JP3198830B2

JP3198830B2 - レーザ加工機

Info

Publication number: JP3198830B2
Application number: JP27512994A
Authority: JP
Inventors: 明臼井; 重典八木; 久由関口; 勝美高木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-11-09
Filing date: 1994-11-09
Publication date: 2001-08-13
Anticipated expiration: 2016-08-13
Also published as: JPH08132264A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、レーザ加工機に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は、例えば米国特許第４６９８４８
３号公報に示された、従来のレーザ溶接加工機全体を示
す概略図であり、具体的には溶接用レーザロボット加工
機である。図７は図６に示された外部ベンドミラーユニ
ットの詳細図である。図６において、１はレーザ発振
器、２はレーザ発振器１から発振される加工用レーザ光
としてのＣＯ₂ レーザ光、３はＣＯ₂ レーザ光２と重畳
された可視レーザ光である。４はレーザ発振器１と後述
するレーザ溶接ロボット５とを連結し、内部をレーザ光
２及び３が通る外部ビーム伝送路である。４０Ａ及び４
０Ｂは外部ビーム伝送路４の屈曲部に設けられレーザ光
の光路の方向を９０度変更する外部ベンドミラーユニッ
トである。５は加工物に対しレーザ光を溶接個所に導き
レーザ加工を行なうレーザ溶接ロボットであり、この従
来例のものの場合、５軸垂直多関節型ロボットを使用し
ている。６Ａから６Ｆまでは基本的に同一形状・構造を
した内部ベンドミラーユニット（以下、適宜内部ミラー
ユニットと記す）であり、７は放物面鏡８などで構成さ
れレーザ光２及び３を集光する加工ヘッドである。８ａ
は放物面鏡８で集光されたレーザ光２及び３の焦点であ
り、またほぼこの位置が加工点でもある。９は外部ビー
ム伝送路４を構成するビームダクト部であり、９Ａ，９
Ｂ，９Ｃは個々のビームダクトである。

【０００３】図７は従来の外部ベンドミラーユニット
（例えば外部ベンドミラーユニット４０Ａ）の詳細図で
ある。４１はＣＯ₂ レーザ光２、可視レーザ光３の光路
を直角（９０度）に曲げるベンドミラー、４２はベンド
ミラー４１を保持するミラーホルダであり、４１ａはレ
ーザ光を曲げたときのベンドミラー４１の中心点であ
り、中心点４１ａを中心にしてミラーホルダ４２は回転
する。４３はベンドミラー４１を保持する押え板であ
る。４４Ａはミラーホルダ４２を保持するベンドブロッ
ク、４５は球面軸受け面、４６は角度調整ネジ、４７は
固定ナット、４８は支持板、４９は固定ネジである。

【０００４】次に動作について説明する。図６のレーザ
発振器１からＣＯ₂ レーザ光２と可視レーザ光３とが出
射される。この２つのレーザ光は重畳されており、加工
動作時はＣＯ₂ レーザ光２が出射され、非加工時は可視
レーザ光３が出射される。ＣＯ₂ レーザ光２は加工に使
用するものであり、一方、可視レーザ光３は光軸の調整
時及び教示作業時の加工点の確認に使用する。

【０００５】ＣＯ₂ レーザ光２の出射時（レーザ加工）
の動作について説明する。ＣＯ₂ レーザ光２は外部ベン
ドミラーユニット４０Ａで下方に曲げられ、外部ベンド
ミラーユニット４０Ｂで再度光路を曲げられてレーザ溶
接ロボット５に入る。外部ベンドミラーユニット４０
Ａ，４０Ｂには、ロボット５の正規な位置に入射出来る
ように光軸調整機能が設けられている。下部より入射し
たレーザ光２はロボットベースに取り付けられた内部ミ
ラーユニット６Ａで上方へ曲げられ旋回軸（第１軸）に
取り付けられた内部ミラーユニット６Ｂで一旦外へ出
る。下腕（第２軸）に取り付けられた内部ミラーユニッ
ト６Ｃ，６Ｄにより再びロボット５の内部へ入り、上腕
（第３軸）に取り付けられた内部ミラーユニット６Ｅに
より、手首軸の方へ向けられる。回転軸（第４軸）に取
り付けられた内部ミラーユニット６Ｆと振れ軸（第５
軸）に取り付けられた加工ヘッド７により手首軸を構成
する。加工ヘッド７（第５軸）では、放物面鏡８により
ＣＯ₂ レーザ光２が絞られ焦点８ａに集光する。溶接加
工時には、被加工物の加工点を空気より遮断するために
加工ガスが必要であり、加工ガスはＣＯ₂ レーザ光２と
同心状で加工点に吹き付けられ、一般にはアルゴンまた
はヘリウムガスが使用される。加工ガスを流し、移動と
同時にＣＯ₂ レーザ光２を出射することでレーザ溶接加
工を行なう。

