(57)【要約】工作物（１８、１１８、２１８）にレーザパルスを継続的に送達するステップと、連続する２つのパルス間の時間内で、ある穴位置から次の穴位置までレーザヘッド（３６、１３６、２３６）に対して工作物を位置決めするステップと、を含む工作物内の離間した穴位置に一連の穴をレーザ穿孔する方法。
2009506894.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物内の離間した各穴位置に、一連の穴をレーザ穿孔する方法であって、
レーザヘッドのシャッタを開いた状態に維持しながら、所与のレーザパルス周波数で前記レーザヘッドから前記工作物にレーザパルスを継続的に送達するステップと、
前記レーザヘッドおよび前記工作物の両方を移動することによって、連続する２つのパルスの間の時間内で、ある穴位置から次の穴位置へ前記レーザヘッドに対して前記工作物を位置決めするステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記所与のレーザパルス周波数が少なくとも４Ｈｚであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記穴位置が、前記工作物上に不規則に分配されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記一連の穴が、互いに対して異なる角度を有する穴を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザヘッドおよび前記工作物の前記移動が、５自由度を有する、前記レーザヘッドと前記工作物との相対的な移動であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザヘッドおよび前記工作物の少なくとも一方が、可変速度で移動することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
工作物に複数の穴をレーザ穿孔する方法において、
レーザヘッドで所与の周波数のレーザパルスを生成するステップと、
前記工作物および前記レーザヘッドの少なくとも一方を、可変速度および不規則なパターンの少なくとも一方で、一連の相対位置まで連続的に移動するステップであって、連続する前記相対位置の間を移動するのに必要な時間が、最大でも連続する２つの前記レーザパルス間の時間に等しい、移動するステップと、
少なくとも１つの前記レーザパルスで、前記一連の相対位置のそれぞれにおいて、工作物に穴を穿孔するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記工作物および前記レーザヘッドの両方が移動することを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記レーザヘッドおよび前記工作物の少なくとも一方の前記移動が、５自由度を有する、前記レーザヘッドと工作物との相対的な移動であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記所与のレーザパルス周波数が少なくとも４Ｈｚであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
工作物に複数の穴をレーザ穿孔する方法において、
レーザヘッドで、所与のパルス周波数を有するパルスレーザビームを生成するステップと、
前記工作物と前記レーザヘッドとの相対的な移動を介して、複数の所望の穴位置のそれぞれを前記パルスレーザビームと連続的に位置合わせするステップであって、前記工作物および前記レーザヘッドの一方が、異なる２つの回転軸の周りで回転する、位置合わせするステップと、
前記相対的な移動を前記レーザパルス周波数と調和させることによって前記所望の穴位置のそれぞれに、穴を穿孔するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
前記穴位置のそれぞれを位置合わせする前記ステップが、前記工作物と前記レーザヘッドとの前記相対的な移動を介して、前記穴位置のそれぞれに所望の穴角度を設定するステップと同時に行われ、前記所望の穴位置のそれぞれに前記穴を穿孔する前記ステップが、前記所望の穴角度に沿って行われ、少なくとも１つの前記所望の穴位置に対する前記所望の穴角度が、他の前記所望の穴位置での前記所望の穴角度とは異なることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記所望の穴位置が、不規則なパターンに沿って前記工作物上に分配されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
前記相対的な移動が、前記レーザヘッドおよび前記工作物の両方を移動することによって得られることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記相対的な移動が５自由度を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記相対的な移動が可変速度を有することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記回転軸同士が直交することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
