JP2017111661A

JP2017111661A - ワークの傾きを考慮したギャップ制御軸の落下防止機能を備えた制御装置

Info

Publication number: JP2017111661A
Application number: JP2015246322A
Authority: JP
Inventors: 真樹岡; Masaki Oka; 武志持田; Takeshi Mochida
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-22
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: JP6348101B2; US10300556B2; US20170173732A1; CN106903429A; DE102016124022B4; DE102016124022A1; CN106903429B

Abstract

【課題】ワークに傾きがある場合であっても加工ヘッドの落下や倣い不足が発生しないようにギャップ制御を行う制御装置を提供すること。
【解決手段】本発明の制御装置は、機械が備える加工ヘッドの先端と前記ワークとの間隔を一定に保ちつつ、該加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置が設定された下限位置を下回らないようにギャップ制御を行う数値制御装置であり、ワークの状態を検出するワーク状態検出部と、加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置が、前記ワークの状態と前記下限位置とに基づいて算出された実質的な下限位置を下回る場合に、前記加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置をする前記下限位置を下回らないように補正する下限位置制限部と、を備える。
【選択図】図９

Description

本発明は、制御装置に関し、特にレーザ加工機の制御において加工ヘッドとワーク間のギャップ量を一定に保つギャップ制御をする制御装置に関する。

レーザ加工機では、加工ヘッドとワークとの位置関係を所定の範囲内に保持する必要がある。このため、これら工作機械には、加工ヘッドとワークとの間の距離（ギャップ量）を制御し、加工ヘッドとワーク間の距離を一定に保つようにしたギャップ制御の技術が用いられている。

図１２に示すように、ギャップ制御中にワークが存在しない場所を加工ヘッドが通過する場合、その場所においては加工ヘッドがワークの更なる下方にある面を基準とした高さにあると検出されるため、検出された高さに基づいてギャップ制御が行われて加工ヘッドが落下し、ワーク端に衝突し破損することがある。このような加工ヘッドの落下を防止するために、図１３に示すように、加工ヘッドの高さを検出し、加工ヘッドの高さが所定の範囲内に維持されるように制御する手段が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開平０７−１１２３４８号公報

しかしながら、特許文献１に開示される加工ヘッドの落下を防止する機能が働いた状態であっても、図１４に示すように傾いたワークを加工する場合、特許文献１の技術では、加工ヘッドの可動範囲として設定された領域が変化しないため設定された加工ヘッドの可動範囲の下限がワーク表面よりも下にある領域ではワークが存在しない場所で加工ヘッドが落下する可能性が生じ、また、設定された加工ヘッドの可動範囲の下限がワーク表面よりも上にある領域では加工ヘッドがワークに対して十分に倣うことができずに加工不良となる場合が考えられる。

また、パイプ加工の場合、図１５に示すように、ワークを回転させるとビームを当てるワーク表面の高さが変化する。そのため、特許文献１に開示される加工ヘッドの可動範囲が変化しない技術では、上記と同様に加工ヘッドが落下する可能性や、加工ヘッドがワークに十分に倣うことができずに加工不良となる場合が考えられる。

そこで本発明の目的は、ワークに傾きがある場合であっても加工ヘッドの落下や倣い不足が発生しないようにギャップ制御を行う制御装置を提供することである。

本発明の制御装置では、加工ヘッドの可動範囲として設定された領域を、設置されたワークの傾きに合わせて傾けてギャップ制御を行う。また、設定する加工ヘッドの可動範囲の新たな設定方法を提案し、ギャップ制御軸の落下防止機能の適用範囲を拡大する。

そして、ワークの切断加工を行う機械を制御する制御装置であって、前記機械が備える加工ヘッドの先端と前記ワークとの間隔を一定に保ちつつ、前記加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置が設定された下限位置を下回らないようにギャップ制御を行う数値制御装置において、前記ワークの状態を検出するワーク状態検出部と、前記加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置が、前記ワークの状態と前記下限位置とに基づいて算出された実質的な下限位置を下回る場合に、前記実質的な下限位置を下回らないように前記加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置を補正する下限位置制限部と、を備えたことを特徴とする制御装置である。

本願の請求項２に係る発明は、前記ワークの状態は、前記ワークの傾きに係る情報であり、前記下限位置制限部は、前記ワークの傾きに係る情報に基づいて前記下限位置を変換することで前記実質的な下限位置を算出する、ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置である。

本願の請求項３に係る発明は、ワークの切断加工を行う機械を制御する制御装置であって、前記機械が備える加工ヘッドの先端と前記ワークとの間隔を一定に保ちつつ、前記加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置が設定された下限位置を下回らないようにギャップ制御を行う数値制御装置において、前記ワークの状態を検出するワーク状態検出部と、前記ワークの状態に基づいて変換された前記ワークに対する実質的な前記加工ヘッドの先端の位置の座標値が前記下限位置を下回る場合に、前記ワークに対する前記実質的な前記加工ヘッドの先端の位置の座標値が前記下限位置を下回らないように前記加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置を補正する下限位置制限部と、を備えたことを特徴とする制御装置である。

