JP3955491B2

JP3955491B2 - レーザ加工機

Info

Publication number: JP3955491B2
Application number: JP2002108111A
Authority: JP
Inventors: 俊義市川; 亘飯田; 吉二山本; 和久三瓶
Original assignee: JTEKT Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: JTEKT Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-04-10
Filing date: 2002-04-10
Publication date: 2007-08-08
Anticipated expiration: 2022-04-10
Also published as: JP2003305578A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振器を用いた光学系で構成された加工用スキャナ装置からのレーザ光により被加工物を加工するレーザ加工機に関するものであり、主に成形加工されたパネル類の接合溶接を効率的に処理する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザ加工機に関しては、２社（Rofin Sinar 社（以下Ｒ／Ｓ社と言う）およびOptical-Enginnering 社（以下Ｏ／Ｅ社と言う）の製品があり、スキャナ（光走査）部の構成は、両者共類似しているがＲ／Ｓ社の製品がレーザ光の集光に透過光学系を採用しているのに対し、Ｏ／Ｅ社の製品は反射光学系を採用していることが一般に知られている。
【０００３】
従来においては、上述のレーザ加工機を用いて、固定支持された被加工物である被溶接物の加工面をレーザ光により加工すなわち溶接するものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記被加工物（パネル類）にレーザビームを照射して良好な溶接を実現させるためには、レーザビームを被加工物加工面に対し、理想的には面直から少なくとも±１０°以内で照射する必要がある。
【０００５】
このため上記従来の構成の装置においては、固定支持された前記被加工物を加工するものであるため、加工可能範囲に制約を受け、中・大型被加工物に対して単一スキャナ装置により加工できないという問題があり、光の照射方向又は被加工物の姿勢を切替える必要があり、上記構成のスキャナ装置を複数台設置するか、又は工程分割せざるを得ないため、装置の大型化、高額化が問題であった。
【０００６】
そこで本発明者は、レーザ発振器を用いた光学系で構成された加工用スキャナ装置からのレーザ光により被加工物を加工するレーザ加工機において、前記加工用スキャナ装置からのレーザ光の方向に応じて載置された前記被加工物の姿勢を協調制御するという本発明の技術的思想に着眼し、更に研究開発を重ねた結果、レーザ加工機の加工可能範囲の制約を解消し、中・大型被加工物に対する単一スキャナ装置による加工を可能にし、光の照射方向又は被加工物の姿勢の切替えを不要にし、複数台のスキャナ装置および工程分割を不要にすることにより、装置の大型化、高額化の問題を解消するという目的を達成する本発明に到達した。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明（請求項１に記載の第１発明）のレーザ加工機は、レーザ発振器を用いた光学系で構成された加工用スキャナ装置からのレーザ光により被加工物を加工するレーザ加工機において、前記加工用スキャナ装置からのレーザ光の方向に応じて載置された前記被加工物の姿勢が協調制御される被加工物姿勢制御装置を備え、該被加工物姿勢制御装置が、３軸の回転軸構成の３軸ポジショナ装置によって構成され、前記レーザ光に対して前記被加工物の加工面を面直に近い状態に姿勢制御されるものである。
【００１０】
本発明（請求項２に記載の第２発明）のレーザ加工機は、前記第１発明において、前記３軸ポジショナ装置が、前記３軸の回転中心が１点に集中するように構成されているものである。
【００１１】
本発明（請求項３に記載の第３発明）のレーザ加工機は、前記第２発明において、前記３軸ポジショナ装置の第１軸が、傾斜して配設されているものである。
【００１２】
本発明（請求項４に記載の第４発明）のレーザ加工機は、前記第２発明において、前記加工用スキャナ装置が、前記レーザ光の焦点位置を可動式の集光レンズとミラーによりＸ、Ｙ、Ｚ方向に制御可能なビーム走査機構を備えているものである。
【００１３】
【発明の作用・効果】
【００１５】
