（Ａ）はレーザ光が大きな集光ビーム径となる状態説明図で、（Ｂ）はレーザ光が小さな集光ビーム径となる状態説明図である。
【図１５】従来のレーザ加工装置の概略的な説明図である。
【符号の説明】
１レーザ加工装置
３レーザ発振器
５出力ミラー
９レーザ加工ヘッド
１１集光レンズ
１３Ｘ軸モータ
１５Ｙ軸モータ
１７制御装置
１９曲率制御装置
２７メモリ
２９演算装置
３１指令部
３３レーザ加工装置
３７加工テーブル
Ｍ１，Ｍ３〜Ｍ４，Ｍ６〜Ｍ１０ミラー
Ｍ５第１曲率可変ミラー（ＡＯ１）
Ｍ２第２曲率可変ミラー（ＡＯ２）[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing method and apparatus for performing laser processing on a workpiece.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a laser processing apparatus that performs laser processing on a workpiece, when processing different plate thicknesses, for example, when processing thin plates, it is possible to perform high-speed and high-precision cutting when the focused beam diameter at the laser processing point is as small as possible. For this reason, a short focus condenser lens is used.
[0003]
When the plate is thick, laser processing is performed using a long focus condensing lens that can obtain a larger focused beam diameter because there is a focused beam diameter suitable for the plate thickness.
[0004]
Therefore, in the laser processing apparatus, even if automation and labor saving are attempted, the system in which the condensing lens is replaced with a short focus lens or a long focus lens according to the plate material to be processed by the operator according to the manual is generally used. It takes a long time to complete the product, causing problems.
[0005]
Therefore, generally, a transmission lens type zooming system as shown in FIGS. 14A and 14B has been proposed and commercialized. However, this zooming method uses only low power of 1000 to 2000 W or less.
[0006]
For example, in FIGS. 14A and 14B, a condensing lens 101 for condensing the laser beam LB onto a laser processing point of the workpiece W is provided in a laser processing head (not shown). Above 101, a convex lens 103 and a concave lens 105 are provided so as to be movable up and down. In other words, the effective focal length Fe changes depending on the beam diameter D and the divergence angle on the condensing lens 101 incident on the focal length of the condensing lens 101 itself, so that the effective focal length Fe is kept almost constant. Condensed beam diameter d of laser processing point₀In order to increase or decrease the distance, the convex lens 103 and the concave lens 105 are combined and moved up and down.
[0007]
Due to the vertical movement of the convex lens 103 and the concave lens 105, in FIG. 14A, the beam diameter D on the condensing lens 101 is reduced (small beam diameter), and the condensing beam diameter d at the laser processing point is reduced.₀In contrast, in FIG. 14B, the beam diameter D on the condensing lens 101 is increased (to a large beam diameter), and the condensing beam diameter d is increased.₀Is made smaller.
[0008]
Referring to FIG. 15, in the conventional optical axis moving laser processing apparatus 107, the laser beam LB output from the laser oscillator 109 is condensed through nine reflecting mirrors (M10 to M3 and M1). The light is collected by the lens 111. The laser processing apparatus 107 is shown as a six-axis control three-dimensional laser processing machine. For example, a laser processing head (not shown) that is movable in the X-axis direction and the Y-axis direction is provided above the workpiece W set on a processing table (not shown). Is provided with a condensing lens 111. The laser processing head is configured to be linked to the X-axis motor 113 and moved in the X-axis direction by an unillustrated X carriage, and linked to the Y-axis motor 115 and moved in the Y-axis direction by an unillustrated Y carriage. Yes. The condenser lens 111 is configured to be movable up and down in the Z-axis direction.
[0009]
The X carriage is provided with a mirror M6, and the Y carriage is provided with a plurality of mirrors M5, M4, M3 and a mirror M1. Further, from the standpoint of light propagation characteristics, a convex mirror is adopted as the mirror M9 and a concave mirror is adopted as the mirror M8, so that the mirror becomes a smooth beam with respect to the optical path difference Δ = 4.5 m from the near-field machining point to the far-field machining point. The curvatures of M9 and mirror M8 are determined and fixed.
[0010]
In addition, a variable curvature mirror (referred to as “AO” in adaptive optics) is adopted as the mirror M5, and the difference Δ = (effective focal length Fe generated between the near-field machining point and the far-field machining point. Fe)_Distant-(Fe)_Near≒ 1.5 ~ 2mm is corrected, and it can be processed with a constant effective focal length Fe in the entire processing area.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the conventional transmission lens zooming method in the laser processing apparatus has the following problems.
[0012]
(1) In a system with a laser output of 2000 W or higher, the theoretical focused beam diameter is not formed due to the thermal lens effect associated with high output.
[0013]
(2) In the combination of the transmission type lenses, when the dirt of the optical path system adheres to the lens, the thermal lens effect is promoted as in the above (1).
[0014]
(3) Accurate beam alignment between the laser beam LB and the combination lens is required, and even at a minute misalignment per lens, imaging becomes difficult at the final processing point.
[0015]
(4) Since at least two or more lenses must be moved up and down separately, a maximum of two stepping motors are required, the structure is complicated, and the number of movable parts tends to cause failure.
[0016]
(5) In many cases, there is a difference in the effective focal length Fe formed by the final end condensing lens 101 with respect to two conditions of a small condensing beam diameter and a large condensing beam diameter. Problems such as interference occur.
[0017]
(6) When the combination lens needs to be replaced due to dirt or the like, accurate alignment of the three lenses 101, 103, and 105 is required again, making maintenance difficult.
