(57)【要約】回転軸（２２）及び姿勢軸（２４）を回転させた際に加工点が移動しないヘッド構造（４）をもつ３次元レーザ加工機（１）において、現在の回転軸（２２）及び姿勢軸（２４）の角度情報を記憶し、それらの角度からノズル方向ベクトルを算出する手段（１０）と、そのノズル方向ベクトルをもとに直交座標系のＺ軸からなるノズル（４）の垂直方向及び水平方向の角度を割り出す手段（１１）と、その割り出したノズル角度を表示する手段（１４）と、を備えた３次元レーザ加工機。
2003031110.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転軸及び姿勢軸を回転させた際に加工点が移動しないヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機において、
現在の回転軸及び姿勢軸の角度情報を記憶し、それらの角度からノズル方向ベクトルを算出する手段と、
そのノズル方向ベクトルをもとに直交座標系のＺ軸からなるノズルの垂直方向及び水平方向の角度を割り出す手段と、
その割り出したノズル角度を表示する手段と、
を備えた３次元レーザ加工機。
【請求項２】
ノズルの垂直方向及び水平方向の角度割り出しは、ノズル方向ベクトルをもとに直交座標系のＺ軸からなるノズルの垂直方向の角度及びノズル方向ベクトルをＸＹ平面に投影した際のＸ軸からなる水平方向の角度より求めることを特徴とする請求の範囲１に記載の３次元レーザ加工機。
【請求項３】
ノズルの角度を予め記憶させるノズル角度設定手段を備え、割り出したノズルの垂直方向及び水平方向の角度と比較することにより、上記予め記憶したノズル角度に到達したことを通知する通知手段を備えたことを特徴とする請求の範囲１又は２に記載の３次元レーザ加工機。
【請求項４】
ノズル角度の表示は、ティーチングボックス等の遠隔操作部に対して表示することを特徴とする請求の範囲１乃至３何れかに記載の３次元レーザ加工機。
【請求項５】
ノズルの角度を予め記憶させるノズル角度設定手段を備え、割り出したノズルの垂直方向及び水平方向の角度と比較することにより、上記ノズルの回転軸及び姿勢軸を回転させ、上記予め記憶させたノズル角度に位置決めすることを特徴とする請求の範囲１乃至４何れかに記載の３次元レーザ加工機。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は、回転軸及び姿勢軸を回転させた際に加工点が移動しないヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機において、ノズル方向ベクトルをもとに直交座標系のＺ軸からなるノズルの垂直方向の角度及びノズル方向ベクトルをＸＹ平面に投影した際の水平方向の角度を表示する機能を備えた３次元レーザ加工機用制御装置に関するものである。
背景技術
ここで、平面または立体ワーク形状を加工する３次元レーザ加工機において、回転軸及び姿勢軸を回転させた際に加工点が移動しないヘッド（以下、一点指向型ヘッドと称する）構造をもつ３次元レーザ加工機の構成を第６図、第７図及び第８図により説明する。
第６図は一点指向型ヘッド搭載３次元レーザ加工機の各軸の構成を示す斜視図、第７図は一点指向型ヘッド搭載３次元レーザ加工機の加工ヘッドを拡大した拡大図、第８図は３次元レーザ加工機の構成を示すブロック図である。
図において、１０９はアーム１１１の駆動端に位置する姿勢軸（以下、Ｕ軸と称する）、１１０はＵ軸１０９に接続された回転軸（以下、Ｗ軸と称する）、１０８はＷ軸１１０に接続されたＺ軸であり、これらはアーム１１１を構成している。
