JPH0584587A - レーザ加工方法及び装置 - Google Patents

レーザ加工方法及び装置

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JPH0584587A
JPH0584587A JP3274999A JP27499991A JPH0584587A JP H0584587 A JPH0584587 A JP H0584587A JP 3274999 A JP3274999 A JP 3274999A JP 27499991 A JP27499991 A JP 27499991A JP H0584587 A JPH0584587 A JP H0584587A
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optical component
condensing optical
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path length
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Yoshinori Nakada
嘉教 中田
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Fanuc Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 加工ヘッドが移動して光路長が変化しても、
レーザ加工を適性に加工できるようにする。 【構成】 加工ヘッド１５を移動させることによって、
レーザ発振器１から加工点（レーザヘッド１５）までの
光路長は変化する。この光路中に集光光学部品（レンズ
２）を挿入し、レーザ発振器１から加工ヘッド１５まで
の光路長に応じて、被加工物１４を加工できる加工可能
領域になるように上記集光光学部品２を移動させてレー
ザ光３のビーム径を絞り伝播特性を変換させたレーザ光
４とする。集光光学部品２の移動量は僅かなものであ
り、コンパクトなレーザ加工機を得ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、被加工物を切断若し
くは溶接するレーザ加工方法及びレーザ加工装置に関す
る。特に加工ヘッドが移動して加工を行う加工方法及び
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ光を被工作物に照射して被工作物
の切断、溶接等の加工を行うレーザ加工機及びレーザ加
工方法として、レーザ光を被加工物に照射する加工ヘッ
ドを固定して被加工物を移動させて加工を行う方法及び
装置は公知である。例えば直交するＸＹ軸方向に移動す
るテーブルを利用して被加工物を移動させて加工する方
法及び装置が従来から公知である。また、被加工物を固
定し、加工ヘッドをＸＹＺ軸方向に移動させて加工を行
う加工方法及び装置も公知である。
【０００３】加工ヘッドを固定し、被加工物を移動させ
る方式であると、被加工物を移動させるための空間を必
要とし、被加工物の長さ及び幅の倍以上の空間を必要と
する。被加工物が小さいものであれば、この空間の問題
は格別問題視する必要がないが、加工を行う被加工物の
大きさが大きくなると、例えば、被加工物が５ｍ×５ｍ
のものであれば、加工空間として１０ｍ×１０ｍの空間
を必要とし、レーザ加工機が大型となってしまう。ま
た、この空間の問題を解決するために被加工物を固定
し、加工ヘッドを移動させる方式を採用すれば、加工ヘ
ッドの移動に伴なってレーザ発振器から加工点までのレ
ーザ光伝播距離、すなわち光路長が変化することにな
る。光路長が変化すると、レーザ光のビーム径やビーム
品質が変化することになり、最適焦点距離や焦点深度等
の加工条件や、加工可能な被加工物の板厚が変化するこ
とになり加工が困難になったり、最適な加工ができなく
なるという問題が生じる。
【０００４】そこで、加工ヘッドを移動させても上記光
路長を変えずに固定する方式も第６図に示すように開発
されている（特公平１−５５０７６号公報参照）。この
方式は、レーザ発振器１から加工ヘッド１５の集光レン
