JP5923320B2 - レーザ加工ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、ワークの溶接線に沿って連続的にレーザ溶接を行うレーザ溶接方法に使用するレーザ加工ヘッドに係り、さらに詳細には、レーザ発振器から発振されたレーザ光の断面形状を、長円形状に変形し、このレーザ光の長円形状の方向性と溶接線の方向性とを常に一定に保持してレーザ溶接を行うレーザ溶接方法に使用するレーザ加工ヘッドに関する。

従来、レーザ光をワークの溶接線に沿って移動しつつ連続的にレーザ溶接を行う場合、レーザ加工ヘッド内に、光軸に対して傾斜した傾斜ガラスを備えて、レーザ光の光軸を屈折し偏心させ、かつ前記傾斜ガラスを、光軸回りに回転することが行われている（例えば特許文献１参照）。

特開平１１−１５６５７９号公報

前記特許文献１に記載の構成においては、傾斜ガラスを回転させることにより、ワークの溶接線に対してレーザ光の照射位置を旋回しつつ前記溶接線に沿って相対的に移動するものである。したがって、レーザ光の照射位置は、溶接線に対して螺旋状に移動することになる。よって、レーザ光の照射位置は常に溶接線上に位置するとは限らないものであり、溶接線上から離れた位置をも照射する無駄があると共に、溶接幅が広くなり、熱影響が大きくなるという問題がある。また、照射位置の旋回半径、旋回速度にもよるが、ときとして、溶接位置の溶融が充分に行われないことがあるなどの問題がある。

本発明は、前述のごとき問題に鑑みてなされたもので、レーザ発振器から発振されたレーザ光を長円形状に変形するためのシリンドリカルレンズを備えたレーザ加工ヘッドであって、レーザ加工ヘッドに備えた格納部本体における格納室内に、回動アームを回動自在に備え、この回動アームの先端部に、前記シリンドリカルレンズを備えた筒状のレンズホルダを回転自在に備え、前記レーザ加工ヘッドの移動方向に対する前記レンズホルダの方向性を常に一定に保持するために前記レーザ加工ヘッドの移動方向に対して前記レンズホルダの回転を調節するためのサーボモータを備え、前記レンズホルダは、前記回動アームの回動によってレーザ光の前記光路から退避可能に備えられており、前記シリンドリカルレンズを前記光路に対応した位置に位置決めするために、前記回動アームを当接して位置決めを行うための当接位置決め部材を、前記格納部本体に備えていることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、レーザ光の光路に対応して回転自在に備えたリング状の回転駆動体又は前記レンズホルダの一方に、放射外方向へ突出した突出部を備え、前記回転駆動体又は前記レンズホルダの他方に、前記突出部によって一体的に回転される当接部材を備えており、前記回転駆動体上に前記レンズホルダを重ね合せたときに、前記突出部の間に形成された凹部に前記当接部材が係合し、前記回転駆動体と前記レンズホルダとが一体的に回転する構成であることを特徴とするものである。

また、前記レーザ加工ヘッドにおいて、前記突出部は周方向に等間隔に複数備えていることを特徴とするものである。

本発明によれば、レーザ光を長円形状に変形し、この長円形状の長手方向を、溶接線に対して例えば直交する方向に保持してレーザ溶接を行うことができる。したがって、レーザ光の照射位置を常に溶接線上に保持することが容易であり、品質のよいレーザ溶接を能率よく行うことができるものである。

本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの主要部の構成を示す断面説明図である。 本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの主要部の構成の詳細を示す断面説明図である。 レーザ加工ヘッドにおける主要部の作用状態を示す平断面説明図である。 第２の実施形態に係るレーザ加工ヘッドの主要部の構成を示す平面説明図である。 同上のレーザ加工ヘッドにおける平面作用説明図である。 同上のレーザ加工ヘッドにおける平面作用説明図である。

図１を参照するに、本発明の実施形態に係るレーザ加工ヘッド１は、一般的な溶接ロボットと同様に産業用ロボット（図示省略）において、例えばＸ、Ｙ、Ｚ軸方向へ移動自在かつ手首を旋回かつ上下に揺動可能なロボットアーム３の先端部に適宜に装着してある。前記レーザ加工ヘッド１は、前記ロボットアーム３の先端部に適宜に取付けた支持ブラケット５を備えており、この支持ブラケット５は、適宜のアタッチメント７を介して前記ロボットアーム３に取付けてある。

