WO2014109120A1 - 三次元レーザ加工機 - Google Patents

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山下　貢丸
善仁 藤田
呉屋　真之
亮太 柴田
竜 鈴木
真 山▲崎▼
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三菱重工業株式会社
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    • G01B5/0002—Arrangements for supporting, fixing or guiding the measuring instrument or the object to be measured
    • G01B5/0004—Supports

Definitions

  • the present invention relates to a three-dimensional laser processing machine.
  • high-tensile steel plates have been expanded and used in various fields.
  • high-tensile materials For example, in the automobile industry, in order to improve the fuel efficiency of automobiles, it is required to reduce the weight of body parts and to maintain or improve the safety of lightened body parts.
  • High-tensile material is adopted as a material for achieving both.
  • Body parts using high-tensile materials have very high rigidity compared to conventional parts using mild steel materials, making it difficult to cut and drill holes using conventional press methods. Therefore, a part using a high tensile material may be subjected to cutting or drilling with a laser beam instead of a press method.
  • Processing with laser light is performed by a three-dimensional laser processing machine (for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
  • Laser processing is to cut or punch a workpiece by irradiating a workpiece of a workpiece, which is a workpiece, with laser light to melt the member and blowing the molten member with gas or the like.
  • the three-dimensional laser processing machine includes a condensing lens in order to improve the processing accuracy of laser processing and irradiates laser light through the condensing lens.
  • a condensing lens By condensing the laser beam in the workpiece portion of the workpiece or in the vicinity of the workpiece portion by the condenser lens, the irradiation area irradiated with the laser beam in the workpiece portion can be reduced. Therefore, a portion melted by the laser beam is reduced, and a fine shape, a small range of cutting and drilling can be performed, and thus high-precision processing can be performed.
  • the irradiation area of the laser beam on the workpiece affects the processing accuracy of laser processing.
  • As an element for determining the irradiation area of the laser beam there is a distance between a focal position where the laser beam is focused and a work portion of the workpiece. Therefore, it is important to grasp the distance and set it to be a predetermined distance during laser processing.
  • the conventional three-dimensional laser processing machine is provided with a distance detector (gap sensor) such as a capacitance sensor or a laser displacement meter in the vicinity of the laser beam irradiation unit.
  • the gap sensor measures the distance (gap) of the workpiece to the workpiece, calculates the distance between the focal position of the laser beam to be irradiated and the workpiece workpiece from the gap measurement value, and the calculation result is the machining setting in laser machining. Check if it is within the tolerance of the value.
  • the laser beam is irradiated from the laser beam irradiation unit to perform cutting or drilling.
  • the laser head having the laser beam irradiation unit is moved, the gap measurement by the gap sensor, the distance between the focal position of the laser beam and the workpiece processing part And the confirmation of the calculation result is performed again so that the calculation result by the gap sensor is within the tolerance of the machining set value, and then laser machining is performed on the workpiece portion of the workpiece.
  • a series of operations from the gap measurement to the laser machining as described above is performed on one workpiece, and in the laser machining of a workpiece having a plurality of workpieces, the above-described series is performed for each workpiece in the workpiece. Operation is performed.
  • JP 2010-17745 A Japanese Patent Laid-Open No. 61-27192
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to improve the processing efficiency of laser processing in a three-dimensional laser processing machine.
  • the focal position of the laser beam condensed by the condenser lens is set to a predetermined distance from the workpiece in the workpiece.
  • a three-dimensional laser processing machine for performing high-precision laser processing on a workpiece comprising a three-dimensional shape measuring instrument for measuring a three-dimensional shape of the workpiece, and measuring the workpiece measured by the three-dimensional shape measuring instrument. Based on the three-dimensional shape data of the workpiece, the focal position of the laser beam is set to a predetermined distance from the workpiece.
  • the three-dimensional laser processing machine according to the second invention for solving the above-mentioned problems is the three-dimensional laser processing machine according to the first invention, wherein the three-dimensional shape measuring instrument is installed in the setup space of the workpiece, Before performing laser processing on the workpiece, the three-dimensional shape of the workpiece set in the setup space is measured.
  • a three-dimensional laser processing machine for solving the above-mentioned problems is the three-dimensional laser processing machine according to the first or second invention, wherein the workpiece after the laser processing is performed by the three-dimensional shape measuring instrument. The three-dimensional shape is measured, and the processing accuracy of laser processing is confirmed by the three-dimensional shape data of the workpiece after laser processing.
  • the three-dimensional shape measuring instrument for measuring the three-dimensional shape of the workpiece is provided, thereby accurately determining the shape of the workpiece and the position of the workpiece. Since it can be grasped, it is not necessary to detect a gap for each processing part by a gap sensor. Therefore, it is possible to reduce the gap detection time by the gap sensor and improve the processing efficiency of laser processing in the three-dimensional laser processing machine.
  • the distance between the focal point of the laser beam and the workpiece is set based on the three-dimensional shape data of the workpiece measured by the three-dimensional shape measuring instrument, so the irradiation area of the laser beam on the workpiece is set. The same laser processing can be performed, and the processing accuracy of laser processing does not decrease.
