JPH09201691A - レーザ加工装置 - Google Patents

レーザ加工装置

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JPH09201691A
JPH09201691A JP8028737A JP2873796A JPH09201691A JP H09201691 A JPH09201691 A JP H09201691A JP 8028737 A JP8028737 A JP 8028737A JP 2873796 A JP2873796 A JP 2873796A JP H09201691 A JPH09201691 A JP H09201691A
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processing
axis
processing head
head
drive system
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JP8028737A
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Norio Karube
規夫 軽部
Yoshinori Nakada
嘉教 中田
Kenji Mitsui
賢治 三井
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Fanuc Corp
Original Assignee
Fanuc Corp
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    • B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B23K26/0876—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速で高精度の加工が可能なレーザ加工装
置。 【解決手段】 加工面と平行な面内で、支点１４，２４
の周りで所定角度範囲で回転可能に各一端を支持された
第１，２軸の伸縮アーム１０，２０の連結点Ｋで加工ヘ
ッド５が支持される。アーム１０，２０はボールネジ１
１，２１と伸縮管構造を有するカバー１２，２２を備え
ている。加工ヘッド５は、ボールネジ１１，１２を嵌挿
して係合するナットを備え、サーボモータ１３，２３を
動作させると、ボールネジ１１，２１が回転し、それに
応じてアーム１０，２０の伸縮が起り加工ヘッド５のが
移動する。加工ヘッド５の各アーム１０，２０との結合
部と加工ヘッド先端部を形成する加工ノズル６の間に、
Ｚ軸調整用ボールネジ３１、サーボモータ３３等からな
るＺ軸調整機構が設けられている。これにより、Ｚ軸方
向の位置（加工面に対する遠近）を調整出来るようにな
っている。加工ヘッド５の駆動に３次元の並列駆動系、
直列駆動系と並列駆動系の組合せも採用出来る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ光を利用して
材料の加工を行なうレーザ加工装置に関し、更に詳しく
言えば、加工ヘッドを移動させる駆動系に改良を加えた
レーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ光を利用して材料の切断、穿孔、
溶接、表面処理等（本明細書では、これらをまとめて
「加工」と言う。）を行なうレーザ加工装置は、加工形
状を自由に選択出来る等の利点があるため、特に多品種
少量生産に適した加工手段として広く利用されている。
図１は、炭酸ガスレーザを利用したレーザ加工装置を例
にとり、従来のレーザ加工装置の概略構成を斜視図で示
したものである。
【０００３】同図において、全体を符号１で表されたレ
ーザ加工装置は、レーザビーム供給源として炭酸ガスレ
ーザ発振器２を備えている。炭酸ガスレーザ発振器２か
ら出力されたレーザビームＬＢは、図示を省略した遮光
ダクトを導光路として加工機本体部４に伝達され、ミラ
ーＭ１，Ｍ２を経て加工機本体部４の加工ヘッド５に伝
送される。
【０００４】加工ヘッド５の内部には集光レンズ（図示
省略）が組み込まれており、ミラーＭ２により下方に屈
曲された光はこの集光レンズによって集光され、加工ヘ
ッド５の先端部に設けられた加工ノズル６から被加工物
Ｗに投射される。なお、加工速度の向上あるいは加工面
の面粗度向上のために加工ヘッド５に取付けられたアシ
ストガスノズル（図示省略）から、加工面へ向けてアシ
ストガスが吹き付けられることが通例である。
【０００５】レーザビームＬＢが入射する加工点は、加
工ヘッド５の加工ノズル６の直下に位置する。従って、
加工ヘッド５をＸ軸及びＹ軸に関して位置決めすること
によって定められる。自由な加工形状の加工を可能にす
るために、加工ヘッド５はＸＹ駆動機構上に搭載されて
いる。ＸＹ駆動機構は、加工ヘッド５を±Ｘ軸及び±Ｙ
軸方向に直線移動させる機構で、図示されているよう
に、Ｘ軸駆動のためのボールネジ６Ａ、直動ベアリング
６Ｂ、サーボモータ７、Ｙ軸駆動のためのボールネジ
８、サーボモータ９等で構成されるものが代表的であ
る。
【０００６】各サーボモータ７，９は、通常、数値制御
装置（ＣＮＣ）３によって制御される。数値制御装置３
に加工プログラムを教示して再生運転を行なうと、加工
プログラムに含まれる位置データに応じたＸ軸、Ｙ軸上
の位置（場合によっては、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸上の位置）に
加工ヘッド５が順次位置決めされ、加工プログラムで指
定されている形状に従った加工が達成される。
【０００７】なお、加工ヘッド５のＺ方向位置は、別
途、適当なＺ軸移動機構によって位置調節可能とされる
