JPH03189090A - レーザー加工トーチ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明はレーザー発振器から出射されたレーザー光を被
加工材に照射するためのレーザー加工トーチに関するも
のである。

〈従来の技術〉 従来より、レーザー発振器から出射されたレーザー光を
被加工材に照射して切断或いは溶接する技術が用いられ
ている。

前記技術にあっては、レーザー発振器から出射されたレ
ーザー光をレーザー発振器の近傍に設けたレンズ、或い
はレーザー加工トーチに設けたレンズによって集光し、
被加工材に切断或いは溶接等の作業に応じたレーザース
ポットを結像している。前記レンズは被加工材の材質に
応じて、或いは被加工材の厚さに応じて焦点距離の異な
るものが用いられている０例えば、被加工材が非金属で
ある場合には、焦点距離２．５ｉｎのレンズを用いてい
る。また被加工材が金属である場合であって、板厚が３
．２ｍ以下である場合には焦点距離２．５ｉｎのレンズ
、板厚が３．２１１１１〜９ｍの場合には焦点路ｊｌ１
５　ｉｎのレンズ、板厚が９−以上の場合には焦点路Ｒ
７，５ｉｎのレンズが夫々用いられている。

また定盤上に載置された被加工材に対し所定の加工線に
沿ってレーザー加工装置を走査させて二次元形状を切断
するレーザー切断装置、或いは溶接を実施するレーザー
溶接装置等のレーザー加工装置が開発されている。これ
等のレーザー加工装置にあってはレーザー発振器の出力
が小さく、鋼板を切断する場合には厚さ数■程度を切断
し得るのみである。前記レーザー加工装置に於いて、レ
ーザー発振器は装置本体に固定して配置されるか、或い
は装置本体とは別個に配置されるのが一般である。

最近に至り、出力数キロワットのレーザー発振器が開発
されている。このレーザー発振器を有するレーザー加工
装置にあっては、厚さ散開から数十間にわたる鋼板を切
断し或いは溶接することが可能である。

一方、レーザー発振器から出射されたレーザー光は鋭い
指向性を有しているが、このレーザー光は平行光線では
無く、数ミリラジアンの拡がり角度を有している。

〈発明が解決しようとするｉ＊ａ＞ 従来のレーザー加工装置にあっては、レーザー発振器の
出力が小さいため被加工材の厚さが薄く、且つ被加工材
のサイズも９００ｍ　Ｘ　１Ｂ００ｍｍ、　１２００ａ
Ｘ　２４００Ｉ１ｍ等、所謂規格サイズであることが多
い。

このため、レーザー発振器とレーザー加工トーチとの距
離変化も小さく、レーザー光の拡がり角の加工部位に対
する影響も少なかった。このようなレーザー加工装置に
用いられるレーザー加工トーチは、所定の焦点距離を持
った１つの集光レンズを有して構成されている。そして
被加工材に対するレーザー光の結像位置を調整するには
、レーザー加工トーチと被加工材との距離を変化させる
ことで行っている。

然し、レーザー発振器の出力が大きくなり、被加工材の
厚さ、サイズ等の寸法が大型化するに伴い、レーザー光
の拡がり角による加工部位の品質に対する影響を無視す
ることが出来ない。

即ち、被加工材の寸法が大きくなった場合、被加工材に
対する加工の進行に応じたレーザー発振器とレーザー光
の照射位置との距離変化が大きくなり、この距離の変化
に応じてレーザー光の結像位置が変化する。このため、
被加工材に対する作業が定常的に実施されず、例えば切
断作業にあっては切断面の平面度或いは面粗度等が変動
し、また溶接作業にあっては溶は込み深さが変動する等
の問題がある。

また被加工材に対し所定の加工を行う場合、レーザー光
の有するエネルギを有効に利用することが加工効率の向
上及び加工部位の品質の向上につながる。このため、被
加工材の板厚に応じてレーザー光を集光するレンズとし
て焦点距離の異なるレンズを用い、レーザー光の結像位
置を変化させている。然し、焦点距離の長いレンズは高
価であり、且つ作業の都度レンズを交換することは煩雑
である。

また切断板厚或いは溶接板厚等の加工能力を増加させた
場合、板厚の増加に伴って被加工材の寸法も大きくなり
、幅数ｍ、長さ数十ｍに及ぶ場合もある。従って、レー
ザー発振器と装置本体とを別個に構成し、レーザー発振
器をフロア上に固定して配置することで軽量且つ剛性の
高い装置本体を構成している。このため、装置本体に設
けられるレーザー加工トーチとレーザー発振器との距離
は、被加工材に対する加工の進行に応じて大きく変化す
ることとなり、従来のレーザー加工トーチを用いた場合
には、加工位置に応じて加工部位の品質が変化する虞が
ある。

本発明の目的は、被加工材の厚さに応じてレーザー光の
結像位置を変化さセると共に、レーザー発振器とレーザ
ー光の照射位置との距離の変化に係わらずレーザー光の
結像位置を一定位置に維持することが出来るよう構成し
たレーザー加工トーチを提供するものである。

〈課題を解決するための手段〉 上記課題を解決するために本発明に係るレーザー加工ト
ーチは、レーザー光の光軸に沿って配設された第１光学
手段及び第２光学手段と、前記第１光学手段を保持する
ための第１保持手段と、前記第２光学手段を保持すると
共に前記第１保持手段に対し光軸方向に摺動可能に嵌挿
された第２保持手段と、前記第２保持手段を光軸方向に
移動させるための駆動手段とを有して構成されるもので
ある。

