JPH0687089A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構成が簡単かつ軽量であって、動特性が優れ
たレーザ加工装置を提供する。 【構成】 レーザ加工装置６は、レーザ光を反射する平
面鏡３４と、レーザ光Ｌを集光するための集光光学系で
あるレンズ２１と、レンズ２１から射出するレーザ光の
光軸に対して垂直な平面内においてレンズ２１を２次元
的に位置決めするための位置決め手段であるＸＹテーブ
ル５０と、これを保持する筺体３２などから構成され
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえばロボットの手
首に取付けられて穴あけ加工などを行うレーザ加工装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ光を使用する加工は種々あるが、
薄板切断もその１つである。近年は自動車ボディなどの
３次元形状に対しての加工が求められており、このよう
な場合、産業用ロボットの手先にレーザの加工ヘッドを
設置して作業を行うのが一般的である。比較的小径の穴
を開ける作業を行う場合、ロボットの持つ動作軸の全部
または大多数を使用して加工ヘッドを駆動しており、特
に穴を平面上にあける場合でも、その平面上を移動する
ためにはロボットの多数の軸を駆動する必要がある。し
かし、ロボットの各軸の動特性は一様でないために、高
速切断では動特性の差によって加工ヘッドの軌跡が歪ん
でしまい、真円の穴を形成しようとしても、その穴は真
円ではなく、歪んだ形状の穴になってしまう。

【０００３】この対策として、ロボットの先端に、穴あ
け用動作軸を追加する方式が実現されている。この先行
技術は、たとえばＲｏｂｏｔ Ｎｏ．６７ 第３４頁〜
第３８頁に開示されている。これはロボットが穴をあけ
る場所に移動して、作業対象面に対して位置、姿勢を保
持し、追加された共に高い動特性を持った２軸で穴の軌
跡を描くものであり、穴形状を極座標で取扱うことにな
る。第１の軸にツールを把持し、所定の円のツール軌跡
は、この第１の軸を回転させる回転軸となる第２の軸の
回転軌跡である。第１の軸の回転中心と、第２の軸の回
転中心との距離は、装置の仕様によって決定される。第
１の軸の回転角によって、所定の半径が与えられ、周速
度の情報に基づいて第１軸と第２軸を制御することによ
って、小円加工を正確に行うことができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この先行技術では、レ
ーザ光が光ファイバで伝送されているため、光ファイバ
の可撓性により、２次元運動する加工ヘッドに直接、光
ファイバを接続することが可能になっている。しかし、
レーザ光がＣＯ₂レーザのような大出力のものになる
と、光ファイバでの導光が不可能になり、その対策とし
て鏡による導光手段を採用すると、加工ヘッド部への反
射鏡を用いる光路を設けることが必要になる。

【０００５】このような反射鏡を用いた構造に、前述の
先行技術の考え方を適用した構成は、単純には、図９に
示されるようになるであろう。第１と第２の反射鏡Ｍ
１，Ｍ２は支持部材１に固定されており、また第３およ
び第４の反射鏡Ｍ３，Ｍ４はもう１つの支持部材２に固
定されている。支持部材２は第１の軸Ａ１まわりに角変
位可能である。支持部材１は第２の軸Ａ２まわりに角変
位可能であり、この第２軸Ａ２と一致した光軸を有する
レーザ光が、レーザ光源から導かれる。反射鏡Ｍ１によ
って反射されたレーザ光３は、参照符４で示されるよう
に第１の軸Ａ１に一致した光軸を有して、反射鏡Ｍ２に
よって反射され、反射鏡Ｍ３，Ｍ４を経て、第１および
第２の軸Ａ１，Ａ２に平行に、集光レンズ５ａを介して
参照符５で示されるように射出され、穴加工のために用
いられる。

【０００６】このような図９に示される構成では、反射
鏡Ｍ１〜Ｍ４の数が多く、したがって光路長が長く、効
率が低下するという課題がある。また構成が複雑であ
り、全体の構成が大形になるという課題がある。

【０００７】本発明の目的は、前述した課題を解決する
ため、構成が小形かつ軽量であって、動特性が優れたレ
ーザ加工装置を提供することである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、レーザ光を集
光するための集光光学系と、前記集光光学系から射出す
るレーザ光の光軸に対して垂直な平面内において前記集
光光学系を２次元的に位置決めするための位置決め手段
とを備えたことを特徴とするレーザ加工装置である。

