CN111037090B - 激光加工系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种减少工件中无法进行激光加工的部位的激光加工系统。激光加工系统(1)具备：激光照射装置(4)，其对工件(10)照射激光(L)；工件移动装置(2)，其使工件(10)移动；激光照射控制装置(6)，其控制激光照射装置(4)，来控制激光(L)的照射位置；以及工件移动控制装置(5)，其控制工件移动装置(2)，来控制工件(10)的位置和姿势中的至少一方，其中，工件移动控制装置(5)将与工件(10)的位置和姿势中的至少一方有关的信息发送到激光照射控制装置(6)，激光照射控制装置(6)基于从工件移动控制装置(5)接收到的信息来校正激光(L)的照射位置。

Description

激光加工系统
技术领域
本发明涉及一种使用对工件照射激光的激光照射装置和使工件移动的工件移动装置来进行激光加工的系统。
背景技术
存在一种从远离工件的位置照射激光来进行工件的焊接(加工)的远程激光焊接(加工)的技术。作为应用这样的技术的激光加工系统，具有一种使用激光进行扫描的扫描器(激光照射装置)和使扫描器移动的机器人(取代工件移动装置的扫描器移动装置)的系统。这样的激光加工系统一边利用机器人使扫描器移动一边利用扫描器使激光进行扫描，由此能够以任意的形状焊接(加工)工件。
在专利文献1中记载有这样的激光焊接装置。该激光焊接装置具备控制机器人的机器人控制装置、控制扫描器的扫描器控制装置以及中央控制装置，通过中央控制装置来控制扫描器控制装置和机器人控制装置这两方。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2010-214393号公报
发明内容
发明要解决的问题
如上所述，专利文献1所记载的激光焊接装置一边利用机器人使扫描器移动一边利用扫描器使激光进行扫描，由此能够以任意的形状焊接(加工)工件。
但是，在这样的激光焊接装置中，由于扫描器的照射范围和机器人的可动范围的限制而使得工件中存在无法焊接的点。例如，有时难以进行工件的侧面或背面的焊接。
本发明的目的在于提供一种减少工件中无法进行激光加工的部位的激光加工系统。
用于解决问题的方案
(1)本发明所涉及的激光加工系统(例如后述的激光加工系统1)具备：激光照射装置(例如后述的扫描器4)，其对工件(例如后述的工件10)照射激光；工件移动装置(例如后述的机器人2)，其使所述工件移动；激光照射控制装置(例如后述的扫描器控制装置6)，其控制所述激光照射装置，来控制所述激光的照射位置；以及工件移动控制装置(例如后述的机器人控制装置5)，其控制所述工件移动装置，来控制所述工件的位置和姿势中的至少一方，其中，所述工件移动控制装置将与所述工件的位置和姿势中的至少一方有关的信息发送到所述激光照射控制装置，所述激光照射控制装置基于从所述工件移动控制装置接收到的所述信息来校正所述激光的照射位置。
(2)在(1)所记载的激光加工系统中，所述激光照射装置可以是使所述激光以规定的照射路径和规定的照射速度进行扫描的扫描器，所述工件移动装置可以是使所述工件以规定的移动路径和规定的移动速度移动的机器人，所述激光照射控制装置可以是控制所述扫描器的照射路径和照射速度的扫描器控制装置，所述工件移动控制装置可以是控制所述机器人的移动路径和移动速度的机器人控制装置，机器人控制装置可以将与基于所述机器人的移动路径和移动速度的所述工件的位置和姿势有关的信息发送到所述扫描器控制装置，所述扫描器控制装置可以基于从所述机器人控制装置接收到的所述信息来校正所述扫描器的照射路径和照射速度。
(3)在(1)所记载的激光加工系统中，由所述激光照射控制装置进行的对所述激光的照射位置的控制可以是与由所述工件移动控制装置进行的对所述工件的位置和姿势中的至少一方的控制相独立地进行的。
