JP2527192B2

JP2527192B2 - レ−ザ加工装置

Info

Publication number: JP2527192B2
Application number: JP62179290A
Authority: JP
Inventors: 学船山; 善信沢田
Original assignee: 株式会社日平トヤマ
Priority date: 1987-07-17
Filing date: 1987-07-17
Publication date: 1996-08-21
Anticipated expiration: 2011-08-21
Also published as: JPS6422495A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、レーザ加工装置に関し、特に曲面形状のワ
ークを加工する加工装置において、レーザ照射用ノズル
先端とワーク間の距離を距離センサによって検出し、そ
の距離を一定に保つようにノズル高さを調整できるレー
ザ加工装置に関する。

（従来技術およびその問題点）この種のレーザ加工装置においては、ワークに対する
ノズルの姿勢を常に適正に制御するとともに、さらにワ
ークに対するレーザビームの焦点位置を一定に保つこと
が必要である。このため、従来からノズル先端あるいは
その付近に取り付けたセンサによってノズル先端とワー
ク間の距離（ギャップ量）を検出し、この距離が一定と
なるようにノズルを移動させ、ワーク面とのギャップ量
をコントロールし、ワーク面にレーザビームの焦点位置
を合わせる方法がとられてきた。

このギャップコントロールは、平板を加工する平面加
工専用のレーザ加工装置であれば通常、ノズルをワーク
面に対し上下方向にのみ動かすことで足りるから、非常
に容易である。ところが、三次元レーザ加工装置におい
ては、ノズルを移動するために少なくとも５軸の回転に
よりノズルの位置と姿勢を制御するためにノズルのギャ
ップコントロールは、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ軸方向に５軸
フィードバックにより、５軸とも動かすことになる。し
たがって、リアルタイムにギャップ量をコントロール
し、しかも高速でギャップ量の変化に追従することは、
制御系の複雑化をまねき、またサーボの安定性が問題と
なり、高速性と信頼性を低下させる原因にもなる。

さらに、ギャップ量を検知する距離センサをノズルの
近くに設ける必要があり、ノズルに重量がかかるととも
にこのセンサとワークとの干渉が生ずるなどの問題点が
あった。

（発明の目的）ここに、本発明の目的は、曲面形状のワークの加工面
に対し加工ヘッドの姿勢を制御することでレーザビーム
を常に法線方向に照射するようにするとともに、先端の
ノズル部分のみを小さい駆動系により動かすことによっ
てノズル先端とワークとの距離を一定に保つように制御
し、安定したレーザ加工が行えるレーザ加工装置を提供
することにある。

また、本発明の目的は、ノズル自体を距離センサとし
て形成することで、ノズル先端部にノズルの距離移動用
の駆動系を設ける必要がないため、先端部に重量がかか
らず、かつ形状も尖鋭化でき、しかも複雑な制御系を用
いることなく、簡単な構造でノズル高さの適応制御がで
きるようにしたレーザ加工装置を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、自由曲面の加工面に対し常
にノズル先端との正しい距離を検出でき、適正なギャッ
プコントロールが行えるレーザ加工装置を提供すること
にある。

（発明の概要）そこで、本発明は、加工対象のワークとレーザビーム
照射用の加工ヘッドとを三次元方向に数値制御可能な状
態で支持するとともに、上記加工ヘッドを三次元方向の
軸のほか、他の２つの回転軸を中心として回転可能な状
態で支持している。すなわち、上記レーザ加工ヘッド
は、２つの回転ブラケットから構成されており、そのう
ち第１回転ブラケットは、三次元方向の軸例えばＸ軸を
中心として回転自在に支持されており、また第２回転ブ
ラケットは、上記回転第１軸に対し所定の交角で交差す
る回転第２軸を中心として回転自在で、しかも上記第１
回転ブラケットに対し回転自在に支持されている。そし
てこれらの第１回転ブラケットおよび第２回転ブラケッ
トは、内部にレーザビームを導き、屈曲させながら、集
光手段により上記回転第１軸と回転第２軸との交点すな
わち加工点に照射する。この結果、第１回転ブラケット
および第２回転ブラケットがいかなる方向に回転したと
しても、レーザビームは、常に回転第１軸と回転第２軸
との交点、つまり加工点に向けて照射される。

