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JP2008000801A - Laser beam machining apparatus - Google Patents

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JP2008000801A
JP2008000801A JP2006174266A JP2006174266A JP2008000801A JP 2008000801 A JP2008000801 A JP 2008000801A JP 2006174266 A JP2006174266 A JP 2006174266A JP 2006174266 A JP2006174266 A JP 2006174266A JP 2008000801 A JP2008000801 A JP 2008000801A
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JP
Japan
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laser
optical axis
wedge substrate
wedge
correction control
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Pending
Application number
JP2006174266A
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Japanese (ja)
Inventor
Yosuke Otsuka
陽介 大塚
Naoki Kawada
直樹 河田
Kazuo Genji
一夫 玄地
Shunichi Iwaki
俊一 岩木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyu Car Corp
Original Assignee
Tokyu Car Corp
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Publication date
Application filed by Tokyu Car Corp filed Critical Tokyu Car Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a laser beam machining apparatus capable of condensing laser beams, performing welding by performing scanning with the laser beams, and enhancing accuracy of the laser beam welding. <P>SOLUTION: The laser beam machining apparatus 1 has a machining head 3 which has a collimation lens 11 and a condensing lens 12 arranged on the optical axis LS of the laser beams, condenses the laser beams on the scheduled welding line SS of a work W by the condensing lens 12, and moves the machining head 3 so as to perform the scanning along the scheduled welding line SS. The laser beam machining apparatus comprises a wedge substrate 13 arranged on the optical axis LS, a rotary mechanism 22 for rotating the wedge substrate 13 around the optical axis LS, an acceleration sensor 23 for detecting acceleration of the machining head 3, and a correction control unit 26c for outputting a correction control signal for rotating the wedge substrate 13 on the basis of the acceleration detected by the acceleration sensor 23 in order to correct the deviation of the optical axis LS caused by displacement of the machining head 3. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、レーザを集光すると共に、そのレーザを走査して溶接を行うレーザ加工装置に関する。   The present invention relates to a laser processing apparatus that focuses a laser and performs welding by scanning the laser.

従来、このような分野の技術として、下記特許文献1に記載のレーザ加工装置が知られている。このレーザ加工装置では、レーザ発振器から出力されたレーザを光ファイバで加工ヘッドに伝送する。加工ヘッドには、コリメーションレンズと集光レンズとがレーザの光軸上に配置されている。レーザ加工装置は、集光レンズで集光されたレーザを被溶接物に照射しながら走査することによって連続溶接を行う。
特開平11−192573号公報
Conventionally, a laser processing apparatus described in Patent Document 1 below is known as a technique in such a field. In this laser processing apparatus, the laser output from the laser oscillator is transmitted to the processing head through an optical fiber. In the processing head, a collimation lens and a condenser lens are disposed on the optical axis of the laser. The laser processing apparatus performs continuous welding by performing scanning while irradiating an object to be welded with a laser beam condensed by a condenser lens.
JP-A-11-192573

被溶接物の連続溶接を行う場合には、接合予定線に沿って加工ヘッドを所定の速度で移動させる必要がある。しなしながら、加工ヘッドを移動させると、加工ヘッドが左右にブレてしまい、さらに、加工へッドに働く慣性力によって加工ヘッドのブレ幅が大きくなり、レーザ溶接の精度を低下させる虞れがあった。   When performing continuous welding of workpieces, it is necessary to move the machining head at a predetermined speed along the planned joining line. However, if the machining head is moved, the machining head will be shaken to the left and right, and further, the inertial force acting on the machining head will increase the deflection width of the machining head, possibly reducing the accuracy of laser welding. there were.

そこで、本発明は、レーザ溶接の精度を向上できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the laser processing apparatus which can improve the precision of laser welding.

本発明は、レーザの光軸上に配置されたコリメーションレンズと集光レンズとを有する加工ヘッドを備え、集光レンズによって被溶接物の接合予定線上にレーザを集光させると共に、接合予定線に沿って走査するように加工ヘッドを移動させるレーザ加工装置において、光軸上に配置されたウェッジ基板と、ウェッジ基板を光軸を中心に回転させる回転機構と、加工ヘッドの変位値を検出する検出部と、加工ヘッドの変位に伴って生じる光軸のブレを補正するために、検出部によって検出された変位値に基づいてウェッジ基板を回転させる補正制御信号を回転機構に対して出力する補正制御部と、を備えることを特徴とする。   The present invention includes a processing head having a collimation lens and a condensing lens disposed on the optical axis of a laser, and condenses the laser on the planned joining line of the workpiece by the condensing lens, In a laser processing apparatus that moves a processing head so as to scan along, a wedge substrate disposed on the optical axis, a rotation mechanism that rotates the wedge substrate around the optical axis, and detection that detects a displacement value of the processing head Correction control for outputting a correction control signal for rotating the wedge substrate to the rotation mechanism based on the displacement value detected by the detection unit in order to correct the vibration of the optical axis caused by the displacement of the head and the machining head And a section.

