JPH02290684A - パイプの接合部加工方法 - 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、少なくとも直交３軸および回転２軸よりなる
５軸制御可能な加工ヘッドによりバイブの接合部をレー
ザ切断加工する方法に関する。

〔従来技術〕

例えば手すりなどの構造物をパイプで構成するとき、そ
れらのパイプの接合部分は、溶接などによって接合され
る。この場合、それぞれのパイプの接合部分が相貫祿に
沿って予め端面加工またはくり抜き加工されておれば、
両パイプの接合部分の納まりがよく、また溶接も良好な
状態となる。

従来、このようなパイプの接合部の加工は、予め見本を
作成し、その見本の相貫線に沿って５軸制御可能な加工
ヘッドを実際に移動させることによって直接ティーチン
グしている。このようなティーチング方法によると、予
め見本の製作が不可欠であり、また、ティーチング作業
がめんどうであるほか、そのティーチングの精度も低い
ため、作業能率が悪く、また接合の仕上がり状態もよく
ない。

〔発明の目的〕

したがって、本発明の目的は、上記のような直接ティー
チング手法によらないで、パイプの接合部の加工に際し
、必要なパイプ形状データから少なくとも５軸の制御デ
ータでなる加工ヘッドの教示データ、例えば加工経路お
よび姿勢データ等を演算により自動的に求められるよう
にすることである。

〔発明の解決手段〕

上記目的のもとに、本発明は、レーザ加工の特殊性およ
び接合時の溶接加工の形状を考慮し、パイプの端面加工
またはくり抜き加工に際し、加工ヘッドのトーチを常に
パイプの中心軸に向け、レーザ光をパイプの表面に対し
直交状態で当て、端面加工またはくり抜き加工の端面形
状をパイプ外周面に対し直角な状態で形成し、レーザ光
の利用効率を高め、またその端面で２本のパイプの接合
時に溶着ないし溶接用の開先きを形成するようにしてい
る。

そして、本発明の加工方法では、端面加工およびくり抜
き加工に必要な教示データ作成機能がコンピュータにプ
ログラムとして格納されている。

したがって、オペレータは、パイプの外径や肉厚など加
工に必要なパイプ形状データを入力すれば、コンピュー
タは、そのプログラムを実行することによって、少なく
とも５軸制御可能な加工ヘッドの姿勢および加工経路に
必要な教示データを自動的に作成していく。

〔パイプの接合状態〕

第１図は、パイブＡとパイプＢとの接合部分を示してい
る。同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は平面図、同図（
Ｃ）は側面図である。パイプＡおよびパイプＢは、９０
″の突き合わせ角度で、それぞれの中心線Ｃａ，Ｃｂを
交差させた状態で接合しており、それらの接合部の境界
部分で相貫線Ｌを形成している。なお、パイプＡおよび
パイプＢの外径は、それぞれＤ　ａ　％　Ｄ　ｂであり
、またそれぞれの肉厚は、Ｔａ，Ｔｂである。

次に、第２図および第３図は、接合部の構造を示してい
る。

まず、第２図の接合構造は、パイプＡの端面をバイブＢ
の側面に当接させた状態で接合される。

この場合、パイプＡの端面ば、その外周面に対し直角に
形成されているため、パイプＢの外周面に対し相貫線し
に沿って内周部分でのみ接し、外周部分に溶着ないし溶
接に適切な開先きＷを形成している。したがって、この
接合構造では、パイプＡについての端面加工が必要とな
る。

次に、第３図の接合構造は、パイプＡをパイプ已に対し
貫通させた状態で接合されている。この場合、パイプＡ
の外周部分は、パイプＢのくり抜き加工後の内周部分に
対し相貫線Ｌに沿って接している。そして、このパイプ
Ｂのくり抜き部分はその外周面に対し直角に形成されて
いるため、相貫線Ｌの外周部分は、前記と同様に溶着な
いし溶接のための開先きＷとして形成される。したがっ
て、この接合構造では、パイプＢについて《り抜き加工
が必要となる。

ところで、上記パイプＡの端面加工の場合に、接合部分
の体裁や強度および溶着ないし溶接に必要な開先きＷの
形成のために少なくとも、下記の条件が成立しなければ
ならない。

Ｄａ≦Ｄｂ−・−・・−・−・−・−・・　（ア）一方
、上記パイプＢのくり抜き加工の場合に、接合部分の体
裁や強度および溶着ないし溶接に必要な開先きＷの形成
のため、そしてパイプＡがパイプＢ内に貫通できるため
には、少なくとも下記の条件が満たされなければならな
い。

