JP2015536244A - ロボット・レーザシームステッパー - Google Patents

Abstract

ロボット的に操作されたレーザシームステッパーは、縦軸に沿って延在する細長い支持柱により構成されて、軽量材料から作られる。支持板は、その上に光学系を備えている光学ヘッドを支持すると共に、支持柱に移動可能に載置される。光学系は、光学ヘッドの保護窓を通過して溶接ゾーンの方へ経路に沿ってレーザビームを導くように構成される。レーザシームステッパーは、支持板に載置されて、光学ヘッドに対して正反対側のステッパーの縦軸に沿って延在する第１アームで更に構築される。移動可能なアームの内面は、光学ヘッドに整合されており、レーザビームと、加圧ガス状の媒体の軸方向に流れる第１ストリームと、ガス状の媒体の軸方向に流れる第２ストリームとによって、軸方向に横断されるトンネルを画定する。支持柱において発生する気圧勾配に対応して第１ストリームの圧力より低い圧力でトンネルに入る第２ストリームは、支持柱内で空気渦（vortexes）を生成しない。第１及び第２ストリームは、溶接ゾーンの隣のトンネルの下流側の端を通って出る。第１及び第２ストリームが流れ出るとき、それらはトンネルから溶接破片を運び出す。

Description

本発明は、２つ以上の重なる金属ワークピースを連結するために操作可能なレーザ溶接システムの分野に関する。特に、本発明は、１クラス複数ｋＷレーザで構成され、高い機械的負荷に耐えることができる、軽量でコンパクトな構造を有しているレーザシームステッパーに関する。

溶接は、いくつかの金属部品又はシート材料を一緒に連結してアセンブリにするためのアセンブリ方法として一般的に使用される。従来の溶接方法は、直ちに利用できて、例えば、アーク及び抵抗スポット溶接を含む。最近、レーザ溶接方法が、少なくともいくつかの点で従来の溶接方法に対して利点があることがわかった。例えば、レーザビームのシャープフォーカシング及び高エネルギー集中によって、より速く溶接することができ、同時により少ない熱がワークピースの周囲の部分に伝わる。それでも、後述するように、ロボット・レーザ溶接機は、構造的な問題が少しある。

欧州特許第２１４９４２１号

これらの問題点のうちの１つは、レーザヘッド内への破片の進入を封止するガラス窓に衝突する傾向がある溶接破片及び埃からレーザヘッドに位置する集光光学系を保護することに関する。ガラス窓の清潔さは破片によって汚されることがあり、その交換は自動化したアセンブリラインの頻繁な停止をもたらす。概して、空気ジェットは、光ガイドの縦軸に対してある角度で光ガイドに導かれる。その特徴は、しばしばクロス・ジェット・テクニックと呼ばれる。高い空気圧で、クロス・ジェットによって、空気ガイド内部で渦が生じる。渦は、周辺のゾーンの圧力より低い圧力の下にあるガイドの中央ゾーンを有するガイド範囲内に気圧勾配を生成する。気圧勾配がレーザビームの品質に悪影響を及ぼして、該気圧勾配によって破片が中央ゾーンに沿って保護窓の方へ流される点が注意されて来た。加えて、クロス・ジェットによって、不愉快なほど高いレベルのノイズが生じる。

従って、その直接的な光学系保護機能を実行すると共に、レーザビームの品質に影響を及ぼさない空気供給器アセンブリの斬新な構造に対するニーズが存在する。

更なるもう一つの問題は、特に高エネルギー集中の観点からのシームの品質と関係している。レーザビームのパワーが所望のパワーより若干高い場合、光はこれらのピースを連結する代わりに、貫通した開口部を形成するように重なるピースの全てを溶解させる場合がある。逆にいえば、低いパワーのビームは、そのピースを接合するのに十分ではない場合がある。レーザ源の出力を制御するための様々な技術がある一方、周知の技術のいずれもシームの品質を決定して、リアルタイムで決定されたシーム品質に応答して出力を変えることができない。しかしながら、最も重要なパラメータとまでは言えないが、溶接の質がいかなる溶接プロセスの重要なパラメータの１つである。

したがって、溶接点の品質に基づいてレーザ出力を自動的に調節するためのシステムで構成されたファイバ・レーザ溶接システムに対するニーズが存在する。

他の問題点は、溶接されるピースの複雑な幾可学的形状から生じる。しばしば、連結される部分は、理想的に配置されない。ロボットが所定の位置に位置がずれるときに、ピースとロボットとの間に位置を修正するためにロボットを操作することが必要である。

従って、ロボットの望ましくない操作なしで溶接される金属ピースの所望の位置と実際の位置との差を補償するように構成された機構を備えるロボット溶接システムに対するニーズが存在する。

更なる問題も溶接されるピースの複雑な幾可学的形状から生じる。溶接されるピースは、しばしば同じロボットアームが正反対の垂直位置に位置することを必要とする。明らかに、このアームを金属ピースに移動させるアクチュエータは、溶接装置の全体の重力（gravity）によって、アームの上方移動及び下方移動のそれぞれに対応する異なる回転モーメントを適用する。アーム作動力を制御する周知の方法は、アームの所望の位置を示しているデータを手動で入力することを含む。手動動作は、不正確で時間がかかる場合がある。

したがって、アーム移動ステップの自動化に対するもう一つのニーズが存在する。

本明細書において開示される手動操作型シームステッパーは上述した全てのニーズに対処する。開示された溶接システムは、システムを溶接が実行される所望の位置に移動させるように操作可能なロボットに着脱自在である。

