(57)【要約】【課題】ロボットのティーチング時に用いられる可視レーザの回折パターンの視認性を向上させるレーザ加工ヘッドを提供する。【解決手段】レーザ加工ヘッド１０は、ロボット６０に取り付けられ、ワーク８０をレーザ加工する場合には、ワーク８０に向けて非可視領域の波長の加工用レーザ光３１を照射する一方、ロボット６０に所定の動作軌跡を教示する場合には、可視領域の波長を有する可視レーザ光４１を照射するように構成されている。レーザ加工ヘッド１０は、加工用レーザ光３１または可視レーザ光４１をワーク８０に向けて集光するレンズ光学系１９と、レンズ光学系１９を通過した可視レーザ光４１を回折してワーク８０の表面に十字状の回折パターン４３を結像させる回折光学素子１７と、を備えている。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットに取り付けられ、加工対象物を加工する場合には、該加工対象物に向けて非可視領域の波長を有する加工用レーザ光を照射する一方、前記ロボットに所定の動作軌跡を教示する場合には、前記加工対象物の加工予定位置を確認するために前記加工対象物に向けて可視領域の波長を有する可視レーザ光を照射するように構成されたレーザ加工ヘッドであって、
前記加工用レーザ光または前記可視レーザ光を前記加工対象物に向けて集光するレンズ光学系と、
該レンズ光学系を通過した前記可視レーザ光を回折して前記加工対象物の表面に所定の回折パターンを結像させる回折光学素子と、を備えることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記回折光学素子は、前記加工対象物の表面に十字状の前記回折パターンを結像させるように構成されていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項３】
請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記回折光学素子は、前記加工対象物の表面に多重同心円状の前記回折パターンを結像させるように構成されていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、
前記回折光学素子は、前記レーザ加工ヘッドに着脱可能に取り付けられていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のレーザ加工ヘッドと、
該レーザ加工ヘッドが先端に取り付けられたロボットと、
該ロボットの動作を制御する制御装置と、を少なくとも備え、
前記制御装置は、前記回折パターンに基づいて確認された前記加工予定位置に前記加工用レーザ光が照射されるように前記ロボットを移動させることを特徴とするレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工ヘッド及びそれを備えたレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ加工装置は溶接、切断などの加工用途に広く普及している。通常、レーザ加工装置は高出力のレーザ発振装置と、レーザ発振装置から出射された加工用レーザ光を加工対象物の所定の場所に照射するレーザ加工ヘッドと、レーザ加工ヘッドを所定の位置に移動させるロボットと、レーザ発振装置でのレーザ発振及びロボットの動作を制御する制御装置とを備えている。また、レーザ加工ヘッドは、加工対象物に加工用レーザ光を集光する光学系、例えばコリメータレンズや集光レンズを備えている。また、高出力を得るために、加工用レーザ光として非可視領域の波長を有するレーザ光が用いられることが多い。
【０００３】
一方、ロボットに所定の動作を教示するティーチングにおいては、加工対象物における加工用レーザ光の照射予定位置、つまり加工予定位置をロボットに教示する必要がある。このため、レーザ加工装置には、加工用レーザ光を発するレーザ発振装置とは別に可視光レーザ光源が設けられることが多い。可視レーザ光源から可視レーザ光が出射され、加工対象物上での可視レーザ光の結像位置によって加工予定位置を確認し、ロボットのティーチングを行う。
【０００４】
可視レーザ光源がレーザ発振装置内に配設された場合、可視レーザ光は、加工用レーザ光の波長に対して設計されたレーザ加工ヘッド内の光学系を経由して加工対称物に照射される（例えば特許文献１参照）。また、可視レーザ光源と可視レーザ光用の光学系をレーザ加工ヘッドに配設することもある（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−５８１６９号公報