  • the three-dimensional laser processing machine According to the three-dimensional laser processing machine according to the second invention, it is not necessary to secure a new space for measuring the three-dimensional shape by installing the three-dimensional shape measuring instrument in the setup space of the workpiece.
  • the three-dimensional shape measuring instrument in the setup space of the workpiece.
  • a three-dimensional shape can be measured.
  • the workpiece is subjected to laser processing as set by measuring the three-dimensional shape of the workpiece after laser processing with a three-dimensional shape measuring instrument. That is, it is possible to confirm the processing accuracy of laser processing in a three-dimensional laser processing machine. Therefore, it is possible to detect machining errors and the like that occur during laser machining, and to incorporate the machining error data into the machining data of the next workpiece, thereby correcting the machining error and the like for each workpiece. Processing can be performed.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a three-dimensional laser beam machine according to Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view showing a scanning device in a three-dimensional laser beam machine according to Embodiment 1.
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the workpiece
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the workpiece
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the workpiece
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the workpiece
  • FIG. It is explanatory drawing which shows the workpiece
  • the three-dimensional laser processing machine includes a bed 1 installed horizontally on the floor, a portal column 2 installed across the bed 1, and a column 2.
  • a cross rail 3 supported on the front surface and movable in the Z-axis direction (vertical direction) with respect to the column 2 and a saddle 4 supported on the cross rail 3 and movable in the Y-axis direction (horizontal direction) along the cross rail 3
  • a ram 5 held by the saddle 4 and movable in the Z-axis direction with respect to the saddle 4.
  • the ram 5 is provided with a laser head 10 that can move in the Z-axis direction with respect to the ram 5 and that can rotate in the C-axis direction (around the axis parallel to the Z-axis).
  • a laser beam irradiation unit 11 that can rotate in the B-axis direction (around an axis parallel to the Y-axis) is provided.
  • the laser beam emitted from the laser beam irradiation unit 11 is collected near a workpiece (not shown) in the workpiece W, which is a workpiece, or in the vicinity of the workpiece by a focusing lens (not shown) built in the laser head 10. .
  • a workpiece to be processed (not shown) of the workpiece W is heated by being irradiated with the focused laser beam and is locally melted, and a melted member of the workpiece is provided from a gas injection unit (not shown) provided in the laser head 10. By being blown away by the injected gas, the workpiece W is cut and drilled with high accuracy.
  • a safety cover 6 is provided to ensure the safety of workers, and the range in which laser processing is performed is divided.
  • the safety cover 6 is indicated by a two-dot chain line.
  • the bed 1 includes a processing table 20 for processing the workpiece W, a setup plate 30 for setting up the workpiece W, and a workpiece changing device 40 (see FIGS. 3 to 6).
  • a processing table 20 for processing the workpiece W
  • a setup plate 30 for setting up the workpiece W
  • a workpiece changing device 40 see FIGS. 3 to 6.
  • illustration of the workpiece replacement device 40 is omitted.
  • the processing table 20 is installed on the bed 1 so as to be movable between a processing position (solid line portion in FIG. 1) and a setup position (two-dot chain line portion in FIG. 1), and the setup plate 30 is processed at the setup position. It is installed on one end side of the bed 1 so as to be adjacent to the work table 20 (see FIG. 1), and the work changer 40 is installed between the processing table 20 and the setup plate 30 at the setup position (FIGS. 3 to 3). (See FIG. 6).
  • the workpiece replacement device 40 includes a main body portion 41 and a workpiece gripping portion 42, and further moves the main body portion 41 and the workpiece gripping portion 42 in the W axis direction (an axis parallel to the Z axis). (Not shown) and a rotating mechanism (not shown) that rotates the main body 41 and the work gripper 42 in the D-axis direction (around the axis parallel to the W axis).
  • the replacement work of the workpiece W 1 after processing and the workpiece W 2 before processing by the workpiece replacement device 40 will be described later.
  • a scanning device 50 which is a three-dimensional shape measuring instrument for measuring the three-dimensional shape of a workpiece W before and after machining on a bed 1 in a three-dimensional laser beam machine.
  • the scanning device 50 is installed in a setup space for the workpiece W on one end side of the bed 1 and, as shown in FIG. 2, a base that can slide in the V-axis direction (axial direction parallel to the Y-axis) with respect to the bed 1.
  • 51, body portion 52 supported by base portion 51 and slidable with respect to base portion 51 in the U-axis direction (axial direction parallel to the X axis), and body portion 52 supported by body portion 52.
  • the neck 54 has two cameras 55 for measuring the three-dimensional shape of the workpiece W.
  • the workpiece W installed on the setup plate 30 is placed on the setup plate 30 in the F-axis direction (Z-axis and Z-axis) so that the entire shape of the workpiece W before and after machining can be measured by the scanning device 50.
  • a rotation mechanism (not shown) that can be rotated around an axis parallel to the W axis is provided.
  • the workpiece W is carried in and out of the three-dimensional laser processing machine by the setup plate 30.
  • the workpiece W is set on the setup plate 30 via the workpiece setting jig 60, rotated on the setup plate 30 together with the workpiece setting jig 60, and replaced by the workpiece replacement device 40 together with the workpiece setting jig 60. (See FIGS. 3 to 6).