クロス・ジェット課題に対処する本実施形態における一態様によれば、加圧空気ストリームは、その縦軸と平行する光ガイドチャネルに圧入される。以下において、「オーバージェット」と称される、そのような運搬（delivery）テクニックは、中心ゾーンと周辺ゾーンとの間に、気圧勾配を事実上除去する。その結果、光学ヘッドの保護窓の方へ流れる小さい粒子又は破片は、空気ストリームによって、効果的に返される。空気ストリームは、ビーム品質に影響を及ぼすことなく、保護窓の寿命を延長する。さらに、クロス・ジェット構造に関連した高レベル・ノイズは、開示されたオーバージェット構成を用いてかなり減らされる。

他の態様によれば、オーバージェットに加えて、トンネルは、比較的大きな溶接破片を除去すると共にオーバージェットと平行して流れる空気の他のストリームにより横断される。トンネル内に負圧を生成するポンプは、オーバージェットと平行するトンネルの上流側の端に、遅い速度で大量の周囲空気を導く。トンネルから両方のストリームを除去するアウトレットが溶接ゾーンの近くに位置するので、そのストリームはアウトレットを介して異なる大きさの溶接破片を運び出す。

更なる態様は、シームステッパーの動作に関する。溶接される重なる金属ピースは、ビームのパワーが高過ぎると溶け落ち、逆に、ビームのパワーが低過ぎると金属ピースは弱く結合する場合がある。ビームのパワーが高過ぎると、金属ピースによって燃焼する比較的大きいチャネルは、より大きなレーザ出射量で横断される。ビームのパワーが低いと、相対的に少量のレーザ出射が金属ピースを通過する。

前述したように、本明細書中の開示は、溶接ゾーンの背面に並置される光検出器を教示する。フィードバックループを利用して、検出されたレーザ出射が処理されて基準値と比較される。その後、制御信号は、レーザシステムの電源に結合され、出力を変更してシームに所望の品質を提供する。

溶接される部分は、ロボットが所望の位置へ導かれてピースを係合するときに、ピースが互いに対して促す所望の圧力に至らないように、一般的に僅かに位置がずれている。ロボットの位置と関連して金属ピースの位置決めエラーを補償するために、周知の従来技術は、ピースの現在の位置と関連してその位置を調整するようにロボットを動かすことを教示する。そのような調整は、時間がかかり、処理効率に影響を及ぼす。

開示された溶接システムは、所望の位置を決める異なる方法を有する。２本の把持アームを備える溶接システムの構成において、両方とも制御可能に移動可能であるので、ピースが所望のレベルより低い場合、電気作動式アームがこのレベルへ導かれる前に、空気駆動式アームがピースを所望のレベルまで上げる。逆にいえば、金属ピースが所望のレベルを若干越えている場合、電気作動式アームは、そのアームが金属ピースが所望の圧力で互いの方へ促すと共にそれぞれ逆方向に導く力を行使する所望のレベルにそのピースを移動させる。

空気駆動式アームには、予め応力（プレストレスト）が加えられる。したがって、その移動は、そのアームが上方に移動するか下方に移動するかによって、そのアームに異なる力が加えられる必要がある。重力がアームに加えられた力の方向と同方向結合されると、プレストレス力（プレストレス力）を僅かに超える相対的に小さい力が発生する。さもなければ、生成された力は、プレストレス力より実質的に大きい。前述に基づいて、開示されたシステムは、位置検出装置を備える。位置検出装置は、溶接システムの検出された位置に基づく所望の力を生成する空気圧増幅型ポンプ（pneumatic pump）に結合される制御信号を生成するように動作する。

開示された装置の上記及び他の特徴は、図面を伴う詳細な説明からより明確になる。

開示されたレーザ溶接システムの不等角投影図である。 電気作動式アームの断面図、側面図及び平面図である。 電気作動式アームの断面図、側面図及び平面図である。 電気作動式アームの断面図、側面図及び平面図である。 開示された溶接システムの動作の原理を説明する図である。 開示された溶接システムの動作の原理を説明する図である。 開示された溶接システムの動作の原理を説明する図である。 開示された溶接システムの動作の原理を説明する図である。 開示された溶接システムの動作の原理を説明する図である。 開示された溶接システムの動作の原理を説明する図である。 ロボットの位置対して溶接されるピースの位置を調整するために動作する空気圧式機構を示す図である。 溶接品質管理システムの動作を図示している流れ図である。 開示される溶接機の空気駆動式アームの図である。 溶接位置において例示される把持アームを有する開示の溶接システムの不等角投影図である。 電気作動式アームの動作を例示している開示の溶接システムの側面図である。 開示されたステッパーの図表の側面図である。 圧力末端部の斜視図である。 開示の溶接システムの動作のフローチャートを示す図である。

添付の図面を参照しつつ、図示される開示のいくつかの実施形態を説明する。可能な場合には、同じ又は類似の部分又はステップを意味するために、図面及び説明において同じ又は類似の参照番号が用いられる。便宜及び明確性のためにだけ、方向関連（上／下、その他）、又は運動関連（前方／後方、その他）用語が、図面シートの平面に関して使われる。これら及び類似の方向関連用語は、いかなる形においても本発明の範囲を制限するものとされてはならない。図面は、簡略化された形であって、正確なスケールに表記されていない。

