JP2005161387A - Laser beam machining apparatus and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば内燃機関のシリンダのボア内面等の筒状体の内部のような狭い部位における被加工部に対してレーザ光を用いて微細加工を行うレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。 The present invention relates to a laser processing apparatus and a laser processing method for performing fine processing using a laser beam on a portion to be processed in a narrow portion such as the inside of a cylindrical body such as a bore inner surface of a cylinder of an internal combustion engine.
従来から、自動車用エンジン等のシリンダの焼き付きを防止するために、ホーニング加工により当該シリンダのボア内面に窪みを形成して油溜まりを設けることが行われているが、近年、このホーニング加工に代えて、レーザ光を用いてボア内面を微細加工を行うことにより窪みを形成する方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in order to prevent seizure of a cylinder of an automobile engine or the like, an oil reservoir is provided by forming a recess in the bore inner surface of the cylinder by honing, but in recent years, this honing has been replaced. A method of forming a recess by finely processing the inner surface of a bore using laser light is known (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、レーザ加工装置へのワークのセッティング精度やボア径等にバラツキがある場合には、当該バラツキにより、レーザ光を集光する集光レンズに対して被加工部がずれるので、一定の加工品質(窪みの深さや幅等)が得られる程度の加工用レーザ光の焦点深度を確保出来ず、油溜まりの焼き付け防止機能が低下する場合がある。 However, if there are variations in workpiece setting accuracy, bore diameter, etc. to the laser processing equipment, the processed part will be displaced with respect to the condensing lens that collects the laser beam due to such variations, so that a certain machining quality will be achieved. In some cases, the depth of focus of the laser beam for processing to such an extent that the depth of the dent and the width can be obtained cannot be secured, and the function of preventing the oil sump from burning is deteriorated.
これに対し、加工用レーザ光の所定の焦点深度を確保するために、レーザ変位計等を用いて、被加工部に対する集光レンズの相対的距離を計測する方法が考えられるが、狭い部位であるシリンダ内では、レーザ変位計がボア内面に干渉するおそれがあるため、レーザ変位計の外形形状やレイアウト等に制約がある。また、レーザ変位計の設置精度は、被加工部に対する集光レンズの相対的距離の計測精度に影響を及ぼすため、レーザ変位計を高精度に設置することが要求される。
本発明は、狭い部位において高精度な微細加工を行うことが可能なレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明によれば、計測用レーザ光を発生する計測用レーザ光発生手段と、前記計測用レーザ光と異なる波長の加工用レーザ光を発生する加工用レーザ光発生手段と、前記計測用レーザ光及び前記加工用レーザ光を集光する集光レンズを有する集光手段と、前記集光手段を被加工部に対して相対的に移動及び回転駆動させる駆動手段と、前記被加工部に照射された前記計測用レーザ光の照射径を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された前記照射径に基づいて、前記被加工部に対する前記集光レンズの相対的距離が、前記加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定する判定手段と、前記判定手段による判定結果に基づいて、前記集光手段を前記被加工部に対して相対的に移動させるように前記駆動手段を制御する制御手段と、を備えたレーザ加工装置が提供される。
An object of this invention is to provide the laser processing apparatus and laser processing method which can perform a highly accurate fine process in a narrow site | part.
In order to achieve the above object, according to the present invention, a measuring laser beam generating means for generating a measuring laser beam, and a processing laser beam generating for generating a processing laser beam having a wavelength different from that of the measuring laser beam are provided. Means, condensing means having a condensing lens for condensing the measurement laser light and the processing laser light, and driving means for moving and rotating the condensing means relative to the part to be processed. Detecting means for detecting an irradiation diameter of the laser beam for measurement irradiated on the processed portion; and a relative position of the condenser lens with respect to the processed portion based on the irradiation diameter detected by the detecting means A determination unit that determines whether the distance is a distance at which a focal depth of the laser beam for processing can be secured, and the condensing unit with respect to the workpiece based on a determination result by the determination unit Move relative Sea urchin said control means for controlling the driving means, the laser processing apparatus having a are provided.
また、上記目的を達成するために本発明によれば、計測用レーザを集光レンズを介して被加工部に照射するステップと、前記被加工部に照射された前記計測用レーザ光の照射径を検出するステップと、前記検出された照射径に基づいて、前記被加工部に対する前記集光レンズの相対的距離が、前記加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定するステップと、該判定結果に基づいて、前記集光レンズを前記被加工部に対して相対的に移動させるステップと、前記計測用レーザと波長の異なる加工用レーザ光を、前記集光レンズを介して前記被加工部に対して照射するステップとを少なくとも備えたレーザ加工方法が提供される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, the step of irradiating the processing portion with the measurement laser via the condenser lens, and the irradiation diameter of the measurement laser light irradiated on the processing portion And whether or not the relative distance of the condensing lens with respect to the workpiece is a distance that can ensure the depth of focus of the processing laser beam based on the detected irradiation diameter. A step of determining, a step of moving the condensing lens relative to the portion to be processed based on the determination result, and a processing laser beam having a wavelength different from that of the measuring laser. And a step of irradiating the workpiece via a laser beam.
