JP2014076477A - レーザ切断機 - Google Patents

Abstract

【課題】設備コストを抑えるとともに、省スペース化を図り、メンテナンス性を高めることを目的とする。
【解決手段】レーザ切断機１０は、基台１１上に、基台１１とは間隔を隔てて設けられ、加工対象物Ｗを支持する支持面２０ａを有した支持台２０と、前記支持台２０に対して相対移動可能とされ、前記支持台２０の前記支持面２０ａに向けてレーザ光を照射するレーザヘッド１４と、を備え、前記支持台２０は、前記支持面２０ａと、該支持面２０ａに対向する対向面２０ｂとを貫通する複数の貫通孔２５を有している。さらに、支持台２０の前記対向面２０ｂに対向して設けられた反射部材３０をさらに備えることもできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ切断機に関するものである。

レーザ切断機は、加工対象物を支持台上にセットし、加工対象物に対向させたノズルからレーザ光を照射しながら加工対象物とノズルとを相対移動させることで、加工対象物を切断する。

このようなレーザ切断機においては、加工対象物に照射したレーザ光は、加工対象物を、ノズルが設けられている側とは反対側まで貫通する。すると、加工対象物を支持する支持台等にレーザ光が照射され、反射や散乱が生じることになる。そこで、レーザ光が周囲に散乱するのを防ぐため、レーザ切断機全体を、カバーやウォーターカーテンによって覆っていた（例えば、特許文献１，２参照。）。

特開２０１０−４６６８６号公報 特公平３−３３４３８号公報

しかしながら、レーザ切断機全体をカバーやウォーターカーテンで覆ったのでは、設備コスト上昇の一因となる。また、レーザ切断機が大きな空間を占めることになり、作業空間の有効利用を妨げる可能性もある。さらに、メンテナンス等を行う際には、カバーを取り外したりしなければならず、これに手間がかかるという問題もある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、設備コストを抑えるとともに、省スペース化を図り、メンテナンス性を向上させることのできるレーザ切断機を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のレーザ切断機は以下の手段を採用する。
すなわち、本発明のレーザ切断機は、基台上に、該基台とは間隔を隔てて設けられ、加工対象物を支持する支持面を有した支持台と、前記支持台に対して相対移動可能とされ、前記支持台の前記支持面に向けてレーザ光を照射するレーザヘッドと、を備え、前記支持台は、前記支持面と該支持面に対向する対向面とを貫通する複数の貫通孔を有していることを特徴とする。
このようなレーザ切断機においては、支持台の支持面で加工対象物を支持し、レーザヘッドから加工対象物に向けてレーザヘッドを照射しつつ、レーザヘッドを支持台に対して相対移動させることで、加工対象物を所望の形状で切断する。加工対象物を切断することによって、加工対象物を貫通したレーザ光は、支持台の貫通孔を通り、支持台とは間隔を隔てた基台等で反射する。その反射光が貫通孔に斜めに入ると、貫通孔内で多重反射し、レーザ光のエネルギ密度が減衰される。

ここで、本発明のレーザ切断機は、前記支持台の前記対向面に対向して設けられた反射部材をさらに備えるのが好ましい。
この前記反射部材は、前記レーザヘッドからの前記レーザ光の光軸方向に対して傾斜した傾斜面を有するものとすることができる。傾斜面でレーザ光を反射することにより、その反射光を、貫通孔に対して斜めに入射させることができる。すると、反射光は、貫通孔内で多重反射し、レーザ光のエネルギ密度を効率良く減衰することができる。
傾斜面を有する前記反射部材は、前記光軸方向に対して傾斜した傾斜板が、互いに間隔を隔てて複数枚並べて設けられているものとすることができる。
傾斜面を有する前記反射部材は、断面三角形状の突条が、複数並べて設けられたものとすることもできる。