また、加工ヘッド３はＺ軸受１１５の先端に回転軸受１１４によってＺ軸を中心に矢印＋αまたは−α方向に回転可能なＷ軸１１０と、Ｗ軸１１０の先端に姿勢軸受１１３によって取り付けられてＺ軸に対して４５度傾斜した軸を中心に矢印＋βまたは−β方向に回転可能なＵ軸１０９とを有し、Ｕ軸１０９の先端に加工ノズル４が取り付けられている。
ただし、Ｕ軸１０９は水平面に対して４５度傾いた軸を中心に回転しているため、Ｕ軸の角度と加工ノズル４が向いている垂直方向の角度が１対１で対応しない。
１１３はサーボモータＳＭ５によりＵ軸１０９を矢印＋βまたは−β方向に回転させる姿勢軸受、１１４はサーボモータＳＭ４によりＷ軸１１０を矢印＋αまたは−α方向に回転させる回転軸受である。
１１５はサーボモータＳＭ３により加工ヘッド３を矢印Ｚ方向に移動させるＺ軸受、１１６はサーボモータＳＭ２により加工ヘッド３を矢印Ｙ方向に移動させるＹ軸受、１１７はサーボモータＳＭ１により加工テーブル２を矢印Ｘ方向に移動させるＸ軸受である。なお、上記サーボモータＳＭ１〜ＳＭ５は、ＮＣ制御部８からの駆動信号により駆動される。
ＰはＷ軸１１０及びＵ軸１０９が回転しても位置が変わらない加工点である。
１０５はレーザ光を発生させるレーザ発振器、１０３はＮＣ制御部を操作する操作部である。
以上のように構成されたレーザ加工機を用いてレーザ加工を行う際、平面または立体ワーク形状を加工する３次元レーザ加工においては、加工面に照射されるレーザの光軸が加工面に対して法線方向であることを保つために加工ノズル４は加工面に対して常に面直の方向姿勢であることが要求される。
そのため、オペレータは、加工を行う前に加工点Ｐを加工ワーク９の加工線Ｋ上の点（以下、教示点と称する）にあわせ、この要求を満たす教示点をプログラムにティーチングデータとして入力するティーチング作業を実加工に先立って行う。
そして、レーザ加工時にはティーチングデータに従い加工ワーク９に対する加工ヘッド３の距離を一定に保持しながらレーザ光のスポットが加工線Ｋに沿って進行するように制御される。
第９図は、ＸＹ平面を水平面と定めＸ、Ｙ、Ｚ軸が他の軸の外積、つまりＹ×Ｚ、Ｚ×Ｘ、Ｘ×Ｙの関係が成り立つ座標系（以下、直交座標系と称する）において、Ｗ軸１１０とＵ軸１０９の角度から加工ノズル４が指し示す方向の単位ベクトル（以下、ノズル方向ベクトルと称する）の水平成分及び垂直成分の角度を示した図である。
７０はワークの傾斜部分における教示点、７１は原点Ｏと教示点７０とで作成される線分、つまりノズル方向ベクトルを示す。
７２は教示点７０をＸＹ平面に投影した点、７３は線分７１をＸＹ平面に投影した線分すなわち原点Ｏと点７２とで作成される線分、７４は加工点７０におけるＸ成分ｄｘ、７５は加工点７０におけるＹ成分ｄｙ、７６は加工点７０におけるＺ成分ｄｚ、θは線分７１とＺ軸とのなす垂直成分の角度θ、φは線分７３とＸ軸とのなす水平成分の角度φである。
第９図において、加工ヘッド３の構造上、Ｗ軸１１０の角度α、Ｕ軸１０９の角度βからノズル方向ベクトルｄは
2003031110.tif 000003
と与えられることが知られている。
ここで、第９図において教示点７０における各成分ｄｘ、ｄｙ、ｄｚと水平成分及び垂直成分の角度との関係は極座標系を用いて考えると、以下の式で得られる。
ｃｏｓθ＝ｄｚ
ｔａｎφ＝ｄｙ／ｄｘ
これより、水平方向及び垂直方向の角度が得られる。
θ＝ａｃｏｓ（ｄｚ）
φ＝ａｔａｎ（ｄｙ／ｄｘ）
上記のように変換式に逆三角関数もあり、Ｕ軸１０９の角度βを見ただけでは加工ノズル４が向いている垂直成分の角度θを読み取ることができない。
また、Ｗ軸１１０と水平成分の角度φの関係も同様なことが言える。
