JP2021023952A - レーザ溶接機 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ溶接機の構成の複雑化を抑えつつ、レーザ溶接の作業能率の向上を図ること。【解決手段】加工ヘッド１４の外壁部における集束レンズ３２よりもノズル２４に遠い側にハウジング３４が設けられている。ハウジング３４の内側に４つのガイド光照射モジュール４８が円周方向に沿って間隔を置いて設けられている。加工ヘッド１４内における集束レンズ３２の入射側には、ガイドレーザ光ＧＢを集束レンズ３２側に折り曲げて射出するベンドミラー６８が設けられている。複数のガイド光照射モジュール４８の手前側には、コールドフィルタ７０が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、金属製のワークに対してレーザ溶接を行うレーザ溶接機に関する。

レーザ溶接機によるレーザ溶接を開始する前に、加工ヘッドの移動軌跡の座標を制御装置に入力するためのティーチング（教示操作）を行う。ティーチングにおいては、集束レンズによるレーザ光の焦点位置がワークの加工点に位置するように、加工ヘッドの光軸方向の位置調整（高さ調整）を行う。

レーザ溶接機は、加工ヘッドの光軸方向の位置調整を行うためのガイド光照射部としてのガイド光照射ユニットを備えており、ガイド光照射ユニットは、通常、加工ヘッドの外壁部におけるノズルの近傍に着脱可能に設けられている。また、ガイド光照射ユニットは、ワークの加工点を示すための可視光である十字状のガイド光を照射するＬＥＤ（発光ダイオード）を備えている。ガイド光照射ユニットは、ガイド光の十字の交点が集束レンズによるレーザ光の焦点位置を通るように構成されている。

加工ヘッドの光軸方向の位置調整を行う際には、まず、ガイド光照射ユニットが十字状のガイド光を照射し、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等の撮像部がワークの加工点を含む加工点周辺を撮像する。そして、作業者は、撮像された画像をモニタの画面で観察しながら、ガイド光の十字の交点がモニタの画面のクロスラインの交点に位置するように、加工ヘッドを光軸方向に位置調整する。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１及び特許文献２に示すものがある。

特開２００２−３０７１８２号公報 特開２０１５−７１１８５号公報 特開２０１４−４６３６１号公報

ところで、ガイド光照射ユニットが加工ヘッドの外壁部におけるノズルの近傍に設けられているため、加工ヘッドの動作範囲、換言すれば、レーザ溶接の作業スペースが制限され、ワークの形状等によってレーザ溶接中にガイド光照射ユニットとワークとの干渉を招くおそれがある。このような場合には、レーザ溶接を行う前に、作業者がガイド光照射ユニットを加工ヘッドの外壁部から取り外すことが必要になり、その作業が面倒であって、レーザ溶接の作業能率の低下を招くという問題がある。

また、レーザ溶接中におけるワークの加工点からの反射光によるＬＥＤの破損を防止するため、ガイド光照射ユニットのＬＥＤの手前側（照射側）に、エアシリンダ等のアクチュエータの駆動により開閉するシャッターを設ける必要がある。そのため、レーザ溶接機のアクチュエータの個数が増えて、レーザ溶接機の構成が複雑化するという問題がある。

つまり、レーザ溶接機の構成の複雑化を抑えつつ、レーザ溶接の作業能率の向上を図ることが容易でないという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決するために、加工ヘッドの動作範囲を十分に確保しつつ、簡易な構成によって、レーザ溶接中におけるワークの加工点からの反射光による前記ガイド光照射部の破損を防止できる、レーザ溶接機を提供することを目的とする。

本発明の実施態様に係るレーザ溶接機は、加工ヘッドの外壁部における集束レンズよりもノズルに遠い側に設けられ、内部が前記加工ヘッドの内部に連通したハウジングと、前記ハウジング内に円周方向に沿って間隔を置いて設けられ、ワークの加工点を示すための可視光であるガイドレーザ光を照射し、前記ガイドレーザ光が前記集束レンズによる赤外光であるレーザ光の焦点位置を通るように設定された複数のガイド光照射部と、を備えている。本発明の実施態様に係るレーザ溶接機は、前記ガイドレーザ光を前記集束レンズ側に折り曲げて射出するベンドミラーと、前記ハウジング内における前記ガイド光照射部の手前側（照射側）に設けられ、可視光を透過し赤外光を反射するコールドフィルタと、複数の前記ガイド光照射部の内側の空間からワークの加工点を含む加工点周辺を撮像する撮像部と、を備えている。

