JP6528085B2 - レーザ加工システム - Google Patents

Description

本開示は、加工点から離れた位置からレーザ光を加工点に照射してレーザ溶接を行うレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工システムに関し、特にレーザ加工ヘッドの構造に関する。

近年、焦点距離が長いレーザ光用いて、加工点から離れた位置からレーザ光を加工点に照射してレーザ溶接を行うリモートレーザ加工と呼ばれる加工法が注目されている。

従来、リモートレーザ加工では、特許文献１に記載されているように、２つのミラーを揺動することによりレーザ光の照射位置を制御するレーザビームスピンナ（Ｌａｓｅｒ Ｂｅａｍ Ｓｐｉｎｎｅｒ、レーザ加工ヘッド）が用いられる。

図１０を用いて、従来のレーザビームスピンナ９００について説明する。図１０は、従来のレーザビームスピンナ９００を示す断面図である。

従来のレーザビームスピンナ９００は、ハウジング９０１と、第１揺動ミラー９０２と、第２揺動ミラー９０３と、トーチノズル９０４と、第１ガルバノメータ９０５と第２ガルバノメータ（図示せず）を有する。ハウジング９０１に入射されたレーザビームは、第１揺動ミラー９０２と第２揺動ミラー９０３とによって反射され、トーチノズル９０４から出射される。トーチノズル９０４から出射されたレーザビームは、加工物Ｗの継ぎ目ＪＬ付近であるビーム照射点ＳＰに照射され、レーザ溶接が行われる。このとき、第１の揺動ミラー９０２の回転角度を第１ガルバノメータ９０５よって、第２の揺動ミラー９０３の回転角度を第２ガルバノメータ（図示せず）によって変化させることにより、ビーム照射点ＳＰをスピンまたはスキャンさせることができる。

また、特許文献２には、第１平面透光板と第２平面透光板とを１つの駆動モータによって、同じ周期で逆方向に回転させることで、レーザビームのスポットを往復させるレーザビームオッシレータ装置について記載されている。

特開平８−１９２２８６号公報 実開平６−６９９２８号公報

しかし、特許文献１に記載された、従来のレーザビームスピンナでは、２つのガルバノメータは、それぞれの揺動ミラーを高速かつ高精度に制御するために、非常に高価であった。さらに、２つの揺動ミラーの回転角度と加工物上におけるレーザビームの照射点との関係は非線形であるため、レーザビームの焦点位置を補正する必要があった。そのために、従来のレーザビームスピンナには、高価なｆθレンズをさらに設ける必要があった。

また、特許文献２に記載された、従来のレーザビームオッシレータでは、駆動モータが一つであったために、ビームスポットは極めて限定的な動きしかできず、また、リモートレーザ加工で用いられるような精度でビームスポットを走査することはできない。

本開示は、上記問題点を解決するレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工システムを提供する。

上記課題を解決するために、本開示のレーザ加工ヘッドは、コリメーションレンズと、フォーカスレンズと、第１の平行板と、第１の駆動部と、第２の平行板と、第２の駆動部とを有する。コリメーションレンズは、第１の光軸を有するレーザ光を平行化し、フォーカスレンズは、平行化されたレーザ光を集光する。第１の平行板は、集光されたレーザ光の光軸を第２の光軸にシフトする。第１の駆動部は、第１の平行板を第１の回転軸を中心に回転させる。第２の平行板は、第２の光軸にシフトされたレーザ光の光軸を第３の光軸にシフトする。第２の駆動部は、第２の平行板を第２の回転軸を中心に回転させる。第１の回転軸の方向と第２の回転軸の方向とは同一である。

また、本開示のレーザ加工システムは、前述したレーザ加工ヘッドと、マニピュレータと、ロボット制御装置と、レーザ発振器とを有する。マニピュレータは、先端にレーザ加工ヘッドが取り付けられている。ロボット制御装置は、レーザ加工ヘッドの動作とマニピュレータの動作とを制御する。レーザ発振器は、レーザ光を出力する。

本開示のレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工システムによれば、従来のガルバノヘッドに比べて小型・軽量のレーザ加工ヘッドおよびそれを用いたレーザ加工システムを実現できる。