上記構成より成る第１発明のレーザ加工機は、レーザ発振器を用いた光学系で構成された加工用スキャナ装置からのレーザ光により被加工物を加工するレーザ加工機において、前記被加工物姿勢制御装置により前記加工用スキャナ装置からのレーザ光の方向に応じて載置された前記被加工物の姿勢が協調制御されるので、レーザ加工機の加工可能範囲の制約を解消し、中・大型被加工物に対する単一スキャナ装置による加工を可能にし、光の照射方向又は被加工物の姿勢の切替えを不要にし、複数台のスキャナ装置および工程分割を不要にすることにより、装置の大型化、高額化の問題を解消するという効果を奏する。さらに、被加工物姿勢制御装置を構成する３軸の回転軸構成の３軸ポジショナ装置によって、前記レーザ光に対して前記被加工物の加工面を面直に近い状態に姿勢制御されるので、前記被加工物の前記加工面の最適加工を可能にするという効果を奏する。
【００１６】
上記構成より成る第２発明のレーザ加工機は、前記第１発明において、前記３軸ポジショナ装置が、前記３軸の回転中心が１点に集中するように構成されているので、協調制御における前記被加工物の姿勢演算に当たり座標変換をシンプルにして、協調制御を容易かつ確実にするという効果を奏する。
【００１７】
上記構成より成る第３発明のレーザ加工機は、前記第２発明において、前記３軸ポジショナ装置の第１軸が、傾斜して配設されているので、前記被加工物の載置、調整および取り外しその他の作業を容易にするという効果を奏する。
【００１８】
上記構成より成る第４発明のレーザ加工機は、前記第２発明において、前記加工用スキャナ装置が備えている前記ビーム走査機構によって、前記レーザ光の焦点位置を可動式の集光レンズとミラーによりＸ、Ｙ、Ｚ方向に制御するので、前記被加工物の加工面に対して前記レーザ光を面直に近い状態に制御することが出来るので、前記被加工物の前記加工面の最適加工を可能にするという効果を奏する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態につき、図面を用いて説明する。本実施形態のレーザ加工機は、図１ないし図７に示されるようにレーザ発振器１０を用いた光学系１１で構成された加工用スキャナ装置１からのレーザ光により被加工物を加工するレーザ加工機において、前記加工用スキャナ装置１からのレーザ光の方向に応じて載置された前記被加工物の姿勢が協調制御される被加工物姿勢制御装置２が、３軸の回転軸構成の３軸ポジショナ装置２０によって構成され、前記レーザ光に対して前記被加工物の加工面を面直に近い状態に姿勢制御されるものである。
【００２０】
前記加工用スキャナ装置１の光学系１１は、架台上に設置されたＣＯ2 レーザ発振器１０から出射されたレーザ光の焦点位置を可動式の集光レンズ１５とミラー１６、１７によりＸ、Ｙ、Ｚ方向に制御可能なビーム走査機構によって構成されている。
【００２１】
前記加工用スキャナ装置１のビーム走査機構１１は、図１ないし図７に示されるようにレーザ発振器１０から出射された水平方向のレーザ光を垂直下方に折返す折返しミラー１２と、レーザ光のビームをエキスパンドするビームエキスパンダ１３と、エキスパンドされた垂直下方のレーザ光を水平方向に折返す折返しミラー１４と、折返しミラー１４を経由しスキャナ（走査）装置内に導入されたレーザ光を集光する集光レンズ１５と、集光されたレーザ光を水平面内において折返し方向変換する第１ミラー１６と、第１ミラー１６によって方向変換されたレーザ光を下方に折返し方向変換する第２ミラー１７とから成る。
【００２２】
前記集光点である加工点は、サーボモータ１５１の駆動による集光レンズ１５の移動（直動）とサーボモータ１６１、１７１の駆動による第１および第２ミラー１６、１７の揺動によって、所定の作動範囲１８内で任意位置移動を可能にするものである。
【００２３】
３軸ポジショナ装置２０は、図１、図４ないし図６に示されるように第１の回転軸２１が、水平面に対して傾斜して配設され、前記第１の回転軸２１回りに回動する第１の回動部材２４内に前記第１の回転軸２１に対して直交関係に第３の回転軸２３が配設され、前記第３の回転軸２３回りに回動する第２の回動部材２５内に前記第３の回転軸２３に対して直交関係に第２の回転軸２２が配設され、該第２の回転軸２２回りに回動する第３の回動部材２６に前記被加工物（図示せず）が載置される載置台２６１が配設されている。
【００２４】
また前記３軸ポジショナ装置２０は、前記第１の回転軸２１、第２の回転軸２２および第３の回転軸２３の３軸の回転中心が図１に示されるように１点に集中するように構成されているものである。
【００２５】
