JPS6111154B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、レーザー加工装置、特に被加工物の
表面に集束させたレーザー光を照射しながら指令
通りの行程を自動走行させ、被加工物の切断加工
を行うことができる数値制御装置を備えたレーザ
ー加工装置において、被加工物の円弧状に折曲し
た部分をレーザー光により縦方向に切断加工する
場合に、被加工物に対するレーザー光の切断加工
方向への走行速度を常に一定となるように調整で
きるような自動制御機構を設けてレーザー光の被
加工物に与える加工エネルギーが、被加工物の切
断箇所のどこでも均一となるようにし、円弧状に
折曲した被加工物を、仕上げ工程が不要なように
美しく切断加工できるようにしたレーザー加工装
置に関するものである。 レーザー光は、自然光と比べ指向性が良く、直
線的に遠方まで進み、かつ位相が揃つていてその
集束性が良いため、集束レンズによりレーザー光
を絞れば10⁹W／cm²もの高エネルギーに凝縮させ
ることができ、被加工物に上記凝縮させた高エネ
ルギーのレーザー光を照射させ、被加工物の表面
を加熱して溶融または蒸発させることにより、各
種材料の切断、穴明けや、焼入れ焼もどしの熱処
理作業、および溶接等を行うことができる。この
レーザー光を凝縮させた高エネルギーは、環境汚
染につながる臭気等を発生させることも無く、非
常にクリーンなエネルギー源であり、また、レー
ザー光を用いて切断、穴明け等をした加工面は平
滑で美しく、仕上げ工程が不要なため、各種加工
分野において急速に応用されつつある。しかして
従来より高エネルギーに凝縮したレーザー光を被
加工物の表面に照射しながら指令通りの行程を自
動走行させて被加工物の切断加工を行うことがで
きる数値制御装置を備えたレーザー加工装置が開
発されている。そのレーザー加工装置の一例を図
面に従つて詳述する。第１図および第２図は、被
加工物１０の要求される切断加工面を示してい
る。被加工物１０は、平板状を成し、その一部が
内側の曲率がR₁に、また外側の曲率がR₂となる
ように円弧状に直角に折曲している。被加工物１
０の切断加工面１２は、第２図に示すごとく一定
の角度傾斜している。この様な円弧状に折曲した
被加工物１０を上記のごとく縦方向にその切断加
工面を一定の角度傾斜させてレーザー切断加工を
行うのには、例えば第３図に示すごとく機構を用
いる。第３図において１０は被加工物であり、被
加工物１０の上方には、集束させたレーザー光１
４を発生する発振器１６が設けられている。発振
器１６は、被加工物１０の表面に対して垂直方向
に設けた回転軸１８に回転自在に軸承されている
と共に、回転軸１８先軸に固着した円弧杆２０に
沿つて回転軸１８を含む平面内で自在に摺動でき
るように支持されている。上記円弧杆２０は、発
振器１６から発せられるレーザー光１４の焦点２
２を中心とし、レーザー光１４の焦点２２から発
振器１６までの距離を半径とする円弧状に折曲し
ていて、レーザー光１４の焦点２２が常に発振器
１６の回転軸１８上にあり、発振器１６を、回転
軸１８のまわりに回転させると、レーザー光１４
は、その焦点２２を頂点とした円錐形を描くよう
に構成されている。 ２４は、モーターであり、モーター２４の出力
軸には、平歯車２６が固着されている。また上記
発振器１６の回転軸１８にも平歯車２８が固着さ
れ、上記モーター２４の出力軸の平歯車２６と噛
み合つており、モーター２４の回転力が両平歯車
２６および２８を介して発振器１６の回転軸１８
に伝達できるようになつている。また、３０は発
振器１６の回転軸１８の回転角を検出できる検出
器であり、その信号入力軸３２には平歯車３４が
固着させ、前記発振器１６の回転軸１８の平歯車
２８と噛み合つており、上記発振器１６の回転軸
