JP2014223672A - Method of and device for laser-processing rotor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転体を形態形成または表面研磨するためのレーザ加工方法及び加工装置に関する。 The present invention relates to a laser processing method and a processing apparatus for forming or polishing a surface of a rotating body.
円柱状または円筒状の加工対象物をその中心軸の周りに回転させ、レーザ光をその中心軸からずらして照射するレーザ加工(回転体のレーザ加工)では、加工の進行と共に加工対象物表面におけるレーザ光の入射角が変化するため、単位時間あたりの加工除去量が変化する。そのため、加工除去を行う体積などから必要な加工時間を見積もることが難しく、他の方法で加工終了を判断する必要がある。
加工終了の従来の判断方法として、例えば特許文献1では加工直後に画像にて寸法形状を測定し、加工形状が得られているかを確認する方法が提唱されている。
また、特許文献2には、レーザ加工中の発光光の強度にて終了判断をする方法が記載されている。
In laser processing (laser processing of a rotating body) in which a cylindrical or cylindrical workpiece is rotated around its central axis and laser light is shifted from the central axis (laser processing of a rotating body), the surface of the workpiece is processed along with the progress of processing. Since the incident angle of the laser beam changes, the processing removal amount per unit time changes. Therefore, it is difficult to estimate the required processing time from the volume to be processed and removed, and it is necessary to determine the end of processing by another method.
As a conventional method for determining the end of processing, for example,
Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228561 describes a method for determining termination based on the intensity of emitted light during laser processing.
特許文献1の方法では、形態の確認・再加工を繰り返す為、処理に時間がかかる問題があった。特許文献2の方法では、レーザ光照射部の発光強度は加工対象物の内部組成の揺らぎなどによる影響を受けるため、発光強度と現状の加工量を精度良く対応付けることが難しい問題があった。
また、このような回転体のレーザ加工においては、加工時に加工対象物の軸心を回転中心として回転させることを想定しているが、加工対象物の一端部を回転機にチャッキングする際に、回転中心と加工対象物の軸心との間に僅かなズレが生じることで、加工時に軸振れが生じて加工精度の低下を招くおそれがある。このため、精密加工を行う場合には、加工対象物のチャッキングの際の軸ずれにより生じる軸振れの影響を取り除く必要がある。
The method of
Further, in the laser processing of such a rotating body, it is assumed that the processing object is rotated around the axis center of the processing object at the time of processing, but when chucking one end of the processing object to the rotating machine The slight deviation between the center of rotation and the axis of the workpiece may cause shaft runout during machining, leading to a reduction in machining accuracy. For this reason, when performing precision machining, it is necessary to remove the influence of the shaft runout caused by the axis deviation when chucking the workpiece.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、加工対象物の軸振れの測定と補正を高精度で行うことができ、加工精度を向上させたレーザ加工方法及び加工装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides a laser processing method and a processing apparatus capable of measuring and correcting axial runout of a processing object with high accuracy and improving processing accuracy. For the purpose.
本発明は、加工対象物を保持して回転しながら加工用レーザ光を照射して、前記加工対象物を加工するレーザ加工方法であって、前記加工対象物の加工前に、前記加工対象物を回転させるとともに、測定用レーザ光をその照射方向が前記加工対象物の回転中心に対してずれた配置となるように照射し、前記加工対象物の表面で反射させて、その反射光の変化を測定することにより、前記加工対象物の軸心と前記回転中心との軸ずれにより生じる軸振れの大きさを算出し、その算出値に基づいて前記加工用レーザ光の照射位置を調整することを特徴とする。 The present invention is a laser processing method for processing a processing object by irradiating a processing laser beam while holding and rotating the processing object, and before processing the processing object, the processing object The measurement laser beam is irradiated so that the irradiation direction is shifted with respect to the rotation center of the object to be processed, and reflected by the surface of the object to be processed. Measuring the amount of axial runout caused by the axial deviation between the axis of the workpiece and the center of rotation, and adjusting the irradiation position of the processing laser light based on the calculated value It is characterized by.
加工対象物を回転させながら測定用レーザ光を照射すると、加工対象物の表面で測定用レーザ光が反射する。この反射光は、測定用レーザ光の照射方向が加工対象物の回転中心に対してずれて配置されていることから、加工対象物の外周面で反射して照射方向と異なる方向に照射される。この際、加工対象物の軸心と回転中心とが一致していれば、加工対象物が回転しても測定用レーザ光が照射される照射面の傾きが一定であることから、反射光の進行方向は変化することなく一定の方向に照射される。
ところが、加工対象物の軸心と回転中心とがずれている場合は、測定用レーザ光の照射位置を通過する加工対象物の照射面の傾きが回転に伴い変化することから、反射光の進行方向も変化することになる。
このように、加工対象物の回転に伴う測定用レーザ光の照射位置における反射光の動きから、加工対象物の軸振れの大きさを算出することができる。そして、算出値に基づいて加工用レーザ光の照射位置を加工対象物の回転に伴い追随されることで、加工対象物を取り付ける際に生じる軸ずれを補正でき、軸振れの影響を取り除いた高精度な加工を行うことができる。
When the measurement laser beam is irradiated while rotating the workpiece, the measurement laser beam is reflected on the surface of the workpiece. Since the irradiation direction of the measurement laser beam is shifted with respect to the rotation center of the workpiece, the reflected light is reflected by the outer peripheral surface of the workpiece and irradiated in a direction different from the irradiation direction. . At this time, if the axis of the workpiece matches the center of rotation, the tilt of the irradiation surface irradiated with the measurement laser beam is constant even when the workpiece is rotated. The traveling direction is irradiated in a certain direction without changing.
