JP2007313561A - 加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法および照射可能領域認識装置並びに加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークに設定されている加工領域に対する照射可能領域を認識する。
【解決手段】加工用ビームの照射方向が変更可能な加工用ビーム照射装置の照射可能領域を認識する方法であって、前記ワークに設定された加工領域の一ポイントから前記加工用ビームの焦点距離だけ離れた位置に、前記加工用ビーム照射装置を移動させても前記加工領域の一ポイントを照射することが可能な前記焦点距離に対応した照射可能領域を設定し、前記加工領域の一ポイントに対する照射可能領域２１０を認識する。
【選択図】図１２

Description

本発明は、加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法およびその装置並びに加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法に係り、例えば、レーザー光を用いて加工を行うレーザー加工装置に適用することができる、加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法および照射可能領域認識装置並びに加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法に関する。

車体パネルを溶接して接合する設備には、一般的な産業用ロボットに溶接用ガンを取り付けたものや、レーザー発振装置を取り付けたものがある。従来、下記特許文献１に示すように、レーザー発振装置を取り付けたものは、その焦点距離(発振点から溶接するパネルまでの距離)と照射方向(発振点)とが固定されている。従来、レーザー発振装置を産業用ロボットに取り付けて複数の加工領域（溶接点）を溶接する場合、焦点距離と照射方向が固定されているために、産業用ロボットを動作させて加工領域毎にレーザー発振装置の位置決めを行なわなければならず、その動作は例えば従来のスポット溶接ガンを取り付けた産業用ロボットとほぼ同じである。
特開２０００−８４６８８号公報

本発明は、従来の技術を改善するために成されたものであり、加工用ビームの照射方向を変えることができる加工用ビーム照射装置を産業用ロボットに取り付けた場合、ロボットシミュレーションを用いることによって、ワークに設定されている加工領域に加工を施すことができる照射可能領域を認識することができ、一方、認識した照射可能領域に基づいて最適な移動経路を決定することができる、加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法および照射可能領域認識装置並びに加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するための加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法は、加工用ビームの照射方向が変更可能な加工用ビーム照射装置の照射可能領域を認識する方法であって、ワークに設定された加工領域の一ポイントから加工用ビームの焦点距離だけ離れた位置に、加工用ビーム照射装置を移動させても加工領域の一ポイントを照射することが可能な領域を設定し、加工領域の一ポイントに対する照射可能領域を認識する。

ワークに設定されている加工領域の一ポイントに対する照射領域が認識できるようになるので、加工用ビーム照射装置の移動経路を容易に教示することができる。

以下、本発明に係る加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法および照射可能領域認識装置並びに加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法を図面に基づいて詳細に説明する。
［実施形態１］
図１は、レーザー溶接ロボットの構成図である。

レーザー溶接ロボット１０１は、加工用ビーム（レーザー光）を発振器１０２Ａによっ
て出力する加工用ビーム出力装置１０２を備えている。レーザー溶接ロボット１０１のロボットハンドの作業端には、加工用ビームの照射方向が変更可能な加工用ビーム照射装置１０４が設けられている。加工用ビーム照射装置１０４は、図に示すように、加工用ビームをＸ方向、Ｙ方向にスキャンすることができる。一方、加工用ビーム照射装置１０４は、図に示すように、加工用ビームの焦点距離を距離Ｌの範囲内で変更することもできる。したがって、ロボットの作業端を固定した状態で加工用ビームの照射が可能な照射可能領域は、図に示すように、例えば錐体をその底面と平行に一部破断したような３次元の形状領域となる。加工用ビーム出力装置１０２と加工用ビーム照射装置１０４とは光ファイバーケーブル１０３を介して接続されている。光ファイバーケーブル１０３はロボットアーム１０５が動いても絡まることのないように、支持アーム１０７で支持されている。

図２は、レーザー溶接ロボットが備える加工用ビーム照射装置の構造図である。

加工用ビーム照射装置１０４は、加工用ビームをＸ方向およびＹ方向にスキャンできるように構成され、また、加工用ビームの焦点距離を距離Ｌの範囲内で変更できるようにも構成されている。加工用ビーム照射装置１０４は、図２に示すように、光ファイバーケーブル１０３によって導かれた加工用ビーム１００を、ワークに設定されている加工領域に向けて焦点を合わせて照射するための反射ミラー１１およびレンズ群１２を有している。反射ミラー１１は、その鏡面を通りワークの加工領域に垂直な軸線をＺ軸としたときに、Ｚ軸を中心としてＺ軸と直交するＸ軸およびＹ軸方向に回動自在に支持されている。レンズ群１２は、光ファイバーケーブル１０３の端部から放射された加工用ビームを平行光にするためのコリメートレンズ１２１と平行光となった加工用ビームをワークの加工領域上で集光させるための集光レンズ１２２から構成される。集光レンズ１２２は、加工用ビームの焦点距離を距離Ｌの範囲内で変更するために、加工用ビームの光軸に沿って反射ミラー１１に対して前後方向に進退自在に支持されている。

加工用ビーム照射装置１０４は、反射ミラー１１をＸ軸方向に回動させるモータ１６、反射ミラー１１をＹ軸方向に回動させるモータ１７、集光レンズ１２２を反射ミラー１１に対して進退移動させるためのモータ１８を有している。モータ１６およびモータ１７は、それぞれのモータの回動位置の合成によって、反射ミラー１１の向きを変える。従って、モータ１６およびモータ１７を動かすことによって加工用ビームがＸ方向およびＹ方向にスキャンされる。また、モータ１８を動かすことによって加工用ビームの焦点距離が距離Ｌの範囲内で変更される。