本発明の実施態様に係るレーザ溶接機は、前記ハウジング内に設けられた支持筒を備えてもよい。この場合に、複数の前記ガイド光照射部は、前記支持筒の内側に円周方向に沿って間隔を置いて設けられ、前記支持筒と複数の前記ガイド光照射部は、ユニット化されてもよい。更に、本発明の実施態様に係るレーザ溶接機は、前記支持筒に設けられ、各ガイド光照射部を保持する板バネを備えてもよい。この場合に、各板バネに、前記ガイドレーザ光を通過させるための開口部、及び前記ガイド光照射部の一部に係合する切欠が形成されてもよい。また、各ガイド光照射部は、前記支持筒に対する向きを調整できるように構成されてもよい。本発明の実施態様に係るレーザ溶接機は、前記ハウジング内に設けられ、ワークの加工点周辺に向かって照明光を照射する照明光照射部を備えてもよい。

本発明の実施態様では、前記ベンドミラーは、赤外光を透過し可視光を反射するコールドミラーであってもよい。また、前記集束レンズ及び／又は前記コールドフィルタの表面には、反射率を下げるためのコーティングが施されてもよい。

本発明の実施態様によると、前述のように、前記加工ヘッドの外壁部における前記集束レンズよりも前記ノズルに遠い側に前記ハウジングが設けられ、前記ハウジング内に複数の前記ガイド光照射部が円周方向に沿って間隔を置いている。そのため、前記ハウジング及び前記ガイド光照射部を前記ノズルから十分に離隔させることができる。これにより、前記ガイド光照射部とワークとの干渉を回避しつつ、前記加工ヘッドの動作範囲、換言すれば、レーザ溶接の作業スペースを十分に確保することができる。

また、前記ガイド光照射部の手前側に前記コールドフィルタが設けられている。そのため、レーザ溶接中におけるワークの加工点からの反射光が前記ガイド光照射部に向かって進行しても、前記ガイド光照射部の手前側で反射される。これにより、アクチュエータを用いることなく、簡易な構成によって、レーザ溶接中におけるワークの加工点からの反射光による前記ガイド光照射部の破損を防止することができる。

本発明によれば、前記レーザ溶接機の構成の複雑化を抑えつつ、レーザ溶接の作業能率の向上を図ることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る溶接ロボットの一部を示す図であり、図１の大部分は、断面図になっている。 図２は、図１におけるＩＩ部の拡大図である。 図３は、本発明の実施形態に係るインジケータユニットを示す断面図である。 図４は、本発明の実施形態に係るインジケータユニットを示す斜視図である。 図５は、図３におけるＶ−Ｖ線に沿った断面図である。 図６は、図３におけるＶＩ−ＶＩ線に沿った図である。 図７（ａ）は、複数のガイドレーザ光がワークの加工点に位置していない状態、及びその状態におけるモニタの画面を示す図である。図７（ｂ）は、複数のガイドレーザ光がワークの加工点に位置した状態、及びその状態におけるモニタの画面を示す図である。

本発明の実施形態について図１から図７（ａ）（ｂ）を参照して説明する。

なお、本願の明細書及び特許請求の範囲において、「設けられる」とは、直接的に設けられることの他に、別部材を介して間接的に設けられることを含む意である。「及び／又は」とは、２つのうちのいずれか一方と両方を含む意である。「圧接」とは、圧力を加えた状態で接触することをいう。「加工ヘッドにおける上端又は上側」とは、加工ヘッドのノズルを鉛直下方に向けた状態において、上端又は上側であることをいう。「加工ヘッドにおける下端又は下側」とは、加工ヘッドのノズルを鉛直下方に向けた状態において、下端又は下側であることをいう。換言すれば、「加工ヘッドにおける上下方向の向き」は、加工ヘッドのノズルを鉛直下方に向けた状態を基準とする。図面中、「Ｕ」は上方向、「Ｄ」は下方向、「Ｓ」はインジケータユニット又はハウジングの軸方向をそれぞれ指している。

