JP3615045B2 - レーザ加工装置の制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ発振器から出射されたレーザ光を加工ヘッドに導入し、被加工物に前記レーザ光を走査させて加工を行うレーザ加工装置に適用して好適なレーザ加工装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、被加工物に対して溶接を行う装置として、抵抗溶接装置が用いられている。この抵抗溶接装置は、一般に、溶接チップを備える一対のガンアームで被加工物を挟み、前記溶接チップ間に印加される電圧によって前記被加工物に対して溶接を行うように構成されている。
【０００３】
ところで、この抵抗溶接装置においては、溶接作業時に溶接チップが被加工物に直接接触しているため、前記溶接チップに劣化が生じやすく、該溶接チップの交換に要する費用によってメンテナンスのコストが高騰するという問題が指摘されている。
【０００４】
また、前記ガンアームを被加工物の配置位置に変位させるためには、該ガンアームが取り付けられている、例えば、多関節ロボットを駆動する必要があるため、この多関節ロボットの駆動に要する時間によって、溶接作業の時間的効率が低下するおそれがある。
【０００５】
そこで、近年、この種の抵抗溶接装置に代えて、切断装置等としても利用可能なレーザ加工装置の導入が望まれている。レーザ加工装置は、レーザ発振器から出射されたレーザビームを加工ヘッドに導入し、この加工ヘッドに配設されている焦点距離調節手段と走査手段を介して前記被加工物に前記レーザ光を集束させるように構成されている。そして、このレーザ加工装置によれば、被加工物に対して非接触で溶接を行うことができるため、前記被加工物との接触によって装置が劣化することがない。また、前記焦点距離調節手段並びに走査手段を微少に変位させることによって、前記被加工物におけるレーザビームの照射位置を移動させることができるため、溶接時間の短縮が実現される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、レーザ加工装置の制御を行う場合、光学的幾何学計算によって前記焦点距離調節手段および走査手段の変位量を求める必要があり、溶接装置としてこのレーザ加工装置を用いた場合、該レーザ加工装置を駆動するためのコントローラを新たに構成する必要がある。このため、汎用のロボットコントローラを用いることができず、レーザ加工装置を構成するための費用が高騰するという問題が認識されている。
【０００７】
この発明は、このような課題を考慮してなされたものであり、汎用のロボットコントローラを用いてレーザ加工装置を構成することを可能とするレーザ加工装置の制御方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明では、集束位置の座標から集束光学系の光軸長と走査光学系の走査角度を求める際に、前記集束位置を多軸ロボットのツール中心点とし、前記光軸を伸縮する関節とし、前記走査光学系を回転する関節として求めるようにしている。
【０００９】
このため、集束光学系並びに走査光学系を多軸ロボットとみなして該集束光学系の光軸長と走査光学系の走査角度を求めることができる。従って、汎用のロボットコントローラを用いて前記集束光学系並びに走査光学系の駆動制御装置を構成することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態例を図１〜図５を参照しながら説明する。
【００１１】
まず、本実施の形態に係る制御方法が適用されるレーザ加工装置の構成について簡単に説明する。
【００１２】
