JP2004314137A

JP2004314137A - レーザ加工ロボット

Info

Publication number: JP2004314137A
Application number: JP2003113161A
Authority: JP
Inventors: Mitsuhiro Okuda; 満廣奥田; Yoshitake Furuya; 好丈古屋
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2004-11-11
Also published as: US7038165B2; US20040206735A1; EP1468775A1

Abstract

【課題】レーザ加工ロボットにおけるレーザセンサ−ワーク間隔維持制御の乱れの防止。
【解決手段】ロボットコントローラ１０内で加工プログラムを再生し、ロボット１を加工経路に沿って移動させる際に、距離センサアンプ６を介して距離センサ３の検出信号を取り込み、レーザ加工ヘッド２とワークＷの間の間隔を所定値に保つように倣い制御を行なう。コーナ部Ｃにおける加減速処理において、最大加速度及び最大加加速度の規制手段１２を用いてロボットの加速度及び加加速度が夫々所定値を越えないように制御し、コーナ部Ｃ通過時の振動発生を防止する。それに伴うレーザ加工ヘッド２の移動速度変更に見合ったレーザ発振器４の出力変更を併せて実行する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ロボットアーム先端にレーザ加工を行うレーザ加工ヘッドを搭載し、レーザ加工ヘッドを移動させながら加工を行なうレーザ加工ロボットに関し、更に詳しく言えば、加工中に同レーザ加工ロボットを、レーザ加工ヘッド先端と被加工ワークとの間隔を一定に保ちながら移動させるための技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車業界を初め、一般産業分野においてもロボットを用いたレーザ加工装置による３次元加工のニーズが高まってきている。一般に、レーザ加工ではレーザ加工ヘッドと被加工ワークの間の間隔を最適値に保つため、加工ヘッドに非常に高い位置精度が必要とされる。また、被加工ワークによっては、その形状、寸法、位置にばらつきが存在する場合がある。このような場合には、それらばらつきに対応するために、加工中、リアルタイムでレーザ加工ヘッドの位置を制御する方式が採用されている。
【０００３】
しかしながら、このような方式を採用しても、３次元加工においてロボットの急な加減速に伴って振動が発生し、レーザ加工ヘッド先端点の軌跡を正確に制御できない事態を招くことが珍しくない。これを避けるために、経験上得られた速度条件をその都度入力することで対処していた（例えば下記特許文献１を参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−２１０４７５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記方法では、振動発生場所付近のロボットの速度設定と、同速度に見合ったレーザ出力設定を試行錯誤的に繰り返し、加工に要する時間をできるだけ長引かせずに安定した加工状態を実現できる条件を定める必要があり、その作業に時間がかかってしまう問題があった。本発明はこのような問題を解決し、レーザ加工ロボットが加工中に自動的に振動発生を避けながら移動できるようにすることを目的としている。また、そのことを通じて、安定した加工状態が簡便に実現できるようにして、レーザ加工ロボットによるレーザ加工の信頼性と効率を向上させることを企図している。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ロボットアーム先端にレーザ加工を行うレーザ加工ヘッドを搭載し、距離センサを利用して被加工ワークと該レーザ加工ヘッドの先端との間隔を所定距離に保ちつつ前記レーザ加工ヘッドを移動させて加工を行なうレーザ加工ロボットにおいて、加工中のレーザ加工ロボットの移動の加速度と最大加速度を規制し、各々が予め決められた最大加速度及び最大加加速度を超えないように制御することで上記課題を解決する。
【０００７】
即ち、このような制御により、レーザ加工ロボットの加減速が必然的に大きくなり易い部分（例えばコーナー部）の通過時に、自動的に加速度と加加速度が抑えられ、それによって振動が発生する可能性が自動的に抑えられる。また、それに伴うレーザーヘッド先端点の速度（レーザ加工ロボットの移動速度）の変更（一般に、低下）に応じて、レーザ出力などのレーザ加工条件を制御することで、上記規制に影響されない安定したレーザ加工を実現することができる。なお、加速度及び加加速度の制限値（最大加速度及び最大加加速度）の大きさは、要求されたレベルで振動抑制が達成されるように、設計的に定めれば良い。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に従った実施形態におけるレーザ加工ロボットのシステム構成の概要を示した図である。同図に示したように、本システムは、レーザ加工ロボット（以下、「ロボット」という）、同ロボット１に接続され、同ロボット１の動作を制御するロボットコントローラ１０、ロボット１のアーム先端に装着されたレーザ加工ヘッド２、同レーザ加工ヘッド２に光ファイバ５を介して加工のためのレーザビームを送るレーザ発振器４を含んでいる。レーザ発振器４のレーザ出力のＯＮ／ＯＦＦ及びパワーの制御は、レーザ発振器４に接続されたロボットコントローラ１０によって行なわれる。