１８が回転すると、それにつれて平歯車２８およ
び３４を介して信号入力軸３２が回転し、発振器
１６の回転角度が検出できるようになつている。 被加工物１０は、モーター、ギヤーボツクス、
位置検出器および駆動ネジ等（図示せず）からな
る数値制御装置（図示せず）と連結した駆動機構
により、発振器１６の回転軸１８に対して垂直な
水平面内で、数値制御装置に与えた指令通りの行
程を、レーザー光１４に対して相対的に自動走行
できるようになつている。 また、発振器１６は、上述数値制御装置に与え
た指令に従い、モーター２４が回転して回転軸１
８を中心に一定の角度適宜自動的に回転できるよ
うになつている。 以上のような構成により、発振器１６を円弧杆
２０に沿つて摺動させ、レーザー光１４の被加工
物１０の表面に照射する角度を、被加工物１０の
求めたい切断加工面１２の傾斜角と一致させる位
置に発振器１６を固定すると共に、レーザー光１
４の焦点２２が被加工物１０の切断加工面１２の
中央部に来るように発振器１６を位置づけ、被加
工物１０に対し、レーザー光１４を、上述駆動機
構により水平面内で相対的に所定行程を移動させ
て、被加工物１０の平面状をなす部分を、一定の
傾斜を持たせて所定の部分を切断加工することが
できる。 また、被加工物１０の円弧状に折曲した折曲部
分３６を一定の傾斜角を持たせて切断しようとす
る場合には、第４図に示すごとく、折曲部分３６
の曲率の中心３８に、レーザー光１４を発する発
振器１６を置き、レーザー光１４の焦点２２が、
一点鎖線４０で示す切断加工面１２の中央部分を
たどるように位置づけると共に、発振器１６を円
弧杆２０に沿つて摺動させ、発振器１６から発す
るレーザー光１４が、被加工物１０表面に対して
所要の角度傾斜するようにし、発振器１６を回転
軸１８を中心に回転させることにより、被加工物
１０の折曲部分を、縦方向に、一定の傾斜角を持
たせて切断加工することができる。 この様に、一般にレーザー加工装置により、第
４図に示すごとく、円弧状に折曲した部分を持つ
平板状の被加工物１０を、一定の傾斜角を持たせ
て縦方向に連続して切断加工するのには、第４図
において円弧状に折曲した折曲部分３６の曲率の
中心３８を、原点とし、横方向にＸ軸、また縦方
向にＹ軸をとると、レーザー光１４の焦点２２の
通過すべき軌跡は、加工切断面１２中央部の一点
鎖線４０で示され、レーザー光１４が被加工物１
０の左側から侵入し、右下方にぬけ出るようにし
て切断加工しようとすれば、Ｙ軸と一点鎖線４０
との交点４２までは、レーザー光１４は、発振器
１６の上方から見た場合に、Ｙ軸４４と平行にＸ
軸４６方向へとレーザー光１４が加工切断面１２
中央部分の一点鎖線４０上を進まねばならず、ま
た、Ｘ軸４６と一点鎖線４０との交点４８から下
方にかけては、レーザー光１４は、Ｘ軸４６と平
行にＹ軸方向と反対方向に切断加工面１２の一点
鎖線４０上を進まねばならない。しかして、上記
Ｙ軸４４と一点鎖線４０との交点４２から、Ｘ軸
４６と一点鎖線４０との交点４８までの被加工物
１０の折曲部分１２では、レーザー光１４は、折
曲部分の曲率の中心３８を中心に回運動する必要
があり、しかもレーザー光１４は、円弧状の折曲
部分３６の各加工点で、常にその曲率の中心方
向、すなわち加工切断面１２中央部分の各加工点
で、加工軌跡である一点鎖線４０と常に垂交して
いることが必要である。このことは、前記第３図
のレーザー加工装置において述べた被加工物１０
をレーザー光１４に対して相対的に指令通りに自
動走行させる駆動機構により、被加工物１０上を
レーザー光１４を移動させてその折曲部分３６を
切断加工する際に、被加工物１０の折曲部分３６
の各加工点へのレーザー光１４の位置決めを上記
駆動機構を用いて行うことと同期して、折曲部分
３６の各加工点において、レーザー光１４の方向
