JPH0565081B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、ワークの加工線に沿つて切断又は
溶接等を行う加工装置に用いられる加工用センサ
の位置制御方法に関し、特に加工ヘツドの進行方
向及びワークの表面形状に応じてセンサの位置を
自動的に切換えることのできる加工用センサの位
置制御方法に関するものである。

［従来の技術］ 従来より、レーザ光等を用いてワークを切断加
工又は溶接加工する装置はよく知られており、一
般に、ワーク上の加工線を予めテイーチングして
おいてその通りに加工するテイーチングプレイバ
ツク方式が用いられている。又、この種の装置に
おいては、加工中において加工ヘツドとワークと
の距離を適性に保つ必要があるため、加工ヘツド
の近傍に、加工ヘツドからワークまでの高さを測
定する光学式の加工用センサが設けられている。

この場合、加工用レーザ光は出力が強く、又、
加工後のワーク表面は不安定なので、高精度に高
さを測定するためには、加工中の点からわずかに
離れたワーク上の点を測定する必要がある。例え
ば、加工センサの光スポツトを進行方向の後方に
位置させると、実際に加工するときに加工用レー
ザ光の影響を受けてワークまでの高さを正しく測
定できない場合が多い。従つて、通常、加工用セ
ンサは、加工ヘツドの進行方向に対して前方のワ
ーク上の点を測定している。

しかし、ワークの表面形状によつては加工用セ
ンサを進行方向の前方に配置することが困難な場
合もあり、このときは進行方向に対し加工用セン
サを加工ヘツドの横方向に配置させて、加工用レ
ーザ光の影響が少ない、進行方向に対し横方向に
わずかに離れたワーク上の点を測定する必要があ
る。

以上の加工用センサの位置制御を行うため、従
来は、オペレータの手動制御により加工ヘツドを
加工線に沿つて駆動しながら、加工用センサの加
工ヘツドに対する位置もテイーチングしている。
テイーチングされた加工用センサ位置制御情報は
データメモリに格納され、ワーク加工中に加工用
センサの位置を適切に制御する。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の加工用センサの位置制御方法は以上のよ
うに、加工線に沿つてオペレータの手動作業によ
り行なつていたので、多くの時間及び労力を要す
るという問題点があつた。

この発明は上記のような問題点を解決するため
になされたもので、加工線座標及び加工ヘツドの
姿勢に基づいてワーク表面形状を把握し、且つ加
工ヘツドの進行方向に応じて自動的に加工用セン
サの位置を変えることにより、適切なワーク上の
点を自動的に測定できる加工用センサの位置制御
方法を得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る加工用センサの位置制御方法
は、加工線の座標及び加工ヘツドの姿勢に基づい
てワークの表面形状を判別し、加工ヘツドの進行
方向及びワークの表面形状に応じて加工用センサ
を移動させ、加工用センサは、加工線が加工ヘツ
ドの進行方向に対して垂直に変位しないと判別さ
れた場合には、進行方向に対して前方のワーク上
の第１の点を測定し、加工線が加工ヘツドの進行
方向に対して垂直に変位すると判別された場合に
は、進行方向に対し横方向のワーク上の第２の点
を測定するように制御されるものである。

［作用］ この発明においては、加工線が加工ヘツドの進
行方向に対し垂直に変位しないと判別された場合
は、進行方向に対し加工ヘツドの前方となるよう
に加工用センサの位置を制御し、垂直に変位する
と判別された場合は進行方向に対し加工ヘツドの
横方向となるように加工用センサの位置を制御す
る。

［実施例］ 以下、この発明の一実施例を図について説明す
る。第１図はこの発明が適用される一般的な加工
装置１０の軸構成を示す概略斜視図、第２図は第
１図中の加工ヘツド部を拡大して示す概略断面図
である。

図において、１０ａは加工装置１０の駆動部と
なるアームであり、駆動端に位置するβ軸１１
と、β軸１１に接続されたα軸１２と、α軸１２
に接続されたＺ軸１３とから構成されている。

