JP2006346698A

JP2006346698A - レーザ加工装置およびレーザ加工方法

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Publication number: JP2006346698A
Application number: JP2005173704A
Authority: JP
Inventors: Shinsuke Takemura; 伸介武村
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2005-06-14
Filing date: 2005-06-14
Publication date: 2006-12-28

Abstract

【課題】多間接ロボットの動作に起因するファイバ長さの過不足を解消して光ファイバの破損を防止することができ、レーザ加工範囲を拡大することができるレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】屈曲可能な多間接アーム１０を有する多間接ロボット２と、多間接ロボット２のアーム先端に設けた集光装置２１と、レーザ光を励起、増幅するレーザ発振器３２と、レーザ発振器３２から発振されたレーザ光を集光装置２１へ伝達する光ファイバ３１とを備え、集光装置２１から被加工物へレーザ光を照射して加工するレーザ加工装置１であって、光ファイバ３１の伝達経路に、集光装置２１までの経路長を変更可能な光学手段４０を介設した。
【選択図】図１

Description

本発明は、多間接ロボットに加工ヘッドとして集光装置を搭載し、該集光装置へのレーザ光の伝達媒体として光ファイバを用いたレーザ加工装置およびレーザ加工方法に関する。

従来、レーザ溶接装置、レーザろう付け装置およびレーザ切断装置など、レーザ光のエネルギを用いたレーザ加工装置が種々実用化されている。特に、ＹＡＧレーザ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）のように光ファイバで伝達可能なレーザ光の場合には、多間接ロボットなどに搭載した加工ヘッドと呼ばれる集光装置に、レーザ発振器で励起、増幅したレーザ光を、光ファイバを用いて伝達し、上記加工ヘッドから被加工物へレーザ光を照射して加工するレーザ加工装置が知られている。このように、光ファイバと多間接ロボットを用いることにより、レーザ加工装置の汎用化や加工範囲の拡大を図ることができる。

これに関連する技術として、例えば、特開平１０−１８０４７２号公報（特許文献１）には、溶接ロボットを備えたレーザ溶接装置が開示されている。
特開平１０−１８０４７２号公報

ところで、上述したレーザ加工装置では、光ファイバを一定の曲率以下に曲げたり、ねじりを加えたりすると、光ファイバが破損するという欠点がある。したがって、多間接ロボットの動作可能範囲内であっても、曲げＲが小さくなり過ぎると、光ファイバにねじりが発生して破損する虞があるため、レーザ加工範囲が制限されるという問題があった。

この対策として、ファイバ長さを充分に長くとって多間接ロボットへの光ファイバ固定位置を最適化したり、光ファイバを天吊りとして吊り位置を最適化したりすることなどが行われている。しかし、多間接ロボットの動作によってはファイバ長さに過不足が発生し、余った部分の光ファイバの曲げＲが小さくなって破損したり、被加工物やロボット本体に干渉して破損したりするという問題があった。

また、このようにレーザ加工範囲が制限されるため、広い加工範囲を得るには多間接ロボットを複数台準備する必要があった。

本発明は、以上のような従来の技術の問題点を解消するために成されたものであり、多間接ロボットの動作に起因するファイバ長さの過不足を解消して光ファイバの破損を防止することができ、レーザ加工範囲を拡大することができるレーザ加工装置およびレーザ加工方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するための本発明に係るレーザ加工装置は、屈曲可能な多間接アームを有する多間接ロボットと、該多間接ロボットのアーム先端に設けた集光装置と、レーザ光を励起、増幅するレーザ発振器と、該レーザ発振器から発振されたレーザ光を前記集光装置へ伝達する光ファイバとを備え、前記集光装置から被加工物へレーザ光を照射して加工するレーザ加工装置において、前記光ファイバの伝達経路に、前記集光装置までの経路長を変更可能な光学手段を介設したことを特徴とする。

