CN104107981A - 激光加工方法及加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋转体的激光加工方法及加工装置，其提高了加工结束判断的精度。本发明的激光加工方法，一边保持并旋转加工对象物（w）一边将激光（L）按照其照射方向相对于加工对象物（w）的旋转中心（C）偏离的配置方式照射，从而对加工对象物（w）进行加工，其中，使激光（L）在加工对象物（w）的表面进行反射，将该反射光投影到屏幕，并通过随着加工进行的投影光的位置的变化、直径的变化、及振动的变化等来判定加工终点。

Description

激光加工方法及加工装置

技术领域

本发明涉及一种用于旋转体的形状形成或表面研磨的激光加工方法及加工装置。

背景技术

在使圆柱状或圆筒状的加工对象物绕其中心轴旋转并将激光从其中心轴偏离地进行照射的激光加工（旋转体的激光加工）中，随着加工的进行，加工对象物表面上的激光的入射角发生变化，因此每单位时间的加工去除量也发生变化。因此，难以根据进行加工去除的体积等来估量所需的加工时间，需要以其他方法来判断加工结束。

作为判断加工结束的以往的方法，例如在专利文献1中提倡在加工之后不久，通过图像来测定尺寸形状并确认是否已获得加工形状的方法。

并且，专利文献2中记载有以激光加工中的发射光的强度来进行结束判断的方法。

专利文献1：日本专利公开平07-116873号公报

专利文献2：日本专利公开平07-124766号公报

专利文献1的方法中，存在因重复形状的确认及再加工而处理花费时间的问题。专利文献2的方法中，存在激光照射部的发光强度受加工对象物的内部组成的起伏等的影响，因此难以精度良好地将发光强度与当前加工量建立对应关联的问题。

发明内容

本发明是鉴于这种情况而完成的，其目的在于提供一种提高了加工结束判断的精度的激光加工方法及加工装置。

本发明为一种激光加工方法，其一边保持并旋转加工对象物一边将激光按照其照射方向相对于所述加工对象物的旋转中心偏离的配置方式照射，以此来对所述加工对象物进行加工，其特征在于，使所述激光在所述加工对象物的表面反射，并通过随着加工进行的反射光的变化来判定加工终点。

若一边使加工对象物旋转一边照射激光来进行加工，则激光在加工对象物的表面进行反射。该反射光中，由于配置成激光的照射方向相对加工对象物的旋转中心偏离，因此随着加工进行的激光的照射位置上的射束直径、照射位置等的变化将扩大反映于反射光中。根据因该反射光而扩大的激光的变化，能够判定加工终点，且能够进行高精度的判定。例如，加工对象物的表面上的射束直径和照射位置的微米单位的变化在反射光中能够增幅为毫米单位，根据该增幅的反射光的变化能够高精度地判定加工终点。

在本发明的激光加工方法中，能够根据与所述激光的加工位置的变化对应的所述反射光的位置的变化来判定所述加工终点。

来自加工对象物的反射光的位置的变化相对于激光的加工位置的变化而扩大，因此能够根据其反射光的位置变化来高精度地进行终点判定。

并且，本发明的激光加工方法中，能够根据与所述加工对象物的表面状态对应的所述反射光的直径的变化来判定所述加工终点。

对加工对象物的表面进行研磨时，若加工对象物的表面粗糙，则激光的反射光的直径因激光的漫反射而增大，表面越平滑则越小。能够根据该反射光的直径的变化来判定加工对象物的表面研磨的终点。

本发明的加工方法中，能够根据与所述加工对象物的半径方向尺寸的局部变化对应的反射光的振动的变化，判定所述加工终点。

在加工对象物的表面存在局部突起等时，激光的反射方向因突起而发生变化而产生反射光的振动。该振动的幅度因随着加工进行的突起的缩小而变小。因此，反射光的振幅的减少达到基准值时即可判定为加工终点。

