JP4988160B2 - レーザ溶接装置、レーザ溶接システム、およびレーザ溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接装置、レーザ溶接システム、およびレーザ溶接方法に関する。

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（特許文献１参照）。

ところで、このようなレーザ溶接では、レーザ溶接装置から複数の溶接点まで距離が異なるため、レーザ溶接装置内部で溶接点であるレーザ照射位置までの距離、すなわち焦点距離を調整できるようにしている（非特許文献１参照）。

このような複合レンズを用いたレーザ溶接装置では、焦点距離の調整はできるものの、合しょう位置におけるレーザスポット径が焦点距離によって変化してしまうため、焦点距離により集光されるエネルギー量に違いが生じてしまい、溶接位置ごとに微妙に照射時間を変えるなどの対策が必要となる。

一方、焦点距離の変更に伴うスポット径の違いを緩和するために、焦点距離が変化してもスポット径をほぼ一定に保つ技術がある（特許文献２参照）。

この技術によれば、合焦点からずれた位置のスポット径をレーザ照射点位置となるように照射距離を調整することで、レーザが当たっている部分のスポット径が焦点距離を変えても同じになるようにしている。
特許第３２２９８３４号 特開２００４−０５０２４６号公報 「ファイバーエレファント（ＦＩＢＥＲ ＥＬＥＰＨＡＮＴ）」、［ｏｎｌｉｎｅ］、２００３年６月ナンバー０００２２４３−０１、アーゲス社（ＡＲＧＥＡＳ ＧｍｂＨ）、［２００５年１月３１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｒｇｅｓ．ｄｅ／ｄｏｗｎｌｏａｄｓ／ｆｉｂｅｒｅｌｅｐｈａｎｔｎｑ．ｐｄｆ＞

しかしながら、従来のレーザが当たっている部分のスポット径が焦点距離を変えても同じになるようにする技術では、合焦点からずれた位置を用いているため、最もレーザのエネルギーを高めることのできる合焦点を利用することができずエネルギーロスが発生するという問題がある。

そこで本発明の目的は、レーザを最も効率よく利用できる合焦点におけるスポット径を、焦点距離に依存せずに変更することができるレーザ溶接装置を提供することである。また、このレーザ溶接装置を用いた溶接システムを提供することである。さらに、このレーザ溶接装置を用いたレーザ溶接方法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、レーザ発信器から光ファイバによって導かれたレーザを合焦点に合焦させると共に、焦点距離を変えても前記合焦点におけるスポット径の変化が５％未満となるように調整するために、レーザを収束させて前記合焦点に合焦させる第１のレンズ、前記第１のレンズに入射するレーザを拡散させる第２のレンズ、および前記光ファイバによって導かれたレーザの拡散を防止して前記第２のレンズへ導く第３のレンズを有する光学手段と、前記焦点距離を変えても合焦点におけるスポット径の変化が５％未満となるようにするために、焦点距離を長くするときには前記第１のレンズと前記第２のレンズの間隔、および前記第２のレンズと前記第３のレンズの間隔をそれぞれ開き、かつ、前記第３のレンズの位置を前記光ファイバのレーザ放射点から離すように前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更して、第１のレンズに入射されるレーザの拡散角度および光束幅を変更し、焦点距離を短くするときには前記焦点距離を長くするときとは逆に前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更する前記レンズ位置変更手段と、を有することを特徴とするレーザ溶接装置である。

また上記課題を解決するための本発明は、ロボットと、レーザ発信器から光ファイバによって導かれたレーザを合焦点に合焦させると共に、焦点距離を変えても合焦点におけるスポット径の変化が５％未満となるように調整するための光学手段、およびレーザの射出方向を変更自在なレーザ射出手段を有して、前記ロボットに取り付けられているレーザ溶接装置と、前記レーザ溶接装置が所定方向に所定速度で移動するように前記ロボットの姿勢を制御し、かつ、第１の溶接点の溶接中は当該第１の溶接点方向に前記レーザが射出されるように前記レーザ溶接装置内の前記レーザ射出手段を制御すると共に、前記焦点距離を変化させつつ合焦点である溶接点におけるスポット径の変化が常に５％未満となるように前記光学手段を制御し、前記第１の溶接点の溶接終了後は第２の溶接点方向に前記レーザが射出されるように前記レーザ射出手段を制御する制御手段と、を有し、前記光学手段は、レーザを収束させて前記合焦点に合焦させる第１のレンズと、前記第１のレンズに入射するレーザを拡散させる第２のレンズと、前記光ファイバによって導かれたレーザの拡散を防止して前記第２のレンズへ導く第３のレンズと、を有し、前記レーザ射出手段は前記第１のレンズから前記合焦点までの間に設けられており、前記制御手段は、前記光学手段を制御する際に、焦点距離を長くするときには前記第１のレンズと前記第２のレンズの間隔、および前記第２のレンズと前記第３のレンズの間隔をそれぞれ開き、かつ、前記第３のレンズの位置を前記光ファイバのレーザ放射点から離すように前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更して、第１のレンズに入射されるレーザの拡散角度および光束幅を変更し、焦点距離を短くするときには前記焦点距離を長くするときとは逆に前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更することを特徴とするレーザ溶接システムである。

