JP4721844B2

JP4721844B2 - 複合加工機

Info

Publication number: JP4721844B2
Application number: JP2005275159A
Authority: JP
Inventors: 卓弥仙波; 眞佐藤; 啓川名; 英樹持田
Original assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Current assignee: Makino Milling Machine Co Ltd
Priority date: 2005-09-22
Filing date: 2005-09-22
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2025-09-22
Also published as: JP2007083285A

Description

本発明は、レーザ加工ヘッドと機械加工ヘッドを有し、ワークに対してレーザ加工又は機械加工を選択的に施す複合加工機に関する。

ワークをレーザ加工するレーザ加工ヘッドと、ワークを切削したり研削したり機械加工を施す機械加工ヘッドとを備え、レーザ加工と機械加工とを選択的に行うことができる複合加工機は知られている。例えば、特許文献１に開示の複合加工機は、レーザー付きトーチ（レーザ加工ヘッド）が回転主軸（機械加工ヘッド）に対してＺ軸方向に移動可能に構成され、切削工程を行う場合には、レーザートーチ及びその支持体をＺ軸方向後方に移動させ、レーザ加工を行う際には、レーザートーチ及びその支持体をＺ軸方向前方に移動させることによって、回転主軸の回転中に飛散する切屑のレーザートーチのレンズに対する付着を防止することができるというものである。
また、特許文献２に開示の複合加工機は、タレットヘッドに切削工具とレーザ加工ヘッドとを設けて、切削加工とレーザ加工とを選択的に行う場合に、レーザ加工と切削加工の加工中心位置を同一にすることができるというものである。

特開２００３−３３４６８２号公報特開平９−２２０６８０号公報

特許文献１に開示のレーザ加工ヘッドは、機械加工ヘッドに対して相対移動する構造である。また特許文献２に開示のレーザ加工ヘッドはタレットヘッドによって回転割出しされる構造である。つまり両特許文献に開示のレーザ加工ヘッドは、可動式であり、レーザ加工を行う際にはレーザビームの光軸の中心出しをしなければ、光軸と機械のＸ、Ｙ、Ｚ軸との平行度、直角度等の関係が所定の関係に維持されている保証はなく、高精度加工は行えない。特にミクロン、サブミクロンオーダの微細加工を行う場合には精度の点で可動式のレーザ加工ヘッドは好ましくない。また、レーザビームの光軸の中心出し作業は時間のかかる作業であり、機械の稼動率が下がる。
本発明は、従来技術の問題点を解決することを課題としており、本発明の目的は、レーザ加工と機械加工との切換えが迅速に行え、切換え後、レーザ加工ヘッドのレーザビームの光軸の中心出しを行う必要がない複合加工機を提供することである。

前述の目的を達成するために、本発明は、ワークに対してレーザ加工又は機械加工を選択的に施す複合加工機において、光ファイバの側面からレーザを入射してレーザを励起するサイドポンプ方式のファイバレーザを用いてワークを加工するレーザビームを照射するレーザ加工ヘッドと、ワークを切削又は研削するための工具を装着する主軸を有した機械加工ヘッドと、前記レーザ加工ヘッドのレーザビームの光軸と前記機械加工ヘッドの主軸とが平行になるように、かつ両ヘッド間で相対移動できないように両ヘッドを固定する主軸台と、ワークを取付け、前記主軸台との間で相対移動するように設けられたテーブルと、前記レーザ加工ヘッドのレーザビームの焦点位置合せ及びワークの形状寸法の計測を行う計測手段であって、前記主軸台と前記テーブルとのＸ、Ｙ、Ｚ軸の相対移動の現在位置を検出する現在位置検出装置、及び前記レーザ加工ヘッドのレーザビームと同じ集光レンズを通るように投光された計測用光線のワーク表面からの反射光をとらえるＣＣＤカメラを有する計測手段と、を具備し、前記機械加工ヘッドの主軸に工具を取付け、前記レーザ加工ヘッドのレーザビームの出力をＯＦＦとするか、又は主軸から工具を取外し、レーザビームの出力をＯＮとするかによってレーザ加工と機械加工とを切換え可能にした複合加工機が提供される。

