JP2696714B2 - パイプの接合部加工方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、少なくとも直交３軸および回転２軸よりな
る５軸制御可能な加工ヘッドによりパイプの接合部をレ
ーザ切断加工する方法に関する。

〔従来技術〕

例えば手すりなどの構造物をパイプで構成するとき、
それらのパイプの接合部分は、溶接などによって接合さ
れる。この場合、それぞれのパイプの接合部分が相貫線
に沿って予め端面加工またはくり抜き加工されておれ
ば、両パイプの接合部分の納まりがよく、また溶接も良
好な状態となる。

従来、このようなパイプの接合部の加工は、予め見本
を作成し、その見本の相貫線に沿って５軸制御可能な加
工ヘッドを実際に移動させることによって直接ティーチ
ングしている。このようなティーチング方法によると、
予め見本の製作が不可欠であり、また、ティーチング作
業がめんどうであるほか、そのティーチングの精度も低
いため、作業能率が悪く、また接合の仕上がり状態もよ
くない。

〔発明の目的〕

したがって、本発明の目的は、上記のような直接ティ
ーチング手法によらないで、パイプの接合部の加工に際
し、必要なパイプ形状データから少なくとも５軸の制御
データでなる加工ヘッドの教示データ、例えば加工経路
および姿勢データ等を演算により自動的に求められるよ
うにすることである。

〔発明の解決手段〕

上記目的のもとに、本発明は、レーザ加工の特殊性お
よび接合時の溶接加工の形状を考慮し、パイプの端面加
工またはくり抜き加工に際し、加工ヘッドのトーチを常
にパイプの中心軸に向け、レーザ光をパイプの表面に対
し直交状態で当て、端面加工またはくり抜き加工の端面
形状をパイプ外周面に対し直角な状態で形成し、レーザ
光の利用効率を高め、またその端面で２本のパイプの接
合時に溶着ないし溶接用の開先きを形成するようにして
いる。

そして、本発明の加工方法では、端面加工およびくり
抜き加工に必要な教示データ作成機能がコンピュータに
プログラムとして格納されている。したがって、オペレ
ータは、パイプの外径や肉厚など加工に必要なパイプ形
状データを入力すれば、コンピュータは、そのプログラ
ムを実行することによって、少なくとも５軸制御可能な
加工ヘッドの姿勢および加工経路に必要な教示データを
自動的に作成していく。

〔パイプの接合状態〕

第１図は、パイプＡとパイプＢとの接合部分を示して
いる。同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は平面図、同図
（ｃ）は側面図である。パイプＡおよびパイプＢは、90
゜の突き合わせ角度で、それぞれの中心線Ca、Cbを交差
させた状態で接合しており、それらの接合部の境界部分
で相貫線Ｌを形成している。なお、パイプＡおよびパイ
プＢの外径は、それぞれDa、Dbであり、またそれぞれ肉
厚は、Ta、Tbである。

次に、第２図および第３図は、接合部の構造を示して
いる。

まず、第２図の接合構造は、パイプＡの端面をパイプ
Ｂの側面に当接させた状態で接合される。この場合、パ
イプＡの端面は、その外周面に対し直角に形成されてい
るため、パイプＢの外周面に対し相貫線Ｌに沿って内周
部分でのみ接し、外周部分に溶着ないし溶接に適切な開
先きＷを形成している。したがって、この接合構造で
は、パイプＡについての端面加工が必要となる。

次に、第３図の接合構造は、パイプＡをパイプＢに対
し貫通させた状態で接合されている。この場合、パイプ
Ａの外周部分は、パイプＢのくり抜き加工後の内周部分
に対し相貫線Ｌに沿って接している。そして、このパイ
プＢのくり抜き部分はその外周面に対し直角に形成され
ているため、相貫線Ｌの外周部分は、前記と同様に溶着
ないし溶接のための開先きＷとして形成される。したが
って、この接合構造では、パイプＢについてくり抜き加
工が必要となる。

ところで、上記パイプＡの端面加工の場合に、接合部
分の体裁や強度および溶着ないし溶接に必要な開先きＷ
の形成のために少なくとも、下記の条件が成立しなけれ
ばならない。

Da≦Db ……（ア） 一方、上記パイプＢのくり抜き加工の場合に、接合部
分の体裁や強度および溶着ないし溶接に必要な開先きＷ
の形成のため、そしてパイプＡがパイプＢ内に貫通でき
るためには、少なくとも下記の条件が満たされなければ
ならない。

