JP6843386B2 - レーザ加工ヘッドを備えた複合加工機 - Google Patents

Description

本発明はレーザビームによるレーザ加工と、切削、研削等の機械加工とを備えた複合加工機に関する。

レーザビームを用いて、切断、穴開け、溶接、肉盛り、積層、表面改質等のレーザ加工が施されているが、従来はそれぞれ用途に合せてレーザ加工装置が製作されているため、それぞれ用途毎にレーザ加工機を準備しなければならず、広いスペースが必要となるだけでなくコスト面でも高くなる。
また、ワークによってはレーザ加工の前後に切削や研削等の機械加工が必要となる場合も多い。

特許文献１には、工作機械の主軸台にレーザ加工ヘッドを旋回機構にて設ける技術を開示するが、レーザ加工ヘッドを工具と自動交換可能にしたものではない。

特表２００２−５１５３４４号公報

本発明は、各種レーザ加工ヘッドと組み合せた複合加工機の提供を目的とする。

本発明に係る複合加工機は、レーザ加工ヘッドと工具とを交換可能に備え、前記レーザ加工ヘッド及び工具の自動交換装置を有することを特徴とする。

ここで、レーザ加工ヘッドとはレーザビームを照射し、切断、穴開け、溶接、肉盛り、積層、表面改質等の各種レーザ加工を行うためのヘッドをいう。
本発明で工具とは、バイトによる旋削加工、回転工具による切削加工、砥石等による研削加工等の各種機械加工に用いられる工具をいう。
複合加工機には、ワークをチャック保持又は回転制御する主軸台とレーザ加工ヘッドを装着可能にした工具主軸を備えている。
本発明においてはレーザ加工ヘッド及び工具の自動交換装置を有しているので、レーザ加工の前後の機械加工と連動できるので、複数の工程を一台の複合加工機で行うことができる。
また、レーザ加工ヘッドは工具を装着する工具主軸に装着可能であり、且つレーザ光の伝達経路のクランプ手段を有するのが好ましい。
ここで、レーザ光の伝達経路とは、伝送ファイバや必要に応じて光線の反射、変更ミラー等が含まれる。

本発明において、前記レーザ加工ヘッドはコリメータ部と集光部とに分離可能であり、
前記集光部は前記自動交換装置にて取り替え可能になっていてもよい。
ここでコリメータ部とは、レーザ発振器等から出力されるレーザ光をコリメート（平行光化）する光学系の共通部分をいい、集光部とはレーザ加工の用途に合せてレーザ光の集光距離を変えるための部分をいう。
よって本発明において、前記集光部は、切断、穴開け、溶接、肉盛り、積層、表面改質等のレーザ加工の用途に合せて取り替え可能になっているのが好ましい。

また、レーザ加工ヘッドにはレーザ加工の目的に応じて、アシストガス、シールドガス、肉盛りや溶接に用いる粉末や線材の供給部を有しており、それらをユニット化したレーザ加工ヘッドユニットとして工具主軸に装着、交換可能にしてもよい。

本発明に係る複合加工機は、レーザ加工と機械加工とが行えるので、ワークの複雑な加工工程を一台の機械で行えるので汎用性が高く、全体としてコストダウンを図ることができる。

本発明に係る複合加工機の構成例を示す。 工具主軸にレーザ加工ヘッドを装着した状態を示す。 集光部のコリメータ部への装着構造例を示す。（ａ）は集光部を装着した状態、（ｂ）は集光部を取り外した状態を示す。 工具主軸の軸心とレーザビーム光とをオフセットさせた例を示す。 （ａ）、（ｂ）はレーザ加工ヘッドの工具主軸への装着構造例を示す。 レーザ加工ヘッドの第２の実施例を示し、（ａ）は工具主軸に装着した状態、（ｂ）はヘッド部の断面図を示す。 レーザ加工ヘッドのクランプ例を示す。 レーザ加工ヘッドのクランプ例を示す。 レーザ加工ヘッドのクランプ例を示す。

