JP7405986B2 - レーザ加工システム - Google Patents

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Description

本発明は、レーザ加工システムに関する。
レーザ溶接において、ロボットにより設計上のワークの継ぎ目に沿って移動させられる加工ヘッドに、角度を調節可能な反射鏡を用いてレーザ光の照射位置（出射方向）を逐次調節するガルバノスキャナと、実際のワークの継ぎ目の位置（継ぎ目の蛇行）を検出するトラッキングセンサとを設け、ワークの継ぎ目に正確にレーザ光を照射するシームトラッキング溶接が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１８－１７６１６４号公報
例えばプレス加工した２枚の鋼板を溶接する場合、プレス加工の加工誤差、仮止めのためのスポット溶接の熱応力による変形等の要因によりワークの継ぎ目が蛇行して、実際の継ぎ目の位置が設計上の継ぎ目の位置から大きく離れる場合がある。このようにワークの継ぎ目が大きく蛇行している場合、継ぎ目がトラッキングセンサの検出範囲から外れる可能性がある。トラッキングセンサが継ぎ目の位置を検出できなくなると、レーザ溶接を継続できなくなる。このため、ワークの継ぎ目が蛇行していても正確に加工を行うことができるレーザ加工システムが望まれる。
本開示の一態様に係るレーザ加工システムは、レーザ光の照射位置を調整するガルバノスキャナを有するレーザ光学系とワークの継ぎ目を検出するトラッキングセンサとを有するレーザ加工ヘッドと、前記レーザ加工ヘッドを位置決めする加工ロボットと、前記ワークを保持する保持ロボットと、設計上の前記継ぎ目に前記レーザ加工ヘッドを対向させ、設計上の前記継ぎ目に沿って前記レーザ加工ヘッドを移動させるよう前記加工ロボットを制御する加工ロボット制御部と、前記トラッキングセンサが検出した前記継ぎ目の位置と前記トラッキングセンサの検出範囲の中央との距離が所定範囲内に収まるように前記加工ロボットによる前記レーザ加工ヘッドの移動方向と交差する方向に前記ワークを移動させるよう前記保持ロボットを制御する保持ロボット制御部と、前記トラッキングセンサが検出した前記継ぎ目の位置から前記保持ロボットによる前記ワークの移動量だけオフセットした位置に前記レーザ光の照射位置を定めるよう前記ガルバノスキャナを制御するガルバノスキャナ制御部と、を備える。
本開示に係るレーザ加工システムによれば、ワークの継ぎ目が蛇行していても正確に加工を行うことができる。
本開示の一実施形態に係るレーザ加工システムの構成を示す模式図である。 図１のレーザ加工システムの制御の手順を示すフローチャートである。
以下、本開示に係るレーザ加工システムの実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本開示の一実施形態に係るレーザ加工システム１の構成を示す模式図である。
レーザ加工システム１は、ワークＷの継ぎ目に沿ってレーザ光を照射して溶接する。レーザ加工システム１は、レーザ発振器１０と、レーザ加工ヘッド２０と、レーザ加工ヘッド２０を位置決めする加工ロボット３０と、ワークＷを保持する保持ロボット４０と、レーザ加工ヘッド２０、加工ロボット３０及び保持ロボット４０を制御する制御装置５０と、を備える。
レーザ発振器１０としては、例えばファイバレーザ、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ等を用いることができる。レーザ発振器１０は、レーザ加工ヘッド２０に搭載されてもよいが、加工ロボット３０とは独立して配設され、例えば光ファイバ１１等を通してレーザ加工ヘッド２０にレーザ光を供給する構成とすることができる。
レーザ加工ヘッド２０は、レーザ光学系２１とトラッキングセンサ２２とを有する。レーザ光学系２１とトラッキングセンサ２２とは、相対移動しないよう配設される。
レーザ光学系２１は、可動反射鏡を用いてレーザ光の出射方向を調整するガルバノスキャナ２１１を有する。このため、レーザ光学系２１は、一定範囲内の任意の位置にレーザ光を照射することができる。
ガルバノスキャナ２１１は、レーザ光の光路中に、互いに直交する回転軸まわりに回転可能な２つの反射鏡を備え、これら反射鏡をサーボモータで回転駆動することにより、レーザ光が出射する方向を調整するよう構成される。
