JP4088233B2 - レーザ加工機 - Google Patents

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Description

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。
レーザ光の進行方向を変化させるスキャナ部と、その集光点の位置を変化させる導光部とを備えたレーザ加工機が特開2001−232489号公報に開示されている。この従来技術は、スキャナ部と導光部とを協調制御することにより、集光点である加工点が常に平坦な被加工物に照射するようになっている。
特開2001−232489号公報
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平坦な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。
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、理想的には面直かそれに近い状態で照射する必要がある。
このため上記従来の構成のレーザ加工機で三次元曲面の加工面を加工しようとすると、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った。つまり、全ての加工範囲を加工するには、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、又は複数のレーザ加工機を導入して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。それに加え、いずれの場合も、被加工物の搬入及び搬出作業に時間を要するため、レーザ加工機に待ち時間が発生して生産効率が低いという問題があった。
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、上記従来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。
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レーザ光を集光する集光レンズをZ軸と平行に移動するZ走査ユニットと前記Z軸と平行なX軸及びこのX軸と直角なY軸回りに走査ミラーを旋回して走査するX―Y走査ユニットとから成るビーム走査機構を備え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は、前記X―Y走査ユニットを前記X軸まわりに旋回させるチルト機構を備え、このチルト機構の旋回端に位置する前記X―Y走査ユニットから照射されるレーザ光の照射方向に設置され、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調制御する被加工物姿勢制御装置を2つ備え、これら被加工物姿勢制御装置は前記レーザ光の集光点である加工点が前記チルト機構によって照射方向が変化するその旋回角度範囲の中心から略対称の位置にそれぞれ配設されていることを特徴とする。
本発明(請求項2に記載の第2発明)のレーザ加工機は、請求項1において、前記2つの被加工物姿勢制御装置は、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、その第1軸が傾斜し且つ互いに向かい合って配設され、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。
本発明(請求項3に記載の第3発明)のレーザ加工機は、 請求項2において、前記3軸ポジショナ装置は、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。
上記構成より成る第1発明のレーザ加工機は、レーザ光の方向に応じて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する。したがって、従来のように、複数台のスキャナ装置を設置したり、加工個所によって被加工物の姿勢を切り替えたりすることが不要になる。また、複数のレーザ加工機を導入して工程分割することが不要になって、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。
第1発明のレーザ加工機はまた、2つの被加工物姿勢制御装置が配設されているので、一方の被加工物姿勢制御装置に載置された被加工物を加工し搬出している間に、他方の被加工物姿勢制御装置にて新たな(未加工の)被加工物の搬入をすることができ、レーザ加工機の待ち時間が減って生産効率が向上する。
さらに、加工用スキャナ装置が、平面方向走査ユニットを、レーザ光が走査する平面と平行な旋回軸回りにチルトするチルト機構を備えているので、平面方向走査ユニットを旋回させることにより、2つの被加工物姿勢制御装置に載置された被加工物を加工することができる。
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、前記被加工物姿勢制御装置を構成する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。また、3軸ポジショナ装置の第1軸が、傾斜し且つ向かい合って配設されているので、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ともに、旋回する加工用スキャナ装置からのレーザ光をより面直に近づけやすいという効果を奏する。
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、3軸ポジショナ装置が、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。
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、被加工物姿勢制御装置2a,2bに載置された図略の被加工物を加工する。図1に示すように、レーザ加工機は、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被加工物の姿勢を協調制御する被加工物姿勢制御装置2a,2bを有し、この被加工物姿勢制御装置2a,2bを構成する3軸の回転軸構成の3軸ポジショナ装置20,20によって、レーザ光に対して被加工物の加工面を面直に近い状態に姿勢制御するようになっている。
加工用スキャナ装置1の光学系は、図2の模式図及び図3のカバーを外した状態の斜視図に示すように、ビーム走査機構11によって構成されている。このビーム走査機構11は、架台上に設置されたCO レーザ発振器10から出射されたレーザ光の焦点位置を調整するZ軸方向に移動可能な集光レンズ15と、X軸ならびにY軸まわりに揺動して姿勢制御可能な走査ミラー16を備えている。
レーザ発振器10から出射された水平方向のレーザ光は、折返しミラー12(図1参照)により垂直上方に折返され、この垂直上方のレーザ光は折返しミラー14(図1参照)により水平方向に折返されて加工用スキャナ装置1に入射される。加工用スキャナ装置1は、レーザ光のビームをエキスパンド(拡大)するビームエキスパンダ13と、エキスパンドされたビームをスキャン(走査)するビーム走査機構11(Z走査ユニット11z(図3参照)及びX−Y走査ユニット11xy(図3参照)から成る)と、被加工物姿勢制御装置2a,2bに載置される被加工物へレーザ光を照射させるためのチルト機構17とで構成されている。なお、チルト機構17は、図3に示すように、油圧ピストンの往復動により、X−Y走査ユニット11xyをX軸まわりに首振り動作させて旋回割出しさせるものである。
