JP2009160597A - レーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ワークを治具に投入するときの作業性を高め得るレーザ溶接装置を提供する。
【解決手段】レーザ溶接装置は、レーザビーム２１を照射してレーザ溶接を施すワーク１００をセットするための受け面３５が形成された下治具３０（第１の治具）と、下治具に対して相対的に接近離反移動自在に設けられ下治具に重ね合わされる上治具４０（第２の治具）と、上治具に設けられワークを受け面に押し付けるためのクランプ手段５０と、を有する。下治具にはワークを保持する機能を持たせ、上治具にはワークを押え付ける機能を持たせ、下治具および上治具のそれぞれに異なる機能を分担させ、クランプ手段を下治具に設けていない。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ溶接装置に関するものである。

ロボットを利用した溶接装置として、抵抗スポット溶接装置の他に、レーザ溶接装置も用いられている。この種のレーザ溶接装置は、ロボットアーム先端に、レーザビームを照射するためのレーザビーム照射装置を取り付けている。ロボットアームを移動させつつ、さらにレーザビーム照射装置からのレーザ照射方向をも変えることにより、レーザビームをワークとしてのパネル材の予め決められた溶接点へ照射し溶接する（例えば、特許文献１参照）。このような溶接は、ワークとレーザビーム照射装置とが離れている形態から、リモート溶接とも称されている。
特開２０００−１２６８８２号公報

抵抗スポット溶接の場合は、重ね合わせたパネル材同士を溶接ガンによって挟み込むので、パネル材同士の間に多少の隙間があっても支障は生じない。一方、レーザ溶接は、一方のパネル材の側のみからレーザビームを照射するので、重ね合わせたパネル材同士の間に存在する隙間の大きさが、溶接品質に大きな影響を与える。このため、レーザ溶接装置の治具には、上記の隙間を制御するために、抵抗スポット溶接装置の治具に比べて、パネル材を押さえるためのクランプ装置が多数設置されている。

クランプ装置の数が多くなる結果、パネル材を治具に投入するときには、パネル材がクランプ装置と干渉することがないように、パネル材の投入姿勢や投入方向が制限を受ける。したがって、パネル材を治具に投入するときの作業性が悪く、パネル材の投入に比較的長時間を要している。

そこで、本発明の目的は、ワークを治具に投入するときの作業性を高め得るレーザ溶接装置を提供することにある。

本発明は、レーザビームを照射してレーザ溶接を施すワークをセットするための受け面が形成された第１の治具と、
前記第１の治具に対して相対的に接近離反移動自在に設けられ前記第１の治具に重ね合わされる第２の治具と、
前記第２の治具に設けられ、前記ワークを前記受け面に押し付けるためのクランプ手段と、を有するレーザ溶接装置である。

第１の治具にはワークを保持する機能を持たせ、第２の治具にはワークを押え付ける機能を持たせ、第１の治具および第２の治具のそれぞれに異なる機能を分担させ、クランプ手段を第１の治具に設けていない。ワークを第１の治具の受け面にセットするときに、ワークとクランプ手段とが干渉することがないため、第１の治具にワークをセットするとき、ワークの姿勢やセット手順の選択の自由度が高まる。したがって、ワークを治具に投入するときの作業性を高めることができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るレーザ溶接装置１０を示す概略構成図、図２は、レーザ溶接ロボット２０を示す斜視図、図３は、レーザ溶接装置１０の要部を示す断面図、図４（Ａ）は、下治具３０（第１の治具）を示す平面図、図４（Ｂ）は、下治具３０にワーク１００をセットした状態を示す平面図、図５は、ワーク１００をセットした下治具３０に上治具４０（第２の治具）を重ね合わせた状態を示す平面図である。

