JP4037152B2

JP4037152B2 - Laser processing head of laser processing equipment

Info

Publication number: JP4037152B2
Application number: JP2002109692A
Authority: JP
Inventors: 正記瀬口; 裕司竹中; 周一藤川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-04-11
Filing date: 2002-04-11
Publication date: 2008-01-23
Anticipated expiration: 2022-04-11
Also published as: JP2003305584A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ加工装置のレーザ加工ヘッドに関し、特に切断加工開始点の加工品質を向上させるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１１に示すレーザ加工装置のブロック図に基づいてレーザ加工装置について概説する。
【０００３】
レーザ加工装置３０は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により発振したレーザビーム７を伝送する複数のミラー１２と、レーザビーム７を集光する加工レンズ１３と、加工レンズ１３を保持する加工ヘッド本体３とを有し、加工ヘッド本体３には加工ガスを供給する加工ノズル２を取り付けて、ガス供給装置１４から加工ガス６を供給している。
【０００４】
加工ガス６の供給量は加工ノズル２とガス供給装置１４との間に設けたガスバルブ１５により調整する。ガスバルブ１５とレーザ発振器１１とをさらに制御装置１６に接続し、加工ガス６の供給量とレーザ発振器１１のビーム出力とを制御する。ガス供給装置１４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、または高圧空気を供給するコンプレッサで構成されている。
【０００５】
レーザ発振器１１により発振したレーザビーム７は、複数のミラー１２により、加工ヘッド本体３内に設けられた加工レンズ１３に伝送される。レーザビーム７は加工レンズ１３により集光され、加工ノズル２の先端からワーク５に照射される。一方、ガス供給装置１４から供給した加工ガス６は、ガスバルブ１５により供給量を調整された状態で加工ノズル２の開口８からワーク５に噴出する。この結果、図１２に示すように、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５ａが形成されて、切断加工が行われる。ここで、切断溝５ａが形成された後においては加工ガス６と溶融金属が切断溝５ａに沿ってスムーズに流れることになる。
【０００６】
しかしながら、図１３に示すように切断加工開始点には切断溝が形成されていないので、図１４及び図１５に示すように、加工ガス６の流れ方向と溶融金属１０の流れ方向を決定する要素がなく、ワーク５の表面の形状により、加工ガス６と溶融金属１０の流れ方向が決定される。
【０００７】
このため、図１６に示すように、ワーク５の切断加工開始点近傍において、切断溝５ａに蛇行する部分が生じ、形状精度の高い加工が困難であるという問題を有していた。
【０００８】
かかる問題を解決するものとして、特開平２−３０３８８号公報にレーザ切断方法の発明が開示されている。この公報に開示された発明は、切断加工の精度が不安定になりやすい切断加工開始点近傍において、加工速度を遅くして、溶融金属の表面形状による擾乱を小さくし、加工精度を上げるものである。
【０００９】
このほかに切断加工開始点近傍の加工精度を上げるものとして、特開平１１−７８８号公報にレーザ加工方法とレーザ加工機の加工ノズルの発明が開示されている。この発明にかかるレーザ加工機のレーザ加工ヘッドは、図１７に示すように、加工ヘッド本体３に回転可能に取り付けた加工ノズル２と、加工ノズル２に固着した帯状ギヤ２１と、帯状ギヤ２１と噛合する駆動ギヤ２０と、駆動ギヤ２０が取り付けられたモータ２２とを有している。図１８に示すように、加工ノズル２の開口８の開口中心９はレーザビーム７の光軸１に対して偏心した位置に配置している。
【００１０】
この加工ヘッドを用いて切断加工をする場合には、レーザビーム７の光軸１を加工ノズル２の回転中心として偏心方向を制御し、加工ノズル２の開口８の開口中心９とレーザビーム７の光軸１との位置関係を決定する。図１８に示すように加工ノズル２の開口８の開口中心９とレーザビーム７の光軸１との位置関係から加工ガス６と溶融金属１０の流れ方向を決定し、切断加工開始点近傍の形状精度を上げることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平２−３０３８８号公報に開示されたレーザ切断方法によれば、加工速度を遅くすると軟鋼を切断加工する際に部分的に入熱過多となり、バーニングが発生して加工面が乱れるという問題を内包している。このため、実際にこの発明にかかるレーザ切断法を実施する際には、加工速度を制御するだけでなく、レーザ出力を同期して低下させなければならなかった。
【００１２】
ＣＯ₂レーザやロッド型固体レーザにおいて、レーザ出力を低下するためには励起エネルギーを低下させる必要があるが、レーザビーム形状や収束性、ポインティング等が変化するため、制御が非常に複雑になるという問題を有している。
【００１３】
また、特開平１１−７８８号公報に開示されたレーザ加工方法によれば、加工ノズルの開口中心とレーザビームの光軸とが常に偏心されているために、安定的に高品質な切断面を得るためには、偏心方向を常に切断方向に一致させる必要があり、切断溝形成後の切断加工では、偏心方向の制御が非常に煩雑になるという問題を有している。
【００１４】
更に、図１９に示すような鋭角の部分を含む形状を切断する場合には、偏心方向を切断方向に一致させたままで方向転換を行う必要がある。このため、図１９に示す鋭角部の頂点において、加工ノズル２を時計回りあるいは反時計回りに回転させて加工を実施した場合には、図２０又は図２１に示すような、不均一な切断溝形状となり、形状精度が劣化するという問題が発生する。
【００１５】
この発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、切断加工開始点においても安定した高品質な切断面を得ることができ、鋭角形状を含む場合にも簡便な制御により高精度な切断加工を実現するレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを得ることを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドは、加工ノズルの開口からレーザビームを照射するとともに、該加工ノズルの開口から加工ガスを噴出することによって切断加工を行うレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドにおいて、レーザビームの光軸に対して前記加工ノズルの開口中心が、相互に一致した位置と互いに偏心した位置とに変位する態様で前記加工ノズルの開口形状を実質的に変更するアパーチャ部材を移動可能に配設するとともに、前記アパーチャ部材の位置を規定するアパーチャ規定手段を設けたことを特徴とする。
【００２３】
