JP2016193443A - ギャップ制御機能を備えたレーザ加工機及びその制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】フィードバック制御からギャップ制御に切り換えるまでの時間を短くする一方で、切り換え時の加速度変化が小さくなるように加工ノズルを被加工物に対して移動させることができるレーザ加工機の制御装置、及び該制御装置を含むレーザ加工機の提供。
【解決手段】制御装置２６は、加工ノズル１２のアプローチ動作の減速が開始するときの加工ノズル１２とワークＷとの距離である減速開始距離Ｌdを計算する減速開始距離計算部３０と、減速開始距離Ｌd並びに予め定めたアプローチ最大速度Ｆa及び加速度Ａから第１の速度指令値を作成する第１の速度指令作成部３２と、ギャップＧの目標値及びギャップセンサ２２からのフィードバック値から第２の速度指令値を計算する第２の速度指令作成部３４と、第１及び第２の速度指令値のいずれか一方を選択してサーボ制御部３８に送る速度指令切換部３６とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工ノズルと被加工物との間のギャップを制御しながらレーザ加工を行うように構成されたレーザ加工機、及び該レーザ加工機の制御装置に関する。

一般に、レーザ加工機を用いたレーザ加工では、加工ノズルを被加工物に接近（アプローチ）させ、加工ノズルと被加工物との距離（ギャップ）を一定に維持するギャップ制御が行われる。この際、加工ノズルの位置を検出する位置検出器の出力を用いたフィードバック制御から、加工ノズルと被加工物との距離を検出するギャップセンサの出力を用いたギャップ制御への切り換えが行われる。

これに関連する従来技術として、例えば特許文献１には、倣いアプローチ速度情報と、加速度情報と、減速停止距離情報と、ギャップ基準位置までの距離情報とをもとに倣いアプローチ動作時の移動指令を生成し、倣い動作退避位置から倣い動作の基準位置までの倣いアプローチ動作を予め設定された速度情報と加速度情報とをもとにギャップセンサからの情報を距離情報として加減速動作させることにより、倣いアプローチ動作に有する移動時間を短縮することを企図したレーザ加工装置が記載されている。

また特許文献２には、加工ノズルが取付けられている制御軸と、加工ノズルを被加工物に向かって前進および被加工物から後退させるように制御軸を駆動する駆動部と、駆動部を制御するサーボ制御部と、駆動部の位置を検出する位置検出部と、加工ノズルと被加工物との間のギャップを検出するギャップセンサとを含むレーザ加工装置が記載されており、ここでは、サーボ制御部は、位置検出部により検出された駆動部の位置をギャップセンサにより検出されたギャップ検出値に基づいて変更し、それにより、加工ノズルと被加工物との間のギャップを一定に維持するギャップ制御を行う、と記載されている。

特開平０９−３０８９７９号公報 特開２０１０−１２５５１８号公報

図６は、従来のレーザ加工機でのアプローチ動作における速度指令値の時間変化を表すグラフである。先ず、加工ノズル（を駆動する制御軸）を、第１の速度指令値１０２に基づいて動作させるが、詳細には、加工ノズルをアプローチ最大速度Ｆaまで加速し（領域１０４）、ギャップセンサの出力が減速開始距離になるまで一定速度Ｆaで所定時間移動させた（領域１０６）後、予め定めた加速度で減速させる（領域１０８）。なお図６のＴdは、ギャップセンサの出力が減速開始距離となった時刻である。

この減速動作の途中（領域１０８）で、第１の速度指令値１０２から、ギャップセンサの出力に基づいて作成された第２の速度指令値１１０への切り換えが行われる。具体的には、第１の速度指令値１０２と第２の速度指令値とが等しくなる点１１２（時刻ｘ）において、加工ノズルの動作制御のための速度指令値が、第１の速度指令値１０２から第２の速度指令値１１０に切り換えられる。

しかしこの場合、時刻ｘにおいて加工ノズルの速度が急激に変化するため、速度指令値の切換時に加工ノズルがショックを受け、後のギャップ制御に影響することがある。従ってアプローチ動作を調整する際は、速度指令値の切り換えが滑らかに行われるようにパラメータ（減速開始位置）を設定する必要がある。一方で、アプローチ時間（第２の速度指令値がゼロになる時刻Ｔf）はできるだけ短いことが望ましく、このような調整は煩雑で難度の高いものとなっていた。