ことが多いが、場合によっては、サーボモータと数値制
御装置を用いたＸ軸、Ｙ軸と同様の制御が行なわれるこ
ともある。また、加工ヘッド５をＸＹ駆動機構で移動さ
せる方式に代えて、被加工物を載置するワークテーブル
をＸＹ駆動機構で移動させる方式を採用したレーザ加工
装置も知られている。
【０００８】しかし、これら直列ＸＹ駆動系を利用した
従来型のレーザ加工装置は、加工点の移動を俊敏に行な
う上で有利でなく、パンチプレス等の加工装置に比べて
加工速度が遅いという問題点があった。即ち、加工ヘッ
ドを高速で移動させようとした場合、構造部材の剛性が
これに追いつかず、加工精度の低下を招いていた。個々
の構造部材自体の剛性を高めることで加工精度の低下を
回避することも考えられるが、加工ヘッドの移動時に駆
動機構にかかる負荷が大きくなり、大がかりな駆動機構
を装備する必要が生じ、現実的な解決手段とはなり得な
かった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記
従来技術の問題点を解決したレーザ加工装置を提供する
ことにある。即ち、本発明は、従来構造のレーザ加工装
置に比べて駆動機構の剛性に優れ、従って加工精度を低
下させることなく加工ヘッドの高速駆動を行なうことが
容易なレーザ加工装置を提供し、そのことを通して、高
精度のレーザ加工を効率的に行えるようにする事を企図
している。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、加工機本体部
の加工ヘッド移動機構の少なくとも一部に並列駆動系を
取り入れることによって上記技術課題を解決したもので
ある。即ち、本発明のレーザ加工装置においては、加工
ヘッドを移動させるための駆動機構として、少なくとも
２本の伸縮アームと、前記少なくとも２本の伸縮アーム
の各々を伸縮させるためのモータを備えたものが使用さ
れる。少なくとも２本の伸縮アームの各基部は支点に回
転可能に支持され、加工ヘッドは、それら伸縮アームの
伸縮に応じて位置決めされるように継手機構を介して各
伸縮アームに支持される。
【００１１】用いる伸縮アームの本数は２本または３本
が実際的である。伸縮アームの本数を２本とする場合に
は、加工ヘッド先端部に設けられた加工ノズルの主軸方
向位置を調整するための手段（モータとそれに結合され
た移動機構）が搭載されていることが好ましい。
【００１２】加工ヘッドを移動させる並列駆動系を更に
直列駆動系上に搭載することも出来る。その場合、並列
駆動系に使用する伸縮アームは２本あるいは３本とする
ことが出来る。直列駆動系は典型的にはＸＹ直列駆動系
とされるが、Ｘ，Ｙ，Ｚの１軸移動の直列駆動系とする
ことも出来る。直列駆動系の駆動源には、リニアモータ
が好適に用いられる。
【００１３】
【作用】本発明のレーザ加工装置の特徴は、加工ヘッド
の移動機構に複数の伸縮アームを用いた並列駆動系を入
れたことにある。これにより、ＸＹ直列駆動系などを使
用していた従来構造のレーザ加工装置と比較して、加工
範囲を狭めることなく実質的な剛性を高めることが出来
るようになる。その結果、加工ヘッドを高速あるいは高
加速度で移動させても加工精度の劣化が生じ難い。加工
ヘッドの移動には、低速あるいは低加速度（例えば定速
移動）で足りるものも含まれるので、それを直列駆動系
に担わせることも可能である。本発明では、直列駆動系
上に並列駆動系を搭載することにより、このような加工
ヘッド移動方式も採用可能とされている。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の基本的な特徴は、レーザ
加工装置の加工ヘッドを移動させるための駆動系として
並列駆動系を用いる点にある。加工ヘッドのための並列
駆動系としては、２次元あるいは３次元のものが採用可
能である。また、並列駆動系を直列ＸＹ駆動系上に搭載
することで、加工ヘッドの移動範囲を拡張することも可
能である。ここでは、次の３つの実施形態について本発
明を更に詳しく説明する。
【００１５】実施形態１；２次元の並列駆動系を採用し
たレーザ加工装置の例 実施形態２；３次元の並列駆動系を採用したレーザ加工
装置の例 実施形態３；２次元の並列駆動系を直列ＸＹ駆動系上に
搭載したレーザ加工装置の例 なお、いずれの実施形態においても、加工ヘッドの駆動
機構以外の部分は本発明の技術思想に直接の関わるもの
でなく、従来のレーザ加工装置と同様の構造とすること
が出来る。従って、図２以下における構造の描示並びに
関連説明は、加工機本体部の要部（加工ヘッド、駆動系
並びに関連部分）に適宜限定して行なった。また、各要
素の指示について適宜図１に準じた符号を使用した。
【００１６】［実施形態１］図２（ａ），（ｂ）は、２
次元の並列駆動系を採用した実施形態１に係るレーザ加
工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図（ａ）並び
に側面図（ｂ）で示したものである。両図において、符
号１０，２０は各々伸縮自在なアームを表わしており、
これら２本の伸縮アーム１０，２０は一つの加工ヘッド
５を支持しつつ、加工ヘッド５によって連結されてい
る。そこで、加工ヘッド５を代表する点（加工ノズル直
上）を連結点と呼ぶことにある（実施形態２，３でも同
じ）。以下、便宜上、伸縮アーム１０で代表される軸を
第１軸、伸縮アーム２０で代表される軸を第２軸とす
る。
【００１７】加工ヘッド５を連結点Ｋで支持する第１軸
及び第２軸の伸縮アーム１０，２０は各々支点１４，２
４の周りで回転自在に支持されている。但し、回転が許
容されるのは加工ヘッド５を支持している連結点Ｋにお
いて加工面と平行な面内のみであり、それ以外の方向へ
の動きは拘束されている。また、後述するように、各ア
ーム１０，２０の回転範囲は適宜制限されている。
