JPWO2019003513A1 - レーザ加工システムおよびレーザ加工システムの制御方法 - Google Patents

Abstract

少なくとも二次元平面で複数の動作自由度を持つレーザ切断ヘッドを有するロボットと、レーザ切断ヘッドにレーザ光を導くレーザ発振装置とを備え、レーザ切断ヘッドの動作で加工対象を所望の切断形状に切断するレーザ加工システムであり、切断形状を規定する座標に定義される動作開始点から切断形状に沿う本軌跡切断開始点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドを弧状に移動させるステップ（Ｓ７）と、本軌跡切断開始点から切断形状に沿う本軌跡切断終了点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドを移動させるステップ（Ｓ８）と、本軌跡動作終了点から動作終了点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドを弧状に移動させるステップ（Ｓ９）と、を実行する制御部を備えている。

Description

本開示は、少なくとも二次元平面で複数の動作自由度を持つレーザ切断ヘッドを有するロボットと、レーザ切断ヘッドにレーザ光を導くレーザ発振装置とを備え、レーザ切断ヘッドの動作で加工対象を所望の切断形状に切断するレーザ加工システムおよびレーザ加工システムの制御方法に関する。

近年、レーザ光のエネルギーを利用して種々の加工対象物に対して切断等の加工を行なうレーザ加工技術が普及している。レーザ光の特性上、熱の影響が少なく加工対象物に生じる歪みが少ないことや加工対象物を高速切断することが可能になるからである。

また、より自由度の高い垂直多関節型のロボットにレーザ切断ヘッドを搭載することで、３次元加工が可能なレーザ加工装置が実現されている。このような垂直多関節型のロボットは、複雑な形状の切断などの加工に好適に対応できる。ただし、一般的にＮＣ（Numerical Control）加工装置のような加工精度が求められていないために、単純な平面に対する加工を行なう場合に十分な加工精度が得られないという課題があった。

特許文献１には、切断のためのレーザ光の移動軌跡の精度および切断精度を向上させ、高品質の切断をなし得る小穴切断加工ユニットの軌跡制御方法が提案されている。当該軌跡制御方法では、切断用トーチを２次元方向に移動させる小穴切断加工ユニットがロボットのアーム先端に取り付けられる。小穴切断加工ユニットは、所望の小穴切断軌跡の中心位置を始点として小穴切断軌跡の所定の位置まで切断用トーチを所定の軌跡に沿って加速させる。小穴切断加工ユニットは、さらに、所定位置から小穴切断軌跡に沿って切断用トーチを一巡移動してワーク切断を行う。小穴切断加工ユニットは、その後所定位置から始点位置まで切断用トーチを加速区間の円軌跡とは対称方向に位置する所定の軌跡に沿って減速させる。このような小穴切断加工ユニットにおいて、ワーク切断区間から減速区間に進入するときの切り逃げ角が任意設定可能にされている。

特許文献１に記載された小穴切断加工ユニットでは、レーザ切断ヘッドに複数の自由度を持たせたアクチュエータが搭載される。単純な加工であれば垂直多関節型のロボットは動作することなく、レーザ切断ヘッドのみの動作で所望の切断軌跡が実現される。より詳細には、垂直多関節型のロボットに２自由度を有するレーザ切断ヘッドが搭載される。小穴切断はレーザ切断ヘッドのみの動作で実現される。

特開平６−２７８０６０号公報

特許文献１に記載された小穴切断加工ユニットの軌跡制御方法によれば、切断用トーチは、必ず特定形状の中心から小穴切断軌跡の所定の位置まで移動する。そのため、特定形状の穴開け用途には有用ではあるが、特定形状を切り出したいという用途では使用することができない。

また、切断用トーチは、特定形状の中心から加速を始めて特定形状の切断軌跡に到達し、切断軌跡終了後は減速しながら小穴中心位置に向かう。レーザ切断ヘッドの機構や動作原理によっては単純に加速や減速を行なうと加速区間から切断軌跡区間への切替ポイントや、切断軌跡区間から減速区間への切替ポイントで速度の不連続点が発生する。レーザ切断ヘッドがこの速度の不連続点で振動して切断軌跡に影響を与える虞がある。

