JP2006523537A - 建造物の表面から材料を取り除くためのレーザ照射ヘッドを制御可能に動かすためのレーザ操作メカニズム - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2003年3月18日出願の米国仮特許出願第60/456,043号、2003年5月16日出願の米国仮特許出願第60/471,057号、2003年8月20日出願の米国仮特許出願第60/496,460号に対して、35U.S.C.§119(e)に基づく利益を主張しており、それらの各出願明細書は、参照によってその全体がここに組み込まれる。
本願は、米国特許出願第10/690,983号、第10/690,833号、第10/690,975号および第10/691,444号に関連しており、それらの各出願は、2003年10月22日に出願されており、参照によってその全体がここに組み込まれる。本願はまた、米国特許出願(代理人事件番号LOMASR.021CP1)、(代理人事件番号LOMASR.023CP1)(代理人事件番号LOMASR.026CP1)にも関連しており、それらは、同日付けで出願されており、参照によって全体がここに組み込まれる。
本発明は、ロバート・T・スタッフォード災害救助・緊急事態援助法(42U.S.C.§5121以下を参照)の一部として連邦緊急事態管理局から部分的に資金提供を受けた。
発明の分野
本発明は材料を加工する分野、特に、エネルギー波を使用して材料を穴明け、切削、および表面加工するための装置および方法に関する。
(レーザの基本ユニット)
レーザの基本ユニット300の或る実施形態が下記で述べられる。下記でレーザの基本ユニット300は分離型の複数の部品を有するように述べられるが、他の実施形態はこれらの部品のうちの2つ以上の組み合わせを一体ユニットで有することが可能である。
・レーザ発生器
図2は本願明細書に述べられた実施形態に適合するレーザの基本ユニット300を概略的に例示している。或る実施形態では、レーザの基本ユニット300はレーザ発生器310および冷却用サブシステム320を有する。レーザ発生器310は、レーザ発生器310に電力供給するために充分の適切な電圧、位相、およびアンペア数の電力を供給する電源(図示せず)へと連結される。この電源もやはり或る実施形態では持ち運び可能であり、冷却用の水、空気、または装置50が動作している施設からの電力を伴なうことなく動作することが可能である。範例となる電源は、限定はされないがディーゼルを動力源とする発電機を含む。
・レーザヘッド
或る実施形態では、レーザヘッド200はレーザ発生器310へと連結され、装置50と照射される建造物との間のインターフェースとしてはたらく。図1で概略的に例示されるように、エネルギー導管400がレーザヘッド200とレーザ発生器310を連結し、レーザ発生器310からレーザヘッド200へのエネルギーの伝達を容易にする。或る実施形態では、エネルギー導管400は光ファイバを有し、それがレーザ発生器310からレーザヘッド200へとレーザ光を伝達する。他の実施形態では、エネルギー導管400は光ファイバ、電力供給または制御用配線ケーブルを含むことが可能な導体を有する。
・レーザヘッド:拡張された構造
図3Bは本願明細書に述べられた実施形態によるレーザヘッド200の1つの構造を概略的に例示している。ハウジング230は遠位部分232、角部分234、および近位部分236を有する。本願明細書で使用される「遠位」および「近位」という用語は相互作用領域に相対した部分の位置に該して関する標準的な定義を有する。コネクタ210が遠位部分232へと連結され、それが角部分234へと連結され、それが近位部分236へと連結され、それが気体格納容器240に連結される。図3Bに例示されるような構造は建造物(例えばコンクリートの壁)の表面に穴明けおよび荒仕上げを行なうために使用されることが可能である。レーザヘッド200の様々な部品はFarmington Hills,MichiganのLaser Mechanisms,Inc.社から入手可能である。
・レーザヘッド:小型構造
図20は本願明細書に述べられた実施形態によるレーザヘッド1200の別の構造を概略的に例示している。レーザヘッド1200の或る実施形態は可動性であって、かつ1人の個人によって照射される表面に相対して定位置に設置されるように構成される。或るそのような実施形態では、レーザヘッド1200と、下記で検討される固定用メカニズム1110の或る実施形態との組み合わせは50ポンド未満の重さである。
