JPS6349389A - レ−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】 発明の技術分野 本発明は、レーザ加工装置に関し、特に曲面形状のワー
クを加工する加工装置において、レーザ照射用ノズル先
端とワーク間の距離を距離センサによって検出し、その
距離を一定に保つようにノズル高さを調整できるレーザ
加工装置に関する。

従来技術 この種のレーザ加工装置においては、ワークに対するノ
ズルの姿勢を常に適正に制御するとともに、さらにワー
クに対するレーザビームの焦点位置を一定に保つことが
必要である。このため、従来からノズル先・瑞あるいは
その付近に取り付けたセンサによってノズル先端とワー
ク間の距離（ギャップ量）を検出し、この距離が一定と
なるようにノズルを移動させ、ワーク面とのギャップ量
をコントロールし、ワーク面にレーザビームの焦点位置
を合わせる方法がとられてきた。

このギャップコントロールは、平板を加工する平面加工
専用のレーザ加工装置であれば通常、ノズルをワーク面
に対し上下方向にのみ動かすことで足りるから、非常に
容易である。ところが、三次元レーザ加工装置において
は、ノズルを移動するために少なくとも５軸の回転によ
りノズルの位置と姿勢を制御するためにノズルのギャッ
プコントロールは、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂ軸方向に５軸フ
イードバツクにより、５軸とも動かすことになる。

したがって、リアルタイムにギャップ量をコントロール
し、しかも畜速でギャップ量の変化に追従することは、
制御系の複雑化をまねき、またサーボの安定性が問題と
なり、高速性と信頼性を低下させる原因にもなる。

このような理由から、ノズル先端部のみを小さい駆動系
により動かすことは、ギャップコントロールの手段とし
て合理的な考えである。しかし、この種の方法をとろう
とすると、ノズル先端を動かす機構が問題となる。すな
わち、ノズル先端部に可動機構を設け、しかも駆動系を
持たせることは、先端部の体積および重量が増え、ワー
クとノズルとの間で干渉が生じるなどの不具合を存する
。

さらに、ギャップ量を検知する距離センサをノズルの近
くに設ける必要があり、このセンサとワークとの干渉が
生ずる。

発明の目的 ここに、本発明の目的は、曲面形状のワークの加工面に
対しノズルの姿勢を任意に制御するとともに、ノズルと
ワークとの距離を一定に保って安定したレーザ加工が行
えるレーザ加工装置を提供することにある。

さらに、本発明の目的は、ノズル先端部にノズルの距離
移動用の駆動系を設ける必要がないため、先端部に重量
がかからず、かつ形状も尖鋭化でき、しかも複雑な制御
系を用いることなく、簡単な構造でノズル高さの適応制
御ができるようにしたレーザ加工装置を提供することに
ある。

発明の概要 そこで、本発明は、加工対象のワークとレーザビーム照
射用の加工ヘッド装置とを三次元方向に数値制御可能な
状態で支持するとともに、上記加工ヘッド装πを三次元
方向の軸のほか、他の２つの軸を中心として回転可能な
状態で支持している。

すなわち、上記レーザ加工ヘッド装置は、２つの回転ブ
ラケットから構成されており、そのうち第１回転ブラケ
ットは、三次元方向の軸例えばＸ軸を中心として回転自
在に支持されており、また第２回転ブラケットは、上記
回転第１軸に対し所定の交角で交差する第２軸を中心と
して回転自在で、しかも上記第１回転ブラケ・ノドに対
し回転自在に支持されている。そして、これらの第１回
転ブラケットおよび第２回転ブラケットは、中空体であ
り、内部にレーザビームを導き、屈曲させながら、上記
の回転第１軸と回転第２軸との交点すなわち加工点に照
射する。この結果、第１回転ブラケットおよび第２回転
ブラケットがいかなる方向に回転したとしても、レーザ
ビームは、常に回転第１軸と回転第２軸との交点、つま
り加工点に向けて照射される。

さらに、本発明は、上記第１回転ブラケットと第２回転
ブラケットとの間の空間内に収納配置される保持筒コン
トロール用の駆動部と、前記第２回転ブラケットの外側
に配置されかつこの駆動部と前記保持筒との間を連結す
るリンク機構とから成る構成とし、もって上述した目的
を達成せんとするものである。