また、本発明は、集光レンズとノズルを保持した保持
筒を第２回転ブラケットに対し、光軸方向に摺動自在に
支持し、ノズル自体に形成したギャップセンサによるギ
ャップ検出によって保持筒コントロール用の駆動部を駆
動制御し、リンク機構を介して上記保持筒を駆動するよ
うにしたものである。

さらに、本発明は、上記ノズルにノズル先端と加工面
との間の静電容量を検出する第１電極と、この第１電極
の側面を覆うように第１電極と絶縁状態で第１電極の側
面部とワーク間を電磁的に遮閉するための第２電極を設
け、第１電極からの電気力線を全て光線方向に集中させ
るような構成とし、もって上述した目的を達成せんとす
るものである。

（実施例の構成）次に、第１図および第２図は、本発明のレーザ加工装
置Ｍの全体図を示している。

本発明のレーザ加工装置Ｍの加工ヘッド１は支持枠６
により、Ｚ方向に移動可能な上下スライド部53に取り付
けられている。この上下スライド部53は、左右に直立し
たコラム63、63に水平保持されたクロスビーム59上を、
水平方向（Ｙ方向）に移動可能なサドル58にＺ方向に移
動可能な状態で支持され、サドル58に固定されたサーボ
モータ55およ既に公知の図示しない送りねじユニットな
どのよってＺ方向（高さ方向）に位置決めされる。

そして、Ｙ方向に移動可能な前記サドル58は、クロス
ビーム59に固定されたサーボモータ60、および図示しな
い送りねじユニットによってＹ方向に駆動される。な
お、上記クロスビーム59は、Ｘ方向に延びたヘッド64を
またいだ状態で、機台62の上に直立した左右のコラム6
3、63によって支持されている。

またテーブル61は、前記ベッド64の上でＸ方向に移動
可能な状態で支持されており、ベッド64に固定されたサ
ーボモータ65、および図示しない送りねじユニットによ
ってＸ方向に駆動される。そして、ワークＷは、このテ
ーブル61の上に固定された状態で載せられている。な
お、これらのサーボモータ55、60、65は、制御装置66に
よって駆動され、加工ヘッド１をＹ方向およびＺ方向に
移動させ、またワークＷをＸ方向に移動させる。なお、
レーザ発振器56からのレーザビームＬは、伸縮自在な蛇
腹状の案内管57の内部を通り、サドル58に固定されたビ
ームベンダ71を介して、下方に曲げられ、伸縮自在な蛇
腹状の案内管54を通って回転第１軸Ａ上に導かれてい
る。

次に、第３図ないし第９図は、さらに前記加工ヘッド
１の詳細を示している。この加工ヘッド１は、全体とし
て、前記支持枠６、第１回転ブラケット２、および第２
回転ブラケット３によって構成されている。

前記第１回転ブラケット２は、第４図から明らかなよ
うに、所定の形状で、中空状に形成されており、その上
端部分で前記支持枠６に上下の玉軸受け５、５によって
回転自在に保持された第１中空軸４の下端部分に図示し
ないねじによって固定され、前記回転第１軸Ａを中心と
して回転自在に支持されている。なお、この第１中空軸
４は、支持枠６の内部のウオーム７、およびウオームホ
イール８を介し、支持枠６の外部に固定された第１サー
ボモータ９によって駆動されるようになっている。

また、前記第２回転ブラケット３は、その一端部で前
記第１回転ブラケット２に玉軸受け11、11によって回転
第２軸Ｂを中心として回転自在に保持された第２中空軸
10の下端部分に図示しないねじによって取り付けられて
おり、ウオーム12、ウオームホイール13および第１回転
ブラケット２に固定された第２サーボモータ14によって
駆動されるようになっている。さらに、この第２回転ブ
ラケット３は、その他端部分でレーザビームＬを上記回
転第１軸Ａと上記回転第２軸Ｂとの交点に向けて照射す
るためのレーザビームＬの集光手段15を保持している。

