JP2010046699A - レーザヘッドトーチの調整方法、レーザヘッドトーチ及び溶接ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】溶接ロボットにおいてレーザヘッドトーチを目標の方向に正確かつ効率的に調整することが可能なレーザヘッドトーチの調整方法、レーザヘッドトーチ及びレーザヘッドトーチを提供すること。
【解決手段】レーザトーチ５３が設けられる手首部２６と、この手首部２６に連接される少なくとも１つのアーム部２５と、前記手首部２６のティーチング操作を記憶する制御部３０とを備えた溶接ロボット１であって、前記手首部２６又は前記レーザヘッドトーチの光軸との相対的な向きが保持されるように角度計測機器２８を設け、前記角度計測機器２８の測定値に基づいて前記手首部２６、アーム部２５を作動させることにより前記レーザヘッドトーチ５３が目標とする目標角度に調整することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザヘッドトーチの調整方法、レーザヘッドトーチ及び溶接ロボットに関する。

周知のように、種々の産業分野においてロボットを用いた溶接作業が行なわれており、例えば、高速での作業が可能、狭い場所における溶接が可能、広い範囲を溶接可能、均質な溶接品質を得られる、危険な作業環境においても溶接が可能である等、人手による溶接作業に比較しての利点が多いことから広く普及している。

一方、近年、溶接に際して溶接用ワイヤ等、溶接金属の溶込みを高めて溶接品質を向上するために、レーザ・アークハイブリッド溶接に関する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。

もとよりレーザヘッドトーチを用いて溶接を行なう場合、その光軸を溶接対象物に正確に向けてレーザ光を照射することが重要であるが、例えば、上記レーザ・アークハイブリッド溶接では、ＭＩＧ溶接機から送給された溶接用ワイヤ先端近傍の溶接対象物に対してレーザヘッドトーチから照射されるレーザ光を正確に照射することが特に重要であり、レーザヘッドトーチの移動経路及びレーザヘッドトーチの光軸の向きをティーチング操作により正確に記憶させることが必要とされる。
特開２００５−２３８２８２号公報

しかしながら、ロボットは種々の駆動部や伝達部を有しており、これら駆動部や伝達部の製作精度、バックラッシ、経年変化による磨耗等に起因するガタつきによりレーザヘッドトーチの光軸が溶接対象物からずれた方向を向く可能性がある。
また、異なる重量のレーザヘッドトーチを持ち変えて溶接する場合や、一つのレーザヘッドトーチを用いる場合であっても、アーム部の傾きが変化するとアーム部の支点からレーザヘッドトーチまでの水平距離及び曲げモーメントが変化し、アーム部に発生するたわみが異なることとなりレーザヘッドトーチの光軸にずれが発生する場合がある。
その結果、運転時又はティーチング操作においてレーザヘッドトーチを向かせたい目標の向きと、実際にレーザヘッドトーチの光軸の向きとの間に差異が生じる場合がある。

そこで、レーザヘッドトーチを用いた溶接に先立ってティーチング操作をする場合に、レーザヘッドトーチに角度計を当ててレーザヘッドトーチの向きを測定し、レーザヘッドトーチの光軸に生じる角度誤差を小さく調整しながらレーザヘッドトーチの向きのティーチング操作をしていた。そのため、レーザヘッドトーチの光軸の方向を正確かつ効率的に調整する方法や、それを実現するための具体的な技術手段の確立が要請されている。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、溶接ロボットにおいてレーザヘッドトーチを目標の方向に正確かつ効率的に調整することが可能なレーザヘッドトーチの調整方法、、レーザヘッドトーチ及び溶接ロボットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
請求項１に記載の発明は、レーザヘッドトーチが設けられた手首部と、該手首部に連接される少なくとも１つのアーム部とを有する溶接ロボットにおいて前記レーザヘッドトーチの向きを調整するレーザヘッドトーチの調整方法であって、前記手首部又は前記レーザヘッドトーチの光軸との相対的な向きが保持されるように角度計測機器を設け、前記角度計測機器の測定値に基づいて前記手首部、アーム部を作動させることにより前記レーザヘッドトーチが目標とする目標角度に調整することを特徴とする。

