JP2023106193A - レーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ照射点の移動方向の前方からレーザ照射点にフィラーワイヤを供給するという条件を満たしながら、レーザ照射点の位置決めの制御を容易に行うことが可能なレーザ加工装置を提供する。【解決手段】照射ヘッドが、加工対象物にレーザビームを入射させる。照射ヘッドから出力されたレーザビームの光路の側方にワイヤガイドが配置されている。ワイヤガイドは、レーザビームの光路の側方からレーザ照射点に供給されるフィラーワイヤをガイドする。回転機構が、レーザビームの光路を回転中心軸として、ワイヤガイドを回転移動させる。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

溶接箇所にフィラーワイヤを供給しながら溶接を行うレーザ溶接装置が公知である（特許文献１）。フィラーワイヤをレーザ照射位置に供給してフィラーワイヤを溶融させ、溶融したフィラーワイヤを連続的に隙間や段差に供給して、隙間や段差を埋めることができる。特許文献１に開示されたレーザ溶接装置においては、フィラーワイヤの過剰溶融を回避し、フィラーワイヤを安定溶融させるために、フィラーワイヤの先端の位置ずれ量に応じてレーザ照射位置を補正している。

特開２０２１－０９０９８７号公報

フィラーワイヤは、レーザ照射点の移動方向の前方から供給され、溶接（肉盛り）の進行に合わせてフィラーワイヤを供給する方位も変化させる。このようにすることで、フィラーワイヤが被溶接部の隙間に倣う効果が得られる。多くの場合、多関節ロボットにレーザ照射ヘッドとフィラーワイヤをガイドするワイヤガイドとが一緒に取り付けられている。この場合、レーザ照射点に対して、レーザ照射点の移動方向の前方からフィラーワイヤを供給するために、レーザ照射点を移動させる際に、レーザ照射点に対するワイヤガイドの相対位置も制御しなければならない。

このように、レーザ照射点の位置と、レーザ照射点に対するワイヤガイドの相対的な方位との両方を制御する必要があるため、多関節ロボットの姿勢制御が複雑になる。本発明の目的は、レーザ照射点の移動方向の前方からレーザ照射点にフィラーワイヤを供給するという条件を満たしながら、レーザ照射点の位置決めの制御を容易に行うことが可能なレーザ加工装置を提供することである。

本発明の一観点によると、
加工対象物にレーザビームを入射させる照射ヘッドと、
前記照射ヘッドから出力された前記レーザビームの光路の側方に配置され、前記レーザビームの光路の側方からレーザ照射点に供給されるフィラーワイヤをガイドするワイヤガイドと、
前記レーザビームの光路を回転中心軸として、前記ワイヤガイドを回転移動させる回転機構と
を備えたレーザ加工装置が提供される。

回転機構を制御することにより、フィラーワイヤを供給する方位を変化させることができる。ワイヤガイドは、レーザビームの光路を回転中心軸として回転移動するため、フィラーワイヤを供給する方位を変化させても、レーザ照射点は移動しない。すなわち、ワイヤガイドの回転移動は、レーザ照射点の位置決めに影響を与えない。レーザ照射点の移動方向の前方からレーザ照射点にフィラーワイヤを供給するための制御と、レーザ照射点の位置決めの制御とを独立して行うことができるため、これらの制御を容易に行うことができる。

図１は、一実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図２Ａ及び図２Ｂは、レーザビームの光路に対して垂直な面内方向における照射ヘッド、ワイヤガイド、及び溶接経路の位置関係を示す模式図である。 図３は、制御装置が行う制御の手順を示すフローチャートである。 図４は、他の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図５は、さらに他の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図６は、さらに他の実施例によるレーザ加工装置の概略図である。 図７は、さらに他の実施例によるレーザ加工装置の主要部の概略図である。 図８Ａは、さらに他の実施例によるレーザ加工装置の主要部の概略図であり、図８Ｂは、レーザビームの光路に対して垂直な面内方向におけるレーザ照射点、ワイヤガイド、及び溶接経路の位置関係を示す模式図である。

図１～図３を参照して、一実施例によるレーザ加工装置について説明する。
図１は、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。架台８１に、多関節ロボット２０の基部が固定されている。多関節ロボット２０のアームの先端に、支持具４１及び回転機構４０を介して照射ヘッド１０が支持されている。多関節ロボット２０として、例えば６自由度を持つロボットを用いることができる。

