JP5675396B2 - Laser processing equipment - Google Patents
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Description
この発明は、加工ヘッドからレーザビームを出射すると同時に加工ガスを噴出し、切断加工を行うレーザ加工装置に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus that emits a laser beam from a processing head and simultaneously ejects a processing gas to perform cutting processing.
従来の加工ガスを用いたレーザ切断加工では、加工ガスを噴出する加工ノズルの中心と、レーザビームの光軸中心を偏芯させ、レーザビームの光軸を加工ノズルの開口中心より、加工進行方向に片寄らせることで、溶融物の流れ方向、スパッタ付着領域を制御し高品質な切断加工が可能であることが広く知られている。
加工ノズル中心とレーザビームの光軸を偏芯させる方式としては、加工ノズルを駆動装置である2つの駆動モータを用いてレーザビームに直交する平面上を任意の位置へ移動する方法、あるいはレーザビーム光軸を法線とした曲面上を任意の位置へ移動する方法が開示されている(例えば、特許文献1参照)。
また、他の方式として、レーザビーム光軸に対する加工ノズル中心の偏心量を加工するワークの材質、板厚などによって予め設定し、加工ノズルを駆動モータによりハウジングごと回転させることにより、加工方向と偏心方向を維持する方法が開示されている(例えば、特許文献2参照)。
これに対して、ミラー、加工レンズを小型モータを用い、クランク機構により揺動する方法も開示されている(例えば、特許文献3)。
In conventional laser cutting using a processing gas, the center of the processing nozzle that ejects the processing gas and the center of the optical axis of the laser beam are decentered, and the optical axis of the laser beam is shifted from the center of the processing nozzle to the direction of processing It is widely known that the high-quality cutting process can be performed by controlling the flow direction of the melt and the sputter adhesion region.
As a method of decentering the machining nozzle center and the optical axis of the laser beam, a method of moving the machining nozzle to an arbitrary position on a plane orthogonal to the laser beam by using two drive motors as drive devices, or a laser beam A method of moving to an arbitrary position on a curved surface with the optical axis as a normal is disclosed (for example, see Patent Document 1).
As another method, the amount of eccentricity at the center of the machining nozzle relative to the laser beam optical axis is set in advance depending on the workpiece material, plate thickness, etc. A method for maintaining the direction is disclosed (for example, see Patent Document 2).
On the other hand, a method of swinging a mirror and a processed lens by a crank mechanism using a small motor is also disclosed (for example, Patent Document 3).
しかしながら、上記特許文献1及び2のものによれば、加工ヘッド本体は、加工ガスの圧力が常にかかっており、気密を保ったままで移動するための構造と、ガス圧力に対する耐圧構造が必要であり、加工ヘッド本体の構造が複雑になると共に、重量が増加する問題点があった。
さらに、加工ヘッド本体を走査するレーザ加工装置の場合、加工ヘッド本体の重量が重くなると、加工ヘッド本体の走査機構にも負荷がかかり、走査速度が低下し、走査精度が悪くなる問題点があった。
また、上記特許文献3のものによれば、駆動モータの回転運動を直線運動に変換するためには、ボールネジ、スパーギア(平歯車)、クランク機構等の機械的機構を必要とし、このような機械的送り機構にはバックラッシュ等を避けがたく、そのために位置決め精度に限界があるという問題点があった。
However, according to the above-mentioned
Further, in the case of a laser processing apparatus that scans the processing head body, if the weight of the processing head body increases, a load is applied to the scanning mechanism of the processing head body, the scanning speed decreases, and the scanning accuracy deteriorates. It was.
Further, according to the above-mentioned
この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、高速に高精度で加工ノズルの開口の中心とレーザビームの光軸を偏芯することができるレーザ加工装置に提供することを目的とするものである。 An object of the present invention is to solve the above problems, and a laser processing apparatus capable of decentering the center of the opening of the processing nozzle and the optical axis of the laser beam with high accuracy at high speed. It is intended to be provided to.
この発明に係るレーザ加工装置は、レーザビームを発振するレーザ発振器と、
前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、 この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、
前記加工ヘッド本体は、前記レーザビームを前記ワークに向けて集光させる加工レンズと、この加工レンズを囲い周縁部を保持した加工レンズ保持機構と、前記加工レンズを、前記レーザビームの光軸に対し垂直な平面内で電磁石による磁気駆動で2軸直線移動させる磁気移動機構を備え、
前記磁気移動機構は、前記加工レンズの駆動平面に対して直立して設けられ前記加工レンズが前記光軸の方向に移動するのを規制する弾性ヒンジを備え、
前記弾性ヒンジは、前記駆動平面に沿った一方向に変形可能な第1の板ばねと、前記駆動平面に沿った前記一方向に対して垂直方向に変形可能な第2の板ばねとから構成されており、
前記第1の板ばねは、一端部が前記磁気移動機構に支持された固定台に固定され、他端部が前記磁気移動機構の前記固定台と反対側に設けられた中間板に固定されており、
前記第2の板ばねは、一端部が前記加工レンズ保持機構に固定され、他端部が前記中間板に固定されている。
A laser processing apparatus according to the present invention includes a laser oscillator that oscillates a laser beam,
A processing head main body to which the laser beam is transmitted via a laser beam transmission system, a processing nozzle attached to an end of the processing head main body and having an opening directed toward the work, and a gas for supplying the processing gas to the processing nozzle A supply device, and a partition plate provided in the processing nozzle or the processing head main body and preventing the processing gas from entering the processing head main body through the processing nozzle,
The processing head body includes a processing lens for condensing the laser beam toward the workpiece, a processing lens holding mechanism that surrounds the processing lens and holds a peripheral edge, and the processing lens on the optical axis of the laser beam. A magnetic movement mechanism that moves linearly in two axes by magnetic drive with an electromagnet in a vertical plane is provided .
