JP5070719B2 - レーザ溶接装置およびレーザ焦点位置調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ溶接装置およびレーザ焦点位置調整方法に関する。

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。このような溶接技術として、ロボットアーム（マニュピレータ）の先端にレーザ光を照射するためのレーザ照射装置を取り付け、ロボットアーム移動させつつ、さらにレーザ照射装置からのレーザ光照射方向をも変えることで、レーザ光を移動させながらあらかじめ決められた溶接点を溶接する技術がある（たとえば特許文献１参照）。このような溶接をワークとレーザ照射装置の間がこれまでよりも離れていることからリモート溶接と称されている。
特開２００５−１７７８６２号公報

ところで、このようなリモート溶接においては、ワークとレーザ照射装置の間が離れているため、レーザ光の合焦位置を見つけづらいという問題があった。

そこで本発明の目的は、レーザ光の合焦位置を容易に見つけられるようにしたレーザ照射装置およびレーザ焦点位置調整方法を提供することである。

上記目的達成するための本発明は、レーザ光を発生させるレーザ発振器と、前記レーザ発振器から導かれた前記レーザ光の進行方向下流側に位置するコリメートレンズと、前記コリメートレンズよりも前記レーザ光の進行方向下流側に位置し、前記レーザ光の焦点距離を調節する集光距離可変用レンズと、少なくとも２本の可視光パイロットレーザ光が前記レーザ光の光束の外周を通過するように前記可視光パイロットレーザ光を出力するパイロットレーザ光源と、を有し、前記可視光パイロットレーザ光は、前記コリメートレンズを通過せず、かつ、前記焦点距離可変用レンズより前から前記コリメートレンズを通過した前記レーザ光の光束の外周を通過するように入射させること特徴とするレーザ溶接装置である。

また、上記目的達成するための本発明は、上記レーザ溶接装置を用いた焦点位置調整方法であって、前記少なくとも２本の可視光パイロットレーザ光を照射しつつ、前記少なくとも２本の可視光パイロットレーザ光が一つになるように前記集光距離可変用レンズによって焦点距離を調整すること特徴とするレーザ焦点位置調整方法である。

本発明のレーザ溶接装置によれば、２本の可視光パイロットレーザ光を溶接用のレーザ光の外周を通過するように入れることとしたので、合焦点ではこの２本の可視光パイロットレーザ光の照射点が１つにまとまって見えるので、簡単に合焦点を見つけることができる。

また、本発明のレーザ焦点位置調整方法によれば、上記レーザ溶接装置を用いて２本の可視光パイロットレーザ光の照射点が１つにまとまって見えるように焦点距離を調整することで、容易に焦点距離の調整を行うことができる。

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。

図１は、本発明を適用したレーザ溶接装置（リモート溶接システム（単にシステムと称する））の構成を説明するための概略図である。

図示するシステムは、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。

このシステムは、ロボット１と、このロボット１を後述する制御装置に指示に従って制御するロボットコントローラ２と、ロボット１のアーム先端に設けられレーザ光を照射するスキャナヘッド６（レーザ照射手段）と、レーザ光源であるレーザ発振器３からスキャナヘッド６までレーザ光を導く光ファイバー５（導光手段）と、スキャナヘッド６およびレーザ発振器３を制御する制御装置４（制御手段）よりなる。

ここで、制御装置４は、たとえばコンピュータであり中央演算処理装置や記憶装置などを有する。

レーザ発振器３は、レーザ光を光ファイバーケーブル５（以下単に光ファイバー５と省略する）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の先端、すなわちスキャナヘッド６をさまざまな方向に移動させることができる。レーザ照射の移動範囲を図示符号７として示した。

