JP6955906B2

JP6955906B2 - レーザ加工機

Info

Publication number: JP6955906B2
Application number: JP2017106440A
Authority: JP
Inventors: 岩崎　潤; 潤岩崎
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2017-05-30
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2021-10-27
Anticipated expiration: 2037-05-30
Also published as: JP2018202421A

Description

本発明は、レーザ加工ヘッド及びレーザ加工監視装置に係る。特に、ベンドミラーを含まない光学系を有するレーザ加工ヘッドで行うレーザ加工の加工状態を、加工部位からの反射光に基づいて監視可能なレーザ加工ヘッド及びレーザ加工機に関する。

レーザ光による切断加工において、加工不良が発生すると、加工が良好な場合と比べて戻り反射光が著しく増加することが知られている。
これは、加工不良が切断不良の場合には未切断部分で反射した光が戻ってくるためであり、切断面が荒れるなどの品質不良の場合には、荒れた切断面で拡散反射した光が戻ってくるためである。

そこで、この戻り反射光を利用し、ベンドミラーを含む光学系を有するレーザ加工ヘッドで行うレーザ加工において、加工状態を監視する技術が提案されている。例えば、特許文献１には、加工部位からの反射光に基づいて加工状態の良否を監視するレーザ加工ヘッドなどが記載されている。

特許文献１に記載されたレーザ加工ヘッドは、ノズルからレーザ光をワークへ照射するための光学系に含まれるベンドミラーと、その背後（反射面とは反対側）に配置したアパーチャ及びバンドパスフィルタを有する光量センサと、を備えている。
そして、ベンドミラーには、レーザ加工に用いる光を高反射率で反射し、かつワークにおけるレーザ加工部位から反射して戻ってきた戻り反射光を透過して背後の光量センサに導く光学特性が付与されている。
その光学特性とは、詳しくは、レーザ加工のためのレーザ光の波長帯と光学系のアライメント調整のための光の波長帯については反射率が高く、他の波長帯については反射率が低い（相対的に透過率が高い）という特性である。

特開２０１６−９７４０７号公報

ところで、ベンドミラーは、レーザ発振器から出力されたレーザ光を、光ファイバを用いることなく光学素子での反射によりノズルまで誘導すべくレーザ加工ヘッド内の光学経路に用いられ、一般にレーザ加工ヘッドの上部に配置される。
しかしながら、近年普及してきた、レーザ発振器からレーザ加工ヘッドへのレーザ光の誘導に光ファイバを用いる場合は、レーザ加工ヘッドの光学系をベンドミラーなしに構成できるため、加工状態の良否監視に、従来のベンドミラーを利用した構成及び方法が適用できなかった。
そのため、ベンドミラーを用いないレーザ加工ヘッドによるレーザ加工において加工状態の良否監視を可能にする具体的な工夫が望まれていた。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、ベンドミラーを用いることなくレーザ加工における加工状態の良否監視が可能なレーザ加工機を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は次の構成を有する。
１）レーザ発振器と、レーザ加工ヘッドと、前記レーザ発振器と前記レーザ加工ヘッドとの間に接続されて前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドに誘導する光ファイバと、前記レーザ発振器及び前記レーザ加工ヘッドの動作を制御するＮＣ装置とを備え、
前記レーザ加工ヘッドは、
筒状の本体部と、
前記本体部の一端側に設けられ前記光ファイバを接続する接続部と、
前記本体部の他端側に設けられ前記光ファイバで誘導された前記レーザ光を出射するノズル部と、
前記接続部の近傍に前記本体部の内部に開口して設けられ、前記ノズル部を通して外部から前記本体部内に進入した光を受光する受光部と、
前記受光部を通過した前記光の光量を計測し前記光量に対応した検出信号を出力する検出器と、を備え、
前記ＮＣ装置は、
レーザ加工が良好な場合の光量として前記レーザ光の波長よりも短い安定波長帯に対し予め設定された閾値と、前記検出信号を受信して得た前記光量とを比較し、その比較結果に基づいて前記光が不良状態の光であるか否かを判定する、
レーザ加工機である。
２）前記受光部は、
受光した前記光の、前記安定波長帯よりも波長が短い波長帯及び前記安定波長帯よりも波長が長く前記レーザ光の波長を含む波長帯の光量を減少させる第１の光学膜を有する１）に記載のレーザ加工機である。
３）前記受光部は、
前記第１の光学膜を通過した光のうちの前記安定波長帯の光のみを通過して前記検出器に向け出光させるバンドパスフィルタである第２の光学膜を有する２）に記載のレーザ加工機である。
４）前記安定波長帯は６７５ｎｍを含む波長帯である１）〜３）のいずれか１つに記載のレーザ加工機である。

