JPH037476B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は加工ワークにレーザビームを照射し
てレーザ加工を行うレーザ加工装置、特に加工ヘ
ツドに関するものである。

［従来の技術］ 第２図は従来のレーザ加工装置の加工ヘツドの
断面図である。図において、１はレーザ加工を行
う上で主体となるCO₂のレーザビーム、２はレー
ザビームを細かく絞るための加工用レンズ、３は
先端を細く成型してアシストガスの流れを高速に
する作用をもつ加工ヘツド２０のノズル、４はノ
ズル３を所定のノズル位置に固定させるためのロ
ツクナツト、５は加工ワークＷと加工ヘツド２０
のノズル３との距離を一定に保つための接触式倣
いセンサである。

従来のレーザ加工装置は、上記のように構成さ
れ、たとえばレーザ発振器（図示せず）から出射
されたレーザビーム１は複数枚のミラーで反射さ
れながら加工ヘツド部へ到達し、加工ヘツド２０
の加工用レンズ２で絞られて加工ワークＷに照射
され、レーザ切断やレーザ溶接などの精密加工に
供される。

そして、加工ワークＷが二次元平板でこれにレ
ーザ切断加工を行う場合、加工ワークＷに“そ
り”などの多少の凹凸があつても、装備された接
触式倣いセンサ５によつてレーザビーム２の焦点
位置をいつも一定に保つているので、良好な切断
を得ている。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、近年急激に増加してきた三次元立体
加工ワークのレーザ切断加工を行う場合には、加
工ヘツド２０の姿勢を制御してワーク面に対し略
垂直にノズル３を向けなければ良好な切断が得ら
れない。また、ワーク面とノズル３は或いは、加
工用レンズ２との距離を一定に保つ必要がある。

しかしながら、上記のような従来のレーザ加工
装置では、レーザビーム２の焦点位置を一定に保
つために、接触式倣いセンサ５を使用している
が、接触式倣いセンサ５ではそれほどの精度が出
ず、しかも立体面の曲率の小さななコーナ部では
接触式倣いセンサ５の本体自体や大き過ぎて使用
できないという問題点があつた。

この発明は、かかる問題を解決するためになさ
れたもので、加工ワークが如何なる例えば三次元
立体曲面を有するものである場合でも、加工ワー
クと加工ヘツドの加工用レンズとの距離を常に一
定に保ち、良好な切断等のレーザ加工を行うこと
ができるレーザ加工装置を得ることを目的とす
る。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るレーザ加工装置は、加工ヘツド
に固定して設けられた光源と、加工ヘツドに固定
して設けられ、該光源からの放射ビームを集束
し、加工ワークに対してレーザビームが照射され
るのと同じ位置に適当な大きさの光スポツトを照
射する投光レンズと、加工ヘツドに固定して設け
られ、該投光レンズによつて照射された加工ワー
ク上の光スポツトを撮像する受光レンズと、該受
光レンズの結像面に受光面を配置し、受光レンズ
によつて結像され、加工ワークと加工用レンズ間
の距離の変化に応じて変化する光スポツト像の位
置に対応した電気信号を送出する光検出器と、該
光検出器の電気信号の値に配置定数を乗じて加工
ワークと加工用レンズ間の距離を演算し、該距離
を一定に保つよう制御する電気信号を出力する処
理回路とからなり、加工ワークと加工用レンズ間
の距離を一定に保つよう制御する距離制御手段を
設けるように構成したものである。

［作用］ この発明においては、加工ヘツドに固定して設
けられた光源と投光レンズによつて加工ワークに
に照射された放射ビームのワーク表面上での光ス
ポツトを、加工ヘツドに固定して設けられた受光
レンズによつて撮像し、受光レンズによつて撮像
された光スポツトの像を光検出器で検知し、光検
出器から送出された光スポツトの結像位置に対応
した電気信号を受けた処理回路が、該電気信号の
値に設置定数を乗じて加工ワークと加工用レンズ
の距離を演算し、該距離を一定に保つよう制御す
る電気信号を出力し、その電気信号によつて加工
ワークと加工用レンズ間の距離を常に一定に保つ
よう制御する。

［実施例］ 第１図はこの発明の一実施例を示す断面図であ
る。図において、１はレーザ加工を行う上で主体
となるCO₂のレーザビーム、３は先端を細く成型
してアシストガスの流れを高速にする作用をもつ
加工ヘツド２０のノズルである。