ズ１６までのレーザ光伝播路中にレーザ光を１８０度屈
曲させる２枚１組の反射鏡３１，３１を設け、この２枚
１組の反射鏡３１，３１を加工ヘッド１５の移動量の１
／２だけ移動させて、光路長が常に一定になるようにす
るものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、加工
ヘッドを固定すれば、大きな加工空間を必要とし、ま
た、加工ヘッドを移動させるようにすれば、レーザ光の
伝播特性が変化し、最適な加工ができなくなる。また、
上述した特公平１−５５０７６号公報に記載されている
ような加工ヘッドを移動させても光路長を固定する方式
では、反射鏡を２枚追加することによるコストアップと
パワーロスの問題があり、特に、レーザ光を１８０度屈
曲させる２枚１組の反射鏡を移動させるためのスペース
を必要とし、加工しようとする被加工物が大きくなる
と、このスペースも大きなものとなり、コンパクトなレ
ーザ加工機を得ることができない。
【０００６】そこで、本発明の目的は、レーザ加工に必
要な空間を最小限にすることができるレーザ加工方法及
びレーザ加工機を提供することにある。
【０００７】
【問題を解決するための手段】本発明のレーザ加工方法
及びレーザ加工機は、加工ヘッドを移動させて被加工物
をレーザ加工するレーザ加工方法において、上記レーザ
発振器から集光レンズまでのレーザ伝播路中にレンズや
若しくは反射鏡と曲率付反射鏡等で構成されレーザ伝播
特性改造用の集光光学部品を設け、上記レーザ発振器か
ら集光レンズまでのレーザ伝送距離の変化に応じて、均
等なレーザ加工ができるように上記集光光学部品を移動
させてレーザ加工を行うようにした。
【０００８】
【作用】図２は本発明の原理を説明する説明図で、レー
ザ発振器１から出力されたレーザ光３はレーザ伝播特性
改造用の集光光学部品（レンズ）２によって光束が絞ら
れ、該集光光学部品２から出力されるレーザ光４は伝播
特性が変化する。そして、被加工物の加工可能領域は、
最短の光路長がLa、最長の光路長がLbの間とすると、こ
の間の光路長で加工を行えば、均一な加工を行うことが
できる。しかし、加工ヘッドが移動し、光路長が上記光
路長La，Lb間になくなると、レーザ光のビーム径も変り
レーザ光伝播特性が変化する。そこで、上記集光光学部
品２をレーザ発振器１からの光路長Ｌの位置から（Ｌ＋
α）の位置に移動させ、加工可能領域を光路長（La＋
β）と（Lb＋γ）の領域に変化させ、該領域内に光路長
が入るようにする。その結果、集光レンズに入力される
ビーム径やビーム品質は最適の加工ができる状態に保持
されることになる。これにより、加工ヘッドが移動しレ
ーザ光の光路長が変化しても最適の加工ができ、かつ、
上記上記集光光学部品の移動も僅かなものでよいから、
スペースを大きくとることはなく、コンパクトなレーザ
加工機を得ることができる。
【０００９】
【実施例】図１は本発明の一実施例のレーザ加工機の構
成説明図で、本実施例においては、加工ヘッド１５を直
交するＸ軸，Ｙ軸方向に移動させるように構成されてい
るもので、レーザ発振器１、レーザ伝播路中に配設され
たレーザ光伝播改造用の集光光学部品としての長い焦点
距離のレンズ２、該レンズ２を移動させるサーボモータ
１１，ボールネジ８及びナット８ａ等の伝動機構、加工
ヘッド１５及び反射鏡６をＸ軸方向に移動させる移動さ
せるサーボモータ１２，ボールネジ９及びナット９ａ等
の伝動機構、加工ヘッド１５をＹ軸方向に移動させるサ
ーボモータ１３，ボールネジ１０及びナット１０ａ等の
伝動機構、及び、このレーザ加工機を制御する制御装置
としての数値制御装置（ＮＣ装置）で構成されている。
なお、５，６，７は反射鏡で、１６は加工ヘッド内に配
設された集光レンズである。また、１１ａ，１２ａ，１
３ａは各サーボモータに取り付けられた位置，速度を検
出するためのパルスコーダであり、１４は被加工物であ
る。
【００１０】また、図１では、サーボモータ１２によっ
て反射鏡６を図１中上下に移動させるように記載してい
るが、実際は、紙面垂直方向にボールネジ９が配設さ
れ、該ボールネジ９に螺合するナット９ａによって反射
鏡６及び、Ｙ軸のサーボモータ１３ａ，ボールネジ１
０，加工ヘッド１６等が配設されたコラムを移動させて
