JP4981573B2 - レーザ加工機の多機能加工制御装置 - Google Patents
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Description
第1に、請求項1におけるレーザ加工機の多機能加工制御装置は、円筒ワークの外周面又は内周面に周期構造体を加工するものである。
まず、フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザは、シャッタで開閉制御されて間欠照射可能なレーザ光となって、切り換え手段で選択された周期性溝用ホモジナイザー又はディンプル加工用ホモジナイザー又は混合加工用ホモジナイザーの何れか一つを通過させて集光レンズで集光される。更に、上記レーザ光は首振り手段により反射ミラーに照射され、ここで方向制御されて任意な外径方向に反射される。その反射光は、加工ステージとなるワーク移動ユニットに搭載され回転駆動されるチャック手段に把持された円筒ワークの外周面又は内周面の表面に対して、任意な方向制御幅を以て照射される。これにより、ワーク表面の周囲には、周期性溝用ホモジナイザー又はディンプル加工用ホモジナイザー又は混合加工用ホモジナイザーの何れか一つが選択されて加工される。その加工もシャッタの開閉制御により、連続加工の他に間欠的な模様としても加工することができる。また、反射ミラーの首振り手段によりワーク内周面又はワーク外周面に対面する任意な方向にレーザ光を首振り制御して照射すれば広範囲に加工できるとともに、上記反射ミラーの外周囲に配置したチャック手段で把持されるワーク内周面又はワーク外周面の全周に対してレーザ光を照射して加工される。また、上記ワーク移動ユニットに回転駆動手段を備え、また、Z軸駆動手段を備えたものであると、ワーク回転と関連してワークの軸芯方向にチャック手段を連続移動または間欠移動させられるから、ワーク表面に対して、より一層広範囲にわたって円滑且つ多彩な模様状の周期構造体の加工が行われる。
まず、フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザを、シャッタの周期的な開閉制御により間欠的なレーザ光として回転可能に設けられた第一回転筒体に導く。この第一回転筒体内に配置されたλ/ 2板により直線偏光の偏光方向が変化されるとともに、切り換え手段で周期性溝用ホモジナイザー又はディンプル加工用ホモジナイザー又は混合加工用ホモジナイザーの何れか一つに切り換えられる。更に、上記レーザ光は、上記第一回転筒体に対して軸芯を合わせて回転可能にした第二回転筒体内の集光レンズで集光された後、首振り手段で方向制御される反射ミラーにより任意な外径方向に照射される。且つ、上記レーザ光は反射ミラーの外周囲にチャック手段で把持されるワーク内周面に対して所定の振れ幅で幅広く照射される。この時、回転駆動手段により上記第二回転筒体の回転1回転に対して上記λ/ 2板を備えた上記第一回転筒体が1/2回転される。また、上記ワーク移動ユニットにZ軸駆動手段を備えたものであると、ワーク回転と関連してワークの軸芯方向にチャック手段を連続移動または間欠移動させられるから、ワーク表面に対して、より一層広範囲にわたって円滑且つ多彩な模様状の周期構造体の加工が行われる。また、ワーク移動ユニットに備えるチャック手段を回転制御モータにより回転させることでワークが回転されるから、更に、多彩な周期構造体の加工が行われる。
まず、フェムト秒レーザ発振器から発射される直線偏光のフェムト秒レーザを、シャッタの周期的な開閉制御により間欠的に回転可能に設けられた第一回転筒体に導く。この第一回転筒体内に配置されたλ/ 2板により直線偏光の偏光方向が変化されるとともに、切り換え手段で周期性溝用ホモジナイザー又はディンプル加工用ホモジナイザー又は混合加工用ホモジナイザーの何れか一つに切り換えられる。更に、上記レーザ光は、上記第一回転筒体に対して軸芯を合わせて回転可能にした第二回転筒体内の集光レンズで集光された後、首振り手段で首振り制御される反射ミラーにより任意な外径方向に照射され、且つ上記レーザ光は反射ミラーの外周囲にチャック手段で把持されるワーク外周面に対して所定の振れ幅で照射される。この時、回転駆動手段により上記第二回転筒体の回転1回転に対して上記λ/ 2板を備えた上記第一回転筒体が1/2回転される。そして、上記ワークの外周面にレーザ光を照射すべく、上記反射ミラーの外周囲にワークを自転停止状態で公転される。これにより、上記ワーク外周面には、上記請求項1と、同様な多彩な模様状の周期構造体の加工が行われる。