トラッキングセンサ２２としては、例えばレーザ光による距離測定を一方向に走査して行うセンサが用いられる。このようなトラッキングセンサ２２は、ワークＷまでの距離が不連続に変化する点をワークの継ぎ目として検出する。トラッキングセンサ２２は、後述する加工ロボット３０によるレーザ加工ヘッド２０の移動方向に垂直な方向に走査して距離測定を行うよう配設されることが好ましい。
加工ロボット３０は、空間位置及び向きを変化させられる末端部にレーザ加工ヘッド２０を保持する。これにより、加工ロボット３０は、レーザ加工ヘッド２０を所望の軌跡を描くよう移動させることができる。加工ロボット３０としては、特に限定されないが、垂直多関節型ロボット、スカラー型ロボット、パラレルリンク型ロボット、直交座標型ロボット等を用いることができる。また、加工ロボット３０は、リニアモータ等によって１方向又は２方向に軸送りするポジショナ、アクチュエータなどの簡素なロボットであってもよい。
保持ロボット４０は、位置決め可能な末端部にワークＷを保持する保持ヘッド４１等が設けられる。保持ロボット４０としては、特に限定されないが、垂直多関節型ロボット、スカラー型ロボット、パラレルリンク型ロボット、直交座標型ロボット等を用いることができる。また、ワークＷを保持するテーブルをボールねじ、リニアモータ等によって１方向又は２方向に軸送りするポジショナ、アクチュエータなどの簡素なロボットであってもよい。
制御装置５０は、加工ロボット３０を制御する加工ロボット制御部５１と、保持ロボット４０を制御する保持ロボット制御部５２と、ガルバノスキャナ２１１を制御するガルバノスキャナ制御部５３と、を備える。
制御装置５０は、ＣＰＵ、メモリ等を有するコンピュータ装置に適切な制御プログラムを導入することによって実現することができる。制御装置５０の各構成要素は、それぞれ独立したハードウェアによって実現されてもよく、単一のハードウェアによって実現されてもよい。つまり、制御装置５０の各構成要素は、制御装置５０の機能を類別したものであって、その機械的構造及びプログラム構造において明確に区分できるものでなくてもよい。また、制御装置５０は、他の機能を実現するさらなる構成要素を有してもよい。
加工ロボット制御部５１は、設計上のワークＷの継ぎ目にレーザ加工ヘッド２０を対向させ、設計上の継ぎ目に沿ってレーザ加工ヘッド２０を移動させるよう加工ロボット３０を制御する。つまり、加工ロボット制御部５１は、１本の継ぎ目に対してレーザ加工ヘッド２０を一定の速度で移動、典型的には直線移動させる。この加工ロボット制御部５１による加工ロボット３０の動作は、ワークＷの設計形状に基づいて作成されるプログラム、オペレータがワークＷにレーザ加工ヘッド２０を対向させる加工ロボット３０の姿勢を指示する教示操作等によって予め指定される。
保持ロボット制御部５２は、トラッキングセンサ２２が検出した継ぎ目の位置とトラッキングセンサ２２の検出範囲（走査範囲）の中央との距離が所定範囲内に収まるように加工ロボット３０によるレーザ加工ヘッド２０の移動方向と交差する方向にワークＷを移動させるよう保持ロボット４０を制御する。保持ロボット４０によるワークＷの移動方向は、演算負荷を軽減するために、レーザ加工ヘッド２０に移動方向に垂直且つレーザ加工ヘッド２０の中心軸（標準状態で出射するレーザ光の光軸方向）に垂直な方向とすることが好ましい。
保持ロボット制御部５２は、トラッキングセンサ２２が検出した継ぎ目の位置がトラッキングセンサ２２の検出範囲の中央側に移動するよう、保持ロボット４０にワークＷを移動させるよう構成され得る。つまり、保持ロボット制御部５２は、トラッキングセンサ２２が検出した継ぎ目の位置のトラッキングセンサ２２の検出範囲の中央からのずれ量を入力として、このずれ量を小さくするよう保持ロボット４０によるワークＷの移動量を定めるよう構成され得る。
一例として、保持ロボット制御部５２は、リアルタイムに保持ロボット４０に対する指令値を修正することにより、トラッキングセンサ２２が検出した継ぎ目の位置が常にトラッキングセンサ２２の検出範囲の中央に実質的に一致するように保持ロボット４０を制御してもよい。
