JP6588380B2 - レーザ加工装置及びレーザ加工方法 - Google Patents

Description

本発明は、加工プログラムに従って、被加工物に対して加工ノズルを相対移動させつつ、該加工ノズルを所定の回転軸を中心に回転させ、加工ノズルから照射されるレーザ光によって被加工物に対してレーザ加工を施すレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関する。

従来より、レーザ加工装置では、加工プログラムに従って、被加工物に対して加工ノズルを相対移動させ、且つ、加工ノズルを所定の回転軸を中心に回転させながら、加工ノズルから被加工物に対してレーザ光を照射することにより、被加工物に対するレーザ加工を行う。この場合、加工ノズルと被加工物とのギャップ量は、加工ノズルの軸方向に沿って、被加工物に対して加工ノズルを相対移動させることにより、所定量に制御される。

特許文献１には、三次元レーザ加工機において、加工ノズルに設けられた倣いセンサにより被加工物と加工ノズルとのギャップ量を検出し、検出されたギャップ量に基づいて、該ギャップ量の三次元方向の補正量を算出し、各補正量に基づいて各軸の駆動モータを制御することにより、加工ノズルの姿勢を保持した状態で、被加工物に対して加工ノズルを三次元方向に相対移動させることが開示されている。

特開平９−１６４４９４号公報

しかしながら、被加工物の表面に沿って加工ノズルを移動させながらレーザ加工を行う場合、加工ノズルの実際の位置及び姿勢が分からなければ、一定のギャップ量に正しく制御することができない。

すなわち、レーザ加工を行う場合、加工プログラムに従って加工ノズルの位置及び姿勢の指令値（指令位置）を求め、求めた指令位置に基づいて加工ノズルの位置及び姿勢を変化させた場合には、制御遅れに起因して、指令位置と実際の加工ノズルの位置及び姿勢との間にずれが生じる。

そのため、ギャップ量を一定に保つために、ギャップ量及び指令位置に基づいて加工ノズルの三次元方向への補正移動量を求め、求めた補正移動量に従って、被加工物に対して加工ノズルを三次元方向に相対移動させると、加工ノズルは、指令位置における加工ノズルの軸方向に沿って相対移動する。すなわち、加工ノズルは、実際の加工ノズルの軸方向とは異なる方向に沿って相対移動する。この結果、加工ノズルと被加工物とのギャップ量を一定に制御することが困難となる。この状態で加工ノズルから被加工物にレーザ光を照射してレーザ加工を行うと、目標とする加工形状と実際の加工形状との間で誤差が発生し、加工精度が低下する。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、加工ノズルの位置及び姿勢の変化に対する制御遅れが発生しても、一定のギャップ量に正しく制御することができ、且つ、被加工物の加工形状の誤差を低減することができるレーザ加工装置及びレーザ加工方法を提供することを目的とする。

本発明は、加工プログラムに従って、被加工物に対して加工ノズルを相対移動させつつ、前記加工ノズルを所定の回転軸を中心に回転させ、前記加工ノズルから照射されるレーザ光によって前記被加工物に対してレーザ加工を施すレーザ加工装置及びレーザ加工方法に関するものである。

そして、上記の目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工装置は、前記加工ノズルを前記被加工物に対して三次元方向に相対移動させる三次元移動部と、前記回転軸を中心に前記加工ノズルを回転させる回転部と、前記加工ノズルと前記被加工物とのギャップ量を検出するギャップ量検出部と、前記回転部による前記回転軸の回転位置を検出する回転位置検出部と、前記ギャップ量及び前記回転位置に基づいて前記ギャップ量を一定に維持するための指令信号を生成する指令演算部とを備える。この場合、前記三次元移動部は、前記指令信号に基づいて、前記加工ノズルを前記被加工物に対して前記三次元方向に相対移動させる。

また、上記の目的を達成するため、本発明に係るレーザ加工方法では、前記加工ノズルと前記被加工物とのギャップ量をギャップ量検出部により検出し、回転部による前記回転軸の回転位置を回転位置検出部により検出し、前記ギャップ量及び前記回転位置に基づいて、前記ギャップ量を一定に維持するための指令信号を指令演算部で生成し、前記指令信号に基づいて三次元移動部により前記加工ノズルを前記被加工物に対して三次元方向に相対移動させる。

このように、本発明では、前記回転軸の実際の回転位置と実際のギャップ量とをそれぞれ検出し、検出した前記回転位置及び前記ギャップ量に基づいて前記指令信号を生成し、生成した前記指令信号に基づいて前記加工ノズルを前記被加工物に対して前記三次元方向に相対移動させる。これにより、前記加工ノズルの位置及び姿勢の変化に対する制御遅れが発生しても、一定の前記ギャップ量に正しく制御することが可能となる。この結果、前記ギャップ量の制御に起因した前記被加工物の加工形状の誤差を低減することができる。