１はβ軸１１の取り付けられた加工ヘツドであ
り、ワークＷ上の加工線Ｋに沿つて進行し、先端
部から加工用レーザ光Ｌを放射するようになつて
いる。２はモータＭ５を介してβ軸１１を矢印β
方向に回転させるためのβ軸受、３はモータＭ４
を介してα軸１２を矢印α方向に回転させるため
のα軸受である。

４はモータＭ３を介して加工ヘツド１を矢印Ｚ
方向に移動させるためのＺ軸受、５はモータＭ２
を介して加工ヘツド１を矢印Ｙ方向に移動させる
ためのＹ軸受、６はモータＭ１を介して加工ヘツ
ド１を矢印Ｘ方向に移動させるためのＸ軸受であ
る。

２０はβ軸に回転可能に設けられた加工用セン
サであり、半導体レーザを有する投光部と半導体
位置検出器（PSD）を有する受光部とを備えた
周知の光学式センサで構成されている。そして、
投光部から放射された測定用レーザ光Ｌ１を加工
線Ｋの加工位置近傍に照射し、反射された測定用
レーザ光Ｌ２を受光部で受けるようになつてい
る。

２１はモータＭ６を介して加工用センサ２０を
矢印γ方向に回転させるためのγ軸受である。

尚、加工装置１０内の各モータＭ１〜Ｍ５は、
NC制御部（図示せず）からの加工プログラム指
令により駆動され、加工ヘツド１から放射される
加工用レーザ光Ｌのスポツトが加工線Ｋを倣うと
共に、加工ヘツド１の姿勢がワークＷの表面に対
しほぼ垂直となるように制御されている。加工プ
ログラムは、加工線Ｋのテイーチング座標に基づ
いてデータ処理部（図示せず）で求められ、予め
NC制御部内のメモリに格納されている。

次に、第３図のフローチヤート図並びに第４図
及び第５図の説明図を参照しながら、この発明の
一実施例について説明する。

まず、外部記憶装置の番号、オリジナルのプロ
グラム名、設定後とプログラム名、計算対象とな
る加工線Ｋの座標点の範囲、及び加工線Ｋから横
方向に離れたワークＷ上の第２の点が右が左かを
入力し、初期設定を行う（ステツプS1）。

次に、入力された計算対象が全座標点か否かを
判別し（ステツプS2）、全座標点が対象であれ
ば、加工用センサ２０のモータＭ６を駆動するた
めの新データを作成する（ステツプS3）。

又、座標点の範囲が指定されているか否かを判
別し（ステツプS4）、範囲指定であれば開始座標
点及び最終座標点の各番号を入力し（ステツプ
S5）、この範囲内でモータＭ６駆動用の新データ
を作成する（ステツプS6）。そして、計算を更に
続けるか否かを判別して（ステツプS7）、続ける
ならばステツプS5に戻る。

一方、データの作成（ステツプS3）が終了す
るか、計算を続けないと判別された場合（ステツ
プS7）は、計算プログラムを終了してメインプ
ログラムに戻る。又、計算対象となる座標点の範
囲が指定されない場合（ステツプS4）は、終了
か否かを判別して（ステツプS8）、終了でなけれ
ばステツプS2に戻り、終了であればメインプロ
グラムに戻る。

ステツプS3及びS6におけるモータＭ６駆動用
の新データの計算は、以下のように行なわれる。

まず、第４図に示すように、加工線Ｋ上の各座
標点をPi，Pi₊₁，…、α軸１２の方向を示す方向
単位ベクトルをξ（α）、加工ヘツド１即ちβ軸１
１の方向を示す方向単位ベクトルをη（α、β）
とすると、α軸１２の方向単位ベクトルξ（α）
の成分は、 ξ（α）＝（cosα、^-sinα、０） β軸１１の方向単位ベクトルη（α，β）の成分
は、 η（α、β）＝（sinαsinβ、cosαsinβ、−cosβ
） で表わされる。ここで、α軸１２及びβ軸１１の
各方向単位ベクトルξ（α）、η（α、β）は、加
工ヘツド１の姿勢に対応している。

