JP2013035057A - Laser beam machine and method of controlling the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、球面にレーザー光線を用いて精密な溝を形成する加工装置および加工方法に関するものである。 The present invention relates to a processing apparatus and a processing method for forming a precise groove on a spherical surface using a laser beam.
従来、球面上に規則的な溝を形成するのには、曲面印刷の手法を応用した化学エッチング法が用いられてきた。しかしながら、この手法はレジスト用マスク露光面が球面ゆえに十分な加工精度が得られなかった。 Conventionally, a chemical etching method using a curved surface printing technique has been used to form regular grooves on a spherical surface. However, this method cannot provide sufficient processing accuracy because the resist mask exposure surface is spherical.
さらに、この化学エッチング法はセラミック等の高耐腐食性の材質への適応は困難である。 Furthermore, this chemical etching method is difficult to adapt to highly corrosion-resistant materials such as ceramics.
近年、マイクロマシーン技術の進歩に伴い、高精度の５軸加工機により球面に対しても精密な溝形成加工が可能になってきた。これは精密に成形された刃物を回転させながら被加工材を少しづつ削っていく方法である。高剛性の精密数値制御装置で行った場合高精度の加工が可能となる。 In recent years, with the advancement of micromachine technology, it has become possible to form a precise groove on a spherical surface with a high-precision 5-axis machine. This is a method of scraping a work piece little by little while rotating a precisely shaped blade. When using a highly rigid precision numerical controller, high-precision machining is possible.
しなしながら、刃物を使っての加工であるため、加工部の幅は刃物の大きさによって制限を受ける。刃物切削部の速度を確保するためには、刃物が小さくなればなるほど刃物の高速回転が必要となる。また、微小な刃物を用いて大きな面積の加工を行なうには多大な時間を要することとなる。 However, since the processing is performed using a blade, the width of the processed portion is limited by the size of the blade. In order to ensure the speed of the blade cutting portion, the smaller the blade is, the higher the rotation speed of the blade is required. In addition, it takes a lot of time to process a large area using a fine blade.
さらに、加工する刃物の大きさには制限があり微細な幅の溝加工は困難となる。 Furthermore, the size of the cutting tool to be processed is limited, and it becomes difficult to form a groove having a fine width.
また、加工刃物と被加工材の硬度の差で行なわれる加工であるためダイヤモンド、セラミックス、超硬等の高硬度脆性材への適応は困難である。 Further, since the processing is performed by the difference in hardness between the processing blade and the workpiece, it is difficult to adapt to a high-hardness brittle material such as diamond, ceramics, and carbide.
被加工材の硬度、耐薬品性に依存しない除去加工法としてレーザー加工法がある。これはレーザー光線を被加工部表面に集光照射することにより、被加工材を蒸発除去する方法であり、非接触で被加工素材の硬度、耐薬品性に依存せずに加工を行なうことができる。 There is a laser processing method as a removal processing method that does not depend on the hardness and chemical resistance of the workpiece. This is a method of evaporating and removing the work material by condensing and irradiating the surface of the work part with a laser beam, and the work can be performed without contact and without depending on the hardness and chemical resistance of the work material. .
また、このレーザー光線は容易に１０μΦ程度のスポットに集光することができ、微細な除去加工が可能となる。 Further, this laser beam can be easily focused on a spot of about 10 μΦ, and fine removal processing is possible.
このレーザー光線による溝加工法は型彫り放電加工に似たものである。放電加工における微小パルス放電と同じように、パルス化されたレーザー光線を目的部に制御集光することにより３次元除去加工を行なうものである。 This laser beam grooving method is similar to die-sinking electrical discharge machining. Similar to the minute pulse discharge in the electric discharge machining, the three-dimensional removal machining is performed by controlling and condensing the pulsed laser beam on the target portion.
レーザーで均一な深さの溝加工を行なう場合には、除去する場所に同じパルス密度で均一なレーザーを集光照射する必要がある。 When a groove having a uniform depth is processed with a laser, it is necessary to focus and irradiate a uniform laser with the same pulse density at the place to be removed.
図１０はこの集光照射による溝加工法の最も簡単な従来の実施例を示したものである。図１０において、レーザーを集光するためのレンズ１は、図示省略の２軸ステージ上に固定された矩形板状の被加工材２と平行な面に、被加工材２から所定距離隔てて固定されており、レーザー発振器（図示省略）からのレーザー光線３が、ステージと直角な方向からレンズ中心に入射されるよう配設されている。
FIG. 10 shows the simplest conventional embodiment of the groove processing method by this condensed irradiation. In FIG. 10, a
前記ステージ上の被加工材２は、一定速度でＸ軸方向に予め設定された距離を移動した後、Ｙ軸方向にピッチ送りがなされ、次にＸ軸を前記と反対方向に設定量戻る。Ｘ軸が開始位置に戻ったとき再びＹ軸方向のピッチ送りがなされ、これらの移動とピッチ送りが繰り返して行なわれる。
The
この往復運動が繰り返される被加工材２に、一定の周波数で同一のパルス状レーザー光を集光照射することにより、被加工材２には同じパルス密度で均一なレーザーの集光照射がなされる。
By condensing and irradiating the same pulsed laser beam at a constant frequency onto the
同様な加工は、図１１のような一定速度で回転しながら定速送りがなされる、円筒状の被加工材４に対しても同じパルス密度で均一なレーザーの集光照射を行なうことができる。
Similar processing can perform uniform focused laser irradiation at the same pulse density on the
これらのレーザー加工法によりセラミックス製平板円盤上に螺旋状の溝を加工した化学ポンプの軸受けや円筒材の外周部に溝加工を行なった空圧軸受けの加工が実施されてきた。 The machining of bearings of chemical pumps in which spiral grooves are machined on a ceramic flat disk by these laser machining methods and pneumatic bearings in which grooves are machined on the outer periphery of a cylindrical material have been carried out.
