KR20020094953A - 3차원 레이저 가공기용 제어장치 - Google Patents

3차원 레이저 가공기용 제어장치 Download PDF

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KR20020094953A KR1020027015180A KR20027015180A KR20020094953A KR 20020094953 A KR20020094953 A KR 20020094953A KR 1020027015180 A KR1020027015180 A KR 1020027015180A KR 20027015180 A KR20027015180 A KR 20027015180A KR 20020094953 A KR20020094953 A KR 20020094953A
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쓰카모토마스키
무카에도모노리
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미쓰비시덴키 가부시키가이샤
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Abstract

회전축 및 자세축을 회전시켰을때에 가공점이 불변인 헤드구조를 갖는 3차원 레이저 가공기에서 노즐의 선단위치 및 자세를 교시하고 교시에 따라 가공을 실시하는 3차원 레이저 가공기용 제어장치에서, 현재의 회전축(14) 및 자세축(16)의 각도에서 노즐방향 벡터를 산출하는 동시에 일정시간에 자세축(16)이 변화한 각도를 산출해서 자세축(16)의 각도변화량에 따라 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 유지하도록 회전축(14)을 돌리는 각도를 산출하고, 산출한 각도분 회전축(14)을 회전시키는 제어를 한다.

Description

3차원 레이저 가공기용 제어장치{CONTROLLER FOR THREE-DIMENSIONAL LASER BEAM MACHINE}
자유곡면을 가공하는 3차원 레이저 가공기로서, Z축(연직축)의 중심축선 주위에 회전가능한 회전축(α축)과, Z축에 대해 경사한 축선주위에 회전가능한 자세축(β축)을 소유하고 회전축 및 자세축을 회전시켰을때에 가공점이 불변한 헤드구조를 갖는 3차원 레이저 가공기가 알려져 있다. (일본국 특개평1-162592호 공보참조).
도 6은, 회전축(α축), 자세축(β축)을 갖는 형식의 가공헤드를 해도적으로 표시하고 있다. 도 6에서는 가공헤드를 전체를 부호(50)에 의해 표시되어 있고, 가공헤드(50)는 Z축 부재(60)의 선단에 베어링 부재(51)에 의해 Z축의 중심 축선주위에 회전 가능한 회전축(52)과 회전축(52_의 선단에 베어링 부재(53)에 의해 부착되어 Z축에 대해 경사진 축선주위에 회전 가능한 자세축(54)을 소유하고, 자세축 (54)의 선단에 레이저용 노즐(61)을 부착되어 있다. 또 가공점을 부호 N에 의해 표시되어 있다.
자유곡면의 3차원 레이저 가공에서는 가공면에 조사되는 레이저의 광축이 가공면에 대해 법선 방향인 것을 유지하기 위해 레이저용 노즐은 가공면에 대해 항상 면직의 방향 자세인 것이 요구되고, 이 요구를 충족하는 교시, 즉 티칭이 실가공에 앞서 실시된다.
자세변화 코너부의 티칭때의 가공헤드의 자세변화를 도 7을 참조해서 설명한다. 도 7에서 P1, P2, P3는 각각 가공물 W의 교시점을 표시하고 있다. 이중, 교시점 P1은 수평면상의 교시점, 교시점 P2는 가공물 W의 45도 경사면상의 교시점, 교시점 P3은 가공물 W의 직립면상의 교시점이다. 레이저용 노즐(61)은 교시점 P1에서는 바로 밑을 보는 상태가 되고, 교시점 P2에서는 45도 방향이 되고, 교시점 P3에서는 수평방향이 된다.
가공물 W상의 각 교시점 P1, P2, P3에 대해 면직상태를 작성하는데는 회전축 (52) 및 자세축(54)의 회전각도를 변화시킬 필요가 있다. 이 때문에 종래 자세변화 코너부에서의 티칭작업에서는 그때마다, 오퍼레이터가 회전축(52) 및 자세축 (54)을 회전시켜, 레이저용 노즐(61)을 가공면에 대해 면직상태로 하누헹 교시를했었다.