本発明では、レーザ加工に際して、先ず、計測用レーザ光発生手段が、加工用レーザ光と異なる波長の計測用レーザ光を照射し、検出手段が、被加工部に照射された当該計測用レーザ光の照射径を検出し、判定手段が、この検出された照射径に基づいて、被加工部に対する集光レンズの相対的距離が、加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定する。そして、この判定結果に基づいて、制御手段が、集光手段を被加工部に対して相対的に移動させるように駆動手段を制御してから、加工用レーザ光発生手段が、被加工部に対して加工用レーザ光を照射する。 In the present invention, when laser processing is performed, first, the measurement laser light generating means irradiates the measurement laser light having a wavelength different from that of the processing laser light, and the detection means irradiates the measurement laser light applied to the workpiece. Whether or not the relative distance of the condensing lens with respect to the workpiece is a distance that can secure the depth of focus of the processing laser light based on the detected irradiation diameter. Determine whether. Then, based on the determination result, the control means controls the driving means so as to move the light collecting means relative to the processed portion, and then the processing laser light generating means is applied to the processed portion. On the other hand, a processing laser beam is irradiated.
このように、加工用レーザ光が照射される前に、計測用レーザ光を用いて、被加工部に対する集光レンズの相対的距離が、加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定して、当該判定結果を集光レンズの位置制御にフィードバックすることにより、被加工部の一定の加工品質を得る程度の加工用レーザ光の焦点深度が確保され、高精度な微細加工を行うことが可能となる。 Thus, before the processing laser light is irradiated, the relative distance of the condensing lens with respect to the processing part is a distance that can secure the focal depth of the processing laser light using the measurement laser light. By determining whether or not and feeding back the determination result to the position control of the condenser lens, the focal depth of the processing laser beam is secured to obtain a certain processing quality of the processing portion, and high accuracy is achieved. Fine processing can be performed.
また、例えば、同一のレーザ光を用いて位置計測及び加工の両方を行う場合には、当該レーザ光の分光が必要となり、集光レンズを有する集光手段の大型化を招くが、これに対し、本発明では特に、加工用レーザ光とは別の計測用レーザ光を用いることにより、集光手段の小型化を図ることが可能となり、狭い部位において高精度な微細加工を行うことが可能となる。さらに、同一の集光レンズにより、計測用レーザ光及び加工用レーザ光の両方の集光を行うため、上述のレーザ変位計の場合のような設置精度の問題も生じない。 In addition, for example, when performing both position measurement and processing using the same laser beam, it is necessary to split the laser beam, which leads to an increase in the size of the condensing means having a condensing lens. In the present invention, in particular, by using a measurement laser beam different from the processing laser beam, it is possible to reduce the size of the light converging means, and to perform highly accurate fine processing in a narrow part. Become. Further, since both the measurement laser beam and the processing laser beam are condensed by the same condenser lens, there is no problem of installation accuracy as in the case of the laser displacement meter described above.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1実施形態]
図1は本発明の第1実施形態に係るレーザ加工装置の全体を示す概略図、図2(A)は本発明の実施形態における被加工物であるシリンダのボア内面を示す斜視図、図2(B)は図2(A)のボア内面に形成された窪み部の拡大正面図、図2(C)は図2(B)のIIC-IIC線に沿った窪み部の断面図、図3(A)は本発明の第1実施形態に係るレーザ加工装置の集光ヘッド及びボア内面の拡大断面図、図3(B)は図3(A)のIIIB-IIIB線に沿った断面図、図4(A)及び図4(B)は本発明の第1実施形態に係るレーザ加工装置のCCDカメラにより撮像された照射部の画像を示す図であり、図4(A)はワークにバラツキがない場合の画像を示す図、図4(B)はワークにバラツキがある場合の画像を示す図、図5は本発明の第1実施形態における照射径とボア内面のズレ量との関係を示すグラフ、図6は本発明の第1実施形態に係るレーザ加工装置によるレーザ加工動作の手順を示すフローチャートである。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic view showing the entire laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention, FIG. 2 (A) is a perspective view showing an inner surface of a bore of a cylinder as a workpiece in the embodiment of the present invention, and FIG. 2B is an enlarged front view of the recess formed in the bore inner surface of FIG. 2A, FIG. 2C is a cross-sectional view of the recess along the IIC-IIC line of FIG. (A) is an enlarged sectional view of the condensing head and the bore inner surface of the laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention, FIG. 3 (B) is a sectional view taken along line IIIB-IIIB in FIG. 4 (A) and 4 (B) are diagrams showing an image of the irradiation unit captured by the CCD camera of the laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 4 (A) shows variations in workpieces. 4B is a diagram showing an image when there is variation in the workpiece, and FIG. 5 is a diagram showing the image according to the first embodiment of the present invention. FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the laser processing operation by the laser processing apparatus according to the first embodiment of the present invention.