レーザ発振器７１が、制御装置７０から制御されることにより、溶接用のレーザビームを出力する。レーザ発振器７１として、例えばファイバレーザを用いることができる。レーザ発振器７１から出力されたレーザビームがレーザ伝送ファイバ７２を経由して照射ヘッド１０まで伝送される。照射ヘッド１０の先端に対向する位置に加工対象物５０が配置されている。照射ヘッド１０は、集光レンズを備えており、レーザ発振器７１から伝送されたレーザビームを集光し、加工対象物５０に入射させる。

制御装置７０が多関節ロボット２０の姿勢を制御する。制御装置７０は記憶部７０Ｍを備えている。記憶部７０Ｍに、溶接を行うときにレーザ照射点を移動させる経路を定義する溶接経路情報が格納されている。制御装置７０は、記憶部７０Ｍに格納されている溶接経路情報に基づいて多関節ロボット２０を制御する。これにより、レーザ照射点を加工対象物５０の表面上の所定の溶接経路に沿って移動させることができる。さらに、制御装置７０は、加工対象物５０にレーザビームが垂直入射するように、照射ヘッド１０の姿勢を制御する。

照射ヘッド１０に、ワイヤガイド支持具３３によりワイヤガイド３０が固定されている。ワイヤ供給機３２からフィラーワイヤ３１がワイヤガイド３０に供給される。ワイヤガイド３０は、フィラーワイヤ３１の先端が、加工対象物５０の表面のレーザ照射点１５に位置するようにフィラーワイヤを支持し、ガイドする。

回転機構４０は、照射ヘッド１０を、照射ヘッド１０から出力されるレーザビームの光路、例えば集光レンズの光軸を回転中心軸として、照射ヘッド１０を回転移動させる。例えば、レーザビームのビーム断面の中心を連ねた直線（光路の中心軸）を、回転中心軸とする。本明細書において、照射ヘッド１０から出力されたレーザビームの光路を、単に「レーザビームの光路」という場合がある。照射ヘッド１０が回転移動すると、それに取り付けられているワイヤガイド３０も、レーザビームの光路を回転中心軸として回転移動する。

次に、図２Ａ及び図２Ｂを参照して、レーザ溶接中の照射ヘッド１０、ワイヤガイド３０、及び溶接経路６０の位置関係について説明する。図２Ａ及び図２Ｂは、レーザビームの光路に対して垂直な面内方向における照射ヘッド１０、ワイヤガイド３０、及び溶接経路６０の位置関係を示す模式図である。

加工対象物５０（図１）の表面に溶接経路６０が定義されている。照射ヘッド１０から出力されたレーザビームのレーザ照射点１５が、溶接経路６０上に位置決めされる。レーザ照射点１５を溶接経路６０に沿って移動させることにより、溶接が行われる。ワイヤガイド３０が、レーザ照射点１５の移動方向の前方からレーザ照射点１５にフィラーワイヤ３１を供給する。レーザ照射点１５に供給されたフィラーワイヤ３１が溶融することにより、例えば肉盛り加工が行われ、溶接痕６１が形成される。

溶接経路６０が湾曲している場合、溶接経路６０に沿ってレーザ照射点１５が移動すると、レーザ照射点１５の移動方向が変化する。図２Ｂに示すように溶接が進んでレーザ照射点１５の移動方向が変化した場合、レーザビームの光路を回転中心軸として照射ヘッド１０及びワイヤガイド３０を回転移動させることにより、フィラーワイヤ３１がレーザ照射点１５の移動方向の前方から供給される状態を維持することができる。

次に、図３を参照して、制御装置７０が行う制御の手順について説明する。
図３は、制御装置７０が行う制御の手順を示すフローチャートである。まず、制御装置７０は、溶接経路６０（図２Ａ）の形状を定義する情報を取得する（ステップＳ１）。溶接経路６０の形状を定義する情報は、例えば通信装置、リムーバブルメディア読み取り装置等を介して取得される。制御装置７０は多関節ロボット２０を制御して照射ヘッド１０を移動させ、レーザ照射点１５（図２Ａ）を溶接経路６０の開始点に位置決めするとともに、レーザビームが加工対象物５０（図１）に垂直入射するように照射ヘッド１０の姿勢を調整する（ステップＳ２）。

ステップＳ２の制御の後に、またはステップＳ２の制御と並行して、レーザ照射点１５の移動方向の前方からフィラーワイヤ３１が供給されるように、回転機構４０（図１）を制御してワイヤガイド３０を回転移動させる（ステップＳ３）。