The magnetic movement mechanism includes an elastic hinge that is provided upright with respect to a driving plane of the processing lens and restricts the processing lens from moving in the direction of the optical axis .
The elastic hinge includes a first leaf spring that can be deformed in one direction along the drive plane and a second leaf spring that can be deformed in a direction perpendicular to the one direction along the drive plane. Has been
The first plate spring has one end fixed to a fixed base supported by the magnetic movement mechanism and the other end fixed to an intermediate plate provided on the opposite side of the magnetic movement mechanism from the fixed base. And
One end of the second leaf spring is fixed to the processing lens holding mechanism, and the other end is fixed to the intermediate plate.
また、この発明に係るレーザ加工装置は、レーザビームを発振するレーザ発振器と、前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、
前記加工ヘッド本体は、前記レーザビームを前記ワークに向けて集光させる加工レンズと、この加工レンズを囲い周縁部を保持した加工レンズ保持機構と、前記加工レンズを、前記レーザビームの光軸に対し垂直な曲面内で電磁石による磁気駆動で2軸曲線移動させる磁気移動機構を備え、
前記磁気移動機構は、前記加工レンズの駆動平面に対して直立して設けられ前記加工レンズが前記光軸の方向に移動するのを規制する弾性ヒンジを備え、
前記弾性ヒンジは、前記駆動平面に沿った一方向に変形可能な第1の板ばねと、前記駆動平面に沿った前記一方向に対して垂直方向に変形可能な第2の板ばねとから構成されており、
前記第1の板ばねは、一端部が前記磁気移動機構に支持された固定台に固定され、他端部が前記磁気移動機構の前記固定台と反対側に設けられた中間板に固定されており、
前記第2の板ばねは、一端部が前記加工レンズ保持機構に固定され、他端部が前記中間板に固定されている。
A laser processing apparatus according to the present invention includes a laser oscillator that oscillates a laser beam, a processing head body that transmits the laser beam via a laser beam transmission system, and an opening that is attached to an end of the processing head body. A machining nozzle directed to the workpiece, a gas supply device for supplying the machining gas to the machining nozzle, and the machining gas provided in the machining nozzle or the machining head main body enters the machining head main body through the machining nozzle And a partition plate for preventing
The processing head body includes a processing lens for condensing the laser beam toward the workpiece, a processing lens holding mechanism that surrounds the processing lens and holds a peripheral edge, and the processing lens on the optical axis of the laser beam. A magnetic movement mechanism that moves the biaxial curve by magnetic drive with an electromagnet within a vertical curved surface,
The magnetic movement mechanism includes an elastic hinge that is provided upright with respect to a driving plane of the processing lens and restricts the processing lens from moving in the direction of the optical axis .
The elastic hinge includes a first leaf spring that can be deformed in one direction along the drive plane and a second leaf spring that can be deformed in a direction perpendicular to the one direction along the drive plane. Has been
The first plate spring has one end fixed to a fixed base supported by the magnetic movement mechanism and the other end fixed to an intermediate plate provided on the opposite side of the magnetic movement mechanism from the fixed base. And
One end of the second leaf spring is fixed to the processing lens holding mechanism, and the other end is fixed to the intermediate plate.
この発明に係るレーザ加工装置によれば、仕切板により加工ガスが加工ヘッド本体の内部に侵入するのが阻止されているので、加工ヘッド本体は、加工ガスに対する気密及び耐圧構造を必要とせず、構造を簡略化することができるとともに軽量化を図ることができる。
また、加工レンズは、機械的送り機構ではなく小型化が可能な磁気移動機構により2軸直線移動または2軸曲線移動するので、加工ヘッド本体は、小型化させる。
また、加工レンズは、電磁石に流れる電流により生じた磁気吸引力で、高速で移動し、かつ高精度で位置決めされる。
According to the laser processing apparatus according to the present invention, since the processing gas is prevented from entering the processing head main body by the partition plate, the processing head main body does not need an airtight and pressure-resistant structure against the processing gas, The structure can be simplified and the weight can be reduced.
Further, since the processing lens is moved biaxially or biaxially by a magnetic movement mechanism that can be miniaturized instead of a mechanical feed mechanism, the machining head body is miniaturized.
