JP2011140047A - レーザビームを用いる被加工物の高ダイナミック３次元加工システム - Google Patents

Abstract

【課題】レーザビームを用いる被加工物の高ダイナミック３次元加工システムを提供する。
【解決手段】ロボットフレーム（１）および関節アーム（２）を有する座屈アームロボットと、関節アーム（２）の一端に接続され、かつビーム軸（１０）を有するレーザビーム（１１）が関節アーム（２）の第１軸の方向において関節アーム（２）内に結合されるようにする光ファイバケーブル（５）とを備える。光ファイバケーブル（５）は、コリメートレンズ系（１３）および少なくとも２つのアライメントミラー（１２．１、１２．２）を備えるアライメントユニット（６）を介して、関節アーム（２）の固定端に間接的に接続され、ミラーの各々は、少なくとも１つの回転軸を中心に回転しかつ少なくとも１つの並進軸に沿って移動することができ、回転軸および並進軸は互いに直角に配置され、それによりレーザビーム（１１）のビーム軸（１０）を光軸（４）と一致させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバケーブルを通して伝送されるレーザビームが、加工対象の被加工物までロボットの関節アームによって案内されるシステムに関する。この種のシステム／装置は、一般に、特許文献１から既知である。

部品（以下、被加工物と呼ぶ）の３次元加工は、製造において、特にニアネットシェイプ部品を溶接するため、または再成形作業の後に部品をトリミングし削り整えるために、ますます重要になってきている。

特に、レーザビームで加工される被加工物の表面または輪郭が平面内に位置していない場合（以下、３次元輪郭と呼ぶ）、運動シーケンスを自由にプログラムすることができる座屈アームロボットを使用することにより、大幅な設計の自由度が提供されるとともに、設備投資が削減され、許容可能な製造精度も得られる。

１ｋＷを超える出力範囲では、座屈アームロボットおよびレーザビームを用いる被加工物の３次元輪郭の加工は、主に固体レーザ（ＹＡＧ、ダイオードまたはファイバレーザ）によって行われる。この種のレーザのレーザビームは、１つまたは複数の光ファイバを含む光ファイバケーブルを通して数メートルもの長さにわたって有利に案内されることが可能であり、それにより、明らかに、レーザビームをロボットアームの外側で光ファイバケーブルを介してロボットハンドまで案内する機会がもたらされる。ロボットハンドには、被加工物上にレーザビームを集束させる加工レンズ系が配置されている。

レーザ源から出るレーザ光線が、１本の光ファイバのみを介して案内されるか、１本の光ファイバケーブルにまとめられた複数の光ファイバを介して案内されるかに関わらず、ここでは、レーザ光線は、ビーム軸を有するレーザビームを指すように意図している。

特許文献１は、被加工物の３次元加工用のロボットハンドについて開示している。５軸ロボットの第４軸を構成する１つのハンド軸において、光ファイバケーブルにプラグ用のコネクタを配置すると述べられている。コネクタは、プラグ・ソケットコネクタまたはねじ込み式コネクタであり得る。

機械的過負荷から保護するために、光ファイバケーブルは、たとえばスパイラルシースによって保護されている。プラグ内に光学レンズ系が組み込まれていると述べられており、光学レンズ系によってレーザビームは、従来技術による方法を用いて平行にされる。レーザビームを平行にする光学レンズ系はまた、ファイバ側のプラグ・ソケットコネクタの外側、すなわちプラグの外側に配置される別個の組立体でもあり得ることが指摘されている。

レーザビームがこのようにロボットのハンド内に結合される場合、光ファイバケーブルの光ファイバ内を案内されるレーザビームのビーム軸と、ロボットハンドの加工レンズ系の光軸とは一致せず、組立体の公差に応じて互いに対してオフセットにされかつ傾斜している、ということは当業者には明らかである。

しかしながら、レーザビームがロボットアーム内部の比較的短い距離のみを移動する（これは、ファイバの端部と加工レンズ系との間のビーム経路が短いことを意味する）ため、加工レンズ系におけるレーザビームのレーザ軸の入射点は、依然として光軸の通過点に十分近く、そのため、レーザビームはロボットハンドにおいてこのビーム経路内で弱められない。

しかしながら、加工レンズ系にレーザビームを案内し、加工レンズ系によってレーザビームが被加工物上に集束するこの方法の不都合は、ロボットアームの移動に追従する光ファイバケーブルが、ハンド軸の高ダイナミック移動に追従する必要はないにも関わらず、機械的応力を連続的に受ける、ということである。この応力を、シースによって減衰させるべきであるが、シースはまた、光ファイバの移動性を制限する。

