JP2769647B2

JP2769647B2 - 光ビーム偏向装置用制御信号発生装置

Info

Publication number: JP2769647B2
Application number: JP3045970A
Authority: JP
Inventors: 茂樹藤長; 正和小林; 重貴越智; 潤子桃崎; 真輔井上
Original assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Current assignee: Shinmaywa Industries Ltd
Priority date: 1991-02-18
Filing date: 1991-02-18
Publication date: 1998-06-25
Anticipated expiration: 2013-06-25
Also published as: JPH04262886A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザーロボット等
に適用可能な光ビーム偏向装置を制御するための装置に
関するものであり、特に光ビームを反射させるための傾
斜ミラーが各々取付けられた二つの回転機構を、所定の
回転数と所定の回転位相差を保ちつつ同時に連続回転さ
せるための制御信号を発生させる技術に関している。

【０００２】

【従来の技術】レーザーロボットは種々の用途に用いら
れているが、昨今、溶接ロボットとしての用途が注目さ
れている。ところが、突き合わせ溶接等においてはワー
ク間のギャプが均一でないことが多く、しかもレーザー
ビームのスポット径がかなり小さいため、レーザービー
ムの照射方向を変化させながら溶接を行う，いわゆるウ
ィービング溶接を行わなければ十分な溶接結果を得るこ
とができないという問題点がある。従って、レーザーロ
ボットを溶接ロボットとして利用するにあたっては、そ
のウィービング性能を高めることが必要となる。

【０００３】従来、レーザーロボットにウィービング機
能を持たせる方式としては、大別して二種類の方式があ
ることが知られている。

【０００４】その第一は、アーク溶接ロボット等におい
て従来から用いられている方式であり、図１０（ａ）に
示す様にレーザートーチＬＴ自身を開先方向に直角な方
向に周期的に揺動させつつ、レーザートーチＬＴを開先
方向に沿って移動させる方式である（矢印Ａ１）。

【０００５】またその第二は、図１０（ｂ）で示す様に
レーザートーチＬＴを開先方向に沿った矢印Ａ２の方向
に移動させるとともに、レーザートーチＬＴから発せら
れるレーザービームの偏向角度を矢印Ａ３で示す様に周
期的に変化させる方式である。この第二の方式を実現す
る方法としては、レーザービームの集光レンズを周
期的に振動または揺動させるもの、一対のガルバノ
ミラーの組合わせによりレーザービームを偏向するもの
等が知られている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】（１）課題しかし、上記第一の方式ではトーチを揺動させるための
アームの動きをあまり速くすることができないため、溶
接速度が遅いという問題点がある。

【０００７】一方、第二の方式のうちの方法では、集
光レンズがアームの先端付近に設けられているために、
アームの先端部にレンズ駆動機構を取り付ける必要があ
る。このためアーム先端部のサイズや慣性が増加し、ア
ーム先端部と障害物との干渉の増大や制御性の低下等の
問題が生じる。

【０００８】又、第二の方式のうちの方法において
も、ガルバノミラーの駆動制御が容易でないという問題
が生じる。即ち、溶接用に利用されるレーザーは高出力
レーザー（例えばＣＷ発振の炭酸ガスレーザー）である
ために、ガルバノミラー自身もその高出力に耐え得る様
な材質と厚さが要求され、必然的にその慣性も大きくな
る。更に、ガルバノミラーではミラーを高振動数で振動
させねばならないため、その振動機構へのトルク負荷の
変化が激しい。その結果、各ガルバノミラーの振動の同
期をとることが困難となる。

【０００９】そして上記問題点は、溶接ロボットに限ら
ず、レーザーロボットにおいてレーザービームを周期的
に偏向する必要がある場合に共通の問題点となってい
た。

【００１０】この様な問題点を解決する手段として本出
願人が創作したのが、本出願人の出願に係る特願平２−
１３３４７３号において開示した光ビーム偏向装置であ
り、かかる光ビーム偏向装置をレーザーロボットに適用
することにより、上記問題点を生じることなく、更に制
御性に富んだウィービング溶接を実現することが可能で
ある。尚、この光ビーム偏向装置の構成及び動作等につ
いては、後述する「実施例」の欄において詳細を説明す
ることとし、ここではその構成及び動作原理を簡単に述
べるに留めておく。

【００１１】即ち、この光ビーム偏向装置はモータ等か
らなる２つの回転機構を有し、更におのおのの回転機構
には、その回転軸に垂直な面に対して所定の角度をなし
て傾斜したミラーが取付けられている。そして、この２
つの傾斜ミラーを所定の回転方向に所定の回転数で、且
つ所定の回転位相差で同時に回転させ、この２つの傾斜
ミラーに順次レーザービームを反射させることにより、
レーザービームの周期的偏向を実現しようとするもので
ある。

【００１２】以上の通り、本出願人によって光ビーム偏
向装置を用いた新たなレーザービームのウィービング方
式が提供されたわけであるが、実際にこの光ビーム偏向
装置を実現するためには、２つの回転機構を高精度で電
気的に制御することが必要である。即ち、起動，加速，
減速，停止を含んだ一連の連続運転において、２つの回
転機構を常に所定の回転数及び所定の回転位相差を保ち
ながら同時に高速回転させることが可能な制御信号発生
装置が新たに求められることになる。その様な装置の方
式としては、ステッピングモータ等において用いられて
いる様なパルス列信号によって２つの回転機構（モータ
等）の回転速度とその回転時の位置を制御することが望
ましい。