図１は、実施の形態にかかるレーザ加工装置の構成を示す概略図である。 図２は、実施の形態にかかるレーザ加工ヘッドを示す断面図である。 図３は、実施の形態における、レーザ光の照射位置を説明するための図である。 図４は、実施の形態における、円状のレーザ光の軌跡を示す平面図である。 図５は、実施の形態における、らせん状のレーザ光の軌跡を示す平面図である。 図６は、実施の形態における、直線状のレーザ光の軌跡を示す平面図である。 図７は、本実施の形態のレーザ加工ヘッドを示す図であり、（ａ）はレーザ加工ヘッドからシールドホルダを取り出した状態の斜視図であり、（ｂ）はレーザ加工ヘッドからシールドホルダを取り出した状態の拡大図であり、（ｃ）はレーザ加工ヘッドにシールドホルダが収納された状態の斜視図であり、（ｄ）はレーザ加工ヘッドにシールドホルダが収納された状態の拡大図である。 図８は、実施の形態のシールドホルダを示す分解図である。 図９は、実施の形態におけるレーザ加工ヘッドの外観図である。 図１０は、従来のレーザビームスピンナを示す断面図である。

（実施の形態）
以下、本開示の実施の形態について、図１〜図９を用いて説明する。図１は、本実施の形態にかかるレーザ加工装置１００の構成を示す概略図である。図２は、本実施の形態にかかるレーザ加工ヘッド５０を示す断面図である。図３は、本実施の形態における、レーザ光の照射位置を説明するための図である。図４は、本実施の形態における、円状のレーザ光の軌跡を示す平面図である。図５は、本実施の形態における、らせん状のレーザ光の軌跡を示す平面図である。図６は、本実施の形態における、直線状のレーザ光の軌跡を示す平面図である。図７は、本実施の形態のレーザ加工ヘッド５０を示す図であり、（ａ）はレーザ加工ヘッド５０からシールドホルダ８を取り出した状態の斜視図であり、（ｂ）はレーザ加工ヘッド５０からシールドホルダ８を取り出した状態の拡大図であり、（ｃ）はレーザ加工ヘッド５０にシールドホルダ８が収納された状態の斜視図であり、（ｄ）はレーザ加工ヘッド５０にシールドホルダ８が収納された状態の拡大図である。図８は、本実施の形態のシールドホルダ８を示す分解図である。図９は、本実施の形態におけるレーザ加工ヘッド５０の外観図である。

まず、図１を用いて、レーザ加工システム１００について説明する。レーザ加工システム１００は、レーザ加工ヘッド５０と、マニピュレータ６０と、ロボット制御装置７０と、レーザ発振器８０と、光ファイバ９０とを有する。レーザ加工ヘッド５０は、光ファイバ９０からのレーザ光を加工物Ｗに照射する。マニピュレータ６０は、先端にレーザ加工ヘッド５０が取り付けられ、レーザ加工ヘッド５０を移動させる。ロボット制御装置７０は、レーザ加工ヘッド５０の動作とマニピュレータ６０の動作と、レーザ発振器８０のレーザ発振を制御する。レーザ発振器８０は、レーザ光を発振し、光ファイバ９０に出力する。光ファイバ９０は、レーザ発振器８０から出力されたレーザ光をレーザ加工ヘッド５０まで伝送する。このような構成により、レーザ加工システム１００は、レーザ発振器８０から出力されたレーザ光を、レーザ加工ヘッド５０およびマニピュレータ６０を動作させて加工物Ｗに所望の軌跡でレーザ光を照射させる。

次に、図２を用いて、レーザ加工ヘッド５０について具体的に説明する。レーザ加工ヘッド５０は、コネクタ１２と、レンズボディ１と、ボディケース６（第１のケース）と、シールドホルダ８と、ノズルユニット４３（第２のケース）と、サーボモータ１４，２１とを有する。なお、シールドホルダ８は、ノズルユニット４３に対して着脱可能であるが、その他の構成については、複数が一体化されていても構わない。

