JP2006035290A - ３次元レーザ加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】 ５軸制御のレーザ加工機におけるノズルの垂直調整を自動化し、姿勢教示を容易にする。
【解決手段】 ｎを初期設定し（Ｓ１）、初期姿勢（Ｓ２）をとらせ、光検出器３０の検出値が許容範囲内であれば垂直調整完了とする（Ｓ３、１２）。それ以外は、先端点固定制御で第ｎ回目の指定角度／方向にノズルを傾斜させ（Ｓ４）、先端点固定制御でＣ軸を３６０度回転させつつ反射光強度推移を記録する（Ｓ５）。最大値が許容範囲内にあれば垂直調整完了（Ｓ６、１２）、それ以外は同最大値が得られた傾斜状態から、先端点固定制御でＡ軸値を±両方向に所定角度範囲で変化させつつ反射光強度推移を記録する（Ｓ８）。最大値が許容範囲内にあれば垂直調整完了とする（Ｓ９、１２）。以後、制限回数Ｎを超えない範囲で、処理を繰り返す（Ｓ１０、１１）。
【選択図】 図４

Description

本発明は、主として３次元形状の薄板の切断加工等に使用される３次元レーザ加工機に関する。

３次元レーザ加工機は、主として３次元形状を有する薄板の切断加工等に広く使用されている。一般に、３次元レーザ加工機は、レーザ光を被加工物に対して照射するノズルの先端を該被加工物に対して位置決め（被加工物に対する相対位置と相対姿勢を決めること）するために、基本３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）及び回転２軸（Ｃ軸及びＡ軸）を有し、これらの軸が制御装置（ＣＮＣ）で制御される。なお、各軸の駆動対象物の割り当てについては、例えばＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸で被加工物を載置するテーブルを駆動し、残るＣ軸及びＡ軸でノズルを取付けたヘッドを駆動する方式や、Ｘ軸とＹ軸で被加工物を載置するテーブルを駆動し、Ｚ軸、Ｃ軸及びＡ軸でノズルを取付けたヘッドを駆動する方式などがある。

周知のように、加工実行時の制御は、通常、加工プログラムに従って行なわれる。この加工プログラムを作成する最も一般的な方法は、実際の被加工物の切断線（切断を希望する線）上のいくつかの希望位置にノズル先端点（ノズルに設定された先端点で、通常、レーザ光の集光位置に設定される）を一致させ、その時の各軸値を加工点データとして順次記憶していくもので、「教示（ティーチング）による加工プログラム作成」と呼ばれている。

このようなティーチングに際して生じる１つの問題は、ノズルの姿勢を正確に教示することが簡単でないということである。レーザ加工ではノズルの方向（レーザ光の光軸方向）は加工切断面の方向を左右する。被加工切断面の方向は、被加工物表面に垂直となるように希望されることが殆どである。
従って、ティーチングにあたっては、ノズルの方向を被加工物表面に対して垂直とするような調整（垂直調整）を行ない、該垂直調整後の姿勢における各軸値を教示する必要があるが、従来は、このノズル方向の垂直調整を目視で行わねばならなかった。そのため、ティーチングに時間がかかり、且つ、熟練したオペレータにとっても正確なノズルの垂直調整は容易でなかった。

なお、レーザ加工機のノズル先端点の被加工物に対する相対位置を与えた条件（例えば固定した条件）でノズル姿勢を制御する技術は周知であり、下記特許文献１、２等で説明されている。また、本発明で使用する測定手段の１つとして言及される「被加工物からの反射光強度を検知する手段」について、下記特許文献３に開示がある。

特開平１−２２４１９４号公報 特開平４−３７４９６号公報 特許第３２２２４３０号公報

本発明の１つの目的は、加工物表面に対するノズルの相対姿勢を自動的に垂直方向に調整する機能を具備した３次元レーザ加工機を提供することにある。また、本発明のもう１つの目的は、レーザ光を照射するノズルの正確な垂直調整を容易に行えるようにして、レーザ加工の加工プログラム作成におけるティーチング作業を容易で効率的なものとすることにある。

