JP4328356B2 - 交換ノズルを有するレーザ加工機のレーザヘッド - Google Patents

Description

本発明は、ケースを有するレーザ加工機のレーザヘッドに関するもので、ケース内部に放射室及びその端部にレーザ光線、並びに加工用ガスを放出するノズルを配置している。

このようなレーザヘッドは、特にレーザ溶接の溶接ヘッドとして広く知られている。基本的にはそのようなレーザヘッドは溶接ばかりでなく材料の切断にも用いられている。

原則として、レーザヘッド（溶接ヘッド）は、レーザ光線を集光する凹面鏡又は凸レンズを備えている。集光された光線は、ノズルによって閉鎖されている放射室を通ってケース内部へと導かれる。光線はこのノズルを通って放射され、作業すべき位置に焦点を結ぶ。従来のレーザヘッドは孔を備えていることが多く、その孔を通して同心の放射室に作業ガスを導入するか又はレーザヘッドの外側の別のノズル通り、孔を経由して供給する。

例えば、材料の種類又は材料の厚さに基づいてレーザヘッドの調節する場合には、焦点を結ばせるためには光学系を調整する必要がある一方で、ノズルの変更も必要である。更に、極めて繊細なノズルは材料の飛沫により作業中に汚染され易いので、ノズルの交換が必要となる。

ノズルを交換せずに、狭いノズルを通して放射できるように、個々の装置の焦点レンズを水平方向に動かして調節する。しかし、この場合、光がレンズの中心を通らなくなるので、焦点合わせに誤差が生ずる。従って、焦点は理想的ではなく、レーザによる切断は不十分な結果となる。

特開昭６４−０７１５９０号公報は、複数のレンズを備えたレンズ−ディスクを用いることを開示しており、レンズ−ディスクは光路中の軸の周りを回転するようになっている。これにより、レンズ交換は迅速にできるが、依然として、目的に適ったノズルをその都度、交換する必要がある。

実際には、ノズルのネジを手動で取り外し、新しいノズルを溶接ヘッドのケースに固定している。これは比較的長い時間を要し、工程の自動化を阻害する。

特開昭６２−２５４９９３号公報は、ノズル収納部を備えた自動ノズル交換機を開示している。このノズル収納部は垂直に配置した円板を有し、その円板に複数のノズルを配置している。収納部を回転させて円板上のノズルを選択し、交換アームを介して交換する。

特開平６−０２３５８０号公報には、類似のノズル交換装置が記載されており、レーザヘッドをＸ−Ｙ方向に動かして、複数のノズルを配置した回転可能なノズル交換位置に導く。
特開２０００-１２６８８号公報にはノズル交換の種々の構成が開示されている。ある構成では水平軸の周りを回転可能なノズル保持部材３６を備えている。そこでは２つの交換ノズルを備え、各々の交換ノズルは回転軸の他端に配置した光路に割当てられ、レーザ光線はその光路を通ってノズル保持部材を通過して、ノズルに達する。別の構成では、ディスク状のノズル保持部材を備え、その保持部材はレーザ光線の光軸に平行な回転軸を含んで構成されている。ノズルディスクは単に２つのノズルにより構成され、加圧空間に空気を吹き込み衝撃板により回転するようになっている。

しかし、これらの提案は、満足に使用できるものではなく付加的な交換アームを用いると、設備費用が増加し且つノズル交換後の再調整が必要となる。

本発明は上記課題に基づいたもので、ノズル交換の新たな可能性を提案するものである。

上記課題は本発明の請求項１の特徴を有するレーザヘッドにより解決できる。更に、従属請求項に本発明による利点のある構成が記載されている。

本発明では、ケースにキャップ状のノズルヘッドを備えている。このキャップは半球状でもよく、レーザヘッドのケースに取り付けられている。ノズルヘッドの内側に備えられた交換ノズルはノズルヘッドに保持されて、レーザの軸に対してある角度傾斜した軸の周りを回転可能にレーザ光線の光路内に導入できるようになっている。これにより、ノズル交換に際して、費用を要するノズルヘッドの調整及び煩雑さを要することなく、次の工程に必要なノズルが、回転して光路中に供給される。この構造により、ノズルが自動供給されるので準備時間が大幅に減少し、人手を介さない操作時間が大幅に長くなる。

本発明による構成では、複数のノズルをノズルディスク上に、回転軸に対して同じ径上に配置している。更に、位置決めモータによりノズルディスクが調整できるように、ノズルディスクの外側に歯車状の噛み合わせ部を備えることが好ましい。

