JP3831271B2 - 遠隔操作によるレーザ溶接システム及び溶接方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に遠隔操作によるレーザ溶接システムに関し、特に、自動車の車体と各構成部品とを溶接することに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
公知の遠隔操作によるレーザ溶接システムは、レーザビーム生成装置と、光学台（optical bench）からなる光学装置とからなる。この光学台は、角錐台（truncated pyramid）の内部にそれぞれ設けられたレーザビームを偏向する（orient）ミラー偏向手段とレーザビームを集束する集束手段からなる。
【０００３】
前述したような従来の種類の遠隔操作によるレーザ溶接システムにおいて、前記角錐台内部でレーザビームを偏向させるために一般的に２つの解決手段が提供されている。第１の解決手段において、前記偏向手段は、２つの反射鏡からなり、それぞれの反射鏡は、（例えば、各反射鏡の表面に位置する）垂直軸に軸支されている。そして、第２の解決手段において、前記偏向手段は、１つの反射鏡のみからなり、この反射鏡は、（例えば、反射鏡自体の表面に位置する）２つの垂直軸に軸支されている。前記反射鏡の揺動は、一般的に検流計システム（galvanometric system）により制御される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
これらの従来の解決手段において、前記ビームを集束し、３次元的溶接（すなわち、水平のみならず垂直あるいは傾斜した平面上に配置された表面における溶接）を提供するための角錐台の空間的偏向は、光学台全体あるいは溶接される部分のいずれかを角移動する必要があるので、数多くの技術的困難を伴う。代案として、複数の光学台を使用するしかない。構造的複雑性および製造に関する問題に加えて、これは少なくとも１つの余計な動作を必要とする。というのは、１つの光学台もしくは複数の光学台または溶接される部分の角移動は、前述した公知のシステムにおける反射鏡偏向手段の２つの揺動の１つと同一平面上で達成されるためである。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、前述した欠点を解決し、光学台からなる光学装置を移動するためにさらに軸を追加することなく、３次元的溶接を可能とする前述したような種類の遠隔操作によるレーザ溶接システムを形成するとともに、最大限の精度および操作信頼性を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によると、前記課題は、前記請求項１に記載された特徴を有する遠隔操作によるレーザ溶接システムによって効果的に達成される。
【０００７】
本発明の好ましい実施形態によると、前記偏向手段は前記レーザビームを垂直方向から水平位置に偏向する為の静止反射鏡と、平面上に配置され、かつ前記レーザビームの前記水平方向に対して垂直方向に配置された第１水平軸の回りを回動可能であって、前記レーザビームの前記水平方向と一致する第２水平軸の回りを回動可能な可動反射鏡と、前記第１，２水平軸に対する前記可動反射鏡の角移動を制御するための高機能（high dynamic）駆動手段とからなる。
【０００８】
本発明に係る遠隔操作によるレーザ溶接システムにおいて、実際には、入射レーザビームの軸と一致する前記第２水平軸の回りにおける前記可動反射鏡の回転は、従来の角錐台構成とは異なり、球形の冠形状領域が有利に形成された、空間領域を生成するとともに、垂直平面において所望の方向に偏向できる。このことは、前記全ての光学ユニットまたは溶接される部品の制御移動軸をさらに設ける必要がないので、前記空間偏向に関して非常に単純化することができる。
【０００９】
本発明の他の特徴によると、前記集束手段は、前記静止反射鏡の上流側で垂直方向に移動可能である集束レンズからなることが好ましい。
【００１０】
このことは、溶接する範囲においてレーザ焦点の変化を有利に回避することが可能となり、非常に迅速な集束を保証できる。
【００１１】
本発明にかかるレーザ溶接システムは、特に自動車の車体を溶接するためのデカルトロボットに適用するのに適している。そのような適用において、ロボット、例えば、ガントリー型のロボットは、光学ヘッドの位置決め装置として動作し、それにより加工される部分が固定され、また溶接する全ての局面の間、焦点を連続して追跡して処理を速く行なえる。というのは、光学ヘッドは溶接と同時に正しい位置に位置決めされているためである。前記集束されたレーザビームを前記３次元調整（adjustable）空間領域の内側に向けることが可能なことにより、本発明に係る遠隔操作によるレーザ溶接システムは、垂直表面あるいは空間的に傾いた表面に沿って複雑な溶接が可能となる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面にしたがって説明する。