Ｄａ≦Ｄ　ｂ　−　２　Ｔ　ｂ　　−−−−−−−−　
（イ）〔加工システムの構成〕 次に、第４図は加工システムの構成を示している。

上記端面加工およびくり抜き加工に必要な加工データは
、コンピュータ１の教示データ作成機能によって実行さ
れる。このコンピュータ１は、５軸制御用のコントロー
ラ２の他、データ表示用のディスプレイ３、データ入力
用のキーボード４、プログラムおよびデータ格納用のメ
モリ５に対し、双方向的にデータ伝送可能に接続されて
いる。

さらに、上記コントローラ２は、３次元制御用の駆動装
置６および加工へッド７の回転２軸α、βの各駆動部９
、１０に接続されている。駆動装置６は、３次元すなわ
ちＸ，Ｙ軸およびＺ軸方向の直交座標上で、加工ヘッド
７を所定の位置に移動させる． 次に、第５図は、上記加工ヘッド７の構成を示している
。

加工へフド７は、Ｚ軸を中心に回転するα軸に取り付け
られており、さらにα軸に対し４５″の交角をもって回
転するβ軸を有し、このβ軸にトーチ８が取り付けられ
ている。そして、このトー千８の先端に在るレーザビー
ム焦点すなわち加工点Ｐはレーザ加工を行う際、α軸お
よびβ軸が回転してもｘ，ｙ，ｚ座標が変化しない点を
なしている。

このようにして、加工ヘフド７はいわゆる一点指向形ヘ
ッド構造となっている。

〔発明の内容〕

次に、第６図は本発明のパイプの接合部加工方法のフロ
ーチャートを示している。

既に明らかなように、この加工プログラムは、メモリ５
に格納されている。オペレータは、加工に際し、ディス
プレイ３で入力手順を確認しながら加工に必要なデータ
を入力していく。

まず、オペレータは、ディスプレイ３の表示に従って、
端面加工またはくり抜き加工のいずれかを選択する。前
記のように、端面加工では、パイプＡのみが加工対象と
なり、またくり抜き加工では、パイブＢのみが加工対象
となる。これらの加工は、接合後のパイプＡ，Ｂの用途
に応じて、その接合部分の体裁や強度などを考慮して決
定するものとする。

この加工の選択が終了すると、コントローラ２は、次の
ステップを実行し、オペレータに対しパイプＡ，Ｂの外
径Ｄａ，Ｄｂおよびそれらの肉厚Ｔ　ａ　％　Ｔ　ｂの
入力を要求する。オペレータは、その要求に従って、そ
れぞれのデータをキーボード４によって入力していく。

そのあと、プログラムは、選択された加工に対して、入
力後のデータについて前述の条件（ア）または（イ）が
成立しているかどうか判断する。

その条件が成立していないならば、最初のステップに戻
り、オペレータに対し加工の再選択あるいはデータ再入
力を促す。一方、上記判断ステップでその条件が成立し
ていると、次にオペレータに対し教示データ作成ポイン
ト数Ｎの入力を要求する。この教示データ作成ポイント
数Ｎは、加工経路を滑らかに作成するために加工点Ｐを
求めるための分割数であって、すなわち第１図に例示す
るように、パイブＡの中心％％Ｃａ上の中心角の等分割
数である。ポイント数Ｎが入力されると、コンピュータ
１は、メモリ５から上記選択された加工にあった演算式
に基づいて加工ヘフド７の５軸制御に必要な教示データ
を作成する。

パイプＡの端面加工の場合に下記の演算が行われる。

ここで、第７図で示すように、パイプＡの中心線Ｃａを
Ｚ軸と一致させ、パイブＢの中心線ｃｂをＸ軸と一致さ
せ、さらにこのＸ軸およびＺ軸と直交するパイブＢの径
方向をＹ軸と一致させている。そして、加工点Ｐの座標
を（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、まず、加工位置の相貫線Ｌ
について下記の式が成立する。

ｘ”　＋　ｙ”　ｘ　（　ｆ−Ｔ　ａ　）　”　−−−
−−−−−−−−−　　（１）ｙ　”　＋　ｚ　”　＝
　（　ＪＰ）　”　　−−−−−−−−−−−−−−＝
　　（２１まずｙの座標値は、０≦ｙ≦（　２　　　Ｔ
　ａ　）の範囲内であるから、下記の式により求められ
る。