자세변화 코너부에서의 종래의 티칭작업의 순서를 도 8을 참조해서 설명한다. 우선 티칭복스의 제설정을 실시하고 가공기를 사용해서 가공포인트를 교시하는 티칭작업을 개시할 수 있는 상태로 한다(스텝 S100).
다음, 가공 프로그램에서 초기설정인 보조기능 코드의 셔터개방등의 지령을 주고, 티칭복스에 배치된 가공축 이송키를 눌러서 또는 핸들 및 조이스틱을 사용해서 교시점으로 이동시켜 교시함으로써 가공 프로그램의 각 교시점을 작성해간다(스텝 S101). 교시점을 작성해가는데 있어, 자세변화 코너부의 종래의 티칭작업에서는, 예를 들어 수평면상의 교시점 P1에서 45도 경사면상의 교시점 P2에의 경우, 45도 경사면상의 교시점 P2에 선단좌표를 맞추도록 가공헤드(50)를 이동시킨다(스텝 S102).
다음 상태를 만들 수 있도록 자세축(52), 회전축(54)을 각각 오퍼레이터 조작으로 독립적으로 이동시켜(스텝 S103, 스텝 S104). 면직상태가 만들어질때까지 그 조작을 반복한다(스텝 S105).
면직상태가 만들어진 후에, 선단좌표가 어긋나 있지 않은지를 확인한다(스텝 S106).
어긋남이 생긴 경우에는, 스텝 S102로 되돌아와 선단좌표 이동을 한다. 선단좌표 이동의 작업후, 다시 면직상태를 만들기 위해 자세축(52), 회전축(54)을 회전시키는 작업을 한다. 즉 스텝 S102 ~ 스텝 S106까지를 반족해서 실시한다. 마찬가지로 45도 경사면상의 교시점 P2로부터 직립면상의 교시점 P3에의 교시때도 스텝 S102 ~ 스텝 S106까지의 작업을 반복 실시한다.
자세변화 코너부의 티칭작업에 의한 프로그램 작성이 종료된 경우에는, 그 후속으로 티칭박스의 가공축 이송키를 눌러서, 또는 핸들 및 조이스틱을 사용해서 교시점으로 이동시켜 교시함으로써 가공 프로그램의 각 교시점을 작성해간다(스텝 S107). 단 자세변화 코너부의 티칭작업이 있는 경우에는 스텝 S102 ~ 스텝 S106까지의 작업을 한다. 최후로 보조기능 코드의 셔터폐쇄 및 프로그램 엔드등의 지령을 주고, 가공 프로그램의 작성을 종료한다.
교시점의 확인작업에서 자세축(= 회전축(52) 및 자세축(54)의 회전각도)를 변경하고자 할때는 다시 교시점에서 자세각을 조정할 필요가 있고 상술한 순서를 자세각의 수정이 실시되고 있다.
상술한 바와 같이 회전축 및 자세축을 회전시켰을때에 가공점이 불변한 헤드구조를 갖는 3차원 레이저 가공기의 가공헤드에서 티칭때에 자세축을 회전시키면, 면직상태가 터물어져 버리므로 자세축의 이동에 맞추어 오퍼레이터가 회전축을 회전시켜서 면직상태를 만들고 있었으나 그러나 이것으로는 하나 하나의 교시점에 대해 면직상태의 만듬을 실행하므로 교시점이 증가하면 할수록 티칭에는 많은 시간을 효하게 된다. 그리고 자세방향을 수정하고저 할때는 회전축 및 자세축의 회전각도를 다시 수정해야 한다는 문제점도 있다.
