JP3651548B2 - インデックス装置等およびその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークに特定運動をさせる為のインデックス装置とそれを用いたレーザクラッド加工装置に関する。また、インデックス装置の改善された制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークに加工を施すにあたり、加工条件、加工環境等によって、ワークを固定して工具のみを移動させる場合、工具を固定し又は工具と共にワークを移動させる場合等を適宜選択する。そして後者を選択する場合に、ワークの移動手段として後述するインデックス装置を用いることがある。以下に、このインデックス装置を用いる装置として、レーザクラッド加工装置を例に挙げて説明する。
【０００３】
レーザクラッド加工装置は、例えばシリンダヘッドのバルブシート部の表面処理に用いられる。シリンダヘッドの地金にはアルミ合金がよく用いられるが、アルミ合金はバルブシート部に要求される耐熱性、耐久性等の条件を十分に満足しない場合が多い。そこで、バルブシート部の表面に銅系材料からなる粉末を供給し、該粉末にレーザビームを照射することにより、バルブシート部の表面に粉末を溶着する。この加工方法がいわゆるレーザクラッド加工法である。同様の目的で、アルミニウム青銅等の銅系焼結合金をバルブシート部に圧入する等の対策を施すこともあったが、レーザクラッド加工法によると、銅系焼結合金の圧入代が不要となり、シリンダヘッドの設計の自由度が広がるという利点がある。本発明者らは、レーザクラッド加工法に係る装置の一例を、特開平7-185866号公報等に開示している。
【０００４】
ところで、レーザ発振器から発射されるレーザビーム１の断面形状は、ビームの軸に対して軸対象とならず、図20（ａ）のごとく楕円形をなしている。このことが、下記のごとくレーザ照射による加工を困難にしている。
【０００５】
さて、ビームの照射位置を高精度に維持したまま移動させるためには、レーザ発振器自体を固定し、ここから発射されたレーザビームを複数のミラーで構成される反射経路に導いて、該反射経路のミラーを回転させることにより行う手法を取ることが一般的である。そして、図20（ｂ）に示すように、バルブシート２に対するレーザビームの照射位置を、矢印Ａで示す方向に周回させつつ矢印Ｂで示す方向に走査させることにより、バルブシート２の全周に渡って所望の照射幅を確保する。ところがこの手法によると、例えば矢印Ｃで示す走査位置と矢印Ｄで示す走査位置とで、図20（ｃ）、（ｄ）に示すような照射条件の違いが生じてしまう。
【０００６】
矢印Ｃで示す照射位置では、図20（ｃ）に示すように走査方向と楕円の長径が一致するが、矢印Ｄで示す照射位置では、図20（ｄ）に示すように走査方向と楕円の長径が交差する。このため、図20（ｃ）の場合には入射エネルギが走査範囲の中心付近に集中してしまうが、図20（ｄ）の場合には入射エネルギが比較的均一となる。このように、バルブシート２の位置によって入射エネルギが不均一となり、バルブシート２の全周に対して均一な加工を行うことが困難であった。
【０００７】
この問題を回避するために、レーザビームの照射位置は固定とし、図21に示すインデックス装置でシリンダヘッドを回転させる逆転の発想が生まれた。ここで用いられるインデックス装置は、Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸の各軸方向に関する駆動手段を有している。ところで、Ｘ軸は水平方向の軸である。また、Ｙ軸はＸ軸と直交する軸である。また、θ軸はＸ軸およびＹ軸の各々に直交する軸である。
【０００８】
Ｙ軸ガイドレール12は、ベース10によって水平面に対し45°の傾斜角度をなすよう支持されている。このＹ軸ガイドレール12上には、これに沿って摺動可能なＹ軸スライダ14が配置されている。Ｙ軸スライダ14は、Ｙ軸駆動モータ16によって回転駆動されるＹ軸ボールねじ18に案内され、Ｙ軸ガイドレール12上を昇降することができる。以上説明したＹ軸ガイドレール12ないしＹ軸ボールねじ18の構成により、Ｙ軸駆動手段が構成されている。
【０００９】
また、Ｙ軸スライダ14には、Ｙ軸と直交する方向にＸ軸ガイドレール20が設けられている。このＸ軸ガイドレール20上に、これに沿って摺動可能なＸ軸スライダ22が配置されている。Ｘ軸スライダ22は、Ｘ軸駆動モータ24に回転駆動されるＸ軸ボールねじ26に案内され、Ｘ軸ガイドレール20上を移動することができる。以上説明したＸ軸ガイドレール20ないしＸ軸ボールねじ26の構成により、Ｘ軸駆動手段が構成されている。
【００１０】
さらに、Ｘ軸スライダ22には、θ軸回りに回転可能に、テーブル28が設けられている。また、Ｘ軸スライダ22には、テーブル28の動力源としてθ軸駆動モータ42が設けられている。そして、θ軸駆動モータ28の駆動力を、減速機40、ギア38，36を介してテーブル28に伝達している。このギア36ないしθ軸駆動モータ42の構成により、θ軸駆動手段が構成されている。
【００１１】
また、テーブル28上には、揺動機構30によってヘッド保持治具32を支持している。揺動機構30はヘッド保持治具32をθ軸に対して揺動させるものである。したがって、ヘッド保持治具32に保持されるシリンダヘッド34は、テーブル28上でθ軸に対し揺動自在となる。
【００１２】
これらＸ軸、Ｙ軸、θ軸駆動手段とテーブル28の揺動機構30とを各々制御することにより、シリンダヘッド34の所定のポートの中心軸を回転中心として、回転させることができる。そして、図21の真上方向から所定のポートのバルブシート部に対してレーザビームを照射することにより、レーザクラッド加工を行う。以上の構成をなすインデックス装置を有するレーザクラッド加工装置については、本出願人により特開平9-155583号公報にその詳細が開示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとく、Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸の各軸方向に関する駆動手段を備える従来のインデックス装置は、ワークを自在に移動させ、かつ位置決めすることができるものであったが、本発明は該インデックス装置の更なる作動精度の向上とコストダウンとを図ることを課題とする。
【００１４】
また、上記のごとくＸ軸、Ｙ軸、θ軸の各軸を同時制御することにより、ワークに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置においては、その作動精度をフィードバック制御によって確保しているが、作動指令に対する実際の装置の作動に反応遅れが生じていた。そこで、この反応遅れを解消し、さらに高精度な制御を可能とするための作動制御方法を提供することを、本発明の課題とする。さらに、機構上の運動軌跡の中心点と制御装置上の運動軌跡の中心点とに誤差を生じた場合に、制御装置上の運動軌跡の中心点を移動することによって前記誤差を解消し、作動精度を向上させることを本発明の課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための、本発明の請求項１に係るインデックス装置は、ワークを保持するテーブルの駆動手段として、水平方向に直線移動するＸ軸駆動手段と、該Ｘ軸と直交する方向に直線移動するＹ軸駆動手段と、前記Ｘ軸およびＹ軸の各々に直交する軸回りに回転駆動するθ軸駆動手段とを有し、前記Ｘ軸駆動手段上に前記Ｙ軸駆動手段を傾倒配置し、該Ｙ軸駆動手段上に前記θ軸駆動手段を固定し、さらに、該θ軸駆動手段上に前記テーブルを固定してなることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によると、水平方向に直線移動するＸ軸駆動手段は、その移動方向に鉛直方向成分を含まない。これに対し、Ｙ軸駆動手段はＸ軸駆動手段上に傾倒配置されているので、その移動方向には鉛直方向成分が含まれる。Ｙ軸駆動手段のように、その移動方向に鉛直方向成分を含む場合、負担する荷重の大きさが駆動手段の動力性能の決定に大きく影響する。本発明においては、Ｙ軸駆動手段にはＸ軸駆動手段の荷重はかからず、テーブルおよびθ軸駆動手段の合計荷重のみを負担する。したがって、Ｘ軸駆動手段の重量を考慮しないでＹ軸駆動手段の動力性能を決めることができる。Ｘ軸駆動手段にはテーブル、θ軸駆動手段およびＹ軸駆動手段の合計荷重がかかるが、その移動方向に鉛直方向成分を含まないので、負担する荷重の大きさが動力性能の決定に大きな影響を及ぼすことがない。
【００１７】
また、本発明の請求項２に係るインデックス装置によると、前記テーブルは、θ軸に対してワークの保持角度を変更可能であることから、前記Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸の各駆動手段の動作と合わせて、ワークを支持する角度の選択幅をより広げる。
【００１８】
さらに、本発明の請求項３に係るレーザクラッド加工装置は、請求項１または２記載のインデックス装置と、前記テーブルに保持されたワークの所定位置にレーザを照射するレーザ照射装置と、前記テーブルに特定運動をさせるべく、前記Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸駆動手段を各々制御する制御手段とを有することを特徴とする。本発明によると、制御手段によってワークを支持するテーブルに特定運動をさせ、かつ、ワークの所定位置にレーザを照射することにより、ワークにレーザクラッド加工を施す。
【００１９】
また、上記課題を解決するための、本発明の請求項４に係るインデックス装置の制御方法は、テーブルの駆動軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸を有し、各軸同期制御によって前記テーブルに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置の作動制御方法であって、各軸の駆動手段の制御データを作成する際に、現在のθ値を共通のパラメータとして用いることを特徴とする。
【００２０】
すなわち、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸の各軸の作動制御の基準となるパラメータを共通化することによって、各軸駆動手段の制御データ間の同期状態の把握を容易とし、作動精度を高める。また、パラメータの共通化により、同期制御を行うために必要となる演算量を減少させる。
【００２１】
また、本発明の請求項５に係るインデックス装置の制御方法において、θ軸の電子カムデータに基づき駆動されるθ軸駆動モータの実際のθ値をＰＩ制御手段にフィードバックし、該ＰＩ制御手段で作動遅延を解消するための補足指令を作成してθ軸駆動モータを制御し、かつ、前記θ軸の電子カムデータに沿ってＸ，Ｙ軸の制御データを演算し、該制御データに基づき駆動されるＸ、Ｙ軸駆動モータの実際のＸ、Ｙ値を予測制御手段にフィードバックし、該予測制御手段で作動遅延を解消するための補足指令を作成してＸ、Ｙ軸駆動モータを制御することにより、各軸同期制御を行うことが望ましい。
【００２２】
この構成によると、θ軸駆動モータの実際のθ値に基づき、ＰＩ（比例積分）制御手段で作動遅延を解消するための補足指令を作成してθ軸駆動モータを制御することにより、θ軸駆動モータの動作の遅延を解消する。また、Ｘ、Ｙ軸駆動モータの実際のＸ、Ｙ値に基づき、予測制御手段で作動遅延を解消するための補足指令を作成してＸ、Ｙ軸駆動モータを制御することにより、遅延が解消されたθ軸駆動モータの動作に、Ｘ、Ｙ軸駆動モータの動作を同期させる。
【００２３】
さらに、本発明の請求項６に係るインデックス装置の制御方法において、θ軸駆動モータからフィードバックした実際のθ値および該θ値から演算したＸ、Ｙ値と、Ｘ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックした実際のＸ、Ｙ値および該Ｘ、Ｙ値から演算したθ値とを各軸毎に比較し、その差を解消する補足指令を、Ｘ、Ｙ軸駆動モータの制御データに反映させることにより、各軸同期制御を行うことが望ましい。
【００２４】