Further, the processing lens moves at high speed and is positioned with high accuracy by the magnetic attraction generated by the current flowing through the electromagnet.
以下、この発明の各実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一または相当部材、部位については同一符号を付して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or equivalent members and parts will be described with the same reference numerals.
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1によるレーザ加工装置を示すブロック図である。
なお、各図において、切断加工を行う面は、xy平面で、それに垂直な方向をz軸と定義する。
このレーザ加工装置30は、レーザビーム7を発振するレーザ発振器11と、レーザビーム7を加工ヘッド本体3内に複数のミラー12を介して伝送するレーザビーム伝送系20と、この加工ヘッド本体3に取付けられた加工ノズル2と、この加工ノズル2に加工ガス6を供給するガス供給装置と、ワーク5の種類、加工条件に基づいて、加工ガス6の供給量、レーザ発振器11のビーム出力、加工ヘッド本体3の駆動をそれぞれ制御する制御装置16とを備えている。
ここで、ワーク5は金属、樹脂、セラミック、ガラス、結晶等、様々な材料が対象である。特にワーク5が金属である場合、加工ガス6により、金属の酸化熱を発生し切断をより高速に行うことができる。
1 is a block diagram showing a laser processing apparatus according to
In each figure, the surface to be cut is the xy plane, and the direction perpendicular to it is defined as the z-axis.
The
Here, the
図2は、図1の加工ヘッド本体3、加工ノズル2及びワーク5の断面図であり、ピアッシング時(切断加工の開始位置に貫通穴を開ける加工)の詳細構成を示している。
加工ヘッド本体3は、内部の中心軸線上に配置された円形の加工レンズ13と、この加工レンズ13を囲い周縁部を保持した加工レンズ保持機構17と、この加工レンズ保持機構17の周囲に設けられ加工レンズ13をレーザビーム7の光軸1に対して垂直な平面内で2軸直線移動させる磁気移動機構4と、加工レンズ13に対向して設けられ、加工ガス6が加工ノズル2を通じて加工ヘッド本体3の内部に侵入するのを阻止する仕切板21とを備えている。
加工ノズル2は、加工ガス導入パイプ22の先端部が内部に臨んでおり、先端にワーク5に対向した開口が形成されている。
ガス供給装置は、例えば、酸素(O2)ガスや窒素(N2)ガスを収容したガスボンベ14と、このガスボンベ14と加工ノズル2とを接続した加工ガス導入パイプ22と、この加工ガス導入パイプ22に取付けられ加工ガス6の供給量を調整するガスバルブ15とを備えている。
なお、ガスボンベ14の代わりに高圧空気を供給するコンプレッサを用いてもよい。
制御装置16は、ガスバルブ15、レーザ発振器11及び磁気移動機構4とそれぞれ接続され、ワークの種類、加工条件に基づいて、加工ガス6の供給量、レーザ発振器11のビーム出力、及び加工レンズ13の位置を制御する。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the processing head
The
In the
The gas supply device includes, for example, a
A compressor that supplies high-pressure air may be used instead of the
The
このレーザ加工装置30は、レーザ発振器11から発振したレーザビーム7は、レーザビーム伝送系20を介して加工ヘッド本体3内に導かれ、この加工ヘッド本体3では加工レンズ13により集光され加工ノズル2の先端の開口8を通じてワーク5に照射される。 図2に示されたレーザ加工装置30は、ピアッシング加工時であるため、ワーク5は静止しており、レーザビーム7の光軸1は、加工レンズ13の中心及び加工ノズル2の開口8の開口中心9と一致している。
一方、加工ガス6は、加工ガス導入パイプ22から加工ノズル2に導入され、加工ノズル2の開口8からワーク5に噴出される。ワーク5では、レーザビーム7と加工ガス6により材料が加熱、溶融され、吹き飛ばされる。この動作により、ピアッシング穴5aが形成され、切断の開始位置となる貫通穴が形成される。
In this
On the other hand, the