本発明により、設置されたワークが傾いていた場合でも、加工ヘッドの可動範囲をワークの傾きにあわせて傾けることが可能となるため、加工ヘッドが落下することや、加工不良となる領域が発生することなく、ギャップ制御における加工ヘッドの落下防止機能を使用することができる。また、パイプ加工においても、ギャップ制御における加工ヘッドの落下防止機能を使用することができる。

本発明における加工ヘッドの可動範囲領域の定義を説明する図である。加工ヘッドの可動範囲領域の下限を傾ける計算方法について説明する図である。加工ヘッドの先端点の座標値の変換方法について説明する図である。本発明による制御装置を用いた平板加工における加工ヘッドの制御方法の効果について説明する図である。加工対象が角パイプである場合の加工ヘッドの可動範囲領域の定義を説明する図である。加工対象が角パイプである場合の加工ヘッドの可動範囲として設定された領域の下限を傾ける計算方法を示す図である。加工対象が丸パイプである場合の加工ヘッドの可動範囲領域の定義を説明する図である。本発明による制御装置を用いたパイプ加工における加工ヘッドの制御方法の効果について説明する図である。本発明の一実施形態による制御装置の概略ブロック図である。図９の制御装置１における平板を加工する際の動作を示すフローチャートである。図９の制御装置１におけるパイプを加工する際の動作を示すフローチャートである。ギャップ制御における問題を説明する図である。特許文献１による制御装置が備える加工ヘッドの落下防止機能を説明する図である。特許文献１による落下防止機能の第１の課題について説明する図である。特許文献１による落下防止機能の第２の課題について説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
はじめに、本発明の基本的な原理を説明する。図１は、本発明における加工ヘッドの可動範囲領域の定義を説明する図である。本発明による制御装置では、加工ヘッドを維持するための加工ヘッドの可動範囲領域の下限を設定する。図１（ａ）はワークに傾きが無い場合における加工ヘッドの可動範囲領域の下限を示している。本発明による制御装置では、ギャップ制御を用いた加工を開始する前にワークに傾きがあることが検出された場合、図１（ｂ）に示すように、当該傾きに合わせての加工ヘッドの可動範囲として設定された領域を傾ける。ワークの傾きは、例えば加工前にワーク上の任意の３点の座標値を計測し、計測した３点の座標値に基づいてワークの傾きを計算するようにすればよい。

図２は、加工ヘッドの可動範囲として設定された領域の下限を傾ける計算方法について説明する図である。図２に示すように、加工ヘッドの可動範囲領域の下限を示す水平の平面ＺのＺ軸高さをｚとした場合、傾いた平面を平面ＡＢＣとして、この平面上の３点Ａ、Ｂ，Ｃを計測し、平面Ｚに対する傾きをワーク座標系のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸周りの回転角度（α，β，γ）で表現すると、平面Ｚを平面ＡＢＣに変換する回転行列Ｐは以下の数１式で示すことができる。

そして、本発明の制御装置では、加工ヘッドのギャップ制御をする際に、図３に示すように、加工中の加工ヘッドの先端の座標値（ｘ１、ｙ１、ｚ１）を、回転行列Ｐの逆行列Ｐ^-1で変換し、座標値（ｘ１’，ｙ１’，ｚ１’）を算出する。この算出したＺ軸座標値ｚ１’が、下限として設定された高さｚよりも下降しないように制御する。なお、加工ヘッドの可動範囲領域の下限を示す水平の平面Ｚを回転行列Ｐで変換した平面Ｚ’を求め、加工中の加工ヘッドの先端の座標値（ｘ１、ｙ１、ｚ１）が平面Ｚ’を下回らないように制御しても良い。

上記したように加工ヘッドのギャップ制御をすることで、設置されたワークが傾いていた場合であっても、図４に示すように、加工ヘッドの可動範囲をワークの傾きにあわせて傾けることが可能となるため、加工ヘッドが落下することや、加工不良となる領域が発生することなく、落下防止機能が使用できる。

また、本発明による制御装置では、加工対象が角パイプや丸パイプである場合には、パイプの回転角度が０°の場合を基準として、加工ヘッドの可動範囲領域を定義する。
図５は、加工対象が角パイプである場合の加工ヘッドの可動範囲領域の定義を説明する図である。加工対象が角パイプである場合には、パイプの回転中心からの距離（＜１＞〜＜４＞）を用い、Ｘ−Ｚ平面から見た場合の角パイプの角の４点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを定義する。そして、この定義した４点をパイプの回転角度αに合わせて回転させて、４点Ａ’，Ｂ’，Ｃ’，Ｄ’を求める。
図６は、加工対象が角パイプである場合の加工ヘッドの可動範囲として設定された領域の下限を傾ける計算方法を示す図である。本発明の制御装置では、図６の右に示す式を満たすように加工ヘッドのＺ軸座標値を制御する。

