JP6561283B2 - レーザー加工機 - Google Patents
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Description
(1)レーザービームを発振するレーザー発振器と、
(2)前記レーザービームを照射する駆動軸数が1から2であるガルバノミラーを含む加工ヘッドと、
(3)被加工物を保持する治具と
(4)当該治具を駆動する加工ステージの駆動軸数が2から6である加工ステージと、
(5)被加工物から出た飛散物を回収する回収装置と、
(6)当該飛散物の電荷を除去する除電装置と、
(7)レーザービームを照射するガルバノミラーを含む加工ヘッドの駆動部の加工可能駆動範囲を画像解析することにより検査する検査手段とを有し、
前記検査手段により加工可能駆動範囲内において加工ムラが認められない正常に加工された加工範囲を選択し決定された加工範囲内に、レーザービーム照射時に被加工物の被加工部が含まれるように加工ステージを駆動して加工することを特徴とするレーザー加工機である。
前記検査手段が、
この加工した被加工物の加工部として正常に加工された加工範囲と加工ムラとを画像解析することにより加工可能駆動範囲内において加工ムラが認められない正常に加工された加工範囲を選択する手段であることを特徴とする請求項1に記載のレーザー加工機である。
レーザービーム2を照射する加工ヘッド10について説明する。
レーザービーム2を照射する加工ヘッド10は、レーザー発振器(図示しない)より発振されたレーザービーム2を被加工物に照射するために用いられる。レーザー発振器より発振されたレーザービーム2は、加工ヘッド内に設置されている少なくとも1軸が駆動するガルバノミラー(図示しない)に照射され、前記ガルバノミラーを介し被加工物に照射される。ガルバノミラーの駆動軸数については、特に上限はないが、当該ガルバノミラーにより加工に不具合が生じるため、駆動軸数として2が好ましく用いられる。
被加工物を保持する治具について説明する。
被加工物を保持する治具は、被加工物の被加工位置をレーザービーム照射位置に適切に配置しうる構造であることが好ましく、このため、いずれも図示しないが、被加工物の位置がずれたりしないように保持できることが好ましい。被加工物の保持については、ロボットアーム、真空装置による吸着、被加工物の凸部をはめることができる凹部構造を有する治具、被加工物の凹部にはめ込むことができる凸部を有する治具などを好ましく用いることができる。
治具を固定する加工ステージについて説明する。
治具を固定する加工ステージは、被加工物を保持した治具を図示しない制御部に内蔵されたプログラムにより移動し、前記被加工物の加工部とレーザービーム照射位置を適切な位置に固定もしくは移動して、レーザービームにより被加工物を加工するために用いられる。被加工物の加工部とレーザービームの照射位置を適切な位置にするためには、前記加工ヘッドのガルバノミラーの1つの駆動軸に対し1.5軸(ガルバノミラーの駆動軸2軸に対し加工ステージ3軸)以上の駆動軸数があると好ましく、前記加工ヘッドのガルバノミラーの1つの駆動軸に対し2.5軸(ガルバノミラーの駆動軸2軸に対し加工ステージ5軸)以上の駆動軸数があると更に好ましく加工が行える。加工ステージの駆動軸数については、特に上限はないが、ガルバノミラーの駆動軸数が2の場合には、加工ステージの駆動軸数は5軸〜6軸が好ましく用いられる。このため、加工ヘッドと加工ステージの軸数の合計は、少なくとも5(ガルバノミラー駆動軸数2、加工ステージ軸数3)以上、より好ましくは、加工ヘッドと加工ステージの軸数の合計は6以上(ガルバノミラー駆動軸数2、加工ステージ軸数4)以上、更に好ましくは7(ガルバノミラー駆動軸数2、加工ステージ軸数5)以上であると好ましい加工が行える。しかし、装置製造のコストが上昇するため、加工軸数の合計については、7が最も好ましい。
レーザー加工機の制御について説明する。
レーザー発振器、加工ステージ及び加工ヘッドの駆動及び停止などの制御を司る制御部については、プログラミングによる設定により任意に設定できることが好ましく、コンピュータによるGコード入力、シーケンサプログラムによる入力などを好ましく用いることができる。また、別途作製した三次元プログラムデータなどを制御プログラムとして好適に用いることができる。
被加工物から出た飛散物を回収する回収機構について説明する。