この集光手段15は、内部に集光レンズ19、先端部にノ
ズル18を一体に保持した保持筒17と、後述する保持筒コ
ントロール用の駆動部と、この駆動部と保持筒17とを連
結するリンク機構とで構成される。

前記第２回転ブラケット３の他端部分には、案内筒16
が取り付け固定されていると共に、この案内筒16内に
は、上記保持筒17が光軸方向にのみ摺動自在に嵌装され
ている。

一方、第１回転ブラケット２には、第１中空軸４の下
方に位置する反射鏡47が固定されている。この反射鏡47
は、回転第１軸Ａに対し、例えば45゜の傾斜角で取り付
けられている。また、第１回転ブラケット２の第２中空
軸10のレーザビームＬの入射側に位置する箇所には、反
射鏡48が前記反射鏡47と対向して固定されている。さら
に、第２回転ブラケット３には、第２中空軸10のレーザ
ビームＬの集光側に位置する箇所に反射鏡49がレーザビ
ームＬに対し45゜の傾斜角度で固定されており、かつ保
持筒17のレーザビームＬの入射側に位置する箇所には、
反射鏡50が前記反射鏡49と対向して固定されている。

今、第３図および第４図では第１回転ブラケット２と
第２回転ブラケット３が同一平面上にある場合を示して
おり、保持筒17およびノズル18の中心線Ｃは、回転第１
軸Ａと一致している。この場合、レーザビームＬは、第
１中空軸４の上方部分から、回転第１軸Ａに沿って入射
し、前記反射鏡47で反射され、第１回転ブラケット２の
反射鏡48側に進行し、この反射鏡48によって反射されて
回転第２軸Ｂに沿って進行する。そして、この回転第２
軸Ｂ上で、第２回転ブラケット３に取り付けられた反射
鏡49側に導かれ、この反射鏡49によって反射されて反射
鏡50側に進行し、さらに、この反射鏡50によって前記集
光レンズ19に導かれ、ノズル18の噴射孔27を通ってワー
クＷの加工点Ｆに向けて照射されるようになっている。

以上のように、加工ヘッド１を構成することにより、
ワークＷの照射面の方向が変わっても第１回転ブラケッ
ト２と第２回転ブラケット３をそれぞれ回転軸Ａと回転
第２軸Ｂの回りを回転させることにより、そを照射点Ｆ
は移動することがない。

さらに、集光手段15は、第５図に詳細に示すように、
内部に集光レンズ19を保持しているレンズマウント20
と、このレンズマウント20の外周に配設され、レンズマ
ウント20を前記保持筒17に取り付けるための取付用ハウ
ジング21等から構成されている。この取付用ハウジング
21には、レンズ等の冷却用空気送入口21aとアシストガ
ス送入口21bが設けられている。アシストガス送入口21b
から送り込まれてきたアシストガスは、ノズル18の先端
部からレーザビームＬと同一方向に噴射するようになっ
ている。また、冷却用空気は、レンズマウント20の周囲
を冷却して出口ポート20aから大気に放出される。

なお、冷却用空気およびアシストガスは、支持枠６の
２つのポート6a、6bからそれぞれ入り、ロータリ継手67
によって第１中空軸４のポート4a、4bに達し、さらにチ
ューブ69などにより第１回転ブラケット２のポート2b、
2c、および第２中空軸10のポート10a、10bにロータリ継
手68を介して中継され、さらにチューブ70により冷却用
空気送入口21a、アシストガス送入口21bに送り込まれ
る。

一方、前記ノズル18は、ノズルホルダ22を介して前記
取付用ハウジング21に固着されている。すなわち、ノズ
ルホルダ22は、絶縁材料により円筒状に形成されてお
り、第５図に示すように、その上端フランジ部22aとボ
ルト71等で締付け固着された取付リング75によりそのね
じ部75aを介して前記取付用ハウジング21に螺着固定さ
れている。また、このノズルホルダ22の一側面にはコネ
クタ取付孔22fが形成され、同軸ケーブル23用のコネク
タ24が取り付けられている。

