JP2021122837A - Method for controlling laser cutting robot, robot system, and laser cutting system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ光の照射によりワークを切断するレーザ切断ロボットの制御方法、ロボットシステム及びレーザ切断システムに関する。 The present invention relates to a control method, a robot system, and a laser cutting system for a laser cutting robot that cuts a workpiece by irradiating a laser beam.
特許文献1には、レーザ光の照射によりワークを切断するレーザ切断システムとして、集光レンズの焦点と前記ワークとの距離を一定に保つように切断トーチを移動させる倣い制御を行うものが開示されている。 Patent Document 1 discloses, as a laser cutting system that cuts a work by irradiating a laser beam, a copying control that moves a cutting torch so as to keep a constant distance between the focal point of a condenser lens and the work. ing.
ところで、レーザ光の照射によりワークを切断するために、ベース部と、少なくとも1つの関節部を有し、前記ベース部に基端が固定されたロボットアームと、レーザ発振器により出射されたレーザ光を照射位置に集光する集光レンズを有する加工ヘッドと、前記ロボットアームの先端に固定され、前記加工ヘッドを支持するとともに、前記加工ヘッドを前記光軸方向に移動させるヘッド駆動機構とを備えたレーザ切断ロボットを使用することが考えられる。このようなレーザ切断ロボットでは、前記ベース部と前記ロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が長くなると、集光レンズの焦点と前記ワークとの距離を一定に保つ倣い制御の実行中に、加工ヘッドの移動によりロボットアームの先端に振動が大きく生じ、ドロスの生成等の切断不良を招く。 By the way, in order to cut a work by irradiating a laser beam, a robot arm having a base portion and at least one joint portion and having a base end fixed to the base portion, and a laser beam emitted by a laser oscillator are used. It is provided with a processing head having a condensing lens that collects light at an irradiation position, and a head drive mechanism that is fixed to the tip of the robot arm to support the processing head and move the processing head in the optical axis direction. It is conceivable to use a laser cutting robot. In such a laser cutting robot, when the distance between the base portion and the tip of the robot arm or the horizontal component of the distance becomes long, the execution of copying control that keeps the distance between the focal point of the condenser lens and the work is constant. During this, the movement of the processing head causes a large vibration at the tip of the robot arm, which causes cutting defects such as dross generation.
また、ロボットアームの先端の振動に起因する切断不良を低減するために、加工ヘッドの移動速度を大幅に低くすると、タクトタイムが長くなる。 Further, if the moving speed of the machining head is significantly reduced in order to reduce cutting defects caused by vibration of the tip of the robot arm, the tact time becomes long.
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、タクトタイムを抑制しつつ、切断不良を低減することにある。 The present invention has been made in view of this point, and an object of the present invention is to reduce cutting defects while suppressing takt time.
本発明は、レーザ光の照射によりワークを切断するレーザ切断ロボットの制御を対象とし、次のような解決手段を講じた。 The present invention targets the control of a laser cutting robot that cuts a workpiece by irradiating a laser beam, and has taken the following solutions.
すなわち、第1〜第4の発明は、前記レーザ切断ロボットは、ベース部と、少なくとも1つの関節部を有し、前記ベース部に基端が固定されたロボットアームと、レーザ発振器により出射されたレーザ光を集光する集光レンズ、及び当該集光レンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動機構を有する加工ヘッドと、前記ロボットアームの先端に固定され、前記加工ヘッドを支持するとともに、前記加工ヘッドを前記光軸方向に移動させるヘッド駆動機構とを有しており、前記集光レンズの焦点と前記ワークとの距離を一定に保つように前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御する倣い制御の実行中、前記ベース部と前記ロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が長くなる程、前記集光レンズの光軸方向の移動量における前記レンズ駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が高くなるとともに、前記ヘッド駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が低くなるように、前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御することを特徴とする。 That is, in the first to fourth inventions, the laser cutting robot has a base portion, at least one joint portion, and is emitted by a robot arm having a base end fixed to the base portion and a laser oscillator. A condensing lens that collects laser light, a processing head that has a lens drive mechanism that moves the condensing lens in the optical axis direction, and a processing head that is fixed to the tip of the robot arm to support the processing head and the processing. It has a head drive mechanism that moves the head in the optical axis direction, and controls the lens drive mechanism and the head drive mechanism so as to keep the distance between the focal point of the condenser lens and the work constant. During execution of control, the longer the distance between the base portion and the tip of the robot arm, or the horizontal component of the distance, the more the focusing is performed by driving the lens driving mechanism in the amount of movement of the focusing lens in the optical axis direction. It is characterized in that the lens driving mechanism and the head driving mechanism are controlled so that the ratio of the moving amount of the lens becomes high and the ratio of the moving amount of the condensing lens due to the driving of the head driving mechanism becomes low.
