JP6685806B2 - レーザ加工方法およびレーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザを照射して加工対象物を加工するレーザ加工方法およびレーザ加工装置に関するものである。

例えば、ガスタービン静翼は、翼の内側から効率良く空気冷却するため、翼内部にインサート部品を配置し、翼基端に遮蔽板などの部品を取り付けることによって、冷却構造を完成させている。この部品の取り付けは、静翼製造の最終工程で実施されており、溶接で取り付けられている。

例えば、遮蔽板の場合、板厚１ｍｍ程度の板材を静翼の基端に蓋をするように取り付けて、板材の全周を溶接する。ここで、溶接がＴＩＧ溶接である場合、入熱が大きく、翼が変形すると組み立て時に必要な精度に影響を及ぼすおそれがある。また、溶接前に施されたセラミックコーティングが翼への入熱や変形により損傷するおそれがある。

このような問題に対し、溶接の入熱を下げることは有効であり、レーザ溶接が検討されている。ただし、静翼の基端に取り付ける遮蔽板の溶接線は平面上にはなく複雑な三次元の面上にある。すなわち、遮蔽板の溶接部は、複雑な形状である。そのため、遮蔽板の三次元データを基にレーザ光を移動させることが考えられる。また、遮蔽板を取り付ける静翼の基端の周囲には壁部材が存在するため、壁部材の直下の箇所に溶接線が存在する。すなわち、遮蔽板の溶接部は狭隘な位置にある。すなわち、溶接部に対してレーザヘッドを移動させるとレーザヘッドが壁部材などに干渉してしまう。そのため、ミラー等を用いてレーザ光のみ走査する光学系であるリーモート光学系を用いることが考えられる。このような場合、三次元データを元にレーザ光を走査するために、被加工物の基準位置（三次元データの基準位置）と光学系の基準位置との三次元での位置合わせを実施する必要がある。

従来、例えば、特許文献１には、被加工物の加工部位の所定範囲に照明手段により帯状の光を照射してこれを撮像手段により撮影し、その撮像手段からの画像情報に基づきレーザヘッドと被加工物との間の相対位置を制御するレーザ加工装置が記載されている。

特開平６−３４４１６７号公報

特許文献１に記載のレーザ加工装置では、被加工物の表面の凹凸形状に応じて帯状の光が切断された形状に輝度分布を有することを利用している。しかし、被加工物の表面の凹凸形状が複雑な場合は対応することが困難である。

そこで、本発明は、被加工物とレーザ光学系との三次元での位置合わせを非接触で行うことのできるレーザ加工方法およびレーザ加工装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るレーザ加工方法は、加工用のレーザ光学系の光軸と同軸または平行な撮像光軸と、前記撮像光軸に対して前記撮像光軸の所定距離の位置で交差する２つの線状光と、を用い、被加工物の所定面上において前記撮像光軸と各前記線状光の交点とを一致させる光軸合わせ工程と、前記被加工物に設定された移動基準点に前記撮像光軸を一致させる基準合わせ工程と、を含む。

このレーザ加工方法によれば、被加工物の移動基準点に対して撮像光軸が一致することで被加工物の移動基準点に対して光軸の位置が設定され、かつ移動基準点に対して撮像光軸の距離が設定されることで移動基準点に対してレーザの光軸の距離が設定される。そして、この移動基準点と撮像光軸（レーザの光軸）との関係を、三次元データに関連付ける。この結果、被加工物とレーザ光学系との三次元での位置合わせを非接触で行うことができる。

また、本発明の一態様に係るレーザ加工方法では、前記移動基準点を含み前記被加工物に設定されて撮像において一直線上から外れる計三点の傾斜基準点に対し、被加工物の所定面上における前記撮像光軸と各前記線状光の交点との一致関係および前記移動基準点と前記撮像光軸との一致関係を維持しつつ、各前記傾斜基準点の位置の前記撮像光軸の距離を調整する傾斜合わせ工程を含むことが好ましい。

このレーザ加工方法によれば、各傾斜基準点の位置の撮像光軸の距離を調整することで、被加工物を加工するための三次元データにおける各傾斜基準点の位置の撮像光軸の距離と合わせて、被加工物と三次元データとの相互の配置の整合性を取ることができる。この結果、被加工物の加工を高い精度で行うことができる。

また、本発明の一態様に係るレーザ加工方法では、前記傾斜合わせ工程は、各前記傾斜基準点の位置の前記撮像光軸の距離を同じに調整することが好ましい。

このレーザ加工方法によれば、各傾斜基準点の位置の撮像光軸の距離を同じに調整することで、三次元データとの相互の配置の整合性を容易に行うことができる。

また、本発明の一態様に係るレーザ加工方法では、前記傾斜合わせ工程は、各前記傾斜基準点を１つの加工部材において設定することが好ましい。

このレーザ加工方法によれば、各傾斜基準点を１つの加工部材において設定することで、三次元データとの相互の配置の整合性の精度が向上するため、被加工物の加工を高い精度で行うことができる。

また、本発明の一態様に係るレーザ加工方法では、前記傾斜合わせ工程は、各前記傾斜基準点を１つの撮像範囲内において設定することが好ましい。

このレーザ加工方法によれば、各傾斜基準点を１つの撮像範囲内において設定することで、傾斜合わせが容易となる。

また、本発明の一態様に係るレーザ加工方法では、前記移動基準点を含み前記被加工物に設定されて撮像において一直線上から外れる計三点の傾斜基準点に対し、被加工物の所定面上における前記撮像光軸と各前記線状光の交点との一致関係および前記移動基準点と前記撮像光軸との一致関係を維持しつつ、各前記傾斜基準点の位置の前記撮像光軸の距離を計測する計測工程を含むことが好ましい。

