TW449521B - Apparatus for controlling a three dimensional laser cutting machine - Google Patents

Description

A7 A7 經濟部智慈財產局員工消費合作钍印製 --*-----Si 五、發明說明（1 ) 本發明係有關一種三維雷射加工機用控制裝置，更具 體而言，係關於一種具有將旋轉軸及姿勢轴予以旋轉時加 工點不變之加工頭構造的三維雷射加工機用之控制裝置， 具備教示噴嘴前端位置及方向姿勢之機構的三維雷射加工 機用控制裝置。 [背景技術] 已知有一種加工自由曲面之三維雷射加工機，如曰本 特開平1-162592號公報所揭示者，具有以2軸（垂直軸） 之中〜軸為_心旋轉的旋轉軸（α軸）及以對於z軸傾斜之 軸線為中心旋轉的姿勢軸（沒軸）；而具有將旋轉軸及姿勢 轴予以旋轉時加工點不變之加工頭構造的三維雷射加工 機。 第6圖係表示早有旋轉轴（〇?軸）及姿勢軸（沒軸）之蜜 式之加工頭的分解圖。在第’6圖令，加工頭係利用符號50 表示整體，加工頭50係具有於2軸構件6()之前端藉由軸 承構件51支持成可以ζ軸中心軸線為中心旋轉的旋轉軸 52,及於旋轉軸52之前端藉由轴承構件兄妾裝而且可以 對於ζ軸傾斜之軸線為中心旋轉的姿勢軸54，又在姿勢軸 54之蝻端安裝雷射用噴嘴61。又加工點係利用符號ν來 表示。 在自由曲面之三維雷射加工中，為了保持照射在加工 面之雷射光軸對於加工面呈法線方向，要求雷射用噴嘴對 於加工面經常呈垂直方向之姿勢，而在實施加工前先作滿 足該要求之教示，亦即進行先行教示（ieaching)。 本紙πϊ適用令國國家標i^NS)A4規格咖χ 297公爱、 311465 f 11--- - — ·!ιβ---------^ ί請先閱讀背面之注意ί項再填寫本頁> A7

4495 2 1 五、發明說明（2 ) 兹參照第7圖說明姿勢變化隅角部之教示時吟加工頭 的姿勢變化。在第7圖中’匕，Pa，P3係分別表示加工物 W之教示點。其中教示點p係水平面上之教示點；教示點 P2係加工物W之45度傾斜面上之教示點；教示點p3係加 工物W之直立面上之教示點。雷射用喷嘴6ι係在教示點 Pi成為正下方方向’在教示點P2成為45度方向，而在教 示點p3成為水平方向。 要對於加工物W上之各教示點製作成垂直 狀態’必須使旋轉軸52及姿勢軸54之旋轉角度變化。所 以傳統上’在姿勢變化隅角部之教示作業中，每次都由操 作人員旋轉旋轉軸52及姿勢軸54’在將雷射用嗔嘴61對 於加工面成為垂直狀態之後才進行教示。 兹參照第8圖說明姿勢變化隅角部之傳統教育作業之 程序。首先實施教示箱之諸設定’使加工機膝進入使用加 工機成為可開始教示加工點之教示作業之狀態（步称 S100) » 之後，賦予加工程式中初期設定的輔助功能碼之開快， 門（shutter)等之指令’按壓配置在教示箱的加工軸進給 鍵，或是使用把柄（handle)友操縱桿（j〇yStick)移動至教示 點作教示而製作加工程式之各教示點（步驟在製作 教示點之結果，在姿勢變化隅角部之傳統教示作業令，例 如從水平面上之教示點？1至45度傾斜面上之教示點p2 時，移動加工頭50成為將前端座標對準至45度傾斜面上 之教示點P2(步驟S102)。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫^< ) 裝---：-----訂---------. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 2 311465 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 311465 A7 五、發明說明（ 二後為製作垂直狀態，分別由操作人員操作姿勢軸 52與旋轉軸54，獨立地移動（步驟S103'步驟S104)，重 複其操作（步驟S105)直到能製作垂直狀態。 