すなわち、θ軸駆動モータからフィードバックした実際のθ値と、Ｘ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックした実際のＸ、Ｙ値より演算したθ値とを比較することにより、現在のθ軸の作動状態を基準とした現在のＸ、Ｙ軸駆動モータの遅延状態を把握する。また、Ｘ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックした実際のＸ、Ｙ値と、実際のθ値から演算したＸ、Ｙ値とを比較することによっても、現在のθ軸の作動状態を基準とした現在のＸ、Ｙ軸駆動モータの遅延状態を把握する。そして、上記手法により各軸の同期状態を把握し、これを解消する補足指令を、Ｘ、Ｙ軸駆動モータの制御データに反映させることにより、各軸同期制御を行う。
【００２５】
また、上記課題を解決するための、本発明の請求項７に係るインデックス装置の制御方法は、テーブルの駆動軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸を有し、各軸同期制御によって前記テーブルに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置の作動制御方法であって、機構上の前記運動軌跡の中心点と、制御装置上の前記運動軌跡の中心点との差を検出し、該差を解消するように、制御装置上の運動軌跡の中心点を再設定することを特徴とする。
【００２６】
本発明によると、テーブルおよび前記各軸の駆動手段の部品精度および組立精度の影響により、機構上の運動軌跡の中心点と制御装置上の運動軌跡の中心点に誤差を生じた場合に、制御装置上の運動軌跡の中心点を移動することによって、前記誤差を解消し、前記両運動軌跡の中心点を一致させる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、従来例と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザクラッド装置のインデックス装置を示している。本実施の形態に係るインデックス装置は、水平面に対し45°に傾斜したベース10に、図21に示す従来例と同様の構成を有するＸ軸駆動手段を直接的に設けている。したがって、Ｘ軸駆動手段のＸ軸ガイドレール20およびＸ軸スライダ22は、その前端部が後端部よりも低い状態でベース10に固定されている。そして、Ｘ軸スライダ22の上に、図21に示す従来例と同様の構成を有するＹ軸駆動手段を設けている。よって、Ｙ軸の移動方向は水平面に対して45°の角度をなす。
【００２９】
Ｙ軸スライダ14の上には架台３を設け、架台３にθ軸駆動モータ42を取付けている。θ軸はＸ軸およびＹ軸の各々に直交する軸であり、水平面に対し45°の角度をなしている。θ軸駆動モータ42の駆動力は、減速機40を介してテーブル28に伝達される。減速機40は作動歯車減速機であり、例えば図２に示すようにθ軸駆動モータ42の駆動軸42ａに太陽歯車４を設け、減速機40に支持された遊星歯車５を駆動するいわゆる遊星歯車機構を有している。テーブル28とθ軸駆動モータ42との間に介在する減速手段は、この減速機40のみである。そして、テーブル28上には、図１に示すように、揺動機構30によってヘッド保持治具32を支持している。
【００３０】
ところで、各軸の駆動モータ16，24，42は、後述する制御装置（図11参照）により統一的に制御することが可能であり、よってテーブル28（すなわちシリンダヘッド34）をＸＹ平面内で任意の位置に、また、任意の向きに移動させることができる。
【００３１】
図３には、揺動機構30およびヘッド保持治具32と、これらに保持されるシリンダヘッド34を示している。図示の状態では、排気バルブ軸ＥA とθ軸θA とが平行となっているが、揺動機構30を作動させることにより、吸気バルブ軸ＩA がθ軸θA に対して平行となるよう調節することも可能である。
【００３２】
図４および図５には、吸気側バルブシート部に対しクラッド加工を行っているときの様子が示されている。この場合には、吸気バルブ軸ＩA がθ軸θA と平行（水平面に対し45°の角度をなす）となるよう位置決めされている。燃焼室48に開口する吸気ポート44の入口部分には、吸気バルブ軸ＩA と約45°の角度をなすように、環状のバルブシート面50が形成されている。言い換えれば、吸気バルブ軸ＩA を中心軸とする頂角90°の円錐の一部がバルブシート面50である。バルブシート面50の最下端部はほぼ水平となっており、この上にクラッド材料の粉末52が供給される。
【００３３】
また、バルブシート面50に対するレーザービーム１の照射位置は、バルブシート面50の回転方向を考慮に入れて、粉末52の供給位置の後方に位置するように設定されている。よって、粉末52が供給済となった部分にレーザービーム１を照射することができる。さらに、レーザービーム１の照射位置には、シールドガスノズル７を向け、シールドガスの供給を行っている。そしてレーザビーム１が照射されると、粉末52およびシリンダヘッド34の一部が溶け、粉末52がバルブシート面50に溶着される。さらに、吸気バルブ軸ＩA を回転中心として、シリンダヘッド34を回転させることにより、バルブシート面50の全周に渡って粉末52を溶着することができる。
【００３４】
なお、吸気バルブ軸ＩA 回りの回転動作を行うにあたり、シリンダヘッド34、テーブル28等およびθ軸駆動手段によって駆動される部材の慣性重量や、θ軸駆動モータ40の時定数等の影響で、回転を開始してからの一定時間と停止するまでの一定時間は、正確な回転制御が困難である。また、粉末52の供給開始、終了時点における粉末供給量を正確に制御することも困難である。この対策として、吸気バルブ軸ＩA 回りのバルブシート面50の回転角度を 360°よりも大きく、例えば 490°に設定し、回転制御および粉末供給量が安定する期間に、レーザークラッド加工を行うようにしている。
【００３５】
ここで、シリンダヘッド34に複数存在する給排気ポート44，46（４バルブ４気筒ヘッドの場合には各８個づづ存在する）の、各中心軸を回転中心としてシリンダヘッド34を回転させるために、Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸駆動手段を制御する手法を、図６〜図８に基づいて説明する。尚、図６〜図８には、テーブル28のヘッド保持治具32によって保持されたシリンダヘッド34を、θ軸θA の上方から下方に向けて見た状態を示している。また、ここでは、１番シリンダの吸気バルブ48ａの、バルブシートに対して加工を行う場合についてを説明する。
【００３６】
さて、テーブル28に求められる運動（特定運動）は、図８に示すように、吸気バルブ48ａの中心軸ＩA を中心として、シリンダヘッド34を回転させるものである。この運動を生み出す際に、θ軸駆動手段には図６に示す運動を、Ｘ軸、Ｙ軸駆動手段には図７に示す運動をさせ、双方の運動を合成させる。
【００３７】
ところで、図６に示すθ軸駆動手段の運動は、θ軸θA を中心として、テーブル28（図１）を角速度ωで回転させるものである。このとき、吸気バルブ48ａの軸ＩA とθ軸θA との距離をＲとすると、θ軸θA は、吸気バルブ48ａの軸ＩA を回転中心として半径Ｒの円弧を描きつつ、角速度ωで周回する。
【００３８】
また、図７に示すＸ軸、Ｙ軸駆動手段の運動は以下の通りである。Ｘ軸、Ｙ軸駆動手段は夫々直線移動するものであり、双方を連動させることにより、シリンダヘッド34が図示の状態を保ったまま図７の上下左右方向に移動させることができる。そこで、吸気バルブ48ａの加工開始位置における軸ＩA を中心として、θ軸θA が半径Ｒの円弧を角速度ωで描くように、Ｘ軸、Ｙ軸駆動手段を制御する。このとき、θ軸θA 、吸気バルブ48ａの軸ＩA は、各々半径Ｒの円弧Ｔ1 ，Ｔ2 を描く。
【００３９】
さらに、吸気バルブ48ａ以外のバルブシートに対して加工を行う場合には、まず最初に各軸駆動手段を制御して、加工対象となるバルブシート面がレーザビーム１の照射位置となるように位置合わせを行う。続いて図６〜図８で説明した制御を行うことにより、全てのバルブにおいて、その中心軸ＩA を中心としてシリンダヘッド34を回転させることができる。このとき、バルブシート部の加工開始位置は、シリンダヘッド34の加工部分の肉厚等を考慮し、かつ、移動に要する作動量を最小にすることが可能となる、最も好ましい位置に設定する。したがって、加工開始時のシリンダヘッド34の向きは、図６の状態（シリンダ並列方向とＸ軸方向とが一致する状態）に限定されるものではない。この、加工開始時のシリンダヘッド34の向きの設定と、レーザビームの照射位置に加工対象となるバルブシート面を位置合わせする作業とを同時に行うことにより、各加工開始位置の割り出しを迅速に行うことができる。
【００４０】
上記構成をなす本発明の第１の実施の形態により得られる作用効果は、以下の通りである。水平方向に直線移動するＸ軸駆動手段は、その移動方向に鉛直方向成分を含まない。これに対し、Ｙ軸駆動手段はＸ軸駆動手段上に傾倒配置され、その移動方向は水平面に対し45°をなす。よって、Ｙ軸駆動手段の移動方向には鉛直方向成分が含まれる。このように、移動方向に鉛直方向成分を含む場合、負担する荷重の大きさがその駆動モータの動力性能の決定に大きく影響する。
【００４１】
本実施の形態では、ベース10にＸ軸駆動手段を直接的に設け、該Ｘ軸駆動手段のＸ軸スライダ22の上に、Ｙ軸駆動手段を設けている。さらに、Ｙ軸駆動手段のＹ軸スライダ14の上に、θ軸駆動手段を設けている。したがって、Ｙ軸駆動手段はＸ軸駆動手段の荷重は負担せず、テーブル28およびθ軸駆動手段の合計荷重を負担する。すなわち、移動方向に鉛直方向成分を含むＹ軸駆動手段において、Ｘ軸駆動手段の重量を考慮しないでＹ軸駆動モータ16の動力性能を決定することができる。よって、図21に示す従来例に比べ、Ｙ軸駆動モータ16の設定容量を小さくすることができる。同時にＹ軸駆動手段の小型軽量化を図ることが可能となり、制御系に対するメカ系の追従性を向上させることができるので、Ｘ軸、Ｙ軸駆動手段による円弧補間精度（円弧状の動作を行う精度）も向上させることができる。
【００４２】
さて、Ｙ軸駆動手段の負担する荷重が減った分、Ｘ軸駆動手段にはテーブル28、θ軸駆動手段およびＹ軸駆動手段の合計荷重がかかる。しかし、Ｘ軸駆動手段の移動方向には鉛直方向成分を含まないので、負担する荷重の大きさが動力性能の決定に大きな影響を及ぼすことがない。よって、Ｘ軸駆動モータ16の設定容量は、図21に示す従来例と同等とすることが可能である。さらに、テーブル28とθ軸駆動モータ42との間を減速機40のみで接続していることから、図21に示す従来例に存在した２つのギア36，38間のバックラッシを無くすことが可能となる。したがって、テーブル28をθ軸回りに正逆転させる際の回転精度は、前記バックラッシを無くした分だけ向上する。以上のごとく、本発明の実施の形態に係るインデックス装置によると、作動精度の向上とコストダウンとを両立させることが可能となる。
【００４３】
さて、図９には、図１に示す本発明の第１の実施の形態に係るインデックス装置の応用例を示している。ここで、図１の例と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。図１の例と異なる部分は、テーブル28とθ軸駆動モータ42との間を減速機40で接続する手法に変えて、テーブル28をダイレクトドライブモータ６で直接的に駆動する点にある。この例によると、θ軸駆動手段の構造を簡素化することが可能となり、更なるコストダウンを図ることができる。また、θ軸駆動手段におけるメカ系の作動誤差が無くなり、更なる作動精度の向上を図ることができる。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、第１の実施の形態と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
【００４５】
