WO1992016333A1 - Laser machining head device - Google Patents

Description

明 細 書

レーザ加工へッ ド装置

技術分野

この発明は、 レーザ加工機でワークに切断加工などを行う際にヮ ークにレーザ光を照射する新規なレーザ加工へッ ド装置に関する。

背景技術

従来、 3次元形状 （立体形状） のワークをレーザ加工機で切断加 ェなどを行なう場合には、 3次元加工用のレーザ加工へッ ド装置が 使用されている。 このレーザ加工へッ ド装置と しては、 上下方向 ( Z軸方向） へ移動自在な Z軸移動体と、 この Z軸移動体の軸心回 り （A軸方向） に回動自在な A軸回転体と、 この A軸回転体に直交 する軸回り （ B軸方向） に回動自在かつ下端部にノズルを支承した B軸回転体とで構成されている。

そして、 Z軸移動体の駆動機構と しての、 Z軸モータの出力は 1 対のかさ歯車で減速されビニオンに伝達される。 このビニオンの回 転はラ ックの上下直線運動に変換されると共に、 ラ ッ クは Z軸移動 体に固定されているため、 Z軸移動体はリニアモーショ ンガイ ドに ガイ ドされながら Z軸方向へ移動される。

また、 A軸回転体の駆動機構と しての、 A軸モータは前記 Z軸移 動体に固定されており、 A軸モータに取付けたビニオンから A軸回 転体に取付けた平歯車に伝達されて A軸回転体は Z軸移動体の軸心 回りに回動される。

さ らに、 B軸回転体の駆動機構と しての、 B軸モータは A軸回転 体に固定され、 しかも B軸モータの出力は B軸モータに取付けたビ 二オンから B軸回転体に取付けた平歯車に伝達され、 B軸回転体は B軸方向に回動される。

ところで、 上述した従来のレーザ加工へッ ド装置における Z軸移 動体を Z軸方向へ移動させるために 3対の歯車によって動力伝達さ れ、 それぞれ複雑なバックラ ッ シュ解消機構が必姜であり組立、 保 守が困難である。 また、 Z軸移動体が重いため、 スプリ ングなどの バランサを Z軸移動体に設けなければならない。

A軸回転体を回動せしめるために、 平歯車とピニオンとのバック ラッ シュをなくすため、 平歯車は厚さ方向で 2枚に分割されており、 2枚の位相を微かにずらすことでビニオンの歯を挾んでいる。 しか も、 A軸回転体内にレーザ光を通過せしめる筒状体が設けられてい る。 そのため構造が複雑であり、 組立作業が難かしい。

また、 B軸回転体を回動せしめるために、 A軸回転体と同様のバ ックラッ シュ解消機構を必要とすると共に、 B軸回転体がワークと 接触する恐れもある。 しかも、 平歯車は構造上、 防塵対策が出来な いので鑌びたり、 レーザ加工によるスパッタなどが付着したりする とともに、 B軸モータのケーブルが中継するためのスリ ッブリ ング が必要となり高価でもある。

この発明の目的は、 上記問題点を改善するため、 A軸回転体をレ 一ザ光を通過せしめる保護と回転軸を兼ねるようにし、 全体の構造 と してシンブルにかつコンパク 卜化し、 軽量化を図ったレーザ加工 へッ ド装置を提供することにある。

発明の開示

上記目的を達成するために、 この発明は、 レーザ加工機における レーザ加工へッ ドを上下動自在かつ垂直軸心回りに回動自在に設け てなるレーザ加工へッ ド装置にして、 下端部にレーザノズルを支承 したノズル支持杆をレーザ光が通過自在なパイブ状に形成すると共 に、 上記ノズル支持杆をレーザ加工機のフレームに上下動自在に支 承して設け、 上記ノズル支持杆を軸心回りに回動自在に設け、 ノズ ル支持杆をレーザ光の保護管と回転軸とを兼用してなることを特徵 とするレーザ加工へッ ド装置である。

