JPH04114209A - レーザ加工機の数値制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は３次元（同時５軸以上の制御を行う）レーザ
加工機の数値制御装置の改良に関するものである。

［従来の技術］ 第２図は代表的な切断用３次元レーザ加工機の外観図で
ある。図について説明すると、プレス成形品等のワーク
（２）は加工テーブル（１）の上にセットされる。３次
元加工を実現するため、レーザヘッド（３）とワーク（
２）との相対移動は５軸の駆動制御により達成される。

即ち、ワーク（２）は加工テーブル（１）と共にＸ軸方
向に動作しレーザヘッド（３）は先端の回転Ａ軸と回転
Ｃ軸の２軸の回転軸を有する上にＸ軸方向に直交するＹ
軸とＺ軸の動作により立体形状のワーク（２）にほぼ垂
直に集光レーザ光が照射されるよう動作する。

尚、Ｘ、Ｙ、Ｚの直交３軸とＣ，Ａの回転２軸は駆動モ
ータとこれらを同時に制御する数値制御装置（図示せず
）の指令により移動動作が行なわれる。

第３図には切断加工時の動作状態図を示す。

これはレーザヘッド（３）をＹ軸方向に傾斜しつつＸ軸
方向に直線的にワーク（２）を切断する状況を示したも
ので切断ラインの直線性を保証するため駆動制御動作は
傾斜回転Ａ軸の回転中心よりレーザヘッド（３）の先端
までの距離をＬｌとすると、Ｙ、Ｚ、Ａ軸の移動量をそ
れぞれΔＹ、ΔＺΔθとした時、 ΔＹ−Ｌ　ｔ　ｓ　１　ｎ　Δθ ΔＺ−Ｌ　１（１−ｃｏｓ　Δθ） なる関係が常に成立する様、駆動制御動作する。

数値制御装置では予め定められたプログラムにより、位
置指令を上記の算式より演算し各軸の駆動モータへ最終
的には電流や電圧の変化量として出力しつつ、−刃駆動
モータや機械の移動量や速度量を検出し誤差をフィード
バックする制御方式％式％ ［発明が解決しようとする課ｍ］ この様な従来装置においては、０．５〜１ｍ／分程度の
低速で第３図に示す様な軸動作による切断加工を実施し
た場合は切断ラインの直線性は保証できるが特に４〜５
ｍ／分程度の高速で加工した場合第４図の切断ラインの
平面図で示す如く、切断ラインの直線性が失なわれる不
都合な現象が発生し３次元レーザ加工機の高速、高粘度
化に障害となっていた。

従来この種の２軸以上か相互関連動作を行うサーボシス
テでは、軌跡精度を向上するため以下に示す従来技術が
開示されている。

特開昭６２−２２１７０４号公報では、各軸の位置及び
速度の指令値を予め設定した許容値内で加速度の変化に
相応し補正する方法が開示されているが、速度の微分値
（加速度）を順次相互比較演算するのに時間を要し、切
削用工作機械等の低速（１ｍ／分以下）の加工機では演
算時間は問題とならないが、レーザ加工機の如き高速の
機械ではこれが指令の遅れをまねき高精度化に適用でき
ない。

又、加速度の変化を予め設定した許容範囲内で平滑化す
ることは究極的には加減速時の立上り、立下り時間を長
くすることとなり高速の加工に適していないことが判明
した。

特開平１−［１５７０５号公報では相互関連動作する２
軸間で速度指令が急激に変化する軸の加速度に比例する
補正量を、他の速度指令が急激に変化しない軸に動作方
向と逆方向に加える方法が開示されているが、この方法
は２軸の機械側の容量がほぼ同程度のもので、２軸の速
度指令の変化量に大巾な差があるときのみ有効で、又補
正を他の軸の動作方向と逆方向に加えるため他の軸の出
力極性が反転するときその制御軸の出力をＯにクランプ
するアルゴリズムが必要である等、本装置の課題の解決
には適用できない。