[0018]
(7) In the automated cell system with shelves with a laser output of 3000 W or more, thin plate processing and thick plate processing are mixed, and the operator himself replaces the thin 5 ”lens and the 7.5” lens when using a thick plate. In addition, the machine stop time other than the actual laser processing time is long, and the processing system efficiency is reduced as a whole.
[0019]
Further, in the conventional optical axis moving laser processing apparatus 107 shown in FIG. 15, the distance from the variable curvature mirror M5 to the pass line PL is as short as about 1000 to 1500 mm, so that the variable curvature mirror M5 is used. Also, since the maximum change amount of the beam diameter D of the laser beam LB incident on the condenser lens 111 is as small as about 2 to 3 mm, the condensed beam diameter d at the laser processing point is small.₀It was difficult to make a large change.
[0020]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems. The object of the present invention is to realize laser processing with a focused beam diameter suitable for the thickness of a workpiece without using a transmission type combination lens, and to achieve high processing performance. An object of the present invention is to provide a laser processing method and apparatus capable of dealing with an output laser, capable of simplifying the structure more than a lens system, and reducing the adjustment difficulty with respect to alignment deviation.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the laser processing method of the present invention according to claim 1, the laser beam output from the laser oscillator is reflected by a plurality of mirrors, and then the X axis direction and the Y axis are relative to the workpiece. The laser beam is condensed by a condensing lens provided in a laser processing head movable in a direction, and the laser beam condensed by the condensing lens is irradiated toward a workpiece placed on the processing table. In a laser processing method in which a laser processing head is relatively moved in the X-axis direction and the Y-axis direction to perform laser processing on the workpiece,
A first variable curvature mirror is disposed in the optical path of the laser beam, a second variable curvature mirror is disposed in the vicinity of the condenser lens, and one of the first and second variable curvature mirrors has a concave radius of curvature; The other radius of curvature is controlled in pairs so as to be convex, and the radius of curvature of the second curvature variable mirror is controlled so that the effective focal length at the laser machining point of the workpiece is substantially constant. It is.
[0022]
Therefore, since it is a zoom type laser processing system using a pair of first and second variable curvature mirrors, a laser output of 3000 W or more can be applied. Since the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors in the two-disc set is controlled in pairs according to the large beam or the small beam, the focused beam diameter at the laser processing point can be reduced or increased. For this reason, laser processing of workpieces for thin plates and thick plates is easily performed without exchanging lenses.
[0023]
In addition, by automatically controlling the radius of curvature of the second variable curvature mirror, the effective focal length of the workpiece at the laser processing point can be easily made substantially constant, and stable laser processing can be performed.
[0024]
A laser processing method according to a second aspect of the present invention is the laser processing method according to the first aspect, wherein when the radii of curvature of the first and second variable curvature mirrors are controlled in pairs, a small focused beam at the laser processing point. When forming the diameter, when the radius of curvature of the first variable curvature mirror is a convex surface and the radius of curvature of the second variable curvature mirror is a concave surface, and a large focused beam diameter is formed at the laser processing point, The curvature radius is a concave surface, and the curvature radius of the second variable curvature mirror is a convex surface.
[0025]
Therefore, since the radius of curvature of the two-disc set first and second variable curvature mirrors is controlled in pairs according to the large beam or the small beam, the focused beam diameter at the laser processing point can be reduced or increased. For this reason, laser processing of workpieces for thin plates and thick plates is easily performed without exchanging lenses.
[0026]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a laser processing method according to the first aspect, wherein the laser from the laser oscillator to the laser processing point is used when the curvature radii of the first and second variable curvature mirrors are controlled in pairs. A linear function of the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors and the optical path length of the laser beam at which the effective focal length should be substantially constant at either the near-field processing point or the far-field processing point. The equation is obtained in advance by light propagation calculation, and the radii of curvature of the first and second curvature variable mirrors are controlled based on the linear function equation.
[0027]
Therefore, in the optical axis movement type laser processing apparatus, a linear function equation is used while keeping the effective focal length substantially constant at either the near-field processing point or the far-field processing point with respect to the distance from the laser oscillator to the laser processing point. Based on this, stable cutting is performed by linearly controlling the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors in pairs.
[0028]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a laser processing apparatus according to the present invention, wherein a laser beam output from a laser oscillator is reflected by a plurality of mirrors, and then condensed by a condensing lens provided in the laser processing head. A laser processing apparatus that irradiates a focused laser beam toward a workpiece to be processed and moves the processing table and a laser processing head in the X-axis direction and the Y-axis direction to perform laser processing on the workpiece. In
Controlling the curvature radius of the first variable curvature mirror disposed in the optical path of the laser beam, the second variable curvature mirror disposed in the vicinity of the condenser lens in the optical path of the laser beam, and the first and second variable curvature mirrors A command to the curvature control device to control the pair so that one of the first and second variable curvature mirrors has a concave curvature and the other curvature radius is a convex surface. And a controller for giving a command to adjust the radius of curvature of the second variable curvature mirror so that the effective focal length at the laser processing point is substantially constant.
[0029]
Therefore, the operation is the same as that of the first aspect of the present invention, and the zoom type laser processing system using the first and second curvature variable mirrors of two sheets is applicable, so that a laser output of 3000 W or more can be applied. Since the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors in the two-disc set is controlled in pairs according to the large beam or the small beam, the focused beam diameter at the laser processing point can be reduced or increased. For this reason, laser processing of workpieces for thin plates and thick plates is easily performed without exchanging lenses.
