加工ヘッドのアプローチ動作を制御するレーザ加工用制御装置
【課題】オーバーシュートを可及的に防止するレーザ加工用制御装置が望まれている。
【解決手段】本発明の一態様によれば、ギャップ基準位置において、前記被加工物をレーザ加工するためのレーザ加工用制御装置であって、前記加工ヘッドと前記被加工物との間のギャップ量を検出するギャップセンサと、ギャップ位置指令を送出するギャップ位置指令演算部と、加工ヘッドを前記ギャップ基準位置まで駆動するサーボ機構部と、前記サーボ機構部の位置偏差量を読取るサーボ位置偏差読取部と、前記サーボ機構部の前記位置偏差量に基づいて、前記サーボ機構部のための補正ポジションゲインを算出するポジションゲイン演算部と、前記サーボ機構部のポジションゲインを、前記ポジションゲイン演算部において算出された前記補正ポジションゲインに切換えるポジションゲイン切換部と、を備える、レーザ加工用制御装置が提供される。
【解決手段】本発明の一態様によれば、ギャップ基準位置において、前記被加工物をレーザ加工するためのレーザ加工用制御装置であって、前記加工ヘッドと前記被加工物との間のギャップ量を検出するギャップセンサと、ギャップ位置指令を送出するギャップ位置指令演算部と、加工ヘッドを前記ギャップ基準位置まで駆動するサーボ機構部と、前記サーボ機構部の位置偏差量を読取るサーボ位置偏差読取部と、前記サーボ機構部の前記位置偏差量に基づいて、前記サーボ機構部のための補正ポジションゲインを算出するポジションゲイン演算部と、前記サーボ機構部のポジションゲインを、前記ポジションゲイン演算部において算出された前記補正ポジションゲインに切換えるポジションゲイン切換部と、を備える、レーザ加工用制御装置が提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は加工ヘッドのアプローチ動作を制御するレーザ加工用制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加工ヘッドと被加工物との間のギャップ量（間隙の長さ）を検出し、レーザ加工に適したギャップ基準位置までの距離を算出することにより、加工ヘッドのアプローチ動作を制御するレーザ加工用制御装置は公知である（特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３０８９７９号公報
【特許文献２】特開２００６−１２２９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
加工ヘッドが目標位置であるギャップ基準位置を越えて駆動される、いわゆるオーバーシュートを可及的に防止するレーザ加工用制御装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１番目の発明によれば、被加工物から所定距離離間するギャップ基準位置において、加工ヘッドからレーザを照射して前記被加工物をレーザ加工するためのレーザ加工用制御装置であって、前記加工ヘッドと前記被加工物との間のギャップ量を検出するギャップセンサと、前記ギャップセンサと協働して、ギャップ位置指令を送出するギャップ位置指令演算部と、前記ギャップ位置指令に基づいて加工ヘッドを前記ギャップ基準位置まで駆動するサーボ機構部と、前記サーボ機構部の位置偏差量を読取るサーボ位置偏差読取部と、前記サーボ機構部の前記位置偏差量に基づいて、前記サーボ機構部のための補正ポジションゲインを算出するポジションゲイン演算部と、前記サーボ機構部のポジションゲインを、前記ポジションゲイン演算部において算出された前記補正ポジションゲインに切換えるポジションゲイン切換部と、を備える、レーザ加工用制御装置が提供される。
【０００６】
本発明の２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記ポジションゲイン演算部が、前記ポジションゲイン及び加工ヘッドのアプローチ速度から理論位置偏差量を算出し、該理論位置偏差量と、前記サーボ位置偏差読取部によって読取られる前記サーボ機構部の前記位置偏差量とに基づいて、前記補正ポジションゲインを算出する、レーザ加工用制御装置が提供される。
【０００７】
本発明の３番目の発明によれば、１番目又は２番目の発明において、前記ポジションゲイン演算部が、前記ギャップセンサによって検出される前記ギャップ量に基づいて、前記補正ポジションゲインを調整した調整値を前記補正ポジションゲインとして算出する、レーザ加工用制御装置が提供される。
【０００８】
本発明の４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記ポジションゲイン切換部によって切換えられるポジションゲインの変化量に基づいて前記補正ポジションゲインを調整するポジションゲイン調整部をさらに備える、レーザ加工用制御装置が提供される。
【０００９】
本発明の５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明において、前記補正ポジションゲインと、予め定められた所定値とを比較し、前記補正ポジションゲインの値が前記所定値を超える場合に、前記補正ポジションゲインを前記所定値にクランプするクランプ部をさらに備える、レーザ加工用制御装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
１番目の発明によれば、アプローチ動作が高速であってサーボ位置偏差量（サーボの遅れ）が顕著に大きい場合でも、加工ヘッドのオーバーシュートを効果的に防止できる。移動指令に対して実際のサーボ機構部の動作に遅れが生じていると、そのサーボ機構部の遅れに起因してオーバーシュートが発生する場合がある。すなわち、加工ヘッドがギャップ基準位置に到達した時点で加工ヘッドの速度をゼロにする速度指令が適切に送出されたとしても、サーボ機構部の遅れが原因となって、加工ヘッドがギャップ基準位置を越えて駆動される場合がある。この１番目の発明によれば、実際のサーボ位置偏差量を取得し、そのサーボ位置偏差量に基づいてポジションゲインを変更することによって、アプローチ動作をしながらサーボ機構部の遅れを調整していくことができる。したがって、前述したオーバーシュートを発生することなく、加工ヘッドを適切なギャップ基準位置に確実に位置決めできるようになる。
【００１１】
２番目の発明によれば、理論的に求められるサーボ位置偏差量を考慮して補正ポジションゲインを算出するため、実際のサーボ位置偏差量を理論値であるサーボ位置偏差量に近づけるようにポジションゲインを変更できる。したがって、加工ヘッドのオーバーシュートの原因となりうる移動指令に対するサーボ機構部の遅れをアプローチ動作中に低減ないし解消できるようになる。
【００１２】
３番目の発明によれば、目標位置であるギャップ基準位置からの距離に応じて補正ポジションゲインを調整できるので、アプローチ動作の段階に応じてより緻密な制御が可能になる。
【００１３】
４番目の発明によれば、ポジションゲインの切換前後の変化量をモニタすることによって、ポジションゲインが急激に変化するのを防止できるようになる。ポジションゲインの急激な変化は、サーボ機構部の挙動、ひいては加工ヘッドの動作を不安定にするため、回避されるのが好ましい。この４番目の発明によれば、必要に応じて補正ポジションゲインを調整することによって、このような問題を防止できる。
【００１４】
５番目の発明によれば、ポジションゲイン切換部においてポジションゲインが切換えられたときに、切換後のポジションゲインが過度に大きくなるのを防止できるようになる。ポジションゲインが過度に大きいと、発振しやすくなってサーボ機構部の動作が不安定になりうる。この第５の発明においては、必要に応じて補正ポジションゲインを所定値にクランプすることによって、このような問題を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置の作用を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態の変形例に係るレーザ加工用制御装置の要部を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態の変形例に係るレーザ加工用制御装置の要部の作用を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置を利用した場合における加工ヘッドのアプローチ速度、ポジションゲイン及びギャップ量の時間変化をそれぞれ表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
