JP7092629B2 - レーザ加工装置 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工装置に関する。

ロボットを移動させながらロボットのアーム先端部に取り付けたスキャナからレーザ光を照射してレーザ加工を行うレーザ加工装置が提案されている（例えば、特許文献１－３参照）。

特開２０１２－１３９７１１号公報 特開２０１８－０９７８１０号公報 特開２００７－９８４１６号公報

上記のようなレーザ加工装置では、一般に、ロボットプログラム及びスキャナの走査プログラムは、生産現場とは離れた場所にあるプログラム作成装置上で作成されロボット制御装置やヘッド制御装置にロードされる。ところで、このようにロボット等にロードされた動作プログラムを生産現場で実際に動かしてみると、ワークの設置位置に誤差があったり、レーザ光がワークやジグに干渉する等の要因のために、レーザ光を所望の加工位置に照射できない事態が生じることがある。このような場合、加工位置をずらす必要が生じるが、そのためにはユーザは一旦、プログラム作成装置上で動作プログラムを再作成して現場に戻り動作確認をするという手順を繰り返す必要があった。加工位置を簡便なやり方で調整することのできる、レーザ加工装置が望まれている。

本開示の一態様は、レーザ光を走査式に照射して対象物を加工する加工ヘッドと、前記加工ヘッドを搭載したロボットと、ロボットプログラムに従って前記ロボットの動作を制御するロボット制御装置と、前記ロボットの位置及び姿勢に関する情報を用いて、走査プログラムに従って前記加工ヘッドの走査動作を制御するヘッド制御装置と、前記ロボット制御装置で得られる前記ロボットの現在の位置及び姿勢と、指定されたオフセット量とに基づき、前記情報を変更するオフセット部と、を具備するレーザ加工装置である。

上記構成によれば、生産現場で簡単に加工位置を調整することができる。

添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。

一実施形態にかかるレーザ加工装置の全体構成を表す図である。 レーザ加工ヘッド内におけるガルバノスキャナの構成を示す図である。 ロボット制御装置の機能を表すブロック図である。 ロボット位置にオフセット量を加えた場合のスキャナの動作を説明するための図である。 溶接位置を全体的にオフセットさせる場合の、ロボットプログラムの例である。 図５のプログラムの例におけるレーザ加工装置の動作を表す図である。 図５のプログラムの例におけるオフセット量の時間推移をそれぞれ表す図である。 各溶接位置に個別にオフセット量を指定する場合の、ロボットプログラムの例である。 図８のプログラムの例におけるレーザ加工装置の動作を表す図である。 図８の加工プログラムの例におけるオフセット量の時間推移をそれぞれ表す図である。 ヘッド制御装置にオフセット部を設けた場合の構成例を表す図である。

次に、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。

図１は、一実施形態にかかるレーザ加工装置１０の全体構成を表す図である。レーザ加工装置１０は、レーザ発振器５からのレーザ光を光ファイバケーブル６によって加工ヘッド３まで導き、ロボット１を用いて加工ヘッド３を移動させながらレーザ光を照射してレーザ加工を行う、いわゆるリモートレーザシステムとして構成されている。レーザ加工装置１０は、溶接、切断その他の各種レーザ加工を行うことができるが、以下では、一例としてレーザ加工装置１０が溶接を行うものとして説明する。図１に示すように、レーザ加工装置１０は、ロボット１と、ロボット１のアーム先端部に取り付けられたレーザ加工ヘッド３と、レーザ光源であるレーザ発振器５と、ロボット１の動作を制御するロボット制御装置２０と、レーザ加工ヘッド３内のガルバノスキャナの動作を制御するヘッド制御装置３０と、入力装置４０とを備える。

