JPH0241154Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 ［考案の目的］ （産業上の利用分野） 本考案は、レーザビームを利用してワークの表
面の特性を改善するレーザ表面処理装置に係り、
さらに詳細には、ワークの表面に焼入れを行なう
装置に関する。

（従来の技術） レーザビームをワークの表面に照射して、ワー
ク表面を急加熱し、ワークの自己冷却により硬化
層を形成するレーザ焼入れ技術は、ワークの必要
箇所のみの局部焼入れができること、焼入時の形
状の熱変形が極めて小さいこと、冷却のための
油、水等が不要であること、等の特徴がある。

ところで、従来、ワークの表面に焼入れを行な
う場合、焦点はずし等を行なつて、スポツト径が
所定の径になるようにしていた。また、レーザビ
ームの断面形状は円形が一般的であつた。さら
に、ワークの加工位置や加工条件のデータは、ワ
ークに応じてその都度入力している。

（考案が解決しようとする問題点） 焦点はずしを行なつてワークの表面に焼入れを
行なう場合、ワーク表面におけるレーザビームの
スポツト径が常に一定である必要がある。したが
つて、レーザビームのスポツトを形成するための
集光レンズとワークの処理表面との距離が変化し
易く、均一的な焼入れを行なうことが困難である
という問題点があつた。

また、レーザビームの断面形状が円形状である
ために、例えば円柱の外周面に焼入れを行なう場
合、焼入れ開始位置と終了位置は円弧が接触する
態様となるので、焼入れ開始位置と終了位置との
境界はくびれた態様となり、焼入れ幅が狭いもの
となる。そこで、焼入れ幅がほぼ一定となるよう
に、焼入れ開始位置と終了位置とを重ね合わせる
と、焼入れ開始位置は焼入れの開始時と終了時と
の２回加熱されることとなり、質的に均一な焼入
れを行なうことが困難であるという問題点があつ
た。

さらに、ワークに応じて加工条件等をその都度
設定するのでは、加工の無人化を図る上において
問題がある。そこで、適宜のセンサーを用いてワ
ークの加工位置を検出し、その都度加工条件等を
設定することも考えられるが、加工条件の設定に
時間を要し、非能率的であるという問題点があ
る。

本考案は、上述のごとき問題点に鑑みてなされ
たものである。

［考案の構成］ （問題点を解決するための手段） 前述のごとき従来の問題点を解決するために、
本考案は、表面処理すべきワークを支承するワー
クテーブルと、上記ワークへ照射すべきレーザビ
ームを発振するレーザ発振器と、レーザ発振器か
ら発振されたレーザビームの断面形状を、所望の
断面形状に変形すると共に断面形状内におけるビ
ームの強度分布をほぼ均一化するビーム変形手段
と、ビーム変形手段を経過したレーザビームを平
行光線化する平行化手段と、平行化されたレーザ
ビームを前記ワークの処理すべき表面に照射する
加工ヘツドと、前記ワークの加工位置データを得
るためにワークを撮像する撮像手段と、ワークの
加工位置および加工条件のデータを予め記憶して
おくメモリー手段と、を備えてなるものである。

（作用） 前記構成により、レーザ発振器から発振された
レーザビームは平行光線化されてワークに照射さ
れるので、加工ヘツドとワークとの間の距離が変
化したような場合であつても、ワークへの照射部
のエネルギー密度は一定である。したがつて、ワ
ークの表面に均一的な焼入れを行なうことができ
る。

前述のごとくレーザビームをワークに照射する
に際し、レーザビームの断面形状は、１部分に平
行状部分を有する断面形状に形成され、かつ断面
形状内におけるビームの強度分布をほぼ均一化さ
れているので、幅広く焼入れを行なうことができ
ると共に、焼入れ開始位置と終了位置とを重ね合
わせることなしに、全体の焼入れ幅を均一的にで
きる。

また、ワークのレーザ焼入れを行なうに際して
の加工位置は撮像手段がワークを撮像して、メモ
リー手段に予め記憶されている加工パターンと比
較のともに加工位置及び加工条件を選定し、ワー
クの必要箇所にレーザ焼入れを行なう。

（実旋例） 第１図、第２図を参照するに、本実旋例に係る
レーザ表面処理装置１は、表面処理すべきワーク
Ｗを支承するワークテーブル３を備え、かつワー
クテーブ３の側方位置には、ワークＷへ照射すべ
きレーザビームLBを発振するレーザ発振器５を
備えている。このレーザ発振器５は、一般的なも
のでよいので、その詳細については説明を省略す
る。

