JP6918603B2 - 三次元レーザ加工機および三次元レーザ加工機の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、三次元レーザ加工機および三次元レーザ加工機の制御方法に関する。

従来、ワークに対してレーザを照射するレーザ加工機が知られている。このようなレーザ加工機では、加工ヘッドは、エアーカットと称される移動処理によって、加工終了位置から次のアプローチ開始位置まで移動する。加工ヘッドがアプローチ開始位置に到達すると、次の加工開始位置まで加工ヘッドを移動させるアプローチ処理が実行される。

特許文献１には、このようなレーザ加工機として、ワークに対して三次元加工が可能な三次元レーザ加工機が開示されている。特許文献１の三次元レーザ加工機では、Ｘ軸とＹ軸とＺ軸との３軸によって加工ヘッドの位置決めが行なわれるとともに、Ｃ軸とＡ軸との２つの回転軸によって加工ヘッドの姿勢が制御される。このレーザ加工機は、レーザ加工を行っている際（レーザ光の照射中）に、加工ヘッドとワークの加工面との間の距離（ギャップ量）が予め定められた設定値（目標値）となるように加工ヘッドの位置を補正する倣い制御を実行する。

また、たとえば特許文献２および３には、Ｚ軸負方向にのみレーザ光の照射が可能な二次元レーザ加工機が開示されている。特許文献２のレーザ加工機は、加工ヘッドを退避位置から次の加工開始位置へと移動させる際に、加工ヘッドが斜め下降移動を開始すると倣い制御を実行する。また、特許文献３のレーザ加工機は、加工ヘッドを退避位置から次の加工開始位置へと移動させる際に、加工ヘッドが中間点から下降し、かつギャップ量が所定量となると倣い制御を行う。

特開平１０−１７５０８５号公報 特開２００８−１１０３８９号公報 特開２００４−１０６７号公報

特許文献１の三次元レーザ加工機は、加工ヘッドのノズルからレーザ光を三次元の各方向に照射可能な構成であるため、アプローチ処理の際にノズル方向が常にＺ軸方向を向いているとは限らない。また、このような三次元レーザ加工機は、アプローチ処理においてノズルの方向を変化させる場合もある。それゆえ、特許文献２および３のように倣い制御によってＺ軸方向にのみ加工ヘッドの位置を補正する構成を、そのまま３次元レーザ加工機に適用することはできない。

本発明の目的は、アプローチ処理を迅速に行うことが可能な三次元レーザ加工機および三次元レーザ加工機の制御方法を提供することにある。

本発明のある局面に従うと、三次元レーザ加工機は、ノズルを有し、かつワークに対してレーザ光をノズルから照射する加工ヘッドと、加工ヘッドの位置決めを行い、かつノズルの向きを制御するコントローラと、ワークとノズルとの間の距離を検出するセンサとを備える。コントローラは、検出された距離に基づいて、加工ヘッドの位置を補正する倣い制御を実行可能である。コントローラは、ノズルの向きを制御しながら加工ヘッドをアプローチ開始位置から加工開始位置へと移動させるアプローチ処理の途中で加工ヘッドが予め定められた第１の位置に到達すると、倣い制御を実行して加工ヘッドを加工開始位置へと移動させる。

上記の発明によれば、アプローチ処理を迅速に行うことが可能となる。

レーザ加工機の斜視図である。 図１の加工ヘッドの周囲を拡大した要部拡大図である。 レーザ加工機のハードウェア構成の一部を表したブロック図である。 レーザ加工時の倣い制御を説明するための図である。 加工終了位置から加工開始位置までの加工ヘッドの移動経路を表した図である。 図５の一部を拡大した拡大図である。 ギャップ補正量の算出方法を説明するための図である。 図５の場合においてコントローラにおいて実行される処理の流れを説明するためのフロー図である。 図８のステップＳ３の処理の詳細を表したフロー図である。 アプローチ処理時におけるコントローラの機能的構成を説明するための機能ブロック図である。

以下、実施形態について図に基づいて説明する。実施形態における構成を適宜組み合わせて用いることは当初から予定されていることである。また、一部の構成要素を用いない場合もある。以下では、三次元直交座標系（ＸＹＺ座標系）を参照して説明する。

＜Ａ．装置構成＞
図１は、レーザ加工機１の斜視図である。レーザ加工機１は、５軸（Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸，Ｃ軸，Ａ軸）の三次元レーザ加工機である。レーザ加工機１は、一例として、ファイバレーザ加工機である。レーザ加工機１によれば、ワークを切断することにより所望の形状に加工することができる。

図１に示されるように、レーザ加工機１は、加工機本体２００と、テーブル３００と、コントローラ４００と、発振器５００とを備える。加工機本体２００は、図示しないマシンルーム内に設置される。コントローラ４００と、発振器５００とは、マシンルーム外に設置される。

コントローラ４００は、加工機本体２００と、テーブル３００を駆動する駆動装置（図示せず）と、発振器５００とに通信可能に接続されている。コントローラ４００は、加工機本体２００の動作と、テーブル３００の動作と、発振器５００の動作とを制御する。

発振器５００は、コントローラ４００からの指令に基づき、レーザ光を発振する。発信されたレーザ光は、光ファイバを介して加工機本体２００に送られる。

テーブル３００には、ワークＷ（加工対象物、被加工部材）が載置される。テーブル３００は、コントローラ４００からの指令に基づき、マシンルームの内と外とを行き来する。

加工機本体２００は、ベース部材２０１と、加工ヘッド２０３と、サーボモータ２０７Ａ，２０７Ｂ，２０７Ｃと、ガイド部材２１１，２２１，２３１と、可動部材２１２，２２２，２３２とを備える。