また、前記反射部材は、前記支持台の前記対向面に沿って互いに間隔を隔てた複数列に、それぞれ前記対向面から吊り下げられた磁性および可撓性を有する材料からなる紐状部材と、互いに隣接する前記紐状部材の列の間に配置され、両側の列の前記紐状部材の先端部を磁力により吸着する磁石部材と、を備えるものとすることもできる。
磁石部材により、両側の列の紐状部材の先端部を吸着することにより、先端部に行くにしたがい窄まる空間が形成される。支持台の貫通孔を透過したレーザ光は、この空間内で乱反射、多重反射することで、レーザ光のエネルギ密度が減衰される。
このような磁性と可撓性を有した紐状部材としては、例えば、鎖がある。さらに、紐状部材に鎖を用いた場合、鎖の表面でレーザ光を様々な方向に乱反射させ、レーザ光のエネルギ密度の減衰に有効に寄与できる。
また、このように支持台の下方に、先端部に行くにしたがい窄まる空間を形成することで、加工対象物の切断時に生じる溶融金属を捕捉することもできる。そして、磁石部材による紐状部材の先端部の吸着を解放すると、紐状部材は自重により鉛直に吊り下がり、先端部に行くにしたがい窄まった空間が下方に開放される。これにより、捕捉した溶融金属を下方に排出できる。
ここで、磁石部材は、例えば紐状部材の先端部に向けて下方から上方に進退させることにより、紐状部材の先端部どうしを吸着したり、その吸着を解放することができる。また、磁石部材として電磁石を用いることによって、先端部どうしの吸着・解放を切り換えることも可能である。

前記反射部材は、前記支持台の前記対向面に沿って互いに間隔を隔てて対向した爪部材を有し、前記爪部材の先端部どうしが互いに接近・離間可能とされている構成とすることもできる。このように互いに対向した爪部材の先端部どうしを接近させることにより、上記の紐状部材の場合と同様に、先端部に行くにしたがい窄まる空間を形成することができる。
そして、この、先端部に行くにしたがい窄まった空間で溶融金属を捕捉し、その重量によって爪部材が撓んで、互いに対向した爪部材の先端部どうしを解放させることもできる。これにより、補足した溶融金属を下方に排出できる。
この爪部材は、図示しないアクチュエータによって開閉するようにしても良いが、その場合、構造が複雑になってしまう。

また、本発明のレーザ切断機は、前記支持台の前記対向面に対向して設けられ、前記レーザ光のエネルギを吸収するエネルギ吸収材をさらに備えることもできる。

また、本発明のレーザ切断機は、前記レーザヘッドの周囲を覆い、前記支持台の前記貫通孔を通して前記支持面側に突き抜けるレーザ光を遮蔽するシールド部材がさらに備えられているものとすることができる。

さらに、前記支持台は、前記支持面側の一部が前記対向面側の残部と分割可能とされ、前記支持面側の一部のみ交換可能とされているようにしても良い。

本発明によれば、レーザ光の反射光が貫通孔内で多重反射することで、レーザ光のエネルギ密度が減衰される。これにより、レーザ光が周囲に与える影響を大幅に削減することができる。その結果、レーザ切断機全体を覆うカバーを小型化または省略して、設備コストを抑えるとともに、省スペース化を図り、メンテナンス性を高めることが可能となる。

本発明の第１実施形態におけるレーザ切断機の構成を示す図である。 本発明のレーザ切断機において、レーザ光の外部への射出高さから、各部の寸法を設定するための概念図である。 本発明の第２実施形態におけるレーザ切断機の構成を示す図である。 本発明の第３実施形態におけるレーザ切断機の構成を示す図である。 本発明の第４実施形態におけるレーザ切断機の構成を示す図である。 本発明の第５実施形態におけるレーザ切断機の構成を示す図である。

以下に、本発明に係るレーザ切断機の複数の実施形態について、図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１を用いて説明する。
図１に示すように、レーザ切断機１０は、基台１１の上方に配置されたレーザヘッド１４と、レーザヘッド１４の下方に配置され、その上面（支持面）２０ａに加工対象物Ｗを支持する支持台２０と、支持台２０の下方に配置された散乱板（反射部材）３０と、を備えている。

