JPS63502811A - レ−ザ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 レーザ処理装置 技術分野 本発明はレーザ工学に係り、より詳細には、異る材料で作られ、各種の形状を有 する装置及び加工片に対して、レーザ処理を施すための装置に関する。

この装置は、工作機械製造工業、自動車製造工業、農業機械製造工業、航空機製 造工業、造船等、各種の機械製造工業の分野に使用することができ、さらに、レ ーザ熱処理、レーザ・ドーピング、表面硬化、溶接、切断等を行うために使用す ることができる。

背景技術 現在では、各種の寸法、形状、及び、材料の加工片にに対して、表面硬化熱処理 、ドーピング、溶接、その他の加工を施すために、数種類のレーザ処理装置が使 用されている。

材料に対してレーザ処理を施すための装置は公知である（フランス特許Ｂ第２． ４９２，７０３号、又は、これと同様の英国特許Ａ第２，０８８，２６７号）。

この公知の、材料に対してレーザ処理を施すための装置は、板金材料の切断に使 用することができる。この装置はレーザ装置と、レーザ処理すべき材料を置く座 標テーブルと、レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置とを備え 、このレーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置は、レーザ・ビー ムに沿って配設される。また、このレーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行う ための装置は、数値制御装置（ＮＣ装置）にも接続され、この数値制御装置はレ ーザ装置と座標テーブルに接続される。

この従来の材料に対してレーザ処理を施すための装置では、レーザ・ビームは、 レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置の内部に収容されたレン ズが焦点合わせを行い、バレル形出口の直径が小さいノズルを通って、レーザ処 理すべき材料に送られる。これと同時に、レーザ・ビームと同軸のバレルのノズ ルから、切断のためのガスが供給される。レーザ処理すべき材料、例えば、板金 材料は座標テーブルに保持され、この座標テーブルは数値制御装置に制御されて 移動し、上記板金材料は上記座標テーブルと共に所要の経路に沿って移動し、レ ーザ・ビームによって切断される。

この材料に対してレーザ処理を施すための装置、及び、これに類似する装置に限 界があることは明らかである。

この限界は、この材料に対してレーザ処理を施すための装置を使用し得るのが、 板金材料の輪郭を切り出す場合に限られるということである。

材料に対してレーザ処理を施すための装置（ドイツ実用特許Ｃ第３，２１７，２ ２６号）は、上記レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置を備え 、この材料に対してレーザ処理を施すための装置は外殻部分を有し、この外殻部 分は回転駆動装置に結合されて、回転駆動される。この回転駆動の回転中心は、 レーザ・ビームの軸線と一致する軸線である。このレーザ光線の搬送・変形・焦 点合わせを行うための装置は、さらに、３個の反射鏡を有し、この反射鏡は外殻 部材の中に配設される。この３個の反射鏡の上記外殻部分の表面に対する法線は 、外殻部分の回転軸線を含む１つの面上にあり、上記第２の反射鏡の表面の法線 は上記外殻部材の回転軸線に直角であるが、上記第１の反射鏡の表面に対する法 線、及び、第３の反射鏡の表面に対する法線は、上記第２の反射鏡の表面に対す る法線に対して鋭角をなす。第４の反射鏡、及び、第５の反射鏡は上記外殻部分 の外部に配設され、レーザ・ビームをスキャンする掃引装置に結合され、この掃 引装置は直角な面上にある。

駆動装置を作動させれば、外殻部材が回転し、この外殻部材から送り出されるレ ーザ・ビームも、その軸線を中心として、回転する。これにより、上記レーザ・ ビームの不規則さを平均化し、軸対称の充分に均一なレーザ・ビームを作り出す ことができる。このレーザ・ビームは、さらに、第４、及び、第５の反射鏡の掃 引装置によって、レーザ処理すべき材料に、はぼ矩形の均一な加熱部分を形成す ることができる。

この材料に対してレーザ処理を施すための装置は、光学装置を構成する部材が多 すぎるし、形状があまりにも複雑であるという欠点を有する。この材料に対して レーザ処理を施すための装置は、レーザ処理すべき材料の表面の広い範囲に、各 種形状の熱源を形成することができない。この熱源はレーザにより形成される。

また、この材料に対してレーザ処理を施すための装置は、掃引面が固定されてお り、処理すべき材料の面の熱源の角度を変化させることができない。これを要約 すれば、上記従来の装置は、を用であるとはいえず、その応用範囲も限定される 。