作成垂直狀態之後’確認前端座標是否偏離（步驟 S106)。 發生偏離時，回到步驟sl〇2進行前端座標移動。前 端座標移動之作業後，為了再製作垂直狀態，進行旋轉姿 勢軸52與旋轉軸54之作業。亦即’重複進行步驟si〇2 至步驟S106。同樣地，從45度傾斜面上之教示點h至直 立面上之教不點P3之教不時，也重複進行步驟们至步 驟S106之作業。 在結束藉姿勢變化隅角部之教示作業的程式製作時， 其後續之動作為按壓教示箱之加工轴進給鍵，或是使用把 柄及操縱桿移動至教示點，進行教示而製作加工程式之各 教示點(步騾S107)。但是，有姿勢變化隅角部之教示作業 時，進行步驟脈至步驟SU)6之作業。最後賦予輔助功 能瑪之關閉快門及程式結束等之指令，俾結束加工程式之 製作。 在教示點之確認作業中，欲變更姿勢角（二旋轉拍52 及姿勢轴54之旋轉角度）時，必須在教示點重新調整姿勢 角’以上述之程序進行姿勢角之補正。 如上所述，具有將旋轉軸及旋轉輪予以旋轉時加工點 不變之加工頭構造的三維雷射&工機之加工頭I在教示 時旋轉姿勢軸時由於垂直狀態會崩清，因此配合姿勢袖 t紙張^1適用♦國ί家標笨（cns)A；j規格㈣X 297公餐） I--------t---------Φ· {請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 449521 A7 I-------- B7 五、發明說明（4 ) 之移動’由操作人員將旋轉軸予以旋轉來製成垂直狀態， 故當教示點增加’則愈需要更多之教示時間。除此之外， 欲補正姿勢方向時’也有需要重新補正旋轉轴及姿勢軸之 旋轉角度之問題11 因此’本發明之目的係在於提供一種具有將旋轉軸及 姿勢轴予以旋轉時加工點不變之加工頭構造的三維雷射加 工機中’以優異作業效率在短時間内可進行對於加工面將 雷射用喷嘴保持在垂直狀態之教示的三維雷射加工機用控 制裝置。 [發明之概要] 本發明係提供一種三維雷射加工機用控制裝置，針對 於具有將旋轉軸及姿勢軸予以旋轉時加工點不變之加工頭 構造的三維雷射加工機’能教示喷嘴之前端位置之姿勢並 依據教示實施加工的三維雷射加工機用控制裝置；其特徵 為具備：從現在之旋轉韩及姿勢轴之角度算出喷嘴方向向 量的機構’及算出在一定時間内姿勢軸變化之角度，對應 於姿勢軸之角度變化量算出將旋轉軸予以旋轉之角度俾將 喷嘴方向向量之XY方向保持一定的機構，及控制上述旋 轉軸旋轉經算出之角度之控制機構。因此，對應於姿勢袖 之一定時間角度變化量算出能將喷嘴方向向量之XY方向 保持一定的角度分量，使旋轉轴旋轉，而將噴嘴方向向量 之XY方向保持一定。 本發明也提供一種三維雷射加工機用控制裝置，從垂 直狀態之教示點教示對應姿勢軸之旋轉之新穎之教示點 (諝先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ---------訂 -- ---1' 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 本紙張尺度適用t國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公踅） 4 311465 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 _______B7____ 五、發明說明（5 ) 時，對應上述姿勢軸之變化量進行使上述旋轉軸旋轉之控 制’俾對於加工物保持垂直狀態。因此，對應於姿勢軸之 一定時間角度變化量算出能將喷嘴方向向量之χγ方向保 持一定之角度分量’使旋轉軸旋轉，並可將噴嘴方向向量 之χγ方向保持一定，俾對於加工物保持垂直狀態之方 向。 本發明也提供一種三維雷射加工機用控制裝置，對於 一度生成之教示點為了補正姿勢方向使姿勢軸旋轉時對 應於姿勢轴之變化量進行使上述旋轉軸旋轉之控制，俾對 於加工物保持垂直狀態。