高精度三次元レーザ切断加工システムの開発（第１報） （高精度三次元レーザ加工機の開発） 吉野 武美 ＊ 長谷川 雅人 ＊ 斉藤 博 ＊ Developement of 3-D Precision Cutting System of Laser Takemi Yoshino Masato Hasegawa 抄 Hiroshi Saito 録 従来のレーザ加工機では対応の困難な、カメラ、携帯電話、情報機器など高精度なプレス成形品の三次 元切断を実現することを目的に高精度三次元レーザ加工機の開発を行った。開発機はＸ、Ｙ、Ｚの直動位 置決め駆動軸とＣ、αの回転姿勢制御軸で構成される一点指向の５軸機構とした。 １ 緒言 そこで本研究ではこれらの高精度が必要とされ 高精度が必要とされるカメラ、携帯電話、携帯 るプレス成形品を±５０μｍ以内の精度で三次元 情報端末などのプレス部品は 、プレス成形した後 、 切断できるレーザ加工システムを開発することを 金型によるトリミング、穴開けなどのプレス工程 目標とし、初年度は高精度三次元レーザ加工機の を経て製品となる。しかしトリミング、穴あけな 開発に着手した。 どのプレス工程は、場合によっては数十工程を要 するため、納期、金型費の面で対応に苦慮してい るのが現状である。 カラーモニタ カラーCCDカメラ 集光 ユニット 光ファイバー このようなことから金型を必要としないレーザ 冷却器 YAGレーザ 発振器本体 切断加工に対する要望が高まっているが、レーザ の三次元切断は、人手によるケガキ、ティーチン Ｚ 軸Ｙ 軸 グの工程を経る必要があり、納期、精度ともに要 ガス制御 ユニット 求を満たせないのが現状である。 当センターでは、現場でのケガキ、ティーチン 加工機本体 グをなくすため、プレス成形品の三次元 CAD の曲 面上に切断線を形成し、その CAD データを利用し 図１ 制御盤 開発機の構成 て レ ーザ切 断加 工用 NC デ ータ を作成 する システ ムを構築した。これにより従来より短納期で三次 ２ 開発機の構成 元レーザ切断加工が可能になった。しかし目標と 開発機は加工機本体、制御盤、レーザ発振器お する高精度プレス成形品に対しては、①従来の三 よび冷却機、集光ユニット、ガスユニット等より 次元レーザ加工機では軸の回転等によりレーザ光 構成される。主なものについて以下に説明を加え 軸にブレが生ずる、②プレス成形品はスプリング る。 バックや反り等があり必ずしも CAD 図面と一致せ 2.1 ず切断誤差が生ずる、等のため± 50 μ m という 要求精度を満たすことができなかった。 加工機本体 開発中の加工機本体の外観を図２、構成を図３ に示す。また加工機の仕様を表１に示す。コラム は剛性を重視した門型構造とし、 A4 ノートパソコ ＊ 研究開発センター ン程度のプレス成形品加工が可能である。 加工機本体の構造はＸ、Ｙ、Ｚの直動軸（位置 制御）とＣ、αの回転軸（姿勢制御）で構成され る一点指向の５軸機構とした。またＣ軸とα軸の なす角度を 55 °とすることにより水平より 20 ° 上 向 き の 加 工 を 可 能 と し た 。 市 販 の 三 次 元 YAG レーザ加工機は、光ファイバーやガス配管、信号 ケーブルなどが加工ヘッドの回りに垂れ下がり加 工に支障をきたす場合が多いが、本開発機ではこ れらケーブル類を加工アーム内に通すことにより 加工中の妨げとならない構造とした。 高精度加工を実現するためには加工機の振動特 性に注意を払う必要がある。特に構造上動剛性が 低いと考えられる旋回軸アームについて、有限要 素 法 ( FEM )に よ る 振 動 解 析 を 実 施 し た 。 α 軸 モ ー タ設置部分に強制振動を与えた場合の周波数応答 を図４に示す 。 構成部材 （ 鋳物 ） 厚さが 10 、 20mm の場合について解析した。 