JP5135672B2 - レーザ照射状態の検出方法およびレーザ照射状態検出システム - Google Patents

Description

本発明は、レーザ照射状態の検出方法およびレーザ照射状態検出システムに関するもので、ワークに溶接等の加工を行うのに先立って教示作業等を行うのに好適な技術に関する。

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、ロボットハンド先端に取り付けたレーザ照射手段を溶接点から離して停止させたうえで、レーザ照射手段内部の反射鏡を回動させることでレーザの照射方向を変化させながら、ワークにレーザ光を照射して溶接を行うことで、照射方向に自由度を持たせて迅速に溶接を行う技術がある。

このようなレーザ溶接において高い溶接品質を得るためには、溶接点にレーザが正確に照射されることに加え、レーザがワーク面の溶接点で焦点を結ぶように、レーザ照射手段が所定の位置に配置されることが求められる。これにより、上記ロボットの動作は、通常、溶接時にレーザ照射手段が所定の位置に配置されるように、予めＣＡＤ上のシミュレーションによって設定される。

しかしながら、シミュレーションにより想定されるロボットの動作と現実のロボットの動作との間には、ロボットの慣性力および重量等の誤差により、乖離が生じる場合がある。この乖離が生じた場合には、レーザ溶接手段が適正な位置に配置されずに、溶接点以外の箇所にレーザが照射されたり、あるいは溶接点でレーザが焦点を結ばないことが生じて、溶接品質が低下しないよう、予めロボットの動作を教示作業する際に、実際のレーザ照射状態を確認する必要がある。

ここで、レーザ照射状態の位置を教示する際に、実際のレーザ照射状態を確認できるようにした技術が知られている（特許文献１）。この技術において、レーザ照射手段の先端から、レーザの照射方向にレーザの焦点距離の長さ分だけ突出する接触式変位計を設ける。そして、接触式変位計をワークの溶接点に接触するようにして、レーザ照射手段の位置（すなわち、溶接点でレーザが焦点を結ぶ状態におけるレーザ照射手段の位置）に関する情報が獲得され、当該情報に基づいてレーザ照射手段の位置を調整することによって、溶接点でレーザが焦点を結ぶようにしている。

しかしながら、上記従来技術は、レーザの照射方向が一定で、レーザ照射位置とワークとの距離が近接している場合には適用できるものの、レーザの照射方向を変化させる場合には、その角度までは正確に把握出来ない上、レーザ照射位置とワークが離間している場合には接触式変位計の撓みが生じて正確に測定出来ず、また変位計を常時ワークに接触させるので作業性が悪い。
特開２００４−１３０３３４号公報

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、レーザの照射方向が変化し、レーザ照射手段とワークとが比較的離間した場合であっても、正確且つ迅速にレーザ照射状態を把握するようにしたレーザ照射状態の検出方法およびレーザ照射状態検出システムを提供する。

上記課題を解決するための本発明は、ロボットハンドに設けたレーザ照射手段よりワークにレーザ光を照射して加工を行うのに先だって、前記レーザ照射手段に設けられた反射鏡を介して検出用のレーザ光をワーク表面において走査するステップと、前記検出用のレーザ光の前記ワーク表面における照射軌道に基づいて、前記ワークに対するレーザ光の照射角度と、前記レーザ照射手段と前記ワーク表面におけるレーザ光の照射位置との離隔距離の少なくとも一方を取得するステップと、を有するレーザ照射状態の検出方法、並びに、ワークにレーザ光を照射して加工を行うのに先だってワーク表面に照射される検出用のレーザ光の照射状態を検出するレーザ照射状態検出システムであって、ロボットハンドに設けられたレーザ照射手段と、前記レーザ照射手段に設けられ、前記ワークに向けてレーザ光を反射する反射鏡と、前記レーザ照射手段の動作を制御する制御装置と、を有し、前記制御装置は、前記反射鏡を介して検出用のレーザ光を前記ワーク表面において走査し、前記検出用のレーザ光の前記ワーク表面における照射軌道に基づいて、前記ワークに対するレーザ光の照射角度と、前記レーザ照射手段と前記ワーク表面におけるレーザ光の照射位置との離隔距離の少なくとも一方を算出するレーザ照射状態検出システムである。

本発明によれば、ロボットハンドに設けたレーザ照射手段よりワークにレーザ光を照射してレーザ加工を行なうのに先だって、レーザ照射手段より所定のパターン形状でワーク表面にレーザ光が照射される。これにより、レーザの照射方向が変化する場合であっても、またレーザ照射手段とワークとが離間した位置にあっても、照射角度を含めて正確且つ迅速に照射状態を把握することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