本発明は、レーザ光を被加工物に対して照射するノズルの先端を該被加工物に対して位置決めするために、基本３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）、前記Ｚ軸方向回りで前記ノズルを回転させる第１の回転軸（Ｃ軸）及び前記第１の回転軸（Ｃ軸）に対して垂直な軸回りで前記ノズルを回転させる第２の回転軸（Ａ軸）と、前記基本３軸、前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸を制御する制御手段を有し、前記制御手段が、前記ノズルに設定された先端点の被加工物に対する相対位置を一定に保ちながら前記ノズルに姿勢変化を与える姿勢変化手段を含んでいる、３次元レーザ加工機に適用される。

そして、請求項１に係る３次元レーザ加工機の特徴は、前記姿勢変化手段により前記ノズルに姿勢変化が与えられた時の被加工物からの反射光の強度推移を測定する測定手段と、前記測定手段による前記強度推移の測定結果に基づいて、前記ノズルが前記被加工物の表面に対し垂直となる姿勢を求める姿勢決定手段を具備していることである。

また、請求項２に係る３次元レーザ加工機においては、前記姿勢変化手段は、前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸にそれぞれ所定角度の傾斜量を与えた所定の傾斜状態から、前記ノズルの先端点の前記被加工物に対する相対位置を一定に保ちながら前記ノズルを前記Ｚ軸方向回りで３６０度回転させる第１の姿勢変化手段と、前記第１の姿勢変化の間に前記測定手段で得られる測定値が最大となる前記Ｃ軸の第１の角度を保った条件で、前記ノズルの先端点の前記被加工物に対する相対位置を一定に保ちながら前記Ａ軸を所定範囲で変化させる第２の姿勢変化手段とを含み、前記姿勢決定手段は、前記第２の姿勢変化の間に前記測定手段で得られる測定値が最大となる前記Ａ軸の第１の角度を求める手段と、前記Ｃ軸の第１の角度及び前記Ａ軸の第１の角度で定まる第１のノズル姿勢が、前記ノズルが前記被加工物の表面に対し垂直となる姿勢であるかについて、予め定めた許容基準に照らして“肯定”あるいは“否定”のいずれかの判定結果を提供する判定手段を含んでいる。

ここで、前記判定手段による判定結果が“否定”である場合に、前記所定の傾斜状態における前記Ａ軸の所定の傾斜量を切り替える手段を更に設けることもできる（請求項３）。
また、請求項１〜請求項３のいずれかに係る３次元レーザ加工機においても、上記前記測定手段として、前記ノズルの先端部に設けられた光検出器を含んでいるものを使用することができる。

本発明に係る３次元レーザ加工機によれば、レーザ光を照射するノズルの正確な垂直調整が自動化され、容易に行えるようになる。そのため、レーザ加工の加工プログラム作成におけるティーチング作業が効率化され、高度の熟練を要することなく正確なティーチングが行えるようになる。

図１は本発明に従った１つの実施形態に係るレーザ加工機の概略構成を示す図で、Ｃ軸及びＡ軸の駆動機構に関してはやや詳しく描かれている。同図において、符号１はＣ軸駆動用サーボモータであり、符号２はＡ軸駆動用サーボモータである。Ｃ軸はＺ軸方向周りでノズル９ａを回転させる回転軸（第１の回転軸）であり、Ｃ軸駆動用サーボモータ１の回転がギア４ａ、４ｂによって支持部材５を回転させるようになっている。一方、Ａ軸はＣ軸に対して垂直な軸の回りでノズル９ａを回転させる回転軸（第２の回転軸）で、Ａ軸駆動用サーボモータ２の回転がギア６ａ、６ｂによってシャフト７を回転させ、その回転が傘歯車８ａ、８ｂでシャフト９に伝えられるようになっている。

軸受機構等の詳細は図示を省略したが、シャフト９は支持部材５上でＣ軸に対して垂直な軸の回りで回転自在に支持されている。そして、ノズル９ａはシャフト９に装着され、固定されている。以上の機構により、Ｃ軸駆動用サーボモータ１が動作すれば、Ｚ軸方向周りでノズル９ａが回転し、Ａ軸駆動用サーボモータ２が動作すれば、Ｃ軸に垂直な軸周りでノズル９ａが回転する。両者が同時に回転すれば、それら回転が同時に起ることは言うまでもない。