尚、パルス発振レーザーを用いた加工装置は、例えば特許文献１、２、３に開示され、また、ＱスイッチＹＡＧレーザーをセラミックス加工へ応用する技術は、例えば非特許文献１に開示されている。
A processing apparatus using a pulsed laser is disclosed in
従来、機械加工では困難な微細な溝加工をレーザーを用いて行なう場合、加工は、容易に移動２軸の定速度送り制御が行え、且つレーザーを集光するためのレンズと被加工材の距離を一定に保つことができる場合に限り、実施可能である。 Conventionally, when fine grooving, which is difficult with machining, is performed using a laser, two-axis constant-speed feed control can be easily performed, and the distance between the lens and the workpiece for condensing the laser It can be implemented only when the value can be kept constant.
これに対し、レーザーを用いて球面に対して溝加工を行なう場合は、速度制御が難しく、且つ前記レーザー集光用のレンズと被加工材の距離を一定に保つことが困難である。 On the other hand, when grooving a spherical surface using a laser, speed control is difficult, and it is difficult to keep the distance between the laser condensing lens and the workpiece to be constant.
本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は、速度制御が困難な球面に対して微細な溝加工をレーザーを用いて実施することができるレーザー加工装置およびレーザー加工装置の制御方法を提供することにある。 The present invention solves the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a laser processing apparatus and a laser processing apparatus control method capable of performing fine groove processing on a spherical surface whose speed control is difficult using a laser. It is to provide.
上記課題を解決するために本発明では、ワーク回転用モータの軸の端部に取付けられた被加工球体と、集光手段を介して前記被加工球体の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたパルス発振型レーザー発振器と、前記被加工球体の中心を通り且つ前記ワーク回転用モータの軸と直交するブロック回転軸に固着され、該ブロック回転軸に直交し且つ前記ワーク回転用モータの軸に平行に配設されて該モータの軸を保持する回転ブロックと、前記ブロック回転軸を回転させる回転ブロック回転用モータと、前記ワーク回転用モータにより回転される前記被加工球体の回転速度、前記回転ブロック回転用モータにより回転される前記回転ブロックの回転速度、前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数の３つのパラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータの組合せによって、前記被加工球体の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行うことを特徴としている。 In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, a pulsed laser beam is incident on the workpiece sphere attached to the end of the shaft of the workpiece rotation motor and the center of the workpiece sphere via a focusing means. A pulse oscillation type laser oscillator arranged in such a manner as to be fixed to a block rotation axis that passes through the center of the sphere to be processed and is orthogonal to the axis of the work rotation motor, and is orthogonal to the block rotation axis and the work rotation A rotating block that is arranged in parallel to the shaft of the motor for holding the shaft of the motor, a motor for rotating the rotating block that rotates the rotating shaft of the block, and a sphere to be processed that is rotated by the motor for rotating the workpiece. Of the three parameters, the rotational speed, the rotational speed of the rotating block rotated by the rotating block rotating motor, and the pulse repetition frequency of the laser oscillator, The combination of two or more parameters even without pulse irradiation density on the spherical surface of the workpiece ball is characterized by performing the synchronous control to be constant.
また、前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定としたときに、前記回転ブロック回転用モータの回転を検出する回転検出器によって検出した、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記ワーク回転用モータの回転速度を制御することを特徴としている。 In addition, a laser applied to the sphere to be processed with the rotation of the rotating block detected by a rotation detector that detects the rotation of the rotating block rotating motor when the rotation speed of the rotating block rotating motor is constant. According to the relative incident angle of light, the rotational speed of the work rotation motor is controlled so that the peripheral speed of the laser irradiation part on the spherical surface of the sphere to be processed is constant.
また、前記制御手段は、前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定としたときに、前記回転ブロック回転用モータの回転を検出する回転検出器によって検出した、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数を制御することを特徴としている。 Further, the control means is configured to detect the rotation with the rotation of the rotation block detected by a rotation detector that detects the rotation of the rotation block rotation motor when the rotation speed of the rotation block rotation motor is constant. The pulse repetition frequency of the laser oscillator is controlled so that the peripheral speed of the laser irradiation part on the spherical surface of the sphere to be processed is constant according to the relative incident angle of the laser beam to the sphere to be processed.
また、前記ワーク回転用モータに取付けられた回転検出器の検出量に基づいて前記レーザー発振器の出力のＯＮ，ＯＦＦ制御を行って、前記被加工球体の球面上に対して溝加工する部位としない部位の比率を調整することを特徴としている。 Further, the output of the laser oscillator is controlled on and off based on the detection amount of a rotation detector attached to the work rotation motor, and the groove is not formed on the spherical surface of the workpiece sphere. It is characterized by adjusting the ratio of the parts.
