JP5941108B2 - 高速位置決め機能を有するレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明はレーザ加工機に関する。

レーザ加工機において、障害物を避けながら加工終了点から次の加工点まで高速に移動するために、加工終了点で加工ヘッドがワークから自動的に退避し、次の加工点に近づくにつれて加工ヘッドをワークに近づける技術がある。この従来技術では、加工ヘッドを高速に上昇、下降させるためにパラメータに設定された、上昇／下降速度、退避位置、下降開始位置、減速開始位置に従って制御する。

下降開始位置から、ギャップセンサからの信号に基づく制御により、加工ヘッドを下降させた場合、下降速度が遅くなってしまうため、減速開始位置までは、パラメータに設定された下降速度にて、加工ヘッドを下降する。ギャップセンサから出力される信号に基づく制御は、加工ヘッドが減速開始位置に到達した後に有効となる。

図７は特許文献１に示される加工ヘッドの移動方法を示している。加工形状の加工終了点に加工ヘッドが到達すると、加工ヘッドは加工ヘッドの軌跡に沿って移動する。つまり、加工ヘッドを所定速度で所定量だけ上方（Ｚ軸方向）へ移動させ、加工ヘッドが予め設定された高さに達すると、Ｘ，Ｙ軸を次の加工形状の加工開始方向へ移動させる。加工ヘッドは下降開始位置に達するとワークの次の加工開始位置に向かって下降を開始する。加工ヘッドを次の加工開始位置へアプローチさせる際には、例えば、加工ヘッドを次の加工開始位置の近傍に近づけ、減速開始位置に達すると、加工ヘッドとワークとの間の距離（ギャップ量）に応じた物理量を測定するギャップセンサを用いて、加工ヘッドとワークとの衝突を回避しながら加工ヘッドを所望の加工位置に移動させている。

特開２００４−１０６７号公報 特許第４８２８３７４号公報

特許文献１に開示される技術は、平面加工以外の用途を考慮しておらず、平面軸（ＸＹ軸）の位置決めを対象としていた。このため、次のような問題がある。
（１）加工ヘッドをワークに近づける場合、パラメータにより決められた位置まで下降を行うため、ワークの高さ（Ｚ軸方向）が異なる場合、ワークへ衝突する危険性がある。図８に示されるように、ワークのたわみなどにより、加工終了位置より次の加工開始位置でのワークが高い場合がある。この場合、従来技術では、パラメータ設定によって決まる加工ヘッドの減速開始位置により、（位置決めの終了位置の）ワークが高いと加工ヘッドがワークに衝突する。

（２）また、次ブロックの加工点までの位置決め指令は、平面軸（ＸＹ軸）しか考慮していないため、回転軸に固定したパイプ形状ワーク（回転中心から外周面までの距離が回転軸周りで異なる形状のワーク）のレーザ加工に適用できない。パイプ加工で加工面を変更する際は図９に示されるように、以下の手順で指令を行っていた。
１）ギャップ制御を一度キャンセルする。
２）加工ヘッドを退避する。
３）加工面を変更する。
４）ギャップ制御を再起動する。

上記（１）を解決するため、特許文献２（レーザ加工装置）では、加工ヘッドをワークに接近させる際にギャップ制御を起動しながらワークに接近し、ワークを検出した時点で加工ヘッドを停止させることにより、加工ヘッドとワークとの衝突を防ごうとしている。しかし、特許文献２では、ワークを検出した時点で加工ヘッドを停止させるため、ワークの高さが時々刻々と変化するような場合（図９参照）に対応できない。

そこで、本発明の目的は、上記従来技術の問題点に鑑み、加工されるワークの高さ方向が異なる場合、あるいは、回転軸に取り付けられたワークを加工する場合に、加工ヘッドがワークに衝突することを防ぐことが可能なレーザ加工機を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、加工ヘッドとワーク間のギャップ量を検出するギャップセンサと、該ギャップセンサにより検出されたギャップ量に基づいて加工中のギャップ量が一定値に維持されるように制御されるギャップ制御軸と、前記加工ヘッドが加工形状を移動するように、前記加工ヘッドを前記ワークに対して相対的に移動させる加工送り軸を備えたレーザ加工機において、前記加工ヘッドの位置制御を実行するための加工ヘッドの位置指令を演算する位置指令演算部と、前記加工ヘッドを加工終了点から次の加工開始点まで移動させる際に、前記加工終了点において、前記ギャップ制御軸を前記加工ヘッドが前記ワークから離れる方向に所定量移動させた後、前記加工送り軸が所定の位置まで移動したら、前記加工ヘッドを前記ワーク方向への下降開始を下降モード判定部に指令する下降判定部と、前記下降判定部からの指令に基づいて、前記位置指令演算部での演算を、予め設定された下降データで行うか、前記ギャップセンサの出力に基づいたデータで行うかを判定し、判定結果を前記位置指令演算部に指令する前記下降モード判定部と、を備え、
前記位置指令演算部は、前記下降モード判定部からの指令に基づいて前記加工ヘッドの位置制御を行うことを特徴とするレーザ加工機である。
請求項２に係る発明は、前記加工送り軸は、前記ワークを固定し回転させる回転軸を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機である。

