(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発振器より出力されたレーザビームを反射鏡で伝搬し、レーザ加工ヘッド内に備えたレンズなどの集光光学素子よりワークへ向けて照射してワークにレーザ加工を行うレーザ加工装置において、前記レーザ発振器と前記集光光学素子との間のレーザビームの経路中に、透過光学素子を備えた光学系用ホルダを配置し、この光学系用ホルダを回転自在かつ傾斜自在に設け、前記透過光学素子を前記レーザビームの経路中より退避せしめるべく、前記ホルダ用フレームを移動せしめる移動用作動装置を設けてなることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記光学系用ホルダを回転せしめる回転装置が動力伝達装置と駆動モータからなると共に、前記光学系用ホルダを傾斜せしめる傾斜角度作動装置がリンクとアクチュエータからなることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記回転装置、前記傾斜角度作動装置および前記移動用作動装置を制御せしめる制御装置を備えてなることを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザビームで被加工材としてのワークに切断、溶接、熱処理などの加工を施すレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ加工は、レーザ発振器から出力されたレーザビームを直接、あるいは反射鏡を介して集光光学素子に導光し、ワークに照射して切断、溶接、熱処理などの加工を行っている。前記レーザ発振器については、それぞれの加工に適したエネルギ分布のレーザビームを出力するレーザ発振器を設計あるいは購入している。
【０００３】
レーザビームのエネルギ分布などの特性が、所望する加工に適さない場合、凹凸面鏡、焦点距離の長いレンズなどを用いて、レーザビームの伝搬特性を変化させることが一般的である。切断加工においても、薄板の精密切断と軟鋼板の厚板切断、ステンレスの無酸化切断では最適なレーザビームのエネルギ分布が異なる。
【０００４】
従来の偏心光学系を用いてレーザビームを回転させレーザ加工を行う装置は、レーザ加工ヘッドに機構が設けられている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、加工の最適化には、それぞれの加工に適したレーザビームのエネルギ分布を得ることが必要である。特に、レーザ切断加工の場合は顕著である。一般的にレーザ切断加工において、精密切断用と厚板切断用ではレーザ発振器の光の性質の仕様が異なる。薄板精密切断では、真円度の良い小さな集光径を必要とするため、シングルモードと呼ばれる正規分布型のエネルギ分布の光が適しているとされている。厚板切断および無酸化切断には、ある程度の集光径が必要であり、低次モードと呼ばれるリング状のエネルギ分布の光が適しているとされている。
【０００６】
薄板に適したエネルギ分布のレーザ発振器は、一般的に低出力である。出力を高く設計しても、薄板用のエネルギ分布の光で厚板を切断することは困難である。厚板用レーザ発振器で薄板を切断した場合、切断は可能であるが精密板金で必要とされる精度を得ることは困難である。従って、一般的なレーザ加工機には、低次モードのレーザ発振器が搭載される場合が多い。
【０００７】
出力２〜３kWでのレーザ切断において、集光部のエネルギー密度が大きくなりすぎてプラズマが発生し、加工に影響を与える場合がある。特に最大出力近傍、高いアシストガス圧力を使用するステンレスなどの厚板（６ｔ以上）における無酸化切断においてプラズマの発生により加工不良となる場合が多い。近年、１Ｍａを越える圧力を用いて、ステンレスの１０ｔ以上の板厚を切断する無酸化切断が開発され普及しつつあるが、プラズマ発生を抑制する技術の開発が求められている。
【０００８】
レーザ加工ヘッド内部に偏心光学系を備えると、偏心回転によるレーザ加工でない通常のレーザ加工を行う場合にレーザ加工ヘッドを交換する必要があり、１個のワークにおける加工工程中に偏心回転によるとレーザ加工と通常のレーザ加工が存在する場合に、レーザ加工ヘッドを交換する必要が生じる。
【０００９】