サーボモータ２０７Ａ，２０７Ｂ，２０７Ｃは、コントローラ４００からの指示に基づき駆動する。

ガイド部材２１１は、ベース部材２０１に設けられている。可動部材２１２は、ガイド部材２１１に移動可能に支持されている。可動部材２１２は、サーボモータ２０７Ａによって移動する。可動部材２１２の移動によって、加工ヘッド２０３は、Ｘ軸の正方向および負方向に移動する。

ガイド部材２２１は、可動部材２１２に設けられている。可動部材２２２は、ガイド部材２２１に移動可能に支持されている。可動部材２２２は、サーボモータ２０７Ｂによって移動する。可動部材２２２の移動によって、加工ヘッド２０３は、Ｙ軸の正方向および負方向に移動する。

ガイド部材２３１は、可動部材２２２に設けられている。可動部材２３２は、ガイド部材２３１に移動可能に支持されている。可動部材２３２は、サーボモータ２０７Ｃによって移動する。可動部材２３２の移動によって、加工ヘッド２０３は、Ｚ軸の正方向および負方向に移動する。

このような構成により、コントローラ４００は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向とに加工ヘッド２０３を移動させることによって、加工ヘッド２０３の位置決めを行う。

図２は、図１の加工ヘッド２０３の周囲を拡大した要部拡大図である。
図２に示されるように、加工機本体２００は、加工ヘッド２０３と可動部材２３２とに加え、サーボモータ２０７Ｄ，２０７Ｅと、可動部材２４２，２５２とをさらに備える。加工ヘッド２０３は、ノズル２０３Ｎと、ギャップセンサ２０３Ｇとを備える。

ノズル２０３Ｎは、加工ヘッド２０３の先端に位置する。ノズル２０３Ｎは、発振器５００から送られてきたレーザ光をワークＷに対して照射する。

ギャップセンサ２０３Ｇは、ワークＷとノズル２０３Ｎとの間の距離を検出する。ギャップセンサ２０３Ｇは、検出結果をコントローラ４００に送る。ギャップセンサ２０３Ｇとしては、一例として、静電容量方式のセンサを利用することができる。

サーボモータ２０７Ｄ，２０７Ｅは、コントローラ４００からの指示に基づき駆動する。

可動部材２５２は、可動部材２３２に回転可能に支持されている。可動部材２５２は、サーボモータ２０７Ｄによって、Ｃ軸回りに回転する。Ｃ軸は、Ｚ軸に平行な回転軸である。可動部材２５２の回転によって、加工ヘッド２０３はＣ軸回りに回転する。

可動部材２４２は、可動部材２５２に回転可能に支持されている。可動部材２４２は、サーボモータ２０７Ｅによって、Ａ軸回りに回転する。Ａ軸は、Ｃ軸に直交するとともにＣ軸の回転に応じて軸方向が変化する回転軸である。可動部材２４２の回転によって、加工ヘッド２０３はＡ軸回りに回転する。

このような構成により、コントローラ４００は、Ｃ軸とＡ軸とを回転させることによって、加工ヘッド２０３の姿勢を制御する。これにより、ノズル２０３Ｎの向き（姿勢）が制御される。

図３は、レーザ加工機１のハードウェア構成の一部を表したブロック図である。
図３に示されるように、レーザ加工機１は、コントローラ４００と加工ヘッド２０３とサーボモータ２０７Ａ〜２０７Ｅとに加え、サーボアンプ２０６Ａ，２０６Ｂ，２０６Ｃ，２０６Ｄ，２０６Ｅをさらに備える。

コントローラ４００は、数値制御装置（ＮＣ装置）４０１と、モータ制御装置４０２と、入出力装置４０３とを備える。

コントローラ４００は、ギャップセンサ２０３Ｇによって検出された距離が予め定められた設定値となるように、加工ヘッド２０３の位置を補正する倣い制御を実行可能である。コントローラ４００が倣い制御の機能を実行するタイミングについては後述する。

入出力装置４０３は、数値制御装置４０１と通信可能に接続される。入出力装置４０３は、マンマシンインターフェースとして機能する。入出力装置４０３は、キーボード、タッチパネル、マウス等の入力デバイスを有する。入出力装置４０３は、さらに、ディスプレイ、プリンタ等の出力デバイスを有する。

数値制御装置４０１は、予め記憶されているラダープログラム等のシーケンスプログラムと、ユーザによって作成された加工プログラム（ＮＣプログラム）とを実行する。加工プログラムは、Ｇコード等を用いて記述される。これらのプログラムの実行により、加工ヘッド２０３の移動、ノズル２０３Ｎの向きの制御、レーザ光の照射の有無の制御等が行われる。また、ギャップセンサ２０３Ｇによる検出結果は、数値制御装置４０１に入力される。以下では、シーケンスプログラムと、加工プログラムとを、「制御プログラム」とも称する。

数値制御装置４０１は、モータ制御に関する制御プログラムの実行結果を、モータ制御装置に送る。コントローラ４００は、倣い制御を実行している際には、ギャップセンサ２０３Ｇから送られてきた検出信号の値を参照して、制御プログラムを実行する。

モータ制御装置４０２は、サーボモータ２０７Ａを駆動するために、サーボアンプ２０６Ａに指令信号Ｊｘを送る。サーボアンプ２０６Ａは、指令信号Ｊｘに基づいた電力をサーボモータ２０７Ａに供給する。これにより、サーボモータ２０７Ａが駆動し、加工ヘッド２０３のＸ座標の位置がコントローラ４００から指令された位置となる。

同様に、モータ制御装置４０２は、サーボモータ２０７Ｂ〜２０７Ｅを駆動するために、サーボアンプ２０６Ｂ〜２０６Ｅに、それぞれ指令信号Ｊｙ、Ｊｚ、Ｊａ，Ｊｃを送る。サーボアンプ２０６Ｂ〜２０６Ｅは、指令信号Ｊｙ、Ｊｚ、Ｊａ，Ｊｃに基づいた各電力を、対応するサーボモータ２０７Ｂ〜２０７Ｅに供給する。