また他のレーザー加工トーチは前記レーザー加工トーチ
に於いて、第１光学手段よりも被加工材側にレーザー光
の通過孔を形成したノズルを設け、前記ノズルをレーザ
ー光の光軸に沿って移動可能に構成されるものである。

く作用〉 上記第１の手段によるレーザー加工トーチは、レーザー
光の光軸に沿って第１保持手段によって保持された第１
光学手段、及び第２保持手段によって保持された第２光
学手段を配設し、第２保持手段を第１保持手段に対し光
軸方向に摺動可能に嵌挿すると共に、この第２保持手段
を光軸方向に移動させるための駆動手段とを有して構成
したので、レーザー発振器から出射されたレーザー光を
、第２光学手段及び第１光学手段を経て被加工材に照射
することで、この被加工材の厚さ方向所定位置に結像さ
せることが出来る。

即ち、第２光学手段を被加工材の厚さに応じた位置及び
／又はレーザー発振器と第１光学手段との距離に応じた
位置まで光軸に沿って移動させることで、第１光学手段
によるレーザー光の結像位置を光軸に沿って被加工材の
厚さ方向所定位置に設定することが出来る。

また他のレーザー加工トーチは、前記レーザー加工トー
チに於いて、第１光学手段よりも被加工材側にレーザー
光の通過孔を形成したノズルを設け、このノズルをレー
ザー光の光軸に沿って移動可能に構成したので、レーザ
ー光の結像位置と第１光学手段との距離が変化した場合
には、この変化に応じてノズルを光軸に沿って移動させ
ることで、第１光学手段によって集光されるレーザー光
とノズルとの関係位置を調整することが出来る。

このため、集光されたレーザー光がノズルに干渉するこ
とがない。

〈実施例〉 以下上記手段を適用したレーザー加工トーチの一実施例
について図を用いて説明する。

第１図は本発明に係るレーザー加工トーチを用いたレー
ザー切断装置の全体説明図、第２図及び第３図はトーチ
ブロックの説明図、第４図は制御系のブロック説明図、
第５図（Ａ）〜（Ｅ）は被加工材に対する結像点とノズ
ルとの関係の説明図、第６図はフローチャートである。

先ず第１図により本発明に係るレーザー加工トーチを用
いたレーザー切断装置（以下単に「切断装置１という）
Ａの全体構成について説明する。

前記切断装置Ａは、鋼板、ステンレスｍｉ、プラスチッ
クボード、合板等の被加工材を所定の形状に切断するた
めの切断装置として構成されている。

特に本実施例では、被切断材Ｂとして鋼板を用い、この
被切断材Ｂから予め設定された形状を切り抜くための所
謂数値制御方式の切断装置Ａとして構成されている。

図に於いて、Ｘ方向に沿って平行に敷設されたレール１
上に走行フレーム２が配置されている。

この走行フレーム２はＸモーター２ａによって駆動され
、Ｘ方向に走行可能に構成されている。

前記走行フレーム２上にはＸ方向に沿って横行フレーム
３が設けられている。この横行フレーム３にはＸ方向に
平行な横行レール３ａが固着されている。

前記横行レール３ａには、Ｘモーター４ａによって駆動
され、Ｘ方向に沿って移動可能な横行キャリッジ４が設
けられている。

横行キャリッジ４には、２モーター５ａによって駆動さ
れ、Ｚ方向部ち上下方向に移動可能な昇降ブラケット５
が設けられている。

前記昇降ブラケット５に被切断材Ｂにレーザー光を照射
するレーザー加工トーチとしてのトーチブロック６が取
り付けられている。

レーザー発振器７はフロア上の所定位置に固定して設け
られており、このレーザー発振器７とトーチブロック６
との間はレーザー光通路８によって接続されている。前
記レーザー光通路８は、Ｘ方向に平行に設けられた蛇腹
８ａ、Ｘ方向に平行に設けられた蛇腹８ｂ、ｚ方向に平
行に設けられた蛇腹８ｃ、走行フレーム２に固着された
ζラーユニソト８ｄ、横行キャリッジ４に固着されたミ
ラーユニット８ｅによって構成されている。

制御装置９はＸモーター２ａ、Ｘモーター４ａ。

２モーター５ａ等の駆動モーターを制御してトーチブロ
ック６の位置を制御すると共に、レーザー発振器７によ
るレーザー光の出射時期、及び後述する移動レンズ１１
の移動方向及び移動量等を制御するものである。

上記の如く構成した切断装置Ａによって被切断材Ｂを切
断する際の動作を簡単に説明する。

制御装置９に予め被切断材Ｂに対する切断情報を入力し
、切断作業を開始すると、前記情報に従ってＸモーター
２ａ、Ｘモーター４ａに制御パルスが与えられ、トーチ
ブロック６が所定の速度で所定の方向に移動する。そし
てトーチブロック６の移動と同期してレーザー発振器７
を駆動してレーザー光を出射させると、レーザー発振器
７から出射されたレーザー光は蛇ｌ１１８ａを通ってＸ
方向に沿って進行し、ミラーユニッ）８ｄによってＸ方
向に屈折され、蛇腹８ｂを通って横行キャリッジ４に固
着したミラーユニット８ｅに至り、ミラーユニット８ｅ
に於いて２方向に屈折され、蛇腹８ｃを通ってトーチブ
ロック６に至る。そしてトーチブロック６から被切断材
Ｂに照射され、この被切断材Ｂを所定の形状で切断する
。