第１０図は、ティーチング時の加工ヘッドの姿勢変化及びレーザ入射角度を傾けた加工を示す図であり、第１０図（ａ）はＷ軸及びＵ軸を回転させた際に加工点が移動しないヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機における姿勢変化コーナ部でのティーチング時の加工ヘッドの姿勢変化を示し、第１０図（ｂ）はワーク表面に対してレーザ入射角度を傾けた加工（以後、テーパ加工と称する）を示す図である。
図において、Ｐ１は加工ワーク９の加工線Ｋ上にある水平面上の教示点、Ｐ２は加工ワーク９の加工線Ｋ上にある４５度傾斜面上の教示点、Ｐ３は加工ワーク９の加工線Ｋ上にある直立面上の教示点、３ａ、４ａは教示点Ｐ１における下向きの加工ヘッド及び加工ノズル、３ｂ、４ｂは教示点Ｐ２における４５度向きの加工ヘッドノズル及び加工ノズル、３ｃ、４ｃは教示点Ｐ３における水平向きの加工ヘッド及び加工ノズルである。
ティーチングを行う際、オペレータはレーザ加工を行うための所定の図面から完成品のワーク形状を読み取る。
そして、それをもとにティーチングデータ作成用ワークに加工線Ｋのけがきを行い、その加工線Ｋ上の各教示点におけるノズル角度を割り出す。
その後、加工ワーク９上の各教示点Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３において面直状態を作成するには、ノズル角度を図面から割り出したワーク傾斜角度である０°、４５°、９０°に調整する。
また、第１０図（ｂ）においてＡはテーパ加工時の指定角度であり、ノズル角度をこの値に調整すればよい。
なお、オペレータは、図面から割り出したノズル角度から正確なＷ、Ｕ軸の値の算出はできず、数値的に合わすことは困難であり、大体どのあたりか推測できる程度である。
第１１図は、機械によって定められた固有の位置を原点とする機械座標系における各軸の座標値を表示した従来の座標表示の画面を示した図であり、ティーチング作業時に表示される。
この画面では機械固有の機械原点を基準にＸ、Ｙ、Ｚ軸で加工ノズル４の先端にある加工点Ｐの位置（以下、先端位置と称す）を示し、Ｗ、Ｕ軸の角度αとβで加工ノズル４の姿勢を示す。
さらに、Ｘ、Ｙ、Ｚ、Ｗ、Ｕ軸を動かすと、それに伴い画面上の各軸の値は随時更新される。
ティーチングデータは上記の座標値を用いて作成させるため、Ｗ、Ｕ軸の値は、加工時にＮＣ側の処理でレーザ光のスポットが加工線Ｋに沿って進行するように制御させるのに必要である。
ただし、オペレータへ提示する情報として扱われることは少ない。
第１２図は、ワーク傾斜部分またはテーパ加工時の従来のティーチング作業におけるフローチャートを示す。
加工点の教示により３次元プログラムを作成するティーチング作業の準備として、ティーチングボックス（以下、Ｔ／Ｂと称す）７の使用有効等の諸設定を実施し、ステップＳＴ１１にて、加工プログラムにおいて初期設定である補助機能コードのシャッタ開等の指令を設定する。
その後、ステップＳＴ１２にて、Ｔ／Ｂ７上に配置された加工軸送りキー、またはハンドル並びにジョイスティックを用い、第１１図で示される座標表示画面のＸ、Ｙ、Ｚ軸の座標値をみて先端位置を教示点へ移動させる。
その際、ワーク傾斜部分またはテーパ加工のティーチングにより加工ノズル４の角度調整が必要な場合（ステップＳＴ１３）、ステップＳＴ１４にて、加工ノズル４の姿勢を設定するためＷ軸１１０及びＵ軸１０９をそれぞれ手動で回転させる。
ステップＳＴ１５では、ノズル角度を目視で確認して面直状態になる、またはテーパ加工での角度になるまでステップＳＴ１４を繰り返す。
ステップＳＴ１５にて、教示点での先端位置及び姿勢の設定終了後、ステップＳＴ１６では、ティーチングデータとして教示を行う。
その続きとして、同様にＴ／Ｂ７上に配置された加工軸送りキー、またはハンドル並びにジョイスティックを用い、第１１図に示される座標表示をみながら次の教示点へ先端位置を移動させ、教示作業により加工プログラムの各教示点を作成していく。
