JP2022066081A - Laser welding head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザー加工装置に関するものであり、詳しくは、小型軽量のレーザー溶接ヘッドに関するものである。 The present invention relates to a laser processing apparatus, and more particularly to a compact and lightweight laser welding head.
近年のレーザー加工において、固体レーザーを用いたレーザー溶接は、ロボットと組み合わせることによって、飛躍的に生産性を向上させている。例えば、特許文献1で開示されている発明は、光源からのレーザービームを集中照射する照射ヘッドを備えたレーザー溶接ロボットが、コンピュータプログラムにより車体の種類に応じて制御されるようになっている。 In recent laser processing, laser welding using a solid-state laser has dramatically improved productivity by combining it with a robot. For example, in the invention disclosed in Patent Document 1, a laser welding robot provided with an irradiation head that intensively irradiates a laser beam from a light source is controlled by a computer program according to the type of a vehicle body.
また、レーザー加工に光学センサーを用いて加工部位近傍の情報を取得する技術の開発も進んでいる。特許文献2はレーザー加工と同時に発生する溶接部位の散乱光をフォトダイオードで取得し、欠陥の有無を確認する発明を開示している。 In addition, the development of a technique for acquiring information in the vicinity of the machined portion by using an optical sensor for laser machining is also in progress. Patent Document 2 discloses an invention in which scattered light of a welded portion generated at the same time as laser processing is acquired by a photodiode and the presence or absence of a defect is confirmed.
センサーを用いた技術をさらに進めて、カメラなどの溶接部検出センサーを照射ヘッドと併用し、目的の溶接位置を撮像情報から算出し、照射ヘッドの位置を補正しながらレーザー溶接を行う発明が特許文献3にて開示されている。 The invention of further advancing the technology using the sensor, using a welded part detection sensor such as a camera in combination with the irradiation head, calculating the target welding position from the imaging information, and performing laser welding while correcting the position of the irradiation head is patented. It is disclosed in Document 3.
汎用レーザーヘッドは固定的に直線的もしくは直角に屈折した光路を持ち、かつ焦点光学系も長めに設計される為、対象照射位置が複数箇所あり、また対象平面に角度を持ち、さらに点在する場合には設備寸法が大きく、ヘッド移動時間や位置決め時間が長く、生産性が低下する場合があった。 Since the general-purpose laser head has a fixed linear or right-angled refracted optical path and the focal optical system is designed to be long, there are multiple target irradiation positions, and the target plane has an angle and is scattered. In some cases, the equipment size is large, the head movement time and the positioning time are long, and the productivity may decrease.
広範囲に多点を素早く照射可能なガルバノミラー式光学系機器をロボットに搭載する設備もあるが、費用やスペース、生産効率等のバランスで採用が難しいことがあり、小型軽量でヘッド移動量の少ない高生産性設備が望まれることがある。 There is also equipment that mounts a galvanometer mirror type optical system device that can quickly irradiate multiple points over a wide range on the robot, but it may be difficult to adopt due to the balance of cost, space, production efficiency, etc., so it is compact and lightweight and the amount of head movement is small. High productivity equipment may be desired.
そこで、本発明は、ヘッドを必要最低限寸法で構成し、ビーム照射位置を可変とし、焦点距離を縮め、ヘッドの照射位置への移動時間短縮を図り、照射対象物の位置を正確に測定する計測システムをヘッドと一体化し、さらに溶融池形状や温度、輝度、さらにはキーホール深さ計測も可能な独立した光学測定系を組み込んだレーザー溶接ヘッドを提供することを目的とする。 Therefore, in the present invention, the head is configured with the minimum necessary dimensions, the beam irradiation position is variable, the focal length is shortened, the movement time of the head to the irradiation position is shortened, and the position of the irradiation target is accurately measured. It is an object of the present invention to provide a laser welding head in which a measurement system is integrated with a head and an independent optical measurement system capable of measuring the shape, temperature, brightness, and keyhole depth of a molten pool is incorporated.
