JPH03193290A - レーザ加工機及びレーザ加工方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は切断、溶接等のレーザ加工機及びレーザ加工方
法に関し、微細加工用の加工ヘッドを設けたレーザ加工
機及びこの加工ヘッドを制御してレーザ加工を行うレー
ザ加工方法に関する。

〔従来の技術〕

近年、レーザ加工の応用分野はますます多岐にわたり、
レーザ加工機そのものも、より柔軟性を増すと同時に精
密加工性能が求められてきている。

３次元レーザ加工機、レーザロボットはそのようなニー
ズを満たすものとして期待が集まっている。

特にレーザロボットは、きわめて柔軟性のある生産加工
手段であり、従来、特殊な治具を製作しなければレーザ
加工機のベツドの中でしか利用できなかった高出力レー
ザビームを、様々な形状、大きさをした被加工物に照射
して加工することが出来る。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところが、このような３次元レーザ加工機、レーザロボ
ットでは、その柔軟性を増すために、機構の剛性が低下
しがちであり、サーボ系の応答速度が遅くなっているの
が一般的傾向である。

また、被加工物をある形状に加工するには、加工すべき
経路や加工ヘッドの姿勢をあらかじめプログラムしてこ
れを再生するが、各駆動軸のモータに出す指令は、プロ
グラムされた経路や姿勢から演算して送られる。これら
の指令は、機構に無理がかからぬよう予め加減速時間を
含ませである。

こうして、全ての軸が同期しながら、加工が遂行される
。このようなシステムにおいてはすべての軸を同時制御
して経路を補間するため補間遠度が遅く、大きな機械本
体に無理のかからぬよう加減速時間が長く設定されてい
る。

さらに、機構が運動学的に複雑であり、簡単な直交座標
系で構成された加工機に対して、直線、円弧の補間の演
算時間が増大してしまっている。

この結果、これらのレーデロボット等では、例えばφ５
０以下の円のような微細な形状を、精度良く加工するの
を、非常に不得手としている。さらに、レーザ加工にお
いては、加工速度制御が重要であり、この点でも従来の
システムでは、高速で加工を行おうとすると、軌跡制御
性が速度に応じて極端低下するのが常である。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、微
細な形状を加工する加工ヘッドを設けたレーザ加工機を
提供することを目的とする。

また、本発明の他の目的はこの加工ヘッドによって、微
細な形状を加工するレーザ加工方法を提供することであ
る。

〔課題を解決するための手段］ 本発明では上記課題を解決するために、レーザビームを
反射鏡を用いて導入し、集光してレーザ加工を行うレー
ザ加工機において、発振器側から最も遠い反射鏡を、前
記反射鏡に入る光軸の回りに回転する回転機構と、前記
光軸の軸方向に移動させる移動機構を設けたことを特徴
とするレーザ加工機が、提供される。

また、レーザビームを反射鏡を用いて導入し、集光して
レーザ加工を行うレーザ加工方法において　発振器側か
ら最も遠い反射鏡を、前記反射鏡に入る光軸の回りに回
転し、前記光軸の軸方向に移動させ、レーザビームを２
次元上の軌跡を追従させて、被加工物を加工することを
特徴とするレーザ加工方法が、提供される。