実施例の構成 次に、第１図および第２図は、本発明のレーザ加工装置
Ｍの全体図を示している。

本発明のレーザ加工装面Ｍの加工ヘソド１は、支持枠６
により、２方向に移動可能な上下スライド部５３に取り
付けられている。この上下スライド部５３は、左右に直
立したコラム６３．６３に水平保持されたクロスビーム
５９上を、水平方向（Ｙ方向）に移動可能なサドル５８
にＺ方向に移動可能な状態で支持され、サドル５８に固
定されたサーボモータ５５および既に公知の図示しない
送りねじユニットなどによってＺ方向（高さ方向）に位
置決めされる。

そして、Ｙ方向に移動可能なサドル５８は、クロスビー
ム５９に固定されたサーボモータ６０、および図示しな
い送りねしユニットによってＹ方向に駆動される。なお
、上記クロスビーム５９は、Ｘ方向に延びたベッド６４
をまたいだ状態で、機台６２の上に直立した左右のコラ
を６３．６３によって支持されている。

またテーブル６１は、ベッド６４の上でＸ方向に移動可
能な状態で支持されており、ベッド６４に固定されたサ
ーボモータ６５、および図示しない送りねしユニットに
よってＸ方向に駆動される。

そして、ワークＷは、このテーブル６１の上に固定され
た状態で載せられている。なお、これらのサーボモータ
５５．６０．６５は、制御装置６６によって駆動され、
加工ヘッドエをＹ方向およびＺ方向に移動させ、またワ
ークＷをＸ方向に移動させる。なおレーザ発振器５６か
らのレーザビームしは、伸縮自在な蛇腹状の案内管５７
の内部を通り、サドル５８に固定されたビームベンダ７
１を介して、下方に曲げられ、伸縮自在な蛇腹状の案内
管５４を通って回転第１軸Ａ上に４かれている。

次に第３図ないし第６図は、さらに前記加工へラド１の
詳細を示している。この加工ベッド１は、全体として、
支持枠６、第１回転ブラケット２、および第２回転ブラ
ケット３によって構成されている。

前記第１回転ブラケット２は、第４図から明らかなよう
に、所定の形状で中空状に形成されており、その上端部
分で前記支持枠６に上下の玉軸受け５．５によって回転
自在に保持された第１中空軸４の下端部分に図示しない
ねじによって固定され、前記回転第１軸Ａを中心として
回転自在に支持されている。なおこの第１中空軸４は、
支持枠６の内部のウオーム７、およびウオームホイール
８を介し、支持枠６の外部に固定された第１サーボモー
タ９によって駆動されるようになっている。

また、前記第２回転ブラケット３は、その一端部で前記
第１回転ブラケット２に玉軸受け１１．１１によって、
回転自在に保持された第２中空軸１０の下端部分に図示
しないねじによって取り付けられており、回転第２軸Ｂ
を中心として回転自在に支持されており、ウオーム１２
、ウオームホイール１３および第１回転ブラケット２に
固定された第２サーボモータ１４によって駆動されるよ
うになっている。さらに、この第２回転ブラケット３は
、その他端部分で内部に集光レンズ１９を有する集光手
段１５とノズル１８を保持している。

前記第２回転ブラケット３の他端部分には、案内筒１６
が取り付は固定されていると共に、この案内筒１６内に
は、保持筒１７が光軸方向にのみ摺動自在に嵌装されて
いる。そして、この保持筒１７に前記集光手段１５およ
びノズル１８が一体に保持されている。

一方、第１回転ブラケット２には、第１中空軸４の下方
に位置する反射鏡４７が固定されている。

この反射鏡４７は、回転第１軸Ａに対し、例えば４５°
の傾斜角で取り付けられている。また、第１回転ブラケ
ット２の第２中空軸１０のレーザビームＬの入射側に位
置する箇所には、反射鏡４８が前記反射鏡４７と平行に
固定されている。さらに、第２回転ブラケット３には、
第２中空軸ｌＯのレーザビームＬの集光側に位置する箇
所に反射鏡４９がレーザビームしに対し４５°の傾斜角
度で固定されており、かつ保持筒１７のレーザビームＬ
の入射側に位置する箇所には、反射鏡５０が前記反射鏡
４９と平行に固定されている。

