JP6636753B2 - 姿勢による加工条件制御が可能な数値制御装置 - Google Patents

Description

本発明は数値制御装置に関し、特にレーザ加工機が備えるノズルの姿勢による加工条件制御が可能な数値制御装置に関する。

３次元のレーザ加工では、湾曲したワーク表面に沿って加工する場合や、ワークに対してノズルを傾斜させて加工（開先加工）する場合がある。
３次元レーザ加工において湾曲したワーク表面に沿って加工する場合、ノズル先端点が一定速度となるように加工を行っても、コーナ部などではワーク表面とワーク裏面で加工速度に差が生じる。例えば、図１１のようにワークの湾曲面に沿って加工をする時にＮ１〜Ｎ３ブロックを同じ加工条件で加工する場合を考えると、図１１のＮ２ブロックを加工する際のワーク２の表面での移動距離Ｌ₁に対してワーク２の裏面の移動距離Ｌ₂が短くなるため、ワーク２の裏面での加工速度はワーク２の表面での加工速度と比べて遅くなり、これが原因でワーク２の裏面において加工不良が発生することがある。

また、開先加工を行う場合においても、図１２に示すようにワーク２に対してノズル１が垂直な場合の板厚Ｄ₁と比較し、ワーク２に対してノズル１を傾斜させて加工しているため加工部分における板厚がＤ₂に変化するため、ノズル１が垂直な場合に対してノズル１の傾斜角度に応じて加工条件を変更する必要がある。
また、図１３に示すように開先加工で円弧補間を行う場合、ワーク２の表面での移動距離Ｌ₁に対してワーク２の裏面の移動距離Ｌ₂が長くなるため、ワーク２の裏面での加工速度が速くなる。このような場合、ノズル１が垂直な場合と加工経路は同じでも、プログラム作成時に傾きを考慮して、ノズル１が垂直なときとは別の加工条件を指令する必要があった。

なお、加工条件の変更に係る従来技術として、ノズル先端の速度に応じて加工条件を変更する技術（例えば、特許文献１，２など）や、加工形状から加工条件データを含んだ加工プログラムを作成する技術（例えば、特許文献３，４など）が公知となっている。

特開平０９−１５０２８２号公報 特開２０００−３５１０８７号公報 特開平０６−１１０５２４号公報 特開平０６−１４２９５４号公報

しかしながら、特許文献１，２に開示される技術では、ワーク裏面の形状が考慮されておらず、図１１の場合に加工不良をなくすためには、直線部（Ｎ１，Ｎ３ブロック）とコーナ部（Ｎ２ブロック）でプログラム作成時に意図的に別の加工条件を指令する必要があった。例えば、図１１のようにワーク２に対して常にノズル１が垂直となるような３次元加工を行う場合には、Ｎ２ブロックはコーナとなるため、Ｎ１、Ｎ３ブロックとは異なる加工条件を指令する加工プログラムを作成する必要がある。

また、特許文献３，４に開示される技術を用いたとしても、ＣＡＤ／ＣＡＭデータなどの情報に基づいてあらかじめ加工形状に合わせて細かく加工条件を指令するＮＣプログラムを作成する必要があり、手間がかかるという課題があった。例えば、図１４のように、Ｎ１ブロックはワークに対してノズル１を垂直にして直線加工、Ｎ２ブロックはワーク２に対してノズル１を角度θ傾けて直線の開先加工、Ｎ３ブロックはワーク２に対してノズル１を角度θ傾けたまま円弧の開先加工、を行う場合、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３ブロックではそれぞれ異なる加工条件を指令する加工プログラムを作成する必要がある。

そこで本発明の目的は、運転中にワーク厚さとノズル姿勢から最適な加工条件を自動的に設定する機能を備えた数値制御装置を提供することである。

本願の請求項１に係る発明は、レーザ加工機をプログラムに従って制御してワークに対する３次元レーザ加工を行う数値制御装置において、前記プログラムにより指令される、前記ワークに対する前記レーザ加工機のノズルの姿勢に基づいて、前記ワークの表面における加工速度と、前記ワークの裏面における加工速度との速度比率を演算周期毎に求め、該演算周期毎に求めた該速度比率に基づいて前記プログラムにより指令される加工条件を変更する加工条件変更手段を備え、前記加工条件変更手段により変更された前記加工条件に基づいて前記レーザ加工機による３次元レーザ加工を制御する、ことを特徴とする数値制御装置である。

