激光加工方法及加工裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種旋轉體的激光加工方法及加工裝置，其提高了加工結束判斷的精度。本發明的激光加工方法，一邊保持并旋轉加工對象物（w）一邊將激光（L）按照其照射方向相對于加工對象物（w）的旋轉中心（C）偏離的配置方式照射，從而對加工對象物（w）進行加工，其中，使激光（L）在加工對象物（w）的表面進行反射，將該反射光投影到屏幕，并通過隨著加工進行的投影光的位置的變化、直徑的變化、及振動的變化等來判定加工終點。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種用于旋轉體的形狀形成或表面研磨的激光加工方法及加工裝置。 激光加工方法及加工裝置
【背景技術】
[0002] 在使圓柱狀或圓筒狀的加工對象物繞其中心軸旋轉并將激光從其中心軸偏離地 進行照射的激光加工(旋轉體的激光加工）中，隨著加工的進行，加工對象物表面上的激光 的入射角發生變化，因此每單位時間的加工去除量也發生變化。因此，難以根據進行加工去 除的體積等來估量所需的加工時間，需要以其他方法來判斷加工結束。
[0003] 作為判斷加工結束的以往的方法，例如在專利文獻1中提倡在加工之后不久，通 過圖像來測定尺寸形狀并確認是否已獲得加工形狀的方法。
[0004] 并且，專利文獻2中記載有以激光加工中的發射光的強度來進行結束判斷的方 法。
[0005] 專利文獻1 :日本專利公開平07-116873號公報
[0006] 專利文獻2 :日本專利公開平07-124766號公報
[0007] 專利文獻1的方法中，存在因重復形狀的確認及再加工而處理花費時間的問題。 專利文獻2的方法中，存在激光照射部的發光強度受加工對象物的內部組成的起伏等的影 響，因此難以精度良好地將發光強度與當前加工量建立對應關聯的問題。
【發明內容】
[0008] 本發明是鑒于這種情況而完成的，其目的在于提供一種提高了加工結束判斷的精 度的激光加工方法及加工裝置。
[0009] 本發明為一種激光加工方法，其一邊保持并旋轉加工對象物一邊將激光按照其照 射方向相對于所述加工對象物的旋轉中心偏離的配置方式照射，以此來對所述加工對象物 進行加工，其特征在于，使所述激光在所述加工對象物的表面反射，并通過隨著加工進行的 反射光的變化來判定加工終點。
[0010] 若一邊使加工對象物旋轉一邊照射激光來進行加工，則激光在加工對象物的表面 進行反射。該反射光中，由于配置成激光的照射方向相對加工對象物的旋轉中心偏離，因 此隨著加工進行的激光的照射位置上的射束直徑、照射位置等的變化將擴大反映于反射光 中。根據因該反射光而擴大的激光的變化，能夠判定加工終點，且能夠進行高精度的判定。 例如，加工對象物的表面上的射束直徑和照射位置的微米單位的變化在反射光中能夠增幅 為毫米單位，根據該增幅的反射光的變化能夠高精度地判定加工終點。
[0011] 在本發明的激光加工方法中，能夠根據與所述激光的加工位置的變化對應的所述 反射光的位置的變化來判定所述加工終點。
[0012] 來自加工對象物的反射光的位置的變化相對于激光的加工位置的變化而擴大，因 此能夠根據其反射光的位置變化來高精度地進行終點判定。
[0013] 并且，本發明的激光加工方法中，能夠根據與所述加工對象物的表面狀態對應的 所述反射光的直徑的變化來判定所述加工終點。
[0014] 對加工對象物的表面進行研磨時，若加工對象物的表面粗糙，則激光的反射光的 直徑因激光的漫反射而增大，表面越平滑則越小。能夠根據該反射光的直徑的變化來判定 加工對象物的表面研磨的終點。
[0015] 本發明的加工方法中，能夠根據與所述加工對象物的半徑方向尺寸的局部變化對 應的反射光的振動的變化，判定所述加工終點。
[0016] 在加工對象物的表面存在局部突起等時，激光的反射方向因突起而發生變化而產 生反射光的振動。該振動的幅度因隨著加工進行的突起的縮小而變小。因此，反射光的振 幅的減少達到基準值時即可判定為加工終點。
