JPH03234385A - レーザ加工装置 - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明は、炭酸ガスレーザ加工装置に関する。

（従来の技術） 従来、炭酸ガスレーザ加工装置では、レーザ発振器から
出射されたレーザ光を集光して被加工物に照射するため
に、一般にレーザ光の伝送路内に設けられたいくつかの
反射鏡でレーザ光を反射させて被加工物上の集光ミラー
まで伝送している。

そして、レーザ加工装置の据付時、あるいはレ−ザ加工
作業開始前には、被加工物に照射されるレーザ光が所定
の大きさあるいはビームモードになるように、伝送路内
にある反射鏡などの取付角度が目視によって調整される
ようになっている。例えば、レーザ加工装置のビームア
ライメントのチエツクはＨｅ−Ｎｅレーザによる目視、
また、集光後のビームチエツクはアクリルバームパター
ンによる目視、さらに集光レンズの損傷のチエツクは単
に目視に頼っていた。

（発明が解決しようとする課題） ところが、レーザ加工装置の稼働日数の経過とともに被
加工物に照射されるレーザ光のモードや大きさが次第に
変化してくる。

この原因としては、例えばレーザ発振器の出射鏡の劣化
と歪、反射鏡と集光ミラーの表面の汚れ、あるいはレー
ザ光の伝送路中に浮遊している塵や水分によるレンズ効
果の変化などがある。この結果、被加工物に照射される
レンズ光の大きさやモードが変化し、被加工物の加工品
質、例えば被加工物の切断面の品質が変り、さらに、か
りに反射鏡やその保持部の熱変化で反射光の角度がずれ
ると、被加工物の切断形状も違ってくることになる。

この傾向は、とくにレーザ光の伝送路の長いものや反射
鏡数の多い（例えばスキャナ形）伝送路はど著しい。し
かし、従来は、これらのチエツクは、前述したようにす
べてオペレータの目視に頼っていた。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、レーザ光の
ビーム位置とモードおよびビーム径を自動的に検出しビ
ームモニタ装置にそれらの信号を入力するビームセンシ
ング装置を設けてレーザ加工装置のビームのアライメン
ト、集光レンズのずれ等を自動的に修正して加工点での
レーザビームの位置を自動調整して常に安定したレーザ
加工を行うことができる炭酸ガスレーザ加工装置を提供
することを目的としている。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段及び作用）本発明は、レー
ザ発振器、このレーザ発振器からのレーザ光を伝送する
複数個のビームベンダ及びレーザ光を集光する集光光学
系よりなり、ビームベンダのうち２個はビーム光路調整
機構を備え、かつ、ビームセンシング装置とビームモニ
タ装置が集光光学系の前後にそれぞれ配設されたレーザ
加工装置において、レーザ加工前にレーザ光の特性を調
整して基準値を設定する手段と、該基準値を各ビームモ
ニタ装置に記憶させる手段と、レーザ加工中にレーザ光
を各ビームセンシング装置でサンプリングしてレーザ情
報を得る手段と、該レーザ情報を各ビームモニタ装置に
記憶してある基準値と比較し両者の偏差を算出する手段
と、該偏差が所定の許容値を超えているときには該偏差
を修正して該許容値内に収める手段と、該偏差を修正し
ても該許容値内に収まらないときにはアラーム信号を発
生する手段と、からなるレーザ加工装置に関する。

（実施例） 以下、本発明の炭酸ガスレーザ加工装置の一実施例を図
面を参照して説明する。

第１図は本発明のレーザ加工装置の一実施例の全体図を
示し、炭酸ガスレーザ発振器１はレーザ光２を出射し、
このレーザ光２はビームベンダ３Ａ、３Ｂ、３Ｃによっ
てそのレーザ光路を図示のように変えられ、集光レンズ
４に入射され、かつ、集光される。そして、通常の加工
時には、被加工物（図示なし）上に照射されて各種レー
ザ加工を行うようになっている。第１図の実施例では、
ビームベンダ３Ｃ，集光レンズ４を含むレーザ加工ヘッ
ド５が加工機（図示なし）の通常の加工範囲を外れた特
定の位置、すなわちビーム確認位置、にある状態を示し
ている。このビーム確認位置では、集光レンズ４の上方
と、集光レンズ４の下方かつ焦点６の下側にビームセン
シング装置７Ａ。