本開示の目的のひとつは、穴開け加工のみならず切出し加工にも対応し、始点と所望の切断軌跡との接続点で速度の変動を抑制して精度の高い切断加工が可能なレーザ加工システムおよびレーザ加工システムの制御方法を提供する点にある。

本開示の一側面は、少なくとも二次元平面で複数の動作自由度を持ち、加工対象を所望の切断形状に切断するレーザ切断ヘッドを有するロボットと、レーザ切断ヘッドにレーザ光を導くレーザ発振装置と、切断形状を規定する座標の基準点を基準に定義される動作開始点から切断形状に沿う本軌跡切断開始点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドを弧状に移動させる立上げステップと、本軌跡切断開始点から切断形状に沿う本軌跡切断終了点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドを移動させる切断ステップと、本軌跡動作終了点から基準点を基準に定義される動作終了点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドを弧状に移動させる立下げステップと、を実行する制御部と、を備えているレーザ加工システムに関する。

また、本開示の別の一側面は、少なくとも二次元平面で複数の動作自由度を持つレーザ切断ヘッドを有するロボットと、レーザ切断ヘッドにレーザ光を導くレーザ発振装置とを備え、レーザ切断ヘッドの動作で加工対象を所望の切断形状に切断するレーザ加工システムの制御方法であって、切断形状を規定する座標の基準点を基準に定義される動作開始点から切断形状に沿う本軌跡切断開始点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドを弧状に移動させる立上げステップと、本軌跡切断開始点から切断形状に沿う本軌跡切断終了点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドを移動させる切断ステップと、本軌跡動作終了点から基準点を基準に定義される動作終了点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドを弧状に移動させる立下げステップと、を含むレーザ加工システムの制御方法に関する。

本開示によれば、穴開け加工のみならず切出し加工にも対応し、始点と所望の切断軌跡との接続点で速度の変動を抑制して精度の高い切断加工が可能なレーザ加工システムおよびレーザ加工システムの制御方法を提供することができるようになる。

図１は、本開示の実施形態によるレーザ切断システムの概略構成図である。 図２は、二次元平面で２つの動作自由度を持つレーザ切断ヘッドの説明図である。 図３は、レーザ切断ヘッドによって描かれる代表的な加工形状の説明図である。 図４は、教示装置に表示されるパラメータ設定画面の説明図である。 図５Ａは、穴開け加工時の各種パラメータの説明図である。 図５Ｂは、穴開け加工時の各種パラメータの説明図である。 図６Ａは、切出し加工時の各種パラメータの説明図である。 図６Ｂは、切出し加工時の各種パラメータの説明図である。 図７は、レーザ加工システムの制御方法を示すフローチャートである。 図８Ａは、立上げステップにおける半径方向成分の位置の説明図である。 図８Ｂは、立上げステップにおける半径方向成分の速度の説明図である。 図９Ａは、立上げステップにおける回転方向成分の位置の説明図である。 図９Ｂは、立上げステップにおける回転方向成分の速度の説明図である。 図１０Ａは、切断ステップにおける半径方向成分の位置の説明図である。 図１０Ｂは、切断ステップにおける半径方向成分の速度の説明図である。 図１１Ａは、切断ステップにおける回転方向成分の位置の説明図である。 図１１Ｂは、切断ステップにおける回転方向成分の速度の説明図である。 図１２Ａは、立下げステップにおける半径方向成分の位置の説明図である。 図１２Ｂは、立下げステップにおける半径方向成分の速度の説明図である。 図１３Ａは、立下げステップにおける回転方向成分の位置の説明図である。 図１３Ｂは、立下げステップにおける回転方向成分の速度の説明図である。 図１４は、レーザ切断ヘッドの動作軌跡の説明図である。 図１５Ａは、立上げステップから立下げステップまでの半径方向成分の位置の説明図である。 図１５Ｂは、立上げステップから立下げステップまでの半径方向成分の速度の説明図である。 図１６Ａは、立上げステップから立下げステップまでの回転方向成分の位置の説明図である。 図１６Ｂは、立上げステップから立下げステップまでの回転方向成分の速度の説明図である。

