JP2011110558A

JP2011110558A - Ｙａｇレーザ加工機の溶接ヘッド

Info

Publication number: JP2011110558A
Application number: JP2009266273A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Sato; 和隆佐藤
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2029-11-24
Also published as: JP5496618B2

Abstract

【課題】従来の溶接ヘッドでは入ることができなかった狭い場所や奥まった場所の溶接において、被加工対象物を正確に観察するための被加工対象物を照明する照明装置を有する小型化した溶接ヘッドを具備するＹＡＧレーザ加工機を提供する。
【解決手段】ロボットアーム９を具備するＹＡＧレーザ加工機において、ロボットアームの一端に取付けられた溶接ヘッド１が、円筒体と円筒体の端部から連続して延在する円錐体８を有し、円筒体が具備するレーザ発生手段から射出されたレーザ光が光学手段５で集光されて円錐体の頂部の開口孔より射出されることで被加工対象物を加工するための溶接ヘッドであって、溶接ヘッドには、円筒体の内側に設置される被加工対象物を照明するための照明手段６と、光学手段５の表面に設けられた照明光を反射する反射手段とを具備する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＹＡＧレーザ加工機において特に被加工対象物を撮影装置によって観察する際に、被加工対象物を照明するための照明装置を有するＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッドに関する。

従来、ロボットアームの一端にＹＡＧレーザを具備した溶接ヘッドを搭載したレーザビーム加工装置において、溶接作業の準備工程の１つであるティーチング時に、被加工対象物であるワークの溶接線をトレースするためモニタを通して確認する工程が必須である。モニタでワークの溶接線を確認する際、光源からの照射光を溶接ヘッドのトーチ部に導入しワークの溶接線の照明に使用している。

照明用の光源には、溶接ヘッドの外部から小型電球やＬＥＤ等を光源として光ファイバー伝送による光を照射してＣＣＤカメラで撮影するための光源とする照明法（以下「外部照明」と記す）と、溶接ヘッドの内部に小型電球やＬＥＤ等の照明装置を配置し、光を照射してＣＣＤカメラで撮影するための光源とする照明法（以下「内部照明」と記す）とがある。

例えば、特許文献１及び特許文献２に従来の照明方法が紹介されている。特許文献１では、溶接ヘッドの円筒体に環状のリング型ライトガイドを設けて、専用ミラーでワーク表面に照射光を照射する外部照明による光源が提案されている。また、特許文献２では、照明用の小型電球を具備する照明装置を溶接ヘッドの円錐体の先端部に埋め込んで照射光を照射する内部照明による光源が提案されている。図６は、従来の照明用の小型電球９１を具備する照明装置９０を、溶接ヘッドの円錐体１１１の先端部に埋め込んで照射光を照射する内部照明を示す図である。

特開平８−１９７２７３号公報特開平１０−３１４９６８号公報

しかし、従来の照明方法では、狭い場所や奥まった場所を溶接する際、外部照明ではＹＡＧレーザ伝送用ファイバーケーブルが邪魔になり、また、内部照明ではＬＥＤをレーザの光路の外側に配置する必要性（照明器具の損傷の懼れより）から溶接ヘッドの円錐部等の構造物が大きくなることで、溶接位置まで入り込むことができない問題があった。

また、円錐体の先端部に照明装置を設けた場合、溶接時のスパッタにより汚れや損傷を受ける可能性が高くなる問題があった。

本発明は、以上の点に着目して成されたもので、従来の溶接ヘッドでは入ることができなかった狭い場所や奥まった場所の溶接において、被加工対象物を正確に観察するための被加工対象物を照明する照明装置を有する小型化したＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッドを提供することを目的とする。

本発明は、上述の目的を達成するため、以下（１）〜（４）の構成を備えるものである。

（１）ロボットアームを具備するＹＡＧレーザ加工機において、前記ロボットアームの一端に取付けられた溶接ヘッドが、円筒体と、該円筒体の端部から連続して延在する円錐体を有し、前記円筒体が具備するレーザ発生手段から射出されたレーザ光が光学手段で集光されて前記円錐体の頂部の開口孔より射出されることで前記円錐体の頂部に対向して設置された被加工対象物を加工するための溶接ヘッドであって、前記溶接ヘッドには、前記円筒体の内側に設置される前記被加工対象物を照明するための照明手段と、前記光学手段の表面に設けられた前記照明手段から射出された照明光を反射する反射手段とを具備することを特徴とするＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッド。

