JP5100914B2

JP5100914B2 - レーザ加工機及び蛇腹装置

Info

Publication number: JP5100914B2
Application number: JP2012503818A
Authority: JP
Inventors: 茂横井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2011-10-14
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2031-10-14
Also published as: CN102639279B; WO2012050191A1; EP2537622A1; CN102639279A; US8803026B2; JPWO2012050191A1; US20120241423A1; EP2537622A4; EP2537622B1

Description

本発明は、レーザ加工機及び蛇腹装置に関する。

被加工物にレーザ光を照射して加工を行うレーザ加工機では、レーザ発振器から出射されたレーザ光を所定の光路に沿って被加工物上へ導いている。焦点合わせなどのために光路長を可変とする必要がある場合、レーザ加工機には伸縮可能な筒状の蛇腹を備えた蛇腹装置が設けられ、蛇腹で光路を囲繞し、蛇腹内でレーザ光を進行させるように構成される。

何らかの原因によって光路にずれが生じたり、蛇腹が蛇行したり、レーザ光が被加工物などに反射されて蛇腹面に照射されると、蛇腹が炭化して（焦げて）損傷し、穴が開く可能性がある。また、レーザ加工時に発生する溶融物（スパッタ）が飛散して蛇腹に付着した場合も、蛇腹が炭化して損傷する可能性がある。

このため、特許文献１に開示されるように、蛇腹内にリード線を織り込み、この導通状態の変化に基づいて蛇腹が損傷したことを検出することが試みられている。

また、特許文献２に開示される発光ダイオード及び光センサを備えた煙検出手段を蛇腹内に設けた場合も、蛇腹が炭化する際に発生する煙を検出できるため、蛇腹が損傷したことを検出可能である。

特開平９−２２０６９１号公報特開昭６４−５６９０号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示される発明は、蛇腹にリード線を織り込む必要があるため、蛇腹の製造コストが高くなってしまう。また、リード線が断絶するまで蛇腹が損傷しないとレーザ光が蛇腹に照射されたことを検出できない。さらに、リード線が設けられていない箇所にレーザ光が照射された場合には蛇腹の損傷を検知できない。

また、特許文献２に開示される発明の煙検出手段を蛇腹内に設けた場合は、煙検出手段の近傍に煙が存在していないと蛇腹が損傷したことを検出できないため、煙検出手段と離れた場所で蛇腹が炭化した場合には、蛇腹が損傷したことを検知できなかったり、検知するまでに時間がかかってしまう。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、蛇腹が損傷したことを損傷した位置に関わらず速やかに検出可能なレーザ加工機及び蛇腹装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、被加工物が載置される加工テーブルと、レーザ光を発するレーザ発振器と、レーザ発振器から発せられたレーザ光を偏向する導光光学系と、導光光学系での偏向後のレーザ光の光路を囲繞する伸縮可能な筒状の蛇腹と、連結された蛇腹を伸縮させながら蛇腹の軸方向に移動可能であり、蛇腹を通過したレーザ光を加工テーブルへ向かう方向に偏向するベンドミラーと、ベンドミラーで偏向されたレーザ光を被加工物に照射する加工ヘッドと、蛇腹の軸と並行して進行する光ビームを発する発光部と、光ビームの受光量を測定する受光部とを備えた異常検出器と、受光部における光ビームの受光量が、前記蛇腹によって前記光ビームが遮られた際の前記受光部における前記光ビームの受光量よりも大きい第１の閾値を下回った場合にレーザ発振器を停止させる制御手段とを有することを特徴とする。