【０００６】次に、可視レーザ光３の用途（機能）につ
いて説明する。ＣＯ₂ レーザ光２を出射していないと
き、この可視レーザ光３が出射される。可視レーザ光３
の用途は、光軸の調整、教示作業の加工点の確認、
ＣＯ₂レーザ光の出射の有無の確認などである。

【０００７】光軸の調整を行なう場合、発振器１から出
射された可視レーザ光３は外部ベンドミラーユニット４
０Ａに入射し、下方へ曲がって外部ベンドミラーユニッ
ト４０Ｂを通るように調整する。具体的な調整方法とし
ては、まずビームダクト９Ｂをはずし、外部ベンドミラ
ーユニット４０Ｂのベンドブロック４４Ｂの入口にグラ
フ用紙など光軸の中心を確認出来るものを貼り、可視レ
ーザ光３が孔の中心に来るように外部ベンドミラーユニ
ット４０Ａの角度調整ネジ４６を使って調整する。ミラ
ーホルダ４２は中心点４１ａを中心に回転する構造にな
っている。次にビームダクト９Ｃをはずし、同様の調整
を行なう。この他、ロボット５内の内部ミラーユニット
６Ａ〜６Ｆも同様の方法で順次調整を行ない、放物面鏡
８まで光軸を調整する。

【０００８】教示時の焦点確認として、ＣＯ₂ レーザ光
２と可視レーザ光３とは重畳されており、２つのレーザ
光の焦点位置は略一致する。従って可視レーザ光３の焦
点を被加工物の溶接作業点に合わせることにより、ＣＯ
₂ レーザ光２の焦点も調整されることになる。

【０００９】ちなみに、ＣＯ₂ レーザ光２と可視レーザ
光３とはスライドミラー（図示しない）による交替機構
となっており、ノズル先端に可視レーザ光３が出射され
ていることを目視することによりＣＯ₂ レーザ光２が出
射されていないことを確認出来る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のレ
ーザ加工機では、ＣＯ₂ レーザ光２の光軸を調整する場
合、各ベンドブロックにグラフ用紙等を貼り、ＣＯ₂ レ
ーザ光２に重畳された可視レーザ光３の光軸が各ベンド
ブロックの中心を通るように目視によって調整するとい
う方法をとっているため、光軸の調整が、用紙の貼り方
・見る角度等の、作業者の個人差によってばらつき、正
確さに欠け、またビームダクトを取り外したりする必要
があり、調整に大変な手間がかかるという問題点があっ
た。

【００１１】また、可視レーザ光３にはＨｅ−Ｎｅレー
ザが使用されているが、可視レーザ光３は基準光である
ためＣＯ₂ レーザ光２のポインティングスタビリティの
１０倍程度の安定性が要求されている。ところが実際に
はその特性が悪く、ＣＯ₂ レーザ光２とほぼ同等の特性
を持つにとどまっている。周囲の温度変化、及び起動時
のウォーミング中に変化していくという問題点もあっ
た。特に溶接がむづかしい亜鉛メッキ鋼板等の重ね合わ
せ溶接等の場合、しばしばブローホールが発生するとい
った問題点もあった。

