JPH07246489A - レーザ加工機 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 急な加減速を伴った高速レーザ加工において
生じる慣性力の影響を排除した、光路長ほぼ一定のレー
ザ加工機を提供する。 【構成】 Ｘ軸方向に移動自在なテーブル１２０と、門
型コラム上をＹ軸方向に移動自在な加工ヘッド３００
と、Ｘ軸方向にレーザビーム出口を有するレーザ発振器
２００と、レーザ発振器と加工ヘッドを結合する導光装
置５００とを備えたレーザ加工機１００において、レー
ザ発振器のレーザビーム出口と伸縮部材で結合され、Ｘ
軸方向に移動自在に配設され、ミラーを備えた光路によ
りレーザビームを上方に導く伸縮装置６００と、伸縮装
置の上部に旋回自在に配設され、ミラーを備えた光路に
よりレーザビームを水平方向に導く第１の旋回装置５３
０と、加工ヘッドの上部に旋回自在に配設され、ミラー
を備えた光路によりレーザビームを下方に導く第２の旋
回装置５７０と、第１および第２の旋回装置を結合する
長尺の旋回導光管５５０とで導光装置を構成したレーザ
加工機。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｘ軸方向に移動自在な
テーブルと、門型コラム上をＹ軸方向に移動自在な加工
ヘッドとを有するレーザ加工機に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は従来のレーザ加工機の概要を示す
説明図である。全体を符号１で示すレーザ加工機は、ベ
ッド２上にＸ軸方向に移動自在に載置されたテーブル３
を有する。ベッド２上に門型に立設されたコラム５の前
面にはＹ軸方向の案内面６が設けられ、案内面６に沿っ
て加工ヘッド１０が摺動自在に支持されている。サーボ
モータにより駆動される送りねじ８が加工ヘッド１０を
Ｙ軸方向に沿って制御する。コラム５にはレーザ発振器
が装備され、レーザ発振器から出力されたレーザビーム
は、導光管２０を介してミラー２２へ送られる。ミラー
２２で反射されたレーザビームは、送りねじ８に平行な
導光管２４の一端部に入光する。導光管２４の他端部
は、加工ヘッド１０の上端部に設けられたミラー部２６
に結合されている。したがって、導光管２４は加工ヘッ
ド１０がＹ軸上を移動するのに伴い、そのＹ軸移動のス
トローク分だけ長さが変化する。加工ヘッド１０に入光
したレーザビームは、加工ヘッド１０内の集光レンズに
より集光される。集光されたレーザビームはノズル１２
からテーブル３上に照射され、テーブル３上のワークを
加工する。

【０００３】しかしながら、一般にレーザビームは平行
光線ではなく、２〜３ミリラジアン程度の拡がり角を持
った拡散光となる。このためレーザ発振器から加工ヘッ
ド内に配設された集光レンズまでのレーザビーム伝導路
の長さ（以下光路長という）が変化すると、集光レンズ
における入光レーザビーム径が変化し、焦点位置でのレ
ーザビームの集光径が変化する。このことが、従来のレ
ーザ加工機において、加工ストロークの全域で安定した
加工を困難とする大きな要因となっている。