【０００９】

【作用】本発明に従えば、レーザ光を集光するための集
光光学系と、集光光学系から射出するレーザ光の光軸に
対して垂直な平面内において集光光学系を２次元的に位
置決めするための位置決め手段とを備えることによっ
て、レーザ光がスポット光として集束する加工点の位置
を、被加工物であるワークの上で２次元的に高精度で制
御することができるため、たとえば小径穴の切断作業を
高速かつ精度良く行うことが可能となる。

【００１０】

【実施例】図１は、本発明の光学的原理を示すものであ
り、図１（ａ）は、レーザ光の光軸とレンズの中心とが
一致した状態を示し、図１（ｂ）は、レーザの光軸とレ
ンズの中心とがずれた状態を示している。まず、図１
（ａ）において、平行ビームとなったレーザ光Ｌがレン
ズ２１の表面に対して垂直に入射し、かつレーザ光Ｌの
光軸２０がレンズ２１の中心を通る場合、レンズ２１の
焦点位置に微小なスポット光Ｓを形成する。スポット光
Ｓは、光が集束して高いエネルギー密度を有しており、
この焦点位置に薄板などのワークを導入することによっ
てスポット状に溶融、切断することができる。

【００１１】次に、図１（ｂ）において、レーザ光Ｌを
照射しながら、レーザ光Ｌの光軸２０に対して垂直な平
面内において、レンズ２１の位置をΔＸの距離だけ図中
右方へ移動させると、スポット光Ｓも同じ方向へ同じ距
離だけ移動する。こうして、焦点位置に導入されたワー
クに対してΔＸの距離分の切断加工を行うことができ
る。さらに、レンズ２１をレーザ光Ｌの光軸２０に対し
て垂直な平面内において、ΔＸの方向に対して垂直なＹ
方向（紙面垂直方向）にも移動させることによって、ス
ポット光Ｓを２次元的に位置決めすることが可能とな
る。

【００１２】図２は、図１に示したレンズ２１の代わり
に凹面鏡２３を用いてスポット光Ｓを形成するための光
学系の一例を示す図である。平行ビームであるレーザ光
Ｌが、一旦平面鏡２２によって直角方向に反射して、凹
面鏡２３に入射し、さらに直角方向に反射して凹面鏡２
３の焦点位置に集束してスポット光Ｓを形成している。
この状態で、スポット光Ｓを２次元的に位置決めするた
めには、凹面鏡２３から射出するレーザ光の光軸２４に
対して垂直な平面内において、凹面鏡２３を図中Ｘ−Ｙ
方向に２次元的に位置決めすることが必要となる。この
ように、レーザ光をスポット光に集束することができる
集光光学系を２次元的に移動させ、位置決めすることに
よって、ワークの２次元切断加工が可能となる。

【００１３】図３は、本発明の一実施例であるレーザ加
工装置の構成を示す断面図である。このレーザ加工装置
６は、図５に示されるたとえば６軸の多関節型のロボッ
ト７の手首８に取付けられ、レーザ光源１５から射出さ
れたレーザ光は、軸９〜１４に沿って反射鏡などの導光
手段によって導かれ、レーザ加工装置６の出力側に形成
されたスポット光Ｓが薄板などのワーク（不図示）に照
射され、所望の形状に切断加工や穴加工が行われる。

【００１４】図３に示すように、このレーザ加工装置６
は、レーザ光Ｌを反射する平面鏡３４と、レーザ光Ｌを
集光するための集光光学系であるレンズ２１と、レンズ
２１から射出するレーザ光の光軸に対して垂直な平面内
においてレンズ２１を２次元的に位置決めするための位
置決め手段であるＸＹテーブル５０と、これらを保持す
る筺体３２などから構成されている。

【００１５】ＸＹテーブル５０は、図４の平面図で示す
ように、（ａ）レンズ２１を支えるＸテーブル３５と、
Ｘテーブル３５の直線移動を案内するレール３６，３７
と、Ｘテーブル３５に連結されたナット３８を直線移動
させるためのねじ３９と、ねじ３９を所定量回転させる
ためのモータ４０とから成るＸ移動部と、（ｂ）Ｘ移動
部を支えるＹテーブル４１と、Ｙテーブル４１の直線移
動を案内するレール４２，４３と、Ｙテーブル４１に連
結されたナット４４を直線移動させるためのねじ４５
と、ねじ４５を所定量回転させるためのモータ４６とか
ら成るＹ移動部とで構成されており、筺体３２に形成さ
れた窓２５を覆うように設置される。なお、レンズ２１
の移動を高精度に検出するために、各テーブル３５，４
１の直線移動量を検出するためのリニアエンコーダや各
ねじ３９，４５の回転量を検出するためのロータリエン
コーダなど設置することが好ましく、また、各モータ４
０，４６としてステッピングモータなどを用いても高精
度の位置決めが達成される。