レーザビームは、いずれも図示を省略したレーザ発振器から供給され、反射ミラー、光ファイバ等を用いた伝送路を経由して、ノズル９ａの先端からワーク（被加工物）Ｗに向けて照射される。符号３０はノズル９ａの先端にはめ込まれる態様で取付けられた円環状の光検出器で、後述するように、ワークＷに照射されたレーザビームの反射光の強度を検出するものである。光検出器３０の開口部は円形で、レーザビームの光軸に関して軸合わせされている。

ワークＷはワークテーブル２０上に位置決めされている。ワークテーブル２０は、ここでは基本３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）で駆動されるものであるが、ワークテーブル２０を例えばＸＹテーブルとし、上記したＣ軸、Ａ軸の駆動機構及びノズル９ａを含めた部分全体をＺ軸で駆動するようにしても良い。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の駆動機構については詳細の図示を省略した。

各軸の制御は、符号１０で示した制御装置によって行なわれる。制御装置１０はＣＰＵ、メモリ、外部装置とのインターフェイス等で構成され、光検出器３０の出力の取り込み及び後述する処理のためのソフトウェア等を除けば周知のものである。制御装置１０には、例えばキーボード等の手動操作部１１とＬＣＤ等のディスプレイ１２が付設され、オペレータがレーザ加工機の動作、加工プログラム作成、編集等に必要な諸指令、パラメータ等の入力、修正等を行えるようになっている。
ここで、「ノズル先端点固定制御」について簡単に説明しておく。周知のように、ノズル９ａ内には集光レンズが設けられ、レーザビームの集光位置はノズル９ａの先端から小距離前方に離れた位置にある。通常、この集光位置に対応する点Ｐが「ノズル先端点」として設定されている。従って、加工プログラム作成のための教示にあたっては、このノズル先端点Ｐを希望する加工点に一致させ、その時の各軸値を記憶すれば良いことになる。但し、前述した理由で、教示時にはノズル姿勢の垂直調整（被加工物の表面に対してノズルを垂直に向ける調整）が必要になる。

この垂直調整を、ノズル先端点Ｐの位置（姿勢は含まず）を固定した状態でノズル姿勢を手動調整することで行なうことは従来より知られており、このような調整に利用できる制御を、「ノズル先端点固定制御」と呼んでいる。「ノズル先端点固定制御」を利用すれば、ノズル先端点Ｐの位置（姿勢は含まず）を固定した状態で、Ｃ軸及びＡ軸に独立した任意の値あるいは値の変化をとらせることができる。なお、このようなノズル先端点固定制御自体は周知技術に属するので、制御方式自体の詳細説明は省略する。

次に、図２を参照して、円環状の光検出器３０で検出される反射光強度とノズル姿勢との関係について説明する。図２（ａ）には、ノズルが垂直調整された状態と傾斜角θで傾斜した状態が並置して示されている。レーザビームがワークＷの表面に向けて照射されるとワーク表面で反射光が発生し、その一部が光検出器３０に入射し、検出される。反射光は、通常、正反射光（鏡面を仮定した時の反射光）に乱反射光（入射点Ｐから立体角２πの範囲に散乱する光）が混ざったような光となると考えられる。その場合、光検出器３０で検出される反射光強度ｑは、ノズルの傾斜角（ワークＷの表面に対してレーザビーム光軸がなす角度）θの増大に対して単調減少の関係を示す。図２（ｂ）のグラフはその一例を示している。本実施形態では、以下に説明するように、このような関係に基づき、光検出器３０をノズルの垂直調整時に「傾斜検出器」として利用する。

各教示点についてノズルの垂直調整を行なうにあたっては、準備として、別途適当な手段によりノズルが垂直となった時の反射強度値ｑmax を求めておく。また、「垂直調整完了」の判断を行なうための許容範囲（ｑmax 〜ｑmax −Δｑ）を定めて、制御装置１０内のメモリに記憶しておく。
以上の準備の下で、図３のフローチャートに記した手順で垂直調整を行なう。各教示点における垂直調整は同様なので、１教示点分の処理手順について説明する。また、説明中で、同フローチャートに関連してノズル姿勢の変化乃至状態を記した図４を適宜参照する。反射光を得る時にはレーザ発振を行い、その出力は、例えば最低出力に予め定めておく。各ステップの要点は下記の通りである。

