JP2007319922A - レーザ加工装置およびその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ加工において加工位置を識別することのできるレーザ加工装置およびその方法を提供する。
【解決手段】溶接ビード１００形成時に、溶接ビード１００と共にその溶接ビード１００の溶接順を示すマーク１０１をレーザ光により描画する。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ加工装置およびその方法に関する。

近年、ロボットを利用した溶接にもレーザ溶接が用いられるようになってきている。このような溶接技術として、ロボットアーム（マニュピレータ）の先端にレーザ光を照射するためのレーザ照射装置を取り付け、ロボットアーム移動させつつ、さらにレーザ照射装置からのレーザ光照射方向をも変えることで、レーザ光を移動させながらあらかじめ決められた溶接点を溶接する技術がある（たとえば特許文献１参照）。このような溶接をワークとレーザ照射装置の間がこれまでよりも離れていることからリモート溶接と称されている。
特開２００５−１７７８６２号公報

ところで、このようなリモート溶接においては、レーザ光の最終的な照射元となる加工ヘッドとワークとの間が離れているため、ワーク上での溶接ビードの位置ずれが発生した場合に、レーザ照射元の位置や角度とずれた溶接ビードとの関連性がわかりづらいと行った問題があった。特に、同一ワーク上で複数の溶接点がある場合においては、ずれた溶接点がどの溶接指示（教示位置）に基づいて行われたものなのかさえ、不明となる場合がある。

そこで本発明の目的は、離れた位置からワーク上にレーザを照射して加工する際に、複数の加工位置のそれぞれを識別することができるようにしたレーザ加工装置およびその方法を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、レーザ光の照射方向を変更するために移動可能な反射鏡を備えたレーザ照射手段と、前記レーザ照射手段を移動させる移動手段と、あらかじめ教示された経路および加工位置でワーク上に前記レーザ光を照射させるために前記移動手段および前記反射鏡を移動させると共に、前記加工条件を識別するマークを前記ワーク上に前記レーザ光によって描かせるように少なくとも前記反射鏡を制御する制御手段と、を有すること特徴とするレーザ加工装置である。

また、上記目的を達成するための本発明は、レーザ光の照射方向を変更するために移動可能な反射鏡を備えたレーザ照射手段と、前記レーザ照射手段を移動させる移動手段と、を有する加工装置を用いたレーザ加工方法であって、あらかじめ決められている加工条件を識別するためのマークを前記レーザ光により描画することを特徴とするレーザ加工方法である。

本発明によれば、加工条件を識別するためのマークをレーザにより描画することとしたので、実際にレーザ照射が行われたレーザ照射痕から、加工位置ごとにその条件を識別することができるので、複数の加工位置がある場合に、それぞれの加工位置における加工条件の違いを区別することができる。これはまた、たとえば、加工条件として加工位置を識別することのできるマークを描画することとすれば、レーザ照射した位置そのものにずれがある場合でも、どの加工位置がずれているかを複数のレーザ加工の作業後に判別することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明を適用したリモート溶接システム（以下、単にシステムと称する）の構成を説明するための概略図である。

図示するシステムは、これまでのスポット溶接などと比較して、溶接冶具が直接ワークと接触せずに、レーザ光を用いてワークから離れた場所から溶接するものである。このためこのような溶接をリモート溶接と称している。

このシステムは、ロボット１と、このロボット１を後述する制御装置４の指示に従って制御するロボットコントローラ２と、ロボット１のアーム先端に設けられレーザ光を照射するスキャナヘッド６（レーザ照射手段）と、レーザ光源であるレーザ発振器３からスキャナヘッド６までレーザ光を導く光ファイバーケーブル５（以下光ファイバー５と省略する）と、ロボット１の動作指示とスキャナヘッド６、およびレーザ発振器３を制御する制御装置４（制御手段）よりなる。

ここで、制御装置４は、たとえばコンピュータであり中央演算処理装置や記憶装置などを有する。そしてこの制御装置４が通常モード（第１のモード）における溶接ビードの形成と、テストモード（第２のモード）のための溶接打点を識別するためのマークの形成を制御する。

レーザ発振器３は、レーザ光を光ファイバー５によって導くためにＹＡＧレーザ発振器を用いている。

ロボット１は、一般的な多軸ロボット（多関節ロボットなどとも称されている）などであり、教示作業によって与えられた動作経路のデータに従い、その姿勢を変えてアームの先端、すなわちスキャナヘッド６をさまざまな方向に移動させることができる。レーザ照射の移動範囲を図示符号７として示した。

