JP6626036B2 - 測定機能を有するレーザ加工システム - Google Patents

Description

本発明は、測定機能を有するレーザ加工システムに関する。

レーザ加工システムにおいて、レーザ光をワークに走査式に照射する加工ヘッドと、加工ヘッドに内蔵され、ワークを撮影するカメラとを備えた構成が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、「レーザー光Ｌを生成するレーザー発振器４１と、ワークＷを撮影するカメラ５６と、レーザー光Ｌの出射経路上に配置され、レーザー光Ｌを透過させる一方、カメラ５６の受光軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させる偏光ビームスプリッタ４６と、ワークＷを照明するための照明光として、レーザー光Ｌと略同一の波長を含む照明光を生成する照明光源５３と、照明光の出射軸をレーザー光Ｌの出射軸と略一致させるハーフミラー５４と、レーザー光Ｌの出力制御を行う制御部３２と、カメラ５６の受光経路において偏光ビームスプリッタ４６よりもカメラ側に配置され、レーザー光Ｌの出力制御信号に基づいて、ワークＷからの戻り光を遮断するシャッタ５５により構成される。」と記載されている。

特開２０１２−１４８３１６号公報（〔要約〕）

レーザ光を対象物に走査式に照射する加工ヘッドを備えたレーザ加工システムにおいて、対象物の加工対象部位の位置、形状、加工品質等を測定する機能を付加するとともに、加工ヘッド等の機械構成部品が熱変位や経年変化に曝される場合にも、測定機能に対する影響を低減できるようにすることが望まれている。

本開示の一態様は、加工用光学系を通してレーザ光を対象物に走査式に照射する加工ヘッドと、加工ヘッドに設けられ、レーザ光を走査動作させる走査装置と、加工ヘッドに設けられ、加工用光学系の光軸に沿って照明光を加工ヘッドから対象物に向けて出射させる照明光出射部であって、走査装置を介して照明光を加工ヘッドから走査式に出射させる照明光出射部と、照明光出射部に対し予め定めた位置関係を有するとともに、加工用光学系の光軸と一致しない光軸を有し、対象物の被照射点で反射する照明光の反射光を受光する受光部と、加工ヘッドから出射した照明光の出射角と受光部が受光した反射光の入射角とに基づき三角測量処理を実行して被照射点の三次元測定データを取得する測定処理部と、を備えるレーザ加工システムである。

一態様に係るレーザ加工システムにおいては、加工ヘッドに設けられた照明光出射部が、加工用光学系の光軸に沿って照明光を対象物に向けて出射させる一方、照明光出射部に対し予め定めた位置関係を有する受光部が、対象物の被照射点で反射する照明光の反射光を受光する構成としたから、加工ヘッドや受光部が熱変位や経年変化に曝された場合にも、加工ヘッドと受光部との相対位置関係の変動に起因する測定機能への影響を低減できる。例えば、照明光出射部と受光部との位置関係が変動すると、測定処理部が取得した被照射点の三次元測定データは、位置関係の変動に起因する誤差量を含むものとなるが、照明光出射部を有する加工ヘッドの位置自体が相対的変動を含んでいるので、三次元測定データを用いて加工ヘッドの位置を補正したり加工対象部位の加工品質を検証したりする際には誤差量が相殺される。その結果、一態様に係るレーザ加工システムによれば、熱変位や経年変化の影響を受けることなく、測定処理部が取得した被照射点の三次元測定データを用いて、加工ヘッドの位置指令や走査動作指令の補正の要否の検討、対象物の加工対象部位の加工品質の検証等を、適正に行うことができる。

一態様に係るレーザ加工システムの構成を模式的に示す機能ブロック図である。 一実施形態によるレーザ加工システムを模式的に示す図である。 測定処理の一例を模式的に示す図である。 レーザ加工システムの一適用例を模式的に示す図である。 レーザ加工システムの他の適用例を模式的に示す図である。 他の実施形態によるレーザ加工システムを示す機能ブロック図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工システムを示す機能ブロック図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工システムを示す機能ブロック図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工システムを示す機能ブロック図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工システムを示す機能ブロック図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工システムを示す機能ブロック図である。 さらに他の実施形態によるレーザ加工システムを示す機能ブロック図である。

以下、添付図面を参照して本開示の実施の形態を説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

図１は、一態様によるレーザ加工システム１０の構成を機能ブロックで示す。レーザ加工システム１０は、加工用光学系１１を通してレーザ光Ｌを対象物Ｗに走査式（破線矢印Ｓ）に照射する加工ヘッド１２と、加工ヘッド１２に設けられ、加工用光学系１１の光軸１１ａに沿って照明光Ｉを加工ヘッド１２から対象物Ｗに向けて出射させる照明光出射部１４と、照明光出射部１４に対し予め定めた位置関係を有し、対象物Ｗの被照射点Ｗｐで反射する照明光Ｉの反射光Ｉｒを受光する受光部１６と、受光部１６が受光した反射光Ｉｒを処理して被照射点Ｗｐの三次元測定データＭを取得する測定処理部１８とを備える。

レーザ加工システム１０は、対象物Ｗに切断、溶接、熱処理、マーキング等の様々なレーザ加工を施すための種々のシステム構成を有することができる。またレーザ加工システム１０は、照明光出射部１４と受光部１６と測定処理部１８とを備えたことにより、対象物Ｗが加工対象物（以下、ワークと称する）である場合の加工対象部位の位置、形状、加工品質等を測定したり、ワーク以外の対象物Ｗの外面の位置や形状を測定したりすることができる。

レーザ加工システム１０は通常、加工プログラムに従い、加工ヘッド１２を対象物（ワーク）Ｗに対し所定位置に配置した状態で、加工ヘッド１２が有する走査機能を用いてレーザ光Ｌを走査動作させることにより、対象物Ｗの加工対象部位に所望のレーザ加工を高速で実施することができる。或いは、加工ヘッド１２自体を揺動させてレーザ光Ｌを走査動作させることにより、対象物Ｗの加工対象部位に所望のレーザ加工を実施することもできる。さらにレーザ加工システム１０は、レーザ加工の開始前又は終了後に、レーザ光Ｌと同様の手法で照明光Ｉを走査動作させて、加工用光学系１１の光軸１１ａに沿って照明光Ｉを対象物Ｗに向けて出射させることで、加工対象部位に正確に対応する被照射点Ｗｐの、加工開始前の位置や形状を測定したり、加工終了後の加工品質（例えば形状）を測定したりすることができる。