本発明の第２の実施の形態は、テーブルの駆動軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸を有し、各軸同期制御によって前記テーブルに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置において、作動精度の更なる向上を目的とするものである。図10には、本実施の形態に適したレーザクラッド装置のインデックス装置を示している。図示のごとく、Ｙ軸駆動手段およびＸ軸駆動手段は、夫々蛇腹８，９で覆われている。また、蛇腹８，９内にエアパージ穴８ａ，９ａからエアを送り込み、内部圧力を高めている。レーザクラッド加工時には、 100％の粉体が溶着されるわけではなく、一部がヘッド保持治具32からこぼれ落ちる。この粉体のＸ軸、Ｙ軸駆動手段への侵入を、加圧された蛇腹８，９によって防止することができる。よって、各駆動手段の寿命の向上を図ることができる。さらに、Ｘ軸駆動手段にのみ図示しているが、各駆動手段を構成するボールねじやガイドレール等にも、蛇腹９’，９”を設けることにより、更に密閉性を高め、該駆動手段の寿命向上を図ることができる。また、このインデックス装置には、後述する理由から、Ｙ軸駆動手段に、エアシリンダー等を用いたＹ軸バランサー82を設けている。図中、符号82ａで示す部分は、エアシリンダーへのエア供給口である。なお、特に説明しない部分については、図１に示すインデックステーブルと同様の構造をなしている。
【００４６】
図11には、本実施の形態に係るインデックス装置において、各軸同期制御を行うための構成を摸式的に示している。制御装置60のθ軸制御手段61では、θ軸駆動手段に関する電子カムデータ（所望のカム動作をカムの幾何学的形状によらず、電子制御により行うための指令データ）に基づき、所望の回転数を実現するための時間軸に対する速度および角度（現在のθ値）を演算し、θ軸サーボアンプ62へと作動指令を出力する。そして、θ軸サーボアンプ62によりθ軸駆動モータ42（θ軸ＡＣサーボモータ）を駆動することにより、θ軸駆動手段は所望の作動をする。
【００４７】
この際、θ軸サーボアンプ62では、θ軸駆動モータ42に振動（いわゆるハンチング音）が発生しない限りにおいて内部パラメータ（速度ループゲイン）を増加させ、電子カムデータに基づく指令に対する応答性を高めている。さらに、θ軸駆動モータ42におけるθ値を検出し、制御装置60のＰＩ制御手段63（比例積分制御手段）にフィードバックする。そして、ＰＩ制御手段63において、電子カムデータに基づく指令に対するθ軸駆動モータ42の作動遅延を解消するための、補足指令を作成する。そして、該補足指令に基づきθ軸駆動モータ42を制御する。このようにして、θ軸駆動モータ42の応答性を向上させている。
【００４８】
また、制御装置60のＸ，Ｙ軸制御手段64では、θ軸制御手段61から現在のθ値に関する情報を受け取る。そして、現在のθ値に基づいてＸ，Ｙ軸の位置を幾何学的に演算し、制御装置60の予測制御手段65（後述する）を介して、Ｘ軸サーボアンプ66、Ｙ軸サーボアンプ67へと作動指令を出力する。そしてＸ軸サーボアンプ66によりＸ軸駆動モータ24（Ｘ軸ＡＣサーボモータ）を、Ｙ軸サーボアンプ67（Ｙ軸ＡＣサーボモータ）によりＹ軸駆動モータ16を駆動する。さらに、Ｘ，Ｙ軸駆動モータ24，16におけるＸ，Ｙ値を検出し、予測制御手段65において、θ値に対するＸ，Ｙ軸駆動モータ24，16の作動遅延を解消するための、補足指令を作成する。そして、該補足指令に基づきＸ，Ｙ軸駆動モータ24，16を制御する。以上の手法により、各軸同期制御を行う。
【００４９】
尚、Ｘ軸サーボアンプ66、Ｙ軸サーボアンプ67においても、θ軸サーボアンプ62と同様に、Ｘ軸駆動モータ24、Ｙ軸駆動モータ16に振動が発生しない限りにおいて内部パラメータを増加させ、電子カムデータに基づく指令に対する応答性を高めている。（参考までに、制御装置60および予測制御手段65におけるデータスキャンタイムは、４msec程度に設定し、３スキャンタイム先までの位置を予測して、補足指令を作成する。）
【００５０】
すなわち、本実施の形態では、各軸の駆動手段の制御データを作成する際に、現在のθ値を共通パラメータとして用いている。ここで、各軸同期制御手段について、さらに詳しく説明する。図12には、テーブル28によって回転駆動されるシリンダヘッド34の被加工面を、摸式的に示している。なお、第１の実施の形態で説明したように、吸気バルブ軸ＩA は、θ軸θA と平行となるように、揺動機構30（図10）による角度調節がなされている。
【００５１】
さて、シリンダヘッド34の、吸気バルブ48ａのバルブシート面にレーザークラッド加工を行う場合には、吸気バルブ軸ＩA 回りにシリンダヘッド34を回転させる必要がある。そして、この回転動作は、各軸同期制御によって実現されるものである。本実施の形態では、この各軸同期制御を行うにあたり、θ軸θA を原点とするＸＹ座標系とは別に、吸気バルブ軸ＩA を原点とするＸ1 Ｙ1 座標系（Ｘ1 およびＹ1 は直交する）を設定している。このＸ1 Ｙ1 座標系でθ軸θA の位置を考えると、θ軸θA は、各軸同期制御によって半径Ｒの円弧軌跡ＬA 上を移動する。尚、図12に示されるθ軸θA の位置（加工開始位置）では、Ｘ1 軸に対するθ軸θA のオフセット角度はθ1 で表される。
【００５２】
そして、各軸同期制御によりθ軸θA が円弧軌跡ＬA 上を移動しているときに、図13に示すように各軸の駆動モータ42，24，16から実際のθ値、Ｘ値、Ｙ値を制御装置60にフィードバックする。この際、データ収集装置68によって、例えば２msec程度のスキャンタイムでθ値、Ｘ値、Ｙ値を収集する。そして、これらの値をパソコン等のデータ解析手段69に読み込む。データ解析手段69では、解析手順70に基づき解析を行う。ここで、解析手順70でなされる演算手順を、図14、図15、図16に基づいて説明する。
【００５３】
図14には、データ解析手段69に読み込まれたθ値に関する解析手順を示している。ところで、データ収集装置68において収集される実際のθ値は、実際にはエンコーダ等から読み取られるパルスのカウント数である。そこで、このパルスのカウント数として読み込まれたθ値を、ブロック71において、角度としての値（図12に示すθ軸θA の加工開始位置からの、回転運動角度）に変換する。
【００５４】
この変換には、下記の数式（１）が用いられれる。
θ＝〔パルスのカウント数／（8192×53）〕× 360 ……（１）
なお、数式（１）に用いられている定数（8192及び53）は一例であり、採用されるエンコーダや減速機の減速比によって変わる値である。参考までに、「定数8192」はエンコーダの１回転当りのパルス発生数を示し、「定数53」は、減速比53：１の減速機を用いていることを示している。
【００５５】
次に、ブロック72において、Ｘ1 Ｙ1 座標系でのθ軸θA の位置する角度θ2 を求める。θ2 を求める数式（２）は、以下の通りである。
θ2 ＝（θ1 ＋θ）− 360 ……（２）
ここで、θ1 は、図12で説明したように、Ｘ1 軸に対するθ軸θA の加工開始位置のオフセット角度を示している。
【００５６】
さらに、θ2 から下記の数式（３）、（４）を用いて、Ｘ1 Ｙ1 座標系におけるθ軸θA の座標（ｘ1 ，ｙ1 ）を演算する。
ｘ1 ＝Ｒ×COS θ2 ……（３）
ｙ1 ＝Ｒ×SIN θ2 ……（４）
数式（３）、（４）中のＲは、図12で説明したように、吸気バルブ48ａの軸ＩA を中心とし、θ軸θA が描く円弧の半径を示している。以上の手順によりデータ解析手段69に読み込まれたθ値に関する解析が終了し、後述するブロック73へと移行する。
【００５７】
続いて、データ解析手段69に読み込まれたＸ，Ｙ値に関する解析手順を、図15を参照しながら説明する。さて、データ収集装置68において収集される実際のＸ，Ｙ値もθ値と同様に、エンコーダ等から読み取られるパルスのカウント数である。そこで、このパルスのカウント数として読み込まれたＸ，Ｙ値を、ブロック74において、長さの値（θ軸θA の、原位置からの距離ｘ，ｙ）に変換する。
【００５８】
この変換には、下記の数式（５）が用いられれる。
ｘ，ｙ＝〔パルスのカウント数／（8192／10）〕 ……（５）
なお、数式（５）に用いられている定数（8192及び10）もあくまでも一例である。参考までに「定数10」は、Ｘ軸、Ｙ軸駆動手段に用いられるボールねじピッチを示している。
【００５９】
次に、ブロック75においてＸ1 Ｙ1 座標系でのθ軸θA の座標（ｘ2 ，ｙ2 ）を求める。ｘ2 ，ｙ2 を求める数式（６）及び数式（７）は、以下の通りである。
ｘ2 ＝ｘ−α ……（６）
ｙ2 ＝ｙ−β ……（７）
ここで、αはＸ軸方向の原位置から軸ＩA （同期回転中心）までの距離を示し、βはＹ軸方向の原位置から軸ＩA までの距離を示している。
【００６０】
さらに、ｘ2 ，ｙ2 の値から、下記の数式（８）を用いて、Ｘ1 Ｙ1 座標系でのθ軸θA の位置する角度θ3 を演算する。
θ3 ＝TAN-1 （ｘ2 ／ｙ2 ） ……（８）
以上の手順によりデータ解析手段69に読み込まれたＸ，Ｙ値に関する解析が終了し、後述するブロック73へと移行する。
【００６１】
ブロック73では、図16に示すように、θ軸駆動モータからフィードバックした実際のθ値であるθ2 と、現在のＸ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックしたＸ、Ｙ値より演算したθ3 とを、下記の数式（９）のごとく比較する。
θ4 ＝θ2 −θ3 ……（９）
こうして求めたθ4 の値が、θ軸駆動手段に対するＸ、Ｙ軸駆手段の遅延量（誤差）である。また、同様にして、Ｘ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックした現在のＸ、Ｙ値ｘ2 ，ｙ2 と、実際のθ値から演算したＸ、Ｙ値ｘ1 ，ｙ1 とを、下記の数式（10），（11）のごとく比較する。
ｘ3 ＝ｘ1 −ｘ2 ……（10）
ｙ3 ＝ｙ1 −ｙ2 ……（11）
このように、ＸＹ座標上からも、θ軸駆動手段に対するＸ、Ｙ軸駆手段の遅延量（誤差）を把握することが可能となる。
【００６２】
制御装置60の予測制御手段65では、以上説明した手順で誤差を求め、該誤差を解消するべく、図11で説明したＸ，Ｙ軸制御手段64における幾何学的演算式を、図17に示すように誤差θ4 を考慮した式に改める。この図17に示す演算式に基づきＸ軸サーボアンプ66、Ｙ軸サーボアンプ67へと作動指令を出力する。そしてＸ軸駆動モータ24、Ｙ軸駆動モータ16を夫々駆動することにより、各軸同期制御を行う。
【００６３】
上記構成をなす本発明の第２の実施の形態から得られる作用効果は、以下の通りである。本実施の形態ではＸ軸駆動手段、Ｙ軸駆動手段、θ軸駆動手段の各々を同期制御するにあたり、各駆動手段の制御データを作成する際に、電子カムデータに基づく現在のθ値を共通パラメータとして用いることから、各軸駆動手段の制御データ間の同期状態を、θ値で比較検討することができる。したがって、同期状態の把握が容易となり、かつ、同期制御を行うために必要となる演算量を減少させることにもつながる。よって、Ｘ軸駆動手段、Ｙ軸駆動手段、θ軸駆動手段を備えるインデックス装置の作動精度を高めることが容易となる。
【００６４】
また、θ軸駆動モータからフィードバックした実際のθ値であるθ2 と、現在のＸ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックしたＸ、Ｙ値より演算したθ値であるθ3 とを数式（９）のごとく比較することにより、θ軸駆動手段に対するＸ、Ｙ軸駆手段の遅延量（誤差）であるθ4 を容易に求めることが可能となる。そして、このθ4 を考慮に入れてＸ軸駆動手段、Ｙ軸駆動手段の制御データを作成することにより、各軸の動作を高精度に同期させることが可能となる。
【００６５】
尚、本実施の形態に係るインデックス装置の制御方法は、従来のインデックス装置（図21参照）に採用することも可能であるが、前述のごとく図10に示すインデックス装置により適したものである。この図10に示すインデックス装置は、前述のごとくθ軸サーボアンプ62、Ｘ軸サーボアンプ66、Ｙ軸サーボアンプ67において、Ｘ軸駆動モータ24、Ｙ軸駆動モータ16に振動が発生しない限りにおいて内部パラメータを増加させ、電子カムデータに基づく指令に対する応答性を高めている。また、応答性向上に伴うＸ軸、Ｙ軸の各駆動手段にかかる負荷変動の増加に対応するため、各構成部材に十分な補強を施し、剛性の向上を図っている。また、Ｘ軸駆動手段およびＹ軸駆動手段の各々に、エアシリンダー等を用いたＹ軸バランサー82を設けている。さらに、各軸の駆動モータの容量増加を図り、応答性の向上に適切に対応している。したがって、本実施の形態に係る制御方法の効果をより大きなものとすることができる。
【００６６】
続いて、本発明の第３の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、第１、第２の実施の形態と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