（コネクタ１２について）
レーザ加工ヘッド５０は、コネクタ１２を有し、コネクタ１２を介して光ファイバ９０と接続されている。レーザ光ＬＢは、一定の角度で広がりながら、光ファイバ９０の端部からレーザ加工ヘッド５０内に出射される。

（レンズボディ１について）
レンズボディ１は、コリメーションレンズ４と、フォーカスレンズ５とが固定されたレンズホルダを保持している。コリメーションレンズ４は、光ファイバ９０の出射端面から出射されたレーザ光ＬＢを平行化する。そして、コリメーションレンズ４によって平行化されたレーザ光は、フォーカスレンズ５によって加工物Ｗにおける加工点で焦点を結ぶように集光される。なお、本実施の形態において、コリメーションレンズ４は、直径φ＝３０ｍｍであり、レンズの明るさを表すＦ値は８０である。フォーカスレンズ５は、直径φ＝３０ｍｍであり、Ｆ値は５００である。また、コリメーションレンズ４およびフォーカスレンズ５は、合成石英製の平凸レンズにＡＲ（Ａｎｔｉ−Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）コート処理を行ったものである。なお、コリメーションレンズ４およびフォーカスレンズ５は平凸レンズに限られず、非球面レンズのように球面収差を補正したレンズであっても構わない。

また、レンズボディ１には、冷却水ホース接続部２、１３が設けられている。レンズホルダ３の外周部、すなわちレンズホルダ３とレンズボディ１との間には流水路が設けられている。レンズボディ１には、冷却水ホース接続部２から冷却水を導入し、流水路を経由して、冷却水ホース接続部１３から冷却水を排出することができる。これにより、流水路に冷却水を循環させ、レンズホルダ３を介して、間接的にコリメーションレンズ４とフォーカスレンズ５を冷却できる。これにより、コリメーションレンズ４やフォーカスレンズ５の、レーザ光ＬＢによる熱レンズ効果を抑制できる。熱レンズ効果とは、熱変形によりレンズの焦点位置が変化する現象である。また、レンズボディ１やレンズホルダ３は、光ファイバ９０の出射端面とコリメーションレンズ４とフォーカスレンズ５との光学的な位置関係を決定している。冷却水は、さらに、レンズホルダ３やレンズボディ１の熱膨張を抑えることができ、これらの光学的な位置関係が変化することによる焦点位置の変化も防止している。なお、冷却水は、レンズボディ１内に限らず、レーザ加工ヘッド５０の内部全体を循環し、他の光学部材の熱による悪影響を防止しても良い。

（ボディケース６について）
ボディケース６には、サーボモータ１４（第１の駆動部）と、タイミングベルト１５（第１の伝達部材）と、タイミングベルトプーリー１６（第１の回転部材）と、平行板１７（第１の平行板）と、ホルダ１８（第１のホルダ）とが設けられ、これらにより光学ユニット４１（第１の光学ユニット）が構成される。平行板１７は、両端がベアリングで保持された円筒状のホルダ１８内に固定されている。ホルダ１８の外周面にはタイミングベルトプーリー１６が設けられ、ホルダ１８はタイミングベルト１５を介してサーボモータ１４によって回転される。具体的には、ホルダ１８は、第１の回転軸を中心に回転され、第１の回転軸の方向は、レーザ加工ヘッド５０から出力されるレーザ光の光軸の方向と同じである。サーボモータ１４は、例えば、５０Ｗのシリアルエンコーダ付きブラシレスＤＣサーボモータ、いわゆるＡＣサーボモータである。マニピュレータ６０の関節部に採用しているサーボモータもシリアルエンコーダ付きブラシレスＤＣサーボモータであり、サーボモータ１４と同じタイプである。ただし、マニピュレータ６０の関節部に採用しているサーボモータは、サーボモータ１４とは出力容量が異なる、正確には、サーボモータ１４の出力５０Ｗよりも大きいもの（１００Ｗ〜１６００Ｗ）である。このように、レーザ加工ヘッド５０に用いるサーボモータ１４，２１とマニピュレータ６０の関節に用いるサーボモータを同じタイプにすることで、ロボット制御装置７０のシステムの構成を簡略化できる。