【００１３】しかし、現在実用化され市販されている様
なモータコントローラは、単にモータの停止位置を制御
できるのみか、あるいは単にモータの回転速度を一定に
保つ様にモータを制御できるのみであって、高速回転し
ている２つのモータの回転中の位置及び回転速度を同時
に高確度で制御するための装置として、かかるモータコ
ントローラを用いることができないのが現状である。従
って、この様な制御を実現できる新規なコントローラの
実現が強く要望されていた。

【００１４】（２）発明の目的この発明は上記要望に応えるべくなされたものであり、
起動，加速，減速，停止等の一連の動作を含んだ連続高
速回転する２つの回転機構が、所定の時間ごとに常に所
定の回転数と所定の回転位相差をもって回転できる様に
光ビーム偏向装置を制御することができ、しかも２つの
回転機構を長時間連続運転する場合において１パルスの
誤差をも発生させない高確度な制御が可能な光ビーム偏
向装置用制御信号発生装置を提供することを目的として
いる。

【００１５】

【課題を解決するための手段】この発明は、光ビーム偏
向装置内の第１の回転機構及び第２の回転機構に与える
べき制御信号を発生する光ビーム偏向装置用制御信号発
生装置において、所定の演算規則に従って、第１及び第
２の回転機構の回転数並びに第１及び第２の回転機構の
回転位相差として与えるべき値を演算するコントローラ
と、コントローラの出力端に接続され、且つ第１のタイ
ミングパルス信号に応じてコントローラの演算結果より
第１及び第２の回転機構それぞれに所定の時間当り与え
るべきパルス数を演算し、当該パルス数についての演算
結果をそれぞれ第１の演算結果及び第２の演算結果とし
て出力するプロセッサと、プロセッサの一つの出力端に
接続され、且つ第２のタイミングパルス信号に応じて第
１の演算結果をパルス列化して第１のパルス列信号を形
成し、第１のパルス列信号を第１の回転機構に与える第
１のパルス列化回路と、プロセッサの他の出力端に接続
され、且つ第２のタイミングパルス信号に応じて第２の
演算結果をパルス列化して第２のパルス列信号を形成
し、第２のパルス列信号を第２の回転機構に与える第２
のパルス列化回路と、第１及び第２のタイミングパルス
信号を発生するタイミングパルス発生回路とを備える様
にしたものである。

【００１６】

【作用】この発明に係る光ビーム偏向装置用制御信号発
生装置におけるプロセッサは、所定の時間ごとに第１の
タイミングパルスを受けて、コントローラによって演算
された第１及び第２の回転機構に与えるべき回転数，及
び回転位相差についての演算結果をコントローラより受
け取り、これらの演算結果に応じて第１の回転機構及び
第２の回転機構それぞれに所定の時間当り与えるべきパ
ルス数を演算し、当該パルス数についてのそれぞれの演
算結果を第１及び第２の演算結果として出力する。この
様にプロセッサは、所定の時間ごとに、第１及び第２の
回転機構それぞれに与えるべきパルス数を管理してい
る。

【００１７】その後、第１のパルス列化回路は、第２の
タイミングパルス信号に応じて第１の演算結果をパルス
列化する。

【００１８】同様に第２のパルス列化回路も第２のタイ
ミングパルス信号に応じて第２の演算結果をパルス列化
する。

【００１９】これにより、所定の時間当りに第１の演算
結果の値に相当する数のパルスを有する第１のパルス列
信号と、所定の時間当りに第２の演算結果の値に相当す
る数のパルスを有する第２のパルス列信号が形成され
る。

【００２０】

【実施例】（Ｉ）光ビーム偏向装置の構成とその動作本発明に係る制御信号発生装置の構成を説明する前に、
まず本制御信号発生装置と一体不可分の関係にある光ビ
ーム偏向装置の構成とその光学的振舞いについて概観す
る。尚、光ビーム偏向装置自身もまた、新規な発明に係
る装置である。

【００２１】図５は、光ビーム偏向装置１０の構成を詳
細に示した断面図である。ここに光ビーム偏向装置１０
は、第１の回転機構４０ａ，ミラー４１ａ，第２の回転
機構４０ｂ，ミラー４１ｂ及び固定反射ミラーＭ１より
構成されており、具体的には次の通りである。

【００２２】第１の回転機構４０ａは第１のサーボモー
タ４２ａとそのローターシャフト４３ａより構成され、
ローターシャフト４３ａの先端には、ローターシャフト
４３ａの中心軸ＲＡ₁に垂直な平面ＰＬ₁に対して角度
Δθ₁だけ傾いた第１の傾斜ミラー４１ａが取付られて
いる。従って、第１の傾斜ミラー４１ａは、この傾斜し
たままの状態でローターシャフト４３ａの回転（回転数
Ｎ₁，回転位相φ₁）に伴い、回転運動を行なう。

【００２３】又、第２の回転機構４０ｂは第２のサーボ
モータ４２ｂとそのローターシャフト４３ｂより構成さ
れ、ローターシャフト４３ｂの先端には、ローターシャ
フト４３ｂの中心軸ＲＡ₂に垂直な平面ＰＬ₂に対して
角度Δθ₂だけ傾いた第２の傾斜ミラー４１ｂが取付け
られている。従って、第２の傾斜ミラー４１ｂも又、こ
の傾斜したままの状態でローターシャフト４３ｂの回転
に伴い、回転数Ｎ₂，回転位相φ₂で回転運動する。

【００２４】そして光ビーム偏向装置１０に対して、レ
ーザー発振器（図示せず）より発振されたレーザービー
ムＬＢ_iが入力部１１より入射され、回転する第１の傾
斜ミラー４１ａ，回転する第２の傾斜ミラー４１ｂ及び
固定反射ミラーＭ１に順次反射された後、反射後のレー
ザービームＬＢ_rが出力部１２より出力される。尚、図
に示されたレーザービームＬＢ_iの光路は第１及び第２
の傾斜ミラー４１ａ，４１ｂが共に静止している場合で
の光路を示している。

