特許 6446043 位置決め装置内に保持された被加工物の空間位置を検出および補正する方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6446043

(24)【登録日】2018年12月7日

(45)【発行日】2018年12月26日

(54)【発明の名称】位置決め装置内に保持された被加工物の空間位置を検出および補正する方法および装置

(51)【国際特許分類】

   B23Q 17/22 20060101AFI20181217BHJP

   B23K 26/02 20140101ALI20181217BHJP

【ＦＩ】

   B23Q17/22 A

   B23K26/02 A

【請求項の数】9

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-525498(P2016-525498)

(86)(22)【出願日】2014年10月28日

(65)【公表番号】特表2016-535682(P2016-535682A)

(43)【公表日】2016年11月17日

(86)【国際出願番号】EP2014002895

(87)【国際公開番号】WO2015062717

(87)【国際公開日】20150507

【審査請求日】2017年7月14日

(31)【優先権主張番号】102013018654.4

(32)【優先日】2013年10月30日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】516117766

【氏名又は名称】イェノプティック オートマティシエルングステクニク ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＪＥＮＯＰＴＩＫ ＡＵＴＯＭＡＴＩＳＩＥＲＵＮＧＳＴＥＣＨＮＩＫ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(74)【代理人】

【識別番号】100174931

【弁理士】

【氏名又は名称】阿部 拓郎

(72)【発明者】

【氏名】ステファン フォークト

(72)【発明者】

【氏名】トマス ドーリン

(72)【発明者】

【氏名】ピーレ ジャイペル

(72)【発明者】

【氏名】ロバート ミヒェル−スリラー

【審査官】 村上 哲

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−３５３６４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表平０８−５０４１３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９４０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０８５２３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００１−５１９２４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１４／０４８５６７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 独国特許出願公開第１０２００９０２６４８４（ＤＥ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／００２５１９１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２３Ｑ １７／２２

Ｂ２３Ｋ ２６／０２

ＷＰＩ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

位置決め装置（１５）内に保持された被加工物（１）の空間位置を検出および補正する方法であって、
Ａ：前記被加工物（１）を前記位置決め装置（１５）内に位置決めするステップ、
Ｂ：機械加工ヘッド（２）であって、距離測定のための少なくとも１つのセンサ（５）と、前記機械加工ヘッド（２）の現在位置を検知するための位置検知手段（１７）とを有する機械加工ヘッド（２）を少なくとも１つの測定位置（７）へ送り出すステップ、
Ｃ：前記機械加工ヘッド（２）を使用することにより、少なくとも２つの測定位置（７、７Ｉ、７ＩＩ、７ＩＩＩ）において、それぞれの場合に、前記位置決めされた被加工物（１）の測定点の実際の位置（８）を非接触的に検知して、前記検知された実際の位置（８）から、仮想参照軸（１３）に関する前記仮想測定軸（１８）の角度位置を判断するステップであって、少なくとも２つの前記測定点は前記被加工物（１）の表面上に延びる仮想測定軸（１８）上にある、ステップ、
Ｄ：前記検知された実際の位置（８）を予定される所望の位置（９）と比較して、前記実際の位置（８）と前記所望の位置（９）との間のずれ値を確認するステップ、
Ｅ：前記確認されたずれ値を容認可能な公差値と比較するステップであって、確認されたずれが前記実際の位置（８）と前記所望の位置（９）との間の距離値および前記角度位置のずれである、ステップ、
Ｆ：前記確認されたずれが前記容認可能な公差値内にあれば常に、前記機械加工ヘッド（２）を、輪郭（６）であって、それに沿って前記機械加工ヘッド（２）により前記被加工物（１）を機械加工するべき輪郭（６）へ送り出すステップ、または
Ｇ：位置合わせ後に前記実際の位置（８）のずれが前記容認可能な公差値内にあるように、前記機械加工ヘッド（２）と前記被加工物（１）とを相互に関して、および前記１つの輪郭（６）に関して位置合わせするステップ
を含む、方法。

【請求項2】

前記機械加工ヘッド（２）と前記被加工物（１）との相互に関する、および前記１つの輪郭（６）に関する前記位置合わせが、前記機械加工ヘッド（２）の位置を制御しながら変化させることによって行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記機械加工ヘッド（２）と前記被加工物（１）との相互に関する、および前記１つの輪郭（６）に関する前記位置合わせが、前記被加工物（１）の位置を制御しながら変化させることによって行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項4】

前記機械加工ヘッド（２）と前記被加工物（１）との相互に関する、および前記１つの輪郭（６）に関する前記位置合わせが、前記機械加工ヘッド（２）および前記被加工物（１）の位置を制御しながら変化させることによって行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。

【請求項5】

前記機械加工ヘッド（２）が測定位置（７）としての役割を果たす送り出し位置（１１）へステップ式に送り出され、前記機械加工ヘッド（２）が一連の連続する送り出し位置（１１、１１．１、１１．２、１１．３）へ送り出され、各送り出し位置（１１、１１．１、１１．２、１１．３）において、測定区間（４）内の前記被加工物（１）の存在が距離測定によって調査され、前記被加工物（１）が存在していなければ、前記機械加工ヘッド（２）は次の送り出し位置（１１、１１．１、１１．２、１１．３）へ送り出され、前記次の送り出し位置（１１、１１．１、１１．２、１１．３）は、前回の送り出し位置（１１、１１．１、１１．２、１１．３）から、前記距離測定の前記測定区間（４）の長さより短い距離で選択されることを特徴とする、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記機械加工ヘッド（２）による前記被加工物（１）の機械加工が行われた後、ステップＢ、Ｃ、ＤおよびＥが再び実行されて、前記機械加工の成功がチェックされることを特徴とする、請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。

