レーザ加工装置
【課題】 高速で高精度の加工が可能なレーザ加工装置。
【解決手段】 加工面と平行な面内で、支点１４，２４の周りで所定角度範囲で回転可能に各一端を支持された第１，２軸の伸縮アーム１０，２０の連結点Ｋで加工ヘッド５が支持される。アーム１０，２０はボールネジ１１，２１と伸縮管構造を有するカバー１２，２２を備えている。加工ヘッド５は、ボールネジ１１，１２を嵌挿して係合するナットを備え、サーボモータ１３，２３を動作させると、ボールネジ１１，２１が回転し、それに応じてアーム１０，２０の伸縮が起り加工ヘッド５のが移動する。加工ヘッド５の各アーム１０，２０との結合部と加工ヘッド先端部を形成する加工ノズル６の間に、Ｚ軸調整用ボールネジ３１、サーボモータ３３等からなるＺ軸調整機構が設けられている。これにより、Ｚ軸方向の位置（加工面に対する遠近）を調整出来るようになっている。加工ヘッド５の駆動に３次元の並列駆動系、直列駆動系と並列駆動系の組合せも採用出来る。
【解決手段】 加工面と平行な面内で、支点１４，２４の周りで所定角度範囲で回転可能に各一端を支持された第１，２軸の伸縮アーム１０，２０の連結点Ｋで加工ヘッド５が支持される。アーム１０，２０はボールネジ１１，２１と伸縮管構造を有するカバー１２，２２を備えている。加工ヘッド５は、ボールネジ１１，１２を嵌挿して係合するナットを備え、サーボモータ１３，２３を動作させると、ボールネジ１１，２１が回転し、それに応じてアーム１０，２０の伸縮が起り加工ヘッド５のが移動する。加工ヘッド５の各アーム１０，２０との結合部と加工ヘッド先端部を形成する加工ノズル６の間に、Ｚ軸調整用ボールネジ３１、サーボモータ３３等からなるＺ軸調整機構が設けられている。これにより、Ｚ軸方向の位置（加工面に対する遠近）を調整出来るようになっている。加工ヘッド５の駆動に３次元の並列駆動系、直列駆動系と並列駆動系の組合せも採用出来る。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ光を利用して材料の加工を行なうレーザ加工装置に関し、更に詳しく言えば、加工ヘッドを移動させる駆動系に改良を加えたレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ光を利用して材料の切断、穿孔、溶接、表面処理等（本明細書では、これらをまとめて「加工」と言う。）を行なうレーザ加工装置は、加工形状を自由に選択出来る等の利点があるため、特に多品種少量生産に適した加工手段として広く利用されている。図１は、炭酸ガスレーザを利用したレーザ加工装置を例にとり、従来のレーザ加工装置の概略構成を斜視図で示したものである。
【０００３】同図において、全体を符号１で表されたレーザ加工装置は、レーザビーム供給源として炭酸ガスレーザ発振器２を備えている。炭酸ガスレーザ発振器２から出力されたレーザビームＬＢは、図示を省略した遮光ダクトを導光路として加工機本体部４に伝達され、ミラーＭ１，Ｍ２を経て加工機本体部４の加工ヘッド５に伝送される。
【０００４】加工ヘッド５の内部には集光レンズ（図示省略）が組み込まれており、ミラーＭ２により下方に屈曲された光はこの集光レンズによって集光され、加工ヘッド５の先端部に設けられた加工ノズル６から被加工物Ｗに投射される。なお、加工速度の向上あるいは加工面の面粗度向上のために加工ヘッド５に取付けられたアシストガスノズル（図示省略）から、加工面へ向けてアシストガスが吹き付けられることが通例である。
【０００５】レーザビームＬＢが入射する加工点は、加工ヘッド５の加工ノズル６の直下に位置する。従って、加工ヘッド５をＸ軸及びＹ軸に関して位置決めすることによって定められる。自由な加工形状の加工を可能にするために、加工ヘッド５はＸＹ駆動機構上に搭載されている。ＸＹ駆動機構は、加工ヘッド５を±Ｘ軸及び±Ｙ軸方向に直線移動させる機構で、図示されているように、Ｘ軸駆動のためのボールネジ６Ａ、直動ベアリング６Ｂ、サーボモータ７、Ｙ軸駆動のためのボールネジ８、サーボモータ９等で構成されるものが代表的である。
【０００６】各サーボモータ７，９は、通常、数値制御装置（ＣＮＣ）３によって制御される。数値制御装置３に加工プログラムを教示して再生運転を行なうと、加工プログラムに含まれる位置データに応じたＸ軸、Ｙ軸上の位置（場合によっては、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸上の位置）に加工ヘッド５が順次位置決めされ、加工プログラムで指定されている形状に従った加工が達成される。
【０００７】なお、加工ヘッド５のＺ方向位置は、別途、適当なＺ軸移動機構によって位置調節可能とされることが多いが、場合によっては、サーボモータと数値制御装置を用いたＸ軸、Ｙ軸と同様の制御が行なわれることもある。また、加工ヘッド５をＸＹ駆動機構で移動させる方式に代えて、被加工物を載置するワークテーブルをＸＹ駆動機構で移動させる方式を採用したレーザ加工装置も知られている。
【０００８】しかし、これら直列ＸＹ駆動系を利用した従来型のレーザ加工装置は、加工点の移動を俊敏に行なう上で有利でなく、パンチプレス等の加工装置に比べて加工速度が遅いという問題点があった。即ち、加工ヘッドを高速で移動させようとした場合、構造部材の剛性がこれに追いつかず、加工精度の低下を招いていた。個々の構造部材自体の剛性を高めることで加工精度の低下を回避することも考えられるが、加工ヘッドの移動時に駆動機構にかかる負荷が大きくなり、大がかりな駆動機構を装備する必要が生じ、現実的な解決手段とはなり得なかった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決したレーザ加工装置を提供することにある。即ち、本発明は、従来構造のレーザ加工装置に比べて駆動機構の剛性に優れ、従って加工精度を低下させることなく加工ヘッドの高速駆動を行なうことが容易なレーザ加工装置を提供し、そのことを通して、高精度のレーザ加工を効率的に行えるようにする事を企図している。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、加工機本体部の加工ヘッド移動機構の少なくとも一部に並列駆動系を取り入れることによって上記技術課題を解決したものである。即ち、本発明のレーザ加工装置においては、加工ヘッドを移動させるための駆動機構として、少なくとも２本の伸縮アームと、前記少なくとも２本の伸縮アームの各々を伸縮させるためのモータを備えたものが使用される。少なくとも２本の伸縮アームの各基部は支点に回転可能に支持され、加工ヘッドは、それら伸縮アームの伸縮に応じて位置決めされるように継手機構を介して各伸縮アームに支持される。
【００１１】用いる伸縮アームの本数は２本または３本が実際的である。伸縮アームの本数を２本とする場合には、加工ヘッド先端部に設けられた加工ノズルの主軸方向位置を調整するための手段（モータとそれに結合された移動機構）が搭載されていることが好ましい。
【００１２】加工ヘッドを移動させる並列駆動系を更に直列駆動系上に搭載することも出来る。その場合、並列駆動系に使用する伸縮アームは２本あるいは３本とすることが出来る。直列駆動系は典型的にはＸＹ直列駆動系とされるが、Ｘ，Ｙ，Ｚの１軸移動の直列駆動系とすることも出来る。直列駆動系の駆動源には、リニアモータが好適に用いられる。
【００１３】
【作用】本発明のレーザ加工装置の特徴は、加工ヘッドの移動機構に複数の伸縮アームを用いた並列駆動系を入れたことにある。これにより、ＸＹ直列駆動系などを使用していた従来構造のレーザ加工装置と比較して、加工範囲を狭めることなく実質的な剛性を高めることが出来るようになる。その結果、加工ヘッドを高速あるいは高加速度で移動させても加工精度の劣化が生じ難い。加工ヘッドの移動には、低速あるいは低加速度（例えば定速移動）で足りるものも含まれるので、それを直列駆動系に担わせることも可能である。本発明では、直列駆動系上に並列駆動系を搭載することにより、このような加工ヘッド移動方式も採用可能とされている。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の基本的な特徴は、レーザ加工装置の加工ヘッドを移動させるための駆動系として並列駆動系を用いる点にある。加工ヘッドのための並列駆動系としては、２次元あるいは３次元のものが採用可能である。また、並列駆動系を直列ＸＹ駆動系上に搭載することで、加工ヘッドの移動範囲を拡張することも可能である。ここでは、次の３つの実施形態について本発明を更に詳しく説明する。
【００１５】実施形態１；２次元の並列駆動系を採用したレーザ加工装置の例実施形態２；３次元の並列駆動系を採用したレーザ加工装置の例実施形態３；２次元の並列駆動系を直列ＸＹ駆動系上に搭載したレーザ加工装置の例なお、いずれの実施形態においても、加工ヘッドの駆動機構以外の部分は本発明の技術思想に直接の関わるものでなく、従来のレーザ加工装置と同様の構造とすることが出来る。従って、図２以下における構造の描示並びに関連説明は、加工機本体部の要部（加工ヘッド、駆動系並びに関連部分）に適宜限定して行なった。また、各要素の指示について適宜図１に準じた符号を使用した。
【００１６】［実施形態１］図２（ａ），（ｂ）は、２次元の並列駆動系を採用した実施形態１に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図（ａ）並びに側面図（ｂ）で示したものである。両図において、符号１０，２０は各々伸縮自在なアームを表わしており、これら２本の伸縮アーム１０，２０は一つの加工ヘッド５を支持しつつ、加工ヘッド５によって連結されている。そこで、加工ヘッド５を代表する点（加工ノズル直上）を連結点と呼ぶことにある（実施形態２，３でも同じ）。以下、便宜上、伸縮アーム１０で代表される軸を第１軸、伸縮アーム２０で代表される軸を第２軸とする。
【００１７】加工ヘッド５を連結点Ｋで支持する第１軸及び第２軸の伸縮アーム１０，２０は各々支点１４，２４の周りで回転自在に支持されている。但し、回転が許容されるのは加工ヘッド５を支持している連結点Ｋにおいて加工面と平行な面内のみであり、それ以外の方向への動きは拘束されている。また、後述するように、各アーム１０，２０の回転範囲は適宜制限されている。
【００１８】アーム１０，２０は各々ボールネジ１１，２１とカバー１２，２２を備え、カバー１２，２２の各一端は支点１４，２４に取り付けられ、他端は加工ヘッド５に取り付けられている。アーム１０，２０の伸縮に適応するために、カバー１２，２２は伸縮管構造を有している。具体的には、周知の蛇腹管あるいは径が段階的に異なる何本かの管体（例えば、金属管）を順次連結した伸縮管が利用出来る。