７Ｂが集光レンズ４と焦点６に対して対称の位置にそれ
ぞれ設置されている。さらに、これらのビームセンシン
グ装置７Ａ、７Ｂには、それぞれビームモニタ装置８Ａ
、８Ｂが接続されている。また、センシングビーム取り
出しミラー９Ａがセンシングミラー取り出しミラー駆動
機構１０の中に配設され、またセンシング用のレーザビ
ームを取り出すためのキーとして、センシングが必要な
時のみ、取り出しミラー９Ａはミラー移動制御装置１１
の指示により駆動されてレーザ光路内に挿入される。こ
れによりセンシング用ビームをビームセンシング装置ｊ
７Ａへ送るように構成されている。

しかしセンシング不要時には、ミラー９Ａはレーザ光路
から外れるようになっている。さらに、ビームベンダ３
Ａ、３Ｂは、それらに内蔵されているペンダミラー（図
示なし）の角度をベンダミラー制御装置１２の指示によ
り自在に変更し、レーザ光２の光路を調整する。集光レ
ンズ４は、さらに、集光レンズ調整機構１３に取り付け
られていて、集光レンズ調整機構１３の作動により、ミ
ラーマウントを移動して必要により、レーザ光２と直交
する２方向（Ｘ、　Ｙ）にその位置を移動調整できるよ
うになっている。

次に、このようにして構成された本発明の炭酸ガスレー
ザ加工装置の操作を説明する。炭酸ガスレーザ加工装置
で被加工物を加工する際には、まず、加工を始める前に
、実際の加工条件と同一条件の出力光をレーザ発振器１
から出射する。そして、そのレーザビームをセンシング
ビーム取り出しミラー９Ａにより取り出し、さらに、ビ
ームセンシング装置７Ａで抽出して、ビームモニタ装置
８Ａにモニタ画像として、例えば第２図に示すようなＸ
方向のビームモード１４と、Ｙ方向のビームモード（図
示なし）を表示装置１５に表示する。

ここで、第２図において、横軸はビームの位置と径、縦
軸はビーム横面のモードを示し、これらによりレーザビ
ームの進行方向に対する位置すれとビーム径及びビーム
横断面のエネルギー分布を表わすようになっている。

ついで、表示装置１５に表示された画像からレーザビー
ム位置、径及びビームモードが所定の許容値（基準値）
内にあるか否かを判断する。もし、表示装置１５を見て
画像が特定の製品を加工するために規定されている基準
値から外れているときには、基準値内になるように修正
する。この修正は、まず、レーザビーム位置については
、第１図に示したビームベンダ３Ａ、３Ｂの角度をペン
ダミラー制御装置１２により自動的に修正変更して調整
する。また、径、ビームモードについては、レーザ発振
器１のミラー角度の調整をするか、あるいはガスレーザ
発振器１の出力鏡（図示なし）やビームベンダ３Ａ、３
Ｂ、３Ｃ内のミラー（図示なし）を清掃するか、ないし
はレーザビーム伝送路中にあるドライエアの量等を調整
して行う。

さらに、この修正の際、レーザビーム径が許容値（基準
値）内に入らない場合には、コリメータを伝送路中、本
実施例ではレーザ発振器１とビームベンダ３Ａとの間、
に挿入してレーザビーム径が基準値内に入るように調整
する。また、コリメータを使用しなくともレーザビーム
径が基準値内に入っている場合には、コリメータをレー
ザビームの伝送路外にはずしておく。このようにして調
整したレーザビームの情報は、ビームモニタ装置８Ａに
記憶される。

以上の操作が終了した後、センシングビーム取り出しミ
ラー９Ａをレーザ光路外にずらし、レーザ光を集光レン
ズ４に送る。また、この集光レンズ４を通過した後のレ
ーザ光についても、ビームセンシング装置７Ｂとビーム
モニタ装置８Ｂにより監視する。もし、レーザ光の情報
（レーザビーム位置、径、レーザモード）が許容される
基準値から外れているときには、集光レンズ４の異状（
例えば、汚れ、スパッタの付着、取り付は位置不良）や
炭酸ガス吹付はノズル部（図示なし）の異状をチエツク
し、基準値をもつレーザビームに修正し、その情報をビ
ームモニタ装置８Ｂに記憶させた後本加工に入る。