しかしながら、トラッキングセンサ２２の検出に遅れがあったり、過負荷、振動等を防止するために、保持ロボット４０の速度、加速度、加加速度等に上限値が設定されたりする可能性がある。このため、保持ロボット制御部５２は、ワークＷの移動速度をトラッキングセンサ２２が検出した継ぎ目の位置のトラッキングセンサ２２の検出範囲の中央からのずれ量を入力値とするＰＩＤ制御等によりワークＷの移動速度を決定してもよい。
さらなる代案として、保持ロボット制御部５２は、トラッキングセンサ２２が検出した継ぎ目の位置とトラッキングセンサ２２の検出範囲の中央との距離が上限値を超える場合にのみ、所定のプロファイル及び最高速度でワークＷを移動させるよう保持ロボット４０を制御してもよい。また、保持ロボット制御部５２は、トラッキングセンサ２２が検出した継ぎ目の検出範囲中央からの正方向のずれ量が所定の上限値に達した場合に保持ロボット４０にワークＷを正方向に移動させる動作を開始させ、トラッキングセンサ２２が検出した継ぎ目の検出範囲中央からの負方向のずれ量が所定の上限値に達した場合に保持ロボット４０にワークＷを負方向に移動させる動作を開始させるようにしてもよい。
このように、保持ロボット制御部５２による保持ロボット４０の制御だけではワークＷの継ぎ目を常にトラッキングセンサ２２の検出範囲の中央に配置できない場合もある。しかしながら、保持ロボット制御部５２が保持ロボット４０にワークＷを移動させることにより、ワークＷの継ぎ目のトラッキングセンサ２２の検出範囲中央からのずれを抑制することで、ワークＷの継ぎ目がトラッキングセンサ２２の検出範囲から逸脱してレーザ光を照射すべき位置を特定できなくなることを防止できる。
ガルバノスキャナ制御部５３は、トラッキングセンサ２２が検出した継ぎ目の位置から保持ロボット４０によるワークＷの移動量だけオフセットした位置にレーザ光の照射位置を定めるようガルバノスキャナ２１１を制御する。つまり、ガルバノスキャナ制御部５３は、トラッキングセンサ２２が継ぎ目の位置を検出した瞬間のワークＷの位置と、その位置にレーザ光学系２１がレーザ光を照射する瞬間のワークＷの位置とのずれを算出し、レーザ加工ヘッド２０の座標系におけるガルバノスキャナ２１１に入力するレーザ光の照射位置を補正する。
図２に、レーザ加工システム１によるレーザ溶接の制御の手順、つまり制御装置５０による制御の手順を示す。レーザ加工システム１によるレーザ溶接は、レーザ加工ヘッド２０を移動する工程（ステップＳ１：加工ヘッド移動工程）と、ワークＷの継ぎ目の実際の位置を検出する工程（ステップＳ２：継ぎ目検出工程）と、ワークＷを移動量する工程（ステップＳ３：ワーク移動工程）と、ワークＷにレーザ光を照射する工程（ステップＳ４：レーザ光照射工程）と、を備える方法により行われる。
ステップＳ１の加工ヘッド移動工程では、加工ロボット３０によりレーザ加工ヘッド２０を移動させる。つまり、加工ロボット制御部５１は、加工プログラム又は教示データに従って加工ロボット３０を動作させることにより、レーザ加工ヘッド２０（レーザ光学系２１及びトラッキングセンサ２２）をワークＷの継ぎ目に沿って一定の速度で直線移動させる。
ステップＳ２の継ぎ目検出工程では、トラッキングセンサ２２によりワークＷの継ぎ目の位置を検出する。具体的には、制御装置５０は、トラッキングセンサ２２からトラッキングセンサ２２の座標系におけるワークＷの継ぎ目の位置を取得し、レーザ加工システム１の作業座標系におけるトラッキングセンサ２２の位置及び向きから作業座標系におけるワークＷの継ぎ目の位置を算出する。
ステップＳ３のワーク移動工程において、保持ロボット制御部５２は、ワークＷの継ぎ目がレーザ加工ヘッド２０の移動方向と垂直な方向にトラッキングセンサ２２の検出範囲の中央に近付くよう、保持ロボット４０によりワークＷを移動させる。
ステップＳ４のレーザ光照射工程では、レーザ光学系２１によりワークＷの継ぎ目にレーザ光を照射する。つまり、ガルバノスキャナ制御部５３は、レーザ光の照射位置を、トラッキングセンサ２２が検出したワークＷの継ぎ目の位置を、保持ロボット４０をワークＷの移動量と等しい量（距離及び方向）だけオフセットした位置に設定するよう、ガルバノスキャナ２１１を制御する。