【００２５】従って、出力レーザービームＬＢ_rは、第
１及び第２の傾斜ミラー４１ａ，４１ｂの回転運動によ
り、図に示した光路を中心として周期的偏向を受けるこ
とになる。しかもこの偏向の状態は、第１及び第２の傾
斜ミラー４１ａ，４１ｂの回転方向、回転数Ｎ₁，Ｎ₂
及び回転位相差Δφ（Δφ＝φ₂−φ₁）の値いかんに
よっては大きく異なることが、シミュレーション等によ
り確かめられている。

【００２６】ここで、図６〜７は、上記シミュレーショ
ン結果を簡単に示したものであり、各図形は丁度図５に
示した出力レーザービームＬＢ_rの光路に垂直なスクリ
ーンを想定した場合に、出力レーザービームＬＢ_rがこ
のスクリーン上に描く軌跡に相当している。即ち、図６
は、第１及び第２の傾斜ミラー４１ａ，４１ｂが同一方
向にしかも同一回転数（Ｎ₁＝Ｎ₂）でもって回転した
場合の出力レーザービームＬＢ_rの軌跡であり、両ミラ
ー４１ａ，４１ｂの回転位相差Δφをパラメータとして
表わしたものである。同図より明らかな通り、回転位相
差Δφが０でない場合には、出力レーザービームＬＢ_r
は楕円軌道を描くとともに、回転位相差Δφが大きくな
るにつれて楕円軌道の長軸及び短軸の長さが大きくな
る。尚、当然であるが、回転位相差Δφが０の場合に
は、出力レーザービームＬＢ_rは周期的偏向を受けな
い。又、図７の場合は、第１及び第２の傾斜ミラー４１
ａ，４１ｂが同一回転数（Ｎ₁＝Ｎ₂）で互いに反対方
向に回転する際に出力レーザービームＬＢ_rが描く軌跡
を示しており、同じく回転位相差Δφをパラメータとし
て表わしている。この場合には、出力レーザービームＬ
Ｂ_rの軌跡は一定の長さの直線となり、しかもその直線
の傾きΔΨは、回転位相差Δφの値が大きくなるにつれ
て大きくなる。尚、レーザービームＬＢ_rは直線上を振
動することとなるので、以後、直線の傾きΔΨを振動方
向ΔΨと呼ぶことにする。

【００２７】以上述べた光ビーム偏向装置１０は、例え
ばレーザー溶接ロボットの様にレーザービームを加工線
に沿ってウィービングさせる様な装置に適用する際にそ
の効果を発揮する。

【００２８】ここに図８は、光ビーム偏向装置１０をレ
ーザーロボットＲＢに適用した場合の機械的構成を示す
断面図である。同図において、レーザー発振器８より発
したレーザービームＬＢ_iは既述した通り光ビーム偏向
装置１０内を通過する際に周期的偏向を受け、その後レ
ーザービームＬＢ_rはレーザーロボットＲＢの本体内部
に設けられた各反射用ミラーＭ２，Ｍ３及び放物面鏡Ｍ
４に順次反射された後、トーチ７の先端からワークに向
けて照射される。しかもトーチ７の先端は、レーザービ
ームＬＢを照射しながらワーク上の溶接線に沿って移動
する。その結果、レーザービームＬＢはワーク上をウィ
ービングしながら溶接様に沿って走査されることとなる
が、そのウィービングモードとしては既述したレーザー
ビームＬＢ_rの偏向モードによって図９に示す２種類の
モードが得られる。

【００２９】即ち、光ビーム偏向装置１０を通り抜けた
レーザービームＬＢ_rが図６に示す様な軌跡を描く様に
周期的偏向を受ける場合〔両ミラー４１ａ，４１ｂの回
転方向同一，回転数Ｎ₁，Ｎ₂同一，回転位相差Δφ
（≠０）〕には、そのウィービングモードは図９の表中
（ａ）に示す様なスパイラル状の軌跡を描く様なモード
となる。この様なウィービングモードを、本出願人はス
ピンモードと命名している。このスピンモードの場合に
は、両ミラー４１ａ，４１ｂの回転数Ｎ₁，Ｎ₂（Ｎ₁
＝Ｎ₂）及びトーチ７の溶接線に沿って移動する速度、
即ち溶接速度ｖを定めれば本図に示すスピンピッチｐ₁
が定まり、又、両ミラー４１ａ，４１ｂの回転位相差Δ
φを決定すれば図に示すスピン直径ｄが定まる。

【００３０】一方、光ビーム偏向装置１０を通り抜けた
レーザービームＬＢ_rが図７に示す様な有限長の直線を
描く場合〔両ミラー４１ａ，４１ｂの回転方向が逆，回
転数Ｎ₁，Ｎ₂同一，回転位相差Δφ（≠０）〕には、
そのウィービングモードは図９の表中（ｂ）に示す様な
正弦波ないしは鋸波状の軌跡を描くモードとなる。同じ
く本出願人は、このウィービングモードをスキャンモー
ドと命名している。このモードの場合もまた、両ミラー
４１ａ，４１ｂの回転数Ｎ₁，Ｎ₂（Ｎ₁＝Ｎ₂）及び
トーチ７の溶接速度ｖを定めれば本図に示すスキャンピ
ッチｐ₂が定まる。又、両ミラー４１ａ，４１ｂの回転
位相差Δφを定めれば、既述した振動方向Ψを決定する
ことができる。