因此，在補正教示時從垂直狀態 使姿勢轴旋轉之際，也對應姿勢軸之一定時間角度變化量 可使旋轉軸旋轉俾對於加工工件保持垂直狀態。 本發明也可進行噴嘴方向向量一定移動之有效/無效 之變換，當將姿勢軸進行微動及快速移動等之移動指令時 -‘、進行使旋轉軸旋轉，對應於姿勢轴之變化量算出之角度分 量之控制，俾將喷嘴方向向量2XY方向保持一定。因此， 可進行噴嘴方向向量一定移動之有效/無效之變換’而成為 在教示作業中或控制裝置之操作中等，任何時均可進行有 效/無效之變換，又從這些變換將姿勢軸進行微動及快速移 動等之移動指令時進行使旋轉軸旋轉’對應姿勢軸之一定 時間角度變化量算出之角度分量俾將噴嘴方向向量之χγ 方向保持一定，故可省略作成為垂直狀態之作業。 [圖式之簡單說明] _ 第丨圖係表示本發明之控制裝置所適用的三維雷射加 用，縣格（21ϋ x 297 冗-—------_____ s 3 Η 465 裝--------訂---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) α495 2 1 經濟邹智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 五、發明說明（ 工機之構成例的斜視圖β 第2圖係表示本發明之控制裝置所適用的三维雷射加 工機之加工頭之構成的分解圖。 第3圖係表示本發明之三維雷射加工機用控制裝置之 一實施形態的方塊圖。 第4圖係表示本發明之三維雷射加工機用控制裝置之 教示處理的流程圖》 第5圖係表示χγ平面之喷嘴方向向量之軌跡及加工 頭的旋轉轴及姿勢軸之角度變化的圖表。 第6圖係表示在三維雷射加工機所使用之加工頭之構 成的分解圖。 第7圖係表示姿勢變化隅角部之加工頭之姿勢變化之 概要的斜視圖。 第8圖係表示依傳統之三維雷射加工機用控制裝置之 教示作業的流程圖。 [用以實施發明之最佳形態] 為了更詳細地說明本發明’依照所附之圖式加以說 明。 第1圖係表示本發明之控制裝置所適用的三維雷射加 工機之構成例。該三維雷射加工機係具有：可朝X轴方向 移動地設於機座1上的工作台2，及水平地跨設在左右之 柱4、5間的橫向軌6’及可朝γ軸方向移動地設於橫向軌 6的Υ軸機^7’及可朝Ζ軸方向移動地設於γ轴機組7 的Ζ軸機組I8,及安裝於2：軸機組8的加工頭9,及安裝 本紙張尺度適用中國圉家標準（CNS)A4規格（2ι〇χ297公溲） 311465 — — — — — — — — r 裝-· 1 I — 11 — 訂— —· (請先蘭讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 社 印 η 維田射加工機之光學系統j

五、發明說明（7 ) 於加工頭9之前端部的雷射用嗔嘴（加工嘴嘴）1〇，及電腦 式之數值控制裝置11’及懸吊型之教示箱12。數值控制裝 置11係當作人-機界面，具借依操作盤nA' crt等之畫 面顯示部UB。 工作σ 2 ’ Y秘機組7 ’ z袖機组8係分別利用圖示省 略之X轴飼服電動機，Y轴飼服電動機，2轴词服電動機 予以驅動，並利用數值控制裝置Π之各軸指令作位置控 制。 加工頭9係與傳統者同等地構成，如第2圖所示，具 有於Z轴機組8之前端藉由轴承構件u支持成以2袖之 令心軸線為中心旋轉的旋轉軸14，及於旋轉軸“之前端 利用軸承構件15裝設成可以對於2軸傾斜之轴線為中心 旋轉的姿勢軸i6’在姿勢軸16之前端安裝雷射用噴嘴… 旋轉拍Μ係藉《軸飼服電動機17旋轉驅動，而姿勢轴μ 係藉万軸伺服電動機1 8旋轉驅動。 X軸伺服電動機，Υ軸飼服電動機，ζ轴伺服電動機(未 圖示），及α軸伺服雷飭嫌 ® ? 則服«動機17,及石軸伺服電動機18係藉 來自數值控制裝置U之驅動信號駆動，依照教示資料一3 將對於工作台2上之加工物之雷射 物之田射用喷嘴1〇之隔開距離名 持-定’-面以雷射光之點循沿加工線周圍，—面控请" 使雷射用喷嘴1〇之方向姿勢對於加工㈣之表面成為六 •約垂直（法線）之狀態。 