【００１６】レーザ加工装置６の筺体３２は、フランジ
３３とフランジ８ａとの連結によってロボットの手首８
に固定され、図５に示すレーザ光源１５から導入された
レーザ光Ｌは、平面鏡３４で直角方向に反射され、レン
ズ２１に入射することによって、レンズ２１の焦点位置
にスポット光Ｓが形成され、ワーク（不図示）に照射さ
れる。

【００１７】スポット光Ｓを２次元的に移動させる場
合、各モータ４０，４１の回転量を制御することによっ
て、レンズ２１を所定位置に位置決めすることで達成さ
れる。したがって、たとえば、ワークに対してスポット
光Ｓを照射しながら、レンズ２１をある座標（Ｘａ，Ｙ
ａ）からＸ方向に（Ｘａ＋Ｄ，Ｙａ）まで移動して、次
にＹ方向に（Ｘａ＋Ｄ，Ｙａ＋Ｄ）まで移動して、さら
に−Ｘ方向に（Ｘａ，Ｙａ＋Ｄ）まで移動して、最後に
−Ｙ方向に（Ｘａ，Ｙａ）まで移動することによって、
一辺の長さＤの正方形の穴を形成することができる。

【００１８】また、丸穴加工を行う場合、Ｘ＝Ｘｂ＋Ｒ
×ｃｏｓθ、Ｙ＝Ｙｂ＋Ｒ×ｓｉｎθの式を用いてパラ
メータθを０から２πまで徐々に変化させながらスポッ
ト光Ｓを照射することによって、座標（Ｘｂ，Ｙｂ）を
中心とする半径Ｒの穴を形成することができる。

【００１９】図６は、本発明の他の実施例であるレーザ
加工装置の構成を示す断面図である。本実施例における
レーザ加工装置６は、レーザ光６を集光するための集光
光学系であるレンズ２１と、レンズ２１から射出するレ
ーザ光Ｌの光軸に対して垂直な平面内においてレンズ２
１を２次元的に位置決めするための位置決め手段である
Ｒθ移動手段７３などから構成されている。

【００２０】レーザ加工装置６の第１筺体６１は、図３
と同様に、図５に示されるたとえば６軸の多関節型のロ
ボット７の手首８に取付けられ、さらに第２筺体６２が
軸受６３によってレーザ光Ｌの光軸２０に一致した第１
筺体６１の軸線まわりに角変位可能なように取付けられ
る。第２筺体６２の上方には、環状の外歯車６７が固定
されており、第１筺体６１の内側に固定されたモータ６
５の出力軸に固定された駆動歯車６６と噛合うことによ
り、モータ６５の回転量に応じて第２筺体６２が回転す
る。

【００２１】さらに、レンズ２１が固定された支持枠７
２と共に一体的に直線移動するラック７０と、第２筺体
６２の内側に固定されたモータ６８の出力軸に固定され
たピニオン６９とが噛合っており、モータ６５の回転量
に応じてレンズ２１が直線移動する。

【００２２】レーザ加工装置６の第１筺体６１は、フラ
ンジ６０とフランジ８ａとの連結によって、ロボットの
手首８に固定され、図５に示すレーザ光源１５から導入
されたレーザ光Ｌは、レンズ２１に入射することによっ
て、レンズ２１の焦点位置にスポット光Ｓが形成され、
ワーク（不図示）に照射される。

【００２３】スポット光Ｓを２次元的に移動させる場
合、モータ６５の回転量を制御することによって、光軸
２０に対するレンズ２１の角変位量θが制御され、一
方、モータ６８の回転量を制御することによって、光軸
２０に対するレンズ２１の距離Ｒが制御される。したが
って、たとえば丸穴加工する場合、加工すべき丸穴の中
心と光軸２０を一致させた後、レンズ２１を直線移動さ
せて丸穴の半径Ｒに相当する位置にスポット光Ｓを形成
してから、ワークに対してスポット光Ｓを照射しなが
ら、モータ６５を制御してレンズ２１を光軸２０に対し
て一周分角変位させることによって、丸穴を形成するこ
とができる。