先ず、本実施形態に係るレーザ加工装置1の加工対象物(ワーク)であるシリンダ90について説明すると、このシリンダ90は、例えば、自動車用エンジン等の内燃機関に用いられるシリンダであり、図1に示すように、全体として略円筒形状を有している。そして、このシリンダ90は、内燃機関として使用された際に、その内部を軸方向に沿って往復摺動動作するピストンの焼き付けを防止するため、図2(A)に示すように、ボア内面91(内周面)に複数の窪み部92が形成されて油溜まりが設けられている。この各窪み部92は、図2(B)及び(C)に示すように、所定の幅wと深さhで形成されている。この窪み部92の幅w及び深さhが大き過ぎたり小さ過ぎると、油溜まりとしての焼き付き防止機能が低下する。なお、図2(A)は、ボア内面91の様子を明瞭にするために、シリンダ90の中心軸から当該ボア内面91を見た図となっている。
First, a
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置1について説明すると、このレーザ加工装置1は、レーザ加工によりシリンダ90のボア内面91に複数の窪み部92を形成するための装置であり、図1に示すように、計測用レーザ光11を発生させる計測用レーザ発振器10(計測用レーザ光発生手段)と、計測用レーザ光11と異なる波長の加工用レーザ光16を発生させる加工用レーザ発振器15(加工用レーザ光発生手段)と、これらレーザ光11、16を集光する集光レンズ31を有する集光ヘッド30(集光手段)と、当該集光ヘッド30をボア内面91に対して相対的に移動及び回転駆動させるNC工作機40(駆動手段)と、ボア内面91に照射された計測用レーザ光の照射部12を撮像するCCDカメラ60(検出手段)と、当該撮像された照射部12の照射径を抽出し、当該照射径に基づいて、ボア内面91の照射部12に対する集光レンズ31の相対的距離が、加工用レーザ光16の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定するコンピュータ80(判定手段)と、当該判定結果に基づいて、集光ヘッド30をボア内面91の照射部12に対して相対的に移動させるようにNC工作機40を制御するNCコントローラ50と、を備えている。
Next, the
このレーザ加工装置1の計測用レーザ発振器10は、ボア内面91の被加工部に対する集光レンズ31の相対的距離の判定に用いられる計測用レーザ光11を発生させる発振器である。この計測用レーザ発振器10で発振される計測用レーザ光11は、例えば、波長0.63μmのHe−Neレーザ等の可視光レーザである。この計測用レーザ発振器10から発振された計測用レーザ光11は、第1のミラー20により反射されて集光ヘッド30内へと導かれる。なお、本発明の計測用レーザ光は、He−Neレーザに限定されず、例えば、GaAsレーザやInGaPレーザ等の半導体レーザ光を用いることが出来る。
The
レーザ加工装置1の加工用レーザ発振器15は、ボア内面91を加工して窪み部92を形成するための加工用レーザ光16を発生させる発振器である。この加工用レーザ発振器15で発振される加工用レーザ光16は、例えば、波長1.06μmのYAGレーザ光等の加工用レーザである。なお、本発明の加工用レーザ光は、YAGレーザ光に限定されることなく、例えば、CO2レーザやアルゴンレーザ、エキシマレーザ、ルビーレザー、ガラスレーザ、COレーザ、ヨウ素レーザ等の加工用レーザ光を用いることが出来る。
The
この加工用レーザ光16が加工用レーザ発振器15から平均出力40W、繰り返し数35kHzのパルス波として発振され、第1のハーフミラー21により反射されて集光ヘッド30内へと導かれる。この第1のハーフミラー21は、図1に示すように、一方の面で加工用レーザ光16を反射可能になっていると共に、他方の面から入射される計測用レーザ光11を当該一方の面に透過可能となっている。
The
以上のレーザ発振器10、15、第1のミラー20、及び、第1のハーフミラー21は、第1のミラー20により反射され、第1のハーフミラー21を透過した計測用レーザ光11と、この第1のハーフミラー21により反射された加工用レーザ光16とが実質的に同軸上に位置するように配置されている。
The
レーザ加工装置1の集光ヘッド30は、図1に示すように、シリンダ90のボア径より小さな直径を有する略円筒体である。そして、図3(A)に示すように、この集光ヘッド30の内部には、集光レンズ31、第2のハーフミラー33(部分透過手段)、及び、第2のミラー34(反射手段)とが、計測用レーザ光11及び加工用レーザ光16の光軸上に位置するように設置されている。
The condensing
この集光ヘッド30の集光レンズ31は、集光ヘッド30の上方から混在して入射する計測用レーザ光11及び加工用レーザ光16を集光するレンズであり、集光ヘッド30の内部上方に配置されている。この集光レンズ31の下方に位置する第2のハーフミラー33は、当該集光レンズ31にて集光された計測用レーザ光11を透過させると共に、当該集光レンズ31にて集光された加工用レーザ光16をボア内面91に反射させて照射するように設置されている。さらに、この第2のハーフミラー33の下方に位置する第2のミラー34は、当該第2のハーフミラー33を透過した計測用レーザ光11をボア内面91に反射させて照射部12を照射するように設置されている。この第2のハーフミラー33と第2のミラー34とは、図3(B)に示すように、第2のミラー34で反射された計測用レーザ光11の光軸が、第2のハーフミラー33で反射された加工用レーザ光16の光軸に対してθ回転方向前方に位置するように設置されている。なお、後述するようにコンピュータ80による判定の後にNC工作機40が集光ヘッド30をθ方向に回転させるので、計測用レーザ光11が照射されたボア内面91の照射部12と、加工用レーザ光16によりレーザ加工される被加工部とは、実質的に一致することとなる。
The condensing lens 31 of the condensing
また、この集光ヘッド30は、支持部41を介して、NC工作機40に支持されている。そして、このNC工作機40に接続されたNCコントローラ90の制御指令に基づいて、NC工作機40のアクチュエータ(不図示)が駆動することにより、当該集光ヘッド30をX−Y−Z軸方向(図3(A)参照)に移動させることが可能になっていると共に、θ方向(図3(B)参照)に回転させることが可能となっている。
Further, the condensing
さらに、本実施形態に係るレーザ加工装置1は、集光ヘッド30を介してボア内面91に照射された計測用レーザ光11の照射部12を撮像するためのCCDカメラ60を有している。
Furthermore, the
このCCDカメラ60は、図1及び図3(A)に示すように、上述の集光ヘッド30内に設置された第2のミラー34と、集光ヘッド30の上方に設けられた第3のハーフミラー70との反射により、ボア内面91に照射された計測用レーザ光11の照射部12を撮像可能となっており、集光ヘッド30の外部からボア内面91の照射部12を撮像可能なようになっている。なお、第3のハーフミラー70は、一方の面で照射部12の画像を反射させると共に、他方の面から一方の面に計測用レーザ光11及び加工用レーザ光16を透過可能となっている。
As shown in FIGS. 1 and 3A, the
このCCDカメラ60は、コンピュータ80に接続されており、当該CCDカメラ60が撮像した照射部12の画像をコンピュータ80に入力可能となっている。そして、レーザ加工装置1のコンピュータ80は、CCDカメラ60から入力された画像に対して、例えば二値化等の画像処理を行って当該照射部12の照射径を抽出する。さらに、コンピュータ80は、抽出された照射径に基づいて、照射部12に対する集光レンズ31の相対的距離が、加工用レーザ光16の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定する。
