JP6738333B2 - 加工対象たる管または輪郭部分を走査する走査システムを具備してなる管および輪郭部分のレーザー加工用機械 - Google Patents

Description

本発明は概して、加工対象たる管または輪郭部分の横断面のアウトライン（輪郭または外形）を走査（スキャン）する走査システムを具備してなる、管および輪郭部分のレーザー加工用機械、とりわけ管および輪郭部分のレーザー切断用機械に関するものである。

［用語］
以下の詳細な説明および特許請求の範囲において、「管（チューブ，tube）」および「輪郭部分（profiled section）」の語は、ワークピース（加工対象物）の長手軸に沿って均一（製造公差を除いて均一）である横断面であって、閉じた形状（例えば円形、矩形もしくは方形）または開いた形状（例えばＬ字形、Ｃ字形、Ｕ字形など）を有し得るところの横断面を有してなる、あらゆる長尺なワークピースを指すものとして意図されている。更に、「長手方向の（longitudinal）」および「横断（方向）の（transverse）」の語はそれぞれ、管または輪郭部分の長手軸の方向、及び、前記長手軸方向に直交する方向を特定するために使用される。

加工対象たる管または輪郭部分の横断面の幾何形状を検知するために、管および輪郭部分のレーザー加工用機械において走査システムを使用することが知られている。より具体的には、立体（又は三次元）レーザー走査システムが知られており、当該システムは、頭字語がＬＳＭでも知られるところの一対のレーザー走査モジュール(Laser Scanning Module)を備えている。そして、そのレーザー走査モジュールの各々は、加工対象たる管または輪郭部分にブレード（刃）状の光を放射するように構成されたレーザーエミッタと、それぞれのレーザーエミッタにより放射されたブレード状の光で照射された、加工対象たる管または輪郭部分の一部の画像を得るように構成されたカメラと、各カメラで得られた画像を処理して、加工対象たる管または輪郭部分の横断面の全体アウトラインあるいはその少なくとも一部分を再現（再構成）するように構成されたプロセッシングユニット（処理ユニット）と、を備えている。そのようなレーザー走査システムを用いることで、リアルタイムで、加工対象たる管または輪郭部分の横断面の実際のアウトライン（輪郭または外形）を検出することが可能になる。但し、その実際のアウトラインは、製造公差に依拠して、名目上（又は規格上）のものとは多かれ少なかれかなり異なることもある。かくして、管または輪郭部分の横断面の実際のアウトラインを参照して、例えば施されるべき加工を中心に置くことも可能である。

現在知られている解決策では、レーザー走査モジュールは、機械のベース部（土台）上の固定位置に設置され、それ故、後者（機械のベース部）が送り方向（即ち、管または輪郭部分の長手方向と一致する方向）に沿って前進し続ける間、（走査モジュールは）加工対象たる管または輪郭部分を漸進的に走査（スキャン）する。しかしながら、レーザー走査モジュールのそのような設置手法では、スキャンされるところの加工対象たる管または輪郭部分の横断面は、加工が施されるべきところのものとは通常異なる。このことは明らかに、加工が施されるべき横断面の幾何形状が（管または輪郭部分が製作されたときの寸法的および／又は幾何学的公差のために）、該走査システムによってアウトラインが再構成されたところの横断面の幾何形状とは異なる場合に、エラーを生じさせる結果となることがある。更には、公知の走査システムは、典型的には、予め定められた形状及びサイズを持った横断面を有する管および輪郭部分の幾何形状を検知するように適合される。

（特になし）

本発明の目的は、異なる形状及びサイズを持った横断面を有する管および輪郭部分の幾何形状を検知することができると共に、上述の先行技術よりも高精度であるところの走査システムを具備してなる、管および輪郭部分のレーザー加工用のレーザー加工機械を提供することにある。

