具备间隙控制功能的激光加工机及其控制装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种具备间隙控制功能的激光加工机及其控制装置。其中，上述激光加工机的控制装置缩短从反馈控制切换到间隙控制的时间，另一方面，能够使加工喷嘴相对于被加工物移动，使得切换时的加速度变化变小。控制装置具有：减速开始距离计算部，其计算开始加工喷嘴的趋近动作的减速时的加工喷嘴和工件之间的距离即减速开始距离；第一速度指令生成部，其根据减速开始距离、预定的趋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，其根据间隙的目标值以及来自间隙传感器的反馈值来计算第二速度指令值；以及速度指令切换部，其选择第一和第二速度指令值的某一方并发送给伺服控制部。
【专利说明】
具备间隙控制功能的激光加工机及其控制装置
技术领域
[0001 ]本发明涉及构成为一边控制加工喷嘴和被加工物之间的间隙一边进行激光加工 的激光加工机以及该激光加工机的控制装置。
【背景技术】
[0002] -般在使用了激光加工机的激光加工中，进行使加工喷嘴接近被加工物(趋近）， 将加工喷嘴和被加工物之间的距离（间隙）维持固定的间隙控制。这时，进行从使用了检测 加工喷嘴的位置的位置检测器的输出的反馈控制向使用了检测加工喷嘴和被加工物之间 的距离的间隙传感器的输出的间隙控制的切换。
[0003] 作为与此关联的现有技术，例如在日本特开平09-308979号公报中记载了一种激 光加工装置，其以仿形趋近速度信息、加速度信息、减速停止距离信息、到间隙基准位置为 止的距离信息为基础而生成仿形趋近动作时的移动指令，以预先设定的速度信息和加速度 信息为基础，将来自间隙传感器的信息作为距离信息，使从仿形动作退避位置到仿形动作 的基准位置为止的仿形趋近动作进行加减速动作，从而计划缩短仿形趋近动作所需要的移 动时间。
[0004] 另外，在日本特开2010-125518号公报中记载有激光加工装置，该激光加工装置包 括:安装有加工喷嘴的控制轴;驱动部，其驱动控制轴使得加工喷嘴向被加工物前进以及从 被加工物后退;伺服控制部，其控制驱动部;位置检测部，其检测驱动部的位置；以及间隙传 感器，其检测加工喷嘴和被加工物之间的间隙，其中，伺服控制部根据通过间隙传感器检测 出的间隙检测值来变更由位置检测部检测出的驱动部的位置，从而进行将加工喷嘴和被加 工物之间的间隙维持为一定的间隙控制。
[0005] 图6是表示在现有的激光加工机中的趋近动作中的速度指令值的时间变化的图 表。首先，根据第一速度指令值102使加工喷嘴(对其进行驱动的控制轴)动作，详细地说，使 加工喷嘴加速到趋近最大速度Fa(区域104)，在间隙传感器的输出成为减速开始距离为止 以一定速度Fa移动预定时间（区域106)后，以预定的加速度进行减速（区域108)。另外，图6 的Td是间隙传感器的输出成为了减速开始距离的时刻。
[0006] 在该减速动作的途中（区域108)，进行从第一速度指令值102向根据间隙传感器的 输出而生成的第二速度指令值110的切换。具体地说，在第一速度指令值102和第二速度指 令值变得相等的点112(时刻X)，用于加工喷嘴的动作控制的速度指令值从第一速度指令值 102被切换为第二速度指令值110。
[0007] 不过在该情况下，在时刻x加工喷嘴的速度急剧变化，因此在切换速度指令值时加 工喷嘴受到冲击，有时会影响之后的间隙控制。因此，在调整趋近动作时，需要设定参数(减 速开始位置)使得能够顺利地进行速度指令值的切换。另一方面，希望趋近时间（第二速度 指令值成为零的时刻Tf)尽量地短，这样的调整繁琐且难度变高。
【发明内容】
[0008] 因此，本发明的目的在于提供一种激光加工机的控制装置以及包括该控制装置的 激光加工机，其中，上述激光加工机的控制装置能够缩短从反馈控制切换为间隙控制为止 的时间（趋近动作时间），另一方面，能够使加工喷嘴相对于被加工物移动从而使得切换时 的加速度变化变小。