一方の被加工物へ向けてチルト機構が割出されると、加工用スキャナ装置1に入射されたレーザ光は、ビームエキスパンダ13によりエキスパンドされてビーム走査機構11内に入射される。そして、そのレーザ光は、Z走査ユニット11z内の集光レンズ15により集光され、さらにX−Y走査ユニット11xy内の走査ミラー16により折返し方向変換されて被加工物へ照射される。X−Y走査ユニット11xy内の走査ミラー16を図4及び図5に拡大して示す。走査ミラー16は、X軸ならびにY軸の2つの揺動軸まわりに揺動可能に設けられている。なお、この一方の揺動軸であるX軸は、集光レンズ15の移動方向であるZ軸と一致するよう構成されており、また他方の揺動軸であるY軸は、X軸と直交するように構成されている。
図2〜図5に示すように、サーボモータ(図略)の駆動によるZ軸方向の集光レンズ15の移動(直動)と、サーボモータ161、162の駆動によるX及びY軸まわりの走査ミラー16の揺動とによって、レーザ光の集光点である加工点は、図1に示す所定の作動範囲18a,18b内で任意位置移動を可能にするものである。
以上
被加工物を載置する一対の被加工物姿勢制御装置2a,2bは、それぞれ3軸ポジショナ装置20,20として構成されている。3軸ポジショナ装置20には、図1及び図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、該第1の回転軸21まわりに回動する第1の回動部材24が設けられている。この第1の回動部材24内には、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、該第3の回転軸23まわりに回動する第2の回動部材25が設けられている。この第2の回動部材25内には、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まわりに回動する第3の回動部材26上に被加工物(図示せず)が載置される載置台261が配設されている。
また3軸ポジショナ装置20は、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6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。
上記構成より成るレーザ加工機は、加工用スキャナ装置1が、図1に示されるようにレーザ発振器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。
レーザ光は、集光レンズ部15を透過し所定の位置に設置した揺動可能な走査ミラー16を経由して加工点に集光される。揺動可能な走査ミラー16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18a,18bで示される移動範囲を生成させる。
またその下部に設置した3軸を有するポジショナ装置20,20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20,20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18a,18b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。
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。
一対の被加工物姿勢制御装置2a,2bである3軸ポジショナ装置20,20は、図1に示すように、傾斜した第1の回転軸21が向かい合って、且つ、集光点である加工点の移動範囲18a,18bの中心から対称な位置にそれぞれ配置されている。加工点の移動範囲18a,18bの中心とは、チルト機構17により旋回割出しされるX−Y走査ユニット11xyの首振り角度範囲の中心(割出し角の中心)を通る面のことであり、この面はX軸、Z軸及び図1に示す一点鎖線を含む鉛直面である。
このように構成されたレーザ加工機の動作を図7に示すサイクル線図を参照して説明する。まず、未加工の被加工物を被加工物姿勢制御装置2aに搬入する。被加工物が搬入される間に、加工用スキャナ装置1のX−Y走査ユニット11xyがチルト機構17により被加工物姿勢制御装置2a側に旋回割出しされる。そして、ビーム走査機構11(Z走査ユニット11z及びX−Y走査ユニット11xy)と被加工物姿勢制御装置2a(3軸ポジショナ装置20)とを協調制御することにより、被加工物姿勢制御装置2aに載置された被加工物が加工される。加工が終了すると、被加工物姿勢制御装置2aに載置された加工済みの被加工物が搬出されるが、それと同時に、未加工の被加工物が被加工物姿勢制御装置2bに搬入される。この搬出及び搬入の間に、X−Y走査ユニット11xyがチルト機構17により被加工物姿勢制御装置2b側に旋回割出しされる。そして、ビーム走査機構11と被加工物姿勢制御装置2bとを協調制御することにより、被加工物姿勢制御装置2bに載置された被加工物が加工される。この加工が終了すると、被加工物姿勢制御装置2b上の加工済みの被加工物が搬出されると同時に、未加工の被加工物が被加工物姿勢制御装置2aに搬入され、X−Y走査ユニット11xyが被加工物姿勢制御装置2a側に旋回割出しされる。以降、この加工サイクルが繰り返される。
上記作用を奏する本実施形態のレーザ加工機は、被加工物姿勢制御装置2により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1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する。したがって、スキャナ装置を複数台設置したり、複数のレーザ加工機を導入して工程分割したりすることが不要になって、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。
本実施形態のレーザ加工機はまた、単一の加工用スキャナ装置1に対し、2つの被加工物姿勢制御装置2a,2bが配設されている。したがって、一方の被加工物姿勢制御装置2aに載置された被加工物を加工し、その加工が終了して搬出している間に、他方の被加工物姿勢制御装置2bに未加工の被加工物を搬入することができ、レーザ加工機の待ち時間が減って生産効率が向上する。
本実施形態のレーザ加工機は更に、加工用スキャナ装置1のビーム走査機構11(X−Y走査ユニット11xy)がチルト機構17により旋回割出しされるので、X−Y走査ユニット11xyをそれぞれの位置に旋回割出しさせることにより、一対の被加工物姿勢制御装置2a,2bに載置されるそれぞれの被加工物を加工することができる。
また本実施形態のレーザ加工機は、被加工物姿勢制御装置2a,2bを構成する3軸の回転軸構成の3軸ポジショナ装置20,20によって、加工用スキャナ装置1からのレーザ光に対して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、被加工物の加工面の最適加工を可能にするという効果を奏する。
本実施形態においては、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20,20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。
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。
