JP2009119500A - 加工速度を調整するレーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】レーザ出力を制御可能なタイミングに合わせて、プログラム上でレーザ出力が指令されるときに加工ヘッドが被加工物に対して高精度に位置決めされるレーザ加工装置及び加工方法を提供する。
【解決手段】制御装置１２は、加工プログラム実行前、又は実行中に、レーザ発振器２６を制御可能な上記タイミングに、レーザ出力変更位置に加工ヘッド１８が到達するか否かを判定する。レーザ出力変更位置に加工ヘッドが到達する計算上の時刻がレーザ出力制御可能な時刻である場合は、プログラムの指令速度に従って加工を実行する。一方レーザ出力指令開始位置に加工ヘッドが到達する計算上の時刻がレーザ出力制御可能な時刻でない場合は、レーザ出力制御が可能な時刻に加工軸が到達するように加工速度を調整して、レーザ出力変化位置まで加工を実行する。
【選択図】図１
【解決手段】制御装置１２は、加工プログラム実行前、又は実行中に、レーザ発振器２６を制御可能な上記タイミングに、レーザ出力変更位置に加工ヘッド１８が到達するか否かを判定する。レーザ出力変更位置に加工ヘッドが到達する計算上の時刻がレーザ出力制御可能な時刻である場合は、プログラムの指令速度に従って加工を実行する。一方レーザ出力指令開始位置に加工ヘッドが到達する計算上の時刻がレーザ出力制御可能な時刻でない場合は、レーザ出力制御が可能な時刻に加工軸が到達するように加工速度を調整して、レーザ出力変化位置まで加工を実行する。
【選択図】図１
Description
本発明は、レーザ光を集光して被加工物に照射して、被加工物を加工するレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。
従来、加工プログラムの速度指令に基づいて、加工ヘッドを被加工物に対して相対移動させながらレーザ出力を制御して加工を行う場合、加工ヘッドが出力を変化させる位置に到達した後に、レーザ出力制御が可能なタイミングでレーザ出力制御を行い、加工を行っていた。例えば特許文献１には、レーザヘッドの制御信号の調整を行う調整装置を有するレーザ加工装置が開示されている。この調整装置は、位置センサからの位置情報を取得して、位置の補正とレーザヘッド又は加工ステージの移動速度に応じたレーザ発振器からのレーザ光の出力強度及び出射タイミングの調整を行うと記載されている。
レーザ出力の制御は通常、レーザ発振器と制御装置とを適当な通信手段で接続して、制御装置からある時間周期のタイミング毎に指令を送ってレーザ出力を制御する。従ってレーザ出力の制御は任意のタイミングで行うことができるわけではなく、換言すれば厳密に所望のタイミングでレーザ出力の開始、停止又は増減ができるとは限らない。このため、被加工物に対して、加工ヘッドを相対移動させながら、レーザ出力を制御して加工を行う場合、レーザ出力制御を実行するプログラム上の位置と、実際の位置にはいくらかのズレが生じる。被加工物に対する加工ヘッドの相対移動速度が比較的小さい低速加工の場合にはこのズレはあまり問題とならないが、レーザ加工は近年高速化の傾向にあり、上記相対移動速度が大きくなればこのズレも大きくなる。
加工ヘッドの相対移動速度が高速になっても被加工物に対する位置決め精度を高く保つためには、レーザ出力制御を行うタイミング周期が非常に短い高速制御を行うことも一案である。しかし高速制御は一般に高コストとなる。
そこで本発明は、高価な高速制御を利用せずとも、レーザ出力を制御可能なタイミングに合わせて、プログラム上でレーザ出力が指令されるときに加工ヘッドが被加工物に対して高精度に位置決めされるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、加工プログラムに従って、レーザ加工ヘッドと被加工物とを相対移動させながら、該レーザ加工ヘッドからレーザ光を照射して前記被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、前記加工プログラムに基づいてレーザ出力制御指令を発する制御装置と、前記制御装置からのレーザ出力制御指令に基づいて、前記相対移動の制御周期とは独立に定められたレーザ出力制御周期毎にレーザ出力を行うレーザ発振器とを有し、前記制御装置が、前記加工プログラムに含まれるレーザ出力制御命令と、該レーザ出力制御命令に関連付けられて前記加工プログラムに指定された位置命令とに基づいて、該位置命令に指定された前記レーザ加工ヘッドと前記被加工物との相対位置関係が実現されたときに前記レーザ出力制御命令に対応したレーザ出力制御指令を前記レーザ発振器に送る出力指令部と、前記加工プログラムに含まれる位置命令及び相対移動速度命令と、前記レーザ出力制御周期に基づく制御のタイミングを表す周期信号とに基づいて、前記レーザ発振器によって次に実行されるレーザ出力制御指令のタイミングと、前記レーザ加工ヘッドと前記被加工物との相対位置関係が実現されたときの時刻とが合致するように、前記相対移動の速度を調整する速度調整部と、を備えることを特徴とするレーザ加工装置を提供する。
