JPH0435275B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の技術分野］ この発明は、レーザビームを集束して立体形状
の被加工物を加工対象とするレーザ加工装置に関
するもので、特に、回転する反射鏡を用いて偏向
させた集束するレーザビームの位置補正に関する
ものである。

［従来技術］ 従来の、この種の公知技術を特許公報で挙げる
と、特開昭60−24295号公報、特開昭60−121411
号公報、特開昭61−1494号公報、特開昭61−
46390号公報等がある。

この種のレーザ加工装置は、直交するＸ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸の３軸の平行移動軸を有するもので、Ｚ
軸はレーザビームを集光する加工レンズが上下動
作を行い、Ｘ軸及びＹ軸については、被加工物を
移動させるもの、レーザビームを移動させるも
の、或いは、Ｘ軸またはＹ軸のいずれか一方の軸
が被加工物を移動し、他方の軸がレーザビームを
移動させるもの等がある。

このように、３軸駆動制御を行うレーザ加工装
置において、１軸レーザビームを移動させるもの
について、第５図の１軸レーザビームによる加工
の展開説明図を用いて説明する。

図において、１はレーザ発振器、２はレーザビ
ームを偏向させる反射鏡、３はレーザビームを集
束させる加工レンズ、４は被加工物である。前記
反射鏡２及び加工レンズ３は被加工物４の表面に
対して、即ち、Ｘ軸に対して平行に移動される。

レーザ発振器１から出力されたレーザビーム
は、反射鏡２及び加工レンズ３からなる光学系手
段が集束したレーザビームのスポツトを被加工物
４に照射する。このとき、入射ビームの光学的軸
と機械的軸とのずれによる角度αが生じた場合に
は、図示した破線で示す経路で反射鏡２及び加工
レンズ３に入射し、移動ストロークＬ［ｍ］の量
に対して機械的基準位置Ａ１または機械的基準位
置Ａ２より、角度α及びレーザ発振器１から加工
レンズ３までの光路長に略比例したΔL＝fα［ｍ］
だけ、ずれて被加工物４の表面に照射されること
になる。但し、加工レンズ３の焦点距離はｆ［ｍ］
とする。

したがつて、実際の加工にあたつては、予め、
一定量のずれ量ΔL［ｍ］を見込んでレーザビーム
のスポツトの制御指令値を変更するか、或いは、
ずれ量ΔL［ｍ］の方向に被加工物４を移動すれば
よい。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、レーザビームの機械的軸と実際の入射
ビームの光学的軸がずれている場合には、レーザ
ビームを反射鏡で偏向し、加工レンズで集束して
被加工物にレーザビームのスポツトを照射する光
学系手段が、レーザビームの機械的軸を中心に回
転する三次元の立体形状物を加工する場合に、精
度上の問題が生ずる。

即ち、第６図の１軸レーザビームが回転して旋
回加工する場合の説明図に示すように、レーザ発
振器１より出力された垂直方向のレーザビーム
は、反射鏡２で水平方向に変更され、加工レンズ
３を通り円筒状の被加工物５に照射される。反射
鏡２と加工レンズ３はレーザビーム入射光軸（Ｚ
軸方向）を中心に回転動作するように構成され、
円筒状の被加工物５を加工する。このとき、レー
ザ発振器１より出力されたレーザビームが上記機
械的回転軸より略α角度だけずれを生じ、図示し
た破線の経路で反射鏡２及び加工レンズ３に入射
したとすると、照射スポツト位置はレーザビーム
のずれ方向に加工レンズ３がきたときと、その
180度反対方向にきたときは、機械的基準位置Ｂ
からそれぞれ−ΔL［ｍ］、＋ΔL［ｍ］のずれが生ず
る。

例えば、第７図は円筒状被加工物５に実際に加
工を行つた場合、前記ずれ量ΔL［ｍ］の軌跡を示
すものである。図のように、機械的基準位置Ｂに
対して、最大ずれ量＋ΔL［ｍ］、最小ずれ量−ΔL
［ｍ］となり、加工精度が乱れるという問題点が
あつた。

上記問題点を解決する方法として、前記光学的
軸と機械的回転軸のずれを同一にする方法があ
る。それには、レーザ発振器１または光路の反射
鏡２の調節により、ずれを補正することも考えら
れるが、複雑な光路または複雑な駆動系を有する
ものにおいては、これらの調節が必ずしも容易で
なかつた。また、遠赤外線であるCO₂レーザ等の
場合は、適当な検出、計測手段がなく、高精度の
レーザビームのスポツトの位置検出が不可能であ
る等の問題があり、この種のレーザ加工装置の高
精度化を阻んでいる。

そこで、この発明はかかる上記の問題点を解決
するためになされたもので、機械的に光路の補正
をすることなく高精度の加工を容易としたレーザ
加工装置の提供を目的とするものである。

