JP2008073782A - 加工装置の位置ずれ補正装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】テストワークの上方に架設されたフレーム４に沿って進退動する加工ヘッド６は、上記フレームの歪みによって加工位置がずれる場合がある。 そこで上記加工ヘッドと撮像手段７とを所定のオフセット量だけ離隔した位置に固定し、上記加工ヘッド６により上記テストワークにＹ方向に３ヶ所加工部を加工したら、上記移動手段５を上記加工部の座標値から上記オフセット量だけＹ方向に移動させて、上記撮像手段７により各加工部を撮影する。 撮影した加工部の中心位置の座標値を抽出し、該加工部の中心位置と撮像手段の撮影中心とからずれ量を測定して、各加工部でのずれ量から平均ずれ量を算出し、実加工の際には上記平均ずれ量だけ移動手段５および加工テーブル３の移動量を補正する。
【効果】フレームの歪みによる加工精度の低下を防止し、かつ歪みによる位置ずれの補正に必要な調整を迅速に行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は加工装置の位置ずれ補正装置およびその方法に関し、詳しくは被加工物の上方に架設されたフレームと、該フレームに沿って進退動する移動手段と、移動手段に固定された加工ヘッドとを備えた加工装置の位置ずれ補正装置およびその方法に関する。

従来、レーザ加工装置等の加工装置として、被加工物の上方に架設されたフレームと、該フレームに沿って進退動する移動手段と、移動手段に固定されて被加工物の加工を行う加工ヘッドとを備えたものが知られている。
このような加工装置では、加工ヘッドの重量、モータなどの発熱、雰囲気の温度変化、組み付け誤差などの様々な要因によって上記フレームが歪み、上記移動手段の位置によっては加工ヘッドが傾いてしまい、加工位置の位置ずれが生じて加工精度が低下してしまうという問題があった。
このような問題に対し、予め梁に生じる撓み分布による反射鏡の傾きの変位に起因して発生するレーザビームの照射点の格子点に対する格子点偏差を各格子点毎に記憶しておき、実際の加工の際には上記格子点偏差から照射点の指令位置偏差を算定して、この指令位置偏差により照射点の指令位置を補正することが行われている。（特許文献１）
特許第２５０６７４１号公報

しかしながら上記特許文献１の場合、上記格子点偏差を測定するために多数の格子点ごとにキャリアの座標を幾何学的位置関係から算出するとともに、梁の撓み量を有限要素法によって算出し、その上で算出した撓み量から各ミラーの反射角の変化、すなわちレーザビームヘッドの傾きを算出しなければならなかった。（図６ステップ１０４〜１０６）
一方、出願人が実際に加工ヘッドをフレームに沿って移動させ、その加工ヘッドの先端位置を測定した結果を図３に示す。図３（ａ）は移動方向と直交する方向における基準線からの距離を示し、図３（ｂ）は移動方向における基準位置からの距離を示している。
このように、必ずしもフレームの中央部が歪みの最も大きい部分とはならず、不規則にうねっていることが判明した。さらにこの位置ずれ量は経時的に変化することも判明した。
以上のことから、フレームの歪みによって生じる加工位置の位置ずれを補正する場合、特許文献１の場合のように有限要素法などを用いた複雑な計算を行っても正確に補正することは難しく、加工装置の調整に多大な時間が必要となってしまうという問題がある。
このような問題に鑑み、フレームの歪みによる加工精度の低下を防止し、かつフレームの歪みによる位置ずれの補正に必要な調整時間を大幅に削減することの可能な加工装置の位置ずれ補正装置およびその方法を提供するものである。

すなわち請求項１に記載の加工装置の位置ずれ補正装置は、被加工物の上方に架設されたフレームと、該フレームに沿って進退動する移動手段と、移動手段に設けられて被加工物の加工を行う加工ヘッドと、上記加工ヘッドと一体的に移動して上記被加工物を撮像する撮像手段と、上記移動手段の移動量を制御する制御手段とを備え、
上記加工ヘッドと撮像手段とは上記移動手段の移動方向に所定のオフセット量だけ離隔して固定され、上記制御手段には上記被加工物に加工される複数の加工部の座標値と上記オフセット量とが登録され、
制御手段は、上記加工ヘッドが上記座標値の位置に加工部を加工すると、移動手段を上記加工部の座標値から上記オフセット量だけ移動させて、上記撮像手段により上記加工部を撮影し、
撮影した加工部の画像と上記加工部の座標値とのずれ量を測定するとともに、各加工部での上記ずれ量から平均ずれ量を算出して、
加工ヘッドにより実加工を行う際には、移動手段の移動量を上記平均ずれ量だけ補正することを特徴としている。