【０００４】以下、光路長の変化がレーザ加工条件に及
ぼす影響を詳細に説明する。図５はレーザ発振器から出
力されたレーザビームの拡がりを示すレーザ加工機のモ
デル図である。いま、Ａ点、Ｂ点におけるレーザビーム
径をそれぞれＤA 、ＤB 、Ａ点とＢ点間の距離をＬ（加
工ストロークに相当する）、レーザビームの拡がり角を
φとし、一例として、ＤB ＝２０ｍｍ，Ｌ＝１５００ｍ
ｍ，φ＝３ミリラジアンとすると ＤA ＝ＤB ＋Ｌ×φ ‥‥‥‥（１） ＝２０＋１５００×０．００３＝２４．５ｍｍ となる。図６は、焦点レンズでの入光レーザビーム径Ｄ
と焦点位置でのレーザビーム集光径δの関係を示す。一
般にＧＡＵＳＳＩＡＮ ＢＥＡＭ モードと呼ばれる基
本モードのレーザビームが集光レンズを通過したとき、
焦点位置での集光径δは次式で表される。 第１項は回折限界として、第２項は球面収差として物理
学的に知られている。 ここで、 λ：光の波長 ｆ：レンズの焦点距離 Ｄ：入光レーザビーム径 Ｋ：レンズの材質とレンズの形状で決まる定数 いま、便宜的にＣＯ2 レーザのレーザビームを平行光線
とし、ｆ＝６３．５ｍｍ、レンズの材質をＺｎＳｅ（亜
鉛化セレン）、レンズの形状をプラノコンベックスとし
て、図５のＡ点、Ｂ点でのレンズ通過後の焦点位置にお
ける集光径δA 、δB を計算してみると、ＤA ＝２４．
５ｍｍ、ＤB ＝２０ｍｍ、λ＝１０μｍ、Ｋ＝０．０３
０から δA ＝０．１４ｍｍ、δB ＝０．１０ｍｍ となる。各々の焦点位置での平均エネルギー密度比ＥB/
A は集光面積に逆比例するので、Ｂ点ではＡ点のおよそ
２倍となる。

【０００５】レーザ加工における加工の不安定性は、様
々な要因に起因するが、レーザビームの集光径の変化す
なわちエネルギー密度の変化が特に大きな要因であるこ
とは、一般に認められているところである。レーザ加工
機の大型化に伴って光路長の変化量Ｌはさらに大きくな
り、レーザビームの集光径の変化の影響が増大してき
た。

【０００６】上記のように、Ｙ軸に沿って加工ヘッドを
１軸移動させる方式のレーザ加工機においては、一般に
レーザ発振器のレーザビーム出口から加工点までの距離
が変化し、レーザビームの集光径が変化して加工が不安
定になるという問題があった。これに対して、本願出願
人は特願平４−１５１６３１号により、門型レーザ加工
機の加工ヘッドの１軸移動方式においても、レーザ発振
器のレーザビーム出口から加工点までの距離の変化量を
最小限にし、実用上この距離の変化量が加工の安定性を
何等阻害する要因とならないレーザ加工機を提案してい
る。

【０００７】これによって従来型の門型レーザ加工機の
性能を飛躍的に向上させることができたが、さらに高速
化を図ろうとすると振動の影響が無視できなくなる。そ
こで、特願平４−１５１６３１号の方式を適用したレー
ザ加工機において、急な加減速を伴った加工における振
動の影響について図７に基づいて説明する。加工ヘッド
を急な加減速で移動させたとき生じる慣性力は旋回導光
管５５０に作用し、旋回導光管が振動する。この場合、
旋回導光管の中間に伸縮部材６００’が設けられている
ため、旋回導光管の剛性の低下、重量の増加、および伸
縮部材のガタに起因して振動振幅が大きくなる。この振
動は旋回導光管の両端に設けられた旋回装置に装着され
たミラーの平行性を狂わすことになる。この結果、集光
レンズに入光されるレーザビームの光軸が変動し、焦点
位置が光軸に対して直角方向に振動する。このため、本
方式のレーザ加工機で高速加工を行ったとき、図８に示
すように、加減速時に切断加工の進行方向に対して直角
方向の振動を生じ、ワークの切断面に振動痕として残
り、加工ワークの商品価値を損ない、さらに自励振動を
生ずると、振幅が大きくなって切断加工そのものが不能
となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、レーザ加工
機における上記のような問題点を解消し、急な加減速を
伴った高速加工において生じる慣性力の影響を排除し
た、光路長ほぼ一定のレーザ加工機の提供を目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題は、Ｘ軸方向に
移動自在なテーブル１２０と、門型コラム上をＹ軸方向
に移動自在な加工ヘッド３００と、Ｘ軸方向にレーザビ
ーム出口を有するレーザ発振器２００と、レーザ発振器
と加工ヘッドを結合する導光装置５００とを備えたレー
ザ加工機１００において、レーザ発振器のレーザビーム
出口と伸縮部材で結合され、Ｘ軸方向に移動自在に配設
され、ミラーを備えた光路によりレーザビームを上方に
導く伸縮装置６００と、伸縮装置の上部に旋回自在に配
設され、ミラーを備えた光路によりレーザビームを水平
方向に導く第１の旋回装置５３０と、加工ヘッドの上部
に旋回自在に配設され、ミラーを備えた光路によりレー
ザビームを下方に導く第２の旋回装置５７０と、第１お
よび第２の旋回装置を結合する長尺の旋回導光管５５０
とで導光装置を構成したレーザ加工機によって解決され
る。