図２は、スキャナヘッド６内部の構成を説明するための説明図である。

図示するように、スキャナヘッド６内部は、光ファイバー５、光ファイバーを保持する光ファイバー保持部１２、ファイバー位置変更機構１３、ファイバー用アクチュエータ制御装置１４、コリメートレンズ１６、固定ミラー１７、集光距離可変用レンズ１９、第１レンズ１１０、第２レンズ１１１、集光距離可変用レンズ用アクチュエータ１１２、レーザ走査用ミラー１１３（反射鏡）、ミラー用アクチュエータ１１４、およびミラー制御装置１１５を有する。なお、図面上符号１５はレーザ光を示す。

このスキャナヘッド６は、コリメートレンズ１６を通過したレーザ光１５が、固定ミラー１７、集光距離可変用レンズ１９、第１レンズ１１０、第２集光レンズ１１１を通過してさらにレーザ走査用ミラー１１３により反射されて射出される。

レーザ走査用ミラー１１３は、ミラー用アクチュエータ１１４によって回動自在に動かすことができ、ミラー制御装置１１５があらかじめ教示された焦点速度のデータに基づいて回動させている。ミラー制御装置１１５は、焦点速度のデータからその焦点速度を得るためのレーザ走査用ミラー１１３の回動角速度を算出して、教示された（または指令された）焦点速度となるようにレーザ走査用ミラー１１３を制御している。

また、ファイバー用アクチュエータ制御装置１４が、溶接経路におけるスキャナヘッド６からワーク１１７までのレーザ照射距離１１６に合わせてファイバー位置変更機構１３を制御し、光ファイバー５のレーザ射出端６１の位置を変更することで溶接経路中におけるレーザ焦点位置の調整を行っている。また、集光距離可変用レンズ１９は、レーザ溶接装置自体の設置位置の変更やワークが変更された場合などに、スキャナヘッド６からワークまでのレーザ照射距離が大きく変更された場合にレーザ焦点距離合わせを行うために位置移動可能となっている。なお、集光距離可変用レンズ１９は、溶接動作中においては固定されていて、溶接動作中における焦点距離の変更は上記のとおり光ファイバー５のレーザ射出端６１の位置変更のみにより行っているが、これに代えて、集光距離可変用レンズ１９を溶接動作中においてもその位置を移動させることでレーザ光の焦点合わせを行うようにしてもよい。

このように、このレーザ溶接装置では、ロボット１によるスキャナヘッド６の動きと共にレーザ走査用ミラー１１３の動きによってさまざまな方向へレーザ光を照射することが可能となっている。

このスキャナヘッド６によるレーザ光の照射範囲は、図１の符号７に示すとおり、３次元的範囲となる。つまり、そのＸ−Ｙ方向は反射鏡１１により位置変更可能となり、Ｚ方向はレンズ群１２による争点位置の変更により変更可能となっている。

したがって、レーザ溶接時においては、ロボット１の動きによるスキャナヘッド６を動かすロボット１の動作速度（ロボット速度）と、レーザ走査用ミラー１１３によるレーザ焦点位置の移動速度（焦点速度）の合成された速度（溶接点速度）となる。

制御装置４は、あらかじめロボット１の動作経路である教示データが記憶されており、教示データに従ってロボットコントローラ２に対して動作指示を行っている。教示データは、具体的にはたとえば、溶接動作中のロボットの動作経路（すなわち、スキャナヘッド６を移動させる経路）、この動作経路進行中におけるロボット１の動作速度、ロボット１の動作経路に対応させたレーザ走査用ミラー１１３による焦点速度、この動作経路中にレーザ光を照射して溶接を行う溶接点の順番、および溶接条件などである。

溶接条件としては、ロボット速度と焦点速度の合成速度である溶接点速度、レーザ出力値、通常動作（第１のモード）における溶接点ごとのレーザ照射開始位置およびレーザ照射終了位置、そしてテストモード（第２のモード）における溶接点ごとに異なるマークをワーク上に形成するためのマークデータなどである。

通常モードでは、一つの溶接点（一つの加工位置）におけるレーザ照射開始位置、レーザ照射終了位置は、ロボット１各軸のエンコーダ（不図示）から取得されるロボットの現在位置に対応して、その現在位置のときに溶接する溶接点について、あらかじめ決められたビード形状となるようにミラー用アクチュエータ１１４のエンコーダ（不図示）から取得されるレーザ走査用ミラー１１３の現在回動角度に対応してレーザ照射位置がリアルタイムで算出され、レーザ照射開始点に到達した時点でレーザ照射が開始され、レーザ照射終了点に到達した時点でレーザ照射が終了される。

