JP2008200712A - Method and apparatus for laser beam machining - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光を集光して被加工物に照射し、加工ヘッドを被加工物に対し相対的に移動させ、被加工物上の集光点を走査して、切断、溶接、マーキング等のレーザ加工を行うレーザ加工方法に関し、特には、円弧・楕円・線分等の経路に沿って、集光点を走査することで、走査軌跡上の形状を以ってレーザ加工を行う技術に関する。 The present invention condenses laser light and irradiates the workpiece, moves the processing head relative to the workpiece, scans the focal point on the workpiece, and performs cutting, welding, and marking. In particular, a technique for performing laser processing with a shape on a scanning locus by scanning a condensing point along a path such as an arc, an ellipse, or a line segment, etc. About.
レーザ切断、レーザ溶接、レーザマーキングを行うレーザ加工装置には、いくつかの方式がある。例えば、被加工物上のレーザ照射領域の形状を光学系で生成して照射パターンに応じた加工を行うものや、ガルバノミラーを使用した光学系でパルス状のレーザをスキャンして被加工物表面上に形状加工を行うものがある。一方、多数のレーザ加工装置に採用されている方法として、レーザビームを被加工物上に集光し、その集光点を走査することで逐次レーザ加工を行う方式のものもある。 There are several types of laser processing apparatuses that perform laser cutting, laser welding, and laser marking. For example, the shape of the laser irradiation area on the workpiece is generated by the optical system and processing is performed according to the irradiation pattern, or the surface of the workpiece is scanned by a pulsed laser with an optical system using a galvanometer mirror Some of them perform shape processing. On the other hand, as a method employed in many laser processing apparatuses, there is a method in which laser processing is sequentially performed by condensing a laser beam on a workpiece and scanning the condensing point.
集光点を走査する方式のレーザ加工装置は一般に、数値制御装置を備え、サーボモータにより集光点及び被加工物を相対移動させて走査を行う。レーザビームは、レーザ発振器から光ファイバーや反射鏡を用いて、集光光学系を有するレーザ加工ヘッドに導かれ、アシストガス又はシールドガスとともに集光点に照射される。 A laser processing apparatus that scans a condensing point generally includes a numerical control device, and performs scanning by relatively moving the condensing point and the workpiece by a servo motor. The laser beam is guided from a laser oscillator to a laser processing head having a condensing optical system using an optical fiber or a reflecting mirror, and is irradiated to a condensing point together with an assist gas or a shield gas.
サーボモータによる駆動は、少なくともXY2軸の構成であることが必要だが、加工ヘッドを被加工物から離して退避させるために、Z軸も含めた3軸構成とすることが最も多い。また3次元形状の被加工物に所望の方向からレーザビームを照射するために、さらに多数の駆動軸を備えることもある。 The drive by the servo motor is required to have at least an XY two-axis configuration, but in most cases, a three-axis configuration including the Z axis is used to retract the processing head away from the workpiece. Further, in order to irradiate a three-dimensional workpiece with a laser beam from a desired direction, a plurality of drive shafts may be provided.
このようなレーザ加工装置では、数値制御装置は通常、NCプログラム又はティーチングプレイバック方式による運転プログラムを解読し、サーボモータに移動指令を出力する。いずれのプログラム形態であっても、プログラムは、ブロックもしくは「命令行」と称される移動指令単位で構成されているものが主流である。このブロック又は「命令行」は、逐次実行され、その移動指令単位は現在点から目的地への移動指令という形で実行される。さらに、目的地への移動指令単位には移動経路を指定する手段が含まれる。移動経路としては、線分(直線)、円弧又は円のような形状を指定する場合と、各軸の動きを指定する場合とがある。後者の場合には、それぞれの軸が指定速度に基づいて独立に作動する場合と、それぞれの軸が終点到達時に同時に動作を終了するように、軸速度が制御されて駆動される場合とがある。なお、形状を指定する場合は、2ブロックにわたって指令される場合もあるが、この場合も動作指令としては1つの形状と考えることができる。 In such a laser processing apparatus, the numerical control apparatus normally decodes an operation program based on the NC program or the teaching playback method, and outputs a movement command to the servo motor. Regardless of the program form, the program is mainly composed of movement command units called blocks or “command lines”. This block or “command line” is sequentially executed, and the movement command unit is executed in the form of a movement command from the current point to the destination. Further, the unit for moving to the destination includes means for specifying the moving route. As a movement path, there are a case where a shape such as a line segment (straight line), an arc or a circle is designated, and a case where a movement of each axis is designated. In the latter case, there are a case where each axis operates independently based on a designated speed, and a case where each axis is driven with its axis speed controlled so that the operation ends simultaneously when reaching the end point. . In addition, when designating a shape, it may be commanded over two blocks, but in this case as well, it can be considered as one shape as an operation command.
一方、レーザ加工において実際に加工形状として使用される個々の形状は線分、円弧又は円として指定される場合が圧倒的に多く、稀に楕円やスプライン曲線として指定されることもある。従って、大部分のレーザ加工は、線分、円弧及び円の3種類の形状を多数組み合わせた軌跡を移動することによって実行される。 On the other hand, individual shapes that are actually used as machining shapes in laser machining are overwhelmingly often designated as line segments, arcs, or circles, and rarely are designated as ellipses or spline curves. Therefore, most laser processing is performed by moving a locus obtained by combining a large number of three types of shapes, ie, line segments, arcs, and circles.
例えば、板金の切断加工では、丸穴、長穴、四角穴及び外周部の輪郭形状が上記3種類の形状を用いて記述され、被加工物が記述された軌跡に沿って一筆画きの要領で切断されていく。但し、ある加工形状と他の加工形状が離れている場合は、一旦レーザ照射を停止してレーザ加工ヘッドを移動する。この場合は、上記3種類の形状に関係なくサーボ軸が駆動されるが、通常は直線駆動が多い。実際のNCプログラムの例を、各行の簡単な説明とともに以下に示す。 For example, in the cutting process of sheet metal, the outline shape of a round hole, a long hole, a square hole, and an outer peripheral portion is described using the above three types of shapes, and the stroke of the workpiece is drawn in the manner of a stroke. It will be cut off. However, when a certain machining shape is separated from another machining shape, laser irradiation is temporarily stopped and the laser machining head is moved. In this case, the servo shaft is driven regardless of the above three types of shapes, but usually linear driving is often performed. An example of an actual NC program is shown below with a brief description of each line.
G00 X50. Y45. ; レーザ加工を開始する点に移動し一旦停止
G01 X50. Y50. R5. S1000 F8000 ; (50,50)の地点まで線分でレーザ加工
G02 J-10. ; 現在地点からY座標-10の地点を中心として真円をレーザ加工
G00 X95. Y45 ; レーザを照射せず次のレーザ加工開始点(95,45)に移動
G00 X50. Y45.; Move to the point where laser processing starts and stop
G01 X50. Y50. R5. S1000 F8000; Laser machining with line segment to the point of (50,50)
G02 J-10.; Laser machining of perfect circle centered on Y coordinate -10 from current point
G00 X95. Y45; Move to the next laser processing start point (95,45) without laser irradiation
現在主流のレーザ加工装置では、レーザ加工は基本的には、先ず加工ヘッドをレーザ加工開始点に停止し、次にレーザ照射を始め、それとほぼ同時に加工ヘッドを移動してレーザ加工を行い、所望の形状を加工し終えたら加工ヘッドを停止し、レーザ照射を停止する、というサイクルが繰り返される。この方法では、一連の加工形状の始点及び終点において、必ずサーボ軸が一時停止する。そこで、例えば特許文献1には、多数の形状のレーザ加工を行う場合に、加工ヘッドを停止せずにサーボ軸移動を行いながらレーザビームをオンオフして、従来の加工方法の加減速時間を短縮するレーザ加工装置が開示されている。
In the current mainstream laser processing equipment, laser processing is basically performed by first stopping the processing head at the laser processing start point, then starting laser irradiation, and moving the processing head almost simultaneously with that to perform laser processing. After finishing the shape, the cycle of stopping the processing head and stopping the laser irradiation is repeated. In this method, the servo axis always stops temporarily at the start point and end point of a series of machining shapes. Therefore, for example, in
一方、レーザ加工には、熱加工であるが故に起きる問題がある。軌跡のコーナ部分では、精度のよい軌跡形状を得るために、加工速度を落とさざるを得ないが、このような場合、一定のレーザ出力で加工を行うと、低速で移動している部分で被加工物に与えられる熱量が大きくなり、一定のレーザ加工結果を得ることができないことがある。これを回避する方法の一つがコーナループ加工である。コーナループ加工は、多くの場合、加工ヘッドの移動を停止することなく行われるので、これも、加工ヘッドを停止しないタイプのレーザ加工である。そして、コーナループの軌跡の最適化についても、先行する提案がある(特許文献2)。 On the other hand, laser processing has a problem that occurs because it is thermal processing. In the corner part of the trajectory, the machining speed must be reduced in order to obtain a precise trajectory shape. In such a case, if machining is performed with a constant laser output, the part that is moving at a low speed is covered. The amount of heat given to the workpiece increases, and a certain laser processing result may not be obtained. One method for avoiding this is corner loop machining. Since corner loop machining is often performed without stopping the movement of the machining head, this is also a type of laser machining that does not stop the machining head. There is a prior proposal for optimization of the locus of the corner loop (Patent Document 2).
一連のレーザ加工ヘッドの移動を滑らかな経路で結べば、レーザ加工時間の短縮を図ることはできる。例えば特許文献2でも、従来は単純な円弧であったコーナループ形状を2つの放物線と1/4円弧とを組み合わせた形状に置換して、加工時間の短縮化を図っている。しかし、指令した軌跡がその指令単位の始点と終点において幾何学的に滑らかに接していれば、円滑に装置が運転できるというものではない。例えば、図16(a)に示すように、シャープなコーナを加工する場合、直線l1及びl2と円弧c1とがそれぞれ点t1及びt2において互いに滑らかに接続する加工経路であったとしても、t1及びt2において円弧の法線方向の加速度が突然変化することになり、機械的なショックによって軌跡精度が悪くなる。このことは、加工すべき部位間を移動してレーザ加工を行う場合も同様であって、例えば、図16(b)に示すように、複数(図示例では2つ)の丸穴c2及びc3を切断加工する場合、丸穴間の最短移動経路としては破線で示した線分l3のようになるが、l3と円c3との接続点t3においてレーザ加工装置は大きな機械的ショックを受けることになり、丸穴の形状精度が維持できない。そこで、このような加速度の時間変化、すなわち加々速度を抑えて加工する提案(特許文献3)や、加々速度が大きくなる場合は、減速により、これを小さく抑える提案(特許文献4)がある。
By connecting a series of laser processing head movements along a smooth path, the laser processing time can be shortened. For example, in
このような背景から、如何なる軌跡経路を生成すれば、形状精度を保ちつつ高速にレーザ加工を行えるかが課題となる。この課題については、レーザ切断における丸穴を多数切り落とすための、経路生成についての提案(特許文献5)や、角穴を切断するための経路生成に関する提案(特許文献6)がある。一方、一般的な工作機械にあっては、滑らかに接続しない軌跡経路の相前後する経路区間について、移動指令値を重畳して指令して円滑に接続しようという提案がある(例えば特許文献7参照)。 From such a background, what kind of locus path is generated becomes a problem whether laser processing can be performed at high speed while maintaining shape accuracy. With respect to this problem, there are a proposal for generating a path for cutting off many round holes in laser cutting (Patent Document 5) and a proposal for generating a path for cutting a square hole (Patent Document 6). On the other hand, in a general machine tool, there is a proposal to smoothly connect and superimpose movement command values on path sections that follow each other of path paths that are not smoothly connected (see, for example, Patent Document 7). ).