(4)在(2)所记载的激光加工系统中，由所述扫描器控制装置进行的对所述扫描器的照射路径和照射速度的控制可以是与由所述机器人控制装置进行的对所述机器人的移动路径和移动速度的控制相独立地进行的。
发明的效果
根据本发明，能够提供一种能够减少工件中无法进行激光加工的部位的激光加工系统。
附图说明
图1是表示本实施方式所涉及的激光加工系统的结构的图。
图2是说明图1所示的扫描器的光学系统的图。
图3是说明图1所示的扫描器的其它光学系统的图。
图4A是说明图3所示的扫描器的其它光学系统的图。
图4B是说明图3所示的扫描器的其它光学系统的图。
图4C是说明图3所示的扫描器的其它光学系统的图。
图4D是说明图3所示的扫描器的其它光学系统的图。
图5是表示图1所示的机器人控制装置和扫描器控制装置的结构的图。
图6是表示由本实施方式所涉及的激光加工系统的扫描器控制装置进行的扫描器扫描速度计算动作的流程图。
图7是用于说明本实施方式所涉及的激光加工系统的优点的图。
图8是表示本实施方式的变形例所涉及的激光加工系统中的机器人控制装置和扫描器控制装置的结构的图。
图9是表示以往的激光加工系统的结构的图。
图10是用于说明以往的激光加工系统的问题的图。
附图标记说明
1：激光加工系统；2：机器人；3：激光振荡器；4：扫描器；41、42：检流计镜；41a、42a：检流计电动机；5：机器人控制装置；51：程序分析部；52：插值部；53：加减速计算部；54：机器人电动机控制部；6：扫描器控制装置；61：程序分析部；62：激光指令计算部；63：激光指令输出部；64：插值部；65：扫描速度计算部；66：加减速计算部；67：检流计电动机控制部；10：工件。
具体实施方式
下面，参照附图来说明本发明的实施方式的一例。此外，在各附图中对相同或相当的部分标注相同的标记。
图1是表示本实施方式所涉及的激光加工系统的结构的框图。图1所示的激光加工系统1是使用使激光进行扫描的扫描器4和使工件10移动的机器人(工件移动装置)2来进行激光焊接的系统。激光加工系统1具备机器人(工件移动装置)2、激光振荡器3、扫描器(激光照射装置)4、机器人控制装置(工件移动控制装置)5以及扫描器控制装置(激光照射控制装置)6。
机器人2是具有多个关节的多关节机器人，具备基部21、臂22以及具有多个旋转轴的关节轴23a～23d。另外，机器人2还具有使各关节轴23a～23d旋转来使臂22在X方向、Y方向以及Z方向上移动的多个机器人用伺服电动机(未图示)。基于来自后述的机器人控制装置5的驱动数据分别对各机器人用伺服电动机进行旋转驱动。
在机器人2的臂22的前端部22a固定有工件10。因而，机器人2能够通过各机器人用伺服电动机的旋转驱动来使工件10以规定的机器人速度在X、Y、Z方向上移动，并且能够使该工件10绕X、Y、Z轴旋转。由此，机器人2能够使工件10移动至作业空间上的任意位置，并且能够变更工件10的姿势。
激光振荡器3由激光介质、光学共振器、激励源等(均未图示)构成。激光振荡器3生成基于来自后述的扫描器控制装置6的激光输出指令得到的激光输出的激光，将生成的激光供给到扫描器4。作为振荡产生的激光的种类，具有光纤激光、CO2激光、YAG激光等，但在本发明中，关于激光的种类并无特别限制。
扫描器4是能够接受从激光振荡器3射出的激光L并使激光L对工件10进行扫描的检流计扫描器。
图2是说明图1所示的扫描器4的光学系统的图。如图2所示，扫描器4具备：两个检流计镜41、42，所述检流计镜41、42使从激光振荡器3射出的激光L反射；检流计电动机41a、42a，所述检流计电动机41a、42a分别对检流计镜41、42进行旋转驱动；以及玻璃罩43。
检流计镜41、42构成为能够分别绕相互正交的两个旋转轴J1、J2旋转。检流计电动机41a、42a基于来自后述的扫描器控制装置6的驱动数据进行旋转驱动，从而使检流计镜41、42绕旋转轴J1、J2相独立地旋转。
