JP7042441B2

JP7042441B2 - レーザ溶接制御方法及びレーザ溶接システム

Info

Publication number: JP7042441B2
Application number: JP2018114471A
Authority: JP
Inventors: 嵩宙小松
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2022-03-28
Anticipated expiration: 2038-06-15
Also published as: JP2019217508A

Description

本発明は、レーザ光の照射位置を移動させながらレーザ溶接を行う際に、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザ溶接制御方法及びレーザ溶接システムに関する。

特許文献１には、レーザ光の照射位置を移動させながらレーザ溶接を行う際に、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザ溶接システムが開示されている。このレーザ溶接システムでは、溶接開始後の所定時間、及び溶接終了前の所定時間におけるレーザパワーを、作業者によって予め設定された移動速度に基づいて、レーザ光の照射位置における入熱量が設定値となるように制御する。

特開２０１７－３９１４５号公報

しかし、特許文献１では、溶接開始後の所定時間における照射位置の移動速度、及び溶接終了前の所定時間における照射位置の移動速度を作業者が予め把握して設定する必要があるので、溶接条件の設定作業に手間がかかる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、溶接条件の設定作業を容易にすることを目的とする。

本発明の一態様は、レーザ光の照射位置を移動させながらレーザ溶接を行う際に、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザ溶接制御であって、前記レーザ光の照射位置の移動に応じて変化する物理量を測定するセンサの測定結果に基づいて、前記レーザ光の照射位置を特定する照射位置特定処理と、前記照射位置特定処理によって特定された照射位置に基づいて、前記レーザ光の照射位置の移動速度を算出する速度算出処理と、前記速度算出処理によって算出された移動速度に基づいて、前記レーザ光の照射位置における入熱量が設定値となるように、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザパワー制御処理とを実行することを特徴とする。

この態様によると、レーザ光の照射位置の移動速度が、センサにより測定された物理量に基づいて自動的に算出され、照射位置の移動速度を作業者が予め把握して設定する必要がないので、溶接条件の設定作業を容易にできる。

本発明によれば、レーザ光の照射位置の移動速度が、センサにより測定された物理量に基づいて自動的に算出され、照射位置の移動速度を作業者が予め把握して設定する必要がないので、溶接条件の設定作業を容易にできる。

本発明の実施形態に係るレーザ溶接システムの概略構成を示す図である。レーザ溶接時における本発明の実施形態に係るレーザ溶接システムの動作を示すフローチャートである。溶接対象物を例示する説明図である。第１の時系列データを例示するグラフである。第２の時系列データを例示するグラフである。第３の時系列データを例示するグラフである。レーザ溶接時におけるレーザ光の照射位置の移動速度と、レーザ光のレーザパワーと、レーザ光の照射位置における入熱量とを例示するグラフである。変形例において、レーザ溶接時におけるレーザ光の照射位置の移動速度と、レーザ光のデューティ比と、レーザ光の照射位置における入熱量とを例示するグラフである。

以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

図１は、本発明の実施形態に係るレーザ溶接システム１００を示す。このレーザ溶接システム１００は、レーザ発振器１１０と、レーザ加工ヘッド１２０と、移動装置としてのロボット１３０と、ロボット制御装置１４０と、発振器制御装置１５０とを備えている。

レーザ発振器１１０は、ＣＷレーザ光Ｌを出力する。レーザ発振器１１０によって出力されたレーザ光Ｌは、光ファイバ１１１を介してレーザ加工ヘッド１２０に伝送される。

レーザ加工ヘッド１２０は、レーザ発振器１１０により出力されたレーザ光Ｌを照射位置（焦点位置）に集光する。

ロボット１３０は、６つのモータ１３１を有する６軸の多関節ロボットであり、各軸のモータ１３１には、モータ１３１の回転角度を測定する角度センサ１３２が設置されている。ロボット１３０は、レーザ加工ヘッド１２０を移動させる。

ロボット制御装置１４０は、設定部１４１と、指令部１４２と、照射位置特定部１４３と、位置情報発信部１４４とを備えている。

設定部１４１は、定常速度Ｖと、入熱量Ｑと、溶接開始位置Ｐ１、溶接終了位置Ｐ２、及び溶接線ＬＩの軌跡を設定する作業者の入力を受け付け、作業者により設定された入熱量を出力する。また、作業者により設定された定常速度に基づいて、減速開始タイミングを算出する。

