JP2676506B2 - レーザ加工用運動制御方法 - Google Patents
レーザ加工用運動制御方法Info
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Description
【発明の詳細な説明】
〔発明の技術分野〕
本発明は、レーザ加工用の加工ヘッドの運動制御、特
にワークの被加工点の連結線のコーナ部で、加工ヘッド
の先端の加工作用点の速度を制御する方法に関する。 〔従来の技術〕 ワークをレーザ光線により切断するとき、第１図のよ
うなXY平面上で、例えば大きな曲率を持つ被加工点の連
結線や、急激に方向を変える被加工点の連結線の屈曲部
において、加工ヘッド（トーチ）の先端の進行方向の速
度を常に一定に保ちながら加工を行うと、サーボ系の追
従誤差および急激にコーナを回ることにより生じる加速
度の変化にともなう機械系の振動などにより、被加工点
の連結線経路の屈曲部において、正確な切断形状が得ら
れなくなる。 一方、振動を防止して加工精度を保つため、全ての被
加工点の連結線経路で加工ヘッドの切断速度を低下させ
ることは、逆に作業能率の観点から好ましくない。 また、立体的な形状のワークを加工する場合、レーザ
光線を常にワークの平面に対してほぼ直角な向きに当て
ながら加工する必要がある。このため、トーチの運動経
路を追跡するためのＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸に加え、トー
チの姿勢を変えるためにα，βの２軸が必要となる。 このような５軸構成の加工機において、例えば第２図
の左側のようなXYZ空間でワークの切断を行う場合に、
コーナ部分でトーチの姿勢が次の切断面に対し直角とな
るような姿勢を変える際に、トーチ先端の進行方法の速
度が一時的に低くなるため、コーナ部分で急激な加速度
の変化が現れ、トーチに振動が発生する。また同様に、
第２図の右側の場合でも、コーナ部分の曲率が小さくな
ればなるほど、やはり同様の問題が発生する。 〔発明の目的〕 したがって本発明は、コーナ部分において、作業能率
を低下することなく、所定の条件を満たすときにのみ速
度を低下させ、その区間でのサーボ系の追従誤差や機械
的な振動を抑えることである。 〔発明の解決手段〕 そこで本発明は、レーザ加工用の加工ヘッドの運動制
御において、教示されたワークの被加工点の不連続な座
標、指示された補間モードおよび加工ヘッドの先端の加
工作用点の指定された指定速度をもとに被加工点の連結
線でのコーナ角度θにより速度係数Ｋを角度係数ａ、角
度変数ｋ（θ）およびコーナ点に入る前の加工作用点の
指示された指定速度の大きさ・方向（速度ベクトル
Vi）、コーナ点から出た後の加工作用点の指示された指
定速度の大きさ・方向（速度ベクトルVi+1）により下記
の式から計算する過程と、 Ｋ＝1/（１＋ａ・ｋ（θ）） ｋ（θ）＝|cosθ＋1| ＝｜｛−（Vi・Vi+1）/|Vi|・|Vi+1|｝＋1| 上記計算過程で求められた速度係数Ｋに、サーボ系の
最大出力によって決まる最大指定速度を乗じてコーナ点
でのコーナ速度を計算する過程と、このコーナ速度と指
定速度とを比較する過程と、指定速度≦コーナ速度のと
き、指定速度について無用の速度変更を行わないで加工
作用点の運動を制御する過程と、指定速度＞コーナ速度
のとき、コーナ部に入る位置からコーナ点までの区間で
指定速度をコーナ速度まで減速するのに必要な距離、コ
ーナ点からコーナ部を出る位置までの区間でコーナ速度
を指定速度まで加速するのに必要な距離、およびこれら
の距離区間で一定時間毎の加減速に必要な速度変化を計
算する過程と、減速および加速のための距離および上記
速度変化を入力としてコーナ部内でコーナ角度θに応じ
て指定速度または前記計算された速度で加工ヘッドの先
端の加工作用点を制御する過程とからなり、コーナ部内
での速度の急変を避けながら自動的に加減速するように
している。 なお、コーナ点とは、１平面上で、被加工点の連結線
としての２直線、２曲線、あるいは直線と曲線との交
点、または２平面上で、２平面の交線（稜）と被加工点
の連結線としての直線あるいは曲線との交点をいう。ま
た、コーナ部とは、コーナ点を中心として、被加工点の
連結線上で加減速制御の対象となる範囲をいう。さらに
コーナ角度θは、コーナ点で２つの被加工点を連結線の
なす内側の角度をいう。 〔実施例〕 まず、第３図は、レーザ加工用の加工ヘッド１と立体
的なワーク２との相対的な位置関係および加工ヘッド１
の制御軸の関係を示している。加工ヘッド１の先端すな
わち加工ヘッド１の加工作用点３は、レーザ加工機側の
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸によって位置決めされる。また加
工ヘッド１の姿勢は、Ｚ軸と同一の軸線上のα軸および
このα軸に対し所定の交角をなすβ軸との回転運動によ
って決定される。 次に第４図は、レーザ加工機の制御装置４を示してい
る。共通のデータバス５に対しデータレコーダ６および