从激光振荡器3射出的激光L在被两个检流计镜41、42依次反射之后从扫描器4射出，到达工件10的加工点(焊接点)。此时，当通过检流计电动机41a、42a分别使两个检流计镜41、42旋转时，入射至这些检流计镜41、42的激光L的入射角连续地变化。其结果是，使来自扫描器4的激光L以规定的路径对工件10进行扫描，从而沿该激光L的扫描路径在工件10上形成焊接轨迹。
适当地控制检流计电动机41a、42a的旋转驱动来改变检流计镜41、42各自的旋转角度，由此能够使从扫描器4射出至工件10上的激光L的扫描路径在X、Y方向上任意地变化。
玻璃罩43为圆柱状，具有使被检流计镜41、42依次反射后朝向工件10的激光L透过并且保护扫描器4的内部的功能。
或者，如图3所示，扫描器4也可以是穿孔扫描器(trepanning scaner)。在该情况下，扫描器4例如能够具有如下的结构：通过利用电动机使一个面倾斜的形式的透镜旋转，来使入射的激光折射后照射至任意的位置。
具体地说，在扫描器4中，以使激光L沿厚度方向入射的方式将两个棱镜44a、44b(下面，根据情况将双方统称为“棱镜44”)与聚光透镜45重叠地配置，通过使两个棱镜透镜44a、44b以旋转轴K为中心旋转，能够在二维平面上控制照射位置。
如图4A～图4D所示，棱镜透镜44例如形成为圆形，其厚度T方向上的截面C中的入射侧的边(下面称作入射边)46与射出侧的边(下面称作射出边)47相互平行。即，在棱镜44的径向上，棱镜44的厚度T不发生变化，是固定的。另一方面，在棱镜44的周向上，棱镜44的厚度T连读地变化。具体地说，如图4A～图4D所示，棱镜透镜44的厚度T例如能够采用由T1～T2～T3表示的厚度，这些厚度的关系满足T1<T2<T3。利用旋转电动机对这些棱镜44进行旋转驱动，来使厚度T沿这些棱镜44的旋转方向连续地变化。
入射至棱镜44的激光L根据棱镜44的折射率发生折射，并作为折射光射出，但是此时，通过折射而偏移的激光L的光束位置与棱镜44的厚度T相关。即，棱镜44的在激光L的入射位置P处的厚度T越大，则由于折射引起的激光L的光束位置的偏离即偏移量越大。通过使激光L通过厚度T在旋转方向上连续且周期性地变化的棱镜44，能够使激光L的光束位置、即激光L的照射位置连续且周期性地变化。
再次参照图1，机器人控制装置5根据规定的操作程序(包括机器人移动路径)向机器人2的各机器人用伺服电动机输出驱动控制数据来控制机器人2的动作。即，机器人控制装置5向各机器人用伺服电动机输出驱动控制数据来控制各机器人用伺服电动机的旋转驱动，由此使安装于臂22的前端部22a的工件10在X、Y、Z方向上移动并且绕X、Y、Z轴旋转。由此，机器人控制装置5使机器人2的位置和姿势、即工件10的位置和姿势(例如旋转角度)变更。
另外，机器人控制装置5将与机器人2的位置和姿势、即工件10的位置和姿势有关的信息(例如指令值或反馈值)提供给扫描器控制装置6。具体地说，机器人2的位置是机器人2的前端部22a的位置、即工件10的位置。另外，机器人2的姿势是机器人2的前端部22a的姿势、即工件10的姿势(例如旋转角度)。
扫描器控制装置6以与由机器人控制装置5进行的对机器人2的动作控制相独立的方式进行对扫描器4的动作控制。
扫描器控制装置6根据规定的操作程序(包括加工条件(功率、频率、占空比等激光的照射条件))对激光振荡器3输出激光输出指令，以射出期望的输出的激光。另外，扫描器控制装置6根据规定的作业程序(包括加工路径)向扫描器4的检流计电动机41a、42a输出驱动控制数据，由此使检流计镜41、42旋转，来控制从扫描器4对工件10射出的激光L的扫描。
机器人控制装置5和扫描器控制装置6例如由DSP(Digital SignalProcessor：数字信号处理器)、FPGA(Field-Programmable Gate Array：现场可编程门阵列)等运算处理器构成。机器人控制装置5和扫描器控制装置6的功能例如通过执行存储部中保存的规定的软件(程序)来实现。机器人控制装置5和扫描器控制装置6的功能可以通过硬件与软件的协作来实现，也可以仅通过硬件(电子电路)来实现。