[0009] 为了达成上述目的，本发明提供一种激光加工机的控制装置，其一边会聚从加工 喷嘴射出的激光来照射到被加工物，一边根据加工程序使上述加工喷嘴以及上述被加工物 相对移动，从而加工上述被加工物，所述激光加工机的控制装置具备：减速开始距离计算 部，其计算开始上述相对移动的减速时的上述加工喷嘴和上述被加工物之间的距离即减速 开始距离;第一速度指令生成部，其根据上述减速开始距离、预定的趋近最大速度以及减速 度生成第一速度指令值;第二速度指令生成部，其根据上述加工喷嘴和上述被加工物之间 的间隙的目标值以及来自检测上述间隙的间隙传感器的反馈值来计算第二速度指令值；以 及速度指令切换部，其在上述第一速度指令值和上述第二速度指令值之间切换用于上述相 对移动的速度指令，上述减速开始距离计算部计算从上述加工喷嘴和上述被加工物之间的 距离成为了减速开始距离时起以上述减速度减速时的上述第一速度指令值和上述第二速 度指令值，求出满足以下条件的减速开始距离，即第一时刻的上述第一速度指令值和上述 第一时刻的上述第二速度指令值之差的绝对值为上述第一时刻的第一速度指令值的绝对 值的10%以下，并且上述第一时刻的上述第一速度指令值的一阶微分和上述第一时刻的上 述第二速度指令值的一阶微分之差的绝对值为上述第一时刻的第一速度指令值的一阶微 分的绝对值的10%以下。
[0010] 在优选的实施方式中，上述第一速度指令生成部通过将间隙控制增益K与上述目 标值和来自上述间隙传感器的反馈值之差相乘，求出上述第一速度指令值，上述减速开始 距离计算部使用间隙控制增益K、趋近最大速度Fa以及减速度A，通过Ld=(Fa 2/2A) + (A/2K2) 的式子来计算减速开始距离Ld。
[0011]优选第一时刻的上述第一速度指令值和上述第一时刻的上述第二速度指令值之 差的绝对值是零。
[0012] 优选上述第一时刻的上述第一速度指令值的一阶微分和上述第一时刻的上述第 二速度指令值的一阶微分之差的绝对值是零。
[0013] 在优选的实施方式中，上述速度指令切换部从上述相对移动的减速开始时根据第 一速度指令值进行上述相对移动，在上述第二速度指令值成为上述第一速度指令值以下之 后根据上述第二速度指令值进行上述相对移动。
[0014] 在优选的实施方式中，
[0015] 在没有通过上述速度指令切换部从上述第一速度指令值切换为上述第二速度指 令值，上述第一速度指令值成为零并且上述第二速度指令值不是零时，上述速度指令切换 部根据以与上述减速度的绝对值相等的加速度使上述相对移动加速的第三速度指令值进 行上述相对移动，在上述第三速度指令值和上述第二速度指令值相交时以后，根据上述第 二速度指令值进行上述相对移动。
[0016] 另外，本发明提供一种激光加工机，其具有上述控制装置;加工喷嘴;控制轴，其通 过伺服电动机控制上述加工喷嘴和上述被加工物之间的距离;位置检测部，其检测上述控 制轴的位置；以及与上述位置检测部不同的间隙传感器，其检测上述加工喷嘴和上述被加 工物之间的间隙，上述激光加工机一边会聚从上述加工喷嘴射出的激光来照射到上述被加 工物，一边根据加工程序使上述加工喷嘴和上述被加工物相对移动，从而加工上述被加工 物。
【附图说明】
[0017] 通过一边参照附图一边说明以下的优选实施方式，能够更加明确本发明的上述或 其他目的、特征以及优点。
[0018] 图1是表示本发明的优选实施方式的激光加工机的概略结构的图。
[0019 ]图2是表示图1的激光加工机中的加工喷嘴的趋近动作时的速度变化一例的图表。
[0020] 图3是表示计算加工喷嘴的减速动作开始距离的步骤的一例的流程图。
[0021] 图4是表示现有技术的加工喷嘴的趋近动作时的加工喷嘴的减速动作开始后的速 度变化的图表。
[0022] 图5是表示图1的激光加工机中的加工喷嘴的趋近动作时的速度变化的其他例子 的图表。
[0023] 图6是表示现有技术的加工喷嘴的趋近动作时的速度变化的图表。
【具体实施方式】
[0024]图1是表示包括本发明的优选实施方式的控制装置的激光加工机的概略结构的 图。激光加工机10构成为，具备通过未图示的激光振荡器照射激光的加工喷嘴12,一边会聚 从加工喷嘴12射出的激光(通过未图示的会聚透镜等)来照射到被加工物(工件)W，一边根 据预定的加工程序使加工喷嘴12以及工件W相对移动从而加工工件W。