また請求項２に記載の発明は、加工プログラムに従ってレーザ加工ヘッドと被加工物とを相対移動させるステップと、前記加工プログラムに基づいてレーザ発振器にレーザ出力制御指令を送るステップと、前記レーザ出力制御指令に基づいて、前記相対移動の制御周期とは独立に定められたレーザ出力制御周期毎にレーザ出力を行うステップと、前記レーザ加工ヘッドからレーザ光を照射して前記被加工物の加工を行うステップとを有するレーザ加工方法であって、前記レーザ出力制御指令を発するステップが、前記加工プログラムに含まれるレーザ出力制御命令と、該レーザ出力制御命令に関連付けられて前記加工プログラムに指定された位置命令とに基づいて、該位置命令に指定された前記レーザ加工ヘッドと前記被加工物との相対位置関係が実現されたときに前記レーザ出力制御命令に対応したレーザ出力制御指令を前記レーザ発振器に送るステップを含み、前記相対移動させるステップが、前記加工プログラムに含まれる位置命令及び相対移動速度命令と、前記レーザ出力制御周期に基づく制御のタイミングを表す周期信号とに基づいて、前記レーザ発振器によって次に実行されるレーザ出力制御指令のタイミングと、前記レーザ加工ヘッドと前記被加工物との相対位置関係が実現されたときの時刻とが合致するように、前記相対移動の速度を調整するステップを含むことを特徴とするレーザ加工方法を提供する。
本発明によれば、被加工物に対して加工ヘッドを相対移動させながらレーザ加工を行う場合に、レーザ出力制御が可能なタイミングに、そのタイミングにおいて加工ヘッド及び被加工物がとるべき相対位置関係が実現される時刻を極めて正確に合致させることができる。従って相対移動速度が高速になっても、高速制御を必要とせずに、高速制御と同等の高精度な加工を行うことができる。
図１は、本発明に係るレーザ加工装置１０を概略的に示す図である。レーザ加工装置１０を制御する制御装置１２にはコンピュータ数値制御装置（ＣＮＣ）が含まれている。制御装置１２は、レーザ出力の開始、変更又は停止を行う命令を含む入力された加工プログラムの位置、速度及び加工すべきワーク１６の形状等を含む指令に基づき所望の加工を行うべく、補間計算を行い、さらに、レーザ加工機の加工ヘッド１８とワーク１６との相対位置を変化させる各軸（図示せず）を動作させるために備えられた加工軸制御システム（例えばサーボモータ制御システム）２０に移動指令２２を送る。
また、制御装置１２は加工プログラム上の被加工物に対する加工ヘッドの位置に応じて、信号伝達手段２４を介してレーザ発振器２６にレーザ出力制御指令（レーザ出力の開始、変更又は停止を行う指令）を発する出力指令部２８と、後述する速度調整を行ってサーボモータ制御システム２０に送られる移動指令に含まれる速度指令を調整する速度調整部３０とを有する。信号伝達手段２４は例えばシリアル通信回線であり、上記レーザ出力制御指令データの他、レーザガス圧力指令データ、放電電圧のモニタデータ等を、数百ミクロン秒〜数百ミリ秒毎に、そのタイミングを表す周期信号により双方向通信することができる。これにより、レーザ出力は例えば２ミリ秒毎のような所望のタイミングでのみ制御可能となり、上述の移動指令とは独立に制御される。レーザ発振器２６において生じたレーザ光３２は、加工ヘッドから照射されてワーク１６を加工する。
図２は、加工プログラムにおいて加工速度調整を行う具体例を示すフローチャートである。先ず上述の制御装置１２において、加工プログラム及びレーザ発振器制御周期時間の読み出しを行い（ステップＳ１）、次に加工プログラムを起動する（ステップＳ２）。なおステップＳ２において、読み出した周期時間のタイミングに合わせて加工プログラムの実行を開始してもよい。この場合制御装置は、加工プログラムを実行する際に、最初の加工プロセスを開始する時刻がレーザ発振器を制御可能なタイミングに合うように、加工プログラム開始の遅延時間を設定する。