被加工物から出た飛散物を回収する回収機構は、送風機、吸引機などを用いることができる。飛散物の大きさはまちまちなので、吸引機の前にプレフィルターなどを設置することにより、より効率的に飛散物を回収することも好ましくできる。
飛散物の電荷を除去する除電装置について説明する。
前記飛散物の電荷を除去するための除電装置として、イオナイザや除電ブロアを好ましく用いることができる。また、除電の状況を確認するため、静電気センサや静電気測定器を好ましく用いることができる。
加工ヘッドの駆動部の加工可能駆動範囲を検査する手段について説明する。
加工可能駆動範囲を検査するためには、例えば対象である被加工物として木材を好ましく用いることができる。レーザービームを照射する被加工面として柾目の面積が50%以上を占めると好適であり、70%以上を占めるとより好適であり、90%以上を占めると更に好適である。木材の種類としては特に限定されないが、桐、杉、檜、タモ、ホオを少なくとも1種類含む木材又はこれら木材の複合材も同様に好ましく用いることができる。木材の形状としては、円柱状、平状、球状、三角錐状、四角錐状、などの形状であると好適である。これらの形状については特に限定されないが、実際に加工される被加工物と同様の形状であると好ましい。加工ヘッドの駆動部の加工可能駆動範囲を検査する手段に用いられるレーザービームを照射する工程は、第一の照射工程として、被加工物の面積以上の範囲(例えば、平板の場合50mm×50mm)にレーザービームを照射する。この際、前記木材の表面に不具合箇所が確認できない場合、加工ヘッドから照射されるレーザービームと前記第一の照射工程で加工した範囲の中心を結ぶ直線を軸とするように、前記被加工物を45°以上135°以下回転させ、第二の照射工程として、前記第一の照射工程と同じ範囲にレーザービームを照射する。不具合箇所の検査については、画像取り込み手段による画像取り込みや目視による確認の検査が好ましく用いられる。本発明によるレーザー加工機においては、加工ヘッドの駆動部を原因とする加工不具合発生箇所を明確に確認することが可能であるが、前記不具合の発生が柾目方向と略同じ方向に出る場合には不具合を見落とす可能性がある。このため、前記第二の照射工程により、柾目の方向をずらすことにより、加工不具合箇所を確認すると好適に加工可能駆動範囲を検査することができる。
レーザー発振器について説明する。
レーザー発振器については、木材を加工できるレーザーを発振し得る発振器であれば特に限定されないが、CO2レーザー、YAGレーザー、半導体レーザー、エキシマーレーザーを好ましく用いられる。レーザービームの波長については、150nmから10.6μmの波長範囲において木材を加工できるため、本発明のレーザー加工機のレーザー発振器として好適に利用できる。
図1に従い、レーザー発振器及び加工ヘッドには、キーエンス株式会社製MD−X1000レーザマーカを用いた。この加工ヘッドは2軸駆動のガルバノミラーが搭載されていた。レーザー発振器は、YVO4レーザーであった。治具および治具を駆動する加工ステージは、それぞれ株式会社ワークステーション社製5軸レーザー加工用治具及び加工ステージを用いた。これにより、加工機全体の駆動軸数は、7軸となった。また、ガルバノミラー1軸当たりの加工ステージの駆動軸数は、2.5であった。レーザー発振器、加工ヘッド、加工ステージは株式会社ワークステーション社製シーケンサプログラミング装置(タッチパネル式)により、レーザー発振及び停止や加工ヘッドに含まれるガルバノミラーの駆動及び停止、更に、加工ステージの駆動及び停止を制御できるようにした。被加工物から出た飛散物を回収する回収機構として、送風機とスクラバー付き回収機(日立工機株式会社製(RM120S1)回収機)を用いた。飛散物の電荷を除去する除電装置には、株式会社キーエンス社製イオナイザSH−Eを用いた。加工ヘッドの駆動部の加工可能駆動範囲を検査する手段として、杉の平板材(150mm×150mm、厚さ5mm)で被加工部(50mm×50mm)の表面の柾目面積50%を用いた。被加工物として前記杉の平板材の表面に2500mm2の範囲で、前記表面においてレーザービームが照射される表面(平面)と当該レーザービームが成す角度(レーザービーム入射角)が45度以上90度以下としてレーザービームを照射したとき、図2に示した矢印が指す加工不具合箇所を確認することができた。このとき加工ステージの駆動は行わず、レーザービームの照射は全て加工ヘッドに含まれるガルバノミラーにより制御した。