一般に、光ファイバを、１５０ｍｍ未満の曲げ半径まで曲げてはならず、したがって、ロボットハンドが起伏の激しい被加工物に沿って移動する場合、ファイバはキンクのために損傷する可能性がある。

さらに、光ファイバケーブルは、高ダイナミック移動の場合に、制御されないはね返りによる損傷をより受け易い。

一般に、光ファイバが損傷すると、光ファイバケーブルを交換する必要があり、それには費用がかかるとともにダウンタイムが発生する。この場合、加工場所とレーザ源との間の距離は、数メートル、たとえば５０ｍになる可能性があり、それは、迅速作動カップリング（rapid-action coupling）コネクタと嵌合する場合であっても、光ファイバケーブルの交換には極めて時間がかかることを意味する、ということが留意されるべきである。

特許文献２は、レーザビームを用いて工業的作業を行うロボットについて開示しており、レーザビームは、ロボットの関節アーム内部に配置されている光ファイバ内に案内される。

光ファイバは損傷を受け易くかつ曲げ半径が小さい（１００ｍｍ〜２００ｍｍ）ため、レーザビームを（ロボットのアーム内に）案内するために光ファイバをこのように組み込むことは、高ダイナミックロボットで用いるには適していない。

上述した従来技術による解決法の両方において、光ファイバケーブルは、ロボットアームとともに移動し、したがって、動的応力を受け易く、それによってその耐用年数が短くなる。それは、ビーム経路において最弱リンクであり、摩耗部品とみなされる。

光ファイバは、送り込まれたレーザビームを伝送する（transport）役割を果たすことができ、または、レーザ自体、すなわちファイバレーザとして動作することができる。

ファイバレーザは、アクティブファイバ、たとえばイッテルビウムまたはエルビウムがドープされかつ融着接続により伝送ファイバに接続されるガラスファイバを含む。アクティブファイバの長さは、望ましくない副次的作用が発生するために制限されるため、光ファイバケーブルの全長は、レーザビームを、ビーム経路内に結合される場所まで、またはレーザビームの作用場所まで案内する伝送ファイバの長さによって、不変に決定される。アクティブファイバおよび伝送ファイバは、略一体構造の組立体を構成しており、それは、伝送ファイバに対する損傷およびその後の伝送ファイバの交換に、アクティブファイバへの融着接続を擦り傷から回復させなければならないことが必要であることを意味する。伝送ファイバに対して機械的応力がかからないようにするために、このファイバは、実際の応用では、プロセスファイバに接続されており、このように複数の部分、すなわちアクティブファイバ、伝送ファイバおよびプロセスファイバによって形成されている光ファイバケーブルの移動は、プロセスファイバの部分によって制限される。

プロセスファイバは、プラグ・ソケットコネクタまたはねじ込み式コネクタとし得るファイバ−ファイバカップリングを介して容易に交換することができるオーダーメイドファイバである。しかしながら、ファイバ−ファイバカップリングによりビーム品質が著しく劣化し、特に、それはまたビームの直径の増大が原因である。これについて、一例を用いて説明する。

伝送ファイバは、たとえば直径が５０μｍであり、ファイバ−ファイバカップリングに避けられないアライメント誤差および公差があるため、より径の大きい、たとえば１００μｍのプロセスファイバに結合される。直径が倍になることにより、ビームが被加工物の上に突き当たる際、ビームの断面を横切るビーム密度が１／４になり、それにより、加工速度が低下し、したがってサイクルタイムが増大することになる。加工プロセスの全体効率が低下する。

したがって、（光ファイバケーブルへ）プロセスファイバを組み込む必要を失くすことができると、それは歓迎すべき改善である。

ロボットアーム内のレーザビームが、一連の内部ミラーを介して、レーザビームを集束させるヘッドまで案内される溶接ロボットが、特許文献３および特許文献４から既知である。この文書には、レーザビームがレーザ源からロボットアーム上の必然的に必要とされるカップリング場所までいかに送り出されるか、およびそこにいかに結合されるかについて、いかなる情報も記載されていない。意図されたレーザ源はＣＯ_２レーザであると仮定することができるが、それは、光ファイバで案内されるレーザビームに比較して、ビーム品質が非常に高いレーザビームを放出する。光ファイバ内で発生する事象のために、ビームの形状およびビーム火面（beam caustic）が、ビーム強度の略ガウス分布がトップヘッド分布に変化するように変化する。