図１に示すように、本発明の実施形態に係る溶接ロボット１０は、金属製のワークＷに対してレーザ溶接を行うレーザ溶接機である。溶接ロボット１０は、多関節のロボットアーム１２（一部のみ図示）を備えており、ロボットアーム１２の先端部には、ワークＷに対して赤外光であるレーザ光ＬＢを照射する加工ヘッド１４が連結具１６を介して設けられている。また、溶接ロボット１０の構成のうち加工ヘッド１４を除く構成は、特許文献２に示すような公知の構成からなり、加工ヘッド１４を除く構成の説明を省略する。

続いて、加工ヘッド１４の一般的な構成について説明する。

図１及び図２に示すように、加工ヘッド１４は、ロボットアーム１２の先端部に連結具１６を介して設けられた筒状の加工ヘッド本体１８を備えている。また、加工ヘッド本体１８の基端部（上端部）には、伝送ファイバ２０を保持するファイバホルダ２２が設けられている。伝送ファイバ２０は、レーザ光ＬＢを発振するファイバレーザ発振器等のレーザ発振器（図示省略）に光学的に接続されている。換言すれば、加工ヘッド１４は、伝送ファイバ２０を介してレーザ発振器に光学的に接続されている。

加工ヘッド本体１８の先端部（下端部）には、レーザ光ＬＢを照射するためのノズル２４が設けられている。加工ヘッド本体１８内には、環状の第１レンズホルダ２６が設けられている。第１レンズホルダ２６の内側には、伝送ファイバ２０から射出されたレーザ光ＬＢをコリメートするコリメートレンズ２８が設けられている。また、加工ヘッド本体１８内における第１レンズホルダ２６よりもノズル２４に近い側（下側）には、第２レンズホルダ３０が設けられている。第２レンズホルダ３０の内側には、コリメートされたレーザ光ＬＢをワークＷに向かって集束させる集束レンズ３２が設けられている。

続いて、加工ヘッド１４の特徴的な構成について説明する。

図２に示すように、加工ヘッド本体１８（加工ヘッド１４）の外壁部における集束レンズ３２よりもノズル２４に遠い側（上側）には、連通穴１８ｈが貫通して形成されている。加工ヘッド本体１８の連通穴１８ｈの周縁部には、筒状のハウジング３４が設けられている。換言すれば、加工ヘッド本体１８の外壁部における集束レンズ３２よりもノズル２４に遠い側には、ハウジング３４が設けられている。ハウジング３４の内部は、加工ヘッド本体１８の内部に連通穴１８ｈを介して連通しており、ハウジング３４における軸方向に直交する断面は、矩形枠状に形成されている（図５及び図６の二点鎖線部分参照）。また、ハウジング３４の先端部には、支持ブロック３６が一体形成されており、支持ブロック３６には、ハウジング３４の内部に連通したＬ字状の内部通路３６ｐが形成されている。なお、支持ブロック３６をハウジング３４の一部と捉えることもできる。

ハウジング３４内には、ワークＷの加工点ＰＰを示すインジケータユニット３８が複数の止めネジ４０を介して設けられている。そして、インジケータユニット３８の具体的な構成は、次の通りである。

図２から図６に示すように、ハウジング３４内には、矩形状の支持筒４２が設けられており、支持筒４２の内側の四隅には、断面円弧形状の凹部４２ｄが形成されている。支持筒４２の各外壁部には、取付プレート４４が取付ネジ（図示省略）を介して設けられている。４つの取付プレート４４のうち、２つの取付プレート４４の端面は、ハウジング３４の奥面３４ｂにそれぞれ当接する。インジケータユニット３８の一部は、ハウジング３４内に固定された矩形枠状のスペーサ４６に当接する。インジケータユニット３８は、これらの当接によって軸方向Ｓに位置決めされる。

