JP3625916B2 - レーザ光線の自動アライメント装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザロボットのレーザ光線の自動アライメント装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ出力ノズルが三次元方向に移動可能な多軸系レーザロボットでは、レーザ発振器から出たレーザ光線を、複数段の反射鏡を介して出力ノズルまで誘導する。反射鏡の相互間隔は近接・離隔可能に構成され、Ｘ，Ｙ及びＺ方向に移動可能な少なくとも３枚の反射鏡により前記近接・離隔動作がなされる。
【０００３】
ところで、各反射鏡の据付け角度が正確に調整されていないと、レーザ光線が出力ノズル直前の集光鏡に正しい位置及び角度で入射せず、ワーク表面において良好なレーザスポット径が得られない。
【０００４】
このため、従来の装置では観察可能な調整用Ｈｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）レーザ光線を使用して、この光線が各反射鏡の中心に正確に入射しているか否かを、目盛り付きターゲット板などを反射鏡の直前に立てて一つずつ目視にて確認することが行なわれていた。そして、レーザ光線の光スポットがターゲット板の目盛り中心から外れている場合は、目盛り中心に一致するよう直前の反射鏡を手動にて揺動調節していた。
【０００５】
しかし、このような手作業によるアライメントは作業能率が非常に悪い。反射鏡は定期的クリーニングのため脱着しなければならないが、現状ではその脱着の度に面倒なアライメント作業が必要なため、操業上の必要に迫られて止むを得ずクリーニングを延期または省略せざるを得ない場合もある。しかし、反射鏡の定期クリーニングは非常に重要であり、曇りが付いた反射鏡ではレーザの出力が１割以上低下することも珍しくない。このように定格を下回る出力でレーザを使用した場合、ワーク溶融深さが急に浅くなって溶接不良を起こしやすい。また反射鏡は微小な塵が付着してもレーザエネルギが塵に吸収されて発熱し、反射鏡面にコーティングされた金の薄膜を溶かしてピンホールを明け、このピンホールを発端として金の薄膜が次々と剥離して反射鏡の寿命を急速に短縮してしまう。従って、反射鏡は定期的なクリーニングとアライメントが不可欠である。
【０００６】
そこで最近では、例えば特開平３−１８０２９２号に開示されているような装置による自動アライメントが一般化しつつある。この装置は、レーザ出力ノズル側にレーザ光線の正規投射位置からの偏心量を検出するセンサを配設し、レーザ発振器に近い方の反射鏡から順次直線移動させ、その時のレーザ光線の偏心量を修正すべく、移動させた反射鏡の直前の反射鏡の据付け角度を自動的に補正するようにしたものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前述の特開平３−１８０２９２号の装置は自動でアライメントができるので非常に便利ではあるが、調整精度の点で未解決の課題が残されている。すなわち、この自動アライメント装置は反射鏡の直線ガイド軸が正確に直線であることを前提としているが、実際のガイド軸には程度の差はあっても微小で不規則な歪みが不可避的に存在する。従って、反射鏡を直線ガイド軸上の移動前後の２位置に置き、その時のレーザ出力ノズル側のレーザ光線の偏心量から当該反射鏡の直前の反射鏡の据付け角度誤差を算出すると、反射鏡の移動途中の中間部分でのガイド軸の歪みは完全に無視されることになる。すなわち、極端に言えば、反射鏡の移動始点と終点でガイド軸に歪みが存在しなければ、軸の中間部分で如何に大きな歪みがあろうとも、その歪みは完全に無視されてしまう。この結果、反射鏡の据付け角度を補正したにも拘らず、レーザ出力ノズルの移動位置によっては、ガイド軸の中間部分の歪に起因してレーザ出力ノズルから投射されたレーザ光線のスポット径が所定の大きさに収束しないという不都合が生じ得る。
