JP2020175501A - ウォータージェット加工システム - Google Patents

Abstract

【課題】補正角度を計算することができるウォータージェット加工システムを提供する。【解決手段】本発明に係るウォータージェット加工システムは、支持アームと、カッターヘッドと、モーター２３と、慣性計測ユニット２５と、を具えているウォータージェットカッター装置と、カッターヘッドを所定角度θ１に移動することを制御することができるコントローラと、所定角度θ１に基づく補正角度εと、回転角度θ２と、傾斜角度θ３と、を計算して、補正角度εをコントローラに送信することができる補正モジュールと、を含んでおり、また、コントローラは、カッターヘッドに対して角度伝達誤差補正を実行して、カッターヘッドを補正角度εに基づいて移動させることができる。【選択図】図３

Description

本発明はウォータージェット加工システムに関し、具体的には、補正角度を計算することができるウォータージェット加工システムに関する。

ウォータージェットカッター装置（water jet cutter）を用いて高圧水流を被加工物へ噴射して切断、剥離、洗浄などを行なう加工は、ウォータージェット加工として知られている。また、該被加工物が軟質の材料（例えば、プリント基板、プラスチック、ゴム、紙など）である場合に、水のみを加圧且つ加速して高圧水流としてウォータージェット加工を実行することができる一方、該被加工物が硬質の材料（例えば、金属板、鉄筋コンクリート、ガラス、鉄鋼、石など）である場合に、水に研磨材料を添加して研磨材料を有する水を加圧且つ加速して高圧水流としてウォータージェット加工を実行することができる。

現在、ウォータージェットカッター装置は、より精密な加工を実行するよう、５軸制御によって被加工物に対して加工を行なうウォータージェット加工システムが広く採用されている。なお、５軸とは、３次元空間の互いに直交する方向の移動を規定する直線軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の３軸と、回転軸（Ａ、Ｃ）の２軸と、を指すものである。

該ウォータージェットカッター装置は、５軸に移動することができるアームと、アームの下端部に設けられていると共に、研磨材料を含む水を噴射することができるカッターヘッドと、アームを駆動することができるモーターと、モーターに電気的に接続していると共に、モーターを介してアームの運動及びカッターヘッドのオン／オフを制御することができるコントローラと、を備えている。

また、操作員がプロセスパラメータをコントローラに入力すると、該コントローラがモーターを作動してアームを駆動させることによって、カッターヘッドを５軸に移動又は回転させ、且つ、被加工物へ研磨材料を有する高圧水流を噴射してウォータージェット加工を実行する。

なお、特許文献１には、ウォータージェットカッター装置のようなビーム切削工具に最適化された工具経路とマシンコマンドとを生成する方法を開示している。具体的には、該方法は、同じカッティング経路に適用される多種のパラメータを比較して最適化を実行して、最適化されたパラメータを決定して加工精度を改善する。

また、特許文献２には、流体噴射切断システム、及び該システムを制御する方法を開示している。該流体噴射切断システムは、制御ユニットによって所定の傾斜角度（predetermined inclination angle、略称：ＰＩＡ）に基づいて流体噴射ヘッドの運動を操作することができ、更に、該所定の傾斜角度に従って流体噴射ヘッドに対して被加工物に対する移動を自動的に調整して、切断面のテーパ角度（taper angle）を制御すると共に、流体噴射により生じた角変位（angular displacement）を自動的に補正することができる。

また、特許文献３には、適応ベクトル制御システム（Adaptive Vector Control System、略称：ＡＶＣＳ）を用いて偏差補正角度を決定し、且つ、カッターヘッドの所望の動きを示す運動の指示を生成するための流体噴射装置の制御システムを開示している。該適応ベクトル制御システムは、受信したジオメトリ指定（geometry specifications）を使用してオフセットジオメトリを計算し、そしてオフセットジオメトリを複数の部分ジオメトリベクトル（part geometry vectors、略称：ＰＧＶｓ）にセグメント化することができる。

