JP2009255174A - 保護囲いを備えたレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、保護囲いを備えたレーザ加工装置を提供する。
【解決手段】 保護囲い（３）が基本的には保護フード（５）によって形成されており、この保護フード（５）は加工物（７）を取り囲み、この加工物（７）は、レーザヘッド（１）が、ロボットアーム（２）を用いてスリット型開口部（８）を通って保護フード（５）内を移動させることが可能であるように、取付装置（６）に取り付けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、保護囲いを備えたレーザ加工装置に関するものである。

レーザ光線源、及び加工される場所にレーザ光線を放射するための手段、及び加工される加工物を取り付けるための装置のような、レーザ加工装置の操作に不可欠な機能ユニットの他に、このようなレーザ加工装置は、レーザ加工プロセスの途中で生成される排気ガスを放出するための手段と、操作者をレーザ光線から保護するための手段（保護囲い）とを同様に備えている。

道具としてのレーザ光線と加工物との間の関連のある移動は、所望する切れ目又は溶接線を生成するために必要であり、道具又は加工物のどちらかによって実行され得る。

道具が機械によって移動するレーザ加工装置では、レーザ光線を放射するための手段は、レーザヘッドが固定されたマシンガントリでの２次元で移動する手段と、レーザヘッドがロボットアームの自由端の空間での３次元で移動する手段とに通常分割されることが可能である。レーザ光線は、レーザ光線源からレーザヘッドへ別個の光線放射装置を経由して又はロボットガイダンスの場合にはロボットアームを通じて放射されることが可能である。

特に最後に述べた実施例においては、ロボットの誤制御に起因して、レーザ光線は意図するようには加工物に方向づけられない危険性が常にある。

このような危険性を回避するために、保護囲いが用いられる。

レーザ保護スクリーン内にロボットを取り囲むことは標準的な慣行であり、この保護スクリーン内はロボットを完全に収容するのに十分な広さを有するので、ロボットアームの自由端で移動するレーザヘッドが、レーザ保護スクリーンによって形成されるレーザ保護室内で加工作業を行うために必要とされる動作経路をたどることが可能である。

用いられるレーザ保護スクリーンは、受動的レーザ保護スクリーンでもあり能動的レーザ保護スクリーンでもあり得る。能動的レーザ保護スクリーンは、レーザ光線がレーザ保護スクリーンに当たると又は二重壁のセンサモニタ付保護スクリーンを貫通すると直ちにレーザ光線にスイッチを切らせる、すなわち、レーザ光線は自動的に光線自体のスイッチを切る。このために、レーザ保護スクリーンは、明らかに、少なくとも短時間はレーザ光線に耐性を有することが可能であるように設計されなければならない。

レーザ加工装置に必要とされる全機能ユニットを完全に含んでいるレーザ保護室は、必要な材料の観点から費用がかかり相当な空間を必要とするだけでなく、空間内に取り囲むのに適合する大きな排気体積をも伴う。

特許文献１はレーザ加工装置の安全なスクリーン装置を開示しており、レーザヘッドは、マシンガントリのガイド運搬車を用いて移動し、保護フードによって被覆されているので、加工される領域を取り囲んでいる。このような保護フードは、レーザヘッドがマシンガントリの横方向の光線と縦方向の光線とによって定められている１つの平面のみを移動する場合に大変有益である。しかし、このような保護フードは、レーザヘッドに堅固に固定されており、ロボットアームのレーザヘッドが意図する動作経路を描くために空間での３次元で移動する場合には適切ではない。

特許文献２もまた、安全なスクリーンを備えたレーザ切断装置を開示しており、保護フードが可動マシンガントリに取り付けられているので、どの作動位置においても、旋回方向に直角にマシンガントリの横桁で移動することの可能なレーザ切断ヘッドを取り囲んでいる。この特許文献の解決手段もまた、マシンガントリがレーザ切断ヘッドを加工物に関して移動させる装置のみに有益である。