【０００８】
本発明の目的は、反射鏡の据付誤差だけでなく、反射鏡のガイド軸の全長にわたる不規則な歪みを考慮に入れて、反射鏡の据付け角度の最適補正を行ない、もって反射鏡の全移動行程すなわちレーザ出力ノズルの任意の移動位置において、レーザ出力ノズルから投射されるレーザ光線のスポット径が正規直径の許容公差範囲から逸脱しないようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は前記課題を解決するため、反射鏡がガイド軸を端から端まで移動する間の一定移動増分毎に、レーザ出力ノズルから投射されるレーザ光線の偏心量を、反射鏡の移動始点からの移動量と関連させて記憶し、記憶された多数の偏心量の値から、反射鏡の移動距離に対する偏心量の割合を直線比例関係で近似し、この直線比例関係に基づき、直前の反射鏡を揺動手段によって正しい角度に調整し、もってレーザ出力ノズルの任意の移動位置において常に最適なレーザスポット径が得られるようにした。
【００１０】
このように構成したレーザアライメント装置では、各反射鏡の据付け角度が正しく、かつ、反射鏡のガイド軸に歪みが無く完全な直線であれば、反射鏡を直線的に移動させてもレーザ出力ノズル直前の集光鏡に入射するレーザ光線の位置及び角度は変化せず、レーザ出力ノズル側ではレーザ光線が正規投射位置に常時投射され、レーザスポット径も許容公差範囲内に収束する。
【００１１】
これに対して、▲１▼ある反射鏡の据付け角度に誤差があるか、▲２▼あるガイド軸に歪があると、当該反射鏡の直後の反射鏡をガイド軸に沿って移動させたときに、集光鏡に入射するレーザ光線の位置及び角度が変化し、レーザ出力ノズル側でレーザ光線が正規投射位置から偏心し、レーザスポット径が許容公差範囲から過大または過小方向に外れることがある。
【００１２】
本発明は、従来の特開平３−１８０２９２号の装置のようにレーザ光線投射スポットの移動軌跡の始端と終端だけを検出するのではなく、反射鏡の一定移動増分毎にレーザ出力ノズル側でのレーザ光線の偏心量をセンサで検出する。これにより、反射鏡のガイド軸の全長にわたる歪みがセンサによりレーザ光線の偏心量として間接的に検出されるわけである。この偏心量には、反射鏡の据付誤差に基づくものと、ガイド軸の歪みに基づくものの両方が含まれる。
【００１３】
レーザ光線の偏心量は、反射鏡の移動始点からの移動量と関連させて記憶手段に記憶され、最小二乗法などの近似手段によって、反射鏡の移動量に対する偏心量の割合が直線比例関係で算出される。この直線比例関係に基づき、移動させた反射鏡の直前の反射鏡の補正角度が演算され、揺動手段によって当該直前の反射鏡が正しい据付け角度に補正され、レーザ光線が反射鏡のガイド軸と平行方向に進行することになる。この際、ガイド軸の部分的な歪は前記最小二乗法によりガイド軸全体の一様傾斜に置換されて処理される。
【００１４】
最小二乗法は、図式的に説明すれば、反射鏡の移動量を横軸に取り、偏心量を縦軸に取って、両者の関係を暫定的にある直線で近似し、この近似直線に各偏心量プロット点から降ろした垂線距離の二乗の総和を算出し、この総和値が最小になるような近似直線を求める近似手段の一手法である。つまり、この近似手段は、反射鏡の一定移動増分毎の偏心量プロット点を連続的に結ぶひとつの曲線の全体としての傾斜を、一つの直線に代表的に置き換える方法であって、最小二乗法以外には、例えば最小三乗法、最小ｎ乗法（ｎ＝４，５，…）、相加平均法等を採用可能である。