即ちこの方法は制御系の遅れ（定常偏差）のため生ずる
誤差を回避するには有効であるが、機械系の容量の差に
よる実質的な誤差は補正できないことが判明した。

この発明は上記のような課題を解決するためになされた
もので、高速な同時５軸以上の制御動作時における切断
ライン（軌跡）精度の高いレーザ加工機の数値制御装置
を得ることを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明に係るレーザ加工機の数値制御装置は、速度指
令値を算出する速度演算手段と、この速度指令値に基づ
き駆動部を制御する速度制御手段を備えた、直交３軸と
少なくとも２つの回転軸を有する３次元レーザ加工機の
数値制御装置において、直交軸の制御系に、軸移動の加
減速時、この軸移動の速度指令値から加速度を算出する
加速度演算手段と、この加速度の大きさに相応して補正
量を設定し、この補正量を上記速度指令値に付加して速
度指令値をリアルタイムで増減させる補正手段とを設け
たものである。

［作用］ この発明においては、加速度演算手段で加速度を算出し
、速度補正手段でこの軸移動の加速度に相応した補正量
を設定し、これを速度指令値に付加することにより、直
交軸の立上り又は立下り速度のパターン（時間と直交軸
の移動速度との関係）を、回転軸のそれ（時間と回転軸
の移動速度との関係）と同じになるように調整して直交
軸と回転軸の移動量を同一にすれば、例えば、直線加工
においてその直線性が確保される等、レーザ加工機の高
速化、高精度化が図れる。

［実施例コ 従来装置の第４図に示す現象に注目し、その原因の追求
を行った結果次のことが判明した。

（ａ）切断ラインの直線性のズレはＺ、Ｙ、Ａ各軸の加
減速時に発生ずる。

（ｂ）ズレ方向の軸移動動作量の多いＹ、Ａ軸の加速時
に着目し駆動モータの回転速度より算出した各軸の移動
速度と時間の関係を調査すると、第５図に示す如くＡ軸
の立上り速度Ｖ　とＹ軸の立上り速度Ｖ　に差が見られ
る。

（ｅ）数値制御装置よりの速度指令パターンは機械の振
動を抑制するため第５図の様な１次遅れ系を採用してい
る。

（ｄ）　Ｙ軸の駆動モータの容量は３ＤＤＤＷでありＡ
軸の駆動モータの容量は２００Ｗと駆動系の容量がｌＯ
倍以上異なる。

（ｅ）　Ｙ軸の立上り速度関数をＶ　　”’　Ｙ　＜　
、　＞Ａ軸の立上り速度関数をＶ　　−Ａ（ｔ）として
第５図に示す各軸の立上り速度関数の交点の時１２ｊＪ
を１　．１　　とし、第４図に示す切断ラインの直線性
のズレｍをΔｎとすると、各軸の立上り速度関数の積分
値が軸移動量となるためが成立し実ｉｌｌ値にほぼ一致
した結果が得られた。

尚、第５図の斜線部がズレ量Δｎを表わしている。

（ｆ）切断ラインの直線性のズレは加減速時の立上り速
度（又は立下り速度）のパターンが各軸間で不一致とな
り生ずるもので、特にｘ、ｙ、ｚ直交３輔の駆動系の容
量とＣ，Ａ回転軸の駆動系の容量が大巾に異なるため軽
量小形の回転軸に比べて重量大形の直交軸の立上り（又
は立下り）が遅くなる。このことは前述のＹ、Ａ軸の比
較で明らかであるが同様な検証をＸ、Ａ軸、Ｚ、Ａ軸等
で行なった結果でも同様な結論が得られた。

以上の結果より、ｘ、ｙ、ｚの直交３軸の駆動制御系に
おいて加減速時の立上り速度のパターンを改良する必要
が生じた。立上り速度が回転軸系の速度パターンより遅
れる度合は、加速度が増大する部分であることが判明し
たため移動速度の指令値より加速度を演算し、この加速
度の大小に相応し該速度指令値を増減させる手段を設け
ることにより前述の課題を解決した。

第１図は本発明の一実施例によるレーザ加工機の数値制
御装置における直交軸の制御系を示すブロック図である
。速度指令回路（４）より指令された信号を微分し加速
度を演算する微分回路（５）と微分回路（５）の信号を
適宜調整する補正量設定回路（６）を設は補正量設定回
路（６）の信号を速度制御回路（７）の前に付加するよ
う構成する。（８）は位置指令回路、（９）は数値制御
装置の直交軸の制御系を示す。