また上記課題を解決するための本発明は、レーザ発信器から光ファイバによって導かれたレーザを、焦点距離を変えても合焦点におけるスポット径の変化が５％未満となるように調整するために、レーザを収束させて前記合焦点に合焦させる第１のレンズ、前記第１のレンズに入射するレーザを拡散させる第２のレンズ、および前記光ファイバによって導かれたレーザの拡散を防止して前記第２のレンズへ導く第３のレンズを有する光学手段と、前記第１のレンズから前記合焦点までの間に設けられていてレーザの射出方向を変更自在なレーザ射出手段とを有するレーザ溶接装置がロボットに取り付けられていて、前記レーザ溶接装置が所定方向に所定速度で移動するように前記ロボットの姿勢を制御し、かつ、第１の溶接点の溶接中は当該第１の溶接点方向に前記レーザが射出されるように前記レーザ射出手段を制御すると共に、前記焦点距離を変化させつつ合焦点である溶接点におけるスポット径の変化が常に５％未満となるようにするために、焦点距離を長くするときには前記第１のレンズと前記第２のレンズの間隔、および前記第２のレンズと前記第３のレンズの間隔をそれぞれ開き、かつ、前記第３のレンズの位置を前記光ファイバのレーザ放射点から離すように前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更し、焦点距離を短くするときには前記焦点距離を長くするときとは逆に前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更するように前記光学手段を制御し、前記第１の溶接点の溶接終了後は第２の溶接点方向に前記レーザが射出されるように制御することを特徴とするレーザ溶接方法である。

本発明のレーザ溶接装置によれば、レーザ発信器から導かれたレーザを任意の焦点距離で、かつ合焦点におけるスポット径が任意の大きさとなるように調整する光学手段を設けたので、レーザを最も効率よく利用できる合焦点におけるスポット径を焦点距離に依存せずに変更することができる。

また、本発明のレーザ溶接システムおよびレーザ溶接方法によれば、レーザを最も効率よく利用できる合焦点におけるスポット径を焦点距離に依存せずに任意に変更することができるレーザ溶接装置をロボットに設け、このロボットの姿勢を制御することでロボットに取り付けられているレーザ溶接装置のレーザ射出手段の位置を所定方向に所定速度で移動させつつ、レーザが目標溶接点方向に射出されるようにレーザ射出手段によるレーザ射出方向を変更することとしたので、レーザが目標溶接点に照射されている間に、レーザ射出手段の位置は次の溶接点方向へ移動することが可能となる。したがって、複数の溶接点がある場合に、次の溶接点がレーザ射出手段によるレーザ射出方向の変更のみでは照射範囲を超えてしまうような位置にある場合でも、前の溶接点を溶接中にロボット動作させて、レーザ射出手段の位置を次の溶接点へ向けて動かしているので、前の溶接点の溶接終了時点で、レーザ射出手段の位置は次の溶接点へのレーザ溶接可能位置に到達することができ、次のレーザ射出開始までの非溶接時間が非常に短くてすむようになって、複数溶接の際の全体としての作業効率を向上させることができる。また、溶接点へは、レーザを最も効率よく利用できる合焦点におけるスポット径を焦点距離に依存せずに任意に変更して照射することができるので、レーザの利用効率を高めることが可能となる。

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。

図１は、本発明を適用したレーザ溶接装置を説明するための概略斜視図である。

図１に示すレーザ溶接装置は、後述するようにロボットアームの先端に取り付けることを想定した一実施形態である。このため、このレーザ溶接装置をレーザ加工ヘッドと称する。

このレーザ加工ヘッド３は、レーザを任意の焦点距離で合焦させ、かつ合焦点におけるスポット径を任意に調整することのできる光学手段であるレンズ郡１２と、このレンズ郡１２を通したレーザを所定範囲において任意に照射方向を変更するレーザ射出手段である反射鏡１１を備えている。また、これらの部材はケース３０に収納されており、ケース３０にはレーザ発振器からこのレーザ加工ヘッド３までレーザを導く光ファイバーケーブル６が接続されレンズ郡１２へレーザが導かれている。

レンズ郡１２は、レーザを合焦させる第１のレンズ３１と、第１のレンズ３１へ入射されるレーザを拡散させる第２のレンズ３２と、レーザ発信器から光ファイバーケーブルによって導かれたレーザの拡散を防止して第２のレンズ３２へ導く第３のレンズ３３と、を有する。

これら第１〜第３のレンズ３１〜３３は、各レンズ３１〜３３相互間の距離を変更するためのレンズ位置変更手段となる鏡筒３５によって支持されている。鏡筒３５の内壁には、各レンズ３１〜３３に設けられた突起３６と係合する螺旋状の溝４１〜４３が刻まれている。この溝４１〜４３は、それぞれレンズ３１〜３３に対応しており、鏡筒３５が回転することで各レンズ３１〜３３がそれぞれの溝４１〜４３に沿って鏡筒内を前後する。そして、この溝４１〜４３の形成位置によって各レンズ３１〜３３相互の間の距離が変化し、焦点距離と合焦点におけるスポット径を共に、任意に調整することができるようにしている。本実施形態では、合焦点位置を約５００ｍｍ変更できるように焦点距離を変更可能とし、かつ、この焦点距離が変化する間では、合焦点でのスポット径がほぼ同じ大きさとなるように、各レンズ３１〜３３の位置が前後するように各溝４１〜４３を形成している。

ここで合焦点でのスポット径がほぼ同じ大きさというのは、機械精度やレンズの光学的な精度から完全に同じにすることができないためであるが、レーザ溶接の精度などを考慮した場合は、５％未満に収まるようにすることが好ましい。これはレーザ溶接の際の溶接部材の材質や厚さ、枚数、エネルギー量などによって異なるものの、スポット径の変化を５％未満に収めることで焦点距離の異なる位置を溶接した場合でも、そのほかの溶接条件を変更せずに溶接を継続することができるためである。なお、本実施形態においては、合焦点位置を約５００ｍｍ変更する範囲内でスポット径の変化が５％未満となるようにしている。

ケース３０内には、鏡筒３５を回転させるためのモータ４５とローラ４６が設けられている。ローラ４６は鏡筒３５の外側に当接しており、モータの動作により回転する。鏡筒３５はこのローラ４６の回転により回転する。そして鏡筒３５の回転により各レンズの位置が変化する。なお、鏡筒内部には、各レンズ３１〜３３が前後方向には自在に動くが、回転方向には動かないように規制する回転防止部材４７が鏡筒３５と一緒に動かないように設けられている。

