JPS63157779A - 光学式距離センサを備えたレ−ザ加工装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はレーザ加工装置、特にレーザトーチと工作物の
間の距離が所定の値となるようにするだめの光学式距離
センサを備えたレーザ加工装置に関する。

〔従来技術〕

レーザ加工装置においては、レーザ加工ビームをレーザ
トーチから工作物の表面に照射して溶接や切断等の加工
を行うが、加工能率を高め、また良好な加工結果を得る
ために、レーザ加エビームの集束位置を工作物の表面と
一致させる必要があり、このためにレーザトーチと工作
物の間の距離を一定に保ち必要がある。一方、工作物の
表面は工作物の加工誤差、変形、レーザ加工装置への取
付誤差等により、必ずしも一定の所定位置にセントされ
るとは限らない。このために従来技術においては、例え
ば特開昭６１−１０８４８４号公報に示す如く、レーザ
トーチに光学式距離センサを取り付け、加工の際に常に
レーザトーチと工作物の表面の間の距離を検出し、この
距離が所定の値となるようにレーザ加工装置を制御する
ものがある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、かかる従来技術においては、レーザトー
チに光学式距離センサが取り付けられて大型になるため
、工作物の凹部等のレーザ加工を行う場合には工作物あ
るいは取付治具等と干渉を生じて、時には加工が不能に
なるという問題がある。

これを解決するために、レーザトーチを取り付′ける工
業用ロボットのリスト部に、レーザトーチとは別にレー
ザ光を用いた光学式距離センサを取り付け、工業用ロボ
ットに予め教示された動作を行わせ、複数のチェック位
置においてリスト部と工作物の距離を検出し、次いでこ
の距離が所定の値となるように工業用ロボットの動作を
修正してレーザトーチによる加工を行うことが考えられ
る。

この種の光学式距離センサとしては、レーザ光を所定距
離だけ離れた位置に集束する投光部と、この投光部の一
側に前記集束位置付近に光軸を向けて配置された受光レ
ンズと、この受光レンズによる前記集束位置に対応する
結像位置に設けられてその受光面上における受光位置に
対応する出力信号を発生する受光素子よりなるものを使
用することができる。しかしながら、このような光学式
距離センサは、第５図に示す如く、工作物の材質及び表
面状態等により距離に対する出力電圧の特性が変化する
という問題がある。これは工作物の材質及び表面状態等
により、入射するレーザ光に対する散乱方向と散乱光強
度のモード（第１図に符号Ｎで示す）が異なるためであ
るが、このため工作物が変る毎に光学式距離センサのゲ
インを手動により調整して前記特性が一定となるように
しなければならず、操作が面倒で自動操作ができないと
いう問題が生じる。本発明は此等の問題を解決して、レ
ーザトーチが小型となり、しかも操作が簡単で自動操作
も可能なレーザ加工装置を得ようとするものである。

〔問題点を解決するための手段〕

このために、本発明による光学式距離センサを備えたレ
ーザ加工装置は、添付図面に例示する如く、レーザ光を
所定距離だけ離れた位置に集束する投光部２５．この投
光部の一側に前記集束位置付近に光軸を向けて配置され
た受光レンズ３１及びこの受光レンズによる前記集束位
置に対応する結像位置に設けられてその受光面上におけ
る受光位置に対応する出力信号を発生する受光素子３２
よりなる光学式距離センサ２０と、加工用レーザビーム
を放射するレーザトーチ４０と前記光学式距離センサ２
０が互いに別個に取り付けられるリスト部１７を有する
工業用ロボット１０と、教示された座標データに基づい
て前記工業用ロボット１０を作動させて前記リスト部１
７を移動させるロボット制御装置５０と、入力される工
作物Ｗの種類に応じてその工作物の表面に照射される前
記レーザ光の散乱光モードに対応する補正係数を選定す
る補正係数選定手段１と、前記光学式距離センサ２０か
らの出力信号と前記補正係数選定手段１により選定され
た補正係数を入力して前記座標データに基づいて移動す
る前記リスト部１７と前記工作物Ｗの表面との間の距離
を演算する距離演算手段２と、前記距離を入力してその
距離と予め定められた所定距離との距離差を演算する距
離差演算手段３と、前記距離差を入力してその値が予め
定められた所定値となるように前記座標データを補正す
る教示座標補正手段４を備えてなるものである。

