(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏心レーザービームを回転させるレーザー切断方法において、切断進行方向と切断される製品との位置関係により、前記偏心レーザービームの回転方向を切断される製品が切断進行方向に対して左側に位置するときは反時計方向に、前記切断される製品が切断進行方向に対して右側に位置するときは時計方向に変更することを特徴とするレーザー切断方法。
【請求項２】
レーザービームを集光する集光レンズの下方位置に、該レーザービームを前記集光レンズの光軸から偏心させる回転駆動自在の偏心用光学系を設けると共に、前記偏心用光学系からのレーザービームを通過させると共に、アシストガスを同軸に噴射させるアシストガスノズルとを設けたレーザー加工ヘッドにして、前記偏心用光学系を回転駆動するサーボモーターを設け、該サーボモーターの回転方向を切断進行方向と切断される製品との位置関係により、切断される製品が切断進行方向に対して左側に位置するときは反時計方向に、前記切断される製品が切断進行方向に対して右側に位置するときは時計方向にＮＣ装置により回転制御すると共に、前記サーボモーターの回転数を製品切断速度とレーザービームの回転数との関係式から求めることを特徴とするレーザー加工ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザー切断方法および同切断方法に使用するレーザー加工ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本願出願人は本願発明に関連するレーザー切断方法および同切断方法に使用するレーザー加工ヘッドの発明を出願中（特願平８−３０５０３１号）である。
【０００３】
前記出願中の発明のレーザー切断方法は、軟鋼板の厚板（１９〜２５ｍｍ程度）を実用的な精度で切断できる方法であって、例えば、図６および図７に示す如き板厚ｔの軟鋼板のワークＷを切断する場合、レーザー加工ヘッド（図示省略）の軸心からδだけ偏心して集光されたレーザービームを、この加工ヘッドの軸心を中心として半径δで高速で回転させると共に、アシストガスをワークＷの切断部に噴射し、ワークＷをレーザー加工ヘッドに対して切断ライン１０１に沿って相対的に移動させるものである。
【０００４】
前記レーザー切断方法においては、集光されたレーザーの微小なビームスポット１０３が半径δで回転しながら切断ライン１０１方向に移動して、切断フロント（切断過程にある領域）１０５の一部分を少しずつ高速度で切断または除去していく。この切断フロント１０５部分の深さΔＨは微小量であるので、酸素などのアシストガスが切断フロント１０５の底部まで十分に供給され、酸化反応が活発となり反応熱が発生すると共に、アシストガスによって溶融した金属の排出が直ちに行われワークＷは切断幅Ａ（２δ）で切断が進行することになる。
【０００５】
前記切断過程において、レーザービームが１回転したときに除去される切断フロント部１０５の体積は、三日月状部分の面積（Ｓ）×深さΔＨからなる微小体積となる。さらに、レーザービームの度重なる回転によって、切断フロント部１０５は結果的に予熱されている状態が形成されて昇温が助長されるので、２ｋＷ程度の中出力レーザーによる厚板鋼板（１９〜２５ｍｍ）切断を実用的精度で可能としたものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記本願出願人の出願中の発明のレーザー切断方法においては、切断移動中にレーザービームを回転させるので、切断溝の左右におけるレーザービームのワークに対する相対速度が相違する。このことから、例えば、ワークＷ上面から見てレーザービームが反時計方向に回転している場合には、切断進行方向に向かって切断溝左岸の切断品質が右岸より良好となり、右岸の下面は「面えぐれ」、「ドロス付着」などが発生し切断品質が悪化する。したがって、この切断方法においては切断された片側を生かす切断方法が必要とされる。
【０００７】
本発明は前述の如き問題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は偏心レーザービームを回転させるレーザー切断方法において、切断される製品が常に良好な切断面で切断できる切断方法と同切断方法に使用するレーザー加工ヘッドを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する手段として、請求項１に記載のレーザー切断方法は、偏心レーザービームを回転させるレーザー切断方法において、切断進行方向と切断される製品との位置関係により、前記偏心レーザービームの回転方向を切断される製品が切断進行方向に対して左側に位置するときは反時計方向に、前記切断される製品が切断進行方向に対して右側に位置するときは時計方向に変更することを要旨とするものである。