まず、上記円筒ワークWに微細周期性溝KMを加工する場合は、図2と図4に示すように、フェムト秒レーザ発振器10のレーザ出力部20Aからのフェムト秒レーザLOは、筒体42内のアイリスA1・シャッタST・凹レンズR1を介して進む。更に、基盤2の支持部40に保持された筒体49内に配置された平凸レンズR2とアイリスA2を介して進み、例えば、上記三連スライド式のホモジナイザーH(選択された周期性溝用ホモジナイザーH1,ディンプル加工用ホモジナイザーH2,混合加工用ホモジナイザーH3の何れか一つ)から平凸レンズ(集光レンズ)R3を介して筒体49の先端部49Aに至る。上記三連スライド式のホモジナイザーHにおいて、周期性溝用ホモジナイザーH1の機能は、上記フェムト秒レーザ光LOのエネルギー波形は、図4(b )に示す山形の二次曲線のもので両裾のエネルギーが利用されない。そこで、図4(c )に示すように、その特性を改善する周期性溝用ホモジナイザーH1によりエネルギー分布を矩形に整形し、エネルギー効率を限り無く100%にすることが可能だからである。従って、エネルギー効率を問題にしなければ、上記周期性溝用ホモジナイザーH1は省略することも可能である。即ち、フェムト秒レーザ光LOによる微細周期性溝KMの溝方向と加工面積は、フェムト秒レーザの偏光方向とフル−エンス(レーザ出力のエネルギー)に依存されるから、これらを制御しなければならない。ディンプル加工用ホモジナイザーH2は、図4(a )に示すように、一種のホログラムであり、集光部のエネルギー分布を制御する。即ち、ディンプル加工用ホモジナイザーH2は、その表面に微細な凹凸があり、この凹凸を通過するフェムト秒レーザLOの光が回折し、多数のエネルギー分布(エネルギー密度の高い複数のスポットS1〜S6)を生じさせる。このエネルギー分布により、ディンプルDPが加工される。尚、微細周期性溝KMとディンプルDPとを混合加工する混合加工用ホモジナイザーH3に切替えれば、図4(d )に示すように、均一なエネルギー分布SOとエネルギー密度の高い複数のスポットS1〜S6とが存在し、微細周期性溝KMとディンプルDPとが混在した複合加工が行なえる。
まず、図5に示すように、円筒ワークWの表面に連続する微細周期性溝KM又は不連続な微細周期性溝KMを模様状に加工するには、上記レーザ加工ヘッド20において、プログラム手段PCにより予め手入力で作られた図6に示す入力手順と自動運転のフローチャートと、図7に示すZ軸駆動手段9により、加工幅(所定幅に設定して加工)を間欠移動(ステップ移動)又は連続移動(螺旋移動)させる移動制御と、図8に示す自動運転加工フローチャートにより実行される。上記入力手順と自動運転のフローチャートは、先ず、「スタート」で、「入力操作」となり、Z軸駆動手段9の送りを「間欠移動又は連続移動」の何れかに手動操作で「選択」される。この入力内容は、「ワークポイントX,Y,ワークスタートポイントZ」「セーフティハイト、ピッチZ、送りZ、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」である。続いて、「自動運転」に入り、「レーザ発振」、「シャッタ」の開閉制御及び反射ミラーMの反射光方向LOを制御する首振り手段MDの角度制御のもとに、「プログラム自動運転」が開始され各ユニット3,5,9,10,20,30, 各モータM1, M2,M3,MMや各手段ST,HD,MD等が駆動部DDにより作動される。加工が終了したところで、「シャッタ」の閉口と「レーザ停止」により「加工終了」になっている。上記プログラム自動運転は、図6と図8に示すフローチャートのようにプログラムされている。先ず、「自動運転の開始」により「Z軸駆動手段の軌跡選択(間欠移動/連続移動)と「ホモジナイザの選択(H1, H2, H3)」と「ワーク加工原点合せ/加工ヘッドの原点合せ」の後に、「ワーク内周面への一周目の加工開始(ワーク回転/レーザ発振/シャッタの開閉制御/反射ミラーの首振り)」が実行される。これで、「一周目の加工終了」になると、「二周目へのZ軸駆動手段による軌跡変更(ワーク回転/レーザ発振/シャッタ、一周目と逆の反転開閉制御/反射ミラーの首振り)」が実行される。この「二周目の加工終了」に続いて、「三周目へのZ軸駆動手段による軌跡変更(ワーク回転/レーザ発振/シャッタ、二周目と逆の反転開閉制御/反射ミラーの首振り)」・・・「N周目へのZ軸駆動手段による軌跡変更とワーク回転/レーザ発振/シャッタ、前回と逆の反転開閉制御/反射ミラーの首振り)」、そして、「N周目の加工終了(シャッタの閉口/レーザ停止/原点復帰/反射ミラーの原位置復帰)」、最後に「加工終了」となる。加工終了とともに、シャッタSTが閉じられてフェムト秒レーザLOを遮断する。尚、上記Z軸駆動手段によりワークを軸芯方向へ自動送りでき、また、ホモジナイザの選択(H1, H2, H3)により各種模様パターンが広範囲にわたり加工できる。