〔作用〕

レーザ加工装置に工作物Ｗが取り付けられ、その工作物
の種類が入力された後、ロボット制御装置５０は予め教
示された座標データに基づき工業用ロボット１０を作動
させ、リスト部１７を複数のチェック位置に順次移動さ
せる。距離演算手段２は、各チェック位置における光学
式距離センサ２０からの出力信号と補正係数選定手段１
からの補正係数を入力して、各チェック位置における工
作物Ｗの表面とリスト部１７との間の距離を演算する。

距離差演算手段３は各チェック位置における前記各距離
と予め定めれらた所定距離との距離差を演算し、教示座
標補正手段４は前記各距離差が所定値となるように前記
座標データを補正する。

これにより、補正された座標データに基づきロボット制
御装置５０により制御される工業用ロボット１０のリス
ト部は１７はその工作物Ｗの表面から一定距離をおいて
移動するようになり、かつ前記所定距離及び所定値を適
切に選択することによりレーザトーチ４０から放射−さ
れる加工用レーザビームの集束位置は常に工作物Ｗの表
面と一致するようになる。次いでロボット制御装置５０
は、このように補正された座標データに基づき工業用ロ
ボット１０を作動させてリスト部１７を移動し、加工用
レーザビームの集束位置を工作物Ｗの表面と一致させて
レーザ加工を行う。

〔発明の効果〕

上述の如（、本発明によればレーザ加工ビームの集束位
置を工作物Ｗの表面と一致させてレーザ加工を行うので
、加工能率が高まり、また良好な加工結果が得られるに
も拘わらず、光学式距離センサが分離されているのでレ
ーザトーチを小型化することができ、従って工作物の凹
部等の狭い場所に入り込んでも工作物や取付治具等との
物理的干渉により加工が不能になるおそれがない。また
、工作物の材質や表面状態等により散乱するレーザ光の
モードが変化しても、工作物の種類を入力することによ
り散乱光モードの変化による光学式距離センサの出力特
性の変化は自動的に補正されるので、手動によりゲイン
稠整が不要となり、操作を簡略化することができ、また
自動操作も可能となる。

〔実施例〕

以下に、添付図面に示す実施例により、本発明の説明を
する。

先ず、第３図により本実施例の全体構造の説明をする。

工業用ロボｙト１０は直交座標系の部分と極座標系の部
分により構成されている。直交座標系の部分は、ベッド
に固定された一対の案内部材１１により縦方向に案内支
持された第１直動部材１２と、これにより横方向に案内
支持された。第２直動部材１３と、これにより鉛直方向
に案内支持された昇降部材１４よりなり、また極座標系
の部分は、第２図及び第３図に示す如く、互いに直交す
る軸線ＸＩ、Ｘ２．Ｘ３を有し、昇降部材１４により水
平軸線Ｘ１回りに回動可能に支持された第１旋回部材１
５と、これにより軸線Ｘ２回りに回動可能に支持された
第２旋回部材１６と、これにより軸線Ｘ３回りに回動可
能に支持されたリスト部１７よりなる。各部材１２，１
３，１４゜１５．１６．１７は、第４図に示す如く、そ
れぞれサーボモータ６２ａ、６２ｂ・・・を介してロボ
ット制御装置５０により制御されている。なお、第２図
において第２７ｊ２回部材１６を９０度旋回させて軸線
Ｘ２を垂直にし、次にリスト部１７を９０度旋回させて
軸線Ｘ３を水平にしたのが第３図に示す状態図である。