これにより、加工ヘッド２０３のＹ座標の位置およびＺ座標の位置がコントローラ４００から指令された位置となる。さらに、ノズルの向きが、コントローラ４００から指令された向きとなる。

＜Ｂ．倣い制御の概要＞
図４は、レーザ加工時の倣い制御を説明するための図である。

図４に示すように、加工ヘッド２０３を矢印Ａ１の方向に沿って移動させつつ、ノズル２０３Ｎからレーザ光を照射しようとする場合、ワークＷにおいて矢印Ａ６、Ａ７方向にスプリングバックが生じているとする。このような場合、加工ヘッド２０３を矢印Ａ１の方向に移動させると、ワークＷにノズル２０３Ｎが接触してしまう。

しかしながら、倣い制御を実行することによって、ノズル２０３ＮとワークＷの加工面（被加工領域）との間の距離（以下、「ギャップ量Ｄｇ」とも称する）が基準ギャップ量Ｄｆとなるように、ノズル２０３Ｎの位置を制御することができる。図４の場合には、コントローラ４００は、ギャップ量Ｄｇが基準ギャップ量Ｄｆとなるように、ノズル２０３ＮのＺ方向の位置を補正する。これにより、加工ヘッド２０３の経路は、矢印Ａ１の経路から矢印Ａ２の経路に補正される。

より詳しくは、コントローラ４００は、ギャップ量Ｄｇが、以下の式（１）を満たすように、加工ヘッド２０３の位置を補正する。なお、δは、許容誤差である。

Ｄｆ−δ≦Ｄｇ≦Ｄｆ＋δ … （１）
＜Ｃ．エアーカット処理＞
アプローチ処理を説明する前に、加工ヘッド２０３を加工終了位置（切断終了位置）からアプローチ開始位置まで移動させるエアーカット処理について説明する。なお、エアーカット処理においては、倣い制御は実行されない。

図５は、加工終了位置Ｐｆから加工開始位置Ｐｓまでの加工ヘッド２０３の移動経路を表した図である。図５を参照して、加工終了位置Ｐｆからアプローチ開始位置Ｐ４までの移動がエアーカット処理に該当する。

コントローラ４００は、コントローラ４００に記憶されたプログラムを実行することにより、加工ヘッド２０３を移動させるとともに、ノズル２０３Ｎの向きを制御する。

詳しくは、コントローラ４００は、ティーチング処理によって指定された複数のティーチング位置を予め記憶している。コントローラ４００は、複数のティーチング位置を経由して、加工ヘッド２０３をアプローチ開始位置Ｐ４へと移動させる。本例では、退避位置Ｐ１と、位置Ｐ２と、位置Ｐ３と、アプローチ開始位置Ｐ４とが、ティーチング位置である。また、各位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４におけるノズル２０３Ｎの向きも事前にティーチングされているため、各位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４では、ティーチングされた向きになるように、ノズル２０３Ｎの向きが制御される。

図５に示されるように、加工ヘッド２０３は、前回の加工終了位置Ｐｆから経路Ｒ１１に沿って移動することにより、退避位置Ｐ１に到達する。その後、加工ヘッド２０３は、経路Ｒ１２と経路Ｒ１３と経路Ｒ１４とに沿って移動することにより、位置Ｐ２，Ｐ３を介してアプローチ開始位置Ｐ４に到達する。引き続き、アプローチ処理が実行される。

なお、アプローチ開始位置Ｐ４は、複数のティーチング位置のうち、加工ヘッド２０３が最後に通過するティーチング位置である。各ティーチング位置は、加工ヘッド２０３が通過する順序を表す順序情報に関連付けて記憶されている。

経路Ｒ１２は、退避位置Ｐ１と位置Ｐ２とを直線で結んだ経路である。経路Ｒ１３は、位置Ｐ２と位置Ｐ３とを直線で結んだ経路である。経路Ｒ１４は、位置Ｐ３とアプローチ開始位置Ｐ４とを直線で結んだ経路である。コントローラ４００では、連続する順序のティーチング位置同士の間を加工ヘッド２０３が直線移動させる制御プログラムが事前に組み込まれている。

＜Ｄ．アプローチ処理中の倣い制御＞
加工ヘッド２０３をアプローチ開始位置Ｐ４から加工開始位置Ｐｓ（切断開始位置）まで移動させるアプローチ処理について説明する。レーザ加工機１は、レーザ加工時のみならず、アプローチ処理においても倣い制御を実行する。詳細について後述するが、レーザ加工機１は、アプローチ処理の途中で倣い制御を開始する。

上述した制御プログラムにおいては、加工開始位置Ｐｓにおける、加工ヘッド２０３の位置とノズル２０３Ｎの向きとがさらに規定されている。特に、加工開始位置Ｐｓにおいて、レーザ光がワークＷの被加工領域Ｓｒの法線方向に照射されるように、ノズル２０３Ｎの向きが事前にプログラムされている。

ノズル２０３Ｎの向きを変化させる速度（Ａ軸およびＣ軸の回転角速度）等についても、当該制御プログラムに規定されている。本例では、一例として、アプローチ開始位置Ｐ４から加工開始位置Ｐｓまで間において向きの変化が均等になるように、制御プログラムが作成されている。

（ｄ１．倣い制御の実行）
コントローラ４００は、アプローチ処理により加工ヘッド２０３が予め定められた位置Ｐｃ（以下、「設定位置Ｐｃ」と称する）に到達すると、倣い制御を実行して加工ヘッド２０３を加工開始位置Ｐｓへと移動させる。

