JP2018024009A - ウォータジェットレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ被曝のリスクを著しく低下させる安全なレーザ加工装置を提供すること。【解決手段】ノズルから吐出した水柱で案内したレーザ光によって被加工物を加工するウォータジェットレーザ加工機と、レーザ光の被曝からオペレータを保護するためにオペレータに装着される保護装具と、保護装具がオペレータに装着されているか否かを検出する装具検出部と、を具備するレーザ加工装置であって、ウォータジェットレーザ加工機が、レーザ光源からノズルへ至るレーザ光の光路に配設されて光路を開放する開放位置及び光路を遮断する遮断位置のいずれかをとることができるシャッタと、装具検出部がオペレータによる保護装具の装着を検出しなかったとき、シャッタを遮断位置に配置する制御部とを具備するレーザ加工装置。【選択図】図３

Description

本発明は、ノズルから吐出した水柱で案内したレーザ光により被加工物を加工するウォータジェットレーザ加工装置に関するものである。

特に金属加工用のレーザ加工機は、強力なレーザ光を利用するので、通常は、日本工業規格ＪＩＳ Ｃ ６８０２で規定されたクラス４の装置として分類されている。そのため、レーザ加工機は、レーザ被曝が起こらないように、加工領域をカバーで覆う等の方策が取られている。さらに、レーザ加工機の稼働中は、レーザ被曝を防ぐ保護メガネのような保護装具がオペレータによって着用される。

ところで、レーザ加工機の稼働に際しては、通常、レーザ光の照射位置あるいは焦点位置の調整が行われる。そのときオペレータは、カバーに設けられた開口部の扉を開け、保護メガネによってレーザ被曝を防ぎつつ作業を行う。特に、精密加工用のウォータジェットレーザ加工機の場合、水柱内を通過するレーザ光を視認可能な状態で、レーザ光の焦点位置を微小な（例えば２５μｍから１２０μｍ）ノズルの中心に合わせる非常にシビアなアライメント調整を比較的高い頻度で行う必要があり、そのため保護メガネだけでレーザ被曝に対処する機会が多くなる。

保護メガネと連携して安全性を高めた手持型のレーザ装置が特許文献１に記載されている。そこでは、保護メガネを装着したオペレータの視線がレーザトーチに向けられているときにだけレーザ光の出射が可能にされる。ただし、特許文献１に記載された発明を、レーザ光の出射方向が常に一定の定置型のウォータジェットレーザ加工機に適用しても安全性は高まらない。

特開平７−１２４７６７号公報

レーザ加工に関して、保護メガネを着用してレーザ被曝を避けつつ実施しなければならない作業は残っている一方で、保護メガネの着用の有無は最終的には人為的に確認されなければならない。したがって、従来の状況は、レーザ被曝のリスクを解消できていないといえる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、レーザ被曝のリスクを著しく低下させる安全なレーザ加工装置を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、ノズルを有し、そのノズルから吐出した水柱で案内したレーザ光によって被加工物を加工するウォータジェットレーザ加工機と、レーザ光の被曝からオペレータを保護するためにオペレータに装着される保護装具と、保護装具がオペレータに装着されているか否かを検出する装具検出部とを具備するレーザ加工装置であって、ウォータジェットレーザ加工機が、レーザ光源からノズルへ至るレーザ光の光路に配設されて、光路を開放する開放位置及び光路を遮断する遮断位置をとることができるシャッタと、装具検出部がオペレータによる保護装具の装着を検出しなかったとき、シャッタを遮断位置に配置する制御部とを具備するレーザ加工装置が提供される。

本発明によれば、装具検出部がオペレータによる保護装具の装着を検出しなかったときは、制御部がシャッタを遮断位置に配置してレーザ光の出射を止めるので、レーザ被曝を確実に防ぐことが可能になる。また、レーザ光の出射を止めるのはシャッタを遮断位置に配置することにより行われ、レーザ光源は作動し続けているので、レーザ光の出射が許容された状況になったときに、オペレータは直ちに所望の作業を開始することが可能になる。