【００１９】また、第１軸のボールネジ１１は支点１４に回転自在に取り付けられ、第２軸のボールネジ２１は支点２４に回転自在に取り付けられている。そして、加工ヘッド５は、ボールネジ１１，１２の各々を嵌挿してそれらと係合する２つのナットを備えている（加工ヘッド５の支持構造の詳細は後述）。従って、各ボールネジ１１，２１に結合されたサーボモータ１３，２３を動作させると、ボールネジ１１，２１が回転し、それに応じて第１軸アーム１０、第２軸アーム２０の伸縮が起る。
【００２０】これにより、第１軸アーム１０と第２軸アーム２０の連結点Ｋに支持された加工ヘッド５の位置が移動する。支点１４と連結点Ｋの間の距離は第１軸アーム１０の伸縮位置で決まり、支点２４と連結点Ｋの間の距離は第２軸アーム２０の伸縮位置で決まる。従って、平面上で運動を規制されている連結点Ｋの２次元位置は、これら距離条件を満たすことになる。この関係を利用して、連結点Ｋに支持された加工ヘッド５の位置を制御することが出来る。
【００２１】今、加工面に平行なＸＹ平面を持つワーク座標系Σw を定義した時、連結点ＫはＸＹ平面と平行な面上で移動可能であるものとする。加工ヘッド５の位置を代表する連結点Ｋの位置を（ｘ，ｙ）で表わし、加工ヘッド支点１４，２４のＸＹ位置を各々（Ｘ1 ，Ｙ1 ），（Ｘ2 ，Ｙ2 ）とすると、次の関係が成立する。
（ｘ−Ｘ1 ）2 ＋（ｙ−Ｙ1 ）2 ＝Ｌ12 ・・・（１） （ｘ−Ｘ2 ）2 ＋（ｙ−Ｙ2 ）2 ＝Ｌ22 ・・・（２） ここで、Ｌ1 は支点１４と連結点Ｋの間の距離であり、Ｌ2 は支点２４と連結点Ｋの間の距離である。Ｌ1 ，Ｌ2 は各々第１軸駆動用サーボモータ１３、第２軸駆動用サーボモータ２３の位置の関数である。この関数をｆ1 ，ｆ2 、サーボモータ１３，２３の位置を表わす変数をＪ1 ，Ｊ2 とすると、 Ｌ1 ＝ｆ1 （Ｊ1 ） ・・・（３） Ｌ2 ＝ｆ2 （Ｊ2 ） ・・・（４） である。ｆ1 ，ｆ2 の具体形は、設計値に基づく計算あるいは適当なキャリブレーションで定められる。
【００２２】上式の関係を利用して、アーム１０，２０の長さの変化範囲内で届く任意の希望位置へ加工ヘッド５を移動させることが出来る。また、アーム１０，２０の長さを連続的に制御すれば、加工ヘッド５を希望する経路に沿って移動させることも可能である。希望する加工経路に対応した加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ）は、加工プログラムデータから数値制御装置内で計算され、それに対応したアーム長Ｌ1 ，Ｌ2 を実現するための移動指令がサーボモータ１３，２３に送られる。上記式（１）〜（４）は、加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ）から移動指令を作成するための基礎式となる。
【００２３】支点１４，２４は、両者を一致させない限り基本的に任意の位置に配置可能であるが、通常、図２（ａ）に例示されているように、適当な間隔をとって配置される。また、第１軸、第２軸の長さＬ1 ，Ｌ2 を制御しても加工ヘッド５の位置を一意的に決めることが出来ない場合がある。図３（ａ）はこれを説明する図で、符号５，５’いずれで示した加工ヘッド位置も、支点１４からの距離Ｌ1 、支点２４からの距離Ｌ2 の条件を満たしている。このような加工点位置の２値性の問題に備える方策として、少なくとも一方のアーム１０，２０について、移動可能な角度範囲に制限を設けることが考えられる。図３（ｂ）は、図２に示した実施形態について、角度範囲制限を設けた例を表わしている。
【００２４】同図に示した例では、支点１４周りのアーム１０の移動角度範囲ＡＲ１と支点２４周りのアーム２０の移動角度範囲ＡＲ２を図示されたような範囲（各々９０度をやや下回る範囲）に制限することで、上記２値性の問題を回避しながら斜線で表わした加工ヘッド５の存在範囲を実現している。
【００２５】なお、通常の加工においては、加工ヘッド５と被加工面との間の距離を加工条件に応じて調整したり、あるいは、加工面の起伏に沿って移動させたりする必要がしばしば生じる。しかし、本実施形態のように２本のみの伸縮アームを用いた並列駆動系にこのようなＺ軸方向の位置調整機能を持たせることは出来ない。
【００２６】そこで、本実施形態では、加工ヘッド５の各アーム１０，２０との結合部と加工ヘッド先端部を形成する加工ノズル６の間に、Ｚ軸調整用ボールネジ３１、サーボモータ３３等からなるＺ軸調整機構が設けられている。これにより、Ｚ軸方向の位置（加工面に対する遠近）を調整出来るようになっている。Ｚ軸位置を調整量はサーボモータ３３を制御する数値制御装置（図示省略）によって定められる。
【００２７】レーザ発振器としてはＹＡＧレーザあるいは炭酸ガスレーザ等が利用出来るが、ＹＡＧレーザを用いた場合には、レーザ発振器から加工ノズルまでのレーザ光の伝送に光ファイバが利用出来る。炭酸ガスレーザを用いた場合のように、レーザ光の伝送に光ファイバを利用出来ない場合には、いずれかのアームの支点並びに該アームと加工ヘッドの結合部に、ミラーをアームと一体的な回転運動をするように固定することで光の伝送は可能となる。
【００２８】その際、アームのカバー内にミラーを取り付ければ、アームのカバーは、レーザ光が不用意に人の眼に入る事故を防止する防護カバーとして兼用出来る。但し、その場合にはボールネジを中空にするか、ボールネジをアーム外に配置する必要がある。
【００２９】アームの長さ（ボールネジの長さ）は、駆動系の剛性と加工範囲を勘案して決めることが好ましい。一般に、アームの長さを長くすれば加工範囲は広がるが、機械の剛性が落ちるので加工精度が低下する。逆に、アームの長さを短くすれば加工範囲は狭まるが、機械の剛性が上昇するので加工精度を高める上で有利である。本実施形態で実際的な一つの最大アーム長を例示すれば、１．２ｍがある。
【００３０】次に、実施形態１で使用されている２本の伸縮アーム１０，２０の連結点Ｋにおける加工ヘッド５の支持構造について、図４（ａ）〜図４（ｃ）を参照して説明する。図４（ｂ）は図２中に示した加工ヘッド５の要部破断図で、図４（ａ）は図４（ｂ）中に示したＡ−Ａ’に沿った断面図である。また、図４（ｃ）は図４（ｂ）中に示した構造を加工ノズル６の先端側から図である。
【００３１】先ず、特に図４（ｂ）に示されているように、加工ヘッド５は第１軸のボールネジ１１を嵌挿してこれと係合するナット１１１を設けた加工ヘッド基部５１を有している。これにより、ボールネジ１１が図２に示したサーボモータ１３で駆動された時、基部５１は第１軸の伸縮方向（ボールネジ１１の軸方向）に沿って移動することが出来るようになっている（第１軸の伸縮動作）。
【００３２】一方、第２軸のボールネジ２１を取り囲む第２軸加工ヘッド外筒５４のボールネジ嵌挿孔の内面にはナット２１１が形成され、ボールネジ２１と係合している。
【００３３】ナット２１１と加工ヘッド基部５１の間にはベアリングＢＲ１が設けられ、ナット２１１と加工ヘッド回転軸５２の間にはベアリングＢＲ２が設けられている。
【００３４】加工ヘッド回転軸５２は、図４（ａ）を参照すると理解されるように、ボールネジ２１を迂回するように形成された連結部５３を介して加工ヘッド基部５１と連結された部分である。符号５５は第２軸加工ヘッド外筒５４とベアリングＢＲ２を覆う部材で、加工ヘッド回転軸５２を受け入れて固定する加工ヘッド回転軸固定用ナット５６を備えている。
【００３５】第１軸の伸縮動作と同様、サーボモータ２３（図２参照）が動作すると、ボールネジ２１が駆動され、ナット２１１は第２軸の伸縮方向（ボールネジ２１の軸方向）に沿って移動する（第２軸の伸縮動作）。加工ヘッド５を移動させるためには第１軸あるいは第２軸の一方または両方が駆動され、Ｌ1 または／及びＬ2が変化する。この時、図２から容易に理解されるように、一般に、ボールネジ１１とボールネジ２１のなす角度が変化する。図４（ｂ）で言えば、両者の軸Ｂ−Ｂ’周りの相対姿勢が変化する。
【００３６】即ち、軸Ｂ−Ｂ’周りの姿勢について、基部５１はナット１１１と一体的にボールネジ１１の姿勢変化に追随し、ナット２１１は外筒５４と一体的にボールネジ２１の姿勢変化に追随するが、特別の条件以外では、ボールネジ１１の姿勢変化とボールネジ２１の姿勢変化は一致しない。従って、ナット１１１と一体的に動く加工ヘッド基部５１と、ナット２１１と一体的に動く外筒５４との間には軸Ｂ−Ｂ’周りの相対姿勢の変化が許容されなければならない。上記ベアリングＢＲ１，ＢＲ２を含む構造は、これを可能にするための回転自由度を与えている。なお、図４（ａ）に示された連結部５３を設ける位置、大きさ等は、図３（ｂ）に示した加工ヘッド５の移動範囲を許容するように設計される。
【００３７】加工ヘッド５の上下位置調整（Ｚ軸位置調整）は、加工ヘッド５の先端部を形成する加工ノズル６を加工ヘッド基部５１に対して上下位置調整することで行なわれる。符号３３は上下調整のために基部５１の側部に搭載されたサーボモータ３３を表わしている。このサーボモータ３３は、上下調整用のボールネジ３１に結合され、ボールネジ３１にはナット３１１が係合されている。ナット３１１と一体の加工ノズル支持部材６３がガイド孔６２を介してリニアガイド６１で案内されている。この構造により、サーボモータ３３の動作時にボールネジ３１が回転駆動され、加工ノズル６の上下移動（Ｚ軸位置調整）が達成される。
【００３８】［実施形態２］図５（ａ），（ｂ）は、３次元の並列駆動系を採用した実施形態２に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図（ａ）並びに側面図（ｂ）で示したものである。両図において、符号１０，２０，４０は各々伸縮自在なアームを表わしており、これら３本の伸縮アーム１０，２０，４０の連結点Ｓに１つの加工ヘッド５が支持されている。以下、便宜上、伸縮アーム１０で代表される軸を第１軸、伸縮アーム２０で代表される軸を第２軸、伸縮アーム４０で代表される軸を第３軸とする。
【００３９】アーム１０，２０，４０は各々ボールネジ１１，２１，４１とカバー１２，２２，４２を備え、カバー１２，２２，４２の各一端は支点１４，２４，４４に取り付けられ、他端は加工ヘッド５に取り付けられている。実施形態１の場合と同じく、アーム１０，２０，４０の伸縮に適応するために、カバー１２，２２，４２は伸縮管構造を有している。具体的には、周知の蛇腹管あるいは径が段階的に異なる何本かの管体（例えば、金属管）を順次連結した伸縮管が利用出来る。
【００４０】加工ヘッド５を連結点Ｓで支持する第１軸〜第３軸の伸縮アーム１０，２０，４０の基端部は、各々支点１４，２４，４４に継手で結合されている。各軸の支点は、各伸縮アーム１０，２０，４０（ボールネジ１１，２１，４１とカバー１２，２２，４２）にＺ軸（鉛直軸）周りの回転と水平軸周りの回転を許容する継手を有している。即ち、図５（ｂ）に示したように、第１軸の支点１４は、支柱１５と支柱１５の軸周りで回転自在な支柱側回転軸１６を備え、この支柱側回転軸１６上には支柱側スイングアーム軸１７が搭載されている。そして、支柱側スイングアーム軸１７にボールネジ１１を枢軸支持することで、第１軸の伸縮アーム１０に鉛直軸周りと水平軸周りの回転を許容する２自由度の継手が構成されている。
