JP5832569B2

JP5832569B2 - ギャップ制御中に干渉回避が可能な数値制御装置

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Publication number: JP5832569B2
Application number: JP2014034323A
Authority: JP
Inventors: 隆良松本
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2034-02-25
Also published as: DE102015002040B4; JP2015157313A; DE102015002040A1; CN104858545B; CN104858545A; US20150241868A1; US10108174B2

Description

本発明は、レーザ加工機を制御する数値制御装置に関する。

図５は従来のレーザ加工方法を説明する図である。レーザ加工機におけるギャップ制御は、レーザ加工ヘッド１０にワーク１４とノズル先端１２の距離を検出するためのギャップセンサ１３を取り付けて、このセンサ信号を数値制御装置（図示せず）に入力すると、数値制御装置はノズル先端とワーク間の距離が一定（設定値）になるようにギャップ制御軸に移動指令を出力する。この機能により、ワークに「たわみ」や「そり」による曲がりがあっても、ノズル先端（ビーム焦点）とワークとの相対位置が変わらないようギャップ制御軸を自動制御し安定したレーザ加工を実現している。

特許文献１には、ノズルとワークのＺ軸方向の実ギャップ値を検出するギャップセンサと、Ｚ軸モータ及び直交軸モータを制御するコントローラとを備え、切断速度よりも速い空移動速度で移動させる空移動工程において、熱切断加工ヘッドを上方向へ退避移動させるときにおけるコントローラのゲインを、ノズルから熱切断ビームを照射する熱切断工程におけるコントローラの通常のゲインよりも上げる技術が開示されている。

特開２００３−２３６６９１号公報

図６は従来のレーザ加工方法の課題を説明する図である。ワーク１４に「たわみ」や「そり」による曲がりが存在する箇所を加工中、ノズル先端１２がワーク１４に異常接近するとギャップ制御によりギャップ制御軸を上昇させてノズル先端１２とワーク１４間の距離を一定に保とうとするが、ギャップ制御軸追従速度に対して加工速度が速い場合は、ノズル先端１２とワーク１４間の距離を一定に保つ前に、水平方向の移動によりノズル先端１２がワーク１４に衝突してしまう。つまり、ノズル先端１２とワーク１４間の距離を所定値にするギャップ制御軸追従速度に比べて加工速度が速い場合、ワーク１４にたわみやそりによる曲がりが存在する箇所でノズル先端１２がワーク１４に異常接近しノズル先端１２とワーク１４間の距離が所定値になる前に、ノズル先端１２とワーク１４が干渉（衝突）することがある。

ギャップ制御軸追従速度を速くして干渉を回避する場合には、ギャップ制御ゲインを予め高く設定する必要があるが、ゲインは調整を行って軸が発振しない安定に動作するゲインが設定されているので、ゲインを予め高く設定することができない。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、ギャップ制御を用いたレーザ加工中にノズル先端がワークに接近した場合に、ギャップ制御ゲインを高くして、ワークとノズル先端の干渉を回避する制御を行うことが可能なレーザ加工機を制御する数値制御装置を提供することである。

本発明は、ギャップ制御中にギャップ制御軸追従速度に比べて加工速度が速いレーザ加工においてノズル先端がワークに接近した場合、ギャップ制御ゲインを一時的に高くすることでギャップ制御軸追従速度を一時的に速くし、ワークとノズルの干渉を回避させる。
本願の請求項１に係る発明は、ノズル先端とワークの基準となる離隔距離を基準位置として指定する基準位置指定手段と、前記ノズル先端と前記ワークの離隔距離を検知するギャップ量検知手段と、前記基準位置指定手段で指定された基準位置と前記ギャップ量検知手段で検知した離隔距離から変位量を求める変位量演算手段と、前記変位量に基づいてレーザ加工機のノズル先端位置制御を行う数値制御装置において、前記変位量とギャップ制御ゲインからギャップ制御軸追従速度を演算するギャップ制御軸追従速度演算手段と、前記ノズル先端と前記ワーク間の前記離隔距離が前記基準位置よりも前記ワークに近づいた場合に、前記ノズル先端が接近側に入ったと判断する第１判断手段と、前記第１判断手段により、前記ノズル先端が前記接近側に入ったと判断された場合に、前記変位量に応じて連続的に前記ギャップ制御ゲインを変更する第１変更手段と、を有することを特徴とするレーザ加工機を制御する数値制御装置である。

