JPH04123884A - 三次元レーザ加工機の追従制御装置 - 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］ 本発明は、ワークと加工ヘッド先端間の距離である高さ
を、ワーク表面に凹部、凸部があっても常に一定に保持
することのできる三次元レーザ加工機の追従制御装置に
関するものである。

［従来の技術］ 第５図は従来の三次元レーザ加工機とその周辺機器を概
略的に示す構成図である。図において、（１）は直交部
であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と加工ノズル姿勢部であるＡ軸
、Ｂ軸の５軸の自由度を持つ三次元レーザ加工機、（２
）は三次元レーザ加工機（１）のアーム先端に取付けら
れた加工ヘッド、（３）は三次元レーザ加工機（１）を
制御するＮＣ制御装置、（４）はレーザ発振器、（５）
は三次元レザ加工機（１）の各軸を自由に動かしてその
時の加工ヘッド（２）の姿勢や先端の位置を教示するた
めのペンダントボックス、（６）はワークである。

第６図はＮＣ制御装置（３）のハードウェア構成図で、
（７）は装置全体を制御するメインＣＰＵ。

（８）は三次元レーザ加工機（１）の制御プログラムが
格納されているＲＯＭ、（９）はＲＯＭ　（８）で使用
する変数を格納するＲＡＭ、（１０）はペンダントボッ
クス（５）等からの情報や信号を受は付けるデジタル１
１０インタフエース、（１１）は各軸（Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ
軸、Ａ軸、Ｂ軸）を駆動するサーボモータ、（１２）は
サーボモータ（１１）を制御するサーボモータコントロ
ーラ、（１３）はサーボモータ（１１）の回転位置を検
出するための位置検出器、（１４）はワーク（６）と加
工ヘッド（２）先端間の静電容量を電圧信号に変換して
出力するセンサ信号処理装置であり、ワーク（６）をコ
ンデンサの片側の電極に見たて、そして加工ヘッド（２
）をもう一方の電極に見たて、変化する静電容量を検出
する静電容量式センサと、このセンサで検出された静電
容量を電圧信号に変換して出力するトランスジューサと
から構成されている。（１５）はセンサ信号処理装置（
１４）からの信号をデジタル量に変換するアナログＩ１
０インタフェース、（１６）は各処理回路を接続するコ
ントロールバスである。

次に、上述構成を有する従来装置の動作について説明す
る。まず、ペンダントボックス（５）によって各軸（Ｘ
軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｂ軸）を動かし、ワーク（６）
に対してレーザて切断する箇所を教示し、ＮＣ制御装置
（３）のＲＡ　Ｍ　（９）にその時の加工ヘッド（２）
の位置及び姿勢を記憶する。

次いて、記憶させた位置を一定周期の制御サイクルで自
動的に切断する際、変化する静電容量をセンサ信号処理
装置（１４）で検出して電圧信号に変換し、アナログＩ
１０インタフェース（１５）に出力する。アナログＩ１
０インタフェース（１５）では、センす信号処理装置（
１４）からの信号をデジタル量に変換し、コントロール
バス（１６）を介してメインＣＰ　Ｕ　（７）に送る。

メインＣＰ　Ｕ　（７）は、ＲＯＭ　（８）に格納され
ているワーク（６）と加工ヘッド（２）先端間の距離で
ある高さｈの算出プログラムに基づき、アナログ１１０
インタフエース（１５）で変換されたデジタル量から高
さｈを算出する。そして、算出された高さｈと予めＲＯ
Ｍ　（１１）に設定されている制御高さｈ　（第８図）
との差を求め、その差分だけ次回制御サイクルの制御量
を増加または減少させ、高さｈを一定に保持するように
制御する。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の三次元レーザ加工機の追従制御装置は、以上のよ
うに構成されているので、第７図（ａ）に示すように、
ワーク（６）の四部では、通常ワーク（６）を平板と考
えた時検知される静電容ｆｆｉ　Ｃ１の他に、壁の影響
でＣ２及びＣ３が検知される。このため、例え静電容量
に基づいて算出した高さがｈ　であっても、コーナ部に
おいて検知される静容量は上述の理由により大きくなる
ので、実際は制御高さｈ　よりも離れた位置で制御され
る。