そこで本発明は、フィードバック制御からギャップ制御に切り換えるまでの時間（アプローチ動作時間）を短くする一方で、切り換え時の加速度変化が小さくなるように加工ノズルを被加工物に対して移動させることができるレーザ加工機の制御装置、及び該制御装置を含むレーザ加工機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、本願第１の発明は、加工ノズルから射出されたレーザ光を集光して被加工物に照射しつつ、加工プログラムに基づいて前記加工ノズル及び前記被加工物を相対移動させることにより前記被加工物を加工するレーザ加工機の制御装置であって、前記相対移動の減速が開始するときの前記加工ノズルと前記被加工物との距離である減速開始距離を計算する減速開始距離計算部と、前記減速開始距離、並びに予め定めたアプローチ最大速度及び減速度から、第１の速度指令値を作成する第１の速度指令作成部と、前記加工ノズルと前記被加工物との間のギャップの目標値と、前記ギャップを検出するギャップセンサからのフィードバック値とから第２の速度指令値を計算する第２の速度指令作成部と、前記相対移動のための速度指令を、前記第１の速度指令値と前記第２の速度指令値との間で切り換える速度指令切換部と、を具備し、前記減速開始距離計算部は、前記加工ノズルと前記被加工物との間の距離が減速開始距離になったときから前記加速度で減速したときの前記第１の速度指令値と、前記第２の速度指令値とを計算し、第１の時刻での前記第１の速度指令値と、前記第１の時刻での前記第２の速度指令値との差の絶対値が、前記第１の時刻での第１の速度指令値の絶対値の１０％以下であり、かつ、前記第１の時刻における前記第１の速度指令値の１階微分と、前記第１の時刻での前記第２の速度指令値の１階微分との差の絶対値が、前記第１の時刻における第１の速度指令値の１階微分の絶対値の１０％以下であることを満たす減速開始距離を求める、レーザ加工機の制御装置を提供する。

第２の発明は、第１の発明において、前記第１の速度指令作成部は、前記目標値と前記ギャップセンサからのフィードバック値との差にギャップ制御ゲインＫを乗算することによって前記第１の速度指令値を求め、前記減速開始距離計算部は、ギャップ制御ゲインＫ、アプローチ最大速度Ｆａ及び減速度Ａを使用してＬd＝（Ｆａ²／２Ａ）＋（Ａ／２Ｋ²）なる式によって減速開始距離Ｌdを計算する、レーザ加工機の制御装置を提供する。

第３の発明は、第１の発明において、第１の時刻での前記第１の速度指令値と、前記第１の時刻での前記第２の速度指令値との差の絶対値がゼロである、レーザ加工機の制御装置を提供する。

第４の発明は、第１の発明において、前記第１の時刻における前記第１の速度指令値の１階微分と、前記第１の時刻での前記第２の速度指令値の１階微分との差の絶対値がゼロである、レーザ加工機の制御装置を提供する。

第５の発明は、第１〜第４のいずれか１つの発明において、前記速度指令切換部は、前記相対移動の減速開始時からは第１の速度指令値に基づいて前記相対移動を行い、前記第２の速度指令値が前記第１の速度指令値以下になった後は前記第２の速度指令値に基づいて前記相対移動を行う、レーザ加工機の制御装置を提供する。

第６の発明は、第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記速度指令切換部によって前記第１の速度指令値から前記第２の速度指令値へ切り換えられることなく、前記第１の速度指令値がゼロになり、かつ、前記第２の速度指令値がゼロでないときは、前記速度指令切換部は、前記減速度と絶対値が等しい加速度で前記相対移動を加速させる第３の速度指令値に基づいて前記相対移動を行い、前記第３の速度指令値と前記第２の速度指令値とが交わったとき以降は、前記第２の速度指令値に基づいて前記相対移動を行う、レーザ加工機の制御装置を提供する。