この実施形態は、レーザ光による加工作業として溶接を行う場合について説明する。
図１は、本発明の実施形態におけるレーザ溶接装置１を説明するための概略斜視図であり、図２はスキャナヘッド４を説明するための概略透視図であり、図３は、スキャナヘッド４周辺の部分拡大図である。

レーザ溶接装置１は、図１に示すように、ロボット２と、レーザ光源であるレーザ発振器３と、ロボット２のロボットハンド先端に設けられ、レーザ光１００をワーク２００へ向けて照射するスキャナヘッド４（レーザ照射手段）と、レーザ発振器３からスキャナヘッド４までレーザ光１００を導く光ファイバーケーブル５とからなる。

ロボット２は、一般的な多軸ロボット（多関節ロボットとも称されている）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、その姿勢を変えてロボットハンド先端に取り付けられたスキャナヘッド４をさまざまな位置に移動させることができるとともに、スキャナヘッド４の向きも変更可能となっている。

レーザ発振器３は、ＹＡＧレーザ発振器である。ここでは、レーザ光１００を光ファイバーケーブル５によって導くためにＹＡＧレーザを用いている。なお、その他のレーザであってもレーザ溶接に使用でき、光ファイバーケーブル５で導くことができるものであれば限定されない。

スキャナヘッド４は、図２に示すように、光ファイバーケーブル５端部から照射されたレーザ光１００を平行光にし、さらに平行光になったレーザ光１００を所定位置で集光させるレンズ群４０と、レンズ群４０を通過したレーザ光１００を、最終的にワーク２００へ向けて照射する反射鏡４１と、反射鏡４１を回動させるモータ４２および４３とを有する。また、図３に示すように、スキャナヘッド４には、ブラケット９ａを介して、ワーク２００の表面を撮影するためのＣＣＤカメラ９（撮像手段）が取り付けられている。なお、ワーク２００とスキャナヘッド４（レーザ照射手段）は、約３０ｃｍ〜１ｍ程度の比較的離間した間隔で溶接作業が行えるようになっており、ロボット２を動作させつつスキャナヘッド４の反射鏡４１を回動させてレーザの照射方向を変化させるので、照射方向の自由度を持たせてより高速で溶接作業を行うことができる。

反射鏡４１は、モータ４２および４３により、反射鏡４１の回転中心４１ａを通る鉛直軸に直交するｘ軸およびｙ軸のそれぞれを中心に回動自在に設けられ、このように回動することでレーザ光１００の照射方向を自在に振り分けることができる。なお、モータ４２および４３には必要によりギア機構（不図示）が設けられていてもよい。このモータ４２および４３は、たとえばサーボモータ、ステッピングモータなどを使用することができ、指示された回転角度に応じて回転動作するモータが好ましい。

図４は、本発明の実施形態におけるレーザ照射状態表示システムを説明するためのブロック図である。なお、図４は実際にレーザ溶接を行う際のシステムの制御系としても機能する。

レーザ溶接システムの制御系は、レーザ発振器３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６と、ロボット２の動きを制御するロボット制御装置７と、スキャナヘッド４の反射鏡４１の動きを制御するスキャナヘッド制御装置８と、これら機器全体を制御するための制御装置９０とからなる。

レーザコントローラ６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６は、ロボット制御装置７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７は、ロボット２の動き（姿勢）を制御すると共にレーザ出力のオン、オフなどの制御信号の出力も行っている。

スキャナヘッド制御装置８は、反射鏡４１をモータ４２および４３によって動かしてレーザ光１００の照射方向を任意に変更する。なお、ここでレーザ光１００の照射方向を任意に変更するとは、具体的には溶接点方向へレーザ光１００を向けるための動きである。

制御装置９０は、製造ライン内に複数配置されるレーザ溶接装置１のモニタリングを行ったり、製造ライン上に配置されるロボット２以外のロボット（図示せず）の作業完了信号を受信してロボット２の動作指令を行う等、各ロボットがタイミングを取って一連の動作を行うよう、機器全体の制御を行う。

以下、このように構成されたレーザ照射状態表示システムにおける作用を説明する。

なお、以下に示す処理は、溶接を行なうのに先立って、スキャナヘッド４とワーク２００との３次元における位置関係を正確に把握して、ワーク２００の溶接点にレーザ光１００が正確な方向で、且つ正確な焦点で照射させるように、ロボット２の動作とスキャナヘッド４の反射鏡４１の動き（レーザ照射方向）を教示し、更には図外のモータによりレンズ群４０の間隔を変化させ、ワーク２００の溶接点上に焦点を結ぶように焦点調整の教示を行う。なお、焦点調整については、予めレンズ群４０の間隔を変化させるよう教示する場合を説明したが、スキャナヘッド４とワーク２００との間隔を測定して焦点を自動調整する装置を設けてもよく、その場合には焦点調整の教示は不要となるが、溶接作業や教示作業についての詳細説明は省略する。