図１および図３を参照して、レーザ溶接装置１０は、概説すれば、レーザビーム２１を照射してレーザ溶接を施すワーク１００をセットするための受け面３５が形成された下治具３０（第１の治具に相当する）と、下治具３０に対して相対的に接近離反移動自在に設けられ下治具３０に重ね合わされる上治具４０（第２の治具に相当する）と、上治具４０に設けられワーク１００を受け面３５に押し付けるためのクランプ手段５０と、を有している。レーザ溶接装置１０はさらに、下治具３０に設けられ受け面３５に対するワーク１００の位置を規制するためのロケートピン６０（ロケート手段に相当する）と、上治具４０に設けられ下治具３０と上治具４０とを重ね合わせて閉じた状態を保持するためのロック手段７０と、を有している。図示例では、下治具３０は固定され、上治具４０が移動する。レーザ溶接時には、保持したワーク１００を押え付けることが必要である。本実施形態では、下治具３０および上治具４０のそれぞれに異なる機能を分担させている。すなわち、下治具３０にはワーク１００を保持する機能を持たせ、上治具４０にはワーク１００を押え付ける機能を持たせている。以下、詳述する。

図１を参照して、レーザ溶接装置１０は、複数個の下治具３０と、１個の上治具４０と、下治具３０が配列される方向（図中左右方向）に沿って配置されるロボット用走行軸８０と、レーザビーム２１を照射してレーザ溶接を行うレーザ溶接ロボット２０と、上治具４０を搬送するハンドリングロボット９０と、を有している。レーザ溶接ロボット２０およびハンドリングロボット９０は、ロボット用走行軸８０に沿って走行自在に設けている。

ワーク１００は、例えば、自動車車体のフードやドアパネルなどのパネル部品を形成する種々のパネル材である。図１に示されるワーク１００は、フードの本体を形成するパネル材１０１と、補強や他の部材を取り付けるためのパネル材１０２とを含んでいる。

下治具３０は、ワーク１００の種類ごとに製作される専用品であり、上治具４０は、ワーク１００の種類に拘らず共用される汎用品である。ワーク１００の種類ごとに専用の下治具３０を用いるのは、ワーク１００を保持する機能を十分に発揮させるためである。また、ワーク１００の種類に拘らず上治具４０を共用するのは、ワーク１００の種類が異なってもワーク１００を押え付ける機能を発揮させることができるからである。

図示例では３種類のフードにレーザ溶接を施すために、フードの種類ごとに専用品である３個の下治具３０を配置している。説明の便宜上、３種類のフードを、第１フード、第２フード、および、第３フードと言う。３個の下治具３０は、ロボット用走行軸８０に沿って並んでいる。図中左端の下治具３０には第１フード用のワーク１００をセットし、中央の下治具３０には第２フード用のワーク１００をセットし、右端の下治具３０には、第３フード用のワーク１００をセットする。図１には、第１フード用の下治具３０に上治具４０を重ね合わせ、第２フード用の下治具３０に第２フード用のワーク１００をセットし、第３フード用の下治具３０に第３フード用のワーク１００をセットする前の状態が示されている。

図１および図２を参照して、レーザ溶接ロボット２０は、アーム２２を備えるロボット２３と、アーム２２の先端に設けられレーザビーム２１を照射するレーザ溶接ヘッド２４と、図示しないレーザ光源からレーザ溶接ヘッド２４までレーザビーム２１を導く光ファイバーケーブル２５と、を有している。ロボット２３は、一般的な多軸ロボット（多関節ロボットなどとも称されている）である。ロボット２３は、教示作業によって与えられた動作経路のデータに従い、アーム２２の先端すなわちレーザ溶接ヘッド２４をさまざまな方向に移動する。レーザ光源には、例えばＹＡＧレーザ発振器を用いている。レーザ溶接ヘッド２４の内部には、コリメートレンズや集光レンズなどを含むレンズ群２６と、レーザビーム２１の照射方向をスキャンする反射鏡２７と、反射鏡２７を回動する図示しない駆動機構とを設けている。レンズ群２６に、光ファイバーケーブル２５の射出端２５ａから射出されたレーザビーム２１を導いている。反射鏡２７は、図示するように２軸方向に回動することにより、レンズ群２６を通ったレーザビーム２１の照射方向を変える。反射鏡２７を回動することにより、レーザビーム２１を予め定められた溶接パターンに沿って走査し、レーザ溶接する。アシストガスとして、アルゴンガスなどの不活性ガスを用いる。なお、レーザの種類は、ＹＡＧレーザに限定されるものではなく、炭酸ガスレーザであってもよい。

図１を参照して、ハンドリングロボット９０は、アーム９２を備えるロボット９３と、アーム９２の先端に設けられ上治具４０を支持するハンド部９４と、を有している。ロボット９３は、一般的な多軸ロボットである。

