具備間隙控制功能的激光加工機及其控制裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種具備間隙控制功能的激光加工機及其控制裝置。其中，上述激光加工機的控制裝置縮短從反饋控制切換到間隙控制的時間，另一方面，能夠使加工噴嘴相對于被加工物移動，使得切換時的加速度變化變小。控制裝置具有：減速開始距離計算部，其計算開始加工噴嘴的趨近動作的減速時的加工噴嘴和工件之間的距離即減速開始距離；第一速度指令生成部，其根據(jù)減速開始距離、預(yù)定的趨近最大速度以及加速度生成第一速度指令值；第二速度指令生成部，其根據(jù)間隙的目標(biāo)值以及來自間隙傳感器的反饋值來計算第二速度指令值；以及速度指令切換部，其選擇第一和第二速度指令值的某一方并發(fā)送給伺服控制部。
【專利說明】
具備間隙控制功能的激光加工機及其控制裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及構(gòu)成為一邊控制加工噴嘴和被加工物之間的間隙一邊進(jìn)行激光加工 的激光加工機以及該激光加工機的控制裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] -般在使用了激光加工機的激光加工中，進(jìn)行使加工噴嘴接近被加工物(趨近）， 將加工噴嘴和被加工物之間的距離（間隙）維持固定的間隙控制。這時，進(jìn)行從使用了檢測 加工噴嘴的位置的位置檢測器的輸出的反饋控制向使用了檢測加工噴嘴和被加工物之間 的距離的間隙傳感器的輸出的間隙控制的切換。
[0003] 作為與此關(guān)聯(lián)的現(xiàn)有技術(shù)，例如在日本特開平09-308979號公報中記載了一種激 光加工裝置，其以仿形趨近速度信息、加速度信息、減速停止距離信息、到間隙基準(zhǔn)位置為 止的距離信息為基礎(chǔ)而生成仿形趨近動作時的移動指令，以預(yù)先設(shè)定的速度信息和加速度 信息為基礎(chǔ)，將來自間隙傳感器的信息作為距離信息，使從仿形動作退避位置到仿形動作 的基準(zhǔn)位置為止的仿形趨近動作進(jìn)行加減速動作，從而計劃縮短仿形趨近動作所需要的移 動時間。
[0004] 另外，在日本特開2010-125518號公報中記載有激光加工裝置，該激光加工裝置包 括:安裝有加工噴嘴的控制軸;驅(qū)動部，其驅(qū)動控制軸使得加工噴嘴向被加工物前進(jìn)以及從 被加工物后退;伺服控制部，其控制驅(qū)動部;位置檢測部，其檢測驅(qū)動部的位置；以及間隙傳 感器，其檢測加工噴嘴和被加工物之間的間隙，其中，伺服控制部根據(jù)通過間隙傳感器檢測 出的間隙檢測值來變更由位置檢測部檢測出的驅(qū)動部的位置，從而進(jìn)行將加工噴嘴和被加 工物之間的間隙維持為一定的間隙控制。
[0005] 圖6是表示在現(xiàn)有的激光加工機中的趨近動作中的速度指令值的時間變化的圖 表。首先，根據(jù)第一速度指令值102使加工噴嘴(對其進(jìn)行驅(qū)動的控制軸)動作，詳細(xì)地說，使 加工噴嘴加速到趨近最大速度Fa(區(qū)域104)，在間隙傳感器的輸出成為減速開始距離為止 以一定速度Fa移動預(yù)定時間（區(qū)域106)后，以預(yù)定的加速度進(jìn)行減速（區(qū)域108)。另外，圖6 的Td是間隙傳感器的輸出成為了減速開始距離的時刻。
[0006] 在該減速動作的途中（區(qū)域108)，進(jìn)行從第一速度指令值102向根據(jù)間隙傳感器的 輸出而生成的第二速度指令值110的切換。具體地說，在第一速度指令值102和第二速度指 令值變得相等的點112(時刻X)，用于加工噴嘴的動作控制的速度指令值從第一速度指令值 102被切換為第二速度指令值110。