上記ワークテーブル３は、ワークＷの着脱を行
なう着脱位置とレーザ焼入れを行なう加工位置と
の間を、Ｘ軸サーボモータ（図示省略）の駆動に
よつてＸ軸方向（第１図，第２図において左右方
向）に移動しかつ位置決めされる移動テーブル７
および移動テーブル７に支承され、旋回，割出用
のサーボモータ（図示省略）の駆動によつて水平
に回転自在な回転テーブル９を備えてなるもので
ある。上記回転テーブル９上にワークＷが適宜の
取付具、例えばマグネツトチヤツク等（図示省
略）を介して水平に取付けられる。本実旋例にお
いて、上記ワークＷは、適数箇所に孔Ｈを備えた
円盤を例示してある。

上記構成において、移動テーブル７の移動位置
決め及び回転テーブル９の回転および回転位置決
め等をNC装置の制御のもとに自動的に行なうこ
とにより、ワークＷの所望の孔Ｈを所定位置に位
置決めできるものである。

第１図、第２図より理解されるように、前記ワ
ークテーブル３の移動領域の側方位置にはコラム
１１が立設してあり、このコラム１１には、ワー
クテーブル３の移動領域の上方を横切つてＹ軸方
向に延伸したガイド部材１３が片持式に支承され
ている。上記ガイド部材１３には、前記レーザ発
振器５からのレーザビームLBを前記ワークＷの
所望位置へ照射する加工ヘツド１５がＹ軸方向へ
移動自在に支承されている。この加工ヘツド１５
は、前記コラム１１に装着したサーボモータSM
の駆動によつてＹ軸方向へ移動、位置決めされる
ものである。

上記構成により、加工ヘツド１５をＹ軸方向に
移動位置決めしてワークＷの所望位置と対応せし
め、レーザ発振器５からのレーザビームLBをワ
ークＷに照射することにより、ワークＷの所望位
置の焼入れが行なわれ得ることが理解されよう。

ところで、ワークＷの表面にレーザ焼入れを行
なうに当り、ワーク表面の反射率が高い場合に
は、ワーク表面に適宜のコーテイング処理を行な
う必要がある。したがつて本実旋例においては、
前記ワークテーブル３の移動領域の側方位置、表
面コーテイング装置１６が配置してある。この表
面コーテイング装置１６は、例えばリン酸マンガ
ン、カーボン粉末、炭化硅素等のごとき適宜のコ
ーテイング材料をワークＷの所望表面に塗布する
作用をなすもので、例えば一般的な塗装ロボツト
等よりなるものである。

ワークＷの所望箇所にレーザ焼入れを行なうに
際し、レーザビームLBの断面形状を所望の断面
形状となし、かつ断面形状内におけるビームの強
度分布をほぼ均一化してレーザ焼入れを均一的に
行なうために、前記加工ヘツド１３にはビーム変
形手段が設けられている。また、加工ヘツド１３
には、ワークＷに予め穿設された孔Ｈの数や配置
パターンを検出するための撮像手段として、例え
ばCCDカメラのごとき撮像装置１７が取付けら
れている。

より詳細には、第３図に示されるように、前記
加工ヘツド１３内には垂直な支持板１９が設けら
れており、この支持板１９に前記ビーム変形手段
が設けられている。すなわち、前記支持板１９に
は、前記レーザ発振器５から発振されたレーザビ
ームLBを下方向に反射する第１のベンドミラー
２１が装着してある。また、支持板１９の下部付
近には、上記第１のベンドミラー２１に対応して
インテグレーシヨンミラー２３が反射方向を微調
節自在に装着してある。

上記インテグレーシヨンミラー２３は、レーザ
発振器５からのレーザビームLBの断面形状を、
本実旋例においては丸から四角形状に変形すると
共に、レーザビームLBの断面形状内におけるビ
ームの強度分布をほぼ均一化するためのもので、
凹面基板２５上に矩形状の平面鏡２７を多数取付
けて構成してある。すなわち、多数の平面鏡２７
は、焦点面が四角形状になり、かつビーム強度が
均一化するように、それぞれ適宜に配置してあ
る。したがつて、換言すれば、インテグレーシヨ
ンミラー２３の焦点面において、レーザビーム
LBの断面形状は四角形状となり、かつビーム強
度は断面の領域に亘つて均一的になる。なお、上
記インテグレーシヨンミラー２３の焦点距離は大
きく設定してある。

上記インテグレーシヨンミラー２３において、
凹面基板２５を支持したサポートプレート２９
は、それぞれ付勢方向の異なる複数のスプリング
３１および複数のボルト３３を介して、支持板１
９に取付けたブラケツト３５に揺動可能に支持さ
れている。また、上記サポートプレート２９は、
ブラケツト３５に装着した複数のマイクロメータ
３７によつて微調節自在に支承されている。した
がつて、マイクロメータ３７を操作することによ
り、レーザビームLBの反射方向を微調節するこ
とができる。