CRTコンソール７がI/Oインターフエース８、中央処理ユ
ニットのCPU9および算術論理ユニットのALU10が介して
接続されており、またテープリーダ11、機械入出力器12
およびキーボード13がI/Oインターフエース14を介して
接続されている。また上記データバス５にROM15、RAM1
6、メモリ17およびテーチングボックス18がそのインタ
ーフエース19を介して接続されている。 さらに、上記データバス５にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、α
軸、β軸の位置決め装置20、21、22、23、24が相互にデ
ータ交換可能な状態で、接続されている。また上記位置
決め装置20、21、22、23、24には各軸に対応するモータ
25、26、27、28、29が接続され、これらの回転は、位置
検出器30、31、32、33、34により検出される。 上記制御装置４は、テーチングボックス18により指示
されるワーク２の被加工点の不連続な点位置データ群、
指定速度V1、その他必要なデータをRAM16に記憶し、必
要な補間計算を行うほか、被加工点の連結線の曲率を計
算し、それをRAM16に記憶されている指定速度V1に基づ
いて、各軸の速度制御を行う。この指定速度V1は、加工
ヘッド１の運動制御の段階で、コーナ部（コーナ点）以
外において、加工作用点３の速度（加工速度）となる。 次に第５図および第６図は、本発明のレーザ加工制御
方法による運動制御過程を示している。 テイーチングボックス18によって加工ヘッド１の加工
作用点３の移動に必要なワーク２の被加工点の不連続な
点位置データ群の座標、直線補間、円弧補間や自由曲線
補間などを指定する補間モードおよび指定速度V1などが
入力される。そこで制御装置４は、被加工点の座標を指
定された補間モードによって連続させ、被加工点の連結
線を求めるとともに、これにもとづいて加工ヘッド１の
加工作用点３の運動経路を算出するほか、その加工ヘッ
ド１の先端の加工作用点３での速度を各軸の合計速度値
として決定する。 なお、この制御で、加工ヘッド１の加工作用点３の運
動経路に障害物回避経路や緩和曲線が用いられなけれ
ば、加工ヘッド１の加工作用点３の運動経路は、常にワ
ーク２の被加工点の連結線と一致する。 今、簡単のために、第５図のＡに示すように、平面上
で、被加工点の連結線として、２直線が交わるコーナ部
において、コーナ部に入る指定速度V1が与えられ、また
コーナ点を通過した後で、コーナ部を出る指定速度V1が
与えられているとする。なお、コーナ点の内側の角度
は、コーナ角度θである。 この条件下で、まず制御装置４は、本発明の制御方法
に基づくプログラムに基づいて、加工作用点３の運動経
路での速度単位ベクトルｖを算出し、各軸での単位時間
当たりの移動量ｓを算出する。そして、この単位時間当
たりの移動量ｓは、各軸ごとに駆動データすなわちパル
ス列としてサーボ制御器20、21、22、23、24に与えられ
る。 なお、速度単位ベクトルｖの計算については、後に、
第８図とともに説明する。 そこで、サーボ制御器20、21、22、23、24はそれぞれ
の駆動データに基づいて、デジタルサーボ制御方式のも
とに、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、α軸およびβ軸に対応するサ
ーボ制御器20、21、22、23、24により駆動モータ25、2
6、27、28、29をそれぞれ回転させることにより、加工
ヘッド１の先端の加工点３を運動経路に沿って移動させ
る。 ワーク２の被加工点の連結線上で、コーナ部が第５図
のＡのように、１平面上にあるとき、制御は、Ｘ軸、Ｙ
軸に関してのみ実行され、他の軸（Ｚ軸、α軸およびβ
軸）に関して実質的に実行されない。 第５図のＢに示すよにうに、運動経路を直線上に展開
すると、加工ヘッド１の先端の加工作用点３の速度は、
コーナ部以外では一定の指定速度V1であるが、コーナ点
では計算により求められるコーナ速度V2となる。ここで
コーナ速度V2とは、加工条件として一定の指定速度V1を
指定されていても、コーナ角度θと最大指定速度Vmaxに
従って計算されるコーナ点での速度である。なお、コー
ナ部材で、コーナ点以外でも、計算により求められる加
速または減速用の速度となる。 制御装置４は、内部でコーナ速度V2を採用するか否か
を判断し、コーナ速度V2の採用時に加減速も含めて速度
値を内部的に指定する。その結果、採用されたコーナ速
度V2の値は、指定速度V1の値より小さくなり、コーナ点
での速度の急変は抑制できる。なお、鋭角のコーナ点
で、コーナ速度V2の値は、瞬間的に低くなり、その前後
で速度の方向が反転するが、コーナ点の近くで充分に減
速されているので、実用上問題となる振動は発生しな
い。 コーナ速度V2は、速度係数をＫ、サーボ系の各軸モー
タ26、27、28、29の最高出力回転数により決まる最大指
定速度をVmaxとし下記の式により表される。 V2＝Ｋ・Vmax そして上記速度係数Ｋは、角度係数をａ、角度変数を