図１および図２に示すように、レーザ加工装置１０は、被加工物１２に対してレーザ光Ｌを照射し、該被加工物１２に、例えば、溶接加工、切断加工等の加工を施すための装置であり、該レーザ加工装置１０の加工ヘッド５２には、レーザ発振器５０から出射されたレーザ光Ｌを前記被加工物１２の加工点ＴＣＰに集束させるための走査光学系５６が配設されている。この場合、この走査光学系５６には集束光学系も含まれているものとする。
【００１３】
この走査光学系５６は、図１に示すように、光学定盤１２０を含み、この光学定盤１２０上には放物面ミラー１２２が固定されている。図２にも示すように、レーザ発振器５０から走査光学系５６に導入されたレーザ光Ｌは、放物面ミラー１２２によって反射された後、一旦、集束され、その後、広がり、焦点調節用モータ１０３により矢印Ｐ方向または矢印Ｑ方向に同時に移動する、それぞれが平面ミラーである焦点調節用ミラー１２４、１２６で順次反射されて光路を変更され、楕円面ミラー１２８に導入される。
【００１４】
楕円面ミラー１２８に導入されたレーザ光Ｌは、この楕円面ミラー１２８により反射されて再び集束が開始され、Ｘ軸モータ１０１によりＸ軸１２９を中心に矢印方向に回動される平面ミラーであるＸ軸走査ミラー１３１で反射された後、Ｙ軸モータ１０２によりＹ軸１３０を中心に矢印方向に回動される平面ミラーであるＹ軸走査ミラー１３２によって反射され、光学定盤１２０の開口部１３４を通じて加工ヘッド５２から出射されて、被加工物１２上の加工点ＴＣＰで集束される。加工点ＴＣＰが焦点となるように焦点調節用ミラー１２４、１２６の位置が焦点調節用モータ１０３により調整される。この実施の形態の走査光学系５６において、Ｙ軸走査ミラー１３２から加工点ＴＣＰまでの焦点距離調節範囲は、約５０ｃｍ〜１３０ｃｍである（例えば、この出願人の出願に係る特開平９−１９２８６８号公報参照）。
【００１５】
なお、図２に示す位置において、Ｙ軸走査ミラー１３２が回動されたとき、加工点ＴＣＰは紙面の略奥行き方向に移動し、Ｘ軸走査ミラー１３１が回動されたとき、加工点ＴＣＰは紙面と略平行する略左右方向に移動する。この走査時に、同時に、被加工物１２の加工面上に焦点である加工点ＴＣＰが一致するように、焦点調節用ミラー１２４、１２６の位置が調節される。
【００１６】
次に、走査光学系５６（Ｘ軸走査ミラー１３１、Ｙ軸走査ミラー１３２、並びに焦点調節用ミラー１２４、１２６）の駆動を制御するための計算モデルについて説明する。
【００１７】
本実施の形態においては、前記走査光学系５６を多関節ロボットに置き換えて計算モデルを求める。
【００１８】
図３に示すように、ロボットモデル２００は、前記走査光学系５６における各ミラーに対応する回転関節と、レーザ光Ｌの光路（光軸長）に対応するアームと、該アームの長さを前記レーザ光Ｌの光路長に応じて調節する伸縮関節とから構成されている。
【００１９】
即ち、このロボットモデル２００は、図３中、起点ＣからＸ軸に沿って延びる第１アーム２０２を有し、この第１アーム２０２は、第１伸縮関節２０４によって伸縮される。また、前記第１アーム２０２には第２アーム２０５が接続されている。前記第２アーム２０５には、Ｚ軸を中心に回転する第１回転関節２０６を介して第３アーム２０８が連結される。この場合、該第３アーム２０８は、前記第１回転関節２０６の回転に伴って、ＸＹ平面に沿い、且つ、Ｙ軸に対して所定角度傾斜した方向に指向するとともに、該第３アーム２０８に設けられた第２伸縮関節２１０によって伸縮される。
【００２０】
前記第３アーム２０８は、同じ支点を有する固定直角関節２１２、第２回転関節２１４、第３回転関節２１６並びに第４回転関節２１８を介して第４アーム２２０に連結される。即ち、この第４アーム２２０は、前記固定直角関節２１２によってＺ軸に沿った方向に指向するとともに、第２回転関節２１４によってＺ軸を中心に所定角度回転される。さらに、前記第４アーム２２０は、第３回転関節２１６の回転に伴って、ＹＺ平面に沿い、且つ、Ｚ軸から所定角度傾斜した方向に指向するとともに、第４回転関節２１８の回転に伴って、Ｘ軸に平行し、前記Ｚ軸から所定角度傾斜した平面に沿い、且つ、前記Ｚ軸から所定角度傾斜した方向に対してさらに所定角度傾斜した方向に指向する。
