JP6558834B2 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は２軸制御によって照射角度を変更してレーザ加工するレーザ加工ヘッドに関するものである。

多関節型の３次元レーザ加工ヘッドにおいて、レーザ一点指向のヘッド装置が提案されている（例えば、特許文献１又は特許文献２参照）。このレーザ一点指向のヘッド装置では、集光レンズ、レーザの指向性を変更する俯仰軸としてのＡ軸と、旋回軸としてのＣ軸とを有し、これらＡ軸及びＣ軸の交差する点とレーザ焦点が設計上、一致する構造となっている。

このため、Ａ軸及びＣ軸を動作してもレーザ焦点位置が移動しない特徴を有し、切断途中で切断面の角度が変わる場合や、レーザ戻り光対策としてワーク鉛直に対して、例えば、ヘッドを５°程度傾けることによって、面倒な計算や補正なく対応できる利点を有する。また、通常のレーザヘッドの場合、Ａ軸の動作によって加工範囲が狭くなる場合が生じたが、一点指向においては、加工範囲は変わらないことも利点である。

特開平２−１７９３７９号公報 特開平３−１５１１８４号公報

その一方で、これらレーザ一点指向ヘッドは内部に反射ミラーを複数枚内蔵しており、レーザヘッドの組立において反射ミラー角度を微調整してレーザ光の指向性を調整する光軸調整は非常に重要な作業であるが、非常に面倒な作業であった。即ち、複数枚のミラーの光軸調整を行う必要があるため、個々の反射ミラーの光軸調整は、作業量が非常に多くなる。反射ミラー１枚の光軸調整に対し、例えば前後の反射ミラー４枚の光軸調整も含まれるため、作業量が４倍をはるかに超える作業量になる。更に、光軸調整は反射ミラー間の距離が長いほど難易度が上がる。

このため、従来型のレーザ一点指向のヘッドはその複雑な構造のため、大柄な構造物となりミラー間の距離も必然的に長くなる傾向にある。即ち、従来型のレーザ一点指向のヘッドは、光ファイバケーブルから発散光を発し、これをコリメートレンズにて平行光にして反射ミラーでミラー伝送し、集光レンズで集光するが、平行光の経路の屈折が４〜６回あるので、少なくとも集光レンズが２枚、反射ミラーが４枚〜６枚必要であり、部品点数が多く、非常に複雑な構造である。

加えて、性能面からも、一般的に反射ミラーを１回通すとレーザパワーが９８％程度に下がるため、４回通すと０．９８の４乗＝９２％、６回通すと０．９８の６乗＝８９％と、概ね９０％程度に下がることになり、反射ミラーはエネルギー効率面において、無駄が生じる。

本発明は、これらを鑑み、集光レンズと反射ミラーの使用数を削減して単純な構造としつつ、高いエネルギー効率を達成したレーザ加工ヘッドを得ることを目的とする。

請求項１に記載された発明に係るレーザ加工ヘッドは、平面又は立体ワークに対して第１回転軸及び第２回転軸の２軸制御によって照射角度を変更してレーザ加工するレーザ加工ヘッドであって、
ヘッド本体と、このヘッド本体に予め定められた回転軸廻りに回転自在に支持される第１回転軸ハウジングと、この第１回転軸ハウジングに予め定められた第２回転軸廻りに回転自在に支持される第２回転軸ハウジングと、この第２回転軸ハウジングの先端部に配されたレーザ照射手段と、このレーザ照射手段にレーザ光を伝送するレーザ光伝送手段とを備えた一点指向型レーザ加工ヘッドにおいて、
前記レーザ光伝送手段として、前記第２回転軸ハウジングに接続され、この第２回転軸ハウジング内の前記レーザ照射手段にレーザ光を伝送する光ファイバケーブルを備え、
前記光ファイバケーブルが、復元トルクが一定で変位量によって変化しない定荷重バネによって前記ヘッド本体の後端部で支持されていることを特徴とするものである。

請求項２に記載された発明に係るレーザ加工ヘッドは、請求項１に記載の光ファイバケーブルが、前記第２回転軸ハウジングに軸受を介して接続されていることを特徴とするものである。