【特許文献２】特開２００６−３４６７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献２に開示された構成では、レーザ加工ヘッドに異なる光学系を設ける必要があり、部品点数の増加によりレーザ加工ヘッドが大型化し、また、高コストとなる。また、複数の光学系で光軸等の調整が必要となり、調整作業が複雑化する。
【０００７】
一方、加工品質を高めるために、レーザ加工ヘッド内の光学系は、加工用レーザ光の波長に対してビーム品質、焦点距離比、並びに加工対象物上でのスポット径が最適化されている。
【０００８】
しかし、特許文献１に開示された構成では、ロボットのティーチング時に用いられる可視レーザ光も同じレンズで集光されて加工対象物に照射される。一方、加工用レーザ光と可視レーザ光とでは波長領域が異なるため、レンズを含む光学系において色収差の違いが生じる。このため、光学系を通過した可視レーザ光の焦点がずれたり、加工物表面における可視レーザ光のスポットの視認性、特にその中心位置の視認性が低下したりして、ティーチング精度を低下させるおそれがあった。
【０００９】
本発明はかかる点に鑑みなされたもので、その目的は、ロボットのティーチング時に用いられる可視レーザ光の加工対象物表面での視認性を向上できるレーザ加工ヘッド及びそれを備えたレーザ加工装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明に係るレーザ加工ヘッドは、可視レーザ光を加工対象物に集光するレンズ光学系とは別に、レンズ光学系を通過した可視レーザ光を回折する回折光学素子を備えている。
【００１１】
具体的には、本発明に係るレーザ加工ヘッドは、ロボットに取り付けられ、加工対象物を加工する場合には、該加工対象物に向けて非可視領域の波長を有する加工用レーザ光を照射する一方、前記ロボットに所定の動作軌跡を教示する場合には、前記加工対象物の加工予定位置を確認するために前記加工対象物に向けて可視領域の波長を有する可視レーザ光を照射するように構成されたレーザ加工ヘッドであって、前記加工用レーザ光または前記可視レーザ光を前記加工対象物に向けて集光するレンズ光学系と、該レンズ光学系を通過した前記可視レーザ光を回折して前記加工対象物の表面に所定の回折パターンを結像させる回折光学素子と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、加工対象物の表面における可視レーザ光の回折パターンの視認性を向上させることができる。
【００１３】
前記回折光学素子は、前記加工対象物の表面に十字状の前記回折パターンを結像させるように構成されていることが好ましい。
【００１４】
この構成によれば、加工対象物の表面における可視レーザ光の回折パターンの視認性、特に回折パターンの中心位置の視認性を向上させることができる。
【００１５】
前記回折光学素子は、前記加工対象物の表面に多重同心円状の前記回折パターンを結像させるように構成されていてもよい。
【００１６】
前記回折光学素子は、前記レーザ加工ヘッドに着脱可能に取り付けられていることが好ましい。
【００１７】
この構成によれば、回折光学素子を取り外して、加工精度に影響を与えずにレーザ加工を行うことができる。
【００１８】
また、本発明に係るレーザ加工装置は、上記のレーザ加工ヘッドと、該レーザ加工ヘッドが先端に取り付けられたロボットと、該ロボットの動作を制御する制御装置と、を少なくとも備え、前記制御装置は、前記回折パターンに基づいて確認された前記加工予定位置に前記加工予定位置に前記加工用レーザ光が照射されるように前記ロボットを移動させることを特徴とする。
【００１９】
この構成によれば、加工対象物の加工予定位置を確認するための回折パターンにおいて、その視認性を向上できるため、ロボットのティーチング精度の低下を抑制して、レーザ加工精度を維持できる。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明によれば、ティーチング時に用いる可視レーザ光の加工対象物表面での視認性を向上させることでティーチング精度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】一実施形態に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。