本願請求項２に係る発明は、レーザ加工機をプログラムに従って制御してワークに対する３次元レーザ加工を行う数値制御装置において、
前記ワークに対してノズルを傾けた姿勢で直線移動させる開先加工を行う場合に、
前記プログラムにより指令される、加工中に変化する前記ワークに対する前記レーザ加工機の前記ノズルの姿勢に基づいて、前記プログラムにより指令される前記ノズルの姿勢にある場合のワーク板厚と、前記ワークの表面に対して前記ノズルが垂直であった場合のワーク板厚との変化比率を求め、該変化比率に基づいて前記プログラムにより指令される加工条件を変更する加工条件変更手段を備え、
前記加工条件変更手段は、前記ワークに対して前記ノズルを傾けた姿勢で円弧の開先加工を行う場合に、
前記ワークの表面における加工速度と、加工前後の前記ノズルの姿勢変化とを求め、前記ワークの表面における加工速度と前記ノズルの姿勢変化のパラメータに基づいて、前記ワークの裏面における加工速度を求め、前記ワークの表面における加工速度に対する前記ワークの裏面における加工速度の比率である速度比率を求め、
前記速度比率が規定以内にない場合には、前記速度比率に対する最適な加工条件をテーブルから選択するか、または、前記速度比率に基づいて前記プログラムにより指令される加工条件を変更し、
前記ノズルの傾けた姿勢の傾斜角度を用いて予め設定されている変換式を用いて係数を求め、
前記傾斜角度と前記係数とに基づいてオーバライド値を求め、
前記求めたオーバライド値により、前記選択された加工条件、または、前記プログラムにより指令される加工条件を前記速度比率に基づいて変更したものを変更し、
前記加工条件変更手段により変更された前記加工条件に基づいて前記レーザ加工機による３次元レーザ加工を制御する、
ことを特徴とする数値制御装置である。

本発明により、３次元のレーザ加工において姿勢の変化により発生するワーク表面とワーク裏面の加工領域の違いに基づいて、加工条件を自動で設定することができる。また、開先加工においても、ノズルの傾きから加工条件を自動で設定することができる。これによりワークの形状やノズルの姿勢に合わせて細かく加工条件を設定する必要がなくなり、また、ＣＡＤ／ＣＡＭデータの情報に基づいて、加工形状に合わせて加工条件を指令する必要が少なくなるため、従来に比べて容易に加工品質を向上させることができる。

本発明の第１の実施形態におけるワークの加工状況を説明する図である。 本発明の第１の実施形態におけるワーク表面での移動Ｌ₁からワーク裏面での移動Ｌ₂を求める方法について説明する図である。 本発明の第１の実施形態における速度比率と加工条件オーバライドとの関係を示すグラフである。 本発明の実施形態における数値制御装置の要部ブロック図である。 本発明の第１の実施形態における数値制御装置で実行される加工条件変更処理のフローチャートである。 本発明の第２の実施形態におけるワークの加工状況を説明する図である。 本発明の第２の実施形態におけるワーク板厚Ｄ₁からワーク板厚Ｄ₂を求める方法について説明する図である。 本発明の第２の実施形態におけるノズルの傾き角度θと係数Ｋとの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態におけるノズルの傾き角度θからワーク表面とワーク裏面の速度比率を求める方法について説明する図である。 本発明の第２の実施形態における数値制御装置で実行される加工条件変更処理のフローチャートである。 従来技術におけるワークの加工状況により発生する問題（１）を説明する図である。 従来技術におけるワークの加工状況により発生する問題（２）を説明する図である。 従来技術におけるワークの加工状況により発生する問題（３）を説明する図である。 従来技術におけるワークの加工状況により発生する問題（４）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。
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態では、図１に示すように３次元レーザ加工においてワークに対して常に垂直になるような加工を行う場合においてワーク表面とワーク裏面で速度差がある時の加工条件の設定方法を示す。

