JP2005334972A - レーザ光線の合焦方向の簡素化した制御によるロボット補助遠隔レーザ溶接の方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 非常に簡単な構造および操作により、ロボットがレーザヘッドを溶接すべき構造体から一定の距離を保ち、溶接すべき構造体に沿ってレーザ光線の焦点方向の方向付けを可能にするレーザ溶接の方法と装置を提供する。
【解決手段】 金属板構造体の遠隔レーザ溶接装置は、レーザ発生源から到達するレーザ光線を合焦させる合焦ヘッドを保持する付属装置（３）がその手首の上に取り付けられた関節型ロボットからなり、付属装置（３）は、１つの揺動軸（８）の周りに合焦したレーザ光線（Ｆ）の指す方向を揺動させる手段である。溶接の間、ロボットは、付属装置（３）を所定の軌跡および所定の速度で移動するが、合焦したレーザ光線（Ｆ）の指す方向は、速度および軌跡の少なくともいずれかがロボットに搬送される付属装置（３）の移動する軌跡および速度に直接依存せずに移動する構造体の領域（Ｗ）にレーザ光線を照射できるように揺動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロボット補助レーザ溶接、すなわち、金属板構造体、例えば、自動車のボディまたはフレームのアセンブリまたはサブアセンブリを構成する構造体、或いは、自動車分野に関係ない構造体を溶接する方法および装置に関する。

ずっと以前に、本出願人は、自動車構造体のレーザ溶接装置を提案した（例えば、「レーザゲートシステム」と呼ばれるものに関する特許文献１および特許文献２参照）。しかしながら、そのような用途へのレーザ溶接の使用は、９０年代初頭の最初の提案の後、続けて広まることはなかった。これは、主として、レーザ溶接装置の最初の実施形態によって行った試験がそのような技術に関するいくつかの問題の存在を示していたことによる。
欧州特許ＥＰ０４４０００１Ｂ１号公報 欧州特許ＥＰ０４４０００２Ｂ１号公報 欧州特許ＥＰ１２３８７４８Ａ１号公報 欧州特許ＥＰ１２３６５３６Ａ１号公報 イタリア特許出願ＴＯ２００２Ａ０００７６０号 欧州特許ＥＰ１２２８８３５Ａ１号公報 イタリア特許出願ＴＯ２００３Ａ００１０１７号

第１の関連する問題は、自動車分野における外側に亜鉛メッキした保護層を有する金属板の広範な使用によって発生する。そのような層は、レーザ溶接工程中に、高品質の溶接を頻繁に脅かす亜鉛蒸気を発生する原因を与える。

そのような問題は、同じ出願人による欧州特許出願ＥＰ１２３８７４８Ａ１号およびＥＰ１２３６５３５Ａ１号において、取り扱い、詳細に説明しており、それらは、前記障害を簡素で効果的な方法で克服でき、溶接工程中に生成した亜鉛蒸気を逃がすことを担保する装置に関する。亜鉛蒸気により引き起こされる課題の他の解決策は、本出願人によるイタリア国特許出願ＴＯ２００２Ａ０００７６０号において提案されている。

しかしながら、少なくとも部分的に自動車分野ではレーザ溶接の使用が未だ途上であった長い期間を説明する前記技術手問題が認知され、研究され、そして完全に解決されるまでいくらか時間が経過した。

自動車の構造体の組立へのレーザ溶接の適用について考慮すべき他の関連する問題は、短い製造時間でアセンブリの高い品質を保証する必要性に関連する。自動車の車体またはそれらのサブアセンブリの組立ステーションは、一般的に、溶接の間、構造体の構成要素の金属板の正しい位置を確保する複数の位置決めおよび固定システムを有する。明らかに、前記目的のために配置可能な固定システムの数の最低の限界値が存在し、それ以下では、構造体の形状寸法が都合よく確保できず、このため、組み立て作業の低い作業品質をもたらす。このことは、開放した休止状態から閉鎖した作業状態に、または、その逆に切り替える制御装置を有する固定装置でいっぱいの、比較的「混み合った（crowded）」溶接ステーションの原因を与える。さらに、フレキシブル溶接ステーション、すなわち、溶接すべき構造体のいくつかの種類、型式またはバージョンを扱うステーションの場合、溶接ステーションは、固定システムを支持し、溶接ステーションに関わる車体またはサブアセンブリの種類によってその都度迅速に交換可能ないくつかの構造体のための案内手段および制御手段をも有する。その結果生じる溶接ステーションの構造およびその一部分の相対的な複雑さは、明らかに、溶接する構造体の様々な領域に近接する溶接手段（従来の場合は電気溶接ガン、レーザ溶接の場合はレーザヘッド）を搬送するのに使用されるハンドリングロボットの仕事を複雑にする。

