JPH04289038A - レーザ加工可能な複合型工作機械 - Google Patents

レーザ加工可能な複合型工作機械

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JPH04289038A
JPH04289038A JP3051114A JP5111491A JPH04289038A JP H04289038 A JPH04289038 A JP H04289038A JP 3051114 A JP3051114 A JP 3051114A JP 5111491 A JP5111491 A JP 5111491A JP H04289038 A JPH04289038 A JP H04289038A
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JP
Japan
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processing
axis
tool
spindle
laser beam
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JP3051114A
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Ryuji Suzuki
竜二 鈴木
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Fanuc Corp
Original Assignee
Fanuc Corp
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Publication date
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    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/14—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring using a fluid stream, e.g. a jet of gas, in conjunction with the laser beam; Nozzles therefor
    • B23K26/1462—Nozzles; Features related to nozzles
    • B23K26/1482—Detachable nozzles, e.g. exchangeable or provided with breakaway lines
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    • B23K26/0093—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring combined with mechanical machining or metal-working covered by other subclasses than B23K
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    • B23K26/0853—Devices involving movement of the workpiece in at least in two axial directions, e.g. in a plane
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23P23/04—Machines or arrangements of machines for performing specified combinations of different metal-working operations not covered by a single other subclass for both machining and other metal-working operations
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23Q3/00—Devices holding, supporting, or positioning work or tools, of a kind normally removable from the machine