加工開始前に測定した被照射点Ｗｐ（加工対象部位）の位置や形状のデータ（つまり三次元測定データＭ）は、必要に応じて、加工プログラムに含まれる加工ヘッド１２の位置指令や走査動作指令の補正に用いることができる。また加工終了後に測定した被照射点Ｗｐ（加工対象部位）の加工品質のデータ（三次元測定データＭ）は、必要に応じて、加工プログラムに含まれるレーザ発振パラメータ等の調整に用いることができる。なおレーザ加工システム１０が有する測定機能は、加工対象部位の測定に限定されず、例えば、加工対象部位の位置を相対的に表すことができるように対象物（ワーク）Ｗに設定された基準箇所（例えば板状ワークの角部）の位置の測定や、レーザ加工に際して干渉物となり得るワーク以外の対象物Ｗの外面の位置や形状の測定に用いることもできる。

上記構成を有するレーザ加工システム１０の機能を、図２に一実施形態として示すレーザ加工システム２０の構成を参照してさらに説明する。図２は、一実施形態によるレーザ加工システム２０を模式的に示すものであって、図１のレーザ加工システム１０の構成要素と対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

レーザ加工システム２０は、前述したレーザ加工システム１０の構成に加えて、レーザ光Ｌを発振するレーザ発振器２２と、照明光Ｉを生成する照明光生成部２４と、加工ヘッド１２に設けられ、レーザ光Ｌを対象物Ｗに対し走査動作させる走査装置２６とを備える。走査装置２６は例えば、直交３軸座標系において、互いに直交する第１軸及び第２軸の周りで個々に回転動作する２つのミラーからなる二次元スキャン部２８と、二次元スキャン部２８の前段に配置され、レーザ光Ｌの伝播方向へ平行移動する複数のレンズからなる集光点調整部３０とを有することができる。二次元スキャン部２８及び集光点調整部３０が適宜に動作することにより、走査装置２６から出射したレーザ光Ｌは、所望の空間位置に像を結ぶことができ、また所望の三次元軌跡に沿って結像点を移動させることができる。

加工ヘッド１２は、レーザ発振器２２で発振されたレーザ光Ｌを対象物（ワーク）Ｗの加工対象部位まで導くためのレンズやミラー等の加工用光学系１１を有する。この実施形態では、加工用光学系１１は、二次元スキャン部２８及び集光点調整部３０と、走査装置２６から走査式に出射されたレーザ光Ｌを一定の方向へ導いて集光する集光レンズ（一例としてｆθ（エフシータ）レンズ）３２とを含む。なお、例えばレーザ光Ｌの集光作用を集光点調整部３０の機能に依存する構成のように、集光レンズ３２を用いずに加工用光学系１１を構成することもできる。前述した図１のレーザ加工システム１０では、加工ヘッド１２の加工用光学系１１は適当なミラー又はレンズを少なくとも備えていればよい。二次元スキャン部２８を装備した走査装置の例として、ガルバノスキャナが知られている。

照明光出射部１４は、照明光生成部２４で生成された照明光Ｉを対象物Ｗの被照射点Ｗｐに照射するためのレンズやミラー等の照明用光学系３３を有する。この実施形態では、照明用光学系３３は、照明光Ｉを加工用光学系１１の光軸１１ａに沿って（つまり光軸１１ａを中心線として）伝播させるためのミキシングミラー３４を含む。この実施形態では、照明用光学系３３はさらに、加工用光学系１１の構成要素でもある二次元スキャン部２８、集光点調整部３０及び集光レンズ３２を含む。したがってこの実施形態では、照明用光学系３３は、ミキシングミラー３４の後段で加工用光学系１１の光軸１１ａに一致する光軸３３ａを有し、照明光出射部１４は、走査装置２６を介して照明光Ｉを加工ヘッド１２から走査式に出射させることができる。なお後述するように、照明光出射部１４は、照明用光学系３３の光軸３３ａが加工用光学系１１の光軸１１ａと一致することを条件として、走査装置２６とは異なる手段により、照明光Ｉを加工ヘッド１２から走査式に出射させることもできる。

ミキシングミラー３４は、図示のようにレーザ発振器２２と集光点調整部３０との間に配置される。この構成によれば、照明光Ｉをレーザ光Ｌと同様に所望の空間位置に結像させることができ、また後述するように、例えばガルバノスキャナのような既存の走査装置が有するガイド光生成機能を照明光生成部２４に流用することができる。或いは図示しないが、ミキシングミラー３４を、二次元スキャン部２８と集光点調整部３０との間に配置することもできる。この構成では、例えばレーザポインタのような、小径の平行光を生成する光源を照明光生成部２４に用いることで、集光点調整部３０の動作によらず常に照明光Ｉを被照射点Ｗｐに一様な照度で照射することができる。

受光部１６は、反射光Ｉｒを受光する受光素子３６（図３）と、反射光Ｉｒを受光素子に導くためのレンズ等の受光用光学系３８（図３）とを有する。受光部１６は、例えばＣＭＯＳイメージセンサ等の公知の撮像素子を内蔵したカメラの構成を有することができ、任意の露光時間で反射光Ｉｒを撮像処理することができる。なお照明光出射部１４と受光部１６とが予め定めた位置関係を有する構成は、例えば、加工ヘッド１２の筐体（図示せず）の外面に受光部１６を取り付けたり、共通の支持体（図示せず）に加工ヘッド１２と受光部１６との双方を取り付けたりすることで実現できる。なお、対象物Ｗの被照射点Ｗｐの位置によっては受光部１６が反射光Ｉｒを受光できない場合もあるので、必要に応じて複数の受光部１６を照明光出射部１４に対し所定の位置関係に設置して、個々の受光部１６が異なる被照射点Ｗｐの反射光Ｉｒを受光する構成とすることもできる。

