JP6928711B2 - レーザ加工機のレーザビームに対して工作物を整列させて位置決めする装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工機のレーザビームに対して工作物を整列させて位置決めする装置に関する。

短く強力なレーザパルスを使用して工作物（ワーク）を加工することが知られている。高出力密度のレーザ放射により、工作物の表面の材料が加熱される。電力密度に応じて、プラズマが工作物の表面に形成されることがある。この際に工作物の表面から材料が除去される。これは、レーザアブレーションと呼ばれている。

レーザビームと工作物とが、工作物の指定された領域内の材料を除去し、加工物の表面に特定の外形を形成するために、定義された方法で相対移動される。工作物を切断する生産がこれに属する。これらは、工具切断とも呼ばれている。

レーザ加工機にはレーザヘッドが装備されていて、パルスレーザビームをレーザ部から工作物に向けて意図する方法で導き、適用可能であれば所定のパルス外形内で工作物の表面上を動かす。工作物は、工作機械ではクランプ装置とも呼ばれる、整列させかつ位置決めする装置に配置される。この装置には、装置基部と、工作物固定機器と、移動機器とが装備されている。装置基部は固定されている。装置基部は、レーザ加工機の基部の一部にしてもよい。加工物固定機器は、工作物を取り上げてしっかりとクランプし、工作物固定機器に対する工作物の位置が工作物の加工中に変わらないようにする。移動機器は、装置基部に対して工作物固定機器を移動させる。レーザ加工機のレーザヘッドは、一般に装置基部に対して静止状態で配置されているため、移動機器が、一方でレーザヘッドと他方で工作物固定機器との間の相対移動をも確実にする。これにより、工作物固定機器にクランプされた工作物は、レーザヘッドによって生成されたレーザビームに対して移動される。移動機器によって引き起こされる相対的移動の効果で、工作物の表面が工作物固定機器によって覆われていない限り、工作物の表面全体を機械加工可能である。加工中、工作物の表面はレーザビームに対してさまざまな角度で配向及び位置決めされる。

工作物を配置及び配向する既知の装置は、複数の軸線を備えた移動機器を備える。移動は、軸線に対応して、複数の自由度がある。移動を実行するために、移動機器には複数の並進及び回転駆動部が装備されている。６軸移動機器は、一般的に、Ｘ軸線、Ｙ軸線、Ｚ軸線に沿ってリニア駆動力をそれぞれ生成する３つの並進駆動部と、ＤＸ軸線、ＤＹ軸線及びＤＺ軸線の周りにトルクをそれぞれ生成する３つの回転駆動部とを備える。並進駆動部は、リニア駆動部ともいわれる。６軸未満の移動機器は、対応してより少ない数の並進又は回転駆動部を備える。駆動部の互いの動きを調整するために、複数の駆動部は共通の制御ユニットで制御される。駆動部は、一般にＣＮＣで制御（コンピュータ数値制御）される。

長尺の工作物が、例えばドリル又はフライスで加工され、工作物の軸方向長さが適用領域のために数デシメートルと長い場合、移動機器が工作物固定機器とそれに固定された工作物を移動しなければならない距離は、重要な検討項目である。特に、個々の並進及び回転駆動装置は、キャリッジ、支持器具、又はそれらに割り当てられた他の駆動されるべき部品を長距離にわたって動かさなければならない。長距離では一般的に大きな加速が必要である。ただし、大きな加速度は、駆動部が大きな駆動又はトルクを生成する必要があるため、不利である。

本発明の目的は、長い軸方向長さを有する工作物をレーザビームに対して移動可能にする、工作物を配置整列させる装置を提供することであり、その結果、工作物の加工物は、関連する駆動部の大きな加速と、大きな駆動力又はトルクとを必要とせずに、基本的にその表面全体で可能である。

この目的は、請求項１に記載の装置により達成される。この装置は、移動機器が、回転軸線Ｂを備えた第１回転駆動装置と、回転軸線Ｂに対して基本的に半径方向に延在するリニア軸線Ｘｗを備えた第１リニア駆動部と、回転軸線Ｂと異なる回転軸線Ｃを備えた第２回転駆動部とを備えることを特徴とする。移動機器は剛体を備える。第１回転駆動装置のトルクは、回転のために機械基部に対して回転軸線Ｂを中心に剛体を駆動する。剛体は、回転軸線Ｂから半径方向外側に突出している。第１リニア駆動部は剛体に設けられる。第１リニア駆動部は、軸線Ｂに対して半径方向に延在する軸線Ｘｗに沿ってリニア駆動力を生成し、それにより剛体の表面上の軸線Ｘｗに沿って第１キャリッジを変位させる。第２回転駆動部は、第１キャリッジに配置されている。第２回転駆動部は、回転軸線Ｃの周りで工作物固定機器を装置基部に対して回転するべく、そのトルクで駆動する。