ワークに設定されている加工領域には、加工用ビームがＩ字形状、８字形状、Ｃ字形状またはＳ字形状といった形状を描くようにスキャンされ、加工領域の溶接が行なわれる。加工用ビームのスキャンは、モータ１６およびモータ１７を同時に動かし反射ミラー１１を揺動させることによって行なう。

加工用ビームは、焦点距離を持っているので、加工用ビーム照射装置１０４は、ワークの加工領域から焦点距離だけ離して位置させておく必要がある。

なお、加工領域の形状として、Ｉ字形状、８字形状、Ｃ字形状またはＳ字形状を例示したが、加工領域の形状はこれらの形状に限られるものではなく、連続した直線または曲線で構成されている、あるいは、連続した直線と曲線で構成されている、開放されている、または閉じられている形状であればどのような形状であっても良い。

図３は、本発明に係る加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法を実施し、照射可能領域認識装置を構成し、加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法を実施するシミュレーション装置のブロック図である。

シミュレーション装置１５０は、入力装置１５５、記憶装置１６０、演算装置１６５およびディスプレイ１７０を備えている。

入力装置１５５はキーボードやマウスなどの一般的に用いられる端末装置である。入力装置１５５は、加工用ビームの焦点距離、照射可能領域の寸法（円錐モデルを作成する場合には半径、角錐モデルを作成する場合には各辺の長さ）、加工用ビームの最長焦点距離と最短焦点距離、加工用ビームが障害物により遮られる領域、照射可能領域を示す円錐を加工領域に配置する場合の間隔である距離を入力する。

記憶装置１６０は、入力装置１５５から入力された情報や後述するシミュレーションを行なうための全てのプログラムを記憶する。

演算装置１６５は、記憶装置１６０に記憶されている、入力装置１５５から入力された情報、シミュレーションを行なうためのプログラムに基づいて、照射可能領域を認識したり、加工用ビーム照射装置の移動経路を設定したりする。

ディスプレイ１７０は、演算装置１６５によって演算されている演算の途中経過や、演算された結果を表示する。

なお、本明細書で例示している図３のシミュレーション装置１５０は、一般的に用いられている、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを少なくとも備えているコンピュータであるが、その構成は公知であるので、その具体的な構成の説明は敢えて省略する。

次に、本発明に係る加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法について説明する。本発明に係る加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法は、ワークに設定された加工領域の一ポイントを頂点とし、加工用ビーム照射装置１０４を移動させても前記頂点を照射することが可能な領域を底面とし、前記頂点と前記底面とで閉じられた錐体を形成して、前記加工領域の一ポイントに対する照射可能領域を認識することを特徴とするものである。

図１のレーザー溶接ロボット１０１において、ある１つの加工領域に対して加工用ビームを照射することができる領域は、次のような領域である。

図４に示すように、加工用ビームの焦点距離Ｆが一定で、加工用ビームの照射可能角度がθ°であり、Ｘ−Ｙ方向に円状に加工用ビームのスキャンが可能であったとすると、加工用ビームは、図示されている円錐状にスキャンすることができ、その照射可能領域は円錐のちょうど底面の領域となる。

つまり、ワークに設定されている加工領域の一ポイントに加工用ビームを照射しようとした場合、その一ポイントに頂点を位置させた円錐の底面の領域内に加工用ビーム照射装置１０４を位置させれば、その一ポイントに加工用ビームを照射してレーザー溶接を行なうことが可能である。

この照射可能領域を作成するために、図３に示したシミュレーション装置１５０は、図５のフローチャートに示すような処理を行なう。まず、入力装置１５５によって加工用ビーム出力装置１０２から照射される加工用ビームの焦点距離Ｆが入力される（Ｓ１）。次に、入力装置１５５によってワークの加工領域の一ポイントに対する照射可能領域の寸法、半径ｒが入力される(Ｓ２）。なお、照射可能領域の半径ｒは、加工用ビーム照射装置１０４から照射することのできる加工用ビームの照射可能角度θ°と加工用ビームの焦点
距離Ｆとに基づいて算出し、その算出した結果を入力する。そして、演算装置１６５は、例えば、図５に示したようなＳ字形状を有する加工領域の一ポイントＡ０を頂点として、加工領域の一ポイントＡ０から加工用ビームの焦点距離Ｆ分離れたポイントを含む半径ｒの照射可能領域を底面とする図４に示したような円錐２００を形成する（Ｓ３）。

以上の手順で作成した円錐２００は、例えば、図６に示すように、ワーク３００の加工領域の１つのポイント(図７のＡ０）に配置される。本実施形態では加工領域は図７に示すようにＳ字形状となっている。最初は、この加工領域の１つのポイントＡ０に頂点が来るように円錐２００が配置される。なお、本実施形態ではＳ字形状の加工領域を例示しているが、加工領域の形状はＳ字形状に限らず、例えば、８の字状、Ｉ字状、Ｌ字状、コの字状など種々の形状が考えられるのは上述した通りである。

次に、図８の分解能の説明図および図９のフローチャートに示すように、シミュレーション装置１５０に入力装置１５５から分解能として距離が入力される。分解能は、加工領域の形状を構成する図７に示した線上に図４に示した円錐２００の配置間隔を決定するために入力される(Ｓ１１）。分解能が入力されたら、演算装置１６５は、まず、加工領域の一ポイントである溶接点座標Ａ０に図４に示した円錐２００を形成し、次にその円錐２００を溶接軌跡上で開始点Ａ１方向に分解能分ずらす。１つの円錐２００は１つのフレームとして記憶装置１６０に記憶される（Ｓ１２）。分解能分ずらした座標が溶接開始点Ａ１を越えていなければ（Ｓ１３：ＮＯ）、移動した座標に溶接点座標Ａ０に形成した円錐２００と同じ姿勢で円錐２００を作成する（Ｓ１４）。一方、分解能分ずらした座標が溶接開始点Ａ１を越えていれば（Ｓ１３：ＹＥＳ）、溶接開始点Ａ１に溶接点座標Ａ０に形成した円錐２００と同じ姿勢で円錐２００を作成する（Ｓ１５）。以上の処理では、溶接開始点Ａ１を越えるまで、図７の加工領域の１つのポイントＡ０から溶接開始点方向に分解能分ずらして溶接開始点Ａ１まで円錐２００を作成することになる。さらに、同様にして、図７の加工領域の１つのポイントである溶接点座標Ａ０から溶接完了点Ａ２方向に分解能分ずらして溶接完了点Ａ２まで円錐２００を作成する(Ｓ１６〜Ｓ１９)。