特許文献３は、手動での位置決め及び操作が可能である、レーザ溶接のための携帯用装置を開示している。この装置は保護フードを備えており、この保護フードは、様々な予め設定された位置において、平面の加工物に連続配置されるので、レーザ光線溶接ヘッドは、保護フードで直線状の運転軸に沿って移動させることができ、加工物に関して、例えば重なり合った溶接の継ぎ目のセグメントに沿って移動することが可能である。レーザ溶接ヘッドと加工物との間に必要とされる関連する移動は、保護フードの手動移送動作と運転軸でのレーザヘッドの直線移動とによって実行される。この文献で開示されている装置は、直線動作から外れる加工動作、又は、保護フードが配置されることが不可能で平らである加工物には不適切である。

ＤＥ２９７１６００８Ｕ１ ＥＰ０９６２２７８Ａ２ ＤＥ１９６３６４５８Ｃ１

本発明の課題は、３次元の加工物がロボット制御型レーザ光線によって加工可能である方法を用いた、スペースを取らない保護囲いを備えたレーザ加工装置を提供することである。

この課題は、請求項１の特徴を有する装置によって解決される。有益なさらなる改善は、従属項に述べられている。

本発明は、危険領域を低減するために、どのロボットの誤制御にも関係なく、ロボット制御型レーザヘッドの動作範囲を加工されるべき意図する動作経路に制限するという概念に基づいている。これにより、保護囲いによって取り囲まれているスペースを低減することが可能となる。

一方では、接触センサ又は距離センサを用いて保護囲いに関するレーザヘッドの位置を監視することによって、且つ、このような接触センサが作動するとき又は予め設定された理論値とは異なっている信号が検知される場合レーザを停止させることによって、動作経路は制限されることが可能である。

他方では、動作経路に適合する保護囲いの構造上の構成によって、レーザヘッドの移動の自由は制限されることが可能である。これにより、センサが無くとも又はセンサ数を減少させても、レーザの安全性は確実となる。

第１実施例での誤計測の危険性は本質的に備わっており、さらにはロボット制御上の異常が生じ得るため、２つの実施例を組み合わせることを推奨する。

第２実施例で示されているように、適切な機械的な構成によって移動の自由を制限することは、最大限可能な範囲までレーザ光線の誤指向を効率良く防止するが、機械的な損傷、特にレーザヘッドの損傷につながることもあり得るので、安全性のハードルを克服するための最後の手段としてのみ用いられるべきである。

本発明に従う保護囲いは、装置キャリアを伴った保護フードが、取り付ける設備に位置決めされる加工物を完全に取り囲むことを確実にするために設けられる。このために、保護フードのエッジと装置キャリアのエッジとは互いに接近するように設けられる。

保護フードは少なくとも１つの開口部を有しており、この開口部を通って、レーザヘッドは、取り付ける設備に位置決めされる加工物から予め設定された距離で、このレーザヘッドがロボットアームによって保持されながら、加工物に、加工ライン、例えば切断穿孔又は溶接ラインを生成するように、保護囲い内で意図する動作経路を描くことができる。

開口部はスリット形状と、最小に保たれるサイズとを有し、これにより、レーザヘッドが開口部を通り抜けることが可能であるが、排気ガスを放出するために生成される開口部は可能な限り最小サイズに保たれることを確実にする。

開口部周辺領域での保護フードの高さは、開口部と加工物との間の距離がレーザヘッドより大きいようなサイズにすることにより、レーザヘッドは保護フードに完全に挿入されることが可能であるようにすることを推奨する。

スリット型開口部の少なくとも一方の端、好ましくは両端が、レーザヘッドが通り抜けられることを確実にする十分な大きさになるようにしなければならない。２つの端の間では、開口部はより狭くすることができるので、ロボットアームの端のみが開口部で移動することが可能である一方、レーザヘッドは通り抜けることができない。

２つのより大きなサイズである端の領域は意図する加工ラインの上に位置されないことにより、レーザヘッドが開口部のより狭い大きさの領域の下を移動した後のみ、レーザ光線がレーザヘッドを介して加工物に向けられるべきであることを推奨する。これにより、レーザヘッドが稼働されること、すなわち、レーザヘッドが開口部領域の下に位置され、この開口部領域を通って保護フードの外に持ち上げられることができないときのみレーザ光線がレーザヘッドを介して加工物に向けられることが確実になる。