測定処理部１８は、例えば電算機のＣＰＵ（中央処理装置）等のプロセッサを機能させるためのソフトウェアとして構成できる。或いは測定処理部１８は、例えば当該ソフトウェアの処理の一部又は全部を実行可能なプロセッサ等のハードウェアとして構成できる。図３は、測定処理部１８が実行する三次元測定データＭの測定処理の一例を模式的に示す。図示の測定処理の前提として、受光部１６の受光用光学系３８は、加工ヘッド１２の加工用光学系１１の光軸１１ａとは一致しない（つまり一致する部分を含まない）光軸３８ａを有する。図示の測定処理ではまず、照明光出射部１４の照明用光学系３３の出射端（例えば集光レンズ３２）と受光部１６の受光用光学系３８の入射端との距離Ｄと、距離Ｄに沿った線分ＤＬに対する照明光Ｉの集光レンズ３２からの出射角θと、線分ＤＬに対する反射光Ｉｒの受光用光学系３８への入射角φとを測定する。距離Ｄは設計上の既定値である。出射角θは、走査装置２６（特に二次元スキャン部２８）の走査動作指令から求めることができる。入射角φは、受光素子３６における入射点の座標値から求めることができる。距離Ｄ、出射角θ及び入射角φが測定されると、公知の三角測量処理により、対象物Ｗの被照射点Ｗｐの空間座標（すなわち三次元測定データＭ）を求めることができる。このように、測定処理部１８は、走査装置２６の動作情報を用いて三次元測定データＭを取得することができる。なお、レーザ加工システム１０、２０で採用可能な三次元測定手法は三角測量法に限定されない。

レーザ加工システム１０、２０では、三次元測定データＭの測定処理の他の例として、三角測量法の一種として知られる光切断法を採用できる。光切断法では、照明光出射部１４は、線状の照明光（つまりスリット光）Ｉを対象物Ｗに照射し、受光部１６は、被照射点Ｗｐにおける線状の反射光Ｉｒを撮像処理し、測定処理部１８は、受光部１６が撮像処理した線状の反射光Ｉｒを三角測量処理して三次元測定データＭを取得する。線状の照明光Ｉで照射される被照射点Ｗｐの位置を平行移動させて、個々の位置で線状の反射光Ｉｒの三角測量処理を行うことにより、対象物Ｗの三次元形状を取得することができる。

特にレーザ加工システム２０では、線状の照明光（スリット光）Ｉを用いずに、走査装置２６の動作により擬似的な光切断法を実行することもできる。この構成では、照明光出射部１４は、走査装置２６の二次元スキャン部２８の第１のミラーの回転動作により、照明光Ｉを第１の方向へ高速で走査しながら対象物Ｗに向けて出射させ、照明光Ｉを、その結像点が対象物Ｗの表面に沿って連続的に移動するように対象物Ｗに照射する。受光部１６は、第１の方向へ連続的に移動する結像点の軌跡を任意の露光時間で撮像処理し、線状（破線状又は実線状）に連なる反射光Ｉｒの撮像データを得る。測定処理部１８は、受光部１６が得た線状に連なる反射光Ｉｒの撮像データを三角測量処理して、被照射点Ｗｐの三次元測定データＭを取得する。

さらに照明光出射部１４は、走査装置２６の二次元スキャン部２８の第２のミラーの回転動作により、連続的に移動する結像点の軌跡の位置を第１の方向に交差する第２の方向へ平行移動させることができる。個々の位置で受光部１６が得た線状に連なる反射光Ｉｒの撮像データを、測定処理部１８が三角測量処理することにより、対象物Ｗの三次元形状を取得することができる。なお後述するように、レーザ加工システム２０が対象物Ｗと加工ヘッド１２及び受光部１６とを相対的に移動させる移動装置を有する構成では、走査装置２６の二次元スキャン部２８の第２のミラーの回転動作に代えて、移動装置の動作により、連続的に移動する結像点の軌跡の位置を第２の方向へ移動させることもできる。

図４は、上記したレーザ加工システム１０、２０の一適用例を模式的に示す。この適用例では、加工ヘッド１２及び受光部１６は、互いに所定の相対位置関係を有する状態で、垂直多関節型のロボット４０のアーム先端（すなわち手首）４２に取り付けられる。図示の例では、加工ヘッド１２の筐体外面の所定位置に受光部１６が固定されている。ロボット４０は、対象物Ｗと加工ヘッド１２及び受光部１６とを相対的に移動させる移動装置（図９を参照して後述する）の一実施例である。ロボット４０にはロボットコントローラ４４が接続され、ロボットコントローラ４４にはコンピュータ４６が接続される。ロボットコントローラ４４は、ロボット４０（移動装置）の動作を制御する動作制御部（図９を参照して後述する）の一実施例である。コンピュータ４６は、ロボット４０を動作させるためのプログラムに基づいてロボットコントローラ４４に動作指令を送ることができ、ロボットコントローラ４４はこの動作指令に従ってロボット４０を動作させることができる。またオペレータは、ロボットコントローラ４４を用いて、所要の動作パラメータを入力したりロボット４０をジョグ送り動作させたりすることができる。なおロボット４０の機械構成（軸構成）は図示の垂直多関節型に限定されず、ガントリ型、パラレルリンク型等の種々の機械構成（軸構成）を有することができる。

図４の適用例では、レーザ発振器２２は、レーザ加工の種類に応じた様々な出力のレーザ光Ｌを様々な媒体を用いて発振するための種々の構成を有することができる。レーザ発振器２２は、光ファイバ、反射鏡等を含む導光部材４８を介して加工ヘッド１２に接続され、レーザ発振器２２で発振されたレーザ光Ｌが導光部材４８により加工ヘッド１２に導かれる。加工ヘッド１２は、予め用意された加工プログラムに従い、例えば走査装置２６（図２）によってレーザ光Ｌを走査動作させながら連続的又は断続的に出射して、対象物（ワーク）Ｗの加工対象部位に種々のレーザ加工を施すことができる。またロボット４０は、加工プログラムに従い、レーザ光Ｌの非出射時又は出射中に、加工ヘッド１２を位置決めしたり揺動させたりすることができる。さらに加工ヘッド１２は、予め用意された測定プログラムに従い、例えば走査装置２６（図２）によって照明光Ｉを走査動作させながら連続的又は断続的に出射して、対象物Ｗの被照射点Ｗｐを照射することができる。またロボット４０は、測定プログラムに従い、走査装置２６の動作とは別に又は重畳して、加工ヘッド１２を揺動させることができる。なおロボット４０は、加工ヘッド１２を所望の位置及び所望の姿勢に配置することができる（本明細書では位置及び姿勢を「位置」と総称する場合もある）。