このレーザ加工方法によれば、各傾斜基準点の位置の撮像光軸の距離を計測することで、被加工物を加工するための三次元データにおける各傾斜基準点の位置の撮像光軸の距離と比較し、被加工物と三次元データとの相互の配置の整合性を取ることができる。この結果、被加工物の加工を高い精度で行うことができる。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係るレーザ加工装置は、加工用のレーザ光学系の光軸と同軸または平行な撮像光軸を有する撮像部と、前記撮像光軸に対して前記撮像光軸の所定距離の位置で交差する２つの線状光を照射する光源部と、前記撮像部および前記光源部を一体で被加工物と相対移動させる移動機構と、前記被加工物の所定面上において前記撮像光軸と各前記線状光の交点とが一致するように前記移動機構を制御し、前記被加工物に設定された移動基準点と前記撮像光軸とが一致するように前記移動機構を制御する移動制御部と、を備える。

このレーザ加工装置によれば、被加工物の移動基準点に対して撮像光軸が一致することで被加工物の移動基準点に対して光軸の位置が設定され、かつ移動基準点に対して撮像光軸の距離が設定されることで移動基準点に対してレーザの光軸の距離が設定される。そして、この移動基準点と撮像光軸（レーザの光軸）との関係を、三次元データに関連付ける。この結果、被加工物とレーザ光学系との三次元での位置合わせを非接触で行うことができる。

また、本発明の一態様に係るレーザ加工装置では、前記移動制御部は、前記移動基準点を含み前記被加工物に設定されて撮像において一直線上から外れる計三点の傾斜基準点に対し、前記撮像光軸と各前記線状光の交点との一致関係および前記移動基準点と前記撮像光軸との一致関係を維持しつつ、各前記傾斜基準点の位置の前記撮像光軸の距離を調整するように前記移動機構を制御することが好ましい。

このレーザ加工装置によれば、各傾斜基準点の位置の撮像光軸の距離を調整することで、被加工物を加工するための三次元データにおける各傾斜基準点の位置の撮像光軸の距離と合わせて、被加工物と三次元データとの相互の配置の整合性を取ることができる。この結果、被加工物の加工を高い精度で行うことができる。

本発明によれば、被加工物とレーザ光学系との三次元での位置合わせを非接触で行うことができる。

図１は、実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に示す概略構成図である。 図２は、実施形態に係るレーザ加工装置の撮像部および光源部を模式的に示す平面図である。 図３は、実施形態に係るレーザ加工装置の撮像部および光源部を模式的に示す平面図である。 図４は、実施形態に係るレーザ加工装置の撮像部の画像データを示す図である。 図５は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図である。 図６は、実施形態に係るレーザ加工装置における撮像部の画像データを示す図である。 図７は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図である。 図８は、実施形態に係るレーザ加工装置における撮像部の画像データを示す図である。 図９は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図である。 図１０は、実施形態に係るレーザ加工装置における撮像部の画像データを示す図である。 図１１は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図である。 図１２は、実施形態に係るレーザ加工装置における撮像部の画像データを示す図である。 図１３は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法を示すフローチャートである。 図１４は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図である。 図１５は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図である。 図１６は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図である。 図１７は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法を示すフローチャートである。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

図１は、実施形態に係るレーザ加工装置を模式的に示す概略構成図である。図２は、実施形態に係るレーザ加工装置の撮像部および光源部を模式的に示す平面図である。図３は、実施形態に係るレーザ加工装置の撮像部および光源部を模式的に示す平面図であり、（Ａ）は図２および図４における矢視Ａ図に相当し、（Ｂ）は矢視Ａ図に直交する図２および図４における矢視Ｂ図に相当する。図４は、実施形態に係るレーザ加工装置の撮像部の画像データを示す図である。

レーザ加工装置１０は、被加工物５０の周囲にレーザ光（以下、レーザという）Ｌを照射して、被加工物５０とその周囲の基材５１とを溶融し溶接する。ここで、基材５１は、例えば、タービン静翼において固定端となる基端のシュラウド部であり、図１では静翼を省略してシュラウド部のみを示している。基材５１であるシュラウド部は、静翼の内側から効率良く空気冷却するため、静翼内部に通じる開口穴５１Ａが形成されている。また、基材５１であるシュラウド部は、その周囲に壁部材５１Ｂが突出して設けられている。また、被加工物５０は、例えば、基材５１であるシュラウド部の開口穴５１Ａを塞ぐ遮蔽板であり、その周囲が本実施形態のレーザ加工装置１０により基材５１に溶接される。なお、基材５１であるシュラウド部への被加工物５０である遮蔽板の溶接は、静翼製造の最終工程で実施され、静翼には耐熱性のセラミックコーティングが施されている。なお、被加工物５０および基材５１は、一例であり、タービン静翼のシュラウド部および遮蔽板に限定されるものではない。

レーザ加工装置１０は、レーザ照射装置１１と、ヘッド移動機構（移動機構）となるマニピュレータ１２と、ワーク移動機構（移動機構）となる支持台１３と、撮像部となるカメラ１５と、光源部となるレーザポインタ１６と、制御装置１７と、を備える。

