JP2002515344A

JP2002515344A - 加工物を加工する方法と工作機械

Info

Publication number: JP2002515344A
Application number: JP2000549418A
Authority: JP
Inventors: ヘレン，ペーター
Original assignee: バイストロニツク・レーザー・アクテイエンゲゼルシヤフト
Priority date: 1998-05-19
Filing date: 1999-05-17
Publication date: 2002-05-28
Also published as: EP0958884A1; EP1082189A1; WO1999059765A1; AU3697099A; US6593541B1

Abstract

(57)【要約】本発明によれば、レーザービーム５は、ビーム制御管１２によって、工作機械１３の主軸台１７に供給される。前記ビームは、ジョイント点Ｄの焦点合わせレンズ３５に照射される。前記ジョイント点Ｄは、下部に位置づけられたその焦点合わせレンズ３５を有する中心合わせコーン３６の適所に正確にガイドされて保持される。レーザー加工ヘッドは、旋回機構によって主軸台１７から移動させることができ、そして工作機械１３は、通常の方法で切削作業を実行できる。レーザー加工作業は、加工サイクル内では切削作業前に実施され、原点オフセットがレーザー加工と切削加工との間で与えられ、コンピュータの助けによって如何なるシステム誤差も修正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】本発明は、請求項のプリアンブルに記載の方法に関し、またその方法を実施す
るのに適した工作機械に関する。

【０００２】レーザー材料加工は、非常に多くの工業製造工程で確立されており、レーザー
を使って、実質的に如何なる材料からでも３次元構造物を加工することができる
。数値制御と一緒に適切なレーザー源とビームガイドと光学装置とを使うことに
より、多くの場合に加工物は、所望の公差に仕上げ加工することができる。しか
しながら精密機械学では、特に精密工学と微細加工技術では、レーザー加工の精
度と表面品質が不十分であって、従来どおりに工作機械を操作することによる仕
上げが必要となるか、最初から工作機械が使われる応用分野が存在する。

【０００３】他の機械にセットアップされた加工物に対してレーザー加工作業を実施するこ
とはまた、ロボットの様な装置を使って実際に繰り返し試みられてきたが、それ
は実質的に大半は許容できない精度の低いものになり、その後の適切な仕上げ作
業を必要とするものであった。

【０００４】したがって本発明の目的は、レーザー材料加工の応用範囲を有効な方法で拡大
し、加工物に対して達成可能な品質、特に加工精度を向上させる方法と工作機械
とを提供することである。本システムの全体の精度は、選択された特定の加工方
法によってのみ影響され、システムの変更によっては影響されないであろう。

【０００５】この目的は、請求項１の特徴によって達成される。

【０００６】本発明の主題は、既存の製造工程に特に容易に統合されるその能力によって特
徴付けられる。

【０００７】本請求項で使われる不作動／パーク位置という用語は、レーザー装置が切削動
作に干渉しない、あるいは切削動作がレーザー加工ヘッドを損傷し得ない、工作
機械内の位置を指す。この不作動位置とパーク位置は同じであってもよい。しか
しながら、セットアップ時間を短縮するために２つの異なる位置を設けることも
あり、この不作動位置は、次の切削動作に干渉しない、レーザー加工ヘッドの旋
回退避位置を言っている。したがってパーク位置は、切削動作に影響を与えない
、および／またはレーザー加工ヘッドを危険にさらす位置と規定される。

【０００８】レーザービームが専用のレーザーマシニングセンタにガイドされる知られてい
る構成とは異なり、本発明の主題は、工作機械の本来の機能のすべてが無条件で
継続使用されることを可能にする。すなわちカッティングセンターは、いかなる
品質の低下または損失もなく、更なる加工方法の追加によって拡張される。

【０００９】本発明による、レーザー源と工作機械またはマシニングセンタとの協働動作は
、一定のビーム経路長を有する、それ自体は知られている柔軟なビームアーム（
Ｋ．Ｈ．ＡｒｎｏｌｄＧｍｂＨ＆Ｃｏ，Ｄ−８８２２１４Ｒａｖｅｎｓｂｕ
ｒｇ）によって最も容易に達成できる。これは、工作機械に実施される僅かな変
更、または付加的な工具の数値制御プログラムへの適切なパラメータの追加を必
要とするだけである。レーザー加工ヘッドは、確率的な誤りが発生しないように
、先行作業あるいは後続作業と同じ工具保持具内に収容される。更に、固有の系
統誤差は修正可能であって、その結果、後続の作業には、最小のとり代が必要と
なるだけである。したがって、本システムの全体の精度に影響を与えるのは、加
工方法だけであって、レーザー材料加工から切削への変更やその逆の変更ではな
い。

【００１０】レーザービームの位置精度は、工作機械の精度によって予め決定される。他方
、結果のレーザー材料加工の表面粗さは、使用されるレーザーシステムにより、
また加工物の材質により決定される。各ケースで、加工の寸法精度と品質は、そ
の後の切削工具の使用によってレーザー加工の精度、品質よりも改善させること
ができる。

【００１１】レーザー加工中に発生する放射は、切削加工の範囲内にあるので、眩さ保護の
他には工作機械に対する安全措置は必要でない。

【００１２】使用後のレーザー加工ヘッドの旋回退避は、工作機械を通常の方法で操作する
ことを可能とし、前記レーザー加工ヘッドの損傷を防止する。

【００１３】請求項２に記載のビームガイドは、スペースを節約し、極めて容易な工具交換
を可能にする。

【００１４】請求項３に記載の原点修正は、統計的誤差の除去を可能にし、後続の精密切削
作業におけるとり代の最小化を可能にする。

【００１５】レーザー加工ヘッドの剛性構成は、軸方向と角度の精度を最高にし、これによ
って加工精度を向上させ、追加の調整作業を省略させるので、通常必要なビーム
の焦点合わせのみが必要となる（請求項４）。