なお、図２は、制御装置５０による制御を同じ作業座標系に対する処理の流れを分かりやすく示すものであり、各工程の１回の処理が他の工程の１回の処理に対応するものではない。また、図２における後の工程の処理が完了する前に先の工程の次のサイクルの処理を行ってもよい。つまり、加工ロボット制御部５１が加工ロボット３０に指令を出すサイクル、トラッキングセンサ２２によりワークＷの継ぎ目の位置を検出するサイクル、保持ロボット制御部５２が保持ロボット４０に指令を出すサイクル、及びガルバノスキャナ制御部５３がガルバノスキャナ２１１にレーザ光の照射位置を指示するサイクルは、互いに異なっていてもよい。
以上のように、レーザ加工システム１では、保持ロボット４０によって、ワークＷの継ぎ目の蛇行を減殺するようワークＷを移動させるため、ワークＷの継ぎ目がトラッキングセンサ２２の検出範囲から外れることを防止することができる。このため、ワークＷの継ぎ目が大きく蛇行している場合であっても、ワークＷの継ぎ目に確実にレーザ光を照射して正確にワークＷを溶接することができる。
さらに、トラッキングセンサ２２によりワークＷの継ぎ目に沿ってレーザ光を照射して溶接する加工手法を簡便に運用することを考えた場合、レーザ加工ヘッド２０が蛇行するワークの継ぎ目に追従してレーザ加工し、レーザ加工ヘッド２０を保持する加工ロボット３０には単純な直線動作だけを教示しておき、その教示動作を変更しないことが望ましい。加えて、ワークＷの継ぎ目に沿って溶接する箇所の他にも加工箇所が複数あるような場合に、加工ロボット３０の教示動作を変えてしまうと、レーザ加工ヘッド２０によるレーザ照射位置やレーザ照射タイミングの再調整が必要になり望ましくない。本開示に係るレーザ加工システム１によれば、ワークＷの継ぎ目が大きく蛇行していても、レーザ加工ヘッド２０を保持する加工ロボット３０の単純な教示動作を変えることなく、正確に溶接を行うことができる。
以上、本開示に係るレーザ加工システムの実施形態について説明したが、本開示の範囲は前述した実施形態に限るものではない。また、前述した実施形態に記載された効果は、本開示に係るレーザ加工システムから生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本開示に係るレーザ加工システムによる効果は、前述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。具体的には、本開示に係るレーザ加工システムは、レーザを照射して例えば切断等の加工を行うシステムであってもよい。
１ レーザ加工システム
１０ レーザ発振器
１１ 光ファイバ
２０ レーザ加工ヘッド
２１ レーザ光学系
２１１ ガルバノスキャナ
２２ トラッキングセンサ
３０ 加工ロボット
４０ 保持ロボット
４１ 保持ヘッド
５０ 制御装置
５１ 加工ロボット制御部
５２ 保持ロボット制御部
５３ ガルバノスキャナ制御部
Ｗ ワーク

Claims (3)

  1. レーザ光の照射位置を調整するガルバノスキャナを有するレーザ光学系とワークの継ぎ目を検出するトラッキングセンサとを有するレーザ加工ヘッドと、
    前記レーザ加工ヘッドを位置決めする加工ロボットと、
    前記ワークを保持する保持ロボットと、
    設計上の前記継ぎ目に前記レーザ加工ヘッドを対向させ、設計上の前記継ぎ目に沿って前記レーザ加工ヘッドを移動させるよう前記加工ロボットを制御する加工ロボット制御部と、
    前記トラッキングセンサが検出した前記継ぎ目の位置と前記トラッキングセンサの検出範囲の中央との距離が所定範囲内に収まるように前記加工ロボットによる前記レーザ加工ヘッドの移動方向と交差する方向に前記ワークを移動させるよう前記保持ロボットを制御する保持ロボット制御部と、
    前記トラッキングセンサが検出した前記継ぎ目の位置から前記保持ロボットによる前記ワークの移動量だけオフセットした位置に前記レーザ光の照射位置を定めるよう前記ガルバノスキャナを制御するガルバノスキャナ制御部と、
    を備える、レーザ加工システム。
  2. 前記保持ロボット制御部は、前記トラッキングセンサが検出した前記継ぎ目の位置が前記トラッキングセンサの検出範囲の中央側に移動するよう、前記保持ロボットに前記ワークを移動させる、請求項１に記載のレーザ加工システム。
  3. 前記加工ロボットは、垂直多関節型ロボットである、請求項１又は２に記載のレーザ加工システム。
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