前記レーザ加工へッ ド装置において、 前記ノズル支持杆がパイブ 状のボールねじスプライ ン軸よりなり、 このスプライ ン軸は、 レー ザ加工機の前記フレームに設けられたボールねじナツ ト部およびボ 一ルスブライ ンナツ ト部に上下動自在に案内支承されているこ とを 特徴とするものである。

また、 この発明は、 レーザ加工機におけるフ レームに回転自在か つ固定自在に支承されたボールねじナツ トとボ一ルスブライ ンナツ トとを上下に離隔して設けると共に、 上記両ナツ トにボールねじス ブライ ン軸を上下動かつ回転自在に嵌入支持して設け、 上記ボール ねじスブライ ン軸の下端部に設けたレーザノズルを、 ボールねじス ブライ ン軸と直交する方向の軸心回りに回転自在に支承して設け、 上記レーザノズルを回転するためのシャ フ トをレーザ光が通過自在 なパイブ状に形成すると共に、 前記ボールねじスプライ ン軸内に回 動自在に設けてなることを特徴とするレーザ加工へッ ド装置である。

この発明のレーザ加工へッ ド装置を採用することにより、 下端部 にレーザノズルを支承したノズル支持杆がレーザ光を通過自在にパ イブ状に形成され、 かつ軸心回りに回動自在に設けられているこ と により、 ノズル支持杆はレーザ光の保護管と回転軸の兼用をなすた め、 シンブルとなる。 また、 ノズル支持杆自体の上下動並びに回動 の構造がコンパク ト化されると共に軽量化される。

図面の簡単な説明

図 1 は、 この発明の第 1実施例を示すレーザ加工へッ ド装置の 縦断面図。

図 2は、 この発明の第 2実施例を示すレーザ加工装置の斜視図。 図 3は、 図 2の装置の縦断面図。

発明を実施するための最良の形態

以下、 この発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

まず、 この発明の第 1実施例が図 1 に示されている。 図 1 におい て、 X軸キヤ レツ ジ 1が、 Y軸方向 （紙面に対して直交した方向） に延伸して設けられている。 この X軸キヤ レツ ジ 1 は、 X軸方向 (図 1 において左右方向） へ移動自在に、 図示省略のレーザ加工機 の例えば X軸フ レームに取り付けられている。 前記 X軸キヤ レツ ジ 1 には 2本の Y軸方向に平行に延伸したガイ ドレール 3が敷設されており、 このガイ ドレール 3にはガイ ド部材 5を介して Y軸方向へ移動自在な Y軸移動体 7が設けられている。 この Y軸移動体 7にはレーザ加工へッ ド装置 9が設けられている。 すなわち、 レーザ加工ヘッ ド装置 9のうちのレーザ支持杆と して の Z軸移動体を兼ねた A軸移動体 1 1は、 上下方向 （ Z軸方向） へ 延伸し、 相対的に回転自在に重ねて設けられた 2本のパイブ 1 1 a、 1 1 bから構成される 2重構造体である。 しかも、 この A軸移動体 1 1は前記 Y軸移動体 7に複数のボールブッ シュとュニッ ト化した ニー ドルベアリ ング 1 3を介して上下動自在かつ回動自在に案内さ れ O o

前記 A軸移動体 1 1の上端部にはベン ドミ ラー 1 5を備えたベン ドミ ラー装置 1 7が支持ブラケッ ト 1 9に取付けられている。 また、 A軸移動体 1 1の内側パイブ l i bはこのブラケッ ト 1 9に固定さ れている。 この支持ブラケッ ト 1 9の図 1において右側部 1 9 Rに は、 軸受 2 1を介して上下方向へ延伸したボールねじ 2 3の上端部 が回転自在に支承されている。 このボールねじ 2 3の下部は前記 Y 軸移動体 7に軸受 2 5を介して回転自在に支承されている。

