JP3257924B2

JP3257924B2 - 三次元レーザ加工機における法線検出方法およびその装置

Info

Publication number: JP3257924B2
Application number: JP10874195A
Authority: JP
Inventors: 弘之堀井; 勇一森田
Original assignee: 株式会社日平トヤマ
Priority date: 1995-05-02
Filing date: 1995-05-02
Publication date: 2002-02-18
Anticipated expiration: 2017-02-18
Also published as: JPH08300171A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、立体ワークを加工する
ための三次元レーザ加工機において、ティーチング時の
ワーク加工面に対する法線立てを自動化するための法線
検出方法およびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からレーザ光を用いて立体ワークを
切断または溶接する三次元レーザ加工装置において、
Ｘ、Ｙ、Ｚ軸制御と加工ヘッドに備えたノズル姿勢を加
工面に対して、法線方向に姿勢制御する装置はよく知ら
れている。

【０００３】図１は従来の三次元レーザ加工機の全体構
成図を示す。１は門型構造の加工機本体を示し、ベッド
２には立体形状のワークＷを載置したテーブル３がＸ軸
方向すなわち紙面垂直方向に摺動自在に設けられ、この
テーブル３の上方において加工機本体１に対しサドル４
がＹ軸方向すなわち紙面左右方向に摺動自在に設けら
れ、さらにこのサドル４には加工ヘッド本体５がＺ軸方
向すなわち紙面上下方向に摺動自在に設けられている。
テーブル３はＸ軸モータ（図示せず）、サドル４はＹ軸
モータ（図示せず）、加工ヘッド本体５はＺ軸モータ
（図示せず）によりそれぞれ送り駆動される。

【０００４】加工ヘッド本体５はレーザ光が通るように
円筒形をなし、その光軸ＬをＺ軸方向に向けている。そ
して、この加工ヘッド本体５には加工ヘッド６が取り付
けられている。

【０００５】この加工ヘッド６は、加工ヘッド本体５に
対しその光軸Ｌを中心に回転自在に取り付けられヘッド
本体５に対しレーザ光の光軸を２つのミラーＭ1、Ｍ2を
介して所定角度に導く第１回転筒７と、この第１回転筒
７に対しその光軸を中心に回転自在に設けられレーザ光
の光軸を第１回転筒７に対し２つのミラーＭ3、Ｍ4を介
して所定角度に導く第２回転筒８と、この第２回転筒８
の先端に光軸方向に移動自在に設けられたノズル９とで
構成されている。第１回転筒７はα軸モータ（図示せ
ず）、第２回転筒８はβ軸モータ（図示せず）によりそ
れぞれ回転駆動され、このα、β軸を制御することによ
ってノズル９の姿勢を変更可能にしている。

【０００６】レーザ発振器１０から発振されたレーザ光
はミラーＭ5を介して加工ヘッド本体５内に導かれ、加
工ヘッド６の第１回転筒７および第２回転筒８の内部に
設けたミラーＭ1、Ｍ2、Ｍ3、Ｍ4を介して先端のノズル
９へ導かれる。そして、レーザ光はノズル９内に設けた
レンズ２４によって集光されノズル９先端からの所定の
点でその焦点Ｐを結ぶように照射される。この加工ヘッ
ド６の場合、加工ヘッド本体５、第１回転筒７そして第
２回転筒８から放射する位置のの各光軸の延長線が常に
１点Ｐで交わるように構成されている。図２で示す光軸
Ｌの、α軸とβ軸に対するヘッド姿勢が変化してもノズ
ル９からのレーザ光の焦点Ｐ位置は移動しないいわゆる
一点指向型の加工ヘッドになっている。つまり、加工位
置はＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸により決定され、ノズル姿勢
はα、βの２つの回転軸により決定される。

【０００７】このような三次元レーザ加工機の加工プロ
グラムを作成する方法として、一般的にワークＷのけが
き線から加工軌跡を予めティーチングしておき、そのテ
ィーチングされた加工プログラムに従って加工するティ
ーチングプレイバック方式が用いられている。

