JP2925835B2 - レーザ加工装置用手首構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ加工機やレー
ザロボットなどのレーザ加工装置に用いられるレーザ加
工装置用手首構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９は例えば特公昭６２−４５０３３号
公報に示された従来のレーザ加工装置用手首構造を示す
断面図である。図において、１はレーザ光線Ｌを照射す
る集光ヘッドであり、２はそのレーザ光線集光用の集光
レンズ、３はその焦点位置である。４は当該手首構造の
支持枠、５はこの支持枠４に固定されたモータであり、
６はモータ５の出力を直動に変換するねじ軸、７は前記
集光ヘッド１を支持してねじ軸６による直動をガイドす
る案内ロッドである。８はこのように構成された手首構
造を持つレーザ加工装置によって加工されるワークであ
る。

【０００３】次に動作について説明する。従来のレーザ
加工装置用手首は上記のように構成され、ワーク８の高
さを計測する図示を省略した変位計の出力に応じて、モ
ータ５を正逆転させ、このモータ５の回転をねじ軸６に
よって直動に変換し、集光ヘッド１を高さ方向に動かす
ことにより焦点位置３をワーク高さに応じて調整するよ
うになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来のレーザ加工装置
用手首構造は以上のように構成されているので、レーザ
加工装置の先端部分にモータ５、直動変換用ねじ軸６や
歯車、プーリ、ベルトなどの伝達機構、案内ロッド７な
どの直動ガイド機構が配置されることとなり、この構造
を放物面鏡により集光を行う大出力のレーザ加工装置に
用いると、レーザ加工装置先端の重量や形状が大きくな
って、ベース側のアクチュエータの負荷が大きくなって
しまうばかりか、ワーク８と干渉しやすく、また、この
ようなレーザ加工装置を用いて突合せ溶接を行う場合、
ワーク８のばらつきによるギャップの許容値が極めて小
さくなるなどの問題点があった。

【０００５】請求項１および２に記載の発明は、以上の
問題点を解消するためになされたものであり、放物面鏡
集光方式のレーザ加工装置に使用する、小形・軽量な焦
点位置高さ調整用ハイト軸が構成できるレーザ加工装置
用手首構造を得ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
係るレーザ加工装置用手首構造は、レーザ光線の進路を
変更させて放物面鏡に導くベンドミラーを揺動させる第
１のアクチュエータ、そのレーザ光線をワーク上に集光
させる前記放物面鏡を揺動させる第２のアクチュエー
タ、および、これら第１のアクチュエータと第２のアク
チュエータとを協調して動作させ、前記レーザ光線の焦
点を高さ方向に調整自在にするコントローラを設けたも
のである。

【０００７】また、請求項２に記載の発明に係るレーザ
加工装置用手首構造は、第１および第２のアクチュエー
タ中の一方を直交した２軸のまわりに揺動する２自由度
構成とし、他方を１軸のまわりに揺動する１自由度構成
としたものである。

【０００８】

【作用】請求項１に記載の発明における第１および第２
のアクチュエータは、コントローラによって制御され
て、レーザ光線の進路を変更させて放物面鏡に導くベン
ドミラー、およびそのレーザ光線をワーク上に集光させ
る前記放物面鏡を協調して揺動させることにより、小形
・軽量な焦点位置高さ調整用ハイト軸が構成できるレー
ザ加工装置用手首構造を実現する。

【０００９】また、請求項２に記載の発明における第１
および第２のアクチュエータは、その一方を直交した２
軸のまわりに揺動する２自由度構成、他方を１軸のまわ
りに揺動する１自由度構成とすることにより、小形・軽
量な焦点位置高さ調整用ハイト軸が構成できるレーザ加
工装置用手首構造を実現する。