また、このノズルホルダ22の下部内周部には、その内
径を小さくした小径部22bが突設され、この小径部22bの
下方にノズル嵌合部22cが形成されている。このノズル
嵌合部22cには、例えば銅よりなる金属カラー25が接着
等により取り付けられている。そして、この金属カラー
25にノズル18の上端面を当接させ、さらに下方よりノズ
ルナット26を締め付けることにより、ノズル18を前記ノ
ズルホルダ22に固定している。

このノズルナット26は、例えばアルミ等の導電性材料
にて形成され、前記ノズルホルダ22の下部外周に形成さ
れたねじ部22dに螺合している。また、このノズルナッ
ト26の底部のノズル挿通孔内周にあ、テーパ状の保持面
26aが形成され、この保持面26aとノズル18の上端部外周
縁に形成されたテーパフランジ部18aとのテーパ係合に
よりノズル18をノズルホルダ22に強固に締着固定してい
る。

前記ノズル18は、逆中空円錐状をなし、その先端すな
わち下端中央部には、レーザビームとアシストガス等が
通過する噴射孔27が形成されている。

このノズル18は、内側より、ワークＷとの間の静電容
量を検出するための第１電極28、絶縁部29、この絶縁部
2aを挾んで上記第１電極28の側面部を覆う第２電極30の
順に三層構造となっている。

このノズル18は、ノズル基体を例えば銅或はニッケル
等の導電材料にて上記第１電極28として形成し、この第
１電極28の外周側面を例えばセラミックを溶射してなる
絶縁被膜でコーティングすることにより上記絶縁部29を
形成している。さらにその外側面に、第７図のように例
えば銅或はニッケル等にて予めキャップ状に形成された
上記第２電極30を嵌め合わせることにより、第８図のよ
うなノズル18が形成されている。

第１電極28は、その外周面において上端縁および下端
縁に少し外側に突き出た突起部28a、28bが一体に形成さ
れており、この突起部28a、28b間においてテーパフラン
ジ部18aから第１電極28外周側面全周に上記絶縁部29と
しての絶縁被膜を溶射している。これにより、上記絶縁
部29はその上下端面を両突起部28a、28bにて完全に保持
されているので、熱変形や衝撃による剥離が防止され、
定着性が高められる。さらに、上記絶縁部29の下端面は
第１電極28によって覆われ、レーザ光やスパッタＳの熱
から保護されている。

第２電極30は、上記テーパフランジ部18aに沿ったフ
ランジ部30aと上記絶縁部29の外周に嵌合する逆円錐状
のキャップ部30bとが一体に形成され、これを第７図の
ように絶縁部29を溶射した第１電極28に嵌め込むことに
より、第８図のようにキャップ部30bの下端縁がノズル
下端面より上方に位置し、ノズル下端面での第１電極28
の突起部28bより例えば１〜2mm程度、上方に離間して位
置するような寸法に形成されている。

なお、第１電極28の先端部形状は第９図で示すよう
に、その外周面に一部食い込み部28cを形成することに
より、それに沿って溶射された絶縁部29としての絶縁被
膜はその定着性が一層高められる。さらに、キャップ部
30bの下端縁はその内側の絶縁部29から空間部74を介し
て離間しており、例えば熱溶融した第２電極30の液が絶
縁部29を伝って第１電極29につながり両電極29、30間に
ブリッジをかけるような危険性を防止している。

しかも、第２電極30を溶射によらず単体のキャップ状
に形成したことにより、例えば絶縁部29と第２電極30と
が異なる熱膨張率で変形しても、両者間の接合部に滑り
が可能であるので、両者間に干渉作用がなく、絶縁部29
の剥離や亀裂発生等が防止できるようになっている。

このように、ノズル18の内周側面より先端面に連続し
て前記第１電極28が設けられ、この第１電極28とは前記
絶縁部29を介して電磁的に絶縁されて前記第１電極28の
外周側面を覆うように前記第２電極30が設けられてい
る。

さらに、第５図に示すように、前記ノズルホルダ22の
外周面部にも、例えば銅あるいはニッケル等の金属被膜
22eがコーティングされており、上記第２電極30はノズ
ルナット26、上記金属被膜22e、コネクタ24締付用の金
属ナット46を介してコネクタ24に電気的に接続されてい
る。

