JP2018176233A - Laser beam machining method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はレーザー加工方法に関する。 The present invention relates to a laser processing method.
特許文献1には、レーザー発振器から出射したレーザービームをガルバノ偏向機構によって偏向させて、被加工物をレーザービームで一次元的又は二次元的に走査する技術が開示されている。レーザービームの照射箇所が除去されて、レーザービームの強度に応じた深さの除去部(彫り)が形成される。この除去部の底面が加工物の表面となる。
ところが、レーザービームによる走査中はレーザー発振器の出力を変更するよう制御することができず、レーザービームの強度が一定である。そのため、レーザービームの走査軌跡に従った形状の凹部の深さも一定となり、加工物の表面形状を段面等の複雑な三次元形状にすることができない。 However, during scanning by the laser beam, control can not be performed to change the output of the laser oscillator, and the intensity of the laser beam is constant. Therefore, the depth of the recess having a shape according to the scanning trajectory of the laser beam also becomes constant, and the surface shape of the workpiece can not be formed into a complicated three-dimensional shape such as a stepped surface.
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、複雑な表面形状の加工物を加工できるようにすることである。 Therefore, the present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to enable processing of a workpiece having a complicated surface shape.
上記目的を達成するための主たる発明は、被加工物の被加工面を区画したマス目毎にレーザービームで二次元的に走査することによって、前記マス目毎に掘り加工するレーザー加工方法である。 The main invention for achieving the above object is a laser processing method of digging for each square by scanning two-dimensionally with a laser beam for each square that divides the work surface of the workpiece. .
本発明の他の特徴については、後述する明細書及び図面の記載により明らかにする。 Other features of the present invention will become apparent from the description of the specification and the drawings described below.
本発明によれば、マス目毎に深さの異なる加工物を加工することができ、その加工物の表面形状を複雑な三次元形状にすることができる。 According to the present invention, workpieces of different depths can be processed for each square, and the surface shape of the workpiece can be made into a complicated three-dimensional shape.
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されている。そのため、本発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. However, the embodiments described below are subject to various technically preferable limitations for practicing the present invention. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the following embodiments and illustrated examples.
<1.レーザー加工装置>
図1は、レーザー加工装置10の斜視図である。図1には、方向を表す補助線としてX軸、Y軸及びZ軸を図示する。これらX軸、Y軸及びZ軸は互いに直交し、X軸方向及びY軸方向は水平な方向であり、Z軸方向は鉛直な方向である。但し、X軸、Y軸及びZ軸が互いに直交しさえすれば、Z軸が鉛直でなくてもよい。
<1. Laser processing equipment>
FIG. 1 is a perspective view of a
レーザー加工装置10は、保持具20、XY駆動機構30、加工ヘッド40、レーザー発振器41、光学系42、ガルバノ偏向機構43,44、fθレンズ45及び制御部50等を備える。
The
保持具20は、被加工物90を保持するチャックである。保持具20による被加工物90の保持の態様は特に限定されるものではない。例えば、保持具20は、被加工物90を挟み込むクランパー(バイス)、又は、被加工物90を負圧により吸着する真空チャックである。被加工物90が保持具20に直接固定されてもよいし、ホルダを介して保持具20に固定されてもよい。被加工物90が保持具20に固定された状態では、被加工物90の表面である被加工面91が露出して上方に向けられている。被加工面91はX軸及びY軸に対して平行な平面である。
The
