JP4645319B2 - リモート溶接教示装置 - Google Patents

Description

本発明は、リモート溶接教示装置に関する。

近年、ロボットを利用した溶接にもレーザ溶接が用いられるようになってきている。従来、このような溶接技術として、ロボットアーム先端に取り付けたレーザ溶接装置は溶接点から離して停止させた上で、レーザ溶接装置内部の反射鏡を回動させることでレーザを振り分け、複数の溶接点を溶接する技術がある（たとえば特許文献１参照）。このようなワークから離れたところからレーザにより溶接を行う技術をリモート溶接と呼んでいる。
特許第３２２９８３４号

このようなリモート溶接においては、レーザが溶接位置に到達する軌跡が見えないため、ロボット動作の教示作業が難しいと言った問題がある。これは、たとえばロボット溶接の代表的なものであるスポット溶接の場合、溶接ガンそのものが溶接位置に当接させるため、最も単純な方法としては、ロボットアームや溶接ガンそのものが周囲の物体やワークなどに干渉せずに溶接位置までに動くように教示すればよい。

しかし、リモート溶接に用いるレーザは可視光ではないために肉眼では見えず、まして動作教示中においてはレーザを照射していない。このためリモート溶接では、レーザ射出点と溶接位置までが離れているので、離れたところからレーザを溶接位置にうまく当てるためのロボット姿勢やレーザ射出点の向きを決めなめればならず、ロボット動作の教示作業が難しいものとなっていた。

そこで本発明の目的は、溶接位置から離れたところからレーザを照射するリモート溶接におけるロボット動作教示作業を容易にすることができるリモート溶接教示装置を提供することである。

上記課題を解決するための本発明は、レーザ溶接装置から射出されるレーザの照射可能範囲を示す可視光を投影する投影手段を有し、前記投影手段は、前記レーザ溶接装置から射出されるレーザの射出角度に対応した複数の可視光枠を投影することを特徴とするリモート溶接教示装置である。

また本発明においては、前記レーザ溶接装置は、前記レーザを集光させる集光レンズを有するものであり、前記リモート溶接教示装置は、さらに前記集光レンズによる前記レーザの非焦点位置で分離していて、合焦位置で一体化する少なくとも２つの可視光によるスポット光を照射するスポット光照射手段を有することを特徴とする。

本発明によれば、レーザの照射可能範囲を示す可視光を投影する投影手段によってレーザの照射範囲を示すこととしたので、目視によってレーザの照射範囲を確かめながらロボットの動作教示を行うことができる。

また本発明によれば、レーザ溶接装置の集光レンズによるレーザの非焦点位置で分離していて、合焦位置で一体化する少なくとも２つの可視光によるスポット光を照射することとしているので、目視できない溶接に用いられるレーザの焦点位置合わせを、目で見ながら教示することができる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（実施形態１）
図１は、本発明によるリモート溶接教示装置を設けたリモート溶接システムを説明するための概略図、図２はレーザ加工ヘッド部分の概略拡大透視図である。

図示するリモート溶接システムを用いた溶接は、これまでのスポット溶接などと比較して、溶接冶具が直接ワークと接触せずに、レーザを用いてワークから離れた場所から溶接するものである。このためこのような溶接をリモート溶接と称している。

図示したリモート溶接システムは、ロボット１と、このロボット１のアーム２先端に設けられ、レーザ１００を射出するレーザ加工ヘッド３と、レーザ光源であるレーザ発振器（不図示）からレーザ加工ヘッド３までレーザ１００を導く光ファイバーケーブル６と、レーザ加工ヘッド３に取り付けられたリモート溶接教示装置５０とからなる。なお、レーザ発振器は、レーザ１００を光ファイバーケーブル６によって導くためにＹＡＧレーザ発振器を用いている。

ロボット１は、一般的な多軸ロボット（多関節ロボットなどとも称されている）などであり、教示作業によって与えられた動作経路のデータに従い、その姿勢を変えてアーム２の先端、すなわちレーザ加工ヘッド３を様々な方向に移動させることができる。