【００１０】

【作用】加工ヘッド３００は、コラム１５０の案内面に
拘束されてＹ軸方向に直線運動をする。これに伴って旋
回導光管５５０の両端の旋回装置５３０，５７０は回転
運動を行い、かつ第１の旋回装置５３０は伸縮装置６０
０とともにＸ軸方向の直線運動を行うので、旋回導光管
は円滑な旋回運動を行う。このときレーザ発振器２００
と加工ヘッドとの間の光路長は伸縮部材の伸縮する長さ
だけ変動するが、この変動量は光路長全体に比べてきわ
めて小さく、加工条件に影響を与えない。また、旋回導
光管は一体構造であるからガタがなく、軽量で高い剛性
を持たせることができ、したがって急な加減速を伴う高
速加工においても振動の影響を排除することができ、光
路中のミラーの平行性が保たれる。なお、レーザ発振器
のレーザビーム出口と導光装置を結合する伸縮部材も、
加工ヘッドの作動距離に対してその十分の一以下の長さ
を伸縮するだけであるから、加工中のレーザビームの光
軸を変化させることはない。

【００１１】

【実施例】図１は本発明の実施例を示す平面図、図２は
正面図である。全体を符号１００で示すレーザ加工機
は、ベッド１１０上にＸ軸方向に移動するテーブル１２
０を有し、テーブル１２０は上面にワーク１３０を載置
する。また、ベッド１１０上にはコラム１５０が立設さ
れている。このコラム１５０は、２本の案内面３３３を
介して加工ヘッド３００のサドル３１０を摺動自在に支
持している。サドル３１０は、サーボモータ（図示しな
い）で駆動されるリードスクリュー３３０によりＸ軸に
直交するＹ軸方向に駆動される。加工ヘッド３００の下
端部には、集光されたレーザビームをテーブル１２０上
に照射するノズル３５０が装着されている。コラム１５
０の後部のベッド１１０上にはフレーム１６０が立設さ
れ、フレーム１６０上にレーザ発振器２００が定置され
ている。レーザ発振器２００の両側部のベッド１１０上
には、レーザ発振器の電源装置２２０とレーザ加工機全
体の制御装置を含む強電盤２１０とが配設されている。
レーザ発振器２００から出光されたレーザビームは、全
体を符号５００で示す導光装置を介して加工ヘッド３０
０へ供給される。

【００１２】図３は導光装置５００の縦断面図である。
レーザ発振器２００で発振されたレーザビームは、入光
部５１０から導光装置５００へ導入される。入光部５１
０はハウジング５３１の内部に形成され、箱形のレーザ
発振器２００のレーザビーム出口に伸縮部材６１５を介
して接続されている。ハウジング５３１は、発振器２０
０のレーザ光軸に対して４５°傾けて配設されたミラー
装置５１５を備えた光路により、レーザビームを直角に
折り曲げて上方へ導く。ハウジング５３１の下部には、
フレーム１６０にＸ軸方向に配設されたガイド部材６０
５上を摺動するスライドブロック６１０が設けられ、伸
縮装置６００を構成している。伸縮装置６００は上部に
第１の旋回装置５３０を保持している。第１の旋回装置
５３０は、ハウジング５３１の上部にベアリング５３４
を介して回転自在に取り付けられた中空シャフト５３２
と、中空シャフト５３２の上端部に連結されたブロック
５５２とからなる。ブロック５５２は、ミラー装置５４
０を備えた光路により、レーザビームを直角に折り曲げ
て水平方向に導く。ブロック５５２は、水平方向に配設
された長尺の旋回導光管５５０の一端部５５４を旋回自
在に支持している。