本実施形態の数値制御装置は、３次元レーザ加工においてワークに対して常に垂直になるような加工を行う場合においてワーク表面とワーク裏面で速度差がある時は、加工条件（ピークパワー、周波数、デューティなど）を変更して制御する。通常、特開２０１２−１７７９７３号公報などで公知となっている工具先端点制御では先端点（プログラム経路）の移動から制御点の移動を算出しているが、本実施形態の数値制御装置では、図２に示すように、さらに制御点から見て工具先端点をノズル方向に板厚Ｄ₁分だけ延長した点（ワーク裏面）の移動量Ｌ₂を算出する。

移動量Ｌ₂の算出例として、工具ヘッドがＸ，Ｙ，Ｚ軸で直線動作し、Ｃ軸とＢ軸で回転する工具ヘッド回転型多軸加工機の場合を考える。特開２０１３−１９６３２７号公報などで公知となっているように、工具先端点の移動量Ｌ₁は演算時刻ｔ_iにおける工具先端位置Ｔｐ₁をＴｐ₁（ｔ_i）と表すと、以下に示す数１式のように、１回の演算周期前の演算時刻ｔ_i-1におけるＴｐ₁（ｔ_i-1）とＴｐ₁（ｔ_i）間の距離が演算時刻ｔ_i-1からｔ_iへの工具先端点の移動距離Ｌ₁（ｔ_i）で演算することができる。

同様に、工具先端位置からノズル方向にワーク板厚Ｄ₁分延長した位置Ｔｐ₂（Ｘｔ₂，Ｙｔ₂，Ｚｔ₂）を以下に示す数２式および数３式のように演算する。Ｐｏ（Ｐｏｘ，Ｐｏｙ，Ｐｏｚ）はワークが置かれたテーブル上に固定された座標系（テーブル座標系）の原点の機械座標系上の位置である。Ｖｌは工具先端位置から工具軸方向にワーク板厚分延長した位置Ｔｐ₂から直線軸３軸位置Ｐｌへのテーブル座標系上の工具長（工具長＋ワーク板厚Ｄ₁）補正ベクトルであり、Ｂｍ＝Ｃｍ＝０の時の基準工具長補正ベクトルＶｓをＢｍ，Ｃｍだけ回転したベクトルである。Ｒｔは機械座標系からテーブル座標系への回転マトリックスである。Ｒｃ，Ｒｂは補間された回転軸２軸位置Ｐｒ（Ｂｍ，Ｃｍ）にもとづく回転マトリックスである。

そして、演算時刻ｔ_iにおけるＴｐ₂をＴｐ₂（ｔ_i）と表すと、以下に示す数４式のように、１回の演算周期前の演算時刻ｔ_i-1におけるＴｐ₂（ｔ_i-1）とＴｐ₂（ｔ_i）間の距離により演算時刻ｔ_i-1からｔ_iへの工具先端点の移動距離（ワーク裏面での移動量）Ｌ₂（ｔ_i）を示すことができる。これにより、速度比率（Ｌ₂／Ｌ₁）＝（Ｌ₂（ｔ_i）／Ｌ₁（ｔ_i））が演算できる。

このようにして算出した速度比率（Ｌ₂／Ｌ₁）が１．０ではない場合、または規定の範囲内に無い場合、本実施形態の数値制御装置は、以下に示す方法によりワーク表面に対するワーク裏面の速度比率（Ｌ₂／Ｌ₁）から最適な加工条件を決定し、加工に用いる加工条件を決定された加工条件へと変更した上で、最適な加工条件で加工を行う。
方法１：速度比率（Ｌ₂／Ｌ₁）に対して加工条件を対応付けたテーブルを用意しておき、該テーブルを用いて速度比率（Ｌ₂／Ｌ₁）に対する最適な加工条件を選択する。速度比率と加工条件の対応についてはあらかじめ実験などにより求めておき、作成したテーブルを数値制御装置１０のメモリに記憶しておく。
方法２：図３に示すような、速度比率（Ｌ₂／Ｌ₁）とオーバライド値との関係を示す式をあらかじめ実験などに基づいて作成しておき、該関係式を用いて速度比率（Ｌ₂／Ｌ₁）から求めたオーバライドを加工条件にかける（ただし、単純な比率とはならないため、図３に示すように上限・下限を設ける）。

