レーザ切断装置
【課題】アシストガスおよびシールドガスの周りを囲む加圧水カーテンを不要にして、加工ヘッドの小型化を図る。
【解決手段】レーザ通過孔２１１の周方向に沿って連続して複数個のスカート２３を配置して、シールドガスが噴射される空洞を形成する。また、スカート２３は、加工ヘッド２に対してレーザ通過孔２１１の軸線方向に移動可能とし、先端部が被加工物に当接するように被加工物に向かって付勢する。これによると、スカート２３が加圧水カーテンと同様の機能を発揮するため、加圧水カーテンノズルを廃止することができる。
【解決手段】レーザ通過孔２１１の周方向に沿って連続して複数個のスカート２３を配置して、シールドガスが噴射される空洞を形成する。また、スカート２３は、加工ヘッド２に対してレーザ通過孔２１１の軸線方向に移動可能とし、先端部が被加工物に当接するように被加工物に向かって付勢する。これによると、スカート２３が加圧水カーテンと同様の機能を発揮するため、加圧水カーテンノズルを廃止することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物をレーザビームを用いて切断するレーザ切断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のレーザ切断装置は、レーザビーム、アシストガスおよびシールドガスを、加工ヘッドから照射・噴射することによって被加工物を切断するようになっている。
【０００３】
アシストガスは一般的に高圧酸素が用いられ、酸化反応熱によって加工を促進する役割と、カーフ溝（切断溝）から溶融金属を吹き飛ばす役割とを果たす。シールドガスは、アシストガスの周りを囲むエアカーテンを形成し、アシストガスを保護する役割を果たす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、造船業界や厚板シャーリング業界においては、厚板の高品質かつ効率的な切断技術が求められている。さらに、将来の原子力発電所の廃炉時に原子炉容器等の解体に厚板水中切断技術が求められている。
【０００５】
そこで本出願人は、特願２０１１−２１７６０（以下、先願例という）にて、そのような用途に適したレーザ切断装置を提案した。具体的には、エアカーテンの周りに加圧水を噴射してエアカーテンを囲む加圧水カーテンを形成することにより、加圧水カーテンの外部の大気または水とアシストガスを分離して、アシストガスの濃度および高圧状態を維持するようにしたものである。
【０００６】
しかしながら、上記先願例では、加圧水カーテンを形成するために、加圧水を噴射する加圧水カーテンノズルを加工ヘッドに設ける必要があり、加工ヘッドが大型になってしまうという問題があった。
【０００７】
また、加工ヘッドにおけるレーザビームの出射口付近を目視できない作業環境下では、出射口と被加工物との間の距離（以下、ワークディスタンスという）を所定範囲に保つことが困難であった。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、加工ヘッドの小型化を図ることを第１の目的とする。また、ワークディスタンスを容易に所定範囲に保つことができるようにすることを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、加工ヘッド（２）の出射口（２２３）からレーザビームを出射して被加工物を切断するレーザ切断装置であって、加工ヘッド（２）は、レーザビームが通過するレーザ通過孔（２１１）が形成されたヘッド本体（２１）と、レーザビームによって溶融した被加工物の溶融物を吹き飛ばすアシストガスおよびアシストガスを外側から包み込んでアシストガスを保護するシールドガスを噴射するノズル（２２）と、シールドガスが噴射される空洞を形成する空洞形成手段とを備え、空洞形成手段は、レーザ通過孔（２１１）の周方向に沿って連続して配置された複数個のスカート（２３）にて構成され、複数個のスカート（２３）の各々は、ヘッド本体（２１）に対してレーザ通過孔（２１１）の軸線方向に移動可能であるとともに、先端部が被加工物に当接するように被加工物に向かって付勢されていることを特徴とする。
【００１０】
これによると、空洞形成手段が先願例における加圧水カーテンと同様の機能を発揮するため、加圧水カーテンノズルを廃止して加工ヘッド（２）を小型化にすることができる。また、水タンクや水ポンプ等の加圧水供給手段も不要になるため、レーザ切断装置を簡素にすることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のレーザ切断装置において、加工ヘッド（２）の位置および姿勢を制御する制御手段（６、７）と、ヘッド本体（２１）に対する複数個のスカート（２３）の各々の相対位置を検出して位置検出信号を制御手段（６、７）に出力するスカート位置センサ（８）とを備え、制御手段（６、７）は、出射口（２２３）と被加工物との間の距離が所定範囲になるように、位置検出信号に基づいて加工ヘッド（２）の位置を制御することを特徴とする。
【００１２】
これによると、出射口（２２３）付近を目視できない作業環境下においても、ワークディスタンスを容易に所定範囲に保つことができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載のレーザ切断装置において、加工ヘッド（２）の進行方向にある被加工物の障害物を検出して障害物検出信号を制御手段（６、７）に出力する障害物センサ（９）を備え、制御手段（６、７）は、障害物センサ（９）が障害物を検出したとき、被加工物における切断中の加工面と障害物とで形成される隅部に出射口（２２３）を近づけるように、加工ヘッド（２）の姿勢を制御することを特徴とする。
【００１４】
これによると、例えば被加工物が９０°曲がった形状で、加工ヘッド（２）の進行方向に曲げ板面（すなわち障害物）がある場合でも、出射口（２２３）を被加工物の隅部に近接させるため、被加工物の隅部も確実に切断することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のレーザ切断装置において、スカート（２３）における被加工物と対向する被加工物対向面（２３１）は、レーザ通過孔（２１１）の軸線に対して傾斜し、且つ外周側よりも内周側が被加工物に向かって突出していることを特徴とする。
【００１６】
これによると、加工ヘッド（２）の進行方向に障害物がある場合に、出射口（２２３）を被加工物の隅部により一層近接させることができる。
【００１７】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】図１の加工ヘッドおよびガス供給手段の構成を示す図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図２のＢ矢視図である。
【図５】図２の加工ヘッド２の模式的な平面図である。
【図６】図１のロボット制御盤が実行するプログラムのフローチャートである。
【図７】被加工物に障害物がある場合の加工ヘッドの作動を示す図である。
【図８】被加工物に段差がある場合の加工ヘッドの作動を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態について説明する。本実施形態のレーザ切断装置は、水中でレーザビームを照射して被加工物を切断するという、いわゆる水中切断を行うものである。被加工物の例としては、炭素鋼やステンレス（ＳＵＳ）等にて２５〜１５０ｍｍ程度の厚さに形成された厚板部材が挙げられる。
【００２０】
レーザ切断装置は、具体的にはレーザビームの照射と同時にアシストガスおよびシールドガスを噴射する。