  • the workpiece W 2 before being processed is manually set up by a crane (not shown) or a worker by a setup plate in a three-dimensional laser processing machine.
  • the workpiece W 2 is placed on the workpiece 30 via a workpiece placement jig 60, and the three-dimensional shape measurement of the workpiece W 2 before processing is performed by the scanning device 50 (see FIGS. 1 and 2).
  • the scanning device 50 is made suitable for the three-dimensional shape measurement of the workpiece W 2 before processing, which is installed on the setup plate 30.
  • the workpiece setting jig 60 and the workpiece W 2 before processing are rotated in the F-axis direction by a rotating mechanism (not shown), and the three-dimensional shape measurement of the workpiece W 2 before processing is performed by the scanning device 50.
  • the three-dimensional shape data d 2 of the workpiece W 2 before processing measured by the scanning device 50 is transmitted to a data processing unit (not shown) and used for laser processing of the workpiece W 2 before processing described later.
  • the workpiece W 2 before processing is carried into the three-dimensional laser beam machine and the three-dimensional shape measurement by the scanning device 50 is performed on the workpiece W 1 loaded into the three-dimensional laser beam machine. Since the laser processing for the workpiece W 1 and the three-dimensional shape measurement for the workpiece W 2 are performed in parallel, the processing efficiency of laser processing in the three-dimensional laser processing machine can be improved. it can.
  • the work replacement device 40 performs replacement work between the processed workpiece W 1 and the unprocessed workpiece W 2 (see FIGS. 1, 3 to 6).
  • the processed workpiece W 1 placed on the processing table 20 is laser processed at the processing position and then moved to the setup position (see FIG. 1).
  • the gripping portion 42 on one side (right side in FIG. 3) of the workpiece changing device 40 is fixed with the workpiece W 1 after machining on the machining table 20 that has moved to the setup position.
  • the other gripping portion 42 (left side in FIG. 3) grips the workpiece setting jig 60 to which the workpiece W 2 before processing is fixed on the setup plate 30.
  • the main body 41 is raised in the W-axis direction by an elevating mechanism (not shown) in the work replacement device 40, and the gripper 42, the workpiece setting jig 60 gripped by the gripper 42, And the workpiece W 1 after processing fixed on the workpiece installation jig 60 and the workpiece W 2 before processing rise.
  • the main body 41 is rotated in the D-axis direction by a rotation mechanism (not shown) in the workpiece replacement device 40, and the gripper 42, the workpiece setting jig 60 gripped by the gripper 42, Then, the processed workpiece W 1 fixed to the workpiece setting jig 60 and the unprocessed workpiece W 2 rotate. Therefore, the workpiece W 1 after processing is positioned above the setup plate 30, and the workpiece W 2 before processing is positioned above the processing table 20.
  • the main body 41 is lowered in the W-axis direction by an elevating mechanism (not shown) in the work replacement device 40, and the gripper 42, the workpiece setting jig 60 gripped by the gripper 42, Then, the processed workpiece W 1 fixed on the workpiece setting jig 60 and the unprocessed workpiece W 2 are lowered.
  • the main body 41 is lowered in the W-axis direction by a lifting mechanism (not shown), so that the workpiece setting jig 60 and the workpiece W 1 after processing fixed on the workpiece setting jig 60 are set on the setup plate 30.
  • the installation jig 60 and the workpiece W 2 before processing fixed on the workpiece installation jig 60 are installed on the processing table 20, and the replacement work between the workpiece W 1 after processing and the workpiece W 2 before processing is completed. To do.
  • the shooting position and shooting direction of the camera 55 are adjusted, and the three-dimensional of the workpiece W 1 after processing placed on the setup plate 30 by the scanning device 50 is adjusted.
  • Shape measurement is performed (see FIG. 2).
  • the three-dimensional shape data d 1 of the processed workpiece W 1 measured by the scanning device 50 is transmitted to a data processing unit (not shown), and together with the three-dimensional shape data d 2 of the workpiece W 2 before processing, before processing which will be described later.
  • the workpiece W 2 is subjected to laser processing.
  • the shooting position and shooting direction of the camera 55 is omitted.
  • the workpiece W is subjected to laser processing such as cutting in the three-dimensional laser processing machine, and there is a large shape change between the shape of the workpiece W 2 before processing and the shape of the workpiece W 1 after processing, the camera is again used. Adjustment of the shooting position and the shooting direction of 55 may be performed.
  • the processed workpiece W 1 after finishing the three-dimensional shape measurement by the scanning device 50 is removed from the setup plate 30 by a manual operation of a crane or a worker (not shown), and a new workpiece W 3 (not shown) is not shown. It is installed on the set-up plate 30 via the workpiece setting jig 60 by a crane or an operator's manual work.
  • the workpiece setting jig 60 installed on the processing table 20 and the workpiece W 2 before processing are positioned at the processing position as the processing table 20 moves from the setup position to the processing position (see FIG. 1). ).
  • the unprocessed workpiece W 2 set on the processing table 20 via the workpiece setting jig 60 is subjected to laser processing at the processing position.