【０００８】図２は従来のティーチング方法を説明する
ための加工ヘッド６部分の詳細図である。１１はワーク
Ｗの表面に設定されたけがき線を示し、Ｐはレーザ光の
焦点位置を示している。

【０００９】ティーチングの際はこの加工ヘッド６の先
端からノズル９を取り外し、代わりに図３で示すような
ティーチングホルダ１２を取り付ける。ティーチングホ
ルダ１２の先端には針の形状を成すピン１３が設けら
れ、このピン１３はティーチングホルダ１２内でばねを
介して固定されており、外力が加わると上下、左右に揺
動するようになっている。ピン１３の先端は前記ノズル
９から照射されるレーザ光の焦点Ｐと一致する位置に設
定されている。

【００１０】そして、例えば図４で示すようなジョイス
テックレバー１４や図５で示すようなティーチングボッ
クス１５のヘッド教示手段を使ってＸ、Ｙ、Ｚ軸を操作
し、加工ヘッド６に取り付けられたティーチングホルダ
１２の先端のピン１３を、けがき線１１に合わせたの
ち、ティーチングホルダ１２の軸線がワークＷ表面に対
し法線方向に向くように上記ジョイステックレバー１４
等を使って加工ヘッド６の姿勢を調整した後、その点の
座標データＸ、Ｙ、Ｚおよび姿勢データα、βを制御装
置のメモリに記憶させる。このようにして、けがき線上
の複数の点をティーチングし、加工プログラムを作成し
ていた。

【００１１】レーザ加工の際は図２に示すように、加工
ヘッド６からティーチングホルダ１２を取り外し、再び
ノズル９に交換する。この場合、レーザ光の焦点Ｐは図
３で示すピン１３の先端座標と一致した構成としている
ので、先にティーチングしたけがき線１１の座標と一致
する。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の三次元レーザ加
工機におけるティーチング作業は、レーザ加工開始前に
加工ヘッド６からノズル９を取り外してティーチングホ
ルダ１２に交換し、ティーチングが終了するとティーチ
ングホルダ１２を取り外して再びノズル９に交換すると
いう作業が必要であり、作業時間のむだが生じていた。

【００１３】また、ティーチングホルダ１２のピン１３
先をワークＷ表面のけがき線１１に一致させることや、
ティーチングホルダ１２を加工面に対し、法線方向に向
けるために、α軸およびβ軸をジョイステックレバー１
４等で操作しながら姿勢調整することが面倒で熟練を要
するものであり、時間のかかる作業であった。

【００１４】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、三次元レーザ加工機におけるティーチング作
業の軽減を図ることを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明の請求項
１および３の発明は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直角座標系とα、
β軸の姿勢軸とで制御される加工ヘッドの先端にノズル
を光軸方向に移動自在に設けたＣ軸で構成し、このノズ
ル先端とワークとの間のギャップ量を検出するギャップ
センサにより上記ギャップ量を一定に保持するようにノ
ズルの移動量を制御するギャップコントロール手段を設
けた三次元レーザ加工機において、ワークに設けられた
けがき線を指定してティーチングするための前記ノズル
先端から可視光スポットを発生させる手段を備え、加工
ヘッドのノズル先端をワーク表面の教示点に対しほぼ法
線方向に向けるように位置決めし、この時の座標データ
および姿勢データを基に、教示点を囲む教示点付近の３
点を算出して加工ヘッドをその都度Ｃ軸線上に、一端ワ
ークから遠ざかる方向に移動した後に、その３点に順次
移動させ、このときのノズルとワーク間の距離を一定に
保つ位置で、教示点付近のワーク表面における３点の座
標を検出し、この３点で形成される平面に対する法線ベ
クトルを求め、この法線ベクトルにノズル姿勢を一致さ
せるように加工ヘッドの姿勢データを演算し、この姿勢
データに基づいて加工ヘッドを上記教示点において姿勢
変更するようにしたものである。

【００１６】また請求項２の発明は、上記教示点付近の
３点は、上記教示点に位置決めされたノズルの光軸と直
交する面で上記教示点を中心とする所定半径の円周上の
３点を求めるものである。