工作物固定機器は、長い工作物の一端を取り上げ、この端部をクランプする。この目的のために、工作物固定機器は、長い工作物取り付け部を有し、直線状の工作物取り付け軸線に沿って延在する。工作物固定機器は、好ましくは、工作物取り付け軸線が回転軸線Ｃと同軸に延在するように第２回転駆動装置に配置される。工作物取り付け軸線を持つ工作物が工作物固定機器の工作物取り付け軸線と同軸であるならば、第２回転駆動部は、確実に、工作物をその長手方向軸を中心に回転させる。

第１リニア駆動装置は、加工物固定装置に配置された加工物を変位させることを可能にする。変位は、好ましくは、加工物の表面に処理が提供される方向に行われる。例えば、リニア軸線Ｘｗは回転軸線Ｃと平行に延在してもよい。この場合、工作物固定装置にクランプされた工作物は、その長手方向軸線に沿って移動可能である。これは、数デシメートルの長い軸方向の延長を示す工作物にも該当する。このようにして、単に、リニア軸線Ｘｗに沿ってかつ回転軸線Ｃの周りの移動により、工作物の表面全体をレーザビームに対して次々に配向可能であり、表面全体はレーザ加工可能である。さらに、回転軸線Ｂを中心とした回転により、レーザビームに対してさまざまな角度で工作物を整列させる。

したがって、工作物の配列が、個々の加工ステップ間で大きな距離をカバーする必要がない本発明による装置で、可能になる。これは、第１回転駆動部によって動かされる剛体と、第１リニア駆動部によって動かされる第１キャリッジと、第２回転駆動部によって動かされる固定機器とにも当てはまる。第１回転駆動部と、第１リニア駆動部と、第２回転駆動部とに割り当てられている部品の調整経路は短い。したがって、本発明による装置では、大きな加速と、大きな力又はトルクとは不要である。

本発明の有利な実施形態によれば、軸線Ｃは軸線Ｂに垂直な平面に延在する。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、軸線Ｃは、軸線Ｘｗに平行である。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、剛体は長尺状であり、長手方向軸線に沿って延在する。剛体は、その長手方向軸が回転軸線Ｂの半径方向に延在するように第１回転駆動部に取り付けられている。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、剛体はレバーとして形成されている。１本アームのレバーが、レバーとして特に好ましい。剛体は、好ましくは、第１キャリッジのリニア変位経路に沿って延在し、第１キャリッジをその移動において支持する。レバーは、長尺状アームの形態であってもよい。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、リニア軸線Ｘｗに平行に、剛体は、第１キャリッジが導かれるガイドレールを備える。ガイドレールにより、第１キャリッジがリニア軸線Ｘｗに沿うその移動において確実に支持される。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、移動装置は、リニア軸線Ｚに沿って駆動力を生成し、第２キャリッジを軸線Ｚに沿って装置基部に対して動かす、第２リニア駆動部を備える。第１回転駆動部は、好ましくは直接又は間接的に第２キャリッジに設けられていることで、第１回転駆動部と、第１リニア駆動部と、第２回転駆動部と配置機器とがいっしょに、装置基部について、よってレーザビームについて、軸線Ｚに沿って変位可能である。軸線Ｚは、好ましくはレーザ加工機のレーザビームのレーザ軸線に平行に延在する。第２リニア駆動部は、機械基部に設けてもよい。しかしながら、第２駆動部を第２キャリッジに設けることも可能である。第２リニア駆動部は、リニアモータの形態を取ってもよく、そこでは固定子が装置基部に接続され、回転子が第２キャリッジに接続される。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、移動装置は、軸線Ｚとは異なる軸線Ｙに沿って駆動力を生成し、第３キャリッジを軸線Ｙに沿って第２キャリッジに対して動かす第３リニア駆動部を備える。よって、第３リニア駆動部も装置基部について軸線Ｙに沿って変位する。第３駆動部は第２キャリッジに設けてもよい。代替的に、第３リニア駆動部は第３キャリッジに設けてもよい。第３リニア駆動部は、リニアモータの形態を取ってもよく、そこでは固定子が第２キャリッジに接続され、回転子が第３キャリッジに接続されるか、その逆の構成でもよい。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、移動装置は、軸線Ｚ及び軸線Ｙとは異なるリニア軸線Ｘに沿って駆動力を生成し、第４キャリッジを軸線Ｘに沿って第３キャリッジに対して動かす第４リニア駆動部を備える。第１回転駆動部は、好ましくは、第４キャリッジに設けられて、第１回転駆動部と、第１リニア駆動部と、第２回転駆動部と配置機器とがいっしょに、装置基部について、よってレーザビームについて、軸線Ｚ、Ｙ及びＸに沿って変位可能である。この場合は、移動機器の移動は、４つの並進と２つの回転の自由度を持つ。移動は、４つのリニア軸線Ｚ、Ｙ、Ｘ及びＸｗについて、そして回転軸線Ｂ及びＣについて起こる。第４リニア駆動部は、第３キャリッジに設けてもよい。代替的に、第４リニア駆動部は、第４キャリッジに設けてもよい。第４リニア駆動部は、リニアモータの形態を取ってもよく、そこでは固定子が第２キャリッジに接続され、回転子が第４キャリッジに接続されるか、その逆の構成でもよい。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、軸線Ｘと、軸線Ｙと、軸線Ｚとは、互いに垂直である。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、第１回転ユニットは、第４キャリッジに設けられている。

