JP6153672B2 - オプティクスを移動させるためのベルトドライブを含むレーザー加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、レーザー加工ヘッドに関し、レーザー加工ヘッドにおいて、ビームシェイピングオプティクス、とりわけ、集束オプティクス、コリメーターオプティクス、またはズームオプティクスが、変位可能にまたは調節可能に保持されている。

レーザー加工ヘッドによるワークピースの加工の間に、とりわけ、レーザー切断または溶接の間に、レーザー加工ヘッドには、通常、ハウジングが設けられており、ハウジングの中には、集束オプティクス、コリメーターオプティクス、またはズームオプティクスが配置されている。レーザー加工ヘッドを通って切断ノズルへ走るレーザービームは、ワークピースが加工され得るように、集束オプティクスによって集束させられる。レーザービームを成形するためのオプティクスは、この文脈において、レーザー加工ヘッドの中に保持されており、オプティクスが、レーザー加工ヘッドのハウジングに対して調節可能であるようになっている。ここで、オプティクスは、第１に、レーザービームに対して垂直な平面の中で調節され、第２に、レーザービームの長手方向において調節され得る。

独国実用新案第２９５０７１８９Ｕ１号明細書は、レーザービームによってワークピースを加工するためのコネクティングヘッドを開示しており、レーザービームのための集束オプティクスが、スライドインユニットの上に変位可能に保持されており、スライドインユニットは、コネクティングヘッドのハウジングの中へ挿入され得る。オプティクスをその長手方向軸線の方向に変位させるために、ここでは、スピンドルドライブのように動作する手動ドライブが設けられている。

独国特許出願公開第１９６２２４１３号明細書は、レーザー加工ヘッドの中にオプティクスを位置決めするための調節ドライブとして、ケーブルドライブを開示している。このケースでは、わずか約１ｍｍのケーブル直径、および、ケーブルの中の約２０ｍｍの曲げ半径を用いたとしても、個々のワイヤーの間の摩擦によって摩耗が生じさせられるということが不利益である。結果として、加工ヘッドの内部、および、とりわけその中のオプティクスが、汚染させられ得る。

公知のレーザー加工ヘッドの中のオプティクスの汚染の問題を避けるために（それは、オプティクスの変位がスピンドル原理にしたがってまたはケーブルドライブによって実施される場合に、摩耗および／または潤滑剤によって引き起こされる）、非接触式のドライブを備えるリニアモーターを有するオプティクスのために変位デバイスを設けることがすでに知られている。

非接触式のドライブ（ダイレクトドライブ）を備えるそのようなリニアモーターを有する変位デバイスまたはドライブデバイスは、独国実用新案第２０２００９０１２９２４Ｕ１号明細書から知られている。

ここでの不利益は、高い加速度が、外側からダイレクトドライブに作用する場合に、次いで、磁気的な保持力よりも大きい可能性がある慣性力が生じる可能性があるので、オプティクスが望ましくない様式で移動させられる可能性があり、したがって、焦点位置がシフトさせられ得るということである。この影響が回避されるべきである場合には、より大きい寸法設定を有するブレーキまたはダイレクトドライブが組み込まれる可能性がある。この手順は、小さい全体サイズおよび可能な限り低いコストと矛盾する。

独国特許出願公開第４３１７３８４Ａ１号明細書は、レーザー加工ヘッドを開示しており、レーザー加工ヘッドのビームシェイピングオプティクスは、ウォームドライブによってレーザービームの長手方向に変位可能である。しかし、知られているように、このタイプのドライブは、動きが遅く、ウォームドライブの自然発生的なあそびのために相対的に不正確である。

米国特許第５，５４６，２３８Ａ号明細書は、高速レンズドライブを備えるズームオプティクスに関し、また、オプティクスを変位させるために、２つのロールの上に導かれる循環ベルトを有するベルトドライブを示している。変位に関して、オプティクスの個々のレンズグループは、必要に応じて、圧電性クランプを介して循環ベルトに連結され得る。ここで、ベルトは、摩擦なしに、駆動ロールの上に導かれている。

独国特許出願公開第１９６２８８５７Ａ１号明細書は、レーザービームによってワークピースを加工するためのコネクティングヘッドに関し、そのビームシェイピングオプティクスは、カートリッジの中に配置されており、カートリッジは、レーザー加工ヘッドの中のキャリアユニットの中へ挿入され得る。キャリアユニットを光軸の方向に変位させるために、電気駆動式のギヤードモーターが設けられており、そのモーターシャフトは、光軸に対して平行に延在している。モーターシャフトの上に着座させられているのは、歯付きベルトのためのドライブギヤであり、それは、さらなるドライブホイールの周りに構築されており、さらなるドライブホイールは、スピンドルの上に固く着座させられており、モーターが回転するときに、スピンドルを回転させるようになっている。キャリアユニットを変位させるために、スピンドルは、スピンドルナットと相互作用し、スピンドルナットは、キャリアユニットの側部に固定して取り付けられている。