第２図及び第３図に示す如く、リスト部１７には軸線Ｘ
３と直交してレーザトーチ４０が取り付けられ、加工用
レーザ発振器４１により発振された加工用レーザビーム
は、各折曲部に反射鏡が設けられた案内管４２及び各部
材１４〜１７に内蔵された光学案内路を通してレーザト
ーチ４０に導かれ、加工用レンズにより位置Ｔに集束さ
れて工作物Ｗの表面に照射されるようになっている。リ
スト部１７には、レーザトーチ４０とは別に、ブラケッ
ト１８を介して光学式距離センサ２０が取り付けられ、
その取付位置はレーザトーチ４０と逆向きとなっている
。リスト部１７は、軸線×３を中心とする回動により、
レーザトーチ５０と光学式距離センサ２０を選択的に工
作物Ｗ側に割り出すようになっており、第２図は光学式
距離センサ２０が工作物Ｗ側に割り出された状態を示し
、レーザトーチ５０に対する工作物の加工位置は二点鎖
線Ｗ°により示されている。

次に光学式距離センサ２０の構造につき説明する。第１
図に示す如く、ケーシング２１内には投光部２５と受光
部３０が隣接して設けられている。

投光部２５はレーザトーチ４０と同軸的に配置された固
体レーザ発振器２６と集束レンズ２７よりなり、レーザ
トーチ４０と逆方向にレーザ発振器２６から放射された
レーザ光りは集束レンズ２７により、軸線Ｘ３から予め
定められた所定比％１ｔＤＯだけ離れた位置Ｐに集束さ
れるようになっている。この所定距離Ｄｏは、本実施例
においては、第２図に示す如（、加工用レーザビームの
集束位置Ｔと軸線ｘ３の間の距離と等しい。受光部３０
は集束レンズ２７の一側に配置された受光レンズ３１と
受光素子３２よりなり、受光レンズ３１はその光軸をレ
ーザ光りの集束位ｉＰ付近に向けて配置され、また受光
素子３２は、集束位置Ｐを光源とするレーザ光が受光レ
ンズ３１を通って再び集まる結像位置Ｑに設けられてい
る。本実施例においては、受光素子３２は、結像位置Ｑ
が受光面の中心となり、かつ受光レンズ３１の光軸と直
交するように配置されている。受光素子３２は、受光量
に応じかつ受光面上における光スポットの当る位置すな
わち受光位置に応じた電気信号が両端の電極３２ａ、３
２ｂから構成される装置検出器（ｐｏｓｉｔｉｏｎ　５
ｅｎｓｉｔｉｖｅ　ｄｅｖｉｃｅ　）よりなるもので、
受光位置が投光部３０に対し接離する方向に移動した場
合に、両端の電極３２ａ、３２ｂから互いに逆方向に増
減する電流ｉａ、ｉｂが出力されるように配置されてい
る。

工作物Ｗの表面に垂直方向より入射するレーザ光りに対
し散乱するレーザ光Ｍの散乱方向と散乱光強度のモード
（単に散乱光モードという）は、第１図に符号Ｎで示す
ような略長球形状となり、この形状は工作物Ｗの材質及
び表面状態により変化する。すなわち、この散乱光モー
ドの形状は、例えば、白紙の場合には球形に近い長球形
状となり、鉄の場合には長軸の長さの比率が大となり、
黒色アルミニウムの場合は一層長軸の比率が大となる。

一方、工作物Ｗの表面と軸線×３との間の距離が、第１
図の実線に示す如く、ＤＯであれば、レーザ光りの集束
位置Ｐより散乱するレーザ光Ｍの結像位置Ｑは受光素子
３２の受光面上にあるが、第１図の二点鎖線Ｗａに示す
如く、工作物Ｗが距＃Ｃだけ変位して前記距離がＤａと
なればレーザ光りの入射位置Ｐａより散乱するレーザ光
Ｍａの結像位置はＱａに移動し、受光素子３２の受光面
上における受光位置の中心はＱよりＲに移動すると共に
光スポットの径は大となり、かつ光スポツト内における
光エネルギ密度の分布は散乱光モードに対応する不均一
なものとなる。このため光スポツト内における光エネル
ギの重心位置が光スポットの中心位置よりずれ、その結
果、工作物Ｗの表面と軸線Ｘ３との間の距離りに対する
、受光素子３２の両端の電＋！１８３２ａ、３２ｂから
出力される電流ｉａ、ｉｂに基づき、次式 ％式％） により演算される光学式距離センサ２０の出力電圧■の
特性は、第５図に示す如く、工作物Ｗの散乱光モードに
より異なったものとなる。なお、第５図に示す特性Ｅ、
Ｆ、Ｇは、それぞれ白紙、鉄、黒色アルミニウムに対応
するものである。