[0030]
In addition, by automatically controlling the radius of curvature of the second variable curvature mirror, the effective focal length of the workpiece at the laser processing point can be easily made substantially constant, and stable laser processing can be performed.
[0031]
According to a fifth aspect of the present invention, in the laser processing apparatus according to the fourth aspect, when the control device forms a small focused beam diameter at the laser processing point, the radius of curvature of the first variable curvature mirror is set. When a command is given to make the convex surface and the radius of curvature of the second curvature variable mirror concave, and when a large condensed beam diameter is formed at the processing point, the radius of curvature of the first curvature mirror is made concave and the second curvature variable mirror A command unit for giving a command to make the curvature radius of the convex surface convex is provided.
[0032]
Accordingly, the operation is the same as that of the second aspect, and the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors of the two sheets is controlled in pairs according to the large beam or the small beam. The beam diameter can be reduced or increased. For this reason, laser processing of workpieces for thin plates and thick plates is easily performed without exchanging lenses.
[0033]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the laser processing apparatus according to the fourth aspect, wherein the control device is configured such that the optical path length of the laser beam from the laser oscillator to the laser processing point is a near-field processing point or a far-field processing point. In any of the above, a memory for storing a linear function expression of the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors and the optical path length of the laser beam, whose effective focal length should be substantially constant, and based on this linear function expression An arithmetic device for calculating the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors corresponding to an arbitrary optical path length of the laser beam, and the first and second variable curvature mirrors based on the calculated values obtained by the arithmetic device. A command unit for giving a command to control the radius of curvature in pairs.
[0034]
Therefore, the operation is the same as that of the third aspect, and in the optical axis moving type laser processing apparatus, the effective focal point at either the near-field processing point or the far-field processing point with respect to the distance from the laser oscillator to the laser processing point. Stable processing is performed by linearly controlling the curvature radii of the first and second variable curvature mirrors in pairs based on a linear function equation while keeping the distance substantially constant.
[0035]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided the laser processing apparatus according to the fourth, fifth or sixth aspect, wherein a Y carriage for moving the laser processing head in the Y axis direction is provided, and the Y carriage is moved in the X axis direction. A moving X carriage is provided, and the first and second variable curvature mirrors are provided on the Y carriage and the laser processing head, respectively.
[0036]
Accordingly, by providing two sets of first and second variable curvature mirrors on the Y carriage and the laser processing head, respectively, the beam on the condenser lens can be obtained even if the distance between the first and second variable curvature mirrors is short. Since the diameter is greatly changed, as a result, the diameter of the focused beam at the laser processing point is greatly changed, so that a wide range of workpiece thickness can be supported.
[0037]
A laser processing apparatus according to an eighth aspect of the present invention is the laser processing apparatus according to the fourth, fifth or sixth aspect, wherein the processing table is provided movably in the X-axis direction, and the laser processing head is moved in the Y-axis direction. A Y carriage is provided, the first variable curvature mirror is provided in the vicinity of the laser oscillator, and the second curvature variable mirror is provided in the Y carriage or the laser processing head.
[0038]
Therefore, the present invention can be widely applied to a laser processing apparatus of a single axis table movement type or a single axis optical axis movement type.
[0039]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0040]
Referring to FIG. 1, an optical axis movement type laser processing apparatus 1 according to the present embodiment is applied with a zoom system using a reflection type variable curvature mirror. For the sake of convenience, the same reference numerals are used for mirrors having the same structure for comparison with the conventional optical axis moving laser processing apparatus 1 shown in FIG.
[0041]
The laser processing apparatus 1 is provided with a laser oscillator 3, an output mirror 5 is provided in the laser oscillator 3, and a plurality of mirrors M 10, M 9, M 8, M 7 are provided in the vicinity of the front of the laser oscillator 3. Is provided.
[0042]
From the standpoint of light propagation characteristics, a convex mirror is used for the mirror M9 and a concave mirror is used for the mirror M8, so that a smooth beam is obtained with respect to the optical path difference Δ = 4.5 m from the near-field processing point to the far-field processing point. The curvatures of the mirror M9 and the mirror M8 are determined and fixed.
[0043]
A workpiece W to be processed is clamped on a processing table 7 by a clamping device (not shown), and a laser processing head 9 that is movable in the X-axis direction and the Y-axis direction is provided above the workpiece W. In addition, a condensing lens 11 is provided in the laser processing head 9. The laser processing head 9 is configured to be linked to the X-axis motor 13 and moved in the X-axis direction by an unillustrated X carriage, and linked to the Y-axis motor 15 to be moved in the Y-axis direction by an unillustrated Y carriage. ing.
[0044]
The X and Y carriages are driven by, for example, a rack and pinion or a ball screw. The X carriage is provided with a mirror M6, and the Y carriage has two first variable curvature mirrors M5 (also referred to as “AO1” in the present embodiment) and a second variable curvature mirror M2 (in the present embodiment, “ And a plurality of mirrors M4, M3, M1. Note that the X-axis motor 13 and the Y-axis motor 15 are electrically connected to the control device 17.
[0045]
With the above configuration, the laser beam LB (laser beam) output from the laser oscillator 3 passes through the plurality of mirrors M10 to M7, and further includes the mirror M6, the first variable curvature mirror M5, the plurality of mirrors M4 and M3, and the second variable curvature. The light is condensed by the condenser lens 11 provided in the laser processing head 9 through the mirror M2 and the mirror M1, that is, through a total of ten reflecting mirrors (M10 to M1) in this embodiment. The laser beam LB condensed by the condenser lens 11 is irradiated toward the workpiece W to be processed and laser processing is performed.