は紙面垂直方向のＸ軸方向に移動させるものである。
【００１１】レーザ発振器１から出力されたレーザ光３
はレンズ２を通り、伝播特性が変化させられたレーザ光
４となり、反射鏡５で９０度屈曲され、反射鏡６に入光
し、さらに該反射鏡６で９０度屈曲され反射鏡７で再度
９０度屈曲され、集光レンズ１６に入光し、該集光レン
ズ１６で焦点が絞られ被加工物１４に照射されて切断加
工が行われるものである。この場合、サーボモータ１２
及び１３の駆動でボールネジ−ナット機構９，９ａ，１
０，１０ａを介して加工ヘッド１５が移動すると、レー
ザ発振器１から加工点、すなわち加工ヘッドまでの光路
長（レーザ光伝播距離）が変化し、レーザ光のビーム径
やビーム品質が変化することになるが、この時、サーボ
モータ１１を駆動し、ボールネジ−ナット機構８，８ａ
を介してレンズ２を移動させて光路長の変化に対して、
加工可能領域になるようにレーザ光３の伝播特性を変え
るようにしたものである。
【００１２】数値制御装置２０のプロセッサ２１には、
バス２９を介してシステムプログラムが記憶されたＲＯ
Ｍ２２、データを一時記憶するためのＲＡＭ２３、加工
プログラムや後述するレンズ２の移動位置が設定された
テーブルを記憶するバッテリでバックアップされた不揮
発性メモリ２４、レーザ発振器１と接続するインタフェ
ース２５、サーボモータ１１，１２，１３を駆動制御す
るサーボ回路２７，２８，２９が接続されている。な
お、各サーボ回路２６，２７，２８には夫々対応するサ
ーボモータ１１，１２，１３に取り付けられたパルスコ
ーダ１１ａ，１２ａ，１３ａから位置，速度のフィード
バック信号が入力され、位置，速度制御が従来と同様に
なされるものである。
【００１３】プロセッサ２１はインタフェース２５を介
してレーザ加工指令をレーザ発振器１に出力し、この指
令を受けてレーザ発振器１はレーザ光を出力し、前述し
たように、レンズ２、反射鏡５，６，７、集光レンズ１
６を介して加工ヘッド１５から被加工物１４にレーザ光
を照射する。一方プロセッサ２１は不揮発性メモリ２４
に格納された加工プログラムに基づいてサーボ回路２
７，２８を介してサーボモータ１２，１３を駆動し、加
工ヘッド１５及び反射鏡６，７を移動させる。また、こ
の加工ヘッドの移動に応じてサーボモータ１１ａを駆動
し、ボールネジ−ナット機構８，８ａを介してレンズを
移動させて各光路長における加工可能領域になるように
調整する。
【００１４】図３は上記不揮発性メモリ２４に格納する
光路長に対するレンズ２の位置を記憶したテーブルＴの
説明図である。光路長L に応じて加工可能領域になるよ
うに、レンズ２の位置が記憶されているもので、加工可
能領域La〜Lbはレーザ発信器の特性、加工しようとする
被加工物の材質およぞ板厚によって変るもので、レーザ
発振器１の構成が決まりその特性が決まったとき、各種
材質の被加工物の板厚に応じて光路長に対して加工点が
加工可能領域内になるレンズ２の位置Ｌを実験的に求め
て図３に示すように記憶させテーブルＴを作成する。
【００１５】すなわち、レーザ加工機が取り得る最小光
路長から最大光路長をｎ分割し、分割した光路長L が小
さい順にアドレス１から順次記憶させ、その領域におけ
るレンズ位置Ｌを記憶させるもので、光路長L がL1より
小さいときにはレンズ位置をＬ１、光路長がL1からL2の
間はレンズ位置をＬ２…光路長L がLi-1＜L ≦Liのとき
にはレンズ位置をＬi として順次記憶させるものであ
る。
【００１６】このようなテーブルＴを被加工物の材質及
び板厚のある範囲毎に作成し、フロッピーディスク等の
補助メモリに記憶しておきておき、加工しようとする被
加工物及びその板厚が決まれば、それに応じた上記テー
ブルＴを図示しないディスクドライバー等を介して不揮
発性メモリ２４に格納するようにする。また、このよう
な各種テーブルをＲＯＭに記憶しておき、加工しようと
する被加工物及び板厚を入力することによってテーブル
Ｔを選択するようにしてもよい。
【００１７】次に本実施例におけるレーザ加工動作につ
いて図５に示すフローチャートと共に説明する。加工プ
ログラムより１ブロックを読み、該ブロックがプログラ
ム終了指令のブロックか否か判断し（ステップＳ１，Ｓ