この目的および他の目的は、本発明に従って、独立請求項１に記載したような特徴を有するところの管および輪郭部分のレーザー加工用の機械によって達成される。

本発明の有利な実施態様は従属請求項に定義されており、当該従属項の主題は、以下の詳細な説明の肝要で累積的な部位を形成するよう意図されたものである。

要するに、本発明は、管および輪郭部分のレーザー加工のための機械を提供するとの着想に基づくものであり、本発明の機械は、集束レーザービームによって管または輪郭部分に加工を施すように構成された加工ヘッドと、前記加工ヘッドが取り付けられたキャリッジと、加工対象たる管または輪郭部分の横断面のアウトラインの少なくとも一部の幾何形状を検知するように構成された走査システムと、を備えている。
ここで、前記キャリッジは、加工対象たる管または輪郭部分に対し長手方向および横断方向の双方に移動可能である。前記走査システムは、少なくとも１つのレーザー走査モジュールを備え、該レーザー走査モジュールは、加工対象たる管または輪郭部分の一部を照射する光ブレード（ブレード状の光）を投射するように構成されたレーザーエミッタと、光ブレードで照射された管または輪郭部分の一部の画像を得るように構成されたカメラと、各カメラで得られた画像を処理して、加工対象たる管または輪郭部分の横断面の全体アウトラインあるいはその少なくとも一部分の幾何形状を再現（又は再構成）するように構成された処理ユニットと、を含む。そして、前記加工ヘッドおよび前記少なくとも１つのレーザー走査モジュールは、前記キャリッジと共に前記長手方向および横断方向の双方への移動のために駆動連結されるべく前記キャリッジに取り付けられている。

それは、加工ヘッドが取り付けられたキャリッジと共に、長手方向および横断方向の双方への移動のために駆動連結されるべく取り付けられているため、前記少なくとも１つのレーザー走査モジュールは、加工ヘッドの基準面(reference surface)に対して、例えば加工ヘッドにより投射された集束レーザービームの光軸を通す横断垂直面に対して、常に同じ位置にあるところの加工対象たる管または輪郭部分の横断面のアウトライン（あるいは、その少なくとも一部）の画像を得る。必然的にこのことは、先行技術よりも高い精度を確実ならしめる。更に、前記少なくとも１つのレーザー走査モジュールが、加工ヘッドが取り付けられるキャリッジと共に横断方向への移動のために駆動連結されていることのおかげで、本発明に従う機械の走査システムは、異なった形状及び／又はサイズを持った横断面を有してなる管または輪郭部分を走査（スキャン）することができる。

好ましくは、前記レーザー走査システムは、２つ以上のレーザー走査モジュールを備える。

好ましくは、前記レーザー走査モジュールは、（複数の）レーザーエミッタにより生じた光ブレードが同一平面内となるように配設される。この平面は好ましくは、横断垂直平面、即ち、加工対象たる管または輪郭部分の長手軸に対し直交する平面である。

好ましくは、当該機械は、管または輪郭部分のレーザー切断用の機械である。

一実施形態によれば、レーザー走査モジュールのレーザーエミッタは、同一波長を持った光ブレードを投射するように構成される。この場合、とりわけ小サイズの横断面を持った管または輪郭部分の場合において、得られた画像の品質を損なう可能性のある効果であるところの、光ブレードの重なりという好ましくない効果を回避するために、画像は、レーザー走査モジュールのカメラによって異なる時間で入手される。
代替的には、レーザー走査モジュールのレーザーエミッタは、異なる波長を持った光ブレードを投射するように構成され、そうして、カメラが、加工対象たる管または輪郭部分の画像を同時的に得ることを可能にする。

好ましくは、各レーザー走査モジュールのレーザーエミッタおよびカメラは、レーザーエミッタの光軸が垂直平面内にあると共に水平（面）に対して所定の角度で傾斜するように、その一方で、カメラの光軸がレーザーエミッタの光軸と同じ平面内にあると共に後者（レーザーエミッタの光軸）に対して所定の角度で傾斜するように、取り付けられる。