先ず、図１を参照して本発明の実施形態に係る制御装置１０の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置１０の構成を示す概略ブロック図である。
【００１７】
制御装置１０は、任意の加工プログラムを実行するための位置指令及び速度指令に応答して、後述するサーボモータの回転を制御する数値（ＮＣ）制御装置である。制御装置１０は、レーザ加工装置（特に加工ヘッド１２）をワーク（被加工物）１４に対して所定の位置に位置決めするために利用される。レーザ加工装置は、加工ヘッド１２からレーザを照射して、ワーク１４に対して切断、穿孔、溶接、表面処理、微細加工など種々のレーザ加工を施すために使用される。ワーク１４は、例えばステンレス鋼、アルミニウム、鉄などの金属板又はセラミックス、プラスチックその他複合材料などから構成される各種部品である。
【００１８】
加工ヘッド１２は、ワーク１４の表面に対して平行なＸ軸方向と、図１の紙面厚さ方向に延びるＹ軸方向と、ワーク１４の表面に対して直交するＺ軸方向とにおいてそれぞれ独立して駆動制御される。図１では、簡単のため、加工ヘッド１２をＺ軸方向に駆動するサーボモータ１６のみが示されており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の駆動のためのサーボモータは省略されている。なお、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の駆動のためのサーボモータを加工ヘッド１２に設ける代わりに、例えばワーク１４を保持する治具又はテーブル側にサーボモータを設けてもよい。この場合は、ワーク１４が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向それぞれにおいて加工ヘッド１２に対して相対的に駆動制御される。サーボモータ１６には、サーボモータ１６の回転角度からサーボモータ１６のＺ軸方向の位置情報を取得するスケール３２が備え付けられている。取得されるサーボモータ１６のＺ軸方向の位置情報は、フィードバック信号５２として制御装置１０の減算器３４にフィードバックされる構成になっている。
【００１９】
加工ヘッド１２のノズル１８近傍にはギャップセンサ２０が備え付けられており、ノズル１８とワーク１４の表面との間の間隙のＺ軸方向の長さに相当するギャップ量Ｇを測定できるようになっている。加工ヘッド１２のノズル１８は、ギャップセンサ２０を利用して、レーザ加工のために適切な距離だけワーク１４の表面から離間した位置（以下、「ギャップ基準位置」と称する）に位置決めされる。加工ヘッド１２がこのギャップ基準位置に配置された状態でノズル１８からレーザが照射され、レーザ加工が行われる。ノズル１８は、一連のレーザ加工が終了するまでギャップ基準位置を維持するようにギャップ制御される。すなわち、ワーク１４の表面が湾曲していたり、ワーク１４の表面に凹凸があるような場合には、加工ヘッド１２のノズル１８をＺ軸方向において位置決めをしながらレーザ加工が続けられる。
【００２０】
本発明の実施形態に係る制御装置１０についてより具体的に説明する。制御装置１０は、任意の加工プログラム２２を実行するために、加工ヘッド１２の移動量を計算して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における位置指令及び速度指令を含む移動指令を送出する移動量計算部２４を備えている。また、制御装置１０は、ギャップ位置指令演算部５４（後述する）から送出されるＺ軸方向の位置指令及び速度指令に基づいて、サーボアンプ３０に制御信号を送出するサーボ制御部２６を備えている。制御装置１０は、ギャップ量を取得してギャップ制御を行うとともにサーボモータ１６のポジションゲインの調整を行うギャップ制御部２８をさらに備えている。
【００２１】
移動量計算部２４における処理について説明する。移動量計算部２４は、プログラム読出部３６と、加工経路解析部３８と、補間処理部４０と、移動指令出力部４２とから構成される。移動量計算部２４は、加工プログラム２２によって指定されるレーザ加工を実するために必要なＸ軸方向及びＹ軸方向の移動指令を出力する機能を有する。
【００２２】
先ず、プログラム読出部３６において、使用者によって入力された加工プログラム２２が読出される。加工プログラム２２は、レーザ加工装置を制御してワーク１４に必要な加工を行うために必要な情報が含まれたプログラムである。例えば金属板に穿孔する場合には、金属板の板厚、形成される孔の直径、穿孔位置などの情報が含まれる。加工経路解析部３８では、加工プログラム２２の加工経路の解析が行われ、加工処理を実行するためのＸ軸方向及びＹ軸方向それぞれにおける位置情報及び送り速度が取得される。加工経路解析部３８から送出される信号は補間処理部４０において補間処理される。補間処理された移動指令に関連する指令信号は、移動指令出力部４２に送られ、移動指令出力部４２からＸ軸方向及びＹ軸方向における移動指令が減算器３４に正の信号として送出される。移動指令出力部４２から送出されるＺ軸方向における移動指令はゼロである。減算器３４には、Ｘ軸方向のサーボモータ（図示せず）の検出位置情報であるフィードバック信号６０と、Ｙ軸方向のサーボモータ（図示せず）の検出位置情報であるフィードバック信号６２とが負の信号として入力される。したがって、減算器３４において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における位置指令と、実際のサーボモータの位置との差、すなわち位置偏差量が算出されるようになっている。なお、減算器３４にはＺ軸方向の検出位置情報であるフィードバック信号５２も入力されるが、このことについては別途後述する。
【００２３】
サーボ制御部２６は、加算器４４と、位置制御処理部４６と、速度制御処理部４８と、電流制御処理部５０とから構成される。サーボ制御部２６は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に関連付けられた各サーボモータを制御するために必要な制御信号をサーボアンプ３０に送出する。Ｘ軸方向及びＹ軸方向におけるサーボモータの制御の態様について先ず説明する。本発明との関係ではＸ軸方向とＹ軸方向とは相対的な概念にすぎず、個別に説明する必要はないため、ここではＸ軸方向についてのみ説明するが、Ｙ軸方向についても同様の説明が妥当することは当業者に自明である。減算器３４において、前述したようにＸ軸方向における位置指令と検出位置との差分、すなわち位置偏差量が算出される。この位置偏差量は、位置制御処理部４６において速度指令を算出するのに用いられる。なお、ギャップ位置指令演算部５４から加算器４４に入力される信号は、Ｚ軸方向に関する情報であるため、Ｘ軸方向の駆動制御においては無視できる。速度指令は速度制御処理部４８に入力される。速度制御処理部４８は、入力された速度指令に基づいて電流指令を送出する。電流制御処理部５０は、速度制御処理部４８から送出された電流指令に基づいて制御信号をサーボアンプに出力する。サーボアンプは、制御信号に基づいてサーボモータに駆動電流を供給する。このとき供給される駆動電流は、サーボモータの必要な回転角度に対応している。以上の処理を繰り返して、加工プログラム２２から求められた位置指令と、実際のモータ位置とが合致するまでサーボモータが駆動制御される。
【００２４】
次に、Ｚ軸方向におけるサーボ制御部２８の機能について説明する。ギャップ位置指令演算部５４は、加工ヘッド１２のアプローチ動作の段階に応じて異なる処理に基づいて出力値を算出できるように構成されている。例えば、アプローチ動作の初期の段階においては、加工ヘッド１２を後述する一定の所定速度Ｖ1（図５参照）でワーク１４に向かって駆動するように速度指令を出力する。この一定の速度Ｖ1によるアプローチ動作は、加工ヘッド１２がギャップセンサ２０によって検出可能な程度にワーク１４に十分に接近するまで継続される。ギャップ位置指令演算部５４は、ギャップセンサ２０が加工ヘッド１２とワーク１４との間のギャップ量をいったん検出すると、加工ヘッド１２のアプローチ動作の速度を漸次減速するような速度指令を出力する。ギャップセンサ２０の検出信号は、Ａ／Ｄ変換器５８を介してギャップ位置指令演算部５４に送出される。この漸次減速する速度指令は、続いてギャップ制御に切換えられる。ギャップ制御の段階においては、所定の（例えば一定の）アプローチゲインと、ギャップセンサ２０によって検出されるギャップ基準位置までの距離に応じてアプローチ動作の速度が決定される。例えばアプローチゲイン［１／ｓｅｃ（毎秒）］と、ギャップ基準位置までの距離［ｍｍ（ミリメートル）］とを単純に乗算することによって、この速度を決定してもよい。必要に応じて係数をさらに乗算するなどして調整してもよい。このようにして、ギャップセンサ２０によって検出されるギャップ量が、ギャップ基準位置に一致するまで加工ヘッド１２が駆動制御される。