このレーザ加工装置では、レーザの光軸上にウェッジ基板が配置され、ウェッジ基板は、回転機構によって光軸を中心に回転する。ウェッジ基板を透過するレーザの光軸は、ウェッジ基板の傾斜角に応じて屈折し、ウェッジ基板の回転に伴って移動する。レーザ走査のために進行する加工ヘッドが変位してレーザの光軸がブレると、補正制御部は、検出部で検出された加工ヘッドの変位値に基づいてウェッジ基板を回転させる補正制御信号を回転機構に出力する。回転機構は、入力された補正制御信号に基づいてウェッジ基板を回転させ、レーザの光軸のブレを補正する。レーザ加工装置によれば、加工ヘッドを移動させることなく、ウェッジ基板の回転によってレーザの光軸のブレを補正できるため、レーザの光軸のブレを容易に補正でき、レーザ溶接の精度を向上できる。   In this laser processing apparatus, a wedge substrate is disposed on the optical axis of the laser, and the wedge substrate is rotated around the optical axis by a rotation mechanism. The optical axis of the laser that passes through the wedge substrate is refracted in accordance with the inclination angle of the wedge substrate, and moves with the rotation of the wedge substrate. When the machining head moving for laser scanning is displaced and the optical axis of the laser is shaken, the correction control unit outputs a correction control signal for rotating the wedge substrate based on the displacement value of the machining head detected by the detection unit. Output to the rotation mechanism. The rotation mechanism rotates the wedge substrate based on the input correction control signal, and corrects the blurring of the optical axis of the laser. According to the laser processing apparatus, the laser optical axis blur can be corrected by rotating the wedge substrate without moving the processing head, so that the laser optical axis blur can be easily corrected and the accuracy of laser welding can be improved. .

さらに、ウェッジ基板は、コリメーションレンズと集光レンズとの間に配置されていると好適である。ウェッジ基板がコリメーションレンズよりも光路の上流側に配置されていると、レンズ法線に対するレーザの入射角を大きくしなければレーザの光軸のブレを十分に補正できない。しかしながら、入射角が大きいとレンズの収差が大きくなり、所望のビームスポットサイズを得ることが難しくなって溶接精度を低下させてしまう可能性がある。また、ウェッジ基板が集光レンズよりも光路の下流側に配置されていると、ワーキングディスタンスが小さくなってしまう。そこで、ウェッジ基板を、コリメーションレンズと集光レンズとの間に配置した場合には、レーザの光軸のブレを補正しながら、ビームスポットを所望のサイズにすることが容易になり、さらに、ワーキングディスタンスを広くすることが可能になる。その結果として、レーザ溶接の精度を向上できる。   Furthermore, it is preferable that the wedge substrate is disposed between the collimation lens and the condenser lens. If the wedge substrate is disposed on the upstream side of the optical path from the collimation lens, the laser optical axis blur cannot be sufficiently corrected unless the incident angle of the laser with respect to the lens normal is increased. However, when the incident angle is large, the aberration of the lens increases, and it is difficult to obtain a desired beam spot size, which may reduce the welding accuracy. Further, when the wedge substrate is disposed on the downstream side of the optical path with respect to the condensing lens, the working distance becomes small. Therefore, when the wedge substrate is placed between the collimation lens and the condenser lens, it becomes easy to make the beam spot the desired size while correcting the blurring of the optical axis of the laser. It becomes possible to widen the distance. As a result, the accuracy of laser welding can be improved.

さらに、検出部は、加工ヘッドの変位値として加速度を検出する加速度センサであると好適である。加速度センサによって検出された加速度から変位方向及び変位量を求めることができ、その変位量を相殺するようにウェッジ基板を回転させることによって精度の高い補正を可能にし、その結果として、レーザ溶接の精度を向上させることができる。   Furthermore, the detection unit is preferably an acceleration sensor that detects acceleration as a displacement value of the machining head. The displacement direction and displacement amount can be obtained from the acceleration detected by the acceleration sensor, and the wedge substrate is rotated so as to cancel the displacement amount, thereby enabling highly accurate correction, and as a result, the accuracy of laser welding. Can be improved.

レーザ溶接の精度を向上できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。   It aims at providing the laser processing apparatus which can improve the precision of laser welding.

以下、図面を参照して本発明に係るレーザ加工装置の好適な実施の形態について詳細に説明をする。   Hereinafter, preferred embodiments of a laser processing apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(レーザ加工装置)
図1及び図2に示すように、レーザ加工装置1は、溶接用熱源としてYAGレーザを用いる溶接装置である。レーザ加工装置1は、YAGレーザロッドに励起ランプの光を照射して発振波長が1.06μmのレーザを出力するレーザ発振部2と、ステンレス製の板材(被溶接物)Wに向けてレーザを照射する加工ヘッド3と、レーザ発振部3から加工ヘッド3にレーザを伝送する光ファイバ4と、加工ヘッド3に固定されると共に、レーザの焦点位置に向けて斜め上方からシールドガスを噴射するガス供給ノズル6とを備える。加工ヘッド3は、マニピュレータ7によって支持され、二枚の板材Wが突き合わされた箇所における直線状の接合予定線SSに沿って移動する。
(Laser processing equipment)
As shown in FIG.1 and FIG.2, the laser processing apparatus 1 is a welding apparatus which uses a YAG laser as a heat source for welding. The laser processing apparatus 1 irradiates a laser beam toward a laser plate 2 (a workpiece to be welded) W and a laser oscillation unit 2 that outputs a laser having an oscillation wavelength of 1.06 μm by irradiating the YAG laser rod with light from an excitation lamp. A processing head 3 to be irradiated, an optical fiber 4 that transmits a laser from the laser oscillation unit 3 to the processing head 3, and a gas that is fixed to the processing head 3 and that injects a shielding gas obliquely from above toward the focal position of the laser. And a supply nozzle 6. The processing head 3 is supported by the manipulator 7 and moves along a straight joining line SS at the place where the two plate materials W are abutted.