ここで、前記レーザ加工装置は、前記回転位置に基づいて前記加工ノズルの軸方向の単位ベクトルを演算する単位ベクトル演算部をさらに備える。この場合、前記指令演算部は、前記単位ベクトル及び前記ギャップ量に基づいて、前記軸方向に沿った前記加工ノズルの補正移動量に応じた前記指令信号を生成する。これにより、前記被加工物に対して実際の前記軸方向に沿って前記加工ノズルを三次元方向に相対移動させることができるので、前記ギャップ量を正しく制御することが可能となる。

また、前記回転位置検出部は、前記回転位置に応じた出力信号を出力するアブソリュート型のロータリーエンコーダであることが好ましい。この場合、前記レーザ加工装置は、前記出力信号に基づいて、前記回転軸の現在の回転位置を算出する回転位置演算部をさらに備え、前記単位ベクトル演算部は、前記現在の回転位置に基づいて前記単位ベクトルを演算すればよい。前記アブソリュート型のロータリーエンコーダは、前記回転位置の絶対位置を示す出力信号を出力する。従って、この出力信号に基づき前記現在の回転位置を算出し、算出した前記現在の回転位置に基づき前記単位ベクトルを演算すれば、前記軸方向に沿った前記加工ノズルの補正移動量を正確に求めることができる。

また、前記レーザ加工装置は、前記加工プログラムに基づいて、前記加工ノズルの三次元方向の指令移動量を出力すると共に、前記回転軸の指令回転量を出力する指令制御部と、前記指令移動量に基づき前記三次元移動部を制御すると共に、前記指令回転量に基づき前記回転部を制御するサーボ制御部とをさらに備えてもよい。この場合、前記サーボ制御部は、前記指令信号を用いて前記指令移動量を補正し、補正後の前記指令移動量に基づいて前記三次元移動部を制御する。

前記指令信号により前記指令移動量が補正され、補正後の前記指令移動量に基づき前記三次元移動部が制御されるので、サーボ制御の遅れに起因した指令位置と実際の加工ノズルの位置及び姿勢とのずれを小さくすることができる。また、前記指令移動量が速やかに補正され、前記ギャップ量を一定に制御することができるので、前記回転軸の速度を上げて、レーザ加工のサイクルタイムを向上させることができる。

本発明によれば、回転軸の実際の回転位置と実際のギャップ量とをそれぞれ検出し、検出した回転位置及びギャップ量に基づいて指令信号を生成し、生成した指令信号に基づいて加工ノズルを被加工物に対して三次元方向に相対移動させる。これにより、加工ノズルの位置及び姿勢の変化に対する制御遅れが発生しても、一定のギャップ量に正しく制御することが可能となる。この結果、ギャップ量の制御に起因した被加工物の加工形状の誤差を低減することができる。

本実施形態の課題の説明図である。 本実施形態の課題の説明図である。 本実施形態の解決方法の説明図である。 本実施形態に係るレーザ加工装置のブロック図である。 比較例の説明図である。 加工プログラムの説明図である。 実施例の説明図である。

以下、本発明に係るレーザ加工装置及びレーザ加工方法について好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

［本実施形態の課題］
本実施形態の説明に先立ち、本実施形態が解決すべき課題について、図１及び図２を参照しながら詳しく説明する。図１及び図２は、従来の三次元レーザ加工の説明図である。

加工ノズル１０は、三次元レーザ加工用のノズルである。図１及び図２に破線で示すように、ワーク１２の表面から所定距離隔てて経路１４が設定されている。この経路１４は、所定の加工プログラムに基づき設定された加工ノズル１０の先端の経路である。加工ノズル１０は、加工プログラムに従って、Ｙ方向と平行な図示しない回転軸を中心に回転し、且つ、ワーク１２に対して三次元方向に相対移動しながら、先端からワーク１２の表面に向けてレーザ光を照射し、ワーク１２に対するレーザ加工を行う。

この場合、加工ノズル１０の先端とワーク１２の表面との距離を一定のギャップ量Ｇに維持しつつ、経路１４に沿って、ワーク１２に対して加工ノズル１０を三次元方向に相対移動させる。具体的に、従来は、下記のようなギャップ量Ｇの制御を行っている。