【００２１】
アシストガスは酸素を含有するガスであり、酸化反応熱によって加工を促進する役割と溶融物（溶融金属）を吹き飛ばす役割とを果たす。
【００２２】
シールドガスは、アシストガスを保護するエアカーテンとしての役割を果たす。より具体的には、アシストガスを層状に包むことによって水の巻き込みを遮断するとともにカーフ部（切断面間の溝部）でのアシストガス流速を高める。
【００２３】
図１は本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置の全体構成を示す模式的な図である。この図１に示すように、レーザ切断装置は、レーザ光源であるレーザ発振器１から発振されたレーザが光ファイバにて加工ヘッド２に伝送され、そのレーザは加工ヘッド２から被加工物に向けて出射される。
【００２４】
加工ヘッド２には、３つのガス供給手段３〜５からアシストガスやシールドガスが供給され、そのアシストガスやシールドガスは、加工ヘッド２から被加工物Ｗに向けて噴射される。
【００２５】
また、加工ヘッド２は、その位置および姿勢がロボット６およびロボット制御盤７にて制御される。ロボット制御盤７は、図示しない制御回路（ＥＣＵ）を備え、制御回路はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。なお、ロボット６およびロボット制御盤７は、本発明の制御手段を構成する。
【００２６】
図２は図１の加工ヘッド２およびガス供給手段３〜５の構成を示す図である。この図２に示すように、レーザビームは、レーザ発振器１によって発振されるレーザが集光レンズ１１を介して加工ヘッド２に導かれることによって形成される。加工ヘッド２に導かれたレーザは、ヘッド本体２１に形成されたレーザ通過孔２１１を介して切断用ノズル２２に導かれる。
【００２７】
アシストガスは、酸素を含有する酸素含有ガスと、酸素含有ガスよりも流量（圧力）の高い高流量ガスとによって形成される。酸素含有ガスとしては高純度酸素が用いられる。高流量ガスとしては酸素含有ガスよりも酸素濃度の低い気体、例えば空気または不活性ガス（窒素等）が用いられる。
【００２８】
酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段３は、酸素含有ガスを貯留した酸素含有ガスボンベ３１からガス配管を介して加工ヘッド２に酸素含有ガスを供給するようになっている。そのガス配管には、酸素含有ガスの吐出圧を調整する圧力調整弁３２、酸素含有ガスの流量を調整する流量調整弁３３、酸素含有ガスの吐出圧を検出する圧力計３４、および酸素含有ガスの流量を検出する流量計３５が配置されている。
【００２９】
高流量ガスを供給する高流量ガス供給手段４は、高流量ガスを貯留した高流量ガスボンベ４１からガス配管を介して加工ヘッド２に高流量ガスを供給するようになっている。そのガス配管には、高流量ガスの吐出圧を調整する圧力調整弁４２、高流量ガスの流量を調整する流量調整弁４３、高流量ガスの吐出圧を検出する圧力計４４、および高流量ガスの流量を検出する流量計４５が配置されている。
【００３０】
酸素含有ガスの圧力・流量および高流量ガスの圧力・流量は、被加工物Ｗの材質や板厚等に応じて設定される。本例では、酸素含有ガスの流量は３０〜５０リットル／分に設定され、高流量ガスの流量は３００〜３５０リットル／分に設定される。
【００３１】
圧力調整弁３２、４２および流量調整弁３３、４３として手動の弁を用いる場合には、酸素含有ガスの圧力・流量および高流量ガスの圧力・流量を手動で設定することとなる。また、圧力調整弁３２、４２および流量調整弁３３、４３として電磁弁を用いる場合には、酸素含有ガスの圧力・流量および高流量ガスの圧力・流量を制御装置によって制御することができる。
【００３２】
ヘッド本体２１には、酸素含有ガスを流通させる酸素含有ガス通路２１２が形成されている。この酸素含有ガス通路２１２は、その下流端がヘッド本体２１内においてレーザ通過孔２１１に連通している。したがって、加工ヘッド２に供給された酸素含有ガスは、酸素含有ガス通路２１２およびレーザ通過孔２１１を介して切断用ノズル２２に供給される。
【００３３】
また、ヘッド本体２１には、高流量ガスを流通させる高流量ガス通路２１３が形成されている。この高流量ガス通路２１３は、その下流端が切断用ノズル２２
に連通している。したがって、加工ヘッド２に供給された高流量ガスは、高流量ガス通路２１３を介して切断用ノズル２２に供給される。
【００３４】
加工ヘッド２にシールドガスを供給するシールドガス供給手段５は、具体的にはコンプレッサであり、シールドガスは具体的には空気である。そして、シールドガス供給手段５から吐出されたシールドガスは、ヘッド本体２１に形成されたシールドガス通路２１４を介して切断用ノズル２２に供給される。
【００３５】
切断用ノズル２２は二重ノズル構造になっている。そして、内側に位置する一重目のノズル２２１（円形ノズル）は、レーザ通過孔２１１からのレーザビームを通すとともに、酸素含有ガス通路２１２およびレーザ通過孔２１１からの酸素含有ガスを噴射する。したがって、一重目のノズル２２１を、以下、酸素含有ガスノズルと言う。
【００３６】
酸素含有ガスノズル２２１の外側に位置するとともに酸素含有ガスノズル２２１と同軸的に配置された二重目のノズル２２２（環状ノズル）は、高流量ガス通路２１３からの高流量ガスを噴射する。したがって、二重目のノズル２２２を、以下、高流量ガスノズルと言う。
【００３７】
高流量ガスノズル２２２の先端は、酸素含有ガスノズル２２１の先端よりもレーザビームの照射方向に延出して、円形状になっている。換言すれば、酸素含有ガスノズル２２１の先端は、高流量ガスノズル２２２の先端よりも奥まった位置に配置されている。
【００３８】
高流量ガスノズル２２２のうち酸素含有ガスノズル２２１よりも延出した部分の最小径（内径）は、酸素含有ガスノズル２２１の先端径（内径）よりも小さく絞られている。
【００３９】
これにより、高流量ガスノズル２２２の先端から酸素含有ガスと高流量ガスとが噴射される。そして、高流量ガスノズル２２２の先端から噴射された酸素含有ガスと高流量ガスとによってアシストガスが形成される。
【００４０】
すなわち、酸素含有ガスノズル２２１と高流量ガスノズル２２２とからなる二重ノズルは、アシストガスを噴射するアシストガスノズルを構成している。換言すれば、酸素含有ガスノズル２２１は、二重ノズル構造のアシストガスノズルのうち内側ノズルの部分を構成しており、高流量ガスノズル２２２は、二重ノズル構造のアシストガスノズルのうち外側ノズルの部分を構成している。
【００４１】
高流量ガスノズル２２２は、スロート部（最狭隘部）の先にスカート部（拡管部）があるラバルノズルで構成されている。スロート部は、高流量ガスノズル２２２の最小径部分である。より具体的には、スロート部およびスカート部は、高流量ガスノズル２２２のうち酸素含有ガスノズル２２１の先端よりも延出した部分に形成されている。
【００４２】
なお、レーザビームは高流量ガスノズル２２２から出射されるため、高流量ガスノズル２２２の先端部２２３を、以下、出射口という。
【００４３】
切断用ノズル２２の外周部には、シールドガス通路２１４と連通するリング状のシールドガス噴射口２２４が形成されている。そして、シールドガス通路２１４を介して供給されたシールドガスがこのシールドガス噴射口２２４から噴射される。
【００４４】
レーザ切断装置は、シールドガスが噴射される空洞を形成する円筒状の空洞形成手段を備えている。
【００４５】