本実施の形態において、タイミングベルトプーリー１６の回転と平行板１７の回転との減速比は３２：６０であり、サーボモータ１４の位置制御分解能は２０４８ｐｐｒである。従って、第１の光学ユニット４１の位置分解能は、４．２μｍであり、レーザ光の照射位置の精度に対して十分な分解能である。また、レーザ光の照射位置の移動の最大速度は１２３ｍ／分以上であり、レーザ溶接等のレーザ加工の実用上、十分な速度である。本実施の形態の運転条件設定は、最高出力回転速度１４４００°／秒、最大加速度３０００００°／秒^２としている。

さらに、ボディケース６には、サーボモータ２１（第２の駆動部）と、タイミングベルト２２（第２の伝達部材）と、タイミングベルトプーリー２０（第２の回転部材）と、平行板１９（第２の平行板）と、ホルダ７（第２のホルダ）とが設けられ、これらにより光学ユニット４２（第２の光学ユニット）が構成される。平行板１９は、両端がベアリングで保持された円筒状のホルダ７内に固定されている。ホルダ７の外周面にはタイミングベルトプーリー２０が設けられ、ホルダ７はタイミングベルト２２を介してサーボモータ２１によって回転される。具体的には、ホルダ７は、第２の回転軸を中心に回転され、第２の回転軸の方向は、レーザ加工ヘッド５０から出力されるレーザ光の光軸の方向と同じである。サーボモータ２１は、例えば、５０Ｗのシリアルエンコーダ付きブラシレスＤＣサーボモータ、いわゆるＡＣサーボモータである。

すなわち、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、同一の構成であり、個々の部品はすべて同一である。このようにすることで、２つの光学ユニット４１，４２の応答バランスが同じになり、制御を行いやすい。そして、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、第１の回転軸の方向と第２の回転軸の方向とが同じであり、かつ、ボディケース６内において、対称に配置されている。すなわち、第１の回転軸（および第２の回転軸）に鉛直な面に対して対称に配置されている。図２では、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、上下に対称に配置されている。このように配置すると、サーボモータ１４とサーボモータ２１とが同じ方向に回転した場合、平行板１７の回転方向と平行板１９の回転方向とは逆になる。また、平行板１７を駆動するサーボモータ１４の回転方向を逆転させることにより、平行板１７の回転方向と平行板１９の回転方向とを同じ方向に回転させることも可能である。

なお、レーザ加工ヘッド５０の小型化と、レーザ加工ヘッド５０のレーザ照射範囲を広くする点から、光学ユニット４１と光学ユニット４２とは、第１の回転軸と第２の回転軸とが一致するように配置することが望ましい。また、第１の回転軸および第２の回転軸の方向は、光ファイバ９０から入射された時のレーザ光ＬＢの光軸の方向と同じであることが好ましい。さらには、第１の回転軸および第２の回転軸は、光ファイバ９０から入射された時のレーザ光ＬＢの光軸と一致することがさらに好ましい。

次に、光学ユニット４１、４２によるレーザ光の挙動について説明する。

フォーカスレンズ５を通過したレーザ光は、平行板１７を通過する際に２度（平行板１７への入射時と平行板１７からの出射時）屈折する。これにより、平行板１７の板厚と、第１の回転軸に対する平行板１７の取り付け角度である平行板１７の傾斜角度と、平行板１７の屈折率によって定まる量だけ、レーザ光は平行にシフトする。すなわち、平行板１７に入射するレーザ光の光軸（第１の光軸）と、平行板１７を出射したレーザ光の光軸（第２の光軸）とは、方向が同じであり、位置がずれている。これは、同様の構成である平行板１９においても同様である。すなわち、平行板１９に入射するレーザ光の光軸（第２の光軸）と、平行板１９を出射したレーザ光の光軸（第３の光軸）とは、方向が同じであり、位置がずれている。本実施の形態の平行板１７と平行板１９は、合成石英製であって、板厚ｔ＝１３ｍｍ、第１の回転軸（第２の回転軸）に対する傾斜角４５°、屈折率は１．４４９６３である。この場合、平行板１７を通過したレーザ光（レーザ光の光軸）は、４．１ｍｍシフトする。その後、レーザ光（レーザ光の光軸）は、平行板１９を通過する際にも同様に、４．１ｍｍシフトする。従って、本実施の形態におけるレーザ光の動作範囲は、半径が８．２ｍｍ、すなわち直径が１６．４ｍｍの円内である。