【００１０】

【実施例】実施例１． 以下、この発明の実施例１を図について説明する。図１
はこの発明の一実施例によるレーザ加工装置用手首構造
を示す断面図であり、図２はそこで用いられる第１のア
クチュエータの構成を示す断面図、図３は同じく第２の
アクチュエータの構成を示す断面図である。図におい
て、１は集光ヘッド、３はレーザ光線Ｌの焦点位置、８
はワークであり、図９に同一符号を付した従来のそれら
と同一、あるいは相当部分であるため詳細な説明は省略
する。

【００１１】また、１１はレーザ光線Ｌの進行方向を変
えるベンドミラーであり、１２はベンドミラー１１にて
進行方向が変更されたレーザ光線Ｌを焦点位置３に集光
させる放物面鏡である。１３は前記ベンドミラー１１を
揺動させる第１のアクチュエータであり、１４は放物面
鏡１２を揺動させる第２のアクチュエータである。１５
は当該手首構造のアーム、１６はその手首回転入力軸で
あり、１７はこの手首回転入力軸１６とともに回転する
第１のベベルギア、１８は第１のベベルギア１７とかみ
合う第２のベベルギア、１９はこれら第１および第２の
ベベルギア１７，１８のベアリングである。

【００１２】２０は第１のアクチュエータ１３内のＹ軸
まわりの弾性支軸、２１および２２はＹ軸まわりの揺動
用電磁石であり、２３および２４はこの電磁石２１ある
いは２２に吸引される鉄片である。２５はベンドミラー
１１のＹ軸まわりの傾きを検出する変位センサ、２６は
ベンドミラー１１が取り付けられて、弾性支軸２０で支
持されたベンドミラー揺動板、２７はこれらを収納した
第１のアクチュエータ１３の支持枠体である。

【００１３】２８は第２のアクチュエータ１４内のＹ軸
まわりの弾性支軸、２９は同じくＸ軸まわりの弾性支軸
であり、３０および３１はＹ軸まわりの揺動用電磁石、
３２および３３はＸ軸まわりの揺動用電磁石である。３
４および３５は電磁石３０あるいは３１によって吸引さ
れる鉄片、３６および３７は電磁石３２あるいは３３に
よって吸引される鉄片であり、３８は放物面鏡１２のＹ
軸まわりの傾きを検出する変位センサ、３９は同じくＸ
軸まわりの傾きを検出する変位センサである。４０は放
物面鏡１２が取り付けられて弾性軸２８および２９で支
持された放物面鏡揺動板であり、４１はこれらを収納し
た第２のアクチュエータ１４の支持枠体である。

【００１４】また、４２は第１のアクチュエータ１３の
電磁石２１，２２への通電と、第２のアクチュエータ１
４の電磁石３０，３１および３２，３３への通電を制御
して、ベンドミラー１１と放物面鏡１２とを協調して揺
動させるコントローラである。

【００１５】次に動作について説明する。レーザ光線Ｌ
はベンドミラー１１により進行方向を変えられ、放物面
鏡１２に入射し、焦点位置３に集光される。手首回転入
力軸１６の回転は第１のベベルギア１７、第２のベベル
ギア１８により集光ヘッド１に伝達され、集光ヘッド１
はＡ軸まわりに回転する。第１のアクチュエータ１３ま
わりについて見ると、ベンドミラー１１は第１のアクチ
ュエータ１３のベンドミラー揺動板２６に固定され、ベ
ンドミラー揺動板２６はその中央で弾性支軸２０により
支持されて、第１のアクチュエータ１３の支持枠体２７
に対してＹ軸まわりに揺動可能に懸架されている。この
支持枠体２７には電磁石２１および電磁石２２が固定さ
れており、ベンドミラー揺動板２６に取り付けられた鉄
片２３あるいは鉄片２４と間隙を隔てて対向している。
従って、コントローラ４２より電磁石２１に通電すれ
ば、対向して配置された鉄片２３が吸引されて、ベンド
ミラー揺動板２６に固定されたベンドミラー１１が、Ｙ
軸の正方向から見て時計まわりに回動する。同様にし
て、電磁石２２の通電により、ベンドミラー１１がＹ軸
の正方向から見て反時計まわりに回動する。以上の動作
によるベンドミラー揺動板２６の傾きを変位センサ２５
によって検出し、コントローラ４２から各電磁石２１，
２２への印加電流を制御する。