The
このコンピュータ80による判定の具体的な手法としては、CCDカメラ60により撮像された照射部12の照射径が、図4(A)に示すような比較的小さな照射径R1となっており、当該照射径R1が図5に示す領域IVA内に位置する場合には、ワークのセッティング精度やボア径にバラツキがなく、集光ヘッド30に対してボア内面91がズレておらず、前記相対的距離が、加工用レーザ光16の焦点深度を確保可能な距離であると判定し、焼き付き防止機能を確保可能な加工品質(幅w及び深さh)を具備した窪み部を形成可能であると判定する。
As a specific method of determination by the
これに対し、例えば、CCDカメラ60により撮像された照射部12の照射径が、図4(B)に示すような比較的大きな照射径R2となっており、当該照射径R2が図5に示す領域IVB内に位置する場合には、例えば、図3(A)及び(B)に示すように、シリンダ90のボア内面91が真円ではなく、同図にて右側にズレ量B分膨張したような楕円に形成され、集光ヘッド30に対してボア内面91がずれており、前記相対的距離が、加工用レーザ光16の焦点深度を確保出来ない距離であると判定し、焼き付け防止機能を確保可能な加工品質を具備した窪み部を形成出来ないと判定する。
On the other hand, for example, the irradiation diameter of the
さらに、このコンピュータ80は、当該判定結果をNC工作機40による集光ヘッド30の位置制御にフィードバック可能なように、上述のNCコントローラ50に接続されている。例えば、上述の図3(A)、図3(B)及び図4(B)に示すような、集光ヘッド30に対してボア内面91がズレ量B分ずれている場合には、NCコントローラ50が当該ズレ量B分を補正するようにNC工作機40を制御し、集光ヘッド30をY軸正方向に移動させ、即ち、集光ヘッド30を照射部12に近づけるようにNC工作機40が駆動する。
Further, the
以下に、図6を参照して、このレーザ加工装置1によるレーザ加工の具体的な動作について説明する。
Below, with reference to FIG. 6, the specific operation | movement of the laser processing by this
先ず、図1に示すように、シリンダ90(ワーク)がレーザ加工装置1の所定の位置にセッティングされると、NCコントローラ50の制御指令に基づいて、集光ヘッド30をシリンダ90のボア内に挿入するようにNC工作機40が駆動する(図6にてステップS10)。
First, as shown in FIG. 1, when the cylinder 90 (work) is set at a predetermined position of the
次に、測定用レーザ発振器10が計測用レーザ光11を発振し、当該計測用レーザ光11が、第1のミラー20に反射され、第1及び第3のハーフミラー21、70を透過して、集光ヘッド30内に入射される。集光ヘッド30内に入射された計測用レーザ光11は、集光レンズ31で集光され、第2のハーフミラー33を透過し、第2のミラー34で反射されて、シリンダ90のボア内面91の照射部12を照射する(ステップS20)。
Next, the
次に、CCDカメラ60が、第2のミラー34及び第3のハーフミラー70で反射された照射部12の画像を撮像する(ステップS30)。
Next, the
次に、CCDカメラ60により撮像された照射部12の画像がコンピュータ80に取り込まれて画像処理が施されて、当該照射部12の照射径が抽出される(ステップS40)。
Next, the image of the
次に、このコンピュータ80は、抽出した照射部12の照射径に基づいて、照射部12に対する集光レンズ31の相対的距離が、加工用レーザ光16の焦点深度を確保可能な程度の距離であるか否かの判定を行う(ステップS50)。
Next, the
この判定において、前記相対的距離が加工用レーザ光16の焦点深度を確保可能な距離であると判定した場合(ステップS50にてYES)には、当該判定結果に基づいて、第2のハーフミラー21に反射された加工用レーザ光16の光軸が前記照射部12に向くように、NCコントローラ50がNC工作機40を制御し、集光ヘッド30をθ方向に回転させるようにNC工作機40が駆動する(ステップS60)。
In this determination, if it is determined that the relative distance is a distance that can secure the depth of focus of the processing laser beam 16 (YES in step S50), the second half mirror is based on the determination result. The
これに対し、上記の判定において、前記相対的距離が加工用レーザ光16の焦点深度を確保出来ない距離であると判定した場合(ステップS50にてNO)には、当該判定結果に基づいて、NCコントローラ50がNC工作機40を制御して、前記相対的距離が加工用レーザ光16の焦点深度を確保可能な距離となるように、集光ヘッド30の位置を補正する(ステップS70)。この集光ヘッド30の位置補正が完了したら、次に、加工用レーザ光16の光軸が前記照射部12に向くように、NCコントローラ50がNC工作機40を制御し、集光ヘッド30をθ方向に回転させるようにNC工作機40が駆動する(ステップS60)。
On the other hand, in the above determination, when it is determined that the relative distance is a distance at which the focal depth of the
加工用レーザ光16の光軸が照射部12に向いたら、加工用レーザ発振器15が加工用レーザ光16を発振し、当該加工用レーザ光16が、第1のハーフミラー21に反射され、第3のハーフミラー70を透過して、集光ヘッド30内に入射される。集光ヘッド30内に入射された加工用レーザ光16は、集光レンズ31で集光され、第2のハーフミラー33で反射されて、シリンダ90のボア内面91の照射部12に照射される(ステップS80)。この加工用レーザ光16の照射の間、当該加工用レーザ光16が加工速度15m/min程度で照射されるようにNC工作機40が駆動して、照射部12に窪み部92が形成される。
When the optical axis of the
以上のステップS10〜S80の動作をボア内面91の全周に亘って繰り返すことにより、例えば、シリンダ90のボア内面91に図2(A)に示す最上段の複数の窪み部92が形成される。そして、NC工作機40が集光ヘッド30をZ軸方向に移動させ、上述のステップS10〜S80の動作をボア内面91の全周に亘って繰り返すことにより、例えば、図2(A)に示す2段目の複数の窪み部92が形成される。同様に、NC工作機40が集光ヘッド30をZ軸方向に移動させ、上述のステップS10〜S80の動作をボア内面91の全周に亘って繰り返すことにより、例えば、図2(A)に示す3段目及び4段目の複数の窪み部92が形成される。
By repeating the operations of steps S10 to S80 over the entire circumference of the bore
