JP4251745B2

JP4251745B2 - レーザ加工機

Info

Publication number: JP4251745B2
Application number: JP2000046303A
Authority: JP
Inventors: 薫松村; 典男道上
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2000-02-23
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2020-02-23
Also published as: JP2001232490A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ発振器から発振されたレーザ光をレンズにより収束させてワークを加工するレーザ加工機に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１７は、従来のワーク支持装置の断面図である。レーザ光によりワークに貫通穴を加工する場合、ワークを加工テーブルに載せて加工をすると、ワークを貫通したレーザ光が加工テーブルの表面を損傷させるだけでなく、レーザ光が加工テーブルの表面で反射してワークの底部に損傷を与え、ワークの品質を低下させる場合がある。そこで、ワーク１に加工する貫通穴２よりも大径の穴３を予め形成したプレート４を用意しておき、ワーク１をプレート４を介して加工テーブル５に載せて加工をしていた。図示の加工テーブル５の場合、表面に設けた多数の貫通穴６と継手７を介して接続された真空圧供給源により、加工時に発生するガスを外部に排出できるように構成されている。
【０００３】
また、図示を省略するが、ワーク１の両端に張力を付加しながらワーク１を保持し、ワーク１の底面を加工テーブル５の表面から浮かせるようにしたものもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術の前者では、加工パターン毎にプレートを用意しなければならず、製造上のコストおよび段取り時間が増加した。また、上記従来技術の後者では、ワークの変形を防止するため、ワークの材質や板厚等に応じて張力を選定する必要があり、前者と同様、段取り作業が複雑になった。
【０００５】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、段取り作業が簡単で、しかも加工精度に優れるレーザ加工機を提供するにある。
【０００６】
上記の目的を達成するため、請求項１の発明は、ワークを保持する保持面が額縁状のワーク保持装置と、前記ワークを前記保持面にクランプするクランプ装置と、を有し、張力を付加しない状態で前記ワークを前記保持面に固定し、レーザ発振器から発振されたレーザ光をレンズにより収束させてワークを加工するレーザ加工機において、外縁が前記保持面の内縁よりも小さく、前記保持面の内側に配置されるワーク受けと、このワーク受けを前記ワークに対して相対的に移動させる移動装置と、を備え、前記ワークを前記保持面に固定するときには、前記ワーク受けの上面を前記保持面と同一面にして前記ワークを前記ワーク受けの上面で支持し、前記ワークを移動させるときには、前記ワーク受けの上面を前記ワークから離間させ、前記ワークを加工するときには、複数の範囲に区分された前記ワークの加工領域の前記範囲毎にその周囲を下方から前記ワーク受けの上面で支持することを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２の発明は、請求項１において、前記ワーク受けの上面が前記周囲の直交する２方向で前記ワークを支持することを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３の発明は、請求項２において、前記上面に進出後退制御される複数のピンを設け、これらのピンの先端部で前記ワークを支持することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４の発明は、請求項１ないし３のいずれかにおいて、前記レンズを前記ワークに対して近接離間する方向に移動させる移動装置と、前記レンズから前記ワークまでの距離を測定する測定装置と、前記測定装置からの距離情報に基づいて前記移動装置を制御し、加工時に前記レンズと前記ワークの表面との距離を予め定める値に維持する制御装置と、を備えていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るレーザ加工機の全体構成図であり、レーザ加工機Ａと、ワーク載置テーブルと搬送装置とを備えるワークの供給装置Ｂおよび排出装置Ｃとから構成されている。
