JP2006289387A - レーザ溶接方法及びレーザ溶接ロボット - Google Patents

Abstract

【課題】 溶接工程のサイクルタイムを短縮し、加工能率を向上することができるレーザ溶接方法及びレーザ溶接ロボットを提供する。
【解決手段】 ロボット本体と、ロボット本体に装備され、加工対象物に向かってレーザ光を照射するレーザヘッドと、を備えたレーザ溶接ロボットを用い、レーザヘッドから照射されたレーザ光を移動させて、加工対象物の多数箇所を順次溶接するレーザ溶接方法において、非溶接時にレーザ光を出射したままの状態で、焦点をぼかしてレーザ光を次の溶接箇所まで移動させる。非溶接時に、焦点をぼかした状態でレーザ光を移動させることも可能である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、レーザ光を移動させて加工対象物の多数箇所を溶接するレーザ溶接方法及びレーザ溶接ロボットに関するものである。

レーザヘッドを移動させて加工対象物の多数箇所を溶接する溶接ロボットを用いたレーザ溶接方法は、自動車などの製造ラインにおいて、抵抗溶接に代わる技術として用いられている。抵抗溶接は、重ね合わせた金属部材を電極の先端で挟み、溶接箇所に加圧力を加えながら電流を流し、部分的に接合する溶接である。抵抗溶接では、加工対象物に溶接箇所が多数ある場合には、溶接作業が断続的に行われることとなる。このため、この種の加工では、加工範囲が広範囲になればなるほど、１工程の加工サイクルタイムに占める非加工時間の割合が大きくなる加工となっている。

抵抗溶接に代わり、溶接ロボットを用いてレーザ溶接を行う場合も、溶接箇所が多数ある場合には溶接作業が断続的に行われる。溶接箇所ではレーザ光が出射され、非溶接箇所ではレーザ光を停止しながら、レーザヘッドを次の溶接箇所まで移動するという作業が順次繰り返し行われる。このため、抵抗溶接の場合と同様に、加工能率の悪い加工となっている。

一般に、レーザ溶接を行う溶接ロボットは、複数の制御軸を有するマニピュレータとしてのロボット本体と、ロボット本体に装備され、加工対象物に向かってレーザ光を照射するレーザヘッドとを備えている。この種の溶接ロボットの一例として、特許文献１に開示されているものがある。

特許文献１では、多関節型の溶接ロボットが示されており、ロボットの手首にはレーザヘッドが装備されている。レーザヘッドには、上下方向に伸びる左右一対のリニアガイドを有する支持板が備えられている。レーザ投光器を有する移動体は、リニアガイドにガイドされつつ上下方向に移動自在になっている。

特開２００１−１９１１９１号公報（第３−４頁）

従来の方法では、溶接ロボットを用いてレーザ溶接を行う場合に、非溶接箇所ではレーザ光の出射を停止するために、レーザ発振器の励起源をＯＦＦしてシャッタを閉じなければならない。逆に、溶接箇所ではレーザ光を出射するために、励起源をＯＮしてシャッタを開けなければならない。加工対象物の溶接箇所が多数ある場合は、励起源を繰り返しＯＮ／ＯＦＦし、シャッタを繰り返し開閉する必要がある。このため、一度のシャッタの開閉時間が短くても、シャッタの開閉が繰り返し行われると、積算される開閉時間が無視できない長さとなり、加工サイクルタイムに占める非溶接時間の割合が大きくなるという問題がある。

また、レーザ発振器の励起源をＯＮにした場合、レーザ光のエネルギーがピークに達するまでには、所定の立ち上がり時間を要するため、実際には、レーザ光の立ち上がりを考慮した時間も非溶接時間に含まれ、さらに非溶接時間が長くなり、加工サイクルタイムが延長することとなる。

本発明は、かかる事情に鑑み、溶接工程のサイクルタイムを短縮し、加工能率を向上することができるレーザ溶接方法及びレーザ溶接ロボットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１記載のレーザ溶接方法は、ロボット本体と、該ロボット本体に装備され、加工対象物に向かってレーザ光を照射するレーザヘッドと、を備えたレーザ溶接ロボットを用い、前記レーザヘッドから照射された前記レーザ光を移動させて、前記加工対象物の多数箇所を順次溶接するレーザ溶接方法において、非溶接時に前記レーザ光を出射したままの状態で、該レーザ光を前記溶接時の送り速度より早く、前記加工対象物に熱影響層を残さない送り速度で次の溶接箇所まで移動させることを特徴とする。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のレーザ溶接方法において、前記非溶接時に、焦点をぼかした前記レーザ光を移動させることを特徴とする。