さらに前記支持板１９の上部付近には、第２の
ベンドミラー３９が装着してある。この第２のベ
ンドミラー３９は、前記インテグレーシヨンミラ
ー２３からのレーザビームLBを垂直下方向に反
射するもので、反射方向を微調節自在に設けられ
ている。第の２ベンドミラー３９を微調節するた
めの構成は、前記インテグレーシヨンミラー２３
の構成と同様の構成である。

上記第２のベンドミラー３９の下方位置には、
レーザビームLBを平行光線化する平行化手段と
して凹レンズ４１が配置してある。この凹レンズ
４１の焦点位置は、前記インテグレーシヨンミラ
ー２３の焦点に合わせてある。したがつて、この
凹レンズ４１を経たレーザビームLBは断面形状
が四角形状の平行光線となつて垂直下方向に照射
されることとなる。

レーザビームLBをワークＷの周面あるいはワ
ークＷの孔Ｈの内周面へ照射するために、前記凹
レンズ４１の下方位置には、レーザビームLBを
水平に反射するベンドミラー４３を下端部に備え
たミラー支持部材４５が上下動自在かつ水平に回
転自在に支承されている。

より詳細には、第４図に示されるように、前記
支持板１９の背面には、軸承ブロツク４７を介し
てボールネジのごとき螺子杆４９が垂直にかつ回
転自在に支承されてる。この螺子杆４９に螺合し
たナツト部材５１を備えた昇降ブラケツト５３
が、支持板１９の背面に垂直に設けられたガイド
部材５５に上下動自在に案内支承されている。し
たがつて、前記螺子杆４９と出力軸が連結され、
支持板１９に装着されたサーボモータ５７の駆動
により、昇降ブラケツト５３が上下動されること
となる。

上記昇降ブラケツト５３の下部に水平に取付け
た支持ブラケツト５９に前記ミラー支持部材４５
が支承されている。すなわち、上記支持ブラケツ
ト５９は、垂直なレーザビームLBの光路を横切
る位置迄延伸しており、レーザビームLBに対応
する位置には透孔６１が穿設してある。この支持
ブラケツト５９の下面には、ボス部６３を中央部
に備えたフランジ部材６５が取付けてあり、フラ
ンジ部材６５の下部には円筒形状の外筒部材６７
が取付けてある。この外筒部材６７の内部には環
状の内筒部在６９が回転自在に支承されている。

上記内筒部材６９の上部には、前記フランジ部
材６５のボス部６３に回転自在に支承された従動
プーリ７１が一体的に取付けてある。この従動プ
ーリ７１に掛回したベルト７３は、前記支持ブラ
ケツト５９に装着したモータ７５に取付けた駆動
プーリ７７に掛回してある。上記内筒部材６９の
下部には、環状の水冷室７９を備えた環状部材８
１が一体的に取付けてあり、この還状部材８１の
下部にパイプ状の前記ミラー支持部材４５が取付
けてある。

上記ミラー支持部材４５の下部には、例えば銅
のごとく熱伝導性の良い材料よりなるミラー台部
材８３が取付けてあり、このミラー台部材８３に
前記ベンドミラー４３が支持されている。上記ベ
ンドミラー４３は、本実旋例においては45゜の傾
斜をもつて保持されており、ミラー支持部材４５
の１部には、ベンドミラー４３によつて反射され
たレーザビームLBの出口が形成してある。

上記ベンドミラー４３を冷却するために、前記
ミラー支持部材４５にはヒートパイプ８５が支持
されている。このヒートパイプ８５の一端部は、
前記ミラー台部材８３およびベンドミラー４３に
接触してあり、このヒートパイプ８５の他端部は
前記水冷室７９内に臨ませてある。したがつて、
ベンドミラー４３の冷却が効果的に行なわれるこ
ととなる。

第５図に示されるように、前記撮像装置１７
は、撮像用インターフエース８７を介してCPU
８９に接続してある。上記CPU８９は、データ
バスを介してRAM９１，ROM９３に接続して
あると共に、さらにインターフエース９５をNC
装置９７と接続してある。

前記撮像装置１７によつてワークＷの撮像が行
なわれると、第６図に示すステツプＳ１において
CPU８９へ画像の取込みが行なわれる。そして、
CPU８９に取込まれたワークＷの画像データは
RAM９１に格納される。また、CPU８９におい
ては、画像を取込んだ後に、ワークＷにおける孔
Ｈの配置パターンを解読し（ステツプＳ２）、
ROM９３に予め格納されている各配置パターン
と比較して、同一の配置パターン及びこの配置パ
ターンに対応した加工位置及び加工条件のデータ
を取込む。そして、上記加工データをインターフ
エース９５を介してNC装置９７へ出力する（ス
テツプＳ３）ことにより、NC装置９７の制御の
もとにワークＷのレーザ焼入れが自動的に行なわ
れる。

