JP2010282419A - 非接触加工機 - Google Patents

Abstract

【課題】一方の駆動軸の動作開始時の移動誤差分が生じさせずに、高精度に制御する。
【解決手段】加工ヘッド（４０）を被加工物（Ｗ）上で走査させて被加工物を加工する非接触加工機（１）は、加工ヘッドを被加工物の加工領域全体よりも小さい領域において走査させる第一駆動機構部（１０）と、第一駆動機構部を加工領域全体にわたって移動させる第二駆動機構部（２０）と、加工ヘッドの加工経路を走査する座標軸方向の移動について、速度指令に加えて加減速指令を伴う座標軸移動指令を指令する座標軸移動指令部（７１）と、座標軸移動指令部からの座標軸移動指令に基づき、速度指令に加えて加減速指令を伴う移動指令を第二駆動機構部への移動指令として指令する第二駆動機構部移動指令部（７３）と、座標軸移動指令と第二駆動機構部への移動指令との差分を、第一駆動機構部への移動指令として指令する第一駆動機構部移動指令部（７２）とを含む。
【選択図】図２

Description

本発明は、光線、流体またはエネルギービームなどをノズルから出力して各種加工を行う加工ヘッドを備えた非接触加工機、例えばレーザ加工機、プラズマ加工機、ウォータージェット加工機、インクジェット塗装機などに関する。

レーザ加工機、プラズマ加工機、ウォータージェット加工機、インクジェット塗装機などの非接触加工機は、平面状ワークに対して加工を行う。光線、流体またはエネルギービームなどを出力する非接触加工機のノズルには、通常は、各種センサ、冷却配管、調整装置などが付属する。これらノズルおよび関連する部品はまとめて加工ヘッドと呼ばれており、一般的な加工ヘッドの重量は数百グラムから数十キログラムである。

ワークに対する加工を高速に行うためには、加工ヘッドをワークに対して走査することが多い。しかしながら、平面状ワークが大きい場合には、加工ヘッドがカバーする範囲も広くなるので、加工ヘッドを駆動する駆動機構部自体が大型化する傾向にある。このため、非接触加工機の加工処理速度は、駆動機構部の動作速度に応じて定まることになる。

そこで、非接触加工機の少なくとも一つの駆動方向に対して二つ以上の駆動機構部を備えることが提案されている。例えば一つの駆動方向に対して高加速可能な小型の駆動機構部と、低加速（低い加速度）のみ可能な大型の駆動機構部とを準備し、小型の駆動機構部を大型の駆動機構部に搭載することが提案されている。この場合には、加工ヘッドを高加速度で走査させられると共に、広範囲にて走査させることが可能となる。あるいは、低加速のみ可能な台車にワークを載置し、高加速可能な小型の駆動機構部に備えられた加工ヘッドにより同様な加工を行っても良い。

このような二つ以上の駆動機構部を備える構成の加工機においては、低加速のみ可能な駆動機構部を一旦停止させた後で、高加速可能な小型の駆動機構部を動作させている。この場合には、ワークの形状に合致した座標系を高加速可能な小型の駆動機構部に対して再定義するのみで足り、特別の制御技術は必要とされない。

しかしながら、この方法は、ワークが高加速可能な駆動機構部の移動範囲よりも大きい場合には不利である。これに対し、特許文献１から特許文献５には、高加速可能な小型の駆動機構部と低加速のみ可能な駆動機構部とに対して、移動指令量を調整して配分する技術が提案されている。

これら特許文献１から特許文献５に開示される技術は、低加速のみ可能な駆動機構部で追随できない移動誤差分を検出して、高加速可能な駆動機構部に与えるものである。低加速のみ可能な駆動機構部の移動と高加速可能な駆動機構部の移動とを組合わせることにより、高加速可能な駆動機構部による狭い可動範囲での高い加速性能と、低加速のみ可能な駆動機構部による広範な可動範囲での動作とを備えた非接触加工機を形成することができる。

特表２００６−５１４３３４号公報 特開平１０−５０６２１１号公報 特開平４−１９０４３号公報 特表２００６−５１４３３４号公報 特開平１０−５０６２１１号公報

しかしながら、これら特許文献１から特許文献５においては、低加速のみ可能な駆動機構部を動作させてその移動量を検出した後で、高加速可能な駆動機構部のための制御系に入力するようになっているために、低加速のみ可能な駆動機構部の移動量の検出から高加速可能な駆動機構部の移動量への帰還が高速で行われない場合には、指令移動量と実際に合成された移動量との間に誤差が生じる。つまり、高加速駆動軸は低加速駆動軸の移動が開始した後でその動作を開始するので、低加速駆動軸の動作開始時の移動誤差分が発生する。

ここで、従来技術の非接触加工機において、高加速度または大きな加加速度の移動指令を直接入力した場合を考える。この場合には、はじめに低加速のみ可能な駆動機構部に移動指令が加えられるので、低加速のみ可能な駆動機構部が新たな移動指令に追随しようとして、オーバーシュートが生じたり、制御系に振動を生じさせることがある。

また、従来技術においては、移動指令の低速分を分離するために周波数成分における低域通過フィルタを使用しているので、移動開始直後における高速移動軸の動作は位置的にも速度的にも大きく、その後指数関数的に低下する。このため、高速移動軸の可動範囲、速度範囲を大きくする必要がある。

