(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工ノズルの開口からレーザビームを照射するとともに、該加工ノズルの開口から加工ガスを噴出することによって切断加工を行うレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドにおいて、
レーザビームの光軸に対して前記加工ノズルの開口中心が、相互に一致した位置と互いに偏心した位置とに変位する態様で前記加工ノズルの開口形状を実質的に変更するアパーチャ部材を移動可能に配設するとともに、前記アパーチャ部材の位置を規定するアパーチャ規定手段を設けたことを特徴とするレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド。
【請求項２】
前記アパーチャ規定手段は、切断加工開始時において前記加工ノズルの開口中心をレーザビームの光軸に対して切断方向と反対方向に偏心させる一方、切断溝形成後において前記レーザビームの光軸に前記加工ノズルの開口中心を一致させるものであることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ加工装置のレーザ加工ヘッドに関し、特に切断加工開始点の加工品質を向上させるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１に示すレーザ加工装置のブロック図に基づいてレーザ加工装置について概説する。
【０００３】
レーザ加工装置３０は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により発振したレーザビーム７を伝送する複数のミラー１２と、レーザビーム７を集光する加工レンズ１３と、加工レンズ１３を保持する加工ヘッド本体３とを有し、加工ヘッド本体３には加工ガスを供給する加工ノズル２を取り付けて、ガス供給装置１４から加工ガス６を供給している。
【０００４】
加工ガス６の供給量は加工ノズル２とガス供給装置１４との間に設けたガスバルブ１５により調整する。ガスバルブ１５とレーザ発振器１１とをさらに制御装置１６に接続し、加工ガス６の供給量とレーザ発振器１１のビーム出力とを制御する。ガス供給装置１４は、例えば、酸素（O2）ガスや窒素（N2）ガスを収容したガスボンベ、または高圧空気を供給するコンプレッサで構成されている。
【０００５】
レーザ発振器１１により発振したレーザビーム７は、複数のミラー１２により、加工ヘッド本体３内に設けられた加工レンズ１３に伝送される。レーザビーム７は加工レンズ１３により集光され、加工ノズル２の先端からワーク５に照射される。一方、ガス供給装置１４から供給した加工ガス６は、ガスバルブ１５により供給量を調整された状態で加工ノズル２の開口８からワーク５に噴出する。この結果、図１２に示すように、ワーク５においてレーザビーム７が走査した部分に切断溝５ａが形成されて、切断加工が行われる。ここで、切断溝５ａが形成された後においては加工ガス６と溶融金属が切断溝５ａに沿ってスムーズに流れることになる。
【０００６】
しかしながら、図１３に示すように切断加工開始点には切断溝が形成されていないので、図１４及び図１５に示すように、加工ガス６の流れ方向と溶融金属１０の流れ方向を決定する要素がなく、ワーク５の表面の形状により、加工ガス６と溶融金属１０の流れ方向が決定される。
【０００７】
このため、図１６に示すように、ワーク５の切断加工開始点近傍において、切断溝５ａに蛇行する部分が生じ、形状精度の高い加工が困難であるという問題を有していた。
【０００８】
かかる問題を解決するものとして、特開平２−３０３８８号公報にレーザ切断方法の発明が開示されている。この公報に開示された発明は、切断加工の精度が不安定になりやすい切断加工開始点近傍において、加工速度を遅くして、溶融金属の表面形状による擾乱を小さくし、加工精度を上げるものである。
【０００９】
このほかに切断加工開始点近傍の加工精度を上げるものとして、特開平１１−７８８号公報にレーザ加工方法とレーザ加工機の加工ノズルの発明が開示されている。この発明にかかるレーザ加工機のレーザ加工ヘッドは、図１７に示すように、加工ヘッド本体３に回転可能に取り付けた加工ノズル２と、加工ノズル２に固着した帯状ギヤ２１と、帯状ギヤ２１と噛合する駆動ギヤ２０と、駆動ギヤ２０が取り付けられたモータ２２とを有している。図１８に示すように、加工ノズル２の開口８の開口中心９はレーザビーム７の光軸１に対して偏心した位置に配置している。
【００１０】
この加工ヘッドを用いて切断加工をする場合には、レーザビーム７の光軸１を加工ノズル２の回転中心として偏心方向を制御し、加工ノズル２の開口８の開口中心９とレーザビーム７の光軸１との位置関係を決定する。図１８に示すように加工ノズル２の開口８の開口中心９とレーザビーム７の光軸１との位置関係から加工ガス６と溶融金属１０の流れ方向を決定し、切断加工開始点近傍の形状精度を上げることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平２−３０３８８号公報に開示されたレーザ切断方法によれば、加工速度を遅くすると軟鋼を切断加工する際に部分的に入熱過多となり、バーニングが発生して加工面が乱れるという問題を内包している。このため、実際にこの発明にかかるレーザ切断法を実施する際には、加工速度を制御するだけでなく、レーザ出力を同期して低下させなければならなかった。
【００１２】
ＣＯ2レーザやロッド型固体レーザにおいて、レーザ出力を低下するためには励起エネルギーを低下させる必要があるが、レーザビーム形状や収束性、ポインティング等が変化するため、制御が非常に複雑になるという問題を有している。