詳しくは、コントローラ４００は、加工ヘッド２０３がアプローチ開始位置Ｐ４に到達すると、アプローチ開始位置Ｐ４と予め定められた位置Ｐｕとを直線で結ぶ経路に沿ってアプローチ開始位置Ｐ４から位置Ｐｕまで加工ヘッド２０３を直線移動させる制御プログラムを実行する。コントローラ４００は、この制御プログラムの実行中に倣い制御を実行することによって、加工ヘッド２０３の移動経路を、設定位置Ｐｃと位置Ｐｕとを直線で結ぶ経路Ｒ１から、設定位置Ｐｃと加工開始位置Ｐｓとを結ぶ経路Ｒ２に補正する。

上記の位置Ｐｕは、加工開始位置Ｐｓにおいてレーザ光が照射されるワークＷの被加工領域Ｓｒから当該被加工領域Ｓｒの法線方向に予め定められた距離Ｄｈだけ離れた位置に設定されている。また、設定位置Ｐｃは、位置Ｐｕから予め定められた距離だけ離れた位置に設定される。

なお、経路Ｒ１は、コントローラ４００が設定位置Ｐｃにおいて倣い制御の機能をオンしなかった場合に、加工ヘッド２０３が通る経路である。なお、倣い制御が行われない場合には、加工ヘッド２０３は、経路Ｒ１に沿って移動した後、位置Ｐｕと加工開始位置Ｐｓとを直線で結ぶ経路Ｒ３に沿って移動することにより、加工開始位置Ｐｓに到達する。

（ｄ２．法線方向への補正）
コントローラ４００は、加工開始位置Ｐｓにおけるノズル２０３Ｎの向きとして、レーザ光の照射方向が被加工領域Ｓｒの法線方向となるデータ（以下、「姿勢データ」とも称する）を予め記憶している。コントローラ４００は、加工ヘッド２０３が経路Ｒ２に沿って設定位置Ｐｃから加工開始位置Ｐｓへと移動している間、当該姿勢データに基づいて、加工ヘッド２０３の位置を被加工領域Ｓｒの法線方向（図５の例の場合にはＹ軸方向）に補正する。

詳しくは、コントローラ４００は、加工ヘッド２０３が経路Ｒ２に沿って設定位置Ｐｃから加工開始位置Ｐｓへと移動している間、倣い制御によって加工ヘッド２０３の位置が被加工領域Ｓｒの法線方向に補正されるように、加工ヘッド２０３の移動方向をＸ軸方向とＹ軸方向とＺ軸方向とに分配する。

さらに詳しくは、コントローラ４００は、加工開始位置Ｐｓにおいて設定されるＣ軸の向きとＡ軸の向きとの情報（ノズル２０３Ｎの向きの情報）から、加工開始位置Ｐｓにおけるノズル２０３Ｎの向きを算出する。なお、ノズル２０３Ｎの向きとは、ノズル２０３Ｎの下端から先端への向きであり、照射されるレーザ光の光軸の向きでもある。なお、図５の場合には、ノズル２０３Ｎの向きは、Ｙ軸負方向である。コントローラ４００は、倣い制御によって加工ヘッド２０３の位置が被加工領域Ｓｒの法線方向に補正されるように、サーボモータ２０７Ａ，２０７Ｂ，２０７Ｃを駆動する。

（ｄ３．移動経路の補正の詳細）
上述したように、コントローラ４００は、制御プログラムの実行中において加工ヘッド２０３が設定位置Ｐｃに到達すると、倣い制御を開始する。これによって、コントローラ４００は、加工ヘッド２０３の移動経路を経路Ｒ１から経路Ｒ２に補正する。以下、この補正の具体的内容を説明する。

コントローラ４００は、倣い制御中においては、予め定められた制御周期に基づき、加工ヘッド２０３の移動方向を周期的に補正する。

図６は、図５の一部を拡大した拡大図である。図６に示されるように、白色の丸印で表した位置Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３と矢印Ｖ２１、Ｖ２２，Ｖ２３，Ｖ２４とは、本実施の形態の制御例に対する比較例であって、倣い制御を実行しなかったと仮定した場合における加工ヘッド２０３の位置および移動方向を表している。

位置Ｋ２１，Ｋ２２，Ｋ２３は、倣い制御を実行しなかったとした場合における制御周期毎の加工ヘッド２０３の位置（ノズル２０３Ｎの先端位置）である。この場合、加工ヘッド２０３は、設定位置Ｐｃから矢印Ｖ２１の方向へ進むことにより位置Ｋ２１に到達する。加工ヘッド２０３は、位置Ｋ２１から矢印Ｖ２２の方向へ移動することにより位置Ｋ２２に到達する。以降、加工ヘッド２０３は、位置Ｋ２２から矢印Ｖ２３の方向へ移動することにより位置Ｋ２３に到達し、その後、矢印Ｖ２４の方向へ移動する。

なお、本例の場合、経路Ｒ１上の加工ヘッド２０３の移動速度は一定であるため、設定位置Ｐｃと位置Ｋ２１との間隔と、位置Ｋ２１と位置Ｋ２２との間隔と、位置Ｋ２２と位置Ｋ２３との間隔とは同じである。また、経路Ｒ１が直線であるため、加工ヘッド２０３の移動方向は、各制御周期において同じである。

一方、位置Ｋ１１，Ｋ１２，Ｋ１３は、設定位置Ｐｃで倣い制御を開始した場合における制御周期毎の加工ヘッド２０３の位置である。コントローラ４００は、設定位置Ｐｃで倣い制御を開始すると、ギャップセンサ２０３Ｇによる検出結果であるギャップ量Ｄｇに基づいて、ノズル２０３Ｎとワークの被加工領域Ｓｒとの間の距離が目標値である基準ギャップ量Ｄｆとなるように、ノズル２０３Ｎの位置補正を開始する。この場合、コントローラ４００は、上述したように、倣い制御によって、加工ヘッド２０３の位置を被加工領域Ｓｒの法線方向に補正する。

