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1. WO1991014531 - METHODE DE COMMANDE D'ORIENTATION D'UNE MACHINE-OUTIL A LASER A COMMANDE NUMERIQUE PAR CALCULATEUR

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[ JA ]
明 細 書

C N C レーザ加工機の姿勢制御方式

技 術 分 野

本発明は 3次元加工を行う C N C レーザ加工機のノズルの 姿勢を加工面に対して制御する C N C レーザ加工機の姿勢制 御方式に関し、 特につれ回りを補正するようにした C N C レ 一ザ加工機の姿勢制御方式に関する。

背 景 技 術

レーザ発振器と数値制御装置 (C N C ) を結合した C N C レーザ加工機が広く使用されるようになってきた。 特に、レ 一ザ加工機の高速加工と、 複雑な輪郭制御のできる数値制御 装置 (C N C ) の特徴を結合して、複雑な形状の加工を非接 触で、高速に加工することが可能になってきた。 特に、従来 のパンチプレス、 ニブリングマシン等では不可能であった 3 次元加工のできる C N C レーザ加工機が実用に供されるよう になってきた。

C N C レーザ加工機で 3次元加工を行うには、 X、 Y、 Ζ 軸の制御以外に先端のノ ズルの姿勢制御を行う必要があり、 このための制御軸は《軸及び 軸と呼ばれる。ノズルの姿勢 制御を行うためのノズルへッ ド機構には、以下の 2通りの方 式が、ある。

第 1の方式は、ゼロオフセット型、あるいは 1点指向型と 称されるものであり、 《軸は Z軸に対する回転軸、 軸は Z 軸に对して一定の傾斜を有する回転軸として構成されている。 第 2の方式は、オフセット型と称するものであり、《軸は Z軸に対する回転軸とし、 軸は Z軸に垂直な軸の回転軸と して構成されている。

ゼロオフセッ ト型は機構は複雑であるが、 X、 Υ、 Ζの位 置が変化してもノズルの先端の位置が変化しないので、 制御 が簡単であり、 制御面からは望ましい。このようなゼロオフ セッ ト型の C N Cレーザ加工機の姿勢制御方式として、本出 願人の出願による特開平 1一 1 6 2 5 9 2号がある。

一方、オフセット型は、機械的な機構は簡単であるが、制 御が複雑で、高速加工には適していないと考えられてきた。 オフセッ ト型のノズルの姿勢を制御する方式として本出願人 による特開平 1 一 2 2 4 1 9号がある。

しかし、いずれの形式のノズルの機構も、《軸が回転する と、 軸が回転する。すなわち 軸がつれ回りしてしまい、 このために i9軸のつれ回り補正が必要であった。特に、この ような補正は 軸の垂直軸と水平軸を結合するギアのギア比 が 1対 1 に限られていた。このために、ギアの寿命、強度等 の問題があつた。

発 明 の 開 示

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、 つれ 回り補正が可能で、 ^軸の垂直軸と水平軸を結合するギアの ギア比を任意に決定できる C N Cレーザ加工機の姿勢制御方 式を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、

3次元加工を行う C N Cレーザ加工機のノズルの姿勢を加 工面に対して制御する C N C レーザ加工機の姿勢制御方式に おいて、 X軸、 Y軸、 Z軸、《軸、 軸の補間を行う補間器 と、前記 軸の垂直軸と水平軸を結合するギアの、任意のギ ァ比に応じた、 《軸の回転による前記 軸のつれ回りを補正 するつれ回り補正手段と、 前記つれ回り補正手段の補正出力 を前記補間器の《軸出力に加算する加算器と、 を有すること を特徵とする C N C レーザ加工機の姿勢制御方式が、提供さ れる。

«軸、 軸、 X、 Υ、 Ζ軸の値を補間する補間器から 軸 と /3軸の補間出力が出力される。つれ回り補正手段では、《 軸の補間出力を読み取り、 軸の水平軸と垂直軸を接合する ギアのギア比に対応した、 つれ回り補正値を計算する。この つれ回り補正値を加算器で、 軸の補間出力に加算する。 こ れによって、 /9軸の水平軸と垂直軸の任意のギア比に対して、 つれ回り補正が可能になる。