以下、本開示を適用したレーザ加工システムおよびレーザ加工システムの制御方法の実施の形態を、図面を参照して説明する。

［レーザ加工システムの構成］
図１に示すように、レーザ加工システムの一例であるレーザ切断システムは、レーザ切断ヘッド１１を備えた１台のロボットシステム１と、１台のレーザ発振装置４０を備えて構成されている。

ロボットシステム１は、マニピュレータ１０と、ロボット制御装置２０と、教示装置３０とを備えて構成されている。マニピュレータ１０には、レーザ切断ヘッド１１が取り付けられている。ロボット制御装置２０は、マニピュレータ１０とレーザ切断ヘッド１１を作動制御しながらレーザ切断ヘッド１１からレーザ光を出力させる。これにより、加工対象であるワークＷに対して所望の加工を施すことが可能になる。

ロボット制御装置２０は、演算部２１と、ファイルシステム２２と、加減速演算部２３と、ロボット駆動部２４と、通信部２５を備えている。ロボット制御装置２０が後述する立上げステップ、切断ステップ、立ち下げステップを実行する制御部として機能する。

ファイルシステム２２は、教示装置３０からダウンロードされた教示ファイルを記憶する記憶部を備えている。教示ファイルは、作業者が教示装置３０を操作することにより形成される。演算部２１は、記憶部に記憶された教示ファイルに基づいてマニピュレータ１０およびレーザ切断ヘッド１１の動作軌跡の計算や、通信部２５で受信された通信データの処理を行う。

加減速演算部２３は、演算部２１で計算された動作軌跡に対して最適な加減速を演算する。ロボット駆動部２４は、加減速演算部２３で求まった各軸の動作軌跡に対してマニピュレータ１０およびレーザ切断ヘッド１１に備えているモータを所定の角度または速度となるように駆動する。通信部２５は、レーザ発振装置４０に対する通信インタフェースであり、レーザ発振装置４０から出力されるレーザ光のオン・オフやオン時のパワーなどを制御するための信号と各信号に対する応答信号をレーザ発振装置４０との間で遣り取りする。

レーザ発振装置４０は、演算部４１と、通信部４２と、レーザ出力駆動部４３を備えている。演算部４１は、通信部４２で受信された通信データに基づいて、レーザ光のオン・オフ制御やパワー制御を行なう。通信部４２は、ロボット制御装置２０に対する通信インタフェースである。レーザ出力駆動部４３は、演算部４１からの指示に従ってレーザを駆動制御する。レーザ発振装置４０から出力されたレーザ光は光ファイバを介してレーザ切断ヘッド１１に導かれる。

［レーザ切断ヘッドの構成］
図２には、レーザ切断ヘッド１１の概略機構が示されている。レーザ切断ヘッド１１は互いに平行な２つの動作軸５１，５２によりアームが連結されており、この２つの動作軸５１，５２を動作させることで、二次元平面で２自由度の動作が可能に構成されている。動作軸５１はマニピュレータ１０を構成する動作軸の１つでもある。また、レーザ切断ヘッド１１のアームの先端にはレーザ発振装置４０から光ファイバを介して導かれるレーザ光をワークＷに向けて照射する照射装置５３が設けられている。

なお、マニピュレータ１０の他の動作軸を動作させることで、レーザ切断ヘッド１１は３次元的に動作できるようになっている。つまり、レーザ切断ヘッド１１は、少なくとも二次元平面で複数の動作自由度を持つ。

レーザ切断ヘッド１１は、２つの動作軸５１，５２周りにアームを回動させることによって照射装置５３を所望の軌跡に沿って移動させることが可能に構成されている。そのため動作範囲や自由度はマニピュレータ１０に及ばないが、レーザ切断において頻繁に発生する小円の平面切断などの場面においては、レーザ切断ヘッド１１のみの動作で照射装置５３を所望の軌跡に沿って移動させることができる。そのため、マニピュレータ１０を用いて切断するよりも高速でかつ高精度な動きを実現することが可能となる。