図２〜図４に示すように、空洞形成手段は、レーザ通過孔２１１の周囲に配置されるとともに、レーザ通過孔２１１の周方向（以下、レーザ通過孔周方向という）に沿って連続して配置された、複数個（本例では８個）のスカート２３にて構成されている。なお、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図、図４は図２のＢ矢視図である。
【００４６】
スカート２３は、円筒を周方向に沿って８分割した形状になっている（図４参照）。また、スカート２３における被加工物Ｗと対向する被加工物対向面２３１は、レーザ通過孔２１１の軸線（以下、レーザ通過孔軸線という）に対して傾斜しており、外周側よりも内周側が被加工物Ｗに向かって突出した形状になっている。
【００４７】
スカート２３の内周側には、レーザ通過孔軸線方向に延びるガイド板部２３２が形成されている。ヘッド本体２１には、スカート２３が挿入されるスカート収容空間２１５、およびレーザ通過孔軸線方向に延びるガイド溝部２１６が形成されている。そして、ガイド板部２３２がガイド溝部２１６に摺動自在に嵌合され、スカート２３は、ヘッド本体２１に対してレーザ通過孔軸線方向に移動可能に組み付けられている。
【００４８】
スカート収容空間２１５には、スプリング２４が配置されており、このスプリング２４によりスカート２３はスカート収容空間２１５から押し出される向きに付勢されている。換言すると、スカート２４における被加工物対向面２３１の先端部（すなわち内周側）が被加工物Ｗに当接するように、スカート２３はスプリング２４により被加工物Ｗに向かって付勢されている。
【００４９】
レーザ切断装置は、ヘッド本体２１に対する各スカート２３のレーザ通過孔軸線方向の相対位置を検出して、位置検出信号をロボット制御盤７に出力するスカート位置センサ８を備えている。
【００５０】
このスカート位置センサ８は、スカート２３と一体に移動する移動部材８１と、ヘッド本体２１に固定されて移動部材８１の移動に伴って出力電気信号の値が変化する信号出力部８２を備えている。
【００５１】
また、レーザ切断装置は、加工ヘッド２の進行方向の障害物を検出して障害物検出信号をロボット制御盤７に出力する障害物センサ９を備えている。
【００５２】
この障害物センサ９は、ヘッド本体２１に対してレーザ通過孔２１１の径方向（以下、レーザ通過孔径方向という）に移動可能な移動部材９１と、ヘッド本体２１に固定されて移動部材９１の移動に伴って出力電気信号の値が変化する信号出力部９２を備えている。
【００５３】
なお、スカート位置センサ８や障害物センサ９は、例えば機械接触式のセンサや光学非接触式のセンサを用いることができる。
【００５４】
図５は加工ヘッド２の模式的な平面図である。この図５に示すように、スカート２３は、第１〜第８スカート２３ａ〜２３ｈからなり、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄが位置し、反進行方向側に第５〜第８スカート２３ｅ〜２３ｈが位置している。
【００５５】
スカート位置センサ８は、第１〜第８スカート位置センサ８ａ〜８ｈからなり、第１スカート位置センサ８ａが第１スカート２３ａの位置を検出し、第２スカート位置センサ８ｂが第２スカート２３ｂの位置を検出し、…、第８スカート位置センサ８ｈが第８スカート２３ｈの位置を検出するようになっている。
【００５６】
障害物センサ９は、第１〜第８障害物センサ９ａ〜９ｈからなり、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に第１〜第４障害物センサ９ａ〜９ｄが位置し、反進行方向側に第５〜第８障害物センサ９ｅ〜９ｈが位置している。
【００５７】
次に、上記構成における作動を説明する。まず、基本的には、レーザ通過孔軸線が被加工物Ｗに対して垂直になるように、加工ヘッド２の姿勢が制御される。また、レーザビームの出射口２２３と被加工物Ｗとの間の距離（以下、ワークディスタンスという）が所定範囲に制御される。
【００５８】
そして、スカート２３はスプリング２４により被加工物Ｗに向かって付勢され、スカート２４の先端部が被加工物Ｗに当接し、スカート２３によってその内部空間と外部空間とが分離される。
【００５９】
レーザ切断装置は、被加工物Ｗに対して、酸素含有ガスノズル２２１の中心からレーザビームを照射すると同時に、スカート２３の内部空間に、酸素含有ガスノズル２２１および高流量ガスノズル２２２からアシストガス（酸素含有ガスおよび高流量ガス）を噴射し、さらに、シールドガス噴射口２２４からシールドガスを噴射する。
【００６０】
アシストガスは酸素含有ガスと高流量ガスとで形成されるので、高流量ガスの流量を増やすことによって、厚い被加工物Ｗに対しても溶融金属を吹き飛ばすのに十分なアシストガス流量を確保することができる。
【００６１】
また、酸素含有ガスは高純度酸素であり、高流量ガスは酸素含有ガスよりも酸素濃度の低い気体であるので、高流量ガスの流量を増やしても酸素の供給を適度に抑えてセルフバーニングの発生を防止できる。このため、良好な切断面品質を得ることができる。
【００６２】
さらに、スカート２４により、スカート２３の外部の水とスカート２３の内部のアシストガスおよびシールドガスが分離され、アシストガスの濃度および高圧状態が維持される。
【００６３】
次に、ロボット６およびロボット制御盤７による加工ヘッド２の制御について図６に基づいて説明する。なお、図６はロボット制御盤７のＣＰＵが読み出して実行するプログラムのフローチャートである。
【００６４】
まず、加工ヘッド２の進行方向Ｃの最前方側に位置する第２、第３障害物センサ９ｂ、９ｃにて検出した障害物検出信号に基づいて、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に障害物があるか否かを判定する（ステップ１０）。
【００６５】
ここで、図７（ａ）に示すように、被加工物Ｗが９０°曲がった形状で、加工ヘッド２の進行方向Ｃに曲げ板面（以下、障害物壁面という）がある場合でも、加工ヘッド２が障害物壁面から充分離れている位置では、レーザ通過孔軸線が被加工物Ｗに対して垂直になるように加工ヘッド２の姿勢が制御されるため、第１〜第８スカート２３ａ〜２３ｈのヘッド本体２１からの突出量は等しくなっている。また、ワークディスタンスが所定範囲に制御されるため、第１〜第８スカート２３ａ〜２３ｈの突出量は基準値になっている。
【００６６】
そして、加工ヘッド２が障害物壁面に近づいて第２、第３障害物センサ９ｂ、９ｃが障害物壁面に当接すると、移動部材９１がレーザ通過孔２１１の径方向内側に向かって（すなわち、ヘッド本体２１内部に侵入する方向に）移動して、第２、第３障害物センサ９ｂ、９ｃの出力電気信号の値が変化するため、この出力電気信号の変化に基づいて、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に障害物壁面があると判定し（ステップ１０がＹＥＳ）、ステップ１１に進む。
【００６７】
ステップ１１では、図７（ｂ）に示すように、被加工物Ｗにおける現在切断中の加工面と障害物壁面とで形成される隅部に出射口２２３が近づくように、換言すると、加工ヘッド２における進行方向Ｃ側の部位が障害物壁面から遠ざかるように、加工ヘッド２の姿勢（すなわち、レーザ通過孔軸線の傾き）を変更する。
【００６８】
これにより、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に位置する第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄのヘッド本体２１からの突出量が増加し、反進行方向側に位置する第５〜第８スカート２３ｅ〜２３ｈのヘッド本体２１からの突出量が減少する。
【００６９】