    • B23Q3/155—Arrangements for automatic insertion or removal of tools, e.g. combined with manual handling
    • B23Q3/157—Arrangements for automatic insertion or removal of tools, e.g. combined with manual handling of rotary tools
    • B23Q3/15713—Arrangements for automatic insertion or removal of tools, e.g. combined with manual handling of rotary tools a transfer device taking a single tool from a storage device and inserting it in a spindle

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は加工機能を多機能化した
工作機械に関し、特に、切削加工用工具と、内部にレー
ザ光集光用のレンズを備えたアーバとを交換可能とする
ことにより、接触式の切削加工と非接触式の加工処理（
例えば熱処理等の表面硬化処理）を一台の工作機械が交
互的に実施可能としたレーザ加工可能な複合型工作機械
に関する。
【０００２】
【従来の技術】金属切削加工用の工作機械は、一般に工
具主軸とワークテーブルとが直交する３軸方向、すなわ
ち工具主軸の軸線方向（Ｚ軸）及びＺ軸と直交しかつ相
互に直交する他の２軸線方向（Ｘ軸，Ｙ軸）の３軸方向
に相対的に移動可能に構成され、ワークテーブル上に載
置した被加工ワークに対し工具主軸が回転かつ３次元的
に相対移動することにより切削加工を実施する。このと
き工具主軸へ所望の工具を自動的に着脱交換するために
、いわゆる自動工具交換装置を備えたものもある。この
種の工作機械では、加工精度を維持するために、ワーク
をワークテーブル上に強固に取り付けなければならず、
ワークの保持構造も加工時の外力に耐え得る強度を備え
る必要がある。
【０００３】一方、炭酸ガス等を用いた高出力レーザ光
を利用して材料の切断，溶接，熱処理等を行うレーザ加
工機が近年実用化されている。レーザ光は指向性が高く
、微小部分にエネルギーを集中できるため、レーザ加工
機によれば極めて小径の穴あけや複雑パターンの切断が
正確かつ容易に実施でき、また脆弱な材料、柔軟な材料
の加工も可能である。さらに、加熱エネルギーを調節す
ることにより、金属材料の溶接や表面の熱処理も実施で
きる。金属加工用のレーザ加工機は、一般に加工主軸と
ワークテーブルとがレーザ光の光軸に直交する２軸方向
（Ｘ軸，Ｙ軸）に相対移動可能に構成されており、ワー
クテーブル上に載置した被加工ワークに対し２次元的な
加工を実施する。これは、レーザ加工が厚板の切断や穴
あけに不向きなため、３次元的移動を必要としないこと
による。もちろん、薄板加工の場合にワークの板厚等に
よるレーザ光焦点のずれを修正するため、わずかな距離
だけＺ軸方向への移動を可能としたものもある。レーザ
加工機におけるワークテーブル上でのワーク支持は、前
述の切削加工工作機械の場合と異なり、レーザ加工が非
接触タイプの加工であるために強固に固定する必要が無
い代わりに、ワークを通り抜けるレーザ光を考慮してワ
ークテーブルを間隙の多い構造としている。
【０００４】この種のレーザ加工機においては、加熱エ
ネルギーや加熱時間を適切に制御することにより金属表
面に対して焼入れ等の熱処理が可能である。特にレーザ
による表面硬化処理は、熱処理の他に被覆，合金化，衝
撃硬化等が可能であるが、いずれも微小部分に対して精
密加工を実施するものであり、他の硬化処理法に比較し
て処理時間が極めて短く熱応力や熱歪みを小さくできる
利点がある。また、加熱炉や冷却装置を必要とせず、加
熱エネルギー等の制御のみで切断及び表面処理を一台の
レーザ加工機で交互的に実施できる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のレーザ加工機は
、レーザ光の焦点付近でのみ作業するため、また高出力
を得るには極めて高いコストを要するため、前述のよう
に厚板や３次元的な複雑形状を有するワークの切削加工
には不向きである。したがってこのような立体的形状を
有する金属ワークを切削し、その後このワークをレーザ
加工により表面硬化処理しようとする場合には、一台の