図２は、スキャナヘッド６内部の構成を説明するための説明図である。

図示するように、スキャナヘッド６内部は、光ファイバー５を保持する光ファイバー保持部１２、ファイバー位置変更機構１３、ファイバー用アクチュエータ制御装置１４、コリメートレンズ１６、固定ミラー１７、集光距離可変用レンズ１９、第１レンズ１１０、第２レンズ１１１、集光距離可変用レンズ用アクチュエータ１１２、レーザ走査用ミラー１１３（反射鏡）、ミラー用アクチュエータ１１４、およびミラー制御装置１１５を有する。なお、図面上符号１５はレーザ光を示す。

このスキャナヘッド６は、コリメートレンズ１６を通過したレーザ光１５が、固定ミラー１７、集光距離可変用レンズ１９、第１レンズ１１０、第２集光レンズ１１１を通過してさらにレーザ走査用ミラー１１３により反射されて射出される。

レーザ走査用ミラー１１３は、ミラー用アクチュエータ１１４によって回動自在に動かすことができ、ミラー制御装置１１５があらかじめ教示された焦点速度のデータに基づいて回動させている。ミラー制御装置１１５は、焦点速度のデータからその焦点速度を得るためのレーザ走査用ミラー１１３の回動角速度を算出して、教示された（または指令された）焦点速度となるようにレーザ走査用ミラー１１３を制御している。

また、ファイバー用アクチュエータ制御装置１４が、溶接経路におけるスキャナヘッド６からワーク１１７までの距離１１６に合わせてファイバー位置変更機構１３を制御し、光ファイバー５のレーザ射出端６１の位置を変更することで溶接経路中におけるレーザ焦点位置（焦点距離）の調整を行っている。また、集光距離可変用レンズ１９は、レーザ溶接装置自体の設置位置の変更やワークが変更された場合などに、スキャナヘッド６からワークまでのレーザ照射距離が大きく変更された場合にレーザ焦点距離合わせを行うために位置移動可能となっている。なお、集光距離可変用レンズ１９は、溶接動作中においては固定されていて、溶接動作中における焦点距離の変更は上記のとおり光ファイバー５のレーザ射出端６１の位置変更のみにより行っているが、これに代えて、集光距離可変用レンズ１９を溶接動作中においてもその位置を移動させることでレーザの焦点合わせを行うようにしてもよい。

本実施形態では、ファイバー位置変更機構１３および／または集光距離可変用レンズ１９が焦点位置調整手段として機能する。

このレーザ溶接装置では、ロボットによるスキャナヘッド６の動きと共にレーザ走査用ミラー１１３の動きによってさまざまな方向へレーザを照射することが可能となっている。

このスキャナヘッド６によるレーザの照射範囲は、図１の符号７に示すとおり、３次元的範囲となる。つまり、そのＸ−Ｙ方向は反射鏡１１により位置変更可能となり、Ｚ方向はレンズ群１２による焦点位置（焦点距離）の変更により変更可能となっている。

また、レーザ溶接時においては、ロボット１の動きによるスキャナヘッド６を動かすロボット１の動作速度（ロボット速度）と、レーザ走査用ミラー１１３によるレーザ焦点位置の移動速度（焦点速度）の合成された速度（溶接点速度）となる。

ロボットコントローラ２は、あらかじめ教示データが記憶されており、教示データに従ってロボット１の各軸を動作させて溶接動作を実行する。教示データは、たとえば、溶接動作中のロボットの動作経路（すなわち、スキャナヘッド６を移動させる経路）、この動作経路進行中におけるロボットの動作速度、ロボットの動作経路に対応させたレーザ走査用ミラー１１３による焦点速度、レーザ照射位置に対応させた焦点距離変更のためのレーザ射出端６１の位置データ、溶接条件などである。これら記憶されているロボット速度および回動速度は生産現場に投入されてロボットを稼働させるときの速度である。レーザ照射位置に対応させた焦点距離変更のためのレーザ射出端６１の位置データは、ロボット１の動作経路およびレーザ走査用ミラー１１３の回動角度に対応させているため、ロボット速度や焦点速度には依存せず、ロボット１の現在位置およびレーザ走査用ミラー１１３の現在回動角度に対応して変化するように指令されている。なお、ロボット１の現在位置およびレーザ走査用ミラー１１３の現在回動角度は、それぞれに取り付けられているエンコーダの値により得られている。