【００１６】次に第２のアクチュエータ１４まわりにつ
いて見ると、放物面鏡１２は第２のアクチュエータ１４
の放物面鏡揺動板４０に固定され、放物面鏡揺動板４０
はその中央で弾性支軸２８によりＹ軸まわりに、弾性支
軸２９によりＸ軸まわりに、ジンバル状に支持されて、
第２のアクチュエータ１４の支持枠体４１に対して揺動
自在に懸架されている。この放物面鏡揺動板４０は正方
形をしており、その４辺には、それぞれ鉄片３４〜３７
が固定されており、第２のアクチュエータ１４の支持枠
体４１には、電磁石３０〜３３がそれぞれ鉄片３４〜３
７と間隙を隔てて対向している。従って、コントローラ
４２より電磁石３０に通電すれば、鉄片３４が吸引され
て、放物面鏡揺動板４０に固定された放物面鏡１２が、
Ｙ軸の正方向から見て時計まわりに回動する。同様にし
て、電磁石３１の通電により、放物面鏡１２がＹ軸の正
方向から見て反時計まわりに回動する。また、電磁石３
２および３３への通電によって、放物面鏡１２は同様に
してＸ軸まわりに回動する。以上の動作による放物面鏡
揺動板４０の傾きを、変位センサ３８と３９によって検
出し、コントローラ４２から各電磁石３０〜３３への印
加電流を制御する。

【００１７】ここで、放物面鏡１２の性質について説明
しておく、図４に示すように、レーザ光線Ｌが放物面鏡
１２に入射する場合を、説明の簡単化のために２次元で
考える。放物面鏡１２の放物面の方程式はｆを焦点距離
とすると、次式で与えられる。

【００１８】 Ｘ＝Ｚ² ／２ｆ

【００１９】また、反射光の方程式は次式のように与え
られ、レーザ光線Ｌが図中の一点鎖線から実線のように
平行にずれても焦点位置３が変わることはない。

【００２０】 Ｘ＝ａ₁ Ｚ＋ｂ₁ ａ₁ ＝ｔａｎ｛２・ｔａｎ^-1（Ｚ／ｆ）−（π／２）｝ ｂ₁ ＝（Ｚ² ／２ｆ）−ａ₁ Ｚ

【００２１】次に、レーザ光線Ｌの角度ずれについて、
図５を基に検討する。レーザ光線Ｌが図中の一点鎖線か
ら実線のように角度θずれて放物面鏡１２に入射する場
合について考える。この場合の実線のレーザ光線の反射
光の方程式は次式で与えられる。

【００２２】 Ｘ＝ａ₂ Ｚ＋ｂ₂ ａ₂ ＝ｔａｎ｛２・ｔａｎ^-1（Ｚ／ｆ）−（π／２）−θ｝ ｂ₂ ＝（Ｚ² ／２ｆ）−ａ₂ Ｚ

【００２３】このように、放物面鏡１２に入射するレー
ザ光線Ｌが傾くと、焦点位置３は傾き角に応じて変化す
る。図６に、焦点距離ｆが２５４ｍｍの場合について、
入射するレーザ光線Ｌの傾き角θとＸ方向の焦点位置３
の変化量ΔＸおよびＺ方向の焦点位置３の変化量ΔＺと
の関係を示す。このように焦点位置３の変化量ΔＸおよ
びΔＺは、入射するレーザ光線Ｌの傾き角θと比例関係
にあることがわかる。