前記支持ブラケット５にはレンズハウジング９が一体的に備えられており、このレンズハウジング９内には集光レンズ１１が備えられている。このレンズハウジング９の一端側には、コリメートレンズ１３を内装した第２のレンズハウジング１５が一体的に立設固定してある。そして、この第２のレンズハウジング１５の上部には、レーザ発振器（図示省略）から発振されたレーザ光の断面形状を長円形状（楕円形状）に変形するためのシリンドリカルレンズ１７を備えた筒状のレンズホルダ１９を回転自在に内装した格納部本体２１が備えられている。上記格納部本体２１の上部には、光ファイバーレシーバ２３が備えられている。この光ファイバーレシーバ２３は、レーザ発振器（図示省略）に一端側を接続した光ファイバー２５の他端側を支持する作用をなすものである。

したがって、レーザ発振器において発振されたレーザ光は、光ファイバー２５の他端側（出射端側）から出射され、シリンドリカルレンズ１７によって長円形状に変形される。そして、前記コリメートレンズ１３によって平行光線化され、前記レンズハウジング９の一端側に備えた反射ミラー２７によって前記集光レンズ１１方向へ反射される。前記集光レンズ１１へ入射されたレーザ光は、当該集光レンズ１１によって集光されると共に、前記レンズハウジング９の他端側に備えた反射ミラー２９によって、レンズハウジング９の他端側に備えたレーザノズル３１方向へ反射される。そして、ワークの溶接位置へ照射されることになる。

既に理解されるように、レーザ光の断面形状は、シリンドリカルレンズ１７によって長円形状に変形されているので、ワークの溶接位置へ照射したレーザ光の照射面は長円形状になる。したがって、前記レンズホルダ１９を適宜に回動してシリンドリカルレンズ１７の方向性を調節することにより、ワークの溶接線に対して長円形状の長手方向を常に直交方向に調節することが可能である。

そこで、本実施形態においては、前記シリンドリカルレンズ１７の方向性を調節可能かつレーザ光の光路に対して出入自在（退避自在）に構成してある。より詳細には、図２に示すように、前記格納部本体２１におけるベースプレート３３の周縁付近には適宜形状の壁部材３５Ａ、３５Ｂ（図３参照）が立設してあり、この壁部材３５Ａ、３５Ｂには上部プレート３７が着脱可能に取付けてある。この上部プレート３７上には前記光ファイバーレシーバ２３が備えられており、前記ベースプレート３３の下側であって前記光ファイバーレシーバ２３の軸心と同一軸心上には前記コリメートレンズ１３が備えられている。したがって、前記ベースプレート３３には、光ファイバー２５（図２には図示省略）の出射端から出射されたレーザ光が透過自在な透過穴３９（図３（Ｂ）参照）が備えられている。

既に理解されるように、前記格納部本体２１は、前記シリンドリカルレンズ１７を備えたレンズホルダ１９を回転自在に内装したレンズホルダ格納部として、ベースプレート３３、壁部材３５Ａ、３５Ｂ及び前記上部プレート３７によって区画された格納室４１を備えている。そして、この格納室４１内に、前記レンズホルダ１９が回転自在かつレーザ光の光軸（光路）に対して出入自在に備えられている。

より詳細には、前記ベースプレート３３の下面にはモータ等のごときロータリーアクチュエータ４３が装着してある。そして、このロータリーアクチュエータ４３の回動支持軸４５は前記レーザ光の光軸と平行に設けてあり、かつ前記格納室４１内に突出してある。この回動支持軸４５には回動アーム４７の基端部側がボルトなどのごとき適宜の固定具によって一体的に取付けてある。したがって、前記ロータリーアクチュエータ４３によって回動支持軸４５を往復回動することにより、前記回動アーム４７は、前記光軸に対して直交する平面内において往復回動（揺動）するものである。