本発明により、加工されるワークの高さ方向が異なる場合、あるいは、回転軸に取り付けられたワークを加工する場合に、加工ヘッドがワークに衝突することを防ぐことが可能なレーザ加工機を提供できる。

本発明のレーザ加工方法の実施形態１を説明する図である。 本発明のレーザ加工方法の実施形態２を説明する図である。 本発明に係るレーザ加工機を説明するブロック図である。 本発明に係る他のレーザ加工機を説明するブロック図である。 レーザ加工機を制御する数値制御装置を説明する図である。 本発明であるワークを回転する回転軸を備えたレーザ加工機を制御する数値制御装置の一実施形態の要部ブロック図である。 特許文献１に開示されたレーザ加工方法を説明する図である。 従来技術を説明する図である（ワークの高さが変わる場合）。 従来技術を説明する図である（ワークが回転する場合）。

以下、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
＜実施形態１＞
図１は本発明のレーザ加工方法の実施形態１を説明する図である。加工終了点より次の加工開始点でのワークが高い位置にある場合、加工動作をギャップ制御で行うことで、ワークとの距離を一定に保つようにノズルの位置を制御するため、ノズルがワークに衝突するのを防ぐことができる。

ワークに対する加工終了点でＺ軸方向に加工ヘッドを上昇させる。所定距離上昇したときに平面軸（Ｘ軸，Ｙ軸）を駆動開始し、次の加工開始点方向へ加工ヘッドを移動する。加工ヘッドは予め設定された高さまで上昇するとＺ軸方向の移動を停止し、平面軸（Ｘ軸，Ｙ軸）のみの移動に移行する。平面軸の駆動を指令するブロックで、ブロックの残移動量から、加工ヘッドが次の加工開始点近傍に到達したことが検知されると、加工ヘッドの下降を開始する。

＜実施形態２＞
図２は本発明のレーザ加工方法の実施形態２を説明する図である。パイプ加工で加工面を変更する場合は、回転軸への位置決め指令のみで加工ヘッドが自動で退避、復帰動作を行う。
１）加工ヘッドを設定された移動量分退避する。
２）加工ヘッドを設定位置まで退避しながら、回転軸の位置決め指令を開始する。
３）回転軸の位置決め指令が終点に近づいたら、加工ヘッドの下降を開始する。ギャップセンサがワークを検知したらギャップ制御による制御に切り替える。ギャップ制御による制御に切り替えることによって、加工ヘッドがワークに衝突することを回避している。
４）ギャップ制御による制御を行う。

図３は本発明に係るレーザ加工機を説明するブロック図である。
本発明に係るレーザ加工機を制御する数値制御装置１０は、移動量計算部６１と、サーボ制御部６２と、ギャップ制御部７０を備えている。移動量計算部６１は、レーザ加工を指令するプログラム６０に記述されている加工経路指令の解析を行い、解析によって得られた移動指令をサーボ制御部６２に出力する。サーボ制御部６２は、位置制御および速度制御の処理を行って電流指令をサーボアンプ６３に出力する。サーボアンプ６３はサーボ制御部６２からの指令に従ってサーボモータ６４を駆動する。加工ヘッド４０はサーボモータ６４の駆動に従ってＺ軸方向に上下動する。

加工ヘッド４０には、加工ヘッド４０とワーク４４の間の距離を測定するためのギャップセンサ６５が取り付けられている。ギャップセンサ６５から出力される信号はＡ／Ｄ変換器６６にてデジタル信号に変換され、ギャップ制御部７０の加工ヘッドの位置指令演算部７８に入力する。

