JPH07108466B2 - レ−ザ加工装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はレーザ加工装置に係り、更に詳細には加工ヘッ
ドの先端側にギャップセンサを備えたレーザ加工装置
で、ワーク寸法のバラツキをギャッップセンサの制御の
みで吸収しようとするレーザ加工装置に関するものであ
る。

［従来の技術］ 従来、レーザ加工装置として加工ヘッドの先端側にギャ
ップセンサを備えたものが知られている。

そのギャップセンサを光軸方向に移動させる駆動装置が
設けられ、しかも該駆動装置の制御はレーザ加工装置全
体の他の駆動装置を制御している主数値制御装置で行な
われていた。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、ギャップセンサにおける駆動装置の制御
をレーザ加工装置全体の他の駆動装置を制御している主
数値制御装置で行なっていると、どうしても数値制御装
置が複雑になると同時に、ギャップセンサとワークとの
ギャップをセンシングする応答速度が遅いという問題が
あった。

［課題を解決するための手段］ 前述のごとき従来の問題に鑑みて、本発明は、数値制御
装置の制御の下に互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３
次元方向へ移動制御される加工ヘッドに備えたホルダを
上下動自在に設け、先端部にノズルチップを備え、かつ
上記ノズルチップとレーザ加工するワークとの間のギャ
ップを検出するギャップセンサを前記ホルダに装着して
設け、前記ホルダを上下動するためのモータを加工ヘッ
ドに装着して設けると共に、前記数値制御装置に拘りな
く前記ギャップセンサの検出に基づいて前記ギャップを
一定に保持するように前記モータを制御する構成として
なり、かつ上記モータには、加工ヘッドの角度に関係な
く上記モータにかかる負荷を抑制すべく前記ホルダの自
重を支えるためのばねを設けてなるものである。

［作用］ 上記構成において、加工ヘッドのX,Y,Zの３次元方向へ
移動制御が数値制御装置の制御の下に行われるとき、加
工ヘッドに備えたノズルチップとワークとの間のギャッ
プはギャップセンサによって検出され、このギャップを
常に一定に保持するようにモータが制御され、モータの
駆動によってギャップセンサ等が上下動される。

上記モータの制御は前記数値制御装置に拘りなく行わ
れ、またギャップセンサの上下動は加工ヘッド全体を上
下動することなく行われるので、ギャップセンサの検出
に対する応答性の良い上下動が行われる。

［実施例］ 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明す
る。

第１図、第２図および第３図を参照するに、床１の床面
上に複数本（例えば４本）のコラム３が立設してある。
該コラム３上には支持プレート５が載置してある。支持
プレート５の両側上の第１図において左右方向であるＸ
軸方向に複数本（例えば２本）のＸ軸ガイド７が取付け
られている。

２本のＸ軸ガイド７間には複数本（例えば２本）のサポ
ートプレート９を第２図において左右方向であるＹ軸方
向に取付けてあり、サポートプレート９はＸ軸ガイド７
をサポートしている。

２本のＸ軸ガイド７上にまたがってＸ軸方向に移動する
Ｘ軸キャレッジ11が取付けられ、該Ｘ軸キャレッジ11に
はＹ軸キャレッジ13が載せられている。

Ｙ軸キャレッジ13はＸ軸キャレッジ11の脇に平行に設け
られたガイド15面に沿ってＹ軸方向に移動される。Ｙ軸
キャレッジ13のほぼ中央部にあって鉛直方向であるＺ軸
方向にＺ軸コラム17が取付けられ、しかもＺ軸コラム17
はＹ軸キャレッジ13内に装着されたガイドに沿ってＺ軸
方向に移動するようになっている。Ｚ軸コラム17の先端
側には第１図および第３図に示されているように加工ヘ
ッド19が取付けられている。

レーザービームは加工ヘッド19の先端に第１図に示す如
く取付けられたノズルチップ21から照射される。

第２図に示されているようにＸ軸ガイド７間およびサポ
ートプレート９間にあって下方に設けられたワーキング
エリア23内にワークＷが載置される。各装置を被うため
のセフティキャビン25が機械本体の周囲に設けられてい
る。

機械本体の外側には第１図および第２図に明らかな如く
空圧ユニット装置27,数値制御装置29およびレーザ発振
器電源装置31が配設され、数値制御装置29は図示省略の
Ｘ軸,Y軸およびＺ軸の各駆動装置と連結され、各駆動を
制御している。

第１図および第２図に示すように右側のサポートプレー
ト９上にレーザ発振器ヘッド33が取付けられ、前記レー
ザ発振器電源装置31に連結管35を介して連結されてい
る。

