JP7118265B2 - 加工ヘッドおよびこの加工ヘッドを用いる3次元レーザ加工機 - Google Patents
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Description
従来の技術では、衝突が発生した際にヘッドの一部が分離する、または衝突物とは反対方向に動くことでヘッド全体が破損することを防いでいる。例えば、特許文献1では、先端ノズルに取り付けられた緩衝機構は垂直方向と水平方向との2つの緩衝手段が設けられ、衝突の方向によってそれぞれの緩衝手段が作動する構成となる。しかし、先端ノズルに2つの緩衝手段が設けられるため、緩衝機構が複雑かつ重くなり、高速動作に向かない問題がある。
図1は実施の形態1に係る3次元レーザ加工機100の構成例を示すブロック図である。
図2は実施の形態1に係る3次元レーザ加工機100の一点指向型加工ヘッドおよびこの加工ヘッドに設置された緩衝機構の設置状態を示す説明図である。
図3は実施の形態1に係る3次元レーザ加工機100の一点指向型加工ヘッドのアーム部に設置された緩衝機構を示す図である。
図1に示す実施の形態1に係る3次元レーザ加工機100は、レーザ光1を加工物に照射する一点指向型の加工ヘッド101、加工ヘッド101に対して出射するレーザ光1を発振するレーザ発振器102、加工ヘッド101およびワーク104を駆動する駆動部103、および、レーザ光1のエネルギーを制御するとともに、加工ヘッド101と駆動部103を制御する制御部105に構成されている。
図1に示すように、一点指向型の加工ヘッド101に、レーザ発振器102から発振されたレーザ光1が導入される。一点指向型の加工ヘッド101は、レーザ光1を出射する出射口である先端部11aからミラーM1までの第1ミラーM1からミラーM2までの第2光軸12、ミラーM2からミラーM3までの第3光軸13、ミラーM3からミラーM4までの第4光軸14、およびミラーM4からレーザ光の入射側までの第5光軸15の5軸を有する構造である。
レーザ光1を出射する先端ノズル110は第1光軸11を有する。レーザ光1が入射する入射部150は第5光軸15を有する。入射部150は、ミラーM4でレーザ光1を反射する前の部分である。
すなわち、光軸については、第1光軸11と第5光軸15との間に、レーザ光1を出射する方向と所定の角度をなしている第2光軸12、第3光軸13と第4光軸14の3つの光軸が設けられている。アーム部10については、先端ノズル110と入射部150との間に、レーザ光1を出射する方向と所定の角度をなしている第1アーム部120、第2アーム部130、および第3アーム部140が設けられている。
図2に示すように、レーザ光1を伝送する光路に沿って、レーザ光1は複数のミラーであるミラーM4、M3、M2、M1の順に反射され、先端部11aを有する先端ノズル110に設けられたレンズなどの集光機構11bによって集光され、先端部11aより出射されてワーク104に到達する。
入射部150は、第5光軸15を中心に、矢印+α(図示時計回り方向)または-α(図示逆時計回り方向)方向に回転可能である。このため、第5光軸15は加工ヘッド101のミラーM4以降の部分(第4光軸14、第3光軸13、第2光軸12および第1光軸11)を回転させることができる回転軸となる。
第2アーム部130は第3光軸13を中心に、矢印+β(図示時計回り方向)または-β(図示逆時計回り方向)方向に回転可能である。このため、第3光軸13はミラーM2以降の部分(第2光軸12および第1光軸11)を回転させることができる姿勢軸となる。レーザ光1を出射する方向は姿勢軸の回転によって変化する。
図2に示すように、一点指向型加工ヘッドの回転軸である第5光軸15及び姿勢軸である第3光軸13の延長線は常に点Pで交わるように設計されており、一般的にこの点Pが加工点となる。回転軸および姿勢軸の回転位置にかかわらず常にこの加工点にレーザを照射することができる。
このような一点指向型の加工ヘッド構造をもつ3次元レーザ加工機によれば、回転軸および姿勢軸を動作させることで様々な方向からワーク104に対してレーザを照射することが可能である。
一般的には、ワーク104の形状に合わせて、ワーク104の表面とレーザの入射方向が垂直となるようにレーザを照射することが多い。その際、レーザの各照射位置での照射方向を設定するため、オペレータが手動にてティーチングを行う必要がある。ティーチング動作時および加工時に、オペレータの操作ミス、ワークの実形状と図面の相違などにより加工ヘッドとワークが衝突してしまう場合がある。