また、請求項３記載のレーザ溶接方法は、ロボット本体と、該ロボット本体に装備され、加工対象物に向かってレーザ光を照射するレーザヘッドと、を備えたレーザ溶接ロボットを用い、前記レーザヘッドから照射された前記レーザ光を移動させて、前記加工対象物の多数箇所を順次溶接するレーザ溶接方法において、非溶接時に前記レーザ光を出射したままの状態で、焦点をぼかして前記レーザ光を次の溶接箇所まで移動させることを特徴とする。

また、請求項４記載のレーザ溶接ロボットは、ロボット本体と、該ロボット本体に装備され、レーザ光を加工対象物に向かって照射するレーザヘッドと、を備えるレーザ溶接ロボットにおいて、溶接時及び非溶接時の何れの時にも前記レーザ光を出射するように制御するレーザ出力制御部を備え、前記レーザ光を前記溶接時の送り速度より早く、前記加工対象物に熱影響層を残さない送り速度で移動させる早送り手段を備えることを特徴とする。

また、請求項５記載の発明は、請求項４記載のレーザ溶接ロボットにおいて、前記早送り手段は、前記ロボット本体の移動と同時に動作可能であることを特徴とする。

また、請求項６記載のレーザ溶接ロボットは、ロボット本体と、該ロボット本体に装備され、レーザ光を加工対象物に向かって照射するレーザヘッドと、を備えるレーザ溶接ロボットにおいて、溶接時及び非溶接時の何れの時にも前記レーザ光を出射するように制御するレーザ出力制御部を備え、前記加工対象物に対して前記レーザ光の焦点をぼかす焦点ぼかし手段を備えたことを特徴とする。

以上の如く、請求項１記載の発明によれば、非溶接時にもレーザ光を出射したままで、レーザ光を次の溶接箇所まで早い送り速度で移動させるから、励起源を繰り返しＯＮ／ＯＦＦしたり、シャッタを繰り返し開閉したりする必要がなくなると共に、加工対象物の表面を変色させたり、溶融させたりすることも防止される。したがって、加工対象物の加工面品位を損なうことなく、溶接工程のサイクルタイムを短縮でき、加工能率を向上することができる。

また、請求項２記載の発明によれば、レーザ光の焦点をぼかすことで、レーザ光のスポット径が大きくなり、照射位置のエネルギー密度が小さくなる。したがって、請求項１との相乗効果により、加工対象物の表面を変色させたり、溶融させたりすることを確実に防止することができる。

また、請求項３記載の発明によれば、非溶接時にもレーザ光が出射されたままであるから、励起源を繰り返しＯＮ／ＯＦＦしたり、シャッタを繰り返し開閉したりする必要がなくなり、溶接工程のサイクルタイムが短縮され、加工能率が向上する。また、加工対象物に対してレーザ光の焦点をぼかすことで、レーザ光のスポット径が大きくなり、レーザ光の照射位置のエネルギー密度が小さくなる。したがって、非溶接時にレーザ光を出射したままでも、加工対象物の表面を変色させたり、溶融させたりすることなく、レーザ光を移動させることができる。

また、請求項４記載の発明によれば、請求項１と同等の効果を奏し、励起源を繰り返しＯＮ／ＯＦＦしたり、シャッタを繰り返し開閉したりする必要がなくなると共に、加工対象物の表面を変色させたり、溶融させたりすることも防止され、加工対象物の加工面品位を損なうことなく、溶接工程のサイクルタイムを短縮でき、加工能率を向上することができる。

また、請求項５記載の発明は、早送り手段をロボット本体の移動と同時に動作させることで、レーザ光の移動範囲を広範囲とすることができ、自動車などのように比較的大きなものを溶接することも可能となる。

また、請求項６記載の発明によれば、請求項３と同等の効果を奏し、励起源を繰り返しＯＮ／ＯＦＦしたり、シャッタを繰り返し開閉したりする必要がなくなり、溶接工程のサイクルタイムが短縮され、加工能率が向上する。また、加工対象物に対してレーザ光の焦点をぼかすことで、レーザ光のスポット径が大きくなり、レーザ光の照射位置のエネルギー密度が小さくなり、非溶接時にレーザ光を出射したままでも、加工対象物の表面を変色させたり、溶融させたりすることを防止することができる。