レーザ照射装置１１は、被加工物５０にレーザＬを照射する。レーザ照射装置１１は、レーザ発振器１１Ａと、伝送ケーブル１１Ｂによってレーザ発振器１１Ａに接続されるレーザ照射ヘッド１１Ｃと、を有する。レーザ発振器１１Ａは、所定の出力となるレーザＬを照射する。伝送ケーブル１１Ｂは、レーザ発振器１１Ａから照射されたレーザＬを、レーザ照射ヘッド１１Ｃへ向けて導光する。レーザ照射ヘッド１１Ｃは、伝送ケーブル１１Ｂにより導光されたレーザＬを、被加工物５０へ向けて照射する。本実施形態では、レーザ照射ヘッド１１Ｃは、レーザ光学系１１Ｄを有している。レーザ光学系１１Ｄは、ミラーなどの光学系によりレーザＬの光軸Ｌｃの向きや焦点距離を変更することで移動せずにレーザＬを走査するものである。従って、本実施形態のレーザ照射装置１１は、レーザ照射ヘッド１１Ｃを移動させずに加工を行うことができるように構成されている。なお、レーザ光学系１１Ｄを有さずにレーザ照射ヘッド１１Ｃを移動させて加工を行うようにしてもよい。

マニピュレータ１２は、ヘッド移動機構（移動機構）であり、例えば、６軸マニピュレータであり、その先端部に、レーザ照射装置１１の一部であるレーザ照射ヘッド１１Ｃが保持されている。このマニピュレータ１２は、レーザ照射ヘッド１１Ｃの位置を三次元で変化させることができる。

支持台１３は、ワーク移動機構（移動機構）であり、ワークとなる被加工物５０を支持するものである。本実施形態では、支持台１３は、被加工物５０である遮蔽材を溶接して取り付ける基材５１である静翼のシュラウド部を支持する。支持台１３は、支持した被加工物５０（基材５１）の位置を任意の軸を中心に回転移動させることが可能であり、例えば、マニピュレータ１２のように支持した被加工物５０（基材５１）の位置を三次元で変化させることができるように構成されている。

なお、本実施形態において、ヘッド移動機構であるマニピュレータ１２と、ワーク移動機構である支持台１３とを備えているが、いずれか一方の移動機構のみを備えた構成であってもよく、この場合は、ヘッド移動機構やワーク移動機構をまとめて移動機構と称す。

カメラ１５は、レーザ照射装置１１のレーザ照射ヘッド１１Ｃに設けられており、レーザ照射ヘッド１１Ｃと一体に移動可能に設けられている。カメラ１５は、その撮像の光軸である撮像光軸Ｐｃを、レーザ照射ヘッド１１ＣにおけるレーザＬの光軸Ｌｃと同軸に配置されている。すなわち、カメラ１５は、レーザＬの照射方向を撮像する。

レーザポインタ１６は、カメラ１５と共にレーザ照射装置１１のレーザ照射ヘッド１１Ｃに設けられており、カメラ１５と共にレーザ照射ヘッド１１Ｃと一体に移動可能に設けられている。レーザポインタ１６は、第一レーザポインタ１６Ａと、第二レーザポインタ１６Ｂとを有している。各レーザポインタ１６Ａ，１６Ｂは、図３に示すように、ライン状の光である線状光Ｗａ，Ｗｂを照射する。そして、各レーザポインタ１６Ａ，１６Ｂは、線状光Ｗａ，Ｗｂが交差して照射されるように異なる角度で配置されている。具体的に、各レーザポインタ１６Ａ，１６Ｂは、図２に示すように、線状光Ｗａ，Ｗｂが直交して照射されるように９０°異なって配置されている。このレーザポインタ１６は、図３に示すように、各レーザポインタ１６Ａ，１６Ｂの線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃ（図３など参照）がカメラ１５の撮像光軸Ｐｃの所定距離Ｚにおいて撮像光軸Ｐｃに一致するように設けられている。

制御装置１７は、レーザ加工装置１０の動作を制御するものである。制御装置１７は、例えば、コンピュータであり、図１に示すように、演算処理装置１７Ａや記憶装置１７Ｂなどにより実現される。演算処理装置１７Ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）のようなマイクロプロセッサを含む。記憶装置１７Ｂは、ＲＯＭやＲＡＭのようなメモリおよびストレージを含む。演算処理装置１７Ａは、記憶装置１７Ｂに記憶されているコンピュータプログラムに従って演算処理を実施する。記憶装置１７Ｂに記憶されているコンピュータプログラムに相当するものとして、ヘッド駆動制御部１７Ｂａと、ヘッド移動制御部（移動制御部）１７Ｂｂと、撮像制御部１７Ｂｃと、光源制御部１７Ｂｄと、ワーク移動制御部（移動制御部）１７Ｂｅと、を含む。また、記憶装置１７Ｂは、加工対象となる被加工物５０および基材５１に関する三次元データを記憶する三次元データ記憶部１７Ｂｆを有する。