However, when the axis of the workpiece and the center of rotation are misaligned, the tilt of the irradiated surface of the workpiece passing through the measurement laser beam irradiation position changes with rotation, and the reflected light advances. The direction will also change.
Thus, the magnitude of the axial deflection of the workpiece can be calculated from the movement of the reflected light at the irradiation position of the measurement laser beam accompanying the rotation of the workpiece. Then, the irradiation position of the laser beam for processing is tracked with the rotation of the processing object based on the calculated value, so that the axial deviation that occurs when the processing object is attached can be corrected, and the influence of the axial run-out can be eliminated. Accurate machining can be performed.
本発明のレーザ加工方法において、前記照射方向に平行なz軸とこれに直交するy軸とからなる座標を、前記回転中心を原点として設定したとき、前記測定用レーザ光の反射光の任意の一方向の挙動を測定して、前記軸振れの前記z軸方向の変位と前記y軸方向の変位とを算出し、その算出値に基づいて前記加工用レーザ光の照射位置を調整することを特徴とする。 In the laser processing method of the present invention, when the coordinates composed of the z-axis parallel to the irradiation direction and the y-axis orthogonal thereto are set with the rotation center as the origin, any reflected light of the measurement laser light Measuring a behavior in one direction, calculating a displacement in the z-axis direction and a displacement in the y-axis direction of the axial runout, and adjusting an irradiation position of the processing laser light based on the calculated value Features.
本発明のレーザ加工方法において、前記加工対象物を保持して回転しながら前記加工用レーザ光をその照射方向が前記加工対象物の回転中心に対してずれた配置となるように照射して、前記加工対象物を加工するとともに、前記加工対象物の表面で前記加工用レーザ光を反射させ、加工進行に伴う反射光の変化により加工終点を判定することを特徴とする。 In the laser processing method of the present invention, while holding and rotating the workpiece, the laser beam for processing is irradiated so that the irradiation direction is shifted from the rotation center of the workpiece, While processing the said process target object, the said process laser beam is reflected on the surface of the said process target object, and a process end point is determined by the change of the reflected light accompanying process progress, It is characterized by the above-mentioned.
加工対象物を回転させながら加工用レーザ光を照射して加工すると、加工対象物の表面で加工用レーザ光が反射する。この反射光は、加工用レーザ光の照射方向が加工対象物の回転中心に対してずれた配置となっているので、加工進行に伴う加工用レーザ光の照射位置におけるビーム径、照射位置等の変化が拡大して反射光に反映される。この反射光による拡大した加工用レーザ光の変化から加工終点を判定することができ、高精度の判定を行うことができる。例えば、加工対象物の表面でのビーム径や照射位置のミクロン単位の変化を反射光ではミリ単位に増幅することができ、この増幅された反射光の変化から加工終点を高精度に判定することができる。
また、加工用レーザ光の照射方向と回転中心とのずれの方向及び寸法は、測定用レーザ光の場合と異なっていてもよい。
When processing is performed by irradiating the processing laser light while rotating the processing target, the processing laser light is reflected on the surface of the processing target. Since this reflected light is arranged so that the irradiation direction of the processing laser light is deviated from the rotation center of the processing object, the beam diameter, the irradiation position, etc. at the irradiation position of the processing laser light as the processing proceeds The change is magnified and reflected in the reflected light. The processing end point can be determined from the change in the processing laser beam expanded by the reflected light, and high-precision determination can be performed. For example, the beam diameter on the surface of the workpiece and the change in the irradiation position in microns can be amplified in millimeters with the reflected light, and the processing end point can be determined with high accuracy from this amplified reflected light change. Can do.
Further, the direction and dimension of deviation between the irradiation direction of the processing laser beam and the rotation center may be different from those in the case of the measurement laser beam.
本発明のレーザ加工方法において、前記加工用レーザ光の加工位置の変化に対応する前記反射光の位置の変化から前記加工終点を判定することができる。
加工対象物からの反射光の位置の変化は、加工用レーザ光の加工位置の変化に対して拡大されるので、その反射光の位置の変化から高精度に終点判定することができる。
In the laser processing method of the present invention, the processing end point can be determined from a change in the position of the reflected light corresponding to a change in the processing position of the processing laser light.