[0007] 不過在該情況下，在時刻x加工噴嘴的速度急劇變化，因此在切換速度指令值時加 工噴嘴受到?jīng)_擊，有時會影響之后的間隙控制。因此，在調(diào)整趨近動作時，需要設(shè)定參數(shù)(減 速開始位置)使得能夠順利地進(jìn)行速度指令值的切換。另一方面，希望趨近時間（第二速度 指令值成為零的時刻Tf)盡量地短，這樣的調(diào)整繁瑣且難度變高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 因此，本發(fā)明的目的在于提供一種激光加工機的控制裝置以及包括該控制裝置的 激光加工機，其中，上述激光加工機的控制裝置能夠縮短從反饋控制切換為間隙控制為止 的時間（趨近動作時間），另一方面，能夠使加工噴嘴相對于被加工物移動從而使得切換時 的加速度變化變小。
[0009] 為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明提供一種激光加工機的控制裝置，其一邊會聚從加工 噴嘴射出的激光來照射到被加工物，一邊根據(jù)加工程序使上述加工噴嘴以及上述被加工物 相對移動，從而加工上述被加工物，所述激光加工機的控制裝置具備：減速開始距離計算 部，其計算開始上述相對移動的減速時的上述加工噴嘴和上述被加工物之間的距離即減速 開始距離;第一速度指令生成部，其根據(jù)上述減速開始距離、預(yù)定的趨近最大速度以及減速 度生成第一速度指令值;第二速度指令生成部，其根據(jù)上述加工噴嘴和上述被加工物之間 的間隙的目標(biāo)值以及來自檢測上述間隙的間隙傳感器的反饋值來計算第二速度指令值；以 及速度指令切換部，其在上述第一速度指令值和上述第二速度指令值之間切換用于上述相 對移動的速度指令，上述減速開始距離計算部計算從上述加工噴嘴和上述被加工物之間的 距離成為了減速開始距離時起以上述減速度減速時的上述第一速度指令值和上述第二速 度指令值，求出滿足以下條件的減速開始距離，即第一時刻的上述第一速度指令值和上述 第一時刻的上述第二速度指令值之差的絕對值為上述第一時刻的第一速度指令值的絕對 值的10%以下，并且上述第一時刻的上述第一速度指令值的一階微分和上述第一時刻的上 述第二速度指令值的一階微分之差的絕對值為上述第一時刻的第一速度指令值的一階微 分的絕對值的10%以下。
[0010] 在優(yōu)選的實施方式中，上述第一速度指令生成部通過將間隙控制增益K與上述目 標(biāo)值和來自上述間隙傳感器的反饋值之差相乘，求出上述第一速度指令值，上述減速開始 距離計算部使用間隙控制增益K、趨近最大速度Fa以及減速度A，通過Ld=(Fa 2/2A) + (A/2K2) 的式子來計算減速開始距離Ld。
[0011]優(yōu)選第一時刻的上述第一速度指令值和上述第一時刻的上述第二速度指令值之 差的絕對值是零。
[0012] 優(yōu)選上述第一時刻的上述第一速度指令值的一階微分和上述第一時刻的上述第 二速度指令值的一階微分之差的絕對值是零。
[0013] 在優(yōu)選的實施方式中，上述速度指令切換部從上述相對移動的減速開始時根據(jù)第 一速度指令值進(jìn)行上述相對移動，在上述第二速度指令值成為上述第一速度指令值以下之 后根據(jù)上述第二速度指令值進(jìn)行上述相對移動。
[0014] 在優(yōu)選的實施方式中，
[0015] 在沒有通過上述速度指令切換部從上述第一速度指令值切換為上述第二速度指 令值，上述第一速度指令值成為零并且上述第二速度指令值不是零時，上述速度指令切換 部根據(jù)以與上述減速度的絕對值相等的加速度使上述相對移動加速的第三速度指令值進(jìn) 行上述相對移動，在上述第三速度指令值和上述第二速度指令值相交時以后，根據(jù)上述第 二速度指令值進(jìn)行上述相對移動。
