JP4611411B2 - プログラマブルの焦点位置決め機能を備えたレーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、プログラマブルの焦点位置決め機能を備えたレーザ加工機に関する。

例えば下記の特許文献１は、焦点位置調整装置を備えたレーザ切断機を開示している。
この特許文献１はレーザ光の焦点位置を調整する機構として２つのものを開示している。
第１の機構は、特許文献１の図２、図３とその説明に開示された機構であって、ベンドミラー（７）を鏡面の曲率が変更できる構造のものとして、液圧により鏡面の曲率を変更して焦点位置を調整するものである。
第２の機構は、図５とその説明に開示された機構であって、収束レンズ（８ｂ）が取付けられた支持体（２７）をピストル・シリンダやサーボモータとピニオン・ラック等の駆動手段により、支持体を軸方向に移動して集光位置を調整するものである。
特開平８−３９２８１号公報

上述した特許文献１に開示された第１の機構は次のような問題がある。
アダプティブミラーの反射ミラー面は、回転対称の疑似球面であり、球面収差により次の問題がおこる。
１．出射ビーム品質（特性）は入射ビーム品質より悪くなる。
２．出射ビームのモードが崩れる。
３．出射ビームの方向が９０度とならずにズレが生じる。
また、第２の機構のものは、レーザ切断機のトーチに駆動機構を設ける必要があり、トーチを自動交換することができるレーザ加工機に適用することは困難である。
本発明の目的は、複数の特性を有するトーチを複数本用意しておき、最適なトーチを自動的に交換する装置を備えたレーザ加工に適用することができるプログラマブルの焦点位置調整機能付を備えたレーザ加工機を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明のレーザ加工機の加工ヘッドに対して交換自在に装着されるトーチを備えたレーザ加工機は、基本的な手段として、トーチは、トーチ本体と、集光レンズを保持してトーチ本体内に軸方向に摺動自在に装備されるレンズホルダと、トーチ先端に取付けられるノズルとレンズホルダとの間に設けられるアシストガス室と、レンズホルダの加工ヘッド側に設けられるバランス室と、アシストガスをアシストガス室とバランス室に供給する通路と、レンズホルダの外周部に設けられてレンズホルダを加工ヘッド側に付勢するガススプリング室とを備える。そして、加工ヘッド側に装備される駆動装置は、数値制御装置のプログラムにより駆動されるサーボモータと、サーボモータによりトーチの軸線方向に平行な軸線に沿って駆動されるアームとを備え、アームはレンズホルダに当接してレンズホルダを軸線方向に位置決めするプログラマブルの焦点位置決め機能を備えるものである。

また、アシストガス室の受圧面積は、バランス室の受圧面積に等しくなるように形成される。このために、アシストガス室にはレンズホルダの上向きに作用する第１の力と、バランス室にはレンズホルダの下向きに作用する第２の力とを備え、第１の力と第２の力を相殺することにより、レンズホルダは停止位置に保持される。
さらに、トーチは、トーチ本体に形成される軸方向に延びるスリット、レンズホルダに取付けられてスリットを通過してトーチ本体の外部に突出するピンを備え、駆動装置のアームは、該ピンに当接して、レンズホルダをトーチに向けて位置決め機能を備えるものである。

駆動装置のアームを軸線方向に駆動する機構は、サーボモータにより回転駆動されるボールねじと、アームに取付けられてボールねじに螺合されるナットと、アームを軸線方向に案内する直動ガイドを備え、トーチのガススプリング室に正圧のガスを供給するガススプリング回路は、２ポートバルブを備え、ガススプリング室に送るガスを正圧のガスと大気とを切り替えるものである。
また、トーチは、トーチチェンジマガジンに複数の特性を有するトーチを用意しておき、最適なトーチを自動的に交換する装置を備えたレーザ加工に適用することができ、さらに、トーチは、トーチ本体と別置した駆動装置により駆動することができる。

本発明のレーザ加工機は以上の手段を備えることにより、レーザ加工中にあってもレーザ光の集光位置を自動的に調整することができる。調整のタイミングや調整量は数値制御装置のプログラム上に指令を与えておくことができる。
また、複数のトーチを交換自在に装着するので、トーチの交換毎にそのトーチに適した集光位置に集光レンズの位置を自動的に調整することができる。
したがって、最適な加工条件を自動的に設定することができ、レーザ加工効率を向上することができる。