[0046]
Note that a curvature control device 19 is connected to the control device 17, and the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors M5 and M2 is changed via the curvature control device 19 by an analog signal output from the control device 17. It is supposed to let you.
[0047]
In general, since the laser beam LB has a divergence angle, the laser beam LB does not travel with a uniform beam diameter but gradually spreads. Therefore, as shown in FIGS. Condensed beam diameter d of laser beam LB at the processing point₀Is dependent on the size of the beam diameter D of the laser beam LB incident on the condenser lens 11, and the effective focal length Fe of the laser beam LB in the condenser lens 11 is the focal length F of the condenser lens 11 itself.₀The influence of the divergence angle (expressed by the light propagation wavefront curvature radius Re) of the incident laser beam LB is added. In other words, if the beam diameter D of the incident laser beam LB differs from the light propagation wavefront curvature radius Re of the laser beam LB, the condensed beam diameter d₀And the effective focal length Fe changes.
[0048]
Further, the size of the beam diameter D incident on the condensing lens 11 and the condensing beam diameter d.₀The relationship is d₀= 1.27λM²Since it is expressed by Fe / D, if the beam diameter D is reduced as shown in FIG.₀Becomes larger. Conversely, if the beam diameter D increases as shown in FIG.₀Becomes smaller.
[0049]
As described above, in the present embodiment, a zooming system in which two first and second curvature variable mirrors M5 and M2 are combined is formed. Focused beam diameter d at the optimum laser processing point for workpiece W₀The radius of curvature of the first variable curvature mirror M5 and the second variable curvature mirror M2 is controlled in pairs so that the effective focal length Fe at the processing point of the condenser lens 11 is always constant. It is a basic feature of the present invention that the curvature of the second curvature variable mirror M2 is adjusted so that
[0050]
Since the distance from the first variable curvature mirror M5 to the pass line PL (laser processing point) is as short as about 1000 to 1500 mm, even if two variable curvature mirrors, the mirror M5 and the mirror M2, are arranged between them, the laser is almost used. There is no influence of the divergence angle of the light LB.
[0051]
Referring to FIG. 2, the control device 17 includes a CPU 21, to which an input device 23 such as a keyboard for inputting various data is connected and a CRT for outputting various data. A display device 25 is connected.
[0052]
The CPU 21 is connected to a memory 27 that stores data input from the input device 23 and calculated values calculated by an arithmetic device described later. In this memory 27, the curvature radii of the first and second variable curvature mirrors M5 and M2 and the output mirror 5 are set so that the effective focal length Fe is substantially constant at both the near-field machining point and the far-field machining point. A linear function equation with the laser beam path length from the laser beam to the laser processing point is stored in advance as data obtained based on the light propagation calculation of the laser beam LB.
[0053]
The CPU 21 is connected to an arithmetic unit 29 that calculates the curvature radii of the first and second variable curvature mirrors M5 and M2 corresponding to each laser processing point based on the linear function equation.
[0054]
In addition, the CPU 21 is instructed to control the curvature control device 19 so that one of the first and second variable curvature mirrors M5 and M2 has a concave curvature and the other curvature radius is a convex surface. Command unit 31 is connected.
[0055]
For example, a small focused beam diameter d at the laser processing point₀Is formed, a command is given to set the radius of curvature of the first variable curvature mirror M5 as a convex surface and the radius of curvature of the second variable curvature mirror M2 as a concave surface. Large focused beam diameter d at laser processing point₀Is formed, a command is given to set the radius of curvature of the first variable curvature mirror M5 as a concave surface and the radius of curvature of the second variable curvature mirror M2 as a convex surface.
[0056]
The command unit 31 also gives a command to the curvature control device 19 to adjust the radius of curvature of the second curvature variable mirror M2 so that the effective focal length Fe at the laser processing point of the workpiece W becomes substantially constant.
[0057]
In addition, the command unit 31 previously sets the effective focal length Fe so that the distance of the optical path of the laser beam from the laser oscillator 3 to the laser processing point is substantially constant at either the near-field processing point or the far-field processing point. A command for controlling the curvature radii of the first and second curvature variable mirrors M5 and M2 as a pair is given to the curvature control device 19 based on the calculated value calculated by the arithmetic device 29 using the linear function equation stored in the memory 27. It is also a thing.
[0058]
More specifically, referring to FIG. 4 and FIG. 5, the beam diameter D on the condenser lens 11 is small (Φ16) and large at the near-field processing point where the distance from the output mirror 5 of the laser oscillator 3 is 9576 mm. An example is shown in which the first variable curvature mirror M5 and the second variable curvature mirror M2 are controlled so as to be a beam (Φ35). In other words, as described above, when the beam is a small beam (Φ16), the focused beam diameter d at the laser processing point₀Is suitable for laser processing of thick workpieces W. For large beams (Φ35), the focused beam diameter d₀Is suitable for laser processing of a thin workpiece W.
[0059]
Referring to FIG. 4, small beam formation on the condensing lens 11 (large condensing beam diameter d₀The state of light propagation will be described based on the example of (formation). The laser beam LB emitted from the output mirror 5 is magnified by the convex mirror of the mirror M9 and then controlled almost smoothly by the concave mirror of the mirror M8. Next, the laser beam LB is reduced by setting the first variable curvature mirror M5 to a concave surface of 8 mR, and finally the second variable curvature mirror M2 is set to a convex surface of 5.2 mR, so A smooth beam with D = φ16 is formed.
