JP2018039039A - レーザ溶接システム - Google Patents

Abstract

【課題】より高精度にレーザ光照射位置のずれを補正でき、より高精度なレーザ溶接が可能なレーザ溶接システムを提供すること。
【解決手段】多軸ロボット３と、多軸ロボット３のアーム３１の先端に設けられたレーザヘッド５と、多軸ロボット３及びレーザヘッド５の動作を制御する制御部７と、レーザ光源５３と、を備え、レーザヘッド５は、回転軸Ｘ１，Ｘ２まわりにそれぞれ回転可能に構成されレーザ光を反射する２つのガルバノミラー５１，５２と、ガルバノミラー５１，５２を回転駆動するガルバノモータ５４と、を備え、制御部７は、前記振動の加速度を取得する加速度センサ７３と、加速度センサ７３で取得する振動の加速度に基づいて、振動によるレーザ光照射位置のずれを抑制するように、ガルバノミラー５１，５２を回転駆動するガルバノモータ５４への制御指令を補正する指令補正部７４と、を備えるリモートレーザ溶接システム１である。
【選択図】図３

Description

本発明は、レーザ溶接システムに関する。

従来、多軸ロボットのアームの先端に、ガルバノスキャナを有するレーザヘッドを備えるレーザ溶接装置が知られている。ここで、ガルバノスキャナとは、互いに直交する２つの回転軸まわりにそれぞれ回転可能な２つのミラーを備え、これらミラーをサーボモータで回転駆動することにより、レーザ光源から出射されるレーザ光を走査する装置である。

ところで、上記レーザ溶接装置では、ロボットの動作時にアームの先端に振動が生じるため、かかる振動によるレーザ光照射位置のずれを補正する必要がある。通常、ロボットは制振機能を備えており、アームの先端に設けた加速度センサにより該アームの先端に生じる振動を検出し、検出された振動を抑制するように各軸を駆動するサーボモータや減速機に対して逆トルクを付加することにより、振動を抑制する。そのため、ロボットの制振機能を利用してレーザ光照射位置のずれを補正することが考えられるが、この場合には、ロボットが備えるサーボモータや減速機への負担が大きい。

そこで、実際にレーザヘッドからレーザ光照射位置に照射されたレーザ光と、目的の溶接点に照射されるべきレーザ光との角度ずれをジャイロセンサで検出し、検出された角度ずれに基づいて、ガルバノスキャナの動作を補正するレーザ溶接装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４９２３４５９号公報

しかしながら、特許文献１のレーザ溶接装置では、溶接点に対するレーザ光の傾きのみをジャイロセンサで検出してガルバノスキャナの動作を補正している。そのため、ロボットが振動した時に生じる横ずれ等は一切考慮されておらず、レーザ光照射位置のずれを高精度に補正できるものではない。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、より高精度にレーザ光照射位置のずれを補正でき、より高精度なレーザ溶接が可能なレーザ溶接システムを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、ロボット（例えば、後述の多軸ロボット３）と、前記ロボットのアーム（例えば、後述のアーム３１）の先端に設けられたレーザヘッド（例えば、後述のレーザヘッド５）と、前記ロボット及び前記レーザヘッドの動作を制御する制御部（例えば、後述の制御部７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ）と、レーザ光を生成するレーザ光源（例えば、後述のレーザ光源５３）と、を備えるレーザ溶接システムであって、前記レーザヘッドは、回転軸（例えば、後述の回転軸Ｘ１，Ｘ２）まわりに回転可能に構成され、前記レーザ光を反射する１つ以上のミラー（例えば、後述のガルバノミラー５１，５２）と、前記ミラーを回転駆動するモータ（例えば、後述のガルバノモータ５４）と、を備え、前記制御部は、前記ロボットの動作により前記アームの先端に生じる振動の加速度を取得する加速度取得部（例えば、後述の加速度取得部を構成する加速度センサ７３，電流センサ７３Ａ，画像処理部７３Ｂ及び画像撮影装置７５）と、前記加速度取得部で取得する前記振動の加速度に基づいて、前記振動によるレーザ光照射位置のずれを抑制するように、前記ミラーを回転駆動するモータへの制御指令を補正する指令補正部（例えば、後述の指令補正部７４）と、を備えるレーザ溶接システム（例えば、後述のリモートレーザ溶接システム１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ）を提供する。