図１は、ステッパー１０をロボットに連結するマウント１８で構成される小さいレーザシームステッパー１０を例示する。以下において詳細に説明されるように、搭載された状態において、ロボットは回転軸Ａ−Ａを中心にステッパー１０が回転することができ、縦軸Ｂ-Ｂに沿って直線状にステッパーを移動させることができる。２本の把持アームである電気作動式アーム１４及び空気駆動式アーム１６は、握持ユニットを画定する。握持ユニットは、数ｋＮレベル、例えば約３ｋＮに達する可適応力で互いの方に溶接される金属片を押圧することができる。アームは支持アセンブリ１２に取外し可能に搭載される。レーザ源、例えば強力なファイバ・レーザは、数キロワット・レベル、例えば約４０００Ｗまでのモノ・モード又はマルチモード・レーザビームを出射するように構成される。しかしながら、下において説明するように、溶接が実行されるときに、ステッパーはレーザ出射が外側に漏れるのを防止する環境安全性機構を有して構成される。そして、それは開示されたステッパーをクラス１のレーザシステムとして分類する。全体として、ステッパー１０の重さは両アーム１４及び１６のそれぞれと組み立てられたとき４５ｋｇまで至り、溶接されるピースが静止サポートに取り付けられるときに生じ得る１本の電気作動式アーム１４だけで作動するときのステッパー１０の重さより少ない。

アーム１４及び１６は、それぞれ、それらが最大の距離で離間する定位置（home position）と、アームが溶接されるそれぞれの前後のピースに当接する溶接位置（welding position）との間に移動する。溶接の間、ステッパー１０は、約４０‐５０ｍｍまでレーザ振動シーム（laser wobble seam）を整列させることによって、２つ以上のピースを接合するように構成される。シームが溶接されるとき、各時点で小さな一時的な通路がピースを通って形成されるので、レーザ出射は溶融金属ピースを通過して伝搬することができる。ビームを通路位置から除去すると、溶融材料が逆流してその通路を埋める。

図２Ａ〜図２Ｃを参照すると、移動可能なアーム１４は、多機能構成要素であるように構成される。把持機能に加えて、このアームの内部は、レーザビーム及び流体の流れのためのガイドとして機能する。ガス状の媒体のストリームのうちの１つは、光学ヘッド２０の出力端に取り付けられる、保護ガラス窓の露出を光伝搬方向と逆方向の溶接ゾーンからまき散らされるスパーク及び小さい粒子又は破片から防止するか又は少なくとも実質的に最小化するために形成される。他の空気ストリームは、加圧流れの圧力より低い圧力で第１ストリームと平行して移動し、より大きな粒子に対処する。

アーム１４は、アームの入力端と出力端との間のステッパーの縦軸Ｂ−Ｂに沿って延在するトンネル２２を画定する空洞の細長い内部により構築される。以下において説明されるように、アームは、着脱自在にアーム１４を軸方向に支持板に移動可能に連結するフランジ２６によって覆われるハウジング２４（図２Ｂ）を含む。ハウジング構造は、モノリシック仕上げであり、又は複数の構成要素から組み立てられることが可能である。図示されているように、例えば、ハウジング２４は、一般に溶接ゾーンの方へテーパーが付いている円錐台形の二部構造を含む。

フランジ２６は、図２Ｂに示すように、その入力端２８（図２Ａ）でへこんでおり、多段周囲壁で構成される。多段周囲壁は、ハウジング２４（図２Ｂ）の上流端（光及び空気の経路に沿って）に重なる軸方向に延在する肩３０で終わる。短いＴ字状の管３２（図２Ａ）はフランジ２６のへこんだ端に受け取られて内部へ延在して、短いＴ字状の管３２がハウジング２４の上流端と軸方向に重畳してこの端から内部へ出射状に離間して配置される。

ハウジング２４、フランジ２６及び管３２の相対的な位置は、相対的に大きな第１環状スペース３４（図２Ｃ）及び相対的に細い通路３６を画定する。相対的に細い通路３６は、その両端のうち一端によって第１環状スペース３４に通じており、他端によってハウジング２４の内部と通じでいる。

環状スペース３４は、出射状に延在する入口３６（図２Ｂ）で加圧ガス状の媒体、例えば空気のジェットを受ける。加圧空気ジェットが空間３４を満たすにつれて、加圧空気ジェットは軸Ｂ‐Ｂと平行してハウジング２４の室内又はトンネル２２に軸通路３６を通って流れ出る。圧縮空気がトンネルを通って流れるにつれて、実際にその圧力は大気圧に低くなる。トンネルに沿って初期に加圧された空気ストリームの軸方向の運搬及び更なる流れは、以下「オーバージェット」と称される。オーバージェットは、小さい溶接破片が光学ヘッド２０の保護ガラス窓に損傷を与えるのを効果的に防止し、それによってレーザヘッドの寿命が劇的に増加する。

レーザヘッド２０は、５００ｍｍのレーザビームを受けるように構成されて、約１００ｍｍのコリメート距離（collimating length）及び約２５０〜３００ｍｍの焦点距離を有する。これらのパラメータは一例として挙げられているが、それらによって、周知の従来技術より大きな距離で溶接ゾーンから保護窓が離間されることができる。

移動可能なアーム１４の構成によって、小さい粒子に加えて、溶接ゾーンにおいて生成された大きな粒子も除去するためにトンネル内に負圧を形成される。そのような圧力は、ハウジング２４の上流領域に沿ってどこでも設けられる図２Ｂの破線の矢によって概略的に示される吸気口３８を用いて、又は空気ガイドとして光学ヘッドさえ用いることによって形成することができる。上記したように、この第２空気ストリームは、圧縮空気の第１ストリームの圧力より低い圧力で、それ故、低速度でトンネルに入る。好ましくは、第２ストリームは、大気圧下にある。結局、周知の装置に高速でトンネルに入っている加圧クロスジェットに対して典型的である空気渦動（air vortexes）が排除されるように、第２ストリームの圧力は、選択される。