今、第３図および第４図では第１回転ブラケット２と第
２回転ブラケット３が同一平面上にある場合を示してお
り、保持筒エフおよびノズル１８の中心線Ｃは、回転第
１軸Ａと一致している。この場合、レーザビームＬは、
第１中空軸４の上方部分から、回転第１軸Ａに沿って入
射し、前記反射鏡４７で反射され、第１回転ブラケット
２の反射鏡４８側に進行し、この反射鏡４８によって反
射されて回転第２軸已に沿って進行する。そして、この
回転第２軸Ｂ上で、第２回転ブラケット３に取り付けら
れた反射鏡４９側に導かれ、この反射鏡４９によって反
射されて反射鏡５０側に進行し、さらにこの反射鏡５０
によって前記集光手段１５に導かれ、ノズル１８の噴射
孔２７を通ってワークＷの加工点に向けて照射されるよ
うになっている。これらの反射鏡４７．４８．４９．５
０は、レーザビーム誘導手段を構成している。以上のよ
うに、加工ヘッド１を構成することにより、ワークＷの
照射面の方向が変わっても第１回転ブラケット２と第２
回転ブラケット３をそれぞれ回転第１軸Ａと回転第２軸
Ｂの回りを回転させることにより、その照射位置Ｆは移
動することがない。

さらに集光手段１５は、第５図に詳細に示すように、内
部に集光レンズ１９を保持しているレンズマウント２０
と、このレンズマウント２０の外周に配設され、レンズ
マウント２０を前記保持筒１７に取り付けるための取付
用ハウジング２１等から構成されている。この取付用ハ
ウジング２１には、レンズ等の冷却用空気送入口２１ａ
とアシストガス送入口２１ｂが設けられている。アシス
トガス送入口２１ｂから送り込まれてきたアシストガス
は、ノズル１８の先端部からレーザビームＬと同一方向
に噴射するようになっている。また、冷却用空気は、レ
ンズマウント２０の周囲を冷却して、出口ボート２０ａ
から大気に放出される。

なお、冷却用空気およびアシストガスは、支持枠６の２
つのポート６ａ、６ｂからそれぞれ入り、ロータリ継手
６７によって第１中空軸４のポート４ａ、４ｂに達し、
さらにチューブ６９などにより第１回転ブラケット２の
ポート２ｂ、２ｃ、および第２中空軸１０のポート１０
ａ、１０ｂにロータリ継手６８を介して中継され、さら
にチューブ７０により冷却用空気送込口２１ａ、アシス
トガス送込口２１ｂに送り込まれる。

一方、前記ノズル１日は、ノズルホルダ２２を介して前
記集光手段１５の取付用ハウジング２１に固着されてい
る。すなわち、ノズルホルダ２２は、絶縁材料により円
筒状に形成されており、第５図に示すように、その上端
フランジ部２２ａのねじ部７５により前記取付用ハウジ
ング２１に固着されている。また、このノズルホルダ２
２の一側面にはコネクタ取付孔が形成され、同軸ケーブ
ル２３用のコネクタ２４が取り付けられている。

また、このノズルホルダ２２の下部内周部には、その内
径を小さくした小径部２２ｂが突設され、この小径部２
２ｂの下方にノズル嵌合部２２ｃが形成されている。こ
のノズル嵌合部２２ｃには、例えば銅よりなる金属カラ
ー２５が接着等により取り付けられている。そしてこの
金属カラー２５にノズル１８の上端面を当接させ、さら
に下方よりノズルナツト２６を締め付けることにより、
ノズル１８を前記ノズルホルダ２２に固定している。

このノズルナツト２６は、例えばアルミ等の導電性材料
にて形成され、前記ノズルホルダ２２の下部外周に形成
されたねじ部２２ｄに螺合している。また、このノズル
ナツト２６の底部のノズル挿通孔内周には、テーバ状の
保持面２６ａが形成され、この保持面２６ａとノズル１
８の上端部外周縁に形成されたテーバフランジ部１８ａ
とのテーバ係合によりノズル１８をノズルホルダ２２に
強固に締着固定している。

