JPH04344885A - ３次元レーザ加工装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は３次元レーザ加工装置
に関し、特にそのティーチング作業に関するものである
。

【０００２】

【従来の技術】従来からレーザ光を用いてワークを切断
又は溶接する装置はよく知られており、ワークが特に立
体形状の場合には一般にはワークの加工軌跡を予め教示
しておき、その教示された加工プログラムに従って加工
するティーチングプレイバック方式が用いられている。 図６は一般的な３次元レーダ加工装置の軸構成を示す概
略斜視図である。図において、６はＮＣ装置、７は主に
教示作業に用いるティーチングボックスであり、後述す
るセンサデータを表示する例えばＬＥＤ（液晶表示）画
面のような表示画面８と、立体ワークＷ上の教示させた
い点（教示点）を教示する教示キー（図示せず）、軸を
駆動させる駆動キー（図示せず）等のキーを備えたキー
ボード９とを備えている。

【０００３】３はアームであり、その先端がノズル形状
になっている加工ヘッド１を先端に備えており、加工ヘ
ッド１の上下方向の駆動軸Ｚ軸に対して直角方向の回転
軸をβ軸、Ｚ軸と平行な方向の回転軸をα軸とした時、
β軸３ａと、β軸３ａをモータＭ５を介して矢印β方向
に回転させるためのβ軸受３ｂと、β軸３ａに接続され
たα軸３ｃと、α軸３ｃをモータＭ４を介して矢印α方
向に回転させるためのα軸受３ｄと、α軸３ｃに接続さ
れたＺ軸３ｅと、Ｚ軸３ｅをモータＭ３を介して矢印Ｚ
方向に移動させるためのＺ軸受３ｆとから構成されてい
る。４はアーム３をモータＭ２を介して図のＹ方向に移
動させるＹ軸受であり、５はアーム３をモータＭ１を介
して図のＸ方向に移動させるＸ軸受である。モータＭ１
〜Ｍ５はＮＣ装置６のモータ駆動制御部（図示せず）か
らの信号により駆動される。

【０００４】２は加工ヘッド１の先端に取りつけられた
センサであり、センサ２と立体ワークＷとの距離（高さ
）を測定し、その信号をセンサデータとしてＮＣ装置６
のセンサ制御部（図示せず）に出力する。また、センサ
２は立体形状ワークＷにレーザ光Ｌを照射する加工ノズ
ルの役目も兼ね備えている。（レーザ光Ｌは加工ヘッド
１のノズル方向から立体ワークＷに照射される。）一般
的には先端座標Ｐがレーザ光Ｌの焦点であるので、教示
作業においては立体ワークＷの表面に先端座標Ｐを一致
させる。図６において、ｈはセンサ２と立体ワークＷと
の距離（ノズル方向の高さ）であるが、先端座標Ｐを立
体ワークＷの表面に一致させた場合、ｈは決められた値
になる。

【０００５】次に、上記のように構成された３次元レー
ザ加工装置における教示作業を説明する。作業者は予め
立体形状ワークＷに描かれた“けがき線”に沿って教示
作業を行うのが一般的であるので、ティーチングボック
ス７を操作して加工ヘッド１をけがき線に近づける。次
に、立体形状ワークＷのけがき線上の教示点に先端座標
Ｐを合わせるように軸移動を微調整する。ここで、一般
的にはその平面に垂直にレーザＬが当たるように教示す
る。次に、ティーチングホックスの教示キー（図示せず
）を押すことでＮＣ装置６内のメモリ（図示せず）に先
端座標データが記憶される。このような作業を繰り返し
行うことにより複数の教示点の先端座標データを連ねた
加工プログラムがＮＣ装置６内のメモリに生成される。 そして、この加工プログラムに従って立体形状ワークＷ
にレーザ光Ｌを照射することにより加工が行われる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の３次元レーザ加
工装置は以上のように構成されているので、立体形状ワ
ークの平面部の教示作業においてはその平面に垂直にレ
ーザ光を当てて教示しなければならないが、その教示作
業は専ら教示作業者の熟練度に依存するため、正確に加
工ヘッドの姿勢を決定することが難しく、時間がかかっ
ていた。また、平面に垂直にレーザ光が当らないと良好
な切断面が得られない場合があった。ところで、教示点
においてノズルを自動的に垂直に姿勢制御する方法が特
開昭６４−６４７５３号公報に開示されているが、この
提案においては３個のセンサと立体ワークとの距離をそ
れぞれ求め、それにより法線方向ベクトルを求めるよう
にしている。このため、３個のセンサのセンサを必要と
し構造が複雑になり、更に各センサと立体ワークとの距
離はそれぞれ異なり、距離測定に際してセンサ毎に精度
が異なり、従ってこのセンサの出力により得られる法線
方向ベクトルの精度は必ずしも良くなかった。