ここで３つのレンズの相互間距離の変化によって、焦点距離が変化しても焦点距離に依存することなく合焦点におけるスポット径を任意に調整するための動作原理について説明する。

図２は、合焦点におけるスポット径を任意に調整するための動作原理を説明する説明図である。

第１のレンズ３１は、合焦点においてレーザが収束して焦点を結ばせるためのレンズである。したがって、基本形状が凸レンズである。このような凸レンズでは、入射されたレーザの拡散角度に応じて焦点距離が変化する。ここでレーザの拡散角度は、後述する第２のレンズ３２によって拡散されたレーザが入射されるため、図中、Ｆ’で示す仮想焦点位置からレーザの光束が広がる角度θで表す。

そして、第１のレンズ３１を通ったレーザは、拡散角度θが小さいほど、すなわち平行光に近いほど焦点距離ｆは短くなり、逆に拡散角度θが大きく平行光よりも急角度で第１のレンズ３１に入るレーザの方が、焦点距離ｆは長くなる。これは、つまり、凸レンズ３１ａの屈折率は入射されたレーザに対して変わるものではないので、図１２に示すように、拡散角度θ１＜θ２の場合、凸レンズ３１ａを通ったレーザは拡散角度θ２の方がθ１より大きいため、拡散角度θ２によるレーザがより遠くで合焦するのである。なお、図１２中、θ１のレーザによる合焦点をＧ１、θ２のレーザによる合焦点をＧ２としている。

一方、通常凸レンズは、光を最も絞って小さくした点である合焦点がレンズの回析限界によってある一定の大きさとなる。これは、合焦点でのスポット径をｄ、レーザの波長をλ、レーザの光束幅をＤとすると、スポット径ｄは下記（１）式で表される。

ｄ＝（４／π）×（λ×ｆ／Ｄ） …（１）
この（１）式からわかるように、第１のレンズ３１に入射されたレーザの光束幅Ｄが同じ場合、焦点距離ｆを変えると合焦点におけるスポット径ｄは変化してしまう。しかし、焦点距離ｆを変えると共に、光束幅Ｄも変更すれば、合焦点におけるスポット径ｄは焦点距離に依存することなく自由に変えられることになる。すなわち、凸レンズは入ってくるレーザの光束幅Ｄを変えると、それに応じて合焦点におけるスポット径が変化する。

したがって、これら２つの特性、すなわち、第１のレンズ３１へ入るレーザの拡散角度θと光束幅Ｄを合わせて調整することで焦点距離を自在に変更すると同時に焦点距離ｆに依存せずに合焦点のスポット径ｄをも自在に調整することができるようになる。

このために、第１のレンズへ入射するレーザの拡散角度θと光束幅Ｄを調整するために第２のレンズ３２と第３のレンズ３３を設けている。

第２のレンズ３２は、入射されたレーザを拡散する凹レンズである。凹レンズはその特性上、入射されたレーザが拡散して放出される。したがって、この第２のレンズ３２と第１のレンズ３１の間の距離を変えることで第１のレンズ３１へ入射させるレーザの光束幅Ｄを変化させることができる。

一方、拡散角度θは、仮想焦点Ｆ’の位置を変えることで変化させることができる。これを変えるためには、第３のレンズ３３と第２のレンズ３２間の距離を調整する。

第３のレンズ３３は、光ファイバーケーブル６によって導かれたレーザの拡散を防止して、第２のレンズ３２へレーザを集光させている。したがって、第３のレンズ３３と第２のレンズ３２間の距離を換えると共に、第３のレンズ３３の位置も変えることで第３のレンズ３３によって収束される焦点位置も変わるため、結果的に第２のレンズ３２の仮想焦点Ｆ’が変化することになる。

なお、通常、光ファイバーケーブル６によって導かれその先端から放出されたレーザは、拡散光として放出されるためそのまま第２のレンズ３２へ入射すると、拡散度合いが大きくなりすぎ、また、そのままでは第２のレンズ３２へ入射されるレーザの仮想焦点Ｆ'を変更することができないので第３のレンズ３３を設けている。

ここで、図２を参照してより具体的なレンズの動きを説明する。ここでは焦点距離を変化させることで合焦点位置を約５００ｍｍ変更する場合を示している。

図２（ａ）は最も焦点距離ｆが短くなる位置とした場合であり、図２（ｂ）は図２（ａ）より焦点距離をｆ１まで長くし、かつ図２（ａ）の場合と合焦点おけるスポット径ｄを同じにする場合を示している。

この図２（ｂ）の場合、第１のレンズ３１に入るレーザの拡散角度θを図２（ａ）の場合より大きくすることで焦点距離を伸ばしている。一方で、第１のレンズ３１に入るレーザの光束幅Ｄを大きくすることで前記（１）式から焦点距離を伸ばしたことに伴う合焦点におけるスポット径の拡大を抑えて、図２（ａ）の場合と同じ大きさとなるようにしている。このために、第１のレンズ３１と第２のレンズ３２の間隔、および第２のレンズ３２と第３のレンズ３３の間隔をそれぞれ開き、かつ、第３のレンズ３３の位置も光ファイバーケーブル６のレーザ放射点から離すようにしている。

図２（ｃ）は、さらに焦点距離をｆ２まで長くし、かつ、図２（ａ）の場合と合焦点おけるスポット径ｄを同じにする場合を示している。

この図２（ｃ）の場合も同様に、第１のレンズ３１に入るレーザの拡散角度θを図２（ｂ）の場合より大きくすることで焦点距離を伸ばし、第１のレンズ３１に入るレーザの光束幅Ｄを大きくすることでスポット径の拡大を抑えて、合焦点におけるスポット径ｄを図２（ａ）および図２（ｂ）の場合と同じ大きさとなるようにしている。このために、第１のレンズ３１と第２のレンズ３２の間隔、および第２のレンズ３２と第３のレンズ３３の間隔を一層開き、かつ、第３のレンズ３３の位置も光ファイバーケーブル６のレーザ放射点からさらに離すようにしている。

