JP2019038010A - レーザー加工装置、レーザー加工装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 多関節ロボットにレーザーヘッドを搭載したレーザー加工装置において多関節ロボットが本来備えている自由度の高さを生かすことができるレーザー加工装置を提供する。
【解決手段】 多関節ロボットにレーザー加工ヘッドを搭載し、レーザーにより部品加工を行う多関節ロボットを用いたレーザー加工装置において、レーザー加工ヘッドの出力方向が多関節ロボット先端の回転方向に対して垂直になるように、レーザー加工ヘッドを多関節ロボットアームに取り付ける。
【選択図】 図１

Description

本発明は多関節ロボットアームを用いたレーザー加工装置に関する。

近年、顧客要求の多様化により、多品種少量生産が増えてきており、複数製品のあらゆる加工に対応する必要が出てきている。特に３次元空間を自由に移動することが可能な汎用性の高い多関節ロボットアームを用いた加工装置が増えてきており、多品種少量生産に対応している。このような多関節ロボットアームの機能を、ハンドによる高精度な把持、組立等だけでなく、溶接等の作業にも対応できるよう、溶接ユニットを多関節ロボットアームによって制御する。そして多関節ロボットアームの高い自由度を溶接作業においても可能とした溶接ロボットが知られている（特許文献１）。

特開平４−３６７３７３号公報

しかしながら、特許文献１のような多関節ロボットアームを用いた溶接ロボットでは、主に加工対象物の外側を加工することを目的としている。そのため、加工対象物の内側に多関節ロボットが入り込んで加工する場合、複雑な姿勢を多関節ロボットアームに強いる必要があり、その姿勢により多関節ロボットアームと加工対象物が接触する危険性がある。これにより多関節ロボットが本来備えている自由度の高さを生かすことができなくなってしまう。

上記課題を鑑み、本発明は、多関節ロボットアームと、前記多関節ロボットアームに回転機構を介して取り付けられたレーザーヘッドと、を備え、前記レーザーヘッドは、前記回転機講の回転軸に対して、レーザー光の照射方向が垂直な状態となるように取り付けられ、前記回転機構によってレーザー光の照射方向を制御可能に構成されていることを特徴とするレーザー加工装置を採用した。

本発明によれば、複雑な姿勢を取ることなく対象物の内側を加工できるため多関節ロボットアームと加工対象物が接触する危険性を低減でき、加工汎用性を向上させることができる。

本発明の実施形態１におけるレーザー加工装置１００の全体構成図である。 本発明の実施形態１におけるハンド２０とレーザーヘッド２の着脱機構を説明した図である。 本発明の実施形態１におけるレーザー加工装置１００の制御ブロック図である。 比較例におけるレーザー加工装置を用いて対象物の内部にレーザー加工を施した際の状態図である。 レーザーの照射角度変更による生じる溶接速度低下を説明した図である。 本発明の実施形態１におけるレーザー加工装置１００を用いて対象物の内部にレーザー加工を施した際の状態図である。 本発明の実施形態２におけるレーザー加工装置２００の上面図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。尚、以下に示す実施形態はあくまでも一例であり、細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更できる。また、本実施形態で取り上げる数値は参考数値であって本発明を限定するものではない。

＜実施形態１＞
図１は本実施形態における多関節ロボットアームを用いたレーザー加工装置を概略的に示す全体図である。１は多関節ロボットアームであり、本実施形態では６軸の垂直多関節ロボットアームを用いる。

ここで多関節ロボットアーム１は、図２に示すようにエンドエフェクタとしてハンド２０とレーザーヘッド２を、着脱機構を介して交換可能に構成されている。

すなわち、通常、ワークの把持、組立を行うハンド２０に設けられたツール側着脱機構としてのツールアタッチメント２０ａと、ロボットアーム１側に設けられたアーム側着脱機構としてのアームアタッチメント１ａとを共通化し、互いに着脱する。これによりハンド２０をロボットアームに対して着脱可能に構成している。

またレーザーヘッド２にもツールアタッチメント２０ａを取り付けることにより、ロボットアーム１にレーザーヘッド２を着脱することができる。そしてワークの把持、搬送、組立だけでなく、レーザー加工、溶接等、種々の作業に多関節ロボットアームの機能を適用することができる。

またロボットアーム側に、製造メーカーや規格等によって複数種類のアームアタッチメントが存在する場合には、一面側２００ａをツールアタッチメント２０ａに適合させる。そして他面側２００ｂが例えば別の規格のロボットアーム１１１のアタッチメント１１１ａに適合する中間アダプタ２００を用意することによって、複数種類のツールアタッチメントに対応できる。上記構成によりハンドとレーザーヘッドを交換可能なレーザー加工システムを構築できる。