この発明によれば、レーザビームの光軸に対して加工ノズルの開口中心が、相互に一致した位置と互いに偏心した位置とに変位する態様で加工ノズルの開口形状を実質的に変更するアパーチャ部材を移動可能に配設するとともに、アパーチャ部材の位置を規定するアパーチャ規定手段を設けたので、アパーチャ部材を移動することにより加工ノズルの開口形状を実質的に変更しレーザビームに対する加工ノズルの開口中心の位置を偏心した位置に規定することができるとともに、加工ノズルの開口中心をレーザビームの光軸に一致した位置に規定することができる。
【００２４】
つぎの発明にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドは、上記の発明において、前記アパーチャ規定手段は、切断加工開始時において前記加工ノズルの開口中心をレーザビームの光軸に対して切断方向と反対方向に偏心させる一方、切断溝形成後において前記レーザビームの光軸に前記加工ノズルの開口中心を一致させるものであることを特徴とする。
【００２５】
この発明によれば、アパーチャ規定手段は、切断加工開始時において加工ノズルの開口中心をレーザビームの光軸に対して切断方向と反対方向に偏心させる一方、切断溝形成後においてレーザビームの光軸に加工ノズルの開口中心を一致させるものであるので、切断加工開始時において加工ノズルの開口中心をレーザビームに対して切断方向と反対方向に偏心した位置に規定することができ、切断溝形成後においてレーザビームの光軸に加工ノズルの開口中心を一致させる位置に規定することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの好適な実施の形態を詳細に説明する。
【００２７】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１にレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図、図２は図１に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドから噴出する加工ガスの流れを示す図、図３はワークの切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図、図４はワークの切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの上方から見た図、図５はワークの切断加工開始点近傍の切断軌跡を示す図である。
【００２８】
実施の形態１にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドは、図１１に示したものと同様のレーザ加工装置に適用されるものである。すなわち、本発明が適用対象とするレーザ加工装置は、レーザ発振器１１と、レーザ発振器１１により発振したレーザビーム７を伝送する複数のミラー１２と、レーザビーム７を集光する加工レンズ１３と、加工レンズ１３を保持する加工ヘッド本体３から構成されている。また、加工ヘッド本体３には加工ガス６を供給する加工ノズル２を取り付けてガス供給装置１４から加工ガス６を供給するようにしている。更に、加工ガス６の供給量を加工ノズル２と、ガス供給装置１４との間に設けられたガスバルブ１５により調整するようにしている。加えて、ガスバルブ１５と、レーザ発振器１１とを制御装置１６に接続し、加工ガス６の供給量とレーザ発振器１１の出力とを制御するようにしている。
【００２９】
本実施の形態１にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドでは、加工ノズル２をレーザビーム７の光軸１と相対的に移動可能に構成している。つまり、加工ヘッド本体３と加工ノズル２とを前後及び左右に移動可能に構成し、加工ヘッド本体３と加工ノズル２との間に加工ノズル２を前後に作動する直動アクチュエータ４ａと、左右に作動する直動アクチュエータ４ｂとを介在させることにより、加工ヘッド本体３に対して加工ノズル２の相対的位置を変更することができる。すなわち、加工ヘッド本体３に内蔵された加工レンズ１３と加工ノズル２との関係において相対的位置を変更できるので、集光されたレーザビーム７の光軸１と加工ノズル２の開口８の開口中心９との相対的位置を変更することができる。
【００３０】
なお、初期位置において加工ノズル２の開口８の開口中心９とレーザビーム７の光軸１とを一致させる位置に設定し、直動アクチュエータ４ａと直動アクチュエータ４ｂを駆動させることにより加工ノズル２の開口８の開口中心９がレーザビーム７の光軸１に対して任意の方向に任意の量偏心させることができるように構成する。
【００３１】
また、制御を簡便なものとするために加工ヘッド本体３と加工ノズル２との間に介在させる直動アクチュエータ４ａと直動アクチュエータ４ｂとを加工ヘッド本体３の上方から見ると直交するように配置することが好ましい。
【００３２】
また、ここで用いる直動アクチュエータ４ａ、４ｂには、ピエゾ素子、ソレノイド、シリンダ、モータその他のものが含まれ、所望の偏心量を得ることができるものである。
【００３３】
本実施の形態１にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを適用したレーザ加工装置によるワーク５の切断加工について説明する。
【００３４】
レーザ発振器１１により発振したレーザビーム７は、複数のミラー１２により加工ヘッド本体３内に設けられた加工レンズ１３に伝送される。レーザビーム７は加工レンズ１３により集光され、加工ノズル２の先端からワーク５に照射する。一方、ガス供給装置１４から供給した加工ガス６はガスバルブ１５により供給量を調整された状態で加工ノズル２の開口８から噴出する。レーザビーム７と加工ガス６とが協働することにより、ワーク５が加工される。
【００３５】
切断溝５ａが形成されていないワーク５の加工を開始する時には、二つの直動アクチュエータ４ａと４ｂにより、レーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に加工ノズル２を偏心させる。加工ノズル２が切断方向と反対方向に偏心すると、加工ガス６の流れ方向を加工ノズル２の偏心方向に限定することができるので、溶融金属１０の流れ方向も加工ノズル２の偏心方向に限定することができる。したがって、切断加工開始点における蛇行を防止することができ、図５に示すような、高品質な切断面を得ることができる。
【００３６】
なお、二以上の直動アクチュエータ４ａと４ｂを設置した場合には、偏心方向を任意に設定することができるので、任意の方向の切断加工においても、その切断加工開始点での加工精度を向上させることができる。
【００３７】
切断加工開始点に切断溝５ａが形成された後、レーザビーム７の光軸１と、加工ノズル２の開口８の開口中心９を一致させる。このとき、既に切断溝５ａが形成されているので、加工ガス６と溶融金属１０が切断溝５ａに沿って流れる。したがって、切断品質が低下することはない。
【００３８】
切断加工開始時以外では、加工ノズル２の開口８の開口中心９とレーザビーム７の光軸１を一致させるために、図１９に示すような形状切断の場合においても、偏心方向を制御する必要がなく、形状精度を落とさずに切断加工を行うことができる。
【００３９】
なお、切断加工開始時は、ワーク５に切断加工がされていないときに切断加工を開始する時点を指すことはもちろん、切断方向を大きく変更する時点、たとえば、直角に曲がる時点も含まれる。