加工ヘッド3のケース3a内には、集光光学系8が設けられている。レーザ発振部2から集光光学系8へレーザを伝送する光ファイバ4は、直径0.6mmであり、光ファイバ4から出射したレーザは、NA0.2で拡散する。   A condensing optical system 8 is provided in the case 3 a of the processing head 3. The optical fiber 4 that transmits the laser from the laser oscillation unit 2 to the condensing optical system 8 has a diameter of 0.6 mm, and the laser emitted from the optical fiber 4 diffuses with NA 0.2.

図2及び図3に示すように、集光光学系8は、レーザの光軸LS上に配置されたコリメーションレンズ11と集光レンズ12とを備え、レーザの光軸LS上においてコリメーションレンズ11と集光レンズ12との間には、ウェッジ基板13が配置されている。コリメーションレンズ11は、材質がBK7で焦点距離50mmの平凸レンズであり、光ファイバ4の先端から約50mm離れている。光ファイバ4の先端から出射されたレーザは、コリメーションレンズ11によって平行に成形され、ウェッジ基板13に入射する。   2 and 3, the condensing optical system 8 includes a collimation lens 11 and a condensing lens 12 disposed on the optical axis LS of the laser, and the collimation lens 11 on the optical axis LS of the laser. A wedge substrate 13 is disposed between the condenser lenses 12. The collimation lens 11 is a plano-convex lens made of BK7 and having a focal length of 50 mm, and is separated from the tip of the optical fiber 4 by about 50 mm. The laser emitted from the tip of the optical fiber 4 is shaped in parallel by the collimation lens 11 and enters the wedge substrate 13.

ウェッジ基板13(図4参照)は円形であり、コリメーションレンズ11側の上面13aは、集光レンズ12側の下面13bに対して傾いており、その傾斜角θは約10度である。ウェッジ基板13の上面13aに入射したレーザは、平行のまま角度α「約5.1度」だけ屈折して集光レンズ12に入射する。   The wedge substrate 13 (see FIG. 4) is circular, and the upper surface 13a on the collimation lens 11 side is inclined with respect to the lower surface 13b on the condenser lens 12 side, and the inclination angle θ is about 10 degrees. The laser incident on the upper surface 13 a of the wedge substrate 13 is refracted by an angle α “about 5.1 degrees” while being parallel and enters the condenser lens 12.

集光レンズ12は、材質がBK7で焦点距離が50mmの凸レンズであり、ウェッジ基板13の下面13bから10mm離れている。集光レンズ12を透過したレーザは集光レンズ12から約50mm離れた位置で集光する。集光レンズ12の焦点位置は、ウェッジ基板13を配置しない場合に比べて約4.44mmずれている。このずれ量Lは、ウェッジ基板13の傾斜角θと密接に関係しており、傾斜角θが大きくなる程ずれ量Lは大きくなる(図10参照)。   The condenser lens 12 is a convex lens made of BK7 and having a focal length of 50 mm, and is 10 mm away from the lower surface 13 b of the wedge substrate 13. The laser beam transmitted through the condenser lens 12 is condensed at a position about 50 mm away from the condenser lens 12. The focal position of the condensing lens 12 is shifted by about 4.44 mm as compared to the case where the wedge substrate 13 is not disposed. This deviation amount L is closely related to the inclination angle θ of the wedge substrate 13, and the deviation amount L increases as the inclination angle θ increases (see FIG. 10).

図3及び図4に示すように、ウェッジ基板13は円筒部材17の内部に固定されており、円筒部材17は軸受け14を介してブラケット16に固定され、ブラケット16はケース3aに固定されている。軸受け14によって回転自在に支持された円筒部材17の下部には、歯車17aが設けられている。この歯車17aは、減速機構18を介してモータ19の出力軸19aに連結されている。モータ19は、モータドライバ21(図2参照)によって駆動制御され、モータ19の駆動によって円筒部材17およびウェッジ基板13は所定の回転角速度で回転する。円筒部材17、減速機構18、モータ19及びモータドライバ21によってウェッジ基板13の回転機構22が構成される。   As shown in FIGS. 3 and 4, the wedge substrate 13 is fixed inside a cylindrical member 17, and the cylindrical member 17 is fixed to a bracket 16 via a bearing 14, and the bracket 16 is fixed to the case 3a. . A gear 17a is provided at a lower portion of the cylindrical member 17 that is rotatably supported by the bearing 14. The gear 17 a is connected to the output shaft 19 a of the motor 19 through the speed reduction mechanism 18. The motor 19 is driven and controlled by a motor driver 21 (see FIG. 2), and the cylindrical member 17 and the wedge substrate 13 are rotated at a predetermined rotational angular velocity by driving the motor 19. The cylindrical member 17, the speed reduction mechanism 18, the motor 19, and the motor driver 21 constitute a rotation mechanism 22 for the wedge substrate 13.