この制御装置１７は、レーザ照射装置１１、マニピュレータ１２、支持台１３、カメラ１５、およびレーザポインタ１６（１６Ａ，１６Ｂ）の動作を制御する。具体的に、制御装置１７は、ヘッド駆動制御部１７Ｂａによりレーザ照射装置１１の動作を制御する。ヘッド駆動制御部１７Ｂａは、レーザ照射装置１１のレーザ発振器１１Ａを制御し、レーザ発振器１１ＡからレーザＬを照射させる。また、ヘッド駆動制御部１７Ｂａは、三次元データ記憶部１７Ｂｆに記憶された三次元データに基づいてレーザ照射装置１１のレーザ光学系１１Ｄを制御し、被加工物５０に照射されるレーザＬを走査する。

また、制御装置１７は、ヘッド移動制御部１７Ｂｂによりマニピュレータ１２の動作を制御し、三次元データ記憶部１７Ｂｆに記憶された三次元データに基づいてレーザ照射装置１１のレーザ照射ヘッド１１Ｃおよびレーザ光学系１１Ｄの位置をカメラ１５およびレーザポインタ１６（１６Ａ，１６Ｂ）と共に変化させる。

また、制御装置１７は、撮像制御部１７Ｂｃによりカメラ１５の動作を制御する。撮像制御部１７Ｂｃは、カメラ１５を駆動し、図４に示すように、カメラ１５が撮像した画像データ１５Ａを処理する。撮像制御部１７Ｂｃは、カメラ１５が撮像した画像データ１５Ａを解析して、図４に示すように、画像データ１５Ａに撮像光軸Ｐｃの位置を付与する。図４では、直交する２つの線を付与して撮像光軸Ｐｃを表した例を示している。また、撮像制御部１７Ｂｃは、三次元データ記憶部１７Ｂｆに記憶された三次元データに基づいてカメラ１５が撮像した画像データ１５Ａを解析して画像データ１５Ａ中の像の位置情報を取得する。また、撮像制御部１７Ｂｃは、画像データ１５Ａを表示部（図示せず）に表示させることもできる。

また、制御装置１７は、光源制御部１７Ｂｄによりレーザポインタ１６（１６Ａ，１６Ｂ）の動作を制御する。

また、制御装置１７は、ワーク移動制御部１７Ｂｅにより支持台１３の動作を制御し、三次元データ記憶部１７Ｂｆに記憶された三次元データに基づいて被加工物５０および基材５１の位置を変化させる。

なお、上述したように、本実施形態においては、ヘッド移動機構であるマニピュレータ１２と、ワーク移動機構である支持台１３とを備えているが、いずれか一方の移動機構のみを備えた構成であってもよく、この場合は、ヘッド移動制御部１７Ｂｂやワーク移動制御部１７Ｂｅをまとめて移動制御部と称す。

以下、本実施形態のレーザ加工装置１０の動作であるレーザ加工方法について図を参照して説明する。

図５は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図であり、（Ａ）は図２および図６における矢視Ａ図に相当し、（Ｂ）は矢視Ａ図に直交する図２および図６における矢視Ｂ図に相当する。図６は、実施形態に係るレーザ加工装置における撮像部の画像データを示す図である。図７は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図であり、（Ａ）は図２および図８における矢視Ａ図に相当し、（Ｂ）は矢視Ａ図に直交する図２および図８における矢視Ｂ図に相当する。図８は、実施形態に係るレーザ加工装置における撮像部の画像データを示す図である。図９は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図であり、（Ａ）は図２および図１０における矢視Ａ図に相当し、（Ｂ）は矢視Ａ図に直交する図２および図１０における矢視Ｂ図に相当する。図１０は、実施形態に係るレーザ加工装置における撮像部の画像データを示す図である。図１１は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図であり、（Ａ）は図２および図１２における矢視Ａ図に相当し、（Ｂ）は矢視Ａ図に直交する図２および図１２における矢視Ｂ図に相当する。図１２は、実施形態に係るレーザ加工装置における撮像部の画像データを示す図である。図１３は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法を示すフローチャートである。

本実施形態のレーザ加工装置１０では、加工を行う前に、図２および図１３に示すように、撮像光軸Ｐｃの所定距離Ｚの位置で各線状光Ｗａ，Ｗｂが交差するように設定する（ステップＳ１）。撮像光軸Ｐｃの所定距離Ｚは、任意であるが設定後は三次元データに関連付けて三次元データ記憶部１７Ｂｆに記憶する。なお、加工を行う前とは、溶接を行う前であって、本実施形態では、被加工物５０である遮蔽板が基材５１であるシュラウド部に対する取り付け位置にてスポット溶接で仮止めされている状態である。

図５、図６および図１３に示すように、被加工物５０の所定面５０Ａ上において画像データ１５Ａ中の撮像光軸Ｐｃと各線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃとの位置を確認する（ステップＳ２）。そして、図５および図６に示すように、撮像光軸Ｐｃと各線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃとの位置がずれている場合は（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、図７および図８に示すように、撮像光軸Ｐｃ上で各線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃが一致する位置まで撮像光軸Ｐｃに沿ってレーザ照射ヘッド１１Ｃを移動させる（ステップＳ４）。また、ステップＳ３において、図７および図８に示すように、撮像光軸Ｐｃと各線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃとの位置がずれていない場合は（ステップＳ３：Ｎｏ）、ステップＳ４の動作は行わない。ステップＳ４の動作は、ヘッド移動制御部１７Ｂｂによりマニピュレータ１２の動作を制御し、レーザ照射装置１１のレーザ照射ヘッド１１Ｃおよびレーザ光学系１１Ｄの位置をカメラ１５およびレーザポインタ１６（１６Ａ，１６Ｂ）と共に変化させる。このステップＳ２からステップＳ４の動作を光軸合わせ工程という。