Since the change in the position of the reflected light from the processing object is enlarged with respect to the change in the processing position of the processing laser light, the end point can be determined with high accuracy from the change in the position of the reflected light.
また、本発明のレーザ加工方法において、前記加工対象物の表面状態に対応する前記反射光の径の変化から前記加工終点を判定することができる。
加工対象物の表面を研磨する場合には、加工用レーザ光の反射光の径は、加工対象物の表面が粗い場合には加工用レーザ光が乱反射するため大きくなり、表面が平滑になるほど小さくなる。この反射光の径の変化から加工対象物の表面研磨の終点判定をすることができる。
In the laser processing method of the present invention, the processing end point can be determined from a change in the diameter of the reflected light corresponding to the surface state of the processing object.
When polishing the surface of an object to be processed, the diameter of the reflected light of the laser beam for processing increases when the surface of the object to be processed is rough because the laser beam for processing diffuses, and decreases as the surface becomes smoother. Become. The end point of the surface polishing of the workpiece can be determined from the change in the diameter of the reflected light.
本発明の加工方法において、前記加工対象物の半径方向寸法の局部的な変化に対応する反射光の振動の変化から前記加工終点を判定することができる。
加工対象物の表面に局部的な突起等が存在する場合、加工用レーザ光の反射方向が突起により変化することにより、反射光に振動が生じる。この振動の幅は加工の進行に伴う突起の縮小により小さくなる。したがって、反射光の振幅の減少が基準値に達したところで加工終点と判定することができる。
In the processing method of the present invention, the processing end point can be determined from a change in the vibration of reflected light corresponding to a local change in the radial dimension of the workpiece.
When local protrusions or the like are present on the surface of the processing object, the reflected light is vibrated by changing the reflection direction of the processing laser light due to the protrusions. The width of this vibration is reduced by the reduction of the protrusion as the processing proceeds. Therefore, when the decrease in the amplitude of the reflected light reaches the reference value, it can be determined that the processing end point.
本発明のレーザ加工方法において、前記測定用レーザ光又は前記加工用レーザ光の反射光をスクリーンに投影し、その投影光から前記反射光の変化を検出するとよい。
測定用又は加工用のレーザ光の反射光の挙動をスクリーンに投影することにより、加工対象物の軸振れの有無や加工時の加工終点を目視等により容易かつ正確に判定することができる。
In the laser processing method of the present invention, the measurement laser light or reflected light of the processing laser light may be projected onto a screen, and a change in the reflected light may be detected from the projected light.
By projecting the behavior of the reflected light of the laser beam for measurement or processing onto the screen, it is possible to easily and accurately determine the presence or absence of axial deflection of the processing target and the processing end point during processing by visual observation or the like.
本発明のレーザ加工装置は、加工対象物を保持して回転するワーク保持手段と、前記加工対象物に測定用レーザ光をその照射方向が回転中心に対してずれた配置となるように照射する測定用レーザ光照射手段と、前記加工対象物の表面で反射した前記測定用レーザ光の反射光の変化により前記加工対象物の軸心と前記回転中心との軸ずれを検出してその算出値を算出する補正手段と、前記算出値に基づいて前記加工対象物を加工する加工用レーザ照射手段と、前記加工対象物の表面で反射した前記加工用レーザ光の反射光の変化により加工終点を判定可能な終点判定手段を有することを特徴とする。 The laser processing apparatus of the present invention irradiates the workpiece with a workpiece holding means that holds and rotates the workpiece so that the laser beam for measurement is arranged with the irradiation direction shifted from the rotation center. Measured laser beam irradiation means and a calculated value by detecting an axial deviation between the axis of the workpiece and the rotation center based on a change in reflected light of the measurement laser beam reflected on the surface of the workpiece. A processing laser irradiation unit for processing the processing object based on the calculated value, and a processing end point by a change in reflected light of the processing laser light reflected on the surface of the processing object. It has an end point determination means that can be determined.
本発明によれば、回転する加工対象物の軸振れの算出と補正を高精度で行うことができるので、加工精度を向上させることができる。 According to the present invention, since the calculation and correction of the axial runout of the rotating workpiece can be performed with high accuracy, the machining accuracy can be improved.