この発明に係るレーザヘッドトーチの調整方法によれば、手首部又はレーザヘッドトーチの光軸と相対的な向きが保持された角度計測機器によりレーザヘッドトーチの光軸の向きを計測することで、ロボットアーム等の向きにずれが生じてもレーザヘッドトーチの光軸を目標値に向けることが可能とされるので、レーザヘッドトーチの光軸が目標角度となるように手首部、アーム部を効率的に調整することができる。
その結果、レーザ・アークハイブリッド溶接をはじめとするレーザヘッドトーチを用いた溶接の品質を向上することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザヘッドトーチの調整方法であって、前記ロボットがティーチング操作を記憶する制御部を備える場合において、前記角度計測機器の指示値が前記目標角度の許容範囲となるように動かして前記制御部に動作を記憶させることを特徴とする。

この発明に係るレーザヘッドトーチの調整方法によれば、角度計測機器の指示値に基づいて、レーザヘッドトーチの向きを目標角度の許容範囲内となるようにティーチング操作を正確かつ効率的に行なうことができる。その結果、レーザヘッドトーチが目標角度の許容範囲内で動作するのでレーザヘッドトーチを用いた溶接の品質を向上させることができる。

請求項３に記載の発明は、手首部と、この手首部に連接される少なくとも１つのアーム部と、前記手首部のティーチング操作を記憶する制御部と、を備えたロボットの前記手首部に設けられるレーザヘッドトーチであって、角度計測機器を備え、前記角度計測機器はレーザヘッドトーチの光軸との相対的な向きが保持されるように設けられていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、レーザヘッドトーチが設けられる手首部と、この手首部に連接される少なくとも１つのアーム部と、ティーチング操作を記憶する制御部と、を備えた溶接ロボットであって、角度計測機器を有し、前記角度計測機器は前記レーザヘッドトーチの光軸との相対的な向きが保持されるように設けられていることを特徴とする。

この発明に係る溶接ロボット及び溶接レーザヘッドトーチによれば、角度計測機器とレーザヘッドトーチの相対的な向きが保持されているので、レーザヘッドトーチの光軸が目標角度となるように正確かつ効率的にティーチング操作を行なうことができる。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の溶接ロボットであって、前記制御部は、角度補正手段を有し、前記角度補正手段は、前記制御部に入力される前記角度計測機器の測定値と前記目標値とに基づいて補正値を算出し、前記ティーチング操作の記憶に基づいて運転する場合に、前記レーザヘッドトーチの光軸が前記目標値の許容範囲に補正可能に構成されていることを特徴とする。

この発明に係る溶接ロボットによれば、角度計測機器で測定した測定値に基づいて、レーザヘッドトーチの光軸を目標値の許容範囲に効率的に補正することができる。

この発明に係るレーザヘッドトーチの調整方法、レーザヘッドトーチ及び溶接ロボット
によれば、溶接ロボットで用いられるレーザヘッドトーチの光軸の目標に対する相対的な差異を正確かつ効率的に把握することができる。
その結果、レーザヘッドトーチの光軸の向きを調整することができる。
また、ティーチングロボットに適用した場合、レーザヘッドトーチの光軸の向きを正確かつ効率的にティーチングすることができる。

以下、図１、図２を参照し、この発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本発明に係る溶接ロボット１の一例を示す概略図である。
溶接ロボット１は、ロボット２と、レーザ・アークハイブリッド溶接装置４とを備え、レーザ・アークハイブリッド溶接装置４は、ＭＩＧ溶接機４０と、レーザ溶接機５０とを備えている。

ロボット２は、ロボット本体２０と、制御部３０とを備え、ロボット本体２０は制御部３０からの制御信号により駆動されるようになっており、制御部３０は、溶接作業に際して行なわれるティーチング操作においてロボット本体２０の動作を制御部３０に記憶させることが可能とされている。
また、制御部３０は、図示しない制御ケーブルによりレーザ・アークハイブリッド溶接装置４に接続され、レーザ・アークハイブリッド溶接装置４による溶接作業をロボット本体２０の動作と連動させることができるようになっている。

