JP2007526130A - レーザ、制御装置、遠隔制御装置、およびレーザ加工する方法 - Google Patents

Abstract

レーザ加工ヘッドを遠隔操作する制御装置は、レーザ加工ヘッドとレーザ加工ヘッドから離れた位置にある作動手段を含む。変換手段は、レーザ加工ヘッドと作動手段との間に接続される。変換手段は、作動手段の動作をレーザ加工ヘッドの動作に変換する。変換手段は、レーザ加工ヘッドに連結される第１端部と、作動手段に連結される第２端部とを有するケーブル制御手段を含む。レーザ加工ヘッドは、ロボットアームに滑走可能に連結されている。作動手段は、レーザ加工ヘッドをロボットアームに対して相対的に直線状に動かす。高さセンサ装置は、レーザ加工ヘッドと加工製品との間の測定に基づいて高さ信号を生成する高さセンサを含む。高さセンサ電子回路部は高さセンサから離れた位置にあり、高さ信号を受信する。

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、レーザ加工ヘッドに関するものであり、特にレーザ加工ヘッドの遠隔制御操作に関する。

〔背景技術〕
レーザ加工は、特に精密な許容差が必要とされる場合の材料の一部分を処理する方法として、ますます一般的になってきている。近年多くのレーザ加工ヘッドに、最適かつ一様な処理結果を確保するのに役立つ機能および装置が付与されている。その一例として、レーザ加工ヘッドの高さ検知機能がある。必須ではないが、これらの機能はその機能特性を果たすための機械的および電気的構成要素を必要とする。このような機能を有するものとして、典型的には機械的なスライド、モータ、エンコーダ、および電気配線が挙げられる。

これらの部品は、しかしながら、レーザ加工ヘッドの様々な位置に、種々適用させて設けられている。レーザ加工ヘッドは、熱反射、加工中の製品からの火花、加工により生じるくず（粒子、鉱滓、および煙）、埃、および材料上の汚染物質に起因する厳しい作動環境にさらされている。さらに加工中のヘッドと加工製品との間付近では、これらの衝突が起こり得る。

これらの潜在的に繊細な構成要素を加工中の製品近くに配設すると、これらの構成要素をリスクに晒し、破損や欠損の原因となりがちである。さらに、レーザ加工ヘッドに望まれる小型化の要求によって、これらの構成要素の設置を諦める、または大きさおよび性能が制限されることがある。

〔発明の開示〕
レーザ加工ヘッドを遠隔操作する制御装置は、レーザ加工ヘッドと、レーザ加工ヘッドから離れた位置にある作動手段とを含んでいる。変換手段は、レーザ加工ヘッドと作動手段との間に接続されている。変換手段は作動手段の動作をレーザ加工ヘッドの動作に変換する。

その他の機能によると、変換手段は、レーザ加工ヘッドに連結される第１端部と、作動手段に連結される第２端部とを有するプッシュプルケーブルを含んでいる。レーザ加工ヘッドは、ロボットアームに滑走可能に連結されている。作動手段は、レーザヘッドをロボットアームに対して相対的に直線状に動かす。高さセンサ装置は、レーザヘッドと加工製品との間の距離に基づいて高さ信号を生成する、高さセンサを含んでいる。高さセンサ電子回路部は高さセンサ検知素子から離れた位置にあり、高さ信号を生成する。

加工手段と加工製品との間の距離の測定に関して加工手段を一次元に作動し、加工手段と加工製品との間の距離は、高さセンサ装置によって測定され、高さセンサ装置は、加工手段の少なくとも一部に配置されている遠隔制御装置は、変換手段を含む。変換手段は第１構成端部と第２構成端部とを含む。加工手段を一次元に操作するために、第１構成端部は加工手段に連結されている。作動手段は第２構成端部に連結され、加工手段を操作する。作動手段は加工手段を遠隔操作するため、加工手段に連結されていない。制御装置は作動手段を制御する。制御装置は高さセンサ装置に連結されており、加工手段と加工中の製品との間の距離を検知する。高さセンサ装置により測定された距離に従って作動手段に加工手段を作動するように指示するために、高さセンサ装置は制御手段に信号を送る。

製品をレーザ加工する方法は、加工製品上においてレーザ加工ヘッドの動作を指示する制御装置に連結されるレーザ加工ヘッドを用意する工程を含む。レーザ加工ヘッドは、レーザ加工ヘッドと加工製品との間の距離を測定するセンサを含む。センサと加工製品との間の距離は測定される。センサから離れた位置にある作動手段の動作は、測定距離に基づいて生成される。作動手段の動作は、レーザ加工ヘッドが加工製品に近づくおよび加工製品から遠ざかるような直線状の動作に変換される。