図１より、レーザー加工装置１００は多関節ロボットアーム１と、多関節ロボットアーム１の先端に装着されるレーザーヘッド２と、多関節ロボットアーム１を制御する制御装置９１を含む。制御装置９１には指令装置９４が接続され、制御装置９１からの制御値がモータドライバ９３に渡され、多関節ロボットアーム１を制御する。指令装置９４は、例えばティーチングペンダントのような教示装置である。

多関節ロボットアーム１には、各関節１１、２１、３１、４１、５１、６１が設けられている。各関節にモータ９２（図３）とエンコーダ９５（図３）が設けられており、その各関節にはそれぞれモータ、エンコーダ等による駆動伝達系が配されている。これらはロボットアームによって実行する作業、移動軌跡によって適宜制御される。ここでは説明の便宜上、モータ９２、エンコーダ９５により説明するが、実際の動作においては、ロボットアームの所定の動作を実現すべく各関節の駆動伝達系が適宜制御されるものとする。

尚、３はレーザーヘッド２から照射されたレーザー光を示すものであり、対象物４に照射される。多関節ロボットアーム１の関節６１（多関節ロボットアーム先端のエンドエフェクタが取り付けられる関節）にはレーザーヘッド２が取り付けられ、対象物４に対してレーザー３を照射し、溶接を行うように構成されている。

尚、ここで重要なのは、レーザーヘッド２のロボットアーム１に対する位置関係である。レーザーヘッド２の側面にロボットアーム１の関節６１と結合するためのアタッチメントが配され、関節６１の回転軸１６方向に対し、レーザー光３の照射方向が垂直になるように取り付けられている。関節６１がレーザーヘッド２を回転させる回転機構となる。そして関節６１の回転により、レーザーの照射方向を自在に制御し得るように構成されている。詳しくは後述する。また、関節６１はレーザーヘッド２を回転させるためだけでなく、多関節ロボットアーム１の６自由度の姿勢を実現するためにも使用される。

ファイバーケーブル５は、レーザー発振器９で励起され出力されたレーザー光をレーザーヘッド２へと供給させるためのもので、レーザー光の照射方向と反対方向に引き出されている。

引き出されたファイバーケーブル５はそのままでは、自重や多関節ロボットアーム１の動作により床面に接触するため、スプリングバランサー６を用いて一定の力で多関節ロボットアーム１の後方かつ上面方向から吊り上げている。スプリングバランサー６は支柱７に取り付けられている。

また、多関節ロボットアーム１が全レーザー照射点に移動してもケーブルにダメージを与えない十分な余長を保った状態で、支柱７に保持部８によりファイバーケーブル５を保持している。

図３は本実施形態におけるレーザー加工装置１００の制御ブロック図である。制御装置９１はマイクロプロセッサなどから成るＣＰＵなどによって構成されている。また、多関節ロボットアーム１とレーザーヘッド２の各種動作に応じて対応する駆動部を制御するためのプログラムや、それらの制御に必要なデータ等を記憶したＲＯＭを備えている。さらにロボットシステムを制御する上で必要なデータ、設定値、プログラム等を展開するとともにＣＰＵの作業領域として使用するＲＡＭを備えている。指令装置９４をはじめとする外部機器は汎用入出力インターフェイスＩ／Ｏなどによって接続されている。上記制御装置９１がレーザー加工装置を制御する制御部となる。

尚、指令装置９４には、ロボットアーム本体１の関節の姿勢（位置や角度）、あるいはレーザーヘッドの基準位置などを移動させるための操作キーを含む操作部（不図示）が配置される。

指令装置９４より入力されたレーザーヘッド２の位置及び照射方向の指令値が制御装置９１に入力される。制御装置９１は、前記指令値の示す位置へとレーザーヘッド２を移動するため制御値（例えばモータあるいは駆動伝達系の回転角度等）を演算してモータドライバ９３へと出力し、モータ９２を制御値に対応する回転角度に駆動する。

そのときに、エンコーダ９５より各モータ９２の回転角度が制御装置９１にフィードバックされる。上記ブロックにより、多関節ロボットアーム１の教示、駆動制御がなされる。

以下、図４、図５、図６を参照して、本発明における特徴的な構成及び動作について説明する。上述したように、本発明によれば、ロボットアーム１の先端の関節６１の回転軸に対して、レーザー光３の照射方向が垂直となるように、レーザーヘッド２が取り付けられている。本実施形態における垂直とは実質的な垂直状態であって、取り付ける際に生じる誤差により９０°からズレて取り付けられていても垂直状態とする。本実施形態では６０°以上９０°以内の角度で取り付けられているものとする。好ましくはレーザーヘッド２は関節６１の回転軸に対して９０°で取り付ける方が良い。

