JPH04351285A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ発振器からのレ
ーザ光をミラーを介して加工ヘッド内のレンズに導きこ
のレンズにより集光してワークへ照射し加工するレーザ
加工装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種のレーザ加工装置においてはレー
ザ発振器は加工性能を左右する重要な構成要素である。 図６で示すように、レーザ発振器１から発振されるレー
ザビームｂはある一定の拡散角θ（約１．５〜２．０ミ
リラジアン）を持って広がって行く特性がある。したが
って、レーザ発振器１の出射口からの距離が長くなるに
従いレーザビームｂの径が大きくなり、約１０ｍの位置
ではレーザビームｂの径ｄ２が出射口位置での径ｄ１に
比べ倍以上にも拡大する。

【０００３】集光レンズに導かれるレーザビームｂの径
が大きく変化すれば、集光レンズによるレーザビームｂ
の集光径はもちろん焦点位置にも差が生じてくるため、
安定した加工状態を保持できなくなる。

【０００４】よって、一定範囲内のビーム径で安定した
加工を行うためには、レーザ発振器１から集光レンズま
での光路長の変化をある範囲内に押える必要がある。実
際に使用できる加工に適正な光路長範囲はレーザ発振器
１の出射口より約２〜６ｍの範囲ｂ１で、この間はビー
ム性質が最も安定しており、良質のビームが得られる。

【０００５】このため、一般的にレーザ加工装置をレイ
アウトする場合、例えば位置固定されたコラムに対しレ
ーザ発振器を一定場所に据置して、コラムに設けたミラ
ーを用いて直角に折り曲げるなどしてコラムに対しＹ軸
とＺ軸方向に移動する加工ヘッド内の集光レンズへレー
ザビームを導き、集光レンズで集束した集束光を、Ｘ軸
方向に移動するワークに照射しながら所要の加工を行う
方式いわゆる１軸テーブル移動、２軸光走査方式で構成
されることが多い。

【０００６】この方式では構造がシンプルになることの
ほか、加工ヘッドの移動距離が短かくてすみ、光路長は
加工ヘッドのＹ軸およびＺ軸の各最大移動量の範囲で伸
縮される。従って、この方式においては光路長が最も良
質のビームが得られる約２〜６ｍの範囲に入るようにす
ることは構成上容易である。よって、レーザ発振器より
照射するレーザビームの最も良質な位置を用いて加工を
行なうことができる。

【０００７】しかし、ワークの長さが約３ｍを越えるよ
うな大型ワークを加工するレーザ加工装置になると、前
記１軸テーブル移動、２軸光走査方式で構成することは
長尺テーブルをガイドするさらに倍の長さのテーブル装
置が必要となるため装置が極めて大型となるなど製作的
にも設置スペース的にも難しい。したがって、これに代
り図７のように、ワークテーブル２を固定し、これに跨
がるコラム４をテーブル長手方向例えばＸ軸方向に移動
可能としてＸ、Ｙ、Ｚ軸の全軸方向に加工ヘッド３を移
動制御する全軸光走査方式いわゆるガントリー型の機械
構成が一般に用いられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このような全軸光走査
方式になると、レーザ発振器１が定位置に据置されてい
るのに対しコラム４がＸ軸方向に移動するため、光路長
は主に加工ヘッド３のＹ軸最大移動量Ｌｙの範囲の他、
コラム４のＸ軸最大移動量Ｌｘの範囲で大きく伸縮する
ことになり、例えばＬｙが３ｍの場合にはレーザ発振器
１からミラー２０までの距離Ｌｘ１が３ｍを越えると、
前述のビーム径の良質なビーム範囲ｂ１を越えた位置で
加工が行われてしまい、同一加工条件で安定した加工状
態を保持することはできないものであった。

【０００９】この対策としてコラム４上にレーザ発振器
１を搭載し、Ｘ軸方向の光路長を固定する方式が考えら
れている。しかし、レーザ加工装置の加工を高速かつ高
精度に行う場合、加工ヘッド３およびコラム４が大きな
加減速の繰返しと振動を伴う激しい動作をするので、搭
載している精密光学機器であるレーザ発振器１に振動が
伝わり、レーザ発振に悪影響を与えてしまう。