ロボット制御装置５０は、第４図に示す如く、マイクロ
プロセッサ（以下単にＣＰＵという）５１とメモリ５２
を主要な構成要素とし、ＣＰＵ５１には入力インターフ
ェイス５３を介して光学式距離センサ２０及び入力装置
６０が接続され、また出力インターフェイス５４を介し
て工業用ロボット１０のサーボモータ６２ａ、６２ｂ・
・・を駆動する駆動回路６１ａ、６１ｂ・・・及びレー
ザ発振器４１を作動させるシーケンサ６３が接続されて
いる。工業用ロボット１０を作動させてリスト部１７を
所定の加工軌跡に沿って移動させるための座標データ及
び加工される各工作物Ｗの散乱モードに対応する補正係
数は、入力装置６０よりＣＰＵ５１に入力されてメモリ
５２に記憶されている。またメモリ５２には、第６図に
示すフローチャートにおけるステップ１０２〜１１１の
制御動作を実行するための制御プログラムが記憶されて
いる。

次に、本実施例の作動を、第６図に示すフローチャート
により説明する。

先ず、作業者はステップ１００において工作物Ｗをレー
ザ加工装置のベッド上に取り付け、ステップ１０１にお
いて入力装置６０により工作物Ｗの種類を入力した後、
ロボット制御装置５０を作動させる。ＣＰＵ５１は、先
ずステップ１０２において、メモリ５２に記憶された複
数の補正係数よりステップ１０１で入力された工作物Ｗ
の種類に対応する補正係数Ｋを選定する。次いでｃｐｕ
５１は、ステップ１０３，１０４において駆動回路６１
ａ、６１ｂ・・・及びサーボモータ６２ａ。

６２ｂ・・・を介して工業用ロボット１０を作動させて
光学式距離センサ２０を工作物Ｗ側に割り出した後、メ
モリ５２に記憶されたチェック用の座標データに基づき
リスト部１７を工作物Ｗの隅部の１つに対応する第１の
チェック位置に移動させる。続くステップ１０５におい
て、ＣＰＵ５１は光学式距離センサ２０を作動させその
出力電圧■を入力した後、ステップ１０６において次式
％式％ により、取付誤差等により所定位置から変位した工作物
Ｗａの表面とリスト部１７の軸線Ｘ３との間の距ｉｐを
演算する。光学式距離センサ２０からの出力電圧■は、
前述の如く工作物Ｗの表面の散乱光モードの影響を受け
るが、補正係数Ｋにより補正されて演算された距離りは
散乱光モードの影響を受けない実際の距離を表すものと
なる。次いでＣＰＵ５１は、ステップ１０７において、
この実際の距離りと前記所定比１１ｔＤｏとに基づき、
次式 ％式％ により距離差Ｃを演算してこれをメモリ５２に記憶させ
る。この距離差Ｃは、工作物Ｗに加工誤差、変形誤差、
取付誤差が無ければ、本来そこにあるべき所定位置から
の、工作物Ｗの表面の垂直方向における偏位量である。

