JP2013075299A

JP2013075299A - 孔加工方法

Info

Publication number: JP2013075299A
Application number: JP2011215067A
Authority: JP
Inventors: Koji Seiji; 孝二政氏
Original assignee: Komatsu NTC Ltd
Current assignee: Komatsu NTC Ltd
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2013-04-25

Abstract

【課題】熱ビームの円運動の過程で、円形孔の円周上での加速度最小位置の近くに加工開始点を設定することによって、サーボ系の応答遅れや、運動系の慣性の影響を抑える。
【解決手段】
ＮＣプログラムによって熱ビームとしてのレーザビーム１２にＸＹ平面上で円運動を与え、ワーク５に円形孔１３の加工をする孔加工方法において、レーザビーム１２を円形孔１３内のピアッシング位置Ａからアプローチ経路Ｂを経て円形孔１３の円周経路Ｃ上の加工開始点Ｐ１に移動させ、レーザビーム１２の加速期間中に、加工開始点Ｐ１から円周経路Ｃにそって定常速度到達点Ｐ２に移動させ、その後、レーザビーム１２を円周経路Ｃにそって定常時の加工速度Ｖで移動させる過程で、円周経路Ｃ上での加速度最小位置Ｐ０を含む範囲に、加工開始点Ｐ１から定常速度到達点Ｐ２までの加速区間Ｃａを設定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＮＣプログラムにより加工用の熱ビーム、主としてレーザビームの円運動を制御し、ワークに円形孔、特に小さな円形孔を加工する方法に関する。

特許文献１は、レーザ孔あけ加工において、従来技術としてレーザビームを直線状アプローチ経路から加工孔の円弧に移行するときに、レーザビームの移動を一時的に停止させること、レーザビームを加工孔に内接する小さな円弧状アプローチ経路から停止しないまま加工孔に滑らかに移行すること、を開示している。

円弧状アプローチ経路の設定には、円弧状軌跡のＮＣデータが必要となるため、レーザビームのアプローチ制御が複雑になる。また、レーザビームを直線状アプローチ経路から加工孔の円弧に移行するときに、レーザビームの運動を一時的に停止させると、孔加工の時間が長くなり、多くの孔加工のときに加工能率が悪くなる、という問題がある。

加工能率の問題は、レーザビームを加工孔のＸＹ平面のＸ軸方向またはＹ軸方向の半径上のアプローチ経路から加工孔の円弧に移行するときに、レーザビームの移動を一時的に停止させずに、連続的に移行させれば、解決できる。しかし、レーザビームを直線状アプローチ経路から加工孔の円弧へと連続的に移行させると、レーザビームの照射経路が加工孔の外側に膨らみ、加工後の孔の真円度が悪くなることから、レーザビームの移動速度を大きくできなくなる。上記レーザビームの照射経路の膨らみは、サーボ系の応答遅れや、運動系の慣性によって起きるものと考えられている。

特開平８−１１８０４８公報

したがって、本発明の解決課題は、孔加工の開始時点で、熱ビームの照射経路の加工孔外側への膨らみをできるだけ抑え、加工後の孔の真円度を良くし、かつ熱ビームの加工速度を大きくできるようにし、孔加工の時間を短縮することである。

上記の課題のもとに、本発明は、熱ビームの円運動の過程において、Ｘ軸またはＹ軸上に加工開始点を置かず、円形孔の円周経路上での加速度最小位置の近くに加工開始点を設定することによって、サーボ系の応答遅れや、運動系の慣性の影響を可能な限り抑えるようにしている。

具体的に記載すると、本発明に係る孔加工方法は、ＮＣプログラムによって熱ビームにＸＹ平面上で円運動を与え、前記熱ビームをワークに照射することによって、前記ワークに円形孔の加工をする方法において、前記熱ビームを前記円形孔内のピアッシング位置からアプローチ経路を経て前記円形孔の円周経路上の加工開始点に移動させ、前記熱ビームの加速期間中に、前記加工開始点から前記円形孔の円周経路にそって定常速度到達点に移動させ、その後、前記熱ビームを前記円周経路にそって定常時の加工速度で移動させる過程で、前記円周経路上での加速度最小位置を含む範囲に、前記加工開始点から前記定常速度到達点までの加速区間を設定している（請求項１）。

