JP5642104B2 - レンズ駆動システムおよびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、加工ノズルのノズル軸に対してレーザビームの光軸を偏心させる制御装置、レンズ駆動システムおよびレーザ加工装置に関する。

レーザ加工装置は、レーザビームで溶解・蒸発させた材料をアシストガスで排出することにより、被加工物（材料）の加工を行なう。このようなレーザ加工装置では、このアシストガスの作用が、切断速度や切断面品質に影響を与える。例えば、被加工物が厚いほど切断面から溶融物を取り除きにくくなる。また、被加工物の切断面に十分な気流がないと切断速度が遅くなり、バリやドロスが生じてしまう。このため、加工ノズルのノズル軸（ノズル中心）に対してレーザビームの光軸（レーザビーム中心）をレーザ加工進行方向と同方向に偏心させることで、面粗さや加工速度を向上させる方法が用いられている。

特許文献１に記載されているレーザ加工機のレーザビームノズル装置は、通常固定されているレーザビームノズルをレーザビーム中心に対して任意の加工進行方向に偏心させることができる機構を有している。

また、複数の駆動軸を有する機構において、それぞれの駆動軸の動的挙動が相互に干渉することにより、それぞれの駆動軸の位置決め精度が悪化することが知られている。特許文献２に記載の制御装置は、工具を互いに直交する３方向へ動作させる３つの軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸メカ）のそれぞれの動的挙動が相互に及ぼす影響を示す伝達関数を用いて、それらの干渉を補償するための補正値を変位量として算出している。そして、算出した変位量を用いて目標変位量を補正している。

特許第３２８７１１２号公報（図１） 特開２００９−２７１６８５号公報（図１）

上記前者および後者の技術では、薄板加工を行なう場合に、加工品質を損なう可能性があったので、薄板加工時にはレーザビームの光軸を加工ノズルのノズル軸に一致させるように加工レンズを位置決めする必要があった。しかしながら、薄板加工は厚板加工に比べて加工ヘッドが高速・高加速度で移動するので、加工ヘッドの動的挙動がレンズ駆動装置に影響を及ぼす。このため、薄板加工の際には、レンズ駆動装置の位置決め精度を悪化させ、加工レンズが固定されているレーザ加工装置よりもレーザビームの位置決め精度が劣化するという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高加速度で加工ヘッドが移動する場合においてもレーザビームの位置決め精度の劣化を抑制した制御装置、レンズ駆動システムおよびレーザ加工装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、レーザ発振器から発振されたレーザビームを被加工物に照射する加工ヘッドを駆動させるための位置指令を、加工プログラムを用いて生成し、前記加工ヘッドを駆動する加工ヘッド駆動装置に対して出力する加工ヘッド指令生成部と、前記加工ヘッド内に配置されて前記レーザビームを集光する加工レンズを駆動するレンズ駆動装置と、前記加工ヘッドが有する加工ノズルのノズル中心に対してレーザビーム中心を偏心させるための偏心指令を、前記加工プログラムを用いて生成して出力する偏心指令生成部と、前記加工ヘッドの動的挙動に起因する前記レンズ駆動装置への外乱を補償するための外乱補償指令を、前記加工プログラムに応じた前記加工ヘッドの加速度に基づいて生成して出力する補償部と、を備え、前記レンズ駆動装置は、前記偏心指令と前記外乱補償指令とに基づき、前記加工プログラムに応じて駆動した前記加工ヘッドの動的挙動に起因した外乱を補償しながら、前記偏心指令に前記加工レンズの位置が一致するよう前記加工レンズを駆動することを特徴とする。

本発明によれば、高加速度で加工ヘッドが移動する場合においてもレーザビームの位置決め精度の劣化を抑制することが可能になるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。 図２は、実施の形態１に係るレンズ駆動システムの構成を示す図である。 図３は、加速度指令から生成される位置指令の生成処理手順を示す図である。 図４は、加工ヘッドの断面構成を示す図である。 図５は、外乱補償の処理手順を説明するための図である。 図６は、実施の形態２に係るレンズ駆動システムの構成を示す図である。 図７は、実施の形態３に係るレンズ駆動システムの構成を示す図である。 図８は、数値制御装置とレンズ駆動装置との間の通信周期と、推力制御系の制御周期とを説明するための図である。 図９は、実施の形態４に係るレンズ駆動システムの構成を示す図である。

以下に、本発明に係る制御装置、レンズ駆動システムおよびレーザ加工装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係るレーザ加工装置の構成を示す図である。レーザ加工装置１０１は、レーザ発振器３０と、数値制御装置１Ｘと、加工ヘッド６Ｘと、を含んで構成されている。