図５は、制御装置９０において実行される処理のフローチャートを示す図である。

はじめに、制御装置９０は、レーザ出力をオンにして、スキャナヘッド制御装置８に、スキャナヘッド５より所定のパターン形状でワーク２００表面にレーザ光１００を照射するよう指示する（Ｓ１０１）。このレーザ光１００の照射時において、ワーク２００に対し非溶接状態で投影するよう、レーザ光１００の出力レベルは溶接作業を行う際の出力レベルよりも低下させ（例えば、溶接作業時の１〜５％程度）。これにより、ワーク２００に焼き痕が残らずに、かつレーザの反射光が人間の目視により確認できる。なお、ワーク２００の種類（例えば、光沢度合いや融点の特性等）に応じて低下させるレベルを異ならせ、レーザ光がより明瞭になるようにするとよい。また、ここではロボット２はオフラインの状態にあり、予め教示された位置にスキャナヘッド４が移動される。

次に、制御装置９０は、スキャナヘッド制御装置８に、予め教示された動作パターンで反射鏡４１の表面における任意の点が所定の水平面上で円運動をするように反射鏡４１を回転させるよう指示する（Ｓ１０２）。

このとき、レーザ光１００が照射されたワーク２００表面の一例を図６に示す。

図６は、反射鏡４１の回転中心４１ａから鉛直下方に下ろした鉛直線Ａと、ワーク２００の表面に対して垂直な垂線Ｂとが、平行ではない場合を示すものである。

図において、３００は、スキャナヘッド４から鉛直下方に位置する任意の水平面である。この水平面３００に照射されるレーザ光１００の照射パターンである軌道３００Ａは、上述したように反射鏡４１が回転することから、円を呈している。これに対して、ワーク２００表面に照射されるレーザ光１００の照射パターンである軌道２００Ａは、鉛直線Ａと垂線Ｂとが平行ではないことにより、楕円を呈している。

このようにレーザ光１００がワーク２００に照射される状況下において、本実施形態では、溶接点にレーザ光１００が正確に照射されるとともに、レーザ光１００の焦点が溶接点で結ばれるように、反射鏡４１の回転中心４１ａの位置を変更するよう補正処理が実行される。この処理について後述する。なお、本実施形態では、ワーク２００に対するレーザ光１００の照射角度α，βが等しく所定の角度となるとともに、反射鏡４１の回転中心４１ａとワーク２００表面におけるレーザ光１００の照射位置との離隔距離Ｌ１が、レーザ光１００の焦点距離となったときに、溶接点にレーザ光１００が正確に照射されるとともに、レーザ光１００の焦点が溶接点で結ばれる状態となる。また、照射角度α，βが等しく所定の角度になる状態において、鉛直線Ａと垂線Ｂとは平行になり、軌道２００Ａは円を呈することとなる。

図５に戻り、ステップＳ１０２に続いて、制御装置９０は、レーザ光１００が照射されるワーク２００の表面をＣＣＤカメラ９に撮影させて、軌道２００Ａが映し出されたワーク２００表面の画像データを取得する（Ｓ１０３）。

ここで、レーザ光１００の照射パターンである楕円形状の軌道２００Ａを画像データとして取得する方法を図７により説明する。

まず、図３に示すＣＣＤカメラ９（撮像手段）によりレーザが描く軌跡を撮影する。なお、ＣＣＤカメラ９は反射鏡４１の光軸上になく傾斜した方向に撮像するので、照射パターンが真円の場合には、真円として画像入力されるよう予め補正がされるが、画像処理手法としては一般的であるので、詳細は省略する。

得られた画像は、レーザ投影部のみが周囲よりも輝度が高くなるので、図外のエッジ検出オペレータ（ＳＯＢＥＬオペレータ、Ｐｒｅｗｉｔｔオペレータなど）等を用いた画像の一次微分と細線化処理等により、レーザ軌跡のみを抽出した画像を得る。