コンピュータ４６は、加工ヘッド１２（走査装置２６）を動作させるためのプログラムに基づいて加工ヘッド１２（走査装置２６）に動作指令を送ることができる。コンピュータ４６は、この動作指令に従って加工ヘッド１２（走査装置２６）を動作（つまりレーザ光Ｌ又は照明光Ｉを走査動作）させる走査動作制御部（図１０を参照して後述する）の機能を有することもできる。またコンピュータ４６は、レーザ発振器２２を動作させるためのプログラムに基づいてレーザ発振器２２に動作指令を送ることができる。コンピュータ４６は、この動作指令に従ってレーザ発振器２２にレーザ光Ｌを発振させる発振制御部（図７を参照して後述する）の機能を有することもできる。レーザ発振器２２に対する動作指令については、コンピュータ４６から、加工ヘッド１２に対する動作指令と共に加工ヘッド１２へ送られ、さらに加工ヘッド１２からレーザ発振器２２へ送られるように構成できる。この構成によれば、加工ヘッド１２に対する動作指令とレーザ発振器２２に対する動作指令とを同期させることが容易になる。或いはレーザ発振器２２に対する動作指令を、コンピュータ４６からレーザ発振器２２へ直接送る構成とすることもできる。

コンピュータ４６は、照明光生成部２４（図２）を動作させるためのプログラムに基づいて照明光生成部２４に動作指令を送ることができる。コンピュータ４６は、この動作指令に従って照明光生成部２４に照明光Ｉを生成させる生成制御部の機能を有することもできる。さらにコンピュータ４６は、受光部１６が受光した反射光Ｉｒを処理して、被照射点Ｗｐの三次元測定データＭを取得する測定処理部１８（図２）の機能を有することができる。

図５は、上記したレーザ加工システム１０、２０の他の適用例を模式的に示す。この適用例では、加工ヘッド１２及び受光部１６は、互いに所定の相対位置関係を有する状態で、立型の工作機械５０の主軸頭５２に取り付けられる。図示の例では、加工ヘッド１２の筐体外面の所定位置に受光部１６が固定されている。工作機械５０は、対象物Ｗと加工ヘッド１２及び受光部１６とを相対的に移動させる移動装置の他の実施例である。工作機械５０には数値制御装置等の制御装置５４が接続される。制御装置５４は、工作機械５０（移動装置）の動作を制御する動作制御部の一実施例である。制御装置５４は、工作機械５０を動作させるためのプログラムに基づいて工作機械５０に動作指令を送ることができる。図示の例では、テーブル５６を駆動するＸ軸モータ５８及びＹ軸モータ６０に、それぞれのドライバ（図示せず）を介して制御装置５４からＸ軸移動指令及びＹ軸移動指令が送られ、主軸頭５２を駆動するＺ軸モータ６２に、そのドライバ（図示せず）を介して制御装置５４からＺ軸移動指令が送られる。なお工作機械５０の機械構成（軸構成）は図示の立型に限定されず、横型、マシニングセンタ等の種々の機械構成（軸構成）を有することができる。

図５の適用例では、レーザ発振器２２は、レーザ加工の種類に応じた様々な出力のレーザ光Ｌを様々な媒体を用いて発振するための種々の構成を有することができる。レーザ発振器２２は、光ファイバ、反射鏡等を含む導光部材６４を介して加工ヘッド１２に接続され、レーザ発振器２２で発振されたレーザ光Ｌが導光部材６４により加工ヘッド１２に導かれる。加工ヘッド１２は、予め用意された加工プログラムに従い、例えば走査装置２６（図２）によってレーザ光Ｌを走査動作させながら連続的又は断続的に出射して、対象物（ワーク）Ｗの加工対象部位に種々のレーザ加工を施すことができる。また工作機械５０は、加工プログラムに従い、レーザ光Ｌの非出射時又は出射中に、加工ヘッド１２とテーブル５６とを相対移動させることができる。さらに加工ヘッド１２は、予め用意された測定プログラムに従い、例えば走査装置２６（図２）によって照明光Ｉを走査動作させながら連続的又は断続的に出射して、対象物Ｗの被照射点Ｗｐを照射することができる。また工作機械５０は、測定プログラムに従い、走査装置２６の動作とは別に又は重畳して、加工ヘッド１２とテーブル５６とを相対移動させることができる。

制御装置５４は、加工ヘッド１２（走査装置２６）を動作させるためのプログラムに基づいて加工ヘッド１２（走査装置２６）に動作指令を送ることができる。制御装置５４は、この動作指令に従って加工ヘッド１２（走査装置２６）を動作（つまりレーザ光Ｌ又は照明光Ｉを走査動作）させる走査動作制御部の機能を有することもできる。また制御装置５４は、レーザ発振器２２を動作させるためのプログラムに基づいてレーザ発振器２２に動作指令を送ることができる。制御装置５４は、この動作指令に従ってレーザ発振器２２にレーザ光Ｌを発振させる発振制御部の機能を有することもできる。レーザ発振器２２に対する動作指令については、制御装置５４から、加工ヘッド１２に対する動作指令と共に加工ヘッド１２へ送られ、さらに加工ヘッド１２からレーザ発振器２２へ送られるように構成できる。この構成によれば、加工ヘッド１２に対する動作指令とレーザ発振器２２に対する動作指令とを同期させることが容易になる。或いはレーザ発振器２２に対する動作指令を、制御装置５４からレーザ発振器２２へ直接送る構成とすることもできる。

制御装置５４は、照明光生成部２４（図２）を動作させるためのプログラムに基づいて照明光生成部２４に動作指令を送ることができる。制御装置５４は、この動作指令に従って照明光生成部２４に照明光Ｉを生成させる生成制御部の機能を有することもできる。さらに制御装置５４は、受光部１６が受光した反射光Ｉｒを処理して、被照射点Ｗｐの三次元測定データＭを取得する測定処理部１８（図２）の機能を有することができる。