図４は、本実施形態における数値制御装置の要部ブロック図を例示したものである。同図において、数値制御装置１０は、全体を統括制御するＣＰＵ１１を備える。ＣＰＵ１１は、バス２０を介して、ＲＯＭ１２に格納されたシステムプログラムを読み出し、このシステムプログラムに従って、数値制御装置１０全体の制御を実行する。また、ＤＲＡＭなどで構成されるＲＡＭ１３には、一時的に計算データ、表示データ等が格納される。

ＣＭＯＳ、ＳＲＡＭなどを図示されないバッテリでバックアップして構成される不揮発性メモリ１４には、加工プログラム及び各種パラメータが格納される。インターフェイス１５は、外部機器用との入出力を行なう為に設けられ、オフラインプログラミング装置、プリンタ等の外部機器７２が接続される。オフラインプログラミング装置で加工プログラムを作成した場合、そのデータは、インターフェイス１５を介して数値制御装置１０に読み込まれる。数値制御装置１０で編集された加工プログラムのデータは、例えばプリンタで出力可能である。

ＰＭＣ（プログラマブル・マシン・コントローラ）１６は、数値制御装置１０に内蔵され、ラダー形式で作成されたシーケンスプログラムで機械を制御する。即ち、加工プログラムで指令されたＭ機能、Ｓ機能及びＴ機能に従って、これらをシーケンスプログラムで必要な信号に変換し、Ｉ／Ｏユニット１７から機械側（本実施形態においてはレーザ加工機）に出力する。この出力信号は、機械側の各種動作部（エアシリンダ、ネジ、電気アクチュエータ等）を作動させる。また、機械側の各種スイッチや機械操作盤のスイッチ等の信号を受けて、必要な処理をして、ＣＰＵ１１に渡す。

図示しない表示コントローラは、機械が備える各軸の現在位置、アラーム、パラメータ、画像データ等のディジタルデータを画像信号に変換して出力する。この画像信号は、ＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０に送られて表示される。また、インターフェイス１８は、ＣＲＴ／ＭＤＩユニット７０内のキーボードからデータを受けて、ＣＰＵ１１へ渡す。

インターフェイス１９は、操作盤７１に接続され、該操作盤に実装される手動パルス発生器からのパルスを受け、レーザ加工機が備えるノズルヘッドを含む機械本体の可動部を手動で移動・位置決めするために使用することが出来る。

軸制御回路３０〜３４は、ＣＰＵ１１からの各軸の移動指令を受けて、サーボアンプ４０〜４４に出力する。サーボアンプ４０〜４４は、この移動指令に基づき、各軸のモータ５０〜５４を駆動する。これら各軸のモータ５０〜５４は、レーザ加工機の各軸を駆動する。各モータには図示しない位置検出器としてのパルスコーダが備えられており、これらパルスコーダの出力パルスは、位置フィードバック信号や速度のフィードバック信号の生成に使用される。
また、レーザ制御部６０は、ＣＰＵ１１からの指令に基づいて、機械備え付けられたレーザ装置６１の出力を制御する。

図５は、本実施形態における数値制御装置１０上で実行される加工条件を決定する処理のフローチャートである。
●［ステップＳＡ０１］運転が開始されると、不揮発性メモリ１４などから読み出したプログラムのブロックを解析し、該ブロックにより指令されている加工条件を取得する。ここで取得する加工条件は、加工における基準となる加工条件となる。
●［ステップＳＡ０２］プログラムによる移動指令に基づいて、ワーク表面における移動量Ｌ₁と、加工前後のノズルの姿勢変化とを求め、Ｌ₁とノズルの姿勢変化のパラメータに基づいてワーク裏面における移動量Ｌ₂を求め、これら値に基づいて速度比率Ｌ₂／Ｌ₁を算出する。

●［ステップＳＡ０３］ステップＳＡ０２で算出した速度比率Ｌ₂／Ｌ₁があらかじめ定められた所定の範囲内であるか否かを判定する。速度比率Ｌ₂／Ｌ₁が所定の範囲内である場合にはステップＳＡ０５へ進み、所定の範囲内にない場合にはステップＳＡ０４へ進む。
●［ステップＳＡ０４］速度比率Ｌ₂／Ｌ₁に対する最適な加工条件をテーブルから選択するか、または、基準となる加工条件に対して速度比率Ｌ₂／Ｌ₁により算出されるオーバライド値を掛けることで加工条件を変更する。