そして、前記回動アーム４７の先端側で前記光軸を横切る位置には、前記レンズホルダ１９を一体的に備えたリングギア４９が軸受けを介して回転自在に支持されている。したがって、前記ロータリーアクチュエータ４３を往復回動して前記回動アーム４７を回動することにより、当該回動アーム４７に回転自在に支持された前記リングギア４９を、レーザ光の光軸（光路）に対応した位置及び光軸から離反した位置へ位置決めすることができるものである。すなわち、前記シリンドリカルレンズ１７を、レーザ光の光路に対して退避する（出入する）ことができるものである。

前述のように、前記シリンドリカルレンズ１７をレーザ光の光軸に対応した位置、すなわち、前記透過穴３９に対応した位置に位置決めするために、一方の前記壁部材３５Ｂには、前記回動アーム４７と当接して位置決めを行うための当接位置決め部５１Ｂが備えられており、他方の前記壁部材３５Ａには、前記光軸から離反した位置、すなわち前記透過穴３９から離れた位置に位置決めを行うための当接位置決め部５１Ａが備えられている。したがって、回動アーム４７を、前記当接位置決め部５１Ｂ、５１Ａへ当接位置決めすることにより、前記シリンドリカルレンズ１７を、レーザ光の光軸に対応した位置、及び光軸から離反した位置（退避位置）へ容易に位置決めすることができるものである。

なお、前記リングギア４９を回転するための駆動回転体としての駆動ギア５３は、前記回動支持軸４５の軸心と同心に備えられており、この駆動ギア５３を回転駆動するためのサーボモータ５５は前記上部プレート３７上に装着してある。

前記構成により、図３（Ｂ）に示すように、回動アーム４７が当接位置決め部５１Ａに当接位置決めされ、シリンドリカルレンズ１７がレーザ光の光路から退避した状態にあるときに、ロータリーアクチュエータ４３を作動する。そして、回動アーム４７を、図３（Ｂ）において反時計回り方向に回動し、当接位置決め部５１Ｂに当接すると、シリンドリカルレンズ１７は、図３（Ａ）に示すように、レーザ光の光路に位置決めされることになる。

この際、前記シリンドリカルレンズ１７を備えたリングギア４９と駆動ギア５３は常に連動連結した状態にあるので、サーボモータ５５によって直ちに回転することができる。そして、前記回動アーム４７を、図３（Ａ）に示す状態から時計回り方向に回動することにより、直ちに図３（Ｂ）に示す元の位置へ復帰することができるものである。この場合には、レーザ切断加工を行うことができるものである。

既に理解されるように、回動アーム４７を時計回り方向及び反時計回り方向へ回動することによって、シリンドリカルレンズ１７を、レーザ光の光路に対して出入することができ、前記光路に対応した位置及び光路から離脱した位置へのシリンドリカルレンズ１７の位置決めを容易に行い得るものである。また、前記構成においては、回動アーム４７等は格納室４１内に格納してあるので、格納室４１を密封状態とすることも容易であって、格納室４１の防塵効果を図ることも容易なものである。

前記構成より理解されるように、リングギア４９を前記透過穴３９に対応した位置に位置決めすると、レーザ発振器から発振されたレーザ光はリングギア４９に保持されているシリンドリカルレンズ１７を透過し、長円形状に変形されることになる。したがって、長円形状における長径を、例えば、ワークの溶接線に対して直交する方向に位置決めすることにより、溶接線に対するレーザ光の照射位置の位置決めが容易であって、溶接線上に常にレーザ光の照射位置を位置決めして溶接を行い得るものである。

なお、前記溶接線がＸ軸方向の溶接線である場合には、レーザ光の前記長円形状の長径方向をＹ軸方向に調節し、Ｙ軸方向の溶接線である場合には長径方向をＸ軸方向に調節すればよいものである。この場合、前記サーボモータ５５を正逆回転し、当該サーボモータ５５に備えられているロータリーエンコーダ（図示省略）によって前記リングギア４９の回転角を検出することができ、前記シリンドリカルレンズ１７における長手方向（長円形状に形成したレーザ光の長径方向）を常に検知し調節し得るものである。