  • the processing data D 2 used for laser processing of the workpiece W 2 before processing includes the three-dimensional shape data d 2 of the workpiece W 2 before processing and the three-dimensional shape data of the workpiece W 1 after processing. d 1 is incorporated.
  • a three-dimensional shape data d 1 of the work W 1 after processing as described above compares the processed data D 1 of the laser processing applied to the work W 1, the workpiece W 1 is the ways for processing data D 1 Whether or not laser processing is performed, that is, the processing accuracy of laser processing in a three-dimensional laser processing machine is confirmed. This makes it possible to detect the machining error or the like occurring during the laser processing, by weaving data such as the processing error in the processed data D 2 of the workpiece W 2, the laser obtained by correcting the machining error or the like on the workpiece W 2 Processing can be performed.
  • the timing of the three-dimensional shape measurement of the workpiece W 1 and the laser processing of the workpiece W 2 and the timing of weaving the three-dimensional shape data d 1 of the workpiece W 1 after processing into the processing data in the present embodiment will be described in the present embodiment. It is not limited to. For example, while laser processing is performed on the workpiece W 2 , the three-dimensional shape of the workpiece W 1 after processing is measured, and the processing data D 3 of the next workpiece W 3 (not shown) is added to the processing data D 3 after processing.
  • the three-dimensional shape data d 1 of the workpiece W 1 may be incorporated.
  • the work W is set up and the three-dimensional shape is measured on the set-up plate 30 different from the work table 20, and the work W is placed on the work table 20 and the set-up plate 30.
  • the present invention is not limited to this.
  • the workpiece W is set up directly on the machining table 20 at the setup position, the scanning device 50 is provided in the vicinity of the machining table 20 at the setup position, and the workpiece W is machined in a state of being directly installed on the machining table 20.
  • Three-dimensional shape measurement before and after processing may be performed.
  • the scanning device 50 is used as a three-dimensional shape measuring instrument, but the present invention is not limited to this.
  • a non-contact type point laser, line laser, optical type
  • contact type probe
  • the present invention can also be applied to “cutting”, “drilling”, “welding”, “cladding”, “surface modification”, and “surface roughness improvement” in laser processing.