上記構成より成るレーザ加工機は、前記加工用スキャナ装置１が、図１に示されるように前記レーザ発振器１０から出射されたレーザ光が２対の折返しミラー１２、１４を経由して、加工点（集光点）の高さ方向（Ｚ方向）の位置制御を行う直動移動可能な前記集光レンズ部１５に導光される。
【００２６】
レーザ光は、前記集光レンズ部１５を透過し所定の位置に設置した、２対の揺動可能な反射ミラー１６、１７を経由して加工点に集光される。揺動可能な２対の反射ミラー１６、１７の揺動角度制御によって、下方の集光点である加工点の平面方向（ＸＹ方向）の位置制御を行う。上記の３軸の組合せで、集光点である加工点を図１中の符号１８で示される移動範囲を生成させる。
【００２７】
またその下部に設置した３軸を有するポジショナ装置２０の載置台２６１上に搭載した被加工物（図示せず）は、ポジショナ装置２０の各軸２１、２２、２３の動作量により任意姿勢制御可能であり、被加工物加工点を上記レーザ集光点範囲内且つ光軸に面直近傍へ姿勢制御可能とするものである。
【００２８】
３軸構成としているのは広範囲のスポット加工を実施する場合、スキャナ装置側の集光点高速移動の特長を最大限活かすため、ポジショナ側の姿勢生成動作時間の短縮を狙ったためである。３軸の回転軸２１、２２、２３の組合せにより、スキャナ装置１より放射状に出射されるレーザ光に対して加工点を面直近傍に姿勢制御することが可能となる。
【００２９】
上記作用を奏する本実施形態のレーザ加工機は、前記レーザ発振器１０を用いた光学系１１で構成された前記加工用スキャナ装置１からのレーザ光により被加工物を加工するレーザ加工機において、前記被加工物姿勢制御装置２により前記加工用スキャナ装置１からのレーザ光の方向に応じて載置された前記被加工物の姿勢が協調制御されるので、レーザ加工機の加工可能範囲の制約を解消し、中・大型被加工物に対する単一スキャナ装置による加工を可能にし、光の照射方向又は被加工物の姿勢の切替えを不要にし、複数台のスキャナ装置および工程分割を不要にすることにより、装置の大型化、高額化の問題を解消するという効果を奏する。
【００３０】
また本実施形態のレーザ加工機は、前記被加工物姿勢制御装置２を構成する３軸の回転軸構成の前記３軸ポジショナ装置２０によって、前記加工用スキャナ装置１からの前記レーザ光に対して前記被加工物の加工面を面直に近い状態に相対的に姿勢制御されるので、前記被加工物の前記加工面の最適加工を可能にするという効果を奏する。
【００３１】
本実施形態においては、前記加工用スキャナ装置１と被加工物姿勢制御用ポジショナ装置２０との協調制御が可能であり、組合せ図の如く配置したことにより、中・大型の被加工物（例えば加工可能範囲１２００×１２００×４００）に対して単一スキャナ装置でレーザ光の理想的照射角度で三次元加工が可能なレーザ加工機を実現するものである。
【００３２】
上述のように構成された本実施形態のレーザ加工機において、従来に比べて前記加工用スキャナ装置１の光軸の揺動角度を拡大する事が可能であるとともに、且つ被加工物を水平設置時には、集光点移動範囲外にある加工点をも光軸に面直近傍となる姿勢制御が可能となり、加工品質を確保し且つ加工可能範囲の大幅拡大を達成する、また加工方法として連続シームレス加工及びスポット加工（ポイント、ステッチ加工）を任意に設定することが出来、加工工程の集約が可能となる。
【００３３】
本実施形態においては、前記加工用スキャナ装置１と前記ポジショナ装置２０を組合わせることにより、前記ポジショナ装置２０による前記被加工物の姿勢制御を任意に行うことが出来るため、上述の従来に比べてレーザ光の揺動角度を拡大できるとともに、これにより加工点範囲１８が増大し対象被加工物サイズを拡大することが可能である。
【００３４】
また従来においては、そのレーザ光の照射角度の制限により被加工物として平面形状の被加工物が主たる対象であったが、本実施形態においては、立体形状の被加工物に対しても加工を可能にするものである。
【００３５】
本実施形態のレーザ加工機は、集光点を広範囲高速移動可能な加工用ステャナ装置１とその下部に被加工物の加工点を含む加工面を任意姿勢制御可能なポジショナ装置２０を具備した構成に特徴があり、２装置を同時協調制御する事により効果的にレーザ加工を行えるようにするものであり、前記被加工物の加工点を含む加工面をレーザ加工に最適な姿勢になるように高速で生成することが可能となる。
【００３６】
この結果、従来単一スキャナ装置では実現できない広範囲・高品質な高速レーザ加工が可能となり、被加工物の任意姿勢制御による三次元加工ができ加工工程の集約化が可能となる。また加工点間の高速移動による非加工時間（空送時間）の飛躍的短縮による高効率な加工が可能となるのである。
【００３７】