【００６７】
本発明の第３の実施の形態も、テーブルの駆動軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸を有し、各軸同期制御によって前記テーブルに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置において、作動精度の更なる向上を目的とするものである。
【００６８】
さて、インデックス装置は、メカニズム上の運動軌跡の中心点（装置に保持されたワークの実際の運動軌跡の中心点）と、制御装置上の運動軌跡の中心点（制御装置上で認識されている運動軌跡の中心点）との間に差が生じた場合には、所望の作動精度を得ることができない。当然ながら、インデックス装置には前記ずれが生じないように設計されているが、実際には、テーブルおよび前記各軸の駆動手段の部品精度および組立精度等の影響を受けて、ずれの防止は困難である。以下に、この前記ずれによる影響とその解消方法について説明をする。なお、以下の説明でも、本発明の第２の実施の形態と同様に、シリンダヘッド34の吸気バルブ48ａのバルブシート面にレーザークラッド加工を行う場合を例に挙げて説明する。
【００６９】
図18には、メカニズム上の運動軌跡の中心点ＩA （＝吸気バルブ軸ＩA ）と、制御装置上の運動軌跡の中心点Ｃ1 との間に差が生じた状態を示している。各軸同期制御による運動軌跡の中心点は、制御装置上の運動軌跡の中心点Ｃ1 であることから、この状態で回転を行うと、吸気バルブ48ａおよび吸気バルブ軸ＩA は、軌跡Ｓを描くことになる。
【００７０】
ところが、レーザービーム１は、各軸同期制御による運動軌跡の中心点が、メカニズム上の運動軌跡の中心点ＩA と一致しているという前提の基に、ＩA を基準にその焦点を合わせている。よって、吸気バルブ48ａが軌跡Ｓ上を移動すると、レーザービーム１の焦点はバルブシート面から外れ、レーザークラッド加工が不可能となる。
【００７１】
この問題を解決するため、中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量を正確に把握し、これを解消する必要がある。そこで、当該インデックス装置を設置する際に、もしくは製品に不良が発生した際に、図19に示す中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量を把握する手段を用い、前記ずれ量の測定を行う。
【００７２】
まず、吸気バルブ軸ＩA と平行をなすように、マスターピン76（断面が真円をなす円柱である）を吸気バルブ48ａに挿入する。このマスターピン76の挿入を容易かつ正確に行うために、シリンダーヘッドの吸気バルブ48ａの穴を加工する場合もある。また、マスターピン76の中心に検出方向の軸を一致させて、Ｘ軸方向の（隙間の）変化量を検出する変位センサ77と，Ｙ軸方向の（隙間の）変化量を検出する変位センサ78とを設置する。各変位センサ77，78の検出信号は、アンプユニット79で増幅され、データ収集手段80および多機能デジタルメータリレー81に送られる。データ収集手段80からは、パソコン等のデータ解析手段にその検出信号が送られ、変化量のデータとして蓄積される。また、多機能デジタルメータリレー81では検出信号をデジタル表示する。
【００７３】
さて、図19に示す手段により、中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量を把握する際に、次のような手順で作業を行う。
(1) まず、図19に示す多機能デジタルメータリレー81の表示値を零にリセットする。
(2) 図18に示すように、中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量がｘ3 ，ｙ3 であった場合に、各軸同期制御を行いθ軸θA を回転させると、θ軸θA はＣ1 を中心とした半径Ｒの円弧軌跡ＬA 上を移動する。このとき、吸気バルブ48ａすなわちマスターピン76は軌跡Ｓ上を移動する。
(3) そして、回転角度が 180°の位置（図中θA'で示される位置）では、吸気バルブ48ａすなわちマスターピン76は点線で示す位置に移動する。このとき、変位センサ77，78には、夫々変化量の最大値として２ｘ3 ，２ｙ3 が検出される。すなわち、変位センサ77，78によって検出される変化量の最大値の１／２の値が、中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量である。
【００７４】
(4) そこで、θ軸θA の加工開始位置からＣ1 までの距離ｘ4 ，ｙ4 に２ｘ3 ／２＝ｘ3 ，２ｙ3 ／２＝ｙ3 の値を加え、新たな中心点ＩA ＝Ｃ1 とするための距離ｘ5 ，ｙ5 を求める．
ｘ5 ＝ｘ3 ＋ｘ4
ｙ5 ＝ｙ3 ＋ｙ4
そして、θ軸θA の加工開始位置からＣ1 までの距離をｘ5 ，ｙ5 に再設定する。
(5) ここで、再設定された距離ｘ5 ，ｙ5 に基づき幾何学的計算を行い、θ軸θA の円弧軌跡の半径Ｒ’を算出する。同様に、オフセット角度θ1 'を算出する。
【００７５】
(6) ステップ(5) で算出した半径Ｒ’およびオフセット角度θ1 'を、図17に示す予測制御手段65の演算式に当てはめる。
(7) そして、ステップ(1) 〜(6) を数回繰り返す。（この繰り返し工程においては、ステップ(3) の回転角度が 180°のときのθ軸θA は、図18中θA"で示される位置となる。）
(8) そして、多機能デジタルメータリレー81の表示値が所望の値（例えば、0.005mm ）を下回った時点で、作業を終了する。
なお、レーザクラッド加工を行う際のθ軸θA の回転角度を 490°とする場合には、ステップ(3) における回転動作も 490°とし（図18中θA"' で示される位置まで回転させる）、この間で検出される最大変化量の１／２の値を、中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量として判断する。
【００７６】
上記構成をなす本発明の第３の実施の形態によって、機構上の運動軌跡の中心点ＩA と、制御装置上の運動軌跡の中心点Ｃのずれ量を把握し、これを、補正して新たな制御データを作成することにより、インデックス装置の作動精度の更なる向上を図ることができる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明はこのように構成したので、以下のような効果を有する。本発明の請求項１に係るインデックス装置によると、移動方向に鉛直方向成分を含むＹ軸駆動手段をＸ軸駆動手段の上に設けることにより、Ｙ軸駆動手段の動力性能を小さく設定することができる。よって、従来のインデックス装置に比べ、小型軽量化、作動精度の向上およびコストダウンを図ることが可能となる。
【００７８】
また、本発明の請求項２に係るインデックス装置によると、ワークを支持する角度の選択幅がより広がり、さまざまな加工条件に対応することが可能となる。
【００７９】
さらに、本発明の請求項３に係るレーザクラッド加工装置によると、作動精度の向上により、高精度にクラッド加工を行うことが可能となる。また、装置のコストダウンにより、製品単価の低減を図ることができる。
【００８０】
また、本発明の請求項４に係るレーザクラッド加工方法によると、Ｘ軸駆動手段、Ｙ軸駆動手段、θ軸駆動手段を備えるインデックス装置の同期制御をより高精度に行うことが可能となる。
【００８１】
さらに、本発明の請求項５および請求項６に係るレーザクラッド加工方法によると、各軸の同期状態の把握が容易となり、高精度な作動制御を行うことができる。
【００８２】
加えて、本発明の請求項７に係るレーザクラッド加工方法によると、テーブルおよび前記各軸の駆動手段の部品精度および組立精度の影響により、機構上の運動軌跡の中心点と制御装置上の運動軌跡の中心点に誤差が生じた場合でもこれを解消し、インデックス装置の作動精度の更なる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザクラッド装置に用いられるインデックス装置を示す側面図である。
【図２】図１に示すインデックス装置の、θ軸駆動手段の要部断面図である。
【図３】図１に示すインデックス装置によってレーザクラッド加工を行う際の、シリンダヘッドおよびその保持手段を示す示す拡大図である。
【図４】図１に示すインデックス装置によってレーザクラッド加工を行う際の、バルブシート部の拡大断面図である。
【図５】図１に示すインデックス装置によってレーザクラッド加工を行う際の、バルブシート部の拡大平面図である。
【図６】図１に示すインデックス装置における、θ軸回りの作動説明に関する図である。
【図７】図１に示すインデックス装置における、Ｘ軸、Ｙ軸に係る作動説明に関する図である。
【図８】図１に示すインデックス装置における、シリンダヘッドの実際の動きを説明する図である。
【図９】図１に示すインデックス装置の応用例を示す側面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係るインデックス装置を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係るインデックス装置の各軸同期制御手段を示すブロック図である。
【図１２】インデックス装置によって回転駆動されるシリンダヘッドの被加工面を示す摸式図である。
【図１３】図１１に示すインデックス装置の各軸同期制御手段において、各軸の駆動モータから実際のθ値、Ｘ値、Ｙ値をフィードバックするための構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３に示す構成において、θ値を解析する手順を示すブロック図である。
【図１５】図１４に示す構成において、Ｘ値、Ｙ値を解析する手順を示すブロック図である。
【図１６】図１４、図１５に示す各ブロックに続くブロック図である。
【図１７】図１１に示すインデックス装置の各軸同期制御手段の、予測制御手段においてなされる演算式を示す摸式図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態に係るインデックス装置の制御方法において、メカニズム上の前記運動軌跡の中心点と、制御装置上の前記運動軌跡の中心点との差を解消するための手順を示す説明図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態に係るインデックス装置の制御方法において、メカニズム上の前記運動軌跡の中心点と、制御装置上の前記運動軌跡の中心点との差を解消するために、ずれ量を把握する手段を示すブロック図である。
【図２０】レーザビームの特徴を示す説明図である。
【図２１】従来のレーザクラッド装置に用いられるインデックス装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
３ 架台
12 Ｙ軸ガイドレール
14 Ｙ軸スライダ
16 Ｙ軸駆動モータ
20 Ｘ軸ガイドレール
22 Ｘ軸スライダ
24 Ｘ軸駆動モータ
28 テーブル
34 シリンダヘッド
40 減速機
42 θ軸駆動モータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、ワークに特定運動をさせる為のインデックス装置とそれを用いたレーザクラッド加工装置に関する。また、インデックス装置の改善された制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ワークに加工を施すにあたり、加工条件、加工環境等によって、ワークを固定して工具のみを移動させる場合、工具を固定し又は工具と共にワークを移動させる場合等を適宜選択する。そして後者を選択する場合に、ワークの移動手段として後述するインデックス装置を用いることがある。以下に、このインデックス装置を用いる装置として、レーザクラッド加工装置を例に挙げて説明する。
【０００３】