【請求項7】

レーザ放射によって非回転対称の被加工物（１）を機械加工するための装置による、請求項１〜６の何れか一項に記載の方法の使用。

【請求項8】

機械加工ヘッド（２）によって位置決め装置（１５）内に位置決めされた被加工物（１）を機械加工する装置における、請求項１〜７の何れか一項に記載の方法の使用。

【請求項9】

位置決め装置（１５）内に保持された被加工物（１）の空間位置を、機械加工ヘッド（２）により検出および補正する装置であって、第一の被加工物（１．１）を位置決めするための少なくとも１つの第一の位置決め装置（１５．１）と、少なくとも１つの機械加工ヘッド（２）であって、距離測定のための少なくとも１つのセンサ（５）と、前記機械加工ヘッド（２）の現在位置を検知するための位置検知手段（１７）とを有する機械加工ヘッド（２）と、さらに、前記機械加工ヘッド（２）および／または前記被加工物（１）の位置を制御しながら変化させるためのコントローラ（１０）とを有し、前記コントローラ（１０）は、前記コントローラ（１０）の動作の結果として以下のステップ：
ａ．前記機械加工ヘッド（２）を少なくとも１つの測定位置（７）へ送り出すステップ、
ｂ．前記機械加工ヘッド（２）を使用することにより、少なくとも２つの測定位置（７，７Ｉ、７ＩＩ、７ＩＩＩ）において、前記位置付けられた被加工物（１）の測定点の実際の位置（８）を非接触的に検知して、前記検知された実際の位置（８）から、仮想参照軸（１３）に関する前記仮想測定軸（１８）の角度位置を判断するステップであって、少なくとも２つの前記測定点は前記被加工物（１）の表面上に延びる仮想測定軸（１８）上にある、ステップ、
ｃ．前記検知された実際の位置（８）を予定される所望の位置（９）と比較して、前記実際の位置（８）と前記所望の位置（９）との間のずれ値を確認するステップ、
ｄ．前記確認されたずれ値を容認可能な公差値と比較するステップであって、確認されたずれが前記実際の位置（８）と前記所望の位置（９）との間の距離値および前記角度位置のずれである、ステップ、
ｅ：前記確認されたずれが前記容認可能な公差値内にあれば常に、前記機械加工ヘッド（２）を、輪郭（６）であって、それに沿って前記機械加工ヘッド（２）により前記被加工物（１）を機械加工するべき輪郭（６）へ送り出すステップ、または
ｆ：位置合わせ後に前記実際の位置（８）のずれが前記容認可能な公差値内にあるように、前記機械加工ヘッド（２）と前記被加工物（１）とを相互に関して、および前記１つの輪郭（６）に関して位置合わせするステップ
が実行されるように構成される、装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、位置決め装置内に保持された加工物の空間位置を検出および補正する方法および装置に関する。

【背景技術】

【0002】

機械加工対象の被加工物の位置を補正するための各種の方法が知られている。例えば、駆動システムによりツールの位置を設定する方法が、独国特許出願公開第１０１ ３９ ０８１ Ａ１号明細書において開示されている。制御装置に必要な計算時間および遅延効果のあるその他の事象によって標的とされる位置値と実際には一致しない、ツールの瞬間位置値と位置設定値とのずれの補正を実現するために、ツールの位置の設定は、専らセンサ装置により提供されるデータの評価によって行われる。

【0003】

独国特許出願公開第１０ ２００９ ０２６ ４８４ Ａ１号明細書は、被加工物を機械加工する装置および方法に関する。独国特許出願公開第１０ ２００９ ０２６ ４８４ Ａ１号明細書の目的は、比較的大型の装置（機械加工装置）、例えば旋盤またはフライス盤が、特に最初に特定の動作温度に到達させて、構造の設計中に定められる送り込み経路および相対位置が正確に補正されるようにしなければならないという問題に基づく。この目的のために、所望の位置と実際の位置との間で生じる差をセンサによって検知することが構想される。センサはこの場合、保持装置または機械加工ヘッド上に配置されてもよい。実際の距離は、保持装置と機械加工ヘッドとの間で検知され、所望の距離と比較される。所望の距離と実際の距離との間に形成される差の量に応じて、その後、被加工物の機械加工の制御が可能となる。

【0004】

次に、独国特許出願公開第１０ ２０１１ ００６ ４４７ Ａ１号明細書の開示は、機械加工のためにツールが実際のツールパスに沿って案内される装置により、同じ構造の被加工物を機械加工する方法に関する。これらの実際のツールパスは、既知の所望のツールパスに基づいており、それ自体は予定されるツールパスを表す。被加工物の機械加工実行中、所望のツールパスと被加工物との間の距離値がセンサによって継続的に測定される。これらの距離値に基づいてツールの実際のツールパスが判断され、所望のツールパスからのその経路のずれが確認される。経路ずれが判断され、それが容認可能な公差内にあるか否かがチェックされる。所望のツールパスは距離の数値に基づいて補正され、補正後の所望のツールパスを、その後の被加工物の機械加工のためにツールを制御する際の根拠として使用できる。基本的に、独国特許出願公開第１０ ２０１１ ００６ ４４７ Ａ１号明細書による方法は、被加工物が正しい位置にあり、被加工物には、最大でも製造による公差しかないことを前提としている。被加工物の実際の空間位置は判断されない。