本発明の実施形態によるレーザ加工装置のウォータジェットレーザ加工機の斜視図である。 ウォータジェットレーザ加工機の光学ヘッドの模式的断面図である。 レーザ加工装置の構成要素を示すブロック図である。 保護メガネの斜視図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態によるレーザ加工装置について説明する。
本発明の実施形態によるレーザ加工装置１０００は、図１に示されるウォータジェットレーザ加工機（以下「レーザ加工機」という）１００と、図４に示される保護メガネ５０のような保護装具と、保護メガネ５０に取り付けられた装具検出部６０を具備する。図１のレーザ加工機１００は、レンズで絞ったレーザ光をノズルから噴出させた水柱によって導くウォータジェットタイプのものであって、金属の精密な穴あけ及び切断加工に適したものである。

図１を参照すると、レーザ加工機１００は、ワークを取り付けるためのテーブル１０８と、そのテーブル１０８に対してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直交３軸方向に相対的に直線移動可能に設けられた光学ヘッド１０と、図１には示されないがレーザ発振器４０とを具備している。レーザ加工機１００は、光学ヘッド１０及びテーブル１０８を包囲して加工室を形成する直方体状のカバー１０２も具備している。カバー１０２の正面には、オペレータがテーブル１０８や光学ヘッド１０へアクセス可能となるように開口部１０４が形成されている。カバー１０２は、開口部１０４を開閉するための、左右方向（Ｘ軸方向）にスライド可能なオペレータ・ドア１０６も有している。オペレータ・ドア１０６は、その開閉状態を検出するためのドアスイッチ１０６ａを備えている。

カバー１０２の正面側壁には、レーザ加工機１００のための操作盤１１０が取り付けられている。操作盤１１０は、レーザ加工機１００の状態や動作を示すパラメータや、オペレータに対する操作方法を教示するアイコン等を表示するディスプレイ１１２および各種操作ボタン１１４を有している。ディスプレイ１１２は、オペレータが指でアイコンにタッチすることによってレーザ加工機１００に対して様々な操作が可能なタッチパネルとすることができる。また、操作盤１１０は制御装置を内蔵し、オペレータの入力や制御装置内に記憶されたプログラムに従ってレーザ加工機１００を制御する。操作盤１１０から、加工に用いるレーザ光の出力を入力して設定することができる。なお、制御装置は制御盤１１０に内蔵されるのではなく、機械の別の場所に格納されていてもよい。

図２に一例として示す光学ヘッド１０は、ハウジング１２内に配設され、レーザ発振器４０からのレーザ光を光ファイバコード４０ａを介して受け取り、コリメーションレンズ１８へ向けて照射するレーザ照射ヘッド１６を具備している。レーザ照射ヘッド１６からのレーザ光は、コリメーションレンズ１８で平行光線となって、第１のミラー２０によって第２のミラー２２に向けて反射され、その第２のミラー２２によってフォーカスレンズ２４へ向けて反射される。フォーカスレンズ２４で絞られたレーザ光は、ノズルヘッド２６を通してハウジング１２の外部の、通常はテーブル１０８に載置されたワークＷに照射される。このとき、光学ヘッド１０が照射するレーザ光の光軸はＺ軸に略平行となっている。また、光学ヘッド１０は、光学ヘッド１０から照射されるレーザ光の方向を調節するためミラー配向変更手段としてモータ２０ａ、２２ａを有している。さらに、光学ヘッド１０は、ノズルヘッド２６の底面壁に固定されたノズル体２７のノズル２７ａから照射されるレーザ光とノズル２７ａとの位置関係を監視するカメラ３２も有している。第２のミラー２２は誘電体多層膜から形成されているので、カメラ３２は、第２のミラー２２の下方に位置するノズル体２７の上端面を観察することができる。

図２に例示される光学ヘッド１０のノズル２７ａから照射されるレーザ光は、同じノズル２７ａから噴射される水柱３４によって包囲され、その水柱３４と周囲の空気との境界面で全反射しながら進行してワークを照射する。水柱を形成するために、超純水供給装置３０が管路２８を介してノズルヘッド２６に接続されている。

