JP4149165B2

JP4149165B2 - ３次元レーザ加工機用制御装置

Info

Publication number: JP4149165B2
Application number: JP2001583974A
Authority: JP
Inventors: 益樹塚本; 友則迎
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2000-05-19
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2020-05-19
Also published as: KR20020094953A; TW449521B; DE10085159T1; WO2001087532A1; DE10085159B4; US6617544B1

Description

【０００１】
【技術分野】
この発明は、３次元レーザ加工機用制御装置に関し、さらに詳細には、回転軸および姿勢軸を回転させた際に加工点が不変なヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機用の制御装置であって、ノズル先端位置および方向姿勢を教示する手段を具備した３次元レーザ加工機用制御装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
自由曲面を加工する３次元レーザ加工機として、Ｚ軸（鉛直軸）の中心軸線周りに回転可能な回転軸（α軸）と、Ｚ軸に対して傾斜した軸線周りに回転可能な姿勢軸（β軸）とを有し、回転軸および姿勢軸を回転させた際に、加工点が不変なヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機が知られている（特開平１−１６２５９２号公報参照）。
【０００３】
第６図は、回転軸（α軸）、姿勢軸（β軸）を有する型式の加工ヘッドを解図的に示している。第６図では、加工ヘッドは、全体を符号５０により示されており、加工ヘッド５０は、Ｚ軸部材６０の先端に軸受部材５１によってＺ軸の中心軸線周りに回転可能な回転軸５２と、回転軸５２の先端に軸受部材５３によって取り付けられてＺ軸に対して傾斜した軸線周りに回転可能な姿勢軸５４とを有し、姿勢軸５４の先端にレーザ用ノズル６１を取り付けられている。なお、加工点は、符号Ｎにより示されている。
【０００４】
自由曲面の３次元レーザ加工においては、加工面に照射されるレーザの光軸が加工面に対して法線方向であることを保つために、レーザ用ノズルは加工面に対して常に面直の方向姿勢であることを要求され、この要求を満たす教示、すなわちティーチングが実加工に先立って行われる。
【０００５】
姿勢変化コーナ部のティーチングの際の加工ヘッドの姿勢変化を第７図を参照して説明する。第７図において、Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃はそれぞれ加工物Ｗの教示点を示している。このうち、教示点Ｐ₁は水平面上の教示点、教示点Ｐ₂は加工物Ｗの４５度傾斜面上の教示点、教示点Ｐ₃は加工物Ｗの直立面上の教示点である。レーザ用ノズル６１は、教示点Ｐ₁では真下向きになり、教示点Ｐ₂では４５度向きになり、教示点Ｐ₃では水平向きになる。
【０００６】
加工物Ｗ上の各教示点Ｐ₁、Ｐ₂、Ｐ₃に対して面直状態を作成するには、回転軸５２および姿勢軸５４の回転角度を変化させる必要がある。そのため、従来、姿勢変化コーナ部におけるティーチング作業においては、その都度、オペレータが回転軸５２および姿勢軸５４を回転させ、レーザ用ノズル６１を加工面に対して面直状態にした後に教示を行っていた。
【０００７】
姿勢変化コーナ部における従来のティーチング作業の手順を第８図を参照して説明する。まず、ティーチングボックスの諸設定を実施し、加工機を用いて加工ポイントを教示するティーチング作業を開始できる状態にする（ステップＳ１００）。
【０００８】
つぎに、加工プログラムにおいて初期設定である補助機能コードのシャッタ開等の指令を与え、ティーチングボックスに配置された加工軸送りキーを押して、またはハンドルおよびジョイスティックを用いて教示点へ移動させ、教示することにより加工プログラムの各教示点を作成していく（ステップＳ１０１）。教示点を作成していく上で、姿勢変化コーナ部の従来のティーチング作業においては、たとえば、水平面上の教示点Ｐ₁から４５度傾斜面上の教示点Ｐ₂への場合、４５度傾斜面上の教示点Ｐ₂へ先端座標を合わせるように加工ヘッド５０を移動させる（ステップＳ１０２）。
【０００９】