レーザ加工ヘッド３はレーザ溶接装置である。このレーザ加工ヘッド３は、その内部に、レーザ１００の射出方向を自由に振り分けるための反射鏡１１と、レーザ１００をいったん平行光にするためのコリメートレンズ１１１および焦点位置を変更する集光レンズ１１２よりなるレンズ群１２が設けられている。

反射鏡１１は、図示するように２軸方向に回動自在であり、レンズ群１２からのレーザ１００の照射方向を変えることが可能となっている。このためにレーザ加工ヘッド３内部には、反射鏡１１を回動させるための駆動機構（不図示）が備えられている。

このようなレーザ加工ヘッド３によって、光ファイバーケーブル６の射出端６１から射出されたレーザ１００は、レンズ群１２を通り反射鏡１１によって反射され、溶接位置方向へ射出される。したがって、このレーザ加工ヘッド３は、レーザ加工ヘッド３自体を動かすことなくレーザの照射方向を変更することができる。そしてこのようなレーザ加工ヘッド３自体を動かすことなくレーザの照射方向を変更することができる範囲がレーザの照射可能範囲である。

リモート溶接教示装置５０は、レーザ１００の射出経路上に設けられたハーフミラー５１と、ハーフミラー５１方向に可視光を射出する光源５２と、照射された可視光５５を拡大する照射するためのレンズ５３と、レーザ照射可能範囲を示すための可視光を投影するためのスリット５４とを有する。ここでは、ハーフミラー５１、光源５２、レンズ５３、およびスリット５４が投影手段となる。

ハーフミラー５１は、少なくとも光源５２側からの可視光を反射し、レーザ加工ヘッド３からのレーザ１００は透過するものである。なお、ハーフミラー５１は、レーザ加工ヘッド３側からの光は、レーザに限らず可視光であっても透過してかまわない。

光源５２は、レーザ加工ヘッド３からのレーザ１００が照射される距離まで可視光５５を投光できる光量があれば特に限定されない。したがって、ランプ光源、可視光半導体レーザなどが使用できる。

レンズ５３は、光源５２からの可視光をレーザ１００の照射可能範囲に合わせて拡大させるためのものである。

そして、スリット５４は、拡大された光が枠形状となって投影されるようにする（詳細後述）。

これによりリモート溶接教示装置５０からは、レンズ５３の拡大率とスリット５４によって、レーザ１００の照射可能範囲を示す枠が被加工物２００面に投影されることになる。

また、リモート溶接教示装置５０の設置位置は、レーザ１００の光軸中心Ｌ１と光源５２からの可視光の光軸中心Ｌ２とが一致するように設ける。このように両者の光軸を合わせることで、レーザ加工ヘッド３から射出されるレーザの照射可能範囲の空間上での軌跡全体を可視光で投影することができる。

図３は、レーザ照射可能範囲を示す可視光による枠の一例を説明するための説明図である。なお、図において黒線で示した枠５６は、本実施形態１では可視光が当たって見える部分である。

図示するように、本実施形態１では、レーザ１００の射出角度にしたがって可視光５５の枠５６が複数投影されるようにしている。したがって、スリット５４にはレーザ１００の照射角度に対応して複数の枠が投影されるように、複数の開口部が設けられている。

ここでは、一例としてレーザ１００の射出角度θが最も大きいα＝２０°、次に大きいβ＝１０°、最も小さいγ＝５°の三つ枠５６を示すようにしている。なお、レーザ１００の射出角度θは、図１を参照して、レーザ加工ヘッド３から垂直に照射されるレーザ１００の光軸Ｃを中心に反射鏡１１により射出方向を変更したときの角度である。

このようにレーザ１００の射出角度に応じて複数の枠５６を表示する理由は、被加工物２００面におけるレーザ１００の入射角度よって溶接品品質に差がでるため、レーザ１００の射出角度を示す枠５６が被加工物２００面に投影されることで、投影面においておおよそのレーザ入射角度がわかるようになり、溶接品質が悪化するような極端なレーザ１００の入射角度を設定してしまうことを防止することが可能となる。たとえば、投影する枠５６が正方形である場合、投影された枠５６も正方形になるようにレーザ加工ヘッド３を移動させて、枠５６内に溶接点が入っていれば、溶接点が枠α、β、γのいずれの内側にあるかで、レーザ１００の入射角度もその枠５６に決められているそれぞれのレーザ射出角度と同じ角度となることがわかる。