［問題点を解決するための手段］ この発明にかかるレーザ加工装置は、入射ビー
ム方向を旋回軸として回転駆動する旋回駆動手段
と、前記入射ビーム方向に平行する平行移動軸を
駆動する平行移動駆動手段と、前記旋回駆動手段
の駆動により、集束したレーザビームを被加工物
に照射する照射位置の入射ビームの光学的軸と機
械的回転軸のずれによる偏差量を、前記入射ビー
ム方向に平行する平行移動軸を駆動する平行移動
駆動手段の移動変量として制御する制御手段とを
具備するものである。

［作用］ この発明においては、レーザビームを偏向させ
る反射鏡を旋回駆動手段で回転させる場合、集束
したレーザビームを被加工物に照射する照射位置
の入射ビームの光学的軸と機械的回転軸のずれに
よる偏差量が、旋回駆動手段の軸方向、即ち、入
射ビーム方向に平行する平行移動軸方向に生じ
る。そこで、入射ビーム方向に平行する平行移動
軸を駆動する平行移動駆動手段の移動変量とし
て、前記光学的軸と機械的回転軸のずれによる偏
差量を設定して平行移動駆動手段を制御すれば、
前記光学的軸と機械的回転軸のずれによる偏差量
を補償することができる。

［実施例］ 第１図はこの発明の実施例のレーザ加工装置の
基本的要部構成図である。

図において、１はレーザを発振及び出力するレ
ーザ発振器、２は反射鏡６で垂直方向の下に向う
レーザビームを水平方向に変更する反射鏡、３は
反射鏡２で水平方向に変更されたレーザビームを
集光し、円筒状の被加工物５にスポツトを照射す
る加工レンズで、レーザビームは加工レンズ３の
先端のノズル７より、円筒状の被加工物５の内面
に照射され切断加工される。６は前記したレーザ
発振器１より水平に出力されたレーザビームを垂
直方向に変更する反射鏡、８は被加工物５を載置
する加工テーブル、９は加工テーブル８のスライ
ダー１０に摺動し、Ｚ軸モータ１１により垂直方
向に摺動されるＺ軸筒、１２は反射鏡２、加工レ
ンズ３を保持し、Ｚ軸筒９の内面ベアリング１３
に摺動し、θ軸モータ１４によりＺ軸のまわりに
回転駆動される回転筒である。１５はＺ軸モータ
１１により垂直方向に摺動されるＺ軸筒９に取付
けられたコード盤で、前記コード盤１５にはＺ軸
筒９の回転始点となる始点検出用センサ１６及び
１度毎の角度を検出する角度検出用センサ１７を
有している。なお、前記始点検出用センサ１６及
び角度検出用センサ１７はフオトカプラからな
り、コード盤１５に設けられたスリツトの位置及
びスリツトの数を検出している。１８はＺ軸モー
タ１１、θ軸モータ１４を同時制御するマイクロ
コンピユータCPUを制御回路として搭載したNC
制御装置であり、その回路図を第３図に示す。こ
のNC制御装置１８には最大ずれ量ΔL［ｍ］及び
そのときの角度を入力するテンキー１９、θ軸モ
ータ１４を駆動するθ軸モータ駆動スイツチ２
０、Ｚ軸モータ１１を駆動するＺ軸モータ駆動ス
イツチ２１及びこの発明の要旨としない他の制御
関係のスイツチ及び表示手段を有している。

このように構成されたこの実施例のレーザ加工
装置について、その原理動作を第２図のこの発明
の実施例の説明図を用いて説明する。

まず、駆動系のＺ軸モータ１１により垂直方向
に摺動される軸をＺ軸、及び駆動系のθ軸モータ
１４によりＺ軸のまわりに回転駆動される回転筒
１２の軸をθ軸とする。

レーザ発振器１より出力されたレーザビームが
反射鏡６で偏向され、Ｚ軸に対して角度αだけず
れて反射鏡２及び加工レンズ３に入射した場合、
加工レンズ３の焦点距離をｆ［ｍ］として軸の回
転方向に対するレーザビームの角度ずれがないと
すると、Ｚ軸の動作を止めてθ軸の回転のみで加
工を行つたときには、レーザビームはθ軸の回転
動作により、第７図の従来例の説明で示した円筒
状の被加工物の展開図の破線に示す経路を進行す
る。

即ち、集束するレーザビームのスポツトは、θ
軸の回転により、最大で±ΔL［ｍ］のずれが生
じ、正弦波形状のずれとなり、θ軸の回転角度の
関数で前記ずれが表現される。そこで、前記最大
ずれ±ΔL［ｍ］が生ずるθ軸の回転角度、即ち、
回転筒１２の回動角度位置θ°と、前記ずれFθとの
関係は、 Fθ＝ΔL・cosθ ＝ΔL・cosωt 但し、ωはθ軸の回転角速度、 ｔは時間、 となる。