【００１７】また請求項４の発明は、上記ヘッド位置決
め手段は、ノズルに設けられワーク表面のけがき線を映
し出す撮像手段と、ノズル内のレンズを通してワークに
照射される可視光スポット発生手段と、上記けがき線と
けがき線に対する可視光スポットを画面に表示するモニ
タ装置と、このモニタ装置を見ながら可視光スポットを
けがき線上に合わせるように加工ヘッドのＸ、Ｙ、Ｚ、
α、β軸を操作するためのヘッド操作手段とでなるもの
である。

【００１８】また請求項５の発明は、上記教示姿勢変更
手段は、法線ベクトルで求められたα、βの姿勢データ
を用いて加工ヘッドの姿勢を変更したときに上記教示点
の位置が変わらないようにその教示点に対し加工ヘッド
のＸ、Ｙ、Ｚの座標データを演算し、この座標位置に加
工ヘッドを移動させるものである。

【００１９】

【作用】ティーチングの際、ノズルを立体ワーク表面の
教示点にほぼ法線方向に向けて近付け、その位置での
Ｘ、Ｙ、Ｚ、α、βデータおよびノズルの移動量データ
を取り込むことにより、教示点を囲む教示点付近におけ
る３点の座標が算出されてその位置へ加工ヘッドが移動
され、その位置でギャップコントロールされた加工ヘッ
ドのＸ、Ｙ、Ｚ、α、βおよびノズル移動量データから
教示点付近のワーク表面における３点の座標が検出さ
れ、この３点で形成される平面に対する法線ベクトルが
算出される。これにより、この法線ベクトルにノズル姿
勢を一致させるためのα、βの姿勢データが得られる。
したがって、従来のようなノズルとティーチングホルダ
との交換作業の必要がなく、ノズルのまま法線検出が自
動的に行われ、ティーチング作業が容易に行える。しか
も、教示点を囲む３点から平面座標を検出しているの
で、教示点が例えば変曲面上にあるときでも、その点お
ける加工面を正確に測定できる。

【００２０】また、教示点付近座標は、教示点を中心と
する所定半径の円周上から３点を演算して求めるので、
教示点の加工面に最も近い平面を容易に設定でき、ヘッ
ド移動によりギャップコントロールによるノズル移動量
成分を含めた教示点付近のワーク表面上の３つの座標点
を容易に検知することができる。

【００２１】また、教示点に対し位置決めする際、モニ
タを見ながらノズルから発生される可視光スポットをけ
がき線と一致させるように加工ヘッドを位置決め操作す
ることにより、作業性もよく、教示点座標が高精度に検
出でき、作業ティーチングを正確に行うことができる。

【００２２】さらに、検出された法線データに対応する
α、βの姿勢データを用いて加工ヘッドの姿勢を変更し
たときに最初の教示点データに基づく教示点位置が変わ
らないようにその教示点に対し加工ヘッドのＸ、Ｙ、Ｚ
の座標データを演算し、この座標位置に加工ヘッドを移
動させることにより、いかなる形状の加工ヘッドにおい
ても、加工ヘッドを最初の教示点に法線方向の姿勢で正
確に位置決めできる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図６ないし図９に
基づいて説明する。本実施例の三次元レーザ加工機は上
述した図１および図２で示す従来のものとその制御軸構
成を同一にしているため、同一箇所は同一符号を付しそ
の説明は省略する。本発明の三次元レーザ加工機は上述
した制御軸Ｘ、Ｙ、Ｚ、α、βに加え、さらに加工ヘッ
ド１６のノズル１９を光軸方向に進退移動させるギャッ
プコントロール軸（Ｃ軸）を備えている。