前記ノズル１８は、逆中空円錐状をなし、その先端すな
わち下端中央部には、レーザビームとアシストガス等が
通過する噴射孔２７が形成されている。

このノズル１８は、内側より、ワークＷとの間の電磁的
特性例えば静電容量を検出するための第１電極２８、絶
縁部２９、前記第１電極２日の側面部とワークＷとの間
を電気的に、すなわちここでは静電的に遅閉するための
第２電極３ｏの順に三層構造となっている。

前記ノズル１８は、例えばセラミックスにてなるノズル
基体２９に、例えば銅あるいはニッケル等の金属被膜を
コーティングすることにより形成されている。すなわち
、前記ノズル基体そのものが前記絶縁部２９であり、そ
の内周側面（噴射孔２７内周も含む）より先端面に連続
して前記金属被膜でなる前記第１電極２８が設けられ、
この第１電極２８とは絶縁されて前記ノズル基体２９の
外周側面を覆うように前記金属被膜でなる前記第２電極
３０が設けられている。

さらに、第５図に示すように、前記ノズルホルダ２２の
外周面部にも、例えば銅あるいはニッケル等の金属被膜
２２ｅがコーティングされており、コネクタ２４に螺着
された金属ナツト４６と前記金属被膜２２ｅ部分を介し
て、コネクタ２４は、前記ノズル１８の第２電極３０と
導通ずる前記ノズルナツト２６に電気的に接続されてい
る。そして、このコネクタ２４と導通した第２電線２３
ｂは、同軸ケーブル２３に沿って例えばレーザ加工機本
体側のアース端子に接続され、第２電極３０をワークＷ
と同電位にしている。

また、前記コネクタ２４は、導電性材料で形成され、こ
の中央には同軸ケーブル２３の芯線となる第［電線２３
ａがビニール被覆した状態で挿通され、その外側の第２
電線２３ｂがコネクタ２４にハンダ付けにて接続されて
いる。そして、前記第１電＆１２３　ａは、コネクタ２
４からノズルホルダ２２内を通って前記ノズル１８の第
１電極２８と導通される前記金属カラー２５にハンダ付
は等によって接続されている。そして、前記第１電線２
３ａは、同軸ケーブル２３に沿って、外部に設けられた
電磁的容量検出器としての例えば、静電容量検出器３１
に導かれている。この静電容量検出器３１は、Ｃ（静電
容量）／■（電圧）変換器やアンプ等からなるモータ駆
動制御装置３２に接続され、前記第１電極２８より検出
された静電容量値に基づいてノズル上下コントロール用
の駆動部をなすサーボモータ３３を駆動制御し、ノズル
１８を一体に保持した前記レンズマウント２０および保
持筒１７を案内筒１６に対し光軸方向に移動調整できる
ようになっている。

今、この保持筒１７の調整構造について、さらに詳述す
る。前記第２回転ブラケット３の外側には、第３図およ
び第６図に示すように、支点ピン３４が立設されている
と共に、この支点ピン３４には、レバー３５のほぼ中央
部が回転自在に支持されている。また、このレバー３５
の一方の端部には、ピン３６が固定されており、このピ
ン３６の先端部は、第４図および第６図に示すように、
第２回転ブラケット３に設けた長孔３ａおよび案内筒１
６に設けた孔１６ａを通って保持筒１７に設けた長方形
状の嵌合溝１７ａ内に嵌入している。

なお、長孔３ａは光軸方向に長く、孔１６ａは、保持筒
１７の嵌合溝１７ａより若干大きめに形成されている。

そして、このような構成により、前記レバー３５が支点
ピン３４を中心として回動したとき、保持筒１７は、ピ
ン３６を介して光軸方向に移動させられることになる。

また、第３図および第６図に示すように、前記レバー３
５の中央上端部に形成された突片３５ａには、ピン３７
を介して長さ調整可能な連結ロッド３８の一端部が回動
自在に連結されている。この連結ロッド３８と前記レバ
ー３５とによりリンク機構を構成している。さらに、連
結ロフト３８の他端部は、ピン３９を介して第４図に示
すように、ウオームホイール４０の外周端部近傍つまり
偏心位置に連結されている。このウオームホイール４０
は、はぼ半円形状に形成されており、前記サーボモータ
３３の出力軸をなすウオーム４１と常時噛合関係にある
。したがって、サーボモータ３３の駆動力は、このウオ
ーム４１とウオームホイール４０との噛合関係により、
前記連結ロッド３８およびレバー３５にかなり減速した
状態で伝達されることになる。上記ウオームホイール４
０と同軸上にはウオームホイール４０の回転角度すなわ
ち上記保持筒１７の移動量を検知するためのセンサ４５
が取り付けられている。なお、第６図において、符号４
２は、保持筒１７の案内筒１６内における回転を阻止す
るための回転止めピンである。