さらに、従来技術においては、高速移動軸に対する移動指令遅延時間は低域通過フィルタのデータ処理時間を補償する時間として設けられている。つまり、従来技術における移動指令遅延時間は、高速移動軸の可動範囲および速度範囲を最小化するように最適化されているわけではない。

さらに、従来技術においては、高速移動軸の移動量を演算し制御するために低速移動軸の移動量検出信号を使用しているので、各軸の制御アルゴリズムが複雑となる、という問題もある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、一方の駆動軸の動作開始時の移動誤差分が生じることなしに、高精度な制御が可能な非接触加工機を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、加工ノズルを有する加工ヘッドを被加工物上で走査させて前記被加工物を加工する非接触加工機において、前記加工ヘッドを前記被加工物の加工領域全体よりも小さい領域において走査させる第一駆動機構部と、前記第一駆動機構部を前記加工領域全体にわたって移動させる第二駆動機構部と、前記加工ヘッドの加工経路を走査する座標軸方向の移動について、速度指令に加えて加減速指令を伴う座標軸移動指令を指令する座標軸移動指令部と、前記座標軸移動指令部からの座標軸移動指令に基づき、速度指令に加えて加減速指令を伴う移動指令を前記第二駆動機構部への移動指令として指令する第二駆動機構部移動指令部と、前記座標軸移動指令と前記第二駆動機構部への移動指令との差分を、前記第一駆動機構部への移動指令として指令する第一駆動機構部移動指令部と、を備えることを特徴とする非接触加工機が提供される。

すなわち１番目の発明においては、高加速可能な第一の駆動機構部への移動指令と低加速の第二の駆動機構部への移動指令とを同時に作成でき、従って、これら駆動機構部の間でタイミングのズレが生じないようにできる。本発明では、一方の駆動機構部を動作させた結果として検出された移動量を他方の駆動機構部の制御信号として用いるわけでないので、軸移動または移動検出に要する遅れ時間が生じることはない。従って、一方の駆動軸の動作開始時の移動誤差分が生じることなしに、高精度な制御を行うことが可能である。なお、第一の駆動機構部のサーボシステムと第二の駆動機構部の制御システムを独立して移動指令を与えて制御するので、広範に使用される従来技術のサーボフィードバックシステムを使用することができ、簡便な構成にできる。

２番目の発明によれば、加工ノズルを有する加工ヘッドを被加工物上で走査させて前記被加工物を加工する非接触加工機において、前記加工ヘッドを前記被加工物の加工領域全体よりも小さい領域において走査させる第一駆動機構部と、前記第一駆動機構部を前記加工領域全体にわたって移動させる第二駆動機構部と、前記加工ヘッドの加工経路を走査する座標軸方向の移動について、速度指令に加えて加減速指令を伴う座標軸移動指令を指令する座標軸移動指令部と、前記座標軸移動指令部からの座標軸移動指令としての加速度指令、速度指令、位置指令の何れかを一定時間積算した上で時間平均を求める移動指令平均化処理部と、前記移動指令平均化処理部で平均化処理された移動指令を、前記第二駆動機構部への移動指令として指令する第二駆動機構部移動指令部と、前記座標軸移動指令と前記第二駆動機構部への移動指令との差分を、前記第一駆動機構部への移動指令として指令する第一駆動機構部移動指令部と、を備えることを特徴とする非接触加工機が提供される。

すなわち、２番目の発明においては、１番目の発明と同様な効果が得られることに加えて、簡便なアルゴリズムによって、座標軸移動指令を第一の駆動機構部への移動指令量と、第二の駆動機構部への移動指令量とに容易に分けることができる。なお、座標軸移動指令が、加速時と減速時とにおいて速度、加速度および加加速度が対称的に変化する場合には、平均化処理されて分配された第一の駆動機構部への移動指令量および第二の駆動機構部への移動指令量は、対称的に変化する速度、加速度および加加速度を有することになる。

３番目の発明によれば、１番目または２番目の発明において、前記座標軸移動指令と前記第二駆動機構部への移動指令との差分を演算する際に、前記座標軸移動指令を一定時間保持遅延したものと前記第二駆動機構部への移動指令との差分を求め、これを前記第一駆動機構部への移動指令とした。
すなわち３番目の発明においては、高加速で駆動する第一の駆動機構部の動作位置範囲、速度範囲、加速度範囲を必要最小限に抑えることが可能となる。従って、第一の駆動機構部をより軽量に製作することができ、第一の駆動機構部を第二の駆動機構部に搭載した場合に、第二の駆動機構部に係る負担を軽減することもできる。特に、３番目の発明が２番目の発明に係る場合には、積算する時間の半分の時間にわたって遅延することで、低速駆動機構部が座標軸移動指令に達する時間の半分とすることができ、３番目の発明の効果を簡単明瞭に発揮できる。

４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記第一駆動機構部と第二駆動機構部は、直交座標または極座標による軸構成であって対応する軸同士が互いに平行ではなく、前記第一駆動機構部への移動指令は、前記座標軸移動指令と前記第二駆動機構部への移動指令との差分をベクトル分解して指令される。
すなわち４番目の発明においては、直交座標軸を備えた加工機だけでなく、ロボット、パイプ加工機などの、非直交座標系を有する加工機にも適用することが可能である。