本发明的激光加工方法中，将所述反射光投影到屏幕，并根据其投影光来检测所述反射光的变化即可。

通过将反射光的运动投影到屏幕，能够以肉眼观察等来轻松且正确地判定加工终点。

本发明为一种激光加工装置，其具备：工件保持构件，保持并旋转加工对象物；及激光照射构件，将激光按照其照射方向相对于旋转中心偏离的配置方式向所述加工对象物照射来对所述加工对象物进行加工，其特征在于，具有能够通过在所述加工对象物的表面反射的所述激光的反射光的变化来判定加工终点的终点判定构件。

根据本发明，由于通过反射光来扩大随着加工进行的激光的位置和射束直径的变化，因此能够根据该扩大的反射光的变化来高精度地判定加工终点。

附图说明

图1是表示本发明所涉及的激光加工装置的整体结构图。

图2是示意表示将向加工对象物照射的激光的反射光投影到屏幕的状态的立体图。

图3是说明对加工对象物的外径进行加工的激光与其反射光之间的关系的示意图。

图4是说明对加工对象物的表面进行研磨的激光与其反射光之间的关系的示意图。

图5是说明加工对象物的表面上的激光的反射状态的示意图。

图6是表示研磨加工的加工时间与投影光的直径的变化之间的关系的曲线图。

图7是说明在加工对象物表面存在突起时的激光的反射状态的示意图。

符号说明

1-激光加工装置，2-激光照射构件，3-工件保持构件，4-终点判定构件，5-控制构件，11-激光光源，12-射束调整部，13-电流扫描仪，14-聚光透镜，21-卡盘，22-旋转机构，23x-x轴工作台，23y-y轴工作台，23z-z轴工作台，31-受光构件，32-判定部，33-屏幕，34-拍摄构件，35-拍摄设备，36-移动构件，36a-导轨，L-激光，R-反射光，S-投影光，w-加工对象物，m1、m2-反射镜。

具体实施方式

以下，参考附图对本发明所涉及的激光加工方法及激光加工装置的一实施方式进行说明。

首先，对激光加工装置的实施方式进行说明。如图1所示，该实施方式的激光加工装置1是对加工对象物w照射激光L来进行加工的装置，其具备：激光照射构件2，对加工对象物w照射激光L；工件保持构件3，具有能够在保持加工对象物w的状态下进行旋转及沿x、y、z轴方向移动的工作台；终点判定构件4，能够通过在加工对象物w的表面进行反射的激光L的反射光R的变化来判定加工终点；及控制构件5，由控制上述构件的计算机构成。

激光照射构件2例如具备使激光L以恒定的重复频率脉冲振动的激光光源11、调整激光L的扩展的射束调整部12、扫描所照射的激光L的电流扫描仪13、将激光L聚光成斑点状的聚光透镜14、及使光路弯曲的多个反射镜m1、m2。

激光光源11能够使用能够照射波长为190nm～1100nm的激光的光源，例如在本实施方式中，使用能够振荡射出波长为355nm的激光的光源。

工件保持构件3具有把持加工对象物w的卡盘21、旋转该卡盘21的旋转机构22、及能够搭载该旋转机构22而沿x、_y、z轴方向移动的工作台23x～23z。具体而言，构成为具备能够沿与水平面平行的x方向移动的x轴工作台部23x、设置于该x轴工作台部23x下而能够沿相对于x方向垂直且与水平面平行的y方向移动的y轴工作台部23y、及设置于y轴工作台部23y下且能够沿相对于水平面垂直的方向移动的z轴工作台部23z。

终点判定构件4具备：受光构件31，接收在加工对象物w的表面进行反射的激光L的反射光R；及判定部32，由根据该受光构件31所接收的反射光R来判定加工终点的计算机构成。

受光构件31在本实施方式中由投影反射光R的屏幕33、及对投影到该屏幕33上的反射光R的投影光S的运动进行观察的拍摄构件34构成。屏幕33在图示例的情况下，其表面沿垂直方向（z轴方向）设置，但只要是能够投影反射光R的姿势，则无需一定是垂直方向，也可为相对于垂直方向倾斜的姿势，并且，除平面状外也可为圆弧面状等。并且，本实施方式中使用透射型屏幕。

