JPH0741432B2 - レ−ザ加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はレーザ加工装置に係り、更に詳細には加工ヘッ
ドの先端側にギャップセンサを備えたレーザ加工装置に
関するものである。

［従来の技術］ 従来、レーザ加工装置として加工ヘッドの先端側にギャ
ップセンサを備えたものが知られている。その加工ヘッ
ドを光軸方向に移動させる駆動装置が設けられ、しかも
該駆動装置の制御は、レーザ加工装置全体の他の駆動装
置を制御している主数値制御装置で行なわれている。そ
のため、ギャップセンサからの出力を主数値制御装置に
より、演算または割込み処理を行なっているから、各軸
の位置決め指令に対して補正を施していた。

［発明が解決しようとする問題点］ したがって、主数値制御装置の演算速度に応答速度が支
配されるため、応答速度が遅く、かつレーザ加工装置特
に５軸レーザ加工装置の場合、数値制御装置が複雑にな
るという問題があった。

本発明の目的は上記事情に鑑み問題を解決するために提
案されたものであって、ギャップセンサの応答を速くす
ると共に加工ヘッドを駆動する駆動装置への負荷を抑制
するようにしたレーザ加工装置を提供するものである。

［問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、数値制御装置の制
御の下に互いに直交するＸ軸,Y軸,Z軸の３次元方向へ移
動制御される加工ヘッドに備えたホルダを上下動自在に
設け、先端部にノズルチップを備え、かつ上記ノズルチ
ップとレーザ加工するワークとの間のギャップを検出す
るギャップセンサを前記ホルダに装着して設け、前記ホ
ルダを上下動するためのモータを加工ヘッドに装着して
設けると共に、前記モータには前記加工ヘッドの重量を
支えるカウンタバランスうず巻ばねを設け、前記加工ヘ
ッドの角度変化に起因して前記モータにかかる機械的な
負荷を前記カウンタバランスうず巻ばねにより抑制する
構成としてなることを特徴とする。

［作用］ 上記構成において、加工ヘッドのX,Y,Z軸の３次元方向
の移動制御が数値制御装置の制御の下に行われるとき、
加工ヘッドに備えたノズルチップとワークとの間のギャ
ップはギャップセンサによって検出され、このギャップ
を常に一定に保持するようにモータが制御され、モータ
の駆動によってギャップセンサ等が上下動される。

そして、上記モータには、加工ヘッドによる荷重応力を
支えるカウンタバランスうず巻ばねを設けているので、
加工ヘッドの角度変化に起因して上記モータにかかる機
械的な負荷をカウンタバランスうず巻ばねにより抑制す
ることができる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図、第２図および第３図を参照するに、床１の床面
上に複数本例えば４本のコラム３が立設してある。該コ
ラム３上には支持プレート５が載置してある。支持プレ
ート５の両側上の第２図において左右方向であるＸ軸方
向に複数本例えば２本のＸ軸ガイド７が取付けられてい
る。２本のＸ軸ガイド７間には複数本例えば２本のサポ
ートプレート９を第３図において左右方向であるＹ軸方
向に取付けてあり、サポートプレート９はＸ軸ガイド７
をサポートしている。２本のＸ軸ガイド７上にまたがっ
てＸ軸方向に移動するＸ軸キャレッジ11が取付けられ、
該Ｘ軸キャレッジ11にはＹ軸キャレッジ13が載せられて
いる。Ｙ軸キャレッジ13はＸ軸キャレッジ11の脇に平行
に設けられたガイド15面に沿ってＹ軸方向に移動され
る。Ｙ軸キャレッジ13のほぼ中央部にあって鉛直方向で
あるＺ軸方向にＺ軸コラム17が取付けられ、しかもＺ軸
コラム17はＹ軸キャレッジ13内に装着されたガイドに沿
ってＺ軸方向に移動するようになっている。Ｚ軸コラム
17の先端側には第１図および第３図に示されていいるよ
うに加工ヘッド19が取付けられている。

レーザビームは加工ヘッド19の先端に第１図に示す如く
取付けられたノズルチップ21から照射される。第２図に
示されているようにＸ軸ガイド７間およびサポートプレ
ート９間にあって下方に設けられたワーキングエリア23
内にワークＷが載置される。各装置を被うためのセフテ
ィキャビン25が機械本体の周囲に設けられている。機械
本体の外側には第１図および第２図に明らかな如く空圧
ユニット装置27,数値制御装置29およびレーザ発振器電
源装置31が配設され、数値制御装置29は図示省略のＸ
軸,Y軸およびＺ軸の各駆動装置と連結され、各駆動を制
御している。第１図および第２図に示すように右側のサ
ポートプレート９上にレーザ発振器ヘッド33が取付けら
れ、前記レーザ発振器電源装置31に連結管35を介して連
結されている。