第3圖係表示上述之；；：維雷 包含依本發明之二維雷射加工i I ux. ,______ 耵加機控制裝置的控制系統 、度適用中國國家標準（CNS)A4規格“公£1 Μ-------1 -------^ (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 4495 2 1 五、發明說明（ 第3圖中’將工作台2、γ軸機組7、z軸機組3等部分總 括作為加工機本體20。三維雷射加工機具有雷射振盘器21 為光學系統，雷射振盈機21輸出之雷射束B係經由加工 頭9至雷射用喷嘴i0，利用雷射用纟嘴1〇照射至加工物 w之被加工面。 三維雷射加工機用控制裝置係具有：喷嘴方向向量運 算、記憶部30,及旋轉角度計算部31、及旋轉轴動作控制 部32。 嗜嘴方向向量運算、記憶部3〇係從教示箱12設於操 作盤11A之把柄，操縱桿使噴嘴方向向量一定移動之有效 動作起動（導通）時進行動作，而從現在之旋轉轴14與姿勢 轴W之旋轉角度算出喷嘴方向向量並加以記憶。 旋轉角度計算部31係以來自教示箱12，設於操作盤 11A之把柄，操縱桿及數值控制裝置u之指令在一定時間 畫分出將姿勢轴16予以旋轉之角度，將對應於其姿勢軸 16之變化量算出使旋轉軸14旋轉之角度，俾將在喷嘴方 向向量演算。記憶部30所算出之喷嘴方向向量之χγ方向 保持一定。 旋轉軸動作控制部32係依據在旋轉角度計算部31所 算出之旋轉軸14之旋轉角度進行使旋轉軸I*旋轉之控 制。 以下，參照第4圖說明上述之三維雷射加工機用控制 裝置之姿勢變化隅角部的教示。 首先實施教示箱之諸設定，使用加工機使裝置成為方 Κ紙張尺度適用中國國家標準(5nS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> '裝 --訂-----ί 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 A7 經 濟 部 智 慧 財 產 局 消 費 合 作 枉 印 製 太紙張 <度適用中困囲家標準（CNS)A4规格（210 * 297公t 五、發明說明（9 , 開始教示加工點之教示作業之狀態（步驟S1)。 之後，賦予在加工程式中初期設定的輔助功能碼之開 快門等之指令，按壓配置在教示箱的加工轴進給鍵，或是 使用把柄及操縱桿移動至教示點，而賦予教示以製作加工 程式之各教示點（步驟S2)。 在製作教示點之過程中’在姿勢變化隅角部之傳統教 示作業中，例如從例示於第7圖之水平面上之教示點匕 至45度傾斜面上之教不點？2時，移動加卫頭9成為將前 端座標對準至45度傾斜面上之教示點P2(步驟S3)。 在此，將噴嘴方向向量一定移動變換至「有效」使旋 轉軸14移動俾使對應於姿勢軸16之一定時間角度變化量 能將喷嘴方向向量之XY方向保持一定，因此使姿勢軸16 移動一直到成為垂直狀態（步驟S4) 然後’確認刚端座標是否偏離（步驟S5)。若發生偏離 、時，回到步驟S3進行前端座標移動。前端座標移動之作 業後’為了再製作垂直狀態’進行步驟S4之處理。亦即 重複進行步驟S3至步驟S5。 同樣地，從例示於第7圖之45度傾斜面上之教示點 卩2至直立面上之教示點Pa之教示時，也重複進行步踢 至步驟S5。 在結束藉姿勢變化隅角部之教示的程式製作時，具後 績之動作為按麼配設於教示箱12之加工軸進給鍵，或是使 用把柄及操縱桿移動至教示點而賦予教示以製作加工程式 之各教示點（步驟S 6 )，但是，有姿勢變化隅角部之教示時， 311465 ^--------^---------線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 449521 A7 _ B7 五、發明說明（10 ) 實行步驟S3至步驟S5。最後賦予輔助功能碼之關閉快門 及程式結束等之指令，以結束加工程式之製作。 