【００１８】アーム１０，２０は各々ボールネジ１１，
２１とカバー１２，２２を備え、カバー１２，２２の各
一端は支点１４，２４に取り付けられ、他端は加工ヘッ
ド５に取り付けられている。アーム１０，２０の伸縮に
適応するために、カバー１２，２２は伸縮管構造を有し
ている。具体的には、周知の蛇腹管あるいは径が段階的
に異なる何本かの管体（例えば、金属管）を順次連結し
た伸縮管が利用出来る。
【００１９】また、第１軸のボールネジ１１は支点１４
に回転自在に取り付けられ、第２軸のボールネジ２１は
支点２４に回転自在に取り付けられている。そして、加
工ヘッド５は、ボールネジ１１，１２の各々を嵌挿して
それらと係合する２つのナットを備えている（加工ヘッ
ド５の支持構造の詳細は後述）。従って、各ボールネジ
１１，２１に結合されたサーボモータ１３，２３を動作
させると、ボールネジ１１，２１が回転し、それに応じ
て第１軸アーム１０、第２軸アーム２０の伸縮が起る。
【００２０】これにより、第１軸アーム１０と第２軸ア
ーム２０の連結点Ｋに支持された加工ヘッド５の位置が
移動する。支点１４と連結点Ｋの間の距離は第１軸アー
ム１０の伸縮位置で決まり、支点２４と連結点Ｋの間の
距離は第２軸アーム２０の伸縮位置で決まる。従って、
平面上で運動を規制されている連結点Ｋの２次元位置
は、これら距離条件を満たすことになる。この関係を利
用して、連結点Ｋに支持された加工ヘッド５の位置を制
御することが出来る。
【００２１】今、加工面に平行なＸＹ平面を持つワーク
座標系Σw を定義した時、連結点ＫはＸＹ平面と平行な
面上で移動可能であるものとする。加工ヘッド５の位置
を代表する連結点Ｋの位置を（ｘ，ｙ）で表わし、加工
ヘッド支点１４，２４のＸＹ位置を各々（Ｘ1 ，Ｙ1
），（Ｘ2 ，Ｙ2 ）とすると、次の関係が成立する。 （ｘ−Ｘ1 ）2 ＋（ｙ−Ｙ1 ）2 ＝Ｌ12 ・・・（１） （ｘ−Ｘ2 ）2 ＋（ｙ−Ｙ2 ）2 ＝Ｌ22 ・・・（２） ここで、Ｌ1 は支点１４と連結点Ｋの間の距離であり、
Ｌ2 は支点２４と連結点Ｋの間の距離である。Ｌ1 ，Ｌ
2 は各々第１軸駆動用サーボモータ１３、第２軸駆動用
サーボモータ２３の位置の関数である。この関数をｆ1
，ｆ2 、サーボモータ１３，２３の位置を表わす変数
をＪ1 ，Ｊ2 とすると、 Ｌ1 ＝ｆ1 （Ｊ1 ） ・・・（３） Ｌ2 ＝ｆ2 （Ｊ2 ） ・・・（４） である。ｆ1 ，ｆ2 の具体形は、設計値に基づく計算あ
るいは適当なキャリブレーションで定められる。
【００２２】上式の関係を利用して、アーム１０，２０
の長さの変化範囲内で届く任意の希望位置へ加工ヘッド
５を移動させることが出来る。また、アーム１０，２０
の長さを連続的に制御すれば、加工ヘッド５を希望する
経路に沿って移動させることも可能である。希望する加
工経路に対応した加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ）は、加
工プログラムデータから数値制御装置内で計算され、そ
れに対応したアーム長Ｌ1 ，Ｌ2 を実現するための移動
指令がサーボモータ１３，２３に送られる。上記式
（１）〜（４）は、加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ）から
移動指令を作成するための基礎式となる。
【００２３】支点１４，２４は、両者を一致させない限
り基本的に任意の位置に配置可能であるが、通常、図２
（ａ）に例示されているように、適当な間隔をとって配
置される。また、第１軸、第２軸の長さＬ1 ，Ｌ2 を制
御しても加工ヘッド５の位置を一意的に決めることが出
来ない場合がある。図３（ａ）はこれを説明する図で、
符号５，５’いずれで示した加工ヘッド位置も、支点１
４からの距離Ｌ1 、支点２４からの距離Ｌ2 の条件を満
たしている。このような加工点位置の２値性の問題に備
える方策として、少なくとも一方のアーム１０，２０に
ついて、移動可能な角度範囲に制限を設けることが考え
られる。図３（ｂ）は、図２に示した実施形態につい
て、角度範囲制限を設けた例を表わしている。
【００２４】同図に示した例では、支点１４周りのアー
ム１０の移動角度範囲ＡＲ１と支点２４周りのアーム２
０の移動角度範囲ＡＲ２を図示されたような範囲（各々
９０度をやや下回る範囲）に制限することで、上記２値
性の問題を回避しながら斜線で表わした加工ヘッド５の
存在範囲を実現している。
【００２５】なお、通常の加工においては、加工ヘッド
５と被加工面との間の距離を加工条件に応じて調整した
り、あるいは、加工面の起伏に沿って移動させたりする
必要がしばしば生じる。しかし、本実施形態のように２
本のみの伸縮アームを用いた並列駆動系にこのようなＺ
軸方向の位置調整機能を持たせることは出来ない。
【００２６】そこで、本実施形態では、加工ヘッド５の
各アーム１０，２０との結合部と加工ヘッド先端部を形
成する加工ノズル６の間に、Ｚ軸調整用ボールネジ３
１、サーボモータ３３等からなるＺ軸調整機構が設けら
れている。これにより、Ｚ軸方向の位置（加工面に対す
る遠近）を調整出来るようになっている。Ｚ軸位置を調
整量はサーボモータ３３を制御する数値制御装置（図示
省略）によって定められる。
【００２７】レーザ発振器としてはＹＡＧレーザあるい
は炭酸ガスレーザ等が利用出来るが、ＹＡＧレーザを用
いた場合には、レーザ発振器から加工ノズルまでのレー
ザ光の伝送に光ファイバが利用出来る。炭酸ガスレーザ
を用いた場合のように、レーザ光の伝送に光ファイバを
利用出来ない場合には、いずれかのアームの支点並びに
該アームと加工ヘッドの結合部に、ミラーをアームと一
体的な回転運動をするように固定することで光の伝送は
可能となる。
【００２８】その際、アームのカバー内にミラーを取り
付ければ、アームのカバーは、レーザ光が不用意に人の