・レーザヘッド:軽量構造
図21Dは固定用メカニズム1110と軽量レーザヘッド2200の組み合わせを概略的に例示している。或る実施形態では、レーザヘッド2200は140ミリメートルの焦点距離を有し、市販入手可能な、例えばDitzingen,GermanyのTrumpf Lasertechnik GmbH社から入手可能可能な冷却用および観察用ポートを備えたD35(カタログ番号35902090)の90度フォーカスヘッドである。或る実施形態のレーザヘッド2200は比較的浅い穴をあけるように構成される。或る実施形態では、レーザヘッド/固定用メカニズムの組み合わせは10ポンド未満の重さであり、その一方で他の実施形態ではその組み合わせは約8ポンドである。
・レーザヘッド:気体格納容器
或る実施形態では、レーザヘッド200は近位部分236へと連結され、かつ建造物とのインターフェースとなる気体格納容器240を有する。或る実施形態では、気体格納容器240は建造物から除去される材料物質(例えばレーザ加工中に発生する破片および噴煙)を閉じ込め、相互作用領域からその材料物質を取り除くように構成される。気体格納容器240はまたさらに、相互作用領域から気体格納容器240の外へと(例えばレーザの公称の危険ゾーン(「NHZ」)へと)発射される騒音と光を削減するように構成される。気体格納容器240の1つの目標は、いずれの個人の眼または皮膚にも被曝放出限界(「AEL」)または最大許容曝露(「MPE」)限界を超えるレーザ放射が到達しないことを確実化することであることが可能である。
(レーザ操作システム(LMS))
・LMS:固定用メカニズムと位置決め用メカニズムの組み合わせ
或る実施形態では、レーザ操作システム100は加工される表面に該して平行の多関節ロボット動作を与えるように建造物との関係でレーザヘッド200を正確かつ反復的に位置決めするようにはたらく。そのようにするために、レーザ操作システム100は加工される建造物に取り外し可能に固定されることが可能であり、その後、その表面付近でレーザヘッド200を正確に移動させることが可能である。図6Aおよび6Bは、取り外し可能に建造物へと連結されるように構成された固定用メカニズム110および固定用メカニズム110へと連結され、かつレーザヘッド200へと連結される位置決め用メカニズム121をレーザ操作システム100が有する実施形態の2つの反対側の立面図を概略的に例示している。或る実施形態では、レーザ操作システム100は輸送、保管、または保守管理のために都合良く解体および再組み立てされることが可能である。
・固定用メカニズム
レーザ操作システム100の或る実施形態はレーザ操作システム100を加工される建造物へと取り外し可能に固定するための固定用メカニズム110を有する。固定用メカニズム110は取り外し可能に建造物へと連結されるように構成されることが可能であり、1つまたは複数の取り付けインターフェース111を有することが可能である。
・位置決め用メカニズム
レーザ操作システム100の或る実施形態は、加工される建造物の近辺にある間にレーザヘッド200を正確に移動させるための位置決め用メカニズム121を有する。図8は固定用メカニズム110の取り付けインターフェース111と共に位置決め用メカニズム121の一実施形態の拡大図を概略的に例示している。図8の位置決め用メカニズム121は第1の軸方向位置決めシステム130、第2の軸方向位置決めシステム150、インターフェース140、およびレーザヘッド受容部220を有する。第1の軸方向位置決めシステム130は少なくとも1つのカプラ132によって取り外し可能に固定用メカニズム110の取り付けインターフェース111へと連結される。インターフェース140(図8の実施形態では第1の部分品140aと第2の部分品140bを有する)は第2の軸方向位置決めシステム150を第1の軸方向位置決めシステム130へと取り外し可能に連結する。レーザヘッド受容部220は第2の軸方向位置決めシステム150へと取り外し可能に連結され、レーザヘッド200のハウジング230へと取り外し可能に連結されるように構成される。
・地上支持システム