【００２５】
続いて、ギャップ制御部２８について説明する。本発明の実施形態に係るギャップ制御部２８は、前述したギャップ位置指令演算部５４と、ポジションゲイン演算部５６と、位置偏差読取部５８とから構成される。ポジションゲイン演算部５６は、位置偏差読取部５８において取得される位置偏差量に基づいて、適切なポジションゲインの値を算出する。位置偏差読取部５８によって取得される位置偏差量は、サーボモータ１６のＺ軸方向における位置偏差量、すなわちＺ軸方向におけるサーボ遅れである。この位置偏差量は、Ｚ軸方向におけるサーボモータ１６への位置指令と、実際のサーボモータ１６の位置との間の差分を計算することによって得られる。Ｚ軸方向の位置指令はギャップ位置指令演算部５４において算出される。サーボモータ１６の実際の位置は、サーボモータ１６に備え付けられたスケール３２によって検出される。サーボモータ１６の位置情報は、フィードバック信号５２としてサーボ制御部２６にフィードバックされ、位置偏差読取部５８において位置偏差量が読取られるようになっている。
【００２６】
ポジションゲイン演算部５６は、サーボモータ１６の位置偏差量に基づいて補正ポジションゲインを算出する。ここで算出される補正ポジションゲインは位置制御処理部４６に送出される。位置制御処理部４６はポジションゲイン切換部を備えており、このポジションゲイン切換部が直前のポジションゲインを補正ポジションゲインに切換えるように作用する。一実施形態において、補正ポジションゲインは、理論式から算出される理論値であるサーボモータ１６の理論位置偏差量と、位置偏差読取部５８において取得される実際の位置偏差量である実位置偏差量に基づいて算出される。一実施形態において、理論位置偏差量と実位置偏差量との比を直前（補正前）のポジションゲインに乗じることによって、補正ポジションゲインが算出される。
【００２７】
この実施形態における補正ポジションゲインの算出方法を具体例とともに説明する。サーボモータ１６の理論位置偏差量は、次の式（１）から理論的に求められる。
（位置偏差量）＝（送り速度）／（ポジションゲイン） ・・・式（１）
【００２８】
例えば、送り速度が１００００［ｍｍ／ｍｉｎ（ミリメートル毎分）］であって直前のポジションゲインが５０［１／ｓｅｃ（毎秒）］の場合、（位置偏差量）＝（送り速度）／ポジションゲイン＝１００００／（６０×５０）＝３．３３［ｍｍ（ミリメートル）］になる。実位置偏差量が５．０［ｍｍ］であった場合について考える。この場合、位置偏差量の測定値とその理論値との比は、５．０／３．３３＝１．５０となり、この比の値を直前（補正前）のポジションゲインに乗じて、（補正ポジションゲイン）＝５０×（５．０／３．３３）＝７５［１／ｓｅｃ］が得られる。ここで算出された補正ポジションゲインを直前のポジションゲインに切換える。このようにして、サーボ機構部の遅れが考慮された最適なポジションゲインに基づいて加工ヘッド１２が駆動制御されるようになる。したがって、加工ヘッド１２のアプローチ動作の速度が大きくサーボ機構部に遅れが発生しやすい場合であっても加工ヘッド１２のオーバーシュートを可及的に防止できる。上記の方法で算出される補正ポジションゲインに任意の係数（例えば予め定められる設定値）をさらに乗算して補正ポジションゲインを調整してもよい。
【００２９】
次に、図２を参照して、本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置における処理手順について説明する。図２は、本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置１０の作用を説明するためのフローチャートである。以下の記載は、特に言及しない限り、加工ヘッド１２のＺ軸方向におけるアプローチ動作及び位置決めについて述べるものであることに留意されたい。
【００３０】
まず、移動量計算部２４から移動指令が出力されると、加工ヘッド１２をワーク１４に向けて移動させるアプローチ動作が開始される（ステップＳ１）。ステップＳ１において、加工ヘッド１２のアプローチ動作の速度は一定である。この等速でのアプローチ動作は、ギャップセンサ２０が加工ヘッド１２とワーク１４との間の距離を検出可能になる位置まで継続される。加工ヘッド１２がワーク１４に十分に接近し、ギャップセンサ２０によって検出可能な範囲まで到達すると（ステップＳ２）、アプローチ動作の速度を減速するようにギャップ位置指令演算部５４から速度指令が送出される（ステップＳ３）。アプローチ動作の減速が始まると、サーボ位置偏差量の取得が開始される（ステップＳ４）。そして、前述したような方法によって、取得されたサーボ位置偏差量から補正ポジションゲインが算出される（ステップＳ５）。ポジションゲインの切換が次いで行われ、その時点におけるポジションゲインがステップＳ５において算出された補正ポジションゲインに置換えられる（ステップＳ６）。続いて、ギャップセンサ２０によって、加工ヘッド１２がギャップ基準位置に到達したか否かが判定される（ステップＳ７）。ステップＳ７における判定結果がＮＯの場合はステップＳ４に再び戻り、加工ヘッド１２がギャップ基準位置に到達するまで、サーボ遅れを調整する制御（ステップＳ４からステップＳ６）が再び繰り返される。ステップＳ７における判定結果がＹＥＳの場合には加工ヘッド１２のアプローチ動作を終了し、レーザ加工が続いて行われる。レーザ加工が行われる間においてもギャップ制御が行われ、加工ヘッド１２とワーク１４の表面との距離がギャップ基準位置に準じて一定に維持される。
【００３１】
続いて図３及び図４を参照して本発明の別の実施形態について説明する。図３は、本発明の実施形態の変形例に係るレーザ加工用制御装置の要部を示すブロック図であり、図１のブロック図におけるギャップ制御部２８に対応するギャップ制御部８０のみを示している。図４は、本発明の実施形態の変形例に係るレーザ加工用制御装置の要部の作用を説明するためのフローチャートである。図４では、図２のフローチャートにおける処理のステップＳ４からステップＳ６までの処理に対応するステップＳ１０からステップＳ１７までが示されている。この実施形態においては、サーボ位置偏差量を考慮する前述した方法において、さらに追加の要素を考慮して補正ポジションゲインが算出される。
【００３２】
図３に示されるように、本実施形態のギャップ制御部８０は、ギャップ位置指令演算部８２と、位置偏差読取部８４と、ギャップ量演算部８６と、ポジションゲイン演算部８８と、ポジションゲイン調整部９０と、クランプ部９２とから構成される。ギャップ位置指令演算部８２の作用は、前述した実施形態におけるギャップ位置指令演算部５４と同様であるため、説明は省略する。位置偏差読取部８４は図１の位置偏差読取部５８と同様の作用を有していて、Ｚ軸方向におけるサーボモータの位置指令と、フィードバックされるサーボモータの位置検出情報とに基づいてサーボ位置偏差量を取得する。ギャップ量演算部８６は、ギャップセンサ２０（図１）の検出値を利用して、加工ヘッド１２のギャップ基準位置までの距離を算出する。
【００３３】
ポジションゲイン演算部８８は、位置偏差演算部８４から送出されるサーボ位置偏差量と、ギャップ量演算部８６から送出されるギャップ量とに基づいて補正ポジションゲインを算出する。サーボ位置偏差量は、前述した実施形態と同様に、理論式から導かれる理論位置偏差量との比を算出するために利用される。一方、ギャップ量演算部８６において算出されたギャップ量は、補正係数を算出するために利用される。一態様において、この補正係数は、理論位置偏差量と実位置偏差量との比にさらに乗算され、補正ポジションゲインの算出に利用されうる。すなわち、補正ポジションゲインは次の式（２）により算出される。
（補正ポジションゲイン）＝（ポジションゲイン）×｛（実位置偏差量）／（理論位置偏差量）｝×（補正係数） ・・・式（２）
【００３４】
例えば、補正係数は、ギャップ基準値までの距離に応じて増減する変数であってもよい。一態様において、ギャップ基準値までの距離が小さくなるのに従って漸次小さくなるように設定されうる。補正係数をどのように設定するかは特に限定されない。例えば、補正係数のとりうる最大値と最小値を予め定めておいて、ギャップ基準位置までの距離に応じて比例計算によって補正係数を算出してもよい。このようにギャップ基準位置までの距離に応じて補正ポジションゲインを調整することによって、アプローチ動作の段階に応じてより緻密に加工ヘッド１２を駆動制御できるようになる。例えば、目標位置であるギャップ基準位置に十分に接近したときは、間もなく速度指令がゼロになることが予測されるため、ポジションゲインを小さくすることができる。
