JPH03110087A - 三次元レーザ加工機の追従制御方法 - 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ｉｌｌ用分野ｊ この発明は、ワークと加工ヘッド間の電磁的容量を検出
し、この検出された電磁的容量に応じてワークと加工ヘ
ッド間の距離を一定に保持しながら加工を行う三次元レ
ーザ加工機の追従制御方法に関するものである。 〔従来の技術］ 従来から、レーザビーム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、一般に。 ワークの加工軌跡を予め教示しておき、その教示された
データ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。 また、この種の装置においては、加工時に、ワークと加
工ヘッド先端間の距離、つまり、ワークに照射するレー
ザビームの焦点位置を適正に保つ必要があるため、加工
ヘッドの先端部には、ワークと加工ヘッド先端間の距離
を１例えば渦電流。 磁気、Ｄ電容澄等の′Ｋｉ磁的容愈によって検出するた
めのセンサが設けられている。 第４図は一般的な三次元レーザ加工機の構成を示す斜視
図であり１図において、アーム［１１）は加工ヘッド（
１）が取り付けられたβ軸（８）　と、このβ軸（８）
に接続されたα軸（９）と、このα軸（９）に接続され
たＺ軸（ｌＯ）とから構成されている。 （２）はモータ（Ｍ５）により図の矢印β方向に回転す
るβ軸（８）を支えるβ軸受、（３）はモータ（Ｍ４）
により図の矢印α方向に回転するα軸（９）を支えるα
軸受、（４）はモータ（Ｍ３）により加工ヘッド（１）
を図の矢印Ｚ方向に移動するＺ軸（１０）を支えるＺ軸
受、（５）はモータ（Ｍｌ）により加工ヘッド（１）を
図の矢印Ｘ方向に移動する軸を支持するＸ軸受。 （６）はモータ（Ｍｌ）により加工ヘッド（１）を図の
矢印Ｙ方向に移動する軸を支持するＹ軸受である。 （７）は加工ヘッド（１）の先端部分に設けられた静電
容量式のセンサであり、ワーク（Ｍｌ上の加工線（Ｋ）
に沿って加工を行うとき、ワーク（Ｗ）と加工ヘッド（
１）先端間の距離を一定に保つためにワーク（Ｗ）と加
工ヘッド（１）間の静電容量を検出している。なお、加
工ヘッド（１１はその先端部から加工用のレーザビーム
（Ｌ）をワーク（Ｗ）表面に照射する。 各モータ（Ｍｌ）〜（Ｍ５）は制御装置（１２）からの
指令で駆動され、これにより加工用レーザビーム（Ｌ）
の焦点が加工線（に）を倣うとともに、加工ヘッド（１
）の姿勢がワーク（Ｗ）の表面に対してほぼ垂直になる
よう制御されている。 ところで、加工用のプログラムは、オペレータがティー
チングボックス（１３）を操作してティーチング作業を
行なうことによって求められ、制御装置ｔ　（１２）の
メモリに格納される。 次に、加工ヘッド（１）高さの制御方法について説明す
る。上記の加工プログラムによる加工においては、加工
ヘッド（１）の先端に設けられたセンサ（７）によって
ワーク（Ｗ）と加工ヘッド（１１間の静電容量が検出さ
れている。この静電容量はワーク（Ｗ）から加工ヘッド
（１）先端までの距離によって変化するため、検出され
た静電容量が、予め設定された静電容量と同じ値になる
ように制御すればよいことになる。なお、ワーク（Ｗｌ
　と加工ヘッド［１）間の静電容量は、ワーク（Ｗ）か
ら加工ヘッド（１）先端までの距離に反比例することは
自明である。 第４図に示すように、ワーク（Ｗ）の加工１ｍ　（Ｋ）
に対する加工ヘッド（１）の位ｒＩｔ（高さ）は、最適
な加工が得られるような寸法（Ａ）が設定されるととも
に、この時の加工ヘッド（１）の位置における静電容量
が基準値として設定され、予め制御装置（１２）のメモ