拍摄构件34中，如CCD摄像机等拍摄设备35配置于透射型的屏幕33的背部，且具备移动机构36以便能够追踪屏幕33上的投影光S的移动。移动机构36在本实施方式的情况下，由于投影光S沿垂直方向移动，因此为使拍摄设备35在沿垂直方向的导轨36a上进行上下移动的结构。

将屏幕设为反射型时，可在屏幕的前面（反射面）的前方配置拍摄构件。

判定部32中预先存储有屏幕33上的终点位置的坐标，因此如后述当投影光S在屏幕33上到达其终点位置时判定为加工终点。该判定部32如图1所示设置于控制部5。

接着，对利用该激光加工装置1对加工对象物w进行加工的方法进行说明。

首先，对进行缩小加工对象物w的外径的加工等形状加工的情况进行说明。

在工件保持构件3的卡盘21上保持加工对象物w，控制激光L和工作台部23x～23z来对加工对象物w照射激光L，并通过旋转机构22一边旋转加工对象物w一边加工成所希望的外径。此时，对相对于加工对象物w的中心轴C沿水平方向（y轴方向）偏离的位置照射激光L。

在对加工对象物w进行加工时，激光L的一部分在加工对象物w的表面进行反射。将受光构件31的屏幕33配置成接受该反射光R，并将反射光R投影到屏幕33。加工对象物w随着基于激光L的加工的进行而直径缩小，表面位置与其直径的缩小对应地发生变化。因此，激光L在加工对象物w的表面的反射位置与加工进行对应地沿z轴方向发生变化，并且，表面的曲率半径变小，因此朝向加工对象物w的入射角（与加工对象物表面的法线所成的角度）也逐渐变大。与该反射位置及入射角的变化对应地，反射光R的直径的扩大及反射方向发生变化，屏幕33上的投影光S的大小及投影位置也发生变化。

本发明根据该反射光R的投影光S的移动状态判定加工结束时间。

参考图3对该形状加工时的加工结束判定的具体方法进行说明。

图3是将圆柱形的加工对象物w的半径从r₀进行外径校正至r₁时的加工方法。进行该加工时，通过加工对象物表面上的激光的中心（光轴）的z轴方向的位置变化，而非通过激光的直径的扩大的变化来判定加工终点。

将激光的光轴（使用与图1的激光相同的符号）L的y坐标（自加工对象物w的旋转中心的水平距离）保持为恒定值a而沿垂直方向（z轴方向）对加工对象物w照射激光。并且，屏幕33例如垂直配置在与加工对象物w的旋转中心C相距H的位置。

随着加工的进行，来自加工对象物w的反射光的中心从图3的R₀移动至R₁，屏幕33上的投影光的中心从初始位置z₀向-z方向移动。该投影光的中心在到达相当于加工对象物w的加工结束点即半径r₁时的z坐标的值即z₁时判定为加工结束即可。

该加工结束位置的坐标z₁通过以下关系式求出。

[式1]

$\begin{array}{cc}{\cos \mathrm{\θ}}_n=\frac{a}{r_n}...\left[1\right]& z_n=r_n\sin {\mathrm{\θ}}_n-\frac{L-a}{\tan 2{\mathrm{\θ}}_n}...\left[2\right]\end{array}(n=\mathrm{0,1})$

n=0表示加工初始，n=1表示加工结束时间。

根据上式，例如将初始值设为r₀=50mm、a=38mm、L=300mm时，z₀≈-8.7mm。可知，若沿半径方向加工100μm，并设为r₁=49.9mm，则z₁≈-10.1mm，z₀与z₁的差分Δz成为约1.4mm，投影光的移动量与加工对象物w表面上的加工量相比更大幅地扩大。另外，Δz能够通过改变距离H和屏幕相对于z轴的倾斜角来进一步提高。