接着，对这些机器人控制装置5和扫描器控制装置6的更详细的结构进行说明。图5是表示本实施方式所涉及的激光加工系统1的机器人控制装置5和扫描器控制装置6的结构的图。
机器人控制装置5具备程序分析部51、插值部52、加减速计算部53以及机器人电动机控制部54。
程序分析部51对包括从未图示的输入装置输入到机器人控制装置5的示教点的加工程序进行分析，来生成与机器人2的移动路径(即，安装于前端部22a的工件10的移动路径)和作为目标的机器人2的移动速度有关的动作指令信息。生成的动作指令信息被输出到插值部52。
插值部52基于从程序分析部51输出的动作指令信息进行机器人2的移动路径的插值，来生成插值信息。例如，插值部52以使示教点间的机器人2的移动路径(即，安装于前端部22a的工件10的移动路径)成为沿着期望的加工路径的平滑的路径的方式进行插值。生成的插值信息被输出到加减速计算部53。
加减速计算部53基于从插值部52输出的插值信息和预先设定的各参数进行机器人2的动作的加减速处理，来生成用于使机器人2(即，安装于前端部22a的工件10)沿机器人2的移动路径移动的各机器人用伺服电动机的驱动信息。生成的各机器人电动机的驱动信息被输出到机器人电动机控制部54。
驱动信息包括机器人2的位置和姿势(安装于前端部22a的工件10的位置和姿势(例如旋转角度))以及移动速度的指令值，将与机器人2的位置和姿势(安装于前端部22a的工件10的位置和姿势(例如旋转角度))的指令值有关的信息还供给到扫描器控制装置6。
机器人电动机控制部54基于从加减速计算部53输出的驱动信息来生成各机器人用伺服电动机的驱动数据。具体地说，机器人电动机控制部54基于驱动信息中的速度指令(或位置指令)与利用设置于各机器人用伺服电动机的编码器检测出的速度反馈(或位置反馈)之间的速度偏差(或位置偏差)，来生成各机器人用伺服电动机的驱动数据。机器人电动机控制部54基于生成的驱动数据来驱动各机器人用伺服电动机。
扫描器控制装置6具有程序分析部61、激光指令计算部62、激光指令输出部63、插值部64、扫描速度计算部65、加减速计算部66以及检流计电动机控制部67。
程序分析部61对从未图示的输入装置输入到扫描器控制装置6的加工程序进行分析，来生成与扫描器4的扫描路径(照射路径)和扫描速度(照射速度)以及加工条件有关的动作指令信息。然后，程序分析部61将生成的动作指令信息输出到插值部64和激光指令计算部62。
激光指令计算部62基于从程序分析部61输出的动作指令信息(加工条件)，来生成使从扫描器4射出的激光L成为期望的激光输出的激光输出信息，基于生成的激光输出信息来生成激光振荡器3的振荡信息。生成的激光振荡器3的振荡信息被输出到激光指令输出部63。
激光指令输出部63基于从激光指令计算部62输出的振荡信息来生成激光振荡器3的振荡控制数据，基于生成的振荡控制数据来控制激光振荡器3。
插值部64基于从程序分析部61输出的动作指令信息(扫描路径)进行扫描器4的扫描路径(照射路径)的插值，来生成插值信息。生成的插值信息被输出到扫描速度计算部65。
在机器人2进行动作即模式开启的情况下，扫描速度计算部65在从插值部64输出的插值信息(扫描路径)以及从机器人控制装置5的加减速计算部53获得的与机器人2的位置和姿势有关的信息(安装于前端部22a的工件10的位置和姿势(例如旋转角度)的指令值或者来自各机器人用伺服电动机的编码器的反馈值)的基础上，考虑机器人2的动作来校正从插值部64输出的插值信息(扫描路径)。扫描速度计算部65基于校正后的插值信息(扫描路径)和预先设定的参数，来计算各检流计镜41、42的旋转速度。
另一方面，在机器人2不进行动作即模式关闭的情况下，扫描速度计算部65不进行考虑了机器人2的动作的插值信息(扫描路径)的校正，基于从插值部64输出的插值信息(扫描路径)和预先设定的参数来计算各检流计镜41、42的旋转速度。
由扫描速度计算部65计算出的旋转速度的数据被输出到加减速计算部66。