【００４０】
実施の形態１にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドは、アクチュエータを二つの直動アクチュエータ４ａと４ｂとにより構成しているが、切断加工開始時の切断方向が一定の方向に限定されているレーザ加工装置によれば、切断加工開始時に加工ノズル２の開口８の開口中心９を偏心させる方向も限定されるので、切断方向と同じ方向に一の直動アクチュエータ４を取り付けることにより、加工ノズル２の開口８の開口中心９をレーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に偏心することができる。
【００４１】
実施の形態２．
つぎに、この発明の実施の形態２について説明する。上述した実施の形態１では、加工ノズル２を一又は二以上の直動アクチュエータにより相対的に移動可能に構成するものとしたが、本実施の形態では、アクチュエータを一の直動アクチュエータ４と一の回転アクチュエータ２２とにより構成している。
【００４２】
図６を参照して実施の形態２にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドについて説明する。なお、図６は実施の形態２にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図である。
【００４３】
本実施の形態２にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドでは、加工ヘッド本体３を回転可能に配設するとともに、加工ヘッド本体３と加工ノズル２とを左右に移動可能に構成している。そして、加工ヘッド本体３は加工ヘッド本体３の周りに形成された帯状ギヤ２１と帯状ギヤ２１と噛合する駆動ギヤ２０とを介してモータ２２により回転し、加工ノズル２は直動アクチュエータ４により左右に移動する。すなわち、集光されたレーザビーム７の光軸１と加工ノズル２の開口８の開口中心９との関係において、相対位置を変更することができる。
【００４４】
この発明にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドは、切断加工開始点において、モータ２２がレーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に偏心方向を一致させるとともに、直動アクチュエータ４がレーザビーム７の光軸１と加工ノズル２の開口８の開口中心９とを偏心させる。
【００４５】
すなわち、レーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に加工ノズル２の開口８の開口中心９を偏心させ、切断品質の低下を防止するものである。
【００４６】
したがって、ワーク５の切断加工を開始する時には、モータ２２を回転させて加工ヘッド本体３の向きをレーザビーム７の光軸１に対して切断方向と偏心方向が反対方向になるように位置決めするとともに、直動アクチュエータ４により加工ノズル２の開口８の開口中心９を偏心させる。この結果、レーザビーム７の光軸１に対して切断方向と加工ノズル２の開口８の開口中心９とが反対方向に位置することになり、実施の形態１の場合と同様に切断品質を向上することができる。
【００４７】
切断加工開始点に切断溝５ａが形成された後、直動アクチュエータ４を駆動することによりレーザビーム７の光軸１に加工ノズル２の開口８の開口中心９を一致させるので、加工ガス６と溶融金属１０が切断溝５ａに沿って流れる。
【００４８】
切断溝５ａが形成された後は、加工ノズル２の開口８の開口中心９とレーザビーム７の光軸１を一致させるために、図１９に示すような形状切断の場合においても、偏心方向を制御する必要がなく、形状精度を落とさずに切断加工を実施することができるのは、実施の形態１にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドと同様である。
【００４９】
なお、直動アクチュエータ４のみを駆動することにより、レーザビーム７の光軸１に加工ノズル２の開口８の開口中心９を一致させることができるので、簡便な制御でレーザ加工装置を稼動させることができる。
【００５０】
実施の形態３．
図７〜図１０を参照しながら、実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを説明する。図７は、実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図、図８は図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの詳細構成を示す断面図、図９は図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの詳細構成を示す断面図、図１０はワーク切断加工開始点における加工ガスの流れを図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図である。
【００５１】
実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドには、アパーチャ部材１７を有する加工ノズル２が取り付けられている。アパーチャ部材１７は加工ノズル２の開口８の面積を絞るものであり、図８に示すような開放状態から図９に示すような絞り状態へと変更することができる。
【００５２】
実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドが切断加工を開始する時には、図９に示す位置にアパーチャ部材１７を移動し、加工ノズル２の開口８の開口中心９をレーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に位置する。
【００５３】
切断加工開始点に切断溝５ａが形成された後、アパーチャ部材１７を移動して、加工ノズル２の開口８の開口中心９をレーザビーム７の光軸１に一致させるので、加工ガス６と溶融金属１０が切断溝５ａに沿って流れる。
【００５４】
このように加工ノズル２の開口８の開口中心９をレーザビーム７の光軸１に対して切断方向と反対方向に位置することにより、実施の形態１及び実施の形態２にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドと同様に、切断加工開始点の不安定性を解消し、高品質な切断面を有する切断加工を行うことができる。
【００５５】
なお、実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドによれば、加工ヘッド本体３に対して加工ノズル２を相対的に移動させなくてもアパーチャ部材１７を移動することにより開口８の開口中心９をレーザビーム７の光軸１に対して相対的に移動することができる。
【００５９】
【発明の効果】
この発明によれば、アパーチャ部材を移動することにより加工ノズルの開口形状を実質的に変更しレーザビームに対する加工ノズルの開口中心の位置を偏心した位置に規定することができるとともに、加工ノズルの開口中心をレーザビームの光軸に一致した位置に規定することができるので、加工ノズルを移動させることなく、切断加工開始時において加工ガスの流れ方向を切断方向と反対方向に限定でき高品質な切断面を得ることができる。また、切断溝形成後において加工ガスの流れ方向がレーザビームの光軸に一致するので、鋭角形状を含む切断加工であっても複雑な制御をすることなく高品質な切断面を得ることができる。