この発明の目的は、偏心光学系を回転せしめる回転装置をレーザビームの光路中に移動させてレーザ加工を行うようにしたレーザ加工装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
この発明のレーザ加工装置は、レーザ発振器より出力されたレーザビームを反射鏡で伝搬し、レーザ加工ヘッド内に備えたレンズなどの集光光学素子よりワークへ向けて照射してワークにレーザ加工を行うレーザ加工装置において、前記レーザ発振器と前記集光光学素子との間のレーザビームの経路中に、透過光学素子を備えた光学系用ホルダを配置し、この光学系用ホルダを回転自在かつ傾斜自在に設け、前記透過光学素子を前記レーザビームの経路中より退避せしめるべく、前記ホルダ用フレームを移動せしめる移動用作動装置を設けてなることを特徴とするものである。
【００１７】
したがって、ワークにレーザ加工を行う際、前記レーザ発振器と前記集光光学素子との間のレーザビームの経路中に、微小角度に傾斜させた透過光学素子を備えた光学系用ホルダを配置して、この光学系用ホルダを任意の回転数で回転させると共に傾斜せしめることにより、加工特性の向上が図られる。
【００１８】
すなわち、シングルモードのエネルギ分布を持つレーザ発振器において、低次モードを持つレーザ発振器と同等の切断特性が得られる。また、三軸直交型のレーザ発振器において、高速軸流型のレーザ発振器と同等の切断特性が得られる。
【００１９】
また、プラズマの発生しやすい無酸化切断においても適用すると、プラズマの発生が抑制される。
【００２０】
したがって、移動用作動装置を作動せしめることにより、前記ホルダ用フレームが移動されて前記透過光学素子が前記レーザビームの経路中より容易に退避される。
【００２１】
また、前記レーザ加工装置において、前記光学系用ホルダを回転せしめる回転装置が動力伝達装置と駆動モータからなると共に、前記光学系用ホルダを傾斜せしめる傾斜角度作動装置がリンクとアクチュエータからなることを特徴とするものである。
【００２２】
したがって、駆動モータを駆動せしめると、回転が動力伝達装置に伝達された後、光学系用ホルダが任意の回転数で回転される。また、アクチュエータを作動せしめると、リンクを介して光学系用ホルダが容易に傾斜される。
【００２３】
また、前記レーザ加工装置において、前記回転装置、前記傾斜角度作動装置および前記移動用作動装置を制御せしめる制御装置を備えてなることを特徴とするものである。
【００２４】
したがって、制御装置でもって前記回転装置、前記傾斜角度作動装置および前記移動用作動装置が制御される。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２６】
図１を参照するに、レーザ加工装置１はレーザ発振器３を備えており、このレーザ発振器３から出力されたレーザビームＬＢは、レーザ発振器３の前方（図１において右方）に設けられた反射鏡５へ伝搬される。そして、この反射鏡５の図１において下方にはレーザ加工ヘッド７が設けられている。このレーザ加工ヘッド７内にはレンズなどの集光光学素子９が備えられている。
【００２７】
上記構成により、レーザ発振器３より出力されたレーザビームＬＢを反射鏡５で伝搬し、レーザ加工ヘッド７内に備えたレンズなどの集光光学素子９よりワークＷへ向けて照射してワークＷにレーザ加工が行われることになる。
【００２８】
前記レーザ発振器３と前記集光光学素子９との間のレーザビームＬＢの経路中（とりわけ図においては前記レーザ発振器３と前記反射鏡５の間）には、光学系用ホルダ装置１１が設けられている。この光学系用ホルダ装置１１としては、透過光学素子１３を備えた光学系用ホルダ１５が回転自在かつ傾斜自在に設けられている。したがって、ワークＷにレーザ加工を行う際、前記レーザ発振器３と前記反射鏡５との間のレーザビームＬＢの経路中に配置した微小角度に傾斜させた透過光学素子１３を備えた光学系用ホルダ１５を任意の回転数で回転させると共に傾斜せしめることによりレーザビームのエネルギ分布を変化させることができる。而して、最適なエネルギ分布となり加工特性の向上を図ることができる。
【００２９】
前記光学系用ホルダ装置１１を、図２を参照してより詳細に説明すると、ベース１７が備えられており、このベース１７上には図２において上下方向へ延伸したガイドレール１９が敷設されている。このガイドレール１９上にはホルダ用フレーム２１が図２において上下方向へ移動自在に設けられている。そして、このホルダ用フレーム２１上には複数の軸受け２３でもって中空の回転体２５が設けられている。この回転体２５の図２において左端には動力伝達装置のうちのプーリ２７が一体化されている。