また、前記コネクタ24の中央には同軸ケーブル23の芯
線となる第１電線23aがビニール被覆した状態で挿通さ
れ、その外側の第２電線23bがコネクタ24にハンダ付け
にて接続されている。そして、前記第１電線23aは、コ
ネクタ24からノズルホルダ22内を通って前記ノズル18の
第１電極28と挿通される前記金属カラー25にハンダ付け
等によって接続されている。そして、前記第１電線23a
は、同軸ケーブル23に沿って、外部に設けられた第10図
で示すような静電容量検出用のブリッジ回路31に接続さ
れ、ワークＷとの間の静電容量Ｃを検出するようになっ
ている。

また、上記第２電極30は上記ブリッジ回路31の電源側
すなわち高周波発振回路32に接続されている。

この高周波発振回路32は、上記ブリッジ回路31への電
源および同期整流回路72の同期電源を供給するととも
に、上記第２電極30に対し第１電極28と同位相でほぼ同
電位の電圧を印加している。

また、上記同期整流回路72はブリッジ回路31からの不
平衡出力を直流に変換して制御回路73へ送り、この制御
回路73にて保持筒コントロール用の駆動部をなすサーボ
モータ33を駆動制御し、ノズル18先端とワークＷとのギ
ャップ量を一定に保持するように保持筒17を案内筒16に
沿って光軸方向に上下駆動させるようになっている。

今、この保持筒17の調整構造について、さらに詳述す
る。前記第２回転ブラケット３の外側には、第３図およ
び第６図に示すように、支点ピン34が立設されていると
共に、この支点ピン34には、レバー35のほぼ中央部が回
転自在に支持されている。また、このレバー35の一方の
端部には、ピン36が固定されており、このピン36の先端
部は、第４図および第６図に示すように、第２回転ブラ
ケット３および案内筒16に設けた長孔3a、16aを通って
保持筒17に設けた長方形状の嵌合溝17a内に嵌入してい
る。なお、長孔3a、16aは光軸方向に長くされている。
そして、このような構成により、前記レバー35が支点ピ
ン34を中心として回動したとき、保持筒17は、ピン36を
介して光軸方向に移動させられることになる。

また、第３図および第６図に示すように、前記レバー
35の中央上端部に形成された突片35aには、ピン37を介
して長さ調整可能な連結ロッド38の一端部が回動自在に
連結されている。この連結ロッド38と前記レバー35とに
よりリンク機構を構成している。さらに、連結ロッド38
の他端部は、ピン39を介して第４図に示すように、ウオ
ームホイール40の外周端部近傍つまり偏心位置に連結さ
れている。このウオームホイール40は、ほぼ半円形状に
形成されており、前記サーボモータ33の出力軸をなすウ
オーム41と常時噛合関係にある。したがって、サーボモ
ータ33の駆動力は、このウオーム41とウオームホイール
40との噛合関係により、前記連結ロッド38およびレバー
35にかなり減速した状態で伝達されることになる。上記
ウオームホイール40と同軸上にはウオームホイール40の
回転角度すなわち上記保持筒17の移動量を検知するため
のセンサ45が取り付けられている。なお、第６図におい
て、符号42は、保持筒17の案内筒16内における回転を阻
止するための回転止めピンである。

前記サーボモータ33は取付用ブラケット43を介して第
２回転ブラケット３の上面側に取り付けられており、か
つ第３図および第４図に示すように、第１回転ブラケッ
ト２と第２回転ブラケット３の中間空間部44に配置され
ている。したがって、前記サーボモータ33のためのスペ
ースを余分に必要としない分だけ、装置自体をコンパク
トにできる。また、サーボモータ33は、前記ノズル18の
保持筒17の側部位置に設けることなく、ノズル18とは離
れたしかもワークＷと対向しない反対側に取り付けられ
ているので、ノズル18がワークＷに対し、いかなる方向
に向けられても、ワークＷとの干渉は防止できる。