【００１６】側方ビーム源の場合、請求項５に記載の実施形態が好都合であり、その場合は
従来型冷却金属ミラーがジョイント部に組み込まれる。

【００１７】請求項６に記載のレーザー加工ヘッドとビーム源との直接の機械接続は、スペ
ースの節約になり経済的である。

【００１８】請求項７に記載のレーザー加工ヘッド上に形成されるクランプ装置は、切削工
具で通常行われるのと同じ方法での工具交換を可能にする。

【００１９】請求項８に記載のクランプ装置は、操作の容易さと精度とに関して特に有利で
ある。

【００２０】工作機械に請求項９に記載の中空シャフトを組み込むことによって、レーザー
ビームを加工ヘッドにまで特に容易にガイドすることが可能になるので、特に小
さなビーム出力の場合に、特別な保護チューブ内の複雑なビームガイドを、まっ
たく不要にすることさえ可能になるかもしれない。

【００２１】請求項１０に従って構成されたレーザー加工ヘッドは、特に有利であって、適
切であれば、切削工具と一緒に工具入れに入れておき、工具と同じように交換す
ることもできる。

【００２２】レーザービームの同軸供給源は、請求項１１に記載のレーザー源の取付けを可
能にし、特に小出力、中出力の場合に特に経済的である。

【００２３】概略図の助けを借りて、本発明の主題は、垂直主軸を有するクロステーブル構
造の工作機械に関して以下に説明される。すべての図で同じ参照符号が使用され
る。

【００２４】標準的ＣＯ_２レーザー（ＲＯＦＩＮ−ＳＩＮＡＲＬａｓｅｒＧｍｂＨ，Ｈ
ａｍｂｕｒｇ）は、図１において１で示されている。これは、工場の床１８の上
の台座２に振動のない方法で取り付けられている。フード３は、レーザー装置の
電気部品と光学部品の保護として機能する。レーザー１の前端部には、調整部で
あるビーム整形器４が配置されており、これは同一直線上のレーザービーム５を
ビームガイド管１２に供給する。このレーザービーム５は、偏向ミラー６〜１０
を介してＣＮＣ工作機械１３にまでガイドされ、そこで加工のために利用可能と
なる。

【００２５】標準的なビームガイド管１２は、ジョイント部Ａ〜Ｄによって個別のセグメン
トとして互いに結合されている。金属の偏向ミラー６〜１０が、ジョイント点Ａ
〜Ｄに位置しているので、ジョイント付きアーム１１の位置に関係なく一定の光
路が形成される。ジョイント付きアーム１１は、ジョイント点Ｂの所に対応する
フックが係合する上部アイ（環）２６を持っており、このフックは、ケーブル２
３によってガイドプーリ２４を介して天井２０のローラーレール２５に接続され
ており、またケーブルドラム２２を介してスプリングの張力を受けている。ケー
ブルドラム２２は、支持体２１によって壁１９に取り付けられていて、ジョイン
ト付きアーム１１の荷重を軽減しているので、ジョイント点Ｄには最小の力が作
用するだけである。

【００２６】ジョイント点Ｄで開いているビームガイド管１２は、ここではスピンドル軸と
同じである垂直Ｌに平行に向けられる。レーザー加工ヘッドＫの光軸ｘ−−ｘは
、スピンドル軸と同一直線上にある。また加工物を設定するために役立つ機械ベ
ッド１５も見えている。

【００２７】この工作機械の左部分には、レーザー加工ヘッドＫのためのパーク位置Ｐが垂
直矢印で示されている。

【００２８】工作機械１３は、制御部（Ｓｉｎｕｍｅｒｉｃ８４０Ｄ，ＳｉｅｍｅｎｓＡＧ
，Ｍｕｎｉｃｈ）を有する修正された標準ＣＮＣマシニングセンタ（ＨＥＲＭＬ
Ｅ，Ｃ８００Ｕ，Ｄ−７８５５６Ｇｏｓｈｅｉｍ）である。この機械１３は、
垂直電動機スピンドルを有する主軸台１７を特徴としており、中実の機械支柱１
４と従来型補助ユニット１３ｂと、統合されたコンピュータ付き制御パネル１６
とを持っている。

【００２９】図１の構成は、上から見た図２に示され、同じ機能部品ならびに他の補助ユニ
ット１３ａを示している。ドア監視スイッチの形をしたレーザー用の非常スイッ
チ２７が、付加的に概略的に備えられている。

【００３０】図３は、ジョイントＣを経由するビームガイド管１２によるレーザービーム５
の単純で正確な供給を示す。したがって取付けねじ３０によって工作機械１３の
主軸台１７にねじ止めされた、２つのビームガイド支持体３８、３９がある。２
つの支持体３８、３９は、左側の凹部において、垂直なビームガイド管１２をそ
の動作位置に位置決めしている。ビームガイド管１２上には、上下の軸受けブシ
ュ４０、４１がそれぞれ設けられ、ブシュ４１は、更に空気圧シリンダ４３のグ
リッパ４２の尖端が嵌合するクランプ溝４１’を持っている。支持体３８、３９
の凹部と軸受けブシュ４０、４１とをしっかり固定する協働作用は、ビームガイ
ド管１２の正確で回転可能な取付けを保証している。