図６の例の場合、コントローラ４００は、設定位置Ｐｃにおいて上述した被加工領域Ｓｒの法線方向への位置補正を行うことによって、加工ヘッド２０３の移動方向を矢印Ｖ２１から矢印Ｖ１１へと補正する。これによって、加工ヘッド２０３の位置を位置Ｋ２１から位置Ｋ１１に補正する。その後、同様に、コントローラ４００が、位置Ｋ１１において加工ヘッド２０３の移動方向を矢印Ｖ２２から矢印Ｖ１２へと補正することによって、加工ヘッド２０３の位置を位置Ｋ２２から位置Ｋ１２に補正する。さらに同様に、コントローラ４００が、位置Ｋ１２において加工ヘッド２０３の移動方向を矢印Ｖ２３から矢印Ｖ１３へと補正することによって、加工ヘッド２０３の位置を位置Ｋ２３から位置Ｋ１３に補正し、その後、矢印Ｖ１４の方向へ移動する。

なお、倣い制御によって被加工領域Ｓｒの法線方向への位置補正が行われるため、設定位置Ｐｃと位置Ｋ１１との間の加工ヘッド２０３の移動速度と、位置Ｋ１１と位置Ｋ１２との間の加工ヘッド２０３の移動速度と、位置Ｋ１２と位置Ｋ１３との間の加工ヘッド２０３の移動速度とは、互いに異なる。本例の場合、加工ヘッド２０３の移動速度は、制御周期毎に早くなる。また、設定位置Ｐｃと位置Ｋ１１との間隔と、位置Ｋ１１と位置Ｋ１２との間隔と、位置Ｋ１２と位置Ｋ１３との間隔とも、制御周期毎に長くなる。

より詳しくは、コントローラ４００は、制御周期毎に制御周期において補正するギャップ量（以下、「ギャップ補正量Ｑ」と称する）を算出し、算出されたギャップ補正量Ｑを、Ｘ軸方向の成分Ｑｘと、Ｙ軸方向の成分Ｑｙと、Ｚ軸方向の成分Ｑｚとに分配にする。なお、ギャップ補正量Ｑは、スカラ量である。

コントローラ４００は、成分Ｑｘの値を用いて、サーボアンプ２０６Ａに出力する指令信号Ｊｘを補正する（図３参照）。同様に、コントローラ４００は、成分Ｑｙの値を用いてサーボアンプ２０６Ｂに出力する指令信号Ｊｙを補正し、かつ、成分Ｑｚの値を用いてサーボアンプ２０６Ｃに出力する指令信号Ｊｚを補正する。

図７は、ギャップ補正量Ｑの算出方法を説明するための図である。
説明の便宜上、図７に示されるように、ノズル２０３Ｎが倣い補正によって位置Ｋ１１に到達したときに着目して説明する。なお、同様な演算は、ノズル２０３Ｎが、設定位置Ｐｃおよび位置Ｋ１２，Ｋ１３，Ｋ１４，…に到達したときにもなされる。

コントローラ４００は、ギャップセンサ２０３Ｇからの出力に基づき、ギャップ量Ｄｇを取得する。コントローラ４００は、位置Ｋ１１の補正前の位置Ｋ２１と、位置Ｐｕとの間の距離を算出する。さらに、コントローラ４００は、当該算出された距離における、被加工領域Ｓｒの法線方向成分の距離Ｄｒを算出する。このように、コントローラ４００は、補正前の経路Ｒ１上の位置と位置Ｐｕとの間の距離における被加工領域Ｓｒの法線方向成分である距離Ｄｒを算出する。

コントローラ４００は、ギャップ量Ｄｇから距離Ｄｒを差し引くことにより、距離Ｄｓを算出する。コントローラ４００は、距離Ｄｓに基づいて、ギャップ補正量Ｑを算出する。

なお、距離からギャップ補正量を算出する演算は、従来の三次元レーザ加工機による加工時のギャップ補正量の演算と同じである。ただし、上記のような距離Ｄｓを用いる点が、加工時の演算とは異なる。

上記のような補正処理によって、加工ヘッド２０３は、経路Ｒ２に沿って加工開始位置Ｐｓまで移動することになる。

（ｄ４．利点）
レーザ加工機１によって得られる利点について、図５に基づいて説明する。

（１）以上のように、コントローラ４００は、ノズル２０３Ｎの向きの制御をしながら加工ヘッド２０３をアプローチ開始位置から加工開始位置へと移動させるアプローチ処理の途中で加工ヘッド２０３が設定位置Ｐｃに到達すると、倣い制御を実行して加工ヘッド２０３を加工開始位置Ｐｓへと移動させる。このような構成によれば、以下に説明するように、アプローチ処理を迅速に行うことが可能となる。

加工ヘッド２０３が位置Ｐｕに到達してから倣い制御を開始するような構成の場合、上述したように、加工ヘッド２０３は、経路Ｒ１と経路Ｒ３とを通り、加工開始位置Ｐｓに到達することになる。この構成の場合、コントローラ４００は、位置Ｐｕの手前から加工ヘッド２０３を減速させ、加工ヘッド２０３を位置Ｐｕで一旦停止させる必要がある。その後、コントローラ４００は、経路Ｒ３に沿って、加工ヘッド２０３を加速させなければならない。

一方、本例のように、加工ヘッド２０３が設定位置Ｐｃに到達してから倣い制御を開始すると、上述したように、加工ヘッド２０３は、経路Ｒ２に沿って加工開始位置Ｐｓまで到達させることができる。この場合、加工ヘッド２０３が位置Ｐｕに到達してから倣い制御を開始するような構成とは異なり、位置Ｐｕで加工ヘッド２０３を一旦停止させる必要がなくなる。

したがって、レーザ加工機１によれば、位置Ｐｕで倣い制御を開始する構成よりも、ノズル２０３Ｎが設定位置Ｐｃから加工開始位置Ｐｓまで移動する時間を短くすることができる。それゆえ、レーザ加工機１によれば、アプローチ処理を迅速に行うことが可能となる。