前記レーザパルス周波数が少なくとも４Ｈｚであることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
工作物の複数の所望の穴位置のそれぞれに穴を穿孔する高速レーザ穿孔機において、
連続してレーザパルスを生成するレーザヘッドと、
前記工作物を保持するように構成された工作台と、
５自由度に沿って前記工作台と前記レーザヘッドとの相対的な移動をもたらすように、前記工作台および前記レーザヘッドの少なくとも一方を移動させる手段であって、連続するレーザパルス間の時間中に所望の穴角度で前記レーザヘッドを前記穴位置のそれぞれと連続的に位置合わせする、移動手段と、
前記レーザパルスが前記所望の穴角度で前記穴位置のそれぞれにおいて前記工作物に穴を穿孔するように、前記相対移動を前記レーザパルスと調和させるために、前記移動手段を制御する手段と、
を備えることを特徴とする高速レーザ穿孔機。
【請求項２０】
前記移動手段が、複数の高速高加速リニアモータを含むことを特徴とする請求項１９に記載の高速レーザ穿孔機。
【請求項２１】
前記移動手段が、直交する第１および第２の方向に沿って前記工作台を並進させる第１および第２の手段と、前記第１および第２の方向に対して直交する第３の方向に沿って前記レーザヘッドを並進させる第３の手段と、前記第３の方向に平行な第１の軸の周りで前記レーザヘッドを回転させる第１の手段と、前記第１の軸に対して直交する第２の軸の周りで前記レーザヘッドを回転させる第２の手段と、を含むことを特徴とする請求項１９に記載の高速レーザ穿孔機。
【請求項２２】
前記移動手段が、直交する第１および第２の軸の周りの２つの回転と、前記第１および第２の軸に対して直交する第１の方向に沿った１つの並進と、を有する前記工作台を移動させる第１の手段を含むことを特徴とする請求項１９に記載の高速レーザ穿孔機。
【請求項２３】
工作物に複数の穴を穿孔するように備える高速穿孔機において、
前記工作物を受けるように構成された工作台と、
固定基部およびこの固定基部から延びるボディと、
前記工作台を前記固定基部に連結する少なくとも３本の脚部であって、各脚部が、可変の長さを有するように高速リニアアクチュエータを有し、脚部が少なくとも３自由度に沿って前記工作台を移動する、脚部と、
前記ボディに連結され、前記工作物に複数の穴を穿孔するために連続してレーザパルスを生成するレーザヘッドと、
を備えることを特徴とする高速穿孔機。
【請求項２４】
前記レーザヘッドが、直交する第１および第２の並進を生成するように前記レーザヘッドを移動する、直交する高速リニアアクチュエータを介して前記ボディに連結されることを特徴とする請求項２３に記載の高速穿孔機。
【請求項２５】
工作物に複数の穴を穿孔する高速穿孔機において、
固定基部およびこの固定基部から延びるボディと、
前記固定基部に連結され、かつ前記工作物を受けるように構成された工作台と、
少なくとも第１の方向に沿って並進可能なように、少なくとも第１の高速リニアアクチュエータを介して前記ボディに連結された第１のレーザ部分と、
第１の軸の周りで回転可能なように、第１の高角加速度回転ドライブを介して前記第１のレーザ部分に連結された第２のレーザ部分と、
第２の軸の周りで回転可能なように、第２の高角加速度回転ドライブを介して前記第２のレーザ部分に連結されたレーザヘッドであって、前記工作物に複数の穴を穿孔するために連続してレーザパルスを生成するレーザヘッドと、
を備えることを特徴とする高速穿孔機。
【請求項２６】
前記工作台が、直交する第２および第３の方向に沿って並進可能になるように、直交する第２および第３の高速リニアアクチュエータを介して前記基部に連結され、前記第２および第３の方向が、前記第１の方向に対して直交することを特徴とする請求項２５に記載の高速穿孔機。
【請求項２７】
前記第１の軸と前記第２の軸とが直交することを特徴とする請求項２５に記載の高速穿孔機。
【請求項２８】
前記第１のレーザ部分が、直交する第２および第３の方向に沿って並進可能になるように、直交する第２および第３の高速リニアアクチュエータを介して前記ボディに連結され、前記第２および第３の方向が、前記第１の方向に対して直交することを特徴とする請求項２５に記載の高速穿孔機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、穿孔機に関し、より詳細には、改良型の高速レーザ穿孔機および穿孔方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの燃焼チャンバライナおよび遮熱ライナに冷却穴を設けるには、通常、傾斜角が変更可能な数百の穴を穿孔する必要がある。このような穴を穿孔する周知のプロセスは、５自由度を有する穿孔機におけるパルスレーザの使用を含み、穿孔機においては、工作物（ワークピース）を受ける工作台およびレーザヘッドがボールねじによって駆動される。一般的には、工作台は、直交する水平軸（ｘ、ｙ）に沿って並進（トランスレーション）し、水平軸の周りで回転し、レーザヘッドは、垂直軸（ｚ）に沿って並進する。
【０００３】