このタイプの機械的な防護手段は、レーザヘッドの外周がロボットアームの隣接する端より大きくなければ不可能である。

この場合には、表面を大きくすること、例えば、レーザヘッドの外周周りを補足して包まれるパッキン（ｃｕｆｆ）を用いて、ロボットアームの端の断面より大きいサイズにすることにより、記述した機械的防護手段の問題に対する解決を提供するかもしれない。

保護フードのための可能なストッパ面としてレーザヘッドの上面を用いる又はレーザヘッドの表面を広げる代わりに、付加の機械的停止装置がレーザヘッドに配置されることができ、このストッパは、レーザヘッドが下げられた後のみ折り曲げられ固定される。

代替又は追加として、センサは防護手段として用いられるべきであり、これらのセンサはレーザヘッドに又はロボットアームの端に又は開口部周辺の保護フードに取り付けられることが可能である。

このために、接触センサを備えることは有益であり、これらの接触センサは、レーザヘッド又はロボットアームの端と保護フード、特に開口部の側壁との間の接触を検知する。同様に、距離センサは、レーザヘッドの予め設定された動作経路からのずれを検知するために用いられることが可能である。

レーザヘッドは見えないように構成されることも可能である。この場合、一時的にスリット型開口部の下の保護フードの底部の開口部側の始動位置に位置されることができ、引き続き、ロボットアームはレーザヘッドが開口部を通り抜けることによりレーザヘッドに結合させることができる。この実施例は、レーザヘッドが保護囲いの外に引き出される可能性を完全に排除する。

この装置は、図面を伴った例を用いて、以下に続けてより詳細に述べられる。図面の説明は以下のとおりである。

本発明に従う装置の第１実施例による断面図である。 本発明に従う装置の第２実施例による断面図である。 保護フードの第１実施例の上面図である。 保護フードの第２実施例の上面図である。 保護フードの第３実施例の上面図である。 保護フードの第４実施例の上面図である。

図１は、レーザ加工装置の有益な実施例による断面を示している。この装置は、（図示されていない）レーザ光源と、ロボットアーム２の端だけが図示され且つレーザヘッド１が取り付けられているロボットと、装置キャリア４と、保護フード５とを基本的に備えている。

装置キャリア４と保護フード５とはエッジ９に沿って接合されているので、保護フード５のスリット型開口部８以外では、閉じられた保護囲い３を形成している。装置キャリア４に取り付けられているのは取付装置６であり、この取付装置６には加工物７が取り付けられている。保護フード５は押付け装置１０を取り付けられるのが好ましく、この押付け装置１０は加工物７を取付装置６に固定している。

図１が示すように、装置キャリア４と共に保護フード５は、保護フード５の下の自由体積が小さいように加工物７を完全に取り囲んではいるが、レーザヘッド１は、加工物７から予め設定された距離で開口部８の下の保護フード５内で全体的に移動することが可能である。

（図示されていない）排気装置を用いて排気される必要があるのは小さな排気体積のみであるという利点を、保護囲い内部の小さな自由体積は有している。

保護囲いと排気装置との間の１つの接続部又は好ましくは複数の接続部は、開口部８付近に配置されることが好ましく、これにより、排気装置によって生じる低圧の結果排気ガスが開口部８を通って流出することを可能な限り防止する。

図１で示されているこの第１実施例では、スリット型開口部８の幅ｂの方向にあるレーザヘッド１の断面の大きさａは、幅ｂより大きい。

このようなスリットの構成例は、図３ａ及び３ｃに示されている。

図３ａでは、開口部８はＵ字型スリットであり、このスリットの両端は拡張部を有している。加工物７を加工するために、レーザヘッド１は拡張部１１のうちの一方を通ってレーザヘッド１が保護フード５の下の加工物７から所定の距離に到達するまで挿入される。この距離において、引き続き、レーザヘッド１は開口部８のより狭い領域に沿って加工物７を横切って移動し、最後に、他方の端の拡張部１１を通って持ち上げ出される。

意図する加工ライン２は拡張部１１のすぐ下で始まったり終わったりしないため、レーザヘッド１は、開口部８のより小さい領域の下に位置する場合のみ稼働する。これは、実際の加工操作の間にロボット誤制御によってレーザヘッド１が経路からのずれを引き起こされる場合、レーザヘッド１自体が保護フード５の内面に衝突するか又はロボットアーム２が開口部８の側壁に衝突するかどちらかが生じることを意味する。