そして、前記のアプローチ経路は、前記加工開始点を通る半径線上に設定される（請求項２）。

前記のアプローチ経路は、前記加工開始点を通り、Ｘ軸に平行な直線上に設定される（請求項３）。

前記のアプローチ経路は、前記加工開始点を通り、Ｙ軸に平行な直線上に設定される（請求項４）。

前記の加速度最小位置は、前記加工孔の中心角４５°、１３５°、２２５°、３１５°の近くの何れかの位置に設定される（請求項５）。

本発明に係る孔加工方法によると、加工開始点から定常速度到達点までの加速区間が円周経路上での加速度最小位置を含む範囲内に設定されるから、熱ビームがアプローチ経路を経て加工開始点から円周経路上に移行するときに、加工速度や加速度の大きな変化がなくなり、サーボ系の応答遅れが現れにくいこと、また、加速区間で、アプローチ経路の運動による慣性の影響が現れにくくなるため、運動系の慣性の影響が可能な限り抑えられ、その結果、加工開始点での経路の膨らみがなくなり、加工後の円形孔の真円度が良くなること、上記の加速区間内で熱ビームの加工速度や加速度の大きな変化がなく、熱ビームの運動が短時間のうちに定常な運動に到達し、安定化するため、孔加工の時間が短縮できること、などの特有の効果が得られる（請求項１）。

アプローチ経路が円形孔の半径線上に設定されておれば、ＮＣ加工プログラムでのアプローチ経路の設定が容易となり、しかも、加工開始点においてアプローチ経路の運動による慣性を打ち消す方向の速度成分が発生するため、運動系の慣性の影響が可能な限り抑えられる（請求項２）。

アプローチ経路がＸ軸に対して平行な方向に設定されておれば、ＮＣ加工プログラムでのアプローチ経路の設定が１軸上の指定のみとなって容易となり、しかも、加工開始点において加工速度のＸ軸方向の速度成分がアプローチ速度を確実に打ち消す方向にできる（請求項３）。

アプローチ経路がＹ軸に対して平行な方向に設定されておれば、ＮＣ加工プログラムでのアプローチ経路の設定が１軸上の指定のみとなって容易となり、しかも、加工開始点においてアプローチ速度が膨らみ方向に現れにくく、アプローチ経路から円周経路上への移行に際して速度の転換が滑らかに行える（請求項４）。

加速度最小位置が前記加工孔の中心角４５°、中心角１３５°、中心角２２５°、中心角３１５°の近くの何れかとすることによって、第１象限、第２象限、第３象限または第４象限から加工が開始でき、加工の自由度が増し、各種の加工態様に応じて柔軟な対応ができる（請求項５）。

本発明に係る孔加工方法をレーザ加工機に適用したときのシステムのブロック線図である。レーザ加工機の直交３軸制御方式の駆動装置のスケルトン図である。レーザビームの移動経路の説明図である。アプローチ経路をＸ軸に対し平行な方向に設定したときの説明図である。アプローチ経路をＹ軸に対し平行な方向に設定したときの説明図である。

図１は、熱加工機の一例としてレーザ加工機１を示している。レーザ加工機１は、ＮＣ装置４からの各種の指令やＮＣデータにもとづいて加工ヘッド２の多軸制御方式の駆動装置３を駆動し、加工ヘッド２にＸＹ平面上で所定の円運動を与え、加工ヘッド２から出力される熱ビームとしてのレーザビーム１２をワーク５に照射することによって、ワーク５に目標の円形孔１３の加工を行う。

レーザビーム１２は、レーザ発振器６から出力されて、レーザ制御装置７により出力制御され、ＮＣ装置４からの各種の指令やＮＣデータ、入力操作器８からの設定データを参照して、加工態様に適切な値に調節される。