本発明のレーザー溶接ヘッドは、前記した目的を達成せんとするもので、請求項1の手段は、被加工物をレーザー照射によって加工する機構を備えるレーザー溶接ヘッドにおいて、前記レーザー溶接ヘッドを、直交する3軸の座標空間の所定の可動域内で自在に移動させるレーザー溶接ロボットに固定される基幹部と、前記基幹部を通過する平行ビームの中心を軸として回動可能に支持される旋回ユニットと、前記旋回ユニットに固定されたダイクロイックミラーおよびパラボリックミラーと、を備え、前記平行ビームは、前記ダイクロイックミラーを透過し、前記パラボリックミラーの凹状面で反射および集光されて加工ビームとなり、前記加工ビームが前記被加工物に照射されることを特徴とする。 The laser welding head of the present invention is intended to achieve the above-mentioned object, and the means of claim 1 is a laser welding head provided with a mechanism for processing a workpiece by laser irradiation, in which the laser welding head is orthogonal to the laser welding head. A trunk portion fixed to a laser welding robot that freely moves within a predetermined movable range of the three-axis coordinate space, and a swivel unit that is rotatably supported around the center of a parallel beam passing through the backbone portion. , A dichroic mirror and a parabolic mirror fixed to the swivel unit, the parallel beam is transmitted through the dichroic mirror, reflected and focused on the concave surface of the parabolic mirror, and becomes a processed beam. Is irradiated to the workpiece.
また、請求項2の手段は、前記旋回ユニットは第1の照明装置と、カメラユニットと、を備え、前記第1の照明装置は、照明光を被加工物の加工ビームの焦点の任意近傍に線状光照射し、カメラユニットは、照明反射光を感知して、被加工物の状態に関する情報を取得することを特徴とする。 Further, according to the second aspect, the swivel unit includes a first illuminating device and a camera unit, and the first illuminating device directs the illuminating light to an arbitrary vicinity of the focal point of the processed beam of the workpiece. The camera unit irradiates linear light, and the camera unit senses the illuminated reflected light to acquire information on the state of the workpiece.
また、請求項3の手段は、前記カメラユニットは第2の照明装置を備え、前記第2の照明装置は、赤外光を被加工物に照射し、前記カメラユニットは、赤外反射光を感知して、被加工物の状態に関する情報を取得することを特徴とする。 Further, in the means of claim 3, the camera unit includes a second lighting device, the second lighting device irradiates an workpiece with infrared light, and the camera unit emits infrared reflected light. It is characterized by sensing and acquiring information on the state of the workpiece.
また、請求項4の手段は、前記カメラユニットは、第1のカメラおよび第2のカメラを備え、前記パラボリックミラーに設けられた穿孔から、前記第1のカメラが前記照明反射光を感知すること、ならびに、前記第2のカメラが前記パラボリックミラーおよび前記ダイクロイックミラーで反射された前記赤外反射光を取得することを特徴とする。 Further, the means of claim 4 is that the camera unit includes a first camera and a second camera, and the first camera senses the illumination reflected light from a hole provided in the parabolic mirror. , And the second camera acquires the infrared reflected light reflected by the parabolic mirror and the dichroic mirror.
請求項1の構成によって、本発明のレーザー溶接ヘッドは、レーザー溶接ロボットによる3軸移動に加え、旋回ユニットおよび冷却ユニットの回動機構を備えることによって、被加工物の加工面の向きを考慮した自在なビーム照射を可能とする効果がある。また、レーザー溶接ヘッドが備える駆動系は、旋回ユニットおよび冷却ユニットの回動機構のみであるため、小型かつ軽量とすることができる。 According to the configuration of claim 1, the laser welding head of the present invention is provided with a rotation mechanism of a swivel unit and a cooling unit in addition to the three-axis movement by the laser welding robot, so that the orientation of the machined surface of the workpiece is taken into consideration. It has the effect of enabling free beam irradiation. Further, since the drive system provided in the laser welding head is only the rotation mechanism of the swivel unit and the cooling unit, the size and weight can be reduced.