[0025]激光加工机10具有:控制轴16,其通过伺服电动机14控制加工喷嘴12和工件W之间 的距离；以及编码器等位置检测部18,其检测控制轴16的位置。在图示例中，控制轴16在大 致铅直方向（Z方向）延伸，加工喷嘴12相对于工件W在Z方向能够接触分离。另外在图示例 中，工件W被搭载并保持在可动工作台20上，该可动工作台20被构成为在与Z方向垂直的X-Y 平面内可动。
[0026]另外，激光加工机10具有检测加工喷嘴12和工件W之间的间隙G的、与位置检测部 18不同的间隙传感器22。间隙传感器22只要能够检测出加工喷嘴12和工件W之间的间隙G， 则可以是任意的传感器，不过在图示例中，具有安装在加工喷嘴12上，并能够与工件W接触 的触头24,或者也可以代替触头24而使用静电容量型的间隙传感器(未图示），设置将其输 出转换为与位置检测器18的输出同种类的转换电路。
[0027]加工喷嘴12和工件W之间的相对移动（图示例中为控制轴16的Z方向位置）由激光 加工机10中包括的控制装置(CNC)26进行控制。具体地说，控制装置26具有:减速开始距离 计算部30,其在加工喷嘴12的趋近动作中，自动地计算加工喷嘴12相对于工件W的移动的减 速开始时的加工喷嘴12和工件W之间的距离即减速开始距离Ld(后述）；第一速度指令生成 部32,其根据减速开始距离Ld、预定的趋近最大速度Fa以及减速度A(后述)生成第一速度指 令值;第二速度指令生成部34,其根据间隙G的目标值以及来自间隙传感器22的反馈值来计 算第二速度指令值；以及速度指令切换部36,其选择第一速度指令值以及第二速度指令值 中的某一方并发送给伺服控制部38,伺服控制部38根据来自位置检测器18的输出（加工喷 嘴12的位置数据）、来自速度指令切换部36的第一或第二速度指令值，生成、输出针对控制 轴16(具体地说，对驱动控制轴16的伺服电动机14提供电力的伺服放大器40)的速度指令。 [0028]另外，虽然没有图示，不过控制装置26也可以具有显示部(例如CRT、液晶显示器）， 其显示加工喷嘴12等可动部的位置、速度以及激光加工机10的激光状态和加工条件等。另 外，数值控制装置26也可以具有能够由操作员输入激光输出条件以及各种数据等的输入部 (例如键盘、鼠标）。
[0029] 接着，参照图2说明由控制装置26生成的速度指令。首先，使加工喷嘴12(对其进行 驱动的控制轴16)根据第一速度指令值42进行动作。详细地说，在使加工喷嘴12加速到趋近 最大速度Fa (区域44)并以速度Fa移动预定时间（区域46)后，从加工喷嘴12和工件W之间的 距离成为后述的减速开始距离Ld的时刻Td起，以预定的减速度进行减速(区域48)。
[0030] 在该减速动作的途中（区域48)，从第一速度指令值42切换到根据间隙G的目标值 以及间隙传感器22的输出而生成的第二速度指令值50。具体地说，在满足以下条件的点52 (第一时刻x)，发送给伺服放大器40的速度指令从第一速度指令值42被切换为第二速度指 令值50。
[0031]在此，在第一时刻X，第一速度指令值42和第二速度指令值50之差的绝对值在时刻 x的第一速度指令值42的绝对值的10%以下，优选是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，在第一时刻X，第一速度指令值42的一阶微分和第二速度指令值50的一阶微 分之差的绝对值为时刻x的第一速度指令值42的一阶微分的绝对值的10%以下，优选在5% 以下、3%以下、1 %以下，最好是零（即第一速度指令值42的一阶微分和第二速度指令值50 的一阶微分相等）。另外，在图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 为零，并且第一速度指令值42的一阶微分和第二速度指令值50的一阶微分之差是零（即第 一速度指令值42和第二速度指令值50在时刻x连接)的情况。
[0033]接着，参照图2以及图3的流程图说明求出上述减速开始距离Ld的步骤。