２）、プログラム終了でなければ、読み取ったブロック
の移動指令に基づき補間演算を行って各軸移動指令値を
求める（ステップＳ３，Ｓ４）。そして、各軸移動指令
値を各軸の現在値レレジスタに加算し、各軸の座標値を
更新する（ステップＳ５）。次に、各軸座標値より光路
長L を算出する。すなわち原点位置の光路長に、光路長
を変更する軸の座標値を加算することによって光路長L
は求まる。本実施例においては、Ｘ軸とＹ軸が光路長を
変更する軸であるから原点における光路長にＸ軸、Ｙ軸
の座標値を加算すれば、光路長L が求まる（ステップＳ
６）。なお他の軸も光路長を変更するものであれば、他
の軸の座標値も加算することになる。
【００１８】次に、メモリに記憶されているテーブルＴ
の、電源投入時に初期設定で「１」に設定されている指
標ｉで示されるアドレスｉより光路長Liを読みだし（ス
テップＳ７）、ステップＳ６で算出された光路長L が読
み出した光路長Li以下か否か判断し（ステップＳ８）、
以下でなければ、指標ｉを「１」インクリメントし（ス
テップＳ９）、再びステップＳ７に戻りテーブルＴより
光路長Liを読む。以下ステップＳ７〜Ｓ９の処理を繰り
返し、算出光路長L がテーブルＴから読み出した光路長
Li以下になると、上記テーブルの指標ｉより「１」つ少
ないアドレス（ｉ−１）から光路長Li-1を読みだし（ス
テップＳ１０）、この読み出した光路長Li-1より算出さ
れた光路長L が大きいか否か判断する（ステップＳ１
１）。もし、大きくなければ、指標ｉを「１」ディクリ
メントし（ステップＳ１２）、ステップＳ７に戻る。す
なわち、ステップＳ７〜Ｓ１２の処理によって、算出さ
れた光路長L がテーブルＴに記憶されたLi-1とLiとの間
（Li-1＜L ≦Li）になる指標ｉ（アドレス）を探し、見
つかると、このアドレスに記憶されたレンズ位置Ｌｉを
読み出す。
【００１９】そして、現在値レジスタＲに記憶するレン
ズ２の位置Ｌｒを読みだし（ステップＳ１３）、テーブ
ルＴより読み出したレンズ位置Ｌｉより現在位置Ｌｒを
減じた値をサーボモータ１１のサーボ回路２６に出力
し、サーボモータ１１を駆動し、レンズ２を移動させる
（ステップＳ１４）。次に、レジスタＲに上記移動量
（Ｌｉ−Ｌｒ）を加算して現在値を更新し（ステップＳ
１５）、分配終了か否か判断し（ステップＳ１６）、終
了でなければ、ステップＳ３に戻り、終了であれば、ス
テップＳ１に戻り加工プログラムが終了するまで上記処
理を実行する。このようにして、レンズ２の配設位置を
光路長によって変えることによって、常に加工点を加工
可能領域として均等な加工を行うことができる。
【００２０】上記実施例では、レーザ光の伝播特性を変
換する集光光学部品として長い焦点距離のレンズを用い
たが、このレンズ２と同等の機能を有するものであれ
ば、他の集光光学部品を用いてもよい。例えば、曲率付
反射鏡を用いてもよい。図４はこの曲率付反射鏡を用い
たときの実施例で、レーザ発振器１から照射されたレー
ザ光３を曲率付反射鏡１８でレーザ光３を９０度屈曲す
ると共に光束を絞り反射鏡１９でさらに９０度屈曲させ
て伝播特性を変換したレーザ光４として出力するもの
で、この曲率付反射鏡１８と反射鏡１９を１組として集
光光学部品とし、該集光光学部品１８，１９をサーボモ
ータ１１及びボールネジ−ナット機構８，８ａで移動さ
攻めることにより上述したレンズ２と同等の作用を行わ
せることができる。なお、曲率付反射鏡１８と反射鏡１
９の配置を逆にしてもよい（すなわち、レーザ発振器１
からのレーザ光３を反射鏡１９で９０度屈曲させその後
曲率付反射鏡１８で光束を絞って出力するようにしても
よい）。さらに、上記各実施例では、光路長に対し集光
光学部品の位置を実験的に求め、図３に示すようにデー
タベースとして記憶するようにしたが、集光光学部品の
位置を光路長を変数とする近似関係式を求めてこの関係
式によって集光工学部品位置を求めるようにしてもよ
い。
【００２１】また、上記実施例では加工ヘッドがＸ，Ｙ
軸方向に移動する例を述べたが、１軸方向のみ移動する
もの、さらには加工ヘッドが３軸方向以上に移動する場
合でも本発明は適用できるものであり、光路長が変化す
るものに対してすべて適用できるものである。加工ヘッ