[0060]
Referring to FIG. 5, a large beam is formed on the condensing lens 11 (small condensing beam diameter d).₀The state of light propagation will be described based on the example of formation). The mirror M9 and the mirror M8 are set in the same manner as in the case of the small beam formation in FIG. 4, and the first curvature variable mirror M5 is set to have a 5 mR convex surface. The laser beam LB is enlarged, and the second variable curvature mirror M2 is set to a 7.5 mR concave surface, whereby a smooth beam of D = φ35 is formed on the condenser lens 11.
[0061]
As described above, the curvature radii of the first variable curvature mirror M5 and the second variable curvature mirror M2 are controlled in pairs so that a small beam diameter and a large beam diameter can be formed according to the plate thickness to be processed. The focused beam diameter d at the laser processing point formed at this time₀Lens focal length F₀= When a condensing lens 11 of 190.5 mm is used, d for each small beam (Φ16)₀= 462μm, d for large beam (Φ35)₀= 254 μm, and can be used for cutting thick plates and thin plates.
[0062]
The workpiece W is not only a thin steel plate to a thick plate, but also stainless steel SUS (assist gas is N₂) And aluminum Al or the like can be performed by appropriately controlling the radii of curvature of the first and second variable curvature mirrors M5 and M2 according to the material characteristics.
[0063]
Referring to FIG. 6, since the next important parameter is the effective focal length Fe, the relationship between the wavefront curvature radius Re on the condenser lens 11 and the effective focal length Fe will be described. It is well known that the wavefront radius of curvature Re on the condenser lens 11 changes with positive and negative polarities by changing the first variable curvature mirror M5 and the second variable curvature mirror M2 in the laser optical path. It has been. In general, │Re│ >> F₀When (lens focal length), the effective focal length Fe is approximated by equation (1).
[0064]
Fe ≒ F₀(1 + F₀/ Re) = F₀+ F₀ ²/ Re) …… (1)
Equation (1) is an important approximation, and the effective focal length Fe is the lens focal length F.₀Around the front and back depending on the polarity of the wavefront curvature radius Re₀ ²/ Re will only change.
[0065]
The reason why the parameter of the effective focal length Fe is important is that when a small beam or a large beam is employed on the condenser lens 11 in actual laser processing, if the effective focal length Fe changes greatly, a processing nozzle ( This is because there is a case where processing failure occurs due to interference between the focused laser beam LB and the laser beam LB which is not shown. Therefore, the first variable curvature mirror M5 and the second variable curvature mirror M2 need to be controlled so that the effective focal length Fe is constant.
[0066]
Therefore, in FIG. 5, the wavefront curvature radius Re on the condenser lens 11 at the laser processing point when a large beam (φ35) is formed on the condenser lens 11 is calculated as Re = −171.4 (mR). Therefore, the effective focal length Fe is 190.3 mm.
[0067]
Next, in the case where the small beam (φ16) is formed in FIG. 4, the radius of curvature of the second curvature variable mirror M2 is set so that the effective focal length Fe becomes the same value as in the case of the large beam formation in FIG. A method until determining is described.
[0068]
Referring to FIG. 7, this graph shows a condensing lens with respect to the radius of curvature of the second variable curvature mirror M2 when the curvature of the first variable curvature mirror M5 is fixed to 8 mR concave in the near field at the machining point of 9576 mm. 11 shows the relationship between the wavefront curvature radius Re on 11 and the effective focal length Fe.
[0069]
As shown in FIG. 7, it can be seen that there is an inflection point between the curvature radius of the second curvature variable mirror M2 between −5.15 and −5.1 mR (convex surface), and the polarity of the wavefront curvature radius Re changes.
[0070]
Therefore, the effective focal length Fe is expressed by a linear function expression such as the expression (2) according to the expression (1).
[0071]
Fe = 2.65 ・ R_AO2+204.1 ......... (2)
However, R_AO2Is the radius of curvature of the second variable curvature mirror M2.
[0072]
Therefore, according to equation (2), in order to achieve Fe = 190.3 mm, R_AO2= -5.2m is determined.
[0073]
As described above, the focused beam diameter d at the laser processing point according to the processing target of the workpiece W.₀Is appropriately controlled, the second variable curvature mirror M2 must be appropriately controlled so that the effective focal length Fe is constant.
[0074]
Referring to FIG. 8, in this graph, the above concept is taken into account, and the focused beam diameter d is measured in the near field at a processing point of 9576 mm.₀A method of controlling the first variable curvature mirror M5 and the second variable curvature mirror M2 in the case where is changed from 235 to 462 μm is shown.
[0075]
As is apparent from this graph, the focused beam diameter d₀Is smaller than about 320 μm, the curvature radius R of the first variable curvature mirror M5_AO5Is negative (convex surface), the radius of curvature R of the second variable curvature mirror M2_AO2Must be set positive (concave). Also, the focused beam diameter d₀Is larger than about 350 μm, the radius of curvature of the mirror to be set is reversed and the radius of curvature R of the first variable curvature mirror M5 is reversed._AO5Is positive (concave), the radius of curvature R of the second variable curvature mirror M2_AO2Must be set to negative (convex).
[0076]
Further, referring to FIG. 9, this graph shows the result obtained by the control method of FIG.₀And the effective focal length Fe. Focused beam diameter d from graph₀It can be seen that the effective focal length Fe is controlled to be constant with respect to the change of.
[0077]
From the above, finally, the converged beam diameter d is uniform over the entire region from the near-field machining point to the far-field machining point of the optical axis moving laser machining apparatus 1.₀And stable processing must be obtained on the basis of the effective focal length Fe.