図1と図2に示すように、緩衝機構2は、アーム部10に設置されている。具体的に、緩衝機構2は、アーム部10において、ミラーM1とミラーM2との間に、すなわち、第1光軸11に最も近い光軸である第2光軸12を有する第1アーム部120に設置されている。
なお、光ファイバによる伝送光学系を用いた一点指向型加工ヘッドでは、アーム部はレーザ光の出射側の第1駆動軸を有する先端ノズルと所定の角度をなしている第2駆動軸を有する第1アーム部、第3駆動軸を有する第2アーム部、および、第4駆動軸を有する第3アーム部で構成されている。第3駆動軸は第2駆動軸および第1駆動軸を回転させることができる姿勢軸となる。光ファイバによる伝送光学系を用いた一点指向型加工ヘッドにおいても、緩衝機構2はアーム部に設置され、第1駆動軸に最も近い駆動軸である第2駆動軸を有するアーム部内の第1アーム部に設置されることが好ましい。
図3にアーム部10に設置された緩衝機構2の外観構造を示す。
緩衝機構2は、先端ノズル110に最も近い第1アーム部120に設置されている。緩衝機構2は、第1結合部31と第2結合部32とを有し、第1結合部31と第2結合部32を結合する結合部材4(図示せず、後述する)が設けられている。
第1結合部31は第1結合面3aを有し、レーザ光1を出射する先端部11aを有する先端ノズル110寄りに設けられる。第2結合部32は、第1結合面3aと対向する第2結合面3bを有する。すなわち、緩衝機構2において、第1結合面3aを有する第1結合部31は図1に示すレーザ光の出射側のミラーM1側寄り、第2結合面3bを有する第2結合部32はミラーM2側寄りとなる。結合部材4は、第1結合部31と第2結合部32との少なくとも一方に設けられ、第1結合面3aと第2結合面3bとの2つの結合面3を結合する。
また、レーザ光1の進行方向に沿って、第1結合面3aから先端部11aまでは分離部6aと称し、レーザ光1の逆進行方向dの第2結合面3b側のアーム部10の部分は固定部6bと称する。通常動作時に、第1結合面3aと第2結合面3bが結合部材4による結合力f1で結合されている。先端部11aに衝突力Fで衝突された場合、第1結合面3aと第2結合面3bが分離し、分離部6aが固定部6bから離れて衝突物から退避する構成となる。
図4は実施の形態1に係る3次元レーザ加工機の一点指向型加工ヘッドの先端部11aが下方にあるワーク104に衝突した直後、アーム部10に設置された緩衝機構2の退避動作例を示す説明図である。
図5は実施の形態1に係る3次元レーザ加工機の一点指向型加工ヘッドの先端部11aが左側にあるワーク104に衝突した直後、アーム部10に設置された緩衝機構2の退避動作例を示す説明図である。
この場合、図4(c)に示すように、衝突力Fは、固定部6b側の第2結合面3bの垂直方向3cに作用する衝突力の分力f2、および第2結合面3bの平行方向3dに作用する衝突力の分力f3に分解できる。図4(a)に示すように、緩衝機構2の第1結合面3aと第2結合面3bが通常動作時には結合力f1で結合されている。衝突した直後では、図4(b)に示すように、先端ノズル110から離れた側の緩衝機構2の結合面支点3eを中心にモーメントが働くため、結合力f1より小さい衝突力の分力f2の作用で第1結合面3aと第2結合面3bが矢印18a方向で分離する。これはつまり,先端部11aが矢印19a方向にワーク104から退避するということを表す。
この場合、図5(c)に示すように、衝突力Fは、固定部6b側の第2結合面3bの垂直方向3cに作用する衝突力の分力f2、および第2結合面3bの平行方向3dに作用する衝突力の分力f3に分解できる。緩衝機構2の第1結合面3aと第2結合面3bが通常動作時には結合力f1で結合されている。衝突した直後では、図5(b)に示すように、先端ノズル110に近い側の緩衝機構2の結合面支点3fを中心にモーメントが働くため、結合力f1より小さい衝突力の分力f2に作用されて、第1結合面3aと第2結合面3bが矢印18b方向で分離する。これはつまり、先端部11aが矢印19b方向にワーク104から退避するということを表す。
実施の形態1では、アーム部10において、先端ノズル110に隣接する第1アーム部120に緩衝機構2を設置することにより、第1アーム部120は先端ノズル110と同様に、径が小さいため、緩衝機構2の自重が軽くできる。さらに、分離部6aの重量が小さいため、結合力f1を小さく設定することができる。この結果、より小さい衝突力に対しても2つの結合面3が分離でき、先端ノズル110が衝突から退避することができる。