次に、制御装置７０は、レーザビームが加工対象物５０に垂直入射し、かつフィラーワイヤ３１がレーザ照射点１５の移動方向の前方からレーザ照射点１５に供給される状態を維持して、レーザ照射点１５を溶接経路６０に沿って移動させる（ステップＳ４）。レーザ照射点１５が溶接経路６０の終点に達するまで、ステップＳ４を継続する（ステップＳ５）。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、多関節ロボット２０を制御することにより、レーザ照射点１５（図２Ａ）を加工対象物５０の表面の任意の位置に位置決めすると共に、レーザビームが加工対象物５０に垂直入射するように照射ヘッド１０の姿勢を調整することができる。

レーザ照射点１５が位置決めされた状態で、回転機構４０を動作させてワイヤガイド３０をレーザビームの光路を中心に回転移動させることができる。ワイヤガイド３０の回転移動は、レーザビームの光路を回転中心軸としているため、ワイヤガイド３０を回転移動させても、レーザ照射点１５にフィラーワイヤ３１が供給される状態が維持される。このように、レーザ照射点１５の位置決めの制御とは独立して、ワイヤガイド３０を回転移動させてフィラーワイヤ３１を供給する方位を調整することができる。すなわち、多関節ロボット２０の制御においては、ワイヤガイド３０の回転方向の位置について考慮する必要がない。したがって、照射ヘッド１０の位置決め、及びワイヤガイド３０の回転方向の位置決めの制御を容易に行うことができる。

また、多関節ロボット２０が取り得るどのような姿勢においても、回転機構４０の制御によってフィラーワイヤ３１をどの方位からでもレーザ照射点１５に供給することができる。したがって、フィラーワイヤ３１をレーザ照射点１５の移動方向の前方から供給するという条件を課しても、多関節ロボット２０によるレーザ照射点１５の位置決め可能な範囲は制約を受けない。

次に、図１～図３を参照して説明した実施例の変形例について説明する。上記実施例では、ワイヤガイド３０の回転移動の回転中心軸を、レーザビームの光路の中心軸に設定しているが、回転中心軸とレーザビームの光路の中心軸とが厳密に一致する必要はない。例えば、レーザビームの光路の中心軸からビーム断面の半径相当の距離より短い距離だけずれた位置の直線を回転中心軸として採用してもよい。

次に、図４を参照して、他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図１～図３を参照して説明した実施例によるレーザ加工装置と共通の構成については説明を省略する。

図４は、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。図１～図３に示した実施例では、多関節ロボット２０の先端に、回転機構４０を介して照射ヘッド１０が支持されている。これに対して本実施例では、多関節ロボット２０の先端の関節２１によって回転する可動部に、支持具４１を介して照射ヘッド１０が支持されている。多関節ロボット２０の先端の関節２１が、図１に示した実施例の回転機構４０を兼ねている。先端の関節２１の回転中心軸が、レーザビームの光路の中心軸と一致する。

ワイヤガイド３０が、ワイヤガイド支持具３３を介して支持具４１に固定されている。先端の関節２１の回転中心軸が、レーザビームの光路の中心軸と一致するため、先端の関節２１を回転させると、ワイヤガイド３０がレーザビームの光路の中心軸を回転中心軸として回転移動する。

照射ヘッド１０から出力されるレーザビームの光路の中心軸が、先端の関節２１の回転中心軸と一致するため、出力されるレーザビームの光路の延長線上にレーザ伝送ファイバ７２を配置することが困難である。このため、本実施例では、レーザ伝送ファイバ７２が照射ヘッド１０の側面に接続されており、側方から照射ヘッド１０内にレーザビームが導入される。照射ヘッド１０内に導入されたレーザビームは、ミラー１１で反射されて加工対象物５０に向かう。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例では、レーザ照射点１５（図２Ａ）の位置決めを行った後、先端の関節２１を回転させることにより、レーザ照射点１５へのフィラーワイヤ３１の供給方位を調整することができる。先端の関節２１を回転させても、レーザ照射点１５の位置は変化しない。したがって、図１～図３に示した実施例と同様に、照射ヘッド１０の位置決め、及びワイヤガイド３０の回転方向の位置決めの制御を容易に行うことができる。さらに、本実施例では、先端の関節２１が図１に示した実施例の回転機構４０を兼ねるため、照射ヘッド１０を移動させる移動機構の構成が簡単になる。

次に、図５を参照してさらに他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図４に示した実施例によるレーザ加工装置と共通の構成については説明を省略する。