【００１２】この発明は、上述のような課題を解決する
ためになされたもので、個人差、また調整に用いるレー
ザ光の特性による精度の低下が生じることなく、また余
り過大な時間・手間がかかることなく、光軸の調整がで
きるレーザ加工機を得ることを目的とするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係るレーザ加
工機は、安定型共振器から出射された加工用レーザ光の
光路を形成するビーム伝送路と、このビーム伝送路の屈
曲部に設けられたベンドミラーと、このベンドミラーの
中心部に設けられた上記加工用レーザ光のビーム径の１
／１０以下の孔径の細孔と、上記ベンドミラーの背面に
取り付けられ上記細孔を通して可視レーザ光を出射する
可視レーザ光出射手段と、上記ベンドミラーによって光
路の方向を変更された上記レーザ光が次に到達するベン
ドミラーユニットのベンドミラー取り付け位置の中心点
に相当する位置に取り付けられ上記レーザ光の重心を検
知する位置検出器と、この位置検出器の出力に基づき上
記ベンドミラーの反射角を調整する光軸調整手段とを備
えたものである。

【００１４】

【００１５】

【００１６】また、不安定型共振器から出射された加工
用レーザ光の光路を形成するビーム伝送路と、このビー
ム伝送路中の上記不安定型共振器からの光路長が１０ｍ
以下の位置の屈曲部に設けられたベンドミラーと、この
ベンドミラーの中心部に設けられた細孔と、上記ベンド
ミラーの背面に取り付けられ上記細孔を通して可視レー
ザ光を出射する可視レーザ光出射手段と、上記ベンドミ
ラーによって光路の方向を変更された上記レーザ光が次
に到達するベンドミラーユニットのベンドミラー取り付
け位置の中心点に相当する位置に取り付けられ上記レー
ザ光の重心を検知する位置検出器と、この位置検出器の
出力に基づき上記ベンドミラーの反射角を調整する光軸
調整手段とを備えたものである。

【００１７】

【００１８】

【作用】上記のように構成されたレーザ加工機において
は、ベンドミラーの背面に細孔を設け、この細孔から可
視光レーザを通すことにより、安定型共振器から出射さ
れた加工用レーザ光と可視レーザ光との重畳を行なう。

【００１９】

【００２０】

【００２１】また、ベンドミラーの背面に細孔を設け、
この細孔から可視光レーザを通すことにより、不安定型
共振器から出射された加工用レーザ光と可視レーザ光と
の重畳を行なう。

【００２２】

【００２３】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の第１の実施例を図１〜図３
を用いて説明する。図１はこの第１の実施例による可視
レーザ光の位置検出器を示す構成図であり、図２はこの
第１の実施例によるアクチュエータユニットをベンドミ
ラーユニットに取り付けた構成を示す概略図である。ま
た図３はアクチュエータユニットを説明するための概略
図である。なお、この第１の実施例において、位置検出
器によって検出されるレーザ光は、加工用レーザ光とは
別物の可視レーザ光である。また、図１〜３において、
符号２，３，９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，４０Ａ，４０Ｂ，４
１，４１ａ，４２，４３，４４Ａ、及び４５〜４９は従
来例のものと同一または相当するものにつき説明を省略
する。

【００２４】図１において、４４Ｂはベンドブロックで
ある。１００は位置検出器ユニットであり、１０１は位
置検出器ホルダ、１０２は位置検出器、１０３はポジシ
ョンセンシングデバイス（ＰＳＤ）位置出力信号線、１
０４は受光面である。点Ｃ１は嵌合する外径部分１０５
の中心に位置し更に球面軸受け面４５の球の中心点でも
ある。

【００２５】図２は可視レーザ光３の進行方向を直角に
変えるベンドミラーユニットにアクチュエータユニット
を取り付けた図である。図２において、１１０はアクチ
ュエータユニットであり、その詳細は図３において説明
する。１１４はモータ駆動用電線、１１６は回転位置検
出信号線である。１２０は光軸調整用制御ユニットであ
り、モータ駆動用ドライバ１２１と制御装置１２２から
構成されている。１０３は位置検出器ユニット１００か
らのＰＳＤ位置出力信号線である。

【００２６】図３はアクチュエータユニット１１０を示
す図である。図３において、１１１はアクチュエータ駆
動軸、１１２は減速機、１１３はモータ、１１４はモー
タ駆動用電線、１１５は回転位置検出器（エンコー
ダ）、１１６は回転位置検出信号線である。