レーザ加工ヘッドのレーザビームの光軸と機械加工ヘッドの主軸とが平行になるように、かつ両ヘッド間で相対移動できないように両ヘッドを主軸台に固定し、主軸台とテーブルとが相対移動可能に設けられているので、レーザ加工と機械加工との切換え時は、主軸台とテーブルとの相対移動による位置合わせのみでよく、レーザ加工ヘッドを動かす必要がない。また、機械加工ヘッドの主軸から工具を取外しレーザ加工ヘッドのレーザビーム出力をＯＮすればレーザ加工が行え、機械加工ヘッドの主軸に工具を装着しレーザ加工ヘッドのレーザビーム出力をＯＦＦすれば機械加工が行える。更に、計測手段によって、レーザビームの焦点位置をワークに合わせる作業が容易に行える。
また、レーザ加工ヘッドのレーザビームと計測用光線とが同じ集光レンズを通るので、計測手段によってワーク表面にピントを合わせることによりレーザビームの焦点がワーク表面に合う。この位置から主軸台とテーブルとのＺ軸方向の相対位置を変化させることにより、レーザビームの焦点をワーク表面からデフォーカスする作業も容易に行える。

また、前記主軸台は、前記レーザ加工ヘッドのレーザビームの焦点位置のＺ軸座標値と前記機械加工ヘッドの主軸に装着する工具の先端位置のＺ軸座標値とがほぼ一致するように両ヘッドをそれぞれ固定した複合加工機が提供される。
レーザ加工ヘッドのレーザビームの焦点位置のＺ軸座標値と機械加工ヘッドの主軸に装着する工具の先端位置のＺ軸座標値とがほぼ一致するように両ヘッドが主軸台にそれぞれ固定されるので、レーザ加工と機械加工とを切換えてもワークとレーザ加工ヘッド又は機械加工ヘッドとのＺ軸方向の高さ位置の関係が必然的に適正に維持されたままとなり、ワークがレーザ加工ヘッド又は機械加工ヘッドにぶつからない。

また、前記主軸台は、前記レーザ加工ヘッドのレーザビームの光軸と前記機械加工ヘッドの主軸の中心軸との軸間距離が、前記テーブルに取付けるワークのＸＹ平面における大きさよりも大きくなるように、両ヘッドをそれぞれ固定する複合加工機が提供される。
レーザ加工ヘッドのレーザビームの光軸と機械加工ヘッドの主軸の中心軸との軸間距離がワークのＸＹ平面における大きさよりも大きいので、一方の加工ヘッドでワークを加工中に他方の加工ヘッドがじゃまになることはない。

また、ワークに施すレーザ加工の加工深さの制御は、前記主軸台と前記テーブルとの相対移動の送り速度を制御すること、レーザビームの出力の大きさを制御すること、レーザビームの焦点位置とワークの加工点とのＺ軸方向の距離を制御することのうち、少なくとも１つの制御をすることにより行う複合加工機が提供される。
ワークに施すレーザ加工の深さは、主軸台とテーブルとの相対移動の送り速度が遅い程、レーザビームの出力が大きい程、レーザビームの焦点位置とワークの加工点とのＺ軸方向の距離（デフォーカス量）が短い程深くなる。これらの３つの要素のうち少なくとも１つの要素を制御して、レーザ加工の深さを制御する。