Da≦Db−2Tb ……（イ） 〔加工システムの構成〕 次に、第４図は加工システムの構成を示している。

上記端面加工およびくり抜き加工に必要な教示データ
は、コンピュータ１の教示データ作成機能によって演算
され作成される。このコンピュータ１は、５軸制御用の
コントローラ２の他、データ表示用のディスプレイ３、
データ入力用のキーボード４、プログラムおよびデータ
格納用のメモリ５に対し、双方向的にデータ伝送可能に
接続されている。

さらに、上記コントローラ２は、３次元制御用の駆動
装置６および加工ヘッド７の回転２軸α、βの各駆動部
９、10に接続されている。駆動装置６は、３次元すなわ
ちＸ、Ｙ軸およびＺ軸方向の直交座標上で、加工ヘッド
７を所定の位置に移動させる。

次に、第５図は、上記加工ヘッド７の構成を示してい
る。

加工ヘッド７は、Ｚ軸を中心に回転するα軸に取り付
けられており、さらにα軸に対し45゜の交角をもって回
転するβ軸を有し、このβ軸にトーチ８が取り付けられ
ている。そして、このトーチ８の先端に在るレーザビー
ム焦点すなわち加工点Ｐはレーザ加工を行う際、α軸お
よびβ軸が回転してもＸ、Ｙ、Ｚ座標が変化しない点を
なしている。

このようにして、加工ヘッド７はいわゆる一点指向形
ヘッド構造となっている。

〔発明の内容〕

次に、第６図は本発明のパイプの接合部加工方法の一
実施例としてのフローチャートを示している。

既に明らかなように、この加工プログムは、メモリ５
に格納されている。オペレータは、加工に際し、ディス
プレイ３で入力手順を確認しながら加工に必要なデータ
を入力していく。

まず、オペレータは、ディスプレイ３の表示に従っ
て、端面加工またはくり抜き加工のいずれかを選択す
る。前記のように、端面加工では、パイプＡのみが加工
対象となり、またくり抜き加工では、パイプＢのみが加
工対象となる。これらの加工は、接合後のパイプＡ、Ｂ
の用途に応じて、その接合部分の体裁や強度などを考慮
して決定するものとする。

この加工の選択が終了すると、コントローラ２は、次
のステップを実行し、オペレータに対しパイプＡ、Ｂの
外径Da、Dbおよびそれらの肉厚Ta、Tbの入力を要求す
る。オペレータは、その要求に従って、それぞれのデー
タをキーボード４によって入力していく。

そのあと、プログラムは、選択された加工に対して、
入力後のデータについて前述の条件（ア）または（イ）
が成立しているかどうか判断する。その条件が成立して
いないならば、最初のステップに戻り、オペレータに対
し加工の再選択あるいはデータ再入力を促す。一方、上
記判断ステップでその条件が成立していると、次にオペ
レータに対し教示データ作成ポイント数Ｎの入力を要求
する。この教示データ作成ポイント数Ｎは、加工経路を
滑らかに作成するために加工点Ｐを求めるための分割数
であって、すなわち第１図に例示するように、パイプＡ
の中心線Ca上の中心角の等分割数である。ポイント数Ｎ
が入力されると、コンピュータ１は、メモリ５から上記
選択された加工にあった演算式に基づいて加工ヘッド７
の５軸制御に必要な教示データを作成する。

パイプＡの端面加工の場合に下記の演算が行われる。

ここで、第７図で示すように、パイプＡの中心線Caを
Ｚ軸と一致させ、パイプＢの中心線CbをＸ軸と一致さ
せ、さらにこのＸ軸およびＺ軸と直交するパイプＢの径
方向をＹ軸と一致させている。そして、加工点Ｐの座標
を（ｘ、ｙ、ｚ）とすると、まず、加工位置の相貫線Ｌ
について下記の式が成立する。

まずｙの座標値は、 の範囲内であるから、下記の式により求められる。

ここで、θは下記で与えられ、ｎは整数であり、下記
の範囲内である。

θ＝360゜/N １≦ｎ≦Ｎ−１ 次に、ｘの座標値は、上記式で求めたｙの値を式
（１）に代入することによって求められる。

さらに、ｚの座標値は、パイプＡの内面とパイプＢの
外表面とが接することから、式（３）よりｙの座標値を
前記式（２）に代入することによって求められる。

ここで、求めたｘ、ｙ、ｚの値は、パイプＡの肉厚Ta
を考慮していない。レーザ加工の場合は、パイプ外表面
上に加工点Ｐ′をおくため、肉厚Taを考慮した加工点
Ｐ′の座標をｘ′、ｙ′、ｚ′とすると、各座標値は下
記の式によって求められる。