図３には、レーザ切断ヘッド１１で描かれる代表的なパターンが示されている。図３の左部はサークル形状（小円形状）、中央部はオーバル形状、右部は長方形形状が例示されているが、これらの形状に限るものではない。

［教示装置を介したパラメータの設定方法］
図４には、教示装置３０を用いて切断形状を教示する際のパラメータ設定画面が例示されている。例えばサークル形状に切断加工する場合、作業者は教示装置３０の表示部に表示される操作画面に従ってレーザ光の出力パワーＰや、レーザ切断ヘッド１１に備えた照射装置５３の動作速度Ｖ（レーザスポット動作速度に対応する。）、サークル半径Ｒが設定操作される。これらは切断後のワークＷの形状を定めるための非常に重要なパラメータである。

また、上述したパラメータ以外に、基準点を基準とする動作開始点となるレーザ光の照射開始位置を示す距離ＲＳと角度ＡＳ、基準点を基準とする動作終了点となるレーザ光の照射終了位置を示す距離ＲＥと角度ＡＥ、およびレーザ切断軌跡が穴開け加工であるか、切出し加工であるかの設定操作が行なわれる。

図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａおよび図６Ｂを参照して、これらのパラメータについて詳細に説明する。

レーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）およびレーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）は、所望の切断本軌跡に対して余分に切断しても問題ない切り代部分に位置する。

レーザの立上げ直後では、レーザスポットの移動速度やレーザのパワーが安定していない可能性がある。レーザの立上げ直後に、いきなり所望の切断形状に沿ってレーザ光を照射して切断作業を開始すると、本来切断したい部分に影響を与えてしまう虞がある。これを考慮して、レーザが安定状態に到るまでの時間を確保するために切り代が設けられる。レーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）はそのための動作開始点となる。

所望の切断形状に沿った切断動作終了時に、直ちにレーザスポットの移動を停止してレーザを停止制御すると切断形状が不安定になる虞がある。これを考慮して、所望の切断形状に沿った切断動作の終了後に当該切断形状を離脱するようにレーザ光のスポットを導くために切り代が設けられる。レーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）はそのための動作終了点となる。

上述したレーザ切断システムは穴開け加工と切出し加工に用いられる。例えばワークＷとなる平板から不要な部分を切除する穴開け加工であるならば、図５Ａに示すように、所望の切断形状（図中、破線で示す）の内側は余剰に切断しても問題はない。そのためレーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）は所望の切断形状を示す切断本軌跡で囲まれる領域の内側に定義される。同様に、図５Ｂに示すように、レーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）は所望の切断形状を示す切断本軌跡で囲まれる領域の内側に定義される。

例えばワークＷとなる平板から必要な部分を取り出す切出し加工であるならば、図６Ａに示すように、所望の切断形状（図中、破線で示す）の外側は余剰に切断しても問題はない。そのためレーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）は所望の切断形状を示す切断本軌跡で囲まれる領域の外側に定義される。同様に、図６Ｂに示すように、レーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）は所望の切断形状を示す切断本軌跡で囲まれる領域の外側に定義される。

レーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）及びレーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）は所望の切断形状を規定する二次元座標の基準点ＢＰを基準に定義され、切断形状の内側領域または外側領域の何れかに選択的に定義される。具体的には基準点ＢＰからの距離ＲＳ，ＲＥおよび基準点ＢＰを通る基準線ＢＬからの角度ＡＳ，ＡＥでレーザ照射開始位置およびレーザ照射終了位置が個別に定義される。基準線ＢＬとは本軌跡切断開始点ＳＰと基準点ＢＰを結ぶ線分である。本軌跡切断開始点ＳＰは、切断本軌跡上の点である。

図５Ａの例では、切断本軌跡を示す半径Ｒの円の中心座標が基準点ＢＰとなる。本軌跡切断開始点ＳＰと基準点ＢＰを結ぶ線分を基準に角度ＡＳが定まり、基準点ＢＰから角度ＡＳ方向に距離ＲＳが定まる。