図１は、本発明のレーザ加工機の全体構成を示す斜視図、図２は平面図、図３は正面図、図４は要部の斜視図、図５は側面図である。
全体を符号１で示すレーザ加工機は、ベッド１０上に配設されるパレット（テーブル）２０を有し、板状のワークＷ_１が載置される。ベッド１０の長手方向の延長線上にはパレット交換装置１２が配置され、次加工用のワークＷ_２を載置したパレット２０ａが用意されている。

ベッド１０上の両側には、長手方向に沿って一対のガイドレール３４が取付けられており、ガイドレール３４上には、コラム３０がＸ軸方向に移動自在に装備される。

コラム３０のＸ軸上の駆動手段は、例えば、リニアモータが使用されており、ガイドレール３４に設けた固定子と直動ガイド３２に設けた移動子との間でリニアモータが形成される。

コラム３０には、Ｘ軸に直交するＹ軸に沿ってガイドレール４４が設けてあり、サドル４０がＹ軸上で移動自在に装備される。サドル４０は、ガイドレール４４に係合する直動ガイド４２を備え、ガイドレール４４と直動ガイド４２との間でリニアモータが形成される。

サドル４０は、Ｘ軸、Ｙ軸が形成する平面に垂直なＺ軸方向にガイドレールが設けあり、加工ヘッド５０がＺ軸に沿って移動自在に装備される。加工ヘッド５０は、レーザ発振装置７２から送られてくるレーザ光が導入される光学系を備える。

加工ヘッド５０には、レーザ加工工具６０が交換自在に装備される。加工エリアは、カバー９０で覆われ、安全が確保される。ベッド１０に隣接して強電盤７０やレーザ発振装置７２が配設される。オペレータが様々な駆動を指示する数値制御装置８０は、ベッド１０上の長手方向の端部に配設される。ベッド１０上の数値制御装置８０に近い方の端部には、レーザ加工工具の段取りステーション９５が装備される。段取りステーション９５は、交換用トーチを収容するトーチステーション９６を備える。

図６乃至図８は、本発明のプログラマブルの焦点位置決め機能を有するレーザ加工装置の原理を示す説明図である。
全体を符号１００で示すレーザ加工部は、後述する加工ヘッドに対して交換自在に取付けられるトーチ１３０を有する。
本発明が適用されるレーザ加工機は、交換用のトーチが複数本用意されており、加工条件に応じて適したトーチが加工ヘッドに対して交換自在に装着される。

トーチ１３０は本体１３２内に垂直方向の軸である、軸Ｗ方向に摺動可能なレンズホルダ１５０を有する。レンズホルダ１５０は内部に集光レンズ１６０を有する。レーザ発振装置７２から送られてくるレーザ光ＬＢは種々のベンドミラーＢＭを介してトーチ１３０内に導入され、集光レンズ１６０により集光されて、集光位置ＦＣ_１を形成する。

図６に示す状態にあっては、集光位置ＦＣ_１は、トーチ１３０の下部に取付けられたノズル１７０の先端から出た位置に設定されている。
レンズホルダ１５０は、ピン１８０を有し、このピン１８０を外部に設けられる駆動装置２００により操作することにより、レンズホルダ１５０の軸Ｗ方向の位置を自動で調整することができる。

駆動装置２００は、ハウジング２１０内に回転自在に支持されるボールねじ２４０を有し、サーボモータ２２０により回転駆動される。
ボールねじ２４０に螺合するナット２５０は、アーム２６０に結合されていて、アーム２６０は直動ガイド２７０により直線方向に案内される。アーム２６０の先端部２６２は、レンズホルダ１５０のピン１８０の上面に当接し、ピン１８０を下向きに付勢してレンズホルダ１５０を下向きに向けて移動させる。

図７は、図６の状態からトーチ１３０内のレンズホルダ１５０が上方へ移動した状態を示す。レンズホルダ１５０が駆動装置２００のアーム２６０の上昇に追従して上方へ移動する機構は図９以下で説明する。
レンズホルダ１５０とともに集光レンズ１６０は上方へ移動し、集光位置ＦＣ_２はトーチ１７０の内部に移動する。