【０００９】
したがって、請求項１に記載のレーザー切断方法によれば、切断溝の左右の切断品質が相違する偏心レーザービームを回転させる切断方法を使用しても、切断面に「面えぐれ」やドロスの付着が少ない良好な製品を得ることができる。
【００１１】
請求項２に記載のレーザーレーザー加工ヘッドは、レーザービームを集光する集光レンズの下方位置に、該レーザービームを前記集光レンズの光軸から偏心させる回転駆動自在の偏心用光学系を設けると共に、前記偏心用光学系からのレーザービームを通過させると共に、アシストガスを同軸に噴射させるアシストガスノズルとを設けたレーザー加工ヘッドにして、前記偏心用光学系を回転駆動するサーボモーターを設け、該サーボモーターの回転方向を切断進行方向と切断される製品との位置関係により、切断される製品が切断進行方向に対して左側に位置するときは反時計方向に、前記切断される製品が切断進行方向に対して右側に位置するときは時計方向にＮＣ装置により回転制御すると共に、前記サーボモーターの回転数を製品切断速度とレーザービームの回転数との関係式から求めることを要旨とするものである。
【００１３】
したがって、請求項２に記載のレーザ加工ヘッドによれば、切断進行方向と切断される製品との位置関係と、製品切断速度とレーザービームの回転数の関係式とから、製品切断面に「面えぐれ」やドロスの付着が少ない偏心レーザービームの回転方向と回転数とを自動的に設定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図面によって説明する。図１は本発明に係わるレーザー加工ヘッドの実施の形態を示したものである。図１を参照するに、レーザー加工ヘッド１は、レーザービームＬＢを集光する集光レンズ３と、この集光レンズからのレーザービームＬＢをこの集光レンズの光軸から偏心させる偏心用光学系としてのオプチカルフラット７と、このオプチカルフラット７を回転駆動するサーボモーター９と、アシストガスノズル１１などから構成してある。
【００１５】
前記集光レンズ３は中空円筒状の光学系支持部材１３の内径部にレンズホルダー１５を介して交換可能に螺着してある。また、光学系支持部材１３には集光レンズ３の下方位置にあってレーザービームＬＢを前記集光レンズ３の光軸から偏心させる偏心用光学系としてオプチカルフラット７が設けてある。
【００１６】
前記オプチカルフラット７は中空の回転筒１９の上端部に集光レンズ３の光軸と適宜な角度に傾斜させて設けてある。そして、この回転筒１９は前記光学系支持部材１３の内径部に離隔して設けた上下のベアリング１７を介して回転自在に設けてあり、回転筒１９のほぼ中間位置の外径部に従動プーリー２１が取付けてある。
【００１７】
前記光学系支持部材１３にはモーターブラケット２３が側方に張出して設けてあり、このモーターブラケット２３に前記サーボモーター９が取付けてある。そして、このサーボモーター９の出力軸に設けた駆動プーリー２５と前記従動プーリー２１との間にはベルト２７が掛け回してある。なお前記従動プーリー２１および駆動プーリー２５などには歯付きプーリーを使用するのが望ましい。
【００１８】
前記光学系支持部材１３の下端には前記オプチカルフラット７からのレーザービームを通過させると共に、アシストガスを同軸に噴射させるアシストガスノズル１１が設けてある。また、このアシストガスノズル１１の上部には酸素、窒素または空気などのアシストガスおよび空気中の塵埃が前記オプチカルフラット７の方に侵入するのを防止するための光学的に透明なウインド２９が取付けてあり、このノズル１１においてウインド２９の下方で側方位置には切断加工時に供給するアシストガス供給口３１が設けてある。
【００１９】
上記構成において、集光レンズ３からオプチカルフラット７に入射されたレーザービームＬＢは、回転筒１９の上端部に集光レンズ３の光軸５と適宜な角度に傾斜させて設けたオプチカルフラット７によって、ワークＷの表面において光軸５からδだけ偏心した位置に集光照射することができる。したがって、サーボモーター９を回転駆動すれば、オプチカルフラット７を支持した回転筒１９が回転させられるので、ワークＷの表面に集光されたレーザービームＬＢは前記光軸５を中心に半径δで円運動することになる。
