JP3745810B2 - レーザ加工方法および装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振器から出力されたレーザビームをレーザ加工ヘッドに導入し、加工部位に前記レーザビームを走査させて加工を行うレーザ加工方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
被加工物にレーザビームを照射し、この被加工物を蒸発あるいは溶融させることにより、切断や溶接等の加工を行うレーザ加工装置が知られている。この種のレーザ加工装置は、一般に、レーザ発振器から出力されたレーザビームを加工ヘッドに導入し、この加工ヘッドに内設されている集束光学系を介して被加工物に前記レーザビームを集束させるように構成されている。
【０００３】
ところで、前記レーザ加工装置により、例えば、自動車車体を構成する金属板等のワークを溶接する際には、加工ヘッドを前記ワークの形状に対応して上下および／または左右等に移動させ、この加工ヘッドから該ワークの溶接面までの焦点距離を常に一定に維持しながら所定間隔毎にレーザビームを集束させている。
【０００４】
ところが、上記のレーザ加工装置では、加工の度に加工ヘッドを上下等に移動させるため、この加工ヘッドとレーザ発振器との間で信号の送受が必要になり、制御が煩雑なものとなっている。しかも、加工ヘッドの移動に時間がかかるために、加工効率が低下するという不具合がある。
【０００５】
そこで、特公平４−３６７９２号公報に開示されているように、各溶接位置に対応して溶接ヘッドが配置され、レーザ発振器から出力されるレーザビームを平面鏡で反射させて各溶接ヘッドに入射させることにより、前記溶接ヘッドに設けられているレンズによって前記レーザビームが各溶接部位に集束されるように構成された多点溶接装置が知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術では、各溶接部位毎にレーザビーム集束用の溶接ヘッドが配設されている。このため、ワークの形状や寸法等によっては、相当多数の溶接ヘッドを用意しなければならず、設備全体が複雑かつ高価なものになるという問題が指摘されている。
【０００７】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、形状および寸法の異なる種々の加工部位に対し効率的に加工を行うことができ、構成が簡素化するとともに汎用性に優れたレーザ加工方法および装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を達成するために、本発明は、レーザ加工ヘッドが所定の位置に移動されるとともに、予め設定された加工条件に基づいてレーザ発振器から出力されたレーザビームが導入される放物面鏡と前記レーザビームが前記放物面鏡により集光されてできる集光点よりも下流側に配置される楕円面鏡の間に互いに一定角度に固定された２つの平面鏡を、前記楕円面鏡に対して進退させ前記集光点と前記楕円面鏡との距離を変更することによって前記集束光学系の焦点位置を調整する。このため、レーザ加工ヘッドを一旦位置決めした状態で、種々の加工部位に対しレーザビームを走査させることができる。特に、レーザ加工ヘッド内での集束光学系の光路長を変更するため、この集束光学系の焦点位置が前記光路長の変化の数倍の変化となって調整される。
【０００９】
すなわち、図１に示すように、レンズＬ（焦点距離Ｆ）と光軸上の点Ｐ１との距離をＳ１、このレンズＬと光軸上の焦点位置Ｐ２との距離をＳ２とすると、
１／Ｓ１＋１／Ｓ２＝１／Ｆ …（１）
の関係式が得られる。このため、レンズＬと焦点位置Ｐ２との距離Ｓ２が大きく設定されていれば、距離Ｓ１が僅かに変更されるだけで、距離Ｓ２（焦点位置Ｐ２）が大きく変更されることになる。
【００１０】
また、本発明は、互いに独立して移動する第１および第２ロボットを備え、この第１ロボットに設けられた第１レーザ加工ヘッドによるレーザ加工中に、前記第２ロボットに設けられた第２レーザ加工ヘッドが次の加工位置まで移動され、かつその焦点位置調整が行われる。次いで、第１レーザ加工ヘッドによるレーザ加工終了直後に、レーザ発振器からのレーザビームを第２レーザ加工ヘッドに切り換えて、該第２レーザ加工ヘッドによるレーザ加工が開始される。
【００１１】
このように、第１および第２レーザ加工ヘッドに交互にレーザビームを導入することにより、レーザ発振器を有効に活用することが可能になる。
【００１２】