支持筒４２の各凹部４２ｄには、ワークＷの加工点ＰＰを示すための可視光であるガイドレーザ光ＧＢを照射するガイド光照射部としてのガイド光照射モジュール４８が設けられている。換言すれば、支持筒４２の内側には、４つのガイド光照射モジュール４８が円周方向に沿って等間隔に設けられている。更に、換言すれば、ハウジング３４の内側には、４つのガイド光照射モジュール４８が支持筒４２を介して円周方向に沿って等間隔に設けられている。各ガイド光照射モジュール４８は、円柱状のモジュール本体５０と、モジュール本体５０に電力を供給する基板５２とからなる。ガイドレーザ光ＧＢは、グリーンレーザ光を用いる。

支持筒４２には、各ガイド光照射モジュール４８を保持する板バネ５４が取付ネジ５６を介して設けられている。換言すれば、支持筒４２の各凹部４２ｄには、ガイド光照射モジュール４８が板バネ５４を介して設けられている。各板バネ５４は、Ｌ字形状に形成されており、短辺部５４ａと軸方向Ｓに延びた長辺部５４ｂとをからなる。各板バネ５４の短辺部５４ａから長辺部５４ｂにかけての部位には、ガイドレーザ光ＧＢを通過させるための開口部５４ｃが形成されている。各板バネ５４の長辺部５４ｂには、モジュール本体５０の一部に係合する切欠５４ｎが形成されている。

支持筒４２における各凹部４２ｄに対応する位置には、支持筒４２に対してガイド光照射モジュール４８の向きを調整するための一対の調整ネジ５８が螺合して設けられている。各一対の調整ネジ５８は、回転操作によって互いに直交する方向に位置調整可能である。各調整ネジ５８の先端部は、板バネ５４の弾性力によってモジュール本体５０の外周面に圧接している。そして、各ガイド光照射モジュール４８は、各一対の調整ネジ５８の回転操作によって支持筒４２に対する向きを調整できるように構成されている。そして、各ガイド光照射モジュール４８は、その向きの調整によって、ガイドレーザ光ＧＢが集束レンズ３２によるレーザ光ＬＢの焦点位置を通るように設定（構成）されている。なお、調整ネジ５８の回転操作は、ハウジング３４及び取付プレート４４に形成した通孔３４ｈ，４４ｈに工具（図示省略）を挿入した状態で行う。インジケータユニット３８をハウジング３４内に設置する前に、調整ネジ５８の回転操作を行ってもよい。

各取付プレート４４には、ワークＷの加工点ＰＰを含む加工点ＰＰ周辺に向かって照明光を照射する照明光照射部としての照明光照射モジュール６０が設けられている。換言すれば、ハウジング３４の内側には、４つの照明光照射モジュール６０が支持筒４２及び４つの取付プレート４４を介して設けられている。各照明光照射モジュール６０は、モジュール本体としてのＬＥＤ（発光ダイオード）６２と、ＬＥＤ６２に電力を供給する基板６４とからなる。

なお、ガイド光照射モジュール４８の個数は、４つに限るものでなく、複数であればよく、４つ以上が望ましい。複数のガイド光照射モジュール４８の配置の間隔は、等間隔に限定されるものでなく、不等間であってもよい。また、複数のガイド光照射モジュール４８は、支持筒４２を介することなく、ハウジング３４内に設けてもよい。換言すれば、支持筒４２及び複数のガイド光照射モジュール４８をユニット化しなくてもよい。更に、インジケータユニット３８から複数の照明光照射モジュール６０を省略してもよい。

図１及び図２に示すように、加工ヘッド本体１８（加工ヘッド１４）内における集束レンズ３２の入射側には、筒状のミラーホルダ６６が設けられている。ミラーホルダ６６には、ガイドレーザ光ＧＢを集束レンズ３２側に折り曲げて射出するベンドミラー６８が設けられている。換言すれば、加工ヘッド本体１８内における集束レンズ３２の入射側には、ベンドミラー６８がミラーホルダ６６を介して設けられている。ベンドミラー６８は、赤外光を透過し可視光を反射するコールドミラーであり、レーザ光ＬＢの光軸に対して４５度傾斜している。

なお、ベンドミラー６８は、コールドミラーでなくてもよい。この場合には、ベンドミラー６８は、特許文献３に示すように、レーザ光ＬＢの光路に対して進退可能に構成される。