【0005】

最も近い先行技術と言えるのは、本出願人の独国特許第１０ ２０１２ １０９ ２４５号明細書であり、その中には、非回転対称の被加工物をレーザ放射により機械加工する方法および装置が記載されている。開示の装置は、被加工物を第一の機械加工位置へ送り出すための送り出し手段を含み、機械加工装置は第一の機械加工位置へ送り出された被加工物を機械加工するための少なくとも１つの機械加工ヘッドを有する。送り出し手段は、把持手段を備える把持ロボットである。その把持範囲内には、ホルダを備える提供手段が配置され、その設計および寸法は、ホルダ内に保持された少なくとも１つの被加工物が提供されるように選択され、送り出し装置がホルダから移動されるための空間配列および位置が規定されている。少なくとも１つのクランプ装置もまた、送り出し手段により送り出された被加工物を受けるために配置され、機械加工位置は各クランプ装置によってそれぞれ画定される。クランプ装置と送り出し手段とはまた、位置決め装置とみなしてもよく、それは、被加工物がこれら２つの相互作用により位置決めされるからである。機械加工ヘッドは、被加工物の機械加工のために各機械加工位置へ送り出すことができる。

【0006】

上記の独国特許第１０ ２０１２ １０９ ２４５号明細書において開示されている解決策により、被加工物は理論的には、確実に正確な空間位置で機械加工装置へ送り出される（それに関して位置決めされる）。機械加工装置は、レーザビームで被加工物上に機械加工により形成することになる予めプログラムされた輪郭に沿った機械加工を開始する。

【0007】

独国特許第１０ ２０１２ １０９ ２４５号明細書からのこの解決策の前提条件は、被加工物が所定の公差範囲内にあることである。特に湾曲した被加工物の機械加工の場合、これらがその幾何学寸法において所定の公差を超えないことが重要である。被加工物と機械加工ヘッドが機械加工位置へ送り出される際の公差は、０．１ｍｍ未満である。

【0008】

業界の慣行では、被加工物の公差範囲を、被加工物および機械加工ヘッドを機械加工位置へ送り出している間に極めて小さい公差が保持されるほど小さく保つことを保証できない。寸法偏差の誤差要因は特に被加工物の曲率半径である。このような被加工物は、半完成品、例えばパイプを曲げることによって生産されることが多い。それによって被加工物内に生じる材料応力は、例えば材料にかかる周辺温度の影響と共に作用すると、被加工物の予測不能な変形を引き起こし得る。例えば曲率半径の小さいずれでも、被加工物の位置における局所的変位の原因となり、これは機械加工の結果を大きく損ない、または完全に阻害する。別の問題は、機械加工ヘッドと被加工物との衝突のリスクであり、それによって機械加工装置は調節不良となるか、または壊れることさえある。

【0009】

しかしながら、各被加工物の綿密な測定を行えば、生産シーケンスが大幅に低速化するであろう。したがって、衝突を防止し、機械加工の質を向上させ、機械加工工程に組み込むことのできる解決策が求められている。また、機械加工工程が成功裏に完了したか否かが遡及的にチェックされるようにすることも意図される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

本発明はしたがって、位置決め装置内に保持され、位置決めされた被加工物の空間位置を確認でき、必要に応じて補正できるようにする別の可能性を提案するという目的に基づく。

【課題を解決するための手段】

【0011】

この目的は、位置決め装置内に保持された被加工物の空間位置を検出および補正する方法により達成され、これは以下のステップＡ〜Ｇを有する。
Ａ：被加工物を位置決め装置内に位置決めするステップ、
Ｂ：機械加工ヘッドであって、距離測定のための少なくとも１つのセンサと、機械加工ヘッドの現在位置を検知するための位置検知手段とを有する機械加工ヘッドを少なくとも１つの測定位置へ送り出すステップ、
Ｃ：機械加工ヘッドを使用することにより、被加工物の表面上に延びる仮想測定軸上にある少なくとも２つの測定位置において、それぞれの場合に、位置決めされた被加工物の少なくとも１つの測定点の実際の位置を非接触的に検知して、検知された実際の位置から、仮想参照軸に関する仮想測定軸の角度位置を判断するステップ、
Ｄ：検知された実際の位置を予定される所望の位置と比較して、実際の位置と所望の位置との間のずれ値を確認するステップ、
Ｅ：確認されたずれ値を容認可能な公差値と比較するステップであって、確認されたずれが実際の位置と所望の位置との間の距離値および角度位置のずれである、ステップ、
Ｆ：確認されたずれが容認可能な公差値内にあれば常に、機械加工ヘッドを、輪郭であって、それに沿って機械加工ヘッドにより被加工物を機械加工するべき輪郭へ送り出すステップ、または
Ｇ：位置合わせ後に実際の位置のずれが容認可能な公差値内にあるように、機械加工ヘッドと被加工物とを相互に関して、および１つの輪郭に関して位置合わせするステップ。

【0012】

本発明の主旨は、被加工物の空間位置を検知してから、被加工物の機械加工を開始することである。それぞれの被加工物について、個々の空間位置を三次元位置として把握することにより、例えば機械加工工程を効率的に実行でき、なぜなら、機械加工工程中に機械加工ヘッドがそれに沿って移動するべき経路を事前に計算でき、制御測定の数を減らすことができるからである。

【0013】

この説明の中で、一般的に機械加工される材料、例えば金属シート、パイプ、またはプロファイル等の原材料、ならびに半完成品および完成品が被加工物と理解される。

【0014】

測定位置は、そこから被加工物を検知できる機械加工ヘッドの空間位置である。測定位置には、機械加工ヘッドが被加工物から最大でも、機械加工ヘッドと被加工物との間の距離をセンサ関連の公差内で検知できるような量しか離れていない時に到達される。