）’ｎ　＝　（−”−−Ｔａ）　　Ｓｉｎ　（ｎθ）　
一−−−−　　（３１ここで、θは下記で与えられ、ｎ
は整数であり、下記の範囲内である。

θ＝３６０＠／Ｎ ■≦ｎ≦Ｎ−１ 次に、αの座標値は、上記式で求めた，ｙの値を式（１
）に代入することによって求められる。

さらに、２の座標値は、パイプＡの内面とパイプＢの外
表面とが接することから、弐（３）よりｙの座標値を前
記式（２）に代入することによって求められる。

ここで、求めたＸ，）ｒ，Ｚの値は、パイプ八の肉厚Ｔ
ａを考慮していない。レーザ加工の場合は、バイブ外表
面上に加工点Ｐ゛をおくため、肉厚Ｔａを考慮した加工
点Ｐ゜の座標をＸ”、ｙ′ｚとずると、各座標値は下記
の式によって求められる。

ｘｌ：ｘ＝ｙ：ｙ＝ＪＬ−：（Ｊ￥３−−Ｔａ）ｚ＝ｚ 以上により、Ｘ’　、ｙ’　、Ｚ′が求まる。

次に、トーチ姿勢データとなるα、βは下記の式にて求
められる。Ｖはトーチ方向ベクトルで、ｔ，ｊ，ｋはＸ
ＳＹ，Ｚ方向の各ベクトル成分である。

ここで、バイプＡの加工時の条件としてベクトル成分ｋ
は、０であるので、上記（４）式よりβ＝±１８０”と
なる。すなわち、βｎは常に一定である。

また、αの値は、下記の式より求められる。

αｎ＝ｎ　θ 次に、バイプＢのくり抜き加工の場合に、下記の演算が
行われる。

ここで、第８図に示すように、パイプＢ上の相貫線Ｌに
おける点Ｐの座標を（ｘ，ｙ，ｚ）とすると、下記の式
が成立する。

ｘＺ　＋ｙ２　＝　（　Ｄ互）２　・一・−・一・−・
・・〜・・−一−−−　　（５）ｙ”　＋　ｚ　”　＝
　（　−”−Ｔ　ｂ）　”−−・・・・−（６１上記＋
５１　（６１式によりｘ，ｙ，ｚが求められる・ここで
、求めたｘ，ｙ，ｚの値は、パイプＢの肉厚１゛ｂを考
慮していない。レーザ加工の場合は、パイプ外表面上に
加工点Ｐ゜をおくため、肉厚′ｒｂを考慮した加工点Ｐ
′の座標をＸ％）’％Ｚとすると、各座標値は下記の式
によって求められる。

ｘ　　　＝　ｘ ｙ．：ｙ＝　　Ｄｂ，　　Ｇ匹一Ｔｂ）ｙ　”　＋　ｚ
　”＝（−ＰＴ　ｂ）”以上によりｘ゛、ｙ′　　ｚ゜
が求まる。

次に、α、βは、上記の（４）式にて求められるが、こ
こで、パイプＢの加工時の条件として、加工点Ｐ゛での
トーチ８の向きは常にその加工点Ｐ゛を通るパイプＢの
外円の中心を向くため、トーチ方向ベクトルＵのＸ方向
成分は常にＯである。これにより、下記の式を（４）式
に代入することによって、α、βの値が求められる。

ｉ＝Ｏ ｙ 」＝が＋ｚ’ ｋ″″が］７ このような演算が完了した時点で、オペレータは、ジグ
・ワークを所定の位置にセットし、次にプログラムの要
求に応じて、端面加工またぱくり抜き加工に必要な加工
原点を指定する。通常、この加工原点は、パイプＡの中
心線上に設定される。

このような設定値の後に、オペレータは、加工開始の指
令をコンピューターに与える。

ここで、コンピューターは、この指令を受けて、それぞ
れの加工に必要な教示データを５軸制御用のコントロー
ラ２に与え、駆動装置６によってレーザ焦点をｐ点に移
動し、また同時にα軸およびβ軸を駆動して、トーチ８
の姿勢を制御していく。

コントローラ２は、端面加工のときに、トーチ８を常に
Ｘ−Ｙ座標平面上で平行な状態とし、かつその加工点Ｐ
を常にパイプＡの中心線Ｃａ上に向けて、当該パイプＡ
の周りに沿って、相貫線Ｌ上を移動させる。このため、
レーザビームは、加工面に対し常に垂直な状態で照射さ
れ、ほとんど反射せず、能率よく利用される。