また請求項４に記載の加工装置の位置ずれ補正方法は、被加工物の上方に架設されたフレームと、該フレームに沿って進退動する移動手段と、移動手段に設けられて被加工物の加工を行う加工ヘッドと、上記加工ヘッドと一体的に移動して上記被加工物を撮像する撮像手段とを備えた加工装置の制御方法であって、
上記加工ヘッドと撮像手段とは所定のオフセット量だけ離隔して固定され、
上記加工ヘッドが所要の座標値に基づいて加工部を加工する工程と、上記移動手段を上記加工部の座標値から上記オフセット量だけ移動させる工程と、上記撮像手段により各加工部を撮影し、撮影した加工部の画像と上記加工部の座標値とのずれ量を測定する工程とを有し、複数の加工部でのずれ量から平均ずれ量を算出し、
実加工を行う際には、移動手段の移動量を上記平均ずれ量だけ補正することを特徴としている。

上記請求項１および請求項４の発明によれば、加工ヘッドにより加工部の加工を行ったら、上記オフセット量だけ移動手段を移動させて撮像手段により加工部を撮影すれば、撮影した加工部の中心位置と加工部の座標値とのずれ量を測定することができる。
そして実加工の際には、移動手段の移動量の補正を上記ずれ量から算出した平均ずれ量により行えば良いので、上記フレームの歪みによる加工精度の低下を防止することができ、また複雑な計算は不要であるので、加工装置の調整を迅速に行うことができる。

以下図示実施例について説明すると、図１は加工装置およびその位置ずれ補正装置としてのレーザ加工装置１を示しており、被加工物２を載置した第２移動手段としての加工テーブル３と、加工テーブル３の上方に架設されたフレーム４と、フレーム４に沿って進退動する移動手段５と、移動手段５に固定された加工ヘッド６と、加工ヘッド６に一体的に固定された撮像手段７と、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器８と、これらを制御する制御手段９とから構成されている。
上記加工テーブル３は被加工物２を水平なＸ方向に搬送し、上記移動手段５は上記加工ヘッド６および撮像手段７をＸ方向に直交する水平なＹ方向および垂直なＺ方向に移動させる。
そしてこれら加工テーブル３および移動手段５によって加工ヘッド６と被加工物２とを相互にＸＹＺ方向に相対移動させ、また上記加工ヘッド６からレーザ光Ｌを照射させることで、被加工物２に所要の加工を行うことができるようになっている。

上記加工テーブル３には板状の被加工物２が載置されており、該被加工物２の対角上には２つのアライメントマーク２ａが設けられている。またこの加工テーブル３には後述するテストワーク１４を載置することもできる。
加工テーブル３を跨ぐようにフレーム４が設けられており、フレーム４は加工テーブル３の両脇に立設された２本の支柱４ａ、４ａと、両支柱４ａ、４ａの間に架設された梁部４ｂとを備えている。またフレーム４の梁部４ｂの側面には移動手段５をＹ方向に移動させるためのガイドレール４ｃが設けられている。
上記移動手段５は図示しない駆動機構により、上記ガイドレール４ｃに沿ってＹ方向に進退動するようになっており、この移動手段５にはさらに上記加工ヘッド６をＺ方向に移動させる昇降機構が設けられている。
レーザ発振器８より発振されたレーザ光Ｌは、レーザ光Ｌを上記フレーム４に沿ってＹ方向に反射させる反射鏡１１と、移動手段５のケーシング内に入射したレーザ光ＬをＺ方向に反射させる反射鏡１２とによって、上記加工ヘッド６に導光されるようになっている。
そして加工ヘッド６に導光されたレーザ光Ｌは、加工ヘッド６の内部に設けられた集光レンズにより集光されて加工テーブル３上の被加工物２に照射され、フレーム４に歪みがない場合、レーザ光ＬはＺ方向に照射されるようになっている。
上記撮像手段７には従来公知のＣＣＤカメラが用いられ、本実施例では上記加工ヘッド６と撮像手段７とはステー１３によってＹ方向に所定のオフセット量だけ離隔した位置に固定されている。
このため移動手段５をＹ方向に移動させると、加工ヘッド６と撮像手段７とは上記オフセット量だけ離隔した状態を維持したまま、一体的にＹ方向に移動するようになっている。
さらに撮像手段７の撮影方向は上記加工ヘッド６を通過するレーザ光Ｌの光軸と平行に設定され、特に本実施例では上記加工ヘッド６によるレーザ光Ｌの光軸と撮像手段７の撮影中心との間隔により上記オフセット量が定められている。