したがって、本発明は、オプティクスがその中に変位可能に保持されているレーザー加工ヘッドを考案する目的に基づいており、それにより、オプティクスの汚染が、大いに回避され得、また、高い加速度の結果として高い慣性力が生じたとしても、オプティクスは、それらの調節された位置にしっかりと保持され得る。

この目的は、請求項１に記載のレーザー加工ヘッドによって実現される。

したがって、本発明によれば、ワークピースの上にレーザービームを集束させるための集束オプティクス、レーザービームの長手方向に変位させられ得るようにスライドインユニットの上に装着されているコリメーターオプティクス、またはズームオプティクスなどのような、ビームシェイピングオプティクスを保持および変位させるためのレーザー加工ヘッドは、ベルトドライブを有しており、ベルトドライブによって、ビームシェイピングオプティクスは、正確に変位させられ得、ベルトドライブは、レーザー加工ヘッドの急速な移動および速度変化の結果として高い慣性力が起こったとしても、ビームシェイピングオプティクスを調節された位置にしっかりと維持する。本発明にしたがって提供されるベルトドライブは、オプティクスの変位の間に、転がり摩擦だけの代わりに、摩耗につながり得る滑り摩擦が、ベルトドライブの中に起こらず、先行技術において起こり得るような汚染物質が回避されるようになっているという利点を有している。

レーザー加工の間でも自動調節を可能にするために、ベルトドライブがベルトドラムを有するようになっており、ベルトドラムは、装着部の上に回転可能に装着されており、ベルトドラムは、モーターによって、とりわけ、ブラシレスＤＣモーターまたはステッピングモーターによって、駆動され得る。

スライドインユニットに対する変位の間のオプティクスの信頼性の高い案内を確実にするために、有利には、オプティクスが、キャリッジの上に保持されるようになっており、キャリッジは、それがレーザービームの長手方向に変位させられ得るように、装着部の上に装着されており、キャリッジは、移動の方向に互いから間隔を離して配置された２つの端部を有しており、第１のベルトは、その一方の端部によって、キャリッジの一方の端部に固定されており、その他方の端部によって、ベルトドラムの周りに巻き付けられ、ベルトドラムに固定されており、第２のベルトは、その一方の端部によって、キャリッジの他方の端部に固定されており、その他方の端部によって、ベルトドラムの周りに巻き付けられ、ベルトドラムに固定されている。

有利には、第１および第２のベルトは、ドラムの軸線方向に見て、ベルトドラムの周りに互いに隣同士に巻き付けられており、第１のベルトが、２つの第２のベルトの間に配置されている。ここで、２つの第２のベルトの幅の総和が、好都合なことには、第１のベルトの幅に等しいか、または、第１のベルトの幅よりも大きく、２つの第２のベルトは、等しい幅の広さである。

ベルトドラムの上のベルトの特有な配置の結果として、ベルトドラムの回転移動は、ベルトを介して、ベルトドライブによって駆動されるキャリッジの正確な線形変位へ変換され得る。その理由は、ベルトによってベルトドラムに伝えられる力が、互いに打ち消し合うからである。

オプティクスを調節するためにキャリッジが変位する間に、ベルトのローディングを可能な限り低く維持するために、ベルトドラム半径に対するベルト厚さの比率が、０．０５未満、好ましくは、０．０３未満、とりわけ、０．０１未満であるようになっている。

ベルトドライブの信頼性の高い動作および長い耐用年数を確実にするために、好都合なことには、第１および第２のベルトが、同じ厚さを有するようになっており、その厚さは、０．１ｍｍから０．０１ｍｍの範囲、好ましくは、０．０８ｍｍから０．０２ｍｍの範囲、とりわけ、０．０６ｍｍから０．０４ｍｍの範囲にある。

有利には、第１および第２のベルトは、スチール、とりわけ、ばね鋼などからなる。また、第１および第２のベルトは、ワンピースのベルトの第１および第２のベルトセクションとして形成され得る。