【００１０】よって、本発明はガントリー型の大型レー
ザ加工装置において、ワーク全域にわたって常にレーザ
ビームの良質領域内での安定した加工を可能とするとと
もに、コラムの移動による振動を直接レーザ発振器へ伝
えないようにすることを目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は固定
したワークテーブルに対し加工ヘッドを設けたコラムを
テーブル長手方向に移動可能に設けるとともに、このコ
ラムの後方にレーザ発振器を搭載した架台をコラムと同
軸方向に移動可能に設け、レーザ発振器をコラムから切
り離しかつ光路長を一定の範囲に保つようにコラムに対
し架台を連れ歩きさせる送り制御手段を設けたものであ
る。

【００１２】また、上記送り制御手段は、コラムと架台
の相対距離を予め設定した基準値に近付けるように架台
を送り制御するとともに、上記基準値を中心とする基準
範囲を定め、相対距離が基準範囲内のときは架台を停止
させておき、基準範囲外のときに基準値との偏差量に応
じて架台を移動させるように制御し、コラムの細かい移
動に対しては架台は動かさずレーザ発振器に振動を与え
ないようにしたものである。

【００１３】

【作用】加工中、コラムとレーザ発振器を搭載した架台
間の相対距離が検出されながらこの検出値が予め設定さ
れた基準範囲内にあれば架台は送り駆動されず停止状態
に保持され、上記検出値が基準範囲外にあるとき架台は
基準値に近付く方向に送り駆動される。すなわち架台は
コラムに対し上記基準値に近い一定範囲内の相対距離を
保って連れ歩きすることになり、光路長を常にある一定
範囲に保持して加工が行われる。また、コラムと架台間
の相対距離が基準範囲内にある間はコラムが細かく移動
しても架台は動かないので、レーザ発振器に対しては加
減速による振動を与えることが無くなり長期間安定した
加工を行うことができる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明装置の具体的一実施例を図１な
いし図３により説明する。ここでは、例えばワーク幅３
ｍ、長さ２０ｍ程の長尺ワークの加工ができる大型のレ
ーザ加工装置を示す。

【００１５】５はレーザ加工装置のベースとなるコラム
ガイドである。このコラムガイド５は所定位置に位置決
め固定されたワークテーブル２の両側に位置し、それぞ
れにＸ軸方向のガイドレール６およびラック７が設けら
れている。

【００１６】このガイドレール６上に加工ヘッド３を搭
載したコラム４がＸ軸方向に移動自在に案内支持され、
さらにその後方においてレーザ発振器１および付帯装置
を搭載した架台８が同じくＸ軸方向に移動自在に案内支
持されている。

【００１７】上記コラム４の両側部には同期制御される
２つのＸ軸モータ９が取り付けられ、このモータ９によ
り回転されるピニオン１０が上記ラック７と噛合され、
これらによりコラム送り駆動部が形成されている。

【００１８】コラム４にはＹ軸モータ１１によって送り
駆動されるヘッド支持体１２がＹ軸方向に移動自在に支
持され、このヘッド支持体１２にはＺ軸モータ１３によ
って送り駆動される加工ヘッド３がＺ軸方向に移動自在
に支持されている。上記Ｘ軸モータ９、Ｙ軸モータ１１
およびＺ軸モータ１３はレーザ加工装置のＮＣ装置やロ
ボットコントローラによって同時制御される。一方、立
休ワークを加工する場合には、加工ヘッド３の先端に例
えばもう２つの回転軸α、β（図示せず）を設けること
によりＸ、Ｙ、Ｚ、α、βの同時多軸制御も可能として
いる。