レーザ加工機での連続作業が不可能であり、切削工作機
械による切削加工を必要とした。このとき、切削工作機
械からレーザ加工機へワークを移す手間を省き、作業工
程のプログラム化を容易にし、装置規模を縮小するため
に、一般的な切削工作機械とレーザ加工機とを一台の機
械に複合化する試みが為されている。
【０００６】しかしながら、こうした複合化の隘路とな
っているのが、前述のような切削工作機械とレーザ加工
機との構造及び動作形態における差異であった。すなわ
ち、複合型工作機械において、ワークテーブル上での被
加工ワークの強固な支持、レーザ加工主軸のＺ軸方向移
動距離の増加、切削屑や切削油に対するレーザ光集光レ
ンズの保護等が課題となっている。本発明の目的は、レ
ーザ加工の機能を表面硬化処理に限定し、工具による切
削加工とレーザ光による表面処理加工を連続して実施可
能な工作機械であって、上記の課題を解決できるととも
に、作業の迅速化、装置規模の縮小を可能とする複合型
工作機械を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は一般的な切削工作機械の加工主軸を中空構
造として、加工主軸後方から加工主軸の軸線に平行にレ
ーザ光を案内し、加工主軸先端に設けた切削工具の工具
把持部に着脱自在にレーザ加工用アーバを装着可能とし
、そして、加工の種類に対応して切削工具とレーザ加工
用アーバとを工具交換手段により適宜交換可能な構造と
する。
【０００８】すなわち、本発明が提供するレーザ加工可
能な複合型工作機械は、静止機台上で直交する２軸（Ｘ
軸，Ｙ軸）方向に移動可能なワークテーブルと、ワーク
テーブルに対して上記２軸の両者に直交する１軸（Ｚ軸
）方向に移動可能な加工主軸とを備え、加工主軸先端に
切削工具を着脱自在に装着する工具把持部を有してなる
工作機械において、上記加工主軸中に上記Ｚ軸方向に延
設した所定口径の直線貫通路と、上記加工主軸の後端か
ら上記貫通路内を、上記Ｚ軸に平行にレーザ光を案内か
つ直進させるレーザ光路手段と、上記加工主軸先端の工
具把持部に着脱自在な装着部を有すると共にレーザ光出
射手段を備えたレーザ加工用アーバと、上記切削工具と
上記レーザ加工用アーバとを交換する工具交換手段、と
をさらに具備して構成されるものである。
【０００９】また、好適な実施態様によれば、上記レー
ザ加工用アーバの装着部は上記加工主軸先端の工具把持
部に密着する形状を有し、上記レーザ光出射手段は上記
レーザ加工用アーバ中に延設した貫通孔内部に固定配置
されるレーザ光集光用のレンズからなるようにしてもよ
い。
【００１０】
【作用】上記構成において、まずワークに対して切削加
工を実施する場合には、切削工具を加工主軸先端に装着
し、加工主軸を回転かつワークテーブルに対して直交３
軸座標内で相対移動してワークを３次元的に切削加工す
る。続いてレーザ加工を実施する場合には、ワークをワ
ークテーブルに固定したまま、切削工具をレーザ加工用
アーバに交換し、加工主軸後端からレーザ光を入射させ
る。レーザ光はレーザ加工用アーバ内に設置したレーザ
光出射手段により焦点を形成し、ワークに対してレーザ
加工を施す。このときレーザ光の入射方向は、レーザ光
路手段により加工主軸の移動方向（Ｚ軸方向）に合致さ
れるため、レーザ光を照射しつつ加工主軸をＺ軸方向に
移動することが可能であり、これにより立体形状のワー
ク表面の所望部位にレーザ光を合焦させることができる
。
【００１１】
【実施例】以下、添付図面を参照して本発明の一実施例
を説明する。図１及び図２は、本発明の一実施例による
レーザ加工可能な複合型工作機械１０（以下、工作機械
１０という）を示す。工作機械１０は、床面に設置した
静止機台であるベッド１２上にコラム１４を立設し、コ
ラム１４には主軸頭１６を上下方向（Ｚ軸方向）に移動
可能に配設する。主軸頭１６は、コラム１４の前面に上
下方向に延設したレール１８を介して図示しないモータ
の駆動によりＺ軸方向に移動する。また、コラム１４に
支持された主軸頭１６の下方には、ベッド１２上にサド
ル２０がコラム１４に対して前後方向、すなわち上記Ｚ
軸に直交するＹ軸方向に図示しないモータの駆動により
移動可能に設置され、このサドル２０の上面にワークテ
ーブル２２がコラム１４に対して左右方向、すなわち上
記Ｚ軸及びＹ軸の両軸に直交するＸ軸方向に図示しない
モータの駆動により移動可能に設置される。これにより
主軸頭１６とワークテーブル２２とはＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸
で構成される３次元空間において相対移動する。