従って、機械的な停止装置を備えることにより、レーザヘッド１が、操作者をレーザ光の危険にさらす可能性がある意図しない位置を取ることを防止する。少なくとも１つのセンサをレーザヘッド１に配置するか又は複数のセンサを保護フード５の開口部８に沿って配置するかを推奨する。このようなセンサは、特に、圧力センサ又は電気的接触センサが可能であり、これらのセンサは接触を検知し、センサの信号がレーザ光源のスイッチをオフにさせるので、レーザヘッド１とロボットとは停止する。

図３ａで示されているようなスリット形状は、例えば切れ目又は穿孔の入ったラインをエアバッグカバーに加工するのに有益であり得る。

図３ｃで示されている保護フード５に基づいて、加工物７は、例えば、穿孔の入った環状ラインが予め設定された破断の入ったラインとして加工されるべきハンドルの覆いであるかもしれない。２つの鏡面対称をしている開口部８が細長い結合片により分離されており、この細長い結合片は開口部８によって分離されている、保護フード５の内側の領域と外側の領域とを結び付ける。

これに適合して、生成される理論上の破断の入ったラインは未加工の細長い結合片をも有している。又は細長い結合片で覆われているライン領域の加工をも可能にするために、レーザ光線が細長い結合片の下の加工物に当たることも確実にするようにレーザヘッド１は旋回する。このために、レーザヘッド１はヒンジ型シングルジョイントを介してロボットアーム２と接続されることが可能である。

レーザヘッド１がヒンジ型ダブルジョイントを介してロボットアーム２と接続されることは有益であり得る。これにより、レーザ光線が開口部８の横方向のエッジに対して平行を成して配置され且つ開口部８を通って散乱光線が流出するのを防止するように、レーザ光線が加工物７に配向されることが可能になる。シングル及びダブルのヒンジジョイントという言葉がメカニカルジョイントを単に指すだけではなく、これらのジョイントでは、レーザ光線も同様に適切な光学素子を用いて１つ又は２つの軸周りで偏向されることは当該業者には明らかである。それ自体に角度を備えた形状を有しているレーザヘッド１を用いることもまた可能である。

図３ｂ及び３ｄで示されている保護フード５はスリット型開口部８を有しており、開口部の全長ｌに沿っている一定の幅ｂを伴っている。幅ｂは、レーザヘッド１が開口部８で移動するのに十分な大きさになされる、すなわち、レーザヘッドは、図２に示されているように、保護囲い３に部分挿入されるだけであり、これは、移動の水平方向のずれに関してのみ機械的な遮断壁を確保する。垂直方向にも同様に機械的な遮断壁を生成するために、レーザヘッドが意図せずに持ち上げ出されるのを防止する、（図示されていない）機械的な旋回飛び出し停止装置がレーザヘッド１に配置される。この実施例では、保護フード５の形状はより平面化することが可能であり、これはさらに排気体積を低減させる。

図３ｂに示されている開口部８の長さｌは、レーザヘッド１の構造上の大きさに起因するわずかな長さが加わることを除外すれば、意図する加工ラインの長さＬに一致することが好ましい。

図３ａ及び３ｃに示されている拡張部は、レーザヘッド１が保護フード５の横方向のエッジから保護囲い３に挿入され且つ開口部８を通ってロボットアーム２に結合される場合不要である。この解決手段は、レーザヘッド１がどの点においても開口部８を通じて一致しないため、ロボット制御が故障し、レーザヘッド１及び／又は保護フード５のセンサさえもが故障した場合でさえ絶対的安全性を確実にする。

レーザヘッド１を越えて開口部８を通って散乱光線が流出するのを防止するために、保護シールドがレーザヘッド１を取り囲むようにして取り付けられることが可能である。

保護囲いの構成は図１及び２のように水平であることが可能であるが、どのような有益な空間形状も同様に可能である。

１ レーザヘッド
２ ロボットアーム
３ 保護囲い
４ 装置キャリア
５ 保護フード
６ 取付装置
７ 加工物
８ スリット型開口部
９ 保護フードのエッジ
１０ 押付け装置
１１ 拡張部
１２ 加工ライン
ａ 幅ｂの方向にあるレーザヘッドの断面の大きさ
ｂ 開口部の幅
ｌ スリット型開口部の長さ
Ｌ 意図する加工ラインの長さ