【０００７】この発明は、このような問題点を解決する
ためになされたものであり、構造が簡単で、かつ教示点
のデータが高精度に容易に得られるようにした３次元レ
ーザ加工装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この発明の一つの態様に
よる３次元レーザ加工装置は、３次元位置を規制する各
回転軸により３次元位置が制御されると共に、高さ方向
に平行なα回転軸及び高さ方向に直角なβ回転軸により
姿勢制御される加工ヘッドを有する３次元レーザ加工装
置において、直角座標系の３軸の位置をそれぞれ検出す
ると共に、α回転軸及びβ回転軸の回転角をそれぞれ検
出する位置検出手段と、加工ヘッドを立体ワークの教示
点から開始して該教示点に戻る閉ループに沿って移動さ
せる軸送り手段と、加工ヘッドを移動させる際に、加工
ヘッドの先端に設けられているセンサによりセンサと立
体ワークとの距離を検出し、その距離を一定に保持する
ように加工ヘッドの高さ位置を制御するセンサ制御手段
と、加工ヘッドが移動する際に少なくとも教示点を含む
３点の座標を前記置検出手段から取り込む先端座標管理
手段と、３点の座標に基づいて前記閉ループにより形成
される平面部の法線ベクトルを算出し、加工ヘッドの姿
勢をその法線ベクトルに一致させるためのα回転軸及び
β回転軸の回転角を算出し、その回転角に基づいてα回
転軸及びβ回転軸をそれぞれ回転させる法線ベクトル算
出手段を有する。

【０００９】また、この発明の他の態様による３次元レ
ーザ加工装置は、教示点における位置検出手段からの３
次元座標と、α回転軸及びβ回転軸が回転して加工ヘッ
ドが教示点に対して垂直になった後の位置検出手段から
のα回転軸及びβ回転軸の回転角とを教示点のデータと
して取り込む記憶手段を有する。また、この発明の他の
態様による３次元レーザ加工装置は、前記法線ベクトル
算出手段及び記憶手段に代えて次の法線ベクトル算出手
段及び記憶手段を有する。即ちこの３次元レーザ加工装
置は、３点の座標に基づいて前記閉ループにより形成さ
れる平面部の法線ベクトルを算出し、加工ヘッドの姿勢
をその法線ベクトルに一致させるためのα回転軸及びβ
回転軸の回転角を算出する法線ベクトル算出手段と、教
示点における位置検出手段からの３次元座標と、法線ベ
クトル算出手段により算出された教示点において加工ヘ
ッドが垂直となる回転角を教示点のデータとして取り込
む記憶手段とを有する。

【００１０】

【作用】この発明の一つの態様においては、加工ヘッド
を立体ワークの教示点から開始して教示点に戻る閉ルー
プに沿って移動させ、その時加工ヘッドの先端に設けら
れているセンサによりセンサと立体ワークとの距離を検
出して、その距離が一定に保持するように加工ヘッドの
高さが制御される。そして、加工ヘッドが移動する際に
少なくとも教示点を含む３点の座標が検出される。この
３点の座標に基づいて閉ループにより形成される平面部
の法線ベクトルが算出され、そして、加工ヘッドの姿勢
をその法線ベクトルに一致させるためのα回転軸及びβ
回転軸の回転角が算出される。これらの回転角が求めら
れた後に、α回転軸及びβ回転軸をそれぞれ回転させて
、加工ヘッドを教示点に対して垂直に姿勢制御する。

【００１１】また、この発明の他の態様においては、そ
の後、教示点における３次元座標と、α回転軸及びβ回
転軸が回転して加工ヘッドが教示点に対して垂直になっ
た後のα回転軸及びβ回転軸の回転角とが教示点のデー
タとして自動的に記憶手段に取り込まれる。また、この
発明の他の態様においては、加工ヘッドの姿勢制御を実
際に行わずに、加工ヘッドの姿勢をその法線ベクトルに
一致させるためのα回転軸及びβ回転軸の回転角を算出
した後、教示点における位置検出手段からの３次元座標
と、法線ベクトル算出手段により算出された教示点にお
いて加工ヘッドが垂直となる回転角を教示点のデータと
して取り込む。