レーザ発振器３０は、レーザビーム１３を発振する。レーザ発振器３０から出力されたレーザビーム１３は、反射ミラー（図示せず）などを用いて加工ヘッド６Ｘに導かれる。加工ヘッド６Ｘは、加工レンズ１２などを備えており、加工レンズ１２でレーザビーム１３を集光して被加工物４０に照射する。加工ヘッド６Ｘへは、アシストガスが供給され、加工ヘッド６Ｘからアシストガスが送出される。加工ヘッド６Ｘから送出されたアシストガスは、被加工物４０上のレーザビーム１３の照射位置に吹き付けられる。

数値制御装置１Ｘは、レンズ駆動制御装置としての機能を有しており、加工プログラムに基づいて、加工ヘッド６Ｘおよびレーザ発振器３０の動作を制御する。レーザ加工装置１０１では、数値制御装置１Ｘと加工ヘッド６Ｘとからなるシステムが、レンズ駆動システム（レーザ照射位置制御機構）として動作する。

図２は、実施の形態１に係るレンズ駆動システムの構成を示す図である。レンズ駆動システム１００Ａは、加工ヘッド６Ｘと加工レンズ１２の位置を制御することにより、被加工物４０に照射するレーザビーム１３の位置を制御する。レンズ駆動システム１００Ａは、数値制御装置１Ｘの一例である数値制御装置１Ａと、加工ヘッド６Ｘの一例である加工ヘッド６Ａとを備えている。

数値制御装置１Ａは、加工ヘッド６Ａを制御するコンピュータなどであり、加工ヘッド６Ａの位置や加工レンズ１２の位置を制御する。数値制御装置１Ａは、加工プログラム記憶部２、加工ヘッド指令生成部３Ａ、外乱推定・補償部４Ａ、偏心指令生成部５を有している。加工ヘッド６Ａは、加工ヘッド駆動装置７とレンズ駆動装置８Ａを有している。

レンズ駆動システム１００Ａでは、外乱推定・補償部４Ａと偏心指令生成部５とを有した装置（数値制御装置１Ａなど）が、レンズ駆動装置８Ａ（加工レンズ１２）を制御するレンズ制御装置として動作し、加工ヘッド指令生成部３Ａが、加工ヘッド駆動装置７（加工ヘッド６Ｘ）を制御する加工ヘッド制御装置として動作する。換言すると、数値制御装置１Ａは、レンズ駆動装置８Ａおよび加工ヘッド駆動装置７を制御する制御装置として動作する。

数値制御装置１Ａの加工プログラム記憶部２は、加工プログラムを記憶するメモリなどである。加工プログラムには、被加工物の加工位置や加工条件などが含まれている。加工ヘッド指令生成部３Ａは、加工プログラム記憶部２から加工プログラムを読み出して、加工プログラムに応じた加工ヘッドへの加速度指令を算出する。また、加工ヘッド指令生成部３Ａは、加速度指令から加工ヘッドへの位置指令を生成する。加工ヘッド指令生成部３Ａは、生成した位置指令を加工ヘッド駆動装置７に送り、算出した加速度指令を外乱推定・補償部４Ａに送る。

本実施の形態の外乱推定・補償部４Ａは、加工ヘッド６Ａの動的挙動によるレンズ駆動装置８Ａへの外乱を推定し、外乱を補償する。具体的には、外乱推定・補償部４Ａは、加速度指令に基づいて外乱補償指令を生成し、生成した外乱補償指令をレンズ駆動装置８Ａに送る。外乱補償指令は、加工ヘッド６Ａの加工速度に応じて動作が遅れる加工レンズ１２に対し、加工レンズ１２の動作の遅れを解消させるための指令である。換言すると、外乱補償指令は、加工速度の影響を打ち消す指令である。

偏心指令生成部５は、加工プログラム記憶部２から加工プログラムを読み出して、加工プログラムに応じた加工ヘッド６Ａへの偏心指令を生成する。偏心指令は、加工ヘッド６Ｘが備える加工ノズル（後述のレーザビームノズル１０）のノズル軸に対してレーザビーム１３の光軸を偏心させる指令である。偏心指令生成部５は、生成した偏心指令をレンズ駆動装置８Ａに送る。

加工ヘッド６Ａの加工ヘッド駆動装置７は、加工ヘッド６Ａを駆動させる装置である。加工ヘッド駆動装置７は、加工ヘッド指令生成部３Ａからの位置指令に従って、加工ヘッド６ＡをＸＹＺ方向（３次元方向）に移動させる。