また、第７図（ｂ）に示すように、ワーク（６）の凸部
では、静電容Ｅｋ　Ｃ１の対向面積が、ワーク（６）が
平板の時に比較して小さくなり、例え静電容量に基づい
て算出した高さがｈ　であっ°Ｃも、コーナ部において
検知される静電容量は小さくなるので、実際は制御高さ
ｈ　よりも近づいた位置で制御される。

このように、従来装置では静電容量に基づいて制御され
る高さがワーク（６）の凹凸部においては制御高さｈ　
からずれるという問題があった。

本発明は斜上の点に鑑み、ワークと加工ヘッド先端間の
距離である高さｈを、ワーク表面に凹部、凸部があって
も常に一定に保持することのできる三次元レーザ加工機
の追従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］ 本発明に係る三次元レーザ加工機の追従制御装置は、ワ
ークと加工ヘッド先端間の静電容量を検出する静電容量
式センサと、この静電容量式センサの検出結果よりワー
クと加工ヘッド先端間の距離である高さｈを算出する距
離算出手段と、予め教示されて記憶装置に格納された加
工ヘッドの先端位置及び姿勢のデータより加工ヘッド先
端の移動量と、この加工ヘッド先端の移動量に対応した
加工ヘッド基端の移動量をそれぞれ求める移動量算出手
段と、この移動量算出手段で算出された加工ヘッド先端
移動量と加工ヘッド基端移動量とを比較し、この両者の
比ＫがＫ＜１、Ｋ−０、又はＫ＞１のとき、その比較結
果に対応した状態判別信号を出力する比較回路と、予め
設定された制御高さｈ　を上記比較回路の状態判別信号
に対応した補正値ｋにより補正するとともに、この補正
値ｋにより補正された制御高さｈ　と上記距離算出手段
で算出された高さｈとの差を求め、その差分補正して駆
動部へ出力する補正回路とを備えたものである。

［作　用コ 本発明においては、予め教示されて記憶装置に格納され
た加工ヘッドの先端位置や姿勢のデータから加工ヘッド
先端の移動量と、この加工ヘッド先端の移動量に対応し
た加工ヘッド基端の移動量をそれぞれ求めて、これらを
比較することにより加工ヘッドの状態、すなわちワーク
の凹部、平板部、凸部を判断し、この判断結果に基づい
て制御高さｈ　を補正値ｋにより補正し、更にこの補正
値ｋにより補正された制御高さｈ　と実際の高さｈとの
差を求め、その差分補正するようにしているので、ワー
ク表面に四部、凸部があっても、ワークと加工ヘッド先
端間の距離である高さｈを常に一定に保持することがで
きる。

［実施例コ 以下、従来に相当する部分には同一符号を付して示す第
１図乃至第４図の一実施例により本発明を説明する。第
１図は本実施例による三次元レーザ加工機の追従制御装
置の構成を示すブロック図、第２図はその動作を示すフ
ローチャート、第３図はその三次元レーザ加工機のアー
ム部分を概略的に示す斜視図、第４図はその加工ヘッド
の先端と只 基端のそれぞれの移動量からワークの四部、平板部、凸
部を判定する手法の説明図である。第１図において、（
２０）はワーク（６）と加工ヘッド（２）先端間の静電
容量を検出する静電容量式センサ（１４）からの検出信
号に基づいてワーク（６）と加工ヘッド（２）先端間の
距離、すなわち高さｈを算出する距離算出手段、（２１
）は予め教示されてＮＣ制御装置（３）内の記憶装置（
ＲＡ　Ｍ　（９））に格納された加工ヘッド（２）の先
端位置及び姿勢のデータ（−Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、
Ｂ軸の値）から、加工開始ポイントと次のポイントのデ
ータをフェッチし、フェッチした２ポイントのデータか
ら、加工ヘッド先端の移動量と、この加工ヘッド先端の
移動量に対応した加工ヘッド基端の移動量をそれぞれ算
出する移動量算出手段、（２２）は移動■算出手段（２
１）で算出された加工ヘッド先端移動量と加工ヘッド基
端移動量とを比較し、この両者の比（以下、判定係数と
いう）ＫがＫ＜１、Ｋ＝０、又はＫ＞１のとき、その比
較結果に対応した状態判別信号を出力する比較回路、（
２３）は予め予めＮＣ制御装置（３）内の記憶装置（Ｒ
ＯＭ　（８））に設定されている制御高さｈ　を比較回
路（２２）の状態判別信号に対応した補正値ｋにより補
正するとともに、この補正値ｋにより補正された制御高
さｈ　と距離算出手段（２０）で算出された高さｈとの
差を求め、その差分補正して駆動系（２４）へ出力する
補正回路である。