以下、本発明に係るレーザ加工方法及びレーザ加工装置の一実施形態を図面を参照しながら説明する。
まず、レーザ加工装置の実施形態について説明する。この実施形態のレーザ加工装置1は、図1に示すように、加工対象物wに加工用レーザ光L1を照射して加工する装置である。レーザ加工装置1は、加工対象物wに加工用レーザ光L1及び測定用レーザL2を照射するレーザ照射手段2と、加工対象物wを保持した状態で回転及びx,y,z軸方向に移動可能なステージを有するワーク保持手段3と、加工対象物wの表面で反射した加工用レーザ光L1の反射光R1の変化により加工終点を判定可能な終点判定手段4(図2参照)と、加工対象物wの表面で反射した測定用レーザ光L2の反射光R2の変化により加工対象物wの軸心と回転中心との軸ずれを検出して、補正値を算出する補正手段5(図3参照)と、これらを制御するコンピュータからなる制御手段6とを備える。
Hereinafter, an embodiment of a laser processing method and a laser processing apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
First, an embodiment of a laser processing apparatus will be described. As shown in FIG. 1, the
レーザ照射手段2は、例えばレーザ光を一定の繰り返し周波数でパルス発振するレーザ光源11と、レーザ光の広がりを調整するビーム調整部12と、照射するレーザ光を走査させるガルバノスキャナ13と、レーザ光をスポット状に集光する集光レンズ14と、光路を屈曲する複数のミラーm1,m2とを備えている。
レーザ光源11には、190nm〜1100nmの波長のレーザ光を照射できる光源を使用することができ、例えば本実施形態では、波長355nmのレーザ光を発振して出射できるものを用いている。また、本実施形態においては、レーザ光源11の出力を調整することによりレーザ光のエネルギー密度を調整して、異なるエネルギー密度の加工用レーザ光L1と測定用レーザ光L2とを照射することとしている。そして、測定用レーザ光L2は、加工対象物wの加工閾値よりも低く、加工用レーザ光L1よりも低いエネルギー密度に設定される。
なお、加工用レーザ光L1を照射するレーザ光源と測定用レーザ光L2を照射するレーザ光源とを別々に設けることもできる。
The laser irradiation means 2 includes, for example, a
As the
Note that a laser light source for irradiating the processing laser light L1 and a laser light source for irradiating the measuring laser light L2 may be provided separately.
ワーク保持手段3は、加工対象物wを把持するチャック21と、このチャック21を回転する回転機構22と、この回転機構22を搭載してx,y,z軸方向に移動可能なステージ23x〜23zを有している。具体的には、水平面に平行なx方向に移動可能なx軸ステージ部23xと、そのx軸ステージ部23xの下に設けられx方向に対して垂直で、かつ水平面に平行なy方向に移動可能なy軸ステージ部23yと、y軸ステージ部23yの下に設けられ水平面に対して垂直方向に移動可能なz軸ステージ部23zとを備える構成とされている。
The work holding means 3 includes a
また、レーザ加工装置1には、加工対象物wの表面で反射する加工用レーザ光L1の反射光R1及び測定用レーザ光L2の反射光R2の双方を受光可能な受光手段31が備えられる。そして、補正手段5は、図3に示すように、この受光手段31と、受光手段31で受光された反射光R2から加工対象物wの軸心Oと回転中心Cとの軸ずれにより生じる軸振れの大きさを算出する算出部37から構成される。また、終点判定手段4は、図2に示すように、受光手段31により加工対象物wの表面で反射する加工用レーザ光L1の反射光R1を受光し、この反射光R1から加工終点を判定するコンピュータからなる判定部32により構成される。
受光手段31は、図2及び図3に示すように、本実施形態では反射光R1又はR2を投影するスクリーン33と、このスクリーン33に投影された反射光R1,R2の投影光S1,S2の挙動を観察する撮像手段34とから構成される。スクリーン33は、図示例の場合は、その表面が垂直方向(z軸方向)に沿って設けられているが、反射光R1,R2を投影できる姿勢であれば、必ずしも垂直方向でなくてもよく、垂直方向に対して傾斜した姿勢も可能であり、また、平面状のもの以外にも円弧面状等であってもよい。また、本実施形態では透過型のスクリーンが用いられている。
Further, the
As shown in FIGS. 2 and 3, in the present embodiment, the light receiving means 31 projects a
撮像手段34は、例えばCCDカメラ等の撮像機器35が透過型のスクリーン33の背部に配置され、スクリーン33上の投影光S1,S2の移動を追跡できるように移動機構36が備えられている。移動機構36は、本実施形態の場合、投影光S1,S2が垂直方向に移動するため、撮像機器35を垂直方向に沿うレール36a上で上下に移動する構成である。
スクリーンを反射型とする場合は、スクリーンの前面(反射面)の前方に撮像手段を配置すればよい。
判定部32は、スクリーン33上の終点位置の座標が予め記憶されており、後述するように投影光S1がスクリーン33上でその終点位置に到達したときに加工終点であると判定する。この判定部32は図1に示すように制御部6に設けられる。
The imaging means 34 is provided with a moving
When the screen is a reflection type, the image pickup means may be arranged in front of the front surface (reflection surface) of the screen.