以上により、ｘ′、ｙ′、ｚ′が求まる。

次に、トーチ姿勢データとなるα、βは下記の式にて
求められる。

はトーチ方向ベクトルで、ｉ、ｊ、ｋはＸ、Ｙ、Ｚ方向
の各ベクトル成分である。

ここで、パイプＡの加工時の条件としてベクトル成分
ｋは、０であるので、上記（４）式よりβ＝±180゜と
なる。すなわち、β_ｎは常に一定である。

また、αの値は、下記の式より求められる。

α_ｎ＝ｎθ 次に、パイプＢのくり抜き加工の場合に、下記の演算
が行われる。

ここで、第８図に示すように、パイプＢ上の相貫線Ｌ
における点Ｐの座標を（ｘ、ｙ、ｚ）とすると、下記の
式が成立する。

上記（５）（６）式によりｘ、ｙ、ｚが求められる。

ここで、求めたｘ、ｙ、ｚの値は、パイプＢの肉厚Tb
を考慮していない。レーザ加工の場合は、パイプ外表面
上に加工点Ｐ′をおくため、肉厚Tbを考慮した加工点
Ｐ′の座標をｘ′、ｙ′、ｚ′とすると、各座標値は下
記の式によって求められる。

以上によりｘ′、ｙ′、ｚ′が求まる。

次に、α、βは、上記の（４）式にて求められるが、
ここで、パイプＢの加工時の条件として、加工点Ｐ′で
のトーチ８の向きは常にその加工点Ｐ′を通るパイプＢ
の外円の中心を向くため、トーチ方向ベクトル のＸ方向成分は常に０である。これにより、下記の式を
（４）式に代入することによって、α、βの値が求めら
れる。

このような演算が完了した時点で、オペレータは、ジ
グ・ワークを所定の位置にセットし、次にプログラムの
要求に応じて、端面加工またはくり抜き加工に必要な加
工原点を指定する。通常、この加工原点は、パイプＡの
中心線上に設定される。

このような設定値の後に、オペレータは、加工開始の
指令をコンピュータ１に与える。

ここで、コンピュータ１は、この指令を受けて、それ
ぞれの加工に必要な教示データを５軸制御用のコントロ
ーラ２に与え、駆動装置６によってレーザ焦点をＰ点に
移動し、また同時にα軸およびβ軸を駆動して、トーチ
８の姿勢を制御していく。

コントローラ２は、端面加工のときに、トーチ８を常
にＸ−Ｙ座標平面上で平行な状態とし、かつその加工点
Ｐを常にパイプＡの中心線Ca上に向けて、当該パイプＡ
の周りに沿って、相貫線Ｌ上に移動させる。このため、
レーザビームは、加工面に対し常に垂直な状態で照射さ
れ、ほとんど反射せず、能率よく利用される。

また、パイプＢのくり抜き加工でも、トーチ８は、常
にパイプＢの中心線Cb上に向けられており、パイプＢの
外周面に対し垂直な状態で照射され、パイプＢの内周部
分を相貫線Ｌに沿って環状にくり抜く。この結果、パイ
プＢのくり抜き部分は、パイプＡの方向から見て内周部
分で真円となっているが、外周部分で楕円状となってい
る。

このような、端面加工またはくり抜き加工で、パイプ
Ａの断面またはパイプＢのくり抜き断面は、それらのパ
イプＡ、Ｂを接合するときに、接合部分の相貫線Ｌに沿
った形状となっており、しかも溶着ないし溶接に適切な
開先きＷを形成している。したがって、その後に必要な
溶着ないし溶接は、その空間部分を開先きＷとして、良
好な状態で接合できる。

なお、上記具体例は、パイプＡ、Ｂをともに真円状と
しているが、これらのパイプＡ、Ｂは、楕円状であって
も、また角型あるいは多角形状であっても同様な方式に
よりレーザ加工をなしうる。

〔他の実施例〕

第６図のフローチャートで説明したような最初に端面
加工かくり抜き加工かを選択してからデータ入力する方
法の他に、第９図のフローチャートで示すようなデータ
入力に基づいていずれの加工を行うか自動選択する方法
を用いることもできる。