図８は、図１の状態からトーチ１３０内のレンズホルダ１５０が下方へ移動した状態を示す。レンズホルダ１５０が駆動装置２００のアーム２６０の下降に伴い下方へ移動する。レンズホルダ１５０とともに集光レンズ１６０は下方へ移動し、集光位置ＦＣ_３トーチ１７０から更に突出した位置に移動する。

本発明のプログラマブルの焦点位置決め機能を有するレーザ加工装置は以上のように、加工中にあっても、集光位置の軸Ｗ方向の位置を任意に変更することができる。
そこで、予め使用するトーチと加工条件に対応して集光位置の位置をプログラム中に設定しておくことにより、集光位置は自動で最適な位置に設定され、レーザ加工の最適化を図ることができる。
集光レンズを支持するレンズホルダは、外部に別置に設けられる駆動装置により操作されるのでトーチは駆動機構を装備する必要はなく、トーチの自動交換に適した構造を有するものである。

図９は、本発明のプログラマブルの焦点位置決め機能を有するレーザ加工部の構造を示す断面図である。
全体を符号１００で示すレーザ加工部はレーザ加工機のレーザ加工ヘッド１１０に対して交換自在に装備されるトーチ１３０を有する。
レーザ加工ヘッド１１０は、レーザ発振装置７２側から送られてくるレーザ光ＬＢの光路１１２の他に、アシストガスＡＧの供給通路１２０と、ガススプリング用のガスＡＳの供給通路１２２を備える。

レーザ加工ヘッド１１０の下端部に交換自在に装着されるトーチ１３０は、本体１３２内にレーザ加工ヘッド１１０のアシストガスＡＧの供給通路１２０に連結されるアシストガス通路１３４を有する。アシストガス通路１３４の他端部は、アシストガス室１４０に開口する。

トーチ１３０の本体１３２の内部には、円筒形状のレンズホルダ１５０が軸方向に摺動自在に挿入されている。このレンズホルダ１５０と本体１３２との間には４本のパッキン１５１，１５２，１５３，１５４が嵌装され、アシストガスＡＧやガスＡＳのシールを達成する。

第１のパッキン１５１と第２のパッキン１５２との間には、バランス室１４２が形成される。
アシストガス室１４０とバランス室１４２との間は、バランス通路１３６で連結される。そこで、アシストガス室１４０に供給されるアシストガスＡＧは、バランス室１４２にも送られる。

レンズホルダ１５０の内部に装着された集光レンズ１６０は、送られてくるレーザ光ＬＢを集光し、集光されたレーザビームは、ノズル１７０を通って集光位置ＦＣを形成する。
トーチの本体１３２の側壁には、軸方向に延びるスリット１３９が設けてあり、このスリット１３９を通って、レンズホルダ１５０に取付けたピン１８０の先端部が本体１３２の外側へ突出する。
このピン１８０を下向きに押してレンズホルダ１５０の軸方向位置を制御する駆動装置は、レーザ加工ヘッド１１０側に取付けられる。

全体を符号２００で示す駆動装置は、ハウジング２１０に取付けられるサーボモータ２２０を有する。ハウジング２１０の内部には、サポートユニット２３０が固定され、ボールねじ２４０を回転自在に、かつ軸方向には移動しないように支持する。
ボールねじ２４０は、ベアリング２３１，２３２により支持され、その上端部はカップリング２２２を介してサーボモータ２２０の出力軸に結合される。
ボールねじ２４０に螺合するナット２５０は、アーム２６０に一体に取付けられる。

アーム２６０はハウジング２１０側に設けられる直動ガイド２７０によりボールねじ２４０に平行方向に摺動される。
アーム２６０の先端部２６２は、レンズホルダ１５０のピン１８０の上面に当接して、ピン１８０を下向きに押してレンズホルダ１５０の軸方向の位置を制御する。
ピン１８０はカバー１８２を有し、トーチ本体１３２のスリット１３９の開口部を覆う。

次に、アシストガスＡＧとガススプリング用のガスＡＳの作用を説明する。
アシストガス室１４０とバランス室１４２に供給されるアシストガスＡＧの圧力は等しい。アシストガス室１４０に供給されるアシストガスＡＧは、レンズホルダ１５０を上向きに付勢する第１の力Ｆ_１を発生させる。この第１の力Ｆ_１はアシストガスＡＧのガス圧に第４のパッキン１５４の内径で形成される受圧面積を掛け合わせた値となる。バランス室１４２に供給されるアシストガスＡＧは、レンズホルダ１５０を下向きに付勢する第２の力Ｆ_２を発生させる。