さらに、本発明の適用範囲は、後述する詳細な説明から十分に理解されるだろう。本発明の好ましい実施形態を明らかにする一方で、詳細な説明および明確な実施例は説明の目的でのみ用いられ、本発明の範囲をこれに制限するものではないことは理解され得る。

〔発明を実施するための最良の形態〕
以下に説明する好ましい実施形態は、本質における単なる例示であり、本発明、その応用または使用をこれに制限する意図はない。明確化の目的にて、同じ符号は同様の構成要素を同定するために、図面において用いられる。

本発明は、詳細な説明、およびそれに付随する以下の図面から、より十分に理解されるだろう。

最初に参照する図１において、本発明に係る遠隔操作レーザ加工装置が示され、一般に参照符号１０により同定される。遠隔操作レーザ加工装置１０は、スライド手段２２を介してロボット２０のアーム１６に、可動するように連結されるレーザ加工ヘッドアセンブリ１２を含む。レーザ加工ヘッドアセンブリ１２は、予め定められた様式に加工製品２６を設計するために設置されている。作動手段２８は、変換手段３０を介してレーザ加工ヘッドアセンブリ１２に連結されている。レーザ加工ヘッドアセンブリ１２を通り、第１のワイヤ３４を通って、レーザ加工ヘッドアセンブリ１２から離れた位置にある高さセンサ電子回路部３６に、高さ信号が伝達される。高さセンサ電子回路部３６は、第２のワイヤ４０を通ってモータ駆動電子回路部４２へ信号を伝達する。モータ駆動電子回路部４２は、レーザ加工ヘッドアセンブリ１２から離れた位置にあり、作動手段２８の動作を制御する制御装置として機能する。モータ駆動電子回路部４２は、第３のワイヤ４４を通って作動手段２８に信号を伝達する。より詳細に後述するように、作動手段２８は、高さセンサ電子回路部３６およびモータ駆動電子回路部４２により与えられる信号に基づいて、垂直方向に（図１に示すように）、レーザ加工ヘッドアセンブリ１２を動かす。

センサ電子回路部３６、モータ駆動電子回路部４２および作動手段２８の物理的位置は、レーザ加工ヘッドアセンブリ１２近傍の厳しい環境から離れた位置であり、このように破壊および損傷に対する装置の脆弱性を減少する。作動手段２８をレーザ加工ヘッドアセンブリ１２から離れた位置に設置することは、また、積載重量および装置の損耗を全体として減少する。結果として、与えられる用途のために、作動手段２８を選択する柔軟性がある。

続けて図１を参照し、さらに図２を参照して、レーザ加工ヘッドアセンブリ１２をさらに詳細に説明する。レーザ加工アセンブリ１２は、一般的にハウジング４８、スライド手段２２および取付縁部５２を含んでいる。ハウジング４８は、ファイバ（図示せず）から発せられるレーザ光束を再調整するための光ファイバ再調整要素５４を含んでいる。光再調整要素５４は、フォーカスレンズ（特に図示せず）を有するレンズホルダ５６に入射させるために、レーザ光束を通過させる。先端アセンブリ６０はレーザハウジング４８の末端部に形成され、ガス噴出先端部６２を含む。ガス噴出先端部６２は、センサとして機能し、例えば高さセンサ電子回路部３６のための容量性信号のような信号を与える。高さセンサ電子回路部３６は、信号を高さ検知信号に通訳する。それゆえに、高さセンサ電子回路部３６は、ガス噴出先端部６２と加工製品との間の距離を測定する。先端アセンブリ６０、第１のワイヤ３４、および高さセンサ電子回路部３６を高さセンサ装置と定義する。高さセンサ装置は、関連する技術分野で知られる、有益な容量性高さセンサ装置になり得る。

スライド手段２２は、一般的に据付固定部７０に滑走可能に連結される直線状スライド６６を含む。変換手段３０は、取付襟部７２において据付固定部７０に取付けられる。外部ハウジングは、直線状スライド６６に連結されている。スライド手段６６は、作動中を通じて据付固定部において一対の相補的な軸（図示せず）に沿って支えられるために、一対の直線状軸受けを含む。高さ信号は、ハウジング４８と直線状スライド６６との間に拡がる第４のワイヤ８０を通って伝達される。信号は、直線状スライド６６から第１のワイヤ３４を通ってセンサ電子回路部３６に伝達される（図１）。

