JP3745810B2 - レーザ加工方法および装置 - Google Patents
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Description
【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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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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