本発明に係るレーザ溶接システムは、前記ロボットのアームの先端に設けられ、該アームの先端に生じる振動の加速度を検出する加速度センサをさらに備え、前記加速度取得部は、前記加速度センサにより構成されてもよい。

前記ロボットを駆動するモータの駆動電流を検出する電流センサをさらに備え、前記加速度取得部は、前記電流センサを含んで構成され、前記電流センサで検出された駆動電流から前記振動の加速度を算出してもよい。

前記ロボット、又は前記ロボットとその周囲を画像撮影する画像撮影装置と、前記画像撮影装置により撮影された画像を処理する画像処理部と、をさらに備え、前記加速度取得部は、前記画像撮影装置及び前記画像処理部を含んで構成され、所定時間ごとに撮影された画像の変化から前記振動の加速度を算出してもよい。

前記振動の加速度を予め取得して記録する記録部をさらに備え、前記補正部は、前記記録部に予め記録された前記振動の加速度に基づいて、前記ミラーを回転駆動するモータへの制御指令を補正してもよい。

本発明によれば、より高精度にレーザ光照射位置のずれを補正でき、より高精度なレーザ溶接が可能なレーザ溶接システムを提供できる。

第１実施形態に係るレーザ溶接システムの外観図である。 第１実施形態に係るレーザ溶接システムの光学系を示す図である。 第１実施形態に係るレーザ溶接システムの機能ブロック図である。 振動によるレーザ光照射位置のずれを補正する方法を説明するための図である。 第１実施形態に係るレーザ溶接システムにおけるレーザ光照射位置のずれを補正する手順を示すフローチャートである。 第２実施形態に係るレーザ溶接システムの機能ブロック図である。 第３実施形態に係るレーザ溶接システムの機能ブロック図である。 第４実施形態に係るレーザ溶接システムの機能ブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、第２実施形態以降の説明において、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１の外観図である。図１に示すように、本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１は、多軸ロボット３と、多軸ロボット３のアーム３１の先端に設けられたレーザヘッド５と、これらを制御する後述の制御部７と、レーザ光Ｌを生成する後述のレーザ光源５３と、を備える。このリモートレーザ溶接システム１は、多軸ロボット３の動作によりアーム３１の先端のレーザヘッド５を搬送しながら、自動車ボディ等のワークＷの加工点（溶接点）に向けてレーザヘッド５からレーザ光Ｌを照射することで、レーザ溶接を実行する。

多軸ロボット３は、基部３０と、アーム３１と、複数の軸３２ａ〜３２ｅと、各軸を駆動するサーボモータからなるロボットモータ（不図示）と、を備える。多軸ロボット３は、後述のロボット制御部により、その動作が制御される。

レーザヘッド５は、レーザ光ＬをワークＷの加工点（溶接点）に向けて走査するためのガルバノスキャナ５０を備える。ガルバノスキャナ５０は、後述のガルバノスキャナ制御部により、その動作が制御される。

図２は、リモートレーザ溶接システム１の光学系を示す図である。図２では、レーザ光源５３及びガルバノスキャナ５０を模式的に示している。図２に示すように、レーザ光源５３及びガルバノスキャナ５０は、作業テーブルＴ上に載置されたワークＷの上方に配置される。

レーザ光源５３は、レーザ媒質、光共振器及び励起源等を備える種々のレーザ発振器で構成される。レーザ光源５３は、生成したレーザ光Ｌを、後述のガルバノスキャナ５０に向かって出射する。