第１の実施形態において、ロボット本体２０は、例えば、図１に示すような６軸に制御可能とされる６軸制御ロボットとされ、ロボット本体ベース２２と、このロボット本体ベース２２の上側に配置され、鉛直軸周りに水平面上にて矢印Ｒ１方向に回動可能とされるベース回転部２３と、ベース回転部２３の上部に連接される第１のアーム部２４と、第１のアーム部２４に連接される第２のアーム部２５と、第２のアーム部２５に連接される手首部２６とを備えている。

第１のアーム部２４は、水平に配置された軸Ｊ１によりベース回転部２３と接続されるとともにこの軸Ｊ１廻りにベース回転部２３に対して矢印Ｒ２方向に回動自在とされている。
また、第２のアーム部２５は、水平に配置された軸Ｊ２により第１のアーム部２４と接続されており、第１のアーム部２４に対して軸Ｊ２廻りに矢印Ｒ３方向に回動自在とされるとともに先端側が第２のアーム部２５の長手方向の軸線周りに矢印Ｒ４方向に回動自在とされている。

手首部２６は、第２のアーム部２５の先端側に接続され、回動軸Ｊ３廻りに矢印Ｒ５廻りに回動して第２のアーム部２５の長手方向の軸線との交差角を変化可能とされるとともに、この回動軸Ｊ３と直交する軸線Ｊ４廻りに矢印Ｒ６廻りに回動可能とされている。
また、手首部２６には、取付治具２７が設けられており、後述するトーチ４１及びレーザトーチ（レーザヘッドトーチ）５３が取付けられている。

この実施形態において、角度計測機器２８は、図２に示すように取付治具２７に配置されており、レーザトーチ（レーザヘッドトーチ）５３の光軸と一致するとともにトーチ４１との相対的な向きが保持するように配置されており、レーザトーチ５３の光軸が向く方向を角度側定値θとしてデジタル表示部２８Ａに指示するようになっている。
この実施形態においては、角度計測機器２８の角度測定値θがレーザヘッドトーチの光軸と一致するように配置されているが、例えば、角度計測機器２８がレーザヘッドトーチの光軸に対して所定角度（相対的な角度）で交差して配置され、その角度測定値を補正して光軸の角度θを取得する構成としてもよい。

また、角度計測機器２８は、アナログ方式、デジタル方式のいずれも適用可能であるが、第１の実施形態においては、例えば、デジタルアングルメータ（シンワ測定株式会社製 品番７６５４９）が用いられており、レーザトーチ５３の角度θを液晶により構成されたデジタル表示部２８Ａに表示可能とされている。

ＭＩＧ溶接機４０は、溶接対象物Ｗの溶接部との間に熱エネルギを発生するトーチ４１と、ＭＩＧ溶接機本体４２と、トーチ４１に溶接電力を供給する図示しない電源部とを備えている。また、トーチ４１には図示しない耐圧ホースを経由してアルゴンガス等の不活性ガスが供給されるようになっている。
また、ＭＩＧ溶接機本体４２は、トーチ４１に溶接用ワイヤＭを繰り出すワイヤ送給部と、開閉器等の制御機器を筐体に収納して構成されており、図示しないケーブルにより電源部と接続されている。

レーザ溶接機５０は、レーザ発振器５１と、レーザ伝送用ファイバー（レーザ光伝送手段）５２と、レーザトーチ（レーザヘッドトーチ）５３とを備え、レーザ発振器５１で発振、生成されたレーザ光がレーザ伝送用ファイバー５２を経由してレーザトーチ５３に伝送されレーザトーチ５３から溶接対象物Ｗの溶接部に照射されるようになっている。
レーザトーチ５３は、例えば、レーザ光が通過する光路が形成されたハウジングの内部にレーザ光を収束させるためのレンズが設けられた構成とされている。

