JP6484204B2

JP6484204B2 - ガルバノスキャナ

Info

Publication number: JP6484204B2
Application number: JP2016176890A
Authority: JP
Inventors: 貴視村上
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2016-09-09
Filing date: 2016-09-09
Publication date: 2019-03-13
Anticipated expiration: 2036-09-09
Also published as: DE102017008424B4; CN107803590A; US10359624B2; CN107803590B; JP2018041044A; CN207188997U; US20180074312A1; DE102017008424A1

Description

本発明は、ガルバノスキャナに関する。

従来、多軸ロボットのアームの先端に、ガルバノスキャナを有するレーザヘッドを備えるレーザ溶接装置が知られている。ここで、ガルバノスキャナとは、互いに直交する２つの回転軸まわりにそれぞれ回転可能な２つのミラーを備え、これらミラーをサーボモータで回転駆動することにより、レーザ光源から出射されるレーザ光を走査する装置である。

ところで、例えばワークの突合せ溶接等において、大きな溶接幅が必要となる場合がある。これに対して、レーザ光のビーム径を大きくすると、レーザ光のエネルギー密度が低下するため良好な溶接品質が得られなくなる。そこで、ガルバノミラーの角度を高速で制御することにより、ビーム径が小さいレーザ光を突合せ溶接部を跨ぐ方向に高速に揺動させて溶接幅を確保するウィービング溶接が行われている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１７４２６６号公報

しかしながら、ウィービング溶接では、一般に数百Ｈｚ以上の制御周期が必要である。そのため、従来のようにガルバノミラーの制御によるウィービング溶接では、容易に良好な溶接品質が得られなかった。

本発明は上記に鑑みてなされたものであり、その目的は、容易に良好な溶接品質が得られるウィービング溶接を実行可能なガルバノスキャナを提供することにある。

上記目的を達成するため本発明は、レーザ光（例えば、後述のレーザ光Ｌ）を走査するガルバノスキャナであって、回転軸（例えば、後述の回転軸Ｘ１，Ｘ２）まわりに回転可能に構成され、レーザ光を反射する１つ以上のガルバノミラー（例えば、後述のガルバノミラー５１，５２）と、前記ガルバノミラーを回転駆動するガルバノモータ（例えば、後述のガルバノモータ５４，５４）と、前記ガルバノミラーに入射するレーザ光が厚み（例えば、後述の厚みＴ）方向に入射するように配置され、回転軸（例えば、後述の回転軸２０）まわりに回転可能に構成されるとともに周囲と異なる屈折率を有する光学部品（例えば、後述の光学部品２，２Ａ，２Ｂ）と、前記光学部品を回転駆動する回転モータ（例えば、後述の回転モータ４）と、を備え、前記光学部品は、厚み方向の断面（例えば、後述の断面Ｃ）における入射側の辺（例えば、後述の入射辺２１）と出射側の辺（例えば、後述の出射辺２２）が互いに平行であるとともに、入射する前記レーザ光の光軸（例えば、後述の光軸Ｌ１）に対して前記入射側の辺が傾斜するように配置され、且つ、その厚みが回転方向に沿って連続的に変化するガルバノスキャナ（例えば、後述のガルバノスキャナ５０，５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ）を提供する。

本発明に係るガルバノスキャナでは、前記光学部品は、厚みが回転方向に沿って連続的に変化するとともに前記回転モータにより回転軸まわりに回転可能に構成される光学部品を少なくとも１つ含む複数の光学部品からなる光学部品群（例えば、後述の光学部品群１２）で構成され、前記光学部品群は、厚み方向の断面における最初の入射側の辺（例えば、後述の第１入射辺１２１）と最終の出射側の辺（例えば、後述の最終出射辺１２２）が互いに平行であってもよい。