ロボット１は例えば垂直多関節ロボットであるが、他のタイプのロボットが用いられても良い。レーザ加工ヘッド３は、ガルバノスキャナを有し、レーザ光を対象物上で走査させる。なお、レーザ光を走査せるスキャナとしては、ガルバノスキャナ以外のタイプのスキャナを用いても良い。入力装置４０は、ロボット制御装置２０に教示入力や、後述するオフセット量の入力を行うために用いられる。入力装置４０は、例えば教示操作盤であるが、他のタイプの情報処理装置であっても良い。

図２は、レーザ加工ヘッド３内におけるガルバノスキャナの構成を示している。図２に示すように、ガルバノスキャナは、２つのモータ１０１、１０２とそれらの駆動軸に取り付けられた２つのミラー１１１、１１２を有する。レーザ光は２つのミラー１１１、１１２で照射方向を変えカバーグラス１１５を介してワークＷに向けて照射される。なお、レーザ加工ヘッド３は、光ファイバ６からのレーザ光を集光させる集光光学系及び集光光学系を駆動するモータ（不図示）も有している。この構成により、レーザ光を２次元方向（ＸＹ方向）に走査させることができ、またレーザ光の集光位置（Ｚ方向位置）を移動することができる。

ロボット制御装置２０は、ロボットの移動指令（ロボット経路）を記載したロボットプログラム７１に従いロボット１の各軸の動作指令を生成し、ロボット１の各軸を駆動制御する。これにより、ロボット制御装置２０は、ロボット１の位置制御の対象部位（例えば、ＴＣＰ（ツール・センター・ポイント））をロボットプログラム７１に従った経路上に沿って移動させる。なお、ロボット制御装置２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶装置、操作部等を有する一般的なコンピュータとしての構成を有していても良い。ロボット１の各軸には、モータとエンコーダとが設けられている。モータは、例えばサーボモータであり、ロボット制御装置２０から指令された動作量だけ回転する。エンコーダは、各軸の回転位置を出力しロボット制御装置２０に提供する。これにより、ロボット制御装置２０は、ロボット１の位置及び姿勢をリアルタイムで取得することができる。

ヘッド制御装置３０は、走査プログラム８１に従ってガルバノスキャナの各モータを駆動制御すると共にレーザ出力を制御する。ヘッド制御装置３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶装置、操作部等を有する一般的なコンピュータとしての構成を有していても良い。走査プログラム８１は、加工経路（すなわち、レーザ光の照射位置）と、レーザ光の出力条件（パワー等）とを含んでいる。

レーザ加工装置１０は、ロボット１を止めることなく移動させながらレーザ加工ヘッド３からレーザを照射して所望の形状の溶接を行うことができる。このとき、ロボット制御装置２０は、ロボット１に対する移動指令から生成されるロボット１の現在の位置（以下、ロボト位置とも記す）及び姿勢（以下、ロボット姿勢とも記す）をヘッド制御装置に３０に提供する。ヘッド制御装置３０は、走査プログラム８１に従ってガルバノスキャナの各モータを駆動しつつ、ロボット制御装置２０から提供されたロボット１の現在のロボット位置及びロボット姿勢を用いてレーザ光を溶接位置に向けるための照射方向を算出し、各モータを高速に駆動してレーザ光の照射方向を当該算出した方向に向けて照射する。なお、一般にガルバノスキャナの各ミラーはロボットの移動速度よりも十分に高速に駆動することができる。したがって、上記のような溶接動作を実行することにより、正しい溶接位置に適切に溶接を行うことが可能である。

たとえば、図１に示すように、ワークＷ上の３つの溶接位置ＷＰ１－ＷＰ３に所望の形状（図1では円形）の溶接を行うことを想定する。この場合、ロボット１の経路を、レーザ加工ヘッド３を移動させながら３つの溶接位置ＷＰ１－ＷＰ３をレーザ加工ヘッド３の走査範囲内で溶接可能となるような経路として決定する。決定されたロボット１の経路に基づきロボットプログラム７１を作成する。次に、ロボット１が決定された経路を移動するときに、それぞれの溶接位置ＷＰ１、ＷＰ２、ＷＰ３で所望の溶接パターン（図２では円形の溶接パターン）が形成されるように、ガルバノスキャナの各駆動モータの移動指令を生成しこれを走査プログラム８１とする。