【００２４】図６は加工ヘッド１６先端部分を示す断面
図である。ノズル１９は、その取り付け筒部１９ａを第
２回転筒８の先端円筒部に挿入し、光軸方向に摺動自在
に取付けられている。そして、ノズル１９は上記取り付
け筒部１９ａにおいて図示しないＣ軸モータによって光
軸方向に進退駆動されるノズル移動手段に連結されてい
る。また、ノズル１９の先端には、ノズル１９とワーク
Ｗ間のギャップ量を静電容量にて検出するギャップセン
サ２０が設けられている。ギャップセンサ２０は、セン
サケーブル２１を介して後述するＣＮＣ装置２２内のギ
ャップ制御部２３に接続され、上記ギャップ量が常に一
定に保たれるようにＣ軸モータが制御されてノズル１９
が移動調整される。このギャップセンサ２０、センサ制
御部２３、Ｃ軸モータおよびＣＮＣ装置２２によってギ
ャップコントロール手段が構成されている。

【００２５】また、ノズル１９内部にはレーザ光を集光
させるためのレンズ２４が設けられ、さらにレンズ２４
より先端側の空間部に位置してノズル１９の照射口１９
ｂから覗ける範囲でワークＷ上の加工線１１や可視光ス
ポット２５を撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ２
６を備えている。このカメラ２６は小型にしてレーザ光
と干渉しない様にレーザ光の光軸Ｃとは所定角度でノズ
ル１９の内側側部に取り付けられている。

【００２６】図７は三次元レーザ加工機を制御するＣＮ
Ｃ装置２２を示す。このＣＮＣ装置２２内のＣＰＵ２７
には教示点において加工ヘッド１６を移動し、教示点付
近のワークＷ表面における３点の座標測定を行うための
平面座標測定手段２８と、上記ワークＷ表面における３
点の座標から法線ベクトルを求めこの法線ベクトル方向
とノズル姿勢が一致するようにα、βの姿勢データを演
算する法線方向演算手段２９と、この姿勢データによっ
て第１回転筒７および第２回転筒８を回転調整して姿勢
変更させるとともにもとの教示点にヘッド１６を移動さ
せる教示姿勢変更手段３０とを備えている。

【００２７】上記ＣＰＵ２７にはデータバス３２を介し
て位置検出部３３、ギャップ制御部２３、メモリ３４、
モータ制御部３５、Ｉ／Ｏインターフェイス部３６、画
像処理部３７がそれぞれ接続されている。

【００２８】位置検出部３３はＸ、Ｙ、Ｚ、α、β、Ｃ
軸のモータに取付けられたエンコーダ（図示せず）の位
置検出パルスから与えられるパルスを計数する位置カウ
ンタで構成している。ギャップ制御部２３はギャップセ
ンサ２０から検出された静電容量に基づいてモータ制御
部３５に信号を送り、ノズル１９先端とワークＷ間のギ
ャップ量が常に一定になるようにＣ軸モータを制御して
ノズル１９を移動調整するものである。メモリ３４は三
次元レーザ加工機を制御するシステムプログラムや、後
述する法線検出の過程において使用する複数の座標デー
タ、姿勢データおよびノズル１９の移動量データ等を記
憶している。モータ制御部３５は各制御軸Ｘ、Ｙ、Ｚ、
α、βおよびＣ軸のモータをそれぞれ制御する。Ｉ／Ｏ
インターフェース部３６はヘッド教示手段としてのティ
ーチングボックス１５やレーザ発振器１０に接続され、
ＣＮＣ装置２２のＣＰＵ２７との制御信号の中継を行っ
ている。画像処理部３７にはモニタ装置３８が接続さ
れ、このモニタ装置３８は上記カメラ２６から取り込ま
れたワークＷ上のけがき線１１と可視光スポット２５を
映し出すようになっている。

【００２９】可視光スポット２５は、レーザ発振器１０
の内部に設けた可視光レーザとしてのＨｅ−Ｎｅレーザ
発振部（図示せず）から、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光を発振さ
せることで、加工ヘッド１６内からレンズ２４を介して
ノズル１９先端部近くのワークＷ上にスポットとなって
表示される。

【００３０】次に、ティーチングの際に上記平面座標測
定手段２８、法線方向演算手段２９、教示姿勢変更手段
３０において行われる法線検出の処理フローを図８によ
り、そのときの加工ヘッド１６の動作を図９より順を追
って説明する。