図３および図４（Ａ）（Ｂ）を参照して、下治具３０は、ベースプレート３１と、ベースプレート３１の４つのコーナ部に立設され上治具４０を支持する４本の下ポスト３２と、ベースプレート３１に立設されワーク１００を支持する複数のゲージポスト３３と、を有している。対角位置に存する２本の下ポスト３２の上端に、下治具３０に対する上治具４０の位置を規制する治具用ロケートピン３４を設けている。ゲージポスト３３の上端に、ワーク１００としてのパネル材１０１をセットするための受け面３５を設けている。受け面３５に、この受け面３５に対するワーク１００の位置を規制するロケートピン６０を設けている。ロケートピン６０を設けることにより、それぞれの種類のワーク１００を保持する機能をより十分に発揮させることができる。ワーク１００には、ロケートピン６０が嵌り込むロケート穴１０３を設けている。ゲージポスト３３の高さは、下ポスト３２よりも高くしてある（図３参照）。

図３および図５を参照して、上治具４０は、上プレート４１と、上プレート４１の４つのコーナ部に設けられ下ポスト３２に重ねられる４本の上ポスト４２と、を有している。上プレート４１には、上プレート４１を貫通して形成され、レーザビーム２１を通過させる開口部４３を設けている。図示例では、３個の開口部４３を設けている。上治具４０がレーザビーム２１を通過させる開口部４３を有しているので、ワーク１００とレーザビーム照射装置とが離れている、いわゆるリモート溶接を行うことができる。対角位置に存する２本の上ポスト４２の下端に、治具用ロケートピン３４が嵌り込むロケート穴４４を設けている。治具用ロケートピン３４とロケート穴４４とが係合することにより、上治具４０と下治具３０との相対的な位置が定まる。図３において上下方向が、上治具４０が下治具３０に対して相対的に接近離反移動する方向である。

クランプ手段５０は、例えば、油圧や圧縮空気などの流体圧によって作動ロッド５１を前進後退駆動する流体圧シリンダ５２と、作動ロッド５１の先端に取り付けられワーク１００に接触するパッド５３と、を有している。流体圧シリンダ５２は、図示しない支持部材を介して上プレート４１に取り付けている。図示例のクランプ手段５０は、下治具３０と上治具４０とが相対的に接近移動する方向、つまり、図３において下方向にワーク１００を押し付ける。クランプ手段５０は、作動ロッド５１を前進駆動することにより、パッド５３をワーク１００に接触させ、ワーク１００を受け面３５に押し付けている。

クランプ手段５０は、開口部４３の近傍に配置することが好ましい。レーザ溶接を施す箇所の近傍においてワーク１００を押さえることによって、ワーク１００としてのパネル材間の隙間の制御が向上し、溶接品質の安定および向上を図ることができるからである。

ロック手段７０は、例えば、油圧や圧縮空気などの流体圧によって作動ロッド７１を前進後退駆動および回動駆動する流体圧シリンダ７２と、作動ロッド７１の先端に取り付けられ下治具３０の下ポスト３２に掛止するハンガー７３と、を有している。流体圧シリンダ７２は、図示しない支持部材を介して上ポスト４２に取り付けている。下ポスト３２には、ハンガー７３が回動することによって嵌り込む穴部３６を設けている。ロック手段７０は、ハンガー７３を下ポスト３２の穴部３６に嵌め込んだ後に作動ロッド７１を後退駆動することにより、下ポスト３２と上ポスト４２とを相対的に引き寄せ、下治具３０と上治具４０とを重ね合わせて閉じた状態を保持している。ロック手段７０を設けることにより、下治具３０と上治具４０とを重ね合わせて閉じた状態を保持し、クランプ手段５０によってワーク１００を受け面３５に確実に押し付けることができる。

次に、作用を説明する。

まず、上治具４０をハンドリングロボット９０により持ち上げ、第１フード用の下治具３０を開いた状態とする。第１フード用のワーク１００を、ゲージポスト３３の受け面３５にセットする（図４を参照）。このとき、ワーク１００のロケート穴１０３にロケートピン６０を挿入し、受け面３５に対するワーク１００の位置を規制する。ワーク１００は、フードの本体を形成するパネル材１０１と、補強用などのパネル材１０２とを含み、それぞれのパネル材１０１、１０２のロケート穴１０３にロケートピン６０を挿入し、それぞれのパネル材１０１、１０２の位置を規制する。