前記加工不具合は、4本の長さ20〜30mm(幅0.2〜0.5mm)の線状の不具合であり、それぞれの不具合の線が平行に生じ、5mmから7mmの間隔をもっているため、レーザー加工機の加工ヘッド駆動部の不具合を原因とする不具合であると考えられた。また、この不具合発生の確認の根拠となった線は、前記杉の平板材の表面の柾目の方向と角度45度でも認められた。さらに、この不具合発生箇所において加工を施さないように加工ステージとレーザービーム照射のための加工プログラムを修正した場合、目視及び100倍の顕微鏡による検査において良好な加工結果であることが確認された。この条件においてポリカーボネート及びポリプロピレンへのレーザー加工を行った結果、屋外暴露1年分に相当する紫外線照射(この紫外線照射による劣化促進試験は、CO.FO.ME.Gra社製耐光性試験器(SOLARBOX1500)を用いた)による当該被加工物の劣化促進試験においても、良好な結果が得られた。同様の結果は、桐、檜、タモ、ホオ、で確認され、さらに、前記木材の混合材やバルサ材にでも確認された。
実施例1で確認されたレーザー加工機の加工ヘッド駆動部の不具合を原因とする不具合発生箇所においてポリカーボネート及びポリプロピレンへのレーザー加工を行った以外は、全て実施例1と同じ条件で実施した場合、屋外暴露1年分に相当する紫外線照射を行った前記ポリカーボネートとポリプロピレンの被加工物には、4本の長さ20〜30mmの線状の変色やひび割れの不具合が確認され、それぞれの線が平行に生じ、これらの線の間隔は、5mmから7mmであった。この不具合は、本発明のレーザー加工機の検査手段において確認された加工ヘッド駆動部の不具合を原因とすることが示唆された。
実施例1のレーザー加工機の検査手段において、杉の平板材(150mm×150mm、厚さ5mm)、被加工部(50mm×50mm)の表面の柾目面積が10%であること以外は全て同じ条件でレーザー加工機の不具合箇所を検査した結果、10検体中5検体で不具合が確認された。検査により不具合が発生した箇所で加工を行わないようにレーザー加工機を走査し、ポリカーボネート及びポリプロピレンに加工を行った被加工物について、屋外暴露1年分に相当する紫外線照射による当該被加工物の劣化促進試験をおこなったところ、レーザー加工機の検査手段において不具合箇所が確認され、当該箇所では加工を行わなかった被加工物である5検体においては、良好な結果が得られた。しかし、レーザー加工機の検査手段において不具合部が確認されずにそのままの条件(10検体中5検体で不具合が確認されたのと同じ条件)でレーザー加工を行った被加工物であるポリカーボネートとポリプロピレンにおいては、屋外暴露1年分に相当する紫外線照射を行った場合、4本の長さ20〜30mmの線状の変色やひび割れの不具合が確認され、それぞれの線が平行に生じ、5mmから7mmの間隔であった。この不具合は、本発明のレーザー加工機の検査手段において確認された加工ヘッド駆動部の不具合を原因とすることが示唆された。同様の結果は、桐、檜、タモ、ホオ、これらを混合した混合材、バルサ材についても確認された。
柾目の面積をそれぞれ20%、30%、40%、60%以上90%未満とした以外は全て実施例1と同じ条件で実験を行った場合、柾目の面積が20%のとき10検体中7検体、柾目の面積が30%の時10検体中8検体、柾目の面積が40%の時10検体中9検体、柾目の面積が60%以上の時10検体中10検体において、それぞれレーザー加工機の加工ヘッドの駆動部を原因とする不具合を確認することができた。この不具合の発生は、桐、檜、タモ、ホオ、これらを混合した混合材、バルサ材についても確認された。
柾目の面積を60%とし、レーザー加工機の不具合箇所の発生を確認した根拠となった線とレーザー加工機の検査手段として用いた木材の柾目の角度を平行、15度、30度、45度、60度、75度、90度とそれぞれ変化させた以外は全て実施例1と同じ条件で実験を行った場合、レーザー加工機の検査手段により確認された不具合発生の根拠となる線が長さ5mm以上確認された検体数は、平行で10検体中2検体、15度で10検体中5検体、30度で10検体中9件、45度で10検体中10検体、60度で10検体中10検体、75度で10検体中10検体、90度で10検体中10検体であった。また、前記不具合発生の根拠となる線が長さ2mm以上確認された検体数は、平行で10検体中8検体、15度で10検体中10検体、30度で10検体中10件、45度で10検体中10検体、60度で10検体中10検体、75度で10検体中10検体、90度で10検体中10検体であった。また、本発明のレーザー加工機による検査手段では、線の長さ2mm以上の不具合の確認確率は、95%を達成した。このため、不具合の発生を確認するための検査手段において、柾目と不具合発生の根拠となるレーザー加工により発生する線の角度は、平行から2度以上において、確認することが可能であると判断された。