先ず、加工プログラムに基づき、加工ノズル１０の位置及び姿勢の指令値（指令位置）を求め、求めた指令位置における加工ノズル１０の軸方向の単位ベクトル１６を算出する。ここで、加工ノズル１０は、回転軸を中心に回転すると、その姿勢が変化する。すなわち、加工ノズル１０の姿勢は、回転軸を中心に加工ノズル１０を回転させた際、該加工ノズル１０の回転角度によって変化する。また、加工ノズル１０の位置とは、三次元空間上における加工ノズル１０の任意の位置（例えば、加工ノズル１０の重心位置又は先端位置）をいう。従って、ワーク１２に対して加工ノズル１０を三次元方向に移動させると、加工ノズル１０の位置も変わる。さらに、指令位置とは、加工プログラムに基づき算出される加工ノズル１０の目標となる位置及び姿勢を含むものであり、図１及び図２に二点鎖線で示す。さらにまた、加工ノズル１０の軸方向とは、加工ノズル１０の中心軸１８に沿った方向をいう。また、単位ベクトル１６とは、中心軸１８に沿った方向の単位ベクトルをいう。

次に、単位ベクトル１６にギャップ量Ｇの変化量ｇｖを乗じることにより、ギャップ量Ｇを一定に維持するための加工ノズル１０の補正移動量（ベクトル）ｇｔを求める。なお、ギャップ量Ｇの変化量ｇｖとは、前回の加工ノズル１０の位置（に応じたギャップ量Ｇ）と、今回の加工ノズル１０の位置（に応じたギャップ量Ｇ）との差分である。

そして、ワーク１２の表面に対して加工ノズル１０を補正移動量ｇｔだけ単位ベクトル１６の方向に相対移動させることにより、ギャップ量Ｇを一定に維持する。

ところで、ワーク１２の表面に沿って、加工ノズル１０を旋回させる場合、サーボ制御の遅れが発生すると、図１に示すように、加工ノズル１０の指令位置（二点鎖線）と実際の位置及び姿勢（実線）との間にずれが生じる。

この状態でギャップ量Ｇを一定に制御する場合、指令位置における加工ノズル１０の単位ベクトル１６を求め、求めた単位ベクトル１６及びギャップ量Ｇの変化量ｇｖを用いて加工ノズル１０の補正移動量（ベクトル）ｇｔを求め、求めた補正移動量ｇｔに基づいて、ワーク１２に対して加工ノズル１０を相対移動させることになる。従って、図２に示すように、加工ノズル１０は、指令位置における加工ノズル１０の軸方向（Ｚ方向）に沿って相対移動する。すなわち、実際の加工ノズル１０の軸方向（斜め方向）とは異なるＺ方向に沿って、加工ノズル１０が相対移動する。

この結果、ギャップ量Ｇを一定に制御することが困難になると共に、加工ノズル１０の移動前の位置と移動後の位置との間に誤差ｅが発生する。この状態で加工ノズル１０の先端からワーク１２の表面にレーザ光を照射してレーザ加工を行うと、ワーク１２の目標とする加工形状と実際の加工形状との間で誤差が発生し、加工精度が低下する。この場合、誤差ｅがワーク１２における加工形状の誤差となる。

［本実施形態の解決方法］
そこで、本実施形態では、上記の課題を解決するため、下記のようなギャップ量Ｇの制御を行う。

図３に示すように、本実施形態では、指令位置における単位ベクトル１６の算出方法（図２参照）に代えて、実際の加工ノズル１０の中心軸１８に沿った単位ベクトル１６を演算する。そして、求めた単位ベクトル１６にギャップ量Ｇの変化量ｇｖを乗じて加工ノズル１０の補正移動量（ベクトル）ｇｔを求め、求めた補正移動量ｇｔに基づいて加工ノズル１０を相対移動させる。これにより、実際の加工ノズル１０の軸方向（中心軸１８の方向）に加工ノズル１０を相対移動させることができる。この結果、サーボ制御の遅れが発生する場合でも、実際の加工ノズル１０の中心軸１８の方向に沿って、ギャップ量Ｇを一定に制御することができると共に、ワーク１２の加工形状の誤差ｅを低減することが可能となる。なお、図３において、加工ノズル１０を示す破線は、移動前の加工ノズル１０の位置を示し、一方で、加工ノズル１０を示す実線は、移動後の加工ノズル１０の位置を示している。

［本実施形態の構成］
次に、上記の解決方法を実現するための本実施形態に係るレーザ加工装置２０の構成について、図４を参照しながら説明する。

レーザ加工装置２０は、数値制御装置（ＣＮＣ）を含み構成され、ＮＣ制御部（指令制御部）２２及びサーボ制御部２４を備える。

ＮＣ制御部２２は、所定の加工プログラム２６に従って、ワーク１２に対して加工ノズル１０を三次元方向に相対移動させるための移動量の指令値（指令移動量）と、加工ノズル１０をＡ軸２８ａ及びＢ軸２８ｂ（回転軸）を中心に回転させるための回転量の指令値（指令回転量）とを出力する。なお、Ａ軸２８ａは、Ｂ軸２８ｂに略直交し、且つ、Ｂ軸２８ｂを回転可能に支持する回転軸である。また、Ｂ軸２８ｂは、加工ノズル１０の中心軸１８に略直交し、且つ、加工ノズル１０を回転可能に支持する回転軸である。