【００１２】主軸頭１６の前端には上下方向に延びる円
筒状の穴２４を設け、この穴２４内にころ軸受２６を介
して回転可能に加工主軸２８を配置する。加工主軸２８
は主軸頭１６の移動方向すなわちＺ軸方向に平行な軸心
に関して主軸モータ３０の駆動により回転する。主軸モ
ータ３０は支柱３２により主軸頭１６の上面に支持され
、駆動プーリ３４、ベルト３６及び従動プーリ３８を介
して加工主軸２８の上端に連結し、加工主軸２８を回転
駆動する。加工主軸２８の下端には、切削工具を保持し
たアーバ４０（図３参照）を着脱自在に取着する工具把
持部４１を形成する。切削加工時には、工具把持部４１
にアーバ４０を装着し、加工主軸２８の回転によりワー
クテーブル２２上に固定した被加工ワークＷを３次元的
に切削加工する。アーバ４０が保持する切削工具の軸心
は、当然のことながら加工主軸２８の軸心に一致する。
【００１３】このような構造及び動作は公知の切削工作
機械と同様のものであるが、本発明による工作機械１０
の加工主軸２８は、以下に述べる特徴的構造を有するた
め、その移動方向はＺ軸方向のみに限定し、ワークテー
ブル側を他の２方向に移動可能とする必要がある。加工
主軸２８は、図１に示したように内部を長手方向に直線
状に貫通する貫通路４２を備えた中空の円筒形状を有し
、その下端に同様に貫通孔４４を備えた中空のレーザ加
工用アーバ４６を着脱自在に装着できるようになってい
る。加工主軸２８の貫通路４２には、加工主軸２８の上
方からレーザ光（図１に点線で示す）が入射する。レー
ザ光は、工場内の適所に配置された発振装置４８から照
射され、必要に応じて１個又は複数個のミラー５０によ
り案内されて加工主軸２８の上方から貫通路４２に進入
する。加工主軸２８内へのレーザ光の入射経路はミラー
５０の設置位置及び角度調節により加工主軸２８の軸心
に合致され、従ってレーザ光は加工主軸２８の移動方向
（Ｚ軸方向）と同一方向に入射する。加工主軸２８の上
方には、レーザ光を保護するための管５２を配設する。 管５２は加工主軸２８のＺ軸方向への移動を許容するた
めに、図１に示したように入れ子式に伸縮自在になって
いる。ミラー５０及び管５２は、本発明のレーザ光路手
段を構成する。
【００１４】レーザ加工用アーバ４６は、加工主軸２８
の工具把持部４１に密着する装着部４７を上部に備え、
また内部の貫通孔４４にレーザ光出射手段としてレーザ
光集光用のレンズ５４を固定して備える。レンズ５４を
通ったレーザ光は、アーバ４６の下方で焦点を形成し、
ワークＷに対し表面処理加工を実施する。アーバ４６の
上方部分に設けた装着部４７はテーパ状になっており、
その上端にいわゆるプルスタッド式の係止部５６を有す
る。レーザ加工用アーバ４６の装着部４７の構造は図４
に示した前述のアーバ４０の上方部分の構造と同一であ
り、レーザ加工用アーバ４６と切削工具を保持したアー
バ４０とを公知形式の工具交換装置５８（図２）によっ
て交換できる構造となっている。
【００１５】図２に示したように、工具交換装置５８は
、加工主軸２８の側方に配置したシャフト６０と、シャ
フト６０の下端に位置して２個のアーバをその両端に着
脱自在に把持可能なアーム６２とを備える。シャフト６
０の上端は横方向に延びるロッド６４に連結し、ロッド
６４の他端がコラム１４の上面に旋回可能に支持される
。シャフト６０及びアーム６２は通常は加工主軸２８か
ら離れた位置に置かれ、アーバ交換時には、ベッド１２
の側方に設置した工具保管棚６６からアーム６２の一端
に所望のアーバ（図３ではアーバ４０）を受け取り、加
工主軸２８の側方に移動してアーム６２の他端で加工主
軸２８に装着しているアーバ（図３ではアーバ４６）を
把持する。この状態でシャフト６０が降下して（又は主
軸頭１６が上昇して）加工主軸２８からレーザ加工用ア
ーバ４６を取り外し、アーム６２が回転してアーバ４０
を加工主軸２８に取り着ける（図３）。外されたアーバ
４６は工具保管棚６６に移送して保管される。加工主軸
２８へのアーバの着脱は、各アーバの上端に設けた係止
部５６を加工主軸２８側に設けた図示しない係留機構に
よって係留又は解放することにより実施される。
【００１６】上記構成において、工作機械１０はまずワ
ークＷの切削加工時には、ワークテーブル２２上へワー
クＷを堅固に固定し、工具交換装置５８により切削工具
を保持したアーバ４０を加工主軸２８へ装着する。そし
て主軸モータ３０の駆動により加工主軸２８を回転し、
主軸頭１６とワークテーブル２２との相対移動によりワ
ークＷに対して３次元的な切削加工を実施する。このと
きレーザ光集光用のレンズ５４を備えたアーバ４６は工