図２ 高精度三次元レーザ加工機の外観 Ｃ軸 ±370° Ｙ軸 Ｚ軸 ワーク 加 工 点 Ｘ軸 図３ 表１ ストローク 送り速度 駆動系 55° 20° 加工機本体の構成 (a) 板厚 10mm の場合 (b) 板厚 20mm の場合 加工機の仕様 名称 テーブル α軸 ±180° 項目 仕様 テーブルサイズ ６３０×６３０ｍｍ 高さ ７００ｍｍ 搭載重量 ５００ｋｇ 左右移動量・Ｘ軸 ８００ｍｍ 前後移動量・Ｙ軸 ６００ｍｍ 上下移動量・Ｚ軸 ３００ｍｍ 旋回角度 ・Ｃ軸 ±３７０° 旋回角度 ・ 軸 ±１８０° Ｘ，Ｙ，Ｚ軸 ３０,０００ mm/min Ｃ， 軸 １８０°／ｓｅｃ 駆動モータ ＡＣサーボモータ 駆動送り機構 ボールネジ方式 ガイド機構 リニアボールガイド 図４ 有限要素法による周波数応答 表２ 板 厚 10mm の 場合Ｘ、Ｚ 方向のコンプ ライアン スが大きく、周波数帯も 200Hz 以下に存在し、加 工 へ の 悪 影 響 が 想 定 さ れ る 。 20mm の 場 合 は コ ン プライアンスのピークが 200Hz 以上の周波数帯に 移動するとともに、その値も減少する。このこと はアーム部分の肉厚を厚くすると振動に対して有 利になることを示している。この結果を参考に、 開発 機ではアーム 鋳物部分の 肉厚を 15mm とし、 さらにモータを設置した筐体にはリブを配置する ＬＤ励起レーザ発振器の仕様 項目 仕様 備考 レーザ媒質 励起光源 発振波長 最大定格出力 加工点最大出力 加工点出力安定度 ビーム品質 Ｎｄ：ＹＡＧ ＬＤ （ﾚｰｻﾞﾀﾞｲｵｰﾄﾞ） １０６４ ｎｍ １１００ Ｗ １０００ Ｗ ±３ ％ ５０ ｍｍ・ｍｒａｄ 以下 ０.３ ｍｍ 光ﾌｧｲﾊﾞｰｺｱ径 １０ ～ １０００ Ｗ ﾋﾞｰﾑｳｪｽﾄ径 ×広がり角（全角） こととした。 1400 レーザ発振器は芝浦メカトロニクス社製のＬＤ （半導体）励起 Nd ： YAG レーザ装置 LAL-220BA で あ る 。 CW 発 振 で あ る が 、 波 形 制 御 （ 矩 形 波 、 三角波、正弦波、 80 ∼ 400Hz ）も可能である。仕 様 を 表 ２ に 示 す 。 高 ビ ー ム 品 質 （ 50mm ・ mrad 、 0.3mm コア径の光ファイバーが使用可能 ）、省メン テナンス（ＬＤ寿命 20000 時間 ）、省電力（ランプ 14 ファイバ出力P(W) 2σ/P(%) 1200 1000 10 800 8 600 6 400 4 200 2 0 0 30 35 40 45 電流値（Ａ） 励起方式の 1/3 ∼ 1/4、電気 - 光変換効率 12 ％ ）、省 スペース等の特長を有する。また可変の減衰板を 12 ばらつき 2σ/P(%) レーザ発振器 ファイバー出力（Ｗ） 2.2 図５電流値とレーザ光出力 レーザヘッド内に設けることにより、 1kW ∼ 10W の間で± 3 ％以内の安定度のファイバー出力が得 CCDカメラ られるようにした。 集光ユニットより照射されたレーザ光の出力を 照明光 パワーメータによって測定した結果を図５に示す 。 500W 以上で出力は比較的安定することがわかる。 2.3 集光ユニット レーザー光 光ファイバー 集光ユニットは光ファイバーによって導かれたレ ーザ光をワーク面に焦点を合わせて照射し加工す るためのものである。本開発ではビーム品質保持 のため、コア径 0.3mm 、 NA 値 0.15 の SI タイプの 光ファイバーを用いている。光ファイバー終端か 図６ 集光ユニット ら出たレーザ光は最初のレンズ群で平行光となり 、 ミラーによって 90 °方向を変えた後再びレンズ群 さらにレーザ光軸調整作業やノズル位置の調整 で 集 光 さ れ る （ 図 ６ 参 照 ）。 集 光 倍 率 は １ 倍 で あ 作業を高精度かつ効率よく行うため、集光ユニッ る。光ファイバー終端部に微動調整機構を設けレ ト上面に CCD カメラを設置し、レーザ光と同軸に ーザ光照射位置を微調整( X,Y )できるようにした 。 拡大観察できるようにした。また同軸に照明光を また 対物レンズを 上下に 10mm 移動でき る構造と 投射できるようにした。 し 、 レ ー ザ 光 焦 点 高 さ ( Z )の 調 整 を 可 能 と し た 。 ３ 組立調整 大値ｙ２を測定する。この結果からＣ軸の回転 本開発機を含む一点指向タイプの加工機は、レ 中心の位置は、 ーザ加工ヘッドの姿勢変化すなわちＣ軸およびα ｙｃ＝（（ ｙ１＋ｙ２）／２）＋ｒ 軸の回転角変化にかかわらず、加工点位置は変化 であることがわかる 。次にＣ軸を元の位置に戻し 、 しないことに特長がある。この特長を達成するた α軸を 180 °回転させ、同様にボールのＹ軸方向 めの条件は、①Ｃ軸とα軸の２つの回転軸が延長 最大値ｙ３を測定する。