JPH0159077B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はレーザにより多角柱状の物体を加工す
るためのレーザ加工装置に関する。

（従来の技術） 従来のレーザ加工装置では、特にレーザ切断や
レーザ溶接の場合、一面毎に位置設定をした上
で、多角柱状被加工物の加工面上に常にレーザ光
の焦点があるように、被加工物またはミラーと集
光レンズからなる光学系のどちらかを被加工面に
平行に動かしていた。このような一例として原子
炉機器に使用される燃料集合体部分である中空の
正六角柱材を被加工物とし、切断する場合につい
て第１図を参照して説明する。１はレーザ発振
器、２はミラー、３は集光レンズであり、この集
光レンズ３は光学系移動部材４に取付けられた駆
動装置により上下方向に移動できる。更に、５は
光学系移動部材４を左右の方向に移動する駆動装
置である。そしてレーザ光６は紙面に直角方向に
移動できるテーブル７の上にクランプ装置８で固
定された正六角柱状の被加工物９の加工面上に照
射されて走査される。

（発明が解決しようとする課題） しかしながらこの方式によれば、一面毎に被加
工物９の加工面位置を設定しなければならないと
いう欠点がある。これは焦点１０の位置が単に加
工面上にあるように設定するだけでなく、テーブ
ル７の表面と平行にならない寄数角形、例えば三
角形、五角形などの加工面も含めて被加工物９の
加工面とレーザ光の走査面が平行になるように被
加工物９を設置する難しさがある。また切断の開
始点を位置決めすると同時に切断方向とレーザの
走査方向が一致するように設定する必要がある。
このような加工面の位置設定を被加工物９の角の
数だけ繰り返すため、段取時間が際立つて多くな
る上に、設定位置のバラツキが生じ易くなり、こ
れが加工精度にバラツキを発生させる。

そこで本発明は上記した従来技術の欠点をなく
し、レーザ加工を容易にするとともに効率と操作
性の良いレーザ加工装置を提供することを目的と
する。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するためにレーザ発振
器と、このレーザ発振器から送出されるレーザ光
を被加工物上に集光する光学系と、この光学系を
被加工物の軸に対して垂直方向に移動させる移動
装置と、前記被加工物をその軸まわりに回転可能
に支持する回転台と、この回転台に支持された前
記被加工物を回転させる駆動装置と、前記被加工
物の回転角度を検出する回転角検知手段と、前記
軸に平行な線上に配設された位置センサと、この
位置センサの情報から加工開始点を設定して前記
回転角検知手段の情報と合せて前記移動装置に指
令してレーザ光の焦点と前記被加工物の相対的位
置関係を制御するとともに焦点位置が加工面上を
回転角度に応じた所定の速度で運動するように前
記駆動装置に指令してその角速度を制御する演算
制御装置とを有するレーザ加工装置を提供する。

また出力調整手段を備えたレーザ発振器と、こ
のレーザ発振器から送出されるレーザ光を被加工
物上に集光する光学系と、この光学系を被加工物
の軸に対して垂直方向に移動させる移動装置と、
前記被加工物をその軸まわりに回転可能に支持す
る回転台と、この回転台に支持された前記被加工
物を回転させる駆動装置と、前記被加工物の回転
角度を検出する回転角検知手段と、前記軸に平行
な線上に配設された位置センサと、この位置セン
サの情報から加工開始点を設定して前記回転角検
知手段の情報と合せて前記移動装置に指令してレ
ーザ光の焦点と前記被加工物の相対的位置関係を
制御するとともに焦点位置が加工面上を回転角度
に応じた所定の速度で運動するように前記駆動装
置に指令してその角速度を制御すると同時に回転
角検知手段の情報から前記被加工物の半径方向板
厚の変化を割出してこの半径方向板厚に比例した
レーザ出力を得るように前記出力調整手段に指令
してレーザ出力を制御する演算制御装置とを有す
るレーザ加工装置を提供する。