【００３１】図９において、点Ｐ0は最初に教示される
ワークＷ表面のけがき線１１上の１教示点であり、３９
は加工ヘッド１６にてこのＰ0点を教示したときのノズ
ル１９の光軸を示す仮想線である。点Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3は
教示点Ｐ0を囲む教示点付近の３点の仮想点で、上記光
軸３９と直交する平面における点Ｐ0を中心とする所定
半径の円周上の等分割点である。また、Ｐ0’、Ｐ1’、
Ｐ2’、Ｐ3’はそれぞれＰ0、Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3から光軸３
９方向に所定距離ＨだけワークＷ表面から遠ざかる方向
に設定される空間上の仮想点である。さらに、点Ｑ1、
Ｑ2、Ｑ3は、教示点付近のワーク表面上における３点を
示し、加工ヘッド１６を点Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3にそれぞれ移
動させたときのギャップコントロールによるノズル移動
量成分（Ｃ軸成分）の増減量を含めて算出されるワーク
Ｗ上の座標点である。これらの座標値は上記平面座標測
定手段２８により測定される。

【００３２】そして、４０は上記Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3の３点
を結んで形成される平面に対する法線ベクトルを示す。
この法線ベクトル４０は上記法線ベクトル演算手段２９
にて演算される。

【００３３】図８において、まず作業者はヘッド位置決
め手段としての可視光スポット２５とカメラ２６とモニ
タ装置３８とティーチングボックス１５とを用いて、モ
ニタ装置３８にワークＷ表面のけがき線１１が映し出さ
れる位置にノズル１９をワークＷ表面に対しほぼ法線方
向に向けた状態で移動させ、さらにモニタ装置３８に映
し出されるスポット２５をけがき線１１上に一致させる
ようにヘッド１６を教示点Ｐ0に位置決めする(Ｓ１)。

【００３４】次に、この位置でティーチングボックス１
６に設けられた教示開始釦４１を押す（Ｓ２）と、この
ときのヘッド１６の教示点Ｐ0の座標データ(Ｘ0,Ｙ0,Ｚ
0)、姿勢データ(α0,β0)およびノズル移動量データ(Ｃ
0)がメモリ３４の第１メモリ３４ａに記憶される（Ｓ
３）。

【００３５】次に、平面座標測定手段２８に設けられた
教示点付近座標演算手段により教示点Ｐ0付近の３点Ｐ
1、Ｐ2、Ｐ3の座標(Ｘ1,Ｙ1,Ｚ1)、(Ｘ2,Ｙ2,Ｚ2)、(Ｘ
3,Ｙ3,Ｚ3)がヘッド１６の光軸を法線としたＰ0を含む
面の所定円上の等配点として演算され、メモリ３４に記
憶される（Ｓ４）。

【００３６】続いて、教示点Ｐ0と上記３点Ｐ1、Ｐ2、
Ｐ3の座標から所定距離Ｈ上方の点Ｐ0’、Ｐ1’、Ｐ
2’、Ｐ3’の座標が演算される（Ｓ５）。

【００３７】次に、ノズル１９がＰ0位置での姿勢を保
ったまま、ヘッド１６がＰ0→Ｐ0’→Ｐ1’→Ｐ1へ移動
される（Ｓ６）。この移動はＰ0から直接Ｐ1へヘッド１
６を移動させてもよいが、ワークＷ表面に突起物等があ
った場合にそれにノズル１９が干渉しないように一旦ワ
ークＷ表面からＨだけ離して移動させている。

【００３８】このとき、ノズル１９はギャップ制御部２
３によって移動調整され、ワークＷとのギャップ量を一
定に保った位置を検出し停止している。すなわち、Ｐ1
として演算された座標値でノズル１９がワークＷ表面に
近付き過ぎている場合には、ノズル１９はＰ1よりも上
方に位置決めされ、逆の場合は下方へ位置決めされる。