駆動系（２４）は補正回路（２３）とＮＣ制御装置（３
）からの信号に基づいて加工ヘッド（２）の先端位置及
び姿勢を制御する信号を駆動回路（２５）へ出力する。

駆動回路（２５）は駆動系（２４）からの制御信号に基
づ、いて各軸のサーボモータ（１１）を駆動する。

次に、上述構成を有する本実施例装置の動作を第１図乃
至第４図により説明する。ます、記憶装置（ＲＡ　Ｍ　
（９））に格納された加工ヘッド（２）の先端位置及び
姿勢のデータ（＝Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、Ａ軸、Ｂ軸の値）
より、加工開始ポイントと次のポイントのデータをフェ
ッチしくステップ１）、フェッチした２ポイントのデー
タがら、第３図の加工ヘッド（２）部に示す加工ヘッド
先端位置Ｈ６と加工ヘッド基端位置Ｈを、同図に示す加
工機ｐ 座標系で加工開始ポイントと次のポイントのそれぞれに
ついて求め、更にこれら２ポイント間における加工ヘッ
ド先端の移動量Ｉｔ（−ＨＩと、ｃｓ　　　　　　ｃｅ この加工ヘッド先端の移動量に対応した加工ヘッド基端
の移動量ＩＨ−Ｈｌをそれぞれ算出すｐｓ　　　　　ｐ
ｅ る（ステップ２）。ここで、加工ヘッド先端位置Ｈは教
示データより既知であり、また加工ヘラド基端位置Ｈは
加工ヘッド（２）の姿勢を現わす加工ヘッドベクトルρ
を算出することにより求められる。

加工ヘッドベクトル９は、加工機座標系のＺ軸回りの回
転をするＡ軸の回転状態と、Ｘ軸回りの回転をするＢ軸
の回転状態とによって、次式により求められる。

ここで、ｃ４＝　ｃｏｓ（Ａ４）　　　ｃ５−　ｃｏｓ
（Ａ５）ｓ４＝　５ｉｎ（Ａ４）　　　　　ｓ５＝　５
ｉｎ（Ａ５）Ａ軸、Ｂ軸は時計回りを一方向、反時計回
りを子方向とする したがって、第３図に示すように、加工ヘッド（２）の
長さである固定リンク長Ｌ−ＩＭ　　Ｆ（ｃ により、加工ヘッド基端位置Ｈは となる。

第４図に示すように、加工開始ポイントと次ポイントの
加工ヘッド先端位置、基端位置を、それぞれＨ、ＨＳＨ
、、Ｈ（ｓ：開始ポイント、ｃｓ　　　ｐｓ　　　ｃｅ
　　　ｐｅ ｅ：次ポイント）とすると、ワーク（６）の四部、平板
部、凸部の判定を次式により行う。

Ｋ＜１・・・・・・　凹部 に；１・・・・　・・平板部 Ｋ＞１・・・・・・・凸部 このようにして、加工ヘッド基端の移動量［（−Ｈｌを
比較することにより加工ヘッドＣ８Ｑｅ の状態、すなわちワーク（６）の四部、平板部、凸部を
判断する（ステップ３）。そして、平板部であると判断
されたならば（Ｋ＝１）、制御高さｈ　はそのまま（ｈ
　　＝ｈ　　）とし　（ステラＣＣＣ プ４）、四部と判断されたならば（Ｋ＜１）、制御高さ
ｈ　を予め実験により求めた補正値ｋにより り補正しくｈ　　＝ｈ　　−に、）　　（ステップ５）
、ＣＣ 凸部と判断されたならば（Ｋ＞１）、制御高さｈ　を補
正値ｋにより補正しくｈ　　＝ｈ　　＋に２）ＣＣＣ （ステップ６）、更に補正値１（により補正した制御高
さｈ　と距離算出手段（２０）で算出された高さｈとの
差分を補正しくステップ７）、駆動部へ出力する（ステ
ップ８）。そして、終了であれば（ステップ９）、動作
を終了し、終了でなければステップ１に戻り、後続の教
示ポイント間にて上述と同様の制御動作を行ない、これ
を教示ポイント間終了するまで、繰り返す。