本発明に係るガルバノスキャナでは、前記光学部品の回転軸を含むとともに前記レーザ光の光軸を含む平面に対して垂直な回転軸（例えば、後述の回転軸６０）まわりに、前記光学部品と前記回転モータを一体として回転させることにより、入射する前記レーザ光の光軸に対する前記入射側の辺及び前記出射側の辺の傾斜角を変更可能とする回転機構部（例えば、後述の回転機構部６）をさらに備えてもよい。

本発明に係るガルバノスキャナでは、前記光学部品の回転軸に対して垂直な平面方向に、前記光学部品及び前記回転モータを一体として移動させることにより、前記光学部品に対する前記レーザ光の入射位置（例えば、後述の入射位置Ｐ）を変更可能とする移動機構部（例えば、後述の移動機構部８）をさらに備えてもよい。

本発明によれば、容易に良好な溶接品質が得られるウィービング溶接を実行可能なガルバノスキャナを提供できる。

第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システムの外観図である。第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システムの光学系を示す図である。第１実施形態に係るガルバノスキャナの機能ブロック図である。第１実施形態に係るガルバノスキャナの光学部品の斜視図である。第１実施形態に係るガルバノスキャナの光学部品におけるレーザ光入射位置の厚みＴ１を示す側面図である。第１実施形態に係るガルバノスキャナの光学部品におけるレーザ光入射位置の厚みＴ２を示す側面図である。第１実施形態に係るガルバノスキャナの光学部品におけるレーザ光入射位置の厚みＴ３を示す側面図である。第１実施形態に係るガルバノスキャナの光学部品における回転角度と厚みとの関係を示す図である。第１実施形態に係るガルバノスキャナの光学部品に入射したレーザ光が屈折する様子を示す図である。第２実施形態に係るガルバノスキャナの機能ブロック図である。第２実施形態に係るガルバノスキャナの光学部品を示す図である。第３実施形態に係るガルバノスキャナの機能ブロック図である。第３実施形態に係るガルバノスキャナの光学部品及び回転機構部を示す図である。第４実施形態に係るガルバノスキャナの機能ブロック図である。第４実施形態に係るガルバノスキャナの光学部品及び移動機構部を示す図である。第５実施形態に係るガルバノスキャナの光学部品を示す図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、第２実施形態以降の説明において、第１実施形態と共通する構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１の外観図である。図１に示すように、本実施形態に係るリモートレーザ溶接システム１は、多軸ロボット３と、後述のレーザ光源と、多軸ロボット３のアーム３１の先端に設けられたレーザヘッド５と、を備える。このリモートレーザ溶接システム１は、多軸ロボット３の動作によりアーム３１の先端のレーザヘッド５を搬送し、自動車ボディ等のワークＷの突合せ加工点（突合せ溶接点）に向けてレーザヘッド５からレーザ光Ｌを揺動させながら照射することで、ウィービング溶接を実行する。

多軸ロボット３は、基部３０と、アーム３１と、複数の軸３２ａ〜３２ｅと、各軸を駆動するサーボモータからなるロボットモータ（不図示）と、を備える。多軸ロボット３は、ロボット制御部（不図示）によりその動作が制御される。

レーザヘッド５は、レーザ光ＬをワークＷの突合せ加工点（突合せ溶接点）に向けて走査するためのガルバノスキャナ５０と、を備える。ガルバノスキャナ５０は、後述のガルバノスキャナ制御部によりその動作が制御される。

図２は、リモートレーザ溶接システム１の光学系を示す図である。図２では、ガルバノスキャナ５０を模式的に示している。図２に示すように、リモートレーザ溶接システム１の光学系は、レーザ光源５３と、ガルバノスキャナ５０と、を備える。

レーザ光源５３は、レーザ媒質、光共振器及び励起源等を備える種々のレーザ発振器で構成される。レーザ光源５３は、レーザ光Ｌを生成し、生成したレーザ光Ｌを後述のガルバノスキャナ５０に向かって出射する。

ガルバノスキャナ５０は、レーザ光源５３が出射したレーザ光Ｌを順次反射させる２つのガルバノミラー５１，５２と、ガルバノミラー５１，５２のそれぞれを各回転軸Ｘ１，Ｘ２まわりに回転駆動する２つのガルバノモータ５４，５４と、ガラスカバー５５と、を備える。