【００４１】同様に、第２軸の支点２４は、支柱２５と支柱２５の軸周りで回転自在な支柱側回転軸２６を備え、この支柱側回転軸２６上には支柱側スイングアーム軸２７が搭載されている。そして、支柱側スイングアーム軸２７にボールネジ２１を枢軸支持することで、第２軸の伸縮アーム２０に鉛直軸周りと水平軸周りの回転を許容する２自由度の継手が構成されている。第３軸の支点４４の構造については図示を省略したが、同様の継手構造によって、鉛直軸周りと水平軸周りの回転が許容されている。
【００４２】３軸伸縮アームを使用したレーザ加工装置においては、各軸アーム１０，２０，４０の加工ヘッド５側の支持構造について、３軸の内の２軸が支点側と同様の２つの回転自由度（垂直軸周りと水平軸周り）を与え、他の１軸は１つの回転自由度（水平軸周り）を与える構造とされる。本実施形態では、第２軸と第３軸の加工ヘッド側の継手には、支点側と同様に各々鉛直軸周りの回転軸と水平軸周りのスイングアームを組み合わせた継手を採用し、第１軸には水平軸周りのスイングアーム１０１からなる１自由度の継手を採用し、鉛直軸周りの回転自由度を与えない継手構造とした。
【００４３】このような回転自由度の制限を設ける理由は、加工ヘッド側のジョイントに過剰な回転自由度を与えると、加工ヘッド５の姿勢が不安定となり、一定の姿勢（加工ノズル６を鉛直下向き）を維持し難くなるからである。例えば、全軸に自在第１軸にも鉛直軸周りの回転自由度を与えると、自由度が過剰となり、加工ヘッド５を一定の姿勢（加工ノズル６が鉛直下向き）に保つことが事実上不可能になる。
【００４４】第１〜第３軸の各ボールネジ１１，２１，４１は、実施形態１の第１軸、第２軸の各ボールネジの場合と同様に、各アーム基部に組み込まれたサーボモータ１３，２３，２４によって駆動される。これらサーボモータを動作させると、ボールネジ１１，２１，４１が回転し、それに応じて第１軸アーム１０、第２軸アーム２０、第３軸アーム４０の伸縮が起る。
【００４５】これにより、３本のアームの連結点Ｓで代表される加工ヘッド５の位置が移動する。支点１４，２４，４４と連結点Ｓの間の各距離は各アーム１０，２０，４０の伸縮位置で決まる。従って、連結点Ｓの３次元位置はこれら距離条件を満たす位置となる。この関係を利用して、支持された加工ヘッド５の位置を制御することが出来る。なお、３次元の並列駆動系を採用した実施形態２においても、実施形態１と同様、アームの伸縮位置で加工ヘッドの位置が一意的に決まらない点を考慮して、アーム１０，２０，４０について回転角度範囲に適当な制限が設けられている。
【００４６】今、加工面に平行なＸＹ平面を持つワーク座標系Σw を定義した時、３本のアーム１０，２０，４０のＸＹ平面上への射影は、各アーム１０，２０，４０の伸縮位置に関わらず常に１点Ｓ’で交わるものとする。この点Ｓ’は加工点（レーザビームＬＢの入射点）に相当する点であるから、加工ヘッド５の位置を代表する連結点Ｓは、この点Ｓ’の直上にある加工ヘッド５上の定点と考えることが出来る。このような前提の下で、加工ヘッド５の位置を代表する連結点Ｓの位置を（ｘ，ｙ，ｚ）で表わし、加工ヘッド支点１４，２４，４４のＸＹＺ位置を各々（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ），（Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 ），（Ｘ3 ，Ｙ3 ，Ｚ3 ），とすると、次の関係が成立する。
（ｘ−Ｘ1 ）2 ＋（ｙ−Ｙ1 ）2 ＋（ｚ−Ｚ1 ）2 ＝Ｌ12 ・・・（５） （ｘ−Ｘ2 ）2 ＋（ｙ−Ｙ2 ）2 ＋（ｚ−Ｚ2 ）2 ＝Ｌ22 ・・・（６） （ｘ−Ｘ3 ）2 ＋（ｙ−Ｙ3 ）2 ＋（ｚ−Ｚ3 ）2 ＝Ｌ32 ・・・（７） ここで、Ｌ1 は支点１４と連結点Ｓの間の距離、Ｌ2 は支点２４と連結点Ｓの間の距離、Ｌ3 は支点４４と連結点Ｓの間の距離である。Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 は各々第１軸駆動用サーボモータ１３、第２軸駆動用サーボモータ２３、第３軸駆動用サーボモータ４３の位置の関数である。
【００４７】この関数をｇ1 ，ｇ2 ，ｇ3 、サーボモータ１３，２３，４３の位置を表わす変数をＪ1 ，Ｊ2 ，Ｊ3 とすると、 Ｌ1 ＝ｇ1 （Ｊ1 ） ・・・（８） Ｌ2 ＝ｇ2 （Ｊ2 ） ・・・（９） Ｌ3 ＝ｇ3 （Ｊ3 ） ・・・（１０）
である。ｇ1 ，ｇ2 ，ｇ3 の具体形は、設計値に基づく計算あるいは適当なキャリブレーションで定められる。
【００４８】上式の関係を利用して、アーム１０，２０，４０の長さの変化範囲内で届く任意の希望位置（３次元位置）へ加工ヘッド５を移動させることが出来る。また、アーム１０，２０，４０の長さを連続的に制御すれば、加工ヘッド５を希望する経路に沿って３次元的に移動させることも可能である。希望する加工経路に対応した加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、加工プログラムデータから数値制御装置内で計算され、それに対応したアーム長Ｌ1 ，Ｌ2 を実現するための移動指令がサーボモータ１３，２３，４４に送られる。上記式（５）〜（１０）は、加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ，ｚ）から移動指令を作成するための基礎式となる。
【００４９】３次元の並列駆動系を用いた実施形態２では、支点１４，２４，４４は、三者（正確に言えば、三者のＸＹ平面上への射影）を一直線上に並べない限り、基本的に任意の位置に配置可能であるが、通常、図５（ａ）に例示されているように、三者相互に適当な間隔をとって配置される。
【００５０】本実施形態では、実施形態１と異なり、加工ヘッド５上に上下位置調整用の駆動装置（サーボモータ３３など）を設ける必要ばなくなるため、加工ヘッド全体の重量を減らすことが出来る。従って、駆動系の剛性が実施形態１のレーザ加工装置より更に向上し、高い加工精度を確保する上で有利となる。なお、使用するレーザ発振器、レーザ光の伝送方法については、実施形態１と同様なので繰り返し説明は省略する。
【００５１】次に、実施形態２で使用されている３本の伸縮アーム１０，２０，４０の連結点における加工ヘッド５の支持構造（継手構造）について、図６（ａ），図６R>６（ｂ）を参照して説明する。図６（ｂ）は図５中に示した加工ヘッド５の要部破断図で、図６（ａ）は図６（ｂ）中に示したＡ−Ａ’に沿った断面図である。
【００５２】先ず、特に図６（ｂ）に示されているように、加工ヘッド５には前記１回転自由度の継手を介して第１軸のボールネジ１１を嵌挿する加工ヘッド基部５１を有している。即ち、基部５１の加工ヘッド側スイングアーム回転軸１０２にスイングアーム１０１が枢軸支持されおり、このスイングアーム１０１の内部にボールネジ１１と係合するナット（図示省略）が設けられている。
【００５３】従って、ボールネジ１１が図５に示したサーボモータ１３で駆動された時、スイングアーム１０１は第１軸の伸縮方向（ボールネジ１１の軸方向）に沿って移動することが出来る（第１軸の伸縮動作）。これにより、ボールネジ１１が支柱側スイングアーム軸１７（図５（ｂ）参照）周りで回転しても、加工ヘッド５の姿勢（鉛直下向き）はそれに拘束されない。但し、第１軸の加工ヘッド５側の継手の回転自由度は１であり、ボールネジ１１の支柱側回転軸１６（図５（ｂ）参照）周りの回転に対しては、加工ヘッド５の姿勢は拘束を受け、加工ノズル６の主軸Ｂ−Ｂ’（鉛直下向き）の周りの回転を起こす。
【００５４】第１軸と同様に、第２軸のボールネジ２１を取り囲む第２軸加工ヘッド外筒５４はスイングアーム（図示省略）を備え、このスイングアームの内部にボールネジ２１と係合するナット（図示省略）が設けられている。従って、ボールネジ２１が図５に示したサーボモータ２３で駆動された時、第２軸のスイングアームは外筒５４と一体的に第２軸の伸縮方向（ボールネジ２１の軸方向）に沿って移動することが出来る（第２軸の伸縮動作）。
【００５５】そして、加工ヘッド５の移動時にボールネジ２１が第２軸の支柱側スイングアーム軸周りで回転しても、加工ヘッド５の姿勢はそれには拘束されない。また、実施形態１の場合と同様に、ボールネジ２１を迂回するように形成された連結部（図示省略）を介して加工ヘッド基部５１と連結されているが、外筒５４はベアリングＢＲ１，ＢＲ２によって、基部５１と加工ヘッド回転軸５２のいずれとも相対回転（軸Ｂ−Ｂ’周り）が許容されている。従って、外筒５４の軸Ｂ−Ｂ周りの姿勢と、基部５１の軸Ｂ−Ｂ周りの姿勢は拘束し合わない。
【００５６】加工ヘッド回転軸５２に対して、第３軸加工ヘッド回転軸用のベアリングＢＲ３，ＢＲ４を介して第３軸加工ヘッド外筒５７が設けられている。特に図６（ａ）を合わせて参照すると理解されるように、この外筒５７にはスイングアーム回転軸４０２，４０２’を介して第３軸の加工ヘッド側のスイングアーム４０１が枢軸支持されている。これらベアリングＢＲ３，ＢＲ４とスイングアーム４０１により、回転自由度２の継手が形成されている。
【００５７】スイングアーム４０１は、第３軸のボールネジ４１を嵌挿してナット４１１を介して、ボールネジ４１と係合している。従って、ボールネジ４１が図５に示したサーボモータ４３で駆動された時、第３軸のスイングアーム４０１は外筒５７と一体的に第３軸の伸縮方向（ボールネジ４１の軸方向）に沿って移動することが出来る（第３軸の伸縮動作）。そして、加工ヘッド５の移動時にボールネジ４１が第３軸の支柱側スイングアーム軸周りで回転しても、加工ヘッド５の姿勢はそれには拘束されない。
【００５８】また、外筒５４はベアリングＢＲ３，ＢＲ４によって、加工ヘッド回転軸５２との間の相対回転（軸Ｂ−Ｂ’周り）が許容されている。従って、外筒５７の軸Ｂ−Ｂ周りの姿勢と、加工ヘッド回転軸５２の軸Ｂ−Ｂ周りの姿勢は拘束し合わない。
【００５９】符号５８は第３軸加工ヘッド外筒５７とベアリングＢＲ４を覆う部材で、加工ヘッド回転軸５２を受け入れて固定する加工ヘッド回転軸固定用ナット５９を備えている。また、符号ＢＲ５，ＢＲ６は、スイングアーム４０１を回転軸４０２，４０２’で第３軸加工ヘッド外筒５７に対して枢軸支持するためのベアリングを表わしており、第１軸のスイングアーム１０１の加工ヘッド基部５１に対する枢軸支持、第２軸のスイングアームの第２軸加工ヘッド外筒５４に対する枢軸支持についても同様のベアリングが使用されている。