一方、テストモードにおいては、レーザ照射開始位置については、通常モードと同様に、ロボット１各軸のエンコーダ（不図示）から取得されるロボットの現在位置に対応して、開始指示が入るが、そのとき、その位置での溶接点の順番に対応したマークパターンが読み出されて、そのマークとなるようにレーザ光が照射される。そしてレーザ照射終了点は、マークが描かれるのが終了した時点となるが、このとき、レーザ終了時点があらかじめ教示されている次の溶接点でのレーザ照射開始より遅くならないように制御する。すなわち、テストモードにおいてマークを描いている時間時間は、通常モードにおける一つの溶接点（加工位置）に対してレーザ照射を行っている時間より短い時間となるようにする。

ここでマークパターンについて説明する。

図３はマークパターンの例を説明するための説明図である。

まず、図３（ａ）は、通常の溶接ビードの状態を概略的に示している。この図において通常の溶接ビード１００は直線状である。また、溶接点は１〜３の順番で並んでいる。なお、図において、溶接ビードの下に示した波形はレーザ照射時間を示す（各図において同じ）。通常モードにおいては、図３（ａ１）に示すように、溶接ビード形成の間、レーザ光はワークに対して照射されることになる。

マークパターン例１は、マーク１０１として、たとえば図３（ｂ）に示すように、溶接ビード１００と共にその近傍に溶接点の順番を点の数で示す。

このように溶接点の順番を点の数で示す場合の具体的な方法としては、たとえば、スキャナヘッド６およびミラー用アクチュエータ１１４の動作（すなわちミラー１１３の動きを制御する）は通常モードの場合と同じにして、スキャナヘッド６が通常モードにおいてそれぞれの溶接点へのレーザ照射位置に到達した時点からその溶接点での溶接終了となる時点までの間（図３（ｂ２））、図３（ｂ１）に示すように溶接点の順番となる点の数だけミラー用アクチュエータ１１４を動作させて、ミラー１１３をわずかにビード形成方向に対して異なる方向に振る。ビード形成方向に対して異なる方向とは、具体的にはたとえばビード形成方向に対して垂直に、溶接順番に対応した数だけミラーを振ることである。これにより溶接ビードの脇に溶接点の順番となる点が描画されることになる。なお、ミラー１１３の振り角はスキャナヘッド６からワーク１１７までの距離に応じて決めることになる。

このテストモードにおいても、溶接ビード形成とマークパターン形成にかかる時間は、通常モードにおいてレーザ照射位置に到達した時点からその溶接点での溶接終了となる時点までの時間、すなわち、通常モードにおける溶接ビード形成時間と一致させることが好ましい。これは、通常モードとテストモードとで一つひとつの溶接ビード形成にかかる時間が異なると、テストモードにおける溶接点位置にずれが生じるからである。

なお、マークパターン例１において、描画された点状のマーク１０１は、実際には完全な円形の点ではなく、溶接ビードから髭が伸びたような形状となることもあるが、溶接する順番が識別できる程度のものであればその形状はいか様なものであってもよい。たとえば点に代えて通常モードにおける溶接ビードから識別できる程度の別な方向に延びた直線などであってもよい。

次に、他のマークパターンの例を図３（ｃ）に示す。

このマークパターン例２は、マーク１０２として、スキャナヘッド６が通常モードにおいてそれぞれの溶接点へのレーザ照射位置に到達した時点からその溶接点での溶接終了となる時点までの間（（図３（ｃ２））、図３（ｃ１）に示すように、通常モードにおける溶接ビード形成位置に（図示点線で示す溶接ビード１００）、溶接順番を示す数字を描くものである。

この場合の具体的な方法としては、たとえば、あらかじめテストモード用の溶接ビードパターンを用意しておき（制御装置４内の記憶装置などに記憶させておく）、通常モードにおける溶接ビードパターンに代えて、このテストモード用の数字パターンを描くように、ミラー用アクチュエータ１１４の動作を制御する（すなわちミラー１１３の動きを制御する）。

このパターン例２は、通常モードにおける溶接ビードの形成は行われないが、その代わり各溶接点の順番を示す数字が描かれるため視認性がよい。なお、このパターン例２の場合もマークパターンを描いている時間は、図３（ｃ２）に示すように、通常モードにおいて溶接ビードが形成されている時間と同じ時間となるようにする。

さらに他のマークパターンの例を図３（ｄ）に示す。

このマークパターン例３は、マーク１０３として、スキャナヘッド６が通常モードにおいてそれぞれの溶接点へのレーザ照射位置に到達した時点からその溶接点での溶接終了となる時点までの間に、この時間よりも短い時間で、図３（ｃ１）に示すように、溶接順番を示す数字を描くものである。