ロボットプログラム７１と走査プログラム８１を同時に起動し溶接動作を開始する。ロボット制御装置２０は、ロボットプログラム７１に従い、ロボット１の移動を開始させる。ヘッド制御装置３０は、ガルバノスキャナの各駆動モータの制御を行いつつ、ロボット制御装置２０から提供されているロボット１のロボット位置及びロボット姿勢を用いて、レーザ加工ヘッド３における出射位置から溶接位置にレーザ光を向けるための照射方向を算出し、この照射方向にレーザ光が照射されるように各駆動モータを制御する。すなわち、ヘッド制御装置３は、ロボット制御装置２０から提供される現在のロボット位置を用いてレーザ光の照射方向を補正している。このような動作を各溶接位置ＷＰ１、ＷＰ２、ＷＰ３に対して実行する。これにより、レーザ加工装置１０は、各溶接位置ＷＰ１、ＷＰ２、ＷＰ３に対して正確な溶接を行うことができる。なお、ロボット制御装置２０からヘッド制御装置３０に提供するロボット１の現在の位置及び姿勢の情報は、各軸のエンコーダ出力から取得された値から生成しても良い。

ロボット制御装置２０は、図３に示すように、動作制御部２１、ロボットプログラム７１、及びオフセット部２２を有する。これらの構成部分は、専用のハードウェア構成要素として、或いはＣＰＵがソフトウェアを実行することによって実現される機能ブロックとして構成することができる。動作制御部２１はロボットプログラム７１に従いロボット１の各軸の駆動指令を生成しロボット１の制御を行う。動作制御部２１には、各軸のエンコーダ出力もフィードバックされており、動作制御部２１はロボット１の各軸をフィードバック制御する。また、動作制御部２１は、各軸のエンコーダ出力に基づいてロボット位置及び姿勢を算出することができる。図３に示すように、ロボット制御装置２０は、動作制御部２１が取得するロボット１の位置及び姿勢にオフセット量を加算するオフセット部２２を有している。

一例として、ロボット位置にオフセット量を加えた場合のレーザ光加工ヘッド３の動作について図４を参照して説明する。ロボット１がロボットプログラム７１で指令された動作経路通りに移動している状況においてオフセット部２２により動作制御部２１が求めたロボット位置にオフセット量（プラスｘ）が加算され、オフセット量（プラスｘ）が加算されたロボット位置がヘッド制御装置３０に提供された状況を想定する。ロボット１は本来の正常な動作経路に沿って移動しており、レーザ加工ヘッド３は位置Ｐ１０において溶接位置ＷＰ１０にレーザ光を照射しようとする。このとき、ロボット位置にオフセット量としてプラスｘが加えられているためヘッド制御装置３０は、レーザ加工ヘッド３が現在位置Ｐ１０からＸ方向にプラスｘシフトした位置Ｆ１０にあると認識し、位置Ｆ１０から溶接位置ＷＰ１０に向けてレーザ光を照射するように照射方向を算出する。ただし、この場合、レーザ加工ヘッド３は実際にはシフトしておらず位置Ｐ１０にあるので、レーザ加工ヘッド３は、溶接位置ＷＰ１０からＸ方向においてマイナスｘだけシフトした位置Ｆ３０にレーザ光を照射する。