以上までの処理は、分解能分ずらしながら形成した複数の円錐を複数のフレームとして記憶させる処理である。

以上のようにして分解能ごとにずらして１つずつのフレームとして作成された複数の円錐２００は記憶装置１６０に記憶されている。記憶されている円錐２００を溶接開始点Ａ１から溶接完了点Ａ２まで配置すると、図１０に示すように、加工領域の形状に沿って複数の円錐２００が配置されるイメージとなる。

次に、記憶されている複数の円錐を加工領域の形状に沿って並べて合成し、加工領域の照射可能領域を求める処理について述べる。

図１１のフローチャートに示してあるように、まず、溶接開始点上のフレームに円錐を移動させ、溶接軌跡上の最後のフレームになるまで、それぞれのフレーム上に次々と照射可能領域モデルである円錐を図１２（Ａ）に示すように配置する。つまり、図１２（Ａ）に示すように、加工領域の形状に沿って、図９のフローチャートに基づいて作成された円錐を配置する(Ｓ２１〜Ｓ２４）。

以上までの処理は、ワークの加工領域の形状に沿って、円錐の頂点の位置を分解能ずつずらしながら円錐を単に重ねて並べていく処理である。

この処理が終了すると、複数の円錐がワークの加工領域の形状に沿って配置されることになる。なお、照射可能領域を底面とする円錐は、図６、図１０に示したようにワークの
加工領域の一ポイントに対して鉛直な方向に配置する。

そして、図１２（Ａ）に示されているように配置された複数の円錐を図１２（Ｂ）に示す図のように合成して重ね合わせ、それをシミュレーション装置１５０のディスプレイ１７０に表示する（Ｓ２５）。合成された円錐の底面２１０は１つの加工領域に対する照射可能領域となる。

このように、円錐は加工領域の形状に沿って複数形成され、形成された複数の錐体を合成することによって加工領域全体に対する照射可能領域を認識することができるようになる。

照射可能領域を認識することによって、この照射可能領域内(面上)に加工用ビーム照射装置１０４の照射ポイントを位置させていれば、加工用ビーム照射装置１０４で加工ビームをスキャン（レーザーの照射角度を変更）させるだけで、Ｓ字形状の加工領域に対して加工用ビーム照射装置１０４の位置を移動させることなく溶接をすることが可能となる。

次に、ワークに複数の加工領域が設定されている場合、シミュレーション装置１５０の演算装置１６５は、図１３に示すフローチャートのように、１つの加工領域に対して照射可能領域を求める以上の処理を、ワークに設定されている全ての加工領域に対して行なう。つまり、図１２（Ｂ）のように複数の円錐が合成されたモデルを、ワークの溶接ポイントとされている全ての加工領域に１つずつ配置させる（Ｓ３１〜Ｓ３３）。

Ｓ３１〜Ｓ３３までの処理が、図６に示したワークの全ての加工領域に対して行なわれた場合、図１４に示すようにそれぞれの加工領域に対して、それぞれの照射可能領域がワーク上に並べられることになる。図６では、円錐を配置した場合を例示したが、図１４では、角錐を配置した場合を例示している。このように、照射可能領域は、円錐によって求めても良いし、角錐によって求めても良い。角錐の場合も円錐を形成する場合と同様に、焦点距離Ｆとワークの加工領域の一ポイントに対する照射可能領域の寸法、例えば１辺の長さを入力して、角錐を形成することとなる。１辺の長さは、前述の半径ｒの円錐の底面に包含される多角形の辺の長さであれば良い。例えば、半径ｒの円に内接する正方形の辺の長さを入力することが可能である。また、加工用ビーム照射装置１０４内の反射ミラー１１をＸ方向及びＹ方向へスキャン可能な最大範囲の四角形が前述の円錐底面に包含されていれば、当該四角形を底面とする円錐を求めることにしても良い。
［実施形態２］
実施形態１では加工用ビームの焦点距離が固定されている場合に照射可能領域をどのように求めるかについて説明したが、本実施形態では、加工用ビームの焦点距離を所定の範囲で可変できる場合に照射可能領域をどのように求めるかについて説明する。

前提として使用されるレーザー溶接ロボット１０１は図１と同一であるのでその説明は省略する。

図１のレーザー溶接ロボット１０１において、ある１つの溶接ポイントに対して焦点距離をＦ１とＦ２との間で無段階に変更して、加工用ビームを照射することができる領域は、次のような領域である。

図１５に示すように、加工用ビームの照射可能角度がθ°であり、Ｘ−Ｙ方向に円状に加工用ビームのスキャンが可能であったとすると、加工用ビームは図示されている円錐状にスキャンすることができ、その照射可能領域は、焦点距離がＦ２のときの円錐２４０と焦点距離がＦ１のときの円錐２５０の両方の円錐の底面で囲まれる三次元領域２６０となる。