なお、前記シリンドリカルレンズ１７の長手方向は、前記レーザ加工ヘッド１を基準位置に位置決めしたときに、Ｘ軸方向又はＹ軸方向に一致した状態に予め位置決めすることが望ましいものである。この場合、前記シリンドリカルレンズ１７を備えた前記リングギア４９に基準位置決め用のドグ又はセンサを備え、前記格納部本体２１に基準位置決め用の前記センサ又はドグを備えた構成とすることが望ましいものである。そして、前記センサによって前記ドグを検出して位置決めしたときに、長円形状に形成されたレーザ光の長径方向がＸ軸方向又はＹ軸方向に一致する構成とすることが望ましいものである。

上記構成とすることにより、前記センサがドグを検出した状態にあるときには、前記格納部本体２１の基準位置に対してリングギア４９の基準位置が一致した状態にあることとして検知できる。そして、前記基準位置から前記リングギア４９を回動したときの回動角度は、前記サーボモータ５５に備えられているロータリーエンコーダによって検知できる。したがって、前記サーボモータ５５の回転角を制御装置（図示省略）の制御の下に制御（調節）することにより、ワークの溶接線の方向性に対してレーザ光の長円形状の長径の方向性を常に一定に保持（維持）する（制御する）ことができるものである。

なお、前記溶接線が曲線の場合には、溶接線の形状を溶接ロボットの制御装置へ予め教示し、曲率等を予め演算することにより、長円形状の長径方向を、溶接線の接線に対して例えば直交する方向に調節（制御）することが可能なものである。

以上のごとき説明より理解されるように、レーザ光を長円形状に変形するシリンドリカルレンズ１７を備えたリングギア４９の回転を、サーボモータ５５の回転によって調節するものであるから、前記長円形状の長径方向の方向性を所望方向に調節することができるものである。したがって、長円形状に変形したレーザ光の照射位置における長径方向を、例えばワークの溶接線に対して常に直交する方向（溶接線が曲線の場合には接線に対して直交する方向）に調節して溶接を行うことができるものである。

したがって、ワークの溶接線に対してレーザ光の照射位置を、従来のように螺旋状に旋回する必要がなく、レーザ光の照射位置を溶接線上に常に位置決めした状態でレーザ溶接を行うことができるものである。よって、ワークの溶接線部分の溶融を効果的に行うことができ、レーザ溶接を品質よく、かつ能率よく行うことができると共に、レーザ溶接時の溶接幅（溶融幅）が大きくなることを抑制でき、熱影響範囲を抑制することができるものである。

前述の第１の実施形態においては、シリンドリカルレンズ１７を保持したレンズホルダ１９と回転駆動系の駆動ギア５３は常に連動可能な状態にある。前記レンズホルダ１９を回動するのは、図３（Ａ）に示すように、レーザ光の光路上にレンズホルダ１９を位置決めしたときであって、図３（Ｂ）に示すように、前記レンズホルダ１９を光路上から退避したときには、レンズホルダ１９を回動することはないものである。したがって、レンズホルダ１９を光路上に位置決めしたときに、回転駆動系とレンズホルダ１９とが連動する構成とすることも可能である。

図４〜６は、レーザ加工ヘッドの第２の実施形態を示すもので、シリンドリカルレンズ１７を保持したレンズホルダ１９をレーザ光の光路上に位置決めしたときに、回転駆動系とレンズホルダ１９とが連動して回転する構成としてある。なお、前述した第１の実施形態におけるレーザ加工ヘッド１の構成要素と同一機能を奏する構成要素には、同一符号を付することとして重複した説明は省略する。

第２の実施形態に係るレーザ加工ヘッドにおいては、レンズホルダ１９を回転自在に備えた回動アーム４７を回動するためのロータリーアクチュエータ４３は、前記上部プレート３７に装着してある。そして、前記上部プレート３７から格納室４１内へ下方向に突出した回動支持軸４５に、回動アーム４７の基端部側が固定してある。

前記格納室４１のベースプレート３３に備えた透過穴３９の部分には、中空状の従動プーリ５７が回転自在に備えられており、この従動プーリ５７は、前記格納部本体２１の外側に備えたサーボモータ５９と連動連結してある。すなわち、前記従動プーリ５７には、前記サーボモータ５９によって回転される駆動プーリ６１に掛回したタイミングベルト６３が掛回してある。