Abstract

集光レンズによって集光するレーザ光の焦点位置を、被加工物（Ｗ）における被加工部と所定の距離に設定することにより、前記被加工部に高精度なレーザ加工を施す三次元レーザ加工機であって、前記被加工物（Ｗ）の三次元形状を測定する三次元形状測定器（５０）を備え、前記三次元形状測定器（５０）によって測定した前記被加工物（Ｗ）の三次元形状データに基づいて、前記レーザ光の焦点位置を、前記被加工部と所定の距離に設定するもの。

Description

三次元レーザ加工機
　本発明は、三次元レーザ加工機に関する。
　近年では、高張力鋼板（ハイテン材）の採用が拡大し、様々な分野において用いられている。例えば、自動車産業においては、自動車の燃費を向上させるためにボディ部品を軽量化させると共に、軽量化されたボディ部品の安全性を保持または向上させることが要求され、ボディ部品の軽量化かつ高剛性化を両立させるための材料としてハイテン材が採用されている。
　ハイテン材を用いたボディ部品等は、軟鋼材を用いた従来の部品に比べて非常に高い剛性を有し、従来のプレス方式による切断や穴明けの加工が困難となる。よって、ハイテン材を用いた部品においては、プレス方式ではなく、レーザ光による切断や穴明けの加工を施すことがある。
　レーザ光による加工は、三次元レーザ加工機によって行われる（例えば、特許文献１および特許文献２）。レーザ加工は、被加工物であるワークの被加工部にレーザ光を照射して部材を溶融させ、溶融された部材をガス等で吹き飛ばすことにより、ワークの切断や穴明けを行うものである。
　三次元レーザ加工機は、レーザ加工の加工精度等を向上させるために集光レンズを備え、集光レンズを介してレーザ光を照射する。集光レンズによってレーザ光がワークの被加工部または被加工部の近傍で集光することにより、被加工部においてレーザ光が照射される照射面積を小さくすることができる。よって、レーザ光によって溶融される部分が小さくなり、細かい形状や小さい範囲の切断や穴明けの加工を施すことができるので、高精度の加工を行うことができる。
　つまり、被加工物におけるレーザ光の照射面積は、レーザ加工の加工精度に影響する。レーザ光の照射面積を決める要素としては、レーザ光が集光する焦点位置とワークの被加工部との距離がある。よって、その距離を把握して、レーザ加工の際に所定の距離となるように設定することが重要となる。
　そのため、従来の三次元レーザ加工機においては、レーザ光照射部の近傍に静電容量センサやレーザ変位計などの距離検出器（ギャップセンサ）を備えている。ギャップセンサによってワークの被加工部までの距離（ギャップ）を測定し、照射するレーザ光の焦点位置とワークの被加工部との距離をギャップ測定値から算出し、算出結果がレーザ加工における加工設定値の公差内にあるか否かを確認する。
　ギャップセンサによる算出結果が加工設定値の公差内である場合には、レーザ光照射部からレーザ光を照射し、切断または穴明けの加工を施す。ギャップセンサによる算出結果が加工設定値の公差外である場合には、レーザ光照射部を有するレーザヘッドを移動し、ギャップセンサによるギャップ測定、レーザ光の焦点位置とワークの被加工部との距離の算出、算出結果の確認を再度行い、ギャップセンサによる算出結果が加工設定値の公差内となるようにしてから、ワークの被加工部にレーザ加工を施す。
　以上のようなギャップ測定からレーザ加工までの一連の動作は一つの被加工部に対して行われ、複数の被加工部を有するワークのレーザ加工においては、ワークにおける被加工部毎に上記の一連動作が行われる。
特開２０１０－１７７４５号公報 特開昭６１－２７１９２号公報
　しかし、ギャップセンサによるギャップ測定、レーザ光の焦点位置とワークの被加工部との距離の算出、算出結果の確認を行っている間は、レーザ光による切断や穴明けの加工を行っていないので、三次元レーザ加工機としての加工効率向上の妨げとなっている。
　もちろん、三次元レーザ加工機としての加工効率を向上させるために、レーザ光の焦点位置とワークの被加工部との距離を計測せずにレーザ加工を行えば、当該距離を所定の加工設定値に合わせることができず、レーザ加工の加工精度が低下してしまう。
　本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたもので、三次元レーザ加工機におけるレーザ加工の加工効率を向上させることを目的とする。
　上記課題を解決する第一の発明に係る三次元レーザ加工機は、集光レンズによって集光するレーザ光の焦点位置を、被加工物における被加工部と所定の距離に設定することにより、前記被加工部に高精度なレーザ加工を施す三次元レーザ加工機であって、前記被加工物の三次元形状を測定する三次元形状測定器を備え、前記三次元形状測定器によって測定した前記被加工物の三次元形状データに基づいて、前記レーザ光の焦点位置を、前記被加工部と所定の距離に設定することを特徴とする。
　上記課題を解決する第二の発明に係る三次元レーザ加工機は、第一の発明に係る三次元レーザ加工機において、前記被加工物の段取りスペースに前記三次元形状測定器を設置し、前記被加工物にレーザ加工を施す前に、前記段取りスペースに段取りした前記被加工物の三次元形状を測定することを特徴とする。
　上記課題を解決する第三の発明に係る三次元レーザ加工機は、第一または第二の発明に係る三次元レーザ加工機において、前記三次元形状測定器によってレーザ加工後における前記被加工物の三次元形状を測定し、レーザ加工後における前記被加工物の三次元形状データによってレーザ加工の加工精度を確認することを特徴とする。