図 面 の 簡 単 な 説明

第 1図は本発明の一実施例の C N C レーザ加工機を制御す る数値制御装置のプロッ ク図、

第 2図は本発明の一実施例であるオフセッ ト型のノズルへ ッ ド機構の部分構成図、

第 3図は本発明の一実施例のゼロオフセッ ト型のノズルへ ッ ド機構の部分構成図である。

発明を実施するための最良の形態 以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。

第 1図は本発明の一実施例の C N Cレーザ加工機を制御す る数値制御装置のプロ ック図である。補間器 1 にはそれぞれ 加工すべき制御点の軌跡 (X、 Y、 Z ) と、ノズルの姿勢( «、 β ) が指令される。補間器 1 はこの指令を受け、同時に 5軸の補間を行う。 本来、 X、 Υ、 Ζ軸は"軸と ^軸の移動 も加味して、 補間されるべきであるが、そうするとべクトル 計算が必要であり演算時間が膨大になり、 実用的な速度でレ 一ザ加工を実行できない。 そこで、補間器 1 0では軸と 軸の移動を無視して、 X、 Υ、 Ζ軸の補間を行う。従って、 X、 Υ、 Ζ軸の補間は通常の数値制御装置の補間と同じであ り、高速に渲算することができる。

つれ回り補正手段 2は《軸の補間手段 Ρ αから 軸のつれ 回り補正値を計算する。 その詳細については後述する。つれ 回り補正手段 2にはつれ回り補正値を計算したときの余りを 記憶するレジスタ 3がある。 軸の補間出力 Ρ には加算器 4によってつれ回り補正値厶 が加算される。 それらの出力 は軸制御回路 5 a、 5 bに送られ、サーボアンプ 5 a、 5 b によって増幅され、 サーボモータ 7 a、 7 bを駆動し、 o軸 及び 軸の制御を行う。

—方、ノズル位置補正手段 8は、《軸と軸の移動によつ て、 X、 Y、 Ζ軸に与えるべき補正値 Δ -Χ、 Δ Υ、 Δ Ζを計 算する。 この計算は同時に 5軸の補間を行う場合に比べ簡単 で高速に演算することができる。

加算器 9 a、 9 b、 9 cは、 X、 Y、 Ζ軸の補間出力 Ρ X、 Ρ Υ、 Ρ Ζに補正値 Δ Χ、 Δ Υ、 Δ Ζを加算して、 X、 Υ、 Ζ軸の移動量として、 サーボモータを制御する。これによつ て、 "軸と 軸が回転してもノズルの位置が変化しないよう に制御される。

上記に述べた補間器 1、つれ回り補正手段 1 1 、ノズル位 置補正手段 8、加算器 4等の制御は数値制御装置内のマイク 口プロセッサによって処理されるが、 特に、処理を高速にす るために、 ノズル位置補正手段 8は専用のマイクロプロセッ サによって処理するように構成することにより高速の 3次元 レーザ加工が可能になる。

なお、ノズル位置補正手段 8はオフセット型のノズルへッ ド機構に必要な手段である。ゼロオフセット型のノズルへッ ド機構では、 "軸と 軸の回転により、ノズルの先端位置は 変化しないので、 不要である。

第 2図は本発明の一実施例であるオフセッ ト型のノズルへ ッ ド機構の部分構成図である。図において、サーボモータ 2 1 はな軸を駆動し、サーボモータ 2 2は軸を駆動する。レ 一ザビーム 3は図示されていない反射ミラーによってノズル 2 9 aの先端まで導かれ、ワークに照射される。

"軸は Z軸に対する回転軸であり、サーボモータ 2 1の回 転が、ギア 2 4 a、 2 4 bによって、アーム 2 5を回転させ ることによつて回転制御される。