レーザ切断の場合、被加工対象が例えば厚さ1mm以下の極薄い板状材料である場合は、レーザ切断に先行する穴開け加工、すなわちいわゆるピアシング加工を行わなくても、良好なレーザ切断の開始が可能である。一方、それ以上の板厚を有する材料の場合は、先ずピアシング加工を行わないと、一般に切断開始点の切断結果が良好とならない。しかしレーザ切断では、切断ラインの片側は切り落とされて不要となる場合が多いので、先ずこの不要部分にピアシング加工を行い、加工ヘッドを移動しながら穴開けを行えば、切断結果が良好でないレーザ切断開始部分は最終的には捨ててしまうので切断結果には問題ないと言える。従って、このように不要部分からレーザ切断を開始すれば、加工ヘッドを停止することなくレーザ切断が行えるので、結果として加工時間が短縮される。(特許文献1参照)。 In the case of laser cutting, when the object to be processed is an extremely thin plate-like material having a thickness of 1 mm or less, for example, good laser cutting can be started without performing drilling processing before laser cutting, that is, so-called piercing processing. Is possible. On the other hand, in the case of a material having a thickness greater than that, the cutting result at the cutting start point is generally not good unless piercing is performed first. However, in laser cutting, one side of the cutting line is often cut off and unnecessary, so piercing is first performed on this unnecessary part, and drilling is performed while moving the processing head. Laser cutting with poor cutting results Since the starting part is eventually discarded, it can be said that there is no problem in the cutting result. Therefore, if laser cutting is started from an unnecessary portion in this way, laser cutting can be performed without stopping the processing head, resulting in a reduction in processing time. (See Patent Document 1).
上述のように、高速かつ機械的振動を生じない滑らかな加工ヘッドの移動を実現するためには、加工ヘッドの加々速度を制限する必要がある。そのためには、加工時も含めた移動経路をスプライン曲線やベジエ曲線で構成すれば比較的容易であるが、これらの曲線は形状が複雑でありその形成(プログラミング)が困難である。従って、移動経路を直線、円及び楕円又はそれらの組み合わせのみから容易に構成できることは非常に有用である。 As described above, in order to realize a high-speed and smooth movement of the machining head that does not cause mechanical vibration, it is necessary to limit the jerk of the machining head. For that purpose, it is relatively easy if the movement path including the time of machining is constituted by a spline curve or a Bezier curve. However, these curves are complicated in shape and are difficult to form (program). Therefore, it is very useful that the movement path can be easily configured only from a straight line, a circle and an ellipse or a combination thereof.
そこで本発明は、このような問題を解決するために、丸穴、長穴、四角穴、コーナループ部分、ミクロジョイント部分及び輪郭形状等を切断するレーザ切断において、これらの形状又は組み合わせを、機械的なショックを回避しつつ高速かつ高精度でレーザ切断するための、軌跡経路の生成及び軌跡経路に従う移動の実行を可能にするものであり、また、レーザマーキングにおいては、線分、円弧、楕円又は文字等の複雑な形状を、機械的なショックを回避しつつ高速かつ高精度でレーザマーキングするための、軌跡経路の生成及び軌跡経路に従う移動の実行を可能にするものであり、さらに、レーザ溶接では、同様に、線分、円弧若しくは楕円又はそれらの組み合わせで指定された溶接形状を、機械的なショックを回避しつつ高速かつ高精度でレーザ溶接するための、軌跡経路の生成及び軌跡経路に従う移動の実行を可能にするレーザ加工方法及びレーザ加工装置を提供することを目的とする。 Therefore, in order to solve such a problem, the present invention provides a laser cutting method for cutting round holes, long holes, square holes, corner loop parts, micro joint parts, contour shapes, etc. This makes it possible to generate a trajectory path and execute a movement according to the trajectory path in order to perform laser cutting at high speed and with high accuracy while avoiding a typical shock. Alternatively, it enables generation of a trajectory path and execution of movement according to the trajectory path for laser marking with high speed and high accuracy while avoiding mechanical shocks, and a complicated shape such as a character. Similarly, in welding, a welding shape specified by a line, arc, ellipse, or a combination thereof is applied at high speed and high precision while avoiding mechanical shock. And an object in for laser welding, to provide a laser processing method and laser processing apparatus for enabling execution of the movement in accordance with the generation and the trajectory path of the trajectory path.
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、レーザ光を集光して被加工物に照射し、数値制御装置により、加工ヘッドを被加工物に対し相対移動させることにより被加工物上の集光点を走査してレーザ加工を行うレーザ加工方法であって、直線、円弧及び楕円のいずれかからなり、指令された接線速度でレーザ加工を行う経路を含む経路区間の開始点に、同じ曲率半径を有して接する直線、円弧及び楕円のいずれかからなる加速区間を、レーザ加工を行う経路区間に先立って設定するステップと、前記加速区間の開始点から前記経路区間を含む連続した2つの区間について、それらの区間を記述する第1の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第1の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記加速区間の開始点に向かうレーザ加工を行わない移動経路区間を設定するステップと、前記移動経路区間について、該移動経路区間を記述する第2の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第2の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記移動経路区間の減速が終了する前に前記加速区間での移動指令を重畳して指令するステップと、前記加速区間が終了する前に、前記移動経路区間の減速を終了させるステップと、を有することを特徴とする、レーザ加工方法を提供する。
In order to achieve the above-mentioned object, the invention according to
請求項2に記載の発明は、レーザ光を集光して被加工物に照射し、数値制御装置により、加工ヘッドを被加工物に対し相対移動させることにより被加工物上の集光点を走査してレーザ加工を行うレーザ加工方法であって、直線、円弧及び楕円のいずれかからなり、指令された接線速度でレーザ加工を行う経路を含む経路区間の終了点に、同じ曲率半径を以って接する直線、円弧及び楕円のいずれかからなる減速区間を、レーザ加工を行う経路区間に続いて設定するステップと、前記経路区間から前記減速区間の終了点までを含む連続した2つの区間について、それらの区間を記述する第1の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第1の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記減速区間の終了点から、次のレーザ加工を行う経路区間に向かうレーザ加工を行わない移動経路区間を設定するステップと、前記移動経路区間について、該移動経路区間を記述する第2の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第2の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記減速区間の開始以降に、前記移動経路区間の移動指令が重畳して指令するステップと、を有することを特徴とする、レーザ加工方法を提供する。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1又は2に記載のレーザ加工方法において、上記の第1の座標系及び第2の座標系は同一の座標系である、レーザ加工方法を提供する。 A third aspect of the present invention provides the laser processing method according to the first or second aspect, wherein the first coordinate system and the second coordinate system are the same coordinate system.
請求項4に記載の発明は、請求項2に記載のレーザ加工方法において、前記レーザ加工を行う経路区間と前記減速区間との接点においてレーザの照射を停止するステップをさらに含む、レーザ加工方法を提供する。
The invention according to
また請求項5に記載の発明は、請求項1又は2に記載のレーザ加工方法において、前記加速区間又は前記減速区間と前記レーザ加工を行わない移動経路区間との速度を指令する指令速度を、同じ加々速度及び加速度で指令し、前記加速区間又は前記減速区間の接線長さと同じ接線長さの移動経路末端区間を、前記レーザ加工を行わない移動経路区間の末端に設定するステップをさらに含む、レーザ加工方法を提供する。
The invention according to
請求項6に記載の発明は、請求項1又は2に記載のレーザ加工方法において、レーザ加工を行う複数の区間に挟まれたレーザ加工を行わない移動経路区間の長さが前記減速区間及び前記加速区間の和よりも短い場合には、前記レーザ加工を行わない移動経路区間の移動に要する時間を、前記加速区間及び前記減速区間にかかる時間の和に等しくなるように調整するステップをさらに含む、レーザ加工方法を提供する。 According to a sixth aspect of the present invention, in the laser processing method according to the first or second aspect, the length of the moving path section that does not perform laser processing sandwiched between the plurality of sections that perform laser processing is the deceleration section and the If it is shorter than the sum of the acceleration sections, the method further includes a step of adjusting a time required for the movement of the movement path section where the laser processing is not performed to be equal to a sum of the times required for the acceleration section and the deceleration section. A laser processing method is provided.
請求項7に記載の発明は、円形の経路に沿って加工する請求項1に記載のレーザ加工方法であって、前記円形の経路へ向かう線分からなる移動経路区間の開始点からみて前記円形の経路上の最も遠い点を、レーザ加工を行う経路区間の開始点として設定し、かつ、レーザ加工を行う経路区間の前の加速区間の開始点を移動経路区間終了点として設定するステップをさらに含む、レーザ加工方法を提供する。
The invention according to
さらに請求項8に記載の発明は、円弧及び線分からなる図形の経路に沿って切断し穴開け加工する請求項1に記載のレーザ加工方法であって、前記図形の経路へ向かう線分からなる移動経路区間の開始点からみて前記図形の経路の円弧上の最も遠い点を、レーザ加工を行う経路区間の開始点として設定し、かつ、レーザ加工を行う経路区間の前の加速区間の開始点を移動経路区間終了点として設定するステップをさらに含む、レーザ加工方法を提供する。
Furthermore, the invention according to
請求項9に記載の発明は、コーナエッジ形状部分のループ型移動経路区間を利用してレーザ加工を行う請求項1、2又は6に記載のレーザ加工方法であって、コーナ部分に向かうレーザ加工区間の延長上に減速区間と、前記コーナ部分から始まるレーザ加工区間に先立つ加速区間と、前記減速区間の終了点及び前記加速区間の開始点をそれぞれ始点及び終点とする線分又は円弧からなる移動経路区間とを設定するステップをさらに有する、レーザ加工方法を提供する。
The invention according to claim 9 is the laser processing method according to
請求項10に記載の発明は、ミクロジョイント加工を行う請求項1、2又は6に記載のレーザ加工方法であって、ミクロジョイント部分に向かうレーザ加工区間の延長上に減速区間と、前記ミクロジョイント部分から始まるレーザ加工区間に先立つ加速区間と、前記減速区間の終了点及び前記加速区間の開始点をそれぞれ始点及び終点とする線分または円弧からなる移動経路区間とを設定するステップをさらに含む、レーザ加工方法を提供する。 A tenth aspect of the present invention is the laser processing method according to the first, second, or sixth aspect, wherein the microjoining is performed, wherein a deceleration section is formed on an extension of the laser processing section toward the microjoint portion, and the microjoint Further comprising a step of setting an acceleration section preceding a laser processing section starting from a portion, and a movement path section composed of a line segment or an arc having an end point of the deceleration section and a start point of the acceleration section as a start point and an end point, respectively. A laser processing method is provided.
請求項11に記載の発明は、請求項5に記載のレーザ加工方法において、前記加速区間において、加工ヘッドと被加工物との距離を一定に保つフィードバック制御を開始するステップをさらに含む、レーザ加工方法を提供する。
The invention according to
請求項12に記載の発明は、レーザ光を集光して被加工物に照射し、数値制御装置により、加工ヘッドを被加工物に対し相対移動させることにより被加工物上の集光点を走査してレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、直線、円弧及び楕円のいずれかからなり、指令された接線速度でレーザ加工を行う経路を含む経路区間の開始点に、同じ曲率半径を有して接する直線、円弧及び楕円のいずれかからなる加速区間を、レーザ加工を行う経路区間に先立って設定する手段と、前記加速区間の開始点から前記経路区間を含む連続した2つの区間について、それらの区間を記述する第1の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第1の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記加速区間の開始点に向かうレーザ加工を行わない移動経路区間を設定する手段と、前記移動経路区間について、該移動経路区間を記述する第2の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第2の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記移動経路区間の減速が終了する前に前記加速区間での移動指令を重畳して指令する手段と、前記加速区間が終了する前に、前記移動経路区間の減速を終了させる手段と、を有することを特徴とする、レーザ加工装置を提供する。
The invention according to
請求項13に記載の発明は、レーザ光を集光して被加工物に照射し、数値制御装置により、加工ヘッドを被加工物に対し相対移動させることにより被加工物上の集光点を走査してレーザ加工を行うレーザ加工装置であって、直線、円弧及び楕円のいずれかからなり、指令された接線速度でレーザ加工を行う経路を含む経路区間の終了点に、同じ曲率半径を以って接する直線、円弧及び楕円のいずれかからなる減速区間を、レーザ加工を行う経路区間に続いて設定する手段と、前記経路区間から前記減速区間の終了点までを含む連続した2つの区間について、それらの区間を記述する第1の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第1の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記減速区間の終了点から、次のレーザ加工を行う経路区間に向かうレーザ加工を行わない移動経路区間を設定する手段と、前記移動経路区間について、該移動経路区間を記述する第2の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第2の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記減速区間の開始以降に、前記移動経路区間の移動指令が重畳して指令する手段と、を有することを特徴とする、レーザ加工装置を提供する。
In the invention described in
本発明によれば、レーザ加工経路の形状を維持した上で、加々速度に一定の制限を加えながら停止又は不要な減速をせずに、移動経路からレーザ加工経路に円滑に侵入し、又はレーザ加工経路から移動経路に円滑に移行できるので、高速かつ高精度なレーザ加工を単純な経路指令の組み合わせにより実現できる。 According to the present invention, while maintaining the shape of the laser processing path, smoothly enter the laser processing path from the moving path without stopping or unnecessary deceleration while adding a certain limit to the jerk, or Since the laser processing path can be smoothly transferred to the movement path, high-speed and high-precision laser processing can be realized by a combination of simple path commands.