ウェッジ基板13は入射レーザの光軸LSを中心に回転し、ウェッジ基板13が回転すると、レーザの光軸LSの屈折方向が変化し、レーザの光軸LSが移動して焦点位置が移動する。加工ヘッド3のブレに伴ってレーザの光軸LSがブレた場合には、ウェッジ基板13を回転させることによって補正することができる。なお、ウェッジ基板13の傾斜角θが大きいほど、光軸LSのブレを補正できる範囲は広がるが、傾斜角θが大きくなるに従って焦点の収差も大きくなって加工性能に影響を及ぼすため、ウェッジ基板13の傾斜角θは「10°」程度が望ましい。   The wedge substrate 13 rotates about the optical axis LS of the incident laser. When the wedge substrate 13 rotates, the refraction direction of the laser optical axis LS changes, the laser optical axis LS moves, and the focal position moves. When the optical axis LS of the laser is shaken as the machining head 3 is shaken, it can be corrected by rotating the wedge substrate 13. As the tilt angle θ of the wedge substrate 13 is increased, the range in which the blurring of the optical axis LS can be corrected increases. However, as the tilt angle θ increases, the aberration of the focal point increases and affects the processing performance. The inclination angle θ of 13 is preferably about “10 °”.

加工ヘッド3には、加速度センサ(検出部)23が固定されている(図2参照)。加速度センサ23は、半導体式の2軸センサであり、加工ヘッド3の変位値として水平面における2次元の加速度を検出する。レーザ走査を行うために、加工ヘッド3を移動させると、加工ヘッド3は、その移動に伴って左右に僅かなブレを生じる。加速度センサ23は、このブレに伴う加速度を検出する。   An acceleration sensor (detection unit) 23 is fixed to the machining head 3 (see FIG. 2). The acceleration sensor 23 is a semiconductor two-axis sensor, and detects a two-dimensional acceleration in the horizontal plane as a displacement value of the machining head 3. When the machining head 3 is moved in order to perform laser scanning, the machining head 3 is slightly shaken to the left and right with the movement. The acceleration sensor 23 detects the acceleration accompanying this blur.

図2に示すように、モータ19には、インクリメンタル方式のロータリーエンコーダ24が固定されている。ロータリーエンコーダ24は、ウェッジ基板13の回転量に応じた2相のパルスを出力する。各相のパルスは位相がずれて出力されるようになっており、パルスの出力タイミングから回転方向が特定され、さらにパルス数からウェッジ基板の回転量が検出され、ウェッジ基板の回転角度が算出できるようになっている。なお、アブソリュート方式のロータリーエンコーダにて、ウェッジ基板13の絶対的な回転角度を検出するようにしてもよい。   As shown in FIG. 2, an incremental rotary encoder 24 is fixed to the motor 19. The rotary encoder 24 outputs a two-phase pulse corresponding to the amount of rotation of the wedge substrate 13. The pulses of each phase are output out of phase, the rotation direction is specified from the pulse output timing, the amount of rotation of the wedge substrate is detected from the number of pulses, and the rotation angle of the wedge substrate can be calculated It is like that. Note that the absolute rotation angle of the wedge substrate 13 may be detected by an absolute rotary encoder.

レーザ加工装置1は、バスを介して接続されたCPU26、ROM27及びRAM28等によって構成される主制御処理部29を有する。CPU26は、マニピュレータ7、レーザ発振部2、モータドライバ21、加速度センサ23及びロータリーエンコーダ24に有線もしくは無線によって信号送受信可能に接続されている。   The laser processing apparatus 1 includes a main control processing unit 29 including a CPU 26, a ROM 27, a RAM 28, and the like connected via a bus. The CPU 26 is connected to the manipulator 7, the laser oscillation unit 2, the motor driver 21, the acceleration sensor 23, and the rotary encoder 24 so that signals can be transmitted and received by wire or wirelessly.

CPU26は、レーザ加工装置1全体の動作制御を行い、特に、レーザの照射制御を行うレーザ発振制御部26aと、レーザ走査速度を制御するレーザ走査制御部26bと、加工ヘッド3のブレに伴って生じるレーザの光軸LSのブレを補正するための補正制御信号をモータドライバ21に出力する補正制御部26cとを有する。   The CPU 26 controls the operation of the entire laser processing apparatus 1. In particular, the laser oscillation control unit 26 a that controls laser irradiation, the laser scanning control unit 26 b that controls the laser scanning speed, and the processing head 3 are shaken. And a correction control unit 26c that outputs a correction control signal for correcting the blurring of the optical axis LS of the generated laser to the motor driver 21.

レーザ発振制御部26aは、レーザの照射開始と停止に関するON/OFF信号とレーザの照射強度を設定する照射強度設定信号とをレーザ発振部2に出力する。レーザ走査制御部26bは、レーザ走査速度を設定する速度設定信号をマニピュレータ7に出力する。   The laser oscillation control unit 26a outputs to the laser oscillation unit 2 an ON / OFF signal regarding the start and stop of laser irradiation and an irradiation intensity setting signal for setting the laser irradiation intensity. The laser scanning control unit 26 b outputs a speed setting signal for setting the laser scanning speed to the manipulator 7.