[0078]
Referring to FIG. 10, this graph shows that the relationship between the beam diameter D on the condenser lens 11 and the distance from the output mirror 5 to the laser processing point is a near-field processing point of 9576 mm and a far field under the condition of obtaining a small beam diameter D. This is shown for a machining point of 13656m. At this time, the wavefront radius of curvature Re and effective focal length Fe on the lens at the far-field machining point are Re = 20.1 (m) and Fe = 192.3 (mm), respectively, and Fe = 190.3 (mm) at the near-field machining point Is about 2 mm longer, and the effective focal length Fe is not uniform.
[0079]
Therefore, referring to FIG. 11, this graph shows that the first variable curvature mirror M5 and the second variable curvature mirror M2 in order to adjust the effective focal length Fe to be almost the same as the near-field processing point even in the far field region. The result of adjusting the radius of curvature is shown. The setting conditions at this time are 10 mR (concave surface) for the first variable curvature mirror M5 and −8.15 mR (convex surface) for the second variable curvature mirror M2. As a result, the effective focal length Fe is Fe = 190.3 (mm) even in the far field region. As described above, the curvature radii of the first curvature variable mirror M5 and the second curvature variable mirror M2 need to be changed with respect to the laser optical path length from the output mirror 5.
[0080]
Referring to FIG. 12, this graph shows a method of setting the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors M5 and M2 for obtaining a small beam diameter on the condenser lens 11, and from the output mirror 5 The relationship of the curvature radius of the 1st curvature variable mirror M5 and the 2nd curvature variable mirror M2 with respect to this distance is shown. From this graph, the curvature radii of the first variable curvature mirror M5 and the second variable curvature mirror M2 can be approximated by a linear function equation with respect to the distance from the output mirror 5. The relational expressions are shown in the following expressions (3) and (4).
[0081]
R_AO1= 0.4367 ・ L + 4.04 ......... (3)
R_AO2＝ −0.644 ・ L + 0.757 ………… （4）
Here, L is the distance from the output mirror 5.
[0082]
As in the above case, in order to set the radius of curvature of the first and second curvature variable mirrors M5 and M2 for obtaining a large beam diameter on the condenser lens 11, the first curvature variable mirror M5 and the second curvature variable. The radius of curvature of the mirror M2 can be approximated in advance by a linear function equation with respect to the distance from the output mirror 5.
[0083]
Therefore, the linear function equation is stored in the memory 27 in advance, and the first curvature variable mirror M5 and the second curvature variable are calculated by the arithmetic unit 29 according to the distance from the output mirror 5 to the laser processing point based on the linear function equation. The radius of curvature of the mirror M2 is calculated, and a command is given from the command unit 31 to the first variable curvature mirror M5 and the second variable curvature mirror M2 via the curvature control device 19 to control based on the calculated value.
[0084]
As described above, the zoom type laser processing system using the two first and second variable curvature mirrors M5 and M2 according to the present invention is employed, so that the two first and second variable curvature mirrors M5 and M5. The radius of curvature of M2 is controlled by a pair of positive and negative curvatures according to a large beam or a small beam, and further, linearly controlled with respect to the distance from the output mirror 5 in the optical axis movement type laser processing apparatus 1. By doing so, stable cutting becomes possible.
[0085]
In the above-described embodiment, the laser processing head 9 is described as being applied to the optical axis moving laser processing apparatus 1 in which the laser processing head 9 is movable in the X axis direction and the Y axis direction with respect to the workpiece W. The present invention is also applied to a moving, uniaxial optical axis moving type laser processing apparatus.
[0086]
Hereinafter, in the latter laser processing apparatus 33, the same structure as that of the above-described embodiment will be described with the same reference numerals.
[0087]
Referring to FIG. 13, the laser processing apparatus 33 is configured such that a workpiece W is clamped on a processing table 37 by a clamping device 35 and the processing table 37 is movable in the X-axis direction. Further, the laser processing device 33 is provided with a laser oscillator 3, and in the vicinity of the front of the laser oscillator 3, a plurality of mirrors M16 and M15 and a first variable curvature mirror M14 (“AO1” as in the above-described embodiment). The mirror M13 is provided.
[0088]
A laser processing head 9 is linked above the processing table 37 by a Y-axis motor 15 and moved in the Y-axis direction by a Y carriage (not shown). An optical lens 11 is provided.
[0089]
The Y carriage is provided with a second variable curvature mirror M12 (referred to as “AO2” as in the above-described embodiment) and a mirror M11.
[0090]
With the above configuration, the laser beam LB output from the laser oscillator 3 passes through the plurality of mirrors M16 and M15, the first curvature variable mirror M14, the mirror M13, the second curvature variable mirror M12, and the mirror M1, and then the laser processing head 9. The light is condensed by a condensing lens 11 provided inside. At this time, the radius of curvature of the first variable curvature mirror M14 and the second variable curvature mirror M12 is set to be paired according to the large beam or the small beam so that the effective focal length Fe is substantially constant as in the above-described embodiment. Moreover, it is controlled with positive and negative curvatures, and further linearly controlled with respect to the distance from the output mirror. The laser beam LB condensed by the condenser lens 11 is irradiated toward the workpiece W to be processed and laser processing is performed.
[0091]
In summary, the laser processing system of the present invention has the following advantages when compared with the conventional transmission lens type zooming system.
[0092]
(1) Since a reflection mirror type variable curvature mirror is adopted, it can be applied to laser output of 3000 W or more.
[0093]
(2) Since the thermal lens effect does not occur unlike the transmission lens type, it is stable as a laser processing system.