【００３１】ジョイントＣは、接続フランジ４５を介して垂直なビームガイド管１２に連結
されている。

【００３２】図３では省略されたレーザー光学系の実際の位置決め（図５の位置３５を参照
）は、工具保持具３７において工作機械内に設けられた中心合わせコーン３６を
介して行われる。環状溝４６は、中心合わせコーン３６の挿入と取り出しの際に
役立っている。

【００３３】分かりやすくするために、偏向ミラー９、１０だけが、図３のジョイントＤの
部分断面Ｙ−−Ｙで略図的に表されている。また保護管内に位置する制御ライン
４４も見えている。

【００３４】再び図４の平面図は、ねじ止めされたビームガイド管支持体３９と、ここでは
断面で示されているビームガイド管１２とを有する主軸台１７を示す。サーボモ
ータによって、それ自体知られている方法で、レーザー光学系の加工物からの間
隔を調整する間隔制御部５０が横に突き出て見えている。中心合わせコーン３６
は、同心円によって表されている。切断線Ｙ−−Ｙは、この中心合わせコーンと
ビームガイド管１２の中心とを通って走っており、その理由から図３に見える断
面Ｙ−−Ｙは、短縮された斜めの位置で表されている。

【００３５】図５には、ビームガイドとレーザー光学系とを機械的に連結したり分離したり
するための要素が追加されている。

【００３６】ここにも描かれている機械支柱１４への取付けねじ３０’によってねじ止めさ
れたヒンジ式支持体２９上のヒンジ式ブラケット２８には、グリップトング３２
を有する下部グリップアーム３１と旋回軸５１とが配置されている（図６を参照
）。

【００３７】グリップ・アーム３１は、駆動シリンダ３３によって操作できる。

【００３８】保護管１２に取り付けられた下部軸受けブシュ４０は、取付けねじ３０’によ
って旋回軸５１にアーム５２’を介して固定された軸受け部分リング５２を通し
てガイドされる。

【００３９】旋回軸５１はまた、上部軸受け２８’でガイドされ、そしてこれも軸受け部分
リングの形をした、付属のグリップトング４９によって直角に曲げられた正方形
のグリッパアーム４８で終わっている。グリッパアーム４８は、空気圧ラインと
制御ラインとがガイドされる中空形状の垂直部分に在る。

【００４０】ジョイント点Ｄは、図５では動作位置に位置決めされている。すなわち中心合
わせコーン３６は、工具保持具３７内で動く。この動作位置で下部グリップトン
グ３２は、環状溝４６でそれらのスプリングと係合している（図３）。

【００４１】ジョイント点Ｄの下方の、中心合わせコーン３６の軸方向には、手動で操作可
能な調整リング５３を含み、知られている方法で構成された焦点合わせ光学系３
５が配置されている。出てくるレーザービームは再び、５で示されている。

【００４２】続く図６は、平面図で上述した各部を示す。

【００４３】使用後にレーザー加工装置をそのパーク位置および／または不作動位置に旋回
させるために、工具保持具３７から知られている方法で中心合わせコーン３６が
押され、それから主軸台１７が上方に動かされる。それから駆動シリンダ３３に
は、プッシュロッド３４を介してこのシリンダが時計回り方向、すなわち矢印の
方向にグリッパアーム３１を回転させるように、圧縮空気が作用する（図７を参
照）。安定のために、旋回軸５１とグリッパトング４９との間に補強アーム５２
’が配置されている。

【００４４】この回転運動は、レーザー装置がパーク位置（主軸台１７に近い）と、主軸台
１７の横後方の不作動位置との両方に旋回できるように制御される。

【００４５】これら２つの位置は、工作機械が適切に動作することを可能にし、レーザー装
置が即座に使えることを、あるいは主軸台１７の領域から退避することを可能に
し、加工手段を使用するときに可能な最大の柔軟性をもたらす。

【００４６】図８の部分断面描写は、標準的工作機械の修正されたバージョンを示しており
、機械支柱は再び、参照符号１４’を与えられている。この場合の主軸台１７の
上方には、油圧式／空気圧式振動軸受け６１上に置かれるＹＡＧレーザー１’が
配置されている。

【００４７】出てくるレーザービーム５’は、ボア６３を有する中空シャフト６０上に配置
された上部スピンドル軸受け６２を通り抜ける。この上部スピンドル軸受け６２
と下部スピンドル軸受け６７との間には、平歯車６４が配置され、平歯車６４は
、部品として駆動軸受け６６を有する駆動歯車６５によって電動機Ｍを介して駆
動され、駆動歯車６５は、スプライン・シャフト６９上で移動できる。

【００４８】スピンドル軸受け６７は、一般に知られた方法で円錐ころ軸受け６８を備えて
いる。中空シャフト６０は、その前端部に工具保持具３７を保持し、内側には中
心合わせコーン３６’を持っている。

【００４９】図８による構成は、特に安価であり、可能な最小スペース内でのレーザー加工
作業を可能にしている。

【００５０】垂直主軸を有するクロステーブル構造の工作機械の助けによって提案されたこ
れらの考えは、他の機械にも移すことが可能であることは無論であり、その場合
には多少とも実質的な修正が必要となる。

【００５１】高いレーザー出力が必要でないマシニングセンタにおいて、例えば単にマーキ
ングおよび／または刻字が必要な場合には、レーザーはこれらの軸に直接組み込
むことができ、それには固体レーザーが適している。

【００５２】図８による変形はまた、請求項のプリアンブルで要求されているビームガイド
の一定長を作りだしている。しかしながら、レーザーと工作機械との間の機械的
分離のために、この要件が完全には満たされない（ビーム品質の劣化を含む）解
決策も考えられる。