この場合の具体的な方法としては、たとえば、あらかじめテストモード用の溶接ビードパターンを用意しておき（制御装置４内の記憶装置などに記憶させておく）、通常モードにおける溶接ビードパターンに代えて、このテストモード用の数字パターンを描くように、ミラー用アクチュエータ１１４の動作を制御する（すなわちミラー１１３の動きを制御する）。なお、この例３の場合には、例２のマーク１０２よりも早く数字を描く必要からパークパターン１０３の方が小さくなる場合もある。

このマークパターン例３においても、通常モードにおける溶接ビードの形成は行われないが、その代わりに各溶接点の順番を示す数字が描かれるため視認性がよい。また、このマークパターン例３では、一つひとつのマーク１０３を描いている時間が、図３（ｄ２）に示すように、通常モードのときの溶接ビード形成のための時間よりも早くなる。このため、ロボット動作を通常モードよりも早くして、全体の速度を上げることで通常モードとテストモードとの溶接点のずれを防ぎ、かつ、溶接位置の確認作業を早く行うようにすることも可能となる。

さらに他のマークパターンの例を図３（ｅ）に示す。

このマークパターン例４は、マーク１０４として、スキャナヘッド６が通常モードにおいてそれぞれの溶接点へのレーザ照射位置に到達した時点からその溶接点での溶接終了となる時点までの間（（図３（ｅ２））に、溶接順番を識別するためにそれぞれの順番ごとに異なる形状を描くものである。

この場合の具体的な方法としては、たとえば、あらかじめテストモード用に、複数の形状の溶接ビードパターンを用意しておき（制御装置４内の記憶装置などに記憶させておく）、通常モードにおける溶接ビードパターンに代えて、このテストモード用のパターンを描くように、ミラー用アクチュエータ１１４の動作を制御する（すなわちミラー１１３の動きを制御する）。

このマークパターン例４においても、通常モードにおける溶接ビードの形成は行われないが、その代わりにそれぞれの順番を異なる形状の図形で示すことで、それぞれの「溶接点の溶接順番を混同することがなくなる。また、事前に溶接の順番と描く図形を対応付けしておくことで、溶接の順番そのものを識別することも可能である。

なお、マークパターンは、以上の説明したほかにもさまざまな形状が可能であり、各溶接点の溶接が行われた順番を識別することができるものであればよく、上述した形状に限定されるものではない。また、溶接点の数が多くなる場合には、近接する溶接点同士を識別することができればよく、必ずしも一つのワーク上の複数の溶接点全てをそれぞれ別々に識別できるようにする必要はない。

また、このようなテストモードにおいては、レーザ出力値（レーザ強度とも言う）は通常モードのときより弱くてよい。たとえば、半分以下や、１／１０などであってもよく、ワーク上でレーザ光によって描かれた点の数が判別できる程度の痕（傷）が付けばよい。また、テストモードを実行する際のワークは特に限定されるものではないが、たとえば実ワークをテストピースとして用いると、ワーク形状などを加味して溶接点のずれを見ることができるので好ましい。もちろん、テストモードで使用するワークは、実ワーク以外のさまざまなテストピースを用いてもよいことはいうまでもない。

図４は、本実施形態による作用を説明するための説明図である。図４（ａ）はマークパターンをつけない場合を示し、図４（ｂ）は本実施形態に従ってマークパターンをつけた場合を示す。

なお、図示する事例は、ワーク２００に対して、図示するＮｏ．１〜７までリモート溶接を行うものである。

図４（ａ）および（ｂ）は共に、ワーク２００上の図示一点鎖線で示すａ〜ｇが予定されている溶接点位置である。溶接順番Ｎｏ．１〜７は予定されている溶接点ａ〜ｇの順で対応する。一方、実線で示すＡ〜Ｇが実際に溶接作業が行われた溶接ビードである。

図からわかるように、実際に溶接作業が行われた溶接ビードＡ〜Ｇは、いずれも予定されている溶接点ａ〜ｇに対してずれている。このようなずれが生じた場合、図４（ａ）に示したようにマークパターンを付与しない場合には、たとえばＮｏ．２とＮｏ．３に着目すると、それぞれの溶接点が近接しているため、溶接ビードＢとＣがＮｏ．２とＮｏ．３のどちらの順番で打たれたものか判別できない。