ＮＣ装置４およびレーザ制御装置７は、ＮＣ加工プログラムやオペレータによる対話式の入力操作器８からの各種の指令および設定データにもとづいて動作する。入力内容や設定内容は、入力操作器８に付設されているディスプレイ９の表示画面により視覚的に確認できるようになっている。

制御装置１０は、ＮＣ装置４を動作させるために、自動プログラミング装置１１からのプログラム指令を参照しながら、オペレータによって入力されるＮＣデータにもとづいて所定のＮＣ加工プログラムを作成し、作成したＮＣ加工プログラムをＮＣ装置４に出力している。

図２は、一例として３軸制御方式の駆動装置３を例示している。加工ヘッド２は、３軸制御方式の駆動装置３によってＸ軸方向、Ｙ軸方向およびＺ軸方向に移動し、固定のテーブル１４に対して各軸方向に位置決め可能として構成されるか、または駆動装置３によってＸ軸方向およびＺ軸方向に移動し、Ｙ軸方向に移動可能なテーブル１４に対して各軸方向に位置決め可能として構成されている。

図３は、ワーク５に孔加工するときの円形孔１３とＮＣ加工データの設定例を示している。前記のように、孔加工は、ＮＣプログラムによって、加工ヘッド２のレーザビーム１２にＸＹ平面上で円運動を与え、レーザビーム１２をワーク５に照射することによって、ワーク５に目標の円形孔１３の加工を行う。

目標の孔加工のために、オペレータは、入力操作器８を操作し、孔加工の基礎データとして加工対象の円形孔１３の直径例えば１０〔ｍｍ〕、レーザビーム１２の加工速度Ｖとして例えば１１．９〔ｍ／ｍｉｎ〕、円形孔１３の周長３１．４１５９３〔ｍｍ〕、円形孔１３の円周経路Ｃ上で中心角θ〔°〕に対する１°あたりの経過の時間０．０００４４〔ｓｅｃ／°〕などの指定をする。図３の例において、中心角θは、第１象限と第４象限との間のＸ軸を０°として反時計方向に設定されており、レーザビーム１２の照射もこれと同じ方向に加工速度Ｖで移動させる。

これらの基礎データが入力されると、制御装置１０は、中心角θ＝０°、１°、２°、３°、・・３６０°毎に、円形孔１３の円周経路Ｃ上で中心角０°の位置からの経過の時間〔ｓｅｃ〕、円形孔１３の円周経路Ｃ上でのＸ座標位置〔ｍｍ〕およびＹ座標位置〔ｍｍ〕、円形孔１３の円周経路Ｃ上でのＸ軸方向の速度成分Ｖｘ〔ｍｍ／ｓｅｃ〕およびＹ軸方向の速度成分Ｖｙ〔ｍｍ／ｓｅｃ〕、円形孔１３の円周経路Ｃ上でのＸ軸方向の加速度成分〔ｍ／ｓ^２〕または重力加速度〔Ｇ〕およびＹ軸方向の加速度成分〔ｍ／ｓ^２〕または重力加速度〔Ｇ〕を演算により求め、これをＮＣ加工データとしてＮＣ装置４に送り格納する。

円形孔１３の円周経路Ｃ上でのＸ軸方向の速度成分ＶｘおよびＹ軸方向の速度成分Ｖｙは、それぞれ中心角θによって増減方向に変化するが、それらの合成速度は、円形孔１３の円周経路Ｃ上で接線方向を向き、レーザビーム１２の加工速度Ｖとなっており、常に一定である。

また円形孔１３の円周経路Ｃ上でのＸ軸方向の加速度成分およびＹ軸方向の加速度成分は、等速円運動のため、常に円形孔１３の中心を向いており、それぞれ中心角θによって変化する。しかも、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の加速度成分を合成した加速度ａは、円周経路Ｃ上において、一定とならず、中心角θ＝０°（３６０°）、９０°、１８０°、２７０°の位置で最大値となり、第１象限での４５°、第２象限での１３５°、第３象限での２２５°、第４象限での３１５°の位置で最小値となっている。この理由は、Ｘ軸方向の速度成分ＶｘおよびＹ軸方向の速度成分Ｖｙによって、一定の合成速度すなわち一定の加工速度Ｖを与えているからである。