請求項2の構成によって、本発明のレーザー溶接ヘッドのカメラユニットが取得した画像から、溶接すべきワーク物理接合面、いわゆるシームの溶融池直前位置が、正確に算定される。また、解析演算装置が、プログラムされた直線の位置情報と、画像の直線形状から得られる位置情報を対比し、これから溶接するシームに適切な加工ビームを照射するよう、レーザー溶接ヘッドの位置および旋回ユニットの回転量を算出する。 According to the second aspect, the position immediately before the molten pool of the work physical joint surface to be welded, the so-called seam, is accurately calculated from the image acquired by the camera unit of the laser welding head of the present invention. In addition, the position and rotation of the laser welding head so that the analysis calculation device compares the position information of the programmed straight line with the position information obtained from the linear shape of the image and irradiates the seam to be welded with an appropriate processing beam. Calculate the amount of rotation of the unit.
請求項3の構成によって、本発明のレーザー溶接ヘッドのカメラユニットが被加工物の温度の分布を取得し、キーホールの周辺に分布する指定ポイントの温度勾配を実時間で測定することによって、得られたパターン傾向から異常を検知することができる。 According to the third aspect, the camera unit of the laser welding head of the present invention obtains the temperature distribution of the workpiece and measures the temperature gradient of the designated points distributed around the keyhole in real time. Abnormalities can be detected from the pattern tendency.
請求項4の構成によって、本発明のレーザー溶接ヘッドのカメラユニットは、コンパクトな構成でレーザー溶接ヘッドの動作の制御と異常の検知を両立することができる。 According to the fourth aspect, the camera unit of the laser welding head of the present invention can achieve both control of operation of the laser welding head and detection of abnormality in a compact configuration.
以下、本発明を実施するための形態を図面にしたがって説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明のレーザー溶接ヘッド1の全体の斜視図である。また、図2は、本発明のレーザー溶接ヘッド1の全体の正面図である。レーザー溶接ヘッド1は、被加工物Wをレーザー照射によって加工する機構を備え、レーザービームをレーザー発振ユニットから伝送するための光ファイバーケーブルが接続される光コネクター10と、光コネクター10を通過したレーザービームを平行ビームに変換するコリメーター部20と、を備える。
FIG. 1 is an overall perspective view of the laser welding head 1 of the present invention. Further, FIG. 2 is an overall front view of the laser welding head 1 of the present invention. The laser welding head 1 is provided with a mechanism for processing the workpiece W by laser irradiation, and has an