図４は本実施形態の構成及びその効果をよりわかりやすく説明するための比較例である。レーザーヘッド２を、そのレーザー照射方向が関節６１の回転軸と同方向となるように取り付けられたロボットアームで対象物４をレーザー加工する例を示すものである。

従来の溶接ロボットと称されるものは、比較的大きな対象物４をその外側から外表面にレーザー光を照射する場合が多いため、ロボットアームの回転軸方向にレーザーヘッドの照射方向が向くように取り付けられている。

そして対象物の外表面を溶接するような場合は、作業空間が対象物の外であるため、あまり作業上の問題が生じることはない。

しかしながら、図４に示すように、ロボットアームに対してあまり大きくない対象物の内面側にレーザー光を照射して溶接等の作業を行うような場合は、ロボットアームの制御が困難になる場合が多く発生する。

同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、対象物４の右内側面、左内側面、上面（天井）にレーザー光を照射して加工を行っている状態を示している。いずれの場合も、関節６１の回転は寄与せず、関節４１と関節５１の回転によりレーザーヘッド２の照射方向を変更しているが、ロボットアームの動作が複雑になり、レーザーを照射する場所によってロボットアーム１の姿勢を何度も変化させなければならない。そのため多関節ロボットアーム１と対象物４が干渉する危険性があるとともに、ロボットアーム１の姿勢によっては特異点となる可能性もある。

またレーザーヘッド２はロボットアーム先端の延長方向に取り付けられている。ゆえにその回転半径が大きく、レーザー光を、照射面に垂直に照射することが難しく（対象物が十分に大きければ垂直に照射することができるが）、斜めから照射される部分が生じ、溶接加工が不完全になる危険が生じる。

図５は対象物となる２枚の板金５０をレーザー３が紙面左から右方向に一定の速度で移動し溶接する場合を想定し、その溶接動作を説明する図である。図５（ａ）は対象物５０に対してレーザー３を垂直に照射している場合を示す。レーザー溶接の対象となる板厚は２枚の板金の板厚の合計１０ａとなる。

一方、図５（ｂ）は、対象物５０に対してレーザー光３が角度θ傾いた状態を示している。レーザー３の移動方向は図６（ａ）と同じ紙面左から右方向である。角度θ傾いたことにより、レーザー溶接の対象となる板厚のみかけの厚さが変化し、実質的に１０ｂとなる。

１０ｂは１０ａに対して１／ｃｏｓθ分大きくなるため、見かけの板厚が大きくなってしまう。一般的に板厚が大きくなると、溶接に多くのエネルギーが必要になる。そのため溶接の際の移動速度を遅くしなければならなくなるので、生産効率が悪くなってしまうという問題が発生する。

一方、本発明によれば、ロボットアーム１の先端の関節６１の回転軸１６に対し、レーザーヘッド２が、そのレーザー照射方向が垂直となるような位置関係で取り付けられている。そのため関節６１の回転により、レーザーの照射方向を自在に制御することが可能である。

図６は本実施例におけるレーザー加工装置１００により対象物４の内部に侵入し内側にレーザー加工を施している図である。同図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、対象物４の右内側面、左内側面、上面（天井）にレーザー光を照射して加工を行っている状態を示している。

各図から明らかなように、レーザーヘッド２を取り付けている関節６１の回転のみで、対象物４の内側の複数の面にレーザー光を照射することができ、また関節２１、３１によって、奥行き方向への移動も容易である。関節６１を３６０°回転可能とすれば、レーザー照射方向も３６０°制御可能であるため、対象物内の上下左右４面に対して照射可能である。

また各関節を制御してレーザーヘッド２を上下左右方向及び奥行き方向における位置を制御することができる。これによって加工面に対してレーザー光の照射角度を垂直に保ちやすくなり、レーザーの傾きによる溶接不良や生産効率の悪化を低減することができる。さらに多関節ロボットアーム１の姿勢制御も簡単になり、姿勢を変化させる回数も少なくすることができる。

また多関節ロボットアーム１が対象物４の内部に侵入する際に１度対象物４との干渉を回避しておけば、上下左右方向を照射する際には関節６１が回転するだけでよいため、干渉の危険性を低減でき、多関節ロボットアームが持つ自由度を活かすことができる。

＜実施形態２＞
上記実施形態１では１つの多関節ロボットアームを用いて対１つの対象物にレーザー加工を施していたが、複数の多関節ロボットアームにより１つの対象物にレーザー加工を施すこともできる。

以下では、実施形態１とは異なるハードウェアや制御系の構成の部分について図示し説明する。また、実施形態１と同様の部分については上記と同様の構成ならびに作用が可能であるものとし、その詳細な説明は省略するものとする。

また実施形態１と同一ないし同等の部材や制御機能については、同一の参照符号表記を用いる。特に多関節ロボットアーム１の関節やモータの配置、レーザーヘッド２の取り付け方は実施形態１と同様である。