本発明によれば、ベンドミラーを用いることなくレーザ加工における加工状態の良否監視が可能である、という効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態に係るレーザ加工ヘッドの実施例である加工ヘッド５１を説明するための縦断面図である。図２は、加工ヘッド５１を備えたレーザ加工機６１の全体構成を説明するための斜視図である。図３は、加工ヘッド５１に取り付けられた受光部６を説明するための縦断面図である。図４は、レーザ加工部位からの反射光Ｌｆの加工ヘッド５１内における進行経路を説明するための縦断面図である。図５は、加工良好時の反射光Ｌｆの波長特性を説明するためのグラフである。図６は、加工不良時の反射光Ｌｆの波長特性を説明するためのグラフである。図７は、受光部６のフィルタ部材６ｂを通過した通過反射光Ｌｆ４の波長特性を説明するためのグラフである。

本発明の実施の形態に係るレーザ加工ヘッド及びレーザ加工機の構成を、実施例であるレーザ加工ヘッド５１（以下、加工ヘッド５１）及びレーザ加工機６１により、図１〜図３を参照して説明する。
図１は、加工ヘッド５１の模式的縦断面図であり、図２は、レーザ加工機６１の全体構成を説明するための模式的斜視図である。また、図３は、加工ヘッド５１が備える受光部６を説明するための縦断面図である。
説明の便宜上、上下左右前後の各方向を、各図に矢印で規定する。

図１に示されるように、加工ヘッド５１は、筒状を呈する本体部１と、本体部１の内部に備えられたコリメートレンズ２及び集光レンズ３を含むヘッド光学系Ｐ１と、を有する。ヘッド光学系Ｐ１は、加工ヘッド５１から出力するレーザ光Ｌの焦点調整機能を有する。
すなわち、集光レンズ３が不図示の焦点調整機構により軸方向移動するホルダ３ａにより支持されており、集光レンズ３の軸方向移動により加工ヘッド５１から出射するレーザ光Ｌの合焦位置が調整される。
本体部１の一端部（下端部）は、先細で先端に照射孔１ａ１を有するノズル部１ａとされ、他端部（上端部）には光ファイバ接続部１ｂが設けられている。

この加工ヘッド５１は、図２に示されるようなファイバレーザ加工機であるレーザ加工機６１に搭載されている。
図２は、レーザ加工機６１の全体構成を示す模式的斜視図である。

レーザ加工機６１は、被加工材であるワークＷにレーザ光を照射して、ワークＷに対し切断や孔明け等の加工を施す。
レーザ加工機６１は、レーザ光源であるファイバレーザ発振器６２と、ファイバレーザ発振器６２から出力されたレーザ光をワークＷに照射する既述の加工ヘッド５１を備えた加工本体部６３と、レーザ加工機６１の全体動作を制御する制御部であるＮＣ装置６４と、を含んで構成されている。

ファイバレーザ発振器６２と加工ヘッド５１の光ファイバ接続部１ｂとの間は、光ファイバ４で接続され、ファイバレーザ発振器６２から出力されたレーザ光が加工ヘッド５１に供給される。