ｋ（θ）として下記の式により表される。 Ｋ＝1/（１＋ａ・ｋ（θ）） ……（１） さらに上記角度変数ｋ（θ）は、下記の式により与え
られる。 ｋ（θ）＝|cosθ＋1| ……（２） 上記の式（１）は、180゜でＫ＝１、０゜および360゜
で最小値となる関数である。ここで角度係数ａ＞０であ
る。つまり180゜（直線）で最高速（Ｋ＝１）、０゜、3
60゜、（逆転）で最低速となるようにし、その低減の率
を、角度係数ａで調整できるようにしてある。この場
合、０゜の点で、ａ＝１で、Ｋ＝1/3、ａ＝５で、Ｋ＝1
/11となる。 また、上記の式（２）には、180゜で最小、０゜およ
び360゜で最大となる関数で、値は０゜〜360゜で正とな
る条件を満たすものである。この場合ｋ（０゜）＝２、
ｋ（180゜）＝０、ｋ（360゜）＝２となる。 ここで、コーナ点に入る前の加工作用点３に対して指
示されている速度の大きさ・方向、つまり速度ベクトル
をVi、コーナ点から出た後の加工作用点３に対して指示
されている速度の大きさ・方向、つまり速度ベクトルを
Vi+1とすると、両者の速度ベクトルVi、Vi+1の間の交差
角（コーナ角度θ）は、下記の式によって与えられる。
なお、この実施例において、コーナ点の前後で、加工作
用点３に対して、指示されている速度は、ともに指定速
度V1であるから、速度ベクトルVi、Vi+1の大きさは指定
速度V1の値と同一であり、その方向は第５図でV1の近く
に示す矢印の方向となる。 したがって、式（２）の角度変数ｋ（θ）は、｜｛−
（Vi・Vi+1/|Vi|・|Vi+1|｝＋1|から求められる。この
ため、三角関数演算が不要で、処理時間が短縮できる。
また、速度係数Ｋを求める場合には上記の値を利用し
て、簡単な四則演算により短時間に求められ、コーナ角
度180゜（直線）で１、コーナ角度０゜、360゜（逆転）
で最低値とし、その範囲で速度係数Ｋの低減率を調整可
能とする。軸制御の為の演算処理時間は短い方がよく、
長い場合に、軸が移動中に停止する場合がある。このよ
うに、処理時間の点で、上記式は、実用上有効である。 そして上記角度変数ｋ（θ）は、第６図のＡで示すよ
うに、コーナ角度θが鋭角になるにしたがって大きな値
となっている。また角度変数Ｋ（θ）より与えられる速
度係数Ｋは同図のＢで示すように、鋭角になれば小さ
く、180゜（直線）になれば最大１になる。その結果、
コーナ点でのコーナ速度V2は、同図のＣに示すように、
鋭角のときに小さな値となり、180゜（直線）で最大指
定速度Vmaxとなる。 なお、上記角度係数ａは、減速の程度を決めるパラメ
ータとして、予め入力されており、通常、１ないし５程
度の値である。もちろんこのコーナ速度V2はサーボ系の
最大出力によって決まる最大指定速度Vmaxの範囲内でな
ければならない。 ところで、あるコーナ部において、加工ヘッド１が指
定速度V1の値で運動しても、追従誤差や振動が現実に殆
ど発生しないとき、またはコーナ角度θが鈍角で、加工
ヘッド１が指定速度V1の値で運動しても、追従誤差や振
動が実用上問題にならないときには、コーナ部について
の加減速制御は行われない。 また、逆に指定速度V1＞コーナ速度V2となったとき、
制御装置４は、第５図のＢに見られるように、指定速度
V1からコーナ速度V2にいたるまでの速度値を段階的に低
下させることにより、速度値の変更過程での速度の急変
を避けながら、滑らかな速度変更をおこなう。 〔コーナ部内での滑らかな速度制御の方法〕 今、指定速度V1とコーナ点でのコーナ速度V2（V1＞V
2）とが演算して与えられているとする。 V1＝n1/τ V2＝n2/τ ……（４） ここでn1、n2は、各軸の位置決め装置20、21、22、2
3、24へ単位時間τ内に払い出すパルス数を示す。 また、制御装置４内には、予め加減速する範囲を指定
する係数ｍ（ｍ×τの時間範囲で加減速を行う。）が与
えられている。 そこで、第７図に示すように、コーナ部として、加速
あるいは減速する距離ｌは、Δｎ＝（n1−n2）/mとする
と、 となる。減速は、コーナ部に入る位置からコーナ点まで
の区間で、距離ｌだけ手前よりΔｎづつ徐々に減ったパ
ルス数を単位時間τごとに払い出させ、（ｍ×τ）時間
内に円滑に減速させ、コーナ点でコーナ速度V2になり、
コーナ点で方向を変え、それ以降はΔｎづつ逆に増加し
たパルス数を単位時間τごとに払い出させて増速し、
（ｍ×τ）時間内にコーナ部を出て指定速度V1まで円滑
に増加させる。 また、他の実施例として円弧補間時においては、コー
ナ点でのコーナ速度V2は、減速を要する限界半径をRmax
とし、また教示された円弧の半径をR2としたとき、下記
の式により求める。 V2＝Ｋ′・Vmax Ｋ′＝R2/Rmax ……（６） この場合においても、指定速度V1とコーナ速度V2との
大小関係によって、無用な減速が回避される。 〔速度単位ベクトルの計算〕 一般的な説明として、一定の速度Ｖ（m/sec）で移動
する場合、単位時間τ（sec）で補間すると、この単位
時間τ（sec）あたりの移動方向と移動量とを示すもの