このようにオフセット部２２においてロボット位置に対してオフセット量を加算する構成とすることで、ロボットプログラムや走査プログラムを再作成することなしに、生産現場においてワーク上での溶接位置をずらすことが可能となる。ユーザは、入力装置４０を操作してオフセット部２２に対してオフセット量を指示入力することができる。例えば、生産現場にけるワークの設置誤差がある場合、ワークが適正な位置にあることを想定して予め作成されているロボットプログラム及び走査プログラムを実行して溶接動作を行うとワーク上の適正な位置に溶接を行うことはできない。このような場合、ワークの設置位置の誤差を測定しその誤差を解消するようなオフセット量を、入力装置４０を用いて指定する。これにより、レーザ加工装置１０はワーク上の適正な位置に溶接を行うことができる。それに対してレーザ加工装置１０が上述のようなオフセット量の付加によるレーザ照射方向の調整機能を有していない場合には、プログラム作成装置上でロボットプログラム及び走査プログラムを再作成し生産現場で動作確認を行うという作業を繰り返し行う必要が生じる。

また、生産現場でロボットプログラム及び走査プログラムを実機上で実行した結果、レーザ光が周辺の障害物、周辺機器、ジグ等と干渉することが分かる場合がある。このような場合にでも上述のオフセット量の付加によるレーザ照射方向の調整機能を用いることで、ロボットプログラムや走査プログラムを再作成する必要なしに、生産現場で溶接位置をずらす調整を行いレーザ光が障害物、周辺機器、ジグ等と干渉しないようにすることができる。

次にオフセット量の入力形態と溶接動作の具体例について説明する。図５～図７は溶接位置を全体的にずらす場合の、オフセット量の入力形態、レーザ加工装置１０の動作、オフセット量の時間推移をそれぞれ表している。図５は、ロボットプログラム２００であり、オフセット量をＹ方向にプラス５ｍｍに設定するオフセット命令２０１と、ロボットが加工開始位置Ｐ２０１（イチ［１］）まで、及び加工終了位置Ｐ２０２（イチ［２］）までそれぞれ速度２００ｍｍ／ｓｅｃで移動することを指示する位置決め命令２０２及び２０３とを含む。１行目のオフセット命令２０１を、生産現場において作業者が入力装置４０を操作してロボットプログラム２００に挿入する。オフセット量（本例においてＹ方向５ｍｍ）は、例えば、作業者がワークのずれ量等を実測して入力する。図６は、ロボットプログラム２００に従いロボット１及びレーザ加工ヘッド３が実行する加工動作を表している。図６において、ＷＰ２０１－ＷＰ２０４は各動作プログラムに指定されているワークＷ上の溶接位置を表している。

この場合、動作制御部２１による制御の下で、オフセット部２２は、ヘッド制御装置３０に提供するロボット位置にオフセット量としてマイナス５ｍｍを加えてヘッド制御装置３０に提供する。この場合、ヘッド制御装置３０は、各溶接位置に対するレーザ光を照射する方向を算出するときにロボット１が現在位置からＹ方向にマイナス５ｍｍずれた位置にあるものと認識して各溶接位置（指令位置）に向かうレーザ照射方向を算出する。よって、レーザ加工ヘッド３は、加工位置ＷＰ２０１－２０４からそれぞれＹ方向にプラス５ｍｍシフトした位置にある溶接位置ＷＰ２１１－２１４に向けてレーザ光を照射して溶接を行う。図７は、オフセット量の時間軸上での推移を表すグラフである。図７に示すように、この場合、レーザ加工ヘッド３が位置Ｐ２０１にある時刻ｔ１から、レーザ加工ヘッド３が位置Ｐ２０２にある時刻ｔ２全体にわたりオフセット量が５ｍｍに設定される。以上により、溶接位置を全体的にＹ方向に５ｍｍずらすことができる。このようなレーザ光照射位置の調整は、生産現場においてワークＷが位置ずれを生じているような状況下で溶接位置を調整する場合に効果的である。