【００３５】
こうして算出された補正ポジションゲインは、ポジションゲイン調整部９０に送出される。ポジションゲイン調整部９０は、ポジションゲインが急激に変化するのを防止するフィルタ作用を有する。より具体的には、補正ポジションゲインと補正前のポジションゲインとを比較し、変化量が予め定められた所定範囲を超える場合に、補正ポジションゲインを調整する作用を有する。例えば、ポジションゲインの変化量が前記所定範囲を上回る場合、変化量が前記所定範囲内に収まるように補正ポジションゲインが調整される。単純に一定の係数を乗じて補正ポジションゲインを低減するように調整してもよい。このようにすると、ポジションゲインが急激に変化しなくなるので、サーボモータ１６の動作に過大な負荷が加わるのを防止でき、加工ヘッド１２のアプローチ動作がより安定化する。
【００３６】
クランプ部９２は、入力される補正ポジションゲインを予め定められた上限値と比較する。そして、補正ポジションゲインが上限値を超えるとき、補正ポジションゲインが上限値にクランプされ、算出された補正ポジションゲインに代えて上限値が補正ポジションゲインとして出力される。このように上限値を超えないように補正ポジションゲインを調整することによって、ポジションゲインが過度に大きくなってサーボモータ１６が発振するのを防止できる。
【００３７】
以上、補正ポジションゲインに調整を加える種々の方法について説明したが、上記方法のうちいずれか１つのみを利用してもよいし、１つ又は２つ以上を組合せて利用してもよい。
【００３８】
次に図４を参照して、図３に示されるギャップ制御部８０における補正ポジションゲインの算出過程について説明する。図４において、図２に関連して既に説明された事項と重複する部分は省略して示されている。先ず、補正ポジションゲインを算出するために利用されるサーボ位置偏差量を取得する（ステップＳ１０）。それとともに、前述したようにギャップ量演算部８６において、ギャップセンサ２０の検出値に基づいてギャップ量が算出される（ステップＳ１１）。次いで、それらサーボ位置偏差量及びギャップ量に基づいて、前記式（２）から補正ポジションゲインが算出される（ステップＳ１２）。続いて、補正前、すなわち直前のポジションゲインと、ステップＳ１２で算出された補正ポジションゲインとの比較が行われ、補正前後のポジションゲインの変化量が所定範囲内であるか否かについて判定される（ステップＳ１３）。ポジションゲインの変化率が予め定められた所定範囲を超える場合、すなわちポジションゲインが過度に急激に変化しようとする場合には、補正ポジションゲインが再調整される（ステップＳ１４）。ポジションゲインの変化量が所定範囲内である場合には、調整不要と判断されて、直接ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、ポジションゲインが上限値を超えるか否かについて判定される。ポジションゲインが上限値以下であると判定された場合には、入力された補正ポジションゲインがそのまま補正ポジションゲインとして位置制御処理部４６（図１）に送出される。補正ポジションゲインが上限値を超えると判定された場合には、補正ポジションゲインを上限値にクランプするクランプ処理が行われる（ステップＳ１６）。この場合は、クランプされた上限値が補正ポジションゲインとして位置制御処理部４６に送出される。位置制御処理部４６において、ポジションゲインが補正ポジションゲインに切換えられる（ステップＳ１７）ことについては既に述べた。
【００３９】
図５は、本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置を利用した場合における加工ヘッド１２の速度Ｖ、ポジションゲインＰＧ及びギャップ量Ｇの時間特性の一例を示すグラフである。図５は３つのグラフを縦に並べて記載されている。各グラフの横軸は、移動指令を受けた時点ｔ0からの経過時間を表している。グラフの縦軸は、一番上のグラフから順番に速度Ｖ、ポジションゲインＰＧ、ギャップ量Ｇを表しており、それぞれ加工ヘッド１２がアプローチ動作を開始してからギャップ基準位置に到るまでの過程における各値の変化を表したものである。
【００４０】
３つのグラフにまたがって鉛直方向に引かれた破線のうち破線ｔ1は、一定の速度Ｖ1でのアプローチ動作が開始する時点を表している。破線ｔ2は、一定の速度Ｖ1でのアプローチ動作が終了し、加工ヘッド１２が一定の減速度で減速し始める時点を表している。換言すると、ギャップセンサが加工ヘッド１２とワーク１４との間のギャップ量を検出するのに十分な範囲まで加工ヘッド１２が接近したことを意味している（図５におけるギャップ量Ｇ1はギャップセンサ２０の検出範囲の上限を表す）。破線ｔ3は、一定の減速度による速度制御から、ギャップセンサ２０の出力に応じて定まるギャップ制御による速度制御に切換わる時点を示している。破線ｔ4は、加工ヘッド１２がギャップ基準位置Ｇ2に到達した時点を表している。
【００４１】
時点ｔ2から時点ｔ3までの期間において、加工ヘッド１２の速度Ｖは、前述したようにギャップ位置指令演算部５４によって出力される一定の設定減速度に従って減速される。時点ｔ3から時点ｔ4までの期間において、加工ヘッド１２は、ギャップセンサ２０による検出値に基づいて算出されるギャップ基準位置Ｇ2までの距離と、設定値である一定のアプローチゲインとから算出されるアプローチ速度に従って駆動される。このアプローチ速度の計算はギャップ位置指令演算部５４においてなされる。時点ｔ3は、速度Ｖ1から一定の減速度で減速させて得られる速度と、ギャップ制御によって一定のアプローチゲインに基づいて算出される速度とが交差する時点である。
【００４２】
図５に示されるように、ポジションゲインＰＧは、加工ヘッド１２の速度Ｖが低下し始める時点ｔ2まで一定の設定値が用いられる。時点ｔ2から時点ｔ4までの間は、前述したポジションゲインＰＧの補正処理が行われ、補正されたポジションゲインＰＧが使用される。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 制御装置
１２ 加工ヘッド
１４ ワーク
１６ サーボモータ
２０ ギャップセンサ
２４ 移動量計算部
２６ サーボ制御部
２８ ギャップ制御部
４６ 位置制御処理部
４８ 速度制御処理部
５０ 電流制御処理部
５４ ギャップ位置指令演算部
５６ ポジションゲイン演算部
５８ 位置偏差読取部
８０ ギャップ制御部
８２ ギャップ位置指令演算部
８４ 位置偏差演算部
８６ ギャップ量演算部
８８ ポジションゲイン演算部
９０ ポジションゲイン調整部
９２ クランプ部
Ｇ ギャップ量
【技術分野】
【０００１】
本発明は加工ヘッドのアプローチ動作を制御するレーザ加工用制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
加工ヘッドと被加工物との間のギャップ量（間隙の長さ）を検出し、レーザ加工に適したギャップ基準位置までの距離を算出することにより、加工ヘッドのアプローチ動作を制御するレーザ加工用制御装置は公知である（特許文献１及び特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−３０８９７９号公報
【特許文献２】特開２００６−１２２９３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
加工ヘッドが目標位置であるギャップ基準位置を越えて駆動される、いわゆるオーバーシュートを可及的に防止するレーザ加工用制御装置が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１番目の発明によれば、被加工物から所定距離離間するギャップ基準位置において、加工ヘッドからレーザを照射して前記被加工物をレーザ加工するためのレーザ加工用制御装置であって、前記加工ヘッドと前記被加工物との間のギャップ量を検出するギャップセンサと、前記ギャップセンサと協働して、ギャップ位置指令を送出するギャップ位置指令演算部と、前記ギャップ位置指令に基づいて加工ヘッドを前記ギャップ基準位置まで駆動するサーボ機構部と、前記サーボ機構部の位置偏差量を読取るサーボ位置偏差読取部と、前記サーボ機構部の前記位置偏差量に基づいて、前記サーボ機構部のための補正ポジションゲインを算出するポジションゲイン演算部と、前記サーボ機構部のポジションゲインを、前記ポジションゲイン演算部において算出された前記補正ポジションゲインに切換えるポジションゲイン切換部と、を備える、レーザ加工用制御装置が提供される。