図９、図１０および図１３に示すように、被加工物５０の所定面５０Ａ上において画像データ１５Ａ中の撮像光軸Ｐｃと移動基準点Ｓとの位置を確認する（ステップＳ５）。ここで、移動基準点Ｓは、被加工物５０の所定面５０Ａ上に示されている指標（図９および図１０では十字状）であり、被加工物５０の溶接において基準となる点である。従って、移動基準点Ｓは、三次元データに関連付けて三次元データ記憶部１７Ｂｆに記憶されている。そして、図９および図１０に示すように、撮像光軸Ｐｃと移動基準点Ｓとの位置が直交方向でαやβずれている場合は（ステップＳ６：Ｙｅｓ）、図１１および図１２に示すように、移動基準点Ｓに撮像光軸Ｐｃが一致する位置までレーザ照射ヘッド１１Ｃを移動させる（ステップＳ７）。また、ステップＳ６において、図１１および図１２に示すように、撮像光軸Ｐｃと移動基準点Ｓとの位置が一致している場合は（ステップＳ６：Ｎｏ）、ステップＳ７の動作は行わない。ステップＳ７の動作は、ヘッド移動制御部１７Ｂｂによりマニピュレータ１２の動作を制御し、レーザ照射装置１１のレーザ照射ヘッド１１Ｃおよびレーザ光学系１１Ｄの位置をカメラ１５およびレーザポインタ１６（１６Ａ，１６Ｂ）と共に変化させる。このステップＳ５からステップＳ７の動作を基準合わせ工程という。

なお、移動基準点Ｓを設定した所定面５０Ａの位置が撮像光軸Ｐｃの距離Ｚではない場合は、ステップＳ７の動作により、ステップＳ４で一致させた撮像光軸Ｐｃと各線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃとの位置がずれる。この場合は、撮像光軸Ｐｃと移動基準点Ｓとの位置が一致している状態で、ステップＳ４の動作を行う。従って、先にステップＳ５からステップＳ７の動作を行い、その後にステップＳ２からステップＳ４の動作を行ってもよい。

なお、上述したステップＳ１からステップＳ７の動作では、ヘッド移動制御部１７Ｂｂによりマニピュレータ１２の動作を制御し、レーザ照射装置１１のレーザ照射ヘッド１１Ｃおよびレーザ光学系１１Ｄの位置をカメラ１５およびレーザポインタ１６（１６Ａ，１６Ｂ）と共に変化させることとした。これに限らず、ワーク移動制御部１７Ｂｅにより支持台１３の動作を制御し、被加工物５０および基材５１の位置を変化させてもよい。

このように、本実施形態のレーザ加工方法は、加工用のレーザ光学系１１Ｄの光軸Ｌｃと同軸な撮像光軸Ｐｃと、撮像光軸Ｐｃに対して撮像光軸Ｐｃの所定距離Ｚの位置で交差する２つの線状光Ｗａ，Ｗｂと、を用い、被加工物５０の所定面５０Ａ上において撮像光軸Ｐｃと各線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃとを一致させる光軸合わせ工程と、被加工物５０に設定された移動基準点Ｓに撮像光軸Ｐｃを一致させる基準合わせ工程と、を含む。

また、本実施形態のレーザ加工装置１０は、加工用のレーザ光学系１１Ｄの光軸Ｌｃと同軸な撮像光軸Ｐｃを有する撮像部であるカメラ１５と、撮像光軸Ｐｃに対して撮像光軸Ｐｃの所定距離Ｚの位置で交差する２つの線状光Ｗａ，Ｗｂを照射する光源部であるレーザポインタ１６Ａ，１６Ｂと、カメラ１５およびレーザポインタ１６Ａ，１６Ｂを一体で被加工物５０と相対移動させる移動機構であるマニピュレータ１２または支持台１３と、被加工物５０の所定面５０Ａ上において撮像光軸Ｐｃと各線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃとが一致するようにマニピュレータ１２または支持台１３を制御し、被加工物５０に設定された移動基準点Ｓと撮像光軸Ｐｃとが一致するようにマニピュレータ１２または支持台１３を制御する移動制御部であるヘッド移動制御部１７Ｂｂまたはワーク移動制御部１７Ｂｅと、を備える。

このレーザ加工方法およびレーザ加工装置１０によれば、被加工物５０の移動基準点Ｓに対して撮像光軸Ｐｃが一致することで被加工物５０の移動基準点Ｓに対して撮像光軸Ｐｃと同軸のレーザＬの光軸Ｌｃが一致し、かつ移動基準点Ｓに対して撮像光軸Ｐｃの距離Ｚが設定されることで移動基準点Ｓに対して撮像光軸Ｐｃと同軸のレーザＬの光軸Ｌｃの距離が設定される。そして、この移動基準点Ｓと撮像光軸Ｐｃ（レーザＬの光軸Ｌｃ）との関係を、三次元データに関連付けて三次元データ記憶部１７Ｂｆに記憶する。この結果、被加工物５０とレーザ光学系１１Ｄとの三次元での位置合わせを非接触で行うことができる。