なお、図4、図5にはそれぞれ下方と左側のワーク104に衝突した場合の動作例を示すが、衝突力Fの方向により、第2結合面3bの外周上の一点を支点に第1結合面3aと第2結合面3bが分離して分離部6aが離脱するか、支点がなく滑り離れて分離部6aが離脱することになる。何れも先端ノズル110が衝突から退避することができる。
図4~6では、2つの結合面3の分離により、加工ヘッド101の先端部11aが衝突から退避する。先端部11aの退避距離L2が2つの結合面3の分離距離L1より大きく、加工ヘッド101が制御部の停止指令により動作が停止する状態まで移動する移動距離Lよりも大きい動作事例となる。なお、先端部11aが衝突された方向により、第2結合面3bに垂直方向の分離距離L1が小さくても、緩衝機構2の2つの結合面3の分離により分離部6aが固定部6bから離脱することによって、高速動作する加工ヘッドのままで衝突することを防げるため、加工ヘッドの損傷を低減することができる。
図7に、実施の形態1に係る3次元レーザ加工機の一点指向型の加工ヘッド101のアーム部10の第1アーム部120に設置される緩衝機構2の結合部材4に永久磁石を用いた構成例の説明図を示す。図7(a)は緩衝機構2の構造を示す説明図である。図7(b)は図7(a)に示すA-A線における断面を示す図である。
永久磁石から作用する磁力である結合力f1により2つの結合面3を結合させる。第1結合面3aと第2結合面3bは、通常動作時に結合用の永久磁石4a、4b、4cと4d、およびそれぞれ対応する永久磁石4e、4f、4gと4h(または磁性体4e、4f、4gと4h)から作用する磁力である結合力f1により結合された状態で動作する。加工ヘッド101の先端部11aに衝突力Fが作用すると、2つの結合面3が分離する。ここで、第2結合面3bの垂直方向3cに作用する衝突力Fの分力f2が結合力f1より小さい。
実施の形態1に係る加工ヘッドおよびこの加工ヘッドを用いる3次元レーザ加工機によれば、緩衝機構の簡単な構成により、加工ヘッドがワーク等に衝突した際に、先端部を含む加工ヘッドの一部が離脱でき、異なる方向からの衝撃に対応できる。
さらに、緩衝機構が一点指向型加工ヘッドのアーム部に設置されているため、力のモーメントでより小さい衝撃でも緩衝動作が発動するため、先端ノズルが退避でき、加工ヘッドの損傷を低減できる。
図8は実施の形態2に係る3次元レーザ加工機200の構成例を示すブロック図である。
実施の形態2では、本開示の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
実施の形態2に係る3次元レーザ加工機200の加工ヘッド201において、先端ノズル110に衝突検知センサ16aが設けられ、緩衝機構2に衝突検知センサ16bが設けられている。
図8において、衝突検知センサ16a、16bは異常を検出すると、制御部205へ通知し、制御部205は加工ヘッド201の動作を停止させると共に、レーザ光1を遮断し、さらに、緩衝機構2の復帰までレーザ照射を停止させるようにする。なお,図8には衝突検知センサ16a,16bの両方が記載されているが,何れか1つのみを設置してもよい。例えば緩衝機構2に衝突検知センサ16bのみを設置しても良い。
また、図10は実施の形態2に係る3次元レーザ加工機における一点指向型加工ヘッド201のアーム部10に設置された緩衝機構2および分離検知センサ16cの構成を示す説明図である。図10(a)はアーム部10に設置された緩衝機構2および分離検知センサ16cの構造を示す説明図である。図10(b)は図10(a)に示すA-A線における断面を示す図である。
図9と図10において、実施の形態2に係る加工ヘッド201の緩衝機構2は実施の形態1と同様に、結合部材4に永久磁石を用い、通常動作時には磁力である結合力f1により2つの結合面3を結合させた状態で動作する。加工ヘッドの先端部11aに衝突力Fが作用すると、2つの結合面3が分離する。実施の形態1と同様に、第2結合面3bの垂直方向3cに作用する衝突力の分力f2が結合力f1より小さい。
図9に示すように、先端部11aに衝突検知センサ16aを設置している。衝突検知センサ16aは、先端部11aが衝突した際に、更なるダメージを防ぐためにレーザ加工機の制御部205へ衝突を通知することにより加工ヘッド201の動作を停止させると共に、レーザ照射を停止させる。