第７の発明は、第１〜第６のいずれか１つの発明に係る制御装置と、加工ノズルと、前記加工ノズルと被加工物との距離をサーボモータにより制御する制御軸と、前記制御軸の位置を検出する位置検出部と、前記加工ノズルと前記被加工物との間のギャップを検出する、前記位置検出部とは異なるギャップセンサと、を有し、前記加工ノズルから射出されたレーザ光を集光して前記被加工物に照射しつつ、加工プログラムに基づいて前記加工ノズル及び前記被加工物を相対移動させることにより前記被加工物を加工する、レーザ加工機を提供する。

本発明によれば、速度指令の切り換えを円滑に行える減速動作距離を自動的に計算することができ、加工ノズルの最適なアプローチ動作を容易に実現することができる。

本発明の好適な実施形態に係るレーザ加工機の概略構成を示す図である。 図１のレーザ加工機における加工ノズルのアプローチ動作時の速度変化の一例を示すグラフである。 加工ノズルの減速動作開始距離を計算する手順の一例を示すフローチャートである。 従来技術に係る加工ノズルのアプローチ動作時における、加工ノズルの減速動作開始後の速度変化を示すグラフである。 図１のレーザ加工機における加工ノズルのアプローチ動作時の速度変化の他の例を示すグラフである。 従来技術に係る加工ノズルのアプローチ動作時の速度変化を示すグラフである。

図１は、本発明の好適な実施形態に係る制御装置を含むレーザ加工機の概略構成を示す図である。レーザ加工機１０は、図示しないレーザ発振器を通じてレーザ光を照射する加工ノズル１２を備え、加工ノズル１２から射出されたレーザ光を（図示しない集光レンズ等で）集光して被加工物（ワーク）Ｗに照射しつつ、所定の加工プログラムに基づいて加工ノズル１２及びワークＷを相対移動させることによりワークＷを加工するように構成されている。

レーザ加工機１０は、加工ノズル１２とワークＷとの距離をサーボモータ１４により制御する制御軸１６と、制御軸１６の位置を検出するエンコーダ等の位置検出部１８とを有する。図示例では、制御軸１６は略鉛直方向（Ｚ方向）に延び、加工ノズル１２がワークＷに対してＺ方向に接離可能となっている。また図示例では、ワークＷは、Ｚ方向に垂直なＸ−Ｙ平面内を可動に構成された可動テーブル２０に搭載され保持されている。

またレーザ加工機１０は、加工ノズル１２とワークＷとの間のギャップＧを検出する、位置検出部１８とは異なるギャップセンサ２２を有する。ギャップセンサ２２は、加工ノズル１２とワークＷとの間のギャップＧを検出できるものであればどのようなものでもよいが、図示例では、加工ノズル１２に取り付けられ、ワークＷに接触可能な接触子２４を有する。或いは、接触子２４の代わりに、静電容量型のギャップセンサ（図示しない）を用いて、その出力を位置検出器１８の出力と同種に変換する変換回路を設けてもよい。

加工ノズル１２とワークＷとの相対移動（図示例では制御軸１６のＺ方向位置）は、レーザ加工機１０に含まれる制御装置（ＣＮＣ）２６によって制御される。具体的には、制御装置２６は、加工ノズル１２のアプローチ動作において、ワークＷに対する加工ノズル１２の移動の減速が開始するときの加工ノズル１２とワークＷとの距離である減速開始距離Ｌd（後述）を自動的に計算する減速開始距離計算部３０と、減速開始距離Ｌd並びに予め定めたアプローチ最大速度Ｆa及び減速度Ａ（後述）から、第１の速度指令値を作成する第１の速度指令作成部３２と、ギャップＧの目標値及びギャップセンサ２２からのフィードバック値から、第２の速度指令値を計算する第２の速度指令作成部３４と、第１の速度指令値及び第２の速度指令値のいずれか一方を選択してサーボ制御部３８に送る速度指令切換部３６とを有し、サーボ制御部３８は、位置検出器１８からの出力（加工ノズル１２の位置データ）と、速度指令切換部３６からの第１又は第２の速度指令値とに基づいて、制御軸１６（具体的には、制御軸１６を駆動するサーボモータ１４に電力供給するサーボアンプ４０）への速度指令を作成・出力する。