【００６０】以上説明した構造により、加工ヘッド５の姿勢（加工ノズル６を鉛直下向き）に保つ条件で伸縮運動をアーム１０，２０，４０に行なわせた時に各支点１４，２４，４４側及び加工ヘッド５側で必要とされる運動の自由度はすべて保証される。従って、前記基礎式（５）〜（８）に即して、各軸のサーボモータ１３，２３，４３を制御するこで、加工ヘッド５の３次元的な位置決めが円滑に達成される。
【００６１】［実施形態３］図７は、実施形態３に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を上面図で示したものである。本実施形態は、３次元の並列駆動系を更に直列ＸＹ駆動系上に搭載してレーザ加工装置の加工範囲を拡張したものである。並列駆動系の構造及び機能については、実施形態２で説明したものと基本的に変わるところはない。また、直列ＸＹ駆動系についてもそれ自体は周知のものである。
【００６２】図７において、符号７０は３次元の並列駆動系を載置する並列駆動系載置テーブルで、Ｙ軸駆動リニアモータＭＹが装備されており、このＹ軸駆動リニアモータＭＹを動作させることにより、並列駆動系載置テーブル７０はＹ軸リニアガイドＧＹ上を移動する。更に、Ｙ軸リニアガイドＧＹにはＸ軸駆動リニアモータＭＸが装備されており、このＸ軸駆動リニアモータＭＸを動作させることにより、並列駆動系載置テーブル７０を載置したＹ軸リニアガイドＧＹがＸ軸ガイドＧＸ上を移動する。各リニアモータＭＸ，ＭＹは数値制御装置に接続されており、数値制御装置によってその位置が制御される。
【００６３】並列駆動系載置テーブル７０上には、第１軸、第２軸、及び第３軸の伸縮アーム１０，２０，４０のための支点１４，２４，４４が設けられ、３本の伸縮アーム１０，２０，４０の連結点Ｓに１つの加工ヘッド５が支持されている。アーム１０，２０，４０は、実施形態２で説明したと同じく、各々ボールネジ、カバーを備え、カバーの各一端は支点１４，２４，４４に取り付けられ、他端は加工ヘッド５に取り付けられている。
【００６４】アーム１０，２０，４０の伸縮に適応するために、各カバーは実施形態１、実施形態２の場合と同様の伸縮管構造を有している。加工ヘッド５を連結点Ｓで支持するアーム１０，２０，４０は、加工ヘッド５側並びに支点１４，２４，４４側で各々継手を用いて結合されている。各継手の構造、機能（回転の自由度）等は、実施形態２で述べた通りであるから繰り返し説明は省略する。
【００６５】アーム１０，２０，４０の伸縮によって、連結点Ｓで代表される加工ヘッド５の位置が移動することは実施形態２の場合と同様である。但し、実施形態３におけるアーム１０，２０，４０の伸縮による加工ヘッド５の移動は、並列駆動系載置テーブル７０上で行なわれる。符号７１は、加工ヘッド５の被加工物Ｗへの接近あるいはレーザビームの照射を可能にするために並列駆動系載置テーブル７０のほぼ中央部に設けられた開口部である。この開口部７１の大きさと形状は、加工ヘッド５の移動範囲を余裕を以てカバー出来るように設計される。
【００６６】実施形態２で述べたように、各支点１４，２４，４４と連結点Ｓの間の各距離は各アーム１０，２０，４０の伸縮位置で決まる。従って、連結点Ｓの３次元位置はこれら距離条件を満たす位置となる。この関係を利用して、支持された加工ヘッド５の位置を制御することが出来る。なお、実施形態１，２と同様、アームの伸縮位置で加工ヘッドの位置が一意的に決まらない点を考慮して、アーム１０，２０，４０について回転角度範囲に適当な制限が設けられている。
【００６７】本実施形態のレーザ加工装置は、直列駆動系と並列駆動系を合わせ持っているので、加工ヘッド５の移動形態に応じて両者を使い分けることが出来る。即ち、低速度の移動や定速度移動のように大きな加速度が要求されない移動については直列駆動系を用い、加速度の大きな高速移動、曲率の大きな経路移動等には並列駆動系を用いるという使い分けが出来る。例えば、直列駆動系を定速で駆動しながら、同時に並列駆動系を高速（高加速度）で駆動すれば、無理なく高範囲の加工が高精度で実行出来る。このような低加速度条件で使用する限り、直列駆動系の剛性の低さは問題にならない。
【００６８】また、実施形態１や実施形態２のレーザ加工装置では加工範囲が不足するような大きな被加工物に対しても、（１）直列駆動系を用いて大まかな加工ヘッド位置を選択するための移動を行い、（２）直列駆動系を一旦停止させた後に、並列駆動系を起動し、加工ヘッドを移動させながらその周辺の加工を実行する、というプロセスを何度か繰り返すことで実質的に大きな加工範囲を確保出来る。この場合も、並列駆動系による移動中に行なわれる加工は高速且つ高精度とすることが出来る。但し、このような使用法を採用する場合には、直列駆動系の始動、停止時に振動が発生しない程度の剛性を持たせることが好ましい。
【００６９】本実施形態では、大きな加工範囲を確保するために並列駆動系の伸縮アーム１０，２０，４０のアーム長を無理に延ばす必要がないので、大きな加工範囲と加工精度とを両立させることが容易である。なお、直列駆動系上に搭載する並列駆動系として、実施形態１で説明した型のものを採用することも出来る。また、細長い被加工物専用の加工範囲や、Ｚ軸方向のみ大きな位置調整が要求されるような場合には、直列駆動系として１次元のものを採用しても良いことは言うまでもない。使用するレーザ発振器、レーザ光の伝送方法については、実施形態１，２と同様なので繰り返し説明は省略する。
【００７０】
【発明の効果】本発明のレーザ加工装置は、従来構造のレーザ加工装置と比較して、加工範囲を狭めることなく実質的な剛性を高めた構造を有しているので、高い加工精度を保ちながら高速の加工を行なうことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭酸ガスレーザを利用したレーザ加工装置を例にとり、従来のレーザ加工装置の概略構成を斜視図で示したものである。
【図２】２次元の並列駆動系を採用した実施形態１に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図（ａ）並びに側面図（ｂ）で示したものである。
【図３】（ａ）は第１軸、第２軸の長さＬ1 ，Ｌ2 を制御しても加工ヘッド５の位置を一意的に決めることが出来ない場合があることを説明する図であり、（ｂ）は、図２に示した実施形態について、この問題を回避するための角度範囲制限について説明する図である。
【図４】実施形態１で使用されている２本の伸縮アーム１０，２０の連結点Ｋにおける加工ヘッド５の支持構造について説明する図で、（ｂ）は図２中に示した加工ヘッド５の要部破断図、（ａ）は図４（ｂ）中に示したＡ−Ａ’に沿った断面図である。また、（ｃ）は（ｂ）中に示した構造を加工ノズル６の先端側から図である。
【図５】３次元の並列駆動系を採用した実施形態２に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図（ａ）並びに側面図（ｂ）で示したものである。
【図６】実施形態２で使用されている３本の伸縮アーム１０，２０，４０の連結点における加工ヘッド５の支持構造（継手構造）について説明する図で、（ｂ）は図５中に示した加工ヘッド５の要部破断図、（ａ）は図６（ｂ）中に示したＡ−Ａ’に沿った断面図である。
【図７】実施形態３に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を上面図で示したものである。
【符号の説明】
１ レーザ加工装置
２ 炭酸ガスレーザ発振器
３ 数値制御装置（ＣＮＣ）
４ レーザ加工装置本体部
５ 加工ヘッド
６ 加工ノズル
６Ａ，８，１１，２１，３１，４１ ボールネジ
６Ｂ 直動ベアリング
７，９，１３，２３，３３，４３ サーボモータ
１０，２０，４０ 伸縮アーム
１２，２２，４２ カバー
１４，２４，４４ 支点
１５ 第１軸の支点１４の支柱
１６ 支柱１５の軸周りで回転自在な支柱側回転軸
１７ 第１軸支柱側スイングアーム軸
２５ 第２軸の支点２４の支柱
２６ 支柱２５の軸周りで回転自在な支柱側回転軸
２７ 第２軸支柱側スイングアーム軸
５１ 加工ヘッド基部
５２ 加工ヘッド回転軸
５３ 連結部
５４ 第２軸加工ヘッド外筒
５５ 第２軸加工ヘッド外筒５４とベアリングＢＲ２を覆う部材
５６，５９ 加工ヘッド回転軸固定用ナット
５７ 第３軸加工ヘッド外筒
５８ 第３軸加工ヘッド外筒５７とベアリングＢＲ４を覆う部材
５９ 加工ヘッド回転軸固定用ナット
６１ リニアガイド
６３ 加工ノズル支持部材
７０ 並列駆動系載置テーブル
７１ 開口部
１１１，２１１，３１１，４１１ ナット
４０１ 第３軸加工ヘッド側スイングアーム
４０２，４０２’ スイングアーム４０１の回転軸
ＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３，ＢＲ４，ＢＲ５，ＢＲ６ ベアリング
Ｋ，Ｓ 連結点
ＬＢ レーザビーム
Ｍ１，Ｍ２ ミラー
ＭＸ Ｘ軸駆動リニアモータ
ＭＹ Ｙ軸駆動リニアモータ
Ｓ’ 加工点（レーザビームＬＢの入射点）
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザ光を利用して材料の加工を行なうレーザ加工装置に関し、更に詳しく言えば、加工ヘッドを移動させる駆動系に改良を加えたレーザ加工装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ光を利用して材料の切断、穿孔、溶接、表面処理等（本明細書では、これらをまとめて「加工」と言う。）を行なうレーザ加工装置は、加工形状を自由に選択出来る等の利点があるため、特に多品種少量生産に適した加工手段として広く利用されている。図１は、炭酸ガスレーザを利用したレーザ加工装置を例にとり、従来のレーザ加工装置の概略構成を斜視図で示したものである。
【０００３】同図において、全体を符号１で表されたレーザ加工装置は、レーザビーム供給源として炭酸ガスレーザ発振器２を備えている。炭酸ガスレーザ発振器２から出力されたレーザビームＬＢは、図示を省略した遮光ダクトを導光路として加工機本体部４に伝達され、ミラーＭ１，Ｍ２を経て加工機本体部４の加工ヘッド５に伝送される。
【０００４】加工ヘッド５の内部には集光レンズ（図示省略）が組み込まれており、ミラーＭ２により下方に屈曲された光はこの集光レンズによって集光され、加工ヘッド５の先端部に設けられた加工ノズル６から被加工物Ｗに投射される。なお、加工速度の向上あるいは加工面の面粗度向上のために加工ヘッド５に取付けられたアシストガスノズル（図示省略）から、加工面へ向けてアシストガスが吹き付けられることが通例である。