レーザクラッド加工装置は、例えばシリンダヘッドのバルブシート部の表面処理に用いられる。シリンダヘッドの地金にはアルミ合金がよく用いられるが、アルミ合金はバルブシート部に要求される耐熱性、耐久性等の条件を十分に満足しない場合が多い。そこで、バルブシート部の表面に銅系材料からなる粉末を供給し、該粉末にレーザビームを照射することにより、バルブシート部の表面に粉末を溶着する。この加工方法がいわゆるレーザクラッド加工法である。同様の目的で、アルミニウム青銅等の銅系焼結合金をバルブシート部に圧入する等の対策を施すこともあったが、レーザクラッド加工法によると、銅系焼結合金の圧入代が不要となり、シリンダヘッドの設計の自由度が広がるという利点がある。本発明者らは、レーザクラッド加工法に係る装置の一例を、特開平7-185866号公報等に開示している。
【０００４】
ところで、レーザ発振器から発射されるレーザビーム１の断面形状は、ビームの軸に対して軸対象とならず、図20（ａ）のごとく楕円形をなしている。このことが、下記のごとくレーザ照射による加工を困難にしている。
【０００５】
さて、ビームの照射位置を高精度に維持したまま移動させるためには、レーザ発振器自体を固定し、ここから発射されたレーザビームを複数のミラーで構成される反射経路に導いて、該反射経路のミラーを回転させることにより行う手法を取ることが一般的である。そして、図20（ｂ）に示すように、バルブシート２に対するレーザビームの照射位置を、矢印Ａで示す方向に周回させつつ矢印Ｂで示す方向に走査させることにより、バルブシート２の全周に渡って所望の照射幅を確保する。ところがこの手法によると、例えば矢印Ｃで示す走査位置と矢印Ｄで示す走査位置とで、図20（ｃ）、（ｄ）に示すような照射条件の違いが生じてしまう。
【０００６】
矢印Ｃで示す照射位置では、図20（ｃ）に示すように走査方向と楕円の長径が一致するが、矢印Ｄで示す照射位置では、図20（ｄ）に示すように走査方向と楕円の長径が交差する。このため、図20（ｃ）の場合には入射エネルギが走査範囲の中心付近に集中してしまうが、図20（ｄ）の場合には入射エネルギが比較的均一となる。このように、バルブシート２の位置によって入射エネルギが不均一となり、バルブシート２の全周に対して均一な加工を行うことが困難であった。
【０００７】
この問題を回避するために、レーザビームの照射位置は固定とし、図21に示すインデックス装置でシリンダヘッドを回転させる逆転の発想が生まれた。ここで用いられるインデックス装置は、Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸の各軸方向に関する駆動手段を有している。ところで、Ｘ軸は水平方向の軸である。また、Ｙ軸はＸ軸と直交する軸である。また、θ軸はＸ軸およびＹ軸の各々に直交する軸である。
【０００８】
Ｙ軸ガイドレール12は、ベース10によって水平面に対し45°の傾斜角度をなすよう支持されている。このＹ軸ガイドレール12上には、これに沿って摺動可能なＹ軸スライダ14が配置されている。Ｙ軸スライダ14は、Ｙ軸駆動モータ16によって回転駆動されるＹ軸ボールねじ18に案内され、Ｙ軸ガイドレール12上を昇降することができる。以上説明したＹ軸ガイドレール12ないしＹ軸ボールねじ18の構成により、Ｙ軸駆動手段が構成されている。
【０００９】
また、Ｙ軸スライダ14には、Ｙ軸と直交する方向にＸ軸ガイドレール20が設けられている。このＸ軸ガイドレール20上に、これに沿って摺動可能なＸ軸スライダ22が配置されている。Ｘ軸スライダ22は、Ｘ軸駆動モータ24に回転駆動されるＸ軸ボールねじ26に案内され、Ｘ軸ガイドレール20上を移動することができる。以上説明したＸ軸ガイドレール20ないしＸ軸ボールねじ26の構成により、Ｘ軸駆動手段が構成されている。
【００１０】
さらに、Ｘ軸スライダ22には、θ軸回りに回転可能に、テーブル28が設けられている。また、Ｘ軸スライダ22には、テーブル28の動力源としてθ軸駆動モータ42が設けられている。そして、θ軸駆動モータ28の駆動力を、減速機40、ギア38，36を介してテーブル28に伝達している。このギア36ないしθ軸駆動モータ42の構成により、θ軸駆動手段が構成されている。
【００１１】
また、テーブル28上には、揺動機構30によってヘッド保持治具32を支持している。揺動機構30はヘッド保持治具32をθ軸に対して揺動させるものである。したがって、ヘッド保持治具32に保持されるシリンダヘッド34は、テーブル28上でθ軸に対し揺動自在となる。
【００１２】
これらＸ軸、Ｙ軸、θ軸駆動手段とテーブル28の揺動機構30とを各々制御することにより、シリンダヘッド34の所定のポートの中心軸を回転中心として、回転させることができる。そして、図21の真上方向から所定のポートのバルブシート部に対してレーザビームを照射することにより、レーザクラッド加工を行う。以上の構成をなすインデックス装置を有するレーザクラッド加工装置については、本出願人により特開平9-155583号公報にその詳細が開示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のごとく、Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸の各軸方向に関する駆動手段を備える従来のインデックス装置は、ワークを自在に移動させ、かつ位置決めすることができるものであったが、本発明は該インデックス装置の更なる作動精度の向上とコストダウンとを図ることを課題とする。
【００１４】
また、上記のごとくＸ軸、Ｙ軸、θ軸の各軸を同時制御することにより、ワークに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置においては、その作動精度をフィードバック制御によって確保しているが、作動指令に対する実際の装置の作動に反応遅れが生じていた。そこで、この反応遅れを解消し、さらに高精度な制御を可能とするための作動制御方法を提供することを、本発明の課題とする。さらに、機構上の運動軌跡の中心点と制御装置上の運動軌跡の中心点とに誤差を生じた場合に、制御装置上の運動軌跡の中心点を移動することによって前記誤差を解消し、作動精度を向上させることを本発明の課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための、本発明の請求項１に係るインデックス装置は、ワークを保持するテーブルの駆動手段として、水平方向に直線移動するＸ軸駆動手段と、該Ｘ軸と直交する方向に直線移動するＹ軸駆動手段と、前記Ｘ軸およびＹ軸の各々に直交する軸回りに回転駆動するθ軸駆動手段とを有し、前記Ｘ軸駆動手段上に前記Ｙ軸駆動手段を傾倒配置し、該Ｙ軸駆動手段上に前記θ軸駆動手段を固定し、さらに、該θ軸駆動手段上に前記テーブルを固定してなることを特徴とする。
【００１６】
上記構成によると、水平方向に直線移動するＸ軸駆動手段は、その移動方向に鉛直方向成分を含まない。これに対し、Ｙ軸駆動手段はＸ軸駆動手段上に傾倒配置されているので、その移動方向には鉛直方向成分が含まれる。Ｙ軸駆動手段のように、その移動方向に鉛直方向成分を含む場合、負担する荷重の大きさが駆動手段の動力性能の決定に大きく影響する。本発明においては、Ｙ軸駆動手段にはＸ軸駆動手段の荷重はかからず、テーブルおよびθ軸駆動手段の合計荷重のみを負担する。したがって、Ｘ軸駆動手段の重量を考慮しないでＹ軸駆動手段の動力性能を決めることができる。Ｘ軸駆動手段にはテーブル、θ軸駆動手段およびＹ軸駆動手段の合計荷重がかかるが、その移動方向に鉛直方向成分を含まないので、負担する荷重の大きさが動力性能の決定に大きな影響を及ぼすことがない。
【００１７】
また、本発明の請求項２に係るインデックス装置によると、前記テーブルは、θ軸に対してワークの保持角度を変更可能であることから、前記Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸の各駆動手段の動作と合わせて、ワークを支持する角度の選択幅をより広げる。
【００１８】
さらに、本発明の請求項３に係るレーザクラッド加工装置は、請求項１または２記載のインデックス装置と、前記テーブルに保持されたワークの所定位置にレーザを照射するレーザ照射装置と、前記テーブルに特定運動をさせるべく、前記Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸駆動手段を各々制御する制御手段とを有することを特徴とする。本発明によると、制御手段によってワークを支持するテーブルに特定運動をさせ、かつ、ワークの所定位置にレーザを照射することにより、ワークにレーザクラッド加工を施す。
【００１９】
また、上記課題を解決するための、本発明の請求項４に係るインデックス装置の制御方法は、テーブルの駆動軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸を有し、各軸同期制御によって前記テーブルに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置の作動制御方法であって、各軸の駆動手段の制御データを作成する際に、現在のθ値を共通のパラメータとして用いることを特徴とする。
【００２０】
すなわち、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸の各軸の作動制御の基準となるパラメータを共通化することによって、各軸駆動手段の制御データ間の同期状態の把握を容易とし、作動精度を高める。また、パラメータの共通化により、同期制御を行うために必要となる演算量を減少させる。
【００２１】
また、本発明の請求項５に係るインデックス装置の制御方法において、θ軸の電子カムデータに基づき駆動されるθ軸駆動モータの実際のθ値をＰＩ制御手段にフィードバックし、該ＰＩ制御手段で作動遅延を解消するための補足指令を作成してθ軸駆動モータを制御し、かつ、前記θ軸の電子カムデータに沿ってＸ，Ｙ軸の制御データを演算し、該制御データに基づき駆動されるＸ、Ｙ軸駆動モータの実際のＸ、Ｙ値を予測制御手段にフィードバックし、該予測制御手段で作動遅延を解消するための補足指令を作成してＸ、Ｙ軸駆動モータを制御することにより、各軸同期制御を行うことが望ましい。
【００２２】
この構成によると、θ軸駆動モータの実際のθ値に基づき、ＰＩ（比例積分）制御手段で作動遅延を解消するための補足指令を作成してθ軸駆動モータを制御することにより、θ軸駆動モータの動作の遅延を解消する。また、Ｘ、Ｙ軸駆動モータの実際のＸ、Ｙ値に基づき、予測制御手段で作動遅延を解消するための補足指令を作成してＸ、Ｙ軸駆動モータを制御することにより、遅延が解消されたθ軸駆動モータの動作に、Ｘ、Ｙ軸駆動モータの動作を同期させる。
【００２３】
さらに、本発明の請求項６に係るインデックス装置の制御方法において、θ軸駆動モータからフィードバックした実際のθ値および該θ値から演算したＸ、Ｙ値と、Ｘ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックした実際のＸ、Ｙ値および該Ｘ、Ｙ値から演算したθ値とを各軸毎に比較し、その差を解消する補足指令を、Ｘ、Ｙ軸駆動モータの制御データに反映させることにより、各軸同期制御を行うことが望ましい。
【００２４】
すなわち、θ軸駆動モータからフィードバックした実際のθ値と、Ｘ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックした実際のＸ、Ｙ値より演算したθ値とを比較することにより、現在のθ軸の作動状態を基準とした現在のＸ、Ｙ軸駆動モータの遅延状態を把握する。また、Ｘ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックした実際のＸ、Ｙ値と、実際のθ値から演算したＸ、Ｙ値とを比較することによっても、現在のθ軸の作動状態を基準とした現在のＸ、Ｙ軸駆動モータの遅延状態を把握する。そして、上記手法により各軸の同期状態を把握し、これを解消する補足指令を、Ｘ、Ｙ軸駆動モータの制御データに反映させることにより、各軸同期制御を行う。
【００２５】
また、上記課題を解決するための、本発明の請求項７に係るインデックス装置の制御方法は、テーブルの駆動軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸を有し、各軸同期制御によって前記テーブルに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置の作動制御方法であって、機構上の前記運動軌跡の中心点と、制御装置上の前記運動軌跡の中心点との差を検出し、該差を解消するように、制御装置上の運動軌跡の中心点を再設定することを特徴とする。
【００２６】