図3は、図1の加工ヘッド本体3、加工ノズル2及びワーク5の断面図であり、切断加工時の詳細を示すものである。
ワーク5においてレーザビーム7が走査した部分に切断溝5bが形成されて、切断加工が行われる。
ここで、加工レンズ13が磁気移動機構4により、光軸1に対して加工レンズ中心軸23を符号24の方向に移動すると、レーザビーム7は、加工レンズ中心軸23の方向に曲げられ、加工レンズ中心軸23上で集光される。レーザビーム7が曲げられたことで、レーザビーム7の加工ノズル2の開口8での位置は、開口中心9から離れた位置になる。
例えば、図3に示すように、開口中心9に対して、レーザビーム7の位置を加工進行方向に偏心させた場合、切断溝5bが形成された後においては加工ガス6と溶融物10が切断溝5bに沿ってスムーズに流れる。
ここで、磁気移動機構4は、2軸直線移動を行う機構の組み合わせになっており、ワーク5の種類、加工条件に基づいて、任意の位置に制御される。
ここで、レーザビーム7の偏心量は、ワーク5の加工材料、厚み、加工ガス6の種類、吹き付け量、加工速度、レーザビーム7の強度等のパラメータによって選択される。
FIG. 3 is a cross-sectional view of the processing head
A cutting
Here, when the
For example, as shown in FIG. 3, when the position of the
Here, the
Here, the amount of eccentricity of the
図4は、図2の磁気移動機構4を示す構成図である。
加工レンズ13を保持した加工レンズ保持機構17には、第1のアクチュエータ25a、第2のアクチュエータ25b、第3のアクチュエータ25c及び第4のアクチュエータ25dが4方向から取り付けられている。
第1のアクチュエータ25aと、この第1のアクチュエータ25aに対向して設けられた第2のアクチュエータ25bとが、加工レンズ13をx方向に移動させる。
第3のアクチュエータ25cと、この第3のアクチュエータ25cに対向して設けられた第4のアクチュエータ25dとが、加工レンズ13をy方向に移動させる。
第1のアクチュエータ25a〜第4のアクチュエータ25dは、それぞれ四角形状の固定台48に固定された電磁石26と、各電磁石26に対向して加工レンズ保持機構17に固定された磁性体ターゲット27とから構成されている。
図4では、図2に示すように、加工レンズ13の光軸1がレーザビーム7の中心を通過するように、制御装置16がそれぞれの第1のアクチュエータ25a〜第4のアクチュエータ25dの各電磁石26に流れる電流を制御している。
FIG. 4 is a configuration diagram showing the
A
The
The
The
In FIG. 4, as shown in FIG. 2, the
一方、図5では、図3に示すように、光軸1から加工レンズ中心軸23を偏心させた状態を示す。
ここでは、第1のアクチュエータ25aの電磁石26に流れる電流を大きくして、磁性体ターゲット27を電磁石26に引き寄せることで磁性体ターゲット27と一体の加工レンズ保持機構17をxマイナス側に引き寄せることで、加工レンズ13をxマイナス方向に移動させている。
この例は一例であり、各第1のアクチュエータ25a〜第4のアクチュエータ25dの各電磁石26に流れる電流値を変えることで、電磁石26と磁性体ターゲット27とが接触しない範囲で加工レンズ保持機構17をxy平面の任意の位置に移動させることができる、即ち加工レンズ13をxy平面の任意の位置に移動させることができる。
On the other hand, FIG. 5 shows a state where the processing lens
Here, by increasing the current flowing through the
This example is an example, and the processing
この実施の形態1のレーザ加工装置30によれば、仕切板21により加工ガス6が加工ヘッド本体3の内部に侵入するのが阻止されているので、加工ヘッド本体3は、加工ガス6に対する気密及び耐圧構造を必要とせず、構造を簡略化することができるとともに軽量化を図ることができる。
また、加工レンズ13は、機械的送り機構ではなく小型化が可能な磁気移動機構4により2軸直線移動するので、加工ヘッド本体3は、小型化させる。
また、加工レンズ13は、電磁石26に流れる電流により生じた磁気吸引力で、高速で移動し、かつ高精度で位置決めされる。
従って、加工ノズル2の中心とレーザビーム7の光軸1とを高速度、高精度で偏芯させ、レーザビーム7の光軸1を加工ノズル2の開口中心9より加工進行方向に偏らせることで、加工ガス6と溶融物10が切断溝5bに沿ってスムーズに流れることを可能とし、高品質の切断加工を行うことができる。
According to the
Further, since the
Further, the
Therefore, the center of the
実施の形態2.