これにより、ベース部とロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が長くなると、ヘッド駆動機構の駆動による加工ヘッド全体の移動量を減らし、加工ヘッドの一部だけを大きく移動させるので、集光レンズの移動速度を大幅に低くしなくても、ロボットアームの先端の振動を抑制できる。したがって、タクトタイムを抑制しつつ、ロボットアームの先端の振動に起因する切断不良を低減できる。 As a result, when the distance between the base portion and the tip of the robot arm or the horizontal component of the distance becomes long, the amount of movement of the entire machining head due to the drive of the head drive mechanism is reduced, and only a part of the machining head is largely moved. , The vibration of the tip of the robot arm can be suppressed without significantly reducing the moving speed of the condenser lens. Therefore, it is possible to reduce cutting defects caused by vibration of the tip of the robot arm while suppressing the tact time.
また、第2の発明は、前記レンズ駆動機構は、前記集光レンズを第1平均速度で前記光軸方向に移動させ、前記ヘッド駆動機構は、前記加工ヘッドを前記第1平均速度よりも高い第2平均速度で前記光軸方向に移動させることを特徴とする。 Further, in the second invention, the lens driving mechanism moves the condensing lens in the optical axis direction at the first average speed, and the head driving mechanism moves the processing head higher than the first average speed. It is characterized in that it is moved in the optical axis direction at the second average speed.
これにより、ベース部とロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が短くなると、ヘッド駆動機構の駆動による集光レンズの移動量、すなわち第1平均速度よりも高い第2平均速度での移動量が増えるので、タクトタイムを短縮できる。 As a result, when the distance between the base and the tip of the robot arm, or the horizontal component of the distance, becomes shorter, the amount of movement of the condenser lens driven by the head drive mechanism, that is, the second average speed higher than the first average speed. Since the amount of movement of the robot increases, the tact time can be shortened.
本発明によれば、タクトタイムを抑制しつつ、ロボットアームの先端の振動に起因する切断不良を抑制できる。 According to the present invention, it is possible to suppress cutting defects caused by vibration of the tip of the robot arm while suppressing takt time.
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following description of preferred embodiments is merely exemplary and is not intended to limit the present invention, its applications or its uses.
図1に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ切断システム1は、レーザ発振器3と、光ファイバ5と、ロボットシステム7とを備えている。
As shown in FIG. 1, the laser cutting system 1 according to the embodiment of the present invention includes a
レーザ発振器3は、発振によりレーザ光Lを出射する。
The
光ファイバ5は、レーザ発振器3により出射されたレーザ光Lをロボットシステム7の加工ヘッド13(後述)に導く。
The
ロボットシステム7は、ベース部9と、6軸の多関節型のロボットアーム11と、加工ヘッド13と、静電容量式センサ電極15と、ヘッド駆動機構としての一軸アクチュエータ17と、制御装置19とを備えている。ベース部9と、ロボットアーム11と、加工ヘッド13と、センサ電極15と、一軸アクチュエータ17とが、レーザ切断ロボット21を構成する。