（２）前記照明手段は、前記円筒体の内側に等間隔で円形に配置された複数個の光源により構成されていることを特徴とする前記（１）記載のＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッド。

（３）前記反射手段が、前記光学手段の表面の中央部と外周部とが異なる反射膜で構成されることを特徴とする前記（１）または（２）記載のＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッド。

（４）前記光学手段より所定の位置に設置された反射板を更に有し、前記照明手段から射出された照明光が一度前記光学手段を透過した後、前記反射板に反射された前記照明光が前記光学手段の表面に設けられた前記反射手段に反射され、前記円錐体の頂部の開口孔より前記被加工対象物に照射されることを特徴とする前記（１）乃至（３）のいずれか１項に記載のＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッド。

本発明によれば、上記構成を有することで従来の溶接ヘッドでは入ることができなかった狭い場所や奥まった場所の溶接作業において、被加工対象物を正確に観察するための被加工対象物を照明する照明装置を具備する小型化した溶接ヘッドによって、狭い場所や奥まった場所の溶接を可能にするＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッドを提供することができる。

本実施例１に係るＹＡＧレーザ加工機の外観図本実施例１に係るＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッドの構成図本実施例１に係る溶接ヘッドと旧構成の溶接ヘッドとの比較図本実施例１に係る溶接ヘッドの反射方法の構成図本実施例２の係る溶接ヘッドの構成図従来の溶接ヘッドの構成図

以下に、本発明を実施するための形態を、実施例により詳しく説明する。

本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係るＹＡＧレーザ加工機の外観図である。図２は本実施例に係るＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッドの断面図である。

図中において、１はロボットアームの一端に取付けられた溶接ヘッドである。溶接ヘッド１を構成する円筒体の上部にはレーザ発生装置１ａが装備されている。２はＣＣＤカメラである。３はＣＣＤカメラ２の撮影映像を表示するモニタである。４は溶接ヘッド１に必要な配線を束ねたケーブルである。５はレーザ光を集光するレンズである。レンズ５の表面にはＡＲコーティング５ａが施されている。６はＣＣＤカメラの照明用のＬＥＤが等間隔で配置されたＬＥＤ光源である。７はスタッパ防護用の光学ガラスである。８は溶接ヘッド１の円筒体から連続して延在する円錐部である。９はロボットアームである。１０はＹＡＧレーザ加工機の本体である。

図１に示すＹＡＧレーザ加工機１０は、非常に強力なＹＡＧレーザを使用するためユーザ工場内に設けられた保護用パーテーションに囲まれた範囲内に設置され、溶接作業は無人で実施される。ティーチング時の被加工対象物であるワークの溶接線上をトレースさせるプログラム工程において、ワークの溶接線の確認はロボットアーム９のベース部９ａに設置されたモニタ３を介して実施される。ティーチングによってプログラムされたロボットアーム９の動作を再生することで、ロボットアーム９の先端部に取付けられている溶接ヘッド１は、ロボットアーム９の動きに合わせて移動し、レーザ光でワークの溶接線上を正確にトレースして溶接する。

図２（ａ）に示す本実施例に係るＹＡＧレーザ加工機における溶接ヘッド１の断面図において、ＣＣＤカメラ２の映像はＬＥＤ光源６から発せられた照明光が、レンズ５の表面に施工されたＡＲコーティング５ａ（非反射コーティング）を反射面として利用し、反射され照射光が被加工対象物のワークに照射される。ワークからの反射光が２枚の反射ミラー２ｂ、２ｃを介してＣＣＤカメラ２のＣＣＤセンサ２ａに入力されることで撮影され、撮影されたワークの映像がモニタ３に表示されロボットアーム９のティーチングに使用される。ティーチングとは、ＣＣＤカメラで撮影された被加工対象物のワークの映像から、モニタ３でワークの溶接線を確認し、ロボットアーム９に取付けられた溶接ヘッド１がワークの溶接線上を正確にトレースしていくためのロボットアーム９の動作をプログラムする重要な工程である。

図２（ｂ）は、本実施例に係るＹＡＧレーザ加工機１０の溶接ヘッド１の円錐部８の中のレーザ光路と、照明用のＬＥＤ光源６から発射され、レンズ５表面のＡＲコーティング５ａに反射されてレーザ光路の内側に形成されるＬＥＤ光路とを示す図である。