補正制御部26cは、加速度センサ23から出力された加速度信号から、ローパスフィルターによって高周波のノイズを減衰させ、100Hz以下の低周波成分のみを取り出す。なお、図6は、加速度センサ23から出力された加速度信号から求められた振動波形WA1を示し、所定の低周波成分に高周波ノイズが重畳している状態を示す図である。また、図7は、ローパスフィルターによって低周波成分のみを取り出した加速度信号からなる振動波形WA2を示している。振動波形WA2の周期は0.1sec、振幅d1は5mmである。   The correction control unit 26c attenuates high frequency noise from the acceleration signal output from the acceleration sensor 23 using a low-pass filter, and extracts only a low frequency component of 100 Hz or less. FIG. 6 shows a vibration waveform WA1 obtained from the acceleration signal output from the acceleration sensor 23, and shows a state in which high-frequency noise is superimposed on a predetermined low-frequency component. FIG. 7 shows a vibration waveform WA2 composed of an acceleration signal obtained by extracting only a low frequency component with a low-pass filter. The period of the vibration waveform WA2 is 0.1 sec, and the amplitude d1 is 5 mm.

さらに、補正制御部26cは、低周波成分からなる加速度信号に対して移動平均処理を行い、サンプリング周期の平均加速度を算出する。さらに、補正制御部26cは、平均加速度から変位方向を求めるとともに、平均加速度を積分処理して変位速度を算出し、さらに、変位速度を積分処理してサンプリング周期での変位量を算出する。そして、この変位方向、変位量から、レーザの光軸LSのブレを補正するために必要なウェッジ基板13の回転方向及び回転角速度を求める。RAM28には、ウェッジ基板13の停止位置としての回転角度、変位方向及び変位量とウェッジ基板13の回転方向、回転角速度及び回転時間とを対応付けたテーブルが記憶されており、補正制御部26cは、ウェッジ基板13の回転角度、変位方向及び変位量をテーブルの検索キーに設定し、対応する回転方向、回転角速度及び回転時間を求める。この回転方向及び回転角速度に係る補正制御信号はモータドライバ21に入力される。モータドライバ21は、補正制御信号に基づいた回転方向及び回転角速度で、サンプリング周期の対応する時間だけウェッジ基板13を回転させる。   Furthermore, the correction control unit 26c performs a moving average process on the acceleration signal composed of the low frequency component, and calculates the average acceleration of the sampling period. Further, the correction control unit 26c calculates the displacement direction from the average acceleration, integrates the average acceleration to calculate the displacement speed, and further integrates the displacement speed to calculate the displacement amount in the sampling period. Then, from the displacement direction and the displacement amount, the rotation direction and rotation angular velocity of the wedge substrate 13 necessary for correcting the blur of the optical axis LS of the laser are obtained. The RAM 28 stores a table in which the rotation angle, the displacement direction, and the displacement amount as the stop position of the wedge substrate 13 are associated with the rotation direction, the rotation angular velocity, and the rotation time of the wedge substrate 13, and the correction control unit 26c is stored in the RAM 28. Then, the rotation angle, displacement direction, and displacement amount of the wedge substrate 13 are set in the table search key, and the corresponding rotation direction, rotation angular velocity, and rotation time are obtained. A correction control signal related to the rotation direction and the rotation angular velocity is input to the motor driver 21. The motor driver 21 rotates the wedge substrate 13 for the time corresponding to the sampling period with the rotation direction and the rotation angular velocity based on the correction control signal.

なお、CPU26は、ガス供給ノズル6に供給されるシールドガスの流路を開閉する制御弁(図示省略)にも信号送信可能に接続されており、制御弁に対する開閉信号をも出力する。   The CPU 26 is also connected to a control valve (not shown) that opens and closes the flow path of the shield gas supplied to the gas supply nozzle 6 so as to transmit a signal, and also outputs an open / close signal to the control valve.

(補正制御)
次に、レーザ走査中におけるレーザの光軸LSのブレを補正するための補正制御について説明する。図8(a)に示すように、前述したレーザ加工装置1では、レーザの焦点位置を接合予定線SS上に合わせ、レーザ走査を開始する。なお、レーザ走査の開始前には、ウェッジ基板13を回転させる前の停止位置が、初期の回転角度としてRAM28に記憶されている。RAM28に記憶されるウェッジ基板13の回転角度は、ウェッジ基板13が回転する度に更新される。
(Correction control)
Next, correction control for correcting blurring of the optical axis LS of the laser during laser scanning will be described. As shown in FIG. 8A, in the laser processing apparatus 1 described above, the laser focal position is aligned with the planned joining line SS, and laser scanning is started. Prior to the start of laser scanning, the stop position before rotating the wedge substrate 13 is stored in the RAM 28 as an initial rotation angle. The rotation angle of the wedge substrate 13 stored in the RAM 28 is updated every time the wedge substrate 13 rotates.