【００３０】
前記ホルダ用フレーム２１上には回転装置のうちの駆動モータ２９が取り付けられており、この駆動モータ２９には出力軸３１を介して駆動プーリ３３が連結されている。しかも、この駆動プーリ３３と前記プーリ２７とにはベルト３５が巻回されている。
【００３１】
上記構成により、駆動モータ２９を駆動せしめると、出力軸３１を介して駆動プーリ３３が回転されると、ベルト３５、プーリ２７を介して回転体２５が回転されることになる。
【００３２】
前記回転体２５の図２において右端の上部側壁にはリンク３７が一体化されていると共に、このリンク３７にはピン３９でもって前記透過光学素子１３を備えた光学系用ホルダ１５の上部が揺動可能に設けられている。前記光学系用ホルダ１５の下部には別のリンク４１がピン４３でもつて装着されている。前記リンク４１は別の中空の回転体４５の下部における左側壁に一体化されている。しかも、この回転体４５は軸受け４７でもって揺動フレーム４９に回転可能に設けられている。
【００３３】
前記ホルダ用フレーム２１上には傾斜角度作動装置のうちのアクチュエータとしてのシリンダ５１が設けられており、このシリンダ５１に装着されたピストンロッド５３の先端が前記揺動フレーム４９に取り付けられている。
【００３４】
上記構成により、シリンダ５１を作動させピストンロッド５３を図２において右方へ移動せしめると、揺動フレーム４９が右方へ移動されて回転体４５およびリンク４１を介して透過光学素子１３を備えた光学系用ホルダ１５がピン３９を支点として図２において反時計方向廻りに回動してレーザビームＬＢの光軸に対して任意の傾斜角度でもって傾斜されることになる。
【００３５】
前記ベース１７上には移動用作動装置としての例えばシリンダ５５が設けられており、このシリンダ５５に装着されたピストンロツド５７の先端には前記ホルダ用フレーム２１が固定されている。
【００３６】
上記構成により、シリンダ５５を作動させピストンロツド５７を図２において下方へ縮めると、図３に示されているように、ホルダ用フレーム２１が下方へ移動しレーザビームＬＢの光軸に対して透過光学素子１３を備えた光学系用ホルダ１５が退避されることになる。
【００３７】
したがって、駆動モータ２９を駆動せしめると、回転が動力伝達装置の駆動プーリ３３、ベルト３５、プーリ２７を介して回転体２５に伝達された後、透過光学素子１３を備えた光学系用ホルダ１５が任意の回転数で回転されることによりレーザビームのエネルギ分布を変化させることができる。また、アクチュエータのシリンダ５１を作動せしめると、リンク４１を介して光学系用ホルダ１５を容易に傾斜させることができる。
【００３８】
また、移動用作動装置のシリンダ５５を作動せしめることにより、前記ホルダ用フレーム２１が移動されて前記透過光学素子１３を前記レーザビームＬＢの経路中より容易に退避させることができる。
【００３９】
しかも、前記回転装置の駆動モータ２９、前記傾斜角度作動装置のシリンダ５１および前記移動用作動装置のシリンダ５５は制御装置としての例えばＣＮＣ装置の制御コードを使用して制御せしめることができる。
【００４０】
したがって、ワークＷにレーザ加工を行う際、前記レーザ発振器３と前記集光光学素子９との間のレーザビームＬＢの経路中に、微小角度に傾斜させた透過光学素子１３を備えた光学系用ホルダ１５を配置して、この光学系用ホルダ１５を任意の回転数で回転させることによりレーザビームのエネルギ分布を変化させることができる。而して、最適なエネルギ分布となり加工特性の向上を図ることができる。
【００４１】
すなわち、シングルモードのエネルギ分布を持つレーザ発振器３において、低次モードを持つレーザ発振器３と同等の切断特性を得ることができる。また、三軸直交型のレーザ発振器３において、高速軸流型のレーザ発振器３と同等の切断特性を得ることができる。
【００４２】
また、プラズマの発生しやすい無酸化切断においても適用すると、プラズマの発生を抑制せしめることができる。前記レーザビームモードをレーザ発振器固有のレーザビームモードとすることにより、より一層の最適なエネルギ分布となり加工特性の向上を図ることができる。
【００４３】
前記透過光学素子１３を備えた光学系用ホルダ１５をレーザビームＬＢの光軸に対して傾斜させる傾斜角度θの値は、レーザ加工方法によって異なるが、角度の設定範囲は２．５〜２０度である。レーザ加工方法によつて最適な設定角度を持った光学系用ホルダ１５を用意して交換する必要がある。