また、パイプＢのくり抜き加工でも、トー千８は、常に
パイプＢの中心線ｃｂ上に向けられており、パイブＢの
外周面に対し垂直な状態で照射され、バイプＢの内周部
分を相貫線Ｌに沿って環状にくり抜く。この結果、バイ
プＢのくり抜き部分は、パイプＡの方向から見て内周部
分で真円となっているが、外周部分で楕円状となってい
る。

このような、端面加工またはくり抜き加工で、バイブＡ
の断面またはパイブＢのくり抜き断面は、それらのパイ
プＡ，Ｂを接合するときに、接合部分の相貫線Ｌに沿っ
た形状となっており、しかも溶着ないし溶接に適切な開
先きＷを形成している．したがって、その後に必要な溶
着ないし溶接は、その空間部分を開先きＷとして、良好
な状態で接合できる。

なお、上記具体例は、パイプＡ，Ｂをともに真円状とし
ているが、これらのパイプＡ，Ｂは、楕円状であっても
、また角型あるいは多角形状であっても同様な方式によ
りレーザ加工をなしうる。

〔他の実施例〕

第６図のフローチャートで説明したような最初に端面加
工かくり抜き加工かを選択してからデータ入力する方法
の他に、第９図のフローチャートで示すような方法を用
いることもできる。

この方法では、プログラムにより予めくり抜き加工を優
先的に行うように設定してある。パイプＡ，Ｂの外径お
よび肉厚のデータ入力ののち、上記した（イ）式の条件
が成立しているかが判断され、この条件が成立していれ
ば、次の教示データ作成ポイント数Ｎのデータ入力、続
いてくり抜き加工のための教示データの演算が行われ、
ジグ・ワークセットののち加工原点指定することで、バ
イプＢのくり抜き加工が行われる。一方、上記の判断ス
テップで（イ）弐の条件が成立していなかった場合、（
ア）式の条件成立が判断され、この条件が成立していれ
ば、同様にしてＮのデータ人力の後、続いて端面加工の
ための教示データの演算が行われ、ジグ・ワークセット
ののち、加工原点指定することで、パイプＡの端面加工
が行われる。

なお、条件式（ア）と（イ）とも成立しなかった場合は
データの再入力を促すようになっている。

反対に、端面加工を優先的に行うようにすることも同様
な方法で容易に成し得る． また、教示データ作成ポイント数Ｎの入力は、パイプＡ
，Ｂの外径および肉厚のデータ入力と同時に行うように
してもよい。この場合、データ入力が一度に行えるため
、処理時間を短縮することができる。

発明の効果 本発明では、次の特有の効果が得られる。

端面加工またはくり抜き加工について、加工に必要な最
小限度のデータ入力によって、それぞれの加工に必要な
加工ヘッドのトーチの加工経路および姿勢が演算によっ
て自動的に求められる。したがって、従来のようなティ
ーチングによるデータ作成が必要とされず、異なる寸法
のパイプに対しても高精度でかつ迅速に教示データの作
成ができる。

パイプについての端面加工またはくり抜き加工のいずれ
の加工でも、加工経路に対しトーチが常に中心線に向く
方向に姿勢制御されるため、レーザ加工には特に有効に
利用できる。

さらに、加工時にビームが常に外周面に対し直角方向に
照射され、端面加工後の端面、または切り抜き加工後の
切り抜き端面が常に他のパイプの接合部との間で溶着な
いし溶接に適切な開先きが形成されるため、その後の溶
接の仕上がりが良好となる．