この最大ずれ＋ΔL［ｍ］または−ΔL［ｍ］を測
定しておくことにより、θ軸モータ１４の回動角
度位置と、前記ずれFθとの関係が Fθ＝ΔL・cosωt で表現でき、このFθがＺ軸方向のずれとなる。

そこで、駆動系のＺ軸モータ１１により垂直方
向に摺動されるＺ軸方向のずれを、Ｚ軸モータ１
１により垂直方向に摺動されるＺ軸筒９の移動距
離Ｇを、 Ｇ＝−Fθ ＝−ΔL・cosθ ＝−ΔL・cosωt とすれば、前記Ｚ軸方向のずれとなる回転筒１２
の回動角度位置θ°と、前記ずれ Fθ＝ΔL・cosωt を相殺することができる。

したがつて、θ軸モータ１４の回動角度位置、
または回転筒１２の回動角度位置θ°に応じて、Ｚ
軸モータ１１により垂直方向に摺動されるＺ軸９
の移動距離Ｇを、 Ｇ＝−ΔL・cosθ とすれば、レーザ発振器１より出力されたレーザ
ビームが反射鏡６で偏向され、Ｚ軸に対して角度
αだけずれて反射鏡２及び加工レンズ３に入射し
た場合のずれを補正することができる。

または、θ軸モータ１４の回動角度位置と、Ｚ
軸モータ１１により垂直方向に摺動されるＺ軸筒
９の移動距離Ｇを同期状態とし、θ軸モータ１４
の加工回転角速度をωとすれば、Ｚ軸モータ１１
の移動回転角度速度をωとして、Ｚ軸筒９の移動
距離Ｇを、 Ｇ＝−ΔL・cosωt とすることにより、レーザ発振器１より出力され
たレーザビームが反射鏡６で偏向され、Ｚ軸に対
して角度αだけずれて反射鏡２及び加工レンズ３
に入射した場合のずれを補正することができる。

次に、この発明の実施例のレーザ加工装置を加
工制御する場合の、Ｚ軸に対する角度αのずれを
補正する『加工制御補正ルーチン』を第４図のフ
ローチヤートを用いて説明する。

まず、Ｚ軸モータ１１を駆動するＺ軸モータ駆
動スイツチ２１をオフとし、NC制御装置１８の
θ軸モータ１４を駆動するθ軸モータ駆動スイツ
チ２０をオンとすることにより、θ軸モータ１４
を回転させ、加工レンズ３の先端のノズル７よ
り、円筒形状被検材の被加工物５の内面にレーザ
ビームのスポツトを照射し、その円筒形状被検材
の被加工物５の内面を切断加工し、最大ずれΔL
［ｍ］が生ずる回転筒１２の回動角度位置のβ度
を得る。

そして、ステツプS1で最大ずれΔL［ｍ］をテ
ンキー１９で入力し、ステツプS2で最大ずれΔL
［ｍ］が生ずるθ軸の回動角度位置のβ度をテン
キー１９で入力する。ステツプS3で Fθ＝ΔL・cos（θ−β） を計算し、各角度毎にＦ１，Ｆ２，……，Ｆ３６
０をメモリに収納する。ステツプS4でθ軸モー
タ１４を回転させ、ステツプS5で角度検出用セ
ンサ１７で角度θの読込みを行い、ステツプS6
でＺ軸モータ１１を回転させ、Ｚ軸方向に、 Ｇ＝−Fθ ＝−ΔL・cos（θ−β） 移動し、Ｚ軸方向のレーザ加工を行う。なお、Ｚ
軸方向のレーザ加工制御がqtであるとき、 Ｇ＝qt−Fθ ＝qt−ΔL・cos（θ−β） で移動され、Ｚ軸方向のレーザ加工を行う。

また、ステツプS7でレーザ加工の終了信号が
あるまで、ステツプS4からステツプS7の処理を
繰返し、レーザ加工の終了信号によつて、ステツ
プS8でθ軸モータ１４を停止し、ステツプS9で
Ｚ軸モータ１１を停止する。

このように、この実施例のレーザ加工装置は、
レーザビームを偏向させる反射鏡２が、入射ビー
ム方向を回転筒１２のθ軸として、回転駆動する
θ軸モータ１４からなる旋回駆動手段と、前記レ
ーザビームの入射ビーム方向に平行する平行移動
軸のＺ軸を駆動するＺ軸モータ１１からなる平行
移動駆動手段と、前記レーザビームを偏向させる
反射鏡２で偏向され、加工レンズ３で集束して被
加工物５にレーザビームを照射する光学系手段
と、前記旋回駆動手段の駆動により、光学系手段
が集束したレーザビームを被加工物５に照射する
照射位置の入射ビームの光学的軸と機械的回転軸
の角度αのずれによる偏差量を、前記入射ビーム
方向に平行する平行移動量を駆動する平行移動駆
動手段の移動変量として制御するマイクロコンピ
ユータCPUを制御回路として搭載したNC制御装
置１８からなる制御手段とを具備するものであ
る。