【0015】

空間位置を検知する手段（位置検知手段）は例えば、機械加工ヘッドの瞬間配列を検知するセンサである。それゆえ、実行され、記憶された機械加工ヘッドの送り出し移動は、機械加工ヘッドの現在の空間位置（現在位置）を判断するのに役立つ。空間位置はまたセンサによって検知されてもよく、それによってそのセンサに関する機械加工ヘッドの相対位置が検知または計算される。

【0016】

被加工物は輪郭に沿って、好ましくは、例えば切削、切断、フライス加工もしくは穴あけ等により材料を取り除くことによって、または例えば微細構造の硬化もしくはその他の改変、あるいは加工物の材料の再結晶化をもたらすことにより材料を変化させることによって、または溶接もしくは接着剤での結合によって機械加工される。機械加工には、機械的に作用する機械加工手段、例えばフライス盤、ドリル、鋸、または粉砕手段を使用してもよい。しかしながら、好ましくは、機械加工は、高エネルギー電磁放射、好ましくはレーザ放射により実行される。単純なケースでは、輪郭は１平面（機械加工面）の中にあってもよく、それに沿って被加工物または被加工物の一部が機械加工され、例えば切り取られる。この場合、例えば、機械加工ヘッドは被加工物周囲の平面内で案内され、被加工物は機械加工ヘッドが通過する線に沿って切り取られる。輪郭はまた、複雑な形状であってもよく、例えばギャップを有し、アーチまたはその他の形状を含んでいてもよい。例えば、位置決め装置内に保持される被加工物の機械加工が、被加工物の機械加工線（輪郭）に沿って行われてもよい。

【0017】

好ましくは、非接触測定方法として、容量、光学、およびインダクタンスに基づく方法が用いられてもよい。これらの測定方法により、および測定信号の選択的処理により、被加工部表面と機械加工ヘッドとの間の距離が測定される。簡素化するために、ここでは機械加工ヘッドの被加工物からの距離と述べているが、当然のことながら、機械加工ヘッドのセンサと被加工物との間の距離が検知される。測定結果に基づき、被加工物と機械加工ヘッドとの間の距離のその後のフィードバック制御が可能となる。測定方法を実行するために使用されるセンサにはそれぞれ、センサごとの測定区間が割り当てられる。測定区間内の距離にわたって測定することにより、信頼性の高い測定値が得られる。例えば、センサが最大２０ｍｍまでの距離にわたる距離測定用として設計されている場合、その測定区間は２０ｍｍである。

【0018】

機械加工ヘッドと被加工物との相互に関する、および輪郭に関する位置合わせは、機械加工ヘッドの位置を制御しながら変化させることによって行われてもよい。

【0019】

本発明による方法の別の設計において、機械加工ヘッドと被加工物との相互に関する、および少なくとも１つの輪郭に関する位置合わせはまた、被加工物の位置を制御しながら変化させることによって行われてもよい。機械加工ヘッドと被加工物との間の必要な距離補正（位置合わせ）は、当然のことながら、位置決め装置の位置を変化させることによって実施されてもよい。この場合、機械加工ヘッドは、その事前にプログラムされた位置に留まり、被加工物が位置決め装置によって機械加工ヘッドに関する正確な位置に移動される。

【0020】

また、機械加工ヘッドと被加工物との相互に関する、および輪郭に関する位置合わせを、機械加工ヘッドおよび被加工物の位置を制御しながら変化させることによって行うことも可能である。

【0021】

本発明による方法において、実際の位置の非接触検知は、少なくとも２つの測定位置から、各々について位置決めされた被加工物の少なくとも１つの測定点において行われる。これは、ステップＣおよびＤが、各々、異なる測定位置において少なくとも１回実行されることを意味する。ステップＥで確認されるずれは、距離値と、距離値から得られるその他の数値、例えば想像上の、２つの測定点間に延びる仮想測定軸の角度位置のずれとである。

【0022】

このような手順により、被加工物の角度位置は２つの測定位置における２つの距離値から、また測定位置を把握したうえで導き出される。被加工物の角度位置のこのような判断は、複数の表面上で行うことができ、それによって被加工物の空間内の位置（空間位置）は、少なくとも被加工物の、角度位置の判断に使用された領域について導き出すことができる。

【0023】

この目的のために、好ましくは、少なくとも２つの測定点が、被加工物の表面を通って延びる想像上の測定軸上にあり、仮想参照軸に関する測定軸の角度位置は検知された実際の位置から判断される。このような参照軸は、例えば、被加工物の予定される縦軸であってもよい。また、参照軸は、機械加工ヘッドおよび／または被加工物の空間位置の判断に使用される座標系の中の仮想軸とすることも可能である。

【0024】

機械加工ヘッドと被加工物との衝突を避けるために、本発明による方法は、機械加工ヘッドが測定位置としての役割を果たす送り出し位置へステップ式に送り出されるように設計されていてもよく、機械加工ヘッドは一連の連続する送り出し位置へ送り出され、各送り出し位置において、測定区間内の被加工物の存在が距離測定によって調査され、被加工物が存在していなければ、機械加工ヘッドは次の送り出し位置へ送り出され、次の送り出し位置は、前回の送り出し位置から、距離測定の測定区間の量より小さい距離で選択される。一連の送り出し位置として、これらを移動させることが意図される。これらは相互に、測定区間の長さより大きく離間されない。それにより、１つの送り出し位置で機械加工ヘッドが被加工物の存在を検知せず、機械加工ヘッドが、特定区間の後にある次の送り出し位置へ送り出されている間に被加工物と衝突するという事態が回避される。