（実施例の作用）制御装置66は、あらかじめワークＷのティーチング等
によりＸ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂの各５軸の位置データが入力
された制御プログラムに基づいて、かつ加工ヘッド１
は、Ｘ、Ｙ、Ｚの所定の加工軌跡に沿って、かつ回転第
４軸Ａ、回転第２軸Ｂの制御によりノズル18の方向を変
化させながらワークＷの加工点Ｆを移動させていく。

このような移動中に、レーザ発振器56から出たレーザ
ビームＬは、ビームベンダ71により下方に曲げられ第４
図に示すように、加工ヘッド１の第１中空軸４の上方部
分から回転第１軸Ａに沿って入射し、第１回転ブラケッ
ト２に取り付けた反射鏡47によって反射された後、その
横方向にある反射鏡48によって回転第２軸Ｂ側に反射さ
れる。そして、さらにレーザビームＬは、この回転第２
軸Ｂに沿って進行した後、回転第２軸Ｂ上で第２回転ブ
ラケット３に取り付けられた反射鏡49によって反射さ
れ、さらに反射鏡50によって反射されて集光レンズ19、
ノズル18側に導かれる。このようにしてレーザビームＬ
は、ワークＷの加工点Ｆに向けて照射される。

本実施例装置においては、２つのサーボモータ９、14
の回転により第１中空軸４と第２中空軸10との旋回角度
の組み合わせ、すなわち第１回転ブラケット２、第２回
転ブラケット３の旋回角の組み合わせによって空間の任
意の角度からレーザビームＬをワークＷに投射すること
ができる。また、いかなる投射角度においても、レーザ
ビームＬが第１中空軸４の中心線（回転第１軸Ａ）上の
予め設定された一点Ｆに達して焦点を結び加工が行なわ
れる。

加工ヘッド１のこにような構造により、ワークＷの位
置データとは別にレーザビームＬを任意の方向から照射
することができる。すなわち、ワークＷに固有の加工軌
跡（Ｘ、Ｙ、Ｚ値）とは別に、任意に回転第１軸Ａおよ
び回転第２軸Ｂを制御することができ、さらに回転第１
軸Ａおよび回転第２軸Ｂの変更によっても加工軌跡のデ
ータは影響されない。

一方、ノズル18先端面の第１電極28から検出される静
電容量値に基づいてノズル18の先端とワークＷ面間のギ
ャップ量が常に検出され、この検出値に応じた電気信号
がサーボモータ33に伝えられる。これにより、サーボモ
ータ33の出力軸をなすウオーム41、これと常時噛合する
ウオームホイール40、ピン39、ロッド38およびレバー35
を介して保持筒17が移動される。つまり、ワークＷに対
するノズル18の高さが常に適正に移動調整される。すな
わち、ギャップ量が所定値より大きいとき、前記ウオー
ムホイール40は、連結ロッド38を介してレバー35を反時
計方向へ回動し、このレバー35の他端により保持筒17が
下方向へ移動され、ギャップ量を小さくする方向に作動
される。反対にギャップ量が所定値より小さいとき、サ
ーボモータ33が逆回転してレバー35はねロッド38を介し
て時計方向へ回動され、保持筒17は、上方向へ移動さ
れ、ギャップ量を大きくする方向に作動される、このよ
うにしてギャップ量を常に一定値に保持することができ
る。この動作は、同時に合焦調整でもある。

次に、このギャップコントロールを行うための静電容
量Ｃの検出に関し、詳述する。

第10図に示すように、ブリッジ回路31はC₁＋ΔＣ、
C₂、C₃、C₄の複数のコンデンサにより構成されている。
C₃、C₄は固定コンデンサ、C₂はブリッジバランス用の可
変コンデンサ、C₁＋ΔＣは第１電極28とワークＷ間で検
出される静電容量Ｃである。C₁は第１電極28とワークＷ
間の距離をＤ、ワークＷと対向する第１電極28の底面積
をＳ、誘電率をεとすると、で表される。また、ΔＣは第１電極28とワークＷ間の距
離がΔＤだけ変化したときの静電容量の変化分で、で表される。

