JP6422549B2 - レーザ加工機械の安全装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ光を照射してワークを加工する、レーザ加工機、ウォータジェットレーザ加工機、レーザ焼入機、レーザ溶接機等、レーザ加工機械の安全装置に関するものである。

特に金属加工用のレーザ加工機は、強力なレーザ光を利用するものであるので、通常は、日本工業規格ＪＩＳ Ｃ ６８０２で規定されたクラス４の装置として分類されている。このため、レーザ加工機は、有害なレーザ光が遮蔽されるように、ワークを載置するテーブルやレーザ光を出射する光学ヘッドを覆うカバーを有している。カバーにはワークを出し入れするための開口部とそれを開閉する作業者ドアが設けられていて、この作業者ドアの開放に連動して、レーザ光の光路を機械的に遮断するシャッタが一般に設けられている。そして、作業者がワークの取り出し等のために作業者ドアを開けると、シャッタによりレーザ光の光路が遮断され、従って光学ヘッドからのレーザ光の出射が止まり、レーザ被曝が起こらないようになっている。

通常、レーザ加工機でワークを順次加工する場合、ワークの脱着の際にも、レーザ加工機のレーザ発振器は加工時と同様に作動状態が維持される。これはレーザ発振器の電源をオフにすると、励起光源が消え、チラーも停止するので、再稼働するときにレーザ光の出力が規定の値にまで戻る時間が１分程度と比較的長い時間を要するためである。また、レーザ発振器が急に停止すると、レーザ発振器にチャージされていた電力が強制放出されて制御基板に流れてそれを破損させることもあるからである。このため、レーザ発振器の作動を停止することなく、光学ヘッドからのレーザ光の出射を阻止する有効な手段として上述したシャッタが従来用いられてきた。

レーザ光の光路を開閉するシャッタを有する半導体レーザ装置を含むレーザ加工機が特許文献１に記載されている。また、安全のために、レーザ光の光路を機械的に遮断するシャッタを有するレーザ加工ヘッドが特許文献２に記載されている。

特開２００４−１３０３３６号公報 特開２００４−２５２１６号公報

従来のレーザ加工機は、シャッタが故障しているのに気づかずに作業者が作業者ドアを開けた場合には、被曝事故が生じるという問題を潜在的に有している。また、従来のレーザ加工機は、そのレーザ発振器がワーク脱着時等の非加工時にもレーザ光を加工時と同様に放出し続けるので、そのことにより、レーザ発振器の特にシャッタ、出力計、及び固体レーザの場合の例えばＹＡＧロッドの劣化が早められ、またそれら構成要素の故障率が高まるという問題も有している。とりわけ、レーザ光照射による温度上昇に起因するシャッタの作動の信頼度の低下が懸念される。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであって、生産性を落とすことなく、作業者をレーザ被曝から確実に守るとともに、レーザ発振器の長寿命化を可能にするレーザ加工機械の安全装置を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、レーザ発振器と、レーザ発振器から供給されたレーザ光をワークに照射する光学ヘッドと、ワークを載置するテーブルと、光学ヘッド及びテーブルを囲繞して加工室を区画形成するとともにレーザ光を遮蔽するカバーとを具備するレーザ加工機械の安全装置において、カバーに形成された開口部を開閉する作業者ドアの開閉状態を検出するドアスイッチと、レーザ発振器内に配設されたレーザ出力部であって、レーザ光を発振して、設定された出力レベルのレーザ光を光学ヘッドに送出するレーザ出力部と、レーザ出力部から光学ヘッドへ送出されるレーザ光の光路に配設されたシャッタであって、光路を開放する開放位置と光路を遮断する遮断位置とをとることができ、遮断位置にあるときレーザ光線を反射する反射面を有するシャッタと、シャッタが光路を遮断する位置をとっているとき、シャッタの反射面で反射したレーザ光の出力レベルを検出する出力計と、ドアスイッチが作業者ドアの開状態を検出したとき、レーザ発振器の電源をオンのままレーザ出力部に供給される電流を０またはレーザ出力部が送出するレーザ光の出力が予め定めた安全なレベルに収まる値まで低下させるとともに、シャッタを光路を遮断する位置に移動して保持する制御部と、を具備するレーザ加工機械の安全装置が提供される。