レンズ駆動装置８Ａは、加工レンズ１２を駆動させる装置である。レンズ駆動装置８Ａは、外乱推定・補償部４Ａからの外乱補償指令と、偏心指令生成部５からの偏心指令と、に基づいて、加工レンズ１２の位置をＸＹ方向（２次元方向）に移動させる。

つぎに、レーザ加工装置１０１によるレーザ加工処理手順について説明する。数値制御装置１Ａでは、加工ヘッド指令生成部３Ａが加工プログラム記憶部２から加工プログラムを読み出して、加工プログラムに応じた加工ヘッドへの加速度指令を算出する。加工ヘッド指令生成部３Ａは、算出した加速度指令を外乱推定・補償部４Ａに送る。

また、加工ヘッド指令生成部３Ａは、加工プログラムに応じた加工ヘッド６Ａへの位置指令を生成する。このとき、加工ヘッド指令生成部３Ａは、算出した加速度指令を２回積分することによって、位置指令を生成する。加工ヘッド指令生成部３Ａは、生成した位置指令を加工ヘッド駆動装置７に送る。

図３は、加速度指令から生成される位置指令の生成処理手順を示す図である。加工ヘッド指令生成部３Ａは、加工プログラムから算出した加速度指令を積分器１７で積分することにより、加速度指令から速度指令を導出する。さらに、加工ヘッド指令生成部３Ａは、導出した速度指令を積分器１８で積分することにより、速度指令から位置指令を生成する。

加工ヘッド指令生成部３Ａが生成した位置指令は、加工ヘッド駆動装置７へ入力される。加工ヘッド駆動装置７は、加工ヘッド指令生成部３Ａからの位置指令に従って、加工ヘッド６ＡをＸＹＺ方向に移動させる。

また、偏心指令生成部５は、加工プログラム記憶部２から加工プログラムを読み出して、加工プログラムに応じた偏心指令を生成する。偏心指令生成部５は、生成した偏心指令をレンズ駆動装置８Ａに送る。レンズ駆動装置８Ａは、偏心指令および外乱補償指令に基づいて、レーザビームノズル１０のノズル軸に対してレーザビーム１３の光軸を所定量だけレーザ加工進行方向と同方向に偏心させる。

図４は、加工ヘッドの断面構成を示す図である。なお、図４では、加工ヘッド駆動装置７の図示を省略している。また、図４では、レンズ駆動装置８Ａのうちレンズアクチュエータ１１以外の図示を省略している。

加工ヘッド６Ａは、レーザビームノズル１０、レンズアクチュエータ１１、加工レンズ１２を具備している。レーザビームノズル１０は、加工ヘッド６Ａの一方の端部（レーザビーム１３の出射側）に取り付けられている。レーザビームノズル１０は、開口部が被加工物４０に指向しており、加工レンズ１２で集光されたレーザビーム１３を被加工物４０側に送出する。レンズアクチュエータ１１は、加工レンズ１２の位置（ＸＹＺ方向）を制御する。

レーザビーム１３は、加工ヘッド６Ａに入ると、加工レンズ１２によって収束され、レーザビームノズル１０から出射されて被加工物４０に照射される。厚板切断時（被加工物４０が厚板である場合）には、加工進行方向１６と加工レンズ移動方向１５とが一致するように加工レンズ１２がレンズアクチュエータ１１によって移動させられる。これにより、レーザビームノズル中心９（ノズル軸）に対してレーザビーム中心１４（レーザビームの光軸）が偏心する。

外乱推定・補償部４Ａは、加工ヘッド指令生成部３Ａから送られてくる加速度指令に基づいて、レンズ駆動装置８Ａへの外乱補償指令を生成する。外乱推定・補償部４Ａは、生成した外乱補償指令をレンズ駆動装置８Ａに送る。

図５は、外乱補償の処理手順を説明するための図である。図５では、外乱推定・補償部４Ａおよびレンズ駆動装置８Ａの構成と、指令などの流れを示している。外乱推定・補償部４Ａは、外乱推定演算器１９と推力遅れ補償器２０を備えている。また、レンズ駆動装置８Ａは、位置・速度制御器２１、推力制御系２２、レンズアクチュエータ１１、減算器３１、加算器３２を備えている。