上記目的を達成するための本発明に係るレーザ加工方法は、屈曲可能な多間接アームを有する多間接ロボットと、該多間接ロボットのアーム先端に設けた集光装置と、レーザ光を励起、増幅するレーザ発振器と、該レーザ発振器から発振されたレーザ光を前記集光装置へ伝達する光ファイバとを備えたレーザ加工装置を用いて、前記集光装置から被加工物へレーザ光を照射して加工するレーザ加工方法において、前記光ファイバの伝達経路に、前記集光装置までの経路長を変更可能な光学手段を介設し、前記多間接ロボットのアーム操作に連動して、前記経路長を変えることができるようにしたことを特徴とする。

以上のように構成された本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法によれば、多間接ロボットの動作に起因するファイバ長さの過不足を解消して光ファイバの破損を防止することができ、レーザ加工範囲を拡大することができるという優れた効果を発揮する。

以下に、本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施の形態のレーザ加工装置を示す外観図である。図示するように、本実施形態のレーザ加工装置１の本体は多間接ロボット２により構成され、この多間接ロボット２は、台座３付きの基台４上に屈曲可能な多間接アーム１０を備えている。上記基台４の台座３側には、例えば、ボールベアリング等の回動手段を備えた回動部５が設けられている。この回動部５は、例えば、サーボモータ等の駆動手段により駆動操作され、上記基台４を鉛直方向軸の軸周りに回動させるように構成されている。この基台４の上部には、上記回動部５の回動軸から偏心させて、上記多間接アーム１０の第１間接部（肩関節部）１１が設けられており、該第１間接部１１は基台４と多間接アーム１０との接続部となる。さらに、多間接アーム１０の中間部には第２関節部（肘関節部）１２が、先端部近傍には第３関節部（手首関節部）１３が介設されている。これらの各関節部１１、１２、１３は、例えば、サーボモータ等の駆動手段により駆動操作され、水平方向軸の軸周りに回動可能に構成されている。

この多間接アーム１０の先端部には、当該レーザ加工装置１の加工ヘッド２１を搭載する平板状の取付ブラケット２２が設けられている。この取付ブラケット２２には、上記加工ヘッド２１としての集光装置がその照射部を下方へ臨ませて設けられており、この集光装置２１は被加工物へ向けてレーザ光を集光照射し加工を行うトーチとして機能する。また、加工ヘッド２１を三次元的に操作するため、上記取付ブラッケット２２の基端側には、例えば、サーボモータ等により回動操作されるヘッド回動部２３が設けられている。

上記集光装置２１の基部には、これにレーザ光を伝達する伝達媒体としての光ファイバ３１が接続され、その接続部２４は上記取付ブラケット２２を貫通するように配されている。光ファイバ３１は、屈曲可能な上記多間接アーム１０の外側に沿うように延出されており、その延出端部はレーザ光を励起、増幅するレーザ発振器３２に接続されている。すなわち、光ファイバ３１は、レーザ発振器３２から発振されたレーザ光を上記集光装置２１へ伝達するようになっている。レーザは発振材料の種類により固体レーザ、気体レーザ、液体レーザおよび半導体レーザに大別され、加工には固体レーザおよび気体レーザが広く用いられる。本実施形態では、他のレーザに比べて大きな出力が得られる固体レーザを用いることが好ましく、例えば、光ファイバ３１を介して伝達可能なＹＡＧレーザ（Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２）を用いる。

また、上記光ファイバ３１の伝達経路には、上記集光装置２１までの経路長を変更可能な光学手段４０が介設されている。本実施形態では、この光学手段４０は可動式レンズボックスにより構成され、図１に示すように、光ファイバ３１を３１ａ、３１ｂ、３１ｃの３分割とし、光ファイバ３１ａと３１ｂとの間に第１の可動式レンズボックス４１が、光ファイバ３１ｂと３１ｃとの間に第２の可動式レンズボックス４２が設けられている。すなわち、第１関節部１１と第２関節部１２との間に位置する光ファイバ部分に第１の可動式レンズボックス４１が介設され、第２関節部１２と第３関節部１３との間に位置する光ファイバ部分に第２の可動式レンズボックス４２が介設されている。第１の可動式レンズボックス４１と第２の可動式レンズボックス４２とは、図１においては全長が異なるように表されているが、同一の全長に構成してもよい。これらの内部構造は同一の構造を有している。