【００５３】本発明の主題は当然、金属成形機械にも組み込むことができ、とり代除去作業
および／または切削作業が、１つのセッティング内で適切に行われる場合には特
に有利である。熱的措置による、レーザー加熱による金属成形作業もまた、同じ
機械上で類似の方法でサポートできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＣＯ_２レーザーと柔軟なビームアームとを有するＣＮＣ（コンピュータ数値制
御）マシニングセンタを正面図で示す。

【図２】図１のマシニングセンタを上からの平面図で示す。

【図３】マシニングセンタ内へのレーザービームの連結の細部を示す。

【図４】図３の上からみた平面図を示す。

【図５】レーザー光学系とビームガイドとの機械的連結の細部を示す。

【図６】上からみた、移送位置における図５の描写を示す。

【図７】パーク位置における図６に対応する描写を示す。

【図８】フランジ取付レーザー源とその中空スピンドルを通してのビーム供給源とを有
するＣＮＣマシニングセンタの変形を示す。

【符号の説明】

１レーザー（ＣＯ_２レーザー、２ｋＷ）１’ レーザー（工作機械上のＹＡＧレーザー）２台座３フード（カバー）４ビーム整形器（調整部）５レーザービーム５’ １’のレーザービーム６、７、８、９、１０偏向ミラー１１ジョイント付きアーム１２ビームガイド管（保護管）１３ＣＮＣ工作機械１３ａ、ｂ１３の補助ユニット（駆動手段、冷却水等）１４、１４’ 機械支柱、ハウジング１５機械ベッド／加工物設定１６コンピュータ付き制御パネル１７主軸台（主軸、電動機スピンドル）１８床（工場）１９壁２０天井２１２２のための支持体２２スプリング張力付きケーブルドラム２３ケーブル２４ガイドプーリ２５ローラーレール２６アイ（環）／フック２７レーザー緊急スイッチ／ドア監視スイッチ２８ヒンジ式ブラケット（フランジ）２８’ 上部軸受け２９ヒンジ式支持体３０、３０’ 取付けねじ３１グリッパアーム（下部）３２グリップトング（下部、スプリング付き）３３駆動シリンダ（空気圧式）３４プッシュロッド３５焦点合わせ光学系３６、３６’ 中心合わせコーン、クランプ装置３７工具保持具３８下部ビームガイド管支持体（軸受けリング）３９上部ビームガイド管支持体（軸受けリング）４０下部軸受けブシュ（管１２に固定）４１上部軸受けブシュ（管１２に固定）４１’ ４１内のクランプ溝４２グリッパ先端での固定４３４２のための空気圧シリンダ４４制御ライン（保護管）４５接続フランジ４６環状溝４８グリッパアーム４９グリッパトング５０電動機（間隔制御）５１旋回軸５２軸受け部分リング５２’ ５２用のアーム５３焦点合わせ用の調整リング５４４８の補強材６０中空シャフト６１振動軸受け（空気圧式／油圧式）６２上部スピンドル軸受け６３６０内のボア６４６０上の平歯車、６９上で垂直方向に移動可能６５平歯車（駆動）６６駆動軸受け６７下部スピンドル軸受け６８円錐ころ軸受け６９スプラインシャフトＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄジョイント／ジョイント点Ｋレーザー加工ヘッドＬ主軸Ｍ駆動電動機Ｐパーク位置ｘ−−ｘ光軸Ｙ−−Ｙ切断エッジ／断面

【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書

【提出日】平成１１年４月１０日（１９９９．４．１０）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【発明の名称】加工物を加工する方法と工作機械

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００２】レーザー材料加工は、非常に多くの工業製造工程で確立されており、レーザー
を使って、実質的に如何なる材料からでも３次元構造物を機械加工することがで
きる。数値制御と一緒に適切なレーザー源とビームガイドと光学装置とを使うこ
とにより、多くの場合に加工物は、所望の公差に仕上げ加工することができる。
しかしながら精密機械学では、特に精密工学と微細加工技術では、レーザー加工
の精度と表面品質が不十分であって、従来どおりに工作機械を操作することによ
る仕上げが必要となるか、最初から工作機械が使われる応用分野が存在する。

【０００４】請求項１のプリアンブルによる方法は、ＪＰ−Ａ−６１１６４７３８から推論
可能であり、これによれば、レーザー源は従来型ＣＮＣマシニングセンタ上に配
置される。レーザー加工ヘッドも切削工具と共に収容される縦型工具入れによっ
て、切削工具と、任意にスピンドル側にコーンを有するレーザー加工ヘッドとは
、工具交換装置によって、機械の主スピンドルのボア内に挿入される。このレー
ザー加工ヘッドは、主軸台にフランジ取付けされたレーザー源のために、レーザ
ービームを水平なビームガイド管を介して加工方向にガイドするミラーを特徴と
している。

【０００５】このマシニングセンタの欠点は、主軸台上に振動に敏感なレーザー源を直接配
置することと、重さとスペースの理由から関連する、より小さな出力に限定され
ることとである。粗い切削作業と突然の負荷を引き起こす従来型工具交換装置と
は、精密な仕上げ作業を不可能にし、前記レーザーの毎回の使用の前に新たなレ
ーザー調整を必要とする。更にビームガイドの開放構成は、非常に汚染されやす
いので、粗いレーザー加工作業でも実行に困難を伴う。