ここで、図３を用いて、本実施の形態のレーザ加工ヘッド５０によるレーザ光の照射位置について説明する。平行板１７によってレーザ光が回転角度θ１だけ回転され、距離Ｌだけシフトし、平行板１９によってレーザ光が回転角度θ２だけ回転され、距離Ｌだけシフトされるものとする。回転角度θ１は、ホルダ１８による平行板１７の回転角度と等しく、回転角度θ２は、ホルダ７による平行板１９の回転角度と等しい。この場合、２枚の平行板１７，１９を通過したレーザ光の照射位置は、図３に示すように、長さが固定され、回転角度θ１およびθ２が自由に変えられる２つのベクトルによって表すことができる。従って、加工物Ｗにおけるレーザ光の照射位置は、原点Ｏを中心としたＸＹ座標において、以下の式で表すことができる。

Ｘ＝Ｌｃｏｓθ１＋Ｌｃｏｓθ２
Ｙ＝Ｌｓｉｎθ１＋Ｌｓｉｎθ２
Ｌ：１枚の平行板を通過する時のシフト量
θ１：平行板１７の回転角度
θ２：平行板１９の回転角度
これにより、レーザ光の照射位置は、半径が２Ｌの円の内部であることがわかる。そして、平行板１７の回転角度θ１と平行板１９の回転角度θ２は、それぞれ独立したサーボモータ１４、２１で制御されている。従って、レーザ光の照射位置は、移動可能範囲の中（半径２Ｌの円内）であれば、レーザ光によりあらゆる軌跡を描くことができる。特に、半径がＬの円を描くときは、１つのサーボモータを稼動させ、もう一方のサーボモータを停止させることで描くことができる。また、２つのサーボモータ１４および２１を、同一方向に同じ回転速度で回転させ続けることによって、さまざまな半径の円をスムーズに描くことができる。なお、円の半径は、回転角度θ１と回転角度θ２との差で決まり、その差は一定に維持される。

次に、実際のリモートレーザ溶接においてよく使用される溶接パターンについて説明する。

図４に示すように、円形にレーザ光の照射位置を移動させる場合については、前述のとおりである。図４においては、開始点ｓから終了点ｅまで、時計回りに、軌跡Ｒで円形にレーザ光の照射位置が移動している。

図５に示すように、らせん形にレーザ光の照射位置を移動させる場合について説明する。これは、平行板１７が１回転する間に、平行板１９を少し回転させてやることで、半径を大きくしながら円を描くことができる。具体例を挙げて説明すると、例えば、回転角度θ１と回転角度θ２との差によって、原点Ｏから距離ｒの場所を開始点ｓとする。そして、回転角度θ１と回転角度θ２との差を変化させながら、回転角度θ１および回転角度θ２の両方を変化させることで、半径を大きくしながら円を描くことができる。

次に、図６に示すように、直線にレーザ光の照射位置を移動させる場合について説明する。図６に示すように、Ｘ軸に一致するように直線を描くには、Ｙ座標がゼロ、すなわちθ１＋θ２＝０°となればよい。図６では、回転角度θ１およびθ２がともに０°の開始点ｓから、回転角度θ１が１８０°、回転角度θ２が−１８０°の終了点ｅ間で移動したものである。また、Ｙ軸に一致するように直線を描くには、Ｘ座標がゼロ、すなわち、θ１＋θ２＝１８０°となればよい。そして、これらは、開始位置を適切に決めてやることで、モータを反転動作させなくても実現できる。また、図６の点線に示すように、Ｘ軸とのなす角がＤｘの直線は、θ１＋θ２＝２・Ｄｘを満たすように、回転速度θ１、θ２を変化させればよい。