また本実施形態のレーザ加工機は、前記３軸ポジショナ装置２０が、図１に示されるように前記３軸２１、２２、２３の回転中心が１点に集中するように構成されているので、協調制御における前記被加工物の姿勢演算に当たり座標変換をシンプルにして、協調制御を容易かつ確実にするという効果を奏する。
【００３８】
さらに本実施形態のレーザ加工機は、図７に示されるように前記３軸ポジショナ装置２０の第１軸２１が、傾斜して配設されているので、前記被加工物の載置、調整および取り外しその他の作業を容易するという効果を奏する。
【００３９】
また本実施形態のレーザ加工機は、前記加工用スキャナ装置１が備えている前記ビーム走査機構１１によって、前記レーザ光の焦点位置を可動式の集光レンズ部１５とミラー１６、１７によりＸ、Ｙ、Ｚ方向に制御するので、前記被加工物の加工面に対して前記レーザ光を面直に近い状態に制御することが出来るので、前記被加工物の前記加工面の最適加工を可能にするとともに、加工点範囲１８を広くするという効果を奏する。
【００４０】
本実施形態のレーザ加工機は、加工用スキャナ装置１に対し、姿勢変換用の３軸ポジショナ装置２０を具備することにより、被加工物の姿勢を任意に制御し、常にレーザビームの照射角を面直近傍に保ち効果的且つ広範囲加工を可能にしたものである。また被加工物の姿勢制御用の３軸ポジショナ装置２０は、加工用スキャナ装置１との協調制御、または独立制御が可能なものであり、加工用スキャナ装置１の特長である加工点間の高速移動による広範囲高速溶接とともに、３軸ポジショナ装置２０の特長である任意姿勢制御による被加工物の三次元連続加工を可能にするものである。
【００４１】
また本実施形態のレーザ加工機は、ＣＯ２レーザ発振器を用いた長焦点光学系で構成した加工用３軸スキャナ装置１と被加工物の任意姿勢制御を目的とした３軸ポジショナ装置２０を効果的に配置した協調制御可能な広範囲三次元レーザ加工機を実現するものである。
【００４２】
本実施形態のレーザ加工機は、レーザ光の焦点位置を可動式の集光レンズとミラーによりＸ、Ｙ、Ｚ方向に制御可能なビーム走査機構１１と、レーザ光に対して被溶接物を傾けることのできる揺動ポジショナ装置２０を組み合わせたシステムであり、被溶接物を揺動させることによって、前記ビーム走査機構１１で得られた溶接エリアに対して、更に広範囲な三次元溶接エリア１８が得られる。
【００４３】
被溶接物を揺動させて溶接面をレーザ光に面直に向けることによって、よりエネルギ効率の良い溶接加工が可能になり、被溶接物の形状によってはレーザ光が干渉して溶接不可能な場合でも、被溶接物を傾けることにより干渉を避けて溶接可能にできるものである。
【００４４】
上述の実施形態は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。
【００４６】
上述の実施形態においては、一例としてビーム走査機構１１においてレンズを用いる例について説明したが、本発明としてはそれらに限定されるものでは無く、レンズの代わりに凹面鏡を用いて焦点を合わせる実施形態も採用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のレーザ加工機の全体を示す斜視図である。
【図２】本実施形態のレーザ加工機の加工用３軸スキャナ装置の下面を示す下面図である。
【図３】本実施形態のレーザ加工機の加工用３軸スキャナ装置の下面を示す斜視図である。
【図４】本実施形態のレーザ加工機の全体を示す異なった角度からの斜視図である。
【図５】本実施形態のレーザ加工機の３軸ポジショナ装置を示す拡大斜視図である。
【図６】本実施形態のレーザ加工機を示す正面図である。
【図７】本実施形態のレーザ加工機を示す側面図である。
【符号の説明】
１・・・加工用スキャナ装置、２・・・被加工物姿勢制御装置、１０・・・レーザ発振器、１１・・・光学系、２０・・・３軸ポジショナ装置。

Claims

レーザ発振器を用いた光学系で構成された加工用スキャナ装置からのレーザ光により被加工物を加工するレーザ加工機において、前記加工用スキャナ装置からのレーザ光の方向に応じて載置された前記被加工物の姿勢が協調制御される被加工物姿勢制御装置を備え、該被加工物姿勢制御装置が、３軸の回転軸構成の３軸ポジショナ装置によって構成され、前記レーザ光に対して前記被加工物の加工面を面直に近い状態に姿勢制御されることを特徴とするレーザ加工機。
請求項１において、前記３軸ポジショナ装置が、前記３軸の回転中心が１点に集中するように構成されていることを特徴とするレーザ加工機。
請求項２において、前記３軸ポジショナ装置の第１軸が、傾斜して配設されていることを特徴とするレーザ加工機。
請求項２において、前記加工用スキャナ装置が、前記レーザ光の焦点位置を可動式の集光レンズとミラーによりＸ、Ｙ、Ｚ方向に制御可能なビーム走査機構を備えていることを特徴とするレーザ加工機。