図6は、この発明の実施の形態2におけるレーザ加工装置30の磁気移動機構4Aを示す構成図である。
この発明の実施の形態2では、四角形状の加工レンズ保持機構17Aの四隅のそれぞれに第1板のばね41の一端部が接続されている。図6において上下方向に延びた各第1の板ばね41の他端部には、第1の板ばね41に対してほぼ直角で外側方向に延びた第2の板ばね42の一端部が接続されている。対向した、第1の板ばね41と第2の板ばね42との接続部位間は、保持部材40で接続されている。第2の板ばね42の他端部は固定台48に接続されている。
板ばね41,42は、z方向に幅広で、x方向またはy方向に肉薄であり、加工レンズ保持機構17Aは、z方向への動きが規制され、レーザビーム7の光軸1に垂直なxy平面内を移動することができる。
第1支持板ばね41は、例えばステンレス、リン青銅、ベリリウム銅などのばね鋼材の薄板を矩形平板に打ち抜いて作製されている。第2支持板ばね42は、第1支持板ばね41と同じ材料を用い、同じ形状に作製されている。
また、保持部材40は、例えばアルミニウムなどの厚い板材を矩形平板に成形して作製されている。
なお、第1の板ばね41、第2の板ばね42及び保持部材40により、加工レンズ13が光軸1の方向であるz方向に移動するのを規制する弾性ヒンジを構成している。
他の構成は、実施の形態1のレーザ加工装置30と同じである。
FIG. 6 is a configuration diagram showing a
In
The leaf springs 41 and 42 are wide in the z direction and thin in the x or y direction, and the processing
The first
Further, the holding
The
Other configurations are the same as those of the
図6では、加工レンズ13がxマイナス方向に移動している状態を示す。
この状態のときには、第1のアクチュエータ25a及び第2のアクチュエータ25bの電磁石26に流れる電流を制御装置16からの信号により制御し、第1の板ばね41がxy平面内で曲げられ、アクチュエータ25a,25bの電磁力と第1の板ばね41の弾性力との釣り合った位置で加工レンズ保持機構17Aの位置が保持されている。
また、加工レンズ13をy方向に移動するには、第3のアクチュエータ25c、第4のアクチュエータ25dの電磁石26に流れる電流を制御装置16からの信号により制御し、両端部が保持部材40と固定台48とにそれぞれ固定された4枚の第2の板ばね42がxy平面内で曲げられ、アクチュエータ25c,25dの電磁力と第2の板ばね42の弾性力との釣り合った位置で加工レンズ保持機構17Aの位置が保持されている。
FIG. 6 shows a state where the
In this state, the current flowing through the
Further, in order to move the
この実施の形態によるレーザ加工装置30によれば、実施の形態1のレーザ加工装置30と同様の効果を得ることができるとともに、磁気移動機構4Aは、加工レンズ13が光軸1の方向であるz方向に移動するのを規制する弾性ヒンジを備えたので、実施の形態1のレーザ加工装置30と比較して、加工レンズ13とワーク5との間の距離をより確実に一定に確保することができる。
According to the
実施の形態3.
図7(a)は、この発明の実施の形態3によるレーザ加工装置30の磁気移動機構4Bを示す構成図、図7(b)は、図7(a)のA-A’線に沿った断面図、図7(c)は、図7(a)のB-B’線に沿った断面図であり、図7(a)では、加工レンズ13の中心がレーザビーム7の光軸1と一致している状態を示す。
この発明の実施の形態では、加工レンズ保持機構17Bに、各電磁石26に対向した部位にプリロード用磁性体ターゲット44がそれぞれ埋設されている。また四角形状の加工レンズ保持機構17Bには、各隅部に磁性流体用磁性体ターゲット46がそれぞれ埋設されている。
固定台48には、プリロード用磁性体ターゲット44と対向してプリロード用電磁石43が埋設されており、また磁性流体用磁性体ターゲット46と対向して磁性流体用電磁石45が埋設されている。磁性流体用磁性体ターゲット46と磁性流体用電磁石45の間には、磁性流体47が挟み込まれている。
磁性流体用磁性体ターゲット46及び磁性流体用電磁石45は、磁性流体47の流出を防ぐための磁場を形成する。
また、プリロード用磁性体ターゲット44と磁性流体用電磁石45は、加工レンズ保持機構17を固定台48に対しz方向に一定の距離に保つための磁力を発生する。
FIG. 7A is a configuration diagram showing the
In the embodiment of the present invention, the preload
A preloading
The
Further, the preload
なお、ここでは、磁場により保持でき、2次元静圧案内として、2次元のシール材を必要としない磁性流体47を静圧案内に用いた構成について示したが、水、油、空気等の他の材料を用いた静圧案内でもよい。
ここで、プリロード用電磁石43,プリロード用磁性体ターゲット44、磁性流体用電磁石45及び磁性流体用磁性体ターゲット46及び磁性流体47により、静圧案内手段を構成しており、この静圧案内手段により、加工レンズ13が光軸1の方向に移動するのを静圧案内で規制している。
他の構成は、実施の形態1のレーザ加工装置30と同じである。
Here, a configuration in which the
Here, the
Other configurations are the same as those of the
この実施の形態によるレーザ加工装置30では、実施の形態1のレーザ加工装置30と同様の効果を得ることができるとともに、磁気移動機構4Bは、加工レンズ13が光軸1の方向であるz方向に移動するのを規制する静圧案内手段を備えたので、実施の形態1のレーザ加工装置30と比較して、加工レンズ13とワーク5との間の距離をより確実に一定に確保することができる。
The
実施の形態4.