次にトーチブロック６の構成について第２図及び第３図
により具体的に説明する。

トーチブロック６は横行キャリッジ４に設けた昇降ブラ
ケット５にトーチブラケット５ｂを介して取り付けられ
ており、２モーター５ａによって駆動され、昇降ブラケ
ット５と共に上下方向に移動可能に構成されている。

トーチブロック６は、ノズル６ａ、ノズル６ａを固着す
るための第１筒体６ｂ、ノズル６ａの移動機構１２．第
１光学手段となる固定レンズ１０．固定レンズ１０を固
着するための第２筒体６ｃ、第２光学手段となる移動レ
ンズ１１．移動レンズ１１を固着するための第３筒体６
ｄ、第３筒体６ｄの移動機構１３．移動機ｆｉ１３を駆
動するためのモーター６ｅによって構成されている。

ノズル６ａは第１筒体６ｂに着脱可能に装着されている
。このノズル６ａは内部にレーザー光を通過させると共
に、炭酸ガス、窒素ガス、ヘリウムガスからなるアシス
トガスを通過させるためのテーバ状の孔６ａ＋が形成さ
れている。ノズル６ａに形成した孔６ａ＋は、固定レン
ズ１０の屈折率と略等しいテーパを持って形成されてい
る。

またノズル６ａは後述する移動機構１２によってレーザ
ー光の光軸１４に沿って移動可能に構成されており、ノ
ズル６ａと固定レンズ１０との距離を所望の値に設定し
得るように構成されている。

本実施例に於いて、レーザー光の結像位置は、固定レン
ズ１０と被切断材Ｂの表面との間隔を一定に維持した状
態で、被切断材Ｂの厚さに応じて変更し得るように構成
されている。従って、ノズル６ａを通過するレーザー光
の径はレーザー光の結像位置に応じて変化し、このレー
ザー光とノズル６ａとが干渉する虞がある。

このため、本実施例では被切断材Ｂの厚さに応じたレー
ザー光の結像位置の変更に応じてノズル６ａを光軸１４
に沿って移動させることで、レーザー光とノズル６ａと
の干渉を防止し得るように構成している。

第１筒体６ｂの上端（第３図に於ける上側、以下同じ）
にはフランジ６ｂ＋が形成されている。また第１筒体６
ｂの側面所定位置には、この第１筒体６ｂの内部に形成
された室６ｂｚにアシストガスを供給するためのホース
１５を取り付けるためのニップル１５ａが固着されてい
る。

第２筒体６ｃの下部（第３図に於ける下側、以下同じ）
６ｃ１には、ノズル６ａを光軸Ｉ４に沿って移動するた
めの移動機構１２が構成されている。

前記移動機構１２は、円板状の移動部材１２ａと、光軸
１４と平行に第２筒体６ｃに固着されたラック１２ｂと
、移動部材１２ａに回転可能に取り付けられ、且つラッ
ク１２ｂと噛合するビニオン１２ｃと、ビニオン１２ｃ
を駆動するモーター１２ｄと、モーターＩ２ｄの回転を
ビニオン１２ｃに伝達するフレキシブルシャフト１２ｅ
とによって構成されている。

前記移動部材１２ａは第２筒体の下部６ｃ＋に対しレー
ザー光の光軸１４に沿って移動可能に、且つ回転不能に
装着されている。即ち、移動部材１２ａにはキー溝１２
８１が形成されており、このキー溝１２８゜と第２筒体
６Ｃに固着したキー６ｃｚとを係合させることで、第２
筒体６ｃに対し回転不能に構成されている。また移動部
材１２にはラック１２ｂと噛合するピニオン１２ｃが回
転可能に取り付けられており、このビニオン１２ｃを介
してモーター１２ｄの回転が伝達されることで、光軸１
４に沿って移動可能に構成されている。

前記モーター１２ｄはトーチブラケット５ｂに取り付け
られている。

前記第１筒体６ｂは、移動機構１２を構成する移動部材
１２ａに設けた位置決め機構１６を介して第２筒体６ｃ
に対し光軸１４に沿って移動可能に、且つ光軸１４と直
角方向に移動可能に取り付けられている。従って、第１
筒体６ｂに装着したノズル６ａも第１筒体６ｂと同様に
、光軸１４に沿って移動可能に且つ光軸１４と直角方向
に移動可能に構成されている。

前記位置決め機構１６は、断面がＬ字状に形成され、且
つ第１筒体６ｂの外径よりも大きな内径を有する孔１６
ａ１と移動部材Ｌ２ａの外径と略等しい外径とを有して
リング状に形成された保持部材１６ａと、保持部材１６
ａと螺合し、且つ先端がフランジ６ｂ、の側面と当接す
るネジ部材１６ｂとによって構成されている。そして、
孔１６ａ１に第１筒体６ｂを嵌挿した保持部材１６ａを
移動部材１２ａに図示しないネジによって締結すること
で、第１筒体６ｂが第２筒体６ｃに取り付けられている
。