【００１５】
反射鏡の据付け角度の誤差の影響は、出力ノズルに近付くにつれて累加されるので、前記誤差の補正はレーザ発振器に近い方の反射鏡から順次行なう。各反射鏡は、揺動手段により順次正しい据付け角度に揺動補正される。この補正が完了すると、どの反射鏡を直線移動させても出力ノズル側でのレーザビームの偏心移動やレーザスポット径の過不足が生じなくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の自動アライメント装置を３軸系レーザロボットに適用した一実施形態を図に基づき説明する。
図１は３軸系レーザロボットを略示したもので、このレーザロボットは加工用のレーザ発振器１と、複数段の反射鏡２ａ，２ｂ…２ｅと、最終段の集光鏡３と、レーザ出力ノズル４を有する。反射鏡２ｃ，２ｄ及び２ｅは、出力ノズル４を三次元方向に移動させつつワーク５を加工するために、直線状のガイド軸（図示せず）によりＸ，Ｙ及びＺ方向に移動可能とされている。これに対し他の反射鏡２ａ及び２ｂは、所定位置に位置決めされている。また反射鏡２ｅ、集光鏡３及び出力ノズル４はレーザヘッド部に一体に組み付けられるためその相対位置関係は不変である。前記レーザ発振器１は、自動アライメントのときだけ、後述のＣＣＤ受光素子９を損傷しないように調整用のＨｅ−Ｎｅレーザ発振器に置き換えられる。
【００１７】
出力ノズル４には、図２のようにＣＣＤ受光素子９が取り外し可能な固定金具１０により出力ノズル４から所定距離だけ離して、かつ出力ノズル４に対し直角に取付けられる。このＣＣＤ受光素子９はレーザスポットＳの偏心量を検出するためのものであって、同様の機能を有するものであれば、フォトダイオードを応用した半導体位置検出素子（ＰＳＤ）や、レーザスポットＳを撮像可能な各種カメラであってもよい。なお、出力ノズル４とＣＣＤ受光素子９は特に芯合わせする必要はない。反射鏡の移動始点におけるレーザスポットＳの位置を原点とし、反射鏡の移動に伴うこの原点からのレーザスポットＳの偏心量を、反射鏡の所定移動増分毎に測定すればよいからである。
【００１８】
反射鏡２ｂ、２ｃ及び２ｄには、その据付け角度を自動補正するための揺動手段が取付けられている。この揺動手段は反射鏡を三点で支持し、反射鏡２ｂについていえば、揺動手段は図３及び図４に示すように反射鏡２ｂの裏面縁部に螺合された２本のねじを個別に駆動する２つのモータ１１ａ，１１ｂと、裏面縁部を当接支持する支点ピン１２とで構成されている。他の反射鏡２ｃ及び２ｄについても揺動手段は同様の構成である。
【００１９】
前記ＣＣＤ受光素子９は、図４に示すように演算回路１３を介してモータ１１ａ，１１ｂの駆動回路１４に接続されている。演算回路１３は、反射鏡２ｂの一定移動増分毎（例えば１ｃｍ毎）にＣＣＤ受光素子９から光スポットＳの最初の投射位置を原点とする偏心量を反射鏡２ｂの移動始点からの移動距離と関連させて記憶し、最小二乗法により反射鏡２ｂの据付け角度の誤差を演算し、この誤差を補正する指令信号をモータの駆動回路１４に入力するように構成されている。一定移動増分は細かくして多点検出にする程反射鏡のガイド軸の歪みは忠実に検出されるが、アライメントの処理スピードとの関係もあるのであまり細かくするのもよくない。なお図４の構成は他の２つの反射鏡２ｃ，２ｄについても同様である。
【００２０】