本発明のさらなる有利な実施形態によれば、軸線Ｂは、軸線Ｘ、軸線Ｙ又は軸線Ｚの１つに基本的に平行である。

本発明のさらに有利な実施形態によれば、全ての軸の駆動部はＣＮＣ制御される。この制御により、全ての駆動部が相互に調整され、工作物の表面に所望の外形を生成するために、駆動部の移動によって工作物がレーザビーム３に対して所定の時系列で正確に調整される。

本発明のさらなる利点及び有利な実施形態は、以下の説明、図面及び特許請求の範囲に見出せるであろう。

図面では、本発明による装置の実施形態が以下に示され説明される。図面の説明は以下のとおりである。

剛体が鉛直下向きであり、第１キャリッジが回転軸線Ｂから最も離れた位置にある、方向付け及び位置決め装置の斜視図である。 第１キャリッジが図１の位置よりも回転軸線Ｂに近い位置に配置されている、図１の斜視図である。 移動機器が図１の位置にある、図１の装置を正面から見た図である。 移動機器が図２の位置にある、図１の装置を正面から見た図である。 移動機器が図１の位置にある、図１の装置を側面から見た図である。 移動機器が図２の位置にある、図１の装置を側面から見た図である。 剛体が図１の位置に対して４５°の角度だけ時計回りに回転され、第１キャリッジが回転軸線Ｂから最も遠い位置にある、図１の装置を側面から見た図である。 剛体が図１の位置に対して４５°の角度だけ時計回りに回転され、第１キャリッジが図７の位置よりも回転軸線Ｂに近い位置にある、図１の装置を側面から見た図である。 剛体が図１の位置から４５°の角度だけ反時計回りに回転され、第１キャリッジが回転軸線Ｂから最も遠い位置にある、図１の装置を側面から見た図である。 剛体が図１の位置から４５°の角度だけ反時計回りに回転され、第１キャリッジが図７の位置よりも回転軸線Ｂに近い位置にある、図１の装置を側面から見た図である。 移動機器が図１の位置にある、図１の装置を上から見た図である。