（作用） このように構成されたものにおいては、位置セ
ンサによつて被加工物の加工開始点を検出し、演
算制御装置に伝え、回転位置検知手段によつて前
記開始点を基準にした被加工物の回転角度を検出
し、この回転角度に対応した焦点位置を演算制御
装置から移動装置に指令するとともに回転角度に
対応する速度になるように駆動装置に指令するこ
とにより、回転台に支持された被加工物を駆動装
置によつて回転しながらレーザ発振器から光学系
を介して送出されたレーザ光により精度よく加工
することができる。

また演算制御装置からの指令をうけた出力調整
手段によつて板厚に比例したレーザ出力にするこ
とができ、板厚の変化にかかわりなく回転角度に
応じた所定の速度で精度よく加工することができ
る。

（実施例） 以下本発明によるレーザ加工装置の一実施例に
ついて第２図及び第３図を参照して説明する。第
２図及び第３図において、６はレーザ発振器１か
ら発振されたレーザ光であり、この焦点１０の位
置と正六角柱状の被加工物９を回転させる回転軸
１１と１１′とが作る平面と被加工物９の加工面
とが交わる線上の適当な場所に位置センサ１２を
配設して回転軸の軸心０から加工面までの半径方
向の距離を検出し、これを演算制御装置１３に伝
える。この位置センサ１２が加工開始点などの位
置検出をする。同時に被加工物９の回転角を検知
する手段として回転角センサ１４を回転部分に配
設して回転角度を演算制御装置１３に伝える。そ
してこの演算制御装置１３から光学系移動部材４
の集光レンズ３を移動させる駆動装置へ制御信号
が送られると同時に、被加工物９を支持している
駆動側の回転台１５に直結されている駆動装置１
６へも回転軸の角度速ωを制御する信号が送られ
るようになつている。更に、被加工物９は軸方向
に移動できない回転台１５と軸方向に移動できる
回転台１５′の間にはさまれて角柱の稜が回転軸
１１，１１′と平行になるように支持されている。
１７，１７′は回転台１５，１５′を支える軸受で
ある。

つぎにこのように構成された本装置の作用につ
いて述べる。まず加工開始点を位置識別の容易な
場所にとる。このような場所としては、被加工物
９の一例として第３図に示す正六角柱の場合につ
いて説明すれば、角柱の稜Ａまたは２つの稜には
さまれた中点Ｃ等が考えられる。以下、識別が最
も容易な稜Ａを開始点にとつて説明する。この開
始点Ａは軸心０から加工面までの距離r_A＝ｒ（０）
であり、位置センサ１２により距離最大の位置と
して検出される。この稜の位置はこれに外接する
半径Ｒの円１８の上にある。例えば出力が約
1kWのレーザで被加工物９の板厚が３mm前後以
下の薄い場合には、回転角θによる半径方向の板
厚変化は極小さいので板厚変化を考慮せず焦点１
０の被加工物９の移動速度ｖを一定にしたレーザ
加工をすればよい。そこで移動速度ｖを一定にす
るためにω（θ）＝ｖ／ｒ（θ）になるように角速
度ωを制御する。すなわち稜からπ／６〔rad〕回 つたＣ点では軸心０から加工面までの距離はr_C＝
ｒ（π／６）＝Rcosπ／６と最小であるが、Ａ点の所要 角速度ω_A＝ｖ／r_A＝ｖ／Ｒに対してＣ点ではω_C＝ω （π／６）＝ｖ／（Rcosπ／６）とsecπ／６倍だけ速
くな る。稜のＡ点から任意の角θだけ回転した加工面
上のＢ点では、軸心０からＢ点までの距離はr_B＝
ｒ（θ）＝Rcosπ／６／cos（π／６−θ）であるから
、 外接円１８からＢ点までの距離はd_B＝Ｒ−ｒ（θ）
となるし、Ｂ点の所要角速度はω（θ）＝ｖ／ｒ
（θ）となる。