ステップＳ１；処理サイクルの繰り返し制限に関連した指標ｎをｎ＝１に初期設定する。
ステップＳ２；ノズルに適当な初期姿勢をとらせ、５軸値を記憶する。初期姿勢は、例えばオペレータが極く粗く目視で垂直調整を行なった程度の姿勢とする。
ステップＳ３；光検出器３０の検出値が上記準備で記憶した許容範囲内にあるか否かチェックする。許容範囲内であれば垂直調整完了と判断し、ステップＳ１２に進み、そうでなければステップＳ４に進む。
ステップＳ４；初期状態から、先端点Ｐを固定した条件での先端点固定制御により、第ｎ回目の指定された角度及び方向にノズルを傾斜させる。ここで「角度の指定」は、例えばＣ軸値の指定で行い、「方向の指定」は、例えばＡ軸値の入力で行なうことができる。ここでは計Ｎ組のＣ軸値、Ａ軸値のセットを用意しておき、第ｎ回目の指定ではｎ番目のセットの値をキーボード１１を操作して入力するものとする。なお、この「指定された角度及び方向」は、例えば図４中のＳ４で示すように、初期状態と異なった姿勢とすることが好ましく、初期状態より傾斜角が大きい（垂直からはずれた）姿勢に対応するものであって構わない。

ステップＳ５；ステップＳ４の傾斜が完了した状態から、先端点Ｐを固定した条件での先端点固定制御により、Ｚ軸方向回りで３６０度ノズルを回転させつつ（図４中のＳ５参照）、光検出器３０で検出される反射光の強度推移（Ｃ軸値と反射光強度の関係）を記録する。
ステップＳ６；ステップＳ５で得られた検出値の最大値が上記準備で記憶した許容範囲内にあるか否かチェックする。許容範囲内であれば垂直調整完了と判断し、ステップＳ１２に進み、そうでなければステップＳ７に進む。
ステップＳ７；ステップＳ７で最大値が得られた傾斜状態とする。
ステップＳ８；ステップＳ７の傾斜が完了した状態から、先端点Ｐを固定した条件での先端点固定制御により、Ａ軸値を±両方向（増減両方向）に所定角度範囲で変化させつつ（図４中のＳ８参照）、光検出器３０で検出される反射光の強度推移（Ａ軸値と反射光強度の関係）を記録する。ここで、所定角度範囲は、例えばステップＳ７完了時のＡ軸値を基準に、±両方向に同角度（例；３０度）とすれば良い。

ステップＳ９；ステップＳ８で得られた検出値の最大値が上記準備で記憶した許容範囲内にあるか否かチェックする。許容範囲内であれば垂直調整完了と判断し、ステップＳ１２に進み、そうでなければステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０；指標ｎが制限回数Ｎに到達したか否かチェックする。到達していなければステップＳ１１へ進む。制限回数に到達していたら垂直調整は不成功と判断し、処理を終了する。この場合は、反射光強度の許容範囲、指定角度／方向（ステップＳ４参照）等の設定値の再検討、修理等で対処する。

ステップＳ１１；指標ｎを１アップして、ステップＳ４へ戻り、ステップＳ４以下の処理を繰り返す。
ステップＳ１２；垂直調整が完了した状態に対応する５軸値を記憶する。なお、ステップＳ３からステップＳ１２に進んだ場合は、初期状態の５軸値をそのまま採用する。ステップＳ６またはステップＳ９からステップＳ１２に進んだ場合は、反射強度の最大値を検出した時点における５軸値を採用する。

以上の処理により、制限回数Ｎを超えない範囲で自動的に垂直姿勢が探索される。１つの教示点について垂直調整が完了したら、次の教示点へノズルを移動させ、位置調整（ノズル先端点Ｐを教示点に一致させる）を行なって、上記処理を再度実行すれば良い。このようにして、本実施形態によれば、手動と目視で垂直調整を行なっていた従来方式に比して格段に効率化された教示作業が実行できる。

