JP2018030162A

JP2018030162A - レーザ制御装置

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Publication number: JP2018030162A
Application number: JP2016165399A
Authority: JP
Inventors: 隆良松本; Takayoshi Matsumoto; 武志持田; Takeshi Mochida
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2016-08-26
Filing date: 2016-08-26
Publication date: 2018-03-01
Also published as: CN107790873A; US20180056441A1; DE102017007912A1

Abstract

【課題】レーザ加工中の軸動作に応じてレーザビームの出力を変更することで、加工面品位を保つことができるレーザ制御装置を提供する。【解決手段】レーザ制御装置１００は、指令パワーの入力に応じてレーザビームを出力する。レーザ制御装置１００は、指令パワーと、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動の加速度と、の入力を受け付ける入力部１１０、指令パワーと、加速度に応じた係数と、に基づき出力パワーを算出するレーザ制御部１２０、出力パワーに従ってレーザビームを出力するＤ／Ａ変換部１３０とを有する。【選択図】図３

Description

本発明はレーザ制御装置に関し、特にレーザ加工中の軸動作に応じてレーザビームの出力を変更することで、加工面品位を保つ技術に関する。

レーザ加工においては、加工速度、パワー、周波数、デューティ等の要素がワークの切断加工面品位に影響する。例えば、加工経路にコーナ部があると、レーザ加工ヘッドはコーナ部で加減速を行う。このとき上記加工条件のうち速度が変化し、ワークに加えられる加工長あたりのエネルギーが変化する。このとき、ワークとレーザ加工ヘッドとの相対速度が低下するコーナ部では加工精度の低下、加工断面の粗さ、ワークの材質悪化等の悪影響等が生じる。

このような悪影響を抑制する手法として、特許文献１及び２には、レーザ加工ヘッドの動作を制御する数値制御装置が、レーザ加工ヘッド速度に比例するようパワー、周波数、デューティを自動的に変更することが開示されている。

図１は、従来技術の典型的な構成を示すブロック図である。数値制御装置（ＣＮＣ）の加工プログラム解析部は、加工プログラムを解析して指令パワー、指令周波数、指令デューティを出力する。補間処理部は、補完処理を行い、レーザ加工ヘッドの速度情報を算出する。移動指令出力部は、補完処理の結果を基に移動指令を出力する。サーボ制御部は、移動指令を基にサーボモータを制御する。サーボモータは、レーザ加工ヘッドを移動させる。一方、レーザビーム指令演算部は、レーザ加工ヘッドの速度情報、指令パワー、指令周波数、指令デューティに基づいて、当該速度に適したパワー、周波数、デューティを算出し出力する。そしてレーザ発振器は、当該速度に適したパワー、周波数、デューティによりレーザビームを出力する。

特開平１−１９７０８４号公報特開昭６１−２２６１９７号公報

しかしながら、従来技術は、数値制御装置におけるレーザ出力制御技術である。一般に、従来例が開示するような制御を行うべく数値制御装置をプログラムするには高い技術力が必要である。例えばロボットメーカはレーザ加工のノウハウの蓄積が豊富でないことが多く、数値制御装置をプログラムして、レーザ加工ヘッドの加減速を考慮した連続又はパルスのパワー指令を作成することは困難である。

また、レーザ発振器自体もパワー及びビームオン／オフのインタフェースしか備えていないことが一般的であり、加減速に応じてパワーを制御するような機能を有しない。

したがって、ロボットがレーザ溶接や切断を行うようなシステムにおいては、レーザ加工ヘッドが加減速するときにも等速条件と同じパワー、周波数又はデューティが用いられ、結果としてバリ等の加工不良が発生してしまうという問題が生じていた。

図２は、従来のレーザ加工ロボットの構成例を示すブロック図である。ロボットのレーザビーム指令部は、指令パワー、指令周波数、指令デューティ、及びビームオン又はオフの指令を出力する。レーザビーム指令演算部は、レーザビーム指令部から受信した指令に基づいて、パワー、及びビームオン又はオフの指令をレーザ発振器に対し出力する。レーザ発振器は、レーザビーム指令演算部から受信して指令に基づいてレーザビームを出力する。ここで、レーザ発振器に入力される指令には、レーザ加工ヘッドの速度等に関する情報が一切含まれていない。したがって、レーザ発振器は速度等に基づくレーザ出力制御を行えない。

本発明は、これらの問題点を解決するためになされたものであり、レーザ加工中の軸動作に応じてレーザビームの出力を変更することで、加工面品位を保つことができるレーザ制御装置を提供することを目的とする。