が速度単位ベクトルｖである（通常τ＜＜1sec）。 よって、１（sec）当りの速度Ｖ（m/sec）を単位時間
τ（sec）当りの移動量に変換したものが速度単位ベク
トルの大きさで以下のようになる。 速度単位ベクトルｖの大きさ＝Ｖ×τ また速度単位ベクトルｖの方向は、直線補間では第８
図のように、終点Pe、始点Psとすると次式とにより表さ
れる。次式となる。 よって、始点Psでの速度単位ベクトルは次となる。 単位時間τ（sec）の移動後の位置（補間点）P1は下
記に求められる。 〔発明の効果〕 本発明では、レーザ加工用の加工ヘッドの加工作用点
がコーナ部を有する被加工点の連結線を移動する際、そ
の指定速度とコーナ点でのコーナ速度とを比較し、急激
に変化するコーナ部では振動を防止するため、あるいは
モータの負荷を抑えるため、速度を徐々に変化させるの
で、機械的な振動やサーボ制御系の追従誤差が回避で
き、加工の精度が高められる。 特に、本発明の制御方法では、指定速度がコーナ点で
のコーナ速度よりも小さいか等しいときに、コーナ点で
の速度の変更が行われないため、コーナ点での速度が必
要以上に小さく設定されず、コーナ点でレーザ光線の出
力制御を行わない場合でも、コーナ点の加工部位でレー
ザ光線が必要以上の時間にわたって照射されることがな
く、過大なレーザエネルギーによる加工幅の増大という
加工精度上の問題も回避できる。 仮に、指定速度がコーナ点でのコーナ速度より小さい
か等しいときについて、指定速度にたいして速度係数を
かけてコーナ点の速度を決めるようにすると、指定速度
にかかわらず、コーナ角度180゜以外の場合は全て指定
速度より小さなコーナ速度となり、これにともないコー
ナ部でも減速・加速をすることとなって、加工時間が全
体的に長くなり、能率が悪くなる。 これに対し、本発明では、最大指定速度にたいして、
速度係数をかけて、コーナ点でのコーナ速度を求め、こ
れと指定速度とを比較して、求めたコーナ速度が指定速
度より小さい場合のみ、コーナ部での減速・加速をする
ことにより、必要以上の減速・加速を行うことによる加
工時間が長くなるのを防止している。 また、減速係数が簡単な式で、少ない変数から求めら
れるため、演算時間が短く、これが速度制御に追従し、
また制御系に大きな負担とならない。これは、程度問題
であるが、連続的な運動制御において、実用上有効であ
る。
にワークの被加工点の連結線のコーナ部で、加工ヘッド
の先端の加工作用点の速度を制御する方法に関する。 〔従来の技術〕 ワークをレーザ光線により切断するとき、第１図のよ
うなXY平面上で、例えば大きな曲率を持つ被加工点の連
結線や、急激に方向を変える被加工点の連結線の屈曲部
において、加工ヘッド（トーチ）の先端の進行方向の速
度を常に一定に保ちながら加工を行うと、サーボ系の追
従誤差および急激にコーナを回ることにより生じる加速
度の変化にともなう機械系の振動などにより、被加工点
の連結線経路の屈曲部において、正確な切断形状が得ら
れなくなる。 一方、振動を防止して加工精度を保つため、全ての被
加工点の連結線経路で加工ヘッドの切断速度を低下させ
ることは、逆に作業能率の観点から好ましくない。 また、立体的な形状のワークを加工する場合、レーザ
光線を常にワークの平面に対してほぼ直角な向きに当て
ながら加工する必要がある。このため、トーチの運動経
路を追跡するためのＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸に加え、トー
チの姿勢を変えるためにα，βの２軸が必要となる。 このような５軸構成の加工機において、例えば第２図
の左側のようなXYZ空間でワークの切断を行う場合に、
コーナ部分でトーチの姿勢が次の切断面に対し直角とな
るような姿勢を変える際に、トーチ先端の進行方法の速
度が一時的に低くなるため、コーナ部分で急激な加速度
の変化が現れ、トーチに振動が発生する。また同様に、
第２図の右側の場合でも、コーナ部分の曲率が小さくな
ればなるほど、やはり同様の問題が発生する。 〔発明の目的〕 したがって本発明は、コーナ部分において、作業能率
を低下することなく、所定の条件を満たすときにのみ速
度を低下させ、その区間でのサーボ系の追従誤差や機械
的な振動を抑えることである。 〔発明の解決手段〕 そこで本発明は、レーザ加工用の加工ヘッドの運動制
御において、教示されたワークの被加工点の不連続な座
標、指示された補間モードおよび加工ヘッドの先端の加
工作用点の指定された指定速度をもとに被加工点の連結
線でのコーナ角度θにより速度係数Ｋを角度係数ａ、角
度変数ｋ（θ）およびコーナ点に入る前の加工作用点の
指示された指定速度の大きさ・方向（速度ベクトル
Vi）、コーナ点から出た後の加工作用点の指示された指
定速度の大きさ・方向（速度ベクトルVi+1）により下記
の式から計算する過程と、 Ｋ＝1/（１＋ａ・ｋ（θ）） ｋ（θ）＝|cosθ＋1| ＝｜｛−（Vi・Vi+1）/|Vi|・|Vi+1|｝＋1| 上記計算過程で求められた速度係数Ｋに、サーボ系の
最大出力によって決まる最大指定速度を乗じてコーナ点