【００２７】次に動作について説明する。受光面１０４
に可視レーザ光３を受光した位置検出器１０２の出力信
号１０３は、光軸調整用制御ユニット１２０に入力され
る。ＰＳＤ位置出力が目標値に入るように、アクチュエ
ータユニット１１０からの回転位置検出信号１１６とを
比較検討して、差分をモータ駆動用ドライバ１２１より
出力し所定の位置になるように制御する。位置検出器１
０２は２軸（Ｘ軸及びＹ軸座標）出力し、１軸ずつ交互
に調整する。そのためにアクチュエータユニット１１０
は手で保持できてしかもベンドミラーユニット４０Ａに
設けられた光軸調整手段としての角度調整ネジ４６と簡
単に組み合わせられる構造となっている。この実施例で
は六角孔付きボルトを調整ネジに使用したので、アクチ
ュエータ駆動軸には六角ボルトの規格に合う六角柱を使
用した。これ以外にも例えば十字孔付きボルトでもよ
い。さらに、調整時間を短くするため、光軸調整用制御
ユニット１２０に２軸同時調整機能を設けたものを用い
てもよい。許容範囲内に入れば調整は完了し、固定ナッ
ト４７を締め、再度位置を確認することによりにベンド
ミラーユニット４０Ａの光軸調整は完了する。この調整
をベンドミラーユニット４０Ｂ及び内部ミラーユニット
６Ａ〜６Ｆについても同様に行なう。なお、内部ミラー
ユニット６Ｆを調整する場合には、位置検出器ユニット
１００を放物面鏡８の取り付け部に固定する必要があ
る。

【００２８】アクチュエータユニット１１０はモータ１
１３の回転トルクを大きくするため減速機１１２を用い
る。また自分の位置を確認する回転位置検出器（この実
施例ではエンコーダ）を装備しており、光軸調整用制御
ユニット１２０とモータ駆動用電線１１４と回転位置出
力信号１１６で連結されている。

【００２９】このように構成されたレーザ加工機におい
ては、位置検出器１０２によって可視レーザ光３を検出
し、さらに位置検出器１０２からの出力信号に基づいた
アクチュエータユニット１１０の作動により、ベンドミ
ラー４１の角度すなわち光軸の調整を行なうため、調整
する個々の作業者による個人差を生じることがなく、短
時間で効率よく、しかも正確な光軸調整を行なえる。

【００３０】なお、上記実施例では、位置検出器によっ
て検出されるレーザ光として、加工用レーザ光とは別物
の可視レーザ光を用いる場合について説明したが、検出
用のレーザ光としてはこれに限定されるものではなく、
例えば、加工用のレーザ光（ＣＯ₂ レーザ光など）その
ものを、検出用のレーザ光として兼用することもでき、
同様の効果を奏するものである。また、アクチュエータ
ユニットは、それぞれ個別に各ベンドミラーユニットに
取り付ける構造のものでもよいし、或いは、着脱可能な
構造として、複数のベンドミラーユニットに対して兼用
されるものであってもよい。

【００３１】実施例２．次にこの発明の第２の実施例を
図４を用いて説明する。図４はレーザロボット加工機内
の内部ミラーユニットに設けられたベンドミラーの背面
に半導体レーザを取り付けた場合の構成図である。図に
おいて、符号２，３，４５，４６，４７は従来例のもの
と同一または相当するものにつき説明を省略する。４５
ａは球面軸受けの回転中心点、５４は支持板、５５は細
孔付きミラーホルダ、５６は細孔付きベンドミラー、５
７は細孔である。７０は可視レーザ光出射手段としての
半導体レーザ、７１は半導体レーザホルダ、７２はホル
ダ７１を支える座、７３は半導体レーザ電源電線であ
る。