そして、本発明に係る孔加工方法は、レーザビーム１２を円形孔１３内のピアッシング位置Ａからアプローチ速度Ｖｂでアプローチ経路Ｂを経て一時停止しないまま円形孔１３の円周経路Ｃ上の加工開始点Ｐ１に移動させ、次にレーザビーム１２の加速期間中に、加工開始点Ｐ１から円形孔１３の円周経路Ｃにそって定常速度到達点Ｐ２まで移動させて、定常時の加工速度Ｖに到達させ、その後、レーザビーム１２を円周経路Ｃにそって一定の加工速度Ｖで移動させる過程おいて、円周経路Ｃ上で加速度最小位置Ｐ０を含む範囲に、加工開始点Ｐ１から定常速度到達点Ｐ２までの加速区間Ｃａを設定している。換言すると加工開始点Ｐ１から定常速度到達点Ｐ２までの加速区間Ｃａは、円周経路Ｃ上で加速度最小位置Ｐ０を含む範囲に設定されている。

上記の設定のために、オペレータは、前記の基礎データの他に、入力操作器８を操作して、ピアッシング位置Ａの座標データ、アプローチ経路Ｂの座標データ、アプローチ速度Ｖｂ、加工孔１３の円周経路Ｃ上で加工開始点Ｐ１、定常速度到達点Ｐ２などの座標データを設定する。アプローチ経路Ｂは、ここでは円形孔１３の半径線上に設定するものとする。なお、アプローチ速度Ｖｂは、加工速度Ｖと異なる速度値または同じ速度値として設定する。

前記のように、加工開始点Ｐ１から定常速度到達点Ｐ２までの加速区間Ｃａは、円周経路Ｃ上において加速度最小位置Ｐ０を含むように設定され、加速度最小位置Ｐ０は、第１象限においては、中心角θ＝４５°である。この加速区間Ｃａは、レーザビーム１２の移動時の立ち上がりに必要な加速期間に対応しており、加速に必要な円周長さにも対応している。加速に必要な円周長さは、レーザ加工機１に固有な値であるからレーザ加工機１毎に予め測定し、この測定結果にもとづいて設定するものとする。

図３の例において、加工開始点Ｐ１は、中心角θ＝４５°の前例えば３２°に設定されており、また、定常速度到達点Ｐ２は、中心角θ＝４５°に一致するように設定されている。このように、図示の例は、定常速度到達点Ｐ２に加速度最小位置Ｐ０を一致させているが、後に図示するように、加速度最小位置Ｐ０は、加工開始点Ｐ１にあってもよく、また加工開始点Ｐ１と定常速度到達点Ｐ２との間にあってもよい。

円形孔１３の加工時に、ＮＣ装置４は、ＮＣ加工データを読み込み、そのＮＣ加工データにもとづいて駆動装置３を制御し、加工ヘッド２にピアッシング位置Ａ、アプローチ経路Ｂを経て、円形孔１３の円周経路Ｃにそって加工速度Ｖの等速円運動を与える。

すなわち、加工ヘッド２は、円形孔１３の内部のピアッシング位置Ａでレーザビーム１２の出力を開始し、アプローチ速度Ｖｂでアプローチ経路Ｂを経て円形孔１３の円周経路Ｃ上の加工開始点Ｐ１に移動し、一時停止しないまま加工開始点Ｐ１で円周経路Ｃの方向に向きを変え、加工開始点Ｐ１から加速しながら定常速度到達点Ｐ２に到達するまでの間すなわち加速区間Ｃａ中に、定常時の加工速度Ｖに立ち上がり、この加工速度Ｖを維持して、円周経路Ｃを一周し、加工開始点Ｐ１に戻ってワーク５に孔加工を施す。

前記のように、レーザビーム１２は、円形孔１３の円周経路Ｃにそって一定の加工速度Ｖで移動をするように設定される。このために、ＮＣ装置４は、ＸＹ平面上で円周経路Ｃの座標を特定し、特定した座標でのＸ軸方向の速度成分ＶｘおよびＹ軸方向の速度成分Ｖｙを与え、その合成速度すなわち加工速度Ｖを与えている。ここでの合成速度は、常に一定の速度値であり、円周経路Ｃの各位置で接線方向を向いている。