そして上記制御手段９には所要の加工データが登録されており、該加工データはレーザ加工装置１の所要の位置を原点とする座標値に基づいて設定され、制御手段９は当該座標値に基づいて加工テーブル３や移動手段５の移動量を制御するようになっている。
また、上記制御手段９には上記加工ヘッド６と撮像手段７とのオフセット量が登録されており、フレーム４に歪みがないとした場合、上記加工ヘッド６により被加工物２に加工部を形成し、該加工部の中心位置の座標値に対して上記オフセット量を加算（減算）した座標値の位置に移動手段５を移動させると、上記加工部の中心位置と、撮像手段７の撮影中心とが一致するようになっている。
さらに、制御手段９は撮像手段７が撮影した上記アライメントマーク２ａや加工部の画像について画像処理を行い、撮像手段７の撮影中心の座標値を基準として、これらアライメントマーク２ａや加工部の中心位置の座標値を抽出できるようになっている。
そして制御手段９は抽出した２つのアライメントマーク２ａの中心位置から加工テーブル３上に載置された被加工物２の位置や傾きを認識したり、加工部の中心位置から以下に述べる加工位置のずれ量を測定することができるようになっている。

そして、上述した構成を有するレーザ加工装置１では、被加工物２の加工を以下のように行っている。
最初に、加工テーブル３上に被加工物２を載置すると、制御手段９は加工テーブル３および移動手段５を制御して、上記撮像手段７により上記２ヶ所のアライメントマーク２ａを撮影し、撮像した画像から各アライメントマーク２ａの中心位置の座標値を抽出する。
制御手段９は抽出した２つのアライメントマーク２ａの中心位置から、加工テーブル３上の被加工物２の位置および傾きを認識し、当該被加工物２の位置と予め登録されている加工データとのずれ量・ずれ角を算出する。
そして、制御手段９は算出したずれ量・ずれ角に基づいて上記加工データを補正し、上記加工テーブル３および移動手段５を制御して加工ヘッド６と被加工物２とを相対移動させ、適宜加工ヘッド６よりレーザ光Ｌを照射することで、被加工物２に所要の加工を行うようになっている。

ここで、本実施例のレーザ加工装置１のように、加工テーブル３上に架設したフレーム４は、加工ヘッド６や移動手段５の重量、フレーム４の自重、モータなどの発熱や雰囲気の温度変化、組み付け誤差などの様々な要因から、図１の破線で示す真直ぐな状態から歪んでいる。
フレーム４が歪むと、移動手段５の位置によっては加工ヘッド６が傾いてしまい、レーザ光Ｌの光軸がＺ方向からずれてしまう場合がある。その結果、制御手段９が加工データに基づいて移動手段５を移動させても、図２に示すように制御装置に登録されている加工データでの正規の加工部（破線）の中心と、実際に加工された加工部（実線）の中心位置との間でずれが生じ、加工精度が低下することとなる。
そこで、出願人は本実施例のレーザ加工装置１について、加工ヘッド６を移動させたときに、どの程度加工ヘッド６の先端の中心位置がずれるかを実際に測定した。
図３（ａ）はＸ方向でのずれ量を示しており、移動手段５が図示右側に移動したときに、所定の基準線からのずれ量が大きくなっていることがわかる。また図３（ｂ）はＹ方向でのずれ量を示しており、移動手段５が図示中央および右側に位置しているときに所定の基準位置からのずれ量が大きくなっていることがわかる。
また測定を繰り返した結果、このＸ方向およびＹ方向におけるずれ量には規則性のないことも判明した。