図７（ｃ）に示すように、加工ヘッド２がさらに進んで被加工物Ｗの隅部に近づくと、第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄの被加工物対向面２３１が障害物壁面に当接し、第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄがヘッド本体２１内に押し戻される。これにより、出射口２２３を被加工物Ｗの隅部に近接させることができる。
【００７０】
また、スカート２３の被加工物対向面２３１は、レーザ通過孔軸線に対して傾斜し、且つ外周側よりも内周側が被加工物Ｗに向かって突出した形状であるため、出射口２２３を被加工物Ｗの隅部により一層近接させることができる。
【００７１】
そして、第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄがヘッド本体２１内に押し戻されることにより、第１〜第４スカート位置センサ８ａ〜８ｄの出力電気信号の値が変化するため、この出力電気信号の変化に基づいて、加工ヘッド２が被加工物Ｗの隅部に到達したと判定し（ステップ１２がＹＥＳ）、ステップ１３に進む。
【００７２】
ステップ１３では、加工ヘッド２が障害物壁面に沿って（すなわち、図７の紙面上方に向かって）進むように加工ヘッド２の進行方向Ｃを変更し、続くステップ１４では、レーザ通過孔軸線が障害物壁面に対して垂直になるように加工ヘッド２の姿勢を変更する。
【００７３】
ステップ１０がＮＯの場合、およびステップ１４の制御終了後、ステップ１５に進む。このステップ１５では、被加工物Ｗにおける加工ヘッド２の進行方向Ｃに、加工ヘッド２から逃げるような段差があるか否かを判定する。
【００７４】
ここで、図８（ａ）に示すように、加工ヘッド２が段差から離れている位置では、レーザ通過孔軸線が被加工物Ｗに対して垂直になるように加工ヘッド２の姿勢が制御されるため、第１〜第８スカート２３ａ〜２３ｈのヘッド本体２１からの突出量は等しくなっている。また、ワークディスタンスが所定範囲に制御されるため、第１〜第８スカート２３ａ〜２３ｈの突出量は基準値になっている。
【００７５】
そして、図８（ｂ）に示すように、加工ヘッド２が段差に到達すると、第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄの先端部が被加工物Ｗから離脱し、第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄがヘッド本体２１から押し出されてヘッド本体２１からの突出量が増加する。これにより、第１〜第４スカート位置センサ８ａ〜８ｄの出力電気信号の値が変化するため、この出力電気信号の変化に基づいて、被加工物Ｗに段差があると判定し（ステップ１５がＹＥＳ）、ステップ１６に進む。
【００７６】
ステップ１６では、図８（ｃ）に示すように、レーザ通過孔軸線が段差壁面に対して垂直になるように加工ヘッド２の姿勢を変更し、続くステップ１７では、加工ヘッド２が段差壁面に沿って（すなわち、図８の紙面下方に向かって）進むように加工ヘッド２の進行方向を変更する。
【００７７】
ステップ１５がＮＯの場合、およびステップ１７の制御終了後、ステップ１８に進み、第１〜第８スカート位置センサ８ａ〜８ｈの出力電気信号に基づいて加工ヘッド２の位置を制御し、ワークディスタンスを所定範囲に制御する。このワークディスタンスの制御については、特開２００６−７３０４号公報に詳細に記載されている。
【００７８】
そして、ステップ１０〜ステップ１８の処理を繰り返し実行することにより、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に障害物壁面や段差がある場合でも被加工物Ｗを確実に切断することができるとともに、ワークディスタンスを常に所定範囲に保つことができる。
【００７９】
本実施形態によると、スカート２３が先願例における加圧水カーテンと同様の機能を発揮するため、加圧水カーテンノズルを廃止して加工ヘッド２を小型化にすることができる。また、水タンクや水ポンプ等の加圧水供給手段も不要になるため、レーザ切断装置を簡素にすることができる。
【００８０】
また、第１〜第８スカート位置センサ８ａ〜８ｈの出力電気信号に基づいてワークディスタンスを制御するため、出射口２２３付近を目視できない作業環境下においても、ワークディスタンスを容易に所定範囲に保つことができる。
【００８１】
さらに、被加工物Ｗに障害物壁面がある場合でも、出射口２２３を被加工物Ｗの隅部に近接させることができるため、被加工物Ｗの隅部も確実に切断することができる。
【００８２】
なお、上記実施形態においては、水中切断を行う例を示したが、本実施形態のレーザ切断装置は、気中切断にも利用することができる。
【００８３】
また、上記実施形態においては、空洞形成手段を円筒状にしたが、空洞形成手段は円筒以外の形状でもよい。
【００８４】
さらに、上記実施形態においては、第１〜第８障害物センサ９ａ〜９ｈのうち第２、第３障害物センサ９ｂ、９ｃにて障害物を検出したが、加工ヘッド２の進行方向に応じて障害物を検出するセンサが異なり、例えば加工ヘッド２が図５の進行方向Ｃとは逆向きに進行する場合には、第６、第７障害物センサ９ｆ、９ｇにて障害物を検出する。
【符号の説明】
【００８５】
２ 加工ヘッド
２３ スカート（空洞形成手段）
２１１ レーザ通過孔
２２３ 出射口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加工物をレーザビームを用いて切断するレーザ切断装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のレーザ切断装置は、レーザビーム、アシストガスおよびシールドガスを、加工ヘッドから照射・噴射することによって被加工物を切断するようになっている。
【０００３】
アシストガスは一般的に高圧酸素が用いられ、酸化反応熱によって加工を促進する役割と、カーフ溝（切断溝）から溶融金属を吹き飛ばす役割とを果たす。シールドガスは、アシストガスの周りを囲むエアカーテンを形成し、アシストガスを保護する役割を果たす。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、造船業界や厚板シャーリング業界においては、厚板の高品質かつ効率的な切断技術が求められている。さらに、将来の原子力発電所の廃炉時に原子炉容器等の解体に厚板水中切断技術が求められている。
【０００５】
そこで本出願人は、特願２０１１−２１７６０（以下、先願例という）にて、そのような用途に適したレーザ切断装置を提案した。具体的には、エアカーテンの周りに加圧水を噴射してエアカーテンを囲む加圧水カーテンを形成することにより、加圧水カーテンの外部の大気または水とアシストガスを分離して、アシストガスの濃度および高圧状態を維持するようにしたものである。
【０００６】
しかしながら、上記先願例では、加圧水カーテンを形成するために、加圧水を噴射する加圧水カーテンノズルを加工ヘッドに設ける必要があり、加工ヘッドが大型になってしまうという問題があった。
【０００７】
また、加工ヘッドにおけるレーザビームの出射口付近を目視できない作業環境下では、出射口と被加工物との間の距離（以下、ワークディスタンスという）を所定範囲に保つことが困難であった。
【０００８】