この保持具20の下にXY駆動機構30が設けられている。XY駆動機構30は、X軸及びY軸に平行なXY平面に沿って保持具20及び被加工物90を変位させる。ここで、XY駆動機構30は、モータ及び直動伝動機構等から構成されるX軸方向駆動機構31及びY軸方向駆動機構32を有する。X軸方向駆動機構31は、Y軸方向駆動機構32、保持具20及び被加工物90をX軸方向に移動させる。Y軸方向駆動機構32は、保持具20及び被加工物90をY軸方向に移動させる。
An
保持具20及び被加工物90の上方には加工ヘッド40が設けられている。この加工ヘッド40にはレーザー発振器41、光学系42、第一のガルバノ偏向機構43、第二のガルバノ偏向機構44及びfθレンズ45が設けられている。
A
レーザー発振器41は、光の増幅によりレーザービーム2を出射する。
光学系42は、透過型レンズ及び反射ミラー等から構成されている。光学系42は、レーザー発振器41によって出射されたレーザービーム2をコリメートするとともに第一のガルバノ偏向機構43へ入射させる。光学系42にはフォーカシング機構が設けられており、フォーカシング機構によってレーザービーム2のスポット3の径が調整されたり、スポット3のZ軸方向の位置が調整されたりする。
第一のガルバノ偏向機構43は、モータ43aと、モータ43aの出力軸に設けられたガルバノミラー43bとを有する。ガルバノミラー43bは光学系42によってコリメートされたレーザービーム2を第二のガルバノ偏向機構44に向けて反射する。モータ43aがガルバノミラー43bを揺動することによって、ガルバノミラー43bによって反射されるレーザービーム2が偏向される。
第二のガルバノ偏向機構44は、モータ44aと、モータ44aの出力軸に設けられたガルバノミラー44bとを有する。ガルバノミラー44bは第一のガルバノ偏向機構43のガルバノミラー43bによって反射されたレーザービーム2をfθレンズ45に向けて反射する。モータ44aがガルバノミラー44bを揺動することによって、ガルバノミラー44bによって反射されるレーザービーム2が偏向される。
fθレンズ45は保持具20及び被加工物90の上方に配置されている。fθレンズ45は、第二のガルバノ偏向機構44のガルバノミラー44bによって反射されるレーザービーム2を被加工物90に向けて透過させる。なお、fθレンズ45を設けられていなくてもよい。
The
The
The first galvano deflection mechanism 43 has a motor 43a and a galvano mirror 43b provided on the output shaft of the motor 43a. The galvano mirror 43 b reflects the
The second
The
第一のガルバノ偏向機構43によるレーザービーム2の偏向によってレーザービーム2のスポット3がXY平面上をX軸方向に変位し、第二のガルバノ偏向機構44によるレーザービーム2の偏向によってレーザービーム2のスポット3がXY平面上をY軸方向に変位する。fθレンズ45の光学的作用によってレーザービーム2のスポット3の径が位置に関わらず均一になるとともに、スポット3の変位速度が等速度になる。以下では、スポット3による走査範囲の中心位置を走査中心点という。
The
上述したX軸方向駆動機構31、Y軸方向駆動機構32、第一のガルバノ偏向機構43、第二のガルバノ偏向機構44及びレーザー発振器41は、制御部50によって制御される。制御部50は、加工装置10の筐体に設けられている。制御部50は、サーボ制御回路、レーザー制御回路及びマイクロコンピュータ等を有する。この制御部50はCAMシステム55に接続されている。
The
CAMシステム55は、入力装置、表示装置、記憶装置及びコンピュータ等を有するコンピューターシステムである。CAMシステム55は、加工物の形状データ(設計データ、CADデータ)及び加工条件に基づいてzマップデータを生成する処理と、zマップデータを制御部25に出力する処理と、を実行する。zマップデータは、図2に示すように、3次元空間のxy平面を格子状に分割することによって得られる各マス目にz座標値(高さ或いは深さ)の情報を与えることによって、xy平面に平行な多数の小平面81によって加工物モデル80の表面を表現したものである。形状データ(設計データ、CADデータ)によって表現された原モデルは、その形状データに基づいて生成されたzマップデータによって表現された加工物モデル80に内包されており、加工物モデル80の小表面81は原モデルの表面よりも外側に設定される。つまり、加工物モデル80の小表面81のz座標値は、小表面81と同一のxy範囲(x軸方向及びy軸方向の範囲)内における原モデルの表面のz座標よりも高く設定される。
The
図3に示すように、zマップデータは、各マス目のx軸方向の範囲(x座標の最小値と最大値)と、各マス目のy軸方向の範囲(y座標の最小値と最大値)と、各マス目の中心点のxy座標値と、各マス目のz座標値とからなるデータ列である。x軸方向の範囲と、y軸方向の範囲と、xy座標値と、z座標値とはマス目毎に設定されている。なお、3次元空間に設定される直交座標系のx軸、y軸及びz軸は、実空間のX軸、Y軸及びZ軸にそれぞれ相当する。 As shown in FIG. 3, the z map data includes a range in the x axis direction of each square (minimum value and maximum value of x coordinate) and a range in the y axis direction of each square (minimum value and maximum y coordinate) It is a data string consisting of a value, xy coordinate values of the center point of each square, and z coordinates of each square. The range in the x-axis direction, the range in the y-axis direction, xy coordinate values, and z coordinate values are set for each square. The x-axis, y-axis and z-axis of the orthogonal coordinate system set in the three-dimensional space correspond to the x-axis, y-axis and z-axis of the real space, respectively.
