JP6993196B2 - 飛行体を用いたレーザ加工機 - Google Patents

Description

本発明は、飛行体を用いたレーザ加工機に関し、特には、生産工程での部品加工に用いるレーザ加工機に関する。

無人航空機等の無人で飛行する飛行体に、レーザビームの照射機能を持たせたシステムが知られている（例えば特許文献１、２参照）。

またヘリコプター等の滞空無人機をレーザビーム中継機として使用し、目視範囲外の目標物に対してレーザビームを照射するシステムが知られている（例えば特許文献３参照）。

さらに、マルチコプタに搭載したレーザスキャナを用いて上空から対象物の３次元形状を計測する装置も知られている（例えば特許文献４参照）。

特開２０１４－１２６２９９号公報 特開２０１４－１２６４６８号公報 特開２００９－１６２４５３号公報 特開２０１６－１０７８４３号公報

上述のような従来技術は、生産工程での部品加工に用いることを意図しておらず、そのため部品加工に必要な照射位置を所定精度で走査する機能を有しない。また部品加工に使用される従来のレーザ加工機は、レーザ光を照射する加工ヘッドと加工対象物（ワーク）を相対移動させるように構成されており、具体的にはサーボモータを備えた直交軸型工作機械、ロボット又はポジショナ等が使用されていた。しかし、従来のレーザ加工機は、レーザ加工可能なワークのサイズや、ワークに対する加工ヘッドの姿勢に一定の制約があり、該制約の範囲を超えるレーザ加工を行う場合は、異なるレーザ加工機を別途設計・用意する必要があった。一方、飛行体にレーザ照射機能を持たせたシステムを、比較的高い精度を要するレーザ加工に適用した従来技術はない。

本開示の一態様は、浮上して空間を移動可能な飛行体と、前記飛行体に搭載されるとともに、レーザ光を照射するように構成された加工ヘッドと、加工対象物に対する前記加工ヘッドの位置及び姿勢を検出する位置姿勢検出部と、前記飛行体の本体に対する前記加工ヘッドの姿勢を変更する姿勢変更機構、及び前記加工ヘッドからのレーザ光の照射方向を変更するレーザスキャナを備え、前記位置姿勢検出部が検出した前記加工ヘッドの位置及び姿勢に基づいて、前記加工ヘッドから照射されるレーザ光の照射位置を変更可能な照射位置変更部と、前記加工ヘッドに前記レーザ光を供給するレーザ発振器と、を備えたレーザ加工機である。

本開示の態様によれば、飛行体から照射するレーザによって所定の精度でレーザビームを走査する加工が行え、従来のレーザ加工機よりも加工対象物の寸法や形状の制約が少ないレーザ加工機が提供される。

一実施形態に係るレーザ加工機の基本構成例を示す図である。 レーザ加工の一例として、切断を簡易的に示す図である。 レーザ加工の他の例として、溶接を簡易的に示す図である。 レーザ加工機の具体的構成例を示す図である。 位置姿勢検出部によって加工ヘッドの位置又は姿勢を測定・補正する例を示す図である。 位置姿勢検出部によって加工ヘッドの位置又は姿勢を測定・補正する例を示す図である。 ガルバノ機構の一例を示す図である。 加工ヘッドの位置又は姿勢を変更する付加軸の構成例を示す図である。 加工ヘッドの姿勢変更機構の一例を示す図である。 加工ヘッドが図４ａの状態から姿勢変更した例を示す図である。 飛行体が入り組んだ場所に進入してレーザ加工を行う例を示す図である。 ファイバ切換器の一例を示す図である。

図１は、本開示の一実施形態に係るレーザ加工機１０の基本構成例を示す図である。レーザ加工機１０は、ドローンやマルチコプタ等の、遠隔制御によって飛行する飛行体１２と、飛行体１２に搭載されるとともに、レーザ光を照射するように構成された加工ヘッド１４と、加工対象物（ワーク）１６に対する加工ヘッド１４の位置及び姿勢を検出する位置姿勢検出部１８と、位置姿勢検出部１８が検出した加工ヘッド１４の位置及び姿勢に基づいて、加工ヘッド１４から照射されるレーザ光１９の照射位置（照射方向）を変更可能な照射位置変更部２０と、加工ヘッド１４にレーザ光を供給するレーザ発振器２２とを備える。なお本願明細書における「レーザ加工」には、通常は工場内の生産工程又は検査工程においてレーザを用いて行われる部品の加工であって、例えばマーキング、溶接、穴明け、切断、焼結、クラッディング等に加え、被照射物の外観や形状が変化しない加工（例えば焼入れや焼き鈍し等の熱処理）も含まれるものとする。