回転軸系の制御では補正量設定回路（６）の設定をＯと
しておけば良く、直交軸系の制御では回転軸系との容量
アンバランスにより生じる立上り速度の遅れを補正量設
定回路（６）の設定を適宜調整することにより回避し、
立上り速度の同期、延いてはその積分値である移動量を
常に同一にてきるため例えば第３図に示す様な軸動作に
よる切断加工を実施した場合でも切断ラインの直線性を
確保できる。

具体的検証結果によれば、この構成により第３図に示す
切断加工を４ｍ／分にて実施した時、切断ラインの直線
性のズレ量Δｎは０．６１８關であったものが補正を最
適化した場合のズレ量は０．２０２ｔａｍとなり６７．
３６％の改善効果が検証された。Ｙ。

Ａ軸についての加工における補正量（補正係数パラメー
タ値）とズレ量Δｎの関係を表１に示す。

同様にＸ、Ａ軸、Ｚ、Ａ軸についての同様な関係を夫々
表２、表３に示す。尚、加工速度はいずれも４ｍ／分で
ある。補正量の最適値が各軸毎に存在するのは容量アン
バランス量の差異によるもので各軸毎にズレ量をＭＩＮ
、にできるのは補正量設定回路（６）を挿入した効果で
ある。又、ズレ量をＯにし得ないのは機械系の動剛性に
なるものである。

表 表 表 なお、実施例では単純なＹ、Ａの２軸の立上り時の同期
についてのみ説明しているが、加速のときのみならず減
速のときも同様に加速度の変化量が大きな時、又、Ｘ、
Ｙ、Ｚ、Ｃ，Ａの全５軸の動作時でも同様の効果を奏す
る。

特に、加減速時の速度指令パターンが一次遅れ系である
場合や、直交軸の駆動モータの容量が回転軸の駆動モー
タの容量の１０倍以上である場合には効果的である。

さらに、この実施例ではレーザ加工機おける切断加工の
場合で示したが加工内容は溶接等の他の加工でも良く、
又、レーザ光には炭酸ガスレーザを用いたもので説明し
ているが他のレーザ光でも同様の効果を奏する。

［発明の効果］ この発明によれば、直交３軸と少なくとも２つの回転軸
を有する３次元レーザ加工機の数値制御装置を、軸移動
の加減速時、加速度演算手段と速度補正手段を設け、速
度指令値を増減して直交軸の立上り又は立下りの速度パ
ターンを調整できるようにしたので、回転軸の立上り又
は立下りの速度パターンと同じになるように調整すれば
、直線加工においてその直線性が確保される等、３次元
レーザ加工機の高速化、高精度化が図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示すレーザ加工機の数値
制御装置の直交軸の制御系を示すブロック図、第２図は
レーザ加工機の外観図、第３図は切断加工時の動作状態
図、第４図は従来の数値制御装置の切断ラインを示す平
面図、第５図は第４図の切断時における直交Ｙ軸と回転
Ａ軸の移動速度の関係を示す説明図である。 図において、（４）は速度指令回路、（５）は微分回路
、（６）は補正量設定回路、（７）は速度制御回路、（
８）は位置指令回路、（９）は数値制御装置の直交軸の
制御系である。 尚、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。 代理人　　弁理士　　佐々木　宗治

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 速度指令値を算出する速度演算手段と、この速度指令値
   に基づき駆動部を制御する速度制御手段を備えた、直交
   ３軸と少なくとも２つの回転軸を有する３次元レーザ加
   工機の数値制御装置において、 上記直交軸の制御系に、軸移動の加減速時、この軸移動
   の速度指令値から加速度を算出する加速度演算手段と、
   この加速度の大きさに相応して補正量を設定し、この補
   正量を上記速度指令値に付加して速度指令値をリアルタ
   イムで増減させる速度補正手段とを設けたことを特徴と
   するレーザ加工機の数値制御装置。