次に、Ｚ軸オラム17の下方部には加工ヘッド19が取付け
られている。より詳細には第４図および第５図に示され
ているように、Ｚ軸コラム17の下部には中空支持ブロッ
ク37が取付けられている。該中空支持ブロック37には鉛
直方向へ延伸した中空円筒体39が嵌入し一体化してあ
る。中空支持ブロック37の中央部から下部に向けた部分
にギヤ41がベアリング43を介して支承され、ギヤ41の下
方の中空円筒体39には回転体45が嵌合されている。該回
転体45の上部を円盤状の押え部材47で押えている。中空
円筒体39と回転体45の下部間にはベアリング49が介在さ
れている。中空支持ブロック37の第４図において右側に
は回転体45を回転させる駆動モータ（Ａ軸駆動モータと
呼ぶ。）51が設けてある。

該Ａ軸駆動モータ51の出力軸にはピニオン53が取付けら
れ、前記ギヤ41と噛合し合っている。ギヤ41およびピニ
オン53をカバーするために、円盤状リング55が押え部材
47上に一体化されている。したがって、Ａ軸駆動モータ
51を駆動させることにより、ピニオン53,ギヤ41を介し
て回転体45が矢印の如く回転されることになる。なお、
中空円筒体39の下部にはベアリング49を押えるための中
空の押えナット57が回転体45の下方部に嵌入されてい
る。

第４図から明らかなように、回転体45の下方右側部に形
成された傾斜部45Aには第１のミラー59を支承している
支持プレート61が取付けられ、該支持プレート61の外側
には第１の放熱器63が取付けられている。回転体45の下
方左側部45B内には、ベアリング65A,65Bを介して前記加
工ヘッド19内に設けられた固定筒状体67の筒状突起部69
が回転自在に支承されている。該筒状突起部69の左側に
はギヤ71が嵌合してある。該ギヤ71には第５図に示され
ているようにピニオン73が噛合して合っている。該ピニ
オン73は駆動モータ（Ｂ軸駆動モータと呼ぶ。）75の出
力軸に取付けられている。したがって、Ｂ軸駆動モータ
75を駆動させると、ピニオン73,ギヤ71を介して筒状体6
7が筒状突起部69の軸心を中心にして回転されることに
より加工ヘッド19が回転される。なお、前述したＡ軸駆
動モータ51とＢ軸駆動モータ75の駆動制御はＸ軸,Y軸お
よびＺ軸における駆動モータの駆動制御と同様に、レー
ザ加工装置の主数値制御装置29によって制御されてい
る。

筒状体67の上部左側に形成された傾斜部67Aには第２の
ミラー77を支承している支持プレート79が取付けられ、
該支持プレート79の外側には第２の放熱器81が取付けら
れている。該第２の放熱器81を被うごとく加工ヘッド19
のスライダ部材83が取付けられている。該スライダ部材
83の上部には加工ヘッド19を光軸方向に移動させるため
の駆動モータ（Ｃ軸駆動モータと呼ぶ。）85が取付けら
れている。Ｃ軸駆動モータ85には第４図および第５図か
ら明らかなように、出力軸を介してピニオン87が取付け
られ、該ピニオン87にはラック89が噛合し合っている。
ラック89は前記ギヤ71に一体化された取付プレート91に
固定されている。

筒状体67の下部内とスライダ部材83の下部を支持してい
る支持部材内の間には加工ヘッド19のスライダ部材83を
上下に移動させるための案内をする案内部材93が嵌合さ
れている。さらに、第５図に示す如くリニアガイド95が
スライダ部材83に取付けてある。スライダ部材83の下部
には例えば静電容量型のギャップセンサ97を支持する中
空のホルダ99が一体的に取付けられている。ギャップセ
ンサ97はホルダ99にボルト101で固定してある。