【０００６】レーザー源が接続された２次元または３次元加工作業のための他の数値制御工
作機械は、ＵＳ−Ａ−５１６０８２４から知られている。レーザー加工作業の場
合にレーザービームは、工作機械の中空スピンドルを通してガイドされ、光学系
を経由して現れ、特に深孔のボアの仕上げを可能にする。この光学系は、切削工
具に関してこれらと整合性のあるクランプ装置を備えており、切削工具が使用さ
れるとき、それは例えば工具交換装置によって保持される。

【０００７】このようにしてレーザー加工は、主スピンドルが中空シャフトを持っており、
特に高速加工作業のために高周波電動機と関連させて構成される。

【０００８】したがって本発明の目的は、レーザー材料加工の応用範囲を有効な方法で拡大
し、加工物に対して達成可能な品質、特に加工精度を向上させる方法と工作機械
とを提供することである。本システムの全体の精度は、選択された特定の加工方
法によってのみ影響され、システム変更によっては影響されないであろう。

【０００９】この目的は、請求項１の特徴によって達成される。

【００１０】本発明の主題は、既存の製造工程に特に容易に統合されるその能力によって特
徴付けられる。

【００１１】本請求項で使われる不作動／パーク位置という用語は、レーザー装置が切削動
作に干渉しない、あるいは切削動作がレーザー加工ヘッドを損傷し得ない、工作
機械内の位置を指す。この不作動位置とパーク位置は同じであってもよい。しか
しながら、セットアップ時間を短縮するために２つの異なる位置を設けることも
あり、この不作動位置は、次の切削動作に干渉しない、レーザー加工ヘッドの旋
回退避位置を言っている。したがってパーク位置は、切削動作に影響を与えず、
レーザー加工ヘッドを危険にさらさない位置と規定される。

【００１２】レーザービームが専用のレーザーマシニングセンタにガイドされる知られてい
る構成とは異なり、本発明の主題は、工作機械の本来の機能のすべてが無条件で
継続使用されることを可能にする。すなわちカッティングセンターは、いかなる
品質の低下または損失もなく、更なる加工方法の追加によって拡張される。

【００１３】本発明による、レーザー源と工作機械またはマシニングセンタとの協働動作は
、一定のビーム経路長を有する、それ自体は知られている柔軟なビームアーム（
Ｋ．Ｈ．ＡｒｎｏｌｄＧｍｂＨ＆Ｃｏ，Ｄ−８８２２１４Ｒａｖｅｎｓｂｕ
ｒｇ）によって最も容易に達成できる。これは、工作機械に実施される僅かな変
更、または付加的な工具の数値制御プログラムへの適切なパラメータの追加を必
要とするだけである。レーザー加工ヘッドは、確率的な誤りが発生しないように
、先行作業あるいは後続作業と同じ工具保持具内に収容される。更に、固有の系
統誤差は修正可能であって、その結果、後続の作業には、最小のとり代が必要と
なるだけである。したがって、本システムの全体の精度に影響を与えるのは、加
工方法だけであって、レーザー材料加工から切削への変更やその逆の変更ではな
い。

【００１４】レーザービームの位置精度は、工作機械の精度によって予め決定される。他方
、その結果のレーザー材料加工の表面粗さは、使用されるレーザーシステムによ
り、また加工物の材質によって決定される。各ケースで、加工の寸法精度と品質
は、その後の切削工具の使用によってレーザー加工の精度、品質よりも改善させ
ることができる。

【００１５】レーザー加工中に発生する放射は、切削加工の範囲内にあるので、眩さ保護の
他には工作機械に対する安全措置は必要でない。

【００１６】使用後のレーザー加工ヘッドの旋回退避は、工作機械を通常の方法で操作する
ことを可能とし、前記レーザー加工ヘッドの損傷を防止する。

【００１７】請求項２に記載のビームガイドは、スペースを節約し、極めて容易な工具交換
を可能にする。

【００１８】請求項３に記載の原点修正は、統計的誤差の除去を可能にし、後続の精密切削
作業におけるとり代の最小化を可能にする。

【００１９】レーザー加工ヘッドの剛性構成は、軸方向と角度の精度を最高にし、これによ
って加工精度を向上させ、追加の調整作業を省略させるので、通常必要なビーム
の焦点合わせのみが必要となる。

【００２０】側方ビーム源の場合には、従来型の冷却ミラーを有するジョイントが組み込ま
れた実施形態が好都合である。

【００２１】レーザー加工ヘッドとビーム源との直接の機械的接続はスペースの節約となり
、経済的である。

【００２２】レーザー加工ヘッド上に存在するクランプ装置は、切削工具に関して通常行わ
れるのと同じ方法での工具交換を可能にする。

【００２３】中心合わせコーンを有するクランプ装置は、操作の容易性と精度とに関して特
に有利である。

【００２４】中空シャフトを工作機械に組み込むことは、レーザービームが加工ヘッドに特
に容易にガイドされることを可能にする。

【００２５】概略図の助けを借りて、本発明の主題は、垂直主軸を有するクロステーブル構
造の工作機械に関して以下に説明される。すべての図で同じ参照符号が使用され
る。

【００２６】標準的ＣＯ_２レーザー（ＲＯＦＩＮ−ＳＩＮＡＲＬａｓｅｒＧｍｂＨ，Ｈ
ａｍｂｕｒｇ）は、図１において１で示されている。これは、工場の床１８の上
の台座２に振動のない方法で取り付けられている。フード３は、レーザー装置の
電気部品と光学部品の保護として機能する。レーザー１の前端部には、調整部で
あるビーム整形器４が配置されており、これは同一直線上のレーザービーム５を
ビームガイド管１２に供給する。このレーザービーム５は、偏向ミラー６〜１０
を介してＣＮＣ工作機械１３にまでガイドされ、そこで加工のために利用可能と
なる。