本発明によれば、作業者ドアの開状態が検出されると、レーザ光の出力は安全なレベルまで低下されるので、作業者のレーザ被曝が防止される一方で、レーザ発振器の電源はオフされないので、加工を再開するとき、レーザ光の出力を、加工用に設定された出力レベルに比較的短時間で復帰させることが可能になる。その結果、本発明によれば、生産性を落とすことなく作業者の安全を確保することが可能になる。さらに、レーザ出力部が作動中であっても、レーザ光の出力が低下している時間帯が発生するので、レーザ出力部の長寿命化を実現することが可能になる。

本発明が適用されるレーザ加工機の一例を示す斜視図である。 前記レーザ加工機の光学ヘッドの模式的断面図である。 実施形態によるレーザ加工機の安全装置の構成要素とそれに関連するレーザ加工機の構成要素を示すブロック図である。 前記安全装置のレーザ出力部が備える励起光源に対する光源電流とレーザ出力部から送出されるレーザ光の出力との関係を模式的に示す図である。 前記安全装置によりレーザ被曝が防止されるまでの流れを示すフロー図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるレーザ加工機の安全装置を説明する。
図１は、本発明によるレーザ加工機械の安全装置を構成要素として含むウォータジェットレーザ加工機（以下「レーザ加工機」という）の一例を示す図である。図１のレーザ加工機１００は、金属の穴あけ及び切断加工に適したものである。ただし、本発明が、様々な用途、例えば金属の焼入れ、溶接、樹脂材料の穴あけ切断加工、及びマーキング等のためのレーザ加工機械にも適用可能であることは、以下の説明から容易に理解されるであろう。

図１を参照すると、レーザ加工機１００は、ワークを取り付けるためのテーブル１０８と、そのテーブル１０８に対してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸方向に相対的に直線移動可能に設けられた光学ヘッド１０と、図１には示されないがレーザ発振器４０とを具備している。レーザ加工機１００は、光学ヘッド１０及びテーブル１０８を包囲して加工室を形成する直方体状のカバー１０２も具備している。カバー１０２の正面には、作業者がテーブル１０８や光学ヘッド１０へアクセス可能となるように開口部１０４が形成されている。カバー１０２は、開口部１０４を開閉するための、左右方向（Ｘ軸方向）にスライド可能な作業者ドア１０６も有している。作業者ドア１０６は、その開閉状態を検出するためのドアスイッチ１０６ａを備えている。

カバー１０２の正面側壁には、レーザ加工機１００のための操作盤１１０が取り付けられている。操作盤１１０は、レーザ加工機１００の状態や動作を示すパラメータや、作業者に対する操作方法を教示するアイコン等を表示するディスプレイ１１２および各種操作ボタン１１４を有している。ディスプレイ１１２は、作業者が指でアイコンにタッチすることによってレーザ加工機１００に対して様々な操作が可能なタッチパネルとすることができる。また、操作盤１１０は制御装置を内蔵し、作業者の入力や制御装置内に記憶されたプログラムに従ってレーザ加工機１００を制御する。操作盤１１０から、加工に用いるレーザ光の出力を入力して設定することができる。なお、制御装置は制御盤１１０に内蔵されるのではなく、機械の別の場所に格納されていてもよい。