眼に入る事故を防止する防護カバーとして兼用出来る。
但し、その場合にはボールネジを中空にするか、ボール
ネジをアーム外に配置する必要がある。
【００２９】アームの長さ（ボールネジの長さ）は、駆
動系の剛性と加工範囲を勘案して決めることが好まし
い。一般に、アームの長さを長くすれば加工範囲は広が
るが、機械の剛性が落ちるので加工精度が低下する。逆
に、アームの長さを短くすれば加工範囲は狭まるが、機
械の剛性が上昇するので加工精度を高める上で有利であ
る。本実施形態で実際的な一つの最大アーム長を例示す
れば、１．２ｍがある。
【００３０】次に、実施形態１で使用されている２本の
伸縮アーム１０，２０の連結点Ｋにおける加工ヘッド５
の支持構造について、図４（ａ）〜図４（ｃ）を参照し
て説明する。図４（ｂ）は図２中に示した加工ヘッド５
の要部破断図で、図４（ａ）は図４（ｂ）中に示したＡ
−Ａ’に沿った断面図である。また、図４（ｃ）は図４
（ｂ）中に示した構造を加工ノズル６の先端側から図で
ある。
【００３１】先ず、特に図４（ｂ）に示されているよう
に、加工ヘッド５は第１軸のボールネジ１１を嵌挿して
これと係合するナット１１１を設けた加工ヘッド基部５
１を有している。これにより、ボールネジ１１が図２に
示したサーボモータ１３で駆動された時、基部５１は第
１軸の伸縮方向（ボールネジ１１の軸方向）に沿って移
動することが出来るようになっている（第１軸の伸縮動
作）。
【００３２】一方、第２軸のボールネジ２１を取り囲む
第２軸加工ヘッド外筒５４のボールネジ嵌挿孔の内面に
はナット２１１が形成され、ボールネジ２１と係合して
いる。
【００３３】ナット２１１と加工ヘッド基部５１の間に
はベアリングＢＲ１が設けられ、ナット２１１と加工ヘ
ッド回転軸５２の間にはベアリングＢＲ２が設けられて
いる。
【００３４】加工ヘッド回転軸５２は、図４（ａ）を参
照すると理解されるように、ボールネジ２１を迂回する
ように形成された連結部５３を介して加工ヘッド基部５
１と連結された部分である。符号５５は第２軸加工ヘッ
ド外筒５４とベアリングＢＲ２を覆う部材で、加工ヘッ
ド回転軸５２を受け入れて固定する加工ヘッド回転軸固
定用ナット５６を備えている。
【００３５】第１軸の伸縮動作と同様、サーボモータ２
３（図２参照）が動作すると、ボールネジ２１が駆動さ
れ、ナット２１１は第２軸の伸縮方向（ボールネジ２１
の軸方向）に沿って移動する（第２軸の伸縮動作）。加
工ヘッド５を移動させるためには第１軸あるいは第２軸
の一方または両方が駆動され、Ｌ1 または／及びＬ2が
変化する。この時、図２から容易に理解されるように、
一般に、ボールネジ１１とボールネジ２１のなす角度が
変化する。図４（ｂ）で言えば、両者の軸Ｂ−Ｂ’周り
の相対姿勢が変化する。
【００３６】即ち、軸Ｂ−Ｂ’周りの姿勢について、基
部５１はナット１１１と一体的にボールネジ１１の姿勢
変化に追随し、ナット２１１は外筒５４と一体的にボー
ルネジ２１の姿勢変化に追随するが、特別の条件以外で
は、ボールネジ１１の姿勢変化とボールネジ２１の姿勢
変化は一致しない。従って、ナット１１１と一体的に動
く加工ヘッド基部５１と、ナット２１１と一体的に動く
外筒５４との間には軸Ｂ−Ｂ’周りの相対姿勢の変化が
許容されなければならない。上記ベアリングＢＲ１，Ｂ
Ｒ２を含む構造は、これを可能にするための回転自由度
を与えている。なお、図４（ａ）に示された連結部５３
を設ける位置、大きさ等は、図３（ｂ）に示した加工ヘ
ッド５の移動範囲を許容するように設計される。
【００３７】加工ヘッド５の上下位置調整（Ｚ軸位置調
整）は、加工ヘッド５の先端部を形成する加工ノズル６
を加工ヘッド基部５１に対して上下位置調整することで
行なわれる。符号３３は上下調整のために基部５１の側
部に搭載されたサーボモータ３３を表わしている。この
サーボモータ３３は、上下調整用のボールネジ３１に結
合され、ボールネジ３１にはナット３１１が係合されて
いる。ナット３１１と一体の加工ノズル支持部材６３が
ガイド孔６２を介してリニアガイド６１で案内されてい
る。この構造により、サーボモータ３３の動作時にボー
ルネジ３１が回転駆動され、加工ノズル６の上下移動
（Ｚ軸位置調整）が達成される。
【００３８】［実施形態２］図５（ａ），（ｂ）は、３
次元の並列駆動系を採用した実施形態２に係るレーザ加
工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図（ａ）並び
に側面図（ｂ）で示したものである。両図において、符
号１０，２０，４０は各々伸縮自在なアームを表わして
おり、これら３本の伸縮アーム１０，２０，４０の連結
点Ｓに１つの加工ヘッド５が支持されている。以下、便
宜上、伸縮アーム１０で代表される軸を第１軸、伸縮ア
ーム２０で代表される軸を第２軸、伸縮アーム４０で代
表される軸を第３軸とする。
【００３９】アーム１０，２０，４０は各々ボールネジ
１１，２１，４１とカバー１２，２２，４２を備え、カ
バー１２，２２，４２の各一端は支点１４，２４，４４
に取り付けられ、他端は加工ヘッド５に取り付けられて
いる。実施形態１の場合と同じく、アーム１０，２０，
４０の伸縮に適応するために、カバー１２，２２，４２
は伸縮管構造を有している。具体的には、周知の蛇腹管
あるいは径が段階的に異なる何本かの管体（例えば、金
属管）を順次連結した伸縮管が利用出来る。
【００４０】加工ヘッド５を連結点Ｓで支持する第１軸
〜第３軸の伸縮アーム１０，２０，４０の基端部は、各
々支点１４，２４，４４に継手で結合されている。各軸
の支点は、各伸縮アーム１０，２０，４０（ボールネジ
１１，２１，４１とカバー１２，２２，４２）にＺ軸
（鉛直軸）周りの回転と水平軸周りの回転を許容する継
手を有している。即ち、図５（ｂ）に示したように、第
