TWI583480B - Three - dimensional laser processing machine - Google Patents

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TWI583480B
TWI583480B TW102143321A TW102143321A TWI583480B TW I583480 B TWI583480 B TW I583480B TW 102143321 A TW102143321 A TW 102143321A TW 102143321 A TW102143321 A TW 102143321A TW I583480 B TWI583480 B TW I583480B
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laser
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Tsugumaru Yamashita
Yoshihito Fujita
Saneyuki Goya
Ryota Shibata
Ryu Suzuki
Makoto Yamasaki
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Mitsubishi Heavy Industries Machine Tool Co Ltd
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Description

三維雷射加工機
本發明係關於一種三維雷射加工機。
近年來，高張力鋼板(高強度材料)之採用擴大，其用於各種領域中。例如，於汽車產業中，為了提高汽車之燃油效率而要求使車身零件輕量化，並且要求保持或提高輕量化之車身零件之安全性，作為用以兼顧車身零件之輕量化且高剛性化之材料而採用高強度材料。
使用高強度材料之車身零件等，與使用軟鋼材之先前之零件相比，具有非常高之剛性，難以藉由先前之壓製方式進行切斷或鑽孔加工。因此，於使用高強度材料之零件，有時並非採用壓製方式，而藉由雷射光實施切斷或鑽孔加工。
利用雷射光之加工係藉由三維雷射加工機進行(例如專利文獻1及專利文獻2)。雷射加工係藉由對作為被加工物之工件之被加工部照射雷射光使構件熔融，並以氣體等吹飛已熔融之構件，而進行工件之切斷或鑽孔者。
三維雷射加工機為了提高雷射加工之加工精度等而具備聚光透鏡，經由聚光透鏡而照射雷射光。雷射光藉由聚光透鏡而於工件之被加工部或被加工部之附近聚光，藉此可減小被加工部中被雷射光照射之照射面積。因此，藉由雷射光而熔融之部分變小，由此可實施細形狀或小範圍之切斷或鑽孔之加工，故可進行高精度之加工。
即，被加工物中之雷射光之照射面積影響到雷射加工之加工精 度。作為決定雷射光之照射面積之要素，有雷射光聚光之焦點位置與工件之被加工部之距離。因此，重要的是掌握該距離，於雷射加工時以成為特定距離之方式進行設定。
因此，於先前之三維雷射加工機中，於雷射光照射部之附近具備靜電電容感測器或雷射位移計等距離檢測器(間隙傳感器)。藉由間隙感測器測定至工件之被加工部為止之距離(間隙)，根據間隙測定值算出所照射之雷射光之焦點位置與工件之被加工部之距離，並確認算出結果是否處於雷射加工之加工設定值之公差內。
於利用間隙感測器獲得之算出結果為加工設定值之公差內之情形時，自雷射光照射部照射雷射光，而實施切斷或鑽孔加工。於利用間隙感測器獲得之算出結果為加工設定值之公差外之情形時，移動具有雷射光照射部之雷射頭，再次進行利用間隙感測器之間隙測定、雷射光之焦點位置與工件之被加工部之距離之算出、算出結果之確認，於利用間隙感測器獲得之算出結果成為加工設定值之公差內之後，對工件之被加工部實施雷射加工。
以上所述之自間隙測定至雷射加工為止之一系列動作係對一個被加工部進行，於具有複數個被加工部之工件之雷射加工中，於工件之每個被加工部均進行上述一系列動作。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2010-17745號公報