図７は、加工対象が丸パイプである場合の加工ヘッドの可動範囲領域の定義を説明する図である。加工対象が丸パイプである場合には、加工ヘッド先端の座標Ｅ（ｘｅ，ｚｅ）と、回転中心との距離を計算する。そして、本発明の制御装置では、以下に示す数２式を満たすように加工ヘッドのＺ軸座標値を制御することで、加工ヘッドを維持する。

上記したように加工ヘッドのギャップ制御をすることで、図８に示すように、パイプ加工においても、加工ヘッドが落下することや、加工不良となる領域が発生することなく、加工ヘッドの落下防止機能を使用することができる。

図９は、上記したギャップ制御を行う本発明の一実施形態による制御装置の概略ブロック図である。本実施形態による制御装置１は、加工指令２０を解析して制御対象となる各軸のモータに対する移動指令データを生成する制御部１０と、加工ヘッド３とワーク５との間のギャップ量を検出するセンサ４からフィードバックされる信号に基づいて加工ヘッド３とワーク５との間の距離を一定に保つように移動指令データによるＺ軸方向の移動量を補正するギャップ制御部１１と、加工ヘッド３のＺ軸方向の位置を制御するＺ軸モータ２を制御するモータ制御部１２を備える。なお、図１では、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向などの各軸方向における加工ヘッド３とワーク５との相対的な位置を制御する各軸用のモータや当該モータを制御する各軸用のモータ制御部などの制御装置が一般的に備える構成については省略している。

本実施形態による制御装置１は、更に、センサにより検出された情報や上記したＺ軸以外の各軸用のモータ制御部からの各軸の座標値などの情報に基づいてワーク５の状態を検出するワーク状態検出部１３と、当該ワーク状態検出部１３が検出したワーク５の状態に基づいて上記した計算方法により加工ヘッドの可動範囲領域の下限を求め、当該下限に基づいてギャップ制御部１１が補正した移動指令データにおけるＺ軸方向の移動量を制限する下限位置制限部１４とを備える。そして、下限位置制限部１４によりＺ軸方向の移動量が制限された移動指令データに基づいて、モータ制御部１２がＺ軸モータ２を制御する。

ワーク状態検出部１３により検出されるワーク５の状態は、加工対象のワーク５が平板である場合には、上記したようにワーク５の表面から３点の座標値をタッチセンサや距離センサなどにより検出し、検出した座標値に基づいて算出したワーク５の傾きであり、また、加工対象のワーク５が角パイプである場合には、センサなどで検出された角パイプの角点の座標値と各軸のモータ制御部から得られるワーク５の回転角度である。

図１０は、加工対象となるワーク５が平板である場合における制御装置１の動作を示すフローチャートである。
●［ステップＳＡ０１］下限位置制限部１４は、ワーク状態検出部１３が検出したワーク５の傾きに基づいて変換行列Ｐを算出する。
●［ステップＳＡ０２］制御部１０は、加工が実行されているか否かを判定する。加工が実行されている場合にはステップＳＡ０３へ処理を移行し、加工が実行されていない場合には本処理を終了する。

●［ステップＳＡ０３］制御部１０は、加工指令２０を解析して各軸の移動指令データを生成して出力する。
●［ステップＳＡ０４］ギャップ制御部１１は、ギャップ制御がオンになっているか否かを判定する。ギャップ制御がオンになっている場合にはギャップ制御に基づくＺ軸方向の移動量の補正を行いステップＳＡ０５へと処理を移行し、ギャップ制御がオフになっている場合は移動指令データをそのままモータ制御部１２へと出力してステップＳＡ０２へと処理を移行する。
●［ステップＳＡ０５］下限位置制限部１４は、移動指令データから加工ヘッドの先端点の座標値を取得し、取得した加工ヘッドの先端点の座標値をステップＳＡ０１で算出した行列Ｐにより逆変換（逆行列で変換）する。
●［ステップＳＡ０６］下限位置制限部１４は、ステップＳＡ０５で逆変換した座標値のＺ軸座標値に基づいて、加工ヘッドの先端点が加工ヘッドの可動範囲領域の下限にかかったか否かを判定する。下限にかかった場合にはステップＳＡ０７へ処理を移行し、下限にかかっていない場合にはステップＳＡ０８へ処理を移行する。
●［ステップＳＡ０７］下限位置制限部１４は、ギャップ制御部１１により補正されたＺ軸方向の移動量を加工ヘッドの先端点が加工ヘッドの可動範囲領域の下限にかからないように制限を加え、ステップＳＡ０２へ処理を移行する。
●［ステップＳＡ０８］下限位置制限部１４は、ギャップ制御部１１により補正されたＺ軸方向の移動量に対する制限を解除し、ステップＳＡ０２へ処理を移行する。