前記ボールねじ 2 3の下端部にはブーリ 2 7が装着されており、 このプーリ 2 7には図示省略のタイ ミ ングベルト， プーリを介して Z軸用駆動モータが連動連結されている。 このボールねじ 2 3の上 部側にはナツ 卜部材 2 9が嫘合されており、 このナツ ト部材 2 9に は前記 A軸移動体 1 1 に複数のベアリ ング 3 1を介して支承された 支持フレーム 3 3の図 1 において右部が固定されて'いる。

また、 この支持フ レーム 3 3の上部において、 前記 A軸移動体 1 1の外側パイブ 1 1 aにプーリ 3 5が嵌着されていると共に、 前記 支持フレーム 3 3の図 1 において右端部には A軸用駆動モータ 3 7 が取付けられている。 この A軸用駆動モータ 3 7の出力軸には駆動 ブ一リ 3 9が固定されており、 この駆動ブーリ 3 9 と前記プーリ 3 5 とにはタイ ミ ングベルト 4 1が巻回されている。

上記構成により、 図示省略の Z軸用駆動モータを駆動せしめると、 プーリ， タイ ミ ングベルトおよびプーリ 2 7を介してボールねじ 2 3が回転される。 このボールねじ 2 3が回転されることにり、 ナツ ト部材 2 9， 支持フ レーム 3 3を介して A軸移動体 1 1が上下動さ れることになる。 また、 A軸駆動用モータ 3 7を駆動せしめると、 駆動ブーリ 3 9 , タイ ミ ングベルト 4 1およびブ一リ 3 5を介して A軸移動体 1 1の外側パイブ 1 1 aが内側パイブ 1 1 bの回りを軸 心回りすなわち A軸方向に所定角だけ回動されることになる。

前記 A軸移動体 1 1の外側パイブ 1 1 aの下端部にはレーザノズ ル 4 3を装着した B軸移動体 4 5が設けられており、 この B軸移動 体 4 5内にはベン ドミ ラ一 4 7 , 4 9が備えられている。 この B軸 移動体 4 5を回動するために、 前記 A軸移動体 1 1の下部には B軸 用駆動モータ 5 1が取付けられていて、 例えば複数のギヤを介して A軸移動体 1 1 と直交した方向である B軸方向へ回動されることに なる。

而して、 レーザ光 L Bはベン ドミ ラ一 1 5で折曲げられて A軸移 動体 1 1 のパイブ内を通過し、 B軸移動体 4 5内に備えられたベン ドミ ラー 4 7， 4 9を経てレーザノズル 4 3から下方へ照射されて 図示省略のワークにレーザ加工が行なわれることになる。 そ してヮ ークが 3次元形状 （立体形状） の場合には、 A軸移動体 1 1を上下 動させるだけでなく 、 A軸移動体 1 1および B軸移動体 4 5をそれ ぞれ A軸， B軸方向へ回動せしめることによつて容易にレーザ加工 を行なう こ とができる。

また、 A軸移動体 1 1がレーザ光 L Bの保護管と A軸方向の回動 を行なう際の回転軸を兼用しているため、 レーザ加工へッ ド装置 9 を軽量化させるこ とができると共に従来に比べてコ ンパク ト化させ ることができる。

次に、 この発明の第 2実施例が図 2および図 3に示されている。 図 2および図 3に示されているように Y軸方向 （図 2において左右 方向， 図 3において紙面に対して直交する方向） に延伸した X軸キ ャ レツ ジ 5 3が設けられており、 この X軸キヤ レツ ジ 5 3は例えば 図示省略の X軸フレームに対して X軸方向 （図 3において左右方向） へ移動するようになつている。

前記 X軸キヤ レツ ジ 5 3には 2本の平行なガイ ドレール 5 5が敷 設されており、 このガイ ドレール 5 5にはガイ ド部材 5 7を介して Y軸方向へ移動自在な Y軸移動体 5 9が設けられている。 この Y軸 移動体 5 9にはレーザ加工へッ ド装置 6 1が設けらている。