ところで、前記構成において、ワークテーブル
３上に載置されたワークＷの上方位置に撮像装置
１７を位置せしめてワークＷの撮像が行なわれ、
その後に、ワークＷの孔Ｈとミラー支持部材４５
とが自動的に対向される。そして、サーボモータ
５７の駆動により昇降ブラケツト５３が自動的に
下降され、ミラー支持部材４５の下部が前記孔Ｈ
に自動的に挿入される。ミラー支持部材４５がワ
ークＷの孔Ｈ内に挿入され、所定位置に位置決め
された後に、レーザ発振器５からレーザビーム
LBが自動的に発振されると、レーザビームLBは
インテグレーシヨンミラー２３等によつて断面形
状が四角形状の平行光線に変形された後に、ベン
ドミラー４３に入射される。したがつてベンドミ
ラー４３により反射され、孔Ｈの内周面を照射す
る。

レーザビームLBが孔Ｈの内周面を照射時に、
モータ７５が駆動されてミラー支持部材４５が回
転され、レーザビームLBが孔Ｈの内周面を一周
する。したがつてワークＷの孔Ｈの内周面に焼入
れを行なうことができる。

また、前記ミラー支持部材４５をワークＷの外
周面に対向せしめ、ワークＷを回転しつつレーザ
ビームLBを外周面に照射することにより、ワー
クＷの外周面にレーザ焼入れを行なうことができ
る。

前述のごとくワークＷの孔Ｈの内周面あるいは
ワークＷの外周面のレーザ焼入れを行なうに際
し、レーザビームLBは平行光線化されているの
で、ベンドミラー４３とワークＷの照射位置との
距離に変化があつても、照射幅の変化が極めて少
なく、かつ照射面は均一的に加熱されることとな
り、均質的な焼入れを容易に行なうことができ
る。また、レーザビームLBの断面形状が四角形
状に形成されているので、ワークＷにおける孔Ｈ
の内周面や外周面の焼入れを行なうとき、焼入れ
開始位置と終了位置とを重ね合わせることなく接
することにより、焼入れ幅を均一にかつ均質な焼
入れを行なうことができる。

なお、本考案は、前述の実施例のみに限ること
なく、適宜の変更を行なうことにより、その他の
態様でも実施可能である。

［考案の効果］ 以上のごとき実施例の説明より理解されるよう
に、本考案によれば、レーザビームが平行光線化
された後にワークの所望位置へ照射されるので、
ワーク照射幅は常にほぼ一定であり、照射面は均
一的に加熱されることとなり、均質的な焼入れを
容易に行なうことができる。また、円柱の外周面
や孔の内周面等をレーザ焼入れする場合、焼入れ
開始位置と終了位置とを重ね合わせることなし
に、全体を均一的な幅で焼入れを行なうことがで
きる。

さらに、ワークのレーザ焼入れに先立つてワー
クの孔の配置パターンを解読し、予め格納してあ
る配置パターンの加工位置、加工条件のデータに
基いてレーザ焼入れが行なわれるので、孔の配置
が多種類のワークを不規則的にレーザ焼入れする
場合であつても、正確かつ確実に能率よく実施し
得るものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例に係る装置の正面図、第２図
は同平面図である。第３図は第１図における−
線に沿つた拡大断面図、第４図は第３図の左側
面図で１部省略してある。第５図は実施例のブロ
ツク図、第６図はフローチヤートである。 ３……ワークテーブル、５……レーザ発振器、
１３……加工ヘツド、１７……撮像装置、２３…
…インテグレーシヨンミラー、４１……凹レン
ズ。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 表面処理すべきワークを支承するワークテーブ
   ルと、上記ワークヘ照射すベきレーザビームを発
   振するレーザ発振器と、レーザ発振器から発振さ
   れたレーザビームの断面形状を、所望の断面形状
   に変形すると共に断面形状内におけるビームの強
   度分布をほぼ均一化するビーム変形手段と、ビー
   ム変形手段を経過したレーザビームを平行光線化
   する平行化手段と、平行化されたレーザビームを
   前記ワークの処理すべき表面に照射する加工ヘツ
   ドと、前記ワークの加工位置データを得るために
   ワークを撮像する撮像手段と、ワークの加工位置
   および加工条件のデータを予め記憶しておくメモ
   リー手段と、を備えてなることを特徴とするレー
   ザ表面処理装置。