【００２４】次に、このような放物面鏡１２の性質を利
用して、焦点位置高さを調整する方法について説明す
る。その概念図を図７に示す。図７（ａ）に示すよう
に、第１のアクチュエータ１３を制御して、ベンドミラ
ー１１をＹ軸の正方向から見て反時計方向にθ傾ける
と、ベンドミラー１１で反射されたレーザ光線ＬはＹ軸
の正方向から見て反時計方向に２θ傾く。このベンドミ
ラー１１で反射されたレーザ光線Ｌが放物面鏡１２に入
射するわけであるが、放物面鏡１２を第２のアクチュエ
ータ１４を制御することにより、ベンドミラー１１に同
期させてＹ軸の正方向から見て反時計方向にθ傾ける
と、焦点位置３の変化はＸ方向にはキャンセルされて無
くなり、Ｚ座標の負方向にのみ移動する。

【００２５】これは、次のように考えることができる。
すなわち、ベンドミラー１１で反射されたレーザ光線Ｌ
はＹ軸の正方向から見て反時計方向に２θ傾いており、
これに対して放物面鏡１２をＹ軸の正方向から見て反時
計方向にθ傾けるわけであるから、放物面鏡１２に対す
る入射レーザ光線Ｌの相対的な傾き角はＹ軸の正方向か
ら見て反時計方向にθとなる。したがって、まず放物面
鏡１２を固定して入射レーザ光線がＹ軸の正方向から見
て反時計方向にθ傾く場合について考え、最後に放物面
鏡１２をＹ軸の正方向から見て反時計方向にθ傾ける場
合について考えれば良い。放物面鏡１２を固定して入射
レーザ光線がＹ軸の正方向から見て反時計方向にθ傾く
場合は、焦点位置３は図５および図６に示したように変
化する。次に、放物面鏡１２をＹ軸の正方向から見て反
時計方向にθ傾けると、焦点位置３はＸ方向の変化がキ
ャンセルされて無くなるため、高さ方向（Ｚ方向）にの
み変化する。

【００２６】同様に、図７（ｂ）に示すように、ベンド
ミラー１１をＹ軸の正方向から見て時計方向にθ傾け、
放物面鏡１２をベンドミラー１１に同期させてＹ軸の正
方向から見て時計方向にθ傾けると、焦点位置３はＺ座
標の正方向にのみ移動する。以上のような方法により、
焦点位置高さを調整することが可能となる。

【００２７】手首回転入力軸１６の回転が、第１のベベ
ルギア１７および第二のベベルギア１８を介して集光ヘ
ッド１に伝達され、集光ヘッド１がＡ軸まわりに回動す
る場合は、第２のアクチュエータ１４は２自由度構成で
あるため、このＡ軸まわりの回転に同期して、ベンドミ
ラー１１の傾き方向と同じ方向に放物面鏡１２を傾けれ
ばよい。

【００２８】次に、図１に示すように構成されたレーザ
加工装置用手首構造を用いて、２つのワークの突合せ溶
接などを行うのに適したレーザ加工方法について説明す
る。レーザ光線Ｌを用いた溶接は、集光したときのビー
ムスポット径が小さくエネルギー密度が高いためにビー
ド幅が狭く、深溶け込みが可能という特長を持つ反面、
高い位置精度が必要であり、前にも説明したように、突
合せ溶接の際に生じるワークのばらつきによるギャップ
の許容値が小さいという欠点がある。図８はそのような
突合せ溶接などに用いて有効なレーザ加工方法を示す説
明図である。図において、４４は突合せ溶接が行われる
加工部としての、２つのワーク８の突合せ部であり、４
５は加工方向、４６はレーザ光線Ｌの焦点位置３の軌跡
である。２つのワーク８の突合せ部４４は各ワーク８の
ばらつきによるギャップを持つため、突合せ部４４に沿
ってレーザ光線を移動させるだけでは溶接しにくい。そ
こで、たとえばレーザ光線Ｌの焦点位置３が図８に４６
で示す軌跡上を移動するように、加工方向４５に対して
レーザ光線Ｌを微小に振れば、効率的に溶接を行うこと
ができる。そのためには、図１および図３に示した第２
のアクチュエータ１４をコントローラ４２で制御して、
放物面鏡１２を２自由度に揺動させればよい。