以上のように、あらゆるパターンについて、モータを反転動作させることなく描くことができる。すなわち、第１の回転軸と第２の回転軸を同一方向に回転することで、第１の回転軸および第２の回転軸の反転動作なしに、加工物Ｗに対して円弧状や円状やらせん状や直線状にレーザ光を照射することができる。

なお、第１の回転軸の回転角度θ１と第２の回転軸の回転角度θ２との位相差により、レーザ光を照射可能な範囲の半径が決まる。

（ノズルユニット４３について）
次に、レーザ加工ヘッド５０の先端の構造について説明する。

図２に示すように、ボディケース６の先端付近にはノズルユニット４３が接続され、ノズルユニット４３の上部には保護ガラス２５（第１の保護部材）が固定されている。なお、ノズルユニットは、ノズル保持部１０に内側ノズル１１と外側ノズル２７とを設けたものである。ボディケース６の先端とは、レーザ光が出射される側の端部のことである。また、ノズルユニット４３における、保護ガラス２５よりも先端方向には、保護ガラス２６（第２の保護部材）が設けられたシールドホルダ８が収納できる構造になっている。すなわち、シールドホルダ８はノズルユニット４３に対して着脱可能であり、保護ガラス２６がノズルユニット４３に対して着脱可能であることでもある。

本実施の形態においては、保護ガラス２５は直径φ＝４０ｍｍであり、保護ガラス２６は直径φ＝３０ｍｍであり、共に合成石英製である厚さｔ＝２ｍｍのウインドウ材にＡＲコートを施している。保護ガラス２５は、図示しないネジリングによりレーザ加工ヘッド５０（具体的にはノズルユニット４３）に固定されている。

次に、図７を用いて、保護ガラス２６とシールドホルダ８について具体的に説明する。保護ガラス２６は、メンテナンス性を考慮し、レーザ光の光軸方向に対して直交する方向にスライドし、レーザ加工ヘッド５０に対して着脱可能なシールドホルダ８に設けられている。保護ガラス２６は、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０から取り外すことでレーザ加工ヘッド５０外へ取り出され、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０へ取り付けることでレーザ加工ヘッド５０内に配置される。図７の（ａ）と（ｂ）は、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０から取り外した状態を示す図である。図７の（ｃ）と（ｄ）は、シールドホルダ８をレーザ加工ヘッド５０へ取り付けた状態を示す図である。

さらに、図８を用いて、シールドホルダ８について説明する。図８は、保護ガラス２６が設けられたシールドホルダ８の分解図である。シールドホルダ８は、保護ガラス２６を挟み込むように２つに分割された第１の部材２３と第２の部材２４とで構成され、第１の部材２３と第２の部材２４とは、固定用のレバー９の操作により、容易に結合や分離ができる。保護ガラス２６は、Ｏリングの弾性変形力によって円周方向がシールドホルダ８に保持され、第１の部材２３と第２の部材２４とで挟み込むことにより軸方向に保持されている。レバー９を操作することで第１の部材２３と第２の部材２４とを容易に分離することができ、保護ガラス２６の交換は、工具を使うことなく容易に行うことができる。

なお、保護ガラス２５を設けず、レーザ加工ヘッド５０に対して着脱可能な保護ガラス２６のみを設けても構わない。しかし、この場合、レーザ加工ヘッド５０を使用している通常の使用環境で保護ガラス２６を交換すると、保護ガラス２６を取り外した際、レーザ加工ヘッド５０内に異物が入り平行板１９等に付着する可能性がある。従って、本実施の形態のように、２つの保護ガラス２５，２６を設けることで、レーザ加工ヘッド５０を使用している通常の使用環境で保護ガラス２６を交換しても問題は生じず、また、利便性を高めることができ、好ましい。