すなわち、単一のレーザ加工ヘッドで加工を行う際には、所定の加工が行われた後にこのレーザ加工ヘッドが次なる加工部位に対応して移動され、さらにこの次なる加工部位における加工が開始される間、レーザビームの出力がＯＦＦされて、レーザ発振しないレベルまで電流が下げられる。このため、レーザ発振器の有効ビーム照射が３０〜５０％しか行われず、不経済なものになる。これに対し、本発明では、第１および第２レーザ加工ヘッドを交互に切り換えて使用することにより、レーザ発振器の有効利用が可能になり、加工コストの大幅な削減が図られることになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図２は、本発明の実施形態に係るレーザ加工装置１０の概略構成図であり、図３は、このレーザ加工装置１０の概略側面図である。
【００１４】
レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１２と、直交座標系３軸方向（Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸）に移動自在な第１および第２ロボット１４、１６と、前記第１および第２ロボット１４、１６の先端部に装着される第１および第２レーザ加工ヘッド１８、２０と、前記第１および第２レーザ加工ヘッド１８、２０内に設置され、第１および第２集束光学系２２、２４の光路長を変更することにより、この第１および第２集束光学系２２、２４の焦点位置を調整可能な第１および第２焦点位置調整手段２６、２８と、前記レーザ発振器１２からのレーザビームを前記第１および第２レーザ加工ヘッド１８、２０側に導入するためのシャッター（レーザビーム導入手段）３０とを備える。
【００１５】
レーザ発振器１２は、集光距離が長くなるように、レーザビーム１２ａの広がり角が相当に小さく規制できるものが使用される。具体的には、レーザ発振器１２として、特公平６−７１１０８号公報に開示されている「磁気的に高められた放電を利用するレーザ装置」等を用いることが好ましい。
【００１６】
第１および第２ロボット１４、１６は、Ｘ軸方向に延在する同一のレール３２に沿ってそれぞれ個別に進退自在に構成されており、この第１および第２ロボット１４、１６の手首部（先端部）３４、３６に装着された第１および第２レーザ加工ヘッド１８、２０は、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に移動自在である。
【００１７】
第１ロボット１４には、レーザ発振器１２から出力されるレーザビーム１２ａの光路変更を行って、このレーザビーム１２ａを第１レーザ加工ヘッド１８と第２レーザ加工ヘッド２０に選択的に導入させる光路切換手段３８が設けられる。光路切換手段３８は、レーザ発振器１２から導出されるレーザビーム１２ａの光路上に配置可能な可動ミラー４０を備え、この可動ミラー４０は、水平方向に対し４５°傾斜することにより水平方向に導入されるレーザビーム１２ａを鉛直上方向に反射させる。この可動ミラー４０は、シリンダ４２からＹ軸方向に延在するロッド４４に係着され、レーザビーム１２ａの光路上と光路外とに配置可能である。第１ロボット１４内には、可動ミラー４０によって鉛直上方向に反射されたレーザビームを水平方向に反射させて第１ミラー群４５に導く第１反射鏡４６が配設される。
【００１８】
図４に示すように、第１レーザ加工ヘッド１８内には、第１ミラー群４５で反射されたレーザビーム１２ａの光路上に配置される放物面鏡４８と、第１焦点位置調整手段２６を構成する第１および第２平面鏡５０、５２と、第１集束光学系２２を構成する楕円面鏡５４と、Ｘ軸走査ミラー５６と、Ｙ軸走査ミラー５８とが配設される。
【００１９】
第１および第２平面鏡５０、５２は、互いに所定の角度を維持して枠体６０に保持されており、この枠体６０に連結されるステッピングモータ６２を介して矢印Ａ方向に進退自在である。Ｘ軸走査ミラー５６およびＹ軸走査ミラー５８は、それぞれ図示しないサーボモータによってＸ軸方向およびＹ軸方向に所定の角度範囲で回動自在である。
【００２０】
第２ロボット１６内には、レーザ発振器１２から出力されて水平方向に導入されるレーザビーム１２ａを鉛直上方向に反射させる固定ミラー６４と、この固定ミラー６４で反射された前記レーザビーム１２ａを水平方向に反射させて第２ミラー群６６に導く第２反射鏡６８とが配設される。
【００２１】
なお、第２レーザ加工ヘッド２０内に設けられている第２集束光学系２４および第２焦点位置調整手段２８は、上記した第１集束光学系２２および第１焦点位置調整手段２６と同様に構成されており、同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００２２】