本発明に基づく非接触加工機を示す斜め下方から見た略斜視図である。 図１と同様な構成の非接触加工機の側面図である。 本発明に基づく非接触加工機の基本動作を示すフローチャートである。 制御装置およびサーボシステムを示す第一のブロック図である。 制御装置およびサーボシステムを示す第二のブロック図である。 （ａ）時間と速度との間の関係を示す図である。（ｂ）時間と加速度との間の関係を示す図である。 加減速処理の詳細を示すフローチャートである。 速度、位置、加速度および加加速度と時間との関係を示す図である。 制御装置およびサーボシステムの第三のブロック図である。 速度、位置、加速度および加加速度と時間との関係を示す他の図である。 制御装置およびサーボシステムの第四のブロック図である。 遅延バッファを説明するための図である。 （ａ）積算平均化処理部を説明するための図である。（ｂ）メモリセルの番号と元の指令値および積算平均値との関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく非接触加工機を示す斜め下方から見た略斜視図であり、図２は図１と同様な構成の非接触加工機の側面図である。これら図面においては、非接触加工機１の例としてレーザ加工機が示されている。以下においては、非接触加工機１が、金属板からなるワークＷ（図１には示されていない）を切断加工するレーザ加工機である場合について説明する。ただし、他の非接触加工機、例えばプラズマ加工機、ウォータージェット加工機、インクジェット塗装機であっても概ね同様の構成であるものとする。

図１および図２に示されるように、非接触加工機１は、レーザを出力する加工ノズル４１等を備えた加工ヘッド４０をＸ軸方向に駆動する第一駆動機構部１０と、第一駆動機構部１０をＹ方向に駆動するＹ軸方向駆動機構部３０と、Ｙ軸方向駆動機構部３０をＸ軸方向に駆動する第二駆動機構部２０とを主に含んでいる。

なお、非接触加工機１は、例えばＸ軸およびＹ軸の両方に対して垂直なＺ軸に関する追加の駆動機構部を備えていてもよい。また、図２に示されるように、ワークＷはテーブル９上に載置されている。或る実施形態においては、ワークＷは、１．５ｍ×３ｍの金属板である。

図１などから分かるように、本発明の非接触加工機１においては、第一駆動機構部１０および第二駆動機構部２０が互いに協働して加工ヘッド４０を所望の位置に移動させる。ここで、第一駆動機構部１０は、高加速動作が可能であるものの動作領域は小さい。これに対し、第二駆動機構部２０は、高加速動作はできないものの動作領域は大きい。

図１に示されるように、第一駆動機構部１０は可動テーブル１９を備えており、Ｘ軸方向に延びる第一レール１６（Ｘ２軸）と、第一レール１６に対して平行に延びるボールネジ１５とが可動テーブル１９上に配置されている。モータ１１によりボールネジ１５を駆動させると、加工ヘッド４０は第一レール１６を高加速度、例えば２０ｍ／ｓ^２で摺動するようになる。以下、加工ヘッド４０の移動を適宜、Ｘ２軸方向の移動などと呼ぶ場合がある。また、モータ１１には、出力軸の位置を検出するパルスコーダ１２、例えば回転型パルス発生器が備えられている。なお、高加速動作が可能な第一駆動機構部１０が二軸以上の構成であってもよい。

また、Ｙ軸方向駆動機構部３０は可動テーブル３９を備えており、Ｙ軸方向に延びる二つのＹ軸方向レール３６と、これらＹ軸方向レール３６の間においてＹ軸方向レール３６に対して平行に延びるボールネジ３５とが可動テーブル３９上に配置されている。モータ３１によりボールネジ３５を駆動させると、第一駆動機構部１０はＹ軸方向レール３６を摺動するようになる。なお、モータ３１には、出力軸の位置を検出するパルスコーダ３２が備えられている。

さらに、第二駆動機構部２０はフレーム２９を備えており、Ｘ軸方向に延びる第二レール２６（Ｘ１軸）と、第二レール２６に対して平行に延びるボールネジ２５とがフレーム２９上に配置されている。モータ２１によりボールネジ２５を駆動させると、Ｙ軸方向駆動機構部３０（および第一駆動機構部１０）は第二レール２６を摺動するようになる。第二レール２６におけるＹ軸方向駆動機構部３０の許容加速度は１０ｍ／ｓ^２である。なお、モータ２１には、出力軸の位置を検出するパルスコーダ２２が備えられている。以下、第二レール２６におけるＹ軸方向駆動機構部３０の移動を適宜、Ｘ１軸方向の移動などと呼ぶ場合がある。

なお、第一駆動機構部１０の軸が第二駆動機構部２０の軸に対して必ずしも直交する必要はなく、第一駆動機構部１０の軸と第二駆動機構部２０の軸とが互いに或る角度をなしていてもよい。さらに、第一駆動機構部１０および第二駆動機構部２０が直交座標系（図１を参照されたい）である必要はなく、極座標であってもよい。

図２から分かるように、非接触加工機１は制御装置２を含んでいる。前述したパルスコーダ１２、２２、３２の全ては制御装置２に電気的に接続されている。制御装置２はデジタルコンピュータであり、ＣＰＵ６１と記憶装置６２とを主に含んでいる。

ＣＰＵ６１は、加工ヘッド４０の加工経路を走査する座標軸方向の移動について速度指令に加えて加減速指令を伴う座標軸移動指令を指令する座標軸移動指令部７１と、第一駆動機構部１０に対する移動指令を指令する第一駆動機構部移動指令部７２と、第二駆動機構部２０に対する移動指令を指令する第二駆動機構部移動指令部７３としての役目を果たす。なお、移動指令に基づいて速度、加速度および加加速度を容易に算出できることから、本願明細書における「移動指令」は速度、加速度および加加速度を含む概念であることが理解されるであろう。