そのうえ、レーザービームの長手方向に変位させられ得るオプティクスを支持するための装着部が、レーザー加工ヘッドの中へ挿入され得るスライドインユニットの上に保持されていることが好都合である。このように、焦点距離の変化またはオプティクスに対する損傷に起因して必要になる場合には、急速で簡単なオプティクスの交換が可能にされ得る。

本発明は、例として、図面を使用して、より詳細に下記に説明されることとなる。

本発明によるレーザー加工ヘッドの簡略ブロック図である。 本発明によるレーザー加工ヘッドの中のオプティクスの調節可能な装着部のためのスライドインユニットの簡略側面図である。 オプティクスのための変位メカニズムの簡略平面図である。 変位メカニズムのベルトドライブのためのワンピースのベルトの斜視図である。 巻き付けられた装着状態の図４ａによるベルトの斜視図である。

図面のさまざまな図において、相互に対応するコンポーネントには、同じ記号表示が提供されている。

図１に図示されているように、本発明によるレーザー加工ヘッドは、ハウジング１を有しており、ハウジング１を通って、レーザービーム２が導かれる。光ファイバー３から現れるレーザービーム２を成形するために、たとえば、第１のオプティクス１５’および第２のオプティクス１５”が設けられており、第１のオプティクス１５’は、コリメーターオプティクスとして形成されており、第２のオプティクス１５”は、集束オプティクスとして、レーザービーム２とワークピース５との間の相互作用領域４の中へレーザービーム２を集束させる。オプティクス１５’，１５”の変位可能な装着に関して、オプティクス１５’，１５”は、ホルダー１６を介してベルトドライブのキャリッジ１４にそれぞれ固定されており、キャリッジ１４は、モーター１９によって駆動され得、装着部１１の上で変位可能にガイドされる。装着部１１は、図１に図示されているように、レーザー加工ヘッドのハウジング１の中に直接的に固定され得る。しかし、図２に示されているように、スライドインユニット１０の上に装着部１１を設けることも可能であり、スライドインユニット１０は、レーザー加工ヘッドの中へ挿入され得る。

しかし、図１に示されているコリメーターオプティクスおよび集束オプティクスの代わりに、ズームオプティクスが、ビームシェイピングのために使用され得、ズームオプティクスによって、焦点位置だけでなく、焦点距離も変化させられ得る。

図２に図示されているように、レーザー加工ヘッドの中へ挿入され得るスライドインユニット１０は、装着部１１を有しており、装着部１１は、レーザー加工ヘッドのハウジング１に固定されている保持プレートとして形成されている。装着部１１の上に設けられているのは、キャリッジ１４のためのガイドレール１２であり、キャリッジ１４の上に、オプティクス１５が保持されている。オプティクス１５は、述べられているように、拡大およびコリメーションのための、すなわち、拡大された平行なレーザービームを作り出すためのコリメーターオプティクスであるか、または、切断、溶接、はんだ付け、もしくは粉末塗布溶接（ｐｏｗｄｅｒ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ）などのために、加工されることとなるワークピース５の上にレーザービーム２を集束させる集束オプティクスであることが可能である。図１および図２に概略的に示されているように、オプティクス１５は、ホルダー１６を介してキャリッジ１４に固定されており、キャリッジ１４は、たとえば、保持スリーブなどとして形成され得る。キャリッジ１４は、第１および第２のキャリッジレール１７，１８を有しており、第１および第２のキャリッジレール１７，１８は、装着部１１の上のそれぞれのガイドレール１２の上でガイドされており、また、装着部１１の上の固定された場所に配置され、かつ、モーター１９によって駆動されるベルトドラム２０が、キャリッジ１４を通って妨げられずに突出することができるように、第１および第２のキャリッジレール１７，１８が形成されており、ベルトドラム２０およびキャリッジ１４が邪魔し合わないようになっている。キャリッジレールのうちの１つ（図示されている例示的な実施形態では、第１のキャリッジレール１７）に適合させられているのは、第１および第２のベルトホルダー２１，２２であり、第１および第２のベルト２３，２４が、それらの一方の端部によって、第１および第２のベルトホルダー２１，２２に固定されており、一方、それらのそれぞれの他の端部は、ベルトドラム２０の周りに巻き付けられ、ベルトドラム２０に固定されている。より正確には、第１のベルト２３は、その一方の端部によって、ベルトホルダー２１を介して、キャリッジ１４の一方の端部（図１において、上側端部）に固定されており、一方、それは、その下側端部によって、時計回り方向にベルトドラム２０の周りに巻き付けられ、ベルトドラム２０に固定されている。第２のベルトは、２つの第２のベルト２４として形成されており、第２のベルトは、図面の中のその下側端部において、ベルトホルダー２２を介してキャリッジ１４の他方の端部に接続されており、一方、その上側端部、すなわち、２つの第２のベルト２４の上側端部は、反時計回り方向にドラム２０の周りに導かれ、ドラム２０に固定されている。第１および第２のベルト２３，２４は、２つの第２のベルト２４が第１のベルト２３の両側に存在するように、互いに隣同士に配置されている。ここでは、第１および第２のベルト２３，２４は、共同でベルトループを形成しており、それは、ドラム２０の周りに導かれている。