請求項２に係る発明は、前記ノズル先端と前記ワーク間の前記離隔距離が異常接近距離よりも小さくなった場合に、緊急性を要する異常接近と判断する第２判断手段と、前記第２判断手段により、緊急性を要する異常接近と判断したときから、前記基準位置から接近側において連続である関数Ｇ（ｘ）を用いたゲインから緊急用のギャップ制御ゲイン（設定値）に変更する第２変更手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機を制御する数値制御装置である。
請求項３に係る発明は、前記第１判定手段は、前記先端ノズルが接近側から基準位置に戻ったことを判断し、前記第１判定手段により、前記基準位置に戻ったと判断された場合、通常のギャップ制御ゲインに切り換える切り替え手段と、を有することを特徴とする請求項１または２の何れか一つに記載のレーザ加工機を制御する数値制御装置である。
請求項４に係る発明は、接近側ギャップ制御ゲインは、Ｎ次関数（Ｎ：自然数）、３角関数、指数関数、対数関数のうちいずれかひとつの、基準位置から接近側において連続である関数Ｇ（ｘ）であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機を制御する数値制御装置である。

本発明により、ギャップ制御を用いたレーザ加工中にノズル先端がワークに接近した場合に、ギャップ制御ゲインを高くして、ワークとノズル先端の干渉を回避する制御を行うことが可能なレーザ加工機を制御する数値制御装置を提供できる。

本発明に係る制御方法を説明する図である。本発明の実施形態１を説明する図である。本発明の実施形態２を説明する図である。本発明に係るギャップ制御中に干渉回避処理を示すフローチャートである。従来のレーザ加工方法を説明する図である。従来のレーザ加工方法の課題を説明する図である。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１は本発明に係る制御方法を説明する図である。一般的なレーザ加工機は、レーザビームを板状のワーク１４に向かって照射するレーザ加工ヘッド１０の他に、このレーザ加工ヘッド１０を上下方向（Ｚ軸方向）へ移動させるＺ軸モータと、レーザ加工ヘッド１０をＺ軸方向と直交するＸ軸方向，Ｙ軸方向へワーク１４に対して相対的に移動させるＸ軸移動モータ，Ｙ軸移動モータと、３つの移動モータ（Ｚ軸移動モータ，Ｘ軸移動モータ，Ｙ軸移動モータ）を制御する制御装置を備えている。更に、レーザ加工ヘッド１０におけるノズルとワーク１４のギャップ値をほぼ一定に保って安定したレーザ加工を行うため、上記レーザ加工機は上記ノズルとワーク１４の実ギャップ量を検出するギャップセンサ１３を備えている。制御装置は、ギャップセンサ１３の検出値及び上記目標ギャップ値に基づくＺ軸指令値を上記Ｚ軸モータに出力可能に構成してある。

従って、上記制御装置によりＸ軸移動モータ，Ｙ軸移動モータを制御してレーザ加工ヘッド１０をワーク１４に対して相対的にＸ軸方向，Ｙ軸方向へ切断速度で移動させつつ、上記ノズルからレーザビームをワーク１４に向かって照射する。また、ギャップセンサ１３により上記ノズルとワーク１４の実ギャップ値を検出すると共に、制御装置によりギャップセンサ１３の検出値と目標ギャップ値に基づくＺ軸指令値を上記Ｚ軸モータに出力してレーザ加工ヘッドをＺ軸方向へ移動させる。これによって、上記ノズルとワーク１４のギャップ値をほぼ一定に保って、ワーク１４における被加工部に対して安定したレーザ切断加工を行うことができる。

レーザ加工ヘッド１０に取り付けられワーク１４とノズル先端１２の距離を検出するためのギャップセンサ１３から、ワーク１４とノズル先端１２との距離を検出し、検出した距離と設定されている基準位置を比較して設定値未満だった場合、ノズル先端１２が接近側であると判定する。

ノズル先端１２がワーク１４に近づき接近側であると判定されると、予め設定しておいた接近側用の変位量ΔＥに応じたギャップ制御ゲインＧ’（ΔＥ）（変位量に応じた関数）、異常接近距離に応じた異常接近時ギャップ制御ゲインＧ’’を用いて、通常のギャップ制御ゲインＧから接近側用の変位量ΔＥに応じたギャップ制御ゲイン関数により求まるギャップ制御ゲインＧ’（ΔＥ）に変更する。これによって、ギャップ制御軸追従速度を高めて衝突を回避する。さらに、緊急性を要する異常接近を検出した場合は、異常接近時ギャップ制御ゲインＧ’’（固定値）に変更することで、ギャップ制御軸追従速度をさらに高めて衝突を回避する。その後、ワーク１４とノズル先端１２の距離が基準位置に回復したら、（通常の）ギャップ制御ゲインＧに再び変更する。本発明により、干渉による加工中断がなくなり、また、ギャップ制御軸追従速度に依存しない送り速度を設定できる。なお、背景技術で説明した特許文献１は、レーザ加工中（切断加工中）にギャップ制御ゲインを上げたり下げたりすることを特徴とした本発明と異なる。