【００１３】旋回導光管５５０の他端部５５５は、加工
ヘッド３００側に設けられた第２の旋回装置５７０によ
り旋回自在に支持されている。第２の旋回装置５７０
は、加工ヘッド上部のハウジング３２０にベアリング５
７５を介して回転自在に取り付けられた中空シャフト５
３５と、中空シャフト５３５の上端部に連結されたブロ
ック５５３とからなる。ブロック５５３は、旋回導光管
５５０の他端部５５５を旋回自在に支持し、ミラー装置
５６０を備えた光路によりレーザビームを直角に折り曲
げて下方に導く。このような構成により、第２の旋回装
置５７０は、加工ヘッド３００とともにＹ軸方向に往復
自在になっている。

【００１４】導光管５５０は、第１の旋回装置５３０の
軸を旋回中心として旋回運動をする。すなわち、導光管
５５０はその両端が第１の旋回装置５３０と第２の旋回
装置５７０によって支持されており、その旋回半径は一
定であるが、第１の旋回装置５３０が伸縮装置６００に
よりＸ軸方向に沿って移動自在に支持されているので、
第２の旋回装置５７０がＹ軸に沿って直線運動をするよ
うに拘束されていても導光管５５０は旋回運動が可能で
ある。上記のブロック５５３には第３のミラー装置５６
０が設けられており、導光管５５０から送られてくるレ
ーザビームの光軸を直角に折り曲げて下方に導く。折り
曲げられたレーザビームはサドル３１０の下部に設けら
れた加工ヘッド３００の集光レンズ（図示しない）を通
してノズル３５０へ供給される。ノズル３５０から照射
されるレーザビームは、ワーク１３０に必要な加工を施
す。

【００１５】本発明の導光装置は以上のように構成され
ているので、レーザ発振器２００から加工ヘッド３００
までの光路長はほぼ一定である。すなわち図１におい
て、加工ヘッド３００がＹ軸に沿って最大距離移動した
とき、第１の旋回装置５３０および第２の旋回装置５７
０の両中心を結ぶ線とテーブル１２０の中心線とに挟ま
れる角度をθとし、第１と第２の旋回装置間の距離をＲ
とすれば、光路長の差ｒは、 ｒ＝Ｒ−Ｒｃｏｓθ ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ） となる。実際θの値は小さく、光路長の変化量は少な
い。例えば、Ｒ＝３０００ｍｍ、θ＝１４．５°の場
合、ｒ＝９５ｍｍである。したがって、従来技術のごと
く、加工ヘッドのＹ軸方向移動ストローク分だけ光路長
が変化する場合に比べて全体の光路長の変化は極めて小
さく、加工条件の変化はほとんどない。

【００１６】また、旋回導光管５５０は一体構造である
からガタがなく、軽量で高い剛性を持たせることがで
き、したがって急な加減速を伴う高速加工においても振
動の影響を排除することができ、光路中のミラー５４
０，５６０の平行性が保たれる。また、レーザ発振器２
００のレーザビーム出口と導光装置５００を結合する伸
縮部材６１５は、加工ヘッド３００の作動距離に対して
十分の一以下の長さを伸縮するだけであるから、加工中
のレーザビームの光軸を変化させることはない。

【００１７】なお、本実施例においては、第１の旋回装
置５３０は、テーブル１２０の中心線上で、かつ加工ヘ
ッド３００のＹ軸方向移動ストロークの半分の位置に配
設されている例が示されているが、これに限定される必
要はなく、レーザ加工機上の任意の固定部に設けること
は可能である。また、本発明では第１の旋回装置がＸ軸
方向に沿って移動自在に配設されているが、これの代わ
りに、第２の旋回装置５７０と加工ヘッド３００との間
に伸縮装置を設けることにより、第２の旋回装置をＹ軸
方向と同時にＸ軸方向にも移動自在にすることが可能で
ある。