この照射可能領域を作成するために、シミュレーション装置１５０の入力装置１５５から、図１６のフローチャートに示すように、加工用ビーム照射装置１０４から照射される加工用ビームの最短焦点距離Ｆ２と最長焦点距離Ｆ１とが入力され（Ｓ４１、Ｓ４２）、また、最長焦点距離Ｆ１のときのワークの加工領域の一ポイントに対する照射可能領域の寸法、具体的には照射可能領域の半径ｒが入力される(Ｓ４３）。照射可能領域の半径ｒは、加工用ビーム照射装置１０４から照射することのできる加工用ビームの照射可能角度θ°と加工用ビームの最大焦点距離Ｆ１とから求めることができる。

次に、シミュレーション装置１５０の演算装置１６５は、Ｓ字形状の加工領域の一ポイントＡ０を頂点として（図７参照）、加工領域の一ポイントＡ０から加工用ビームの最大焦点距離Ｆ１分離れたポイントを含む照射可能領域を底面とする図１５に示したような円錐２５０を形成する（Ｓ４４）。そしてこれを基準フレームＡとする(Ｓ４５)。

次に、演算装置１６５は、Ｓ字形状の加工領域の一ポイントＡ０を頂点として、加工領域の一ポイントＡ０から加工用ビームの最小焦点距離Ｆ２分離れたポイントを含むポイント照射可能領域を底面とする図１５に示したような円錐２４０を形成する（Ｓ４６）。そしてこれを基準フレームＢとする(Ｓ４７)。

以上の手順で作成した円錐２４０、２５０は、例えば、図１７に示すように、ワーク３００の加工領域の１つのポイント(図７のＡ０）に配置される。本実施形態でも加工領域の形状は図７に示したようにＳ字形状となっている。加工領域の１つのポイントＡ０には、二種類の円錐２５０、２４０の頂点が来るように配置される。なお、本実施形態ではＳ字形状の加工領域を例示しているが、加工領域の形状はＳ字形状に限らず、連続した直線または曲線で構成されている、あるいは、連続した直線および曲線で構成されている、開放されているまたは閉じられている形状であればどのような形状であっても本発明は適用可能である。例えば、加工領域の形状としては８の字状、Ｉ字状、Ｌ字状、コの字状など種々の形状が考えられる。

次に、実施形態１の図９のフローチャートに示したように、シミュレーション装置１５０の入力装置１５５から分解能として距離が入力される。分解能が入力されたら、図１５に示したような二種類の円錐２４０、２５０を、分解能ごとに溶接開始点Ａ１まで作成する。つまり、図７の加工領域の１つのポイントＡ０から溶接開始点方向に分解能分ずらして溶接開始点Ａ１まで二種類の円錐２４０、２５０を作成する。１つのポイントに対する２種類の円錐は１つのフレームとして記憶装置１６０に記憶される。さらに、二種類の円錐２４０、２５０を、分解能ごとに溶接完了点Ａ２まで作成する。つまり、図７の加工領域の１つのポイントＡ０から分解能分ずらして溶接完了点Ａ２まで二種類の円錐２４０、２５０を作成する。

１つずつのフレームとして作成された複数の円錐は、分解能ごとにずらして溶接開始点Ａ１から溶接完了点Ａ２まで配置される。

この処理が終了すると、溶接開始点Ａ１上から二種類の円錐２４０、２５０が複数、ワークの加工領域の形状に沿って図１８に示すように配置されることになる。なお、ポイント照射可能領域を底面とする二種類の円錐２４０、２５０は、図１８に示すようにワークの加工領域の一ポイントに対して鉛直な方向に配置される。

そして、図１９のフローチャートに示すように、図２０（Ａ）に示されているように配置された二種類の円錐の複数の集合から図２０（Ｂ）に示すように、重なっていない部分のみを抜き出し、それをシミュレーション装置１５０のディスプレイ１７０によって図２
１に示すように表示する（Ｓ５１、Ｓ５２）。抽出された二種類の円錐の底面で挟まれた部分の三次元領域２６０は１つの加工領域に対する照射可能領域となる。

このように、加工用ビームの焦点距離を可変することができる場合には、照射可能領域は、加工用ビームの焦点距離に関する照射可能範囲のみを錐体から抽出することによって認識することができる。

求めた照射可能領域内に加工用ビーム照射装置１０４の照射ポイントを位置させておけば、加工用ビーム照射装置１０４の位置を移動させることなく、加工用ビーム照射装置１０４で加工用ビームの焦点を調整し、加工用ビームをスキャンするだけで、Ｓ字形状の加工領域に対して溶接をすることができる。

さらに、ワークに複数の加工領域が設定されている場合には、シミュレーション装置１５０の演算装置１６５は、図２２に示すフローチャートのように、１つの加工領域に対して照射可能領域を求める以上の処理をワークに設定されている全ての加工領域に対して行なって、各加工領域に対して形成された照射可能領域をさらに配置させる（Ｓ６１〜Ｓ６３）。

Ｓ６１〜Ｓ６３までの処理が、図２１に示したワークの全ての加工領域に対して行なわれた場合、図２３に示すようにそれぞれの加工領域に対して、それぞれの照射可能領域がワーク上に並べられることになる。
［実施形態３］
実施形態１および実施形態２では障害物を考慮せずに加工用ビームの照射可能領域を認識するようにしたが、本実施形態では、加工用ビーム照射装置１０４と加工領域との間に、加工用ビームを遮る障害物が存在している場合の照射可能領域の作成方法について説明する。

前提として使用されるレーザー溶接ロボット１０１は図１と同一であるのでその説明は省略する。また、障害物を考慮する以前の溶接可能領域は、実施形態２で説明した三次元の溶接可能領域を前提とするので、その溶接可能領域を作成する手順の説明は簡略化して説明する。