【０００５】レーザビームＬＢが入射する加工点は、加工ヘッド５の加工ノズル６の直下に位置する。従って、加工ヘッド５をＸ軸及びＹ軸に関して位置決めすることによって定められる。自由な加工形状の加工を可能にするために、加工ヘッド５はＸＹ駆動機構上に搭載されている。ＸＹ駆動機構は、加工ヘッド５を±Ｘ軸及び±Ｙ軸方向に直線移動させる機構で、図示されているように、Ｘ軸駆動のためのボールネジ６Ａ、直動ベアリング６Ｂ、サーボモータ７、Ｙ軸駆動のためのボールネジ８、サーボモータ９等で構成されるものが代表的である。
【０００６】各サーボモータ７，９は、通常、数値制御装置（ＣＮＣ）３によって制御される。数値制御装置３に加工プログラムを教示して再生運転を行なうと、加工プログラムに含まれる位置データに応じたＸ軸、Ｙ軸上の位置（場合によっては、Ｘ，Ｙ，Ｚ各軸上の位置）に加工ヘッド５が順次位置決めされ、加工プログラムで指定されている形状に従った加工が達成される。
【０００７】なお、加工ヘッド５のＺ方向位置は、別途、適当なＺ軸移動機構によって位置調節可能とされることが多いが、場合によっては、サーボモータと数値制御装置を用いたＸ軸、Ｙ軸と同様の制御が行なわれることもある。また、加工ヘッド５をＸＹ駆動機構で移動させる方式に代えて、被加工物を載置するワークテーブルをＸＹ駆動機構で移動させる方式を採用したレーザ加工装置も知られている。
【０００８】しかし、これら直列ＸＹ駆動系を利用した従来型のレーザ加工装置は、加工点の移動を俊敏に行なう上で有利でなく、パンチプレス等の加工装置に比べて加工速度が遅いという問題点があった。即ち、加工ヘッドを高速で移動させようとした場合、構造部材の剛性がこれに追いつかず、加工精度の低下を招いていた。個々の構造部材自体の剛性を高めることで加工精度の低下を回避することも考えられるが、加工ヘッドの移動時に駆動機構にかかる負荷が大きくなり、大がかりな駆動機構を装備する必要が生じ、現実的な解決手段とはなり得なかった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決したレーザ加工装置を提供することにある。即ち、本発明は、従来構造のレーザ加工装置に比べて駆動機構の剛性に優れ、従って加工精度を低下させることなく加工ヘッドの高速駆動を行なうことが容易なレーザ加工装置を提供し、そのことを通して、高精度のレーザ加工を効率的に行えるようにする事を企図している。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、加工機本体部の加工ヘッド移動機構の少なくとも一部に並列駆動系を取り入れることによって上記技術課題を解決したものである。即ち、本発明のレーザ加工装置においては、加工ヘッドを移動させるための駆動機構として、少なくとも２本の伸縮アームと、前記少なくとも２本の伸縮アームの各々を伸縮させるためのモータを備えたものが使用される。少なくとも２本の伸縮アームの各基部は支点に回転可能に支持され、加工ヘッドは、それら伸縮アームの伸縮に応じて位置決めされるように継手機構を介して各伸縮アームに支持される。
【００１１】用いる伸縮アームの本数は２本または３本が実際的である。伸縮アームの本数を２本とする場合には、加工ヘッド先端部に設けられた加工ノズルの主軸方向位置を調整するための手段（モータとそれに結合された移動機構）が搭載されていることが好ましい。
【００１２】加工ヘッドを移動させる並列駆動系を更に直列駆動系上に搭載することも出来る。その場合、並列駆動系に使用する伸縮アームは２本あるいは３本とすることが出来る。直列駆動系は典型的にはＸＹ直列駆動系とされるが、Ｘ，Ｙ，Ｚの１軸移動の直列駆動系とすることも出来る。直列駆動系の駆動源には、リニアモータが好適に用いられる。
【００１３】
【作用】本発明のレーザ加工装置の特徴は、加工ヘッドの移動機構に複数の伸縮アームを用いた並列駆動系を入れたことにある。これにより、ＸＹ直列駆動系などを使用していた従来構造のレーザ加工装置と比較して、加工範囲を狭めることなく実質的な剛性を高めることが出来るようになる。その結果、加工ヘッドを高速あるいは高加速度で移動させても加工精度の劣化が生じ難い。加工ヘッドの移動には、低速あるいは低加速度（例えば定速移動）で足りるものも含まれるので、それを直列駆動系に担わせることも可能である。本発明では、直列駆動系上に並列駆動系を搭載することにより、このような加工ヘッド移動方式も採用可能とされている。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の基本的な特徴は、レーザ加工装置の加工ヘッドを移動させるための駆動系として並列駆動系を用いる点にある。加工ヘッドのための並列駆動系としては、２次元あるいは３次元のものが採用可能である。また、並列駆動系を直列ＸＹ駆動系上に搭載することで、加工ヘッドの移動範囲を拡張することも可能である。ここでは、次の３つの実施形態について本発明を更に詳しく説明する。
【００１５】実施形態１；２次元の並列駆動系を採用したレーザ加工装置の例実施形態２；３次元の並列駆動系を採用したレーザ加工装置の例実施形態３；２次元の並列駆動系を直列ＸＹ駆動系上に搭載したレーザ加工装置の例なお、いずれの実施形態においても、加工ヘッドの駆動機構以外の部分は本発明の技術思想に直接の関わるものでなく、従来のレーザ加工装置と同様の構造とすることが出来る。従って、図２以下における構造の描示並びに関連説明は、加工機本体部の要部（加工ヘッド、駆動系並びに関連部分）に適宜限定して行なった。また、各要素の指示について適宜図１に準じた符号を使用した。
【００１６】［実施形態１］図２（ａ），（ｂ）は、２次元の並列駆動系を採用した実施形態１に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図（ａ）並びに側面図（ｂ）で示したものである。両図において、符号１０，２０は各々伸縮自在なアームを表わしており、これら２本の伸縮アーム１０，２０は一つの加工ヘッド５を支持しつつ、加工ヘッド５によって連結されている。そこで、加工ヘッド５を代表する点（加工ノズル直上）を連結点と呼ぶことにある（実施形態２，３でも同じ）。以下、便宜上、伸縮アーム１０で代表される軸を第１軸、伸縮アーム２０で代表される軸を第２軸とする。
【００１７】加工ヘッド５を連結点Ｋで支持する第１軸及び第２軸の伸縮アーム１０，２０は各々支点１４，２４の周りで回転自在に支持されている。但し、回転が許容されるのは加工ヘッド５を支持している連結点Ｋにおいて加工面と平行な面内のみであり、それ以外の方向への動きは拘束されている。また、後述するように、各アーム１０，２０の回転範囲は適宜制限されている。
【００１８】アーム１０，２０は各々ボールネジ１１，２１とカバー１２，２２を備え、カバー１２，２２の各一端は支点１４，２４に取り付けられ、他端は加工ヘッド５に取り付けられている。アーム１０，２０の伸縮に適応するために、カバー１２，２２は伸縮管構造を有している。具体的には、周知の蛇腹管あるいは径が段階的に異なる何本かの管体（例えば、金属管）を順次連結した伸縮管が利用出来る。
【００１９】また、第１軸のボールネジ１１は支点１４に回転自在に取り付けられ、第２軸のボールネジ２１は支点２４に回転自在に取り付けられている。そして、加工ヘッド５は、ボールネジ１１，１２の各々を嵌挿してそれらと係合する２つのナットを備えている（加工ヘッド５の支持構造の詳細は後述）。従って、各ボールネジ１１，２１に結合されたサーボモータ１３，２３を動作させると、ボールネジ１１，２１が回転し、それに応じて第１軸アーム１０、第２軸アーム２０の伸縮が起る。
【００２０】これにより、第１軸アーム１０と第２軸アーム２０の連結点Ｋに支持された加工ヘッド５の位置が移動する。支点１４と連結点Ｋの間の距離は第１軸アーム１０の伸縮位置で決まり、支点２４と連結点Ｋの間の距離は第２軸アーム２０の伸縮位置で決まる。従って、平面上で運動を規制されている連結点Ｋの２次元位置は、これら距離条件を満たすことになる。この関係を利用して、連結点Ｋに支持された加工ヘッド５の位置を制御することが出来る。
【００２１】今、加工面に平行なＸＹ平面を持つワーク座標系Σw を定義した時、連結点ＫはＸＹ平面と平行な面上で移動可能であるものとする。加工ヘッド５の位置を代表する連結点Ｋの位置を（ｘ，ｙ）で表わし、加工ヘッド支点１４，２４のＸＹ位置を各々（Ｘ1 ，Ｙ1 ），（Ｘ2 ，Ｙ2 ）とすると、次の関係が成立する。
（ｘ−Ｘ1 ）2 ＋（ｙ−Ｙ1 ）2 ＝Ｌ12 ・・・（１） （ｘ−Ｘ2 ）2 ＋（ｙ−Ｙ2 ）2 ＝Ｌ22 ・・・（２） ここで、Ｌ1 は支点１４と連結点Ｋの間の距離であり、Ｌ2 は支点２４と連結点Ｋの間の距離である。Ｌ1 ，Ｌ2 は各々第１軸駆動用サーボモータ１３、第２軸駆動用サーボモータ２３の位置の関数である。この関数をｆ1 ，ｆ2 、サーボモータ１３，２３の位置を表わす変数をＪ1 ，Ｊ2 とすると、 Ｌ1 ＝ｆ1 （Ｊ1 ） ・・・（３） Ｌ2 ＝ｆ2 （Ｊ2 ） ・・・（４） である。ｆ1 ，ｆ2 の具体形は、設計値に基づく計算あるいは適当なキャリブレーションで定められる。
【００２２】上式の関係を利用して、アーム１０，２０の長さの変化範囲内で届く任意の希望位置へ加工ヘッド５を移動させることが出来る。また、アーム１０，２０の長さを連続的に制御すれば、加工ヘッド５を希望する経路に沿って移動させることも可能である。希望する加工経路に対応した加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ）は、加工プログラムデータから数値制御装置内で計算され、それに対応したアーム長Ｌ1 ，Ｌ2 を実現するための移動指令がサーボモータ１３，２３に送られる。上記式（１）〜（４）は、加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ）から移動指令を作成するための基礎式となる。
【００２３】支点１４，２４は、両者を一致させない限り基本的に任意の位置に配置可能であるが、通常、図２（ａ）に例示されているように、適当な間隔をとって配置される。また、第１軸、第２軸の長さＬ1 ，Ｌ2 を制御しても加工ヘッド５の位置を一意的に決めることが出来ない場合がある。図３（ａ）はこれを説明する図で、符号５，５’いずれで示した加工ヘッド位置も、支点１４からの距離Ｌ1 、支点２４からの距離Ｌ2 の条件を満たしている。このような加工点位置の２値性の問題に備える方策として、少なくとも一方のアーム１０，２０について、移動可能な角度範囲に制限を設けることが考えられる。図３（ｂ）は、図２に示した実施形態について、角度範囲制限を設けた例を表わしている。
【００２４】同図に示した例では、支点１４周りのアーム１０の移動角度範囲ＡＲ１と支点２４周りのアーム２０の移動角度範囲ＡＲ２を図示されたような範囲（各々９０度をやや下回る範囲）に制限することで、上記２値性の問題を回避しながら斜線で表わした加工ヘッド５の存在範囲を実現している。