本発明によれば、レーザ加工と機械加工との切換えは、機械加工ヘッドの主軸への工具の着脱又はレーザ加工ヘッドのレーザビームの出力のＯＮ、ＯＦＦにより迅速に行える。また、その切換え時にレーザビームの光軸中心出しを行わなくても光軸振れはないので、すぐにレーザ加工を開始でき、機械の稼動率が上る。しかも光軸振れがないことは高精度な加工が行えることであり、特に微細加工に適す。また、レーザ加工ヘッドと機械加工ヘッドのＺ軸方向の位置関係、及びＸＹ平面内における位置関係を適切に設定することにより、レーザ加工又は機械加工中にワークとレーザ加工ヘッド又は機械加工ヘッドとがぶつかることはない。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施の形態を説明する。図１を参照して、複合加工機の主軸台１は、基台（図示せず）に対して鉛直な上下方向（Ｚ軸方向）に移動可能に設けられている。主軸台１には、機械加工ヘッド３とレーザ加工ヘッド５とが互いに相対移動できないように固定されている。機械加工ヘッド３には主軸７が回転支持され、主軸７の中心軸はＺ軸方向を向いている。主軸７は駆動手段（図示せず）により回転駆動される。主軸７の先端には、切削工具又は研削工具９が手動又は自動で着脱可能に装着される。レーザ加工ヘッド５は、レーザビームを発振するファイバレーザ１１と、発振したレーザビームを集光レンズ１５に導き、ワーク１７に対して照射する集光機構１３とから成る。主軸７の中心軸と集光レンズ１５から照射されるレーザビームＬの光軸とは平行になるように機械加工ヘッド３とレーザ加工ヘッド５は主軸台１に固定されている。

ワーク１７を取付けるテーブル１９は、基台上を水平な左右方向（Ｘ軸方向）と前後方向（Ｙ軸方向）に移動可能に設けられている。テーブル１９及び主軸台１をＸ、Ｙ、Ｚの各軸方向に移動させる送り装置（図示せず）、並びにＸ、Ｙ、Ｚの各送り軸の現在位置を検出する現在位置検出装置（図示せず）を備える。

図４により、ファイバレーザ１１のレーザビーム発振の原理を説明する。イリビウムやイッテルビウムといった希土類の金属イオンをドープしたファイバで成るコアのまわりを、屈折率の異なる２種類のガラスで被覆したダブルクラッドファイバと呼ばれる光ファイバ５１の入力端に、例えば１６個の励起用半導体レーザ５３をコンバイナ５５を介して接続する。すると光ファイバ５１の側面からレーザが入射されることとなり、レーザはコアを被覆している内側のファイバ内で多重反射する。このときレーザがコアを横切るたびにコアからレーザが励起され、光ファイバ５１の出力端５７からレーザビームＬが発振される。発振されるレーザビームＬの出力の大きさは、１６個の励起用半導体レーザ５３を適宜ＯＮ、ＯＦＦし、ＯＮしている半導体レーザ５３の数を増減することにより制御する。このように光ファイバ５１の側面からレーザを入射してレーザを励起する方式をサイドポンプという。光ファイバ５１の途中にファイバグレーティング（図示せず）と呼ばれる一種のフィルタを用いることにより、波長が例えば１１１０ナノメートルの基本波のみを取出す工夫が行われている。また、ファイバレーザは発熱がほとんどないので、加工ヘッド等の熱変形がなく、加工精度を要する加工機や微細加工用の加工機に適する。

本発明の実施の形態のファイバレーザ１１は、このサイドポンプ式を用いている。ファイバレーザ１１から発振されたレーザビームＬは、図２に示すように集光機構１３内に設けられた第１ミラー２３、第２ミラー２５、第３ミラー２７、第４ミラー２９で進路を変えられ、集光レンズ１５（図１）を通って焦点Ｆに収束するように照射される。
一方、光源３１から投光された計測用光線は、第３ミラー（ハーフミラー）２７を通過し、第４ミラー２９で進路を変えられ、集光レンズ１５を通るというレーザビームと同じ経路でワーク１７に照射される。ワーク１７の表面で反射した光線は、逆の経路をたどり、集光レンズ１５を通り、第４ミラー（ハーフミラー）２９を通過して、第５ミラー３３、第６ミラー３５で進路を変えられ、ＣＣＤカメラ３７に入射する。ＣＣＤカメラ３７に入射した光線、すなわちワーク１７表面の像はモニタ画面（図示せず）に映し出される。