又、座標番号ｉ及びｉ＋１の座標点Pi、Pi₊₁の
各座標成分は、（xi、yi、zi）、（xi₊₁、yi₊₁、zi₊₁）
であるから、加工ヘツド１の進行方向を示す方向
単位ベクトルeiは、 ei＝PiPi―――→₊₁／PiPi₊₁｜ ＝［１／｛（xi₊₁）²＋（yi₊₁）² ＋（zi₊₁）²｝^1/2］×（xi₊₁−xi、yi₊₁ −yi、zi₊₁−zi）＝（e₁、e₂、e₃） で表わされる。

いま、第５図のように湾曲したワークＷ上に、
加工線Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３を矢印Ａ，Ｂ，Ｃ方向に
進行しながら切断加工する場合を考える。

加工線Ｋ１，Ｋ２を矢印Ａ，Ｂに沿つて切断す
る場合は、加工用センサ２０は進行方向に対し加
工ヘツド１と前方に配置されなければならない。
このとき、ワークＷ上の加工線Ｋ１，Ｋ２が進行
方向に対して垂直方向に変位していないので、β
軸１１が回転したとしても、α軸１２の方向は進
行方向と平行のままで一定である。

加工線Ｋ３を矢印Ｃに沿つて切断する場合は、
加工用センサ２０は進行方向に対し加工ヘツド１
の横方向に配置されなければならない。このと
き、ワークＷ上の加工線Ｋ３が進行方向に対して
垂直方向に変位しているので、α軸１２の方向は
進行方向に対しほぼ直角となつてβ軸１１を回転
制御する。

ここで、α軸１２の方向単位ベクトルξ（α）
と進行方向の方向単位ベクトルeiとのなす角度ψi
（便宜的に交点をもつように示すが、実際には交
点をもつとは限らず、空間的にねじられた状態で
交差する）を考慮すれば、角度ψiは ψi＝cos^-1（ξ（α）・ei） で求められる。そして、加工線Ｋ１又はＫ２を加
工する場合は、角度ψiの絶対値が、 ｜ψi｜≒0° …… となり、加工線Ｋ３を加工する場合は、 ｜ψi｜≒90° …… となる。実際には、ワークＷの形状によつて、
、式で示す姿勢をとれない場合もあるが、こ
こでは、式を満たすものとして説明する。

従つて、角度ψiの絶対値を所定値ψ₀（例えば、
15°程度）と比較して、所定値ψ₀以下、 ０≦｜ψi｜≦ψ₀ …… であれば、式を満たすものと判別され、加工用
センサ２０は、進行方向に対して加工ヘツド１の
前方に位置するように駆動制御される。従つて、
加工用センサ２０は、進行方向の前方のワークＷ
上の点（第１の点）の高さを測定する。

又、所定値ψ₀より大きく、 ψ₀＜｜ψi｜≦90° …… であれば、式を満たすものと判別され、加工用
センサ２０は、進行方向に対して加工ヘツド１の
横（直角）方向となるように駆動制御される。従
つて、加工用センサ２０は、進行方向に対し横方
向のワークＷ上の点（第２の点）の高さを測定す
る。

このとき、矢印γ方向に回転駆動される加工用
センサ２０の回転角θは、−150°≦θ≦150°の範
囲内で計算により求められるが、この回転角θの
範囲は加工用センサ２０の回転機構の制限によつ
て予め決定されている。

式（式）を満たすときの加工用センサ２０
の回転角度θ₁を求める場合、まず、進行方向に対
する回転角度θ₀（−90°＜θ₀＜90°）を、 θ₀＝tan^-1［｛（e₁sinα＋e₂cosα）cosβ ＋e₃sinβ｝／（e₂sinα−e₁cosα）］ から求める。このとき、回転角度θ₀の正弦及び余
弦は、 sinθ₀＝−［（e₁sinα＋e₂cosα）cosβ ＋e₃sinβ］／ｋ cosθ₀＝（e₁cosα−e₂sinα）／ｋ 但し、 ｋ＝［（e₂cosβ＋e₃cosαsinβ）² ＋（e₃sinαsinβ＋e₁cosβ）² ＋（e₁cosαsinβ−e₂sinαsinβ）²］^1/2 で表わされる。従つて、β軸に対する実際の回転
角度θ₁は、 (i) cosθ₀＝０であつて、 sinθ₀＞０であれば、θ₁＝90°、 sinθ₀＞０であれば、θ₁＝−90°、 とし、 (ii)cosθ₀＞０であれば、θ₁＝θ₀、 とし、 (iii)cosθ₀＜０であつて、 sinθ₀＞であれば、θ₁＝θ₀＋180°、 但し、θ₁＞150°ならば、θ₁＝150°、 sinθ₀＜０であれば、θ₁＝θ₀−180°、 但し、θ₁＜−150°ならば、θ₁＝−150°、 とする。