【００２４】図７は、本発明の他の実施例であるレーザ
加工装置の構成を示す断面図であり、図８はその部分斜
視図である。本実施例におけるレーザ加工装置６は、レ
ーザ光Ｌを集光するための集光光学系であるレンズ２１
と、レンズ２１から射出するレーザ光の光軸に対して垂
直な平面内において、レンズ２１を２次元的に位置決め
するための位置決め手段である２軸アーム手段８０など
から構成されている。レーザ加工装置６の筺体８８は、
図３と同様に、図５に示されるたとえば６軸の多関節型
のロボットの手首８に取付けられる。筺体８８の内部上
方には、外部からの制御信号によって回転量制御可能な
モータ８１が固定され、モータ８１の出力軸にはギアな
どの変速手段８２を介して第１アーム８３が連結されて
いる。第１アーム８３の先端部には、外部からの制御信
号によって回転量制御可能なモータ８４が固定され、モ
ータ８４の出力軸にはギアなどの変速手段８５を介して
第２アーム８６が連結されている。第２アームの先端部
には、レンズ２１を支持するレンズ支持枠８７が固定さ
れている。

【００２５】図５に示すレーザ光源１５から導入された
レーザ光Ｌは、レンズ２１に入射することによって、レ
ンズ２１の焦点位置にスポット光Ｓが形成され、ワーク
（不図示）に照射される。スポット光Ｓを２次元的に移
動させる場合、モータ８４の回転量を制御することによ
って、モータ８４の回転中心を第２基準点とするレンズ
２１の角変位量が制御され、一方、モータ８１の回転量
を制御することによって、モータ８１の回転中心を第１
基準点とするモータ８４の角変位量が制御される。した
がって、モータ８１の回転中心を第１基準点とする第１
極座標系と、モータ８４の回転中心を第２基準点とする
第２極座標系との座標変換、およびレーザ光Ｌの光軸２
０と第１基準点との偏差を考慮することによって、レン
ズ２１を所望の位置に位置決めすることができる。

【００２６】なお、以上の実施例において、レーザ光Ｌ
を集光するための集光光学系としてレンズ２１を用いる
例を説明したが、図２に示したようにレンズ２１の代わ
りに凹面鏡２３を用いてもスポット光Ｓの２次元的な位
置決めを実現することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上詳説したように、本発明によれば、
多関節型のロボット全体を制御することなく、ロボット
アームの先端に取付けられた位置決め手段によって集光
光学系を２次元的に位置決めすることによってレーザ加
工を行うことができるため、動特性の改善が図れ、小形
状の穴加工や切断加工を高精度かつ高速に行うことがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光学的原理を示すものであり、図１
（ａ）はレーザ光の光軸とレンズの中心とが一致した状
態であり、図１（ｂ）はレーザ光の光軸とレンズの中心
とがずれた状態を示す。

【図２】凹面鏡２３を用いてスポット光Ｓを形成するた
めの光学系の一例を示す図である。

【図３】本発明の一実施例であるレーザ加工装置の構成
を示す断面図である。

【図４】図３に示したＸＹテーブル５０の平面図であ
る。

【図５】６軸の多関節型ロボット７の概略構成図であ
る。

【図６】本発明の他の実施例であるレーザ加工装置の構
成を示す断面図である。

【図７】本発明の他の実施例であるレーザ加工装置の構
成を示す断面図である。

【図８】図７に示したレーザ加工装置の部分斜視図であ
る。

【図９】先行技術に関するレーザ加工装置の光学系を示
した概略構成図である。

【符号の説明】

７ 多関節型ロボット ８ 手首 ９〜１４ 軸 １５ レーザ光源 ２０，２４ 光軸 ２１ レンズ ２２，３４ 平面鏡 ２３ 凹面鏡 ３５ Ｘテーブル ３６，３７，４２，４３ レール ３８，４４ ナット ３９，４５ ねじ ４０，４６ モータ ４１ Ｙテーブル ５０ ＸＹテーブル ６０ フランジ ６１ 第１筺体 ６２ 第２筺体 ６３ 軸受 ６４ 窓 ６５，６８ モータ ６６ 駆動歯車 ６７ 外歯車 ６９ ピニオン ７０ ラック ７３ Ｒθ移動手段 ８１，８４ モータ ８２，８５ 変速手段 ８３ 第１アーム ８６ 第２アーム

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ光を集光するための集光光学系
   と、 前記集光光学系から射出するレーザ光の光軸に対して垂
   直な平面内において前記集光光学系を２次元的に位置決
   めするための位置決め手段とを備えたことを特徴とする
   レーザ加工装置。