まず、上記円筒ワークW5の内周面W6に微細周期性溝KMを加工する場合は、図11〜図15に示すように、レーザ出力部20Aからのフェムト秒レーザLOは、アイリスA1・シャッタSTを介して進み、更に、レーザ加工ヘッド20の第一回転筒体41内の平凸レンズR2とλ/ 2板PとアイリスA2を介して進み、更に、第二回転筒体49内の周期性溝用ホモジナイザーH1から平凸レンズ(集光レンズ)R3を介して先端の反射ミラーMに至る。上記周期性溝用ホモジナイザーH1にする理由は、上記フェムト秒レーザ光LOのエネルギー波形は、図14(b )に示す山形の二次曲線のもので両裾のエネルギーが利用されない。そこで、図14(c )に示すように、その特性を改善する周期性溝用ホモジナイザーH1によりエネルギー分布を矩形に整形し、エネルギー効率を限り無く100%にすることが可能だからである。従って、エネルギー効率を問題にしなければ、上記周期性溝用ホモジナイザーH1は省略することも可能である。続いて、反射ミラーMで外径方向に曲げられたフェムト秒レーザLOは、円筒ワークW5の内周面W6に直線偏光の形(直径2mm前後)で照射される。即ち、フェムト秒レーザ光LOによる微細周期性溝KMの溝方向と加工面積は、フェムト秒レーザの偏光方向とフル−エンス(レーザ出力のエネルギー)に依存されるから、これらを制御しなければならない。従って、本発明の多機能加工制御装置200のように、三次元形状の円筒ワークW5の内周面W6を加工するに際して、フル−エンス(レーザ出力のエネルギー)が一定した状態では、フェムト秒レーザ光LOの直線偏光の方向を反射ミラーMの回転に伴って制御しなければならない。具体的には、上記第一回転筒体41の光学経路上に入れた上記λ/ 2板Pを、第二回転筒体49内の反射ミラーMとの回転位置の調節により、フェムト秒レーザLOの直線偏光の照射方向が制御される。即ち、図13に示すように、反射ミラーMの1回転(θh )に対して、λ/ 2板Pを半回転θp させること円筒ワークWの内面に一様な方向(図示では、円筒ワークW5の軸芯方向にほぼ向けて整列させた方向)に微細周期性溝KMがシャッタSTの開閉制御により間欠的な加工が行われ、例えば市松模様となる。
先ず、図15に示すように、円筒ワークW5(例えば、シリンダの内周面)に不連続な微細周期性溝KMの「市松模様」を加工するには、レーザ加工ヘッド20において、プログラム手段PCにより作られた図17のPCプログラム手段への入力手順と自動運転のフローチャートと、図19のプログラム自動運転のフローチャート図と、図18に示すZ軸駆動手段による間欠移動(ステップ)又は連続移動(スパイラル)により実行される。先ず、上記PCプログラム手段への入力手順と自動運転のフローチャートは、「スタート」で、Z軸駆動手段9の送りを「間欠移動又は連続移動」の何れかに手動操作で「入力操作」して「選択」される。間欠移動(ステップ)に選択した時の入力内容は、「ワークポイントX,Y,ワークスタートポイントZ」「セーフティハイト、ピッチZ、送り、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。また、連続移動(スパイラル)に選択した時の入力内容は、「ワークポイントX,Y,ワークスタートポイントZ」「セーフティハイト、Z軸送り、Z軸方向、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。
即ち、円筒ワークW5の内周面W6や軸状ワークW7の外周面W8に対して、周期構造体を加工するに対して、微細周期性溝またはディンプルを単一的または複合的に効率良く市松模様や任意な模様パターンに加工できる。その加工幅Lも円筒ワークW5や軸状ワークW7をZ軸駆動手段9によりZ軸方向へ移動させるか、又は、首振り手段MDによるミラーMの回動量によりフェムト秒レーザLOの照射方向を制御してできる。特に、首振り手段MDによるミラーMの回動量制御により、照射点P1から離れた照射点P3へのワープが瞬間的に行われ、加工能率を著しく改善できる。しかして、ワークには、任意寸法の加工幅に微細周期性溝KMまたはディンプルDPまたはこれらの混合溝が効率良く加工できる。上記ワークが例えば、シリンダブやクランク軸であれば、多数の溝に潤滑油が溜まってエンジンにおけるピストン往復運動の全ストローク区間において、ピストンとシリンダ間の摩擦抵抗を極限まで効率良く減らすことができる。また、クランク軸の摩擦抵抗を極限まで効率良く減らすことができる。