【００２１】
第４アーム２２０には第３伸縮関節２２２が設けられ、該第４アーム２２０はこの第３伸縮関節２２２によって伸縮される。
【００２２】
この場合、前記起点Ｃは、放物面ミラー１２２で反射されたレーザ光Ｌが一旦集束される点（焦点であり、該焦点の符号もＣとする。図２参照）に対応する。そして、前記第１アーム２０２は、前記焦点Ｃから楕円面ミラー１２８までの光路に対応し、前記第２アーム２０５は、前記楕円面ミラー１２８からＸ軸走査ミラー１３１までの光路に対応し、前記第３アーム２０８は、前記Ｘ軸走査ミラー１３１からＹ軸走査ミラー１３２までの光路に対応し、前記第４アーム２２０は、前記Ｙ軸走査ミラー１３２から加工点ＴＣＰまでの光路に対応している（図２並びに図３参照）。即ち、前記第４アーム２２０の先端部がロボットモデル２００のツール中心点（Ｔｏｏｌ Ｃｅｎｔｅｒ Ｐｏｉｎｔ ）となる。
【００２３】
また、第１回転関節２０６はＸ軸走査ミラー１３１に対応し、第３回転関節２１６はＹ軸走査ミラー１３２に対応している。ただし、レーザ光Ｌの入射角度と出射角度との関係から、前記Ｘ軸走査ミラー１３１並びにＹ軸走査ミラー１３２の回転角度は、それぞれ前記第１回転関節２０６並びに第３回転関節２１６の回転角度の２分の１である。
【００２４】
固定直角関節２１２は、レーザ光ＬがＹ軸走査ミラー１３２において略Ｚ軸方向に反射されることに対応して設けられ、第２回転関節２１４は、第１回転関節２０６の回転に伴って前記第３回転関節２１６に生じる回転軸の傾きを打ち消すために設けられ、第４回転関節２１８は、Ｘ軸走査ミラー１３１が回転してＹ軸走査ミラー１３２に対するレーザ光Ｌの入射角度が変化したときに該Ｙ軸走査ミラー１３２からの出射角度も同様に変化することに対応して設けられている。即ち、第２回転関節２１４および第４回転関節２１８は、第１回転関節２０６と同角度回転される（後記の表１参照）。
【００２５】
さらに、第１伸縮関節２０４は、焦点調節用ミラー１２４、１２６の変位に対応して設けられ、第２伸縮関節２１０は、Ｘ軸走査ミラー１３１の回転に伴って該Ｘ軸走査ミラー１３１からＹ軸走査ミラー１３２までのレーザ光Ｌの光路長が変化することに対応して設けられ、第３伸縮関節２２２は、前記焦点調節用ミラー１２４、１２６の変位に伴って前記Ｙ軸走査ミラー１３２から加工点ＴＣＰまでのレーザ光Ｌの光路長（即ち、焦点距離）が変化することに対応して設けられている。ただし、前記焦点調節用ミラー１２４、１２６の変位量は、第１伸縮関節２０４の変位量の２分の１である。
【００２６】
次に、ロボットモデル２００の各関節に座標系を設定する手順について説明する。この場合、ロボットモデル２００全体の基準となる座標系は、第１回転関節２０６（Ｘ軸走査ミラー１３１）の中心を原点として定められるものとする。即ち、加工点ＴＣＰの座標は前記基準となる座標系に基づいて求められる。
【００２７】
まず、Ｚｎ軸（この場合、ｎ＝０〜７）を各関節の軸に沿って定める。
【００２８】
第１回転関節２０６の中心を原点として、該原点から前記第１回転関節２０６の回転軸に沿って延びる軸をＺ０軸として定める。そして、第３アーム２０８の指向方向に沿って、原点を前記Ｚ０軸と同じとするＺ１軸を定め、次いで、固定直角関節２１２の軸（Ｚ１軸と同じ方向）を前記第３アーム２０８の先端を原点とするＺ２軸として定める。同様に、前記第３アーム２０８の先端を原点として該原点から第２回転関節２１４の回転軸に沿って延びる軸をＺ３軸、前記原点から第３回転関節２１６の回転軸に沿って延びる軸をＺ４軸、前記原点から第４回転関節２１８の回転軸に沿って延びる軸をＺ５軸、前記原点から第４アーム２２０の指向方向に沿って延びる軸ををＺ６軸として定める。さらに、前記第４アーム２２０の先端部（加工点ＴＣＰ）を原点とし、且つ、第４アーム２２０の指向方向に沿って延びる軸をＺ７軸として定める。