リに格納されている。 これにより、センサ（７）によって検出された静電容量
は、予め設定された静電容量の基準値と比較され、その
結果、検出された静電容量が基準値から外れた場合は、
検出された静電容量が基準値と一致するように制御袋ｆ
ｆｉ！　（１２）によって加工ヘッド（１）が移動制御
される。 したがって、ワーク（Ｉｆ）上の加工線（Ｋ）に対する
加工ヘッド（１）の高さ、つまり、ワーク（Ｗ）に照射
される加工用レーザビーム（Ｌ）の焦点位置が常に適正
に保持されながら加工が行われるのである。 ［発明が解決しようとする課に］ 従来の三次元レーザ加工機の追従制御方法は以上のよう
に行われているので、ワーク（Ｗ）が平面形状の場合は
加工ヘッドが精度良く追従するが。 第５図に示すような凹面形状を有するワーク（Ｗｌを矢
印の方向に加工する場合、加工ヘッド（１）が図に示す
ｂの位置にあるときは、ワークｆｉｌｌ　と加工ヘッド
（１１の距離がａの位置に比べて小さくなるために、ａ
の位置より大きな静電容量が検出されることになる。 これにより、制御装置〔１２）は、静電容量の基準値よ
り検出された静電容量の方が大きいから、加工ヘッド（
１１がワーク（Ｗ）に近接していると判断して加工ヘッ
ド（１）を引上げるように指示を出力することになる。 なお、第６図に示すような凸面形状を有するワーク（Ｗ
）を加工する場合には、上記で説明した凹面形状のワー
ク（Ｗ）の場合とは全く逆の制御がなされる。 以上、いづれのワーク形状の場合であっても。 ワーク（Ｉｆ）と加工ヘッド（１１間の距離と静電容量
の関係が平面形状のワーク（１１の場合と異なるために
、加工ヘッド（１）が所定の加工軌跡へから図中Ｂのよ
うに外れることになる。この結果、レーザビーム（Ｌ）
の正常な焦点位置を維持することができなくなり、加工
不良が発生して高精度の加工が得られないという問題点
があった。 この発明は上記のような課題を解決するためになされた
もので、ワークの形状に限定されることなく高精度の加
工ができる三次元レーザ加工機の追従制御方法を得るこ
とを目的とする。 〔課題を解決するための手段］ この発明に係る三次元レーザ加工機の追従制御方法は、
ワークの各種輪郭形状を加工プログラム中に指示すると
ともに、上記輪郭形状に対応したワークと加工ヘッド間
の距離対電磁的容量の変換関数を予め設定しておき、上
記加工プログラムに従って加工を行う際、ワークの輪郭
形状に対応する変換関数を選択し、実測された電磁的容
量を選択された変換関数により補正してワークと加工ヘ
ッド間の実際の距離が所定の基串値になるように制御し
つつ加工を行なうものである。 〔作用〕 この発明においては、ワークの各種輪郭形状を加工プロ
グラム中に指示するとともに、上記輪郭形状に対応した
ワークと加工ヘッド間の距離対電磁的容量の変換関数を
予め設定しておくことに゛より、加工に際して上記変換
関数が選択され、実測されたワークと加工ヘッド間の電
磁的容量が補正される。

【発明の実施例】

以下、この発明の一実施例を図について説明する。第１
図はこの発明による三次元レーザ加工機の追従制御方法
を示すフロー図、第２図は特徴的な輪郭形状を有するワ
ークの斜視図、第３図はワークと加工ヘッド間の静電容
量に対するワークと加工ヘッド先端間の距離をワーク形
状別に示した変換関数の曲線である。なお、この発明に
よる三次元レーザ加工機の構成は、第４図に示す従来の
ものと同一であるので説明を省略する。 次に、三次元レーザ加工機の追従制御方法におけるティ
ーチングについて説明する。レーザ加工に必要となる加
工プログラムはティーチング作業によって得られること
は前述のとおりであるが。 −磁的なティーチングの必要性としては次のような点が
考えられる。 ■対象ワークが立体で、その加工形状は任意の空間曲線