〔作用〕

例えば、レーザロボットのアームの先端に反射鏡を光軸
の回りに回転する回転機構と、光軸の方向に移動できる
移動機構を設け、これをロボット制御装置で制御する。

光軸方向をＸ軸とし、光軸の回りに回転する軸によって
、レーザビームをＹ方向に移動させる。

これによって、ＸＹ力方向レーザビームを動かすことが
でき、平面上の微細な形状を高速に追従させて、レーザ
加工を行うことができる。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明のレーザ加工機の加工ヘッドの動作を説
明する図である。反射鏡８で最後の折り返しをしたレー
ザビーム９は集光レンズ７で集光される。高エネルギー
密度ビームの照射を受けた被加工物６はただちに蒸発、
熔融、化合してレーザ加工が行われる。第１図の反射鏡
８では、β駆動軸と入射する光軸が一致しており、反射
したし−ザビーム９はβ軸の回転角に応じて回転し、必
ずレンズ中心を通って加工ヘッド１の中心から出射され
る。集光レンズ７も反射鏡８と一体になって回転し、レ
ーザビーム９の焦点Ｆ１をＹ方向に移動させる。反射鏡
８とレーザビームの焦点Ｆ１との距離ｌはβ軸の回転に
よって、焦点Ｆ１と被加工物のギャップが大きくならな
い程度に大きい必要がある。

さらに、反射鏡８は、Ａ軸により光軸と平行な方向に移
動する移動機構が付いており、レーザビームの焦点Ｆ１
をＹ方向に移動させる。

従って、Ａ軸及びβ軸によって、レーザビーム９の焦点
Ｆ１をＸＹ平面上を移動させることができる。

第２図は本発明によるレーザ加工機の全体の構成図であ
る。レーザ発振器３より出射されたレーザビームは、導
光路５の中を経てレーザロボット２に導入され、レーザ
ロボット２内の反射鏡により数回折り返して加工ヘッド
１に導かれる。レーザロボットとレーザ発振器３はロボ
ット制御装置４によってコントロールされている。レー
ザ光は加工ヘッド１からワーク６に照射され、レーザ加
工が行われる。

第３図（ａ＞及び（ｂ）は加工ヘッド周辺の位置関係を
模式的に示した図である。第３図（ａ）は光軸に垂直方
向から見た図であり、第３図（ｂ）は光軸と平行な方向
から見た図である。

あらかじめ、加工ヘッド１を被加工物６の表面の微細加
工を行う場所の中心付近に、垂直になるように姿勢制御
し、加工ヘッド１の先端と被加工物６の間隙を調整して
、焦点Ｆｌを被加工物６の表面に合わせる。被加工物６
は平面に近い形状とする。ここで、被加工物６の表面上
に、加工ヘッド１の方向にＺ軸をとるような３次元座標
を考える。

まず、加工ヘッド１はＡ軸の方向に平行移動でき、これ
をＸ軸とすると、ｘ１Ｚ軸に直交するＹ軸を被加工物の
上に置いて座標系が定まる。次に、加工ヘッド１はβ軸
の周りに回転するが、回転角をφ、β軸と被加工物との
間の距離をｌとし、加工ヘッド１の先端がｘＹ平面上に
落とす点を考えると、 ｙ＝β＊　ｓｉｎφ　　　−−−−−−・−（１）φが
小さいときは、次式を用いてさらに演算時間の短縮を図
ってもよい。

ｙ＝ｌ＊φ　　　　・　　　　（２） 一方、Ａ軸の移動距離をａとすると、 ｘ　＝　ａ　　　　　　　−−−−−（３）となり、被
加工物６の表面上では、この座標近傍に限りβ軸、Ａ軸
の２軸のみで補間が出来る。

（ｘ、　　ｙ）　＝　（ａ、　　Ｉｌ＊　ｓｉｎφ）（
４） すなわち、指令された（ｘ、ｙ）をロボット制御装置４
で上記のＡ軸及びβ軸の移動量あるいは回転量（Ｂ、　
　１＊　ｓｉｎφ）に交接し、Ａ軸とβ軸を動作させれ
ばよい。

レーザ加工においては被加工物に対する焦点の位置が重
要な意味を持っている。第４図は被加工物表面の詳細を
示す図である。すなわち、β軸の移動により、焦点Ｆ１
は加工点Ｐ１に対して、２だけずれる。この値は、 ｚ＝ｊｉ’＊　（１−ｃｏｓφ） （５） である。