図４に例示される保護メガネ５０はレーザ加工に使用される特定の波長のレーザ光を吸収するレンズ５２を備えている。また保護メガネ５０には、その左右のテンプル５４の各々に、オペレータが保護メガネ５０を正しく装着した時に作動する接触スイッチ（図示せず）と、そのスイッチの作動信号をレーザ発振器４０の後述する制御部４５にＷｉ‐ＦｉあるいはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）により無線送信するための送信部（図示せず）と、バッテリーとを含む装具検出部６０が取り付けられている。本実施形態では、装具検出部６０の接触スイッチは、そのアクチュエータがオペレータのこめかみによって押されて作動するように構成されたリミットスイッチである。ただし、公知の様々なタイプのスイッチを接触スイッチとして利用可能であり、例えば感圧式スイッチ又は静電容量スイッチを接触スイッチとして利用してもよい。また、接触スイッチが、めがねのテンプル５４ではなく鼻あてに組み込まれた保護メガネの実施形態も可能である。

図３は、本発明の実施形態によるレーザ加工装置１０００の構成を示すブロック図である。図３を参照して、最初にレーザ加工機１００のレーザ発振器４０について説明する。レーザ発振器４０は、レーザ出力部４１のようなレーザ光源と、チラー４２と、レーザ出力部４１から光学ヘッド１０に至るレーザ光の光路を遮断及び開放するシャッタ４３と、出力計４４と、制御部４５と、電源部４６と、光学ヘッド１０へレーザ光を導光する光ファイバコード４０ａ（図３には図示せず）を具備する。また、電源部４６は、制御部４５を介してレーザ出力部４１に対して、及びチラー４２に対して電力を供給する。

図３のレーザ出力部４１は、Ｎｄ：ＹＡＧ固体レーザ共振器として構成されており、したがって、その内部に、図示されないが、Ｎｄ：ＹＡＧロッド、励起光源、集光器、全反射ミラー、出力ミラー等を具備する。また、レーザ出力部４１が出力するレーザ光は、本実施形態では、緑色の可視光である。

レーザ出力部４１と出力計４４からの発熱量は相当に大きいので、それらを冷却するために、チラー４２からの冷媒の配管がレーザ出力部４１及び出力計４４に接続されている。チラー４２は、レーザ発振器４０が通電状態にある間は、加工時及び非加工時の如何にかかわらず一定量の冷媒をレーザ出力部４１及び出力計４４に供給するように作動する。

レーザ出力部４１から出射されたレーザ光は、光ファイバコード４０ａの入射端（図示せず）の前に配設されたファイバ入射結合レンズ（図示せず）によって絞られて光ファイバコード４０ａに導入される。シャッタ４３は、レーザ出力部４１の出射端とファイバ入射結合レンズとの間のレーザ光の光路に配設されている。シャッタ４３は、光路を遮断する遮断位置と、光路を開放する開放位置をとることができる。図３では、遮断位置が実線で示され、開放位置が想像線で示されている。シャッタ４３は、枢軸を有する板状のものであって、前記枢軸を中心にモータ４７によって回動するタイプである。また、シャッタ４３は、それが遮断位置にあるときに、レーザ出力部４１から受けたレーザ光を出力計４４へ向けて反射する反射面を備えている。

制御部４５は、シャッタ制御部４８と出力制御部４９とを具備する。シャッタ制御部４８は、カバー１０２のオペレータ・ドア１０６に設けられたドアスイッチ１０６ａからの信号及び装具検出部６０からの信号に基づいてシャッタ駆動用のモータ４７を制御する。ドアスイッチ１０６ａがオペレータ・ドア１０６の開状態を検知している間は、シャッタ制御部４８は、シャッタ４３が遮断位置をとるようにモータ４７を制御し、ドアスイッチ１０６ａがオペレータ・ドア１０６の閉状態を検知している間は、シャッタ４３が開放位置をとるようにモータ４７を制御する。ただし、レーザアライメント調整を行う場合等を考慮して、オペレータ・ドア１０６が開状態であってもシャッタ４３が開放位置をとることができるように、操作盤１１０から所定の指令を発することが可能である。また、シャッタ４３が遮断位置にあるときも、本実施形態では、レーザ出力部４１は作動して所定の出力のレーザ光を出力している。これは、レーザ出力部４１の電源を一旦切ると、再稼働して安定なレーザ出力が得られるまでに比較的長い時間を要するからである。

