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)。
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。
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
10 レーザ発振器
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W ワーク
Claims (3)
- 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。 - 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。
- 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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JP2822315B2 (ja) * | 1995-11-17 | 1998-11-11 | 住友重機械工業株式会社 | レーザ加工装置 |
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JP2019058942A (ja) | 2017-09-27 | 2019-04-18 | 株式会社タマリ工業 | 溶接外観不良検出装置、レーザ溶接装置、及び、溶接外観不良検出方法 |
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