独国特許発明第４３３５３６７Ｃ２号明細書 欧州特許第１５７９９６２Ｂ１号明細書 欧州特許第０４４０００２Ｂ号明細書 独国特許出願公表第６９０１２３０７Ｔ３号明細書

本発明が解決すべき問題は、レーザビームを用いて被加工物を３次元加工するシステムを提供することであり、そのシステムは、光ファイバケーブルを機械的応力にさらすことなく、座屈アームロボットを使用し光ファイバケーブル内にレーザビームを案内することによって動作する。

本発明が提起する問題は、レーザビームによって被加工物を高ダイナミック３次元加工するシステムであって、ロボットフレームおよび関節アームを有する座屈アームロボットであって、そのアームの固定端がロボットフレームに取り付けられ、アームの自由端に加工レンズ系が配置され、それらレンズ系が光軸を画定する、座屈アームロボットと、光ファイバケーブルであって、その一端が関節アームに接続され、かつそれを用いてビーム軸を有するレーザビームが関節アーム内に結合される、光ファイバケーブルとを備える、システムによって解決される。

光ファイバケーブルは、レーザビームが関節アーム全体を通して案内されるように、関節アームの固定端に接続される。ビーム品質が一様なレーザビームを、関節アームを通して案内することを可能にするために、レーザビームが出る光ファイバケーブルの端部は、アライメントユニットを介して関節アームの固定端に間接的に接続される。アライメントユニットは、コリメートレンズ系と少なくとも２つのアライメントミラーとを備えており、アライメントミラーは各々、少なくとも１つの回転軸を中心に回転し、かつ少なくとも１つの並進軸に沿って移動することができ、回転軸および並進軸は互いに対して直角であり、それにより、レーザビームのビーム軸を光軸と一致させることができる。ビーム軸に対し光軸とのアライメントを常に行うことができるという事実により、市販のプラグ・ソケットコネクタまたはねじ込み式コネクタを用いて、光ファイバケーブルの端部を関節アームに接続することが可能になる。

光ファイバケーブルとアライメントユニットとの接続が、光ファイバケーブルに配置されたプラグと、アライメントユニットのハウジングに配置されたジャックとを介して実施され、それらプラグおよびジャックが合わせて迅速作用係止を形成することが推奨される。

光ファイバケーブルが機械的応力を受けないため、１つの利点は、それがファイバレーザおよび伝送ファイバのみからなることが可能であり、またはさらには単にファイバレーザとし得るということであり、その場合、機械的応力が加えられる場合とは反対に、摩耗部品としての追加のプロセスファイバに結合するためのビーム品質を低下させるファイバ−ファイバカップリングが不要になる。

アライメントユニットは、第３回転軸を中心に回転しかつ第３並進軸に沿って移動することができる方向変更ミラーも備えることが好ましく、それにより、アライメントユニットに対しアライメントのために６自由度が提供され、アライメントグループのハウジングのジャックをいかなる箇所にも配置することが可能になる。

加工レンズ系のレンズとコリメートレンズ系のレンズとが、互いに対して並進移動可能であることが好ましい。

加工レンズ系のレンズを移動させることにより、加工レンズ系から種々の距離に対し焦点位置を調整することができ、それは、厚さの異なる被加工物が被加工物支持面から一定距離で加工される場合に不可欠である。

コリメートレンズ系のレンズを移動させることにより、レンズの焦点距離を、レーザビームが光ファイバケーブルから出る際のレーザビームの発散に調整することができる。

本発明について、実例に基づきかつ図面を参照してより詳細に説明する。

第１の実例において本発明が開示するシステム／装置の概略図を示す。 第２の実例において本発明が開示するシステム／装置のアライメントユニットの概略図を示す。

図１に示すシステム／装置は、ロボットフレーム１と、複数の軸を備えた関節アーム２とを有する座屈アームロボットを備え、関節アームの自由端には加工レンズ系３が配置されており、このレンズ系は、関節アーム２内部のビーム経路に対する光軸４を画定する。関節アーム２の他端は、ロボットフレーム１に固定して取り付けられている。