であり９図面情報として正確に表示しにくい。 ■それぞれの加工面に対して、はぼ垂直となるように加
工ヘッドの姿勢角（α・β）を決定していく必要がある
が２図面からその姿勢角を数値的に求めるのは非常に煩
雑で、困難な場合が多い。 したがって、第２図に示すようにワーク上に加工形状に
沿ったケガキ線（加工線）を描き、このケガキ線に沿っ
て、オペレータがティーチングボックスを用いて操作し
ながら、加工ヘッドの姿勢角を含む５軸のデータを教示
していき、最後に。 加工速度、出力、ｉ！統／パルスなどの加工条件データ
を追加して加工用プログラムを完成する、このように、
三次元加工では、実際に加工機を動かすことによりティ
ーチング作業が行われているのである。 では次に、第２図に示すようなワークのティーチングに
ついて第１図を参照しながら説明する。 第２図は平面、凹面および凸面のような輪郭形状を有す
るワーク（Ｗ）である。なお、（Ｋ）はワーク上の加工
線を示している。 先ず、オペレータは、ティーチング時に加工線（Ｋ）上
の教示点における座標値や姿勢角の教示を行なうが、こ
のとき、教示点におけるワーク（１の輪郭形状も同時に
教示する。つまり、教示点におけるワークの輪郭形状が
平面か凹面か又は凸面かを判断して、そのそれぞれをテ
ィーチングボックス（１３）から加工プログラム中に教
示していくのである。そして、この操作を順次繰り返す
ことによって、加工線（Ｋ）上の特徴的な形状（ワーク
の輪郭形状）データと５軸のデータ（ｘ、ｙ、ｚ。 α、β）が加工プログラム中に教示されることになり、
その後、前述した加工条件データを追加すれば加工用の
プログラムが完成し２．これが制御装！　（１２１のメ
モリに格納される。 以上のようにして得られた加工プログラムによって切断
や溶接等の加工を行なう場合では、ワーク（Ｉｆ）　　
と加工ヘッド（１）間の距離を常に一定に保持すること
が、精度の高い加工を行う上で重要になってくる。 そこで、加工時におけるワーク（Ｗ）と加工ヘッド（１
１間の距離を制御する方法としては、加工ヘッド（１）
の先端部に設けられた静電容量式のセンサ（７）によっ
て、ワーク（Ｗ）と加工ヘッド（１１間の静電容量を検
出し、この検出された静電容量の値に応じて、加工ヘッ
ド（１）をレーザビーム（Ｌ）の光軸方向に移動して所
定の距離、つまり、適切なレーザビーム（Ｌ）の焦点位
置を得る方法が取られている。 しかし、上記の方法では、従来の技術で述べたように、
ワークｆＷ）と加工ヘッド（１）間の距離と静電容量の
関係がワーク（Ｗ）の輪郭形状によっては影響を受ける
ために、ワーク（Ｗ）と加工ヘッド（１）間の所定の距
離が得られないという不具合が生じることになる。 以下、この不具合の解決方法を第１図および第２図を用
いて詳細に説明する。 第３図に示す変換関数の曲線は、ワーク（Ｗｌの各種輪
郭形状におけるセンサ（７）の出力（ここでは静電容量
とする）の変化と、それに対応するワーク（Ｗｌ　と加
工ヘッド（１）間の距離の変化を示したものである。 図において１曲線工は平面１曲線■は凹面、そして１曲
線ｌ■は凸面の場合を表わしており、各曲線には、ワー
ク（Ｗ）と加工ヘッド（１）間の所定の距離に対応する
静電容量の基準値が設定されている。例えば２曲線■で
は図に示すように、所定の距離ｈ６に対応する静電容量
の基準値はＣ０となる。 なお、上記の各曲線は実験等により求められ。 予め制御装置（１２）のメモリに格納されている。 ここで、ワーク（Ｗ）の凸面部を、前記の加工プログラ
ムに従って加工する場合を例にとって説明すると、先ず
、制御袋２　ｆ１２）に格納された各々の曲線が読み出
される。次いで、予めワーク（Ｗｌの輪郭形状が教示さ
れた加工プログラムにより、加工すべき輪郭形状が凸面
であることが判別され。 読み出された曲線の中から凸面に対応する曲線■が選択