特に、この実施例では、θ軸モータ１４からな
る旋回駆動手段の駆動により、光学系手段が集束
したレーザビームを被加工物５に照射する照射位
置の入射ビームの光学的軸と機械的回転軸の角度
αのずれによる偏差量を、θ軸モータ１４により
Ｚ軸のまわりに回転駆動される回転筒１２の回動
角度毎に補正しているが、θ軸モータ１４により
Ｚ軸のまわりに回転駆動される回転筒１２の回転
と、Ｚ軸モータ１１の移動との関係を、Ｚ軸のま
わりに回転駆動される回転筒１２の回動角速度、
即ち、θ軸モータ１４の回転角速度ωとすれば、
Ｚ軸方向のずれとなる回転筒１２の回動角度位置
θ°と、ずれFθは、 Fθ＝ΔL・cosωt となるから、Ｚ軸モータ１１により垂直方向に摺
動されるＺ軸筒９の移動距離Ｇを、その回転角速
度ω及び位相差のない同期状態の Ｇ＝−ΔL・cosωt とすれば、前記実施例の場合と同様に、光学的軸
と機械的回転軸の角度αのずれによる偏差量を、
補正することができる。なお、前記状態は位相差
のない同期状態を前提としているが、位相差が一
定で変化しない場合も、回転角速度ωで補正する
ことができる。

なお、上記実施例では、円筒形状被検材の被加
工物５の内面を加工し、最大ずれΔL［ｍ］が生ず
るθ軸の回転筒１２の回動角度位置βを得ている
が、レーザ発振器１の出力を低下させ、２次元画
像素子で最大ずれΔL［ｍ］及び最大ずれΔL［ｍ］
が生ずるθ軸の回動角度位置βを検出することに
より、最大ずれΔL［ｍ］及び最大ずれΔL［ｍ］が
生ずるθ軸の回動角度位置βを得ることができ
る。

［発明の効果］ 以上のように、本発明のレーザ加工装置は、レ
ーザビームを偏向させる反射鏡を旋回軸として回
転駆動する旋回駆動手段と、レーザビームの入射
ビーム方向に駆動する平行移動駆動手段と、加工
レンズで集束して被加工物にレーザビームを照射
する光学系手段と、旋回駆動手段の駆動によつて
変化する光学系手段が集束したレーザビームを被
加工物に照射する照射位置の入射ビームの光学的
軸と機械的回転軸のずれによる偏差量を、入射ビ
ーム方向に駆動する平行移動駆動手段の移動変量
として制御する制御手段を具備するものであるか
ら、光学系手段が集束したレーザビームを被加工
物に照射する照射位置の入射ビームの光学的軸と
機械的回転軸のずれによる偏差量を平行移動駆動
手段の移動制御で補正できるものであるから、機
械的に光路の補正をすることなく高精度の加工が
容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例のレーザ加工装置の
基本的要部構成図、第２図はこの発明の実施例の
レーザ加工装置の原理説明図、第３図はこの発明
の実施例のレーザ加工装置の制御手段の回路図、
第４図はこの発明の実施例のレーザ加工装置の補
正を行う『加工制御補正ルーチン』のフローチヤ
ート、第５図は１軸レーザビームによる加工の説
明図、第６図は１軸レーザビームが回転して旋回
加工する場合の原理説明図、第７図は円筒状被加
工物に加工を行つた場合のずれ量の軌跡を示す展
開説明図である。 図において、２……反射鏡、３……加工レン
ズ、４，５……被加工物、１１……Ｚ軸モータ、
１２……回転筒、１４……θ軸モータ、１８……
NC制御装置、である。なお、図中、同一符号及
び同一記号は、同一または相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザビームを偏向させる反射鏡が、入射ビ
   ーム方向を旋回軸として回動駆動する旋回駆動手
   段と、 前記レーザビームの入射ビーム方向に平行する
   平行移動軸を駆動する平行移動駆動手段と、 前記レーザビームを偏向させる反射鏡で偏向さ
   れ、加工レンズで集束して被加工物にレーザビー
   ムを照射する光学系手段と、 前記旋回駆動手段の駆動により、光学系手段が
   集束したレーザビームを被加工物に照射する照射
   位置の入射ビームの光学的軸と機械的回転軸のず
   れによる偏差量を、前記入射ビーム方向に平行す
   る平行移動軸を駆動する平行移動駆動手段の移動
   変量として制御する制御手段と、 を具備することを特徴とするレーザ加工装置。