また、以下のような効果も得られる。アプローチ開始位置Ｐ４で倣い制御を開始するような構成の場合、アプローチ開始位置Ｐ４の決め方（ティーチング位置の決め方）によっては、被加工領域Ｓｒから、かなり離れた位置においてノズル２０３ＮがワークＷの表面に近接してしまう可能性がある。たとえば、図５において、アプローチ開始位置Ｐ４が図示した位置よりもＺ軸正方向にずれて設定された場合、ワークＷのエッジ部ＥよりもＺ軸正方向の位置においてノズル２０３ＮがワークＷの表面に近接してしまう可能性がある。この場合、ノズル２０３Ｎは、加工開始位置Ｐｓに到達する迄、ワークＷの表面に沿って移動することになる。レーザ加工機１では、このような経路でノズル２０３Ｎが移動することを防止できる。

（２）アプローチ開始位置Ｐ４は、ティーチング処理によって指定された位置（ティーチング位置）である。このような構成によれば、コントローラ４００は、アプローチ開始位置を経路演算（たとえば、最短距離となる経路を算出するための演算）により算出する必要がなくなる。

特に、本例では、退避位置Ｐ１、位置Ｐ２，Ｐ３もティーチング処理によって決まっているため、コントローラ４００は、加工終了位置Ｐｆからアプローチ開始位置Ｐ４までの経路を容易に決定することができる。

（３）コントローラ４００は、エアーカット処理により加工ヘッド２０３がアプローチ開始位置Ｐ４に到達すると、アプローチ開始位置Ｐ４と予め定められた位置Ｐｕとを直線で結ぶ経路に沿ってアプローチ開始位置Ｐ４から位置Ｐｕまで加工ヘッド２０３を移動させる制御プログラムを実行する。また、設定位置Ｐｃは当該経路上の位置である。

このような構成によれば、加工ヘッド２０３をワークＷの表面に近づけつつも、加工開始位置Ｐｓに加工ヘッド２０３に移動させることが可能となる。

（４）位置Ｐｕは、加工開始位置Ｐｓにおいてレーザ光が照射されるワークＷの被加工領域Ｓｒから被加工領域Ｓｒの法線方向に予め定められた距離Ｄｈだけ離れた位置である。このような構成によれば、位置Ｐｕは加工開始位置Ｐｓから被加工領域Ｓｒの法線方向に延伸した位置となるため、加工ヘッド２０３を加工開始位置Ｐｓに移動させることが可能となる。

（５）コントローラ４００は、加工ヘッド２０３が設定位置Ｐｃから加工開始位置Ｐｓへと移動している間、倣い制御によって加工ヘッド２０３の位置を被加工領域Ｓｒの法線方向に補正する。

具体的には、コントローラ４００は、制御周期毎に倣い制御による加工ヘッド２０３の位置の補正量（ギャップ補正量Ｑ）を算出する。コントローラ４００は、加工ヘッド２０３の位置が被加工領域Ｓｒの法線方向に補正されるように、制御周期毎に、当該ギャップ補正量ＱをＸ軸方向の成分ＱｘとＹ軸方向の成分ＱｙとＺ軸方向の成分Ｑｚとに分配する。

このような構成によれば、加工ヘッド２０３を目標位置である加工開始位置Ｐｓに精度よく移動させることが可能となる。

（６）コントローラ４００は、加工開始位置Ｐｓにおけるノズル２０３Ｎの向きとして、レーザ光の照射方向が被加工領域Ｓｒの法線方向となる姿勢データを予め記憶している。コントローラ４００は、当該姿勢データに基づいて、倣い制御による加工ヘッド２０３の位置を被加工領域Ｓｒの法線方向に補正する。

このような構成によれば、ノズル２０３Ｎの向きが被加工領域Ｓｒの法線方向となるため、加工ヘッド２０３を目標位置である加工開始位置Ｐｓに精度よく移動させることが可能となる。

＜Ｅ．データ処理の流れ＞
図８は、図５の場合においてコントローラ４００において実行される処理の流れを説明するためのフロー図である。

図８に示されるように、ステップＳ１において、コントローラ４００は、加工ヘッド２０３がアプローチ開始位置Ｐ４に到達すると、アプローチ開始位置Ｐ４と位置Ｐｕとを直線で結ぶ経路に沿ってアプローチ開始位置Ｐ４から位置Ｐｕまで加工ヘッド２０３を移動させる移動処理を実行する。ステップＳ２において、コントローラ４００は、加工ヘッド２０３が設定位置Ｐｃに到達したか否かを判断する。

コントローラ４００は、加工ヘッド２０３が設定位置Ｐｃに到達したと判断した場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）、ステップＳ３において、位置Ｐｕから加工開始位置Ｐｓまでの倣い補正処理を実行する。詳しくは、コントローラ４００は、被加工領域Ｓｒの法線方向である経路Ｒ３における距離分の補正処理を実行する。コントローラ４００は、当該補正処理によって、加工ヘッド２０３を設定位置Ｐｃから加工開始位置Ｐｓに移動させる。これにより、設定位置Ｐｃ以降の加工ヘッド２０３の移動経路が、経路Ｒ１と経路Ｒ３とから、経路Ｒ２に補正される。コントローラ４００は、加工ヘッド２０３が設定位置Ｐｃに到達していないと判断した場合（ステップＳ２においてＮＯ）、処理をステップＳ２に戻す。

ステップＳ４において、コントローラ４００は、加工ヘッド２０３が加工開始位置Ｐｓに到達したか否かを判断する。コントローラ４００は、加工ヘッド２０３が加工開始位置Ｐｓに到達したと判断した場合（ステップＳ４においてＹＥＳ）、アプローチ処理を終了する。コントローラ４００は、加工ヘッド２０３が加工開始位置Ｐｓに到達していないと判断した場合（ステップＳ２においてＮＯ）、処理をステップＳ３に戻す。