図１から図１１は、レーザビーム３に対して工作物４を整列させて位置決めする装置１を示す。レーザビームは、レーザ加工機（さらに図示せず）のレーザヘッド２によって工作物（ワーク）４の表面に向けられる。整列させて位置決めする装置１は、装置基部５と、工作物４を受け入れてクランプする工作物固定機器６と、移動機器７とを有する。移動機器は、２つの回転軸線Ｂ及びＣの周りで、そして４つの直線軸線Ｘｗ、Ｘ、Ｙ及びＺに沿って、装置基部５に対して工作物固定機器６を動かす。図示されていない第２リニア駆動部は装置基部に対し、軸線Ｚに沿って第２キャリッジ８を往復移動する。図示されていない第３リニア駆動部は、第３キャリッジ９を第２キャリッジ８に対し、軸線Ｙに沿って往復移動する。図示されていない第４リニア駆動装置は、第３キャリッジ９に対して第４キャリッジ１０を軸Ｘに沿って往復移動する。第１回転ユニット１１は、第４キャリッジ１０上に配置され、軸線Ｙに平行で軸線Ｘ及びＺに垂直に延在する軸線Ｂの周りにトルクを生成する。第１回転駆動装置１１の駆動シャフト（図ではわからない）は、一本腕のレバーとして設計された剛体１２に回転不能に連結されている。剛体１２は、回転軸Ｂから半径方向外側に突出している。駆動軸は、第１回転駆動部１１のトルクを剛体１２に伝達し、これにより、回転軸線Ｂの周りの剛体１２の回転を確実にする。図示されていない第１直線駆動部は、剛体１２に設けられて、リニア駆動力をリニア軸線Ｘｗに沿って生成し、リニア軸線Ｘｗの第１キャリッジ１３を軸線Ｘｗに沿って往復移動する。軸線Ｘｗは、回転軸Ｂに対して半径方向に延在する。軸線Ｘｗは、回転軸Ｂに垂直な平面内に延在する。第１キャリッジ１３には第２回転ドライブ１４が配置されている。第２回転ドライブ１４は、回転軸線Ｃの周りにトルクを生成する。回転軸線Ｃは直線軸Ｘｗと平行である。回転軸線は、回転軸線Ｂに垂直な平面内に延在する。第２回転ドライブは、工作物固定機器６を回転させ、これにより工作物固定機器６に収容された工作物４を回転軸線Ｃ周りに回転させる。

レーザビーム３は、そのビーム軸線が直線軸線Ｚに平行になるように調整される。したがって、軸線Ｚに沿った第２キャリッジの変位は、工作物固定機器６のレーザヘッド２への又はレーザヘッド２からの移動につながる。工作物４とレーザヘッド２との間の距離は、第２リニア駆動部及び第２キャリッジ８の移動を介して設定可能である。

工作物４は長尺状である。工作物４の長手方向軸線が回転軸線Ｃと同軸に延在するように、工作物固定機器６に収容される。したがって、第２回転ドライブ１４は、工作物４がそれ自体の長手方向軸線の周りに回転することを確実にする。

図１、図３、及び図５では、移動機器７は、剛体１２が鉛直方向下向きに向き、第１キャリッジ１３が回転軸線Ｂから最大距離を有する位置にあるように配向される。この位置では、工作物４は、工作物固定機器６から離れる方に向いた端部で加工可能である。

図２、図４及び図６では、移動装置７は、剛体１２が鉛直方向で下方に向き、第１キャリッジ１３が、図１、図３及び図５による位置と比べて回転軸線Ｂにより近い位置にあるように配向されている。第１キャリッジのこの位置では、工作物４は、工作物固定機器６に面するその端部で、レーザを用いて加工可能である。

一方で図１、図３及び図５に示される位置と、他方で図２、図４及び図６に示される位置との２つの位置間の比較から、第１キャリッジ１３がリニア軸線Ｘｗに沿って移動する変位経路は、本質的に、工作物表面がレーザビーム３で加工される、工作物４の長手方向軸線に沿った距離であるということになる。図１から図６も併せて、図１１による上から見た装置１の表示から、工作物４の表面全体を加工可能となるように、工作物４の表面を回転軸線Ｃの周りに回転させ、リニア軸線Ｘｗに沿って平行移動させることで、軸線Ｘｗに沿った変位経路によって予め定められた距離にわたって工作物４の表面をレーザビーム３に整列が可能となることがわかる。

図７から図１０は、剛体１２の異なる位置を示す。それらにおいて、図７及び図８は、図１から図６に比べて４５°の角度だけ反時計回りに回転された剛体１２を示し、図９及び図１０は、図１から図６と比べて時計回りに４５°回転された剛体１２を示す。図７及び図９では、第１キャリッジ１３は、回転軸Ｂ線から可能最大の距離を有する位置にあるが、図８及び図１０では、第１キャリッジ１３は回転軸線Ｂにより近い位置を有する。これらの表現は、工作物４の表面とレーザビーム３との間の角度は、剛体１２を回転軸線Ｂの周りに回転させることにより設定可能であることを示す。