そして、その後は、三次元データに基づいてレーザ照射装置１１のレーザ光学系１１Ｄを制御し、被加工物５０に照射されるレーザＬを走査する。これにより、被加工物５０が複雑な三次元形状であっても、基材５１への溶接による被加工物５０の取り付けを高い精度で行うことができる。しかも、基材５１であるシュラウド部のように周囲に壁部材５１Ｂが突出して設けられていて被加工物５０である遮蔽材の溶接箇所が壁部材５１Ｂにより狭隘な位置にあっても、基材５１への溶接による被加工物５０の取り付けを高い精度で行うことができる。

また、基材５１への溶接による被加工物５０の取り付けを行う前に、三次元データに基づいてレーザ照射装置１１のレーザ光学系１１Ｄを制御し、被加工物５０に低出力のレーザＬを照射して走査する。この低出力のレーザＬは、被加工物５０を溶接加工する程の出力ではなく、目視やカメラで撮像できる輝度のものである。従って、加工前に、レーザＬの走査を目視やカメラにより確認することができる。

なお、カメラ１５は、その撮像の光軸である撮像光軸Ｐｃを、レーザ照射ヘッド１１ＣにおけるレーザＬの光軸Ｌｃと平行にオフセットされて配置されていてもよい。この場合、ヘッド駆動制御部１７Ｂａは、カメラ１５の撮像光軸Ｐｃと、レーザ照射ヘッド１１ＣにおけるレーザＬの光軸Ｌｃとのオフセット量を考慮して三次元データに関連付けて三次元データ記憶部１７Ｂｆに記憶すれば、被加工物５０とレーザ光学系１１Ｄとの三次元での位置合わせを非接触で行うことができる。また、加工も実施することができる。カメラ１５の撮像光軸Ｐｃをレーザ照射ヘッド１１ＣにおけるレーザＬの光軸Ｌｃと同軸に配置すれば、オフセット量を考慮する必要はなくなり、簡単な制御とすることができる。

ところで、上述したように、被加工物５０の移動基準点Ｓに対して撮像光軸Ｐｃを一致させ、かつ移動基準点Ｓに対して撮像光軸Ｐｃの距離Ｚを設定したとき、当該移動基準点Ｓを基に被加工物５０が傾斜している場合は、この傾斜を考慮して加工を実施しなければならない。以下に、傾斜を考慮した手法について図を参照して説明する。

図１４は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図であり、被加工物の平面図である。図１５は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図であり、図１４のＣ−Ｃ断面であって、（Ａ）は動作前で（Ｂ）は動作後を示す。図１６は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法の工程図であり、図１４のＤ−Ｄ断面であって、（Ａ）は動作前で（Ｂ）は動作後を示す。図１７は、実施形態に係るレーザ加工装置におけるレーザ加工方法を示すフローチャートである。

図１４に示すように、被加工物５０の所定面５０Ａ上に、カメラ１５にて撮像した状態において一直線上から外れる三点の傾斜基準点ＴＡ，ＴＢ，ＴＣを設定する。傾斜基準点ＴＡ，ＴＢ，ＴＣのうちの一点は、上述した移動基準点Ｓである。本実施形態では、傾斜基準点ＴＡを移動基準点Ｓとする。すなわち、三点の傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣは、移動基準点Ｓを含む。各傾斜基準点ＴＡ，ＴＢ，ＴＣは、三次元データに関連付けて三次元データ記憶部１７Ｂｆに記憶する。または、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣは、予め三次元データに関連付けて三次元データ記憶部１７Ｂｆに記憶されている。

図１７に示すように、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣにおける撮像光軸Ｐｃの距離を計測する（ステップＳ２１）。具体的には、傾斜基準点ＴＡ（Ｓ）は、上述したように距離Ｚである。他の傾斜基準点ＴＢ，ＴＣは、撮像光軸Ｐｃと傾斜基準点ＴＢ，ＴＣとを一致させてから撮像光軸Ｐｃと各線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃとを一致させるように撮像光軸Ｐｃに沿ってレーザ照射ヘッド１１Ｃを移動させる（または、撮像光軸Ｐｃに沿って被加工物５０を移動させる）。すると、傾斜基準点ＴＢ，ＴＣ上での距離Ｚに対する撮像光軸Ｐｃの距離が移動量により計測できる。このステップＳ２１の動作を計測工程という。

そして、図１５（Ａ）に示すように、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣを一つの面上で見た断面（Ｃ−Ｃ断面）において、傾斜基準点ＴＡ（移動基準点Ｓ）の距離Ｚに対し、他の２つの傾斜基準点ＴＢ，ＴＣの撮像光軸Ｐｃの距離がＺ±αで異なる結果が得られ、傾斜基準点ＴＡ（移動基準点Ｓ）を基に他の２つの傾斜基準点ＴＢ，ＴＣが傾斜している場合は（ステップＳ２２：Ｙｅｓ）、図１５（Ｂ）に示すように、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣの位置における撮像光軸Ｐｃの距離が同じくＺになるように傾斜基準点ＴＡ（移動基準点Ｓ）を中心として被加工物５０を回転移動する（ステップＳ２３）。また、ステップＳ２２において、図１５（Ｂ）に示すように、傾斜基準点ＴＡ（移動基準点Ｓ）を基に他の２つの傾斜基準点ＴＢ，ＴＣが傾斜していない場合は（ステップＳ２２：Ｎｏ）、ステップＳ２３の動作は行わない。