【００３１】以上、光ビーム偏向装置１０をレーザーロ
ボットＲＢに応用することによってスピン，スキャン２
種類のモードでレーザービームＬＢをウィービングで
き、且つ両ミラー４１ａ，４１ｂの制御量を決定するこ
とにより各ウィービングモードの各パラメータ（ｐ₁，
ｐ₂等）を制御できることを述べたが、これを逆の観点
からみれば、ウィービングモードの各パラメータ値（ｐ
₁，ｄ等）をあらかじめ定めておけば、必要な両ミラー
４１ａ，４１ｂの制御量（Ｎ₁，Ｎ₂，Δφ）の値を決
定することができると言える。

【００３２】例えば、スピンモードの場合には、スピン
ピッチｐ₁の値を指定し、且つ溶接線上の各加工点Ｐ_i
における溶接速度ｖ_iの値を溶接線の情報より決定して
やれば、両ミラー４１ａ，４１ｂの回転数Ｎ₁，Ｎ
₂は、

【００３３】

【数１】

【００３４】により与えられる。

【００３５】又、両ミラー４１ａ，４１ｂの回転位相差
Δφは、放物面鏡Ｍ４の焦点距離をｆ₀とし、更にレー
ザービームＬＢ_rが光ビーム偏向装置１０内で楕円形で
はなく、円形の軌跡を描く様に偏向を受けるものと近似
すれば（この近似は、両ミラー４１ａ，４１ｂが自身の
寸法に比して十分に遠方に配置された理想状態を考えて
いることに相当している。）、簡単な幾何学的考察によ
って数２の様に与えられることがわかる。

【００３６】

【数２】

【００３７】一方スキャンモードの場合には、各加工点
Ｐ_iにおける溶接速度ｖ_iの値はスピンモードと同様に
数１で与えられるが、回転位相差Δφ_iの値はスピンモ
ードの様に一意的に定めることができず、各加工点Ｐ_i
ごとに定める必要がある。特に、レーザーロボットＲＢ
の各アームの駆動による影響を考慮する必要があるた
め、スキャンモードの場合には回転位相差Δφ_iの決定
方法は複雑となる。従って、ここではその具体的決定方
法については触れないこととする。

【００３８】以上、光ビーム偏向装置１０の構成とその
動作を、光ビーム偏向装置１０の応用であるレーザーロ
ボットＲＢとの関係において説明したので、次に、上記
内容を踏まえて、本発明に係る制御信号発生装置の構成
並びにその動作原理について説明する。

【００３９】(II) 制御信号発生装置の電気的構成図１は、この発明の一実施例である光ビーム偏向装置用
制御信号発生装置１００の電気的構成を示すブロック図
であり、制御信号発生装置１００と光ビーム偏向装置１
０との接続関係を明確にすべく、光ビーム偏向装置１０
の断面図をも共に模式的に示している。

【００４０】同図において、タイミングパルス発生回路
１３０は所定の時間Δｔ内（以後、単位時間Δｔと呼
ぶ。）に２^N個のパルスを有する第２のタイミングパル
ス信号ＣＬ２を発生せしめる。又、タイミングパルス発
生回路１３０はデータ長Ｎビットのカウンタ回路１３１
をも備えている。このカウンタ回路１３１は、第２のタ
イミングパルス信号ＣＬ２のパルス数をカウントしてお
り、そのカウント回数が２^N回になるごとに、即ち単位
時間Δｔごとに１個のパルスを発生せしめる。そしてこ
のパルスからなる信号は、タイミングパルス発生回路１
３０より第１のタイミングパルス信号ＣＬ１として、後
述するコントローラ１１０及びマイクロプロセッサ１２
０に加えられる。

【００４１】一方、コントローラ１１０はその出力端が
マイクロプロセッサ１２０の入力端に接続されており、
且つタイミングパルス発生回路１３０内で発生した第１
のタイミングパルス信号ＣＬ１によって所定の演算を行
うこととされている。又、マイクロプロセッサ１２０
は、その出力端の一方が第１のパルス列化回路１４０の
入力端に接続され、その出力端の他方が第２のパルス列
化回路１５０の入力端に接続されているとともに、第１
のタイミングパルス信号ＣＬ１によってその動作が制御
される。そして第１のパルス列化回路１４０及び第２の
パルス列化回路１５０もまた、タイミングパルス発生回
路１３０内で発生した第１及び第２のタイミングパルス
信号ＣＬ１及びＣＬ２によって各動作が制御される。

【００４２】更に、第１のパルス列化回路１４０の出力
端は、第１のサーボアンプ１６０を介して、光ビーム偏
向装置１０内の第１のサーボモータ４２ａの入力端に接
続されており、第２のパルス列化回路１５０もその出力
端が、第２のサーボアンプ１７０を介して、光ビーム偏
向装置１０内の第２のサーボモータ４２ｂの入力端に接
続されている。ここで、第１及び第２のサーボアンプ１
６０，１７０には、パルス列信号を入力することが可能
であって、偏差カウンタを備えたものを使用している。

【００４３】また図２は、第１及び第２のパルス列化回
路１４０，１５０の詳細な電気的構成並びに各信号の流
れを示したブロック図であり、マイクロプロセッサ１２
０及びタイミングパルス発生回路１３０とともに表わさ
れている。同図において、第１のパルス列化回路１４０
は、上段，下段の２種類の指令バッファ１４１，１４
２，加算器１４３及び累算器１４４より構成されて成
る。即ち、上段の指令バッファ１４１の入力端にはマイ
クロプロセッサ１２０の出力端の一端が接続され、上段
の指令バッファ１４１の出力端には、下段の指令バッフ
ァ１４２の入力端が接続されている。又、下段の指令バ
ッファ１４２は第１のタイミングパルス信号Ｃ１によっ
てその動作が制御され、下段の指令バッファ１４２の出
力端には、加算器１４３の入力端の一端が接続されてい
る。この様に指令バッファを上段１４１，下段１４２の
２段構成としたのは、既述した単位時間Δｔ内に後述す
る加算器１４３，累算器１４４及び下段指令バッファ１
４２により加算演算を行わせている間に、上段の指令バ
ッファ１４１がマイクロプロセッサ１２０より出力され
る指令信号を受け取るためである。