本発明の更なる特徴および利点は、添付の図面を参照した非限定的な事例によって純粋に提示されるところの、以下の詳細な説明から明らかとなる。

図１は、本発明の一実施形態に従う走査システムを具備した、管または輪郭部分のレーザー加工用のレーザー加工機械を部分的に示す斜視図である。 図２は、図１の機械の正面図である。 図３は、図１の機械の側面図である。 図４は、図１の機械において加工対象たる管または輪郭部分に対するレーザー走査モジュールの配置を模式的に示すところの斜視図である。 図５は、図１の機械において加工対象たる管または輪郭部分に対するレーザー走査モジュールの配置を模式的に示すところの正面図である。

本発明に従う管および輪郭部分のレーザー加工用機械が、管（チューブ）の加工に適用される場合を参照して（以下に）説明されるものであるが、当然、輪郭部分の加工にも等しく良好に適用可能である（ことは言うまでもない）。当該機械が加工することができる管または輪郭部分は、異なる形状およびサイズの横断面を有していてもよい。

図面を参照すると、本発明の一実施形態に従う管のレーザー加工用機械は、符号「１０」で示されたベース部と、管（Ｔ）上にレーザー加工（例えば切断加工のようなもの）を施すように構成された加工ヘッド１２と、（管Ｔの長手軸の方向と一致するところの）長手方向ｘに沿って管Ｔを前進（移動）させるように構成された送り装置１４と、管Ｔが送り装置１４によって前進（移動）される間、管Ｔをガイド（案内）するように構成されたガイド装置１６と、管Ｔの横断面のアウトラインの少なくとも一部（例えば上寄りの部分）を走査するように構成された走査システムと、をそれ自体知られているような態様で備えている。

加工ヘッド２０は、管Ｔの表面に集束したレーザービームを投射（又は投光）するように構成された集束装置１８を、それ自体知られているような態様で備えている。走査システムは、二つのレーザー走査モジュール２０（あるいは、より一般的には、少なくとも１つのレーザー走査モジュール）を備えており、該走査モジュールの各々は、
加工対象たる管Ｔの一部を照射するブレード状の光Ｌ（「光ブレード」ともいう）を投射（又は投光）するように構成されたレーザーエミッタ２２と、
レーザーエミッタ２２により投射された光ブレードＬで照射された加工対象たる管Ｔの一部の画像を得るように構成されたカメラ２４と、を備えている。
図示の実施形態ではレーザー走査システムは二つのレーザー走査モジュール２０を備えるけれども、それは二つよりも多くのモジュールを備えてもよい。

加工ヘッド１２は、ヘッド支持構造２６によって支持されている。ヘッド支持構造２６は、そしてそれ故に加工ヘッド１２もまた、垂直方向（方向ｚ）に移動可能であるようにキャリッジ２８に取り付けられている。キャリッジ２８は、当該機械のベース部１０に対して横断方向（方向ｙ）に移動可能に取り付けられている。図示の実施形態において横断方向ｙは水平方向であるけれども、それは、水平（面）に対して所定角度だけ傾いた（そして明らかに、管Ｔの長手軸に直交する平面内に存在もするところの）方向であってもよい。故に、加工ヘッド１２は、横断垂直面内を、即ち管Ｔの長手軸ｘに直交する平面内を、二つの自由度を持って、つまり垂直方向ｚでの変位の自由度および横断方向ｙでの変位の自由度を持って移動可能である。更に、図示の実施形態において提供されているように、加工ヘッド１２は、横断方向に配向された傾動軸ｔ周りで（あるいは、図示しない別の実施形態では、互いに直交する二つの傾動軸の周りで）傾動可能であるようにヘッド支持構造２６に取り付けられてもよい。

送り装置１４は、好ましくは、長手軸ｘの方向に沿った管Ｔの移動（前進移動）だけでなく、長手軸ｘ周りでの管Ｔの回転をも制御するように構成されている。管（類）のレーザー切断用の機械の場合、加工ヘッド１２の動き（即ち、垂直方向ｚに沿った移動、横断方向ｙに沿った移動、傾動軸ｔ周りでの回転、及び、可能性として長手軸ｘの方向に沿っての移動）の自由度、並びに、管Ｔの動き（即ち、長手軸ｘの方向に沿った移動、及び、長手軸ｘ周りでの回転）の自由度を適切に制御することにより、所望の切断ラインに沿って管Ｔの壁部を切断することが可能である。