なお、例えば、第2のハーフミラー33により反射された加工用レーザ光16の光軸と、第2のミラー34により反射された計測用レーザ光11の光軸とのピッチが、シリンダ90のボア内面91に形成される複数の窪み部92のピッチと実質的に同一となるように、第1のハーフミラー33と第2のミラー34とを配置する等して、上記ステップS80における加工用レーザ光16による窪み部92の形成の間に、次の照射部に光軸が向いている計測用レーザ光11により上記のステップS10乃至S50の動作を行っても良く、これによりレーザ加工の生産性を高めることが出来る。
For example, the pitch between the optical axis of the
以上のように、本実施形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、レーザ加工に際して、先ず、計測用レーザ発振器から加工用レーザ光とは異なる波長の計測用レーザ光を照射し、CCDカメラがボア内面に照射された当該計測用レーザ光の照射部を撮像し、コンピュータがこの撮像された照射部の照射径を抽出し、この照射径に基づいて、照射部に対する集光レンズの相対的距離が、加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定する。そして、この判定結果に基づいて、NCコントローラが、集光ヘッドを照射部に対して相対的に移動させるようにNC工作機を制御してから、加工用レーザ発振器が、照射部に対して加工用レーザ光を照射する。 As described above, in the laser processing apparatus and the laser processing method according to the present embodiment, at the time of laser processing, measurement laser light having a wavelength different from the processing laser light is first emitted from the measurement laser oscillator, and the CCD camera The irradiation part of the measurement laser light irradiated on the inner surface of the bore is imaged, and the computer extracts the irradiation diameter of the imaged irradiation part, and based on the irradiation diameter, the relative distance of the condenser lens to the irradiation part However, it is determined whether it is the distance which can ensure the focal depth of the laser beam for processing. Then, based on the determination result, the NC controller controls the NC machine tool to move the condensing head relative to the irradiation unit, and then the processing laser oscillator processes the irradiation unit. Irradiate laser light.
このように、加工用レーザ光が照射される前に、当該計測用レーザ光と波長の異なる計測用レーザ光を用いて、照射部に対する集光レンズの相対的距離が、加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定し、当該判定結果を集光ヘッドの位置制御にフィードバックすることにより、照射部において一定の加工品質を得ることが可能な加工用レーザ光の焦点深度が確保され、高精度な微細加工を行うことが可能となる。 Thus, before the processing laser light is irradiated, the relative distance of the condensing lens with respect to the irradiated portion is determined by using the measurement laser light having a wavelength different from that of the measurement laser light. Determining whether or not the depth is a distance that can be secured, and feeding back the determination result to the position control of the condensing head, so that a fixed processing quality can be obtained in the irradiation unit. The depth is ensured and high-precision fine processing can be performed.
また、例えば、同一のレーザ光を用いて位置計測及び加工の両方を行う場合には、当該レーザ光の分光が必要となり、集光ヘッドの大型化を招くが、これに対し、本実施形態では特に、加工用レーザ光とは別の計測用レーザ光を用いることにより、集光ヘッドの小型化を図ることが可能となり、内燃機関のシリンダ内等の筒状体の内側のような狭い部位において高精度な微細加工を行うことが可能となる。さらに、同一の集光レンズにより、計測用レーザ光及び加工用レーザ光の両方の集光を行うため、上述のレーザ変位計の場合のような設置精度の問題も生じない。 In addition, for example, when both position measurement and processing are performed using the same laser beam, it is necessary to split the laser beam, which leads to an increase in the size of the condensing head. In particular, by using a measurement laser beam different from the processing laser beam, it becomes possible to reduce the size of the condensing head, and in a narrow part such as the inside of a cylindrical body such as a cylinder of an internal combustion engine. High-precision fine processing can be performed. Further, since both the measurement laser beam and the processing laser beam are condensed by the same condenser lens, there is no problem of installation accuracy as in the case of the laser displacement meter described above.