第２筒体６ｃの内部下端には、固定レンズ１０が保持部
材１０ａを介して取り付けられている。この固定レンズ
１０の中心はレーザー光の光軸１４と一致して配置され
ている。

固定レンズ１０は予め設定された被切断材Ｂとの距離に
応じた焦点距離を持った凸レンズによって構成され、入
射したレーザー光を集光して被切断材Ｂの厚さ方向所定
位置に結像するものである。

本実施例では固定レンズ１０として焦点距離２．５ｉｎ
の凸レンズを用いている。

第２筒体６Ｃの上端にはフランジ６ｃ３が形成されてお
り、このフランジ６ｒ４を介して後述する第３筒体６ｄ
の移動機構１３が構成されている。また第２筒体６ｃの
側面所定位置には上下方向に長穴６ｃ４が形成されてい
る。

本実施例に於いて、図に示すように第２筒体６Ｃは２本
の筒体を固着して構成しているが、これはトーチブロッ
ク６を組み立てる際の作業を容易にするための処置であ
り、この第２筒体６Ｃを１本の筒体で構成しても、或い
は複数の筒体で構成しても良い。

第２筒体６Ｃの内部には複数の直進軸受１７が設けられ
ており、この直進軸受１７を介して第３筒体６ｄが光軸
１４に沿って移動可能に嵌挿されている。

第３筒体６ｄの下端には移動レンズ１１が保持部材１１
ａを介して取り付けられている。この移動レンズ１１の
中心はレーザー光の光軸１４と一致して配置されている
。

第３筒体６ｄの上端には移動機構１３を構成するネジ部
材１３ａが固着されている。また第３筒体６ｄの側面で
あって、第２筒体６ｃに形成した長穴６ｃａと対応する
位置には、この長穴６ｃａと係合して第３筒体６ｄの回
転を防止するための回転防止部材６ｄ＋が固着されてい
る。

移動レンズ１１は所定の焦点距離を持った凸レンズによ
って構成されており、入射したレーザー光を集光して固
定レンズ１０に入射させるものである。

また移動レンズ１１は、被切断材Ｂの板厚に応じて固定
レンズ１０に入射するレーザー光の入射面の径を変化さ
せ、これにより被切断材Ｂの板厚方向所定位置にレーザ
ー光を結像させるものである。更に、移動レンズ１１は
、前述の如くして被切断材Ｂの板厚に応じてレーザー光
の結像位置を設定した後、レーザー発振器７とトーチブ
ロック６との距離の変化に応じて変化する移動レンズ１
１に入射するレーザー光の入射面の径に係わらず固定レ
ンズ１０に入射するレーザー光の入射面の径を一定に維
持するものである。このため、移動レンズ１１はレーザ
ー光の光軸１４に沿って軸方向に移動し得るように構成
されている。即ち、移動レンズ１１を取り付けた第３筒
体６ｄが光軸１４に沿って移動し得るように構成されて
いる。本実施例では移動レンズ１１として焦点距離５ｉ
ｎの凸レンズを用いている。

次に移動機構１３の構成について説明する。

第２筒体６ｃの上端に形成したフランジ６ｃ＝の外周に
軸受１３ｂが固着されている。この軸受１３ｂにはギヤ
１３ｃが回転可能に支承されている。

前記ギヤ１３ｃは円筒部１３ｃ＋と、この円筒部１３ｃ
。

の上端に形成されたギヤ部１３ｃ！とによって構成され
ている。そして円筒部１３ｃ＋の下端内部に形成された
嵌合部を介して軸受１３ｂと嵌合している。またギヤ部
１３Ｃ！の中心にはネジ部材１３ｄを固着するための孔
１３ｃ、が形成されている。

ネジ部材１３ａ、１３ｄは互いに螺合してギヤ１３ｃの
回転を直進運動に変換するものである。このため、ネジ
部材１３ａは第３筒体６ｄの上端に固着されており、ま
たネジ部材１３ｄはギヤ１３ｃに固着されている。

ネジ部材１３ａの上部にはボス１３ａ、が形成されてい
る。そしてボス１３ａ１に蛇腹８ｃの端部が固着されて
おり、これにより、レーザー発振器７からトーチブロッ
ク６に至るレーザー光通路８とトーチブロック６とが接
続される。

前記ギヤ１３ｃにはモーター６ｅに取り付けたギヤ６ｅ
ｌが噛合している。そしてモーター６ｅを駆動すること
で、移動機構１３のギヤ１３ｃ、ネジ部材１３ｄを回転
し得るように構成している。

前記モーター６ｅはトーチブラケット５ｂに固着されて
いる。またトーチブラケット５ｂにはホルダー５Ｃが一
体的に構成されており、このホルダー５０に第２筒体６
ｃが取り付けられている。

従って、第２筒体６ｃのフランジ６ｃｓ及び第３筒体６
ｄの上部に構成した移動機構１３とモーター６ｅとは、
トーチブラケット５ｂによって互いの関係寸法を保持し
得るよう構成されている。

尚、第２図に於いて１８は、ノズル６ａと被切断材Ｂと
の間隔を検出するハイドセンサーであり、センサーと被
切断材との間の静電容量を検出する静電容量型センサー
、圧力エアを噴射した時の背圧を検出するエアハイドセ
ンサー、被切断材の表面と接触する接触センサー等のセ
ンサーを用いることが可能である。本実施例では静電容
量型センサーを用いている。