【００２５】なお、通常の加工においては、加工ヘッド５と被加工面との間の距離を加工条件に応じて調整したり、あるいは、加工面の起伏に沿って移動させたりする必要がしばしば生じる。しかし、本実施形態のように２本のみの伸縮アームを用いた並列駆動系にこのようなＺ軸方向の位置調整機能を持たせることは出来ない。
【００２６】そこで、本実施形態では、加工ヘッド５の各アーム１０，２０との結合部と加工ヘッド先端部を形成する加工ノズル６の間に、Ｚ軸調整用ボールネジ３１、サーボモータ３３等からなるＺ軸調整機構が設けられている。これにより、Ｚ軸方向の位置（加工面に対する遠近）を調整出来るようになっている。Ｚ軸位置を調整量はサーボモータ３３を制御する数値制御装置（図示省略）によって定められる。
【００２７】レーザ発振器としてはＹＡＧレーザあるいは炭酸ガスレーザ等が利用出来るが、ＹＡＧレーザを用いた場合には、レーザ発振器から加工ノズルまでのレーザ光の伝送に光ファイバが利用出来る。炭酸ガスレーザを用いた場合のように、レーザ光の伝送に光ファイバを利用出来ない場合には、いずれかのアームの支点並びに該アームと加工ヘッドの結合部に、ミラーをアームと一体的な回転運動をするように固定することで光の伝送は可能となる。
【００２８】その際、アームのカバー内にミラーを取り付ければ、アームのカバーは、レーザ光が不用意に人の眼に入る事故を防止する防護カバーとして兼用出来る。但し、その場合にはボールネジを中空にするか、ボールネジをアーム外に配置する必要がある。
【００２９】アームの長さ（ボールネジの長さ）は、駆動系の剛性と加工範囲を勘案して決めることが好ましい。一般に、アームの長さを長くすれば加工範囲は広がるが、機械の剛性が落ちるので加工精度が低下する。逆に、アームの長さを短くすれば加工範囲は狭まるが、機械の剛性が上昇するので加工精度を高める上で有利である。本実施形態で実際的な一つの最大アーム長を例示すれば、１．２ｍがある。
【００３０】次に、実施形態１で使用されている２本の伸縮アーム１０，２０の連結点Ｋにおける加工ヘッド５の支持構造について、図４（ａ）〜図４（ｃ）を参照して説明する。図４（ｂ）は図２中に示した加工ヘッド５の要部破断図で、図４（ａ）は図４（ｂ）中に示したＡ−Ａ’に沿った断面図である。また、図４（ｃ）は図４（ｂ）中に示した構造を加工ノズル６の先端側から図である。
【００３１】先ず、特に図４（ｂ）に示されているように、加工ヘッド５は第１軸のボールネジ１１を嵌挿してこれと係合するナット１１１を設けた加工ヘッド基部５１を有している。これにより、ボールネジ１１が図２に示したサーボモータ１３で駆動された時、基部５１は第１軸の伸縮方向（ボールネジ１１の軸方向）に沿って移動することが出来るようになっている（第１軸の伸縮動作）。
【００３２】一方、第２軸のボールネジ２１を取り囲む第２軸加工ヘッド外筒５４のボールネジ嵌挿孔の内面にはナット２１１が形成され、ボールネジ２１と係合している。
【００３３】ナット２１１と加工ヘッド基部５１の間にはベアリングＢＲ１が設けられ、ナット２１１と加工ヘッド回転軸５２の間にはベアリングＢＲ２が設けられている。
【００３４】加工ヘッド回転軸５２は、図４（ａ）を参照すると理解されるように、ボールネジ２１を迂回するように形成された連結部５３を介して加工ヘッド基部５１と連結された部分である。符号５５は第２軸加工ヘッド外筒５４とベアリングＢＲ２を覆う部材で、加工ヘッド回転軸５２を受け入れて固定する加工ヘッド回転軸固定用ナット５６を備えている。
【００３５】第１軸の伸縮動作と同様、サーボモータ２３（図２参照）が動作すると、ボールネジ２１が駆動され、ナット２１１は第２軸の伸縮方向（ボールネジ２１の軸方向）に沿って移動する（第２軸の伸縮動作）。加工ヘッド５を移動させるためには第１軸あるいは第２軸の一方または両方が駆動され、Ｌ1 または／及びＬ2が変化する。この時、図２から容易に理解されるように、一般に、ボールネジ１１とボールネジ２１のなす角度が変化する。図４（ｂ）で言えば、両者の軸Ｂ−Ｂ’周りの相対姿勢が変化する。
【００３６】即ち、軸Ｂ−Ｂ’周りの姿勢について、基部５１はナット１１１と一体的にボールネジ１１の姿勢変化に追随し、ナット２１１は外筒５４と一体的にボールネジ２１の姿勢変化に追随するが、特別の条件以外では、ボールネジ１１の姿勢変化とボールネジ２１の姿勢変化は一致しない。従って、ナット１１１と一体的に動く加工ヘッド基部５１と、ナット２１１と一体的に動く外筒５４との間には軸Ｂ−Ｂ’周りの相対姿勢の変化が許容されなければならない。上記ベアリングＢＲ１，ＢＲ２を含む構造は、これを可能にするための回転自由度を与えている。なお、図４（ａ）に示された連結部５３を設ける位置、大きさ等は、図３（ｂ）に示した加工ヘッド５の移動範囲を許容するように設計される。
【００３７】加工ヘッド５の上下位置調整（Ｚ軸位置調整）は、加工ヘッド５の先端部を形成する加工ノズル６を加工ヘッド基部５１に対して上下位置調整することで行なわれる。符号３３は上下調整のために基部５１の側部に搭載されたサーボモータ３３を表わしている。このサーボモータ３３は、上下調整用のボールネジ３１に結合され、ボールネジ３１にはナット３１１が係合されている。ナット３１１と一体の加工ノズル支持部材６３がガイド孔６２を介してリニアガイド６１で案内されている。この構造により、サーボモータ３３の動作時にボールネジ３１が回転駆動され、加工ノズル６の上下移動（Ｚ軸位置調整）が達成される。
【００３８】［実施形態２］図５（ａ），（ｂ）は、３次元の並列駆動系を採用した実施形態２に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図（ａ）並びに側面図（ｂ）で示したものである。両図において、符号１０，２０，４０は各々伸縮自在なアームを表わしており、これら３本の伸縮アーム１０，２０，４０の連結点Ｓに１つの加工ヘッド５が支持されている。以下、便宜上、伸縮アーム１０で代表される軸を第１軸、伸縮アーム２０で代表される軸を第２軸、伸縮アーム４０で代表される軸を第３軸とする。
【００３９】アーム１０，２０，４０は各々ボールネジ１１，２１，４１とカバー１２，２２，４２を備え、カバー１２，２２，４２の各一端は支点１４，２４，４４に取り付けられ、他端は加工ヘッド５に取り付けられている。実施形態１の場合と同じく、アーム１０，２０，４０の伸縮に適応するために、カバー１２，２２，４２は伸縮管構造を有している。具体的には、周知の蛇腹管あるいは径が段階的に異なる何本かの管体（例えば、金属管）を順次連結した伸縮管が利用出来る。
【００４０】加工ヘッド５を連結点Ｓで支持する第１軸〜第３軸の伸縮アーム１０，２０，４０の基端部は、各々支点１４，２４，４４に継手で結合されている。各軸の支点は、各伸縮アーム１０，２０，４０（ボールネジ１１，２１，４１とカバー１２，２２，４２）にＺ軸（鉛直軸）周りの回転と水平軸周りの回転を許容する継手を有している。即ち、図５（ｂ）に示したように、第１軸の支点１４は、支柱１５と支柱１５の軸周りで回転自在な支柱側回転軸１６を備え、この支柱側回転軸１６上には支柱側スイングアーム軸１７が搭載されている。そして、支柱側スイングアーム軸１７にボールネジ１１を枢軸支持することで、第１軸の伸縮アーム１０に鉛直軸周りと水平軸周りの回転を許容する２自由度の継手が構成されている。
【００４１】同様に、第２軸の支点２４は、支柱２５と支柱２５の軸周りで回転自在な支柱側回転軸２６を備え、この支柱側回転軸２６上には支柱側スイングアーム軸２７が搭載されている。そして、支柱側スイングアーム軸２７にボールネジ２１を枢軸支持することで、第２軸の伸縮アーム２０に鉛直軸周りと水平軸周りの回転を許容する２自由度の継手が構成されている。第３軸の支点４４の構造については図示を省略したが、同様の継手構造によって、鉛直軸周りと水平軸周りの回転が許容されている。
【００４２】３軸伸縮アームを使用したレーザ加工装置においては、各軸アーム１０，２０，４０の加工ヘッド５側の支持構造について、３軸の内の２軸が支点側と同様の２つの回転自由度（垂直軸周りと水平軸周り）を与え、他の１軸は１つの回転自由度（水平軸周り）を与える構造とされる。本実施形態では、第２軸と第３軸の加工ヘッド側の継手には、支点側と同様に各々鉛直軸周りの回転軸と水平軸周りのスイングアームを組み合わせた継手を採用し、第１軸には水平軸周りのスイングアーム１０１からなる１自由度の継手を採用し、鉛直軸周りの回転自由度を与えない継手構造とした。
【００４３】このような回転自由度の制限を設ける理由は、加工ヘッド側のジョイントに過剰な回転自由度を与えると、加工ヘッド５の姿勢が不安定となり、一定の姿勢（加工ノズル６を鉛直下向き）を維持し難くなるからである。例えば、全軸に自在第１軸にも鉛直軸周りの回転自由度を与えると、自由度が過剰となり、加工ヘッド５を一定の姿勢（加工ノズル６が鉛直下向き）に保つことが事実上不可能になる。
【００４４】第１〜第３軸の各ボールネジ１１，２１，４１は、実施形態１の第１軸、第２軸の各ボールネジの場合と同様に、各アーム基部に組み込まれたサーボモータ１３，２３，２４によって駆動される。これらサーボモータを動作させると、ボールネジ１１，２１，４１が回転し、それに応じて第１軸アーム１０、第２軸アーム２０、第３軸アーム４０の伸縮が起る。
【００４５】これにより、３本のアームの連結点Ｓで代表される加工ヘッド５の位置が移動する。支点１４，２４，４４と連結点Ｓの間の各距離は各アーム１０，２０，４０の伸縮位置で決まる。従って、連結点Ｓの３次元位置はこれら距離条件を満たす位置となる。この関係を利用して、支持された加工ヘッド５の位置を制御することが出来る。なお、３次元の並列駆動系を採用した実施形態２においても、実施形態１と同様、アームの伸縮位置で加工ヘッドの位置が一意的に決まらない点を考慮して、アーム１０，２０，４０について回転角度範囲に適当な制限が設けられている。
【００４６】今、加工面に平行なＸＹ平面を持つワーク座標系Σw を定義した時、３本のアーム１０，２０，４０のＸＹ平面上への射影は、各アーム１０，２０，４０の伸縮位置に関わらず常に１点Ｓ’で交わるものとする。この点Ｓ’は加工点（レーザビームＬＢの入射点）に相当する点であるから、加工ヘッド５の位置を代表する連結点Ｓは、この点Ｓ’の直上にある加工ヘッド５上の定点と考えることが出来る。このような前提の下で、加工ヘッド５の位置を代表する連結点Ｓの位置を（ｘ，ｙ，ｚ）で表わし、加工ヘッド支点１４，２４，４４のＸＹＺ位置を各々（Ｘ1 ，Ｙ1 ，Ｚ1 ），（Ｘ2 ，Ｙ2 ，Ｚ2 ），（Ｘ3 ，Ｙ3 ，Ｚ3 ），とすると、次の関係が成立する。