【００１３】
また、特開平１１−７８８号公報に開示されたレーザ加工方法によれば、加工ノズルの開口中心とレーザビームの光軸とが常に偏心されているために、安定的に高品質な切断面を得るためには、偏心方向を常に切断方向に一致させる必要があり、切断溝形成後の切断加工では、偏心方向の制御が非常に煩雑になるという問題を有している。
【００１４】
更に、図１９に示すような鋭角の部分を含む形状を切断する場合には、偏心方向を切断方向に一致させたままで方向転換を行う必要がある。このため、図１９に示す鋭角部の頂点において、加工ノズル２を時計回りあるいは反時計回りに回転させて加工を実施した場合には、図２０又は図２１に示すような、不均一な切断溝形状となり、形状精度が劣化するという問題が発生する。
【００１５】
この発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、切断加工開始点においても安定した高品質な切断面を得ることができ、鋭角形状を含む場合にも簡便な制御により高精度な切断加工を実現するレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを得ることを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドは、加工ノズルの開口からレーザビームを照射するとともに、該加工ノズルの開口から加工ガスを噴出することによって切断加工を行うレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドにおいて、レーザビームの光軸に対して前記加工ノズルの開口中心が、相互に一致した位置と互いに偏心した位置とに変位する態様で前記加工ノズルの開口形状を実質的に変更するアパーチャ部材を移動可能に配設するとともに、前記アパーチャ部材の位置を規定するアパーチャ規定手段を設けたことを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、レーザビームの光軸に対して加工ノズルの開口中心が、相互に一致した位置と互いに偏心した位置とに変位する態様で加工ノズルの開口形状を実質的に変更するアパーチャ部材を移動可能に配設するとともに、アパーチャ部材の位置を規定するアパーチャ規定手段を設けたので、アパーチャ部材を移動することにより加工ノズルの開口形状を実質的に変更しレーザビームに対する加工ノズルの開口中心の位置を偏心した位置に規定することができるとともに、加工ノズルの開口中心をレーザビームの光軸に一致した位置に規定することができる。
【００２４】
つぎの発明にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドは、上記の発明において、前記アパーチャ規定手段は、切断加工開始時において前記加工ノズルの開口中心をレーザビームの光軸に対して切断方向と反対方向に偏心させる一方、切断溝形成後において前記レーザビームの光軸に前記加工ノズルの開口中心を一致させるものであることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、アパーチャ規定手段は、切断加工開始時において加工ノズルの開口中心をレーザビームの光軸に対して切断方向と反対方向に偏心させる一方、切断溝形成後においてレーザビームの光軸に加工ノズルの開口中心を一致させるものであるので、切断加工開始時において加工ノズルの開口中心をレーザビームに対して切断方向と反対方向に偏心した位置に規定することができ、切断溝形成後においてレーザビームの光軸に加工ノズルの開口中心を一致させる位置に規定することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２７】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１にレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図、図２は図１に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドから噴出する加工ガスの流れを示す図、図３はワークの切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図、図４はワークの切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの上方から見た図、図５はワークの切断加工開始点近傍の切断軌跡を示す図である。
【００２８】
実施の形態１にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドは、図１１に示したものと同様のレーザ加工装置に適用されるものである。すなわち、本発明が適用対象とするレーザ加工装置は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により発振したレーザビーム７を伝送する複数のミラー１２と、レーザビーム７を集光する加工レンズ１３と、加工レンズ１３を保持する加工ヘッド本体３から構成されている。また、加工ヘッド本体３には加工ガス６を供給する加工ノズル２を取り付けてガス供給装置１４から加工ガス６を供給するようにしている。更に、加工ガス６の供給量を加工ノズル２と、ガス供給装置１４との間に設けられたガスバルブ１５により調整するようにしている。加えて、ガスバルブ１５と、レーザ発振器１１とを制御装置１６に接続し、加工ガス６の供給量とレーザ発振器１１の出力とを制御するようにしている。
【００２９】