図２Ａにより良く示されているが、吸入アウトレット４０は、圧力末端部（pressure end piece）４２の近くのハウジング２４内のトンネル２２に通じていて、トンネル２２の上流端及び下流端の間に気圧勾配を作成するようにホース４６を介してソース４４によって生成する外部の負圧と流体連通している。第２空気ストリーム３８（図２Ｂ）は、トンネル内のオーバージェットの空気体積を実質的に超えている体積でトンネル２２に吸い込まれる。両方の空気ストリームは、軸方向に一方向性であり、トンネルに沿った空気経路のより大きいストレッチ（stretch）に沿って、実質的に同じの相対的に低圧力下にある。オーバージェット、低速度及び高体積の第２空気ストリーム、及び両方のストリームの均一な方向は組み合わせて空気ストリーム間の干渉を事実上除去し、小さい溶接破片及び大きな溶接破片の有効な排出を提供して、トンネルを横断するレーザビームの品質に影響を及ぼさない。

図３及び図４のすべてを参照すると、図３Ａ及び図４Ａにより明確に示されているようにステッパー１０の動作は一群の重なる金属ピース５０の方へのその移動で始める。空気駆動式アーム１６（図４Ａ）は、ピース５０を越えてその最も低い位置に落とされる。このアームのそのような移動はステッパー１０とピース５０のスタックとの間の衝突を防止する。その衝突は、ワークピースの平面を越えてこのアームを降ろす（又は、上げる）ことができない周知のステッパーにしばしば発生した。図３Ａ及び図４Ａの両方において示されるように、以下において定位置と呼ばれるこの位置において、電気作動式アーム１４が作動しない。

図３Ｂ及び図４Ｂを参照すると、一旦アーム１６がピース５０と並置されると、空気圧式機構が移動し、好ましくはピースと接触する。たとえ初期であっても、ピース５０の位置はわずかに所望の位置を離れて、アーム１６が所望の位置にそのピースを運ぶ。電気作動式アーム１４は、まだ停止している。

図３Ｃ及び図４Ｃは、最終的な位置決め動作を例示する。そこにおいて、電気作動式アーム１４がピースに対して促すために移動する。従って、空気駆動式アーム１６及び電気作動式アーム１４は、正反対の力を生成して、互いを部分的に補償し、実質的にロボット・サポート１２への負荷を減らす。さらにより重要なことは、最初にそれらが所望の位置から離れて位置されたとしても、ピース５０は互いに確実に押圧される。
容易に理解できるように、移動可能なアーム１６及びその作動機構（actuating mechanism）は、ピースとロボットとの間に回避不能な位置決めエラーのための補償装置として機能する。一旦溶接が終了していると、上述された動作の順序が逆転する。

図５は、アーム１６を作動している空気圧式機構５２を例示する。構造的に、ステッパー１０は、欧州特許第２１４９４２１号に開示されているステッパーの質量の少なくとも半分である。欧州特許第２１４９４２１号は、本願と共に共有されており、本明細書中に参照により完全に組み込まれている。しかし、構造剛性は、上述の参照において開示されるステッパーの剛性と同様であるか、又は更に良い。

軽量化（質量減少）は、実際にステッパーの移動と関連したすべての力が中央の支持柱５４に集まる閉機械式運動学的な回路（closed mechanical kinematic circuitry）を作製することによって達成された。例えば、ステッパーをロボットに連結するマウント１８が支持柱に直接連結される。例えば、フレーム５６は、レーザ光学ヘッド、アーム１４の電気アクチュエータ、両側の一方側上に全部の所望の長さの正弦波光（sinusoidal beam）を提供するためのウォブリング及び直線駆動機構（wobbling and linear drive mechanism）及び反対側上のアーム１４を担持して、例えばレール５８上の支持柱５４の一方側に沿って摺動可能に導かれる。アーム１６を作動する空気圧式機構５２は、向こう側に配置される。

空気圧式機構５２は、２つの予め応力が加えられたプレストレスばね６０で構成される。ばね６０は、アーム１６上にステッパー１２の重量に実質的に等しい力を及ぼし、図４Ａにおいて定位置の距離に対応するアーム１４から最も大きい距離にアーム１６をとどめる。各ばねの対向端のうちの一端は、アーム１に移動可能に固定され、他端は支持柱５４に圧延されたチャネル６２に沿って摺動可能である。

２つの空気圧式シリンダ６４は、それぞれのばね６０に整合される。定位置において、シリンダ６４が完全な延伸が可能であるばねによって生成される圧力より低い圧力下にある。下側アーム１６が溶接されるワークピースの方へ位置がずれることを必要とするときに、シリンダ６４内の圧力が増加して所定レベルに至る。その所定のレベルにおいて、ばね６０は圧縮されて、アーム１６が下側アームであり、且つピースがロボットと関連して所望の位置の下に配置される場合、アーム１６がワークシートと接触して上の方向へ移動する。最初にピースが所望の位置の上方に位置すると、図３ＡＣ及び図４Ｃに示されているように、アーム１６が溶接位置に移動する。そして、そのピースは電気作動式アーム１４によって溶接位置に下方へ移動する。

シリンダ６４内に形成された圧力はステッパー１２の位置に依存する。アーム１６が他のアーム１４に対して下方のアームであるようにステッパーが位置されるとき、相対的に小さい力がばねに印加されてピース５０に向かってアーム１６が移動する。反対に、アーム１６がアーム１４の上方に位置するときは、ばねに印加され且つばねを圧縮するに十分な生成された力は弾性力の約２倍である。周知のステッパーにおいて、概して、オペレータは、手動で位置関連のデータを導入する。