【００２９】
前記Ｚｎ軸を定めた後、該Ｚｎ軸とＺｎ−１軸との共通の法線をＸｎ軸として定める。まず、Ｚ７軸とＺ６軸との共通の法線をＸ７軸として定め、次いで、Ｚ６軸とＺ５軸との共通の法線をＸ６軸として定め、以下、同様に、Ｘ５〜Ｘ０軸を順次定める。
【００３０】
このようにして、Ｚｎ軸とＸｎ軸とから座標系Σｎが設定される。
【００３１】
次に、前記座標系Σｎに対するリンクパラメータを求める手順について説明する。
【００３２】
【表１】

【００３３】
表１に示すように、リンクパラメータは、座標系ΣｎのＺｎ−１軸に対する回転角度をθｎ、Ｘｎ軸に対する回転角度をαｎ、Ｚｎ−１軸に沿った移動距離をｄｎ、Ｘｎ軸に沿った移動距離をａｎとして求められる。ここで、表１中、ｄ_２ は、第２伸縮関節２１０が収縮しているときの第３アーム２０８の長さ（Ｘ軸走査ミラー１３１からＹ軸走査ミラー１３２までの最短距離）を示す。また、表１中、ｈは、第３伸縮関節２２２が収縮しているときの第４アーム２２０の長さ（Ｙ軸走査ミラー１３２から加工点ＴＣＰまでの最短距離）をｄ_３ とすると、
ｈ＝ｄ_３ ×（１＋ｔａｎθ_１ ^２ ＋ｔａｎθ_３ ^２ ）^１／２ …（１）
で求められる。
【００３４】
なお、表１中、Ｐｎは、計算モデルのシステムを実際のシステムと同じ形態（姿勢）にさせるためのオフセット量である。詳しく説明すれば、前記表１のθｎを求める際、Ｘｎ軸がそれぞれ平行している状態におけるθｎが基準値（θｎ＝０°）とされるが、図３に示すロボットモデル２００においては、該ロボットモデル２００を走査光学系５６に対応させて考慮するために、Ｘｎ軸が図３に示す方向に設定されている。即ち、θｎは、基準値（０°）にオフセット量Ｐｎが加算された値となっている。従って、前記リンクパラメータに基づいて以下に示す同次変換行列を求める場合、オフセット量Ｐｎを前記θｎから減算する必要がある。
【００３５】
次に、前記表１に示したリンクパラメータに基づいて、座標系Σｎの座標系Σｎ−１に対する同次変換行列Ａｎを以下のように求める。
【００３６】
【数１】

【００３７】
ここで、Ｃｎはｃｏｓθｎを表し、Ｓｎはｓｉｎθｎを表す。
【００３８】
さらに、座標系Σ０に対する座標系Σ７の同次変換行列Ｔ_７ は、
Ｔ_７ ＝Ａ_１ Ａ_２ Ａ_３ Ａ_４ Ａ_５ Ａ_６ Ａ_７ …（９）
で求められる。従って、同次変換行列Ｔ_７ は、前記（２）式〜（８）式から次式のようになる。
【００３９】
【数２】

【００４０】
そして、前記（１０）式から、第１回転関節２０６の回転角度θ_１ 並びに第３回転関節２１６の回転角度θ_３ は、
θ_３ ＝ｔａｎ^−１｛−（Ｐｙ−ｄ_２ ）／Ｐｚ｝ …（１１）
θ_１ ＝ｔａｎ^−１｛Ｃ_３ ×Ｐｘ／（Ｐｚ−ｄ_２ ×Ｃ_３ ）｝ …（１２）
で求められる。
【００４１】
また、図４に示すように、焦点Ｃから楕円面ミラー１２８までの距離をｄ_１ ＋２×ｄ、前記楕円面ミラー１２８から加工点ＴＣＰまでの距離をＳ、前記楕円面ミラー１２８の焦点距離をｆとする場合、ガウスの定理より、次の式が成り立つ。
【００４２】
１／ｆ＝１／（ｄ_１ ＋２×ｄ）＋１／Ｓ …（１３）
なお、ｄ_１ は焦点Ｃから楕円面ミラー１２８までの最短距離を表し、ｄは焦点調節用ミラー１２４、１２６の移動距離を表す。この場合、楕円面ミラー１２８からＸ軸走査ミラー１３１までの距離をｓとすると、前記距離Ｓは、
Ｓ＝ｓ＋ｄ_２ ／ｃｏｓθ_１ ＋ｈ …（１４）
となる。従って、前記（１）式、（１３）式並びに（１４）式から、距離ｄは次の（１５）式のように求められる。
【００４３】