【００４４】更に、加算器１４３の出力端の一端は累算
器１４４の入力端に接続されており、累算器１４４の出
力端は加算器１４３の入力端の他端に接続されている。
この様に加算器１４３及び累算器１４４は、加算演算す
るためのループを構成する。その際、累算器１４４は、
第２のタイミングパルス信号ＣＬ２に同期してその保持
するデータを入力信号の一つとして加算器１４３へ出力
する。又、累算器１４４のさらに別の入力端には、上段
の指令バッファ１４１の入力端にも接続されているマイ
クロプロセッサ１２０の出力端の一端が直接に接続され
ている。これは、加算演算の初期状態として、累算器１
４４の累算結果を０にするためである。尚、この加算器
１４３の桁数はＮビットであり、従ってその加算結果が
２^Nの整数倍となるごとに加算器１４３は、１パルスを
桁上がりとしてその出力端の一端から出力する（信号ｆ
₁）。

【００４５】一方、第２のパルス列化回路１５０もま
た、第１のパルス列化回路１４０と全く同様の構成から
成りたっており、上段及び下段の指定バッファ１５１，
１５２，加算器１５３及び累算器１５４から構成されて
いる。以上の様に第１及び第２のパルス列化回路１４
０，１５０は共通のタイミング信号、即ち第１及び第２
のタイミングパルス信号ＣＬ１，ＣＬ２によってその動
作がコントロールされているが、これはサーボモータ４
２ａ，４２ｂの回転位相差を正確に制御するためであ
る。

【００４６】(III) 制御信号発生装置の動作図３は、第１のパルス列化回路１４０により第１のパル
ス列信号ｆ₁が発生するまでの各構成部における信号処
理の動作を時系列的に表わしたタイミングチャートであ
る。即ち、図３（ａ）は時間軸Ｔに対してコントローラ
１１０において行われる演算処理の始期並びにその終期
を示しており、図３（ｂ），（ｆ）は、それぞれ第１及
び第２のタイミングパルス信号ＣＬ１，ＣＬ２の波形で
ある。又、図３（ｃ）は、コントローラ１１０における
演算結果（Ｎ，Δφ）を受けて、マイクロプロセッサ１
２０が第１のパルス列化回路１４０に第１の演算結果Δ
Ｐ₁として与えるための第１の演算処理の始期並びにそ
の終期を示したものであり、図３（ｄ）は、上段の指令
バッファ１４１がマイクロプロセッサ１２０より第１の
演算結果ΔＰ₁を読み取る始期並びにその結果ΔＰ₁を
格納している時間を示したものである。又、図３（ｅ）
は下段の指令バッファ１４２が上段の指令バッファ１４
１より第１の演算結果ΔＰ₁を読み取る始期及び、読み
取り後その結果ΔＰ₁を格納している時間を示すもので
ある。更に、図３（ｇ）は、加算器１４３及び累算器１
４４における加算演算の始期並びにその演算時間を示し
ており、かかる加算結果に応じて第１のパルス列信号ｆ
₁が発生する状況を示したのが図３（ｈ）である。この
様に第１のタイミングパルス信号ＣＬ１の周期に当たる
単位時間Δｔごとに、マイクロプロセッサ１２０が新た
な第１の演算を実行し、新たな第１の演算結果（Δ
Ｐ₁）_iを出力するとともに、並行して加算器１４３及
び累算器１４４がその前の第１の演算結果（ΔＰ₁）
_i-1に基づいて加算演算を行い、第１の演算結果（ΔＰ
₁）_i-1に等しい数のパルスを出力していることがわか
る。

【００４７】又、図４は、第２のパルス列信号ｆ₂の発
生に関する図３と同様のタイミングチャートであり、図
４（ｃ）はマイクロプロセッサ１２０が第２のパルス列
化回路１５０に与える第２の演算結果ΔＰ₂を演算する
ための始期及びその終期を、図４（ｄ）は上段の指令バ
ッファ１５１が第２の演算結果ΔＰ₂を読込む始期及び
その結果ΔＰ₂を格納している時間を、図４（ｅ）は下
段の指令バッファ１５２が上段の指令バッファ１５１よ
り第２の演算結果ΔＰ₂を読み取る始期及び読み取り後
その結果ΔＰ₂を格納している時間を、図４（ｇ）は加
算器１５３及び累算器１５４における加算演算の始期及
びその終期を、図４（ｈ）は加算演算に対応して発生す
る第２のパルス列信号ｆ₂の波形を示している。図４
（ａ），（ｂ），（ｆ）は、各々第３図（ａ），
（ｂ），（ｆ）と同じである。以下、制御信号発生装置
１００の動作の詳細を、図３及び図４に基づき上位構成
部より順に説明してゆくこととする。