請求項３に記載された発明に係るレーザ加工ヘッドは、請求項１又は２に記載の第２回転軸が、前記第１回転軸と交差する点を有することを特徴とするものである。

請求項４に記載された発明に係るレーザ加工ヘッドは、請求項１〜３の何れか１項に記載の第１回転軸と第２回転軸とが４５°の角度で交差することを特徴とするものである。

請求項５に記載された発明に係るレーザ加工ヘッドは、請求項３又は４に記載のレーザ照射手段が、前記第２回転軸と第１回転軸との交差する点を焦点とする１つの集光レンズを備えたことを特徴とするものである。

請求項６に記載された発明に係るレーザ加工ヘッドは、請求項５に記載のレーザ照射手段が、前記光ファイバケーブルからのレーザ光を反射させて前記集光レンズに伝送する１つの反射ミラー手段を更に備えたことを特徴とするものである。

本発明は、集光レンズと反射ミラーの使用数を削減して単純な構造としつつ、高いエネルギー効率を達成したレーザ加工ヘッドを得ることができるという効果がある。

即ち、従来の加工ヘッドは部品点数が多く、構造が複雑であったが、本発明では、レーザ光伝送手段として、レーザ照射手段にレーザ光を伝送する光ファイバケーブルを備え、この光ファイバケーブルが、第２回転軸ハウジングに接続され、このハウジング内の集光レンズにレーザ光が伝送されるため、必然的に部品点数が減り、シンプルな構造となった。

また、光ファイバケーブルを用いることにより、ヘッド内のレンズや反射ミラーを低減することができ、レンズや反射ミラーの通過によるレーザ光の減衰を極力抑えることができ、高いエネルギー効率を達成することができる。

本発明のレーザ加工ヘッドの一実施例の構成を示す説明図である。 図１のレーザ加工ヘッドの第２回転軸（Ａ軸）ハウジングをＡ軸廻りに１８０°回転した状態の構成を示す説明図である。 図２のレーザ加工ヘッドの第１回転軸（Ｃ軸）ハウジングをＣ軸廻りに１８０°回転した状態の構成を示す説明図である。

本発明においては、平面又は立体ワークに対して第１回転軸（Ｃ軸）及び第２回転軸（Ａ軸）の２軸制御によって照射角度を変更してレーザ加工するレーザ加工ヘッドであって、ヘッド本体と、このヘッド本体に予め定められた回転軸廻りに回転自在に支持される第１回転軸ハウジングと、この第１回転軸ハウジングに予め定められた第２回転軸廻りに回転自在に支持される第２回転軸ハウジングと、この第２回転軸ハウジングの先端部に配されたレーザ照射手段と、このレーザ照射手段にレーザ光を伝送するレーザ光伝送手段とを備えたレーザ加工ヘッドである。

このレーザ加工ヘッドにおいて、第２回転軸ハウジングに接続され、この第２回転軸ハウジング内の前記レーザ照射手段にレーザ光を伝送する光ファイバケーブルを備え、この光ファイバケーブルが第２回転軸ハウジングに接続されてこのハウジング内の集光レンズにレーザ光が伝送されるものである。このため、レーザレンズと反射ミラーの使用を削減して単純な構造としつつ、高いエネルギー効率を達成したレーザ加工ヘッドを得ることができる。

即ち、本発明では、ヘッド本体でのミラーレンズの反射を極力抑えるため、第１回転軸ハウジング内を、光ファイバケーブルで通過させた上で、レーザ照射手段が配された第２回転軸ハウジングに接続させることで、従来は第１回転ハウジング内に配置されていたミラーレンズを省略することができ、単純な構造とすることができる。また、ミラーレンズを省略することで、レーザ光の減衰が少なくなるため、高いエネルギー効率を達成することができる。

本発明の光ファイバケーブルは、第２回転軸ハウジングに接続されるため、第１回転軸ハウジング内を光ファイバケーブルで通過される。このため、この第１回転軸ハウジング内としては、好ましくは、光ファイバケーブルの曲率半径以上の領域を有するものであればよい。

本発明の光ファイバケーブルは、好ましくは、第２回転軸ハウジングに軸受を介して接続される。これにより、第１回転軸ハウジング及び第２回転軸ハウジングの回動によっても、光ファイバケーブルが捩れることがなく、加工に際して個々の回動に伴う制約がなくなる。尚、光ファイバケーブルの一端部は第２回転軸ハウジングに軸受を介して接続されるが、他端部は、好ましくは、復元トルクが一定で、変位量によって変化しない定荷重バネによってヘッド本体に支持されればよい。