図５は、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。図４に示した実施例では、レーザ伝送ファイバ７２が照射ヘッド１０の側面に取り付けられている。これに対して本実施例では、照射ヘッド１０の側面に、側方に向かって突出する突出部１３が設けられている。突出部１３は、先端の関節２１の回転中心軸に対して垂直な面を有している。レーザ伝送ファイバ７２は、この垂直な面に取り付けられている。このため、レーザ伝送ファイバ７２は、突出部１３から、先端の関節２１の回転中心軸に平行な方向に延びる。

レーザ伝送ファイバ７２から突出部１３内に導入されたレーザビームは、ミラー１２で反射されて、回転中心軸上のミラー１１に向かう。その後、レーザビームは、ミラー１１で反射されて加工対象物５０に向かう。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても図４に示した実施例と同様に、照射ヘッド１０の位置決め、及びワイヤガイド３０の回転方向の位置決めの制御を容易に行うことができる。図４に示した実施例では、レーザ伝送ファイバ７２が、先端の関節２１の回転中心軸から半径方向に延びるため、照射ヘッド１０を回転移動させると、レーザ伝送ファイバ７２の取り付け部分が回転方向に大きく振られ、空間的に他の部材と干渉する場合がある。これに対して本実施例では、レーザ伝送ファイバ７２が回転中心軸に平行な方向に延びるため、照射ヘッド１０を回転移動させたときにレーザ伝送ファイバ７２が振られる範囲が狭い。このため、空間的な干渉が生じにくい。

次に、図６を参照してさらに他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図１～図３を参照して説明した実施例によるレーザ加工装置と共通の構成については説明を省略する。

図６は、本実施例によるレーザ加工装置の概略図である。図１～図３に示した実施例では、照射ヘッド１０が多関節ロボット２０の先端に取り付けられている。すなわち、多関節ロボット２０が、照射ヘッド１０を移動させる移動機構として機能する。これに対して図６に示した実施例では、照射ヘッド１０が、回転機構４０、支持具４１、フレーム４２を介してベース８２に支持されている。加工対象物５０が、ベース８２に固定されたＸＹステージ２５に支持されている。制御装置７０がＸＹステージ２５を制御することにより、加工対象物５０が水平面内の二方向に移動させることができる。

照射ヘッド１０に対して加工対象物５０が移動することにより、加工対象物５０の表面上でレーザ照射点１５が移動する。回転機構４０、照射ヘッド１０、及びワイヤガイド３０の構成は、図１～図３に示した実施例のこれらの構成と同一である。

本実施例においては、ＸＹステージ２５を制御することによって加工対象物５０の表面におけるレーザ照射点１５の位置決めを行い、回転機構４０を制御することによって、フィラーワイヤ３１を供給する方位を調整する。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。
本実施例においても、図１～図３に示した実施例と同様に、レーザ照射点１５の位置決め、及びワイヤガイド３０の回転方向の位置決めの制御を容易に行うことができる。

次に、図７を参照して、さらに他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図１～図３を参照して説明した実施例によるレーザ加工装置と共通の構成については説明を省略する。

図７は、本実施例によるレーザ加工装置の主要部の概略図である。図１～図３に示した実施例では、ワイヤガイド３０が照射ヘッド１０に固定されており、照射ヘッド１０及びワイヤガイド３０が、回転機構４０によって回転移動する。これに対して本実施例では、照射ヘッド１０が支持具４１に固定されており、ワイヤガイド３０がワイヤガイド支持具３３及び回転機構４０を介して照射ヘッド１０に支持されている。回転機構４０を駆動すると、ワイヤガイド３０が照射ヘッド１０に対して、レーザビームの光路の中心軸を回転中心軸として回転移動する。

次に、本実施例の優れた効果について説明する。本実施例においても、図１～図３に示した実施例と同様に、レーザ照射点１５の位置決め、及びワイヤガイド３０の回転方向の位置決めの制御を容易に行うことができる。

次に、図８Ａ及び図８Ｂを参照して、さらに他の実施例によるレーザ加工装置について説明する。以下、図１～図３を参照して説明した実施例によるレーザ加工装置と共通の構成については説明を省略する。

図８Ａは、本実施例によるレーザ加工装置の主要部の概略図であり、図８Ｂは、レーザビームの光路に対して垂直な面内方向におけるレーザ照射点、ワイヤガイド、及び溶接経路の位置関係を示す模式図である。図１～図３に示した実施例においては、レーザビームをウィービング（揺動）またはウォブリング（回転移動）させることなくレーザ加工を行うが、本実施例では、レーザビームをウォブリングさせながらレーザ加工を行う。