図９は、図８のステップＳ３の処理の詳細を表したフロー図である。図９に示されるように、ステップＳ３の処理は、ステップＳ３２１〜Ｓ３２７の処理を含んでいる。これらの各処理と、図８に示したステップＳ４との処理とは、制御周期毎に実行される。

ステップＳ３２１において、コントローラ４００は、ギャップセンサ２０３Ｇから電圧値（アナログ値）を取得する。ステップＳ３２２において、コントローラ４００は、Ａ／Ｄ（Analog/Digital）変換により、電圧値をデジタル値に変換する。

ステップＳ３２３において、コントローラ４００は、予め記憶している変換式または変換テーブルを利用して、電圧値（デジタル値）をギャップ量Ｄｇに変換する。ステップＳ３２４において、コントローラ４００は、ギャップ量Ｄｇから距離Ｄｒを引くことにより距離Ｄｓを算出する。なお、距離Ｄｒは、上述したように、補正前の経路Ｒ１上の位置と位置Ｐｕとの間の距離における被加工領域Ｓｒの法線方向成分である。

ステップＳ３２５において、コントローラ４００は、距離Ｄｓに基づきギャップ補正量Ｑ（現在の制御周期において補正するギャップ量）を算出する。

ステップＳ３２６において、コントローラ４００は、倣い制御による加工ヘッド２０３の位置が被加工領域Ｓｒの法線方向に補正されるように、ギャップ補正量Ｑを、Ｘ軸方向の成分Ｑｘと、Ｙ軸方向の成分Ｑｙと、Ｚ軸方向の成分Ｑｚとに分配する。ステップＳ３２７において、コントローラ４００は、成分Ｑｘの値を用いて指令信号Ｊｘを補正し、成分Ｑｙの値を用いて指令信号Ｊｙを補正し、かつ成分Ｑｚの値を用いて指令信号Ｊｚを補正する。

なお、コントローラ４００は、ステップＳ３２６の後、処理を図８のステップＳ４に進める。

＜Ｆ．機能的構成＞
図１０は、アプローチ処理時におけるコントローラ４００の機能的構成を説明するための機能ブロック図である。

図１０を参照して、コントローラ４００は、制御部４１０と、記憶部４２０と、電圧値取得部４３０と、Ａ／Ｄ変換部４４０とを備える。

制御部４１０は、プロセッサが制御プログラムを含む各種のプログラムを実行することにより実現される。記憶部４２０は、フラッシュメモリ、ハードディスク等の不揮発性のメモリを含んで構成される。

制御部４１０は、制御プログラム実行部４１１と、指令信号生成部４１２と、倣い制御実行指示部４１３と、倣い制御実行部４１４とを含む。倣い制御実行部４１４は、ギャップ量算出部４１４１と、補正量算出部４１４２と、分配処理部４１４３とを有する。

記憶部４２０は、オペレーティングシステム、シーケンスプログラムおよび加工プログラム等の各種のプログラム、ティーチング位置の座標値、位置Ｐｕの座標値、基準ギャップ量Ｄｆ、許容誤差δ、電圧値をギャップ量に変換するための変換式または変換テーブル、ティーチング位置での向き（Ａ軸とＣ軸との回転角）等の情報が記憶されている。

電圧値取得部４３０は、ギャップセンサ２０３Ｇによる検出結果としての電圧値（アナログ値）を、ギャップセンサ２０３Ｇから取得する。Ａ／Ｄ変換部４４０は、電圧値取得部４３０が取得したアナログの電圧値をデジタルの電圧値に変換する。

制御部４１０は、記憶部４２０に記憶されたオペレーティングシステム、各種のプログラムを実行する。たとえば、制御部４１０は、記憶部４２０に記憶された各種のデータを利用して、記憶部４２０に記憶された制御プログラムを実行する。図５の例では、制御プログラム実行部４１１は、制御プログラムを実行することより、加工ヘッド２０３をアプローチ開始位置Ｐ４まで移動させる。以下、図５の例に基づき、アプローチ処理時における制御部４１０の各部の動作について説明する。

制御プログラム実行部４１１は、アプローチ処理の際、加工ヘッド２０３をアプローチ開始位置Ｐ４から位置Ｐｕまで移動させる制御プログラムを実行する。制御プログラム実行部４１１は、この制御プログラムの実行結果を指令信号生成部４１２に通知する。

指令信号生成部４１２は、当該実行結果に基づいて指令信号Ｊｘ、Ｊｙ，Ｊｚ，Ｊｃ，Ｊａを生成する。指令信号生成部４１２は、生成された指令信号を、対応するサーボアンプ２０６Ａ，２０６Ｂ，２０６Ｃ，２０６Ｄ，２０６Ｅに送る。

倣い制御実行指示部４１３は、制御プログラム実行部４１１の実行結果に基づき、加工ヘッド２０３の位置が設定位置Ｐｃに到達したか否かを判断する。倣い制御実行指示部４１３は、加工ヘッド２０３の位置が設定位置Ｐｃに到達したと判断すると、倣い制御実行部４１４に倣い制御を実行するように指令を送る。

倣い制御実行部４１４の各部は、当該指令を受け付けた後、以下の処理を制御周期毎に実行する。

ギャップ量算出部４１４１は、変換式を用いることによって、Ａ／Ｄ変換部４４０から送られてきた電圧値（デジタル値）からギャップ量Ｄｇを算出する。

補正量算出部４１４２は、ギャップ量算出部４１４１によって算出されたギャップ量Ｄｇから距離Ｄｒを差し引くことにより、距離Ｄｓを算出する。補正量算出部４１４２は、距離Ｄｓに基づき、ギャップ補正量Ｑを算出する。