この結果からα軸の回転 線上で互いに交差すること、②レーザ光軸が①交 中心位置は、 点を通ること、の２つである。この条件に可能な ｙα＝（ｙ１＋ｙ３）／２＋ｒ 限り近付けるべく組立調整を行った（図７参照 ）。 したがってα軸のＣ軸との交差ずれは、 Δｃα＝ｙα−ｙｃ＝（ｙ３−ｙ１）／２ である。 Δｃαがゼロに近づくようにα軸の位置を調整し C軸 た。その結果Δｃα＝ 1.5 μｍとなった。 3.2 α軸 レーザ焦点位置の調整 加工ヘッドが真下を向くようにα軸を動かし、 Ｃ軸とα軸の交点の高さに平板を置く（図９参 照 ）。 次 に 平 板 表 面 に レ ー ザ 光 焦 点 が 合 う よ う に 対物レンズの高さを調節する。ここでわずかにレ ーザ照射痕（窪み）ができる程度にレーザ光を照 射する。Ｃ軸を 180 °回転させた後、同様に２つ 目のレーザ照射痕を作る。Ｃ軸はこの２つのレー ザ照射痕の中点を通る。従って２つのレーザ照射 図７ 3.1 痕の中点にマーカを合わせ、新たにレーザ照射痕 Ｃ軸とα軸の交差誤差 を作り、さらにＣ軸を 180 °回転して作ったレー ２つの回転軸の位置合わせ 図８に示すようにＣ軸とα軸の交差点近傍に精 ザ照射痕と一致すればレーザ焦点はＣ軸上にある 度の良いベアリング用ボール（半径ｒ）の中心が ことになる。この点はα軸との交点になるはずな 来るように調整し、加工アームがＸ軸と平行にな のでレーザ光軸はＣ、αの２軸の交点を通過する る位置にＣ軸を合わせる。ヘッドが真下を向くよ C軸 うにα軸を合わせる。テーブル上に変位センサを 設置しＸ軸およびＺ軸を適当に動かせながら、ボ ールのＹ軸方向最大値ｙ１を測定する。次にＣ軸 を 180 °回転させ、同様にボールのＹ軸方向最 Ｚ Ｙ α軸 C軸 Ｘ α軸 ﾚｰｻﾞ照射痕 測定 y1 図８ α軸 y2 y3 ２つの回転軸の位置の測定 図９ レーザ焦点位置の調整 ことになる。実際の調整は、ずれが大きい場合に で行うが、微妙な最終調整は光ファイバー終端部 位置の微調整で行う。 ４ 真直運動精度 真直誤差 （μｍ） はレーザ加工ヘッドの取付角度やシム厚さの調整 加工機の真直運動精度を静電容量型変位計を用 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 いた反転法によって行った。その結果を図１０に Ｙ軸 Ｘ軸 Ｚ軸-Ｘ Ｚ軸-Ｙ 0 200 400 600 各軸 移動距離 （mm） 示す。各軸の周期的な波はボールネジの振れ回り 図１０ に起因するふらつきである。Ｘ軸は 770mm の測定 開発機の真直運動精度 範囲で 1 μｍ程度の真直運動精度であることがわ かる。Ｙ軸は 570mm の測定範囲で約 5 μｍであっ もに約 3 μｍの真直運動精度であった。同じＸ、 Ｙ、Ｚ軸構造をもつ当センター所有の既存三次元 レーザ加工機と比較したものを図１１に示す。開 発機の真直運動精度は既存機と比較して優れてい 真直誤差（μｍ） た。Ｚ軸は 290mm の測定でＸ軸方向、Ｙ軸方向と るものと認められる。 6 5 4 3 2 1 0 -1 -2 既存機 開発機 0 ５ 500 1000 位置（ｍｍ） 1500 まとめ (a) (１) 高精度三次元レーザ切断加工の実現を目的と Ｘ軸 してレーザ加工機を設計、製作した。 (２) 加工機は一点指向の５軸機構とし、上向き加 (３) レーザ伝送用光ケーブルは加工アーム内を通 し加工中の障害とならない構造とした。 (４) ２つの回転軸の位置合わせ、およびレーザ光 位置調整を行う方法を確立し、レーザ光の高 精度な三次元位置決めが可能となった。 (５) Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の真直運動精度は、 1 ∼ 5 μｍ 真直誤差（μｍ） 工も可能とした。 25 20 既存機 15 10 開発機 5 0 -5 0 200 400 600 800 位置（ｍｍ） 1000 1200 の範囲であった。 (ｂ) (６) 制御系については現在検討中である。 図１１ Ｙ軸 既存機と開発機の真直運動精度の比較
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