電気溶接ガンを使用する伝統的技術の場合およびレーザ溶接の場合のいずれでも、ロボットは、割り当てられた溶接を実行するために、溶接すべき構造体の一連の領域に連続して届く必要がある。従って、溶接する構造体が溶接ステーションに到達した後、少なくとも各ロボットが割り当てられた溶接を全て実行できる十分な時間が前記ステーションに残されていなければならない。明らかに、溶接ステーションで費やす時間は、ロボットの数を増やせば短くできるが、これもまた、経済的理由と、一定の数を超えるロボットは各ロボットが隣接する１以上のロボットの作業の障害になるという事実との両方によって、この可能性の限界が存在する。

一方で、各ロボットが割り当てられた全ての溶接をするのに使用する時間は、様々な作業に必要な時間だけでなく、溶接する領域に到達するのに使用されるそれぞれの時間をも合計してなり、ロボットが、溶接すべき構造体の領域およびそれらと係合した様々な固定システムの両方とのいかなる干渉も避ける比較的曲がりくねった経路をたどるとき、そのような時間は非常に長い。

他方で、自動車の構造体の溶接へのレーザ技術の使用の初期に、利用可能なレーザ発振器は、現在利用可能なものより比較的非効率で低出力であったことを考慮する必要がある。第１世代のレーザ発振器を使用すると、とにかく、ロボットが搬送するレーザヘッドの位置を溶接する構造体の比較的近くに保証する必要があった。この観点から、伝統的な電気スポット溶接技術と比較して、レーザ技術の適用は特に有利ではなかった。逆に、現在利用可能なレーザシステムを使用すると、製造コストの劇的な削減への有望な解決策への道が開かられている。

前記発達の基礎になり、初期の適用に行われた試験の目的である概念は、ロボットによるレーザヘッドの搬送において、溶接すべき構造体から一定の距離を保つことと、ロボットがレーザヘッドを移動する方向および速度に直接依存しない方向および速度で、溶接すべき構造体に沿ってレーザ光線の焦点方向の方向付けを可能にする手段を用意することとからなる。勿論、これは、溶接線を与えるために溶接する構造体に対して一定の領域にレーザ光線を移動するためだけでなく、特に、ロボットに搬送されるヘッドが移動する間に、溶接すべき構造体の様々な場所を迅速で効果的に溶接することに利用される。

これに関する解決策は、本出願人により、欧州特許出願ＥＰ１２２８８３５Ａ１号（遠隔レーザ溶接のシステムおよび方法）において提案されており、その出願において本出願人は共同出願人である。前記公知のシステムは「直交座標型」ロボットに適用されるが、「関節型」の種類のロボットには適用されず、ロボットに「追加」され、統合されない。

同様の解決策であるが、ロボットの構造体に「統合」された装置により実施されるものは、本出願人により２００３年１２月１８日に出願され、本出願の優先日において未だ公開されていない、先のイタリア国特許出願ＴＯ２００３Ａ００１０１７号の課題でもある。前記欧州特許出願ＥＰ１２２８８３５Ａ１号に開示された１つの前記解決策は、特に、レーザ光線の焦点合わせおよび方向付けの装置とその制御手段に関するが、いずれにせよ複雑である。

本発明の課題は、特に、非常に簡単な構造および操作により特徴付けられた、簡単で効果的な方法で前記基本的概念を有効に生かすレーザ溶接の方法と装置を達成することである。