本発明によれば、蛇腹が損傷した位置に関わらず、蛇腹の損傷を速やかに検出可能であるという効果を奏する。

図１は、本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態１の構成を示す図である。図２はフレームの形状を示す図である。図３は、蛇腹走行ガイドの断面形状を示す図である。図４は、光ビームが蛇腹走行ガイドと蛇腹との間の空間を通る状態を示す図である。図５Ａは、蛇腹の炭化によって煙が発生した場合の受光量の変化を示す図である。図５Ｂは、レーザ加工で発生する粉塵の影響による受光量の変化を示す図である。図６は、傾いたフレームが光ビームを遮断した状態の一例を示す図である。図７は、本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態２の構成を示す図である。図８は、本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態３の構成を示す図である。図９は、本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態４の構成を示す図である。

以下に、本発明にかかるレーザ加工機及び蛇腹装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態１の構成を示す図である。レーザ加工機は、制御装置１、レーザ発振器２、導光光学系３、蛇腹装置４、加工ヘッド５、加工テーブル６、及び報知装置７を含んで構成されている。レーザ加工機は、レーザ発振器２から出射されるレーザ光Ｌを、所定の光路に沿って伝播させて加工テーブル６上のワークＷへ導いている。

レーザ発振器２は、ＣＯ_２レーザなどのレーザ光Ｌを発振させる装置であり、レーザ加工の際にはレーザ出力を種々変化させながらレーザ光Ｌを出射する。

導光光学系３は、レーザ発振器２が出射するレーザ光Ｌを部分反射させるＰＲミラー、ＰＲミラーから送られてくるレーザ光Ｌのビーム角度を変えるベンドミラー、ベンドミラーから送られてくるレーザ光Ｌのビーム径（直径）を調整するビーム最適化ユニット、ビーム最適化ユニットから送られてくるレーザ光Ｌのビーム角度を水平方向に偏向するベンドミラーなどの不図示の光学部品を含んでいる。

蛇腹装置４は、導光光学系３と加工ヘッド５との間の光路に、レーザ光Ｌの光軸に沿って光路の周辺を囲うよう配設された筒状の蛇腹４１と、蛇腹４１の移動を案内する蛇腹走行ガイド（蛇腹ガイド）４２と、異常検出器としてのビームセンサ（ビームセンサ発光部４３ａ、ビームセンサ受光部４３ｂ）とを備えている。

蛇腹４１は、光路環境を外気から遮断することによって光路を外気（加工くず等）から保護する。蛇腹４１は、レーザ光Ｌの光路（光軸）と同じ方向に伸縮可能に構成されている。蛇腹４１は、導光光学系３側の端部が導光光学系３に含まれるベンドミラーに固定されており、加工ヘッド５側の端部が加工ヘッド５に追従して移動することにより伸縮する。蛇腹４１には、所定の間隔で略平板状のフレーム４１ａが装着されており、フレーム４１ａを介して蛇腹走行ガイド４２に吊り下げられている。図２は、フレーム４１ａの形状を示す図である。図３は、蛇腹走行ガイド４２の断面形状を示す図である。フレーム４１ａには蛇腹走行ガイド４２のガイド部４２ａに対応する形状の摺動部４１ｂが設けられており、蛇腹４１の伸縮の際には、ガイド部４２ａに沿って摺動部４１ｂが摺動することでフレーム４１ａ全体が移動する。蛇腹走行ガイド４２は加工テーブル６を跨ぐように設けられており、一端にはビームセンサ発光部４３ａが、他端にはビームセンサ受光部４３ｂが設置されている。したがって、ビームセンサ発光部４３ａから発せられた光ビームＢは蛇腹走行ガイド４２と蛇腹４１との間の空間において蛇腹４１と並行して進行し、ビームセンサ受光部４３ｂに到達している。図４は、光ビームＢが蛇腹走行ガイド４２と蛇腹４１との間の空間を通る状態を示す図である。ビームセンサ受光部４３ｂにおける受光量は、制御装置１へ出力される。なお、ここでは蛇腹４１の固定端（導光光学系３側の端）側にビームセンサ発光部４３ａを配置した構成を例としているが、ビームセンサ発光部４３ａ及びビームセンサ受光部４３ｂの設置位置は入れ替え可能である。