図４ａに示されているように、第１のベルトおよび第２のベルトの代わりに、ワンピースのベルト３３の第１のベルトセクション２３’および２つの第２のベルトセクション２４’が使用され得る。第１および第２のベルトセクション２３’，２４’は、ベルト３３の中間で出会い、フォーク状のセクション３４を形成しており、フォーク状のセクション３４によって、図４ｂに示されているように、ベルト３３がドラム２０に固定されている。

ベルトドライブのためのベルト２３，２４；３３、すなわち、ドラム２０の駆動力をキャリッジ１４に伝達する可撓性の駆動手段は、５０よりも大きい、好ましくは８０よりも大きい、厚さに対する幅の比率を有している。ここで、ベルトは、スチール、好ましくは、ばね鋼からなり、０．１ｍｍから０．０１ｍｍの範囲にある厚さ、好ましくは、０．０８ｍｍから０．０２ｍｍの範囲にある厚さ、とりわけ、おおよそ０．０５ｍｍの厚さを有している。

ベルトドラム半径に対するベルト厚さの比率が、０．０５未満、好ましくは、０．０３未満、とりわけ、０．０１未満となるように、ベルト厚さおよびドラム直径がそれぞれ選ばれるべきである。たとえば、６ｍｍのドラム半径に対応する、１２ｍｍのドラム直径が仮定される場合には、０．０５ｍｍのベルト厚さのケースでは、０．００８３の曲げ半径に対するベルト厚さの比率という結果になる。

次いで、ドラムが、モーター１９（それは、たとえば、ブラシレスＤＣモーターまたはステッピングモーターであることが可能である）によって、図２における時計回り方向に回転させられる場合には、第１のベルト２３または第１のベルトセクション２３’が巻き上げられ、一方、第２のベルト、すなわち、第２のベルト２４または第２のベルトセクション２４’が巻き戻され、キャリッジ１４が図面の中で下向きに移動するようになっている。逆に、ベルトドラム２０が反時計回り方向に回転する場合には、キャリッジ１４は、上向きに移動させられることとなる。

ここで、オプティクス１５の位置は、具体的には図示されていないリニアスケールによって測定される。対応する位置信号が、モーターコントローラーの上に渡され、それは、オプティクス１５が所望のポイントに位置決めされることを確実にする。

モーター１９は、そのトルクが、移動させられることとなる質量にベルトドラム２０の半径を乗じたものよりも大きくなるように、設計されるべきである。次いで、外側から作用する力が、最大で重力の６倍になる加速度によってもたらされる場合に、そのようなモーター１９は、オプティクス１５をそれらの所望の位置に維持することも可能である。加速度の方向に応じて、ベルトドライブによって移動させられることとなる質量の重量が、追加的に作用する。

ベルトドライブの使用の結果として、オプティクス１５は、したがって、スライドインユニット１０の装着部１１に対して、それらの光軸Ａの方向に、ガイドレール１２の間で往復して変位させられ得、所望の方式で、レーザー加工ヘッドの中のそれらの位置を調節するようになっている。コリメーターレンズのケースでは、レーザー光を供給する光ファイバーの出口表面がコリメーターオプティクスの現在の焦点と一致するように、オプティクス１５が変位させられ、無限遠の出口表面をイメージングするようになっており、したがって、拡大された平行なレーザービームを得るようになっている。集束レンズのケースでは、レーザー焦点がワークピース表面に関連して所望の位置を有するように、オプティクス１５が変位させられる。レンズの加温に起因して焦点の変位が起こる場合には、とりわけ、集束オプティクスのケースでは、オプティクス１５は、実質的に中断される必要のある作業プロセスなしに、モーター１９によって駆動されるベルトドライブを介してトラッキングされ得る。