シミュレーション装置１５０により、図２４のフローチャートに示すように、ワークに設定されている加工領域が選択され（Ｓ７１)、シミュレーション装置１５０に加工用ビーム照射装置１０４から照射される最短焦点距離Ｆ２と最長焦点距離Ｆ１とが入力される（Ｓ７２）。次に、最長焦点距離Ｆ１のときのワークの加工領域の一ポイントに対する照射可能領域の半径ｒが入力される（Ｓ７３）。次に、シミュレーション装置１５０は、Ｓ字形状の加工領域の一ポイントＡ０を頂点として、加工領域の一ポイントＡ０から加工用ビームの最大焦点距離Ｆ１分離れたポイントを含むポイント照射可能領域を底面とする図１５に示したような円錐２５０を形成する。シミュレーション装置１５０は、Ｓ字形状の加工領域の一ポイントＡ０を頂点として、加工領域の一ポイントＡ０から加工用ビームの最小焦点距離Ｆ２分離れたポイントを含む照射可能領域を底面とする図１５に示したような円錐２４０を形成する（Ｓ７５）。加工領域の一ポイントに、作成された円錐２４０、２５０と同一の広がりを持つ光源を仮想的に配置する(Ｓ７６)。次に、円錐２４０、２５０と同一の底面を、その光源によって仮想的に配置された円錐から形成する(Ｓ７７)。その場合、光源からの光が遮られる障害物２７０が図２５に示すように存在している場合には、光源によって仮想的に配置された円錐の底面に図２６に示すような影２８０ができる。この影２８０は平面としてモデル化される(Ｓ７８）。次に、モデル化された影２８０を溶接点基準に向かって、具体的にはＺ軸に沿って図示する下方向にすらして引き伸ばす。これによって図２７（Ｂ）に示すように、障害物２７０によって一部が欠落された円錐
２９０が形成される（Ｓ７９）。

さらに具体的に説明すると、図２８（Ａ）に示すように、ワークに設定されている加工領域の近辺に障害物２７０が有ると、加工領域から放射した角錐状に広がる光の一部は個の障害物２７０によって遮られる。そのため、角錐の底面は完全な四角形にならずに、障害物２７０の影響を受けて、図２８（Ｂ）に示すように角錐の底面は台形状になる。

次に、実施形態１の図９のフローチャートに示したように、シミュレーション装置１５０に分解能が入力される。分解能が入力されたら、円錐を分解能分ずらして、分解能分ごとに、加工領域の形状に沿って配置する。この処理が終了すると、例えば、図２７（Ａ）に示すように、障害物２７０の影響を受けた一部が欠落した円錐２９０と障害物２７０の影響を受けていない円錐とを図２７（Ｂ）のように合成して三次元領域３１０を形成し、それをシミュレーション装置１５０のディスプレイ１７０に表示する。合成された三次元領域３１０は、障害物２７０を回避して１つの加工領域を照射することができる照射可能領域となる。すなわち、この照射可能領域内(三次元形状中)に、加工用ビーム照射装置１０４の照射ポイントを位置させていれば、加工用ビーム照射装置１０４で加工用ビームの焦点を調整し、加工用ビームをスキャンするだけで、Ｓ字形状の加工領域に対して加工用ビーム照射装置１０４の位置を移動させることなく溶接することができることになる。

さらに、ワークに複数の加工領域が設定されている場合には、以上の処理をワークに設定されている全ての加工領域に対して行なって、各加工領域に対して形成された照射可能領域をさらに配置させる。図２９では、円錐ではなく、角錐を配置させているが、以上の処理が行なわれると、図２９に示すように複数の三次元の加工領域がワーク上に並べられることになる。

ここまでの処理では、各加工領域においてどの位置から加工用ビームを照射すればよいのかが認識されたことになるが、ここまでの処理だけでは、ワークの全体に散らばっている加工領域の全てを効率的に溶接する経路までは知ることができない。
［実施形態４］
本実施形態は、ワークの全体に散らばっている加工領域から全ての加工領域を効率的に溶接するために最低限必要となる図３０に示すような領域を抽出するための手順を示している。この手順を図３１に示したフローチャートに基づいて説明する。

まず、図３２のように並んだ全ての照射可能領域に処理順序番号を付加する。例えば、図３２Ａに示すように、照射可能領域Ａには１を、照射可能領域Ｂには２を、という具合に照射可能領域Ｆまで１〜６の番号を付ける(Ｓ８１）。
そして、カウンタｎの値を１に設定する(Ｓ８２）。次に、カウンタｎの値が最終番号の６であるか否かが判断され(Ｓ８３)、カウンタｍの値を２に設定する(Ｓ８４)。次に、カウンタｎの値が１の領域と２の領域とが重なっているか否かが判断される。つまり図３２Ｂに示す照射可能領域Ａと照射可能領域Ｂとの領域が重なっているかが判断される(Ｓ８５)。二つの領域が重なっている場合には、図３２Ｃに示すようなＡＢ領域を作成する(Ｓ８６）。作成したそのモデルに打点番号を付加する。図３２Ｃに示すように、ＡＢ領域には１の打点番号を付加する(Ｓ８７）。次に、カウンタｍの値を３に設定し(Ｓ８８)、カウンタｍの値が最終打点番号６よりも大きいか否かが判断される(Ｓ８９)。カウンタｍの値が最終打点番号６よりも大きければ、カウンタｎの値を２に設定して、以上の処理をカウンタｎの値が６になるまで繰り返す(Ｓ９０)。

つまり、以上の処理で、例えば３２Ａに示されているような照射可能領域Ａ〜Ｆのそれぞれの照射可能領域に番号を付して、図３２Ｂに示すような照射可能領域Ａ〜Ｆの配置から２つの領域がそれぞれ重なっている部分を取り出して、図３２Ｃに示すような領域を作
成し、さらにそれらの領域で２つの領域がそれぞれ重なっている部分を取り出して、図３２Ｄに示すような領域を作成し、最後に、さらにそれらの領域で２つの領域がそれぞれ重なっている部分を取り出して、図３２Ｅに示すようなそれぞれが独立した領域を作成する。