本発明は上記点に鑑みて、加工ヘッドの小型化を図ることを第１の目的とする。また、ワークディスタンスを容易に所定範囲に保つことができるようにすることを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、加工ヘッド（２）の出射口（２２３）からレーザビームを出射して被加工物を切断するレーザ切断装置であって、加工ヘッド（２）は、レーザビームが通過するレーザ通過孔（２１１）が形成されたヘッド本体（２１）と、レーザビームによって溶融した被加工物の溶融物を吹き飛ばすアシストガスおよびアシストガスを外側から包み込んでアシストガスを保護するシールドガスを噴射するノズル（２２）と、シールドガスが噴射される空洞を形成する空洞形成手段とを備え、空洞形成手段は、レーザ通過孔（２１１）の周方向に沿って連続して配置された複数個のスカート（２３）にて構成され、複数個のスカート（２３）の各々は、ヘッド本体（２１）に対してレーザ通過孔（２１１）の軸線方向に移動可能であるとともに、先端部が被加工物に当接するように被加工物に向かって付勢されていることを特徴とする。
【００１０】
これによると、空洞形成手段が先願例における加圧水カーテンと同様の機能を発揮するため、加圧水カーテンノズルを廃止して加工ヘッド（２）を小型化にすることができる。また、水タンクや水ポンプ等の加圧水供給手段も不要になるため、レーザ切断装置を簡素にすることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のレーザ切断装置において、加工ヘッド（２）の位置および姿勢を制御する制御手段（６、７）と、ヘッド本体（２１）に対する複数個のスカート（２３）の各々の相対位置を検出して位置検出信号を制御手段（６、７）に出力するスカート位置センサ（８）とを備え、制御手段（６、７）は、出射口（２２３）と被加工物との間の距離が所定範囲になるように、位置検出信号に基づいて加工ヘッド（２）の位置を制御することを特徴とする。
【００１２】
これによると、出射口（２２３）付近を目視できない作業環境下においても、ワークディスタンスを容易に所定範囲に保つことができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載のレーザ切断装置において、加工ヘッド（２）の進行方向にある被加工物の障害物を検出して障害物検出信号を制御手段（６、７）に出力する障害物センサ（９）を備え、制御手段（６、７）は、障害物センサ（９）が障害物を検出したとき、被加工物における切断中の加工面と障害物とで形成される隅部に出射口（２２３）を近づけるように、加工ヘッド（２）の姿勢を制御することを特徴とする。
【００１４】
これによると、例えば被加工物が９０°曲がった形状で、加工ヘッド（２）の進行方向に曲げ板面（すなわち障害物）がある場合でも、出射口（２２３）を被加工物の隅部に近接させるため、被加工物の隅部も確実に切断することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明では、請求項１ないし３のいずれか１つに記載のレーザ切断装置において、スカート（２３）における被加工物と対向する被加工物対向面（２３１）は、レーザ通過孔（２１１）の軸線に対して傾斜し、且つ外周側よりも内周側が被加工物に向かって突出していることを特徴とする。
【００１６】
これによると、加工ヘッド（２）の進行方向に障害物がある場合に、出射口（２２３）を被加工物の隅部により一層近接させることができる。
【００１７】
なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置の全体構成を示す模式図である。
【図２】図１の加工ヘッドおよびガス供給手段の構成を示す図である。
【図３】図２のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図４】図２のＢ矢視図である。
【図５】図２の加工ヘッド２の模式的な平面図である。
【図６】図１のロボット制御盤が実行するプログラムのフローチャートである。
【図７】被加工物に障害物がある場合の加工ヘッドの作動を示す図である。
【図８】被加工物に段差がある場合の加工ヘッドの作動を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の一実施形態について説明する。本実施形態のレーザ切断装置は、水中でレーザビームを照射して被加工物を切断するという、いわゆる水中切断を行うものである。被加工物の例としては、炭素鋼やステンレス（ＳＵＳ）等にて２５〜１５０ｍｍ程度の厚さに形成された厚板部材が挙げられる。
【００２０】
レーザ切断装置は、具体的にはレーザビームの照射と同時にアシストガスおよびシールドガスを噴射する。
【００２１】
アシストガスは酸素を含有するガスであり、酸化反応熱によって加工を促進する役割と溶融物（溶融金属）を吹き飛ばす役割とを果たす。
【００２２】
シールドガスは、アシストガスを保護するエアカーテンとしての役割を果たす。より具体的には、アシストガスを層状に包むことによって水の巻き込みを遮断するとともにカーフ部（切断面間の溝部）でのアシストガス流速を高める。
【００２３】
図１は本発明の一実施形態に係るレーザ切断装置の全体構成を示す模式的な図である。この図１に示すように、レーザ切断装置は、レーザ光源であるレーザ発振器１から発振されたレーザが光ファイバにて加工ヘッド２に伝送され、そのレーザは加工ヘッド２から被加工物に向けて出射される。
【００２４】
加工ヘッド２には、３つのガス供給手段３〜５からアシストガスやシールドガスが供給され、そのアシストガスやシールドガスは、加工ヘッド２から被加工物Ｗに向けて噴射される。
【００２５】
また、加工ヘッド２は、その位置および姿勢がロボット６およびロボット制御盤７にて制御される。ロボット制御盤７は、図示しない制御回路（ＥＣＵ）を備え、制御回路はＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備え、マイクロコンピュータに記憶したプログラムに従って演算処理を行うものである。なお、ロボット６およびロボット制御盤７は、本発明の制御手段を構成する。
【００２６】
図２は図１の加工ヘッド２およびガス供給手段３〜５の構成を示す図である。この図２に示すように、レーザビームは、レーザ発振器１によって発振されるレーザが集光レンズ１１を介して加工ヘッド２に導かれることによって形成される。加工ヘッド２に導かれたレーザは、ヘッド本体２１に形成されたレーザ通過孔２１１を介して切断用ノズル２２に導かれる。
【００２７】
アシストガスは、酸素を含有する酸素含有ガスと、酸素含有ガスよりも流量（圧力）の高い高流量ガスとによって形成される。酸素含有ガスとしては高純度酸素が用いられる。高流量ガスとしては酸素含有ガスよりも酸素濃度の低い気体、例えば空気または不活性ガス（窒素等）が用いられる。
【００２８】
酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス供給手段３は、酸素含有ガスを貯留した酸素含有ガスボンベ３１からガス配管を介して加工ヘッド２に酸素含有ガスを供給するようになっている。そのガス配管には、酸素含有ガスの吐出圧を調整する圧力調整弁３２、酸素含有ガスの流量を調整する流量調整弁３３、酸素含有ガスの吐出圧を検出する圧力計３４、および酸素含有ガスの流量を検出する流量計３５が配置されている。
【００２９】
高流量ガスを供給する高流量ガス供給手段４は、高流量ガスを貯留した高流量ガスボンベ４１からガス配管を介して加工ヘッド２に高流量ガスを供給するようになっている。そのガス配管には、高流量ガスの吐出圧を調整する圧力調整弁４２、高流量ガスの流量を調整する流量調整弁４３、高流量ガスの吐出圧を検出する圧力計４４、および高流量ガスの流量を検出する流量計４５が配置されている。
【００３０】