前記サーボモータ３３は取付用ブラケット４３を介して
第２回転ブラケット３の上面側に取り付けられており、
かつ第３図および第４図に示すように、第１回転ブラケ
ット２と第２回転ブラケット３の中間空間部４４に配置
されている。したがって、前記サーボモータ３３のため
のスペースを余分に必要としない分だけ、装置自体をコ
ンパクトにできる。また、サーボモータ３３は、前記ノ
グル１日の保持筒１７の側部位置に設けることなく、ノ
ズル１８とは離れたしかもワークＷと対向しない反対側
に取り付けられているので、ノズル１８がワークＷに対
し、いかなる方向に向けられても、ワークＷとの干渉は
防止できる。

実施例の作用 制御装置６６は、ワークＷのティーチング等によりＸ、
Ｙ、Ｚ、Ａ、Ｂの各５軸の位置データがあらかじめ入力
された制御プログラムに基づいて、加工ヘッド１は、Ｘ
、Ｙ、Ｚの所定の加工軌跡に沿って、かつ回転第１軸Ａ
、回転第２軸Ｂの制御によりノズルの方向を変化させな
がらワークＷの加工点を移動させていく。

このような移動中に、レーザ発振器５６から出たレーザ
ビームしは、ビームベンダ７１にヨリ下方に曲げられ第
４図に示すように、加工ヘッド１の第１中空軸４の上方
部分から回転第１軸Ａに沿って入射し、第１回転ブラケ
ット２に取り付けた反射鏡４７によって反射された後、
その横方向にある反射鏡４８によって回転第２軸Ｂ側に
反射される。そして、さらにレーザビームしは、この回
転第２軸Ｂに沿って進行した後、回転第２軸Ｂ上で第２
回転ブラケット３に取り付けられた反射鏡４９によって
反射され、さらに反射鏡５ｏによって反射されて第１集
光手段１５、ノズル１８側に導かれる。このようにして
レーザビームしは、ワークＷの加工点Ｆに向けて照射さ
れる。

本実施例装置においては、２つのサーボモータ９．１４
の回転により第１中空軸４と第２中空軸１０との旋回角
度の組み合わせ、すなわち第１回転ブラケット２、第２
回転ブラケット３の旋回角の組み合わせによって空間の
任意の角度からレーザビームＬをワークＷに投射するこ
とができる。

また、いかなる投射角度においても、レーザビームＬが
第１中空軸４の中心線（回転第１軸Ａ）上の予め設定さ
れた一点Ｆに達して焦点を結び加工が行われる。

加工ヘソド１のこのような構造により、ワークＷの位置
データとは別にレーザビームＬを任意の方向から照射す
ることができる。すなわち、ワークＷに固有の加工軌跡
（Ｘ、Ｙ、Ｚ値）とは別に、任意に回転第１軸Ａおよび
回転第２軸Ｂを制御することができ、さらに回転第１＠
Ａおよび回転第２軸Ｂの変更によっても加工軌跡のデー
タは影響されない。

一方、ノズル１８先端面の第１電極２８から検出される
静電容量値に基づいてノズル１日の先端とワークＷ面間
のギャップ量が常に検出され、この検出値に応じた電気
信号がサーボモータ３３に伝えられる。これにより、サ
ーボモータ３３の出力軸をなすウオーム４１、これと常
時噛合するウオームホイール４０、ピン３９、ロッド３
８およびレバー３５を介して保持筒１７が移動される。