[0016] 另外，本發(fā)明提供一種激光加工機，其具有上述控制裝置;加工噴嘴;控制軸，其通 過伺服電動機控制上述加工噴嘴和上述被加工物之間的距離;位置檢測部，其檢測上述控 制軸的位置；以及與上述位置檢測部不同的間隙傳感器，其檢測上述加工噴嘴和上述被加 工物之間的間隙，上述激光加工機一邊會聚從上述加工噴嘴射出的激光來照射到上述被加 工物，一邊根據(jù)加工程序使上述加工噴嘴和上述被加工物相對移動，從而加工上述被加工 物。
【附圖說明】
[0017] 通過一邊參照附圖一邊說明以下的優(yōu)選實施方式，能夠更加明確本發(fā)明的上述或 其他目的、特征以及優(yōu)點。
[0018] 圖1是表示本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的激光加工機的概略結(jié)構(gòu)的圖。
[0019 ]圖2是表示圖1的激光加工機中的加工噴嘴的趨近動作時的速度變化一例的圖表。
[0020] 圖3是表示計算加工噴嘴的減速動作開始距離的步驟的一例的流程圖。
[0021] 圖4是表示現(xiàn)有技術(shù)的加工噴嘴的趨近動作時的加工噴嘴的減速動作開始后的速 度變化的圖表。
[0022] 圖5是表示圖1的激光加工機中的加工噴嘴的趨近動作時的速度變化的其他例子 的圖表。
[0023] 圖6是表示現(xiàn)有技術(shù)的加工噴嘴的趨近動作時的速度變化的圖表。
【具體實施方式】
[0024]圖1是表示包括本發(fā)明的優(yōu)選實施方式的控制裝置的激光加工機的概略結(jié)構(gòu)的 圖。激光加工機10構(gòu)成為，具備通過未圖示的激光振蕩器照射激光的加工噴嘴12,一邊會聚 從加工噴嘴12射出的激光(通過未圖示的會聚透鏡等)來照射到被加工物(工件)W，一邊根 據(jù)預(yù)定的加工程序使加工噴嘴12以及工件W相對移動從而加工工件W。
[0025]激光加工機10具有:控制軸16,其通過伺服電動機14控制加工噴嘴12和工件W之間 的距離；以及編碼器等位置檢測部18,其檢測控制軸16的位置。在圖示例中，控制軸16在大 致鉛直方向（Z方向）延伸，加工噴嘴12相對于工件W在Z方向能夠接觸分離。另外在圖示例 中，工件W被搭載并保持在可動工作臺20上，該可動工作臺20被構(gòu)成為在與Z方向垂直的X-Y 平面內(nèi)可動。
[0026]另外，激光加工機10具有檢測加工噴嘴12和工件W之間的間隙G的、與位置檢測部 18不同的間隙傳感器22。間隙傳感器22只要能夠檢測出加工噴嘴12和工件W之間的間隙G， 則可以是任意的傳感器，不過在圖示例中，具有安裝在加工噴嘴12上，并能夠與工件W接觸 的觸頭24,或者也可以代替觸頭24而使用靜電容量型的間隙傳感器(未圖示），設(shè)置將其輸 出轉(zhuǎn)換為與位置檢測器18的輸出同種類的轉(zhuǎn)換電路。
[0027]加工噴嘴12和工件W之間的相對移動（圖示例中為控制軸16的Z方向位置）由激光 加工機10中包括的控制裝置(CNC)26進(jìn)行控制。具體地說，控制裝置26具有:減速開始距離 計算部30,其在加工噴嘴12的趨近動作中，自動地計算加工噴嘴12相對于工件W的移動的減 速開始時的加工噴嘴12和工件W之間的距離即減速開始距離Ld(后述）；第一速度指令生成 部32,其根據(jù)減速開始距離Ld、預(yù)定的趨近最大速度Fa以及減速度A(后述)生成第一速度指 令值;第二速度指令生成部34,其根據(jù)間隙G的目標(biāo)值以及來自間隙傳感器22的反饋值來計 算第二速度指令值；以及速度指令切換部36,其選擇第一速度指令值以及第二速度指令值 中的某一方并發(fā)送給伺服控制部38,伺服控制部38根據(jù)來自位置檢測器18的輸出（加工噴 嘴12的位置數(shù)據(jù)）、來自速度指令切換部36的第一或第二速度指令值，生成、輸出針對控制 軸16(具體地說，對驅(qū)動控制軸16的伺服電動機14提供電力的伺服放大器40)的速度指令。 [0028]另外，雖然沒有圖示，不過控制裝置26也可以具有顯示部(例如CRT、液晶顯示器）， 其顯示加工噴嘴12等可動部的位置、速度以及激光加工機10的激光狀態(tài)和加工條件等。另 外，數(shù)值控制裝置26也可以具有能夠由操作員輸入激光輸出條件以及各種數(shù)據(jù)等的輸入部 (例如鍵盤、鼠標(biāo)）。