【００１８】

【発明の効果】本発明は以上のように、レーザ加工機の
レーザビームの導光装置において、加工ヘッド側の端部
はＹ軸方向の直線運動を行い、一方反対側の端部はＸ軸
方向に直線運動を行い、全体として旋回運動を行う長さ
一定の旋回導光管によりレーザ発振器と加工ヘッドとの
間の光路を構成し、わずかにレーザ発振器との結合部の
み伸縮部材を使用する構成としたことにより、全体の光
路長がほぼ一定となり、安定したレーザ加工の条件が達
成される。また、上記旋回導光管は一体構造であるから
ガタがなく、軽量で高い剛性を持たせることができ、し
たがって急な加減速を伴う高速加工時に慣性力によって
生じる振動の影響を排除することができ、光路中のミラ
ーの平行性が保たれる。さらに、長時間運転した後にも
伸縮部材の摩耗によるガタの増加を生ずることがなく、
高い性能を維持できる。したがって、光路長の変化量を
極めて少なくしたことと、振動の影響を排除して複数の
ミラー間の平行性を維持したことにより、Ｙ軸方向の加
工ヘッドの全ストロークにおいて均一な加工状態とな
り、加工面の精度が向上する。加工状態が一定となるの
で、加工プログラム上で加工条件を補正する等の操作を
必要としないばかりでなく、発振器の出力を最大に利用
した高速加工が達成でき、生産性の非常に高いレーザ加
工機を提供できる。しかも本発明は複雑な構成を必要と
しないので、上記のような優れた性能を有するレーザ加
工機を安価に提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるレーザ加工機の実施例を示す平面
図である。

【図２】図１の実施例の一部断面、正面図である。

【図３】図１の実施例における導光装置の縦断面図であ
る。

【図４】従来のレーザ加工機の斜視図である。

【図５】レーザ発振器から出力されたレーザビームの拡
がりを示す説明図である。

【図６】焦点レンズでの入光レーザビーム径と焦点位置
でのレーザビーム集光径との関係を示す説明図である。

【図７】急な加減速を伴った加工における振動の影響を
示す説明図である。

【図８】急な加減速を伴ったレーザ加工で切断面に生ず
る振動痕を示す説明図である。

【符号の説明】

１００ レーザ加工機 １２０ テーブル １５０ コラム ２００ レーザ発振器 ３００ 加工ヘッド ５００ 導光装置 ５１５，５４０，５６０ ミラー ５３０ 第１の旋回装置 ５５０ 旋回導光管 ５７０ 第２の旋回装置 ６００ 伸縮装置 ６１５ 伸縮部材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベッド上にＸ軸方向に移動自在に載置さ
   れたテーブルと、前記ベッド上に門型に立設されＹ軸方
   向の案内面を有するコラムと、前記案内面上を移動自在
   に装備された加工ヘッドと、前記コラムの加工ヘッドと
   反対側に定置されＸ軸方向にレーザビーム出口を有する
   レーザ発振器と、前記レーザ発振器と前記加工ヘッドを
   結合する導光装置とを備えたレーザ加工機であって、 前記レーザビーム出口と伸縮部材で結合され、ガイド手
   段によりＸ軸方向に移動自在に配設され、ミラーを備え
   た光路によりレーザビームを上方に導く伸縮装置と、 前記伸縮装置の上部に旋回自在に設けられ、ミラーを備
   えた光路によりレーザビームを水平方向に導く第１の旋
   回装置と、 前記加工ヘッドの上部に旋回自在に設けられ、ミラーを
   備えた光路によりレーザビームを下方に導く第２の旋回
   装置と、 前記第１および第２の旋回装置を結合する長尺の旋回導
   光管とで前記導光装置を構成したレーザ加工機。