また第1及び第2の座標系を同一とすることにより、NCプログラムを単純にすることが可能である。 Further, by making the first and second coordinate systems the same, the NC program can be simplified.
レーザ加工経路終了点でレーザ加工を停止することにより、次のレーザ加工経路まで最短の経路での移動が可能となる。 By stopping the laser processing at the end point of the laser processing path, it is possible to move on the shortest path to the next laser processing path.
加速区間又は減速区間とレーザ加工を行わない移動経路区間との速度を指令する指令速度を、同じ加々速度及び加速度で指令し、加速区間又は減速区間の接線長さと同じ接線長さの移動経路末端区間を、レーザ加工を行わない移動経路区間の末端に設定することにより、移動指令が重畳されるブロックの開始を制御する特別なタイミング制御手段が不要となる。 The command speed for commanding the speed between the acceleration section or the deceleration section and the movement path section where the laser machining is not performed is commanded with the same jerk and acceleration, and the movement path having the same tangent length as the acceleration section or the deceleration section. By setting the end section to the end of the movement path section where laser processing is not performed, a special timing control means for controlling the start of the block on which the movement command is superimposed becomes unnecessary.
レーザ加工を行う区間に前後をはさまれたレーザ加工を行わない移動経路区間の長さが減速区間及び加速区間の和よりも短い場合には、レーザ加工を行わない移動経路区間の移動に要する時間を、加速区間及び減速区間にかかる時間の和に等しくなるように調整することができる。これにより、相前後する加工経路が近接している場合でも、複雑な処理が伴わない。 If the length of the moving path section where laser processing is not performed between the sections where laser processing is performed is shorter than the sum of the deceleration section and acceleration section, it is necessary to move the moving path section where laser processing is not performed The time can be adjusted to be equal to the sum of the time taken for the acceleration and deceleration sections. Thereby, even when the processing paths that follow each other are close to each other, complicated processing is not involved.
本発明によれば、丸穴又は長穴を加工するレーザ切断において、簡単なアルゴリズムで、不要な減速を伴わず、加々速度まで制限された経路で、ピアシング穴を不要部分に開けるようなNCプログラムを生成することが可能になるので、高速かつ高精度なレーザ加工を実現できる。 According to the present invention, in laser cutting for processing a round hole or a long hole, an NC that opens a piercing hole in an unnecessary portion by a simple algorithm without unnecessary deceleration and with a path limited to jerk. Since a program can be generated, high-speed and high-precision laser processing can be realized.
また、コーナエッジ形状部分のループ型移動経路又はミクロジョイント加工部分において、簡単なアルゴリズムで、加々速度まで制限された経路で実現できるので、高速かつ高精度なレーザ加工を実現できる。 Further, since the loop movement path or the micro joint machining part of the corner edge shape part can be realized by a simple algorithm and a path limited to the jerk, high-speed and high-precision laser machining can be realized.
加工ヘッドと被加工物との間の距離を測定し、レーザ加工時には加工ヘッドと被加工物との距離を一定に保つフィードバック制御を行うことにより、加工経路に先行する加速経路において加工ヘッドと被加工物との間の距離が整定されるので、不要な減速や停止を行わずに、加工経路の最初から安定したレーザ加工が行え、高速かつ高精度のレーザ加工が実現できる。 The distance between the machining head and the workpiece is measured, and during laser machining, feedback control is performed to keep the distance between the machining head and the workpiece constant. Since the distance between the workpiece and the workpiece is set, stable laser machining can be performed from the beginning of the machining path without unnecessary deceleration and stop, and high-speed and high-precision laser machining can be realized.
本発明を実施するためのレーザ加工装置10は、図1に示すように、基本的には一般的なレーザ加工装置でよく、レーザ発振器12、導光光学系14、集光光学系16、走査機構18、制御装置20及び自動プログラミング装置22を有する。以下、各構成要素及びその機能等について簡単に説明する。
As shown in FIG. 1, a
レーザ発振器12は、例えばCO2レーザ又はYAGレーザであり、数ワットから数キロワットのレーザ光を出力することができる。
The
導光光学系14は、レーザ光を集光光学系16の加工ヘッドに導くための反射鏡又は光ファイバーを含む。
The light guide
集光光学系16は、レンズ又は曲率を有する反射鏡を含む。また集光光学系16は、アシストガスを吹き付けるための加工ノズル24と、レーザビーム光軸方向についての集光点及び被加工物の位置調整を行う位置調整機構を有する加工ヘッド26とを有する。加工ヘッド26はさらに、被加工物との距離を測定する距離センサー28を有する。レーザ加工中は、距離センサー28で測定された値に基づいて、加工ヘッド26と被加工物との距離が一定に制御される。
The condensing
走査機構18は、被加工物に対する集光点の位置を変更するものであるが、具体的には加工ヘッド26を移動させる場合と被加工物を移動させる場合とがある。多関節ロボットのような形態をとることもできるが、ここでは、簡単のため直交座標系に従って加工ヘッド26を移動させるものとする。
The
制御装置20は、図2に示すように、走査機構18を動かすための数値制御装置30及びサーボ機構32を備える。数値制御装置30は、移動指令文等のNC文を解読して、サーボ機構32に移動指令を出す。サーボ機構32は、フィードバック制御により走査機構18を駆動する。走査機構18を駆動する移動指令は、数値制御装置30に設定される微小な単位時間毎の移動量としてサーボモータ指令に出力される。この単位時間を補間周期と云い、概ね1ミリ秒〜8ミリ秒である。また移動量の単位は、通常1μm又は0.1μmである。移動指令文には、レーザ加工を行うために適切な加工速度を指定することができる。速度の指定方法としては、移動指令文自体に切断速度を明記する方法、移動指令文には加工条件という形で記述し、その加工条件に加工速度を格納しておく方法、あるいは予め加工速度を決めておき、数値制御装置30に備えられた操作盤(図示せず)にて加工速度を選択する方法等がある。
As shown in FIG. 2, the
また、レーザ加工を行わない部分の移動経路の速度も、同様に種々の方法で指令可能である。走査機構18を動かすための加減速においては、数値制御装置30において、先ず接線方向の加速度及び加々速度の制限を考慮しつつ、補間周期に出力される移動指令として速度指令が計画される。円弧経路においては法線方向の加速度について、円弧と直線との接続点については法線方向の加々速度について、制限を超えないように接線速度が修正される。なお接線方向及び法線方向の加速度及び加々速度を利用する代わりに、第1の座標系の各軸方向成分、又はその合成成分の絶対値の大きさを利用してもよい。このようにして、一連の円滑に接続された経路の始点から終点まで、加々速度、加速度及び速度が制限値を超えないように走査機構が駆動される。また各軸についても、加々速度、加速度及び速度の制限値が監視される。
Similarly, the speed of the moving path of the part not subjected to laser processing can be commanded by various methods. In the acceleration / deceleration for moving the
ここまで説明したレーザ加工装置は、レーザ加工を行うための一体の装置として説明されたが、所望の形状を得るために、オンライン又はオフラインで使用する自動プログラミング装置22(図1)をさらに備えてもよい。自動プログラミング装置22は、図形データから移動指令文すなわちNCプログラムを作成するものである。レーザ切断においては、自動プログラミング装置22は所望の形状から、レーザ切断に必要なアプローチ経路、ミクロジョイント、コーナループ及びピアシング指令等を自動で又は指示に基いて計算することにより、NCプログラムを生成する。一方レーザマーキングにおける自動プログラミングにおいては、自動プログラミング装置は文字や記号等についてもNCプログラムを生成することができる。但し、文字や記号も結局は、線分・円弧からなる図形として記述される。
The laser processing apparatus described so far has been described as an integrated apparatus for performing laser processing. However, in order to obtain a desired shape, the laser processing apparatus further includes an automatic programming device 22 (FIG. 1) used online or offline. Also good. The
実際にレーザ切断で製作される板金製品の形状は、線分及び円弧で記述され、輪郭形状及び製品内の穴形状から構成される。レーザ切断を行う場合、原材料の板材に複数の製品が配置され、一点、一点順次、所望の形状を切断する方法と、先ず穴形状を全て切断して抜き去ってから輪郭形状を切断する方法とがある。いずれの方法でも加工ヘッドは、一連のレーザ照射を伴う経路区間と、レーザ照射を行わない経路区間とを交互に経ながら製品を切断していく。 The shape of a sheet metal product actually manufactured by laser cutting is described by a line segment and an arc, and is composed of a contour shape and a hole shape in the product. When laser cutting is performed, a plurality of products are arranged on the raw material plate, one point at a time, a method of cutting a desired shape, and a method of first cutting all the hole shapes and then cutting them out and then cutting the contour shape There is. In either method, the machining head cuts the product while alternately passing through a path section with a series of laser irradiations and a path section without laser irradiation.
またレーザ切断を開始する点については、切断経路の一点から始める場合もあるが、切断開始点の加工結果が不良になり易いことから、レーザ切断経路区間に先立つ移動区間(アプローチ区間)を設定し、製品形状として用いる部分はレーザ加工開始から所定時間経過してから切断された部分となるようにする(いわゆるアプローチ加工)ことが従来から行われている。 As for the point at which laser cutting is started, there is a case where it starts from one point of the cutting path, but since the processing result at the cutting start point is likely to be defective, a moving section (approach section) preceding the laser cutting path section is set. Conventionally, a part used as a product shape is a part cut after a predetermined time has elapsed from the start of laser processing (so-called approach processing).
以下、上述のレーザ加工装置を用いて金属板金をレーザ加工(切断加工)することを例にとり、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described by taking an example of laser processing (cutting processing) of a metal sheet metal using the above-described laser processing apparatus.