外乱推定・補償部４Ａでは、加速度指令が入力されると、外乱推定演算器１９が加速度指令に基づいて、レンズ駆動装置８Ａへの影響を推力として算出する。この推力は、外乱推定演算器１９から推力遅れ補償器２０に送られる。推力遅れ補償器２０は、外乱推定演算器１９からの推力に基づいて、推力制御系２２の遅れを解消するための外乱補償指令を生成し、推力制御系２２に送る。

レンズ駆動装置８Ａでは、偏心指令が入力されると、減算器３１が偏心指令からレンズ位置を減算する。レンズ位置は、レンズアクチュエータ１１から減算器３１に送られてくるものである。位置・速度制御器２１は、減算結果（偏心指令とレンズ位置との差）に基づいて、推力指令を生成し、加算器３２に送る。推力指令は、推力制御系２２に推力を出力させる指令であり、加工プログラムに応じた位置に加工レンズ１２を移動させるための指令である。

加算器３２は、推力遅れ補償器２０から送られてくる外乱補償指令と、位置・速度制御器２１から送られてくる推力指令と、を足し合わせる。外乱補償指令は、推力指令に足し合わされる指令値であり、通常動作の推力指令を加工ヘッド６Ａ（加工レンズ１２）の加速度に応じて補正するための補正推力指令値である。別言すれば、外乱補償指令は、推力制御系２２の遅れを補償するための指令である。換言すると、外乱補償指令は、加工ヘッド６Ａの加速度に応じて発生する加工レンズ１２の位置ずれを補正するための指令である。

加算器３２は、外乱補償指令と推力指令とを足し合わせたものを総推力指令として推力制御系２２へ送る。これにより、推力制御系２２へは、総推力指令が入力される。推力制御系２２は、総推力指令に応じた推力をレンズアクチュエータ１１へ与える。

レンズアクチュエータ１１は、推力によって加工レンズ１２の位置を移動させる。これにより、加工レンズ１２の位置が変化し、レーザビーム中心１４が変化する。レンズアクチュエータ１１は、加工レンズ１２の位置をレンズ位置として減算器３１に送る。

本実施の形態では、加工ヘッド６Ａの動的挙動に起因するレンズ駆動装置８Ａへの外乱を補償するよう加工レンズ１２の位置を移動させているので、加工ヘッド６Ａの移動中であっても所望の位置にレーザビーム中心１４を移動させることが可能となる。これにより、加工レンズ１２の固定されている従来装置と比べて、レーザビーム１３の位置決め精度が劣化しにくくなる。

なお、本実施の形態では、加工ヘッド指令生成部３Ａが、加工プログラムから加速度指令を算出し、加速度指令から位置指令を生成する場合について説明したが、加工ヘッド指令生成部３Ｂは、加工プログラムから位置指令を算出し、位置指令から加速度指令を生成してもよい。

また、本実施の形態では、推力遅れ補償器２０が、外乱補償指令を加算器３２に入力する場合について説明したが、推力遅れ補償器２０は、外乱補償指令を位置指令（位置補正指令）に変換させてから減算器３１に入力してもよい。この場合、２つの積分器を外乱推定・補償部４Ａに配置しておく。そして、推力遅れ補償器２０から出力された外乱補償指令を、第１の積分器で積分して速度指令とする。さらに、この速度指令を、第２の積分器で積分して位置指令とし、この位置指令を減算器３１に入力する。減算器３１は、偏心指令に位置指令を加えたものからレンズ位置を減算して、位置・速度制御器２１に入力する。

このように、実施の形態１によれば、レンズ駆動システム１００Ａは、加工ヘッド６Ａの動的挙動が与えるレンズ駆動装置８Ａへの影響を外乱補償指令によって補償している。これにより、厚板加工の際の角部加工や薄板加工などの高加速度で加工ヘッド６Ａが移動する場合においても、レーザビーム１３の位置決め精度の劣化を抑制することが可能になる。したがって、被加工物４０の加工品質を向上させることができる。

実施の形態２．
つぎに、図６を用いてこの発明の実施の形態２について説明する。実施の形態２では、予め加工プログラムを用いたレーザ加工を実施しておき、このときの加工ヘッド６Ａの加速度を加速度計等で測定し学習しておく。そして、測定結果（後述の加速度学習データＤ１）を記憶しておき、測定結果を用いて外乱補償指令を生成する。

図６は、実施の形態２に係るレンズ駆動システムの構成を示す図である。図６の各構成要素のうち図２に示す実施の形態１のレンズ駆動システム１００Ａと同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