また、溶接条件としては、ロボット速度と焦点速度の合成速度である溶接点速度、レーザ出力、レーザ照射開始位置、およびレーザ照射終了位置などである。レーザ照射開始位置、およびレーザ照射終了位置は、ロボット１各軸のエンコーダ（不図示）から取得される現在位置とミラー用アクチュエータ１１４のエンコーダ（不図示）から取得されるレーザ走査用ミラー１１３の現在回動角度に対応してレーザ照射位置がリアルタイムで算出され、レーザ照射開始点に到達した時点でレーザ照射が開始され、レーザ照射終了点に到達した時点でレーザ照射が終了される。

図３は、本実施形態におけるレーザ溶接装置の合焦位置確認にかかる部材を説明するための光学系を示す図である。

図に示した光学系は、既に説明したスキャナヘッド６内の構成と同様であるが、焦点位置認識方法を説明するためのものであるので、第２レンズは省略した。

スキャナヘッド６の光学系は、基本的には光ファイバー５から出たレーザがコリメートレンズ１６を通過し、固定ミラー１７、集光距離可変用レンズ１９、第１レンズ１１０を通過してさらにレーザ走査用ミラー１１３により反射されて射出される。

ここで本実施形態では、合焦位置確認のために、溶接用レーザ光のコリメートレンズ通過後の光束の外周部分（以下単に外周という）に沿うように可視光のパイロットレーザ光を入れている。符号２００はパイロットレーザ光源である。

パイロットレーザ光を入れる方法としては（パイロットレーザ光源の配置位置）、たとえば、図３（ａ）に示すように、固定ミラー１７をハーフミラーとして、このハーフミラーとした固定ミラー１７の裏側に２本のパイロットレーザ光源２００を配置して、溶接用レーザ１５の外周に沿うように溶接用レーザ１５の進行方向へ照射する方法がある。

また、参考例として図３（ｂ）に示すように、コリメートレンズ１６の手前に２本のパイロットレーザ光源２００を配置して、溶接用レーザ１５の外周に沿うように、２本のパイロットレーザ光源２００から出力されるパイロットレーザ光がクロスするように照射する方法がある。

その他にも、さまざまな位置が考えられるが、基本的には、焦点距離を変更するための光学系と一緒に動かすか、または手前からパイロットレーザ光を出力するようにすればよい。すなわち、集光距離可変用レンズ１９のみによって焦点距離を変更する場合には、図３（ａ）の方法を採用して、集光距離可変用レンズ１９を通過するようにパイロットレーザ光を入れる。一方、レーザ射出端６１の位置を変更することで焦点距離を変更する場合には、参考例である図３（ｂ）に示すように、パイロットレーザ光源２００を配置して、光ファイバー５のレーザ出力端６１と一緒にパイロットレーザ光源２００が移動するようにする。

図４は、本実施形態における焦点位置認識方法を説明するための説明図である。図は焦点位置認識方法を説明するためのものであるので、第１レンズ１１０のみを示しその他の部材は省略した。

図示するように、レーザ光は最終のレンズ（ここでは第１レンズ１１０）を通った位置から集光し始め、光学系の位置によって定まる焦点位置で焦点を結ぶ。このとき、溶接用レーザの外周に沿って入力されたパイロットレーザ光２０１は、焦点を結んだ位置にワークなどの照射物体があると（ｂ）に示すよう２本のパイロットレーザ光２０１の点が一つになる。一方、焦点が合っていない位置にワークなどの照射物体があると（ａ）または（ｃ）のように２本のパイロットレーザ光２０１の点が２つとなって現れる。