既述のように、加工速度Ｖは、常に一定であるが、Ｘ軸方向の速度成分ＶｘおよびＹ軸方向の速度成分Ｖｙは、不定である。例えば第１象限（中心角θ＝０°〜９０°）において、Ｘ軸方向の速度成分Ｖｘは、中心角θの増加にともない最小（中心角θ＝０°）から最大（中心角θ＝９０°）へと変化し、またＹ軸方向の速度成分Ｖｙは、最大（中心角θ＝０°）から最小（中心角θ＝９０°）へと変化している。

このような速度成分Ｖｘ、Ｖｙの変化のために、中心向きの加速度ａは一定とならず、不定となる。実際のＮＣデータによれば、第１象限（中心角θ＝０°〜９０°）において加速度ａのＸ軸方向の加速度成分は、中心角θ＝０°での最小から中心角θ＝９０°での最大へと変化し、加速度ａのＹ軸方向の加速度成分は、中心角θ＝０°での最大から中心角θ＝９０°での最小へと変化する。この結果、これらによって合成される中心向きの加速度ａは、第１象限において、中心角θ＝０°または中心角θ＝９０°の位置において最大となり、それらの間の中心角θ＝４５°の位置において最小となっている。

前記のように、本発明に係るレーザ加工方法は、上記孔加工の過程において、円周経路Ｃ上で、中心角θ＝４５°の加速度最小位置Ｐ０を含む範囲に、加工開始点Ｐ１から定常速度到達点Ｐ２までの加速区間Ｃａを設定している。図３の例で、加工開始点Ｐ１は中心角θ＝３２°であり、定常速度到達点Ｐ２は中心角θ＝４５°で、加速度最小位置Ｐ０と一致している。

このように設定すると、レーザビーム１２がアプローチ経路Ｂを経て加工開始点Ｐ１に移行するときに、図３のように、加工開始点Ｐ１において、アプローチ経路Ｂでのアプローチ速度Ｖｂは、円周経路Ｃ上での加工速度ＶのＸ軸方向の速度成分Ｖｘによって打ち消される。このため、レーザビーム１２は、アプローチ経路Ｂを経て加工開始点Ｐ１に移行するときに、円周経路Ｃを越えて外側に大きく膨らまず、アプローチ経路Ｂでのアプローチ速度Ｖｂによる慣性の影響を殆ど受けることなく、円周経路Ｃに滑らかに移行する。

また、レーザビーム１２がアプローチ経路Ｂを経て加工開始点Ｐ１に移行するときに、加速度ａが急変するが、加速区間Ｃａが加速度最小位置Ｐ０を含む範囲に設定されているため、従来例に比較して、加速度ａの変化量を小さくなっている。このため、サーボ系の応答遅れは、最小限度に抑えられる。

このようにして、運動系の慣性の影響や、サーボ系の応答遅れやが可能な限り抑えられる。その結果として、レーザビーム１２のアプローチ速度Ｖｂや加工速度Ｖが大きくできるため、孔加工の時間が短縮できることになる。

これに対して、従来例のように、加工開始点Ｐ１が中心角θ＝０°の位置つまり加速度ａの最大位置に設定されていると、この位置で速度が打ち消されず、しかも加速度ａが急激に大きく変化するため、図３に破線で示すように、運動系の慣性の影響や、サーボ系の応答遅れの影響が現れ、レーザビーム１２の膨らみが有効に抑えられない。

通常、アプローチ経路Ｂは、加工開始点Ｐ１を通る円形孔１３の半径線上に設定する。アプローチ経路Ｂが円形孔１３の半径線上に設定されておれば、加工プログラムでのアプローチ経路Ｂの設定が容易となる。