今、第１電極28とワークＷ間の加工に適した所定距離
がＤであるとき、C₃＝C₄、C₁＝C₂となるようにC₂を調整
するとブリッジ回路31からの出力e_oは0Vとなり、このと
きの制御回路73の出力も０となり、保持筒17は静止して
いる。

次に、第１電極28とワークＷ間の距離がΔＤだけ変化
すると、e_oの値はとなり、C₃＝C₄、C₁＝C₂であるからとなる。但し、E_i sinωｔはブリツジ回路31の電源電圧
である。

ここで、C₁＜＜C₃、ΔＣ＜＜C₁の条件内であればとなり、（２）式に（１）式を代入すると、となり、ブリッジ回路31の出力電圧e_oは変位ΔＤに応じ
て電圧が変化しΔＤの符合がそれぞれ正、負の値となる
ことにより、位相が同相または180度異なった高周波電
圧として得られる。

この電圧を同期整流することにより、変位ΔＤに応じ
た直流電圧が得られ、たとえばノズル18先端とワークＷ
間の距離Ｄが広がる方向すなわちΔＤが正のとき出力電
圧が正、またＤが縮む方向すなわちΔＤが負のとき出力
電圧も負となる同期整流回路72を構成し、制御回路73お
よびサーボモータ33により、同期整流回路72の出力が正
のときは保持筒17を下降させ、また同期整流回路72の出
力が負のときは保持筒17を上昇させるようにフィードバ
ックループが構成されている。

一方、第２電極30にはブリッジ回路31の電源電圧が印
加されており、その電圧をE_i sinωｔとすると第１電極
２に加えられている電圧すなわちＱ点での電圧e_qは、で表され、C₁＜＜C₃、ΔＣ＜＜C₁の条件下では、 e_q＝E_i sinωｔとなり、第１電極28と第２電極30の電位は等しいといえ
る。

この状態での対ワークＷ間との電気力線の分布は電気
力線同志が互いに反発し合うことにより第12図のように
なり、第11図のような第２電極30のない場合のときに比
べ、第１電極28からの電気力線は光軸に平行な向きに集
中させることができる。

したがって、静電容量Ｃは第１電極28と第１電極28か
らの電気力線に垂直なワーク面W₁との間で検出され、そ
の値はC₁＋ΔＣであり、また第２電極29とワークＷ間の
静電容量C_Yおよび第１電極28と第２電極30の静電容量C_A
も発生するが、第13図の等価回路で明らかなようにC_Yは
このブリッジ回路31の電源部に加えられたものに過ぎ
ず、e_oの値には何等影響を与えるものではなく、またC_A
は固定の値であるうえC_A＜＜C₃であるので、C₁＋ΔＣの
検出にほとんど無関係である。

（発明の効果）以上説明したように本発明のレーザ加工装置は、曲面
形状のワークの加工面に対し加工ヘッドの２つの回転軸
を制御するのみで、レーザビームの焦点を中心に任意に
ノズルの姿勢を変更することができる。すなわち、ワー
クの固有のＸ、Ｙ、Ｚの加工位置とは別に、任意にノズ
ルの姿勢を変更することができるため、自由曲面のワー
ク加工面に対し常に最適な方向よりレーザビームを照射
できる。

さらに、加工ヘッドの先端部のみを光軸方向に動かす
ことにより、レーザビームの焦点位置をワーク加工面に
対し適正な高さ位置に合わせギャップコントロールを行
うので、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸などの複数の軸を同時に制御する
ことなく簡単な構造で焦点高さの微調整が行え、常に最
適な加工条件を維持することができ、加工精度が向上さ
れる。

また、ノズル自体にギャップセンサを形成し、すなわ
ち、第１電極と絶縁部と第１電極の側面を覆う第２電極
とでなる三層一体構造のノズルを用い、ノズル先端面に
おける第１電極とワーク間の静電容量を検出することに
よってギャップ量の検出を行っているのでノズル側面部
および近傍にギャップ検出器を設ける必要がなく、加工
時ワークとの干渉も防げ、ノズルに重量がかかることな
く、しかも非接触でギャップ検出ができ、ノズル構造を
コンパクト化でき形状も尖鋭化できる。