[專利文獻2]日本專利特開昭61-27192號公報
然而，由於在進行利用間隙感測器之間隙測定、雷射光之焦點位置與工件之被加工部之距離之算出、算出結果之確認之期間，未藉 由雷射光進行切斷或鑽孔加工，故成為提高三維雷射加工機之加工效率之妨礙。
當然，若為了提高三維雷射加工機之加工效率，不測量雷射光之焦點位置與工件之被加工部之距離便進行雷射加工，則無法使該距離符合特定之加工設定值，從而使雷射加工之加工精度降低。
本發明係鑒於上述課題而完成者，其目的在於提高三維雷射加工機之雷射加工之加工效率。
解決上述課題之第一發明之三維雷射加工機之特徵在於：其係將藉由聚光透鏡聚光之雷射光之焦點位置與被加工物之被加工部設定為特定之距離，藉此對上述被加工部實施高精度之雷射加工者，且具備測定上述被加工物之三維形狀之三維形狀測定器，且基於藉由上述三維形狀測定器測定之上述被加工物之三維形狀資料，而將上述雷射光之焦點位置與上述被加工部設定為特定之距離。
解決上述課題之第二發明之三維雷射加工機係如第一發明之三維雷射加工機，其中於上述被加工物之準備空間設置上述三維形狀測定器，且於對上述被加工物實施雷射加工之前，測定於上述準備空間準備之上述被加工物之三維形狀。
解決上述課題之第三發明之三維雷射加工機係如第一或第二發明之三維雷射加工機。其中藉由上述三維形狀測定器測定雷射加工後之上述被加工物之三維形狀，且藉由雷射加工後之上述被加工物之三維形狀資料而確認雷射加工之加工精度。
根據第一發明之三維雷射加工機，由於藉由具備測定被加工物之三維形狀之三維形狀測定器，而可準確掌握被加工物之形狀或被加工部之位置，故無須藉由間隙感測器檢測每個加工部位之間隙等。因 此，可省去利用間隙感測器之間隙檢測時間等，從而可提高三維雷射加工機之雷射加工之加工效率。又，由於基於藉由三維形狀測定器測定出之被加工物之三維形狀資料，而設定雷射光之焦點位置與被加工部之距離，故可實施被加工部之雷射光之照射面積為設定原樣之雷射加工，而不會使雷射加工之加工精度降低。
根據第二發明之三維雷射加工機，藉由於被加工物之準備空間設置三維形狀測定器，而無須確保用以進行三維形狀測定之新的空間，又，於對被加工物實施雷射加工之前，測定於準備空間準備之被加工物之三維形狀，藉此可於對其他被加工物實施雷射加工之期間，獲得被加工物之三維形狀。
根據第三發明之三維雷射加工機，藉由三維形狀測定器測定雷射加工後之被加工物之三維形狀，藉此可確認被加工物是否被按設定原樣實施雷射加工，即確認三維雷射加工機之雷射加工之加工精度。因此，可檢測雷射加工時所產生之加工誤差等，且藉由將該加工誤差等資料加入至下一被加工物之加工資料，可對每個被加工物實施已修正加工誤差等之雷射加工。
1‧‧‧機床
2‧‧‧柱
3‧‧‧橫導軌
4‧‧‧鞍座
5‧‧‧滑枕
6‧‧‧安全外罩
10‧‧‧雷射頭
11‧‧‧雷射光照射部
20‧‧‧加工用工作台
30‧‧‧準備板
40‧‧‧工件更換裝置
41‧‧‧工件更換裝置之本體部
42‧‧‧工件更換裝置之握持部
50‧‧‧掃描裝置(三維形狀測定器之一例)
51‧‧‧掃描裝置之基座部
52‧‧‧掃描裝置之主體部
53‧‧‧掃描裝置之腕部
54‧‧‧掃描裝置之頸部
55‧‧‧掃描裝置之相機
60‧‧‧工件設置治具
B‧‧‧方向
C‧‧‧方向
D‧‧‧方向
E‧‧‧方向
F‧‧‧方向
U‧‧‧方向
V‧‧‧方向
W(W1，W2)‧‧‧方向
X‧‧‧方向
Y‧‧‧方向
Z‧‧‧方向
圖1係表示實施例1之三維雷射加工機之概略立體圖。
圖2係表示實施例1之三維雷射加工機之掃描裝置之概略立體圖。
圖3係表示實施例1之三維雷射加工機之工件更換裝置之工件更換動作之說明圖。
圖4係表示實施例1之三維雷射加工機之工件更換裝置之工件更換動作之說明圖。
圖5係表示實施例1之三維雷射加工機之工件更換裝置之工件更換動作之說明圖。
圖6係表示實施例1之三維雷射加工機之工件更換裝置之工件更換動作之說明圖。