米国公開第２０１８／０３６４６７９Ａ１号明細書 米国公開第２０１８／００５９６３８Ａ１号明細書 米国特許第９５９７７７２Ｂ２号明細書

上記の特許文献において、流体噴射装置の加工精度を改善することができる方法を開示しているが、本発明は、上記の特許文献に鑑みてなされたもので、他の加工精度を改善することができるウォータージェット加工システムを提供する。

上記目的を達成すべく、本発明は以下のウォータージェット加工システムを提供する。

即ち、支持アームと、前記支持アームに設けられているカッターヘッドと、前記支持アームに連結されていて、前記支持アームを駆動して前記カッターヘッドを前記支持アームと共に移動させることができるモーターと、ツールセンタポイントに対するカッターヘッドの傾斜角度を感知するよう、前記カッターヘッドに設けられている慣性計測ユニットと、を具えているウォータージェットカッター装置と、
前記カッターヘッドを所定角度に移動することを制御することができるように、前記モーターに電気的に接続されているコントローラと、
前記カッターヘッドの前記傾斜角度、及び、前記モーターが前記コントローラの制御に応じて回転されて前記カッターヘッドを移動しようとする回転角度を受信してから、前記所定角度に基づく補正角度と、前記回転角度と、前記傾斜角度と、を計算して、前記補正角度を前記コントローラに送信することができるように、前記コントローラ及び前記ウォータージェットカッター装置に電気的に接続されている補正モジュールと、を含んでおり、
また、前記コントローラは、前記モーターを制御することによって、前記カッターヘッドに対して角度伝達誤差補正を実行して、前記カッターヘッドを前記補正角度に基づいて移動させることができるように構成されているウォータージェット加工システムを提供する。

上記手段によれば、本発明に係るウォータージェット加工システムにおいて、コントローラは、モーターを制御してカッターヘッドに対して角度伝達誤差補正を実行して、カッターヘッドを補正角度に基づいて移動させることができる。

更に、ウォータージェットカッター装置において、慣性計測ユニットをカッターヘッドに設けられていることによって、ツールセンタポイントに対するカッターヘッドの傾斜角度を即時及び正確に測定することができる。

それによって、ウォータージェット加工の精度を向上させることができる。

本発明に係るウォータージェット加工システムの実施形態を説明するブロック図である。 本発明に係るウォータージェット加工システムを実施するためのウォータージェットカッター装置が示される一部断面図である。 該実施形態に係る角度伝達誤差補正のフローを説明する図である。 該実施形態に係る角度伝達誤差補正を説明する模式図である。

以下、本発明に係るウォータージェット加工システム１について図面を参照して説明する。

図１及び図２を参照して本発明に係るウォータージェット加工システム１を説明する。ここで、図１は本発明に係るウォータージェット加工システム１の実施形態を説明するブロック図であり、また、図２は本発明に係るウォータージェット加工システム１を実施するためのウォータージェットカッター装置２が示される一部断面図である。

図１に示されるように、本発明に係るウォータージェット加工システム１は、ウォータージェットカッター装置２と、コントローラ３１と、補正モジュール３２と、コンピュータ装置３０と、を含んでいる。

ウォータージェットカッター装置２は、図１及び図２に示されるように、５軸の自由度を有する支持アーム２１と、支持アーム２１に設けられていて被加工物へ高圧水流を噴射することができるカッターヘッド２２と、支持アーム２１に連結されていて支持アーム２１を駆動してカッターヘッド２２を支持アーム２１と共に移動させることができるモーター２３と、モーター２３に設けられているエンコーダ（encoder）２４と、ツールセンタポイント（tool center point、略称：ＴＣＰ）Ａに対する姿勢を感知するよう、カッターヘッド２２に設けられている慣性計測ユニット（inertial measurement unit、略称：ＩＭＵ）２５と、当該ウォータージェットカッター装置２のピッチ誤差（pitch error）を感知するためのレーザー干渉計２６と、カッターヘッド２２に研磨材料を供するようカッターヘッド２２に接続されている研磨材料供給ユニット２７と、カッターヘッド２２に高圧水流を供するようカッターヘッド２２に接続されている給水ユニット２８と、を具えている。