【０００６】
本発明の２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記ポジションゲイン演算部が、前記ポジションゲイン及び加工ヘッドのアプローチ速度から理論位置偏差量を算出し、該理論位置偏差量と、前記サーボ位置偏差読取部によって読取られる前記サーボ機構部の前記位置偏差量とに基づいて、前記補正ポジションゲインを算出する、レーザ加工用制御装置が提供される。
【０００７】
本発明の３番目の発明によれば、１番目又は２番目の発明において、前記ポジションゲイン演算部が、前記ギャップセンサによって検出される前記ギャップ量に基づいて、前記補正ポジションゲインを調整した調整値を前記補正ポジションゲインとして算出する、レーザ加工用制御装置が提供される。
【０００８】
本発明の４番目の発明によれば、１番目から３番目のいずれかの発明において、前記ポジションゲイン切換部によって切換えられるポジションゲインの変化量に基づいて前記補正ポジションゲインを調整するポジションゲイン調整部をさらに備える、レーザ加工用制御装置が提供される。
【０００９】
本発明の５番目の発明によれば、１番目から４番目のいずれかの発明において、前記補正ポジションゲインと、予め定められた所定値とを比較し、前記補正ポジションゲインの値が前記所定値を超える場合に、前記補正ポジションゲインを前記所定値にクランプするクランプ部をさらに備える、レーザ加工用制御装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
１番目の発明によれば、アプローチ動作が高速であってサーボ位置偏差量（サーボの遅れ）が顕著に大きい場合でも、加工ヘッドのオーバーシュートを効果的に防止できる。移動指令に対して実際のサーボ機構部の動作に遅れが生じていると、そのサーボ機構部の遅れに起因してオーバーシュートが発生する場合がある。すなわち、加工ヘッドがギャップ基準位置に到達した時点で加工ヘッドの速度をゼロにする速度指令が適切に送出されたとしても、サーボ機構部の遅れが原因となって、加工ヘッドがギャップ基準位置を越えて駆動される場合がある。この１番目の発明によれば、実際のサーボ位置偏差量を取得し、そのサーボ位置偏差量に基づいてポジションゲインを変更することによって、アプローチ動作をしながらサーボ機構部の遅れを調整していくことができる。したがって、前述したオーバーシュートを発生することなく、加工ヘッドを適切なギャップ基準位置に確実に位置決めできるようになる。
【００１１】
２番目の発明によれば、理論的に求められるサーボ位置偏差量を考慮して補正ポジションゲインを算出するため、実際のサーボ位置偏差量を理論値であるサーボ位置偏差量に近づけるようにポジションゲインを変更できる。したがって、加工ヘッドのオーバーシュートの原因となりうる移動指令に対するサーボ機構部の遅れをアプローチ動作中に低減ないし解消できるようになる。
【００１２】
３番目の発明によれば、目標位置であるギャップ基準位置からの距離に応じて補正ポジションゲインを調整できるので、アプローチ動作の段階に応じてより緻密な制御が可能になる。
【００１３】
４番目の発明によれば、ポジションゲインの切換前後の変化量をモニタすることによって、ポジションゲインが急激に変化するのを防止できるようになる。ポジションゲインの急激な変化は、サーボ機構部の挙動、ひいては加工ヘッドの動作を不安定にするため、回避されるのが好ましい。この４番目の発明によれば、必要に応じて補正ポジションゲインを調整することによって、このような問題を防止できる。
【００１４】
５番目の発明によれば、ポジションゲイン切換部においてポジションゲインが切換えられたときに、切換後のポジションゲインが過度に大きくなるのを防止できるようになる。ポジションゲインが過度に大きいと、発振しやすくなってサーボ機構部の動作が不安定になりうる。この第５の発明においては、必要に応じて補正ポジションゲインを所定値にクランプすることによって、このような問題を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置の構成を示す概略ブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置の作用を説明するためのフローチャートである。
【図３】本発明の実施形態の変形例に係るレーザ加工用制御装置の要部を示すブロック図である。
【図４】本発明の実施形態の変形例に係るレーザ加工用制御装置の要部の作用を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置を利用した場合における加工ヘッドのアプローチ速度、ポジションゲイン及びギャップ量の時間変化をそれぞれ表すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
先ず、図１を参照して本発明の実施形態に係る制御装置１０の構成について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置１０の構成を示す概略ブロック図である。
【００１７】
制御装置１０は、任意の加工プログラムを実行するための位置指令及び速度指令に応答して、後述するサーボモータの回転を制御する数値（ＮＣ）制御装置である。制御装置１０は、レーザ加工装置（特に加工ヘッド１２）をワーク（被加工物）１４に対して所定の位置に位置決めするために利用される。レーザ加工装置は、加工ヘッド１２からレーザを照射して、ワーク１４に対して切断、穿孔、溶接、表面処理、微細加工など種々のレーザ加工を施すために使用される。ワーク１４は、例えばステンレス鋼、アルミニウム、鉄などの金属板又はセラミックス、プラスチックその他複合材料などから構成される各種部品である。
【００１８】
加工ヘッド１２は、ワーク１４の表面に対して平行なＸ軸方向と、図１の紙面厚さ方向に延びるＹ軸方向と、ワーク１４の表面に対して直交するＺ軸方向とにおいてそれぞれ独立して駆動制御される。図１では、簡単のため、加工ヘッド１２をＺ軸方向に駆動するサーボモータ１６のみが示されており、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の駆動のためのサーボモータは省略されている。なお、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の駆動のためのサーボモータを加工ヘッド１２に設ける代わりに、例えばワーク１４を保持する治具又はテーブル側にサーボモータを設けてもよい。この場合は、ワーク１４が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向それぞれにおいて加工ヘッド１２に対して相対的に駆動制御される。サーボモータ１６には、サーボモータ１６の回転角度からサーボモータ１６のＺ軸方向の位置情報を取得するスケール３２が備え付けられている。取得されるサーボモータ１６のＺ軸方向の位置情報は、フィードバック信号５２として制御装置１０の減算器３４にフィードバックされる構成になっている。
【００１９】
加工ヘッド１２のノズル１８近傍にはギャップセンサ２０が備え付けられており、ノズル１８とワーク１４の表面との間の間隙のＺ軸方向の長さに相当するギャップ量Ｇを測定できるようになっている。加工ヘッド１２のノズル１８は、ギャップセンサ２０を利用して、レーザ加工のために適切な距離だけワーク１４の表面から離間した位置（以下、「ギャップ基準位置」と称する）に位置決めされる。加工ヘッド１２がこのギャップ基準位置に配置された状態でノズル１８からレーザが照射され、レーザ加工が行われる。ノズル１８は、一連のレーザ加工が終了するまでギャップ基準位置を維持するようにギャップ制御される。すなわち、ワーク１４の表面が湾曲していたり、ワーク１４の表面に凹凸があるような場合には、加工ヘッド１２のノズル１８をＺ軸方向において位置決めをしながらレーザ加工が続けられる。
【００２０】
本発明の実施形態に係る制御装置１０についてより具体的に説明する。制御装置１０は、任意の加工プログラム２２を実行するために、加工ヘッド１２の移動量を計算して、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における位置指令及び速度指令を含む移動指令を送出する移動量計算部２４を備えている。また、制御装置１０は、ギャップ位置指令演算部５４（後述する）から送出されるＺ軸方向の位置指令及び速度指令に基づいて、サーボアンプ３０に制御信号を送出するサーボ制御部２６を備えている。制御装置１０は、ギャップ量を取得してギャップ制御を行うとともにサーボモータ１６のポジションゲインの調整を行うギャップ制御部２８をさらに備えている。