図７は複数の多関節ロボットアームを用いたレーザー加工装置２００の上面図である。１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄは多関節ロボットアームであり、各多関節ロボットアームにレーザーヘッド２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄが取り付けられる。

各レーザーヘッドの取り付け方は実施形態１と同様であり、各多関節ロボットアームの関節６１ａ〜６１ｄの回転軸方向に対し、レーザー３の照射角度が垂直になるように各多関節ロボットアームに取り付けられている。

本実施例で使用する各多関節ロボットアームと対象物４とのサイズを比較すればわかるように、１つの多関節ロボットアームで対象物４のすべての個所を加工することは可動範囲上できない。そのため、１−ａと同じサイズの多関節ロボットアーム１ｂ、１ｃ、１ｄを用いて、合計４台の多関節ロボットアームを用いた構成となっている。対象物４は、図７に記載された位置で図示しない治具などに固定されてレーザー加工が行われる。

それぞれのレーザーヘッドには実施形態１と同様にファーバーケーブル５ａ〜５ｄがレーザー３ａ〜３ｄの照射方向、照射面と反対方向に突出するように取り付けられている。その先には図示しないがレーザー発振器につながっている。レーザー発振器は２ａ〜２ｄそれぞれのレーザーヘッド共通で使用している。そのため、２ａ〜２ｄそれぞれのレーザーヘッドが同時にレーザーを照射することはできないため、１ａ〜１ｄの多関節ロボットアームが順番に動作し対象物４へのレーザー加工を行っている。

こうすることで、対象物４のすべての加工箇所にレーザー照射を行うために必要な時間を少なくすることができる。その結果、レーザー加工装置の生産能力が向上する。

１ 多関節ロボットアーム
２ レーザーヘッド
３ レーザー
４、４０、５０、４００ 対象物
５ ファイバーケーブル
６ スプリングバランサー
７ 支柱
８ ケーブル保持部
９ レーザー発振器
１１、２１、３１、４１、５１、６１ 関節
２０ ハンド
９１ 制御装置
９２ モータ
９３ モータドライバ
９４ 指令装置
９５ エンコーダ
１００、２００ レーザー加工装置

Claims (7)

1. 多関節ロボットアームと、
   前記多関節ロボットアームに回転機構を介して取り付けられたレーザーヘッドと、を備え、
   前記レーザーヘッドは、前記回転機構の回転軸に対して、レーザー光の照射方向が垂直な状態となるように取り付けられ、前記回転機構によってレーザー光の照射方向を制御可能に構成されていることを特徴とするレーザー加工装置。
2. 請求項１に記載のレーザー加工装置において、
   前記レーザーヘッドには前記レーザー光を供給するケーブルが接続されており、
   前記ケーブルを、前記照射方向と反対方向へ突出するように前記レーザーヘッドに繋げたことを特徴とするレーザー加工装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のレーザー加工装置において、
   前記レーザー加工装置を制御する制御部を有し、
   前記制御部は、前記多関節ロボットアームに複数の姿勢を取らせることなく、前記回転機構の回転軸を回転させ、対象物の所定の位置にレーザー照射させることを特徴とするレーザー加工装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレーザー加工装置において、
   前記レーザーヘッドは、前記多関節ロボットアームと着脱可能な着脱機構を有し
   前記着脱機構は、前記多関節ロボットアームに着脱可能なエンドエフェクタの着脱機構と共通化したことを特徴とするレーザー加工装置。
5. 請求項４に記載のレーザー加工装置において、前記着脱機構そのものが交換可能な構成であることを特徴とするレーザー加工装置。
6. 多関節ロボットアームと、
   対象物にレーザーを照射してレーザー加工を施すレーザーヘッドと、
   対象物を把持し操作するハンドと、
   前記レーザーヘッドを前記多関節ロボットアームの先端の関節に着脱可能にする第１の着脱機構と、
   前記ハンドを前記多関節ロボットアームの先端の関節に着脱可能にする第２の着脱機構と、備え、
   前記第１の着脱機構と第２の着脱機構は共通化されており、前記レーザーヘッドと前記ハンドは交換可能であることを特徴とするレーザー加工システム。
7. 多関節ロボットアームにレーザーヘッドを回転可能に装着させ対象物にレーザー加工を行うレーザー加工装置の制御方法であって、
   前記対象物の内部に前記レーザーヘッドを侵入させる侵入工程と、
   前記レーザーヘッドを回転させる回転工程と、を有し、
   前記回転工程により、前記多関節ロボットアームに複数の姿勢を取らせることなく、前記回転機構を回転させ、前記対象物の内部にレーザー照射させることを特徴とするレーザー加工装置の制御方法。

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