上治具４０をハンドリングロボット９０により搬送し、第１フード用の下治具３０に重ね合わせる（図１、図５参照、）。このとき、上ポスト４２のロケート穴４４に治具用ロケートピン３４を挿入し、上治具４０と下治具３０との相対的な位置を定める。

ロック手段７０により、下治具３０と上治具４０とを重ね合わせて閉じた状態を保持する。具体的には、流体圧シリンダ７２の作動ロッド７１を回動駆動し、ハンガー７３を回動して下ポスト３２の穴部３６に嵌め込む。その後に、作動ロッド７１を後退駆動する。これにより、下ポスト３２と上ポスト４２とを相対的に引き寄せ、下治具３０と上治具４０とを重ね合わせて閉じた状態を保持する。

クランプ手段５０により、ワーク１００を受け面３５に押し付ける。具体的には、流体圧シリンダ５２の作動ロッド５１を前進駆動し、パッド５３をワーク１００に接触させ、ワーク１００を受け面３５に押し付ける。

レーザ溶接ロボット２０を作動し、動作経路のデータに従ってレーザ溶接ヘッド２４を移動する。レーザ溶接ヘッド２４からレーザビーム２１を照射するとともに反射鏡２７を回動することにより、レーザビーム２１を予め定められた溶接パターンに沿って走査し、レーザ溶接する。レーザビーム２１は、上治具４０の開口部４３を通過して、溶接部位に達する。

レーザ溶接が終了すると、上治具４０をハンドリングロボット９０により持ち上げ、下治具３０から第１フードを取り出す。第１フード用のワーク１００をレーザ溶接している間に、第２フード用のワーク１００を、第２フード用の下治具３０にセットする（図１を参照）。ハンドリングロボット９０は持ち上げた上治具４０を搬送し、第２フード用の下治具３０に重ね合わせる。この後は、第１フード用のワーク１００をレーザ溶接するときと同様に、ロック手段７０により下治具３０と上治具４０とを重ね合わせて閉じた状態を保持し、クランプ手段５０によりワーク１００を受け面３５に押し付け、レーザ溶接ロボット２０によりワーク１００をレーザ溶接する。

上述したように、本実施形態のレーザ溶接装置１０では、下治具３０には、レーザ溶接を施すワーク１００をセットするための受け面３５を形成し、上治具４０には、ワーク１００を受け面３５に押し付けるためのクランプ手段５０を設けている。すなわち、下治具３０にはワーク１００を保持する機能を持たせ、上治具４０にはワーク１００を押え付ける機能を持たせてある。このように下治具３０および上治具４０のそれぞれに異なる機能を分担させ、クランプ手段５０を下治具３０に設けていないので、ワーク１００を下治具３０の受け面３５にセットするときに、ワーク１００とクランプ手段５０とが干渉することがない。このため、下治具３０にワーク１００をセットするとき、ワーク１００の姿勢やセット手順の選択の自由度が高まる。したがって、ワーク１００を治具に投入するときの作業性を高めることができる。

下治具３０にロケートピン６０を設けることにより、下治具３０に対するワーク１００の位置を定めることができ、下治具３０は、ワーク１００を保持する機能をより十分に発揮する。

上治具４０にロック手段７０を設けることにより、上治具４０と下治具３０との相対的な位置を決め、下治具３０と上治具４０とを重ね合わせて閉じた状態を保持し、クランプ手段５０によってワーク１００を受け面３５に確実に押し付けることができる。また、ロック手段７０を下治具３０に設けていないので、ワーク１００を下治具３０の受け面３５にセットするときに、ワーク１００とロック手段７０とが干渉することがない。このため、下治具３０にワーク１００をセットするとき、ワーク１００の姿勢やセット手順の選択の自由度がより高まる。したがって、ワーク１００をセットするときの作業性の向上を一層図ることができる。さらに、高価なアクチュエータ機器であるロック手段７０を汎用品の上治具４０に集中させることにより、モデルチェンジのときには、専用品である下治具３０のみを新たに製作して交換するだけでよい。したがって、モデルチェンジ時の設備投資費用の低減を図ることができる。