サーボ制御部２４は、指令移動量に基づいて、Ｘ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚ（三次元移動部）を制御することにより、加工ノズル１０をワーク１２に対して三次元方向（Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向）に相対移動させる。また、サーボ制御部２４は、指令回転量に基づいて、Ａ軸モータ３０ａを制御することにより、Ａ軸２８ａを中心にＢ軸２８ｂ及び加工ノズル１０を回転させ、一方で、Ｂ軸モータ３０ｂを制御することにより、Ｂ軸２８ｂを中心に加工ノズル１０を回転させる。

ここで、ＮＣ制御部２２及びサーボ制御部２４の内部構成を詳しく説明する。

ＮＣ制御部２２は、加工経路指令解析部３４、補間処理部３６、座標値更新処理部３８及び指令出力部４０を有する。加工経路指令解析部３４は、図示しない記憶装置に記憶されたワーク１２用の加工プログラム２６の内容を解析する。これにより、加工経路指令解析部３４は、ワーク１２の表面に対する加工ノズル１０の先端の経路１４を構成する該加工ノズル１０の移動位置（座標位置）を特定する。補間処理部３６は、各移動位置を連結する補間処理を行うことにより、経路１４を作成する。

座標値更新処理部３８は、Ａ軸モータ３０ａ、Ｂ軸モータ３０ｂ、Ｘ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚの各回転位置に応じた加工ノズル１０の現在位置に基づいて、設定された経路１４の座標位置を、実際の加工ノズル１０に応じた位置に修正する更新処理を行う。

指令出力部４０は、設定された経路１４に基づき、加工ノズル１０の三次元方向への指令移動量と、Ａ軸２８ａ回り及びＢ軸２８ｂ回りの指令回転量とを求め、求めた指令移動量及び指令回転量をサーボ制御部２４に出力する。

サーボ制御部２４は、位置制御処理部４２、速度制御処理部４４及び電流制御処理部４６を有する。位置制御処理部４２は、経路１４に沿って加工ノズル１０を移動させる場合に、指令移動量に基づいて、加工ノズル１０を三次元方向に相対移動させるときの目標位置を設定すると共に、指令回転量に基づいて、Ａ軸２８ａ回り及びＢ軸２８ｂ回りに加工ノズル１０を回転させるときの目標回転位置を設定する。

速度制御処理部４４は、位置制御処理部４２で設定された目標位置まで加工ノズル１０を三次元方向に相対移動させるためのＸ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚの回転速度を設定する。また、速度制御処理部４４は、位置制御処理部４２で設定された目標回転位置までＡ軸２８ａ及びＢ軸２８ｂを回転させるためのＡ軸モータ３０ａ及びＢ軸モータ３０ｂの回転速度を設定する。

電流制御処理部４６は、速度制御処理部４４で設定された各回転速度に基づいて、Ａ軸モータ３０ａ、Ｂ軸モータ３０ｂ、Ｘ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚを制御するための電流信号を生成する。生成された各電流信号は、サーボアンプ４８ａ、４８ｂ、４８ｘ、４８ｙ、４８ｚで増幅された後に、Ａ軸モータ３０ａ、Ｂ軸モータ３０ｂ、Ｘ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚに供給される。

これにより、指令移動量に基づきＸ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚが駆動し、ワーク１２の表面に対して加工ノズル１０を三次元方向に相対移動させることができる。また、指令回転量に基づきＡ軸モータ３０ａ及びＢ軸モータ３０ｂが駆動することにより、Ａ軸２８ａ及びＢ軸２８ｂを中心に加工ノズル１０を回転させることができる。

そして、レーザ加工装置２０では、ワーク１２に対してレーザ加工を行う際、ギャップ量Ｇを一定に制御するために、下記の構成をさらに備えている。

レーザ加工装置２０は、加工ノズル１０近傍に設けられたギャップ量検出部５０と、Ａ軸モータ３０ａに付設された回転位置検出部５２ａと、Ｂ軸モータ３０ｂに付設された回転位置検出部５２ｂとをさらに備える。

ギャップ量検出部５０は、加工ノズル１０の中心軸１８に沿った方向におけるワーク１２の表面と加工ノズル１０の先端とのギャップ量Ｇを検出する。検出されたギャップ量Ｇに応じたアナログ信号は、Ａ／Ｄ変換部５４でＡ／Ｄ変換され、サーボ制御部２４に出力される。回転位置検出部５２ａは、アブソリュート型のロータリーエンコーダであり、Ａ軸モータ３０ａの回転位置に応じた出力信号をサーボ制御部２４に出力する。回転位置検出部５２ｂは、アブソリュート型のロータリーエンコーダであり、Ｂ軸モータ３０ｂの回転位置に応じた出力信号をサーボ制御部２４に出力する。すなわち、回転位置検出部５２ａ、５２ｂは、Ａ軸モータ３０ａ及びＢ軸モータ３０ｂの回転角度の絶対位置を検出し、検出した絶対位置を示す出力信号をサーボ制御部２４に出力する。