供給ドライブの能力に限界があること、ならびに穿孔機の高速で動く質量（ｈｉｇｈ  ｍｏｖｉｎｇ  ｍａｓｓ）および慣性による動的な制約があることにより、レーザヘッドと工作台との相対移動の直線加速度および角加速度が制限される。したがって、工作物上の連続する２つの穴の間での位置決めは、通常、パルスレーザの２つのパルス振動間の時間よりも時間がかかる。したがって、穿孔機がある穴から次の穴に移動する度に、レーザシャッタを開閉しなければならない。その結果、連続する穴の間でのサイクル時間の大半が、工作台および／またはレーザヘッドの位置決めならびにレーザシャッタの開閉に使われ、これは、穿孔プロセスの時間を大幅に増加させる。
【０００４】
したがって、改良型の高速レーザ穿孔機および穿孔方法を提供することが求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、本発明の目的は、改良型の高速レーザ穿孔機および穿孔方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一態様では、本発明は、工作物内の離間した穴位置に一連の穴をレーザ穿孔する方法であって、レーザヘッドのシャッタを開いた状態に維持しながら、所与のレーザパルス周波数でレーザヘッドから工作物にレーザパルスを継続的に送達するステップと、レーザヘッドおよび工作物の両方を移動することによって、連続する２つのパルス間の時間内で、ある穴位置から次の穴位置へレーザヘッドに対して工作物を位置決めするステップと、を含む方法を提供する。
【０００７】
他の態様では、本発明は、工作物に複数の穴をレーザ穿孔する方法において、レーザヘッドで所与の周波数のレーザパルスを生成するステップと、工作物およびレーザヘッドの少なくとも一方を、可変速度および不規則なパターンの少なくとも一方で、一連の相対位置まで連続的に移動するステップであって、連続する相対位置の間を移動するのに必要な時間が、連続する２つのレーザパルス間の時間に最大でも等しい、移動するステップと、少なくとも１つのレーザパルスで、一連の相対位置のそれぞれにおいて、工作物に穴を穿孔するステップと、を含む方法を提供する。
【０００８】
他の態様では、本発明は、工作物に複数の穴をレーザ穿孔する方法において、レーザヘッドで、所与のパルス周波数を有するパルスレーザビームを生成するステップと、工作物とレーザヘッドとの間の相対移動を介して、複数の所望の穴位置のそれぞれをパルスレーザビームと連続的に位置合わせするステップであって、工作物およびレーザヘッドの一方が、異なる２つの回転軸の周りで回転する、位置合わせするステップと、相対的な移動をレーザパルス周波数と調和させることによって所望の穴位置のそれぞれに、穴を穿孔するステップと、を含む方法を提供する。
【０００９】
他の態様では、本発明は、工作物の複数の所望の穴位置のそれぞれに穴を穿孔する高速レーザ穿孔機において、連続してレーザパルスを生成するレーザヘッドと、工作物を保持するように構成された工作台と、５自由度に沿って工作台とレーザヘッドとが相対的に移動するように、工作台およびレーザヘッドの少なくとも一方を移動させる手段であって、連続するレーザパルス間の時間中に所望の穴角度でレーザヘッドを穴位置のそれぞれと連続的に位置合わせする、移動手段と、レーザパルスが所望の穴角度で穴位置のそれぞれにおいて工作物に穴を穿孔するために、相対的な移動をレーザパルスと調和させるように移動手段を制御する手段と、を備える高速穿孔機を提供する。
【００１０】
他の態様では、本発明は、工作物に複数の穴を穿孔するように備える高速穿孔機において、工作物を受けるように構成された工作台と、固定基部およびこの固定基部から延びるボディと、工作台を固定基部に連結する少なくとも３本の脚部であって、各脚部が、可変の長さを有するように高速リニアアクチュエータを有し、脚部が少なくとも３自由度に沿って工作台を移動させる、脚部と、ボディに連結され、工作物に複数の穴を穿孔するために連続してレーザパルスを生成するレーザヘッドと、を備える高速穿孔機を提供する。
【００１１】
他の態様では、本発明は、工作物に複数の穴を穿孔する高速穿孔機において、固定基部およびこの固定基部から延びるボディと、固定基部に連結され工作物を受けるように構成された工作台と、少なくとも第１の方向に沿って並進可能になるように、少なくとも第１の高速リニアアクチュエータを介してボディに連結された第１のレーザ部分と、第１の軸の周りで回転可能になるように、第１の高角加速度（ｈｉｇｈ  ａｎｇｕｌａｒ  ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ）回転ドライブを介して第１のレーザ部分に連結された第２のレーザ部分と、第２の軸の周りで回転可能になるように、第２の高角加速度回転ドライブを介して第２のレーザ部分に連結されたレーザヘッドであって、工作物に複数の穴を穿孔するために連続してレーザパルスを生成するレーザヘッドと、を備える高速穿孔機を提供する。
【００１２】
本発明のこれらのおよび他の態様のさらなる詳細は、以下に含まれる詳細な説明および図から明らかになるであろう。
【００１３】
次に、本発明の態様を示す添付の図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は、固定基部１２と、この固定基部の上に支持されたボディ１４と、基部１２に可動式に連結され、工作物１８を受ける低慣性の円形工作台１６と、ボディ１４に可動式に連結され、円形工作台１６の上方に位置するレーザアッセンブリ２０と、を含む高速穿孔機１０を示す。この明細書全体を通して、用語「ｌａｓｅｒ  ａｓｓｅｍｂｌｙ（レーザアッセンブリ）」および他の関連する用語は、パルス発生手段（ｐｕｌｓｉｎｇ  ｍｅｄｉｕｍ）を使用した他の穿孔または機械加工プロセスを含むことも意図されている。同様に、用語「ｄｒｉｌｌｉｎｇ（穿孔）」および他の関連する用語は、トレパニング穴あけ、切削など、工作物から物質を除去する他の機械加工プロセスを含むことが意図される。