【図２】比較のためのレーザ加工ヘッドの構成を示す模式図である。
【図３】一実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す模式図である。
【図４】回折パターンの別の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（実施形態）
［レーザ加工装置の構成］
図１は、本実施形態に係るレーザ加工装置１００の構成を示し、レーザ加工装置１００は、レーザ加工ヘッド１０と、レーザ発振装置２０と、光ファイバ５０と、ロボット６０と、制御装置７０と、を備えている。
【００２３】
レーザ加工ヘッド１０は、光ファイバ５０で伝送された加工用レーザ光３１または可視レーザ光４１をワーク８０（加工対象物）に向けて照射する。
【００２４】
レーザ発振装置２０は、加工用レーザ光源３０と可視レーザ光源４０とを有している。レーザ加工を行う場合は、加工用レーザ光源３０をレーザ発振させて加工用レーザ光３１を光ファイバ５０に入射させる一方、後述するロボット６０のティーチング時には、可視レーザ光源４０をレーザ発振させて可視レーザ光４１を光ファイバ５０に入射させる。
【００２５】
光ファイバ５０は、レーザ発振装置２０から出射された加工用レーザ光３１または可視レーザ光４１をレーザ加工ヘッド１０まで伝送する。
【００２６】
ロボット６０は、先端にレーザ加工ヘッド１０が取り付けられ、ロボット６０の関節軸に取り付けられたモータ（図示せず）を駆動してレーザ加工ヘッド１０を移動させる。
【００２７】
制御装置７０は、レーザ加工ヘッド１０及びロボット６０の動作と、レーザ発振装置２０のレーザ発振とを制御する。
【００２８】
このような構成により、レーザ加工装置１００は、レーザ発振装置２０から出射された加工用レーザ光３１を、レーザ加工ヘッド１０が取り付けられたロボット６０を動作させてワーク８０に所望の軌跡で照射し、ワーク８０の切断や溶接、穴あけ加工等を行うのに使用される。
【００２９】
また、所定のレーザ加工を行う前には、ロボット６０に所定の動作軌跡を教示するティーチングを行ってロボット６０の動作プログラムを作成する。ティーチングでは、ワーク８０における加工用レーザ光３１の照射予定位置、つまり加工予定位置８１に対応させて、ロボット６０の位置を教示する。具体的には、レーザ加工ヘッド１０からは可視レーザ光４１がワーク８０に向けて出射され、ワーク８０表面における可視レーザスポット４２ないし回折パターン４３，４４（図２〜４参照）をワーク８０の表面における加工予定位置８１の確認指標とし、保護具を用いた目視あるいはＣＣＤカメラ等の撮像装置により可視レーザスポット４２ないし回折パターン４３，４４の結像位置を確認しながら、ワーク８０の表面における加工予定位置８１に応じた動作軌跡をロボット６０に教示する。ティーチング結果に基づき動作プログラムが作成され、当該動作プログラムが制御装置７０に保存される。実際のレーザ加工では、動作プログラムを起動して、教示された動作軌跡に沿ってワーク８０の加工予定位置８１に加工用レーザ光３１が照射されるように、制御装置７０がロボット６０及びレーザ加工ヘッド１０を移動させ、加工用レーザ光３１によってワーク８０を加工する。
【００３０】
なお、加工用レーザ光源３０と可視レーザ光源４０とはそれぞれ異なるレーザ発振装置に搭載されていてもよい。また、レーザ発振装置２０のレーザ発振制御は、図示しない別の制御装置によって行うこともできる。また、加工用レーザ光３１の光源はダイレクトダイオードレーザ（波長領域９５０ｎｍ〜１０００ｎｍ）が一般的に用いられている。また、加工用レーザ光３１は、赤外半導体レーザから出力された、中心波長が９７５ｎｍとなる複数の波長の赤外光が、波長合成技術によって合成されたものである。可視レーザ光４１は可視の波長領域、例えば、３８０ｎｍ〜７５０ｎｍの範囲であればよいが、赤色領域、例えば、６２０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲であると、汎用の赤色半導体レーザを可視レーザ光源４０とすることができる。なお、本実施形態において、可視レーザ光４１は波長が６５０ｎｍ近傍で、光量分布が光軸中心から同心円状にガウス分布をなすレーザ光線である。
【００３１】
また、動作プログラムは、制御装置７０に保存されてもよいし、外部記憶媒体やサーバー（図示せず）に保存されて、レーザ加工時に制御装置７０に呼び出されてもよい。