ステッパー１２において、アームの位置は、センサーシステム６６を位置決めすることで自動的に測定される。一旦位置が検出されると、センサー６６によって発生する信号は中央演算処理装置又は制御装置に受信される。そして、所望の圧力はシリンダ６４内に作られる。溶接完了後、ばねはその初期位置に移動する。

図６は、シーム品質管理システムの動作を説明するフローチャートを例示する。レーザビーム及び溶接されるピースが予め定められた長さに沿って互いと関連して移動し、且つ光学ヘッドが予め定められた周波数で振動（wobbling）するとき、光は重なるシートを溶解し、ワークピースの前後両面を通って延在する経路をつくる。光がより遠くに移動するにつれて、溶融金属は逆の方向に流れて経路を塞ぐが、レーザビームにより経路が横断される前ではない。通過したレーザビームの測定された強度は、溶接点の品質を表す。測定された強度が基準値より高い場合、以下に説明されるように、経路はあまりに大きく、レーザの出力は低減する。逆にいえば、測定された強度が基準値より低い場合、出力レーザパワーは増加する。

レーザ出射は、光検出器７０により検出される。光検出器７０は、アンプ７２において増幅されて更にＡ／Ｄコンバータ７４において変換された信号を生成する。測定された光は、光ピークに対応する高強度を有するより高いか、又はより低いレベルの強度を備える。信号のパワーの平均値（Ｖａｖ）及びピーク値（Ｖｐｅａｋ）は、マイクロコントローラ７６において決定される。制御装置は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）として公知の一種の集積回路であることができる。フィールドプログラマブルゲートアレイは、例えば、積分器及びピーク検出器機能を含む様々な機能を実行することができ、軽量構造を備える。アナライザ８０は、決まったパワーを処理して、平均値（Ｖａｖ）対ピーク値（Ｖｐｅａｋ）の比率に対応する制御信号を出力する。後者は、フィードバック回路８２によって、中央演算処理装置８４にフィードバックされる。比率が基準値より小さいか又は大きい場合には、装置８４はレーザビームのパワーを増減するように動作可能な電源に結合する制御信号を出力する。

図７は、図６のシーム品質管理の典型的な実現を例示する。空気圧式アーム１６は、検出器７０を受ける貫通したネスト（through going nest）を備えている。そのネストは、中空内部を有するＬ字形のアーム１６の基部８６に形成される。溶接の間、レーザ出射は、アームの底部から、又は、アームの内部内に位置する如何なるタイプの反射スクリーンから反射される。反射光は、検出器７０により検出される。上述された制御機能は、異なる構成によって容易に実現されることができる。アームに替えて、溶接ゾーンの背面上に設けられており、随意的に環境照明から分離されたその内部を有する如何なる光トラップ構成が検出器と組み合わせられて使われ得る。したがって、開示の単一のアーム構成に集積されるレーザ装置は、上述された技術によって制御されることもできる。さらに、反射光を検出することに替えて、検出器７０は入射光を直接検出するために配置されることができる。

溶接の間、破片は、底なし圧力末端部（bottomless pressure end piece）８８を通過してアームの構成要素８６の内部に深く入りこむことができる。除去されない場合、蓄積された破片はこの構成要素に損害を与えることができ、一般に溶接点の品質に悪影響を及ぼすことができる。蓄積を防止するために、構成要素８６の中空内部は、外部ポンプ９０と流体連通する。後者は、図２Ａのポンプ４４と同じポンプ又はホースを用いた破片の除去に十分な気圧勾配を生成するために作動可能な異なるポンプであることができる。圧力‐排気技術（pressure-evacuating technique）に加えて、構成要素８６の底部は、蓄積された破片の更なる除去のために分離されることができる。

図８は、開示のステッパー１２の構成要素のいくつかを例示する。上述したように、中心支持要素、支持柱５４は、ステッパーの移動と関連したすべての運動学的な負荷を受ける。アーム１４及びアーム１６を支持するフレーム５６は、ウォブリング及び直線駆動機構９４、９６をそれぞれ有する支持柱５４に沿って軸方向に摺動可能なプレート９２を含む。電気モータは、伝動装置（transmission）９８を介して線状力（lines force）をプレート９２に印加する。アーム１４は、プレート９２に移動可能に固定されて、溶接位置に直線状に移動する。溶接位置において、アーム１６、１４のそれぞれの圧力末端部８８、１００が前後のワークピースに当接してその圧力末端部８８、１００の幾何学的なパラメータによって範囲が決められた溶接ゾーンから如何なるレーザ出射もはみ出ない。溶接ゾーンを封止することで、ｋＷ出力レベルであっても、レーザがクラス１レーザとして保証される。

図９を参照すると、電気作動式アーム１４は、まず最初にアームの間の距離が最も大きい定位置にある。使用中、アーム１４は、電気モータ１０４に接続されている軸１０２が作動すると第１線状速度で開位置（open position）へ移動する。オープン位置において、アーム１４は定位置においての距離より小さい距離でアーム１６から離間する。軸１０２はレール１１０に沿ってガイドされるフレーム５６に連結される。そして、それは、リニアベアリング１０８を介して、次々に支持柱５４に取り付けられる。開位置へのアーム１４の移動はモニタされ、物体が途中で検出される場合、その物体が除去されるまでにアームは停止する。アーム１４は、溶接ゾーンにより近い閉位置に、その結果、第１速度より低い第２速度でアーム１６へ更に移動する。閉位置は、ワークピースの厚みの関数である、ワークピースから予め定められた距離に対応する。最後に、アーム１４は、溶接／把持（gripping）位置へ移動する。溶接／把持（gripping）位置において、アーム１４は、所望のワークピースを押圧する。