また、前記ＯＮ，ＯＦＦ制御におけるＯＮ制御のタイミングを、前記ワーク回転用モータの１回転毎に、前記回転検出器の所定検出量分だけ遅延させることを特徴としている。 Further, the ON control timing in the ON / OFF control is delayed by a predetermined detection amount of the rotation detector for each rotation of the work rotation motor.
また、前記レーザー発振器が出力するレーザーは、光パルス軸が５ナノ秒以下のＱスイッチ発振レーザーか、又は光パルス幅がピコ秒、フェムト秒のレーザーであることを特徴としている。 The laser output from the laser oscillator is a Q-switch oscillation laser having an optical pulse axis of 5 nanoseconds or less, or a laser having an optical pulse width of picoseconds and femtoseconds.
(１)請求項１〜１０に記載の発明によれば、被加工球体の球面上に、同じパルス密度で均一なレーザーを集光照射することができ、微細幅で深さの揃った溝加工を行なうことができる。
(1) According to the invention described in
（２）また、請求項４、９に記載の発明によれば、被加工球体の球面上における溝加工比を任意に調整することができる。
(2) Moreover, according to invention of
（３）また、請求項５、１０に記載の発明によれば、被加工球体の球面上に螺旋形状の溝を形成することができ、また前記遅延させるタイミングを変えることによって、螺旋の立ち上がり角を調整することができる。 (3) According to the invention described in claims 5 and 10, a spiral groove can be formed on the spherical surface of the sphere to be processed, and the rising angle of the spiral can be changed by changing the delay timing. Can be adjusted.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。図１は本実施形態例によるレーザー加工装置１００の全体構成を示し、図２はレーザー加工装置１００の要部構成を示している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiments. FIG. 1 shows the overall configuration of a
図１において、１１はベース板であり、このベース板１１の上面に直交し該上面から所定距離隔てた部位には、シャフト１２ａがベース板１１の上面と平行となるようにワーク回転用モータ１２が配設されている。
In FIG. 1, reference numeral 11 denotes a base plate, and a
前記モータ１２のシャフト１２ａは、円筒状のワーク固定用チャックブロック１３の中心孔を回転自在に貫通し、その先端には被加工球体１４が取付けられている。
A
前記ベース板１１の下面に直交し該下面から所定距離隔てた部位には、シャフト１５ａが前記シャフト１２ａに直交し且つシャフト１５ａの先端位置が前記被加工球体１４の中心と一致するように、回転ブロック回転用モータ１５が配設されている。
In a portion perpendicular to the lower surface of the base plate 11 and spaced from the lower surface by a predetermined distance, the
前記モータ１５のシャフト１５ａは、ベース板１１の孔１１ａを回転自在に貫通し、その先端には、ベース板１１と被加工球体１４の間の位置において回転ブロック１６の一端が固着されている。
The
回転ブロック１６の他端側には前記ワーク固定用チャックブロック１３が載置され固定されている。
The workpiece fixing
前記ベース板１１の上面側のワーク回転用モータ１２のシャフト１２ａに直交する部位には、レーザー制御装置１７、パルス状のレーザーを発振するレーザー発振器（パルス発振型レーザー発振器）１８および加工用レンズ１９が配設され、レーザー発振器１８から出射されるレーザー光線２０を加工用レンズ１９によって被加工球体１４の球面に集光照射するように構成している。
A
入射するレーザー光線２０の光軸は正確にシャフト１２ａと直角で、且つ被加工球体１４の中心に向かうよう調整されている。レーザー発振器１８から出射されるレーザーパルスは、レーザー制御装置１７によりパルス繰り返し周波数および後述するＯＮ，ＯＦＦの制御がなされる。
The optical axis of the
１２ｄはワーク回転用モータ１２の回転を制御するワーク回転用モータドライバーであり、１２ｅは前記モータ１２に取付けられ、該モータの回転位置を監視（回転速度を検出）するワーク回転検出用エンコーダである。
１５ｄは回転ブロック回転用モータ１５の回転を制御する回転ブロック回転用モータドライバーであり、１５ｅは前記モータ１５に取付けられ、該モータの回転位置を監視（回転速度を検出）する回転ブロック回転検出用エンコーダである。
上記のように構成された装置において、ワーク回転用モータ１２の回転によって、被加工球体１４はシャフト１２ａを軸として回転され、回転ブロック回転用モータ１５を回転させることにより、先端に被加工球体１４が取付けられたシャフト１２ａおよびワーク固定用チャックブロック１３を保持している回転ブロック１６が、シャフト１５ａ、すなわち被加工球体１４の中心を中心軸として、ベース板１１の上面に沿って回転移動する。
In the apparatus configured as described above, the
このため回転ブロック１６の回転にともなって被加工球体１４へのレーザー光線２０の相対入射角度が変化することになる。
For this reason, the relative incident angle of the
尚、前記シャフト１２ａが本発明のワーク回転用モータの軸を、シャフト１５ａが本発明のブロック回転軸を、ワーク回転検出用エンコーダ１２ｅ、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅが本発明の回転検出器を各々形成している。
The
レーザー加工装置１００は、被加工球体１４の回転速度、回転ブロック１６の回転速度およびレーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数の３つのパラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータによって、被加工球体１４の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行う制御手段（図示省略）を備えており、図２のように構成されている。
The
図２において、１１０は、本発明の制御手段としての制御部であり、前記ワーク回転検出用エンコーダ１２ｅの出力（ワーク回転用モータ１２の回転速度）、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅの出力（回転ブロック回転用モータ１５の回転速度）およびレーザー制御装置１７のレーザーのパルス繰り返し周波数を入力としている。
In FIG. 2,
そして制御部１１０は、前記３つの入力パラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータによって、被加工球体１４の球面上のパルス照射密度が一定になるように、回転ブロック回転用モータドライバー１５ｄに対して回転ブロック回転用モータ１５（回転ブロック１６）の回転周波数ｆ１を設定し、ワーク回転用モータドライバー１２ｄに対してワーク回転用モータ１２（被加工球体１４）の回転周波数ｆ２を設定し、レーザー制御装置１７に対してレーザーのパルス繰り返し周波数ｆＬと後述するＯＮ，ＯＦＦ制御（レーザーの照射、停止）信号を設定する。
Then, the
制御部１１０は、例えば制御コンピュータによって構成される。
The
次に上記のように構成されたレーザー加工装置の動作を、レーザー照射部の様子を示す図３とともに説明する。 Next, the operation of the laser processing apparatus configured as described above will be described with reference to FIG.
