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    公开号:WO1992008172A1
    申请号:PCT/JP1991/001414
    申请日:1991-10-16
    公开日:1992-05-14
    发明作者:Teruo Masuda
    申请人:Fanuc Ltd；
    IPC主号:G05B19-00
    专利说明:
    [0001] 明 細 書
    [0002] 3次元レーザの座標変換方式 技 術 分 野
    [0003] 本発明は 3次元レーザ加工機における 3次元レーザの座標 変換方式に関し、 特に空間移動変換あるいは空間ミ ラ一変換 が可能な 3次元レーザの座標変換方式に関する。 背 景 技 術
    [0004] 3次元レーザ加工機はワークの 3次元加工が非接触で高速、 高精度に加工できるので、 3次元モデルの加工等に採用され ている。
    [0005] 3次元レーザ加工機は X、 Y、 Ζ軸とノ ズルの姿勢を決め る "軸及び^軸の 5軸で制御される。 すなわち、 X、 Υ、 Ζ 軸でノ ズルの先端の位置を決め、 《軸と 軸でノ ズルがヮー クの面に垂直になるように制御している。
    [0006] このノ ズルの姿勢を制御する例として、 特開平 2 — 1 1 2 8 9 1号がある。
    [0007] 一方、 3次元レーザ加工機の加工プログラムはヮ一クのぁ る特定の点からワークごとの座標系を決めて、 加工を行う場 合が多い。 すなわち、 加工プロ グラ ム上の座標系と実際のセ ッ ト されたワークの座標系とは異なり、 このために座標変換 を行う必要がある。
    [0008] この座標変換と しては、 3次元的に距離、 姿勢の異なる座 標系に変換するための空間移動変換と、 ある特定の平面に面 対象に変換する空間ミ ラー変換がある。
    [0009] 3次元レーザ加工機を制御する C N C (数値制御装置） で は、 特定の平面 （X Y平面、 Y Z平面、 X Z平面） に対する ミ ラ一加工は可能であつたが、 任意の平面に対する ミ ラ一変 換は不可能であった。
    [0010] また、 空間移動変換の機能もなく、 空間移動変換あるいは 空間ミ ラー変換を行うためには、 一般に自動プログラム作成 装置によって、 加工時のワークの位置を計測してから、 ヮー ク每に加工プログラムを作成していた。
    [0011] 従って、 常に自動プログラム作成装置を必要とし、 また、 加工毎に加工プログラムを作成する必要があり、 3次元レー ザ加工機の加工上の問題点となっていた。 発 明 の 開 示
    [0012] 本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、 空間 移動変換及び空間ミ ラ一変換可能な 3次元レーザの座標変換 方式を提供することを目的とする。
    [0013] 本発明では上記課題を解決するために、
    [0014] 3次元レーザ加工機における加工ズログラムの座標変換を 行う 3次元レーザの座標変換方式において、 加工プログラム を解読して、 指令値を出力する前処理潢算手段と、 前記指令 値を座標変換するための座標変換マ ト リ クスを演算するマ ト リ クス演算手段と、 前記座標変換マ ト リ クスによって、 前記 指令値を座標変換する座標変換手段と、 前記座標変換手段の 変換出力を補間して補間パルスを出力する補間手段と、 前記 補間パルスによつて駆動されるサ一ボモータと、 を有するこ とを特徴とする 3次元レーザの座標変換方式が、 提供される。 前処理演算手段は加工プロ グラ ムを解読して、 各軸の指令 値を出力する。 座標変換手段はこの指令値を、 座標変換マ ト リ クスによって、 実際のワークの座標系上の指令値に変換す る。 この変換された座標指令値を補間手段で補間し、 補間パ ルスを出力する。 この補間パルスによってサーボモータを駆 動し、 ワークを加工する。 図 面 の 簡 単 な 説 明
    [0015] 第 1図は本発明の 3次元レーザの座標変換方式のブ口 ッ ク 図、
    [0016] 第 2図は 3次元レーザ加工機のノ ズルの部分構成図、 第 3図は指令"、 の座標変換の処理を示すフ ローチ ヤ一 卜、