The
次に、このレーザ加工装置1を用いて加工対象物wを加工する方法について説明する。
まず、ワーク保持手段3のチャック21に加工対象物wを固定する。そして、加工対象物wの加工開始前に、加工対象物wの軸心Oとワーク保持手段3の回転中心Cとの軸ずれにより生じる加工対象物wの軸振れの大きさを算出する。
軸振れの大きさの算出は、加工対象物wに測定用レーザ光L2を定点照射し、回転機構22によって加工対象物wを回転しながら、加工対象物wの表面で反射した反射光R2のスクリーン33への投影光S2を測定することにより行う。また、測定用レーザ光L2の照射方向に平行なz軸とこれに直交するy軸とからなる座標を、加工対象物wの回転中心Cを原点として設定し、測定用レーザ光L2の反射光R2のz軸方向の挙動を測定することにより、軸振れのz軸方向の変位とy軸方向の変位とを算出する。
測定用レーザ光L2は、回転中心Cに対して水平方向(y軸方向)に距離aずれた位置に定点照射する。そして、測定用レーザ光L2は、加工対象物wの表面で反射して、この反射光R2を受けるように配置された受光手段31のスクリーン33に反射光R2が投影される。
Next, a method for processing the workpiece w using the
First, the workpiece w is fixed to the
The calculation of the magnitude of the axial deflection is performed by irradiating the processing object w with the measuring laser beam L2 at a fixed point and rotating the processing object w by the
The measurement laser beam L2 is irradiated at a fixed point to a position shifted by a distance a in the horizontal direction (y-axis direction) with respect to the rotation center C. Then, the measurement laser beam L2 is reflected on the surface of the workpiece w, and the reflected light R2 is projected onto the
加工対象物wの軸心Oと回転中心Cとが一致する場合は、加工対象物wが回転しても測定用レーザ光L2が照射される加工対象物wの照射面の傾きが一定であることから、反射光R2の進行方向は変化することなく一定の方向に照射される。
一方、加工対象物wの軸心Oと回転中心Cとがずれている場合は、測定用レーザ光L2の照射位置を通過する加工対象物wの照射面の傾きが回転に伴い変化することから、反射光R2の進行方向が変化する。したがって、加工対象物wの回転に伴いスクリーン33上の投影光S2の投影位置が変化し、変化した投影光S2の投影位置から加工対象物wの軸心Oと回転中心Cとの軸ずれにより生じる軸振れの大きさを算出することができる。そして、その算出値に基づいて加工対象物wの加工時における補正値を算出する。
When the axis O and the rotation center C of the workpiece w coincide with each other, the tilt of the irradiation surface of the workpiece w irradiated with the measurement laser light L2 is constant even when the workpiece w rotates. Therefore, the traveling direction of the reflected light R2 is irradiated in a certain direction without changing.
On the other hand, when the axis O and the rotation center C of the workpiece w are shifted, the inclination of the irradiation surface of the workpiece w passing through the irradiation position of the measurement laser beam L2 changes with rotation. The traveling direction of the reflected light R2 changes. Therefore, the projection position of the projection light S2 on the
補正値の算出方法について、図4及び図5を参照しながら説明する。
図5は、円柱形の加工対象物wをチャック21に取り付けた際に生じる加工対象物wの軸心Oと、チャック21により回転される加工対象物wの回転中心Cとの関係を示す。
図4及び図5において、測定用レーザ光L2は、光軸(測定用レーザ光L2と同じ符号L2を用いる)L2のy座標(加工対象物wの回転中心Cからの水平距離)を一定値aに保ち、加工対象物wに垂直方向(z軸方向)に沿って照射される。また、スクリーン33は、加工対象物wの回転中心Cから距離Hの位置に例えば垂直に配置される。
The correction value calculation method will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG.
FIG. 5 shows a relationship between the axis O of the workpiece w generated when the cylindrical workpiece w is attached to the
4 and 5, the measurement laser beam L2 has a constant value on the y coordinate (horizontal distance from the rotation center C of the workpiece w) of the optical axis (using the same symbol L2 as the measurement laser beam L2) L2. While maintaining a, the workpiece w is irradiated along the vertical direction (z-axis direction). Moreover, the
加工対象物wの軸振れが発生している場合、図5に示すように、加工対象物wの軸心Oのy軸方向の変位(y座標)Δyxθ及びz軸方向の変位(z座標)Δzxθは円運動の変化をすることから、投影光S2のz座標の変化量により加工対象物wの軸振れの大きさRxを求めることができる。そして、軸振れの大きさRxに基づいて加工用レーザ光L1の照射位置を加工対象物wの回転に伴い追随させることで、加工対象物wをワーク保持手段3に取り付ける際に生じる軸ずれを補正でき、加工時において軸振れの影響を取り除くことができる。
補正値のy座標Δyxθ及びz座標Δzxθは、次の関係式及び図4の作図により求められる。
When the axial wobbling of the workpiece w occurs, as shown in FIG. 5, the displacement (y coordinate) Δy xθ and the displacement (z coordinate) in the y-axis direction of the axis O of the workpiece w ) Δz xθ changes in circular motion, and therefore the magnitude R x of the axial wobbling of the workpiece w can be obtained from the amount of change in the z coordinate of the projection light S2. Then, the axis deviation caused when the workpiece w is attached to the workpiece holding means 3 by causing the irradiation position of the machining laser beam L1 to follow the rotation of the workpiece w based on the magnitude Rx of the shaft runout. Can be corrected, and the influence of shaft runout during machining can be removed.