この第２の力Ｆ_２は、アシストガスＡＧのガス圧に第１のパッキン１５１の内径および第２のパッキン１５２の外径で形成される受圧面積を掛け合わせた値となる。
アシストガス室１４０とバランス室１４２に供給されるアシストガスＡＧの圧力の等しいので、第１のパッキン１５１の内径、第２のパッキン１５２の外径、第４のパッキン１５４の内径寸法により第１の力Ｆ_１と第２の力Ｆ_２が決定される。

このトーチ１３０においては、第４のパッキン１５４の内径により求まるアシストガス室１４０の円状の受圧面積は、第２のパッキン１５２の外径と第１のパッキン１５１の内径との差により求まるバランス室１４２のドーナツ状の受圧面積に等しくなるように形成されているので、常に、第１の力Ｆ_１と第２の力Ｆ_２が相殺しあっている。

トーチの本体１３２の内周壁部とレンズホルダ１５０の外周壁部との間に形成されるガススプリング室１４４には、レーザ加工ヘッド１１０のガス供給通路１２２と、トーチの本体１３２のガス通路１３８を介してガススプリング用のガスＡＳが供給される。
このガスＡＳはレンズホルダ１５０を上向きに付勢する第３の力Ｆ_３を発生させる。
この第３の力Ｆ_３はガスＡＳの圧力に第３のパッキン１５３により形成される受圧面積を掛け合わせた値になる。

そこで、駆動装置２００のアーム２６０が停止している際には、ガススプリング室１４４で発生する上向きの第３の力Ｆ_３と下向きの第４の力Ｆ_４によりレンズホルダ１５０は停止位置に保持される。この力Ｆ_４は固定されたアーム２６０による反力Ｆ_４として現わされる。

以上の作用によって、トーチ１３０内のレンズホルダ１５０は、駆動装置２００のアーム２６０により下向きに押し上げられて位置決めされる。この位置は、サーボモータ２２０に与えられる数値制御装置８０のプログラムの指令により制御される。
同様にアーム２６０がサーボモータ２２０より上方に移動すると、レンズホルダ１５０は、アーム２６０に追従して上昇し、プログラムで与えられた指令位置に位置決めされる。

図１０は、ガススプリング用のガスＡＳの圧力を大気圧にした状態を示す。
ガススプリング室１４４は最小に縮まり、レンズホルダ１５０は最下端位置に停止して上昇しない。

図１１は、トーチ１３０の交換工程を示し、トーチ１３０をレーザ加工ヘッド１１０から取外しても、ガス通路１３８は大気に連通し、レンズホルダ１５０は最下部の位置に保持された状態でトーチステーション９６に戻される。
新たなトーチは同様の状態でレーザ加工ヘッド１１０に装着され、ガススプリング室１４４に正圧のガスを供給することにより、レンズホルダ１５０はピン１８０がアーム２６０に当接する位置まで上昇する。
この状態でプログラムにより焦点位置の自動調整が行なわれる。

図１２は、アシストガスとガススプリング用のガスの供給ラインを示す説明図である。
全体を符号３００で示すラインは、アシストガスＡＧの供給源３１０に通ずるライン３２０を有し、トーチ１３０のアシストガス室１４０にアシストガスＡＧは供給される。アシストガスＡＧは、圧力のガスが一定の圧力で供給される。

ガススプリング用のガスＡＳは供給源３５０から送り出され、アシストガスＡＧのガスとは別ラインで、精密レギュレータ３６０により、常時一定の圧力をもつガスに調整される。調整されたガスはライン３７０を通り、２ポートバルブ３８０を通ってトーチのガススプリング室１４４に供給される。２ポートバルブ３８０は、トーチ１３０を取外す時にガス供給が遮断する機能を備えるものである。

本発明のレーザ加工機は以上のように、予め数値制御装置７２のプログラムに指令した位置に自動的にレーザ光の焦点位置を調整することができる。
集光レンズを保持するレンズホルダの位置を制御する駆動装置は、加工ヘッド側に装備されるので、トーチの自動交換に適するものである。