レーザによる部品加工は通常、小さなスポットにエネルギーを集めることが可能なレーザビームの特性による高精度加工を目的としており、従って照射位置について所定の精度が要求される。例えば図２ａに例示するような切断加工では、ワーク１６から指定形状１７ａを切り抜くために、形状１７ａの輪郭に沿って加工ヘッド１４からレーザ光１９を走査する必要がある。また図２ｂに例示するような溶接では、ワーク１６は複数の部品１６ａ及び１６ｂからなる接合部であって、一般的に線として現れる指定形状（接合部）１７ｂに沿って正確に加工ヘッド１４からのレーザ光１９の照射を走査する必要がある。この様に本開示に係るレーザ加工機は、単にワークの全体にレーザ光を照射するのではなく、所定の精度を以って指定形状に沿ってレーザ光を走査するように構成されている。

飛行体１２は、例えばマルチコプタ等のホバリング（停止飛行）可能な飛行体であり、加工ヘッド１４の他に、複数のプロペラ等の羽根２４、該プロペラを回転駆動するモータ２６、該モータに電力供給するバッテリ２８、地上（に設置された無線送信機等）からの指令を受信して飛行体１２の飛行を制御するフライトコントローラ３０、これらの要素を連結・保持する本体（フレーム）３２等を有することができるが、これらの要素のうち、従来のものと同等でよいものについては詳細な説明を省略する。但しこれは一例であり、飛行体１２は加工ヘッドを搭載して所定位置に移動（飛行）可能なものであればどのようなものも使用可能である。また飛行体１２は、ホバリング機能を有することが好ましいが、これも必須ではない。なお図示例の飛行体１２は、遠隔制御によって無人で飛行するものとして構成されているが、これに限定されるものではなく、例えば飛行体１２に制御部（図示せず）を搭載することも可能である。

図示例ではレーザ発振器２２は、飛行体１２ではなく工場内の床面等の所定の位置に設置され、光ファイバ３４を介して加工ヘッド１４に接続される。しかしレーザ発振器２２が比較的小型であるか、飛行体１２の可搬重量が比較的大きい場合、レーザ発振器２２を飛行体１２に搭載することも可能であり、その場合レーザ発振器２２は、電源ケーブル等を介して、床面等に設置された電源（図示せず）に接続される。一般に電源ケーブルは光ファイバよりも可撓性が高いので、レーザ発振器２２を飛行体１２に搭載することによって飛行体１２の可動範囲を拡大することができる。

或いは、レーザ発振器２２に電力供給する電源（バッテリ）も小型化できる場合は、該電源も飛行体１２に搭載することも可能である。その場合、飛行体１２を無線で制御するか、或いは飛行体１２に制御部を搭載すれば、飛行体１２には地上からのケーブル等を接続する必要がなくなるので、飛行体１２の可動範囲を大幅に拡大することができる。

従来、車両等に搭載されたレーザ発振器に飛行体を接続し、目視範囲外の遠方にある静止目標物にレーザを照射する技術は知られていたが、工場内の生産ライン等における部品のレーザ加工に飛行体を使用する技術は知られていない。図１に示すレーザ加工機では、飛行体１２に搭載された位置姿勢検出部１８を用いて、ワーク１６に対する加工ヘッド１４の位置及び姿勢を求め、ワーク１６の所定部位に対してレーザ光１９が照射されるようにレーザ光１９の照射方向を変更することができるので、従来はロボットに加工ヘッドを搭載して行っていたようなレーザ加工と同程度の精度で加工を行うことができる。また加工ヘッド１４の位置は位置姿勢検出部１８によって逐次（適当な制御周期）で測定・補正可能なので、ワーク１６及び飛行体１２の一方又は双方が移動中であっても、所定精度を維持したレーザ加工が可能である。また、ワーク１６の実際の位置、姿勢において、予め設定された位置、姿勢から誤差が生じている場合であっても、所定精度を維持したレーザ加工が可能である。さらに、飛行体１２はロボット等ではアクセスできないような入り組んだ場所にも進入することができるので、様々な角度からワーク１６のレーザ加工を行うことができる。