以下，參照附加圖式對本發明之三維雷射加工機之實施例進行詳細說明。當然，本發明並非限定於以下實施例，可於不脫離本發明之宗旨之範圍內進行各種變更。
[實施例1]
首先，參照圖1至圖6對本發明之實施例1之三維雷射加工機之構造進行說明。
如圖1所示，本實施例之三維雷射加工機包含：機床1，其水平設置於地板面；門形柱2，其以橫跨機床1之方式設置；橫導軌3，其支持於柱2之前表面且可相對於柱2而於Z軸方向(垂直方向)移動；鞍座4，其支持於橫導軌3且可沿著橫導軌3於Y軸方向(水平方向)移動；及滑枕5，其被鞍座4握持且可相對於鞍座4於Z軸方向移動。
於滑枕5設置有可相對於滑枕5而於Z軸方向移動且可於C軸方向(繞與Z軸平行之軸)旋動之雷射頭10，於雷射頭10具備可相對於雷射頭10而於B軸方向(繞與Y軸平行之軸)旋動之雷射光照射部11。
自雷射光照射部11照射之雷射光係藉由內置於雷射頭10之未圖示之聚光透鏡，而於作為被加工物之工件W之未圖示之被加工部或被加工部之附近聚光。工件W之未圖示之被加工部藉由照射聚光之雷射光而被加熱，並局部熔融，並且被加工部之熔融之構件藉由自雷射頭10所具備之未圖示之氣體噴射部噴射之氣體而被吹飛，藉此，進行工件W之切斷或鑽孔之高精度加工。
再者，於三維雷射加工機中，為了確保作業人員之安全性等而具備安全外罩6，劃分進行雷射加工之範圍。於圖1中，為了使圖清晰，以二點鏈線表示安全外罩6。
於機床1包含：加工用工作台20，其用以加工工件W；準備板30，其用以準備工件W；及工件更換裝置40(參照圖3至圖6)。於圖1中，省略工件更換裝置40之圖示。
加工用工作台20係可於加工位置(圖1之實線部)與準備位置(圖1之二點鏈線部)之間移動地設置於機床1上，準備板30係以與準備位置之加工用工作台20鄰接之方式設置於機床1之一端側(參照圖1)，工件更換裝置40係設置於準備位置之加工用工作台20與準備板30之間(參照圖3至圖6)。
如圖3至圖6所示，工件更換裝置40包含本體部41與工件握持部42，且還包含：未圖示之升降機構，其使本體部41及工件握持部42於W軸方向(與Z軸平行之軸向)升降；及未圖示之旋轉機構，其使本體部41及工件握持部42於D軸方向(繞與W軸平行之軸)旋轉。
藉由工件更換裝置40，可進行結束雷射加工而移動至準備位置之加工用工作台20上之加工後之工件W1、與用以實施雷射加工而新搬入至三維雷射加工機之準備板30上之加工前之工件W2之更換作業。關於藉由工件更換裝置40進行之加工後之工件W1與加工前之工件W2之更換作業將於下文敍述。
如圖1所示，於本實施例中，於三維雷射加工機之機床1，具備用以測定加工前及加工後之工件W之三維形狀之三維形狀測定器即掃描裝置50。掃描裝置50係設置於機床1之一端側之工件W之準備空間，如圖2所示，其包含：基座部51，其可相對於機床1而於V軸方向(與Y軸平行之軸向)滑動；主體部52，其支持於基座部51且可相對於基座部51而於U軸方向(與X軸平行之軸向)滑動；腕部53，其支持於主體部52且可相對於主體部52而於W軸方向滑動；及頸部54，其支持於腕部53之一端側且可於U軸方向滑動且可於E軸方向(繞與V軸平行之軸)旋動。
於頸部54包含用以測定工件W之三維形狀之二個相機55。再者，於準備板30設置未圖示之旋轉機構，該旋轉機構以可藉由掃描裝置50測定加工前及加工後之工件W整體之形狀之方式，能使設置於準備板30上之工件W於F軸方向(繞與Z軸及W軸平行之軸)旋轉。
即，藉由掃描裝置50之基座部51向V軸方向之滑動、主體部52向U軸方向之滑動、腕部53向W軸方向之滑動、頸部54向U軸方向之滑動且向E軸方向之旋動、及準備板30上之工件W向F軸方向之旋動動作，而可進行各種大小及形狀之工件W之三維形狀之測定。
再者，三維雷射加工機之工件W之搬入及搬出係於準備板30進行。又，工件W係經由工件設置治具60而設置於準備板30上，與工件設置治具60一同於準備板30上旋轉，且與工件設置治具60一同藉由工件更換裝置40進行更換(參照圖3至圖6)。
其次，對利用本發明之實施例1之三維雷射加工機之雷射加工之流程，參照圖1至圖6進行說明。