衝突検知センサ16aが衝突を検知してから加工ヘッド201の動作が完全に停止するまでは必ずタイムラグが発生するため、このタイムラグ期間に加工ヘッド201が動作している。加工ヘッド201が高速に動作するため、加工ヘッド201の先端部11aがただちに退避でき、かつ、図4、図5に示すように先端部11aが退避できる退避距離L2はなるべく大きい方が望ましい。このため、衝突検知センサ16aのほかに、緩衝機構2を併用することで2つの結合面3の分離により、先端部11aを含む分離部6aが固定部6bから離脱し、損傷を低減できる。
なお、先端ノズル110にはレンズ、ガス噴射部など設置された部品が多く、加工ヘッド201の高速動作に分離部6aをより小型化、軽量化にするため、緩衝機構2に衝突検知センサ16bを設置しても良い。図9に示す緩衝機構2の固定部6b側に設置された衝突検知センサ16bも、同様に先端部11aの衝突を検出することができ、衝突検知センサ16aと同様な効果が奏することができる。
図10に示すように、緩衝機構2の固定部6b側に分離検知センサ16cを設置している。分離検知センサ16cは、緩衝機構2の2つの結合面3の分離を検知すること、および分離動作後に2つの結合面3が再度結合し、分離部6aが元の位置に復帰することを検知して制御部205へ通知する。制御部205は緩衝機構2の復帰までの間に、加工ヘッド201の動作を停止させると共に、レーザ照射を停止させる。
なお、分離検知センサ16cは衝突検知センサ16bと共通なもので、同じセンサを使用しても良い。この場合、分離検知センサ16cは先端部11aの衝突および2つの結合面3の分離を検知して、制御部205へ通知し、制御部205は加工ヘッド201の動作を停止させると共に、レーザ光1を遮断し、さらに、緩衝機構2の復帰までレーザ照射を停止させるようにする。
さらに、衝突検知センサまたは分離検知センサと併用することで、衝突および緩衝機構の分離を検知することにより、加工ヘッドの動作およびレーザ照射を停止させるため、3次元レーザ加工機の損傷リスクを更に低減できる。
図11は実施の形態3に係る3次元レーザ加工機における一点指向型加工ヘッドのアーム部の第1アーム部120に設置された緩衝機構2の結合部材4に電磁石を用いた構成例の説明図を示す。図11(a)は緩衝機構2の構造を示す説明図である。図11(b)は図11(a)に示すA-A線における断面を示す図である。
実施の形態3では、本開示の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
第1結合面3aおよび第2結合面3bは、それぞれ第2光軸12を取り囲むリング状に構成されている。結合部材4に用いられた電磁石は、具体的に、第1結合面3aを有する第1結合部31に結合用の電磁石5a、5b、5c(図示せず)と5dが設けられ、それぞれ対応して第2結合面3bを有する第2結合部32に結合用の電磁石5e、5f、5gと5hが設けられる。なお、電磁石の代わりに、磁性体5a、5b、5cと5dを用いても良い。
第1結合面3aと第2結合面3bが通常動作時には結合用の電磁石5a、5b、5cと5d(または磁性体5a、5b、5cと5d)、およびそれぞれ対応する結合用の電磁石5e、5f、5gと5hから作用する電磁力である結合力f1により結合された状態で動作する。加工ヘッドの先端部11aに衝突力Fが作用すると、2つの結合面3が分離する。ここで、第2結合面3bの垂直方向3cに作用する衝突力の分力f2が結合力f1より小さい。
また、実施の形態3の緩衝機構2を用いた場合、装置の電源停止あるいは停電状態において、2つの結合面3が分離してしまわないよう、実施の形態1と組み合わせて使用してもよい。この場合、結合部材4は、永久磁石および電磁石を含み、永久磁石から作用する磁力および電磁石から作用する電極力の合計力である結合力f1により2つの結合面3を結合させる。永久磁石は停電状態においても2つの結合面3の結合が保持される最小結合力である磁力を持つ。
さらに、衝突検知センサ16dにレーザ加工機の制御部へ衝突を通知する機能を持たせることもできる。衝突検知センサ16dは、先端部11aが衝突したことを検知すると、制御部へ通知し、制御部は電磁石に供給する電流を止めて2つの結合面3を分離させるとともに加工ヘッドの動作およびレーザ照射を停止させることができる。
さらに、衝突検知センサと併用することで、衝突を検知することにより、加工ヘッドの動作およびレーザ照射を停止させ、3次元レーザ加工機の損傷リスクを更に低減できる。
図12は実施の形態4に係る3次元レーザ加工機における一点指向型加工ヘッドのアーム部の第1アーム部120に設置された緩衝機構2の結合部材4に真空吸着部を用いる構成例の説明図である。図12(a)は緩衝機構2の構造を示す説明図である。図12(b)は図12(a)に示すA-A線における断面を示す図である。