次に、このリモート溶接システムを用いた教示方法を説明する。

図４は、リモート溶接システムを用いた教示方法を説明するための説明図であり、（ａ）は本実施形態１による教示された移動軌跡例を示し、（ｂ）はリモート溶接教示装置を用いない場合の移動軌跡例を示す。

本実施形態１によるリモート溶接教示装置５０を用いた教示方法は、図４（ａ）に示すように、基本的にはリモート溶接教示装置５０を作動させて可視光による枠５６を被加工物２００面に投影し、その状態で溶接する位置（溶接点２０１）がこの枠５６内に入るようにロボット１を操作してレーザ加工ヘッド３を移動するだけである。このとき、枠５６の形が正方形になるようにレーザ加工ヘッド３の向きおよびロボット姿勢を制御し、レーザ加工ヘッド３を移動させたときのロボット姿勢およびその移動軌跡をロボットコントローラ（不図示）によって記録することで、その記録がリモート溶接におけるロボットおよびレーザ加工ヘッド３の教示された動作経路となる。その後、実際に溶接点２０１を溶接するためには、レーザ１００の照射位置を反射鏡１１の回動によって調節する。この反射鏡１１の向きを調整する段階では、レーザ加工ヘッド３自身の位置調整は不要となる。

したがって、本実施形態１によれば、リモート溶接を行うためのロボット姿勢およびレーザ加工ヘッド３の移動経路を簡単に教示することが可能となる。しかも、その移動軌跡は図４（ａ）に示すように、溶接点２０１がレーザの照射可能範囲から逸脱することなく、最短の経路を通るように教示することができる。

一方、リモート溶接教示装置を用いない場合は、図４（ｂ）に示すように、レーザの照射可能範囲が正確にはわからないため、レーザ加工ヘッド３の位置によっては溶接できなくなることをおそれるあまり、どうしても溶接点２０１の直上をレーザ加工ヘッド３が通過するような移動軌跡を描くように教示してしまうことになる。このため、本実施形態１のように、照射可能範囲ぎりぎりのところをレーザ加工ヘッド３が通過するような最短の移動軌跡を描くことができる場合に比べて、レーザ加工ヘッド３の移動経路が長くなり、連続溶接する場合などにタイムロスが生じてしまうことになる。この点、本実施形態１では、このようなタイムロスが少なく、溶接点から離れたところから溶接を行うリモート溶接の利点を発揮させた動作経路の教示が可能となる。

また、この教示の際には、図５に示すように、投影されている枠５６に、途切れ部分ｋがないかどうかを確かめることで、レーザ照射位置におけるレーザ１００と他物体との干渉チェックも行うことができる。これは、溶接点方向に枠５６が投影された状態で、もしその枠５６に途切れ部分ｋがあれば、レーザ１００の照射経路のどこかで枠５６を投影する光が遮られていることを意味し、その部分で溶接時にレーザ１００が他の物体を干渉してしまう恐れがあることを示している。したがって、このような枠５６の途切れがないように教示することでレーザ１００と他の物体との干渉をも簡単に防止することが可能となる。

なお、このようなレーザの干渉チェックを主目的とした場合には、図３に示した枠５６のみの投影に代わり、図６に示すように、レーザの照射可能範囲内５７全てに可視光を投影するようにしてもよい。

このようにすることで、たとえば枠表示だけではチェックできないような枠内中央部分にのみ干渉物があるような場合もレーザ１００との干渉をチェックすることができる。

以上説明したように本実施形態１によれば、ロボットアームに取り付けられているレーザ加工ヘッド３（レーザ溶接装置）にさらにリモート溶接教示装置５０を取り付けることで、目視することのできないレーザ１００に代わり、可視光によってレーザ１００の照射範囲を示すことができ、溶接点のある被加工物面上にこの可視光５５が投影されるので、実際にロボット１を操作してレーザ加工ヘッド３の経路、ロボット姿勢などを目視により教示することができる。