ギャップ制御部７０は、退避コード読込部７１、ブロックの残移動量算出部７２、退避判定部７３、加工ヘッドを退避させるために予めパラメータとして設定された退避データを記憶する退避データ記憶部７４、下降判定部７５、下降モード判定部７６、加工ヘッド４０を加工させるために予めパラメータとして設定された下降データを記憶する下降データ記憶部７７、加工ヘッドの位置指令演算部７８を備えている。

退避コード読込部７１は、移動量計算部６１の加工経路の解析において、次の加工開始点へ移動するための加工ヘッドを退避する指令コードが解析されたときに、解析された退避コードを読み込む。退避コード読込部７１に加工ヘッドを退避する退避コードが読み込まれると、ブロックの残移動量算出部７２においてブロックの残移動量の算出が開始する。ここで、ブロックの残移動量を説明する。次の加工点までの移動を指令する位置決め指令に従って加工ヘッド４０が移動開始する。そして、ブロックの残移動量算出部７２は、加工ヘッド４０の現在位置と位置決め指令に指令される加工開始点までの距離に対応する量にモータの遅れを加味した量である。図３においては、移動量計算部６１から出力される移動指令を積算することによって、ブロックの残移動量を算出している。

ブロックの残移動量算出部７２においてブロックの残移動量の算出が開始されると、退避判定部７３は、加工ヘッド４０を退避させるために予めパラメータとして設定され退避データ記憶部７４に格納されている退避データを加工ヘッドの位置指令演算部７８に出力する。

下降判定部７５は、ブロックの残移動量算出部７２において算出されるブロックの残移動量が予め設定された値を下回ったときに、下降モード判定部７６に指令し、予めパラメータとして設定され下降データ記憶部７７に格納されている下降データを加工ヘッドの位置指令演算部７８に出力するか、ギャップセンサ６５からの出力に基づいて、加工ヘッド４０をワーク４４に近づけるギャップセンサ６５からの信号に基づくギャップ制御を行う指令を加工ヘッドの位置指令演算部７８に出力する。下降モード判定部７６において、下降データに基づく制御、または、ギャップセンサ６５から出力される信号に基づく制御のいずれのモードを選択するかは、予め下降モード判定部７６に設定していてもよいし、退避コード読込部７１に読み込まれる退避コードによって指定してもよい。

加工ヘッドの位置指令演算部７８は、退避データ記憶部７４から入力する退避データ、下降データ記憶部７７から入力する下降データ、あるいは、ギャップセンサ６５から出力される信号をＡ／Ｄ変換器６６により変換したデータの何れかに基づいて、加工ヘッド４０の位置制御を実行するための加工ヘッドの位置指令を演算する。

加工ヘッドの位置指令演算部７８は、加工ヘッドをワークに近づけるＺ軸方向に動作を行う時、ギャップセンサ６５がワーク４４を検出したら、ギャップ制御に切り替えることにより、ワークへの衝突を回避する。この時、加工ヘッド４０をワーク４４に近づける動作をギャップ制御（ギャップセンサの検出値）により行うか、パラメータにより決まった位置まで行うかは、モードによる切換え手段を加工ヘッドの位置指令演算部７８に追加して切り換えることができる。

例えば、退避データ記憶部７４から退避データが入力している場合は、この退避データに基づく加工ヘッドの位置指令をサーボ制御部６２に出力する。下降データ記憶部７７から下降データが入力している場合は、この下降データに基づく加工ヘッドの位置指令をサーボ制御部６２に出力する。下降モード判定部７６においてギャップ制御指令が加工ヘッドの位置指令演算部７８に出力されている場合には、ギャップセンサ６５から出力される信号をＡ／Ｄ変換器６６により変換したデータに基づく加工ヘッドの位置指令をサーボ制御部６２に出力する。

本発明により、加工ヘッドをワークに近づけるＺ軸方向に動作を行う時、ギャップセンサ６５がワーク４４を検出したら、ギャップ制御に切り替えることにより、ワークへの衝突を回避する。この時、加工ヘッドをワークに近づける動作をギャップ制御（ギャップセンサの検出値）により行うか、パラメータにより決まった位置まで行うかは、モードによる切換え手段を追加して切り換える。これにより、平らなワークの場合はパラメータ設定値まで早く下降することができ、パイプ加工のような特殊な形状のワークの場合にも安全に下降することができる。