具保管棚６６に収容されているため、切削加工時の切削
屑や切削油からレンズ５４を保護することができる。
【００１７】続いてワークＷの表面処理加工時には、ワ
ークＷをワークテーブル２２上に固定したままの状態で
、工具交換装置５８によりアーバ４０をレーザ加工用ア
ーバ４６に交換する。そして発振装置４８の作動により
生成したレーザ光をミラー５０を介して加工主軸２８の
貫通路４２へ案内し、アーバ４６の先端からワークＷの
表面にレーザ光を照射する。このレーザ光は表面硬化処
理用にエネルギーを制御されたものであり、ワークＷを
貫通することがないためワークテーブル２２の継続使用
が可能となっている。また、加工主軸２８内でのレーザ
光の入射方向が加工主軸２８の移動方向すなわちＺ軸方
向に一致するため、立体的形状を有するワークＷ表面の
所望の微小部分にレーザ光の焦点を合わせるように加工
主軸を移動することが可能となっている。
【００１８】
【発明の効果】本発明は、中空構造の加工主軸の後方か
らレーザ光を入射させ、加工主軸先端にレーザ光出射手
段を備えたレーザ加工用アーバを着脱自在に装着でき、
さらにこのアーバを切削工具と交換可能な構造としたた
め、切削加工とレーザ加工とが１台の機械で交互的に実
施可能となり、作業の迅速化、装置規模の縮小が計れる
。しかも、加工主軸内へのレーザ光の入射方向がレーザ
光路手段により加工主軸の移動方向（Ｚ軸方向）に合致
されているため、レーザ光を照射しつつ加工主軸を移動
させて焦点位置を変えることができ、これにより立体的
な複雑形状のワーク表面の所望部位にレーザ加工を施す
ことが可能となる。また、切削加工時にはレーザ加工用
アーバを加工主軸から離して保管できるため、切削屑や
切削油からレーザ光出射手段であるレンズを保護するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例によるレーザ加工可能な複合
型工作機械の側面図で、加工主軸部分を断面で示す図で
ある。
【図２】図１の複合型工作機械の正面図である。
【図３】図１の複合型工作機械におけるアーバ交換時の
動作説明図である。
【符号の説明】
１２…ベッド １４…コラム １６…主軸頭 ２２…ワークテーブル ２８…加工主軸 ３０…主軸モータ ４０…工具保持アーバ ４２…貫通路 ４６…レーザ加工用アーバ ４８…発振装置 ５０…ミラー ５２…管 ５４…レンズ ５８…工具交換装置

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　静止機台上で直交する２軸（Ｘ軸，Ｙ
    軸）方向に移動可能なワークテーブルと、該ワークテー
    ブルに対して前記２軸の両者に直交する１軸（Ｚ軸）方
    向に移動可能な加工主軸とを備え、該加工主軸先端に切
    削工具を着脱自在に装着する工具把持部を有してなる工
    作機械において、前記加工主軸中に前記Ｚ軸方向に延設
    した所定口径の直線貫通路と、前記加工主軸の後端から
    前記貫通路内を、前記Ｚ軸に平行にレーザ光を案内かつ
    直進させるレーザ光路手段と、前記加工主軸先端の工具
    把持部に着脱自在な装着部を有すると共にレーザ光出射
    手段を備えたレーザ加工用アーバと、前記切削工具と前
    記レーザ加工用アーバとを交換する工具交換手段、とを
    さらに具備して構成され、切削加工とレーザ加工とを複
    合的に実施可能な複合型工作機械。
  2. 【請求項２】　　前記レーザ加工用アーバの装着部は前
    記加工主軸先端の工具把持部に密着する形状を有し、前
    記レーザ光出射手段は前記レーザ加工用アーバ中に延設
    した貫通孔内部に固定配置されるレーザ光集光用のレン
    ズからなる、請求項１記載の複合型工作機械。
JP3051114A 1991-03-15 1991-03-15 レーザ加工可能な複合型工作機械 Pending JPH04289038A (ja)

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JP3051114A JPH04289038A (ja) 1991-03-15 1991-03-15 レーザ加工可能な複合型工作機械
PCT/JP1992/000314 WO1992016334A1 (en) 1991-03-15 1992-03-16 Laser-workable combination type machine tool

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