次に、レーザ加工中の保護ガラス２６へのスパッタやヒュームの付着の防止について説明する。

図２に示すレーザ加工ヘッド５０において、保護ガラス２６に対してレーザ光の出力端側には、内側ノズル１１と外側ノズル２７から構成された中空円錐台状のノズルが設けられている。内側ノズル１１と外側ノズル２７とは、ノズルの先端部付近で接している。内側ノズル１１の先端部には、放射状に設けられた溝により、開口部が形成されている。内側ノズル１１と外側ノズル２７とに囲まれた空間に、図示しないエアー取込部を介してレーザ加工ヘッド５０の外部から取り入れた圧縮エアーを供給できる。これにより、内側ノズル１１の開口部から高速のエアージェットが噴出し、保護ガラス２６へのスパッタやヒュームの付着を防止する。また、このエアージェットは、加工物Ｗに対して吹きつけられるため、加工物Ｗ加工点近傍にヒュームが停滞することを防止できる。ヒュームは、レーザ光の反射や屈折や吸収を引き起こし、加工点でのレーザ出力を低下させる。なお、内側ノズル１１と外側ノズル２７は、ボディケース６のノズル保持部１０により保持されている。

また、外側ノズル２７の先端部は着脱可能であり、消耗や損傷した場合には先端部だけを交換することが可能である。この構造により、ノズルのメンテナンスコストが低減される。

なお、先端部に溝を設けた内側ノズル１１の最小径は、交換可能な外側ノズル２７の最小径よりも大きく、外側ノズル２７が内側ノズル１１をカバーする構造である。この構造により、内側ノズル１１の先端の溝部の損傷やスパッタの詰まりを防止することができる。

次に、図９を用いて、レーザ加工ヘッド５０の通信機能について説明する。

図９に示すように、レーザ加工ヘッド５０は、通信ボックス２８を有し通信機能を有している。通信ボックス２８には、通信用の基板等が内蔵されている。従って、レーザ加工ヘッド５０は、図示しない外部機器であるパソコン等とも通信ができる。なお、通信は、有線でも無線でも対応可能である。

図９を用いて、レーザ加工ヘッド５０の通信について説明する。レーザ加工ヘッド５０のボディケース６の前面に、機器等を取り付けるための金具３０が設けられている。金具３０には、照明装置３１とカメラ２９を取り付けることができる。なお、カメラ２９とロボット制御装置７０との接続は、例えば、ロボット制御装置７０からマニピュレータ６０へ引き回されるオプション用の制御ケーブルを用いる。そのため、別途、カメラ２９用のケーブルを装備する必要が無く、簡単に取り付けできる。そして、通信ボックス２８を介して、パソコン等の外部機器から照明装置３１やカメラ２９を制御することができ、また、カメラ２９の画像をパソコン等の外部機器に送ることもできる。

以上のように、本実施の形態のレーザ加工ヘッド５０は、レーザ光がガラスからなる平行板１７，１９を通過するときにシフトする特性を利用し、レーザ加工ヘッド５０の内部に、レーザ光の光軸方向に２枚重ねた平行板１７、１９を設けたものである。２枚の平行板１７，１９の回転は、それぞれ別のサーボモータ１４，２１で独立して制御され、レーザ光のシフト方向とシフト量をコントロールできる。このように、本実施の形態のレーザ加工ヘッド５０は、レーザ光を任意に偏心させることができる。

また、本実施の形態のレーザ加工ヘッド５０によれば、従来のガルバノヘッドに比べて小型・軽量を実現でき、レーザ光をシフトさせることで加工物Ｗに対するレーザ光の照射位置を制御して、スポット溶接やシーム溶接等のレーザ加工を行うことができる。

従って、従来のガルバノヘッドを使用することなく、精度が高く、自由度も高いリモートレーザ加工を行うことができる。

本開示によれば、小型・軽量のレーザ加工ヘッドおよびこのレーザ加工ヘッドを用いたレーザ加工システムを実現でき、例えば、リモートレーザ加工等に用いるレーザ加工ヘッドおよびレーザ加工システムとして産業上有用である。