在旋轉角度計算部31之演算處理，係藉由丁述之邏輯 式實行計算《第5圖係表示在XY平面上對於姿勢轴16之 變化的喷嘴方向向量之軌跡。在第5圖中，a係對於姿勢 轴16之變化的噴嘴方向向量之軌跡；係現在之姿勢轴 角度’Nr係姿勢軸角度0r之執跡A上之點；La係以軌跡 A上之點Nr與原點所製作之直線；0 X係直線La與X轴 所成的角度；Δ0係姿勢軸16之一定時間角度變化量；么 N係角度變化量Α Θ之執跡A上之點；△ La係在點δν與 原點所製作的直線；△ 0 X係直線Δ La與X軸所成的角 度；0*係對應於姿勢轴16之一定時間角度變化量用以將 喷嘴方向保持一定的旋轉軸14之角度變化量。 茲將加工頭9之旋轉軸14之角度為α，並將姿勢軸 16之角度為石時，則喷嘴方向單位方向向量d係 d 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 後 「裝- ί請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 一 1/2 . coscr 十 1/2 . cosa cos；S —/*2/2 · sina · sinjS 1/2 · sina —1/2 * sino： . cosjS — 1Γ2/2 _ cosa · sin召 -1/2-1/2 · cos召 此時，假設姿勢轴16為0度時，則簡化成 X = 1/2 · cos 厶一1/2 Y = - /2/2 · sin^ 當將上述式描繪成XY平面上時，則成為軌跡A。之 若點Nr之直線La與X線所成之角度為<9x時，直線 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 10 311465

X A7 --_B7____ 五、發明說明（11 ) L a之傾斜係以

tan 0 X - Y/X ==—y~2 · sin/3 /(cosy? —' 1) 表示。因此’點Νγ之直線La與X軸之角度θχ係成為 Sx^tarT1 {—/"2 * sinjS/CcosjS — 1)} 對於角度變化量△ Θ之直線△1^與χ線所成之角度為么 0 X時，則成為 Δ 61 X- tan 1 { - /2 . sin(^ + Α β )/(cos(^ + Δ ) - 1)} 此時’為了將喷嘴方向向量之ΧΥ方向保持一定，則 使姿勢轴16在角度變化之前的直線！^與角度變化之後的 直線ALa成為一致即可。所以，使旋轉軸14旋轉偏離之 角度分量即可以。因此，旋轉軸之補正角度0!|£係藉下述之 計算式所導出^ Θ 將此數列地表現時，則成為 0 xn= tan1 { - /2 · sin( jS n-1 + A ^ ) /(cos( y3 n-1 + Δ ^ )- i)} 依數列表現之旋轉軸之補正角度係藉各該計算式所導政 θ θ χη- Θ xu-1 如上所述，由於從現在之旋轉軸14之角度與姿勢 16之角度算出喷嘴方向向量’對應於姿勢轴16之—定 間角度變化量算出能將喷嘴方向向奮之γν十二y j里< χγ方向保持〆 角度分量，使旋轉軸〖4旋轉.因此，使垂直狀態之七 忐衮县，而由於縮短時間能坦宝从I U + ：nl· --------------Μ--------fr---------d, f請先聞續背面之>±意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 之 變成容易，而由於縮短時間能提高作業效率 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210^ 297公釐> 449521 A7 B7 五、發明說明（12 ) 又由於在補正教示時從垂直狀態欲旋轉姿勢軸之際， 使旋轉軸旋轉而對應於姿勢軸之一定時間角度變化量對於 加工工件能保持垂直狀態，因此，可節省成為垂直狀態之 作業，且由於縮短時間而能提高作業效率。 