図４は本発明に係る他のレーザ加工機を説明するブロック図である。このレーザ加工機は、ワーク４４を回転軸で回転させる機構を備えている。任意の第３軸の位置決め指令でも第１実施形態の方法を適用することにより、パイプ加工のような特殊な形状のワークでも従来技術が使用可能となり、サイクルタイムを短縮することができる。

次に、実施形態１，実施形態２の制御を実行するレーザ加工機を図５と図６を用いて説明する。
図５は本発明であるレーザ加工機を制御する数値制御装置の一実施形態の要部ブロック図である。符号１０はレーザ加工機を制御する制御装置であり、数値制御装置（ＣＮＣ）で構成されている。数値制御装置１０はプロセッサ（ＣＰＵ）１１を中心に構成されている。プロセッサ１１にはバス２４を介して、ＲＯＭ１２、ＲＡＭ１４、バッテリバックアップされたＳＲＡＭなどで構成される不揮発性メモリ１３、入出力インタフェース１５，１７、表示装置付きＭＤＩ（手動入力装置）１６、加工送り軸のＸ軸、Ｙ軸の軸制御回路１９，２０、ギャップ制御軸のＺ軸の軸制御回路２１、そして、各軸制御回路１９〜２１は図示しないサーボアンプを介して各軸サーボモータ３１〜３３に接続されている。

ＲＯＭ１２にはレーザ加工機３０全体を制御するシステムプログラムが格納されている。不揮発性メモリ１３には、表示装置付きＭＤＩ１６を利用して作成される加工プログラムもしくは図示しない入力インタフェースを介して入力される加工プログラムが格納される。

ＲＡＭ１４は各種処理中におけるデータの一時記憶等に利用される。入出力インタフェース１５にはレーザ発振器５０が接続され、プロセッサ１１からの出力制御信号を、入出力インタフェース１５を介してレーザ発振器５０に送信する。レーザ発振器５０は、出力制御信号に従ってレーザビーム５１を出射し、ベンディングミラー５２で反射して加工ヘッド４０に送る。レーザビーム５１は、加工ヘッド４０で集光されて加工ヘッド４０に取り付けられているトーチ４１の先端からワーク４４に照射される。

加工ヘッド４０のトーチ４１には、トーチ４１の先端点とワーク４４間の距離（ギャップ）を測定するギャップセンサ６５が設けられている。ギャップセンサ６５の出力信号は、数値制御装置１０内のＡ／Ｄ変換器（アナログ信号をデジタル信号に変換する変換器）１８を介して入出力インタフェース１７に出力されている。

レーザ加工機機構部３７は、ワーク４４を取り付けたテーブル４３をＸ軸方向（図１において左右方向）に駆動するＸ軸サーボモータ３１、テーブル４３をＹ軸方向（図１において紙面垂直方向）に駆動するＹ軸サーボモータ３２、加工ヘッド４０及びトーチ４１を前記Ｘ軸およびＹ軸に垂直なＺ軸方向に駆動するギャップ制御軸を構成するＺ軸サーボモータ３３を備えている。

Ｘ軸，Ｙ軸サーボモータ３１，３２はテーブル４３を駆動し、Ｚ軸サーボモータ３３は、トーチ４１の先端点とワーク４４間の距離、すなわちギャップを調整するために用いられ、Ｘ軸サーボモータ３１は、数値制御装置１０のＸ軸制御回路１９に接続され、Ｙ軸サーボモータ３２はＹ軸制御回路２０に接続され、Ｚ軸サーボモータ３３はＺ軸制御回路２１に接続されている。

また、各軸サーボモータ３１，３２，３３には位置・速度を検出するパルスコーダ等の位置・速度検出器が取り付けられ、それぞれのサーボモータ３１，３２，３３の位置・速度を各軸制御回路１９，２０，２１にフィードバックしている。各軸制御回路１９，２０，２１は、プロセッサ（ＣＰＵ）１１からの指令と位置・速度のフィードバック信号に基づいて、図示しない各軸サーボアンプに軸の移動指令を出力し、この各軸サーボアンプはこの移動指令を増幅し各軸サーボモータ３１，３２，３３の位置、速度を制御している。さらには、図示しない電流検出器のフィードバック信号に基づいて電流制御をも実施している。
図６は本発明であるワークを回転する回転軸を備えたレーザ加工機を制御する数値制御装置の一実施形態の要部ブロック図である。図５と異なるところは、さらに、Ｘ軸サーボモータ３１、Ｙ軸サーボモータ３２で駆動されるテーブル４３に、パイプなどのワーク４４を回転するＡ軸サーボモータ３４を含むＡ軸の構成部を備えていることである。