ゲージポスト３３の高さを下ポスト３２よりも高くしてあるので、ワーク１００と下ポスト３２とが干渉し難く、この点からも、ワーク１００をセットするときの作業性の向上をより一層図ることができる。

上治具４０がレーザビーム２１を通過させる開口部４３を有しているので、ワーク１００とレーザビーム照射装置とが離れている、いわゆるリモート溶接を行うことができる。

クランプ手段５０を開口部４３の近傍に配置してあるので、レーザ溶接を施す箇所の近傍においてワーク１００を押さえることができる。ワーク１００としてのパネル材間の隙間の制御が向上し、溶接品質の安定および向上を図ることができる。

下治具３０がワーク１００の種類ごとに製作される専用品であり、上治具４０がワーク１００の種類に拘らず共用される汎用品である。高価なアクチュエータ機器（クランプ手段５０やロック手段７０）を設けた上治具４０が汎用式の構造であるので、モデルチェンジのときには、専用品である下治具３０のみを新たに製作して交換するだけでよい。したがって、モデルチェンジ時の設備投資費用の低減を図ることができる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係るレーザ溶接装置１０の要部を示す断面図、図７（Ａ）は、下治具３０を示す平面図、図７（Ｂ）は、下治具３０にワーク１００をセットした状態を示す平面図、図８は、ワーク１００をセットした下治具３０に上治具４０を重ね合わせた状態を示す平面図である。なお、図１〜図５に示した部材と共通する部材には同一の符号を付し、その説明は一部省略する。

受け面３５を設ける位置およびワーク１００を押し付ける方向は、第１の実施形態の場合に限定されるものではなく、ワーク１００の形状に応じて適宜改変することができる。第２の実施形態は、ワーク１００の形状およびクランプ手段１５１、１５２の配置状況の点において、第１の実施形態と相違している。

第２の実施形態のワーク１００は、ドアパネルを形成する種々のパネル材であり、ドアパネルの本体を形成するパネル材１０４と、補強や他の部材を取り付けるためのパネル材１０５とを含んでいる。このワーク１００は、図６において下方向に押し付ける箇所と、図６において左右方向に押し付ける箇所とが存在する。下治具３０には、ワーク１００の下面を支持するゲージポスト３３と、ワーク１００の外側面を支持するゲージ１３３とを設けている。ゲージポスト３３およびゲージ１３３のそれぞれに受け面３５、１３５を設けている。

上治具４０には、ワーク１００を図６において下方向に押して受け面３５に押し付けるための第１のクランプ手段１５１と、ワーク１００を図６において左右外方向に押して受け面１３５に押し付けるための第２のクランプ手段１５２と、を有している。第１のクランプ手段１５１は、第１の実施形態のクランプ手段５０と同様に構成され、第２のクランプ手段１５２は、流体圧シリンダ５２の作動ロッド５１に接続されピン１５３を中心に揺動自在なフック１５４を有している。第２のクランプ手段１５２は、作動ロッド５１を前進駆動することにより、フック１５４を揺動させてワーク１００に接触させ、ワーク１００を受け面３５に押し付けている。

第２の実施形態のレーザ溶接装置１０も、第１の実施形態と同様に、下治具３０には、レーザ溶接を施すワーク１００をセットするための受け面３５、１３５を形成し、上治具４０には、ワーク１００を受け面３５、１３５に押し付けるための第１と第２のクランプ手段１５１、１５２を設けている。すなわち、下治具３０にはワーク１００を保持する機能を持たせ、上治具４０にはワーク１００を押え付ける機能を持たせてある。このように下治具３０および上治具４０のそれぞれに異なる機能を分担させ、第１と第２のクランプ手段１５１、１５２を下治具３０に設けていないので、ワーク１００を下治具３０の受け面３５にセットするときに、ワーク１００と第１と第２のクランプ手段１５１、１５２とが干渉することがない。このため、下治具３０にワーク１００をセットするとき、ワーク１００の姿勢やセット手順の選択の自由度が高まる。したがって、ワーク１００を治具に投入するときの作業性を高めることができる。