また、図１６（Ａ）に示すように、傾斜基準点ＴＢ，ＴＣが重なり傾斜基準点ＴＡ（Ｓ）と共に一つの面上で見た断面（Ｄ−Ｄ断面）において、傾斜基準点ＴＡ（移動基準点Ｓ）の距離Ｚに対し、重なる２つの傾斜基準点ＴＢ，ＴＣの撮像光軸Ｐｃの距離がＺ＋β（またはＺ−β）で異なる結果が得られ、傾斜基準点ＴＡ（移動基準点Ｓ）に対して２つの傾斜基準点ＴＢ，ＴＣが傾斜している場合は（ステップＳ２４：Ｙｅｓ）、図１６（Ｂ）に示すように、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣの位置における撮像光軸Ｐｃの距離が同じＺになるように傾斜基準点ＴＡ（移動基準点Ｓ）を中心として被加工物５０を回転移動する（ステップＳ２５）。また、ステップＳ２４において、図１６（Ｂ）に示すように、傾斜基準点ＴＡ（移動基準点Ｓ）に対して２つの傾斜基準点ＴＢ，ＴＣが傾斜していない場合は（ステップＳ２４：Ｎｏ）、ステップＳ２５の動作は行わない。

ステップＳ２１からステップＳ２５の動作は、ワーク移動制御部１７Ｂｅにより支持台１３の動作を制御し、被加工物５０および基材５１の位置を変化させる。このステップＳ２１からステップＳ２５の動作を傾斜合わせ工程という。

なお、上述したステップＳ２１からステップＳ２５の動作では、ワーク移動制御部１７Ｂｅにより支持台１３の動作を制御し、被加工物５０および基材５１の位置を変化させることとした。これに限らず、ヘッド移動制御部１７Ｂｂによりマニピュレータ１２の動作を制御し、レーザ照射装置１１のレーザ照射ヘッド１１Ｃおよびレーザ光学系１１Ｄの位置をカメラ１５およびレーザポインタ１６（１６Ａ，１６Ｂ）と共に変化させてもよい。

このように、本実施形態のレーザ加工方法では、移動基準点Ｓを含み被加工物５０に設定されて撮像において一直線上から外れる計三点の傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣに対し、被加工物５０の所定面５０Ａ上における撮像光軸Ｐｃと各線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃとの一致関係および移動基準点Ｓと撮像光軸Ｐｃとの一致関係を維持しつつ、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣの位置の撮像光軸Ｐｃの距離を調整する傾斜合わせ工程を含むことが好ましい。

また、本実施形態のレーザ加工装置１０では、移動制御部であるワーク移動制御部１７Ｂｅまたはヘッド移動制御部１７Ｂｂは、移動基準点Ｓを含み被加工物５０に設定されて撮像において一直線上から外れる計三点の傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣに対し、撮像光軸Ｐｃと各線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃとの一致関係および移動基準点Ｓと撮像光軸Ｐｃとの一致関係を維持しつつ、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣの位置の撮像光軸Ｐｃの距離を調整するように移動機構を制御することが好ましい。

このレーザ加工方法およびレーザ加工装置１０によれば、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣの位置の撮像光軸Ｐｃの距離を調整することで、被加工物５０を加工するための三次元データにおける各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣの位置の撮像光軸Ｐｃの距離と合わせて、被加工物５０と三次元データとの相互の配置の整合性を取ることができる。この結果、基材５１への溶接による被加工物５０の取り付けを高い精度で行うことができる。

また、本実施形態のレーザ加工方法では、移動基準点Ｓを含み被加工物５０に設定されて撮像において一直線上から外れる計三点の傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣに対し、被加工物５０の所定面５０Ａ上における撮像光軸Ｐｃと各線状光Ｗａ，Ｗｂの交点Ｗｃとの一致関係および移動基準点Ｓと撮像光軸Ｐｃとの一致関係を維持しつつ、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣの位置の撮像光軸Ｐｃの距離を計測する計測工程を含むことが好ましい。

このレーザ加工方法によれば、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣの位置の撮像光軸Ｐｃの距離を計測することで、被加工物５０を加工するための三次元データにおける各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣの位置の撮像光軸Ｐｃの距離と比較し、被加工物５０と三次元データとの相互の配置の整合性を取ることができる。この結果、基材５１への溶接による被加工物５０の取り付けを高い精度で行うことができる。

また、本実施形態のレーザ加工方法では、傾斜合わせ工程において、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣの位置の撮像光軸Ｐｃの距離を同じに調整することが好ましい。

このレーザ加工方法によれば、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣの位置の撮像光軸Ｐｃの距離を同じに調整することで、三次元データとの相互の配置の整合性を容易に行うことができる。

また、本実施形態のレーザ加工方法では、傾斜合わせ工程は、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣを１つの加工部材において設定することが好ましい。

このレーザ加工方法によれば、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣを１つの加工部材において設定することで、三次元データとの相互の配置の整合性の精度が向上するため、基材５１への溶接による被加工物５０の取り付けを高い精度で行うことができる。

また、本実施形態のレーザ加工方法では、傾斜合わせ工程は、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣを１つの撮像範囲内において設定することが好ましい。