本発明の一実施の形態にかかるレーザ制御装置は、指令パワーの入力に応じてレーザビームを出力するレーザ制御装置であって、前記指令パワーと、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動の加速度と、の入力を受け付ける入力部と、前記指令パワーと、前記加速度に応じた係数と、に基づき出力パワーを算出するレーザ制御部と、前記出力パワーに従って前記レーザビームを出力するＤ／Ａ変換部と、を有する。

他の実施の形態にかかるレーザ制御装置は、指令パワーの入力に応じてレーザビームを出力するレーザ制御装置であって、前記指令パワーと、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動速度と、の入力を受け付ける入力部と、前記指令パワーと、前記速度の変化に応じた係数と、に基づき出力パワーを算出するレーザ制御部と、前記出力パワーに従って前記レーザビームを出力するＤ／Ａ変換部と、を有する。

他の実施の形態にかかるレーザ制御装置では、前記レーザ制御部は、前記レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が加速している間、前記出力パワーを漸増させる制御を行う。

他の実施の形態にかかるレーザ制御装置では、前記レーザ制御部は、前記レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が減速している間、前記出力パワーを漸減させる制御を行う。

本発明によれば、レーザ加工中の軸動作に応じてレーザビームの出力を変更することで、加工面品位を保つことができるレーザ制御装置を提供することができる。

従来のレーザ加工を制御する数値制御装置の構成例を示す図である。従来のレーザ加工を行うロボットの構成例を示す図である。本発明の実施の形態１にかかるレーザ制御装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態１にかかるレーザ制御装置の動作を示す図である。本発明の実施の形態１にかかるレーザ制御装置の動作を示す図である。本発明の実施の形態１にかかるレーザ制御装置の動作を示す図である。本発明の実施の形態２にかかるレーザ制御装置の構成を示す図である。

＜実施の形態１＞
図３のブロック図を用いて、本発明の実施の形態１にかかるレーザ制御装置１００の構成について説明する。レーザ制御装置１００は、入力部１１０、レーザ制御部１２０、Ｄ／Ａ変換部１３０を有する。

入力部１１０は、パワー、周波数、デューティといった指令に加え、加速度情報の入力を受け付ける。典型的には、ロボット又は数値制御装置（ＣＮＣ）がパワー、周波数、デューティ等の指令を出力する。そしてレーザ加工ヘッド、またはワークを載せるテーブルに取り付けられた加速度センサが加速度を出力する。これらの情報はデジタル情報であることが好ましく、入力部１１０は例えばＥｔｈｅｒｎｅｔ（登録商標）等のデジタル入力インタフェースを備えることが好ましい。

あるいは、上記加速度センサに代えて、ＣＮＣの補間処理部が生成した加速度情報が入力部１１０に入力されても良い。補間処理部は加減速の指令に基づく補完処理を実施するが、その際に加速度を生成、出力することが可能である。

レーザ制御部１２０は、入力部１１０に入力される加速度を監視する。そして、入力された加速度に応じた係数を、入力された指令パワーに乗じて、レーザの出力パワーを算出する。

Ｄ／Ａ変換部１３０は、レーザ制御部１２０が算出した出力パワーと、入力部１１０に入力された指令周波数、指令デューティでレーザビームを出力する。

次に、図５Ａ及び図５Ｂのフローチャート並びに図４のチャートを用いて、実施の形態１にかかるレーザ制御装置１００の動作について説明する。レーザ制御装置１００は、図５に示す処理を一定時間毎に繰り返し実施することで、継続的なパワーコントロールを行う。なお、以下の説明において、指令パワー入力直後、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が加速中にレーザ制御部１２０が行う制御を「閾値１のパワーコントロール」、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動の速度が一定となってから減速する場合にレーザ制御部１２０が行う制御を「閾値２のパワーコントロール」、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が減速から加速に転じた後にレーザ制御部１２０が行う制御を「閾値３のパワーコントロール」と称する（図４）。

Ｓ１０１：
入力部１１０が、ロボット又はＣＮＣから指令パワー、指令周波数、指令デューティの入力を受け付ける。

Ｓ１０２：
レーザ制御部１２０が既にパワーコントロールを実施中であれば、Ｓ１０７に遷移する。その他の場合はＳ１０３に遷移する。

Ｓ１０３：
レーザ制御部１２０は、入力部１１０に入力される指令パワーが０から正の値に変化し（すなわち何らかの指令パワーが入力された）、かつ加速度が正の値である（すなわちレーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が加速中である）かを判定する。ここで、指令パワーが０から正の値に変化したか否かは、Ｓ１０１で読み込んだ指令パワーと、１サイクル前の指令パワーとを比較することにより判断できる。判定結果が真である場合はＳ１０４に遷移し、偽である場合はＳ１０５に遷移する。