さらに、ＣＰＵ６１は、座標軸移動指令としての加速度指令、速度指令、位置指令の何れかを一定時間積算した上で時間平均を求める積算平均化処理部７４としての役目を果たす。また、記憶装置６２は、非接触加工機１の加工プログラムおよび各種データを記憶している。

図３は、本発明に基づく非接触加工機の基本動作を示すフローチャートである。また、図４および図５は、それぞれ制御装置およびサーボシステムを示す第一および第二のブロック図である。以下、これら図面を参照しつつ、非接触加工機１の基本動作について説明する。

はじめに、図３におけるステップ１０１において、記憶装置６２から加工プログラムを読込む。次いで、ステップ１０２においては、この加工プログラムを解読して、加工ヘッド４０が移動する加工経路が算出される。

次いで、ステップ１０３において補間前加減速処理を行う。加工プログラムに記述される移動指令は線分または円弧に相当するので、各指令をブロックと呼ぶことができる。ステップ１０３においては、制御装置２は、隣接するブロックの位置関係、円弧半径および／または送り速度に基づいて、加工ヘッド４０の加工経路における送り速度を補間周期毎に順次算出する。

ここで、本願明細書における「補間」とは、補間周期毎の送り速度をＸ軸方向およびＹ軸方向に分配することであり、次のステップ１０４において行われる。さらに、「加減速処理」については以下の通りである。物体、例えば加工ヘッド４０が移動するときには、物体は常に等しい速度で移動するわけではない。通常、物体は、移動開始時に或る加速度で加速し、移動停止時には他の加速度で減速する。このような移動開始時および移動停止時に対して加減速指令を付与することを加減速処理と呼ぶ。

ここで、図６（ａ）は時間と速度との間の関係を示す図である。図６（ａ）においては、加工プログラムにおける速度指令値ｖｐ、加減速処理により得られる実際の速度指令値ｖｓ、およびこれらの中間値である速度指令中間値ｖｆが表されている。また、図６（ｂ）は時間と加速度との間の関係を示す図である。図６（ｂ）においては、加速度指令中間値ａｆおよび実際の加速度指令値ａｓが示されている。

図６（ａ）に示されるように、加工プログラムから得られる速度指令値ｖｐはステップ状に変化する。制御装置２における補間周期は、例えば０．５ｍｓから８ｍｓであり、補間周期毎の移動量は速度指令値ｖｐに相当する。このため、移動指令を速度と読み替える場合がある。しかしながら、加工ヘッド４０を瞬時にこの速度指令値ｖｐで実際に移動させることはできないので、一定の制限加速度内で加速するように実際の速度指令値ｖｓを作成する。

また、加工経路が折曲がっている場所において急激な方向転換を行うと、機械的振動が生じる。従って、加速度指令値ａｓは自動的に減速され、次のブロックにて再加速されるように、移動指令が送出される。

また、送り速度が順次変化することは、加工ヘッド４０等が異なる加速度で移動することを意味する（図６（ｂ）を参照されたい）。従って、本願明細書における移動指令は、単に移動後の位置に関する指令だけでなく、速度指令（送り速度の指令）および加速度指令なども含む概念である。それゆえ、本発明においては、位置、速度、加速度または加加速度のいずれかを用いて、移動量の差分を演算してよい。

指令された加速度で駆動機構部を駆動するためには、駆動される物体の質量と指令された加速度との積に応じた力を与える必要がある。モータにより生じる力は、モータに流れる電流に概ね比例するので、加工機を大きい加速度で駆動するためには、電流をモータに瞬時に流す必要がある。

しかしながら、モータへの電流を急激に増加させると逆起電力が生じるので、実際には、電流をモータに瞬時に流すのは困難である。このため、駆動機構部の加速度を急激に増加させるのは困難であり、加加速度を制限しつつ加速度を増大させる必要がある。また、加加速度が大きい場合には、非接触加工機１に大きな機械的衝撃が加えられる。なお、加速度および加加速度については、加工経路接線方向および加工経路法線方向の両方において制限されるものとする。従って、補間周期毎に算出された送り速度は、その加速度および加加速度が制限されている。

図７は加減速処理の詳細を示すフローチャートである。以下、図７を参照して、図３のステップ１０３における加減速処理の内容を説明する。はじめに、図７のステップ２０１において、加工プログラムを順次読込む。そして、この加工プログラムにおける速度指令中間値ｖｆ、加速度指令中間値ａｆ、加加速度指令中間値Ｄｆ、実際の加速度指令値ａｓおよび速度指令値ｖｓのそれぞれに対してゼロを入力する。

次いで、ステップ２０２において、加工プログラムにおける速度指令値ｖｐと速度指令中間値ｖｆとの間の差分の絶対値｜ｖｐ−ｖｆ｜が所定の速度許容幅Ｔｖよりも大きいか否かを判定する。絶対値｜ｖｐ−ｖｆ｜が速度許容幅Ｔｖよりも大きい場合には、ステップ２０３に進んで、加速度指令中間値ａｆにｓｉｇｎ（ｖｐ−ｖｆ）×Ａを入力する。なお、ｓｉｇｎ（ｘ−ｙ）＝（ｘ−ｙ）／｜ｘ−ｙ｜（ただし、ｘ＝ｙのときはゼロ）であり、Ａは設定された加速度許容値である。一方、絶対値｜ｖｐ−ｖｆ｜が速度許容幅Ｔｖよりも大きくない場合には、ステップ２０４に進んで、加速度指令中間値ａｆにゼロを入力する。