レンズ駆動システム１００Ｂは、数値制御装置１Ｘの一例である数値制御装置１Ｂと、加工ヘッド６Ｘの一例である加工ヘッド６Ａとを備えている。数値制御装置１Ｂは、加工ヘッド６Ａを制御するコンピュータなどであり、加工ヘッド６Ａの位置や加工レンズ１２の位置を制御する。

数値制御装置１Ｂは、加工プログラム記憶部２、加工ヘッド指令生成部３Ｂ、加速度学習データ記憶部２３、外乱補償部４Ｂ、偏心指令生成部５を有している。レンズ駆動システム１００Ｂでは、外乱補償部４Ｂと偏心指令生成部５とを有した装置が、レンズ駆動装置８Ａを制御するレンズ制御装置として動作する。

加工ヘッド指令生成部３Ｂは、加工プログラム記憶部２から加工プログラムを読み出して、加工プログラムに応じた加工ヘッドへの位置指令を生成する。加速度学習データ記憶部２３は、加速度計（図示せず）等で予め測定（学習）しておいた加工ヘッド６Ａの加速度データを、加速度学習データＤ１（図示せず）として記憶するメモリなどである。

本実施の形態では、レーザ加工装置１０１が、予め加工プログラム記憶部２内の加工プログラムを用いたレーザ加工を実施しておく。このときの加工ヘッド６Ａの加速度を、加速度計等で測定しておき、測定結果を、加速度学習データＤ１として加速度学習データ記憶部２３内に格納しておく。

そして、この後に加工プログラム記憶部２内の加工プログラムを用いてレーザ加工を行う際には、外乱補償部４Ｂは、加速度学習データ記憶部２３内の加速度学習データＤ１を用いて、外乱補償指令を生成する。そして、外乱補償部４Ｂは、生成した外乱補償指令をレンズ駆動装置８Ａに送る。また、偏心指令生成部５は、偏心指令をレンズ駆動装置８Ａに送る。これにより、加工ヘッド６Ａは、実施の形態１の加工ヘッド６Ａと同様の動作を行う。

なお、本実施の形態では、予めレーザ加工を実施して加速度学習データＤ１を取得する場合について説明したが、予めコンピュータなどが加工プログラムを用いて加速度データＤ２（図示せず）を算出しておいてもよい。この場合、外乱補償部４Ｂは、算出した加速度データＤ２を用いて外乱補償指令を生成する。加速度データＤ２の算出は、数値制御装置１Ｂ以外のコンピュータが予め行ってもよいし、外乱補償部４Ｂが予め行ってもよい。

また、予め外乱補償指令を生成しておき、数値制御装置１Ｂ内で記憶しておいてもよい。この場合、外乱補償部４Ｂは、記憶しておいた外乱補償指令をレンズ駆動装置８Ａに送る。予め生成しておく外乱補償指令は、以前に外乱推定・補償部４Ａや外乱補償部４Ｂからレンズ駆動装置８Ａに出力されたものであってもよいし、加速度学習データＤ１や加速度データＤ２を用いて予め算出したものであってもよい。

このように、実施の形態２によれば、レンズ駆動システム１００Ｂは、加工ヘッド６Ａの動的挙動が与えるレンズ駆動装置８Ａへの影響を外乱補償指令によって補償している。これにより、実施の形態１と同様に、厚板加工の際の角部加工や薄板加工などの高加速度で加工ヘッド６Ａが移動する場合においても、レーザビーム１３の位置決め精度の劣化を抑制することが可能になる。

また、予め記憶しておいた加速度学習データＤ１を用いて外乱補償指令を生成するので、算出される加速度指令と加工ヘッド６Ａの実加速度との間の誤差に対しても外乱補償することが可能となる。

また、予め記憶しておいた加速度学習データＤ１を用いて外乱補償指令を生成するので、簡易な構成の数値制御装置１Ｂで容易にレーザビーム１３の位置決め精度の劣化を抑制することが可能になる。

実施の形態３．
つぎに、図７および図８を用いてこの発明の実施の形態３について説明する。実施の形態３では、加工プログラムから加工ヘッド６Ｘの加速度指令を先読みし、先読み結果に基づいて、外乱補償を行うタイミングを加工ヘッド６Ｘに指示する。

図７は、実施の形態３に係るレンズ駆動システムの構成を示す図である。図７の各構成要素のうち図２に示す実施の形態１のレンズ駆動システム１００Ａと同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

レンズ駆動システム１００Ｃは、数値制御装置１Ｘの一例である数値制御装置１Ｃと、加工ヘッド６Ｘの一例である加工ヘッド６Ｃとを備えている。数値制御装置１Ｃは、加工ヘッド６Ｃを制御するコンピュータなどであり、加工ヘッド６Ｃの位置や加工レンズ１２の位置を制御する。