本実施の形態１にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドでは、加工ノズル２をレーザビーム７の光軸１と相対的に移動可能に構成している。つまり、加工ヘッド本体３と加工ノズル２とを前後及び左右に移動可能に構成し、加工ヘッド本体３と加工ノズル２との間に加工ノズル２を前後に作動する直動アクチュエータ４ａと、左右に作動する直動アクチュエータ４ｂとを介在させることにより、加工ヘッド本体３に対して加工ノズル２の相対的位置を変更することができる。すなわち、加工ヘッド本体３に内蔵された加工レンズ１３と加工ノズル２との関係において相対的位置を変更できるので、集光されたレーザビーム７の光軸１と加工ノズル２の開口８の開口中心９との相対的位置を変更することができる。
【００３０】
なお、初期位置において加工ノズル２の開口８の開口中心９とレーザビーム７の光軸１とを一致させる位置に設定し、直動アクチュエータ４ａと直動アクチュエータ４ｂを駆動させることにより加工ノズル２の開口８の開口中心９がレーザビーム７の光軸１に対して任意の方向に任意の量偏心させることができるように構成する。
【００３１】
また、制御を簡便なものとするために加工ヘッド本体３と加工ノズル２との間に介在させる直動アクチュエータ４ａと直動アクチュエータ４ｂとを加工ヘッド本体３の上方から見ると直交するように配置することが好ましい。
【００３２】
また、ここで用いる直動アクチュエータ４ａ、４ｂには、ピエゾ素子、ソレノイド、シリンダ、モータその他のものが含まれ、所望の偏心量を得ることができるものである。
【００３３】
本実施の形態１にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを適用したレーザ加工装置によるワーク５の切断加工について説明する。
【００３４】
レーザ発振器１１により発振したレーザビーム７は、複数のミラー１２により加工ヘッド本体３内に設けられた加工レンズ１３に伝送される。レーザビーム７は加工レンズ１３により集光され、加工ノズル２の先端からワーク５に照射する。一方、ガス供給装置１４から供給した加工ガス６はガスバルブ１５により供給量を調整された状態で加工ノズル２の開口８から噴出する。レーザビーム７と加工ガス６とが協働することにより、ワーク５が加工される。
【００３５】
切断溝５ａが形成されていないワーク５の加工を開始する時には、二つの直動アクチュエータ４ａと４ｂにより、レーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に加工ノズル２を偏心させる。加工ノズル２が切断方向と反対方向に偏心すると、加工ガス６の流れ方向を加工ノズル２の偏心方向に限定することができるので、溶融金属１０の流れ方向も加工ノズル２の偏心方向に限定することができる。したがって、切断加工開始点における蛇行を防止することができ、図５に示すような、高品質な切断面を得ることができる。
【００３６】
なお、二以上の直動アクチュエータ４ａと４ｂを設置した場合には、偏心方向を任意に設定することができるので、任意の方向の切断加工においても、その切断加工開始点での加工精度を向上させることができる。
【００３７】
切断加工開始点に切断溝５ａが形成された後、レーザビーム７の光軸１と、加工ノズル２の開口８の開口中心９を一致させる。このとき、既に切断溝５ａが形成されているので、加工ガス６と溶融金属１０が切断溝５ａに沿って流れる。したがって、切断品質が低下することはない。
【００３８】
切断加工開始時以外では、加工ノズル２の開口８の開口中心９とレーザビーム７の光軸１を一致させるために、図１９に示すような形状切断の場合においても、偏心方向を制御する必要がなく、形状精度を落とさずに切断加工を行うことができる。
【００３９】
なお、切断加工開始時は、ワーク５に切断加工がされていないときに切断加工を開始する時点を指すことはもちろん、切断方向を大きく変更する時点、たとえば、直角に曲がる時点も含まれる。
【００４０】
実施の形態１にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドは、アクチュエータを二つの直動アクチュエータ４ａと４ｂとにより構成しているが、切断加工開始時の切断方向が一定の方向に限定されているレーザ加工装置によれば、切断加工開始時に加工ノズル２の開口８の開口中心９を偏心させる方向も限定されるので、切断方向と同じ方向に一の直動アクチュエータ４を取り付けることにより、加工ノズル２の開口８の開口中心９をレーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に偏心することができる。
【００４１】
実施の形態２．
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、加工ノズル２を一又は二以上の直動アクチュエータにより相対的に移動可能に構成するものとしたが、本実施の形態では、アクチュエータを一の直動アクチュエータ４と一の回転アクチュエータ２２とにより構成している。
【００４２】
図６を参照して実施の形態２にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドについて説明する。なお、図６は実施の形態２にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図である。
【００４３】