本発明に係る複合加工機の構造例を以下、図面に基づいて説明するが本発明はこれに限定されない。

図１に、複合加工機１０の構造例を示す。
本実施例では、ワークＷをチャック保持し、回転制御可能な主軸台Ｌ１１，主軸台Ｒ１２を対向配置し、この上部側に工具主軸１３を配置した例になっている。
本明細書では、対向主軸台Ｌ，Ｒの軸線方向をＺ軸、工具主軸１３の切り込み方向をＸ軸、これに前後方向に直交する方向をＹ軸と表現する。
２つの主軸の少なくとも一方はＺ軸方向移動制御されている。
工具主軸１３は、少なくともＹ軸まわりに旋回制御（Ｂ軸制御）され、左右に配置したレーザ加工ヘッド自動交換装置１４及び工具自動交換装置１５との間にてレーザ加工ヘッド又は工具の引き取り、引き渡しを行うことができる。
ここで交換装置は図示を省略したが、公知のフィンガタイプ、アームタイプ等の構造を採用することができ、自動交換装置となっている。

レーザ加工ヘッド自動交換装置１４には、アシストガス管、シールドガス管、粉末・線材供給部等を組み合せてユニット化したレーザ加工ヘッド１６をレーザ加工目的に合せて複数種類のユニットをマガジンにセットしてあってもよい。
本実施例では、図２，３に示すように、レーザ加工ヘッド１６はコリメータ部１６ａと集光部１６ｂとが分離可能となっていて、この集光部１６ｂをレーザ加工の目的に合せて、集光方法、集光距離の異なる複数種類の集光部１６ｂをマガジンにセットした例になっている。

コリメータ部１６ａはレーザビームの光学系の共通部分であり、集光部１６ｂはレーザビームの集光距離、方法を切断、穴開け、溶接、肉盛り、積層、表面改質等のレーザ加工目的に合せて調整した部分である。
これによりレーザヘッド自動交換装置１４に設けたマガジンに各種集光部をストックしておき、この自動交換装置にて工具主軸１３に装着してある集光部と取り換えるだけで各種レーザ加工ができる。

コリメータ部１６ａと集光部１６ｂとの分離方法に制限はない。
本実施例は図３に示すようにコリメータ部１６ａ側に周廻り、３点支持のボールプランジャー１６ｄを配設し、集光部１６ｂの周廻りに上下の円錐面で形成した把持凹部１６ｇをボールプランジャー１６ｄに差し込み装着及び引き抜き取り出し可能にした例となっている。
なお、ボールプランジャー１６ｄはボール１６ｅを周廻り中心方向にスプリング１６ｆで脱落しないように突出付勢してある。
ボールプランジャー１６ｄは周廻りに１２０°毎に３つ配置してあり、コリメータ部１６ａの軸心と集光部１６ｂの軸心が一致するようになっている。
また、集光部１６ｂがコリメータ部１６ａに対して相互に回転しないように、例えばキーとキー溝からなるロック機構を設けてもよい。

コリメータ部１６ａはレーザビームを伝送する伝送ファイバ１１６ｃ，コリメータレンズ１１６ａ，保護ガラス（第１）１１６ｂを有する例になっていて、集光部１６ｂは保護ガラス（第２）２１６ｂ，集光レンズ２１６ａ，保護ガラス（第３）２１６ｃ，ノズル２１６ｄを有する例になっているが、集光部１６ｂをコリメータ部１６ａに交換可能に脱着できれば、この構造例に限定されない。

レーザ加工ヘッド１６は工具主軸１３への取付部１９を有し、図２に示すように工具主軸１３の軸心とレーザビーム１７の光線と一致させるように、複数の反射ミラー１８ａ，１８ｂを配置したタイプ及び図４に示すように、工具主軸１３の軸心とレーザビーム１７の光線とをオフセットさせたタイプが例として挙げられる。
取付部１９には図５に示すようにシャンク１９ａを有し、工具主軸１３にチャックされる。