或る実施形態では、装置50は取り外し可能に装置50へと連結される地上支持システム700を伴なって利用されることが可能である。インターフェース装着用装置114は各々、取り外し可能に地上支持システム700へと結合するように構成された地上支持コネクタ118aを有する。地上支持システム700は、市販入手可能な引き上げもしくは位置決めタイプのシステムといった様々なタイプの外部ブームシステムに付随することが有利であり、それが装置50の重量のいくらかを支え、それにより、固定用メカニズム110によって支えられる重量負荷を軽減することが可能である。地上支持システム700は実質的に垂直の表面(例えば壁)または実質的に水平の表面(例えば天井)への装置50の使用を容易にするために使用されることが可能である。
・懸架を基本とする支持システム
場合によっては、装置50は取り外し可能に装置50へと連結される懸架を基本とする支持システム800を伴って利用されることが可能である。インターフェース装着用装置114は各々、取り外し可能に懸架を基本とする支持システム800へと結合するように構成された少なくとも1つの懸架を基本とする支持コネクタ118bを有することが可能である。都合の良いことに懸架を基本とする支持システム800は装置50の重量のいくらかを支え、それにより、固定用メカニズム110によって支えられる重量負荷を軽減する。懸架を基本とする支持システム800は実質的に垂直の表面(例えば外壁)への装置50の使用を容易にするために使用されることが可能である。
・LMS:単純化された固定用メカニズム
図21A〜21Dは本願明細書に述べられた実施形態による別の固定用メカニズム1110を概略的に例示している。固定用メカニズム1110は取り外し可能に建造物へと連結されるように構成された弾力性の真空パッド1112、取り外し可能にレーザヘッド1200へと取り付けられるように構成されたカプラ1114、およびハンドル1116を有する。4つの真空パッドの固定用メカニズム110および多軸方向位置決め用メカニズム121を有する上述のレーザ操作システム100とは異なり、固定用メカニズム1110は照射される建造物との関係で選択された位置に図20のレーザヘッド1200を取り外し可能に保持するための単純化されたメカニズムを供給する。
(制御器)
或る実施形態では、制御器500はレーザの基本ユニット300へと電気的に連結され、制御信号をレーザの基本ユニット300に送信するように構成される。他の実施形態では、制御器500はレーザの基本ユニット300とレーザ操作システム100の両方へと電気的に連結され、制御信号をレーザの基本ユニット300とレーザ操作システム100の両方に送信するように構成される。図15は本願明細書に述べられた実施形態による制御器500の実施形態を概略的に例示している。制御器500は制御パネル510、マイクロプロセッサ520、レーザ発生器のインターフェース530、位置決めシステムのインターフェース540、センサのインターフェース550、およびユーザインターフェース560を有する。
(検出器)
或る実施形態では、制御器500は建造物を加工している間に建造物の中に埋め込まれた材料を検出し、かつ検出信号を制御器500へと送信するように構成された検出器600へと連結される。或る実施形態では、制御器500は適切な制御信号をレーザの基本ユニット300へ、またはレーザの基本ユニット300およびレーザ操作システム100の両方へと送信することによって、埋め込まれた材料を大幅に傷つけることを回避するように構成される。或る実施形態では、検出器600は加工中に相互作用領域から発射される光を利用して埋め込まれた材料を検出するように構成される。
Claims (17)
- 居住可能な建造物の表面に対してレーザヘッドを制御可能に動かし、前記レーザヘッドからレーザ光を前記表面に照射するレーザ操作システムであって、当該レーザ操作システムは、
前記レーザヘッドに連結された位置決め用メカニズムを備え、当該位置決め用メカニズムは、
前記表面と実質的に平行な第1の方向に沿って前記レーザヘッドを動かすように適合させた第1の軸方向位置決めシステムと、
前記第1の軸方向位置決めシステムに連結されており、前記表面と実質的に平行な第2の方向に沿って前記レーザヘッドを動かすように適合させた第2の軸方向位置決めシステムと、
前記位置決め用メカニズムに連結され、前記建造物に解放可能に連結された固定用メカニズムと、