本発明によれば、前記課題は、金属板要素からなる構造体のレーザ溶接方法であって、多軸の搬送ロボットであり、該搬送ロボットの構成要素の前記軸を中心にした移動を制御する複数の電気モータを含む搬送ロボットと、該搬送ロボットの末端の構成要素を所定の３次元の空間的容積内で任意の位置に任意の向きおよび任意の軌道で移動させるために前記電気モータを制御するプログラム可能な電子制御ユニットと共に配置し、前記搬送ロボットの前記末端の構成要素上に、レーザ発生源から到来するレーザ光線を合焦させるための付属装置であり、合焦したレーザ光線を１つの揺動軸の周りに揺動することで方向付けするように設計された付属装置を固定し、前記搬送ロボットを、前記付属装置が溶接すべき構造体の様々な領域に近いが隣接しない所定の軌道に沿って移動するように制御し、前記付属装置が前記所定の軌道沿って移動する間、溶接すべき構造体の前記合焦したレーザ光線が照射された領域を前記付属装置の移動の軌跡および速度の少なくともいずれかに依存しないで移動するために、前記合焦したレーザ光線の方向を前記付属装置によって変化させるレーザ溶接方法、および、金属板の構成要素からなる構造体のレーザ溶接装置であって、多軸の搬送ロボットであり、該搬送ロボットの構成要素の前記軸を中心にした移動を制御する複数の電気モータを含む搬送ロボットと、該搬送ロボットの末端の構成要素を所定の３次元の空間的容積内で任意の位置に任意の向きおよび任意の軌道で移動させるために前記電気モータを制御するプログラム可能な電子制御ユニットとを有し、前記搬送ロボットの前記末端の構成要素上には、レーザ発生源から到来するレーザ光線を合焦させるための付属装置が固定され、前記付属装置は、合焦したレーザ光線を１つの揺動軸の周りに揺動することで方向付けするように設計されており、前記付属装置は、電子制御手段によって制御され、前記揺動を制御する手段をさらに含み、前記電子制御ユニットは、前記付属装置を溶接すべき構造体の様々な領域に近いが隣接しない所定の軌道に沿って移動するようにプログラムされ、前記電子制御ユニットと、前記合焦したレーザ光線の向きを方向付けする前記電子制御手段とは、前記付属装置が前記搬送ロボットによって前記所定の軌道に沿って移動する間、溶接すべき構造体の前記合焦したレーザ光線が照射された領域を前記付属装置の移動の速度および軌跡の少なくともいずれかに依存しないで移動するように、前記合焦したレーザ光線の指す方向を変えるようにプログラムされているレーザ溶接装置によって達成される。

本発明のレーザ溶接装置のさらに有利な特徴は、前記付属装置が、前記搬送ロボットの手首に接続されたベース部と、該ベース部上に前記揺動軸周りに揺動可能に置かれた枠部材とからなり、前記枠部材の揺動を制御するモータが設けられていることである。前記枠部材は、前記レーザ光線の合焦ヘッドを支持してもよく、前記ベース部に堅く接続した合焦ヘッドと、前記合焦したレーザ光線を揺動するために、前記合焦ヘッドの中に光学揺動手段を有してもよい。前記レーザ光線は、前記レーザ発生源から前記付属装置まで光ファイバーの束を通して案内されてもよく、前記光ファイバーの束は、全体が前記搬送ロボットの構造の外部に設けられていても、少なくとも部分的に前記搬送ロボットの構造の内部に設けられていてもよい。

合焦ヘッドを溶接される部材から距離をおいて保持できることは、溶接の間、ロボットに搬送されるヘッドの軌道を高度に簡素化することができる。溶接工程の間、レーザヘッドは、溶接される部材を距離を置いて「飛び越える」が、同時に、合焦したレーザ光線は、部材の様々な領域の溶接の溶接線を達成するように方向付けされる。

通例、合焦ヘッドは、溶接すべき構造体に対して、溶接ビードを形成すべきレーザ光線の速度よりも速い速度で移動できる。これは、ヘッドが既に継ぎ目が形成されている領域の外に出てしまっているときに、レーザ光線が依然として進行中の継ぎ目に方向付けされるように、各ビードを溶接するときにレーザ光線の合焦方向が変更されることを意味する。これにより、継ぎ目が完成したとき、レーザヘッドは、既に、さらに過ぎ去っており、故に、新しい継ぎ目は、開始すべき新しい溶接ビードの領域にレーザを直線的に移動するように、レーザ光線の指す方向を唐突に変更することで開始できる。

さらに、本発明によれば、前記効果は、多軸関節型ロボットの手首に取り付けられる付属品であり、レーザ光線の合焦方向を揺動する１つの軸を有することで簡素化された基本設計を有する非常に簡単な構造を有する装置により達成される。前記効果は、ベースフレームに対して揺動する合焦ヘッドの支持構造体の配置、または、合焦した光線を揺動するための光学手段（例えば、揺動鏡）の配置によっても達成される。

本発明のさらなる特徴と利点は、純粋に非限定的例として提供した添付図面を参照してする以下の説明により明らかにする。

図１において、符号１は、任意の公知の種類の搬送ロボットを全体的に示す。出願人は、長期にわたり、他のエレメントに対して回転可能に取り付けた、または、一連の軸（典型的には６軸）で屈曲可能な一連のエレメントを使用する「関節型」搬送ロボットを製造販売している。前記軸は、それぞれ、電気制御モータに接続されている。電気モータは、ロボットに接続したプログラム可能な電子制御ユニット２によって制御される。制御ユニット２は、ロボット１の末端を支持する関節構造のロボット構造体、または、「手首」を、所定の形状および大きさを有する空間容積の中のいかなる位置にも空間的に移動させるように、電気モータを制御できる。