一方、式（式）を満たすときの回転角度θ₂
は、上述のように求められた回転角度θ₁に±90°
を加える。即ち、初期設定で右横に指定された場
合は90°を加え、左横に指定された場合は−90°を
加える。但し、｜θ₂｜＞150°ならば、｜θ₂｜＝150°
とする。

こうして、図示しないNC制御部は、加工線Ｋ
の各座標点Pi、Pi₊₁、…の座標と、加工ヘツド１
の姿勢とに基づいてワークＷの表面形状を判別
し、常に適切なワークＷ上の点を測定するように
加工用センサ２０の位置を制御する。

［発明の効果］ 以上のようにこの発明によれば、加工線の座標
及び加工ヘツドの姿勢に基づいてワークの表面形
状を判別し、加工ヘツドの進行方向及びワークの
表面形状に応じて加工用センサを移動させ、加工
用センサは、加工線が加工ヘツドの進行方向に対
して垂直に変位しないと判別された場合には、進
行方向に対して前方のワーク上の第１の点を測定
し、加工線が加工ヘツドの進行方向に対して垂直
に変位すると判別された場合には、進行方向に対
し横方向のワーク上の第２の点を測定するように
制御されるようにしたので、適切なワーク上の点
を自動的に測定できる加工用センサの位置制御方
法が得られる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明が適用される一般的な加工装
置の軸構成を示す概略斜視図、第２図は第１図中
の加工ヘツド部を拡大して示す概略断面図、第３
図はこの発明の一実施例を説明するためのフロー
チヤート図、第４図はこの発明の一実施例に用い
られる方向単位ベクトルを示す説明図、第５図は
ワーク上の加工線の例を示す説明図である。 １……加工ヘツド、１０ａ……アーム、１１…
…β軸、１２……α軸、２０……加工用センサ、
Ｗ……ワーク、Ｋ……加工線、Pi……座標点、
ξα，ei……方向単位ベクトル、ψi……各方向単位
ベクトルのなす角度尚、図中、同一符号は同一又
は相当部分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ワークの加工線に沿つて進行する加工ヘツド
   の近傍に移動可能に設けられ、前記加工ヘツドか
   ら前記ワークまでの高さを測定する光学式の加工
   用センサの位置制御方法において、 前記加工線の座標及び前記加工ヘツドの姿勢に
   基づいて前記ワークの表面形状を判別し、前記加
   工ヘツドの進行方向及び前記ワークの表面形状に
   応じて前記加工用センサを移動させ、 前記加工用センサは、 前記加工線が前記加工ヘツドの進行方向に対し
   て垂直に変位しないと判別された場合には、前記
   進行方向に対して前方の前記ワーク上の第１の点
   を測定し、 前記加工線が前記加工ヘツドの進行方向に対し
   て垂直に変位すると判別された場合には、前記進
   行方向に対し横方向の前記ワーク上の第２の点を
   測定するように制御されることを特徴とする加工
   用センサの位置制御方法。 ２ 前記加工用センサは、 前記ワークの表面に対する前記加工ヘツドの角
   度を調整するためのβ軸に回転可能に設けられ、 前記加工ヘツドを前記ワーク表面と平行な平面
   内で回転させるためのα軸の方向を示す方向単位
   ベクトルと、前記加工ヘツドの進行方向を示す方
   向単位ベクトルとのなす角度が、所定値以下であ
   れば前記ワーク上の第１の点を測定し、前記所定
   値より大きければ前記ワーク上の第２の点を測定
   するように、適宜回転されることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の加工用センサの位置制
   御方法。