ただし、ステップＳＴ１３にて加工ノズル４の角度調整がないティーチング作業の場合には、ステップＳＴ１４からステップＳＴ１５までの作業を省く。
最後にステップＳＴ１８にて、補助機能コードのシャッタ閉及びプログラムエンド等の指令を入力し、加工プログラムの作成が終了する。
従来において、第７図のヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機でのティーチング作業では、第１２図で示したフローチャートの方法が標準的操作として定着していた。
しかし、目視確認のため、面直状態及びテーパ加工でのノズル角度調整の精度が悪く、良好な加工の実現が困難であった。さらに、ティーチング作業において作業時間もかかっていた。
また、加工直前に各教示点の位置及び姿勢の確認作業において、Ｗ軸１１０及びＵ軸１０９の角度を変更したい場合には再度教示点において姿勢を調整しなおす必要があり、上記のフローチャートのステップＳＴ１３〜ステップＳＴ１６の操作に基づいて姿勢の修正を行っていた。
参考までに、３次元加工機において、加工ヘッドがスリムで深絞りワークの加工に適したもう一種類のヘッドタイプ（以下、オフセット型ヘッドと称する）構造をもつ３次元レーザ加工機の構成を第１３図、第１４図により説明する。
第１３図は、オフセット型ヘッド搭載３次元レーザ加工機の各軸の構成を示す斜視図、第１４図はオフセット型ヘッド搭載３次元レーザ加工機の加工ヘッドを拡大した拡大図であり、第７図で示した一点指向型ヘッド搭載３次元レーザ加工機と同一符号はほぼ同一構造であり、アーム１１１部分が異なっている。
図において、加工ヘッド４はＺ軸部材１１５の先端に回転軸受１１４によってＺ軸を中心に矢印＋α´または−α´方向に回転可能な回転軸（以下、Ｃ軸と称する）１２２と、Ｃ軸１２２の先端に姿勢軸受１１３によって取り付けられてＺ軸に対して直交した軸（Ｃ軸１２２）を中心に矢印＋β´または−β´方向に回転可能な姿勢軸（以下、Ａ軸と称する）１２１とを有し、Ａ軸１２１の先端に加工ノズル４が取り付けられている。
ここで、Ａ軸１２１の角度は加工ノズル４の垂直方向の角度と１対１に対応し、Ｃ軸１２２の角度は加工ノズル４の水平方向の角度と１対１に対応している。
次に、オフセット型ヘッドについても回転軸及び姿勢軸の角度とノズル方向ベクトルの水平成分及び垂直成分の角度との関係を示す。
第１４図（ｂ）において加工ヘッド３の構造上、Ｃ軸１２２の角度α´、Ａ軸１２１の角度β´からノズル方向ベクトルｄ´は
2003031110.tif 000004
と与えられることが知られている。
ここで、第９図において教示点７０における各成分ｄｘ、ｄｙ、ｄｚと水平成分及び垂直成分の角度との関係は極座標系を用いて考えると、以下の式で得られる。
ｃｏｓθ＝ｄｚ
ｔａｎφ＝ｄｙ／ｄｘ
これより、水平方向及び垂直方向の角度が得られる。
θ＝β´
φ＝９０°−α´
よって、Ａ軸１２１の角度β´を見ただけで加工ノズル４が向いている垂直成分の角度θを読み取ることができる。
また、Ｃ軸１２２と水平成分の角度φの関係も同様なことが言える。
図１５は、オフセット型ヘッド構造をもつ３次元加工機のティーチング作業のフローチャートを示す。
図において、ステップＳＴ２２までは第１２図で示した一点指向型ヘッドのステップＳＴ１２までと同様な操作を行う。
その後、加工ノズル４の角度調整が必要な場合（ステップＳＴ２３）、ステップＳＴ２４にて、先端位置を固定しＣ軸１２２及びＡ軸１２１を回転させて姿勢を合わせる先端固定モードに設定する。
そして、ステップＳＴ２５にて、座標表示画面のＣ軸１２２、Ａ軸１２１の角度表示を見ながら第１４図（ａ）に示すような既知のワーク傾斜部分で面直状態になる、または加工ノズル４をテーパ加工の角度になるまでＣ軸１２２及びＡ軸１２１を回転させる。