独立した領域をどのような順番で優先順位を与えるのかを、図３１を参照しながら説明する。

まず、領域への割り当ては、溶接可能領域数の少ないもの、領域への割り当て数の少ないもの、領域の面積の大きいものから順番に優先順位を決める。図３２Ｅを見ると、１つの領域はＡＢＣ３つの領域数を持ち、もう１つの領域はＡＣＤ３つの領域数を持ち、もう１つの領域はＢＣＥ３つの領域数を持ち、もう１つの領域はＦのみの領域を持っている。この状態は図３３（Ａ）の表のように表される。(Ａ)の表を見ると、領域Ｄ、Ｅ、Ｆは１つの領域でしか溶接を行うことができないことがわかる。したがって、図（Ｂ）に示すように、ＡＣＤ領域、ＢＣＥ領域、Ｆ領域に割り当て数を１つ与える。(Ａ)の表を見ると、次に領域数が少ないのはＡ領域であるので、図（Ｃ）に示すように、まだ割り当てられていないＡＢＣ領域に割り当て数を１つ与える。次に、(Ａ)の表を見ると、次に領域数が少ないのはＢ領域であり、ＡＢＣ領域かＢＣＥ領域で溶接をすることができるが、ＡＢＣ領域とＢＣＥ領域を比較すると、ＢＣＥ領域の方の面積が大きいので、図（Ｄ）に示すように、ＢＣＥ領域に割り当て数を１つ与える。最後に、Ｃ領域であるが、割り当て数の少ないＡＢＣ領域とＡＣＤ領域で溶接をすることができるが、ＡＢＣ領域とＡＣＤ領域を比較すると、ＡＢＣ領域の方の面積が大きいので、図（Ｅ）に示すように、ＡＢＣ領域に割り当て数を１つ与える。

溶接の経路を考えるときには、図３１（Ｅ）に示す結果を見てどのような経路を辿れば効率的に溶接ができるのかは、作業者がシミュレーション結果を見て考える。
［実施形態５］
上記した方法では、溶接の経路はシミュレーションの結果を見て、作業者が考えなければならず、作成された経路も作業者の熟練の程度によっては、必ずしも最適な経路であるとは言えない場合が生じ得る。

本実施形態では、図３０のように点在している照射可能領域を効率的な経路に沿って溶接することができるようにするために、レーザー溶接ロボット１０１の原点から照射可能領域までの最短点、その最短点から次の照射可能領域までの最短点を次々と結んでいくことによって、最適な移動経路を自動的に設定できるようにする方法を提供するものである。

実施形態１〜実施形態３に示したような加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法を実施して、あるワークに対して最終的に得られた照射可能領域が図３４に示すような領域Ａ〜領域Ｆであったとする。この場合、本発明に係る加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法では、次のようにして加工用ビーム照射装置１０４（図１参照）の移動経路を自動的に設定していく。

図３５は、図３４に示した照射可能領域に対して移動経路を設定する場合の説明に供する図である。また、図３６は、本発明に係る加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法の手順を示す動作フローチャートである。

シミュレーション装置１５０の演算装置１６５は、図３５に示すように、レーザー溶接ロボット１０１の原点Ｐ０を認識して、その原点Ｐ０から照射可能領域であるＡ領域までの最短点（原点から最短距離にある点）ＰＡを求める（Ｓ１００）。次に、Ａ領域に設定
した最短点ＰＡからＢ領域までの最短点ＰＢを求める（Ｓ１０１）。そして、Ｂ領域に設定した最短点ＰＢからＣ領域までの最短点ＰＣを求める（Ｓ１０２）。次に、Ｃ領域に設定した最短点ＰＣからＤ領域までの最短点ＰＤを求める（Ｓ１０３）。そして、Ｄ領域に設定した最短点ＰＤからＥ領域までの最短点ＰＥを求める（Ｓ１０４）。次に、Ｅ領域に設定した最短点ＰＥからＦ領域までの最短点ＰＦを求める（Ｓ１０５）。最後に、レーザー溶接ロボット１０１の原点Ｐ０から、ＰＡ、ＰＢ、ＰＣ、ＰＤ、ＰＦ、Ｐ０を結んで最適な経路を作成する（Ｓ１０６）。

以上の例では、移動経路の作成を右回りに行なったが、もちろん左回りで行なうことも可能である。

このように、レーザー溶接ロボット１０１の原点から照射可能領域までの最短点、その最短点から次の照射可能領域までの最短点を次々と結んでいくことによって、最適な移動経路を自動的に設定できることになる。なお、上記の例では、照射可能領域が２次元の平面である場合について述べたが、実際に求められる照射可能領域は３次元の立体形状であるので、レーザー溶接ロボット１０１の原点から照射可能領域までの最短点、その最短点から次の照射可能領域までの最短点は、３次元的に求められる。

以上説明したように、加工用ビームの焦点距離と加工用ビームの照射方向とが変更できる構造を持つ加工用ビーム照射装置をロボットに取り付けると、ある任意の位置の溶接可能領域(照射範囲)は立方体に近い領域となる。この領域に入っている溶接打点は加工用ビーム照射装置で焦点距離および照射方向を変更するだけで溶接が可能となる。一般的には、ロボットが動作して加工用ビームを走査する時間よりも加工用ビーム照射装置の反射鏡を動作させて加工用ビームをスキャンする時間の方がはるかに短くて済むことから、全体として溶接のサイクルタイムが短縮化されることになる。また、加工用ビーム照射装置の反射鏡がロボット本体軸の動作と同期して動作するようにすることにより、ロボット本体軸を停止させることなく連続的に溶接が可能となるためさらにサイクルタイムは飛躍的に向上する。