７は放射ビームを発する光源で、ノズル３の上
部に隣接した位置に設けられている。８は光源７
より発せられた放射ビームを集束する投光レン
ズ、９は加工ワークＷに照射された放射ビームの
ワーク表面での放射ビーム像である光スポツトを
撮像する受光レンズで、ノズル３の上部に隣接
し、ノズル３を中心とした投光レンズの略対称位
置に設けられている。１０は結像されたスポツト
の像の結像位置に対応する電気信号を発生する非
接触式の光センサである光検出器で、その受光面
は受光レンズ９の結像面に配置されている。１１
は光検出器１０の出力信号を処理して加工用レン
ズ２の位置を制御する電気信号を出力する処理回
路である。

なお、光源７、投光レンズ８、受光レンズ９及
び光検出器１０は、何れも加工ヘツド２０に固定
されており、相互の関係が上述の通りとなるよう
に配置されていることは勿論である。

このように、加工ワークＷと加工ヘツド２０の
加工用レンズ２との間の距離を一定に保つように
制御する距離制御手段は、光源７、投光レンズ
８、受光レンズ９、光検出器１０及び処理回路１
１で構成れている。

上記のように構成されたレーザ加工装置では、
光源７より発せられた放射ビームは投光レンズ８
で集束され、加工ワークＷのワーク表面にレーザ
ビーム１と同一位置で光スポツトとなつて照射さ
れる。

そうすると、受光レンズ９はワーク表面上での
光スポツトの像を撮像し、光検出器１０の受光面
上に光スポツトの像を結像する。この光スポツト
像を検知した光検出器１０は例えば光位置検出器
とも称されるもので、光スポツト像の結像位置に
応じた電気信号を発生する。即ち、光検出器１０
の２つの電極に生じる流iA、iBの値により、光
スポツト像の結像位置Ｐは、次に示す式(1)で表わ
される。

Ｐ＝iA−iB／iA−iB ……(1) 光検出器１０の出力は、光スポツト像の位置と
強度に比例して出力を発生するため、上記式(1)で
は光スポツトの像の強度変化に相当する（iA＋
iB）で割り算を行ない、光スポツト像の位置の
みに比例する出力を得ている。

一方、投・受光レンズ８，９の光点P₁、P₂よ
り加工ワークＷのワーク表面までの距離Ａは次に
示す式(2)で表わされる。

Ａ＝Ｌ・tan（90−）／１＋tan（90−）／tan
（90−θ）……(2) この式(2)で、Ｌは投光レンズ８の光点P₁受光
レンズ９の光点P₂との距離であり、はワーク
表面に照射されるレーザビームの光軸と投光レン
ズ８によりワーク表面に照射される放射ビームの
投光光軸間であり、θは同じくレーザビームの光
軸と受光レンズ９に入射する放射ビームの受光光
軸間の角度である。この中で、Ｌ、は装置の構
成のみで決まる固定値である。また、θは上述し
た光スポツト像の位置Ｐと、受光レンズ９の焦点
距離や設置位置により求まるが、Ｐ以外の値はや
はり固定値となる。つまり、投・受光レンズ８，
９の光点P₁，P₂より加工ワークＷのワーク表面
までの距離Ａは、ワーク表面の変位に対応する光
スポツト像の結像位置Ｐのみ、即ち光検出器１０
の電気出力である電流iA、iBを変数として求め
ることができる また、加工ワークＷのワーク表面と加工ヘツド
２０の加工用レンズ２間の距離ｌも、レンズ８，
９の光点P₁，P₂よりワーク表面までの距離Ａに
一定の定数を加えればよいから、ワーク表面と加
工用レンズ２間の距離ｌは、次に示す式(3)として
算出できる。

ｌ＝Ｋ・Ｐ ……(3) ここで、Ｋは設置定数であり、固定値で事前の
計算または実測により決定される。

処理回路１１は以上の演算を実行し、距離出力
を送出する、即ち距離ｌを一定に保つよう加工用
レンズ２の位置を制御する電気信号を出力する。
従つて、その電気信号によつて図示しない加工ヘ
ツド駆動装置が駆動されて加工用レンズ２の位置
が調整されて加工ワークＷのワーク表面と加工ヘ
ツド２０の加工用レンズ２との間の距離は常に一
定となるように制御され、レーザビーム１のビー
ムウエストが常にワーク表面の位置にあることに
なり、最適加工状態が維持される。

受光レンズ９は、加工ヘツド２０のノズル３を
中心として投光レンズ８の略対称位置に設けられ
ているから、加工ワークＷと加工用レンズ２間の
距離を、より細部（一例として凹部）にいたるま
で計測できる。

第３図及び第４図はこの効果を説明するための
説明図で、第３図は対称に設た場合を示す図であ
る。この図は第４図に示すものに比べ、より幅の
狭い凹部があつても計測できることを示してお
り、加工ワークＷの幅の狭い凹部があつても、非
接触で、加工ワークＷと加工用レンズ２との間の
距離を常に一定に保つよう制御できる。