その教示点での先端位置及び姿勢の設定終了後、ステップＳＴ２６にて、ティーチングデータとして教示を行う。
その後のステップＳＴ２７、ステップＳＴ２８は、第１２図で示した一点指向型ヘッドのステップＳＴ１７、ステップＳＴ１８と同様な操作を行う。
従来の第１３図で示すヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機でのティーチング作業では、上記のフローチャートに示す如く、図面から完成品のワーク形状を読み取りノズル角を割り出すが、このノズル角がＣ軸、Ａ軸と１対１に対応することから、既知のワーク傾斜部分に対して面直状態及び図面で指定された角度への調整が容易かつ精度よく行え、ティーチング作業時間においても時間が短縮できる。
従来のオフセット型ヘッド構造をもつ３次元加工機のティーチング作業は、第１５図のフローチャートに示される如く容易であるが、一点指向型ヘッド構造をもつ３次元加工機を用いたワーク傾斜部分またはテーパ加工のティーチング作業は、ティーチング時にオペレータがノズル角度を目視で確認して面直状態になる、またはテーパ加工の角度になるまで手動でＷ軸及びＵ軸を回転させるため、ワーク傾斜部分またはテーパ加工での教示点におけるノズル角度の正確性に欠け、その上、１つ１つの教示点に対してティーチングを行うため、教示点が増加すればするほどティーチングに多くの時間を割くという問題点もあった。
また、以前、オフセット型ヘッド搭載の３次元加工機を所有していたユーザにとって、Ｗ軸及びＵ軸を回転させても加工点が移動しないヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機のティーチング作業では、従来の技術にて説明したようにＷ軸及びＵ軸の角度から加工ノズルの水平方向及び垂直方向の実角度を知りえないため、オフセット型ヘッド時と比べ、ノズル角度調整時での使い勝手が悪く、作業効率が悪かった。
発明の開示
本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、Ｗ軸及びＵ軸を回転させた際に加工点が移動しないヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機において、直交座標系からみたノズルの水平方向の角度及び垂直方向の角度を算出して表示させることで、ティーチング作業の効率化を図るものである。
また、傾斜角度が既知な加工ワークに対しては容易に面直状態を作り出すことが可能な３次元レーザ加工機用制御装置を提供するものである。
この目的を達成するために、第１の観点によれば、回転軸及び姿勢軸を回転させた際に加工点が移動しないヘッド構造をもつ３次元レーザ加工機において、現在の回転軸及び姿勢軸の角度情報を記憶し、それらの角度からノズル方向ベクトルを算出する手段と、そのノズル方向ベクトルをもとに直交座標系のＺ軸からなるノズルの垂直方向及び水平方向の角度を割り出す手段と、その割り出したノズル角度を表示する手段と、を備えたものである。
また、ノズルの垂直方向及び水平方向の角度割り出しは、ノズル方向ベクトルをもとに直交座標系のＺ軸からなるノズルの垂直方向の角度及びノズル方向ベクトルをＸＹ平面に投影した際のＸ軸からなる水平方向の角度より求めるものである。
また、ノズルの角度を予め記憶させるノズル角度設定手段を備え、割り出したノズルの垂直方向及び水平方向の角度と比較することにより、上記予め記憶したノズル角度に到達したことを通知する通知手段を備えたものである。
また、ノズル角度の表示は、ティーチングボックス等の遠隔操作部に対して表示するものである。