オペレータは、モニタ画面を見ながら複合加工機のＺ軸を送り、ワーク１７表面の像のピントを合わせ、丁度合った位置の座標値を現在位置検出装置で読み取る。計測用光線とレーザビームとは集光機構１３内で同じ集光レンズ１５を通るように設定しているので、このピントの合った位置が集光レンズ１５から照射されるレーザビームＬの焦点Ｆと一致する。ワーク１７の加工点にレーザビームＬの焦点Ｆを合わせてレーザ加工を行う場合は、テーブル１９のＺ軸方向の位置はこの位置でよいが、ワーク１７の加工点をレーザビームＬの焦点Ｆから少しずらせて、すなわちデフォーカスして加工する場合は、先に読み取ったＺ軸現在位置からデフォーカス量だけＺ軸を送った位置でレーザ加工を行う。オペレータがモニタ画面を見て焦点位置合せを行うことに代え、ＣＣＤカメラ３７の後段に自動焦点合わせ機構を組み込み、Ｚ軸送り手段と連結して自動的に焦点位置合わせを行ってもよい。

また、このＣＣＤカメラによる焦点位置合わせは、ワーク１７の加工形状寸法の計測にも適用できる。すなわち、ワーク１７表面の計測したい位置に手動又は自動でピントを合わせ、その位置を現在位置検出装置で読み取ることによりワーク１７の加工形状寸法を計測できる。
尚、ＣＣＤカメラに代えて、他の光学的検出手段を用いることもできる。

図１において、主軸７に装着される工具９の先端のＺ軸方向位置と、集光レンズ１５から照射されるレーザビームＬの焦点ＦのＺ軸方向位置とがほぼ等しくなるように機械加工ヘッド３とレーザ加工ヘッド５とが主軸台１に固定されているのが望ましい。これにより機械加工とレーザ加工を切換えてもテーブル１９に対するＺ軸方向位置をほとんど変えなくて済み、ワーク１７が機械加工ヘッド３やレーザ加工ヘッド５とぶつかることがない。
また、主軸７の中心軸とレーザビームＬの光軸との軸間距離が、ＸＹ平面におけるワークの大きさより大きくなるように機械加工ヘッド３とレーザ加工ヘッド５とが主軸台１に固定されているのが望ましい。これにより機械加工中にはレーザ加工ヘッド５が、またレーザ加工中には機械加工ヘッド３がじゃまになることはない。

機械加工からレーザ加工への切換えは、主軸７から手動又は自動工具交換装置を用いて工具９を取外すとともに、ファイバレーザ１１をＯＮすればよく、また、レーザ加工から機械加工への切換えはファイバレーザ１１をＯＦＦするとともに、主軸７へ工具９を装着すればよく、迅速に行える。その際、レーザ加工ヘッド５が機械加工ヘッド３に対して相対移動できない構成になっているので、レーザビームＬの光軸振れがなく、焦点Ｆの位置合わせのみ行えばよいので、これまた迅速に機械加工からレーザ加工への切換えが行えると同時に、いちいちレーザビームの光軸合わせをしなくて済み、ワークの加工精度が向上する。

次にレーザ加工の加工深さの制御について説明する。レーザビーム１パス当りの加工深さは、レーザビームＬの出力の大きさが大きい程、送り速度が遅い程、レーザビームＬの焦点Ｆとワーク１７の加工点とのＺ軸方向の距離（デフォーカス）が短い程深くなる。従って、荒加工、中仕上げ加工、仕上げ加工に応じてこれらの３つの要素のうち少なくとも１つの要素を制御することにより、レーザ加工の加工深さとあらさを調節することができる。また、コーナ部をレーザ加工する場合、送り速度を減速しなければならないが、それに応じてレーザビームLの出力を小さくする制御が応答性良く行える。