図３において図１と同一部分は同一符号をもって示している。まず、回転ブロック回転用モータ１５の回転周波数をｆ１一定とし、ワーク回転用モータ１２の回転周波数をｆ２とし、レーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数ｆＬを一定とする。
3, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals. First, the rotation frequency of the rotary
この場合、被加工球体１４は周波数ｆ２で回転方向３０に回転し、被加工球体１４へのレーザー入射軸は、回転ブロック１６が回転ブロック回転用モータ１５の回転によって回転することにより、相対的に加工開始時の位置３１から回転方向３３に定速（ｆ１）で入射位置３２側へ移動していく。
In this case, the
加工開始位置を被加工球体１４の赤道面上とした場合、開始位置におけるレーザー照射部の周速Ｖθは、
Ｖθ＝２πｆ２×Ｒ…（１） （但しＲは被加工球体１４の半径）
となる。
When the processing start position is on the equator plane of the
Vθ = 2πf2 × R (1) (where R is the radius of the workpiece sphere 14)
It becomes.
そして回転ブロック１６の回転が始まり、レーザー入射軸がθの方向になった（入射位置が３２へ移動した)場合のレーザー照射部の周速Ｖθは、
Ｖθ＝２πｆ２×（図示線分３４の長さ）
＝２πｆ２×Ｒｃｏｓθ…（２）
となる。
Then, when the rotation of the
Vθ = 2πf2 × (length of
= 2πf2 × R cos θ (2)
It becomes.
ここで、図示線分３４とは、レーザー入射位置３２における被加工球体１４の球面上の点から、被加工球体１４の中心を通るシャフト１２ａの軸線への垂線である。
Here, the illustrated
そして、入射軸の回転が定速であるので回転角θは、
θ＝２πｆ１×ｔ（回転時間）…（３）
となる。
Since the rotation of the incident axis is constant, the rotation angle θ is
θ = 2πf1 × t (rotation time) (3)
It becomes.
このため、前記式（２）、（３）から、ワーク回転用モータ１２の回転周波数ｆ２は、
ｆ２＝Ｖθ／２πＲｃｏｓθ
＝（Ｖθ／２πＲ）×ｓｅｃ（２πｆ１×ｔ）…（４）
で求められる。
For this reason, from the formulas (2) and (3), the rotation frequency f2 of the
f2 = Vθ / 2πR cos θ
= (Vθ / 2πR) × sec (2πf1 × t) (4)
Is required.
したがって、式（４）におけるＲとｆ１は本実施例において一定であるので、回転角θ、すなわち回転時間ｔの変化に応じて、レーザー集光部（溝加工部）の周速Ｖθが一定となるように、制御部１１０がワーク回転用モータ１２の回転周波数ｆ２を変化させるものである。
Therefore, since R and f1 in the formula (4) are constant in this embodiment, the peripheral speed Vθ of the laser condensing part (grooving part) is constant according to the change in the rotation angle θ, that is, the rotation time t. Thus, the
これによって、被加工球体１４の球面上のパルス照射密度が一定となり、均一な溝加工を行なうことができる。
Thereby, the pulse irradiation density on the spherical surface of the
尚、前記回転角θは、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅの出力信号によって得られる。
The rotation angle θ is obtained from the output signal of the rotary block
具体的には、制御部１１０が、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅからの回転周波数ｆ１を読み込んで回転角θ（＝２πｆ１×ｔ）を算出し、
Ｃ＝Ｖθ／２πＲｃｏｓθ＝常数×ｓｅｃθ
なる電圧信号Ｃを演算し、該演算された電圧をＶ−ｆ変換した値でワーク回転用モータ１２の回転周波数ｆ２の制御を行う。
Specifically, the
C = Vθ / 2πR cos θ = constant × secθ
The voltage signal C is calculated, and the rotation frequency f2 of the
また、ワーク回転用モータ１２の回転数（ｆ１）を一定にしておき、照射するレーザーパルスの周波数（ｆＬ）を変化させることにより、単位面積あたりのパルス照射密度を合わせる方法も考えられる。
Another possible method is to adjust the pulse irradiation density per unit area by keeping the rotation speed (f1) of the
この場合、レーザーの照射周波数ｆＬは次のようになる。 In this case, the laser irradiation frequency fL is as follows.