The robot system 7 includes a
ロボットアーム11の基端は、ベース部9に接続され、ロボットアーム11の先端には、一軸アクチュエータ17を介して加工ヘッド13が取り付けられている。
The base end of the
加工ヘッド13は、レーザ発振器3により出射されて光ファイバ5によって加工ヘッド13に導かれたレーザ光LをワークWに照射する。加工ヘッド13は、上下方向に延びる略円筒状のケース13aを備え、当該ケース13aが加工ヘッド13の外表面を構成している。
The
ケース13aの内部には、図2に示す円筒状のレンズ駆動機構としてのピエゾアクチュエータ13bがその軸方向をケース13aの長手方向(上下方向)に沿わせた状態で収容されている。ピエゾアクチュエータ13bの下端部は、ケース13aに固定されている。このピエゾアクチュエータ13bは、入力電圧に応じて所定の伸縮速度で軸方向に伸縮する。ピエゾアクチュエータ13bの上端側の面には、集光レンズ13cの外周部が固定されている。この集光レンズ13cは、レーザ発振器3により出射されて光ファイバ5によって加工ヘッド13に導かれたレーザ光Lを集光する。ピエゾアクチュエータ13bは、入力電圧に応じた伸縮動作により、集光レンズ13cを所定の第1平均速度V1で光軸方向(上下方向)に移動させる。
Inside the
また、加工ヘッド13のノズル側の端部には、ワークWとの前記光軸方向の距離に応じた静電容量値を計測値として得るセンサ電極15が設けられている。
Further, at the end of the
一軸アクチュエータ17は、ロボットアーム11の先端に固定され、加工ヘッド13を支持するとともに、加工ヘッド13を前記第1平均速度V1よりも高い第2平均速度V2で集光レンズ13cの光軸方向に移動させる。一軸アクチュエータ17は、加工ヘッド13が固定されるスライダ部品17aと、当該スライダ部品17aを昇降させる本体装置17bとで構成される。本体装置17bは、スライダ部品17aに貫通形成されたねじ孔に螺合するねじ軸17cと、当該ねじ軸17cを回転させるモータ(図示せず)とで構成される。
The
制御装置19は、センサ電極15の計測値に基づいて、集光レンズ13cの焦点F(図5参照)とワークWとの距離を一定に保つようにピエゾアクチュエータ13b及び一軸アクチュエータ17を制御する倣い制御を実行する。制御装置19は、ピエゾアクチュエータ13bの入力電圧を制御することにより、センサ電極15に対する集光レンズ13cの相対位置を制御する。制御装置19は、センサ電極15に対する集光レンズ13cの相対位置、すなわち加工ヘッド13における集光レンズ13cの位置を認識できる。制御装置19の機能は、例えばCPU(Central Processing Unit)によって実現される。
The
ここで、図3を参照して、制御装置19による倣い制御実行中の動作の詳細を説明する。
Here, with reference to FIG. 3, the details of the operation during the execution of the copy control by the
まず、(S101)において、制御装置19は、センサ電極15とワークWとの光軸方向の距離と、センサ電極15により計測される静電容量値との関係を示す関係データを取得する。
First, in (S101), the
次に、(S102)において、制御装置19は、センサ電極15により計測された静電容量値を取得する。センサ電極15により計測される静電容量値は、センサ電極15とワークWとの光軸方向の距離、及び加工ヘッド13とワークWとの光軸方向の距離に応じたものとなる。
Next, in (S102), the
そして、(S103)において、制御装置19は、(S101)で取得した関係データと(S102)で取得した静電容量値とに基づいて、現在のセンサ電極15とワークWとの光軸方向の距離を算出する。
Then, in (S103), the
次に、(S104)において、制御装置19は、(S103)で算出した距離と、現在の加工ヘッド13における集光レンズ13cの位置とに基づいて、集光レンズ13cの焦点Fの現在位置と目標焦点位置との差分を算出する。
Next, in (S104), the
次に、(S105)において、制御装置19は、(S104)で算出した差分に応じて、集光レンズ13cの焦点Fが目標焦点位置に位置するように必要移動量を算出する。
Next, in (S105), the
次に、(S106)において、制御装置19は、ベース部9とロボットアーム11の先端との距離の水平成分HLを取得する。そして、当該水平成分HLに基づいて、前記集光レンズ13cの光軸方向の移動量におけるピエゾアクチュエータ13bの駆動による移動量の割合P1と、前記集光レンズ13cの光軸方向の移動量における一軸アクチュエータ17の駆動による移動量の割合P2とを決定する。具体的には、図4に示すように、水平成分HLが600mm未満である場合には、割合P1,P2の両方を50%とする。また、水平成分HLが600〜1600mmである場合には、水平成分HLが長くなる程、割合P1が高くなるとともに、割合P2が低くなるように割合P1,P2を決定する。また、水平成分HLが1600mmを超える場合には、割合P1を100%とするとともに、割合P2を0%とする。
Next, in (S106), the
そして、(S107)において、制御装置19は、(S105)で算出した必要移動量のうち(S106)で決定した割合P1分の移動量だけ第1平均速度V1で集光レンズ13cを移動させるように、ピエゾアクチュエータ13bを駆動させる。具体的には、必要移動量のうち(S106)で決定した割合P1分の移動量だけピエゾアクチュエータ13bを伸縮させる。図5中、M1は、集光レンズ13cの移動量を示し、SH1は、焦点Fの移動量を示す。また、必要移動量のうち(S106)で決定した割合P2分の移動量だけ第2平均速度V2で加工ヘッド13を移動させるように、一軸アクチュエータ17を駆動させる。図6中、M2は、集光レンズ13cを内蔵する加工ヘッド13の移動量を示し、SH2は、焦点Fの移動量を示す。