【００３２】次に動作について説明する。安定型共振器
（図示せず）から出射された加工用レーザ光としてのＣ
Ｏ₂ レーザ光２は外部ビーム伝送路４を通り、レーザ溶
接ロボット５へ入る。そして半導体レーザ７０から出射
される可視レーザ光３がＣＯ₂ レーザ光２と重畳され
る。一般に使われている可能レーザ光はＨｅ−Ｎｅレー
ザであり、そのポインティングスタビリティはかなり悪
く、ＣＯ₂ レーザ光と同程度である。それゆえ、ビーム
伝送路が長い（１０ｍを越える）と装置に及ぼす影響が
大きく基準光として用いることができない。それに対し
て、この実施例で用いた半導体レーザ７０は、Ｈｅ−Ｎ
ｅレーザと比較するとポインティングスタビリティがよ
い。但し、システムによっては半導体レーザ７０も取り
付ける位置が限定される。このためこの実施例では、加
工ヘッド７に最も近い内部ミラーユニット６Ｆに取り付
けた。加工点８ａまでほとんど距離がないので安定な基
準光として使用できる。この実施例のような安定型共振
器の場合、細孔５７の径がＣＯ₂ レーザ光２のビーム径
の１／１０以下であれば、ビーム品質に与える影響は殆
どないことが確認されている。

【００３３】実施例３．なお、上記実施例２では、加工
用レーザ光の発振器として安定型共振器を用いた場合を
示したが、加工用レーザ光の発振器として不安定型共振
器を用いた場合も同様の効果を奏する。不安定型共振器
を用いた場合、ベンドミラーが不安定型共振器の近くに
ある場合には、安定型共振器と異なり、細孔の影響を全
く受けないという利点がある。その反面、ベンドミラー
の位置が共振器から遠くなると、細孔によるビーム品質
の劣化が現れる。それゆえ、不安定型共振器の場合に
は、ベンドミラーと不安定型共振器との光路距離を、お
よそ１０ｍ以下とする必要がある。

【００３４】上記の実施例２及び３においては、レーザ
加工機の使用が長期にわたった場合でも、可視レーザ光
３のポインティングスタビリティの低下による影響を受
けることがなく、周囲の温度変化などの影響を受けるこ
となく、初期の光軸調整の精度を長期にわたり維持する
ことができる。また、ミラーホルダ５５が球面軸受けと
なっているため、調整ネジ５１により容易にＣＯ₂ レー
ザ光２と重畳することができる。この場合、可視レーザ
光３は常に出射されているため、可視レーザ光３の出射
の有無によるＣＯ₂ レーザ光２の出射の有無の確認はで
きないので注意をする必要がある。

【００３５】実施例４．次に、この発明の第４の実施例
を図５を用いて説明する。図５は５軸垂直多関節ロボッ
トを使用したレーザ溶接加工機を示す概略図である。従
来例のものと異なり、レーザ溶接ロボット５の動作範囲
内の一角にレーザ出力検出器１４とレーザ位置検出器１
５とを配置したものである。ロボットは任意の位置へ加
工ヘッド７を移動できるので、ある一定周期ごとか或い
は加工が終わり次の加工物がセッティングされる間など
に、レーザ出力と加工点の位置をチェックすることがで
きる。この実施例４では、レーザ位置検出器１５は上述
の実施例１で用いた位置検出器１０２と同様の可視ＰＳ
Ｄセンサを用いた。データを記録することで、レーザ出
力と加工点の位置に関する安定性の有無を確認すること
ができる。特に、溶接加工条件が非常に厳しい場合（例
えば亜鉛メッキ鋼板の加工など）、レーザ出力が加工条
件に合っているかどうかを加工前にチェックすることが
でき、安定した製品の加工が可能になる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、中心
部に加工用レーザ光のビーム径の１／１０以下の孔径の
細孔を設けられたベンドミラーの背面に取り付けられ可
視レーザ光を細孔を通して出射する可視レーザ光出射手
段から出射される可視レーザ光を加工用レーザ光と重畳
させることにより、加工用レーザ光の光軸調整を行なう
ようにしたことにより、安定型共振器から出射された加
工用レーザ光と可視レーザ光との重畳を容易に行なうこ
とが可能となり、周囲の温度変化などの影響を受けるこ
となく、長期にわたり加工用レーザ光の正確な光軸調整
を容易に行なうことを可能にするという効果がある。