【００６０】
つぎの発明によれば、切断加工開始時において加工ノズルの開口中心をレーザビームに対して切断方向と反対方向に偏心した位置に規定することができ、切断溝形成後においてレーザビームの光軸に加工ノズルの開口中心を一致させる位置に規定することができるので、加工ノズルを移動させることなく、切断加工開始時において加工ガスの流れ方向を切断方向と反対方向に限定でき高品質な切断面を得ることができる。また、切断溝形成後において加工ガスの流れ方向がレーザビームの光軸に一致するので鋭角形状を含む切断加工であっても複雑な制御をすることなく高品質な切断面を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１であるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの構成を示す図である。
【図２】図１に示したレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドから噴出する加工ガスの流れを示す図である。
【図３】ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れを図１に示したレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図である。
【図４】ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れを図１に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの上方から見た図である。
【図５】ワークの切断開始点近傍の切断軌跡を示す図である。
【図６】実施の形態２にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図である。
【図７】実施の形態３にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図である。
【図８】図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの詳細構成を示す断面図である。
【図９】図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの詳細構成を示す断面図である。
【図１０】ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れを図７に示すレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図である。
【図１１】レーザ加工装置のブロック図である。
【図１２】加工ガスの流れを示す図である。
【図１３】ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの上方から見た図である。
【図１４】ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドの側方から見た図である。
【図１５】ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図である。
【図１６】ワークの切断加工開始点近傍における切断軌跡を示す図である。
【図１７】従来の技術にかかるレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドを示す図である。
【図１８】図１７に示したレーザ加工装置のレーザ加工ヘッドにおいて、ワーク切断加工開始点における加工ガスの流れをレーザ加工装置のレーザ加工ヘッド先端から見た図である。
【図１９】形状切断時の溶融金属の流れを説明するための図である。
【図２０】形状切断時の切断溝形状を説明するための図である。
【図２１】形状切断時の切断溝形状を説明するための図である。
【符号の説明】
１光軸、２加工ノズル、３加工ヘッド本体、４，４ａ，４ｂ直動アクチュエータ、５ワーク、５ａ切断溝、６加工ガス、７レーザビーム、８開口、９開口中心、１０溶融金属、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アパーチャ部材、２０駆動ギヤ、２１帯状ギヤ、２２モータ（回転アクチュエータ）。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser processing head of a laser processing apparatus, and more particularly to a laser processing head of a laser processing apparatus that improves processing quality at a cutting processing start point.
[0002]
[Prior art]
The laser processing apparatus will be outlined based on the block diagram of the laser processing apparatus shown in FIG.
[0003]
The laser processing apparatus 30 includes a laser oscillator 11, a plurality of mirrors 12 that transmit a laser beam 7 oscillated by the laser oscillator 11, a processing lens 13 that condenses the laser beam 7, and a processing head body that holds the processing lens 13. 3, a processing nozzle 2 for supplying a processing gas is attached to the processing head main body 3, and a processing gas 6 is supplied from a gas supply device 14.
[0004]
The supply amount of the processing gas 6 is adjusted by a gas valve 15 provided between the processing nozzle 2 and the gas supply device 14. The gas valve 15 and the laser oscillator 11 are further connected to the control device 16 to control the supply amount of the processing gas 6 and the beam output of the laser oscillator 11. The gas supply device 14 is composed of, for example, a gas cylinder containing oxygen (O ₂ ) gas or nitrogen (N ₂ ) gas, or a compressor that supplies high-pressure air.