１軸の支点１４は、支柱１５と支柱１５の軸周りで回転
自在な支柱側回転軸１６を備え、この支柱側回転軸１６
上には支柱側スイングアーム軸１７が搭載されている。
そして、支柱側スイングアーム軸１７にボールネジ１１
を枢軸支持することで、第１軸の伸縮アーム１０に鉛直
軸周りと水平軸周りの回転を許容する２自由度の継手が
構成されている。
【００４１】同様に、第２軸の支点２４は、支柱２５と
支柱２５の軸周りで回転自在な支柱側回転軸２６を備
え、この支柱側回転軸２６上には支柱側スイングアーム
軸２７が搭載されている。そして、支柱側スイングアー
ム軸２７にボールネジ２１を枢軸支持することで、第２
軸の伸縮アーム２０に鉛直軸周りと水平軸周りの回転を
許容する２自由度の継手が構成されている。第３軸の支
点４４の構造については図示を省略したが、同様の継手
構造によって、鉛直軸周りと水平軸周りの回転が許容さ
れている。
【００４２】３軸伸縮アームを使用したレーザ加工装置
においては、各軸アーム１０，２０，４０の加工ヘッド
５側の支持構造について、３軸の内の２軸が支点側と同
様の２つの回転自由度（垂直軸周りと水平軸周り）を与
え、他の１軸は１つの回転自由度（水平軸周り）を与え
る構造とされる。本実施形態では、第２軸と第３軸の加
工ヘッド側の継手には、支点側と同様に各々鉛直軸周り
の回転軸と水平軸周りのスイングアームを組み合わせた
継手を採用し、第１軸には水平軸周りのスイングアーム
１０１からなる１自由度の継手を採用し、鉛直軸周りの
回転自由度を与えない継手構造とした。
【００４３】このような回転自由度の制限を設ける理由
は、加工ヘッド側のジョイントに過剰な回転自由度を与
えると、加工ヘッド５の姿勢が不安定となり、一定の姿
勢（加工ノズル６を鉛直下向き）を維持し難くなるから
である。例えば、全軸に自在第１軸にも鉛直軸周りの回
転自由度を与えると、自由度が過剰となり、加工ヘッド
５を一定の姿勢（加工ノズル６が鉛直下向き）に保つこ
とが事実上不可能になる。
【００４４】第１〜第３軸の各ボールネジ１１，２１，
４１は、実施形態１の第１軸、第２軸の各ボールネジの
場合と同様に、各アーム基部に組み込まれたサーボモー
タ１３，２３，２４によって駆動される。これらサーボ
モータを動作させると、ボールネジ１１，２１，４１が
回転し、それに応じて第１軸アーム１０、第２軸アーム
２０、第３軸アーム４０の伸縮が起る。
【００４５】これにより、３本のアームの連結点Ｓで代
表される加工ヘッド５の位置が移動する。支点１４，２
４，４４と連結点Ｓの間の各距離は各アーム１０，２
０，４０の伸縮位置で決まる。従って、連結点Ｓの３次
元位置はこれら距離条件を満たす位置となる。この関係
を利用して、支持された加工ヘッド５の位置を制御する
ことが出来る。なお、３次元の並列駆動系を採用した実
施形態２においても、実施形態１と同様、アームの伸縮
位置で加工ヘッドの位置が一意的に決まらない点を考慮
して、アーム１０，２０，４０について回転角度範囲に
適当な制限が設けられている。
【００４６】今、加工面に平行なＸＹ平面を持つワーク
座標系Σw を定義した時、３本のアーム１０，２０，４
０のＸＹ平面上への射影は、各アーム１０，２０，４０
の伸縮位置に関わらず常に１点Ｓ’で交わるものとす
る。この点Ｓ’は加工点（レーザビームＬＢの入射点）
に相当する点であるから、加工ヘッド５の位置を代表す
る連結点Ｓは、この点Ｓ’の直上にある加工ヘッド５上
の定点と考えることが出来る。このような前提の下で、
加工ヘッド５の位置を代表する連結点Ｓの位置を（ｘ，
ｙ，ｚ）で表わし、加工ヘッド支点１４，２４，４４の
ＸＹＺ位置を各々（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ），（Ｘ2 ，Ｙ2
，Ｚ2 ），（Ｘ3 ，Ｙ3 ，Ｚ3 ），とすると、次の関
係が成立する。 （ｘ−Ｘ1 ）2 ＋（ｙ−Ｙ1 ）2 ＋（ｚ−Ｚ1 ）2 ＝Ｌ12 ・・・（５） （ｘ−Ｘ2 ）2 ＋（ｙ−Ｙ2 ）2 ＋（ｚ−Ｚ2 ）2 ＝Ｌ22 ・・・（６） （ｘ−Ｘ3 ）2 ＋（ｙ−Ｙ3 ）2 ＋（ｚ−Ｚ3 ）2 ＝Ｌ32 ・・・（７） ここで、Ｌ1 は支点１４と連結点Ｓの間の距離、Ｌ2 は
支点２４と連結点Ｓの間の距離、Ｌ3 は支点４４と連結
点Ｓの間の距離である。Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 は各々第１軸
駆動用サーボモータ１３、第２軸駆動用サーボモータ２
３、第３軸駆動用サーボモータ４３の位置の関数であ
る。
【００４７】この関数をｇ1 ，ｇ2 ，ｇ3 、サーボモー
タ１３，２３，４３の位置を表わす変数をＪ1 ，Ｊ2 ，
Ｊ3 とすると、 Ｌ1 ＝ｇ1 （Ｊ1 ） ・・・（８） Ｌ2 ＝ｇ2 （Ｊ2 ） ・・・（９） Ｌ3 ＝ｇ3 （Ｊ3 ） ・・・（１０） である。ｇ1 ，ｇ2 ，ｇ3 の具体形は、設計値に基づく
計算あるいは適当なキャリブレーションで定められる。
【００４８】上式の関係を利用して、アーム１０，２
０，４０の長さの変化範囲内で届く任意の希望位置（３
次元位置）へ加工ヘッド５を移動させることが出来る。
また、アーム１０，２０，４０の長さを連続的に制御す
れば、加工ヘッド５を希望する経路に沿って３次元的に
移動させることも可能である。希望する加工経路に対応
した加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、加工プログ
ラムデータから数値制御装置内で計算され、それに対応
したアーム長Ｌ1 ，Ｌ2 を実現するための移動指令がサ
ーボモータ１３，２３，４４に送られる。上記式（５）
〜（１０）は、加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ，ｚ）から
移動指令を作成するための基礎式となる。