本実施形態では、反射鏡の移動距離とレーザスポットの偏心量との関係を最小二乗法により直線的に近似しているが、この近似方法を図５によって説明する。図５（Ａ）（Ｂ）は反射鏡の移動距離を横軸に取り、レーザスポットの偏心量を縦軸に取っている。横軸の左端が反射鏡のガイド軸上での移動始点（直前反射鏡に最も近い点）に相当し、横軸の右端が移動終点（直前反射鏡に最も遠い点）に相当する。図５（Ａ）は反射鏡のガイド軸の歪みが小さいため偏心量のプロット点は近似直線からあまり離間していない。これに対して図５（Ｂ）は反射鏡のガイド軸の歪みが大きいため偏心量のプロット点がうねりを描いている。
【００２１】
図５（Ａ）のようにガイド軸の歪みが小さい場合は、従来のアライメントにより偏心量の最初と最後の２点のプロット点を結ぶ直線関係によって反射鏡を補正しても、レーザ出力ノズルから投射されるレーザ光線の径が許容公差範囲から大きく逸脱することはない。しかし、図５（Ｂ）のようにガイド軸の歪みが大きい場合は、偏心量の最初と最後の２点のプロット点を結ぶ直線関係（二点鎖線）によって反射鏡を補正したのでは、中間のプロット点が二点鎖線から大きく離間してしまう。このことは、反射鏡がガイド軸の中間部分を移動している時、レーザ出力ノズルから投射されるレーザ光線の径が許容公差範囲から外れて過大または過小になることを意味する。
【００２２】
本実施形態では、最初と最後の２つのプロット点を結ぶのではなく、各プロット点から降ろした垂線距離の二乗の総和値が最小となるような直線すなわち最小二乗法による近似直線の傾斜角から反射鏡の角度補正値を演算するようにしている。この方法によれば、各レーザスポットの偏心量が近似直線の傾斜角に反映され、ひいては反射鏡の角度補正値に反映されるから、レーザ出力ノズルから投射されるレーザ光線の径が正規直径の許容公差範囲に収束する。
【００２３】
次に前記実施形態による自動アライメントについて説明する。
まず、自動アライメントを開始する前に、レーザ発振器１を調整用のＨｅ−Ｎｅレーザ発振器に置き換え、出力ノズル４に図２のようにＣＣＤ受光素子９を取付ける。そしてＨｅ−Ｎｅレーザ光線がＣＣＤ受光素子９に到達するように反射鏡２ｂ〜２ｄの据付け角度を粗調整する。この粗調整はモータ１１ａ，１１ｂを手動制御して行なう。後は所定のスタートスイッチを入れることにより以下のアライメントが自動的に行なわれる。
【００２４】
最初にレーザ発振器１に近い方の反射鏡から、すなわち本実施形態では反射鏡２ｃから反射鏡２ｅまでが順次直線的にガイド軸の直前反射鏡に近い方の端部から反対側の端部まで定速移動される。この移動方向は逆であっても構わない。図３は反射鏡２ｃをガイド軸の一端の第１位置から他端の第２位置へ移動する例を示している。反射鏡２ｃの直前の反射鏡２ｂの据付け角度に誤差があると、反射鏡２ｃが移動されたときに反射鏡２ｃ上のレーザ光線Ｂの反射点が移動するため、ＣＣＤ受光素子９上でも光スポットＳの位置が移動する。
【００２５】
光スポットＳの最初の投射位置を原点とする偏心量は、ＣＣＤ受光素子９によって連続的に検知され、反射鏡２ｃの一定移動増分毎に（例えば１ｃｍ移動する毎に）移動始点からの移動距離と関連させて演算回路１３に入力される。演算回路１３はこれら偏心量に関するデータを記憶し、図５（Ａ）（Ｂ）の近似手法により、反射鏡の移動距離とレーザスポットの偏心量との直線比例関係を演算し、この直線比例関係に基づきモータ駆動回路１４に制御信号を与え、モータ１１ａ，１１ｂを駆動して反射鏡２ｃを正しい据付け角度に自動的に揺動補正する。
【００２６】