数値制御装置１Ｃは、加工プログラム記憶部２、加工ヘッド指令生成部３Ａ、外乱推定・補償部４Ａ、偏心指令生成部５、補償タイミング演算部２４を有している。レンズ駆動システム１００Ｃでは、外乱推定・補償部４Ａと偏心指令生成部５と補償タイミング演算部２４とを有した装置（数値制御装置１Ｃなど）が、レンズ駆動装置８Ｃを制御するレンズ制御装置として動作する。

補償タイミング演算部２４は、加工プログラム記憶部２内の加工プログラムから加工ヘッド６Ｃの加速度指令を先読みし、先読み結果に基づいて、外乱補償を行うタイミングをレンズ駆動装置８Ｃに指示する。

数値制御装置１Ｃとレンズ駆動装置８Ｃとの間の通信周期が、推力制御系２２の制御周期よりも長い場合、加工レンズ１２の実際の加速に、外乱補償指令が間に合わない場合がある。本実施の形態では、補償タイミング演算部２４が、加工プログラムから加工ヘッド６Ｃの加速度指令を先読みしている。これにより、補償タイミング演算部２４は、加工ヘッド６Ｃの加速度の変化を事前に把握できる。

補償タイミング演算部２４は、外乱補償指令を開始または終了するタイミングと外乱補償指令を入力する期間を補償タイミングとしてレンズ駆動装置８Ｃ（推力制御系２２側）に入力する。補償タイミングは、レンズ駆動装置８Ｃに外乱補償指令を取り込ませるタイミングであり、加工ヘッド６Ｃが加速を開始または終了するタイミングに応じて設定されている。

外乱補償指令の入力開始／入力停止を切替える周期は、数値制御装置１Ｃと加工ヘッド６Ｃとの間の通信周期よりも短い周期であり、例えば推力制御系２２の制御周期と同じ周期である。外乱補償指令の入力開始／入力停止を切替える周期は、例えば、数値制御装置１Ｃと加工ヘッド６Ｃとの間の通信周期の１０分の１である。

これにより、補償タイミング演算部２４は、数値制御装置１Ｃと加工ヘッド６Ｃとの間の通信周期よりも短い周期で、外乱補償指令の入力開始と入力停止を加算器３２に切替えさせる。換言すると、補償タイミング演算部２４は、加工ヘッド６Ｃが実際に加速度を変化させるタイミングに応じた適切なタイミングで外乱補償指令を開始または終了させる。

図８は、数値制御装置とレンズ駆動装置との間の通信周期と、推力制御系の制御周期とを説明するための図である。図８の横軸は時間であり、縦軸は加速度指令に対応する外乱補償指令である。図８では、数値制御装置１Ｃと加工ヘッド６Ｃ（レンズ駆動装置８Ｃ）との間の通信周期（位置指令および偏心指令の通信周期）を通信周期Ｔ_comで示している。また、外乱補償指令を推力制御系２２側に入力するタイミング（期間）を、補償タイミングＴ_comp1，Ｔ_comp2で示している。

本実施の形態の補償タイミング演算部２４は、加工ヘッド６Ｃが加速度を変化させるタイミングに対応した補償タイミングＴ_comp1，Ｔ_comp2をレンズ駆動装置８Ｃ（加算器３２）に入力する。これにより、推力制御系２２には、外乱推定・補償部４Ａからの補償タイミングＴ_comp1，Ｔ_comp2で外乱補償指令が入力される。

推力制御系２２の制御周期で補償タイミングＴ_comp1，Ｔ_comp2を与えることで、外乱補償の時間分解能を向上できる。これにより、数値制御装置１Ｃとレンズ駆動装置８Ｃとの間の通信周期Ｔ_comが、推力制御系２２の制御周期よりも長い場合であっても、実施の形態１とほぼ同等の効果が得られる。

このように、実施の形態３によれば、レンズ駆動システム１００Ｃは、加工プログラムから加工ヘッド６Ｃの加速度指令を先読みし、先読み結果に基づいて、外乱補償を行うタイミングを加工ヘッド６Ｃに指示しているので、厚板加工の際の角部加工や薄板加工などの高加速度で加工ヘッド６Ｃが移動する場合においても、レーザビーム１３の位置決め精度の劣化を抑制することが可能になる。