【００１３】
図１をまず最初に参照すると、符号１は、全体的に本発明に係る遠隔操作によるレーザ溶接システムの光学ヘッド（光学ユニット）を示す。前述したように、前記光学ヘッド１は、自動車の車体と各構成部品とを溶接するためのデカルト（Cartesian）ロボットに利便的に配置されて用いられる。
【００１４】
前記光学ヘッド１は、当業者に公知の手段によって垂直方向（軸Ｚ）に移動可能な中空垂直柱構造２からなる。また、その内部には、従来技術において公知の方法で、レーザ生成装置（不図示）によって生成されたレーザビームＰを偏向して集束する装置が挿入されている。
【００１５】
前記レーザビームＰは、前記中空垂直柱構造２内側の垂直方向（軸Ｚ）内に導かれ、通常は静止した第１反射鏡３（反射鏡偏向手段）により遮断される。そして、前記第１反射鏡３は、前記レーザビームＰを水平方向（軸Ｂ（第２水平軸））に偏向する。
【００１６】
これにより、前記レーザビームＰは、第２反射鏡または可動反射鏡４（反射鏡偏向手段）により遮断される。前記可動反射鏡４は、前記光学ヘッド１の中空垂直柱構造２の水平部５内部に収容されている。また、前記可動反射鏡４は、それ自体の平面上に含まれ、かつ前記レーザビームＰの水平方向Ｂに対して垂直方向に配置された水平軸（第１水平軸）の回りを回動する。この回動軸は、記号Ｓによって示されている。図１において明らかに示すように、前記水平部５から出力されて前記可動反射鏡４によって偏向された前記レーザビームＰは、例えば、垂直方向からおよそ±１５°の角度内で向きを変えることが可能である。
【００１７】
本発明の原理的特徴によると、前記可動反射鏡４もまた、前記固定された第１反射鏡３によって反射された前記レーザビームＰの水平方向と一致する前記水平軸Ｂの回りを（自律的にあるいは前記水平部５全体と一体に）回動可能である。この回転によって、理論的には制限がない振幅が、例えば、およそ±１４０°の角度内となり、前記光学ヘッド１の反射鏡３，４によって形成された光学偏向装置は、図２において記号Ｔによって示された空間領域内に前記レーザビームＰを、垂直平面に関する制限なく所望の方向に向ける。
【００１８】
前記軸Ｓの回りにおける前記可動反射鏡４の回動および前記軸Ｂの回りにおける別の回転は、従来の検流計システムの代わりに、（例えば、直流電子モータによって形成された）高機能ドライブシステム（高機能駆動手段）によって制御されている。
【００１９】
この種の器具において、前記空間領域Ｔは、本質的に球形の冠形状領域である幾何学的形状を示す。しかしながら、異なる形状、例えば、円錐台のような形状も可能である。
【００２０】
前記空間領域Ｔの内側において、前記レーザビームＰは、中空垂直柱構造２の内側の静止した前記第１反射鏡３の上流側に配置された垂直軸集束レンズ６（集束手段）によって、溶接するためのあらゆる距離に有効的に集束される。前記集束レンズ６は、前記垂直軸Ｚに平行な向きＬに沿って移動可能である。
【００２１】
さらに、続いて前記光学ヘッド１は、前記垂直軸Ｚに沿って移動可能であり、これにより前記空間領域Ｔの頂上部を垂直方向に移動させ、そして溶接する領域が、例えば、凹所（concavity）内側に位置する場合であっても溶接する領域に達する。
【００２２】
要約すれば、前記光学ヘッド１は、事実上、４軸筒状ヘッド（Ｚ−Ｌ−Ｂ−Ｓ）からなり、それらの移動は、光学ヘッド１が有利に設けられた前記デカルトロボットの移動と連動して、振動を調整するためにプログラム可能な数値制御システムと可動反射鏡４の回転システムと集束レンズ６の平衡移動システムとによって制御されている。前述したように、本発明において、ロボット、例えば、ガントリー型のロボットは、光学ヘッド１の位置決め装置として動作し、それにより加工される部分が固定され、また溶接する間、焦点を連続して追跡して処理を速く行なえる。というのは、光学ヘッド１は溶接と同時に正しい位置に位置決めされているためである。
【００２３】
一例として、前記発明の前記実施形態において、前記空間領域Ｔの加工容積（working volume）は、９００ｍｍから１５００ｍｍの範囲内に含まれるベース面とおよそ４００ｍｍの高さとを示す。
【００２４】