[0005]
The laser beam 7 oscillated by the laser oscillator 11 is transmitted by a plurality of mirrors 12 to a processing lens 13 provided in the processing head body 3. The laser beam 7 is condensed by the processing lens 13 and irradiated onto the workpiece 5 from the tip of the processing nozzle 2. On the other hand, the processing gas 6 supplied from the gas supply device 14 is ejected from the opening 8 of the processing nozzle 2 to the work 5 in a state where the supply amount is adjusted by the gas valve 15. As a result, as shown in FIG. 12, the cutting groove 5a is formed in the portion of the workpiece 5 scanned with the laser beam 7, and cutting is performed. Here, after the cutting groove 5a is formed, the processing gas 6 and the molten metal flow smoothly along the cutting groove 5a.
[0006]
However, since no cutting groove is formed at the cutting start point as shown in FIG. 13, elements that determine the flow direction of the processing gas 6 and the flow direction of the molten metal 10 as shown in FIGS. 14 and 15. The flow direction of the processing gas 6 and the molten metal 10 is determined by the shape of the surface of the work 5.
[0007]
For this reason, as shown in FIG. 16, a portion meandering in the cutting groove 5a occurs in the vicinity of the cutting start point of the workpiece 5, and there is a problem that processing with high shape accuracy is difficult.
[0008]
In order to solve this problem, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-30388 discloses a laser cutting method invention. In the invention disclosed in this publication, in the vicinity of the cutting processing start point where the accuracy of the cutting processing is likely to be unstable, the processing speed is slowed down, the disturbance due to the surface shape of the molten metal is reduced, and the processing accuracy is increased. is there.
[0009]
In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-788 discloses an invention of a laser processing method and a processing nozzle of a laser processing machine as a means for improving the processing accuracy near the cutting start point. As shown in FIG. 17, the laser processing head of the laser processing machine according to the present invention includes a processing nozzle 2 rotatably attached to the processing head main body 3, a belt-like gear 21 fixed to the machining nozzle 2, and a belt-like gear 21. It has the drive gear 20 which meshes, and the motor 22 with which the drive gear 20 was attached. As shown in FIG. 18, the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2 is arranged at a position eccentric with respect to the optical axis 1 of the laser beam 7.
[0010]
When cutting using this machining head, the eccentric direction is controlled with the optical axis 1 of the laser beam 7 as the rotation center of the machining nozzle 2, and the opening center 9 of the opening 8 of the machining nozzle 2 and the laser beam 7 The positional relationship with the optical axis 1 is determined. As shown in FIG. 18, the flow direction of the processing gas 6 and the molten metal 10 is determined from the positional relationship between the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2 and the optical axis 1 of the laser beam 7, and the shape in the vicinity of the cutting processing start point. The accuracy can be increased.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
However, according to the laser cutting method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2-30388, if the processing speed is slowed down, excessive heat input occurs when cutting mild steel, and burning is generated and the processing surface is disturbed. Contains the problem. For this reason, when actually carrying out the laser cutting method according to the present invention, it is necessary not only to control the processing speed but also to reduce the laser output in synchronization.
[0012]
In a CO ₂ laser or rod type solid-state laser, it is necessary to reduce the excitation energy in order to reduce the laser output, but the control becomes very complicated because the laser beam shape, convergence, pointing, etc. change. Have a problem.
[0013]
In addition, according to the laser processing method disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-788, since the opening center of the processing nozzle and the optical axis of the laser beam are always decentered, a stable and high-quality cut surface can be obtained. In order to obtain it, it is necessary to always make the eccentric direction coincide with the cutting direction, and in the cutting process after forming the cutting groove, there is a problem that the control of the eccentric direction becomes very complicated.
[0014]
Furthermore, when cutting a shape including an acute angle portion as shown in FIG. 19, it is necessary to change the direction while keeping the eccentric direction coincident with the cutting direction. For this reason, when the machining nozzle 2 is rotated clockwise or counterclockwise at the apex of the acute angle portion shown in FIG. 19, the non-uniform cutting groove as shown in FIG. 20 or FIG. There is a problem that the shape accuracy is deteriorated.
[0015]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and can obtain a stable and high-quality cutting surface even at the cutting start point, and can perform high-precision cutting by simple control even when an acute angle shape is included. An object is to obtain a laser processing head of a laser processing apparatus to be realized.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
The laser processing head of the laser processing apparatus according to this invention irradiates a laser beam from the opening of the processing nozzle, the laser processing head of the laser processing apparatus for performing cutting by ejecting the process gas from the opening of the processing nozzle The aperture member that substantially changes the aperture shape of the machining nozzle is moved in such a manner that the center of the aperture of the machining nozzle is displaced with respect to the optical axis of the laser beam to a position coincident with each other and a position eccentric to each other. Aperture defining means for defining the position of the aperture member is provided.
[0023]
According to the present invention, the aperture member that substantially changes the opening shape of the machining nozzle in such a manner that the opening center of the machining nozzle is displaced with respect to the optical axis of the laser beam to a position coincident with each other and a position eccentric to each other. Since the aperture defining means for defining the position of the aperture member is provided, the aperture shape of the machining nozzle is substantially changed by moving the aperture member, and the center of the machining nozzle opening relative to the laser beam is provided. Can be defined as an eccentric position, and the opening center of the processing nozzle can be defined as a position that coincides with the optical axis of the laser beam.
[0024]
The laser processing head of the laser processing apparatus according to the next invention is the laser processing head according to the above invention, wherein the aperture defining means is configured so that the opening center of the processing nozzle is opposite to the cutting direction with respect to the optical axis of the laser beam at the start of cutting processing. The center of the opening of the processing nozzle is made to coincide with the optical axis of the laser beam after the cutting groove is formed.