図3は、本発明に係るレーザ加工方法の第1の実施形態における加工ヘッドと被加工物との相対移動経路を示す図である。本実施形態では、レーザ照射(加工)をしない破線で示す移動経路区間102と、実線で示すレーザ加工を行う切断経路区間106(ここでは円弧とする)との間に便宜上の加速区間104を設定する。ここで加速区間104は、切断経路区間106に対して、加速度及び加々速度の各々について、経路の接線方向及び法線方向のいずれについても、それらの絶対値が許容値以内に制限されるように設定される。従って、加速区間104は、切断経路区間106が円弧の場合はその円弧に近い曲率半径で接する円弧となり、切断経路区間106が線分の場合はその線分を同方向に延長した線分又は極めて近い大きな曲率半径の円弧となる。この理由は、仮に加速区間と切断経路区間との接点で曲率半径が異なると、接線速度が一定であっても法線方向の加々速度が大きくなってしまうためである。
FIG. 3 is a diagram showing a relative movement path between the machining head and the workpiece in the first embodiment of the laser machining method according to the present invention. In the present embodiment, for convenience, an
本実施形態では丸穴を切断加工するとき、加速区間104は丸穴すなわち切断経路区間106の周上に形成される。さらに、移動経路区間102での加工ヘッドの減速が終了する前に加速区間104での移動指令が重畳して指令され、加速区間104での加工ヘッドの移動が終了する前に、移動経路区間102での減速が終了する。これに対し、従来のアプローチ加工では、図17に示すように、加速区間を丸穴内に配置する必要があった。従来は、丸穴c4を切断するとき、移動区間l4に沿って移動してきた加工ヘッドが移行する加速区間l5は丸穴c4の周上には形成されず、丸穴c4内に配置される。従来ではこのようにしないと、丸穴c4の周上の一部が2度切断されることになり、その部分の切断面の悪化が避けられないからである。線分で構成される切断経路区間へのアプローチ加工でも同様のことが言える。
In this embodiment, when cutting a round hole, the
望ましくは、移動経路102を移動する動作が減速して終了する時刻と、加速区間104が終了して切断経路区間106に入る時刻とが一致するように、移動経路区間102の最後の部分の移動指令と、加速区間104の移動指令とを重畳して指令する。この具体的方法について図1を参照して以下に説明する。
Desirably, the movement of the last part of the
図1に示すように、便宜上、移動経路102を指令するための座標系S1と、切断経路106を指令するための座標系S2とを設定する。移動経路102は、切断経路106の直前に加工された切断経路の終了点Pを起点として、座標系S1において座標(X1,Y1)に直線的に移動するものとして記述することができる。一方、切断経路106は座標系S2上で記述することとし、切断経路102の開始点Bを仮の原点とする。次に、切断経路106の前に加速区間104を設定する。簡単には、開始点Bにおける接線方向速度の加々速度及び加速度そのものか、それらを計算するための諸定数を定めておけば、加速に要する接線長さ又は時間が所定の切断速度から計算できるので、切断経路区間102の曲率半径と等しく、かつ加速するのに必要十分な長さをもった円弧が加速区間104として生成される。その結果、加速区間104は点Aから点Bへの移動、すなわち座標系S2における座標(X2,Y2)へ切断経路である円弧の半径Rで移動する区間として記述され、座標系S2の原点は図1に示すように点Bから点Aに変更される。
As shown in FIG. 1, for convenience, a coordinate system S1 for instructing the
上述のことから、移動経路102は、座標系S1においては原点Pから座標(X1,Y1)に向かうのではなく、座標(X1−X2,Y1−Y2)に向かうように変更される。このような加速区間104の生成及び移動経路102の変更は、上述の自動プログラミング装置22上で作業者が指示してもよいし、自動プログラミング装置22が自動生成してもよい。
From the above, the
移動経路102においては、移動開始当初は座標(X1−X2,Y1−Y2)に向かう移動指令がなされ、加工ヘッドが移動していく。移動経路102の目的地(点A)への残り時間は、移動速度並びに加減速を決定する加々速度及び加速度によって上述の数値制御装置30が計算できる。目的地への残り移動時間が加速区間104で要する時間と等しくなった時点で、加速区間104の原点に向かう移動が開始される。このとき、数値制御装置は、移動経路区間102における移動指令及び加速区間104における移動指令を、補間周期毎に重畳してX、Y両サーボモータに出力する。これを実現するために、数値制御装置は、2つの座標系の値を重畳して機械座標系に出力するための移動指令重畳手段と、加速区間の実行を開始するタイミングをはかるタイミング計算制御手段とを有する。(図2参照)。
In the
このようにして、移動経路区間102から切断経路区間106まで加工ヘッドが停止することなく、かつ経路接線方向及び法線方向の双方について、加工ヘッドの加々速度、加速度及び速度がいずれも所定値以下でありながら、切断経路区間の最初から所定の切断速度でレーザ切断を行うことができる。
In this way, the processing head does not stop from the
移動経路区間102の末端部分と加速区間104との重畳を開始するタイミングは重要であるが、基本的には移動経路区間102の減速停止すなわち座標系S1における目的地到達が、加速区間104の終了前であればよい。従ってここに若干のマージンを付加することは可能である。
The timing at which the end portion of the
次に、図3と同様の考え方を用いて、切断加工の終点以降に関する移動方法について説明する。従来は、丸穴、角穴又は輪郭形状等を切断し終えると、切断加工区間の終点で加工ヘッドが停止し、同時にレーザ出力も停止していた。ここで、切断加工区間から円滑に接続されかつレーザ加工が行われない移動経路区間を設定し、減速せずに加工ヘッドを移動させ、切断加工区間の終点を通過すると同時にレーザ出力を停止すれば、加工ヘッドを減速することなくレーザ加工を終えることができるので、加工時間の短縮につながる。しかし、その後の移動経路区間を、加々速度、加速度及び速度のいずれをも許容範囲内に制限した上で生成することは難しい。特に、円弧と線分との接続点や、曲率半径の異なる円弧同士の接続点において、接線方向の加々速度、加速度及び速度はいずれも許容範囲であるにもかかわらず、法線方向の加速度が大きく変化、すなわち加々速度の絶対値が異常に大きくなることがある。 Next, using the same concept as in FIG. 3, a moving method related to the end point of the cutting process will be described. Conventionally, when a round hole, a square hole, or a contour shape has been cut, the machining head stops at the end point of the cutting section, and at the same time, the laser output stops. Here, if a moving path section that is smoothly connected from the cutting section and is not subjected to laser processing is set, the processing head is moved without decelerating, and the laser output is stopped simultaneously with passing through the end point of the cutting section Since laser processing can be completed without decelerating the processing head, the processing time is shortened. However, it is difficult to generate the subsequent movement path section with the jerk, acceleration, and speed all limited within the allowable range. In particular, at the connection point between the arc and the line segment, or between the arcs having different radii of curvature, the tangential jerk, acceleration, and speed are all within the allowable range, but the normal acceleration May change greatly, that is, the absolute value of jerk may be abnormally large.
そこで、切断経路区間の終点の延長線上に、同じ曲率半径を備えて接する直線、円弧及び楕円のいずれかからなる便宜上の減速区間を、レーザ加工を行う経路区間に続いて設定する。さらに、減速区間の終点を始点として、次の切断経路区間に向かうレーザ加工を行わない移動経路区間を設定する。この移動経路区間では、経路の接線方向及び法線方向の速度、加速度及び加々速度の各成分、座標系の各軸方向成分又はその合成成分の絶対値の大きさが制限されている。このことについて、図4を参照して以下に具体的に説明する。 Therefore, a convenient deceleration section composed of any one of a straight line, an arc, and an ellipse that are in contact with the same radius of curvature is set on the extension line of the end point of the cutting path section, following the path section on which laser processing is performed. Furthermore, the moving path section in which the laser processing toward the next cutting path section is not performed is set starting from the end point of the deceleration section. In this movement path section, the magnitudes of the absolute values of the tangential direction and normal direction speed, acceleration and jerk components of the path, the axial components of the coordinate system, or their combined components are limited. This will be specifically described below with reference to FIG.
図3と同様の切断経路区間106及びそれに続く減速区間108は図3と同様の座標系S2で記述することとし、加工終了後に次の加工部位へ向かうための、減速区間108に続く移動経路区間110(破線で図示)は図3と同様の座標系S1で記述するものとする。上記の制限から、切断加工経路106が図示するような円弧であれば減速区間108の形状はその円弧と同じ曲率半径の円弧とし、線分であればその線分を同方向に延長した線分とすることが好ましい。
The cutting
レーザ加工は、切断経路区間106と減速区間108との接続点Cで終了し、加工ヘッドは、座標系S2においては、減速区間108の終点Dで滑らかに停止する。加工ヘッドが座標系S2で切断経路区間106の終点Cを通過して減速区間108に入るのと同時に、次の開始点P′に向かう移動経路区間110での加工ヘッドの移動が、座標系S1において始動される。座標系S2における減速区間108での移動指令及び座標系S1における移動経路区間110での移動指令は、実際の機械座標系においては重畳して指令される。すなわち、補間周期ごとに、減速にかかる移動指令と、移動経路にかかる移動指令とが加算されて、各軸のサーボシステムに配分される。
Laser processing ends at a connection point C between the cutting
このようにすると、減速区間108を単純な円弧で指令し、移動経路110を単純な線分で指令しているにも関わらず、実際の加工ヘッドの動きは、円弧や線分又はその単純な組み合わせではない複雑な曲線となる。しかし、減速区間108から移動経路110に至る全ての瞬間において、加々速度、加速度及び速度が、接線方向及び法線方向のいずれについても、切断経路区間及び移動経路区間の制限値の和を超えない値に維持可能である。従って、加工ヘッドは機械的な衝撃を受けることなく切断経路区間106から移動経路区間110へ移行でき、また、座標系S2において加工ヘッドが減速区間108の終点(D点)に達したときには、加工ヘッドは既に座標系S1において移動経路110上の移動を開始しているので、実際には停止をせず、加工時間が短縮できる。
In this way, although the
以上、本発明の第1の実施形態について説明した。これによれば、レーザ加工を行わない移動経路区間と切断経路区間との間を、線分や円弧を円滑に接続するだけでは実現できなかった法線方向の加々速度を所定値以下の小さな値に保ったまま、接線方向の速度を落とさずに移行することができる。移動経路区間及び切断経路区間でのそれぞれの加々速度、加速度及び速度の制限値を、少なくともそれらが重畳される区間では、機械設計上レーザ加工装置に許容される制限値の半分の値にしておけば、それぞれが加算されてもレーザ加工装置の制限値を上回ることはないので、経路の構成が簡単になる。また、切断経路の前後に加速区間又は減速区間を設定することによって、所望の切断形状に制限が加わることもない。加速区間又は減速区間と、それに重畳指令される移動経路区間の末端部分又は開始部分とは、それぞれ線分又は円弧として指令されるので、NCプログラムの作成さらに作成されたプログラムの数値制御装置での実行は容易である。 The first embodiment of the present invention has been described above. According to this, the jerk in the normal direction, which could not be realized only by smoothly connecting the line segment or the arc between the moving path section and the cutting path section where the laser processing is not performed, is small below a predetermined value. While maintaining the value, the transition can be made without reducing the tangential speed. The limit values of jerk, acceleration, and speed in the movement path section and the cutting path section are set to half of the limit values allowed for the laser processing apparatus in mechanical design at least in the section where they are superimposed. In this case, even if each is added, the limit value of the laser processing apparatus is not exceeded, so that the path configuration is simplified. Further, by setting an acceleration section or a deceleration section before and after the cutting path, there is no restriction on the desired cutting shape. Since the acceleration section or the deceleration section and the end part or the start part of the movement path section commanded to be superimposed on each other are commanded as line segments or arcs, respectively, the NC program is created and the program created by the numerical controller Execution is easy.
ここで、第1の実施形態における実際のNCプログラムの一例を示し、その内容について説明する。
G00 X140. Y140. G02.9 X210. Y210. R10. S0 F8000 ;
上記プログラム例では、レーザ加工区間の開始点は座標(50,50)であるが、切断加工を行う丸穴の半径が10であるので、自動プログラミング装置は、上述の加速区間16を半径10の1/4周として生成し、これに合わせて、移動経路区間102の終点を(40,40)に変更する。同じブロックで移動経路102及び加速区間104が同時に指令されるが、プログラム中の「G02.9」は、移動経路区間102での減速終了時と、加速区間104の終了時とのタイミングを合わせる指令を含む円弧補間指令である。すなわち、レーザ加工機の加々速度及び加速度に関する定数並びに移動経路の指令速度から計算される残り移動時間と、同じくレーザ加工機の加々速度及び加速に関する定数並びに加工時の指令速度F8000から計算される加速区間にかかる時間とが一致したときに、X210. Y210.に向かう円弧補間が開始される。X1座標とX2座標の指令値は、補間周期ごとに加算され、Y1座標とY2座標の指令値も補間周期毎に加算される。こうして、移動経路区間の後半部分と加速区間とは重畳して指令される。
Here, an example of an actual NC program in the first embodiment will be shown and the contents thereof will be described.