なお図示していないが、制御装置２６は、加工ノズル１２等の可動部の位置及び速度、並びにレーザ加工機１０のレーザ状態及び加工条件等を表示する表示部（例えばＣＲＴ、液晶表示器）を有してもよい。また数値制御装置２６は、作業者がレーザ出力条件及び各種データ等を入力可能な入力部（例えばキーボード、マウス）を有してもよい。

次に、制御装置２６が作成する速度指令について、図２を参照しつつ説明する。先ず、加工ノズル１２（を駆動する制御軸２２）を、第１の速度指令値４２に基づいて動作させる。詳細には、加工ノズル１２をアプローチ最大速度Ｆaまで加速し（領域４４）、速度Ｆaで所定時間移動させた（領域４６）後、加工ノズル１２とワークＷとの距離が後述する減速開始距離Ｌdになった時刻Ｔdから、予め定めた減速度で減速させる（領域４８）。

この減速動作の途中（領域４８）で、第１の速度指令値４２から、ギャップＧの目標値及びギャップセンサ２２の出力に基づいて作成された第２の速度指令値５０への切り換えが行われる。具体的には、以下の条件を満たす点５２（第１の時刻ｘ）において、サーボアンプ４０に送られる速度指令が、第１の速度指令値４２から第２の速度指令値５０に切り換えられる。

ここで、第１の時刻ｘでは、第１の速度指令値４２と第２の速度指令値５０との差の絶対値が、時刻ｘでの第１の速度指令値４２の絶対値の１０％以下であり、好ましくは５％以下、３％以下、１％以下、最も好ましくはゼロ（すなわち第１の速度指令値４２と第２の速度指令値５０とが等しい）である。

また、第１の時刻ｘでは、第１の速度指令値４２の１階微分と第２の速度指令値５０の１階微分との差の絶対値が、時刻ｘでの第１の速度指令値４２の１階微分の絶対値の１０％以下であり、好ましくは５％以下、３％以下、１％以下、最も好ましくはゼロ（すなわち第１の速度指令値４２の１階微分と第２の速度指令値５０の１階微分とが等しい）である。なお図２の例では、第１の速度指令値４２と第２の速度指令値５０との差がゼロであり、かつ、第１の速度指令値４２の１階微分と第２の速度指令値５０の１階微分との差がゼロである場合（すなわち、第１の速度指令値４２と第２の速度指令値５０とが時刻ｘで接する）場合を示している。

次に、上述の減速開始距離Ｌdを求める手順について、図２及び図３のフローチャートを参照しつつ説明する。

先ず、アプローチ動作開始後、ワークＷに対する加工ノズル１２の速度がアプローチ最大速度Ｆaである状態（図２の時刻Ｔd）から、所定の減速度（負の加速度）で減速したとき（つまり領域４８内）の第１の速度指令値４２と、ギャップセンサ２２の出力に基づいて作成された第２の速度指令値５０とをそれぞれ計算する。但し、時刻Ｔdはギャップセンサ２２の出力が減速開始距離Ｌdとなる時刻であり、減速開始距離Ｌdが求まれば決まる。

次のステップＳ２では、第１の速度指令値４２の１階微分と、第２の速度指令値５０の１階微分との差の絶対値が、第１の速度指令値４２（又は第２の速度指令値５０）の１階微分の絶対値の１０％以下となる（すなわち両者の傾きが概ね等しくなる）第１の時刻ｘを求める。

次のステップＳ３では、ステップＳ２で求めた時刻ｘにおいて、第１の速度指令値４２と、第２の速度指令値５０との差の絶対値が、第１の速度指令値４２（又は第２の速度指令値５０）の絶対値の１０％以下となる（すなわち両者が概ね一致する）ように、減速開始距離Ｌdを求める。このようにして得られた減速開始距離Ｌdを用いて、領域４４から４８に亘る第１の速度指令値４２が作成される。

次に、図２に示すように、第１の速度指令値４２と第２の速度指令値５０とが時刻ｘで接する場合の、減速開始距離Ｌdの具体的計算方法（計算式）を説明する。なおここでは、ギャップ制御の制御則が、ギャップ制御ゲインをＫとする比例制御であるとし、図２のように、第１の速度指令値４２と第２の速度指令値５０とが時刻ｘで接する場合を説明する。また、減速開始後（領域４８）における第１の速度指令値４２の減速度を一定値Ａとする（Ａ＝Ｆa／Ｔ2）。