ｆＬ＝定数／Ｖθ…（５）
ここで、図４に一般的な短パルス発振のレーザー発振器の特性を示す。この図４から分かるように、レーザーの出力は、同じ出力状態でその繰り返し周波数を変化させた場合、レーザーパルスのパルス幅とそのパルスエネルギーが変わってしまう。
fL = constant / Vθ (5)
FIG. 4 shows the characteristics of a general short pulse oscillation laser oscillator. As can be seen from FIG. 4, when the repetition frequency of the laser output is changed in the same output state, the pulse width of the laser pulse and its pulse energy change.
このため、今回の精密溝堀加工に適用した場合、単位面積当たりのパルス照射数は揃えることができるが、パルスの状態（パルス幅、パルスエネルギー）が揃っていないため加工溝深さを一定に保つことは困難となる。 For this reason, when applied to the precision grooving process this time, the number of pulse irradiations per unit area can be made uniform, but since the state of the pulse (pulse width, pulse energy) is not uniform, the machining groove depth is kept constant. It will be difficult to keep.
しかしながら、例えば非特許文献１にも開示されているように、レーザー発振器の中には繰り返しの周波数が低い領域においては、比較的揃ったパルスを周波数に依存せずに出力できるものが有る（これはレーザー発振媒質の励起準位の寿命に依存し、良く使われるＹＡＧレーザーでは１ＨＺ〜３ＫＨＺとなる）。
However, as disclosed in
レーザー集光部の周速Ｖθは、前記式（２）のとおり
Ｖθ＝２πｆ２×Ｒｃｏｓθ
であり、ｆ２を制御せずに回転させた場合、周速Ｖθは変化する。
The peripheral speed Vθ of the laser condensing unit is Vθ = 2πf2 × R cos θ as shown in the equation (2).
When f2 is rotated without being controlled, the circumferential speed Vθ changes.
ここで、レーザー発振器の発振周波数（レーザー自体のパルス繰り返し周波数）をｆＬとした場合、周速Ｖθにおけるレーザー照射ピッチは、
照射ピッチ＝Ｖθ／ｆＬ
となる。
Here, when the oscillation frequency of the laser oscillator (the pulse repetition frequency of the laser itself) is fL, the laser irradiation pitch at the peripheral speed Vθ is
Irradiation pitch = Vθ / fL
It becomes.
したがって、レーザー発振周波数に下式（６）の変調を掛けることにより、レーザー照射密度一定の加工が実施可能となる。 Therefore, by applying the modulation of the following equation (6) to the laser oscillation frequency, it is possible to perform processing with a constant laser irradiation density.
ｆＬ＝Ｖθ／照射ピッチ
＝２πｆ２×Ｒｃｏｓθ／照射ピッチ…（６） （ｆ２は定数）
これは、レーザー発振器１８として、外部同期で制御可能なレーザー発振器を用意し、制御部１１０に、関数同期信号を発生するファンクションジェネレータを設けることによって実現できる。
fL = Vθ / irradiation pitch = 2πf2 × R cos θ / irradiation pitch (6) (f2 is a constant)
This can be realized by preparing a laser oscillator that can be controlled by external synchronization as the
すなわち、制御部１１０において、回転ブロック回転検出用エンコーダ１５ｅからの回転周波数ｆ１をファンクションジェネレータに入力し、ファンクションジェネレータの出力信号をレーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数ｆＬとして制御するものである。
That is, the
例えば、前記Ｒ＝５ｍｍ、ｆ２＝１ＨZ、レーザー照射ピッチ＝０．０１ｍｍとすると、前記式（６）から、加工開始時（赤道線上；図３の入射位置３１）においては、
ｆＬ＝２π×１×５／０．０１＝３１４０ＨZとなり、
加工開始後においては、
ｆＬ＝３１４０×ｃｏｓ（２πｆ１×ｔ）から、２πｆ１×ｔ＝６０°時ではｆＬ＝１５７０ＨZとなる。
For example, when R = 5 mm, f2 = 1H Z , and laser irradiation pitch = 0.01 mm, from the equation (6), at the start of processing (on the equator line;
fL = 2π × 1 × 5 / 0.01 = 3140H Z ,
After starting processing,
From fL = 3140 × cos (2πf1 × t), fL = 1570H Z when 2πf1 × t = 60 °.
このような制御を行うことで、定照射密度を実現することができる。 By performing such control, a constant irradiation density can be realized.
次に、加工される溝パターンの制御法を説明する。 Next, a method for controlling the groove pattern to be processed will be described.