一方、図４（ｂ）に示すように、テストモードにより溶接を実行して、溶接順を識別するためのマークパターンを付与した場合、各溶接ビードには、溶接された順番を識別するマーク１０１が付く。したがって、このマークパターンを見ることで、溶接ビードＢとＣがＮｏ．２とＮｏ．３のどちらの順番で打たれたものか判別することができる。図示した溶接ビードＢとＣは、溶接ビードＢがＮｏ．３に、溶接ビードＣがＮｏ．２に対応することがわかる。溶接ビードＥとＦについても同様で、溶接ビードＥがＮｏ．６に、溶接ビードＦがＮｏ．５に対応することがわかる。

以上のように、本実施形態によれば、溶接点が打たれる順番に対応してその順番を識別するためのマークパターンをレーザ光により描画することとしたので、実際に溶接された溶接ビードの痕から溶接された順番を容易に判別することができる。この世に溶接された痕から、その溶接打点の順番がわかるので、近接した溶接点などにおいては、どの順番の溶接打点がどのようにずれているかを、複数の溶接の作業後に判別することができる。

以上本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。たとえば、上述した実施形態は、溶接を例に説明したが、溶接以外にもレーザ光を用いた切断、マーキング、そのほかのレーザ加工に用いることができる。

また、上述した実施形態は、溶接点の順番を示すマークを付与することとしたが、これ以外にもたとえば、溶接位置を示すための座標値（または座標値対応した識別記号など）をマークとして描画させるようにしてもよいし、そのほか、溶接点（加工位置）を識別できるよう溶接条件などに対応させたマークを描画するようにしてもよく、描画するマークはさまざまなものを対応させることができる。

また、本発明は、レーザにより加工位置を識別するマークを描くだけでなく、そのほかの加工条件をマークするようにしてもよい。これはたとえば、一つひとつのビードによってレーザの走査速度（レーザ走査用ミラーの移動速度やロボットそのものの移動速度など）や、レーザ強度そのものを変更している場合にはその強度などを識別できるように、それらの条件に対応して異なるマークを描かせるようにしてもよい（また、直接それらの条件の内容を描くようにしてもよい）。

これにより、一つひとつの溶接位置ごとに溶接条件が違うことをすぐに見分けることができるようになる。

本発明は、レーザ溶接、レーザ加工に利用できる。

本発明を適用したリモート溶接システムの構成を説明するための概略図である。 スキャナヘッド内部の構成を説明するための説明図である。 マークパターンの例を説明するための説明図である。 本実施形態による作用を説明するための説明図で、（ａ）はマークパターンをつけない場合を示し、（ｂ）は本実施形態に従ってマークパターンをつけた場合を示す。

符号の説明

１…ロボット、
２…ロボットコントローラ、
３…レーザ発振器、
４…制御装置、
５…光ファイバーケーブル、
６…スキャナヘッド。

Claims (10)

1. レーザ光の照射方向を変更するために移動可能な反射鏡を備えたレーザ照射手段と、
   前記レーザ照射手段を移動させる移動手段と、
   あらかじめ教示された経路および加工位置でワーク上に前記レーザ光を照射させるために前記移動手段および前記反射鏡を移動させると共に、前記加工条件を識別するマークを前記ワーク上に前記レーザ光によって描かせるように少なくとも前記反射鏡を制御する制御手段と、を有すること特徴とするレーザ加工装置。
2. 前記マークは、加工位置を識別するマークであること特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
3. 前記マークは、前記加工位置の加工順に対応して、加工順ごとに異なるマークであることを特徴とする請求項２記載のレーザ加工装置。
4. 前記制御手段は、前記経路および前記順番でワーク上に前記レーザ光を照射させてあらかじめ決められた加工を行うために前記移動手段および前記反射鏡を移動させる第１のモードと、前記マークを描く第２のモードの切り替えが可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ加工装置。
5. 前記第１のモードで一つの加工位置に対してレーザ照射を行う時間と、前記第２のモードで前記マークを描く時間が同じであることを特徴とする請求項４記載のレーザ加工装置。
6. 前記マークは、前記順番を対応した数の点であるであることを特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。
7. 前記マークは、前記順番に対応した互いに異なる形状であることを特徴とする請求項３記載のレーザ加工装置。
8. レーザ光の照射方向を変更するために移動可能な反射鏡を備えたレーザ照射手段と、
   前記レーザ照射手段を移動させる移動手段と、を有する加工装置を用いたレーザ加工方法であって、
   あらかじめ決められている加工条件を識別するためのマークを前記レーザ光により描画することを特徴とするレーザ加工方法。
9. 前記マークは、加工位置を識別するためのマークであることを特徴とする請求項８記載のレーザ加工方法。
10. 前記マークは、前記加工位置の加工順に対応した異なる形状であることを特徴とする請求項９記載のレーザ加工方法。

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