上記構成を有するレーザ加工システム１０、２０は、加工ヘッド１２に設けられた照明光出射部１４が、加工用光学系１１の光軸１１ａに沿って照明光Ｉを対象物Ｗに向けて出射させる一方、照明光出射部１４に対し予め定めた位置関係を有する受光部１６が、対象物Ｗの被照射点Ｗｐで反射する照明光Ｉの反射光Ｉｒを受光する構成としたから、加工ヘッド１２や受光部１６が熱変位や経年変化に曝された場合にも、加工ヘッド１２と受光部１６との相対位置関係の変動に起因する測定機能への影響を低減できる。

図３を参照して補足説明すると、まず図示の構成において、加工ヘッド１２や受光部１６が熱変位や経年変化に曝された結果、照明光出射部１４と受光部１６との距離ＤがＤ′(図示せず)に変動し、それに伴い、同じ被照射点Ｗｐの反射光Ｉｒの入射角φがφ′(図示せず)に変動した状況を想定する。入射角φがφ′に変動すると、距離Ｄを既定値として求められる被照射点Ｗｐの空間座標（三次元測定データＭ）も変動するので、三次元測定データＭは、照明光出射部１４と受光部１６との位置関係の変動に起因する誤差量Δ（図示せず）を含むものとなる。その一方で、照明光出射部１４を有する加工ヘッド１２の位置自体が受光部１６に対する相対的変動を含んでおり、しかも測定時の照明光Ｉは加工時のレーザ光Ｌが伝播する光軸１１ａに沿って伝播して被照射点Ｗｐを照射する（つまり測定時の照明光Ｉの出射角θも加工時のレーザ光Ｌの出射角θも共通の相対的変動を含んでいる）。したがって、例えば三次元測定データＭを用いて加工ヘッド１２の位置指令や走査動作指令を補正する構成において、三次元測定データＭが誤差量Δを含んでいたとしても、誤差量Δは加工ヘッド１２の位置自体の相対的変動により相殺され、結果として補正後の指令に従い、測定した被照射点Ｗｐに対応する加工前の加工対象部位にレーザ光Ｌを正確に照射することができる。また、例えば三次元測定データＭを用いて対象物Ｗの加工対象部位の加工品質を検証する構成において、三次元測定データＭが誤差量Δを含んでいたとしても、誤差量Δは加工ヘッド１２の位置自体の相対的変動により相殺され、結果として、測定した被照射点Ｗｐに対応する加工後の加工対象部位の加工品質を正確に検証することができる。

これに対し、例えば、照明光出射部１４を備えない従来公知の加工ヘッドと、投光光学系と受光光学系とを備える従来公知の測定装置とを具備したシステム構成では、加工ヘッドや測定装置が熱変位や経年変化に曝された場合に、測定装置の測定結果を加工ヘッドの位置や走査動作の補正に用いると、加工ヘッドと測定装置との相対位置関係の変動に起因して、補正後の指令では目標の加工対象部位からずれた位置にレーザ光が照射される状況が生じ得る。このように、レーザ加工システム１０、２０においては、熱変位や経年変化の影響を受けることなく、測定処理部１８が取得した被照射点Ｗｐの三次元測定データＭを用いて、加工ヘッド１２の位置指令や走査動作指令の補正の要否の検討、対象物Ｗの加工対象部位の加工品質の検証等を、適正に行うことができる。したがってレーザ加工システム１０、２０によれば、適正な補正後の指令により加工精度を向上でき、また適正な検証に基づくパラメータ変更等により加工品質を向上できる。

図１のレーザ加工システム１０は、図２のレーザ加工システム２０だけでなく、他の構成を有する種々の実施形態として実現できる。以下、図６〜図１２を参照して、種々の実施形態によるレーザ加工システムの構成を説明する。

図６は、図１のレーザ加工システム１０の構成を有する他の実施形態によるレーザ加工システム７０を機能ブロックで示す。図６において、レーザ加工システム１０の構成要素と対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

レーザ加工システム７０では、加工ヘッド１２は、対象物Ｗ（図１）におけるレーザ光Ｌ（図１）の照射位置を可視化するためのガイド光を生成するガイド光生成部７２を有する。ガイド光生成部７２は、図２のレーザ加工システム２０が有する照明光生成部２４に対応する機能を有し、照明光生成部２４に代えて加工ヘッド１２に装備されるものである。照明光出射部１４は、ガイド光生成部７２が生成したガイド光を照明光Ｉ（図１）として、加工ヘッド１２から出射させる。

レーザ加工システム７０は、図２のレーザ加工システム２０の光学系１１、３３、３８に対応する光学系１１、３３、３８を有することができる。この構成では、ガイド光生成部７２が生成したガイド光（照明光Ｉ）は、ミキシングミラー３４により、加工用光学系１１の光軸１１ａ（図１）に沿った伝播状態とされて、走査装置２６に導かれる。この構成によれば、ガイド光をレーザ光Ｌと同様に所望の空間位置に集光させることができる。例えばガルバノスキャナのような既存の走査装置において、二次元スキャン部２８、集光点調整部３０及び集光レンズ３２に加えて、ガイド光生成部７２及びミキシングミラー３４を装備したものが知られている。レーザ加工システム７０は、そのような既存の走査装置を加工ヘッド１２に装備することで構成することもできる。

図７は、図１のレーザ加工システム１０の構成を有するさらに他の実施形態によるレーザ加工システム８０を機能ブロックで示す。図７において、レーザ加工システム１０の構成要素と対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

レーザ加工システム８０は、レーザ光Ｌ（図１）を発振するレーザ発振器８２と、レーザ発振器８２を制御する発振制御部８４とをさらに備える。発振制御部８４は、加工用のレーザ光Ｌと、加工用のレーザ光Ｌとは異なる照明用のレーザ光Ｌ′（図示せず）とを、レーザ発振器８２に択一的に発振させることができる。照明用レーザ光Ｌ′は、加工用レーザ光Ｌに比べて光強度の低いものである。またレーザ発振器８２は、図２のレーザ加工システム２０が有するレーザ発振器２２に対応するものである。或いは、レーザ加工システム２０が有する照明光生成部２４に代えて、第２のレーザ発振器８２を備えることもできる。照明光出射部１４は、照明用レーザ光Ｌ′を照明光Ｉ（図１）として加工ヘッド１２から出射させる。なお発振制御部８４は、例えば電算機のＣＰＵ（中央処理装置）等のプロセッサを機能させるためのソフトウェアとして構成できる。或いは発振制御部８４は、例えば当該ソフトウェアの処理の一部又は全部を実行可能なプロセッサ等のハードウェアとして構成できる。

