WO1988001552A1 - Gas laser apparatus - Google Patents

Description

明 細 書 ガス レーザ装置 ― 技 術 分 野

本発明はガス レーザ装置に関し、 特に溶接等の金属加工を 行う高出力で、 且つロボッ ト等に結合できるガス レーザ装置 に関する。 景 技 術

レーザ加工はその特徴を発揮するために、 レーザ発振器と ロボッ 卜の結合による加工システムが求められている。 そし て、 ロボッ トのアームの先端からレーザ光を発射す |«ために は、 反射ミ ラーをロボッ 卜の関節に付設してレーザ光を導光 することが行われている。 又、 反射ミ ラーを使用せずに光フ アイバーを使用することも考えられる。

しかし、 反射ミ ラーを使用する場合は反射ミ ラーが高価格 であり、 その調整が非常に困難である。 又、 光ファ イバ一を 使用するものは伝送できるエネルギーがせいぜい数百ヮ ッ ト 程度であり、 溶接等の金属加工に必要な数キロワ ッ 卜のエネ ルギーを導光することは出来ないという問題点がある。 発 明 の 開 示 .

本発明の目的は上記問題点を解決し、 溶接等の金属加工を 行う高出力で、 且つロボッ ト等に結合できるガス レーザ装置 を提供することにある。

本発明では上記の問題点を解決するために、

気密容器内でレーザ媒質ガスを循環させ、 放電によって励 起されたガスからレーザ光を発生するように構成したガスレ 一ザ装置において、

レーザガス発振制御部及び口ボッ ト制御部等を舍む主装置 と、 共振器を舍むレーザ光射出部を分難し、

該共振器は模方向多重モー ド共振器とし、

前記放電用電源は高周波電源とし、

前記共振器のガスフ口一は圧縮比の高い圧縮機を使甩した 横あるいは縦方向ガスフ α—とし、

前記レーザ光射出部を口ボッ ト等の先端に付設できるよう に構成したことを特徴とするガスレー营装置を、

採用した。

主装置とレーザ光射出部とを分離したので レーザ光射岀部 を容易に口ボツ トの先端に取りつけることができ、 また、 横 多重モー ド、 高周波電源、 横方向ガスフ口一の採用により小 型で高岀力のレーザ光を出力することができる。 図 面 の 簡 単 な 説 明 第 1図は本発明の一実施例の構成図、

第 2図は共振器の部分構成を示す図、

第 3図 （ a ) 、 第 3図 （ b ) 、 第 3図 （ c ) はそれぞれ、 回転ミ ラーに使用するバラボラの例を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下本発明の一実施例を図面に基ずいて説明する。

第 1 図に本発明の一実施例の構成図を示す。 図において、 1 は多関節ロボッ トであり、 広く 知られた通常の多関節ロボ 'ン トである。 2 は共振器であり、 高次の横方向多重モー ド共 振器である。 第 2図に共振器 2 の部分構成を示す。 図におい て、 1 1 はレーザ管であり、 磁器等の誘電体であり、 その断 面は矩形であり、 本実施例では正方形である。 1 2及び 1 3 は電極であり、 レーザ管 1 1 の外側に設けられている。 電極 にはリ ー ド 1 4及び 1 5を介して高周波電源が印加される。 なお、 図では出力結合鏡、 反射鏡等の光学部品及びレーザガ スの通路は省略してあ.る。 - こ こで レーザ出力 P ! レーザ管の断面積を 'S、 長さを L、 出力密度を P とすると、

P = S L ρ

となる。 ここで Sは L と異なり長さの二乗で增加するので Sを增加させるのが有効である。 しかし、 従来は Sが大きい ときは一様な放電励起が困難であり、 又横方向多重モー ドに なり、 ビーム集光特性が悪く 、 この方法は採用できなかった。 この問題を解決するために、 後述する高周波電源と、 横方向 ガスフローの採用で共振器を小型化するこ とができる。

一様な放電励起が可能なとき Pの値は S S W Z CCである ので一遍が 5 〜 1 0 onの正方形の断面積、 長さが 3 Ο ηの共 振器の体積は 7 5 0 〜 3 0 0 O ccになり、 レーザ出力 Pは 1 . 5 〜 2 4 K W程度となり、 この出力レベルでは金属の溶接等 が可能となる。 共振器の大きさがこの程度であれば、 従来の 多関節ロボッ トの先端にレーザ共振器をつけてレーザ加工シ ステムを構成することが可能となる。

第 2図に示すような、 レーザ眚 1 1 の構造では、 直流を印 加すると放電が 1個所に集中してしまい、 レーザ管 1 1内で の一様な放電が得られない。 本実施例のように、 R F帯の高 周波電源を誘電体である レーザ管 1 1を通して印加すると分 布容量によるバラス ト効果によって、 一様な放電が得られる。 これは誘電体である レーザ眚 1 1 の壁が多数瓶に分割されコ ンデンサの X Y.平面上のァレイ として働くからである。

この種のレーザ共振器には不安定共振器の使用が予想され - るが、 本実施例では安定型共振器を採甩した。 この結果、 横 '方向モー ド . ¾極端なマルチモー ドとなる。

このような、 小型のレーザ共振器は高周波電源め採用によ つて、 可能となる。 と く に R F帯程度の高周波による R F放 電が好ましい。

共振器 2 のレーザ媒質ガスを循環させるにはルーッブ口一 ヮ等の圧縮比の高い圧縮器を用いた横方向ガスフローを採用 した。 兵振器 1の断面積が大きいので有効なガス冷却のため にば横方向ガス流が必要であるが、 送風機が共振器と別にお かれており、 可撓性の配管で結合されているので、 配管の抵 抗のために圧縮比が充分にとれるルーツブ口ーヮ型の送風機 を採用した。 また、 ガス方向フローは縱方向として構成する こともできる。