【数３】

【００４４】
そして、前記（１１）式、（１２）式並びに（１５）式から、Ｘ軸走査ミラー１３１の回転角度θｘ、Ｙ軸走査ミラー１３２の回転角度θｙは、
θｘ＝θ_１ ／２ …（１６）
θｙ＝θ_３ ／２ …（１７）
で求められる。
【００４５】
このように、本実施の形態においては、走査光学系５６を多関節ロボットに置き換えたロボットモデル２００を想定し、このロボットモデル２００に基づくリンクパラメータから得られた同次変換行列を計算することによって、該ロボットモデル２００を構成する各関節の変位量、即ち、前記走査光学系５６を構成する各ミラーの変位量を求めることができる。このため、前記走査光学系５６の各ミラーの変位量を光学的幾何学計算によって求める場合に比べて計算式を容易に構成することが可能である。
【００４６】
また、多関節ロボットを想定した計算方法によって前記走査光学系５６の各ミラーの変位量を求めることができるため、該走査光学系５６を制御するための制御装置を汎用のロボットコントローラを用いて構成することができる。従って、低コストな制御装置が得られる。
【００４７】
さらに、ロボットモデル２００全体の基準となる座標系は、Ｘ軸走査ミラー１３１の中心を原点として定められているため、実際にレーザ加工装置１０における、例えば、加工点ＴＣＰの座標を求めるための距離を測定する際に、前記原点の位置を容易に確認することができる。
【００４８】
次に、本実施の形態に係る制御方法を適用して構成される製造ラインについて説明する。
【００４９】
図５に示すように、製造ライン２５０は、前記レーザ発振器５０および加工ヘッド５２で構成されるロボットとしてのレーザ加工装置１０と、前記レーザ発振器５０のＯＮ／ＯＦＦを制御するとともに、前記加工ヘッド５２の駆動および該加工ヘッド５２に設けられた走査光学系５６を構成する各ミラーの駆動を制御するロボットコントローラ２５２と、該ロボットコントローラ２５２に対して前記レーザ加工装置１０のティーチングの指示を行うためのティーチングボックス２５４とから構成されている。
【００５０】
この場合、ロボットコントローラ２５２には、前記計算モデルがソフトウェアとしてインストールされており、このインストールされた計算モデルに基づいて、走査光学系５６を駆動するためのデータ（Ｘ軸走査ミラー１３１の回転角度θｘ、Ｙ軸走査ミラー１３２の回転角度θｙおよび焦点調節用ミラー１２４、１２６の移動距離ｄ）が求められる。そして、この走査光学系５６は、前記ロボットコントローラ２５２からのデータに基づいて、被加工物１２の所望の位置が加工点ＴＣＰとなるように、レーザ光Ｌの走査｛Ｘ軸走査ミラー１３１およびＹ軸走査ミラー１３２の駆動（図２参照）｝および焦点の調節（焦点調節用ミラー１２４、１２６の駆動）を行う。
【００５１】
また、前記レーザ加工装置１０には、図示しない駆動装置の付勢作用下に、図５に示す矢印Ｕ方向または矢印Ｄ方向に進退することによって、レーザ発振器５０から走査光学系５６に対して出射されたレーザ光Ｌの光路を遮断または開放するとともに、前記レーザ光Ｌの光路に沿って加工点指示用レーザ光Ｌｐを出射するレーザポインタ２５６が設けられている。このレーザポインタ２５６には半導体レーザ（図示せず）が設けられており、該半導体レーザから出射される低出力の可視レーザ光が、加工点指示用レーザ光Ｌｐとして走査光学系５６に導入される。この半導体レーザのＯＮ／ＯＦＦはロボットコントローラ２５２によって制御される。
【００５２】
この場合、前記加工点指示用レーザ光Ｌｐを被加工物１２に照射し、その照射位置および集束点を確認しながらティーチングボックス２５４を操作することによって、溶接ポイントや溶接経路を示す加工点ＴＣＰを決定する。この加工点ＴＣＰを決定したとき、前記計算モデルに基づいて求められたデータがティーチングデータとしてロボットコントローラ２５２の図示しない記憶手段に格納される。このように、ロボットコントローラ２５２を通じて走査光学系５６の駆動量が教示され、ロボットとしてのレーザ加工装置１０に対しティーチングが行われる。即ち、このレーザ加工装置１０に対して汎用のロボットと同様にティーチング作業を行うことができる。