次にステップＳ３において、加工プログラム実行中に、レーザ発振器を制御可能なタイミングに、レーザ出力開始位置（レーザ出力を最初にＯＮにする位置）に加工ヘッド又は加工ヘッドを駆動する加工軸が到達するか否かを判定する。レーザ出力開始位置に加工軸が到達する計算上の時刻がレーザ出力制御可能な時刻に合致する場合は、そのままプログラムの指令速度に従ってレーザ出力開始位置まで加工プログラムを実行する（ステップＳ４）。なおここでいう「合致」とは上記２つの時刻が所定の誤差範囲内にある場合を意味し、所定の誤差範囲は要求される加工精度等に基づいて適宜設定可能である。一方レーザ出力開始位置に加工軸が到達する計算上の時刻がレーザ出力制御可能な時刻に合致しない場合は、レーザ出力制御が可能な時刻に加工ヘッド又は加工軸が到達するように加工速度を調整して、レーザ出力開始位置まで加工プログラムを実行する（ステップＳ５）。なおステップＳ３〜Ｓ５の処理は、加工プログラムの起動（ステップＳ２）前に行っておいてもよい。
以降のステップＳ６〜Ｓ８は、上述のステップＳ３〜Ｓ５と同様の考え方に基づいて行うことができる。すなわち、制御装置は加工プログラム実行前、又は実行中に、レーザ出力開始位置又はあるレーザ出力変更位置から、次のレーザ出力変更位置までの加工時間を計算し、レーザ発振器を制御可能な時刻に当該次のレーザ出力変更位置まで加工が行われるように加工速度を調整する。詳細には、先ずステップＳ６において、加工プログラム実行前又は実行中に、レーザ発振器を制御可能なタイミングに、レーザ出力変更位置に加工ヘッド又は加工ヘッドを駆動する加工軸が到達するか否かを判定する。レーザ出力変更位置に加工ヘッド又は加工軸が到達する計算上の時刻がレーザ出力制御可能な時刻に合致する場合は、そのままプログラムの指令速度に従って加工を実行する（ステップＳ７）。一方レーザ出力変更位置に加工軸が到達する計算上の時刻がレーザ出力制御可能な時刻に合致しない場合は、レーザ出力制御が可能な時刻に加工ヘッド又は加工軸が到達するように加工速度を調整して、レーザ出力変更位置まで加工を実行する（ステップＳ８）。なお、加工速度の調整の際、制御システム固有の制御遅延時間に関する適当な定数を用いて加工速度を補正することも可能である。
ここで図３を参照して、具体的な加工速度の調整例について説明する。図３の横軸（ｘ軸）は時間を表し、縦軸（ｙ軸）は加工ヘッド又は加工軸の移動の速さを表している。曲線ｆ0(t)及びｆ1(t)はそれぞれ、加工速度の調整前及び調整後の速さの時間変化を表している。時刻ゼロはレーザ出力開始位置又はあるレーザ出力変更位置の時刻であり、時刻ｔ0及びｔ1はそれぞれ曲線ｆ0(t)及びｆ1(t)が次のレーザ出力変更位置に到達する時刻である。また、時刻ｔ1はレーザ出力を調整可能なタイミングに合致する時刻でもあり、本実施例では時刻ゼロから２ミリ秒の整数倍経過した時刻となる。
加工軸の速さを表す曲線ｆ0(t)及びｆ1(t)は、いずれも時刻ゼロにおいて初速度ｖaを有するが、加工ヘッドがレーザ出力変更位置に到達し所定の速度ｖbに達したときの時刻が異なる。すなわち、本発明によって加工速度が調整された場合（ｆ1(t)）は、レーザ出力が変更される時刻が従来の場合（ｆ0(t)）よりもいくらか遅くなることになる（無論早くなる場合もある）が、時刻ｔ1は上述のようにレーザ出力を制御可能なタイミングに合致しているので、極めて正確に所定の加工を行うことができる。逆に従来の場合は、レーザ出力を制御可能な時刻ｔ1においては所望の加工速度ｖbからいくらか乖離した速度になっている可能性が高いので、高速加工において極めて高精度の加工を行うには不向きである。なお図３において、曲線ｆ0(t)に従った時刻ｔ0までの移動距離と、曲線ｆ1(t)に従った時刻ｔ1までの移動距離とは互いに等しい。換言すれば、曲線ｆ0(t)及びｆ1(t)並びに直線ｘ＝ｔ0で画定される領域Ａ0の面積と、曲線ｆ1(t)並びに直線ｘ＝ｔ0、ｘ＝ｔ1で及びｙ＝０で画定される領域Ａ1の面積とは同一である。
ステップＳ７又はＳ８の次のステップＳ９では、直近のレーザ出力変更位置において加工プログラムに基づく加工が終了するか否かを判定し、終了する場合はその出力変更位置まで加工を行った後に出力停止指令によって処理が終了する（ステップＳ１０）。直近の出力変更位置で加工がまだ終了しない場合は、ステップＳ６に戻って処理を繰り返す。
なお図３に示すようなレーザ出力変更位置から次のレーザ出力変更位置までの各区間の計算は、加工プログラムを起動する前に一括して行っておいてもよいし、加工プログラム実行中に、対象となる区間のいくつか前の区間を移動中に行ってもよい。