図１０は、末端部８８及び１００が、それぞれ、ワークピースとの完全に接触していないため適切に作動しない場合、及びアーム１４の末端部１００が損傷を受けるため適切に作動しない場合においてレーザが発射するのを防止するための安全機構を例示する。安全機構は、アーム１４の圧力末端部１００に結合されて、圧力部分１００のそれぞれの側に沿って延在すると共に２つの予め圧縮応力が与えられており、且つ軸方向に移動可能な端子（contact）１１２を含む。最初のプレストレス条件（pre-stressed condition）において、両方の端子１１２は予め定められた距離で末端部１００の端部を超えて延在する。前方のワークピース及びアーム１４が正しく配置される場合、両方の端子１１２はワークピースの表面と接触する。しかしながら、位置が正しくない場合には、少なくとも一つの端子１１２がワークピースを押し付けずに、レーザが出射されることができない。

安全機構は、直列に端子１１２の各々に電気的に接続するワイヤ１１４を更に含む。これらの構成要素のうちの少なくとも１つがマイクロ制御装置により受信される信号を生成しない場合、回路は開いているままとなり、制御装置はレーザの電源に制御信号を出力しない。その結果、不活性化のままである。

ワイヤ１１４は、末端部の周辺部に形成された閉溝（closed groove）において末端部１００の端部から近い距離で載置される。末端部１００が損傷して、ワイヤ１１４が前方のワークピースの表面と直接接触すると、レーザ源の発射防止が容易に解除される。

図１１は末端部１００を例示する、しかし、以下の特徴の説明は同様に他の末端部８８にも関する。それぞれの末端部８８、１００の接触表面が過剰に摩耗しないことを確実にするために、保護プレート１０１は、接触表面に結合される。プレート１０１は硬化した鋼から製造されて、接触表面に溶接されることができる。そして、それは必要に応じてプレートの取り換えを難しくすることができる。好ましくは、プレート１０１は、ファスナー１０３によって、接触表面に着脱自在に取り付けられる。

プレート１０１がファスナー１０３により連結される場合、その内面はワイヤ１１４に収容するように溝の形にくり抜かれる。溶接の場合には、これらのパーツが溶接される前に、管は表面１０３とプレート１０１との間に配置される。これから、ワイヤ１１４は、管を通って引っ張られる。プレート１０１の追加は、末端部の有効寿命を延ばすだけでない。プレート１０１の追加は、開示された装置のアセンブリ及びそのメンテナンスを容易にする。

図１２は、開示されたステッパー１０の動作を例示する。ステッパー１０の制御機構に取り入れられるすべての制御装置がFPGAプラットフォームに基づく点に注意すべきである。FPGAプラットフォームは、プログラマブルロジックコントローラ(PLC)プラットフォームに基づくある程度同様に構成されたステッパー又はガンと比較して、全体のアセンブリの総重量をかなり低減する。

ステップ１２０に示すように、ターンオン信号に対応して、加圧媒質の外部ソースは電気作動式アーム１４のトンネル２２（図２Ａ）内に、オーバージェットを提供する。ステップ１２２及びステップ１２４に示されているように、オーバージェットと同時に、又は、オーバージェットに続いて、ワークピース上の所望の圧力、溶接の長さ及び振動周波数がセットされるまで、モータ１０４（図８）は起動して作動する。それぞれのステップ１２１及び１２３に示すように、上記の開示されたステップの全てが完了されると、空気駆動式アーム１６は溶接されるワークピースの平面を超えて移動して、その後所望の位置へ移動する。

その後で、参照番号１２６で示すように、モータ１０４は、定位置から開位置までアーム１４を移動させ始める。アーム１６が比較的高い速度で開位置の方へ進む間に、経路に沿ったいかなる障害物の存在もステップ１２８で連続的に制御される。ステップ１３０で閉位置に対するアーム１４の更なる移動は、相対的に遅い速度で行われる。ステップ１３２においては、最後的にアーム１４が溶接位置に移動してワークピース上に所望の圧力を提供する。

ステップ１３４において示されているように、溶接位置において、圧力末端部１００とワークピースの表面との接触は検証される。接触制御の後、又は、前に、ポンプ４４（図２Ａ）が作動して溶接破片と共にすべての空気ストリームを引く圧力勾配を作成する。上記の全てのステップ後だけ、ステップ１３６によって示されているように、レーザは光を出力して、溶接動作が始まる。上述され、且つステップ１３８に示されているように、溶接動作の間に、シームの品質は制御される。ステップ１４０で、必要に応じて、光のパワーが調整される。一旦溶接動作が完了されると、ステップ１５０に示されているように、アームはそれぞれの初期位置に戻され、すべてのアクチュエータはオフにされることができる。

最も実際的且つ好適な実施形態と思われるものが示され、且つ説明されているが、開示された構成及び方法からの新しい試みはそれ自身を当業者に暗示していて、本発明の精神と範囲から逸脱することなく用いられることが可能であることは明らかである。例えば、ファイバ・レーザに替えて、他のタイプの従来のレーザが開示された構成を取り入れられることが可能である。したがって、本発明は、例えば、ファイバ・レーザに関して説明され、且つ図示された特定の構造に制限されないが、添付の請求の範囲の範囲内になることができるすべての変更態様と結合するもの解釈されるべきである。

１０ ステッパー
１４ 電気作動式アーム
１６ 空気駆動式アーム
１８ マウント
２２ トンネル
２４ ハウジング
２６ フランジ

Claims (20)