二つのレーザー走査モジュール２０は、キャリッジ２８に装着された支持構造３０に取り付けられている。故にレーザー走査モジュール２０は、キャリッジ２８と共に、よって加工ヘッド１２とも一緒に、横断方向ｙに移動する。図示しない別の実施形態によれば、レーザー走査モジュールが取り付けられる支持構造は、前記ヘッド支持構造に、あるいはより一般的には加工ヘッドが取り付けられるキャリッジに装着されており、これによりレーザー走査モジュールは、加工ヘッドと共に横断方向ｙおよび垂直方向ｚの双方への移動のために駆動連結される。

図示の実施形態では、支持構造３０は概してＣ字型の形状を有し、そのＣ字形状は、キャリッジ２８に装着された交差部材３２を伴うと共に、その交差部材３２の両端部から長手軸方向に延びる一対の側腕部３４を伴っている。それぞれの取付けフランジ３６は、（両）側腕部３４の自由端に強固に接続されている。同様の取付けフランジ３８が、それぞれのレーザー走査モジュール２０の端部にそれぞれ強固に接続されている。こうして各レーザー走査モジュール２０は、それぞれの取付けフランジ３８の、それぞれの側腕部３４の取付けフランジ３６との結合により（例えばネジ４０により）支持構造３０に容易に取り付けられることができる。

各レーザーエミッタ２２は、例えば２０°に等しいところの所定の開口角α（一般に、ファンアングル(fan angle)として知られている角度）を持った光ブレードＬを発生するように構成されている。好ましくは、各レーザーエミッタ２２は、前記光ブレードの全体（全て）にわたって、あるいは少なくともその大部分にわたって光の均一な拡散を許容すべく構成された光学系を伴って、それ自体知られた態様で提供されている。好ましくは、各レーザーエミッタ２２は、その光軸（Ｏ_１で示す）が垂直面内に存在するように取り付けられている。更に、各レーザーエミッタ２２の光軸Ｏ_１は、図５に示すように、水平（面）に対して所定の角度βで傾斜している。好ましくは、レーザーエミッタ２２の（二つの）光軸Ｏ_１は、同一垂直面内に存在する。好ましくは、レーザーエミッタ２２の（二つの）光軸Ｏ_１が存在するところの垂直面は、加工ヘッド１０（１２）の集束装置１４（１８）により投射されたレーザービームの光軸Ｏ_Ｌを通り抜けている。かくして走査システムは、加工時に加工ヘッド１２により投射されたレーザービームが作用する（正にその）横断面において、管または輪郭部分のアウトラインを走査する。このことは明らかに、最高レベルの可能な精度を確実ならしめる。

一実施形態によれば、レーザー走査モジュール２０のレーザーエミッタ２２は、同一波長の光ブレードＬを投射するように選択される。その場合には、カメラ２４は、特に小サイズの横断面を持った管において（カメラで得られた画像の品質を低下させ得る）光ブレードの重なりという望まない効果を回避するために、異なった時間で（好ましくは、互いに非常に接近した時間で）光ブレードＬで照射された管Ｔの一部の画像を得ることになる。代替的には、レーザー走査モジュール２０のレーザーエミッタ２２は、異なった波長を有する光ブレードＬを投射するように構成され、その場合には、カメラ２４は管Ｔの（複数の）画像を同時的に得る。

各カメラ２４は、レーザーエミッタ２２により投射された光ブレードＬで照らされた加工対象たる管Ｔの表面の一部の画像を得ることを可能とすべく、カメラの光軸（Ｏ_２で示す）が同じレーザー走査モジュール２０のレーザーエミッタ２２の光軸Ｏ_１と同じ平面内にあり、且つ後者（光軸Ｏ_１）に対して傾斜するように、取り付けられている。（複数の）カメラ２４は、適切なデータ転送線（図示しないが、それ自体公知のもの）によって、加工対象たる管Ｔの横断面のアウトライン全体あるいはその少なくとも一部の幾何形状を再構成すべく各カメラで得られた画像を処理すべく構成された処理ユニット（これも図示しないが、それ自体公知のもの）に接続されている。