따라서 본 발명은 회전축 및 자세축을 회전시켰을때에 가공점이 불변한 헤드구조를 갖는 3차원 레이저 가공기에서 가공면에 대해 레이저용 노즐을 면직상태로 유지한 티칭을 작업 효율좋게 단시간에 실시할 수 있는 3차원 레이저 가공기용 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
(발명의 개시)
본 발명은 회전축 및 자세축을 회전시켰을때 가공점이 불변인 헤드구조를 갖는 3차원 레이저 가공기에서 노즐의 선단위치 및 자세를 교시하고, 교시에 따라 가공을 실시하는 3차원 레이저 가공기용 제어장치에서 현재의 회전축 및 자세축의 각도에서 노즐방향 벡터를 산출하는 수단과, 일정시간에 자세축이 변화한 각도를 산출하고, 자세축의 각도변화량에 따라 노즐방향 벡터의 SY방향을 일정하게 유지하도록 회전축을 돌리는 각도를 산출하는 수단과, 산출한 각도분 상기 회전축을 회전시키는 제어를 하는 수단을 갖는 3차원 레이저 가공기용 제어장치를 제공할 수가 있다. 따라서 자세축의 일정시간 각도변화량에 따라 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 보존하도록 산출한 각도분, 회전축을 회전시킬 수가 있고, 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 유지할 수가 있다.
또, 본 발명은 면직상태의 교시점으로부터 자세축의 회전을 따른 신규의 교시점을 교시할때에 상기 자세축의 변화량에 따라 가공물에 대해 면직상태를 유지하도록 상기 회전축을 회전시키는 제어를 하는 3차원 레이저 가공기용 제어장치를 제공할 수가 있다. 따라서, 자세축의 일정시간 각도변화량에 따라 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 유지하도록 산출한 각도분, 회전축을 회전시킬수가 있고, 노즐방향 벡터의 XY방향을 가공물에 대해 면직상태를 유지하는 방향으로 일정하게 보존할 수가 있다.
또 본 발명은 한번 생성한 교시점에 대해 자세방향을 수정하기 위해 자세축을 회전시킨 경우에 자세축의 변화량에 따라 가공물에 대해 면직상태를 보존하도록 상기 회전축을 회전시키는 제어를 하는 3차원 레이저 가공기용 제어장치를 제공할 수가 있다. 따라서, 티칭의 수정시에 면직상태에서 자세축을 회전시켰을때도 자세축의 일정시간 각도변화량에 따라 가공워크에 대해 면직상태를 유지하도록 회전축을 회전시킬 수가 있다.
또 본 발명은 노즐방향 벡터 일정이 이동의 유효/무효의 전환을 할 수가 있고, 자세축을 조그 및 급속이송 이동등의 이동지령을 했을때에 자세축의 변화량에 따라 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 유지하도록 산출한 각도분 회전축을 회전시키는 제어를 할 수가 있다.
따라서, 노즐방향 벡터 일정이동의 유효/무효의 전환을 할 수 있고, 티칭작업중 또는 제어장치의 조작중 등, 언제라도 유효/무효의 전환이 가능해지고, 또 이들로부터 자세축을 조그 및 급속이송 이동등의 이동지령을 했을때에 자세축의 일정시간 각도변화량에 따라 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 유지하도록 산출한 각도분 회전축을 회전하기 위해 면직상태로 하는 작업을 생략할 수가 있다.
본 발명은 3차원 레이저 가공기 제어장치에 관해 더욱 상세하게는 회전축 및 자세축을 회전시켰을때 가공점이 불변의 헤드구조를 갖는 3차원 레이저 가공기용의 제어장치로 노줄선단위치 및 방향 자세를 교시하는 수단을 구비한 3차원 레이저 가공기용 제어장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 제어장치가 적용되는 3차원 레이저 가공기의 구성예를 표시하는 사시도.
도 2는 본 발명에 의한 제어장치가 적용되는 3차원 레이저 가공기의 가공헤드의 구성을 표시하는 해도
도 3은 본 발명에 의한 3차원 레이저 가공기용 제어장치의 하나의 실시의 형태를 표시하는 블록도.
도 4는 본 발명에 의한 3차원 레이저 가공기용 제어장치에 의한 티칭처리를 표시하는 플로차트.
도 5는 XY평면에서의 노즐방향 벡터의 궤적 및 가공헤드의 회전축 및 자세축의 각도변화를 표시하는 그래프.
도 6은 3차원 레이저 가공기에서 사용되는 가공헤드의 구성을 표시하는 해도.
도 7은 자세변화 코터부에서의 가공헤드의 자세변화의 개요를 표시하는 사시도.