図２からわかるように、第１の速度指令値４２と第２の速度指令値５０とが時刻ｘ（＝Ｔ2−１／Ｋ）で接することから、以下の式（１）が得られ、式（１）を変形することによって、減速開始距離Ｌdを求める式（２）が得られる。

ここで、ギャップ制御における指数型加減速の整定時間が時定数の５倍に等しいとすると、加工ノズルの動作アプローチに要する時間Ｔfは以下の式（３）で求められる。

図４は、本発明との比較例として、従来技術に係る方法によってアプローチ動作を行った場合を説明する図である。なお図４では、図２の領域４８（減速動作開始後）に相当する部分のみを示しており、他は省略している。また制御ゲイン等の各パラメータは、全て上述のものと同様とする。

図４の例では、第１の速度指令値１１４と第２の速度指令値１１６は、時刻ｘにて単純に交わるものとする。この場合、以下の式（４）が得られ、式（４）を変形することによって、時刻ｘを求める式（５）が得られる。

ここで、図２の場合と同様、ギャップ制御における指数型加減速の整定時間が時定数の５倍に等しいとすると、従来技術において加工ノズルの動作アプローチに要する時間Ｔfは以下の式（６）で求められる。このように、同条件下では、第１の速度指令値と第２の速度指令値とが接するように速度指令の切り換えを行う場合が、アプローチ動作時間を最小化することができる。

次に、時刻ｘにおける第１の速度指令値と第２の速度指令値との差が第１の速度指令値の絶対値のα％以下であり、かつ、第１の速度指令値の１階微分と第２の速度指令値の１回微分との差の絶対値が第１の速度指令値の１階微分の絶対値のβ％以下となる時刻ｘ及び減速開始距離Ｌdの導出について説明する。

時刻ｘにおける第１の速度指令値と第２の速度指令値の差の絶対値が第１の速度指令値の絶対値のα％以下となるためには、以下の式（７）を満たす必要があり、また、第１の速度指令値の１階微分と第１の速度指令値の１回微分との差の絶対値が第２の速度指令値の１階微分の絶対値のβ％以下となるためには、以下の式（８）を満たす必要がある。

式（７）及び（８）から、時刻ｘ及び減速開始距離Ｌdは、それぞれ以下の式（９）及び（１０）により求めることができる。

図５は、第１の速度指令値から第２の速度指令値への切り換えに失敗した場合に、ギャップ制御を自動で開始するための処理について説明するグラフである。図５に示すように、速度指令切換部３６によって第１の速度指令値４２から第２の速度指令値５０へ切り換えられることなく、第１の速度指令値がゼロになり（時刻Ｔ2）、かつ、第１の速度指令値４２がゼロになったときに第２の速度指令値５０がゼロでないときは、制御装置２６は、時刻ＴdからＴ2までの減速時の加速度（減速度）と絶対値が等しい加速度で加工ノズル１２を加速させる第３の速度指令値５４に基づいて加工ノズル１２を移動させ、第３の速度指令値５４が第２の速度指令値５０とが交点５６で交わったとき（時刻Ｔ3）以降は、速度指令切換部３６は、加工ノズルの動作指令を第３の速度指令値５４から第２の速度指令値５０に切り換える。このような処理により、位置検出器１８やギャップセンサ２２の不具合等によって相対移動のための速度指令値の切り換えが円滑に行われなかった場合でも、加工ノズル１２が受けるショックを最低限に抑え、アプローチ動作時間も極力短くすることができる。

なお上述の実施形態では、レーザ加工機１０は３つの駆動軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ軸）を有し、ワークＷ（が載置された可動テーブル２０）がＸ−Ｙ平面内を可動であり、加工ノズル１２がＺ方向に可動となっているが、本発明の適用対象はこれに限られず、少なくとも１つの制御軸によって加工ノズルがワークに対して移動できる構成のレーザ加工機に対して適用可能である。