The y coordinate Δy xθ and the z coordinate Δz xθ of the correction value are obtained by the following relational expression and the drawing of FIG.
上式において、各変数の添え字には「θ」と「x」が用いられているが、これらの変数が軸振れ角θ又はx座標の位置に伴い変化する値であることを示している。そして、上式から、加工対象物wの軸心Oのy座標Δyxθ及びz座標Δzxθを、軸振れ角θと投影光S2のz座標(zxθ)との関係式で表すことができる。
例えば、加工対象物wが、角速度ω、初期位相θ0で回転する場合には、時間t経過に伴う加工対象物wの軸心Oのy座標Δyxθ及びz座標Δzxθは、以下の関係式により求めることができる。
In the above equation, “θ” and “x” are used as subscripts for each variable, which indicates that these variables are values that change according to the axial deflection angle θ or the position of the x coordinate. . From the above equation, the y coordinate Δy xθ and the z coordinate Δz xθ of the axis O of the workpiece w can be expressed by a relational expression between the axial deflection angle θ and the z coordinate (z xθ ) of the projection light S2. .
For example, when the workpiece w rotates at an angular velocity ω and an initial phase θ 0 , the y-coordinate Δy xθ and the z-coordinate Δz xθ of the axis O of the workpiece w over time t have the following relationship: It can be obtained by an expression.
以上の関係式を用いることで、投影光S2のz座標の測定値から、測定用レーザ光L2が照射される位置のx座標における軸振れの大きさRxを求めることができる。また、スクリーン33上の投影光S2のz座標が、加工対象物wの回転に伴い変化するが、このときの投影光S2のz座標の変化量から、加工対象物wのy座標Δyxθ及びz座標Δzxθを求めることができる。そして、これらの算出値に基づいて加工用レーザ光L1の照射位置をガルバノスキャナ13やステージ部23x〜23zを操作して加工対象物wの回転に伴い追随させることで、加工対象物wを回転機に取り付ける際に生じる軸ずれを補正することができる。
By using the above equation, it is possible to calculate the size R x from the measurement value of the z coordinate of the projected light S2, axial deflection in the x-coordinate of the position where the measuring laser light L2 is irradiated. Further, the z coordinate of the projection light S2 on the
次に、加工対象物wの外径を縮小する加工など、形態加工する場合について説明する。
加工用レーザ光L1とステージ部23x〜23zとを制御して加工対象物wに加工用レーザ光L1を照射し、回転機構22によって加工対象物wを回転しながら所望の外径に加工する。このとき、予め取得しておいた軸振れの算出値により加工対象物w又は加工用レーザ光L1の照射位置が調整され、あたかも加工対象物wの軸心Oと回転中心軸Cとが一致した状態と同様に加工対象物wが加工される。このため、軸振れの影響を取り除いて加工対象物wに高精度な加工を行うことができる。
以下、加工対象物wの形態加工の説明を簡単に行うために、加工対象物wの軸心Oと回転中心軸Cとは一致しているものとして説明する。
Next, a description will be given of a case where form processing is performed, such as processing for reducing the outer diameter of the workpiece w.
The processing laser light L1 and the
Hereinafter, in order to simply explain the shape processing of the workpiece w, the description will be made assuming that the axis O of the workpiece w and the rotation center axis C coincide with each other.
加工対象物wの回転中心軸Cに対して水平方向(y軸方向)にずれた位置に加工用レーザ光L1を照射する。加工用レーザ光L1は、加工対象物wを加工する際に、一部が加工対象物wの表面で反射する。この反射光R1を受けるように受光手段31のスクリーン33が配置されており、スクリーン33に反射光R1が投影される。加工対象物wは、加工用レーザ光L1による加工の進行に伴い直径が小さくなり、その直径の縮小に応じて表面の位置が変化する。このため、加工用レーザ光L1は、加工の進行に応じて加工対象物wの表面の反射位置がz軸方向に変化するとともに、表面の曲率半径が小さくなることから加工対象物wへの入射角(加工対象物表面の法線となす角度)も徐々に大きくなる。この反射位置及び入射角の変化に対応して、反射光R1の径の広がり及び反射方向が変化し、スクリーン33上の投影光S1の大きさ及び投影位置も変化する。
本発明は、この反射光R1の投影光S1の移動状況から加工終了時を判定する。
The processing laser beam L1 is irradiated to a position shifted in the horizontal direction (y-axis direction) with respect to the rotation center axis C of the workpiece w. A part of the processing laser beam L1 is reflected by the surface of the processing target object w when processing the processing target object w. The
In the present invention, the end of processing is determined from the movement state of the projection light S1 of the reflected light R1.