レーザー発振器１８は、制御部１１０で設定されレーザー制御装置１７から出力されるＯＮ，ＯＦＦ信号にてレーザーの照射、停止を行なう。図５にレーザー制御信号に対するレーザー出力状態を示す。レーザーのパルスエネルギーとその繰り返し周波数は、予め設定された揃った値となる。
The
図５（ａ）に示すように、レーザー制御装置１７からのレーザーＯＮ信号（通常はＴＴＬによる）が入力された時間だけ、図５（ｂ）のようにレーザー光が照射される。レーザーのＯＮ，ＯＦＦは光学的なシャッターによってなされるので、それぞれの信号からの動作遅れ時間は通常ナノ秒程度であり、加工精度に影響は及ぼさない。また、高精度の加工を行なうためには短いパルス幅で高繰り返しのレーザーを使用することが有効になる。
As shown in FIG. 5A, the laser beam is irradiated as shown in FIG. 5B only for the time when the laser ON signal (usually by TTL) from the
ワーク回転用モータ１２にはモータの回転位置を測定するためのワーク回転検出用エンコーダ１２ｅが取付けられている。例えば一回転当たり２５００パルスの出力のエンコーダを使用した場合に、前記モータ１２が一回転するとエンコーダは１００００パルスの出力を出すことになる。
The
図６に、ワーク回転検出用エンコーダ１２ｅの出力に対するレーザーの制御信号の様子を示す。
FIG. 6 shows a state of a laser control signal with respect to the output of the work
制御部１１０は、図６（ａ）に示すワーク回転検出用エンコーダ１２ｅの出力パルスをカウントし、例えば１０パルスカウントする毎に図６（ｂ）に示すようなレーザーＯＮ，ＯＦＦ信号を設定し、レーザー制御装置１７がこのＯＮ，ＯＦＦのレーザー制御信号を出力する。
The
ワーク回転用モータ１２の一回転当たり１００００パルスのエンコーダ出力を５００カウント毎にＯＮ，ＯＦＦさせた場合、被加工球体１４上には、１回転につき間隔の揃った１０条の溝加工がなされる。この制御はレーザー入射軸θに依存しないため、加工開始部から球面先端部に向かって、溝加工比が５０％の溝加工が行なえる。
When the encoder output of 10,000 pulses per rotation of the
このレーザー出力制御（レーザーのＯＮ，ＯＦＦ制御）と前記モータ回転制御（回転周波数ｆ２の制御）を組み合わせることにより、深さの揃った溝加工が実施できる。図７にこの加工を実施した加工品の例を示す。 By combining this laser output control (laser ON / OFF control) and the motor rotation control (control of the rotation frequency f2), groove processing with uniform depth can be performed. FIG. 7 shows an example of a processed product obtained by performing this processing.
また、前記エンコーダ１２ｅに、例えば１７ビットの高分解能を用いれば、更に高分解能の加工が行なえる。
Further, if a high resolution of, for example, 17 bits is used for the
また、前記エンコーダ１２ｅの出力の計測を４００カウントしてＯＮ、６００カウントしてＯＦＦというような制御にすることにより、溝加工比が５０％以外の加工も可能となる。
Further, by controlling the output of the
次に球面ワーク（被加工球体１４）上に螺旋加工を実施した例を説明する。図８に同制御法の原理を示す。前述したように、ワーク回転用モータ１２の回転位置を測定するためのエンコーダ１２ｅからは該モータ１２の１回転あたり１００００パルスの位置信号が出力される。制御部１１０およびレーザー制御装置１７では、前述したように５００パルスカウント毎にレーザーをＯＮ，ＯＦＦするように設定されているとする。
Next, an example in which spiral machining is performed on a spherical workpiece (working sphere 14) will be described. FIG. 8 shows the principle of the control method. As described above, the
図８は、ワーク回転用モータ１２により矢印方向に回転がなされる被加工球体１４の球面上に加工形成された溝を平面上に表しており、一番下の段のレーザー照射開始位置Ｐ１より右側と下から２段目のＰ１より左側の太実線が、１回転目に形成される溝を示し、下から２段目のＰ１より右側と下から３段目のＰ１より左側の太実線が、２回転目に形成される溝を示し、下から３段目のＰ１より右側の太実線が３回転目に形成される溝を示している。
FIG. 8 shows a groove formed on the spherical surface of the
図８（ａ）は直線溝加工の実施例を表し、何回転目であってもすべて同一のＯＮ，ＯＦＦタイミングで制御した場合を示している。 FIG. 8A shows an example of linear groove machining, and shows a case where all the rotations are controlled at the same ON / OFF timing.
すなわち、１回転目は、レーザー照射開始位置Ｐ１から前記エンコーダ１２ｅのパルスを５００カウントした位置Ｐ２までの区間ＯＮ制御がなされ、位置Ｐ２から前記エンコーダパルスを５００カウントした位置Ｐ３までの区間ＯＦＦ制御がなされ、このＯＮ，ＯＦＦ制御が繰り返されて、１回転目の最終ＯＦＦ制御区間が終わった位置Ｐ１から２回転目のレーザー照射が前記と同様に開始され、以降、同様のＯＮ，ＯＦＦ制御が繰り返される。
That is, in the first rotation, the section ON control from the laser irradiation start position P1 to the position P2 where the pulses of the
これに対して図８（ｂ）は、螺旋溝加工の実施例を表し、ワーク回転用モータ１２の１回転毎にレーザー照射のＯＮタイミングをずらす制御を行った場合を示している。
On the other hand, FIG. 8B shows an example of spiral groove machining, and shows a case where control is performed to shift the laser irradiation ON timing for each rotation of the
すなわち、図８（ｂ）において、１回転目のＰ１〜Ｐ４までは前記図８（ａ）の場合と同様に前記エンコーダパルスの５００カウント毎にＯＮ，ＯＦＦ制御を行う。 That is, in FIG. 8B, the ON / OFF control is performed every 500 counts of the encoder pulse in the same manner as in FIG.