    [0017] 第 4図は空間移動変換を説明するための図、
    [0018] 第 5図は変換マ ト リ クス M pを求めるための説明図、 第 6図は座標系 Pをワーク座標系の X Y平面上に回転させ たときの変換行列を表す図、
    [0019] 第 7図はべク トル Z Pをワーク座標系の X Z平面上で β回 転させたときの変換行列を表す図、
    [0020] 第 8図は座標系 Ρ上の点をヮーク座標系に変換するための 変換マ ト リ クス M pを表す図、
    [0021] 第 9図は逆変換マ ト リ クス M P を表す図、 第 1 0図は空間ミ ラ一変換を説明するための図、
    [0022] 第 1 1図は空間ミ ラ一変換するための変換マト リ クスを示 す図、
    [0023] 第 1 2図は 軸が角度 回転したときのノズルのべク トル を表す図、
    [0024] 第 1 3図は第 1 2図の矢印 Aから見たノ ズルの図、 第 1 4図は第 1 2図の X軸方向からノズルを見た図、 第 1 5図はノ ズルの先端点の座標値を示す図、
    [0025] 第 1 6図はノズルをさらに《軸回りに角度 回転させた図， 第 1 7図はノ ズルの先端点の座標値を表す式を示す図、 第 1 8図は変換後のノ ズルべク ト ルの座標値と 軸及び 軸との回転角度の関係を表す式を示す図である。 発明を実施するための最良の形態
    [0026] 以下、 本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
    [0027] 3次元レーザ加工機では、 ノズルの座標系の位置決めの制 御と、 ノ ズルの姿勢を制御する必要がある。 座標系の位置決 めはいずれの数値制御工作機械でも共通であるが、 ノズルの 制御について簡単に説明する。
    [0028] 第 2図は 3次元レーザ加工機のノズルの部分構成図である ( 3 0はレーザビームであり、 図示されていない反射ミ ラーに よって反射して、 レーザビーム 3 0 a、 3 0 b、 3 0 c . 3 0 dとなって、 ワーク面 3 4に照射される。 3 1 は 軸を制 御する部材であり、 レーザビーム 3 0を軸として水平に回転 する。 3 2は 軸を制御する回転軸である。 3 3はノ ズルで ある。 このように "軸と 軸を制御することにより、 ノ ズル の姿勢制御を行う。
    [0029] 第 1図は本発明の 3次元レーザの座標変換方式のブ π ック 図である。 加工プログラムは紙テープ 1 、 フ ロ ッ ピイデイ ス ク 3から、 メ モ リ 2に格納され、 メ モ リ運転 される。 メ モ リ 2から読み出された加工プログラムは前処理演算手段 4で 解読され、 ノ ズルの位置指令 X、 Υ、 Ζと、 ノ ズルの姿勢を 制御する 、 に分けられる。
    [0030] 位置指令は空間ミ ラ一変換手段 8 で空間ミ ラ一変換が行わ れる。 空間ミ ラ一変換には空間ミ ラ一変換マ ト リ クス （Μマ ト リ クス） が使用される。 Μマ ト リ クスは Μマ ト リ クス演算 手段 5 によって演算される。 Μマ ト リ クスは位置指令を変換 元の点と変換先の点との垂直 2等分平面に対称な位置に座標 変換するものであり、 Μマ ト リ クス演算手段 5によつて演算 才し O Q
    [0031] さらに、 位置指令は空間移動変換手段 9によって、 実際に 加工するワークの座標系に変換される。 この変換には、 空間 移動変換マ ト リ クス （Tマ ト リ クス） が使用され、 Tマ ト リ クスの演算は Tマ ト リ クス演算手段 6 によって行われる。 T マ ト リ クスは実際に加工するワークの点から求めることがで きる。 Tマ ト リ クス及び Tマ ト リ クス演算手段 6の詳細は後 述する。
    [0032] 位置指令は空間移動ミ ラ ーと空間移動変換が行われ、 変換 位置指令 X c、 Y c 、 Z cは補間手段 1 1 に送られる。 補間 手段 1 1 では変換位置指令を補間し、 補間パルス X P、 Y P、 Z pを出力し、 それぞれ X軸、 Y軸、 Ζ軸のサーボモータ 2 1、 2 2、 2 3を駆動し、 ノ ズルの移動を制御する。
    [0033] 勿論、 空間移動変換あるいは空間ミ ラー変換の一方のみの 変換を行うこともできる。