加工ヘッド５は、蛇腹装置４を通過したレーザ光Ｌのビーム角度を加工テーブル６へ向かう方向（例えば垂直下方）に偏向するベンドミラー５１に連結されており、ベンドミラー５１で偏向されたレーザ光Ｌが入射するようになっている。加工ヘッド５は、ベンドミラー５１からのレーザ光Ｌを小さなスポット径に集光してワークＷに照射する加工レンズ５２を備えている。加工ヘッド５の内部では、通過するレーザ光Ｌの吸収率に影響を与えないパージガス（例えばＮ_２）が放出されている。加工ヘッド５内部で放出されたパージガスは、蛇腹４１内部に流入する。蛇腹４１内のパージガスは、蛇腹４１の導光光学系３側から排気されている。このため、蛇腹４１内には加工ヘッド５側から導光光学系３側へ流れる気流が形成される。加工ヘッド５は、連結された蛇腹４１を伸縮させながら蛇腹４１の軸方向に移動可能である。

加工テーブル６上にはワークＷが載置されており、加工テーブル６上でレーザ加工が行われる。

報知装置７は、異常の発生をユーザに対して聴覚的、視覚的に通知する装置であり、アラーム、警告ランプ、ディスプレイ、スピーカなどを適用可能である。

制御装置１は、レーザ発振器２の駆動・停止や加工ヘッド５の移動、加工テーブル６の送りなどを制御する。また、報知装置７を用いての報知動作の制御も行う。さらに、ビームセンサの検出結果（ビームセンサ受光部４３ｂにおける受光量）に基づいて、蛇腹４１の損傷の有無を判断する。

レーザ光Ｌが蛇腹面に照射されるなどして蛇腹４１が損傷した場合、蛇腹４１が炭化されることにより微粒子を含む煙が発生する。この煙が上方へと立ち上り、ビームセンサ発光部４３ａとビームセンサ受光部４３ｂとの間に到達すると、ビームセンサ受光部４３ｂにおける受光量が所定の第１の閾値よりも低下する。制御装置１はビームセンサ受光部４３ｂにおける受光量が第１の閾値を下回ったことに基づいて、蛇腹４１が損傷を受けたことを検出する。

図５は、レーザ加工中のビームセンサ受光部４３ｂにおける受光量の変化を示す図である。図５Ａは、蛇腹４１の炭化によって煙が発生した場合の受光量の変化を示す。図５Ｂは、レーザ加工で発生する粉塵の影響による受光量の変化を示す。レーザ加工中には粉塵が発生するため、蛇腹４１が炭化されることによる煙が発生していない場合でも、ビームセンサ受光部４３ｂにおける受光量はレーザ加工中に徐々に低下していく。しかし、レーザ加工で発生する粉塵は、蛇腹４１が炭化した際に発生する煙ほど微粒子の密度が高くないため、受光量の減少の度合いは小さい。したがって、制御装置１は、単位時間当たりの受光量の減少量を監視し、単位時間当たりの受光量の減少量が第３の閾値未満の場合には、ビームセンサ受光部４３ｂにおける受光量が第１の閾値未満となっても蛇腹４１が損傷を受けたと判断しないようにしてもよい。

制御装置１は、蛇腹４１が損傷を受けたことを検出した場合、レーザ加工を中止する。すなわち、レーザ発振器２を停止させる。加えて、加工ヘッド５の移動や加工テーブル６の送りも停止させてもよい。そして、報知装置７を駆動し、レーザ加工を中止したことをユーザに報知する。例えば、警報音を発したり、ランプを点灯（又は点滅）させたり、エラーメッセージを表示したり、音声メッセージを発したりすればよい。