加工ヘッド本体１８の連通穴１８ｈの周縁部には、可視光を透過し赤外光を反射するコールドフィルタ７０が設けられている。換言すれば、複数のガイド光照射モジュール４８の手前側（照射側）には、コールドフィルタ７０が覆うように設けられている。

なお、コールドフィルタ７０は、複数のガイド光照射モジュール４８の手前側であれば、ハウジング３４内に設けてもよい。

図２及び図７（ａ）（ｂ）に示すように、支持ブロック３６における内部通路３６ｐの中間側には、反射ミラー７２が設けられている。支持ブロック３６の内部通路３６ｐの開口側には、複数のガイド光照射モジュール４８の内側の空間からワークＷの加工点ＰＰ周辺を撮像する撮像部としてＣＣＤ（Charge Coupled Device ）カメラ７４が設けられている。ＣＣＤカメラ７４によって撮像された撮像画像は、モニタの画面７６に表示される。ここで、図７（ａ）に示すように、複数のガイドレーザ光ＧＢがワークの加工点に位置していない場合には、複数のガイドレーザ光ＧＢは、モニタの画面７６の所定位置であるクロスラインの交点から外れた位置に位置する。図７（ｂ）に示すように、複数のガイドレーザ光ＧＢがワークの加工点に位置している場合には、複数のガイドレーザ光ＧＢは、モニタの画面７６のクロスラインの交点に位置する。

ガイドレーザ光ＧＢがコールドフィルタ７０や集束レンズ３２に反射すると、ＣＣＤカメラ７４の映り込み悪さを招くことがある。そのため、コールドフィルタ７０や集束レンズ３２の表面に反射率を下げるためのコーティング（アンチリフレクトコーティング）を施しておくことが望ましい。例えば、ガイドレーザ光ＧＢにグリーンレーザ光を用いた場合は、可視光波長５３０（ｎｍ）近辺に対する反射率を例えば１％未満に下げるためのコーティングをコールドフィルタ７０や集束レンズ３２の表面に施す。

続いて、本発明の実施形態の作用効果について説明する。

加工ヘッド１４の光軸方向（高さ方向）の位置調整を行う際には、まず、複数のガイド光照射モジュール４８がガイドレーザ光ＧＢを照射し、ＣＣＤカメラ７４がワークＷの加工点ＰＰ周辺を撮像する。また、必要に応じて、複数の照明光照射モジュール６０がワークＷの加工点ＰＰ周辺に向かって照明光を照射する。そして、作業者は、撮像された画像をモニタの画面７６で観察しながら、複数のガイドレーザ光ＧＢがモニタの画面７６のクロスラインの交点に位置するように、加工ヘッド１４を光軸方向に位置調整する。

そして、本発明の実施形態によると、前述のように、加工ヘッド本体１８（加工ヘッド１４）の外壁部における集束レンズ３２よりもノズル２４に遠い側にハウジング３４が設けられている。ハウジング３４の内側に４つのガイド光照射モジュール４８が支持筒４２を介して円周方向に沿って等間隔に設けられている。そのため、ハウジング３４及びガイド光照射モジュール４８を２４から十分に離隔させることができる。これにより、ガイド光照射モジュール４８とワークとＷの干渉を回避しつつ、加工ヘッド１４の動作範囲、換言すれば、レーザ溶接の作業スペースを十分に確保することができる。

また、本発明の実施形態によると、前述のように、複数のガイド光照射モジュール４８の手前側にコールドフィルタ７０が覆うように設けられている。そのため、レーザ溶接中にワークＷの加工点ＰＰからの反射光がガイド光照モジュール４８に向かって進行しても、ガイド光照射モジュール４８の手前側で反射される。これにより、アクチュエータを用いることなく、簡易な構成によって、レーザ溶接中におけるワークＷの加工点ＰＰからの反射光によるガイド光照射モジュール４８の破損を防止することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、加工ヘッド１４の動作範囲を十分に確保しつつ、簡易な構成によって、レーザ溶接中におけるワークＷの加工点ＰＰからの反射光によるガイド光照射モジュール４８の破損を防止できるため、溶接ロボット１０の構成の複雑化を抑えつつ、レーザ溶接の作業能率の向上を図ることができる。特に、ベンドミラー６８が赤外光を透過し可視光を反射するコールドミラーであるため、ベンドミラー６８をレーザ光ＬＢの光路に対して進退させるための構成が不要になり、溶接ロボット１０の構成の複雑化をより十分に抑えることができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他、種々の態様で実施可能である。そして、本発明に包含される権利範囲は、前述の実施形態に限定されないものである。