【００１５】
三脚（トリポッド）基部２４が、基部１２の上部で受けられて固着される。３本の脚部２２が、三脚基部２４から延び、工作台１６を支持する。これらの脚部２２は、一定の角度で離間するように、工作台１６から半径方向に延びる。各脚部２２は、脚部２２に対して直交する回転軸を有する回転継手２６を介して三脚基部２４に連結される。各脚部２２はまた、高速リニアモータ（図示せず）の動作を受けて摺動可能である支柱基部３０を備えた高速リニアモータドライブ２８も含む。支柱３２は、好ましくは炭素繊維からなり、一方の端部で各支柱基部３０に剛体連結され、もう一方の端部で球面継手３４を介して工作台１６に連結される。各リニアモータドライブ２８が始動すると、対応する脚部２２の長さが変わり、工作台１６が移動する。この構成により、工作台１６を、３自由度、すなわち、垂直方向に沿った並進Ｔｚと、水平軸Ａｙの周りの回転Ｒｙと、軸Ａｙに対して直交する水平軸Ａｘの周りの回転Ｒｘと、に沿って移動可能である。
【００１６】
ボディ１４は、工作台１６の周りに矩形パターンに配置された同一の４本の垂直の柱を含む。２つのｙ軸高速リニアモータドライブ４０が、平行になるように水平に延び、それぞれが２本の柱に連結される。ｙ軸リニアモータドライブ４０のそれぞれは、インターフェースプラットフォーム（ｉｎｔｅｒｆａｃｉｎｇ  ｐｌａｔｆｏｒｍ）４２を受け、このインターフェースプラットフォーム４２は、並進Ｔｙを生成するように、高速リニアモータ（図示せず）の動作を受けて摺動可能である。２つのインターフェースプラットフォーム４２が単一のユニットとして移動するように、コントローラ（図示せず）が２つのｙ軸リニアモータドライブ４０の動きを同期させる。ｙ軸リニアモータドライブ４０に対して直交して延びるように、ｘ軸高速リニアモータドライブ４４が、２つのインターフェースプラットフォーム４２に剛体連結される。ｘ軸リニアモータドライブ４４は、レーザアッセンブリ２０のレーザヘッド３６を受け、このレーザヘッド３６は、並進Ｔｘを生成するように、高速リニアモータ（図示せず）の動作を受けて摺動可能である。レーザ集束レンズ３８が工作台１６の上でレーザヘッド３６から下向きに延びる。この構成により、レーザアッセンブリ２０は、並進Ｔｚに対して共に直交する２自由度、すなわち、直交する並進Ｔｘ、Ｔｙに沿って移動可能になる。
【００１７】
したがって、穿孔機１０は、レーザヘッド３６と工作台１６上の工作物１８との間の５自由度の相対的な位置決め、すなわち、３つの直交する並進Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚ、および直交する軸Ｒｘ、Ｒｙ周りの２つの回転を実現する。穿孔機１０の構成、特に、脚部２２、三脚基部２４および工作台１６によって形成された平行運動構造は、リニアモータドライブ２８、４０、４４の軸上の動きの自由度を高め、負荷容量を低くする。２つのｙ軸リニアモータドライブ４０により、精度が高まり、レーザアッセンブリ２０の高速で動く質量の支持を安定させる。好ましくは、三脚の幾何学的特徴は、製品が必要とする動きの自由度をもたらすように再構成可能である。回転継手２６および／または球面継手３４を、所望の形状を得るために準備時間中に移動させることができる。高速サンプリングレートのリアルタイム・オープンアーキテクチャ・コントローラが、反対の運動モデルによって所望の５自由度の動きを得るように、リニアモータドライブ２８、４０、４４を制御し、工作台１６上の工作物１８とレーザヘッド３６との間の相対移動をレーザパルス周波数と同期させる。
【００１８】
使用の際には、レーザヘッド３６は、好ましくは少なくとも４Ｈｚの周波数、より好ましくは、１０Ｈｚと２０Ｈｚとの間の周波数のレーザパルスを生成する。いくつかの所望の穴位置および穴角度がコントローラにプログラムされる。コントローラは、連続するパルスの間の時間に工作台１６およびレーザヘッド３６を移動するように移動をレーザ周波数と調和させながら、所望の穴位置を所望の角度でパルスレーザビームと連続的に位置合わせするように、工作台１６およびレーザヘッド３６を移動するためにリニアモータドライブ２８、４０、４４に指示する。言い換えれば、穴が穿孔された後で、次の所望の穴位置が所望の角度でレーザヘッド３６と位置合わせされ、その後、レーザヘッド３６が次のレーザパルスを生成する。
【００１９】
図２は、固定基部１１２と、この固定基部１１２の上に支持されたボディ１１４と、基部１１２に可動式に連結され工作物１１８を受ける工作台１１６と、ボディ１１４に可動式に連結され工作台１１６の上方に位置するレーザアッセンブリ１２０と、を含む高速穿孔機１１０の他の実施形態を示す。
【００２０】
基部１１４は、インターフェースプラットフォーム１４２を受ける水平のｙ軸高速リニアモータドライブ１４０を含み、このインターフェースプラットフォーム１４２は、並進Ｔｙを生成するように、高速リニアモータ（図示せず）の動作を受けて摺動可能である。インターフェースプラットフォーム１４２は、ｙ軸リニアモータドライブ１４０に対して直交して延びる、水平のｘ軸高速リニアモータドライブ１４４に剛体連結される。ｘ軸リニアモータドライブ１４４は、工作台１１６を受け、この工作台１１６は、並進Ｔｘを生成するように、高速リニアモータ（図示せず）の動作を受けて摺動可能である。この構成により、工作台１１６は、２自由度、すなわち、直交する水平の並進Ｔｘ、Ｔｙに沿って移動可能になる。