[0025]
According to this invention, the aperture defining means decenters the opening center of the machining nozzle in the direction opposite to the cutting direction with respect to the optical axis of the laser beam at the start of cutting, while the optical axis of the laser beam after forming the cutting groove Since the center of the opening of the machining nozzle coincides with the laser beam, the opening center of the machining nozzle can be defined at a position eccentric to the direction opposite to the cutting direction with respect to the laser beam. The position of the opening center of the processing nozzle can coincide with the optical axis of the laser beam.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Exemplary embodiments of a laser processing head of a laser processing apparatus according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.
[0027]
Embodiment 1 FIG.
1 is a diagram showing a laser machining head of a laser machining apparatus according to Embodiment 1 of the present invention, FIG. 2 is a diagram showing a flow of machining gas ejected from the laser machining head of the laser machining apparatus shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 4 is a diagram of the processing gas flow at the workpiece cutting start point as viewed from the tip of the laser processing head of the laser processing apparatus. FIG. 4 shows the processing gas flow at the workpiece cutting start point from above the laser processing head of the laser processing apparatus. FIG. 5 is a view showing a cutting locus in the vicinity of a workpiece cutting start point.
[0028]
The laser processing head of the laser processing apparatus according to the first embodiment is applied to a laser processing apparatus similar to that shown in FIG. That is, a laser processing apparatus to which the present invention is applied includes a laser oscillator 11, a plurality of mirrors 12 that transmit a laser beam 7 oscillated by the laser oscillator 11, a processing lens 13 that condenses the laser beam 7, and a processing The machining head main body 3 is configured to hold the lens 13. Further, the processing nozzle 2 for supplying the processing gas 6 is attached to the processing head main body 3 so that the processing gas 6 is supplied from the gas supply device 14. Further, the supply amount of the processing gas 6 is adjusted by a gas valve 15 provided between the processing nozzle 2 and the gas supply device 14. In addition, the gas valve 15 and the laser oscillator 11 are connected to the control device 16 to control the supply amount of the processing gas 6 and the output of the laser oscillator 11.
[0029]
In the laser processing head of the laser processing apparatus according to the first embodiment, the processing nozzle 2 is configured to be movable relative to the optical axis 1 of the laser beam 7. That is, the processing head main body 3 and the processing nozzle 2 are configured to be movable back and forth and to the left and right, and between the processing head main body 3 and the processing nozzle 2, a linear motion actuator 4a that operates the processing nozzle 2 back and forth, and left and right The relative position of the machining nozzle 2 with respect to the machining head body 3 can be changed by interposing the actuating linear actuator 4b. That is, since the relative position can be changed in the relationship between the processing lens 13 incorporated in the processing head body 3 and the processing nozzle 2, the center of the opening of the focused laser beam 7 and the opening 8 of the processing nozzle 2. The relative position with respect to 9 can be changed.
[0030]
Note that the opening center 9 of the opening 8 of the machining nozzle 2 and the optical axis 1 of the laser beam 7 are set to coincide with each other at the initial position, and the linear actuator 4a and the linear actuator 4b are driven to drive the machining nozzle 2. The opening center 9 of the opening 8 is configured to be decentered by an arbitrary amount in an arbitrary direction with respect to the optical axis 1 of the laser beam 7.
[0031]
Further, in order to simplify the control, the linear motion actuator 4a and the linear motion actuator 4b interposed between the machining head body 3 and the machining nozzle 2 are arranged so as to be orthogonal when viewed from above the machining head body 3. It is preferable to do.
[0032]
Further, the linear motion actuators 4a and 4b used here include piezo elements, solenoids, cylinders, motors and others, and can obtain a desired eccentricity.
[0033]
The cutting process of the workpiece 5 by the laser processing apparatus to which the laser processing head of the laser processing apparatus according to the first embodiment is applied will be described.
[0034]
The laser beam 7 oscillated by the laser oscillator 11 is transmitted to a processing lens 13 provided in the processing head body 3 by a plurality of mirrors 12. The laser beam 7 is condensed by the processing lens 13 and irradiated onto the workpiece 5 from the tip of the processing nozzle 2. On the other hand, the processing gas 6 supplied from the gas supply device 14 is ejected from the opening 8 of the processing nozzle 2 with the supply amount adjusted by the gas valve 15. The workpiece 5 is processed by the cooperation of the laser beam 7 and the processing gas 6.
[0035]
When starting the machining of the workpiece 5 in which the cutting groove 5a is not formed, the machining nozzle 2 is decentered in the direction opposite to the cutting direction with respect to the optical axis 1 of the laser beam 7 by the two linear actuators 4a and 4b. When the machining nozzle 2 is decentered in the direction opposite to the cutting direction, the flow direction of the machining gas 6 can be limited to the eccentric direction of the machining nozzle 2, so the flow direction of the molten metal 10 is also limited to the eccentric direction of the machining nozzle 2. be able to. Therefore, meandering at the cutting start point can be prevented, and a high quality cut surface as shown in FIG. 5 can be obtained.
[0036]
When two or more linear motion actuators 4a and 4b are installed, the eccentric direction can be arbitrarily set, so that the machining accuracy at the cutting start point can be improved even in cutting in any direction. Can be made.
[0037]
After the cutting groove 5a is formed at the cutting processing start point, the optical axis 1 of the laser beam 7 and the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2 are matched. At this time, since the cutting groove 5a is already formed, the processing gas 6 and the molten metal 10 flow along the cutting groove 5a. Therefore, cutting quality does not deteriorate.