レーザ走査中は、図8(b)に示すように、加工ヘッド3が振動によってブレ易く、加工ヘッド3に働く慣性力によってそのブレ幅も大きくなり易い。図9(a)に示すように、このブレを補正しない場合には、レーザの焦点位置は接合予定線SSを挟んで左右にブレた蛇行軌跡Ftを描く。蛇行軌跡Ftはサインカーブを描き、波長d2は約10mm、周期は0.1s、蛇行幅d3は約5mmである。さらに、レーザ走査速度は6m/minに設定されており、蛇行軌跡Ftの周波数は10Hzとなる。   During laser scanning, as shown in FIG. 8B, the machining head 3 is likely to be shaken by vibration, and the blur width is likely to be increased by the inertial force acting on the machining head 3. As shown in FIG. 9A, when this blur is not corrected, the focal position of the laser draws a meandering locus Ft that blurs to the left and right across the planned joining line SS. The meandering locus Ft draws a sine curve, the wavelength d2 is about 10 mm, the period is 0.1 s, and the meandering width d3 is about 5 mm. Furthermore, the laser scanning speed is set to 6 m / min, and the frequency of the meandering locus Ft is 10 Hz.

図5に示すように、レーザ走査中には、加速度センサ23によって加工ヘッド3の加速度が監視されており、加速度が検出されると(S1)、加速度センサ23から加速度信号が出力されて主制御処理部29に入力される(S2)。   As shown in FIG. 5, during the laser scanning, the acceleration of the machining head 3 is monitored by the acceleration sensor 23. When the acceleration is detected (S1), an acceleration signal is output from the acceleration sensor 23 and the main control is performed. The data is input to the processing unit 29 (S2).

補正制御部26cは、加工ヘッド3から加速度信号が入力されると、ローパスフィルタによって高周波を除去し、低周波数成分(図7参照)のみを取り出す(S3)。その後、補正制御部26cは、低周波数成分からなる加速度信号について移動平均処理を行い、サンプリング周期「1/1000sec」内での平均加速度を算出する(S4)。さらに、補正制御部26cは、平均加速度から変位方向を求め、さらに、平均加速度を積分処理して変位速度を算出し、変位速度を積分処理することでサンプリング周期内の変位量「0.003mm」を算出する(S5)。   When the acceleration signal is input from the machining head 3, the correction control unit 26c removes the high frequency by the low-pass filter and extracts only the low frequency component (see FIG. 7) (S3). Thereafter, the correction control unit 26c performs a moving average process on the acceleration signal composed of the low frequency component, and calculates an average acceleration within the sampling period “1/1000 sec” (S4). Further, the correction control unit 26c obtains the displacement direction from the average acceleration, calculates the displacement speed by integrating the average acceleration, and integrates the displacement speed to thereby calculate the displacement amount “0.003 mm” within the sampling period. Is calculated (S5).

その後、補正制御部26cは、ウェッジ基板13の停止位置としてRAM28に記憶されている回転角度を読み出す。補正制御部26cは、その回転角度をステップ5で求めた変位方向及び変位量とともに、RAM28に記憶されたテーブルを参照し、ウェッジ基板13の回転方向と回転角速度「5πrad/sec」と回転時間「0.025sec」とを求める(S6)。   Thereafter, the correction control unit 26 c reads the rotation angle stored in the RAM 28 as the stop position of the wedge substrate 13. The correction control unit 26 c refers to the table stored in the RAM 28 together with the displacement direction and the displacement amount obtained in step 5, the rotation direction of the wedge substrate 13, the rotation angular velocity “5π rad / sec”, and the rotation time “ 0.025 sec "is obtained (S6).

なお、補正制御部26cがウェッジ基板13の回転角速度や回転時間を求める際に、ウェッジ基板13の停止位置としての回転角度を参照するのは、ウェッジ基板13の回転角度によって、ウェッジ基板13の角度変化量に対する焦点位置の変位幅が異なるからである。ウェッジ基板13の回転角度と焦点位置の変位幅との関係をグラフ化するとサインカーブになる。そして、例えば、振幅を「A」とし、回転角度「0°」の初期停止位置から回転角度「15°」になるように「15°」の角度変化量だけ回転させると、焦点位置の変位幅Δy1は「A×(sin(15°)−sin(0°))=0.259×A」になる。一方、回転角度「15°」から回転角度「30°」になるように「15°」の角度変化量だけ回転させると、焦点位置の変位幅Δy2は「A×(sin(30°)−sin(15°))=0.241×A」になる。このように、ウェッジ基板13の停止位置が異なれば、各停止位置から同じ角度変化量だけ回転させた場合の変位幅Δy1,Δy2が異なる。そのため、ウェッジ基板13の停止位置としての回転角度をも参照してウェッジ基板13の回転角速度や回転時間を求めている。   When the correction control unit 26c calculates the rotation angular velocity and rotation time of the wedge substrate 13, the rotation angle as the stop position of the wedge substrate 13 is referred to by the angle of the wedge substrate 13 depending on the rotation angle of the wedge substrate 13. This is because the displacement width of the focal position with respect to the change amount is different. When the relationship between the rotation angle of the wedge substrate 13 and the displacement width of the focal position is graphed, a sine curve is obtained. For example, when the amplitude is “A” and the angle is changed by “15 °” from the initial stop position at the rotation angle “0 °” so that the rotation angle is “15 °”, the displacement of the focal position is changed. Δy1 is “A × (sin (15 °) −sin (0 °)) = 0.259 × A”. On the other hand, when the rotation angle “15 °” is rotated by an angle change amount of “15 °” from the rotation angle “15 °”, the focal position displacement width Δy2 is “A × (sin (30 °) −sin”. (15 °)) = 0.241 × A ”. As described above, when the stop position of the wedge substrate 13 is different, the displacement widths Δy1 and Δy2 are different when the wedge substrate 13 is rotated by the same amount of angular change from each stop position. For this reason, the rotation angular velocity and the rotation time of the wedge substrate 13 are obtained with reference to the rotation angle as the stop position of the wedge substrate 13.