工具主軸１３からレーザ加工ヘッド１６を取り外すと、図１に示すように工具自動交換装置１５にてバイトや回転工具等の工具Ｔを工具主軸１３に装置し、各種切削加工を行うことができる。
また本実施例では、対向主軸台Ｌ，Ｒの下側にタレット刃物台２０を配置した例になっているが、必要に応じて複数のタレット刃物台やＢ軸制御されたその他の刃物台を設けてもよい。

図６にレーザ加工ヘッドの第２の実施例を示す。
図３と共通する部分は、共通の符号を表記し、詳細な説明を省略する。
本実施例は、コリメータ部１６Ａに集光部（ノズル部）１６Ｂを装着する方法として、集光部１６Ｂ側にボールプランジャー１６ｄを設け、コリメータ部１６Ａ側に把持凹部１６Ｇを形成してある。

複合加工機を、このように構成したことにより、主軸台にワークをチャック保持させ、各種レーザ加工をした後に各種工具を用いて切削、研削等の機械加工を行うことや、レーザ加工の前に機械加工を行うことができ、複数の異なる各種工程を一台の複合機で行うことができる。

次に、取付部１９のクランプ構造について説明する。
レーザ加工ヘッドを工具主軸に装着できるとともに、主軸中心とレーザ光中心とが一致するようにすると、工具の移動制御や旋回制御に合せてレーザ加工ヘッドの制御も可能になる。
しかし、レーザ加工ヘッドには前述したように、レーザ光の伝達経路を確保するためのクランプ手段が必要であり、工具主軸が旋回する場合にも安定した位置決め手段が要求される。

図７（ａ）は、工具主軸端面にピン１９ｂを設けてクランプさせる方法を示す。
図７（ｂ）は、レーザ光の伝達経路を工具主軸の上部に設けたクランプ手段１９ｃにクランプさせる方法を示す。
図８（ａ）は、工具主軸の端面に沿ってスライドするクランプ１９ｄを採用した例を示し、（ｂ），（ｃ）は工具主軸の下部にサブクランプ１９ｅを設けた例を示す。

図９は、レーザ光の伝達経路を工具主軸の上部に設けたローラ式クランプ１９ｆを設けた例を示す。
このように、両側一対のローラでクランプすると、工具主軸の旋回によるねじれをローラが吸収してくれる。

１０ 複合加工機
１１ 主軸台Ｌ
１２ 主軸台Ｒ
１３ 工具主軸
１４ レーザ加工ヘッド自動交換装置
１５ 工具自動交換装置
１６ レーザ加工ヘッド
１６ａ コリメータ部
１６ｂ 集光部
１６ｃ チャック部
１６ｄ ボールプランジャー
１６ｇ 把持凹部
２０ タレット刃物台
１１６ａ コリメータレンズ
１１６ｂ 保護ガラス（第１）
１１６ｃ 伝送ファイバ
２１６ａ 集光レンズ
２１６ｂ 保護ガラス（第２）
２１６ｃ 保護ガラス（第３）
２１６ｄ ノズル

Claims (3)

1. レーザ加工ヘッドと工具とを交換可能に備え、
   前記レーザ加工ヘッド及び工具の自動交換装置を有し、
   前記レーザ加工ヘッドはコリメータ部と集光部とに分離可能であり、
   前記コリメータ部と集光部のうち、一方に把持凹部を形成し、他方に前記把持凹部に係脱可能なボールプランジャーを有し、
   前記レーザ加工ヘッドの自動交換装置は前記コリメータ部に対して集光部が取り替え可能になっていることを特徴とする複合加工機。
2. 前記集光部は、切断、穴開け、溶接、肉盛り、積層、表面改質等のレーザ加工の用途に合せて取り替え可能になっていることを特徴とする請求項１記載の複合加工機。
3. 前記レーザ加工ヘッドは工具を装着する工具主軸に装着可能であり、且つレーザ光の伝達経路のクランプ手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の複合加工機。
   

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