取付縁部５２は、ロボットアーム１６と据付固定部７０との間に連結されている。取付縁部５２は、取付縁部５２の縁８６に形成された取付導管８４を介して配設される留め具（図示せず）によってロボットアーム１６に接続されている。取付縁部５２は、処理中に据付固定部７０に関係して動かず、留め具（図示せず）によって据付固定部７０に適切に連結されている。取付縁部５２の構成は例示であり、異なるロボットの使用およびロボットアーム配置と共に変更してもよい。

ここで図３を参照すると、レーザハウジング４８に関係する構成要素を分解図において示しており、これについて以下により詳細に説明する。光ファイバ再調整要素５４は、ファイバ調整ブロック９０に収容される。加工時に要求される入促進ガスを収容するために、ファイバ調整ブロック９０は付属部品９２において取り付け箇所を提供する。複数の設置ピン９４は、ファイバ調節ブロック９０のより低面において拡張し、レンズホルダ５６の上部枠９８周囲に形成された収容口９６によって受け付けられている。

先端アセンブリ６０（図２）は、据付窓ホルダー１０２および先端保持器１０４を含む。据付窓ホルダー１０２は、レーザ光束を通過させる窓１０６を含む。据付窓ホルダー１０２はまた、先端保持器１０４の中の加圧ガスチャンバを封止する。先端保持器１０４は、レーザ光束と同軸の付属部品９２を通って供給された補助ガスを運ぶ働きをする。加えて、先端アセンブリ６０は、容量性高さセンサ信号をアースおよび残りのレーザアセンブリ構成要素から隔離するように組み立てられる。先端６２は、先端保持器１０４の末端に取付けられる。保護襟部１１０は、加工により生じるくずから保持部１０４を保護する。一組のねじ１１２は、レンズホルダ５６の低面において相補的な穴（図示せず）に収容される。

図４を参照して、変換手段３０および作動手段２８を以下に説明する。変換手段３０は、柔軟なケーブルまたはケーブル制御手段１１８を一般的に含む。ケーブル制御手段１１８は、一般的に外部導管１２０を有する柔軟な内芯から構成される。ピン１２４を介して作動軸１２２に連結される接続分岐部１２０を形成するために、ケーブル制御手段１１８は第１端部に結合される。ケーブル制御手段１１８の反対側の端部は、洗浄スライド６６の低縁部１２６に留め具１３０とともに連結される。導管１２０は、第１端部において作動手段２８の末端面１３４に取付けられ、反対側の端部において据付固定部７０の取付襟部７２に取付けられている。

作動手段２８は円筒状ねじ留め手段の外型の中に直線状の作動器として図示される。一般に、作動手段２８は、回転するねじりモーメントを直線状の動作に変換する。当業者であれば、レーザ加工ヘッドアセンブリ１２の直線状スライド６６を作動させるために、他の作動手段を使用しても良いことは十分に理解し得るだろう。例えば、誘導レール（guide rail）およびボールねじの形成（ball screw arrangement）、ベルト駆動部、電気モータ、並びにサーボ制御空気圧または水圧シリンダー配置およびその他の要素を同様に採用してもよい。加えて、作動手段２８が、ロボット２０の上部面の位置に示されている一方で、レーザ加工ヘッドアセンブリ１２から離れた位置であるその他の位置に同様に配置しても良い。例えば、作動手段２８をロボットアーム１６の他の部位に配置してもよく、または、完全に他の構成要素に取付けても良い。

作動手段２８は、モータ１３８および円筒状ねじ留め手段を含む。円筒状ねじ留め手段は、周囲をワイヤで囲まれ、公転可能に組み立てられた複数の糸巻部１４２を作動軸１２２上に含む。モータ１３８は、モータ１３８の円筒構造中においてローラー１４２を直線状に進行させる原因となる（矢印Ａ）、回転運動を生み出す。これにより、モータの回転動作を作動軸１２２の直線状の動作に変換する。作動軸１２２の直線状の動作は、導管１２０の範囲内でのケーブル制御手段１１８の滑走移動を生み出す。ケーブル制御手段１１８は、低縁部１３６において直線状スライド６６に取付けられているので、ケーブル制御手段１１８の動作は、結果としてハウジング４８の動作を生み出す（矢印Ｂ）。変換手段３０の実行により、作動手段２８、およびその結果としてモータ駆動電子回路４２は、レーザ加工領域からいくらか離れた位置に物理的に移動させられる。結果としてこれらの構成要素は、レーザ加工領域直近の厳しい環境から、より保護される。レーザ加工領域から離れた位置に作動手段２８を配置するもう一つの利点として、モータおよびモータ駆動部の選択において、大きさまたは包装の拘束によって制限されない。