加工本体部６３は、ワークＷを載置するテーブル６３ａと、テーブル６３ａに設けられ、Ｘ軸方向（左右方向）に移動するＸ軸キャリッジ６３ｂと、を有している。
Ｘ軸キャリッジ６３ｂには、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向（上下方向）に移動するＹ軸キャリッジ６３ｃが設けられている。
Ｙ軸キャリッジ６３ｃには、Ｚ軸ホルダ６３ｄが設けられている。Ｚ軸ホルダ６３ｄは、加工ヘッド５１をＺ軸方向（上下方向）に移動可能に支持している。

ワークＷと加工ヘッド５１とがＸ軸及びＹ軸方向において相対移動可能であれば、上記の構成に限定されない。例えば、Ｘ軸キャリッジ６３ｂを固定として加工ヘッド５１をＹ軸とＺ軸方向に移動可能とし、ワークＷを不図示のクランパによりＸ軸方向に移動させるものであってもよい。

加工ヘッド５１は、内部に備えた既述のヘッド光学系Ｐ１により、ファイバレーザ発振器６２から光ファイバ４を介して供給されたレーザ光に対し、焦点調整などの所定の光学的処理を施して、ノズル部１ａの照射孔１ａ１からワークＷに向けレーザ光Ｌを照射するようになっている。

従って、加工ヘッド５１は、Ｘ軸キャリッジ６３ｂとＹ軸キャリッジ６３ｃとの協働動作により、ワークＷに対向する範囲において、少なくともワークＷに沿う２次元的移動が可能である。また、ワークＷの所望の加工部位Ｗｐに対してレーザ光Ｌを所定の焦点位置をもって照射し、加工を施すことができる。

図１において、加工ヘッド５１の本体部１の内部におけるレーザ光Ｌの光束Ｌｔは、一点鎖線で示されており、光束Ｌｔの軸線は実線で示されている。
図１に示されるように、光ファイバ４の出口から本体部１の内部に拡散出射したレーザ光Ｌは、コリメートレンズ２によって平行光束とされる。
この平行光束が集光レンズ３に入光し、例えばワークＷの表面Ｗｓに合焦するようにノズル部１ａの先端の照射孔１ａ１からワークＷに向け出射される。

合焦位置は、既述のように、不図示の焦点調整機構によって集光レンズ３が光軸ＣＬａ方向に移動することで調整される。この焦点調整は、ＮＣ装置６４により制御される。

レーザ加工機６１は、ノズル部１ａから出射したレーザ光Ｌが、ワークＷの加工部位で反射して戻ってきた反射光Ｌｆの光量を検出する検出部ＳＲを備えている。
検出部ＳＲは、反射光Ｌｆの一部が反射光Ｌｆ３（図４参照）として受光する受光部６と、入光した反射光Ｌｆ３の光量を計測する検出器７と、受光部６と検出器７との間に接続され受光部６に入光した反射光Ｌｆを検出器７に誘導する光ファイバ８と、を有する。
検出器７は、さらに、検出した光量対応した電気信号を検出信号ＳＧ１としてＮＣ装置６４に向け出力する。

図３は、受光部６を説明するための縦断面図である。
受光部６は、所定径のアパーチャ孔６ａ１を有するアパーチャ６ａと、所定の光学特性を付与されたフィルタ部材６ｂと、アパーチャ６ａとフィルタ部材６ｂとを並設保持するハウジング６ｃと、を有する。
この構成により、アパーチャ孔６ａ１を通過してフィルタ部材６ｂに入射した光Ｌａは、フィルタ部材６ｂの光学特性に応じた特定の波長範囲（後述の第３の範囲ｆｗ３）の光Ｌｂとして出力する。

フィルタ部材６ｂは、波長依存性なく光を透過する基材６ｂ１と、基材６ｂ１のアパーチャ６ａ側の表面にコーティングされたフィルタとしての入射側光学膜６ｂ２と、アパーチャ６ａとは反対側の表面にコーティングされたフィルタとしての出射側光学膜６ｂ３と、を有する。