次いで、ステップ２０５において、加工プログラムにおける加速度指令中間値ａｆと実際の加速度指令値ａｓとの間の差分の絶対値｜ａｆ−ａｓ｜が所定の加速度許容幅Ｔａよりも大きいか否かを判定する。絶対値｜ａｆ−ａｓ｜が加速度許容幅Ｔａよりも大きい場合には、ステップ２０６に進んで、加加速度指令中間値Ｄｆにｓｉｇｎ（ａｐ−ａｓ）×Ｄを入力する。なお、Ｄは設定された加加速度許容値である。一方、絶対値｜ａｆ−ａｓ｜が加速度許容幅Ｔａよりも大きくない場合には、ステップ２０７に進んで、加加速度指令中間値Ｄｆにゼロを入力する。

次いで、ステップ２０８において、以下の式を用いて実際の速度指令値ｖｓ、実際の加速度指令値ａｓ、および速度指令中間値ｖｆを設定する。
ｖｓ←ｖｓ＋ａｓ
ａｓ←ａｓ＋Ｄｆ
ｖｆ←ｖｆ＋ａｆ

その後、ステップ２０９において実際の速度指令値ｖｓをサーボシステム（図４等を参照）に入力し、ステップ２１０においてプログラムが最後まで到達したか否かを判定する。そして、プログラムが終了していれば、処理自体を終了し、プログラムが終了していなければ、ステップ２０２に戻ってプログラムが終了するまで、処理を繰返す。このようにして、実際の速度指令値ｖｓを取得し、加減速処理を終了する。このようにして得られた速度指令値ｖｓから、座標軸移動指令部７１は座標軸移動指令を作成する。

なお、他の手法により、補間前加減速処理を行っても良い。例えば、指令された送り速度に到達するまで、一定の加速度で加速するようにしてもよい。このことを、補間前直線加減速と呼ぶ。あるいは、或る加速度に到達するまで或る加加速度でもって加速度を大きくし、次いで、指令された送り速度に到達する直前において他の加加速度でもって加速度を小さくしてもよい。このことを、補間前ベル形加減速と呼ぶ。

再び図３を参照すると、ステップ１０４において、座標軸移動指令部７１が補間処理を行い、速度指令値を補間周期毎に分配し、Ｘ座標軸移動指令およびＹ座標軸移動指令を作成する。この補間処理は、加工プログラムから解読される補間周期毎の加工ヘッド４０の位置に基づいて容易に行うことができる。

図４に示される実施形態においては、補間後におけるＹ座標軸移動指令は、Ｙ軸方向駆動機構部３０を制御するサーボシステムに供給される。そして、Ｙ軸方向駆動機構部３０のモータ３１はこの移動指令に追従するようにフィードバックシステムで駆動される。Ｙ軸方向に関するサーボシステム（図４等を参照されたい）においては、移動指令を積算する。そして、実際にモータを駆動してパルスコーダ３２により得られる帰還信号と積算された移動指令との差分に応じて、サーボアンプ３１’に指令してモータ３１を追加駆動する。

なお、パルスコーダ３２の代わりに、リニアスケールを採用することも可能である。また、図面には示さないものの、Ｙ座標軸移動指令について、補間後加減速処理（後述する）を行うことも可能である。

次に、ステップ１０５において、第二駆動機構部移動指令部７３が、Ｘ座標軸移動指令に基づいて、第二駆動機構部２０をＸ１軸に沿って移動させるＸ１軸移動指令を作成する。具体的には、Ｘ１軸についての加速度許容値Ａ’、および加加速度許容値Ｄ’を予め設定し、これら加速度許容値Ａ’、および加加速度許容値Ｄ’に基づいて、図７に示した処理を行う。そして、この処理により得られる実際の速度指令値ｖｓからＸ１軸移動指令を作成する。

次いで、ステップ１０６において、第一駆動機構部移動指令部７２が、Ｘ座標軸移動指令からＸ１軸移動指令を減算し、その差分からＸ２軸移動指令を作成する。なお、Ｘ２軸移動指令は、第一駆動機構部１０の加工ヘッド４０をＸ２軸に沿って移動させる指令である。図から分かるように、Ｘ１軸移動指令およびＸ２軸移動指令は、それぞれのサーボシステムに与えられてフィードバック制御される（図４を参照されたい）。

図４から分かるように、本発明においては、Ｘ座標軸移動指令をＸ１軸移動指令およびＸ２軸移動指令に分配する際に、Ｘ１軸およびＸ２軸のサーボシステムのパルスコーダ１１、１２からの帰還信号を必要としない。このため、本発明においては、高加速の第一駆動機構部１０へのＸ１軸移動指令と低加速の第二駆動機構部２０へのＸ２軸移動指令とを同時に作成できる。また、補間分配の際に帰還信号を必要としないことから、本発明のシステムを構築するのが容易であることが理解されよう。

その結果、本発明においては、制御装置２からの移動指令の伝達、サーボアンプからのモータ１１、２１、３１への電流印加、およびモータ１１、２１、３１の回転のパルスコーダ１２、２２、３３による検出などの動作に遅れが生じることはない。それゆえ、Ｘ１軸とＸ２軸との間の協調動作に悪影響が及ぶのを回避するのが可能となる。従って、本発明においては、一方の駆動軸の動作開始時の移動誤差分が生じることなしに、高精度な制御を行うことが可能である。