図８－１０は、それぞれの溶接位置に個別にオフセット量を指定する場合の、オフセット量の入力形態、レーザ加工装置１０の動作、オフセット量の時間推移をそれぞれ表している。図８のロボットプログラム３００において、オフセット命令３０１、３０２は、それぞれ、識別番号「ＩＤ２」、「ＩＤ４」で指定される溶接位置についてプラス５ｍｍのオフセット量を設定することを指示している。位置決め命令３０３及び３０４は、ロボットが加工開始位置Ｐ２０１（イチ［１］）まで、及び加工終了位置Ｐ２０２（イチ［２］）までそれぞれ速度２００ｍｍ／ｓｅｃで移動することを指示する。この場合、オフセット量加算部２２は、識別番号「ＩＤ１」及び「ＩＤ３」にそれぞれ対応する溶接位置ＷＰ２０１、ＷＰ２０３を溶接する期間ではオフセット量を適用せず、動作制御部２１から提供されるロボット位置をそのままヘッド制御装置３０に提供する。他方、オフセット部２２は、識別番号「ＩＤ２」及び「ＩＤ４」にそれぞれ対応する溶接位置ＷＰ２０２、ＷＰ２０４を溶接する期間では動作制御部２１から提供されるロボット位置にＹ方向にマイナス５ｍｍのオフセット量を加えてヘッド制御装置３０に提供する。これにより、「ＩＤ２」の溶接パターンは溶接位置ＷＰ２０２からＹ方向に５ｍｍシフトした溶接位置ＷＰ３０２に形成され、「ＩＤ４」の溶接パターンは溶接位置ＷＰ２０４からＹ方向に５ｍｍシフトした溶接位置ＷＰ３０４に形成される。ロボットがロボット位置にオフセット量を加えるかどうかの識別は、プログラム作成装置によって予めシミュレーションすることができる。図１１は、オフセット量の時間軸上での推移を表すグラフである。図１１に示すように、本例の場合、識別番号「ＩＤ１」、「ＩＤ３」の溶接位置の溶接期間Ｔ１，Ｔ３では、オフセット量はゼロであり、識別番号「ＩＤ２」、「ＩＤ４」の溶接位置の溶接期間Ｔ２、Ｔ４では、オフセット量はプラス５ｍｍとなっている。このようなレーザ光照射位置の調整は、レーザ光がワークやジグと干渉するような状況下で加工位置をずらす調整を行う場合に効果的である。

ヘッド制御装置３０は、オフセット量が加算されたロボット位置及び姿勢の情報と走査プログラム８１とから得られる走査動作がガルバノスキャナの走査範囲（可動範囲）を超えるか否かを判定する機能を有していても良い。この場合、ヘッド制御装置３０は、オフセット量が加算されたロボット位置及び姿勢の情報と走査プログラム８１とから得られる走査動作がガルバノスキャナの走査範囲を超える場合にアラーム信号を出力しても良い。このようなアラーム信号が出力された場合、一例として、レーザ加工装置１０は動作を停止する。

以上述べたように本実施形態によれば、ロボットプログラムや走査プログラムをプログラム作成装置上で再作成する必要なしに、生産現場で簡単に加工位置を調整することができる。

以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。

上述の実施形態ではオフセット部２２がロボット制御装置２０に設けられる構成であるが、このような構成に替えてオフセット部２２に相当する機能をヘッド制御装置３０が備える構成であっても良い。この場合、オフセット量を入力するための入力装置４１をヘッド制御装置３０に接続される構成とする。この場合の構成を図１１に示す。この構成において、入力装置４１からオフセット量が指定された場合、ヘッド制御装置３０ａのオフセット部２２ａは、ロボット制御装置２０から提供されるロボット１の現在の位置及び姿勢にオフセット量を加えて、上述したレーザ光の照射方向の算出を行う。このような構成の場合にも、上述した実施形態と同様にレーザ光の加工位置をずらすことができる。なお、図１１のヘッド制御装置３０ａにおける各構成部分は、専用のハードウェア構成要素として、或いはＣＰＵがソフトウェアを実行することによって実現される機能ブロックとして構成することができる。