【0025】

本発明による方法によって、２つの基本的手順が可能となる。

【0026】

第一の手順は、レーザ機械加工工程を開始する前に少なくとも１回の測定を実行するものである。実際の機械加工工程、好ましくはレーザ放射による被加工物の機械加工を開始する前に、機械加工ヘッドは被加工物の、コントローラ内に記憶されている測定位置に接近させられる。被加工物は、測定位置にある機械加工ヘッドによる距離測定が、測定区間内に保ちながら可能となるような空間位置に位置決めされることが予期される。

【0027】

機械加工ヘッドの距離センサシステムの少なくとも１つのセンサによって、機械加工ヘッドの、被加工物表面上の点からの距離が測定位置で検知される。この検知された距離が所定の公差の範囲外にある場合、機械加工ヘッドは、例えばｚ軸に沿った送り出し移動によって、被加工物へ近付けられるか、またはそこから遠ざけられる。その結果、機械加工ヘッドは、被加工物に関して提供される開始位置にあることになる。その後、工程を開始でき、例えばプログラムされた輪郭をレーザ放射により機械加工できる。

【0028】

接近および距離測定工程は、１回、または異なる方向から複数回実行されてもよい。複数回にわたって測定することにより、測定およびフィードバック制御の信頼性が高まる。

【0029】

実際の位置と所望の位置との比較的大きいずれが確認された場合、被加工物の横方向の移動の他に、機械加工面の領域内での被加工物の歪みがそれに加えて存在し得る。この歪み、すなわち被加工物の空間位置の、公差を超える角度ずれが補正されず、被加工物が当初意図されていた機械加工面に沿って機械加工されると、この被加工物は生産されても低品質または不良品にすぎないであろう。例えば切断輪郭の中に、望ましくない角度があるであろう。これらは、それぞれ被加工物に沿った測定点に関する別の測定位置で様々な方向に距離測定を行うことによって検出可能である。

【0030】

機械加工ヘッドと被加工物の衝突を避けるために、機械加工ヘッドは、サーチランにおいてステップ式に所望の位置に接近させられてもよい。測定距離が所定の数値より短い場合、すなわち衝突のリスクがある場合、機械加工工程全体が停止されるか、または本発明による方法の別の設計においては、サーチランによる機械加工ヘッドの送り出しのみが停止される。

【0031】

同様に、補正のために、コントローラに記憶された輪郭を、コントーラの座標系に記憶された、機械加工されるべき輪郭と一致させることも可能である。これには、上記２つの輪郭を補正するために、輪郭、または輪郭のうちの一方に割り当てられた少なくとも１つのフレームを対応する方向に移動させることが関わる。フレームは座標系の複数の座標により付与される。

【0032】

この方法の別の設計において、９０°ずれた別の測定位置で別の測定点が検知された場合、補正は第二の方向にも行われてよい。

【0033】

さらに、第二の手順では、機械加工工程の後に管理チェックを行うことが可能となる。機械加工ヘッドに組み込まれた距離センサシステムはまた、機械加工の結果に関する管理チェックを実行するためにも使用できる。これを例えば、（開始）被加工物としてパイプの一部を切り取る場合で説明する。完全に切り取られなかった部分が、被加工物上の未特定の位置に残る。別の処理中に、この残った部分は生産シーケンスの障害となるか、または重大な損傷の原因となり得る。したがって、機械加工工程完了後に、被加工物に切り取りきれなかった部分が残っていないことを確認するように努めるべきである。

【0034】

機械加工ヘッドは、機械加工ヘッドによる被加工物の機械加工が行われた最後の位置から、切り取られた部分の方向に移動され、材料の存在が距離センサシステムによってチェックされる。測定結果がネガティブの場合、すなわち材料が発見された場合、機械加工ヘッドを機械加工された輪郭へさらに送り出した後に、再び測定を繰り返すことができる。これによって、切り取りきれず、被加工物上の未知の位置に残った部分を確実に検出できる。利用可能な測定結果に応じた機械加工ヘッドの再調整は、好ましくは、機械加工ヘッドのｚ軸で行われる。

【0035】

機械加が成功したことをチェックするために、機械加工ヘッドによる被加工物の機械加工が行われた後、ステップＢ、Ｃ、Ｄ、およびＥを再び実行してもよい。

【0036】

２つの手順は、当然のことながら、相互に組み合わせて逐次的に実行してもよい。

【0037】

他の設計において、本発明による方法は、第一の位置決め装置内の第一の被加工物に加えて、少なくとも１つの第二の被加工物が第二の位置決め装置内に位置決めされる。本発明による方法のステップＣ〜Ｅが第一の被加工物について実行された後に、ステップＣ〜Ｅが第二の被加工物についても実行される。第一の被加工物および第二の被加工物が各々、それぞれ容認可能な公差値が保持されるような空間位置にある場合、工程はステップＦから続けられる。ステップＥにおいて、２つの被加工物のうちの少なくとも一方の、確認されたずれ値が容認可能な公差値以外にある場合、ステップＧが、関係する被加工物について、または両方の被加工物について実行される。第一の被加工物および第二の被加工物が、それら２つのずれが容認可能な公差値内にあるように位置合わせされた場合にのみ、機械加工ヘッドは輪郭へ送り出される。

【0038】

本発明による方法の別の設計において、第三の被加工物、またはさらには第四の被加工物がそれぞれ第三の位置決め装置または第四の位置決め装置内に位置決めされ、ステップＣ〜Ｅが上述のように実行される。