でのコーナ速度を計算する過程と、このコーナ速度と指
定速度とを比較する過程と、指定速度≦コーナ速度のと
き、指定速度について無用の速度変更を行わないで加工
作用点の運動を制御する過程と、指定速度＞コーナ速度
のとき、コーナ部に入る位置からコーナ点までの区間で
指定速度をコーナ速度まで減速するのに必要な距離、コ
ーナ点からコーナ部を出る位置までの区間でコーナ速度
を指定速度まで加速するのに必要な距離、およびこれら
の距離区間で一定時間毎の加減速に必要な速度変化を計
算する過程と、減速および加速のための距離および上記
速度変化を入力としてコーナ部内でコーナ角度θに応じ
て指定速度または前記計算された速度で加工ヘッドの先
端の加工作用点を制御する過程とからなり、コーナ部内
での速度の急変を避けながら自動的に加減速するように
している。 なお、コーナ点とは、１平面上で、被加工点の連結線
としての２直線、２曲線、あるいは直線と曲線との交
点、または２平面上で、２平面の交線（稜）と被加工点
の連結線としての直線あるいは曲線との交点をいう。ま
た、コーナ部とは、コーナ点を中心として、被加工点の
連結線上で加減速制御の対象となる範囲をいう。さらに
コーナ角度θは、コーナ点で２つの被加工点を連結線の
なす内側の角度をいう。 〔実施例〕 まず、第３図は、レーザ加工用の加工ヘッド１と立体
的なワーク２との相対的な位置関係および加工ヘッド１
の制御軸の関係を示している。加工ヘッド１の先端すな
わち加工ヘッド１の加工作用点３は、レーザ加工機側の
Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸によって位置決めされる。また加
工ヘッド１の姿勢は、Ｚ軸と同一の軸線上のα軸および
このα軸に対し所定の交角をなすβ軸との回転運動によ
って決定される。 次に第４図は、レーザ加工機の制御装置４を示してい
る。共通のデータバス５に対しデータレコーダ６および
CRTコンソール７がI/Oインターフエース８、中央処理ユ
ニットのCPU9および算術論理ユニットのALU10が介して
接続されており、またテープリーダ11、機械入出力器12
およびキーボード13がI/Oインターフエース14を介して
接続されている。また上記データバス５にROM15、RAM1
6、メモリ17およびテーチングボックス18がそのインタ
ーフエース19を介して接続されている。 さらに、上記データバス５にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、α
軸、β軸の位置決め装置20、21、22、23、24が相互にデ
ータ交換可能な状態で、接続されている。また上記位置
決め装置20、21、22、23、24には各軸に対応するモータ
25、26、27、28、29が接続され、これらの回転は、位置
検出器30、31、32、33、34により検出される。 上記制御装置４は、テーチングボックス18により指示
されるワーク２の被加工点の不連続な点位置データ群、
指定速度V1、その他必要なデータをRAM16に記憶し、必
要な補間計算を行うほか、被加工点の連結線の曲率を計
算し、それをRAM16に記憶されている指定速度V1に基づ
いて、各軸の速度制御を行う。この指定速度V1は、加工
ヘッド１の運動制御の段階で、コーナ部（コーナ点）以
外において、加工作用点３の速度（加工速度）となる。 次に第５図および第６図は、本発明のレーザ加工制御
方法による運動制御過程を示している。 テイーチングボックス18によって加工ヘッド１の加工
作用点３の移動に必要なワーク２の被加工点の不連続な
点位置データ群の座標、直線補間、円弧補間や自由曲線
補間などを指定する補間モードおよび指定速度V1などが
入力される。そこで制御装置４は、被加工点の座標を指
定された補間モードによって連続させ、被加工点の連結
線を求めるとともに、これにもとづいて加工ヘッド１の
加工作用点３の運動経路を算出するほか、その加工ヘッ
ド１の先端の加工作用点３での速度を各軸の合計速度値
として決定する。 なお、この制御で、加工ヘッド１の加工作用点３の運
動経路に障害物回避経路や緩和曲線が用いられなけれ
ば、加工ヘッド１の加工作用点３の運動経路は、常にワ
ーク２の被加工点の連結線と一致する。 今、簡単のために、第５図のＡに示すように、平面上
で、被加工点の連結線として、２直線が交わるコーナ部
において、コーナ部に入る指定速度V1が与えられ、また
コーナ点を通過した後で、コーナ部を出る指定速度V1が
与えられているとする。なお、コーナ点の内側の角度
は、コーナ角度θである。 この条件下で、まず制御装置４は、本発明の制御方法
に基づくプログラムに基づいて、加工作用点３の運動経
路での速度単位ベクトルｖを算出し、各軸での単位時間
当たりの移動量ｓを算出する。そして、この単位時間当
たりの移動量ｓは、各軸ごとに駆動データすなわちパル
ス列としてサーボ制御器20、21、22、23、24に与えられ
る。 なお、速度単位ベクトルｖの計算については、後に、
第８図とともに説明する。 そこで、サーボ制御器20、21、22、23、24はそれぞれ