される。そして１曲線■に設定された基準の距離ｈ０に
対応する静電容量の基準値Ｃ０と凸面に置ける実際の静
電容量とが比較される。 例えば、第３図に示すように実測された静電容量がＣ１
であれば、静電容量の基準値Ｃ０からはずれていると判
断され、静電容量の実測値Ｃ１が基準値Ｃ０に補正され
る。 これによって、実測値Ｃ１におけるワーク（Ｗ）と加工
ヘッド（１）間の距＋１ｉｈ、が所定の距ｆｉｈ、に設
定されることになる。 なお、このような制御は、加工の進行に伴って随時実行
される。 以上のように、ワーク（Ｉｆ）の輪郭形状のそれぞれに
対応して設定された変換関数により、静電容量の実測値
を静電容量の基準値に補正するように制御することで、
平面、凹面、凸面など、特徴的な輪郭形状を有するワー
ク（Ｗ）のいづれの面においても、加工ヘッド（１）は
加工線（に）に対して所定の距離を持って追従すること
が可能になるのである。 したがって、ワーク（Ｗ）と加工ヘッド（１）間の距離
が、予め設定された所定の距離に保持されるため、ワー
ク（Ｗ）に照射されるレーザビーム（Ｌ）の焦点位置が
常に一定になる。 ところで、上記実施例では、変換関数として連続的な曲
線をメモリに格納しているが、離散値をデータとして格
納しておき逐次補間して用いても良い。 また、上記の実施例ではワーク（Ｗ）と加工ヘッド（１
１間の距離を静電容量によって検出しているが、他の電
磁的容量１例えば渦電流や磁気であっても同様の効果を
奏する。 更に、上記実施例ではティーチング時に教示されるワー
クの輪郭形状を、平面、凹面および凸面の３種類として
いるが、これらの形状に限定されるものではないことは
言うまでもない。 〔発明の効果〕 以上説明したようにこの発明によれば、ワークの各種輪
郭形状を加工プログラム中に指示するとともに各種輪郭
形状に対応したワークと加工ヘッド間の距離対電磁的容
量の変換関数を予め設定しておき、上記加工プログラム
に従って加工を行う際、ワークの輪郭形状に対応する変
換関数を選択し、実測された電磁的容量を１選択された
変換関数により補正してワークと加工ヘッド間の距離が
所定の基準値になるように制御しつつ加工を行うように
したので、ワークの輪郭形状に限定されることな（高精
度の加工を行うことができる三次元レーザ加工機の追従
制御方法が得られるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例による三次元レーザ加工機
の追従制御方法を示すフロー図、第２図はワークの形状
を示す斜視図、第３図はこの方法による距離対静電容量
の変換関数を示す曲線図。 第４図は三次元レーザ加工機の構成図、第５図および第
６図は従来の追従制御方法を説明するための図である。 図において、（１）は加工ヘッド、（Ｗ）はワーク。 （Ｃ０）は静電容量の基準値、　（ｈ、）はワークと加
工ヘッド間の基準距離である。 なお９図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 検出されたワークと加工ヘッド間の電磁的容量に基づい
   て上記ワークと加工ヘッド間の距離を所定の基準値に保
   持しながら加工を行う三次元レーザ加工機の追従制御方
   法において、上記ワークの各種輪郭形状を加工プログラ
   ム中に指示するとともに、上記輪郭形状に対応したワー
   クと加工ヘッド間の距離対電磁的容量の変換関数を予め
   設定しておき、上記加工プログラムに従って加工を行う
   際、ワークの輪郭形状に対応する変換関数を選択し、実
   測された電磁的容量を選択された変換関数により補正し
   てワークと加工ヘッド間の実際の距離が所定の基準値に
   なるように制御しつつ加工を行うことを特徴とする三次
   元レーザ加工機の追従制御方法。