レーザ加工システム８０は、図２のレーザ加工システム２０の光学系１１、３３、３８に対応する光学系１１、３３、３８を有することができる。レーザ発振器８２がレーザ発振器２２に対応する構成では、ミキシングミラー３４は不要であり、照明用レーザ光Ｌ′（照明光Ｉ）は加工用光学系１１の光軸１１ａ（図１）に沿った伝播状態で走査装置２６に導かれる。他方、レーザ発振器８２が照明光生成部２４に対応する構成では、照明用レーザ光Ｌ′（照明光Ｉ）は、ミキシングミラー３４により、加工用光学系１１の光軸１１ａ（図１）に沿った伝播状態とされて、走査装置２６に導かれる。いずれの場合も、照明用レーザ光Ｌ′は、加工用レーザ光Ｌと同様に所望の空間位置に像を結ぶことができる。図６のレーザ加工システム７０及び図７のレーザ加工システム８０はいずれも、既存の走査式レーザ加工システムの構成を適宜流用できる利点がある。

図８は、図１のレーザ加工システム１０の構成を有するさらに他の実施形態によるレーザ加工システム９０を機能ブロックで示す。図８において、レーザ加工システム１０の構成要素と対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

レーザ加工システム９０では、照明光出射部１４は、照明光Ｉ（図１）をスリット状に成形するスリット光生成部９２を有する。スリット光生成部９２は、例えば、照明用光学系と受光用光学系との双方を備える従来公知の測定装置が有するシリンドリカルレンズと称する光学要素から構成できる。シリンドリカルレンズは、例えば図２のレーザ加工システム２０が有する照明光生成部２４の後段に配置できる。シリンドリカルレンズを有する測定装置は、光切断法として知られる三角測量法を実行できるものである。照明光出射部１４は、スリット状に成形された照明光Ｉを加工ヘッド１２から出射させる。

レーザ加工システム９０は、図２のレーザ加工システム２０の光学系１１、３３、３８に対応する光学系１１、３３、３８を有することができる。この構成では、スリット光生成部９２によりスリット状に成形された照明光Ｉは、ミキシングミラー３４により、加工用光学系１１の光軸１１ａ（図１）に沿った伝播状態とされて、走査装置２６に導かれる。この構成によれば、スリット状の照明光Ｉをレーザ光Ｌと同様に所望の空間位置に結像させることができる。スリット状の照明光Ｉを用いることにより、例えば二次元スキャン部２８の１つのミラーのみを動作させてスリット状の照明光Ｉを平行移動させることで、測定に必要な走査動作を照明光Ｉに行わせることもできる。

前述したように、照明光出射部１４が、走査装置２６の第１のミラーの高速回転動作により照明光Ｉを第１の方向へ走査して対象物Ｗに照射し、測定処理部１８が、対象物Ｗに沿って移動する照明光Ｉの結像点の軌跡を線状に連続する被照射点Ｗｐの反射光Ｉｒとして処理する構成では、走査装置２６、或いはその走査動作を制御する走査動作制御部（図１０を参照して後述する）が、スリット光生成部９２として機能する。この構成では、シリンドリカルレンズのような追加の光学要素が不要となる。なおスリット光生成部９２を、前述したレーザ加工システム７０、８０に追加して装備することもできる。

図９は、図１のレーザ加工システム１０の構成を有するさらに他の実施形態によるレーザ加工システム１００を機能ブロックで示す。図９において、レーザ加工システム１０の構成要素と対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

レーザ加工システム１００は、対象物Ｗと加工ヘッド１２及び受光部１６とを相対的に移動させる移動装置１０２と、移動装置１０２の動作を制御する動作制御部１０４とをさらに備える。動作制御部１０４は、照明光出射部１４が加工ヘッド１２から出射させた照明光Ｉ（図１）を、移動装置１０２の動作により走査動作させることができる。なお動作制御部１０４は、例えば電算機のＣＰＵ（中央処理装置）等のプロセッサを機能させるためのソフトウェアとして構成できる。或いは動作制御部１０４は、例えば当該ソフトウェアの処理の一部又は全部を実行可能なプロセッサ等のハードウェアとして構成できる。

レーザ加工システム１００は、図２のレーザ加工システム２０の光学系１１、３３、３８に対応する光学系１１、３３、３８を有することができる。この構成では、加工ヘッド１２から出射した照明光Ｉを、走査装置２６の動作によらずに、移動装置１０２の動作により走査動作させて、所望の空間位置に結像させることができる。或いは、走査装置２６の動作と移動装置１０２の動作とを重畳させることにより、照明光Ｉを所望の空間位置に結像させることもできる。走査装置２６の動作だけでは対象物Ｗに対する照明光Ｉの走査領域を確保できない場合に、移動装置１０２を動作させることで照明光Ｉの走査領域を確保できる。この構成では、測定処理部１８は、走査装置２６及び移動装置１０２の少なくとも一方の動作情報を用いて三次元測定データＭを取得することができる。

レーザ加工システム１００はさらに、測定処理部１８が取得した三次元測定データＭに基づき移動装置１０２の動作を補正する動作補正部１０６を備えることができる。動作補正部１０６は、加工プログラムに記述された移動装置１０２の位置指令と加工ヘッド１２（走査装置２６）の動作指令とから、目標とする加工対象部位の位置（三次元座標）を求め、この目標位置と三次元測定データＭとの誤差が所定の閾値を超える場合に、移動装置１０２の位置指令を変更する補正を行うことができる。具体的には、動作補正部１０６は、目標位置と三次元測定データＭとの誤差をオフセット量として加工プログラムに書き込んだり、場合によっては加工プログラム自体を書き換えたりすることができる。同様に動作補正部１０６は、加工プログラムに記述された移動装置１０２の動作指令（加工ヘッド１２を揺動させる指令）から、目標とする加工対象部位の位置（三次元座標）を求め、この目標位置と三次元測定データＭとの誤差が所定の閾値を超える場合に、移動装置１０２の動作指令を変更する補正を行うこともできる。なお動作補正部１０６は、例えば電算機のＣＰＵ（中央処理装置）等のプロセッサを機能させるためのソフトウェアとして構成できる。或いは動作補正部１０６は、例えば当該ソフトウェアの処理の一部又は全部を実行可能なプロセッサ等のハードウェアとして構成できる。なお移動装置１０２、動作制御部１０４及び動作補正部１０６を、前述したレーザ加工システム７０、８０、９０に追加して装備することもできる。