上記構成に於いてモーター６ｅを駆動すると、この回転
がギヤ６ｅ＋、１３ｃ、ネジ部材１３ｄ、　１３ａを介
して第３筒体６ｄに伝達される。そして第３筒体６ｄに
設けた回転防止部材６ｄ、が第２筒体６Ｃに形成した長
穴６ｃａと係合することで第３筒体６ｄの回転が防止さ
れるため、この第３筒体６ｄは光軸１４に沿って上下方
向に移動する。

次に切断装置Ａの制御系を第４図により説明する。

図に於いて９ａは制御装置９を構成する制御部であり、
人力された被切断材Ｂの板厚情報に応じてモーター６ｅ
、モーター１２ｄに対する駆動信号を発生させると共に
、トーチブロック６のｘ、　　ｙ方向への移動量を演算
し、この演算結果に応じてモーター６ｅに対する駆動信
号を発生させ、及び各モーター２ａ、４ａ、５ａ、　　
レーザー発振器７゜図示しないアシストガス供給装置２
２等に対する駆動信号を発生させるＣＰＵ９ａ＋、人力
装置２１によって入力された被切断材Ｂに関する板厚、
切断速度、切断形状等の情報を一時記憶するＲ　Ａ　Ｍ
　９　ａｔ。

切断装置Ａの動作プログラム、被切断材Ｂの板厚に応じ
た移動レンズ１１と固定レンズ１０との距離及び固定レ
ンズ１０とノズル６ａとの間隔を設定したチャート、ト
ーチブロック６とレーザー発振器７との距離に応じた演
算プログラム等を格納するＲＯＭ　９　ａｓ、　　ｘモ
ーター２ａ、ｙモーター４ａに対する駆動パルスを駆動
方向に応じて加減算するカウンター９ａ４とによって構
成されている。

入力装置２１は被切断材Ｂの材質、板厚、切断形状等の
情報を入力するための装置であり、この入力装置２１か
ら入力された情報はインターフェース２３を介して制御
部９ａに伝達される。デイスプレィ２４は入力装置２１
によって入力される情報や切断装置Ａの稼働状況等を表
示するものである。

ドライバ２５は各モーターを駆動するためのものであり
、ドライバ２６はレーザー発振器７．７シストガス供給
装置２２を駆動するものである。

次に上記の如く構成した切断装置Ａに於けるレーザー光
の結像及びこの結像位置の維持について第５図（Ａ）〜
（Ｅ）により説明する。

先ず、被切断材Ｂの厚さに応じた被切断材Ｂとレーザー
光の結像位置との関係について説明する。

第５図（Ａ）は被切断材Ｂの板厚が極く薄い場合に於け
る被切断材Ｂとレーザー光の結像点１９との関係を示す
ものである。

図に於ける結像点１９は被切断材Ｂの表面から距離！［
離隔した位置に設定されている。この距離１１は実験的
に求めた値である。また固定レンズ１０と被切断材Ｂと
の間隔りはバイトセンサー１８によって検出され、この
間隔りが予め設定された値から変動したときは、変動量
に応じてＺモーター５ａを駆動してトーチブロック６を
昇降させることで、前記間隔りを一定の値に維持してい
る。

前記結像点１９は、レーザー光の光軸１４に沿って所望
の位置に設定することが可能である。即ち、固定レンズ
１０と被切断材Ｂの表面との間隔、固定レンズ１０と移
動レンズ１１との距離、移動レンズ１１とレーザー発振
器７との距離等の値を後述する公式に従って設定するこ
とで、結像点１９を所定位置に設定することが可能であ
る。従って、被切断材Ｂの板厚に応じて、レーザー光の
エネルギを最も効率良く利用し得る結像点１９の位置を
設定することが可能である。

また固定レンズ１０によって集光したレーザー光をノズ
ル６ａに形成した孔５ａ、を通過させて被切断材Ｂに照
射するに際し、固定レンズ１ｏに於ける屈折率が一定で
あることから、レーザー光の結像点１９と固定レンズ１
０との距離に係わらず集光されたレーザー光の集光角度
（レーザー光のテーパ角度）は一定である。

ノズル６ａと固定レンズ１０との距離を一定に保持して
レーザー光の結像点１９の位置を変化させた場合、例え
ば固定レンズ１ｏと結像点１９との距離を大きくとって
結像させた場合にはレーザー光がノズル６ａの孔６ａ、
と干渉する虞があり、また固定レンズ１０と結像点１９
との距離を小さくして結像させ、結像点１９が孔５ａ１
内に設定された場合には結像点１９から拡散するレーザ
ー孔が孔６ａ＋と干渉する虞がある。このため本実施例
では、ノズル６ａを光軸１４に沿って移動可能に構成す
ることで、固定レンズｌＯとノズル６ａとの距離を所定
の値に設定し得るように構成している。

即ち、固定レンズ１０と結像点１９との距離を変化させ
たとき、この変化に応じた固定レンズ１０とノズル６ａ
との距離を設定すると共に、ノズル６ａを移動させるこ
とで、固定レンズ１０によって集光されたレーザー光と
ノズル６ａとの干渉を防止し得るように構成している。