　第一の発明に係る三次元レーザ加工機によれば、被加工物の三次元形状を測定する三次元形状測定器を備えたことにより、被加工物の形状や被加工部の位置を正確に把握することができるので、ギャップセンサによる加工部位毎のギャップの検出等を必要としない。よって、ギャップセンサによるギャップ検出時間等を削減し、三次元レーザ加工機におけるレーザ加工の加工効率を向上させることができる。また、三次元形状測定器によって測定した被加工物の三次元形状データに基づいて、レーザ光の焦点位置と被加工部との距離を設定するので、被加工部におけるレーザ光の照射面積が設定どおりであるレーザ加工を施すことができ、レーザ加工の加工精度が低下することはない。
　第二の発明に係る三次元レーザ加工機によれば、被加工物の段取りスペースに三次元形状測定器を設置することにより、三次元形状測定のための新たな空間を確保する必要がない。また、被加工物にレーザ加工を施す前に、段取りスペースに段取りした被加工物の三次元形状を測定することにより、別の被加工物にレーザ加工を施している間に、被加工物の三次元形状を測定することができる。
　第三の発明に係る三次元レーザ加工機によれば、三次元形状測定器によってレーザ加工後における被加工物の三次元形状を測定することにより、被加工物が設定どおりにレーザ加工を施されているか否か、すなわち、三次元レーザ加工機におけるレーザ加工の加工精度を確認することができる。よって、レーザ加工の際に生じる加工誤差等を検知することができ、その加工誤差等のデータを次の被加工物の加工データに織り込むことで、被加工物毎に加工誤差等を補正したレーザ加工を施すことができる。
実施例１に係る三次元レーザ加工機を示す概略斜視図である。 実施例１に係る三次元レーザ加工機におけるスキャニング装置を示す概略斜視図である。 実施例１に係る三次元レーザ加工機におけるワーク入替え装置のワーク入替え動作を示す説明図である。 実施例１に係る三次元レーザ加工機におけるワーク入替え装置のワーク入替え動作を示す説明図である。 実施例１に係る三次元レーザ加工機におけるワーク入替え装置のワーク入替え動作を示す説明図である。 実施例１に係る三次元レーザ加工機におけるワーク入替え装置のワーク入替え動作を示す説明図である。
　以下に、本発明に係る三次元レーザ加工機の実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。もちろん、本発明は以下の実施例に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、各種変更が可能であることは言うまでもない。
　先ず、本発明の実施例１に係る三次元レーザ加工機の構造について、図１乃至図６を参照して説明する。
　本実施例に係る三次元レーザ加工機は、図１に示すように、床面に水平に設置されるベッド１と、ベッド１を跨ぐように設置される門形のコラム２と、コラム２の前面に支持されコラム２に対してＺ軸方向（垂直方向）に移動可能なクロスレール３と、クロスレール３に支持されクロスレール３に沿ってＹ軸方向（水平方向）に移動可能なサドル４と、サドル４に把持されサドル４に対してＺ軸方向に移動可能なラム５とを有する。
　ラム５には、ラム５に対してＺ軸方向に移動可能かつＣ軸方向（Ｚ軸と平行な軸回り）に回動可能なレーザヘッド１０を設け、レーザヘッド１０には、レーザヘッド１０に対してＢ軸方向（Ｙ軸と平行な軸回り）に回動可能なレーザ光照射部１１を備える。
　レーザ光照射部１１から照射されるレーザ光は、レーザヘッド１０に内蔵された図示しない集光レンズによって、被加工物であるワークＷにおける図示しない被加工部または被加工部の近傍で集光する。ワークＷの図示しない被加工部が、集光したレーザ光を照射されることによって熱せられ、局所的に溶融すると共に、被加工部の溶融した部材がレーザヘッド１０に備える図示しないガス噴射部から噴射されるガスによって吹き飛ばされることにより、ワークＷの切断や穴明けの高精度な加工が行われる。
　なお、三次元レーザ加工機においては、作業員の安全性を確保する等のために安全カバー６を備え、レーザ加工を行う範囲を区分けしている。図１においては、図を明瞭にするために、安全カバー６を二点鎖線で示している。
　ベッド１には、ワークＷを加工するための加工用テーブル２０と、ワークＷを段取りするための段取りプレート３０と、ワーク入替え装置４０（図３乃至図６参照）とを備える。図１においては、ワーク入替え装置４０の図示を省略している。
　加工用テーブル２０は、加工位置（図１における実線部）と段取り位置（図１における二点鎖線部）との間を移動可能にベッド１上に設置され、段取りプレート３０は、段取り位置における加工用テーブル２０と隣り合うようにベッド１の一端側に設置され（図１参照）、ワーク入替え装置４０は、段取り位置における加工用テーブル２０と段取りプレート３０との間に設置される（図３乃至図６参照）。
　ワーク入替え装置４０は、図３乃至図６に示すように、本体部４１とワーク把持部４２とを有し、更に、本体部４１およびワーク把持部４２をＷ軸方向（Ｚ軸に平行な軸方向）に昇降させる図示しない昇降機構と、本体部４１およびワーク把持部４２をＤ軸方向（Ｗ軸に平行な軸回り）に回転させる図示しない回転機構とを備える。
　ワーク入替え装置４０によって、レーザ加工を終えて段取り位置へ移動してきた加工用テーブル２０上における加工後のワークＷ1と、レーザ加工を施すために新たに三次元レーザ加工機に搬入された段取りプレート３０上における加工前のワークＷ2との入替え作業を行うことができる。ワーク入替え装置４０による加工後のワークＷ1と加工前のワークＷ2との入替え作業については後述する。
　本実施例においては、図１に示すように、三次元レーザ加工機におけるベッド１に、加工前および加工後におけるワークＷの三次元形状を測定するための三次元形状測定器であるスキャニング装置５０を備える。スキャニング装置５０は、ベッド１の一端側におけるワークＷの段取りスペースに設置され、図２に示すように、ベッド１に対してＶ軸方向（Ｙ軸に平行な軸方向）に摺動可能な土台部５１と、土台部５１に支持され土台部５１に対してＵ軸方向（Ｘ軸に平行な軸方向）に摺動可能な胴部５２と、胴部５２に支持され胴部５２に対してＷ軸方向に摺動可能な腕部５３と、腕部５３の一端側に支持されＵ軸方向に摺動可能かつＥ軸方向（Ｖ軸に平行な軸回り）に回動可能な首部５４とを備える。