以上のように本発明では、加工ヘッド又は加工軸が各レーザ出力変更位置に到達した時刻とレーザ出力制御が可能な時刻とが一致するので、加工ヘッドが高速移動するような場合であっても、例えばレーザ出力制御周期時間がミクロン秒オーダーのような非常に短い高速制御を利用することなく、極めて高精度の加工を行うことができる。また本発明では、各レーザ出力変更位置における移動速度が所望の（プログラム上の）ものと極めて正確に合致するので、あるレーザ出力変更位置から次のレーザ出力変更位置までの各区間の加工速度にも影響が及ばない。
なお本願明細書における「レーザ出力変更」なる用語は、レーザ出力の増減だけでなく、レーザ出力のＯＮ、ＯＦＦも含む概念として使用される。
１０ レーザ加工装置
１２ 制御装置
１６ ワーク
１８ 加工ヘッド
２０ 加工軸制御システム
２６ レーザ発振器
２８ 出力指令部
３０ 速度調整部
１２ 制御装置
１６ ワーク
１８ 加工ヘッド
２０ 加工軸制御システム
２６ レーザ発振器
２８ 出力指令部
３０ 速度調整部
Claims (2)
- 加工プログラムに従って、レーザ加工ヘッドと被加工物とを相対移動させながら、該レーザ加工ヘッドからレーザ光を照射して前記被加工物の加工を行うレーザ加工装置であって、
前記加工プログラムに基づいてレーザ出力制御指令を発する制御装置と、
前記制御装置からのレーザ出力制御指令に基づいて、前記相対移動の制御周期とは独立に定められたレーザ出力制御周期毎にレーザ出力を行うレーザ発振器とを有し、
前記制御装置が、
前記加工プログラムに含まれるレーザ出力制御命令と、該レーザ出力制御命令に関連付けられて前記加工プログラムに指定された位置命令とに基づいて、該位置命令に指定された前記レーザ加工ヘッドと前記被加工物との相対位置関係が実現されたときに前記レーザ出力制御命令に対応したレーザ出力制御指令を前記レーザ発振器に送る出力指令部と、
前記加工プログラムに含まれる位置命令及び相対移動速度命令と、前記レーザ出力制御周期に基づく制御のタイミングを表す周期信号とに基づいて、前記レーザ発振器によって次に実行されるレーザ出力制御指令のタイミングと、前記レーザ加工ヘッドと前記被加工物との相対位置関係が実現されたときの時刻とが合致するように、前記相対移動の速度を調整する速度調整部と、
を備えることを特徴とするレーザ加工装置。 - 加工プログラムに従ってレーザ加工ヘッドと被加工物とを相対移動させるステップと、
前記加工プログラムに基づいてレーザ発振器にレーザ出力制御指令を送るステップと、
前記レーザ出力制御指令に基づいて、前記相対移動の制御周期とは独立に定められたレーザ出力制御周期毎にレーザ出力を行うステップと、
前記レーザ加工ヘッドからレーザ光を照射して前記被加工物の加工を行うステップとを有するレーザ加工方法であって、
前記レーザ出力制御指令を発するステップが、
前記加工プログラムに含まれるレーザ出力制御命令と、該レーザ出力制御命令に関連付けられて前記加工プログラムに指定された位置命令とに基づいて、該位置命令に指定された前記レーザ加工ヘッドと前記被加工物との相対位置関係が実現されたときに前記レーザ出力制御命令に対応したレーザ出力制御指令を前記レーザ発振器に送るステップを含み、
前記相対移動させるステップが、
前記加工プログラムに含まれる位置命令及び相対移動速度命令と、前記レーザ出力制御周期に基づく制御のタイミングを表す周期信号とに基づいて、前記レーザ発振器によって次に実行されるレーザ出力制御指令のタイミングと、前記レーザ加工ヘッドと前記被加工物との相対位置関係が実現されたときの時刻とが合致するように、前記相対移動の速度を調整するステップを含むことを特徴とするレーザ加工方法。
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|---|---|---|---|---|
| JP2004195467A (ja) * | 2002-12-16 | 2004-07-15 | Matsuura Machinery Corp | レーザー加工における照射エネルギー制御方法 |
| JP2004209504A (ja) * | 2002-12-27 | 2004-07-29 | Sumitomo Heavy Ind Ltd | レーザ加工装置及びレーザ加工方法 |
| JP2006075902A (ja) * | 2004-07-09 | 2006-03-23 | General Electric Co <Ge> | 連続動作レーザショックピーニング |
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