JPH06277867A

JPH06277867A - レーザ加工装置

Info

Publication number: JPH06277867A
Application number: JP3195539A
Authority: JP
Inventors: Yozo Nagata; 陽造永田; Masayuki Nagabori; 正幸長堀
Original assignee: Tanaka Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Tanaka Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1991-08-05
Filing date: 1991-08-05
Publication date: 1994-10-04

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザビームによる加工品質を一定に保ちつ
つ、長大な被加工物の加工を行うことのできるレーザ加
工装置を得る。【構成】Ｘ軸方向に移動可能に設けられた加工機本体
と、前記加工機本体上に配設されたレーザ発振器１６
と、レーザ発振器１６から出力されるレーザの、該レー
ザ発振器１６から所定距離でのビーム強度分布を調整す
るビーム調整手段２２と、前記Ｘ軸と直交するＹ軸方向
に、前記加工機本体と一体となって移動可能に設けら
れ、Ｙ軸方向から入力された、前記ビーム調整手段２２
を経たレーザを、被加工物Ｃ上に照射する加工ヘッド１
２と、前記加工ヘッド１２の前記Ｙ軸方向への移動時に
おいて、レーザ発振器１６から出力されたレーザの、レ
ーザ発振器１６から加工ヘッド１２に至るまでの光路長
を一定に保つ光路長調整手段１４とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ光を利用して
金属板、プラスチック板等の被加工物を加工するレーザ
加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種のレーザ加工装置の一つと
して、ヘッド固定型のレーザ加工装置がある。このヘッ
ド固定型のレーザ加工装置は、レーザ光を発振するレー
ザ発振器と、該レーザ発振器からのレーザ光を集光して
被加工物に照射する集光光学器を有する加工ヘッドとを
備え、前記加工ヘッドを固定して被加工物を移動させる
ことにより、被加工物の切断加工等を行うものである。

【０００３】このヘッド固定型のレーザ加工装置におい
ては、レーザ発振器から加工ヘッドまでの光路長が加工
中、常に一定であるため、品質の一定した加工を行うこ
とができるという利点を有する。しかし、その反面、被
加工物を移動させねばならないため、被加工物の４倍の
大きさの作業領域を必要とし、長大な被加工物の加工を
行うのには不向きであるという問題があった。

【０００４】これを解決するものとして、被加工物を固
定し、加工ヘッドを移動して該被加工物の加工を行う、
ヘッド移動型のレーザ加工装置がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
ヘッド移動型のレーザ加工装置においては、レーザ発振
器と加工ヘッドとの距離が加工中に変化するため、最終
集光光学器に入射するレーザビームの強度分布が変化
し、集光特性が変化する。これは、図６に示すようなレ
ーザビームの伝搬特性（例えば炭酸ガスレーザの場合、
発散角は通常２ミリラジアン程度）と、図７に示すよう
な集光光学器の収差、回折等に起因するものである。

【０００６】このため、このような加工ヘッドが移動す
ることにより光路長が変化するビーム伝送路を用いて切
断等の加工を行った場合、切断品質が一定しないという
欠点があった。また、長大な被加工物の加工を行う場
合、上記欠点により、良好な加工の行える範囲が限定さ
れるという課題があった。

【０００７】これを解決するため、コリメータなる光学
装置を用いてレーザビームを見かけ上、平行光線とする
方法があるが、この場合においても、レーザの波長に依
存する回折を生じるため、光路長変化に伴い加工特性が
変化し、十分な加工範囲をとることができなかった。本
発明は上記のような課題を解決することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係るレーザ加工
装置は、Ｘ軸方向に移動可能に設けられた加工機本体
と、前記加工機本体と一体となって前記Ｘ軸上を移動せ
しめられるレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力
されるレーザの、該レーザ発振器から所定距離でのビー
ム強度分布を調整するビーム調整手段と、前記Ｘ軸と直
交するＹ軸方向に、前記加工機本体と一体となって移動
可能に設けられ、所定方向から入力された、前記ビーム
調整手段を経た前記レーザ発振器からのレーザを、被加
工物上に照射する加工ヘッドと、前記加工ヘッドの前記
Ｙ軸方向への移動時において、前記レーザ発振器から出
力されたレーザの、該レーザ発振器から前記加工ヘッド
に至るまでの光路長を一定に保つ光路長固定手段とを備
えてなるものである。