Ｓ１０４：
レーザ制御部１２０は、「閾値１のパワーコントロール」を実施する。レーザ制御部１２０は、以下の式（１）に従って出力パワーを算出する。
Ｍ＝Ｍ_Ｃ×ΣΔｋ_１・・・（１）
ここでＭは出力パワー、Ｍ_Ｃは指令パワー、Δｋ_１は予め定義された倍率である。すなわち、レーザ制御部１２０は、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が等速に至るまでは単位時間あたりΔｋ_１の割合で出力パワーを上げてゆき、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が等速に至ったときには１００％の指令パワーＭ_Ｃが出力されるよう制御を行う。

Ｓ１０５：
レーザ制御部１２０は、入力部１１０に入力される指令パワーが０でない正の値であり、かつ指令パワーに変化がなく、かつ加速度が負の値である（すなわちレーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が減速中である）かを判定する。ここで、指令パワーに変化がないか否かは、Ｓ１０１で読み込んだ指令パワーと、１サイクル前の指令パワーとを比較することにより判断できる。判定結果が真である場合はＳ１０６に遷移し、偽である場合はＳ１１２に遷移する。

Ｓ１０６：
レーザ制御部１２０は、「閾値２のパワーコントロール」を実施する。レーザ制御部１２０は、以下の式（２）に従って出力パワーを算出する。
Ｍ＝Ｍ_Ｃ×（１−ΣΔｋ_２）・・・（２）
ここでＭは出力パワー、Ｍ_Ｃは指令パワー、Δｋ_２は予め定義された倍率である。すなわち、レーザ制御部１２０は、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が等速運動から減速に転じたときは、１００％の指令パワーＭ_Ｃから単位時間あたりΔｋ_２の割合で出力パワーを減ずる制御を行う。

Ｓ１０７：
レーザ制御部１２０は、入力部１１０に入力される加速度が０である（すなわちレーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が等速で運動している）かを判定する。判定結果が真である場合はＳ１０８に遷移し、偽である場合はＳ１０９に遷移する。

Ｓ１０８：
レーザ制御部１２０はパワーコントロールを終了する。

Ｓ１０９：
レーザ制御部１２０は、加速度が負の値から正の値に転じた（すなわちレーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が減速から加速に転じた）かを判定する。ここで、指令パワーが負の値から正の値に変化したか否かは、Ｓ１０１で読み込んだ指令パワーと、１サイクル前の指令パワーとを比較することにより判断できる。判定結果が真である場合はＳ１１０に遷移し、偽である場合はＳ１１１に遷移する。

Ｓ１１０：
レーザ制御部１２０は、「閾値３のパワーコントロール」を実施する。レーザ制御部１２０は、以下の式（３）に従って出力パワーを算出する。
Ｍ＝Ｍ_Ｃ×（１−ΣΔｋ_２＋ΣΔｋ_３）・・・（３）
ここでＭは出力パワー、Ｍ_Ｃは指令パワー、Δｋ_２及びΔｋ_３は予め定義された倍率である。すなわち、レーザ制御部１２０は、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が減速から加速に転じたときは、その時点の出力パワーＭ＝Ｍ_Ｃ×（１−ΣΔｋ_２）から単位時間あたりΔｋ_３の割合で出力パワーを増加させる制御を行う。

Ｓ１１１：
レーザ制御部１２０は実施中のパワーコントロールを継続する。

Ｓ１１２乃至Ｓ１１５：
レーザ制御部１２０は、ステップＳ１０１において入力部１１０に入力された指令周波数、指令デューティに基づいて、レーザビームのＯＮ／ＯＦＦ時間を計算する。レーザ制御部１２０は、パワー、ビームＯＮ時間、ビームＯＦＦ時間をＤ／Ａ変換部１３０に対し出力する。Ｄ／Ａ変換部１３０は、入力されたパワー、ビームＯＮ時間、ビームＯＦＦ時間に従ってレーザビームを出力する。