コリメーター部20は、レーザー溶接ロボットに固定される基幹部30に接続される。レーザー溶接ロボットは、固定したレーザー溶接ヘッド1を、直交する3軸の座標空間の所定の可動域内で自在に移動させる。基幹部30は、コリメーター部20を接続するための第1のフランジ31およびレーザー溶接ロボットに固定するための第2のフランジ32を備える。第1のフランジ31はコリメーター部20の第3のフランジ21にネジ止めするための第1のネジ穴群33が第1のフランジ31の縁部近傍に設けられ、第2のフランジ32はレーザー溶接ロボットにネジ止めするための第2のネジ穴群34が第2のフランジ32の縁部近傍に設けられる。第3のフランジ21の縁部近傍には、第1のネジ穴群33に対応する位置に第3のネジ穴群22が設けられる。
The
図3はレーザー溶接ヘッド1のIII-III線断面図である。基幹部30の内側は円筒状の中空に加工され、内壁には軸受機構が設けられる。本実施例の軸受機構はベアリング35を採用する。軸受機構に支持された冷却ユニット40は、基幹部30に設置されたモーター36から動力を得て、平行ビームの光路の中心を軸として回動する。モーター36は回転位置カメラ機能を備え、モーター36の回転位置情報は図示しない解析演算装置に無線または有線で転送され、後述する旋回ユニット50の回転方向の制御に用いられる。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of the laser welding head 1. The inside of the
また、冷却ユニット40の内側は円筒状の中空に加工され、平行ビームが通過する。冷却ユニット40は、外周側面の2箇所に冷却水コネクター41を備える。冷却水は、冷却水コネクター41から流出入する。
Further, the inside of the
冷却ユニット40の平行ビーム光路前方側には、旋回ユニット50が設けられる。旋回ユニット50は、冷却ユニット40とともに基幹部30を通過する平行ビームの中心を軸として回動可能に支持される。図4は、図1の状態から旋回ユニット50および冷却ユニット40が90度回動した状態を表す。本実施例のレーザー溶接ヘッド1は、レーザー溶接ロボットによる3軸移動に加え、旋回ユニット50および冷却ユニット40の回動機構を備えることによって、被加工物Wの加工面の向きを考慮した自在なビーム照射を可能とする。
A
旋回ユニット50は角筒状の構造となっており、旋回ユニット50の内部の冷却ユニット40側の端部近傍および中間部にそれぞれミラーが固定される。旋回ユニット50の内部には図示しない冷却水路が設けられる。冷却水路には冷却ユニット40から流出入する冷却水が環流し、ミラーを含む旋回ユニット50の全体の冷却に用いられる。冷却ユニット40側の中間部近傍に固定されるミラーはダイクロイックミラー51であり、端部に固定されるミラーはパラボリックミラー52である。
The
本実施例のダイクロイックミラー51は平行ビームを透過させる。ダイクロイックミラー51を透過した平行ビームは、パラボリックミラー52の凹状面で反射および集光され、加工ビームBとなってビーム開口部53から被加工物Wに向かって照射される。ビーム開口部53には保護ガラス54が着脱可能に装着される。保護ガラス54によって、被加工物Wの溶融に伴うヒューム、スパッター等の飛散異物がパラボリックミラー52に付着することによるパラボリックミラー52の損傷が防止される。保護ガラス54は、加工ビームBおよび加工ビームBの散乱光などを透過する。保護ガラス54が汚損したときは、速やかに交換する。
The
本発明のレーザー溶接ヘッド1は、パラボリックミラー52で集光された加工ビームBの焦点を被加工物Wの加工位置に合わせるようにレーザー溶接ロボットおよび旋回ユニット50の回動を制御して、被加工物Wの加工を行う。パラボリックミラー52の凹状面には反射コーティングが施され、パラボリックミラー52のエネルギー吸収を低減すると共に発生する熱を効果的に排出するための水路がミラー内部に穿ってある。
The laser welding head 1 of the present invention controls the rotation of the laser welding robot and the
旋回ユニット50の先端には第1の照明装置55が装着される。第1の照明装置55は、照明開口部56から照明光Lを被加工物Wの加工ビームBの焦点の任意近傍に線状光照射し、反射させる。具体例を示すと、照明光Lは、450nm近辺の青色レーザーとし、被加工物Wのシーム上に30度傾斜位置から幅10μm、長さ10mmほどの線状に照射する。照明反射光は、ビーム開口部53から旋回ユニット50の内部に入射する。
A
旋回ユニット50は、平行ビームの進行方向に平行な4つの側面を有する。ビーム開口部53を備える旋回ユニット下側面50aと対向する旋回ユニット上側面50bの外側にはカメラユニット60が設けられる。カメラユニット60は、旋回ユニット50の内部に入射した照明反射光を感知して、被加工物Wの状態に関する情報を取得する。
The