レーザヘッド１４は、図示しないレーザ光源から出力されるレーザ光を、ノズル１５から照射する。ノズル１５は、レーザ光のエネルギ密度を高めるために、加工対象物Ｗ上でレーザ光を集光させるようになっている。レーザヘッド１４は、図示しない駆動機構により、支持台２０の上面２０ａに平行な面内で互いに直交する二方向に移動可能とされている。

支持台２０は、上面２０ａに直交する方向から見たときの形状が矩形とされ、所定の高さを有した直方体状をなしている。
この支持台２０は、四方の外周部が、外側板２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄによって、上下方向に貫通した角筒状とされている。これら外側板２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄの内方は、互いに対向する外側板２１Ａ，２１Ｃ間に一定ピッチで配置された仕切板２２，２２と、互いに対向する外側板２１Ｂ，２１Ｄ間に一定ピッチで配置された仕切板２３，２３とが、平面視格子状に設けられている。これにより、支持台２０において、外側板２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄに囲まれた内部空間には、上面２０ａと下面２０ｂとを貫通する複数の角筒状空間（貫通孔）２５がマトリックス状に配置されている。
このような支持台２０は、基台１１の上方に、基台１１とは上下に間隔を隔てた状態で、図示しないブラケットにより支持されている。

また、支持台２０の上面２０ａにおいて、仕切板２２，２３の上端部は、鋸歯状に凹凸を形成することもできる。これによって、上面２０ａに加工対象物Ｗがくっついてしまうのを防ぐようになっている。

散乱板３０は、基台１１上に設けられた平板状のベースプレート３１と、ベースプレート３１上に一体に設けられた複数枚の反射板３２と、を備えている。

それぞれの反射板３２は、ベースプレート３１の一辺３１ａと平行に延びる長方形状をなしている。これらの反射板３２は、レーザヘッド１４から照射されるレーザの光軸方向に対して所定角度傾斜した傾斜面３２ａを形成し、ベースプレート３１の一辺３１ａに直交する他辺３１ｂに沿って、一定間隔ごとに配置されている。

この散乱板３０と、前記の支持台２０とは、上下に間隔を隔てて配置されている。そして、散乱板３０の周囲は、支持台２０の外側板２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄに連続するカバー３５によって覆われている。

このようなレーザ切断機１０においては、支持台２０の上面２０ａに加工対象物Ｗをセットし、予め入力された加工プログラムに基づいて、支持台２０の上面２０ａに沿ってレーザヘッド１４を所定の軌跡で移動させつつ、ノズル１５からレーザ光を照射することにより、支持台２０上の加工対象物Ｗを所定形状に切断する。
レーザ光を照射して加工対象物Ｗを切断すると、加工対象物Ｗの切断部Ｓを透過したレーザ光の透過光Ｂが、支持台２０の角筒状空間２５を通って、下方の散乱板３０に到達する。このとき、レーザ光はノズル１５によって加工対象物Ｗ上で集光しているため、加工対象物Ｗよりも下方では拡散し、散乱板３０においては、より広い領域に照射される。

散乱板３０において、透過光Ｂは、傾斜した反射板３２により反射される。その反射光Ｒの一部（以下、これを反射光Ｒ１と称することがある。）は、斜め上方に向かい、その上方に位置する支持台２０の下面（対向面）２０ｂから角筒状空間２５に入射する。角筒状空間２５内で、反射光Ｒ１は反射を繰り返し、支持台２０の上面２０ａから上方に出射する。また、反射光Ｒの残部（以下、これを反射光Ｒ２と称することがある。）は、隣接する反射板３２に当たり、ベースプレート３１側に向けて反射を繰り返す。
このとき、角筒状空間２５内を通る反射光Ｒ１は、角筒状空間２５内での多重反射により、そのエネルギ密度が減衰される。また、隣接する反射板３２との間で反射を繰り返す反射光Ｒ２も、同様に多重反射によりそのエネルギ密度が減衰される。