[0094]
(3) The beam alignment between the laser beam LB and the combination lens is simpler than the transmission lens type.
[0095]
(4) The mechanical structure can be simplified.
[0096]
(5) In the basic operation of expanding or reducing the beam diameter D on the condenser lens 11 or changing the effective focal length Fe, it is necessary to control the transmission lens type by changing the distance between the lenses. At this time, the alignment deviation between the lenses tends to cause interference with the nozzle at the processing point. However, in the laser processing system of the present invention, the positions of the first and second variable curvature mirrors M5 and M2 change dynamically. As a result, a stable light collecting state is obtained.
[0097]
(6) Condensed beam diameter d of 250 to 450 μm without exchanging the condenser lens 11 even when the laser output is 3000 W or more₀Therefore, since an automated cell system with shelves for workpieces W from thin plates to thick plates can be operated efficiently, unmanned and labor saving can be achieved.
[0098]
(7) In the second variable curvature mirror M2 disposed at a position close to the condenser lens 11, only the focal position changes with respect to the change in the radius of curvature as shown in FIG. When it is desired to largely move the focal position up and down, automatic focusing becomes possible by controlling the radius of curvature of the second variable curvature mirror M2 by the control device 17 instead of moving the lens up and down.
[0099]
In addition, this invention is not limited to embodiment mentioned above, It can implement in another aspect by making an appropriate change.
[0100]
【The invention's effect】
As can be understood from the description of the embodiments of the invention as described above, according to the invention of claim 1, since it is a zoom type laser processing system using a pair of first and second curvature variable mirrors, laser output 3000W or more can be applied. Since the curvature radii of the first and second variable curvature mirrors of the two-disc set are controlled in pairs according to the large beam or the small beam, the focused beam diameter at the laser processing point can be reduced or increased. Therefore, the laser processing of the thin plate and thick plate workpieces can be easily performed without exchanging the lenses.
[0101]
In addition, by automatically controlling the radius of curvature of the second variable curvature mirror, the effective focal length at the laser machining point of the workpiece can be easily made constant, so that stable laser machining can be performed. it can.
[0102]
According to the second aspect of the present invention, the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors in a set of two is controlled in pairs according to the large beam or the small beam, so that the focused beam diameter at the laser processing point is reduced. Or you can make it bigger. Therefore, the laser processing of the thin plate and thick plate workpieces can be easily performed without exchanging the lenses.
[0103]
According to the invention of claim 3, in the optical axis movement type laser processing apparatus, the effective focal length is substantially constant at either the near-field processing point or the far-field processing point with respect to the distance from the laser oscillator to the laser processing point. The curvature radii of the first and second variable curvature mirrors can be easily controlled in pairs linearly based on the linear function equation while maintaining a stable cutting.
[0104]
According to the fourth aspect of the present invention, the effect is the same as that of the first aspect. Since the zoom type laser processing system includes two first and second variable curvature mirrors, a laser output of 3000 W or more can be applied. Since the curvature radii of the first and second variable curvature mirrors of the two-disc set are controlled in pairs according to the large beam or the small beam, the focused beam diameter at the laser processing point can be reduced or increased. Therefore, the laser processing of the thin plate and thick plate workpieces can be easily performed without exchanging the lenses.
[0105]
In addition, by automatically controlling the radius of curvature of the second variable curvature mirror, the effective focal length at the laser machining point of the workpiece can be easily made constant, so that stable laser machining can be performed. it can.
[0106]
According to the invention of claim 5, since the effect is the same as that of claim 2, the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors of the two sheets is controlled in pairs according to the large beam or the small beam. The focused beam diameter at the laser processing point can be reduced or increased. Therefore, the laser processing of the thin plate and thick plate workpieces can be easily performed without exchanging the lenses.
[0107]
According to the invention of claim 6, the effect is the same as that of claim 3, and in the optical axis movement type laser processing apparatus, the near-field processing point or the far-field processing with respect to the distance from the laser oscillator to the laser processing point. At any of the points, the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors can be easily controlled linearly based on the linear function equation while keeping the effective focal length substantially constant, and stable cutting can be performed.
[0108]
According to the seventh aspect of the present invention, since the two sets of the first and second variable curvature mirrors are provided in the Y carriage or the laser processing head, the first and second variable curvature mirrors are collected even if the distance between the first and second variable curvature mirrors is short. The beam diameter on the optical lens can be changed greatly. As a result, the focused beam diameter at the laser processing point can be changed greatly, so that laser processing can be performed for a wide range of workpiece thicknesses.
[0109]
According to the eighth aspect of the present invention, the present invention can be widely applied to a single-axis table movement type and a single-axis optical axis movement type laser processing apparatus.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic explanatory view of a laser processing apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a control device that controls a laser processing apparatus.
3A is a diagram illustrating a state where a laser beam has a large focused beam diameter, and FIG. 3B is a diagram illustrating a state where a laser beam has a small focused beam diameter.
FIG. 4 is a graph when obtaining a small beam diameter with respect to a distance from an output mirror to a near-field processing point.
FIG. 5 is a graph when obtaining a large beam diameter with respect to a distance from an output mirror to a near-field processing point.
6A and 6B show a wavefront curvature radius Re and an effective focal length Fe on a condenser lens, where FIG. 6A shows a case where the wavefront curvature radius Re is negative, and FIG. 6B shows a case where the wavefront curvature radius Re is positive. It is a state explanatory view showing the time.
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the wavefront curvature radius Re on the condenser lens and the effective focal length Fe with respect to the curvature radius of AO2.