が、被加工物１０の折曲部分３６の曲率の中心方
向を常に向くように制御することが必要となる。 さらに、被加工物１０の折曲部分３６を仕上げ
工程が不要となるように、平滑に美しくレーザー
光１４を用いて切断加工するのには、被加工物１
０の材質、板厚が均一であり、その切断傾斜角を
均一にすると、被加工物１０の折曲部分３６の各
加工点において、レーザー光１４の加工切断方向
への被加工物１０に対する相対速度を常に一定と
し、被加工物１０の各加工点で、常に均一なレー
ザー光１４の加工エネルギーを被加工物１０の切
断箇所に与える必要がある。すなわち第４図にお
いて、被加工物１０の平面部分５０，５２および
折曲部分３６でのレーザー光１４の切断加工方向
への走行速度は、常に均一とすることが望まし
い。 しかしながら、従来のレーザー加工装置は、い
ずれも被加工物１０の折曲部分３６を切断加工す
る際に、レーザー光１４の被加工物１０に対する
切断加工方向への走行速度が、被加工物１０の平
面部分５０，５２の切断加工時の加工速度と同一
となるように同期してレーザー光１４を被加工物
１０に対して相対的に走行させる制御機構が設け
られておらず、被加工物１０の折曲部分３６を一
定の傾斜に凹凸が無く仕上げ工程が不要となるよ
うに美しく切断加工することが困難であつた。 本発明は、前述した従来の課題に鑑み為された
ものであり、その目的は、材質、板厚が均一であ
る平板状の被加工物の折曲部分を、集束させたレ
ーザー光を照射させて縦方向にその切断傾斜角が
一定であるように切断加工する際に、レーザー光
の被加工物に対する切断加工方向への走行速度が
常に均一となるように同期させてレーザー光を被
加工物に対して相対的に走行させる自動制御機構
を設け、被加工物の各切断箇所に均一なレーザー
光による加工エネルギーを与えるようにし、被加
工物の折曲部分を、切断加工面が仕上げ工程が不
要であるように凹凸が無く美しく切断加工できる
ようなレーザー加工装置を提供するにある。 上記目的を達成するために、本発明にかかるレ
ーザー加工装置は、前記発振器の回転角度を検出
する検出器と、該検出器の出力と前記数値制御装
置の移動指令出力とから前記回転軸まわりの回転
速度のＸ軸及びＹ軸方向への速度ベクトル演算を
行なうベクトル演算回路を有し、該演算結果より
前記発振器の走行速度を制御する自動制御機構
と、を備え、円弧状をなす被加工物上で、レーザ
ー光が被加工物に対し、相対的に切断加工方向に
常に一定な加工速度で移動してレーザー光により
被加工物を切断加工できるようにしたことを特徴
とする。 以下、図面に基づいて本発明の好適な実施例を
説明する。 第６図のブロツク図において、破線６０で囲ま
れた部分は、前述した従来のレーザー加工装置に
おけるレーザー光の被加工物に対する位置決め制
御方法の一実施例を示すブロツク図であり、その
数値制御機構を説明すると、テープ６２に記録さ
れた被加工物の切断加工指令が、テープリーダー
６４を通して演算頭脳部６６へと送られると、第
３図において説明したレーザー加工装置における
レーザー光と被加工物との相対的な移動を行わせ
る駆動機構の各軸の移動距離、移動速度およびレ
ーザー光を発する発振器１６の回転軸１８の移動
角度、移動速度等の演算が行われる。そしてこの
演算頭脳部６６の演算結果は、それぞれ駆動機構
のＸ軸、Ｙ軸および発振器１６の回転軸１８のそ
れぞれのレジスター６８，７０および７３に分配
される。各軸レジスター６８，７０および７２に
おいては、分配された移動距離、移動速度等の指
令は、移動距離に比例するパルス数と、移動速度
に比例するパルスの速さを持つ電気信号に置換さ
れ、各軸の突合せ点７４，７６および７８を経由
して比較回路８４，８６および８８へと出力され
る。すると、駆動機構のＸ軸およびＹ軸に連結し