なお、本実施形態では、カッターヘッド２２は、アブレーシブウォータージェット（Abrasive water jet、略称：ＡＷＪ）（即ち、研磨材料を含む高圧水流の噴射）を実行することができる２．５Ｄタイプのヘッドを採用している。勿論、ここでそれに限定されず、他のタイプのヘッドを採用してもよい。

更に、本実施形態では、モーター２３は、中空式で配管を通すことができる波動歯車装置（strain wave gearing device）であることができるが、それに限定されない。

より具体的には、ウォータージェットカッター装置２は、モーター２３を用いて支持アーム２１を３次元空間の互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と、２軸の回転軸と、からなる５軸に移動することによって、カッターヘッド２２で異なる角度から被加工物に対してウォータージェットを噴射することができる。

なお、本実施形態において、図２に示されるように、モーター２３の数量は２つである。即ち、１つのモーター２３がカッターヘッド２２を互いに直交する方向の移動を規定する直線軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の３軸に移動することを制御する一方、他の１つのモーター２３がカッターヘッド２２を回転軸（Ａ、Ｃ）の２軸に傾斜又は回転することを制御する。勿論、ここでモーター２３の数量は２つに限定されずに、カッターヘッド２２の５軸制御を実行することができればよい。

慣性計測ユニット２５は、図２に示されるように、角度や角速度や角加速度を検出するためのジャイロスコープ２５１と、重力及び加速度を計測するための加速度計２５２と、磁界の方向を計測するための磁力計２５３と、を具えている。それによって、ウォータージェットカッター装置２は、慣性計測ユニット２５を用いてカッターヘッド２２の方位角を計算してカッターヘッド２２のツールセンタポイントＡに対する姿勢を検知することができる。

レーザー干渉計２６は、直線変位や直線速度や直線加速度を検出することができ、よってウォータージェットカッター装置２は、レーザー干渉計２６を用いてカッターヘッド２２の位置（即ち、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を検知することができる。

研磨材料供給ユニット２７は、例えば、金属板、鉄筋コンクリート、ガラス、鉄鋼、石といった硬質の被加工物に対して加工する際に使用されるものである。

給水ユニット２８は、カッターヘッド２２に給水し、これによって、カッターヘッド２２が被加工物に対してウォータージェットを噴射することができる。

より詳しく言うと、研磨材料供給ユニット２７が例えば柘榴石（garnet）などの研磨材料を提供すると共に、給水ユニット２８が高圧水流を提供して、そして該研磨材料と該高圧水流とがベンチュリ効果（Venturi effect）により混ざって研磨材料を有する高圧水流になる。よって、ウォータージェットカッター装置２は、研磨材料を含む高圧水流をカッターヘッド２２を通して噴射することができる。

コントローラ３１は、図１に示されるように、モーター２３及びコンピュータ装置３０に電気的に接続されていると共に、モーター２３によるカッターヘッド２２の移動を制御することができると共に、高圧水流を噴射するか否かを制御することもできる。

なお、本実施形態では、コントローラ３１は、モーター２３を駆動することを制御するコンピュータ数値制御（Computer Numerical Control、略称：ＣＮＣ）であることができる。

補正モジュール３２は、図１に示されるように、コントローラ３１に電気的に接続され、且つ、ウォータージェットカッター装置２に電気的に接続されていると共に、理想モデルを構築していて、加工条件に従って該理想モデルを利用して補正値を算出することができる。

コンピュータ装置３０は、図１に示されるように、ユーザがウォータージェット加工に関するパラメーターを入力することができるユーザインタフェース３３を有している。

なお、該パラメーターは、例えば、カッターヘッド２２のツールセンタポイントＡに対する角度、研磨材料の流量、研磨材料のサイズ、研磨材料の密度、研磨材料の形状、ヘッドの種類（Ｔタイプ、或いは、Ｙタイプ）、研磨材料を供する配管の長さ、当該配管の口径、水流の圧力、ノズルの直径、被加工物の材質、被加工物の厚み、アタック角（attack angle）、切断速度、加工時間などを指すことができる。