説明の目的のために、図４において、ハウジング７４（図３）を直線状スライド６６から取り外した状態を示す。直線状スライド６６に下向きの力をかけるために、空気シリンダー１５０はスライド手段２２と協同する。より具体的には、直線状スライド６６を据付固定部７０に対して下向きに動かすために、空気シリンダーは低縁部１２６に力をかける。空気シリンダー１５０は、ケーブル制御手段１１８を常に張った状態にすることを補償するために、作動手段２８から離れる方向へケーブル制御手段１１８に対して安定した力を与える、すなわちケーブル制御手段１１８を付勢する。ケーブル制御手段１１８を張った状態にするために、他の手段を適用してもよい。

図５に示すように、レーザ加工ヘッドアセンブリを遠隔操作する工程は、一般に２００のように表される。ステップ２０２において、制御は開始する。ステップ２０６において、制御はレーザアセンブリが作動しているかどうかを決定する。装置が作動していなければ、ステップ２０８において制御は終了する。装置が作動していれば、先端６２に取付けられた高さセンサ電子回路部３６によって、高さ測定が行われる。ステップ２１４において、センサ電子回路３６は、先端６２と加工製品２６との間の距離を決定する。ステップ２１８において、必要とするレーザ加工ヘッドの移動距離を決定する。ステップ２２０において、距離信号を第２のワイヤを通過してモータ駆動電子回路４２に伝達する。ステップ２２４において、距離信号を処理し、モータ制御信号を生成する。ステップ２２６において、モータ制御信号を第３のワイヤ４４を通過して作動手段２８に伝達する。ステップ２３０において、ケーブル制御手段１１８を要求された（所望の）長さに変形する。そして制御はステップ２０６に戻る。

上記の説明から、本発明の広範囲におよぶ技術を多様な形態において実施し得ることは、当業者であれば十分に理解することができる。例えば、予め定められた様式においてレーザ加工ヘッドを動かすために、ロボット２０はＣＮＣロボットであることが好ましいが、他のロボット実装または装置であっても良い。加えて、レーザ加工ヘッドアセンブリ、センサ電子回路、およびモータ駆動電子回路間のシグナル伝達は、第１のワイヤおよび第２のワイヤを通過する伝達信号として説明しているが、無線信号をそれぞれの構成要素間に伝達してもよいことを意図している。この点において、ワイヤによる物理的な結合を必要とせず、センサ電子回路およびモータ駆動電子回路を同様にレーザヘッドアセンブリから離れて位置させても良い。従って、本発明をその詳細な例と関連して説明している一方で、図、明細書および特許請求の範囲の記載から、他の変形は当業者に明白になるため、本発明の真の範囲はこれに限定されるべきではない。

図１は、本発明の技術によって遠隔操作されるレーザを示す組織図である。 図２は、レーザ加工ヘッドアセンブリを示す透視図である。 図３は、図２に示すレーザ加工ヘッドアセンブリの分解図である。 図４は、作動手段とレーザ加工ヘッドアセンブリとの接続状態を示すために、作動手段の一部を切り欠いた図である。 図５は、レーザ加工ヘッドアセンブリを遠隔操作するステップを説明するフローチャートである。

Claims (20)