本実施の形態２にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドでは、加工ヘッド本体３を回転可能に配設するとともに、加工ヘッド本体３と加工ノズル２とを左右に移動可能に構成している。そして、加工ヘッド本体３は加工ヘッド本体３の周りに形成された帯状ギヤ２１と帯状ギヤ２１と噛合する駆動ギヤ２０とを介してモータ２２により回転し、加工ノズル２は直動アクチュエータ４により左右に移動する。すなわち、集光されたレーザビーム７の光軸１と加工ノズル２の開口８の開口中心９との関係において、相対位置を変更することができる。
【００４４】
この発明にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドは、切断加工開始点において、モータ２２がレーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に偏心方向を一致させるとともに、直動アクチュエータ４がレーザビーム７の光軸１と加工ノズル２の開口８の開口中心９とを偏心させる。
【００４５】
すなわち、レーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に加工ノズル２の開口８の開口中心９を偏心させ、切断品質の低下を防止するものである。
【００４６】
したがって、ワーク５の切断加工を開始する時には、モータ２２を回転させて加工ヘッド本体３の向きをレーザビーム７の光軸１に対して切断方向と偏心方向が反対方向になるように位置決めするとともに、直動アクチュエータ４により加工ノズル２の開口８の開口中心９を偏心させる。この結果、レーザビーム７の光軸１に対して切断方向と加工ノズル２の開口８の開口中心９とが反対方向に位置することになり、実施の形態１の場合と同様に切断品質を向上することができる。
【００４７】
切断加工開始点に切断溝５ａが形成された後、直動アクチュエータ４を駆動することによりレーザビーム７の光軸１に加工ノズル２の開口８の開口中心９を一致させるので、加工ガス６と溶融金属１０が切断溝５ａに沿って流れる。
【００４８】
切断溝５ａが形成された後は、加工ノズル２の開口８の開口中心９とレーザビーム７の光軸１を一致させるために、図１９に示すような形状切断の場合においても、偏心方向を制御する必要がなく、形状精度を落とさずに切断加工を実施することができるのは、実施の形態１にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドと同様である。
【００４９】
なお、直動アクチュエータ４のみを駆動することにより、レーザビーム７の光軸１に加工ノズル２の開口８の開口中心９を一致させることができるので、簡便な制御でレーザ加工装置を稼動させることができる。
【００５０】
実施の形態３．
図７〜図１０を参照しながら、実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを説明する。図７は、実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図、図８は図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの詳細構成を示す断面図、図９は図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの詳細構成を示す断面図、図１０はワーク切断加工開始点における加工ガスの流れを図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図である。
【００５１】
実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドには、アパーチャ部材１７を有する加工ノズル２が取り付けられている。アパーチャ部材１７は加工ノズル２の開口８の面積を絞るものであり、図８に示すような開放状態から図９に示すような絞り状態へと変更することができる。
【００５２】
実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドが切断加工を開始する時には、図９に示す位置にアパーチャ部材１７を移動し、加工ノズル２の開口８の開口中心９をレーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に位置する。
【００５３】
切断加工開始点に切断溝５ａが形成された後、アパーチャ部材１７を移動して、加工ノズル２の開口８の開口中心９をレーザビーム７の光軸１に一致させるので、加工ガス６と溶融金属１０が切断溝５ａに沿って流れる。
【００５４】
このように加工ノズル２の開口８の開口中心９をレーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に位置することにより、実施の形態１及び実施の形態２にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドと同様に、切断加工開始点の不安定性を解消し、高品質な切断面を有する切断加工を行うことができる。
【００５５】
なお、実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドによれば、加工ヘッド本体３に対して加工ノズル２を相対的に移動させなくてもアパーチャ部材１７を移動することにより開口８の開口中心９をレーザビーム７の光軸１に対して相対的に移動することができる。
【００５９】
【発明の効果】
この発明によれば、アパーチャ部材を移動することにより加工ノズルの開口形状を実質的に変更しレーザビームに対する加工ノズルの開口中心の位置を偏心した位置に規定することができるとともに、加工ノズルの開口中心をレーザビームの光軸に一致した位置に規定することができるので、加工ノズルを移動させることなく、切断加工開始時において加工ガスの流れ方向を切断方向と反対方向に限定でき高品質な切断面を得ることができる。また、切断溝形成後において加工ガスの流れ方向がレーザビームの光軸に一致するので、鋭角形状を含む切断加工であっても複雑な制御をすることなく高品質な切断面を得ることができる。