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はパイプ接合部分の正面図、同図（ｂ）は
その平面図、同図（Ｃ）はその側面図、第２図は端面加
工での接合部分の拡大断面図、第３図はくり抜き加工で
の接合部分の拡大断面図、第４図は加工システムのブロ
ック線図、第５図は加工ヘッドの側面図、第６図は本発
明の加工方法に基づくフローチャート、第７図（ａ）は
端面加工の教示データ作成方法を説明するためのＺ−Ｙ
平面図、同図（ｂ）は同上Ｘ−Ｙ平面図、第８図（ａ）
はくり抜き加工の教示データ作成方法を説明するための
ｚ−ｙ平面図、同図（ｂ）は同上Ｘ一Ｙ千面図、第９図
は他の実施例を示すフローチャートである． ■・・コンピュータ、，２・・コントローラ、３・・デ
ィスプレイ、４・・キーボード、５・・メモリ、６・・
駆動装置、７・・加工ヘッド、８・トーチ、Ａ，Ｂ・・
パイプ． Ｂ 第 図 第 図 第 図 Ｊ 第 図 第 図 第 図 第７図 第９図 （ａノ （ｂノ 第８図 （ａ） （ｂ） 手続主甫正書（自発） ■，事件の表示 平成１年特許願第１１０２９０号 ２．発明の名称　　パイプの接合部加工方法３．補正を
する者 事件との関係　特許出願人 住　所　東京都港区浜松町２丁目４番１号名　称　株式
会社日平トヤマ 代表者松本勝周 ４．代理人Ｇ１６０ ５． ６． 氏名　（８３７７）弁理士中川國男 補正命令の日付　　なし 補正の対象　　　明細書の特許請求の範囲、発明の詳細
な説明、図面の ７．補正の内容 （１１　　明細書第１頁の特許請求の範囲を別紙の通り
訂正する． （２）明細書第６頁第１４行の「必要な加工」を「必要
な教示」と訂正する。 （３）明細書第６頁第１６行の「実行される。」を「演
算され作成される。」と訂正する。 （４）明細書第８頁第１行の「フローチャート」の前に
「一実施例としての」を加入する。 （５）明細書第ｌＯ頁第１４行の「α」をｒｘＪと訂正
する． （６）明細書第１１頁第１８行の「βｎ」を「β７」と
訂正する． （７）明細書第１２頁第１行の「αｎ」を「α７」と訂
正する． （８）明細書第１２頁第１３行のｒｘｓｙ，ｚＪを「ｘ
゛・ｙ′　　ｚ゜」と訂正する． （９）明細書第１５頁第１１行の「方法」を「データ入
力に基づいていずれの加工を行うか自動選択する方法」
と訂正する。 ｉ〕 ０ω　明細書第１７頁第２行の「姿勢」を「姿勢データ
」と訂正する。 ０υ　明細書第１７頁第６行と第７行の間に下記の文を
挿入する。 ［また、パイプ形状データの入力に基づいて、端面加工
またはくり抜き加工にそれぞれ必要な条件成立の確認を
行うため、いずれの加工を行うか自動選択することも可
能となる．」 叩　明細書第１７頁第２０行の「拡大断面図」を「断面
図」と訂正する． ｑ′５　　明細書第１８頁第１行の「拡大断面図」を「
断面図」と訂正する． αａ　図面の第３図、第６図および第９図を別紙の通り
訂正する。 以上 ２．特許請求の範囲 少なくとも直交３軸および回転２軸よりなる５軸制御可
能な加工ヘッドを用いたレーザ加工方法において、２本
のパイプを交差状態で接合するに際し、一方のパイプの
端面を接合部の相貫線に沿って外側面に対して直角方向
からレーザ加工により切断する端面加工と、他方のパイ
プの側面を接合部の相貫線に沿って外側面に対して直角
方向からレーザ加工により切り抜くくり抜き加工とのい
ずれかを選択可能とし、２本のパイプの加工に必要なそ
れぞれのパイプ形状データを人力することで、これらの
入力データについて上記選択された加工に対応する必要
な条件の成立を確認してから、その加工に必要な少なく
とも５軸の制御データからなる加工ヘッドの教示データ
を演算により求め、加工指令に基づいて上記選択された
端面加工および−＜　　　ｅｌのいずれかを実行するこ
とを特徴とするバイブの接合部加工方法。 第６図 第３図 ＣＩＤ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　少なくとも直交３軸および回転２軸よりなる５軸制御
   可能な加工ヘッドを用いたレーザ加工方法において、２
   本のパイプを交差状態で接合するに際し、一方のパイプ
   の端面を接合部の相貫線に沿って外側面に対して直角方
   向からレーザ加工により切断する端面加工と、他方のパ
   イプの側面を接合部の相貫線に沿って外側面に対して直
   角方向からレーザ加工により切り抜くくり抜き加工との
   いずれかを選択可能とし、２本のパイプの加工に必要な
   それぞれのパイプ形状データを入力することで、これら
   の入力データについて上記選択された加工に対応する必
   要な条件の成立を確認してから、その加工に必要な少な
   くとも５軸の制御データからなる加工ヘッドの教示デー
   タを演算により求め、加工指令に基づいて上記選択され
   た端面加工および切り抜き加工のいずれかを実行するこ
   とを特徴とするパイプの接合部加工方法。