図8(a)は、この発明の実施の形態4によるレーザ加工装置30の磁気移動機構4Cを示す構成図、図8(b)は、図8(a)のA-A’線に沿った断面図、図8(c)は、図8(a)のB-B’線に沿った断面図であり、図8(a)では、加工レンズ13の中心がレーザビーム7の光軸1と一致している状態を示す。
この発明の実施の形態では、4枚のx方向移動用板ばね51は、それぞれ下端部が固定台48に固定され、上端部が四角形状の中間板49のx方向の隅部に固定されている。
また、4枚のy方向移動用板ばね52は、それぞれ下端部が加工レンズ保持機構17Cのy方向の隅部に、上端部が四角形状の中間板49のy方向の隅部に固定されている。
ここで、x、y方向移動用の板ばね51,52は、例えばステンレス、リン青銅、ベリリウム銅などのばね鋼材の薄板を矩形平板に打ち抜いて作製されている。
また、電磁石26と対向した磁性体ターゲット27は、加工レンズ保持機構17Cに埋設されている。
他の構成は、実施の形態1のレーザ加工装置30と同じである。
FIG. 8A is a configuration diagram showing the
In the embodiment of the present invention, each of the four x-direction moving
Further, the four
Here, the
The
Other configurations are the same as those of the
このレーザ加工装置30では、第1のアクチュエータ25a及び第2のアクチュエータ25bの各電磁石26に電流を流すことで、電磁石26は磁性体ターゲット27を吸引し、加工レンズ保持機構17Cは、x方向に移動する。この移動の際には、y方向移動用板ばね52、中間板49もx方向に移動し、またx方向移動用板ばね51は弾性変形する。
また、第3のアクチュエータ25c及び第4のアクチュエータ25dの各電磁石26に電流を流すことで、電磁石26は磁性体ターゲット27を吸引し、加工レンズ保持機構17Cは、y方向に移動する。この移動の際には、x方向移動用板ばね51、中間板49もy方向に移動し、またy方向移動用板ばね52は弾性変形する。
In this
Further, by passing a current through each
図9(a)は、実施の形態4による磁気移動機構4Cにおいて、加工レンズ13の中心とレーザビーム7の光軸1とが一致しているときを示す模式図である。
このときは、x方向移動用板ばね51が直立しており、加工レンズ13とワーク5との距離LAは最大となる。
一方、図9(b)に示すように、x方向移動用板ばね51の長さが変わらないことから、加工レンズ13の中心がレーザビーム7の光軸1から離れることに連動してx方向移動用板ばね51は傾き、加工レンズ13は、固定台48に若干接近し、結果としてワーク5との距離LBが短くなる。これにより、ワーク5におけるレーザビーム7の焦点位置60が変化する。
なお、y方向移動用板ばね52についても、x方向移動用板ばね51と同様の挙動であり、加工レンズ13は、ワーク5との距離LBが短くなり、ワーク5におけるレーザビーム7の焦点位置60が変化する。
FIG. 9A is a schematic diagram showing a case where the center of the
At this time, the x-direction moving
On the other hand, as shown in FIG. 9B, the length of the x-direction moving
The y-direction moving
通常、加工レンズ13のx方向、y方向の移動量は、加工ノズル2の開口8の大きさよりも小さく、1mm程度以下であり、ワーク5における焦点位置60の変化量は数十μm以下になり、実際のワーク5の加工には影響を及ぼさない。
しかし、高精度な緻密なワーク5の加工が必要な場合には、焦点位置60の変化が、ワーク5の加工結果に影響を与える場合がある。
Usually, the movement amount of the
However, when it is necessary to process the
ところで、図9(c)に示すように、加工レンズ13の中心をレーザビーム7が通過したとときの第1の焦点位置61に対し、加工レンズ13の中心に対して偏心してレーザビーム67を通過させることで第2の焦点位置62を短くさせることができる。
従って、ワーク5における焦点位置60の変化による影響がある場合には、加工レンズ13がワーク5に対して接近する方向に若干移動しても、ワーク5における焦点位置60が変化しないような加工レンズ13を設計するようにすればよい。
即ち、通常の球面単レンズにおいては、レンズ中心の光に対し外周の光の焦点位置が短いという特性(球面収差)があり、この収差を利用して、加工レンズ13の形状あるいはレンズの組み合わせを選べばよい。
Incidentally, as shown in FIG. 9C, the
Therefore, when there is an influence due to the change of the
In other words, a normal spherical single lens has a characteristic (spherical aberration) that the focal position of the outer peripheral light is short with respect to the light at the center of the lens. By using this aberration, the shape of the
図10は、この発明の実施の形態4におけるy方向移動用板ばね52の変形例を示す図である。
このy方向移動用板ばね52は、一端部が中間板49に接続された第1の板ばね部位53、一端部が加工レンズ保持機構17Cに接続された第2の板ばね部位55、及び第1の板ばね部位53の他端部と第2の板ばね部位55の他端部とを結合した結合部材54で構成された折り返しばね構造である。
図8に示されたy方向移動用板ばね52は、一端部が中間板49に接続され、他端部が加工レンズ保持機構17Cに接続されており、y方向移動用板ばね52の全長は、固定台48から垂直方向に延びたx方向移動用板ばね51と比較して短い。
加工レンズ保持機構17Cがy方向に移動する場合、y方向移動用板ばね52は、y方向に弾性変形するが、折り返し構造のy方向移動用板ばね52では、第1の板ばね部位53及び第2の板ばね部位55が弾性変形し、y方向の弾性変形量を大きくすることができる。
従って、折り返し構造のy方向移動用板ばね52を採用し、併せて直線状のx方向移動用板ばね51の全長を短くすることで、z方向に短い磁気移動機構4Cを実現することができる。
FIG. 10 is a view showing a modification of the y-direction moving
This
The y-direction moving
When the processing
Therefore, the
実施の形態5.
