JPWO2020065997A1 - レーザ加工機 - Google Patents

Abstract

テーブル（１０８）に載置、固定したワーク（Ｗ）に対してレーザ光を照射しつつ、ワーク上におけるレーザ光の照射位置を移動して、該ワークを加工するレーザ加工機（１００）が、レーザ発振器（１５６）と、レーザ発振器からのレーザ光をワークへ向けて照射するレーザ照射ヘッド（１１０）であって、レーザ光のワーク表面上の照射位置を２方向に移動させるガルバノスキャナを備えたレーザ照射ヘッドと、レーザ照射ヘッドの姿勢を変更するパラレルマニピュレータ（１３０）と、パラレルマニピュレータを支持するスライド部材（１１４）と、直交する少なくとも２つの方向にスライド部材をテーブルに対して相対移動させる直線送り軸装置（１５０、１５２）とを備える。

Description

本発明は、テーブルに載置されたワークへ向けてレーザ光を照射し、該ワーク表面におけるレーザ光の照射位置を変化させて該ワークを加工するレーザ加工機に関する。

特許文献１には、立体基板の表面に対するレーザー光照射によって回路を形成するにあたり、パラレルリンク機構とシリアルリンク機構とを組み合わせた位置決め機構で姿勢制御されるジグ上に立体基板を載置し、該位置決め機構と、レーザー光照射位置決め機構により立体基板の複数面に回路を形成するようにしたレーザ加工機が記載されている。

特開２００１−０６８８１７号公報

特許文献１のレーザ加工機では、立体基板の各面へのレーザー光照射を可能としつつ装置の小型化を図ることができるが、ワーク（立体基板）の取付ジグを交換するたびに、パラレルリンク機構とシリアルリンク機構の双方に対する取付ジグの位置決め補正を行わなければならず、そのため、段取り作業が複雑で時間を要する作業となる問題がある。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、高精度の加工を短い加工時間、少ない段取り工程で実施可能なレーザ加工機を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、本発明によれば、テーブルに載置、固定したワークに対してレーザ光を照射しつつ、ワーク上におけるレーザ光の照射位置を移動して、該ワークを加工するレーザ加工機において、レーザ発振器と、レーザ発振器からのレーザ光をワークへ向けて照射するレーザ照射ヘッドであって、レーザ光のワーク表面上の照射位置を２方向に移動させるガルバノスキャナを備えたレーザ照射ヘッドと、前記レーザ照射ヘッドの姿勢を変更するパラレルマニピュレータと、前記パラレルマニピュレータを支持するスライド部材と、直交する少なくとも２つの方向に前記スライド部材を前記テーブルに対して相対移動させる直線送り軸装置とを備えたレーザ加工機が提供される。

本発明によれば、直交２軸方向に移動可能なスライド部材に対してレーザ照射ヘッドの姿勢を変更することが可能であるので、従来加工できなかった方向へレーザ光を照射することが可能となり、例えば、レーザ照射ヘッドの光軸に平行に延在する側面の加工が可能となる。また、本発明によれば、直交２軸方向に移動可能なスライド部材に対してレーザ照射ヘッドの姿勢を変更することが可能であるので、例えば特許文献１のレーザ加工機と比較して加工範囲が広くなる。

レーザ照射ヘッドがパラレルマニピュレータを介してスライド部材に取り付けられるので、一旦、レーザ照射ヘッドをスライド部材に対して位置決めしてしまえば、加工すべきワークが変更になったり、加工工程や加工の種類が変更になっても、再びレーザ照射ヘッドをスライド部材に対して位置決めする必要がないので、短時間で段取りすることが可能となる。

本発明の好ましい実施形態によるレーザ加工機の略示図である。 図１のレーザ加工機のレーザ照射ヘッドの取り付け部分を拡大して示す斜視図である。 ガルバノスキャナを示す略示斜視図である。 パラレルリンク機構を示す略示斜視図である。 本発明の作用を説明する略図である。 本発明の作用を説明する略図である。 本発明の作用を説明する略図である。 本発明の作用を説明する略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１において、本発明の好ましい実施形態によるレーザ加工機１００は、工場等の床面に固定される基台となるベッド１０２を有している。ベッド１０２の上面の後方部分にはコラム１０４が立設され、ベッド１０２の上面の前方部分には、テーブル１０８が、水平前後方向に延設された一対のＹ軸案内レール１０６に沿って往復動可能に取り付けられている。