実施の形態4では、本開示の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
第1結合面3aと対向する第2結合面3bは、それぞれ第2光軸12を取り囲むリング状に構成されている。結合部材4は真空吸着部を有する。具体的に、第2結合面3bを有する第2結合部32に真空吸着部7a、7b、7cと7dが設けられる。真空吸着部7a、7b、7cと7dは、真空ポンプ等の手段(図示せず)により減圧状態にして2つの結合面3を吸着して結合させる。第1結合面3aと第2結合面3bが通常動作時に真空吸着部7a、7b、7cと7dにより結合力f1で吸着された状態で動作する。加工ヘッドの先端部11aに衝突力Fが作用すると、2つの結合面3が分離する。ここで、第2結合面3bの垂直方向3cに作用する衝突力の分力f2が結合力f1より小さい。
また、実施の形態4の緩衝機構2を用いた場合、装置の電源停止あるいは停電状態において、2つの結合面3が分離してしまわないよう、実施の形態1と組み合わせて使用してもよい。この場合、結合部材4は、永久磁石および真空吸着部を有し、永久磁石から作用する磁力および真空吸着部から作用する真空吸着力の合計力である結合力f1により2つの結合面3を結合させる。永久磁石は停電状態においても2つの結合面3の結合が保持される最小結合力である磁力を持つ。
さらに、衝突検知センサ16eにレーザ加工機の制御部へ衝突を通知する機能を持たせることもできる。衝突検知センサ16eは、先端部11aが衝突したことを検知すると、制御部へ通知し、制御部は真空吸着部に供給する電流を止めて2つの結合面3を分離させるとともに加工ヘッドの動作およびレーザ照射を停止させることができる。
さらに、衝突検知センサと併用することで、衝突を検知することにより、加工ヘッドの動作およびレーザ照射を停止させ、3次元レーザ加工機の損傷リスクを更に低減できる。
図13は実施の形態5に係る3次元レーザ加工機における一点指向型の加工ヘッド101のアーム部10に設置された塑性変形部材を用いる緩衝機構2およびこの緩衝機構2の動作を示す説明図である。図13(a)は通常動作時の緩衝機構2を示す。図13(b)は衝突された直後の緩衝機構2の分離状態を示す図である。
実施の形態5では、本開示の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
結合部材4は、両端が第1結合部31および第2結合部32にそれぞれ固定され、低降伏点の軽合金等の屈曲した線材からなる塑性変形部材である。図13に示すように、塑性変形部材8a、8b、8cと8dが第1結合部31および第2結合部32の外周に配置されている。第1結合面3aと第2結合面3bが通常動作時には塑性変形部材8a、8b、8cと8dによる降伏応力である結合力f1により結合された状態で動作する。加工ヘッドの先端部11aに衝突力Fが作用すると、2つの結合面3が分離する。ここで、第2結合面3bの垂直方向3cに作用する衝突力の分力f2が結合力f1より小さい。
また、図13に示すように、緩衝機構2に衝突検知センサ16bが設置されている。実施の形態5において、加工ヘッドに実施の形態2のような衝突検知センサ16aと分離検知センサ16cを設置しても良い。
実施の形態5に係る加工ヘッドおよびこの加工ヘッドを用いる3次元レーザ加工機によれば、実施の形態1と同じ、緩衝機構の簡単な構成により衝突された際の加工ヘッドの損傷を低減できる。
さらに、衝突検知センサと併用することで、衝突を検知することにより、加工ヘッドの動作およびレーザ照射を停止させ、3次元レーザ加工機の損傷リスクを更に低減できる。
図14は実施の形態6に係る3次元レーザ加工機における一点指向型の加工ヘッドのアーム部10に設置されたコイルばねである弾性変形部材を用いる緩衝機構2およびこの緩衝機構2の動作を示す説明図である。図14(a)は通常動作時の緩衝機構2を示す。図14(b)は衝突された直後の緩衝機構2の分離状態を示す図である。
実施の形態6では、本開示の実施の形態1と相違する部分について説明し、同一または対応する部分についての説明は省略する。
結合部材4に用いられるコイルばね9は、両端が第1結合部31および第2結合部32の外周にそれぞれ固定され、第1結合部31および第2結合部32を押圧する弾性力を有する。第1結合面3aと第2結合面3bが通常動作時にはコイルばね9による弾性力である結合力f1により結合された状態で動作する。加工ヘッドの先端部11aに衝突力Fが作用すると、コイルばね9が伸びて開放し、2つの結合面3が分離する。ここで、第2結合面3bの垂直方向3cに作用する衝突力の分力f2が結合力f1より小さい。