次いで、得られたレーザ軌跡の点列（ｘｉ，ｙｉ）（ｉ＝１〜ｎ）の重心を下記により求める。これが図７の楕円中心（ｘ０，ｙ０）と一致する。

そして、得られた楕円中心（ｘ０，ｙ０）とレーザ軌跡の点列（ｘｉ，ｙｉ）（ｉ＝１〜ｎ）との距離ｐｉ（ｉ＝１〜ｎ）を以下で求める。ｐｉが最大値となる点（ｘｉ＿ｍａｘ，ｙｉ＿ｍａｘ）と最小値となる点（ｘｉ＿ｍｉｎ，ｙｉ＿ｍｉｎ）をそれぞれ求める。短径ａ及び長径ｂは以下となる。

楕円中心（ｘ０，ｙ０）と（ｘｉ＿ｍｉｎ，ｙｉ＿ｍｉｎ）とを結ぶ直線と画像座標のｙ軸とのなす角度がθであり、以下で求めることが出来る。なお楕円中心（ｘ０，ｙ０）と（ｘｉ＿ｍａｘ，ｙｉ＿ｍａｘ）とを結ぶ直線と画像座標のｘ軸とのなす角度を求めても良い。

なお、前記画像から楕円のパラメータ（中心、長径、単径、傾き）を求める手法は各種提案されており、例えば最小二乗法による楕円関数を当てはめ、ハフ変換を用いる方法など公知の手法が多数存在するので、それらを用いても同様に実施が可能である。

次に、制御装置９０は、取得した画像データに基づいて、図６に示すワーク２００に対するレーザ光１００の照射角度α，βに関する情報を演算する（Ｓ１０４）。具体的には、制御装置９０は、取得した画像データに基づき、軌道２００Ａの短軸２００ｂが水平面３００に投影された軸２００ｂ’と、軌道３００Ａの中心を通る所定の軸３００ａ（図７ではＹ軸）とが交差する角度θを、前記図７を用いて説明した手法により算出する。

次に、制御装置９０は、取得した画像データに基づいて、反射鏡４１の回転中心４１ａとワーク２００表面におけるレーザ光１００の照射位置の楕円中心との距離Ｌ１に関する情報を演算する（Ｓ１０５）。具体的には、制御装置９０は、取得した画像データに基づき、軌道２００Ａの短軸長さＬ２（図７では短径ａ）および長軸長さＬ３（図７では長径ｂ）と、角度θと楕円中心が前記図７を用いて説明した手法により算出できるので、予めスキャナヘッド４とワーク２００との距離が所定値で、角度θ＝０（照射方向がワーク２００に対して面直）となって照射パターンが真円となるときの円を基準円として径を測定しておくことで、この基準円との比較により三角法を用いて計算することにより、３次元における反射鏡４１の回転中心４１ａ位置とワーク２００へのレーザ光１００の照射位置の座標データを算出する（Ｓ１０６）。

次に、制御装置９０は、算出した座標データに基づいて、角度θが所定の角度になるとともに、短軸長さＬ２と長軸長さＬ３とが等しく所定の長さとなるように、反射鏡４１の回転中心４１ａの位置（すなわちスキャナヘッド４の位置）を変更する動作を、ロボット２に行なわせる（Ｓ１０７）。具体的には、制御装置９０は、上記の動作をロボット２が行なうようロボット制御装置７に指示する。また、本実施形態において、上記所定の角度とは、鉛直線Ａと垂線Ｂとが平行になる状態において、軸２００ｂ’と軸３００ａとが交差する角度であり、上記所定の長さとは、離隔距離Ｌ１が、レーザ光１００の焦点距離と等しくなる状態における、軌道２００Ａの直径である。

以上の処理が実行されることによって、照射角度α，βは、等しく所定の角度となるとともに、離隔距離Ｌ１は、レーザ光１００の焦点距離となるため、溶接点にレーザ光１００が正確に照射されるとともに、溶接点でレーザ光１００が焦点を結ぶリモート溶接が可能となる。

また、図５に示す処理において、ワーク２００に対し非溶接状態で投影するようレーザ光１００の出力レベルが低く調整された状態で、レーザ光１００がワーク２００に照射されるので、ワーク２００にこげ痕がつくことがない。これにより、図５に示す処理に用いたワーク２００を、そのまま被溶接部材として用いることが出来る。

本発明は、上記した実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲内において、種々改変することができる。

例えば、上記の実施例ではスキャナヘッド制御装置８に、スキャナヘッド５より円状のパターン形状でワーク２００表面にレーザ光１００を照射することで、ワーク２００表面におけるレーザ光１００の照射位置と角度を容易に求めることができる例を示したが、これ以外に十字状のパターン形状で照射するようにしても容易に求めることが可能である。これについては、上記実施例と同様の三角法を用いた計算手法でもあるので、詳細説明は省略する。