つまり、ワークＷに対するノズル１８の高さが常に適正
１こ移動調整される。すなわち、ギャップ量が所定値よ
り大きいとき、前記ウオームホイール４０は、連結ロッ
ド３８を介してレバー３５を反時計方向へ回動し、この
レバー３５の他端により保持筒１７が下方向へ移動され
、ギャップ量を小さくする方向に作動される。反対にギ
ャップ量が所定値より小さいときは、サーボモータ３３
が逆回転してレバー３５は、ロッド３８を介して時計方
向へ回動され、保持筒１７は、上方向へ移動され、ギャ
ップ量を大きくする方向に作動される。

このようにしてギャップ量を常に一定値に保持すること
ができる。この動作は、同時に合焦調整でもある。

発明の詳細 な説明したように本発明のレーザ加工装置は、曲面形状
のワークの加工面に対し２つの回転軸を制御するのみで
、レーザビームの焦点を中心に任意にノズルの姿勢を変
更することができる。すなわち、ワークに固有のＸＳＹ
、Ｚの加工位置とは別に、任意にノズルの姿勢を変更す
ることができる。

さらに、本発明に係わるレーザ加工装置の加工ヘッドに
よれば、ノズルコントロール用の駆動部を、第２回転ブ
ラケット上に取り付けると共に、第１回転ブラケットと
第２回転ブラケットとの間の空間内に収納配置されるよ
う構成したので、従来のように、ノズル先端部に駆動系
を設ける必要がな（なり、したがって先端部に重量がか
かることがない。しかも、保持筒コントロール用の駆動
部のためのスペースを余分にとる必要がないので、装置
自体をコンパクトにまとめることができる。

また、この保持筒コントロール用の駆動部は、ノズルの
保持筒の側部位置ではなくて、ノズルとは離れかつワー
クと対向しない反対側に取り付けられているので、ワー
クとの干渉は確実に防止できる。さらに、保持筒コント
ロール用の駆動部と保持筒とを連結するリンク機構は、
第２回転ブラケットの外側に配設されているので、レー
ザビームの熱による変形を生じることなく、動力伝達を
確実に行うことができ、しかも耐久性もよい。加えて、
複雑な制御系を用いることなく簡単な構造でノズル高さ
の微調整が行える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係わるレーザ加工装置の一実施例を示
す正面図、第２図は第１図のＶ　−Ｖ断面図、第３図お
よび第４図は本発明に係わる加工ヘッドの正面図と断面
図、第５図はノズル部分の拡大断面図、第６図は加工ヘ
ッドにおける保持筒、案内筒およびリンク機構の取付関
係を示す横断面図である。 １・・加工ヘッド、２・・第１回転ブラケット、３・・
第２回転ブラケット、４・・第１中空軸、１０・・第２
中空軸、１５・・集光手段、１７・・保持筒、１７ａ・
・嵌合孔、１８・・ノズル、３３・・サーボモータ、３
５・・レバー、３６・・ピン、３７・・ピン、３８・・
ロッド、３９・・ピン、４０・・ウオームホイール、４
１・・ウオーム、４４・・空間。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）加工対象のワークに対し加工ヘッドを三次元方向
   に相対的に移動可能な状態で支持してなるレーザ加工装
   置において、上記加工ヘッドを、三次元方向の１つの軸
   を回転第１軸として回転自在に支持された第１回転ブラ
   ケットと、上記回転第１軸に対して所定の交角で交差す
   る回転第２軸上で上記第１回転ブラケットに回転自在に
   支持された第２回転ブラケットと、上記の第１回転ブラ
   ケットおよび第２回転ブラケット内に導かれたレーザビ
   ームを上記回転第１軸と上記回転第２軸との交点に向け
   て照射するレーザビームの集光手段とからなることを特
   徴とするレーザ加工装置。
2. （２）上記加工ヘッドは、上記第２回転ブラケットに光
   軸方向に摺動自在に取り付けられ、かつ集光手段および
   ノズルを保持した保持筒と、前記第２回転ブラケット上
   に取り付けられると共に前記回転第１軸と保持筒および
   ノズルの中心線とが一致した状態においてこの第１回転
   ブラケットと第２回転ブラケットとの間の空間内に収納
   配置される保持筒コントロール用の駆動部と、前記第２
   回転ブラケットの外側に配置されかつこの駆動部と前記
   保持筒との間を連結するリンク機構とから成ることを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ加工装置。