【００１２】
レーザ加工機Ａのベッド１０の上面には、クロステーブル１１をＹ軸方向（図の紙面と垂直な方向）に移動自在に案内する１対のリニアガイド１２が配置されている。クロステーブル１１の上面にはテーブル１３をＸ軸方向（図の左右方向）に移動自在に案内する１対のリニアガイド１４が配置されている。テーブル１３およびクロステーブル１１は、それぞれ図示を省略するサーボモータにより駆動される。テーブル１３の上面には、後述するワーク保持装置３０が固定されている。ワーク保持装置３０の上面には、ワーク１が固定されている。
【００１３】
ベッド１０にはコの字型のフレーム１５が立設されている。フレーム１５の上部側面にはレーザヘッド１６がワーク１に対向するようにして上下方向移動可能に支持されている。レーザヘッド１６には、１対のガルバノスキャナ１７とＦθレンズ１８が配置されている。フレーム１５の上面には、レーザ発振器１９が固定されている。レーザ発振器１９とレーザヘッド１６との間には、２個のミラー２０、２１が配置されている。なお、ミラー２０はフレーム１５に、ミラー２1はレーザヘッド１６に固定されている。フレーム１５の脚部側面には後述するワーク受け５０が固定されている。
【００１４】
供給装置Ｂと排出装置Ｃの搬送部は、レール２２と、図示を省略するシリンダによりレール２２上をＸ軸方向に移動自在のスライダ２３と、スライダ２３に保持されたリフタ２４と、リフタ２４に保持された真空吸着パッド（以下、吸着パッドという。）２５とから構成されている。スライダ２３の平面図である図２に示すように、スライダ２３には複数の吸着パッド２５が配置されている。なお、図中実線で示す位置がスライダ２３の待機位置であり、点線で示す位置が供給あるいは排出位置である。そして、スライダ２３が待機位置にあるとき、リフタ２４は上昇位置にある。２６はワーク１を載置するための固定のワーク載置テーブル（または、移動自在のワーク載置台車）であり、供給装置Ｂのワーク載置テーブル２６には加工前のワーク１が、また排出装置Ｃのワーク載置テーブル２６には加工後のワーク１が載置される。
【００１５】
次に、ワーク保持装置３０およびワーク受け５０について説明する。
図３はワーク保持装置３０の平面図、図４は図３のＥ−Ｅ断面図、図５は図３のＦ−Ｆ断面図、図６は図３のＤ−Ｄ断面図である。
【００１６】
図４に示すように、箱型のクランプフレーム３１の上面３１ａは中央部がくり抜かれ、外縁部がワーク１の保持面として額縁状に形成されている。クランプフレーム３１のＸ方向の両側には、ロッド３２に固定されたクランパ３３が配置されている。ベアリングケース３４が上面３１ａに固定されている。ロッド３２はベアリングケース３４に保持されたベアリング３５により回転自在に支持されている。ロッド３２の一端はカップリング３６を介してロータリシリンダ３７に接続されている。ロータリシリンダ３７はクランプフレーム３１と一体の支持板３８に固定されている。
【００１７】
図５に示すように、クランプフレーム３１のＹ方向の両側には、クランパ４０が配置されている。クランパ４０は、クランプフレーム３１の側面に固定されたヒンジピン４１を中心として回転自在である。クランパ４０の一端にはピン４２が固定されている。クランプフレーム３１のＹ方向の側面に設けられた穴３１ｂを貫通するようにして配置されたエアシリンダ４３は、一端がピン４２に、他端がクランプフレーム３１の底部に固定されたピン４４に、それぞれ回転自在に嵌合している。
【００１８】
図６に示すように、クランプフレーム３１のＸ方向の側面に設けられた穴３１ｃを貫通するようにして、ワーク受け５０が配置されている。ワーク受け５０の先端には、上面の各辺の長さが後述する矩形の範囲Ｓの各辺の長さよりも僅かに長い断面が矩形の箱状の受け部５１が固定されている。受け部５１は、上面がクランプフレーム３１の上面３１ａと同一面、かつ水平方向の中心がＦθレンズ１８の中心に一致するように配置されている。受け部５１の側面には溝５２が設けられている。そして、受け部５１の内部は、底部に配置された配管５３を介して真空圧供給源に接続されている。
【００１９】
次にこの実施の形態の動作を説明する。