【００３９】そして、この位置Ｐ1でのヘッド１６の座
標データ、姿勢データおよびノズル移動量データＸ1、
Ｙ1、Ｚ1、α0、β0、Ｃ1がメモリ３４の第２メモリ３
４ｂに記憶される（Ｓ７）。

【００４０】引き続き先の動作と同様にして、ノズル１
９の姿勢を変えずにヘッド１６がＰ1→Ｐ1’→Ｐ2’→
Ｐ2へ移動される（Ｓ８）。同様にこの位置Ｐ2でのヘッ
ド１６の座標データ、姿勢データおよびノズル移動量デ
ータＸ2、Ｙ2、Ｚ2、α0、β0、Ｃ2が第２メモリ３４ｂ
に記憶される（Ｓ９）。

【００４１】さらに引き続き、ノズル１９の姿勢を変え
ずにヘッド１６がＰ2→Ｐ2’→Ｐ3’→Ｐ3へ移動される
（Ｓ１０）。同様にこの位置Ｐ3でのヘッド１６の座標
データ、姿勢データおよびノズル移動量データＸ3、Ｙ
3、Ｚ3、α0、β0、Ｃ3が第２メモリ３４ｂに記憶され
る（Ｓ１１）。

【００４２】次に、平面座標測定手段２８に設けられた
表面座標演算手段により、上記第２メモリ３４ｂに記憶
された３点のデータから教示点付近のワークＷ表面にお
ける３点Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3の座標がそれぞれ演算され、メ
モリ３４の第３メモリ３４ｃに記憶される（Ｓ１２）。

【００４３】続いて、法線方向演算手段２９により、上
記第３メモリ３４ｃに記憶された３点Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3の
座標に基づいて教示点Ｐ0付近のワークＷ表面の平面Ａ
が求められる。この平面Ａに対する法線方向の法線ベク
トル４０が、ベクトルＱ1Ｑ2とベクトルＱ1Ｑ3の外積に
よって算出される（Ｓ１３）。そして、この法線ベクト
ル４０にヘッド姿勢を一致させるための姿勢データα、
βが演算され、メモリ３４の第４メモリ３４ｄに記憶さ
れる（Ｓ１４）。

【００４４】次に、教示姿勢変更手段３０により、ヘッ
ド１６はさらにＰ3→Ｐ3’→Ｐ0’→Ｐ0へ移動され、再
び教示点Ｐ0に位置決めされる（Ｓ１５）。この位置
で、法線方向に対応する上記第４メモリのα、βのデー
タに基づいてヘッド姿勢が変更される（Ｓ１６）。これ
により、教示点Ｐ0に対しヘッド１６を正確に法線方向
に向けた状態が確認できる。

【００４５】この状態で、ティーチングボックス１５の
座標記憶釦４２を押すことにより（Ｓ１７）、メモリ３
４に加工ヘッド１６の現在の座標データ、姿勢データ、
ノズル移動量データＸ、Ｙ、Ｚ、α、β、Ｃがメモリ３
４に記憶され（Ｓ１８）、まず１点目の教示が終了す
る。

【００４６】以上のＳ１〜Ｓ１８のステップを、次の教
示点においても繰り返し、全教示点の教示が完了する
と、ティーチングが終了される。

【００４７】なお、上記実施例においては、一点指向型
の加工ヘッドを用いた三次元レーザ加工機に付いて説明
したが、これに限らず、姿勢軸α、βを備え、ヘッド姿
勢を変更できる構成の加工ヘッドであれば、どのような
加工ヘッドを用いてもよい。しかし、この場合、ヘッド
姿勢を変更することによって、ノズル先端位置が変化す
るため、上記図８におけるＳ１〜Ｓ１４で、法線ベクト
ルが検出され法線方向のα、βが決まったとき、この
α、βのデータに基づいて教示点Ｐ0へ移動させるため
のヘッド移動座標を演算する必要がある。

【００４８】そこで、上記教示姿勢変更手段３０では、
第４メモリ３４ｄに記憶されたα、βの姿勢データを用
いて加工ヘッド１６の姿勢を変更したときに上記第１メ
モリ３４ａに記憶されたデータに基づく教示点Ｐ0が変
わらないようにＸ、Ｙ、Ｚの座標データを演算し、この
座標位置に加工ヘッド１６を移動させるようにしてい
る。