ギャップセンサ97の先端部にはノズルチップ21が装着さ
れている。したがって、Ｃ軸駆動モータ85を駆動させる
と、ピニオン87が回転する。ピニオン87はラック89と噛
合し、かつラック89が取付プレート91に固定しているた
めＣ軸駆動モータ85自体が上下動する。Ｃ軸駆動モータ
85が上下動することによりスライダ部材83がＣ軸駆動モ
ータ85に一体化されているから、スライダ部材83が案内
部材93とリニアガイド95に案内されて上下動する。スラ
イダ部材83が上下動することによりホルダ99を介してギ
ャップセンサ97が上下動されることになる。なお、Ｃ軸
駆動モータ85の制御は前述したＡ軸駆動モータ51やＢ軸
駆動モータ75の制御と独立して主数値制御装置29とは別
個の後述する制御装置で制御される。ギャップセンサ97
のホルダ99内には集光レンズ105を保持する円筒形状の
保持部材107が嵌入してある。したがって、レーザビー
ムLBは第１図および第２図に示されているレーザ発振器
ヘッド33から出力され、Ｚ軸コラム17,回転体45内を通
って、第１のミラー59で直角に反射され、さらに第２の
ミラー77でも直角に下方へ反射される。次いで、レーザ
ビームLBは集光レンズ105で集光され、ノズルチップ21
より第４図に示す如く照射されてワークＷにレーザ加工
が施されることになる。

加工ヘッド19を光軸方向に移動させるＣ軸駆動モータ85
には、第６図に示されているように、トルクモータ109
が内蔵されている。該トルクモータ109のトルクモータ
軸111の一端側にポテンショメータ113が直結され、また
トルクモータ軸111の他端側にカウンタバランス装置の
カウンタバランスうず巻ばね115が直結されている。し
たがって、カウンタバランスうず巻ばね115によって加
工ヘッド19自体の自重を支え、Ｂ軸駆動モータ75で回転
する加工ヘッド19の角度に関係なく、Ｃ軸駆動モータ85
にかかる機械的な負荷を抑制しているのである。

加工ヘッド19内には第６図に示す如く、変調回路基板11
7および発振回路基板119が内蔵され、ギャップセンサ97
からテフロンケーブル121により発振回路基板119に導か
れている。なお、テフロンケーブル121はレーザビームL
Bの反射熱に耐えられる材質となっている。

したがって、ギャップセンサ97でワークＷとのギャップ
ｇを検知し、常に後述するセンサコントロールユニット
123でギャップｇを一定に保持しているのである。

ギャップセンサ97によるワークＷとのギャップｇの制御
は主数値制御装置29から独立したセンサコントロールユ
ニット123で制御されている。より詳細には第７図およ
び第８図に、ギャップｇの変化に対応して、加工ヘッド
19を駆動するためのフィードバック信号生成の流れが示
してある。適正なギャップｇにノズルチップ21が位置す
る時、第７図におけるアナログ入力は、OVとなりＣ軸駆
動モータ85は駆動しない。しかし、ワークＷの変形、位
置決め誤差などにより、ギャップｇが変化した時、第８
図に示す如く、ギャップセンサ97とワークＷ間の電気容
量Ｃが変化する。電気容量Ｃは、Ｃ＝ε・s/g（但し、
ε：誘電率,s:面積,g:ギャップ（距離））のもとに算出
される。この電気容量Ｃの変化量をセンサコントロール
ユニット123の発振回路119に取り込むことにより、発振
周波数ｆが変化する。発振周波数ｆは、 （但しL:インダクタンス）で求められる。この発振周波
数ｆが変調回路117に取り込まれ、変調回路117により発
振回路119で発生した周波数の変化分Δｆだけを取り出
し、デジタル矩形波に変化した後、周波数カウンタ回路
125に取り込まれる。この周波数カウンタ回路125では、
あるサンプリング時間内に入り込む矩形波の数をカウン
トすることにより、パラレルのデジタル信号が生成され
る。このデジタル信号をD/Aコンバータ127に入力するこ
とにより、ギャップセンサ97の位置フイードバックとし
ての電圧を出力する。一方、上記位置フイードバックに
よりトルクモータ109が起動すると、そのトルクモータ
軸111に直結されたポテンショメータ113からの出力電圧
に変化が生じ、その過渡状態に発生する電圧を、速度フ
イードバックとし、前記位置フイードバック信号との差
によって、サーボ増幅器129に対する基準電圧とする。
その結果、トルクモータ109が回転し、ある設定された
適正ギャップにノズルチップ21が位置決めされた時、位
置フイールドバックすなわちセンサコントロールユニッ
ト123からの出力が0VとなりＣ軸駆動モータ85は停止す
る。なお、センサコントロールユニット123に連結され
ているCNC入出力ユニット131は上述の機能を有効あるい
は無効にするためのスイッチの役割を果すのである。し
たがって、ギャップセンサ97はノズルチップ21とワーク
Ｗ間のギャップｇを検知し、センサコントロールユニッ
ト123で常に予め決めた一定のギャップに保持するよう
Ｃ軸駆動モータ85を制御し、ワークＷにレーザ加工が施
されるのである。