【0039】

本発明による方法は、レーザ放射によって非回転対称の被加工物を機械加工するための装置を操作する際に特に有利に使用できるが、それは、レーザ放射を使用した場合、機械加工ヘッド、被加工物、および輪郭の相対的位置決めにおける非常に高い精度が問題となるからである。

【0040】

この方法はまた、機械加工ヘッドによって位置決め装置内に位置決めされた被加工物の空間位置を検出および補正するための装置において使用されてもよい。

【0041】

目的はまた、位置決め装置内に保持された被加工物の空間位置を、機械加工ヘッドにより検出および補正する装置によっても達成される。本発明による装置は、被加工物を位置決めするための少なくとも１つの位置決め装置と、少なくとも１つの機械加工ヘッドであって、少なくとも１つの距離センサと、機械加工ヘッドの位置を検知するための手段とを有する機械加工ヘッドと、さらに、機械加工ヘッドおよび／または被加工物の位置を制御しながら変化させるためのコントローラとを有し、コントローラは、コントローラの動作の結果として以下のステップ：
ａ．機械加工ヘッドを少なくとも１つの測定位置へ送り出すステップ、
ｂ．機械加工ヘッドを使用することにより、被加工物の表面上に延びる仮想測定軸上にある少なくとも２つの測定位置において、位置付けられた被加工物の測定点の実際の位置を非接触的に検知して、検知された実際の位置から、仮想参照軸に関する仮想測定軸の角度位置を判断するステップ、
ｃ．検知された実際の位置を予定される所望の位置と比較して、実際の位置と所望の位置との間のずれ値を確認するステップ、
ｄ．確認されたずれ値を容認可能な公差値と比較するステップであって、確認されたずれが実際の位置と所望の位置との間の距離値および角度位置のずれである、ステップ、
ｅ．確認されたずれが容認可能な公差値内にあれば常に、機械加工ヘッドを、（少なくとも）１つの機械加工面であって、それに沿って機械加工ヘッドにより被加工物を機械加工するべき（少なくとも）１つの機械加工面へ送り出すステップ、または
ｆ．位置合わせ後に実際の位置のずれが容認可能な公差値内にあるように、機械加工ヘッドと被加工物とを相互に関して、および（少なくとも）１つの機械加工面に関して位置合わせするステップ
が実行されるように構成される。

【0042】

機械加工ヘッドには、距離センサシステムが設置される。これは、少なくとも１つのセンサを含み、これは、好ましくは容量またはインダクタンスによる測定原理に基づく距離測定に適している。距離測定は、センサごとの測定区間について行われる。この容量またはインダクタンスによる距離センサシステムによって、および測定信号の選択的処理によって、被加工物の表面と機械加工ヘッドとの間の距離を測定できる。センサ信号をセンサ信号評価用に設計されたコントローラに送信することにより、被加工物と機械加工ヘッドとの相互に関する空間位置を制御できる。利用可能な測定結果に基づく機械加工ヘッドの再調整は好ましくは、機械加工ヘッドのｚ軸で行われる。

【0043】

機械加工ヘッドは、少なくとも１つの被加工物を機械加工するための機械加工手段を含む。機械加工手段は機械的に作用する手段であってもよく、例えば、フライスカッタ、ビット、鋸、ドリル、スクレーパ、またはかんなである。これらは、相互に交換可能であってもよい。好ましくは、機械加工手段は高エネルギー電磁放射、好ましくはレーザ放射である。

【0044】

機械加工ヘッドは好ましくは、機械加工装置のレーザ源と接続され、ビーム案内およびビーム整形のための装置を有する。これは、モータおよびコントローラによって制御しながら移動可能である。本発明による装置の別の実施形態において、機械加工ヘッドは最大で６自由度、具体的にはデカルト座標軸のｘ、ｙ、およびｚ軸で移動可能であり、また前記軸の周囲で回転可能であってもよい。機械加工ヘッドはしたがって、回転可能および旋回可能であってもよい。

【0045】

位置決め装置は、被加工物を保持するのに適した何れの装置であってもよい。クランプ装置は、例えばクランプチャック、円錐受容器、または被加工物を保持するためのその他の摩擦係合および／または嵌合装置であってもよい。本発明による装置の別の実施形態において、複数の位置決め装置を配置してもよい。１つまたは複数の位置決め装置は回転可能であってもよく、すなわち、固定された被加工物は位置決め装置の少なくとも１つの軸の周囲で回転可能である。

【0046】

好ましくは、それによって少なくとも位置決め装置と機械加工ヘッドとを作動させることのできるコントローラがある。好ましくは、位置決め装置および機械加工ヘッドの動作状態は、この方法が実行される比較的長期間にわたってさえも、すべての移動および方法ステップの一貫して高い精度を確実にするために、相互に一致させられる。