上述の実施形態ではロボット位置にオフセット量を加算する場合について例示しているが、ロボット姿勢に対してオフセットを加えて溶接位置をずらす場合にも上述の実施形態と同様の手法を適用することができる。

また、本開示の課題を解決するために、以下のような各種の態様とその効果を提供することができる。なお、以下の態様の説明文における括弧内の番号は本開示の図面の参照符号に対応する。

例えば、本開示の第一態様は、レーザ光を走査式に照射して対象物を加工する加工ヘッド（３）と、前記加工ヘッド（３）を搭載したロボット（１）と、ロボットプログラムに従って前記ロボットの動作を制御するロボット制御装置（２０）と、前記ロボットの位置及び姿勢に関する情報を用いて、走査プログラムに従って前記加工ヘッドの走査動作を制御するヘッド制御装置（３０）と、前記ロボット制御装置（２０）で得られる前記ロボットの現在の位置及び姿勢と、指定されたオフセット量とに基づき、前記情報を変更するオフセット部（２２）と、を具備するレーザ加工装置（１０）である。

上記第一態様によれば、生産現場で簡単に加工位置を調整することができる。

また、本開示の第二態様は、上記第一態様のレーザ加工装置（１０）であって、前記オフセット部は前記ロボット制御装置（２０）に設けられ、前記オフセット量は前記ロボットプログラムに記述される。

また、本開示の第三態様は、上記第一態様のレーザ加工装置（１０）であって、前記オフセット部（２２）は前記ヘッド制御装置（３０ａ）に設けられる。

また、本開示の第四態様は、上記第一態様から第三態様のいずれかのレーザ加工装置（１０）であって、前記ロボット制御装置（２０）又は前記ヘッド制御装置（３０）に付設され、前記オフセット部に前記オフセット量を入力するための入力装置（４０、４１）を更に具備する。

また、本開示の第五態様は、上記第一態様のレーザ加工装置（１０）であって、前記ヘッド制御装置（２０）は、前記オフセット部が変更した前記情報と前記走査プログラムとから得られる前記走査動作が、前記加工ヘッドに予め定められる可動範囲を超える場合に、アラーム信号を出力する。

１ ロボット
３ レーザ加工ヘッド
５ レーザ発振器
６ 光ファイバケーブル
１０ レーザ加工装置
２０ ロボット制御装置
２１ 動作制御部
２２、２２ａ オフセット部
３０、３０ａ ヘッド制御装置
４０、４１ 入力装置
７１ ロボットプログラム
８１ 走査プログラム

Claims (5)

1. レーザ光を走査式に照射して対象物を加工する加工ヘッドと、
   前記加工ヘッドを搭載したロボットと、
   ロボットプログラムに従って前記ロボットの動作を制御するロボット制御装置と、
   前記ロボットの位置及び姿勢に関する情報を用いて、走査プログラムに従って前記加工ヘッドの走査動作を制御するヘッド制御装置と、
   前記ロボット制御装置で得られる前記ロボットの現在の位置及び姿勢と、指定されたオフセット量とに基づき、前記情報を変更するオフセット部と、
   を具備するレーザ加工装置。
2. 前記オフセット部は前記ロボット制御装置に設けられ、前記オフセット量は前記ロボットプログラムに記述される、請求項１に記載のレーザ加工装置。
3. 前記オフセット部は前記ヘッド制御装置に設けられる、請求項１に記載のレーザ加工装置。
4. 前記ロボット制御装置又は前記ヘッド制御装置に付設され、前記オフセット部に前記オフセット量を入力するための入力装置を更に具備する、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。
5. 前記ヘッド制御装置は、前記オフセット部が変更した前記情報と前記走査プログラムとから得られる前記走査動作が、前記加工ヘッドに予め定められる可動範囲を超える場合に、アラーム信号を出力する、請求項１から４のいずれか一項に記載のレーザ加工装置。

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