指令部１４２は、設定部１４１が受け付けた作業者の入力に基づいて、ロボット１３０のモータ１３１を制御することにより、レーザ加工ヘッド１２０を移動させる。

照射位置特定部１４３は、６つの角度センサ１３２により測定されたモータ１３１の回転速度に基づいて、レーザ光Ｌの照射位置を特定する。

位置情報発信部１４４は、照射位置特定部１４３により特定された照射位置を発信する。

発振器制御装置１５０は、位置情報受信部１５１と、速度算出部１５２と、レーザパワー制御部１５３とを備えている。

位置情報受信部１５１は、ロボット制御装置１４０の位置情報発信部１４４により発信された照射位置を受信する。

速度算出部１５２は、位置情報受信部１５１により受信された照射位置、すなわちロボット制御装置１４０の照射位置特定部１４３により特定された照射位置に基づいて、レーザ光Ｌの照射位置の移動速度を算出する。具体的には、前回特定された照射位置と今回特定された照射位置との差分を示す値を移動速度として算出する。

レーザパワー制御部１５３は、ロボット制御装置１４０の設定部１４１により出力された入熱量Ｑを設定値として受信し、速度算出部１５２によって算出された移動速度に基づいて、レーザ光Ｌの照射位置における入熱量が受信した設定値となるように、レーザ発振器１１０によって出力されるレーザ光Ｌのレーザパワー（平均パワー）を制御する。

以下、レーザ溶接時におけるレーザ溶接システム１００の動作について、図２を参照して説明する。

まず、（Ｓ１１）において、作業者が、溶接開始位置Ｐ１と溶接終了位置Ｐ２とをロボット制御装置１４０の設定部１４１に設定する。図３に、溶接対象物ＷがＴ継手である場合に設定される溶接開始位置Ｐ１と溶接終了位置Ｐ２とを例示する。

次に、（Ｓ１２）において、作業者が、溶接開始位置Ｐ１と溶接終了位置Ｐ２とを繋ぐ溶接線ＬＩの軌跡（形状）をロボット制御装置１４０の設定部１４１に設定する。具体的には、作業者が、溶接開始位置Ｐ１と溶接終了位置Ｐ２との間に存在する溶接線ＬＩ上の複数の溶接位置を設定部１４１に入力する。図３の例では、溶接線ＬＩの軌跡は直線状になっているが、曲線状又は螺旋状に設定できるようにしてもよい。また、溶接線ＬＩ上の複数の溶接位置を入力するという方法以外の方法で、溶接線ＬＩの軌跡を設定するようにしてもよい。

次に、（Ｓ１３）において、作業者が、定常速度Ｖと入熱量Ｑとをロボット制御装置１４０の設定部１４１に設定する。

次に、（Ｓ１４）において、ロボット制御装置１４０の設定部１４１が、（Ｓ１１）で設定された溶接開始位置Ｐ１と溶接終了位置Ｐ２、及び（Ｓ１２）で設定された溶接線ＬＩの軌跡に基づいて、溶接線ＬＩの長さを算出し、算出した長さを定常速度Ｖで割ることにより、時間Ｎを算出する。

次に、（Ｓ１５）において、ロボット制御装置１４０の設定部１４１が、レーザ光Ｌの照射位置の各タイミングでの移動速度を決定する。まず、図４に示すように、定常速度ＶでＴ＝１～Ｎの区間で移動すると仮定した場合の各タイミングでの速度を示す第１の時系列データを得る。次に、第１の時系列データに基づいて、図５に示すように、各区間について、４区間（複数区間）分の移動平均（算出対象の区間と、当該算出対象の区間の前の連続する３区間（複数区間）との速度の平均）を示す第２の時系列データを得る。その後、図６に示すように、第２の時系列データに基づいて、各区間について４区間分の移動平均（算出対象の区間と、当該算出対象の区間の前の連続する３区間との速度の平均）を示す第３の時系列データを得る。そして、第３の時系列データで示される速度を、各タイミングでの速度とする。なお、図４～図６は、Ｎ＝１０の場合の時系列データを例示している。

次に、（Ｓ１６）において、ロボット制御装置１４０の指令部１４２が、（Ｓ１１）で設定部１４１に設定された溶接開始位置Ｐ１に基づいて、ロボット１３０のモータ１３１を制御することにより、レーザ光Ｌの照射位置が溶接開始位置Ｐ１となるようにレーザ加工ヘッド１２０を移動させ、一旦停止させる。そして、Ｔの値を０に初期化する。

その後、（Ｓ１７）において、ロボット制御装置１４０の指令部１４２が、Ｔに１を加算する。そして、ロボット制御装置１４０の指令部１４２が、ロボット１３０のモータ１３１を制御することにより、レーザ加工ヘッド１２０を、（Ｓ１５）で設定部１４１に決定されたタイミングＴにおける速度で移動させる。