ここで、レーザ切断機１０の周囲における作業者の安全を確保するため、散乱板３０での反射光Ｒ２が支持台２０の角筒状空間２５で反射せずにそのまま上方に突き抜けても、作業者に当たらないようにするのが好ましい。
例えば、図２に示すように、支持台２０の厚さをＨ１、角筒状空間２５の幅をＷとしたとき、反射光Ｒ２が角筒状空間２５で反射せずにそのまま上方に突きぬける最小傾斜角度θは、
θ＝ｔａｎ−１（Ｈ１／Ｗ）
となる。
そして、支持台２０の上面２０ａの基台１１上面からの高さをＨ２、作業者が支持台２０に最も近接できる距離をＸとした場合、支持台２０から距離Ｘだけ離れた位置における反射光Ｒ２の到達高さＨ３は、
Ｈ３＝Ｘ×ｔａｎθ＋Ｈ２
となる。
そこで、高さＨ３が、支持台２０から距離Ｘだけ離れた位置に作業者が立っても反射光Ｒ２が絶対に直接作業者に当たらない寸法、例えばＨ３＝２５００ｍｍ以上となるように、各部の寸法を設定するのが好ましい。

上述したように、角筒状空間２５を複数有した支持台２０と、支持台２０の下方に設けた散乱板３０とにより、それぞれ反射光Ｒ２のエネルギ密度を低減できるので、レーザ切断機１０の周囲に散乱するレーザ光のエネルギ密度を低減することができる。その結果、レーザ切断機１０の周囲に設けるカバーや、作業者が装着すべき安全保護具等を、簡略化、あるいは削減することが可能となる。これにより、レーザ切断機１０の設備コスト、メンテナンスの手間等を低減することが可能となり、空間の有効利用化も図ることができる。

なお、上記第１実施形態において、支持台２０を、上面２０ａ側と、下面２０ｂ側とで複数に分割可能とすることもできる。このような構成とすれば、レーザ光によって支持台２０の上面２０ａ側が損傷したときに、これを低コストで交換することができる。また、仕切板２２と仕切板２３とは、一体物ではなく、互いに噛み合わせて組み立てられるようにしてもよい。これにより、仕切板２２と仕切板２３を個別に交換することができる。

以下、本発明のレーザ切断機の他の複数の実施形態について説明する。ここで、以下に説明する各実施形態において、上記第１実施形態と共通する構成については、図中に同符号を付してその説明を省略する。以下に示す第２〜第４実施形態は、上記第１実施形態で示した散乱板３０に代えて採用することのできる構成を示す。

〔第２実施形態〕
上記第１実施形態では、散乱板３０として、傾斜した反射板３２を複数枚備える構成としたが、本実施形態では、これに代えて、図３に示すように、下方から上方に行くにしたがい、その幅が漸次小さくなる断面三角形状の突条３３を、複数並べて形成したものを、散乱板（反射部材）３０’とすることもできる。

このような散乱板３０’においては、突条３３の傾斜面３３ａで透過光Ｂを反射することで、上記第１実施形態に示した散乱板３０と同様の作用効果を実現することができる。
ところで、突条３３の頂部３３ｃで反射した反射光Ｒ３は、そのまま、上方の支持台２０の角筒状空間２５を抜けて上方のレーザヘッド１４に当たり、そのエネルギ密度が減衰される。

〔第３実施形態〕
図４に示すように、本実施形態においては、上記第１実施形態で示した散乱板３０に代えて、以下に示す散乱部材（反射部材）５０を備える。
図４（ａ）に示すように、散乱部材５０は、支持台２０において、外側板２１Ｂ，２１Ｄ、各仕切板２３の下端部に沿って多数本が列Ｌをなして吊り下げられた鎖（紐状部材）５１と、互いに隣接する２３，２３から吊り下げされた鎖５１，５１の列Ｌ，Ｌの間に配置された磁石部材５２と、を備えている。
磁石部材５２は、図示しないシリンダ機構５４によって、上下方向に進退可能とされている。図４（ｂ）に示すように、磁石部材５２が上昇したときには、その両側に列Ｌ，Ｌを構成する鎖５１，５１の下端部５１ａ，５１ａを磁力により吸着する。これにより、両側の列Ｌ，Ｌの鎖５１，５１の下端部５１ａ，５１ａが閉じて袋状をなし、下方に行くにしたがい窄まる空間Ｓ１が形成される。