【００４９】

【発明の効果】以上のように、本発明では、ノズルのギ
ャップコントロール機能を利用して、ノズルを装着した
まま加工ヘッドから座標測定することにより、立体ワー
クの教示点に対し法線方向を自動的に検出でき、ティー
チング作業においてワーク面に対し、加工ヘッドを法線
方向に調整する作業が簡略化される。従来のようなノズ
ルとティーチングホルダとの交換作業の必要がなく、ノ
ズルのまま法線検出が自動的に行われ、ティーチング作
業が容易に行える。しかも、教示点を囲む教示点付近の
３点から平面座標を検出しているので、教示点が例えば
変曲面上にあるときでも、その点おける加工面を正確に
測定でき、したがって法線を正確に検出できる。

【００５０】また、教示点付近の座標は、教示点を中心
とする所定半径の円周上から３点を演算して求めるの
で、教示点の加工面に最も近い平面を容易に設定でき、
ヘッド移動によりギャップコントロールによるノズル移
動量成分を含めた教示点付近のワーク表面上の３つの座
標点を容易に検知することができる。

【００５１】また、教示点に対し位置決めする際、モニ
タを見ながらノズルから発生される可視光スポットをけ
がき線と一致させるように加工ヘッドを位置決め操作す
ることにより、作業性もよく、教示点座標が高精度に検
出でき、作業ティーチングを正確に行うことができる。

【００５２】さらに、検出された法線データに対応する
α、βの姿勢データを用いて加工ヘッドの姿勢を変更し
たときに最初の教示点データに基づく教示点位置が変わ
らないようにその教示点に対し加工ヘッドのＸ、Ｙ、Ｚ
の座標データを演算し、この座標位置に加工ヘッドを移
動させることにより、いかなる形状の加工ヘッドにおい
ても、加工ヘッドを最初の教示点に法線方向の姿勢で正
確に位置決めできる。。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の三次元レーザ加工機の全体構成図であ
る。

【図２】従来における加工ヘッドの構成図である。

【図３】従来におけるティーチングホルダを示す正面図
である。

【図４】ジョイステックレバーを示す平面図である。

【図５】ティーチングボックスを示す平面図である。

【図６】本発明の一実施例としての三次元レーザ加工機
の加工ヘッドの先端部分を示す断面図である。

【図７】本発明で用いられるＣＮＣ装置を示すブロック
図である。

【図８】本発明のティーチング時における法線検出動作
の一実施例を示すフロー図である。

【図９】図８の法線検出時におけるワークＷに対するヘ
ッド移動点を説明するための斜視酢図である。

【符号の説明】

１１けがき線１５ヘッド教示手段としてのティーチングボックス１６加工ヘッド１９ノズル２０ギャップセンサ２２ＣＮＣ装置２４レンズ２５可視光スポット２６撮像手段としてのＣＣＤカメラ３８モニタ装置Ｐ0 教示点Ｐ1、Ｐ2、Ｐ3 教示点付近の３点Ｑ1、Ｑ2、Ｑ3 教示点付近のワーク表面における３点４０法線ベクトルＷワーク