[0017] 本發明的激光加工方法中，將所述反射光投影到屏幕，并根據其投影光來檢測所 述反射光的變化即可。
[0018] 通過將反射光的運動投影到屏幕，能夠以肉眼觀察等來輕松且正確地判定加工終 點。
[0019] 本發明為一種激光加工裝置，其具備：工件保持構件，保持并旋轉加工對象物；及 激光照射構件，將激光按照其照射方向相對于旋轉中心偏離的配置方式向所述加工對象物 照射來對所述加工對象物進行加工，其特征在于，具有能夠通過在所述加工對象物的表面 反射的所述激光的反射光的變化來判定加工終點的終點判定構件。
[0020] 根據本發明，由于通過反射光來擴大隨著加工進行的激光的位置和射束直徑的變 化，因此能夠根據該擴大的反射光的變化來高精度地判定加工終點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021] 圖1是表示本發明所涉及的激光加工裝置的整體結構圖。
[0022] 圖2是示意表示將向加工對象物照射的激光的反射光投影到屏幕的狀態的立體 圖。
[0023] 圖3是說明對加工對象物的外徑進行加工的激光與其反射光之間的關系的示意 圖。
[0024] 圖4是說明對加工對象物的表面進行研磨的激光與其反射光之間的關系的示意 圖。
[0025] 圖5是說明加工對象物的表面上的激光的反射狀態的示意圖。
[0026] 圖6是表示研磨加工的加工時間與投影光的直徑的變化之間的關系的曲線圖。
[0027] 圖7是說明在加工對象物表面存在突起時的激光的反射狀態的示意圖。
[0028] 符號說明
[0029] 1-激光加工裝置，2-激光照射構件，3-工件保持構件，4-終點判定構件，5-控制 構件，11-激光光源，12-射束調整部，13-電流掃描儀，14-聚光透鏡，21-卡盤，22-旋轉機 構，23x-x軸工作臺，23y-y軸工作臺，23z-z軸工作臺，31-受光構件，32-判定部，33-屏幕， 34-拍攝構件，35-拍攝設備，36-移動構件，36a-導軌，L-激光，R-反射光，S-投影光，w-加 工對象物，ml、m2-反射鏡。
【具體實施方式】
[0030] 以下，參考附圖對本發明所涉及的激光加工方法及激光加工裝置的一實施方式進 行說明。
[0031] 首先，對激光加工裝置的實施方式進行說明。如圖1所示，該實施方式的激光加工 裝置1是對加工對象物W照射激光L來進行加工的裝置，其具備：激光照射構件2,對加工對 象物w照射激光L ;工件保持構件3,具有能夠在保持加工對象物w的狀態下進行旋轉及沿 x、y、z軸方向移動的工作臺；終點判定構件4,能夠通過在加工對象物w的表面進行反射的 激光L的反射光R的變化來判定加工終點；及控制構件5,由控制上述構件的計算機構成。
[0032] 激光照射構件2例如具備使激光L以恒定的重復頻率脈沖振動的激光光源11、調 整激光L的擴展的射束調整部12、掃描所照射的激光L的電流掃描儀13、將激光L聚光成 斑點狀的聚光透鏡14、及使光路彎曲的多個反射鏡ml、m2。
[0033] 激光光源11能夠使用能夠照射波長為190nm?llOOnm的激光的光源，例如在本 實施方式中，使用能夠振蕩射出波長為355nm的激光的光源。
[0034] 工件保持構件3具有把持加工對象物w的卡盤21、旋轉該卡盤21的旋轉機構22、 及能夠搭載該旋轉機構22而沿x、 y、z軸方向移動的工作臺23x?23z。具體而言，構成為 具備能夠沿與水平面平行的X方向移動的X軸工作臺部23x、設置于該X軸工作臺部23x下 而能夠沿相對于X方向垂直且與水平面平行的y方向移動的y軸工作臺部23y、及設置于y 軸工作臺部23y下且能夠沿相對于水平面垂直的方向移動的z軸工作臺部23z。
[0035] 終點判定構件4具備：受光構件31，接收在加工對象物w的表面進行反射的激光L 的反射光R ;及判定部32,由根據該受光構件31所接收的反射光R來判定加工終點的計算 機構成。
[0036] 受光構件31在本實施方式中由投影反射光R的屏幕33、及對投影到該屏幕33上 的反射光R的投影光S的運動進行觀察的拍攝構件34構成。屏幕33在圖示例的情況下， 其表面沿垂直方向（z軸方向)設置，但只要是能夠投影反射光R的姿勢，則無需一定是垂直 方向，也可為相對于垂直方向傾斜的姿勢，并且，除平面狀外也可為圓弧面狀等。并且，本實 施方式中使用透射型屏幕。