図３は溶接ヘッド１の円錐部８において、旧構成の照明装置と、本実施例に係るＹＡＧレーザ加工機１０の溶接ヘッド１の照明装置の照明光路の違いを示す比較図である。

従来の内部照明と同じく、レーザ光路の外周に配置されたＬＥＤ光源６から直接ワークに照射される旧構成の照明装置のＬＥＤ光路と、一旦レンズ５表面のＡＲコーティング５ａに反射させてレーザ光路の内側にＬＥＤ光路を形成して反射光がワークに照射される新構成の照明装置との違いが示されている。新構成の照明装置を有する溶接ヘッド１では、レンズ５のＡＲコーティング５ａを反射材として利用することでレーザ光路の内側にＬＥＤ光路を形成することが可能となり、旧構成の内部照明装置のレーザ光路の外側に形成されていたＬＥＤ光路の幅だけ円錐部８を細くすることが実現できる。

レンズ５の表面に形成されたＡＲコーティング５ａとはアンチリフレクティングコーティングの略で、レンズ５の表面にフッ化マグネシュウムを真空蒸着した光干渉膜により、レンズ５の上部から照射される赤外線領域のＹＡＧレーザ光は反射や減衰させること無く透過させるが、可視領域の光では膜表面で反射する光を、透過してレンズ奥で反射される光の波長を逆位相にして打ち消すためのコーティング法である。

しかし、溶接ヘッド１に使用されている一般的なレンズ５は、可視領域のＬＥＤ光を約５０％は反射する性能のレンズ５が用いられているため、レンズ下部に設置されたＬＥＤ光源６からのＬＥＤ光はＡＲコーティング５ａにより５０％減衰するが、残り５０％が反射されるため照明に必要なＬＥＤ光を充分確保することができる。レンズ５の表面で照明光が反射されることを利用して、レーザ光路の内側にＬＥＤ光路を設けるという最大の効果が得ることができる。その結果、旧構成の溶接ヘッド１の円錐部８の形状がＬＥＤ光路をレーザ光路の内側に形成される分、円錐部８の形状を細くすることが可能となり、狭い場所でも溶接ヘッド１が入ることができる円錐部８を具備した溶接ヘッド１を実現している。

レンズ５を照明装置の反射材として利用する方法について、上述したＡＲコーティング５ａは照明用のＬＥＤ光を逆位相の光で減衰させる特徴を持つため、ワークに照射される照明用のＬＥＤ光が減衰されないように改善した反射方法について説明する。

図４（ａ）に示すように、レンズ５を透過して集光されるＹＡＧレーザ光の光路より外側に位置するレンズ下部の外縁部に、高反射材５ｃを挟み込むことでＬＥＤ光源６からの射出された照明光を反射させる方法を示す図である。また、図４（ｂ）に示すレンズ５の下部表面のコーティング処理を、ＹＡＧレーザ光の光路となる中央部はＡＲコーティング５ａ、ＹＡＧレーザ光の光路から外れた外周部には新たな反射膜となるＬＥＤ反射コーティング５ｂを行い、ドーナツ状にコーティング処理を行う２重コーティング方法を示す図である。

上述した２種類の反射方法の構成により、ＡＲコーティング５ａによるＬＥＤ反射光の減衰を防止してＬＥＤ光路をレーザ光路の内側に形成し、円錐部８を細くすることが可能となる同様の効果が得られる。またＬＥＤ反射光が減衰されない分、充分な明るさが確保できるためＬＥＤ光源６を構成するＬＥＤの数を減らすこともできる。

以上、従来の技術では入ることができなかった狭い場所や奥まった場所において、溶接作業をすることが可能と成る小型化した溶接ヘッドを具備したＹＡＧレーザ加工機を提供することができる。

内部照明用のＬＥＤ光源６の設置位置を、実施例１と異なる位置に変更することで溶接ヘッド１の構造物をより小型化する構成について説明する。

図５は、本実施例に係るＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッド１の断面図である。

図５では、実施例１においてレンズ５とスパッタ保護用の光学ガラス７との間に設置されていたＬＥＤ光源６を、レンズ５上部の円筒体内壁部に配置してレンズ５の下面から反射に必要な所定の間隔を有した位置にある光学ガラス７の外縁部に新たな反射板５ｄを設けた構成となっている。レンズ５を透過したＬＥＤ光は反射板５ｄに反射された後、更にレンズ５のＡＲコーティング５ａで反射させるという２重反射機構を設けることによりＬＥＤ光路をレーザ光路の内側に形成し、円錐部８を細くすることが可能となる溶接ヘッドを提供することができる。