【００４９】３次元の並列駆動系を用いた実施形態２で
は、支点１４，２４，４４は、三者（正確に言えば、三
者のＸＹ平面上への射影）を一直線上に並べない限り、
基本的に任意の位置に配置可能であるが、通常、図５
（ａ）に例示されているように、三者相互に適当な間隔
をとって配置される。
【００５０】本実施形態では、実施形態１と異なり、加
工ヘッド５上に上下位置調整用の駆動装置（サーボモー
タ３３など）を設ける必要ばなくなるため、加工ヘッド
全体の重量を減らすことが出来る。従って、駆動系の剛
性が実施形態１のレーザ加工装置より更に向上し、高い
加工精度を確保する上で有利となる。なお、使用するレ
ーザ発振器、レーザ光の伝送方法については、実施形態
１と同様なので繰り返し説明は省略する。
【００５１】次に、実施形態２で使用されている３本の
伸縮アーム１０，２０，４０の連結点における加工ヘッ
ド５の支持構造（継手構造）について、図６（ａ），図
６（ｂ）を参照して説明する。図６（ｂ）は図５中に示
した加工ヘッド５の要部破断図で、図６（ａ）は図６
（ｂ）中に示したＡ−Ａ’に沿った断面図である。
【００５２】先ず、特に図６（ｂ）に示されているよう
に、加工ヘッド５には前記１回転自由度の継手を介して
第１軸のボールネジ１１を嵌挿する加工ヘッド基部５１
を有している。即ち、基部５１の加工ヘッド側スイング
アーム回転軸１０２にスイングアーム１０１が枢軸支持
されおり、このスイングアーム１０１の内部にボールネ
ジ１１と係合するナット（図示省略）が設けられてい
る。
【００５３】従って、ボールネジ１１が図５に示したサ
ーボモータ１３で駆動された時、スイングアーム１０１
は第１軸の伸縮方向（ボールネジ１１の軸方向）に沿っ
て移動することが出来る（第１軸の伸縮動作）。これに
より、ボールネジ１１が支柱側スイングアーム軸１７
（図５（ｂ）参照）周りで回転しても、加工ヘッド５の
姿勢（鉛直下向き）はそれに拘束されない。但し、第１
軸の加工ヘッド５側の継手の回転自由度は１であり、ボ
ールネジ１１の支柱側回転軸１６（図５（ｂ）参照）周
りの回転に対しては、加工ヘッド５の姿勢は拘束を受
け、加工ノズル６の主軸Ｂ−Ｂ’（鉛直下向き）の周り
の回転を起こす。
【００５４】第１軸と同様に、第２軸のボールネジ２１
を取り囲む第２軸加工ヘッド外筒５４はスイングアーム
（図示省略）を備え、このスイングアームの内部にボー
ルネジ２１と係合するナット（図示省略）が設けられて
いる。従って、ボールネジ２１が図５に示したサーボモ
ータ２３で駆動された時、第２軸のスイングアームは外
筒５４と一体的に第２軸の伸縮方向（ボールネジ２１の
軸方向）に沿って移動することが出来る（第２軸の伸縮
動作）。
【００５５】そして、加工ヘッド５の移動時にボールネ
ジ２１が第２軸の支柱側スイングアーム軸周りで回転し
ても、加工ヘッド５の姿勢はそれには拘束されない。ま
た、実施形態１の場合と同様に、ボールネジ２１を迂回
するように形成された連結部（図示省略）を介して加工
ヘッド基部５１と連結されているが、外筒５４はベアリ
ングＢＲ１，ＢＲ２によって、基部５１と加工ヘッド回
転軸５２のいずれとも相対回転（軸Ｂ−Ｂ’周り）が許
容されている。従って、外筒５４の軸Ｂ−Ｂ周りの姿勢
と、基部５１の軸Ｂ−Ｂ周りの姿勢は拘束し合わない。
【００５６】加工ヘッド回転軸５２に対して、第３軸加
工ヘッド回転軸用のベアリングＢＲ３，ＢＲ４を介して
第３軸加工ヘッド外筒５７が設けられている。特に図６
（ａ）を合わせて参照すると理解されるように、この外
筒５７にはスイングアーム回転軸４０２，４０２’を介
して第３軸の加工ヘッド側のスイングアーム４０１が枢
軸支持されている。これらベアリングＢＲ３，ＢＲ４と
スイングアーム４０１により、回転自由度２の継手が形
成されている。
【００５７】スイングアーム４０１は、第３軸のボール
ネジ４１を嵌挿してナット４１１を介して、ボールネジ
４１と係合している。従って、ボールネジ４１が図５に
示したサーボモータ４３で駆動された時、第３軸のスイ
ングアーム４０１は外筒５７と一体的に第３軸の伸縮方
向（ボールネジ４１の軸方向）に沿って移動することが
出来る（第３軸の伸縮動作）。そして、加工ヘッド５の
移動時にボールネジ４１が第３軸の支柱側スイングアー
ム軸周りで回転しても、加工ヘッド５の姿勢はそれには
拘束されない。
【００５８】また、外筒５４はベアリングＢＲ３，ＢＲ
４によって、加工ヘッド回転軸５２との間の相対回転
（軸Ｂ−Ｂ’周り）が許容されている。従って、外筒５
７の軸Ｂ−Ｂ周りの姿勢と、加工ヘッド回転軸５２の軸
Ｂ−Ｂ周りの姿勢は拘束し合わない。
【００５９】符号５８は第３軸加工ヘッド外筒５７とベ
アリングＢＲ４を覆う部材で、加工ヘッド回転軸５２を
受け入れて固定する加工ヘッド回転軸固定用ナット５９
を備えている。また、符号ＢＲ５，ＢＲ６は、スイング
アーム４０１を回転軸４０２，４０２’で第３軸加工ヘ
ッド外筒５７に対して枢軸支持するためのベアリングを
表わしており、第１軸のスイングアーム１０１の加工ヘ
ッド基部５１に対する枢軸支持、第２軸のスイングアー
ムの第２軸加工ヘッド外筒５４に対する枢軸支持につい
ても同様のベアリングが使用されている。
【００６０】以上説明した構造により、加工ヘッド５の
姿勢（加工ノズル６を鉛直下向き）に保つ条件で伸縮運
動をアーム１０，２０，４０に行なわせた時に各支点１
４，２４，４４側及び加工ヘッド５側で必要とされる運
動の自由度はすべて保証される。従って、前記基礎式
（５）〜（８）に即して、各軸のサーボモータ１３，２
３，４３を制御するこで、加工ヘッド５の３次元的な位
置決めが円滑に達成される。
【００６１】［実施形態３］図７は、実施形態３に係る
レーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を上面図で示