本実施例では以下のようにして上記フレーム４の歪みによって生じる加工位置の位置ずれを補正し、加工精度の低下を防止するようになっている。
最初に、図４に示すような被加工物としての略長方形のテストワーク１４を加工テーブル３に載置する。ここで上記テストワーク１４のＹ方向の寸法は上記移動手段５の移動範囲の略全域をカバーする寸法であることが望ましい。
制御手段９には予め所定の加工データが登録されており、本実施例ではＹ方向に等間隔に整列する３つの円形の加工部１４ａが登録され、各加工部１４ａの中心位置の座標値とその直径が登録されている。
そして、制御手段９は上記加工データにおける各加工部１４ａの座標値に基づいて移動手段５と加工テーブル３とを作動させ、加工ヘッド６とテストワーク１４とを相対移動させながら、テストワーク１４に上記３ヶ所の加工部１４ａを加工する。
このとき、上記フレーム４が歪んでいると、加工ヘッド６の傾きにより、加工データ通りに加工部１４ａが加工されず、加工位置に位置ずれが生じることとなる。

全ての加工部１４ａの加工が終了したら、制御手段９は移動手段５により撮像手段７を移動させて、撮像手段７により各加工部１４ａを撮影する。
このとき、制御手段９は加工データとして登録されている各加工部１４ａの中心位置の座標値に、上記オフセット量を加算もしくは減算して、撮像手段７の撮影中心が位置する座標値を算出して、移動手段５を移動させるようにしている。
その結果、上記撮像手段７は上記加工部１４ａを撮影可能な位置に位置するようになり、制御手段９は撮像手段７により各加工部１４ａを撮像する。
ここでフレーム４が歪んでいない場合には、加工ヘッド６によって加工された加工部１４ａの中心と、撮像手段７の撮影中心とが完全に一致するはずであるが、フレーム４が歪んでいる場合には図２のような画像が得られる。
つまり、加工ヘッド６によって加工部１４ａを加工した後、移動手段５をオフセット量だけフレーム４に沿って移動させると、移動手段５が移動する間にフレーム４の歪みによって加工ヘッド６と撮像手段７とが傾いてしまうため、テストワーク１４に加工された加工部１４ａの中心位置と撮像手段７の撮影中心とがずれてしまうからである。
そこで、制御手段９は撮影された加工部１４ａの画像を画像処理して、当該加工部１４ａの中心位置の座標値を抽出し、加工部１４ａの中心位置座標値と撮影中心の座標値とのずれ量をＸ方向およびＹ方向のそれぞれについて算出する。なお図２ではＸ方向のずれ量をΔＸ、Ｙ方向のずれ量をΔＹとしている。
このようにしてテストワーク１４上の全ての加工部１４ａについて上記ずれ量を測定したら、制御手段９は各加工部１４ａでのＸ方向およびＹ方向におけるずれ量のそれぞれについて平均値を算出し、これを平均ずれ量として記憶する。

上記平均ずれ量が算出されたら、上記加工テーブル３よりテストワーク１４を除去して実加工用の被加工物２を載置し、上述したようにレーザ加工装置１による実加工を行う。
その際、制御手段９では実加工用の加工データに基づいて移動手段５および加工テーブル３の移動量を設定するため、加工テーブル３の移動量にＸ方向の平均ずれ量を加算（減算）し、移動手段５の移動量にＹ方向の平均ずれ量を加算（減算）する補正を行う。
そして制御手段９は移動手段５および加工テーブル３を補正した移動量に基づいてこれらを制御し、加工ヘッド６と被加工物２とを相対移動させて、被加工物２の加工を行う。

以上のように、算出した上記平均ずれ量により加工テーブル３および移動手段５の移動量を補正することで、実加工の際にフレーム４の歪みにより生じた加工ヘッド６の傾きによる加工位置の位置ずれを補正することができ、加工精度を向上させることができる。
また上記平均ずれ量を算出するためには、テストワーク１４に加工した３ヶ所の加工部１４ａを撮像手段７によって撮影し、加工部１４ａの中心位置と撮像手段７の撮影中心とのずれ量を測定すれば良いので、特許文献１のように複雑な計算をすることなく迅速に上記平均ずれ量を測定することができ、レーザ加工装置１の調整を迅速に行うことができる。
なおこのような平均ずれ量の測定は、実加工を行う度に実施する必要はなく、例えば加工ヘッド６の集光レンズを交換した場合、レーザ光のアライメントを調整した場合、朝昼晩の３回、被加工物の種類が変わったときなどに適宜行えば良い。