た検出器８０，８２および発振器１６の回転軸１
８に連結した検出器３０から突合せ点７４，７６
および７８に、各軸の実際の移動距離、移動速度
等の電気信号がフイードバツクされ、比較回路８
４，８６および８８で、上記各レジスター６８，
７０および７２の電気信号のパルス数と上記各検
出器８０，８２および３０からフイードバツクさ
れる電気信号のパルス数と比較され、駆動機構の
各軸の移動すべき残距離および発振器１６の回転
軸１８の回転すべき残回転角がチエツクされ、ま
た検出器８０，８２および３０からフイードバツ
クされる電気信号のパルスの速さと、上記各レジ
スター６８，７０および７２の電気信号のパルス
の速さが比較されて駆動機構の各軸および発振器
１６の回転軸１８の回転速度がチエツクされ、さ
らに比較回路８４，８６および８８で、それぞれ
上記突合せ点７６，７４および６８から送られた
電気信号とのパルスの位相差がアナログ値に変換
され、出力される。比較回路８４，８６および８
８から出力された電気信号は、各軸の駆動増幅器
９０，９２および９４で増幅されて指令電圧とし
て各軸の回路へと出力され、各軸の駆動モータ９
６，９８および９９が指令電圧に従つて駆動する
ことにより、加工指令に従い被加工物に対してレ
ーザー光を、所定の加工箇所に沿つて所定の加工
速度で自動走行させることができるように構成さ
れている。 本発明において特徴的なことは、上述の従来の
数値制御機構において、第６図のブロツク図に一
点鎖線で囲まれた自動制御機構１００が新たに設
けられていることである。すなわち、発振器１６
の検出器３０から送られる発振器１６の回転角度
に比例した電気信号のパルス数、あるいはアナロ
グ電圧の電気的出力を、波形整形しＡ／Ｄ変換を
行う変換回路１０２、およびその変換回路１０２
からの出力と、前記従来の数値制御機構の演算頭
脳部６６の各軸の移動指令を受け取り、レーザー
光１４の各加工点での回転軸１８まわりの回転速
度のＸ軸およびＹ軸方向への速度ベクトル演算を
行い、前記Ｘ軸のレジスター６８、およびＹ軸の
レジスター７０へと出力されるベクトル演算回路
１０４が新たに設けられ、上記ベクトル演算回路
１０４と、前記演算頭脳部６６より直接送られて
くるＸ軸およびＹ軸の移動指令の加減算が、Ｘ軸
のレジスター６８およびＹ軸のレジスター７０で
行われるようになつていることである。 すなわち、前記した第４図において被加工物１
０の折曲部分３６を、レーザー光を用いて一定の
傾斜を持たせて切断加工するのには、レーザー光
の発振器１６は、常に折曲部分３６の曲率の中心
３８にあつて曲率の中心３８を中心にレーザー光
が回転して被加工物１０を縦方向に切断加工する
ようにする必要があり、レーザー光１４の被加工
物１０上の走行速度ベクトルVcは、レーザー光
１４と垂直で、その回転方向に常に向いており、
第４図中のＹ軸に対するレーザー光１４の回転角
度がそれぞれθ_１、およびθ_２のレーザー光１４
の走行速度ベクトルVcのＸ軸成分VxおよびＹ軸
成分Vyは、それぞれ次式に示す式で表わすこと
ができる。

【表】 第５図は、上記数式を図形で表わしたものであ
り、その縦方向にそれぞれＸ軸成分、およびＹ軸
成分をとり、横方向にレーザー光のＹ軸に対する
回転角度θ_１，θ_２をとると、この様な三角函数
曲線で表わすことができる。 しかして前記演算頭脳部６６から直接出力され
る駆動機構へのＸ軸およびＹ軸の移動指令速度を
それぞれSx，Syとすれば、最終的なＸ軸の駆動
モータ９６およびＹ軸の駆動モータ９８の回転速
度の合成ベクトルすなわちレーザー光の被加工物
に対する加工速度Vcが一定となるためには、 Vc＝√（±）²＋（±）₂＝一定 の関係式を満足する速度指令Sx、およびSyを最
終出力指令としてベクトル演算回路１０４とレジ