つぎに、面直状態を作れるように、姿勢軸５２、回転軸５４を、それぞれオペレータ操作で、独立に移動させ（ステップＳ１０３，ステップＳ１０４）、面直状態が作れるまで、その操作を繰り返す（ステップＳ１０５）。
【００１０】
面直状態を作れた後に、先端座標がずれていないかを確認する（ステップＳ１０６）。
【００１１】
ずれが生じている場合には、ステップＳ１０２に戻って先端座標移動を行う。先端座標移動の作業後、再度、面直状態を作るために、姿勢軸５２、回転軸５４を回転させる作業を行う。つまり、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０６までを繰り返し行う。同様に、４５度傾斜面上の教示点Ｐ₂から直立面上の教示点Ｐ₃への教示の際も、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０６までの作業を繰り返し行う。
【００１２】
姿勢変化コーナ部のティーチング作業によるプログラム作成が終了した場合には、その続きとして、ティーチングボックスの加工軸送りキーを押して、またはハンドルおよびジョイスティックを用いて教示点へ移動させ、教示することにより加工プログラムの各教示点を作成していく（ステップＳ１０７）。ただし、姿勢変化コーナ部のティーチング作業がある場合には、ステップＳ１０２〜ステップＳ１０６までの作業を行う。最後に補助機能コードのシャッタ閉およびプログラムエンド等の指令を与え、加工プログラムの作成を終了する。
【００１３】
教示点の確認作業において、姿勢角（＝回転軸５２および姿勢軸５４の回転角度）を変更したい場合には、再度、教示点において姿勢角を調整し直す必要があり、上述した手順で姿勢角の修正が行われている。
【００１４】
上述したように、回転軸および姿勢軸を回転させた際に加工点が不変なヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機の加工ヘッドにおいて、ティーチングの際に姿勢軸を回転させると、面直状態が崩れてしまうため、姿勢軸の移動に合わせてオペレータが回転軸を回転させて面直状態を作り上げていたが、しかし、これでは、１つ１つの教示点に対して面直状態の作り上げを行うため、教示点が増加すればするほど、ティーチングに多くの時間を要することになる。その上、姿勢方向を修正したい場合には、回転軸および姿勢軸の回転角度を修正し直さなくてはならないという問題点もある。
【００１５】
したがって、この発明は、回転軸および姿勢軸を回転させた際に加工点が不変なヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機において、加工面に対してレーザ用ノズルを面直状態を保ったティーチングを作業効率よく短時間で行うことができる３次元レーザ加工機用制御装置を提供することを目的としている。
【００１６】
【発明の開示】
この発明は、Ｚ軸（鉛直軸）の中心軸線周りに回転可能であってＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能な回転軸と、この回転軸に取り付けられてＺ軸に対して傾斜した軸線周りに回転可能な姿勢軸と、姿勢軸に取り付けられたレーザ用ノズルとを有し、回転軸および姿勢軸を回転させた際にノズル先端の加工点が不変なヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機においてノズルの先端位置および姿勢を教示し、教示に基づき加工を実施する３次元レーザ加工機用制御装置において、ノズルが面直状態にされた教示点における現在の回転軸および姿勢軸の角度からノズル方向ベクトルを算出して記憶するノズル方向ベクトル演算記憶手段と、一定時間に姿勢軸が変化した角度を算出し、姿勢軸の角度変化量に応じて前記記憶されたノズル方向ベクトルのＸＹ成分方向を一定に保つように回転軸を回す角度を算出する回転角度計算手段と、該回転角計算手段によって算出した角度分、前記回転軸を回転させる制御を行う回転軸動作制御手段とを備えたことを特徴とする。したがって、ノズル方向ベクトル演算記憶手段に面直状態の教示点のノズル方向ベクトルを算出して記憶させるようにすれば、その後の教示点での面直教示の際に姿勢軸のみの回転でノズルの面直状態を形成することができ、面直状態を保ったティーチングを作業効率よく短時間で行うことができる。
【００１７】