そして、（Ｓ１８）において、ロボット制御装置１４０の照射位置特定部１４３が、６つの角度センサ１３２の測定結果、すなわち測定されたモータ１３１の回転角度に基づいて、レーザ光Ｌの照射位置を特定する。特定された照射位置は、ロボット制御装置１４０の位置情報発信部１４４により発信され、発振器制御装置１５０の位置情報受信部１５１に受信される。

次に、（Ｓ１９）において、発振器制御装置１５０の速度算出部１５２が、位置情報受信部１５１により受信されたレーザ光Ｌの照射位置に基づいて、レーザ光Ｌの照射位置の移動速度を算出する。具体的には、前回特定された照射位置と今回特定された照射位置との差分を示す値を移動速度として算出する。前回特定された照射位置がない場合には、溶接開始位置Ｐ１と今回特定された照射位置との差分を示す値を移動速度として算出する。

次に、（Ｓ２０）において、レーザパワー制御部１５３は、（Ｓ１３）において作業者により設定された入熱量Ｑを設定値として受信し、（Ｓ１８）で速度算出部１５２によって算出された移動速度に基づいて、レーザ光Ｌの照射位置における入熱量が受信した設定値となるように、レーザ発振器１１０によって出力されるレーザ光Ｌのレーザパワー（平均パワー）を制御する。

次に、（Ｓ２１）において、ロボット制御装置１４０の指令部１４２が、レーザ溶接を終了したか否かを判定する。かかる判定は、例えば、Ｔの値に基づいて行ってもよいし、（Ｓ１８）で特定される照射位置が溶接終了位置Ｐ２であるか否かに基づいて行ってもよい。詳しくは、（Ｓ１５）において、算出対象の区間と、当該算出対象の区間の前の連続する３区間との速度の平均を２回求めることで、各タイミングでの速度を決定しているので、Ｔ＝Ｎ＋６に達している場合には、レーザ溶接が終了していると判定できる。レーザ溶接が終了した場合には、動作を終了する一方、レーザ溶接が終了していない場合には、（Ｓ１７）の処理に戻る。

したがって、本実施形態によると、レーザ光Ｌの照射位置の移動速度が、角度センサ１３２により測定されたモータ１３１の角度に基づいて自動的に算出され、照射位置の移動速度を作業者が予め把握して設定する必要がないので、溶接条件の設定作業を容易にできる。

また、レーザパワー制御部１５３が、速度算出部１５２によって算出された移動速度に基づいて、レーザ光Ｌの照射位置における入熱量が設定値となるようにレーザ発振器１１０のレーザパワーを制御するので、図７に示すように、照射位置の加速時及び減速時においても、レーザ光Ｌの照射位置における入熱量を設定値に維持できる。

また、レーザ光Ｌの照射位置を０から定常速度Ｖまで加速させる過程、及び照射位置を定常速度Ｖから０まで減速させる過程で、照射位置の移動速度を算出し、算出した移動速度をレーザパワーに反映する手順を複数回実行するので、１回しか実行しない場合に比べ、レーザ光Ｌの照射位置における入熱量を安定させることができる。

なお、上記実施形態では、ＣＷレーザ光を用いた溶接に本発明を適用したが、本発明は、パルスレーザ光を用いた溶接にも適用できる。パルスレーザ光を用いた溶接に本発明を適用した場合、レーザパワー制御部１５３は、レーザ光Ｌのピークパワー及びデューティ比の少なくとも一方を制御することにより、レーザパワーを制御できる。ピークパワーを一定にし、デューティ比によりレーザパワーを制御する場合でも、図８に示すように、照射位置の加速時及び減速時において、レーザ光Ｌの照射位置における入熱量を設定値に維持できる。

また、上記実施形態では、ロボット制御装置１４０とは別に発振器制御装置１５０を設けたが、発振器制御装置１５０の機能をレーザ発振器１１０又はロボット制御装置１４０に設けてもよい。

また、上記実施形態では、モータ１３１の回転角度を測定する角度センサ１３２を設け、照射位置特定部１４３に、モータ１３１の回転角度に基づいて、レーザ光Ｌの照射位置を特定させるようにしたが、レーザ光Ｌの照射位置の移動に応じて変化する他の物理量を測定するセンサを設け、照射位置特定部１４３に、当該他の物理量に基づいて、レーザ光Ｌの照射位置を特定させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、ロボット１３０として６軸の多関節ロボットを用いたが、５軸又は７軸のロボットを用いてもよい。また、レーザ加工ヘッド１２０を移動させる移動装置として、ロボット以外の装置を使用してもよい。