【００２１】
移動量計算部２４における処理について説明する。移動量計算部２４は、プログラム読出部３６と、加工経路解析部３８と、補間処理部４０と、移動指令出力部４２とから構成される。移動量計算部２４は、加工プログラム２２によって指定されるレーザ加工を実するために必要なＸ軸方向及びＹ軸方向の移動指令を出力する機能を有する。
【００２２】
先ず、プログラム読出部３６において、使用者によって入力された加工プログラム２２が読出される。加工プログラム２２は、レーザ加工装置を制御してワーク１４に必要な加工を行うために必要な情報が含まれたプログラムである。例えば金属板に穿孔する場合には、金属板の板厚、形成される孔の直径、穿孔位置などの情報が含まれる。加工経路解析部３８では、加工プログラム２２の加工経路の解析が行われ、加工処理を実行するためのＸ軸方向及びＹ軸方向それぞれにおける位置情報及び送り速度が取得される。加工経路解析部３８から送出される信号は補間処理部４０において補間処理される。補間処理された移動指令に関連する指令信号は、移動指令出力部４２に送られ、移動指令出力部４２からＸ軸方向及びＹ軸方向における移動指令が減算器３４に正の信号として送出される。移動指令出力部４２から送出されるＺ軸方向における移動指令はゼロである。減算器３４には、Ｘ軸方向のサーボモータ（図示せず）の検出位置情報であるフィードバック信号６０と、Ｙ軸方向のサーボモータ（図示せず）の検出位置情報であるフィードバック信号６２とが負の信号として入力される。したがって、減算器３４において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向における位置指令と、実際のサーボモータの位置との差、すなわち位置偏差量が算出されるようになっている。なお、減算器３４にはＺ軸方向の検出位置情報であるフィードバック信号５２も入力されるが、このことについては別途後述する。
【００２３】
サーボ制御部２６は、加算器４４と、位置制御処理部４６と、速度制御処理部４８と、電流制御処理部５０とから構成される。サーボ制御部２６は、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向に関連付けられた各サーボモータを制御するために必要な制御信号をサーボアンプ３０に送出する。Ｘ軸方向及びＹ軸方向におけるサーボモータの制御の態様について先ず説明する。本発明との関係ではＸ軸方向とＹ軸方向とは相対的な概念にすぎず、個別に説明する必要はないため、ここではＸ軸方向についてのみ説明するが、Ｙ軸方向についても同様の説明が妥当することは当業者に自明である。減算器３４において、前述したようにＸ軸方向における位置指令と検出位置との差分、すなわち位置偏差量が算出される。この位置偏差量は、位置制御処理部４６において速度指令を算出するのに用いられる。なお、ギャップ位置指令演算部５４から加算器４４に入力される信号は、Ｚ軸方向に関する情報であるため、Ｘ軸方向の駆動制御においては無視できる。速度指令は速度制御処理部４８に入力される。速度制御処理部４８は、入力された速度指令に基づいて電流指令を送出する。電流制御処理部５０は、速度制御処理部４８から送出された電流指令に基づいて制御信号をサーボアンプに出力する。サーボアンプは、制御信号に基づいてサーボモータに駆動電流を供給する。このとき供給される駆動電流は、サーボモータの必要な回転角度に対応している。以上の処理を繰り返して、加工プログラム２２から求められた位置指令と、実際のモータ位置とが合致するまでサーボモータが駆動制御される。
【００２４】
次に、Ｚ軸方向におけるサーボ制御部２８の機能について説明する。ギャップ位置指令演算部５４は、加工ヘッド１２のアプローチ動作の段階に応じて異なる処理に基づいて出力値を算出できるように構成されている。例えば、アプローチ動作の初期の段階においては、加工ヘッド１２を後述する一定の所定速度Ｖ1（図５参照）でワーク１４に向かって駆動するように速度指令を出力する。この一定の速度Ｖ1によるアプローチ動作は、加工ヘッド１２がギャップセンサ２０によって検出可能な程度にワーク１４に十分に接近するまで継続される。ギャップ位置指令演算部５４は、ギャップセンサ２０が加工ヘッド１２とワーク１４との間のギャップ量をいったん検出すると、加工ヘッド１２のアプローチ動作の速度を漸次減速するような速度指令を出力する。ギャップセンサ２０の検出信号は、Ａ／Ｄ変換器５８を介してギャップ位置指令演算部５４に送出される。この漸次減速する速度指令は、続いてギャップ制御に切換えられる。ギャップ制御の段階においては、所定の（例えば一定の）アプローチゲインと、ギャップセンサ２０によって検出されるギャップ基準位置までの距離に応じてアプローチ動作の速度が決定される。例えばアプローチゲイン［１／ｓｅｃ（毎秒）］と、ギャップ基準位置までの距離［ｍｍ（ミリメートル）］とを単純に乗算することによって、この速度を決定してもよい。必要に応じて係数をさらに乗算するなどして調整してもよい。このようにして、ギャップセンサ２０によって検出されるギャップ量が、ギャップ基準位置に一致するまで加工ヘッド１２が駆動制御される。
【００２５】
続いて、ギャップ制御部２８について説明する。本発明の実施形態に係るギャップ制御部２８は、前述したギャップ位置指令演算部５４と、ポジションゲイン演算部５６と、位置偏差読取部５８とから構成される。ポジションゲイン演算部５６は、位置偏差読取部５８において取得される位置偏差量に基づいて、適切なポジションゲインの値を算出する。位置偏差読取部５８によって取得される位置偏差量は、サーボモータ１６のＺ軸方向における位置偏差量、すなわちＺ軸方向におけるサーボ遅れである。この位置偏差量は、Ｚ軸方向におけるサーボモータ１６への位置指令と、実際のサーボモータ１６の位置との間の差分を計算することによって得られる。Ｚ軸方向の位置指令はギャップ位置指令演算部５４において算出される。サーボモータ１６の実際の位置は、サーボモータ１６に備え付けられたスケール３２によって検出される。サーボモータ１６の位置情報は、フィードバック信号５２としてサーボ制御部２６にフィードバックされ、位置偏差読取部５８において位置偏差量が読取られるようになっている。
【００２６】
ポジションゲイン演算部５６は、サーボモータ１６の位置偏差量に基づいて補正ポジションゲインを算出する。ここで算出される補正ポジションゲインは位置制御処理部４６に送出される。位置制御処理部４６はポジションゲイン切換部を備えており、このポジションゲイン切換部が直前のポジションゲインを補正ポジションゲインに切換えるように作用する。一実施形態において、補正ポジションゲインは、理論式から算出される理論値であるサーボモータ１６の理論位置偏差量と、位置偏差読取部５８において取得される実際の位置偏差量である実位置偏差量に基づいて算出される。一実施形態において、理論位置偏差量と実位置偏差量との比を直前（補正前）のポジションゲインに乗じることによって、補正ポジションゲインが算出される。
【００２７】
この実施形態における補正ポジションゲインの算出方法を具体例とともに説明する。サーボモータ１６の理論位置偏差量は、次の式（１）から理論的に求められる。
（位置偏差量）＝（送り速度）／（ポジションゲイン） ・・・式（１）
【００２８】
例えば、送り速度が１００００［ｍｍ／ｍｉｎ（ミリメートル毎分）］であって直前のポジションゲインが５０［１／ｓｅｃ（毎秒）］の場合、（位置偏差量）＝（送り速度）／ポジションゲイン＝１００００／（６０×５０）＝３．３３［ｍｍ（ミリメートル）］になる。実位置偏差量が５．０［ｍｍ］であった場合について考える。この場合、位置偏差量の測定値とその理論値との比は、５．０／３．３３＝１．５０となり、この比の値を直前（補正前）のポジションゲインに乗じて、（補正ポジションゲイン）＝５０×（５．０／３．３３）＝７５［１／ｓｅｃ］が得られる。ここで算出された補正ポジションゲインを直前のポジションゲインに切換える。このようにして、サーボ機構部の遅れが考慮された最適なポジションゲインに基づいて加工ヘッド１２が駆動制御されるようになる。したがって、加工ヘッド１２のアプローチ動作の速度が大きくサーボ機構部に遅れが発生しやすい場合であっても加工ヘッド１２のオーバーシュートを可及的に防止できる。上記の方法で算出される補正ポジションゲインに任意の係数（例えば予め定められる設定値）をさらに乗算して補正ポジションゲインを調整してもよい。
【００２９】