酸素含有ガスの圧力・流量および高流量ガスの圧力・流量は、被加工物Ｗの材質や板厚等に応じて設定される。本例では、酸素含有ガスの流量は３０〜５０リットル／分に設定され、高流量ガスの流量は３００〜３５０リットル／分に設定される。
【００３１】
圧力調整弁３２、４２および流量調整弁３３、４３として手動の弁を用いる場合には、酸素含有ガスの圧力・流量および高流量ガスの圧力・流量を手動で設定することとなる。また、圧力調整弁３２、４２および流量調整弁３３、４３として電磁弁を用いる場合には、酸素含有ガスの圧力・流量および高流量ガスの圧力・流量を制御装置によって制御することができる。
【００３２】
ヘッド本体２１には、酸素含有ガスを流通させる酸素含有ガス通路２１２が形成されている。この酸素含有ガス通路２１２は、その下流端がヘッド本体２１内においてレーザ通過孔２１１に連通している。したがって、加工ヘッド２に供給された酸素含有ガスは、酸素含有ガス通路２１２およびレーザ通過孔２１１を介して切断用ノズル２２に供給される。
【００３３】
また、ヘッド本体２１には、高流量ガスを流通させる高流量ガス通路２１３が形成されている。この高流量ガス通路２１３は、その下流端が切断用ノズル２２
に連通している。したがって、加工ヘッド２に供給された高流量ガスは、高流量ガス通路２１３を介して切断用ノズル２２に供給される。
【００３４】
加工ヘッド２にシールドガスを供給するシールドガス供給手段５は、具体的にはコンプレッサであり、シールドガスは具体的には空気である。そして、シールドガス供給手段５から吐出されたシールドガスは、ヘッド本体２１に形成されたシールドガス通路２１４を介して切断用ノズル２２に供給される。
【００３５】
切断用ノズル２２は二重ノズル構造になっている。そして、内側に位置する一重目のノズル２２１（円形ノズル）は、レーザ通過孔２１１からのレーザビームを通すとともに、酸素含有ガス通路２１２およびレーザ通過孔２１１からの酸素含有ガスを噴射する。したがって、一重目のノズル２２１を、以下、酸素含有ガスノズルと言う。
【００３６】
酸素含有ガスノズル２２１の外側に位置するとともに酸素含有ガスノズル２２１と同軸的に配置された二重目のノズル２２２（環状ノズル）は、高流量ガス通路２１３からの高流量ガスを噴射する。したがって、二重目のノズル２２２を、以下、高流量ガスノズルと言う。
【００３７】
高流量ガスノズル２２２の先端は、酸素含有ガスノズル２２１の先端よりもレーザビームの照射方向に延出して、円形状になっている。換言すれば、酸素含有ガスノズル２２１の先端は、高流量ガスノズル２２２の先端よりも奥まった位置に配置されている。
【００３８】
高流量ガスノズル２２２のうち酸素含有ガスノズル２２１よりも延出した部分の最小径（内径）は、酸素含有ガスノズル２２１の先端径（内径）よりも小さく絞られている。
【００３９】
これにより、高流量ガスノズル２２２の先端から酸素含有ガスと高流量ガスとが噴射される。そして、高流量ガスノズル２２２の先端から噴射された酸素含有ガスと高流量ガスとによってアシストガスが形成される。
【００４０】
すなわち、酸素含有ガスノズル２２１と高流量ガスノズル２２２とからなる二重ノズルは、アシストガスを噴射するアシストガスノズルを構成している。換言すれば、酸素含有ガスノズル２２１は、二重ノズル構造のアシストガスノズルのうち内側ノズルの部分を構成しており、高流量ガスノズル２２２は、二重ノズル構造のアシストガスノズルのうち外側ノズルの部分を構成している。
【００４１】
高流量ガスノズル２２２は、スロート部（最狭隘部）の先にスカート部（拡管部）があるラバルノズルで構成されている。スロート部は、高流量ガスノズル２２２の最小径部分である。より具体的には、スロート部およびスカート部は、高流量ガスノズル２２２のうち酸素含有ガスノズル２２１の先端よりも延出した部分に形成されている。
【００４２】
なお、レーザビームは高流量ガスノズル２２２から出射されるため、高流量ガスノズル２２２の先端部２２３を、以下、出射口という。
【００４３】
切断用ノズル２２の外周部には、シールドガス通路２１４と連通するリング状のシールドガス噴射口２２４が形成されている。そして、シールドガス通路２１４を介して供給されたシールドガスがこのシールドガス噴射口２２４から噴射される。
【００４４】
レーザ切断装置は、シールドガスが噴射される空洞を形成する円筒状の空洞形成手段を備えている。
【００４５】
図２〜図４に示すように、空洞形成手段は、レーザ通過孔２１１の周囲に配置されるとともに、レーザ通過孔２１１の周方向（以下、レーザ通過孔周方向という）に沿って連続して配置された、複数個（本例では８個）のスカート２３にて構成されている。なお、図３は図２のＡ−Ａ線に沿う断面図、図４は図２のＢ矢視図である。
【００４６】
スカート２３は、円筒を周方向に沿って８分割した形状になっている（図４参照）。また、スカート２３における被加工物Ｗと対向する被加工物対向面２３１は、レーザ通過孔２１１の軸線（以下、レーザ通過孔軸線という）に対して傾斜しており、外周側よりも内周側が被加工物Ｗに向かって突出した形状になっている。
【００４７】
スカート２３の内周側には、レーザ通過孔軸線方向に延びるガイド板部２３２が形成されている。ヘッド本体２１には、スカート２３が挿入されるスカート収容空間２１５、およびレーザ通過孔軸線方向に延びるガイド溝部２１６が形成されている。そして、ガイド板部２３２がガイド溝部２１６に摺動自在に嵌合され、スカート２３は、ヘッド本体２１に対してレーザ通過孔軸線方向に移動可能に組み付けられている。
【００４８】
スカート収容空間２１５には、スプリング２４が配置されており、このスプリング２４によりスカート２３はスカート収容空間２１５から押し出される向きに付勢されている。換言すると、スカート２４における被加工物対向面２３１の先端部（すなわち内周側）が被加工物Ｗに当接するように、スカート２３はスプリング２４により被加工物Ｗに向かって付勢されている。
【００４９】
レーザ切断装置は、ヘッド本体２１に対する各スカート２３のレーザ通過孔軸線方向の相対位置を検出して、位置検出信号をロボット制御盤７に出力するスカート位置センサ８を備えている。
【００５０】
このスカート位置センサ８は、スカート２３と一体に移動する移動部材８１と、ヘッド本体２１に固定されて移動部材８１の移動に伴って出力電気信号の値が変化する信号出力部８２を備えている。
【００５１】
また、レーザ切断装置は、加工ヘッド２の進行方向の障害物を検出して障害物検出信号をロボット制御盤７に出力する障害物センサ９を備えている。
【００５２】
この障害物センサ９は、ヘッド本体２１に対してレーザ通過孔２１１の径方向（以下、レーザ通過孔径方向という）に移動可能な移動部材９１と、ヘッド本体２１に固定されて移動部材９１の移動に伴って出力電気信号の値が変化する信号出力部９２を備えている。
【００５３】
なお、スカート位置センサ８や障害物センサ９は、例えば機械接触式のセンサや光学非接触式のセンサを用いることができる。
【００５４】
図５は加工ヘッド２の模式的な平面図である。この図５に示すように、スカート２３は、第１〜第８スカート２３ａ〜２３ｈからなり、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄが位置し、反進行方向側に第５〜第８スカート２３ｅ〜２３ｈが位置している。
【００５５】
スカート位置センサ８は、第１〜第８スカート位置センサ８ａ〜８ｈからなり、第１スカート位置センサ８ａが第１スカート２３ａの位置を検出し、第２スカート位置センサ８ｂが第２スカート２３ｂの位置を検出し、…、第８スカート位置センサ８ｈが第８スカート２３ｈの位置を検出するようになっている。
【００５６】