なお、フレーム４１ａと蛇腹走行ガイド４２との間に摺動不良が生じた場合に、傾いたり浮き上がったりしたフレーム４１ａによって光ビームＢが遮られるようにビームセンサ発光部４３ａとビームセンサ受光部４３ｂを配置すれば、摺動不良の発生時には、ビームセンサ受光部４３ｂにおける受光量は第１の閾値よりも小さい第２の閾値未満（光ビームが完全に遮られた場合はゼロ）になる。図６は、傾いたフレーム４１ａが光ビームＢを遮断した状態の一例を示す図である。蛇腹４１が炭化によって損傷した場合は、ビームセンサ受光部４３ｂにおける受光量は低下するものの第２の閾値未満にはならないため、摺動不良発生時にフレーム４１ａによって光ビームＢが遮られるようにビームセンサ発光部４３ａとビームセンサ受光部４３ｂを配置すれば、制御装置１は受光量が第２の閾値未満であるか否かに基づいて蛇腹４１の損傷とフレーム４１ａの摺動不良とを区別可能である。

フレーム４１ａの摺動不良を検出した場合、制御装置１は、蛇腹４１の伸縮の速度（すなわち加工ヘッド５の移動速度）を遅くした上でレーザ加工を継続する。なお、この場合にも報知装置７を起動して、摺動不良が発生したことをユーザに報知しても良い。また、フレーム４１ａの摺動不良を検出した場合に、制御装置１がレーザ加工を中止するようにすることも可能である。

本実施の形態においては、ビームセンサが蛇腹走行ガイド４２の全長にわたって煙を検出可能であるため、蛇腹４１の長手方向のどの部分が炭化によって損傷しても速やかに検出可能である。また、蛇腹４１の周方向に関しても特定の位置に限定されることなく炭化による損傷を検出可能である。しかも、蛇腹４１にリード線などの導体を織り込む必要が無いため、蛇腹４１の製造コストが高くならない。

実施の形態２．
図７は、本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態２の構成を示す図である。本実施の形態においては、ビームセンサは蛇腹走行ガイド４２ではなく蛇腹４１に設置されている点で実施の形態１と相違する。

本実施の形態においては、蛇腹４１の伸縮、すなわち加工ヘッド５の位置に応じてビームセンサ受光部４３ｂでの受光量が変化する。このため、制御装置１はビームセンサ受光部４３ｂでの受光量を加工ヘッド５の位置に応じて補正した上で、蛇腹４１の炭化による損傷の有無を判断する。

この他の点については実施の形態１と同様であるため、重複する説明は割愛する。

本実施の形態においては、蛇腹４１の全長に亘って煙を検出可能であるため、蛇腹４１の長手方向のどの部分が炭化によって損傷しても速やかに検出可能である。また、蛇腹４１の周方向に関してもどの部分においても特定の位置に限定されることなく炭化による損傷を検出可能である。しかも、蛇腹４１にリード線などの導電体を織り込む必要が無いため、蛇腹４１の製造コストが高くならない。

実施の形態３．
図８は、本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態３の構成を示す図である。本実施の形態においては、ビームセンサが蛇腹４１の内側に設けられている点で実施の形態２と相違する。すなわち、本実施の形態においては、ビームセンサ発光部４３ａから発せられた光ビームＢは蛇腹４１内部の空間を通ってビームセンサ受光部４３ｂに到達している。

ワークＷなどにおける反射光が加工ヘッド５に入射して蛇腹４１の内面に照射された場合、蛇腹４１は内側から炭化するため、蛇腹４１に穴が開くまでは煙が蛇腹４１の外に漏れ出ない。したがって、上記実施の形態１、２のように蛇腹４１の外にビームセンサを設置した場合は、蛇腹４１内部で炭化による損傷が生じても蛇腹４１に穴が開く前には検出できない。これに対し、本実施の形態では、光ビームＢが蛇腹４１の内部を通るため、蛇腹４１内部での炭化による損傷の発生を速やかに検出可能である。

また、本実施の形態においては、光ビームＢが蛇腹４１の内部を通るため、粉塵による影響で光ビームＢが散乱することがない。したがって、レーザ加工中に粉塵の影響でビームセンサ受光部４３ｂにおける受光量が低下することがない。