以下、本発明に係るウォータージェット加工システム１を利用してウォータージェット加工を実行している際に、カッターヘッド２２に対する角度伝達誤差補正方法について説明する。

図３及び図４を参照して、カッターヘッド２２に対して角度伝達誤差補正を実行することを説明する。ここで、図３は該実施形態に係る角度伝達誤差補正のフローを説明する図であり、また、図４は該実施形態に係る角度伝達誤差補正を説明する模式図である。

本実施形態では、カッターヘッド２２の被加工物に対する姿勢角度の希望値を６°に設定することを例として説明するが、他の実施形態において他の角度に設定しても良い。

第１に、図３及び図４に示されるように、コンピュータ装置３０のユーザインタフェース３３によって姿勢角度θ１１と調整値θ１２とをコントローラ３１に入力して、そして補正モジュール３２が該姿勢角度θ１１（６°）及び該調整値θ１２（０．０１°）を加算することによって所定角度θ１（６°＋０．０１°＝６．０１°）を取得する。

第２に、図３及び図４に示されるように、コントローラ３１が該所定角度θ１をモーター２３に伝達し、モーターをこれに基づいて動作させる。そして、モーター２３に設けられているエンコーダ２４は、モーター２３が出力した回転角度θ２（例えば、６°）を測定且つ出力する。そして、図３に示されるように、慣性計測ユニット２５は、ツールセンタポイントＡに対するカッターヘッド２２の傾斜角度θ３（例えば、６．０５°）を感知且つ出力する。

なお、理想的には、回転角度θ２は、ツールセンタポイントＡに対するカッターヘッド２２の姿勢角度の希望値であるが、機械加工精度や加工位置精度による影響で誤差が発生するため、本発明に係るウォータージェット加工システム１は、慣性計測ユニット２５を用いて傾斜角度θ３を感知する。

第３に、補正モジュール３２は、カッターヘッド２２の傾斜角度θ３、及び、モーター２３がコントローラ３１の制御に応じて回転されてカッターヘッド２２を移動しようとする回転角度θ２を受信してから、モーター２３の回転角度θ２（６°）、及び、慣性計測ユニット２５によって感知された傾斜角度θ３（６．０５°）の差とする偏差角度θ４（６．０５°−６°＝０．０５°）を計算する。

そして、該偏差角度θ４（０．０５°）を所定角度θ１（６．０１°）に加算してフィードバック角度θ５（６．０１°＋０．０５°＝６．０６°）を取得する。なお、該フィードバック角度θ５は、該ウォータージェット加工システム１においてモーター２３により出力された実際の角度である。

第４に、補正モジュール３２は、回転角度θ２（６°）をフィードバック角度θ５（６．０６°）から減算して、補正角度ε（６．０６°−６°＝０．０６°）とする差を取得する。なお、該補正角度εは、モーター２３がカッターヘッド２２に対して補正するための角度である。

このように、補正モジュール３２は、所定角度θ１に基づく補正角度εと、回転角度θ２と、傾斜角度θ３と、を計算して、該補正角度εをコントローラ３１に送信する。そして、コントローラ３１は、モーター２３を制御することによって、カッターヘッド２２を補正角度εに基づいて移動させることができることで、カッターヘッド２２を所定角度θ１に移動することを制御することができ、カッターヘッド２２に対して角度伝達誤差補正を実行することができる。

より詳しく言うと、本発明に係るウォータージェット加工システム１は、モーター２３が所定角度θ１に従って回転を初回に実行して、エンコーダ２４が回転角度θ２を測定して、そして補正モジュール３２が該回転角度θ２及び慣性計測ユニット２５が感知された傾斜角度θ３に基づいて補正角度εを取得して、該補正角度εをコントローラ３１に送信することによって、モーター２３に対して角度伝達誤差補正を実行する。