したものである。本実施形態は、３次元の並列駆動系を
更に直列ＸＹ駆動系上に搭載してレーザ加工装置の加工
範囲を拡張したものである。並列駆動系の構造及び機能
については、実施形態２で説明したものと基本的に変わ
るところはない。また、直列ＸＹ駆動系についてもそれ
自体は周知のものである。
【００６２】図７において、符号７０は３次元の並列駆
動系を載置する並列駆動系載置テーブルで、Ｙ軸駆動リ
ニアモータＭＹが装備されており、このＹ軸駆動リニア
モータＭＹを動作させることにより、並列駆動系載置テ
ーブル７０はＹ軸リニアガイドＧＹ上を移動する。更
に、Ｙ軸リニアガイドＧＹにはＸ軸駆動リニアモータＭ
Ｘが装備されており、このＸ軸駆動リニアモータＭＸを
動作させることにより、並列駆動系載置テーブル７０を
載置したＹ軸リニアガイドＧＹがＸ軸ガイドＧＸ上を移
動する。各リニアモータＭＸ，ＭＹは数値制御装置に接
続されており、数値制御装置によってその位置が制御さ
れる。
【００６３】並列駆動系載置テーブル７０上には、第１
軸、第２軸、及び第３軸の伸縮アーム１０，２０，４０
のための支点１４，２４，４４が設けられ、３本の伸縮
アーム１０，２０，４０の連結点Ｓに１つの加工ヘッド
５が支持されている。アーム１０，２０，４０は、実施
形態２で説明したと同じく、各々ボールネジ、カバーを
備え、カバーの各一端は支点１４，２４，４４に取り付
けられ、他端は加工ヘッド５に取り付けられている。
【００６４】アーム１０，２０，４０の伸縮に適応する
ために、各カバーは実施形態１、実施形態２の場合と同
様の伸縮管構造を有している。加工ヘッド５を連結点Ｓ
で支持するアーム１０，２０，４０は、加工ヘッド５側
並びに支点１４，２４，４４側で各々継手を用いて結合
されている。各継手の構造、機能（回転の自由度）等
は、実施形態２で述べた通りであるから繰り返し説明は
省略する。
【００６５】アーム１０，２０，４０の伸縮によって、
連結点Ｓで代表される加工ヘッド５の位置が移動するこ
とは実施形態２の場合と同様である。但し、実施形態３
におけるアーム１０，２０，４０の伸縮による加工ヘッ
ド５の移動は、並列駆動系載置テーブル７０上で行なわ
れる。符号７１は、加工ヘッド５の被加工物Ｗへの接近
あるいはレーザビームの照射を可能にするために並列駆
動系載置テーブル７０のほぼ中央部に設けられた開口部
である。この開口部７１の大きさと形状は、加工ヘッド
５の移動範囲を余裕を以てカバー出来るように設計され
る。
【００６６】実施形態２で述べたように、各支点１４，
２４，４４と連結点Ｓの間の各距離は各アーム１０，２
０，４０の伸縮位置で決まる。従って、連結点Ｓの３次
元位置はこれら距離条件を満たす位置となる。この関係
を利用して、支持された加工ヘッド５の位置を制御する
ことが出来る。なお、実施形態１，２と同様、アームの
伸縮位置で加工ヘッドの位置が一意的に決まらない点を
考慮して、アーム１０，２０，４０について回転角度範
囲に適当な制限が設けられている。
【００６７】本実施形態のレーザ加工装置は、直列駆動
系と並列駆動系を合わせ持っているので、加工ヘッド５
の移動形態に応じて両者を使い分けることが出来る。即
ち、低速度の移動や定速度移動のように大きな加速度が
要求されない移動については直列駆動系を用い、加速度
の大きな高速移動、曲率の大きな経路移動等には並列駆
動系を用いるという使い分けが出来る。例えば、直列駆
動系を定速で駆動しながら、同時に並列駆動系を高速
（高加速度）で駆動すれば、無理なく高範囲の加工が高
精度で実行出来る。このような低加速度条件で使用する
限り、直列駆動系の剛性の低さは問題にならない。
【００６８】また、実施形態１や実施形態２のレーザ加
工装置では加工範囲が不足するような大きな被加工物に
対しても、（１）直列駆動系を用いて大まかな加工ヘッ
ド位置を選択するための移動を行い、（２）直列駆動系
を一旦停止させた後に、並列駆動系を起動し、加工ヘッ
ドを移動させながらその周辺の加工を実行する、という
プロセスを何度か繰り返すことで実質的に大きな加工範
囲を確保出来る。この場合も、並列駆動系による移動中
に行なわれる加工は高速且つ高精度とすることが出来
る。但し、このような使用法を採用する場合には、直列
駆動系の始動、停止時に振動が発生しない程度の剛性を
持たせることが好ましい。
【００６９】本実施形態では、大きな加工範囲を確保す
るために並列駆動系の伸縮アーム１０，２０，４０のア
ーム長を無理に延ばす必要がないので、大きな加工範囲
と加工精度とを両立させることが容易である。なお、直
列駆動系上に搭載する並列駆動系として、実施形態１で
説明した型のものを採用することも出来る。また、細長
い被加工物専用の加工範囲や、Ｚ軸方向のみ大きな位置
調整が要求されるような場合には、直列駆動系として１
次元のものを採用しても良いことは言うまでもない。使
用するレーザ発振器、レーザ光の伝送方法については、
実施形態１，２と同様なので繰り返し説明は省略する。
【００７０】
【発明の効果】本発明のレーザ加工装置は、従来構造の
レーザ加工装置と比較して、加工範囲を狭めることなく
実質的な剛性を高めた構造を有しているので、高い加工
精度を保ちながら高速の加工を行なうことが可能にな
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭酸ガスレーザを利用したレーザ加工装置を例
にとり、従来のレーザ加工装置の概略構成を斜視図で示
したものである。
【図２】２次元の並列駆動系を採用した実施形態１に係
るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図
（ａ）並びに側面図（ｂ）で示したものである。
【図３】（ａ）は第１軸、第２軸の長さＬ1 ，Ｌ2 を制