又由於可進行喷嘴方向向量一定移動之有效/無效之 變換，因此成為在教示作業中或控制裝置之操作中，任何 時均可進行有效/無效之變換，又從這些變換將姿勢軸進行 微動及快速移動等之移動指令時，因對應於姿勢軸之一定 時間角度變化量使旋轉軸旋轉算出之角度分量俾將喷嘴方 向向量之XY方向保持一定，故可省略成為垂直狀態之作 業，且縮短時間而可提高作業效率。 [產業上之利用可能性] 本發明之控制裝置可利用於製作模具等之三維雷射加 工機等，教示喷嘴方向之前端位置及姿勢，依據教示能實 施加工的三維雷射加工機》 [元件符號說明] (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁> 7裝---^ — ^----訂-----I---· 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1 機座 2 工作台 4,5 柱 6 橫向軌 7 Y轴機組 8,60 Z抽機組 9,50 加工頭 10,61 喷嘴 11 數值控制器 12 教示箱 13,15 軸承構件 14 旋轉軸 16 姿勢軸 17 α軸伺服機 18 彡轴伺服機 20 加工機本體 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公釐） 12 311465 Λ7 __B7 五、發明說明（13 ) 21 雷射振盪器 30 喷嘴方向向量運算·記憶部 31 旋轉角度計算部 32 旋轉軸動作控制部 51,53 轴承構件 52 旋轉抽 54 姿勢轴 裝-----^----訂---------線 (請先閱讀背面之泫意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製

本逆铐纥度適用中國國家標並（CNSUi規柊（_2ίΟ J

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Claims (1)

1. / /1 Q G 9 1

   六、申請專利範圍 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 1. -種二維雷射加工機用控制裝置，係針對具有將旋轉袖 及姿勢轴+以旋料加工點不變之加工頭構造的三維 雷射加工機，能教示嗔嘴 只角<•月_J端位置及姿勢，並依據教 不實施加工的三維雷射加工機用控制裝置，其特徵為且 備： ’、 從現在之旋轉輛及姿勢軸之角度算出喷嘴方向向量 的機構，及 算出在一定時間内姿勢軸變化之角度，對應於姿勢 軸之角度變化量算出使旋轉轴旋轉之角度俾將嗜嘴方 向向量之XY方向保持一定的機構，及 進行使上述旋轉軸旋轉經算出之角度分量之控制 的機構。 2. 如申請專利範圍第1項之三維雷射加工機用控制裝置， 其中從垂直狀態之教示點教示對應於姿勢轴之旋轉之 新穎之教示點時，對應於上述姿勢軸之變化量進行使上 述旋轉軸旋轉之控制，俾對於加工物保持垂直狀態。 3. 如申諳專利範圍第2項之三維雷射加工機用控制裝置， 其中對於一度生成之教示點為了補正姿勢方向使姿勢 袖旋轉時進行使上述旋轉轴旋轉，對應姿勢軸之變化量 之控制，俾對於加工物保持垂直狀態。 4·如申請專利範圍第1項之三維雷射加工機用控制裝置， 係可進行喷嘴方向向量一定移動之有效/無效之變換， 當將姿勢軸進行微動及快速移動等之移動指令時進 行’使旋轉軸旋轉對應姿勢軸之變化量算出之角度分量 τ—_ -裝---------訂---------βό (請先間-背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2〗〇χ297公釐） 14 311465 申請專利範圍 Λ8 C8 D8 之控制，俾將噴嘴方向向量之XY方向保持一定 -------------裝.-------訂·--------線 (請匕閉話1之注意事項再填寫本頁> 經濟部智慧財產局員工消費合怍社印製 -^g a：N：V)A) ^ :.：9" ) 15 311465