なお、レーザを照射した場合のスポット径は、図２（ａ）を参照して説明すれば、合焦点ｐで最も小さくなり、それから外れるｐ１やｐ２では合焦点でのスポット径ｄより大きくなる。したがって、合焦点ｐでのスポット径ｄが最もレーザのビームが収束した位置であり、レーザのエネルギーをその部分に最も集中させることができるのである。

このように本実施形態におけるレーザ溶接装置によれば、焦点距離が変化した場合でも合焦点におけるスポット径を任意に制御することが可能となる。特に、焦点距離が変わってもこの合焦点でのスポット径を常に同じ大きさとすることで、レーザのエネルギーを最大限利用することができ、しかも、焦点距離が変わっても溶接時間の調整を行う必要がなくなるので、効率のよいレーザ溶接を行うことができるようになる。

次に、このレーザ溶接装置をレーザ加工ヘッドとして用いたレーザ溶接システムについて説明する。

図３は、本発明を適用したレーザ溶接システムを説明するための概略斜視図、図４はレーザ加工ヘッドを説明するための概略透視図である。

このレーザ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３に示したレーザ溶接システムは、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５と、レーザ発振器５からレーザ加工ヘッド３までレーザを導く光ファイバーケーブル６とからなる。

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を移動させる。

レーザ加工ヘッド３は、上述した本発明によるレーザ溶接装置である。このシステムでは、図４に示すように、光ファイバーケーブル６によって導かれたレーザ１００を、最終的に目的物方向へ射出するレーザ射出手段となる反射鏡１１と、レーザ１００の焦点位置を変更するレンズ郡１２とからなる。なお、図４においては、レーザ加工ヘッド３は、既にレーザ溶接装置として説明したので、ここではレーザ加工ヘッドの構成部材のうち主要な部材のみを示し、レーザ加工ヘッド内の詳細な説明は省略する。

レーザ加工ヘッド３内の反射鏡１１は、鏡面を通る垂直な線をＺ軸として、このＺ軸と直行するＸ軸およびＹ軸においてそれぞれ独立に回動自在であり、回動することでレーザ１００の射出方向を自在に振り分けることができる。このため、図示しないが、レーザ加工ヘッド３内には、反射鏡１１を回動させるためのモータおよびギア機構を有する。モータは後述する加工ヘッド制御装置によってその動きが制御される。同様に、レンズ郡１２による焦点位置変更のためのモータも有し、これも加工ヘッド制御装置によって制御される。

レーザ発振器５は、ＹＡＧレーザ発振器である。ここでは、レーザを光ファイバーケーブル６によって導くためにＹＡＧレーザを用いている。

図５および図６は、ロボット１に対するレーザ加工ヘッド３の取り付け事例を示す図面である。

ロボットアームへのレーザ加工ヘッド３の取り付けは、たとえば、図５に示すように、レーザ加工ヘッド３をロボットアーム先端の手首部分２１にわずかにずらして取り付け、光ファイバーケーブル６を直接レーザ加工ヘッドへ通す形態。またたとえば、図６に示すように、レーザ加工ヘッド３の一部をロボットアーム先端の手首部分２１内に埋め込み、ロボット１のアーム２内に光ファイバーケーブル６を通す形態などがある。特に、図６に示した形態では、レーザ加工ヘッド３の形状をコンパクトにすることができるため、複雑かつ狭い空間でもレーザ加工ヘッド３を入れることができ、レーザ溶接によって行うことのできる部分が多くなる。また、この形態では、アーム２内に光ファイバーケーブル６を通すこととしているので、アーム部分周囲も含めていっそうコンパクトになっている。このようにコンパクトな形態とすることで、特に自動車車体の溶接工程などにおいてレーザ溶接により行うことのできる溶接箇所が増えて、狭い場所などにおける手打ち工程を減らすことが可能となり、それだけでも作業効率を向上することができる。

このような取り付け形態は、ロボット１の形状や形式、レーザ加工ヘッドの形状などに合わせて適宜選択することになるが、本発明はいずれの場合でも、またここに示した事例以外でも適用可能である。

図７は、このレーザ溶接システムの制御系の構成を説明するためのブロック図である。

制御系は、レーザ発振器５におけるレーザ出力のオン、オフなどを制御するレーザコントローラ５１と、ロボット１の動きを制御するロボット制御装置５２と、レーザ加工ヘッド３における反射鏡１１、およびレンズ郡１２を動かす（すなわち鏡筒３５を回転させる）モータ４５を制御する加工ヘッド制御装置５３とからなる。

レーザコントローラ５１は、レーザ出力のオン、オフと、レーザの出力強度調整などを行っている。このレーザコントローラ５１は、ロボット制御装置５２からの制御信号によって、レーザ出力のオン、オフを行っている。

ロボット制御装置５２は、本実施形態においては、後述するロボット１の動きと共に反射鏡１１およびレンズ郡１２の動作、およびレーザ出力のオン、オフなどの制御信号の出力も行っており、本発明における制御手段となるものである。なお、ロボット１の動作、反射鏡１１およびレンズ郡１２の動作はすべてロボット１の動作教示のときに行われる。したがって、このロボット制御装置５２は教示されたデータ（教示データと称する）をもとにロボット動作そのものと各種制御信号の出力を行う。

加工ヘッド制御装置５３は、ロボット制御装置５２からの制御信号に基づいてレーザ加工ヘッド３内の反射鏡１１およびレンズ郡１２の動作を制御する。

このように構成されたレーザ溶接システムを用いた溶接方法を説明する。

図８は、レーザ溶接におけるレーザ加工ヘッド３とレーザ射出方向の動きを説明するための説明図である。なお、ここでは理解を容易にするためにごく簡単な基本形を例に説明する。