すなわち、 レーザ加工ヘッ ド装置 6 1のうちのレーザ支持杆と し てのボールねじスプライ ン軸 6 3が中空形状に形成されていて、 し かも上下方向 （ Z軸方向） に設けられている。 このボールねじスブ ライ ン軸 6 3の外周軸には螺旋状のボールねじ溝 6 3 Aと上下方向 へボールスプライ ン溝 6 3 Bとが形成されている。

このボールねじ溝 6 3 Aにはボールねじナッ ト 6 5が螺合されて いると共に、 ボールスブライ ン溝 6 3 Bにはボールスブライ ンナツ ト 6 7が係合されている。 また、 前記ボールねじスプライ ン軸 6 3 の下部には A軸回転体 6 9が取付けられている。

前記 Y軸移動体 5 9上には Z軸ベース 7 1がー体的に設けられて いると共に、 Y軸移動体 5 9 と Z軸ベース 7 1 との間には Z軸モ一 タベース 7 3が設けられている。 この Z軸モータベース 7 3には Z 軸用駆動モータ 7 5が設けられており、 この Z軸用駆動モータ 7 5 の出力軸には駆動ブーリ Ί 7が嵌着されている。 また、 前記ボール ねじナツ ト 6 5の外周にはブーリ 7 9が取付けられていて、 このブ ーリ 7 9 と前記駆動ブーリ 7 7 とには夕イ ミ ングベルト 8 1が巻回 されている。

前記 Y軸移動体 5 9には A軸用駆動モータ 8 3が設けられており、 この A軸用駆動モータ 8 3の出力軸には駆動プーリ 8 5が嵌着され ている。 また、 ボールスプライ ンナッ ト 6 7の外周にはプーリ 8 7 が取付けられていて、 このブー リ 8 7 と前記駆動ブー リ 8 5 とには タイ ミ ングベルト 8 9が巻回されている。

前記 Z軸ベース 7 1の上部にはベン ドミ ラー 9 1を備えたベン ド ミ ラ一装置 9 3が設けられており、 このベン ドミ ラ一装置 9 3の図 3において右側にはレーザ光 L Bを通過せしめるためのパイブ状の X軸方向へ延伸したレーザ管 9 5が接続されている。

前記ボールねじスプライ ン軸 6 3の上部における外周部には複数 のベアリ ングを介して B軸モータベース 9 7が支承されており、 ま た前記 Z軸ベース Ί 1 には Z軸方向へ延伸したガイ ドバー 9 9が設 けられている。 このガイ ドバー 9 9によつて案内される一対のガイ ドローラ 1 0 1が前記 B軸モータベース 9 7に回転自在に支承され ている。

前記ボールねじスプライ ン軸 6 3の内周にはパイブ形状の Z軸方 向へ延伸した B軸シャフ ト 1 0 3が設けられており、 この B軸シャ フ ト 1 0 3の上端部における外周にはブーリ 1 0 5が嵌着され、 し かもボールねじスプライ ン軸 6 3の上端部に取付けられている。 ま た、 前記 B軸モータベース 9 7の図 3において右側には B軸用駆動 モータ 1 0 7が設けられており、 この B軸用駆動モータ 1 0 7の出 力軸には駆動ブーリ 1 0 9が嵌着されている。 この駆動ブ一 リ 1 0 9 と前記ブーリ 1 0 5 とにはタイ ミ ングベル ト 1 1 1が巻回されて いる。

前記 B軸シャフ ト 1 0 3の下端部には、 ベベルギヤ 1 1 3が取付 けられており、 このべベルギヤ 1 1 3には別のベベルギヤ 1 1 5力 啮合されている。 このべベルギヤ 1 1 5は B軸回転体 1 1 7内に備 えられている。 しかも、 この B軸回転体 1 1 7の下端部にはレーザ ノズル 1 1 9が装着されている。