また、レーザ加工装置２０は、回転位置演算部５６、単位ベクトル演算部５８、移動指令演算部６２、速度指令演算部６４及びトルク指令演算部６６をさらに備える。これらの構成要素は、サーボ制御部２４に備わる。

回転位置演算部５６は、回転位置検出部５２ａ、５２ｂから入力された各出力信号に基づいて、Ａ軸２８ａ及びＢ軸２８ｂの現在の回転位置を算出する。

単位ベクトル演算部５８は、回転位置演算部５６が算出したＡ軸２８ａ及びＢ軸２８ｂの現在の各回転位置に基づいて、実際の加工ノズル１０の中心軸１８に沿った方向の単位ベクトル１６を演算する。

移動指令演算部６２は、単位ベクトル演算部５８が演算した単位ベクトル１６と、ギャップ量検出部５０が検出したギャップ量Ｇとに基づいて、加工ノズル１０の補正移動量（ベクトル）ｇｔを求め、求めた補正移動量ｇｔに応じた指令信号を位置制御処理部４２に出力する。具体的には、移動指令演算部６２は、ギャップ量Ｇの変化量ｇｖ（前回の加工ノズル１０の先端の位置と今回の加工ノズル１０の先端の位置との差分）を単位ベクトル１６に乗じることにより、補正移動量（ベクトル）ｇｔを求め、求めた補正移動量ｇｔに応じた指令信号を位置制御処理部４２に出力する。

これにより、位置制御処理部４２は、指令出力部４０から入力された指令移動量を、移動指令演算部６２から供給された補正移動量ｇｔで補正する。そして、位置制御処理部４２は、補正後の指令移動量に基づいて目標位置を設定する。これにより、当初の指令移動量に基づく目標位置が補正されることになる。補正された目標位置は、速度制御処理部４４に出力される。

この結果、速度制御処理部４４は、補正後の目標位置に基づきＸ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚの回転速度を設定する。また、電流制御処理部４６は、補正後の目標位置が反映された各回転速度に基づいて、Ｘ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚに供給する電流信号を生成する。

上記の説明では、移動指令演算部６２から位置制御処理部４２に補正移動量ｇｔを出力して、指令出力部４０から入力された指令移動量を補正する場合について説明した。レーザ加工装置２０では、指令移動量を補正する場合に代えて、速度制御処理部４４又は電流制御処理部４６に指令信号を出力して、各回転速度又は各電流信号を直接補正することも可能である。

ここで、各回転速度を補正する場合、サーボ制御部２４内では、下記の処理が行われる。速度指令演算部６４は、移動指令演算部６２から出力された補正移動量ｇｔに基づいて、補正移動量ｇｔに応じたＸ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚの各回転速度の補正値（補正回転速度）を求める。速度指令演算部６４は、求めた各補正回転速度に応じた指令信号を速度制御処理部４４に出力する。

これにより、速度制御処理部４４は、位置制御処理部４２からの目標位置に基づき算出したＸ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚの各回転速度を、速度指令演算部６４から供給された指令信号の示す各補正回転速度でそれぞれ補正し、補正後の各回転速度を電流制御処理部４６に出力する。

一方、各電流信号を補正する場合、サーボ制御部２４内では、下記の処理が行われる。トルク指令演算部６６は、速度指令演算部６４から出力された指令信号に基づいて、各補正回転速度に応じたＸ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚのトルクの補正値（補正トルク）を求める。トルク指令演算部６６は、求めた各補正トルクに応じた指令信号を電流制御処理部４６に出力する。

これにより、電流制御処理部４６は、速度制御処理部４４からの各回転速度に基づき算出したＸ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚに供給する各電流信号を、トルク指令演算部６６から供給された補正トルクに基づき補正し、補正後の各電流信号をサーボアンプ４８ｘ、４８ｙ、４８ｚに出力する。

このように、レーザ加工装置２０では、移動指令演算部６２、速度指令演算部６４又はトルク指令演算部６６から出力される指令信号（補正移動量ｇｔ、補正回転速度又は補正トルク）を、位置制御処理部４２、速度制御処理部４４又は電流制御処理部４６に出力して、指令移動量、各回転速度又は各電流信号を選択的に補正することができる。これにより、補正後の各電流信号に基づいてＸ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚが駆動し、ワーク１２の表面に対して加工ノズル１０が相対移動する際、ギャップ量Ｇを一定に制御することができる。

［本実施形態の動作］
次に、本実施形態に係るレーザ加工装置２０の動作（レーザ加工方法）について、図５〜図７を参照しながら説明する。なお、この説明では、必要に応じて図１〜図４も参照しながら説明する。