ただし、本実施の形態においては、光ビームＢが蛇腹４１内を通過するため、フレーム４１ａの摺動不良の検出はできない。

このように、本実施の形態によれば、目視不能な蛇腹４１内部での損傷を、蛇腹４１に穴が開く前に検出可能である。

この他については実施の形態２と同様であるため、重複する説明は割愛する。

上記実施の形態１〜３においては、光ビームＢが蛇腹４１の全長に亘って蛇腹４１と並行して進行するようにビームセンサ発光部４３ａ及びビームセンサ受光部４３ｂを配置する構成を例としたが、光ビームＢが蛇腹４１の一部分と並行して進行するようにビームセンサ発光部４３ａ及びビームセンサ受光部４３ｂを配置することも可能である。例えば、光ビームＢが蛇腹４１の加工ヘッド５側の半分（又は、導光光学系３側の半分）のみと並行して進行するようにしても良いし、光ビームＢが蛇腹４１の中間部分のみと並行して進行するようにしても良い。

実施の形態４．
図９は、本発明にかかるレーザ加工機の実施の形態４の構成を示す図である。本実施の形態においては、蛇腹４１には、パージガスの流れの下流側となる導光光学系３側の端の内部にビームセンサ発光部４３ａ及びビームセンサ受光部４３ｂが設置されている点で実施の形態３と相違する。ビームセンサ発光部４３ａから発せられた光ビームＢは、蛇腹４１内をレーザ光Ｌに対して直角方向に横断してビームセンサ受光部４３ｂに到達している。

上記のように、蛇腹４１内では加工ヘッド５側から導光光学系３側へ向かってパージガスが流れている。したがって、蛇腹４１内に発生した煙は長手方向のどの部分で発生したとしてもパージガスの流れに乗って移動し、導光光学系３側の端部に到達する。また、蛇腹４１の内部で発生した煙は、蛇腹４１内で立ち上るため、損傷箇所から離れるにつれて蛇腹４１の上部に近い部分を通過するようになる。本実施の形態では、ビームセンサ発光部４３ａ及びビームセンサ受光部４３ｂは、光ビームＢが蛇腹４１内をレーザ光Ｌに対して直角方向に横断するように、パージガスの流れの下流側に端部近傍に配置されている。このため、蛇腹４１の炭化が発生した箇所に関わらず、蛇腹４１の損傷を検出できる。

本実施の形態において、パージガスは加工ヘッド５側から導光光学系３側に向かって流れる構成を例として説明したが、蛇腹４１の固定端側（導光光学系３側）からパージガスが供給され、移動端側（加工ヘッド５側）に向かってパージガスが流れるようにすることも可能である。この場合には、パージガスの流れの下流側となる蛇腹４１の加工ヘッド５側にビームセンサ発光部４３ａ及びビームセンサ受光部４３ｂを設ければ良いことは言うまでもない。

本実施の形態では、ビームセンサ発光部４３ａとビームセンサ受光部４３ｂとの距離を小さくできるため、センサの位置合わせなどの組立作業が容易である。

この他については実施の形態３と同様であるため、重複する説明は割愛する。

以上のように、本発明にかかるレーザ加工機及び蛇腹装置は、蛇腹の損傷を位置に関わらず検出できる点で有用であり、特に、装置の製造コストの高騰を抑えるのに適している。

１制御装置
２レーザ発振器
３導光光学系
４蛇腹装置
５加工ヘッド
６加工テーブル
７報知装置
４１蛇腹
４１ａフレーム
４２蛇腹走行ガイド
４３ａビームセンサ発光部
４３ｂビームセンサ受光部
５１ベンドミラー
５２加工レンズ