もちろん、前記請求項によって規定されているように、本発明の範囲から逸脱することなく、前述した本発明の構造及び実施形態に数多くの変形を加えることが可能である。例えば、４軸光学ヘッド１（Ｚ−Ｌ−Ｂ−Ｓ）を前記垂直軸Ｚの回りを回転させることにより、前記空間領域Ｔを軸Ｚおよび軸Ｂによって形成された前記垂直平面において制限なく偏向するだけでなく、空間領域Ｔを普通に軸Ｚと共に前記平面ビームの平面において制限なく偏向することにより、前記レーザビーム軸を前記第１反射鏡３の中心と一致する中心を有する領域のいかなる点にでも到達させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の実施形態に係る遠隔操作によるレーザ溶接システムの一部を形成する光学ヘッドの垂直断面図である。
【図２】 図２は、図１の光学ヘッドの構成部品の１つの動作状態を示した斜視図である。
【符号の説明】
１ 光学ヘッド
２ 中空垂直柱構造
３ 第１反射鏡（反射鏡偏向手段）
４ 可動反射鏡（反射鏡偏向手段）
５ 水平部
６ 集束レンズ（集束手段）
Ｂ 水平軸
Ｐ レーザビーム
Ｓ 第１水平軸
Ｔ 空間領域
Ｚ 垂直軸

Claims (13)

1. 垂直方向に沿ってレーザビームを生成するレーザビーム生成装置と、光学ヘッドからなる光学ユニット（１）とからなり、
   該光学ヘッドは、レーザビーム（Ｐ）を空間領域（Ｔ）に偏向させる反射鏡偏向手段（３，４）とレーザビーム（Ｐ）を空間領域（Ｔ）内側に集束する集束手段（６）とからなり、
   前記反射鏡偏向手段は、前記レーザビーム（Ｐ）を垂直方向（Ｚ）から水平方向（Ｂ）に偏向する為の静止反射鏡（３）と、平面上に配置され、かつ前記レーザビーム（Ｐ）の前記水平方向（Ｂ）に対して垂直方向に配置された第１水平軸（Ｓ）の回りを回動可能であって、前記レーザビーム（Ｐ）の前記水平方向と一致する第２水平軸（Ｂ）の回りを回動可能な可動反射鏡（４）とからなり、
   前記集束手段は、前記静止反射鏡の上流に配置された集束レンズを有し、該集束レンズは、垂直方向に沿って前記光学ヘッド内を移動可能であり、レーザビームを前記空間領域の内側に集束させる、
   ことを特徴とする遠隔操作によるレーザ溶接システム。
2. 前記第１，２水平軸（Ｓ，Ｂ）に対する前記可動反射鏡（４）の角移動を制御するための駆動手段をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の遠隔操作によるレーザ溶接システム。
3. 前記第１水平軸（Ｓ）の回動角度は、およそ±１５°の角度内であることを特徴とする請求項２に記載の遠隔操作によるレーザ溶接システム。
4. 前記第２水平軸（Ｂ）の回動角度は、およそ±１４０°の角度内であることを特徴とする請求項２または３に記載の遠隔操作によるレーザ溶接システム。
5. 前記空間領域は、球形の冠形状領域（Ｔ）であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の遠隔操作によるレーザ溶接システム。
6. 前記光学ヘッド（１）は、垂直軸（Ｚ）に沿って平行移動可能であることを特徴とする請求項１から５のいずれか記載の遠隔操作によるレーザ溶接システム。
7. 前記光学ヘッド（１）は、自動車の車体と部品を溶接するためのロボットに設けられることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の遠隔操作によるレーザ溶接システム。
8. 入射する垂直方向に沿ってレーザビーム（Ｐ）を生成するステップと、空間領域（Ｔ）で溶接する範囲上に偏向して集束するステップとからなり、
   前記レーザビーム（Ｐ）は、光学ヘッド内で、入射する垂直方向（Ｚ）から水平方向（Ｂ）に偏向し、続いて前記水平方向（Ｂ）に対して直交する第１水平軸（Ｓ）の回りに偏向するとともに、前記水平方向と一致する第２水平軸（Ｂ）の回りに偏向し、
   前記集束ステップは、前記偏向ステップの上流側で、前記垂直方向に沿って、前記光学ヘッド内で行ない、前記レーザビームを前記空間領域内の異なる距離上に集束することを特徴とするレーザ溶接方法。
9. 前記水平方向（Ｂ）は、垂直方向に移動可能であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接方法。
10. 前記水平方向（Ｂ）は、前記垂直方向（Ｚ）の回りを回転可能であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接方法。
11. 前記水平方向（Ｂ）は、前記垂直方向（Ｚ）の回りを回転可能であることを特徴とする請求項９に記載のレーザ溶接方法。
12. 前記空間領域は、球形の冠形状領域（Ｔ）であることを特徴とする請求項８に記載のレーザ溶接方法。
13. 溶接する間、焦点を連続して追跡し、また溶接する部品を固定するデカルトロボットによって、自動車の車体と部品を溶接するのに用いられることを特徴とする請求項８から１２のいずれかに記載のレーザ溶接方法。

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