【００２１】
ボディ１１４は、基部１１６から延びる上下逆さのＬ字形状である。Ｌ字の頂部は、ｘ軸リニアモータドライブ１４０およびｙ軸リニアモータドライブ１４４に対して直交して延びる、垂直のｚ軸高速リニアモータドライブ１２８を受ける。レーザアッセンブリ１２０のレーザキャビティ１４８が、並進Ｔｚを生成するように、高速リニアモータ（図示せず）の動作を受けて摺動可能になるように、リニアモータドライブ１２８で受けられる。第１の回転部分１４６が、並進Ｔｚに対して平行な回転軸Ａｚを有する第１の角加速度ダイレクトドライブ１５０を介して、レーザキャビティ１４８の底部で連結される。レーザヘッド１３６が、回転軸Ａｚに対して直交する回転軸Ａｈを有する第２の高角加速度ダイレクトドライブ１５１を介して、回転部分１４６の側面に連結される。レーザ集束レンズ１３８が、工作台１１６の上でレーザヘッド１３６から下向きに延びる。回転部分１４６およびレーザヘッド１３６は、最小の慣性モーメントを有し、それぞれが、レーザキャビティ１４８から来るレーザビームがレーザ集束レンズ１３８に到達することができるようにミラーを含む。こうした構成により、レーザヘッド１３６を、３自由度、すなわち、並進Ｔｚと、軸Ａｚ周りの回転Ｒｚと、軸Ａｈ周りの回転Ｒｈと、に沿って移動可能にすることができる。
【００２２】
したがって、穿孔機１１０は、レーザヘッド１３６と工作台１１６上の工作物１１８との間の５自由度の相対的な位置決め、すなわち、直交する３つの並進Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚおよび直交する軸Ｒｚ、Ｒｈ周りの２つの回転を提供する。モータドライブ１２８、１４０、１４４、１５０、１５１の必要な動きが、適切な制御手段によって所望の穴角度の座標から直接変換されるので、こうしたレイアウトのための逆の運動モデルは必要ない。
【００２３】
図３は、固定基部２１２と、この固定基部２１２の上に支持されたボディ２１４と、基部２１２と一体であり工作物２１８を受ける工作台２１６と、ボディ２１４に可動式に連結され工作台２１６の上方に位置するレーザアッセンブリ２２０と、を含む高速穿孔機２１０のさらなる実施形態を示す。この実施形態では、工作台２１６は固定され、レーザアッセンブリ２２０は５自由度の移動をもたらす。
【００２４】
ボディ２１４は、２本の垂直の柱を含み、工作台２１６は、２本の垂直の柱の間に延びている。２つのｙ軸高速リニアモータドライブ２４０は、平行になるように水平に延び、ｙ軸高速リニアモータドライブ２４０の各々は、２本の柱の各頂部の上にある。ｙ軸リニアモータドライブ２４０の各々は、インターフェースプラットフォーム２４２を受け、このインターフェースプラットフォーム２４２は、並進Ｔｙを生成するように、高速リニアモータ（図示せず）の動作を受けて摺動可能である。２つのインターフェースプラットフォーム２４２が単一のユニットとして移動するように、コントローラ（図示せず）が、２つのｙ軸リニアモータドライブ２４０の間の動きを同期させる。ｙ軸リニアモータドライブ２４０に対して直交して延びるように、ｘ軸高速リニアモータドライブ２４４が、２つのインターフェースプラットフォーム２４２に連結される。ｘ軸リニアモータドライブ２４４は、他のインターフェースプラットフォーム２４３を受け、このインターフェースプラットフォーム２４３は、並進Ｔｘを生成するように、高速リニアモータ（図示せず）の動作を受けて摺動可能である。ｚ軸高速リニアモータドライブ２２８は、ｘ軸リニアモータドライブ２４０およびｙ軸リニアモータドライブ２４４に対して直交して延びるように、インターフェースプラットフォーム２４３に剛体連結される。レーザサポート２５２は、ｚ軸リニアモータドライブ２２８で受けられ、並進Ｔｚを生成するように、高速リニアモータ（図示せず）の動作を受けて摺動可能である。第１の回転部分２４６が、並進Ｔｚに対して平行な回転軸Ａｚを有する第１の角加速度ダイレクトドライブ２５０を介して、レーザサポート２５２の底部で連結される。第２の回転部分２４７が、回転軸Ａｚからある角度で、好ましくは４５度で延びる回転軸Ａｒを有する第２の高角加速度ダイレクトドライブ２５１を介して第１の回転部分２４６に連結される。レーザヘッド２３６が第２の回転部分２４７に剛体連結され、レーザ集束レンズ２３８がレーザヘッド２３６から延びる。レーザ集束レンズ２３８は、集束レンズ２３８を回転軸Ａｚに対して平行にすることが可能になるように、回転軸Ａｒに対する相補的な角度を形成し、相補的な角度は、好ましくは４５度である。
【００２５】
こうした構成により、レーザヘッド２３６が、レーザヘッド２３６と工作台２１６上の工作物２１８との間の５自由度の相対的な位置決め、すなわち、直交する３つの並進Ｔｘ、Ｔｙ、Ｔｚ、軸Ａｚ周りの回転Ｒｚ、および軸Ａｒ周りの回転Ｒｒ、の場合の５自由度に沿って移動可能になる。さらに、このような構成によって、回転によるオフセットを補償するのに必要な並進量が減少される。２つのｙ軸リニアモータドライブ２４０により、精度が向上し、レーザアッセンブリ２２０の高速で動く質量の支持を安定させる。