以下に本発明の実施の形態の具体例を図面を用いて詳細に説明する。
図１〜図３は、本発明に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接ロボットの第１の実施形態を説明する図である。

図１及び図２に示すように、本実施形態のレーザ溶接ロボット１は、レーザ光３（図３参照）を増幅して誘導放出するレーザ発振器２と、制御可能な複数の制御軸を有する、いわゆる多関節型のマニピュレータとしてのロボット本体４と、ロボット本体４の先端側に装着され、レーザ光３を加工対象物１０に照射するレーザヘッド７と、レーザ発振器２などを制御する制御システム１１（図２には図示せず）とを備えている。

レーザ発振器２は、レーザ媒質にエネルギーを供給する励起源（図示しない）と、レーザ媒質及びレーザ媒質の両側にある光透過率の異なる２つの鏡を有する共振器（図示しない）とからなっている。レーザ発振器２は、制御システム１１に制御され、光ファイバー１５を介してレーザ光３をレーザヘッド７に伝送する。

制御システム１１は、ＣＰＵ（中央処理装置）を有している。ＣＰＵには、バスを介してＲＯＭ（メモリ）と、ＲＡＭ（メモリ）と、不揮発性メモリと、入出力装置と、入出力インターフェースとが接続されている（半導体素子はいずれも図示しない）。ＲＯＭには、レーザ発振器２、レーザヘッド７、ロボット本体４を制御する加工プログラムが格納されている。ＲＡＭには、加工を行うための一時的なデータが格納されている。不揮発性メモリには、各システムの動作に関連した諸設定値が格納されている。

さらに、制御システム１１は、レーザ発振器２のＯＮ／ＯＦＦ制御やレーザ光３の照射条件を設定するためのレーザ出力制御部１２と、ロボット本体４の動作を制御する動作制御部１３とを備えている。信号線１６を介して制御システム１１に接続されているレーザ発振器２、レーザヘッド７、ロボット本体４は、入力されたデータに基づいて、又は加工プログラムに基づいて、それぞれの制御が行われるようになっている。

レーザ出力制御部１２は、溶接工程が終わるまで常時レーザ光３を照射したままの状態に制御するものである。これにより、広範囲で多数の溶接箇所を断続的に溶接する場合に、レーザ発振器２の図示しないシャッタを開閉したり、レーザ光３がピーク出力に達するまで待機したりする必要がなくなり、次の溶接箇所１０ａ（図３）に素早く移動することが可能となる。このため、溶接工程における加工サイクルタイムが短縮して、加工能率が高まる。

図２に示すように、高剛性の基台５に据え付けられているロボット本体４は、基部４ａから順に第１，２，３の関節４ｂ，４ｃ，４ｄを有し、基部４ａを含めて各関節４ｂ，４ｃ，４ｄは回動自在に連結されている。各関節４ｂ，４ｃ，４ｄは、高剛性の部材４ｅ，４ｆで連結されている。このようなロボット本体４は、複数の回動軸により自在に動くことができるようになっている。また、ロボット本体４とレーザヘッド７は、それぞれ同期して、又はそれぞれ独立に移動することができるようになっている。

ロボット本体４の先端側には、エンドエフェクタとしてのレーザヘッド７が設けられている。レーザヘッド７は、レーザ光３を所定の方向に反射させるミラー、レーザ光３を収束してエネルギー密度を高める集光レンズ（図示しない）、レーザ光３を狭範囲で走査する可動ミラー（早送り手段）８ａを備えている。可動ミラー８ａは、ロボット本体４と同期して、又はロボット本体４と独立に動けるようになっている。

レーザヘッド７は、可動ミラー８ａの振れ角をそれぞれ制御するサーボモータ（図示せず）をさらに備えている。可動ミラー８ａは、制御システム１１の制御の下、サーボモータにより所定の回転角で回転する。これにより、可動ミラー８ａによって反射されたレーザ光３は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に移動できるようになっている（図３）。このレーザ光３を早送りで移動させることで、非溶接時にレーザ光３を出射したままでも、加工対象物１０の表面を変色させたり、溶融させたりすることなく、熱影響層が残ることが防止されている。

可動ミラー８ａを、慣性の大きいロボット本体４の移動とは関係なく回転させることで、断続的に溶接が繰り返し行われる場合に、順々に次の溶接箇所に素早く移動することができる。可動ミラー８ａをロボット本体４の移動と同時に回転させた場合は、可動ミラー８ａを単独で回転させた場合に比べて、レーザ光３の走査範囲が広くなり、広範囲のエリアを溶接エリアとすることが可能となる。