●［ステップＳＡ０５］プログラムにより指令されている加工条件（速度比率Ｌ₂／Ｌ₁が所定の範囲内である場合）、または、ステップＳＡ０４で選択乃至変更された加工条件に基づいて、ビームを出力して３次元レーザ加工を行う。
●［ステップＳＡ０６］プログラムが終了したか否かを判定する。プログラムが終了した場合には加工運転を終了し、プログラムが終了していない場合にはステップＳＡ０１へ戻る。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態では、図６に示すように３次元レーザ加工においてワークに対してノズルを角度θだけ傾けて開先加工を行う場合における加工条件の設定方法を示す。

本実施形態の数値制御装置は、３次元レーザ加工において図６のＮ２ブロックのようにワークに対してノズルを角度θだけ傾けて直線移動させる開先加工を行う場合には、図７に示すように、ノズルが垂直な時の板厚Ｄ₁に対するノズルが角度θだけ傾いた時の板厚Ｄ₂（Ｄ₂＝Ｄ₁／ｃｏｓθ）を求め、板厚の変化比率（Ｄ₂／Ｄ₁）を求める。そして、この変化比率が（Ｄ₂／Ｄ₁）が１．０ではない場合、または規定の範囲内に無い場合、以下の数５式を用いて変化比率（Ｄ₂／Ｄ₁）から最適な加工条件を決定し、加工に用いる加工条件を決定された加工条件へと変更した上で、最適な加工条件で加工を行う。

なお、数５式において、係数Ｋは角度θの範囲に応じた適切な値を予め実験などにより求めておき、例えば図８に示すように角度θの範囲に応じた値としてあらかじめ設定しておく。このように、ノズルの傾斜に合わせて加工条件オーバライドをかけることで最適な加工条件を決定する。

また、３次元レーザ加工において図６のＮ３ブロックのようにワークに対してノズルを角度θだけ傾けて円弧の開先加工を行う場合には、図９に示すようにノズルが傾くことでワーク裏面での円弧半径はＲ＋Ｄ₁ｔａｎθとなる。この場合には、ワーク表面とワーク裏面で速度差が生じるため、本実施形態の数値制御装置は、ワーク表面とワーク裏面との速度差に基づいて第１の実施形態と同様の方法により加工条件を決定・変更した加工条件を選択し、更に該選択した加工条件を板厚の数５式に当てはめて変化比率（Ｄ₂／Ｄ₁）に基づく最適な加工条件を決定する。

本実施形態における数値制御装置の基本的な構成は第１の実施形態と同様である。
図１０は、本実施形態における数値制御装置１０上で実行される加工条件を決定する処理のフローチャートである。
●［ステップＳＢ０１］運転が開始されると、不揮発性メモリ１４などから読み出したプログラムのブロックを解析し、該ブロックにより指令されている加工条件を取得する。ここで取得する加工条件は、加工における基準となる加工条件となる。
●［ステップＳＢ０２］プログラムによる移動指令に基づいて、ワーク表面における移動量Ｌ₁と、加工前後のノズルの姿勢変化とを求め、Ｌ₁とノズルの姿勢変化のパラメータに基づいてワーク裏面における加工速度Ｌ₂を求め、これら値に基づいて速度比率Ｌ₂／Ｌ₁を算出する。

●［ステップＳＢ０３］ステップＳＢ０２で算出した速度比率Ｌ₂／Ｌ₁があらかじめ定められた所定の範囲内であるか否かを判定する。速度比率Ｌ₂／Ｌ₁が所定の範囲内である場合にはステップＳＢ０５へ進み、所定の範囲内にない場合にはステップＳＢ０４へ進む。
●［ステップＳＢ０４］速度比率Ｌ₂／Ｌ₁に対する最適な加工条件をテーブルから選択するか、または、基準となる加工条件に対して速度比率Ｌ₂／Ｌ₁により算出されるオーバライド値を掛けることで加工条件を変更する。