【０００９】

【作用】上記構成に係るレーザ加工機においては、レー
ザ発振器から出力されたレーザは、ビーム調整手段によ
って光路長に応じたビーム強度分布に調整された後、光
路長固定手段を経て加工ヘッドに導かれ、該加工ヘッド
から被加工物に対して照射される。加工ヘッドのＸ軸方
向の移動中（Ｙ軸方向の移動をないものとしたとき）に
おいては、レーザ発振器から加工ヘッドまでの光路は加
工機本体に対して固定したものとなり、光路長は一定と
なる。また、加工ヘッドのＹ軸方向の移動中（Ｘ軸方向
の移動をないものとしたとき）においては、光路長固定
手段により前記光路長は一定となる。従って、加工ヘッ
ドの、ＸＹ平面上の任意の位置において、前記光路長が
一定となる。そして、前述のようにこの一定の光路長に
応じたビーム強度分布に調整されたレーザが加工ヘッド
に送られるため、加工ヘッドの任意の位置において非加
工材料の加工に適したレーザビームの特性が変化するこ
とがなく安定したものとなる。

【００１０】

【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の実施例を
説明する。図１は本発明の一実施例に係るレーザ加工装
置の側面図であり、図２は同実施例に係るレーザ加工装
置の平面図である。ここで、本明細書において、Ｘ軸方
向とは、被加工物Ｃに対して想定した加工平面上の任意
の一直線の方向をいい、Ｙ軸方向とは、前記加工平面上
の、前記一直線（Ｘ軸）に直交する直線の方向をいうも
のとする。

【００１１】これらの図において、符号２は加工機本体
であり、Ｘ軸方向に平行に敷設されたレール８上を移動
せしめられるメインフレーム４と、該メインフレーム４
にＹ軸方向と平行に接続されたガーダ６とから構成され
ている。なお、ガーダ６の端部側の一部は、レール８と
平行に設けられたレール１０上を摺動可能となってい
る。

【００１２】前記ガーダ６には、加工ヘッド１２、及び
光路長固定手段を構成するミラー台車１４が、該ガーダ
６の側面を走行可能に設けられている。これら加工ヘッ
ド１２及びミラー台車１４の内部には、図示されないコ
ントローラに接続されたサーボモータ（図示省略）と、
該サーボモータによって駆動される駆動輪（図示省略）
とがそれぞれ配設され、ガーダ６に沿ってＹ軸方向の任
意の位置に駆動可能となっている。また、同様に、メイ
ンフレーム４の内部にも前記コントローラに接続された
サーボモータ（図示省略）と該サーボモータによって駆
動される駆動輪（図示省略）とが設けられており、これ
により加工機本体２は、レール８に沿ってＸ軸方向の任
意の位置に駆動可能となっている。

【００１３】前記メインフレーム４の上部には、図１に
示すように、炭酸ガスレーザ発振器（以下、「発振器」
という。）１６が固設されており、この発振器１６から
照射されたレーザは、同じくメインフレーム４上に固設
された円偏光ミラー１８、反射鏡２０及びレンズ２２
（光路長固定手段に相当）を経て、ガーダ６上を、Ｙ軸
方向と平行に直進するようになっている。

【００１４】前記ミラー台車１４の内部には、図１に示
すように、反転ミラー２４、２６が、鉛直方向に互いに
離間して、傾斜して設けられている。そして、これら反
転ミラー２４、２６により、レンズ２２を経てＹ軸方向
レール１０側に直進したレーザは、Ｙ軸方向レール８側
に方向転換させられて、加工ヘッド１２に向かうように
なっている。

【００１５】前記加工ヘッド１２の内部には、反射鏡２
８と、集光レンズ３０とが設けられている。そして、前
記反転ミラー２６を経たレーザは反射鏡２８を経て集光
レンズ３０に導かれ、被加工物Ｃ上に照射されるように
なっている。

【００１６】上記レーザ加工装置においては、加工ヘッ
ド１２がＹ軸方向に移動せず、加工機本体２のみがＸ軸
方向に移動する場合においては、ミラー台車１４はガー
ダ６上に静止するように制御され、これにより発振器１
６から加工ヘッド１２に至るまでの光路長Ｌｃは変化せ
ず、常に一定に保たれる。