　首部５４には、ワークＷの三次元形状を測定するための二つのカメラ５５を有する。なお、段取りプレート３０には、スキャニング装置５０によって加工前および加工後におけるワークＷ全体の形状を測定することができるように、段取りプレート３０上に設置されたワークＷをＦ軸方向（Ｚ軸およびＷ軸に平行な軸回り）に回転させることができる図示しない回転機構を設けている。
　つまり、スキャニング装置５０における土台部５１のＶ軸方向への摺動、胴部５２のＵ軸方向への摺動、腕部５３のＷ軸方向への摺動、首部５４のＵ軸方向への摺動かつＥ軸方向への回動、および段取りプレート３０上におけるワークＷのＦ軸方向への回転動作によって、種々の大きさおよび形状におけるワークＷの三次元形状の測定を行うことができる。
　なお、三次元レーザ加工機におけるワークＷの搬入および搬出は、段取りプレート３０において行われる。また、ワークＷは、ワーク設置治具６０を介して段取りプレート３０上へ設置され、ワーク設置治具６０と共に段取りプレート３０上で回転され、ワーク設置治具６０と共にワーク入替え装置４０による入替えがなされる（図３乃至図６参照）。
　次に、本発明の実施例１に係る三次元レーザ加工機によるレーザ加工の流れについて、図１乃至図６を参照して説明する。
　まず、加工位置の加工用テーブル２０上においてワークＷ1にレーザ加工を施している間に、図示しないクレーンまたは作業員の手作業によって、加工前のワークＷ2を三次元レーザ加工機における段取りプレート３０上にワーク設置治具６０を介して設置し、スキャニング装置５０による加工前のワークＷ2の三次元形状測定を行う（図１および図２参照）。
　段取りプレート３０の近傍に設置されたスキャニング装置５０の土台部５１、胴部５２、腕部５３、および首部５４を摺動または回動させることにより、カメラ５５の撮影位置および撮影方向を調整し、スキャニング装置５０を段取りプレート３０上に設置された加工前のワークＷ2の三次元形状測定に適するようにする。
　段取りプレート３０上において、図示しない回転機構によってワーク設置治具６０と加工前のワークＷ2をＦ軸方向に回転させると共に、スキャニング装置５０によって加工前のワークＷ2の三次元形状測定を行う。スキャニング装置５０によって測定された加工前のワークＷ2の三次元形状データｄ2は、図示しないデータ処理部に伝達され、後述する加工前のワークＷ2のレーザ加工に供される。
　なお、本実施例のように、加工前のワークＷ2の三次元レーザ加工機への搬入およびスキャニング装置５０による三次元形状測定を、三次元レーザ加工機へ搬入済みのワークＷ1にレーザ加工を施している間に行うことにより、ワークＷ1に対するレーザ加工とワークＷ2に対する三次元形状測定とが並行して行われるので、三次元レーザ加工機におけるレーザ加工の加工効率を向上させることができる。
　次に、ワーク入替え装置４０によって、加工後のワークＷ1と加工前のワークＷ2との入替え作業を行う（図１、図３乃至図６参照）。
　加工用テーブル２０上に設置された加工後のワークＷ1が、加工位置においてレーザ加工された後、段取り位置へ移動する（図１参照）。
　そして、図３に示すように、ワーク入替え装置４０における一方（図３における右方側）の把持部４２は、段取り位置へ移動してきた加工用テーブル２０上で加工後のワークＷ1が固定されたワーク設置治具６０を把持し、他方（図３における左方側）の把持部４２は、段取りプレート３０上で加工前のワークＷ2が固定されたワーク設置治具６０を把持する。
　続いて、図４に示すように、ワーク入替え装置４０における図示しない昇降機構によって、本体部４１がＷ軸方向に上昇すると共に、把持部４２、把持部４２に把持されたワーク設置治具６０、およびワーク設置治具６０上に固定された加工後のワークＷ1ならびに加工前のワークＷ2が上昇する。
　続いて、図５に示すように、ワーク入替え装置４０における図示しない回転機構によって、本体部４１がＤ軸方向に回転すると共に、把持部４２、把持部４２に把持されたワーク設置治具６０、およびワーク設置治具６０に固定された加工後のワークＷ1ならびに加工前のワークＷ2が回転する。よって、加工後のワークＷ1は段取りプレート３０の上方に位置し、加工前のワークＷ2は加工用テーブル２０の上方に位置することになる。
　続いて、図６に示すように、ワーク入替え装置４０における図示しない昇降機構によって、本体部４１がＷ軸方向に下降すると共に、把持部４２、把持部４２に把持されたワーク設置治具６０、およびワーク設置治具６０上に固定された加工後のワークＷ1ならびに加工前のワークＷ2が下降する。
　図示しない昇降機構によって本体部４１がＷ軸方向に下降することで、ワーク設置治具６０およびワーク設置治具６０上に固定された加工後のワークＷ1は段取りプレート３０上に設置され、ワーク設置治具６０およびワーク設置治具６０上に固定された加工前のワークＷ2は加工用テーブル２０上に設置され、加工後のワークＷ1と加工前のワークＷ2との入替え作業が完了する。
　次に、スキャニング装置５０による加工後のワークＷ1の三次元形状測定を行い、加工前のワークＷ2にレーザ加工を施す（図１および図２参照）。
　前述した加工前のワークＷ2の三次元形状測定と同様に、カメラ５５の撮影位置および撮影方向を調整し、スキャニング装置５０によって段取りプレート３０上に設置された加工後のワークＷ1の三次元形状測定を行う（図２参照）。スキャニング装置５０によって測定された加工後のワークＷ1の三次元形状データｄ1は、図示しないデータ処理部に伝達され、加工前のワークＷ2の三次元形状データｄ2と共に、後述する加工前のワークＷ2のレーザ加工に供される。
　なお、本実施例における三次元レーザ加工機では、ワークＷに穴明けの加工のみを施しているので、加工後のワークＷ1と加工前のワークＷ2の形状に大きな変化がない。よって、カメラ５５の撮影位置および撮影方向の調整を省略する。もちろん、三次元レーザ加工機においてワークＷに切断等のレーザ加工を施し、加工前のワークＷ2の形状と加工後のワークＷ1の形状とに大きな形状変化がある場合等には、再度カメラ５５の撮影位置および撮影方向の調整を行っても良い。