１０ 溶接ロボット（レーザ溶接機）
１２ ロボットアーム
１４ 加工ヘッド
１６ 連結具
１８ 加工ヘッド本体
１８ｈ 連通穴
２０ 伝送ファイバ
２２ ファイバホルダ
２４ ノズル
２６ 第１レンズホルダ
２８ コリメートレンズ
３０ 第２レンズホルダ
３２ 集束レンズ
３４ ハウジング
３４ｂ 奥面
３４ｈ 通孔
３６ 支持ブロック
３６ｐ 内部通路
３８ インジケータユニット
４０ 止めネジ
４２ 支持筒
４２ｄ 凹部
４４ 取付プレート
４４ｈ 通孔
４６ スペーサ
４８ ガイド光照射モジュール（ガイド光照射部）
５０ モジュール本体
５２ 基板
５４ 板バネ
５４ａ 短辺部
５４ｂ 長辺部
５４ｃ 開口部
５４ｎ 切欠
５６ 取付ネジ
５８ 調整ネジ
６０ 照明光照射モジュール（照明光照射部）
６２ ＬＥＤ（発光ダイオード）
６４ 基板
６６ ミラーホルダ
６８ ベンドミラー（コールドミラー）
７０ コールドフィルタ
７２ 反射ミラー
７４ ＣＣＤカメラ（撮像部）
７６ モニタの画面
ＬＢ レーザ光
ＧＢ ガイドレーザ光
W ワーク
ＰＰ 加工点

Claims (8)

1. 加工ヘッドの外壁部における集束レンズよりもノズルに遠い側に設けられ、内部が前記加工ヘッドの内部に連通したハウジングと、
   前記ハウジング内に円周方向に沿って間隔を置いて設けられ、ワークの加工点を示すための可視光であるガイドレーザ光を照射し、前記ガイドレーザ光が前記集束レンズによる赤外光であるレーザ光の焦点位置を通るように設定された複数のガイド光照射部と、
   前記ガイドレーザ光を前記集束レンズ側に折り曲げて射出するベンドミラーと、
   前記ガイド光照射部の手前側に設けられ、可視光を透過し赤外光を反射するコールドフィルタと、
   複数の前記ガイド光照射部の内側の空間からワークの加工点を含む加工点周辺を撮像する撮像部と、を備えたことを特徴とするレーザ溶接機。
2. 前記ハウジング内に設けられた支持筒を備え、
   複数の前記ガイド光照射部は、前記支持筒の内側に円周方向に沿って間隔を置いて設けられ、前記支持筒と複数の前記ガイド光照射部は、ユニット化されていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接機。
3. 前記支持筒に設けられ、各ガイド光照射部を保持する板バネを備えたことを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接機。
4. 各板バネに、前記ガイドレーザ光を通過させるための開口部、及び前記ガイド光照射部の一部に係合する切欠が形成されていることを特徴とする請求項３に記載のレーザ溶接機。
5. 各ガイド光照射部は、前記支持筒に対する向きを調整できるように構成されていることを特徴とする請求項２から請求項４のうちのいずれか１項に記載のレーザ溶接機。
6. 前記ハウジング内に設けられ、ワークの加工点周辺に向かって照明光を照射する照明光照射部を備えたことを特徴とする請求項２から請求項５のうちのいずれか１項に記載のレーザ溶接機。
7. 前記ベンドミラーは、赤外光を透過し可視光を反射するコールドミラーであることを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載のレーザ溶接機。
8. 前記集束レンズ及び／又は前記コールドフィルタの表面には、反射率を下げるためのコーティングが施されていることを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載のレーザ溶接機。

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