また、本実施形態に係るレーザ加工装置では、集光ヘッドが、集光レンズにて集光された計測用レーザ光を透過すると共に加工用レーザ光を反射するように配置された第2のハーフミラーと、当該第2のハーフミラーを透過した計測用レーザ光を反射するように配置された第2のミラーとを有することにより、レーザ光の反射作用を利用して、ボア内面等の筒状体のような狭い部位における内側面に対して計測用レーザ光及び加工用レーザ光を照射する構造を小型化することが出来、狭い部位に入り込む集光ヘッドをコンパクトに構成することが可能となる。 In the laser processing apparatus according to the present embodiment, the second half is arranged such that the condensing head transmits the measurement laser light collected by the condensing lens and reflects the processing laser light. By having a mirror and a second mirror arranged so as to reflect the measurement laser beam that has passed through the second half mirror, a cylindrical shape such as the inner surface of the bore is utilized by utilizing the reflection of the laser beam. The structure for irradiating the measuring laser beam and the processing laser beam to the inner surface of a narrow part such as a body can be reduced in size, and the condensing head that enters the narrow part can be configured compactly. .
[第2実施形態]
図7(A)は本発明の第2実施形態に係るレーザ加工装置の集光ヘッド及びボア内面の拡大断面図、図7(B)は図7(A)のVIIB-VIIB線に沿った断面図である。
[Second Embodiment]
FIG. 7A is an enlarged cross-sectional view of the condensing head and the bore inner surface of the laser processing apparatus according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7B is a cross-section taken along the line VIIB-VIIB of FIG. FIG.
本発明の第2実施形態に係るレーザ加工装置1bは、計測用レーザ光11と加工用レーザ光16とが非同軸上に照射され、集光ヘッド30bの内部の構成が異なる点で第1実施形態に係るレーザ加工装置1と相違し、その他の構成は上述の第1実施形態に係るレーザ加工装置1の構成と同一である。以下に、第2実施形態に係るレーザ加工装置1bについて、第1実施形態に係るレーザ加工装置1との相違点のみ説明する。
The laser processing apparatus 1b according to the second embodiment of the present invention is the first embodiment in that the
先ず、本実施形態に係るレーザ加工装置1bでは、図7(A)に示すように、集光ヘッド30bに入射される計測用レーザ光11と加工用レーザ光16とが非同軸上となるように、各レーザ発振器10、15、第1のミラー20、及び、第1のハーフミラー21(何れも不図示)が配置されている。
First, in the laser processing apparatus 1b according to the present embodiment, as shown in FIG. 7A, the
そして、これらレーザ光11、16が非同軸上に入射される集光ヘッド30bの内部には、図7(A)に示すように、二重焦点レンズ32(集光レンズ)と、セグメントミラー35とが設置されている。この集光ヘッド30bの二重焦点レンズ32は、計測用レーザ光11を集光する第1の焦点部と、加工用レーザ光16を集光する第2の焦点部(何れも不図示)とを有しており、第1の焦点部が計測用レーザ光11の光軸と一致すると共に第2の焦点部が加工用レーザ光16の光軸と一致するように、この二重焦点レンズ32が配置されている。
Then, inside the condensing
この二重焦点レンズ32の下方に位置するセグメントミラー35は、計測用レーザ光11を反射させる第1のセグメント部36(第1の反射手段)と、加工用レーザ光16を反射させる第2のセグメント部37(第2の反射手段)とを有しており、第1のセグメント部36が計測用レーザ光11の光軸に一致すると共に第2のセグメント部37が加工用レーザ光16の光軸に一致するように、このセグメントミラー35が配置されている。なお、このセグメントミラー35は、図7(B)に示すように、第1のセグメント部36により反射された計測用レーザ光11の光軸が、第2のセグメント部37により反射された加工用レーザ光16の光軸よりθ回転方向前方に位置するように、第1のセグメント部36が第2のセグメント部37に対して配置されている。
The
このレーザ加工装置1bによるレーザ加工の動作は、上述の図6を参照して説明した第1実施形態のレーザ加工装置1による動作と同様であり、NC工作機40が駆動して、セッティングされたシリンダ90(ワーク)のボア内に集光ヘッド30bが挿入されたら、測定用レーザ発振器10が計測用レーザ光11を発振し、当該計測用レーザ光11が、第1のミラー20と第1及び第3のハーフミラー21、70とを介して、集光ヘッド30b内に入射される。
The laser processing operation by the laser processing apparatus 1b is the same as the operation by the
そして、この集光ヘッド30b内に入射された計測用レーザ光11は、第1実施形態と異なり本実施形態では、二重焦点レンズ32の第1の焦点部で集光された後にセグメントミラー35の第1のセグメント部36で反射され、シリンダ90のボア内面91の照射部12を照射する。
Then, unlike the first embodiment, the
次に、CCDカメラ60が、第2のミラー34及び第3のハーフミラー70を介して、ボア内面91の照射部12を撮像し、当該画像に対してコンピュータ80が画像処理を行い、当該照射部12の照射径が抽出し、さらに、当該抽出した照射部12の照射径に基づいて、照射部12に対する集光レンズ31の相対的距離が、加工用レーザ光16の焦点深度を確保可能な程度の距離であるか否かの判定を行う。
Next, the
この判定において、前記相対的距離が加工用レーザ光16の焦点深度を確保可能な距離であると判定した場合には、当該判定結果に基づいて、加工用レーザ光16の光軸が前記照射部12に向くように、NCコントローラ50がNC工作機40を制御し、集光ヘッド30bをθ方向に回転させるようにNC工作機40が駆動する。
In this determination, when it is determined that the relative distance is a distance at which the focal depth of the
これに対し、上記の判定において、前記相対的距離が加工用レーザ光16の焦点深度を確保出来ない距離であると判定した場合には、当該判定結果に基づいて、NCコントローラ50がNC工作機40を制御して、前記相対的距離が加工用レーザ光16の焦点深度を確保可能な距離となるように、集光ヘッド30bの位置を補正し、その後、加工用レーザ光16の光軸が前記照射部12に向くように、NCコントローラがNC工作機40を制御し、集光ヘッド30bをθ方向に回転させるようにNC工作機40が駆動する。
On the other hand, in the above determination, when it is determined that the relative distance is a distance at which the focal depth of the
加工用レーザ光16の光軸が照射部12に向いたら、加工用レーザ発振器15が加工用レーザ光16を発振し、当該加工用レーザ光16が、第1のハーフミラー21及び第3のハーフミラー70を介して、集光ヘッド30b内に入射される。
When the optical axis of the
そして、この集光ヘッド30b内に入射された加工用レーザ光16は、第1実施形態と異なり本実施形態では、二重焦点レンズ32の第2の焦点部で集光された後に、セグメントミラー35の第2のセグメント部37で反射され、ボア内面91の照射部12に照射されて、ボア内面91に窪み部92が形成される。
Then, unlike the first embodiment, the