また、ノズルの角度を予め記憶させるノズル角度設定手段を備え、割り出したノズルの垂直方向及び水平方向の角度と比較することにより、上記ノズルの回転軸及び姿勢軸を回転させ、上記予め記憶させたノズル角度に位置決めするものである。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
第１図は、ティーチング作業時の一点指向型ヘッド搭載３次元レーザ加工機システムの斜視図である。
図において、１は３次元加工機本体、２はベッド上にＸ軸方向に移動可能に設けられた加工テーブル、３はＺ軸ユニット５に取り付けられた加工ヘッド、４は加工ヘッド３の先端に取り付けられている加工ノズル、５は加工ヘッド３を矢印Ｚ方向に動かすことのできるＺ軸ユニットであり、Ｙ軸ユニット６にＺ軸方向に移動可能に設けられている。
６はＺ軸ユニット５を矢印Ｙ方向に動かすことのできるＹ軸ユニットであり、左右のコラム間に水平に掛け渡されたクロスレールに移動可能に設けられている。７はペンダント型のティーチングボックス、８はマンマシンインタフェースとしての操作盤８ａ及びＣＲＴや液晶等による画面表示部８ｂを有したコンピュータ式のＮＣ制御部、９は加工テーブル２上に設置された加工ワークである。
なお、ワークテーブル２、Ｚ軸ユニット５、Ｙ軸ユニット６は、それぞれ、図示省略のＸ軸サーボモータ、Ｚ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータにより駆動され、ＮＣ制御装置８の各軸指令により位置制御される。
１０は現在のＷ軸２２とＵ軸２４の角度から加工ノズル４が指し示す方向の単位ベクトル（以下、ノズル方向ベクトルと称す）を算出して記憶するノズル方向記憶部、１１はノズル方向記憶部１０で算出したノズル方向ベクトルをもとに直交座標系のＺ軸からなるノズルの垂直方向の角度及びノズル方向ベクトルをＸＹ平面に投影した際の水平方向の角度を算出するノズル角度計算部、１２は画面表示部８ｂまたはＴ／Ｂ７の画面において設定した予め移動させたいノズル角度の設定値を記憶するノズル角度設定記憶部、１３はノズル角度設定記憶部１２がノズル角度計算部１１の結果と一致するか判定し、一致した場合には到達信号をオンにするノズル角度比較判定部、１４はノズル角度計算部１１で算出された水平方向及び垂直方向の角度を、Ｔ／Ｂ７並びにＮＣ制御部８の画面表示部８ｂに表示させ、また、ノズル角度比較判定部１３にて到達信号がオンの場合、ノズル角度の近傍にマークを表示させるノズル角度表示部である。
なお、ノズル方向記憶部１０、ノズル角度計算部１１、ノズル角度設定記憶部１２、ノズル角度比較判定部１３、ノズル角度表示部１４は、ＮＣ制御部８の各内部処理機能である。
ノズル角度計算部１１における演算処理では、下記の論理式によって計算を実行する。
第２図はＸＹ平面を水平面と定めＸ、Ｙ、Ｚ軸が他の軸の外積、つまりＹ×Ｚ、Ｚ×Ｘ、Ｘ×Ｙの関係が成り立つ直交座標系におけるノズル方向ベクトルの水平成分及び垂直成分の角度を示した図である。
１５はワークの傾斜部分における教示点、１６は原点Ｏと教示点１５とで作成される線分、つまりノズル方向ベクトルを示す、１７は教示点１５をＸＹ平面に投影した点、１８は線分１６をＸＹ平面に投影した線分すなわち原点と点１７とで作成される線分、１９は加工点１５におけるＸ成分ｄｘ、２０は加工点１５におけるＹ成分ｄｙ、２１は加工点１５におけるＺ成分ｄｚ、θは線分１４とＺ軸とのなす垂直成分の角度θ、φは線分１６とＸ軸とのなす水平成分の角度φである。
第２図において加工ヘッド３の構造上、Ｗ軸２２及びＵ軸２４の角度α及びβからノズル方向ベクトルｄは、
2003031110.tif 000005
と与えられることが知られている。
ここで、第２図において教示点１５における各成分ｄｘ、ｄｙ、ｄｚと水平成分及び垂直成分の角度との関係は極座標系を用いて考えると、以下の式で得られる。