このような散乱部材５０においては、上方の支持台２０の角筒状空間２５を抜けた透過光Ｂは、両側に列をなして下端部５１ａ，５１ａが袋状に閉じた鎖５１，５１によって散乱される。これによって、レーザ光のエネルギ密度を減衰することができる。これによっても、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、加工対象物Ｗの切断時にレーザ光の照射によって生じる溶融金属Ｍが、袋状に閉じた鎖５１，５１の列Ｌ，Ｌによって捕捉される。図４（ｃ）に示すように、捕捉した溶融金属Ｍは、レーザ切断完了後に、磁石部材５２を下降させて、両側の列Ｌ，Ｌの鎖５１，５１の下端部５１ａ，５１ａどうしを離すことによって、下方に排出される。

〔第４実施形態〕
図５に示すように、本実施形態においては、上記第１実施形態で示した散乱板３０に代えて、以下に示す散乱部材（反射部材）６０を備える。
図５（ａ）に示すように、散乱部材６０は、支持台２０において、外側板２１Ｂ，２１Ｄ、各仕切板２３の下端部から吊り下げられた爪部材６１を備えている。この爪部材６１はその下端部６１ａがＪ字状に湾曲している。そして、互いに隣接する爪部材６１，６１は、下端部６１ａ，６１ａどうしが突き当たって閉じ、下方に行くにしたがい窄まる空間Ｓ２を形成している。
爪部材６１は、例えば、形状記憶合金からなる薄板状とされている。

このような散乱部材６０においては、上方の支持台２０の角筒状空間２５を抜けた透過光Ｂは、両側に列をなして下端部６１ａ，６１ａが閉じた爪部材６１，６１によって散乱される。これによって、レーザ光のエネルギ密度を減衰することができる。これによっても、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、加工対象物Ｗの切断時にレーザ光の照射によって生じる溶融金属Ｍが、下端部６１ａ，６１ａが閉じた爪部材６１，６１によって捕捉される。図５（ｂ）に示すように、捕捉した溶融金属Ｍがある程度溜まると、その自重によって爪部材６１，６１の下端部６１ａ，６１ａが弾性変形して開き、溶融金属Ｍが下方に排出される。

〔第５実施形態〕
図６に示すように、本実施形態においては、上記第１実施形態で示した散乱板３０に代えて、以下に示すエネルギ吸収部材７０を備える。
エネルギ吸収部材７０は、支持台２０の下面２０ｂと間隔を隔てて対向するように設けられたトレー７１と、トレー７１の内部に注入された水等のエネルギ吸収材７５とを備える。

このようなエネルギ吸収部材７０においては、上方の支持台２０の角筒状空間２５を抜けた透過光Ｂは、内部に注入された水等のエネルギ吸収材７５に照射され、これによって、そのエネルギ密度が減衰される。
これによっても、上記第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

また、本実施形態においては、レーザヘッド１４に、ノズル１５の周囲を覆うように、シールドボックス（シールド部材）８０を備えることもできる。
このようなシールドボックス８０により、ノズル１５から照射されて加工対象物Ｗで反射した反射光や、支持台２０の角筒状空間２５を通って上方に抜けた反射光を捕捉することができる。

これにより、レーザ切断機１０の周囲に散乱するレーザ光のエネルギ密度を低減することができる。その結果、レーザ切断機１０の周囲に設けるカバーや、作業者が装着すべき安全保護具等を、簡略化、あるいは削減することが可能となる。これにより、レーザ切断機１０の設備コスト、メンテナンスの手間等を低減することが可能となり、空間の有効利用化も図ることができる。

上記第５実施形態においては、トレー７１に、水に代えて粒状の石を多数充填することも可能である。このような石によって、レーザ光が様々な方向に乱反射し、これによっても、レーザ光のエネルギ密度を低減することができる。