首先，於在加工位置之加工用工作台20上對工件W1實施雷射加工之期間，藉由未圖示之起重機或作業人員之手動作業，而將加工前之工件W2經由工件設置治具60設置於三維雷射加工機之準備板30上，並藉由掃描裝置50進行加工前之工件W2之三維形狀測定(參照圖1及圖2)。
藉由使設置於準備板30附近之掃描裝置50之基座部51、主體部52、腕部53、及頸部54滑動或旋動，而調整相機55之拍攝位置及拍攝方向，使掃描裝置50適於設置於準備板30上之加工前之工件W2之三維形狀測定。
於準備板30上，藉由未圖示之旋轉機構使工件設置治具60與加工前之工件W2於F軸方向旋轉，並且藉由掃描裝置50進行加工前之工件W2之三維形狀測定。藉由掃描裝置50測定出之加工前之工件W2之 三維形狀資料d2係傳輸至未圖示之資料處理部，以供下述之加工前之工件W2之雷射加工。
再者，如本實施例所述，於對已搬入至三維雷射加工機之工件W1實施雷射加工之期間，進行加工前之工件W2向三維雷射加工機之搬入及利用掃描裝置50之三維形狀測定，藉此並行進行對工件W1之雷射加工與對工件W2之三維形狀測定，故可提高三維雷射加工機之雷射加工之加工效率。
其次，藉由工件更換裝置40，進行加工後之工件W1與加工前之工件W2之更換作業(參照圖1、圖3至圖6)。
設置於加工用工作台20上之加工後之工件W1係於加工位置進行雷射加工之後，向準備位置移動(參照圖1)。
然後，如圖3所示，工件更換裝置40之一側(圖3之右側)之握持部42，於移動至準備位置之加工用工作台20上握持固定有加工後之工件W1之工件設置治具60，另一側(圖3之左側)之握持部42於準備板30上握持固定有加工前之工件W2之工件設置治具60。
繼而，如圖4所示，藉由工件更換裝置40之未圖示之升降機構而使本體部41於W軸方向上升，並且使握持部42、由握持部42握持之工件設置治具60、及固定於工件設置治具60上之加工後之工件W1以及加工前之工件W2上升。
繼而，如圖5所示，藉由工件更換裝置40之未圖示之旋轉機構而使本體部41於D軸方向旋轉，並且使握持部42、由握持部42握持之工件設置治具60、及固定於工件設置治具60之加工後之工件W1以及加工前之工件W2旋轉。因此，加工後之工件W1位於準備板30之上方，加工前之工件W2位於加工用工作台20之上方。
繼而，如圖6所示，藉由工件更換裝置40之未圖示之升降機構而使本體部41於W軸方向下降，並且使握持部42、由握持部42握持之工 件設置治具60、及固定於工件設置治具60上之加工後之工件W1以及加工前之工件W2下降。
藉由未圖示之升降機構而使本體部41於W軸方向下降，藉此，工件設置治具60及固定於工件設置治具60上之加工後之工件W1設置於準備板30上，工件設置治具60及固定於工件設置治具60上之加工前之工件W2設置於加工用工作台20上，從而完成加工後之工件W1與加工前之工件W2之更換作業。
其次，藉由掃描裝置50進行加工後之工件W1之三維形狀測定，並對加工前之工件W2實施雷射加工(參照圖1及圖2)。
與上述之加工前之工件W2之三維形狀測定相同，調整相機55之拍攝位置及拍攝方向，而藉由掃描裝置50進行設置於準備板30上之加工後之工件W1之三維形狀測定(參照圖2)。藉由掃描裝置50測定出之加工後之工件W1之三維形狀資料d1傳輸至未圖示之資料處理部，並與加工前之工件W2之三維形狀資料d2一同用於下述之加工前之工件W2之雷射加工。
再者，於本實施例之三維雷射加工機中，由於僅對工件W實施鑽孔之加工，故於加工後之工件W1與加工前之工件W2之形狀並無大型變化。因此，省略相機55之拍攝位置及拍攝方向之調整。當然，於在三維雷射加工機對工件W實施切斷等雷射加工，而於加工前之工件W2之形狀與加工後之工件W1之形狀存在較大形狀變化之情形等時，亦可再次進行相機55之拍攝位置及拍攝方向之調整。
結束利用掃描裝置50之三維形狀測定之加工後之工件W1係藉由未圖示之起重機或作業人員之手動作業而自準備板30上除去，並將新的工件W3(未圖示)藉由未圖示之起重機或作業人員之手動作業，而經由工件設置治具60設置於準備板30上。