レーザ加工の被加工物に対する焦点位置のずれの許容範
囲を±δとすると、δは、レーザ発振器の出力、横モー
ド、ビーム径、集光装置の焦点距離、被加工物の材質、
厚さなど、加工条件によって大きく変化する。勿論、 １ｚ１くδ　　　　・−−−（６） を満足すれば、差し支えなく加工できる。（５）、（６
）式よりφの範囲±Φは Φ＝　ａｒｃｃｏｓ　（１−δ／ｌ） −（７） で、制限される。

また、被加工物６に対してレーザビームの光軸９はφだ
け傾いて入射する。加工条件によるが、一般にレーザ加
工ではこの角度が１０”を超えても加工は可能である。

（７）式の制限よりφは小さい値に限定されてしまうの
で実用上問題にはならない。

（７）式からｙの可動範囲±Ｙを求める。（１）式より Ｙ＝ｊ！＊ｓｉｎΦ （８） 第５図はある加工条件で焦点位置のずれを求めたグラフ
である。図において、横軸は被加工物の切断幅、縦軸は
焦点位置のずれδである。すなわち、焦点位置のずれが
大きくなると切断幅ｄも大きくなり、点Ｐａで切断面粗
度が低下し始め、点Ｐｂでドロスが付着し始める。従っ
て、実用的な加工に対応できるのは焦点位置のずれが±
１ｍｍ程度の範囲である。従って、 δ＝　ｌ　ｍｍ ｆ＝４００ｍｍ であるとき、 Φ＝０．　０７０７ｒａｄ Ｙ＝２８．２７ｍｍ となり、Ａ軸の可動範囲±Ｘを Ｘ＝２８ｍｍ としておけば、５６Ｘ５６ｍｍの矩形の範囲をカバーで
きる。この場合（２）式を用いた場合は、最大０．０２
４ｍｍの誤差を生じるにすぎない。

以上のことより、平坦な被加工物に対しては５６Ｘ５Ｂ
ｍｍ内の範囲ではβ軸とＡ軸の２軸だけを直交座標ある
いは直交座標に近い空間で補間制御するだけで、他の軸
を動かす必要はないので、補間に要する演算が少なく、
また、機械の先端の２軸のみ動かすのでサーボ系を速く
動かすことが可能となり、加工速度を落とすことなく軌
跡精度を向上することができる。

第６図（ａ）及び（ｂ）は本発明を搭載したレーザロボ
ットの外観図である。第６図（ｂ）は第６図（ａ）の側
面図である。発振器３から伝送されてきたレーザビーム
は導光路５の中を通り、反射鏡１３ａ及び１３ｂなどに
より導光路１４を通って加工ヘッド１に導かれて集光し
、ノズル１５から出力され、レーザ加工を行う。加工ヘ
ッド１はθ、　Ｗ、　Ｕ、　　ｒ、　βの５軸で任意の
位置、任意の姿勢に制御され、被加工物に垂直にレーザ
ビームを入射できるようになっている。加工へラド１に
は、本発明を実施するためにＡ軸が付加されている。

第７図は加工ヘッドの第１の実施例を示す図である。第
１図における反射鏡８、レンズ７は、第７図中では反射
鏡２１、レンズ２３に相当する。

レーザビーム２５はノズル３３を通って照射されるが、
ノズル先端と被加工物との間隙の距離は加工目的に依り
通常０．５ｍｍから５ｍｍの内にある。加工ヘッド１全
体はβ軸の周りに回転し、またＡ軸によって矢印の方向
に移動するが、レーザビーム２５は常にノズル３３の中
心を通過する。

次に加工ヘッドの詳細な機構について述べる。

第７図中、２１は反射鏡、２２は反射角調整機構、２３
は集光レンズである。β軸を発振器３の方から入射して
くるレーザビーム２５は、反射鏡２２で反射され、集光
レンズ２３で集光し、被加工物６上に焦点２６を結び、
焦点２６でレーザ切断が行われている。反射鏡２１を含
む加工ヘッド１は、スプラインナツト２８ａとスプライ
ン軸２８ｂ及びボールナラ）２９ａとボールねじ２９ｂ
で保持されており、シャフト３０をサーボモータ等で回
転させれば、β軸の周りに回転運動をする。