【００２０】
なお、前記アシストガスノズル１１のアシストガスガス噴射口の口径はレーザービームの円運動に干渉しないように直径が２＊δ以上に設けてある。また、前記偏心用光学系としてのオプチカルフラット７に代えて光学ウエッジを使用することもできる。また、前記アシストガスノズル１１のノズル先端は交換自在なノズルチップとすることができる。
【００２１】
図１に示すように、前記サーボモーター９はＮＣ装置３３の制御の下に、その回転数（回転速度）および回転方向が図示省略のＣＰＵによって制御されるようになっている。さらに詳細には、ＮＣ装置３３には加工条件記憶部３５と切断形状プログラム部３７および回転数演算部３９とが設けてあり、回転数演算部３９では、加工条件記憶部３５からの加工速度データを基にして回転数が演算され、この回転数に基づいてモーター駆動部４１からサーボモーター９に適宜な制御指令（電圧値）を出力するようになっている。また、切断形状プログラム部３７からの回転方向指令に基づいてモーター駆動部４１においてサーボモーター９の回転方向が制御される。なお、前記サーボモーター９にはＡＣサーボモーター、ＤＣサーボモーターまたはステッピングモーターなどを使用できる。
【００２２】
前記加工条件記憶部３５には、後述の各種材質の板厚ｔと最大切断速度Ｆmax との関係式および切断速度Ｆとレーザービーム回転数Ｎとの関係式が登録してある。また、前記切断形状プログラム部３７には、自動プログラミング装置４３によって作成された切断形状プログラムが外部記憶装置４５を介して入力され、その切断形状プログラムが記憶してある。この切断形状プログラム部３７の中には、前述の偏心して回転するレーザービームの回転方向、材質および板厚指定、加工開始位置（ピアシング位置）、切断進行方向などの指令が含まれている。
【００２３】
なお、前記ＮＣ装置３３はレーザー制御部４７を介してレーザー発振器４９の出力を制御すると共に、レーザー加工機（図示省略）のワーク移動装置またはレーザー加工ヘッドを軸制御部５１、サーボアンプ５３および駆動モーター５５を介して位置決め制御できるようになっている。なお、前記加工条件記憶部３５の内容は表示装置を備えた加工条件編集部５７で適宜に編集することができる。
【００２４】
図２は、前述の自動プログラミング装置４３で、ワークＷの内側に製品Ｐを切断する場合の作業プロセスを説明したものである。まず、ワークＷの材質、板厚および使用するレーザー加工機を設定する。次に、切断形状（穴および外周）を自動プログラミング装置４３のディスプレー上に作成する。
【００２５】
この切断形状（穴および外周）の作成プロセスにおいては、切断開始点となるピアシング開始位置を指定すると共に、切断される製品Ｐが工具軌跡（切断線）が作る閉ループ曲線の内側になるのか外側になるのかを設定する。また、穴および外周の両方において、切断方向を時計回りとするのか、または反時計回りとするのかを設定し、製品Ｐの外周切断か内周切断かによって「工具径補正右」または「工具径補正左」（切断位置を進行方向に向かって右側または左側にずらすＮＣコード；Ｇ４２，Ｇ４１）かのどちらかのオフセットを指定する。すなわち、図２の製品Ｐの例においては、切断方向を時計回り、製品Ｐは閉ループ曲線の内側、製品Ｐの外周切断経路においては「工具径補正左」を、製品Ｐ内の穴部では「工具径補正右」を指定することになる。
【００２６】
なお、前記切断形状（穴および外周）の作成プロセスにおいて、偏心レーザービームの回転方向６１は、図３に示す４種類のパターンから自動プログラミング装置４３が自動的に判断してプログラム指令を設定する。
【００２７】
前記４種類のパターンは、切断進行方向５９と製品Ｐとの相対的位置関係から次の４種類のパターンに分類される。（ａ）切断進行方向５９が反時計回りで、製品Ｐが切断経路が作る閉ループ曲線Ｃの内側、（ｂ）切断進行方向が反時計回りで、製品Ｐが切断経路が作る閉ループ曲線Ｃの外側、（ｃ）切断進行方向が時計回りで、製品Ｐが切断経路が作る閉ループ曲線Ｃの内側、（ｄ）切断進行方向が時計回りで、製品Ｐが切断経路が作る閉ループ曲線Ｃの外側。
【００２８】