    [0034] 次にノズルの姿勢を制御する指令《、 の座標変換につい て説明する。 第 3図は指令 α、 の座標変換の処理を示すフ ローチャー トである。 図において、 Sに続く.数値はステップ 審号を示す。
    [0035] 〔 S 1 〕 ノ ズルの姿勢を制御する指令"、 βは、 ベク トル変 換手段 Ίで、 一旦ノズルのべク トル V ηに変換し、 そのべク トルの先端の座標値 （ x， y , z ) を求める。
    [0036] C S 2 ] この座標値を位置指令と同じように、 空間ミ ラ一変 換手段 8によって、 空間ミ ラー変換を行う。
    [0037] 〔 S 3〕 また、 空間移動変換手段 9によって、 空間移動変換 を行う
    [0038] 〔 S 4〕 この変換後の座標値 （ X c， y c , ζ c ) 、 すなわ ちべク トル V cを、 べク トル逆変換手段 1 0で変換指令《 c、 β cに逆変換する。
    [0039] 〔 S 5〕 補間手段 1 1で変換指令《 c、 β cを補間して、 補 間パルス o p、 pを出力する。
    [0040] 〔 S 6〕 この補間パルス " p、 pによって、 《軸及び 軸 のサ一ボモータ 2 4、 2 5を駆動して、 ノズルの姿勢を制御 する。
    [0041] 勿論、 上記のフローチャートで、 空間移動変換あるいは空 間ミ ラ一変換の一方のみの変換を行うこともできる。 次に空間移動変換の詳細について述べる。 第 4図は空間移 動変換を説明するための図である。 ここでは座標系 Pの点 P • aを座標系 Qの点 P bに変換することを考える。
    [0042] 座標系 Pは座標系 Pの原点 P 1 と、 座標系 Pの X P軸上の 点 P 2、 X P— Y P平面上の点 P 3によって定義される。 座標系 Qは座標系 Qの原点 Q 1と、 座標系 Qの X Q軸上の 点 Q 2、 X Q— Y Q平面上の点 Q 3によって定義される。
    [0043] まず、 P 1、 P 2から X P軸を求め、 ベク トル （P 1— P 2 ) とベク トル （P 1— P 3 ) の外積から、 Z P軸を求める。 次にこの X P軸と Z P軸の外積から座標系を右手座標系とし て、 Y Pを求める。
    [0044] こう して求めた座標系 P (X P, ΥΡ， Ζ Ρ) をワーク座 標系 （Χ， Υ， Ζ ) に変換するマ ト リ クスを Μρとする。 同 様にして、 座標系 Qをワーク座標系 （Χ， Υ， Ζ) に変換す るマ ト リ クスを Mqとする。 従って、 以下の関係が成り立つ。
    [0045] M q P b =M p P a ( 1 a )
    [0046] P b =MqMp -'P a ( l b)
    [0047] となり、 点 P aを点 P bに変換できる。
    [0048] 一般に座標系 Pは加工プログラムを作成したときの座標系、 座標系 iは実際に加工するときのワークの特定の点 （Q l， Q 2 , Q 3 ) から求める。
    [0049] 次に実際に変換マ ト リ クスの求め方について述べる。 第 5 図は変換マ ト リ タス Mpを求めるための説明図である。 なお、 ここでは説明を簡単にするために、 平行移動成分については 説明を省略し、 座標系の回転成分についてのみ説明する。 座標系 Pの Z P軸をワーク座標系の XY平面上で角度《回 転し、 さらに X Ζ平面で角度 回転して、 座標系 Ρの座標軸 をヮーク座標系に一致させる。
    [0050] このときの、 最初の回転による座標変換行列 Mx pは第 6 図の （ 2 ) 式で表すことができる。 ただし、 X P X、 XPY はべク トル Z Pのワーク座標上の座標値である。
    [0051] 次に、 べク トル Z Pをワーク座標系の X Z平面上で /3回転 させたときの変換行列は第 7図の （ 3) 式で表すことができ る。 ただし、 X P X、 X P Υ、 Ζ Ρ Ζはベク トル Ζ Ρのヮー ク座標上の座標値である。
    [0052] 従って、 座標系 Ρ上の点をワーク座標系に変換するための 変換マ ト リクス Μ ρは、 第 8図の （ 4 ) 式で表すことができ る