１０ レーザ加工機
１２ 加工ノズル
１４ サーボモータ
１６ 制御軸
１８ 位置検出器
２０ 可動テーブル
２２ ギャップセンサ
２４ 接触子
２６ 制御装置
３０ 減速開始距離計算部
３２ 第１の速度指令作成部
３４ 第２の速度指令作成部
３６ 速度指令切換部
３８ サーボ制御部
４０ サーボアンプ

Claims (7)

1. 加工ノズルから射出されたレーザ光を集光して被加工物に照射しつつ、加工プログラムに基づいて前記加工ノズル及び前記被加工物を相対移動させることにより前記被加工物を加工するレーザ加工機の制御装置であって、
   前記相対移動の減速が開始するときの前記加工ノズルと前記被加工物との距離である減速開始距離を計算する減速開始距離計算部と、
   前記減速開始距離、並びに予め定めたアプローチ最大速度及び減速度から、第１の速度指令値を作成する第１の速度指令作成部と、
   前記加工ノズルと前記被加工物との間のギャップの目標値と、前記ギャップを検出するギャップセンサからのフィードバック値とから第２の速度指令値を計算する第２の速度指令作成部と、
   前記相対移動のための速度指令を、前記第１の速度指令値と前記第２の速度指令値との間で切り換える速度指令切換部と、を具備し、
   前記減速開始距離計算部は、前記加工ノズルと前記被加工物との間の距離が減速開始距離になったときから前記加速度で減速したときの前記第１の速度指令値と、前記第２の速度指令値とを計算し、第１の時刻での前記第１の速度指令値と、前記第１の時刻での前記第２の速度指令値との差の絶対値が、前記第１の時刻での第１の速度指令値の絶対値の１０％以下であり、かつ、前記第１の時刻における前記第１の速度指令値の１階微分と、前記第１の時刻での前記第２の速度指令値の１階微分との差の絶対値が、前記第１の時刻における第１の速度指令値の１階微分の絶対値の１０％以下であることを満たす減速開始距離を求める、レーザ加工機の制御装置。
2. 前記第１の速度指令作成部は、前記目標値と前記ギャップセンサからのフィードバック値との差にギャップ制御ゲインＫを乗算することによって前記第１の速度指令値を求め、
   前記減速開始距離計算部は、ギャップ制御ゲインＫ、アプローチ最大速度Ｆａ及び減速度Ａを使用して
   Ｌd＝（Ｆａ²／２Ａ）＋（Ａ／２Ｋ²）
   なる式によって減速開始距離Ｌdを計算する、請求項１に記載のレーザ加工機の制御装置。
3. 第１の時刻での前記第１の速度指令値と、前記第１の時刻での前記第２の速度指令値との差の絶対値がゼロである、請求項１に記載のレーザ加工機の制御装置。
4. 前記第１の時刻における前記第１の速度指令値の１階微分と、前記第１の時刻での前記第２の速度指令値の１階微分との差の絶対値がゼロである、請求項１に記載のレーザ加工機の制御装置。
5. 前記速度指令切換部は、前記相対移動の減速開始時からは第１の速度指令値に基づいて前記相対移動を行い、前記第２の速度指令値が前記第１の速度指令値以下になった後は前記第２の速度指令値に基づいて前記相対移動を行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工機の制御装置。
6. 前記速度指令切換部によって前記第１の速度指令値から前記第２の速度指令値へ切り換えられることなく、前記第１の速度指令値がゼロになり、かつ、前記第２の速度指令値がゼロでないときは、前記速度指令切換部は、前記減速度と絶対値が等しい加速度で前記相対移動を加速させる第３の速度指令値に基づいて前記相対移動を行い、前記第３の速度指令値と前記第２の速度指令値とが交わったとき以降は、前記第２の速度指令値に基づいて前記相対移動を行う、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工機の制御装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の制御装置と、
   加工ノズルと、
   前記加工ノズルと被加工物との距離をサーボモータにより制御する制御軸と、
   前記制御軸の位置を検出する位置検出部と、
   前記加工ノズルと前記被加工物との間のギャップを検出する、前記位置検出部とは異なるギャップセンサと、を有し、
   前記加工ノズルから射出されたレーザ光を集光して前記被加工物に照射しつつ、加工プログラムに基づいて前記加工ノズル及び前記被加工物を相対移動させることにより前記被加工物を加工する、レーザ加工機。

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