【００４８】（ａ）コントローラにおける動作コントローラ１１０は、第１のサーボモータ４２ａ及び
第２のサーボモータ４２ｂの回転数Ｎ₁，Ｎ₂並びに両
モータ４２ａ，４２ｂの回転位相差Δφを所定の演算規
則に基づいて演算する。ここに所定の演算規則とは、光
ビーム偏向装置１０の出力レーザービームＬＢ_rが所望
のモードで周期的偏向を受ける様に回転数Ｎ₁，Ｎ₂及
び回転位相差Δφを定める演算則のことをいう。例え
ば、光ビーム偏向装置１０をレーザーロボットＲＢに適
用する場合では、レーザービームＬＢをスピンモードで
ウィービングさせようと欲するときには、コントローラ
１１０は数１及び数２に基づいて回転数Ｎ₁及びＮ₂，
並びに回転位相差Δφを計算することとなる。この場合
には、溶接線上の加工点Ｐ_i（ティーテング点や補間
点）ごとに回転数Ｎ₁，Ｎ₂の値が数１に基づき計算さ
れ、回転位相差Δφはスピン直径ｄの指定より一意的に
定まり、各加工点Ｐ_iごとに計算する必要はない。しか
し、スキャンモードでレーザービームＬＢをウィービン
グさせる場合には、既述した通り回転数Ｎ₁，Ｎ₂並び
に回転位相差Δφを各加工点Ｐ_iごとに定めなければな
らない。従って一般的には、トーチ７の先端が加工点Ｐ
_iと次の加工点Ｐ_i+1を移動する時間Δｔ₀ごとにコン
トローラ１１０は、回転数Ｎ₁，Ｎ₂及び回転位相差Δ
φの値を演算することとなる。即ち、本発明において
は、制御信号発生装置１００の単位時間Δｔは、移動時
間Δｔ₀（尚、移動時間Δｔ₀はレーザーロボットＲＢ
自身のメインコントローラより各アームへ駆動指令信号
が発せられる際の指令間隔を指す。）以下でなければな
らない。そこで図１に示した本実施例においては、図３
（ａ），図４（ａ）に示す様にコントローラ１１０は、
単位時間Δｔごとに、即ち第１のタイミングパルス信号
ＣＬ１の“０”レベルから“１”レベルへの立ち上り時
に応答して第１及び第２のサーボモータ４２ａ，４２ｂ
の回転数Ｎ₁，Ｎ₂及び回転位相差Δφの値を演算する
こととしている。又、図３（ａ），図４（ａ）では一般
化すべく、任意の時刻ｔにおいてコントローラ１１０が
演算すべき回転数Ｎ₁，Ｎ₂（Ｎ₁＝Ｎ₂＝Ｎ）の値を
回転数Ｎ_i+1と、回転位相差Δφの値をΔφ_i+1と記述
している。従って、図３，図４には図示されてはいない
が、回転数Ｎ_i及び回転位相差Δφ_iは、時刻ｔ−Δｔ
においてコントローラ１１０によって演算された結果で
ある。

【００４９】（ｂ）マイクロプロセッサにおける動作マイクロプロセッサ１２０は、第１のタイミングパルス
信号ＣＬ１の“０”レベルから“１”レベルへの立上り
時に応答して、コントローラ１１０より回転数Ｎ_i及び
回転位相差Δφ_iを読み出し、第１のサーボモータ４２
ａ及び第２のサーボモータ４２ｂに与えるべきパルス数
の演算、即ち第１の演算及び第２の演算を開始する（図
３（ｃ），図４（ｃ））。この回転数Ｎ_i，回転位相差
Δφ_iから単位時間Δｔ当りに与えるべきパルス数（Δ
Ｐ₁）_i（第１の演算結果）及び（ΔＰ₂）_i（第２の
演算結果）を求めるための演算規則は、次の様にして導
出される。

【００５０】即ち、第１及び第２のサーボモータ４２
ａ，４２ｂのモータ１回転当りに要するパルス数がとも
にｎ（パルス数／回転）であるとし、両サーボモータ４
２ａ，４２ｂの回転位相差が０であるとすれば、このと
き両サーボモータ４２ａ，４２ｂに単位時間Δｔ当り与
えるべき指令パルス数（ΔＰ_A）_iは、

【００５１】

【数３】

【００５２】となる。又、両サーボモータ４２ａ，４２
ｂの回転位相間に回転位相差Δφを生じさせるために必
要な回転位相差指令パルス数（ΔＰ_B）_iは、

【００５３】

【数４】

【００５４】である。

【００５５】ここで、回転位相差指令パルス数（Δ
Ｐ_B）_iの初期値（ΔＰ_B）_oを０であるものとすれ
ば、ある時刻ｔにおいて、両サーボモータ４２ａ，４２
ｂを回転位相差（Δφ）_iで回転させるということは、
その前の時刻ｔ−Δｔから時刻ｔまでの時間内は回転位
相差（Δφ）_i-1で回転していた両サーボモータ４２
ａ，４２ｂを、時刻ｔにおいて回転位相差（Δφ）_iで
回転する様に両サーボモータ４２ａ，４２ｂを加速ない
しは減速させることに相当するので、その加減速に必要
な時刻ｔにおけるパルス数（ｄ_p）_iは、

【００５６】

【数５】

【００５７】となる。今、上記加減速のためのトルクを
両サーボモータ４２ａ，４２ｂに均等に分担するものと
すれば（もちろん一方のサーボモータに負担させること
も可能である。）、時刻ｔにおいて第１及び第２のサー
ボモータ４２ａ，４２ｂに単位時間Δｔ内に与えるべき
パルス数（ΔＰ₁）_i，（ΔＰ₂）_iは、

【００５８】

【数６】

【００５９】

【数７】

【００６０】によって与えられる。

【００６１】よって、マイクロプロセッサ１２０は単位
時間Δｔごとに、回転数Ｎ_i，回転位相差Δφ_iの演算
値を数３〜数７に基づいて両サーボモータ４２ａ，４２
ｂに与えるべきパルス数（ΔＰ₁）_i，（ΔＰ₂）_iの
値に変換することができる。