【００２７】標準的なビームガイド管１２は、ジョイント部Ａ〜Ｄによって個別のセグメン
トとして互いに結合されている。金属の偏向ミラー６〜１０が、ジョイント点Ａ
〜Ｄに位置しているので、ジョイント付きアーム１１の位置に関係なく一定の光
路が形成される。ジョイント付きアーム１１は、ジョイント点Ｂの所に対応する
フックが係合する上部アイ（環）２６を持っており、このフックは、ケーブル２
３によってガイドプーリ２４を介して天井２０のローラーレール２５に接続され
ており、またケーブルドラム２２を介してスプリングの張力を受けている。ケー
ブルドラム２２は、支持体２１によって壁１９に取り付けられていて、ジョイン
ト付きアーム１１の荷重を軽減しているので、ジョイント点Ｄには最小の力が作
用するだけである。

【００２８】ジョイント点Ｄで開いているビームガイド管１２は、ここではスピンドル軸と
同じである垂直Ｌに平行に向けられる。レーザー加工ヘッドＫの光軸ｘ−−ｘは
、スピンドル軸と同一直線上にある。また加工物を設定するために役立つ機械ベ
ッド１５も見えている。

【００２９】この工作機械の左部分には、レーザー加工ヘッドＫのためのパーク位置Ｐが垂
直矢印で示されている。

【００３０】工作機械１３は、制御部（Ｓｉｎｕｍｅｒｉｃ８４０Ｄ，ＳｉｅｍｅｎｓＡＧ
，Ｍｕｎｉｃｈ）を有する修正された標準ＣＮＣマシニングセンタ（ＨＥＲＭＬ
Ｅ，Ｃ８００Ｕ，Ｄ−７８５５６Ｇｏｓｈｅｉｍ）である。この機械１３は、
垂直電動機スピンドルを有する主軸台１７を特徴としており、中実の機械支柱１
４と従来型補助ユニット１３ｂと、統合されたコンピュータ付き制御パネル１６
とを持っている。

【００３１】図１の構成は、上から見た図２に示され、同じ機能部品ならびに他の補助ユニ
ット１３ａを示している。ドア監視スイッチの形をしたレーザー用の非常スイッ
チ２７が、付加的に概略的に備えられている。

【００３２】図３は、ジョイントＣを経由するビームガイド管１２によるレーザービーム５
の単純で正確な供給を示す。したがって取付けねじ３０によって工作機械１３の
主軸台１７にねじ止めされた、２つのビームガイド支持体３８、３９がある。２
つの支持体３８、３９は、左側の凹部において、垂直なビームガイド管１２をそ
の動作位置に位置決めしている。ビームガイド管１２上には、上下の軸受けブシ
ュ４０、４１がそれぞれ設けられ、ブシュ４１は、更に空気圧シリンダ４３のグ
リッパ４２の尖端が嵌合するクランプ溝４１’を持っている。支持体３８、３９
の凹部と軸受けブシュ４０、４１とをしっかり固定する協働作用は、ビームガイ
ド管１２の正確で回転可能な取付けを保証している。

【００３３】ジョイントＣは、接続フランジ４５を介して垂直なビームガイド管１２に連結
されている。

【００３４】図３では省略されたレーザー光学系の実際の位置決め（図５の位置３５を参照
）は、工具保持具３７において工作機械内に設けられた中心合わせコーン３６を
介して行われる。環状溝４６は、中心合わせコーン３６の挿入と取り出しの際に
役立っている。

【００３５】分かりやすくするために、偏向ミラー９、１０だけが、図３のジョイントＤの
部分断面Ｙ−−Ｙで略図的に表されている。また保護管内に位置する制御ライン
４４も見えている。

【００３６】再び図４の平面図は、ねじ止めされたビームガイド管支持体３９と、ここでは
断面で示されているビームガイド管１２とを有する主軸台１７を示す。サーボモ
ータによって、それ自体知られている方法で、レーザー光学系の加工物からの間
隔を調整する間隔制御部５０が横に突き出て見えている。中心合わせコーン３６
は、同心円によって表されている。切断線Ｙ−−Ｙは、この中心合わせコーンと
ビームガイド管１２の中心とを通って走っており、その理由から図３に見える断
面Ｙ−−Ｙは、短縮された斜めの位置で表されている。

【００３７】図５には、ビームガイドとレーザー光学系とを機械的に連結したり分離したり
するための要素が追加されている。

【００３８】ここにも描かれている機械支柱１４への取付けねじ３０’によってねじ止めさ
れたヒンジ式支持体２９上のヒンジ式ブラケット２８には、グリップトング３２
を有する下部グリップアーム３１と旋回軸５１とが配置されている（図６を参照
）。

【００３９】グリップ・アーム３１は、駆動シリンダ３３によって操作できる。

【００４０】保護管１２に取り付けられた下部軸受けブシュ４０は、取付けねじ３０’によ
って旋回軸５１にアーム５２’を介して固定された軸受け部分リング５２を通し
てガイドされる。

【００４１】旋回軸５１はまた、上部軸受け２８’でガイドされ、そしてこれも軸受け部分
リングの形をした、付属のグリップトング４９によって直角に曲げられた正方形
のグリッパアーム４８で終わっている。グリッパアーム４８は、空気圧ラインと
制御ラインとがガイドされる中空形状の垂直部分に在る。