ノズルを所望の精度に調節するため、ノズルディスクの形状をノズルヘッドのキャップ状の形状に適合させ、同じ曲率半径を有するノズルヘッドの内側に平面状に配置する。

この構成による、例えば、安定な半球状のディスクヘッドは、露出しているノズルが切断材料との衝突によって損傷することから、ノズルディスク又はノズルを保護している。

ノズルを交換するため、ノズルヘッドをケースから取り外し、再度設置する必要がある。そのため、例えば、細かなネジまたはスナップ式止め具を備えてもよい。しかし、ノズルヘッドの交換に際しては、ノズルヘッドの交換毎に寸法が僅かに異なるので、これとは関係なく、新たにレーザ光線とノズルの調整が必要である。従って、本発明による他の構成においては、ノズルディスクの回転軸に対して偏心している軸の周りに回転可能に、ノズルディスクの壁部に偏心ディスクを備えている。この偏心ディスクの（ｘ軸周りの）回転及びノズルディスク（ｙ軸周りの）回転により、ノズルヘッドの交換後にはノズルディスクのノズル中心とレーザ光線を同一軸に正確に合わせることができる。その際、偏心ディスクの回転によりノズル開口部は、他のノズル開口部の中心が載っている円周上に移動する。ノズルディスクが回転して側方へのずれることにより偏心ディスクを覆うようになる。この位置が自動交換の際の、ゼロ点として固定される。ノズルディスク上の全てのノズルはレーザ光線に正確に合っているので、ノズル交換のため、ノズルディスクを回転する際に、更に調整する必要はなくなる。

本発明の別の構成では、レーザ光線の光路用の開口部はノズル径よりも大きく設定してある。このため、ノズルヘッドとケースの間の内部空間の正圧により、ノズルディスクは内部からノズルヘッドの壁に押圧され、気密が保たれる。

本発明の好ましい構成では、ケースに備えた作業ガス用の導入路は、光線室の長軸に対して、ずれて配置されている。これにより、吹き込んだ作業用ガスの旋回流を制御できる。

ケースに次いで、ノズルヘッド内により形成した不均一な空間内の制御できない旋回流を防ぐため、ノズルディスクから僅かに隔てて、ケースに円錐状の漏斗口を備えている。

本発明によるレーザヘッド、特にノズルヘッドを用いて、ノズルを一旦調整した後は、異なった大きさのノズルの自動交換ができるようになる。新たに、ノズルヘッドをケースに取り付けた際には最初に、基本的な調整が必要となる。このため、ノズルヘッドを取り付け後、ノズルディスクの回転軸を備えている球殻状の偏心ディスクを回転させてもよい。この調整は、例えば、適切な位置決めネジを用いて外部から行ってもよい。

本発明に基づき、キャップ状のノズルヘッドの空間にホトダイオードを配置して自動的に中心を決定することが可能である。ホトダイオードは、中心を自動的に決定するのに用いるノズルの反射面からの散乱光を捕捉するのに用いられる。このノズルは、目的に適うように、作業用ノズルよりも大きな測定孔を備え、レーザ光線下で粗く位置決めされる。全負荷のレーザ光線は、測定孔の向かい合った２つの縁領域を結ぶ線に沿って移動する。この移動は偏心ディスクの（x軸周りの）回転及びノズルディスクの（ｙ軸周りの）回転により実行される。レーザ光線が各々の縁領域に到達すると散乱光が生じ、ホトダイオードにより検出される。この位置が瞬間的に記録される。２つの点から中心値を算出し、レーザ光線を先の線に垂直な線に沿う中心点を通る測定孔の向き合った領域を走査する。ここでも、ホトダイオードを作動させて、測定孔の縁において散乱光が検出された瞬間の位置が記録され、中心値が決まる。この中心値が測定孔の円の中心点を示しており、ノズルディスクが回転する際には全てのノズル開口部がこの中心点を通る。レーザ光線は出力に応じて挙動（曲がり）が異なるので、特にこの調整が、レーザの全負荷の際に行われるというのが利点である。ホトダイオードが検出すべき散乱光はレーザ光線が測定ノズルの素材と接することによって生じ、その接触により素材を損傷することもある。しかし、測定ノズルのみの問題なので、この損傷は許容できる。ノズルヘッドの構造及び複数の異なったノズルによりこの損傷は回避できる。然るべきソフトウェアによっても実現してもよい。