【００６２】（ｃ）第１のパルス列化回路における動
作次に第１のパルス列化回路１４０の動作について詳述す
る。まずマイクロプロセッサ１２０は、第１の演算終了
後にその第１の演算結果（ΔＰ₁）_iを上段の指令バッ
ファ２１へロードする。そして、上段の指令バッファ１
４１による第１の演算結果（ΔＰ₁）_iの読み込みが行
なわれ、読み込まれた第１の演算結果（ΔＰ₁）_iは時
刻ｔ＋Δｔまでの間、上段の指令バッファ１４１におい
て保持され続ける。

【００６３】一方、下段の指令バッファ１４２は時刻ｔ
において、第１のタイミングパルス信号ＣＬ１に同期し
て上段の指令バッファ１４１に保持されていた第１の演
算結果（ΔＰ₁）_i-1を読み出し、今まで保持していた
第１の演算結果（ΔＰ₁）_i- ₂にかえて新たな第１の演
算結果（ΔＰ₁）_i-1を格納するとともに、その第１の
演算結果（ΔＰ₁）_i-1を加算器１４３の入力端の一端
にロードする。

【００６４】そして第２のタイミングパルス信号ＣＬ２
が“１”レベルから“０”レベルへ立ち下がる時（時刻
ｔ₁）に同期して、累算器１４４からその累算結果が加
算器１４３の入力端の他端へロードされる。そして第２
のタイミングパルス信号ＣＬ２は単位時間Δｔ当たり２
^N個のパルスを有するので、時間Δｔ内に下段の指令バ
ッファ１４２，加算器１４３及び累算器１４４において
２^N回の第１の演算結果（ΔＰ₁）_i-1の積算が行われ
ることとなる。即ち、

【００６５】

【数８】

【００６６】で表わされる演算が行われる。ところで加
算器１４３は、既述した通りその加算桁数がＮビットで
あるので、この数８の意味するところは、加算器１４３
において桁上りが（ΔＰ₁）_i-1回行われるということ
である。従って、加算器１４３からは時間Δｔ内に（Δ
Ｐ₁）_i-1個のパルスが出力される。

【００６７】そして、以上の演算処理の完了とともに再
び時刻ｔ＋Δｔにおいて同一の一連の演算処理が開始さ
れ、時間Δｔ内に（ΔＰ₁）_i個のパルスが出力され
る。以後、同様に単位時間Δｔごとに（ΔＰ₁）
_i+1個，（ΔＰ₁）_i+2個，……のパルスが引き続いて
出力される。こうして単位時間Δｔごとにパルス数の異
なる第１のパルス列信号ｆ₁が形成される。

【００６８】（ｄ）第２のパルス列化回路における動
作第２のパルス列化回路１５０の動作は実質的に第１のパ
ルス列化回路１４０と同様である。従って、図４（ｈ）
に示す如く単位時間Δｔごとにパルス数の異なる第２の
パルス列信号ｆ₂が形成される。

【００６９】（ｅ）サーボモータの動作第１のパルス列信号ｆ₁及び第２のパルス列信号ｆ₂は
それぞれ、第１のサーボアンプ１６０，第２のサーボア
ンプ１７０を介して第１のサーボモータ４２ａ，第２の
サーボモータ４２ｂに与えられる。その結果、第１及び
第２のサーボモータ４２ａ，４２ｂは、単位時間Δｔご
とに同期して加速・減速を行い、各単位時間Δｔ内は常
に所定の回転数でもって、且つ所定の回転位相差を相対
的に保ちながら回転する様になる。しかも本制御信号発
生装置１００は上述した様に簡単な電気的構成から成
り、タイミングパルス発生回路１３０が正確に第１及び
第２のタイミングパルス信号ＣＬ１，ＣＬ２を発生させ
ている限り、マイクロプロセッサ１２０や第１及び第２
のパルス列化回路１４０，１５０等において誤差が生ず
ることは殆ど無いと言える。従って、本制御信号発生装
置１００から発する２つの異なるパルス列信号ｆ₁，ｆ
₂によって、両サーボモータ４２ａ，４２ｂの連続運転
を高確度でコントロールすることが可能となる。

【００７０】（ｆ）変形例本実施例においてはコントローラ１１０の回転数Ｎ_i，
回転位相差Δφ_iの演算を第１のタイミングパルス信号
ＣＬ１に同期して行わせる場合を示したが、これに限る
ものではなく、結局のところは単位時間Δｔ内ならばい
つ演算を開始しても良く、その演算時間が単位時間Δｔ
内に終了する様にコントローラ１１０を同期してやれば
良いのである。従って、本実施例の如く第１のタイミン
グパルス信号ＣＬ１をコントローラ１１０の同期信号に
用いる必要もなく、第１のタイミングパルス信号ＣＬ１
に対してある時間だけ位相が遅延した別のタイミング信
号を同期信号として用いることもできる。

【００７１】又、コントローラ１１０の演算結果Ｎ_i，
Δφ_iの値が常に等しいと近似できる場合（例えば、レ
ーザーロボットＲＢにおいてティーチング点間を直線補
間する様な場合）には、コントローラ１１０からは常に
一定の演算結果がマイクロプロセッサ１２０にロードさ
れ続けるので、ティーチング点間では係るコントローラ
１１０の同期用タイミングパルス信号そのものが不要で
ある。