（実施形態２）
実施形態２は、前述した実施形態１に加えて、レーザ１００の合焦位置を判別するためのスポット光照射手段を設けたものである。

図７は、レーザ加工ヘッド部分の概略拡大透視図である。なお、本実施形態２においてもレーザ加工ヘッド３およびリモート溶接教示装置５０は図１に示した場合と同様に、ロボットアーム２に取り付けられており、レーザ発信器６０からのレーザが光ファイバーケーブル６により導かれているものである。なお、実施形態１と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態２は、レーザ発信器６０内部に、溶接に使用するレーザ光源６１（ここではＹＡＧレーザ発信器）とともに、可視光を発する可視光光源６２を備える。この可視光光源（スポット光用光源）６２からの光は、光ファイバーケーブル６へ溶接用のレーザと切り替えて送出できるようになっている。このためにレーザ発信器６０内部には、レーザ１００を透過し可視光を反射するハーフミラー６３を備える。すなわち、レーザ１００を射出する場合は、レーザ光源６１をオンにし、可視光を照射する場合は、レーザ光源６１からのレーザ１００を止めて、可視光光源６２からの可視光を発することになる。これにより、レーザと可視光が同一経路によりレーザ加工ヘッド３まで導かれることになる。

そして、レーザ加工ヘッド３内には、集光レンズ１１２の手前、コリメートレンズ１１１との間に、レーザの光束幅Ｗの外周位置に相当し、相対する位置で可視光を通すスリット６５を入れてある。したがって、スポット光は、集光レンズ１１２より前におけるレーザの光束幅の外周位置で互いに最も離れた位置に少なくとも一つずつ入れることになる。ここでは可視光をこのスリット６５によって２つのスポット光に分離するようにしている（後述する図９参照）。このスリット６５は取り付け取り外し自在であり、動作経路の教示時に取り付け、レーザ溶接を行う際には取り外すことになる。

図８および図９は、本実施形態２における合焦点判別方法を説明するための図面で、図８は側面から見た模式図であり、図９はスポット光の照射された状態を示す模式図である。

まず、本実施形態２では、上述のように、レーザが通るのと同じ経路で可視光を導入しているため、この可視光も実際のレーザと同じようにレーザ加工ヘッドから射出される。そして、この可視光は、コリメートレンズ１１１と集光レンズ１１２の間に設けたスリット６５によって２つのスポット光に分離されている。

したがって、図８に示すように、レーザ加工ヘッド３から射出され、２つに分離しているスポット光６８ａおよび６８ｂは、集光レンズ１１２の作用によって焦点位置Ｂで合焦し、ほぼ一つの点として見えるようになる（図９Ｂ参照）。しかし、焦点位置ではない部分、たとえばＡの位置では、２つに分離しているスポット光６８ａおよび６８ｂは１つに合体せず、２つの点として見えることになる（図９Ａ参照）。なおスポット光の大きさ（スポット直径）は、たとえば、レーザ溶接が良好となる合焦範囲にあるとき２つのスポット光が繋がって一体化して見え、逆に合焦範囲からはずれたときには互いに分離して見える程度の大きさとすることが好ましい。したがって、用いるレーザ強度や光束幅などに応じてスリット６５の開口を調整することが好ましい。

このように本実施形態２を用いれば、動作教示の際に溶接面２００において、２つのスポット光６８ａおよび６８ｂが一体化して見えるように、レンズ群１２内の集光レンズ１１２を調整するか、または溶接点からレーザ加工ヘッド３までの位置を調整することで、レーザ溶接における就航レンズによる合焦動作またはレーザ加工ヘッド３の経路をあらかじめ調整しておくことができる。

以上、本発明の実施形態を説明したが本発明はこのような実施形態に限定されるものではない。

たとえば、上述した実施形態１では、枠状に可視光を照射することとした場合に、その枠を背方形として図示したが、これは、レーザの照射範囲に応じていかような形でもよく、円形や楕円形、その他の多角形などであってもよい。また、スリットを用いてこのような枠形状を可視光として投影することとしているが、スリットに代えて、たとえば１点または複数点の可視レーザ光のスポットを高速で枠形状となるようにスキャンして描き出すようにしてもよい。これは、可視レーザ光のスポットを高速で枠形状となるようにスキャンすれば、人間には残像現象により枠状に見えるため、このような方法でもレーザの照射範囲が目視により確認することができる。