図２は、可動式レンズボックスの具体的構造を示す模式図である。上述したように、双方のレンズボックス４１、４２は同一の構造を有しているので、説明の便宜上、ここでは第１の可動式レンズボックス４１について説明する。図示するように、可動式レンズボックス４１の外箱部４３は中空直方体状または中空円柱状を呈しており、その長手方向両端部には該外箱部４３内に臨ませて両側に位置する光ファイバ３１ａ、３１ｂが挿入されている。また、この外箱部４３内には、その長手方向に所定の間隔を隔てて一対のレンズホルダ４４、４５が配されている。本実施形態では、一方のレンズホルダ４４が固定ホルダとして構成され、該固定側レンズホルダ４４にはコリメーションレンズ５１が保持される。このコリメーションレンズ５１は、上記レーザ発振器３２から光ファイバ３１を介して伝達されてきたレーザ光Ｌａを入射して平行光Ｌｂを出射する光学系である。また、他方のレンズホルダ４５は可動ホルダとして構成され、該可動側レンズホルダ４５にはフォーカスレンズ５２が保持される。このフォーカスレンズ５２は、上記コリメーションレンズ５１から出射された平行光Ｌｂを入射して出射側の光軸にレーザ光Ｌｃを集束する光学系である。コリメーションレンズ５１に臨む光ファイバ３１ａの挿入端部は、その被覆部が回転可能に外箱部４３に固定されている。これに対し、フォーカスレンズ５２に臨む光ファイバ３１ｂの挿入端部は、外箱部４３を通過して可動側レンズホルダ４５内に挿入され、その被覆部が可動側レンズホルダ４５に固定されている。この光ファイバ３１ｂの挿入端部の被覆部を可動側レンズホルダ４５に固定する場合、光ファイバ３１ｂにねじり力が加わるのを防止するため、光ファイバ３１ｂが回転可能なように固定することが好ましい。そして、これらレンズホルダ４４、４５は、これらに保持するレンズ５１、５２の光軸を一致させるとともに、光ファイバ３１ａ、３１ｂと芯出しして設けられる。

また、可動側レンズホルダ４５には、該レンズホルダ４５に保持したフォーカスレンズ５２を光軸方向に沿って移動させてレンズ間距離を変更するホルダ移動手段６１が備えられている。本実施形態では、ホルダ移動手段６１は、外箱部４３内にその長手方向に沿って設けられたボールねじ６２と、上記可動側レンズホルダ４５の一部に形成された係合ナット６３と、上記ボールねじ６２を回転駆動させる駆動手段としてのサーボモータ６４（図３参照）とから構成されている。このボールねじ６２をサーボモータ６４で制御し、係合ナット６３を介して可動側レンズホルダ４５を移動させることにより、光ファイバ３１ｂを外箱部４３内に引き込んで収納したり、もしくは外箱部４３から光ファイバ３１ｂを引き出したりすることが可能となる。

本実施形態では、ホルダ移動手段６１としてボールねじ６２および係合ナット６３を用いたが、これに限るものではなく、ラック・アンド・ピニオンやソレノイドなどを採用してもよい。或いは、ホルダ移動手段６１としてリニアガイドのみを使用し、多間接ロボット２の動作による光ファイバ３１ｂの引張り力や押し込み力を利用してフォーカスレンズ５２を移動させるように構成してもよい。また、一方のレンズホルダ４５のみを可動ホルダとして構成したが、これに限るものではなく、双方のレンズホルダ４４、４５を可動ホルダとして構成し、双方の光ファイバ３１ａ、３１ｂの挿入端部を、外箱部４３を通過させてレンズホルダ４４、４５内に挿入し、その被覆部を回転可能にレンズホルダ４４、４５に固定してもよい。