このレーザ加工方法によれば、各傾斜基準点ＴＡ（Ｓ），ＴＢ，ＴＣを１つの撮像範囲内において設定することで、傾斜合わせが容易となる。

１０ レーザ加工装置
１１ レーザ照射装置
１１Ａ レーザ発振器
１１Ｂ 伝送ケーブル
１１Ｃ レーザ照射ヘッド
１１Ｄ レーザ光学系
１２ マニピュレータ
１３ 支持台
１５ カメラ
１５Ａ 画像データ
１６ レーザポインタ
１６Ａ 第一レーザポインタ
１６Ｂ 第二レーザポインタ
１７ 制御装置
１７Ａ 演算処理装置
１７Ｂ 記憶装置
１７Ｂａ ヘッド駆動制御部
１７Ｂｂ ヘッド移動制御部
１７Ｂｃ 撮像制御部
１７Ｂｄ 光源制御部
１７Ｂｅ ワーク移動制御部
１７Ｂｆ 三次元データ記憶部
５０ 被加工物
５０Ａ 所定面
５１ 基材
５１Ａ 開口穴
５１Ｂ 壁部材
Ｌ レーザ
Ｌｃ レーザの光軸
Ｐｃ 撮像光軸
Ｓ（ＴＡ） 移動基準点
ＴＡ，ＴＢ，ＴＣ 傾斜基準点
Ｗａ，Ｗｂ 線状光
Ｗｃ 交点
Ｚ 距離

Claims (8)

1. 加工用のレーザ光学系の光軸と同軸または平行な撮像光軸と、前記撮像光軸に対して前記撮像光軸の所定距離の位置で交差する２つの線状光と、を用い、
   被加工物の所定面上において前記撮像光軸と各前記線状光の交点とを一致させる光軸合わせ工程と、
   前記被加工物に設定された移動基準点に前記撮像光軸を一致させる基準合わせ工程と、
   を含み、
   前記移動基準点を含み前記被加工物に設定されて撮像において一直線上から外れる計三点の傾斜基準点に対し、被加工物の所定面上における前記撮像光軸と各前記線状光の交点との一致関係および前記移動基準点と前記撮像光軸との一致関係を維持しつつ、各前記傾斜基準点の位置の前記撮像光軸の距離を調整する傾斜合わせ工程を含む、
   レーザ加工方法。
2. 前記傾斜合わせ行程は、前記傾斜基準点のうちの一点を前記移動基準点とし、３つの前記傾斜基準点を一つの面上で見た第一断面において、前記移動基準点の撮像光軸の距離に対し、他の２つの前記傾斜基準点の撮像光軸の距離が同じくなるように前記移動基準点を中心として他の２つの前記傾斜基準点を移動し、その後、前記第一断面とは異なり３つの前記傾斜基準点を一つの面上で見た第二断面において、前記移動基準点の撮像光軸の距離に対し、重なる２つの前記傾斜基準点の撮像光軸の距離が異なる場合、当該各距離が同じくなるように前記移動基準点を中心として重なる２つの前記傾斜基準点を移動する、請求項１に記載のレーザ加工方法。
3. 前記傾斜合わせ工程は、各前記傾斜基準点の位置の前記撮像光軸の距離を同じに調整する、請求項１に記載のレーザ加工方法。
4. 前記傾斜合わせ工程は、各前記傾斜基準点を１つの加工部材において設定する、請求項１から３のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
5. 前記傾斜合わせ工程は、各前記傾斜基準点を１つの撮像範囲内において設定する、請求項１から４のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
6. 前記傾斜合わせ工程は、前記移動基準点を含み前記被加工物に設定されて撮像において一直線上から外れる計三点の傾斜基準点に対し、被加工物の所定面上における前記撮像光軸と各前記線状光の交点との一致関係および前記移動基準点と前記撮像光軸との一致関係を維持しつつ、各前記傾斜基準点の位置の前記撮像光軸の距離を計測する計測工程を含む、請求項１から５のいずれか１つに記載のレーザ加工方法。
7. 加工用のレーザ光学系の光軸と同軸または平行な撮像光軸を有する撮像部と、
   前記撮像光軸に対して前記撮像光軸の所定距離の位置で交差する２つの線状光を照射する光源部と、
   前記撮像部および前記光源部を一体で被加工物と相対移動させる移動機構と、
   前記被加工物の所定面上において前記撮像光軸と各前記線状光の交点とが一致するように前記移動機構を制御し、前記被加工物に設定された移動基準点と前記撮像光軸とが一致するように前記移動機構を制御する移動制御部と、
   を備え、
   前記移動制御部は、前記移動基準点を含み前記被加工物に設定されて撮像において一直線上から外れる計三点の傾斜基準点に対し、前記撮像光軸と各前記線状光の交点との一致関係および前記移動基準点と前記撮像光軸との一致関係を維持しつつ、各前記傾斜基準点の位置の前記撮像光軸の距離を調整するように前記移動機構を制御する、
   レーザ加工装置。
8. 前記移動制御部は、前記傾斜基準点のうちの一点を前記移動基準点とし、３つの前記傾斜基準点を一つの面上で見た第一断面において、前記移動基準点の撮像光軸の距離に対し、他の２つの前記傾斜基準点の撮像光軸の距離が同じくなるように前記移動機構を制御して前記移動基準点を中心として他の２つの前記傾斜基準点を移動させ、その後、前記第一断面とは異なり３つの前記傾斜基準点を一つの面上で見た第二断面において、前記移動基準点の撮像光軸の距離に対し、重なる２つの前記傾斜基準点の撮像光軸の距離が異なる場合、当該各距離が同じくなるように前記移動機構を制御して前記移動基準点を中心として重なる２つの前記傾斜基準点を移動する、請求項７に記載のレーザ加工装置。

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