次いで、ステップ１０７において、補間後加減速処理を行う。つまり、図７を参照して説明した加減速処理を分配されたＸ１軸移動指令に対して再度行う。ステップ１０７においては、Ｘ１軸に関する限界加速度に応じた加速度で加速または減速するように、補間周期毎の移動指令量を抑える。これにより、円弧の経路が歪むのを回避して、円滑な動作が可能となる。なお、Ｘ２軸およびＹ軸に関しても、前述したのと同様な補間後加減速処理を行っても良い。

また、図５に示される実施形態においては、補間後加減速処理の代わりに、Ｘ２軸移動指令について積算平均化処理を行うようにしている。具体的には、積算平均化処理部７４は、Ｘ２軸移動指令について、加速度指令、速度指令または位置指令のいずれかを一定時間積算して、その平均値を算出する。そして、第二駆動機構部移動指令部７３は、算出された平均値を第二駆動機構部２０に対する移動指令として指令する。その後、前述したのと同様に、Ｘ座標軸移動指令からＸ１軸移動指令を減算して、Ｘ２軸移動指令を作成する。このような場合にも前述したのと同様な効果が得られることに加えて、より簡便なアルゴリズムによりＸ１軸移動指令およびＸ２軸移動指令のそれぞれが得られるのは明らかであろう。

さらに、図５に示される実施形態において、座標軸移動指令が、加速時と減速時とにおいて速度、加速度および加加速度が対称的に変化する場合には、平均化処理されて分割された第一の駆動機構部への移動指令量および第二の駆動機構部への移動指令量は、対称的に変化する速度、加速度および加加速度を有することになる（図１０を参照されたい）。

ところで、図８は、図３の処理によって得られる速度ｖ、位置ｐ、加速度ａおよび加加速度ａ’と時間との関係を示す図である。これらの単位は、それぞれｍ／ｓ、ｍ、ｍ／ｓ^２、ｍ／ｓ^３であり、時間ｓの単位は秒である。図８においては、実線はＸ軸に関する位置などを示しており、一点鎖線はＸ１軸に関する位置などを示しており、破線はＸ２軸に関する位置などを示している。

図８から分かるように、移動開始直後における速度ｖについては、Ｘ座標軸移動指令（図８のｖＸに相当）が急速に増加するものの、Ｘ１軸移動指令（図８のｖＸ１に相当）の増加は比較的小さい。Ｘ座標軸移動指令とＸ１軸移動指令との間の差分はＸ２軸に与えられる。Ｘ座標軸移動指令が加減速指令を伴うものであるので、Ｘ２軸移動指令は不連続ではなく、加工ヘッド４０は大きい加速度ａＸ２、大きい加加速度ａ’Ｘ２で駆動する。このようなＸ１軸移動指令およびＸ２軸移動指令によって、Ｙ軸方向駆動機構部３０および加工ヘッド４０をＸ軸方向に適切に移動させられる。

次いで、Ｘ１軸指令速度ｖＸ１がＸ座標軸指令速度ｖＸに追いつくと（時刻０．０７秒付近）、Ｘ２軸指令速度ｖＸ２はゼロになり、第二駆動機構部２０のみがＸ１軸に沿って移動するようになる。さらに、移動停止前においては、前述したのとは反対の現象が生じる。すなわち、はじめにＸ２軸が加速時と逆方向に動いて加工ヘッド４０を停止させ、次いでＸ１軸が徐々に停止するようになる。

移動停止時には、加工ヘッド４０の位置は加速時と減速時とで相殺されるので、Ｘ２軸における加工ヘッド４０の位置は移動開始前の位置まで戻る。そして、図８から分かるように、Ｘ２軸における加工ヘッド４０の位置は、Ｙ軸方向駆動機構部３０がＸ１軸上を移動するときに、その移動方向に偏っている。

さらに、図８に示されるように、Ｘ軸に関する加速度ａＸ、加加速度ａ’Ｘと比較すると、Ｘ１軸に関する加速度ａＸ１、加加速度ａ’Ｘ１は小さく抑えられている。このようにして、本発明においては、Ｘ１軸およびＸ２軸の両方はその加加速度、加速度、速度の限界を越えない範囲で、遅れを伴うことなしに、Ｘ座標軸移動指令に基づいてＹ軸方向駆動機構部３０および加工ヘッド４０をＸ軸方向に適切に移動させられる。

ところで、図８において移動開始直後におけるＸ２軸に関する加速度ａＸ２はＸ１軸に関する加速度ａＸ１よりも大きい。このため、等速度で移動するとき（図８においてｖＸが水平である領域）であっても、Ｘ２軸の位置は移動方向に偏っている（図８における位置ｐＸ２がゼロよりも大きくなっている）。その結果、Ｘ２軸における移動については、本来であれば不要な動作を含むことになる。このため、本発明においては、等速度で移動する際に、加工ヘッド４０をＸ２軸における中心位置に保持することが望まれる。

このように加工ヘッド４０をＸ２軸における中心位置に保持した場合には、Ｘ２軸におけるストロークを低減でき、それにより、Ｘ２軸自体を軽量かつ短縮化できることになる。その結果、Ｙ軸およびＸ１軸に要求される駆動力も低くでき、非接触加工機１をさらに高速動作させることが可能となる。さらに、この場合には、非接触加工機１全体の動作も円滑になるのが分かるであろう。