リフタ２４を動作させ、吸着パッド２５をワーク載置テーブル２６上に載置された最上段のワーク１に当接させる。次に、吸着パッド２５を動作させ、ワーク１を吸着させる。次に、リフタ２４を動作させ、吸着パッド２５を上昇させると共に、スライダ２３をワーク保持装置３０上に移動させる。次に、リフタ２４を動作させ、吸着パッド２５を下降させて、ワーク１の下面を上面３１ａに位置決めする。この状態でロータリシリンダ３７およびエアシリンダ４３を動作させ、クランパ３３とクランパ４０によりワーク１を上面３１ａに押えて固定する。次に、吸着パッド２５の吸着動作を停止させ、スライダ２３を待機位置に戻す。
【００２０】
図７は、ワーク１の加工順序を示す図である。
図示のレーザ加工機Ａの場合、レーザ発振器１９から出力されたレーザ光はミラー２０、２１で反射してガルバノスキャナ１７に入射し、Ｆθレンズ１８を通ってワーク１に垂直に入射する。そして、１対のガルバノスキャナ１７をそれぞれ所定の角度回転させることにより、一定の範囲Ｓ（例えば、５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲）の穴を、ワーク１の移動を停止させたままの状態で加工することができる。そこで、加工する領域を図中に１点鎖線で示すように範囲Ｓ毎に区分し、図中矢印で示すように、ワーク１の一方の角部から、範囲Ｓ毎にクロステーブル１１の一方あるいは両方を移動させる。加工に伴って発生するガスや加工屑は配管５３を介して外部に廃棄される。
【００２１】
この実施の形態の場合、範囲Ｓの外周を受け部５１の上面で支えるから、剛性が小さいワークであっても自重により変形することがなく、精度のよい加工を行うことができる。
【００２２】
なお、ワーク１の下面を上面３１ａに位置決めする際に、受け部５１を上面３１ａの中央付近に配置し、ワーク１の中央付近を支えるようにすると、剛性が小さいワークであっても、中央部が自重で下方に撓むことを予防できる。
【００２３】
ところで、加工した穴２（図１７参照）の底面側の端部にばり等が形成されることがある。例えば、ワーク１の底面からばりが突出している場合、ワーク受け５１の上面はワーク１の底面に接触しているから、ワーク１が移動する際、ワーク受け５１にこすられて穴２の内側に入り込み、穴２を塞ぐことがある。
【００２４】
図８はワーク受けの変形例を示す平面図、図９はピン部の断面図である。このワーク受け６０は、上記ワーク受け５１に対応するものであり、各辺に複数の（図では４個）ピン６１を備えている。ピン６１はそれぞれに設けられた穴６２の内部を移動自在であり、ばね６３により下方に付勢されている。穴６４は各辺の穴６２を接続しており、継手６５および図示を省略する電磁弁を介して圧縮空気源６６に接続されている。圧縮空気源６６および図示を省略する電磁弁は制御装置６７により制御される。そして、ピン６１の先端は、穴６４に圧縮空気が供給されることによりばね６３に抗して上昇したとき、上面３１ａと同一の高さになるように構成されている。
【００２５】
図１０は、ワーク受け６０を用いた場合の加工順序を示す図であり、図中に実線で示すピン６１は上昇端、すなわち、穴６４に圧縮空気が供給されており、図示を省略したピン６１は、ばね６３により下降している。
この実施の形態の場合、加工時は総てのピン６１を上昇させておき、ワーク１の加工する範囲Ｓの外周を支持する。そして、ワーク１を次の加工範囲Ｓに移動させる際には、図示のように移動する側のピン６１を下降させ、次の加工範囲Ｓに位置決めをした後、再び下降させておいたピン６１を上昇させる。
【００２６】
このようにすると、下降したピン６１の先端がワーク１の底面に接触せず、ワーク１の底面から突出したばりが、ワーク１が移動する際に穴２の内側に入り込むことはない。したがって、加工品質を向上させることができる。
【００２７】
なお、ワーク１の剛性が大きい場合、加工時も直角な２辺（例えば、図１０に実線で示すピン６１）だけでワーク１を支えるようにしてもよい。
【００２８】
また、例えば上面３１ａに接する範囲Ｓを加工する場合には、上面３１ａ側のピン６１を下降させて加工してもよい。
【００２９】
ところで、上記の実施の形態では、ワーク１の底面をワーク受け５１またはワーク受け６０の上面で支えるから、加工部が高さ方向に変形することはほとんどない。しかし、ワーク１を板厚と直角の方向に張力を付加しない状態で上面３１ａに固定するから、ワーク１が自重による撓みがある状態で上面３１ａに固定されることがある。ワーク１に撓みがあると、加工位置が撓みの大きさだけ水平方向にずれて、加工精度が低下する。
【００３０】
図１１は本発明のさらに他の実施の形態を示すワーク保持装置の平面図、図１２は図１１のＧ−Ｇ断面図である。