（他の変形例）
上治具４０はワーク１００の種類に拘らず共用される汎用品としてあるが、上治具４０の汎用性を高めるために、一の種類の第１のワークを押し付ける第１のクランプ手段と、異なる種類の第２のワークを押し付ける第２のクランプ手段と、を上治具４０に設けてもよい。この場合において、第１のワークにレーザ溶接を施すときには第１のクランプ手段のみを選択的に作動させて第１のワークを押し付け、第２のワークにレーザ溶接を施すときには第２のクランプ手段のみを選択的に作動させて第２のワークを押し付ける。あるいは、第１のワークにレーザ溶接を施すときに第２のクランプ手段を作動させても支障がなく、かつ、第２のワークにレーザ溶接を施すときに第１のクランプ手段を作動させても支障がないときには、ワークの種類に拘らず、第１と第２のクランプ手段の両方を作動させてもよい。

クランプ手段５０、１５１、１５２は図示した構成に限定されるものではなく、ワーク１００を受け面３５、１３５に押し付ける機能を発揮する限りにおいて、溶接技術分野において公知の構成を採用できる。ロケート手段６０は、ピン形状に限られるものではなく、ワークの基準端面を当接させる面形状であってもよい。ロック手段７０は、下治具３０と上治具４０とを重ね合わせて閉じた状態を保持する機能を発揮する限りにおいて、適宜の構成を採用できる。

第１の実施形態に係るレーザ溶接装置を示す概略構成図である。 レーザ溶接ロボットを示す斜視図である。 レーザ溶接装置の要部を示す断面図ある。 図４（Ａ）は、下治具（第１の治具）を示す平面図、図４（Ｂ）は、下治具にワークをセットした状態を示す平面図ある。 ワークをセットした下治具に上治具（第２の治具）を重ね合わせた状態を示す平面図である。 第２の実施形態に係るレーザ溶接装置の要部を示す断面図ある。 図７（Ａ）は、下治具を示す平面図、図７（Ｂ）は、下治具にワークをセットした状態を示す平面図ある。 ワークをセットした下治具に上治具を重ね合わせた状態を示す平面図である。

符号の説明

１０ レーザ溶接装置、
２０ レーザ溶接ロボット、
２１ レーザビーム、
２７ 反射鏡、
３０ 下治具（第１の治具）、
３１ ベースプレート、
３２ 下ポスト、
３３ ゲージポスト、
３４ 治具用ロケートピン、
３５ 受け面、
４０ 上治具（第２の治具）、
４１ 上プレート、
４２ 上ポスト、
４３ 開口部、
４４ ロケート穴、
５０ クランプ手段、
６０ ロケートピン（ロケート手段）、
７０ ロック手段、
８０ ロボット用走行軸、
９０ ハンドリングロボット、
１００ ワーク、
１３５ 受け面、
１５１ 第１のクランプ手段（クランプ手段）、
１５２ 第２のクランプ手段（クランプ手段）。

Claims (6)

1. レーザビームを照射してレーザ溶接を施すワークをセットするための受け面が形成された第１の治具と、
   前記第１の治具に対して相対的に接近離反移動自在に設けられ前記第１の治具に重ね合わされる第２の治具と、
   前記第２の治具に設けられ、前記ワークを前記受け面に押し付けるためのクランプ手段と、を有するレーザ溶接装置。
2. 前記第１の治具に設けられ、前記受け面に対する前記ワークの位置を規制するためのロケート手段をさらに有する請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 前記第２の治具に設けられ、前記第１の治具と前記第２の治具とを重ね合わせて閉じた状態を保持するためのロック手段をさらに有する請求項１または請求項２に記載のレーザ溶接装置。
4. 前記第２の治具が、前記レーザビームを通過させる開口部を有している請求項１〜請求項３のいずれか１つに記載のレーザ溶接装置。
5. 前記クランプ手段が、前記開口部の近傍に配置されている請求項４に記載のレーザ溶接装置。
6. 前記第１の治具が、ワークの種類ごとに製作される専用品であり、
   前記第２の治具が、ワークの種類に拘らず共用される汎用品である請求項１〜請求項５のいずれか１つに記載のレーザ溶接装置。

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