また、図５に示すステップＳ１０３〜１０７に対応する処理を実行する専用のコンピュータを設けることとしてもよい。この場合、コンピュータと制御装置９０およびカメラ４ａは、例えばＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）などの通信ネットワークを介して接続される。そして、コンピュータは、カメラ４ａからワーク２００表面の画像データを取得し、取得した画像データに基づいて、上述した角度θおよび軌道２００Ａの短軸長さＬ２および長軸長さＬ３を算出する。さらに、コンピュータは、算出した上記の値に基づいて、反射鏡４１の回転中心４１ａの位置の位置を変更させる指示を制御装置９０に送信する。 また、反射鏡４１の回転速度が遅く、目視により軌道２００Ａが確認できる場合などには、図８に示すレーザ溶接装置のように、ワーク２００表面を撮影するためのカメラは設けられなくてもよい。この場合には、図６に示す角度θと、軌道２００Ａの短軸長さＬ２および長軸長さＬ３とは目視により計測される。そして、計測された上記の値に基づいて、角度θが所定の角度になるとともに、短軸長さ２００ｂと長軸長さ１０ｃとが等しく所定の長さとなるように、スキャナヘッド４の位置を変更する処理が制御装置９０へ指示される。

また、上記実施形態においては、ワーク２００表面におけるレーザ光１００の照射パターンが円を描くようにレーザ光１００の照射方向が制御される場合について述べたが、本発明は、図５に示す角度θや短軸長さＬ２および長軸長さＬ３に相当する図形データが獲得されることによって、レーザ光１００の照射方向が上述した実施形態と異なる態様で変化する場合にも適用することができる。

本発明の実施形態におけるレーザ溶接装置を説明するための概略斜視図である。 スキャナヘッドを説明するための概略透視図である。 スキャナヘッド周辺の部分拡大図である。 本発明の実施形態におけるレーザ照射状態表示システムを説明するためのブロック図である。 制御装置において実行される処理のフローチャートを示す図である。 レーザ光が照射されたワーク表面の一例を示す図である。 レーザ光の照射パターンである楕円形状の軌道を画像データとして取得する方法の一例を示す図である。 図１とは他態様の本発明のレーザ溶接装置におけるスキャナヘッド周辺の部分拡大図である。

符号の説明

１ レーザ溶接装置、
４ スキャナヘッド、
９ ＣＣＤカメラ、
２００Ａ 照射パターンの軌道、
θ 角度、
Ｌ２ 短軸長さ、
Ｌ３ 長軸長さ。

Claims (6)

1. ロボットハンドに設けたレーザ照射手段よりワークにレーザ光を照射して加工を行うのに先だって、前記レーザ照射手段に設けられた反射鏡を介して検出用のレーザ光をワーク表面において走査するステップと、
   前記検出用のレーザ光の前記ワーク表面における照射軌道に基づいて、前記ワークに対するレーザ光の照射角度と、前記レーザ照射手段と前記ワーク表面におけるレーザ光の照射位置との離隔距離の少なくとも一方を取得するステップと、を有するレーザ照射状態の検出方法。
2. 前記検出用のレーザ光は、円状または十字状の軌道で走査される請求項１に記載のレーザ照射状態の検出方法。
3. 前記検出用のレーザ光は、前記ワークに対し非溶接状態で投影するようにレーザ光の出力を低下させて照射される請求項１または請求項２に記載のレーザ照射状態の検出方法。
4. 前記検出用のレーザ光は、前記ワークの種類に応じてレーザ光の出力が調整されることを特徴とする請求項３に記載のレーザ照射状態の検出方法。
5. 前記検出用のレーザ光の前記ワーク表面における照射軌道を、撮像手段により画像データとして取得するステップを、さらに有し、前記画像データを取得するステップにおいて取得されたデータに基づいて、前記照射角度と前記離隔距離の少なくとも一方を算出するステップを有する請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ照射状態の検出方法。
6. ワークにレーザ光を照射して加工を行うのに先だってワーク表面に照射される検出用のレーザ光の照射状態を検出するレーザ照射状態検出システムであって、
   ロボットハンドに設けられたレーザ照射手段と、
   前記レーザ照射手段に設けられ、前記ワークに向けてレーザ光を反射する反射鏡と、
   前記レーザ照射手段の動作を制御する制御装置と、を有し、
   前記制御装置は、前記反射鏡を介して検出用のレーザ光を前記ワーク表面において走査し、前記検出用のレーザ光の前記ワーク表面における照射軌道に基づいて、前記ワークに対するレーザ光の照射角度と、前記レーザ照射手段と前記ワーク表面におけるレーザ光の照射位置との離隔距離の少なくとも一方を算出する、レーザ照射状態検出システム。

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