本発明において、付属装置３は、ロボットの手首の上に取り付けられている。装置は、レーザ発生源（不図示）から光ファイバーの束５に案内されて装置３に到来するレーザ光線を溶接点または領域Ｗに合焦させる合焦ヘッド４を含む。図１において、光ファイバーの束５は、ロボット構造の外側に配置されている。しかしながら、光ファイバーの束５は、本出願人の先の特許出願に想定し提案したように、少なくとも部分的にロボット構造の内部に配置することができる。

図１を参照すると、装置３は、ロボット１の手首に堅く接続されるように設計されたベース部６と、合焦ヘッド４を収容し、ベース部６に置かれ、揺動軸８の周りに揺動する枠部７とを含む簡素化された構造を有する。ベース部６は、揺動軸８を中心に合焦ヘッド４を支持する枠部７の揺動を制御するために、任意の公知の種類のモータを備える。前記モータは、以下に詳述する要求に係る装置の制御を保証するために、ロボット制御ユニット２に接続した別体の制御ユニットにより制御されても、或いは、ロボット制御ユニット２に統合された電子的手段により制御されてもよい。

図１において、符号９は、溶接すべき構造体、例えば、連続する溶接ビードを与えることで、その境界に沿って互いに接続される１対のプレス加工した金属板を全体的に示す。そのような用途の一例は、自動車のドアの構造体の溶接である。しかし、本発明は、自動車分野以外にも使用できる。

図２は、複数の、線上に並び、長手方向に一定の距離がおかれた溶接ビード１０が実行される間、装置３により保持される様々な姿勢を示す。

工程中、ロボット１は、装置３を軌道Ｌに沿って、通例、各溶接ビード１０が形成されるべき速度よりも速い速度Ｖで移動するように制御される。ロボット１は、装置３を直線的な軌道Ｌに沿って速度Ｖで移動するが、制御装置は、合焦した光線Ｆが照射される領域Ｗを構造体９に沿って、溶接ビード１０を生成する速度に相当する速度Ｖ_Ｗで移動するように合焦した光線Ｆの向きを変える。これは、図２において、装置３が位置Ａから位置Ｂまで移動する間に合焦した光線Ｆが溶接ビード１０ＡＢを生成するように、装置３が軌道Ｌに沿って（図２では右方向に）移動する間、合焦した光線Ｆの方向を（やはり図２では）時計回りに揺動する。

一度、溶接ビード１０ＡＢの溶接が完成したならば、装置３が位置Ｃに到達する間に、合焦した光線Ｆは、新しい溶接ビード１０ＣＤの基点に移動するように、急に揺動する。前記急な揺動は、光線Ｆが照射される小さな領域の非常に速い速度Ｖ_Ｒでの溶接ビード１０ＡＢの終端から溶接ビード１０ＣＤの基点への移動をもたらす。再び、溶接ビード１０ＣＤの溶接は、部材の照射される領域が溶接ビード１０ＣＤを形成するために部材に沿って移動する速度よりも速い速度Ｖで装置３を移動するロボット１によって実行される。装置３が位置Ｄに到達したとき、合焦した光線Ｆは、溶接ビード１０ＣＤの終端に到達し、装置３の位置Ｅに対応する溶接ビード１０ＥＧの基点に急に揺動可能になる。ここで、新しい溶接ビード１０ＥＧは、上記のように実行される。合焦した光線Ｆが溶接ビード１０ＥＧの終端に近づいたとき、装置３は位置Ｇにあるが、合焦した光線Ｆが再び時計回りに、位置Ｅでの方向から位置Ｇで保持される方向に回転している。

図示されるように、上記の方法および装置は、ロボットがいかなる種類であってもよく、１つの揺動軸８を有する極めて簡素化した合焦および位置決め装置が適合し、非常に簡素化した構造により遠隔レーザ溶接の基本原理を活用する。

明らかに、装置３は、合焦ヘッド４を保持する構造体の揺動軸８周りの揺動を可能にする手段、または、代案として、対応する支持構造体を揺動することなく合焦した光線Ｆの指す方向を揺動させられる光学手段、例えば揺動鏡を有する。

明らかに、本発明の基本概念を同じまま残し、詳細構造および実施形態は、本発明の構成から離れることなく、単なる例として説明して図示したものから広く変形できる。

特に、添付した図面に図示した例は、１つの揺動軸８を有する合焦した光線Ｆの方向付け装置を含むが、本発明は、さらに、前記揺動軸に加えて１以上の追加の軸が示される装置の例を含む。