ここでは、ワーク１２の略円弧状の表面に沿って、所定のギャップ量Ｇを維持しつつ、経路１４に沿って加工ノズル１０を旋回させ、該加工ノズル１０からワーク１２にレーザ光を照射することにより、ワーク１２に対するレーザ加工を行う場合について説明する。

図５は、比較例のレーザ加工を図示した説明図である。また、図６は、加工プログラム２６を図示した説明図である。なお、図６の加工プログラム２６は、比較例、及び、本実施形態に係るレーザ加工装置２０の動作である実施例の双方で実行される。

比較例は、図４において、回転位置検出部５２ａ、５２ｂ、回転位置演算部５６、単位ベクトル演算部５８、移動指令演算部６２、速度指令演算部６４及びトルク指令演算部６６を具備しないレーザ加工装置に関する動作をいう。

比較例のレーザ加工では、図６の加工プログラム２６に従って、ワーク１２の表面に対して加工ノズル１０を三次元方向に相対移動させ、且つ、Ａ軸２８ａ及びＢ軸２８ｂを中心に加工ノズル１０を回転させることにより、ギャップ量Ｇを一定に制御しつつ、加工ノズル１０を旋回させ、ワーク１２に対するレーザ加工を行う。

図５に示すように、上方のＣ位置から経路１４に沿って時計回りに加工ノズル１０を旋回させる場合、加工プログラム２６に基づく加工ノズル１０の指令位置がＤ位置であるとき、サーボ制御部２４での制御遅れに起因して、加工ノズル１０の実際の位置はＥ位置となる。

そのため、比較例では、Ｄ位置における単位ベクトル１６にＥ位置でのギャップ量Ｇの変化量ｇｖを乗じて、補正移動量ｇｔを求める。この補正移動量ｇｔは、Ｄ位置の単位ベクトル１６の方向（Ｘ方向）に沿った移動量であり、Ｅ位置での加工ノズル１０の中心軸１８とは異なる方向の補正移動量となる。

これにより、この補正移動量ｇｔに従って、ワーク１２の表面に対して加工ノズル１０を三次元方向に相対移動させると、加工ノズル１０は、Ｅ位置からＸ方向に補正移動量ｇｔだけ変位したＦ位置に移動する。この結果、Ｅ位置とＦ位置との間には、加工ノズル１０の移動に関わる誤差ｅが発生する。そのため、Ｆ位置に移動した加工ノズル１０からワーク１２の表面にレーザ光を照射すると、レーザ加工後のワーク１２に形状誤差が発生する。

これに対して、図７の実施例において、本実施形態に係るレーザ加工装置２０では、実際の加工ノズル１０の先端とワーク１２の表面とのギャップ量Ｇをギャップ量検出部５０により検出し、検出したギャップ量Ｇをサーボ制御部２４の移動指令演算部６２に出力する。

また、Ａ軸２８ａ回り及びＢ軸２８ｂ回りの各回転位置を回転位置検出部５２ａ、５２ｂでそれぞれ検出し、検出した各回転位置の出力信号を回転位置演算部５６にそれぞれ出力する。回転位置演算部５６は、回転位置検出部５２ａ、５２ｂからの出力信号に基づき、Ａ軸２８ａ及びＢ軸２８ｂの現在の各回転位置（図７のＥ位置での各回転位置）を算出する。単位ベクトル演算部５８は、Ａ軸２８ａ及びＢ軸２８ｂの現在の各回転位置に基づいて、Ｅ位置における加工ノズル１０の中心軸１８に沿った方向の単位ベクトル１６を演算する。

これにより、移動指令演算部６２は、Ｅ位置における単位ベクトル１６及びギャップ量Ｇ（の変化量ｇｖ）に基づいて、加工ノズル１０の補正移動量ｇｔを求め、求めた補正移動量ｇｔに応じた指令信号を出力する。位置制御処理部４２は、移動指令演算部６２から出力された補正移動量ｇｔで指令移動量を補正し、補正した指令移動量に基づいて目標位置を設定する。速度制御処理部４４は、補正後の目標位置を反映した各回転速度を出力し、電流制御処理部４６は、補正後の目標位置を反映した各電流信号を出力する。当該各電流信号は、サーボアンプ４８ｘ、４８ｙ、４８ｚで増幅され、Ｘ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚに供給される。

この結果、加工ノズル１０は、Ｅ位置における単位ベクトル１６（中心軸１８）に沿った方向で、ワーク１２の表面に対してＥ位置よりも離間したＨ位置に、三次元方向に相対移動される。従って、図７の実施例では、サーボ制御部２４の制御遅れが発生する場合でも、実際のギャップ量Ｇ及び回転位置に基づく補正移動量ｇｔ（指令信号）を用いて指令移動量を補正し、補正後の指令移動量に基づいて目標位置を設定することができる。これにより、サーボ制御部２４における制御遅れの影響を抑制しながら、ギャップ量Ｇを一定に維持しつつ、レーザ加工によるワーク１２の表面の形状誤差（誤差ｅ）の発生を抑えることができる。