部品の製造や加工に供する従来のレーザ加工機の多くは、加工ヘッド又はワークをサーボモータで駆動しており、より具体的には直交軸型工作機械、ロボット、ポジショナ等が使用されていた。このような加工機では、機械を無用に大きくしたり複雑にしたりすることは合理的でないため、ワークに対する加工ヘッドの可動範囲や姿勢は、ワークの寸法や形状に応じて予め設計した範囲内に制限される。そのため、ワークの寸法や形状が予め設計した範囲を超えて異なる場合は別途、加工機を設計・用意する必要があった。これに対し本開示に係るレーザ加工機１０では、ワークに対して任意の位置から任意の姿勢でレーザ照射できるので、１つのシステム（レーザ加工機）で様々な寸法・形状のワークを加工することができる。また機械加工（研磨、切削等）では工具等に相当量の加工反力が作用するので、飛行体に研磨工具等を搭載して加工を行うと、加工反力によって飛行体の位置ずれが生じて加工精度が悪化する虞があるが、レーザ加工では加工ヘッドに対して加工反力は殆ど作用しないので、飛行体に加工ヘッドを搭載しても加工反力による加工ヘッドの位置ずれ等は生じず、高精度のレーザ加工を行うことができる。

図３は、レーザ加工機１０の具体的構成例を示す図である。位置姿勢検出部１８の好適な具体例は、飛行体１２に取付けられた撮像装置（例えば２次元又は３次元カメラ）１８と、カメラ１８の測定データ（画像データ）を無線等で受信し、カメラ１８が得た画像を処理する画像処理装置３６とを含む。画像処理装置３６の画像処理結果は、飛行体１２の飛行を制御するメイン制御装置３８に送信される。メイン制御装置３８は、該画像処理結果に基づいてワーク１６に対する加工ヘッド１４の位置及び姿勢を求め、求めた位置及び姿勢と、所定の加工プログラム等に基づいて、飛行体１２の飛行（位置及び姿勢）を制御するとともに、スキャナ制御装置４０に加工ヘッド１４の位置及び姿勢に関するデータを送信する。スキャナ制御装置４０は、送られたデータに基づき、照射位置変更部２０を制御してレーザ照射方向を適宜変更する。カメラと画像処理装置を用いて位置姿勢を検出することにより、ＧＰＳやジャイロセンサを使用した場合より高精度かつ高い応答性で加工ヘッドの位置及び姿勢を変更・補正することができる。

図４ａ及び４ｂは、図２ａに示したようなレーザ加工（切断）を行うときの、位置姿勢検出部１８による測定・補正の例を示している。位置姿勢検出部１８は、ワーク１６を撮像することにより、ワーク１６に対する加工ヘッド１４の相対的な位置及び姿勢を所定精度で検出することができる。メイン制御装置３８又はスキャナ制御装置４０は、検出で得られた情報を用いてレーザ光１９の照射位置を補正することで、所定の精度を維持してレーザ光を走査する部品加工が実現する。なお図４ａと図４ｂとでは、ワーク１６に対する加工ヘッド１４の位置又は姿勢が異なるが、位置姿勢検出部（カメラ）１８による測定・補正を行うことで、いずれの場合でも所定の精度でレーザ光をワーク１６の指定部位１７ａに照射することができる。

またメイン制御装置３８は、加工プログラム等に基づき、レーザ照射に関する指令を、レーザ発振器２２を制御するレーザ制御装置４２に送信することができる。具体的には、メイン制御装置３８からレーザ制御装置４２への指令には、レーザの照射条件であるパワー、周波数、デューティを含むことができる。或いは、レーザ制御装置４２内のメモリ等に予め複数の照射条件を保存しておき、メイン制御装置３８からの指令に、該メモリ内のいずれの照射条件を使用するかの指示と、照射開始・終了のタイミングに関する指示とを含むようにしてもよい。

本実施形態におけるレーザ発振器２２は、加工ヘッド１４にレーザ光を供給するレーザ光源であり、レーザ発振器２２で発振されるレーザの種類としては例えば、ファイバレーザ、ＣＯ２レーザ、ＹＡＧレーザなどが挙げられるが、他の種類のレーザも使用可能である。上述の制御装置間において、適当な制御周期で指令の送受信を行うことにより、実用に十分な精度のレーザ加工を行うことができる。なお図２では、画像処理装置３６、メイン制御装置３８、スキャナ制御装置４０、レーザ制御装置４２をそれぞれ、別個の演算処理装置（プロセッサ）等として記載しているが、これらのいくつかをまとめて実質１つの装置とすることもできる。例えば、スキャナ制御装置４０（の機能）をメイン制御装置３８に組み込むこともできる。或いは、これら制御装置の少なくとも１つを飛行体１２に搭載することも可能である。