以下、図面を用いて本発明を詳細に説明する。断面図としての図１にケース１６を有するレーザヘッド１８のノズル側面端及びケースにネジ止めした半球状のノズルヘッド８を示す。公知の技術及び方法により、レーザ光線はレンズ６に達し、先端部９を貫通している長軸１７に対して対称な円錐状の放射室１４を通り、物質４に焦点を結ぶ。放射室１４に連結している流路１は加工用ガスを吹き込むのに用い、長軸１７と交差しないように配置されている。放射室１４′内の散乱光を検出するためのホトダイオードは、例えば先端部９の上方、図１ではノズルディスク５の左側のケース１６の水平面上に配置しても良い。前述のように、散乱光は、図１では拡大して示す孔径を有するノズル１３の縁での反射により生じたものである。ホトダイオードに達した散乱光はその瞬間の位置が記録される。

ノズルヘッド８はネジ山７を介してケース１６に固定されている。ノズルヘッドの下端にノズルディスク５が閉鎖している開口部１２を備え、またノズルディスクは異なった複数のノズル１３を備えている。開口部１２はノズル１３の開口部より著しく大きい。ノズルヘッド８の壁２０には、軸１９の周りに回転可能に配置した球殻状の偏心ディスク１５を備え、偏心ディスク１５の中心から外れてノズルディスク５の回転軸１０を備えている。軸１９並びに回転軸１０はレーザ光線１１の軸１７に対し傾いている。本実施例では、その傾きは約２０°である。ノズルディスク５の湾曲はノズルヘッド８の湾曲に合致している。本実施例ではノズルディスクが歯車状となっており、その歯車部に位置決めモータ２の伝道歯車３が嵌合している。位置決めモータ２により、次の工程に必要なノズルをレーザ光線１１内へと移動させる。

本発明によるレーザヘッドの構成を示す縦断面図

符号の説明

１ 流路
２ モータ
３ 伝道歯車
４ 物質
５ ノズルディスク
６ レンズ
７ ネジ山
８ ノズルヘッド
９ 先端部
１０ 回転軸
１１ レーザ光線
１２ 開口部
１３ ノズル
１４ 放射室
１５ 偏心ディスク
１６ ケース
１７ 長軸
１８ レーザヘッド
１９ 軸
２０ 壁

Claims (8)

1. ケース（１６）を有するレーザ光線加工機内のレーザヘッドであって、該ケース内には放射室（１４）及びその端部にレーザ光線（１１）用のノズル（１３）、並びに作業ガスの導入口を備え、
   ケース（１６）にキャップ状のノズルヘッド（８）を備え、ノズルヘッド（８）内にノズルヘッド（８）の壁（２０）にノズルディスク（５）が備えられ、複数のノズル（１３）は回転軸（１０）の周りに回転されて交換可能に且つ交換されたノズル（１３）にレーザ光線（１１）が入射するようにノズルディスク（５）に保持され、回転軸（１０）はレーザ光線（１１）の長軸に対して斜めに傾き、
   ノズルディスク（５）の回転軸（１０）は、ノズルヘッド（８）の壁（２０）の軸（１９）の周りに回転可能に配置した偏心ディスク（１５）上に偏心して配置されていることを特徴とするレーザヘッド。
2. ノズル開口部を有するノズルディスク（５）上のノズル（１３）は、回転軸（１０）を中心とした同一半径上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザヘッド。
3. ノズルディスク（５）は、ノズルヘッド（８）の内側に面したその側面がノズルヘッドの曲率に対応する曲率であることを特徴とする請求項２に記載のレーザヘッド。
4. ノズルディスク（５）は位置決めモータ（２）を介して調整可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のレーザヘッド。
5. レーザ光線（１１）の出口であるキャップの開口部（１２）はノズルの直径より大きいことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載のレーザヘッド。
6. 作業ガスを放射室（１４）に導入するケース（１６）内の流路（１）は、その軸が放射室（１４）の長軸（１７）と交差しないことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載のレーザヘッド。
7. ケース（１６）は漏斗口状の先端部（９）を備え、その内部に鋭角の円錐状の放射室を備え、キャップ状のノズルヘッド（８）に囲まれていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載のレーザヘッド。
8. ノズルヘッド（８）はケース（１６）にネジ止め可能であることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載のレーザヘッド。

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