本発明によると、テーブルおよび前記各軸の駆動手段の部品精度および組立精度の影響により、機構上の運動軌跡の中心点と制御装置上の運動軌跡の中心点に誤差を生じた場合に、制御装置上の運動軌跡の中心点を移動することによって、前記誤差を解消し、前記両運動軌跡の中心点を一致させる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、従来例と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
【００２８】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るレーザクラッド装置のインデックス装置を示している。本実施の形態に係るインデックス装置は、水平面に対し45°に傾斜したベース10に、図21に示す従来例と同様の構成を有するＸ軸駆動手段を直接的に設けている。したがって、Ｘ軸駆動手段のＸ軸ガイドレール20およびＸ軸スライダ22は、その前端部が後端部よりも低い状態でベース10に固定されている。そして、Ｘ軸スライダ22の上に、図21に示す従来例と同様の構成を有するＹ軸駆動手段を設けている。よって、Ｙ軸の移動方向は水平面に対して45°の角度をなす。
【００２９】
Ｙ軸スライダ14の上には架台３を設け、架台３にθ軸駆動モータ42を取付けている。θ軸はＸ軸およびＹ軸の各々に直交する軸であり、水平面に対し45°の角度をなしている。θ軸駆動モータ42の駆動力は、減速機40を介してテーブル28に伝達される。減速機40は作動歯車減速機であり、例えば図２に示すようにθ軸駆動モータ42の駆動軸42ａに太陽歯車４を設け、減速機40に支持された遊星歯車５を駆動するいわゆる遊星歯車機構を有している。テーブル28とθ軸駆動モータ42との間に介在する減速手段は、この減速機40のみである。そして、テーブル28上には、図１に示すように、揺動機構30によってヘッド保持治具32を支持している。
【００３０】
ところで、各軸の駆動モータ16，24，42は、後述する制御装置（図11参照）により統一的に制御することが可能であり、よってテーブル28（すなわちシリンダヘッド34）をＸＹ平面内で任意の位置に、また、任意の向きに移動させることができる。
【００３１】
図３には、揺動機構30およびヘッド保持治具32と、これらに保持されるシリンダヘッド34を示している。図示の状態では、排気バルブ軸ＥA とθ軸θA とが平行となっているが、揺動機構30を作動させることにより、吸気バルブ軸ＩA がθ軸θA に対して平行となるよう調節することも可能である。
【００３２】
図４および図５には、吸気側バルブシート部に対しクラッド加工を行っているときの様子が示されている。この場合には、吸気バルブ軸ＩA がθ軸θA と平行（水平面に対し45°の角度をなす）となるよう位置決めされている。燃焼室48に開口する吸気ポート44の入口部分には、吸気バルブ軸ＩA と約45°の角度をなすように、環状のバルブシート面50が形成されている。言い換えれば、吸気バルブ軸ＩA を中心軸とする頂角90°の円錐の一部がバルブシート面50である。バルブシート面50の最下端部はほぼ水平となっており、この上にクラッド材料の粉末52が供給される。
【００３３】
また、バルブシート面50に対するレーザービーム１の照射位置は、バルブシート面50の回転方向を考慮に入れて、粉末52の供給位置の後方に位置するように設定されている。よって、粉末52が供給済となった部分にレーザービーム１を照射することができる。さらに、レーザービーム１の照射位置には、シールドガスノズル７を向け、シールドガスの供給を行っている。そしてレーザビーム１が照射されると、粉末52およびシリンダヘッド34の一部が溶け、粉末52がバルブシート面50に溶着される。さらに、吸気バルブ軸ＩA を回転中心として、シリンダヘッド34を回転させることにより、バルブシート面50の全周に渡って粉末52を溶着することができる。
【００３４】
なお、吸気バルブ軸ＩA 回りの回転動作を行うにあたり、シリンダヘッド34、テーブル28等およびθ軸駆動手段によって駆動される部材の慣性重量や、θ軸駆動モータ40の時定数等の影響で、回転を開始してからの一定時間と停止するまでの一定時間は、正確な回転制御が困難である。また、粉末52の供給開始、終了時点における粉末供給量を正確に制御することも困難である。この対策として、吸気バルブ軸ＩA 回りのバルブシート面50の回転角度を 360°よりも大きく、例えば 490°に設定し、回転制御および粉末供給量が安定する期間に、レーザークラッド加工を行うようにしている。
【００３５】
ここで、シリンダヘッド34に複数存在する給排気ポート44，46（４バルブ４気筒ヘッドの場合には各８個づづ存在する）の、各中心軸を回転中心としてシリンダヘッド34を回転させるために、Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸駆動手段を制御する手法を、図６〜図８に基づいて説明する。尚、図６〜図８には、テーブル28のヘッド保持治具32によって保持されたシリンダヘッド34を、θ軸θA の上方から下方に向けて見た状態を示している。また、ここでは、１番シリンダの吸気バルブ48ａの、バルブシートに対して加工を行う場合についてを説明する。
【００３６】
さて、テーブル28に求められる運動（特定運動）は、図８に示すように、吸気バルブ48ａの中心軸ＩA を中心として、シリンダヘッド34を回転させるものである。この運動を生み出す際に、θ軸駆動手段には図６に示す運動を、Ｘ軸、Ｙ軸駆動手段には図７に示す運動をさせ、双方の運動を合成させる。
【００３７】
ところで、図６に示すθ軸駆動手段の運動は、θ軸θA を中心として、テーブル28（図１）を角速度ωで回転させるものである。このとき、吸気バルブ48ａの軸ＩA とθ軸θA との距離をＲとすると、θ軸θA は、吸気バルブ48ａの軸ＩA を回転中心として半径Ｒの円弧を描きつつ、角速度ωで周回する。
【００３８】
また、図７に示すＸ軸、Ｙ軸駆動手段の運動は以下の通りである。Ｘ軸、Ｙ軸駆動手段は夫々直線移動するものであり、双方を連動させることにより、シリンダヘッド34が図示の状態を保ったまま図７の上下左右方向に移動させることができる。そこで、吸気バルブ48ａの加工開始位置における軸ＩA を中心として、θ軸θA が半径Ｒの円弧を角速度ωで描くように、Ｘ軸、Ｙ軸駆動手段を制御する。このとき、θ軸θA 、吸気バルブ48ａの軸ＩA は、各々半径Ｒの円弧Ｔ1 ，Ｔ2 を描く。
【００３９】
さらに、吸気バルブ48ａ以外のバルブシートに対して加工を行う場合には、まず最初に各軸駆動手段を制御して、加工対象となるバルブシート面がレーザビーム１の照射位置となるように位置合わせを行う。続いて図６〜図８で説明した制御を行うことにより、全てのバルブにおいて、その中心軸ＩA を中心としてシリンダヘッド34を回転させることができる。このとき、バルブシート部の加工開始位置は、シリンダヘッド34の加工部分の肉厚等を考慮し、かつ、移動に要する作動量を最小にすることが可能となる、最も好ましい位置に設定する。したがって、加工開始時のシリンダヘッド34の向きは、図６の状態（シリンダ並列方向とＸ軸方向とが一致する状態）に限定されるものではない。この、加工開始時のシリンダヘッド34の向きの設定と、レーザビームの照射位置に加工対象となるバルブシート面を位置合わせする作業とを同時に行うことにより、各加工開始位置の割り出しを迅速に行うことができる。
【００４０】
上記構成をなす本発明の第１の実施の形態により得られる作用効果は、以下の通りである。水平方向に直線移動するＸ軸駆動手段は、その移動方向に鉛直方向成分を含まない。これに対し、Ｙ軸駆動手段はＸ軸駆動手段上に傾倒配置され、その移動方向は水平面に対し45°をなす。よって、Ｙ軸駆動手段の移動方向には鉛直方向成分が含まれる。このように、移動方向に鉛直方向成分を含む場合、負担する荷重の大きさがその駆動モータの動力性能の決定に大きく影響する。
【００４１】
本実施の形態では、ベース10にＸ軸駆動手段を直接的に設け、該Ｘ軸駆動手段のＸ軸スライダ22の上に、Ｙ軸駆動手段を設けている。さらに、Ｙ軸駆動手段のＹ軸スライダ14の上に、θ軸駆動手段を設けている。したがって、Ｙ軸駆動手段はＸ軸駆動手段の荷重は負担せず、テーブル28およびθ軸駆動手段の合計荷重を負担する。すなわち、移動方向に鉛直方向成分を含むＹ軸駆動手段において、Ｘ軸駆動手段の重量を考慮しないでＹ軸駆動モータ16の動力性能を決定することができる。よって、図21に示す従来例に比べ、Ｙ軸駆動モータ16の設定容量を小さくすることができる。同時にＹ軸駆動手段の小型軽量化を図ることが可能となり、制御系に対するメカ系の追従性を向上させることができるので、Ｘ軸、Ｙ軸駆動手段による円弧補間精度（円弧状の動作を行う精度）も向上させることができる。
【００４２】
さて、Ｙ軸駆動手段の負担する荷重が減った分、Ｘ軸駆動手段にはテーブル28、θ軸駆動手段およびＹ軸駆動手段の合計荷重がかかる。しかし、Ｘ軸駆動手段の移動方向には鉛直方向成分を含まないので、負担する荷重の大きさが動力性能の決定に大きな影響を及ぼすことがない。よって、Ｘ軸駆動モータ16の設定容量は、図21に示す従来例と同等とすることが可能である。さらに、テーブル28とθ軸駆動モータ42との間を減速機40のみで接続していることから、図21に示す従来例に存在した２つのギア36，38間のバックラッシを無くすことが可能となる。したがって、テーブル28をθ軸回りに正逆転させる際の回転精度は、前記バックラッシを無くした分だけ向上する。以上のごとく、本発明の実施の形態に係るインデックス装置によると、作動精度の向上とコストダウンとを両立させることが可能となる。
【００４３】
さて、図９には、図１に示す本発明の第１の実施の形態に係るインデックス装置の応用例を示している。ここで、図１の例と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。図１の例と異なる部分は、テーブル28とθ軸駆動モータ42との間を減速機40で接続する手法に変えて、テーブル28をダイレクトドライブモータ６で直接的に駆動する点にある。この例によると、θ軸駆動手段の構造を簡素化することが可能となり、更なるコストダウンを図ることができる。また、θ軸駆動手段におけるメカ系の作動誤差が無くなり、更なる作動精度の向上を図ることができる。
【００４４】
次に、本発明の第２の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、第１の実施の形態と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
【００４５】
本発明の第２の実施の形態は、テーブルの駆動軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸を有し、各軸同期制御によって前記テーブルに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置において、作動精度の更なる向上を目的とするものである。図10には、本実施の形態に適したレーザクラッド装置のインデックス装置を示している。図示のごとく、Ｙ軸駆動手段およびＸ軸駆動手段は、夫々蛇腹８，９で覆われている。また、蛇腹８，９内にエアパージ穴８ａ，９ａからエアを送り込み、内部圧力を高めている。レーザクラッド加工時には、 100％の粉体が溶着されるわけではなく、一部がヘッド保持治具32からこぼれ落ちる。この粉体のＸ軸、Ｙ軸駆動手段への侵入を、加圧された蛇腹８，９によって防止することができる。よって、各駆動手段の寿命の向上を図ることができる。さらに、Ｘ軸駆動手段にのみ図示しているが、各駆動手段を構成するボールねじやガイドレール等にも、蛇腹９’，９”を設けることにより、更に密閉性を高め、該駆動手段の寿命向上を図ることができる。また、このインデックス装置には、後述する理由から、Ｙ軸駆動手段に、エアシリンダー等を用いたＹ軸バランサー82を設けている。図中、符号82ａで示す部分は、エアシリンダーへのエア供給口である。なお、特に説明しない部分については、図１に示すインデックステーブルと同様の構造をなしている。
【００４６】