レーザービームの入射角を加工面に対し45度未満(40度、35度、30度、20度でそれぞれ実施)とした以外は、全て実施例1と同じ条件で加工を行った場合、検査手段において図2に示した矢印のような加工不具合箇所を明確に確認することができなかった。これらの条件においてポリカーボネート及びポリプロピレンへのレーザー加工を行った結果、屋外暴露1年分に相当する紫外線照射(この紫外線照射による劣化促進試験は、CO.FO.ME.Gra社製耐光性試験器(SOLARBOX1500)を用いた)による当該被加工物の劣化促進試験において、良好な結果であったり、変色やひび割れなどの不具合が確認されたりした。同様の結果は、桐、檜、タモ、ホオ、で確認され、また、前記木材の混合材やバルサ材にでも確認された。この結果から、レーザービームの入射角を45度以上とすることにより、検査手段を好適に利用できることが確認された。
2 レーザービーム
3 被加工物
4 治具
5 加工ステージ(回転軸)
6 加工ステージ(X方向移動軸)
7 加工ステージ(角度設定軸)
8 加工ステージ(Y方向移動軸)
9 加工ステージ(Z方向移動軸)
10 レーザー加工ヘッド
13 加工可能駆動範囲検査手段により検査された被加工物
14 加工ヘッドの駆動部を原因とする加工不具合箇所
15 レーザービームが照射箇所における被加工物表面の接線
16 レーザービームが照射箇所における被加工物表面の接線と照射されたレーザービームの角度
Claims (5)
- レーザー加工機であって、
レーザービームを発振するレーザー発振器と、
前記レーザービームを被加工物に照射する駆動軸数が1から2であるガルバノミラーからなる加工ヘッドと、
前記被加工物を保持する治具と、
当該治具を駆動する加工ステージの駆動軸数が2から6である加工ステージと、
被加工物から出た飛散物を回収する回収機構と、
当該飛散物の電荷を除去する除電装置と、
レーザービームを照射する加工ヘッドの駆動部の加工可能駆動範囲を画像解析することにより検査する検査手段とを有し、
前記画像解析により加工可能駆動範囲内において加工ムラが認められない正常に加工された加工範囲を選択し決定された加工範囲内にレーザービーム照射時に被加工物の被加工部が含まれるように加工ステージを駆動して加工することを特徴とするレーザー加工機。 - 前記レーザービームが照射される被加工面として柾目の面積が50%以上を占める表面であり、前記表面においてレーザービームが照射される点の接線と前記レーザービームの角度が45度以上90度未満である曲面乃至は前記表面においてレーザービームが照射される加工面と当該レーザービームの角度が45度以上90度未満である平面の木材を被加工物として前記レーザービームにより加工し、
前記検査手段が、
この加工した被加工物の加工部として正常に加工された加工範囲と加工ムラとを画像解析することにより加工可能駆動範囲内において加工ムラが認められない正常に加工された加工範囲を選択する手段であることを特徴とする請求項1に記載のレーザー加工機。 - 前記検査手段に用いられる被加工面を形成する木材表面の柾目の角度が加工ヘッドの1つの駆動方向に対し45度以上135度以下の角度を持ち配置されることを特徴とする、請求項1乃至2のいずれか1項に記載のレーザー加工機。
- 前記検査手段に用いられる被加工面を形成する木材の形状が加工ステージの1つの軸と平行な中心線を持つ円柱状であり、ガルバノミラーの1つの駆動軸と前記円柱状の木材の中心線が平行に配置されることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか1項に記載のレーザー加工機。
- 前記検査手段に用いられる被加工面が曲面もしくは平面の木材が、桐、杉、檜、タモ、ホオから選ばれることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか1項に記載のレーザー加工機。
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