　スキャニング装置５０による三次元形状測定を終えた加工後のワークＷ1は、図示しないクレーンまたは作業員の手作業によって段取りプレート３０上から取り除かれ、新たなワークＷ3（図示せず）が図示しないクレーンまたは作業員の手作業によって、段取りプレート３０上にワーク設置治具６０を介して設置される。
　一方、加工用テーブル２０上に設置されたワーク設置治具６０および加工前のワークＷ2は、加工用テーブル２０が段取り位置から加工位置へ移動することにより、加工位置に位置する（図１参照）。加工用テーブル２０上にワーク設置治具６０を介して設置された加工前のワークＷ2は、加工位置において、レーザ加工を施される。
　このとき加工前のワークＷ2のレーザ加工に使用される加工用データＤ2は、前述した加工前のワークＷ2の三次元形状データｄ2と、加工後のワークＷ1の三次元形状データｄ1とを織り込んだものである。
　具体的には、加工前のワークＷ2の三次元形状データｄ2に基づいて、ワークＷ毎に異なる僅かな形状の差異やワーク設置治具６０に対するワークＷ2の位置を反映し、ワークＷ2の図示しない被加工部をレーザ加工するためのレーザ光照射部１１の位置およびレーザ光の照射方向を修正する。これにより、照射されたレーザ光の焦点位置とワークＷ2の被加工部との距離を正確に把握して、所定の距離となるように設定することが可能となる。
　また、前述した加工後のワークＷ1の三次元形状データｄ1と、ワークＷ1に施されたレーザ加工の加工用データＤ1とを比較し、ワークＷ1が加工用データＤ1通りにレーザ加工を施されているか否か、すなわち、三次元レーザ加工機におけるレーザ加工の加工精度を確認する。これにより、レーザ加工の際に生じる加工誤差等を検知することができ、その加工誤差等のデータをワークＷ2の加工データＤ2に織り込むことで、ワークＷ2に加工誤差等を補正したレーザ加工を施すことができる。
　よって、従来の三次元レーザ加工機のように、ギャップセンサ等を用いて被加工部とレーザ光照射部との距離を被加工部毎に測定する必要がなく、ギャップセンサによるギャップ検出時間を削減することができる。よって、三次元レーザ加工機におけるレーザ加工の加工効率を向上させることができる。
　もちろん、本発明におけるワークＷ1の三次元形状測定とワークＷ2のレーザ加工のタイミング、および加工後のワークＷ1の三次元形状データｄ1を加工用データに織り込むタイミングについては、本実施例に限定されない。例えば、ワークＷ2にレーザ加工を施している間に、加工後のワークＷ1の三次元形状を測定し、その次のワークＷ3（図示せず）の加工用データＤ3に、加工後のワークＷ1の三次元形状データｄ1を織り込んでも良い。
　また、本実施例では、ワークＷの段取りおよび三次元形状測定を加工用テーブル２０とは別の段取りプレート３０において行い、ワークＷを加工用テーブル２０および段取りプレート３０上にワーク設置治具６０を介して設置したが、本発明はこれに限定されない。例えば、段取り位置における加工用テーブル２０上に直接ワークＷを段取りし、段取り位置における加工用テーブル２０の近傍にスキャニング装置５０を設け、加工用テーブル２０上に直接設置された状態でワークＷの加工前および加工後の三次元形状測定を行っても良い。
　また、本実施例では、三次元形状測定器としてスキャニング装置５０を用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、三次元形状測定器として、非接触式（ポイントレーザ、ラインレーザ、光学式）、接触式（プローブ）を用いても良い。
　なお、本発明は、レーザ加工における「切断」、「穴明け」、「溶接」、「クラッディング」、「表面改質」、「面粗度向上」にも適用することができる。
１     ベッド
２     コラム
３     クロスレール
４     サドル
５     ラム
６     安全カバー
１０   レーザヘッド
１１   レーザ光照射部
２０   加工用テーブル
３０   段取りプレート
４０   ワーク入替え装置
４１   ワーク入替え装置の本体部
４２   ワーク入替え装置の把持部
５０   スキャニング装置
５１   スキャニング装置の土台部
５２   スキャニング装置の胴部
５３   スキャニング装置の腕部
５４   スキャニング装置の首部
５５   スキャニング装置のカメラ
６０   ワーク設置治具

Claims (3)

  1. 　集光レンズによって集光するレーザ光の焦点位置を、被加工物における被加工部と所定の距離に設定することにより、前記被加工部に高精度なレーザ加工を施す三次元レーザ加工機であって、
    　前記被加工物の三次元形状を測定する三次元形状測定器を備え、
    　前記三次元形状測定器によって測定した前記被加工物の三次元形状データに基づいて、レーザ加工における前記レーザ光の焦点位置を、前記被加工部と所定の距離に設定する
    　ことを特徴とする三次元レーザ加工機。
  2. 　前記被加工物の段取りスペースに前記三次元形状測定器を設置し、
    　前記被加工物にレーザ加工を施す前に、前記三次元形状測定器によって前記段取りスペースに段取りした前記被加工物の三次元形状を測定する
    　ことを特徴とする請求項１に記載の三次元レーザ加工機。
  3. 　前記被加工物にレーザ加工を施した後に、前記三次元形状測定器によって前記被加工物の三次元形状を測定し、
    　レーザ加工後における前記被加工物の三次元形状データによってレーザ加工の加工精度を確認する
    　ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の三次元レーザ加工機。
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