200は、発明の要旨内での設計変更や仕様変更が自由にできる。例えば、図20〜図24に示す第3の実施の形態のレーザ加工機の多機能加工制御装置300は、上記多機能加工制御装置200のレーザ加工ヘッド20において、回転駆動手段SDの設計変更により、λ/ 2板Pの回転を、反射ミラーMの1/2の回転量で回転駆動させず、自由に可変速制御することで、内周面W6に対する周期性溝KMの方向が自由に調節されながら加工できるようにしたものである。即ち、回転駆動手段SD´の構成は、図20〜図22に示すように、λ/ 2板Pを回転させる第一旋回モータMOと、反射ミラーMを回転させる第二旋回モータMO2とを別設としている。
先ず、上記第2の実施の形態における図15と同様に、円筒ワークW5(例えば、シリンダの内周面)に不連続な微細周期性溝KMの「市松模様」を加工するには、レーザ加工ヘッド20において、プログラム手段PCにより作られた図17の加工フローチャートと、図19のプログラム自動運転のフローチャート図と、図18に示すZ軸駆動手段による間欠移動(ステップ)又は連続移動(スパイラル)により実行される。上記加工フローチャートは、先ず、「スタート」で、Z軸駆動手段9の送りを「間欠移動又は連続移動」の何れかに手動操作で「入力操作」して「選択」される。間欠移動(ステップ)に選択した時の入力内容は、「ワークポイントX,Y,ワークスタートポイントZ」「セーフティハイト、ピッチZ、送り、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。また、連続移動(スパイラル)に選択した時の入力内容は、「ワークポイントX,Y,ワークスタートポイントZ」「セーフティハイト、Z軸送り、Z軸方向、ローテーション選択、ローテーション速度、ローテーション番号」となる。
即ち、円筒ワークの内周面や軸状ワークW9の外周面W10に対して、周期構造体を加工するに際して、上記λ/ 2板Pの回転を、反射ミラーMの1/2の回転量の関係で回転駆動させず、自由に可変速制御させることにより、加工される微細周期性溝KMの方向が順次旋回した姿勢に微調節できる。また、同一軌跡上を、λ/ 2板Pの回転を減速固定させたり増速固定させて二重に通過加工することにより、クロス状に加工できる。しかして、上記ワークが、例えば、シリンダブロックやクランク軸であれば、多数の溝に潤滑油が溜まってエンジンにおけるピストン往復運動の全ストローク区間において、ピストンとシリンダ間の摩擦抵抗を極限まで効率良く減らすことができる。また、クランク軸の摩擦抵抗を極限まで効率良く減らすことができる。
2 基盤
3 ワーク制御テーブル
5 Y軸駆動手段
5A ワーク回転駆動部
7 把持具
9 Z軸駆動手段
9A 垂直台
10 フェムト秒レーザ発振器
10A レーザ発生部
10B ファイバーレーザ発振器
10C パルスストレッチャー
10D Ti:sapphire再生増幅器
10E パルスコンプレッサー
10F レーザパワー減衰器
10G 励起用パルスグリーンレーザ
10H 電源制御部
10I 筐体温度安定化用冷却装置
20 レーザ加工ヘッド
20A レーザ出力部
30 X軸駆動手段
40 支持体
41 第一回転筒体
42 連絡筒
43 プーリー
44 プーリー
45 保持体
46 フランジ
47,47´ 回転軸
48 軸受体
49 第二回転筒体(筒体)
49A 先端部
50 プーリー
51 プーリー
60 ワーク移動ユニット
A1,A2 アイリス
CPU 中央制御部
CO 加工制御部
DD 駆動部
DP,DP´ ディンプル
NC NC制御部
KM 微細周期性溝
KM´ 微細周期性溝
LO フェムト秒レーザ
G1, G2, G3 ガイドレール部材
KB1,KB2 確動ベルト
M1, M2, M3 モータ
MO, MO2 第一旋回モータ,第二旋回モータ
MM 回転制御モータ
MD 首振り手段( ガルバノメータ)
M 反射ミラー
H ホモジナイザー
H1 微細周期性溝用のホモジナイザー
H2 ディンプル用のホモジナイザー
H3 混合加工用のホモジナイザー
HD 切り換え手段
O1,O2 軸芯(回転中心)
P λ/ 2板
P4 λ/ 4板
PO 照射ポイント
P1〜P3 照射点
R1 平凹レンズ
R2,R3 平凸レンズ(集光レンズ)
ST シャッタ
SD,SD´ 回転駆動手段
SH シャッタ開閉手段
SO 均一なエネルギー分布
S1〜S6 スポット
W 円筒ワーク
W1 内周面
W3 軸物ワーク
W4 外周面
W5 円筒ワーク
W6 内周面
W7 軸状ワーク
W8 外周面
W9 ワーク
θh 反射ミラーの回転
θp λ/ 2板の回転
θ 回転駆動
ZA 挿入深さ位置
−Z、+Z Z軸方向
100〜400 レーザ加工機の多機能加工制御装置
Claims (4)
- フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記ホモジナイザーの前側に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記集光レンズの前側に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記フェムト秒レーザの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を回転駆動させるとともに三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするレーザ加工機の多機能加工制御装置。
- フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠的に照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され直線偏光のフェムト秒レーザを導入する回転可能な第一回転筒体と、上記第一回転筒体内に配置され上記フェムト秒レーザの偏光方向を変化させるλ/ 2板と、上記λ/ 2板の前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記第一回転筒体に回転軸芯を合わせて配置される第二回転筒体と、上記第二回転筒体内に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記第二回転筒体筒の先端に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記第二回転筒体の回転1回転に対して上記第一回転筒体を1/2回転させる回転駆動手段と、上記フェムト秒レーザの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするレーザ加工機の多機能加工制御装置。
- フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠的に照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され直線偏光のフェムト秒レーザを導入する回転可能な第一回転筒体と、上記第一回転筒体内に配置され上記フェムト秒レーザの偏光方向を変化させるλ/ 2板と、上記λ/ 2板の前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記第一回転筒体に回転軸芯を合わせて配置される第二回転筒体と、上記第二回転筒体内に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記第二回転筒体筒の先端に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記第二回転筒体の第二旋回モータによる回転1回転に対して上記第一回転筒体を第一旋回モータにより1/2回転前後に加減速回転させる回転駆動手段と、上記反射ミラーの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするレーザ加工機の多機能加工制御装置。
- フェムト秒レーザ発振器と、上記フェムト秒レーザ発振器からの直線偏光のフェムト秒レーザを開閉するシャッタと、上記シャッタを開閉制御させてフェムト秒レーザを間欠的に照射させるシャッタ開閉手段と、上記シャッタの前側に配置され直線偏光のフェムト秒レーザを導入する回転可能な第一回転筒体と、上記第一回転筒体内に配置され上記フェムト秒レーザの偏光方向を変化させるλ/ 4板と、上記λ/ 4板の前側に配置され周期性溝用ホモジナイザーとディンプル加工用ホモジナイザーと混合加工用ホモジナイザーとからなるホモジナイザーと、上記ホモジナイザーを何れか一つに切り換える切換手段と、上記第一回転筒体に回転軸芯を合わせて配置される第二回転筒体と、上記第二回転筒体内に配置されフェムト秒レーザを集光する集光レンズと、上記第二回転筒体筒の先端に配置されフェムト秒レーザを外径方向に照射させる反射ミラーと、上記反射ミラーを首振りさせてフェムト秒レーザの照射方向を制御する首振り手段と、上記第二回転筒体の回転1回転に対して上記第一回転筒体を1/2回転させる回転駆動手段と、上記フェムト秒レーザの照射方向に配置されワークを把持するチャック手段と、上記チャック手段を三次元方向に移動させるワーク移動ユニットと、を具備したことを特徴とするレーザ加工機の多機能加工制御装置。
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