【００１９】上記架台８の両側部には同期制御される２
つのサーボモータ１４が取り付けられ、このモータ１４
により回転されるピニオン１５が上記ラック７と噛合さ
れ、これらにより架台送り駆動部が形成されている。上
記モータ１４はＸ軸モータ９等とは別の後述する特有の
送り制御手段により駆動制御される。

【００２０】また、上記コラム４と架台８との間には例
えばリニアスケール１６、位置検出器１７等でなる相対
距離検出手段１８が設けられ、コラム４と架台８間の相
対距離が測定できるようになっている。

【００２１】上記架台８上のレーザ発振器１は光軸をＸ
軸方向に向けて取り付けられ、このレーザ発振器１から
発振したレーザ光はコラム４側に設けた全反射ミラー２
０によってＹ軸方向に直角に折り曲げられ、さらに上記
ヘッド支持体１２に設けた全反射ミラー２１によってＺ
軸方向に直角に折り曲げられ、加工ヘッド３内の集光レ
ンズ２２に入射される。そして集光レンズ２２を通って
集束されたレーザ光はヘッド先端のノズル２３よりワー
クＷ上へ照射される。なお、レーザ発振器１とミラー２
０間およびミラー２０とミラー２１間の各光路はそれぞ
れ蛇腹状の伸縮カバー２４、２５で覆われている。

【００２２】例えば上記ヘッド支持体１２のＹ軸最大移
動量Ｌｙを３ｍとした場合、レーザ発振器１から加工ヘ
ッド３内の集光レンズ２２までの光路長が最も安定した
良質のレーザ光で加工できる約２〜６ｍの範囲で加工を
行うためには、レーザ発振器１からミラー２０までのＸ
軸方向の光路長Ｌｘ１が１〜２ｍに制限される。

【００２３】すなわちＸ軸方向の光路長Ｌｘ１がその中
間の１．５ｍとなる位置関係でのコラム４と架台８間の
相対距離を基準値ａｏとし、その前後０．５ｍづつでな
る１ｍの範囲を許容範囲Ｃと設定しておく。さらに、こ
の許容範囲Ｃ内において基準値ａｏの前後０．２５ｍづ
つでなる０．５ｍの範囲を基準範囲Ａと設定する。

【００２４】そして、上記送り制御手段は上記相対距離
検出手段１８による検出値ａｘが上記基準値ａｏに近付
くように架台８を移動させるとともに上記検出値ａｘが
上記基準範囲Ａにあるときは架台８を停止させておくよ
うに上記サーボモータ１４を制御するとともに、検出値
ａｘが上記許容範囲Ｃから外れたときに異常検知信号を
出力してレーザ加工を停止させるようにしている。

【００２５】この送り制御手段を図４のブロック図に示
す。送り制御手段は、上記基準値ａｏと上記相対距離検
出手段１８による検出値ａｘとの間の偏差量ｅ（ｅ＝ａ
ｘ−ａｏ）をカウントする偏差量カウンタ２６と、ここ
でカウントされた偏差量ｅを予め設定した関数に基づい
て修正する関数発生器２７と、この修正偏差量ｅ′に基
づいた送り指令信号を上記架台送り駆動部のモータ１４
へ出力する送り指令手段２８とからなり、上記関数発生
器２７には、偏差量カウンタ２６でカウントされたゼロ
を中心とする所定範囲Ｅ（基準範囲Ａの幅に等しい）内
の偏差量ｅに対しては修正偏差値ｅ′をゼロとし、上記
所定範囲Ｅ外の偏差量ｅに対してはその大きさに応じた
修正偏差量ｅ′に変換するように関数を設定している。

【００２６】例えば図５の関数グラフに示すように、上
記所定範囲Ｅ（−ｅ１≦ｅ≦ｅ１）内の偏差量ｅに対し
ては全て修正偏差量ｅ′がゼロとなるように、所定範囲
Ｅ外でその前後一定の範囲（−ｅ２≦ｅ＜−ｅ１、ｅ１
＜ｅ≦ｅ２）、さらにその範囲外（ｅ＜−ｅ２、ｅ２＜
ｅ）の２段階で異なる関数を設定し、偏差値ｅの修正を
行う。具体的には、ｅ１＝０．２５ｍ、ｅ２＝０．３５
ｍとしている。