ワーク受け７０の水平方向の寸法は、上面３１ａに設けられた中央部の穴よりも僅かに小さい。１対のガイドブッシュ７１がワーク受け７０に固定されている。ガイドブッシュ７１はクランプフレーム３１に立設された１対のガイドバー７２に嵌合している。エアシリンダ７４の一端がクランプフレーム３１の底部に回転自在に支持されている。エアシリンダ７４のピストンの先端に固定されたピン７５にはレバー７６の一端が回転自在に嵌合している。レバー７６の他端にはボルト７７によりリンク７８がくの字状に固定されている。リンク７８の他端に固定されたローラ７９がワーク受け７０の側面に形成された溝７０ａに回転自在に係合している。
【００３１】
次に、この実施の形態の動作を説明する。なお、この実施の形態の吸着パッド２５はリフタ２に対して遊びを持たせてあり、下端から上方に数ｍｍ移動できるように構成されている。また、ワーク１を上面３１ａに載置する際、リフタ２４の移動端における吸着パッド２５の下端が上面３１ａよりも１ｍｍだけ下方になるように制御する。
【００３２】
ワーク１を上面３１ａに載置するときには、予めエアシリンダ７４のピストンを図１２の左方に移動させる。すると、レバー７６と一体のリンク７８が回転してワーク受け７０を上方に移動させる。そして、ピストンが移動端まで移動すると、ワーク受け７０の上面は上面３１ａと同一面になる。この状態でリフタ２４を移動端まで移動させる。ワーク１の下面が上面３１ａに位置決めされた後、吸着パッド２５の吸引動作を停止する。すると、吸着パッド２５の重量がワーク１に加わり、ワーク１は平坦になる。この状態でロータリシリンダ３７およびエアシリンダ４３を動作させ、クランパ３３とクランパ４０によりワーク１を上面３１ａに押える。その後、吸着パッド２５を上昇させてからスライダ２３を待機位置に戻す。また、エアシリンダ７４を動作させワーク受け７０を下降させる。
【００３３】
なお、ワーク受け７０の上面は平坦でもよいし、図１１に示すように凹み部７０ｂを設けてもよい。
【００３４】
ところで、ワーク１の剛性が小さく、吸着パッド２５の自重を付加するだけではワーク１を平坦にできない場合がある。
【００３５】
図１３は上記吸着パッド２５に代わるワーク吸着装置の他の実施の形態を示す側面断面図、図１４は平面図である。
吸着装置８５は、底面の寸法がワーク受け７０の寸法とほぼ同じで、小径の穴８６が多数形成されている。また、内部に設けた空洞部は配管８７を介して真空吸着源に接続されている。この吸着装置８５は、リフタ２4に対して遊びを持たせてあり、下端から上方に数ｍｍ移動できるように構成されている。
【００３６】
この吸着装置８５の場合、底面がワーク受け７０と同じ寸法であるから、ワーク１の下面を上面３１ａに位置決めすると、吸着装置８５はワーク１の加工領域全体を均一に加圧する。この状態で、クランパ３３とクランパ４０によりワーク１を上面３１ａに押えると、ワーク１に撓みが残ることはない。したがって、精度のよい加工ができる。
【００３７】
ところで、ワーク受け７０を用いる場合、加工時におけるワーク１は外縁だけで保持される。このため、ワーク１を平坦な状態で固定しても、ワーク受け７０を下降させたとき、ワーク１の中央部に自重による撓みが発生することがある。
【００３８】
次に、ワーク受け７０を用いる場合の他の加工方法について説明する。
図１５はレーザ加工機Ａの加工時正面図である。レーザヘッド１６の側面には距離測定器（例えばフォト反射式センサ）９１が固定されている。距離測定器９１は制御装置９２に接続されている。制御装置９２には図示を省略するレーザヘッド１６の駆動装置が接続されている。
【００３９】
次に、この実施の形態の動作をワーク１の平面図である図１６を参照しながら説明する。
ワーク１を上面３１ａに固定した後、Ｆθレンズ１８の中心を第１の加工範囲Ｓ１におけるＸ方向の上面３１ａに近い側のＹ方向の中心付近の点（この場合は点Ｋ１）に位置決めしてから、焦点がワーク１の表面に一致するようにレーザヘッド１６、すなわちＦθレンズ１８を高さ方向に位置決めする。この状態で、ワーク１を移動させ、点Ｋ１を距離測定器９１に位置決めし、ワーク１表面までの距離δを測定する（ここではδ１）。次に、第１の範囲Ｓ１の点Ｋ１と反対側の点Ｋ２を距離測定器９１に位置決めし、ワーク１の表面までの距離δを測定する（この場合は、距離δ２）。そして、第１の範囲Ｓ１を加工するときのＦθレンズ１８の中心を、水平方向は範囲Ｓ１の中心、高さは｛（δ２−δ１）−（δ１−δ１）｝／２＋δ１、すなわちδ１を（δ２−δ１）／２だけ補正した位置に位置決めして、範囲Ｓ１の加工を行う。同様に、第２の範囲Ｓ２を加工するときのＦθレンズ１８の中心を、水平方向は範囲Ｓ２の中心、高さは（δ３−δ２）／２＋δ１、すなわち、高さδ１を（δ３−δ２）／２だけ補正した位置に位置決めして加工を行う。以下、同様にして、範囲ＳｎにおけるＦθレンズ１８の中心を、水平方向は範囲Ｓｎの中心、高さはδ１＋（δｎ＋１−δｎ）／２として加工を行う。