本実施形態では、図８に示すように、複数の溶接点２０１〜２０６がある場合に、目標とする一つの溶接点（たとえば２０１）へレーザ１００を射出中にも、レーザ加工ヘッド３を、次の溶接点（たとえば２０２）へ向けて所定速度で移動させる。このとき、反射鏡１１の動きは、レーザ加工ヘッド３が移動しても現在溶接中の溶接点（たとえば２０１）の溶接が終了するまで、その溶接点（たとえば２０１）からレーザ１００が外れないように回動させている。

このときレーザ加工ヘッド３の位置移動はロボット姿勢の変更、すなわちロボットアーム２を動かすことで行っている。ロボット１の動きはロボット制御装置５２によって制御されており、レーザ加工ヘッド３の位置が溶接中の溶接点から次の溶接点へ向けて一定速度で移動させている。したがって、図示する場合には、レーザ加工ヘッド３は、その位置ａからｊまで一定の速度で移動する。

ここでレーザ加工ヘッド３の位置を一定速度で移動させるのは、ロボットアームの移動に伴って発生するロボットアームの振動を極力減らして、レーザ１００の焦点位置が目標位置（溶接点）から振動によって外れないようにするためである。ここでは、位置ａからｊまで常に一定速度に保つようにしたが、これは本実施形態の場合、実質的にある溶接点の溶接が終了してから次の溶接点へレーザの向きを変える際の非溶接時間はほとんどないため（詳細後述）、すべての溶接が終了するまではじめから終わりまで、すべて一定速度を保つようにしたものである。なお、非溶接時間が長くなるような場合には、その間、レーザ加工ヘッド３の位置を移動させる速度を変えてもよい。

一方、反射鏡１１は、一つの溶接点を溶接中は、レーザ焦点位置（すなわち合焦点）が、レーザ加工ヘッド３の移動方向と相対的に逆方向で、かつ、レーザ焦点位置の移動速度がレーザ加工ヘッド３の移動速度とほぼ同じになるように回動させている。このときの反射鏡１１の回動速度を溶接時の所定速度と称する。これにより、レーザ加工ヘッド３の移動と逆方向にほぼ同じ速度でレーザ焦点位置が移動することになるため、結果的に一つの溶接点の溶接中はレーザがその溶接点を外れることがなくなるのである。ここで、ほぼ同じ速度としているのは、溶接点のビード形成距離（ビードの大きさ）によっては、一つの溶接点においてレーザ照射位置（焦点位置）を移動させなければならないためである。すなわち、ビード形成距離に応じて、その分レーザ焦点位置の移動速度をレーザ加工ヘッド３の移動速度よりわずかに遅くなるようにして、レーザ加工ヘッド３の移動方向にビードが形成されるように調整することになる。

また、このレーザ加工ヘッド３の移動速度は、溶接速度より速い必要がある。これは、一つの溶接点（たとえば２０１）の溶接が終了した時点で、次の溶接点（たとえば２０２）に対してレーザが届くようにするためである。

通常、レーザ溶接の溶接速度は１〜５ｍ／ｍｉｎである。これに対して、レーザ加工ヘッド３の移動速度（すなわちロボットアームを動作させる速度）は、ロボットによって様々であるが、たとえば最大１０〜２０ｍ／ｍｉｎ程度であり、また、反射鏡１１によるレーザ焦点位置の移動速度は焦点位置が反射鏡１１から１ｍ程度の部分で最大１００ｍ／ｍｉｎ程度が可能である。したがって、レーザ加工ヘッド３の移動速度を溶接速度より速くすることは十分可能である。

なお、このようなそれぞれの速度から実際の移動速度を選択する際には、レーザ加工ヘッド３の振動を抑えるようにするために、レーザ加工ヘッド３の移動速度ができるだけ低速となるように、各速度を選択することが好ましい。

一つの溶接点（たとえば２０１）の終了から、次の溶接点（たとえば２０２）へのレーザ焦点位置の移動も、反射鏡１１の回動によって行う。このときの反射鏡１１の回動は、可能な限り速く行うことが好ましい。このとき、レーザ出力は、停止せずにそのまま出力を続けるようにしてもよい。これは、上記の通り、レーザ焦点位置の移動速度は溶接速度に対して桁違いに速いため、溶接点間の移動中に、溶接しない部分にレーザが照射されたとしても、その部分がレーザの焦点位置から外れていたり、焦点位置内にあったとしても一瞬レーザが当たるだけでほとんど影響がなく、レーザ１００が当たった部分を傷つけることはないからである。なお、必要に応じてレーザコントローラ５１にオフ信号を送りレーザ出力を一時停止することも可能である。

このようにロボット１によるレーザ加工ヘッド３の移動および反射鏡１１の向きを制御することで、ロボットアーム先端に設けられているレーザ加工ヘッド３の位置は、順次溶接を行う方向に、溶接点（たとえば２０１）の溶接開始時にはその溶接点（たとえば２０２）より前にあり（たとえば位置ｂ）、その溶接点（たとえば２０２）の溶接終了時にはその溶接点（たとえば２０１）より先にある（たとえば位置ｄ）ことになる。

また、一つの溶接点を溶接中は、レーザ加工ヘッド３を移動させているため、レーザ加工ヘッド３の位置と溶接点の位置が相対的に変化する。このため焦点距離をレーザ加工ヘッド３の移動に合わせて調整している。これには、ロボット制御装置５２にあらかじめ教示された教示データにもとづいて加工ヘッド制御装置５３が鏡筒３５を回転させることでレンズ群１２を動かし、焦点距離を調整している。ここで鏡筒３５には、既に説明したように、焦点距離が変化しても合焦点でのスポット径がほぼ同じ大きさとなるように、鏡筒３５内に溝が形成されている。このため、ロボット制御装置５２にはレーザ加工ヘッド３の位置と溶接点の位置の相対的な変化に対応して焦点距離を変化させるための教示データを入力しておけば自動的に全てのレーザ焦点位置（すなわち合焦点）において同じスポット径となる。したがって、一つの溶接点においては、レーザ加工ヘッドとの距離が相対的に変化しても最もエネルギー効率のよい合焦点における最小のスポット径でレーザが照射されるようになる。また、異なる溶接点どうしであっても、同様に合焦点における最小のスポット径でレーザが照射されるようになるので、レーザ加工ヘッド３からの距離が異なる各溶接点ごとに、レーザ照射時間を変えるなどの調整が不要となる。