【００１７】また、加工ヘッド１２がガーダ６上をＹ軸
方向に移動するときにおいては、ミラー台車１４は以下
のように制御されて、光路長Ｌｃが一定に保たれるよう
になっている。

【００１８】まず、図１に想像線で示されるように、加
工ヘッド１２が被加工物Ｃに対してＹ軸方向レール１０
側の端部にあるときの加工ヘッド１２及びミラー台車１
４のＹ座標を、それぞれ、Ｙｈ0、Ｙｍ0とする。

【００１９】次に、加工ヘッド１２が初めの位置からＹ
軸方向レール８側に距離Ｌだけ移動したときの加工ヘッ
ド１２とミラー台車１４のＹ座標を、それぞれ、Ｙｈ
1、Ｙｍ1とする。

【００２０】上記二つの状態における、発振器１６から
加工ヘッド１２に至るまでの光路長Ｌｃが等しいと仮定
すると、光路長について次式が得られる。Ｙｍ0＋（Ｙｍ0―Ｙｈ0）＝Ｙｍ1＋（Ｙｍ1−Ｙｈ1）上式を変形すると以下の式が得られる。Ｙｍ1−Ｙｍ0＝０.５×（Ｙｈ1−Ｙｈ0）従って、加工ヘッド１２がＹ軸方向に移動するとき、ミ
ラー台車１４を同一方向に移動させ、且つ、その移動量
が加工ヘッド１２の半分の値となるように制御すればよ
いことがわかる。

【００２１】上述のようにミラー台車１４のガーダ６上
の移動を制御することにより、加工ヘッド１２の、ＸＹ
平面上の任意の位置において光路長Ｌｃが一定となる。

【００２２】次に、前述のレンズ２２について説明す
る。このレンズ２２は凸レンズからなり、発振器１６か
ら出力されるレーザビームの強度分布（ビーム強度分
布）を、光路長Ｌｃ、ビーム特性（ビーム径、ビームモ
ード、広がり角）及び加工種類に応じて変化させ、レー
ザビームによる加工品質を向上させるためのものであ
る。図４に示すように、焦点距離を種々の値のものとす
ることにより、ビーム強度分布を変化させることが可能
であり、この特性を利用して、加工ヘッド１２から被加
工物Ｃに照射されるレーザビームが加工に適した強度分
布となるように、焦点距離の調整（選択）されたレンズ
２２を円偏向ミラー１８から一定の距離に設置してい
る。

【００２３】上記構成に係るレーザ加工装置において
は、上述のように、ミラー台車１４により、加工ヘッド
１２の、ＸＹ平面上の任意の位置において、光路長Ｌｃ
が一定となる。そして、この一定の光路長Ｌｃに応じた
強度分布に調整されたレーザが加工ヘッド１２に送られ
るため、加工ヘッド１２の任意の位置においてレーザビ
ームの特性が安定したものとなる。

【００２４】従って、加工品質を変化させることなく、
長尺状の被加工物ＣをＸ軸方向及びＹ軸方向の広範囲に
わたって加工することができる。しかも、発振器１６が
加工機本体２と一体となってＸ軸上を移動するため、加
工ヘッド１２のＸ軸方向の可動範囲を延長することによ
り、光路長Ｌｃを延長することなくＹ軸方向の加工範囲
を延長することができ、加工品質を低下することなく良
好なレーザ加工を行うことができる。

【００２５】より具体的には、前記光路長Ｌｃとして１
０ｍがとれる場合、実用上、加工ヘッド１２は、Ｙ軸方
向へ最大６〜７ｍ、光路長Ｌｃを固定したまま移動する
ことができる。そして、加工ヘッド１２のＸ軸方向の移
動には前述のように光路長Ｌｃの変動を伴わないから、
レール８の可動範囲を例えば２０ｍとした場合、加工品
質の変化を生じることなく、幅６〜７ｍ、長さ２０ｍの
加工エリアを確保できることになる。