●［ステップＳＢ０５］プログラムによる移動指令の解析結果から、ノズルの傾斜角度θを取得する。
●［ステップＳＢ０６］ステップＳＢ０５で取得したノズルの傾斜角度θに基づいて、あらかじめ設定されている変換式を用いて係数Ｋを求める。
●［ステップＳＢ０７］ステップＳＢ０６で求めた係数Ｋと傾斜角度θに基づいて、数５式を用いて加工条件にかけるオーバライド値を求め、該オーバライド値を加工条件にかける。

●［ステップＳＢ０８］ステップＳＢ０７までで決定された加工条件に基づいて、ビームを出力して３次元レーザ加工を行う。
●［ステップＳＢ０９］プログラムが終了したか否かを判定する。プログラムが終了した場合には加工運転を終了し、プログラムが終了していない場合にはステップＳＢ０１へ戻る。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上述した実施の形態の例のみに限定されることなく、適宜の変更を加えることにより様々な態様で実施することができる。

１ ノズル
２ ワーク
１０ 数値制御装置
１１ ＣＰＵ
１２ ＲＯＭ
１３ ＲＡＭ
１４ 不揮発性メモリ
１５，１８，１９ インターフェイス
１６ ＰＭＣ
１７ Ｉ／Ｏユニット
２０ バス
３０，３１，３２，３３，３４ 軸制御回路
４０，４１，４２，４３，４４ サーボアンプ
５０，５１，５２，５３，５４ モータ
６０ レーザ制御部
６１ レーザ装置
７０ ＣＲＴ／ＭＤＩユニット
７１ 操作盤
７２ 外部機器

Claims (2)

1. レーザ加工機をプログラムに従って制御してワークに対する３次元レーザ加工を行う数値制御装置において、
   前記プログラムにより指令される、前記ワークに対する前記レーザ加工機のノズルの姿勢に基づいて、前記ワークの表面における加工速度と、前記ワークの裏面における加工速度との速度比率を演算周期毎に求め、該演算周期毎に求めた該速度比率に基づいて前記プログラムにより指令される加工条件を変更する加工条件変更手段を備え、
   前記加工条件変更手段により変更された前記加工条件に基づいて前記レーザ加工機による３次元レーザ加工を制御する、
   ことを特徴とする数値制御装置。
2. レーザ加工機をプログラムに従って制御してワークに対する３次元レーザ加工を行う数値制御装置において、
   前記ワークに対してノズルを傾けた姿勢で直線移動させる開先加工を行う場合に、
   前記プログラムにより指令される、加工中に変化する前記ワークに対する前記レーザ加工機の前記ノズルの姿勢に基づいて、前記プログラムにより指令される前記ノズルの姿勢にある場合のワーク板厚と、前記ワークの表面に対して前記ノズルが垂直であった場合のワーク板厚との変化比率を求め、該変化比率に基づいて前記プログラムにより指令される加工条件を変更する加工条件変更手段を備え、
   前記加工条件変更手段は、前記ワークに対して前記ノズルを傾けた姿勢で円弧の開先加工を行う場合に、
   前記ワークの表面における加工速度と、加工前後の前記ノズルの姿勢変化とを求め、前記ワークの表面における加工速度と前記ノズルの姿勢変化のパラメータに基づいて、前記ワークの裏面における加工速度を求め、前記ワークの表面における加工速度に対する前記ワークの裏面における加工速度の比率である速度比率を求め、
   前記速度比率が規定以内にない場合には、前記速度比率に対する最適な加工条件をテーブルから選択するか、または、前記速度比率に基づいて前記プログラムにより指令される加工条件を変更し、
   前記ノズルの傾けた姿勢の傾斜角度を用いて予め設定されている変換式を用いて係数を求め、
   前記傾斜角度と前記係数とに基づいてオーバライド値を求め、
   前記求めたオーバライド値により、前記選択された加工条件、または、前記プログラムにより指令される加工条件を前記速度比率に基づいて変更したものを変更し、
   前記加工条件変更手段により変更された前記加工条件に基づいて前記レーザ加工機による３次元レーザ加工を制御する、
   ことを特徴とする数値制御装置。