入射側光学膜６ｂ２は、第１の波長λ１を中心とする第１の範囲ｆｗ１の波長帯及び第１の波長λ１よりも短い第２の波長λ２を中心とする第２の範囲ｆｗ２の波長帯の光を低減又はカットする特性を有する。ここで低減とは、完全に除去する場合を含み、例えば、低減する波長範囲の光量を、その波長範囲以外の光量と同じ程度まで低減できるものを含む。以下、カットの意味は、この低減を含むものとする。
第１の波長λ１は、レーザ加工に用いるレーザ光の波長に対応して設定し、第２の波長λ２は、アライメント調整用の光（赤色）の波長に対応して設定する。
例えば、
第１の波長λ１＝１０７０ｎｍ、第１の範囲ｆｗ１は、概ね±７０ｎｍ
第２の波長λ２＝６３０ｎｍ、第２の範囲ｆｗ２は、概ね±１００ｎｍ
とする。
以下の説明においては、第１及び第２の波長λ１，λ２を、それぞれ１０７０ｎｍ，６３０ｎｍとした場合で説明する。

出射側光学膜６ｂ３は、第３の波長λ３を中心とする第３の範囲ｆｗ３の波長の光を通過させるバンドパスフィルタの特性を有する。
例えば、
第３の波長λ３＝６７５ｎｍ、第３の範囲ｆｗ３は、概ね±１２５ｎｍ
とする。すなわち、出射側光学膜６ｂ３は、波長が５５０ｎｍ〜８００ｎｍの光のみを通過させる。この第３の範囲の設定については、後述する。

以上詳述した受光部６は、図１に示されるように、アパーチャ６ａが下を向く姿勢で、加工ヘッド５１の本体部１における上端部に取り付けられている。
アパーチャ６ａのアパーチャ孔６ａ１は、本体部１の内部に、レーザ光Ｌの光束Ｌｔに掛からない位置に開口している。
検出器７は、加工ヘッド５１から離れた位置に配置されるか加工ヘッド５１に搭載される。

次に、反射光Ｌｆについて詳述する。
図１に示される加工ヘッド５１を用い、例えば板状のワークにレーザ光Ｌを照射して切断（孔明けを含む）加工を行っている状態で、加工が良好な場合、反射光Ｌｆは比較的低レベルである。
一方、切断加工に不良が生じた場合、既述のように反射光Ｌｆが多く生じる。これについて、次に図４を参照して説明する。図４は図１に対応した図であり、反射光Ｌｆの経路等の記載が付加されている。

反射光Ｌｆには、ワークＷに照射した第１の波長λ１（１０７０ｎｍ）と、ラマン効果により生じた可視光波長（４００〜８００ｎｍ）帯内の光と、が含まれる。
反射光Ｌｆの一部は、ノズル部１ａの先端の照射孔１ａ１を通過して本体部１の内部に進む（反射光Ｌｆ１とする）。
反射光Ｌｆ１の一部として光束Ｌｔ内に進んだ光は、そのまま光束Ｌｔの内部を、光束の外側に出ることなく戻るように進む。そして、集光レンズ３及びコリメートレンズ２を通過して光ファイバ４内に進入しファイバレーザ発振器６２へと向かい、例えば、戻り光として検出される。

一方、切断不良の散乱光は、散乱分布が広いことから、ノズル部１ａの照射孔１ａ１を通過して光束Ｌｔの外側へ進む光も多い。
光束Ｌｔの外側へ進んだ反射光である反射光Ｌｆ２は、本体部１の内面１ｃに反射するなどして、一部は光束Ｌｔを斜めに突き抜けながら、集光レンズ３及びコリメートレンズ２を通過し本体部１の上部に達する。
そして、本体部１の上部に達した反射光Ｌｆ２の内の一部が反射光Ｌｆ３として受光部６のアパーチャ孔６ａ１に至り、受光部６の内部に進入する（図３の光Ｌａに相当）。

既述のように、受光部６に進入した反射光Ｌｆ３は、アパーチャ孔６ａ１で光量が所定の値に絞られ、フィルタ部材６ｂにより、第１の範囲ｆｗ１及び第２の範囲ｆｗ２の波長帯がカットされた後、第３の範囲ｆｗ３の波長の光のみが通過を許容される。
このフィルタリングの作用について、さらに図５〜図７を参照して説明する。