図９は、そのような場合における非接触加工機１の制御装置およびサーボシステムを示す第三のブロック図である。図９においても、図３を参照して説明したのと概ね同様な処理が行われるので、相違点について主に記載する。図９においては、作成されたＸ１軸およびＹ軸に関する移動指令に関し、遅延バッファ５１、５２が遅延処理を行う。

図９から分かるように、本実施形態においては、Ｘ軸に関する移動指令を一定時間保持する。そして、Ｘ１軸移動指令と一定時間保持されたＸ座標軸移動指令との間の差分を算出して、Ｘ２軸移動指令を作成する。Ｘ座標軸動指令の保持時間（遅延時間）は、例えばＸ１軸に関する移動速度がＸ軸に関する移動速度に到達するのに必要な時間の半分である。この場合には、Ｘ２軸に関する動作位置範囲、速度範囲、加速度範囲を必要最小限に抑えることが可能となる。

また、図９においては、前述した積算平均化処理部７４’が示されている。例えばＸ座標軸移動指令の保持時間（遅延時間）を積算時間の半分の時間にしてもよい。これにより、第二駆動機構部２０の移動速度ｖＸ２がＸ軸に関する速度ｖＸに到達する時間を半分にすることが可能となる。本実施形態においては、速度、加速度および加加速度を対称的に増減させるのが有利である。

ここで、図１０は速度、位置、加速度および加加速度と時間との関係を示す他の図であり、図８と同様の図である。図１０を参照して分かるように、移動開始直後には、遅延バッファ５１によりＸ２軸に関する移動指令は入力されない。そして、積算平均化処理された移動指令が差分として与えられるので、Ｘ２軸はＸ１軸とは反対方向で且つ同じ加速度で移動し始める。このため、非接触加工機１の移動開始時であっても、加工ヘッド４０自体は移動しない。

そして、所定の遅延時間が経過した後で、遅延されたＸ座標軸移動指令がＸ２軸側に入力され、Ｘ２軸は減速開始する。次いで、Ｘ２軸に関する速度は反転して、Ｘ１軸と同方向になる。図１０から分かるように、Ｙ軸方向駆動機構部３０がＸ１軸において等速運動するときには、Ｘ２軸において加工ヘッド４０は停止する。なお、加工ヘッド４０が減速して停止する場合も概ね同様の動作である。

図９および図１０に示される実施形態においては、加工ヘッド４０が実際に動作開始する前に、Ｘ２軸に沿って逆方向に移動するような動作を行う。従って、Ｘ２軸に必要とされるストロークが最小限になる。このことは、図８および図１０を比較することによって明らかであろう。さらに、この実施形態においては、速度、加速度および加加速度のいずれであっても、Ｘ１軸移動指令およびＸ２軸移動指令がＸ座標軸移動指令を越えることはない。これに対し、図８に示される実施形態においては、Ｘ軸に関する速度ｖＸ１がＸ１軸に関する速度ｖＸよりも大きい場合などがある。

つまり、図９および図１０に示される実施形態においては、第一駆動機構部１０の動作位置範囲、速度範囲、加速度範囲を必要最小限に抑えることが可能である。従って、第一駆動機構部１０をより軽量に製作でき、第一駆動機構部１０を第二駆動機構部２０に搭載した場合に、第二駆動機構部２０に係る負担を軽減することもできる。すなわち、本実施形態においては、非接触加工機１を極めて効率的に動作させられることが分かるであろう。

さらに、本実施形態においては、加減速時間の半分の時間にわたって、Ｘ座標軸移動指令を遅延保持することが行われる。従って、本発明においては、加速時の各波形が、加減速時間の半分の時間に対して対称的であることが必要であり、このことが、また上記効果を確かなものにしている。

ところで、図１１は非接触加工機１の制御装置およびサーボシステムの第四のブロック図である。図１１に示される実施形態においては、図１に示される加工ヘッド４０に対してＵ軸およびＷ軸が設定されている。これらＵ軸およびＷ軸は、それぞれＸ軸およびＹ軸に対して４５度の角度をなしている。従って、図１１を参照して分かるように、Ｘ軸およびＹ軸に関する移動指令に１／√２を乗算することにより、Ｕ軸およびＷ軸に関する移動指令をそれぞれ作成する。

本実施形態においては、Ｘ軸およびＹ軸などの直交座標の代わりに、回転軸と半径軸とからなる極座標軸を使用することも可能である。極座標軸に基づいて高加速度機構を構成した場合には、ワークＷを円弧に沿って極めて高速で加工することが分かるであろう。

ところで、図１２は遅延バッファを説明するための図であり、以下、遅延バッファ５１、５２、５３の一つの態様を説明する。遅延バッファは、例えばＦＩＦＯバッファであり得る。図１２に示されるように、遅延バッファは、遅延時間に対応するメモリセル８１と、メモリセル８１のそれぞれと関連して指令値を記憶可能な記憶セル８２とを含んでいる。図から分かるように、メモリセル８１には、アドレスを示す番号（例えば＃１〜＃１５）が付されている。

メモリセル８１の番号は補間周期毎に「１」を加算し、メモリセル８１の番号が最大（＃１５）になったら、最初の番号（＃１）のメモリセル８１に戻る。そして、ポインタセル８０が指す番号に対応するメモリセル８１に関連づけて指令値を記憶セル８２に格納する。そして、ポインタセル８０が指す番号に「１」を加算した番号に対応するメモリセル８１の値を出力する。