尚、光ファイバケーブルと第２回転軸ハウジングとの軸受としては、光ファイバケーブル及び第２回転軸ハウジングの一方の回動を他方に伝達しない軸受であればよく、すべり軸受、転がり軸受、磁気軸受、流体軸受等が採用されるが、ころ軸受や玉軸受等の転がり軸受が安価でメンテナンス面で有利である。

本発明の第２回転軸ハウジングの先端部に配されたレーザ照射手段としては、光ファイバケーブルからのレーザ光を、第１回転軸と第２回転軸との交差する点を焦点とする１つの集光レンズを備えているため、第２回転軸ハウジング内のレーザ照射手段の寸前まで配される。このため、光ファイバケーブルからのレーザ光を平行光とすることなく、レーザ照射手段の集光レンズにレーザ光を伝送することとなる。

この集光レンズによって、第１回転軸と第２回転軸との交差する点をレーザ焦点とすれば一点指向型とすることができる。これにより、平行光とするコリメートレンズを省略することができ、レーザレンズと反射ミラーの使用を更に削減して単純な構造としつつ、高いエネルギー効率を達成した一点指向型レーザ加工ヘッドを得ることができる。

より好ましいレーザ照射手段としては、光ファイバケーブルからのレーザ光を反射させて前記集光レンズに伝送する１つのミラー手段を更に備える。即ち、光ファイバケーブルからのレーザ光を反射する１つのミラー手段と、ミラー手段のレーザ反射光を、第１回転軸と第２回転軸との交差する点を焦点とする１つの集光レンズを備える。

図１は本発明のレーザ加工ヘッドの一実施例の構成を示す説明図である。図２は図１のレーザ加工ヘッドの第２回転軸（Ａ軸）ハウジングをＡ軸廻りに１８０°回転した状態の構成を示す説明図である。図３は図２のレーザ加工ヘッドの第１回転軸（Ｃ軸）ハウジングをＣ軸廻りに１８０°回転した状態の構成を示す説明図である。

図に示す通り、本実施例のレーザ加工ヘッド１０は、大きく分けてヘッド本体１１と、このヘッド本体１１に予め定められた第１回転軸であるＣ軸２０廻りに回転自在に支持される第１回転軸ハウジングとしてのＣ軸ハウジング２１と、このＣ軸ハウジング２１に予め定められた第２回転軸であるＡ軸３０廻りに回転自在に支持される第２回転軸ハウジングとしてのＡ軸ハウジング３１とからなる。

ヘッド本体１１は略円筒体の外観であり、この円筒体の一端部からＣ軸ハウジング２１の円筒形の他端部が遊嵌されるように挿入され、ヘッド本体１１の一端部とＣ軸ハウジング２１との継合部にはＡ軸軸受として玉軸受のＣ軸ベアリング１２が装着され、互いに回動自在に保持される。これらヘッド本体１１の他端部の中央部の光ファイバケーブルガイド１５からレーザ光伝送手段としての光ファイバケーブル４０がヘッド本体１１内部へ導入される。

ヘッド本体１１内部の後端部には、「コンストンバネ（商品名）」のように光ファイバケーブル４０の自重を緩和させる定荷重バネ１６が配設されている。この定荷重バネ１６によって、レーザ加工ヘッド１０が鉛直方向に設置されたとしても、光ファイバケーブル４０の自重による下方向への移動を緩和させる利点がある。加えて、Ａ軸ハウジング３１が動作すると、内部の光ファイバケーブル４０の曲げ半径が変るため、光ファイバケーブル４０の飛び出し長さが変化する。これに追随するため、この定荷重バネ１６を設けて光ファイバケーブル４０の自重と相殺すると共に、光ファイバケーブル４０の出入りを補助する利点もある。

後端部から導入された光ファイバケーブル４０はヘッド本体１１の円筒体の長手軸方向に導入され、先端部のＣ軸ハウジング２１内部に導入される。ヘッド本体１１は図において、左右に大まかに分かれており、先端部方向には、内部に光ファイバケーブル４０を導くスライダ１７が長手軸方向に延設され、このスライダ１７がヘッド本体１１の中央壁にスライダ廻り止めピン１８で固定されている。