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直角座標系とα、β軸の
姿勢軸とで制御される加工ヘッドの先端にノズルを光軸
方向に移動自在に設けたＣ軸で構成し、このノズル先端
とワークとの間のギャップ量を検出するギャップセンサ
により上記ギャップ量を一定に保持するようにノズルの
移動量を制御するギャップコントロール手段を設けた三
次元レーザ加工機において、ワークに設けられたけがき
線を指定してティーチングするための前記ノズル先端か
ら可視光スポットを発生させる手段を備え、加工ヘッド
のノズル先端をワーク表面の教示点に対しほぼ法線方向
に向けるように位置決めし、この時のＸ、Ｙ、Ｚの座標
データおよびα、βの姿勢データを基に、上記教示点を
囲む教示点付近の３点を算出して加工ヘッドをその都度
Ｃ軸線上に、一端ワークから遠ざかる方向に移動した後
に、その３点に順次移動させ、このときのノズルとワー
ク間の距離を一定に保つ位置で、教示点付近のワーク表
面における３点の座標を検出し、この３点で形成される
平面に対する法線ベクトルを求め、この法線ベクトルに
ノズル姿勢を一致させるように加工ヘッドの姿勢データ
を演算し、この姿勢データに基づいて加工ヘッドを上記
教示点において姿勢制御することを特徴とする三次元レ
ーザ加工機における法線検出方法。
【請求項２】上記教示点付近の３点は、上記教示点に
位置決めされたノズルの光軸と直交する面で上記教示点
を中心とする所定半径の円周上の３点であることを特徴
とする請求項１記載の三次元レーザ加工機における法線
検出方法。
【請求項３】Ｘ、Ｙ、Ｚ軸の直角座標系とα、β軸の
姿勢軸とで制御される加工ヘッドの先端にノズルを光軸
方向に移動自在に設けたＣ軸で構成し、このノズル先端
とワークとの間のギャップ量を検出するギャップセンサ
により上記ギャップ量を一定に保持するようにノズルの
移動量を制御するギャップコントロール手段を設けた三
次元レーザ加工機において、ワーク表面の教示点に対し
ノズル先端をほぼ法線方向に向けて位置決めするための
ヘッド位置決め手段と、ワークに描かれたけがき線を指
定してティーチングするための前記ノズル先端から可視
光スポットを発生させる手段を備え、この位置決め手段
によって位置決めされた加工ヘッドのＸ、Ｙ、Ｚの座標
データ、α、βの姿勢データおよびノズル移動量のデー
タを記憶する第１メモリと、この第１メモリのデータに
基づいて上記教示点を中心とする所定半径の円周上の
３点の座標を演算する教示点付近座標演算手段と、加工
ヘッドの姿勢を変えずに上記教示点付近座標位置へ順次
加工ヘッドを移動させるヘッド移動手段と、各教示点付
近座標位置へそれぞれ移動したときの加工ヘッドのＸ、
Ｙ、Ｚ、α、βおよびノズル移動量のデータを記憶する
第２メモリと、この第２メモリの３点のデータに基づい
て教示点付近のワーク表面における３点の座標を演算す
る表面座標演算手段と、この演算された３点の座標を記
憶する第３メモリと、この第３メモリの３点のデータに
基づいてこの３点で形成される平面に対し、法線方向の
法線ベクトルを求めこの法線ベクトルにノズル方向を前
記教示点に一致させるためのα、βの姿勢データを演算
する法線方向演算手段と、この演算されたα、βの姿勢
データを記憶する第４メモリと、上記第１メモリおよび
第４メモリの各データに基づいて加工ヘッドを教示点に
移動させるとともに加工ヘッドの姿勢を変更させる教示
姿勢変更手段とからなることを特徴とする三次元レーザ
加工機における法線検出装置。
【請求項４】上記ヘッド位置決め手段は、ノズルに設
けられワーク表面のけがき線を映し出す撮像手段と、ノ
ズル内のレンズを通してワークに照射される可視光スポ
ット発生手段と、上記けがき線とけがき線に対する可視
光スポットを画面に表示するモニタ装置と、このモニタ
装置を見ながら可視光スポットをけがき線上に合わせる
ように加工ヘッドのＸ、Ｙ、Ｚ、α、β軸を操作するた
めのヘッド教示手段とでなることを特徴とする請求項３
記載の三次元レーザ加工機における法線検出装置。
【請求項５】上記教示姿勢変更手段は、第４メモリに
記憶されたα、βの姿勢データを用いて加工ヘッドの姿
勢を変更したときに上記第１メモリに記憶されたデータ
に基づく教示点位置が変わらないようにその教示点に対
し加工ヘッドのＸ、Ｙ、Ｚの座標データを演算し、この
座標位置に加工ヘッドを移動させることを特徴とする請
求項３または４記載の三次元レーザ加工機における法線
検出装置。