図１から図６では、剛体１２はリニア軸線Ｘに平行に配向され位置決めされている。この位置では、直線軸線Ｘｗと直線軸Ｘは互いに平行である。この位置で、加工物４は、軸線Ｘｗに沿った並進だけでなく、加工物の長手軸に平行な距離にわたる軸線Ｘに沿った並進により、レーザビームに合わせて配向・位置決め可能である。ただし、図７から図１０の剛体１２の位置は、工作物４が回転軸Ｂを中心に回転する場合、軸線Ｘのみを介して縦軸に平行な距離にわたる工作物の対応する調整が不可能であることを示している。リニア軸線Ｘｗに沿った平行移動により、大幅に簡素化される。

図１１は上方から見た、レーザヘッド２と、レーザビーム３と、工作物４とを持つ装置１を示す。図は、軸線Ｙに沿った第３キャリッジ９の移動を使用して、レーザビーム３が、基本的に接線方向、あるいはむしろ中央したがって工作物の長手方向軸線に対して放射方向の位置に、あるいはそれら位置の間の位置において、工作物の縁部にて工作物４の表面に当たるかを、設定可能であることを示す。

駆動装置は、工作物４がレーザビーム３に対して意図的に動かされるように、共通の制御によって制御され、その結果、所定の表面外形がレーザ研磨によって生成される。この制御はＣＮＣ制御（コンピュータ数値制御）である。制御部は図示されていない。

本発明の全ての特徴は、個々に、及び互いに任意の組み合わせの両方で、本発明に不可欠となり得る。

１ 工作物を整列させて位置決めする装置
２ レーザヘッド
３ レーザビーム
４ 工作物
５ 装置基部
６ 固定機器
７ 移動機器
８ 第２キャリッジ
９ 第３キャリッジ
１０ 第４キャリッジ
１１ 第１回転駆動部
１２ 剛体
１３ 第１キャリッジ
１４ 第２回転駆動部

Claims (12)

1. 装置基部（５）と、
   加工すべき工作物を収容する工作物固定装置（６）と、
   装置基部（５）に対して工作物固定装置（６）を動かす少なくとも３つの軸を備える移動装置（７）と、
   移動装置（７）の剛体（１２）と、
   回転軸線Ｂ周りのトルクを生成して、回転軸線Ｂから半径方向外向きに突出している剛体（１２）を、装置基部（５）に対して回転軸線Ｂの周りで回転させるべく駆動する、移動装置（７）の第１回転駆動部（１１）と、
   リニア駆動力を、回転軸線Ｂから基本的に放射状に延在する軸線Ｘｗに沿って生成し、剛体（１２）上の第１キャリッジ（１３）を軸線Ｘｗに沿って動かす、剛体（１２）に設けられた第１リニア駆動部と、
   第１キャリッジ（１３）に設けられていて、回転軸線Ｂと異なる回転軸線Ｃ周りにトルクを生成し、工作物固定装置（６）を回転軸線Ｃ周りに回転させるべく駆動する、第２回転駆動部（１４）と
   を備える、工作物（４）をレーザビーム（３）に対して整列させて位置決めする装置。
2. 軸線Ｃは、軸線Ｂに垂直な平面内に延在することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 軸線Ｃは、軸線Ｘｗに平行であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 剛体（１２）はレバー形状として形成されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 剛体（１２）は、第１キャリッジ（１３）が案内されるガイドレールを備えることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 移動装置（７）は、リニア軸線Ｚに沿って駆動力を生成し、第２キャリッジ（８）を軸線Ｚに沿って装置基部（５）に対して動かす、第２リニア駆動部を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 移動装置（７）は、軸線Ｚとは異なるリニア軸線Ｙに沿って駆動力を生成し、第３キャリッジ（９）を軸線Ｙに沿って第２キャリッジ（８）に対して動かす第３リニア駆動部を備えることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 移動装置（７）は、軸線Ｚ及び軸線Ｙとは異なるリニア軸線Ｘに沿って駆動力を生成し、第４キャリッジ（１０）を軸線Ｘに沿って第３キャリッジに対して動かす第４リニア駆動部を備えることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
9. 軸線Ｘと、軸線Ｙと、軸線Ｚとは、互いに垂直であることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 第１回転駆動部（１１）は、第４キャリッジ（１０）に設けられていることを特徴とする、請求項８又は９に記載の装置。
11. 軸線Ｂは、軸線Ｘ、軸線Ｙ又は軸線Ｚの１つに基本的に平行であることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
12. 全ての軸線駆動部は、ＣＮＣで制御されることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。

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