G00 X 1 40. Y 1 40. G02.9
In the above program example, the starting point of the laser machining section is the coordinates (50, 50), but since the radius of the round hole for cutting is 10, the automatic programming device sets the
G02 J2-10. S1000 F8000 ;
次いで、座標系S2において丸穴のレーザ切断が実行される。前後に加速区間及び減速区間があるので、この加工経路区間は加減速なく定速でのレーザ切断が進行する。
G02 J 2 -10. S1000 F8000;
Next, laser cutting of a round hole is executed in the coordinate system S2. Since there are an acceleration section and a deceleration section before and after, laser cutting at a constant speed proceeds in this machining path section without acceleration / deceleration.
G00 X190. Y140. G02.8 X210. Y210. R10. S0 F8000 ;
続いて、減速区間108(図4)について、自動プログラミング装置は加速区間と同様に、加工経路と同じ半径の1/4円弧の経路を生成する。移動経路区間110の始点はその分移動することになるが、ブロックには終点の座標しか示されていないので、これは暗示的な座標位置変更となる。「G02.8」は、座標系S2の円弧移動指令を座標系S1の移動指令と重畳して命令するコードであり、移動経路区間110及び減速区間108での移動は同時に実行され、座標系S1及び座標系S2それぞれの移動指令は補間周期毎に重畳して指令される。
G00 X 1 90. Y 1 40. G02.8
Subsequently, for the deceleration zone 108 (FIG. 4), the automatic programming device generates a quarter arc path having the same radius as the machining path, as in the acceleration zone. Although the starting point of the
また、これまで説明したように2つの異なる座標系を用いずに、同一座標系上で記述することも可能であり、これによりNCプログラムの複雑化を回避できる。この場合、移動経路区間102及び加速区間104、又は減速区間108及び移動経路区間110からなる、相前後して移動を指令する区間については、先に実行される区間が終了する前に後に実行される区間の実行が開始される。従って数値制御装置は、本来は逐次処理されるブロックについて、少なくとも1ブロックは先行して解読し、相前後するブロックの移動指令を重畳するかどうかを判断する。このことを、実際のNCプログラムの例で以下に説明する。
Further, as described above, it is possible to describe on the same coordinate system without using two different coordinate systems, thereby avoiding the complexity of the NC program. In this case, for a section instructed to move in succession consisting of the
G00 X40. Y40. ;
G02.9 X10. Y10. R10. S0 F8000 ;
数値制御装置は、(40,40)への移動指令を実行するが、それに先立ち、次の「G02.9」で始まる加速区間を実行するブロックを先行して解読している。「G02.9」は時計回りの円弧指令であり、先行するブロックとの重畳移動を行う加速区間を示すコードである。但し重畳のタイミングは、先行するブロックの終了時刻と、「G02.9」で始まる加速区間が終了する時刻とが一致するように加速区間を始める。
G00 X40. Y40.;
G02.9 X10. Y10. R10. S0 F8000;
The numerical control device executes the movement command to (40, 40), but prior to that, the block that executes the next acceleration section starting with “G02.9” is decoded in advance. “G02.9” is a clockwise arc command, and is a code indicating an acceleration section in which the overlapping movement with the preceding block is performed. However, the superimposition timing starts the acceleration section so that the end time of the preceding block coincides with the time when the acceleration section starting with “G02.9” ends.
G02 J-10. S1000 F8000 ;
次いで、丸穴がレーザ切断される。
G02 J-10. S1000 F8000;
The round hole is then laser cut.
G02.8 X10. Y10. R10. S0 F8000 ;
G00 X90. Y40. ;
ここで「G02.8」も、時計回りの円弧指令であり、後続のブロックとの重畳移動を行う減速区間を示すコードである。「G02.8」で始まるブロックは、円弧の軌跡を描きながら減速停止する。一方で後続の移動指令が開始され、徐々に速度が上昇する。2つのブロックの移動指令は重畳されるので、実際には加工ヘッドは停止せず、次の加工点に向かう。
G02.8 X10. Y10. R10. S0 F8000;
G00 X90. Y40.;
Here, “G02.8” is also a clockwise arc command, and is a code indicating a deceleration zone in which the superimposed movement with the subsequent block is performed. Blocks that begin with “G02.8” decelerate to a stop while drawing an arc trajectory. On the other hand, a subsequent movement command is started, and the speed gradually increases. Since the movement commands of the two blocks are superimposed, the machining head does not actually stop and moves to the next machining point.
本発明の実施において、移動指令単位としては簡単な線分、円弧又は楕円という形状が使用されるが、加減速中にこれらの経路上での移動指令を重畳させる必要がある。従って計算処理を容易にするためには、移動経路区間で生成された各軸への補間周期毎の移動指令と、加工経路区間で生成された各軸への補間周期毎の移動指令とを各軸毎に合算の上、サーボモータシステムに指令することが好ましい。上述の図2は、このことを示している。 In the practice of the present invention, a simple line segment, arc, or ellipse is used as the movement command unit, but it is necessary to superimpose the movement commands on these paths during acceleration / deceleration. Therefore, in order to facilitate the calculation process, a movement command for each interpolation period generated for each axis generated in the movement path section and a movement command for each interpolation period generated for each axis generated in the machining path section It is preferable to give a command to the servo motor system after adding up each axis. This is shown in FIG. 2 above.
図2の数値制御装置30が有するタイミング計算制御手段は、上述の実施形態において加速区間104を開始するタイミングを制御するためのものである。タイミングを制御する方法は、例えば次の通りである。先ず移動経路区間102における移動速度指令値と、レーザ加工機の加々速度及び加速度を決定する定数とから、移動経路区間102の残り時間を逐次計算する。加工経路106に先立つ加速区間104も、加工速度指令値と同じくレーザ加工機の加々速度及び加速度を決定する定数から、これに要する時間を計算できる。ここで、移動経路102の残り時間が、加工区間に要する時間に補間周期一周期分を加えた時間より短くなった瞬間に起動すれば、移動経路102の減速終了直後に加速区間104が終わり、加工ヘッドを加工経路106に進入させることができる。
The timing calculation control means included in the numerical controller 30 in FIG. 2 is for controlling the timing at which the
但し、移動経路区間102及び加速区間104、又は減速区間108及び移動経路区間110での移動指令の重畳を指定するプログラミング方法は、上述のものに限られない。例えば、上記のNCプログラムは以下のように記述して実行することも可能である。
G00 X40. Y40. ;
G09.9 G02 X10. Y10. R10. S0 F8000 ;
G02 J-10. S1000 F8000 ;
G02 X10. Y10. R10. S0 F8000 ;
G09.1 G00 X90. Y40. ;
ここで「G09.9」は、先行する移動経路102が減速を開始し、送り速度が当該ブロックで指定される値になったときに、当該ブロックの開始を指定する命令コードである。また「G09.1」は、先行する加工経路区間106が開始されると同時に実行が始められる移動経路区間110を指示するコードである。
However, the programming method for designating the superimposition of the movement command in the
G00 X40. Y40.;
G09.9 G02 X10. Y10. R10. S0 F8000;
G02 J-10. S1000 F8000;
G02 X10. Y10. R10. S0 F8000;
G09.1 G00 X90. Y40.;
Here, “G09.9” is an instruction code for designating the start of the block when the preceding
以上説明した実施形態では、実際には、加工ヘッドが減速区間108に入ってもいくらかレーザ照射を続け、すなわち多少のオーバーラップを行ってレーザ加工を終えることが多い。これは、一般的な数値制御装置は補間周期で移動指令を実施するので、極めて高速で加工する場合は、NCプログラム上の加工経路にオーバーラップ部分を設定しておかないと、一連(一周)のレーザ加工が完結しない場合があるからである。
In the embodiment described above, in practice, even if the processing head enters the
しかし、ある種の数値制御装置では、補間周期開始からの微少時間を制御するタイミングデータをレーザ発振器に与えることにより、レーザ出力を細かく制御することができる。このような数値制御装置を搭載したレーザ装置では、レーザ加工を行う経路区間と減速区間との接点においてレーザの照射を停止してもよい。切断経路終了とともにレーザ加工を終えることにより、より早く次のレーザ加工経路に移行することができる。 However, in a certain type of numerical control device, the laser output can be finely controlled by giving timing data for controlling a minute time from the start of the interpolation cycle to the laser oscillator. In a laser apparatus equipped with such a numerical control device, laser irradiation may be stopped at the contact point between the path section for performing laser processing and the deceleration section. By finishing the laser processing together with the end of the cutting path, it is possible to move to the next laser processing path more quickly.
次に、本発明に係るレーザ加工方法の第2の実施形態における加工ヘッドと被加工物との相対移動経路を図5を用いて説明する。第2の実施形態は、移動経路202における加減速を定める加々速度及び加速度と、加速区間204における加々速度及び加速度が同じ数値を用いている場合に、移動経路202からその末端を含む部分202aを分解することによって、移動経路の末端部分202aと加速区間204とを同時に実行するという形態での指令を可能にすることを特徴とする。
Next, a relative movement path between the machining head and the workpiece in the second embodiment of the laser machining method according to the present invention will be described with reference to FIG. In the second embodiment, when the jerk and acceleration that determine acceleration / deceleration in the
第2の実施形態における自動プログラミング装置の作用は以下のようになる。先ず自動プログラミング装置は、加々速度及び加速度から、所定の加工(切断)速度に到達するのに必要十分な長さを有するように加速区間204の長さを求める。次に、先行する移動経路区間202の末端部分202aを、その長さ(点A′と点Bとの間の距離)が加速区間204の長さ(点Aと点Bを結ぶ弧線の長さ)と同じ長さとなるように、別ブロックに分割する。これにより、新たに生成された移動経路区間202の最後のブロック202aと加速区間204とは、移動に要する時間が同一となる。従って、タイミング制御手段を使用することなく、移動経路区間202の末端202aと加速区間204を同一のブロックで実施するが如く重畳指令すればよく、数値制御装置の構成は簡単になる。このことは勿論、減速区間についても同様に適用可能である。
The operation of the automatic programming device in the second embodiment is as follows. First, the automatic programming device obtains the length of the
次に説明する第3の実施形態は、独立した加工経路が近接している場合、例えば図6に示すような複数の丸穴を極近い間隔で並べて切断する場合に適用可能である。図6の場合、先行する加工経路306aに上述と同様の減速区間308a(弧線AB)を設定し、後続の加工経路306bに上述の加速区間304b(弧線CD)を設定すると、減速区間308aの実行が終了しない間に、減速区間308aと加速区間304bとの間の移動区間310の実行が終わってしまう虞がある。そうすると、減速区間308a、移動区間310及び加速区間304bの3つが重畳する状態が生じることとなり、これは制御が煩雑となって好ましくない。そこで、移動経路310の移動速度を減速したり、移動経路310の加減速にかかる定数を調整したりして、減速区間308a及び加速区間304bに要する時間の合計時間と、移動経路区間310の実行にかかる時間とをほぼ等しくすることが有効である。このような処理を施しておくと、加速区間、減速区間及び移動経路区間の3つが重畳する状態は回避でき、それぞれの実行開始のタイミングの制御が容易になる。
The third embodiment to be described next can be applied when independent machining paths are close to each other, for example, when a plurality of round holes as shown in FIG. 6 are arranged and cut at extremely close intervals. In the case of FIG. 6, when the
また図7は、第3の実施形態に係る他の具体例を示す図である。同図に示すように、加工経路が端点で有角を成して交わる2つの線分306c線分306dから構成されている場合、図6と同様の理由により、線分306cを延長してなる減速区間308c、線分306dを延長してなる加速区間304d、及び減速区間308cと加速区間304dとを接続する移動経路区間310cの3つが重畳する場合があり得る。そこで、移動経路310cの移動速度を減速したり、移動経路310cの加減速にかかる定数を調整したりして、減速区間308c及び加速区間304dに要する時間の合計時間と、移動経路区間310cの実行にかかる時間とをほぼ等しくすることができる。
FIG. 7 is a diagram showing another specific example according to the third embodiment. As shown in the figure, when the machining path is composed of two
上記の実施形態では、加工経路区間の開始時におけるレーザ照射のタイミングについては詳細に説明されていなかった。レーザ切断の場合は通常、所望の形状を形成する加工経路において、レーザ切断の開始時にピアシング加工を行う。例えば軟鋼1mm程度の薄板板金をレーザ加工する場合は、数キロワットのレーザ光を照射すれば直ちに板金に穴が開いて切断加工を開始することができるので、ピアシング加工といっても特別なことをする必要はない。 In the above embodiment, the timing of laser irradiation at the start of the machining path section has not been described in detail. In the case of laser cutting, piercing is usually performed at the start of laser cutting in a processing path that forms a desired shape. For example, when laser processing a thin sheet metal of about 1 mm of mild steel, if a laser beam of several kilowatts is irradiated, a hole can be immediately opened in the sheet metal and cutting can be started. do not have to.