本発明の装置を装備した搬送ロボットの斜視図。 本発明の装置による溶接工程の間の様々な姿勢を示す概略図。

符号の説明

１ 搬送ロボット
２ 制御ユニット
３ 付属装置
４ 合焦ヘッド
５ 光ファイバーの束
６ ベース部
７ 枠部
８ 揺動軸
９ 構造体
１０ 溶接ビード
Ｆ 合焦した光線
Ｗ 領域

Claims (8)

1. 金属板要素からなる構造体のレーザ溶接方法であって、
   多軸の搬送ロボットであり、該搬送ロボットの構成要素の前記軸を中心にした移動を制御する複数の電気モータを含む搬送ロボット（１）と、該搬送ロボット（１）の末端の構成要素を所定の３次元の空間的容積内で任意の位置に任意の向きおよび任意の軌道で移動させるために前記電気モータを制御するプログラム可能な電子制御ユニット（２）と共に配置し、
   前記搬送ロボット（１）の前記末端の構成要素上に、レーザ発生源から到来するレーザ光線を合焦させるための付属装置（３）であり、合焦したレーザ光線（Ｆ）を１つの揺動軸（８）の周りに揺動することで方向付けするように設計された付属装置（３）を固定し、
   前記搬送ロボット（１）を、前記付属装置（３）が溶接すべき構造体の様々な領域に近いが隣接しない所定の軌道（Ｌ）に沿って移動するように制御し、
   前記付属装置（３）が前記所定の軌道（Ｌ）沿って移動する間、溶接すべき構造体の前記合焦したレーザ光線（Ｆ）が照射された領域（Ｗ）を前記付属装置（３）の移動の軌跡（Ｌ）および速度（Ｖ）の少なくともいずれかに依存しないで移動するために、前記合焦したレーザ光線（Ｆ）の方向を前記付属装置（３）によって変化させるレーザ溶接方法。
2. 金属板の構成要素からなる構造体のレーザ溶接装置であって、
   多軸の搬送ロボットであり、該搬送ロボットの構成要素の前記軸を中心にした移動を制御する複数の電気モータを含む搬送ロボット（１）と、該搬送ロボット（１）の末端の構成要素を所定の３次元の空間的容積内で任意の位置に任意の向きおよび任意の軌道で移動させるために前記電気モータを制御するプログラム可能な電子制御ユニット（２）とを有し、
   前記搬送ロボット（１）の前記末端の構成要素上には、レーザ発生源から到来するレーザ光線を合焦させるための付属装置（３）が固定され、前記付属装置（３）は、合焦したレーザ光線（Ｆ）を１つの揺動軸（８）の周りに揺動することで方向付けするように設計されており、前記付属装置（３）は、電子制御手段によって制御され、前記揺動を制御する手段をさらに含み、
   前記電子制御ユニット（２）は、前記付属装置（３）を溶接すべき構造体の様々な領域に近いが隣接しない所定の軌道（Ｌ）に沿って移動するようにプログラムされ、
   前記電子制御ユニット（２）と、前記合焦したレーザ光線（Ｆ）の向きを方向付けする前記電子制御手段とは、前記付属装置（３）が前記搬送ロボット（１）によって前記所定の軌道（Ｌ）に沿って移動する間、溶接すべき構造体の前記合焦したレーザ光線（Ｆ）が照射された領域（Ｗ）を前記付属装置（３）の移動の速度（Ｖ）および軌跡（Ｌ）の少なくともいずれかに依存しないで移動するように、前記合焦したレーザ光線（Ｆ）の指す方向を変えるようにプログラムされているレーザ溶接装置。
3. 前記付属装置（３）は、前記搬送ロボット（１）の手首に接続されたベース部（６）と、該ベース部（６）上に前記揺動軸（８）周りに揺動可能に置かれた枠部材（７）とからなり、前記枠部材（７）の揺動を制御するモータが設けられていることを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記枠部材（７）は、前記レーザ光線の合焦ヘッドを支持することを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接装置。
5. 前記ベース部（６）に堅く接続した合焦ヘッドと、前記合焦したレーザ光線（Ｆ）を揺動するために、前記合焦ヘッドの中に光学揺動手段とを有することを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接装置。
6. 前記レーザ光線は、前記レーザ発生源から前記付属装置（３）まで光ファイバーの束（５）を通して案内されることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接装置。
7. 前記光ファイバーの束（５）は、全体が前記搬送ロボット（１）の構造の外部に設けられていることを特徴とする請求項６に記載のレーザ溶接装置。
8. 前記光ファイバーの束（５）は、少なくとも部分的に前記搬送ロボット（１）の構造の内部に設けられていることを特徴とする請求項６に記載のレーザ溶接装置。

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