次に、溶接ロボット１のレーザトーチ５３の向きを調整する方法について説明する。
１）まず、手首部２６に、レーザトーチ５３及びレーザトーチ５３と相対的な向きが保持された角度計測機器２８を設けた取付治具２７を取付ける。
取付治具２７に代えて角度計測機器２８を設けたレーザトーチ５３を取付治具２７又は手首部２６に取り付けてもよい。
２）次に、図示しない操作ボックスによってロボット本体２０を操作してレーザトーチ５３の向き（角度θ）を溶接対象物Ｗにレーザ・アークハイブリッド溶接を施工する際の目標角度に対応させる。
３）このロボット本体２０の操作に際して、角度計測機器２８の指示値（角度θ）がレーザトーチ５３の目標角度と一致するか目標角度の許容範囲内となるように手首部等を作動させて調整する。
目標角度に対する許容範囲は、レーザトーチ５３から照射されるレーザ光の収束状況や焦点の位置の誤差に基づいて、この許容範囲内にティーチングすることで所定品質の溶接が可能な範囲が選択されることが好適である。

第１の実施形態に係るレーザトーチ５３の調整方法によれば、レーザトーチ５３が動いて向き（角度θ）が変っても、向きをリアルタイムで把握することができる。
また、溶接ロボット１によれば、レーザトーチ５３との相対的な向きが保持された角度計測機器２８によりレーザトーチ５３の向き（角度θ）を目標角度に対応させて調整するので、溶接ロボット１にガタつきがある場合であってもレーザトーチ５３の向きを目標角度に対して正確に合わせることができる。
その結果、溶接ロボット１においてティーチング作業を正確かつ効率的に行なうことができる。
また、レーザトーチ５３の向きを目標角度の許容範囲内に調整することにより、レーザ・アークハイブリッド溶接の品質を向上させることができる。

以下、図３を参照し、この発明の第２の実施形態について説明する。
図３は、第２の実施形態に係る溶接ロボット１０の一例を示す概略図である。
ロボット１０が、第１の実施形態に係るロボット１と異なるのは、
１）角度測定機器２８に代えて角度測定機器１２８が配置され、
２）制御部３０に代えて制御部１３０が設けられ、制御部１３０に測定機器１２８が出力した信号が入力され、
３）制御部１３０が、角度補正手段を有し、
ている点であり、その他は第１の実施形態と同様であるので、第１の実施形態と同一の符号を付し説明を省略する。

角度測定機器１２８は、図示しない角度センサにより検出した角度を電気信号として出力可能とされている。
制御部１３０は、角度補正手段を備え、角度補正手段は、例えば、ＥＰＲＯＭ等の記憶媒体に格納された角度補正プログラムにより構成されている。また、制御部１３０には、信号線１３１を介して角度測定機器１２８からの角度測定に係る電気信号が入力されるようになっている。

角度補正プログラムは、例えば、制御部１３０に入力された角度計測機器１２８からの信号に基づいてレーザトーチ５３の光軸と相対的に対する角度測定値を算出し、レーザトーチ５３の光軸の目標値とからレーザトーチ５３の光軸を目標値に向けるための補正値を算出するようになっている。
この補正値は、図示しない記憶部に記憶される。
そして、ティーチング操作で記憶させたデータに基づいて運転する場合に、記憶部に記憶された動作データを補正値によって補正した作動信号を出力して、レーザトーチ５３の光軸が目標とする方向に向くようにアーム部等を作動させるようにするようになっている。
なお、補正値を記憶するのに代えて、レーザトーチ５３の光軸の目標値と補正値とから算出した補正後データをロボット１０を運転するためのデータとして記憶部に記憶させる構成としてもよい。

溶接ロボット１０によれば、角度計測機器１２８で測定した測定値に基づいて、レーザヘッドトーチ５３の光軸を目標値の許容範囲に効率的に補正することができる。
その結果、ロボット１０において、レーザトーチ５３の光軸が目標角度に向くように正確かつ効率的にティーチングすることができる。