また、 前記 A軸回転体 6 9および B軸回転体 1 1 7にはレーザ光 L Bを曲げるためのベン ドミ ラー 1 2 1， 1 2 3を備えたベン ドミ ラー装置 1 2 5， 1 2 7が設けられている。 上記構成により、 Z軸用駆動モータ 7 5を駆動せしめると、 出力 軸， プーリ 7 7 , タイ ミ ングベルト 8 1 , プーリ 7 9を介してボ一 ルねじナツ ト 6 5が回転される。 このボールねじナッ ト 6 5が回転 されることにより、 ボールねじスプライ ン軸 6 3 , A軸回転体 6 9 および B軸回転体 1 1 7が上下動することにより、 レーザノズル 1 1 9が上下動されることになる。 なお、 上下動される際には、 ガイ ドバ一 9 9に挾まれた一対のガイ ドローラ 1 0 1 とボールねじスブ ライ ン軸 6 3によってガイ ドされてスムーズに上下動されることに なる。

A軸回転体 6 9をボールねじスプライ ン軸 6 3の軸心回りである A軸方向に回動させる場合には、 A軸用駆動モータ 8 3を駆動せし めると、 出力軸， 駆動ブーリ 8 5， タイ ミ ングベルト 8 9 , プーリ 8 7を介してボールスブライ ンナツ ト 6 7が回転される。 このボー ルスプライ ンナッ ト 6 7が回転することにより、 ポールねじスブラ イ ン軸 6 3が回転する。 しかも、 このボールねじスプライ ン軸 6 3 は A軸回転体 6 9に固定されているため、 A軸回転体 6 9が A軸方 向に回動されることになる。 このとき、 B軸回転体 1 1 7は A軸回 転体 6 9に回転自在に取付けられているため、 一緒に A軸方向に回 動 sれる。

また、 このとき、 ボールねじスプライ ン軸 6 3は上下運動も行な われるため、 例えば前記ボールねじスブライ ン軸 6 3が上昇又は下 降するのをキャ ンセルするように、 Z軸用駆動モータ 7 5を適宜に 回転せしめてボールねじナツ ト 6 5を回転せしめてボールねじスブ ライ ン軸 6 3が上下動しないようにする。

—方、 B軸回転体 1 1 7は垂直面上での旋回運動を行なおう とす るため、 B軸用駆動モータ 1 0 7を適宜方向へ駆動させることによ りその動作がキャ ンセルされることになる。

B軸回転体 1 1 7を B軸方向へ回動させる場合には、 B軸用駆動 モータ 1 0 7を駆動せしめると、 出力軸， 駆動ブーリ 1 0 9， タイ ミ ングベル 1 1 1 , プーリ 1 0 5を介して B軸シャ フ ト 1 0 3が回 転される。 この B軸シャ フ ト 1 0 3が回転するこ とにより、 ベベル ギヤ 1 1 3 , 1 1 5を介して B軸回転体 1 1 7が B軸方向に回動さ れることになる。 なお、 Z軸べ一ス 7 1 に固定されたガイ ドバー 9 9 と、 B軸モータベース 9 7に固定された一対のガイ ドローラ 1 0 1が B軸モータベース 9 7の回り止めと Z軸方向のガイ ドの役目を 果している。

また、 レーザ光 L Bはレーザ管 9 5内を通ってベン ト ミ ラー 9 1 で曲げられ、 ボールねじスプライ ン軸 6 3の内面に設けられた B軸 シャフ ト 1 0 3内を通って、 ベン ド ミ ラー 1 2 1， 1 2 3で曲げら れてレーザノズル 1 1 9から下方へ照射されて、 図示省略のワーク にレーザ加工が行なわれる。