【００２６】
全ての実施形態において、好ましくは、０．００００４インチの解像度を有する高解像度線形フィードバックエンコーダが、正確な位置決めのために提供される。モータドライブ２８、４０、４４／１２８、１４０、１４４、１５０、１５１／２２８、２４０、２４４、２５０、２５１は、好ましくは、歯車なしのブラシレスＤＣサーボモータであり、より好ましくは、Ｂｏｓｈ  Ｒｅｘｒｏｔｈ社によって製造されるＩｎｔｒａＤｙｎドライブであるが、十分な速度および加速度を可能にする他の任意のモータドライブとすることができる。リニアモータドライブ２８、４０、４４／１２８、１４０、１４４／２２８、２４０、２４４は、有利には１０ｇの加速度を最大速度５ｍ／ｓで提供することができる。角度モータドライブ１５０、１５１／２５０、２５１は、有利には、最大角速度が１２００ｒｐｍで５００ｒａｄ／ｓ2の角加速度を提供することができる。このような高速、高加速能力により、レーザヘッド３６、１３６、２３６と工作台１６、１１６、２１６との間の相対的な位置決めが、例えば、好ましくは、少なくとも４Ｈｚ、より好ましくは、１０Ｈｚから２０Ｈｚである、パルスレーザの周波数に適合する速度で行われることが可能になる。
【００２７】
使用の際には、レーザヘッド３６、１３６、２３６は、レーザパルスを所与の周波数で連続的に生成する。レーザヘッド３６、１３６、２３６と工作物１８、１１８、２１８との間の相対移動は、レーザヘッド３６、１３６、２３６および／または工作台１６、１１６、２１６を移動することによってもたらされる。工作物１８、１１８、２１８の所望の穴位置はそれぞれ、穴を穿孔することができるように、レーザヘッド３６、１３６、２３６と連続的に位置合わせされる。工作物１８、１１８、２１８とレーザヘッド３６、１３６、２３６との間の相対移動は、レーザヘッド３６、１３６、２３６との連続する所望の穴位置の位置合わせの間に経過する時間が、連続する２つのパルスが発生する間の時間より短いかまたはそれと等しくなる、例えば、レーザ周波数が１０Ｈｚの場合に最大でも０．１秒以内に位置決めが行われるように調整される。
【００２８】
位置決めが連続するパルスの間に行われるので、工作物１８、１１８、２１８とレーザヘッド３６、１３６、２３６との間の相対移動中に、レーザシャッタは閉じられない。したがって、１０Ｈｚのレーザパルス周波数は、完成されるのにレーザパルスを１つしか必要としない穴について、１分当たり穴６００個の穿孔速度を表し、これは、ボールねじによって駆動される従来の穿孔機と比べたとき、最大２０倍の穿孔速度の増加を表すことができる。レーザ穿孔機１０、１１０、２１０は、レーザシャッタを開閉する必要を無くしながら、工作物１８、１１８および／またはレーザヘッド３６、１３６、２３６の位置決めなど、穿孔しないタスクで浪費される時間を最小限に抑えることによって、燃焼チャンバ、燃焼チャンバライナ、および多数の穴を必要とする他の工作物のレーザ穿孔動作の生産性を改善することができる。
【００２９】
レーザヘッド３６、１３６、２３６または工作物１８、１１８、２１８の２つの回転を含む、レーザヘッド３６、１３６、２３６と工作物１８、１１８、２１８との間の５自由度を有する相対移動により、工作物１８、１１８、２１８とレーザヘッド３６、１３６、２３６との間の相対移動が、不規則なパターンに沿って、すなわち、方向を何度も変更して行われることが可能になり、そのため、穿孔機１０、１１０、２１０が、不規則に（すなわち、隣接する穴の間の距離が可変であるように）分配された穴を効率的に穿孔することができ、かつ軸対称ではない工作物に穴を開けることができる。レーザヘッド３６、１３６、２３６と工作物１８、１１８、２１８と相対的な移動速度が可変なので、穴が不規則なパターンに沿って分配されるときも、連続する２つのパルスの間で位置決めを行うことができる。
【００３０】
また、レーザヘッド３６、１３６、２３６または工作物１８、１１８、２１８の２つの回転により、穿孔機１０、１１０、２１０が、穴角度が異なる連続する穴を穿孔し、かつ複合角度を有する穴を穿孔することが可能になる。
【００３１】
レーザヘッド３６、１３６および工作物１８、１１８の両方の移動を調整することで、ある穴位置から次の穴位置までのより速くより簡単な相対的な位置決めを可能にする。
【００３２】
上記の説明が単なる例示に過ぎないことが意図されており、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、説明した実施形態に変更を加えることができることを、当業者は理解するであろう。例えば、穿孔機１０、１１０、２１０を、多数の穴を必要とする他のタイプの、あらゆる形状の、およびあらゆるレーザ穿孔に適した材料の工作物と共に使用することができる。本発明はまた、パルス発生穿孔手段を使用した他の穿孔プロセスも含むものである。本発明の範囲内に包含されるさらに他の改変形態は、この開示の検討に照らして当業者には明らかであり、こうした改変形態は、添付の特許請求の範囲内に包含されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施形態による穿孔機の斜視図である。
【図２】本発明の他の実施形態による穿孔機の斜視図である。
【図３】本発明の他の実施形態による穿孔機の斜視図である。
【図１】
2009506894.tif 000003
【図２】