＜実施形態１＞
図２は本発明の実施形態１を説明する図である。図２（ｄ）に示すように、レーザ加工ヘッド１０に取り付けられワーク１４とノズル先端１２の距離を検出するためのセンサ（図示せず）から、ワーク１４とノズル先端１２との距離を検出する。検出した距離と予め設定されている基準位置（基準変位量）を比較して、検出した距離が設定値未満だった場合、ノズル先端１２が接近側であると判定する。

ノズル先端１２が接近側であると判定されると、接近側用の変位量ΔＥに応じたギャップ制御ゲイン関数に、ｇ^ΔＥ＋（Ｇ−１）という指数関数を適用する。なお、ｇ：ギャップ制御ゲイン指数関数の底、ΔＥ：変位量、Ｇ：（通常の）ギャップ制御ゲインである。

上記ギャップ制御ゲイン関数を適用し、ノズル先端１２とワーク１４間の距離を１ｍｍ（基準位置）に保ちながら加工するときに、ワーク１４の「そり」による曲りが１５度ある箇所にレーザ加工ヘッド１０が到達した場合を想定し、従来の技術と比較した効果について説明する。さらに、この時の条件は次のようになっていたとする。ギャップ制御ゲイン指数関数の底ｇは１２０、（通常の）ギャップ制御ゲインＧは４０（１／ｓｅｃ）、加工速度１００００（ｍｍ／ｍｉｎ）。

図２（ａ）のように変位量ΔＥに応じて（ノズル先端１２がワーク１４に接近する）連続的にゲインＧが変化する。このゲインＧの変化に従うと、図２（ｂ）のようなギャップ制御追従速度となり変位量ΔＥが大きくなる（つまり、ノズル先端１２がワーク１４に接近する）につれて、従来のゲイン一定よりも早くギャップ制御軸が動作するようになる。ここで、ワーク１４と衝突するかどうかは図２（ｄ）の加工速度とギャップ制御軸追従速度の関係から決定されるレーザ加工ヘッド１０の進行方向の仰角が、ワーク１４の「そり」による曲りよりも大きくなるかで確認できる。

図２（ｃ）に変位量ΔＥと仰角の関係を示す。従来のゲイン一定の場合は、変位量ΔＥが大きくなっても仰角がワーク１４に「そり」による曲りの１５度未満であるが、指数関数を用いたゲインを用いると変位量ΔＥが０．７ｍｍを超えると仰角が１５度を超えるので、ノズル先端１２とワーク１４の衝突を回避することができる。

回避後、センサから検出されるワーク１４とノズル先端１２との距離（変位量ΔＥ）が設定されている基準位置（基準変位量）に復帰すると、（通常の）ギャップ制御ゲインに再び変更する。

なお、接近側ギャップ制御ゲインは、Ｎ次関数（Ｎ：自然数）、３角関数、指数関数、対数関数のうちいずれかひとつの、基準位置から接近側において連続である関数Ｇ（ｘ）である。

＜実施形態２＞
図３は本発明の実施形態２を説明する図である。図３（ａ）はギャップ制御ゲイン変更前であり、図３（ｂ）はギャップ制御ゲイン変更後である。レーザ加工ヘッド１０にワーク１４とノズル先端１２の距離を検出するためのセンサ（図示せず）から、ワーク１４とノズル先端１２との距離を検出しながら、ノズル先端１２とワーク１４間の距離を１ｍｍに保ちながら加工するときに、ワーク１４に「そり」による曲りが１５度ある箇所にレーザ加工ヘッド１０が到達し、非常に短い時間で異常接近距離に到達した場合を想定する。さらに、この時の条件は次のようになっていたとする。
（通常の）ギャップ制御ゲイン４０（１／ｓｅｃ）、加工速度１０１０００（ｍｍ／ｍｉｎ）、異常接近距離０．１（ｍｍ）、異常接近時ギャップ制御ゲイン９００（１／ｓｅｃ）
この加工の場合、ワーク１４に「そり」による曲りの開始に到達してから異常接近距離になるまで２ｍｓｅｃと非常に短い時間になり、緊急性を要する異常接近距離になったので、異常接近時ギャップ制御ゲインＧ’’（固定値）に変更する。