前記４種類のパターンにおいて、（ａ）と（ｄ）の場合は、ビームの回転方向６１は反時計回りの設定が選択され、（ｂ）と（ｃ）の場合はビームの回転方向６１は時計回りの設定が選択されるようになっている。すなわち、切断進行方向５９と切断される製品Ｐとの位置関係において、切断される製品Ｐが切断進行方５９向に対して左側に位置するときは反時計方向が、切断される製品Ｐが切断進行方向５９に対して右側に位置するときは時計方向の回転が選択されるようになっている。したがって、切断される製品Ｐ側の切断品質は常に良好になる。
【００２９】
以上の如き切断形状作成プロセスを経て、切断加工プログラムが自動プログラミング装置４３によって自動作成されて前記外部記憶装置４５に出力され、そして、この外部記憶装置４５から前記ＮＣ装置３３に入力されることになる。
【００３０】
図４および図５を参照するに、図４はＳＵＳ３０４における板厚と最大切断速度の関係を実験によって求めた結果をプロットしたものであり、横軸は切断板厚ｔ（ｍｍ）、縦軸は最大切断速度Ｆmax （ｍｍ／ｍｉｎ）を表す。なお、図４の中に示した関係式は、この実験データを自然対数曲線、Ｆmax ＝−２４７．７１Ｌｎ（ｔ）＋９７１．０６で近似したものである。したがって、このグラフ示される範囲の板厚ｔにおける最大切断速度Ｆmax （ｍｍ／ｍｉｎ）を上限として、プログラム中に切断速度Ｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）を設定することができる。
【００３１】
図５は図４と同じくＳＵＳ３０４における切断速度とレーザービームの回転数との関係を実験によって求めた結果をプロットしたものであり、横軸は切断速度Ｆ（ｍｍ／ｍｉｎ）、縦軸はビーム回転数Ｎ（ｒｐｍ）を表す。なお、図５の中に示した関係式は、この実験データを自然対数曲線、Ｎ＝−６１５．５１Ｌｎ（Ｆ）＋２０３１．４で近似したものである。したがって、プログラムによって切断速度Ｆが指定されれば、レーザービームの回転数Ｎを前記関係式から演算によって求めることができる。
【００３２】
なお、前記図４および図５のグラフと関係式はＳＵＳ３０４の例であるが、その他の材質においても同様に関係式が求められている。
【００３３】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、切断溝の左右の切断面品質が相違する偏心レーザービームを回転させる切断方法を使用しても、切断面に「面えぐれ」やドロスの付着が少ない良好な製品を得ることができる。
【００３４】
請求項２に記載の発明によれば、切断進行方向と切断される製品との位置関係と、製品切断速度とレーザービームの回転数の関係式とから、製品切断面に「面えぐれ」やドロスの付着が少ないレーザービームの回転方向と回転数とを自動的に設定することができるので、レーザービームの回転方向を間違えて製品側を不良にするようなことがない。また、材質、板厚および切断速度に係わるレーザービームの回転数が自動的に制御されるのでオペレーターによる調整誤差やミスを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるレーザー加工ヘッドの構成図。
【図２】自動プログラミング装置における作業プロセスの説明図。
【図３】切断進行方向と製品との相対的位置関係の４パターンにおけるレーザービームの回転方向の説明図。
【図４】ＳＵＳ３０４における板厚と最大切断速度の関係のグラフおよび関係式。
【図５】ＳＵＳ３０４における切断速度とレーザービームの回転数との関係のグラフおよび関係式。
【図６】レーザー加工ヘッドの軸心からδだけ偏心して集光されたレーザービームを半径δで回転させて厚板を切断する方法の説明図。
【図７】図６の断面図
【符号の説明】
１  レーザー加工ヘッド
３  集光レンズ
５  集光レンズの光軸
７  オプチカルフラット
９  サーボモーター
１１  アシストガスノズル
１９  回転筒
３３  ＮＣ装置
３５  加工条件記憶部
３７  切断形状プログラム部
３９  回転数演算部
４１  モーター駆動部
４３  自動プログラミング装置
４５  外部記憶装置
５７  加工条件編集部
５９  切断進行方向
６１  ビームの回転方向
Ｃ  閉ループ曲線
Ｐ  製品
Ｗ  ワーク
【図１】
0003943190.tif 000002
【図２】
0003943190.tif 000003
【図３】
0003943190.tif 000004
【図４】
0003943190.tif 000005
【図５】
0003943190.tif 000006
【図６】
0003943190.tif 000007
【図７】
0003943190.tif 000008