2009506894.tif 000004
【図３】
2009506894.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月14日(2008.1.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物内の離間した各穴位置に、複数の穴をレーザ穿孔する方法であって、
レーザヘッドのシャッタを開いた状態に維持しながら、所与のレーザパルス周波数で前記レーザヘッドから前記工作物にレーザパルスを継続的に送達するステップと、
前記レーザヘッドおよび前記工作物の両方を移動することによって、レーザヘッドに対する複数の軸に沿って、ある穴位置から次の穴位置へ前記工作物を再配置するステップと、
を含み、
前記複数の軸に沿って前記再配置するステップが、連続する２つのレーザパルスの間の時間内で行われることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記所与のレーザパルス周波数が少なくとも４Ｈｚであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記穴位置が、前記工作物上に不規則に分配されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記複数の穴が、互いに対して異なる角度を有する穴を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記レーザヘッドおよび前記工作物の前記移動が、５自由度を有する、前記レーザヘッドと前記工作物との相対的な移動であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記レーザヘッドおよび前記工作物の少なくとも一方が、可変速度で移動することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】
工作物に複数の穴をレーザ穿孔する方法において、
レーザヘッドで所与の周波数のレーザパルスを生成するステップと、
可変速度および不規則なパターンの少なくとも一方で、前記工作物および前記レーザヘッドの両方を、一連の相対位置まで複数の軸に沿って連続的に移動するステップであって、連続する前記相対位置の間を前記複数の軸に沿った移動が、連続する２つの前記レーザパルス間の時間よりも短い時間で行われる、移動ステップと、
少なくとも１つの前記レーザパルスで、前記一連の相対位置のそれぞれにおいて、工作物に穴を穿孔するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記レーザヘッドおよび前記工作物の前記移動が、５自由度を有する、前記レーザヘッドと工作物との相対的な移動であることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記レーザパルスの前記所与の周波数が少なくとも４Ｈｚであることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
工作物に複数の穴をレーザ穿孔する方法において、
レーザヘッドで、所与のパルス周波数を有するパルスレーザビームを生成するステップと、
前記工作物と前記レーザヘッドとを、可変速度で５つの軸に対して相対的に移動させながら、複数の所望の穴位置のそれぞれを前記パルスレーザビームと連続的に位置合わせするステップであって、前記工作物および前記レーザヘッドの両方が、前記可変速度で５つの軸に対して相対的に移動する、位置合わせするステップと、
前記可変速度で５つの軸に対して相対的に移動させることと、前記レーザパルス周波数と、を同期させることによって前記所望の穴位置のそれぞれに、穴を穿孔するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
前記穴位置のそれぞれを位置合わせする前記ステップが、前記工作物と前記レーザヘッドとの前記相対的な移動を介して、前記穴位置のそれぞれに所望の穴角度を設定するステップと同時に行われ、前記所望の穴位置のそれぞれに前記穴を穿孔する前記ステップが、前記所望の穴角度に沿って行われ、少なくとも１つの前記所望の穴位置に対する前記所望の穴角度が、他の前記所望の穴位置での前記所望の穴角度とは異なることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記所望の穴位置が、不規則なパターンに沿って前記工作物上に分配されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記工作物およびレーザヘッドの一方が、異なる２つの回転軸に関して回転することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記レーザパルスの周波数が、少なくとも４ヘルツであることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
工作物の複数の所望の穴位置のそれぞれに穴を穿孔する高速レーザ穿孔機において、
少なくとも４ヘルツの連続するレーザパルスを生成するレーザヘッドと、
前記工作物を保持するように構成された工作台と、