ガルバノスキャナ５０は、レーザ光源５３が出射したレーザ光Ｌを順次反射させる２つのガルバノミラー５１，５２と、ガルバノミラー５１，５２のそれぞれを各回転軸Ｘ１，Ｘ２まわりに回転駆動する２つのガルバノモータ５４，５４と、を備える。
ガルバノミラー５１，５２は、互いに直交する２つの回転軸Ｘ１，Ｘ２まわりにそれぞれ回転可能に構成される。ガルバノモータ５４，５４は、サーボモータで構成され、ガルバノミラー５１，５２を回転駆動することにより、レーザ光源５３から出射されるレーザ光Ｌを走査する。

図２に示すように、レーザ光源５３が出射したレーザ光Ｌは、２つのガルバノミラー５１，５２で順次反射された後、ワークＷの加工点（溶接点）に到達する。このとき、ガルバノモータ５４，５４により２つのガルバノミラー５１，５２それぞれを回転駆動すると、これらガルバノミラー５１，５２に入射するレーザ光Ｌの入射角が連続的に変化する。その結果、ワークＷに到達するレーザ光Ｌが、ワークＷ上の所定の走査経路に沿って走査されるようになっている。

図３は、本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１の機能ブロック図である。図３に示すように、リモートレーザ溶接システム１は、主として、上述の多軸ロボット３及びレーザヘッド５と、これらを制御する制御部７と、レーザ光源５３と、により構成される。
また、制御部７は、ロボット制御部７１と、ガルバノスキャナ制御部７２と、加速度取得部としての加速度センサ７３と、指令補正部７４と、を備える。

ロボット制御部７１は、上述のロボットモータを制御することで、各軸３２ａ〜３２ｅを駆動し、アーム３１の先端に設けられたレーザヘッド５を所望の位置に搬送する。
ガルバノスキャナ制御部７２は、上述のガルバノモータ５４，５４を制御することで、ガルバノミラー５１，５２に入射するレーザ光Ｌの入射角を調整する。これにより、レーザ光Ｌの照射位置が調整される。

加速度センサ７３は、加速度取得部を構成し、多軸ロボット３のアーム３１の先端に生じる振動の加速度を取得する。この加速度センサ７３で検出された加速度により、多軸ロボット３の動作により生じるアーム３１の先端の振動が検出される。

指令補正部７４は、加速度センサ７３で取得した振動の加速度に基づいて振動によるレーザ光照射位置のずれを抑制するように指令補正値を算出し、該指令補正値により、ガルバノスキャナ制御部７２によるガルバノモータ５４，５４への制御指令を補正する。即ち、指令補正部７４は、加速度センサ７３で検出して取得した振動の加速度に基づいて、振動パターンを学習し、該学習データに基づいてガルバノスキャナ５０の動作を補正する。ここで、本実施形態における振動によるレーザ光照射位置のずれを補正する方法について、図４を参照して説明する。

図４は、振動によるレーザ光照射位置のずれを補正する方法を説明するための図である。図４に示すように、リモートレーザ溶接システム１では、レーザヘッド５を備える多軸ロボット３のアーム３１の先端に対して、多軸ロボット３の動作により生じる振動に起因する加速度成分が付加される。すると、ロボット制御部７１からの制御指令に応じた加工点（溶接点）に対する本来の動き（指令）にずれが生じる。そこで、本実施形態では、上述の指令補正部７４により、振動による加速度成分とは逆方向で且つ同じ大きさの加速度成分を指令補正値として算出し、該指令補正値を制御指令に付加（重畳）する。これにより、振動による加速度成分が、補正による加速度成分により相殺され、振動が抑制されるようになっている。

以上の構成を備えるリモートレーザ溶接システム１におけるレーザ光照射位置のずれを補正する手順について、図５を参照して説明する。
図５は、本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１におけるレーザ光照射位置のずれを補正する手順を示すフローチャートである。この補正処理は、レーザ溶接が実行されている間において繰り返し実行される。