レーザービーム溶接ロボットの動作を実機でティーチングする場合には、加工用ビームの照射範囲が三次元で存在し、実際の設備にはクランプなどの遮蔽物があり、照射範囲を正確に認識することなど不可能であったため、溶接打点が照射範囲にあるかどうかの判断が困難であった。また、仮に照射範囲に入っていたとしても、溶接するためには加工用ビームの照射角度を考慮する必要があるので、試行錯誤しながらティーチングをしなければならなかったが、本発明を適用することによって、加工用ビームの照射角度を考慮することなく、照射ポイントを溶接可能領域に設定するだけで、最適な溶接経路と照射ポイントを容易に見つけ出すことができる。

なお、以上の実施形態では、ビーム加工として加工用ビーム溶接の例を示したが、これに限らず、例えば、加工用ビーム孔明け加工や加工用ビーム切断加工に対しても本願発明は適用可能である。

本発明に係る加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法および照射可能領域認識装置並びに加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法は、例えば、レーザービーム溶接の分野で利用することができる。

レーザー溶接ロボットの構成図である。 レーザー溶接ロボットが備える加工用ビーム照射装置の構造図である。 本発明に係る加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法を実施し、照射可能領域認識装置を構成し、加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法を実施するシミュレーション装置のブロック図である。 加工用ビームのスキャン領域を示す図である。 図４に示す円錐を作成するための手順を示すフローチャートである。 作成された円錐をワークに配置した状態を示した図である。 加工領域の形状の一例を示す図である。 分解能の説明に供する図である。 加工領域の形状に沿って照射可能領域を作成するための手順を示すフローチャートである。 照射可能領域を示す円錐を加工領域の形状に沿って配置した状態を示す図である。 照射可能領域を示す円錐を加工領域に沿って作成する手順を示すフローチャートである。 照射可能領域を合成して照射可能領域を作成する手順を示す図である。 作成された円錐を合成して照射可能領域を作成する手順を示すフローチャートである。 ワークに設定されている全ての加工領域に照射可能領域を配置した状態を示す図である。 加工用ビームの焦点を最大と最小に変えた場合のスキャン範囲を示す図である。 図１５に示す焦点の異なる２種類の円錐を作成するための手順を示すフローチャートである。 作成された２種類の円錐をワークに配置した状態を示した図である。 照射可能領域を示す２種類の円錐を加工領域に沿って配置した状態を示す図である。 照射可能領域を合成して照射可能領域を作成する手順を示すフローチャートである。 照射可能領域が異なる二種類の円錐から照射可能領域を抽出する手順を示す図である。 抽出した照射可能領域をワークに配置した状態を示した図である。 照射可能領域を示す円錐を加工領域に沿って配置する手順を示すフローチャートである。 ワークに設定されている全ての加工領域に三次元の照射可能領域を配置した状態を示す図である。 障害物が考慮された照射可能領域を合成して照射可能領域を作成する手順を示すフローチャートである。 障害物が考慮された照射可能領域の説明に供する図である。 障害物が考慮された照射可能領域の説明に供する図である。 障害物が考慮された照射可能領域を抽出して照射可能領域を作成する手順を示す図である。 障害物が考慮された照射可能領域の説明に供する図である。 抽出した照射可能領域をワークに配置した状態を示した図である。 抽出したポイント照射可能領域から最適なポイント照射可能領域のみを求めた結果を示す図である。 図３０に示す最適な照射可能領域のみを求めるための手順を示すフローチャートである。 図３０に示す最適な照射可能領域のみを求めるための手順の説明に供する図である。 図３０に示す最適な照射可能領域のみを求めるための手順の説明に供する図である。 図３０に示す最適な照射可能領域のみを求めるための手順の説明に供する図である。 図３０に示す最適な照射可能領域のみを求めるための手順の説明に供する図である。 図３０に示す最適な照射可能領域のみを求めるための手順の説明に供する図である。 図３２Ｅに示した照射可能領域の優先順位を求めるための手順の説明に供する図である。 最終的に得られた照射可能領域の一例を示す図である。 図３４に示した照射可能領域に対して移動経路を設定する場合の説明に供する図である。 本発明に係る加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法の手順を示す動作フローチャートである。

符号の説明

１０１ レーザー溶接ロボット、
１０２ 加工用ビーム出力装置、
１０４ 加工用ビーム照射装置、
１５０ シミュレーション装置、
２００、２４０、２５０、２９０、２９５ 円錐、
２１０ 円錐の底面、
２６０、３１０ 三次元領域、
２７０ 障害物、
２８０ 影、
３００ ワーク。

Claims (21)