出力制御部４９は、レーザ出力部４１の励起光源に供給する電流を制御することにより、レーザ出力部４１から出射されるレーザ光の出力を０から規定の最大出力までの間で制御するように構成されている。また、出力制御部４９は、レーザ発振器４０の始動立ち上げ時において、遮断位置に配置されたシャッタ４３によって出力計４４へ反射されたレーザ光の出力を監視するようにも構成されている。そして、レーザ光の出力が規定の出力に達したとき、シャッタ制御部４８が、モータ４７によってシャッタ４３を開放位置に移動させてその位置で保持させる。

制御部４５には、保護メガネ５０に取り付けられた装具検出部６０の接触スイッチの作動信号を無線で受信するための図示しない受信部が備えられている。制御部４５のシャッタ制御部４８は、受信部で受信した装具検出部６０からの信号に基づいてシャッタ駆動用のモータ４７を制御する。シャッタ制御部４８は、例えばオペレータが保護メガネ５０を正しく装着していることによって保護メガネ５０の２つの装具検出部６０の接触スイッチが共に閉成されている間は、シャッタ４３が開放位置をとるようにモータ４７を制御する。一方、例えばオペレータが保護メガネ５０を装着していないことによって、２つの前記接触スイッチの少なくともいずれか一方が開成されている間は、シャッタ制御部４８は、シャッタ４３が遮断位置をとるようにモータ４７を制御する。但し、この場合でもレーザ出力部４１は所定の出力のレーザ光を出力している。これは、保護メガネ５０が正しく着用されて光学ヘッド１０からのレーザ光の出射が許容される状況になったときに、シャッタ４３を開放位置に配置すれば、ただちに所定の出力のレーザ光が出射されるようにするためである。

装具検出部６０の２つの接触スイッチの少なくともいずれか一方が開成されている場合、本実施形態では、保護メガネ５０の着用を促す警報メッセージが操作盤１１０のディスプレイ１１２に表示されると共に、警告音及び警告ランプが点灯し、さらに、制御部４５は、加工プログラムの実行を停止する信号を操作盤１１０内の制御装置（図示せず）に対して発する。

また本実施形態では、シャッタ制御部４８は、ドアスイッチ１０６ａがオペレータ・ドア１０６の閉状態を検知している間であっても、装具検出部６０の接触スイッチが開成されているなら、シャッタ４３が遮断位置をとるようにモータ４７を制御する。

制御部４５は、その受信部（図示せず）が、装具検出部６０から受信した電波の強度に応じてシャッタ４３の位置を制御するようにも構成されている。保護メガネ５０がレーザ発振器４０に接近し過ぎた結果、制御部４５の受信部が受信した電波の強度が予め設定した上限値を超えた場合、シャッタ制御部４８は、シャッタ４３を遮断位置に配置し、したがって光学ヘッド１０からのレーザ光の出射が止まる。これは、オペレータが保護メガネ５０を着用していたとしても、レーザ光を間近で観察することは危険であるため、それを回避させるためである。

前述の実施形態によると、保護メガネ５０の装着の有無が、オペレータが意識することなく、確実に検知され、検知された情報に基づいて、光路に配置されたシャッタの位置が制御されて、光学ヘッド１０からのレーザ光の出射が許容されるか又は禁止される。したがって、保護メガネ５０の非着用の際にはレーザ光の出射が止められるのでレーザ被曝を確実に防ぐことが可能になる。また、レーザ光の光学ヘッド１０からの出射を止めるのはシャッタ４３を遮断位置に配置することにより行われ、レーザ出力部４１は作動し続けているので、レーザ光の出射が許容された状況になったときに、オペレータは直ちに所望の作業を開始することが可能になる。

その他の実施形態
保護装具は、保護メガネ５０に限られることはなく、様々なもの、例えばオペレータの足及び脛部分を飛散するスパッタから保護するオーバーブーツ、あるいは前掛けであってもよい。

前述の実施形態のように、装具検出部６０が保護メガネ５０に取り付けられていることが好ましいが、装具検出部６０が、保護メガネ５０等の保護装具から分離されて、オペレータによって保持され、接触スイッチが手動で操作される実施形態も可能である。