    [0053] この変換マ ト リ クス Μ から、 逆マ ト リ クス Μρ—1は第 9 図に示す （5 ) 式で与えられる。
    [0054] 同様にして、 座標系 iの点 P bをワーク座標系に変換する 変換マ ト リ クス Mqを求めることができる。
    [0055] これらの変換マ ト リ クス Mp— '、 Mqから、 先に述べた ( l b) 式によって、 座標系 P上の点 P aを座標系 Qの点 P bに変換する変換マ ト リ タスを求めることができる。 このマ ト リ クスが第 1図で述べた、 空間移動変換マ ト リ クス （Tマ ト リ クス） である。
    [0056] 次に空間ミ ラ一変換について述べる。 第 1 ひ図は空間ミ ラ 一変換を説明するための図である。 変換元の点 Pを変換先の 点 Qに変換する。 点 Pと点 Qと等距離にあり、 点 Pと点 Qを 結ぶ線に垂直な平面を Rとする。 このとき、 変換元の点 P P と平面 Rに対して対称な点を点 P qとする。 すなわち、 点 P qが求める変換点である。
    [0057] ここで、 点 Pの座標を （ P 1， 2 , 3 ) 、 点 の座標 を （ q 1， q 2 , q 3 ) とし、 点 P Pの座標を （ a , b， c ) 、 点 P qの座標を （ x， y , z ) とする。 点 P qは第 1
    [0058] 1図に示す （ 6 ) 式で求めることができる。
    [0059] 次にノ ズルの姿勢を制御する《軸と 5軸の変換について説 明する。 軸と 軸はノズルの姿勢を制御するための指令で あり、 直接空間移動変換、 空間ミ ラー変換を行うことができ ない。 このため、 指令値"、 βを一旦ノ ズルのべク トルに変 換し、 ノ ズルのべク トルの先端の座標値を空間移動変換ある いは空間ミ ラー変換し、 変換べク トルを求め、 その変換べク トルから変換指令値 c、 cを求めて、 この ar c、 c に よってノ ズルを制御する。
    [0060] 第 1 2図は 9軸が角度; 9回転したときのノズルのべク トル を表す図である。 第 1 3図は第 1 2図の矢印 Aから見たノ ズ ルの図である。 第 1 4図は第 1 2図の X軸方向からノ ズルを みた図である。 ここで、 第 2図に示したノ ズルのワーク上の 点 P wから点 P mまでの距離 Rとし、 9軸が角度 回転した ときのノ ズルのベク トル V nの先端の座標を （ X， y , z ) とすると、 第 1 2図、 第 1 3図、 第 1 4図から明らかなよう に、 べク トル V nの先端点 P nの座標値は第 1 5図に示す ( 7 ) . ( 7 b ) 、 （ 7 c ) 式で表すことができる。
    [0061] 第 1 6図はノ ズルをさらに 軸回りに角度"回転させた図 である。 このときのベク トル V nの先端点 P qの座標値 （X， Y， Ζ) は第 1 7図に示す （8) 式で表すことができる。
    [0062] この座標値 （Χ， Υ, Ζ ) を先に述べたように、 空間移動 変換あるいは空間ミ ラー変換する。 その変換後の座標値を
    [0063] (X c , Y c , Z c ) とする。 さらに、 これに対応する 軸 と 軸の回耘角度を c、 9 cとすると、 第 1 8図に示す
    [0064] ( 9 a) 式が成立する。
    [0065] 従って、 変換後の 軸と 軸の回転角度 c、 cは 1 8 図に示す （ 9 e ) 、 （ 9 f ) 式によって求められる。
    [0066] この変換指令値《 c、 cを補間して、 補間パルス 《 p、 5 pによって 軸、 軸のサ一ボモータを駆動することによ り、 ノ ズルの姿勢を制御することができる。
    [0067] なお上記の計算式は単なる例であり、 使用する数値制御装 置 （CNC) のハードウェアにより、 それに適した計算式を 使用できることはいうまでもない。
    [0068] 以上説明したように本発明では、 数値制御装置内に空間移 動変換手段、 空間ミ ラー変換手段を設けたので、 別個の自動 プログラム作成装置を使用することなく、 加工プログラムの 座標変換を行うことができる。 また、 加工毎に加工プログラ ムを作成する必要がなく、 座標変換に必要なデータのみを入 力すればよい。