[0029] 接著，參照圖2說明由控制裝置26生成的速度指令。首先，使加工噴嘴12(對其進(jìn)行 驅(qū)動的控制軸16)根據(jù)第一速度指令值42進(jìn)行動作。詳細(xì)地說，在使加工噴嘴12加速到趨近 最大速度Fa (區(qū)域44)并以速度Fa移動預(yù)定時間（區(qū)域46)后，從加工噴嘴12和工件W之間的 距離成為后述的減速開始距離Ld的時刻Td起，以預(yù)定的減速度進(jìn)行減速(區(qū)域48)。
[0030] 在該減速動作的途中（區(qū)域48)，從第一速度指令值42切換到根據(jù)間隙G的目標(biāo)值 以及間隙傳感器22的輸出而生成的第二速度指令值50。具體地說，在滿足以下條件的點52 (第一時刻x)，發(fā)送給伺服放大器40的速度指令從第一速度指令值42被切換為第二速度指 令值50。
[0031]在此，在第一時刻X，第一速度指令值42和第二速度指令值50之差的絕對值在時刻 x的第一速度指令值42的絕對值的10%以下，優(yōu)選是5%以下、3%以下、1 %以下，最好是零 (即第一速度指令值42和第二速度指令值50相等）。
[0032]另外，在第一時刻X，第一速度指令值42的一階微分和第二速度指令值50的一階微 分之差的絕對值為時刻x的第一速度指令值42的一階微分的絕對值的10%以下，優(yōu)選在5% 以下、3%以下、1 %以下，最好是零（即第一速度指令值42的一階微分和第二速度指令值50 的一階微分相等）。另外，在圖2的例子中示出第一速度指令值42和第二速度指令值50之差 為零，并且第一速度指令值42的一階微分和第二速度指令值50的一階微分之差是零（即第 一速度指令值42和第二速度指令值50在時刻x連接)的情況。
[0033]接著，參照圖2以及圖3的流程圖說明求出上述減速開始距離Ld的步驟。
[0034]首先，在趨近動作開始后，從加工噴嘴12相對于工件W的速度為趨近最大速度Fa的 狀態(tài)（圖2的時刻Td)，分別計算以預(yù)定的減速度（負(fù)的加速度)減速時（即區(qū)域48內(nèi)）的第一 速度指令值42、根據(jù)間隙傳感器22的輸出而生成的第二速度指令值50(步驟S1)。不過，時刻 Td是間隙傳感器22的輸出成為減速開始距離Ld的時刻，若求出減速開始距離Ld則確定。 [0035]在接著的步驟S2中，求出第一速度指令值42的一階微分和第二速度指令值50的一 階微分之差的絕對值成為第一速度指令值42(或第二速度指令值50)的一階微分的絕對值 的10%以下（即兩者的斜率大概相等)的第一時刻X。
[0036]在接著的步驟S3中，求出減速開始距離Ld，使得在步驟S2求出的時刻X，第一速度 指令值42和第二速度指令值50之差的絕對值成為第一速度指令值42(或第二速度指令值 50)的絕對值的10%以下（即兩者大概一致）。使用這樣而得到的減速開始距離Ld，生成從區(qū) 域44到48的第一速度指令值42。
[0037]接著，如圖2所示，說明第一速度指令值42和第二速度指令值50在時刻x連接時的 減速開始距離Ld的具體計算方法(計算式）。另外，在此，間隙控制的控制規(guī)則是將間隙控制 增益設(shè)為K的比例控制，如圖2所示，說明第一速度指令值42和第二速度指令值50在時亥Ijx連 接的情況。另外，將在減速開始后（區(qū)域48)的第一速度指令值42的減速度設(shè)為固定值A(chǔ)(A = Fa/(T2-Td))〇