なお、この発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更をすることが可能である。
例えば、上記実施の形態においては、角度計測機器２８、１２８がロボット本体２０の手首部２６に設けられた取付治具２７に取り付けられる場合について説明したが、例えば、取付治具２７に設けたブラケット等を介して角度計測機器２８、１２８を設ける構成としてもよい。

また、角度計測機器２８、１２８を直接レーザトーチ５３に設け、又は取付部材を介して取り付けてレーザトーチ５３と角度計測機器２８とが一体的に移動する構成としてもよい。
また、上記実施の形態においては、ロボット本体２０が６軸多関節ロボットである場合について説明したが、６軸多関節ロボット以外のロボット、例えば、直交配置されたアーム部からなるロボットに対して適用してもよい。

また、上記実施の形態においては、角度計測機器１２８により検出した検出信号に基づいて算出した補正値又は補正後データをティーチング作業において記憶部に記憶し、レーザトーチ５３の向きの調整する場合について説明したが、例えば、運転時に角度計測機器１２８により検出した検出信号に基づいてレーザトーチ５３の光軸の向きをリアルタイムに補正する構成としてもよい。

また、上記実施の形態においては、レーザトーチ５３がレーザ・アークハイブリッド溶接に用いられる場合について説明したが、レーザ・アークハイブリッド溶接以外の溶接に用いるレーザトーチに対して適用してもよい。

本発明の第１の実施形態に係る溶接ロボットの概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るレーザトーチと角度計測機器の概略構成を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る溶接ロボットの概略構成を示す図である。

符号の説明

Ｗ 溶接対象物
１ 溶接ロボット
４ レーザ・アークハイブリッド溶接装置
２０ ロボット本体
２６ 手首部
２４ 第１のアーム部（アーム部）
２５ 第２のアーム部（アーム部）
２８、１２８ 角度計測機器
３０、１３０ 制御部
５３ レーザトーチ（レーザヘッドトーチ）

Claims (5)

1. レーザヘッドトーチが設けられた手首部と、
   該手首部に連接される少なくとも１つのアーム部とを有する溶接ロボットにおいて前記レーザヘッドトーチの向きを調整するレーザヘッドトーチの調整方法であって、
   前記手首部又は前記レーザヘッドトーチの光軸との相対的な向きが保持されるように角度計測機器を設け、
   前記角度計測機器の測定値に基づいて前記手首部、アーム部を作動させることにより前記レーザヘッドトーチが目標とする目標角度に調整することを特徴とするレーザヘッドトーチの調整方法。
2. 前記ロボットがティーチング操作を記憶する制御部を備える場合において、
   前記角度計測機器の指示値が前記目標角度の許容範囲となるように動かして前記制御部に動作を記憶させることを特徴とする請求項１に記載のレーザヘッドトーチの調整方法。
3. 手首部と、
   この手首部に連接される少なくとも１つのアーム部と、
   前記手首部のティーチング操作を記憶する制御部と、を備えたロボットの前記手首部に設けられるレーザヘッドトーチであって、
   角度計測機器を備え、
   前記角度計測機器は前記レーザヘッドトーチの光軸との相対的な向きが保持されるように設けられていることを特徴とするレーザヘッドトーチ。
4. レーザヘッドトーチが設けられる手首部と、
   この手首部に連接される少なくとも１つのアーム部と、
   ティーチング操作を記憶する制御部と、を備えた溶接ロボットであって、
   角度計測機器を有し、
   前記角度計測機器は前記レーザヘッドトーチの光軸との相対的な向きが保持されるように設けられていることを特徴とする溶接ロボット。
5. 前記制御部は、角度補正手段を有し、
   前記角度補正手段は、
   前記制御部に入力される前記角度計測機器の測定値と前記目標値とに基づいて補正値を算出し、
   前記ティーチング操作の記憶に基づいて運転する場合に、前記レーザヘッドトーチの光軸が前記目標値の許容範囲に補正可能に構成されていることを特徴とする請求項４に記載の溶接ロボット。

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