[0037] 拍攝構件34中，如C⑶攝像機等拍攝設備35配置于透射型的屏幕33的背部，且 具備移動機構36以便能夠追蹤屏幕33上的投影光S的移動。移動機構36在本實施方式 的情況下，由于投影光S沿垂直方向移動，因此為使拍攝設備35在沿垂直方向的導軌36a 上進行上下移動的結構。
[0038] 將屏幕設為反射型時，可在屏幕的前面(反射面）的前方配置拍攝構件。
[0039] 判定部32中預先存儲有屏幕33上的終點位置的坐標，因此如后述當投影光S在 屏幕33上到達其終點位置時判定為加工終點。該判定部32如圖1所示設置于控制部5。
[0040] 接著，對利用該激光加工裝置1對加工對象物W進行加工的方法進行說明。
[0041] 首先，對進行縮小加工對象物w的外徑的加工等形狀加工的情況進行說明。
[0042] 在工件保持構件3的卡盤21上保持加工對象物w，控制激光L和工作臺部23x? 23z來對加工對象物w照射激光L，并通過旋轉機構22 -邊旋轉加工對象物w -邊加工成 所希望的外徑。此時，對相對于加工對象物w的中心軸C沿水平方向（y軸方向）偏離的位 置照射激光L。
[0043] 在對加工對象物w進行加工時，激光L的一部分在加工對象物w的表面進行反射。 將受光構件31的屏幕33配置成接受該反射光R，并將反射光R投影到屏幕33。加工對象 物w隨著基于激光L的加工的進行而直徑縮小，表面位置與其直徑的縮小對應地發生變化。 因此，激光L在加工對象物w的表面的反射位置與加工進行對應地沿z軸方向發生變化，并 且，表面的曲率半徑變小，因此朝向加工對象物w的入射角（與加工對象物表面的法線所成 的角度)也逐漸變大。與該反射位置及入射角的變化對應地，反射光R的直徑的擴大及反射 方向發生變化，屏幕33上的投影光S的大小及投影位置也發生變化。
[0044] 本發明根據該反射光R的投影光S的移動狀態判定加工結束時間。
[0045] 參考圖3對該形狀加工時的加工結束判定的具體方法進行說明。
[0046] 圖3是將圓柱形的加工對象物w的半徑從&進行外徑校正至&時的加工方法。 進行該加工時，通過加工對象物表面上的激光的中心(光軸)的z軸方向的位置變化，而非通 過激光的直徑的擴大的變化來判定加工終點。
[0047] 將激光的光軸(使用與圖1的激光相同的符號)L的y坐標（自加工對象物w的旋轉 中心的水平距離）保持為恒定值a而沿垂直方向（z軸方向）對加工對象物w照射激光。并 且，屏幕33例如垂直配置在與加工對象物w的旋轉中心C相距Η的位置。
[0048] 隨著加工的進行，來自加工對象物w的反射光的中心從圖3的心移動至札，屏幕 33上的投影光的中心從初始位置 Ζ(ι向-ζ方向移動。該投影光的中心在到達相當于加工對 象物w的加工結束點即半徑ri時的z坐標的值即 Zl時判定為加工結束即可。
[0049] 該加工結束位置的坐標Zl通過以下關系式求出。
[0050] [式 1]
[0051] c〇s6?/; =- ...[1] zn=t'X'L U …[2] (η = 0,1) rn tm20n
[0052] n=0表示加工初始，n=l表示加工結束時間。
[0053] 根據上式，例如將初始值設為ι^δΟπιπι、a=38mm、L=300mm時，ζ。^ -8. 7mm。可知， 若沿半徑方向加工100 μ m，并設為1^=49. 9mm，則Zi ^ -10. 1mm，ζ。與Zi的差分Δ ζ成為約 1.4mm，投影光的移動量與加工對象物w表面上的加工量相比更大幅地擴大。另外，ΛΖ能 夠通過改變距離Η和屏幕相對于ζ軸的傾斜角來進一步提高。
[0054] 如此，根據該方法，通過配置成激光L的照射方向相對于加工對象物w的旋轉中心 C偏離，從而隨著加工進行的激光L的照射位置的變化擴大反映于反射光，根據屏幕33上的 投影光的位置變化能夠輕松地判定加工終點，能夠進行高精度的判定。
[0055] 接著，參考圖4至圖6對研磨加工對象物w的表面時的加工結束判定進行說明。