[0038]從圖2可知，根據(jù)第一速度指令值42和第二速度指令值50在時刻x( = T2-l/K)連接 的情況得到以下式(1)，通過將式(1)進(jìn)行變形而得到用于求出減速開始距離Ld的式(2)。
[0041]在此，如果間隙控制中的指數(shù)型加減速的穩(wěn)定時間等于時間常數(shù)的5倍，則通過以 下式(3)求出加工噴嘴的動作趨近所需要的時間Tf。
(3)
[0043] 圖4是作為與本發(fā)明的比較例，說明通過現(xiàn)有技術(shù)的方法進(jìn)行了趨近動作的情況 的圖。另外在圖4中，僅示出相當(dāng)于圖2的區(qū)域48(減速動作開始后）的部分，其他部分省略。 另外，控制增益等各個參數(shù)全部和上述的相同。
[0044] 在圖4的例子中，假定第一速度指令值114和第二速度指令值116在時刻x單純地相 交。這時，得到以下式(4)，通過將式(4)進(jìn)行變形，得到用于求出時刻x的式(5)。
[0047]在此，與圖2的情況相同，如果間隙控制中的指數(shù)型加減速的穩(wěn)定時間等于時間常 數(shù)的5倍，則通過以下式(6)求出現(xiàn)有技術(shù)中加工噴嘴的動作趨近所需要的時間Tf。這樣，在 相同條件下，在為了使第一速度指令值和第二速度指令值連接而進(jìn)行速度指令的切換的情 況下，能夠?qū)②吔鼊幼鲿r間最小化。
[0049]接著，說明時刻x的第一速度指令值和第二速度指令值之差為第一速度指令值的 絕對值的a%以下，并且第一速度指令值的一階微分和第二速度指令值的一階微分之差的 絕對值成為第一速度指令值的一階微分的絕對值的以下的時刻x以及減速開始距離Ld 的導(dǎo)出。
[0050]為了使時刻x的第一速度指令值和第二速度指令值之差的絕對值成為第一速度指 令值的絕對值的a%以下，需要滿足以下的式(7)。另外，為了使第一速度指令值的一階微分 和第二速度指令值的一階微分之差的絕對值成為第二速度指令值的一階微分的絕對值的 以下，需要滿足以下的式(8)。

[0053]根據(jù)式(7)以及(8)，能夠分別通過以下的式(9)以及（10)求出時刻x以及減速開始 距離Ld。
[0056]圖5是說明在從第一速度指令值向第二速度指令值的切換中失敗的情況下，用于 自動開始間隙控制的處理的圖表。如圖5所示，在沒有通過速度指令切換部36從第一速度指 令值42切換為第二速度指令值50，第一速度指令值成為零(時刻T2 )，并且第一速度指令值 42成為零時而第二速度指令值50不是零時，控制裝置26根據(jù)第三速度指令值54使加工噴嘴 12移動，該第三速度指令值54以與從時刻Td到T2的減速時的加速度(減速度)的絕對值相等 的加速度使加工噴嘴12加速，在第三速度指令值54與第二速度指令值50在交點56相交時 (時刻T3)以后，速度指令切換部36將加工噴嘴的動作指令從第三速度指令值54切換為第二 速度指令值50。通過這樣的處理，即使在通過位置檢測器18和間隙傳感器22的故障等沒能 順利地進(jìn)行用于相對移動的速度指令值的切換的情況下，也能夠?qū)⒓庸娮?2所接受的沖 擊抑制到最低限度，極力縮短趨近動作時間。
[0057]另外，在上述實施方式中，激光加工機10具有3個驅(qū)動軸(X、Y、Z軸），工件W(載置工 件W的可動工作臺20)在X-Y平面內(nèi)可動，加工噴嘴12在Z方向上成為可動，不過本發(fā)明的適 用對象不限于此，也能夠應(yīng)用于加工噴嘴通過至少一個控制軸能夠相對于工件進(jìn)行移動的 結(jié)構(gòu)的激光加工機。
[0058]根據(jù)本發(fā)明，能夠自動地計算可以順利地進(jìn)行速度指令的切換的減速動作距離， 能夠容易地實現(xiàn)加工噴嘴的最優(yōu)趨近動作。
【主權(quán)項】