図２に一例として示す光学ヘッド１０は、ハウジング１２内に配設され、レーザ発振器４０からのレーザ光を光ファイバコード４０ａを介して受け取り、コリメーションレンズ１８へ向けて照射するレーザ照射ヘッド１６を具備している。レーザ照射ヘッド１６からのレーザ光は、コリメーションレンズ１８で平行光線となって、第１のミラー２０によって第２のミラー２２に向けて反射され、その第２のミラー２２によってフォーカスレンズ２４へ向けて反射される。フォーカスレンズ２４で絞られたレーザ光は、ノズルヘッド２６を通してハウジング１２の外部の、通常はテーブル１０８に載置されたワークＷに照射される。このとき、光学ヘッド１０が照射するレーザ光の光軸はＺ軸に略平行となっている。また、光学ヘッド１０は、光学ヘッド１０から照射されるレーザ光の方向を調節するためミラー配向変更手段としてモータ２０ａ、２２ａを有している。さらに、光学ヘッド１０は、第２のミラー２２を誘電体多層膜から形成することによって、ノズル２６ｂから照射されるレーザ光とノズル２６ｂとの位置関係を監視するカメラ３２も有している。

図２に例示される光学ヘッド１０は、そのノズル２６ｂから照射されるレーザ光が、同じノズル２６ｂから噴射される水柱３４によって包囲され、その水柱３４の内壁で全反射しながら進行するタイプのものである。そのため、超純水供給装置３０が管路２８を介してノズルヘッド２６に接続されている。

次に、図３に例示される、レーザ加工機１００のレーザ発振器４０について以下に説明する。図３のレーザ発振器４０は、レーザ出力部４１と、チラー４２と、レーザ出力部４１から光学ヘッド１０に至るレーザ光の光路を遮断及び開放するシャッタ４３と、出力計４４と、制御部４５と、電源部４６と、光学ヘッド１０へレーザ光を導光する光ファイバコード４０ａ（図３には図示せず）を具備する。また、電源部４６は、制御部４５を介してレーザ出力部４１に対して、及びチラー４２に対して電力を供給する。

図３のレーザ出力部４１は、Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザ共振器として構成されており、したがって、その内部に、図示されないが、Ｎｄ：ＹＡＧロッド、励起光源、集光器、全反射ミラー、出力ミラー等を具備する。

レーザ出力部４１と出力計４４からの発熱量は相当に大きいので、それらを冷却するために、チラー４２からの冷媒の配管がレーザ出力部４１及び出力計４４に接続されている。チラー４２は、レーザ発振器４０が通電状態にある間は、加工時及び非加工時の如何にかかわらず一定量の冷媒をレーザ出力部４１及び出力計４４に供給するように作動する。

ところで、本発明の実施形態によるレーザ加工機の安全装置は、カバー１０２の作業者ドア１０６に設けられたドアスイッチ１０６ａと、レーザ出力部４１と、制御部４５と、シャッタ４３とを構成要素として含んでいる。

レーザ出力部４１から出射されたレーザ光は、光ファイバコード４０ａの入射端（図示せず）の前に配設されたファイバ入射結合レンズ（図示せず）によって絞られて光ファイバコード４０ａに導入される。シャッタ４３は、レーザ出力部４１の出射端とファイバ入射結合レンズとの間のレーザ光の光路に配設されている。シャッタ４３は、光路を遮断する遮断位置と、光路を開放する開放位置をとることができる。図３では、遮断位置が実線で示され、開放位置が想像線で示されている。シャッタ４３は、枢軸を有する板状のものであって、前記枢軸を中心にモータ４７によって回動するタイプである。また、シャッタ４３は、それが遮断位置にあるときに、レーザ出力部４１から受けたレーザ光を出力計４４へ向けて反射する反射面を備えている。

制御部４５は、シャッタ制御部４８と出力制御部４９とを具備する。シャッタ制御部４８は、カバー１０２の作業者ドア１０６に設けられたドアスイッチ１０６ａからの信号に基づいてシャッタ駆動用のモータ４７を制御する。より詳しくは、シャッタ制御部４８は、ドアスイッチ１０６ａが作業者ドア１０６の開状態を検知すると、モータ４７によってシャッタ４３を遮断位置に移動させてその位置を保持し、ドアスイッチ１０６ａが作業者ドア１０６の閉状態を検知すると、モータ４７によってシャッタ４３を開放位置に移動させてその位置を保持するように構成されている。