ガルバノミラー５１，５２は、互いに直交する２つの回転軸Ｘ１，Ｘ２まわりにそれぞれ回転可能に構成される。ガルバノモータ５４，５４は、サーボモータで構成され、ガルバノミラー５１，５２を回転駆動することにより、レーザ光源５３から出射されるレーザ光Ｌを走査する。ガラスカバー５５は、円柱状を有し、レーザ光Ｌを透過するとともにガルバノスキャナ５０を保護する機能を有する。

また、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０は、図２に示すように、光学部品２と、該光学部品２を回転駆動する回転モータ４と、を備える。
光学部品２は、ガルバノミラー５１，５２に入射するレーザ光Ｌが厚みＴ方向に入射するように配置され、回転軸２０まわりに回転可能に構成される。回転モータ４は、光学部品２を回転軸２０まわりに回転駆動し、後述のガルバノスキャナ制御部によりその動作が制御される。これら光学部品２及び回転モータ４については、後段で詳述する。

図２に示すように、レーザ光源５３から出射されたレーザ光Ｌは、先ず、光学部品２を透過し、次いで２つのガルバノミラー５１，５２で順次反射される。そして、ガラスカバー５５を透過した後、ワークＷの突合せ加工点（突合せ溶接点）に向けて照射される。このとき、ガルバノモータ５４，５４により２つのガルバノミラー５１，５２それぞれを回転駆動すると、これらガルバノミラー５１，５２に入射するレーザ光Ｌの入射角が連続的に変化する。その結果、ワークＷに到達するレーザ光Ｌが、ワークＷ上の所定の走査経路に沿って走査可能となっている。

次に、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０の光学部品２及び回転モータ４について、図３〜図６を参照して説明する。
ここで、図３は、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０の機能ブロック図である。図４Ａは、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０の光学部品２の斜視図である。図４Ｂは、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０の光学部品２におけるレーザ光Ｌの入射位置Ｐの厚みＴ１を示す側面図である。図４Ｃは、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０の光学部品２におけるレーザ光Ｌの入射位置Ｐの厚みＴ２を示す側面図である。図４Ｄは、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０の光学部品２におけるレーザ光Ｌの入射位置Ｐの厚みＴ３を示す側面図である。

上述した通り、図３に示すようにガルバノスキャナ５０は、ガルバノミラー５１，５２と、ガルバノモータ５４，５４と、光学部品２と、回転モータ４と、備える。ガルバノモータ５４，５４及び回転モータ４は、ガルバノスキャナ制御部７によりそれぞれ動作が制御される。

ここで、本実施形態に係る光学部品２は、図３に示す種々の機能を備えている。
即ち、光学部品２は、周囲と屈折率の異なる光学部材で構成され、例えばガラス板で構成される。この光学部品２は、レーザ光Ｌを吸収することなく屈折光として出射する性質を有する。これにより、入射されたレーザ光Ｌは光学部品２に入射して屈折し、入射側とは反対側の出射側から屈折光として出射されるようになっている（後述の図６参照）。

また、図４Ａ〜図４Ｄに示すように、光学部品２は、例えば円環状に形成され、その厚みＴ方向の断面Ｃにおける入射側の辺（以下、入射辺という。）２１と、出射側の辺（以下、出射辺という。）２２が互いに平行となっている。

また、光学部品２は、入射するレーザ光Ｌの光軸Ｌ１に対して、入射辺２１が傾斜するように配置されている（後述の図６参照）。本実施形態では、回転モータ４の回転軸２０も同様に光軸Ｌ１に対して傾斜して配置されている。