【0047】

以下に、例示的実施形態および図面に基づいて本発明をより詳しく説明する。

【図面の簡単な説明】

【0048】

【図1】測定位置にある機械加工ヘッドと所望の位置にある被加工物とを示す。

【図2】測定位置にある機械加工ヘッドと所望の位置から離れている被加工物とを示す。

【図3】測定軸に沿った複数の測定位置における距離測定の第一の例示的実施形態を示す。

【図4】機械加工ヘッドを複数の送り出し位置に沿った測定位置へ送り出した後の位置測定中の本発明による装置の第一の例示的実施形態を示す。

【図5】２つの位置決め装置を備える本発明による装置の第一の例示的実施形態を示す。

【発明を実施するための形態】

【0049】

図１において、測定位置７へ送り出された機械加工ヘッド２がごく概略的に示されている。機械加工ヘッド２はセンサ５を有し、これは距離センサシステムの構成部品である。センサ５は、容量性測定原理に基づいて距離測定を可能にするように設計されている。距離測定はこの場合、測定区間４（破線で示される）にわたって確実に行うことができる。測定区間４は、機械加工ヘッド２と機械加工対象の被加工物１の表面との間の距離より大きい。被加工物１は位置決め装置１５内に位置決めされ、これはドライブ１６に接続されており、被加工物１の所望の位置９に対応する実際の位置８にそれがあるような空間位置をとる。焦点を絞ったレーザビームを光源３．１およびビーム整形光学ユニット３．２によって機械加工ヘッド２から発生させて、被加工物１へ向けることができる。機械加工手段３により、被加工物１の機械加工が輪郭６において可能となる。機械加工ヘッド２および被加工物１が相互に関して移動される場合、機械加工手段３による機械加工は、輪郭６に沿って行うことができる。機械加工ヘッド２が被加工物１の周囲で矢印の方向に案内されると、機械加工、ここでは被加工物１の切削が輪郭６に沿って行われる。装置は、機械加工ヘッド２の現在位置を検知する手段（位置検知手段１７）を含み、それによって機械加工ヘッド２の空間位置がわかり、コントローラ１０がこれを利用できる。

【0050】

被加工物１の縦軸１．３は、仮想参照軸１３と一致する。センサ５は、コントローラ１０に接続され、これ自体もまた、機械加工ヘッド２のドライブ１４に信号送受の点で接続される。機械加工ヘッド２の移動は、ドライブ１４によってもたらされる。光源３．１およびビーム整形光学ユニット３．２は、コントローラ１０によって作動させられ、それがレーザビームの提供および合焦に対して制御しながら影響を与える。位置決め装置１５のドライブ１６も同様にコントローラ１０によって作動させられる。

【0051】

図２は、図１のそれと同様の構成を示しているが、被加工物１は、所望の位置９からずれた実際の位置８にあり、このずれは容認可能な公差値より大きい。機械加工ヘッド２は第一の測定位置７Ｉへ送り出される。センサ５により、距離測定が測定区間４に沿って実行され、所望の位置９に加工物１がないことがわかる。同時に、１つの被加工物１の、センサ５からの距離（距離値）が測定区間４に沿って測定され（簡単にするために、被加工物１の表面上のある点に関する）、これがコントローラ１０に供給される。ドライブ１４は、コントローラ１０によって作動させられ、機械加工ヘッド２は、被加工物１の円周に沿って９０°、第二の測定点７ＩＩへ旋回される（機械加工ヘッド２は破線で示されている）。光源３．１がコントローラ１０によってオフにされる。機械加工ヘッド２の第二の測定位置７ＩＩにおける位置は、位置検知手段１７により把握され、コントローラ１０はこれを利用できる。

【0052】

第二の測定位置７ＩＩにおいて、センサ５と被加工物１との間の距離の距離測定と検知がさらに行われる。距離測定のこれらの結果もまた、コントローラ１０に送信される。第一の測定位置７Ｉおよび第二の測定位置７ＩＩの領域内の被加工物１の空間位置は、第一の測定位置７Ｉおよび第二の測定位置７ＩＩの既知の位置から、および距離測定からの関連する距離値から判断できる。判断された被加工物１の空間位置と、被加工物１の寸法および形状の知識とにより、縦軸１．３の空間位置を仮想参照軸１３の既知の空間位置と比較できる。この仮想参照軸１３は、縦軸１．３の予定される空間位置に対応する。比較の結果として得られる縦軸１．３および参照軸１３の空間位置のずれは、被加工物１の空間位置を補正するための補正パラメータとして使用される。この目的のために、ドライブ１６はコントローラ１０により、被加工物１がその所望の位置９へ移動するように作動させられる。この補正後、新たな距離測定が行われる。ここで判断された距離値が容認可能な公差内にあれば、光源３．１、ビーム整形光学ユニット３．２、およびドライブ１４はコントローラ１０によって作動させられ、レーザビームを機械加工手段３として、被加工物１が輪郭６に沿って機械加工される。

【0053】

本発明による方法の変形形態においては、縦軸１．３および参照軸１３の空間位置が相互に比較されるのではなく、適当な測定点の空間位置を使って補正に必要な制御コマンドが生成される。

【0054】

この方法の別の設計は、被加工物１がその検知された空間位置に留まり、コントローラ１０の仮想空間座標系（図示せず）が、所望の位置９が判断された実際の位置８と共に容認可能な公差値内になるように移動させられるというものである。その後、ドライブ１４がコントローラ１０によって作動させられて、測定位置７（図示せず）において、実際の位置８と所望の位置９との間に容認可能な公差値が保持されるように機械加工ヘッド２が被加工物１に関して位置合わせされる。

【0055】

丸い断面を有する管状の被加工物１の歪んだ位置が発見された時に従う手順が図３に示されている。縦軸１．３と参照軸１３との間の角度位置を判断するために、機械加工ヘッド２と被加工物１の表面上のある点との間の距離測定が第一の測定位置７Ｉにおいて上述のように実行される。その後、機械加工ヘッド２が被加工物１の仮想測定軸１８に沿って特定の距離だけ移動され、第二の測定位置７ＩＩにおいて第二の距離測定が行われる。仮想測定軸１８は被加工物１の縦方向に、被加工物１の湾曲の（等伏角）波頂線に沿って延びる。被加工物１の、参照軸１３に関する角度位置は、２つの測定点７Ｉおよび７ＩＩの知識と、それぞれ検知された距離値とから判断できる。波頂線上の点の距離値がそれぞれ２つの測定位置７Ｉおよび７ＩＩにおける角度位置の判断に確実に使用されるようにするために、距離測定は２つの測定位置７Ｉおよび７ＩＩにおいて複数回実行されてもよく、これによって使用される測定位置７は、縦軸１．３に関して垂直に変化させられる。距離値が最も小さい測定位置７が選択される。