第４図は非対称に設けた場合を示す図で、第３
図との比較からわかるように、第３図に示すよう
な幅の狭い凹部（点線で示す）があると、投光レ
ンズ８より照射される放射ビームが加工ワークの
表面Waに邪魔されて、凹部の底部Wbに到達し
ないので、計測が困難となる。従つて、あまり幅
の狭い凹部があると、そこでは加工ワークＷと加
工用レンズ２との間の距離を一定に保つ制御が不
可能となる。

なお、上記実施例では光検出器１０として光位
置検出器が用いられている例を示したが、光検出
器１０としてCCD等のリニアセンサアレイを用
いてもよく、この場合も同等の効果が得られる。

また、放射ビームの投・受光化学系に加工ワー
クＷのワーク表面よりの異物を除去するウインド
ウやレーザ加工の光ノイズの影響を除去する光学
フイルタを挿入しても良い。

更に、光源７に強度変調を施し、受光側でこの
変調周波数のみ選択処理等しても良いことは勿論
である。

また、上記実施例では、投光レンズ８と受光レ
ンズ９とが、加工ヘツド２０を中心にして略対称
位置に設けられているが、必ずしもその必要はな
く、光源７、投光レンズ８、受光レンズ９及び光
検出器１０は、加工ヘツド２０に固定されてお
り、かつ、投光レンズ８は、光源７からの放射ビ
ームを集束し、加工ワークに対してレーザビーム
が照射されるのと同じ位置に、適当な大きさの光
スポツトを照射するとができるように配置されて
おり、また、受光レンズ９は、投光レンズ８によ
つて照射された加工ワーク上の光スポツトを撮像
することができるように配置され、さらに光検出
器１０の受光面が、受光レンズ９の結像面に配置
されていればよい。

［発明の効果］ この発明は、以上説明したとおり、加工ヘツド
に固定して設けられた光源と投光レンズとによつ
て加工ワークに照射された放射ビームのワーク表
面上での光スポツトを、加工ヘツドに固定して設
けられた受光レンズによつて撮像し、受光レンズ
によつてて撮像された光スポツトの像を光検出器
で検知し、光検出器から送出された光スポツトの
結像位置に対応した電気信号を受けた処理回路が
該電気信号の値に設置定数を乗じて加工ワークと
加工用レンズ間の距離を演算し、該距離を一定に
保つよう制御する電気信号を出力するように構成
された距離制御手段によつて加工ワークと加工ヘ
ツドの加工用レンズとの間の距離を一定に保つよ
う制御できるようにしたので、加工ワークが複雑
な凹凸を有する三次元立体物であつても、加工ワ
ークのワーク表面と加工ヘツドの加工用レンズと
の距離は常に一定となり、レーザ切断等の精密な
レーザ加工が行えるという効果がある。

また、加工ワーク表面と加工用レンズ間の距離
を任意に設定することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す断面図、第
２図は従来のレーザ加工装置の加工ヘツドの断面
図、第３図は受光レンズと投光レンズとを対称の
位置に設けた場合を示す説明図、第４図は受光レ
ンズと投光レンズとを非対称の位置に設けた場合
を示す説明図である。 図において、１はレーザビーム、２は加工用レ
ンズ、３はノズル、７は光源、８は投光レンズ、
９は受光レンズ、１０は光検出器、１１は処理回
路、Ｗは加工ワークである。なお、各図中同一符
号は同一又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 加工ヘツドに固定された加工用レンズにより
   集束されたレーザビームを加工ワークに照射して
   レーザ加工を行うレーザ加工装置において、加工
   ワークと加工用レンズとの間の距離を一定に保つ
   よう制御する距離制御手段を設け、該距離制御手
   段は、加工ヘツドに固定して設けられた光源と、
   加工ヘツドに固定して設けられ、該光源からの放
   射ビームを集束し、加工ワークに対してレーザビ
   ームが照射されるのと同じ位置に適当な大きさの
   光スポツトを照射する投光レンズと、加工ヘツド
   に固定して設けられ、該投光レンズによつて照射
   された加工ワーク上の光スポツトを撮像する受光
   レンズと、該受光レンズの結像面に受光面を配置
   し、受光レンズによつて結像され、加工ワークと
   加工用レンズ間の距離の変化に応じて変化する光
   スポツト像の位置に対応した電気信号を送出する
   光検出器と、該光検出器の電気信号の値に設置定
   数を乗じて加工ワークと加工用レンズ間の距離を
   演算し、該距離を一定に保つように制御する電気
   信号を出力する処理回路とからなることを特徴と
   するレーザ加工装置。 ２ 前記光検出器は光位置検出器であることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ加工
   装置。