[0034]首先，在趋近动作开始后，从加工喷嘴12相对于工件W的速度为趋近最大速度Fa的 状态（图2的时刻Td)，分别计算以预定的减速度（负的加速度)减速时（即区域48内）的第一 速度指令值42、根据间隙传感器22的输出而生成的第二速度指令值50(步骤S1)。不过，时刻 Td是间隙传感器22的输出成为减速开始距离Ld的时刻，若求出减速开始距离Ld则确定。 [0035]在接着的步骤S2中，求出第一速度指令值42的一阶微分和第二速度指令值50的一 阶微分之差的绝对值成为第一速度指令值42(或第二速度指令值50)的一阶微分的绝对值 的10%以下（即两者的斜率大概相等)的第一时刻X。
[0036]在接着的步骤S3中，求出减速开始距离Ld，使得在步骤S2求出的时刻X，第一速度 指令值42和第二速度指令值50之差的绝对值成为第一速度指令值42(或第二速度指令值 50)的绝对值的10%以下（即两者大概一致）。使用这样而得到的减速开始距离Ld，生成从区 域44到48的第一速度指令值42。
[0037]接着，如图2所示，说明第一速度指令值42和第二速度指令值50在时刻x连接时的 减速开始距离Ld的具体计算方法(计算式）。另外，在此，间隙控制的控制规则是将间隙控制 增益设为K的比例控制，如图2所示，说明第一速度指令值42和第二速度指令值50在时亥Ijx连 接的情况。另外，将在减速开始后（区域48)的第一速度指令值42的减速度设为固定值A(A = Fa/(T2-Td))〇
[0038]从图2可知，根据第一速度指令值42和第二速度指令值50在时刻x( = T2-l/K)连接 的情况得到以下式(1)，通过将式(1)进行变形而得到用于求出减速开始距离Ld的式(2)。
[0041]在此，如果间隙控制中的指数型加减速的稳定时间等于时间常数的5倍，则通过以 下式(3)求出加工喷嘴的动作趋近所需要的时间Tf。
(3)
[0043] 图4是作为与本发明的比较例，说明通过现有技术的方法进行了趋近动作的情况 的图。另外在图4中，仅示出相当于图2的区域48(减速动作开始后）的部分，其他部分省略。 另外，控制增益等各个参数全部和上述的相同。
[0044] 在图4的例子中，假定第一速度指令值114和第二速度指令值116在时刻x单纯地相 交。这时，得到以下式(4)，通过将式(4)进行变形，得到用于求出时刻x的式(5)。
[0047]在此，与图2的情况相同，如果间隙控制中的指数型加减速的稳定时间等于时间常 数的5倍，则通过以下式(6)求出现有技术中加工喷嘴的动作趋近所需要的时间Tf。这样，在 相同条件下，在为了使第一速度指令值和第二速度指令值连接而进行速度指令的切换的情 况下，能够将趋近动作时间最小化。
[0049]接着，说明时刻x的第一速度指令值和第二速度指令值之差为第一速度指令值的 绝对值的a%以下，并且第一速度指令值的一阶微分和第二速度指令值的一阶微分之差的 绝对值成为第一速度指令值的一阶微分的绝对值的以下的时刻x以及减速开始距离Ld 的导出。
[0050]为了使时刻x的第一速度指令值和第二速度指令值之差的绝对值成为第一速度指 令值的绝对值的a%以下，需要满足以下的式(7)。另外，为了使第一速度指令值的一阶微分 和第二速度指令值的一阶微分之差的绝对值成为第二速度指令值的一阶微分的绝对值的 以下，需要满足以下的式(8)。
[0053]根据式(7)以及(8)，能够分别通过以下的式(9)以及（10)求出时刻x以及减速开始 距离Ld。
[0056]图5是说明在从第一速度指令值向第二速度指令值的切换中失败的情况下，用于 自动开始间隙控制的处理的图表。如图5所示，在没有通过速度指令切换部36从第一速度指 令值42切换为第二速度指令值50，第一速度指令值成为零(时刻T2 )，并且第一速度指令值 42成为零时而第二速度指令值50不是零时，控制装置26根据第三速度指令值54使加工喷嘴 12移动，该第三速度指令值54以与从时刻Td到T2的减速时的加速度(减速度)的绝对值相等 的加速度使加工喷嘴12加速，在第三速度指令值54与第二速度指令值50在交点56相交时 (时刻T3)以后，速度指令切换部36将加工喷嘴的动作指令从第三速度指令值54切换为第二 速度指令值50。通过这样的处理，即使在通过位置检测器18和间隙传感器22的故障等没能 顺利地进行用于相对移动的速度指令值的切换的情况下，也能够将加工喷嘴12所接受的冲 击抑制到最低限度，极力缩短趋近动作时间。