レーザー発振器７から出射されるレーザー光の拡がり角
度はレーザー光の波長とレーザー発振器７に於けるレー
ザー光の径によって定まる。

即ち、拡がり角度θ（ラジアン）は波長λとし、レーザ
ー光の径をＤとすると、 θ＝λ／Ｄ　　（ラジアン）となる。

レーザー発振器７に炭酸ガスレーザーを用いた場合波長
λは１０．６μｍである。またレーザー発振器７に於け
るレーザー光の径をφ２とすれば、θ−５．０３Ｘ１０
−３（ラジアン）となる。

従って、レーザー発振器７から１０ｍの位置に於けるレ
ーザー光による照射面の径は５．０３ＣＩとなり、５０
ｍの位置に於けるレーザー光による照射面の径は２５．
１５ｃｍとなる。このように照射面に於けるレーザー光
の径はレーザー発振器７がらの距離に応じて変化する。

このため、前述の如く移動レンズ１１を光軸１４に沿っ
て移動させることで、被切断材Ｂの板厚に応じてレーザ
ー光の結像点１９を設定しても、レーザー発振器７と固
定レンズ１ｏとの距＠Ｌが変化すると、距離りの変化に
伴って固定レンズ１ｏから結像点１９までの距ｊｌｌｖ
が変化する。即ち、距離りの変化に応じて結像点１９は
光軸１４上を移動することとなる。

従って、本実施例のレーザー加工装置では、被切断材Ｂ
の板厚に応じて夫々所定の結像点１９の位置を設定する
と共に、結像点１９の位置を設定した後、被切断材Ｂに
対する切断の進行に伴い発生するレーザー発振器７と固
定レンズ１ｏとの距離変化による結像点１９の位置変化
を移動レンズ１１を光軸１４に沿って移動することで吸
収し、被切断材Ｂに対する結像点１９の位置を一定に維
持し得るよう構成している。

ここで、固定レンズ１０の焦点路Ｍ　ｒ　＋　、移動レ
ンズ１１の焦点路ｊｉｔｌｒｚとし、トーチブロック６
を装置原点に一致させたときに於けるレーザー発振器７
と固定レンズ１０との距離をＬ（一定）、被切断材Ｂの
板厚に応じた固定レンズ１ｏから結像点１９までの距離
をＶ（シ、〜Ｖ、）、固定レンズ１ｏがら距ＭＶ離隔し
た位置にレーザー光を結像させるときのレーザー発振器
７と移動レンズ１１と距離をｕ　（ｕ＋〜ｕ３）及びこ
のときの移動レンズ１１と固定レンズ１゜との距離ｄ　
（ｄ、−ｄ、）とすると、Ｌ＝ｕ＋ｄ　　　であり、 また組合せレンズの公式から、 但し、 ｆｌ＋ｆｔ＋ｄ ｒ＋　＋ｒ、＋　ｄ なる関係が成立する。

上式は各レンズ１０．１１の焦点距離ｆ＋、　ｆｇを設
定すると共に、レーザー発振器７と固定レンズ１０との
距ＭＬ、固定レンズｌＯと結像点１９との距１１ｖを設
定すると、レーザー発振器７と移動レンズ１１との距離
ｕ及び移動レンズ１１と固定レンズ１０との距離ｄが定
まることを意味している。

同図（Ｂ）は被切断材Ｂの表面にレーザー光の結像点１
９を設定した場合を示しており、被切断材Ｂの板厚が９
ｏｎ以下の場合に有効である。

同図（Ｃ）は被切断材Ｂの板厚が６閤以上の厚板に対し
て切断を行う場合の被切断材Ｂとレーザー光の結像点１
９との関係を示したものである。

第５図（Ａ）〜（Ｃ）に於ける固定レンズｌＯと移動レ
ンズ１１との距離ｄ、〜ｄ、は、式■〜■に基づいて求
めることが出来る。このため、制御部９ａのＲＯＭ　９
　ａｓに上式の演算プログラム、及び板厚に応じた固定
レンズｌＯと結像点１９との距離ｖ、ｘ％ｌ、の関係チ
ャートを格納し、制御部９ａに於いて入力された被切断
材Ｂの板厚に応じて前記チャートから距離Ｖ、〜ｖ３を
設定すると共に、距離ν１〜Ｖ、を得るための距離ｄ、
−ｄ、を演算し、この演算結果に基づいてモーター６ｅ
に制御パルスを与えることで、第３筒体６ｄを所定の方
向に移動させ、これにより移動レンズ１１を移動させる
ことによって、固定レンズ１０からの距離ｄを設定する
ことが可能である。

また被切断材Ｂの板厚に応じて設定される固定レンズ１
０と結像点１９との距１１ＶＩ〜Ｖ、に応じた固定レン
ズ１０とノズル６ａとの距離を設定し、この設定値に基
づきモーター６ｅに対する制御パルスを与えると同時に
移動機構１２のモーター１２ｄに制御パルスを与えるこ
とで、ノズル６ａを前記路Ｍ　ｖ　＋〜ｖ３に応じた所
定位置に移動させることが可能である。

第５図（Ｄ）はトーチブロック６が装置原点にあるとき
の移動レンズ１１と固定レンズｌＯとの関係を示したも
のである。

このとき、レーザー発振器７がフロア上に固定されてお
り、且つ切断装置Ａのレールスパン等は設計条件として
予め与えられることからレーザー発振器７と固定レンズ
１０との距離りは予め設定された値となる。また距離ｄ
は、固定レンズ１０と被切断材Ｂとの間隔りを一定の値
に保持した状態で所定の位置に結像点１９を形成したと
きの値として得ることが可能である。