また、実施形態２においては、溶接に用いるレーザ発信器から可視光を導いているが、これに代えて、レーザ加工ヘッドに、別途可視光源からの可視光を導く光ファイバーケーブルをつなぎかえるようにしてもよい。また、集光レンズ１１２の前にＬＥＤや可視光半導体レーザなど小型の点光源を２つ、コリメートされたレーザの最外周位置に設置するなどしてもよい。ただし、この場合、点光源から発せられた光はコリメート（平行）光としておく必要があり、また、レーザ溶接時には取り外す必要がある。

また、スポット光分離した２つの光に限らずさらに複数のスポット光であってもよい。

本発明は、ロボットを使用したレーザ溶接に利用可能である。

本発明によるリモート溶接教示装置を設けたリモート溶接システムを説明するための概略図である。 実施形態１におけるレーザ加工ヘッド部分の概略拡大透視図である。 レーザ照射可能範囲を示す可視光による枠の一例を説明するための説明図である。 リモート溶接システムを用いた教示方法を説明するための説明図である。 レーザの干渉チェックを説明する説明図である。 レーザ照射可能範囲を示す可視光の他の投影例を説明するための説明図である。 実施形態２におけるレーザ加工ヘッド部分の概略拡大透視図である。 実施形態２における合焦点判別方法を説明するための図面で、側面から見た模式図である。 実施形態２における合焦点判別方法を説明するための図面で、スポット光の照射された状態を示す模式図である。

符号の説明

１…ロボット、
３…レーザ加工ヘッド、
１１…反射鏡、
５０…リモート溶接教示装置、
５１…ハーフミラー、
５２…光源、
５３…レンズ、
５４…スリット、
５５…可視光、
５６…枠、
６０…レーザ発信器、
６１…レーザ光源、
６２…可視光光源、
１００…レーザ、
１１１…コリメートレンズ、
１１２…集光レンズ。

Claims (8)

1. レーザ溶接装置から射出されるレーザの照射可能範囲を示す可視光を投影する投影手段を有し、前記投影手段は、前記レーザ溶接装置から射出されるレーザの射出角度に対応した複数の可視光枠を投影すること特徴とするリモート溶接教示装置。
2. 前記投影手段は、前記レーザ溶接装置の動きとともに動くことを特徴とする請求項１記載のリモート溶接教示装置。
3. 前記投影手段は、前記レーザ溶接装置とともにロボットアームに取り付けられていることを特徴とする請求項２記載のリモート溶接教示装置。
4. 前記レーザ溶接装置は、前記レーザを集光させる集光レンズを有するものであり、
   前記リモート溶接教示装置は、さらに前記集光レンズによる前記レーザの非焦点位置で分離していて、合焦位置で一体化する少なくとも２つの可視光によるスポット光を照射するスポット光照射手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のリモート溶接教示装置。
5. 前記スポット光照射手段は、前記集光レンズより前から前記スポット光を、前記集光レンズより前における前記レーザの光束幅の外周位置で互いに最も離れた位置に少なくとも一つずつ入れることを特徴とする請求項４記載のリモート溶接教示装置。
6. 前記スポット光照射手段は、前記レーザと同じ経路を通って可視光が導かれるように配置されたスポット光用光源と、前記集光レンズの前に設けられ前記スポット光用光源からの可視光から前記スポット光を作り出すスリットと、を有することを特徴とする請求項５記載のリモート溶接教示装置。
7. 前記レーザの照射可能範囲は、前記レーザ溶接装置自体を動かすことなく前記レーザの照射方向を変更できる範囲であること特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のリモート溶接教示装置。
8. 前記レーザ溶接装置は、レーザ発信器から導かれた前記レーザを反射する回動自在の反射鏡を有し、
   前記反射鏡により前記レーザの射出方向を変更することを特徴とする請求項７記載のリモート溶接教示装置。

Images