【００３２】
［レーザ加工ヘッドの構成］
図２は、比較のためのレーザ加工ヘッドの構成を示し、図３は、本実施形態に係るレーザ加工ヘッドの構成を示す。なお、以降の説明において、レーザ加工ヘッド１０における加工用レーザ光３１の入射側を上と、出射側を下とそれぞれ呼ぶことがある。また、説明の便宜上、図２，３において、本発明に関係しない構成部品については図示及びその説明を省略している。
【００３３】
図２の（ａ）に示すように、レーザ加工ヘッド１０は、上部に光ファイバ５０が取り付けられ、下部にノズル１２が取り付けられた筐体１１の内部に、上から順に、コリメータレンズ１３と、集光レンズ１４と、保護ガラス１５とが配設されている。なお、以降の説明において、コリメータレンズ１３と集光レンズ１４とを含む光学部品の群をレンズ光学系１９と呼ぶことがある。例えば、加工用レーザ光３１や可視レーザ光４１のビーム整形や光路変更等に関する図示しない光学部品がレーザ加工ヘッド１０に設けられている場合は、当該光学部品も含めた群をレンズ光学系１９という。
【００３４】
ワーク８０のレーザ加工を行う場合は、光ファイバ５０を通して筐体１１内に入射された加工用レーザ光３１はコリメータレンズ１３により平行光線に変換され、さらに集光レンズ１４で集光される。集光された加工用レーザ光３１は、保護ガラス１５を透過してノズル１２からワーク８０の加工予定位置８１に向けて照射される。このとき、加工用レーザ光３１が集光されてワーク８０の加工予定位置８１で焦点を結ぶように、また加工用レーザ光３１のビーム品質や加工予定位置８１における加工用レーザスポット３２のスポット径及び形状が最適となるように、コリメータレンズ１３や集光レンズ１４を含むレンズ光学系１９がレーザ加工ヘッド１０に設けられており、具体的にはレンズ光学系１９の各光学部品の配置関係及び個々の部品の形状や材質等が予め設定されている。なお、保護ガラス１５は、レーザ加工時にワーク８０から発生するスパッタやフュームから筐体１１の内部、特にレンズ光学系１９を保護するためにレーザ加工ヘッド１０に着脱可能に取り付けられている。また、保護ガラス１５は、筐体１１の内壁に設けられたソケット１６によって筐体１１の内部に保持されている。
【００３５】
一方、ロボット６０のティーチングを行う場合は、加工用レーザ光３１に代えて、可視レーザ光４１がワーク８０の加工予定位置８１に照射され、ワーク８０表面に結像した可視レーザスポット４２がワーク８０の加工予定位置８１の確認指標として用いられる。
【００３６】
しかし、加工用レーザ光３１と可視レーザ光４１とでは波長領域が異なるため、コリメータレンズ１３や集光レンズ１４において色収差の違いが生じる。このため、前述したように、レンズ光学系１９を通過する可視レーザ光４１の焦点がずれたり、ワーク８０の表面において可視レーザスポット４２の視認性が低下したりしてしまう。
【００３７】
例えば、図２の（ａ）に示すように、可視レーザ光４１が、ワーク８０の加工予定位置８１よりも上方で焦点を結ぶと、図２の（ｂ）に示すように、ワーク８０の表面において、可視レーザスポット４２は加工用レーザスポット３２よりも大きく拡がったぼやけたスポット形状となり、視認性が低下してしまう。可視レーザポット４２は可視レーザ光４１と同様の前述の光量分布をもつため、可視レーザスポット４２の形状がぼやけてしまうと、特に可視レーザスポット４２の中心位置の視認性が低下してしまう。
【００３８】
そこで、本実施形態では、可視レーザ光４１がワーク８０の表面で良好な視認性を有して結像するように、レンズ光学系１９の下側に回折光学素子１７を設けるようにした。
【００３９】
図３に示すように、本実施形態では、保護ガラス１５に代えて筐体１１に回折光学素子１７が着脱可能に取り付けられ、ソケット１６によって筐体１１の内部に保持されている。回折光学素子１７には入射したレーザ光を回折して結像時の形状を変化させるグレーティング１８が設けられている。なお、図３において、加工用レーザ光３１の光路は図示を省略しているが、図２に示す光路と同じであり、加工用レーザスポット３２のスポット径や形状も図２に示すのと同じである。
【００４０】