前記状態に於ける距ＭＬ、ｄを基準値Ｌｏ、　ｄｏとし
て設定し、移動レンズ１１によるレーザー光の見掛は上
の結像点２０までの距離を賀。とすると、レンズの公式
から、 １　　　　　　１　　　　　　１ Ｌｏ　　ｄｏ　　　　　　ｆｚ なる関係が成立する。

従って、以後路ＭＬの変化に応して固定レンズ１０に入
射するレーザー光の入射面の径を一定の値に維持するよ
うに、即ち、移動レンズ１１による見掛は上の結像点２
０の位置と固定レンズ１０との距離が常に一定となるよ
うに固定レンズ１１を移動させるものである。

即ち、トーチブロック６の移動に伴い同図（Ｅ）に示す
ように、距ＩＬが変化してＬｌ（Ｌ１＝Ｌｏ＋θ）とな
った時、同図（Ｄ）に於ける見掛は上の結像点２０の位
置を固定し、移動レンズＩｆによってこの結像点２０に
結像し得る距離Ｗを逆算することで、Ｗ−一。＝δを算
出する。即ち、 −。＋δ　　　　　Ｌｏ　　ｄｏ＋θ　　　　　ｆ２ｆ
ｚｆＬａ　　ｄｏ十〇 但し、 Ｌ、−ａｏ＋ｒｚ となる。この計算値δに基づいて固定レンズ１０と移動
レンズ１１との距離ｄ（ｄ＝ｔ１．＋δ）を算出すると
共に、移動レンズ１１を光軸１４に沿ってδだけ移動さ
せるものである。

上記の如く、被切断材Ｂに対するレーザー光の結像点１
９の位置を一定に維持する際には、ノズル６ａの孔６ａ
＋を通過するレーザー光の径は一定となる。従って、ノ
ズル６ａを移動させること無く、固定レンズ１０とノズ
ル６ａとの距離を被切断材Ｂの板厚に応して設定された
値に維持する。

次に上記の如く構成した切断装置Ａに於ける動作を第６
図のフローチャートを用いて説明する。

先ず走行フレーム２及び横行キャリッジ４を所定の方向
に移動して夫々装置原点を検出する（Ｓｌ）。

次に人力装置２１によって制御部９ａに被切断材Ｂの材
質、板厚、切断速度等の切断情報及び被切断材に対する
切断形状等の情報を入力する（Ｓ２）。

所定の切断情報の入力を終了すると、トーチブロック６
から被切断材Ｂ上にレーザー光を照射し、移動レンズ１
１を調整して被切断材Ｂの表面上にレーザーの結像点１
９を形成する。この調整は切断装置Ａの据え付は時に行
えば良く、−度調整した後は不要となるものである。ま
た制御部９ａでは入力された被切断材Ｂの板厚情報に基
づいてレーザー光の結像点１９の位置が設定されると共
に、設定された位置にレーザー光を結像させるための固
定レンズ１０と移動レンズ１１との距離ｄが演算される
。

そして前記演算結果に基づいてモーター６ｅに制御パル
スが与えられ、移動レンズ１１が所定位置に移動する。

同時に設定された結像点１９の位置に応した固定レンズ
１０とノズル６ａとの距離が設定され、この設定値に応
してモーター１２ｄに制御パルスが与えられ、ノズル６
ａが所定位置に移動する（Ｓ３）。

次いでχモーター２ａ、ｙモーター４ａを駆動してトー
チブロック６を移動させ、被切断材Ｂに対する切断開始
位置に一致させる（３４〜Ｓ８）。

このトーチブロック６の移動に際し、各モーター２ａ、
４ａに伝達される制御パルスはカウンター９ａ４に於い
て加減算され、トーチブロック６とし一ザー発振器７と
の距離情報として利用される。

即ち、カウンター９ａ４に於いて加減算した制御パルス
の数がトーチブロック６とレーザー発振器７との距離の
変化分θとして利用され、ＣＰＵ９ａ＋によりカウンタ
ー９ａａに於いて加減算した制御パルスにより距離変化
分θが演算され、同時に式■。

■に基づいて移動レンズ１１に対する移動量δが演算さ
れる。そしてこの演算結果に応じてモーター６ｅに対す
る制御パルスを伝達することで、移動レンズ１１をトー
チブロック６とレーザー発振器７との距離の変化に応じ
て移動させる（Ｓ９，５ＩＯ）。然し、この時点ではレ
ーザー光は照射されない。

トーチブロック６が所定の切断開始位置に至ると、２モ
ーター５ａが駆動されトーチブロック６は被切断材Ｂに
対し所定の高さに設定される。以後トーチブロック６と
被切断材Ｂとの間隔はハイドセンサー１８によって制御
される。

次いで、ＲＯＭ　９　ａｉに格納された所定の切断プロ
グラムに従ってレーザー発振器７が駆動されし−デー光
が出射される。同時にアシストガス供給装置２２から第
１筒体６ｂにアシストガスが供給される（Ｓｌｌ、　　
５１２）　、更に、ＲＡＭ９ａｉに記憶した切断形状の
情報が読み出され、この情報に応じてＸモーター２ａ、
Ｘモーター４ａが所定の方向に駆動される。この一連の
動作によって被切断材Ｂは所定の形状に連続的に切断さ
れる（８１３〜５１６）。