図９は、このレーザ溶接における制御手順を示すフローチャートである。

まず、ロボット制御装置５２は、あらかじめ教示された教示データに従って最初の溶接開始位置にレーザ加工ヘッド３を移動させて定速移動を開始すると共に、レーザ出力をオンにするようにレーザコントローラ５１に指令する（Ｓ１）。同時に加工ヘッド制御装置５３に対しても溶接時の所定速度で反射鏡１１を回動させつつ焦点距離を変更するように指令する（Ｓ２）。

続いて、ロボット制御装置５２は、教示データに従い、次の溶接点の溶接開始位置に到達したか否かを判断する（Ｓ３）。ここで教示データに従う次の溶接点の溶接開始位置は、その前の溶接点の溶接が終了した位置でもある。

この段階で次の溶接点の溶接開始位置に到達していれば、反射鏡１１を次の溶接点方向へ高速で回動するように加工ヘッド制御装置５３に対して指令する（Ｓ４）。これにより、加工ヘッド制御装置５３が次の目標となる溶接点方向へ反射鏡１１を高速で回動させてレーザが次の溶接点方向へ向けて射出されるようになる。以降この動作を最終溶接点の溶接終了まで続けることになる。

一方、ステップＳ３において、次の溶接点の溶接開始位置に到達していなければ、全溶接点の溶接終了か否かを判断する（Ｓ５）。この判断は教示データに従って最終溶接点の溶接が終了したことにより判断される。ここで、最終溶接点の溶接終了でなければ、現在溶接中の溶接作業自体が終了していないので、そのまま処理はステップＳ３へ戻る。これにより現在溶接中の溶接がそのまま継続されることになる。

一方、ステップＳ５において、最終溶接点の溶接が終了していれば、教示データに従って、レーザ出力をオフにするようにレーザコントローラ５１に指令し、レーザ加工ヘッドを待機位置（または作業終了位置など）に戻し（Ｓ６）、全ての作業を終了する。

この動作を、図８の例を使って説明すれば、はじめにロボット制御装置５２はレーザ加工ヘッド３を溶接点２０１の溶接開始位置ａまで移動し、レーザ加工ヘッド３を一定速度で移動させつつレーザ出力を開始させ、同時に反射鏡１１を溶接点２０１にレーザが照射されるように溶接時の所定速度で回動させる。

続いて、位置ｂを経て、溶接点２０２の溶接開始位置ｃに到達した時点で（この時点で溶接点２０１の溶接が終了している）、ロボット制御装置５２は、反射鏡１１を教示されている最大速度で回動してレーザ射出方向を溶接点２０２方向に回動させる。そして溶接点２０２の溶接を継続して実行させる。以降溶接点２０６の溶接が終了するまでこれらの処理を繰り返し、溶接点２０６の溶接が終了した時点で、レーザ出力を停止させ、全ての溶接作業を終了する。

ここで、従来のレーザ溶接と比較する。図１０は、従来法によるレーザ溶接の動作を説明するための説明図である。

従来法では、レーザ加工ヘッド３がＡの位置に来た時点でレーザ加工ヘッド３を停止させ、そこから反射鏡１１によるレーザ照射可能範囲内に位置する溶接点３０１、３０２、および３０３に対して反射鏡１１を回動させることで連続的に溶接を行う。またこの間、レーザ加工ヘッド３のＡの位置と各溶接点３０１、３０２，および３０３との距離が異なるため、そのまま焦点距離を変えたのではスポット径に違いが生じるので、各溶接点３０１、３０２、および３０３ごとに微妙にレーザ照射時間を調整している。なお、特許文献２に示した従来法によればスポット径を各溶接点で同じようにすることも可能と考えられるが、最も効率のよい合焦点でのスポット径を用いることができなくなり、レーザのエネルギーの利用効率が悪く、一つひとつの溶接点でのレーザ照射時間が伸びてしまい好ましくない。

溶接点３０３の溶接終了後は、レーザをいったん停止させて、レーザ加工ヘッド３をＡ位置からＢ位置に移動し、レーザ加工ヘッド３をＢ位置で停止させて、溶接点３０４、３０５、および３０６に対して反射鏡１１を回動させることにより連続的に溶接を行う。この間も同様に各溶接点３０４、３０５、および３０６ごとに微妙にレーザ照射時間を調整している。

図１１は、前述した図８による本実施形態による溶接動作と、図１０に示した従来法による溶接動作で、全溶接工程にかかる時間を比較して説明するための説明図である。（ａ）は本実施形態の場合であり、（ｂ）は従来法の場合である。なお、図示する各時間はそれぞれに相対的な長さを示すものであり実時間ではない。

図示するように、本実施形態では、従来法にある、溶接を止めてレーザ加工ヘッド３を移動させることによる溶接点変更時間（図中の「加工ヘッドによる溶接点変更時間」）が不要となる。したがって、本実施形態では、その分、全溶接にかかる時間を短縮することができる。また、レーザの最も効率のよい合焦点でのスポット径を用いているので一つひとつの溶接点でのレーザ照射時間も短くてすみ、全体としての溶接時間の短縮を図ることができる。

このため溶接点が多くなればなるほどこの時間短縮効果は大きくなる。たとえば、自動車の車体組み立てラインでは、数百点に上る溶接点が存在するが、これらをすべて、または一部でも連続的に溶接する際には大きな時間短縮効果をもたらすことが期待できる。