また、公知の、材料に対してレーザ処理を施すための装置（フランス特許・Ｂ・ 第２，５３７，０２９号）は、レーザ装置と、座標テーブルと、処理すべき材料 と、レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置とを有し、この上記 レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置はバレル形出口を有し、 このバレル形出口はレーザ・ビームの経路に沿って設けられ、このバレル形出口 に数値制御装置が取り付けられ、この数値制御装置は上記レーザ装置と、座標テ ーブルとに結合される。この座標テーブルは、支持装置に、回転出来るように取 り付けられた産業用ロボットである。上記レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせ を行うための装置は、回転可能の作用ヘッドであり、この作用ヘッドはレーザ◆ ビームの焦点を合わせるための装置と、反射鏡形レーザ・ビーム案内装置を有す る。このレーザ・ビーム案内装置は、レーザ光源を送り出し得るようにするため に、ヒンジ結合される。

この材料に対してレーザ処理を施すための装置は、次のように作動する。すなわ ち、産業用ロボットは、数値制御装置のプログラムに従って、ヒンジ結合構造の 反射鏡形レーザ・ビーム案内装置を備えた作用ヘッドの位置決めを行う。材料は 細長い形の経路に沿って、レーザにより、切断、又は、溶接される。

しかしながら、以上説明した装置は汎用に供し得るものではなく、適用できる製 造工程の範囲、及び、タイプが限定される。その理由は、この装置が使用できる 作用ヘッドは１個のみであり、作動サイクルの間に、処理すべき材料に照射する レーザ光源の構造を改良し、又は、変化させることができないからである。

発明の開示 本発明の目的は、レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置に新規 に自由度を付加することにより、技術的に応用可能の範囲、及び、その作動範囲 を拡大し得る構造の、材料に対してレーザ処理を施すための装置を提供すること にある。

この課題は、レーザ装置と、レーザ処理すべき材料を載せる座標テーブルと、レ ーザ・ビームの経路に沿って設けられ、バレル形出口が取り付けられて、レーザ 光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置と、上記レーザ装置に接続され た数値制御装置と座標テーブルとを有する構造の、材料に対してレーザ処理を施 すための装置において、本発明に基き、上記レーザ光線の搬送・変形・焦点合わ せを行うための装置はミラー光学装置を備え、このミラー光学装置は駆動装置を 有し、この駆動装置は上記ミラー光学装置の軸線を中心として上記ミラー光学装 置を回転させ、数値制御装置に接続される構造の、材料に対してレーザ処理を施 すための装置によって達成することができる。

これにより、上記材料に対してレーザ処理を施すための装置の工学的能力を拡大 し、各種の材料で作られ、形状が異る複雑な加工片に対して施すレーザ処理の品 質、安定性、及び、信頼性を向上させることができる。

ここに開示された、材料に対してレーザ処理を施すための装置のミラー光学装置 は、調節装置に接続された反射鏡のような形に作らなければならない。

このように作られたミラー光学装置は、材料に対して、入念に、一定の品質で、 レーザ処理を、行うのに適している。

ここに開示した、本発明に基く、材料に対してレーザ処理を施すための装置では 、ミラー光学装置を、掃引装置を有する反射鏡のような形に作るのが好ましい。

このようにすれば、レーザ処理すべき材料の所望の部分を掃引し得る、均一で高 品質のレーザ処理を実現することができる。

状況によっては、ミラー光学装置の反射鏡の軸線を、ミラー光学装置の回転軸線 に対して傾斜させるのが有用な場合がある。

このようにすれば、加工片の小さいリング形の部分に対してレーザ処理を高品質 で行うことができ、また、レーザ処理中に、円形の掃引を行うことができる。

本明細書に開示した、材料に対してレーザ処理を施すための装置では、上記レー ザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置のバレル形出口に反射鏡が取 り付けられ、この反射鏡はレーザ・ビームの方向に対して傾斜し、ミラー光学装 置の駆動装置に結合される。この駆動装置への結合は、バレル形出口を回転でき るようにするために行うものであり、この回転の中心軸線は、上記レーザ・ビー ムの軸線に一致する。

このようにすれば、最適のレーザ処理モードを維持しつつ、高品質で、穴の横方 向の面をレーザ処理することができる。

図面の簡単な説明 第１図は本発明に基く、材料に対してレーザ処理を施すための装置の全体図、 第２図は、第１図に示した材料に対してレーザ処理を施すための装置に取り付け られ、その反射鏡が調節装置にリンクする構造の本発明に基くミラー光学装置を 示す部分図、 第３図は、第１図、及び、第２図に示した材料に対してレーザ処理を施すための 装置に取り付けられ、掃引装置を有する構造の、本発明に基くミラー光学装置を 示す部分図、 第４図は、第１図に示した材料に対してレニザ処理を施すための装置のミラー光 学装置の反射鏡の軸線が、このミラー光学装置の回転軸線に対して傾斜するよう に移動する構造の、本発明に基くミラー光学装置を示す部分図、 第５図は本発明に基いて、穴の中の部分をレーザ処理し得るように改良された構 造の、第１図に示す材料に対してレーザ処理を施すための装置の図である。