図５Ｂの例では、切断本軌跡を示す半径Ｒの円の中心座標が基準点ＢＰとなる。本軌跡切断終了点ＥＰと基準点ＢＰを結ぶ線分を基準に角度ＡＥが定まり、基準点ＢＰから角度ＡＥ方向に距離ＲＥが定まる。本軌跡切断終了点ＥＰは、切断本軌跡上の点である。この例では本軌跡切断開始点ＳＰと本軌跡切断終了点ＥＰは切断本軌跡上で同一位置に設定されているが、異なる位置に設定されていてもよい。

図６Ａの例では、切断本軌跡を示す半径Ｒの円の中心座標と本軌跡切断開始点ＳＰを結ぶ線上で、中心座標から距離２Ｒの位置が基準点ＢＰとなる。本軌跡切断開始点ＳＰと基準点ＢＰを結ぶ線分を基準に角度ＡＳが定まり、基準点ＢＰから角度ＡＳ方向に距離ＲＳが定まる。

図６Ｂの例では、切断本軌跡を示す半径Ｒの円の中心座標と本軌跡切断終了点ＥＰを結ぶ線上で、中心座標から距離２Ｒの位置が基準点ＢＰとなる。本軌跡切断終了点ＥＰと基準点ＢＰを結ぶ線分を基準に角度ＡＥが定まり、基準点ＢＰから角度ＡＥ方向に距離ＲＥが定まる。この例では本軌跡切断開始点ＳＰと本軌跡切断終了点ＥＰは切断本軌跡上で同一位置に設定されているが、異なる位置に設定されていてもよい。

図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａおよび図６Ｂでは所望の切断形状が真円である場合を示しているが、オーバル形状、長方形形状である場合も同様に、所望の切断形状を規定する二次元座標の任意の基準点ＢＰを基準にレーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）及びレーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）が予め定義される。ＲＳ、ＡＳ、ＲＥおよびＡＥの各数値は図４に示した教示装置３０のパラメータ設定画面を介して設定入力される。

なお、レーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）から本軌跡切断開始点ＳＰまでの移動軌跡は本軌跡切断開始点ＳＰで切断形状に接するような弧状に設定される。本軌跡切断終了点ＥＰからレーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）までの移動軌跡は、本軌跡切断終了点ＥＰで切断形状に接するような弧状に設定される。

［レーザ加工システムによる切断プロセス］
図７には、穴開け加工でサークル形状を切断する場合の切断プロセスが示されている。

教示装置３０を介して予め作業者によって設定された教示プログラムがロボット制御装置２０のファイルシステム２２に取り込まれている。ファイルシステム２２に取り込まれた教示プログラムが演算部２１によって読み出され（Ｓ１）、教示プログラムに組み込まれた実行命令に基づいて、マニピュレータ１０の動作制御や、レーザ発振装置４０の制御などが順次実行処理される（Ｓ２）。

ステップＳ１で読み出された教示プログラムがレーザ切断ヘッド１１を用いた切断処理である場合には（Ｓ３，Ｙ）、ステップＳ４からステップＳ１０の処理が実行され、他の処理である場合には（Ｓ３，Ｎ）、命令に応じた処理が実行される（Ｓ１１）。

ステップＳ４では、ロボット駆動部２４を介してマニピュレータ１０が予め設定された基準位置（図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａおよび図６Ｂの符号ＢＰで示される位置）に移動するように制御される（Ｓ４）。そして、教示プログラムにより定められた座標情報に従って、レーザ切断ヘッド１１がレーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）に移動制御される（Ｓ５）。

その後、演算部２１により教示プログラムに設定されたレーザ光のパワーＰでレーザ光を出力するレーザ照射指令が、通信部２５，４２を介してレーザ発振装置４０に通知される（Ｓ６）。これを受けて、レーザ発振装置４０は通信部２５，４２を介して受信したレーザ照射指令に基づいてレーザ出力駆動部４３を制御してレーザをオンし、指令されたレーザ光のパワーＰになるようにレーザを駆動制御する（Ｓ６）。

レーザ発振装置４０からレーザ光が出力されると、レーザ切断ヘッド１１を作動させて、レーザ光をレーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）から切断本軌跡の本軌跡切断開始点ＳＰまで弧状に移動させる初期移動動作を開始する（Ｓ７）。初期移動動作の完了後、引き続き、レーザ光を所望の切断形状に対応する切断本軌跡に沿って本軌跡切断開始点ＳＰから本軌跡切断終了点ＥＰに移動させる本軌跡移動動作を実行する（Ｓ８）。