従つて、加工開始点Ａからの回転角θが分れ
ば、正多角形の周期性から焦点１０の設定位置と
被加工物９の設定角速度を決めることができる。
そこで、稜のＡ点を位置センサ１２によつて検出
し加工開始点として設定した後、回転台１５，１
５′を右回りに所定の角速度ωで回転させ、同時
に回転角θを回転角センサ１４によつて検出し、
回転角θに応じた焦点１０を位置制御するととも
に加工面の焦点位置の移動速度を一定にするよう
に回転角θに応じた回転角速度制御を演算制御装
置１３に予め準備したプログラムで実施させる。
したがつてただ一度の段取作業だけで加工精度の
高い切断作業が連続的に能率よくできる。また、
位置センサ１２は絶えず加工面上にあるから、演
算制御装置１３で設定された焦点１０の位置を補
正する働きをしている。すなわち加工時の熱膨脹
などによる変化分に対する補正が可能である。勿
論、被加工物９は不等辺多角柱、円以外の曲線の
断面形状をもつ中空または中実の柱状物であつて
も、予め加工開始点とそれ以後の回転角θと焦点
１０の位置関係及びその位置の移動速度の関係が
設定できるものであれば、一回転内の周期性が失
われるだけで全く同様に一定厚さの熱処理や表面
改質も含めてレーザ加工ができる。なお第２図の
加工予定位置１９における断面図が第３図に該当
する。

また回転角センサ１４による加工開始点Ａを基
準とした回転角θと位置センサ１２による軸心０
までの距離により軸１１，１１′と垂直な加工予
定位置１９を含む平面上の位置センサ１２の計測
方向と平行な線上の任意の点を規定できる。よつ
て加工予定位置１９の被加工物の断面形状と位置
センサ１２によつて測定する位置の被加工物の断
面形状が同一の物に限定されず、位置センサ１２
の位置で計測した軸心０までの距離で、この位置
を通り軸１１，１１′に平行な線上にあつて、加
工予定位置１９と交わる位置が加工面上に規定で
きる本装置では、同様に作用させることができ
る。

次に本発明によるレーザ加工装置の他の実施例
として、前記より厚肉の被加工物の場合について
説明する。即ち例えば出力が約1kWのレーザで
板厚が４mm前後以上の厚い場合には、第３図に示
す半径方向板厚の変化を考慮して厚さに反比例し
て移動速度を変化させる。構成は前記実施例と同
様に第２図に示す通りである。第３図にて素材の
持つ板厚をｔとすれば、半径方向板厚がＡ点では
t_A＝ｔ sec（π／６）、Ｂ点ではt_B＝ｔ sec（π／６
− θ）、Ｃ点ではt_C＝ｔであるから、Ｃ点の周速v_C
＝ω_CRcosπ／６を基準にとつてＡ点とＢ点の周速を 定めれば、v_A＝v_Ccosπ／６、v_B＝ｖ（θ）＝v_Ccos （π／６−θ）となる。従つて、夫々の点における所 要角速度は、Ａ点にてω_A＝（v_Ccosπ／６）／Ｒ＝ω_C （cosπ／６）²、Ｃ点にてω_C＝v_C／（Rcosπ／６）、
Ｂ点 にてω_B＝ω（θ）＝v_Ccos（π／６−θ）／ｒ（θ）＝
ω_C cos²（π／６−θ）となる。これらは被加工物９の諸 元が予め分つていれば、演算制御装置１３に設定
して加工できる。

すなわち、稜のＡ点を位置センサ１２によつて
検出し、加工開始点Ａとして設定した後、回転部
分に配設された回転センサ１４により加工開始点
Ａを基準とした回転角θを検出し、回転角θに応
じた焦点１０の位置制御と、被加工物９上の焦点
１０の位置の移動速度ｖ（θ）が半径方向板厚に
反比例するような回転角速度制御とを、演算制御
装置１３に予め準備したプログラムで回転台駆動
装置１６と光学系移動部材４内の駆動装置へ指令
して実施する。ただ一度の段取作業で加工精度の
高い切断作業が連続的にできる。

同様に、任意の多角形とか、楕円などの曲線の
断面形状をもつ中空または中実の柱状物の加工表
面における法線方向の加工深さを一定にするよう
に、焦点１０の位置制御と加工面の焦点位置の周
速を制御することができる。