更に、本発明に係るウォータージェット加工システム１は、カッターヘッド２２に対して角度伝達誤差補正を実行することができるだけではなく、変位補正をも実行することができる。

まず、レーザー干渉計２６によってウォータージェットカッター装置２のピッチ誤差を感知する。

次に、補正モジュール３２は、ピッチ誤差（pitch error）、及び、バックラッシュ（Backlash）に基づいて変位補正値を計算する。

なお、ピッチ誤差は、ウォータージェットカッター装置２の支持アーム２１がモーター２３によって駆動されている際に、例えば、モーター２３における複数のギアの間に生じる実際のピッチと所定のピッチとの差を指すものである。一方、バックラッシュは、例えば、ウォータージェットカッター装置２に用いられる複数のギアなどの互いに嵌り合って運動方向に意図して設けられている隙間を指すものである。勿論、ここでピッチ誤差及びバックラッシュが発生する原因は、モーター２３における複数のギアの間に生じることに限定されずに、他の２つの部品の間に発生する可能性もある。

そして、コントローラ３１は、カッターヘッド２２に対してモーター２３によって変位補正値に従って変位補正を実行してカッターヘッド２２をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿って移動することができる。

それによって、モーター２３は、支持アーム２１を５軸に移動している際に、該５軸における互いに直交する方向の移動を規定するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に従う変位誤差に対して補正を行なうことがでる。

上記実施形態のウォータージェット加工システム１は、以下の利点を有する。

第１に、本発明に係るウォータージェット加工システム１においては、コントローラ３１が補正角度εと、回転角度θ２と、傾斜角度θ３と、を計算して、該補正角度εをコントローラ３１に送信してモーター２３を制御して、カッターヘッド２２に対して角度伝達誤差補正を実行することができ、且つ、ウォータージェットカッター装置２において慣性計測ユニット２５がカッターヘッド２２に設けられていることによって、ツールセンタポイントＡに対するカッターヘッド２２の傾斜角度θ３を即時及び正確に測定することができる。

なお、本発明に係るウォータージェット加工システム１において、コントローラ３１による情報の出力として、産業用機器間通信のプロトコルであるＯＰＣ ＵＡ（OPC Unified Architecture）に従って、且つ、該情報に関するデータフォーマットは、ドイツの工作機械に対応するＶＤＷ形式に設定すれば、共通性及び適合性を高めることができる。

更に、コントローラ３１は、監視データ、アラームメッセージ、加工位置、プログラム名称、完成品の数量といった情報を出力するようにしてもよい。この場合、出力されたデータは、コンピュータにあるデータベースに送信されることができるだけではなく、モノのインターネット（Internet of Things、略称：ＩｏＴ）を介してネットワークアタッチトストレージ（Network Attached Storage、略称：ＮＡＳ）やクラウドにもアップロードされることができる。

このようにすれば、管理者にとっては、複数のウォータージェット加工システム１の加工状態を即時に把握し易くなる。また、出力されたデータは、加工経験として機器によって学習を実行され、プロセスの改善やパラメータの調整などを自動的に行なうことができる。それによって、ウォータージェット加工が自動化、知能化を達成することができる。

第２に、レーザー干渉計２６により、ウォータージェットカッター装置２のピッチ誤差、及び、バックラッシュから発生されたカッターヘッド２２の変位誤差（即ち、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸）を補正することができることで、コントローラ３１は、前述した角度伝達誤差補正を実行するのみならず、変位誤差に対する補正をも実行することができる。そのため、ウォータージェット加工の精度を一層向上させることができる。

上記においては、本発明の全体的な理解を促すべく、多くの具体的な詳細が示された。しかしながら、当業者であれば、一またはそれ以上の他の実施形態が具体的な詳細を示さなくとも実施され得ることが明らかである。

以上、本発明の好ましい実施形態及び変化例を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、最も広い解釈の精神および範囲内に含まれる様々な構成として、全ての修飾および均等な構成を包含するものとする。