도 8은 종래의 3차원 레이저 가공기용 제어장치에 의한 티칭작업을 표시하는 플로차트.
(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)
본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위해 첨부한 도면을 따라 이를 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 제어장치가 적용되는 3차원 레이저 가공기의 구성예를 표시하고 있다. 이 3차원 레이저 가공기는 베드(1)상에 X축 방향으로 이동가능하게 설치된 워크 테이블(2)과, 좌우의 코점(4),(5)간에 수평으로 걸쳐진 크로스레일과 크로스레일(6)에 Y축 방향으로 이동가능하게 설치된 Y축 유닛(7)과 Y축 유닛(7)에 Z축 방향으로 이동가능하게 설치된 Z축 유닛(8)과, Z축 유닛(8)에 부착된 가공헤드(9)와, 가공헤드(9)의 선단부에 부착된 레이저용 노즐(가공노즐)(10)과, 컴퓨터식의 수치 제어장치(11)와 펜단트형의 티칭복스(12)를 가지고 있다. 수치 제어장치(11)는 맨머싱 인터페이스로서 조작반(11A), CRT등에 의한 화면 표시부 (11B)를 구비하고 있다.
워크 테이블(2), Y축 유닛(7), Z축 유닛(8)은, 각각 도시 생략한 X축 서보모터, Y축 서보모터, Z축 서보모터에 의해 구동되고, 수치 제어장치(11)의 각축 지령에 의해 위치 제어된다.
가공헤드(9)는 종래의 것과 같게 구성되어 있고, 도 2에 표시되어 있는 바와 같이 Z축 유닛(8)의 선단에 베어링 부재(13)에 의해 Z축의 중심축선 주위에 회전가능한 회전축(14)과 회전축(14)의 선단에 베어링 부재(15)에 의해 부착되어 Z축에 대해 경사진 축선주위에 회전가능한 자세축(16)을 소유하고 자세축(16)의 선단에 레이저용 노즐(10)을 부착하고 있다. 회전축(14)은 α축 서보모터(17)에 의해 회전구동되고, 자세축(16)은 β축 서보(18)에 의해 회전 구동된다.
X축 서보모터, Y축 서보모터, Z축 서보모터(도시 생략)과, α축 서보모터 (17)와, β축 서보모터(18)는 수치 제어장치(11)로부터의 구동신호에 의해 구동되고, 티칭 데이터에 따라 워크 테이블(2)상의 가공물에 대한 레이저용 노즐(10)의 이간 거리를 일정하게 유지하면서 레이저광의 스팟이 가공선 주위를 따르는 동시에레이저용 노즐(10)의 방향자세가 가공물 W의 표면에 대해 대략 수직(법선)이 되도록 제어된다.
도 3은 상술한 3차원 레이저 가공기의 광학계와, 이 발명에 의한 3차원 레이저 가공기용 제어장치를 포함하는 제어계를 표시하고 있다. 또 도 3에서는 워크 테이블(2), Y축 유닛(7), Z축 유닛(8)등의 부분을 총괄해서 가공기 본체(20)로 하고 있다.
3차원 레이저 가공기는, 광학계로서 레이저 발진기(21)를 소유하고 있고, 레이저 발진기(21)가 출력하는 레이저 빔 B는 가공헤드(9)를 통해서 레이저용 노즐 (10)에 이르고, 레이저용 노즐(10)로부터 가공물 W의 피가공면에 대해 조사된다.
3차원 레이저 가공기용 제어장치는 노즐방향 벡터연산 기억부(30)와 회전각도 계산부(31)와 회전축 동작제어부(32)를 소유하고 있다.
노즐방향 벡터연산 기억부(30)는, 티칭박스(12), 조작반(11A)에 설치되어 있는 핸들, 조이스틱으로부터 노즐방향 벡터 일정 이동의 유호가 온된 경우에 동작하고 현재의 회전축(14)과 자세축(16)의 회전각도로부터 노즐방향 벡터를 산출해서 기억한다.