Then, in (S107), the
例えば、ベース部9とロボットアーム11の先端との距離の水平成分HLが、800mmである場合には、(S106)において、集光レンズ13cの移動量におけるピエゾアクチュエータ13bの駆動による移動量の割合P1が60%に決定されるとともに、集光レンズ13cの移動量における一軸アクチュエータ17の駆動による移動量の割合P2が40%に決定される。そして、(S107)において、必要移動量のうち60%の移動量だけ集光レンズ13cを移動させるように、制御装置19の制御によってピエゾアクチュエータ13bが駆動する。また、必要移動量のうち40%の移動量だけ加工ヘッド13を移動させるように、制御装置19の制御によって一軸アクチュエータ17が駆動する。
For example, when the horizontal component HL of the distance between the
また、ベース部9とロボットアーム11の先端との距離の水平成分HLが、1200mmである場合には、(S106)において、集光レンズ13cの移動量におけるピエゾアクチュエータ13bの駆動による移動量の割合P1が80%に決定されるとともに、集光レンズ13cの移動量における一軸アクチュエータ17の駆動による移動量の割合P2が20%に決定される。そして、(S107)において、必要移動量のうち80%の移動量だけ集光レンズ13cを移動させるように、制御装置19の制御によってピエゾアクチュエータ13bが駆動する。また、必要移動量のうち20%の移動量だけ加工ヘッド13を移動させるように、制御装置19の制御によって一軸アクチュエータ17が駆動する。
Further, when the horizontal component HL of the distance between the
制御装置19が、上記(S101)〜(S107)の動作を、目標焦点位置を一定の位置に設定した状態で繰り返すことにより、集光レンズ13cの焦点FとワークWとの距離が一定に保たれる。なお、制御装置19が、(S101)の動作を最初に1回だけ行い、(S102)〜(S107)の動作だけを繰り返すようにしてもよい。
The
したがって、本実施形態によれば、ベース部9とロボットアーム11の先端との距離の水平成分HLが長くなると、一軸アクチュエータ17の駆動による加工ヘッド13全体の移動量を減らし、加工ヘッド13の一部だけを大きく移動させるので、集光レンズ13cの移動速度を大幅に低くしなくても、ロボットアーム11の先端の振動を抑制できる。したがって、タクトタイムを抑制しつつ、ロボットアーム11の先端の振動に起因する切断不良を低減できる。
Therefore, according to the present embodiment, when the horizontal component HL of the distance between the
また、ベース部9とロボットアーム11の先端との距離の水平成分HLが短くなると、一軸アクチュエータ17の駆動による集光レンズ13cの移動量、すなわち第1平均速度V1よりも高い第2平均速度V2での移動量が増えるので、タクトタイムを短縮できる。
Further, when the horizontal component HL of the distance between the
なお、本実施形態では、集光レンズ13cを光軸方向にピエゾアクチュエータ13bにより移動させたが、ピエゾアクチュエータ13b以外のレンズ駆動機構により移動させてもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施形態では、加工ヘッド13を集光レンズ13cの光軸方向に一軸アクチュエータ17によって移動させたが、一軸アクチュエータ17以外のヘッド駆動機構により移動させてもよい。
Further, in the present embodiment, the
また、本実施形態では、(S106)において、ベース部9とロボットアーム11の先端との距離の水平成分HLが長くなる程、割合P1が高くなるとともに、割合P2が低くなるように割合P1,P2を決定した。しかし、ベース部9とロボットアーム11の先端との距離自体が長くなる程、割合P1が高くなるとともに、割合P2が低くなるように割合P1,P2を決定してもよい。また、ロボットアーム11の所定の長さに対する伸長率が高くなる程、割合P1が高くなるとともに、割合P2が低くなるように割合P1,P2を決定してもよい。
Further, in the present embodiment, in (S106), as the horizontal component HL of the distance between the
本発明のレーザ切断ロボットの制御方法、ロボットシステム、及びレーザ切断システムは、タクトタイムを抑制しつつ、ロボットアームの先端の振動に起因する切断不良を抑制でき、レーザ光の照射によりワークを切断するレーザ切断ロボットの制御方法、ロボットシステム及びレーザ切断システムとして有用である。 The control method, robot system, and laser cutting system of the laser cutting robot of the present invention can suppress cutting defects caused by vibration of the tip of the robot arm while suppressing tact time, and cut the work by irradiation with laser light. It is useful as a control method for a laser cutting robot, a robot system, and a laser cutting system.