また、数値制御装置１Ｃと加工ヘッド６Ｃとの間の通信周期よりも短い周期で外乱補償の開始・終了を指示するので、外乱補償の時間分解能を向上でき、その結果、適切なタイミングで外乱補償を行うことが可能となる。

実施の形態４．
つぎに、図９を用いてこの発明の実施の形態４について説明する。実施の形態４では、加速度学習データを用いて外乱補償指令を生成するとともに、加工プログラムから加工ヘッド６Ｘの加速度指令を先読みし、先読み結果に基づいて、外乱補償を行うタイミングを加工ヘッド６Ｘに指示する。すなわち、実施の形態４の数値制御装置は、実施の形態２の数値制御装置１Ｂが補償タイミング演算部２４を備えた構成となっている。

図９は、実施の形態４に係るレンズ駆動システムの構成を示す図である。図９の各構成要素のうち図２に示す実施の形態１のレンズ駆動システム１００Ａや図７に示す実施の形態３のレンズ駆動システム１００Ｃと同一機能を達成する構成要素については同一番号を付しており、重複する説明は省略する。

レンズ駆動システム１００Ｄは、数値制御装置１Ｘの一例である数値制御装置１Ｄと、加工ヘッド６Ｘの一例である加工ヘッド６Ｃとを備えている。数値制御装置１Ｄは、加工ヘッド６Ｃを制御するコンピュータなどであり、加工ヘッド６Ｃの位置や加工レンズ１２の位置を制御する。数値制御装置１Ｄは、加工プログラム記憶部２、加工ヘッド指令生成部３Ｂ、加速度学習データ記憶部２３、外乱補償部４Ｂ、偏心指令生成部５、補償タイミング演算部２４を有している。レンズ駆動システム１００Ｄでは、外乱補償部４Ｂと偏心指令生成部５と補償タイミング演算部２４とを有した装置（数値制御装置１Ｄなど）が、レンズ駆動装置８Ｃを制御するレンズ制御装置として動作する。

本実施の形態では、実施の形態２と同様に、加速度学習データＤ１を用いて外乱補償指令を生成する。また、実施の形態３と同様に、補償タイミング演算部２４が、加工プログラムから加工ヘッド６Ｃの加速度指令を先読みし、補償タイミングをレンズ駆動装置８Ｃに送る。

これにより、レンズ駆動装置８Ｃは、加工ヘッド６Ｃが加速するタイミングに合わせて外乱補償指令を推力制御系２２側に入力する。なお、補償タイミング演算部２４は、加速度学習データ記憶部２３内の加速度学習データＤ１を用いて、補償タイミングを生成してもよい。

このように、実施の形態４によれば、レンズ駆動システム１００Ｄは、加工プログラムから加工ヘッド６Ｃの加速度指令を先読みし、先読み結果に基づいて、外乱補償を行うタイミングを加工ヘッド６Ｃに指示しているので、厚板加工の際の角部加工や薄板加工などの高加速度で加工ヘッド６Ｃが移動する場合においても、レーザビーム１３の位置決め精度の劣化を抑制することが可能になる。

以上のように、本発明に係る制御装置、レンズ駆動システムおよびレーザ加工装置は、加工ノズルのノズル軸に対してレーザビームの光軸を偏心させるレーザ加工に適している。

１Ａ〜１Ｄ，１Ｘ 数値制御装置
３Ａ，３Ｂ 加工ヘッド指令生成部
４Ａ 外乱推定・補償部
４Ｂ 外乱補償部
５ 偏心指令生成部
６Ａ，６Ｃ，６Ｘ 加工ヘッド
７ 加工ヘッド駆動装置
８Ａ，８Ｃ レンズ駆動装置
９ レーザビームノズル中心
１０ レーザビームノズル
１１ レンズアクチュエータ
１２ 加工レンズ
１３ レーザビーム
１４ レーザビーム中心
２２ 推力制御系
２３ 加速度学習データ記憶部
２４ 補償タイミング演算部
３０ レーザ発振器
４０ 被加工物
１００Ａ〜１００Ｄ レンズ駆動システム
１０１ レーザ加工装置

Claims (7)