図15では、実施の形態6の変形例である弾性変形部材20を用いる緩衝機構2およびこの緩衝機構2の動作を示す説明図である。図15(a)は通常動作時の緩衝機構2を示す。図15(b)は衝突された直後の緩衝機構2の分離状態を示す図である。
また、図14と図15に示すように、緩衝機構2に衝突検知センサ16bが設置されている。実施の形態6において、加工ヘッドに実施の形態2のような衝突検知センサ16aと分離検知センサ16cを設置しても良い。
さらに、衝突検知センサと併用することで、衝突を検知することにより、加工ヘッドの動作およびレーザ照射を停止させ、3次元レーザ加工機の損傷リスクを更に低減できる。
図16は実施の形態7に係る3次元レーザ加工機における一点指向型加工ヘッドのアーム部10に設置されたワイヤーストッパ21を有する緩衝機構2を示す図である。
実施の形態7は実施の形態1から実施の形態6に係る3次元レーザ加工機の加工ヘッドに対して、さらに分離部6aが分離した際に落下してワークなどと再度衝突するリスクを低減するためのワイヤーストッパ21が設けられる構成である。
なお、図16に、緩衝機構2に1本のワイヤーストッパ21が設置されることを示すが、ワイヤーストッパ21の個数および形状はこの限りではない。
さらに、緩衝機構にワイヤーストッパが設けられることにより、衝突して分離部が離脱する際に、分離部が完全に落下せず、加工ヘッドおよびワークの損傷リスクを低減できる。また、再びレーザ加工を行う際に、2つの結合面を結合させる復旧作業も容易に行うことができる。
図17は実施の形態8に係る3次元レーザ加工機における一点指向型加工ヘッドのアーム部に設置された保護カバー22を有する緩衝機構2を示す図である。
実施の形態8は実施の形態1から実施の形態6に係る3次元レーザ加工機の加工ヘッドに対して、さらに緩衝機構2に保護カバー22が設けられる構成である。
図17に示すように、保護カバー22は円筒状の伸縮性を有する素材であり、例えばジャバラ構造をもつカバーである。保護カバー22は、2つの結合面3を露出させないように緩衝機構2の外周から覆うように設置され、2つの結合面3が分離する際に、加工屑とほこりなどの異物が加工ヘッドの光路内に侵入することを防ぐことができる。
また、保護カバー22は、実施の形態7に係る加工ヘッドに設けられるワイヤーストッパ21の機能を組み入れてもよい。この場合、保護カバー22は固定部6bと分離部6aにそれぞれ両端を固定するように設置され、2つの結合面3が分離する際には、伸びて2つの結合面3を覆う構造となり、分離部6aの完全落下も防ぐことができる。
実施の形態9では、緩衝機構2の結合部材4に、図17に示すような保護カバーと同じような円筒状の伸縮性をもつ結合カバー23を用いる。実施の形態1から実施の形態6と同様に、通常動作時に2つの結合面3は結合カバー23を用いる結合部材4による伸縮応力である結合力f1で結合された状態で動作する。加工ヘッドの先端部11aに衝突力Fが作用すると、2つの結合面3が分離し、分離部6aが固定部6bから離れて衝突物から退避する構成となる。ここで、第2結合面3bの垂直方向3cに作用する衝突力の分力f2が結合力f1より小さい。
また、結合部材4に用いられた結合カバー23は、第1結合面3aと第2結合面3bとが分離した状態に伸びて第1結合面3aと第2結合面3bとを覆う構造を有する保護カバーにすることができる。この場合、光路への異物侵入および分離部の落下防止機能も有する。すなわち、結合カバーの機能と保護カバーの機能を単一のカバーにて実現することができる。
図18に実施の形態10に係る3次元レーザ加工機における一点指向型加工ヘッドのアーム部に設置されたワイヤーストッパ21bと保護カバー22が設けられた緩衝機構2の説明図を示す。図18(a)は緩衝機構2の第2結合面3bに沿った断面図であり、図(b)に示すA-A線における断面を示す図である。図18(b)は図18(a)に示すB-B線における断面を示す図である。
実施の形態10は実施の形態1から実施の形態6に係る3次元レーザ加工機の加工ヘッドに対して、さらに緩衝機構2に保護カバー22およびワイヤーストッパ21bが設けられる構成である。