１ レンズボディ
２，１３ 冷却水ホース接続部
３ レンズホルダ
４ コリメーションレンズ
５ フォーカスレンズ
６ ボディケース
７，１８ ホルダ
８ シールドホルダ
９ レバー
１０ ノズル保持部
１１ 内側ノズル
１２ コネクタ
１４，２１ サーボモータ
１５，２２ タイミングベルト
１６，２０ タイミングベルトプーリー
１７，１９ 平行板
２３ 第１の部材
２４ 第２の部材
２５，２６ 保護ガラス
２７ 外側ノズル
２８ 通信ボックス
２９ カメラ
３０ 金具
３１ 照明装置
４１，４２ 光学ユニット
４３ ノズルユニット
５０ レーザ加工ヘッド
６０ マニピュレータ
７０ ロボット制御装置
８０ レーザ発振器
９０ 光ファイバ
Ｗ 加工物
Ｒ 軌跡
ｓ 開始点
ｅ 終了点

Claims (6)

1. 先端にレーザ加工ヘッドが取り付けられたマニピュレータと、
   前記レーザ加工ヘッドの動作と前記マニピュレータの動作とを制御するロボッ制御装置と、
   レーザ光を出力するレーザ発振器と、を備え、
   前記レーザ加工ヘッドは、
   第１の光軸を有する前記レーザ光を平行化するコリメーションレンズと、
   平行化された前記レーザ光を集光するフォーカスレンズと、
   集光された前記レーザ光の光軸を第２の光軸にシフトする第１の平行板と、
   前記第１の平行板を第１の回転軸を中心に回転させる第１の駆動部と、
   前記第２の光軸にシフトされた前記レーザ光の光軸を第３の光軸にシフトする第２の平行板と、
   前記第２の平行板を第２の回転軸を中心に回転させる第２の駆動部と、を有し、
   前記第１の回転軸の方向と前記第２の回転軸の方向とは同一であり、
   前記第１の駆動部および前記第２の駆動部はサーボモータであり、
   前記第１の平行板の回転角度θ１と前記第２の平行板の回転角度θ２をそれぞれ独立した前記サーボモータで制御することで前記レーザ光の照射位置を移動させるレーザ加工システム。
2. 前記レーザ光の照射位置は、原点０を中心としたＸＹ座標において、
   Ｘ＝Ｌｃｏｓθ１＋Ｌｃｏｓθ２、
   Ｙ＝Ｌｓｉｎθ１＋Ｌｓｉｎθ２、
   （ただし、Ｌは前記第１および第２の平行板を通過する時のシフト量）、
   で表すことができる請求項１に記載のレーザ加工システム。
3. 前記レーザ加工ヘッドは、
   前記第１の平行板を保持する第１のホルダと、
   前記第１のホルダの外周面に設けられており前記第１のホルダを回転させる第１の回転部材と、
   前記第１の駆動部の駆動力を前記第１の回転部材に伝達する第１の伝達部材と、
   前記第２の平行板を保持する第２のホルダと、
   前記第２のホルダの外周面に設けられており前記第２のホルダを回転させる第２の回転部材と、
   前記第２の駆動部の駆動力を前記第２の回転部材に伝達する第２の伝達部材と、をさらに有し、
   前記第１の駆動部と、前記第１の平行板と、前記第１のホルダと、前記第１の回転部材と、前記第１の伝達部材とから第１の光学ユニットが構成され、
   前記第２の駆動部と、前記第２の平行板と、前記第２のホルダと、前記第２の回転部材と、前記第２の伝達部材とから第２の光学ユニットが構成され、
   前記第１の光学ユニットの形状と前記第２の光学ユニットの形状とは同じで、かつ上下に対称に配置されている請求項１または２に記載のレーザ加工システム。
4. 前記レーザ加工ヘッドは、
   前記第１の平行板と前記第１のホルダと前記第２の平行板と前記第２のホルダとを収納する第１のケースと、
   前記第３の光軸にシフトされた前記レーザ光を透過する第１の保護部材と、
   前記第１の保護部材を透過した前記レーザ光を透過する第２の保護部材と、をさらに有する請求項３に記載のレーザ加工システム。
5. 前記レーザ加工ヘッドは、
   前記第１のケースの端部に設けられた第２のケースをさらに有し、
   前記第１の保護部材は前記第２のケースに固定され、
   前記第２の保護部材は、前記第２のケースに着脱可能である請求項４に記載のレーザ加工システム。
6. 前記レーザ加工ヘッドの前記第２のケースの側面には、気体噴出口が設けられている請求項５に記載のレーザ加工システム。

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