【００１２】

【実施例】図１は本発明の一実施例の次元レーザ加工装
置の概略構成図である。図において、１０は加工部のモ
ータを駆動するモータ駆動制御部、１１はモータ駆動に
よって移動した軸の現在位置を検出部、１２は法線キー
２０を備えたキーボード９を持つティーチングボックス
７のデータ入出力を行うＩ／Ｏ装置、１３は本発明にお
ける各種の処理等に用いられる設定データが記憶された
ＲＯＭである。２１はセンサ２により検出された立体ワ
ークＷとセンサ２との高さデータをセンサデータとして
後述するＣＰＵに出力するセンサ制御部である。

【００１３】１４は本発明の各種の演算処理をするＣＰ
Ｕであり、以下に説明するプログラム構成になっている
。１５は法線キー入力判別手段であり、法線キー２０が
押されればそれを判別して後述する本発明の処理動作を
開始させる。１６はセンサデータ制御手段であり、セン
サ制御部２１からのセンサデータが一定に保持されるよ
うにモータ駆動制御部１０を介してモータを制御する。 １７は先端座標管理手段であり、後述するノズル座標系
を計算し、かつ３つの異なる空間の先端座標をメモリ１
３に入力し、かつ軸送り手段１８によって軸が移動する
時現在の先端座標を常に管理して必要時には軸送り手段
１８に軸移動中止を命令する。１８は軸送り手段であり
、本発明の処理により３つの先端座標を得るために後述
するノズル座標系に沿って軸を求められた方向に決めら
れた速度で移動させる働きをし、軸の移動中もセンサデ
ータ制御手段１６によって上記センサデータが一定に保
たれる。１９は法線ベクトル算出手段であり、先端座標
管理手段１７により上記３つの先端座標がメモリ１３に
入力され、軸送り手段１８によって本発明の処理の初め
の先端座標に戻された後、上記３つの線座標より、それ
ら３点を通る平面の法線ベクトル方向を算出し、次にノ
ズル座標系におけるｚ方向（反ノズル方向）を上記平面
の法線ベクトメル方向に合わせるため必要な軸移動指令
量を算出し、軸送り手段１８に出力する。

【００１４】図２は本発明の処理に用いるノズル座標系
の概略構成図である。先端座標Ｐにおいて反ノズル方向
をＺ、図示したβ方向のうち一方向での加工ヘッド１の
移動により現在の先端座標Ｐが移動する方向をｙとし、
上記ｙ，ｚより右手直交座標系を構成する方向をｘ方向
とする。図におけるｋは直交座標系を示し、ｈはセンサ
２と先端座標Ｐとの距離（ｚ方向の高さ）であり、これ
は予め決められた値である。

【００１５】図３は本発明の処理動作を示す概略斜視図
である。立体ワークＷの空間上の平面２１上に先端座標
Ｐが位置するとき、ティーチングボックス７の法線キー
２０が押されると、まず加工ヘッド１は初めに点Ｐ１に
おけるセンサ２と点Ｐ１との高さｈに対応するセンサデ
ータｄ１及び加工ヘッド１の先端座標（図示せず）がメ
モリに記憶される。次に、上記センサデータｄ１を保ち
ながら、図２で示したノズル座標系のｘ方向２２に決め
られた速度で移動する。移動は点Ｐ１とＰ２との間の距
離＞５００ｍｍなる天Ｐ２の位置で自動的に止められ、
点Ｐ２の先端座標がメモリ１３に記憶される。次に、点
Ｐ２において上記センサデータｄ１を保ちながらノスル
座標系のｙ方向２３に決められた速度で移動する。移動
は点Ｐ２と点Ｐ３との間の距離＞５００ｍｍなる点Ｐ３
で自動的に止められ、点Ｐ３の先端座標がメモリ１３に
記憶される。次に、加工ヘッド１を点Ｐ３の位置から点
Ｐ１の位置に移動し、加工ヘッド１は本処理の初めの位
置に戻される。そして、点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の空間上の
３点から図に矢印した平面２１の法線ベクトルｎを求め
、最後に点Ｐ１にて矢印ｚ方向を上記法線ベクトルｎに
一致させるように各軸を移動させる。