この方法では、プログラムにより予めくり抜き加工を
優先的に行くように設定してある。パイプＡ、Ｂの外径
および肉厚のデータ入力ののち、上記した（イ）式の条
件が成立しているかが判断され、この条件が成立してい
れば、次の教示データ作成ポイント数Ｎのデータ入力、
続いてくり抜き加工のための教示データの演算が行わ
れ、ジグ・ワークセットののち加工原点指定すること
で、パイプＢのくり抜き加工が行われる。一方、上記の
判断ステップで（イ）式の条件が成立していなかった場
合、（ア）式の条件成立が判断され、この条件が成立し
ていれば、同様にしてＮのデータ入力の後、続いて端面
加工のための教示データの演算が行われ、ジグ・ワーク
セットののち、加工原点指定することで、パイプＡの端
面加工が行われる。

なお、条件式（ア）と（イ）とも成立しなかった場合
はデータの再入力を促すようになっている。

反対に、端面加工を優先的に行うようにすることも同
様な方法で容易に成し得る。

また、教示データ作成ポイント数Ｎの入力は、パイプ
Ａ、Ｂの外径および肉厚のデータ入力と同時に行うよう
にしてもよい。この場合、データ入力が一度に行えるた
め、処理時間を短縮することができる。

発明の効果 本発明では、次の特有の効果が得られる。

端面加工またはくり抜き加工について、加工に必要な
最小限度のデータ入力によって、それぞれの加工に必要
な加工ヘッドのトーチの加工経路および姿勢データが演
算によって自動的に求められる。したがって、従来のよ
うなティーチングによるデータ作成が必要とされず、異
なる寸法のパイプに対しても高精度でかつ迅速に教示デ
ータの作成ができる。

また、パイプ形状データの入力に基づいて、端面加工
またはくり抜き加工にそれぞれ必要な条件成立の確認を
行うため、いずれの加工を行うか自動選択することも可
能となる。

パイプについての端面加工またはくり抜き加工のいず
れの加工でも、加工経路に対しトーチが常に中心線に向
く方向に姿勢制御されるため、レーザ加工には特に有効
に利用できる。

さらに、加工時にビームが常に外周面に対し直角方向
に照射され、端面加工後の端面、または切り抜き加工後
の切り抜き端面が常に他のパイプの接合部との間で溶着
ないし溶接に適切な開先きが形成されるため、その後の
溶接の仕上がりが良好となる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はパイプ接合部分の正面図、同図（ｂ）は
その平面図、同図（ｃ）はその側面図、第２図は端面加
工での接合部分の断面図、第３図はくり抜き加工での接
合部分の断面図、第４図は加工システムのブロック線
図、第５図は加工ヘッドの側面図、第６図は本発明の加
工方法に基づくフローチャート、第７図（ａ）は端面加
工の教示データ作成方法を説明するためのＺ−Ｙ平面
図、同図（ｂ）は同上Ｘ−Ｙ平面図、第８図（ａ）はく
り抜き加工の教示データ作成方法を説明するためのＺ−
Ｙ平面図、同図（ｂ）は同上Ｘ−Ｙ平面図、第９図は他
の実施例を示すフローチャートである。 １……コンピュータ、２……コントローラ、３……ディ
スプレイ、４……キーボード、５……メモリ、６……駆
動装置、７……加工ヘッド、８……トーチ、Ａ、Ｂ……
パイプ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも直交３軸および回転２軸よりな
   る５軸制御可能な加工ヘッドを用いたレーザ加工方法に
   おいて、２本のパイプを交差状態で接合するに際し、一
   方のパイプの端面を接合部の相貫線に沿って外側面に対
   して直角方向からレーザ加工により切断する端面加工
   と、他方のパイプの側面を接合部の相貫線に沿って外側
   面に対して直角方向からレーザ加工により切り抜くくり
   抜き加工とのいずれかを選択可能とし、２本のパイプの
   加工に必要なそれぞれのパイプ形状データを入力するこ
   とで、これらの入力データについて上記選択された加工
   に対応する必要な条件の成立を確認してから、その加工
   に必要な少なくとも５軸の制御データからなる加工ヘッ
   ドの教示データを演算により求め、加工指令に基づいて
   上記選択された端面加工およびくり抜き加工のいずれか
   を実行することを特徴とするパイプの接合部加工方法。