スター６８および７０とで計算し、前記駆動機構
の各軸の比較回路８４および８６へと出力すれば
良く、この様な被加工物に対するレーザー光の切
断加工方向への走行速度を常に一定となるように
調整できる上記自動制御機構１００を従来のレー
ザー加工装置に設けることにより、被加工物に切
断箇所のどこでも均一なレーザー光による加工エ
ネルギーを与えられることができる。 なお、上述の自動制御機構１００を設けるレー
ザー装置は、レーザー光の発振器の回転軸上に常
に発振器から発せられるレーザー光の焦点がある
ように構成されたものを用いることを前提として
いる。これは、レーザー光の焦点がレーザー光の
発振器の回転軸上に無いとすると、前記レーザー
光に対する被加工物の加工速度を一定とするため
に最終出力指令として駆動機構の各軸の比較回路
８４および８６出力する最終速度指令Sx、およ
びSyのベクトル計算が複雑となり、その回路機
構を組むことが困難であるからである。 また、上述実施例においては、レーザー光すな
わち発振器の回転角度の検出に、機械的に同期す
る検出器３０を用いているが、発振器の回転角度
をカウントし、その結果を記憶しておくレジスタ
ーを別途用意し、そのレジスターからの出力によ
り上述自動制御機構１００が作動するようにして
も良い。 この様に本発明によるレーザー加工装置を用い
て円弧状の折曲部分を持つ被加工物を縦方向に切
断加工すれば、常にレーザー光の加工エネルギー
を被加工物のどの切断加工箇所でも均一に被加工
物に与えることができ、その結果、被加工物の切
断加工面が凹凸が無く仕上げ工程が不要となるよ
うに美しくレーザー切断加工することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は被加工物の切断加工面の１例を示す図
であり、第２図はその−断面図である。第３
図は従来のレーザー加工装置の１例を示す図であ
る。第４図は被加工物の折曲部分をレーザー切断
加工する場合の説明図である。第５図は被加工物
の折曲部分をレーザー切断加工する場合のレーザ
ー光の被加工物に対する加工速度のＸ軸およびＹ
軸方向のベクトルを曲線で表わした図であり、第
６図は本発明に係るレーザー加工装置の制御機構
を示すブロツク図である。 各図中同一部材には同一符号を付し、１０は被
加工物、１４はレーザー光、１６は発振器、１８
は回転軸、１００は自動制御機構である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ レーザー光を発生する発振器と、 前記発振器を回転自在に支持すると共に発振器
   の回転軸を含む平面内で発振器から発せられるレ
   ーザー光の焦点を中心とし発振器とレーザー光と
   の焦点までの距離を半径とする円弧に沿つて自在
   に発振器をその回転軸に対して適宜傾斜させるこ
   とができる機械系と、 被加工物の希望する加工点に前記発振器から発
   せられるレーザー光を与えられた指令に従がつて
   被加工物上を自動走行させることができると共に
   前記発振器をその回転軸のまわりに指令通りの角
   度に適宜回転できるような数値制御装置を備えた
   機械系と、 からなるレーザー加工装置において、 前記発振器の回転角度を検出する検出器と、該
   検出器の出力と前記数値制御装置の移動指令出力
   とから前記回転軸まわりの回転速度のＸ軸及びＹ
   軸方向への速度ベクトル演算を行うベクトル演算
   回路を有し、該演算結果より前記発振器の走行速
   度を制御する自動制御機構と、 を備え、円弧状をなす被加工物上で、レーザー
   光が被加工物に対し、相対的に切断加工方向に常
   に一定な加工速度で移動してレーザー光により被
   加工物を切断加工できるようにしたことを特徴と
   するレーザー加工装置。