【００１６】図４及び図５は上述の処理の動作を更に詳
細に説明したフローチャートである。初めにティーチン
グボックス７の法線キー２０が押されると、法線キー入
力判別手段１５がそのキー入力を判別し、以下に示す処
理を始める。 （１）　ステップＳ１〜Ｓ４ まず、センサデータ制御手段１６は点Ｐ１におけるセン
サデータｄ１（図示せず）と先端座標（Ｘ１　，Ｙ１　
，Ｚ１　）とをメモリ１３に記憶する（ステップＳ１）
。次に、軸送り手段１８はセンサデータ制御手段１６に
よりセンサデータの値ｄ１に保ちながら先端座標管理手
段１７によって指示されたノズル座標系のｘ方向に決め
られた速度で軸を動かす（ステップＳ２）。ステップＳ
２で軸が動いたら先端座標管理手段１７は現在の先端座
標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）とメモリ１３に記憶してある点Ｐ１の
先端座標とから次の数１を満足しているか否かを判定し
、満足するならば処理をスップＳ２に戻して移動を継続
し、加工ヘッド１の先端がｘ方向に５００ｍｍを越えて
移動すると数１の条件を満足しなくなる。先端座標管理
手段１７は数１の条件が満足しなくなると軸送り手段１
８に軸移動中止を指令し、処理をステップＳ４に移す（
ステップＳ３）。

【００１７】

【数１】 そして、先端座標管理手段１７は加工ヘッド１の現在位
置Ｐ２の先端座標（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）をメモリ１３に
記憶する（ステップＳ４）。

【００１８】（２）　ステップＳ５〜Ｓ７次に、軸送り
手段１８はセンサデータ制御手段１６によりセンサデー
タの値をｄ１に保ちながら、先端座標管理手段１７によ
って指示されたノズル座標系のｙ方向に決められた速度
で軸を動かす（ステップＳ５）。ステップＳ５で軸が動
いたら上記先端座標管理手段１７は現在の先端座標（Ｘ
，Ｙ，Ｚ）とメモリ１３に記憶してある点Ｐ２の先端座
標とから数２の条件を満足するか否かを判別し、満足す
るならば処理をステップＳ５に戻して移動を継続し、加
工ヘッド１の先端がｘ方向に５００ｍｍを越えて移動す
ると数２の条件を満足しなくなる。先端座標管理手段１
７は数２の条件が満足しなくなると軸送り手段１８に軸
移動中止を指令し、処理をステップＳ７に移す（ステッ
プＳ６）。

【００１９】

【数２】 そして、先端座標管理手段１７は現在位置Ｐ３の先端座
標をメモリ１３に記憶する（ステップＳ７）。

【００２０】（３）　ステップＳ８〜Ｓ１０次に、軸送
り手段１８は加工ヘッド１の先端座標が最初の位置であ
る点Ｐ１になるように軸を動作させる（ステップＳ８）
。次に、法線ベクトル算出手段１９は点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ
３の３つの先端座標からこれら３点を通る平面の法線ベ
クトルｎを計算し、点Ｐ１におけるノズル座標系のｚ方
向を法線ベクトルｎに一致させるための各軸の移動量を
計算する（ステップＳ９）。軸送り手段１８は上記各軸
の移動量をモータ駆動制御部１０に指令する。軸送り手
段１８は位置検出部１１からの軸の現在位置データが教
示点Ｐ１において法線ベクトルｎと一致する事を確認し
て本処理を終える（ステップＳ１０）。

【００２１】以上のようにして加工ヘッド１が教示点に
おいて垂直に姿勢制御がなされ、その後はその加工ヘッ
ド１の先端座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）並びにα回転軸及びβ回
転軸の回転角が自動的に又はテーチングボックス７の操
作によりメモリ１３に取り込まれる。ところで、上述の
実施例においては加工ヘッド１を教示点において垂直に
姿勢制御した後にそのα回転軸及びβ回転軸の回転角を
データとして取り込むようにした例について説明したが
、加工ヘッド１の姿勢をベクトルｎと一致させるための
α回転軸及びβ回転軸の回転角は得られるので、加工ヘ
ッド１の姿勢を実際に制御しないで、その回転角を教示
点のデータとしてメモリ１３に取り込むようにしてもよ
い。

【００２２】

【発明の効果】以上のようにこの発明のよれば、加工ヘ
ッドを教示点において垂直に姿勢制御するたもの各軸の
移動量を求め、その移動量に基づいて加工ヘッドを実際
に姿勢制御し、或いはその姿勢制御されたときのデータ
を自動的に取り込むようにし、或いは実際に姿勢制御し
ないでその時の各軸の移動量（演算データ）を自動的に
取り込むようにしたので、教示作業において加工する平
面に対して加工ヘッドを垂直な姿勢に調整する作業が必
要なくなり、大幅にテイーチングの作業時間が短縮され
る。しかも、このようなテイーチング作業は熟練度等を
不要としレーザ光を立体ワークの平面に正確に垂直に当
てる事ができるので良好な切断面が得られる。また、法
線ベクトルを求める際に加工ヘッドを移動さるとき、加
工ヘッドと立体ワークとの距離とを一定にして移動させ
るので、閉ループにより生成される平面部の座標は高精
度になり、その結果法線ベクトル等も精度の良いものと
なる。更に、加工ヘッドを移動して平面部を生成するの
で、加工ヘッドの先端に設けられているセンサを利用す
るだけですみ、他のセンサを付加する必要がなく、構造
が複雑になることがない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による３次元レーザ加工装置
の概略構成図である。