Claims

被加工物が載置される加工テーブルと、
レーザ光を発するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から発せられた前記レーザ光を偏向する導光光学系と、
前記導光光学系での偏向後の前記レーザ光の光路を囲繞する伸縮可能な筒状の蛇腹と、
連結された前記蛇腹を伸縮させながら該蛇腹の軸方向に移動可能であり、該蛇腹を通過した前記レーザ光を前記加工テーブルへ向かう方向に偏向するベンドミラーと、
前記ベンドミラーで偏向された前記レーザ光を前記被加工物に照射する加工ヘッドと、
前記蛇腹の軸と並行して進行する光ビームを発する発光部と、前記光ビームの受光量を測定する受光部とを備えた異常検出器と、
前記受光部における前記光ビームの受光量が、前記蛇腹の摺動不良を検出するための固定値である第２の閾値よりも大きく、かつ、前記受光部に前記光ビームが部分的に所定の割合到達する状態での前記受光部における前記光ビームの受光量に相当する固定値である第１の閾値を下回った場合に前記レーザ発振器を停止させる制御手段とを有することを特徴とするレーザ加工機。
前記蛇腹の全長に亘って前記光ビームが前記蛇腹の軸と並行するように前記発光部及び前記受光部が配置されたことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工機。
前記蛇腹よりも長尺で、該蛇腹を吊り下げて案内する蛇腹ガイドをさらに有し、
前記発光部が前記蛇腹ガイドの一端近傍の下部に配置され、前記受光部が前記蛇腹ガイドの他端近傍の下部に配置されたことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工機。
前記発光部が前記蛇腹の一端近傍かつ筒外の上部に配置され、前記受光部が前記蛇腹の他端近傍かつ筒外の上部に配置されたことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工機。
前記制御手段は、前記受光部における前記光ビームの受光量が、前記第１の閾値よりも小さい、前記第２の閾値未満となった場合に、前記蛇腹の伸縮速度を低下させることを特徴とする請求項３又は４記載のレーザ加工機。
前記制御手段は、前記受光部における前記光ビームの受光量の単位時間当たりの減少量が第３の閾値未満の場合には、前記受光部における前記光ビームの受光量が前記第１の閾値を下回っても、前記レーザ発振器を停止させないことを特徴とする請求項３又は４記載のレーザ加工機。
前記発光部が前記蛇腹の一端近傍かつ筒内の上部に配置され、前記受光部が前記蛇腹の他端近傍かつ筒内の上部に配置されたことを特徴とする請求項２記載のレーザ加工機。
被加工物が載置される加工テーブルと、
レーザ光を発するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器から発せられた前記レーザ光を偏向する導光光学系と、
前記導光光学系での偏向後の前記レーザ光の光路を囲繞する伸縮可能な筒状の蛇腹と、
連結された前記蛇腹を伸縮させながら該蛇腹の軸方向に移動可能であり、該蛇腹を通過した前記レーザ光を前記加工テーブルへ向かう方向に偏向するベンドミラーと、
前記ベンドミラーで偏向された前記レーザ光を前記被加工物に照射する加工ヘッドと、
前記蛇腹内に前記導光光学系側を下流とする気流が形成されるようにパージガスを供給する手段と、
前記蛇腹の前記導光光学系側の端部近傍で前記レーザ光に対して直角方向に光ビームを発する発光部と、前記光ビームの受光量を測定する受光部とを備えた異常検出器と、
前記受光部における前記光ビームの受光量が第１の閾値を下回った場合に前記レーザ発振器を停止させる制御手段とを有することを特徴とするレーザ加工機。
伸縮可能な筒状の蛇腹を有し、レーザ加工機の加工ヘッドへ入射するレーザ光の光路を前記蛇腹が囲繞し、かつ、前記蛇腹内をパージガスが通過するように前記レーザ加工機に設置される蛇腹装置であって、
前記パージガスの流れの下流側となる端部近傍において前記レーザ光に対して直角方向に光ビームを発する発光部と、
前記光ビームの受光量を測定する受光部とを備え、
前記受光部の出力に基づいて前記蛇腹の異常を検出可能にしたことを特徴とする蛇腹装置。