この形態加工時における加工終了判定の具体的方法について、図6を参照しながら説明する。
図6は円柱形の加工対象物wを半径r0からr1へ外径補正をする際の加工方法である。この加工の場合は、加工用レーザ光の径の広がりの変化ではなく、加工対象物表面における加工用レーザ光の中心(光軸)のz軸方向の位置変化により加工終了を判定する。
加工用レーザ光の光軸(加工用レーザ光と同じ符号を用いる)L1のy座標(加工対象物wの回転中心からの水平距離)を一定値aに保って加工対象物wに垂直方向(z軸方向)に沿って加工用レーザ光L1を照射する。また、スクリーン33は、加工対象物wの回転中心Cから距離Hの位置に例えば垂直に配置する。
A specific method for determining the end of machining during this form machining will be described with reference to FIG.
FIG. 6 shows a processing method for correcting the outer diameter of the cylindrical workpiece w from the radius r 0 to r 1 . In the case of this processing, the end of processing is determined not by the change in the spread of the diameter of the processing laser beam but by the change in the position of the center (optical axis) of the processing laser beam on the surface of the processing target in the z-axis direction.
The optical axis of the processing laser beam (using the same sign as the processing laser beam) L1 is maintained in the y-coordinate (horizontal distance from the center of rotation of the processing target w) at a constant value a in a direction perpendicular to the processing target w ( The processing laser light L1 is irradiated along the z-axis direction). Further, the
加工の進行とともに、加工対象物wからの反射光R1は、図6のR0からR1に中心が移動し、スクリーン33上の投影光の中心が初期位置z0から−z方向へ移動する。この投影光の中心が、加工対象物wの加工終了点である半径r1となったときに相当するz座標の値であるz1に達したときを加工終了と判定すれば良い。
この加工終了位置の座標z1は次の関係式により求められる。
With the progress of machining, reflected light R1 from the workpiece w, the center is moved to the R 1 from R 0 in FIG. 6, the center of the projected light on the
The coordinate z 1 of this processing end position is obtained by the following relational expression.
n=0が加工初期、n=1が加工終了時を示す。
上式によると、例えば初期値をr0=50mm、a=38mm、L=300mmとした場合、z0≒−8.7mmとなる。半径方向に100μm加工し、r1=49.9mmとすると、z1≒−10.1mmとなり、z0とz1の差分Δzは約1.4mmとなり、投影光の移動量は加工対象物w表面における加工量よりも大幅に拡大されることがわかる。なお、Δzは、距離Hやスクリーンのz軸に対する傾斜角を変えることで、更に高めることも可能である。
n = 0 indicates the initial processing, and n = 1 indicates the end of processing.
According to the above equation, for example, when the initial values are r 0 = 50 mm, a = 38 mm, and L = 300 mm, z 0 ≈−8.7 mm. If 100 μm is processed in the radial direction and r 1 = 49.9 mm, z 1 ≈−10.1 mm, the difference Δz between z 0 and z 1 is about 1.4 mm, and the amount of movement of the projection light is the workpiece w It can be seen that the processing amount on the surface is greatly enlarged. Note that Δz can be further increased by changing the distance H and the tilt angle of the screen with respect to the z-axis.
このように、この方法によれば、加工用レーザ光L1の照射方向を加工対象物wの回転中心Cに対してずれた配置とすることで、加工の進行に伴う加工用レーザ光L1の照射位置の変化が拡大して反射光に反映され、スクリーン33上での投影光の位置変化から加工終点を容易に判定することができ、高精度の判定を行うことができる。
Thus, according to this method, the irradiation direction of the processing laser beam L1 with the progress of processing is set by disposing the irradiation direction of the processing laser beam L1 with respect to the rotation center C of the processing target w. The change in position is magnified and reflected in the reflected light, and the processing end point can be easily determined from the change in position of the projection light on the
次に、加工対象物wの表面を研磨する際の加工終了判定について図7から図9を参照して説明する。
この研磨加工では、投影光S1の大きさなどの変化を加工終了の判断基準に出来る。図7は加工対象物wの表面粗さと投影光S1の大きさの関係を模式的に表したものであるが、加工対象物wの表面に加工用レーザ光L1のスポット径よりも十分に小さな凹凸がある場合、その凹凸による散乱が発生するため、投影光S1の直径は、平滑な表面で反射した場合よりも大きくなる。レーザ加工の進行につれて加工対象物wは平滑化されるため、投影光S1の直径は減少する。図8にこれを拡大して示したように、表面の凹凸が大きい加工初期の状態では、加工用レーザ光L1の反射光が乱反射により実線矢印で示すように広がることから、前述したように投影光の直径が大きくなり、これに対して、加工終了時に平滑化した加工対象物wの表面では図8の二点鎖線矢印で示すように反射光の広がりが小さくなり、これにより投影光の直径も小さくなる。
この投影光の直径の変化をグラフに表示したのが、図9であり、この投影光の直径が予め定めた基準値に達した時を加工終了時とすれば良い。
Next, the processing end determination when the surface of the workpiece w is polished will be described with reference to FIGS.