另一方面，設置於加工用工作台20上之工件設置治具60及加工 前之工件W2，藉由加工用工作台20自準備位置移動至加工位置而位於加工位置(參照圖1)。經由工件設置治具60而設置於加工用工作台20上之加工前之工件W2係於加工位置實施雷射加工。
此時用於加工前之工件W2之雷射加工之加工用資料D2係加入有上述加工前之工件W2之三維形狀資料d2、與加工後之工件W1之三維形狀資料d1者。
具體而言，基於加工前之工件W2之三維形狀資料d2，反映每個工件W不同之細微之形狀之差異或工件W2相對於工件設置治具60之位置，而修正用以對工件W2之未圖示之被加工部進行雷射加工之雷射光照射部11之位置及雷射光之照射方向。藉此，可準確掌握所照射之雷射光之焦點位置與工件W2之被加工部之距離，而以成為特定之距離之方式進行設定。
又，將上述之加工後之工件W1之三維形狀資料d1、與對工件W1實施之雷射加工之加工用資料D1進行比較，而確認工件W1是否依照加工用資料D1實施雷射加工，即確認三維雷射加工機之雷射加工之加工精度。藉此，可檢測雷射加工時所產生之加工誤差等，且藉由將該加工誤差等資料加入至工件W2之加工資料D2，而可對工件W2實施已修正加工誤差等之雷射加工。
因此，無須如先前之三維雷射加工機般，使用間隙感測器等針對每個被加工部測定被加工部與雷射光照射部之距離，可省去利用間隙感測器之間隙檢測時間。因此，可提高三維雷射加工機之雷射加工之加工效率。
當然，關於本發明之工件W1之三維形狀測定與工件W2之雷射加工之時序、及將加工後之工件W1之三維形狀資料d1加入至加工用資料之時序，並非限定於本實施例。例如，亦可於對工件W2實施雷射加工之期間，測定加工後之工件W1之三維形狀，於下一工件W3(未圖 示)之加工用資料D3中加入加工後之工件W1之三維形狀資料d1。
又，於本實施例中，雖於與加工用工作台20不同之準備板30進行工件W之準備及三維形狀測定，且將工件W經由工件設置治具60而設置於加工用工作台及準備板30上，但本發明並非限定於此。例如，亦可於準備位置之加工用工作台20上直接準備工件W，於準備位置之加工用工作台20之附近設置掃描裝置50，而以直接設置於加工用工作台20上之狀態進行工件W之加工前及加工後之三維形狀測定。
又，於本實施例中，雖使用掃描裝置50作為三維形狀測定器，但本發明並非限定於此。例如，亦可使用非接觸式(點雷射、線雷射、光學式)、接觸式(探針)作為三維形狀測定器。
再者，本發明亦可適用於雷射加工中之「切斷」、「鑽孔」、「焊接」、「覆層」、「表面改性」、「表面粗糙度提高」。
1‧‧‧機床
2‧‧‧柱
3‧‧‧橫導軌
4‧‧‧鞍座
5‧‧‧滑枕
6‧‧‧安全外罩
10‧‧‧雷射頭
11‧‧‧雷射光照射部
20‧‧‧加工用工作台
30‧‧‧準備板
50‧‧‧掃描裝置(三維形狀測定器之一例)
B‧‧‧方向
C‧‧‧方向
W(W1，W2)‧‧‧方向
X‧‧‧方向
Y‧‧‧方向
Z‧‧‧方向

Claims (3)

  1. 一種三維雷射加工機，其特徵在於：其係將藉由聚光透鏡聚光之雷射光之焦點位置與被加工物之被加工部設定為特定之距離，藉此對上述被加工部實施高精度之雷射加工者，且具備三維形狀測定器，其測定實施雷射加工前與實施雷射加工後之上述被加工物之三維形狀，且基於藉由上述三維形狀測定器測定出之實施雷射加工前之上述被加工物之三維形狀資料與實施雷射加工後之其他上述被加工物之三維形狀資料，而將雷射加工之上述雷射光之焦點位置與上述被加工部設定為特定之距離。
  2. 如請求項1之三維雷射加工機，其中於上述被加工物之準備空間設置上述三維形狀測定器，且於對上述被加工物實施雷射加工之前，藉由上述三維形狀測定器而測定於上述準備空間準備之上述被加工物之三維形狀。
  3. 如請求項1或2之三維雷射加工機，其中於對上述被加工物實施雷射加工之後，藉由上述三維形狀測定器而測定上述被加工物之三維形狀，且藉由雷射加工後之上述被加工物之三維形狀資料而確認雷射加工之加工精度。
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