発明を実施するための最良の形態 材料に対してレーザ処理を施すための装置は、レーザ光源１（第１図）と、座標 テーブル２と、レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置４と、数 値制御装置８とをｑえ、上記座標テーブル２にレーザ処理を施すべき材料３が置 かれ、上記レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置４は出口バレ ル６が取り付けられ、レーザ・ビーム７に沿って配設され、上記数値制御装置８ はレーザ光源１と座標テーブル２に接続される。上記レーザ光線の搬送・変形・ 焦点合わせを行うための装置４はミラー光学装置９と、駆動装置１０とを備え、 ミラー光学装置９はベアリングに支持され、駆動装置１０は数値制御装置８に接 続される。

上記材料に対してレーザ処理を施すための装置は、駆動装置１０が作動していな い時には、上記レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置４を備え た従来のレーザ処理を施す装置として作用する。レーザ・ビーム７は材料３に焦 点を合わせて照射され、座標テーブル２の動きに応じて、所要の経路上を移動す る。この座標テーブル２の動きは、数値制御装置８のプログラムによって制御さ れる。

通常の場合、ミラー光学装置９の反射鏡は等方性を有さない。また、場合によっ ては、ミラー光学装置９の部分を構成する装置（図示せず）を用いて、この反射 鏡の位置を変化させることもできる。このようにすれば、レーザ・ビーム７の形 状と方向を変化させることができる。

この場合、材料３の表面にある不均一で非対称なヒート・スポットすなわち熱源 と、レーザ・ビーム７の経路との相対的な位置は、駆動装置１０を作動させるこ とによって、維持することができる。この駆動装置１０の作動は、数値制御装置 ８に内臓されたプログラム、又は、数値制御装置８の具体的なアルゴリズムによ って計算されたプログラムに基づいて制御される。この数値制御装置８の制御は 座標テーブル２の移動に同期する。このような作動によって、レーザ処理に最適 な条件の不均一な熱源１１を、材料３の表面に作り出すことができる。また、こ のような作動によって、処理を施すべき全ての部分で、不均一な熱源１１を所望 の位置に移動させることができる。この要領で、各種の材料、及び、形状の異る 加工片に対して、品質、安定性、及び、信頼性の優れたレーザ処理を施すことが できる。この材料に対してレーザ処理を施すための装置は、生産性を大幅に向上 させるために、広く応用されるようになる。

ミラー光学装置９（第２図）は、調節装置１３に結合された反射鏡１２の形に作 られる。この反射鏡１２の反射面は、異る形状、例えば、平坦形、球形、楕円形 、円筒形、モザイク形、或いは、特殊な解析格子を設けた形状とすることができ る。この反射鏡の表面は非等方性でなければならない。これは、処理すべき材料 ３の表面に所要の形状のレーザ・ビーム７を形成するためである。

調節装置１３は、反射鏡１２を所要の位置に保持し、又は、必要に応じて、この 反射鏡１２の位置を変えるためのものである。

数値制御装置８は、第１図の材料に対してレーザ処理を施すための装置に、第２ 図のミラー光学装置９を取り付けた状態で、駆動装置１０を制御する。この制御 は、この駆動装置１０が、材料３に照射されるレーザ・ビーム７によって形成さ れる熱源１１を、所要の方向に移動させ得るように行う。この方法によって、材 料３におけるレーザ処理経路が複雑であっても、品質と均一性の良いレーザ処理 を行うことができる。

ミラー光学装置９（ｆｆｉ３図）は、掃引装置１４が取り付けられた形状の反射 鏡１２にすることができる。

数値制御装置８は掃引装置１４に対して、この掃引装置１４を作動位置に設定す るための動力を与える。反射鏡１２を振動させることにより、レーザ・ビーム７ を、材料３０表面の処理すべき部分で、数百サイクルの周波数で振動させること ができる。この振動を加えるのは、掃引面に、複雑な形状であって、均一な熱源 １１を形成するためである。数値制御装置８はベクトルの移動方向を連続的に計 算し、座標テーブル２がシフトして材料３の処理経路が湾曲した場合には、掃引 面と処理経路との成す角度を常に一定に維持するように、駆動装置１０を用いて 、ミラー光学装置９を回転させる。これが、材料を処理するために掃引を使用す ることにより、その材料を均一に、かつ、高品質でレーザ処理することができる 正確な理由である。

ミラー光学装置９０反射鏡１２の軸線１５（第４図）は、このミラー光学装置９ の回転軸線１６に対して傾斜させることができる。

駆動装置１０がミラー光学装置９を回転させれば、レーザ・ビーム７は処理すべ き材料３の表面に円を描く。

この方法を採用できるのは、次の場合である。すなわち、その第１の場合は、レ ーザ処理のパターンがあまり大きくない場合であり、座標テーブルを円形に移動 させる方法より便利な場合である。これは珍しいことではない。