[0038]
Except at the start of cutting, in order to make the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2 coincide with the optical axis 1 of the laser beam 7, it is necessary to control the eccentric direction even in the case of shape cutting as shown in FIG. Therefore, it is possible to perform cutting without reducing the shape accuracy.
[0039]
It should be noted that the start of the cutting process includes not only the time point when the cutting process is started when the work 5 is not cut, but also the time point when the cutting direction is largely changed, for example, the time point when the workpiece 5 is bent at a right angle.
[0040]
In the laser processing head of the laser processing apparatus according to the first embodiment, the actuator includes the two linear motion actuators 4a and 4b, but the cutting direction at the start of the cutting processing is limited to a certain direction. According to the processing apparatus, since the direction in which the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2 is decentered at the start of the cutting process is also limited, the processing nozzle 2 can be obtained by attaching one linear motion actuator 4 in the same direction as the cutting direction. The center 9 of the aperture 8 can be decentered in the direction opposite to the cutting direction with respect to the optical axis 1 of the laser beam 7.
[0041]
Embodiment 2. FIG.
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the first embodiment described above, the processing nozzle 2 is configured to be relatively movable by one or two or more linear actuators. However, in this embodiment, the actuator is identical to one linear actuator 4. The rotary actuator 22 is configured.
[0042]
The laser processing head of the laser processing apparatus according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating a laser processing head of the laser processing apparatus according to the second embodiment.
[0043]
In the laser processing head of the laser processing apparatus according to the second embodiment, the processing head main body 3 is rotatably arranged, and the processing head main body 3 and the processing nozzle 2 are configured to be movable left and right. The machining head main body 3 is rotated by a motor 22 via a belt-like gear 21 formed around the machining head main body 3 and a drive gear 20 meshing with the belt-like gear 21, and the machining nozzle 2 is left and right by a linear motion actuator 4. Move to. That is, the relative position can be changed in the relationship between the optical axis 1 of the focused laser beam 7 and the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2.
[0044]
In the laser processing head of the laser processing apparatus according to the present invention, the motor 22 matches the eccentric direction in the direction opposite to the cutting direction with respect to the optical axis 1 of the laser beam 7 and the linear motion actuator 4 The optical axis 1 of the laser beam 7 and the opening center 9 of the opening 8 of the machining nozzle 2 are decentered.
[0045]
That is, the opening center 9 of the opening 8 of the machining nozzle 2 is decentered in the direction opposite to the cutting direction with respect to the optical axis 1 of the laser beam 7 to prevent the cutting quality from deteriorating.
[0046]
Therefore, when starting the cutting of the workpiece 5, the motor 22 is rotated so that the direction of the processing head body 3 is positioned so that the cutting direction and the eccentric direction are opposite to the optical axis 1 of the laser beam 7. The opening center 9 of the opening 8 of the machining nozzle 2 is decentered by the linear actuator 4. As a result, the cutting direction and the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2 are located in the opposite direction with respect to the optical axis 1 of the laser beam 7, and the cutting quality is improved as in the case of the first embodiment. can do.
[0047]
After the cutting groove 5a is formed at the cutting start point, the linear actuator 4 is driven to make the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2 coincide with the optical axis 1 of the laser beam 7. The molten metal 10 flows along the cutting groove 5a.
[0048]
After the cutting groove 5a is formed, in order to make the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2 coincide with the optical axis 1 of the laser beam 7, even in the case of shape cutting as shown in FIG. Like the laser processing head of the laser processing apparatus according to the first embodiment, it is not necessary to control and the cutting process can be performed without reducing the shape accuracy.
[0049]
Since only the linear actuator 4 is driven, the opening center 9 of the opening 8 of the machining nozzle 2 can be aligned with the optical axis 1 of the laser beam 7, so that the laser machining apparatus can be operated with simple control. Can do.
[0050]
Embodiment 3 FIG.
A laser processing head of the laser processing apparatus according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. 7 is a diagram showing a laser machining head of the laser machining apparatus according to the third embodiment, FIG. 8 is a sectional view showing a detailed configuration of the laser machining head of the laser machining apparatus shown in FIG. 7, and FIG. 9 is shown in FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view showing the detailed configuration of the laser processing head of the laser processing apparatus, and FIG. 10 is a view of the flow of the processing gas at the workpiece cutting start point as seen from the tip of the laser processing head of the laser processing apparatus shown in FIG.
[0051]
A machining nozzle 2 having an aperture member 17 is attached to the laser machining head of the laser machining apparatus according to the third embodiment. The aperture member 17 narrows the area of the opening 8 of the processing nozzle 2 and can be changed from the open state shown in FIG. 8 to the drawn state shown in FIG.
[0052]
When the laser processing head of the laser processing apparatus according to the third embodiment starts cutting, the aperture member 17 is moved to the position shown in FIG. 9, and the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2 is moved to the light of the laser beam 7. It is located in a direction opposite to the cutting direction with respect to the shaft 1.
[0053]
After the cutting groove 5a is formed at the cutting processing start point, the aperture member 17 is moved so that the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2 coincides with the optical axis 1 of the laser beam 7, so that it melts with the processing gas 6 The metal 10 flows along the cutting groove 5a.