図11には、本実施の形態に係るインデックス装置において、各軸同期制御を行うための構成を摸式的に示している。制御装置60のθ軸制御手段61では、θ軸駆動手段に関する電子カムデータ（所望のカム動作をカムの幾何学的形状によらず、電子制御により行うための指令データ）に基づき、所望の回転数を実現するための時間軸に対する速度および角度（現在のθ値）を演算し、θ軸サーボアンプ62へと作動指令を出力する。そして、θ軸サーボアンプ62によりθ軸駆動モータ42（θ軸ＡＣサーボモータ）を駆動することにより、θ軸駆動手段は所望の作動をする。
【００４７】
この際、θ軸サーボアンプ62では、θ軸駆動モータ42に振動（いわゆるハンチング音）が発生しない限りにおいて内部パラメータ（速度ループゲイン）を増加させ、電子カムデータに基づく指令に対する応答性を高めている。さらに、θ軸駆動モータ42におけるθ値を検出し、制御装置60のＰＩ制御手段63（比例積分制御手段）にフィードバックする。そして、ＰＩ制御手段63において、電子カムデータに基づく指令に対するθ軸駆動モータ42の作動遅延を解消するための、補足指令を作成する。そして、該補足指令に基づきθ軸駆動モータ42を制御する。このようにして、θ軸駆動モータ42の応答性を向上させている。
【００４８】
また、制御装置60のＸ，Ｙ軸制御手段64では、θ軸制御手段61から現在のθ値に関する情報を受け取る。そして、現在のθ値に基づいてＸ，Ｙ軸の位置を幾何学的に演算し、制御装置60の予測制御手段65（後述する）を介して、Ｘ軸サーボアンプ66、Ｙ軸サーボアンプ67へと作動指令を出力する。そしてＸ軸サーボアンプ66によりＸ軸駆動モータ24（Ｘ軸ＡＣサーボモータ）を、Ｙ軸サーボアンプ67（Ｙ軸ＡＣサーボモータ）によりＹ軸駆動モータ16を駆動する。さらに、Ｘ，Ｙ軸駆動モータ24，16におけるＸ，Ｙ値を検出し、予測制御手段65において、θ値に対するＸ，Ｙ軸駆動モータ24，16の作動遅延を解消するための、補足指令を作成する。そして、該補足指令に基づきＸ，Ｙ軸駆動モータ24，16を制御する。以上の手法により、各軸同期制御を行う。
【００４９】
尚、Ｘ軸サーボアンプ66、Ｙ軸サーボアンプ67においても、θ軸サーボアンプ62と同様に、Ｘ軸駆動モータ24、Ｙ軸駆動モータ16に振動が発生しない限りにおいて内部パラメータを増加させ、電子カムデータに基づく指令に対する応答性を高めている。（参考までに、制御装置60および予測制御手段65におけるデータスキャンタイムは、４msec程度に設定し、３スキャンタイム先までの位置を予測して、補足指令を作成する。）
【００５０】
すなわち、本実施の形態では、各軸の駆動手段の制御データを作成する際に、現在のθ値を共通パラメータとして用いている。ここで、各軸同期制御手段について、さらに詳しく説明する。図12には、テーブル28によって回転駆動されるシリンダヘッド34の被加工面を、摸式的に示している。なお、第１の実施の形態で説明したように、吸気バルブ軸ＩA は、θ軸θA と平行となるように、揺動機構30（図10）による角度調節がなされている。
【００５１】
さて、シリンダヘッド34の、吸気バルブ48ａのバルブシート面にレーザークラッド加工を行う場合には、吸気バルブ軸ＩA 回りにシリンダヘッド34を回転させる必要がある。そして、この回転動作は、各軸同期制御によって実現されるものである。本実施の形態では、この各軸同期制御を行うにあたり、θ軸θA を原点とするＸＹ座標系とは別に、吸気バルブ軸ＩA を原点とするＸ1 Ｙ1 座標系（Ｘ1 およびＹ1 は直交する）を設定している。このＸ1 Ｙ1 座標系でθ軸θA の位置を考えると、θ軸θA は、各軸同期制御によって半径Ｒの円弧軌跡ＬA 上を移動する。尚、図12に示されるθ軸θA の位置（加工開始位置）では、Ｘ1 軸に対するθ軸θA のオフセット角度はθ1 で表される。
【００５２】
そして、各軸同期制御によりθ軸θA が円弧軌跡ＬA 上を移動しているときに、図13に示すように各軸の駆動モータ42，24，16から実際のθ値、Ｘ値、Ｙ値を制御装置60にフィードバックする。この際、データ収集装置68によって、例えば２msec程度のスキャンタイムでθ値、Ｘ値、Ｙ値を収集する。そして、これらの値をパソコン等のデータ解析手段69に読み込む。データ解析手段69では、解析手順70に基づき解析を行う。ここで、解析手順70でなされる演算手順を、図14、図15、図16に基づいて説明する。
【００５３】
図14には、データ解析手段69に読み込まれたθ値に関する解析手順を示している。ところで、データ収集装置68において収集される実際のθ値は、実際にはエンコーダ等から読み取られるパルスのカウント数である。そこで、このパルスのカウント数として読み込まれたθ値を、ブロック71において、角度としての値（図12に示すθ軸θA の加工開始位置からの、回転運動角度）に変換する。
【００５４】
この変換には、下記の数式（１）が用いられれる。
θ＝〔パルスのカウント数／（8192×53）〕× 360 ……（１）
なお、数式（１）に用いられている定数（8192及び53）は一例であり、採用されるエンコーダや減速機の減速比によって変わる値である。参考までに、「定数8192」はエンコーダの１回転当りのパルス発生数を示し、「定数53」は、減速比53：１の減速機を用いていることを示している。
【００５５】
次に、ブロック72において、Ｘ1 Ｙ1 座標系でのθ軸θA の位置する角度θ2 を求める。θ2 を求める数式（２）は、以下の通りである。
θ2 ＝（θ1 ＋θ）− 360 ……（２）
ここで、θ1 は、図12で説明したように、Ｘ1 軸に対するθ軸θA の加工開始位置のオフセット角度を示している。
【００５６】
さらに、θ2 から下記の数式（３）、（４）を用いて、Ｘ1 Ｙ1 座標系におけるθ軸θA の座標（ｘ1 ，ｙ1 ）を演算する。
ｘ1 ＝Ｒ×COS θ2 ……（３）
ｙ1 ＝Ｒ×SIN θ2 ……（４）
数式（３）、（４）中のＲは、図12で説明したように、吸気バルブ48ａの軸ＩA を中心とし、θ軸θA が描く円弧の半径を示している。以上の手順によりデータ解析手段69に読み込まれたθ値に関する解析が終了し、後述するブロック73へと移行する。
【００５７】
続いて、データ解析手段69に読み込まれたＸ，Ｙ値に関する解析手順を、図15を参照しながら説明する。さて、データ収集装置68において収集される実際のＸ，Ｙ値もθ値と同様に、エンコーダ等から読み取られるパルスのカウント数である。そこで、このパルスのカウント数として読み込まれたＸ，Ｙ値を、ブロック74において、長さの値（θ軸θA の、原位置からの距離ｘ，ｙ）に変換する。
【００５８】
この変換には、下記の数式（５）が用いられれる。
ｘ，ｙ＝〔パルスのカウント数／（8192／10）〕 ……（５）
なお、数式（５）に用いられている定数（8192及び10）もあくまでも一例である。参考までに「定数10」は、Ｘ軸、Ｙ軸駆動手段に用いられるボールねじピッチを示している。
【００５９】
次に、ブロック75においてＸ1 Ｙ1 座標系でのθ軸θA の座標（ｘ2 ，ｙ2 ）を求める。ｘ2 ，ｙ2 を求める数式（６）及び数式（７）は、以下の通りである。
ｘ2 ＝ｘ−α ……（６）
ｙ2 ＝ｙ−β ……（７）
ここで、αはＸ軸方向の原位置から軸ＩA （同期回転中心）までの距離を示し、βはＹ軸方向の原位置から軸ＩA までの距離を示している。
【００６０】
さらに、ｘ2 ，ｙ2 の値から、下記の数式（８）を用いて、Ｘ1 Ｙ1 座標系でのθ軸θA の位置する角度θ3 を演算する。
θ3 ＝TAN-1 （ｘ2 ／ｙ2 ） ……（８）
以上の手順によりデータ解析手段69に読み込まれたＸ，Ｙ値に関する解析が終了し、後述するブロック73へと移行する。
【００６１】
ブロック73では、図16に示すように、θ軸駆動モータからフィードバックした実際のθ値であるθ2 と、現在のＸ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックしたＸ、Ｙ値より演算したθ3 とを、下記の数式（９）のごとく比較する。
θ4 ＝θ2 −θ3 ……（９）
こうして求めたθ4 の値が、θ軸駆動手段に対するＸ、Ｙ軸駆手段の遅延量（誤差）である。また、同様にして、Ｘ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックした現在のＸ、Ｙ値ｘ2 ，ｙ2 と、実際のθ値から演算したＸ、Ｙ値ｘ1 ，ｙ1 とを、下記の数式（10），（11）のごとく比較する。
ｘ3 ＝ｘ1 −ｘ2 ……（10）
ｙ3 ＝ｙ1 −ｙ2 ……（11）
このように、ＸＹ座標上からも、θ軸駆動手段に対するＸ、Ｙ軸駆手段の遅延量（誤差）を把握することが可能となる。
【００６２】
制御装置60の予測制御手段65では、以上説明した手順で誤差を求め、該誤差を解消するべく、図11で説明したＸ，Ｙ軸制御手段64における幾何学的演算式を、図17に示すように誤差θ4 を考慮した式に改める。この図17に示す演算式に基づきＸ軸サーボアンプ66、Ｙ軸サーボアンプ67へと作動指令を出力する。そしてＸ軸駆動モータ24、Ｙ軸駆動モータ16を夫々駆動することにより、各軸同期制御を行う。
【００６３】
上記構成をなす本発明の第２の実施の形態から得られる作用効果は、以下の通りである。本実施の形態ではＸ軸駆動手段、Ｙ軸駆動手段、θ軸駆動手段の各々を同期制御するにあたり、各駆動手段の制御データを作成する際に、電子カムデータに基づく現在のθ値を共通パラメータとして用いることから、各軸駆動手段の制御データ間の同期状態を、θ値で比較検討することができる。したがって、同期状態の把握が容易となり、かつ、同期制御を行うために必要となる演算量を減少させることにもつながる。よって、Ｘ軸駆動手段、Ｙ軸駆動手段、θ軸駆動手段を備えるインデックス装置の作動精度を高めることが容易となる。
【００６４】
また、θ軸駆動モータからフィードバックした実際のθ値であるθ2 と、現在のＸ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックしたＸ、Ｙ値より演算したθ値であるθ3 とを数式（９）のごとく比較することにより、θ軸駆動手段に対するＸ、Ｙ軸駆手段の遅延量（誤差）であるθ4 を容易に求めることが可能となる。そして、このθ4 を考慮に入れてＸ軸駆動手段、Ｙ軸駆動手段の制御データを作成することにより、各軸の動作を高精度に同期させることが可能となる。
【００６５】
尚、本実施の形態に係るインデックス装置の制御方法は、従来のインデックス装置（図21参照）に採用することも可能であるが、前述のごとく図10に示すインデックス装置により適したものである。この図10に示すインデックス装置は、前述のごとくθ軸サーボアンプ62、Ｘ軸サーボアンプ66、Ｙ軸サーボアンプ67において、Ｘ軸駆動モータ24、Ｙ軸駆動モータ16に振動が発生しない限りにおいて内部パラメータを増加させ、電子カムデータに基づく指令に対する応答性を高めている。また、応答性向上に伴うＸ軸、Ｙ軸の各駆動手段にかかる負荷変動の増加に対応するため、各構成部材に十分な補強を施し、剛性の向上を図っている。また、Ｘ軸駆動手段およびＹ軸駆動手段の各々に、エアシリンダー等を用いたＹ軸バランサー82を設けている。さらに、各軸の駆動モータの容量増加を図り、応答性の向上に適切に対応している。したがって、本実施の形態に係る制御方法の効果をより大きなものとすることができる。
【００６６】
続いて、本発明の第３の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。ここで、第１、第２の実施の形態と同一部分若しくは相当する部分については同一符号で示し、詳しい説明を省略する。
【００６７】
本発明の第３の実施の形態も、テーブルの駆動軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸を有し、各軸同期制御によって前記テーブルに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置において、作動精度の更なる向上を目的とするものである。
【００６８】
さて、インデックス装置は、メカニズム上の運動軌跡の中心点（装置に保持されたワークの実際の運動軌跡の中心点）と、制御装置上の運動軌跡の中心点（制御装置上で認識されている運動軌跡の中心点）との間に差が生じた場合には、所望の作動精度を得ることができない。当然ながら、インデックス装置には前記ずれが生じないように設計されているが、実際には、テーブルおよび前記各軸の駆動手段の部品精度および組立精度等の影響を受けて、ずれの防止は困難である。以下に、この前記ずれによる影響とその解消方法について説明をする。なお、以下の説明でも、本発明の第２の実施の形態と同様に、シリンダヘッド34の吸気バルブ48ａのバルブシート面にレーザークラッド加工を行う場合を例に挙げて説明する。