［効果］ 以上のごとき実施例の説明より理解されるように、要す
るに本発明は、数値制御装置（29）の制御の下に互いに
直交するＸ軸,Y軸,Z軸の３次元方向へ移動制御される加
工ヘッド（19）に備えたホルダ（99）を上下動自在に設
け、先端部にノズルチップ（21）を備え、かつ上記ノズ
ルチップ（21）とレーザ加工するワーク（Ｗ）との間の
ギャップ（ｇ）を検出するギャップセンナ（97）を前記
ホルダ（99）に装着して設け、前記ホルダ（99）を上下
動するためのモータ（85）を加工ヘッド（19）に装着し
て設けると共に、前記モータ（85）には前記加工ヘッド
（19）の重量を支えるカウンタバランスうず巻ばね（11
5）を設け、モータ（75）で回転する前記加工ヘッド（1
9）の角度変化に起因して前記モータ（85）にかかる機
械的な負荷を前記カウンタバランスうず巻ばね（115）
により抑制する構成としてなるものである。

上記構成より明らかなように、本発明においては、加工
ヘッド19のX,Y,Z軸方向への移動制御は数値制御装置29
によって行われるものである。

そして、先端部にノズルチップ21を備え、かつ前記ノズ
ルチップ21とレーザ加工するワークＷとの間のギャップ
ｇを検出するギャップセンサ97は、前記加工ヘッド19に
上下動自在に備えたホルダ99に装着してあり、このホル
ダ99を上下動するためのモータ85は加工ヘッド19に装着
してある。前記モータ85には、加工ヘッド19の重量を支
えるカウンタバランスうず巻ばね115を設けることによ
り、モータ75で回転する加工ヘッド19の角度変化に起因
して前記モータ85にかかる機械的な負荷をカウンタバラ
ンスうず巻ばね115で抑制するようにしてある。

すなわち本発明においては、加工ヘッド19自体を上下動
してギャップｇを一定に保持しようとする構成ではな
く、加工ヘッド19に上下動自在に備えたホルダ99を上下
動することによりギャップｇを一定に保持しようとする
構成であるから、上下動する部分の軽量化を図ることが
容易なものである。

また、前記ホルダ99を上下動するためのモータ85は、カ
ウンタバランスうず巻ばね115により作用されて加工ヘ
ッド19の角度変化とは無関係に前記ホルダ99を上下動さ
せることができるので、複雑な立体形状の製品を加工す
る時、ワークの製品寸法のバラツキ、加工中の変形に対
して迅速に加工ヘッドを追従させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案によるレーザ加工装置の正面図である。 第２図は第１図の平面図である。 第３図は第１図の側面図である。 第４図は加工ヘッドまわりの正面断面図である。 第５図は第４図におけるＶ矢視の一部断面図である。 第６図は加工ヘッドの駆動状態を示した説明図である。 第７図はギャップセンサの制御を説明するブロック図で
ある。 第８図はセンサコントロールユニット部のブロック図で
ある。 ［図面の主要部を表わす符号の説明］ 19……加工ヘッド、21……ノズルチップ 29……主数値制御装置、85……Ｃ軸駆動モータ 97……ギャップセンサ、109……トルクモータ 113……ポテンショメータ 115……カウンタバランスうず巻ばね 123……センサコントロールユニット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】数値制御装置（29）の制御の下に互いに直
   交するＸ軸,Y軸,Z軸の３次元方向へ移動制御される加工
   ヘッド（19）に備えたホルダ（99）を上下動自在に設
   け、先端部にノズルチップ（21）を備え、かつ上記ノズ
   ルチップ（21）とレーザ加工するワーク（Ｗ）との間の
   ギャップ（ｇ）を検出するギャップセンサ（97）を前記
   ホルダ（99）に装着して設け、前記ホルダ（99）を上下
   動するためのモータ（85）を加工ヘッド（19）に装着し
   て設けると共に、前記モータ（85）には前記加工ヘッド
   （19）の重量を支えるカウンタバランスうず巻ばね（11
   5）を設け、モータ（75）で回転する前記加工ヘッド（1
   9）の角度変化に起因して前記モータ（85）にかかる機
   械的な負荷を前記カウンタバランスうず巻ばね（115）
   により抑制する構成としてなることを特徴とするレーザ
   加工装置。