図11は、この発明の実施の形態5によるレーザ加工装置30を示すブロック図である。
この発明の実施の形態では、レーザ加工装置30のレーザビーム伝送系20のレーザ経路の一部を伸縮可能とし、加工ヘッド本体3及び加工ノズル2で移動体31を構成し、この移動体31をワーク5に対して平行な方向、または光軸1に対して垂直な方向に移動させながらワーク5の加工を行うものである。
他の構成は、実施の形態1のレーザ加工装置30と同様である。
FIG. 11 is a block diagram showing a
In the embodiment of the present invention, a part of the laser path of the laser
Other configurations are the same as those of the
この発明の実施の形態5によるレーザ加工装置30では、加工ヘッド本体3には、実施の形態1の磁気移動機構4が加工ヘッド本体3に組み込まれており、加工レンズ13を移動させるのに、ボールネジ、スパーギア(平歯車)、クランク機構等の機械的機構を採用するのではなく、磁気移動機構4Cを用いて直接移動しており、移動体31の加減速時にもバックラッシュ等の機械的な遅延の発生が抑えられ、高速で、高精度なワーク5の加工が可能になる。
なお、加工ヘッド本体3に、実施の形態2の磁気移動機構4A、実施の形態3の磁気移動機構4B、実施の形態4の磁気移動機構4Cを組み入れても同様に、高速で、高精度なワーク5の加工が可能なレーザ加工装置30を得ることができる。
In the
In addition, even if the
なお、上記各実施の形態1〜5のレーザ加工装置30は、仕切板21は加工ヘッド本体3に設けられているが、加工ノズルに仕切板を設けるようにしてもよい。
In the
1 光軸、2 加工ノズル、3 加工ヘッド本体、4,4A,4B,4C 磁気移動機構、5 ワーク、5a ピアッシング穴、5b 切断溝、6 加工ガス、7 レーザビーム、8 開口、9 開口中心、10 溶融物、11 レーザ発振器、12 ミラー、13 加工レンズ、14 ガス供給装置、15 ガスバルブ、16 制御装置、17,17A,17B,17C 加工レンズ保持機構、20 レーザビーム伝送系、21 仕切板、22 加工ガス導入パイプ、23 加工レンズ中心軸、24 加工レンズ移動方向、25a 第1のアクチュエータ、25b 第2のアクチュエータ、25c 第3のアクチュエータ、25d 第4のアクチュエータ、26 電磁石、27 磁性体ターゲット、30 レーザ加工装置、31 移動体、40 保持部材、41 第1の板ばね、42 第2の板ばね、43 プリロード用電磁石、44 プリロード用磁性体ターゲット、45 磁性流体用電磁石、46 磁性流体用磁性体ターゲット、47 磁性流体、48 固定台、49 中間板、51 x方向板ばね、52 y方向板ばね、52 y方向移動用板ばね、53 第1の板ばね部位、54 結合部材、55 第2の板ばね部位、60 集光位置、61 第1の集光位置、62 第2の集光位置、67 レーザビーム、LA 加工レンズとワークとの距離、LB 加工レンズとワークとの距離。 1 optical axis, 2 machining nozzle, 3 machining head body, 4, 4A, 4B, 4C magnetic movement mechanism, 5 workpiece, 5a piercing hole, 5b cutting groove, 6 machining gas, 7 laser beam, 8 aperture, 9 aperture center, 10 Melt, 11 Laser oscillator, 12 Mirror, 13 Processing lens, 14 Gas supply device, 15 Gas valve, 16 Control device, 17, 17A, 17B, 17C Processing lens holding mechanism, 20 Laser beam transmission system, 21 Partition plate, 22 Processing gas introduction pipe, 23 processing lens central axis, 24 processing lens moving direction, 25a first actuator, 25b second actuator, 25c third actuator, 25d fourth actuator, 26 electromagnet, 27 magnetic target, 30 Laser processing apparatus, 31 movable body, 40 holding member, 41 1 leaf spring, 42 second leaf spring, 43 preload electromagnet, 44 preload magnetic target, 45 magnetic fluid electromagnet, 46 magnetic fluid magnetic target, 47 magnetic fluid, 48 fixing base, 49 intermediate plate, 51 x-direction leaf spring, 52 y-direction leaf spring, 52 y-direction moving leaf spring, 53 first leaf spring portion, 54 coupling member, 55 second leaf spring portion, 60 condensing position, 61 first collection Light position, 62 Second focusing position, 67 Laser beam, LA Distance between processing lens and workpiece, LB Distance between processing lens and workpiece.