1. ２つ以上の重なる金属ピースを連結するように操作可能なレーザシームステッパーであって、
   縦軸に沿って延在する細長い支持柱と、
   前記支持柱に沿って軸方向に移動可能な光学ヘッドであって、該光学ヘッドの保護窓を通る経路に沿ってレーザビームを溶接ゾーン上に集光するように構成される光学系を備えている光学ヘッドと、
   前記保護窓から前記経路の下流に沿って前記支持柱に取付けられて、定位置と溶接位置との間で軸方向に移動するように前記光学ヘッドに結合され第１アームと、
   を備え、
   前記溶接位置において、前記第１アームは前記溶接位置の前記金属ピースの１つを押し付けるようになっており、
   前記第１アームは、前記溶接ゾーンを囲んで前記溶接ゾーンの外にレーザ出射が漏れることを防止するように構成されており、
   前記第１アームは、上流側の開放端及び下流側の開放端で構成された細長いトンネルを画定する内周面により構築されており、
   前記トンネルは軸方向に、
   レーザビームと、
   加圧ガス状の媒体の軸方向に流れる第１ストリームと、
   前記第１ストリームの圧力より低い第２圧力で軸方向に流れるガス状の媒体の第２ストリームと、によって横断されるように構成されており、
   前記第２圧力は空気渦が形成されるのを防止するように選択され、
   軸方向に流れる前記第１ストリーム及び前記第２ストリームが前記保護窓と前記トンネル内を流れる溶接破片との間に接触を実質的に最小化する、レーザシームステッパー。
2. 前記トンネルの下流側の開放端と流体連通すると共に、前記トンネルの前記上流側の開放端と前記下流側の開放端との間に気圧勾配が生成される際に、前記トンネルから前記第１ストリーム及び前記第２ストリームを抽出するように操作可能であり、前記第１ストリーム及び前記第２ストリームを有する前記トンネルの前記下流側の開放端を介して前記トンネルから前記溶接破片を排除される第１真空源を更に備える、請求項１に記載のレーザシームステッパー。
3. 前記支持柱に着脱可能に連結される第２アームと、
   互いに整合されている、前記第１アーム及び前記第２アームのそれぞれに着脱可能に取り付けられた第１材料支持圧力末端部及び第２材料支持圧力末端部と、
   を更に備え、
   前記第１材料支持圧力末端部及び前記第２材料支持圧力末端部は、レーザビームを用いた溶接動作の間、予め定められた力で、溶接されるそれぞれの金属ピースを押し付ける、請求項１に記載のレーザシームステッパー。
4. 溶接される前記金属ピースを通過して伝搬するレーザ出射を検出するように構成された光検出器と、
   前記光検出器から信号を受けて伝搬する前記レーザビームの強度を基準値に合わせるように操作可能な制御装置と、
   を更に備え、測定された前記強度が前記基準値に合致しない場合には、前記レーザビームのパワーが調整されて前記シームの品質が向上される、請求項１に記載のレーザシームステッパー。
5. 前記第２アームは前記支持柱に摺動可能に取り付けられて、Ｌ字形状を一緒に画定する第１構成要素及び第２構成要素で構成されており、
   前記第２構成要素が、光検出器の方へ伝搬する前記レーザビームを反射するように構成される中空内部を画定する内側表面で構成される、請求項３に記載のレーザシームステッパー。
6. Ｌ字形状の前記第２アームの前記第２構成要素の自由端と流体連通する真空装置を更に備え、
   前記真空装置は、該真空装置から前記溶接破片を除去するのに十分な前記中空内部内の圧力差を生成するように操作可能である、請求項５に記載のレーザシームステッパー。
7. Ｌ字形状の前記第２アームは、前記溶接破片を受ける着脱可能な底部を有するように構成されており、前記溶接破片は、前記底部を移動させると該底部から除去される、請求項５に記載のレーザシームステッパー。
8. 前記支持柱に結合されると共に前記第２アームを前記金属ピースと衝突することを避けるように連結される金属ピースから離れる軸方向及び前記金属ピースに向かう反対の軸方向に前記第２アームを軸方向に移動させるように操作されることができる空気圧式アクチュエータを、さらに備えることを特徴とする、請求項５に記載のレーザシームステッパー。
9. 前記空気圧式アクチュエータは、
   前記反対の軸方向において前記第２アームの自発的な移動を防ぐ第１力を生成する複数のプレストレスばねと、
   それぞれが前記複数のプレストレスばねに結合されており、第２力を前記ばねに印加するように操作可能である複数の空気圧式シリンダと、で構成されており、
   前記第２力が前記第１力を超えると前記金属ピースへの前記反対の軸方向において前記第２アームを移動させるために前記ばねが圧縮する、請求項８に記載のレーザシームステッパー。
10. 互いと関連して前記アームの位置を決定するように操作可能な位置決めセンサーを備え、
    前記第２アームが前記第１アームの下方にあるとき、前記ばねに印加されて前記第２アームを移動されるのに十分な第２力が、前記第２アームが前記第１アームの上方にあるときの前記第２力より大きい、請求項８に記載のレーザシームステッパー。
11. 第１アームが
    周面を備え、前記下流側の開放端に向かって先細となっている円錐台形状を有するハウジングと、
    前記下流側の開放端に向かって狭くなっており、且つハウジングの上流領域と軸方向に重なる周囲壁で構成される凹んだフランジと、
    前記フランジの凹部に受けられており、それの前記上流端と重畳するように前記ハウジング内に軸方向に延在して前記フランジを有する大きな環状スペースと前記ハウジングを有する細い軸通路を画定するＴ字状の管とで構成され、
    前記環状スペースと前記軸通路とが流体連通され、ガス状の媒体の前記第１ストリームが前記スペースに入り、前記ハウジングの前記下流端に向かって前記トンネル内の前記通路を通って更に軸方向に流れる、請求項１に記載のレーザシームステッパー。