ここで、パラボリックミラー52には、照明反射光の入射方向、すなわち旋回ユニット下側面50aから旋回ユニット上側面50bの方向に貫通する穿孔57が設けられている。本実施例は、カメラユニット60内の穿孔57の直上の位置に照明反射光を感知とする第1のカメラ61を設置し、第1のカメラ61が穿孔57を通して被加工物Wの加工部位近傍の画像を取得する構成としている。穿孔57は、第1のカメラ61の側が大径、ビーム開口部53の側が小径に貫通され、第1のカメラ61の視野を拡大させている。穿孔57の位置は、パラボリックミラー52の中心部または中心部近傍が好適である。本実施例の第1のカメラ61は、CMOSカメラである。
Here, the
図5は、被加工物Wの拡大斜視図および断面の模式図である。図5(a)は被加工物Wの斜視図、図5(b)は第1のカメラ61によって取得できる被加工物Wの断面のイメージ図である。第1のカメラ61は、前記被加工物の加工部位近傍の画像を取得する。具体的には、第1の照明装置55から角度をもって線状に照射された照明光Lは、加工誤差や微妙な段差によるシームW1の不均衡な断面状況を画像として第1のカメラ61に認識させる。シームW1の狭い溝W2を光学系で拡大することによって、V字状の溝W2の底の位置が判別される。取得した画像は、図示しない解析演算装置に無線または有線で転送され、画像データから、溶接すべきワーク物理接合面、いわゆるシームW1の溶融池直前位置が、正確に算定される。解析演算装置は、プログラムされた直線の位置情報と、画像の直線形状から得られる位置情報を対比し、これから溶接するシームW1に適切な加工ビームBを照射するよう、レーザー溶接ヘッド1の位置および旋回ユニット50の回転量を算出する。
FIG. 5 is an enlarged perspective view and a schematic cross-sectional view of the workpiece W. FIG. 5A is a perspective view of the workpiece W, and FIG. 5B is an image diagram of a cross section of the workpiece W that can be acquired by the
本実施例は、カメラユニット60に第2のカメラ62を設ける構成としている。第2のカメラ62の先端には、第2の照明装置63が設置され、照明の波長は800nm近辺の赤外光である。第2の照明装置63から照射された赤外光は、ダイクロイックミラー51およびパラボリックミラー52で反射され、ビーム開口部53から被加工物Wに照射され、赤外反射光となって、第2のカメラ62に感知される。赤外反射光に混在する加工ビームBの散乱光は、ダイクロイックミラー51を透過する。本実施例の第2のカメラ62は、溶融池とその近辺の温度および輝度の分布ならびにキーホールの深さ等を取得可能な測定機能を備えた目的別カメラに置き換え可能なもので、被加工物Wの状態に関する情報を取得する。取得した情報は、図示しない解析演算装置に無線または有線で転送され、温度、輝度の分布測定等に用いられる。
In this embodiment, the
図6は、第2のカメラ62が取得した画像の模式図である。図6では、被加工物Wの温度の分布を等高線W3として取得している。画像からは、シームW1、キーホールW4、溶融池W5および溶融ビードW6を判別できる。溶接は、図6の矢印の方向に進行する。キーホールW4の周辺に分布する指定ポイントの温度勾配を実時間で測定することによって、得られたパターン傾向から異常を検知することができる。
FIG. 6 is a schematic diagram of an image acquired by the
本発明のレーザー溶接ヘッド1は、光コネクター10、コリメーター部20、ダイクロイックミラー51、パラボリックミラー52およびカメラユニット60を適宜選択することによって、さまざまなレーザー発振器に対応することができる。例えば、YAGレーザー、ファイバーレーザー、ディスクレーザー、半導体レーザーが好適である。
The laser welding head 1 of the present invention can correspond to various laser oscillators by appropriately selecting an
1…レーザー溶接ヘッド。
10…光コネクター。
20…コリメーター部、21…第3のフランジ、22…第3のネジ穴群。
30…基幹部、31…第1のフランジ、32…第2のフランジ、33…第1のネジ穴群、34…第2のネジ穴群、35…ベアリング、36…モーター。
40…冷却ユニット、41…冷却水コネクター。
50…旋回ユニット、50a…旋回ユニット下側面、50b…旋回ユニット上側面、51…ダイクロイックミラー、52…パラボリックミラー、53…ビーム開口部、54…保護ガラス、55…第1の照明装置、56…照明開口部、57…穿孔。
60…カメラユニット、61…第1のカメラ、62…第2のカメラ、63…第2の照明装置。
W…被加工物、W1…シーム、W2…溝、W3…等高線、W4…キーホール、W5…溶融池、W6…溶融ビード。
B…加工ビーム
L…照明光
1 ... Laser welding head.