したがって、この２本のパイロットレーザ光２０１の照射点が一つになった時点が合焦位置となる。

２つの点の分離幅は、焦点距離によって異なるもの、０．数ｍｍから数ｍｍ程度となるため目視により十分に認識可能である。

このように２本のパイロットレーザ光２０１を溶接用レーザの外周部に沿うようにスキャナヘッド６の光学系内を通すことで簡単に、合焦位置を判別することができる。

このように本実施形態によれば簡単に合焦位置が確認できるので、たとえば、ロボットの教示動作中に、ワーク上に２本のパイロットレーザ光２０１による点を照射しながら、ロボットの動作経路およびレーザ走査用ミラー１１３の回動角度を教示し、その際ワーク上に２本のパイロットレーザ光２０１による点が一つとなるように焦点位置調整手段（たとえばファイバー位置変更機構１３および／または集光距離可変用レンズ１９）により焦点位置を調整し、そのときの焦点位置調整手段の調整位置を興じデータとして教示させればよい。

ところで溶接用レーザ光とパイロットレーザ光との波長の違いによる収差が発生する。（たとえば、溶接用レーザ光の波長はＹＡＧレーザの場合１０６４ｎｍ、可視光のパイロットレーザ光の波長はｃ線（赤色）６５６ｎｍ、ｅ線（緑色）５４６ｎｍである）。

一方、溶接用レーザにおいても溶接可能な焦点深度があるため、たとえ可視光であるパイロットレーザ光と間で収差のために両者の焦点位置がわずかに違っても、溶接自体に大きな問題は発生しない。しかし、焦点距離や用いるレンズ系によっては、この収差のために、パイロットレーザ光で焦点合わせをした後、溶接用レーザ光の焦点位置が違ってしまい良好な溶接ができない場合もある。そこで、このような収差による問題が生じるような場合には、収差を補正するとよい。

図５は凸レンズにおける焦点距離を説明するための説明図である。

焦点での入射角∂Ａは以下の式であらわされる。

θＡ＝ｓｉｎ^−１（（ｎ２／ｎ１）ｓｉｎ（θｉ−ｓｉｎ^−１（（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎ（θｉ＋θｚ）））
また、図中角度θｉ，θｔはそれぞれ以下のようにあらわすことができる。

θｊ＝θｉ−θｔ
θｔ＝ｓｉｎ^−１（（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎθｉ）
これらをふまえるとレンズ中心からｗ１だけ離れた部分に入射角θｉｎで照射された光はレンズ後ろ側からｆ′離れた場所で焦点を結ぶ。このｆ′は以下の式で表される。

ｆ’＝（ｗ１−ｔ１ｔａｎθｊ）／（ｔａｎθＡ）
したがって、
ｆ’＝（ｗ１−ｔ１ｔａｎ（θｉ−ｓｉｎ^−１（（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎθｉ）））／（ｔａｎ（ｓｉｎ^−１（（ｎ２／ｎ１）ｓｉｎ（θｉ−ｓｉｎ^−１（（ｎ１／ｎ２）ｓｉｎ（θｉ＋θｚ））））））
この式を用いると溶接用レーザのレンズ裏面から焦点までの距離ｆ’ｙは下記式にｙ掘り表すことができる。

ｆ’ｙ＝（ｗ１−ｔ１ｔａｎ（θｉ−ｓｉｎ^−１（（ｎ１ｙ／ｎ２ｙ）ｓｉｎθｉ）））／（ｔａｎ（ｓｉｎ^−１（（ｎ２ｙ／ｎ１ｙ）ｓｉｎ（θｉ−ｓｉｎ^−１（（ｎ１ｙ／ｎ２ｙ）ｓｉｎ（θｉ＋θｚ））））））
またパイロットレーザ光のレンズ表面から焦点までの距離ｆ′ｐは以下のようにあらわすことができる。