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the radius of curvature of AO1 and AO2 with respect to the focused beam diameter.
FIG. 9 is a graph showing the relationship between the focused beam diameter and the effective focal length with respect to the beam diameter on the focusing lens.
FIG. 10 is a graph when obtaining a small beam diameter with respect to the distance from the output mirror to the near-field processing point and the far-field processing point.
FIG. 11 is a graph when obtaining a small beam diameter with respect to a distance from an output mirror to a far-field processing point.
FIG. 12 is a graph showing the setting of AO1 and AO2 with respect to the distance from the output mirror in the case of a small beam diameter.
FIG. 13 is a schematic explanatory diagram of a laser processing apparatus according to another embodiment of the present invention.
FIGS. 14A and 14B show a zooming method of a transmission combination lens in a conventional laser processing apparatus, where FIG. 14A is a state explanatory diagram in which a laser beam has a large condensed beam diameter, and FIG. It is state explanatory drawing used as a beam diameter.
FIG. 15 is a schematic explanatory diagram of a conventional laser processing apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Laser processing equipment
3 Laser oscillator
5 Output mirror
9 Laser processing head
11 Condensing lens
13 X-axis motor
15 Y-axis motor
17 Control device
19 Curvature control device
27 memory
29 Arithmetic unit
31 Command section
33 Laser processing equipment
37 Processing table
M1, M3-M4, M6-M10 mirror
M5 1st curvature variable mirror (AO1)
M2 Second curvature variable mirror (AO2)

Claims

The laser beam output from the laser oscillator is reflected by a plurality of mirrors, and then condensed by a condenser lens provided in the laser machining head, and the laser beam condensed by this condenser lens is placed on a machining table. In the laser processing method for performing laser processing on the workpiece by moving the processing table and the laser processing head relative to each other in the X-axis direction and the Y-axis direction while irradiating the workpiece toward the workpiece, A first curvature variable mirror is disposed and a second curvature variable mirror is disposed in the vicinity of the condenser lens in the optical path of the laser beam, and one of the first and second curvature variable mirrors has a concave radius of curvature; Of the second variable curvature mirror so that the effective focal length at the laser processing point of the workpiece becomes substantially constant while the radius of curvature of the workpiece is controlled to be a convex surface. Laser processing method characterized by allowed to control the rate radius.

When controlling the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors as a pair, when forming a small focused beam diameter at the laser processing point, the curvature radius of the first variable curvature mirror is a convex surface and the second curvature variable. When the radius of curvature of the mirror is a concave surface and a large focused beam diameter is formed at the laser processing point, the radius of curvature of the first variable curvature mirror is a concave surface and the radius of curvature of the second variable curvature mirror is a convex surface. The laser processing method according to claim 1.

When controlling the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors as a pair, the optical path length of the laser beam from the laser oscillator to the laser processing point is the effective focal length at either the near-field processing point or the far-field processing point. A linear function expression of the radius of curvature of the first and second curvature variable mirrors and the optical path length of the laser beam, which should be substantially constant, is obtained in advance by light propagation calculation, and the first and second functions are calculated based on the linear function expression. 2. The laser processing method according to claim 1, wherein the radius of curvature of the variable curvature mirror is controlled.

After the laser beam output from the laser oscillator is reflected by a plurality of mirrors, the laser beam is condensed by a condenser lens provided in the laser processing head, and the laser beam condensed by this condenser lens is applied to the workpiece to be processed. In the laser processing apparatus that performs the laser processing on the workpiece by moving the processing table and the laser processing head relative to each other in the X axis direction and the Y axis direction.
The first curvature variable mirror disposed in the optical path of the laser beam, the second curvature variable mirror disposed in the vicinity of the condenser lens in the optical path of the laser beam, and the radius of curvature of the first and second variable curvature mirrors are controlled. A command to the curvature control device to control the pair so that one of the first and second variable curvature mirrors has a concave curvature and the other curvature radius is a convex surface. And a controller for giving a command to adjust the radius of curvature of the second variable curvature mirror so that the effective focal length at the laser processing point is substantially constant.

When the control device forms a small focused beam diameter at the laser processing point, the control device gives a command to set the curvature radius of the first variable curvature mirror as a convex surface and the curvature radius of the second curvature variable mirror as a concave surface. And a command unit for giving a command to make the radius of curvature of the first variable curvature mirror a concave surface and to make the radius of curvature of the second variable curvature mirror a convex surface when forming a large focused beam diameter at Item 5. A laser processing apparatus according to Item 4.

The first and second variable curvature mirrors in which the control device should make the effective focal length substantially constant regardless of whether the optical path length of the laser beam from the laser oscillator to the laser processing point is a near-field processing point or a far-field processing point. A memory for storing a linear function expression of the curvature radius of the laser beam and the optical path length of the laser beam, and a curvature radius of the first and second variable curvature mirrors corresponding to an arbitrary optical path length of the laser beam based on the linear function expression And a command unit for giving a command to control the curvature radii of the first and second curvature variable mirrors in pairs based on a calculated value obtained by the calculation device. The laser processing apparatus according to claim 4.

A Y carriage for moving the laser processing head in the Y axis direction is provided, an X carriage for moving the Y carriage in the X axis direction is provided, and the first and second variable curvature mirrors are provided in the Y carriage. The laser processing apparatus according to claim 4, 5 or 6.

7. A laser processing apparatus according to claim 4, wherein the second variable curvature mirror is provided in the Y carriage or the laser processing head.