さらに、図１３（ａ）は積算平均化処理部７４を説明するための図である。積算平均化処理部７４は時間に対応するメモリセル９１と、メモリセル９１のそれぞれと関連して元の指令値、ならびに第一および第二の積算平均値を記憶可能な記憶セル９２〜９４とを含んでいる。ここで、記憶セル９３には、指定時間の積算平均値（一段目）が記憶される。そして、図１３（ａ）からわかるように、記憶セル９４には、積算平均化処理を二段行った値が記憶される。

図１３（ｂ）はメモリセルの番号と元の指令値および積算平均値との関係を示す図である。図１３（ｂ）に示されるように、一段目の積算平均値は線形に変化しており、二段目の積算平均値は曲線状に変化している。ここで、積算平均値が補間周期毎の移動量の指令値、つまり速度指令であると考えると、一段目は直線形加減速であり、二段目はベル形加減速に相当する。図１３（ｂ）から分かるように、一段目においては加速度が有限であり、二段目においては、加速度および加加速度の両方が有限である。加速度および加加速度を制限する場合には、指令速度から積算する時間を算出して変更すれば良い。

このような積算平均化処理を用いた場合には、加減速時の時間的中間点を境にして、速度、加速度および加加速度の推移が軸対称または点対称になる。これに対して、一般的なローパスフィルタまたはハイパスフィルタによる処理は、速度などを含む移動指令は、指数関数的に変化する。

本発明のような二段駆動機構部の非接触加工機１の制御において、指数関数的に変化する移動指令を与えると、加速開始時に高加速度で駆動される軸に異常に大きな加速度、加加速度の指令が与えられる。さらに、等速運動に移行する直前においては、高加速度で駆動されるべき軸が小さな加速度でしか駆動されなくなる。

このため、本発明のように積算平均化処理を行うことによって、加速開始時と等速運動到達時に同等の加速度、加加速度を高加速度駆動軸に与えることができ、加工機の性能を十分に引出すことが可能となる。なお、このような積算平均化処理を補間前加減速の代わりに行うようにしてもよい。そのような場合であっても、本発明の範囲に含まれる。

１ 非接触加工機
２ 制御装置
９ テーブル
１０ 第一駆動機構部
１１、２１、３１ モータ
１２、２２、３３ パルスコーダ
１５、２５、３５ ボールネジ
１６ 第一レール
１９ 可動テーブル
２０ 第二駆動機構部
２６ 第二レール
２９ フレーム
３０ Ｙ軸方向駆動機構部
３６ Ｙ軸方向レール
３９ 可動テーブル
４０ 加工ヘッド
４１ 加工ノズル
５１、５２、５３ 遅延バッファ
６２ 記憶装置
７１ 座標軸移動指令部
７２ 第一駆動機構部移動指令部
７４ 積算平均化処理部
８０、９０ ポインタセル
８１ メモリセル
８２ 記憶セル
９１ メモリセル
９２〜９４ 記憶セル

Claims (4)

1. 加工ノズルを有する加工ヘッドを被加工物上で走査させて前記被加工物を加工する非接触加工機において、
   前記加工ヘッドを前記被加工物の加工領域全体よりも小さい領域において走査させる第一駆動機構部と、
   前記第一駆動機構部を前記加工領域全体にわたって移動させる第二駆動機構部と、
   前記加工ヘッドの加工経路を走査する座標軸方向の移動について、速度指令に加えて加減速指令を伴う座標軸移動指令を指令する座標軸移動指令部と、
   前記座標軸移動指令部からの座標軸移動指令に基づき、速度指令に加えて加減速指令を伴う移動指令を前記第二駆動機構部への移動指令として指令する第二駆動機構部移動指令部と、
   前記座標軸移動指令と前記第二駆動機構部への移動指令との差分を、前記第一駆動機構部への移動指令として指令する第一駆動機構部移動指令部と、を備えることを特徴とする非接触加工機。
2. 加工ノズルを有する加工ヘッドを被加工物上で走査させて前記被加工物を加工する非接触加工機において、
   前記加工ヘッドを前記被加工物の加工領域全体よりも小さい領域において走査させる第一駆動機構部と、
   前記第一駆動機構部を前記加工領域全体にわたって移動させる第二駆動機構部と、
   前記加工ヘッドの加工経路を走査する座標軸方向の移動について、速度指令に加えて加減速指令を伴う座標軸移動指令を指令する座標軸移動指令部と、
   前記座標軸移動指令部からの座標軸移動指令としての加速度指令、速度指令、位置指令の何れかを一定時間積算した上で時間平均を求める移動指令平均化処理部と、
   前記移動指令平均化処理部で平均化処理された移動指令を、前記第二駆動機構部への移動指令として指令する第二駆動機構部移動指令部と、
   前記座標軸移動指令と前記第二駆動機構部への移動指令との差分を、前記第一駆動機構部への移動指令として指令する第一駆動機構部移動指令部と、を備えることを特徴とする非接触加工機。
3. 前記座標軸移動指令と前記第二駆動機構部への移動指令との差分を演算する際に、
   前記座標軸移動指令を一定時間保持遅延したものと前記第二駆動機構部への移動指令との差分を求め、これを前記第一駆動機構部への移動指令とした、請求項１または２に記載の非接触加工機。
4. 前記第一駆動機構部と第二駆動機構部は、直交座標または極座標による軸構成であって対応する軸同士が互いに平行ではなく、
   前記第一駆動機構部への移動指令は、前記座標軸移動指令と前記第二駆動機構部への移動指令との差分をベクトル分解して指令される請求項１乃至３の内、いずれか一項に記載の非接触加工機。

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