本発明の複合加工機によって、ワークに凹形状又は凸形状の加工を施すことができる。その際、レーザ加工によって荒取り加工を行い、研削加工で仕上げる方法や、切削加工で荒取り加工を行い、レーザ加工で仕上げるといった使い方ができる。例えば、アモルファスカーボンのワークに０．４ｍｍ角で４５度傾斜面の正四角錐の凹形状を加工する場合、レーザ加工で荒取り加工を行い、メッシュサイズ＃２０００及び＃４０００のダイヤモンド電着工具で研削中仕上げ加工及び研削仕上げ加工を行った結果、すべてを研削加工で行うより大幅に短時間で、同等の加工精度、仕上げ面あらさの加工ができた。また、中仕上げ加工に研削加工を用いず、レーザビームＬの焦点Ｆをワーク１７の加工点から上方にデフォーカス量２０μｍオフセットして加工することにより行えることも確認した。
また、切削加工は回転工具によるものばかりではなく、ヘール加工も含む。

本発明による複合加工機の実施の形態を示す正面図である。図１のレーザ加工ヘッドの集光機構内におけるレーザビームの経路を表わした説明図である。図１のレーザ加工ヘッドの集光機構内における焦点位置合せ用計測手段の光線の経路を表わした説明図である。図１のレーザ加工ヘッドのファイバレーザ発振の概略図である。

符号の説明

１主軸台
３機械加工ヘッド
５レーザ加工ヘッド
７主軸
１１ファイバレーザ
１３集光機構
１５集光レンズ
１７ワーク
１９テーブル
３１光源
３７ＣＣＤカメラ
Ｆ焦点
Ｌレーザビーム

Claims

ワークに対してレーザ加工又は機械加工を選択的に施す複合加工機において、
光ファイバの側面からレーザを入射してレーザを励起するサイドポンプ方式のファイバレーザを用いてワークを加工するレーザビームを照射するレーザ加工ヘッドと、
ワークを切削又は研削するための工具を装着する主軸を有した機械加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドのレーザビームの光軸と前記機械加工ヘッドの主軸とが平行になるように、かつ両ヘッド間で相対移動できないように両ヘッドを固定する主軸台と、
ワークを取付け、前記主軸台との間で相対移動するように設けられたテーブルと、
前記レーザ加工ヘッドのレーザビームの焦点位置合せ及びワークの形状寸法の計測を行う計測手段であって、前記主軸台と前記テーブルとのＸ、Ｙ、Ｚ軸の相対移動の現在位置を検出する現在位置検出装置、及び前記レーザ加工ヘッドのレーザビームと同じ集光レンズを通るように投光された計測用光線のワーク表面からの反射光をとらえるＣＣＤカメラを有する計測手段と、
を具備し、前記機械加工ヘッドの主軸に工具を取付け、前記レーザ加工ヘッドのレーザビームの出力をＯＦＦとするか、又は主軸から工具を取外し、レーザビームの出力をＯＮとするかによってレーザ加工と機械加工とを切換え可能にすることを特徴とした複合加工機。
前記主軸台は、前記レーザ加工ヘッドのレーザビームの焦点位置のＺ軸座標値と前記機械加工ヘッドの主軸に装着する工具の先端位置のＺ軸座標値とがほぼ一致するように両ヘッドをそれぞれ固定した請求項１に記載の複合加工機。
前記主軸台は、前記レーザ加工ヘッドのレーザビームの光軸と前記機械加工ヘッドの主軸の中心軸との軸間距離が、前記テーブルに取付けるワークのＸＹ平面における大きさよりも大きくなるように両ヘッドをそれぞれ固定する請求項１又は２に記載の複合加工機。
ワークに施すレーザ加工の加工深さの制御は、前記主軸台と前記テーブルとの相対移動の送り速度を制御すること、レーザビームの出力の大きさを制御すること、レーザビームの焦点位置とワークの加工点とのＺ軸方向の距離を制御することのうち、少なくとも１つの制御をすることにより行う請求項１から３のいずれか１項に記載の複合加工機。