加减速计算部66基于从扫描速度计算部65输出的检流计镜41、42的旋转速度的信息和各参数进行检流计电动机41a、42a的加减速处理，来生成用于使激光L以扫描路径(照射路径)和扫描速度(照射速度)进行扫描的各检流计电动机41a及42a的驱动信息。生成的各检流计电动机41a、42a的驱动信息被输出到检流计电动机控制部67。
检流计电动机控制部67基于从加减速计算部66输出的驱动信息来生成各检流计电动机41a、42a的驱动控制数据，基于生成的驱动控制数据来驱动各检流计电动机41a、42a。
在此，在图9中示出以往的激光加工系统的结构。在以往的激光加工系统1X中，机器人2把持扫描器4以取代把持工件10(例如参照上述的专利文献1)。即，以往的激光加工系统1X具备使激光进行扫描的扫描器4和使扫描器4移动的机器人2。在以往的激光加工系统1X中，一边利用机器人2使扫描器4移动一边利用扫描器4使激光进行扫描，由此能够以任意的形状焊接(加工)工件。
在以往的激光加工系统1X中，机器人控制装置5和扫描器控制装置6通过各自单独的作业程序相独立地进行动作。在以往的激光加工系统1X中，由机器人控制装置5进行的对机器人2的移动路径和移动速度的控制与由扫描器控制装置6进行的对扫描器4的扫描路径(照射路径)和扫描速度(照射速度)的控制相独立。
为了实现上述结构，将正在进行动作的机器人2的位置或姿势从机器人控制装置5发送到扫描器控制装置6，在扫描器控制装置6中，考虑机器人2的动作来生成扫描路径。
但是，在以往的激光加工系统1X中，由于扫描器4的照射范围和机器人2的可动范围的限制而使得工件10中存在无法焊接的点。例如，如图10所示，在以往的激光加工系统1X中，能够在工件10的上表面进行焊接，但有时无法在工件10的侧面的一部分(例如工件10的与靠机器人2侧的侧面相反的一侧的侧面)和工件10的背面进行焊接。
关于这点，在本实施方式的激光加工系统1中，机器人2把持工件10，机器人控制装置5变更工件10的位置和姿势(旋转角度)，并将变更后的工件10的位置和姿势(旋转角度)反馈到扫描器控制装置6。然后，扫描器控制装置6考虑工件10的位置和姿势(旋转角度)来校正扫描器4的扫描路径和扫描速度。
接着，参照图6来说明由激光加工系统1的机器人控制装置5和扫描器控制装置6进行的对扫描器4的扫描路径和扫描速度的校正。图6是表示由激光加工系统1中的扫描器控制装置6进行的扫描器扫描速度计算动作的流程图。
首先，配置工件10，由机器人2把持工件10。将该机器人2的状态设为机器人2的基本位置和基本姿势，在该机器人2的基本位置和基本姿势下，将想要焊接成的工件的形状(例如三维形状)编入到机器人控制装置5和扫描器控制装置6中。
另外，在该机器人2的基本位置和基本姿势下，当变为机器人2进行动作即模式开启(运行控制模式开启)时，机器人控制装置5和扫描器控制装置6使机器人坐标系与扫描器坐标系一致。
另外，当变为模式开启(运行控制模式开启)时，机器人控制装置5中的加减速计算部53将与机器人2的位置和姿势、即安装于前端部22a的工件10的位置和姿势(旋转角度)有关的信息发送到扫描器控制装置6。加减速计算部53例如每隔规定的时间间隔发送与工件10的位置和姿势(旋转角度)有关的信息。
另外，当变为模式开启(运行控制模式开启)时(在图6的S1中为“是”)，扫描器控制装置6中的扫描速度计算部65基于从机器人控制装置5的加减速计算部53获得的与机器人2的位置和姿势、即工件10的位置和姿势(旋转角度)有关的信息，考虑机器人2的动作来校正通过插值部64进行插值后的扫描器4的扫描路径(图6的S2)。
然后，扫描速度计算部65基于校正后的扫描器的扫描路径来计算扫描器4的扫描速度(图6的S3)。
另一方面，在变为模式关闭(运行控制模式关闭)的情况下(在图6的S1中为“否”)，扫描速度计算部65不进行考虑了机器人2的动作的扫描器4的扫描路径的校正，基于通过插值部64进行插值后的扫描器4的扫描路径来计算扫描器4的扫描速度(图6的S3)。