コラム１０４には、Ｚ軸スライダ１４０が、コラム１０４の前面に上下方向に延設された一対のＺ軸案内レール１４２に沿って往復動可能に取り付けられている。Ｚ軸スライダ１４０には、スライド部材としてのヘッドストック１４４が、Ｚ軸スライダ１４０の前面に水平左右方向に延設された一対のＸ軸案内レール１４６に沿って往復動可能に取り付けられている。ヘッドストック１４４は、本実施形態では、少なくとも立壁１４４ａと横壁１４４ｂ（図２）とを有して概ねＬ字形に形成されている。ヘッドストック１４４の横壁１４４ｂの下面には、レーザ照射ヘッド１１０が、パラレルリンク機構１３０を介して取り付けられている。レーザ照射ヘッド１１０には、レーザ発振器１５６からレーザ光が光ファイバーのような導光部材１５８を介して導入される。

ヘッドストック１４４、テーブル１０８およびＺ軸スライダ１４０は、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直線送り軸装置（図示せず）によってＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に駆動、位置決めされる。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直線送り軸装置は、それぞれＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に延設されたボールねじ（図示せず）と、ヘッドストック１４４、テーブル１０８、Ｚ軸スライダ１４０に取り付けられＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各ボールねじに係合するナット（図示せず）、および、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各ボールねじの一端に結合されたＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各サーボモータ（図示せず）を具備することができる。図１では、サーボモータ１５０がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各サーボモータを代表し、ボールねじ１５２がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各ボールねじを代表している。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各サーボモータ１５０は制御装置１６０に接続されている。制御装置１６０は、読取解釈部１６２、パラレルリンク制御部１６４、ガルバノミラー制御部１６６、位置決め制御部１６８およびレーザ制御部１７０を主要な構成要素として具備している。加工プログラムが読取解釈部１６２に入力され、読取解釈部１６２から加工プログラムに従って、パラレルリンク制御部１６４、ガルバノミラー制御部１６６、位置決め制御部１６８およびレーザ制御部１６８に指令が出力される。

読取解釈部１６２、パラレルリンク制御部１６４、ガルバノミラー制御部１６６、位置決め制御部１６８およびレーザ制御部１７０は、CPU（中央演算素子）、RAM（ランダムアクセスメモリ）やROM（リードオンリーメモリ）のようなメモリ装置、HDD（ハードディスクドライブ）やSSD（ソリッドステートドライブ）のような記憶デバイス、出入力ポート、および、これらを相互接続する双方向バスを含むコンピュータ装置、関連するソフトウェアおよびＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各サーボモータ１５０、後述するガルバノスキャナのＸスキャンモータ１１２、Ｙスキャンモータ１１６、および、直動アクチュエータ１３８−１〜１３８−６等のアクチュエータを駆動する電源を含んで構成することができる。制御装置１６０は、レーザ加工機１００のためのＮＣ装置やPLCの一部としてソフトウェア的に構成しててもよい。

Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各サーボモータ１５０は制御装置１６０の位置決め制御部１６８に接続されている。位置決め制御部１６８はＮＣ装置であり、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のサーボモータ１５０を制御することによって、ヘッドストック１４４の位置が制御される。また、レーザ発振器１５６は、レーザ制御部１７０に接続されており、該レーザ制御部１７０によってオンーオフ制御される。

パラレルリンク機構１３０は、並列に設けられた複数のシリアルマニピュレータによって１つのエンドエフェクタを支持するパラレルマニピュレータであり、例えば、図４に示すような、ベース１３２と、ベース１３２に揺動可能に連結された６つのジャッキまたは直動関節１３６−１〜１３６−６と、直動関節１３６−１〜１３６−６の他端に揺動可能に連結されたエンドエフェクタ１３４とを有するスチュワートプラットフォームとすることができる。本実施形態では、ベース１３２がヘッドストック１４４の横壁１４４ｂに固定され、エンドエフェクタ１３４にレーザ照射ヘッド１１０が取り付けられる。

パラレルリンク機構１３０の複数のシリアルマニピュレータは、制御装置１６０のパラレルリンク制御部１６４に接続されており、ヘッドストック１４４に対するエンドエフェクタ１３４の相対的なＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の位置、および、回転位置が制御される。図４に示す例では、直動関節１３６−１〜１３６−６は、例えば、空圧シリンダ、油圧シリンダ、ボールねじに結合されたサーボモータまたはステッピングモータのような直動アクチュエータ１３８−１〜１３８−６を備えることができる。直動アクチュエータ１３８−１〜１３８−６は、制御装置１６０のパラレルリンク制御部１６４に接続されており、直動関節１３６−１〜１３６−６の長さが該パラレルリンク制御部１６４によって制御される。これによって、ヘッドストック１４４に対するエンドエフェクタ１３４の相対的なＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の位置、および、回転位置が制御される。