さらに、第１電極を静電容量検出器に接続し、第２電
極は上記第１電極の側面部を電磁的に遮閉するように設
けたので、ノズル先端面での第１電極からのワークに向
う電気力線を全て光軸と平行となるように集中させ、し
かも第２電極からの静電容量は制御信号をして表われな
いので、ノズルがワークの壁部に近づいても、ノズルの
側面からの静電容量をひろうことなくノズル先端面と対
向する加工面との間の静電容量のみがギャップ量として
検出されるため、常に適正なギャップ量が検出できる。

また、第２電極の下端縁がノズル先端面における第１
電極より上方に位置し絶縁部の下端面が第１電極に覆わ
れているので、第２電極はレーザ照射によってワークか
ら斜め上方にスパッタが飛んでも絶縁部がスパッタの飛
散経路から逃がれ、絶縁部が保護されるとともに、スパ
ッタによる両電極間の金属のブリッジによるショート等
が確実に防止されるため、常に安定した高精度なギャッ
プ検出が行え、よって極めて正確なギャップコントロー
ルが行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わるレーザ加工装置の一実施例を示
す正面図、第２図は第１図のＶ−Ｖ断面図、第３図およ
び第４図は本発明に係わる加工ヘッドの正面図と断面
図、第５図はノズル部分の拡大断面図、第６図は加工ヘ
ッドにおける保持筒、案内筒およびリンク機構の取付関
係を示す横断面図、第７図はノズルの分解断面図、第８
図はノズルの断面図、第９図はノズル先端部の拡大断面
図、第10図はブリッジ回路を示す電気回路図、第11図は
従来の電極からの電気力線を示す図、第12図は本装置に
よる電極からの電気力線を示す図、第13図は等価回路の
回路図である。Ｍ……レーザ加工装置、１……加工ヘッド、２……第１
回転ブラケット、３……第２回転ブラケット、15……集
光手段、17……保持筒、18……ノズル、19……集光レン
ズ、28……第１電極、29……絶縁部、30……第２電極、
31……ブリッジ回路、33……保持筒コントロール用の駆
動部としてのサーボモータ、35……リンク機構を構成す
るレバー、38……リンク機構を構成する連結ロッド、Ａ
……回転第１軸、Ｂ……回転第２軸、Ｌ……レーザビー
ム、Ｗ……ワーク。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】加工対象のワークに対し加工ヘッドを三次
元方向に相対的に移動可能な状態で支持してなるレーザ
加工装置において、上記加工ヘッドは、三次元方向の１
つの軸を回転第１軸として回転自在に支持された第１回
転ブラケットと、上記回転第１軸に対して所定の交角で
交差する回転第２軸上で上記第１回転ブラケットに回転
自在に支持された第２回転ブラケットと、上記第１回転
ブラケットおよび第２回転ブラケット内に導かれたレー
ザビームを上記回転第１軸と上記回転第２軸との交点に
向けて照射するレーザビームの集光手段とからなり、か
つ、このレーザビームの集光手段は、上記第２回転ブラ
ケットに光軸方向に摺動自在に取り付けられかつ集光レ
ンズおよびノズルを保持した保持筒と、前記第２回転ブ
ラケット上に取り付けられた保持筒コントロール用の駆
動部と、この駆動部と前記保持筒との間を連結するリン
ク機構とからなり、さらに、上記ノズルは、静電容量検
出器に接続され逆中空円錐状をなすノズル内周側面より
ノズル先端面に連続して設けられワークとの間の静電容
量を検出するための金属からなる第１電極と、この第１
電極の側面部外側を覆うようにかつ下端縁がノズル先端
面での上記第１電極より上方に位置するように設けられ
上記第１電極の側面部とワーク間を電磁的に遮閉するた
めの金属からなる第２電極と、上記第１電極と第２電極
との間に介在されかつ下端面が上記第１電極に覆われ両
電極間を電磁的に絶縁するための絶縁部とで、三層一体
に形成され、加工中は上記第１電極より検出される静電
容量値が一定となるように上記保持筒コントロール用の
駆動部を駆動制御することを特徴とするレーザ加工装
置。