近似直線の傾斜角と反射鏡２ｂの据付け角度誤差との関係は、予め演算回路１３に記憶させておく。これにより、演算回路１３に近似直線の傾斜角が入力されると、反射鏡２ｂの角度誤差が演算される。そして、この誤差を補正する指令信号が駆動回路１４に入力され、モータ１１ａ，１１ｂが駆動されて反射鏡２ｂが正しい据付け角度に自動補正される。この補正角度は設計段階では考慮できなかったガイド軸の歪みにも対応したもので、反射鏡２ｂを単に設計上の据付け角度に補正するものではない。
【００２７】
次に同様の角度補正を反射鏡２ｃ及び２ｄについても順次繰り返し、すべての角度補正を終了した後、Ｈｅ−Ｎｅレーザ発振器を元の加工用のレーザ発振器１と取り替え、ＣＣＤ受光素子９を取り外してアライメント作業が終了する。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は前述の如く、反射鏡をレーザ発振器に近い方から順次直線的にガイド軸の一端から他端まで移動させると共に、レーザ出力ノズル側に配設したセンサによりレーザ光線の偏心量を検出し、この偏心量を反射鏡の一定移動増分毎に移動距離と関連させて記憶し、反射鏡の移動距離に対する偏心量の割合を近似手段によって直線比例関係として近似し、この直線比例関係に基づき反射鏡を正しい据付け角度に揺動補正するようにしたので、反射鏡本来の据付け角度誤差に起因するレーザスポット径の過不足は勿論のこと、ガイド軸の歪みに起因するレーザスポット径の過不足も同時に補正することができる。このため、レーザ出力ノズルの任意の移動位置において常に最適なレーザスポット径が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】３軸系レーザロボットの概略斜視図。
【図２】出力ノズル部の断面図。
【図３】レーザ光線の反射状態を示す平面図。
【図４】反射鏡の揺動制御を示すブロック図。
【図５】（Ａ）はガイド軸の歪みが比較的小さい場合の反射鏡の移動距離とレーザスポットの偏心量との関係を示す図、（Ｂ）はガイド軸の歪みが比較的大きい場合の反射鏡の移動距離とレーザスポットの偏心量との関係を示す図。
【符号の説明】
１ レーザ発振器
２ａ〜２ｅ 反射鏡
３ 集光鏡
４ ワーク
９ ＣＣＤ受光素子
１０ 固定金具
１１ａ，１１ｂ モータ
１２ 支点ピン
１３ 演算回路
１４ モータの駆動回路
Ｂ レーザ光線
Ｓ 光スポット

Claims (3)

1. レーザ発振器から出たレーザ光線を複数段の反射鏡を介してレーザ出力ノズルに導くと共に、前記反射鏡の相互間隔をガイド軸に沿って近接・離隔させて前記レーザ出力ノズルを移動させるレーザロボットにおいて、
   前記反射鏡をレーザ発振器に近い方から順次直線的にガイド軸の一端から他端まで移動させる移動手段と、
   前記レーザ出力ノズルの前方に配設され、レーザ出力ノズルから投射されたレーザ光線の偏心量を検出するセンサと、
   前記反射鏡の移動距離の一定増分毎に、前記レーザ光線の偏心量を移動距離と関連させて記憶する記憶手段と、
   前記記憶手段により記憶された多数の偏心量の値に基づき、前記反射鏡の移動距離に対する偏心量の割合を直線比例関係で近似する近似手段と、
   前記反射鏡の移動距離と偏心量との直線比例関係に基づき前記直前の反射鏡を正しい据付け角度に揺動補正する揺動手段とを具備したことを特徴とするレーザ光線の自動アライメント装置。
2. 前記近似手段が、最小二乗法により反射鏡の移動距離に対する偏心量の割合を直線比例関係で近似することを特徴とする請求項１記載のレーザ光線の自動アライメント装置。
3. 前記近似手段が、相加平均法により反射鏡の移動距離に対する偏心量の割合を直線比例関係で近似することを特徴とする請求項１記載のレーザ光線の自動アライメント装置。

Images