関節アーム２は、中空であり、その全長に沿ってたとえば３０ｍｍの自由開口が延在している。関節アーム２内部に位置決めされているミラーが、関節アーム２内部でレーザビーム１１の方向を変える。ミラー間の間隔は、関節アーム２の移動に関わらず常に同じままであり、それにより、ビーム径の望ましくない変動に対処する。光軸４は、ミラーを介して方向が変えられ、関節アーム２の固定端では、固定端から数えて関節アーム２の第１軸の方向において、安定空間位置にあり、この空間位置は、関節アーム２の移動とは無関係である。

光ファイバケーブル５の一端は、アライメントユニット６を介して関節アーム２の固定端に間接的に接続されている。このアライメントユニット６の設計は、光ファイバケーブル５から出る入射レーザビーム１１に対し以下のようにアライメントがなされ得ることを確実にするように意図されている。すなわち、レーザビームのビーム軸１０が、光軸４と一致するようにされ、すなわち、光軸に対してアライメントがなされ、この光軸は、関節アーム２の固定端において関節アーム２の第１軸の方向において安定空間位置にある。

光ファイバケーブル５とアライメントユニット６との接続は、光ファイバケーブル５に配置されているプラグ７と、アライメントユニット６のハウジング８に配置されているジャック９とによって実施され、プラグおよびジャックは合わせて迅速作用係止を形成することが好ましい。後の時点でアライメントがなされるため、接続の機械公差が満たすべき特定の要件はない。

光ファイバケーブル５の端部が、剛性な接続要素を介して関節アーム２の固定端に間接的に接続されるため、光ファイバケーブル５は、関節アーム２が行う運動に関わらず固定したままである。これは、ケーブルが移動せず、したがって動的応力を受けないことを意味する。

その結果、ファイバレーザのみからまたはファイバレーザおよび伝送ファイバのみからなる光ファイバケーブル５を用いることが可能になり得る。すなわち、光ファイバケーブル５が機械的応力を受けることがなく、したがっていかなる著しい摩耗も受けることがないため、摩耗部品として交換される可能性のあるプロセスファイバに結合する必要がない。

光ファイバケーブル５はまた、遠くに配置されたレーザ源から座屈アームロボットにレーザビーム１１を伝送する役割のみを果たすことができる。

光ファイバケーブル５の端部から出るレーザビーム１１のビーム軸１０の位置は、大部分が、光ファイバケーブル５の端部の性質と、プラグ７およびジャック９が形成する接続とによって決まる。ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向における光軸４に対するビーム軸１０の位置からの必然的に発生するずれと、光軸４に対するビーム軸の傾きとは、レーザビーム１１が関節アーム２内に直接結合されていた場合、ビームが関節アーム２内で光軸４と同軸上に案内されないという影響を及ぼす。

関節アーム２内部の経路長が長く、かつ関節アーム２内に組み込まれているミラーによる複数の方向変更があることにより、誤りが増加する。したがって、一シナリオによれば、レーザビーム１１の一部が、組込みミラーに突き当たらず、それらが突き当たる関節アーム２の他の部品によって吸収されるかまたは反射される可能性がある。こうした望ましくない吸収により、関節アーム２が加熱され、したがって損傷する。望ましくない反射は、レーザビーム１１のビーム品質を低下させる。

同じ一様のビーム品質を維持しながら、光ファイバケーブル５の端部の接続の複雑性の程度を増大させることなく、関節アーム２内にレーザビーム１１を案内することを可能にするために、レーザビーム１１が関節アーム２内に案内される前に、アライメントユニット６を用いてビーム軸１０に対し光軸４とのアライメントを行う。

アライメントユニット６は、２つのアライメントミラー１２．１、１２．２と、コリメートレンズ系１３とを備えている。コリメートレンズ系１３は、ビームの方向において光ファイバケーブル５の端部のすぐ下流に光学的に配置されており、それに続いて２つのアライメントミラー１２．１、１２．２が配置され、それに続き、ビームの方向において、加工レンズ系３までずっと関節アーム２の組込みミラーが配置されている。

コリメートレンズ系１３は、以下のように設計されている。すなわち、一方では、光ファイバケーブル５の端部から出る発散レーザビーム１１を平行にし、それにより、レーザビーム１１が、関節アーム２内において一定のビーム径で平行な光の束として案内されるのを可能にする。他方では、組込みミラーが過熱されその結果変形する可能性を回避するように、これらミラーが応力に対して耐性があり得ることに対し、ビームの断面にわたるビーム密度が適応されるように、レーザビーム１１を拡大させる。