分配処理部４１４３は、加工ヘッド２０３の位置が被加工領域Ｓｒの法線方向に補正されるように、補正量算出部４１４２によって算出されたギャップ補正量Ｑを、Ｘ軸方向の成分ＱｘとＹ軸方向の成分ＱｙとＺ軸方向の成分Ｑｚとに分配にする。分配処理部４１４３は、各成分Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚを補正量として、指令信号生成部４１２に通知する。

指令信号生成部４１２は、分配処理部４１４３から受け付けた補正量（成分Ｑｘ，Ｑｙ，Ｑｚ）を考慮して、指令信号Ｊｘ、Ｊｙ，Ｊｚを生成する。

今回開示された実施の形態は例示であって、上記内容のみに制限されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ レーザ加工機、２００ 加工機本体、２０１ ベース部材、２０３ 加工ヘッド、２０３Ｇ ギャップセンサ、２０３Ｎ ノズル、２０６Ａ，２０６Ｂ，２０６Ｃ，２０６Ｄ，２０６Ｅ サーボアンプ、２０７Ａ，２０７Ｂ，２０７Ｃ，２０７Ｄ，２０７Ｅ サーボモータ、２１１，２２１，２３１ ガイド部材、２１２，２２２，２３２，２４２，２５２ 可動部材、３００ テーブル、４００ コントローラ、４０１ 数値制御装置、４０２ モータ制御装置、４０３ 入出力装置、４１０ 制御部、４１１ 制御プログラム実行部、４１２ 指令信号生成部、４１３ 倣い制御実行指示部、４１４ 倣い制御実行部、４２０ 記憶部、４３０ 電圧値取得部、４４０ 変換部、５００ 発振器、４１４１ ギャップ量算出部、４１４２ 補正量算出部、４１４３ 分配処理部、Ｄｆ 基準ギャップ量、Ｄｇ ギャップ量、Ｄｈ 距離、Ｅ エッジ部、Ｊｘ，Ｊｙ，Ｊｚ 指令信号、Ｐ１ 退避位置、Ｐ４ アプローチ開始位置、Ｐｃ 設定位置、Ｐｆ 加工終了位置、Ｐｓ 加工開始位置、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４ 経路、Ｓｒ 被加工領域、Ｗ ワーク。

Claims (7)

1. ノズルを有し、かつワークに対してレーザ光を前記ノズルから照射する加工ヘッドと、
   前記加工ヘッドの位置決めを行い、かつ前記ノズルの向きを制御するコントローラと、
   前記ワークと前記ノズルとの間の距離を検出するセンサとを備え、
   前記コントローラは、
   検出された前記距離に基づいて、前記加工ヘッドの位置を補正する倣い制御を実行可能であって、
   前記ノズルの向きを制御しながら前記加工ヘッドをアプローチ開始位置から加工開始位置へと移動させるアプローチ処理の途中で前記加工ヘッドが予め定められた第１の位置に到達すると、前記倣い制御を実行して前記加工ヘッドを前記加工開始位置へと移動させ、
   前記加工ヘッドが前記アプローチ開始位置に到達すると、前記アプローチ開始位置と予め定められた第２の位置とを直線で結ぶ経路に沿って前記アプローチ開始位置から前記第２の位置まで前記加工ヘッドを移動させる制御プログラムを実行し、
   前記第１の位置は前記経路上の位置である、三次元レーザ加工機。
2. 前記アプローチ開始位置は、ティーチング処理によって指定された位置である、請求項１に記載の三次元レーザ加工機。
3. 前記第２の位置は、前記加工開始位置において前記レーザ光が照射される前記ワークの被加工領域から前記被加工領域の法線方向に予め定められた距離だけ離れた位置である、請求項１または２に記載の三次元レーザ加工機。
4. 前記コントローラは、前記加工ヘッドが前記第１の位置から前記加工開始位置へと移動している間、前記倣い制御によって前記加工ヘッドの位置を前記被加工領域の法線方向に補正する、請求項３に記載の三次元レーザ加工機。
5. 前記コントローラは、
   Ｘ軸方向と、前記Ｘ軸方向に直交するＹ軸方向と、前記Ｘ軸方向および前記Ｙ軸方向に直交するＺ軸方向とに前記加工ヘッドを移動させることによって、前記加工ヘッドの位置決めを行い、
   予め定められた周期毎に前記倣い制御による前記加工ヘッドの位置の補正量を算出し、
   前記加工ヘッドの位置が前記被加工領域の法線方向に補正されるように、前記周期毎に、前記補正量を前記Ｘ軸方向の成分と前記Ｙ軸方向の成分と前記Ｚ軸方向の成分とに分配する、請求項４に記載の三次元レーザ加工機。
6. 前記コントローラは、
   前記加工開始位置における前記ノズルの向きとして、前記レーザ光の照射方向が前記被加工領域の法線方向となるデータを予め記憶しており、
   前記データに基づいて、前記加工ヘッドの位置を前記被加工領域の法線方向に補正する、請求項４または５に記載の三次元レーザ加工機。
7. 三次元レーザ加工機の制御方法であって、
   前記三次元レーザ加工機の加工ヘッドのノズルの向きを制御しながら、アプローチ開始位置から加工開始位置へと前記加工ヘッドをアプローチさせるステップを備え、
   前記加工ヘッドをアプローチさせるステップは、
   前記アプローチの途中で前記加工ヘッドが予め定められた第１の位置に到達すると、ワークと前記ノズルとの間の距離に基づいて前記加工ヘッドの位置を補正する倣い制御を実行するステップと、
   前記加工ヘッドが前記アプローチ開始位置に到達すると、前記アプローチ開始位置と予め定められた第２の位置とを直線で結ぶ経路に沿って前記アプローチ開始位置から前記第２の位置まで前記加工ヘッドを移動させる制御プログラムを実行するステップとを含み、
   前記第１の位置は前記経路上の位置である、三次元レーザ加工機の制御方法。

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