Claims (5)
前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、
この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、
この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、
前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、
前記加工ヘッド本体は、前記レーザビームを前記ワークに向けて集光させる加工レンズと、この加工レンズを囲い周縁部を保持した加工レンズ保持機構と、前記加工レンズを、前記レーザビームの光軸に対し垂直な平面内で電磁石による磁気駆動で2軸直線移動させる磁気移動機構を備え、
前記磁気移動機構は、前記加工レンズの駆動平面に対して直立して設けられ前記加工レンズが前記光軸の方向に移動するのを規制する弾性ヒンジを備え、
前記弾性ヒンジは、前記駆動平面に沿った一方向に変形可能な第1の板ばねと、前記駆動平面に沿った前記一方向に対して垂直方向に変形可能な第2の板ばねとから構成されており、
前記第1の板ばねは、一端部が前記磁気移動機構に支持された固定台に固定され、他端部が前記磁気移動機構の前記固定台と反対側に設けられた中間板に固定されており、
前記第2の板ばねは、一端部が前記加工レンズ保持機構に固定され、他端部が前記中間板に固定されているレーザ加工装置。 A laser oscillator for oscillating a laser beam;
A machining head main body through which the laser beam is transmitted via a laser beam transmission system;
A machining nozzle attached to the end of the machining head body and whose opening is directed to the workpiece;
A gas supply device for supplying the processing gas to the processing nozzle;
A partition plate provided in the processing nozzle or the processing head main body and preventing the processing gas from entering the processing head main body through the processing nozzle;
The processing head body includes a processing lens for condensing the laser beam toward the workpiece, a processing lens holding mechanism that surrounds the processing lens and holds a peripheral edge, and the processing lens on the optical axis of the laser beam. A magnetic movement mechanism that moves linearly in two axes by magnetic drive with an electromagnet in a vertical plane is provided.
The magnetic movement mechanism includes an elastic hinge that is provided upright with respect to a driving plane of the processing lens and restricts the processing lens from moving in the direction of the optical axis .
The elastic hinge includes a first leaf spring that can be deformed in one direction along the drive plane and a second leaf spring that can be deformed in a direction perpendicular to the one direction along the drive plane. Has been
The first plate spring has one end fixed to a fixed base supported by the magnetic movement mechanism and the other end fixed to an intermediate plate provided on the opposite side of the magnetic movement mechanism from the fixed base. And
The second plate spring is a laser processing apparatus in which one end is fixed to the processing lens holding mechanism and the other end is fixed to the intermediate plate.
前記レーザビームがレーザビーム伝送系を介して伝送される加工ヘッド本体と、
この加工ヘッド本体の端部に取付けられ開口がワークに指向した加工ノズルと、
この加工ノズルに前記加工ガスを供給するガス供給装置と、
前記加工ノズルまたは前記加工ヘッド本体に設けられ前記加工ガスが加工ノズルを通じて前記加工ヘッド本体の内部に侵入するのを阻止する仕切板とを備え、
前記加工ヘッド本体は、前記レーザビームを前記ワークに向けて集光させる加工レンズと、この加工レンズを囲い周縁部を保持した加工レンズ保持機構と、前記加工レンズを、前記レーザビームの光軸に対し垂直な曲面内で電磁石による磁気駆動で2軸曲線移動させる磁気移動機構を備え、
前記磁気移動機構は、前記加工レンズの駆動平面に対して直立して設けられ前記加工レンズが前記光軸の方向に移動するのを規制する弾性ヒンジを備え、
前記弾性ヒンジは、前記駆動平面に沿った一方向に変形可能な第1の板ばねと、前記駆動平面に沿った前記一方向に対して垂直方向に変形可能な第2の板ばねとから構成されており、
前記第1の板ばねは、一端部が前記磁気移動機構に支持された固定台に固定され、他端部が前記磁気移動機構の前記固定台と反対側に設けられた中間板に固定されており、
前記第2の板ばねは、一端部が前記加工レンズ保持機構に固定され、他端部が前記中間板に固定されているレーザ加工装置。 A laser oscillator for oscillating a laser beam;
A machining head main body through which the laser beam is transmitted via a laser beam transmission system;
A machining nozzle attached to the end of the machining head body and whose opening is directed to the workpiece;
A gas supply device for supplying the processing gas to the processing nozzle;
A partition plate provided in the processing nozzle or the processing head main body and preventing the processing gas from entering the processing head main body through the processing nozzle;
The processing head body includes a processing lens for condensing the laser beam toward the workpiece, a processing lens holding mechanism that surrounds the processing lens and holds a peripheral edge, and the processing lens on the optical axis of the laser beam. A magnetic movement mechanism that moves the biaxial curve by magnetic drive with an electromagnet within a vertical curved surface,
The magnetic movement mechanism includes an elastic hinge that is provided upright with respect to a driving plane of the processing lens and restricts the processing lens from moving in the direction of the optical axis.
The elastic hinge includes a first leaf spring that can be deformed in one direction along the drive plane and a second leaf spring that can be deformed in a direction perpendicular to the one direction along the drive plane. Has been
The first plate spring has one end fixed to a fixed base supported by the magnetic movement mechanism and the other end fixed to an intermediate plate provided on the opposite side of the magnetic movement mechanism from the fixed base. And
The second plate spring is a laser processing apparatus in which one end is fixed to the processing lens holding mechanism and the other end is fixed to the intermediate plate.
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