図１０は、図１のレーザ加工システム１０の構成を有するさらに他の実施形態によるレーザ加工システム１１０を機能ブロックで示す。図１０において、レーザ加工システム１０の構成要素と対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

レーザ加工システム１１０は、レーザ光Ｌ又は照明光Ｉの走査動作を制御する走査動作制御部１１２と、測定処理部１８が取得した三次元測定データＭに基づきレーザ光Ｌの走査動作を補正する走査動作補正部１１４とをさらに備える。走査動作制御部１１２は、加工プログラムに記述されたレーザ光Ｌの走査動作指令に従いレーザ光Ｌを走査動作させることができ、また測定プログラムに記述された照明光Ｉの走査動作指令に従い照明光Ｉを走査動作させることができる。走査動作補正部１１４は、レーザ光Ｌの走査動作指令から目標とする加工対象部位の位置（三次元座標）を求め、この目標位置と三次元測定データＭとの誤差が所定の閾値を超える場合に、誤差を低減又は排除するようにレーザ光Ｌの走査動作を補正することができる。なお走査動作制御部１１２及び走査動作補正部１１４は、例えば電算機のＣＰＵ（中央処理装置）等のプロセッサを機能させるためのソフトウェアとして構成できる。或いは走査動作制御部１１２及び走査動作補正部１１４は、例えば当該ソフトウェアの処理の一部又は全部を実行可能なプロセッサ等のハードウェアとして構成できる。

レーザ加工システム１１０は、図２のレーザ加工システム２０の光学系１１、３３、３８に対応する光学系１１、３３、３８を有することができる。さらにレーザ加工システム１１０は、図９のレーザ加工システム１００の移動装置１０２を備えることができる。この構成では、走査動作制御部１１２は、レーザ光Ｌ又は照明光Ｉの走査動作指令に従い、走査装置２６や移動装置１０２の動作を制御することができる。走査動作補正部１１４は、加工プログラムに記述された移動装置１０２の位置指令と加工ヘッド１２（走査装置２６）の動作指令とから、目標とする加工対象部位の位置（三次元座標）を求め、この目標位置と三次元測定データＭとの誤差が所定の閾値を超える場合に、移動装置１０２の位置指令及び走査装置２６の動作指令の少なくとも一方を変更する補正を行って、変更後の指令を走査動作制御部１１２に与えることができる。

走査動作制御部１１２は、対象物Ｗの被照射点Ｗｐを測定する際に要求される測定精度に応じて、照明光Ｉの走査動作を制御するように構成することもできる。走査動作制御部１１２は例えば、要求される測定精度に応じて、対象物Ｗを走査する照明光Ｉのライン密度（つまり前述した連続的に移動する結像点の軌跡の並列密度）を変更するように、照明光Ｉを走査動作させることができる。具体的には、測定精度が低い場合には照明光Ｉのライン密度を小さく（例えばライン間隔１ｍｍ程度、隣接ライン間の照明光Ｉの角度１°程度、等）し、測定精度が高い場合には照明光Ｉのライン密度をその１０倍程度にすることができる。このような照明光Ｉの走査動作の制御は、異なる対象物Ｗに要求される異なる測定精度に応じるように実行することもできるし、１つの対象物Ｗにおいて要求される測定精度が異なる被照射点Ｗｐに応じるように実行することもできる。なお走査動作制御部１１２及び走査動作補正部１１４を、前述したレーザ加工システム７０、８０、９０に追加して装備することもできる。

図１１は、図１のレーザ加工システム１０の構成を有するさらに他の実施形態によるレーザ加工システム１２０を機能ブロックで示す。図１１において、レーザ加工システム１０の構成要素と対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

レーザ加工システム１２０は、測定処理部１８が取得した三次元測定データＭに基づき被照射点Ｗｐの形状（狭義の形状及び寸法を含む）を表す画像を生成する画像処理部１２２をさらに備える。画像処理部１２２は、加工終了後に測定した被照射点Ｗｐ（加工対象部位）の三次元測定データＭを画像処理して、被照射点Ｗｐの形状や寸法を線画、色彩、数値等で表現する画像を、例えば表示装置（図示せず）に表示させることができる。オペレータは、表示装置に表示された画像に基づき被照射点Ｗｐ（加工対象部位）の加工品質を検証し、必要に応じて、加工プログラムに含まれるレーザ発振パラメータ等の調整を行うことができる。なお画像処理部１２２は、例えば電算機のＣＰＵ（中央処理装置）等のプロセッサを機能させるためのソフトウェアとして構成できる。或いは画像処理部１２２は、例えば当該ソフトウェアの処理の一部又は全部を実行可能なプロセッサ等のハードウェアとして構成できる。

被照射点Ｗｐ（加工対象部位）の三次元測定データＭから検証可能な加工品質は、例えば、溶接された２部材の相対位置精度、溶接や切断等の加工部位の形状精度等であることができる。具体的には、レーザ溶接において検証される加工品質として、目違い、外観（凹凸等）、のど厚、ビード形状、オーバラップ、アンダカット、割れ等を挙げることができる。また、レーザ半田付けにおいて検証される加工品質として、はんだの寸法や形状、ランドとはんだとの相対位置等を挙げることができる。なお画像処理部１２２を、前述したレーザ加工システム７０、８０、９０、１００、１１０に追加して装備することもできる。

図１２は、図１のレーザ加工システム１０の構成を有するさらに他の実施形態によるレーザ加工システム１３０を機能ブロックで示す。図１２において、レーザ加工システム１０の構成要素と対応する構成要素には共通の参照符号を付す。