【０００９】
そして更に、ロボット１のアーム先端には、レーザ加工ヘッド２に近接して距離センサ（ハイトセンサとも言う）３が装着され、同距離センサ３にケーブル７を介して接続され、距離センサ３の距離センシング動作を制御するとともに、検出信号を処理してロボットコントローラ１０に渡す。この信号（以下、「ハイトセンサ信号」とも言う）は、直接にはワーク（被加工対象物）Ｗと距離センサ３の間の距離を表しているが、ロボットコントローラ１０内でワークＷとレーザ加工ヘッド２の先端との間隔（ワークＷの表面から測ったレーザ加工ヘッド先端の高さ）を表わす信号として利用することができる。
【００１０】
ロボットコントローラ１０は、ロボット１の各軸をサーボ制御する軸制御アンプ１１の他、周知の態様でＣＰＵ、諸メモリ、外部信号の入出力のためのインターフェイス等を備えている（詳細説明は省略）。ワークＷに対するレーザ加工を行なうための加工プログラムは、ロボットコントローラ１０の不揮発性メモリに格納されている、加工プログラムを再生することで、ロボット１は同プログラムが指定する経路に沿って移動する一方、レーザ発振器４のレーザ出力のＯＮ／ＯＦＦ及びパワーが制御され、加工が実行される。
【００１１】
ここで、加工プログラムは、距離センサアンプ６から得られる距離情報、即ち、ワークＷと距離センサ３の間の距離に基づいて求められる「レーザ加工ヘッド２の先端とワークＷとの距離」（以下、「ヘッド−ワーク間隔」という）の情報を用いて、同ヘッド−ワーク間隔を予め定めた所定値に保つような制御を命令するものとなっている。また、通常に態様で、ロボット１の移動速度（指令速度）、加減速の時定数等を指定する諸データを含んでいる。
【００１２】
但し、ロボットコントローラ１０は、本発明の特徴を反映して、最大加速度及び最大加加速度を夫々予め定めた許容値を越えないようにする規制手段（加工プログラムと協同するソフトウェア）１２を有している。この規制手段１２は、ロボット１が例えばコーナ部Ｃを通る際に、加速度及び加加速度が振動発生を惹起しないように規制する。
【００１３】
次に述べるように、この規制は、もしも加工プログラムが指定する条件（指令速度、加減速定数）通りの移動を実行した場合には最大加速度及び最大加加速度の少なくとも一方が許容値を越えてしまうと判断される時に作動され、コーナ部Ｃを通る際に振動が発生することを未然に防止する。また、これに伴う速度変更を考慮し、レーザ発振器４の出力をレーザ加工ヘッド２の移動速度に見合うように調節する。
【００１４】
このような制御により、加工経路中にコーナ部Ｃが含まれていても、ロボット１は、少なくとも加工実行中には、ヘッド−ワーク間隔を加工プログラムが指定（あるいは別途パラメータで指定）する所定値に保ちつつ、安定したレーザ加工が実現される。即ち、コーナ部Ｃ通過時にレーザ加工ヘッド２が振動し、距離センサ３を利用した倣い制御が乱され、ヘッド−ワーク間隔が変動して加工品質に悪影響を与えることが防止される。
【００１５】
なお、加工プログラムの作成にあたっては、実際に加工位置をトレースしながら教示作成する方法と、オフラインで加工プログラムを作成した後、ロボットコントローラ１０にデータを移し、実行する方法があるが、本システムの場合、レーザ加工ヘッド２の高さ方向は、距離センサ３の信号にもとづいてワークＷの表面から一定の距離に制御されるため、教示プログラム作成時、各ポイント（教示点）毎に正確に教示する必要はない。
【００１６】
上述したように、距離センサ３からの信号は、距離センサアンプ６を介してロボットコントローラ１０に読み込まれ、レーザ加工ヘッド２とワークＷの表面の間の間隔が所定値に維持されるようにロボットアームの先端位置が制御される。距離センサ３にはいくつかのタイプがあるが、光検出方式または静電容量検出方式のセンサのいずれも採用可能である。
【００１７】
次に、加工プログラム実行中のレーザ加工ヘッド２の高さ制御（センサ−ワーク間隔制御）及び加減速制御について図２（処理の概要を記したフローチャート）及び図３（加減速処理後の速度指令について説明する図）を参照して説明する。この加減速制御に際して、上記した加速度及び加加速度の規制が行なわれる。各ステップの要点は下記の通りである。ロボット１の運転を開始するとロボットコントローラ１０内のメインプロセッサーは、これら諸ステップの処理を開始する。
【００１８】
ステップＳ１；再生されるべき教示プログラム（加工プログラム；以下、単にプログラムという）について、行番号を指定する行番号指標Ｌ（レジスタ値）を初期値１に設定する。
ステップＳ２；行番号指標Ｌが指定する行が最終行であれば処理を終了する。ノーであれば、ステップＳ３へ進む。
ステップＳ３；行番号指標Ｌが指定する行番号の動作文を読み込む。
ステップＳ４；その動作文が、レーザＯＮ命令であるか否か判断し、イエスであればステップＳ６へ進み、適切なタイミングでレーザ発振器４をＯＮとする。もしノーあれば、ステップＳ５へ進む。
【００１９】
ステップＳ５；行番号指標Ｌを１アップして、ステップＳ２へ戻る。
ステップＳ６；加工ノズル（レーザ加工ヘッド２）の高さ方向のロボット位置について、ハイトセンサ信号を利用した倣い制御を開始する。
ステップＳ７；ロボットの軸数指標Ｎ（レジスタ値）を初期値１に設定する。
ステップＳ８；指標Ｎがロボットの軸数を越えているかチェックし、越えていなければステップＳ９へ進み、越えていればステップＳ１４へ進む。