[0054]
Thus, by positioning the opening center 9 of the opening 8 of the processing nozzle 2 in the direction opposite to the cutting direction with respect to the optical axis 1 of the laser beam 7, the laser processing apparatus according to the first and second embodiments is provided. As with the laser processing head, the instability at the cutting processing start point can be eliminated, and cutting processing with a high-quality cutting surface can be performed.
[0055]
According to the laser processing head of the laser processing apparatus according to the third embodiment, the aperture 8 can be opened by moving the aperture member 17 without moving the processing nozzle 2 relative to the processing head main body 3. The center 9 can be moved relative to the optical axis 1 of the laser beam 7.
[0059]
【The invention's effect】
According to this invention, it is possible to define the position of the opening center of the processing nozzle for substantially modified laser beam opening shape of the processing nozzle by moving the aperture member in an eccentric position, of the processing nozzle Since the opening center can be defined at a position that matches the optical axis of the laser beam, the flow direction of the processing gas can be limited to the direction opposite to the cutting direction at the start of cutting without moving the processing nozzle. A cut surface can be obtained. In addition, since the flow direction of the processing gas coincides with the optical axis of the laser beam after the cutting groove is formed, a high-quality cut surface can be obtained without complicated control even in the cutting processing including an acute angle shape. .
[0060]
According to the next invention, the opening center of the machining nozzle can be defined at a position eccentric to the laser beam in the direction opposite to the cutting direction at the start of cutting, and the optical axis of the laser beam after the cutting groove is formed. Since it can be defined at a position where the opening center of the processing nozzle matches, the flow direction of the processing gas can be limited to the direction opposite to the cutting direction at the start of cutting without moving the processing nozzle, and a high-quality cutting surface can be obtained. Obtainable. In addition, since the flow direction of the processing gas coincides with the optical axis of the laser beam after the cutting groove is formed, a high-quality cutting surface can be obtained without complicated control even in cutting processing including an acute angle shape.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser processing head of a laser processing apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
2 is a view showing a flow of a processing gas ejected from a laser processing head of the laser processing apparatus shown in FIG. 1;
3 is a view of a flow of a processing gas at a workpiece cutting processing start point as viewed from the tip of a laser processing head of the laser processing apparatus shown in FIG.
4 is a view of a flow of a processing gas at a workpiece cutting processing start point as viewed from above a laser processing head of the laser processing apparatus shown in FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a cutting locus in the vicinity of a workpiece cutting start point.
FIG. 6 is a diagram showing a laser processing head of the laser processing apparatus according to the second embodiment.
FIG. 7 is a diagram showing a laser processing head of the laser processing apparatus according to the third embodiment.
8 is a cross-sectional view showing a detailed configuration of a laser processing head of the laser processing apparatus shown in FIG.
9 is a cross-sectional view showing a detailed configuration of a laser processing head of the laser processing apparatus shown in FIG.
10 is a view of the flow of the processing gas at the workpiece cutting processing start point as seen from the front end of the laser processing head of the laser processing apparatus shown in FIG.
FIG. 11 is a block diagram of a laser processing apparatus.
FIG. 12 is a diagram showing a flow of a processing gas.
FIG. 13 is a view of a flow of a processing gas at a workpiece cutting processing start point as viewed from above a laser processing head of a laser processing apparatus.
FIG. 14 is a view of a processing gas flow at a workpiece cutting processing start point as viewed from the side of a laser processing head of a laser processing apparatus.
FIG. 15 is a view of a flow of a processing gas at a workpiece cutting processing start point as viewed from the tip of a laser processing head of a laser processing apparatus.
FIG. 16 is a diagram illustrating a cutting locus in the vicinity of a workpiece cutting start point.
FIG. 17 is a diagram showing a laser processing head of a laser processing apparatus according to a conventional technique.
18 is a view of the flow of the processing gas at the workpiece cutting processing start point as seen from the tip of the laser processing head of the laser processing apparatus in the laser processing head of the laser processing apparatus shown in FIG. 17;
FIG. 19 is a view for explaining the flow of molten metal during shape cutting.
FIG. 20 is a diagram for explaining a cutting groove shape at the time of shape cutting.
FIG. 21 is a diagram for explaining a cutting groove shape at the time of shape cutting;
[Explanation of symbols]
1 optical axis, 2 machining nozzle, 3 machining head body, 4, 4a, 4b linear motion actuator, 5 workpiece, 5a cutting groove, 6 machining gas, 7 laser beam, 8 aperture, 9 aperture center, 10 molten metal, 11 laser Oscillator, 12 mirror, 13 processing lens, 14 gas supply device, 15 gas valve, 16 control device, 17 aperture member, 20 drive gear, 21 strip gear, 22 motor (rotary actuator).

Claims

In a laser processing head of a laser processing apparatus that performs a cutting process by irradiating a laser beam from an opening of a processing nozzle and ejecting a processing gas from the opening of the processing nozzle,
Aperture member that substantially changes the aperture shape of the machining nozzle can be moved in such a manner that the center of the aperture of the machining nozzle is displaced to a mutually coincident position and a position eccentric to each other with respect to the optical axis of the laser beam. A laser processing head of a laser processing apparatus, wherein the laser processing head is provided with aperture defining means for defining the position of the aperture member.

The aperture defining means decenters the opening center of the processing nozzle in the direction opposite to the cutting direction with respect to the optical axis of the laser beam at the start of cutting processing, while the processing is performed on the optical axis of the laser beam after forming the cutting groove. The laser processing head of the laser processing apparatus according to claim 1 , wherein the opening centers of the nozzles are matched.