その後、補正制御部26cは、ステップ7で求めたウェッジ基板13の回転方向及び回転角速度に係る補正制御信号を回転機構22のモータドライバ21に入力する(S7)。回転機構22のモータドライバ21は、補正制御信号に基づいてモータ19を駆動制御し、ウェッジ基板13を所定の回転角速度で所定の回転時間だけ回転させる(S8)。その結果として、図9(b)に示すように、加工ヘッド3のブレに伴って生じるレーザの光軸LSのブレは補正され、レーザの焦点位置の蛇行が軽減されて所望の直線に近づくようになる。   Thereafter, the correction control unit 26c inputs a correction control signal related to the rotation direction and rotation angular velocity of the wedge substrate 13 obtained in Step 7 to the motor driver 21 of the rotation mechanism 22 (S7). The motor driver 21 of the rotation mechanism 22 drives and controls the motor 19 based on the correction control signal, and rotates the wedge substrate 13 for a predetermined rotation time at a predetermined rotation angular velocity (S8). As a result, as shown in FIG. 9B, the blurring of the laser optical axis LS caused by the shaking of the machining head 3 is corrected, and the meandering of the focal position of the laser is reduced so that it approaches a desired straight line. become.

その後、補正制御部26cは、RAM28に記憶されているウェッジ基板13の停止位置としての回転角度を、ロータリーエンコーダ24で検出されたウェッジ基板13の新たな回転角度に更新する(S9)。このように、ウェッジ基板13の回転角度は、ウェッジ基板13が回転する度に更新され、更新された新たな回転角度は、前述のステップ6においてウェッジ基板13の回転角速度及び回転時間を求める際に利用される。以上の各処理は、レーザ走査中において繰り返し実行される。   Thereafter, the correction control unit 26c updates the rotation angle as the stop position of the wedge substrate 13 stored in the RAM 28 to a new rotation angle of the wedge substrate 13 detected by the rotary encoder 24 (S9). Thus, the rotation angle of the wedge substrate 13 is updated each time the wedge substrate 13 rotates, and the updated new rotation angle is obtained when the rotation angular velocity and the rotation time of the wedge substrate 13 are obtained in step 6 described above. Used. Each of the above processes is repeatedly executed during laser scanning.

レーザ加工装置1によれば、加工ヘッド2を移動させることなく、ウェッジ基板13の回転によってレーザの光軸LSのブレを補正できるため、レーザの光軸LSのブレを容易に補正でき、レーザ溶接の精度を向上できる。   According to the laser processing apparatus 1, since the blur of the optical axis LS of the laser can be corrected by rotating the wedge substrate 13 without moving the processing head 2, the blur of the optical axis LS of the laser can be easily corrected, and laser welding is performed. Accuracy can be improved.

また、ウェッジ基板13がコリメーションレンズ11よりも光路の上流側に配置されていると、レンズ法線に対するレーザの入射角を大きくしなければレーザの光軸LSのブレを十分に補正できない。しかしながら、入射角が大きいとレンズの収差が大きくなり、所望のビームスポットサイズを得ることが難しくなって溶接精度を低下させてしまう可能性がある。また、ウェッジ基板13が集光レンズ12よりも光路の下流側に配置されていると、ワーキングディスタンスが小さくなってしまう。レーザ加工装置1では、ウェッジ基板13は、コリメーションレンズ11と集光レンズ12との間に配置されているために、レーザの光軸LSのブレを補正しながら、容易にビームスポットを所望のサイズにすることができ、さらに、ワーキングディスタンスを広くすることが可能になる。   Further, if the wedge substrate 13 is disposed on the upstream side of the optical path from the collimation lens 11, the blurring of the optical axis LS of the laser cannot be sufficiently corrected unless the incident angle of the laser with respect to the lens normal is increased. However, when the incident angle is large, the aberration of the lens increases, and it is difficult to obtain a desired beam spot size, which may reduce the welding accuracy. Further, when the wedge substrate 13 is disposed downstream of the condenser lens 12 in the optical path, the working distance becomes small. In the laser processing apparatus 1, since the wedge substrate 13 is disposed between the collimation lens 11 and the condenser lens 12, the beam spot can be easily formed to a desired size while correcting the blurring of the optical axis LS of the laser. In addition, the working distance can be widened.

さらに、加工ヘッド23の変位値を検出する検出部として加速度センサ23を用いているために、変位方向及び変位量を求めることができ、変位量を相殺するようにウェッジ基板13を回転させることによって精度の高い補正を可能にし、その結果として、レーザ溶接の精度を向上できる。   Further, since the acceleration sensor 23 is used as a detection unit for detecting the displacement value of the machining head 23, the displacement direction and the displacement amount can be obtained, and the wedge substrate 13 is rotated so as to cancel the displacement amount. It is possible to perform correction with high accuracy, and as a result, the accuracy of laser welding can be improved.