の駆動データに基づいて、デジタルサーボ制御方式のも
とに、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、α軸およびβ軸に対応するサ
ーボ制御器20、21、22、23、24により駆動モータ25、2
6、27、28、29をそれぞれ回転させることにより、加工
ヘッド１の先端の加工点３を運動経路に沿って移動させ
る。 ワーク２の被加工点の連結線上で、コーナ部が第５図
のＡのように、１平面上にあるとき、制御は、Ｘ軸、Ｙ
軸に関してのみ実行され、他の軸（Ｚ軸、α軸およびβ
軸）に関して実質的に実行されない。 第５図のＢに示すよにうに、運動経路を直線上に展開
すると、加工ヘッド１の先端の加工作用点３の速度は、
コーナ部以外では一定の指定速度V1であるが、コーナ点
では計算により求められるコーナ速度V2となる。ここで
コーナ速度V2とは、加工条件として一定の指定速度V1を
指定されていても、コーナ角度θと最大指定速度Vmaxに
従って計算されるコーナ点での速度である。なお、コー
ナ部材で、コーナ点以外でも、計算により求められる加
速または減速用の速度となる。 制御装置４は、内部でコーナ速度V2を採用するか否か
を判断し、コーナ速度V2の採用時に加減速も含めて速度
値を内部的に指定する。その結果、採用されたコーナ速
度V2の値は、指定速度V1の値より小さくなり、コーナ点
での速度の急変は抑制できる。なお、鋭角のコーナ点
で、コーナ速度V2の値は、瞬間的に低くなり、その前後
で速度の方向が反転するが、コーナ点の近くで充分に減
速されているので、実用上問題となる振動は発生しな
い。 コーナ速度V2は、速度係数をＫ、サーボ系の各軸モー
タ26、27、28、29の最高出力回転数により決まる最大指
定速度をVmaxとし下記の式により表される。 V2＝Ｋ・Vmax そして上記速度係数Ｋは、角度係数をａ、角度変数を
ｋ（θ）として下記の式により表される。 Ｋ＝1/（１＋ａ・ｋ（θ）） ……（１） さらに上記角度変数ｋ（θ）は、下記の式により与え
られる。 ｋ（θ）＝|cosθ＋1| ……（２） 上記の式（１）は、180゜でＫ＝１、０゜および360゜
で最小値となる関数である。ここで角度係数ａ＞０であ
る。つまり180゜（直線）で最高速（Ｋ＝１）、０゜、3
60゜、（逆転）で最低速となるようにし、その低減の率
を、角度係数ａで調整できるようにしてある。この場
合、０゜の点で、ａ＝１で、Ｋ＝1/3、ａ＝５で、Ｋ＝1
/11となる。 また、上記の式（２）には、180゜で最小、０゜およ
び360゜で最大となる関数で、値は０゜〜360゜で正とな
る条件を満たすものである。この場合ｋ（０゜）＝２、
ｋ（180゜）＝０、ｋ（360゜）＝２となる。 ここで、コーナ点に入る前の加工作用点３に対して指
示されている速度の大きさ・方向、つまり速度ベクトル
をVi、コーナ点から出た後の加工作用点３に対して指示
されている速度の大きさ・方向、つまり速度ベクトルを
Vi+1とすると、両者の速度ベクトルVi、Vi+1の間の交差
角（コーナ角度θ）は、下記の式によって与えられる。
なお、この実施例において、コーナ点の前後で、加工作
用点３に対して、指示されている速度は、ともに指定速
度V1であるから、速度ベクトルVi、Vi+1の大きさは指定
速度V1の値と同一であり、その方向は第５図でV1の近く
に示す矢印の方向となる。 したがって、式（２）の角度変数ｋ（θ）は、｜｛−
（Vi・Vi+1/|Vi|・|Vi+1|｝＋1|から求められる。この
ため、三角関数演算が不要で、処理時間が短縮できる。
また、速度係数Ｋを求める場合には上記の値を利用し
て、簡単な四則演算により短時間に求められ、コーナ角
度180゜（直線）で１、コーナ角度０゜、360゜（逆転）
で最低値とし、その範囲で速度係数Ｋの低減率を調整可
能とする。軸制御の為の演算処理時間は短い方がよく、
長い場合に、軸が移動中に停止する場合がある。このよ
うに、処理時間の点で、上記式は、実用上有効である。 そして上記角度変数ｋ（θ）は、第６図のＡで示すよ
うに、コーナ角度θが鋭角になるにしたがって大きな値
となっている。また角度変数Ｋ（θ）より与えられる速
度係数Ｋは同図のＢで示すように、鋭角になれば小さ
く、180゜（直線）になれば最大１になる。その結果、
コーナ点でのコーナ速度V2は、同図のＣに示すように、
鋭角のときに小さな値となり、180゜（直線）で最大指
定速度Vmaxとなる。 なお、上記角度係数ａは、減速の程度を決めるパラメ
ータとして、予め入力されており、通常、１ないし５程
度の値である。もちろんこのコーナ速度V2はサーボ系の
最大出力によって決まる最大指定速度Vmaxの範囲内でな
ければならない。 ところで、あるコーナ部において、加工ヘッド１が指
定速度V1の値で運動しても、追従誤差や振動が現実に殆
ど発生しないとき、またはコーナ角度θが鈍角で、加工
ヘッド１が指定速度V1の値で運動しても、追従誤差や振
動が実用上問題にならないときには、コーナ部について
の加減速制御は行われない。 また、逆に指定速度V1＞コーナ速度V2となったとき、