先ず、ステップＳ１では、多軸ロボット３の動作によりアーム３１の先端に生じる振動の加速度を取得する。本実施形態では、加速度取得部としての加速度センサ７３により、振動の加速度を検出して取得する。その後、ステップＳ２に移る。

ステップＳ２では、ステップＳ１で取得した振動の加速度に基づいて、指令補正値を差算出する。具体的には、上述したように振動による加速度成分とは逆方向で且つ同じ大きさの加速度成分を指令補正値として算出する。その後、ステップＳ３に移る。

ステップＳ３では、ステップＳ２で算出した指令補正値を用いて、ガルバノスキャナ制御指令を補正する。具体的には、上述したように該指令補正値を、ガルバノスキャナ制御指令に付加（重畳）する。これにより、振動による加速度成分が、補正による加速度成分により相殺され、振動が抑制される。以上により、本処理を終了する。

本実施形態によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、ガルバノスキャナ５０を有するレーザヘッド５を多軸ロボット３のアーム３１の先端に備えるリモートレーザ溶接システム１において、多軸ロボット３の動作によりアーム３１の先端に生じる振動の加速度を取得する加速度センサ７３を設けた。また、加速度センサ７３で取得する振動の加速度に基づいて、振動によるレーザ光照射位置のずれを抑制するように、ガルバノミラー５１，５２を回転駆動するガルバノモータ５４，５４への制御指令を補正する指令補正部７４を設けた。
これにより、振動による加速度成分を、補正による加速度成分により相殺できるため、アーム３１の先端に生じる振動を確実に抑制できる。従って、本実施形態によれば、より高精度にレーザ光照射位置のずれを補正でき、より高精度なレーザ溶接が可能である。なお、本実施形態によれば、ロボット制御部７１によるロボット制御指令を補正するのではなく、ガルバノスキャナ制御指令を補正するため、多軸ロボット３のロボットモータや減速機への負担が増加することもない。

［第２実施形態］
図６は、第２実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１Ａの機能ブロック図である。図６に示すように、本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１Ａは、第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１と比べて、制御部７Ａの加速度取得部の構成が相違する以外は、第１実施形態と同一の構成である。
具体的には、本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１Ａは、加速度取得部として、加速度センサ７３の代わりに電流センサ７３Ａを備える点が第１実施形態と相違する。

電流センサ７３Ａは、多軸ロボット３に設けられ、多軸ロボット３の各軸を駆動するロボットモータの駆動電流を検出する。これにより、本実施形態の加速度取得部は、電流センサ７３Ａで検出された駆動電流から、振動の加速度を算出して取得する。

本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１Ａは、第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１と同様に動作し、同様の効果が奏される。

［第３実施形態］
図７は、第３実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１Ｂの機能ブロック図である。図７に示すように、本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１Ｂは、第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１と比べて、制御部７Ｂの加速度取得部の構成が相違する以外は、第１実施形態と同一の構成である。
具体的には、本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１Ｂは、加速度取得部として、加速度センサ７３の代わりに画像撮影装置７５及び画像処理部７３Ｂを備える点が第１実施形態と相違する。

画像撮影装置７５は、多軸ロボット３、又は多軸ロボット３とその周囲の画像を撮影する。具体的には、画像撮影装置７５は、カメラ等の光学センサで構成される。
画像処理部７３Ｂは、上述の画像撮影装置７５により撮影された画像を処理する。具体的には、画像撮影装置７５で撮影された画像の変化を解析する。
これにより、本実施形態の加速度取得部は、所定時間ごとに撮影された画像の変化から、振動の加速度を算出して取得する。

本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１Ｂは、第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１と同様に動作し、同様の効果が奏される。

［第４実施形態］
図８は、第４実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１Ｃの機能ブロック図である。図８に示すように、本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１Ｃは、第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１と比べて、制御部７Ｃが記録部７６を備える点が相違する以外は、第１実施形態と同一の構成である。なお、本実施形態における加速度取得部は、加速度センサ７３の他、上述の電流センサ７３Ａや、画像撮影装置７５及び画像処理部７３Ｂで構成することもできる。

記録部７６は、多軸ロボット３のアーム３１の先端に生じる振動の加速度を予め取得して記録する。即ち、上述の第１〜第３実施形態とは異なり、振動の加速度を予め行った実験により取得し、リモートレーザ溶接システム１Ｃで実行される溶接加工プログラムと関連付けて記録する。これにより、本実施形態では、レーザ溶接中に振動の加速度を取得するのではなく、リモートレーザ溶接システム１Ｃで実行される溶接加工プログラムに応じて、記録部７６から振動の加速度を抽出し、これに基づいて指令補正部で指令補正値を算出してガルバノスキャナ制御指令を補正する。

本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１Ｃは、第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１と同様の効果が奏される。

なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
上述の各実施形態では、ワークＷとして自動車ボディを用いたが、これに限定されず、他の種々のワークを用いることができる。
また上述の各実施形態では、２つのガルバノミラーを備えるガルバノスキャナを用いたが、これに限定されず、１つあるいは３つ以上のガルバノミラーを備えるガルバノスキャナを用いることができる。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ リモートレーザ溶接システム（レーザ溶接システム）
３ 多軸ロボット（ロボット）
５ レーザヘッド
７，７Ａ，７Ｂ，７Ｃ 制御部
３１ アーム
５０ ガルバノスキャナ
５１、５２ ガルバノミラー（ミラー）
５３ レーザ光源
５４ ガルバノモータ（モータ）
７１ ロボット制御部（制御部）
７２ ガルバノスキャナ制御部（制御部）
７３ 加速度センサ（加速度取得部）
７３Ａ 電流センサ（加速度取得部）
７３Ｂ 画像処理部（加速度取得部）
７４ 指令補正部
７５ 画像撮影装置（加速度取得部）
７６ 記録部
Ｌ レーザ光
Ｗ ワーク

Claims (5)

1. ロボットと、前記ロボットのアームの先端に設けられたレーザヘッドと、前記ロボット及び前記レーザヘッドの動作を制御する制御部と、レーザ光を生成するレーザ光源と、を備えるレーザ溶接システムであって、
   前記レーザヘッドは、
   回転軸まわりに回転可能に構成され、前記レーザ光を反射する１つ以上のミラーと、
   前記ミラーを回転駆動するモータと、を備え、
   前記制御部は、
   前記ロボットの動作により前記アームの先端に生じる振動の加速度を取得する加速度取得部と、
   前記加速度取得部で取得する前記振動の加速度に基づいて、前記振動によるレーザ光照射位置のずれを抑制するように、前記ミラーを回転駆動するモータへの制御指令を補正する指令補正部と、を備えるレーザ溶接システム。
2. 前記ロボットのアームの先端に設けられ、該アームの先端に生じる振動の加速度を検出する加速度センサをさらに備え、
   前記加速度取得部は、前記加速度センサにより構成される請求項１に記載のレーザ溶接システム。
3. 前記ロボットを駆動するモータの駆動電流を検出する電流センサをさらに備え、
   前記加速度取得部は、前記電流センサを含んで構成され、前記電流センサで検出された駆動電流から前記振動の加速度を算出する請求項１に記載のレーザ溶接システム。
4. 前記ロボット、又は前記ロボットとその周囲を画像撮影する画像撮影装置と、
   前記画像撮影装置により撮影された画像を処理する画像処理部と、をさらに備え、
   前記加速度取得部は、前記画像撮影装置及び前記画像処理部を含んで構成され、所定時間ごとに撮影された画像の変化から前記振動の加速度を算出する請求項１に記載のレーザ溶接システム。
5. 前記振動の加速度を予め取得して記録する記録部をさらに備え、
   前記指令補正部は、前記記録部に予め記録された前記振動の加速度に基づいて、前記ミラーを回転駆動するモータへの制御指令を補正する請求項１から４のいずれかに記載のレーザ溶接システム。

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