10 ... Optical connector.
20 ... Collimator section, 21 ... Third flange, 22 ... Third screw hole group.
30 ... backbone, 31 ... first flange, 32 ... second flange, 33 ... first screw hole group, 34 ... second screw hole group, 35 ... bearing, 36 ... motor.
40 ... Cooling unit, 41 ... Cooling water connector.
50 ... swivel unit, 50a ... swivel unit lower side, 50b ... swivel unit upper side, 51 ... dichroic mirror, 52 ... parabolic mirror, 53 ... beam opening, 54 ... protective glass, 55 ... first lighting device, 56 ... Illumination opening, 57 ... perforation.
60 ... camera unit, 61 ... first camera, 62 ... second camera, 63 ... second lighting device.
W ... workpiece, W1 ... seam, W2 ... groove, W3 ... contour lines, W4 ... keyhole, W5 ... molten pond, W6 ... molten bead.
B ... Processed beam L ... Illumination light
Claims (4)
前記レーザー溶接ヘッドを、直交する3軸の座標空間の所定の可動域内で自在に移動させるレーザー溶接ロボットに固定される基幹部と、
前記基幹部を通過する平行ビームの中心を軸として回動可能に支持される旋回ユニットと、
前記旋回ユニットに固定されたダイクロイックミラーおよびパラボリックミラーと、を備え、
前記平行ビームは、前記ダイクロイックミラーを透過し、前記パラボリックミラーの凹状面で反射および集光されて加工ビームとなり、前記加工ビームが前記被加工物に照射されることを特徴とするレーザー溶接ヘッド。 In a laser welding head equipped with a mechanism for processing a workpiece by laser irradiation,
A core portion fixed to a laser welding robot that freely moves the laser welding head within a predetermined movable range in coordinate spaces of three orthogonal axes, and a trunk portion.
A swivel unit that is rotatably supported around the center of a parallel beam that passes through the backbone, and
A dichroic mirror and a parabolic mirror fixed to the swivel unit are provided.
The laser welding head is characterized in that the parallel beam passes through the dichroic mirror, is reflected and condensed on the concave surface of the parabolic mirror to become a processed beam, and the processed beam is applied to the workpiece.
前記第1の照明装置は、照明光を被加工物の加工ビームの焦点の任意近傍に線状光照射し、カメラユニットは、照明反射光を感知して、被加工物の状態に関する情報を取得することを特徴とする請求項1に記載のレーザー溶接ヘッド。 The swivel unit includes a first lighting device and a camera unit.
The first illuminating device irradiates the illumination light linearly in an arbitrary vicinity of the focal point of the processing beam of the workpiece, and the camera unit senses the illumination reflected light to acquire information on the state of the workpiece. The laser welding head according to claim 1, wherein the laser welding head is made.
前記第2の照明装置は、赤外光を被加工物に照射し、前記カメラユニットは、赤外反射光を感知して、被加工物の状態に関する情報を取得することを特徴とする請求項2に記載のレーザー溶接ヘッド。 The camera unit includes a second lighting device.
The second illuminating device irradiates an workpiece with infrared light, and the camera unit senses the infrared reflected light to acquire information on the state of the workpiece. 2. The laser welding head according to 2.
前記パラボリックミラーに設けられた穿孔から、前記第1のカメラが前記照明反射光を感知すること、ならびに、
前記第2のカメラが前記パラボリックミラーおよび前記ダイクロイックミラーで反射された前記赤外反射光を取得することを特徴とする請求項3に記載のレーザー溶接ヘッド。
The camera unit includes a first camera and a second camera.
The first camera senses the illumination reflected light from the perforation provided in the parabolic mirror, and
The laser welding head according to claim 3, wherein the second camera acquires the infrared reflected light reflected by the parabolic mirror and the dichroic mirror.
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