なお、前述のように、レーザ加工装置２０では、速度指令演算部６４が補正回転速度に応じた指令信号を出力し、又は、トルク指令演算部６６が補正トルクに応じた指令信号を出力することが可能である。従って、位置制御処理部４２での指令移動量に対する補正処理に代えて、速度制御処理部４４における各回転速度の補正処理、又は、電流制御処理部４６における各電流信号の補正処理を行った場合でも、ギャップ量Ｇを一定に維持しつつ、誤差ｅの発生を抑えることが可能である。

［本実施形態の効果］
以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工装置２０及びレーザ加工方法によれば、Ａ軸２８ａ回り及びＢ軸２８ｂ回りの実際の回転位置と実際のギャップ量Ｇとをそれぞれ検出し、検出した回転位置及びギャップ量Ｇに基づいて指令信号を生成し、生成した指令信号に基づいて加工ノズル１０をワーク１２に対して三次元方向（Ｘ方向、Ｙ方向及びＺ方向）に相対移動させる。これにより、加工ノズル１０の位置及び姿勢の変化に対する制御遅れが発生しても、一定のギャップ量Ｇに正しく制御することが可能となる。この結果、ギャップ量Ｇの制御に起因したワーク１２の加工形状の誤差ｅを低減することができる。

また、回転位置に基づいて加工ノズル１０の中心軸１８の方向の単位ベクトル１６を単位ベクトル演算部５８で演算し、移動指令演算部６２、速度指令演算部６４又はトルク指令演算部６６は、単位ベクトル１６及びギャップ量Ｇから求められた補正移動量ｇｔに応じた指令信号を生成する。これにより、ワーク１２に対して実際の中心軸１８の方向に沿って加工ノズル１０を三次元方向に相対移動させることができ、ギャップ量Ｇを正しく制御することが可能となる。

また、回転位置検出部５２ａ、５２ｂは、アブソリュート型のロータリーエンコーダであるため、回転位置の絶対位置を示す出力信号を出力することができる。従って、回転位置演算部５６において、この出力信号に基づき現在の回転位置を算出し、単位ベクトル演算部５８において、算出した現在の回転位置に基づき単位ベクトル１６を演算すれば、補正移動量ｇｔを正確に求めることができる。

また、サーボ制御部２４では、指令信号を用いて指令移動量、各回転速度又は各電流信号を補正し、補正後の指令移動量に基づく目標位置、各回転速度又は各電流信号に基づいてＸ軸モータ３０ｘ、Ｙ軸モータ３０ｙ及びＺ軸モータ３０ｚを制御する。これにより、サーボ制御の遅れに起因した指令位置と実際の加工ノズル１０の位置及び姿勢とのずれを小さくすることができる。また、目標位置、各回転速度又は各電流信号が速やかに補正され、ギャップ量Ｇを一定に制御することができるので、Ａ軸２８ａ及びＢ軸２８ｂの回転速度を上げて、レーザ加工のサイクルタイムを向上させることができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々の改変が可能なことは言うまでもない。

上記の説明では、回転位置検出部５２ａ、５２ｂがアブソリュート型のロータリーエンコーダである場合について説明したが、インクリメント型のロータリーエンコーダであってもよい。この場合には、回転位置検出部５２ａ、５２ｂから回転位置演算部５６に回転位置を示すパルス信号が出力されるので、回転位置演算部５６は、原点位置とパルス信号との比較に基づいて、Ａ軸２８ａ回り及びＢ軸２８ｂ回りの現在の回転位置を演算することができる。

また、上記の説明では、回転位置演算部５６、単位ベクトル演算部５８、移動指令演算部６２、速度指令演算部６４及びトルク指令演算部６６をサーボ制御部２４に具備させていたが、これらの構成要素をサーボ制御部２４の外部に設けてもよい。この場合でも、移動指令演算部６２、速度指令演算部６４又はトルク指令演算部６６からサーボ制御部２４に指令信号を供給することで、サーボ制御部２４の内部で指令移動量（目標位置）、各回転速度又は各電流信号に対する補正処理ができるので、サーボ制御の遅れによるギャップ量Ｇの制御への影響を小さくすることが可能である。

さらに、上記の説明では、ギャップ量検出部５０が検出したギャップ量Ｇを移動指令演算部６２に出力する場合について説明したが、ギャップ量Ｇから加工ノズル１０の先端の位置を算出し、算出した先端の位置を移動指令演算部６２に出力してもよい。この場合でも、移動指令演算部６２は、入力された先端の位置からギャップ量Ｇの変化量ｇｖを算出し、算出した変化量ｇｖと、単位ベクトル１６とに基づいて、補正移動量ｇｔを算出することが可能である。