1. 加工用ビームの照射方向が変更可能な加工用ビーム照射装置の照射可能領域を認識する方法であって、
   前記ワークに設定された加工領域の一ポイントから前記加工用ビームの焦点距離だけ離れた位置に、前記加工用ビーム照射装置を移動させても前記加工領域の一ポイントを照射することが可能な前記焦点距離に対応した照射可能領域を設定し、前記加工領域の一ポイントに対する照射可能領域を認識することを特徴とする加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法。
2. さらに、前記照射可能領域は前記加工領域の形状に沿って複数形成され、形成された複数の照射可能領域を合成することによって前記加工領域全体に対する照射可能領域を認識することを特徴とする請求項１に記載の加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法。
3. 前記照射可能領域は、前記加工用ビームが障害物の存在により照射することができない照射不能範囲を前記照射可能領域から除外することによって認識することを特徴とする請求項１または２に記載の加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法。
4. 前記ワークに複数の加工領域が設定されている場合には、請求項２または請求項３に記載した加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法を用いて、それぞれの加工領域に対する前記加工用ビーム照射装置の照射可能領域を認識することを特徴とする加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法。
5. 前記加工領域の形状は、連続した直線または曲線で構成されている、あるいは、連続した直線と曲線で構成されている、開放されている、または閉じられている形状であることを特徴とする請求項１、２または４のいずれかに記載の加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法。
6. 加工用ビームの照射方向が変更可能な加工用ビーム照射装置の照射領域を認識する方法であって、
   前記ワークに設定された加工領域の一ポイントから前記加工用ビームの焦点距離だけ離れた位置に、前記加工領域の一ポイントを頂点として鉛直方向に形成され前記焦点距離を高さとする錐体の底面に包含される面を照射可能領域として設定し、前記底面は前記加工用ビーム照射装置を移動させても前記頂点を照射することが可能な角度範囲と前記焦点距離とに基づいて求められることを特徴とする加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法。
7. 前記照射可能領域は、前記加工用ビーム照射装置を移動させても前記頂点を照射することが可能な角度範囲と前記焦点距離とに基づいて求められる円錐の底面であることを特徴とする請求項６に記載の加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法。
8. 前記照射可能領域は、前記加工用ビーム照射装置を移動させても前記頂点を照射することが可能な角度範囲と前記焦点距離とに基づいて求められる円錐の底面に内接する多角形であることを特徴とする請求項６に記載の加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法。
9. 前記加工用ビームの最長焦点距離および最短焦点距離に対応して前記底面を２面設定し、前記照射可能領域はそれら底面により囲まれる錐体であることを特徴とする請求項６に記載の加工用ビーム照射装置の照射可能領域認識方法。
10. 加工用ビーム照射装置から照射される加工用ビームの照射可能領域を認識するための照射可能領域認識装置であって、
    前記加工用ビームの焦点距離と照射可能領域の寸法を入力する入力手段と、
    入力された焦点距離と照射可能領域の寸法に基づいて、前記ワークに設定された加工領域の一ポイントから焦点距離分離れた位置に前記照射可能領域を形成する演算手段と、
    を備えることを特徴とする照射可能領域認識装置。
11. 前記演算手段は、前記加工領域の一ポイントに対応した前記照射可能領域を前記加工領域の形状に沿って複数形成し、形成した複数の前記照射可能領域を合成することによって前記加工領域全体に対する照射可能領域を認識することを特徴とする請求項１０に記載の照射可能領域認識装置。
12. 前記入力手段は、さらに前記加工用ビームの最長焦点距離と最短焦点距離とを入力し、
    前記演算手段は、請求項１１において合成された複数の照射可能領域から前記最長焦点距離と最短焦点距離とに挟まれた部分を抽出することによって前記加工領域全体に対する照射可能領域を認識することを特徴とする請求項１１に記載の照射可能領域認識装置。
13. 前記入力手段は、さらに前記加工用ビームが障害物により遮られる領域を入力し、
    前記演算手段は、請求項１２において抽出された前記加工領域全体に対する照射可能領域から前記加工用ビームが障害物により遮られる領域を除いて前記加工用ビームが実質的に照射可能な照射可能領域を認識することを特徴とする請求項１２に記載の照射可能領域認識装置。
14. 前記演算手段は、前記加工領域の一ポイントを頂点として鉛直方向に形成され前記焦点距離を高さとする錐体の底面に包含される面を前記照射可能領域として演算し、前記加工用ビーム照射装置を移動させても前記頂点を照射することが可能な角度範囲と前記焦点距離とに基づいて前記底面を求めることを特徴とする請求項１０に記載の照射可能領域認識装置。
15. 加工用ビームの照射方向が変更可能な加工用ビーム照射装置を所定の経路で移動させてワークの加工を行う際に、予め前記加工用ビーム照射装置の移動経路を設定するための方法であって、
    前記加工用ビーム照射装置から照射される前記加工用ビームによって前記ワークの加工が行われる加工領域の一ポイントから前記加工用ビームの焦点距離だけ離れた位置に、前記加工用ビーム照射装置を移動させても前記加工領域の一ポイントを照射することが可能な前記焦点距離に対応した照射可能領域を設定し、前記照射可能領域内で前記加工用ビーム照射装置の移動経路を設定するようにしたことを特徴とする加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法。
16. 前記加工用ビーム照射装置は、加工用ビーム出力装置が備える発振器から出力された加工用ビームの焦点を所定の範囲内で変更可能であり、最長焦点距離および最短焦点距離に応じた前記錐体と前記焦点の変更可能範囲とを合成した領域を求め、
    求めた領域内で前記加工用ビーム照射領域の移動経路を設定するようにしたことを特徴とする請求項１５に記載の加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法。
17. 前記照射可能領域は、前記加工領域の一ポイントを頂点として鉛直方向に形成され前記焦点距離を高さとする錐体の底面に包含される面であり、前記底面は前記加工用ビーム照射装置を移動させても前記頂点を照射することが可能な角度範囲と前記焦点距離とに基づいて求められることを特徴とする請求項１４に記載の加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法。
18. 前記加工用ビーム照射装置は、前記加工用ビーム照射装置を移動させるロボットハンドに設けられ、前記加工ビームの照射方向は、前記発信器から出力された加工用ビームを前記加工用ビーム照射装置が備える反射鏡の移動によって変更するようにしたことを特徴とする請求項１５に記載の加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法。
19. 前記照射可能領域は、前記ワークの加工箇所に対応して複数設けられ、前記加工用ビーム照射装置の移動経路は、前記錐体のそれぞれの面積に基づいて設定されることを特徴とする請求項１５に記載の加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法。
20. 前記照射可能領域は、前記ワークの加工箇所に対応して複数設けられ、前記加工用ビーム照射装置の移動経路は、各錐体相互間の距離に基づいて設定されることを特徴とする請求項１５に記載の加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法。
21. 前記加工用ビーム照射装置の移動経路は、点在する加工箇所を右回り方向または左回り方向に辿って移動経路を設定していくことを特徴とする請求項１９または２０に記載の加工用ビーム照射装置の移動経路設定方法。