上述したようなレーザー走査システムは、レーザー走査モジュールの横断方向での（及び可能性として、垂直方向でも）移動の自由度、並びに、加工対象たる管または輪郭部分のその長手軸周りでの回転の自由度を十分に生かしつつ、任意の形状及びサイズを有する管または輪郭部分の横断面のアウトラインの少なくとも一部の幾何形状を再現（再構成）することを許容する（可能にする）。更に、上述したようなレーザー走査システムは、参照軸（例えば、加工対象たる管または輪郭部分の名目上の長手軸）に対する、前記アウトライン（あるいは、レーザー走査モジュールで得られたアウトラインの少なくとも一部）の実際の配置を検出することを許容する（可能にする）。

当然ながら、本発明の原理を変更せず維持したまま、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を逸脱することなく、実施形態や構造上の詳細が、非限定的な事例によって説明された実施形態から変更されてもよい。

１２ 加工ヘッド
１８ 集束装置
２０ 走査システム（あるいは、レーザー走査モジュール）
２２ レーザーエミッタ
２４ カメラ
２６ ヘッド支持構造
２８ キャリッジ
Ｌ ブレード（刃）状の光（本願では「光ブレード」と称する）
Ｔ 加工対象たる管または輪郭部分
Ｏ_１ レーザーエミッタ２２の光軸
Ｏ_２ カメラ２４の光軸
Ｏ_Ｌ 集束レーザービームの光軸

Claims (9)