ステップＳ９；読み込まれている動作文情報（動作指令の情報）、及び、ロボット機構部の情報（ロボットのアームリンク長等）より、指標Ｎが表わす軸の加速度Ａｃｃｎを算出する。また更に、加速度の変化量から加加速度Ｊｎを算出する。
【００２０】
ステップＳ１０；算出された加速度Ａｃｃｎと加加速度Ｊｎを、夫々予めメモリに設定されている最大許容値Ａｃｃと加加速度Ｊｍａｘと絶対値で比較する。いずれか一方について、許容値を越えていればステップＳ１２へ進み、そうでなければステップＳ１１へ進む。なお、ここではＡｃｃ、Ｊｍａｘは各軸共通値とするが、場合によっては、各軸毎に用意して、Ａｃｃ１、Ｊｍａｘ１、Ａｃｃ２、Ｊｍａｘ２・・・・・Ａｃｃ６、Ｊｍａｘ６（６軸ロボットの場合）などとしても良い。
【００２１】
ステップＳ１２；最大許容値Ａｃｃと加加速度Ｊｍａｘを読み込む。なお、上記したように、許容値が各軸毎に用意されている場合は、軸指標Ｎに対応するＡｃｃＮ、ＪｍａｘＮを読み込む。
【００２２】
ステップＳ１３；軸指標Ｎが表わす軸について、加減速制御の制御パラメータを最大加速度についてはＡｃｃ、最大加加速度についてはＪｍａｘとして、図３に示すような加減速処理を行ない、その結果得られる速度指令（所定周期毎の移動指令）を出力する。即ち、ロボット１の加速域（時間領域）においては、所定周期毎に設定加加速度分Ｊｍａｘづつ加速度を増加させ、最大加速度Ａｃｃに達した時点で加加速度を０にする。次に、速度が目標値Ｖｃに近くなったところで設定加加速度分Ｊｍａｘづつ加速度を減少させ、指令速度Ｖｃに達した時点で加速度、加加速度を０とする。減速域においては、該設定加速度、加加速度をもとに加速と逆の手順で速度を減少させる。ステップＳ１３の処理を終えたらステップＳ１１へ戻る。
【００２３】
ステップＳ１４；全軸の加速度から、レーザ加工ヘッド２の先端の移動速度（ノズル先端速度）を計算する。
ステップＳ１５；ステップＳ１４で算出されたノズル先端速度の減速比（プログラムで元来指定されていた指令速度Ｖｃに対応する移動速度との比）に応じてレーザ発振器４の出力を下方変更する。即ち、指令速度Ｖｃの下でのレーザ出力指令値がＰｃの場合、加減速域においてはレーザ指令値をＰｃ’＝Ｐｃ・Ｖ（ｔ）／Ｖｃとして制御を行う。なお、この処理は、上記の加減速処理に伴う移動指令の出力毎に実行される。加減速処理に伴う移動指令の出力が終われば、元のレーザ出力に戻す。
【００２４】
ステップＳ１６；行番号指標Ｌを１アップして、ステップＳ２へ戻る（符号Ａ丸印を参照）。
【００２５】
このような処理サイクルを実行することで、レーザ加工ヘッド２が各レーザ加工区間の開始位置に到達する毎に、レーザ出力指令がＯＮされ、ハイトセンサ信号の読み込みの下で倣い制御によるレーザ加工が実行される。また、その際の加減速制御について加速度と加加速度がチェックされ、振動防止予測時には加減速制御の内容は強制的に変更される。また、加減速域においてはレーザ出力指令値も加減速域の速度Ｖ（ｔ）に応じて変化させられる。
【００２６】
また、レーザ加工ヘッドがレーザ加工区間の終了位置に到達した時点毎に、レーザ出力ＯＦＦ指令が読み込まれ、レーザ出力はＯＦＦされる。また、ハイトセンサ信号の読み込みも終了させるられる。プログラムの最終行まで達すると、処理エンドの命令文に従い、処理終了となる。
【００２７】
ところで、上記の実施形態では、ヘッド−ワーク間隔（ノズル高さ）をモニターする距離センサ（ハイトセンサ）３は、ロボットアーム先端にレーザ加工ヘッド２とは別体で装着されているが、レーザ加工ヘッド自身に距離センサ（ハイトセンサ）を装着しても同様のモニターが可能であることは言うまでもない。また、ヘッド−ワーク間隔（ノズル高さ）を所定値に保つための倣い制御のために、付加軸を設け、この付加軸をハイトセンサ信号に応じて制御するようにしても良い。
【００２８】
図４（ａ）には、レーザ加工ヘッド自身に距離センサ（ハイトセンサ）を装着し、付加軸を設け、この付加軸をハイトセンサ信号に応じて制御するケースを示した。また、図４（ｂ）には、レーザ加工ヘッド自身に距離センサ（ハイトセンサ）を装着し、倣い制御は上記実施形態と同じく６軸の制御で行なうケースを示した。いずれのケースにおいても、本発明の特徴である「加速度と加速度の規制」のやり方は上記実施形態と同様である。
【００２９】
【発明の効果】
本発明によれば、ロボットの急加速時の振動によって発生する軌跡の乱れを、未然に防止することができる。また、それに伴い、加工経路にコーナ部を含むケース、例えば複雑な３次元形状のワークに対しても、安定したレーザ加工を実行することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明に従った実施形態におけるレーザ加工ロボットのシステム構成の概要を示した図である。
【図２】実施形態におけるレーザ加工ヘッド高さ制御と加減速制御について説明するフローチャートである。
【図３】加減速処理後の速度指令について説明する図である。
【図４】（ａ）は、レーザ加工ヘッド自身に距離センサ（ハイトセンサ）を装着し、付加軸を設け、この付加軸をハイトセンサ信号に応じて制御するケースを示した図であり、（ｂ）は、レーザ加工ヘッド自身に距離センサ（ハイトセンサ）を装着し、倣い制御は上記実施形態と同じく６軸の制御で行なうケースを示した図である。
【符号の説明】
１ロボット（レーザ加工ロボット）
２レーザ加工ヘッド
３距離センサ
４レーザ発振器
５光ファイバ
６距離センサアンプ
７ケーブル
１０ロボットコントローラ
１１軸制御アンプ
１２加速度／加加速度規制手段
Ｃコーナ部