회전각도 계산부(31)는 티칭박스(12), 조작반 11A에 설치되어 있는 핸들, 조이스특 및 수치 제어장치(11)로부터의 지령으로 일정시간에 자세축(16)을 회전시킨 각도를 내고 그 자세축(16)의 변화량에 따라 노즐방향 벡터연산 기억부(30)에서 산출한 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 유지하도록 회전축(14)을 돌리는 각도를 산출한다.
회전축 동작제어부(32)는 회전각도 계산부(31)에서 산출된 회전축(14)의 회전각도에 따라 회전축(14)을 회전시키기 위한 제어를 한다.
다음 상술한 바와 같이 구성된 3차원 레이저 가공기용 제어장치에 의한 자세변화 코너부에서의 티칭에 대해 도 4를 참조해서 설명한다.
우선, 티칭박스의 제설정을 실시하고, 가공기를 사용해서 가공 포인트를 교시하는 티칭작업을 개시할 수 있는 상태로 한다(스텝 S1).
다음 가공 프로그램에서 초기 설정인 보조기능 코드의 셔터개방등의 지령을 부여하고 티칭박스에 배치된 가공축 이송키를 눌러서, 또는 핸들 및 조이스틱을 사용해서 각 교시점을 작성해간다(스텝 S2).
교시점을 작성해가는데 있어 자세변화 코너부의 종래의 티칭작업에서는 예를 들면 도 7에 예시되어 있는 수평면상의 교시점 P1에서 45도 경사면상의 교시점 P2에의 경우 45도 경사면상의 교시점 P2에 선단좌표를 맞추도록 가공헤드(9)를 이동시킨다(스텝 S3).
여기서, 노즐방향 벡터 일정이동을 유효하게 전환하고 자세축(16)의 일정시간 각도변화량에 따라 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 유지하도록 회전축(14)이 따라서 이동하므로 면직상태가 될때까지 자세축(16)을 이동시킨다(스텝 S4).
그후에 선단좌표가 어긋나 있지 않은지를 확인한다(스텝 S5).
어긋남이 생겨있는 경우에는, 스텝 S3로 되돌아와 선단좌표 이동을 한다. 선단좌표이동의 작업후, 다시 면직상태를 만들기 위해 스텝 S4의 처리를 한다. 즉스텝 S3 ~ 스텝 S4를 반복해서 실시한다.
마찬가지로, 도 7에 예시되어 있는 45도 경사면상의 교시점 P2에서 직립면상의 교시점 P3에의 교시때에도 스텝 S3 ~ 스텝 S5를 반복해서 실시한다.
자세변화 코너부의 티칭에 의한 프로그램 작성이 종료했을때에는 그 계속으로서의 티칭박스(12)에 배치된 가공축 이송키를 눌러 또는 핸들 및 조이스틱을 사용해서 교시점으로 이동시켜 교시함으로써 가공 프로그램의 교시점을 작성해간다(스텝 S6).
단 자세변화 코너부의 티칭이 있는 경우에는, 스텝 S3 ~ 스텝 S5를 실행한다. 최후에 보조기능 코드의 셔터패쇄 및 프로그램 엔드등의 지령을 부여하고 가공 프로그램의 작성이 종료된다.
회전각도 계산부(31)에서의 연산처리에서는 하기의 논리식에 의해 계산을 실행한다. 도 5는 XY평면상에서 자세축(16)의 변화에 대한 노즐방향 벡터의 궤적을 표시하고 있다. 도 5에서 A는 자세축(16)의 변화에 대한 노즐방향 벡터의 궤적, Qr는 현재의 자세축 각도, Nr는 자세축 각도 Qr에서의 궤적 A상의 점, La는 궤적 A상의 점, Nr과 원점으로 작성된 직선, Qx는 직선 La와 X축이 이루는 각도, △Q는 자세축(16)의 일정시간 각도변화량 △N는 각도변화량 △Q에서의 궤적 A상의 점, △La는 점 △N과 원점으로 작성되는 직선, △Qx는 직선 △La와 X축이 이루는 각도 Q*는 자세축(16)의 일정시간 각도변화량에 따라 노즐방향을 일정하게 유지하기 위한 회전축(14)의 각도변화량이다.