本軌跡移動動作により本軌跡切断開始点ＳＰから本軌跡切断終了点ＥＰまでのレーザ光の移動動作が終了すると、レーザ光を本軌跡切断終了点ＥＰからレーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）まで弧状に移動させる終了移動動作を実行する（Ｓ９）。終了移動動作の完了後、演算部２１からレーザ発振装置４０にレーザ光を停止するレーザ停止指令が通知される（Ｓ１０）。

［初期移動動作］
図８Ａ、図８Ｂ、図９Ａおよび図９Ｂには、上述した初期移動動作、つまり立上げステップの特性が示されている。図８Ａおよび図８Ｂはレーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）から切断本軌跡の本軌跡切断開始点ＳＰまで弧状に移動する経路のうち半径方向成分の位置および速度を示している。図９Ａおよび図９Ｂはレーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）から切断本軌跡の本軌跡切断開始点ＳＰまで弧状に移動する経路のうち回転方向成分の位置および速度を示している。なお、図中、符号Ｔ１は、レーザ光がレーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）から本軌跡切断開始点ＳＰまで移動する初期動作時間である。半径方向成分は、ある位置から基準点ＢＰまでの距離に相当する。回転方向成分は、基準点ＢＰから本軌跡切断開始点ＳＰまでを結ぶ線分と基準点ＢＰからある位置までを結ぶ線分との成す角度に相当する。

初期に停止状態にあるレーザ切断ヘッド１１がレーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）から動き出すため、図８Ｂおよび図９Ｂに示すように、半径方向成分および回転方向成分の初期速度はともに共に０となる。図８Ｂに示すように、半径方向成分の速度はレーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）から遠ざかるに連れて加速され、その後本軌跡切断開始点ＳＰに近付くに連れて減速し、初期動作時間Ｔ１経過時には再び速度が０となるように制御される。図８Ａに示すように、初期にＲＳであった基準点ＢＰとレーザ光の距離は、初期動作時間Ｔ１の経過時にサークル半径Ｒに変化する。

図９Ｂに示すように、回転方向成分の速度はレーザ照射開始位置（ＲＳ，ＡＳ）から遠ざかるに連れて加速され、初期動作時間Ｔ１経過時に本軌跡移動動作時の速度Ｖに収束するように制御される。図９Ａに示すように、初期動作時間Ｔ１経過時に回転方向の角度が０となるように制御される。

［本軌跡移動動作］
図１０Ａ、図１０Ｂ、図１１Ａおよび図１１Ｂには、上述した本軌跡移動動作、つまり切断ステップの特性が示されている。符号Ｔ２はレーザ光が本軌跡切断開始点ＳＰから本軌跡切断終了点ＥＰまで切断本軌跡に沿って移動する時間である。図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、切断ステップではレーザ光は半径方向の速度が０でサークルの中心からの距離Ｒを保ちながら移動するように制御される。また、図１１Ａおよび図１１Ｂに示すように、切断ステップではレーザ光は半径Ｒのサークルに沿って半径方向の角度が０から３６０度まで一定の速度Ｖを保ちながら移動するように制御される。

［終了移動動作］
図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａおよび図１３Ｂには、上述した終了移動動作、つまり立下げステップの特性が示されている。図１２Ａおよび図１２Ｂはレーザ光の切断本軌跡の本軌跡切断終了点ＥＰからレーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）まで弧状に移動する経路のうち半径方向成分の位置および速度を示している。図１３Ａおよび図１３Ｂは切断本軌跡の本軌跡切断終了点ＥＰからレーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）まで弧状に移動する経路のうち回転方向成分の位置および速度を示している。符号Ｔ３は、レーザ光が本軌跡切断終了点ＥＰからレーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）まで移動する終了動作時間である。回転方向成分は、基準点ＢＰから本軌跡切断終了点ＥＰまでを結ぶ線分と基準点ＢＰからある位置までを結ぶ線分との成す角度に相当する。