【００２９】実施例２． なお、上記実施例ではアクチュエータに電磁石を用いた
ものを示したが、圧電素子、磁歪素子、リニアモータ、
サーボモータなど、ベンドミラーおよび放物面鏡を揺動
できるメカニズムを有するものであれば、他のものを用
いてもよく、上記実施例と同様の効果を奏する。

【００３０】実施例３． また、上記実施例では第１のアクチュエータとして１自
由度構成のものを、第２のアクチュエータとして２自由
度構成のものを用いた場合について述べたが、これらを
入れ換えてもよく、上記実施例と同様の効果を奏する。

【００３１】実施例４． さらに、上記実施例では、突合せ溶接時にレーザ光線の
焦点を微小に振るために第２のアクチュエータを制御す
るものについて説明したが、第１のアクチュエータを制
御するようにしてもよい。

【００３２】

【発明の効果】以上のように、請求項１に記載の発明に
よれば、ベンドミラーを揺動させる第１のアクチュエー
タと、放物面鏡を揺動させる第２のアクチュエータとを
コントローラの制御で協調して作動させるように構成し
たので、放物面鏡集光方式によるレーザ加工装置に使用
する、小形・軽量な焦点位置高さ調整用ハイト軸が構成
できるレーザ加工装置用手首構造が得られる。

【００３３】また、請求項２に記載の発明によれば、前
記２つのアクチュエータ中の一方を２自由度構成、他方
を１自由度構成とするように構成したので、放物面鏡集
光方式によるレーザ加工装置に使用する、小形・軽量な
焦点位置高さ調整用ハイト軸が構成できるレーザ加工装
置用手首構造が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１によるレーザ加工装置用手
首構造を示す断面図である。

【図２】上記実施例における第１のアクチュエータの構
成を示す断面図である。

【図３】上記実施例における第２のアクチュエータの構
成を示す断面図である。

【図４】放物面鏡への入射レーザ光線が平行にずれた場
合の反射光線を示す説明図である。

【図５】放物面鏡への入射レーザが傾いた場合の反射光
線を示す説明図である。

【図６】放物面鏡への入射レーザ光線の傾き角と焦点位
置の変化量との関係を示す説明図である。

【図７】焦点位置高さの調整を示す説明図である。

【図８】突合せ溶接などに適したレーザ加工方法を示す
説明図である。

【図９】従来のレーザ加工装置用手首構造を示す断面図
である。

【符号の説明】 ３ 焦点位置 ８ ワーク １１ ベンドミラー １２ 放物面鏡 １３ 第一のアクチュエータ １４ 第二のアクチュエータ ４２ コントローラ ４４ 突合せ部（加工部） Ｌ レーザ光線

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光線の進路をベンドミラーにより
   変更して放物面鏡に導き、前記放物面鏡によってワーク
   上に前記レーザ光線を集光させて、前記ワークを加工す
   るレーザ加工装置に用いられるレーザ加工装置用手首構
   造において、前記ベンドミラーを揺動させる第１のアク
   チュエータと前記放物面鏡を揺動させる第２のアクチュ
   エータと、前記第１のアクチュエータと第２のアクチュ
   エータとを協調して動作させ、前記レーザ光線の焦点を
   高さ方向に調整自在にするコントローラとを設けたこと
   を特徴とするレーザ加工装置用手首構造。
2. 【請求項２】 前記第１のアクチュエータと第２のアク
   チュエータのいずれか一方が、直交した２軸のまわりに
   揺動する２自由度構成であり、他方が１軸のまわりに揺
   動する１自由度構成であることを特徴とする請求項１に
   記載のレーザ加工装置用手首構造。