しかし２回転目は、前記エンコーダパルスを５００＋ｎ個カウントした後の位置Ｐ５（１回転目のレーザー照射開始位置Ｐ１からｎパルス分遅れた位置）からレーザー照射をＯＮ制御する。 However, in the second rotation, laser irradiation is ON-controlled from a position P5 (a position delayed by n pulses from the laser irradiation start position P1 of the first rotation) after counting 500 + n encoder pulses.
その後の２回転目の回転期間中は通常の前記エンコーダパルスの５００カウント毎のＯＮ，ＯＦＦ制御を繰り返す（すなわち位置Ｐ５からＰ６までの区間ＯＮ制御がなされ、位置Ｐ６からＰ７までの区間ＯＦＦ制御がなされる）。 During the second rotation period thereafter, ON / OFF control is repeated every 500 counts of the normal encoder pulse (that is, the section ON control from positions P5 to P6 is performed, and the section OFF control from positions P6 to P7 is performed. Made).
次に３回転目は、２回転目の最終ＯＮ制御区間が位置Ｐ８で終わると、前記エンコーダパルスの５００＋ｎ個カウントした後の位置Ｐ９（２回転目のレーザー照射開始位置Ｐ５からｎパルス分遅れた位置）からレーザー照射をＯＮ制御する。 Next, in the third rotation, when the final ON control section of the second rotation ends at the position P8, a position P9 after counting 500 + n encoder pulses is delayed by n pulses from the laser irradiation start position P5 of the second rotation. Laser irradiation is turned on from (position).
このため３回転目は、１回転目のレーザー照射開始位置Ｐ１から２ｎパルス分遅れた位置Ｐ９からレーザー照射が開始されることになる。 Therefore, in the third rotation, laser irradiation starts from a position P9 delayed by 2n pulses from the laser irradiation start position P1 of the first rotation.
その後の３回転目の回転期間中は通常の前記エンコーダパルスの５００カウント毎のＯＮ，ＯＦＦ制御を繰り返す。 During the subsequent third rotation period, the normal ON / OFF control is repeated every 500 counts of the encoder pulse.
以上の制御を繰り返すことにより、１回転毎にレーザー照射位置は回転回数×ｎパルスづれて加工がなされ、この結果被加工球体１４上には螺旋形状の溝が形成される。
By repeating the above control, the laser irradiation position is processed by the number of rotations × n pulses for each rotation, and as a result, a spiral groove is formed on the
この遅延パルス数ｎを変化させることにより、螺旋の立ち上がり角を調整することができる。 The rising angle of the spiral can be adjusted by changing the number of delay pulses n.
図９はこの方法により製作した加工品の例を示し、直径５ｍｍのダイス鋼球面上に９条の螺旋溝加工を行なったものである。加工に使用したレーザーは、カンタムエレクトロニクス社が扱うレーザー発振器である。レーザーパルスは繰り返し周波数は５０ＫＨｚ、パルスエネルギー３０μＪで行なったものである。 FIG. 9 shows an example of a processed product manufactured by this method, in which nine spiral grooves are formed on a spherical surface of a die steel having a diameter of 5 mm. The laser used for processing is a laser oscillator handled by Quantum Electronics. The laser pulse was performed at a repetition frequency of 50 KHz and a pulse energy of 30 μJ.
尚、本発明では上記実施例に限らず、前記３つのパラメータｆ１、ｆ２、ｆＬのうち少なくとも２つ以上のパラメータの組合せによって、前記被加工球体の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行うものである。 In the present invention, the pulse irradiation density on the spherical surface of the sphere to be processed is made constant by a combination of at least two of the three parameters f1, f2, and fL. Synchronous control is performed.
さらに、本発明では上記実施例に限らず、前記ｆ１、ｆ２、ｆＬの制御と前記レーザーのＯＮ，ＯＦＦ制御とを組み合わせて実施するものである。 Furthermore, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and is a combination of the control of f1, f2, and fL and the ON / OFF control of the laser.
したがって、一定値のレーザー（繰り返し周波数固定）パルスを定ピッチで照射した場合（被加工球体の球面へのレーザーが照射される密度が一定）は、全ての曲面で同じ条件で加工がなされることとなり、微細幅で深さの揃った溝加工を行なうことができる。 Therefore, when a constant value of laser (fixed repetition frequency) pulse is irradiated at a constant pitch (the density of the laser beam on the spherical surface of the workpiece sphere is constant), all curved surfaces must be processed under the same conditions. Thus, it is possible to perform groove processing with a fine width and uniform depth.
レーザーのパルス幅は１０ｎｓ以下である場合、通常モータの定格回転数領域では、回転移動の影響はない。 When the pulse width of the laser is 10 ns or less, there is no influence of rotational movement in the rated motor speed range of a normal motor.
また、レーザー発振器１８のパルス繰り返し周波数を制御することにより、加工する溝の深さを制御することができる。
Moreover, the depth of the groove to be processed can be controlled by controlling the pulse repetition frequency of the
また、レーザーのＯＮ，ＯＦＦ制御を行うことにより、溝の形状を確保することができる。 Further, the groove shape can be ensured by performing ON / OFF control of the laser.