なお、本発明は、以上の実施形態に限定されず、集光レンズとしてFθレンズを用いて収差の影響を少なくしてもよい。また、ウェッジ基板を複数設け、各ウェッジ基板を回転させる回転機構を設けても良い。   In addition, this invention is not limited to the above embodiment, You may reduce the influence of an aberration using an F (theta) lens as a condensing lens. Further, a plurality of wedge substrates may be provided, and a rotation mechanism that rotates each wedge substrate may be provided.

本発明に係るレーザ加工装置の実施形態を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an embodiment of a laser processing apparatus according to the present invention. 図1に示すレーザ加工装置のブロック図である。It is a block diagram of the laser processing apparatus shown in FIG. 図1に示すレーザ加工装置のウェッジ基板及び回転機構を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows the wedge board | substrate and rotation mechanism of the laser processing apparatus shown in FIG. 図3のIV−IVに沿った端面図である。FIG. 4 is an end view taken along IV-IV in FIG. 3. レーザの光軸のブレを補正する補正制御の動作手順を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the operation | movement procedure of the correction control which correct | amends the blurring of the optical axis of a laser. 加速度センサで検出した加速度信号から求められた振動波形を示すグラフであり、ローパスフィルタによる高周波成分除去前の状態を示す図である。It is a graph which shows the vibration waveform calculated | required from the acceleration signal detected with the acceleration sensor, and is a figure which shows the state before the high frequency component removal by a low-pass filter. 加速度センサで検出した加速度信号から求められた振動波形を示すグラフであり、ローパスフィルタによる高周波成分除去後の状態を示す図である。It is a graph which shows the vibration waveform calculated | required from the acceleration signal detected with the acceleration sensor, and is a figure which shows the state after high frequency component removal by a low-pass filter. ウェッジ基板の回転に伴って移動するレーザの光軸を示す図であり、(a)は加工ヘッドがブレる前の状態を示す図であり、(b)は加工ヘッドがブレてしまった状態を示す図であり、(c)はウェッジ基板を回転させてレーザの光軸のブレを補正した状態を示す図である。It is a figure which shows the optical axis of the laser which moves with rotation of a wedge board | substrate, (a) is a figure which shows the state before a processing head shakes, (b) is the state which the processing head has blurred. (C) is a figure which shows the state which rotated the wedge board | substrate and correct | amended the blurring of the optical axis of a laser. レーザの光軸のブレに伴って生じる焦点位置の蛇行軌跡を示し、(a)は補正を行わなかった場合を示し、(b)は補正を行った場合を示す図である。The meandering locus | trajectory of the focus position which arises with the blurring of the optical axis of a laser is shown, (a) shows the case where correction | amendment is not performed, (b) is a figure which shows the case where correction | amendment is performed. ウェッジ基板の傾斜角とレーザの焦点位置のずれ量との関係を示す表である。It is a table | surface which shows the relationship between the inclination | tilt angle of a wedge board | substrate, and the deviation | shift amount of the focus position of a laser.

符号の説明Explanation of symbols

1…レーザ加工装置、3…加工ヘッド、11…コリメーションレンズ、12…集光レンズ、13…ウェッジ基板、22…回転機構、23…加速度センサ(検出部)、W…板材(被溶接物)、接合予定線SS、LS…光軸。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Laser processing apparatus, 3 ... Processing head, 11 ... Collimation lens, 12 ... Condensing lens, 13 ... Wedge board | substrate, 22 ... Rotation mechanism, 23 ... Acceleration sensor (detection part), W ... Plate material (to-be-welded object), Joined lines SS, LS ... optical axis.

Claims (3)

レーザの光軸上に配置されたコリメーションレンズと集光レンズとを有する加工ヘッドを備え、前記集光レンズによって被溶接物の接合予定線上に前記レーザを集光させると共に、前記接合予定線に沿って走査するように前記加工ヘッドを移動させるレーザ加工装置において、
前記光軸上に配置されたウェッジ基板と、
前記ウェッジ基板を前記光軸を中心に回転させる回転機構と、
前記加工ヘッドの変位値を検出する検出部と、
前記加工ヘッドの変位に伴って生じる前記光軸のブレを補正するために、前記検出部によって検出された前記変位値に基づいて前記ウェッジ基板を回転させる補正制御信号を前記回転機構に対して出力する補正制御部と、を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
A processing head having a collimation lens and a condensing lens arranged on the optical axis of the laser is provided. The condensing lens condenses the laser on a planned joining line of an object to be welded, and follows the planned joining line. In the laser processing apparatus for moving the processing head so as to scan,
A wedge substrate disposed on the optical axis;
A rotation mechanism for rotating the wedge substrate around the optical axis;
A detection unit for detecting a displacement value of the machining head;
A correction control signal for rotating the wedge substrate based on the displacement value detected by the detection unit is output to the rotation mechanism in order to correct the blur of the optical axis caused by the displacement of the processing head. A laser processing apparatus comprising: a correction control unit that performs correction.
前記ウェッジ基板は、前記コリメーションレンズと前記集光レンズとの間に配置されていることを特徴とする請求項1記載のレーザ加工装置。   The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the wedge substrate is disposed between the collimation lens and the condenser lens. 前記検出部は、前記加工ヘッドの前記変位値として加速度を検出する加速度センサであることを特徴とする請求項1または2記載のレーザ加工装置。
The laser processing apparatus according to claim 1, wherein the detection unit is an acceleration sensor that detects acceleration as the displacement value of the processing head.
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