また、上記ホルダ移動手段６１には、上記多間接ロボット２のアーム操作に連動して該ホルダ移動手段６１を作動させる制御装置７１が備えられている。図３は、本実施形態における制御装置の一例を示すブロック図である。図示するように、制御装置７１は、少なくとも、演算処理を行うＣＰＵ７２と、制御プログラムが記録されたＲＯＭ７３とを備えている。また、このＣＰＵ７２には、入力信号を中継する入力インターフェース７４と、出力信号を中継する出力インターフェース７５とが接続されている。入力インターフェース７４には、多間接ロボット２の各関節部１１、１２、１３の駆動手段であるサーボモータ７６が接続され、その作動信号が入力されるようになっている。他方の出力インターフェース７５には、ホルダ移動手段６１のボールねじ６２を回転駆動させる駆動手段としてのサーボモータ６４が接続され、該サーボモータ６４に駆動信号を出力するようになっている。このサーボモータ６４は入力インターフェース７４にも接続されており、その作動信号を制御装置７１へフィードバックするようになっている。さらに、上記サーボモータ６４からフィードバックされた作動信号に基づいて、制御装置７１は上記関節部サーボモータ７６に修正信号を出力しうるようになっている。このような制御装置７１によってサーボモータ６４、７６が制御されることにより、上記多間接ロボット２のアーム操作に連動して該ホルダ移動手段６１を作動させることができ、これにより光ファイバ３１への引張り、ねじりおよび圧縮などの入力が少なくなり、光ファイバ３１の破損を防止することができる。なお、図３に示した制御装置７１の構成は例示であって、この構成に限定されるものではない。

次に、以上の如く構成されたレーザ加工装置１の作用について説明する。上述したように、光ファイバ３１は３分割され、光ファイバ３１ａと３１ｂとの間に第１の可動式レンズボックス４１が、光ファイバ３１ｂと３１ｃとの間に第２の可動式レンズボックス４２が設けられている。これらのレンズボックス４１、４２は同一の構造を有しているので、説明の便宜上、ここでは第１の可動式レンズボックス４１について説明する。

図２に示すように、レーザ発振器３２で励起、増幅されたレーザ光は光ファイバ３１ａより出射してレーザ光Ｌａとなるが、コリメーションレンズ５１で平行光Ｌｂになる。このコリメーションレンズ５１は固定側レンズホルダ４４に保持されており、光ファイバ３１ａとの位置関係は不変である。コリメーションレンズ５１から出射された平行光Ｌｂはフォーカスレンズ５２で光軸上に集束されたレーザ光Ｌｃになり、光ファイバ３１ｂに入射してアーム先端に搭載された加工ヘッドとしての集光装置２１へ伝達される。

フォーカスレンズ５２は光ファイバ３１ｂとともに可動側レンズホルダ４５に固定されているので、フォーカスレンズ５２と光ファイバ３１ｂとの位置関係も不変となる。ここで、可動側レンズホルダ４５の一部には係合ナット６３が形成されており、この係合ナット６３はボールねじ６２に螺合されている。したがって、ボールねじ６２を駆動手段としてのサーボモータ６４で回転駆動することにより、可動側レンズホルダ４５は外箱部４３内でその長手方向に沿って移動可能と成っている。すなわち、上記制御装置７１によりサーボモータ６４を駆動制御して可動側レンズホルダ４５を移動させることによって、光ファイバ３１ｂを外箱部４３内に引き込んで収納したり、もしくは外箱部４３から引き出したりすることが可能となり、これによりレーザ光の伝達経路長を変更することができる。その際、コリメーションレンズ５１とファーカスレンズ５２とのレンズ間距離が変化するが、コリメーションレンズ５１から出射されるレーザ光は平行光Ｌｂであるので、レンズ間距離が変化してもレーザ光は光ファイバ３１ｂに確実に入射され、レーザ光の品質を低下させることなく、集光装置２１へと有効に伝達されることになる。