第 1図に戻り、 3 は電気用配管であり、 主装置 1 0 の高周 波電源からの配線を内部に含んでいる。 4 はガス用配管であ り、 レーザ媒質ガスを主装置 1 0から供袷する。

—5 は回転ミ ラーであり、 共振器 2からのレーザ光を集光し その方向を変える。 この回転ミ ラーは従来の閩節ロボッ トの 関節に使用されたものと異なり、 その距離が短く 、 1 個だけ であるので、 その調整はそれほど困難ではない。

回転ミ ラーは図の点線で示す軸に対して、 軸方向並進移動 と、 この軸の迺りに回転できるように構成されており、 これ によってロボッ 卜のアームの動きと面転ミ ラーの動きによつ て、 レーザ光を必要なワークの部分に照射することができる < 金属の溶接等のレーザ加工では、 金属の切断のように深い 焦点深度や、 非常に小さい集光径は必.要な く 、 集光径は 1 « _δ程度でよい。 即ち、 このような金属の 接等の広い断面のビ ームはパラボラ鏡のような非球面光学系を用いて集光するこ とができる。 バラボラの回転軸に平行な平行光線に対しては 径が如何に大き く ても収差を生じることな く集光することが できる。 問題はビーム拡がり角 にもとずく拡がりであって パラボラの焦点距離を f とすると焦点の直径は 2 f で与え られる。 共振器 2で得られた極端なマルチモー ドでも こ の値 を 1 «程度にすることは可能であることが実験的に確認され ている。

回転ミ ラー 5に使用 るパラボラ鏡としては第 3図 （ a ) 、 ( b ) 、 ( c ) の各種のものを、 加工するワ ー ク に応じて使 用することができる。 特に.、 第 3図 （ b ) に示す軸外しパラ ボラが溶接等の加工に対し、 好まれる。 このよう に、 小型で高出力のレーザ共振器 2を関節 σボツ ト 1 の先端に結合する こ とによ り 、 フ レキ シブルな加工シス テムを構成するこ とができる。 又、 共振器 2 の先端に回転ミ ラ一を結合することにより、 レーザ光の照射方何を自由に制 御することにより、 より複雑なワーク に対して、 溶接等の加 ェを扦う ことができる。

1 0 ば主装置であり、 ロボッ トのアームのサーボモータを 制御するロボッ ト制御部と、 レーザ発振を制御する レーザ発 振制御部が内蔵されている。 ロボッ ト制御部は通常のロボツ ト制御部が使用される。

レーザ発振制御部はレーザガス制御部、 高周波電源部、 出 力制御部から構成されている。 レーザガス制御部は送風機及 び熱交換機を有し、 レーザガスの循環及び^却を行い、 'さら に排気、 拿入、 ガス圧力、 パージングガスの導入等の制御を 行う。

高周波電源部は商用電源を整流し、 これを高周波電圧に変 換するィ ンバータを含む高周波電源、 高周波電源の発振の開 始及び停止を制御するシーケンス制御部、 出力を制御するバ ルス発振器等を有する。

出力制御部ばパルス出力と、 連繞岀力の選択を行う出力選 択部、 出力をフィ一 ドバック制御する出力制御等を有する。

勿論これらのレーザ発振制裸部とロボッ ト制御部を別値の -装置として構成することもできるが、 本実施例では装置をコ ンパク 卜にするために、 1個の口 フ カに収納している。

上記の実施例ではロボッ トとして、 多関節ロボッ トを使用 したが、 勿論他の形のロボッ ト もその目的に応じて任意に選 択できる。 又、 加工としては金属の熱処理等にも応用できる。

以上説明したように本発明では、 高周波電源を用いて、 横 方向多重モー ドの共振器として高出力及び小型の共振器とし て、 これを電源及び送風機等から分離してロボッ 卜の先端に 結合したので、 フ レキ シブルな レーザ加工システムを構成す ることができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 気密容器内でレーザ媒質ガスを循環させ、 放電によつ て励起されたガスからレーザ光を癸生するように構成したガ スレ一ザ装置において、

レーザガス発振制御部及びロボッ ト制御部等を含む主装置 と、 共振器を含むレーザ光射出部を分離し、

該共振器ば横方向多重モ— ド共振器とし、

前記放電用電源ば高周波電源とし、

前記共振器のガスフ α—は圧縮比の高い圧縮機を使用した 横あるいは縦方向ガスフ ロ ーと し、

前記レーザ光射出部をロボッ ト等の先端に付設できるよう に構成したことを特徴とするガスレーザ装置。

2 前記レー'ザ光射出部に非球面反射鏡を設けて、 該反射 鏡を回転できるように構成したことを特徴とする特許請求の 範囲第 1項記載のガス レーザ装置。

3 . 前記反射鏡の曲面はバラボラ扰であることを特徴とす る特許請求の範囲第 2項記載のガス レーザ装置。

4 . 前記非球面反射鏡は回転方向に垂直に移動可能に構成 されていることを特徴とする特許請求の範囲第 2項記載のガ ス レーザ装置。

5 . 前記レーザ発振制御部ばレーザガス制御部、 高周波電 源部及び出力制御部を舍むことを特徴とする特許請求の範囲 第 1項記載のガス レーザ装置。

6 . 前記主装置はレーザ発振制御部とロボッ ト制御部が一 体に構成されていることを特徴とする特許請求の範照第 1項 記載のガス レーザ装置。 -

7 . 前記主装置はレーザ発振制御部とロボッ ト制御部が別 個の口 ッ力 に収納されていることを特徴とする特許請求の範 囲第 1項記載のガス レーザ装置。