図２に示すように、レーザ加工装置１０全体を制御するためのシステムコントローラ７０には、レーザ発振器制御部７２、第１ロボット用コントロール部７４、第２ロボット用コントロール部７６および加工ヘッド制御部７８が接続されている。
【００２３】
加工ヘッド制御部７８は、特に入熱量に影響を及ぼす諸条件に対応して第１および第２レーザ加工ヘッド１８、２０を制御する機能を有しており、前記諸条件であるワークＷの厚さ、材質、溶接枚数、および加工部位までの距離等を記憶するメモリ８０と、該諸条件に基づいて第１および第２焦点位置調整手段２６、２８、Ｘ軸走査ミラー５６、Ｙ軸走査ミラー５８、および光路切換手段３８に関する加工条件を演算する演算処理部８２とを備える。
【００２４】
このように構成されるレーザ加工装置１０の動作について、本実施形態に係るレーザ加工方法との関連で説明する。
【００２５】
先ず、第１および第２レーザ加工ヘッド１８、２０自体の加工可能範囲、ワークＷの加工範囲、並びに第１および第２ロボット１４、１６の作動範囲等に基づいて、前記第１および第２レーザ加工ヘッド１８、２０による加工領域が予め設定される。
【００２６】
一方、加工ヘッド制御部７８の演算処理部８２では、入熱量に影響を及ぼす諸条件であるワークＷの厚さ、材質、溶接枚数、および加工部位までの距離等に基づいて、第１および第２焦点位置調整手段２６、２８、Ｘ軸走査ミラー５６、Ｙ軸走査ミラー５８、および光路切換手段３８に関する加工条件が予め演算され、メモリ８０に記憶されている。
【００２７】
そこで、システムコントローラ７０から第１ロボット用コントロール部７４に信号が供給されると、第１ロボット１４を構成する手首部３４に装着されている第１レーザ加工ヘッド１８がＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向に選択的に移動され、この第１レーザ加工ヘッド１８がワークＷの所定の加工部位に対応して移動される。第１レーザ加工ヘッド１８の移動中または移動後に、加工ヘッド制御部７８を介してこの第１レーザ加工ヘッド１８内に設置された第１焦点位置調整手段２６による調整作業が行われる。
【００２８】
すなわち、図４において、ステッピングモータ６２が駆動され、枠体６０を介して第１および第２平面鏡５０、５２が矢印Ａ方向に変位され、点Ｐから楕円面鏡５４までの距離Ｓ１が変更される。このため、楕円面鏡５４から焦点位置Ｐ′までの距離Ｓ２が前述の（１）式に基づいて調整される。
【００２９】
本実施形態では、楕円面鏡５４の焦点距離Ｆが設定されることにより、第１および第２平面鏡５０、５２が矢印Ａ方向に５０ｍｍの範囲内で変位する（距離Ｓ１が１００ｍｍの範囲内で変位する）ことにより、Ｙ軸走査ミラー５８から焦点位置Ｐ′までの距離が、５００ｍｍ〜１３００ｍｍの範囲内で調整される（距離Ｓ２が８００ｍｍの範囲内で変位する）ように構成されている。
【００３０】
次いで、シャッター３０が開放されると、レーザ発振器１２から出力されたレーザビーム１２ａは、第１ロボット１４に設けられている可動ミラー４０に導入され、この可動ミラー４０から鉛直上方向に導かれた後、第１反射鏡４６および第１ミラー群４５を介して第１レーザ加工ヘッド１８に導入される。
【００３１】
第１レーザ加工ヘッド１８に導入されたレーザビーム１２ａは、放物面鏡４８で反射された後、第１および第２平面鏡５０、５２を介して楕円面鏡５４に導かれ、さらにＸ軸走査ミラー５６およびＹ軸走査ミラー５８で反射されてワークＷの所定の加工部位に走査される。その際、Ｘ軸走査ミラー５６およびＹ軸走査ミラー５８は、図示しないサーボモータを介して回動されている。
【００３２】
この場合、本実施形態では、第１焦点位置調整手段２６により第１レーザ加工ヘッド１８内での光路長が変更されることにより、レーザビーム１２ａの焦点位置Ｐ′が調整される。このため、第１および第２平面鏡５０、５２を矢印Ａ方向に僅かに移動させるだけで、焦点位置Ｐ′が大幅に変更されることになる。具体的には、第１および第２平面鏡５０、５２が、矢印Ａ方向に５０ｍｍの範囲内で変位されるだけで、焦点位置Ｐ′が８００ｍｍの範囲内で変位可能となる。
【００３３】