ウォブリング機構は、例えば２つのガルバノミラーを用いて実現される。２つのガルバノミラーは、それぞれモータによって揺動される。２つのガルバノミラーの揺動によってレーザビームが二次元方向に走査される。溶接用の高出力のレーザビームに対応するために、ガルバノミラーとして、石英材の表面に誘電体多層膜をコーティングしたものが用いられる。

図８Ａに示すように、レーザビームの光路をウォブリングさせている。これにより、図８Ｂに示すように、レーザ照射点１５が円周に沿って移動し、レーザ照射点１５の円周状の軌跡１６が形成される。加工対象物５０を移動させると、加工対象物５０の表面に、溶接経路６０に沿うらせん状の軌跡が形成される。円周状の軌跡１６が通過した領域に溶接痕６１が形成される。回転機構４０は、フィラーワイヤ３１がレーザ照射点１５の軌跡１６に対して、レーザ照射点１５の軌跡１６の進行方向の前方から軌跡１６に向かってフィラーワイヤ３１を供給する。

ワイヤガイド３０は、照射ヘッド１０から出力されるレーザビームの光路の周りに回転移動する。レーザ照射点１５が円周に沿って移動しても、フィラーワイヤ３１をレーザ照射点１５の軌跡１６の中心１７に向かって供給するために、レーザ照射点１５の軌跡１６の中心１７を通過する直線を回転中心軸３５としてワイヤガイド３０を回転移動させることが好ましい。

次に、図８Ａ及び図８Ｂに示した実施例の優れた効果について説明する。本実施例では、レーザビームをウォブリングさせることにより、レーザビームの照射範囲を拡大して、位置ずれに対する十分な裕度を確保することができる。また、図１～図３に示した実施例と同様に、フィラーワイヤ３１をレーザ照射点１５の軌跡１６の移動方向の前方から供給するという条件を課しても、多関節ロボット２０（図１）によるレーザ照射点１５の位置決め可能な範囲は制約を受けない。

次に、図８Ａ、図８Ｂに示した実施例の変形例について説明する。図８Ａ，図８Ｂに示した実施例では、レーザ照射点１５の軌跡１６が円周状になるようにレーザビームをウォブリングさせたが、その他の形状になるようにレーザビームをウォブリングさせてもよい。例えば、レーザ照射点１５を溶接経路６０に対して直交する方向に往復移動させてもよい。このような加工は、ウィービング加工といわれる場合がある。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 照射ヘッド
１１、１２ ミラー
１３ 突出部
１５ レーザ照射点
１６ レーザ照射点の軌跡
１７ 軌跡の中心
２０ 多関節ロボット（移動機構）
２１ 先端の関節
２５ ＸＹステージ
３０ ワイヤガイド
３１ フィラーワイヤ
３２ ワイヤ供給機
３３ ワイヤガイド支持具
３５ 回転中心軸
４０ 回転機構
４１ 支持具
４２ フレーム
５０ 加工対象物
６０ 溶接経路
６１ 溶接痕
７０ 制御装置
７０Ｍ 記憶部
７１ レーザ発振器
７２ レーザ伝送ファイバ
８１ 架台
８２ ベース

Claims (8)

1. 加工対象物にレーザビームを入射させる照射ヘッドと、
   前記照射ヘッドから出力された前記レーザビームの光路の側方に配置され、前記レーザビームの光路の側方からレーザ照射点に供給されるフィラーワイヤをガイドするワイヤガイドと、
   前記レーザビームの光路を回転中心軸として、前記ワイヤガイドを回転移動させる回転機構と
   を備えたレーザ加工装置。
2. さらに、前記レーザ照射点を加工対象物の表面で移動させる移動機構を備えた請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記移動機構は、前記照射ヘッドを支持する多関節ロボットを含む請求項２に記載のレーザ加工装置。
4. 前記回転機構は、前記多関節ロボットの先端に取り付けられている請求項３に記載のレーザ加工装置。
5. 前記照射ヘッドは前記多関節ロボットの先端に固定されており、前記多関節ロボットの最も先端の関節が前記回転機構を兼ねている請求項３に記載のレーザ加工装置。
6. 前記ワイヤガイドは前記照射ヘッドに支持されており、前記回転機構は、前記照射ヘッドとともに前記ワイヤガイドを回転移動させる請求項１または２に記載のレーザ加工装置。
7. 前記回転中心軸は、前記レーザビームの光路の中心軸に一致する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。
8. 前記照射ヘッドは、前記レーザ照射点を回転移動または往復移動させる機能を有しており、前記回転中心軸は、前記レーザ照射点の軌跡の中心を通過する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレーザ加工装置。

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