ｃｏｓθ＝ｄｚ
ｔａｎφ＝ｄｙ／ｄｘ
これより、水平方向及び垂直方向の角度が得られる。
θ＝ａｃｏｓ（ｄｚ）
φ＝ａｔａｎ（ｄｙ／ｄｘ）
ただし、水平方向の角度φにおいては以下のように条件分けが必要となる。
ｄｘ＞０      ：φ＝ａｔａｎ（ｄｙ／ｄｘ）
ｄｘ＜０、ｄｙ＞０：φ＝ａｔａｎ（ｄｙ／ｄｘ）＋１８０°
ｄｘ＜０、ｄｙ＜０：φ＝ａｔａｎ（ｄｙ／ｄｘ）−１８０°
また、θ’はＸＹ平面に対する垂直方向の角度で、以下のようになる。
θ’＝９０°−θ
よって、水平方向及び垂直方向の角度は上記の関係式を用いてＷ軸２２及びＵ軸２４の角度α及びβから導出される。
また、加工ヘッド３は、従来のものと同等に構成されており、第３図に示されているように、Ｚ軸ユニット５の先端に軸受部材２７によってＺ軸を中心に矢印＋αまたは−α方向に回転可能な回転軸（以下、Ｗ軸と称する）２２と、Ｗ軸２２の先端に軸受部材２３によって取り付けられてＺ軸に対して４５度傾斜した軸を中心に矢印＋βまたは−β方向に回転可能な姿勢軸（以下、Ｕ軸と称する）２４とを有し、Ｕ軸２４の先端に加工ノズル４が取り付けられている。
Ｗ軸２２はＷ軸サーボモータ２５により回転駆動され、Ｕ軸２４はＵ軸サーボモータ２６により回転駆動される。
Ｘ軸サーボモータ、Ｙ軸サーボモータ、Ｚ軸サーボモータ（図示省略）と、Ｗ軸サーボモータ２５と、Ｕ軸サーボモータ２６は、ＮＣ制御装置８からの駆動信号により駆動され、ティーチングデータに従いワークテーブル２上の加工ワークに対する加工ノズル４の距離を一定に保持しながらレーザ光のスポットが加工線回りを倣うと共に加工ノズル４のノズル角度が加工ワーク９の表面に対してほぼ垂直（法線方向）となるように制御される。
第４図は、ノズル角度の表示を含んだ座標表示の画面を示した図である。
ノズル角度においては直交座標系からみた水平方向及び垂直方向の角度を表示する。
Ｗ軸及２２及びＵ軸２４の回転に伴い、ノズル角度の表示も対応して上述した演算を行うことにより変動する。
なお、画面表示部８ｂまたはＴ／Ｂ７の画面において予め移動させたいノズル角度を設定した場合に操作盤８ａまたはＴ／Ｂ７上のボタンを押すと、ノズル角度比較判定部１３においてノズル角度計算部１１で算出した値が設定値に一致したと判断されるまでＷ軸２２及びＵ軸２４を回転させる。
ノズル角度比較判定部１３より、ノズル角度が設定値に到達したと判断された際には、Ｗ軸２２及びＵ軸２４を停止させ、ノズル角度表示部３４によりノズル角度表示の横に＃マークを表示する。
第５図は、ワーク傾斜部分またはテーパ加工時のティーチング作業におけるフローチャートである。
加工点の教示により３次元プログラムを作成するティーチング作業の準備として、Ｔ／Ｂ７の使用有効等の諸設定を実施した後、ステップＳＴ１にて、加工プログラムにおいて初期設定である補助機能コードのシャッタ開等の指令を設定する。
そして、ステップＳＴ２では、Ｔ／Ｂ７上に配置された加工軸送りキー、またはハンドル並びにジョイスティックを用い、第４図で示された座標表示画面のＸ、Ｙ、Ｚ軸の座標値をみて先端位置を教示点へ移動させる。
その際、ワーク傾斜部分またはテーパ加工のティーチングにより加工ノズル４の角度調整が必要な場合（ステップＳＴ３）、ステップＳＴ４にて、Ｔ／Ｂ７または制御装置８の画面表示部８ｂに表示された第４図に示されるノズル角度を確認しながら、面直状態になる、またはテーパ加工の角度になるまでＵ軸２４及びＷ軸２２を回転させる。
その教示点での先端位置及び姿勢の設定終了後、ステップＳＴ５にて、ティーチングデータとして教示を行う。
その後、ステップＳＴ６にて、同様にＴ／Ｂ７上に配置された加工軸送りキー、またはハンドル並びにジョイスティックを用い、第４図で示される座標表示をみながら次の教示点へ先端位置を移動させ、教示作業により加工プログラムの各教示点を作成していく。