図５は、加工ヘッド１４がレーザスキャナであり、照射位置変更部２０としてガルバノスキャナを有する例を示す図である。具体的には、加工ヘッド１４内には、レーザ照射位置可変機構として、レーザ光の照射方向を任意の方向に変えることができるガルバノ機構４４が組み込まれており、ガルバノ機構４４は、少なくとも１組（図示例では２組）のガルバノモータ４６及びミラー４８を備える。より具体的には、ガルバノモータ４６の各々の先端部にレーザ光を反射させるミラー４８が取り付けられ、ガルバノモータ４６の回転角度を調整することで、レーザ発振器２２から入射されたレーザ光の反射角度を任意に変更することができる。図示例のように、ガルバノモータ４６及びミラー４８の組を２つ用いることにより、平面上のレーザ照射位置を任意に調整することができる。

ガルバノ機構は電圧制御によって駆動するので、極めて応答性の高い動作が可能である。よって飛行体１２の位置や加工ヘッド１４の向きを変更せずとも、レーザ照射方向を迅速に変更することができ、輪郭加工等のレーザ加工も高精度で行うことができる。但し照射方向変更部はガルバノ機構に限られず、例えばレゾナントスキャナや、レーザ光の焦点距離を任意に変えられるレンズ機構を使用してもよい。また加工ヘッド１４に付加軸を設け、加工ヘッド１４の位置及び姿勢の一方又は双方を変更することによって照射位置及び照射方向の一方又は双方を変更することも可能である。

図６は、付加軸によりレーザ光の照射位置の走査及び変更を可能にした構成例を示す。飛行体１２は、本体（フレーム）３２に対して第１の方向４９に可動に取り付けられた第１の付加軸５１と、第１の付加軸５１に対して第１の方向４９とは異なる（好ましくは第１の方向に直交する）第２の方向５３に可動に取り付けられた第２の付加軸５５とを有し、第２の付加軸５５に加工ヘッド１４が取り付けられる。このように、少なくとも１つ（好ましくは２つ以上）の付加軸を使用して、加工ヘッドを飛行体の本体に対して所定の範囲内で可動に構成することにより、部品加工のためのレーザ照射位置の走査や、位置姿勢検出部の情報に基づく補正が可能になる。

図７ａ及び図７ｂは、飛行体１２の本体（フレーム３２等）に対する加工ヘッド１４の姿勢を変更する姿勢変更機構について説明する図である。加工ヘッド１４がレーザスキャナである場合や付加軸を有する場合、飛行体１２の位置や姿勢を変更せずとも、レーザの照射方向を一定の範囲内で変更することができるが、レーザ照射方向を大幅に変更（例えば照射方向の鉛直方向成分を下向きから上向きに変更）したい場合等は、スキャナの可変範囲内では対応が難しいことがある。例えば飛行体１２がマルチコプタである場合、飛行体１２を上下逆さまの姿勢に維持することはできないからである。

そこで例えば図７ａに示すように、加工ヘッド１４を本体３２に対して、略水平方向に延びる軸線５０回りに回転駆動する駆動機構５２を、姿勢変更機構として設けることができる。例えば図７ｂに示すように、姿勢変更機構５２を用いて加工ヘッド１４を軸線５０回りに９０度以上回転させることにより、レーザ照射方向５４を、その鉛直方向成分が下向きから上向きになるように変更することができ、例えば１８０度回転させれば、レーザ照射方向を真逆にすることができる。このような姿勢変更機構５２を使用することにより、飛行体１２の姿勢を変更せずとも、レーザ照射方向をあらゆる方向に設定することができ、レーザ加工の自由度が大幅に向上する。

図８は、飛行体１２が入り組んだ部位の様々な角度の加工を行うことができる例を示す。汎用的な工作機械やロボットを用いた場合、ワーク内部の奥深くに入り込んで加工を行うことは困難であり、実施にはアームの長さや加工ヘッドを把持する角度を、加工内容に応じて個別に設計・設定しておく必要がある。しかし図８の例では、ワーク１６が入り組んだ形状を有していても、飛行体１２の内部への進入を可能とする開口部６２をワーク１６に設けておくことにより、飛行体１２を所定の加工部位６４に接近させ、上述の照射位置変更部や姿勢変更機構を用いて加工ヘッド１４からのレーザ照射方向５４を適宜変更して、所望のレーザ加工を行うことができる。従って飛行体１２の使用により、事前に加工機の設計・設定をする必要がなくなる。