実施の形態10の緩衝機構2において、第1結合面3aおよび第2結合面3bは、それぞれ第2光軸12を取り囲むリング状に構成されている。結合部材4は永久磁石を用いる。具体的に、第1結合部31に結合用の永久磁石4i(図示せず)、と4j(図示せず)、4kが設けられ、それぞれに対応して第2結合部32に結合用の永久磁石または磁性体である4l、4m、4nが設けられる。永久磁石から作用する磁力である結合力f1により2つの結合面3を結合させる。第1結合面3aと第2結合面3bは、通常動作時に結合用の永久磁石4i、4j、と4k、およびそれぞれ対応する永久磁石または磁性体である4l、4mと4nから作用する磁力である結合力f1により結合された状態で動作する。加工ヘッドの先端部11aに衝突力Fが作用すると、2つの結合面3が分離する。ここで、第2結合面3bの垂直方向3cに作用する衝突力の分力f2が結合力f1より小さい。
衝突検知センサ16bは緩衝機構2の第2結合面3bに設置されている。衝突検知センサは、複数個設置されても良い。衝突検知センサ16bは異常を検出すると、図8に示すように、制御部205へ通知し、制御部205は加工ヘッド201の動作を停止させると共に、レーザ光1を遮断する。さらに、衝突検知センサ16bは分離検知センサの機能を持たせることができる。これにより、衝突検知センサ16bは2つの結合面3の分離状態を検知して制御部205へ通知し、制御部205は緩衝機構2の復帰までレーザ照射を停止させるようにする。
図18に示すように、緩衝機構2の外側は実施の形態8にて示す保護カバー22が設けられている。保護カバー22は円筒状の伸縮性を有する素材であり、例えばジャバラ構造をもつカバーである。保護カバー22は第1結合面3aと第2結合面3bとを露出させないよう緩衝機構2の外周から覆うように設置されている。第1結合面3aと第2結合面3bとが分離した状態においては伸びて緩衝機構2を覆い、加工屑とほこりなどの異物が加工ヘッドの光路内に侵入することを防ぐ。
ホルダ21eは固定部6bと分離部6aにそれぞれ固定されており、ワイヤ部21dはホルダ21eに保持されている。ワイヤ係止部21cは、例えばホルダ21eの穴径より直径が大きい球状の部材である。ワイヤ部21dは、第1結合面3aと第2結合面3bとが結合している間は所定の分量だけ緩ませている。分離部6aが固定部6bから分離する際には,ワイヤーストッパ21bのワイヤ部21dが延びるが、ワイヤ係止部21cがホルダ21eの穴に引っ掛かり,分離部6aが完全に落下することを防ぐ。
図18(a)に示すように、実施の形態10において、緩衝機構2の外周に沿ってワイヤーストッパ21bは複数個設置されている。異なる方向からの衝突に対応でき、分離部6aが落下することを防ぐことができる。
さらに、緩衝機構に保護カバーおよびワイヤーストッパが設けられることにより、2つの結合面3が分離しても、加工ヘッド光路内への異物侵入を防ぎ、分離部の完全落下を防ぐことができる。加工ヘッド及びワークの損傷リスクを更に低減できる。
Claims (20)
- レーザ光を出射する先端部の指向を回転自在に支持する多軸構造をもつ加工ヘッドにおいて、
前記レーザ光を出射する方向と所定の角度をなすアーム部に緩衝機構を備え、
前記緩衝機構は、前記先端部寄りに設けられた第1結合面を有する第1結合部と、
前記第1結合面と対向する第2結合面とを有する第2結合部と、
前記第1結合面および前記第2結合面を結合する結合部材とを有し、
前記先端部が衝突された場合、前記第1結合面と前記第2結合面とが分離することにより、前記先端部から前記第1結合面までの分離部が前記第2結合面側のアーム部である固定部から分離することを特徴とする加工ヘッド。 - 前記加工ヘッドにおいて、
前記アーム部は、前記先端部を有する先端ノズルと連接し、前記レーザ光を出射する方向と所定の角度をなす第1アーム部、第2アーム部および第3アーム部を備え、
前記緩衝機構は、前記アーム部内であって、前記先端ノズルに最も近い前記第1アーム部に設置されることを特徴とする請求項1に記載の加工ヘッド。 - 前記加工ヘッドにおいて、
前記先端部を有する先端ノズルに第1光軸を有し、
前記アーム部は、前記先端ノズルと連接し、第2光軸,第3光軸,第4光軸をそれぞれ有する第1アーム部、第2アーム部および第3アーム部を備え、
前記緩衝機構は、前記アーム部内であって、前記第1光軸に最も近い光軸である前記第2光軸を有する前記第1アーム部に設置されることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の加工ヘッド。 - 前記第1結合面と前記第2結合面とは、前記結合部材から作用する結合力f1により結合され、
前記第2結合面の垂直方向に作用する衝突された衝突力の分力f2が前記結合力f1より小さいことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の加工ヘッド。 - 前記結合部材は、永久磁石を含み、前記永久磁石から作用する磁力である前記結合力f1により前記第1結合面と前記第2結合面とを結合させることを特徴とする請求項4に記載の加工ヘッド。