また、光学部品２は、その周方向において厚みＴが連続的に変化している。一方、その径方向において厚みＴは変化せず一定である。光学部品２の中心の孔部２５には、回転モータ４の回転軸２０が挿通されて固定される。これにより、光学部品２は回転駆動され、その回転方向に沿って厚みＴが連続的に変化するようになっている。
具体的には、図４Ａ〜図４Ｄに示すように、光学部品２の厚みＴは、例えばＴ１〜Ｔ２〜Ｔ３で表される厚みを取ることができ、これらはＴ１＜Ｔ２＜Ｔ３の関係にある。

ここで、図５は、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０の光学部品２における回転角度と厚みＴとの関係を示す図である。この図５に示すように、光学部品２の厚みＴは、回転モータ４により回転駆動されるときの回転角度に応じて、連続的且つ周期的に変化している。これにより、光学部品２は、その回転方向に沿って厚みＴが連続的に変化していることが確認される。

また、図６は、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０の光学部品２に入射したレーザ光Ｌが屈折する様子を示す図である。より詳しくは、図６では、回転前後の光学部品２におけるレーザ光Ｌの屈折の様子を示している。この図６に示すように、光学部品２に入射したレーザ光Ｌは、光学部品２の屈折率に応じて屈折し、屈折光として出射される。

このとき、屈折によりシフトするレーザ光Ｌのビーム位置は、光学部品２の厚みＴと相関を有する。即ち、レーザ光Ｌの入射位置Ｐにおける光学部品２の厚みＴが大きいほど、屈折によるレーザ光Ｌのビーム位置のずれであるシフト量は大きくなる。具体的には、図６に示すように、回転後におけるレーザ光Ｌのビーム位置のシフト量Ｓ２は、回転前におけるレーザ光Ｌのビーム位置のシフト量Ｓ１よりも大きくなる。これらシフト量は、レーザ光Ｌの揺動における振幅に相当する。

本実施形態では、この特性を利用し、回転方向に厚みＴが連続的且つ周期的に変化する光学部品２にレーザ光Ｌを通過させることで、レーザ光Ｌのビーム位置、即ちレーザ光Ｌの照射位置を連続的且つ周期的に変化させるものである。これにより、本実施形態では、レーザ光Ｌを滑らかに揺動させることができ、ウィービング溶接が可能となっている。

以上の構成を備えるガルバノスキャナ５０によれば、以下の効果が奏される。
本実施形態では、周囲と異なる屈折率を有する光学部品２を、ガルバノミラー５１，５２に入射するレーザ光Ｌがその厚みＴ方向に入射するように配置するとともに、この光学部品２を回転駆動する回転モータ４を設けた。また、光学部品２を、厚みＴ方向の断面Ｃにおける入射辺２１と出射辺２２が互いに平行であり、入射するレーザ光Ｌの光軸Ｌ１に対して入射辺２１が傾斜するように配置するとともに、その厚みＴが回転方向に沿って連続的に変化するように構成した。

これにより、回転方向に厚みＴが連続的且つ周期的に変化する光学部品２にレーザ光Ｌを通過させることで、レーザ光Ｌのビーム位置、即ちレーザ光Ｌの照射位置を連続的且つ周期的に変化させることができる。即ち、レーザ光Ｌを滑らかに揺動させることができ、ウィービング溶接が可能である。

従って本実施形態によれば、回転モータ４により光学部品２を回転駆動させるだけで、容易に良好な溶接品質が得られるウィービング溶接を実現できる。即ち、ウィービング溶接のために、従来のようにガルバノミラー５１，５２の制御周期を上げる必要がなく、回転モータ４の回転を制御するだけでよく、制御が容易である。また、光学部品２と回転モータ４の回転軸２０を付加軸として光学系に追加するだけでよく、例えば共振ミラーの追加のような複雑な光学系への変更が不要であり、光学系を簡素化できる。そのため、かかる付加軸の追加、取り外しも簡単である。

［第２実施形態］
図７は、第２実施形態に係るガルバノスキャナ５０Ａの機能ブロック図である。図８は、第２実施形態に係るガルバノスキャナ５０Ａの光学部品群１２を示す図である。
図７及び図８に示すように、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０Ａは、第１実施形態に係るガルバノスキャナ５０と比べて、光学部品２を、複数の光学部品からなる光学部品群１２に変更した以外は、第１実施形態と同様の構成である。