【００５３】
このように、本実施の形態によれば、走査光学系５６に対して汎用のロボットと同様のティーチング作業を行うことができるとともに、汎用のロボットコントローラ２５２を用いて製造ライン２５０を構成することができるため、該製造ライン２５０の構成に要するコストが低減される。
【００５４】
なお、この発明は、上述の実施の形態に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、レーザ加工装置の集束光学系並びに走査光学系を駆動するための制御装置を汎用のロボットコントローラを用いて構成することができるため、該制御装置を低コストで製造することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態が適用される走査光学系の概略的な構成を示す斜視図である。
【図２】走査光学系の模式的な構成を示す側面一部断面図である。
【図３】ロボットモデルの概略的な構成を示す斜視図である。
【図４】レーザ光の各ミラーにおける集束拡散状態を概略的に示す側面図である。
【図５】製造ラインの概略的な構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０…レーザ加工装置 ５０…レーザ発振器
５６…走査光学系（集束光学系）
１２２…放物面ミラー １２４、１２６…焦点調節用ミラー
１２８…楕円面ミラー １３１…Ｘ軸走査ミラー
１３２…Ｙ軸走査ミラー ２００…ロボットモデル
２０２…第１アーム ２０４…第１伸縮関節
２０５…第２アーム ２０６…第１回転関節
２０８…第３アーム ２１０…第２伸縮関節
２１２…固定直角関節 ２１４…第２回転関節
２１６…第３回転関節 ２１８…第４回転関節
２２０…第４アーム ２２２…第３伸縮関節

Claims (2)

1. レーザ発振器から出力されたレーザ光を、集束ミラー、光軸方向に移動可能な焦点調節用ミラー、回転可能な走査ミラーを介して所望の位置に集束させ、その集束位置において加工を行うレーザ加工装置の制御方法において、
   前記集束位置の座標からの前記レーザの光軸長、前記焦点調節用ミラーの位置、前記走査ミラーの回転角度を求める際に、
   少なくとも伸縮関節及び回転関節を有する多軸ロボットのモデルを設定し、
   前記集束位置を前記多軸ロボットのツール中心点とし、
   前記光軸長を前記多軸ロボットの全アーム長とし、
   前記焦点調節用ミラーの位置を前記伸縮関節の伸縮量とし、
   前記走査ミラーの回転角度を前記回転関節の回転量として求めることを特徴とするレーザ加工装置の制御方法。
2. 請求項１記載の方法において、
   前記焦点調節用ミラーは一対の平面ミラーからなり、
   前記集束ミラーは、放物面ミラー及び楕円面ミラーからなり、
   前記走査ミラーは、前記楕円面ミラーと前記集束位置との間に配置され、直交する２軸を中心として回転可能な２枚の走査用平面ミラーからなり、
   前記放物面ミラーにより、入射する平行光であるレーザ光を反射して一旦集束させ、
   前記平面ミラーを移動させることにより、前記放物面ミラーで一旦集束されたレーザ光を反射させるとともに、前記集束位置を調節し、
   前記楕円面ミラーにより、前記平面ミラーで反射されたレーザ光をさらに反射させるとともに集束させ、
   前記走査用平面ミラーを回転させることにより、前記楕円面ミラーで反射されたレーザ光をさらに反射させるとともに前記集束位置を走査することを特徴とするレーザ加工装置の制御方法。

Images