【００２７】このようなコラム４と架台８間の相対距離
ａｘを常に基準値ａｏに近付ける制御によれば、正常な
場合、ａｘが上記許容範囲Ｃを出ることはないが、何か
の原因で許容範囲Ｃを出た場合には、Ｘ軸方向の光路長
Ｌｘ１の制限を超えるため加工が不安定になる可能性が
高い。

【００２８】このため、許容範囲Ｃの上限値および下限
値に対応する偏差量−ｅ３、ｅ３を定め、上記偏差量カ
ウンタ２６においてカウントされた偏差量ｅが上記許容
範囲Ｃ外（ｅ＜−ｅ３、ｅ３＜ｅ）に相当する値であっ
た場合にはアラームとし、加工を停止させるようにして
いる。具体的には、ｅ３＝０．５ｍとしている。

【００２９】上記送り指令手段２８はＤ／Ａコンバータ
２９とサーボアンプ３０からなり、関数発生器２７から
の修正偏差量ｅ′をＤ／Ａ変換し、送り指令信号として
の指令電圧によりサーボモータ１３を駆動する。

【００３０】すなわち、架台８は偏差量ｅの大きさに応
じて、偏差量ｅが±ｅ１以内の場合は送り速度がゼロで
すなわち停止状態であり、偏差量ｅが±ｅ１以上、±ｅ
２以内の場合には低速送りで、偏差量ｅが±ｅ２以上、
±ｅ３以内の場合はより速い送り速度で短時間に送れる
ように送り速度が制御されて、コラム４との相対距離を
上記基準値ａｏに近付けるように送り制御される。

【００３１】以上の構成により、レーザ加工装置は加工
プログラムに基づいてＸ、Ｙ、Ｚ軸制御され、かつレー
ザ発振器１から各ミラー２０、２１を介して加工ヘッド
３からワークＷへレーザ光が照射されて所要のレーザ加
工がなされる。このときレーザ発振器１を搭載した架台
８は、Ｘ軸方向に移動するコラム４に対して常に許容範
囲Ｃ内においてかつ基準値ａｏに近い相対距離を保って
連れ歩きする。すなわち、コラム４がＸ軸方向にどれだ
け移動しても架台８は所定の距離範囲を保って共に移動
するため、ワーク全域に渡って常に最適なビーム径で安
定した加工が行われる。

【００３２】しかも、コラム４のＸ軸方向の移動が少な
い場合は架台８は停止した状態で保持されるので、レー
ザ発振器１に対してはコラム４の加減速による振動を与
えることが無くなり長期間安定した加工を行うことがで
きる。

【００３３】なお、関数発生器２７には図５の関数グラ
フに示すものに限らず、偏差量ｅが少なくともゼロを中
心とした所定範囲内については修正偏差量ｅ′をゼロに
すれば、その範囲外についてはいかなる関数形態に設定
してもよい。

【００３４】また、相対距離検出手段１８は上記実施例
に示すようなリニアスケール１６を用いたものに限らず
、例えばエンコーダ等で構成してもよく、両モータ９、
１４に設けたエンコーダ間でのパルス数の比較で相対距
離を検出することも可能である。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、レーザ発振器を搭載し
た架台はコラムがテーブル長手方向にどれだけ移動して
もコラムに対し所定の距離範囲を保って共に移動するた
め、長尺の大きいワークでもワーク全域に渡って常に最
適なビーム径で安定した加工が行える。

【００３６】しかも、コラムの移動が少ない場合は架台
は停止した状態で保持されるので、レーザ発振器に対し
てはコラムの加減速による振動の影響を受けず、長期間
安定した加工を行うことができる。