[0057]另外，在上述实施方式中，激光加工机10具有3个驱动轴(X、Y、Z轴），工件W(载置工 件W的可动工作台20)在X-Y平面内可动，加工喷嘴12在Z方向上成为可动，不过本发明的适 用对象不限于此，也能够应用于加工喷嘴通过至少一个控制轴能够相对于工件进行移动的 结构的激光加工机。
[0058]根据本发明，能够自动地计算可以顺利地进行速度指令的切换的减速动作距离， 能够容易地实现加工喷嘴的最优趋近动作。
【主权项】
1. 一种激光加工机的控制装置，一边会聚从加工喷嘴射出的激光来照射到被加工物， 一边根据加工程序使上述加工喷嘴以及上述被加工物相对移动，从而加工上述被加工物， 所述激光加工机的控制装置的特征在于， 具备： 减速开始距离计算部，其计算开始上述相对移动的减速时的上述加工喷嘴和上述被加 工物之间的距离即减速开始距离； 第一速度指令生成部，其根据上述减速开始距离、预定的趋近最大速度以及减速度生 成第一速度指令值； 第二速度指令生成部，其根据上述加工喷嘴和上述被加工物之间的间隙的目标值以及 来自检测上述间隙的间隙传感器的反馈值来计算第二速度指令值;以及 速度指令切换部，其在上述第一速度指令值和上述第二速度指令值之间切换用于上述 相对移动的速度指令， 上述减速开始距离计算部计算从上述加工喷嘴和上述被加工物之间的距离成为了减 速开始距离时起以上述减速度减速时的上述第一速度指令值和上述第二速度指令值，求出 满足以下条件的减速开始距离，即第一时刻的上述第一速度指令值和上述第一时刻的上述 第二速度指令值之差的绝对值为上述第一时刻的第一速度指令值的绝对值的10%以下，并 且上述第一时刻的上述第一速度指令值的一阶微分和上述第一时刻的上述第二速度指令 值的一阶微分之差的绝对值为上述第一时刻的第一速度指令值的一阶微分的绝对值的 10%以下。2. 根据权利要求1所述的激光加工机的控制装置，其特征在于， 上述第一速度指令生成部通过将间隙控制增益K与上述目标值和来自上述间隙传感器 的反馈值之差相乘，求出上述第一速度指令值， 上述减速开始距离计算部使用间隙控制增益K、趋近最大速度Fa以及减速度A，通过Ld = (Fa2/2A) + (A/2K2)的式子来计算减速开始距离Ld。3. 根据权利要求1所述的激光加工机的控制装置，其特征在于， 第一时刻的上述第一速度指令值和上述第一时刻的上述第二速度指令值之差的绝对 值是零。4. 根据权利要求1所述的激光加工机的控制装置，其特征在于， 上述第一时刻的上述第一速度指令值的一阶微分和上述第一时刻的上述第二速度指 令值的一阶微分之差的绝对值是零。5. 根据权利要求1~4中的任意一项所述的激光加工机的控制装置，其特征在于， 上述速度指令切换部从上述相对移动的减速开始时根据第一速度指令值进行上述相 对移动，在上述第二速度指令值成为上述第一速度指令值以下之后根据上述第二速度指令 值进行上述相对移动。6. 根据权利要求1~5中的任意一项所述的激光加工机的控制装置，其特征在于， 在没有通过上述速度指令切换部从上述第一速度指令值切换为上述第二速度指令值， 上述第一速度指令值成为零并且上述第二速度指令值不是零时，上述速度指令切换部根据 以与上述减速度的绝对值相等的加速度使上述相对移动加速的第三速度指令值进行上述 相对移动，在上述第三速度指令值和上述第二速度指令值相交时以后，根据上述第二速度 指令值进行上述相对移动。7. -种激光加工机，其特征在于， 具有： 权利要求1~6中的任意一项所述的控制装置； 加工喷嘴； 控制轴，其通过伺服电动机控制上述加工喷嘴和上述被加工物之间的距离； 位置检测部，其检测上述控制轴的位置；以及 与上述位置检测部不同的间隙传感器，其检测上述加工喷嘴和上述被加工物之间的间 隙， 上述激光加工机一边会聚从上述加工喷嘴射出的激光来照射到上述被加工物，一边根 据加工程序使上述加工喷嘴和上述被加工物相对移动，从而加工上述被加工物。
【文档编号】B23K26/08GK106001910SQ201610190780
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】恒木亮太郎, 猪饲聪史
【申请人】发那科株式会社