平行レーザビーム１１は、その後、２つのアライメントミラー１２．１、１２．２を介して方向が変えられる。それらミラーは各々、少なくとも１つの回転軸を中心にかつ１つの並進軸に沿って移動することができる。

２つの必要な回転軸と２つの必要な並進軸とは、互いに直角である。アライメントミラー１２．１、１２．２を適当に移動させかつひねることにより、ビーム軸１０を光軸４と一致させる。

図２に示す第２の実例では、アライメントユニットは、２つのアライメントミラー１２．１、１２．２に加えて、方向変更ミラー１４も有している。したがって、第１の実例とは対照的に、ロボットの第１軸の方向においてアライメントユニット６のハウジング８にジャック９を配置する必要がなく、代りにいかなる箇所に位置決めすることも可能である。この場合、方向変更ミラー１４は、光ファイバケーブル５の端部から出るレーザビーム１１を第１アライメントミラー１２．１上に向かうように方向を変更する役割を果たす。２つのアライメントミラー１２．１および１２．２と方向変更ミラー１４とを備えたアライメントユニット６は、ビーム軸１０に対し光軸４とのアライメントを行うために６自由度を有している。

ロボットからの出口において、すなわち関節アーム２の自由端において、被加工物の表面と、加工ヘッドまたは切削先端部としての役割を果たすように設計されている関節アーム２の自由端との間の距離は、容量性または誘導性測距センサにより、かつセンサ信号の目標とされる処理によって制御される。

分析ユニットによって処理される信号を用いて、予め定められた時刻におけるロボット制御への伝送によりロボット位置を変更する。

制御は、設計全体を複雑にするのみであるロボットヘッドに配置された外部軸を介してではなく、ロボットを介して直接行われる。傾き制御を確実にするため、かつオーバーシュートを回避するため、制御戦略は、加工ヘッド／切削先端部と被加工物の表面との間の領域を、遠視野と近視野とに分割する。遠視野領域では、制御は、被加工物と加工ヘッド／切削先端部との間の距離に基づいて行われ、近視野領域では、加工ヘッド／切削先端部と維持されるべき距離（たとえば、０．２ｍｍ〜２ｍｍ）との差のパーセントが制御変数として用いられる。

１ ロボットフレーム
２ 関節アーム
３ 加工レンズ系
４ 光軸
５ 光ファイバケーブル
６ アライメントユニット
７ プラグ
８ ハウジング
９ ジャック
１０ ビーム軸
１１ レーザビーム
１２ アライメントミラー
１３ コリメートレンズ系
１４ 方向変更ミラー

Claims (5)

1. レーザビームによって被加工物を高ダイナミック３次元加工するシステムであって、ロボットフレーム（１）と関節アーム（２）を有する座屈アームロボットであって、前記アームの固定端が前記ロボットフレーム（１）に取り付けられ、前記アームの自由端に加工レンズ系（３）が配置され、前記レンズ系が光軸（４）を画定する、座屈アームロボットと、ビーム軸（１０）を有するレーザビーム（１１）を前記関節アーム（２）内に結合することができるように前記関節アーム（２）の前記固定端に接続される光ファイバケーブル（５）とを備えるシステムにおいて、
   前記光ファイバケーブル（５）が、アライメントユニット（６）を介して前記関節アーム（２）の前記固定端に間接的に接続され、前記アライメントユニット（６）が、コリメートレンズ系（１３）と少なくとも２つのアライメントミラー（１２．１、１２．２）とを備え、それらミラーの各々が、少なくとも１つの回転軸を中心に旋回しかつ少なくとも１つの並進軸に沿って移動することができ、前記回転軸と前記並進軸が互いに直角であり、それにより前記ビーム軸（１）が前記光軸（４）と一致することが可能になることを特徴とするシステム。
2. 前記光ファイバケーブル（５）と前記アライメントユニット（６）の接続が、前記光ファイバケーブル（５）に配置されたプラグ（７）と、前記アライメントユニット（６）のハウジングに配置されたジャック（９）とを介して実施され、前記プラグと前記ジャックが合わせて迅速作用係止を形成することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記光ファイバケーブル（５）がファイバレーザと伝送レーザを備えることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
4. 前記アライメントユニット（６）が、第３回転軸を中心に旋回しかつ第３並進軸に沿って移動することができる方向変更ミラー（１４）も有することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
5. 前記加工レンズ系（３）のレンズと前記コリメートレンズ系（１３）のレンズとが、互いに対して並進移動することができることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
   

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