これにより、従来のように、加工の度に第１レーザ加工ヘッド１８をワークＷの形状に応じて上下動、あるいは左右動させる必要がなく、レーザ加工装置１０による加工効率が有効に向上するという効果が得られる。しかも、第１レーザ加工ヘッド１８によりワークＷに対して広範囲に加工を行うことができ、レーザ加工装置１０全体の構造が簡素化するという利点がある。また、焦点位置Ｐ′が第１レーザ加工ヘッド１８から相当に離間しているため、ワークＷの加工時に異物がこの第１レーザ加工ヘッド１８に飛散し、第１集束光学系２２に該異物が付着する等の不具合がない。
【００３４】
さらに、本実施形態では、入熱量に影響を及ぼす諸条件であるワークＷの厚さ、材質、溶接枚数、および加工部位までの距離等に基づいて、第１および第２焦点位置調整手段２６、２８、Ｘ軸走査ミラー５６、Ｙ軸走査ミラー５８、および光路切換手段３８に関する加工条件が予め設定されている。これにより、形状や材質の異なる、または切断、溶接、表面処理等の加工態様の異なる種々のワークＷに対して、所望の加工処理が効率的かつ高精度に遂行されるという利点が得られる。
【００３５】
ところで、上記のように、第１レーザ加工ヘッド１８によりワークＷに対して所定のレーザ加工が行われている間、第２ロボット１６に装着されている第２レーザ加工ヘッド２０をワークＷの所定の位置に移動させるとともに、この第２レーザ加工ヘッド２０に設けられている第２焦点位置調整手段２８の調整作業が行われる。なお、この調整作業は、第１レーザ加工ヘッド１８と同様であり、その詳細な説明は省略する。
【００３６】
次に、第１レーザ加工ヘッド１８によるレーザ加工が終了すると、光路切換手段３８を構成するシリンダ４２が駆動され、可動ミラー４０がレーザビーム１２ａの光路上から退避される。これにより、レーザ発振器１２から出力されたレーザビーム１２ａは、第２ロボット１６に設けられている固定ミラー６４で導入され、この固定ミラー６４で上方向に反射された後、第２反射鏡６８および第２ミラー群６６を介して第２レーザ加工ヘッド２０に導入される（図３参照）。第２レーザ加工ヘッド２０に導入されたレーザビーム１２ａは、第１レーザ加工ヘッド１８と同様にワークＷの所定の加工部位に走査され、このワークＷの加工作業が遂行される。
【００３７】
一方、この第２レーザ加工ヘッド２０によるレーザ加工が行われている間、第１レーザ加工ヘッド１８の位置決め作業および第１焦点位置調整手段２６による調整作業が行われている。
【００３８】
このように、本実施形態では、それぞれ個別に直交座標系３軸方向に移動自在な第１および第２ロボット１４、１６に第１および第２レーザ加工ヘッド１８、２０が装着され、前記第１レーザ加工ヘッド１８による加工が行われている間に、前記第２レーザ加工ヘッド２０の準備作業が遂行される。そして、第１レーザ加工ヘッド１８による加工が終了した直後に光路切換手段３８が駆動されて第２レーザ加工ヘッド２０による加工作業が開始される。これにより、第１および第２レーザ加工ヘッド１８、２０を交互に使用することができ、レーザ発振器１２の出力をＯＦＦにする必要がない。このため、レーザ発振器１２から出力されるレーザビーム１２ａを無駄なく効率的に使用することが可能になり、加工コストの大幅な削減が図られる。
【００３９】
しかも、第１および第２レーザ加工ヘッド１８、２０を交互に使用することにより、加工点が多く、かつ広い範囲の加工部位に対し、加工時間を短縮して効率的な加工作業が容易に遂行されるという効果が得られる。さらに、レーザ加工装置１０全体の構造が簡素化され、小型でしかも汎用性に優れるという利点がある。
【００４０】
【発明の効果】
本発明に係るレーザ加工方法および装置では、予め設定された加工条件に基づいてレーザ加工ヘッド内に設置された焦点位置調整手段により光路長を変更してレーザビームの焦点位置が調整されるため、僅かな光路長の変更で前記焦点位置を大幅に調整することができる。これにより、レーザ加工ヘッド全体を容易に小型化することができるとともに、レーザ加工作業全体の効率化が可能になる。
【００４１】
また、個別に移動自在な第１および第２ロボットにそれぞれ第１および第２レーザ加工ヘッドを設け、この第１および第２レーザ加工ヘッドを交互に使用してレーザ加工が行われる。その際、第１レーザ加工ヘッドによるレーザ加工中に、第２レーザ加工ヘッドの準備作業が行われるため、前記第１および第２レーザ加工ヘッドによって効率的なレーザ加工作業が遂行される。
【００４２】
しかも、レーザ発振器からのレーザビームを有効に活用することができ、加工コストの削減が可能になる。さらに、第１および第２レーザ加工ヘッドを用いることにより、比較的広くかつ加工点の多い加工部位にも効率的にレーザ加工を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】焦点位置調整作業の概念説明図である。