    [0069] さらに、 ノ ズルの姿勢を制御する《軸及び j5軸の変換もノ ズルのべク トルの先端座標値を座標変換して、 変換後の指令 角度を求めるように構成したので、 ノ ズルの姿勢も同時に座 標変換できる。
    权利要求:
    Claims 請 求 の 範 囲
    1 . 3次元レーザ加工機における加工プログラムの座標変 換を行う 3次元レーザの座標変換方式において、
    加工プログラムを解読して、 指令値を出力する前処理演算 手段と、
    前記指令値を座標変換するための座標変換マ ト リ クスを溃 算するマ ト リ クス演算手段と、
    前記座標変換マ ト リ クスによって、 前記指令値を座標変換 する座標変換手段と、
    前記座標変換手段の変換指令値を補間して補間パルスを出 力する補間手段と、
    前記補間パルスによつて駆動されるサーボモータと、 を有することを特徴とする 3次元レーザの座標変換方式。
    2 . 前記マ ト リ クス演算手段は空間移動変換を行う空間移 動変換マ ト リ クスを演算する空間移動変換マ ト リ ク ス （Tマ ト リ クス渲算手段） あるいは空間ミ ラ一変換を行う空間ミ ラ 一変換マ ト リ クスを演算する空間ミ ラー変換マ ト リ クス演算 手段 （Mマ ト リ クス渲算手段） の少なく とも一つを含むこと を特徵とする請求項 1記載の 3次元レーザの座標変換方式。
    3 . 前記座標変換手段は空間移動変換を行う空間移動変換 手段あるいは空間ミ ラー変換を行う空間ミ ラー変換手段の少 なく とも一つを含むことを特徵とする請求項 1記載の 3次元 レーザの座標変換方式。
    4 . 前記指令値は前記 3次元レーザ加工機のレーザ出カノ ズルを制御する《軸及び 軸を含み、 前記《軸及び前記^軸の指令値から前記ノズルのべク トル 及び前記べク ドルの先端座標値を求めるべク トル変換手段と、 前記先端座標値を前記座標変換手段によって変換した変換 先端座標値を前記《軸及び前記 軸の変換指令値に逆変換す るべク トル逆変換手段と、
    を含むことを特徵とする請求項 1記載の 3次元レーザの座 標変換方式。
    5 . 前記空間移動変換マ ト リ クスは、 加工プロ グラム上の 基準の 3点で決まる第 1の座標系から、 ワークの 3点から決 まる第 2の座標系へ変換する座標変換マ ト リ タスであること を特徵とする請求項 1記載の 3次元レーザの座標変換方式。
    6 . 前記空間ミ ラ一変換マ ト リクスは加工プログラム上の 点を、 変換元の点と変換先の点との垂直 2等分平面に对称な 点へ変換する変換マ ト リクスであることを特餒とする請求項 1記載の 3次元レーザの座標変換方式。
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    同族专利:
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    引用文献:
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    法律状态:
    1992-05-14| AK| Designated states|Kind code of ref document: A1 Designated state(s): US |
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    1992-06-01| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1991917806 Country of ref document: EP |
    1992-10-21| WWP| Wipo information: published in national office|Ref document number: 1991917806 Country of ref document: EP |
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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