図５は、レーザ加工が良好な場合の反射光Ｌｆの波長特性を示すグラフである。
図６は、レーザ加工が不良の場合の反射光Ｌｆの波長特性を示すグラフである。
図７は、レーザ加工が不良の場合の、受光部６のフィルタ部材６ｂを通過した通過反射光Ｌｆ４（図３の光Ｌｂに相当）の波長特性を示すグラフである。

図５に示されるように、レーザ加工が良好な場合の反射光Ｌｆは、レーザ加工に供される波長（第１の波長λ１）に対応した波長のみの光である。
図６に示されるように、レーザ加工で不良が生じると、第１の波長λ１の光量が増加すると共に、可視光領域の内の、４００〜５５０ｎｍにも強い反射光が検出される。すなわち、二つの波長帯において強い反射光帯Ｐｋ１，Ｐｋ２が生じている。

これに対し、図７に示される、フィルタ部材６ｂを通過した通過反射光Ｌｆ４では、反射光帯Ｐｋ１，Ｐｋ２における、例えば６００〜９００ｎｍ帯の光量よりも大きい過剰な光量はカット（減少）され、そこからさらに、反射光帯Ｐｋ１，Ｐｋ２の間の、加工が良好な場合より光量増で特性が平坦な安定波長帯ＡＲａとして波長５５０〜８００ｎｍ帯が抽出されている。
例えば、入射側光学膜６ｂ２の特性が、光量減少ではなく完全に遮断する特性とされている場合、５３０〜７３０ｎｍ帯の光は遮断され、図７に示される通過反射光Ｌｆ４は、概ね７３０〜８００ｎｍ帯のみに光量のある光として得られる。

図４に示されるように、検出器７は、通過反射光Ｌｆ４を光電変換して得られた信号を増幅し、検出信号ＳＧ１としてＮＣ装置６４に向け送出する。
ＮＣ装置６４は、到来した検出信号ＳＧ１を、Ａ／Ｄ変換すると共に予め設定されている良否判定の閾値と比較し、その結果に基づいて通過反射光Ｌｆ４が不良状態の反射光であるか否かを判定する。

図６に示される二つの波長帯の反射光帯Ｐｋ１，Ｐｋ２は、加工状態の不良化に伴い出現するが、その光量は、照射するレーザ光Ｌの出力、ワークの材質、加工態様など多くの項目に応じて変化し易く、定量的に把握するのが難しいことが経験的に把握されている。
一方、安定波長帯ＡＲａは、平坦であってピークこそないものの、加工の不良化に伴い確実に光量が増加し、その増量も各種パラメータの影響を受けにくく定量的な把握に適していることが明らかになっている。

実施例のフィルタ部材６ｂでは、入射側光学膜６ｂ２により大光量の二つの波長帯の反射光帯Ｐｋ１，Ｐｋ２をカットしてその影響を排除した上で、バンドパスフィルタである出射側光学膜６ｂ３により求める安定波長帯ＡＲａを抜き出している。
これにより、検出光量が不安定になる要因を排除し高精度の良否判定が可能になっている。
また、一つの光学部材（フィルタ部材６ｂ）で二種のフィルタリングが可能であり、受光部６はコンパクトかつ低コストになっている。

以上詳述したように、実施例のレーザ加工ヘッド５１は、レーザ加工中のワークＷの加工部位からの反射光を、照射するレーザ光Ｌの光束Ｌｔ内ではなく光束Ｌｔの外側で受光するようになっている。
すなわち、反射光の内の正反射成分ではなく乱反射した拡散成分を検出するようになっている。
反射光の内の拡散成分の多くは加工不良によって生じるため、レーザ加工ヘッド５１は、加工不良依存の反射光を的確に抽出してより高精度に加工の良否監視に供されると共に、レーザ加工ヘッド５１を備えたレーザ加工機６１は、レーザ加工の良否状態監視をより高精度に行うことができる。