さらに、本実施形態のレーザ加工装置１の作用効果をより明確にするため、従来のレーザ加工装置１０１と比較して説明する。図４は、本実施形態のレーザ加工装置の動作を示す概略図である。また、図５は従来のレーザ加工装置を示す外観図であり、図６は従来のレーザ加工装置の動作を示す概略図である。

図５に示すように、従来のレーザ加工装置１０１では、レーザ発振器１０２で励起、増幅されたレーザ光は、伝達媒体としての光ファイバ１０３のみを介して加工ヘッド１０４としての集光装置に伝達され、該集光装置１０４から被加工物に照射される。加工ヘッド１０４は多間接ロボット１０５のアーム先端の取付ブラケット１０６に搭載されており、光ファイバ１０３は多間接ロボット１０５の動作の妨げにならないように光ファイバ保持ブラケット１０７で吊持されている。

この従来のレーザ加工装置１０１では、図６において、（ｂ）のようなロボット可動範囲から離れたエリアでの加工状態を考慮すると、（ａ）のように光ファイバ１０３の長さに余裕部分ａをもたせる必要がある。しかし、このような余裕部分ａを設けると、光ファイバ１０３は多間接ロボット１０５の本体や周辺設備に干渉し易く、（ａ）に示すように、特に回転方向の動作ｆ、ｇは光ファイバ１０３の干渉のために制限される。また、（ｃ）のように、ロボット動作範囲に近いエリアでも光ファイバ１０３に余裕部分ｅが生じ、多間接ロボット１０５の本体と干渉し易くなる。さらに、光ファイバ保持ブラッケット１０７も周辺設備や加工物などに干渉し易く（図６中、ａ、ｃ、ｄの部位）、多間接ロボット１０５の動作が制限されることになる。

これに対し、本実施形態のレーザ加工装置１では、図４において、（ａ）のような多間接ロボット２の初期姿勢に対して、（ｂ）のようにロボット可動範囲から離れたエリアでの加工の際には、第２関節部１２が伸びて光ファイバ３１の長さが余るため、第１の可動式レンズボックス４１のファーカスレンズ５２をｈ移動させ、光ファイバ３１ｂを外箱部４３内に引き込む。また、アーム先端部近傍の光ファイバ３１ｃは長さが不足するため、第２の可動式レンズボックス４２のファーカスレンズ５２を、レンズをＪ移動させて光ファイバ３１ｃを外箱部４３から引き出し、ファイバ長さを最適化する。一方、（ｃ）のようにロボット可動範囲に近いエリアでの加工の際には、第２関節部１２が大きく屈曲して光ファイバ３１ｂは長さが不足するため、第１の可動式レンズボックス４１のファーカスレンズ５２をｋ移動させて不足分の光ファイバを外箱部４３から引き出す。また、アーム先端部近傍の光ファイバ３１ｃは長さが余るため、第２の可動式レンズボックス４２のフォーカスレンズ５２をｍ移動させ、光ファイバ３１ｃを外箱部４３内に引き込み、ファイバ長さを最適化する。

以上説明したように、本実施形態のレーザ加工装置１によれば、従来のレーザ加工装置１０１の構成と異なり、光ファイバ３１がロボット本体や周辺機器に干渉することがなく、また可動範囲も拡大する。すなわち、多間接ロボット２の動作に起因する光ファイバ３１の長さの過不足を解消して光ファイバ３１の破損を防止することができ、１台のロボットでも加工範囲を拡大することができる。