[0056] 該研磨加工中，投影光S的大小等變化能夠成為加工結束的判斷基準。圖4示意 示出加工對象物w的表面粗糙度與投影光S的大小之間的關系，當加工對象物w的表面上 存在充分小于激光L的光斑直徑的凹凸時，因該凹凸而產生散射，因此投影光S的直徑比在 平滑的表面反射時變得更大。隨著激光加工的進行，加工對象物w平滑化，因此投影光S的 直徑減小。如在圖5中放大表示，在表面的凹凸較大的加工初始狀態下，激光L的反射光因 漫反射而如實線箭頭所示擴展，因此如前所述般投影光的直徑變大，相反，加工結束時已平 滑化的加工對象物W的表面上如圖5的雙點劃線箭頭所示，反射光的擴展減小，由此，投影 光的直徑也變小。
[0057] 圖6在曲線圖中示出該投影光的直徑的變化，將該投影光的直徑達到預先設定的 基準值時設為加工結束時間即可。
[0058] 另外，加工對象物w表面的凹凸的大小比激光L的光斑直徑大相同程度以上，且加 工對象物w的半徑方向尺寸局部性地發生變化時，隨著加工對象物w的旋轉，投影光因凹凸 而以不規則振動的方式運動，因此將該振動的振幅設為基準即可。圖7中，示出在加工對象 物w的表面的激光L所照射的位置上存在較大突起P的情況，若加工對象物w進行旋轉，則 激光L的反射光R的反射方向例如以在實線箭頭和雙點劃線箭頭之間振動的方式移動。隨 著加工的進行，若突起P變小，則反射光R的振幅也變小，因此投影到屏幕上時，投影光的移 動的振幅也減小。該振幅成為預先設定的基準值以下時判定為加工結束即可。
[0059] 另外，本發明并非限定于上述實施方式，在不脫離本發明的宗旨的范圍內能夠進 行各種改變。
[0060] 例如，作為接受反射光的受光構件，可為屏幕33與拍攝構件34的組合以外的結 構。例如，可為如下結構，即在進行形狀加工時，在反射光R的移動路徑上排列多個光電轉 換元件，通過與加工終點位置對應的光電轉換元件的受光來判定加工終點的結構。并且，進 行表面研磨時，通過多個光電轉換元件接收反射光，且隨著其直徑縮小的可受光的光電轉 換元件的個數減少，因此將減少至預先設定的個數為止時判定為加工結束即可。并且，在 加工對象物的表面上存在較大的突起時，也能夠沿反射光的振動方向排列多個光電轉換元 件，并通過在反射光的振動范圍內進行受光的光電轉換元件的個數的減少來判定加工結束 即可。這些情況下，不僅是投影光，反射光R也直接被光電轉換元件接受。
【權利要求】
1. 一種激光加工方法，其一邊保持并旋轉加工對象物一邊將激光按照其照射方向相對 于所述加工對象物的旋轉中心偏離的配置方式照射，以此來對所述加工對象物進行加工， 所述激光加工方法的特征在于， 使所述激光在所述加工對象物的表面反射，并通過隨著加工進行的反射光的變化來判 定加工終點。
2. 根據權利要求1所述的激光加工方法，其特征在于， 根據與所述激光的加工位置的變化對應的所述反射光的位置的變化來判定所述加工 終點。
3. 根據權利要求1所述的激光加工方法，其特征在于， 根據與所述加工對象物的表面狀態對應的所述反射光的直徑變化來判定所述加工終 點。
4. 根據權利要求1所述的激光加工方法，其特征在于， 根據與所述加工對象物的半徑方向尺寸的局部變化對應的反射光的振動的變化來判 定所述加工終點。
5. 根據權利要求1?4中任一項所述的激光加工方法，其特征在于， 將所述反射光投影到屏幕上，并根據該投影光來檢測所述反射光的變化。
6. -種激光加工裝置，其具備：工件保持構件，保持并旋轉加工對象物；及激光照射構 件，將激光按照其照射方向相對于旋轉中心偏離的配置方式向所述加工對象物照射來對所 述加工對象物進行加工，所述激光加工裝置的特征在于，具有： 終點判定構件，能夠通過在所述加工對象物的表面反射的所述激光的反射光的變化來 判定加工終點。
【文檔編號】B23K26/00GK104107981SQ201410155230
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月17日 優先權日:2013年4月17日
【發明者】久保拓矢, 高橋正訓, 日向野哲 申請人:三菱綜合材料株式會社