如上面所说明的那样，根据本实施方式的激光加工系统1，机器人2把持工件10，机器人控制装置5变更工件10的位置和姿势(旋转角度)，并将变更后的工件10的位置和姿势(旋转角度)反馈到扫描器控制装置6。然后，扫描器控制装置6考虑工件10的位置和姿势(旋转角度)来校正扫描器4的扫描路径和扫描速度。由此，能够减少工件中无法进行激光加工的部位。例如，如图7所示，在本实施方式的激光加工系统1中，在工件10的侧面的一部分(例如工件10中的与靠机器人2侧的侧面相反的一侧的侧面)和工件10的背面也能够进行焊接。
(变形例)
在本实施方式的激光加工系统1中，扫描器4被设置为固定，但也可以是扫描器4能够移动。例如，激光加工系统1还可以具备使扫描器4移动的机器人2。
在该情况下，如图8所示，激光加工系统1还具备把持扫描器4并控制扫描器4的位置和姿势(旋转位置)的机器人控制装置5。该机器人控制装置5将扫描器4的位置和姿势(旋转位置)发送到扫描器控制装置6。然后，扫描器控制装置6除了考虑工件10的位置和姿势(旋转角度)以外还可以考虑扫描器4的位置和姿势(旋转位置)来校正扫描器4的扫描路径和扫描速度。
以上对本发明的实施方式进行了说明，但本发明不限定于上述的实施方式，能够进行各种变更和变形。例如，在上述的实施方式中，例示了进行激光焊接的激光焊接系统，但不限定于此。本实施方式的特征在于，能够应用于使用使激光进行扫描的扫描器和使扫描器移动的机器人来进行激光切断等各种激光加工的系统。
另外，在上述的实施方式中，例示了具备使激光对工件进行扫描的扫描器的激光加工系统，但不限定于此。本实施方式的特征在于，能够应用于具备对工件照射激光的各种激光照射装置来取代扫描器的激光加工系统。
另外，在上述的实施方式中，例示了具备使工件以规定的移动路径和规定的移动速度移动的机器人的激光加工系统，但不限定于此。本实施方式的特征在于，能够应用于具备使工件移动的各种工件移动装置来取代机器人的激光加工系统。
在该情况下，由取代机器人控制装置的工件移动控制装置发送工件的位置和姿势，由取代扫描器控制装置的激光照射控制装置基于该工件的位置和姿势来校正激光的照射位置即可。
另外，在上述的实施方式中，例示了机器人控制装置控制工件的位置和姿势这两方的激光加工系统，但不限定于此。例如，在机器人控制装置仅控制工件的位置和姿势中的任一方的情况下，机器人控制装置可以将与工件的位置和姿势中的任一方有关的信息发送至扫描器控制装置，扫描器控制装置基于从机器人控制装置接收到的与工件的位置和姿势中的任一方有关的信息，来校正扫描器的扫描路径和扫描速度(激光的照射位置)。

Claims (2)

1.一种激光加工系统，具备：
激光照射装置，其对工件照射激光，其中所述激光照射装置是使所述激光以规定的照射路径和规定的照射速度进行扫描的扫描器；
工件移动装置，其使所述工件移动，其中所述工件移动装置是使所述工件以规定的移动路径和规定的移动速度移动的机器人；
激光照射控制装置，其控制所述激光照射装置，来控制所述激光的照射位置，其中所述激光照射控制装置是控制所述扫描器的照射路径和照射速度的扫描器控制装置；以及
工件移动控制装置，其控制所述工件移动装置，来控制所述工件的位置和姿势，其中所述工件移动控制装置是控制所述机器人的移动路径和移动速度的机器人控制装置，
其中，所述机器人控制装置将与基于所述机器人的移动路径和移动速度的所述工件的位置和姿势有关的信息发送到所述扫描器控制装置，
所述扫描器控制装置基于从所述机器人控制装置接收到的所述信息来校正所述扫描器的照射路径和照射速度，从而校正所述激光的照射位置。
2.根据权利要求1所述的激光加工系统，其特征在于，
由所述扫描器控制装置进行的对所述扫描器的照射路径和照射速度的控制是与由所述机器人控制装置进行的对所述机器人的移动路径和移动速度的控制相独立地进行的。
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