1. 一種激光加工機的控制裝置，一邊會聚從加工噴嘴射出的激光來照射到被加工物， 一邊根據(jù)加工程序使上述加工噴嘴以及上述被加工物相對移動，從而加工上述被加工物， 所述激光加工機的控制裝置的特征在于， 具備： 減速開始距離計算部，其計算開始上述相對移動的減速時的上述加工噴嘴和上述被加 工物之間的距離即減速開始距離； 第一速度指令生成部，其根據(jù)上述減速開始距離、預(yù)定的趨近最大速度以及減速度生 成第一速度指令值； 第二速度指令生成部，其根據(jù)上述加工噴嘴和上述被加工物之間的間隙的目標(biāo)值以及 來自檢測上述間隙的間隙傳感器的反饋值來計算第二速度指令值;以及 速度指令切換部，其在上述第一速度指令值和上述第二速度指令值之間切換用于上述 相對移動的速度指令， 上述減速開始距離計算部計算從上述加工噴嘴和上述被加工物之間的距離成為了減 速開始距離時起以上述減速度減速時的上述第一速度指令值和上述第二速度指令值，求出 滿足以下條件的減速開始距離，即第一時刻的上述第一速度指令值和上述第一時刻的上述 第二速度指令值之差的絕對值為上述第一時刻的第一速度指令值的絕對值的10%以下，并 且上述第一時刻的上述第一速度指令值的一階微分和上述第一時刻的上述第二速度指令 值的一階微分之差的絕對值為上述第一時刻的第一速度指令值的一階微分的絕對值的 10%以下。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工機的控制裝置，其特征在于， 上述第一速度指令生成部通過將間隙控制增益K與上述目標(biāo)值和來自上述間隙傳感器 的反饋值之差相乘，求出上述第一速度指令值， 上述減速開始距離計算部使用間隙控制增益K、趨近最大速度Fa以及減速度A，通過Ld = (Fa2/2A) + (A/2K2)的式子來計算減速開始距離Ld。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工機的控制裝置，其特征在于， 第一時刻的上述第一速度指令值和上述第一時刻的上述第二速度指令值之差的絕對 值是零。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光加工機的控制裝置，其特征在于， 上述第一時刻的上述第一速度指令值的一階微分和上述第一時刻的上述第二速度指 令值的一階微分之差的絕對值是零。5. 根據(jù)權(quán)利要求1~4中的任意一項所述的激光加工機的控制裝置，其特征在于， 上述速度指令切換部從上述相對移動的減速開始時根據(jù)第一速度指令值進(jìn)行上述相 對移動，在上述第二速度指令值成為上述第一速度指令值以下之后根據(jù)上述第二速度指令 值進(jìn)行上述相對移動。6. 根據(jù)權(quán)利要求1~5中的任意一項所述的激光加工機的控制裝置，其特征在于， 在沒有通過上述速度指令切換部從上述第一速度指令值切換為上述第二速度指令值， 上述第一速度指令值成為零并且上述第二速度指令值不是零時，上述速度指令切換部根據(jù) 以與上述減速度的絕對值相等的加速度使上述相對移動加速的第三速度指令值進(jìn)行上述 相對移動，在上述第三速度指令值和上述第二速度指令值相交時以后，根據(jù)上述第二速度 指令值進(jìn)行上述相對移動。7. -種激光加工機，其特征在于， 具有： 權(quán)利要求1~6中的任意一項所述的控制裝置； 加工噴嘴； 控制軸，其通過伺服電動機控制上述加工噴嘴和上述被加工物之間的距離； 位置檢測部，其檢測上述控制軸的位置；以及 與上述位置檢測部不同的間隙傳感器，其檢測上述加工噴嘴和上述被加工物之間的間 隙， 上述激光加工機一邊會聚從上述加工噴嘴射出的激光來照射到上述被加工物，一邊根 據(jù)加工程序使上述加工噴嘴和上述被加工物相對移動，從而加工上述被加工物。
【文檔編號】B23K26/08GK106001910SQ201610190780
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】恒木亮太郎, 豬飼聰史
【申請人】發(fā)那科株式會社