ついで、本加工では、まず第１図に示したレーザ加工ヘ
ッド５を所定の加工位置に移動させ、当該被加工物に対
応した加ニジーケンスプログラムにしたがって本加工を
行う。そして、本加工の合間に、レーザ加工ヘッド５を
ビームセンシング装置７Ａ、７Ｂが取り付けられている
位置へ移動させ、そこでレーザビーム情報（レーザビー
ム位置、径、ビームモード）をサンプリングし、すでに
ビームモニタ装置８Ａに記憶されているレーザビーム情
報と比較し、両者の偏差を算出する。比較の結果、サン
プリングしたレーザビーム情報が所定の許容値内に入っ
ておれば次の加工を行う。かりに、両者の偏差が該許容
値を超えていた場合には、ビームモニタ装置８Ａ、８Ｂ
の指示により所定の許容値に入るようにレーザビームを
修正してから次の加工を行う。もし、修正しても許容値
に入らなければ別途アラーム信号を出して次の加工を中
止する。

ここで、レーザビームの修正方法について説明する。例
えば、第３図に示すように、表示装置１５に表示された
実線で示す予め記憶された基準となるレーザビーム情報
１６Ａに対し、点線で示す横方向と高さ方向にずれたレ
ーザビーム情報１６Ｂがサンプリングされた場合につい
て説明する。そのずれ量が、例えば横方向で２ｎ以上、
高さ方向で±２０％以上となった時には、次の加工前に
レーザビームの調整を行う。この調整は、まず、第１図
に示したセンシング装置７Ａとビームモニタ装置８Ａと
により集光レンズ４に入光する前のレーザビームを調整
することにより行う。この調整では、まず、レーザビー
ム位置を調整する。

レーザビーム位置の調整は、ビームモニタ装置８Ａ、８
Ｂに入ったレーザビームの位置ずれ量に関する情報をペ
ンダミラー制御装置１２に送り、ここで、このずれ情報
を基準にしてビームベンダ３Ａ、３Ｂ、３Ｃのミラー角
度を変更し、レーザビームの位置ずれを修正し、許容値
内に入れる。

この修正操作によりレーザビーム位置が許容値内に入っ
たら、次にビーム径とレーザモードの調整をレーザ加工
装置のオペレータがマニュアルで行う。すなわち、ビー
ム径とレーザモードが許容値内に入っていない場合には
、アラーム信号を出す。

オペレータは、このアラーム信号によりビーム径とレー
ザモードをビームモニタ装置８Ａで確認した後、ビーム
径についてはコリメータをレーザ光の光路内に挿入して
許容値内に入れるようにする。

また、レーザモードについては、レーザ発振器１のミラ
ーや出力鏡の角度の調節、伝送路中のドライエアのチエ
ツク等により調整する。

以上の調整操作によりサンプリングされたレーザビーム
の情報が所定の許容値内に入った時には、次に集光レン
ズ４にレーザビームを送り、ビームセンシング装置７Ｂ
とビームモニタ装置８Ｂによりレーザビームをチエツク
する。そして、そのレーザビーム情報が許容値内に入っ
ていれば、次の加工に入る。もし、許容値内に入ってい
ない場合には、再度、アラーム信号を出す。オペレータ
は、このアラーム信号を基にビームモニタ装置８Ｂでレ
ーザビーム情報をチエツクし、もしビームモードが許容
値外の時には、集光レンズ４と炭酸ガスノズルをチエツ
クし、異状（例えば、集光レンズへの溶接スパッタの付
着）があれば、それらを交換する。次にビーム位置をチ
エツクし、ビーム位置が基準値よりずれている場合には
、集光レンズ４のレンズ位置を集光レンズ調整機構１３
により移動させてビーム位置を許容値内に収めるように
調整する。さらに、ビーム径をチエツクし、ビーム径が
許容値を超えている場合には、集光レンズ４の焦点位置
をチエツクし、焦点位置と基準値のずれ量の分だけレー
ザ加工装置の集光系の高さを調整する。