次に、加工対象物１０の多数の溶接箇所を断続的にレーザ溶接する方法を、図４の加工プログラムの流れ図に基づいて説明する。ステップＳ１では、加工プラグラムの初期値を設定する。ステップＳ２では、行番号が最終行であるか否かを判断し、最終行であればプラグラムの実行を終了し、そうでなければステップＳ３へ進む。

ステップＳ３では、加工プラグラムの動作文を読み込む。ステップＳ４では、レーザ光３を出射するか否かを判断し、出射する場合はステップＳ５に進み、ステップＳ２に戻る。ステップＳ５では、溶接箇所１０ａか否かを判断する。溶接箇所１０ａである場合は、ステップＳ６で定められた溶接速度でレーザ光３を走査させながら溶接する。溶接箇所１０ａでない場合は、ステップＳ７で次の溶接箇所１０ａまでレーザ光３を早送りで移動する。加工対象物１０が大物で、溶接範囲がレーザ光３の走査範囲を超える場合には、加工対象物１０に対してロボット本体４を相対的に移動させる。

ステップＳ８では、レーザ光３の出射を停止するか否かを判断する。停止する場合はステップＳ２に戻る。停止しない場合はステップＳ５に戻り、断続的に溶接を繰り返す。全ての溶接箇所の溶接が終了したら、レーザ光３の出射を停止して、プログラムを停止する。

以上のように、第１の実施形態によれば、非溶接時にもレーザ光３が出射されたままであるから、励起源を繰り返しＯＮ／ＯＦＦしたり、レーザ発振器２のシャッタを繰り返し開閉したりする必要がなくなり、溶接工程のサイクルタイムが短縮され、加工能率が向上する。また、非溶接時に、レーザ光３を溶接時の送り速度より速い送り速度で次の溶接箇所１０ａまで移動することで、非溶接時にレーザ光３を出射したままでも、加工対象物１０の表面が変色したり、溶融したりせず、熱影響層が残ることが防止される。

次に、図５〜図７に基づいて、本発明に係るレーザ溶接方法及びレーザ溶接ロボットの第２の実施形態を説明する。なお、本実施形態と第１の実施形態の共通する構成部分は同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態のレーザ溶接ロボット１Ａは、焦点ぼかし手段（図示しない）を備えている点で、第１の実施形態のレーザ溶接ロボット１と相違する。その他の構成部分は第１の実施形態と同じである。

焦点ぼかし手段は、レーザヘッド８をＺ軸方向（鉛直方向）に移動するスライド機構であり、例えばサーボモータとボールねじを組み合わせた機構を適用することができる。このように、レーザヘッド８をＺ軸方向に移動することで、加工対象物１０に対するレーザ光３の焦点をぼかすことが可能になる。

図６には、レーザ光３の焦点を合わせた状態と焦点をぼかした状態がそれぞれ示されている。図６（ａ）は焦点が合っている状態であり、スポット径が最も小さく、エネルギー密度が最も大きい状態を示す。図６（ｂ）は焦点が上側に外れている状態である。図６（ｃ）は焦点が下側に外れている状態である。図６（ｂ），（ｃ）のように、焦点が外れた場合は、焦点がぼけた状態であり、スポット径が大きくなり、エネルギー密度が小さくなる。

このように、レーザ光３の焦点をぼかすことで、レーザ光３を次の溶接箇所１０ａまで移動させる際に、レーザ光３を出射したままでも、加工対象物１０の表面を変色させたり、溶融させたりすることを防止することができる。

次に、加工対象物１０の多数の溶接箇所１０ａを断続的にレーザ溶接する方法を、図７の加工プログラムの流れ図に基づいて説明する。本実施形態のレーザ溶接方法では、第１の実施形態のレーザ溶接方法のステップＳ６及びＳ７が、ＳＡ６及びＳＡ７になっている点で相違している。その他の点は同じである。

相違点について説明すると、ステップＳ５では、溶接箇所１０ａか否かを判断し、溶接箇所１０ａである場合は、ステップＳＡ６で加工対象物１０にレーザ光３の焦点を合わせて溶接を行い、そうでない場合は、ステップＳＡ７で次の溶接箇所までレーザ光３の焦点を外したまま移動する。その他のステップについては、第１の実施形態と共通するため、ここでは説明を省略する。