また、レーザー発振器１８が出力するレーザーは、光パルス軸が５ナノ秒以下のＱスイッチ発振レーザーか、又は光パルス幅がピコ秒、フェムト秒のレーザーとする。
The laser output from the
１１…ベース板
１２…ワーク回転用モータ
１２ａ…シャフト
１２ｄ…ワーク回転用モータドライバー
１２ｅ…ワーク回転検出用エンコーダ
１３…ワーク回転用チャックブロック
１４…被加工球体
１５…回転ブロック回転用モータ
１５ａ…シャフト
１５ｄ…回転ブロック回転用モータドライバー
１５ｅ…回転ブロック回転検出用エンコーダ
１６…回転ブロック
１７…レーザー制御装置
１０９…出力内容生成部
１８…レーザー発振器
１９…加工用レンズ
２０…レーザー光線
１００…レーザー加工装置
１１０…制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ...
Claims (10)
ワーク回転用モータの軸の端部に取付けられた被加工球体と、
集光手段を介して前記被加工球体の中心にパルス状のレーザー光が入射するように配設されたパルス発振型レーザー発振器と、
前記被加工球体の中心を通り且つ前記ワーク回転用モータの軸と直交するブロック回転軸に固着され、該ブロック回転軸に直交し且つ前記ワーク回転用モータの軸に平行に配設されて該モータの軸を保持する回転ブロックと、
前記ブロック回転軸を回転させる回転ブロック回転用モータと、
前記ワーク回転用モータにより回転される前記被加工球体の回転速度、前記回転ブロック回転用モータにより回転される前記回転ブロックの回転速度、前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数の３つのパラメータの内、少なくとも２つ以上のパラメータの組合せによって、前記被加工球体の球面上のパルス照射密度が一定になるように同期制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とするレーザー加工装置。 A laser processing apparatus for forming grooves by irradiating a spherical surface of a workpiece sphere with pulsed laser light,
A work sphere attached to the end of the shaft of the work rotation motor;
A pulse oscillation type laser oscillator disposed so that a pulsed laser beam is incident on the center of the sphere to be processed through a light collecting means;
The motor is fixed to a block rotating shaft that passes through the center of the workpiece sphere and is orthogonal to the axis of the workpiece rotating motor, is orthogonal to the block rotating axis and is parallel to the axis of the workpiece rotating motor. A rotating block that holds the shaft of
A rotating block rotating motor for rotating the block rotating shaft;
At least two of the three parameters of the rotation speed of the workpiece sphere rotated by the work rotation motor, the rotation speed of the rotation block rotated by the rotation block rotation motor, and the pulse repetition frequency of the laser oscillator. Control means for performing synchronous control so that the pulse irradiation density on the spherical surface of the workpiece sphere is constant by a combination of two or more parameters;
A laser processing apparatus comprising:
前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定制御し、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記ワーク回転用モータの回転速度を同期制御することを特徴とするレーザー加工装置の制御方法。 A work sphere attached to the end of a shaft of a work rotation motor, and a pulse oscillation type laser oscillator arranged so that a pulsed laser beam is incident on the center of the work sphere via a condensing means And fixed to a block rotation shaft that passes through the center of the workpiece sphere and is orthogonal to the axis of the workpiece rotation motor, and is disposed orthogonal to the block rotation axis and parallel to the axis of the workpiece rotation motor. A laser processing apparatus comprising: a rotary block that holds the motor shaft; and a rotary block rotation motor that rotates the block rotation shaft, and forms a groove by irradiating a spherical surface of the workpiece sphere with pulsed laser light. Control method,
The rotation speed of the rotating block rotating motor is controlled to be constant, and the circumference of the laser irradiation unit on the spherical surface of the workpiece sphere is determined according to the relative incident angle of the laser beam to the workpiece sphere as the rotating block rotates. A method of controlling a laser processing apparatus, wherein the rotational speed of the work rotation motor is synchronously controlled so that the speed is constant.
前記回転ブロック回転用モータの回転速度を一定制御し、前記回転ブロックの回転にともなう前記被加工球体へのレーザー光の相対入射角度に応じて、前記被加工球体の球面上のレーザー照射部の周速が一定となるように前記レーザー発振器のパルス繰り返し周波数を同期制御することを特徴とするレーザー加工装置の制御方法。 A work sphere attached to the end of a shaft of a work rotation motor, and a pulse oscillation type laser oscillator arranged so that a pulsed laser beam is incident on the center of the work sphere via a condensing means And fixed to a block rotation shaft that passes through the center of the workpiece sphere and is orthogonal to the axis of the workpiece rotation motor, and is disposed orthogonal to the block rotation axis and parallel to the axis of the workpiece rotation motor. A laser processing apparatus comprising: a rotary block that holds the motor shaft; and a rotary block rotation motor that rotates the block rotation shaft, and forms a groove by irradiating a spherical surface of the workpiece sphere with pulsed laser light. Control method,
The rotation speed of the rotating block rotating motor is controlled to be constant, and the circumference of the laser irradiation unit on the spherical surface of the workpiece sphere is determined according to the relative incident angle of the laser beam to the workpiece sphere as the rotating block rotates. A method of controlling a laser processing apparatus, wherein the pulse repetition frequency of the laser oscillator is synchronously controlled so that the speed is constant.
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| JP2019111676A (en) * | 2017-12-21 | 2019-07-11 | 紀伊産業株式会社 | Concave-convex pattern added decorative molded article and method for producing the same |
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