ド，反射鏡、集光光学部品等を移動させる手段として、
ボールネジ−ナット機構を用いたが、他の回転運動を直
線運動に変換する、例えばラックとピニオン機構等を用
いてもよいことはもちろんである。
【００２２】
【発明の効果】本発明においては、光路中に集光光学部
品を配設し、この集光光学部品の移動により、加工ヘッ
ドが移動して光路長が変化しても、上記集光工学部品を
移動するだけで加工可能領域になるように制御するもの
で、かつ、この集光光学部品の移動は僅かなものでよ
い。そのため、多大なスペースを必要とせずコンパクト
なレーザ加工機を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のレーザ加工機の構成説明図
である。
【図２】本発明の原理説明図である。
【図３】本発明の一実施例における光路長に対するレン
ズ位置を記憶するのテーブルの説明図である。
【図４】本発明の他の実施例における要部説明図であ
る。
【図５】本発明の一実施例における制御装置のプロセッ
サが実施する処理の要部説明図である。
【図６】光路長を固定する従来の方式の説明図である。
【符号の説明】
１ レーザ発振器 ２ 集光光学部品（レンズ） ５，６，７，１９ 反射鏡 ８，９，１０ ボールネジ ８ａ，９ａ，１０ａ ナット １１，１２，１３ サーボモータ １４ 被加工物 １５ 加工ヘッド １６ 集光レンズ １８ 曲率付反射鏡 ２０ 数値制御装置

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ発振器から発生するレーザ光を集
    光レンズを有する加工ヘッドまで伝送し、加工ヘッドを
    移動させて被加工物をレーザ加工するレーザ加工方法に
    おいて、上記レーザ発振器から集光レンズまでのレーザ
    伝播路中にレーザ伝播特性改造用の集光光学部品を設
    け、上記レーザ発振器から集光レンズまでのレーザ伝送
    距離の変化に応じて、均等なレーザ加工ができるように
    上記集光光学部品を移動させてレーザ加工を行うように
    したレーザ加工方法。
  2. 【請求項２】 上記集光光学部品は、レンズで構成され
    ている請求項１記載のレーザ加工方法。
  3. 【請求項３】 上記集光光学部品は、反射鏡と曲率付反
    射鏡で構成されている請求項１記載のレーザ加工方法。
  4. 【請求項４】 レーザ発振器から発生するレーザ光を集
    光レンズを有する加工ヘッドまで伝送し、加工ヘッドを
    移動させて被加工物をレーザ加工するレーザ加工装置に
    おいて、上記レーザ発振器から集光レンズまでのレーザ
    伝播路中にレーザ伝播特性改造用の集光光学部品を配設
    し、該集光光学部品を移動させる駆動手段と、上記レー
    ザ発振器から加工ヘッドまでのレーザ伝播路距離を算出
    する距離手段と、該距離算出手段で算出された距離に応
    じて、上記集光光学部品位置を決定する集光光学部品位
    置決定手段と、上記駆動手段を制御して上記集光光学部
    品位置決定手段で決定された位置に上記集光光学部品を
    移動させる駆動制御手段とを備えたことを特徴とするレ
    ーザ加工装置。
  5. 【請求項５】 上記集光光学部品位置決定手段は、レー
    ザ発振器から加工ヘッドまでのレーザ伝播路距離に応じ
    て集光光学部品位置を記憶したメモリで構成されている
    請求項４記載のレーザ加工装置。
  6. 【請求項６】 上記集光光学部品位置決定手段は、レー
    ザ発振器から加工ヘッドまでのレーザ伝播路距離に基づ
    いて集光光学部品位置を算出する手段で構成されている
    請求項４記載のレーザ加工装置。
  7. 【請求項７】 上記集光光学部品は、レンズで構成され
    ている請求項４，請求項５若しくは請求項６記載のレー
    ザ加工装置。
  8. 【請求項８】 上記集光光学部品は、反射鏡と曲率付反
    射鏡で構成されている請求項４，請求項５若しくは請求
    項６記載のレーザ加工装置。
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