尚、上述した実施例にあっては、Ｘ軸とＹ軸上の駆動手段には、リニアモータの例を説明したが、ボールねじを用いても本発明を適用することができる。

本発明のレーザ加工機の全体の斜視図。 本発明のレーザ加工機の平面図。 本発明のレーザ加工機の正面図。 本発明のレーザ加工機の要部の斜視図。 本発明のレーザ加工機の側面図。 本発明のプログラマブルの焦点位置決め機能を有するレーザ加工装置の原理を示す説明図。 本発明のプログラマブルの焦点位置決め機能を有するレーザ加工装置の原理を示す説明図。 本発明のプログラマブルの焦点位置決め機能を有するレーザ加工装置の原理を示す説明図。 本発明のプログラマブルの焦点位置決め機能を有するレーザ加工部の構造を示す断面図。 本発明のプログラマブルの焦点位置決め機能を有するレーザ加工部の構造を示す断面図。 トーチの交換状態を示す説明図。 アシストガスとガスの供給ラインを示す説明図。

１００ レーザ加工部
１１０ レーザ加工ヘッド
１３０ トーチ
１３２ トーチ本体
１４０ アシストガス室
１４２ バランス室
１４４ ガススプリング室
１５０ レンズホルダ
１６０ 集光レンズ
１７０ ノズル
１８０ ピン
１８２ カバー
２００ 駆動装置
２１０ ハウジング
２２０ サーボモータ
２４０ ボールねじ
２５０ ナット
２６０ アーム
２７０ 直動ガイド

Claims (8)

1. レーザ加工機の加工ヘッドに対して交換自在に装着されるトーチを備えたレーザ加工機であって、
   トーチは、トーチ本体と、集光レンズを保持してトーチ本体内に軸方向に摺動自在に装備されるレンズホルダと、トーチ先端に取付けられるノズルとレンズホルダとの間に設けられるアシストガス室と、レンズホルダの加工ヘッド側に設けられるバランス室と、アシストガスをアシストガス室とバランス室に供給する通路と、レンズホルダの外周部に設けられてレンズホルダを加工ヘッド側に付勢するガススプリング室とを備え、
   加工ヘッド側に装備される駆動装置は、数値制御装置のプログラムにより駆動されるサーボモータと、サーボモータによりトーチの軸線方向に平行な軸線に沿って駆動されるアームとを備え、
   アームはレンズホルダに当接してレンズホルダを軸線方向に位置決めするプログラマブルの焦点位置決め機能を備えたレーザ加工機。
2. レンズホルダ及びレンズのアシストガス室側の軸線方向の受圧面積は、レンズホルダのバランス室側の軸線方向の受圧面積に等しくなるように形成される請求項１記載のプログラマブルの焦点位置決め機能を備えたレーザ加工機。
3. アシストガス室にはレンズホルダの上向きに作用する第１の力と、バランス室にはレンズホルダの下向きに作用する第２の力とを備え、第１の力と第２の力を相殺することにより、レンズホルダは停止位置に保持される請求項１または請求項２記載のプログラマブルの焦点位置決め機能を備えたレーザ加工機。
4. トーチは、トーチ本体に形成される軸方向に延びるスリット、レンズホルダに取付けられてスリットを通過してトーチ本体の外部に突出するピンを備え、
   駆動装置のアームは、該ピンに当接して、レンズホルダをトーチに向けて位置決め機能を備えた請求項１記載のプログラマブルの焦点位置決め機能を備えたレーザ加工機。
5. 駆動装置のアームを軸線方向に駆動する機構は、サーボモータにより回転駆動されるボールねじと、アームに取付けられてボールねじに螺合されるナットと、アームを軸線方向に案内する直動ガイドを備えた請求項１記載のプログラマブルの焦点位置決め機能を備えたレーザ加工機。
6. トーチのガススプリング室に正圧のガスを供給するガススプリング回路は、２ポートバルブを備え、トーチを取外す時にガス供給が遮断する機能を備える請求項１記載のプログラマブルの焦点位置決め機能を備えたレーザ加工機。
7. トーチは、トーチチェンジマガジンに複数の特性を有するトーチを用意しておき、最適なトーチを自動的に交換する装置を備えたレーザ加工に適用することができる請求項１記載のプログラマブルの焦点位置決め機能を備えたレーザ加工機。
8. トーチは、トーチ本体と別置した駆動装置により駆動する請求項１記載のプログラマブルの焦点位置決め機能を備えたレーザ加工機。

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