1. レーザ発振器から発振されたレーザビームを被加工物に照射する加工ヘッドを駆動させるための位置指令を、加工プログラムを用いて生成し、前記加工ヘッドを駆動する加工ヘッド駆動装置に対して出力する加工ヘッド指令生成部と、
   前記加工ヘッド内に配置されて前記レーザビームを集光する加工レンズを駆動するレンズ駆動装置と、
   前記加工ヘッドが有する加工ノズルのノズル中心に対してレーザビーム中心を偏心させるための偏心指令を、前記加工プログラムを用いて生成して出力する偏心指令生成部と、
   前記加工ヘッドの動的挙動に起因する前記レンズ駆動装置への外乱を補償するための外乱補償指令を、前記加工プログラムに応じた前記加工ヘッドの加速度に基づいて生成して出力する補償部と、
   を備え、
   前記レンズ駆動装置は、前記偏心指令と前記外乱補償指令とに基づき、前記加工プログラムに応じて駆動した前記加工ヘッドの動的挙動に起因した外乱を補償しながら、前記偏心指令に前記加工レンズの位置が一致するよう前記加工レンズを駆動することを特徴とするレンズ駆動システム。
2. 前記加工ヘッド指令生成部は、前記加工プログラムに基づいて、前記加工ヘッドの加速度を算出し、算出された加速度を用いて、前記加工ヘッドの位置指令を生成し、
   前記補償部は、前記算出された加速度を用いて、前記外乱補償指令を生成することを特徴とする請求項１に記載のレンズ駆動システム。
3. 前記補償部は、予め前記加工プログラムを用いて前記加工ヘッドを駆動させた際に測定されて学習された前記加工ヘッドの加速度に基づいて、前記外乱補償指令を生成することを特徴とする請求項１に記載のレンズ駆動システム。
4. 前記加工ヘッドの加速度に基づいて、前記レンズ駆動装置に前記外乱補償指令を取り込ませるタイミングである補償タイミングを生成し、前記レンズ駆動装置に対して出力する補償タイミング演算部をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のレンズ駆動システム。
5. レーザ発振器から発振されたレーザビームを被加工物に照射する加工ヘッドを駆動する加工ヘッド駆動装置と、
   前記加工ヘッド内に配置されて前記レーザビームを集光する加工レンズを駆動するレンズ駆動装置と、
   前記加工ヘッドを駆動させるための位置指令を出力するとともに、前記加工ヘッドが有する加工ノズルのノズル中心に対してレーザビーム中心を偏心させるための偏心指令を出力する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記位置指令を、加工プログラムを用いて生成する加工ヘッド指令生成部と、
   前記偏心指令を、前記加工プログラムを用いて生成する偏心指令生成部と、
   前記加工ヘッドの動的挙動に起因する前記レンズ駆動装置への外乱を補償するための外乱補償指令を前記加工ヘッドの加速度に基づいて生成して出力する補償部と、
   を有し、
   前記レンズ駆動装置は、前記偏心指令と前記外乱補償指令とに基づき、前記加工プログラムに応じて駆動した前記加工ヘッドの動的挙動に起因した外乱を補償しながら、前記偏心指令に前記加工レンズの位置が一致するよう前記加工レンズを駆動することを特徴とするレンズ駆動システム。
6. 前記加工ヘッドの加速度に基づいて、前記レンズ駆動装置に前記外乱補償指令を取り込ませるタイミングである補償タイミングを生成し、前記レンズ駆動装置に対して出力する補償タイミング演算部をさらに備え、
   前記レンズ駆動装置が前記加工レンズを駆動する際の推力制御周期は、自装置と前記レンズ駆動装置との間の通信周期よりも短いことを特徴とする請求項５に記載のレンズ駆動システム。
7. レーザビームを発振するレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から発振されたレーザビームを被加工物に照射する加工ヘッドと、
   前記加工ヘッドを駆動する加工ヘッド駆動装置と、
   前記加工ヘッド内に配置されて前記レーザビームを集光する加工レンズを駆動するレンズ駆動装置と、
   前記加工ヘッドを駆動させるための位置指令を出力するとともに、前記加工ヘッドが有する加工ノズルのノズル中心に対してレーザビーム中心を偏心させるための偏心指令を出力する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記位置指令を、加工プログラムを用いて生成する加工ヘッド指令生成部と、
   前記偏心指令を、前記加工プログラムを用いて生成する偏心指令生成部と、
   前記加工ヘッドの動的挙動に起因する前記レンズ駆動装置への外乱を補償するための外乱補償指令を前記加工ヘッドの加速度に基づいて生成して出力する補償部と、
   を有し、
   前記レンズ駆動装置は、前記偏心指令と前記外乱補償指令とに基づき、前記加工プログラムに応じて駆動した前記加工ヘッドの動的挙動に起因した外乱を補償しながら、前記偏心指令に前記加工レンズの位置が一致するよう前記加工レンズを駆動することを特徴とするレーザ加工装置。

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