次に、図２を参照して、本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置における処理手順について説明する。図２は、本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置１０の作用を説明するためのフローチャートである。以下の記載は、特に言及しない限り、加工ヘッド１２のＺ軸方向におけるアプローチ動作及び位置決めについて述べるものであることに留意されたい。
【００３０】
まず、移動量計算部２４から移動指令が出力されると、加工ヘッド１２をワーク１４に向けて移動させるアプローチ動作が開始される（ステップＳ１）。ステップＳ１において、加工ヘッド１２のアプローチ動作の速度は一定である。この等速でのアプローチ動作は、ギャップセンサ２０が加工ヘッド１２とワーク１４との間の距離を検出可能になる位置まで継続される。加工ヘッド１２がワーク１４に十分に接近し、ギャップセンサ２０によって検出可能な範囲まで到達すると（ステップＳ２）、アプローチ動作の速度を減速するようにギャップ位置指令演算部５４から速度指令が送出される（ステップＳ３）。アプローチ動作の減速が始まると、サーボ位置偏差量の取得が開始される（ステップＳ４）。そして、前述したような方法によって、取得されたサーボ位置偏差量から補正ポジションゲインが算出される（ステップＳ５）。ポジションゲインの切換が次いで行われ、その時点におけるポジションゲインがステップＳ５において算出された補正ポジションゲインに置換えられる（ステップＳ６）。続いて、ギャップセンサ２０によって、加工ヘッド１２がギャップ基準位置に到達したか否かが判定される（ステップＳ７）。ステップＳ７における判定結果がＮＯの場合はステップＳ４に再び戻り、加工ヘッド１２がギャップ基準位置に到達するまで、サーボ遅れを調整する制御（ステップＳ４からステップＳ６）が再び繰り返される。ステップＳ７における判定結果がＹＥＳの場合には加工ヘッド１２のアプローチ動作を終了し、レーザ加工が続いて行われる。レーザ加工が行われる間においてもギャップ制御が行われ、加工ヘッド１２とワーク１４の表面との距離がギャップ基準位置に準じて一定に維持される。
【００３１】
続いて図３及び図４を参照して本発明の別の実施形態について説明する。図３は、本発明の実施形態の変形例に係るレーザ加工用制御装置の要部を示すブロック図であり、図１のブロック図におけるギャップ制御部２８に対応するギャップ制御部８０のみを示している。図４は、本発明の実施形態の変形例に係るレーザ加工用制御装置の要部の作用を説明するためのフローチャートである。図４では、図２のフローチャートにおける処理のステップＳ４からステップＳ６までの処理に対応するステップＳ１０からステップＳ１７までが示されている。この実施形態においては、サーボ位置偏差量を考慮する前述した方法において、さらに追加の要素を考慮して補正ポジションゲインが算出される。
【００３２】
図３に示されるように、本実施形態のギャップ制御部８０は、ギャップ位置指令演算部８２と、位置偏差読取部８４と、ギャップ量演算部８６と、ポジションゲイン演算部８８と、ポジションゲイン調整部９０と、クランプ部９２とから構成される。ギャップ位置指令演算部８２の作用は、前述した実施形態におけるギャップ位置指令演算部５４と同様であるため、説明は省略する。位置偏差読取部８４は図１の位置偏差読取部５８と同様の作用を有していて、Ｚ軸方向におけるサーボモータの位置指令と、フィードバックされるサーボモータの位置検出情報とに基づいてサーボ位置偏差量を取得する。ギャップ量演算部８６は、ギャップセンサ２０（図１）の検出値を利用して、加工ヘッド１２のギャップ基準位置までの距離を算出する。
【００３３】
ポジションゲイン演算部８８は、位置偏差演算部８４から送出されるサーボ位置偏差量と、ギャップ量演算部８６から送出されるギャップ量とに基づいて補正ポジションゲインを算出する。サーボ位置偏差量は、前述した実施形態と同様に、理論式から導かれる理論位置偏差量との比を算出するために利用される。一方、ギャップ量演算部８６において算出されたギャップ量は、補正係数を算出するために利用される。一態様において、この補正係数は、理論位置偏差量と実位置偏差量との比にさらに乗算され、補正ポジションゲインの算出に利用されうる。すなわち、補正ポジションゲインは次の式（２）により算出される。
（補正ポジションゲイン）＝（ポジションゲイン）×｛（実位置偏差量）／（理論位置偏差量）｝×（補正係数） ・・・式（２）
【００３４】
例えば、補正係数は、ギャップ基準値までの距離に応じて増減する変数であってもよい。一態様において、ギャップ基準値までの距離が小さくなるのに従って漸次小さくなるように設定されうる。補正係数をどのように設定するかは特に限定されない。例えば、補正係数のとりうる最大値と最小値を予め定めておいて、ギャップ基準位置までの距離に応じて比例計算によって補正係数を算出してもよい。このようにギャップ基準位置までの距離に応じて補正ポジションゲインを調整することによって、アプローチ動作の段階に応じてより緻密に加工ヘッド１２を駆動制御できるようになる。例えば、目標位置であるギャップ基準位置に十分に接近したときは、間もなく速度指令がゼロになることが予測されるため、ポジションゲインを小さくすることができる。
【００３５】
こうして算出された補正ポジションゲインは、ポジションゲイン調整部９０に送出される。ポジションゲイン調整部９０は、ポジションゲインが急激に変化するのを防止するフィルタ作用を有する。より具体的には、補正ポジションゲインと補正前のポジションゲインとを比較し、変化量が予め定められた所定範囲を超える場合に、補正ポジションゲインを調整する作用を有する。例えば、ポジションゲインの変化量が前記所定範囲を上回る場合、変化量が前記所定範囲内に収まるように補正ポジションゲインが調整される。単純に一定の係数を乗じて補正ポジションゲインを低減するように調整してもよい。このようにすると、ポジションゲインが急激に変化しなくなるので、サーボモータ１６の動作に過大な負荷が加わるのを防止でき、加工ヘッド１２のアプローチ動作がより安定化する。
【００３６】
クランプ部９２は、入力される補正ポジションゲインを予め定められた上限値と比較する。そして、補正ポジションゲインが上限値を超えるとき、補正ポジションゲインが上限値にクランプされ、算出された補正ポジションゲインに代えて上限値が補正ポジションゲインとして出力される。このように上限値を超えないように補正ポジションゲインを調整することによって、ポジションゲインが過度に大きくなってサーボモータ１６が発振するのを防止できる。
【００３７】
以上、補正ポジションゲインに調整を加える種々の方法について説明したが、上記方法のうちいずれか１つのみを利用してもよいし、１つ又は２つ以上を組合せて利用してもよい。
【００３８】
次に図４を参照して、図３に示されるギャップ制御部８０における補正ポジションゲインの算出過程について説明する。図４において、図２に関連して既に説明された事項と重複する部分は省略して示されている。先ず、補正ポジションゲインを算出するために利用されるサーボ位置偏差量を取得する（ステップＳ１０）。それとともに、前述したようにギャップ量演算部８６において、ギャップセンサ２０の検出値に基づいてギャップ量が算出される（ステップＳ１１）。次いで、それらサーボ位置偏差量及びギャップ量に基づいて、前記式（２）から補正ポジションゲインが算出される（ステップＳ１２）。続いて、補正前、すなわち直前のポジションゲインと、ステップＳ１２で算出された補正ポジションゲインとの比較が行われ、補正前後のポジションゲインの変化量が所定範囲内であるか否かについて判定される（ステップＳ１３）。ポジションゲインの変化率が予め定められた所定範囲を超える場合、すなわちポジションゲインが過度に急激に変化しようとする場合には、補正ポジションゲインが再調整される（ステップＳ１４）。ポジションゲインの変化量が所定範囲内である場合には、調整不要と判断されて、直接ステップＳ１５に進む。ステップＳ１５では、ポジションゲインが上限値を超えるか否かについて判定される。ポジションゲインが上限値以下であると判定された場合には、入力された補正ポジションゲインがそのまま補正ポジションゲインとして位置制御処理部４６（図１）に送出される。補正ポジションゲインが上限値を超えると判定された場合には、補正ポジションゲインを上限値にクランプするクランプ処理が行われる（ステップＳ１６）。この場合は、クランプされた上限値が補正ポジションゲインとして位置制御処理部４６に送出される。位置制御処理部４６において、ポジションゲインが補正ポジションゲインに切換えられる（ステップＳ１７）ことについては既に述べた。