図９は、複数の飛行体とレーザ発振器とを光ファイバで接続する際に、光ファイバにファイバ切換器（ビーム切換器）を設けた例を示す図である。例えば、光ファイバ３４を用いて１つのレーザ発振器２２から２つの飛行体１２ａ及び１２ｂにレーザ光を供給する場合に、光ファイバ３４にファイバ切換器５６を設けることにより、より稼働効率の高い加工システムを構成することや、より幅広い加工方法に対応可能な加工システムを構成することができる。

例えば、ファイバ切換器５６が、レーザ発振器２２からのレーザ光を時分割的にいずれか一方の飛行体にのみ供給する（いわゆるタイムシェア）タイプである場合、飛行体１２ａを用いてレーザ加工を行っている間に、飛行体１２ｂは次のレーザ加工を行うための場所に移動（飛行）して待機させることで、飛行体１２ａによる加工終了後に直ちに、待機していた飛行体１２ｂによる加工を開始できるようになり、全体のサイクルタイムを短縮することができる。

或いは、ファイバ切換器５６が、レーザ発振器２２からのレーザ光を双方の飛行体に所定の割合で供給する（いわゆるパワーシェア）タイプである場合、２つの飛行体が同時に別のレーザ加工を行えることに加え、２つの飛行体で１つのワークに対して別方向から同時にレーザ照射することもでき、サイクルタイム短縮に加え、ワークの両面に同時にレーザ照射する等、１つの加工ヘッドでは行えないようなレーザ加工も行うことができる。

なお図示例のファイバ切換器５６は、レーザ発振器２２に接続される１つの入力ポート５８と、飛行体１２ａ及び１２ｂにそれぞれ接続される２つの出力ポート６０ａ及び６０ｂとを具備するが、３つ以上の出力ポートを具備するファイバ切換器を用いて、３つ以上の飛行体を同時に操作できるようにすることももちろん可能である。

１０ レーザ加工機
１２ 飛行体
１４ 加工ヘッド
１６ ワーク
１８ カメラ
２０ 照射位置変更部
２２ レーザ発振器
３２ 本体
３４ 光ファイバ
３６ 画像処理装置
３８ メイン制御装置
４０ スキャナ制御装置
４２ レーザ制御装置
４４ ガルバノ機構
５１、５５ 付加軸
５２ 姿勢変更機構
５６ ファイバ切換器

Claims (9)

1. 浮上して空間を移動可能な飛行体と、
   前記飛行体に搭載されるとともに、レーザ光を照射するように構成された加工ヘッドと、
   加工対象物に対する前記加工ヘッドの位置及び姿勢を検出する位置姿勢検出部と、
   前記飛行体の本体に対する前記加工ヘッドの姿勢を変更する姿勢変更機構、及び前記加工ヘッドからのレーザ光の照射方向を変更するレーザスキャナを備え、前記位置姿勢検出部が検出した前記加工ヘッドの位置及び姿勢に基づいて、前記加工ヘッドから照射されるレーザ光の照射位置を変更可能な照射位置変更部と、
   前記加工ヘッドに前記レーザ光を供給するレーザ発振器と、を備えたレーザ加工機。
2. 前記位置姿勢検出部は、前記飛行体に搭載された撮像装置、及び該撮像装置が得た画像を処理する画像処理装置を含む、請求項１に記載のレーザ加工機。
3. 前記レーザスキャナは、複数のミラーを備えたガルバノ機構を有する、請求項１又は２に記載のレーザ加工機。
4. 前記レーザ発振器は、前記加工ヘッドに光ファイバで接続される、請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
5. 前記飛行体を複数台有し、前記光ファイバにはファイバ切換器が設けられる、請求項４に記載のレーザ加工機。
6. 前記レーザ発振器が前記飛行体に搭載される、請求項１～５のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
7. 前記レーザ発振器に電力供給する電源が前記飛行体に搭載される、請求項６に記載のレーザ加工機。
8. 前記加工対象物の指定形状に沿って前記レーザ光の照射位置を走査するように構成されている、請求項１～７のいずれか１項に記載のレーザ加工機。
9. 前記姿勢変更機構は、略水平方向に延びる軸線回りに９０度以上回転駆動する駆動機構を有する、請求項１～８のいずれか１項に記載のレーザ加工機。

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