しかし、レーザが低出力の場合、又は板厚が厚い場合等は、レーザ光の照射条件を選択し、一定時間同一箇所にレーザ光を照射して穴開け加工を行う必要がある。一旦、被加工物に穴が開き、レーザビーム及びアシストガスの流れが形成されれば、継続しての切断加工が可能となる。また、多少板厚が厚くてもレーザ出力が十分高ければ、加工ヘッドの移動中にレーザ照射を開始しても、穴を開けて切断加工を開始することが可能である。但しこの場合は、ピアシング加工部分の形状は一旦停止してピアシング加工を行う場合よりも悪化することが多い。そこで減速してレーザ加工を開始すれば、ピアシング加工部分の劣化をある程度緩和することもできる。またピアシング加工の良し悪しは、その他にも、集光点のビームスポットのサイズやワークの材質等、様々な要因に左右される。このようなピアシング加工を、加工経路上のどの点で行うか、さらに減速又は停止して行うのかを決定することは、レーザ切断の加工時間を左右する重要な問題である。 However, when the laser output is low or the plate thickness is thick, it is necessary to select the laser light irradiation conditions and perform laser drilling on the same spot for a certain period of time to perform drilling. Once a hole is opened in the workpiece and a flow of laser beam and assist gas is formed, continuous cutting can be performed. Moreover, if the laser output is sufficiently high even if the plate thickness is somewhat thick, even if laser irradiation is started during the movement of the processing head, it is possible to start a cutting process by opening a hole. However, in this case, the shape of the piercing part is often worse than when the piercing process is stopped once. Therefore, if the laser processing is started after decelerating, the deterioration of the piercing portion can be alleviated to some extent. In addition, the quality of the piercing process depends on various factors such as the size of the beam spot at the focal point and the material of the workpiece. Determining at which point on the processing path such piercing processing is performed, and further, decelerating or stopping is an important issue that affects the processing time of laser cutting.
切断加工を行う経路上でピアシング加工を行う場合は、最短経路での切断となるので加工時間が短縮される。しかしながら、少なからずピアシング部分の切断後の仕上がりが悪くなる。そこで、アプローチ部分を設定して、被加工物の不要部分にピアシング加工を行うことが多い。このようにすれば、加工ヘッドを停止することなく移動しながらレーザ切断を始めても、切断された部品形状に悪影響は及ばない。 When the piercing process is performed on the cutting path, the cutting time is shortened, so that the processing time is shortened. However, the finish after the cutting of the piercing portion is not bad. Therefore, in many cases, an approach portion is set and piercing is performed on an unnecessary portion of the workpiece. In this way, even if the laser cutting is started while moving the machining head without stopping, the shape of the cut part is not adversely affected.
図8を参照して次に説明する第4の実施形態は、丸穴切断加工に本発明を適用するにあたって、被加工物の不要部分にピアシング加工を行うためのものである。通常自動プログラミング装置は、オペレータの指示により又は自動的に、多数の丸穴切断部分を直列的に移動経路を介して結ぶように機能するが、ここでは図8に示すように、2つの丸穴形状406a及び406bを連続して切断するものとする。先ず加工ヘッドの現在位置を点Pとした場合の、加工経路406a上にある点Pからの最遠点Bを求める。上述の第1の実施形態と同様に、同一円周上に加速区間404a(弧線AB)及び減速区間408a(弧線BC)が設定される。従ってこの場合の移動経路区間402aは、加速区間404aの開始点Aへの移動指令ブロックとして決定される。また減速区間408aの終点Cが、次の円弧(加工経路406b)へ移動するための始点となる。このようにして、2つの丸穴を加工する場合の加工ヘッドの移動経路が定まる。
A fourth embodiment described next with reference to FIG. 8 is for performing piercing processing on an unnecessary portion of a workpiece when the present invention is applied to round hole cutting processing. Usually, an automatic programming device functions to connect a large number of round hole cutting parts in series via a movement path in accordance with an operator's instruction or automatically. Here, as shown in FIG. The
実際の切断加工においては、加速区間406aとそれに先行する移動経路402aの末端部分とは重畳して指令されるため、実際の加工ヘッドの軌跡は加工経路406aの内側にいくらかオフセットした曲線403aとなる。例えば、加速区間404aを2/3経過した点からレーザ照射を始めることにより、丸穴(加工経路406a)の内部である点Dから切断加工を開始することができる。この方法によれば、極めて単純なアルゴリズムで、確実に被加工物の不要部分でピアシング加工を行うことができる。
In actual cutting, the
図9(a)〜(d)は、図8の方法を応用して、複数の丸穴(加工経路406a〜406d)を連続して切断する場合の軌跡を決定する経過を示した図である。先ず開始点Pから、丸穴の加工順序を手動又は自動で指定する(図9(a))。ここでは、丸穴406a、406b、406c及び406dの順に加工していくものとする。
FIGS. 9A to 9D are diagrams showing a process of determining a locus when a plurality of round holes (
次に図9(b)に示すように、開始点Pからみた1番目の丸穴(406a)の周上の最遠点Baを求め、図8と同様の手順により丸穴406aについての加速区間404a及び減速区間408aを生成し、移動経路を決定する。
Next, as shown in FIG. 9B, the farthest point Ba on the circumference of the first round hole (406a) viewed from the start point P is obtained, and the acceleration interval for the
さらに、2番目の丸穴406bについても同様の処理を行う。すなわち、図9(c)に示すように、丸穴406aにおける減速区間408aの終点Caからみた2番目の丸穴406bの周上の最遠点をBbを求め、図8と同様の手順により丸穴406bについての加速区間404b及び減速区間408bを生成し、移動経路を決定する。
Further, the same processing is performed for the second
以降、これを順次繰り返して丸穴406c及び406dについての移動経路及び切断経路が決定される(図9(d))。
Thereafter, this is sequentially repeated to determine the movement path and the cutting path for the
図10を用いて次に説明する第5の実施形態は、丸穴とともに板金加工の現場で頻繁に用いられる長穴の加工に関するものであり、上述の第4の実施形態と考え方は類似している。ここで、移動経路502の開始点Pを起点としたときに、開始点Pからみた長穴形状の加工経路506上の最遠点から加工を開始することとしてその前に加速区間を設定することも考えられる。しかし、長穴形状の輪郭のうち、線分上の点から加工経路を開始するよりも、半円の周上の点から加工経路を開始する方が、長穴に特有の変曲点を少なくする意味から好ましい。実際には、何らかの方法により次に加工すべき長穴が決まると、自動プロラミング装置が現在位置Pからみて最遠の半円上の端点Bを求める。次に、半円と同一半径で接続する円弧ABが、加速区間504として創成される。移動経路区間502は、加速区間504の始点Aへの移動指令を行うブロックになる。
The fifth embodiment to be described next with reference to FIG. 10 relates to the processing of a long hole frequently used at the site of sheet metal processing together with a round hole, and the concept is similar to that of the above-described fourth embodiment. Yes. Here, when the starting point P of the
図11を用いて次に説明する第6の実施形態は、コーナエッジ部にループ型移動経路を切断加工する場合に本発明を適用したものである。第6の実施形態では、加工経路606a及び606bによって画定されるコーナエッジ部を加工するものとし、そのとき加工ヘッドはループ型移動経路(線分608、602及び604からなる経路)を通るものとする。ここで、ループ型移動経路を含む材料部分を廃棄してもよい場合は、レーザを連続して照射して移動経路を切断しても構わないが、上記部分も製品として必要とする場合は、コーナの頂点Qでレーザ照射を停止し、レーザが停止した状態で線分608、602及び604を通り、再度コーナの頂点Qに到達した瞬間から再びレーザ光を照射して切断加工を行う。このような加工方法について以下に詳細に説明する。
In the sixth embodiment described below with reference to FIG. 11, the present invention is applied to a case where a loop type moving path is cut at a corner edge portion. In the sixth embodiment, it is assumed that the corner edge portion defined by the
実際には第6の実施形態においては、図11に示すように、自動ブログラミング装置が先行する第1加工区間606aの延長上に減速区間608を設定する。次に、第2加工区間606bの始点Qの前を延長して、加速区間604を設定する。さらに、減速区間608の終点Rと加速区間604の始点Sとを移動経路区間602として結ぶ。このようにして減速区間、移動経路区間及び加速区間により規定されるループ経路の形状は、減速区間及び移動経路区間の重畳移動指令、並びに移動経路区間及び加速区間の重畳移動指令により決定される。減速区間、移動経路区間及び加速区間の各々は、加々速度及び加速度の双方が所定範囲内に制限される。
Actually, in the sixth embodiment, as shown in FIG. 11, a
具体的には、第1加工経路区間606aから減速区間608、移動経路区間602及び加速区間604を経由して第2加工経路区間606bまでの5つの区間を3つのブロックすなわち(第1加工区間606a+減速区間608)、移動経路区間602、及び(加速区間604+第2加工区間606b)に分類し、それぞれについて加々速度が所定範囲内に制限される。従って、各ブロック間の継目(点R及びS)では連続的な移動がなされる。なお減速区間608及び加速区間604は、それぞれ減速及び加速に要する距離よりも長く設定され、移動経路区間602での速度は減速区間及び加速区間に要する時間から逆算される。あるいは、移動経路区間602の処理は加速区間604の処理前に完了してもよい。
Specifically, the five sections from the first
以下に第6の実施形態におけるNCプログラムの具体例を示す。なお以下のプログラムにおいて「S1000」及び「S0」はそれぞれレーザ出力1000W及びレーザオフを指令し、「P3」は「G100」指令のB3ブロックが「N3」のブロックで終了することを指示するものである。
N1 G01 X10. Y10. S1000 ;
N2 G01 X15. Y10. S0 G100 X14. Y12. P3 ;
N3 G01 X15. Y10. ;
N4 G01 X0. Y-4 S1000 ;
A specific example of the NC program in the sixth embodiment is shown below. In the following programs, “S1000” and “S0” command laser output 1000 W and laser off, respectively, and “P3” indicates that the B3 block of the “G100” command ends with the block “N3”. .
N1 G01 X10. Y10. S1000;
N2 G01 X15. Y10. S0 G100 X14. Y12. P3;
N3 G01 X15. Y10.;
N4 G01 X0. Y-4 S1000;
第6の実施形態でも、上述のように減速区間、移動経路区間及び加速区間の各々について加々速度及び加速度の双方が制限されるので、それらの動きを重畳したループ経路も加々速度及び加速度のいずれも一定の値以下に保たれる。従って、線分と円弧との接点のような変曲点がなく、また急激な加速度変化も発生しないので、機械的な衝撃がレーザ加工機に加わることがなく、高速での駆動が可能となる。 Also in the sixth embodiment, since both jerk and acceleration are limited for each of the deceleration section, the movement path section, and the acceleration section as described above, the loop path on which these movements are superimposed also has jerk and acceleration. Both are kept below a certain value. Accordingly, there is no inflection point such as a contact point between a line segment and an arc, and no sudden acceleration change occurs, so that mechanical shock is not applied to the laser processing machine, and high-speed driving is possible. .