ただし、ワーク傾斜部分またはテーパ加工によるノズル角度調整のティーチング作業がない場合には、ステップＳＴ４の作業を省く。
最後にステップＳＴ７にて、補助機能コードのシャッタ閉及びプログラムエンド等の指令を入力し、加工プログラムの作成が終了する。
本実施の形態によれば、ティーチング作業効率が悪かった一点指向型ヘッドに対して、ノズル角度を表示することができるようになるため、ワーク面に対し面直状態を容易に作成することができ、更に、ノズル角度を目視で繰り返し確認していた作業がなくなり、ティーチング作業時の効率化が図れる。
また、テーパ加工したい要求に対し、高い精度でテーパ加工の角度に合わせることもできる。
一方、オフセット型ヘッド搭載の３次元加工機を所有していたユーザに対し、一点指向型ヘッドにおいてもオフセット型ヘッドと同様にノズル角度を把握しながらティーチング作業ができるため、使い勝手が良くなる。
また、水平方向及び垂直方向の角度情報をＴ／Ｂ等の遠隔操作機に表示することも可能であり、ティーチング操作時に手元でノズルの水平方向及び垂直方向の角度を確認することが可能になり、時間の短縮による作業効率の向上を図ることができる。
さらに、ワーク傾斜部分または図面にてノズル角度が指定された場合においては、該ノズル角度と表示される実際のノズル角度をあわせたり、傾斜角度が既知な加工ワークに対しては容易に面直状態を作り出すことが可能であることから、ティーチング作業をより効率よく行うことができる。
以上、詳記したように本発明によれば、ワーク面に対しノズルの面直状態を容易に作成することができ、ティーチング作業の効率化が図ることができる。
また、予め設定したノズル角度とティーチング作業中の実際のノズル角度との比較が行えるので、オペレータの作業効率が向上する。
さらに、ティーチング操作時に手元でノズルの水平方向及び垂直方向の角度を確認することが可能になり、時間の短縮による作業効率の向上を図ることができる。
産業上の利用可能性
以上のように、本発明にかかる３次元レーザ加工機は、加工ヘッドのノズル角度表示を行うことによりティーチング作業を効率化させるものに適している。
【図面の簡単な説明】
第１図は、この発明に係る３次元レーザ加工機の制御装置の機能とその処理の流れを示した全体構成図である。
第２図は、直交座標系からみたノズルの水平方向及び垂直方向の角度を示す図である。
第３図は、加工ヘッドの構造を示す構造図である
第４図は、本発明によるノズル角度を含んだ座標表示画面の図である。第１の実施の形態に係る画面設定図である。
第５図は、本発明によるティーチング作業のフローチャートである。
第６図は、一点指向型ヘッド搭載３次元レーザ加工機の各軸の構成を示す斜視図である。
第７図は、一点指向型ヘッド搭載３次元レーザ加工機の加工ヘッドの拡大図である。
第８図は、従来の３次元レーザ加工機の構成を示すブロック図である。
第９図は、直交座標系からみたノズルの水平方向及び垂直方向の角度を示す図である。
第１０図は、加工ヘッドの姿勢変化及び加工の概略を示す図である。
第１１図は、従来の座標表示画面の図である。
第１２図は、従来の一点指向型ヘッドのティーチング作業のフローチャートである。
第１３図は、オフセット型ヘッド搭載３次元レーザ加工機の各軸の構成を示す斜視図である。
第１４図は、オフセット型ヘッド搭載３次元レーザ加工機の加工ヘッドの拡大図である。
第１５図は、オフセット型ヘッドのティーチング作業のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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