次に回転角検知手段としてクロツクパルス発生
器とパルスカウンタとを用いた他の実施例につい
て第４図を参照して説明する。被加工物９の角数
が多いとか断面曲線の曲率が相互に接近していて
Ａ点とＣ点の間の周速変化が少ない場合とか、板
の肉厚が極めて薄く周速変化が加工精度や出来栄
えに影響しない場合などには、一定角速度ω_Kで
被加工物９を回転させることができる。このよう
な場合、第２図に示す回転角センサ１４の代りに
回転角検知手段として単位時間に一定数のパルス
を発生するクロツクパルス発生器２０と、このパ
ルスを数えるパルスカウンタ２１を演算制御装置
１３の中に組込んで、加工開始点からの回転角を
τ＝θ／ω_Kという関係により時間としてとらえ、
焦点１０の位置制御だけを行なうレーザ加工装置
による。この時には装置が簡単化されて経済的で
あるが、加工精度も良好である。

さらに前記回転台の駆動装置１６の電動機とし
てパルスモータを用いるとクロツクパルス発生器
２０で等時間間隔で発生されるパルスを回転台駆
動装置１６で受けとり、この信号をドライバーユ
ニツトでモータ入力に変えて装置１６内のパルス
モータを駆動させれば一定角速度ω_Kで回転させ
られる。同時にこのパルスを加工開始点Ａからパ
ルスカウンタ２１でカウントすれば、開始点Ａか
らの回転角θを時間τ＝θ／ω_Kという関係とし
てとらえられる。更に被加工物９は断面が完全な
円ではないので時間と共に変化し、加工開始点以
後の変化の状況を位置センサ１２からの信号でと
らえ、センサ１２から割出した回転角θ_Sにより、
パルス数から割出した前記回転角θをチエツク
し、パルス発生の中間時点でも光学系移動部材４
の集光レンズ３を移動させる駆動装置へ必要な操
作量を表わす信号を装置１３から送り出せる。

次に第２の発明によるレーザ加工装置の一実施
例について第２図を参照して説明する。本実施例
は板厚が４mm前後以上の厚い場合に適用され、半
径方向板厚の変化に対して、板厚に比例したレー
ザ出力を発生させる加工装置である。

第１の本発明における第２図の構成において、
レーザ発振器１の中に破線部分２２で示したレー
ザ出力調節手段を追加配設し、演算制御装置１３
と接続する。なお、出力調節手段２２としては
CO₂ガスレーザなどの場合、電流や印加電圧を変
えて放電電力を変えることが考えられる。ここで
は、一例として演算制御装置１３からの制御信号
により直流電源の整流素子の導通開始位相が位相
制御されて出力電圧が制御されるドライバからな
るレーザ出力調節手段２２の場合を述べる。

加工面上で等速運動をするように所定の角速度
ωで正六角柱状の被加工物９を回転させる。しか
し、半径方向の板厚は第３図のＣ点で本来の厚さ
ｔとなるが、これから遠ざかるにつれて厚さが増
し、Ａ点で最大の厚さt_A＝ｔ secπ／６となる。そ こで第２図に示す回転角センサ１４で測定した回
転角θに応じて演算制御装置１３にて被加工物９
の半径方向板厚を割出して制御信号としてレーザ
出力調節手段２２のドライバに伝えられ、ドライ
バの電圧が調節されて半径方向板厚に比例したレ
ーザ出力が得られる。同時に加工面上の焦点位置
の移動速度が一定になる角速度制御を駆動装置１
６に対して行い、位置センサ１２の半径方向距離
ｒ（θ）と前記回転角θの計測値を合わせて焦点
１０の位置制御を行う。