上記動作に際し、Ｘモーター２ａ、Ｘモーター４ａに伝
達される制御パルスはカウンター９ａａに於いて加減算
され、トーチブロック６とレーザー発振器７との距離情
報として利用される。即ち、３９．５１０に於けると同
様にして移動レンズ１１が移動される（Ｓ１７．　５１
８）　、このとき、被切断材Ｂに対するレーザー光の結
像点１９は常に一定の位置に形成される。

次いで予め入力された切断形状に対する切断が終了した
か否かを判断し、未だであればＳ１３．　　Ｓ１５に戻
り切断を続行し、終了した場合にはレーザー発振器７を
停止すると共にアシストガス供給装置２２を停止しく３
１９〜５２１）エンドとなり全ての動作を終了する。

本実施例に於いて、レーザー光通路８がχ方向。

ｙ方向に平行に設けられることから、カウンター９ａ４
によって加減算した制御パルスの数が距離変化分θの情
報として用いることが可能である。

また本実施例に於いて移動レンズ１１を凸レンズで構成
したが、これは凹レンズを用いても良く、また複数のレ
ンズによる組合せレンズを用いることも可能である。

〈発明の効果〉 以上詳細に説明したように、本発明に係るレーザー加工
トーチによれば、レーザー光の光軸に沿って第１光学手
段、第２光学手段を配設し、第２光学手段を第１光学手
段に対し光軸方向に移動可能に構成すると共に、この第
２光学手段を光軸方向に移動させるための駆動手段とを
有して構成したので、レーザー発振器から出射されたレ
ーザー光を、第２光学手段及び第１光学手段を経て被加
工材に照射することで、被加工材の厚さ方向所定位置に
結像させることが出来、且つ加工の進行に伴いレーザー
発振器と第１光学手段との距離が変化しても、前記レー
ザー光の結像位置を一定に維持することが出来る。

このため、従来技術の如く集光レンズを交換すること無
く、然も比較的安価な焦点距離の短いレンズを用いて被
加工材に対しレーザー光のエネルギを効率良く付与する
ことが出来、従って、レーザー加工に於ける加工効率を
向上させると共に加工部位の品質を向上させることが出
来る。

また被加工材に対するレーザー光の結像位置が常に一定
位置に維持されることから、被加工材に対し定常的な加
工を施すことが出来る。例えば被加工材を切断する場合
には切断面の粗度、平坦度等を向上させることが出来、
また被加工材を溶接する場合には溶は込み深さを一定値
に維持することが出来る。

また他のレーザー加工トーチによれば、第１光学手段よ
りも被加工材側にレーザー光の通過孔を形成したノズル
を設けると共に、このノズルをし一ザー光の光軸に沿っ
て移動可能に構成したので、レーザー光の結像位置と第
１光学手段との距離が変化した場合には、この変化に応
じてノズルを光軸に沿って移動させることで、第１光学
手段によって集光されるレーザー光とノズルとの関係位
置を調整することが出来る。

このため、第１光学手段によって集光されたレーザー光
とノズルとの干渉を防止することが出来、従って、ノズ
ルの耐久性を向上させると共にノズルの交換頻度を低減
することが出来る等の特徴を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るレーザー加工トーチを用いたレー
ザー切断装置の全体説明図、第２図及び第３図はトーチ
ブロックの説明図、第４図は制御系のブロック説明図、
第５図（Ａ）〜（Ｅ）は被加工材に対する結像点とノズ
ルとの関係の説明図、第６図はフローチャートである。 Ａは切断装置、Ｂは被切断材、■はレール、２は走行フ
レーム、２ａはＸモーター、３は横行フレーム、４は横
行キャリッジ、４ａはｙモーター５は昇降ブラケ・ント
、５ａは２モーター、６はトーチブロック、６ａはノズ
ル、５ａｌは孔、６ｂは第１筒体、６ｃは第２筒体、６
ｄは第３筒体、６ｅはモーター、７はレーザー発振器、
８はレーザー光通路、９ば制御装置、９ａは制御部、１
０は固定レンズ、１１は移動レンズ、１２．１３は移動
機構、１４は光軸、１８はハイドセンサー、１９は結像
点、２０は見掛は上の結像点、２１は入力装置、２２は
アシストガス供給装置、２３はインターフェース、２４
はデイスプレィ、２５．２６はドライバである。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザー光の光軸に沿って配設された第１光学手
   段及び第２光学手段と、前記第１光学手段を保持するた
   めの第１保持手段と、前記第２光学手段を保持すると共
   に前記第１保持手段に対し光軸方向に摺動可能に嵌挿さ
   れた第２保持手段と、前記第２保持手段を光軸方向に移
   動させるための駆動手段とを有して構成したことを特徴
   としたレーザー加工トーチ。
2. （２）請求項（１）記載のレーザー加工トーチに於いて
   、第１光学手段よりも被加工材側にレーザー光の通過孔
   を形成したノズルを設け、前記ノズルをレーザー光の光
   軸に沿って移動可能に構成したことを特徴としたレーザ
   ー加工トーチ。