【図２】本発明の処理に用いるノズル座標系の概略構成
図である。

【図３】本発明の処理の動作を示す概略構成図である。

【図４】本発明の動作を説明するフローチャートである
。

【図５】本発明の動作を説明するフローチャートである
。

【図６】従来の３次元レーザ装置の軸構成を示す概略構
成図である。

【符号の説明】

１　　加工ヘッド ２　　センサ ３　　アーム ３ａ　　β軸 ３ｃ　　α軸 ７　　ティーチングボックス １３　　メモリ １７　　先端座標管理手段 １８　　軸送り手段 １９　　法線ベクトル算出手段 ２０　　法線キー

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　３次元位置を規制する各回転軸により
   ３次元位置が制御されると共に、高さ方向に平行なα回
   転軸及び高さ方向に直角なβ回転軸により姿勢制御され
   る加工ヘッドを有する３次元レーザ加工装置において、
   加工ヘッドの３次元位置を検出すると共に、前記α回転
   軸及び前記β回転軸の回転角をそれぞれ検出する位置検
   出手段と、加工ヘッドを立体ワークの教示点から開始し
   て該教示点に戻る閉ループに沿って移動させる軸送り手
   段と、加工ヘッドを移動させる際に、加工ヘッドの先端
   に設けられているセンサにより該センサと平面部との距
   離を検出し、その距離を一定に保持するように加工ヘッ
   ドの高さ位置を制御するセンサ制御手段と、加工ヘッド
   が移動する際に少なくとも教示点を含む３点の座標を前
   記置検出手段から取り込む先端座標管理手段と、前記３
   点の座標に基づいて前記閉ループにより形成される平面
   部の法線ベクトルを算出し、加工ヘッドの姿勢をその法
   線ベクトルに一致させるための前記α回転軸及び前記β
   回転軸の回転角を算出し、その回転角に基づいて前記α
   回転軸及び前記β回転軸を回転させる法線ベクトル算出
   手段とを有することを特徴とする３次元レーザ加工装置
   。
2. 【請求項２】　　教示点における位置検出手段からの３
   次元座標と、前記α回転軸及び前記β回転軸が回転して
   加工ヘッドが教示点に対して垂直になった後の前記α回
   転軸及び前記β回転軸の位置検出手段からの回転角を教
   示点のデータとして取り込む記憶手段をを有することを
   特徴とする請求項１記載の３次元レーザ加工装置。
3. 【請求項３】　　３次元位置を規制する各回転軸により
   ３次元位置が制御されると共に、高さ方向に平行なα回
   転軸及び高さ方向に直角なβ回転軸により姿勢制御され
   る加工ヘッドを有する３次元レーザ加工装置において、
   加工ヘッドの３次元位置を検出すると共に、前記α回転
   軸及び前記β回転軸の回転角をそれぞれ検出する位置検
   出手段と、加工ヘッドを立体ワークの教示点から開始し
   て該教示点に戻る閉ループに沿って移動させる軸送り手
   段と、加工ヘッドを移動させる際に、加工ヘッドの先端
   に設けられているセンサにより該センサと平面部との距
   離を検出し、その距離を一定に保持するように加工ヘッ
   ドの高さ位置を制御するセンサ制御手段と、加工ヘッド
   が移動する際に少なくとも教示点を含む３点の座標を前
   記置検出手段から取り込む先端座標管理手段と、前記３
   点の座標に基づいて前記閉ループにより形成される平面
   部の法線ベクトルを算出し、加工ヘッドの姿勢をその法
   線ベクトルに一致させるための前記α回転軸及び前記β
   回転軸の回転角を算出する法線ベクトル算出手段と、教
   示点における位置検出手段からの３次元座標と、前記法
   線ベクトル算出手段により算出された各回転角とを教示
   点のデータとして取り込む記憶手段とを有することを特
   徴とする３次元レーザ加工装置。