【0056】

別の設計において、望ましくない角度位置が基本的に存在すると結論できるのは、２つの測定位置７Ｉおよび７ＩＩにおける距離測定によって得られた距離値が所望の角度位置から予期されないものである場合である。

【0057】

距離測定を複数の測定位置７Ｉ〜７ｎ（７Ｉおよび７ＩＩのみが示されている）において行うことも可能である。それによってわかった距離値が直線ではなく曲線の点を示している場合、望ましくない角度位置が存在するとの結論を出すことができる。

【0058】

機械加工ヘッド２を複数の送り出し位置１１に沿って測定位置７へ送り出した後に距離測定を行う本発明による装置の第一の例示的実施形態が図４に簡略化された形態で示されている。第一のステップで、機械加工ヘッド２は、コントローラ１０およびドライブ１４によって第一の送り出し位置１１．１へ送り出され、そこで測定区間４に沿って距離測定が実行される。被加工物１はこの場合、存在しないことがわかる。その後、機械加工ヘッド２は、測定区間４の方向に第二の送り出し位置１１．２へ送り出され、第一の送り出し位置１１．１と第二の送り出し位置１１．２との間の送り出し区間１２は測定区間４より短い。

【0059】

その結果、機械加工ヘッド２と、測定区間４の終端に存在し得る被加工物１との衝突は回避される。次に、第二の送り出し位置１１．２において、距離測定が行われる。再び、被加工物１は測定区間４に沿って存在しないことがわかり、その後、機械加工ヘッド２は第三の送り出し位置１１．３へ送り出される。送り出し区間１２は、今度は測定区間４より小さい。第三の送り出し位置１１．３において、そこで行われる距離測定により、測定区間４内に被加工物１が存在することが確認される。機械加工ヘッド２の空間位置に関する情報と、また、検知された距離値とに基づき、そのようにして判断された被加工物１の実際の位置８が、予定される所望の位置９と比較される。それによって、実際の位置８と所望の位置９との間のずれが容認可能な公差値より大きいことがわかれば、位置決め装置１５のドライブ１６がコントローラ１０によって作動させられ、被加工物１の位置決めは、容認可能な公差値が保持されるように、フィードバック制御に基づく方法で変化させられる。

【0060】

また、第三の送り出し位置１１．３から始めて、容認可能な公差値が保持されるように機械加工ヘッド２を移動させることも可能である。

【0061】

この手順はサーチランと呼ばれ、その空間位置がわかっていない被加工物１または残りの材料の存在をチェックするためにも使用してよい。機械加工の後に、被加工物１の切り取りきれなかった部分または被加工物１上に残る材料の残りの存在もチェック可能であり、被加工物１または材料の残りの推測される位置までサーチランによって移動され、チェックされる。

【0062】

図５に、第一の位置決め装置１５．１および第二の位置決め装置１５．２を備える本発明による装置の第一の例示的実施形態が示されている。第一の位置決め装置１５．１には第一の被加工物１．１が位置決めされ、第二の位置決め装置１５．２には第二の被加工物１．２が位置決めされている。第一の位置決め装置１５．１には第一のドライブ１６．１が割り当てられ、第二の位置決め装置１５．２には第二のドライブ１６．２が割り当てられる。どちらのドライブ１６．１および１６．２も、コントローラ１０に接続されている。第一の被加工物１．１の空間位置は、第一の測定位置７Ｉから判断され、必要に応じて上述の方法で補正される。第二の被加工物１．２の空間位置は、第二の測定位置７ＩＩから判断され、必要に応じて補正される。図５では、第一の被加工物１．１の第一の縦軸１．３１および第二の被加工物１．２の第二の縦軸１．３２は、相互に関して一致するように補正される。

【0063】

さらに、２つの被加工物１．１および１．２の端面は相互に対面するように設定される。２つの被加工物１．１および１．２が正しく位置合わせされたことは、第三の測定位置７ＩＩＩからチェックされる。第三の測定位置７ＩＩＩから、２つの被加工物１．１および１．２がレーザ放射によって相互に溶接される。溶接シームが２つの被加工物１．１および１．２のバットシームに沿って生成され、これが輪郭６の役割を果たす。

【符号の説明】

【0064】

１ 被加工物
１．１ 第一の被加工物
１．２ 第二の被加工物
１．３ 縦軸
１．３１ 第一の縦軸
１．３２ 第二の縦軸
２ 機械加工ヘッド
３ 機械加工手段
３．１ 光源
３．２ ビーム整形光学ユニット
４ 測定区間
５ センサ
６ 輪郭
７ 測定位置
７Ｉ 第一の測定位置
７ＩＩ 第二の測定位置
７ＩＩＩ 第三の測定位置
８ 実際の位置
９ 所望の位置
１０ コントローラ
１１ 送り出し位置
１１．１ 第一の送り出し位置
１１．２ 第二の送り出し位置
１１．３ 第三の送り出し位置
１２ 送り出し区間
１３ 参照軸
１４ （機械加工ヘッド２の）ドライブ
１５ 位置決め装置
１５．１ 第一の位置決め装置
１５．２ 第二の位置決め装置
１６ （位置決め装置１５の）ドライブ
１６．１ 第一のドライブ
１６．２ 第二のドライブ
１７ 位置検知手段
１８ 仮想測定軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】