1. レーザ加工ヘッドを遠隔操作する制御装置であって、
   レーザ加工ヘッドと、
   前記レーザ加工ヘッドから離れた位置に設置された作動手段と、
   前記レーザ加工ヘッドと前記作動手段との間においてこれらを互いに連結する変換手段とを備え、
   前記変換手段は、前記作動手段の動作を前記レーザ加工ヘッドの動作に変換することを特徴とする制御装置。
2. 前記変換手段は、前記レーザ加工ヘッドに連結される第１端部と、前記作動手段に連結される第２端部とを有するケーブル制御手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
3. 前記レーザ加工ヘッドは、スライド可能にロボットアームに連結され、前記作動手段はレーザ加工ヘッドを、ロボットアームに対して相対的に直線状に動かすことを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
4. 前記作動手段を制御する作動制御装置をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
5. 高さセンサ装置をさらに備え、
   前記高さセンサ装置は、前記レーザ加工ヘッドと加工製品との間の距離に基づいた高さ信号を生成する高さセンサと、前記高さセンサから離れた位置にあり、高さ信号を受信する高さセンサ電子回路部とを含むことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
6. 前記高さセンサ装置は、前記高さセンサと前記高さセンサ電子回路部との間に、高さ信号を伝達するワイヤをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
7. 前記高さセンサ装置は作動制御装置に接続されており、前記作動制御装置に信号を送ることによって、前記高さセンサ装置が生成する前記高さ信号に基づいて前記作動手段に前記レーザ加工ヘッドを作動するように指示することを特徴とする請求項５に記載の制御装置。
8. 前記ケーブル制御手段の第２端部は、前記作動手段の円筒状ねじ留め手段に連結されていることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
9. 前記ケーブル制御手段は、前記作動手段から離れる方向に偏っていることを特徴とする請求項２に記載の制御装置。
10. 前記ケーブル制御手段は、空気シリンダーによって前記作動手段から離れるように偏らされていることを特徴とする請求項９に記載の制御装置。
11. 加工手段と加工製品との間の距離の測定に関して加工手段を一次元に作動し、加工手段と加工製品との間の距離は、高さセンサ装置によって測定され、高さセンサ装置は、加工手段の少なくとも一部に配置されている遠隔制御装置であって、
    加工手段に連結されている第１構成端部と第２構成端部とを含み、加工手段を一次元に操作する変換手段と、
    加工手段には連結されず第２構成端部に連結され、加工手段を遠隔操作する作動手段と、
    前記作動手段を制御する制御手段とを備え、
    前記制御手段は、加工手段と加工製品との間の距離を検知する高さセンサ装置に接続され、
    前記高さセンサ装置は、前記制御手段に信号を送ることによって、高さセンサ装置により測定された距離に従って作動手段に加工手段を作動するように指示することを特徴とする遠隔制御装置。
12. 前記加工手段は、レーザ加工ヘッド、接着ヘッド、プラズマヘッドおよびワイヤ送り溶接ヘッドのうちのいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１１に記載の遠隔制御装置。
13. 前記変換手段は、加工手段に連結される第１端部と、作動手段に連結される第２端部とを有するケーブル制御手段を含むことを特徴とする請求項１１に記載の遠隔制御装置。
14. 前記作動手段は、円筒状ねじ留め手段を含むことを特徴とする請求項１１に記載の遠隔制御装置。
15. 加工製品をレーザ加工する方法であって
    加工製品上におけるレーザ加工ヘッドの動作を指示する制御装置に連結され、さらに加工製品との間の距離を測定するセンサを含むレーザ加工ヘッドを用意する工程と、
    前記センサと加工製品との間の距離を測定する工程と、
    前記測定距離に基づいて、前記センサから離れた位置にある前記作動手段の動作を生成する工程と、
    前記作動手段の動作を、前記レーザ加工ヘッドが前記加工製品に向かうおよび前記加工製品から離れる直線状の動きに変換する工程とを含むことを特徴とするレーザ加工する方法。
16. 前記測定距離を前記センサから高さセンサ電子回路部に伝達する工程と、
    前記測定距離に基づく信号を、前記高さセンサ電子回路部から前記作動手段に伝達する工程とを含むことを特徴とする請求項１５に記載のレーザ加工する方法。
17. 前記作動手段の前記動作を変換する工程は、
    前記作動手段と前記レーザ加工ヘッドとの間を相互に連結する変換手段に、前記作動手段の動作を与える工程と、
    前記変換手段を通って伝達される動作に基づいて、前記レーザ加工ヘッドを直線状に操作する工程とを含むことを特徴とする請求項１５に記載のレーザ加工する方法。
18. 前記レーザ加工ヘッドを直線状に操作する工程は、前記レーザヘッドに力をかけることによって、前記レーザヘッドを、前記レーザ加工ヘッドを支持するロボットアームに対して相対的に直線状に動かす工程を含むことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ加工する方法。
19. 前記レーザ加工ヘッドを直線状に操作する工程は、前記作動手段と前記レーザ加工ヘッドとの間を連結するケーブル制御手段に力をかける工程を含むことを特徴とする請求項１７に記載のレーザ加工する方法。
20. ロボットアームに連結されるレーザ加工ヘッドと、
    前記レーザ加工ヘッド中に設置され、前記レーザ加工ヘッドと加工製品との間の高さ測定をする高さセンサと、
    前記レーザ加工ヘッドから離れた位置にある作動手段によって直線状に操作され、前記高さ測定に基づいて前記レーザ加工ヘッドと前記ロボットアームとの間に相対的に直線状の動きを与えるスライド手段とを備えていることを特徴とする加工処理を行うレーザ。

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