具体的には、本実施形態では、光学部品２Ａ及び光学部品２Ｂからなる光学部品群１２を備える。
光学部品２Ａは、第１実施形態の光学部品２と比べて、入射辺１２１と出射辺１２３が互いに平行にはなっていない点が相違する以外は、光学部品２と同様の構成である。
一方、光学部品２Ｂは、第１実施形態の光学部品２と大きく相違し、周囲と屈折率が異なる光学部材で構成されている点が共通するのみである。より詳しくは、この光学部品２Ｂは、回転不可能であり、固定されて配置されており、その入射辺１２４と出射辺１２２は互いに平行にはなっていない。

なお、図７及び図８に示すように、光学部品群１２において、厚みＴ方向の断面Ｃにおける最初の第１入射辺１２１と、最終出射辺１２２は互いに平行となっている。即ち、光学部品２Ａの入射辺１２１と光学部品２Ｂの出射辺１２２は互いに平行である。また、光学部品２Ａの出射辺１２３と光学部品２Ｂの入射辺１２４は互いに平行である。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が奏される。加えて、本実施形態によれば、光学部品の形状を簡素化できる。

［第３実施形態］
図９は、第３実施形態に係るガルバノスキャナ５０Ｂの機能ブロック図である。図１０は、第３実施形態に係るガルバノスキャナ５０Ｂの光学部品２Ｂ及び回転機構部６を示す図である。
図９及び図１０に示すように、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０Ｂは、第１実施形態に係るガルバノスキャナ５０と比べて、回転機構部６を備える点で相違する以外は、第１実施形態と同様の構成である。

回転機構部６は、図１０に示すように、光学部品２の回転軸２０を含むとともにレーザ光Ｌの光軸Ｌ１を含む平面（図１０の紙面）に対して垂直な回転軸６０まわりに、光学部品２と回転モータ４を一体として回転させる。具体的には、この回転機構部６は、例えばサーボモータからなる回転機構モータ（不図示）を備え、これにより、回転軸６０まわりに光学部品２と回転モータ４を一体回転させる。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が奏される。加えて、本実施形態によれば、上述の回転軸６０まわりに、光学部品２と回転モータ４を一体として回転させることにより、入射するレーザ光Ｌの光軸Ｌ１に対する入射辺２１及び出射辺２２の傾斜角を変更でき、レーザ光Ｌのビーム位置のシフト量Ｓ、即ちレーザ光Ｌの揺動の振幅を変更できる。

［第４実施形態］
図１１は、第４実施形態に係るガルバノスキャナ５０Ｃの機能ブロック図である。図１２は、第４実施形態に係るガルバノスキャナ５０Ｃの光学部品２及び移動機構部を示す図である。なお、図１２では、光学部品２及び回転モータ４の移動前後におけるＡ矢視図もあわせて示している。
図１１及び図１２に示すように、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０Ｃは、第１実施形態に係るガルバノスキャナ５０と比べて、移動機構部８を備える点が相違する以外は第１実施形態と同様の構成である。

移動機構部８は、図１２に示すように、光学部品２の回転軸２０に対して垂直な平面（図１２の紙面に垂直な面）方向に、光学部品２及び回転モータ４を一体として移動させる。具体的には、この移動機構部８は、例えば図１２に示すように、上述の平面方向において互いに直交する方向に光学部品２及び回転モータ４をスライド移動可能なスライド機構８１，８２と、これらを駆動するサーボモータ（不図示）と、を備える。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が奏される。加えて、本実施形態によれば、光学部品２の回転軸２０に対して垂直な平面方向に、光学部品２及び回転モータ４を一体として移動させることにより、光学部品２に対するレーザ光Ｌの入射位置Ｐ（即ち、回転軸２０を中心とする極座標における角度位置）を変更でき、レーザ光Ｌの揺動の振幅方向を変更できる。