Ｘ軸，Ｙ軸サーボモータ３１，３２はテーブル４３を駆動し、Ｚ軸サーボモータ３３は、トーチ４１の先端点とワーク４４間の距離、すなわちギャップを調整するために用いられ、Ａ軸サーボモータ３４はワーク４４を回転させるために用いられる。

Ｘ軸サーボモータ３１は、数値制御装置１０のＸ軸制御回路１９に接続され、Ｙ軸サーボモータ３２はＹ軸制御回路２０に接続され、Ｚ軸サーボモータ３３はＺ軸制御回路２１に接続されている。Ａ軸サーボモータ３４はＡ軸制御回路２２に接続されている。なお、各サーボモータは図示しないサーボアンプを介して各軸制御回路に接続されている。

また、各軸サーボモータ３１，３２，３３，３４には位置・速度を検出するパルスコーダ等の位置・速度検出器が取り付けられ、それぞれのサーボモータ３１，３２，３３，３４の位置・速度を各軸制御回路１９，２０，２１，２２にフィードバックしている。各軸制御回路１９，２０，２１，２２は、プロセッサ（ＣＰＵ）１１からの指令と位置・速度のフィードバック信号に基づいて、図示しない各軸サーボアンプに軸の移動指令を出力し、この各軸サーボアンプはこの移動指令を増幅し各軸サーボモータ３１，３２，３３，３４の位置、速度を制御している。さらには、図示しない電流検出器のフィードバック信号に基づいて電流制御をも実施している。

１０ 数値制御装置
１１ プロセッサ（ＣＰＵ）
１２ ＲＯＭ
１３ 不揮発性メモリ
１４ ＲＡＭ
１５ 入出力インタフェース
１６ 表示装置付ＭＤＩ（手動入力装置）
１７ 入出力インタフェース
１８ Ａ／Ｄ変換器
１９ Ｘ軸制御回路
２０ Ｙ軸制御回路
２１ Ｚ軸制御回路
２２ Ａ軸制御回路

３０ レーザ加工機
３１ Ｘ軸サーボモータ
３２ Ｙ軸サーボモータ
３３ Ｚ軸サーボモータ
３４ Ａ軸サーボモータ

３７ レーザ加工機機構部

４０ 加工ヘッド
４１ トーチ
４２ ギャップセンサ
４３ テーブル
４４ ワーク

５０ レーザ発振器
５１ レーザビーム
５２ ベンディングミラー

６０ プログラム
６１ 移動量計算部
６２ サーボ制御部
６３ サーボアンプ
６４ サーボモータ
６５ ギャップセンサ
６６ Ａ／Ｄ変換器

７０ ギャップ制御部
７１ 退避コード読込部
７２ ブロックの残移動量算出部
７３ 退避判定部
７４ 退避データ記憶部
７５ 下降判定部
７６ 下降モード判定部
７７ 下降データ記憶部
７８ 加工ヘッドの位置指令演算部

Claims (2)

1. 加工ヘッドとワーク間のギャップ量を検出するギャップセンサと、該ギャップセンサにより検出されたギャップ量に基づいて加工中のギャップ量が一定値に維持されるように制御されるギャップ制御軸と、前記加工ヘッドが加工形状を移動するように、前記加工ヘッドを前記ワークに対して相対的に移動させる加工送り軸を備えたレーザ加工機において、
   前記加工ヘッドの位置制御を実行するための加工ヘッドの位置指令を演算する位置指令演算部と、
   前記加工ヘッドを加工終了点から次の加工開始点まで移動させる際に、前記加工終了点において、前記ギャップ制御軸を前記加工ヘッドが前記ワークから離れる方向に所定量移動させた後、前記加工送り軸が所定の位置まで移動したら、前記加工ヘッドを前記ワーク方向への下降開始を下降モード判定部に指令する下降判定部と、
   前記下降判定部からの指令に基づいて、前記位置指令演算部での演算を、予め設定された下降データで行うか、前記ギャップセンサの出力に基づいたデータで行うかを判定し、判定結果を前記位置指令演算部に指令する前記下降モード判定部と、を備え、
   前記位置指令演算部は、前記下降モード判定部からの指令に基づいて前記加工ヘッドの位置制御を行うことを特徴とするレーザ加工機。
2. 前記加工送り軸は、前記ワークを固定し回転させる回転軸を含むことを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工機。

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