次に、Ｚ軸コラム17の下方部には加工ヘッド19が取付け
られている。より詳細には第４図および第５図に示され
ているように、Ｚ軸コラム17の下部には中空支持ブロッ
ク37が取付けられている。該中空支持ブロック37には鉛
直方向へ延伸した中空円筒体39が嵌入し一体化してあ
る。

中空支持ブロック37の中央部から下部に向けた部分にギ
ヤ41がベアリング43を介して支承され、ギヤ41の下方の
中空円筒体39には回転体45が嵌合支持されている。該回
転体45の上部を円盤状の押え部材47で押えている。中空
円筒体39と回転体45の下部間にはベアリング49が介在さ
れている。中空支持ブロック37の第４図において右側に
は回転体45を回転させる駆動モータ（Ａ軸駆動モータと
呼ぶ。）51が設けてある。

該Ａ軸駆動モータ51の出力軸にはピニオン53が取付けら
れ、前記ギヤ41と噛合し合っている。ギヤ41およびピニ
オン53をカバーするために、円盤状リング55が押え部材
47上に一体化されている。

したがって、Ａ軸駆動モータ51を駆動せることにより、
ピニオン53,ギヤ41を介して回転体45が矢印の如く回転
されることになる。なお、中空円筒体39の下部にはベア
リング49を押えるための中空の押えナット57が回転体45
の下方部に嵌入されている。

第４図から明らかなように、回転体45の下方右側部に形
成された傾斜部45Aには第１のミラー59を支承している
支持プレート61が取付けられ、該支持プレート61の外側
には第１の放熱器63が取付けられている。

回転体45の下方左側部45B内には、ベアリング65A,65Bを
介して前記加工ヘッド19内に設けられた固定筒状体67の
水平な筒状突起部69が回転自在に支承されている。該筒
状突起部69の左側にはギヤ71が一体的に嵌合してある。
該ギヤ71には第５図に示されているようにピニオン73が
噛合し合っている。該ピニオン73は駆動モータ（Ｂ軸駆
動モータと呼ぶ。）75の出力軸に取付けられている。

したがって、Ｂ軸駆動モータ75を駆動させると、ピニオ
ン73,ギヤ71を介して筒状体67が筒状突起部69の軸心を
中心にして回転されることにより加工ヘッド19が水平軸
心回りに回転される。

なお、前述したＡ軸駆動モータ51とＢ軸駆動モータ75の
駆動制御はＸ軸,Y軸およびＺ軸における駆動モータの駆
動制御と同様に、レーザ加工装置の主数値制御装置29に
よって制御されている。

筒状体67の上部左側に形成された傾斜部67Aには第２の
ミラー77を支承している支持プレート79が取付けられ、
該支持プレート79の外側には第２の放熱器81が取付けら
れている。該第２の放熱器81を被うごとく加工ヘッド19
のスライダ部材83が取付けられている。

該スライダ部材83の上部には加工ヘッド19を光軸方向に
移動させるための駆動モータ（Ｃ軸駆動モータと呼
ぶ。）85が取付けられている。Ｃ軸駆動モータ85には第
４図および第５図から明らかなように、出力軸を介して
ピニオン87が取付けられ、該ピニオン87にはラック89が
噛合し合っている。ラック89は前記ギヤ71に一体化され
た取付プレート91に固定されている。

筒状体67の下部には筒状の案内部材93が上下動可能に嵌
入支持されており、この案内部材93の下部には中空状の
ホルダ99が一体的に取付けてある。そして、このホルダ
99に前記スライダ部材83の下部が一体的に取付けてあ
る。さらに、第５図に示す如く、スライダ部材83を直線
的に案内するために、スライダ部材83と前記ギヤ71との
間にはリニアガイド95が介在してある。

前記ホルダ99の下部には例えば静電容量型のギャップセ
ンサ97が一体的に取付けられている。ギャップセンサ97
はホルダ99にボルト101で固定してある。

ギャップセンサ97の先端部にはノズルチップ21が装着さ
れている。したがって、Ｃ軸駆動モータ85を駆動させる
と、ピニオン87が回転する。ピニオン87はラック89と噛
合し、かつラック89が取付プレート91に固定しているた
めＣ軸駆動モータ85自体が上下動する。

Ｃ軸駆動モータ85が上下動することによりスライダ部材
83がＣ軸駆動モータ85に一体化されているから、スライ
ダ部材83がリニアガイド95に案内されて上下動する。ス
ライダ部材83が上下動することによりホルダ99を介して
ギャップセンサ97が上下動されることになる。