【００２６】なお、上記実施例では、光路長固定手段と
してレンズ２２を用いているが、図３に示すように、メ
インフレーム４上に凹面鏡（放物鏡を含むものとす
る。）を配設する構成としてもよい。同図は、発振器１
６から照射されたレーザを、偏光ミラー１８、凹面鏡３
２及び反射鏡３４を経て、図１と同様に、Ｙ軸方向と平
行に直進するように構成したものである。このような構
成とした場合にも、図５に示すように、曲率を種々の値
のものとすることにより、ビーム強度分布を変化させる
ことが可能であり、前述の図１の場合と同様の効果を奏
することができる。

【００２７】また、前記実施例では光路長固定手段とし
てＹ軸方向に駆動されるミラー台車１４を用いたが、本
発明の光路長固定手段はこのようなものに限定されるわ
けではなく、例えば、図１の構成において、反転ミラー
２４を固定し、反転ミラー２６及び反射鏡２８を一致さ
せて鉛直方向に上下移動させることにより光路長を一定
に保つような構成であってもよい。

【００２８】さらに、前記実施例では、発振器１６を加
工機本体２上に設けているが、この発振器１６をレール
８に対して固定配置するとともに、レール８上に前記ミ
ラー台車１４と同様の原理のミラー台車（発振器１６か
ら照射されるＸ軸方向のレーザの向きを逆方向に変換
し、メインフレーム４（又はレール８）上に傾斜して固
設された反射鏡によって該レーザをＹ軸方向のレーザに
変換するもの）を設け、このミラー台車と前記ミラー台
車１４とを併用することにより、光路長を一定とする構
成としてもよい。但し、この場合には、ミラー台車を一
つ増やした分だけ光路長Ｌｃが長くなるとともに、加工
ヘッド１２のＸ軸方向の可動範囲を延長した場合には、
その分だけ光路長Ｌｃも延長されてしまうことを避けら
れない。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、加工ヘッドのＹ軸方向移動中においては、レーザ発
振器から加工ヘッドに至るまでの光路長を一定に保つこ
とができるとともにレーザ発振器から光路長に応じたビ
ーム強度分布のレーザを取り込むことができ、加工ヘッ
ドのＸ軸方向移動中においては光路が固定されたままで
あるので、加工品質を変化させることなく、長尺状の被
加工物をＸ軸方向及びＹ軸方向の広範囲にわたって加工
することができる。しかも、レーザ発振器が加工機本体
と一体となってＸ軸上を移動するため、加工ヘッドのＸ
軸方向の可動範囲を延長することにより、光路長を延長
することなくＹ軸方向の加工範囲を延長することがで
き、加工品質を低下することなく良好なレーザ加工を行
うことができるという優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るレーザ加工装置の側面
図である。

【図２】同実施例に係るレーザ加工装置の平面図であ
る。

【図３】本発明の他の実施例に係る加工機本体の側面図
である。

【図４】ビーム強度分布の変化を示すグラフである。

【図５】ビーム強度分布の変化を示すグラフである。

【図６】レーザビームの伝搬特性を示すグラフである。

【図７】集光光学器に入射するビーム直径と集光径との
関係を示すグラフである。

【符号の説明】

２加工機本体１２加工ヘッド１４ビーム調整手段１６レーザ発振器２２集光レンズ３２凹面鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ２３Ｋ 26/06 Ｚ 7425−4Ｅ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｘ軸方向に移動可能に設けられた加工機本
体と、前記加工機本体と一体となって前記Ｘ軸上を移動せしめ
られるレーザ発振器と、前記レーザ発振器から出力されるレーザの、該レーザ発
振器から所定距離でのビーム強度分布を調整するビーム
調整手段と、前記Ｘ軸と直交するＹ軸方向に、前記加工機本体と一体
となって移動可能に設けられ、所定方向から入力され
た、前記ビーム調整手段を経た前記レーザ発振器からの
レーザを、被加工物上に照射する加工ヘッドと、前記加工ヘッドの前記Ｙ軸方向への移動時において、前
記レーザ発振器から出力されたレーザの、該レーザ発振
器から前記加工ヘッドに至るまでの光路長を一定に保つ
光路長固定手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工
装置。
【請求項２】前記ビーム調整手段は、焦点距離の調整さ
れた集光レンズ又は曲率の調整された凹面鏡を用いてな
る請求項１記載のレーザ加工装置。