（ｘ−Ｘ1 ）2 ＋（ｙ−Ｙ1 ）2 ＋（ｚ−Ｚ1 ）2 ＝Ｌ12 ・・・（５） （ｘ−Ｘ2 ）2 ＋（ｙ−Ｙ2 ）2 ＋（ｚ−Ｚ2 ）2 ＝Ｌ22 ・・・（６） （ｘ−Ｘ3 ）2 ＋（ｙ−Ｙ3 ）2 ＋（ｚ−Ｚ3 ）2 ＝Ｌ32 ・・・（７） ここで、Ｌ1 は支点１４と連結点Ｓの間の距離、Ｌ2 は支点２４と連結点Ｓの間の距離、Ｌ3 は支点４４と連結点Ｓの間の距離である。Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 は各々第１軸駆動用サーボモータ１３、第２軸駆動用サーボモータ２３、第３軸駆動用サーボモータ４３の位置の関数である。
【００４７】この関数をｇ1 ，ｇ2 ，ｇ3 、サーボモータ１３，２３，４３の位置を表わす変数をＪ1 ，Ｊ2 ，Ｊ3 とすると、 Ｌ1 ＝ｇ1 （Ｊ1 ） ・・・（８） Ｌ2 ＝ｇ2 （Ｊ2 ） ・・・（９） Ｌ3 ＝ｇ3 （Ｊ3 ） ・・・（１０）
である。ｇ1 ，ｇ2 ，ｇ3 の具体形は、設計値に基づく計算あるいは適当なキャリブレーションで定められる。
【００４８】上式の関係を利用して、アーム１０，２０，４０の長さの変化範囲内で届く任意の希望位置（３次元位置）へ加工ヘッド５を移動させることが出来る。また、アーム１０，２０，４０の長さを連続的に制御すれば、加工ヘッド５を希望する経路に沿って３次元的に移動させることも可能である。希望する加工経路に対応した加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ，ｚ）は、加工プログラムデータから数値制御装置内で計算され、それに対応したアーム長Ｌ1 ，Ｌ2 を実現するための移動指令がサーボモータ１３，２３，４４に送られる。上記式（５）〜（１０）は、加工ヘッド５の位置（ｘ，ｙ，ｚ）から移動指令を作成するための基礎式となる。
【００４９】３次元の並列駆動系を用いた実施形態２では、支点１４，２４，４４は、三者（正確に言えば、三者のＸＹ平面上への射影）を一直線上に並べない限り、基本的に任意の位置に配置可能であるが、通常、図５（ａ）に例示されているように、三者相互に適当な間隔をとって配置される。
【００５０】本実施形態では、実施形態１と異なり、加工ヘッド５上に上下位置調整用の駆動装置（サーボモータ３３など）を設ける必要ばなくなるため、加工ヘッド全体の重量を減らすことが出来る。従って、駆動系の剛性が実施形態１のレーザ加工装置より更に向上し、高い加工精度を確保する上で有利となる。なお、使用するレーザ発振器、レーザ光の伝送方法については、実施形態１と同様なので繰り返し説明は省略する。
【００５１】次に、実施形態２で使用されている３本の伸縮アーム１０，２０，４０の連結点における加工ヘッド５の支持構造（継手構造）について、図６（ａ），図６R>６（ｂ）を参照して説明する。図６（ｂ）は図５中に示した加工ヘッド５の要部破断図で、図６（ａ）は図６（ｂ）中に示したＡ−Ａ’に沿った断面図である。
【００５２】先ず、特に図６（ｂ）に示されているように、加工ヘッド５には前記１回転自由度の継手を介して第１軸のボールネジ１１を嵌挿する加工ヘッド基部５１を有している。即ち、基部５１の加工ヘッド側スイングアーム回転軸１０２にスイングアーム１０１が枢軸支持されおり、このスイングアーム１０１の内部にボールネジ１１と係合するナット（図示省略）が設けられている。
【００５３】従って、ボールネジ１１が図５に示したサーボモータ１３で駆動された時、スイングアーム１０１は第１軸の伸縮方向（ボールネジ１１の軸方向）に沿って移動することが出来る（第１軸の伸縮動作）。これにより、ボールネジ１１が支柱側スイングアーム軸１７（図５（ｂ）参照）周りで回転しても、加工ヘッド５の姿勢（鉛直下向き）はそれに拘束されない。但し、第１軸の加工ヘッド５側の継手の回転自由度は１であり、ボールネジ１１の支柱側回転軸１６（図５（ｂ）参照）周りの回転に対しては、加工ヘッド５の姿勢は拘束を受け、加工ノズル６の主軸Ｂ−Ｂ’（鉛直下向き）の周りの回転を起こす。
【００５４】第１軸と同様に、第２軸のボールネジ２１を取り囲む第２軸加工ヘッド外筒５４はスイングアーム（図示省略）を備え、このスイングアームの内部にボールネジ２１と係合するナット（図示省略）が設けられている。従って、ボールネジ２１が図５に示したサーボモータ２３で駆動された時、第２軸のスイングアームは外筒５４と一体的に第２軸の伸縮方向（ボールネジ２１の軸方向）に沿って移動することが出来る（第２軸の伸縮動作）。
【００５５】そして、加工ヘッド５の移動時にボールネジ２１が第２軸の支柱側スイングアーム軸周りで回転しても、加工ヘッド５の姿勢はそれには拘束されない。また、実施形態１の場合と同様に、ボールネジ２１を迂回するように形成された連結部（図示省略）を介して加工ヘッド基部５１と連結されているが、外筒５４はベアリングＢＲ１，ＢＲ２によって、基部５１と加工ヘッド回転軸５２のいずれとも相対回転（軸Ｂ−Ｂ’周り）が許容されている。従って、外筒５４の軸Ｂ−Ｂ周りの姿勢と、基部５１の軸Ｂ−Ｂ周りの姿勢は拘束し合わない。
【００５６】加工ヘッド回転軸５２に対して、第３軸加工ヘッド回転軸用のベアリングＢＲ３，ＢＲ４を介して第３軸加工ヘッド外筒５７が設けられている。特に図６（ａ）を合わせて参照すると理解されるように、この外筒５７にはスイングアーム回転軸４０２，４０２’を介して第３軸の加工ヘッド側のスイングアーム４０１が枢軸支持されている。これらベアリングＢＲ３，ＢＲ４とスイングアーム４０１により、回転自由度２の継手が形成されている。
【００５７】スイングアーム４０１は、第３軸のボールネジ４１を嵌挿してナット４１１を介して、ボールネジ４１と係合している。従って、ボールネジ４１が図５に示したサーボモータ４３で駆動された時、第３軸のスイングアーム４０１は外筒５７と一体的に第３軸の伸縮方向（ボールネジ４１の軸方向）に沿って移動することが出来る（第３軸の伸縮動作）。そして、加工ヘッド５の移動時にボールネジ４１が第３軸の支柱側スイングアーム軸周りで回転しても、加工ヘッド５の姿勢はそれには拘束されない。
【００５８】また、外筒５４はベアリングＢＲ３，ＢＲ４によって、加工ヘッド回転軸５２との間の相対回転（軸Ｂ−Ｂ’周り）が許容されている。従って、外筒５７の軸Ｂ−Ｂ周りの姿勢と、加工ヘッド回転軸５２の軸Ｂ−Ｂ周りの姿勢は拘束し合わない。
【００５９】符号５８は第３軸加工ヘッド外筒５７とベアリングＢＲ４を覆う部材で、加工ヘッド回転軸５２を受け入れて固定する加工ヘッド回転軸固定用ナット５９を備えている。また、符号ＢＲ５，ＢＲ６は、スイングアーム４０１を回転軸４０２，４０２’で第３軸加工ヘッド外筒５７に対して枢軸支持するためのベアリングを表わしており、第１軸のスイングアーム１０１の加工ヘッド基部５１に対する枢軸支持、第２軸のスイングアームの第２軸加工ヘッド外筒５４に対する枢軸支持についても同様のベアリングが使用されている。
【００６０】以上説明した構造により、加工ヘッド５の姿勢（加工ノズル６を鉛直下向き）に保つ条件で伸縮運動をアーム１０，２０，４０に行なわせた時に各支点１４，２４，４４側及び加工ヘッド５側で必要とされる運動の自由度はすべて保証される。従って、前記基礎式（５）〜（８）に即して、各軸のサーボモータ１３，２３，４３を制御するこで、加工ヘッド５の３次元的な位置決めが円滑に達成される。
【００６１】［実施形態３］図７は、実施形態３に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を上面図で示したものである。本実施形態は、３次元の並列駆動系を更に直列ＸＹ駆動系上に搭載してレーザ加工装置の加工範囲を拡張したものである。並列駆動系の構造及び機能については、実施形態２で説明したものと基本的に変わるところはない。また、直列ＸＹ駆動系についてもそれ自体は周知のものである。
【００６２】図７において、符号７０は３次元の並列駆動系を載置する並列駆動系載置テーブルで、Ｙ軸駆動リニアモータＭＹが装備されており、このＹ軸駆動リニアモータＭＹを動作させることにより、並列駆動系載置テーブル７０はＹ軸リニアガイドＧＹ上を移動する。更に、Ｙ軸リニアガイドＧＹにはＸ軸駆動リニアモータＭＸが装備されており、このＸ軸駆動リニアモータＭＸを動作させることにより、並列駆動系載置テーブル７０を載置したＹ軸リニアガイドＧＹがＸ軸ガイドＧＸ上を移動する。各リニアモータＭＸ，ＭＹは数値制御装置に接続されており、数値制御装置によってその位置が制御される。
【００６３】並列駆動系載置テーブル７０上には、第１軸、第２軸、及び第３軸の伸縮アーム１０，２０，４０のための支点１４，２４，４４が設けられ、３本の伸縮アーム１０，２０，４０の連結点Ｓに１つの加工ヘッド５が支持されている。アーム１０，２０，４０は、実施形態２で説明したと同じく、各々ボールネジ、カバーを備え、カバーの各一端は支点１４，２４，４４に取り付けられ、他端は加工ヘッド５に取り付けられている。
【００６４】アーム１０，２０，４０の伸縮に適応するために、各カバーは実施形態１、実施形態２の場合と同様の伸縮管構造を有している。加工ヘッド５を連結点Ｓで支持するアーム１０，２０，４０は、加工ヘッド５側並びに支点１４，２４，４４側で各々継手を用いて結合されている。各継手の構造、機能（回転の自由度）等は、実施形態２で述べた通りであるから繰り返し説明は省略する。
【００６５】アーム１０，２０，４０の伸縮によって、連結点Ｓで代表される加工ヘッド５の位置が移動することは実施形態２の場合と同様である。但し、実施形態３におけるアーム１０，２０，４０の伸縮による加工ヘッド５の移動は、並列駆動系載置テーブル７０上で行なわれる。符号７１は、加工ヘッド５の被加工物Ｗへの接近あるいはレーザビームの照射を可能にするために並列駆動系載置テーブル７０のほぼ中央部に設けられた開口部である。この開口部７１の大きさと形状は、加工ヘッド５の移動範囲を余裕を以てカバー出来るように設計される。
【００６６】実施形態２で述べたように、各支点１４，２４，４４と連結点Ｓの間の各距離は各アーム１０，２０，４０の伸縮位置で決まる。従って、連結点Ｓの３次元位置はこれら距離条件を満たす位置となる。この関係を利用して、支持された加工ヘッド５の位置を制御することが出来る。なお、実施形態１，２と同様、アームの伸縮位置で加工ヘッドの位置が一意的に決まらない点を考慮して、アーム１０，２０，４０について回転角度範囲に適当な制限が設けられている。
【００６７】本実施形態のレーザ加工装置は、直列駆動系と並列駆動系を合わせ持っているので、加工ヘッド５の移動形態に応じて両者を使い分けることが出来る。即ち、低速度の移動や定速度移動のように大きな加速度が要求されない移動については直列駆動系を用い、加速度の大きな高速移動、曲率の大きな経路移動等には並列駆動系を用いるという使い分けが出来る。例えば、直列駆動系を定速で駆動しながら、同時に並列駆動系を高速（高加速度）で駆動すれば、無理なく高範囲の加工が高精度で実行出来る。このような低加速度条件で使用する限り、直列駆動系の剛性の低さは問題にならない。