上記第２の場合は、駆動装置１０がミラー光学装置９を数十サイクル毎分の速度 で回転させ、レーザ・ビーム７が材料３の表面に小さい円形を迅速に描き、この レーザ・ビーム７が上記材料に軸対称の形の均一な熱源１１を作る場合である。

この方法は、このような熱源１１を、数値制御装置８のプログラムに忠実に従っ て、所望の経路をたどらせる必要がある場合に、採用することができる。

上記レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置４のバレル形出口６ （第５図）は、レーザ・ビーム７の軸線に一致する軸線を中心として回転出来る ように取り付けることができる。この場合、このバレル形出口６は反射鏡１７に 取り付けられ、この反射鏡１７はし９の駆動装置１０に結合される。

この反射鏡１７を有するバレル形出口６は、処理すべき材料３の穴１８の中に挿 入され、レーザ・ビーム７は穴１８の横方向の壁に向かう。数値制御装置８は、 このプロセスを、所要のレーザ処理経路に沿って行い得るように制御する。この 制御が可能であるのは、座標テーブル２の移動、レーザ光線の搬送・変形・焦点 合わせを行うための装置４のバレル形出口６を有する焦点合わせ用ヘッドを前進 移動させ、このバレル形出口６を回転させることが出来るからである。使用され る駆動装置１０は１つだけであるから、ミラー光学装置９の回転は、バレル形出 口６の回転と同期する。穴１８の中に於けるレーザ処理の経路が規則正しく傾斜 した螺旋形である場合には、熱源１１の方向を上記処理経路に対して一定にする ことができる。このようにすれば、レーザ処理を実施するための条件を、レーザ 処理を施すべき部分に、最適、かつ、安定に、設定することができる。このよう な、材料に対してレーザ処理を施すための装置は、穴の横方向の内面の加工も行 うことができるので、汎用性が向上する。

産業上の利用可能性 ここに開示した材料に対してレーザ処理を施すための装置は、各種の材料で作ら れた加工片に、レーザ処理による表面硬化、溶接、ドーピング、切断、の作動を 行い、また、これらの作動を何回か同様に行うことができる。

き材料の表面の所要の位置に、所要の処理条件が得られるように照射される。こ のレーザ処理を施す部分は、外部表面、及び、穴の内部である。このレーザ処理 を施す部分の形状について、実用的な制限はない。このことは、ここに提案した 、材料に対してレーザ処理を施すための装置を採用すれば、何種類もの専用機械 を使用することなく、製品の品質を向上させ、その範囲を拡大し、経費を節約し 、処理工程の効率を向上させ得ることを意味する。

ここに開示した、異る材料に対してレーザ処理を施すための装置は応用範囲が極 めて広い。この装置は、実用的に新しいタイプの数値制御方式の製造センター、 すなわち、レーザ処理センターであり、融通性に富む製造装置の構成部分として 使用することができる。

国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザ装置（１）と、レーザ処理すべき材料（３）を載せる座標テーブル（ ２）と、レーザ・ビーム（７）の経路に沿って配設され、バレル形出口（６）が 取り付けられ、レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置（４）と 、レーザ装置（１）及び座標テーブル（２）に接続された数値制御装置（８）と を有する、材料に対してレーザ処理を施すための装置において、上記レーザ光線 の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置（４）はミラー光学装置（９）を備 え、このミラー光学装置（９）は駆動装置（１０）を有し、この駆動装置（１０ ）は数値制御装置（８）に接続されて、上記ミラー光学装置を回転させ、このミ ラー光学装置の回転は、上記ミラー光学装置の軸線（１６）を中心として行われ ることを特徴とする、材料に対してレーザ処理を施すための装置。 ２．ミラー光学装置（９）は調節装置（１３）に接続された反射鏡（１２）のよ うな形に作られることを特徴とする請求の範囲第１項に記載された、材料に対し てレーザ処理を施すための装置。 ３．ミラー光学装置（９）は掃引装置（１４）を有する反射鏡（１２）のような 形に作られることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載された、材料 に対してレーザ処理を施すための装置。 ４．ミラー光学装置（９）の反射鏡（１２）の軸線（１５）は、ミラー光学装置 （９）の回転軸線（１６）に対して傾斜することを特徴とする請求の範囲第１項 に記載された、材料に対してレーザ処理を施すための装置。 ５．上記レーザ光線の搬送・変形・焦点合わせを行うための装置（４）に設けら れたバレル形出口（６）に反射鏡（１７）が取り付けられ、この反射鏡（１７） はレーザ・ビーム（７）の方向に対して傾斜し、バレル形出口（６）をレーザ・ ビーム（７）の軸線に一致する軸線を中心として回転できるようにするために、 ミラー光学装置（９）の駆動装置（１０）に結合されることを特徴とする請求の 範囲第１項に記載された、材料に対してレーザ処理を施すための装置。