従つて加工精度と作業能率の高い切断作業がで
きる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明では、加工面に対
してレーザ光の焦点位置を移動させる手段と、被
加工物を支持して回転させる手段と、前記焦点位
置と回転角を検出して焦点位置と被加工物を回転
させる角速度とを制御する手段とを備えたレーザ
加工装置を提供できるので、一度段取りをしたら
多角柱だけでなく、円形でない曲線の断面形状を
もつ柱状物でもそれらの全周を連続的に加工でき
るため、作業能率が格段に向上する。しかも、加
工対象に応じて夫々有効な手段を選択することが
できるので加工精度を高く維持できる。更に、こ
れらの装置にかかる費用もレーザ本体に対してそ
の割合が小さいので経済的効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のレーザ加工装置を示す構成図、
第２図は本発明によるレーザ加工装置の一実施例
を示す概略構成図、第２図に破線部分を追加した
ものは第２の発明の一実施例を示す構成図、第３
図は本発明の対象とする被加工物の説明図、第４
図は本発明の他の実施例を示す構成図である。 １……レーザ発振器、２……ミラー、３……集
光レンズ、４……光学系移動部材、５……駆動装
置、６……レーザ光、７……テーブル、８……ク
ランプ装置、９……被加工物、１０……レーザ光
焦点、１１，１１′……回転軸、１２……位置セ
ンサ、１３……演算制御装置、１４……回転角セ
ンサ、１５，１５′……回転台、１６……回転台
駆動装置、１７，１７′……軸受、１８……多角
柱の外接円、１９……加工予定位置、２０……ク
ロツクパルス発生器、２１……パルスカウンタ、
２２……レーザ出力調節手段、Ａ，Ｂ，Ｃ……加
工面上の点、θ……回転角、ω，ω_K，ω_A，ω_B，
ω_C……角速度、ｖ，v_A，v_B，v_C……焦点位置加
工面の周速、τ……時間、ｔ，t_A，t_B，t_C……肉
厚、ｒ，r_A，r_B，r_C……軸心からの距離、d_A，d_B，
d_C……外接円からの距離。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザ発振器と、このレーザ発振器から送出
   されるレーザ光を被加工物上に集光する光学系
   と、この光学系を被加工物の軸に対して垂直方向
   に移動させる移動装置と、前記被加工物をその軸
   まわりに回転可能に支持する回転台と、この回転
   台に支持された前記被加工物を回転させる駆動装
   置と、前記被加工物の回転角度を検出する回転角
   検知手段と、前記軸に平行な線上に配設された位
   置センサと、この位置センサの情報から加工開始
   点を設定して前記回転角検知手段の情報と合せて
   前記移動装置に指令してレーザ光の焦点と前記被
   加工物の相対的位置関係を制御するとともに焦点
   位置が加工面上を回転角度に応じた所定の速度で
   運動するように前記駆動装置に指令してその角速
   度を制御する演算制御装置とを有することを特徴
   とするレーザ加工装置。 ２ 前記演算制御装置の回転角度に応じた所定の
   速度は前記回転検知手段の情報から割出される前
   記被加工物の半径方向板厚に反比例する速度であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   レーザ加工装置。 ３ 前記回転角検知手段は前記軸に接続された回
   転角センサであることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項又は第２項記載のレーザ加工装置。 ４ 前記回転角検知手段はパルスの数から時間を
   割出して回転角を検知するクロツクパルス発生器
   とパルスカウンタであることを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載のレーザ加工装置。 ５ 出力調整手段を備えたレーザ発振器と、この
   レーザ発振器から送出されるレーザ光を被加工物
   上に集光する光学系と、この光学系を被加工物の
   軸に対して垂直方向に移動させる移動装置と、前
   記被加工物をその軸まわりに回転可能に支持する
   回転台と、この回転台に支持された前記被加工物
   を回転させる駆動装置と、前記被加工物の回転角
   度を検出する回転角検知手段と、前記軸に平行な
   線上に配設された位置センサと、この位置センサ
   の情報から加工開始点を設定して前記回転角検知
   手段の情報と合せて前記移動装置に指令してレー
   ザ光の焦点と前記被加工物の相対的位置関係を制
   御するとともに焦点位置が加工面上を回転角度に
   応じた所定の速度で運動するように前記駆動装置
   に指令してその角速度を制御すると同時に回転角
   検知手段の情報から前記被加工物の半径方向板厚
   の変化を割出してこの半径方向板厚に比例したレ
   ーザ出力を得るように前記出力調整手段に指令し
   てレーザ出力を制御する演算制御装置とを有する
   ことを特徴とするレーザ加工装置。 ６ 前記回転角検知手段は前記軸に接続された回
   転角センサであることを特徴とする特許請求の範
   囲第５項記載のレーザ加工装置。 ７ 前記回転角検知手段はパルスの数から時間を
   割出して回転角を検知するクロツクパルス発生器
   とパルスカウンタであることを特徴とする特許請
   求の範囲第５項記載のレーザ加工装置。