レーザ加工システム１３０は、測定処理部１８が取得した三次元測定データＭに基づき、対象物Ｗにおいてレーザ光Ｌ又は照明光Ｉが照射されない死角領域を識別する死角識別部１３２をさらに備える。死角識別部１３２は、対象物Ｗの被照射点Ｗｐのうち、三次元測定データＭが得られなかった被照射点Ｗｐに相当する空間位置を、当該被照射点Ｗｐに照明光Ｉを照射したときの加工ヘッド１２の位置では被照射点Ｗｐをレーザ加工することができない「死角領域」として識別することができる。前述したように、複数の受光部１６を適宜に配置することで「死角領域」をある程度減らすことは可能であるが、死角識別部１３２を備えることで対象物Ｗの形状変更等に対処できる。なお死角識別部１３２は、例えば電算機のＣＰＵ（中央処理装置）等のプロセッサを機能させるためのソフトウェアとして構成できる。或いは死角識別部１３２は、例えば当該ソフトウェアの処理の一部又は全部を実行可能なプロセッサ等のハードウェアとして構成できる。

レーザ加工システム１３０は、図２のレーザ加工システム２０の光学系１１、３３、３８に対応する光学系１１、３３、３８を有することができる。さらにレーザ加工システム１３０は、図９のレーザ加工システム１００の移動装置１０２、動作制御部１０４及び動作補正部１０６や、図１０のレーザ加工システム１１０の走査動作制御部１１２、走査動作補正部１１４を備えることができる。この構成では、死角識別部１３２が対象物Ｗにおける死角領域を識別したときに、当該死角領域をレーザ加工できるように、移動装置１０２の位置指令や、走査装置２６及び移動装置１０２の動作指令（レーザ光Ｌの走査動作指令）を補正することができる。また、死角識別部１３２が対象物Ｗにおける死角領域を識別したときに、当該死角領域を測定できるように、移動装置１０２の位置指令や、走査装置２６及び移動装置１０２の動作指令（照明光Ｉの走査動作指令）を補正することができる。なお死角識別部１３２を、前述したレーザ加工システム７０、８０、９０、１２０に追加して装備することもできる。

以上、本発明の種々の実施形態の構成を図面に基づいて説明したが、本発明は上述した構成に限定されず、様々な修正を施すことができる。

１０、２０、７０、８０、９０、１００、１１０、１２０ レーザ加工システム
１１ 加工用光学系
１２ 加工ヘッド
１４ 照明光出射部
１６ 受光部
１８ 測定処理部
２２、８２ レーザ発振器
２４ 照明光生成部
２６ 走査装置
３３ 照明用光学系
３８ 受光用光学系
４０ 制御装置
７２ ガイド光生成部
８４ 発振制御部
９２ スリット光生成部
１０２ 移動装置
１０４ 動作制御部
１０６ 動作補正部
１１２ 走査動作制御部
１１４ 走査動作補正部
１２２ 画像処理部
１３２ 死角識別部

Claims (11)

1. 加工用光学系を通してレーザ光を対象物に走査式に照射する加工ヘッドと、
   前記加工ヘッドに設けられ、前記レーザ光を走査動作させる走査装置と、
   前記加工ヘッドに設けられ、前記加工用光学系の光軸に沿って照明光を前記加工ヘッドから対象物に向けて出射させる照明光出射部であって、前記走査装置を介して前記照明光を前記加工ヘッドから走査式に出射させる照明光出射部と、
   前記照明光出射部に対し予め定めた位置関係を有するとともに、前記加工用光学系の光軸と一致しない光軸を有し、対象物の被照射点で反射する前記照明光の反射光を受光する受光部と、
   前記加工ヘッドから出射した前記照明光の出射角と前記受光部が受光した前記反射光の入射角とに基づき三角測量処理を実行して前記被照射点の三次元測定データを取得する測定処理部と、
   を備えるレーザ加工システム。
2. 前記照明光出射部は、前記走査装置の動作により前記照明光を第１の方向へ走査して対象物に照射し、前記受光部は、対象物に沿って該第１の方向へ移動する前記照明光の結像点の軌跡を処理して、線状に連なる前記反射光の撮像データを取得し、前記測定処理部は、該撮像データを処理して前記三次元測定データを取得する、請求項１に記載のレーザ加工システム。
3. 前記照明光出射部は、前記走査装置の動作により、前記結像点の軌跡の位置を前記第１の方向に交差する第２の方向へ移動させる、請求項２に記載のレーザ加工システム。
4. 対象物と前記加工ヘッド及び前記受光部とを相対的に移動させる移動装置と、該移動装置の動作を制御する動作制御部とをさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工システム。
5. 前記動作制御部は、前記移動装置の動作により前記照明光を走査動作させることができる、請求項４に記載のレーザ加工システム。
6. 前記三次元測定データに基づき前記移動装置の動作を補正する動作補正部をさらに備える、請求項４又は５に記載のレーザ加工システム。
7. 前記レーザ光又は前記照明光の走査動作を制御する走査動作制御部と、前記三次元測定データに基づき前記レーザ光の走査動作を補正する走査動作補正部とをさらに備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工システム。
8. 前記三次元測定データに基づき前記被照射点の形状を表す画像を生成する画像処理部をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載のレーザ加工システム。
9. 前記三次元測定データに基づき、対象物において前記レーザ光又は前記照明光が照射されない死角領域を識別する死角識別部をさらに備える、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレーザ加工システム。
10. 前記加工ヘッドは、対象物における前記レーザ光の照射位置を可視化するためのガイド光を生成するガイド光生成部を有し、
    前記照明光出射部は、該ガイド光を前記照明光として前記加工ヘッドから出射させる、請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザ加工システム。
11. レーザ光を発振するレーザ発振器と、該レーザ発振器を制御する発振制御部とをさらに備え、該発振制御部は、加工用レーザ光と、該加工用レーザ光とは異なる照明用レーザ光とを、該レーザ発振器に択一的に発振させることができ、
    前記照明光出射部は、該照明用レーザ光を前記照明光として前記加工ヘッドから出射させる、請求項１〜９のいずれか１項に記載のレーザ加工システム。