レーザ切断ヘッド１１から照射されるレーザ光が切断本軌跡に沿って速度Ｖで移動しつつ本軌跡切断終了点ＥＰに到達すると、レーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）に向けて弧状に移動するため、半径方向成分の速度は０、回転方向成分の速度はＶとなる。図１２Ｂに示すように、半径方向成分の速度は本軌跡切断終了点ＥＰから遠ざかるに連れて減速（負方向に加速）され、その後レーザ照射終了位置（ＲＥ，ＡＥ）に近付くに連れて加速（負方向に減速）し、終了動作時間Ｔ３経過時に再び速度が０となるように制御される。図１２Ａに示すように、本軌跡動作終了時にＲであった基準点ＢＰとレーザ光の距離は、終了動作完了時にＲＥに変化する。

図１３Ｂに示すように、回転方向成分の速度は本軌跡切断終了点ＥＰから遠ざかるに連れて減速され、終了動作時間Ｔ３経過時に０つまり停止するように制御される。図１３Ａに示すように、回転方向の角度は、終了動作時間Ｔ３経過時にレーザ照射終了角度ＡＥとなるように制御される。

つまり、レーザ加工システムの制御方法は、立上げステップ（図７，図１４の符号Ｓ７）と、切断ステップ（図７，図１４の符号Ｓ８）と、立下げステップ（図７，図１４の符号Ｓ９）と、を含む。立上げステップでは、切断形状を規定する座標の基準点を基準に定義される動作開始点から切断形状に沿う本軌跡切断開始点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドが弧状に移動される。切断ステップでは、本軌跡切断開始点から切断形状に沿う本軌跡切断終了点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドが移動される。立下げステップでは、本軌跡動作終了点から基準点を基準に定義される動作終了点へレーザ光が照射されるようにレーザ切断ヘッドが弧状に移動される。

そして、立上げステップでは、レーザ光は、基準点と本軌跡切断開始点を結ぶ線分に沿う方向へは加速した後に減速移動し、基準点と本軌跡切断開始点を結ぶ線分に向う方向へは加速移動するように制御される。立下げステップでは、レーザ光は、本軌跡切断終了点と基準点を結ぶ線分に沿う方向へは加速した後に減速移動し、本軌跡切断終了点と基準点とを結ぶ線分に向う方向へは減速移動するように制御される。

図１５Ａは、図８Ａ，図１０Ａ，図１２Ａを纏めた特性図である。図１５Ｂは、図８Ｂ，図１０Ｂ，図１２Ｂを纏めた特性図である。また、図１６Ａは、図９Ａ，図１１Ａ，図１３Ａを纏めた特性図である。図１６Ｂは、図９Ｂ，図１１Ｂ，図１３Ｂを纏めた特性図である。

この様に、立上げステップ及び立下げステップを備えることにより、急激な速度変化が発生せず、高精度な動作を実現することが可能となる。

レーザ切断ヘッド１１の動作軸５１および動作軸５２をはじめとして一般的にアクチュエータは急激な動作をさせると速度の変化に機械が耐え切れず振動等が発生してしまう虞があり、機械が振動を起こすと、当然レーザ切断の軌跡に影響を与えてしまう。

そのため動き出しの立上げステップや動き終わりの立下げステップでは速度を加速または減速させながら動作させる必要がある。通常は、動作軸５１および動作軸５２それぞれで加速させることが多い。しかし、レーザ切断ヘッド１１は動作軸５１と動作軸５２の２つの動作で軌跡が決まってしまうため、各軸５１，５２単位で加速させると切断本軌跡が乱れてしまう。そのためレーザ切断ヘッド１１上の軌跡、つまり対応するレーザ光の軌跡をベースに動作軸５１および動作軸５２を加速制御している。

また、立上げステップから切断ステップおよび切断ステップから立下げステップにむけて半径方向および回転方向で目標とする速度が異なる。そのためレーザ照射開始位置から本軌跡動作開始位置および本軌跡動作完了位置からレーザ照射終了位置に向かうように単純に動作させてしまうと本軌跡動作開始位置到達時に半径方向の速度が急激に変化してしまうため、本軌跡動作開始直後の軌跡が乱れてしまう虞がある。そのため半径方向および角度方向それぞれの成分において速度の激しい変化が起きないような動作方法に構成されている。