上記の本発明に係るウォータージェット加工システムは、補正モジュール、及び、慣性計測ユニットを用いてカッターヘッドに対して角度伝達誤差補正を実行して、ウォータージェット加工の精度を向上させることができるため、産業上の利用可能性がある。

１ ウォータージェット加工システム
２ ウォータージェットカッター装置
２１ 支持アーム
２２ カッターヘッド
２３ モーター
２４ エンコーダ
２５ 慣性計測ユニット
２５１ ジャイロスコープ
２５２ 加速度計
２５３ 磁力計
２６ レーザー干渉計
２７ 研磨材料供給ユニット
２８ 給水ユニット
３０ コンピュータ装置
３１ コントローラ
３２ 補正モジュール
３３ ユーザインタフェース
θ１ 所定角度
θ１１ 姿勢角度
θ１２ 調整値
θ２ 回転角度
θ３ 傾斜角度
θ４ 偏差角度
θ５ フィードバック角度
ε 補正角度
Ａ ツールセンタポイント

Claims (8)

1. 支持アームと、前記支持アームに設けられているカッターヘッドと、前記支持アームに連結されていて、前記支持アームを駆動して前記カッターヘッドを前記支持アームと共に移動させることができるモーターと、ツールセンタポイントに対するカッターヘッドの傾斜角度を感知するよう、前記カッターヘッドに設けられている慣性計測ユニットと、を具えているウォータージェットカッター装置と、
   前記カッターヘッドを所定角度に移動することを制御することができるように、前記モーターに電気的に接続されているコントローラと、
   前記カッターヘッドの前記傾斜角度、及び、前記モーターが前記コントローラの制御に応じて回転されて前記カッターヘッドを移動しようとする回転角度を受信してから、前記所定角度に基づく補正角度と、前記回転角度と、前記傾斜角度と、を計算して、前記補正角度を前記コントローラに送信することができるように、前記コントローラ及び前記ウォータージェットカッター装置に電気的に接続されている補正モジュールと、を含んでおり、
   また、前記コントローラは、前記モーターを制御することによって、前記カッターヘッドに対して角度伝達誤差補正を実行して、前記カッターヘッドを前記補正角度に基づいて移動させることができるように構成されている、
   ことを特徴とするウォータージェット加工システム。
2. 前記補正モジュールは、
   前記モーターの前記回転角度、及び、前記慣性計測ユニットによって感知された前記傾斜角度の差である偏差角度を計算することと、前記偏差角度を前記所定角度に加算してフィードバック角度を取得することと、前記フィードバック角度から前記回転角度を減算して前記補正角度とする差を取得することと、によって、前記補正角度を計算することができるように更に構成されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット加工システム。
3. 前記補正モジュールは、
   前記カッターヘッドの被加工物に対する姿勢角度の希望値に調整値を加算することによって前記所定角度を取得することができるように更に構成されている、
   ことを特徴とする請求項２に記載のウォータージェット加工システム。
4. 前記ウォータージェットカッター装置は、
   前記回転角度を出力することができるように、前記モーターに設けられているエンコーダを更に具えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット加工システム。
5. 前記慣性計測ユニットは、ジャイロスコープと、加速度計と、磁力計と、を具えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット加工システム。
6. 前記ウォータージェットカッター装置は、
   当該ウォータージェットカッター装置のピッチ誤差を感知するためのレーザー干渉計を更に具えている、
   ことを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット加工システム。
7. 前記補正モジュールは、前記ピッチ誤差に基づいて変位補正値を計算することができるように更に構成されており、
   前記コントローラは、前記カッターヘッドに対して前記モーターによって前記変位補正値に従って変位補正を実行して前記カッターヘッドを移動することができるように更に構成されている、
   ことを特徴とする請求項６に記載のウォータージェット加工システム。
8. ユーザが前記所定角度を入力することができるユーザインタフェースを有するコンピュータ装置を更に含んでいる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のウォータージェット加工システム。