如此，根据该方法，通过配置成激光L的照射方向相对于加工对象物w的旋转中心C偏离，从而随着加工进行的激光L的照射位置的变化扩大反映于反射光，根据屏幕33上的投影光的位置变化能够轻松地判定加工终点，能够进行高精度的判定。

接着，参考图4至图6对研磨加工对象物w的表面时的加工结束判定进行说明。

该研磨加工中，投影光S的大小等变化能够成为加工结束的判断基准。图4示意示出加工对象物w的表面粗糙度与投影光S的大小之间的关系，当加工对象物w的表面上存在充分小于激光L的光斑直径的凹凸时，因该凹凸而产生散射，因此投影光S的直径比在平滑的表面反射时变得更大。随着激光加工的进行，加工对象物w平滑化，因此投影光S的直径减小。如在图5中放大表示，在表面的凹凸较大的加工初始状态下，激光L的反射光因漫反射而如实线箭头所示扩展，因此如前所述般投影光的直径变大，相反，加工结束时已平滑化的加工对象物w的表面上如图5的双点划线箭头所示，反射光的扩展减小，由此，投影光的直径也变小。

图6在曲线图中示出该投影光的直径的变化，将该投影光的直径达到预先设定的基准值时设为加工结束时间即可。

另外，加工对象物w表面的凹凸的大小比激光L的光斑直径大相同程度以上，且加工对象物w的半径方向尺寸局部性地发生变化时，随着加工对象物w的旋转，投影光因凹凸而以不规则振动的方式运动，因此将该振动的振幅设为基准即可。图7中，示出在加工对象物w的表面的激光L所照射的位置上存在较大突起P的情况，若加工对象物w进行旋转，则激光L的反射光R的反射方向例如以在实线箭头和双点划线箭头之间振动的方式移动。随着加工的进行，若突起P变小，则反射光R的振幅也变小，因此投影到屏幕上时，投影光的移动的振幅也减小。该振幅成为预先设定的基准值以下时判定为加工结束即可。

另外，本发明并非限定于上述实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内能够进行各种改变。

例如，作为接受反射光的受光构件，可为屏幕33与拍摄构件34的组合以外的结构。例如，可为如下结构，即在进行形状加工时，在反射光R的移动路径上排列多个光电转换元件，通过与加工终点位置对应的光电转换元件的受光来判定加工终点的结构。并且，进行表面研磨时，通过多个光电转换元件接收反射光，且随着其直径缩小的可受光的光电转换元件的个数减少，因此将减少至预先设定的个数为止时判定为加工结束即可。并且，在加工对象物的表面上存在较大的突起时，也能够沿反射光的振动方向排列多个光电转换元件，并通过在反射光的振动范围内进行受光的光电转换元件的个数的减少来判定加工结束即可。这些情况下，不仅是投影光，反射光R也直接被光电转换元件接受。

Claims (6)

1.一种激光加工方法，其一边保持并旋转加工对象物一边将激光按照其照射方向相对于所述加工对象物的旋转中心偏离的配置方式照射，以此来对所述加工对象物进行加工，所述激光加工方法的特征在于，

使所述激光在所述加工对象物的表面反射，并通过随着加工进行的反射光的变化来判定加工终点。

2.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，

根据与所述激光的加工位置的变化对应的所述反射光的位置的变化来判定所述加工终点。

3.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，

根据与所述加工对象物的表面状态对应的所述反射光的直径变化来判定所述加工终点。

4.根据权利要求1所述的激光加工方法，其特征在于，

根据与所述加工对象物的半径方向尺寸的局部变化对应的反射光的振动的变化来判定所述加工终点。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的激光加工方法，其特征在于，

将所述反射光投影到屏幕上，并根据该投影光来检测所述反射光的变化。

6.一种激光加工装置，其具备：工件保持构件，保持并旋转加工对象物；及激光照射构件，将激光按照其照射方向相对于旋转中心偏离的配置方式向所述加工对象物照射来对所述加工对象物进行加工，所述激光加工装置的特征在于，具有：

终点判定构件，能够通过在所述加工对象物的表面反射的所述激光的反射光的变化来判定加工终点。