以上の操作を繰り返すことによりレーザビーム情報を許
容値内修正できたら、次の加工に移る。

このように、本発明の炭酸ガスレーザ加工装置では、集
光レンズ４の前後にビームセンシング装置ｌ！７Ａ、７
Ｂを設け、このビームセンシング装置７Ａ、７Ｂで抽出
したレーザビーム情報により、レーザビームの特性を制
御しながら被加工物を加工するので、常に安定したレー
ザ加工を行うことができる。

さらに、本発明に用いるビームセンシング方法の一例を
第４図に示す。第４図において、レーザ発振器ｌから出
射されたレーザ光２はビームベンダ３Ｃによってその方
向を変えられ、集光レンズ４の方向へ進む。この時、レ
ーザビームをビームセンシング装置７Ａ、７Ｂによりセ
ンシングしてモニタするが、第４図のものにおいては、
このセンシング用ビームを取り出す方法として、ビーム
ベンダ３Ｃと集光レンズ４との間に配設したセンシング
ビーム取り出し用直角ミラー９Ｂを使用する。すなわち
、この方法は、第５図に示すように、紙面に垂直方向の
レーザ光２に対してセンシングビーム取り出し用直角ミ
ラー９Ｂを第５図（ａ）の矢印Ｓの方向に一定速度で第
５図（ｂ）。

（ｃ）、　　（ｄ）に示すように通過させる。この時、
直角ミラー９Ｂは、第４図に示すように、レーザ光２に
対して４５°の角度をもって通過する。そして、直角ミ
ラー９Ｂは、この４５°に傾けた場合のレーザ光進行方
向に対する投影が直角となるようなミラー形状となって
いる。このような構成にすることにより、１回のセンシ
ングビーム取り出し用直角ミラー９Ｂの操作で、ビーム
センシング装置７Ａ、７Ｂの両方にセンシングビームを
取り出すことが可能となる。すなわち、ビームセンシン
グ装置７Ａには直角ミラー９Ｂで反射されたビームが、
また、ビームセンシング装置７Ｂには直角ミラー９Ｂを
通過したビームが取り出される。

さらに、この取出し状態を第６図により説明する。第６
図は本実施例によりサンプリングされたレーザビームの
状態をビームモニタ装置１５上で見たものである。第６
図において、縦軸はエネルギー強度、横軸はビーム径方
向の距離を示す。ここで実線１６Ｃはセンシングビーム
取り出し用直角ミラー９Ｂにより反射され、ビームセン
シング装置７Ａによりセンシングされたビームの情報を
示し、また、点線１６Ｄはビームセンシング装置７Ｂに
よりセンシングされたビームの情報を示す。

もし、ここで集光レンズ４や集光系のノズル部等に異常
がなければ、第６図に示すように、実線１６Ｃと点線１
６Ｄの波形は、左右は逆であるが上下に対象形となって
ビームモニタ装置上に表示される。もし、光学系等に異
常があれば、実線１６Ｃと点線１６Ｄの波形が異なるこ
とになる。

したがって、このようなビームセンシング方法によれば
、１回のレーザ光のサンプリングで同時に２カ所でレー
ザビームのチエツクができ、かつ、集光レンズを含む加
工集光部の異常を容易かつ適確にチエツクできるように
なる。

次に本発明の炭酸レーザ加工装置の他の実施例を第７図
について説明する。この実施例のレーザ加工装置では、
主要部の一部の構成は、第１図のものと同じであるので
、共通の部分名称は同一符号を付してその説明は省略す
る。第７図に示す実施例のビームセンシング方法では、
ビームセンシング装置７Ａ、７Ｂでビームをセンシング
する時には、レーザ加工装置の機能を利用する。すなわ
ち、通常、レーザ加工装置は、レーザビームを操作して
加工を行うが、このため、レーザ光または加工テーブル
をＸ方向（第７図では左右方向）、Ｙ方向（同じく紙面
に垂直方向）、Ｚ方向（同じく上下方向）の３方向に移
動する機能をもつ。そこで、本実施例では、レーザ加工
装置のもつこのような機能を利用して、レーザ光のサン
プリングを行うものである。すなわち、ビームセンシン
グ装置７Ａでレーザビームをセンシングする場合には、
集光レンズ４を内蔵した集光ヘッド１７を先に述べたＹ
方向とＺ方向にビームセンシング装置７Ａ上を移動させ
てレーザビームをサンプリングする。また、ビームセン
シング装置７Ｂでレーザビームをセンシングする場合に
は、集光ヘッド１７をＸ方向とＹ方向にビームセンシン
グ装置７Ｂ上を移動させてレーザビームをサンプリング
する。このようにサンプリングすることにより、ビーム
センシング装置７Ａ、７Ｂの地点での直交する２方向の
レーザビームの情報をチエツクでき、かつ、必要により
それを修正できる。さらに、このビームセンシング方法
によれば、レーザ光のサンプリングに、レーザ加工装置
の動作機能を利用できるので、実用上、レーザ加工装置
の構造を簡略化できる。