制御装置４は、第５図のＢに見られるように、指定速度
V1からコーナ速度V2にいたるまでの速度値を段階的に低
下させることにより、速度値の変更過程での速度の急変
を避けながら、滑らかな速度変更をおこなう。 〔コーナ部内での滑らかな速度制御の方法〕 今、指定速度V1とコーナ点でのコーナ速度V2（V1＞V
2）とが演算して与えられているとする。 V1＝n1/τ V2＝n2/τ ……（４） ここでn1、n2は、各軸の位置決め装置20、21、22、2
3、24へ単位時間τ内に払い出すパルス数を示す。 また、制御装置４内には、予め加減速する範囲を指定
する係数ｍ（ｍ×τの時間範囲で加減速を行う。）が与
えられている。 そこで、第７図に示すように、コーナ部として、加速
あるいは減速する距離ｌは、Δｎ＝（n1−n2）/mとする
と、 となる。減速は、コーナ部に入る位置からコーナ点まで
の区間で、距離ｌだけ手前よりΔｎづつ徐々に減ったパ
ルス数を単位時間τごとに払い出させ、（ｍ×τ）時間
内に円滑に減速させ、コーナ点でコーナ速度V2になり、
コーナ点で方向を変え、それ以降はΔｎづつ逆に増加し
たパルス数を単位時間τごとに払い出させて増速し、
（ｍ×τ）時間内にコーナ部を出て指定速度V1まで円滑
に増加させる。 また、他の実施例として円弧補間時においては、コー
ナ点でのコーナ速度V2は、減速を要する限界半径をRmax
とし、また教示された円弧の半径をR2としたとき、下記
の式により求める。 V2＝Ｋ′・Vmax Ｋ′＝R2/Rmax ……（６） この場合においても、指定速度V1とコーナ速度V2との
大小関係によって、無用な減速が回避される。 〔速度単位ベクトルの計算〕 一般的な説明として、一定の速度Ｖ（m/sec）で移動
する場合、単位時間τ（sec）で補間すると、この単位
時間τ（sec）あたりの移動方向と移動量とを示すもの
が速度単位ベクトルｖである（通常τ＜＜1sec）。 よって、１（sec）当りの速度Ｖ（m/sec）を単位時間
τ（sec）当りの移動量に変換したものが速度単位ベク
トルの大きさで以下のようになる。 速度単位ベクトルｖの大きさ＝Ｖ×τ また速度単位ベクトルｖの方向は、直線補間では第８
図のように、終点Pe、始点Psとすると次式とにより表さ
れる。次式となる。 よって、始点Psでの速度単位ベクトルは次となる。 単位時間τ（sec）の移動後の位置（補間点）P1は下
記に求められる。 〔発明の効果〕 本発明では、レーザ加工用の加工ヘッドの加工作用点
がコーナ部を有する被加工点の連結線を移動する際、そ
の指定速度とコーナ点でのコーナ速度とを比較し、急激
に変化するコーナ部では振動を防止するため、あるいは
モータの負荷を抑えるため、速度を徐々に変化させるの
で、機械的な振動やサーボ制御系の追従誤差が回避で
き、加工の精度が高められる。 特に、本発明の制御方法では、指定速度がコーナ点で
のコーナ速度よりも小さいか等しいときに、コーナ点で
の速度の変更が行われないため、コーナ点での速度が必
要以上に小さく設定されず、コーナ点でレーザ光線の出
力制御を行わない場合でも、コーナ点の加工部位でレー
ザ光線が必要以上の時間にわたって照射されることがな
く、過大なレーザエネルギーによる加工幅の増大という
加工精度上の問題も回避できる。 仮に、指定速度がコーナ点でのコーナ速度より小さい
か等しいときについて、指定速度にたいして速度係数を
かけてコーナ点の速度を決めるようにすると、指定速度
にかかわらず、コーナ角度180゜以外の場合は全て指定
速度より小さなコーナ速度となり、これにともないコー
ナ部でも減速・加速をすることとなって、加工時間が全
体的に長くなり、能率が悪くなる。 これに対し、本発明では、最大指定速度にたいして、
速度係数をかけて、コーナ点でのコーナ速度を求め、こ
れと指定速度とを比較して、求めたコーナ速度が指定速
度より小さい場合のみ、コーナ部での減速・加速をする
ことにより、必要以上の減速・加速を行うことによる加
工時間が長くなるのを防止している。 また、減速係数が簡単な式で、少ない変数から求めら
れるため、演算時間が短く、これが速度制御に追従し、
また制御系に大きな負担とならない。これは、程度問題
であるが、連続的な運動制御において、実用上有効であ
る。
【図面の簡単な説明】
第１図は平面上の被加工点の連結線の説明図、第２図は
立体的な被加工点の連結線の説明図、第３図はワークと
トーチとの位置関係を示す斜視図、第４図は制御装置の
ブロック線図、第５図はコーナ部での速度関係を示す説
明図、第６図はコーナ角度と角度変数および指定速度と
の関係を示すグラフ、第７図は加減速の説明図、第８図
は直線補間の説明図である。 １……加工ヘッド、２……ワーク、３……加工作用点、
４……制御装置。
立体的な被加工点の連結線の説明図、第３図はワークと
トーチとの位置関係を示す斜視図、第４図は制御装置の
ブロック線図、第５図はコーナ部での速度関係を示す説
明図、第６図はコーナ角度と角度変数および指定速度と
の関係を示すグラフ、第７図は加減速の説明図、第８図