また、この発明は、面直状態の旧教示点から姿勢軸の回転を伴う新規の教示点の面直状態を教示する際に、前記ノズル方向ベクトル演算記憶手段には、面直状態の旧教示点のノズル方向ベクトルが算出して記憶され、前記回転角度計算手段は、前記姿勢軸の変化量に応じて前記ノズル方向ベクトル演算記憶手段に記憶されたノズル方向ベクトルのＸＹ成分方向を一定に保つように回転軸を回す角度を算出し、前記回転軸動作制御手段は、前記回転角度計算手段で算出された角度分、前記回転軸を回転させる制御を行うことを特徴とする。したがって、加工面に対してレーザ用ノズルを面直状態を保ったティーチングを作業効率よく短時間で行うことができる。
【００１８】
また、この発明は、前記ノズル方向ベクトル演算記憶手段、前記回転角度計算手段および前記回転軸動作制御手段による前記動作制御の有効／無効の切換えを行う操作手段を備えることを特徴とする。したがって、ノズル方向ベクトル一定移動の有効／無効の切換を行え、ティーチング作業中または制御装置の操作中等、いつでも有効／無効の切換が可能になる。
【００１９】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明をより詳細に説述するために、添付の図面に従ってこれを説明する。
【００２０】
第１図は、この発明による制御装置が適用される３次元レーザ加工機の構成例を示している。この３次元レーザ加工機は、ベッド１上にＸ軸方向に移動可能に設けられたワークテーブル２と、左右のコラム４、５間に水平に掛け渡されたクロスレール６と、クロスレール６にＹ軸方向に移動可能に設けられたＹ軸ユニット７と、Ｙ軸ユニット７にＺ軸方向に移動可能に設けられたＺ軸ユニット８と、Ｚ軸ユニット８に取り付けられた加工ヘッド９と、加工ヘッド９の先端部に取り付けらたレーザ用ノズル（加工ノズル）１０と、コンピュータ式の数値制御装置１１と、ペンダント型のティーチングボックス１２とを有している。数値制御装置１１は、マンマシンインタフェースとして、操作盤１１Ａ、ＣＲＴ等による画面表示部１１Ｂを具備している。
【００２１】
ワークテーブル２、Ｙ軸ユニット７、Ｚ軸ユニット８は、それぞれ、図示省略のＸ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータ、Ｚ軸サーボモータにより駆動され、数値制御装置１１の各軸指令により位置制御される。
【００２２】
加工ヘッド９は、従来のものと同等に構成されており、第２図に示されているように、Ｚ軸ユニット８の先端に軸受部材１３によってＺ軸の中心軸線周りに回転可能な回転軸１４と、回転軸１４の先端に軸受部材１５によって取り付けられてＺ軸に対して傾斜した軸線周りに回転可能な姿勢軸１６とを有し、姿勢軸１６の先端にレーザ用ノズル１０を取り付けられている。回転軸１４はα軸サーボモータ１７により回転駆動され、姿勢軸１６はβ軸サーボモータ１８により回転駆動される。
【００２３】
Ｘ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータ、Ｚ軸サーボモータ（図示省略）と、α軸サーボモータ１７と、β軸サーボモータ１８は、数値制御装置１１からの駆動信号により駆動され、ティーチングデータに従ってワークテーブル２上の加工物に対するレーザ用ノズル１０の離間距離を一定に保持しながらレーザ光のスポットが加工線周りを倣うと共にレーザ用ノズル１０の方向姿勢が加工物Ｗの表面に対してほぼ垂直（法線）となるように制御される。
【００２４】
第３図は、上述の３次元レーザ加工機の光学系と、この発明による３次元レーザ加工機用制御装置を含む制御系を示している。なお、第３図においては、ワークテーブル２、Ｙ軸ユニット７、Ｚ軸ユニット８等の部分を総括して加工機本体２０としている。３次元レーザ加工機は、光学系としてレーザ発振器２１を有しており、レーザ発振器２１が出力するレーザビームＢは、加工ヘッド９を介してレーザ用ノズル１０に至り、レーザ用ノズル１０より加工物Ｗの被加工面に対して照射される。
【００２５】
３次元レーザ加工機用制御装置は、ノズル方向ベクトル演算・記憶部３０と、回転角度計算部３１と、回転軸動作制御部３２とを有している。
【００２６】
ノズル方向ベクトル演算・記憶部３０は、ティーチングボックス１２、操作盤１１Ａに設けられているハンドル、ジョイスティックからノズル方向ベクトル一定移動の有効がオンにされた場合に動作し、現在の回転軸１４と姿勢軸１６の回転角度からノズル方向ベクトルを算出して記憶する。
【００２７】
回転角度計算部３１は、ティーチングボックス１２、操作盤１１Ａに設けられているハンドル、ジョイスティックおよび数値制御装置１１からの指令にて一定時間に姿勢軸１６を回転させた角度を割り出し、その姿勢軸１６の変化量に応じて、ノズル方向ベクトル演算・記憶部３０で算出したノズル方向ベクトルのＸＹ方向を一定に保つように、回転軸１４を回す角度を算出する。
【００２８】
回転軸動作制御部３２は、回転角度計算部３１にて算出された回転軸１４の回転角度に基づいて回転軸１４の回転させるための制御を行う。
【００２９】
つぎに、上述のように構成された３次元レーザ加工機用制御装置による姿勢変化コーナ部におけるティーチングについて第４図を参照して説明する。
【００３０】
まず、ティーチングボックスの諸設定を実施し、加工機を用いて加工ポイントを教示するティーチング作業を開始できる状態にする（ステップＳ１）。
【００３１】
つぎに、加工プログラムにおいて初期設定である補助機能コードのシャッタ開等の指令を与え、ティーチングボックスに配置された加工軸送りキーを押して、またはハンドルおよびジョイスティックを用いて教示点へ移動させ、教示することにより加工プログラムの各教示点を作成していく（ステップＳ２）。
【００３２】
教示点を作成していく上で、姿勢変化コーナ部の従来のティーチング作業においては、たとえば、第７図に例示されている水平面上の教示点Ｐ₁から４５度傾斜面上の教示点Ｐ₂への場合、４５度傾斜面上の教示点Ｐ₂へ先端座標を合わせるように加工ヘッド９を移動させる（ステップＳ３）。
【００３３】
ここで、ノズル方向ベクトル一定移動を有効に切換え、姿勢軸１６の一定時間角度変化量に応じてノズル方向ベクトルのＸＹ方向を一定に保つように回転軸１４が伴って移動するので面直状態になるまで姿勢軸１６を移動させる（ステップＳ４）。
【００３４】
この後に、先端座標がずれていないかを確認する（ステップＳ５）。ずれが生じている場合には、ステップＳ３に戻って先端座標移動を行う。先端座標移動の作業後、再度、面直状態を作るために、ステップＳ４の処理を行う。つまり、ステップＳ３〜ステップＳ５を繰り返し行う。
【００３５】
同様に、第７図に例示されている４５度傾斜面上の教示点Ｐ₂から直立面上の教示点Ｐ₃への教示の際も、ステップＳ３〜ステップＳ５を繰り返し行う。
【００３６】
姿勢変化コーナ部のティーチングによるプログラム作成が終了した場合には、その続きとしてティーチングボックス１２に配置された加工軸送りキーを押して、またはハンドルおよびジョイスティックを用いて教示点へ移動させ、教示することにより加工プログラムの各教示点を作成していく（ステップＳ６）。ただし、姿勢変化コーナ部のティーチングがある場合には、ステップＳ３〜ステップＳ５を実行する。最後に補助機能コードのシャッタ閉およびプログラムエンド等の指令を与え、加工プログラムの作成が終了する。
【００３７】
回転角度計算部３１における演算処理では、下記の論理式によって計算を実行する。第５図はＸＹ平面上で姿勢軸１６の変化に対するノズル方向ベクトルの軌跡を示している。第５図において、Ａは姿勢軸１６の変化に対するノズル方向ベクトルの軌跡、θｒは現在の姿勢軸角度、Ｎｒは姿勢軸角度θｒにおける軌跡Ａ上の点、Ｌａは軌跡Ａ上の点Ｎｒと原点とで作成される直線、θｘは直線ＬａとＸ軸とがなす角度、Δθは姿勢軸１６の一定時間角度変化量、ΔＮは角度変化量Δθにおける軌跡Ａ上の点、ΔＬａは点ΔＮと原点とで作成される直線、Δθｘは直線ΔＬａとＸ軸とがなす角度、θ^*は姿勢軸１６の一定時間角度変化量に応じてノズル方向を一定に保つための回転軸１４の角度変化量である。
【００３８】
加工ヘッド９の回転軸１４の角度をα、姿勢軸１６の角度をβとすると、ノズル方向単位方向ベクトルｄは、
【数１】

と与えられる。この時、姿勢軸１６が０度であると仮定すると、
Ｘ＝1／2・cosβ−1／2
Ｙ＝−√2／2・sinβ
と簡単化され、上記式をＸＹ平面上に描くと、軌跡Ａとなる。そして、点Ｎｒにおける直線ＬａとＸ線とのなす角度がθｘであると、直線Ｌａの傾きは、
tanθｘ＝Ｙ／Ｘ
＝−√2・sinβ／（cosβ−１）
に表わされる。よって、点Ｎｒにおける直線ＬａとＸ軸との角度θｘは
θｘ＝tan^-1｛−√2・sinβ／（cosβ−１）｝
となる。角度変化量Δθに対しての直線ΔＬａとＸ線とのなす角度がΔθｘであると、
Δθｘ＝tan^-1｛−√2・sin（β＋Δβ）／（cos（β＋Δβ）−１）｝
となる。
【００３９】
この時、ノズル方向ベクトルのＸＹ方向を一定に保つには、姿勢軸１６が角度変化する前の直線Ｌａと角度変化した後の直線ΔＬａが一致すればよい。そのため、ずれている角度分を回転軸１４に対して回転させればよいので、回転軸の補正角度θ^*は下記の計算式により導き出される。
θ^*＝θｘ−Δθｘ
これを数列的に表現すると、
θｘn ＝tan^-1（−√2・sin（βn-1＋Δβ）
／（cos（βn-1＋Δβ）−１）｝
となり、数列表現による回転軸の補正角度２２はそれぞれの計算式により導き出される。
θ^*ｎ＝θｘn−θｘn-1
【００４０】
上述したように、現在の回転軸１４の角度と姿勢軸１６の角度からノズル方向ベクトルを算出し、姿勢軸１６の一定時間角度変化量に応じてノズル方向ベクトルのＸＹ方向を一定に保つように算出した角度分、回転軸１４が回転するため、面直状態にする作業が容易になり、時間の短縮による作業効率の向上を図ることができる。
【００４１】
また、ティーチングの修正時にて面直状態から姿勢軸を回転させた際に、姿勢軸の一定時間角度変化量に応じて加工ワークに対して面直状態を保つように回転軸が回転するため、面直状態にする作業を省くことが可能になり、時間の短縮による作業効率の向上を図ることができる。
【００４２】
また、ノズル方向ベクトル一定移動の有効／無効の切換を行えるため、ティーチング作業中または制御装置の操作中等、いつでも有効／無効の切換が可能になり、さらにそれらから姿勢軸をジョグおよび早送り移動等の移動指令を行った際に、姿勢軸の一定時間角度変化量に応じてノズル方向ベクトルのＸＹ方向を一定に保つように算出した角度分回転軸を回転するため面直状態にする作業を省くことが可能になり、時間の短縮による作業効率の向上を図ることができる。
【００４３】
【産業上の利用可能性】
金型等を作成する３次元レーザ加工機等、ノズルの先端位置および姿勢を教示し、教示に基づき加工を実施する３次元レーザ加工機で利用することができる。
【００４４】
【図面の簡単な説明】
【図１】第１図は、この発明による制御装置が適用される３次元レーザ加工機の構成例を示す斜視図である。
【図２】第２図は、この発明による制御装置が適用される３次元レーザ加工機の加工ヘッドの構成を示す解図である。
【図３】第３図は、この発明による３次元レーザ加工機用制御装置の一つの実施の形態を示すブロック図である。
【図４】第４図は、この発明による３次元レーザ加工機用制御装置によるティーチング処理を示すフローチャートである。
【図５】第５図は、ＸＹ平面におけるノズル方向ベクトルの軌跡および加工ヘッドの回転軸および姿勢軸の角度変化を示すグラフである。
【図６】第６図は、３次元レーザ加工機で使用される加工ヘッドの構成を示す解図である。
【図７】第７図は、姿勢変化コーナ部における加工ヘッドの姿勢変化の概要を示す斜視図である。
【図８】第８図は、従来の３次元レーザ加工機用制御装置によるティーチング作業を示すフローチャートである。

Claims

Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に移動可能な移動軸と、該移動軸のなかのＺ軸（鉛直軸）の中心軸線周りに回転可能な回転軸と、この回転軸に取り付けられてＺ軸に対して傾斜した軸線周りに回転可能な姿勢軸と、姿勢軸に取り付けられたレーザ用ノズルとを有し、回転軸および姿勢軸を回転させた際にノズル先端の加工点が不変なヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機であって、姿勢変化コーナ部を有するワークの加工軌跡を含む平面がＺ軸と平行になるようにワークを設置してノズルの先端位置および姿勢を教示し、教示に基づきワークの前記姿勢変化コーナ部に対する加工を実施する３次元レーザ加工機用制御装置において、
前記姿勢変化コーナ部の第１教示点を教示する際に、ノズルが面直状態にされた第１教示点における現在の回転軸および姿勢軸の回転角度から前記レーザ用ノズルのノズル方向単位ベクトルを算出して記憶するノズル方向ベクトル演算記憶手段と、
前記第１教示点と異なる第２教示点の面直状態を教示する際に、一定時間に姿勢軸が変化した回転角度を算出し、姿勢軸の回転角度変化量に応じて変化する前記レーザ用ノズルのノズル方向単位ベクトルのＸＹ成分方向が前記記憶されたノズル方向単位ベクトルのＸＹ成分方向に一致するように回転軸を回す角度を算出する回転角度計算手段と、
該回転角度計算手段によって算出した角度分、前記回転軸を回転させる制御を行う回転軸動作制御手段と、
を備え、前記第２教示点の面直状態を教示する際に、姿勢軸のみを回転操作し、この姿勢軸の回転操作に応じて前記回転軸動作制御手段によって回転軸を回転させることで、前記レーザ用ノズルを姿勢変化コーナ部に対し面直に維持可能としたことを特徴とする３次元レーザ加工機用制御装置。
前記ノズル方向ベクトル演算記憶手段、前記回転角度計算手段および前記回転軸動作制御手段による前記動作制御の有効／無効の切換えを行う操作手段を備えることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の３次元レーザ加工機用制御装置。