前記従動プーリ５７の上端部は前記格納室４１内に突出してあり、この従動プーリ５７の上面にはリング状の駆動回転体６５がボルトなどのごとき複数の固定具によって一体的に取付けてある。この駆動回転体６５には、放射外方向へ突出した複数の突出部６７が周方向に等間隔に備えられている。したがって、前記各突出部６７の間には、放射外方向が次第に広くなる形状の凹部６９が形成してある。そして、前記駆動回転体６５と前記レンズホルダ１９とを一体的に回転するために、前記レンズホルダ１９の下面には、前記突出部６７に当接自在な当接部材７１が下方向へ突出して備えられている。

前記当接部材７１は、回転アーム４７を回動して、図５に示すように、駆動回転体６５上にレンズホルダ１９を重ね合わせたとき、前記駆動回転体６５の前記凹部６９に係合するものであって、一種の係合部材をなすものである。すなわち、換言すれば、当接部材７１は、前記凹部６９に対して係合離脱自在なものである。なお、前記格納部本体２１における格納室４１の内壁面には、前記回転アーム４７を、図４に示す退避位置へ回動したときに、回転アーム４７に当接して衝撃を緩和するストッパ７３が備えられている。

前記構成により、第２の実施形態に係るレーザ加工ヘッドにおいては、図４に示した状態から回転アーム４７を時計回り方向に回動して、レンズホルダ１９を駆動回転体６５に重ね合わせると、レンズホルダ１９の下面に備えた当接部材７１が駆動回転体６５の凹部６９に係合する。そして、駆動回転体６５を回転すると、レンズホルダ１９も一体的に回転することになる。したがって、レンズホルダ１９に保持されているシリンドリカルレンズ１７の方向を所望の方向に回動することができることとなり、前述した第１の実施形態に係るレーザ加工ヘッドと同様の効果を奏し得るものである。

１ レーザ加工ヘッド
３ ロボットアーム
９ レンズハウジング
１１ 集光レンズ
１３ コリメートレンズ
１５ 第２のレンズハウジング
１７ シリンドリカルレンズ
１９ レンズホルダ
２１ 格納部本体
２３ 光ファイバーレシーバ
２５ 光ファイバー
３３ ベースプレート
３５Ａ、３５Ｂ 壁部材
３７ 上部プレート
３９ 透過穴
４１ 格納室
４３ ロータリーアクチュエータ
４７ 回転アーム
５１Ａ、５１Ｂ 当接位置決め部
５３ 駆動ギア
５５ サーボモータ

Claims (3)

1. レーザ発振器から発振されたレーザ光を長円形状に変形するためのシリンドリカルレンズを備えたレーザ加工ヘッドであって、レーザ加工ヘッドに備えた格納部本体における格納室内に、回動アームを回動自在に備え、この回動アームの先端部に、前記シリンドリカルレンズを備えた筒状のレンズホルダを回転自在に備え、前記レーザ加工ヘッドの移動方向に対する前記レンズホルダの方向性を常に一定に保持するために前記レーザ加工ヘッドの移動方向に対して前記レンズホルダの回転を調節するためのサーボモータを備え、前記レンズホルダは、前記回動アームの回動によってレーザ光の前記光路から退避可能に備えられており、前記シリンドリカルレンズを前記光路に対応した位置に位置決めするために、前記回動アームを当接して位置決めを行うための当接位置決め部材を、前記格納部本体に備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
2. 請求項１に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、レーザ光の光路に対応して回転自在に備えたリング状の回転駆動体又は前記レンズホルダの一方に、放射外方向へ突出した突出部を備え、前記回転駆動体又は前記レンズホルダの他方に、前記突出部によって一体的に回転される当接部材を備えており、前記回転駆動体上に前記レンズホルダを重ね合せたときに、前記突出部の間に形成された凹部に前記当接部材が係合し、前記回転駆動体と前記レンズホルダとが一体的に回転する構成であることを特徴とするレーザ加工ヘッド。
3. 請求項２に記載のレーザ加工ヘッドにおいて、前記突出部は周方向に等間隔に複数備えていることを特徴とするレーザ加工ヘッド。

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