【００６９】
図18には、メカニズム上の運動軌跡の中心点ＩA （＝吸気バルブ軸ＩA ）と、制御装置上の運動軌跡の中心点Ｃ1 との間に差が生じた状態を示している。各軸同期制御による運動軌跡の中心点は、制御装置上の運動軌跡の中心点Ｃ1 であることから、この状態で回転を行うと、吸気バルブ48ａおよび吸気バルブ軸ＩA は、軌跡Ｓを描くことになる。
【００７０】
ところが、レーザービーム１は、各軸同期制御による運動軌跡の中心点が、メカニズム上の運動軌跡の中心点ＩA と一致しているという前提の基に、ＩA を基準にその焦点を合わせている。よって、吸気バルブ48ａが軌跡Ｓ上を移動すると、レーザービーム１の焦点はバルブシート面から外れ、レーザークラッド加工が不可能となる。
【００７１】
この問題を解決するため、中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量を正確に把握し、これを解消する必要がある。そこで、当該インデックス装置を設置する際に、もしくは製品に不良が発生した際に、図19に示す中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量を把握する手段を用い、前記ずれ量の測定を行う。
【００７２】
まず、吸気バルブ軸ＩA と平行をなすように、マスターピン76（断面が真円をなす円柱である）を吸気バルブ48ａに挿入する。このマスターピン76の挿入を容易かつ正確に行うために、シリンダーヘッドの吸気バルブ48ａの穴を加工する場合もある。また、マスターピン76の中心に検出方向の軸を一致させて、Ｘ軸方向の（隙間の）変化量を検出する変位センサ77と，Ｙ軸方向の（隙間の）変化量を検出する変位センサ78とを設置する。各変位センサ77，78の検出信号は、アンプユニット79で増幅され、データ収集手段80および多機能デジタルメータリレー81に送られる。データ収集手段80からは、パソコン等のデータ解析手段にその検出信号が送られ、変化量のデータとして蓄積される。また、多機能デジタルメータリレー81では検出信号をデジタル表示する。
【００７３】
さて、図19に示す手段により、中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量を把握する際に、次のような手順で作業を行う。
(1) まず、図19に示す多機能デジタルメータリレー81の表示値を零にリセットする。
(2) 図18に示すように、中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量がｘ3 ，ｙ3 であった場合に、各軸同期制御を行いθ軸θA を回転させると、θ軸θA はＣ1 を中心とした半径Ｒの円弧軌跡ＬA 上を移動する。このとき、吸気バルブ48ａすなわちマスターピン76は軌跡Ｓ上を移動する。
(3) そして、回転角度が 180°の位置（図中θA'で示される位置）では、吸気バルブ48ａすなわちマスターピン76は点線で示す位置に移動する。このとき、変位センサ77，78には、夫々変化量の最大値として２ｘ3 ，２ｙ3 が検出される。すなわち、変位センサ77，78によって検出される変化量の最大値の１／２の値が、中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量である。
【００７４】
(4) そこで、θ軸θA の加工開始位置からＣ1 までの距離ｘ4 ，ｙ4 に２ｘ3 ／２＝ｘ3 ，２ｙ3 ／２＝ｙ3 の値を加え、新たな中心点ＩA ＝Ｃ1 とするための距離ｘ5 ，ｙ5 を求める．
ｘ5 ＝ｘ3 ＋ｘ4
ｙ5 ＝ｙ3 ＋ｙ4
そして、θ軸θA の加工開始位置からＣ1 までの距離をｘ5 ，ｙ5 に再設定する。
(5) ここで、再設定された距離ｘ5 ，ｙ5 に基づき幾何学的計算を行い、θ軸θA の円弧軌跡の半径Ｒ’を算出する。同様に、オフセット角度θ1 'を算出する。
【００７５】
(6) ステップ(5) で算出した半径Ｒ’およびオフセット角度θ1 'を、図17に示す予測制御手段65の演算式に当てはめる。
(7) そして、ステップ(1) 〜(6) を数回繰り返す。（この繰り返し工程においては、ステップ(3) の回転角度が 180°のときのθ軸θA は、図18中θA"で示される位置となる。）
(8) そして、多機能デジタルメータリレー81の表示値が所望の値（例えば、0.005mm ）を下回った時点で、作業を終了する。
なお、レーザクラッド加工を行う際のθ軸θA の回転角度を 490°とする場合には、ステップ(3) における回転動作も 490°とし（図18中θA"' で示される位置まで回転させる）、この間で検出される最大変化量の１／２の値を、中心点ＩA ，Ｃ1 のずれ量として判断する。
【００７６】
上記構成をなす本発明の第３の実施の形態によって、機構上の運動軌跡の中心点ＩA と、制御装置上の運動軌跡の中心点Ｃのずれ量を把握し、これを、補正して新たな制御データを作成することにより、インデックス装置の作動精度の更なる向上を図ることができる。
【００７７】
【発明の効果】
本発明はこのように構成したので、以下のような効果を有する。本発明の請求項１に係るインデックス装置によると、移動方向に鉛直方向成分を含むＹ軸駆動手段をＸ軸駆動手段の上に設けることにより、Ｙ軸駆動手段の動力性能を小さく設定することができる。よって、従来のインデックス装置に比べ、小型軽量化、作動精度の向上およびコストダウンを図ることが可能となる。
【００７８】
また、本発明の請求項２に係るインデックス装置によると、ワークを支持する角度の選択幅がより広がり、さまざまな加工条件に対応することが可能となる。
【００７９】
さらに、本発明の請求項３に係るレーザクラッド加工装置によると、作動精度の向上により、高精度にクラッド加工を行うことが可能となる。また、装置のコストダウンにより、製品単価の低減を図ることができる。
【００８０】
また、本発明の請求項４に係るレーザクラッド加工方法によると、Ｘ軸駆動手段、Ｙ軸駆動手段、θ軸駆動手段を備えるインデックス装置の同期制御をより高精度に行うことが可能となる。
【００８１】
さらに、本発明の請求項５および請求項６に係るレーザクラッド加工方法によると、各軸の同期状態の把握が容易となり、高精度な作動制御を行うことができる。
【００８２】
加えて、本発明の請求項７に係るレーザクラッド加工方法によると、テーブルおよび前記各軸の駆動手段の部品精度および組立精度の影響により、機構上の運動軌跡の中心点と制御装置上の運動軌跡の中心点に誤差が生じた場合でもこれを解消し、インデックス装置の作動精度の更なる向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るレーザクラッド装置に用いられるインデックス装置を示す側面図である。
【図２】図１に示すインデックス装置の、θ軸駆動手段の要部断面図である。
【図３】図１に示すインデックス装置によってレーザクラッド加工を行う際の、シリンダヘッドおよびその保持手段を示す示す拡大図である。
【図４】図１に示すインデックス装置によってレーザクラッド加工を行う際の、バルブシート部の拡大断面図である。
【図５】図１に示すインデックス装置によってレーザクラッド加工を行う際の、バルブシート部の拡大平面図である。
【図６】図１に示すインデックス装置における、θ軸回りの作動説明に関する図である。
【図７】図１に示すインデックス装置における、Ｘ軸、Ｙ軸に係る作動説明に関する図である。
【図８】図１に示すインデックス装置における、シリンダヘッドの実際の動きを説明する図である。
【図９】図１に示すインデックス装置の応用例を示す側面図である。
【図１０】本発明の第２の実施の形態に係るインデックス装置を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係るインデックス装置の各軸同期制御手段を示すブロック図である。
【図１２】インデックス装置によって回転駆動されるシリンダヘッドの被加工面を示す摸式図である。
【図１３】図１１に示すインデックス装置の各軸同期制御手段において、各軸の駆動モータから実際のθ値、Ｘ値、Ｙ値をフィードバックするための構成を示すブロック図である。
【図１４】図１３に示す構成において、θ値を解析する手順を示すブロック図である。
【図１５】図１４に示す構成において、Ｘ値、Ｙ値を解析する手順を示すブロック図である。
【図１６】図１４、図１５に示す各ブロックに続くブロック図である。
【図１７】図１１に示すインデックス装置の各軸同期制御手段の、予測制御手段においてなされる演算式を示す摸式図である。
【図１８】本発明の第３の実施の形態に係るインデックス装置の制御方法において、メカニズム上の前記運動軌跡の中心点と、制御装置上の前記運動軌跡の中心点との差を解消するための手順を示す説明図である。
【図１９】本発明の第３の実施の形態に係るインデックス装置の制御方法において、メカニズム上の前記運動軌跡の中心点と、制御装置上の前記運動軌跡の中心点との差を解消するために、ずれ量を把握する手段を示すブロック図である。
【図２０】レーザビームの特徴を示す説明図である。
【図２１】従来のレーザクラッド装置に用いられるインデックス装置を示す斜視図である。
【符号の説明】
３ 架台
12 Ｙ軸ガイドレール
14 Ｙ軸スライダ
16 Ｙ軸駆動モータ
20 Ｘ軸ガイドレール
22 Ｘ軸スライダ
24 Ｘ軸駆動モータ
28 テーブル
34 シリンダヘッド
40 減速機
42 θ軸駆動モータ
Claims (7)
- ワークを保持するテーブルの駆動手段として、水平方向に直線移動するＸ軸駆動手段と、該Ｘ軸と直交する方向に直線移動するＹ軸駆動手段と、前記Ｘ軸およびＹ軸の各々に直交する軸回りに回転駆動するθ軸駆動手段とを有し、前記Ｘ軸駆動手段上に前記Ｙ軸駆動手段を傾倒配置し、該Ｙ軸駆動手段上に前記θ軸駆動手段を固定し、さらに、該θ軸駆動手段上に前記テーブルを固定してなることを特徴とするインデックス装置。
- 前記テーブルは、θ軸に対してワークの保持角度を変更可能である請求項１記載のインデックス装置。
- 請求項１または２記載のインデックス装置と、前記テーブルに保持されたワークの所定位置にレーザを照射するレーザ照射装置と、前記テーブルに特定運動をさせるべく、前記Ｘ軸、Ｙ軸、θ軸駆動手段を各々制御する制御手段とを有するレーザクラッド加工装置。
- テーブルの駆動軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸を有し、各軸同期制御によって前記テーブルに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置の作動制御方法であって、各軸の駆動手段の制御データを作成する際に、現在のθ値を共通のパラメータとして用いることを特徴とするインデックス装置の制御方法。
- θ軸の電子カムデータに基づき駆動されるθ軸駆動モータの実際のθ値をＰＩ制御手段にフィードバックし、該ＰＩ制御手段で作動遅延を解消するための補足指令を作成してθ軸駆動モータを制御し、かつ、前記θ軸の電子カムデータに沿ってＸ，Ｙ軸の制御データを演算し、該制御データに基づき駆動されるＸ、Ｙ軸駆動モータの実際のＸ、Ｙ値を予測制御手段にフィードバックし、該予測制御手段で作動遅延を解消するための補足指令を作成してＸ、Ｙ軸駆動モータを制御することにより、各軸同期制御を行うことを特徴とする請求項４記載のインデックス装置の制御方法。
- θ軸駆動モータからフィードバックした実際のθ値および該θ値から演算したＸ、Ｙ値と、Ｘ、Ｙ軸駆動モータからフィードバックした実際のＸ、Ｙ値および該Ｘ、Ｙ値から演算したθ値とを各軸毎に比較し、その差を解消する補足指令を、Ｘ、Ｙ軸駆動モータの制御データに反映させることにより、各軸同期制御を行うことを特徴とする請求項４記載のインデックス装置の制御方法。
- テーブルの駆動軸として、Ｘ軸、Ｙ軸およびθ軸を有し、各軸同期制御によって前記テーブルに所望の運動軌跡を描かせるインデックス装置の作動制御方法であって、メカニズム上の前記運動軌跡の中心点と、制御装置上の前記運動軌跡の中心点との差を検出し、該差を解消するように、制御装置上の運動軌跡の中心点を再設定することを特徴とするインデックス装置の制御方法。
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