レーザ照射ヘッド１１０は、ハウジング１２２内にレーザ光のワークＷの表面上の照射位置を２方向に移動させるガルバノスキャナを備えている。より詳細には、レーザ照射ヘッド１１０は、ガルバノミラーを構成する第１のミラーまたはＸスキャンミラー１１４、第２のミラーまたはＹスキャンミラー１１８、ガルバノミラー駆動モータを構成するＸスキャンモータ１１２およびＹスキャンモータ１１６を具備する。レーザ照射ヘッド１１０は、更に、走査レンズであるｆθレンズ１２０を具備している。レーザ照射ヘッド１１０は、レーザ光を集光する集光レンズ（図示せず）を具備している。Ｘスキャンミラー１１４、Ｙスキャンミラー１１８、Ｘスキャンモータ１１２、Ｙスキャンモータ１１６およびｆθレンズ１２０はハウジング１２２内に配設されている。ハウジング１２２の下端面には、レーザ光を照射するノズル１２４が設けられている。

Ｘスキャンミラー１１４は、Ｘスキャンモータ１１２によってＺ軸に平行な軸線周りに回転駆動される。Ｙスキャンミラー１１８はＹスキャンモータ１１６によってＸ軸に平行な軸線周りに回転駆動される。Ｘスキャンモータ１１２およびＹスキャンミラー１１６は、制御装置１６０のガルバノミラー制御部１６６によって制御される。レーザ発振器１５６から出力されたレーザ光は、光ファイバーのような導光部材１５８を介してハウジング１２２内に導入され、Ｘスキャンミラー１１４およびＹスキャンミラー１１８で反射され、ｆθレンズ１２０を通過してノズル１２４からワークＷへ向けて照射される（レーザ光ＢL）。

Ｘスキャンモータ１１２およびＹスキャンモータ１１６をガルバノミラー制御部１６６によって制御することによって、光軸Ｏに対するｆθレンズ１２０へ入射するレーザ光ＢＬiの入射角θx、θyが制御され、これによってワークＷの表面上のレーザスポットPLSの位置が、レーザ照射ヘッド１１０の光軸Ｏに対して垂直な２方向に連続的に制御される。入射角θxは、ｆθレンズ１２０に入射するレーザ光ＢＬiをＺＸ平面に投影したときにできる直線Ｌxと光軸Ｏとがなす角であり、入射角θyは、入射するレーザ光ＢＬiをＹＺ平面に投影したときにできる直線Ｌyと光軸Ｏとがなす角である。なお、図３の例では、レーザ照射ヘッド１１０の光軸Ｏは、ｆθレンズ１２０の光軸であり、パラレルリンク機構１３０がホームポジションにあるときＺ軸に平行に延びている。パラレルリンク機構１３０がホームポジションにあるとき、エンドエフェクタ１３４はベース１３２に対して平行となっている。

また、走査レンズとしてのｆθレンズ１２０を光軸方向に移動可能として、該ｆθレンズ１２０の光軸方向の位置を制御装置１６０によって制御するようにしてもよい。また、走査レンズは、ｆθレンズではなくテレセントリックレンズであってもよい。

本実施形態によれば、図２においてＡＭで示すレーザ光を照射可能な範囲が、つまり加工可能な範囲が、パラレルリンク機構１３０によりレーザ照射ヘッド１１０の姿勢を変更することによって、二点鎖線ＡＭ′で示すように拡大される。

また、従来、レーザ加工機では、ワークに照射されるレーザ光は集光レンズによって集光されるために先細りの円錐形状となり、従って、ワークＷに溝Ｇvを形成するような場合、図５に示すように、断面において先端側が狭いテーパ状に形成される。本実施形態によれば、パラレルリンク機構１３０によって、レーザ照射ヘッド１１０の光軸ＯがＺ軸に対して傾斜するように、レーザ照射ヘッド１１０の姿勢を変更し、ガルバノスキャナ１１２〜１１８によって、溝Ｇvの側面上へのレーザ光の照射位置を移動させることによって、図６において、参照符号Ｃで示すように、側面を垂直に加工しつつ、レーザ照射ヘッド１１０をレーザ加工機１００のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の送り軸装置によって直交３軸方向に直線送りして、図７に示すように、垂直な側面を有した溝Ｇsを形成することが可能となる。