は直線補間の説明図である。 １……加工ヘッド、２……ワーク、３……加工作用点、
４……制御装置。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 １．レーザ加工用の加工ヘッドの運動制御において、教
示されたワークの被加工点の不連続な座標、指示された
補間モードおよび加工ヘッドの先端の加工作用点の指示
された指定速度をもとに被加工点の連結線でのコーナ角
度θにより速度係数Ｋを角度係数ａ、角度変数ｋ（θ）
およびコーナ点に入る前の加工作用点の指示された指定
速度の大きさ・方向（速度ベクトルVi）、コーナ点から
出た後の加工作用点の指示された指定速度の大きさ・方
向（速度ベクトルVi+1）により下記の式から計算する過
程と、 Ｋ＝1/（１＋ａ・ｋ（θ）） ｋ（θ）＝|cosθ＋1| ＝｜｛−（Vi・Vi+1）/|Vi|・|Vi+1|｝＋1| 上記計算過程で求められた速度係数Ｋに、サーボ系の最
大出力によって決まる最大指定速度を乗じてコーナ点で
のコーナ速度を計算する過程と、このコーナ速度と指定
速度とを比較する過程と、指定速度≦コーナ速度のと
き、指定速度について無用の速度変更を行わないで加工
作用点の運動を制御する過程と、指定速度＞コーナ速度
のとき、コーナ部に入る位置からコーナ点までの区間で
指定速度をコーナ速度まで減速するのに必要な距離、コ
ーナ点からコーナ部を出る位置までの区間でコーナ速度
を指定速度まで加速するのに必要な距離、およびこれら
の距離区間で一定時間毎の加減速に必要な速度変化を計
算する過程と、減速および加速のための距離および上記
速度変化を入力としてコーナ部内でコーナ角度θに応じ
て指定速度または前記計算された速度で加工ヘッドの先
端の加工作用点を制御する過程とからなり、コーナ部内
での速度の急変を避けながら自動的に加減速することを
特徴とするレーザ加工用運動制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59116166A JP2676506B2 (ja) | 1984-06-06 | 1984-06-06 | レーザ加工用運動制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59116166A JP2676506B2 (ja) | 1984-06-06 | 1984-06-06 | レーザ加工用運動制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS60262212A JPS60262212A (ja) | 1985-12-25 |
| JP2676506B2 true JP2676506B2 (ja) | 1997-11-17 |
Family
ID=14680417
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59116166A Expired - Lifetime JP2676506B2 (ja) | 1984-06-06 | 1984-06-06 | レーザ加工用運動制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2676506B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2514191B2 (ja) * | 1986-10-15 | 1996-07-10 | フアナツク株式会社 | レ−ザ加工用のｎｃパ−トプログラム作成方法 |
| JPH0690647B2 (ja) * | 1986-10-22 | 1994-11-14 | 株式会社牧野フライス製作所 | 機械加工システム |
| JPS63206804A (ja) * | 1987-02-24 | 1988-08-26 | Fanuc Ltd | 数値制御方式 |
| JP2566276B2 (ja) * | 1988-03-22 | 1996-12-25 | 三菱重工業株式会社 | 自動許容速度演算ｎｃ装置 |
| JPH04169905A (ja) * | 1990-11-01 | 1992-06-17 | Fanuc Ltd | ３次元レーザの座標変換方式 |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS55118107A (en) * | 1979-03-05 | 1980-09-10 | Hitachi Ltd | Method and device for control of automatic working device |
-
1984
- 1984-06-06 JP JP59116166A patent/JP2676506B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS60262212A (ja) | 1985-12-25 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |