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Allgemeiner Stand der Technik
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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Robotersystem, das unter Verwendung eines Roboters, an dem eine Laserbestrahlungsvorrichtung bereitgestellt ist, eine Laserbearbeitung vornimmt, und ein Laserbearbeitungsverfahren unter Verwendung dieses Robotersystems.
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2. Beschreibung des Stands der Technik
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Als ein System, das unter Verwendung einer Laserbestrahlungsvorrichtung eine Laserbearbeitung vornimmt, ist ein Laserbearbeitungs-Robotersystem, das einen Roboter verwendet, bekannt. Beispielsweise ist in der Patentoffenlegungsschrift 2007-098416 eine Laserschweißvorrichtung beschrieben, die einen Roboter, ein Laserausstrahlungsmittel, das an dem Roboter angebracht ist und einen Laserstrahl ausstrahlt, ein Messmittel, das die aktuelle Position des Roboters misst, und ein Steuermittel, das die Richtung des von dem Laserausstrahlungsmittel ausgestrahlten Laserstrahls auf Basis der durch das Messmittel gemessenen aktuellen Position des Roboters so steuert, dass die Bestrahlungsposition des Laserstrahls eine vorab festgelegte Bestrahlungsposition erreicht wird, aufweist.
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In der Patentoffenlegungsschrift
2012-139711 ist ein Laserbearbeitungssystem beschrieben, das einen Roboter, bei dem an einem Spitzenendabschnitt ein Laserscanner angebracht ist, und eine Steuervorrichtung, die ein Robotersteuersystem und ein Laserscannersteuersystem aufweist, umfasst.
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Bei den Techniken, die in der Patentoffenlegungsschrift
2007-098416 und in der Patentoffenlegungsschrift
2012-139711 beschrieben sind, ist an einem Spitzenende eines Roboterarms eine Laserbestrahlungsvorrichtung zur Ausstrahlung von Laserlicht angebracht und wird durch Ändern der Bestrahlungsrichtung mit dem Laserlicht von der Laserbestrahlungsvorrichtung, während auch der Roboterarm bewegt wird, ein Schweißen, Schneiden, Bohren oder dergleichen eines Werkstücks vorgenommen. Da das Werkstück und die Laserbestrahlungsvorrichtung verhältnismäßig voneinander entfernt sind, wird eine solche Laserbearbeitung auch als „Remote-Lasern“ bezeichnet.
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Beim Remote-Lasern ist eine Bearbeitung mit hoher Genauigkeit möglich, doch da die Laserbestrahlungsvorrichtung an einem Roboter angebracht verwendet wird, hängt ihre Bearbeitungsgenauigkeit von der Bewegungsgenauigkeit des Roboters ab. Beispielsweise ist in der Patentoffenlegungsschrift
2007-098416 ein Mittel offenbart, das eine 3D-Messung der Position des Roboters, der die Bestrahlungsvorrichtung hält, in Echtzeit vornimmt und die Bestrahlungsposition korrigiert, doch ist neben dem Auftreten einer Steuerverzögerung bei der Korrektur in Echtzeit die ständige Verfügbarkeit einer Messvorrichtung für das System nötig und werden so viele Messvorrichtungen erforderlich, wie Systeme vorhanden sind. Zudem besteht das Problem, dass keine Korrektur möglich wird, wenn es während der Verwendung des Systems zu einem Defekt der Messvorrichtung kommt.
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Die Technik der Patentoffenlegungsschrift 2012-139711 hat die Absicht, die bei der Patentoffenlegungsschrift 2007-098416 erwähnte Korrekturverzögerung durch eine vorab erfolgende Simulation der Roboterbewegung zu beseitigen. Doch normalerweise ist auch in der Simulation selbst ein bestimmter Fehler enthalten und ist dieser Simulationsfehler mit einer Abnahme der Bearbeitungsgenauigkeit verbunden.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung hat nun die Aufgabe, ein Laserbearbeitungs-Robotersystem und ein Laserbearbeitungsverfahren, wodurch die Bewegungsgenauigkeit des Roboters erhöht und eine hochpräzise Laserbearbeitung vorgenommen werden kann, bereitzustellen.
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Zur Lösung der obigen Aufgabe stellt eine Form der Erfindung der vorliegenden Anmeldung ein Robotersystem, das einen Roboter, der mit einem beweglichen Abschnitt versehen ist, und eine Laserbestrahlungsvorrichtung, die an dem beweglichen Abschnitt des Roboters ausgebildet ist und einen Laserbestrahlungspositionsveränderungsmechanismus aufweist, der die Laserbestrahlungsposition in wenigstens einer Richtung verändern kann, umfasst und durch Bestrahlen einer bestimmten Position eines Objekts mit einem Laserstrahl eine Laserbearbeitung vornimmt, bereit, wobei das Robotersystem eine Robotererstbewegungsvornahmeeinheit, die eine erste Roboterbewegung vornimmt, welche die Laserbestrahlungsvorrichtung an einen bestimmte Befehlsposition bewegt; eine Laserbestrahlungsvorrichtungspositionsmesseinheit, die eine tatsächliche Position der Laserbestrahlungsvorrichtung bei der ersten Roboterbewegung in einem dreidimensionalen Raum misst; eine Abweichungsspeichereinheit, die eine Abweichung zwischen der tatsächlichen Position der Laserbestrahlungsvorrichtung in dem dreidimensionalen Raum, die bei der ersten Roboterbewegung durch die Laserbestrahlungsvorrichtungspositionsmessvorrichtung gemessen wurde, und der Befehlsposition ermittelt und die Abweichung als zeitreihenbezogene Abweichungsdaten speichert; eine Laserbestrahlungspositionskorrektureinheit, die auf Basis der in der Abweichungsspeichereinheit gespeicherten Abweichungsdaten eine solche Korrektur vornimmt, dass die Laserbestrahlungsposition eine gewünschte Position erreicht; und eine Roboterzweitbewegungsvornahmeeinheit, die eine zweite Roboterbewegung vornimmt, bei der die gleiche Roboterbewegung wie die obige erste Roboterbewegung erfolgt, während eine Korrektur der Laserbestrahlungsposition durch die Laserbestrahlungspositionskorrektureinheit erfolgt, umfasst.
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Das Robotersystem kann ferner eine Laserbestrahlungsvorrichtungsfähigkeitsbestimmungseinheit umfassen, die bei der Steuerung des Laserbestrahlungspositionsveränderungsmechanismus der Laserbestrahlungsvorrichtung beurteilt, ob für die Bewegungsfähigkeit des Laserbestrahlungspositionsveränderungsmechanismus ein bestimmter Spielraum vorhanden ist oder nicht.
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Das Robotersystem kann ferner eine Motorinformationsvergleichseinheit, die eine erste Rückmeldeinformation hinsichtlich des Drehwinkels oder des Drehmoments des Motors jeder Achse des Roboters bei der ersten Roboterbewegung und eine zweite Rückmeldeinformation hinsichtlich des Drehwinkels oder des Drehmoments des Motors jeder Achse des Roboters bei der zweiten Roboterbewegung vergleicht; und eine Entscheidungseinheit, die bei Vorliegen eines Unterschieds von mehr als einem bestimmten zulässigen Wert zwischen der ersten Rückmeldeinformation und der zweiten Rückmeldeinformation in der Motorvergleichseinheit entscheidet, dass die Korrektur der Laserbestrahlungsposition ungültig ist, umfassen.
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Eine andere Form der Erfindung der vorliegenden Anmeldung stellt ein Laserbearbeitungsverfahren, das einen Roboter, der mit einem beweglichen Abschnitt versehen ist, und eine Laserbestrahlungsvorrichtung, die an dem beweglichen Abschnitt des Roboters ausgebildet ist und einen Laserbestrahlungspositionsveränderungsmechanismus aufweist, der die Laserbestrahlungsposition in wenigstens einer Richtung verändern kann, umfasst und durch Bestrahlen einer bestimmten Position eines Objekts mit einem Laserstrahl eine Laserbearbeitung vornimmt, bereit, das einen Schritt, bei dem eine erste Roboterbewegung vorgenommen wird, bei der die Laserbestrahlungsvorrichtung an eine bestimmte Befehlsposition bewegt wird; einen Schritt, bei dem die tatsächliche Position der Laserbestrahlungsvorrichtung in einem dreidimensionalen Raum bei der ersten Roboterbewegung gemessen wird; einen Schritt, bei dem eine Abweichung zwischen der tatsächlichen Position der Laserbestrahlungsvorrichtung in dem dreidimensionalen Raum, die bei der ersten Roboterbewegung gemessen wurde, und der Befehlsposition ermittelt wird und die Abweichung als zeitreihenbezogene Abweichungsdaten gespeichert wird; und einen Schritt, bei dem eine zweite Roboterbewegung vorgenommen wird, bei der die gleiche Roboterbewegung wie die obige erste Roboterbewegung erfolgt, während die Laserbestrahlungsposition auf Basis der gespeicherten Abweichungsdaten so korrigiert wird, dass sie eine gewünschte Position erreicht, umfasst.
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Einfache Erklärung der Zeichnungen
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Die obigen und weitere Aufgabe, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachstehenden Erklärung idealer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen noch klarer werden.
- 1 ist eine Ansicht, die ein Aufbaubeispiel für ein Laserbearbeitungs-Robotersystem nach einer idealen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
- 2 ist eine Ansicht, die den schematischen Aufbau eines in der Laserbearbeitungsvorrichtung enthaltenen Galvo-Mechanismus zeigt;
- 3 ist ein Ablaufdiagramm, das ein Beispiel für die Verarbeitungen bei dem Robotersystem von 1 zeigt;
- 4 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für die Bahn der Position der Laserbestrahlungsvorrichtung in einem für den Roboter festgelegten Koordinatensystem zeigt;
- 5 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für die Bahn der Laserbestrahlungsposition in einem für die Laserbestrahlungsvorrichtung festgelegten Koordinatensystem zeigt;
- 6 ist eine Ansicht, die die Positionsbeziehung der Laserbestrahlungsposition und des Bearbeitungsobjekts zu einem gewissen Zeitpunkt zeigt;
- 7 ist eine Ansicht, die ein konkretes Beispiel für Abweichungsdaten zeigt; und
- 8 ist eine Ansicht, die die Positionsbeziehung der Laserbestrahlungsposition und des Bearbeitungsobjekts zu einem gewissen Zeitpunkt und ein Beispiel, bei dem die Laserbestrahlungsposition korrigiert wurde, zeigt.
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Ausführliche Erklärung
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1 ist eine Ansicht, die ein Aufbaubeispiel für ein Laserbearbeitungs-Robotersystem 10 nach einer idealen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Das Robotersystem 10 ist so aufgebaut, dass es eine Laserbestrahlungsvorrichtung 12 mit einem Laserbestrahlungspositionsveränderungsmechanismus (siehe die später besprochene 2), der die Laserbestrahlungsposition in wenigstens einer Richtung beliebig verändern kann, einen Roboter 14, an dem die Laserbestrahlungsvorrichtung 12 montiert ist, und eine Robotersteuervorrichtung 16, die den Roboter 14 steuert, aufweist und an einer bestimmten Position eines Bearbeitungsobjekts (eines Werkstücks) 20, das auf einer Werkbank gehalten wird oder abgelegt ist, durch eine Laserbestrahlung eine bestimmte Laserbearbeitung wie etwa Schneiden, Schweißen, Markieren oder dergleichen vornimmt.
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Der Roboter 14 ist zum Beispiel ein sechsachsiger Knickarmroboter, der einen beweglichen Abschnitt 22 wie etwa einen Roboterarm umfasst und die an einem Spitzenende des Roboterarms 22 angebrachte Laserbestrahlungsvorrichtung 12 an eine beliebige Position in einem Arbeitsraum bewegen kann.
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Die Laserbestrahlungsvorrichtung 12 ist so ausgeführt, dass von einer Laserlichtquelle 24 eingebrachtes Laserlicht von ihrer Laserbestrahlungsöffnung 26 ausgegeben wird. In die Laserbestrahlungsvorrichtung 12 können als Laserbestrahlungspositionsveränderungsmechanismus eines oder beides aus einem Linsenmechanismus (nicht dargestellt), durch den die Brennweite des Laserlichts beliebig verändert wird, und einem wie in 2 gezeigten Galvo-Mechanismus 28, der die Bestrahlungsrichtung des Laserlichts zu einer beliebigen Richtung verändern kann, aufgenommen sein.
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Wie in 2 gezeigt umfasst der Galvo-Mechanismus 28 wenigstens eine Gruppe (bei dem gezeigten Beispiel zwei Gruppen) aus einem Galvo-Motor 30 und einem Spiegel 32. Noch konkreter ist an dem jeweiligen Spitzenendbereich des Galvo-Motors 30 ein Spiegel 32 angebracht, der das Laserlicht reflektiert, und kann der Reflexionswinkel des von der Laserlichtquelle 24 ausgestrahlten Laserlichts durch Regulieren des Drehwinkels des Galvo-Motors 30 beliebig verändert werden. Durch eine Verwendung von zwei Gruppen von Galvo-Motoren 30 und Spiegeln 32 wie bei dem in der Figur gezeigten Beispiel kann die Laserbestrahlungsposition in einer Ebene beliebig reguliert werden.
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Die Laserlichtquelle 24 bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine Laserlichtquelle, die der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 Laserlicht liefert, und konkret ein Laseroszillator, der eine Laseroszillation vornimmt. Für die Art des durch den Laseroszillator oszillierten Lasers lassen sich Faserlaser, CO2-Laser, YAG-Laser und dergleichen anführen, doch können auch andere Arten von Lasern verwendet werden.
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Die Robotersteuervorrichtung 16 erzeugt auf Basis eines bestimmten Betriebsprogramms Befehle zur Steuerung des Roboters 14 und nimmt die Betriebssteuerung des Roboters vor. Außerdem weist das Robotersystem 10 wie in 1 gezeigt eine Laserlichtquellensteuervorrichtung 34 auf, die die Laserlichtquelle 24 steuert. Die Robotersteuervorrichtung 16 kann der Laserlichtquellensteuervorrichtung 34 Befehle bezüglich der Ausstrahlung des Laserlichts senden. Konkret können in dem Befehl von der Robotersteuervorrichtung 16 an die Laserlichtquellensteuervorrichtung 34 eine Leistung, eine Frequenz und eine Betriebszeit, die Laserbestrahlungsbedingungen darstellen, enthalten sein. Es ist aber auch möglich, vorab mehrere Bestrahlungsbedingungen in einem Speicher oder dergleichen in der Laserlichtquellensteuervorrichtung 34 zu speichern und in den Befehl von der Robotersteuervorrichtung 16 eine Anweisung, welche der Bestrahlungsbedingungen in dem Speicher verwendet werden soll, und eine Anweisung im Hinblick auf die Zeitpunkte des Beginns und des Endes der Bestrahlung aufzunehmen. In 1 sind die Robotersteuervorrichtung 16 und die Laserlichtquellensteuervorrichtung 34 als gesonderte Vorrichtungen dargestellt, doch kann die (Funktion der) Laserlichtquellensteuervorrichtung 34 auch in die Robotersteuervorrichtung 16 aufgenommen werden.
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Wie in 1 gezeigt weist das Robotersystem 10 eine Laserbestrahlungsvorrichtungs-Steuervorrichtung 36 auf, die die Steuerung der Laserbestrahlungsvorrichtung 12, und noch konkreter eine Regulierung der Position der Linsen und Spiegel in dem Mechanismus der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 vornimmt. In 1 sind die Robotersteuervorrichtung 16 und die Laserbestrahlungsvorrichtungs-Steuervorrichtung 36 als gesonderte Vorrichtungen dargestellt, doch kann die (Funktion der) Laserbestrahlungsvorrichtungs-Steuervorrichtung 36 auch in die Robotersteuervorrichtung 16 aufgenommen werden.
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Wie in 1 gezeigt weist das Robotersystem 10 ein 3D-Positionsdetektionselement 38 auf, das an dem Spitzenende des Roboterarms 22 oder an der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 fixiert ist und die tatsächliche Position der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 in dem dreidimensionalen Raum misst. Als konkretes Beispiel für das 3D-Positionsdetektionselement 38 können ein GPS oder ein Gyrosensor oder dergleichen angeführt werden. Bei dem Beispiel von 1 ist das Positionsdetektionselement 38 durch ein Kabel an eine 3D-Positionsmessvorrichtung 40 (später beschrieben) angeschlossen, doch ist auch ein kabelloser Anschluss möglich. Als andere Vorrichtung zur Messung der Laserbestrahlungsposition gibt es ein 3D-Positionsmesssystem mittels eines Lasertrackers, und in diesem Fall wird ein Lichtempfangselement für den Lasertracker an dem Spitzenende des Roboterarms 22 oder an der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 fixiert verwendet. Die Anbringungsposition des Positionsdetektionselements 38 ist im Voraus als relative Position in Bezug auf die Position des Spitzenendes des Roboterarms (zum Beispiel den Spitzenendpunkt eines Werkzeugs) kalibriert.
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Wie in 1 gezeigt weist das Robotersystem 10 die durch ein Kabel oder kabellos an das Positionsdetektionselement 38 angeschlossene 3D-Positionsmessvorrichtung 40 auf. Bei der vorliegenden Ausführungsform bilden das 3D-Positionsdetektionselement 38 und die 3D-Positionsmessvorrichtung 40 die Laserbestrahlungsvorrichtungspositionsmesseinheit. Die 3D-Positionsmessvorrichtung ermittelt auf Basis der von dem 3D-Positionsdetektionselement 38 erhaltenen Daten die Position der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 in dem dreidimensionalen Raum und sendet ihre Positionsdaten an die Robotersteuervorrichtung 16. In 1 sind die Robotersteuervorrichtung 16 und die 3D-Positionsmessvorrichtung 40 als gesonderte Vorrichtungen gezeigt, doch kann die (Funktion der) 3D-Positionsmessvorrichtung 40 auch in die Robotersteuervorrichtung 16 aufgenommen werden. Wenn der Hauptabschnitt der 3D-Positionsmessvorrichtung 40 verhältnismäßig klein ist und einstückig (als eine Einheit) mit dem Positionsdetektionselement 38 ausgeführt ist, ist es auch möglich, die als eine Einheit ausgeführte Vorrichtung an dem Spitzenende des Roboters oder der Laserbestrahlungsvorrichtung zu fixieren.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform übernimmt die Robotersteuervorrichtung 16 (zum Beispiel ihre CPU) die Funktion der Robotererstbewegungsvornahmeeinheit, der Roboterzweitbewegungsvornahmeeinheit, der Motorinformationsvergleichseinheit und der Entscheidungseinheit, die oben genannt wurden, übernimmt ein Speicher oder dergleichen der Robotersteuervorrichtung 16 oder der Laserbestrahlungsvorrichtungs-Steuervorrichtung 36 die Funktion der Abweichungsspeichereinheit, und übernimmt die Laserbestrahlungsvorrichtungs-Steuereinheit 36 (zum Beispiel ihre CPU) die Funktion der Laserbestrahlungspositionskorrektureinheit und der Laserbestrahlungsvorrichtungsfähigkeitsbestimmungseinheit.
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Als nächstes wird unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm von 3 ein Beispiel für das Laserbearbeitungsverfahren durch das Robotersystem 10 und noch konkreter für die Verarbeitung zur Bewegung der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 durch den Roboter 14 an einen bestimmten Arbeitspunkt und die Vornahme der Laserbestrahlungstätigkeit erklärt. Hier wird ein Fall erklärt, bei dem wie in 4 gezeigt in einem für den Roboterarbeitsraum festgelegten Koordinatensystem Ow eine Laserbestrahlung von einem Punkt A bis zu einem Punkt B vorgenommen wird, während zugleich eine geradlinige Bewegung des Roboters 14 von dem Punkt A zu dem Punkt B erfolgt.
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Zuerst wird auf Basis eines bestimmten Programms eine erste Roboterbewegung, das heißt, eine Verarbeitung, um die an dem Roboterarm 22 angebrachte Laserbestrahlungsvorrichtung 12 ohne Ausstrahlung eines Laserstrahls bis zu einer bestimmten Befehlsposition (hier von dem Punkt A bis zu dem Punkt B) zu bewegen, vorgenommen (Schritt S1). Dabei bewegt sich die Laserbestrahlungsvorrichtung 12 wie in 4 gezeigt in dem Koordinatensystem Ow befehlsgemäß entlang einer Bahn, die der gestrichelten Linie (gerade Linie) 42 entspricht, von dem Punkt A bis zu dem Punkt B. Außerdem wird die Laserbestrahlungsvorrichtung 12 wie in 5 gezeigt so gesteuert, dass sie in einem für die Laserbestrahlungsvorrichtung festgelegten Koordinatensystem Ot in der gleichen Zeitreihe wie jener der ersten Roboterbewegung entlang einer Bahn, die der gestrichelten Linie (gerade Linie) 44 entspricht, von dem Punkt A bis zu dem Punkt B eine Laserbestrahlung vornimmt. Noch konkreter nimmt die Laserbestrahlungsvorrichtungs-Steuervorrichtung 36 durch Steuern des Linsenmechanismus und des Galvo-Mechanismus 28 zur Regulierung des Brennpunkts im Inneren der Laserbestrahlungsvorrichtung 28 eine derartige Steuerung vor, dass die Bestrahlungsposition eine vorab festgelegte Position erreicht.
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Da der Roboter 14 hier tatsächlich durch Fehler, die sich aus der Steuerung und dem Aufbau des Roboters selbst ergeben, wie Steuerungsfolgeverzögerungen der Servomotoren, die als Antriebselemente der einzelnen Achsen des Roboters verwendet werden, das Getriebspiel oder elastische Verformungen der Untersetzungsgetriebe oder Biegungen des Roboterarms beeinflusst wird, kann es vorkommen, dass er sich nicht genau entlang der befohlenen Bahn bewegt, sondern sich wie zum Beispiel mit der durchgehenden Linie 46 in 4 gezeigt windet.
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6 zeigt die Positionsbeziehung zwischen der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 und dem Werkstück 20 zu einem Zeitpunkt i. Die tatsächliche Position der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 (durchgehende Linien) ist durch die oben angeführten Einflüsse um eine Entfernung, die einer Abweichung E[i] entspricht, von der Position des tatsächlichen Befehls (gestrichelte Linien) verschoben, wodurch auch die Laserbestrahlungsposition auf dem Werkstück 20 um eine Entfernung, die ebenfalls E[i] entspricht, von der das Ziel darstellenden Laserbestrahlungsposition 48 verschoben ist. Wenn die Laserbestrahlungsvorrichtung 12 in einem solchen Fall eine Laserbestrahlung vornimmt, wird auch die Laserbearbeitungslinie durch den Bahnfehler (die Windungen) des Roboters beeinflusst und windet sie sich wie die durchgehende Linie 46 in 4, was zu einer Abnahme der Qualität der Laserbearbeitung führt.
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Nun wird in dem nächsten Schritt S2 während der Vornahme der ersten Roboterbewegung die tatsächliche Position der an dem Roboter 14 angebrachten Laserbestrahlungsvorrichtung 12 im dreidimensionalen Raum unter Verwendung der 3D-Positionsmessvorrichtung 40 und des 3D-Positionsdetektionselements 38 gemessen. Die Position, die den Ursprungspunkt der Messung darstellt, ist im Grunde die Anbringungsposition des 3D-Positionsdetektionselements 38, und diese Anbringungsposition wurde vorab in Bezug auf die Spitzenendposition des Roboters kalibriert und ist daher bereits bekannt. Als konkrete Stelle der Laserbestrahlungsvorrichtung 12, der das Messobjekt darstellt, (die Detektionsposition) kann ein Bereich, der in Bezug auf die Anbringungsstelle des 3D-Positionsdetektionselements 38 eine bestimmte Beziehung aufweist, verwendet werden, und beispielweise kann die Laserausstrahlungsöffnung 26 der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 verwendet werden.
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Die durch die 3D-Positionsmessvorrichtung 40 und das 3D-Positionsdetektionselement 38 gemessenen Positionsdaten werden an die Robotersteuervorrichtung 16 gesendet. Die Sendung der Daten kann parallel zu der Laserbestrahlungstätigkeit in Echtzeit vorgenommen werden, doch ist es auch möglich, die Positionsdaten zusammen mit einem mit der Zeitreihe in der Robotersteuervorrichtung 16 gemeinsamen Synchrontakt in der 3D-Positionsmessvorrichtung 40 zu speichern und jeweils zu bestimmten Zeiten gesammelt als Daten an die Robotersteuervorrichtung 16 zu senden. Da die gesendeten Positionsdaten in diesem Fall zusammen mit dem Synchrontakt gespeichert werden, können sie in der Robotersteuervorrichtung 16 leicht als zeitreihenbezogene Daten wiederhergestellt werden.
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Die gemessenen/gesendeten Positionsdaten und die befehlsgemäßen Positionen der an dem Roboter 14 angebrachten Laserbestrahlungsvorrichtung 12 in dem dreidimensionalen Raum werden durch die Robotersteuervorrichtung 16 in der gleichen Zeitreihe verglichen und der Unterschied (die Abweichung) dazwischen ermittelt und in einer passenden Speichervorrichtung wie etwa einem Speicher oder dergleichen gespeichert (Schritt S3). Konkret werden die tatsächliche Messposition (die tatsächlich gemessene Position) zu einem bestimmten Abtastzeitpunkt i und die befehlsgemäße Position (die Befehlsposition) verglichen und wird die Abweichung E[i] der tatsächlich gemessenen Position gegenüber der Befehlsposition ermittelt und als zeitreihenbezogene Daten in einer Form wie etwa E[0], E[1], ... E[Nmax] gespeichert. Da die Abweichungen in Bezug auf die einzelnen Zeitpunkte jeweils Komponenten in der X-, der Y- und der Z-Richtung enthalten, können sie zum Beispiel wie in 7 gezeigt als tabellenförmiger Datensatz gespeichert werden.
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Die oben genannten Abweichungsdaten können von der Robotersteuervorrichtung 16 an die Laserbestrahlungsvorrichtungs-Steuervorrichtung 36 gesendet werden, doch ist es auch möglich, dass die Laserbestrahlungsvorrichtungs-Steuervorrichtung 36 nach einer zeitweiligen Speicherung der Daten in dem Speicher der Robotersteuervorrichtung 16 mit einem beliebigen Timing auf den Inhalt dieses Speichers zugreift.
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In dem nächsten Schritt S4 wird durch die Laserbestrahlungsvorrichtung 12 eine Laserbestrahlungstätigkeit an dem Werkstück 20 vorgenommen, während eine zweite Roboterbewegung, das heißt, die gleiche erste Roboterbewegung wie in Schritt S1, erfolgt. Dabei bezieht sich die Laserbestrahlungsvorrichtungs-Steuervorrichtung 36 bei der Steuerung des Linsenmechanismus und des Galvo-Mechanismus 28 zur Brennpunktregulierung im Inneren der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 auf die in Schritt S3 gespeicherten Abweichungsdaten und korrigiert die Laserbestrahlungsposition auf Basis der mit der Zeitreihe der Roboterbewegung abgestimmten Abweichungsdaten, damit die Laserbestrahlungsposition die vorab festgelegte Position erreicht. Das heißt, der Laserstrahl wird in dem für die Laserbestrahlungsvorrichtung 12 festgelegten Koordinatensystem Ot so ausgestrahlt, dass E[i] in der gleichen Zeitreihe wie jener der Roboterbewegung korrigiert wird.
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8 ist eine Ansicht, die den Zustand der Laserbestrahlung zu einem Zeitpunkt i zeigt und die Korrektur der Laserbestrahlungsposition konkret erklärt. Wie in 6 gezeigt weist die tatsächliche Position der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 um eine Entfernung, die der Abweichung E[i] entspricht, von der tatsächlich befohlenen Position ab, doch kann der Laserstrahl durch Korrigieren der Laserbestrahlungsposition um das Ausmaß von E[i] zu der Zielposition 48 hin genau auf die beabsichtigte (gewünschte) Laserbestrahlungsposition 48 gestrahlt werden.
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Durch eine derartige Korrektur wird die Laserbearbeitungslinie in dem für die Laserbestrahlungsvorrichtung festgelegten Koordinatensystem Ot wie durch die durchgehende Linie 52 in 5 gezeigt zu einer Bahn, die in Bezug auf die gerade Linie AB zu der durchgehenden Linie (der gewundenen Bahn) in 4 über Links-Rechts-Symmetrie verfügt. Was die Laserbestrahlungsposition (die Laserbearbeitungslinie) betrifft, werden als Folge Fehler, die durch die Steuerung und den Aufbau des Roboters selbst verursacht werden, aufgehoben und wird in dem Koordinatensystem Ot eine Bahn entlang der geraden Linie AB erhalten, so dass eine genaue Laserbearbeitung vorgenommen werden kann.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform wurde ein Fall erklärt, bei dem die Bewegungsbahn des Roboters und die Bearbeitungslinie geradlinig sind, doch ist klar, dass die oben beschriebene zeitreihenbezogene Positionskorrektur bei Bahnen und Bearbeitungslinien mit beliebigen Formen vorgenommen werden kann.
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Nach Belieben kann die Laserbestrahlungsvorrichtungs-Steuervorrichtung 36 bei der Steuerung der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 unter Berücksichtigung der oben beschriebenen Korrektur auch beurteilen/bewerten, ob für die Bewegungsfähigkeit ihres Laserbestrahlungspositionsveränderungsmechanismus wie etwa des Linsenmechanismus und des Galvo-Mechanismus 28 ein Spielraum vorhanden ist oder nicht.
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Die hier genannte Bewegungsfähigkeit umfasst die Geschwindigkeit, die Beschleunigung und den Bewegungsbereich des Bestrahlungspositionsveränderungsmechnismus, der die endgültige Laserbestrahlungsposition steuert, was für den Galvo-Mechanismus 28 gesprochen der Umdrehungsgeschwindigkeit und der Drehbeschleunigung des Motors 30, der den Spiegel 32 dreht, und dem Bereich des Drehwinkels des Spiegels 32 entspricht. Zum Beispiel korrigiert die Laserbestrahlungsvorrichtung 12 die Laserbestrahlungsposition bei dem oben beschriebenen Beispiel nur für eine E[i] entsprechende Entfernung, doch wenn der Bereich der Laserbestrahlungsvorrichtung 12, in dem eine Bestrahlung möglich ist, größer als E[i] ist, entspricht die restliche Entfernung bis zu dem Bereich, in dem eine Bestrahlung möglich ist, dem Spielraum für den Bewegungsbereich, und kann auch bei einem größeren Korrekturausmaß als E[i] beurteilt werden, dass eine Korrektur möglich ist.
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Da außerdem bei dem oben beschriebenen Beispiel die Veränderung der Bestrahlungsposition durch die Laserbestrahlungsvorrichtung 12 innerhalb einer bestimmten Abtastzeit um eine Entfernung, die dem Unterschied zwischen E[i-1] und E[i] entspricht, ermittelt wird, muss das Ausmaß, um das sich die Bestrahlungsposition innerhalb dieser Abtastzeit bewegen kann, das heißt, die Geschwindigkeit, mit der eine Veränderung der Bestrahlungsposition möglich ist, größer als ((E[i-1] - E[i]) /Abtastzeit) (= die erforderliche Korrekturgeschwindigkeit) sein. Wenn die Geschwindigkeit, mit der eine Veränderung der Bestrahlungsposition möglich ist, bei der gegenständlichen Tätigkeit ausreichend schneller als die erforderliche Korrekturgeschwindigkeit ist, kann auch in diesem Fall beurteilt werden, dass eine Korrektor mit einer größeren Korrekturgeschwindigkeit möglich ist. Dies gilt auch für die Beschleunigung.
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Da die Abweichung zwischen der befehlsgemäßen Position (der Befehlsposition) des Roboters und der tatsächlichen Position (der tatsächlich gemessenen Position) im Allgemeinen stark von durch die Steuerung und den Aufbau des tatsächlichen Roboters verursachte Fehler (Steuerungsfolgeverzögerungen der Servomotoren, die als Antriebselemente der einzelnen Achsen des Roboters verwendet werden, das Getriebespiel oder elastische Verformungen der Untersetzungsgetriebe, Biegungen des Roboterarms und dergleichen) abhängt, wird die Abweichung umso größer, je schneller die Bewegung des Roboters wird, und nimmt mit einer Geschwindigkeitserhöhung des Roboters auch das pro Zeit erforderliche Korrekturausmaß, das heißt, die Korrekturgeschwindigkeit oder die Korrekturbeschleunigung, zu.
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Wenn nun beurteilt wird, dass für die Bewegungsfähigkeit der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 eine „Reserve“ besteht (das heißt, ein ausreichender Spielraum vorhanden ist), ist es günstig, die oben beschriebenen Schritte S1 bis S3 nach einer Beschleunigung der Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters um ein bestimmtes Ausmaß erneut auszuführen,. Wenn beurteilt wird, dass die in Schritt S3 ermittelte Abweichung gemäß der Bewegungsfähigkeit der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 korrigierbar ist, kann die Laserbearbeitung durchgeführt werden, während die Korrektur der Laserbestrahlungsposition passend vorgenommen wird.
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Die oben gekannte Beschleunigung des Roboters kann auch stufenweise erfolgen. Wenn beispielsweise die Robotergeschwindigkeit vor der Beschleunigung 1000 mm/s beträgt und die Höchstgeschwindigkeit des Roboters 2000 mm/s beträgt, wird die Geschwindigkeit des Roboters zuerst auf 1100 mm/s erhöht und die oben beschriebene Beurteilung des Spielraums der Bewegungsfähigkeit der Laserbestrahlungsvorrichtung vorgenommen. Wenn auch bei dieser Stufe ein ausreichender Spielraum vorhanden ist, wird die Robotergeschwindigkeit abermals auf 1200 mm/s erhöht und erneut eine Beurteilung des Spielraums der Bewegungsfähigkeit der Laserbestrahlungsvorrichtung vorgenommen. Die Beschleunigung des Roboters und die Beurteilung des Spielraums der Bewegungsfähigkeit werden wiederholt, bis die Bewegungsgeschwindigkeit des Roboters letztendlich den oberen Grenzwert (2000 mm/s) erreicht, oder bis beurteilt wird, dass die Bewegungsfähigkeit der Laserbestrahlungsvorrichtung für eine passende Korrektur der Abweichung unzureichend ist. Durch eine derartige Verarbeitung kann innerhalb des Bereichs der Bewegungsfähigkeit der Laserbestrahlungsvorrichtung eine Laserbearbeitung mit einer höchsten Robotergeschwindigkeit vorgenommen werden.
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Bei der Messung der dreidimensionalen Position der Laserbestrahlungsvorrichtung 12 kann auch die Rückmeldegröße hinsichtlich des Drehwinkels oder des Drehmoments des Motors jeder Achse des Roboters während der Bewegung des Roboters 14 gespeichert werden. Die gespeicherte Rückmeldeinformation kann mit der Rückmeldegröße hinsichtlich des Drehwinkels oder des Drehmoments des Motors jeder Achse während der Roboterbewegung bei der Korrektur der Laserbestrahlungsposition verglichen werden. Wenn zwischen beiden ein bedeutender Unterschied besteht (konkret mehr als ein bestimmter zulässiger Wert), kann beurteilt werden, dass der Roboter 14 zur Zeit der Messung der dreidimensionalen Position und zur Zeit der Korrektur der Laserbestrahlungsposition unterschiedliche Bewegungen ausführt. Wenn sich zum Beispiel der Drehwinkel eines Motors unterscheidet, kann leicht beurteilt werden, dass sich auch die Position des Spitzenendbereichs des Roboters 14 unterscheidet.
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Da bei der vorliegenden Ausführungsform vorausgesetzt wird, dass die Bewegung zur Zeit der Messung der dreidimensionalen Position der Laserbestrahlungsvorrichtung und die Bewegung bei der Korrektur der Laserbestrahlungsposition gleich sind, ist unangemessen, vorab erhaltene Abweichungsdaten für die Korrektur der Bestrahlungsposition zu verwenden, wenn zwischen den Rückmeldegrößen (einer ersten Rückmeldeinformation und einer zweiten Rückmeldeinformation) bei den jeweiligen Bewegungen (der ersten und der zweiten Roboterbewegung) ein bedeutender Unterschied besteht. Folglich ist es in einem solchen Fall günstig, einem Betreiber durch eine Anzeige oder eine Warnung oder dergleichen mitzuteilen, dass die Korrektur ungültig ist, und ihn zu einer Überprüfung der Stelle der Anomalie des Roboters 14 aufzufordern. Wenn die Stelle der Anomalie des Roboters 14 unbedeutend ist, ist es möglich, die dreidimensionale Position der Laserbestrahlungsvorrichtung erneut zu messen und neue Abweichungsdaten zu erhalten.
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Da bei der vorliegenden Ausführungsform wegen des vorab vorgenommenen Messens der tatsächlichen Position des Roboters während der Bearbeitungstätigkeit und des Erlangens des Fehlers zu der befehlsgemäßen Roboterposition bei der tatsächlichen Bearbeitung eine Steuerung der Bestrahlungsvorrichtung unter Berücksichtigung des Korrekturfehlers (eine Feedforward-Steuerung) möglich ist, können Korrekturverzögerungen und Einflüsse durch Simulationsfehler, die bei dem Stand der Technik bestehen, beseitigt werden und kann ein hochpräzises Laserbestrahlungs-Robotersystem aufgebaut werden. Da es genügt, die Messung der dreidimensionalen Position ein Mal im Voraus vorzunehmen, ist es nicht nötig, für das Robotersystem ständig eine Messvorrichtung verfügbar zu haben, und ist bei Vorhandensein mehrerer gleicher Robotersysteme auch eine Verwendungsform möglich, bei der mehrere Robotersysteme gemeinsam über eine Messvorrichtung verfügen, was mit einer Verringerung der Kosten als Ganzes verbunden ist. Da während der tatsächlichen Laserbearbeitung keine Messvorrichtung verwendet wird, besteht auch keine Gefahr einer Beschädigung der Messvorrichtung während der Bearbeitung, was zu einer Erhöhung der Verlässlichkeit des Robotersystems führt.
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Nach der vorliegenden Erfindung kann durch Verwenden der Positionsabweichung der Laserbestrahlungsvorrichtung, die bei der Vornahme der ersten Roboterbewegung gemessen wurde, zur Korrektur der Laserbestrahlungsposition bei der zweiten Roboterbewegung eine Korrektur der Laserbestrahlungsposition mit hoher Genauigkeit vorgenommen werden. Da es während der tatsächlichen Bearbeitung nicht nötig ist, die Position der Laserbestrahlungsvorrichtung zu messen, sind bei der Vornahme einer fortlaufenden Bearbeitungstätigkeit jegliche Bedenken, dass die Vorrichtung zur Messung der Laserbestrahlungsposition etwa wegen einer Beschädigung der Vorrichtung zur Messung der Laserbestrahlungsposition nicht normal arbeiten kann, unnötig, wodurch die Verlässlichkeit des Systems erhöht wird.