なお、上述した実施例では補正値ｋ　　、ｋ　　を１種
類だけに固定したものを示したが、これを判定係数にの
値によって変更するようデータベースとして登録すれば
、更に凹部、凸部に対して精度の良い追従制御の実現が
可能となる。

Ｃ発明の効果〕 以上述べたように、本発明によれば、予め教示されて記
憶装置に格納された加工ヘッドの先端位置や姿勢のデー
タから加工ヘッド先端の移動量と、この加工ヘッド先端
の移動量に対応した加工ヘッド基端の移動量をそれぞれ
求めて、これらを比較することにより加工ヘッドの状態
、すなわちワりの凹部、平板部、凸部を判断し、この判
断結果に基づいて制御高さｈ　を補正値ｋにより補正し
、更にこの補正値ｋにより補正された制御高さり。

と実際の高さｈとの差を求め、その差分補正するように
したので、ワーク表面に四部、凸部があっても、ワーク
と加工ヘット先端間の距離である高さｈを常に一定に保
持することができるという効果かある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による三次元レーザ加工機の
追従制御装置の構成を示すブロック図、第２図はその動
作を示すフローチャート、第３図はその三次元レーサ加
工機のアーム部分を概略的に示す斜視図、第４図はその
加工ヘットの先端と基端のそれぞれの移動量からワーク
の四部、平板部、凸部を判定する手法の説明図、第５図
は従来の三次元レーザ加工機とその周辺機器を概略的に
示す構成図、第６図はそのＮＣ制御装置のハードウェア
を示す構成図、第７図（ａ）はワーク四部におけるワー
クと加工ヘッドの関係を示す説明図、第７図（ｂ）は同
じくワーク凸部におけるワークと加工ヘッドの関係を示
す説明図、第８図はワークと加工ヘッド先端間の距離で
ある高さとセンサ信号処理装置から出力された電圧との
関係を示すグラフである。 図において、（１）は三次元レーサ加工機、（２）は加
工ヘッド、（３）はＮＣ制御装置、（６）はワーク、（
８）はＲＯＭ　（記憶装置）、（９）はＲＡＭ（記憶装
置）、（１４）は静電容量式センサ、（２０）は距離算
出手段、（２１）移動量算出手段、（２２）は比較回路
、（２３）補正回路、（２４）は駆動系（駆動部）、（
２５）は駆動回路（駆動部）　、（１１）はサーボモー
タ（駆動部）である。 なお、各図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 加工ヘッドをワークに対して所定の距離を保持しつつ任
   意の三次元方向に移動可能な三次元レーザ加工機におい
   て、 ワークと加工ヘッド先端間の静電容量を検出する静電容
   量式センサと、 この静電容量式センサの検出結果よりワークと加工ヘッ
   ド先端間の距離である高さｈを算出する距離算出手段と
   、 予め教示されて記憶装置に格納された加工ヘッドの先端
   位置及び姿勢のデータより加工ヘッド先端の移動量と、
   この加工ヘッド先端の移動量に対応した加工ヘッド基端
   の移動量をそれぞれ求める移動量算出手段と、 この移動量算出手段で算出された加工ヘッド先端移動量
   と加工ヘッド基端移動量とを比較し、この両者の比Ｋが
   Ｋ＜１、Ｋ＝０、又はＫ＞１のとき、その比較結果に対
   応した状態判別信号を出力する比較回路と、 予め設定された制御高さｈ＿ｃを上記比較回路の状態判
   別信号に対応した補正値ｋにより補正するとともに、こ
   の補正値ｋにより補正された制御高さｈ＿ｃと上記距離
   算出手段で算出された高さｈとの差を求め、その差分補
   正して駆動部へ出力する補正回路とを備えることを特徴
   とする三次元レーザ加工機の追従制御装置。