Ｃ軸ハウジング２１のヘッド本体１１に継合する部分は、ヘッド本体１１のスライダ１７を覆ってスライダ１７内から導かれた光ファイバケーブル４０に連通する円筒形の連通部２６と、この連通部２６からＡ軸ハウジング３１に至る拡張部２７とを有する。この拡張部２７は光ファイバケーブル４０の曲率半径以上の拡張された領域である。連通部２６から拡張部２７の途中までには、光ファイバケーブル４０が内部を通るフレキ管４１が配されている。このフレキ管４１は光ファイバケーブル４０の曲率半径よりも小さい状態へ折り曲げることが無いように補助する。

ヘッド本体１１とＣ軸ハウジング２１とは、Ｃ軸ベアリング１２で互いにＣ軸２０上を回動自在に保持される。図３に示す通り、Ｃ軸ハウジング２１の連通部２６の近傍の周縁には、ヘッド本体１１の側壁に取付けられたＣ軸廻り駆動モータ１３で駆動するＣ軸ギア１４と噛合するＣ軸ハウジングギア２５が形成されており、駆動モータ１３を駆動するとＣ軸ハウジング２１が回動される。

Ａ軸ハウジング３１は、Ｃ軸ハウジング２１の拡張部のＣ軸２０に対して４５°傾斜した傾斜壁面２８に継合される。Ａ軸ハウジング３１のＣ軸ハウジング２１への継合端部は、拡張部２７の傾斜壁面２８に対して４５°傾斜した後端円筒部３６が継合している。Ａ軸ハウジング３１の後端円筒部３６に連続して、この後端円筒部３６に対して９０°傾斜した先細りしたレーザ光照射部３７が形成されている。

Ｃ軸ハウジング２１とＡ軸ハウジング３１とは、Ａ軸軸受として玉軸受のＡ軸ベアリング２２で互いにＣ軸２０上を回動自在に保持される。Ａ軸ハウジング３１の後端縁当部３６の端部には円盤状のＡ軸ハウジングギア３５が形成されている。図２に示す通り、Ｃ軸ハウジング２１の傾斜壁面２８に取付けられたＡ軸周り駆動モータ２３のハウジング内部に貫通した駆動軸で回動するＡ軸ギア２４に噛合するこのＡ軸ハウジングギア３５が形成されており、駆動モータ２３を駆動するとＡ軸ハウジング３１が回動される。

以上の通り、光ファイバケーブル４０のコネクタに対し、Ａ軸が４５°傾斜する必要があるため、大口径のＡ軸ベアリング２２内に４５度傾斜した方向に光ファイバケーブル４０のコネクタを配置した。Ａ軸廻りにＡ軸ハウジング３１が回動すると、ヘッド内の光ファイバケーブル４０の曲げ半径が変るため、光ファイバケーブル４０の飛び出し向きが変化する。これに追随するため、光ファイバケーブル４０の引きこみ口にすべりの良いフレキ管を設けた。

ヘッド本体１１とＣ軸ハウジング２１とを連通した光ファイバケーブル４０の先端部はＡ軸ハウジング３１の後端円筒部３６に導入される。詳しくは、光ファイバケーブル４０の先端部にはファイバ固定部４３が固定され、これがファイバ用スイベルシャフト４４に固定され、スイベルシャフト４４と後端円筒部３６とが軸受としてのファイバ用ベアリング４２で回動自在に保持される。

以上の通り、Ｃ軸ハウジング２１及びＡ軸ハウジング３１が動作した場合、光ファイバケーブル４０に捩れが生じるので、これを解消するために光ファイバケーブル４０のカップリング部にボールベアリングを設けた。このファイバ用ベアリング４２によって、Ｃ軸ハウジング２１及びＡ軸ハウジング３１の回動によっても、光ファイバケーブル４０が捩れることがなく、レーザ加工に際しても個々の回動に伴う制約がなくなる。

光ファイバケーブル４０の先端部からのレーザ光は、レーザ照射手段としてのレーザ照射部５０に伝送される。レーザ照射部５０は反射ミラー５１と集光レンズ５２とを備える。Ａ軸ハウジング３１の後端縁当部３６とレーザ光照射部３７との曲折部に設置されたミラー手段としての反射ミラー５１で反射し、反射されたレーザ光照射部３７の集光レンズ５２によってレーザ光が収束される。レーザ光の収束されたレーザ焦点Ｆは、Ｃ軸２０とＡ軸３０との交点に設定されている。これにより、本実施例のレーザ加工ヘッド１０は一点指向型レーザ加工ヘッドとなる。