５自由度に沿って前記工作台と前記レーザヘッドとの相対的な移動をもたらすように、前記工作台および前記レーザヘッドの両方を移動させる手段であって、連続するレーザパルス間の時間内に所望の穴角度で前記レーザヘッドを前記穴位置のそれぞれと連続的に位置合わせする、移動手段と、
前記レーザパルスが前記所望の穴角度で前記穴位置のそれぞれにおいて前記工作物に穴を穿孔するように、前記相対移動を前記レーザパルスと同期させるために、前記移動手段を制御する手段と、
を備えることを特徴とする高速レーザ穿孔機。
【請求項１６】
前記移動手段が、複数の高速高加速リニアモータを含むことを特徴とする請求項１５に記載の高速レーザ穿孔機。
【請求項１７】
前記移動手段が、直交する第１および第２の方向に沿って前記工作台を並進させる第１および第２の手段と、前記第１および第２の方向に対して直交する第３の方向に沿って前記レーザヘッドを並進させる第３の手段と、前記第３の方向に平行な第１の軸の周りで前記レーザヘッドを回転させる第１の手段と、前記第１の軸に対して直交する第２の軸の周りで前記レーザヘッドを回転させる第２の手段と、を含むことを特徴とする請求項１５に記載の高速レーザ穿孔機。
【請求項１８】
前記移動手段が、直交する第１および第２の軸の周りの２つの回転と、前記第１および第２の軸に対して直交する第１の方向に沿った１つの並進と、を有する前記工作台を移動させる第１の手段を含むことを特徴とする請求項１５に記載の高速レーザ穿孔機。
【請求項１９】
工作物に複数の穴を穿孔するように備える高速穿孔機において、
前記工作物を受けるように構成された工作台と、
固定基部およびこの固定基部から延びるボディと、
前記工作台を前記固定基部に連結する少なくとも３本の脚部であって、各脚部が、可変の長さを有するように高速リニアアクチュエータを有し、脚部が少なくとも３自由度に沿って前記工作台を移動する、脚部と、
前記ボディに連結され、前記工作物に複数の穴を穿孔するために、所与の波長の連続するレーザパルスを生成するレーザヘッドと、
を備え、
少なくとも一つの付加的な高速アクチュエータが、前記ボディに対して前記レーザヘッドを移動させるように設けられ、前記高速リニアアクチュエータの各々と前記少なくとも１つの付加的な高速アクチュエータとが、レーザヘッドおよびワークテーブルの両方の可変速度移動と、前記レーザパルスと、を同期させるように構成された制御部に位置フィードバックを送り、２つの連続するレーザパルスの時間内に、ある穴位置から次の穴位置までレーザヘッドに対して工作物を配置することを特徴とする高速穿孔機。
【請求項２０】
前記少なくとも１つの付加的な高速アクチュエータが、直交する第１および第２の方向に並進するように各々が配置される２つの高速リニアアクチュエータを含むことを特徴とする請求項１９に記載の高速穿孔機。
【請求項２１】
工作物に複数の穴を穿孔する高速穿孔機において、
固定基部およびこの固定基部から延びるボディと、
前記固定基部に連結され、かつ前記工作物を受けるように構成された工作台であって、少なくとも１つの工作台アクチュエータの動作を介して、前記固定基部に対して少なくとも１つの自由度に沿って移動可能である、工作台と、
少なくとも第１の方向に沿って並進可能なように、少なくとも第１の高速リニアアクチュエータを介して前記ボディに連結された第１のレーザ部分と、
第１の軸の周りで回転可能なように、第１の高角加速度回転ドライブを介して前記第１のレーザ部分に連結された第２のレーザ部分と、
第２の軸の周りで回転可能なように、第２の高角加速度回転ドライブを介して前記第２のレーザ部分に連結されたレーザヘッドであって、前記工作物に複数の穴を穿孔するために所定の周波数のレーザパルスを生成するレーザヘッドと、
前記少なくとも１つの作業台アクチュエータ、前記第１の高速リニアアクチュエータ、ならびに、前記第１および第２の高角加速度回転ドライブ、から位置フィードバックを受ける制御部であって、前記作業台および前記レーザヘッドの両方の移動をレーザパルスに同期させ、前記レーザヘッドのシャッタを開いた状態に維持しながら、２つの連続するパルスの時間内にある穴位置から次の穴位置までレーザヘッドに対して前記工作物を配置する、制御部と、
を備えることを特徴とする高速穿孔機。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの作業台アクチュエータが、直交する第２および第３の方向に沿って前記作業台を並進するように配置される、直交する第２および第３の高速リニアアクチュエータを含み、前記第２および第３の方向が、前記第１の方向に直交することを特徴とする請求項２１に記載の高速穿孔機。
【請求項２３】
前記第１の軸と前記第２の軸とが直交することを特徴とする請求項２１に記載の高速穿孔機。
【請求項２４】
前記第１のレーザ部分が、直交する第２および第３の方向に沿って並進可能になるように、直交する第２および第３の高速リニアアクチュエータを介して前記ボディに連結され、前記第２および第３の方向が、前記第１の方向に対して直交することを特徴とする請求項２１に記載の高速穿孔機。
【手続補正２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2009506894.tif 000006
【国際調査報告】
2009506894.tif 000007
2009506894.tif 000008
2009506894.tif 000009
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