また、光ファイバ３１の伝達経路に介設した光学手段４０としての可動式レンズボックス４１、４２の作動を多間接ロボット２の動作と連動させており、光ファイバ３１への引張り、ねじりおよび圧縮等の入力が少なくなるため、多間接ロボット２をより高速で動作させることができる。さらに、多間接ロボット２を改造することなく、ファイバ経路を多間接ロボット２の本体に沿わせることができ、光ファイバ３１の干渉領域を最小限にすることができるものである。

本発明に係るレーザ加工装置およびレーザ加工方法は、多間接ロボットに加工ヘッドとして集光装置を搭載し、該集光装置へのレーザ光の伝達媒体として光ファイバを用いたレーザ加工装置に適用することができ、レーザ溶接装置、レーザろう付け装置およびレーザ切断装置など、レーザ光のエネルギを用いた種々の加工装置に広く応用することができる。

本実施の形態のレーザ加工装置を示す外観図である。可動式レンズボックスの具体的構造を示す模式図である。制御装置の一例を示すブロック図である。本実施形態のレーザ加工装置の動作を示す概略図である。従来のレーザ加工装置を示す外観図である。従来のレーザ加工装置の動作を示す概略図である。

符号の説明

１レーザ加工装置、
２多間接ロボット、
３台座
４基台、
５回動部、
１０多間接アーム、
１１第１間接部（肩関節部）、
１２第２関節部（肘関節部）、
１３第３関節部（手首関節部）、
２１加工ヘッド（集光装置）、
２２取付ブラケット、
２３ヘッド回動部、
２４接続部、
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ光ファイバ、
３２レーザ発振器、
４０光学手段、
４１第１の可動式レンズボックス、
４２第２の可動式レンズボックス、
４３外箱部、
４４固定側レンズホルダ、
４５可動側レンズホルダ、
５１コリメーションレンズ、
５２フォーカスレンズ、
６１ホルダ移動手段、
６２ボールねじ、
６３係合ナット、
６４サーボモータ、
７１制御装置、
７２ＣＰＵ、
７３ＲＯＭ、
７４入力インターフェース、
７５出力インターフェース、
７６関節部サーボモータ。

Claims

屈曲可能な多間接アームを有する多間接ロボットと、該多間接ロボットのアーム先端に設けた集光装置と、レーザ光を励起、増幅するレーザ発振器と、該レーザ発振器から発振されたレーザ光を前記集光装置へ伝達する光ファイバとを備え、前記集光装置から被加工物へレーザ光を照射して加工するレーザ加工装置において、
前記光ファイバの伝達経路に、前記集光装置までの経路長を変更可能な光学手段を介設したことを特徴とするレーザ加工装置。
前記光学手段が可動式レンズボックスであり、該可動式レンズボックス内に臨ませて両端の光ファイバを挿入し、前記可動式レンズボックスは、前記レーザ発振器から伝達されてきたレーザ光を入射して平行光を出射するコリメーションレンズと、該コリメーションレンズから出射された平行光を入射して出射側の光軸に集束するフォーカスレンズと、これらのレンズの光軸を一致させて配置する一対のレンズホルダと、これらのレンズホルダの一方または双方を光軸方向に沿って移動させてレンズ間距離を変更するホルダ移動手段とを備え、一方または双方の可動側レンズホルダに前記光ファイバの挿入端部が固定されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ加工装置。
前記ホルダ移動手段には、前記多間接ロボットのアーム操作に連動して該ホルダ移動手段を作動させる制御装置が備えられていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ加工装置。
屈曲可能な多間接アームを有する多間接ロボットと、該多間接ロボットのアーム先端に設けた集光装置と、レーザ光を励起、増幅するレーザ発振器と、該レーザ発振器から発振されたレーザ光を前記集光装置へ伝達する光ファイバとを備えたレーザ加工装置を用いて、前記集光装置から被加工物へレーザ光を照射して加工するレーザ加工方法において、
前記光ファイバの伝達経路に、前記集光装置までの経路長を変更可能な光学手段を介設し、前記多間接ロボットのアーム操作に連動して、前記経路長を変えることができるようにしたことを特徴とするレーザ加工方法。