なお、本実施例では、モニターするレーザビームの情報
をビーム位置、ビーム径、ビームモードとしたが、これ
らのほかにレーザ出力を加えることもできる。

さらに、レーザ加工中に集光レンズの損傷、レーザ出力
異状、ビーム径及び焦点変化のチエツクをすることも可
能である。

また、レーザ情報サンプリング時等の出力域に対応する
ためレーザ発振器とビームベンダとの間にチョッパーを
配設することもできる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、レーザ発振器から出射されたレーザ光
を反射鏡を経て集光レンズに伝送し、移動自在な加工テ
ーブル上の被加工物をレーザ加工する炭酸ガスレーザ加
工装置において、集光レンズにレーザ光を伝送する伝送
路と集光ミラーで集光後レーザ光が拡大される点にレー
ザ光のビームセンシング装置を設けてレーザビームの情
報をサンプリングしてビームモニタ装置で予め記憶され
ている基準値と比較して、光学系の異常を加工前に検出
できるようにしたので、常に安定した炭酸ガスレーザ加
工装置を得ることができる。とくに、集光レンズの損傷
もその破壊前に検知できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

ｍ１図は本発明のレーザ加工装置の一実施例の全体図、
第２図は本発明のレーザ加工装置の表示装置に表示され
たビームモードを示す線図、第３図は表示装置に表示さ
れたビーム情報を示す線図、第４図は本発明によるビー
ムセンシング方法の一例を示す該略図、第５図は本発明
のセンシングビーム取り出し用直角ミラーでセンシング
ビームを取り出す方法を示す概略図、第６図は本発明の
実施例によりサンプリングされたレーザビームの状態を
ビームモニタ装置上で見た線図、第７図は本発明のレー
ザ加工装置の他の実施例の全体図である。 １・・・レーザ発振器、２・・・レーザ光、３Ａ、３Ｂ
。 ３Ｃ・・・ビームベンダ、４・・・集光レンズ、５・・
・レーザ加工ヘッド、６・・・焦点位置、７Ａ、７Ｂ・
・・ビームセンシング装置、８Ａ、８Ｂ・・・ビームモ
ニタ装置１．９Ａ・・・センシングビーム取り出しミラ
ー９Ｂ・・・センシングビーム取り出し用直角ミラー１
０・・・センシングミラー駆動機構、１１・・・ミラー
移動制御装置、１２・・・ペンダミラー制御装置、１３
・・・集光レンズ調整機構。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 レーザ発振器、このレーザ発振器からのレーザ光を伝送
   する複数個のビームベンダ及びレーザ光を集光する集光
   光学系よりなり、前記ビームベンダのうち２個はビーム
   光路調整機構を備え、かつ、ビームセンシング装置とビ
   ームモニタ装置が前記集光光学系の前後にそれぞれ配設
   されたレーザ加工装置において、 レーザ加工前にレーザ光の特性を調整して基準値を設定
   する手段と、 該基準値を前記各ビームモニタ装置に記憶させる手段と
   、 レーザ加工中にレーザ光を前記各ビームセンシング装置
   でサンプリングしてレーザ情報を得る手段と、 該レーザ情報を前記各ビームモニタ装置に記憶してある
   前記基準値と比較し両者の偏差を算出する手段と、 該偏差が所定の許容値を超えているときには前記偏差を
   修正して前記許容値内に収める手段と、前記偏差を修正
   しても前記許容値内に収まらないときにはアラーム信号
   を発生する手段と、からなるレーザ加工装置。