またこのようなループ型移動経路を描くことにより、コーナ部でも一定の切断速度でレーザ加工を行うことができる。従って、コーナの頂点の周辺であっても一定条件のレーザ加工が実現できるので、一様な切断結果が得られる。これに対して、コーナ部分で一旦停止あるいは減速するような加工方法では、コーナ部分へのレーザ照射が大きく、レーザによる入熱が大きくなるので、一様なレーザ加工結果が得られない。レーザの出力を速度に応じて変更し、入熱量を一定にする試みもあるが、このループ型経路による加工によれば、容易にコーナ部分の加工結果の品質を維持できる。従って、切断だけでなく溶接やマーキングを行うときも有効である。 Further, by drawing such a loop-type moving path, laser processing can be performed at a constant cutting speed even in the corner portion. Therefore, even in the vicinity of the corner apex, laser processing under a certain condition can be realized, and a uniform cutting result can be obtained. On the other hand, in a processing method in which the corner portion is temporarily stopped or decelerated, the laser irradiation to the corner portion is large and the heat input by the laser increases, so that a uniform laser processing result cannot be obtained. Although there is an attempt to change the laser output according to the speed to make the heat input constant, the processing by the loop path can easily maintain the quality of the processing result of the corner portion. Therefore, it is effective not only for cutting but also for welding and marking.
図12(a)〜(d)は、図11に示した第6の実施形態のように2つのブロックすなわち(第加工区間606a+減速区間608)と(加速区間604+第2加工区間606b)とが互いに直交する場合の、加工ヘッドの位置の軌跡すなわちループ型経路部分の実際の形状、速度、加速度及び加々速度をそれぞれ示すグラフである。特に図12(c)に示すように、各ブロックの加速度の大きさはいずれも±1×10-5m/s2の範囲内に制限され、かつ図12(d)に示すように、各ブロックの加々速度の大きさはいずれも±1×10-7m/s3の範囲内に制限されている。従って、重畳後も同様に加々速度が一定の範囲に収まり、加速度は連続した値となることがわかる。
12 (a) to 12 (d), there are two blocks, that is, (
図13を用いて次に説明する第7の実施形態は、いわゆるミクロジョイント部分に関するものであって、ミクロジョイント部分のレーザ切断終点と、レーザ切断始点との双方に減速区間及び加速区間を設定して、その終点と始点との間が加工経路で結ばれた経路を自動プログラミング装置が自動生成するものである。 The seventh embodiment to be described next with reference to FIG. 13 relates to a so-called microjoint portion, and sets a deceleration zone and an acceleration zone at both the laser cutting end point and the laser cutting start point of the microjoint portion. The automatic programming device automatically generates a path in which the end point and the start point are connected by a machining path.
一般的なミクロジョイント加工では、例えば図13(a)に示すように、ミクロジョイント部分70を形成するために、レーザ切断経路は第1加工経路706aの端点(終点)Aで一旦終了し、次の第2加工経路706bに略直交するアプローチ経路703の端点(始点)Bから再び開始する。このような切断経路を実現するために、図13(b)に示すように、線分706aの延長上に減速区間708aを設定し、ミクロジョイントのアプローチ経路703の前に加速区間704aを設定している。この例では、線分706aからミクロジョイント部分70(端点A)に達するまでは定速のままレーザ切断を終え、減速区間708a及び加速区間704aを含むループ経路移動を行い、アプローチ経路703の始点Bに達したときに加工ヘッドを移動しながらのピアシングを行う。さらに、アプローチ経路703の加工後に減速区間708b及び加速区間704bを含むループ経路移動を行い、第2加工経路706bの切断加工を行う。このようにして、ミクロジョイント部分70に対する加減速によるレーザ入熱の集中を防ぎ、良好な切断結果を得ることができる。なおそれぞれの加工経路は不連続であるが、本発明による減速区間又は加速区間と移動経路とを重畳指令することで、加々速度までの制限を維持した、機械的な衝撃のない加工ヘッドの移動が実現でき、高速加工が可能となる。
In general micro joint processing, for example, as shown in FIG. 13A, in order to form the micro
ここで、図14を参照して、加工ヘッドのZ方向の移動すなわち、被加工物からの加工ヘッドの退避及び接近について説明する。例えば図3を用いて説明したように、ある加工経路区間から次の加工経路区間に移動する移動経路区間102(線分PA)においては、被加工物との干渉を避け、既に加工の終わった部分への影響を避けるために、加工ヘッドを被加工物から離すように退避させるのが一般的である。例えば、被加工物がXY平面上に設置された平板からなる場合は、加工ヘッドは図14に示すように移動経路区間(PA間)ではZ方向に退避(Z方向位置が上昇)し、次の加工経路に近付いたときに再び被加工物に接近する。ここで被加工物は厳密な平面とは限らないので、通常は加工ヘッドと被加工物との距離を高速に検出する距離センサーが使用される。距離センサーは、加工ヘッドのノズルと被加工物である金属板との間の静電容量を検出する静電容量式のものが一般的である。 Here, with reference to FIG. 14, movement of the machining head in the Z direction, that is, retraction and approach of the machining head from the workpiece will be described. For example, as described with reference to FIG. 3, in the movement path section 102 (line segment PA) that moves from one processing path section to the next processing path section, interference with the workpiece is avoided and the processing has already been completed. In order to avoid the influence on the part, the machining head is generally retracted away from the workpiece. For example, when the workpiece is a flat plate placed on the XY plane, the machining head is retracted in the Z direction (Z-position increases) in the movement path section (between PAs) as shown in FIG. When approaching the machining path, the workpiece is again approached. Here, since the workpiece is not necessarily a strict plane, a distance sensor that normally detects the distance between the machining head and the workpiece is used. The distance sensor is generally a capacitance type sensor that detects a capacitance between a nozzle of the machining head and a metal plate as a workpiece.
一般的な距離センサーは、加工ヘッドと被加工物との間の距離が約8mm以下になると検出可能となり、加工ヘッドと被加工物との間の距離は、数値制御装置及びサーボモータシステムによりフィードバック制御される。被加工物とレーザ焦点との位置関係が一定でないとレーザ加工不良となる場合が多いので、加工形態にもよるが、±0.3mm以下という厳しい位置精度が要求される場合がある。この精度内にフィードバック制御によってZ軸を整定させるにはある程度の時間を必要とする。従来のレーザ加工方法では、加工経路の始点又はアプローチ経路の始点に向かってXYZの3軸が移動し、加工ヘッドと被加工物との間の距離を距離センサーが検出可能になったときから距離によるフィードバック制御に切り替えられる。従って、加工経路等の始点では、必然的にXYの平面座標において加工ヘッドが停止することになっていた。 A general distance sensor can detect when the distance between the machining head and the workpiece is about 8 mm or less, and the distance between the machining head and the workpiece is fed back by a numerical controller and a servo motor system. Be controlled. If the positional relationship between the workpiece and the laser focal point is not constant, there are many cases where laser processing is defective. Depending on the processing form, however, severe positional accuracy of ± 0.3 mm or less may be required. A certain amount of time is required to set the Z-axis by feedback control within this accuracy. In the conventional laser processing method, the three axes XYZ move toward the start point of the processing path or the start point of the approach path, and the distance between the processing head and the workpiece can be detected by the distance sensor. It is switched to feedback control by. Therefore, at the starting point of the machining path or the like, the machining head is necessarily stopped at the XY plane coordinates.
図14に示す例では、付加された加速区間104の始点Aの手前からZ軸が低下し、始点A以降は距離センサーの検出範囲Z1(例えば8mm以内)に入るように自動プログラミング装置が経路を生成する。そして、加速区間104を実行している間、加工ヘッドと被加工物との距離がフィードバック制御される。従って、加工ヘッドと被加工物との距離が所定の値に制御される間も、加工ヘッドは平面移動を続けて停止することがなく、故に移動に時間を費やすことがない。
In the example shown in FIG. 14, the automatic programming device makes a path so that the Z-axis decreases from before the start point A of the added
これまで説明した実施形態では、前後に加速区間又は減速区間を設定した加工経路区間での加工速度は一定速度である。しかし、公知の技術にあるように、加工経路の中に小さな曲率半径の円弧や屈曲部分が存在する場合は、加工経路の形状精度を損なわないために適宜減速することがある。また、特にレーザ加工機の加工ヘッドを移動させるときに、加速性能が指令する切断速度に対して不十分であると、加速区間から加工経路区間に移行しても増速し続ける場合があるため、減速区間の手前の加工経路区間から減速を開始することもある。 In the embodiment described so far, the machining speed in the machining path section in which the acceleration section or the deceleration section is set before and after is a constant speed. However, as known in the art, when a circular arc or a bent portion having a small curvature radius exists in the machining path, the machining path may be appropriately decelerated so as not to impair the shape accuracy of the machining path. In particular, when moving the machining head of a laser beam machine, if the cutting speed specified by the acceleration performance is insufficient, the speed may continue to increase even after moving from the acceleration zone to the machining path zone. The deceleration may be started from the machining path section before the deceleration section.
図15(a)及び(b)はこのことを図示するグラフである。なおグラフG1及びG2は、それぞれ図3で説明した座標系S1及びS2での速度変化を示し、また加工区間の指令速度V1は10m/min、移動経路区間の指令速度V2は30m/minとする。図15(a)は、加速区間で指令速度に達する場合を示す。一方図15(b)は、加速区間では指令速度V1に達せず、さらに加工区間内で増速している場合である。また図15(b)では、減速区間だけでは座標系S2における指令速度がゼロとならないので、減速区間に入る手前から指令速度を減速している。しかし図15(b)のような場合でも、加工経路区間内での指令速度の最小値V3が所定値以上になっていれば、指令速度での加工に準じた加工結果が得られるので、問題はない。なお、本発明では、経路区間の接線方向の加々速度は制限される(加々速度は有限値)ので、指令速度が一定値から変化し始める部分(例えば図15(a)のH1及びH2部)では、速度のグラフは折れ線とはならず、図示するような曲線となる。 FIGS. 15A and 15B are graphs illustrating this. The graphs G1 and G2 show speed changes in the coordinate systems S1 and S2 described with reference to FIG. 3, respectively, the command speed V1 in the machining section is 10 m / min, and the command speed V2 in the movement path section is 30 m / min. . FIG. 15A shows a case where the command speed is reached in the acceleration section. On the other hand, FIG. 15B shows a case where the command speed V1 is not reached in the acceleration section and the speed is further increased in the machining section. In FIG. 15B, since the command speed in the coordinate system S2 does not become zero only in the deceleration zone, the command speed is decelerated from before entering the deceleration zone. However, even in the case as shown in FIG. 15B, if the minimum value V3 of the command speed in the machining path section is equal to or greater than a predetermined value, a machining result according to the machining at the command speed can be obtained. There is no. In the present invention, since the jerk in the tangential direction of the route section is limited (the jerk is a finite value), the command speed starts to change from a constant value (for example, H1 and H2 in FIG. 15A). (Part), the speed graph is not a polygonal line but a curved line as shown.
なお、上記実施形態において移動経路を線分で指示したときは、ピアシング加工を行う点の位置について制限がある等の制約がある場合を除き、実際の移動は必ずしも線分上の経路に従う必要はなく、各軸それぞれの動きに適した経路に従ってもよい。上述のコーナループ部やミクロジョイント部の加工がこれに該当する。 In the above embodiment, when the movement path is indicated by a line segment, the actual movement does not necessarily follow the path on the line segment unless there is a restriction such as a restriction on the position of the point to be pierced. Instead, the path suitable for the movement of each axis may be followed. The above-described processing of the corner loop portion and the micro joint portion corresponds to this.