図１１は、加工対象となるワーク５がパイプである場合における制御装置１の動作を示すフローチャートである。
●［ステップＳＢ０１］制御部１０は、加工が実行されているか否かを判定する。加工が実行されている場合にはステップＳＢ０２へ処理を移行し、加工が実行されていない場合には本処理を終了する。
●［ステップＳＢ０２］制御部１０は、加工指令２０を解析して各軸の移動指令データを生成して出力する。
●［ステップＳＢ０３］ギャップ制御部１１は、ギャップ制御がオンになっているか否かを判定する。ギャップ制御がオンになっている場合にはギャップ制御に基づくＺ軸方向の移動量の補正を行いステップＳＢ０４へと処理を移行し、ギャップ制御がオフになっている場合は移動指令データをそのままモータ制御部１２へと出力してステップＳＢ０１へと処理を移行する。

●［ステップＳＢ０４］下限位置制限部１４は、加工対象としているワーク５の種類が角パイプであるのか丸パイプであるのかを制御装置１の設定などに基づいて判定する。加工対象としているワーク５の種類が角パイプである場合にはステップＳＢ０５へ処理を移行し、丸パイプである場合にはステップＳＢ０７へ処理を移行する。
●［ステップＳＢ０５］下限位置制限部１４は、ワーク状態検出部１３が検出した各情報に基づいて、ワーク５の４角点（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）の各座標値をワークの回転角度で回転させたそれぞれの座標値を算出する。
●［ステップＳＢ０６］下限位置制限部１４は、ステップＳＢ０５で算出した４角点を回転後の座標値に基づいて加工ヘッドの可動範囲領域の下限を求める直線方程式を算出する。

●［ステップＳＢ０７］下限位置制限部１４は、加工ヘッドの先端点の座標値と丸パイプの回転中心距離とを算出し、ステップＳＢ０８へ処理を移行する。
●［ステップＳＢ０８］下限位置制限部１４は、ステップＳＢ０６またはステップＳＢ０７での算出結果に基づいて、加工ヘッドの先端点が加工ヘッドの可動範囲領域の下限にかかったか否かを判定する。下限にかかった場合にはステップＳＢ０９へ処理を移行し、下限にかかっていない場合にはステップＳＢ１０へ処理を移行する。
●［ステップＳＢ０９］下限位置制限部１４は、ギャップ制御部１１により補正されたＺ軸方向の移動量を加工ヘッドの先端点が加工ヘッドの可動範囲領域の下限にかからないように制限を加え、ステップＳＢ０１へ処理を移行する。
●［ステップＳＢ１０］下限位置制限部１４は、ギャップ制御部１１により補正されたＺ軸方向の移動量に対する制限を解除し、ステップＳＢ０１へ処理を移行する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

１制御装置
２軸モータ
３加工ヘッド
４センサ
５ワーク
１０制御部
１１ギャップ制御部
１２モータ制御部
１３ワーク状態検出部
１４下限位置制限部
２０加工指令

Claims

ワークの切断加工を行う機械を制御する制御装置であって、前記機械が備える加工ヘッドの先端と前記ワークとの間隔を一定に保ちつつ、前記加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置が設定された下限位置を下回らないようにギャップ制御を行う数値制御装置において、
前記ワークの状態を検出するワーク状態検出部と、
前記加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置が、前記ワークの状態と前記下限位置とに基づいて算出された実質的な下限位置を下回る場合に、前記実質的な下限位置を下回らないように前記加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置を補正する下限位置制限部と、
を備えたことを特徴とする制御装置。
前記ワークの状態は、前記ワークの傾きに係る情報であり、
前記下限位置制限部は、前記ワークの傾きに係る情報に基づいて前記下限位置を変換することで前記実質的な下限位置を算出する、
ことを特徴とする請求項１に記載の制御装置。
ワークの切断加工を行う機械を制御する制御装置であって、前記機械が備える加工ヘッドの先端と前記ワークとの間隔を一定に保ちつつ、前記加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置が設定された下限位置を下回らないようにギャップ制御を行う数値制御装置において、
前記ワークの状態を検出するワーク状態検出部と、
前記ワークの状態に基づいて変換された前記ワークに対する実質的な前記加工ヘッドの先端の位置の座標値が前記下限位置を下回る場合に、前記ワークに対する前記実質的な前記加工ヘッドの先端の位置の座標値が前記下限位置を下回らないように前記加工ヘッドの先端のＺ軸方向の位置を補正する下限位置制限部と、
を備えたことを特徴とする制御装置。