続くステップ１０８において、ＣＰＵ５１は制御動作を
ステップ１０４に戻し、リスト部１７を工作物Ｗの２つ
目の隅部に対応する第２のチェック位置に移動させて、
ステップ１０５〜１０７において前記同様距離り及び距
離差Ｃを演算し、更にステップ１０４〜１０７を所定回
数繰り返して全てのチェック位置において同様の演算を
行い、各距離差Ｃをメモリ５２に記憶した後、制御動作
をステップ１０９に進める。ＣＰＵ５１はステップ１０
９において、メモリ５２に記憶された加工用の座標デー
タを各チェック位置における前記各距離差Ｃが零となる
ように補正する。この補正された加工用の座標データに
基づきロボット制御装置５０により制御される工業用ロ
ボット１０のリスト部１７は、軸線Ｘ３から所定距離Ｄ
　ｏ　離れた集束位置Ｐが常に工作物Ｗの表面と一致す
るように、加工！Ｉ′Ｌ跡に沿って移動するようになる
。次いで、ＣＰＵ５１は、ステップ１１０においてリス
ト部１７を回動してレーザトーチ４０を工作物Ｗ側に割
り出し、それまでは光学式距離センサ２０のレーザ光の
集束位置Ｐがあった位置に加工用レーザビームの集束位
置Ｔを一致させた後、ステップ１１１において工業用ロ
ボット１０及び加工用レーザ発振器４１を作動させて工
作物Ｗに対する加工を行う。以上により１個の工作物の
レーザ加工は終了する。次いで加工済の工作物を取り外
し、未加工の工作物を取り付けて、ふたたび上記と同様
の手順によりレーザ加工を行う。

ステップ１０９における座標データの補正は、工作物の
表面が本来あるべき所定位置に対する、実際の工作物Ｗ
の表面の平行移動量及び回動角を各距離差Ｃから求めて
、所定の演算式を用いた座標変換により行ってもよいし
、加工軌跡上の各位置の座標データをその付近の距離差
Ｃに基づいて補正することにより行ってもよい。

なお、上記実施例においては、軸線Ｘ３から加工用レー
ザビームの集束位置Ｔまでの距離と、軸線×３から光学
式距離センサ２０のレーザ光の集束位置Ｐまでの距離と
一致させているが、この両距離は所定量ずれていても良
い。

また、上述した実施例は、ＣＰＵ５１で光学的距離セン
サ２０の出力電圧■に補正計数Ｋを掛けて補正している
が、光学式距離センサ２０の増幅率をシーケンサ６３を
介してロボット制御装置５０によりコントロールできる
ようにすれば、ＣＰＵ５１には補正された光学式距離セ
ンサ２０からの出力電圧をとり込むことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による光学式距離センサを備えたレーザ
加工装置の構成の主要部を示す図、第２図〜第６図は本
発明の一実施例を示し、第２図は工業用ロボットのリス
ト部付近の拡大図、第３図は全体の正面図、第４図は制
御系統を示す図、第５図は光学式距離センサの特性図、
第６図は動作のフローチャートを示す図である。 符号の説明 １・・・補正係数選定手段、２・・・変位演算手段、３
・・・距離差演算手段、４・・・教示座標補正手段、１
０・・・工業用ロボット、１７・・・リスト部、２０・
・・光学式距離センサ、２５・・・投光部、３１・・・
受光レンズ、３２・・・受光素子、４０・・・レーザト
ーチ、５０・・・ロボット制御装置、Ｗ・・・工作物。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. レーザ光を所定距離だけ離れた位置に集束する投光部、
   この投光部の一側に前記集束位置付近に光軸を向けて配
   置された受光レンズ及びこの受光レンズによる前記集束
   位置に対応する結像位置に設けられてその受光面上にお
   ける受光位置に対応する出力信号を発生する受光素子よ
   りなる光学式距離センサと、加工用レーザビームを放射
   するレーザトーチと前記光学式距離センサが互いに別個
   に取り付けられるリスト部を有する工業用ロボットと、
   教示された座標データに基づいて前記工業用ロボットを
   作動させて前記リスト部を移動させるロボット制御装置
   と、入力される工作物の種類に応じてその工作物の表面
   に照射される前記レーザ光の散乱光モードに対応する補
   正係数を選定する補正係数選定手段と、前記光学式距離
   センサからの出力信号と前記補正係数選定手段により選
   定された補正係数を入力して前記座標データに基づいて
   移動する前記リスト部と前記工作物の表面との間の距離
   を演算する距離演算手段と、前記距離を入力してその距
   離と予め定められた所定距離との距離差を演算する距離
   差演算手段と、前記距離差を入力してその値が予め定め
   られた所定値となるように前記座標データを補正する教
   示座標補正手段を備えてなる光学式距離センサを備えた
   レーザ加工装置。