【００４２】ジョイント点Ｄは、図５では動作位置に位置決めされている。すなわち中心合
わせコーン３６は、工具保持具３７内で動く。この動作位置で下部グリップトン
グ３２は、環状溝４６でそれらのスプリングと係合している（図３）。

【００４３】ジョイント点Ｄの下方の、中心合わせコーン３６の軸方向には、手動で操作可
能な調整リング５３を含み、知られている方法で構成された焦点合わせ光学系３
５が配置されている。出てくるレーザービームは再び、５で示されている。

【００４４】続く図６は、平面図で上述した各部を示す。

【００４５】使用後にレーザー加工装置をそのパーク位置および／または不作動位置に旋回
させるために、工具保持具３７から知られている方法で中心合わせコーン３６が
押され、それから主軸台１７が上方に動かされる。それから駆動シリンダ３３に
は、プッシュロッド３４を介してこのシリンダが時計回り方向、すなわち矢印の
方向にグリッパアーム３１を回転させるように、圧縮空気が作用する（図７を参
照）。安定のために、旋回軸５１とグリッパトング４９との間に補強アーム５２
’が配置されている。

【００４６】この回転運動は、レーザー装置がパーク位置（主軸台１７に近い）と、主軸台
１７の横後方の不作動位置との両方に旋回できるように制御される。

【００４７】これら２つの位置は、工作機械が適切に動作することを可能にし、レーザー装
置が即座に使えることを、あるいは主軸台１７の領域から退避することを可能に
し、加工手段を使用するときに可能な最大の柔軟性をもたらす。

【００４８】図８の部分断面描写は、標準的工作機械の修正されたバージョンを示しており
、機械支柱は再び、参照符号１４’を与えられている。この場合の主軸台１７の
上方には、油圧式／空気圧式振動軸受け６１上に置かれるＹＡＧレーザー１’が
配置されている。

【００４９】出てくるレーザービーム５’は、ボア６３を有する中空シャフト６０上に配置
された上部スピンドル軸受け６２を通り抜ける。この上部スピンドル軸受け６２
と下部スピンドル軸受け６７との間には、平歯車６４が配置され、平歯車６４は
、部品として駆動軸受け６６を有する駆動歯車６５によって電動機Ｍを介して駆
動され、駆動歯車６５は、スプライン・シャフト６９上で移動できる。

【００５０】スピンドル軸受け６７は、一般に知られた方法で円錐ころ軸受け６８を備えて
いる。中空シャフト６０は、その前端部に工具保持具３７を保持し、内側には中
心合わせコーン３６’を持っている。

【００５１】図８による構成は、特に安価であり、可能な最小スペース内でのレーザー加工
作業を可能にしている。

【００５２】垂直主軸を有するクロステーブル構造の工作機械の助けによって提案されたこ
れらの考えは、他の機械にも移すことが可能であることは無論であり、その場合
には多少とも実質的な修正が必要となる。

【００５３】高いレーザー出力が必要でないマシニングセンタにおいて、例えば単にマーキ
ングおよび／または刻字が必要な場合には、レーザーはこれらの軸に直接組み込
むことができ、それには固体レーザーが適している。

【００５４】図８による変形はまた、請求項のプリアンブルで要求されているビームガイド
の一定長を作りだしている。しかしながら、レーザーと工作機械との間の機械的
分離のために、この要件が完全には満たされない（ビーム品質の劣化を含む）解
決策も考えられる。

【００５５】本発明の主題は当然、金属成形機械にも組み込むことができ、とり代除去作業
および／または切削作業が、１つのセッティング内で適切に行われる場合には特
に有利である。熱的措置による、レーザー加熱による金属成形作業もまた、同じ
機械上で類似の方法でサポートできる。