装具検出部６０の接触スイッチが開成している間は、レーザ出力部４１からのレーザ光出力を例えばクラス１相当の安全なレベルに低下させる実施形態も可能である。この場合、制御部４５の出力制御部４９は、レーザ出力部に供給される電流を、レーザ光出力がクラス１相当になるように低下させる。このとき、シャッタ４３は開放位置に配置されて低出力のレーザ光が光学ヘッド１０から出射される。但し、シャッタ４３が遮断位置に配置され、且つレーザ光出力が低下される実施形態も可能である。

同様に、制御部４５の受信部が装具検出部６０から受信した電波の強度が予め設定した上限値を超えた場合、レーザ出力部４１からのレーザ光出力を例えばクラス１相当の安全なレベルに低下させる実施形態も可能である。

装具検出部６０とレーザ発振器４０の制御部４５とが無線ではなく有線で通信接続された実施形態も可能である。

１０ 光学ヘッド
２７ａ ノズル
４０ レーザ発振器
４１ レーザ出力部
４３ シャッタ
４５ 制御部
４８ シャッタ制御部
４９ 出力制御部
５０ 保護メガネ
６０ 装具検出部
１００ ウォータジェットレーザ加工機
１０２ カバー
１０６ オペレータ・ドア
１０６ａ ドアスイッチ
１０８ テーブル
１１０ 操作盤
１０００ レーザ加工装置

上述の目的を達成するために、本発明によれば、ノズルを有し、そのノズルから吐出した水柱で案内したレーザ光によって被加工物を加工するウォータジェットレーザ加工機と、レーザ光の被曝からオペレータを保護するためにオペレータに装着される保護装具と、保護装具がオペレータに装着されているか否かを検出する装具検出部とを具備するレーザ加工装置であって、ウォータジェットレーザ加工機が、レーザ光源からノズルへ至るレーザ光の光路に配設されて、光路を開放する開放位置及び光路を遮断する遮断位置をとることができるシャッタと、装具検出部がオペレータによる保護装具の装着を検出しなかったとき、シャッタを遮断位置に配置する制御部とを具備し、装具検出部と制御部とが無線で通信するように構成されており、制御部は、電波強度を検知し、検知した電波強度が予め定めた基準値よりも高い場合にはレーザ光の強度を低下させるか又はシャッタを遮断位置に配置するレーザ加工装置が提供される。

Claims (6)

1. ノズルを有し、前記ノズルから吐出した水柱で案内したレーザ光によって被加工物を加工するウォータジェットレーザ加工機と、
   レーザ光の被曝からオペレータを保護するためにオペレータに装着される保護装具と、
   前記保護装具がオペレータに装着されているか否かを検出する装具検出部と、
   を具備するレーザ加工装置であって、
   前記ウォータジェットレーザ加工機が、
   レーザ光源から前記ノズルへ至るレーザ光の光路に配設されて、前記光路を開放する開放位置及び前記光路を遮断する遮断位置をとることができるシャッタと、
   前記装具検出部がオペレータによる前記保護装具の装着を検出しなかったとき、前記シャッタを前記遮断位置に配置する制御部と、を具備することを特徴としたレーザ加工装置。
2. 前記制御部は、前記装具検出部がオペレータによる前記保護装具の装着を検出しなかったときは、加工プログラムの実行を止める信号を発する、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記ウォータジェットレーザ加工機が、加工領域と外部とを隔てるカバーと、前記カバーに設けられた扉の開閉状態を検出する扉開閉検出部とを更に具備し、
   前記制御部は、前記扉開閉検出部が扉の閉鎖を検出したとしても、前記装具検出部がオペレータによる前記保護装具の装着を検出しなかったときは前記シャッタを前記遮断位置に配置する、請求項１又は２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記装具検出部は前記保護装具に取り付けられており、
   前記装具検出部は、前記保護装具がオペレータに装着されたときに自動的に作動するスイッチを具備する、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記保護装具が保護メガネとして構成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
6. 前記装具検出部と前記制御部とが無線で通信するように構成されており、
   前記制御部は、電波強度を検知し、検知した電波強度が予め定めた基準値よりも高い場合にはレーザ光の強度を低下させるか又は前記シャッタを遮断位置に配置する、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

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