しかし、アプローチ経路Ｂは、図４に例示するように、加工開始点Ｐ１を通りＸ軸に対して平行な方向に設定することもできる。このように設定すると、ＮＣ加工プログラムでのアプローチ経路Ｂの設定が１軸上の指定のみとなって容易となり、しかも、加工開始点Ｐ１において加工速度ＶのＸ軸方向の速度成分がアプローチ速度Ｖｂを確実に打ち消す方向とできる。なお、図４の例において、加速度最小位置Ｐ０は、加工開始点Ｐ１と定常速度到達点Ｐ２との間に設定されている。

また、アプローチ経路Ｂは、図５に例示するように、加工開始点Ｐ１を通りＹ軸に対して平行な方向に設定することもできる。このように設定すると、ＮＣ加工プログラムでのアプローチ経路Ｂの設定が１軸上の指定のみとなって容易となり、しかも、加工開始点Ｐ１においてアプローチ速度Ｖｂが膨らみ方向に現れにくく、速度の転換が滑らかになる。なお、図５の例において、加速度最小位置Ｐ０は、加工開始点Ｐ１に設定されている。

さらに、アプローチ経路Ｂは、図示しないが、加工開始点Ｐ１を通り、図３、図４または図５のアプローチ経路Ｂに対して適当な傾斜角度のもとに直線として設定することもできる。

以上の説明は、第１象限についての説明であるが、既述の現象は、第２象限、第３象限および第４象限についても言えることである。したがって、加速度最小位置Ｐ０は、中心角θ＝４５°の他に、中心角θ＝１３５°、２２５°、３１５°の近くの何れかの位置とすることもできる。これによって、第１象限、第２象限、第３象限または第４象限から加工が開始でき、ワーク５の加工条件に応じて加工の自由度が増し、柔軟な加工が可能となる。

図示の例は、熱加工としてレーザビーム加工であるが、本発明は、その他の熱加工例えば電子ビーム加工などにも応用できる。また、加工ヘッド２は、３軸以上の制御可能な加工機に利用することもできる。

１レーザ加工機
２加工ヘッド
３駆動装置
４ＮＣ装置
５ワーク
６レーザ発振器
７レーザ制御装置
８入力操作器
９ディスプレイ
１０制御装置
１１自動プログラミング装置
１２レーザビーム
１３円形孔
１４テーブル
ａ加速度
θ 中心角
Ａピアッシング位置
Ｂアプローチ経路
Ｃ円周経路
Ｖ加工速度
ＸＸ軸
ＹＹ軸
ＺＺ軸
Ｃａ加速区間
Ｐ０加速度最小位置
Ｐ１加工開始点
Ｐ２定常速度到達点
Ｖｘ加工速度のＸ軸方向の速度成分
Ｖｙ加工速度のＹ軸方向の速度成分
Ｖｂアプローチ速度

Claims

ＮＣプログラムによって熱ビームにＸＹ平面上で円運動を与え、前記熱ビームをワークに照射することによって、前記ワークに円形孔の加工をする方法において、前記熱ビームを前記円形孔内のピアッシング位置からアプローチ経路を経て前記円形孔の円周経路上の加工開始点に移動させ、前記熱ビームの加速期間中に、前記加工開始点から前記円形孔の円周経路にそって定常速度到達点に移動させ、その後、前記熱ビームを前記円周経路にそって定常時の加工速度で移動させる過程で、前記円周経路上での加速度最小位置を含む範囲に、前記加工開始点から前記定常速度到達点までの加速区間を設定する、ことを特徴とする孔加工方法。
前記のアプローチ経路を前記加工開始点を通る半径線上に設定する、ことを特徴とする請求項１記載の孔加工方法。
前記のアプローチ経路を前記加工開始点を通り、Ｘ軸に平行な直線上に設定する、ことを特徴とする請求項１記載の孔加工方法。
前記のアプローチ経路を前記加工開始点を通り、Ｙ軸に平行な直線上に設定する、ことを特徴とする請求項１記載の孔加工方法。
前記加速度最小位置を前記加工孔の中心角４５°、１３５°、２２５°、３１５°の近くの何れかの位置とする、ことを特徴とする請求項１記載の孔加工方法。