また、本実施形態によれば、図８に示すような、ワークＷが凹所またはポケットを有している場合に、凹所またはポケットの側面をレーザ加工することが可能となる。

本実施形態では、図２に示すように、レーザ照射ユニット１１０やエンドエフェクタ１３４に対し固定された撮像装置１２６を有する。撮像装置１２６は、ワークの表面上のレーザ光の照射位置を検出すること、およびワーク表面上にレーザ光の焦点が合致しているか合っているか検出することに用いられる。本実施形態では、レーザ光の照射位置の制御を行うことが可能なＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直線送り軸装置、パラレルリンク機構１３０、ガルバノスキャナの３つの照射位置の制御手段がある。３つの制御手段は、それぞれ精度よく照射位置を制御することができるが、それぞれにおいて僅かながら誤差を有する。そのため、誤差の要素が３つ重なり、誤差の補正が難しくなる。そこで、撮像装置１２６で、３つの誤差をそれぞれ区別せずに、レーザ照射ユニット１１０とワークとの間の誤差として一括して求め、パラレルリンク機構１３０を誤差を打ち消すように駆動し、一括して誤差を補正する。これにより、本発明のレーザ加工機のように３つの照射位置の制御手段があっても速やかに効率よく誤差の補正ができる。本実施形態では、撮像装置１２６にＣＣＤカメラを用いているが、ＣＭＯＳセンサを用いたカメラでもよい。また、誤差補正に用いる制御手段としてパラレルリンク機構１３０を用いているが、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直線送り軸装置、ガルバノスキャナのいずれかであっても、誤差を補正することができる。

本発明では、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直線送り軸装置、パラレルリンク機構１３０、ガルバノスキャナの３つの照射位置の制御手段があることにより、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の直線送り軸装置を制御するための指令が記載された位置決めプログラムと、パラレルリンク機構１３０を制御するための指令が記載されたパラレルリンクプログラムと、ガルバノスキャナを制御するための指令が記載されたガルバノプログラムとを必要とする。これらに加え、レーザ発振器のＯＮ／ＯＦＦなどの制御を行うレーザ発振器プログラムも必要とする。そのため、加工プログラムを入力することが煩雑になるが、これらについては、それぞれのプログラムを作成した後に、位置決めプログラム入力部から位置決めプログラムを入力し、パラレルリンクプログラム入力部からパラレルリンクプログラムを入力し、ガルバノプログラム入力部からガルバノプログラムを入力し、これらプログラム群を統合するプログラム統合部を有しているため、制御装置１６０の読取解釈部１６２に入力することが可能となっている。

１００ レーザ加工機
１０２ ベッド
１０４ コラム
１０６ Ｙ軸案内レール
１０８ テーブル
１１０ レーザ照射ヘッド
１１２ Ｘスキャンモータ
１１４ Ｘスキャンミラー
１１６ Ｙスキャンモータ
１１８ Ｙスキャンミラー
１２０ ｆθレンズ
１２２ ハウジング
１２４ ノズル
１３０ パラレルリンク機構
１３２ ベース
１３４ エンドエフェクタ
１３６−１ 直動関節
１３６−２ 直動関節
１３６−３ 直動関節
１３６−４ 直動関節
１３６−５ 直動関節
１３６−６ 直動関節
１３８−１ 直動アクチュエータ
１３８−２ 直動アクチュエータ
１３８−３ 直動アクチュエータ
１３８−４ 直動アクチュエータ
１３８−５ 直動アクチュエータ
１３８−６ 直動アクチュエータ
１４０ Ｚ軸スライダ
１４２ Ｚ軸案内レール
１４４ ヘッドストック
１４４ａ 立壁
１４４ｂ 横壁
１４６ Ｘ軸案内レール
１５０ サーボモータ
１５２ ボールねじ
１５６ レーザ発振器
１５８ 導光部材
１６０ 制御装置
１６２ 読取解釈部
１６４ パラレルリンク制御部
１６６ ガルバノミラー制御部
１６８ 位置決め制御部
１７０ レーザ制御部

Claims (3)

1. テーブルに載置、固定したワークに対してレーザ光を照射しつつ、ワーク上におけるレーザ光の照射位置を移動して、該ワークを加工するレーザ加工機において、
   レーザ発振器と、
   レーザ発振器からのレーザ光をワークへ向けて照射するレーザ照射ヘッドであって、レーザ光のワーク表面上の照射位置を２方向に移動させるガルバノスキャナを備えたレーザ照射ヘッドと、
   前記レーザ照射ヘッドの姿勢を変更するパラレルマニピュレータと、
   前記パラレルマニピュレータを支持するスライド部材と、
   直交する少なくとも２つの方向に前記スライド部材を前記テーブルに対して相対移動させる直線送り軸装置と、
   を備えることを特徴としたレーザ加工機。
2. 前記パラレルマニピュレータは、前記スライド部材に固定されたベースと、前記ベースに対して並列に設けられた複数の直動関節を介して前記ベースに連結されたエンドエフェクタとを備え、前記レーザ照射ヘッドは前記エンドエフェクタに取り付けられている請求項１に記載のレーザ加工機。
3. レーザ光のワーク表面上の照射位置を撮像する撮像装置を更に備えた請求項１に記載のレーザ加工機。

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