1. 管および輪郭部分（Ｔ）をレーザー加工するためのレーザー加工用機械であって、
   加工対象たる管および輪郭部分（Ｔ）の表面に集束レーザービームを投射するように構成された集束装置（１８）を具備した加工ヘッド（１２）と、
   前記加工ヘッド（１２）が取り付けられたキャリッジ（２８）と、
   前記管または輪郭部分（Ｔ）の横断面のアウトラインの少なくとも一部を走査するように構成された走査システムと、
   を備えており、
   前記キャリッジ（２８）は、管および輪郭部分（Ｔ）に対し、管（Ｔ）の長手軸に一致する長手方向（ｘ）および横断方向（ｙ）の双方に移動可能に取り付けられており、
   前記走査システムは、２つ以上のレーザー走査モジュール（２０）を備え、該レーザー走査モジュールの各々は、
   管または輪郭部分（Ｔ）の一部を照射する光ブレード（Ｌ）を投射するように構成されたレーザーエミッタ（２２）と、
   前記光ブレード（Ｌ）で照射された管または輪郭部分（Ｔ）の一部の画像を得るように構成されたカメラ（２４）を有しており、
   前記走査システムは更に、各カメラ（２４）で得られた画像を処理して、管または輪郭部分（Ｔ）の横断面の全体アウトラインあるいはその少なくとも一部分を再現するように構成された処理ユニットを備えており、
   前記加工ヘッド（１２）および前記２つ以上のレーザー走査モジュール（２０）は、前記キャリッジと共に前記長手方向（ｘ）および横断方向（ｙ）双方への移動のために駆動連結されるべく前記キャリッジ（２８）に取り付けられており、
   前記２つ以上のレーザー走査モジュール（２０）は、それぞれのレーザーエミッタ（２２）により生じた光ブレード（Ｌ）が同一平面内となるように配設されており、
   前記平面は垂直平面であり、且つ、前記平面は、前記加工ヘッド（１２）の集束装置（１８）により投射された集束レーザービームの光軸（Ｏ _Ｌ ）を通り抜けさせるものである、ことを特徴とするレーザー加工用機械。
2. 前記レーザー走査モジュール（２０）のレーザーエミッタ（２２）は、同一波長を持った光ブレード（Ｌ）を投射するように構成されている、請求項１に記載のレーザー加工用機械。
3. 前記レーザー走査モジュール（２０）のレーザーエミッタ（２２）は、異なる波長を持った光ブレード（Ｌ）を投射するように構成されている、請求項１に記載のレーザー加工用機械。
4. 前記レーザー走査モジュール（２０）のレーザーエミッタ（２２）およびカメラ（２４）は、レーザーエミッタ（２２）の光軸（Ｏ_１）が垂直平面内にあると共に水平面に対して所定の角度（β）で傾斜するように、その一方で、カメラ（２４）の光軸（Ｏ_２）がレーザーエミッタ（２２）の光軸（Ｏ_１）と同じ平面内にあると共に後者に対して傾斜するように、取り付けられている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザー加工用機械。
5. 前記キャリッジ（２８）は、管または輪郭部分（Ｔ）に対し垂直方向（ｚ）に移動可能に取り付けられている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザー加工用機械。
6. 管または輪郭部分（Ｔ）のその長手軸（ｘ）に沿っての移動、及び、管または輪郭部分（Ｔ）のその長手軸（ｘ）周りでの回転を制御するように構成された送り装置（１４）を更に備えてなる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザー加工用機械。
7. 管および輪郭部分（Ｔ）をレーザー加工するためのレーザー加工用機械であって、
   加工対象たる管および輪郭部分（Ｔ）の表面に集束レーザービームを投射するように構成された集束装置（１８）を具備した加工ヘッド（１２）と、
   前記加工ヘッド（１２）が取り付けられたキャリッジ（２８）と、
   前記管または輪郭部分（Ｔ）の横断面のアウトラインの少なくとも一部を走査するように構成された走査システムと、
   を備えており、
   前記キャリッジ（２８）は、管および輪郭部分（Ｔ）に対し、管（Ｔ）の長手軸に一致する長手方向（ｘ）および横断方向（ｙ）の双方に移動可能に取り付けられており、
   前記走査システムは、少なくとも１つのレーザー走査モジュール（２０）を備え、該レーザー走査モジュールは、
   管または輪郭部分（Ｔ）の一部を照射する光ブレード（Ｌ）を投射するように構成されたレーザーエミッタ（２２）と、
   前記光ブレード（Ｌ）で照射された管または輪郭部分（Ｔ）の一部の画像を得るように構成されたカメラ（２４）を有しており、
   前記走査システムは更に、各カメラ（２４）で得られた画像を処理して、管または輪郭部分（Ｔ）の横断面の全体アウトラインあるいはその少なくとも一部分を再現するように構成された処理ユニットを備えており、
   前記加工ヘッド（１２）および前記少なくとも１つのレーザー走査モジュール（２０）は、前記キャリッジと共に前記長手方向（ｘ）および横断方向（ｙ）双方への移動のために駆動連結されるべく前記キャリッジ（２８）に取り付けられており、
   前記レーザー走査モジュール（２０）のレーザーエミッタ（２２）およびカメラ（２４）は、レーザーエミッタ（２２）の光軸（Ｏ _１ ）が垂直平面内にあると共に水平面に対して所定の角度（β）で傾斜するように、その一方で、カメラ（２４）の光軸（Ｏ _２ ）がレーザーエミッタ（２２）の光軸（Ｏ _１ ）と同じ平面内にあると共に後者に対して傾斜するように、取り付けられている、ことを特徴とするレーザー加工用機械。
8. 前記キャリッジ（２８）は、管または輪郭部分（Ｔ）に対し垂直方向（ｚ）に移動可能に取り付けられている、請求項７に記載のレーザー加工用機械。
9. 管または輪郭部分（Ｔ）のその長手軸（ｘ）に沿っての移動、及び、管または輪郭部分（Ｔ）のその長手軸（ｘ）周りでの回転を制御するように構成された送り装置（１４）を更に備えてなる、請求項７又は８に記載のレーザー加工用機械。

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