【００６８】また、実施形態１や実施形態２のレーザ加工装置では加工範囲が不足するような大きな被加工物に対しても、（１）直列駆動系を用いて大まかな加工ヘッド位置を選択するための移動を行い、（２）直列駆動系を一旦停止させた後に、並列駆動系を起動し、加工ヘッドを移動させながらその周辺の加工を実行する、というプロセスを何度か繰り返すことで実質的に大きな加工範囲を確保出来る。この場合も、並列駆動系による移動中に行なわれる加工は高速且つ高精度とすることが出来る。但し、このような使用法を採用する場合には、直列駆動系の始動、停止時に振動が発生しない程度の剛性を持たせることが好ましい。
【００６９】本実施形態では、大きな加工範囲を確保するために並列駆動系の伸縮アーム１０，２０，４０のアーム長を無理に延ばす必要がないので、大きな加工範囲と加工精度とを両立させることが容易である。なお、直列駆動系上に搭載する並列駆動系として、実施形態１で説明した型のものを採用することも出来る。また、細長い被加工物専用の加工範囲や、Ｚ軸方向のみ大きな位置調整が要求されるような場合には、直列駆動系として１次元のものを採用しても良いことは言うまでもない。使用するレーザ発振器、レーザ光の伝送方法については、実施形態１，２と同様なので繰り返し説明は省略する。
【００７０】
【発明の効果】本発明のレーザ加工装置は、従来構造のレーザ加工装置と比較して、加工範囲を狭めることなく実質的な剛性を高めた構造を有しているので、高い加工精度を保ちながら高速の加工を行なうことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】炭酸ガスレーザを利用したレーザ加工装置を例にとり、従来のレーザ加工装置の概略構成を斜視図で示したものである。
【図２】２次元の並列駆動系を採用した実施形態１に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図（ａ）並びに側面図（ｂ）で示したものである。
【図３】（ａ）は第１軸、第２軸の長さＬ1 ，Ｌ2 を制御しても加工ヘッド５の位置を一意的に決めることが出来ない場合があることを説明する図であり、（ｂ）は、図２に示した実施形態について、この問題を回避するための角度範囲制限について説明する図である。
【図４】実施形態１で使用されている２本の伸縮アーム１０，２０の連結点Ｋにおける加工ヘッド５の支持構造について説明する図で、（ｂ）は図２中に示した加工ヘッド５の要部破断図、（ａ）は図４（ｂ）中に示したＡ−Ａ’に沿った断面図である。また、（ｃ）は（ｂ）中に示した構造を加工ノズル６の先端側から図である。
【図５】３次元の並列駆動系を採用した実施形態２に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を、上面図（ａ）並びに側面図（ｂ）で示したものである。
【図６】実施形態２で使用されている３本の伸縮アーム１０，２０，４０の連結点における加工ヘッド５の支持構造（継手構造）について説明する図で、（ｂ）は図５中に示した加工ヘッド５の要部破断図、（ａ）は図６（ｂ）中に示したＡ−Ａ’に沿った断面図である。
【図７】実施形態３に係るレーザ加工装置の加工機本体部の要部構成を上面図で示したものである。
【符号の説明】
１ レーザ加工装置
２ 炭酸ガスレーザ発振器
３ 数値制御装置（ＣＮＣ）
４ レーザ加工装置本体部
５ 加工ヘッド
６ 加工ノズル
６Ａ，８，１１，２１，３１，４１ ボールネジ
６Ｂ 直動ベアリング
７，９，１３，２３，３３，４３ サーボモータ
１０，２０，４０ 伸縮アーム
１２，２２，４２ カバー
１４，２４，４４ 支点
１５ 第１軸の支点１４の支柱
１６ 支柱１５の軸周りで回転自在な支柱側回転軸
１７ 第１軸支柱側スイングアーム軸
２５ 第２軸の支点２４の支柱
２６ 支柱２５の軸周りで回転自在な支柱側回転軸
２７ 第２軸支柱側スイングアーム軸
５１ 加工ヘッド基部
５２ 加工ヘッド回転軸
５３ 連結部
５４ 第２軸加工ヘッド外筒
５５ 第２軸加工ヘッド外筒５４とベアリングＢＲ２を覆う部材
５６，５９ 加工ヘッド回転軸固定用ナット
５７ 第３軸加工ヘッド外筒
５８ 第３軸加工ヘッド外筒５７とベアリングＢＲ４を覆う部材
５９ 加工ヘッド回転軸固定用ナット
６１ リニアガイド
６３ 加工ノズル支持部材
７０ 並列駆動系載置テーブル
７１ 開口部
１１１，２１１，３１１，４１１ ナット
４０１ 第３軸加工ヘッド側スイングアーム
４０２，４０２’ スイングアーム４０１の回転軸
ＢＲ１，ＢＲ２，ＢＲ３，ＢＲ４，ＢＲ５，ＢＲ６ ベアリング
Ｋ，Ｓ 連結点
ＬＢ レーザビーム
Ｍ１，Ｍ２ ミラー
ＭＸ Ｘ軸駆動リニアモータ
ＭＹ Ｙ軸駆動リニアモータ
Ｓ’ 加工点（レーザビームＬＢの入射点）
【特許請求の範囲】
【請求項１】 レーザ光を被加工物に照射する加工ヘッドと、該加工ヘッドを移動させるための駆動機構を有する加工機本体部を備えたレーザ加工装置であって、前記加工ヘッドを移動させるための駆動機構は、少なくとも２本の伸縮アームと、前記少なくとも２本の伸縮アームの各々を伸縮させるためのモータを備え、前記少なくとも２本の伸縮アームの各基部は支点に回転可能に支持され、前記加工ヘッドは、前記少なくとも２本の伸縮アームの伸縮に応じて位置決めされるように継手機構を介して前記少なくとも２本の伸縮アームに支持されている、前記レーザ加工装置。
【請求項２】 前記伸縮アームが２本設けられている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
【請求項３】 前記伸縮アームが２本設けられており、前記加工ヘッドには加工ヘッド先端部に設けられた加工ノズルの主軸方向位置を調整するための手段が搭載されている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
【請求項４】 前記伸縮アームが３本設けられている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
【請求項５】 レーザ光を被加工物に照射する加工ヘッドと、該加工ヘッドを移動させるための駆動機構を有する加工機本体部を備えたレーザ加工装置であって、前記加工ヘッドを移動させるための駆動機構は、並列駆動系と該並列駆動系を搭載した直列駆動系からなり、前記並列駆動系は、少なくとも２本の伸縮アームと、前記少なくとも２本の伸縮アームの各々を伸縮させるためのモータを備え、前記少なくとも２本の伸縮アームの各基部は支点に回転可能に支持され、前記加工ヘッドは、前記少なくとも２本の伸縮アームの伸縮に応じて位置決めされるように継手機構を介して前記少なくとも２本の伸縮アームに支持されている、前記レーザ加工装置。
【請求項６】 前記並列駆動系に伸縮アームが２本設けられている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
【請求項７】 前記並列駆動系に伸縮アームが３本設けられている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
【請求項８】 前記直列駆動系がＸＹ直列駆動系である、請求項５に記載されたレーザ加工装置。
【請求項９】 前記直列駆動系を駆動する駆動源にリニアモータが用いられている、請求項５に記載されたレーザ加工装置。
【請求項１】 レーザ光を被加工物に照射する加工ヘッドと、該加工ヘッドを移動させるための駆動機構を有する加工機本体部を備えたレーザ加工装置であって、前記加工ヘッドを移動させるための駆動機構は、少なくとも２本の伸縮アームと、前記少なくとも２本の伸縮アームの各々を伸縮させるためのモータを備え、前記少なくとも２本の伸縮アームの各基部は支点に回転可能に支持され、前記加工ヘッドは、前記少なくとも２本の伸縮アームの伸縮に応じて位置決めされるように継手機構を介して前記少なくとも２本の伸縮アームに支持されている、前記レーザ加工装置。
【請求項２】 前記伸縮アームが２本設けられている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
【請求項３】 前記伸縮アームが２本設けられており、前記加工ヘッドには加工ヘッド先端部に設けられた加工ノズルの主軸方向位置を調整するための手段が搭載されている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
【請求項４】 前記伸縮アームが３本設けられている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
【請求項５】 レーザ光を被加工物に照射する加工ヘッドと、該加工ヘッドを移動させるための駆動機構を有する加工機本体部を備えたレーザ加工装置であって、前記加工ヘッドを移動させるための駆動機構は、並列駆動系と該並列駆動系を搭載した直列駆動系からなり、前記並列駆動系は、少なくとも２本の伸縮アームと、前記少なくとも２本の伸縮アームの各々を伸縮させるためのモータを備え、前記少なくとも２本の伸縮アームの各基部は支点に回転可能に支持され、前記加工ヘッドは、前記少なくとも２本の伸縮アームの伸縮に応じて位置決めされるように継手機構を介して前記少なくとも２本の伸縮アームに支持されている、前記レーザ加工装置。
【請求項６】 前記並列駆動系に伸縮アームが２本設けられている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
【請求項７】 前記並列駆動系に伸縮アームが３本設けられている、請求項１に記載されたレーザ加工装置。
【請求項８】 前記直列駆動系がＸＹ直列駆動系である、請求項５に記載されたレーザ加工装置。
【請求項９】 前記直列駆動系を駆動する駆動源にリニアモータが用いられている、請求項５に記載されたレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図５】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図２】
【図５】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開平９−２０１６９１
【公開日】平成９年（１９９７）８月５日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平８−２８７３７
【出願日】平成８年（１９９６）１月２４日
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【公開日】平成９年（１９９７）８月５日
【国際特許分類】
【出願日】平成８年（１９９６）１月２４日
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
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