【００３７】また、架台の送り制御手段として、検出さ
れたコラムと架台間の相対距離と基準値との間の偏差量
に対しある関数をかけて修正する関数発生器を用い、そ
の修正偏差量に応じた送り指令を出す制御を行うことに
より、上記関数設定器に任意の関数を設定するのみで、
どのような大きさの加工装置についても関数の変更が容
易である。

【００３８】さらに、コラムと架台間の相対距離が予め
設定した許容範囲を外れたときに自動的に加工を停止さ
せることにより、万一のビーム径の良質な範囲を越えた
領域での加工を未然に防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレーザ加工装置の一実施例を示す側面
図。

【図２】同上平面図。

【図３】同上正面図。

【図４】架台の送り制御手段の一実施例を示すブロック
図。

【図５】関数設定器に設定した関数の一例を示す関数グ
ラフ。

【図６】レーザ発振器から発振されたレーザビームのビ
ーム特性を示す図。

【図７】従来のレーザ加工装置を示す平面図。

【符号の説明】

１　　レーザ発振器 ２　　ワークテーブル ３　　加工ヘッド ４　　コラム ５　　コラムガイド ７　　コラム送り駆動部および架台送り駆動部を構成す
るラック ８　　架台 ９　　コラム送り駆動部を構成するＸ軸モータ１０　　
コラム送り駆動部を構成するピニオン１４　　架台送り
駆動部を構成するサーボモータ１５　　架台送り駆動部
を構成するピニオン１８　　相対距離検出手段 ２０、２１　　ミラー ２２　　集光レンズ ２６　　偏差量カウンタ ２７　　関数発生器 ２８　　送り指令手段 Ａ　　基準範囲 ａｏ　　基準値 ａｘ　　検出値 Ｃ　　許容範囲 Ｅ　　所定範囲 ｅ　　偏差量 ｅ′修正偏差量 Ｗ　　ワーク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザ発振器からのレーザ光をミラー
   を介して加工ヘッド内のレンズに導きこのレンズにより
   集光してワークへ照射し加工を行うレーザ加工装置にお
   いて、位置固定されたワークテーブルと、上記加工ヘッ
   ドおよびミラーを有し上記ワークテーブルに対しテーブ
   ル長手方向に移動可能なコラムと、このコラムを移動方
   向に案内支持するコラムガイドと、上記コラムとコラム
   ガイドとの間に設けられＮＣ制御によって上記コラムを
   送り駆動するコラム送り駆動部と、上記コラムの後方に
   位置して上記レーザ発振器を搭載し上記コラムガイドに
   沿ってコラムと同軸方向に移動可能に設けられた架台と
   、この架台と上記コラムガイドとの間に設けられ架台を
   送り駆動する架台送り駆動部と、コラムと架台との間に
   設けられコラムと架台間の相対距離を検出する相対距離
   検出手段と、この相対距離検出手段による検出値が予め
   設定した基準値に近付くように架台を移動させるととも
   に上記検出値が基準値を中心とする予め設定した基準範
   囲にあるときは架台を停止させておくように上記架台送
   り駆動部を制御する送り制御手段とを備えたことを特徴
   とするレーザ加工装置。
2. 【請求項２】　　上記送り制御手段は、上記相対距離検
   出手段による検出値と上記基準値との間の偏差量をカウ
   ントする偏差量カウンタと、ここでカウントされた偏差
   量を予め設定した関数に基づいて修正する関数発生器と
   、この修正偏差量に基づいて上記架台送り駆動部へ送り
   指令信号を出力する送り指令手段とからなり、上記関数
   発生器には、偏差量カウンタでカウントされた偏差量が
   ゼロを中心とする予め設定した所定範囲内のときは修正
   偏差量をゼロにし、所定範囲外のときには偏差量の大き
   さに応じた修正偏差量に変換するように関数を設定した
   ことを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 【請求項３】　　上記相対距離検出手段による検出値が
   上記基準範囲を含む予め設定した許容範囲から外れたと
   きに異常検知信号を出力してレーザ加工を停止させるこ
   とを特徴とする請求項１ないし請求項２のいずれかに記
   載のレーザ加工装置。