Claims

ロボットアーム先端にレーザ加工を行うレーザ加工ヘッドと距離センサを搭載し、該距離センサにより該距離センサと被加工ワークとの間の距離を検出し、該検出された距離に基づいて該被加工ワークと前記レーザ加工ヘッドの先端との間隔を所定距離に保ちつつ前記レーザ加工ヘッドを移動させて加工を行なうレーザ加工ロボットにおいて、
前記加工中、該レーザ加工ロボットの移動の加速度が予め決められた最大加速度を超えず、且つ、加加速度が予め決められた最大加加速度を超えないように制御する手段を備えたことを特徴とする、レーザ加工ロボット。
ロボットアーム先端に、距離センサを備えた、レーザ加工を行うレーザ加工ヘッドを搭載し、該距離センサにより該距離センサと被加工ワークとの間の距離を検出し、該検出された距離に基づいて該被加工ワークと前記レーザ加工ヘッドの先端との間隔を所定距離に保ちつつ前記レーザ加工ヘッドを移動させて加工を行なうレーザ加工ロボットにおいて、
前記加工中、該レーザ加工ロボットの移動の加速度が予め決められた最大加速度を超えず、且つ、加加速度が予め決められた最大加加速度を超えないように制御する手段を備えたことを特徴とする、レーザ加工ロボット。
前記制御手段による移動制御により、前記レーザ加工ロボットの移動速度が変更された場合、該移動速度の変更に応じてレーザ加工条件を変更する手段を備えた、請求項１又は請求項２に記載のレーザ加工ロボット。