本実施の形態によれば、レーザ制御装置１００のレーザ制御部１２０が、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動の加速度に応じて適切な出力パワーを算出し、レーザビームの出力を制御する。より具体的には、レーザ制御部は、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が加速している間、出力パワーを漸増させる制御を行う。また、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が減速している間は、出力パワーを漸減させる制御を行う。そのため、ＣＮＣ側でレーザ加工ヘッドとワークとの相対移動の加減速を考慮したパワー指令を作成する必要がない。従来のレーザ加工ロボット等にレーザ制御装置１００を組み合わせることで、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動の加減速を考慮した出力パワーの制御を実現することが可能である。

＜実施の形態２＞
実施の形態２にかかるレーザ制御装置１００は、実施の形態１で用いた加速度情報に代えて、速度情報を用いる点に特徴を有する。以下、実施の形態２の構成および動作について実施の形態１との相違点を中心に説明し、実施の形態１と共通する点については適宜説明を省略する。

図６のブロック図を用いて、本発明の実施の形態２にかかるレーザ制御装置１００の構成について説明する。

入力部１１０は、パワー、周波数、デューティといった指令に加え、速度情報の入力を受け付ける。典型的には、レーザ加工ヘッド、またはワークを載せるテーブルに取り付けられた速度センサが速度を出力する。
あるいは、上記速度センサに代えて、ＣＮＣの補間処理部が生成した速度情報が入力部１１０に入力されても良い。補間処理部は速度指令に基づく補間処理を実施するが、その際に速度を生成、出力することが可能である。

レーザ制御部１２０は、入力部１１０に入力される速度を監視する。そして、速度変化に応じた係数を、入力された指令パワーに乗ずることで、レーザの出力パワーを算出する。

次に、図５Ａ及び図５Ｂのフローチャートを用いて、実施の形態２にかかるレーザ制御装置１００の動作について説明する。

実施の形態１では、ステップＳ１０３、Ｓ１０５、Ｓ１０７及びＳ１０９において、レーザ制御部１２０は、加速度情報を用いて、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が加速中であるか、等速運動をしているか、又は減速中であるかを判断した。一方、実施の形態２では、レーザ制御部１２０は、速度情報を用いて、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が加速中であるか、等速運動をしているか、又は減速中であるかを判断する。

例えば、レーザ制御部１２０は、Ｓ１０１で読み込んだ速度と、１サイクル前に読み込んだ速度とを比較することにより、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が加速中であるか、等速運動をしているか、又は減速中であるかを判断できる。

あるいは、レーザ制御部１２０は、ステップＳ１０１において、現在のレーザ加工ヘッドとワークとの相対移動速度のほか、目標速度を読み込むこととしてもよい。この場合、現在速度が目標速度と一致して（又は一定の誤差範囲に収まって）いれば、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動は等速運動をしていると判断できる。他方、現在速度が目標速度から乖離していれば、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動は加速中又は減速中であると判断できる。

本実施の形態においても、レーザ制御装置１００のレーザ制御部１２０は、レーザ加工ヘッドの加速度に応じて適切な出力パワーを算出し、レーザビームの出力を制御できる。なお、実施の形態１と比較すると、実施の形態２においては加速、減速、等速の判定に余分な処理を要する。また、目標速度を用いる場合には、入力部１１０は現在速度及び目標速度の２つのデータの入力を受け付けるための変数を確保する必要がある。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。本発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１００レーザ制御装置
１１０入力部
１２０レーザ制御部
１３０Ｄ／Ａ変換部

Claims

指令パワーの入力に応じてレーザビームを出力するレーザ制御装置であって、
前記指令パワーと、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動の加速度と、の入力を受け付ける入力部と、
前記指令パワーと、前記加速度に応じた係数と、に基づき出力パワーを算出するレーザ制御部と、
前記出力パワーに従って前記レーザビームを出力するＤ／Ａ変換部と、を有する
レーザ制御装置。
指令パワーの入力に応じてレーザビームを出力するレーザ制御装置であって、
前記指令パワーと、レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動速度と、の入力を受け付ける入力部と、
前記指令パワーと、前記速度の変化に応じた係数と、に基づき出力パワーを算出するレーザ制御部と、
前記出力パワーに従って前記レーザビームを出力するＤ／Ａ変換部と、を有する
レーザ制御装置。
前記レーザ制御部は、前記レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が加速している間、前記出力パワーを漸増させる制御を行う
請求項１又は２記載のレーザ制御装置。
前記レーザ制御部は、前記レーザ加工ヘッドとワークとの相対移動が減速している間、前記出力パワーを漸減させる制御を行う
請求項１又は２記載のレーザ制御装置。