上述した実施の形態では、図８Ａから図１３Ｂまでに示したように、加速および減速特性が曲線形状となるように速度設定されているが、スムーズな速度変更が可能であるならば、直線形状の加速及び減速特性で加速減速制御を行っても同様の効果を得ることができる。

本開示によれば、レーザ切断ヘッドを用いた切断加工において、より高精度な切断軌跡を得ることが可能なレーザ加工システムを実現できるようになり、産業上非常に有用となる。

１：ロボットシステム
１０：マニピュレータ
１１：レーザ切断ヘッド
２０：ロボット制御装置
２１：演算部
２２：ファイルシステム
２３：加減速演算部
２４：ロボット駆動部
２５：通信部
３０：教示装置
４０：レーザ発振装置
４１：演算部
４２：通信部
４３：レーザ出力駆動部
５１：動作軸
５２：動作軸
５３：照射装置

Claims (6)

1. 少なくとも二次元平面で複数の動作自由度を持つレーザ切断ヘッドを有するロボットと、
   前記レーザ切断ヘッドにレーザ光を導くレーザ発振装置と、を備え、
   前記レーザ切断ヘッドの動作で加工対象を所望の切断形状に切断するレーザ加工システムの制御方法であって、
   前記切断形状を規定する座標の基準点を基準に定義される動作開始点から前記切断形状に沿う本軌跡切断開始点へレーザ光が照射されるように前記レーザ切断ヘッドを弧状に移動させる立上げステップと、
   前記本軌跡切断開始点から前記切断形状に沿う本軌跡切断終了点へレーザ光が照射されるように前記レーザ切断ヘッドを移動させる切断ステップと、
   前記本軌跡動作終了点から前記基準点を基準に定義される動作終了点へレーザ光が照射されるように前記レーザ切断ヘッドを弧状に移動させる立下げステップと、
   を含む、レーザ加工システムの制御方法。
2. 前記動作開始点および前記動作終了点は、前記基準点からの距離および前記基準点を通る基準線からの角度で個別に定義されるとともに、前記切断形状の内側領域または外側領域の何れかに選択的に定義される、請求項１に記載のレーザ加工システムの制御方法。
3. 前記立上げステップでは、前記基準点と前記本軌跡切断開始点を結ぶ線分に沿う方向へは加速した後に減速移動し、前記基準点と前記本軌跡切断開始点を結ぶ線分に向う方向へは加速移動する、請求項１または２に記載のレーザ加工システムの制御方法。
4. 前記立下げステップでは、前記本軌跡切断終了点と前記基準点を結ぶ線分に沿う方向へは加速した後に減速移動し、前記本軌跡切断終了点と前記基準点とを結ぶ線分に向う方向へは減速移動する、請求項１から３の何れか１項に記載のレーザ加工システムの制御方法。
5. 少なくとも二次元平面で複数の動作自由度を持ち、加工対象を所望の切断形状に切断するレーザ切断ヘッドを有するロボットと、
   前記レーザ切断ヘッドにレーザ光を導くレーザ発振装置と、
   前記切断形状を規定する座標の基準点を基準に定義される動作開始点から前記切断形状に沿う本軌跡切断開始点へレーザ光が照射されるように前記レーザ切断ヘッドを弧状に移動させる立上げステップと、
   前記本軌跡切断開始点から前記切断形状に沿う本軌跡切断終了点へレーザ光が照射されるように前記レーザ切断ヘッドを移動させる切断ステップと、
   前記本軌跡動作終了点から前記基準点を基準に定義される動作終了点へレーザ光が照射されるように前記レーザ切断ヘッドを弧状に移動させる立下げステップと、
   を実行する制御部と、を備えている、レーザ加工システム。
6. 前記動作開始点および前記動作終了点は、前記基準点からの距離および前記基準点を通る基準線からの角度で個別に定義されるとともに、前記切断形状の内側領域または外側領域の何れかに選択的に定義される、請求項５に記載のレーザ加工システム。

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