以上説明したように本実施形態によれば、ロボットアームに取り付けられたレーザ加工ヘッド３を、溶接中にも次の溶接点方向へ向けて移動させているので、溶接を止めてロボットアームを動かし溶接点を変更する時間が不要となるので、その分、全溶接工程にかかる時間を短縮することができる。したがって、溶接点が多くなればなるほどこの時間短縮効果は大きくなる。たとえば、自動車の車体組み立てラインでは、数百点に上る溶接点が存在するため、これらをすべて、または一部でも連続的に溶接する際には大きな時間短縮効果をもたらすことが期待できる。

また、少なくとも溶接中は一定速度となるようにロボットアームを動かしているため、溶接中のロボットアームの移動であっても振動によってレーザ焦点位置が溶接点から外れることがない。

また、レーザ加工ヘッド３の移動速度を溶接速度より速くすることで、確実に次の溶接点が反射鏡１１の回動によって溶接できる範囲に入るようにレーザ加工ヘッド３を移動させることができ、複数の溶接点の連続溶接時に非溶接時間をほとんどなくすようにできる。また、レーザ加工ヘッド３の位置を移動方向に向かって溶接開始時には目標の溶接点より前にあり、溶接終了時には目標の溶接点より先にあるようにすることで、いっそう確実に次の溶接点を反射鏡１１の回動によって溶接できる範囲に入るようにできる。

このように本実施形態では、非溶接時間をほとんどなくすことができるので、レーザ溶接システム、特に、レーザ発振器５がいまだ高価な現状において設備費の回収効率を高めることができる。

また、一つのレーザ発振器５から複数のレーザ加工ヘッド３へレーザを導く構成とした場合でも常に複数のレーザ加工ヘッド３にレーザを供給する必要から、これまではレーザ加工ヘッド３によって溶接位置を変更している際の非溶接時間にはレーザをレーザ吸収材に当てて消費させていたが、本実施形態のように非溶接時間をほとんどなくすことが可能になるので、このようなレーザを吸収させることによる電力の無駄な消費をなくすことができる。

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、上述した実施形態では、３つのレンズにより焦点距離と共に合焦点におけるスポット径を制御しているが、これは本発明の基本構成を説明するものであって、このほかに、レンズ収差などを考慮してさらに多くのレンズを途中に介在させたり、一つひとつのレンズを複合レンズとするなどさまざまな形態が可能である。また、図２を参照した具体的な説明では、焦点距離が伸びるに従い第１〜第３のレンズ３１〜３３の相互間の距離も伸ばすこととしているが、これも用いるレンズの特性に合わせて適宜必要なレンズ間距離となるように動作させることはいうまでもない。

また、上述した実施形態では、焦点距離が変化しても合焦点でのスポット径がほぼ同じとなる事例を説明したが、これに代えて、焦点距離の変化に依存せずさらに合焦点でのスポット径をも変化させることとしてもよい。

さらに、上述した実施形態では、直線的に複数の溶接点が並んだ基本形（図８）を用いて説明したが、これは当然に、このような直線的な経路以外の様々な動作経路であっても本発明を適用することができるものである。

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。

本発明を適用したレーザ溶接装置を説明するための概略斜視図である。 合焦点におけるスポット径を任意に調整するための動作原理を説明する説明図である。 本発明を適用するレーザ溶接システムを説明するための概略斜視図である。 レーザ加工ヘッドを説明するための概略透視図である。 ロボットに対するレーザ加工ヘッドの取り付け事例を示す図面である。 ロボットに対するレーザ加工ヘッドの取り付け事例を示す図面である。 上記レーザ溶接システムの制御系の構成を説明するためのブロック図である。 レーザ加工ヘッドとレーザ射出方向の動きを説明するための説明図である。 レーザ溶接における制御手順を示すフローチャートである。 従来法によるレーザ溶接の動作を説明するための説明図である。 実施形態による溶接動作と、従来法による溶接動作で、全溶接工程にかかる時間を比較して説明するための説明図である。 凸レンズにおける屈折と焦点距離を説明するための説明図である。

符号の説明

１…ロボット、
２…アーム、
３…レーザ加工ヘッド、
５…レーザ発振器、
６…光ファイバーケーブル、
１１…反射鏡、
１２…レンズ郡、
３１…第１のレンズ、
３２…第２のレンズ、
３３…第３のレンズ、
３５…鏡筒、
３６…突起、
４１〜４３…溝、
４５…モータ、
４６…ローラ４６、
５１…レーザコントローラ、
５２…ロボット制御装置、
５３…加工ヘッド制御装置。

Claims (15)