なお、Ｃ軸駆動モータ85の制御は前述したＡ軸駆動モー
タ51やＢ軸駆動モータ75の制御と独立して主数値制御装
置29とは別個の後述する制御装置で制御される。ギャッ
プセンサ97のホルダ99内には集光レンズ105を保持する
円筒形状の保持部材107が嵌入してある。

したがって、レーザビームLBは第１図および第２図に示
されているレーザ発振器ヘッド33から出力され、Ｚ軸コ
ラム17,回転体45内を通って、第１のミラー59で直角に
反射され、さらに第２のミラー77でも直角に下方へ反射
される。次いで、レーザビームLBは集光レンズ105で集
光され、ノズルチップ21より第４図に示す如く照射され
てワークＷにレーザ加工が施されることになる。

加工ヘッド19を光軸方向に移動させるＣ軸駆動モータ85
には、第６図に示されているように、トルクモータ109
が内蔵されている。該トルクモータ109のトルクモータ
軸111の一端側にポテンションメータ113が直結され、ま
たトルクモータ軸111の他端側にカウンタバランス装置
のカウンタバランスうず巻ばね115が直結されている。

したがって、カウンタバランスうず巻ばね115によって
ホルダ99自体の自重を支え、Ｂ軸駆動モータ75で回動す
る加工ヘッド19の角度に関係なく、Ｃ軸駆動モータ85に
かかる負荷を抑制しているのである。

加工ヘッド19内には第６図に示す如く、変調回路基板11
7および発振回路基板119が内蔵され、ギャップセンサ97
からテフロンケーブル121により発振回路基板119に導か
れている。なお、テフロンケーブル121はレーザビームL
Bの反射熱に耐えられる材質となっている。

したがって、ギャップセンサ97でワークＷとのギャップ
ｇを検知し、常に後述するセンサコントロールユニット
123でギャップｇを一定に保持しているのである。

ギャップセンサ97によるワークＷとのギャップｇの制御
は主数値制御装置29から独立したセンサコントロールユ
ニット123で制御されている。

より詳細には第７図および第８図に、ギャップｇの変化
に対応して、加工ヘッド19を駆動するためのフィードバ
ック信号生成の流れが示してある。適正なギャップｇに
ノズルチップ21が位置する時、第７図におけるアナログ
入力は、OVとなりＣ軸駆動モータ85は駆動しない。

しかし、ワークＷの変形、位置決め誤差などにより、ギ
ャップｇが変化した時、第８図に示す如く、ギャップセ
ンサ97とワークＷ間の電気容量Ｃが変化する。電気容量
Ｃは、Ｃ＝ε・s/g（但し、ε：誘電率.s:面積,g:ギャ
ップ（距離））のもとに算出される。この電気容量Ｃの
変化量をセンサコントロールユニット123の発振回路119
に取り込むことにより、発振周波数ｆが変化する。

発振周波数ｆは、 （但しL:インダクタンス）で求められる。この発振周波
数ｆが変調回路117に取り込まれ、変調回路117により発
振回路119で発生した周波数の変化分Δｆだけを取り出
し、デジタル矩形波に変化した後、周波数カウンタ回路
125に取り込まれる。

この周波数カウンタ回路125では、あるサンプリング時
間内に入り込む矩形波の数をカウントすることにより、
パラレルのデジタル信号が生成される。このデジタル信
号をD/Aコンバータ127に入力することにより、ギャップ
センサ97の位置フィードバックとしての電圧を出力す
る。

一方、上記位置フイードバックによりトルクモータ109
が起動すると、そのトルクモータ軸111に直結されたポ
テンションメータ113からの出力電圧に変化が生じ、そ
の過渡状態に発生する電圧を、速度フイードバックと
し、前記位置フイードバック信号との差によって、サー
ボ増幅器129に対する基準電圧とする。

その結果、トルクモータ109が回転し、ある設定された
適正ギャップにノズルチップ21が位置決めされた時、位
置フイードバックすなわちセンサコントロールユニット
123からの出力が0VとなりＣ軸駆動モータ85は停止す
る。

なお、センサコントロールユニット123に連結されてい
るCNC入出力ユニット131は上述の機能を有効あるいは無
効にするためのスイッチの役割を果すのである。

したがって、ギャップセンサ97はノズルチップ21とワー
クＷ間のギャップｇを検知し、センサコントロールユニ
ット123で常に予め決めた一定のギャップに保持するよ
うにＣ軸駆動モータ85を制御し、ワークＷにレーザ加工
が施されるのである。