本実施形態においては、加工用スキャナ装置1とポジショナ装置20,20を組合わせることにより、ポジショナ装置20,20による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18a,18b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。
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。
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キャナ装置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20,20を具備した構成に特徴があり、加工用スキャナ装置1及びポジショナ装置20,20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、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。
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。
また本実施形態のレーザ加工機は、3軸ポジショナ装置20が、図6に示されるように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。
さらに本実施形態のレーザ加工機は、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、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。また、傾斜した一対の3軸ポジショナ装置20,20の第1軸21がそれぞれ向かい合って配設されているので、旋回割出しされる加工用スキャナ装置1のX−Y走査ユニット11xyからのレーザ光をより面直に近づけやすいという効果を奏する。
また本実施形態のレーザ加工機は、加工用スキャナ装置1が備えているビーム走査機構11によって、レーザ光の焦点位置を可動式の集光レンズ部15と走査ミラー16によりX、Y、Z方向に制御する。したがって、被加工物の加工面に対して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、被加工物の加工面の最適加工を可能にするとともに、加工点範囲18a,18bを広くするという効果を奏する。
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20,20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20,20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20,20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。そして、被加工物姿勢制御装置2a,2bである3軸ポジショナ装置20,20を2つ備えることにより、被加工物の搬入及び搬出作業に要する時間を削減し、レーザ加工機の生産効率を向上させるものである。
また本実施形態のレーザ加工機は、CO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(加工対象物によっては、2軸で可能)ポジショナ装置20,20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。
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20,20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、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18a,18bが得られる。しかも、傾斜した一対の3軸ポジショナ装置20,20を向かい合わせて配置しているため、旋回割出しされたビーム走査機構11のX−Y走査ユニット11xyからのレーザ光を、被加工物に対しより面直に近づけることができる。
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。
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。
上述の実施形態においては、一例として3軸ポジショナ装置20,20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、レーザ光は、光軸廻りの回転方向性が無いためポジショナの構成としては、2軸構成であっても加工に対する必要条件は満足する場合があるので、2軸構成のポジショナを用いる実施形態も採用可能である。
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。また、ビーム走査機構11が旋回割出しされる構成について説明したが、旋回以外で割出しされるようにしても良い。
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。 本実施形態のレーザ加工機の加工用スキャナ装置の光学系を示す模式図である。 本実施形態のレーザ加工機の加工用スキャナ装置のカバーを外した状態を示す斜視図である。 本実施形態の加工用スキャナ装置のX−Y走査ユニットの下面を示す斜視図である。 本実施形態のX−Y走査ユニットの異なった角度からの斜視図である。 本実施形態の3軸ポジショナ装置を示す斜視図である。 本実施形態のレーザ加工機の動作を示すサイクル図である。
符号の説明
1・・・加工用スキャナ装置
2a,2b・・・被加工物姿勢制御装置
10・・・レーザ発振器
11・・・ビーム走査機構
17・・・チルト機構
20・・・3軸ポジショナ装置

Claims (3)

  1. レーザ発振器を用いた光学系で構成されレーザ光を集光する集光レンズをZ軸と平行に移動するZ走査ユニットと前記Z軸と平行なX軸及びこのX軸と直角なY軸回りに走査ミラーを旋回して走査するX―Y走査ユニットとから成るビーム走査機構を備え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は、前記X―Y走査ユニットを前記X軸まわりに旋回させるチルト機構を備え、このチルト機構の旋回端に位置する前記X―Y走査ユニットから照射されるレーザ光の照射方向に設置され、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調制御する被加工物姿勢制御装置を2つ備え、これら被加工物姿勢制御装置は前記レーザ光の集光点である加工点が前記チルト機構によって照射方向が変化するその旋回角度範囲の中心から略対称の位置にそれぞれ配設されていることを特徴とするレーザ加工機。
  2. 請求項1において、前記2つの被加工物姿勢制御装置は、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、その第1軸が傾斜し且つ互いに向かい合って配設され、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。
  3. 請求項2において、前記3軸ポジショナ装置は、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。
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