【図面の簡単な説明】

【図４】図３の上からみた平面図を示す。

【図７】パーク位置における図６に対応する描写を示す。

【符号の説明】１レーザー（ＣＯ_２レーザー、２ｋＷ）１’ レーザー（工作機械上のＹＡＧレーザー）２台座３フード（カバー）４ビーム整形器（調整部）５レーザービーム５’ １’のレーザービーム６、７、８、９、１０偏向ミラー１１ジョイント付きアーム１２ビームガイド管（保護管）１３ＣＮＣ工作機械１３ａ、ｂ１３の補助ユニット（駆動手段、冷却水等）１４、１４’ 機械支柱、ハウジング１５機械ベッド／加工物設定１６コンピュータ付き制御パネル１７主軸台（主軸、電動機スピンドル）１８床（工場）１９壁２０天井２１２２のための支持体２２スプリング張力付きケーブルドラム２３ケーブル２４ガイドプーリ２５ローラーレール２６アイ（環）／フック２７レーザー緊急スイッチ／ドア監視スイッチ２８ヒンジ式ブラケット（フランジ）２８’ 上部軸受け２９ヒンジ式支持体３０、３０’ 取付けねじ３１グリッパアーム（下部）３２グリップトング（下部、スプリング付き）３３駆動シリンダ（空気圧式）３４プッシュロッド３５焦点合わせ光学系３６、３６’ 中心合わせコーン、クランプ装置３７工具保持具３８下部ビームガイド管支持体（軸受けリング）３９上部ビームガイド管支持体（軸受けリング）４０下部軸受けブシュ（管１２に固定）４１上部軸受けブシュ（管１２に固定）４１’ ４１内のクランプ溝４２グリッパ先端での固定４３４２のための空気圧シリンダ４４制御ライン（保護管）４５接続フランジ４６環状溝４８グリッパアーム４９グリッパトング５０電動機（間隔制御）５１旋回軸５２軸受け部分リング５２’ ５２用のアーム５３焦点合わせ用の調整リング５４４８の補強材６０中空シャフト６１振動軸受け（空気圧式／油圧式）６２上部スピンドル軸受け６３６０内のボア６４６０上の平歯車、６９上で垂直方向に移動可能６５平歯車（駆動）６６駆動軸受け６７下部スピンドル軸受け６８円錐ころ軸受け６９スプラインシャフトＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄジョイント／ジョイント点Ｋレーザー加工ヘッドＬ主軸Ｍ駆動電動機Ｐパーク位置ｘ−−ｘ光軸Ｙ−−Ｙ切断エッジ／断面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＵ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＣＡ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＥＥ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＰ，ＫＲ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】取り付けられたビーム整形を有するレーザー源と一定長のビ
ーム経路を有するビームガイドとにより、また切削工具と数値制御装置とを含む
工作機械を用いて、加工物を２次元および／または３次元加工するための方法で
あって、レーザービーム（１）は、ビームガイド（１１、１２）によって主軸（Ｌ）と
平行に、また主軸内にガイドされるか、あるいは直接、工作機械の軸内にガイド
されることと、少なくとも１つのレーザー加工ヘッド（Ｋ）は、レーザー加工ヘッド（Ｋ）か
切削工具のいずれかが、少なくとも１つの工具保持具および／またはクランプ機
構（３６、３７）に挿入できるような方法で、スピンドルの少なくとも１つの軸
に平行に旋回するように、またスピンドルの少なくとも１つの軸内に機械的に変
位するように構成されており、また少なくとも１つのレーザー加工ヘッド（Ｋ）
は、必要な工作機械（１３）において加工物の設定の修正または変更をせずに、
加工物に作用することと、レーザー加工ヘッド（Ｋ）および／または工作機械（１３）内に備えられたビ
ームガイドは、切削作業時に、マシニングセンタに設けられた不作動位置／パー
ク位置（Ｐ）に動かされることとを特徴とする、加工物を２次元および／または
３次元加工するための方法。
【請求項２】ビームガイド管（１２）は、工作機械（１３）の主軸（Ｌ）
に平行に構成されており、工具が交換されるときに、ビームガイド管（１２）は
主軸（Ｌ）に対して直交する領域で旋回することを特徴とする、請求項１に記載
の方法。
【請求項３】第１の方法ステップでレーザー加工ヘッド（Ｋ）が加工物に
作用することと、使用後にレーザー加工ヘッド（Ｋ）はパーク位置（Ｐ）に旋回
退避することと、第２の方法ステップでレーザー加工ヘッド（Ｋ）によって作ら
れた加工物において、少なくとも１つのマークおよび／または開口部が測定され
ることと、主軸（Ｌ）に対して加工物の位置を調整するために、計算された原点
修正が、この測定の座標を用いて行われることと、後続の工具交換において切削
作業および／または他の加工作業が行われることとを特徴とする、請求項１また
は２に記載の方法。
【請求項４】接続されたビーム整形を有するレーザー源と一定長のビーム
経路を有するビームガイドとにより、また切削工具と数値制御装置とを含む工作
機械を用いて、加工物を機械加工するための請求項１〜４のいずれか一項に記載
の方法を実現する工作機械であって、レーザー加工ヘッド（Ｋ）は、工作機械（１３）の主軸（Ｌ）に固定され同軸
になっている光軸（Ｘ−−Ｘ）を持つように構成されていることと、レーザービ
ーム（５）は、加工ヘッド（Ｋ）に、同軸にまたは側方に方向づけられることが
できることとを特徴とする工作機械。
【請求項５】ビーム管（１２）とジョイント（Ａ〜Ｄ）とを含むジョイン
ト付きアーム（１１）を有するレーザー源（１）が、工作機械（１３）に接続さ
れていることを特徴とする、請求項４に記載の工作機械。
【請求項６】焦点合わせ光学系（３５）を有するレーザー加工ヘッド（Ｋ
）が、ジョイント付きアーム（１１）のビーム側の最後のジョイント（Ｄ）に接
続されていることを特徴とする、請求項５に記載の工作機械。
【請求項７】焦点合わせ光学系（３５）を有するレーザー加工ヘッド（Ｋ
）は、工作機械（１３）の工具保持具（３７）に挿入して固定できるクランプ装
置（３６）を持っていることを特徴とする、請求項６に記載の工作機械。
【請求項８】クランプ装置（３７）は、中心合わせコーン（３６）である
ことを特徴とする、請求項４に記載の工作機械。
【請求項９】軸方向に変位可能なレーザー源（１’）は、固定して取り付
けられたミラーを介して、レーザービーム（５’）を工作機械（１３）の主軸（
Ｌ）に向けることと、主軸台（１４’、１７）は、レーザービーム（５’）がガ
イドされる中空シャフト（６０）として構成された電動機スピンドルを持ってい
ることとを特徴とする、請求項４に記載の工作機械。
【請求項１０】連続するボア（６３）を備えたレーザー加工ヘッド（Ｋ）
は、中空シャフト（６０）の保持具（３７）に挿入して固定でき、またレーザー
ビーム（５’）を加工物に同軸に向ける焦点合わせ光学系（３５）を備えること
を特徴とする、請求項９に記載の工作機械。
【請求項１１】レーザー源（１’）は、工作機械（１３）にフランジ取付
けされ、レーザービーム（５’）を間接的にまたは直接的に中空シャフト（６０
）に連結することを特徴とする、請求項８に記載の工作機械。