In this polishing process, changes such as the size of the projection light S1 can be used as a criterion for determining the end of the process. FIG. 7 schematically shows the relationship between the surface roughness of the workpiece w and the size of the projection light S1, but is sufficiently smaller than the spot diameter of the processing laser beam L1 on the surface of the workpiece w. When there is unevenness, scattering due to the unevenness occurs, so that the diameter of the projection light S1 becomes larger than when reflected by a smooth surface. Since the workpiece w is smoothed as the laser processing proceeds, the diameter of the projection light S1 decreases. As shown in FIG. 8 in an enlarged manner, the reflected light of the processing laser beam L1 spreads as shown by the solid line arrow due to irregular reflection in the initial processing state where the surface has large irregularities, so that the projection is performed as described above. On the other hand, the diameter of the light increases, and on the surface of the workpiece w smoothed at the end of the processing, the spread of the reflected light decreases as shown by the two-dot chain arrow in FIG. Becomes smaller.
FIG. 9 shows the change in the diameter of the projection light in a graph. The time when the diameter of the projection light reaches a predetermined reference value may be regarded as the end of processing.
なお、加工対象物w表面の凹凸の大きさが加工用レーザ光L1のスポット径と同程度以上に大きく、加工対象物wの半径方向寸法が局部的に変化する場合は、加工対象物wの回転に伴い、凹凸により投影光が不規則に振動するように動くため、その振動の振幅を基準とすれば良い。図10は、加工対象物wの表面の加工用レーザ光L1が照射される位置に大きな突起Pが存在する場合を示しており、加工対象物wが回転すると、加工用レーザ光L1の反射光R1の反射方向が例えば実線矢印と二点鎖線矢印との間で振れるように移動する。加工の進行に伴い、突起Pが小さくなると、反射光R1の振幅も小さくなるので、スクリーンに投影している場合は、投影光の移動の振幅が小さくなる。この振幅が予め定めた基準値以下となったときに加工終了と判定すればよい。 In addition, when the size of the unevenness on the surface of the workpiece w is larger than the spot diameter of the laser beam L1 for machining and the radial dimension of the workpiece w changes locally, Since the projection light moves so as to vibrate irregularly due to the unevenness as it rotates, the amplitude of the vibration may be used as a reference. FIG. 10 shows a case where a large protrusion P is present at a position where the processing laser beam L1 is irradiated on the surface of the processing target w. When the processing target w rotates, the reflected light of the processing laser light L1 is shown. The reflection direction of R1 moves so as to swing, for example, between a solid line arrow and a two-dot chain line arrow. As the projection P decreases with the progress of processing, the amplitude of the reflected light R1 also decreases. Therefore, when projected onto the screen, the amplitude of movement of the projection light decreases. What is necessary is just to determine with the completion | finish of a process, when this amplitude becomes below a predetermined reference value.
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、反射光R1,R2を受ける受光手段としては、スクリーン33と撮像手段34の組み合わせ以外の構成であってもよい。例えば、形態加工の際には、反射光R1の移動経路上に複数個の光電変換素子を並べておき、加工終点位置に対応する光電変換素子が受光したことで加工終点を判定する構成でもよい。また、表面研磨の場合は、反射光を複数個の光電変換素子により受光し、その径の縮小に伴い受光し得る光電変換素子の個数が減少するので、予め設定した個数まで減少したときを加工終了と判定すればよい。また、加工対象物の表面に大きな突起が存在する場合も、反射光の振動方向に沿って複数の光電変換素子を並べておき、反射光の振動範囲内で受光した光電変換素子の個数が減少することにより加工終了を判定すればよい。これらの場合は、投影光ではなく、光電変換素子に反射光が直接受光される。
また、本実施形態では、測定用レーザ光と加工用レーザ光ともに、レーザ光の照射方向と回転中心とのずれの方向及び寸法を同じにしたが、異なっていてもよい。
In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various change can be added in the range which does not deviate from the meaning of this invention.
For example, the light receiving means for receiving the reflected lights R1 and R2 may have a configuration other than the combination of the
In the present embodiment, the measurement laser beam and the processing laser beam have the same direction and size of deviation between the irradiation direction of the laser beam and the rotation center, but they may be different.
1 レーザ加工装置
2 レーザ照射手段
3 ワーク保持手段
4 終点判定手段
5 補正手段
6 制御手段
11 レーザ光源
12 ビーム調整部
13 ガルバノスキャナ
14 集光レンズ
21 チャック
22 回転機構
23x x軸ステージ
23y y軸ステージ
23z z軸ステージ
31 受光手段
32 判定部
33 スクリーン
34 撮像手段
35 撮像機器
36 移動機構
36a レール
37 算出部
C 回転中心
O 加工対象物の軸心
L1,L2 レーザ光
R1,R2 反射光
S1,S2 投影光
w 加工対象物
m1,m2 ミラー
DESCRIPTION OF
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