【００４０】
この実施の形態では、範囲Ｓ毎にワーク１の表面に対するＦθレンズ１８の距離を補正するから、加工精度をさらに向上させることができる。
【００４１】
なお、図示を省略するが、ワーク受け７０に、図９で示した出入り自在のピン６１をＸＹ方向に多数設けておき、ワーク受け７０を加工させた後、加工範囲の外側に位置するピンを上昇させてワーク１の底面を支持するようにしてもよい。
【００４２】
また、上記ではワークの４辺を総てクランプするようにしたが、向かい合う２辺をクランプするようにしてもよい。
【００４３】
また、上記ではクランプフレーム３１の上面３１ａを四角の額縁状にしたが、例えば向かい合う２辺としてもよい。
【００４４】
さらに、上記ではＦθレンズ１８を用いることにより範囲Ｓを加工する間はワークを停止させたが、本発明は、穴を加工する度にレンズとワークを相対的に移動させる場合にも適用することができる。
【００４５】
以上説明したように、本発明では、ワークに張力を付加することなく、ワークの外縁をクランプするから、ワークは変形しない。また、ワークを平坦にしてからワークをクランプし、あるいは加工時に加工領域の周囲を下方から支持し、あるいはワークの表面に対するレンズの距離を補正するから、精度の優れる加工を行うことができる。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、段取り作業が容易で、ワークの変形を招くこともなく、加工精度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るレーザ加工機の全体構成図である。
【図２】本発明に係るスライダの平面図である。
【図３】本発明に係るワーク保持装置の平面図である。
【図４】図３のＥ−Ｅ断面図である。
【図５】図３のＦ−Ｆ断面図である。
【図６】図３のＤ−Ｄ断面図である。
【図７】本発明に係るワークの加工順序を示す図である。
【図８】本発明に係るワーク受けの第１の変形例を示す平面図である。
【図９】図８のピン部断面図である。
【図１０】本発明に係るワークの加工順序を示す図である。
【図１１】本発明に係る他の実施の形態を示すワーク保持装置の平面図である。
【図１２】図１１のＧ−Ｇ断面図である。
【図１３】本発明に係るワーク吸着装置の他の実施の形態を示す側面断面図である。
【図１４】本発明に係るワーク吸着装置の他の実施の形態を示す平面図である。
【図１５】本発明に係るレーザ加工機Ａの加工時正面図である。
【図１６】本発明に係るレーザ加工機Ａの加工手順を示す図である。
【図１７】従来のワーク支持装置の断面図である。
【符号の説明】
１ワーク
３１クランプフレーム
３１ａ上面
３３クランパ
４０クランパ
５１ワーク受け

Claims

ワークを保持する保持面が額縁状のワーク保持装置と、
前記ワークを前記保持面にクランプするクランプ装置と、
を有し、
張力を付加しない状態で前記ワークを前記保持面に固定し、レーザ発振器から発振されたレーザ光をレンズにより収束させてワークを加工するレーザ加工機において、
外縁が前記保持面の内縁よりも小さく、前記保持面の内側に配置されるワーク受けと、
このワーク受けを前記ワークに対して相対的に移動させる移動装置と、
を備え、
前記ワークを前記保持面に固定するときには、前記ワーク受けの上面を前記保持面と同一面にして前記ワークを前記ワーク受けの上面で支持し、
前記ワークを移動させるときには、前記ワーク受けの上面を前記ワークから離間させ、
前記ワークを加工するときには、複数の範囲に区分された前記ワークの加工領域の前記範囲毎にその周囲を下方から前記ワーク受けの上面で支持すること
を特徴とするレーザ加工機。
前記ワーク受けの上面が前記周囲の直交する２方向で前記ワークを支持することを特徴とする請求項１記載のレーザ加工機。
前記上面に進出後退制御される複数のピンを設け、これらのピンの先端部で前記ワークを支持することを特徴とする請求項２記載のレーザ加工機。
前記レンズを前記ワークに対して近接離間する方向に移動させる移動装置と、
前記レンズから前記ワークまでの距離を測定する測定装置と、
前記測定装置からの距離情報に基づいて前記移動装置を制御し、加工時に前記レンズと前記ワークの表面との距離を予め定める値に維持する制御装置と、
を備えていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザ加工機。