［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、要す
るに本発明は、数値制御装置（29）の制御の下に互いに
直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３次元方向へ移動制御され
る加工ヘッド（19）に備えたホルダ（99）を上下動自在
に設け、先端部にノズルチップ（21）を備え、かつ上記
ノズルチップ（21）とレーザ加工するワーク（Ｗ）との
間のギャップ（ｇ）を検出するギャップセンサ（97）を
前記ホルダ（99）に装着して設け、前記ホルダ（99）を
上下動するためのモータ（85）を加工ヘッド（19）に装
着して設けると共に、前記数値制御装置（29）に拘りな
く前記ギャップセンサ（97）の検出に基づいて前記ギャ
ップ（ｇ）を一定に保持するように前記モータ（85）を
制御する構成としてなり、かつ上記モータには、加工ヘ
ッドの角度に関係なく上記モータにかかる負荷を抑制す
べく前記ホルダの自重を支えるためのばねを設けてなる
ものである。

上記構成より明らかなように、本発明においては、加工
ヘッド19のX,Y,Z軸方向への移動制御は数値制御装置29
によって行われるものである。

そして、先端部にノズルチップ21を備え、かつ上記ノズ
ルチップ21とレーザ加工するワークＷとの間のギャップ
ｇを検出するギャップセンサ97は、前記加工ヘッド19に
上下動自在に備えたホルダ99に装着してあり、このホル
ダ99を上下動するためのモータ85は加工ヘッド19に装着
してある。上記モータ85の制御は前記数値制御装置29に
拘りなくギャップセンサ97の検出に基づいてギャップｇ
を一定に保持するように行われる構成である。

すなわち本発明においては、加工ヘッド19自体を上下動
してギャップｇを一定に保持しようとする構成ではな
く、加工ヘッド19に上下動自在に備えたホルダ99を上下
動することによりギャップｇを一定に保持しようとする
構成であるから、上下動する部分の軽量化を図ることが
容易なものである。

また、前記ホルダ99を上下動するためのモータ85は数値
制御装置29に拘りなく制御される構成であるから、ギャ
ップセンサ97の検出に対する応答性を向上することがで
き、前記ホルダ99等の軽量化と相俟ってギャップｇを一
定に保持する精度がより向上し、より精度の良いレーザ
加工を行うことができるものである。

さらに本発明においては、加工ヘッド19の角度に関係な
くモータ85に掛る負荷を抑制すべくホルダ99の自重を支
えるためのばね115が設けてあるので、例えば加工ヘッ
ド19が垂直状態にある場合や水平状態にある場合であっ
ても、ギャップセンサ97の検出に基いてホルダ99の移動
制御を迅速に行うことができ、加工ヘッド19の傾斜角度
等に拘りなく応答性が良好であり、ギャップｇの制御を
応答性良く、かつ迅速正確に行うことができるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案によるレーザ加工装置の正面図である。 第２図は第１図の平面図である。 第３図は第１図の側面図である。 第４図は加工ヘッドまわりの正面断面図である。 第５図は第４図におけるＶ矢視の一部断面図である。 第６図は加工ヘッドの駆動状態を示した説明図である。 第７図はギャップセンサの制御を説明するブロック部で
ある。 第８図はセンサコントロールユニット部のブロック図で
ある。 ［図面の主要部を表わす符号の説明］ 19…加工ヘッド、21…ノズルチップ 29…主数値制御装置、85…Ｃ軸駆動モータ 97…ギャップセンサ、109…トルクモータ 113…ポテンションメータ 115…カウンタバランスうず巻ばね 123…センサコントロールユニット

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】数値制御装置（29）の制御の下に互いに直
   交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３次元方向へ移動制御される
   加工ヘッド（19）に備えたホルダ（99）を上下動自在に
   設け、先端部にノズルチップ（21）を備え、かつ上記ノ
   ズルチップ（21）とレーザ加工するワーク（Ｗ）との間
   のギャップ（ｇ）を検出するギャップセンサ（97）を前
   記ホルダ（99）に装着して設け、前記ホルダ（99）を上
   下動するためのモータ（85）を加工ヘッド（19）に装着
   して設けると共に、前記数値制御装置（29）に拘りなく
   前記ギャップセンサ（97）の検出に基づいて前記ギャッ
   プ（ｇ）を一定に保持するように前記モータ（85）を制
   御する構成としてなり、かつ上記モータ（85）には、加
   工ヘッド（19）の角度に関係なく上記モータ（85）にか
   かる負荷を抑制すべく前記ホルダ（99）の自重を支える
   ためのばね（115）を設けてなることを特徴とするレー
   ザ加工装置。