出力制御部４９は、レーザ出力部４１の励起光源に供給する電流（以下「光源電流」という）を制御することにより、レーザ出力部４１から出射されるレーザ光の出力を０から規定の最大出力までの間で制御するように構成されている。また、出力制御部４９は、レーザ発振器４０の始動立ち上げ時において、遮断位置に配置されたシャッタ４３によって出力計４４へ反射されたレーザ光の出力を監視するようにも構成されている。そして、レーザ光の出力が規定の出力に達したとき、シャッタ制御部４８が、モータ４７によってシャッタ４３を開放位置に移動させてその位置で保持させる。

ここで、本実施形態におけるレーザ出力部４１に供給される電流、即ち光源電流とレーザ光の出力（以下「レーザ光出力」ということがある）との関係を模式的に示す図４を参照すると、レーザ光出力は、光源電流が２０Ａ付近での一時的な落ち込みがあるものの全体としてみれば光源電流の増大にともなって増大して、３０Ａで最大値に達する。また、図４からは、レーザ光出力は光源電流が約８Ａまでは０であることがわかる。このように、レーザ光出力を生み出さない光源電流の領域があることが注目される。また、図４の例では、レーザ光出力は、光源電流が約１０Ａ以下のときにクラス１相当の安全なレベルにあり、約１０Ａを超えると危険なレベルにある。

本実施形態における制御部４５の出力制御部４９は、カバー１０２の作業者ドア１０６が開状態になったことをドアスイッチ１０６ａが検出すると、光源電流の値を０またはレーザ光出力が予め定められた安全なレベルに収まる値まで低下させる。但し、このときレーザ発振器４０の電源部４６をオンのままにする、すなわち電源部をオフしないことが重要である。本実施形態では、低下される光源電流の値は例えば５Ａに定められてよい。これは、光源電流が５Ａの場合のレーザ光出力は０であって安全なレベルにあるからである。また、本実施形態では、低下される光源電流の値が例えば９Ａに定められてもよい。これは、光源電流が９Ａの場合のレーザ光出力は０ではないが、図４で示されるように安全なレベルにあるからである。もちろん光源電流の値を０にしてもよい。

このように、本実施形態では、制御部４５の出力制御部４９は、カバー１０２の作業者ドア１０６が開状態になったことをドアスイッチ１０６ａが検出すると、光源電流を０にすることなくレーザ光出力を安全なレベルまで低下させる。そうすることによって、作業者に対する安全が確保される一方で、加工が再開されるときの、レーザ光出力が加工に適したレベルへ復帰するまでの時間を、光源電流を０にした場合に比較すると、相当に短縮することが可能になる。また、レーザ光出力が低下している時間帯が発生するので、常に高い出力のレーザ光を送出していた従来のレーザ出力部に比較して、レーザ出力部４１の長寿命化を実現することが可能になる。さらに、シャッタ４３が遮断位置にあるときに、シャッタ４３及び出力計４４に照射されるレーザ光の出力が低下するので、シャッタ４３および出力計４４の温度上昇が抑えられて、それらの長寿命化を実現することも可能になる。

本実施形態では、チラー４２はレーザ発振器４０が通電状態にある間は常に作動している。従って、レーザ発振器４０の電源部４６をオフしないかぎり、加工を再開するときに、チラー４２の再稼働に要する時間を考慮する必要はない。

また、本実施形態によるレーザ加工機の安全装置は、シャッタ４３も具備するので、カバー１０２の作業者ドア１０６が開状態になったときには、レーザ光出力を安全なレベルに低下させるだけでなく、レーザ光の光路の遮断も行う。したがって、レーザ被曝に対する安全が二重に確保される。