１０…加工ノズル １２…ワーク
１４…経路 １６…単位ベクトル
１８…中心軸 ２０…レーザ加工装置
２２…ＮＣ制御部 ２４…サーボ制御部
２６…加工プログラム ２８ａ…Ａ軸
２８ｂ…Ｂ軸 ３０ａ…Ａ軸モータ
３０ｂ…Ｂ軸モータ ３０ｘ…Ｘ軸モータ
３０ｙ…Ｙ軸モータ ３０ｚ…Ｚ軸モータ
３４…加工経路指令解析部 ３６…補間処理部
３８…座標値更新処理部 ４０…指令出力部
４２…位置制御処理部 ４４…速度制御処理部
４６…電流制御処理部
４８ａ、４８ｂ、４８ｘ、４８ｙ、４８ｚ…サーボアンプ
５０…ギャップ量検出部 ５２ａ、５２ｂ…回転位置検出部
５４…Ａ／Ｄ変換部 ５６…回転位置演算部
５８…単位ベクトル演算部 ６２…移動指令演算部
６４…速度指令演算部 ６６…トルク指令演算部

Claims (5)

1. 加工プログラムに従って、被加工物に対して加工ノズルを相対移動させつつ、前記加工ノズルを所定の回転軸を中心に回転させ、前記加工ノズルから照射されるレーザ光によって前記被加工物に対してレーザ加工を施すレーザ加工装置において、
   前記加工ノズルを前記被加工物に対して三次元方向に相対移動させる三次元移動部と、
   前記回転軸を中心に前記加工ノズルを回転させる回転部と、
   前記加工ノズルの回転中に前記加工ノズルの軸方向での前記加工ノズルと前記被加工物とのギャップ量を検出するギャップ量検出部と、
   前記ギャップ量が検出されているときに前記回転部による前記回転軸の回転位置を検出する回転位置検出部と、
   前記ギャップ量及び前記回転位置に基づいて、前記加工ノズルの軸方向での前記ギャップ量を一定に維持するための指令信号を生成する指令演算部と、
   を備え、
   前記三次元移動部は、前記指令信号に基づいて、前記加工ノズルを前記被加工物に対し
   て前記三次元方向に相対移動させることを特徴とするレーザ加工装置。
2. 請求項１記載のレーザ加工装置において、
   前記回転位置に基づいて前記軸方向の単位ベクトルを演算する単位ベクトル演算部をさらに備え、
   前記指令演算部は、前記単位ベクトル及び前記ギャップ量に基づいて、前記軸方向に沿った前記加工ノズルの補正移動量に応じた前記指令信号を生成することを特徴とするレーザ加工装置。
3. 請求項２記載のレーザ加工装置において、
   前記回転位置検出部は、前記回転位置に応じた出力信号を出力するアブソリュート型のロータリーエンコーダであり、
   前記レーザ加工装置は、前記出力信号に基づいて、前記回転軸の現在の回転位置を算出する回転位置演算部をさらに備え、
   前記単位ベクトル演算部は、前記現在の回転位置に基づいて前記単位ベクトルを演算することを特徴とするレーザ加工装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工装置において、
   前記加工プログラムに基づいて、前記加工ノズルの三次元方向の指令移動量を出力すると共に、前記回転軸の指令回転量を出力する指令制御部と、
   前記指令移動量に基づき前記三次元移動部を制御すると共に、前記指令回転量に基づき前記回転部を制御するサーボ制御部と、
   をさらに備え、
   前記サーボ制御部は、前記指令信号を用いて前記指令移動量を補正し、補正後の前記指令移動量に基づいて前記三次元移動部を制御することを特徴とするレーザ加工装置。
5. 加工プログラムに従って、被加工物に対して加工ノズルを相対移動させつつ、前記加工ノズルを所定の回転軸を中心に回転させ、前記加工ノズルから照射されるレーザ光によって前記被加工物に対してレーザ加工を施すレーザ加工方法において、
   前記加工ノズルの回転中に前記加工ノズルの軸方向での前記加工ノズルと前記被加工物とのギャップ量をギャップ量検出部により検出し、
   前記ギャップ量が検出されているときに回転部による前記回転軸の回転位置を回転位置検出部により検出し、
   前記ギャップ量及び前記回転位置に基づいて、前記加工ノズルの軸方向での前記ギャップ量を一定に維持するための指令信号を指令演算部で生成し、
   前記指令信号に基づいて、三次元移動部により前記加工ノズルを前記被加工物に対して三次元方向に相対移動させることを特徴とするレーザ加工方法。

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