サ一ボモータ 2 2が回転するとギア 2 6 a、 2 6 bによつ て垂直軸 2 7を回転させ、傘歯ギア 2 8 a、 2 8 bによって 水平軸 2 9を回転させて 軸を制御する。 2 9 aは軸 2 9に 固定されたノズルである。 ここで、傘歯ギア 2 8 aと 2 8 b のギア比は a対 bである。

次に、つれ回り補正の詳細について述べる。 α軸の回転に よって、 アーム 2 5が回転すると、傘歯ギア 2 8 bは傘歯ギ ァ 2 8 aと嚙み合っているので、 /3軸は回転し、ノズル 2 9 aの位置が変化する。 すなわち、《軸の回転により、 軸が つれ回りする。 これを補正するために、第 1図で示したつれ 回り補正手段 2により、つれ回り補正量△ を i?軸の補間出 力 P ^に加えることにより、 軸を元の位置に保持する。

いま、 "軸及び 3軸の 1回ごとの補間出力を△ P «、 Δ p β、 Dはつれ回り方向 (正回転を正符号とする)、 R n_, を 前回の余り、 Rn を今回の余りとすると、補正値 A ?は、

(△ « · a - D + R ) Z b = {A β + R n / b ) すなわち、

Δ /9 = (Δ α · a - D + R„-, ) Zb - (R„ Xb ) で求めることができる。 なお、余り Rn を第 1図に示すレジ スタ 3に記憶し、補間出力毎に計算すれば、累積誤差は生じ ない。

また、上記の説明で明らかなように、 a、 bの比が 1対 1 でない場合、 あるいは整数でなくても補正値 Δ を求めるこ とができるので、 傘歯ギア 2 8 a、 2 8 bのギア比を任意に 選択できる。

また、ノズル位置補正手段 8の補正値は以下の式で求める ことができる。

Δ X = Δ X ( α ) - Δ Υ β ) s i n

= R c o s «— L s i n or · s ι n β

Δ Y = Δ Y ( a ) + Δ Y ( β ) c o s

= R s i n a + L c o s a * s i n β

Δ Z = Δ Z ( β ) = - L c o s β

また、特に三角関数等はコ · プロセッサ等を使用すればよ り高速に求めることができる。

第 3図は本発明の一実施例のゼロ · オフセット型のノズル へッ ド機構の部分構成図である。図において、サ一ボモータ 3 1 は《軸を駆動し、サーボモータ 3 2は軸を駆動する。 レーザビーム 3 3は図示されていない反射ミラーによってノ ズル 4 2の先端まで導かれ、ワークに照射される。

"軸は Ζ軸に対する回転軸である。サーボモータ 3 1の回 転が、ギア 3 4 a、 3 4 bによって、アーム 3 5を回転させ ることによつての軸が回転制御される。

サーボモータ 3 2の回耘がギア 3 6 a、 3 6 bによって垂 直軸 3 7を回転させ、傘歯ギア 3 8 a、 3 8 bによって水平 軸 3 9を回転させ、さらに傘歯ギア 4 0 a、 4 0 bによって-軸 4 1が回転することによって 軸が制御される。

しかし、サーボモータ 3 1が回転して、アーム 3 5が回転 すると、水平軸 3 9 も軸回りに回転して、傘歯ギア 3 8 a と 3 8 bの関係が、回転してしまい、 "軸の動きによって、 軸がつれ回りを起こす。 このときのつれ回りもオフセット 型のノズルへッド機構の場合と同様につれ回り補正手段 2に よつて補正を行うことができる。 すなわち、傘歯ギア 3 8 a と 3 8 bのギア比を a対 bとして、先に説明した式から△ β を求めて、 軸の補間出力 P 9に加えればよい。勿論、この a ¾ bの比は整数である必要はない。

以上説明したように、 オフセット型、ゼロオフセット型の いずれのノズルへッド機構においても、《軸によるつれ回り を、 軸の水平軸と垂直軸を結合するギアのギア比に関係な く補正することができる。

以上説明したように本発明では、 つれ回り補正手段を設け て、 3軸の垂直軸と永平軸を結合するギアのギア比に無関係 に、 軸によるつれ回りを補正するようにしたので、 ノズル へッ ド機構のギア比を自由に選択することができる。