障害物センサ９は、第１〜第８障害物センサ９ａ〜９ｈからなり、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に第１〜第４障害物センサ９ａ〜９ｄが位置し、反進行方向側に第５〜第８障害物センサ９ｅ〜９ｈが位置している。
【００５７】
次に、上記構成における作動を説明する。まず、基本的には、レーザ通過孔軸線が被加工物Ｗに対して垂直になるように、加工ヘッド２の姿勢が制御される。また、レーザビームの出射口２２３と被加工物Ｗとの間の距離（以下、ワークディスタンスという）が所定範囲に制御される。
【００５８】
そして、スカート２３はスプリング２４により被加工物Ｗに向かって付勢され、スカート２４の先端部が被加工物Ｗに当接し、スカート２３によってその内部空間と外部空間とが分離される。
【００５９】
レーザ切断装置は、被加工物Ｗに対して、酸素含有ガスノズル２２１の中心からレーザビームを照射すると同時に、スカート２３の内部空間に、酸素含有ガスノズル２２１および高流量ガスノズル２２２からアシストガス（酸素含有ガスおよび高流量ガス）を噴射し、さらに、シールドガス噴射口２２４からシールドガスを噴射する。
【００６０】
アシストガスは酸素含有ガスと高流量ガスとで形成されるので、高流量ガスの流量を増やすことによって、厚い被加工物Ｗに対しても溶融金属を吹き飛ばすのに十分なアシストガス流量を確保することができる。
【００６１】
また、酸素含有ガスは高純度酸素であり、高流量ガスは酸素含有ガスよりも酸素濃度の低い気体であるので、高流量ガスの流量を増やしても酸素の供給を適度に抑えてセルフバーニングの発生を防止できる。このため、良好な切断面品質を得ることができる。
【００６２】
さらに、スカート２４により、スカート２３の外部の水とスカート２３の内部のアシストガスおよびシールドガスが分離され、アシストガスの濃度および高圧状態が維持される。
【００６３】
次に、ロボット６およびロボット制御盤７による加工ヘッド２の制御について図６に基づいて説明する。なお、図６はロボット制御盤７のＣＰＵが読み出して実行するプログラムのフローチャートである。
【００６４】
まず、加工ヘッド２の進行方向Ｃの最前方側に位置する第２、第３障害物センサ９ｂ、９ｃにて検出した障害物検出信号に基づいて、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に障害物があるか否かを判定する（ステップ１０）。
【００６５】
ここで、図７（ａ）に示すように、被加工物Ｗが９０°曲がった形状で、加工ヘッド２の進行方向Ｃに曲げ板面（以下、障害物壁面という）がある場合でも、加工ヘッド２が障害物壁面から充分離れている位置では、レーザ通過孔軸線が被加工物Ｗに対して垂直になるように加工ヘッド２の姿勢が制御されるため、第１〜第８スカート２３ａ〜２３ｈのヘッド本体２１からの突出量は等しくなっている。また、ワークディスタンスが所定範囲に制御されるため、第１〜第８スカート２３ａ〜２３ｈの突出量は基準値になっている。
【００６６】
そして、加工ヘッド２が障害物壁面に近づいて第２、第３障害物センサ９ｂ、９ｃが障害物壁面に当接すると、移動部材９１がレーザ通過孔２１１の径方向内側に向かって（すなわち、ヘッド本体２１内部に侵入する方向に）移動して、第２、第３障害物センサ９ｂ、９ｃの出力電気信号の値が変化するため、この出力電気信号の変化に基づいて、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に障害物壁面があると判定し（ステップ１０がＹＥＳ）、ステップ１１に進む。
【００６７】
ステップ１１では、図７（ｂ）に示すように、被加工物Ｗにおける現在切断中の加工面と障害物壁面とで形成される隅部に出射口２２３が近づくように、換言すると、加工ヘッド２における進行方向Ｃ側の部位が障害物壁面から遠ざかるように、加工ヘッド２の姿勢（すなわち、レーザ通過孔軸線の傾き）を変更する。
【００６８】
これにより、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に位置する第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄのヘッド本体２１からの突出量が増加し、反進行方向側に位置する第５〜第８スカート２３ｅ〜２３ｈのヘッド本体２１からの突出量が減少する。
【００６９】
図７（ｃ）に示すように、加工ヘッド２がさらに進んで被加工物Ｗの隅部に近づくと、第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄの被加工物対向面２３１が障害物壁面に当接し、第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄがヘッド本体２１内に押し戻される。これにより、出射口２２３を被加工物Ｗの隅部に近接させることができる。
【００７０】
また、スカート２３の被加工物対向面２３１は、レーザ通過孔軸線に対して傾斜し、且つ外周側よりも内周側が被加工物Ｗに向かって突出した形状であるため、出射口２２３を被加工物Ｗの隅部により一層近接させることができる。
【００７１】
そして、第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄがヘッド本体２１内に押し戻されることにより、第１〜第４スカート位置センサ８ａ〜８ｄの出力電気信号の値が変化するため、この出力電気信号の変化に基づいて、加工ヘッド２が被加工物Ｗの隅部に到達したと判定し（ステップ１２がＹＥＳ）、ステップ１３に進む。
【００７２】
ステップ１３では、加工ヘッド２が障害物壁面に沿って（すなわち、図７の紙面上方に向かって）進むように加工ヘッド２の進行方向Ｃを変更し、続くステップ１４では、レーザ通過孔軸線が障害物壁面に対して垂直になるように加工ヘッド２の姿勢を変更する。
【００７３】
ステップ１０がＮＯの場合、およびステップ１４の制御終了後、ステップ１５に進む。このステップ１５では、被加工物Ｗにおける加工ヘッド２の進行方向Ｃに、加工ヘッド２から逃げるような段差があるか否かを判定する。
【００７４】
ここで、図８（ａ）に示すように、加工ヘッド２が段差から離れている位置では、レーザ通過孔軸線が被加工物Ｗに対して垂直になるように加工ヘッド２の姿勢が制御されるため、第１〜第８スカート２３ａ〜２３ｈのヘッド本体２１からの突出量は等しくなっている。また、ワークディスタンスが所定範囲に制御されるため、第１〜第８スカート２３ａ〜２３ｈの突出量は基準値になっている。
【００７５】
そして、図８（ｂ）に示すように、加工ヘッド２が段差に到達すると、第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄの先端部が被加工物Ｗから離脱し、第１〜第４スカート２３ａ〜２３ｄがヘッド本体２１から押し出されてヘッド本体２１からの突出量が増加する。これにより、第１〜第４スカート位置センサ８ａ〜８ｄの出力電気信号の値が変化するため、この出力電気信号の変化に基づいて、被加工物Ｗに段差があると判定し（ステップ１５がＹＥＳ）、ステップ１６に進む。
【００７６】
ステップ１６では、図８（ｃ）に示すように、レーザ通過孔軸線が段差壁面に対して垂直になるように加工ヘッド２の姿勢を変更し、続くステップ１７では、加工ヘッド２が段差壁面に沿って（すなわち、図８の紙面下方に向かって）進むように加工ヘッド２の進行方向を変更する。
【００７７】
ステップ１５がＮＯの場合、およびステップ１７の制御終了後、ステップ１８に進み、第１〜第８スカート位置センサ８ａ〜８ｈの出力電気信号に基づいて加工ヘッド２の位置を制御し、ワークディスタンスを所定範囲に制御する。このワークディスタンスの制御については、特開２００６−７３０４号公報に詳細に記載されている。