図５は、本発明の実施形態によるレーザ加工機の安全装置によりレーザ被曝が防がれるまでの流れを概略的に示すフロー図である。この図を使って説明すると、ワークＷをテーブル１０８にセットしてカバー１０２の作業者ドア１０６を閉じた後に、レーザ加工機１００の電源を投入すると（Ｓ１０）、レーザ発振器４０が作動して予め設定されていたレーザ光出力で加工が開始される（Ｓ２０）。加工を中断してワークＷの加工状態を確認したり、加工が終わって、ワークＷの入れ替え等のためにカバー１０２の作業者ドア１０６が開けられると（Ｓ３０）、光源電流が低減されてレーザ光出力が安全なレベルまで低下するだけでなく（Ｓ４０）、これとほぼ同時にシャッタ４３が光路を遮断する（Ｓ５０）。その結果、作業者のレーザ被曝は生じない（Ｓ６０）。一方、作業者ドア１０６が閉じられたままであれば作業者のレーザ被曝は当然生じない。また、ステップＳ４０においては、レーザ光出力が安全レベルまで低下するように、光源電流は、低減されるが０にされることはない。

図５には示されないが、ワークの加工状態の確認やワークの脱着が完了して、開いていた作業者ドア１０６が閉じられ操作盤１１０のスタート釦が押されたなら、シャッタ４３が開放位置に移動して光路を開放するとともに、レーザ光出力が予め設定されたレーザ光出力に直ちに復帰してレーザ加工が再開される。

上述の実施形態では、作業者ドア１０６が開けられた場合、レーザ光出力が安全なレベルまで低下するだけでなく、シャッタ４３も光路を遮断することによって、レーザ被曝に対する安全性が二重に確保された。ただし、本発明においては、レーザ加工機の安全装置の構成要素としてシャッタを有しない実施形態も可能である。

上述の実施形態におけるレーザ出力部４１はＮｄ：ＹＡＧ固体レーザ共振器として構成されていたが、これに限定されることなく、本発明では、レーザ出力部として、様々な種類の固体レーザはもちろん、炭酸ガスレーザ等の気体レーザを利用することも可能である。

１０ 光学ヘッド
４０ レーザ発振器
４１ レーザ出力部
４２ チラー
４３ シャッタ
４４ 出力計
１００ レーザ加工機
１０２ カバー
１０６ 作業者ドア
１０６ａ ドアスイッチ
１０８ テーブル
１１０ 操作盤

Claims (3)

1. レーザ発振器と、前記レーザ発振器から供給されたレーザ光をワークに照射する光学ヘッドと、ワークを載置するテーブルと、前記光学ヘッド及び前記テーブルを囲繞して加工室を区画形成するとともにレーザ光を遮蔽するカバーとを具備するレーザ加工機械の安全装置において、
   前記カバーに形成された開口部を開閉する作業者ドアの開閉状態を検出するドアスイッチと、
   前記レーザ発振器内に配設されたレーザ出力部であって、レーザ光を発振して、設定された出力レベルのレーザ光を前記光学ヘッドに送出するレーザ出力部と、
   前記レーザ出力部から前記光学ヘッドへ送出されるレーザ光の光路に配設されたシャッタであって、前記光路を開放する開放位置と前記光路を遮断する遮断位置とをとることができ、前記遮断位置にあるときレーザ光線を反射する反射面を有するシャッタと、
   前記シャッタが前記光路を遮断する位置をとっているとき、前記シャッタの反射面で反射したレーザ光の出力レベルを検出する出力計と、
   前記ドアスイッチが前記作業者ドアの開状態を検出したとき、前記レーザ発振器の電源をオンのまま前記レーザ出力部に供給される電流を０または前記レーザ出力部が送出するレーザ光の出力が予め定めた安全なレベルに収まる値まで低下させるとともに、前記シャッタを前記光路を遮断する位置に移動して保持する制御部と、を具備することを特徴としたレーザ加工機械の安全装置。
2. 前記制御部が前記レーザ発振器内に配設されている、請求項１に記載のレーザ加工機械の安全装置。
3. 前記レーザ発振器の電源がオンであるとき、前記レーザ出力部を冷却するチラーが常時稼働し、前記制御部は、更に前記ドアスイッチが前記作業者ドアの閉状態を検出しているとき、前記設定された出力レベルのレーザ光が前記レーザ出力部から送出される状態を維持する、請求項１又は２に記載のレーザ加工機械の安全装置。

Images