図３の（ａ）に示すように、光ファイバ５０を通して筐体１１内に入射され、レンズ光学系１９を通過した可視レーザ光４１は、回折光学素子１７に入射し、グレーティング１８によって回折され、図３の（ｂ）に示すように、ワーク８０の表面に十字状の回折パターン４３として結像される。十字状の回折パターン４３の中心位置を確認し、この結果に基づいて制御装置７０に加工予定位置８１が教示される。なお、ティーチング終了後、回折光学素子１７はレーザ加工ヘッド１０から取り外され、代わりに保護ガラス１５が取り付けられるため、加工精度等に影響を与えずにレーザ加工を行うことができる。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態によれば、回折光学素子１７によって、ティーチング用の可視レーザ光４１は、ワーク８０の表面に十字状の回折パターン４３として結像されるため、回折パターン４３の視認性、特にその中心位置の視認性を向上することができる。また、可視レーザ光４１の焦点がワーク８０の表面からずれて、回折パターン４３が多少拡がってぼやけた形状になったとしても、回折パターン４３が十字状であるため、十字パターンの交点である中心位置は容易に確認できる。
【００４２】
さらに、加工用レーザ光３１及び可視レーザ光４１に対して同じレンズ光学系１９を適用できるため、レーザ加工ヘッド１０への実装部品点数が増加せず、レーザ加工ヘッド１０を小型化できる。また、レーザ加工ヘッド１０のコストを低減できる。
【００４３】
本実施形態に係るレーザ加工ヘッド１０を、例えば、図１に示すレーザ加工装置１００に適用することで、ワーク８０における加工予定位置８１を正確に確認、把握できる。このことにより、ロボット６０のティーチング精度の低下を抑制して、加工用レーザ光３１によるレーザ加工精度を維持できる。なお、可視レーザ光４１を回折光学素子１７で回折させることでワーク８０の表面で回折パターン４３の中心が焦点を結ぶようにすれば、視認性をより向上することができる。
【００４４】
図４は、回折パターンの別の例を示す。なお、図４に示す回折パターン４４は、図３に示すのと同じ構成のレーザ加工ヘッド１０で生成される。ただし、回折光学素子１７のグレーティング１８の構造は図３に示す構成と異なる。グレーティング１８によって回折された可視レーザ光４１は、ワーク８０の表面に多重同心円状の回折パターン４４として結像される。
【００４５】
このような構成によっても、ワーク８０の表面における回折パターン４４の視認性、特に中心位置の視認性を向上させることができる。このことにより、ロボット６０のティーチング精度の低下を抑制して、加工用レーザ光３１によるレーザ加工精度を維持できる。
【００４６】
なお、本実施形態における回折光学素子１７は、市販のものを用いることができる。例えば、ＨＯＬＯＥＹＥ社製ＤＥ−Ｒ２０５を用いて図３に示す十字状の回折パターン４３を得ることができる。また、ＨＯＬＯＥＹＥ社製ＤＥ−Ｒ２５９を用いて図４に示す多重同心円状の回折パターン４４を得ることができる。なお、十字状または多重同心円状の回折パターン４４を得るために上記以外の回折光学素子を用いてもよい。また、可視レーザ光４１のワーク８０の表面での視認性を向上させるために、他のパターン、例えば、ビューファインダー形状の回折パターンをワーク８０の表面に結像させるようにしてもよい。また、回折光学素子１７によって可視レーザ光４１がワーク８０の表面で焦点を結ぶようにすれば、回折パターン４３，４４の視認性がより向上することは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明に係るレーザ加工ヘッドは、ロボットのティーチング時に用いられる可視光レーザのワーク表面での結像位置の視認性が向上でき、高い加工精度を要するレーザ加工装置等に適用する上で有用である。
【符号の説明】
【００４８】
１０    レーザ加工ヘッド
１３    コリメータレンズ
１４    集光レンズ
１７    回折光学素子
１９    レンズ光学系
２０    レーザ発振装置
３０    加工用レーザ光源
３１    加工用レーザ光
３２    加工用レーザスポット
４０    可視レーザ光源
４１    可視レーザ光
４２    可視レーザスポット
４３，４４  回折パターン
５０    光ファイバ
６０    ロボット
７０    制御装置
８０    ワーク（加工対象物）
８１    加工予定位置
１００  レーザ加工装置
【図１】
2019042795.tif 000003
【図２】
2019042795.tif 000004
【図３】
2019042795.tif 000005
【図４】
2019042795.tif 000006