なお、上記各実施形態で示した構成は、本発明の主旨の範囲内であれば、適宜の構成の変更、取捨選択しても良い。
例えば、上記第１実施形態で示した構成において、散乱板３０を廃し、受け台２０のみでレーザ光のエネルギ減衰効果を得る構成とすることもできる。
また、上記第５実施形態で示したシールドボックス８０を、上記第１〜第４実施形態で示した構成に組み合わせても良い。
さらに、上記各実施形態では、レーザヘッド１４を支持台２０に対して移動させることによって、所定軌跡での切断を行うようにしたが、支持台２０の大きさ等によっては、レーザヘッド１４側を固定し、支持台２０側をレーザヘッド１４に対して移動させる構成等することもできる。
加えて、角筒状空間２５は、角筒状に限らず、円筒状、三角柱状等、他の形状に適宜変更することができる。さらに、この空間を、下方に行くにしたがい漸次窄まる形状としても良い。

１０ レーザ切断機
１１ 基台
１４ レーザヘッド
１５ ノズル
２０ 支持台
２０ａ 上面（支持面）
２０ｂ 下面（対向面）
２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ，２１Ｄ 外側板
２２，２３ 仕切板
２５ 角筒状空間（貫通孔）
３０，３０’ 散乱板（反射部材）
３１ ベースプレート
３２ 反射板
３３ 突条
３３ａ 頂部
３５ カバー
５０ 散乱部材（反射部材）
５１ 鎖（紐状部材）
５１ａ 下端部
５２ 磁石
６０ 散乱部材（反射部材）
６１ 爪部材
６１ａ 下端部
７０ エネルギ吸収部材
７１ トレー
７５ エネルギ吸収材
８０ シールドボックス（シールド部材）
Ｂ 透過光
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３ 反射光
Ｗ 加工対象物
Ｘ 距離
θ 最小傾斜角度

Claims (10)

1. 基台上に、該基台とは間隔を隔てて設けられ、加工対象物を支持する支持面を有した支持台と、
   前記支持台に対して相対移動可能とされ、前記支持台の前記支持面に向けてレーザ光を照射するレーザヘッドと、を備え、
   前記支持台は、前記支持面と、該支持面に対向する対向面とを貫通する複数の貫通孔を有していることを特徴とするレーザ切断機。
2. 前記支持台の前記対向面に対向して設けられた反射部材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断機。
3. 前記反射部材は、前記レーザヘッドからの前記レーザ光の光軸方向に対して傾斜した傾斜面を有することを特徴とする請求項２に記載のレーザ切断機。
4. 前記反射部材は、前記光軸方向に対して傾斜した傾斜板が、互いに間隔を隔てて複数枚並べて設けられていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ切断機。
5. 前記反射部材は、断面三角形状の突条が、複数並べて設けられていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ切断機。
6. 前記反射部材は、
   前記支持台の前記対向面に沿って互いに間隔を隔てた複数列に、それぞれ前記対向面から吊り下げられた磁性および可撓性を有する材料からなる紐状部材と、
   互いに隣接する前記紐状部材の列の間に配置され、両側の列の前記紐状部材の先端部を磁力により吸着する磁石部材と、
   を備えることを特徴とする請求項２に記載のレーザ切断機。
7. 前記反射部材は、前記支持台の前記対向面に沿って互いに間隔を隔てて対向した爪部材を有し、
   前記爪部材の先端部どうしが互いに接近・離間可能とされていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ切断機。
8. 前記支持台の前記対向面に対向して設けられ、前記レーザ光のエネルギを吸収するエネルギ吸収材をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断機。
9. 前記レーザヘッドの周囲を覆い、前記支持台の前記貫通孔を通して前記支持面側に突き抜けるレーザ光を遮蔽するシールド部材がさらに備えられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のレーザ切断機。
10. 前記支持台は、前記支持面側の一部が前記対向面側の残部と分割可能とされ、前記支持面側の一部のみ交換可能とされていることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のレーザ切断機。

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