【００４４】
傾斜角度θを調整する機構を備えることにより、異なるレーザ加工方法において光学系用ホルダ１５を交換する必要がなくなる。さらに、光学系用ホルダ１５を退避せしめるスライド機構を備えることにより、本装置を使用する場合と使用しない場合の切り替えを、ＣＮＣ装置のプログラムなどの制御により自動で行うことができる。
【００４５】
しかも、レーザ発振器３の出力ミラーから集光光学系７までの位置に傾斜させた透過光学素子１を配置し、集光されていないレーザビームＬＢを光軸からＲ０．０５〜１mmオフセットさせ、集光光学系７に導く。この方式では、理論上集光された焦点位置におけるオフセット量はゼロとなる。このため、理論は回転のない効果はないと考えられるが、回転によりレーザビームＬＢのエネルギ分布が変化しているために、モード係数（レーザビームＬＢの質を表す係数でＭ2 で表す。モード係数はＭ2 ＝１がシングルモードと呼ばれ最も品質が良いとされ集光径を小さく絞ることができる。）が大きくなる。モード係数が大きいほど集光径が大きくなるため、切断幅が広くなり、アシストガスに酸素を用いたＳＵＳの切断で発揮することができる。切断幅が狭いため、軟鋼板の切断、ＳＵＳの無酸化切断なども可能である。テストを行った傾斜角は軟鋼の場合２．５度、ＳＵＳの酸素切断の場合２０度である。ただし、傾斜角度の最適化は行っていないため、これらの数値は変動する場合がある。
【００４６】
実際に、改造してモード係数Ｍ2 を２．２に向上させたレーザ発振器の場合、ＳＳ４００、１９ｔは通常の状態で切断不可能であったが、本装置を使用することにより、モード係数が大きい場合（無改造、Ｍ2 ＝３．８）と同じ加工速度で切断可能となった。ステンレスの無酸化切断については、本装置を使用することによりプラズマの発生が抑制され、１０〜２０％の速度向上を図ることができる。
【００４７】
また、本装置は、ＮＣ装置のプログラミング指令などにより、オンテマンド（使用したいときに挿入し、使用後は光路から離脱させる）で用いることができるため、自動化ラインに容易に組み込むことができる。
【００４８】
なお、この発明は、前述した発明の実施の形態に限定されることなく、適宜な変更を行うことにより、その他の態様で実施し得るものである。
【００４９】
【発明の効果】
以上のごとき発明の実施の形態の説明より理解されるように、本発明によれば、ワークにレーザ加工を行う際、前記レーザ発振器と前記集光光学素子との間のレーザビームの経路中に、微小角度に傾斜させた透過光学素子を備えた光学系用ホルダを配置して、この光学系用ホルダを任意の回転数で回転させることによりレーザビームは微小半径の円を描くことができる。而して、加工特性の向上を図ることができる。
【００５０】
すなわち、シングルモードのエネルギ分布を持つレーザ発振器において、低次モードを持つレーザ発振器と同等の切断特性を得ることができる。また、三軸直交型のレーザ発振器において、高速軸流型のレーザ発振器と同等の切断特性を得ることができる。
【００５１】
また、プラズマの発生しやすい無酸化切断においても適用すると、プラズマの発生を抑制せしめることができる。
【００５２】
しかも、透過光学素子を未使用のときにはレーザビームの経路中より容易に退避せしめることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明のレーザ加工装置の説明図である。
【図２】図１におけるII矢視部の平面拡大図である。
【図３】この発明の作用説明図である。
【符号の説明】
１  レーザ加工装置
３  レーザ発振器
５  反射鏡
７  レーザ加工ヘッド
９  集光光学素子
１１  光学系ホルダ装置
１３  透過光学素子
１５  光学系用ホルダ
１７  ベース
２１  ホルダ用フレーム
２５  回転体
２７  プーリ（動力伝達装置）
２９  駆動モータ
３３  駆動プーリ
３５  ベルト
３７  リンク
３９  ピン
４１  リンク
４３  ピン
４５  回転体
４９  揺動フレーム
５１  シリンダ（傾斜角度作動装置）
５５  シリンダ（移動用作動装置）
【図１】
0004454065.tif 000002
【図２】
0004454065.tif 000003
【図３】
0004454065.tif 000004