ここで、各マス目のx軸方向の長さとy軸方向の長さは、予め定められた値でもよいし、使用者が入力装置によって入力した値であってもよい。各マス目のx軸方向の長さとy軸方向の長さがより短ければ、より高精細な表面の加工物を加工することができる。
また、各マス目のz座標値の基準(z=0)は、被加工物90の被加工面91を基準としたものでもよいし、被加工面91の裏面を基準としてもよい。
Here, the length in the x-axis direction and the length in the y-axis direction of each square may be predetermined values, or may be values input by the user using an input device. If the length in the x-axis direction and the length in the y-axis direction of each square are shorter, it is possible to process a workpiece with a higher definition surface.
Further, the reference (z = 0) of the z coordinate value of each square may be based on the
<2.レーザー加工装置の動作及びレーザー加工方法>
図4〜図6を参照して、レーザー加工装置10を用いたレーザー加工方法について説明する。図4〜図6は、レーザー加工装置10によって順次除去される部位を拡大して示した斜視図である。
<2. Operation of laser processing apparatus and laser processing method>
A laser processing method using the
(1)セッティング
まず、使用者が被加工物90を保持具20に固定して、被加工物90の被加工面91を上方に向ける。そして、使用者がCAMシステム55の入力装置によって加工指令を入力する。そうすると、CAMシステム55がzマップデータを生成して、記憶装置に記憶する。更に、CAMシステム55はzマップデータを制御部50に出力する。
(1) Setting First, the user fixes the
(2)位置決め
制御部50がzマップデータに含まれる何れかのマス目の中心点のxy座標値を参照して、そのxy座標値に従ってX軸方向駆動機構31及びY軸方向駆動機構を制御する。そうすると、X軸方向駆動機構31が被加工物90をX軸方向に移動させるとともに、Y軸方向駆動機構32が被加工物90をY軸方向に移動させる。これにより、被加工面91内のマス目の中心点が走査中心点に位置するように、被加工物90が位置決めされる。ここで、被加工面91内のマス目とは、その被加工面91を格子状に区画することによって得られた正方形状又は長方形状の領域のことである。
(2) Positioning The
(3)レーザー走査
次に、制御部50がレーザー発振器41を点灯させるとともに、ガルバノ偏向機構43,44を制御する。そうすると、レーザービーム2がガルバノ偏向機構43,44によって偏向されて、被加工物90の被加工面91に入射するレーザービーム2のスポット3がXY平面に沿って二次元的に変位する。つまり、図4に示すように、被加工面91内のマス目がレーザービーム2のスポット3によって二次元的に走査される。レーザービーム2のスポット3の移動軌跡は例えば以下の(a)〜(d)の何れかであるが、これらに限るものではない。
(3) Laser Scanning Next, the
(a) X軸方向に対して平行であり且つY軸方向にずれた複数の線に沿ったプログレッシブ走査式又はインタレース走査式の軌跡
(b) Y軸方向に対して平行であり且つX軸方向にずれた複数の線に沿ったプログレッシブ走査式又はインタレース走査式の軌跡
(c) 前記した(a)の軌跡と(b)の軌跡を組み合わせた軌跡
(d) 螺旋状の軌跡
(A) A locus of progressive scanning or interlaced scanning along a plurality of lines parallel to the X axis direction and shifted in the Y axis direction (b) parallel to the Y axis direction and the X axis Progressive scan or interlaced scan trajectories (c) along a plurality of misaligned lines (c) Trajectories combining the trajectories of (a) and (b) above (d) Spiral trajectories
マス目をレーザービーム2で二次元走査することによってマス目を深掘り加工すると、マス目には除去部94が形成される。除去部94とは、zマップデータに含まれるx軸方向及びy軸方向の範囲によって規定される四角柱状の彫り(凹部)のことをいう。除去部94の底面95はX軸方向及びY軸方向に平行な正方形型又は長方形型の平面である。
When the mass is deeply processed by two-dimensional scanning with the
ここで、レーザービーム2によるマス目の走査中、制御部50は、zマップデータに含まれるz座標値に基づいてレーザー発振器41の出力及びガルバノ偏向機構43,44の速度を一定に制御しつつ、マス目を二次元的に走査する回数をそのz座標値に基づいて制御する。そうすると、除去部94がz座標値に相当する深さに至るまで形成され、z座標値に相当する深さの位置に除去部94の底面95が形成される。この底面95は、zマップデータによって表現された加工物モデル80の小平面81に相当する。
Here, during scanning of a square by the
(4)複数の除去部の順次形成
その後、制御部50が上述の「(2)位置決め」及び「(3)レーザー走査」の処理を繰り返し実行する。こうすることによって、図5,図6に示すように、他のマス目もマス目毎にレーザービーム2で走査して、他の除去部94をマス目毎に順次形成する。これら除去部94が空間的に連なることで、除去部94の集合体である凹部92(図1参照)が被加工物90の被加工面91に形成されるが、これら除去部94の底面95によって曲面状の凹面が近似される。なお、レーザー加工により加工される形状は凹部92に限るものではない。
(4) Sequential formation of a plurality of removal units Thereafter, the
以上のようなレーザー加工は粗加工であるので、その加工時間が短い。そして、レーザー加工後に仕上げ加工を行うが、レーザー加工と仕上げ加工の総加工時間もレーザー加工の時間短縮分だけ短縮できる。仕上げ加工はレーザー加工、切削加工又は研削加工である。 Since the above laser processing is rough processing, the processing time is short. And although finish processing is performed after laser processing, the total processing time of laser processing and finish processing can also be shortened by the part for time reduction of laser processing. The finish processing is laser processing, cutting processing or grinding processing.