なお、上記実施例ではテストワーク１４に加工する加工部１４ａは円形となっているが、その他制御手段９による画像処理によって所要の座標値が抽出できる形状であれば、加工部１４ａの形状は任意であり、例えば加工部１４ａをピアス孔とすることも可能である。
また、上記加工部１４ａの個数についても、３ヶ所ではなくさらに多数の加工部１４ａを加工し、各加工部１４ａで測定した上記ずれ量から平均ずれ量を算出するようにしても良い。
さらに、全ての加工部１４ａの加工が終了してから各加工部１４ａの撮影をして上記ずれ量を測定する代わりに、各加工部１４ａが加工される度に当該加工部１４ａを撮影して上記ずれ量を測定するようにしてもよい。

本実施例にかかるレーザ加工装置の構成図。 撮像手段によって撮影した加工部の画像の一例。 テストワークと加工部とを示す平面図。 加工ヘッドを移動したときの加工ヘッド先端の位置についての測定結果を示す図。

符号の説明

１ レーザ加工装置 ３ 加工テーブル
４ フレーム ５ 移動手段
６ 加工ヘッド ７ 撮像手段
９ 制御手段 １４ テストワーク
１４ａ 加工部

Claims (6)

1. 被加工物の上方に架設されたフレームと、該フレームに沿って進退動する移動手段と、移動手段に設けられて被加工物の加工を行う加工ヘッドと、上記加工ヘッドと一体的に移動して上記被加工物を撮像する撮像手段と、上記移動手段の移動量を制御する制御手段とを備え、
   上記加工ヘッドと撮像手段とは上記移動手段の移動方向に所定のオフセット量だけ離隔して固定され、上記制御手段には上記被加工物に加工される複数の加工部の座標値と上記オフセット量とが登録され、
   制御手段は、上記加工ヘッドが上記座標値の位置に加工部を加工すると、移動手段を上記加工部の座標値から上記オフセット量だけ移動させて、上記撮像手段により上記加工部を撮影し、
   撮影した加工部の画像と上記加工部の座標値とのずれ量を測定するとともに、各加工部での上記ずれ量から平均ずれ量を算出して、
   加工ヘッドにより実加工を行う際には、移動手段の移動量を上記平均ずれ量だけ補正することを特徴とする加工装置の位置ずれ補正装置。
2. 上記移動手段に対して直交方向に加工ヘッドと被加工物とを相対移動させる第２移動手段を設け、
   上記制御手段は、撮影した加工部の画像と上記加工部の座標値とから上記第２移動手段の移動方向におけるずれ量を測定し、上記移動手段の移動方向のずれ量および第２移動手段の移動方向のずれ量とから上記平均ずれ量を算出することを特徴とする請求項１に記載の加工装置の位置ずれ補正装置。
3. 上記加工部は円形に加工され、上記制御手段には該加工部の中心の座標値が登録されるとともに、撮像手段が撮影した加工部の画像から該加工部の中心位置を検出して、上記中心の座標値と加工部の中心位置とから上記ずれ量を測定することを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載の加工装置の位置ずれ補正装置。
4. 被加工物の上方に架設されたフレームと、該フレームに沿って進退動する移動手段と、移動手段に設けられて被加工物の加工を行う加工ヘッドと、上記加工ヘッドと一体的に移動して上記被加工物を撮像する撮像手段とを備えた加工装置の制御方法であって、
   上記加工ヘッドと撮像手段とは所定のオフセット量だけ離隔して固定され、
   上記加工ヘッドが所要の座標値に基づいて加工部を加工する工程と、上記移動手段を上記加工部の座標値から上記オフセット量だけ移動させる工程と、上記撮像手段により各加工部を撮影し、撮影した加工部の画像と上記加工部の座標値とのずれ量を測定する工程とを有し、複数の加工部でのずれ量から平均ずれ量を算出し、
   実加工を行う際には、移動手段の移動量を上記平均ずれ量だけ補正することを特徴とする加工装置の位置ずれ補正方法。
5. 上記移動手段に対して直交方向に加工ヘッドと被加工物とを相対移動させる第２移動手段を設け、
   撮影した加工部の画像と上記加工部の座標値とから上記第２移動手段の移動方向におけるずれ量を測定し、上記移動手段の移動方向のずれ量および第２移動手段の移動方向のずれ量とから上記平均ずれ量を算出することを特徴とする請求項４に記載の加工装置の位置ずれ補正方法。
6. 上記加工部は所要の座標値を中心とする円形に加工され、また撮像手段が撮影した加工部の画像から該加工部の中心位置を検出して、上記加工部の中心の座標値と加工部の中心位置とから上記ずれ量を測定することを特徴とする請求項４または請求項５のいずれかに記載の加工装置の位置ずれ補正方法。

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