【００７８】
そして、ステップ１０〜ステップ１８の処理を繰り返し実行することにより、加工ヘッド２の進行方向Ｃ側に障害物壁面や段差がある場合でも被加工物Ｗを確実に切断することができるとともに、ワークディスタンスを常に所定範囲に保つことができる。
【００７９】
本実施形態によると、スカート２３が先願例における加圧水カーテンと同様の機能を発揮するため、加圧水カーテンノズルを廃止して加工ヘッド２を小型化にすることができる。また、水タンクや水ポンプ等の加圧水供給手段も不要になるため、レーザ切断装置を簡素にすることができる。
【００８０】
また、第１〜第８スカート位置センサ８ａ〜８ｈの出力電気信号に基づいてワークディスタンスを制御するため、出射口２２３付近を目視できない作業環境下においても、ワークディスタンスを容易に所定範囲に保つことができる。
【００８１】
さらに、被加工物Ｗに障害物壁面がある場合でも、出射口２２３を被加工物Ｗの隅部に近接させることができるため、被加工物Ｗの隅部も確実に切断することができる。
【００８２】
なお、上記実施形態においては、水中切断を行う例を示したが、本実施形態のレーザ切断装置は、気中切断にも利用することができる。
【００８３】
また、上記実施形態においては、空洞形成手段を円筒状にしたが、空洞形成手段は円筒以外の形状でもよい。
【００８４】
さらに、上記実施形態においては、第１〜第８障害物センサ９ａ〜９ｈのうち第２、第３障害物センサ９ｂ、９ｃにて障害物を検出したが、加工ヘッド２の進行方向に応じて障害物を検出するセンサが異なり、例えば加工ヘッド２が図５の進行方向Ｃとは逆向きに進行する場合には、第６、第７障害物センサ９ｆ、９ｇにて障害物を検出する。
【符号の説明】
【００８５】
２ 加工ヘッド
２３ スカート（空洞形成手段）
２１１ レーザ通過孔
２２３ 出射口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工ヘッド（２）の出射口（２２３）からレーザビームを出射して被加工物を切断するレーザ切断装置であって、
前記加工ヘッド（２）は、
レーザビームが通過するレーザ通過孔（２１１）が形成されたヘッド本体（２１）と、
前記レーザビームによって溶融した前記被加工物の溶融物を吹き飛ばすアシストガスおよび前記アシストガスを外側から包み込んで前記アシストガスを保護するシールドガスを噴射するノズル（２２）と、
前記シールドガスが噴射される空洞を形成する空洞形成手段とを備え、
前記空洞形成手段は、前記レーザ通過孔（２１１）の周方向に沿って連続して配置された複数個のスカート（２３）にて構成され、
前記複数個のスカート（２３）の各々は、前記ヘッド本体（２１）に対して前記レーザ通過孔（２１１）の軸線方向に移動可能であるとともに、先端部が前記被加工物に当接するように前記被加工物に向かって付勢されていることを特徴とするレーザ切断装置。
【請求項２】
前記加工ヘッド（２）の位置および姿勢を制御する制御手段（６、７）と、
前記ヘッド本体（２１）に対する前記複数個のスカート（２３）の各々の相対位置を検出して位置検出信号を前記制御手段（６、７）に出力するスカート位置センサ（８）とを備え、
前記制御手段（６、７）は、前記出射口（２２３）と前記被加工物との間の距離が所定範囲になるように、前記位置検出信号に基づいて前記加工ヘッド（２）の位置を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断装置。
【請求項３】
前記加工ヘッド（２）の進行方向にある前記被加工物の障害物を検出して障害物検出信号を前記制御手段（６、７）に出力する障害物センサ（９）を備え、
前記制御手段（６、７）は、前記障害物センサ（９）が前記障害物を検出したとき、前記被加工物における切断中の加工面と前記障害物とで形成される隅部に前記出射口（２２３）を近づけるように、前記加工ヘッド（２）の姿勢を制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザ切断装置。
【請求項４】
前記スカート（２３）における前記被加工物と対向する被加工物対向面（２３１）は、前記レーザ通過孔（２１１）の軸線に対して傾斜し、且つ外周側よりも内周側が前記被加工物に向かって突出していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のレーザ切断装置。
【請求項１】
加工ヘッド（２）の出射口（２２３）からレーザビームを出射して被加工物を切断するレーザ切断装置であって、
前記加工ヘッド（２）は、
レーザビームが通過するレーザ通過孔（２１１）が形成されたヘッド本体（２１）と、
前記レーザビームによって溶融した前記被加工物の溶融物を吹き飛ばすアシストガスおよび前記アシストガスを外側から包み込んで前記アシストガスを保護するシールドガスを噴射するノズル（２２）と、
前記シールドガスが噴射される空洞を形成する空洞形成手段とを備え、
前記空洞形成手段は、前記レーザ通過孔（２１１）の周方向に沿って連続して配置された複数個のスカート（２３）にて構成され、
前記複数個のスカート（２３）の各々は、前記ヘッド本体（２１）に対して前記レーザ通過孔（２１１）の軸線方向に移動可能であるとともに、先端部が前記被加工物に当接するように前記被加工物に向かって付勢されていることを特徴とするレーザ切断装置。
【請求項２】
前記加工ヘッド（２）の位置および姿勢を制御する制御手段（６、７）と、
前記ヘッド本体（２１）に対する前記複数個のスカート（２３）の各々の相対位置を検出して位置検出信号を前記制御手段（６、７）に出力するスカート位置センサ（８）とを備え、
前記制御手段（６、７）は、前記出射口（２２３）と前記被加工物との間の距離が所定範囲になるように、前記位置検出信号に基づいて前記加工ヘッド（２）の位置を制御することを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断装置。
【請求項３】
前記加工ヘッド（２）の進行方向にある前記被加工物の障害物を検出して障害物検出信号を前記制御手段（６、７）に出力する障害物センサ（９）を備え、
前記制御手段（６、７）は、前記障害物センサ（９）が前記障害物を検出したとき、前記被加工物における切断中の加工面と前記障害物とで形成される隅部に前記出射口（２２３）を近づけるように、前記加工ヘッド（２）の姿勢を制御することを特徴とする請求項２に記載のレーザ切断装置。
【請求項４】
前記スカート（２３）における前記被加工物と対向する被加工物対向面（２３１）は、前記レーザ通過孔（２１１）の軸線に対して傾斜し、且つ外周側よりも内周側が前記被加工物に向かって突出していることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載のレーザ切断装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−３４９９６（Ｐ２０１３−３４９９６Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７０１５０（Ｐ２０１１−１７０１５０）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（３１１００７２１３）株式会社レーザックス (2)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（３１１００７２１３）株式会社レーザックス (2)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]