【図２】本発明のレーザ加工装置の概略構成図である。
【図３】前記レーザ加工装置の側面説明図である。
【図４】前記レーザ加工装置を構成するレーザ加工ヘッドの内部詳細説明図である。
【符号の説明】
１０…レーザ加工装置 １２…レーザ発振器
１４、１６…ロボット １８、２０…レーザ加工ヘッド
２２、２４…集束光学系 ２６、２８…焦点位置調整手段
３０…シャッター ３８…光路切換手段
４０…可動ミラー ４８…放物面鏡
５０、５２…平面鏡 ５４…楕円面鏡
５６…Ｘ軸走査ミラー ５８…Ｙ軸走査ミラー
６２…ステッピングモータ ６４…固定ミラー
７０…システムコントローラ ７２…レーザ発振器制御部
７４、７６…ロボット用コントロール部 ７８…加工ヘッド制御部
８０…メモリ ８２…演算処理部

Claims (4)

1. ロボットの先端部に装着されたレーザ加工ヘッドを所定の位置に移動させる工程と、
   前記レーザ加工ヘッドの移動中または移動後に、予め設定された加工条件に基づいて前記レーザ加工ヘッド内に設置された焦点位置調整手段により該レーザ加工ヘッド内での集束光学系の光路長を変更し、これにより加工部位との距離に応じて前記集束光学系の焦点位置を調整する工程と、
   レーザ発振器から出力されたレーザビームを前記レーザ加工ヘッドに導入し、前記加工部位に前記予め設定された加工条件に基づいて前記レーザビームを走査させる工程とを有し、
   前記集束光学系の焦点位置の調整は、前記レーザ発振器から出力されたレーザビームが導入される放物面鏡と前記レーザビームが前記放物面鏡により集光されてできる集光点よりも下流側に配置される楕円面鏡の間に互いに一定角度に固定された２つの平面鏡を、前記楕円面鏡に対して進退させ前記集光点と前記楕円面鏡との距離を変更することによって行われる
   ことを特徴とするレーザ加工方法。
2. 請求項１記載のレーザ加工方法において、第１ロボットに設けられた第１レーザ加工ヘッドによる加工領域と第２ロボットに設けられた第２レーザ加工ヘッドによる加工領域とを予め設定する工程と、
   前記第１レーザ加工ヘッドからのレーザビームの走査によるレーザ加工終了前に、前記第２レーザ加工ヘッドの移動および焦点位置調整を行う工程と、
   前記第１レーザ加工ヘッドからのレーザビームの走査によるレーザ加工終了後に、前記レーザ発振器から出力されたレーザビームの光路変更を行って前記第２レーザ加工ヘッドに前記レーザビームを導入する工程と、
   を有することを特徴とするレーザ加工方法。
3. 所定の位置に移動自在なロボットと、
   前記ロボットの先端部に装着されるレーザ加工ヘッドと、
   前記レーザ加工ヘッド内に設置され、予め設定された加工条件に基づき加工部位との距離に応じて該レーザ加工ヘッド内での集束光学系の光路長を変更することにより、前記集束光学系の焦点位置を調整可能な焦点位置調整手段と、
   前記レーザ加工ヘッドを介して前記予め設定された加工条件に基づき前記加工部位にレーザビームを走査させるために、レーザ発振器から出力された前記レーザビームを前記レーザ加工ヘッドに導入するレーザビーム導入手段と、
   を備え、
   前記レーザ加工ヘッドは、その内部に前記レーザビーム導入手段により導入されたレーザビームを反射する放物面鏡と、前記レーザビームが前記放物面鏡により集光されてできる集光点よりも下流側に配置される楕円面鏡とを有し、
   前記焦点位置調整手段は、前記放物面鏡と前記楕円面鏡の間に、前記楕円面鏡に対して進退可能に設置された、互いに一定角度に固定された２つの平面鏡と、前記２つの平面鏡を移動させ前記集光点と前記楕円面鏡との距離を変更する駆動源とから構成される
   ことを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項３記載のレーザ加工装置において、前記ロボットは、それぞれ個別に移動自在な第１および第２ロボットを有するとともに、
   前記レーザ加工ヘッドは、前記第１および第２ロボットの先端部に装着される第１および第２レーザ加工ヘッドを有しており、
   予め設定された加工領域に基づいて前記レーザ発振器から出力されるレーザビームの光路変更を行い、前記レーザビームを前記第１レーザ加工ヘッドと前記第２レーザ加工ヘッドに選択的に導入させる光路切換手段を備えることを特徴とするレーザ加工装置。

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