Claims (11)

1. レーザ光源と、レーザヘッド（１）と、レーザ光線をレーザ光源からロボットアーム（２）の自由端に取り付けられているレーザヘッド（１）へ導くロボットアーム（２）を備えたロボットと、加工される加工物（７）のための取付装置（６）と、排気装置に接続されている保護囲い（３）とを有している、保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置において、
   保護囲い（３）が、取付装置（６）が位置している装置キャリア（４）と、予め設定された高さを有し且つ周回するエッジ（９）が装置キャリア（４）に接している保護フード（５）とによって形成されることと、加工物（７）を加工するために、保護フード（５）は少なくとも１つのスリット型開口部（８）を有し、この開口部（８）を通ってレーザヘッド（１）が予め設定された距離で、加工ラインの進路を決定し且つスリット型開口部（８）の形状及び長さに適合する予め設定された動作経路に沿って、取付装置（６）に取り付けられている加工物（７）を横断して移動することを特徴とする、保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置。
2. 少なくとも開口部（８）の領域で、保護フード（５）の高さが、レーザヘッド（１）が保護フード（５）内で完全に移動することが可能であるように定められていることを特徴とする、請求項１に記載の保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置。
3. 保護フード（５）の形状が加工物（７）の表面形状に適合し、これにより、可能な限り少なく保護囲い（３）の自由体積を保つことが可能にされていることを特徴とする、請求項１又は２に記載の保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置。
4. スリット型開口部（８）の幅が、スリット型開口部（８）の幅ｂの方向のレーザヘッドの断面の大きさ（ａ）より小さいことと、拡張部が少なくともスリット型開口部（８）の一方の端に形成されることにより、この端で、レーザヘッド（１）を保護囲い（３）に挿入しレーザヘッド（１）を保護囲い（３）から引き出すことが可能にされていることとを特徴とする、請求項２に記載の保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置。
5. スリット型開口部（８）がこの両端に拡張部を備えていることにより、一方の端でレーザヘッド（１）を保護囲い（３）に挿入し且つ他方の端でレーザヘッド（１）を保護囲い（３）から引き出すことが可能にされていることを特徴とする、請求項４に記載の保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置。
6. スリット型開口部（８）の全長に沿って、この開口部（８）の幅がスリット型開口部（８）の幅ｂの方向のレーザヘッド（１）の断面の大きさ（ａ）より小さく、レーザヘッド（１）が保護フード（５）の横方向のエッジ（９）から保護フード（５）に挿入され、且つ、ロボットアーム（２）がスリット型開口部（８）を通じて結合されていることを特徴とする、請求項２に記載の保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置。
7. 拡張部（１１）を含有しているスリット型開口部（８）の長さ（ｌ）が、動作経路、従って加工ライン（１２）の経路の予め設定された長さ（Ｌ）より長いことを特徴とする、請求項４又は５に記載の保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置。
8. レーザヘッド（１）の断面の大きさがレーザヘッドを取り囲んでいるパッキンによって決定されていることを特徴とする、請求項４〜６のうちのいずれか１項に記載の保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置。
9. 開口部（８）の側壁との距離又は接触を検知するセンサが、レーザヘッド（１）に又はロボットアーム（２）の端に、この２つのコンポーネントのうちのどちらが開口部（８）で移動するかに依存して配置されることを特徴とする、請求項１に記載の保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置。
10. 保護シールドが、開口部（８）を通り抜ける散乱光線の流出を回避するために、レーザヘッド（１）に取り付けられていることを特徴とする、請求項６に記載の保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置。
11. レーザヘッド（１）が折り曲げられていて、それにより、スリット型開口部（８）の横方向のエッジに平行している加工ライン（１２）が開口部（８）自体の下に生成されないことにより、散乱光線の流出を制限することを特徴とする、請求項２に記載の保護囲い（３）を備えたレーザ加工装置。
    

Images