<3.効果>
以上の実施の形態によれば、次のような効果が得られる。
<3. Effect>
According to the above embodiment, the following effects can be obtained.
(1) マス目毎にレーザービーム2で二次元的に走査するので、各マス目の走査中にレーザービーム2の強度が一定であっても、マス目毎に除去部94の深さを異ならせることができる。それゆえ、除去部94の底面95の集合体としての表面形状を複雑な三次元形状にすることができる。
(1) Since two-dimensional scanning is performed by the
(2) レーザー発振器41の出力及びガルバノ偏向機構43,44の速度を一定に制御しつつ、マス目を二次元的に走査する回数をそのz座標値に基づいて制御することによって、z座標値に相当する深さの除去部94を形成することができる。それゆえ、各除去部94の深さの加工誤差が殆ど無い。
(2) The z-coordinate value is controlled by controlling the number of two-dimensionally scanning the grid based on the z-coordinate value while controlling the output of the
<4.変形例について>
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上述の実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。また、本発明はその趣旨を逸脱することなく変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。以下に、以上の実施形態からの変更点について説明する。以下に説明する変更点は、可能な限り組み合わせて適用してもよい。
<4. About modification>
As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated, the above-mentioned embodiment is for making an understanding of this invention easy, and is not for limiting and interpreting this invention. Further, the present invention can be changed and improved without departing from the gist thereof, and the present invention also includes the equivalents thereof. Below, the change from the above embodiment is demonstrated. The modifications described below may be applied in combination as much as possible.
(1) X軸方向駆動機構31が保持具20及び被加工物90をX軸方向に移動させるが、保持具20及び被加工物90のY軸方向の動きが拘束されていてもよい。この場合、加工ヘッド40がY軸方向駆動機構によってY軸方向に駆動される。
(1) Although the X-axis
(2) 保持具20及び被加工物90のX軸方向及びY軸方向の動きが拘束されていてもよい。この場合、加工ヘッド40がX軸方向駆動機構によってX軸方向に駆動されるとともに、Y軸方向駆動機構によってY軸方向に駆動される。
(2) Movements of the
(3) 保持具20及び被加工物90がZ軸駆動機構によってZ軸方向に駆動されてもよいし、加工ヘッド40(レーザー発振器41からfθレンズ45まで光学機器の全体又は一部)をZ軸駆動機構によってZ軸方向に駆動されてもよい。そうすれば、上述の位置決め工程の際に、被加工物90に対するレーザービーム2のスポット3のZ軸方向の相対的な位置がZ軸駆動機構によって調整される。この場合、上述のレーザー工程の際に、スポット3のZ軸方向の位置が光学系42のフォーカシング機構によって微調整される。
(3) The
(4) 上記実施形態では、機械的な光偏向器であるガルバノ偏向機構43,44によってレーザービーム2を二次元的に偏向させたが、他の光偏向器(音響光学偏向器、電気光学偏向器)によってレーザービーム2を偏向させてもよい。
(4) In the above embodiment, the
2…レーザービーム, 10…レーザー加工装置 3…スポット, 90…被加工物, 91…被加工面
DESCRIPTION OF
Claims (2)
レーザー加工方法。 The laser processing method of digging processing for each said grid by scanning two-dimensionally with a laser beam for every grid which divided the to-be-processed surface of a to-be-processed object.
請求項1に記載のレーザー加工方法。 The laser beam scans a square two-dimensionally to the depth corresponding to the z-coordinate value set for each square obtained by dividing the xy plane of the three-dimensional space into a grid shape. The laser processing method as described in.
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