以上のように、本実施形態に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法では、レーザ加工に際して、先ず、計測用レーザ発振器から加工用レーザ光とは異なる波長の計測用レーザ光を照射し、CCDカメラがボア内面に照射された当該計測用レーザ光の照射部を撮像し、コンピュータがこの撮像された照射部の照射径を抽出し、この照射径に基づいて、照射部に対する集光レンズの相対的距離が、加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定する。そして、この判定結果に基づいて、NCコントローラが、集光ヘッドを照射部に対して相対的に移動させるようにNC工作機を制御してから、加工用レーザ発振器が、照射部に対して加工用レーザ光を照射する。 As described above, in the laser processing apparatus and the laser processing method according to the present embodiment, at the time of laser processing, measurement laser light having a wavelength different from the processing laser light is first emitted from the measurement laser oscillator, and the CCD camera The irradiation part of the measurement laser light irradiated on the inner surface of the bore is imaged, and the computer extracts the irradiation diameter of the imaged irradiation part, and based on the irradiation diameter, the relative distance of the condenser lens to the irradiation part However, it is determined whether it is the distance which can ensure the focal depth of the laser beam for processing. Then, based on the determination result, the NC controller controls the NC machine tool to move the condensing head relative to the irradiation unit, and then the processing laser oscillator processes the irradiation unit. Irradiate laser light.
このように、加工用レーザ光が照射される前に、当該計測用レーザ光と波長の異なる計測用レーザ光を用いて、照射部に対する集光レンズの相対的距離が加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定し、当該判定結果を集光ヘッドの位置制御にフィードバックすることにより、照射部の一定の加工品質を得ることが可能な加工用レーザ光の焦点深度が確保され、高精度な微細加工を行うことが可能となる。 Thus, before the processing laser light is irradiated, the relative distance of the condensing lens with respect to the irradiated portion is determined by using the measurement laser light having a wavelength different from that of the measurement laser light. The depth of focus of the processing laser light that can obtain a certain processing quality of the irradiation unit by determining whether or not the distance can be secured and feeding back the determination result to the position control of the condensing head Is ensured, and high-precision fine processing can be performed.
また、例えば、同一のレーザ光を用いて位置計測及び加工の両方を行う場合には、当該レーザ光の分光が必要となり、集光ヘッドの大型化を招くが、これに対し、本実施形態では特に、加工用レーザ光とは別の計測用レーザ光を用いることにより、集光ヘッドの小型化を図ることが可能となり、内燃機関のシリンダ内等の筒状体の内側のような狭い部位において高精度な微細加工を行うことが可能となる。さらに、同一の集光レンズにより、計測用レーザ光及び加工用レーザ光の両方の集光を行うため、上述のレーザ変位計の場合のような設置精度の問題も生じない。 In addition, for example, when both position measurement and processing are performed using the same laser beam, it is necessary to split the laser beam, which leads to an increase in the size of the condensing head. In particular, by using a measurement laser beam different from the processing laser beam, it becomes possible to reduce the size of the condensing head, and in a narrow part such as the inside of a cylindrical body such as a cylinder of an internal combustion engine. High-precision fine processing can be performed. Further, since both the measurement laser beam and the processing laser beam are condensed by the same condenser lens, there is no problem of installation accuracy as in the case of the laser displacement meter described above.
また、本実施形態に係るレーザ加工装置では、集光ヘッドが、二重焦点レンズの第1の焦点部にて集光された計測用レーザ光を反射する第1のセグメント部と、二重焦点レンズの第2の焦点部にて集光された加工用レーザ光を反射する第2のセグメント部とを持つセグメントミラーを有することにより、レーザ光の反射作用を利用して、ボア内面等の筒状体のような狭い部位における内側面に対して計測用レーザ光及び加工用レーザ光を照射させる構造を小型化することが出来、狭い部位に入り込む集光ヘッドをコンパクトに構成することが可能となる。 In the laser processing apparatus according to the present embodiment, the condensing head includes a first segment unit that reflects the measurement laser beam collected by the first focal unit of the bifocal lens, and a bifocal point. By having a segment mirror having a second segment portion that reflects the processing laser beam collected at the second focal portion of the lens, a tube such as an inner surface of the bore is utilized by utilizing the reflection effect of the laser beam. The structure that irradiates the measuring laser beam and the processing laser beam to the inner surface of a narrow part such as a body can be miniaturized, and the condensing head that enters the narrow part can be made compact. Become.
なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであ
って、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に
開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨
である。
The embodiment described above is described for facilitating the understanding of the present invention, and is not described for limiting the present invention. Therefore, each element disclosed in the above embodiment is intended to include all design changes and equivalents belonging to the technical scope of the present invention.