を備えるレーザ操作システム。 - 前記第2の方向は、前記第1の方向に実質的に垂直である請求項1に記載のレーザ操作システム。
- 前記第1の軸方向位置決めシステムおよび第2の軸方向位置決めシステムは、前記レーザヘッドを直線方向に動かし得る請求項1に記載のレーザ操作システム。
- 前記第1の軸方向位置決めシステムおよび第2の軸方向位置決めシステムは、前記レーザヘッドを円形および軸方向に動かし得る請求項1に記載のレーザ操作システム。
- 前記位置決め用メカニズムは、前記レーザヘッドに解放可能に連結され、前記第2の軸方向位置決めシステムは、前記第1の軸方向位置決めシステムに解放可能に連結され、前記固定用メカニズムは、前記位置決め用メカニズムに解放可能に連結され、それによって、前記レーザ操作システムを、組み立てて取り外し、また取り外して組み立てることができ、前記建造物内の位置への前記レーザ操作システムの輸送が促進される請求項1に記載のレーザ操作システム。
- 前記位置決め用メカニズムに電気的に接続され、ユーザの入力に応答して前記位置決め用メカニズムに制御信号を送信するように適合させた制御器をさらに備える請求項1に記載のレーザ操作システム。
- 前記第1の軸方向位置決めシステムは、第1のレールおよび第1の駆動部を備え、また前記第2の軸方向位置決めシステムは、第2のレールおよび第2の駆動部を備える請求項1に記載のレーザ操作システム。
- 前記第1のレールは、前記固定用メカニズムに連結され、前記第2のレールは、前記第1のレールに滑動可能に連結され、前記レーザヘッドは、前記第2のレールに滑動可能に連結される請求項7に記載のレーザ操作システム。
- 前記第1の駆動部および第2の駆動部は、水圧式駆動部、圧空式駆動部、電気機械式駆動部、ネジ式駆動部、およびベルト式駆動部からなる群から選択される請求項7に記載のレーザ操作システム。
- 前記位置決めシステムは、前記第1の方向および第2の方向に実質的に垂直な第3の方向に沿って前記レーザヘッドを動かすように適合させた第3の軸方向位置決めシステムをさらに備える請求項1に記載のレーザ操作システム。
- 前記固定用メカニズムは、1つまたはそれ以上の取付インターフェースを備える請求項1に記載のレーザ操作システム。
- 前記取付インターフェースは、少なくとも1つの弾性真空パッドを含む請求項11に記載のレーザ操作システム。
- 前記固定用メカニズムは、地上支持システムに解放可能に取り付けられるように適合させた地上支持コネクタを備える請求項1に記載のレーザ操作システム。
- 前記固定用メカニズムは、懸架を基本とする支持システムに解放可能に取り付けられるように適合させた懸架を基本とする支持コネクタを備える請求項1に記載のレーザ操作システム。
- 第2の軸方向位置決めシステムを前記第1の軸方向位置決めシステムに連結するインターフェースをさらに備え、当該インターフェースは、前記レーザヘッドの前記第1の方向および第2の方向により画定される移動平面を、前記固定用メカニズムが連結される面に対して回転させ得るヒンジを含む請求項1に記載のレーザ操作システム。
- 居住可能な建造物の表面に対してレーザヘッドを制御可能に動かして、前記レーザヘッドからレーザ光を前記表面に照射するためのレーザ操作システムであって、当該レーザ操作システムは、
前記表面と実質的に平行な第1の方向に沿って、並びに前記表面と実質的に平行で前記第1の方向に実質的に垂直な第2の方向に沿って、前記レーザヘッドを動かすことにより、前記レーザヘッドの位置決めをするための手段と、
前記建造物に前記レーザ操作システムを解放可能に連結するための手段と、
を備えるレーザ操作システム。 - 居住可能な建造物の表面に対してレーザヘッドを制御可能に動かし、前記レーザヘッドからレーザ光を前記表面に照射する方法であって、当該方法は、
レーザ操作システムに前記レーザヘッドを解放可能に連結するステップと、
前記建造物に前記レーザ操作システムを解放可能に連結するステップと、
前記表面と実質的に平行な第1の方向に沿って、並びに前記表面と実質的に平行でかつ前記第1の方向に実質的に垂直な第2の方向に沿って、前記レーザヘッドを制御可能に移動させるステップと、
を含む方法。
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