また、上記実施形態では、（Ｓ１４）及び（Ｓ１５）において各タイミングにおける照射位置の移動速度を決定したが、上記実施形態の（Ｓ１４）及び（Ｓ１５）で実行した手順とは異なる方法で移動速度を決定するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、溶接範囲全体で共通の入熱量Ｑを設定部１４１に設定したが、複数種類の入熱量を溶接位置又は溶接タイミングに対応させて設定できるようにしてもよい。例えば、レーザ溶接開始直後は、溶接対象物Ｗが比較的冷えた状態にあることが多いので、レーザ溶接開始後一定期間の入熱量を、他の期間の入熱量よりも高く設定できるようにしてもよい。

本発明は、溶接条件の設定作業を容易にでき、レーザ光の照射位置を移動させながらレーザ溶接を行う際に、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザ溶接制御方法及びレーザ溶接システムとして有用である。

１００レーザ溶接システム
１１０レーザ発振器
１２０レーザ加工ヘッド
１３０ロボット（移動装置）
１３２角度センサ
１４３照射位置特定部
１５２速度算出部
１５３レーザパワー制御部
Ｌレーザ光

Claims

レーザ光の照射位置を移動させながらレーザ溶接を行う際に、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザ溶接制御方法であって、
溶接線の長さ、及び設定された定常速度に基づき、前記レーザ光の照射位置の各タイミングでの設定速度をレーザ溶接システムに決定させる速度決定ステップと、
前記レーザ光を照射位置に集光するレーザ加工ヘッドを、前記速度決定ステップで決定された設定速度で移動させる移動ステップと、
前記移動ステップにおける前記レーザ光の照射位置の移動に応じて変化する物理量を測定するセンサの測定結果に基づいて、前記レーザ光の照射位置を特定する照射位置特定ステップと、
前記照射位置特定ステップによって特定された照射位置に基づいて、前記レーザ光の照射位置の移動速度を算出する速度算出ステップと、
前記速度算出ステップによって算出された移動速度に基づいて、前記レーザ光の照射位置における入熱量が設定値となるように、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザパワー制御ステップとを実行することを特徴とするレーザ溶接制御方法。
請求項１に記載のレーザ溶接制御方法において、
前記速度決定ステップは、前記溶接線の長さを前記定常速度で割ることにより、移動時間を算出し、前記レーザ光の照射位置が前記定常速度で前記移動時間移動すると仮定した場合の各タイミングでの速度の移動平均に基づいて、前記設定速度を決定することを特徴とするレーザ溶接制御方法。
請求項１又は２に記載のレーザ溶接制御方法において、
レーザ溶接開始後一定期間の入熱量が、他の期間の入熱量よりも高くなるように、複数種類の入熱量を溶接タイミングに対応させて設定する入熱量設定ステップをさらに実行し、
前記レーザパワー制御ステップは、前記速度算出ステップによって算出された移動速度に基づいて、前記レーザ光の照射位置における入熱量が前記入熱量設定ステップで設定された入熱量となるように、前記レーザ光のレーザパワーを制御することを特徴とするレーザ溶接制御方法。
レーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器に出力されたレーザ光を照射位置に集光するレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドを移動させる移動装置と、
前記レーザ発振器によって出力されるレーザ光のレーザパワーを制御するレーザパワー制御部とを備えたレーザ溶接システムであって、
溶接線の長さ、及び設定された定常速度に基づき、前記レーザ光の照射位置の各タイミングでの設定速度を決定する設定部と、
前記移動装置を制御することにより、前記レーザ加工ヘッドを、前記設定部により決定された設定速度で移動させる指令部と、
前記レーザ加工ヘッドの移動に応じて変化する物理量を測定するセンサと、
前記センサの測定結果に基づいて、前記レーザ光の照射位置を特定する照射位置特定部と、
前記照射位置特定部によって特定された照射位置に基づいて、前記レーザ光の照射位置の移動速度を算出する速度算出部とをさらに備え、
前記レーザパワー制御部は、前記速度算出部によって算出された移動速度に基づいて、前記レーザ光の照射位置における入熱量が設定値となるように、前記レーザ光のレーザパワーを制御することを特徴とするレーザ溶接システム。
請求項４に記載のレーザ溶接システムにおいて、
前記設定部は、前記溶接線の長さを前記定常速度で割ることにより、移動時間を算出し、前記レーザ光の照射位置が前記定常速度で前記移動時間移動すると仮定した場合の各タイミングでの速度の移動平均に基づいて、前記設定速度を決定することを特徴とするレーザ溶接システム。