【００３７】

【００３８】

【００３９】また、不安定型共振器からの光路長が１０
ｍ以下の位置の屈曲部に設けられ中心部に細孔を設けら
れたベンドミラーの背面に取り付けられ可視レーザ光を
上記細孔を通して出射する可視レーザ光出射手段から出
射される可視レーザ光を加工用レーザ光と重畳させるこ
とにより、上記加工用レーザ光の光軸調整を行なうよう
にしたことにより、不安定型共振器から出射された加工
用レーザ光と可視レーザ光との重畳を容易に行なうこと
が可能となり、周囲の温度変化などの影響を受けること
なく、長期にわたり加工用レーザ光の正確な光軸調整を
容易に行なうことを可能にするという効果がある。

【００４０】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る可視レーザ光の位置
検出器を示す構成図である。

【図２】本発明の実施例１に係るアクチュエータユニ
ットをベンドミラーユニットに取り付けた構成を示す概
略図である。

【図３】本発明の実施例１に係るアクチュエータユニ
ットを説明するための概略図である。

【図４】本発明の実施例２及び３に係るレーザロボッ
ト加工機内の内部ミラーユニットに設けられたベンドミ
ラーの背面に半導体レーザを取り付けた場合の構成図で
ある。

【図５】本発明の実施例４に係る５軸垂直多関節ロボ
ットを使用したレーザ溶接加工機を示す概略図である。

【図６】従来のレーザ溶接加工機全体を示す概略図で
ある。

【図７】従来の外部ベンドミラーユニットの詳細図で
ある。

【符号の説明】

２ＣＯ₂ レーザ光、３可視レーザ光、４外部ビー
ム伝送路、１４レーザ出力検出器、１５レーザ位置
検出器、４０Ａ，４０Ｂ外部ベンドミラーユニット、
４１ベンドミラー、４６角度調整ネジ、５７細
孔、７０半導体レーザ、１０２位置検出器、１１０
アクチュエータユニット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者高木勝美名古屋市東区矢田南五丁目１番14号三菱電機株式会社名古屋製作所内 (56)参考文献特開平３−106586（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−30192（ＪＰ，Ａ) 特開平４−1505（ＪＰ，Ａ) 特開平８−25073（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−163316（ＪＰ，Ａ) 実開平３−112716（ＪＰ，Ｕ) 特公平５−18674（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 26/04 B23K 26/00 B23K 26/06 G02B 7/198

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】安定型共振器から出射された加工用レー
ザ光の光路を形成するビーム伝送路と、このビーム伝送
路の屈曲部に設けられたベンドミラーと、このベンドミ
ラーの中心部に設けられた上記加工用レーザ光のビーム
径の１／１０以下の孔径の細孔と、上記ベンドミラーの
背面に取り付けられ上記細孔を通して可視レーザ光を出
射する可視レーザ光出射手段と、上記ベンドミラーによ
って光路の方向を変更された上記レーザ光が次に到達す
るベンドミラーユニットのベンドミラー取り付け位置の
中心点に相当する位置に取り付けられ上記レーザ光の重
心を検知する位置検出器と、この位置検出器の出力に基
づき上記ベンドミラーの反射角を調整する光軸調整手段
とを備えたことを特徴とするレーザ加工機。
【請求項２】不安定型共振器から出射された加工用レ
ーザ光の光路を形成するビーム伝送路と、このビーム伝
送路中の上記不安定型共振器からの光路長が１０ｍ以下
の位置の屈曲部に設けられたベンドミラーと、このベン
ドミラーの中心部に設けられた細孔と、上記ベンドミラ
ーの背面に取り付けられ上記細孔を通して可視レーザ光
を出射する可視レーザ光出射手段と、上記ベンドミラー
によって光路の方向を変更された上記レーザ光が次に到
達するベンドミラーユニットのベンドミラー取り付け位
置の中心点に相当する位置に取り付けられ上記レーザ光
の重心を検知する位置検出器と、この位置検出器の出力
に基づき上記ベンドミラーの反射角を調整する光軸調整
手段とを備えたことを特徴とするレーザ加工機。