以上のように、第２の実施形態によれば、非溶接時にレーザ光３を照射したままであっても、加工対象物１０に対してレーザ光３の焦点をぼかすことで、レーザ光３のスポット径を大きくすることができ、これによりレーザ光３の照射位置のエネルギー密度を小さくでき、加工対象物１０の表面劣化を防止できる。したがって、加工対象物１０に対する表面品位などを損なうことなく、加工サイクルタイムを短縮でき、加工能率を向上することが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。例えば、レーザ出力制御手段１２は、制御システム１１に設けられているが、レーザ発振器２に設けることも可能である。

また、第１の実施形態では、レーザ光３がレーザヘッド７の可動ミラー８ａによって早送りで移動するようになっているが、レーザヘッド８をスライド機構によって互いに直交するＸ−Ｙ２軸方向、又はＺ軸を加えた３軸方向に移動できるようにすることも可能である。この場合、スライド機構として、例えばサーボモータとボールねじを組み合わせた機構や、リニアモータ機構などを適用することができる。

また、焦点ずらし手段を、レーザヘッド８内部の図示しない集光レンズをＺ軸方向に移動させる手段とすることも可能である。

本発明に係るレーザ溶接ロボットの第１の実施形態の構成図である。 同じくレーザ溶接ロボットを示す説明図である。 加工対象物にレーザ光を照射している状態を示す説明図である。 本発明に係るレーザ溶接方法の第１の実施形態を説明するための流れ図である。 本発明に係るレーザ溶接ロボットの第２の実施形態を示す説明図である。 加工対象物にレーザ光を照射した状態を示し、（ａ）は焦点を合わせた状態の図、（ｂ）は焦点を上側にぼかした状態の図、（ｃ）は焦点を下側にぼかした状態の図である。 本発明に係るレーザ溶接方法の第２の実施形態を説明するための流れ図である。

符号の説明

１，１Ａ レーザ溶接ロボット
２ レーザ発振器
３ レーザ光
４ ロボット本体
７，７Ａ レーザヘッド
１１ 制御システム
１２ レーザ出力制御部

Claims (6)

1. ロボット本体と、
   該ロボット本体に装備され、加工対象物に向かってレーザ光を照射するレーザヘッドと、を備えたレーザ溶接ロボットを用い、
   前記レーザヘッドから照射された前記レーザ光を移動させて、前記加工対象物の多数箇所を順次溶接するレーザ溶接方法において、
   非溶接時に前記レーザ光を出射したままの状態で、該レーザ光を前記溶接時の送り速度より早く、前記加工対象物に熱影響層を残さない送り速度で次の溶接箇所まで移動させることを特徴とするレーザ溶接方法。
2. 前記非溶接時に、焦点をぼかした前記レーザ光を移動させることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
3. ロボット本体と、
   該ロボット本体に装備され、加工対象物に向かってレーザ光を照射するレーザヘッドと、を備えたレーザ溶接ロボットを用い、
   前記レーザヘッドから照射された前記レーザ光を移動させて、前記加工対象物の多数箇所を順次溶接するレーザ溶接方法において、
   非溶接時に前記レーザ光を出射したままの状態で、焦点をぼかして前記レーザ光を次の溶接箇所まで移動させることを特徴とするレーザ溶接方法。
4. ロボット本体と、
   該ロボット本体に装備され、レーザ光を加工対象物に向かって照射するレーザヘッドと、を備えるレーザ溶接ロボットにおいて、
   溶接時及び非溶接時の何れの時にも前記レーザ光を出射するように制御するレーザ出力制御部を備え、
   前記レーザ光を前記溶接時の送り速度より早く、前記加工対象物に熱影響層を残さない送り速度で移動させる早送り手段を備えることを特徴とするレーザ溶接ロボット。
5. 前記早送り手段は、前記ロボット本体の移動と同時に動作可能であることを特徴とする請求項４記載のレーザ溶接ロボット。
6. ロボット本体と、
   該ロボット本体に装備され、レーザ光を加工対象物に向かって照射するレーザヘッドと、を備えるレーザ溶接ロボットにおいて、
   溶接時及び非溶接時の何れの時にも前記レーザ光を出射するように制御するレーザ出力制御部を備え、
   前記加工対象物に対して前記レーザ光の焦点をぼかす焦点ぼかし手段を備えたことを特徴とするレーザ溶接ロボット。

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