本発明の実施例は、上述した構成、手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形してもよい。

受光部６は、一つに限らず、複数備えていてもよい。
複数備える場合は、反射光Ｌｆ３の検出効率の観点で、光軸ＣＬａまわりの周方向に離隔配置することが望ましい。
また、受光部６は、本体部１の内周面に設けてもよい。
ただ、反射光Ｌｆ２の分布が本体部１内の上部の光軸にＣＬａに近い位置ほど密になるため、受光部６のアパーチャ孔６ａ１は、その上部の光束Ｌｔにできるだけ近い位置にあるのが好ましい。すなわち、光ファイバ接続部１ｂの近傍に設置されるのが好ましい。
第１〜第３の波長λ１〜λ３、第１〜第３の範囲ｆｗ１〜ｆｗ３は、それぞれ上述の値に限定されず適宜設定してよい。

１本体部
１ａノズル部、１ａ１照射孔、１ｂ光ファイバ接続部
１ｃ内面
２コリメートレンズ
３集光レンズ、３ａホルダ
４光ファイバ
６受光部
６ａアパーチャ、６ａ１アパーチャ孔、６ｂフィルタ部材
６ｂ１基材、６ｂ２入射側光学膜、６ｂ３出射側光学膜
６ｃハウジング
７検出器
８光ファイバ
５１レーザ加工ヘッド（加工ヘッド）
６１レーザ加工機
６２ファイバレーザ発振器
６３加工本体部
６３ａテーブル、６３ｂＸ軸キャリッジ
６３ｃＹ軸キャリッジ、６３ｄＺ軸ホルダ
６４ＮＣ装置（制御部）
ＡＲａ安定波長帯
ＣＬａ光軸
ｆｗ１第１の範囲、ｆｗ２第２の範囲、ｆｗ３第３の範囲
Ｌレーザ光
Ｌａ，Ｌｂ光、Ｌｆ，Ｌｆ１，Ｌｆ２，Ｌｆ３反射光
Ｌｆ４通過反射光、Ｌｔ光束
Ｐｋ１，Ｐｋ２反射光帯
Ｐ１ヘッド光学系
ＳＧ１検出信号
ＳＲ検出部
Ｗワーク
Ｗｐ加工部位、Ｗｓ表面
λ１第１の波長、 λ２第２の波長

Claims

レーザ発振器と、レーザ加工ヘッドと、前記レーザ発振器と前記レーザ加工ヘッドとの間に接続されて前記レーザ発振器から出力されたレーザ光を前記レーザ加工ヘッドに誘導する光ファイバと、前記レーザ発振器及び前記レーザ加工ヘッドの動作を制御するＮＣ装置とを備え、
前記レーザ加工ヘッドは、
筒状の本体部と、
前記本体部の一端側に設けられ前記光ファイバを接続する接続部と、
前記本体部の他端側に設けられ前記光ファイバで誘導された前記レーザ光を出射するノズル部と、
前記接続部の近傍に前記本体部の内部に開口して設けられ、前記ノズル部を通して外部から前記本体部内に進入した光を受光する受光部と、
前記受光部を通過した前記光の光量を計測し前記光量に対応した検出信号を出力する検出器と、を備え、
前記ＮＣ装置は、
レーザ加工が良好な場合の光量として前記レーザ光の波長よりも短い安定波長帯に対し予め設定された閾値と、前記検出信号を受信して得た前記光量とを比較し、その比較結果に基づいて前記光が不良状態の光であるか否かを判定する、
レーザ加工機。
前記受光部は、
受光した前記光の、前記安定波長帯よりも波長が短い波長帯及び前記安定波長帯よりも波長が長く前記レーザ光の波長を含む波長帯の光量を減少させる第１の光学膜を有する請求項１記載のレーザ加工機。
前記受光部は、
前記第１の光学膜を通過した光のうちの前記安定波長帯の光のみを通過して前記検出器に向け出光させるバンドパスフィルタである第２の光学膜を有する請求項２記載のレーザ加工機。
前記安定波長帯は６７５ｎｍを含む波長帯である請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工機。