각도를 β라고 하면, 노즐방향 단위방향 벡터 d는
로 된다. 이때, 자세축(16)이 0도 라고 가정하면
로 간략화되고, 상기 식을 XY평면상에 그리면, 궤적 A가 된다. 그리고 점 Nr에서의 직선 La과 X선이 이루는 각도가 θ이면, 직선 La의 경사는
로 표시된다. 따라서 점 Nr에서의 직선 La과 X축과의 각도 θx는
가 된다. 각도변화량 △θ에 대한 직선 △La과 X선이 이루는 각도가 △θx라고 하면
가 된다.
이때, 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 유지하는데는 자세축(16)이 각도변화 하기전의 직선 La과 각도변화한 후의 직선 △La가 일치하면 된다.
그러기 위해 어긋나 있는 각도분을 회전축(14)에 대해 회전시키며는 되므로회저축의 보정각도 θ*는 아래의 계산식으로 도출된다.
이것을 수열적으로 표현하면
가 되고, 수열표현에 의한 회전축의 보정각도(22)는 각각의 계산식에 의해 유도된다.
상술한 바와 같이, 현재의 회전축(14)의 각도와 자세축(16)의 각도에서 노즐방향 벡터를 산출하고, 자세축(16)의 일정시간 각도변화량에 따라 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 유지하도록 산출한 각도분, 회전축(14)이 회전하므로 면직상태로 하는 작업이 쉬워지고 시간의 단축에 의한 작업효율의 향상을 도모할 수가 있다.
또 티칭의 수정시에 면직상태에서 자세축을 회전시켰을때에 자세축의 일정시간 각도변화량에 따라 가공워크에 대해 면직상태를 유지하도록 회전축이 회전하므로 면직상태로 하는 작업을 생략하는 것이 가능해지고 시간의 단축에 의한 작업효율의 향상을 도모할 수가 있다.
또 노즐방향 벡터 일정이동의 유효/무효의 전환을 할 수 있으므로 티칭작업중 또는 제어장치의 조작중등 어느 때라도 유효/무효의 전환이 가능해지고 또 이로붜 자세축을 조그 및 조속이송 이동등의 이동지령을 했을때에 자세축의 일정시간각도변화량에 따라 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 유지하도록 산출한 각도분 회전축을 회전하기 위해 면직상태로 하는 작업을 생략하는 것이 가능해지고, 시간의 단축에 의한 작업효율의 향상을 도모할 수가 있다.
금형등을 작성하는 3차원 레이저 가공기등 노즐의 선단위치 및 자세를 교시하고 교시에 따라 가공을 실시하는 3차원 레이저 가공기에서 이용할 수가 있다.

Claims (3)

  1. 회전축 및 자세축을 회전시켰을때에 가공점이 불변인 헤드구조를 갖는 3차원 레이저 가공기에서 노즐의 선단위치 및 자세를 교시하고 교시에 따라 가공을 실시하는 3차원 레이저 가공기용 제어장치에 있어서, 현재의 회전축 및 자세축의 각도에서 노즐방향 벡터를 산출하는 수단과 일정시간에 자세축이 변화한 각도를 산출하고 자세축의 각도변화량에 따라 노즐방향 벡터의 XY방향을 일정하게 유지하도록 회전축을 돌리는 각도를 산출하는 수단과, 산출한 각도분 상기 회전축을 회전시키는 제어를 하는 수단을 구비한 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 가공기용 제어장치.
  2. 제 1항에 있어서, 면직상태의 교시점에서 자세축의 회전을 동반하는 신규의 교시점을 교시할때에 상기 자세축의 변화량에 따라 가공물에 대해 면직상태를 유지하도록 상기 회전축을 회전시키는 제어를 실시하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 가공기 제어장치.
  3. 제 2항에 있어서, 한번 생성한 교시점에 대해 자세방향을 수정하기 위해 자세축을 회전시켰을때에 자세축의 변화량에 따라 가공물에 대해 면직상태를 유지하도록 상기 회전축을 회전시키는 제어를 하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 가공기용제어장치.
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