1 レーザ切断システム
3 レーザ発振器
7 ロボットシステム
9 ベース部
11 ロボットアーム
13 加工ヘッド
13b ピエゾアクチュエータ(レンズ駆動機構)
13c 集光レンズ
17 一軸アクチュエータ(ヘッド駆動機構)
19 制御装置
21 レーザ切断ロボット
F 焦点
L レーザ光
W ワーク
V1 第1平均速度
V2 第2平均速度
P1,P2 割合
1
19
Claims (4)
前記レーザ切断ロボットは、ベース部と、
少なくとも1つの関節部を有し、前記ベース部に基端が固定されたロボットアームと、
レーザ発振器により出射されたレーザ光を集光する集光レンズ、及び当該集光レンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動機構を有する加工ヘッドと、
前記ロボットアームの先端に固定され、前記加工ヘッドを支持するとともに、前記加工ヘッドを前記光軸方向に移動させるヘッド駆動機構とを有しており、
前記集光レンズの焦点と前記ワークとの距離を一定に保つように前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御する倣い制御の実行中、前記ベース部と前記ロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が長くなる程、前記集光レンズの光軸方向の移動量における前記レンズ駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が高くなるとともに、前記ヘッド駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が低くなるように、前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御することを特徴とするレーザ切断ロボットの制御方法。 It is a control method of a laser cutting robot that cuts a workpiece by irradiating a laser beam.
The laser cutting robot has a base portion and
A robot arm having at least one joint and having a base end fixed to the base.
A condensing lens that condenses the laser light emitted by the laser oscillator, and a processing head that has a lens drive mechanism that moves the condensing lens in the optical axis direction.
It has a head drive mechanism that is fixed to the tip of the robot arm, supports the processing head, and moves the processing head in the optical axis direction.
During execution of copying control that controls the lens drive mechanism and the head drive mechanism so as to keep the distance between the focal point of the condenser lens and the work constant, the distance between the base portion and the tip of the robot arm, or The longer the horizontal component of the distance, the higher the ratio of the amount of movement of the condenser lens by driving the lens drive mechanism to the amount of movement of the condenser lens in the optical axis direction, and the more the collection by driving the head drive mechanism. A control method for a laser cutting robot, characterized in that the lens drive mechanism and the head drive mechanism are controlled so that the ratio of the amount of movement of the optical lens is low.
前記レンズ駆動機構は、前記集光レンズを第1平均速度で前記光軸方向に移動させ、
前記ヘッド駆動機構は、前記加工ヘッドを前記第1平均速度よりも高い第2平均速度で前記光軸方向に移動させることを特徴とするレーザ切断ロボットの制御方法。 In the method for controlling a laser cutting robot according to claim 1,
The lens driving mechanism moves the condensing lens in the optical axis direction at the first average speed.
The head drive mechanism is a control method for a laser cutting robot, characterized in that the processing head is moved in the optical axis direction at a second average speed higher than the first average speed.
ベース部と、
少なくとも1つの関節部を有し、前記ベース部に基端が固定されたロボットアームと、
レーザ発振器により出射されたレーザ光を集光する集光レンズ、及び当該集光レンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動機構を有する加工ヘッドと、
前記ロボットアームの先端に固定され、前記加工ヘッドを支持するとともに、前記加工ヘッドを前記光軸方向に移動させるヘッド駆動機構とを有するレーザ切断ロボット、及び
前記集光レンズの焦点と前記ワークとの距離を一定に保つように前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御する倣い制御の実行中、前記ベース部と前記ロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が長くなる程、前記集光レンズの光軸方向の移動量における前記レンズ駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が高くなるとともに、前記ヘッド駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が低くなるように、前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御する制御装置を備えていることを特徴とするロボットシステム。 A robot system that cuts a workpiece by irradiating a laser beam.
With the base part
A robot arm having at least one joint and having a base end fixed to the base.
A condensing lens that condenses the laser light emitted by the laser oscillator, and a processing head that has a lens drive mechanism that moves the condensing lens in the optical axis direction.
A laser cutting robot fixed to the tip of the robot arm, supporting the processing head, and having a head drive mechanism for moving the processing head in the optical axis direction, and a focal point of the condensing lens and the work. During execution of copying control for controlling the lens drive mechanism and the head drive mechanism so as to keep the distance constant, the longer the distance between the base portion and the tip of the robot arm, or the horizontal component of the distance, the more the said. The ratio of the amount of movement of the condensing lens driven by the lens driving mechanism to the amount of movement of the condensing lens in the optical axis direction is high, and the ratio of the amount of movement of the condensing lens driven by the head driving mechanism is low. The robot system is provided with a control device for controlling the lens drive mechanism and the head drive mechanism.
前記レーザ発振器とを備えたレーザ切断システム。 The robot system according to claim 3 and
A laser cutting system including the laser oscillator.
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