1. レーザ発信器から光ファイバによって導かれたレーザを合焦点に合焦させると共に、焦点距離を変えても前記合焦点におけるスポット径の変化が５％未満となるように調整するために、レーザを収束させて前記合焦点に合焦させる第１のレンズ、前記第１のレンズに入射するレーザを拡散させる第２のレンズ、および前記光ファイバによって導かれたレーザの拡散を防止して前記第２のレンズへ導く第３のレンズを有する光学手段と、
   前記焦点距離を変えても合焦点におけるスポット径の変化が５％未満となるようにするために、焦点距離を長くするときには前記第１のレンズと前記第２のレンズの間隔、および前記第２のレンズと前記第３のレンズの間隔をそれぞれ開き、かつ、前記第３のレンズの位置を前記光ファイバのレーザ放射点から離すように前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更して、第１のレンズに入射されるレーザの拡散角度および光束幅を変更し、焦点距離を短くするときには前記焦点距離を長くするときとは逆に前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更する前記レンズ位置変更手段と、を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 前記レンズ位置変更手段は、前記第１〜第３のレンズを支持する鏡筒を有し、前記鏡筒の内壁には前記第１〜第３のレンズのそれぞれに設けられている突起とそれぞれ係合する螺旋状の溝が刻まれており、前記鏡筒が回転することで前記第１〜第３のレンズが前記鏡筒内を前後して、前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更するものであることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。
3. 前記第１のレンズから前記合焦点までの間に設けられ、レーザの射出方向を変更自在なレーザ射出手段をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載のレーザ溶接装置。
4. ロボットと、
   レーザ発信器から光ファイバによって導かれたレーザを合焦点に合焦させると共に、焦点距離を変えても合焦点におけるスポット径の変化が５％未満となるように調整するための光学手段、およびレーザの射出方向を変更自在なレーザ射出手段を有して、前記ロボットに取り付けられているレーザ溶接装置と、
   前記レーザ溶接装置が所定方向に所定速度で移動するように前記ロボットの姿勢を制御し、かつ、第１の溶接点の溶接中は当該第１の溶接点方向に前記レーザが射出されるように前記レーザ溶接装置内の前記レーザ射出手段を制御すると共に、前記焦点距離を変化させつつ合焦点である溶接点におけるスポット径の変化が常に５％未満となるように前記光学手段を制御し、前記第１の溶接点の溶接終了後は第２の溶接点方向に前記レーザが射出されるように前記レーザ射出手段を制御する制御手段と、
   を有し、
   前記光学手段は、
   レーザを収束させて前記合焦点に合焦させる第１のレンズと、
   前記第１のレンズに入射するレーザを拡散させる第２のレンズと、
   前記光ファイバによって導かれたレーザの拡散を防止して前記第２のレンズへ導く第３のレンズと、を有し、
   前記レーザ射出手段は前記第１のレンズから前記合焦点までの間に設けられており、
   前記制御手段は、前記光学手段を制御する際に、焦点距離を長くするときには前記第１のレンズと前記第２のレンズの間隔、および前記第２のレンズと前記第３のレンズの間隔をそれぞれ開き、かつ、前記第３のレンズの位置を前記光ファイバのレーザ放射点から離すように前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更して、第１のレンズに入射されるレーザの拡散角度および光束幅を変更し、焦点距離を短くするときには前記焦点距離を長くするときとは逆に前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更することを特徴とするレーザ溶接システム。
5. 前記第１〜第３のレンズは鏡筒によって支持され、前記鏡筒の内壁には前記第１〜第３のレンズのそれぞれに設けられている突起とそれぞれ係合する螺旋状の溝が刻まれており、前記鏡筒が回転することで前記第１〜第３のレンズが前記鏡筒内を前後するものであり、
   前記制御手段は、前記鏡筒を回転させることで前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更することを特徴とする請求項４記載のレーザ溶接システム。
6. 前記所定速度は、少なくとも一つの溶接点の溶接中は一定速度であることを特徴とする請求項４または５記載のレーザ溶接システム。
7. 前記所定速度は、一つの溶接点を溶接する溶接速度よりも速いことを特徴とする請求項４〜６のいずれか一つに記載のレーザ溶接システム。
8. 前記所定方向は、第１の溶接点から第２の溶接点へ向かう方向であることを特徴とする請求項４〜７のいずれか一つに記載のレーザ溶接システム。
9. 前記制御手段は、前記レーザ溶接手段の位置が、前記所定方向に向かって溶接開始時には溶接を開始する溶接点より前にあり、溶接終了時には溶接を終了した溶接点より先にあるように移動させることを特徴とする請求項４〜８のいずれか一つに記載のレーザ溶接システム。
10. レーザ発信器から光ファイバによって導かれたレーザを、焦点距離を変えても合焦点におけるスポット径の変化が５％未満となるように調整するために、レーザを収束させて前記合焦点に合焦させる第１のレンズ、前記第１のレンズに入射するレーザを拡散させる第２のレンズ、および前記光ファイバによって導かれたレーザの拡散を防止して前記第２のレンズへ導く第３のレンズを有する光学手段と、前記第１のレンズから前記合焦点までの間に設けられていてレーザの射出方向を変更自在なレーザ射出手段とを有するレーザ溶接装置がロボットに取り付けられていて、
    前記レーザ溶接装置が所定方向に所定速度で移動するように前記ロボットの姿勢を制御し、かつ、第１の溶接点の溶接中は当該第１の溶接点方向に前記レーザが射出されるように前記レーザ射出手段を制御すると共に、前記焦点距離を変化させつつ合焦点である溶接点におけるスポット径の変化が常に５％未満となるようにするために、焦点距離を長くするときには前記第１のレンズと前記第２のレンズの間隔、および前記第２のレンズと前記第３のレンズの間隔をそれぞれ開き、かつ、前記第３のレンズの位置を前記光ファイバのレーザ放射点から離すように前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更し、焦点距離を短くするときには前記焦点距離を長くするときとは逆に前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更するように前記光学手段を制御し、前記第１の溶接点の溶接終了後は第２の溶接点方向に前記レーザが射出されるように制御することを特徴とするレーザ溶接方法。
11. 前記第１〜第３のレンズは鏡筒によって支持され、前記鏡筒の内壁には前記第１〜第３のレンズのそれぞれに設けられている突起とそれぞれ係合する螺旋状の溝が刻まれており、前記鏡筒が回転することで前記第１〜第３のレンズが前記鏡筒内を前後するものであり、
    前記鏡筒を回転させることで前記第１〜第３のレンズの相互間の距離を変更することを特徴とする請求項１０記載のレーザ溶接方法。
12. 前記所定速度は、少なくとも一つの溶接点の溶接中は一定速度であることを特徴とする請求項１０または１１記載のレーザ溶接方法。
13. 前記所定速度は、一つの溶接点を溶接する溶接速度よりも速いことを特徴とする請求項１０〜１２のいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
14. 前記所定方向は、第１の溶接点から第２の溶接点へ向かう方向であることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
15. 前記レーザ溶接装置の位置は、前記所定方向に向かって溶接開始時には溶接を開始する溶接点より前にあり、溶接終了時には溶接を終了した溶接点より先にあるように移動させることを特徴とする請求項１０〜１４のいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。

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