本発明にしたがって使用されるベルトドライブのかなりの利点は、曲げ半径に対する可撓性のドライブ厚さ（すなわち、ベルトの厚さ）の比率がより小さくさせられ、したがって、改善させられ得るということである。したがって、巻き付けおよび巻き戻しの結果として、張力下でベルトのローディングを低減させることも可能である。ケーブルと同様の摩滅メカニズムはベルトの中で起こらないので、レーザー加工ヘッドの中のレンズの汚染のリスクも存在しない。そのうえ、事実上摩耗のない、転がり摩擦だけでなく滑り摩擦の種類のものが、ベルトとベルトドラムとの間に起こらないということが重要である。

Claims (12)

1. レーザービームによってワークピースを加工するためのレーザー加工ヘッドであって、
   前記レーザー加工ヘッドは、
   装着部（１１）と、
   前記レーザービームの長手方向に変位させられ得るように、前記装着部（１１）の上に装着されているビームシェイピングオプティクス（１５）と、
   前記オプティクス（１５）を変位させるためのベルトドライブと、
   を有しており、
   前記ベルトドライブは、ベルトドラム（２０）を有しており、
   前記ベルトドラム（２０）は、前記装着部（１１）の上に回転可能に装着されており、
   前記ベルトドラム（２０）は、モーター（１９）によって駆動可能で、ベルトドラム半径に対するベルト厚さの比率が、０．０５未満である、
   ことを特徴とする、レーザー加工ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザー加工ヘッドであって、前記モーター（１９）は、ブラシレスＤＣモーターまたはステッピングモーターである、ことを特徴とするレーザー加工ヘッド。
3. 請求項１または２に記載のレーザー加工ヘッドであって、
   前記ベルトドラム半径に対するベルト厚さの比率が、０．０３未満であることを特徴とする、レーザー加工ヘッド。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のレーザー加工ヘッドであって、
   − 前記オプティクス（１５）は、キャリッジの上に保持されており、前記キャリッジは、それが前記レーザービームの前記長手方向に変位させられ得るように、前記装着部（１１）の上に装着されており、前記キャリッジは、移動の方向に互いから間隔を離して配置された２つの端部を有しており、
   − 第１のベルト（２３）は、その一方の端部によって、前記キャリッジ（１４）の一方の端部に固定されており、その他方の端部によって、前記ベルトドラム（２０）の周りに巻き付けられ、前記ベルトドラム（２０）に固定されており、第２のベルト（２４）は、その一方の端部によって、前記キャリッジ（１４）の他方の端部に固定されており、その他方の端部によって、前記ベルトドラム（２０）の周りに巻き付けられ、前記ベルトドラム（２０）に固定されていることを特徴とする、レーザー加工ヘッド。
5. 請求項４に記載のレーザー加工ヘッドであって、前記第１のベルトおよび前記第２のベルト（２３，２４）は、前記ドラムの軸線方向に見て、前記ベルトドラム（２０）の周りに互いに隣同士に巻き付けられていることを特徴とする、レーザー加工ヘッド。
6. 請求項４または５に記載のレーザー加工ヘッドであって、第１のベルト（２３）が、２つの第２のベルト（２４）の間に配置されていることを特徴とする、レーザー加工ヘッド。
7. 請求項６に記載のレーザー加工ヘッドであって、前記２つの第２のベルト（２４）の幅の総和が、前記第１のベルト（２３）の幅に等しいか、または、前記第１のベルト（２３）の幅よりも大きいことを特徴とする、レーザー加工ヘッド。
8. 請求項６または７に記載のレーザー加工ヘッドであって、前記２つの第２のベルト（２４）は、等しい幅の広さであることを特徴とする、レーザー加工ヘッド。
9. 請求項４から８のいずれか１項に記載のレーザー加工ヘッドであって、前記第１および第２のベルト（２３，２４）は、同じ厚さを有しており、前記厚さは、０．１ｍｍから０．０１ｍｍの範囲にあることを特徴とする、レーザー加工ヘッド。
10. 請求項４から９のいずれか１項に記載のレーザー加工ヘッドであって、前記第１および第２のベルト（２３，２４）は、スチールからなることを特徴とする、レーザー加工ヘッド。
11. 請求項４から１０のいずれか１項に記載のレーザー加工ヘッドであって、前記第１および第２のベルト（２３，２４）は、ワンピースのベルト（３３）の第１および第２のベルトセクション（２３’，２４’）として形成されていることを特徴とする、レーザー加工ヘッド。
12. 請求項１から１１のいずれか１項に記載のレーザー加工ヘッドであって、前記レーザービームの前記長手方向に変位させられ得る前記オプティクス（１５）を支持するための前記装着部（１１）が、前記レーザー加工ヘッドの中へ挿入され得るスライドインユニット（１０）の上に保持されていることを特徴とする、レーザー加工ヘッド。

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