ｆ’ｐ＝（ｗ１−ｔ１ｔａｎ（θｉ−ｓｉｎ−１（（ｎ１ｐ／ｎ２ｐ）ｓｉｎθｉ）））／（ｔａｎ（ｓｉｎ^−１（（ｎ２ｐ／ｎ１ｐ）ｓｉｎ（θｉ−ｓｉｎ^−１（（ｎ１ｐ／ｎ２ｐ）ｓｉｎ（θｉ＋θｚｐ））））））
ここで、
ｎ１ｐ：パイロットレーザ光の空気中の屈折率、
ｎ２ｐ：パイロットレーザ光のレンズ中の屈折率、
ｎ１ｙ：溶接用レーザの空気中の屈折率、
ｎ２ｙ：溶接用レーザのレンズ中の屈折率、
とする。

ここでパイロットレーザ光入射角θｚｐをｆ’ｙ＝ｆ’ｐとなるように照射する。

これにより、パイロットレーザ光と溶接用レーザとの波長の違いによる収差を補正していっそう正確に焦点位置を決めることができる。

なお、上記各式はあくまでも凸レンズでの事例である。したがって、実際の補正に当たっては、スキャナヘッドに用いている集光レンズ（たとえば複数のレンズを使用している場合など）にあわせて収差を補正すればよい。

図６は、２本の可視光のパイロットレーザ光に色を付けた事例を説明する説明図である。

図示するように溶接用レーザの外周に沿って入れている２本のパイロットレーザ光２０４および２０５にそれぞれ異なる色を付ける。たとえば、図では、緑色と赤色のパイロットレーザ光２０４および２０５を用いている。

これにより、合焦していない位置（ａ）または（ｃ）では、２つの点がそれぞれの色となって見える。一方、合焦点（ｂ）では、緑色と赤色のパイロットレーザ光２０４および２０５が重なるため、見える色はほぼ白色に変化して見える。

したがって、合焦した時点でパイロットレーザ光による照射点の色が変わるため、合焦点を判別しやすくなる。もちろんパイロットレーザ光の色は赤や緑に限定される者ではない。

以上、本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。たとえば、パイロットレーザ光は２本としたが、これに限らず３本などであってもよい。

本発明は、レーザ溶接、レーザ加工に利用できる。

本発明を適用したレーザ溶接装置の構成を説明するための概略図である。 スキャナヘッド内部の構成を説明するための説明図である。 本実施形態におけるレーザ溶接装置の合焦位置確認にかかる部材を説明するための光学系を示す図である。 本実施形態における焦点位置認識方法を説明するための説明図である。 凸レンズにおける焦点距離を説明するための説明図である。 ２本の可視光のパイロットレーザ光に色を付けた事例を説明する説明図である。

符号の説明

１…ロボット、
２…ロボットコントローラ、
３…レーザ発振器、
４…制御装置、
５…光ファイバーケーブル、
６…スキャナヘッド、
２００…パイロットレーザ光源、
２０１…パイロットレーザ光。

Claims (3)

1. レーザ光を発生させるレーザ発振器と、
   前記レーザ発振器から導かれた前記レーザ光の進行方向下流側に位置するコリメートレンズと、
   前記コリメートレンズよりも前記レーザ光の進行方向下流側に位置し、前記レーザ光の焦点距離を調節する集光距離可変用レンズと、
   少なくとも２本の可視光パイロットレーザ光が前記レーザ光の光束の外周を通過するように前記可視光パイロットレーザ光を出力するパイロットレーザ光源と、を有し、
   前記可視光パイロットレーザ光は、前記コリメートレンズを通過せず、かつ、前記焦点距離可変用レンズより前から前記コリメートレンズを通過した前記レーザ光の光束の外周を通過するように入射させること特徴とするレーザ溶接装置。
2. 前記少なくとも２本パイロットレーザ光の色が互いに異なること特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
3. 請求項１または２に記載のレーザ溶接装置を用いた焦点位置調整方法であって、
   前記少なくとも２本の可視光パイロットレーザ光を照射しつつ、前記少なくとも２本の可視光パイロットレーザ光が一つになるように前記集光距離可変用レンズによって焦点距離を調整すること特徴とするレーザ焦点位置調整方法。

Images