ギャップ制御ゲイン切換え前のギャップ制御軸追従速度は、６０×４０（１／ｓｅｃ）×［１．０（ｍｍ）−０．１（ｍｍ）］＝２１６０ｍｍ／ｍｉｎとなり、加工速度が１０１０００ｍｍ／ｍｉｎなのでレーザ加工ヘッド１０の進行方向は水平方向に対して１．２度方向に進む。

ギャップ制御ゲインを異常接近時ギャップ制御ゲインＧ’’（固定値）に変更すると、ギャップ制御軸追従速度は、６０×９００（１／ｓｅｃ）×［１．０（ｍｍ）−０．１（ｍｍ）］＝４８６００ｍｍ／ｍｉｎとなり、加工速度が１０１０００ｍｍ／ｍｉｎなのでレーザ加工ヘッド１０の進行方向は水平方向に対して２５．７度方向に進み、ワーク１４の「そり」が１５度であるから、で衝突を回避して加工することができる。

回避後、センサから検出されるワークとノズル先端との距離が設定されている基準位置に復帰すると、（通常の）ギャップ制御ゲインに再び変更する。

図４は本発明に係るギャップ制御中に干渉回避処理を示すフローチャートである。以下、各ステップに従って説明する。
［ステップｓａ０１］ギャップセンサからの情報を読取り、変位量を算出する。
［ステップｓａ０２］ノズル先端は接近側か否か判断し、接近側の場合（Ｙｅｓ）にはステップｓａ０４へ移行し、接近側ではない場合（Ｎｏ）にはステップｓａ０３へ移行する。
［ステップｓａ０３］通常のギャップ制御ゲインに変更し、ステップｓａ０７へ移行する。
［ステップｓａ０４］ノズル先端は異常接近距離を超えたか否か判断し、超えた場合（Ｙｅｓ）にはステップｓａ０５へ移行し、超えていない場合（Ｎｏ）にはステップｓａ０６へ移行する。
［ステップｓａ０５］ギャップ制御ゲインを異常接近時ギャップ制御ゲインに変更し、ステップｓａ０７へ移行する。
［ステップｓａ０６］ギャップ制御ゲインを連続関数を用いて変位量に応じたゲインに変更する。
［ステップｓａ０７］ギャップ制御ゲインと変位量からギャップ制御軸追従速度を計算する。
［ステップｓａ０８］速度データをギャップ軸制御回路に出力する。
［ステップｓａ０９］プログラムが終了であるか否か判断し、終了ではない場合（Ｎｏ）にはステップｓａ０１へ移行し、終了の場合（Ｙｅｓ）には処理を終了する。

１０レーザ加工ヘッド
１２ノズル先端
１３ギャップセンサ
１４ワーク

Claims

ノズル先端とワークの基準となる離隔距離を基準位置として指定する基準位置指定手段と、前記ノズル先端と前記ワークの離隔距離を検知するギャップ量検知手段と、前記基準位置指定手段で指定された基準位置と前記ギャップ量検知手段で検知した離隔距離から変位量を求める変位量演算手段と、前記変位量に基づいてレーザ加工機のノズル先端位置制御を行う数値制御装置において、
前記変位量とギャップ制御ゲインからギャップ制御軸追従速度を演算するギャップ制御軸追従速度演算手段と、
前記ノズル先端と前記ワーク間の前記離隔距離が前記基準位置よりも前記ワークに近づいた場合に、前記ノズル先端が接近側に入ったと判断する第１判断手段と、
前記第１判断手段により、前記ノズル先端が前記接近側に入ったと判断された場合に、前記変位量に応じて連続的に前記ギャップ制御ゲインを変更する第１変更手段と、
を有することを特徴とするレーザ加工機を制御する数値制御装置。
前記ノズル先端と前記ワーク間の前記離隔距離が異常接近距離よりも小さくなった場合に、緊急性を要する異常接近と判断する第２判断手段と、
前記第２判断手段により、緊急性を要する異常接近と判断したときから、前記基準位置から接近側において連続である関数Ｇ（ｘ）を用いたゲインから緊急用のギャップ制御ゲイン（設定値）に変更する第２変更手段と、
を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機を制御する数値制御装置。
前記第１判定手段は、前記先端ノズルが接近側から基準位置に戻ったことを判断し、
前記第１判定手段により、前記基準位置に戻ったと判断された場合、通常のギャップ制御ゲインに切り換える切り替え手段と、
を有することを特徴とする請求項１または２の何れか一つに記載のレーザ加工機を制御する数値制御装置。
接近側ギャップ制御ゲインは、Ｎ次関数（Ｎ：自然数）、３角関数、指数関数、対数関数のうちいずれかひとつの、基準位置から接近側において連続である関数Ｇ（ｘ）であることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機を制御する数値制御装置。