12. 前記支持柱に沿って前記支持板を移動させるように操作可能な第１アクチュエータと、
    シームに所望の長さを提供するように操作可能な第２アクチュエータと、
    前記シームに正弦波状を提供するように操作可能であり、且つ前記支持板に移動可能に結合された第３アクチュエータと、
    を更に備える、請求項１１に記載のレーザシームステッパー。
13. 前記第１アクチュエータは、複数の離間した位置の中の一つに前記第１アームを直線的に移動させるように操作可能であり、
    前記複数の離間した位置は、
    前記第１アームが第１距離で前記金属ピースから離間する定位置と、
    前記第１アームが前記第１距離より小さな第２距離で前記金属ピースから離間する開位置と、
    前記第１アームが前記開位置と前記金属ピースとの間に位置する閉位置と、
    前記第１アームが所望の力で前記ワークピースを押し付ける把持位置と、を含む、請求項１２に記載のレーザシームステッパー。
14. 前記第１アクチュエータは、前記開位置と前記閉位置の間における前記支持板の線状速度より早い線状速度で前記定位置と前記開位置との間に前記支持板を移動させるように操作可能である、請求項１２のレーザシームステッパー。
15. レーザビームを出射するファイバ・レーザを更に備える、請求項１に記載のレーザシームステッパー。
16. 前記第１材料支持圧力末端部及び前記第２材料支持圧力末端部の接触面のそれぞれが、硬化した鋼から製造される保護板を備え、前記保護板のそれぞれが接触面に着脱自在に取り付けられる、請求項３のレーザシームステッパー。
17. 予め定められた強度の溶接点で複数の重なるワークピースを溶接する方法であって、
    溶接ゾーン内に溶接点を形成するのに十分なパワーを有するレーザビームを出力するステップと、
    前記溶接ゾーンを通って、該溶接ゾーンの後方へ伝搬する光を検知するステップと、
    検出された光に対応する信号を生成するステップと、
    前記信号を基準値と比較するステップと、
    予め定められた強度の溶接点が形成されるようにレーザ源のパワーを増減するステップと、
    を備える溶接方法。
18. 予め定められた強度の溶接点で一つ以上の金属ピースを連結するためのレーザシームステッパーであって、
    光のビームを出射するレーザ源と、
    ワークピースを連結する前記溶接点を形成するように溶接ゾーンへ光を導くように構成されるトンネルを形成する内部を備える少なくとも一つのアームと、
    前記溶接ゾーンの後方に位置する光トラップと、
    前記光トラップと結合されており、前記溶接ゾーンを通過して伝搬する光を検出し、前記光を検出すると信号を出力する光センサーと、
    前記検出された光を受けて基準値と比較し、前記レーザ光源と結合された制御信号を出力して、前記予め定められた強度の溶接点を形成するように前記ビームのパワーを調整するように操作可能な制御装置と、
    を備えるレーザシームステッパー。
19. 予め定められた距離で互いから離間する２つ以上の金属ピースを連結するためのシームステッパーであって、
    縦軸に沿って延在する細長い支持柱と、
    前記支持柱に沿って軸方向に移動可能であり、経路に沿ってレーザビームを溶接ゾーンに集光させるように構成された光学系を備える光学ヘッドと、
    前記経路に沿って前記支持柱に載置されて、溶接位置に前記ヘッドと共に移動可能な第１アームであって、前記溶接位置において、溶接の間に前記溶接ゾーンの外にレーザ出射が逃げることを防止し、前記金属ピース間で前記予め定められた距離を保つように、前記第１アームが予め定められた力で前記出射ゾーンの前の前方の金属ピースを押し付ける第１アームと、
    前記溶接ゾーンの裏上の後方の金属ピースと並列すると共に内部を有するレーザ出射トラップであって、前記内部は、前記溶接ゾーンを通過して伝搬する光出射を受けて、該受けた光出射が前記レーザ出射トラップの外に漏れるのを防止する、レーザ出射トラップと、
    前記レーザ出射トラップと結合されて前記内部内の前記光出射を検知するように操作可能なセンサーと、
    前記センサーからの信号を基準値に合わせて、前記金属ピース間に前記予め定められた距離を維持するために前記力を調整するための制御信号を出力する制御装置と、
    を備えるシームステッパー。
20. ２つ以上の金属ピースを予め定められた強度の溶接点で連結するためのシームステッパーであって、
    縦軸に沿って延在する細長い支持柱と、
    前記支持柱に沿って軸方向に移動可能であり、経路に沿ってレーザビームを溶接ゾーンに集光させるように構成された光学系を備える光学ヘッドと、
    前記経路に沿って前記支持柱に載置されて、溶接位置に前記ヘッドと共に移動可能な第１アームであって、前記溶接位置において、溶接の間に前記溶接ゾーンの外にレーザ出射が逃げることを防止するように、前記第１アームが予め定められた力で前記出射ゾーンの前の前方の金属ピースを押し付ける第１アームと、
    前記溶接ゾーンの裏上の後方の金属ピースと並列すると共に内部を有するレーザ出射トラップであって、前記内部は、前記溶接ゾーンを通過して伝搬する光出射を受けて、該受けた光出射が前記レーザ出射トラップの外に漏れるのを防止する、レーザ出射トラップと、
    前記レーザ出射トラップと結合されて前記内部内の前記光出射を検知するように操作可能なセンサーと、
    前記センサーからの信号を受けて、該信号を基準値と合わせて、光出射のパワーを調整するための制御信号を出力する制御装置と、
    を備えるシームステッパー。

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