1…レーザ加工装置
10…計測用レーザ発振器
11…計測用レーザ光
12…照射部
15…加工用レーザ発振器
16…加工用レーザ光
20…第1のミラー
21…第2のハーフミラー
30…集光ヘッド
31…集光レンズ
32…二重焦点レンズ
33…第2のミラー(反射手段)
34…第2のハーフミラー(部分透過手段)
35…セグメントミラー
36…第1のセグメント(第1の反射手段)
37…第2のセグメント(第2の反射手段)
40…NC
50…NCコントローラ
60…CCDカメラ
70…第3のハーフミラー
80…コンピュータ
90…シリンダ
91…ボア内面
92…窪み部
DESCRIPTION OF
34 ... Second half mirror (partial transmission means)
35 ...
37 ... 2nd segment (2nd reflection means)
40 ... NC
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記計測用レーザ光と異なる波長の加工用レーザ光を発生する加工用レーザ光発生手段と、
前記計測用レーザ光及び前記加工用レーザ光を集光する集光レンズを有する集光手段と、
前記集光手段を被加工部に対して相対的に移動及び回転駆動させる駆動手段と、
前記被加工部に照射された前記計測用レーザ光の照射径を検出する検出手段と、
前記検出手段により検出された前記照射径に基づいて、前記被加工部に対する前記集光レンズの相対的距離が、前記加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定する判定手段と、
前記判定手段による判定結果に基づいて、前記集光手段を前記被加工部に対して相対的に移動させるように前記駆動手段を制御する制御手段と、を備えたレーザ加工装置。 A measuring laser beam generating means for generating a measuring laser beam;
A processing laser beam generating means for generating a processing laser beam having a wavelength different from that of the measurement laser beam;
A condensing unit having a condensing lens for condensing the measurement laser beam and the processing laser beam;
Driving means for moving and rotating the light collecting means relative to the workpiece; and
Detection means for detecting an irradiation diameter of the measurement laser light irradiated to the workpiece;
Based on the irradiation diameter detected by the detection means, it is determined whether or not the relative distance of the condenser lens with respect to the processed portion is a distance that can ensure the focal depth of the processing laser light. A determination means;
A laser processing apparatus comprising: a control unit that controls the driving unit so as to move the condensing unit relative to the workpiece based on a determination result by the determination unit.
前記照射径が所定の範囲内である場合には、前記相対的距離が前記加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であると判定し、
前記照射径が前記所定の範囲外である場合には、前記相対的距離が前記加工用レーザ光の焦点深度を確保出来ない距離であると判定する請求項1記載のレーザ加工装置。 The determination means includes
When the irradiation diameter is within a predetermined range, it is determined that the relative distance is a distance capable of securing the focal depth of the processing laser beam,
The laser processing apparatus according to claim 1, wherein when the irradiation diameter is out of the predetermined range, the relative distance is determined to be a distance at which a focal depth of the processing laser beam cannot be secured.
前記集光レンズにて集光された前記計測用レーザ光を透過すると共に前記加工用レーザ光を反射するように配置された部分透過手段と、
前記部分透過手段を透過した前記計測用レーザ光を反射するように配置された反射手段と、をさらに有する請求項1又は2記載のレーザ加工装置。 The light collecting means includes
Partial transmission means arranged to transmit the measurement laser light collected by the condenser lens and reflect the processing laser light;
The laser processing apparatus according to claim 1, further comprising a reflection unit arranged to reflect the measurement laser beam transmitted through the partial transmission unit.
前記集光レンズにて集光された前記計測用レーザ光を反射するように配置された第1の反射手段と、
前記集光レンズにて集光された前記加工用レーザ光を反射するように配置された第2の反射手段と、をさらに有する請求項1又は2記載のレーザ加工装置。 The light collecting means includes
A first reflecting means arranged to reflect the measurement laser beam condensed by the condenser lens;
3. The laser processing apparatus according to claim 1, further comprising: a second reflecting unit arranged to reflect the processing laser beam condensed by the condenser lens.
前記被加工部に照射された前記計測用レーザ光の照射径を検出するステップと、
前記検出された照射径に基づいて、前記被加工部に対する前記集光レンズの相対的距離が、前記加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であるか否かを判定するステップと、
該判定結果に基づいて、前記集光レンズを前記被加工部に対して相対的に移動させるステップと、
前記計測用レーザと波長の異なる加工用レーザ光を、前記集光レンズを介して前記被加工部に対して照射するステップとを少なくとも備えたレーザ加工方法。 Irradiating a workpiece with a measuring laser through a condenser lens;
Detecting an irradiation diameter of the laser beam for measurement irradiated on the workpiece;
Determining whether the relative distance of the condensing lens with respect to the workpiece is a distance that can ensure the depth of focus of the processing laser light based on the detected irradiation diameter;
Moving the condenser lens relative to the workpiece based on the determination result; and
Irradiating the workpiece with a processing laser beam having a wavelength different from that of the measurement laser via the condenser lens.
前記照射径が所定の範囲内にある場合には、前記相対的距離が前記加工用レーザ光の焦点深度を確保可能な距離であると判定し、
前記照射径が所定の範囲外にある場合には、前記相対的距離が前記加工用レーザ光の焦点深度を確保出来ない距離であると判定する請求項5記載のレーザ加工方法。 In the step of determining the relative distance of the condenser lens with respect to the workpiece,
When the irradiation diameter is within a predetermined range, it is determined that the relative distance is a distance that can ensure the depth of focus of the processing laser beam;
The laser processing method according to claim 5, wherein when the irradiation diameter is out of a predetermined range, the relative distance is determined to be a distance at which a focal depth of the processing laser beam cannot be secured.
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