【００６０】
つぎの発明によれば、切断加工開始時において加工ノズルの開口中心をレーザビームに対して切断方向と反対方向に偏心した位置に規定することができ、切断溝形成後においてレーザビームの光軸に加工ノズルの開口中心を一致させる位置に規定することができるので、加工ノズルを移動させることなく、切断加工開始時において加工ガスの流れ方向を切断方向と反対方向に限定でき高品質な切断面を得ることができる。また、切断溝形成後において加工ガスの流れ方向がレーザビームの光軸に一致するので鋭角形状を含む切断加工であっても複雑な制御をすることなく高品質な切断面を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１であるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの構成を示す図である。
【図２】  図１に示したレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドから噴出する加工ガスの流れを示す図である。
【図３】  ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れを図１に示したレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図である。
【図４】  ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れを図１に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの上方から見た図である。
【図５】  ワークの切断開始点近傍の切断軌跡を示す図である。
【図６】  実施の形態２にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図である。
【図７】  実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図である。
【図８】  図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの詳細構成を示す断面図である。
【図９】  図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの詳細構成を示す断面図である。
【図１０】  ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れを図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図である。
【図１１】  レーザ加工装置のブロック図である。
【図１２】  加工ガスの流れを示す図である。
【図１３】  ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの上方から見た図である。
【図１４】  ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの側方から見た図である。
【図１５】  ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図である。
【図１６】  ワークの切断加工開始点近傍における切断軌跡を示す図である。
【図１７】  従来の技術にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図である。
【図１８】  図１７に示したレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドにおいて、ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図である。
【図１９】  形状切断時の溶融金属の流れを説明するための図である。
【図２０】  形状切断時の切断溝形状を説明するための図である。
【図２１】  形状切断時の切断溝形状を説明するための図である。
【符号の説明】
１  光軸、２  加工ノズル、３  加工ヘッド本体、４，４ａ，４ｂ  直動アクチュエータ、５  ワーク、５ａ  切断溝、６  加工ガス、７  レーザビーム、８開口、９  開口中心、１０  溶融金属、１１  レーザ発振器、１２  ミラー、１３  加工レンズ、１４  ガス供給装置、１５  ガスバルブ、１６  制御装置、１７  アパーチャ部材、２０  駆動ギヤ、２１  帯状ギヤ、２２  モータ（回転アクチュエータ）。
【図１】
0004037152.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004037152.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
0004037152.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0004037152.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
0004037152.tif 000020
【図２０】
0004037152.tif 000021
【図２１】
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