【００７２】更に全ティーチング点間を直線補間する様
な粗い近似が可能な場合には、第１及び第２のパルス列
化回路１４０，１５０内における指令バッファを図２の
如く上段，下段の２種類に分ける必要も無く、１種類の
指令バッファで済ますこが出来る。従って，第１のタイ
ミングパルス信号ＣＬ１を第１及び第２のパルス列化回
路１４０，１５０に与える必要は無く，その様な場合に
は，マイクロプロセッサ１２０をコントロールする第１
のタイミングパルス信号ＣＬ１並びに第１及び第２のパ
ルス列化回路１４０，１５０をコントロールする第２の
タイミングパルス信号ＣＬ２が同期信号として重要とな
る。

【００７３】又，本実施例では光ビーム偏向装置１０が
２つのサーボモータ４２ａ，４２ｂを有する場合につい
て述べたが、光ビーム偏向装置１０が数個（三個以上）
のサーボモータを有する場合についても本発明を適用す
ることが可能であることは言うまでもない。但しその様
な場合には，パルス列化回路がサーボモータの数だけ必
要となる。

【００７４】

【発明の効果】この発明によれば、光ビームを所定のモ
ードで周期的に偏向させるために光ビーム偏向装置内の
２つの回転機構を所定の時間ごとに加速，減速等を行な
いつつ、所定の時間ごとに定められた所定の回転数と所
定の回転位相差でもって、連続高速回転させることがで
きる光ビーム偏向装置用制御信号発生装置を提供できる
効果がある。

【００７５】しかも、この光ビーム偏向装置用制御信号
発生装置は簡単な電気的構成からなり、所定の時間ごと
に所定の回転数、回転位相差で２つの回転機構を回転さ
せるための情報を２つのパルス列信号に置換して２つの
回転機構の回転を制御しているので、２つの回転機構を
容易に且つ１パルスの誤差なく高確度に制御できる効果
をも有している。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例である光ビーム偏向装置用
制御信号発生装置１０の電気的構成を示すブロック図で
ある。

【図２】第１及び第２のパルス列化回路の電気的構成を
示すブロック図である。

【図３】第１のパルス列信号が発生するまでの各構成部
の動作を表わしたタイミングチャートである。

【図４】第２のパルス列信号が発生するまでの各構成部
の動作を表わしたタイミングチャートである。

【図５】光ビーム偏向装置の光学的構成を示した断面図
である。

【図６】シミュレーション結果を示す説明図である。

【図７】シミュレーション結果を示す説明図である。

【図８】レーザーロボットの機械的構成を示す断面図で
ある。

【図９】レーザービームのウィービングモードを示す説
明図である。

【図１０】アーク溶接ロボット等において従来から用い
られている方式を示す説明図である。

【符号】１００光ビーム偏向装置用制御信号発生回路１１０コントローラ１２０マイクロプロセッサ１３０タイミングパルス発生回路１４０第１のパルス列化回路１５０第２のパルス列化回路１０光ビーム偏向装置４０ａ第１の回転機構４０ｂ第２の回転機構ＬＢ_i レーザービームＬＢ_r レーザービームＬＢレーザービームＣＬ１第１のタイミングパルス信号ＣＬ２第２のタイミングパルス信号Ｎ回転数 Δφ 回転位相差 ΔＰ₁ 第１の演算結果 ΔＰ₂ 第２の演算結果ｆ₁ 第１のパルス列信号ｆ₂ 第２のパルス列信号

フロントページの続き (72)発明者桃崎潤子兵庫県西宮市田近野町６番107号新明和工業株式会社開発技術本部内 (72)発明者井上真輔兵庫県宝塚市新明和町１番１号新明和工業株式会社産業機械事業部内 (56)参考文献特開昭63−289523（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−292122（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−45149（ＪＰ，Ａ) 特開平２−121789（ＪＰ，Ａ) 特開平４−220190（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】第１及び第２の回転機構、前記第１の回
転機構の回転軸に垂直な面に対して所定の角度をなす様
に前記第１の回転機構の回転軸に取付けられた第１の傾
斜ミラー及び前記第２の回転機構の回転軸に垂直な面に
対して所定の角度をなす様に前記第２の回転機構の回転
軸に取付けられた第２の傾斜ミラーを備えてなり、入射
した光ビームを回転している前記第１の傾斜ミラー及び
前記第２の傾斜ミラーによって順次反射させることによ
り、前記光ビームを周期的に偏向する光ビーム偏向装置
と組合わせて使用され、前記第１の回転機構及び前記第
２の回転機構に与えるべき制御信号を発生する光ビーム
偏向装置用制御信号発生装置において、（ａ）所定の
演算規則に従って、前記第１及び第２の回転機構の回転
数並びに前記第１及び第２の回転機構の回転位相差とし
て与えるべき値を演算するコントローラと、（ｂ）前
記コントローラの出力端に接続され、且つ第１のタイミ
ングパルス信号に応じて前記コントローラの演算結果よ
り前記第１及び第２の回転機構それぞれに所定の時間当
り与えるべきパルス数を演算し、当該パルス数について
の演算結果をそれぞれ第１の演算結果及び第２の演算結
果として出力するプロセッサと、（ｃ）前記プロセッ
サの一つの出力端に接続され、且つ第２のタイミングパ
ルス信号に応じて前記第１の演算結果をパルス列化して
第１のパルス列信号を形成し、前記第１のパルス列信号
を前記第１の回転機構に与える第１のパルス列化回路
と、（ｄ）前記プロセッサの他の出力端に接続され、
且つ第２のタイミングパルス信号に応じて前記第２の演
算結果をパルス列化して第２のパルス列信号を形成し、
前記第２のパルス列信号を前記第２の回転機構に与える
第２のパルス列化回路と、（ｅ）前記第１及び第２の
タイミングパルス信号を発生するタイミングパルス発生
回路とを備えたことを特徴とする光ビーム偏向装置用制
御信号発生装置。