以上のように、本発明は、レーザ加工ヘッドの動きを加々速度、加速度、速度の大きさに制限を加えた上で、極力停止せずレーザ加工を行えるようにした技術である。加工時間の短縮による直接的なエネルギー節減効果の他に、加減速を減らすことによる経済的・環境的効果も大きい。従って、切断・溶接・マーキングのレーザ加工においての適用が期待される。 As described above, the present invention is a technique in which laser processing can be performed without stopping as much as possible after limiting the speed, acceleration, and speed of movement of the laser processing head. In addition to the direct energy saving effect by shortening the processing time, the economic and environmental effects by reducing acceleration and deceleration are also great. Therefore, application in laser processing of cutting, welding, and marking is expected.
10 レーザ加工装置
20 制御装置
30 数値制御装置
32 サーボ機構
102 移動経路区間
104 加速区間
106 加工経路区間
108 減速区間
DESCRIPTION OF
Claims (13)
直線、円弧及び楕円のいずれかからなり、指令された接線速度でレーザ加工を行う経路を含む経路区間の開始点に、同じ曲率半径を有して接する直線、円弧及び楕円のいずれかからなる加速区間を、レーザ加工を行う経路区間に先立って設定するステップと、
前記加速区間の開始点から前記経路区間を含む連続した2つの区間について、それらの区間を記述する第1の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第1の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記加速区間の開始点に向かうレーザ加工を行わない移動経路区間を設定するステップと、
前記移動経路区間について、該移動経路区間を記述する第2の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第2の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記移動経路区間の減速が終了する前に前記加速区間での移動指令を重畳して指令するステップと、
前記加速区間が終了する前に、前記移動経路区間の減速を終了させるステップと、
を有することを特徴とする、レーザ加工方法。 Laser processing that condenses laser light and irradiates the workpiece, and performs laser processing by scanning the condensing point on the workpiece by moving the processing head relative to the workpiece with a numerical controller. A method,
Acceleration consisting of either a straight line, arc, or ellipse that has the same radius of curvature and touches the starting point of a path section that includes a path for laser processing at the commanded tangential speed. Setting the section prior to the path section for laser processing;
For two consecutive sections including the path section from the start point of the acceleration section, the tangential direction and normal line of the speed, acceleration, and jerk of the relative movement in the first coordinate system describing the sections. A laser heading toward the start point of the acceleration section, limiting at least one of the magnitudes of the absolute values of the direction components, the axial components of the first coordinate system, and the combined components of the axial components A step of setting a movement route section not to be processed;
Regarding the movement path section, in the second coordinate system describing the movement path section, the components of the tangential direction and normal direction of the speed, acceleration and jerk of the relative movement, At least one of the magnitudes of the absolute values of each axial component and the combined component of each axial component is limited, and the movement command in the acceleration section is superimposed before the deceleration of the movement path section is completed. Commanding steps,
Ending deceleration of the travel path section before the acceleration section ends;
A laser processing method comprising:
直線、円弧及び楕円のいずれかからなり、指令された接線速度でレーザ加工を行う経路を含む経路区間の終了点に、同じ曲率半径を以って接する直線、円弧及び楕円のいずれかからなる減速区間を、レーザ加工を行う経路区間に続いて設定するステップと、
前記経路区間から前記減速区間の終了点までを含む連続した2つの区間について、それらの区間を記述する第1の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第1の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記減速区間の終了点から、次のレーザ加工を行う経路区間に向かうレーザ加工を行わない移動経路区間を設定するステップと、
前記移動経路区間について、該移動経路区間を記述する第2の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第2の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記減速区間の開始以降に、前記移動経路区間の移動指令が重畳して指令するステップと、
を有することを特徴とする、レーザ加工方法。 Laser processing that condenses laser light and irradiates the workpiece, and performs laser processing by scanning the condensing point on the workpiece by moving the processing head relative to the workpiece with a numerical controller. A method,
Deceleration consisting of a straight line, arc, or ellipse that consists of a straight line, arc, or ellipse and that touches the end point of the path section that includes the path for laser processing at the commanded tangential speed with the same radius of curvature. Setting a section following a path section for laser processing;
With respect to two consecutive sections including the path section to the end point of the deceleration section, the tangential direction and method of the relative movement speed, acceleration, and jerk in the first coordinate system describing the sections. Limiting at least one of the magnitudes of the absolute values of each component in the linear direction, each axial component in the first coordinate system, and the combined component of each axial component, from the end point of the deceleration section, A step of setting a movement path section not performing laser processing toward a path section for performing the next laser processing;
Regarding the movement path section, in the second coordinate system describing the movement path section, the components of the tangential direction and normal direction of the speed, acceleration and jerk of the relative movement, At least one of the magnitudes of the absolute values of each axial direction component and the combined component of each axial direction component is limited, and the movement command of the movement path section is superposed and commanded after the start of the deceleration section. Steps,
A laser processing method comprising:
前記円形の経路へ向かう線分からなる移動経路区間の開始点からみて前記円形の経路上の最も遠い点を、レーザ加工を行う経路区間の開始点として設定し、かつ、レーザ加工を行う経路区間の前の加速区間の開始点を移動経路区間終了点として設定するステップをさらに含む、レーザ加工方法。 The laser processing method according to claim 1, wherein processing is performed along a circular path,
The farthest point on the circular path as seen from the starting point of the moving path section consisting of the line segment toward the circular path is set as the starting point of the path section for performing laser processing, and the path section for performing laser processing is set. The laser processing method which further includes the step which sets the starting point of the previous acceleration area as a movement path | route area end point.
前記図形の経路へ向かう線分からなる移動経路区間の開始点からみて前記図形の経路の円弧上の最も遠い点を、レーザ加工を行う経路区間の開始点として設定し、かつ、レーザ加工を行う経路区間の前の加速区間の開始点を移動経路区間終了点として設定するステップをさらに含む、レーザ加工方法。 The laser processing method according to claim 1, wherein the laser processing method cuts and drills along a path of a graphic composed of an arc and a line segment,
A path that is set at the farthest point on the arc of the path of the graphic as a starting point of the path section for performing laser processing, as viewed from the start point of the movement path section that is composed of line segments that are directed to the path of the graphic, and that is used for laser processing The laser processing method further including the step which sets the start point of the acceleration area before the area as a movement path | route area end point.
コーナ部分に向かうレーザ加工区間の延長上に減速区間と、前記コーナ部分から始まるレーザ加工区間に先立つ加速区間と、前記減速区間の終了点及び前記加速区間の開始点をそれぞれ始点及び終点とする線分又は円弧からなる移動経路区間とを設定するステップをさらに有する、レーザ加工方法。 The laser processing method according to claim 1, 2 or 6, wherein the laser processing is performed using a loop type movement path section of a corner edge shape portion,
A line with a deceleration section on the extension of the laser processing section toward the corner, an acceleration section preceding the laser processing section starting from the corner section, an end point of the deceleration section, and a start point of the acceleration section, respectively. The laser processing method which further has the step which sets the movement path | route area which consists of minutes or a circular arc.
ミクロジョイント部分に向かうレーザ加工区間の延長上に減速区間と、前記ミクロジョイント部分から始まるレーザ加工区間に先立つ加速区間と、前記減速区間の終了点及び前記加速区間の開始点をそれぞれ始点及び終点とする線分または円弧からなる移動経路区間とを設定するステップをさらに含む、レーザ加工方法。 The laser processing method according to claim 1, 2, or 6, wherein micro joint processing is performed,
A deceleration section on the extension of the laser processing section toward the micro joint part, an acceleration section preceding the laser processing section starting from the micro joint section, an end point of the deceleration section, and a start point of the acceleration section, respectively, as a start point and an end point The laser processing method further includes the step of setting the movement path | route area which consists of a line segment or circular arc to perform.
直線、円弧及び楕円のいずれかからなり、指令された接線速度でレーザ加工を行う経路を含む経路区間の開始点に、同じ曲率半径を有して接する直線、円弧及び楕円のいずれかからなる加速区間を、レーザ加工を行う経路区間に先立って設定する手段と、
前記加速区間の開始点から前記経路区間を含む連続した2つの区間について、それらの区間を記述する第1の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第1の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記加速区間の開始点に向かうレーザ加工を行わない移動経路区間を設定する手段と、
前記移動経路区間について、該移動経路区間を記述する第2の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第2の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記移動経路区間の減速が終了する前に前記加速区間での移動指令を重畳して指令する手段と、
前記加速区間が終了する前に、前記移動経路区間の減速を終了させる手段と、
を有することを特徴とする、レーザ加工装置。 Laser processing that condenses laser light and irradiates the workpiece, and performs laser processing by scanning the condensing point on the workpiece by moving the processing head relative to the workpiece with a numerical controller. A device,
Acceleration consisting of either a straight line, arc, or ellipse that has the same radius of curvature and touches the starting point of a path section that includes a path for laser processing at the commanded tangential speed. Means for setting a section in advance of a path section for laser processing;
For two consecutive sections including the path section from the start point of the acceleration section, the tangential direction and normal line of the speed, acceleration, and jerk of the relative movement in the first coordinate system describing the sections. A laser heading toward the start point of the acceleration section, limiting at least one of the magnitudes of the absolute values of the direction components, the axial components of the first coordinate system, and the combined components of the axial components Means for setting a movement route section not to be processed;
Regarding the movement path section, in the second coordinate system describing the movement path section, the components of the tangential direction and normal direction of the speed, acceleration and jerk of the relative movement, At least one of the magnitudes of the absolute values of each axial component and the combined component of each axial component is limited, and the movement command in the acceleration section is superimposed before the deceleration of the movement path section is completed. Means for commanding,
Means for ending deceleration of the travel path section before the acceleration section ends;
A laser processing apparatus comprising:
直線、円弧及び楕円のいずれかからなり、指令された接線速度でレーザ加工を行う経路を含む経路区間の終了点に、同じ曲率半径を以って接する直線、円弧及び楕円のいずれかからなる減速区間を、レーザ加工を行う経路区間に続いて設定する手段と、
前記経路区間から前記減速区間の終了点までを含む連続した2つの区間について、それらの区間を記述する第1の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第1の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記減速区間の終了点から、次のレーザ加工を行う経路区間に向かうレーザ加工を行わない移動経路区間を設定する手段と、
前記移動経路区間について、該移動経路区間を記述する第2の座標系内において、前記相対移動の速度、加速度及び加々速度の接線方向及び法線方向の各成分、前記第2の座標系の各軸方向成分、並びに前記各軸方向成分の合成成分の絶対値の大きさのうち少なくとも1つを制限し、前記減速区間の開始以降に、前記移動経路区間の移動指令が重畳して指令する手段と、
を有することを特徴とする、レーザ加工装置。 Laser processing that condenses laser light and irradiates the workpiece, and performs laser processing by scanning the condensing point on the workpiece by moving the processing head relative to the workpiece with a numerical controller. A device,
Deceleration consisting of a straight line, arc, or ellipse that consists of a straight line, arc, or ellipse and that touches the end point of the path section that includes the path for laser processing at the commanded tangential speed with the same radius of curvature. Means for setting the section following the path section for laser processing;
With respect to two consecutive sections including the path section to the end point of the deceleration section, the tangential direction and method of the relative movement speed, acceleration, and jerk in the first coordinate system describing the sections. Limiting at least one of the magnitudes of the absolute values of each component in the linear direction, each axial component in the first coordinate system, and the combined component of each axial component, from the end point of the deceleration section, Means for setting a movement path section that does not perform laser processing toward a path section for performing the next laser processing;
Regarding the movement path section, in the second coordinate system describing the movement path section, the components of the tangential direction and normal direction of the speed, acceleration and jerk of the relative movement, At least one of the magnitudes of the absolute values of each axial direction component and the combined component of each axial direction component is limited, and the movement command of the movement path section is superposed and commanded after the start of the deceleration section. Means,
A laser processing apparatus comprising:
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