【００３９】
図５は、本発明の実施形態に係るレーザ加工用制御装置を利用した場合における加工ヘッド１２の速度Ｖ、ポジションゲインＰＧ及びギャップ量Ｇの時間特性の一例を示すグラフである。図５は３つのグラフを縦に並べて記載されている。各グラフの横軸は、移動指令を受けた時点ｔ0からの経過時間を表している。グラフの縦軸は、一番上のグラフから順番に速度Ｖ、ポジションゲインＰＧ、ギャップ量Ｇを表しており、それぞれ加工ヘッド１２がアプローチ動作を開始してからギャップ基準位置に到るまでの過程における各値の変化を表したものである。
【００４０】
３つのグラフにまたがって鉛直方向に引かれた破線のうち破線ｔ1は、一定の速度Ｖ1でのアプローチ動作が開始する時点を表している。破線ｔ2は、一定の速度Ｖ1でのアプローチ動作が終了し、加工ヘッド１２が一定の減速度で減速し始める時点を表している。換言すると、ギャップセンサが加工ヘッド１２とワーク１４との間のギャップ量を検出するのに十分な範囲まで加工ヘッド１２が接近したことを意味している（図５におけるギャップ量Ｇ1はギャップセンサ２０の検出範囲の上限を表す）。破線ｔ3は、一定の減速度による速度制御から、ギャップセンサ２０の出力に応じて定まるギャップ制御による速度制御に切換わる時点を示している。破線ｔ4は、加工ヘッド１２がギャップ基準位置Ｇ2に到達した時点を表している。
【００４１】
時点ｔ2から時点ｔ3までの期間において、加工ヘッド１２の速度Ｖは、前述したようにギャップ位置指令演算部５４によって出力される一定の設定減速度に従って減速される。時点ｔ3から時点ｔ4までの期間において、加工ヘッド１２は、ギャップセンサ２０による検出値に基づいて算出されるギャップ基準位置Ｇ2までの距離と、設定値である一定のアプローチゲインとから算出されるアプローチ速度に従って駆動される。このアプローチ速度の計算はギャップ位置指令演算部５４においてなされる。時点ｔ3は、速度Ｖ1から一定の減速度で減速させて得られる速度と、ギャップ制御によって一定のアプローチゲインに基づいて算出される速度とが交差する時点である。
【００４２】
図５に示されるように、ポジションゲインＰＧは、加工ヘッド１２の速度Ｖが低下し始める時点ｔ2まで一定の設定値が用いられる。時点ｔ2から時点ｔ4までの間は、前述したポジションゲインＰＧの補正処理が行われ、補正されたポジションゲインＰＧが使用される。
【符号の説明】
【００４３】
１０ 制御装置
１２ 加工ヘッド
１４ ワーク
１６ サーボモータ
２０ ギャップセンサ
２４ 移動量計算部
２６ サーボ制御部
２８ ギャップ制御部
４６ 位置制御処理部
４８ 速度制御処理部
５０ 電流制御処理部
５４ ギャップ位置指令演算部
５６ ポジションゲイン演算部
５８ 位置偏差読取部
８０ ギャップ制御部
８２ ギャップ位置指令演算部
８４ 位置偏差演算部
８６ ギャップ量演算部
８８ ポジションゲイン演算部
９０ ポジションゲイン調整部
９２ クランプ部
Ｇ ギャップ量
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工物から所定距離離間するギャップ基準位置において、加工ヘッドからレーザを照射して前記被加工物をレーザ加工するためのレーザ加工用制御装置であって、
前記加工ヘッドと前記被加工物との間のギャップ量を検出するギャップセンサと、
前記ギャップセンサと協働して、ギャップ位置指令を送出するギャップ位置指令演算部と、
前記ギャップ位置指令に基づいて加工ヘッドを前記ギャップ基準位置まで駆動するサーボ機構部と、
前記サーボ機構部の位置偏差量を読取るサーボ位置偏差読取部と、
前記サーボ機構部の前記位置偏差量に基づいて、前記サーボ機構部のための補正ポジションゲインを算出するポジションゲイン演算部と、
前記サーボ機構部のポジションゲインを、前記ポジションゲイン演算部において算出された前記補正ポジションゲインに切換えるポジションゲイン切換部と、
を備える、レーザ加工用制御装置。
【請求項２】
前記ポジションゲイン演算部が、前記ポジションゲイン及び加工ヘッドのアプローチ速度から理論位置偏差量を算出し、該理論位置偏差量と、前記サーボ位置偏差読取部によって読取られる前記サーボ機構部の前記位置偏差量とに基づいて、前記補正ポジションゲインを算出する、請求項１に記載のレーザ加工用制御装置。
【請求項３】
前記ポジションゲイン演算部が、前記ギャップセンサによって検出される前記ギャップ量に基づいて、前記補正ポジションゲインを調整した調整値を前記補正ポジションゲインとして算出する、請求項１又は２に記載のレーザ加工用制御装置。
【請求項４】
前記ポジションゲイン切換部によって切換えられるポジションゲインの変化量に基づいて前記補正ポジションゲインを調整するポジションゲイン調整部をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工用制御装置。
【請求項５】
前記補正ポジションゲインと、予め定められた所定値とを比較し、前記補正ポジションゲインの値が前記所定値を超える場合に、前記補正ポジションゲインを前記所定値にクランプするクランプ部をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工用制御装置。
【請求項１】
被加工物から所定距離離間するギャップ基準位置において、加工ヘッドからレーザを照射して前記被加工物をレーザ加工するためのレーザ加工用制御装置であって、
前記加工ヘッドと前記被加工物との間のギャップ量を検出するギャップセンサと、
前記ギャップセンサと協働して、ギャップ位置指令を送出するギャップ位置指令演算部と、
前記ギャップ位置指令に基づいて加工ヘッドを前記ギャップ基準位置まで駆動するサーボ機構部と、
前記サーボ機構部の位置偏差量を読取るサーボ位置偏差読取部と、
前記サーボ機構部の前記位置偏差量に基づいて、前記サーボ機構部のための補正ポジションゲインを算出するポジションゲイン演算部と、
前記サーボ機構部のポジションゲインを、前記ポジションゲイン演算部において算出された前記補正ポジションゲインに切換えるポジションゲイン切換部と、
を備える、レーザ加工用制御装置。
【請求項２】
前記ポジションゲイン演算部が、前記ポジションゲイン及び加工ヘッドのアプローチ速度から理論位置偏差量を算出し、該理論位置偏差量と、前記サーボ位置偏差読取部によって読取られる前記サーボ機構部の前記位置偏差量とに基づいて、前記補正ポジションゲインを算出する、請求項１に記載のレーザ加工用制御装置。
【請求項３】
前記ポジションゲイン演算部が、前記ギャップセンサによって検出される前記ギャップ量に基づいて、前記補正ポジションゲインを調整した調整値を前記補正ポジションゲインとして算出する、請求項１又は２に記載のレーザ加工用制御装置。
【請求項４】
前記ポジションゲイン切換部によって切換えられるポジションゲインの変化量に基づいて前記補正ポジションゲインを調整するポジションゲイン調整部をさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工用制御装置。
【請求項５】
前記補正ポジションゲインと、予め定められた所定値とを比較し、前記補正ポジションゲインの値が前記所定値を超える場合に、前記補正ポジションゲインを前記所定値にクランプするクランプ部をさらに備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ加工用制御装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−８６１７２（Ｐ２０１３−８６１７２Ａ）
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３２１０３（Ｐ２０１１−２３２１０３）
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【特許番号】特許第５１６６５８９号（Ｐ５１６６５８９）
【特許公報発行日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１３日（２０１３．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２１日（２０１１．１０．２１）
【特許番号】特許第５１６６５８９号（Ｐ５１６６５８９）
【特許公報発行日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【出願人】（３９０００８２３５）ファナック株式会社 (1,110)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]