尚、本実施例では光ファイバケーブル４０はヘッド本体１１及びＣ軸ハウジング２１内部を経て、Ａ軸ハウジング３１に接続され、レーザ照射手段の反射ミラー５１及び集光レンズ５２に伝送したが、加工ヘッドの外方から直接Ａ軸ハウジングに接続してもよい。

以上の通り、本実施例のレーザ加工ヘッド１０は、レーザ光を伝送する光ファイバケーブルを極眼まで集光レンズに近づけ、シンプルな構造とした。即ち、本実施例では、集光レンズ５２が１枚、反射ミラー５１が１枚の非常にシンプルな構成としたため、必然的に部品点数が減り、シンプルな構造となった。

従来の反射ミラーが４〜６枚に対し、本実施例では１枚になったため、レンズ及びミラーの調整作業の労力は１／４以下になった。また、光ファイバケーブル４０の発散光源を経てミラーから焦点の距離も従来より短いため、より調整はより容易となっている。加えて、反射ミラーや集光レンズの低減によって、エネルギー効率が９０％程度に対し、本実施例では９８％が見込める。エネルギー効率を向上させることができる。

１０…レーザ加工ヘッド、
１１…ヘッド本体、
１２…Ｃ軸ベアリング（Ｃ軸軸受）、
１３…Ｃ軸廻り駆動モータ、
１４…Ｃ軸ギア、
１５…光ファイバケーブルガイド、
１６…定荷重バネ、
１７…スライダ、
１８…スライダ廻り止めピン、
２０…Ｃ軸（第１回転軸）、
２１…Ｃ軸ハウジング（第１回転軸ハウジング）、
２２…Ａ軸ベアリング（Ａ軸軸受）、
２３…Ａ軸廻り駆動モータ、
２４…Ａ軸ギア、
２５…Ｃ軸ハウジングギア、
２６…連通部、
２７…拡張部、
２８…傾斜壁面、
３０…Ａ軸（第２回転軸）、
３１…Ａ軸ハウジング（第２回転軸ハウジング）、
３５…Ａ軸ハウジングギア、
３６…後端円筒部、
３７…レーザ光照射部、
４０…光ファイバケーブル（レーザ光伝送手段）、
４１…フレキ管、
４２…ファイバ用ベアリング（軸受）、
４３…ファイバ固定部、
４４…ファイバ用スイベルシャフト、
５０…レーザ照射部、
５１…反射ミラー（ミラー手段）、
５２…集光レンズ、
Ｆ …焦点、

Claims (6)

1. 平面又は立体ワークに対して第１回転軸及び第２回転軸の２軸制御によって照射角度を変更してレーザ加工するレーザ加工ヘッドであって、
   ヘッド本体と、このヘッド本体に予め定められた回転軸廻りに回転自在に支持される第１回転軸ハウジングと、この第１回転軸ハウジングに予め定められた第２回転軸廻りに回転自在に支持される第２回転軸ハウジングと、この第２回転軸ハウジングの先端部に配されたレーザ照射手段と、このレーザ照射手段にレーザ光を伝送するレーザ光伝送手段とを備えた一点指向型レーザ加工ヘッドにおいて、
   前記レーザ光伝送手段として、前記第２回転軸ハウジングに接続され、この第２回転軸ハウジング内の前記レーザ照射手段にレーザ光を伝送する光ファイバケーブルを備え、
   前記光ファイバケーブルが、復元トルクが一定で変位量によって変化しない定荷重バネによって前記ヘッド本体の後端部で支持されていることを特徴とする一点指向型レーザ加工ヘッド。
2. 前記光ファイバケーブルが、前記第２回転軸ハウジングに軸受を介して接続されていることを特徴とする請求項１に記載の一点指向型レーザ加工ヘッド。
3. 前記第２回転軸が、前記第１回転軸と交差する点を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の一点指向型レーザ加工ヘッド。
4. 前記第１回転軸と第２回転軸とが４５°の角度で交差することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の一点指向型レーザ加工ヘッド。
5. 前記レーザ照射手段が、前記第２回転軸と第１回転軸との交差する点を焦点とする１つの集光レンズを備えたことを特徴とする請求項３又は４に記載の一点指向型レーザ加工ヘッド。
6. 前記レーザ照射手段が、前記光ファイバケーブルからのレーザ光を反射させて前記集光レンズに伝送する１つのミラー手段を更に備えたことを特徴とする請求項５に記載の一点指向型レーザ加工ヘッド。

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