御しても加工ヘッド５の位置を一意的に決めることが出
来ない場合があることを説明する図であり、（ｂ）は、
図２に示した実施形態について、この問題を回避するた
めの角度範囲制限について説明する図である。
【図４】実施形態１で使用されている２本の伸縮アーム
１０，２０の連結点Ｋにおける加工ヘッド５の支持構造
について説明する図で、（ｂ）は図２中に示した加工ヘ
ッド５の要部破断図、（ａ）は図４（ｂ）中に示したＡ
−Ａ’に沿った断面図である。また、（ｃ）は（ｂ）中
に示した構造を加工ノズル６の先端側から図である。
【図５】３次元の並列駆動系を採用した実施形態２に係
るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図
（ａ）並びに側面図（ｂ）で示したものである。
【図６】実施形態２で使用されている３本の伸縮アーム
１０，２０，４０の連結点における加工ヘッド５の支持
構造（継手構造）について説明する図で、（ｂ）は図５
中に示した加工ヘッド５の要部破断図、（ａ）は図６
（ｂ）中に示したＡ−Ａ’に沿った断面図である。
【図７】実施形態３に係るレーザ加工装置の加工機本体
部の要部構成を上面図で示したものである。
【符号の説明】
１ レーザ加工装置 ２ 炭酸ガスレーザ発振器 ３ 数値制御装置（ＣＮＣ） ４ レーザ加工装置本体部 ５ 加工ヘッド ６ 加工ノズル ６Ａ，８，１１，２１，３１，４１ ボールネジ ６Ｂ 直動ベアリング ７，９，１３，２３，３３，４３ サーボモータ １０，２０，４０ 伸縮アーム １２，２２，４２ カバー １４，２４，４４ 支点 １５ 第１軸の支点１４の支柱 １６ 支柱１５の軸周りで回転自在な支柱側回転軸 １７ 第１軸支柱側スイングアーム軸 ２５ 第２軸の支点２４の支柱 ２６ 支柱２５の軸周りで回転自在な支柱側回転軸 ２７ 第２軸支柱側スイングアーム軸 ５１ 加工ヘッド基部 ５２ 加工ヘッド回転軸 ５３ 連結部 ５４ 第２軸加工ヘッド外筒 ５５ 第２軸加工ヘッド外筒５４とベアリングＢＲ２を
覆う部材 ５６，５９ 加工ヘッド回転軸固定用ナット ５７ 第３軸加工ヘッド外筒 ５８ 第３軸加工ヘッド外筒５７とベアリングＢＲ４を
覆う部材 ５９ 加工ヘッド回転軸固定用ナット ６１ リニアガイド ６３ 加工ノズル支持部材 ７０ 並列駆動系載置テーブル ７１ 開口部 １１１，２１１，３１１，４１１ ナット ４０１ 第３軸加工ヘッド側スイングアーム ４０２，４０２’ スイングアーム４０１の回転軸 ＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３，ＢＲ４，ＢＲ５，ＢＲ６ ベ
アリング Ｋ，Ｓ 連結点 ＬＢ レーザビーム Ｍ１，Ｍ２ ミラー ＭＸ Ｘ軸駆動リニアモータ ＭＹ Ｙ軸駆動リニアモータ Ｓ’ 加工点（レーザビームＬＢの入射点）

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ光を被加工物に照射する加工ヘッ
    ドと、該加工ヘッドを移動させるための駆動機構を有す
    る加工機本体部を備えたレーザ加工装置であって、 前記加工ヘッドを移動させるための駆動機構は、少なく
    とも２本の伸縮アームと、前記少なくとも２本の伸縮ア
    ームの各々を伸縮させるためのモータを備え、前記少な
    くとも２本の伸縮アームの各基部は支点に回転可能に支
    持され、前記加工ヘッドは、前記少なくとも２本の伸縮
    アームの伸縮に応じて位置決めされるように継手機構を
    介して前記少なくとも２本の伸縮アームに支持されてい
    る、前記レーザ加工装置。
  2. 【請求項２】 前記伸縮アームが２本設けられている、
    請求項１に記載されたレーザ加工装置。
  3. 【請求項３】 前記伸縮アームが２本設けられており、
    前記加工ヘッドには加工ヘッド先端部に設けられた加工
    ノズルの主軸方向位置を調整するための手段が搭載され
    ている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
  4. 【請求項４】 前記伸縮アームが３本設けられている、
    請求項１に記載されたレーザ加工装置。
  5. 【請求項５】 レーザ光を被加工物に照射する加工ヘッ
    ドと、該加工ヘッドを移動させるための駆動機構を有す
    る加工機本体部を備えたレーザ加工装置であって、 前記加工ヘッドを移動させるための駆動機構は、並列駆
    動系と該並列駆動系を搭載した直列駆動系からなり、 前記並列駆動系は、少なくとも２本の伸縮アームと、前
    記少なくとも２本の伸縮アームの各々を伸縮させるため
    のモータを備え、前記少なくとも２本の伸縮アームの各
    基部は支点に回転可能に支持され、前記加工ヘッドは、
    前記少なくとも２本の伸縮アームの伸縮に応じて位置決
    めされるように継手機構を介して前記少なくとも２本の
    伸縮アームに支持されている、前記レーザ加工装置。
  6. 【請求項６】 前記並列駆動系に伸縮アームが２本設け
    られている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
  7. 【請求項７】 前記並列駆動系に伸縮アームが３本設け
    られている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
  8. 【請求項８】 前記直列駆動系がＸＹ直列駆動系であ
    る、請求項５に記載されたレーザ加工装置。
  9. 【請求項９】 前記直列駆動系を駆動する駆動源にリニ
    アモータが用いられている、請求項５に記載されたレー
    ザ加工装置。
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