図示省略のワークが 3次元形状 （立体形状） の場合には Z軸方向 だけでなく 、 A軸， B軸回転体 6 9 , 1 1 7を A軸， B軸方向に回 動されるこ とにより容易に行なわれる。

このように、 レーザノズル支持杆と してのボールねじスブライ ン 軸 6 3がパイブ形状となっているため、 レーザ光 L Bの保護管と A 軸回転体 6 9が A軸方向に回動する際の回転軸の役目を果しており、 レーザ加工へッ ド装置 6 1 自体を軽量化させることができると共に、 従来に比べてコンパク ト化させることができる。

また、 このような構造とするこ とにより、 Z軸移動重量の軽減， 駆動， ガイ ド機構の合理化が図られると共に、 レーザ加工ヘッ ド装 置 6 1のまわりに突起物がないからワークへの接近性がよく なる。 またモータ用ケーブル中継用ス リ ッブリ ングが廃止される。

さ らに、 ボールねじスプライ ン軸 6 3， ボールねじナッ ト 6 5， ボールスプライ ンナツ ト 6 7を採用して Z軸方向の移動を行なって いるため、 駆動系がシンブルになると共に、 高速で正確に移動させ るこ とができる。

なお、 この発明は、 前述した実施例に限定させるこ となく 、 適宜 の変更を行なうことにより、 その他の態様で実施し得るものである _t 本実施例では各軸モータ出力の伝達にブ一リ， タイ ミ ングベルトを 使用しているが、 それ以外の平歯車， チヱンなどの伝達機構でもよ い。 また、 B軸モータを軸回転体に固定したものも考えられる。

産業上の利用可能性

本発明のレーザ加工へッ ド装置は、 従来のものに比べて、 構造が シンプル化され、 かつ装置自体も軽量化かつコンパク ト化されると いう利点をもつてレーザ加工機に利用される。

Claims

請求の範囲

【請求項 1】 レーザ加工機におけるレーザ加工へッ ドを上下 動自在かつ垂直軸心回りに回動自在に設けてなる レーザ加工へッ ド 装置 （9、 6 1 ) にして、 下端部にレーザノズル （ 4 3、 1 1 9 ) を支承したノズル支持杆 （1 1、 6 3) をレーザ光 （L B) が通過 自在なパイブ状に形成すると共に、 前記ノズル支持杆 （ 1 1、 6 3) をレーザ加工機のフ レームに上下動自在に支承して設け、 前記ノズ ル支持杆を軸心回りに回動自在に設け、 前記ノズル支持杆を前記レ —ザ光の保護管と回転軸とを兼用してなることを特徵とするレーザ 加工へッ ド装置。

【請求項 2】 請求項 1記載のレーザ加工へッ ド装置であって、 前記ノズル支持杆がパイブ状のボールねじスプライ ン軸 （6 3) よ りなり、 前記ボールねじスプライ ン軸 （63) は、 レーザ加工機の 前記フ レームに設けたボールねじナツ ト部 （65) およびボ一ルス ブライ ンナツ ト部 （6 7) に上下動自在に案内支承されているこ と を特徵とするもの。

【請求項 3】 レーザ加工機におけるフレームに回転自在かつ 固定自在に支承されたボールねじナッ ト （65) とボールスブライ ンナッ ト （67) とを上下に離隔して設けると共に、 前記両ナツ ト (65、 6 7) にボールねじスプライ ン軸 （6 3) を上下動かつ回 転自在に嵌入支持して設け、 前記ボールねじスプライ ン軸の下端部 に設けたレーザノズル （ 1 1 9) を、 ボールねじスプライ ン軸と直 交する方向の軸心回りに回転自在に支承して設け、 莉記レーザノズ ルを回転するためのシャ フ ト （ 1 03) をレーザ光が通過自在なパ イブ状に形成すると共に、 前記ボールねじスプライ ン軸内に回動自 在に設けてなることを特徴とするレーザ加工へッ ド装置 （ 6 1 ) 。