なお、特殊な場合として、ワーク表面の反射特性により、ノズルの垂直調整時と最大反射光の検出時が対応しないこともあり得ると考えられる。そのようなケースでは、予め実験により、上記ステップＳ５、Ｓ８と同様に姿勢変化に応じた反射光強度推移を調べておき、垂直調整時に対応する特徴点をもって「最大値」に代えれば良い。この特徴点としては、例えば、「最小値」、「最大値を与える極大値と最大値に次ぐ値を与える極大値の間の中間点」などが考えられる。
また、反射光を検出する検出手段は上記の光検出器３０に限らず、他の手段で代替しても良い。代替手段の一例としては、前出の特許文献３で用いられているモニタ検出器（レーザ発振器のリア鏡付近に配置）で、反射光が共振器内に戻ってくることで起るレーザ発振出力の変化をモニタする方法が考えられる。要はノズルの傾斜を反射光で検出することができれば、検出手段の種類は問わないということである。

本発明の１つの実施形態に係るレーザ加工機の概略構成を示した図で、Ｃ軸及びＡ軸の駆動機構に関してはやや詳しく描示されている。 ノズルの姿勢と反射光強度の関係を説明する図で、（ａ）はノズルが垂直調整された状態と傾斜角θで傾斜した状態を並置して示し、（ｂ）は反射光強度と傾斜角の関係をグラフで例示している。 実施形態で実行される処理手順の概略を記したフローチャートである。 図２に示したフローチャートに関連して、ノズル姿勢の変化を記した図である。

符号の説明

１ Ｃ軸駆動用サーボモータ
２ Ａ軸駆動用サーボモータ
３ レーザビーム
４ａ、４ｂ、６ａ、６ｂ ギア
５ 支持部材
７、９ シャフト
８ａ、８ｂ 傘歯車
１０ 制御装置
１１ キーボード（手動操作部）
１２ ディスプレイ
２０ ワークテーブル
３０ 光検出器

Claims (4)

1. レーザ光を被加工物に対して照射するノズルの先端を該被加工物に対して位置決めするために、基本３軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）、前記Ｚ軸方向回りで前記ノズルを回転させる第１の回転軸（Ｃ軸）及び前記第１の回転軸（Ｃ軸）に対して垂直な軸回りで前記ノズルを回転させる第２の回転軸（Ａ軸）と、前記基本３軸、前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸を制御する制御手段を有し、
   前記制御手段が、前記ノズルに設定された先端点の被加工物に対する相対位置を一定に保ちながら前記ノズルに姿勢変化を与える姿勢変化手段を含んでいる、３次元レーザ加工機において、
   前記姿勢変化手段により前記ノズルに姿勢変化が与えられた時の被加工物からの反射光の強度推移を測定する測定手段と、
   前記測定手段による前記強度推移の測定結果に基づいて、前記ノズルが前記被加工物の表面に対し垂直となる姿勢を求める姿勢決定手段を具備している、３次元レーザ加工機。
2. 前記姿勢変化手段は、
   前記第１の回転軸及び前記第２の回転軸にそれぞれ所定角度の傾斜量を与えた所定の傾斜状態から、前記ノズルの先端点の前記被加工物に対する相対位置を一定に保ちながら前記ノズルを前記Ｚ軸方向回りで３６０度回転させる第１の姿勢変化手段と、
   前記第１の姿勢変化の間に前記測定手段で得られる測定値が最大となる前記Ｃ軸の第１の角度を保った条件で、前記ノズルの先端点の前記被加工物に対する相対位置を一定に保ちながら前記Ａ軸を所定範囲で変化させる第２の姿勢変化手段とを含み、
   前記姿勢決定手段は、
   前記第２の姿勢変化の間に前記測定手段で得られる測定値が最大となる前記Ａ軸の第１の角度を求める手段と、
   前記Ｃ軸の第１の角度及び前記Ａ軸の第１の角度で定まる第１のノズル姿勢が、前記ノズルが前記被加工物の表面に対し垂直となる姿勢であるかについて、予め定めた許容基準に照らして“肯定”あるいは“否定”のいずれかの判定結果を提供する判定手段を含んでいる、請求項１に記載の３次元レーザ加工機。
3. 前記判定手段による判定結果が“否定”である場合に、前記所定の傾斜状態における前記Ａ軸の所定の傾斜量を切り替える手段を備えている、請求項２に記載の３次元レーザ加工機。
4. 前記測定手段は、前記ノズルの先端部に設けられた光検出器を含んでいる、請求項１〜請求項３の内のいずれか１項に記載の３次元レーザ加工機。

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