また、レンズ５と光学ガラス７との間に設置されていた実施例１のＬＥＤ光源６を、レンズ５上部の円筒体内壁に沿って配置することで、ＬＥＤ光源６の厚みから反射に必要な所定の間隔を差引いた幅だけ溶接ヘッド１の構造物を薄くすることができる。その結果、更に小型化された溶接ヘッド１を構成することが出来る。

溶接ヘッド１に使用されている一般的なレンズ５は、ＡＲコーティング５ａにより可視領域の光の約５０％透過させ、残り５０％を反射する性能のレンズ５が用いられている。従って、本実施例に示す照明の減衰は、レンズ５を透過する時のレンズ透過率５０％と、レンズ５の下面のＡＲコーティング５ａに反射される時の反射率５０％とをかけ合わせて、約２５％のＬＥＤ光がワークに照射される照明光となる。そのため、可視光線であるＬＥＤ光の減衰量は大きいが、必要に応じてＬＥＤの数を増やすことで照明に必要な明るさを確保することができる。また、図４（ａ）、図４（ｂ）で示した高反射材５ｃやレンズ５にドーナツ状に反射コーティングを施工する反射方法の改善策を利用する場合は、ＬＥＤ光源６からレンズ５を透過するための光路を確保する構成（ＬＥＤ光源６の直下の高反射材５ｃやＬＥＤ反射コーティング５ｂに開口孔を設ける等）とすることで、照射光の減衰を改善した反射方法とすることも可能である。

本実施例の溶接ヘッド１の構成は、レンズ５と光学ガラス７との間のスペースからＬＥＤ光源６を除いた分を狭くすることができるため、円錐部８の付け根を更に小型化することが可能であり、より狭い場所での溶接作業が可能となる。

その他のＹＡＧレーザ加工機１０の構成、及び溶接ヘッド１の構成については、実施例１と同一で有るため説明は省略する。

以上、本実施例に係るＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッドによれば、従来の溶接ヘッドでは入ることができなかった狭い場所や奥まった場所において、溶接作業をすることが可能な、より小型化された溶接ヘッドを具備したＹＡＧレーザ加工機を提供することができる。

１溶接ヘッド
１ａレーザ発生装置
２ＣＣＤカメラ
２ａＣＣＤセンサ
２ｂ反射ミラー
２ｃ反射ミラー
３モニタ
４ケーブル
５レンズ（光学手段に対応）
５ａＡＲコーティング（反射手段に対応）
５ｂＬＥＤ反射コーティング（反射手段に対応）
５ｃ高反射材（反射手段に対応）
５ｄ反射板
６ＬＥＤ光源（照明手段、及び光源に対応）
７光学ガラス
８円錐部（円錐体に対応）
９ロボットアーム
９ａベース部
１０ＹＡＧレーザ加工機

Claims

ロボットアームを具備するＹＡＧレーザ加工機において、
前記ロボットアームの一端に取付けられた溶接ヘッドが、円筒体と、該円筒体の端部から連続して延在する円錐体を有し、前記円筒体が具備するレーザ発生手段から射出されたレーザ光が光学手段で集光されて前記円錐体の頂部の開口孔より射出されることで前記円錐体の頂部に対向して設置された被加工対象物を加工するための溶接ヘッドであって、
前記溶接ヘッドには、前記円筒体の内側に設置される前記被加工対象物を照明するための照明手段と、前記光学手段の表面に設けられた前記照明手段から射出された照明光を反射する反射手段とを具備することを特徴とするＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッド。
前記照明手段は、前記円筒体の内側に等間隔で円形に配置された複数個の光源により構成されていることを特徴とする請求項１記載のＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッド。
前記反射手段が、前記光学手段の表面の中央部と外周部とが異なる反射膜で構成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載のＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッド。
前記光学手段より所定の位置に設置された反射板を更に有し、前記照明手段から射出された照明光が一度前記光学手段を透過した後、前記反射板に反射された前記照明光が前記光学手段の表面に設けられた前記反射手段に反射され、前記円錐体の頂部の開口孔より前記被加工対象物に照射されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＹＡＧレーザ加工機の溶接ヘッド。