［第５実施形態］
図１３は、第５実施形態に係るガルバノスキャナ５０Ｄの光学部品２を示す図である。図１３に示すように、本実施形態に係るガルバノスキャナ５０Ｄは、第１実施形態に係るガルバノスキャナ５０と比べて、光学部品２及び回転モータ４の配置が相違する以外は第１実施形態と同様の構成である。

具体的には、本実施形態では、回転モータ４がレーザ光Ｌの光軸Ｌ１と平行に配置される一方で、光学部品２がレーザ光Ｌの光軸Ｌ１に対して傾斜して配置されている。このように、光学部品２がレーザ光Ｌの光軸Ｌ１に対して傾斜して配置されていればよく、回転モータ４の配置は自由である。
従って本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が奏される。

なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良は本発明に含まれる。
上述の各実施形態では、ワークＷとして自動車ボディを用いたが、これに限定されず、他の種々のワークを用いることができる。
また上述の各実施形態では、２つのガルバノミラーを備えるガルバノスキャナを用いたが、これに限定されず、１つあるいは３つ以上のガルバノミラーを備えるガルバノスキャナを用いることができる。

１リモートレーザ溶接システム
２、２Ａ、２Ｂ光学部品
４回転モータ
６回転機構部
８移動機構部
１２光学部品群
２０回転軸
２１入射辺（入射側の辺）
２２出射辺（出射側の辺）
５０、５０Ａ、５０Ｂ、５０Ｃ、５０Ｄガルバノスキャナ
５１、５２ガルバノミラー
５４ガルバノモータ
１２１第１入射辺（最初の入射側の辺）
１２２最終出射辺（最終の出射側の辺）
Ｃ断面
Ｌレーザ光
Ｌ１光軸
Ｐ入射位置
Ｔ厚み
Ｗワーク

Claims

レーザ光を走査するガルバノスキャナであって、
回転軸まわりに回転可能に構成され、レーザ光を反射する１つ以上のガルバノミラーと、
前記ガルバノミラーを回転駆動するガルバノモータと、
前記ガルバノミラーに入射するレーザ光が厚み方向に入射するように配置され、回転軸まわりに回転可能に構成されるとともに周囲と異なる屈折率を有する光学部品と、
前記光学部品を回転駆動する回転モータと、を備え、
前記光学部品は、中心に孔部を有する円環状であって前記孔部に前記回転モータの回転軸が挿通されて固定され、前記光学部品の径方向に沿う厚み方向の断面における入射側の辺と出射側の辺が互いに平行であるとともに、入射する前記レーザ光の光軸に対して前記入射側の辺が傾斜するように配置され、且つ、その厚みが回転方向に沿って連続的に変化するガルバノスキャナ。
前記光学部品は、中心に孔部を有する円環状であって前記孔部に前記回転モータの回転軸が挿通されて固定され、且つ、厚みが回転方向に沿って連続的に変化するとともに前記回転モータにより回転軸まわりに回転可能に構成される光学部品を少なくとも１つ含む複数の光学部品からなる光学部品群で構成され、
前記光学部品群は、前記光学部品の径方向に沿う厚み方向の断面における最初の入射側の辺と最終の出射側の辺が互いに平行である請求項１に記載のガルバノスキャナ。
前記光学部品の回転軸を含むとともに前記レーザ光の光軸を含む平面に対して垂直な回転軸まわりに、前記光学部品と前記回転モータを一体として回転させることにより、入射する前記レーザ光の光軸に対する前記入射側の辺及び前記出射側の辺の傾斜角を変更可能とする回転機構部をさらに備える請求項１又は２に記載のガルバノスキャナ。
前記光学部品の回転軸に対して垂直な平面方向に、前記光学部品及び前記回転モータを一体として移動させることにより、前記光学部品に対する前記レーザ光の入射位置を変更可能とする移動機構部をさらに備える請求項１から３いずれかに記載のガルバノスキャナ。