また、シャフト３１を回転させれば、Ａ軸方向に直線運
動をする。サーボモータとこれに付属するパルスコーダ
はロボット制御装置４によって同時制御される。３２は
補助ガス供給用の配管であり、ここから導入された補助
ガスは加工点に供給され、レーザ加工を補助する。

微細な加工を行うには、まず、加工へラド１を加工する
ところの中心付近で、被加工物に垂直な姿勢を保って、
正しい距離に位置決めをする。・次にβ軸とＡ軸以外の
軸を固定して、微細加工モードとする。β軸とＡ軸のみ
の同時制御により、高速で軌跡精度のよいレーザ加工が
実現する。微細加工を始めた時の位置に戻った後、再び
Ａ軸を除く全ての軸の同時制御に戻る。

第８図は本発明のレーザ加工機で円を加工した軌跡を示
す図である。すなわち、Ａ軸と、のみで加工した図であ
る。

第９図は加工ヘッドなしで、レーザロボットの５軸を制
御して加工を行った軌跡を示す図である。

両者を比べれば、軌跡精度の大幅な向上が見られる。

第１０図は加工ヘッドの第２の実施例を示す図である。

ここでは、第７図における反射鏡２１を放物面鏡４１に
置き換えたものであり、集光レンズ２３は不要になる。

この加工ヘッドでも、第７図の加工ヘッドと同様の原理
で軌跡精度の向上を期待できる。他の図中の記号は第７
図と同じなので省略する。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明では、微細な形状の加工にお
いて、大幅な軌跡精度の向上が期待できる。特に本発明
にふいては、軌跡精度向上のために新たに付加される装
置があっても、そのための反射鏡の数の増加を必要とせ
ず、簡単な構成となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ加工機の加工ヘッドの動作を説
明する図、 第２図は本発明によるレーザ加工機の全体の構成図、 第３図（ａ）及び（ｂ）は加工ヘッド周辺の位置関係を
模式的に示した図、 第４図は被加工物表面の詳細を示す図、第５図はある加
工条件で焦点位置のずれを求めたグラフ、 第６図（ａ）及び（ｂ）は本発明を搭載したレーザロボ
ットの外観図、 第７図は加工ヘッドの第」の実施例を示す図、第８図は
本発明のレーザ加工機で円を加工した軌跡を示す図、 第９図は加工ヘッドなしで、レーザロボットの５軸を制
御して加工を行った軌跡を示す図、第１０図は加工ヘッ
ドの第２の実施例を示す図である。 加工へラド レーザロボット ー・−・・・レーザ発振器 −・・−ロボット制御装置 導光路 被加工物 集光レンズ 反射鏡

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザビームを反射鏡を用いて導入し、集光して
   レーザ加工を行うレーザ加工機において、発振器側から
   最も遠い反射鏡を、前記反射鏡に入る光軸の回りに回転
   する回転機構と、前記光軸の軸方向に移動させる移動機
   構を設けたことを特徴とするレーザ加工機。
2. （２）前記反射鏡は放物面鏡とし、集光装置を兼ねさせ
   たことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のレーザ
   加工機。
3. （３）前記回転機構と、前記移動機構を同時制御できる
   ように構成したことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のレーザ加工機。
4. （４）前記回転機構と前記移動機構をロボットのアーム
   の先端に設けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のレーザ加工機。
5. （５）レーザビームを反射鏡を用いて導入し、集光して
   レーザ加工を行うレーザ加工方法において、発振器側か
   ら最も遠い反射鏡を、前記反射鏡に入る光軸の回りに回
   転し、前記光軸の軸方向に移動させ、レーザビームを２
   次元上の軌跡を追従させて、被加工物を加工することを
   特徴とするレーザ加工方法。