- 前記結合部材は、永久磁石と磁性体を含み、前記永久磁石と前記磁性体間に作用する磁力である前記結合力f1により前記第1結合面と前記第2結合面とを結合させることを特徴とする請求項4に記載の加工ヘッド。
- 前記結合部材は、電磁石を含み、前記電磁石から作用する電磁力である前記結合力f1により前記第1結合面と前記第2結合面とを結合させることを特徴とする請求項4に記載の加工ヘッド。
- 前記結合部材は、永久磁石および電磁石を含み、前記永久磁石から作用する磁力および前記電磁石から作用する電極力の合計力である前記結合力f1により前記第1結合面と前記第2結合面とを結合させるものであり、前記永久磁石は停電状態においても前記第1結合面と前記第2結合面との結合が保持される最小結合力である磁力を持つことを特徴とする請求項4に記載の加工ヘッド。
- 前記結合部材は、真空吸着部を有し、前記真空吸着部から作用する真空吸着力である前記結合力f1により前記第1結合面と前記第2結合面とを結合させることを特徴とする請求項4に記載の加工ヘッド。
- 前記結合部材は、塑性変形部材を含み、前記塑性変形部材から作用する降伏応力である結合力f1により前記第1結合面と前記第2結合面とを結合させることを特徴とする請求項4に記載の加工ヘッド。
- 前記結合部材は、弾性変形部材を含み、前記弾性変形部材から作用する弾性力である前記結合力f1により前記第1結合面と前記第2結合面とを結合させることを特徴とする請求項4に記載の加工ヘッド。
- 前記緩衝機構は、前記第1結合面と前記第2結合面とを覆うように両端がそれぞれ前記分離部と前記固定部とに固定され、伸縮性を有する結合カバーを含み、
前記結合カバーは、伸縮応力である前記結合力f1により前記第1結合面と前記第2結合面とを結合させることを特徴とする請求項4に記載の加工ヘッド。 - 前記結合カバーは、前記第1結合面と前記第2結合面とが分離した状態に伸びて前記第1結合面と前記第2結合面とを覆う構造を有する保護カバーでもあることを特徴とする請求項12に記載の加工ヘッド。
- 前記緩衝機構は、前記第1結合面と前記第2結合面とを覆うように設置された保護カバーを更に備え、
前記保護カバーは前記第1結合面と前記第2結合面とが分離した状態に前記第1結合面と前記第2結合面とを外周から覆う構造を有するものであることを特徴とする請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の加工ヘッド。 - 前記緩衝機構は、両端がそれぞれ前記固定部と前記分離部とに保持され、前記第1結合面と前記第2結合面とが分離した際にも前記分離部と固定部とをつなぐワイヤーストッパを更に備える請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の加工ヘッド。
- 前記ワイヤーストッパは、
ワイヤ部と
前記ワイヤ部の両端に取り付けられたワイヤ係止部と、
前記固定部と前記分離部にそれぞれ固定され、前記ワイヤ部のワイヤ径より大きく前記ワイヤ係止部の外径より小さい穴の開いたホルダとを有し、
前記ワイヤ部は、前記ホルダに保持されていることを特徴とする請求項15に記載の加工ヘッド。 - レーザ光を加工物に照射する請求項1から請求項16のいずれか1項に記載の加工ヘッドと、
前記加工ヘッドに対して出射する前記レーザ光を発振するレーザ発振器と、
前記加工ヘッドを駆動する駆動部と、
前記レーザ光のエネルギーを制御するとともに、前記加工ヘッドおよび前記駆動部を制御する制御部と、
を備える3次元レーザ加工機。 - 前記加工ヘッドに衝突検知センサが設けられ、
前記衝突検知センサが衝突したことを検知した場合、前記制御部は前記レーザ光の出射および前記加工ヘッドの駆動を停止させることを特徴とする請求項17に記載の3次元レーザ加工機。 - 前記加工ヘッドに分離検知センサが設けられ、
前記分離検知センサが前記第1結合面と前記第2結合面とが分離することを検知した場合、前記制御部は前記レーザ光の出射および前記加工ヘッドの駆動を停止させることを特徴とする請求項17または請求項18に記載の3次元レーザ加工機。 - 前記分離検知センサとは、衝突したこと検知する衝突検知センサと同じセンサを使用することを特徴とする請求項19に記載の3次元レーザ加工機。
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