JP7303053B2

JP7303053B2 - 調整補助具及びレーザ溶接装置

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Publication number: JP7303053B2
Application number: JP2019131893A
Authority: JP
Inventors: 将伸畑田; 知之山本; 茂夫吉田; 隆博田中
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2019-07-17
Filing date: 2019-07-17
Publication date: 2023-07-04
Anticipated expiration: 2039-07-17
Also published as: CN112238296A; JP2021016865A; US11413704B2; US20210016389A1; DE102020208227A1

Description

本発明は、調整補助具及びレーザ溶接装置に関する。

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。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（例えば、特許文献１参照）。

ところで、レーザ溶接装置では、ガルバノスキャナの焦点位置とツールの姿勢とを表す直交座標系であるツール座標系の原点は、ガルバノスキャナの設計値から得られる焦点位置に設定される。また、他の設定手法として、専用の棒が取り付けられたガルバノスキャナに対して、６点を教示するなどして、ツール座標系が設定される。

特開２０１０－２０７８７８号公報

ガルバノスキャナの設計値から得られる焦点位置にツール座標系を設定する場合、ツール座標系の焦点位置は、機械的な要因により設計上の焦点位置からずれる場合がある。また、６点を教示してツール座標系を設定する場合、アームの動きが伴うため、オペレータの熟練度によりずれが発生することがある。このようなずれは、調整されるのが好ましい。そこで、調整の実行にあたり、設計上の焦点位置（基準受光位置）に対して実際の焦点位置（実際の受光位置）のずれを定量化することができれば好適である。

（１）本開示の一態様は、ガルバノスキャナのレーザ出射側に装着されて、ガルバノスキャナのツール座標系を調整するのに用いられる調整補助具であって、少なくとも１つの平面である受光面を有する受光部材と、前記受光部材を前記ガルバノスキャナに連結する連結部材であって、前記ガルバノスキャナのレーザ出射口に前記受光面を所定の距離を空けて対向配置可能な連結部材と、を備え、前記受光部材は、前記受光面に、前記レーザ出射口から出射する光の基準受光位置に対する、前記レーザ出射口から出射する光の実際の受光位置の相対位置の差を定量化するための標示である受光標示部を有する調整補助具に関する。

（２）また、本開示の一態様は、上記の調整補助具と、前記レーザ出射口に配置されるレンズの軸位置に重なる位置に配置され、前記受光面を撮像する撮像部を備えるガルバノスキャナと、前記ガルバノスキャナを制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、撮像された撮像画像に含まれる前記基準点標示部と、網目標示部と、前記実際の受光位置と、に基づいて、前記相対位置の差を定量化する定量化部と、定量化された前記相対位置の差に基づいて、ツール座標系を調整する調整実行部と、を備えるレーザ溶接装置に関する。

本開示によれば、基準受光位置に対して実際の受光位置のずれを定量化することが可能な調整補助具及びレーザ溶接装置を提供することができる。

第１実施形態に係るレーザ溶接装置を示す概略構成図である。第１実施形態の調整補助具を示す概略斜視図である。第１実施形態の調整補助具の受光面を示す平面図である。第１実施形態のレーザ溶接装置の設定されたツール座標系とガイド光との関係を示す模式図である。第１実施形態のレーザ溶接装置の調整されたツール座標系を示す模式図である。

以下、本開示の各実施形態に係る調整補助具１００及びレーザ溶接装置１について、図１から図５を参照して説明する。
まず、レーザ溶接装置１の概要について説明する。

レーザ溶接装置１は、溶接用のレーザ光を照射可能なガルバノスキャナ（ツール）をロボットアーム（図示せず）の先端に取り付けた構造を有する。レーザ溶接装置１は、ワーク（図示せず）に対して、ガルバノスキャナ１０のレーザ光を照射することでワークを加工（溶接）する。レーザ溶接装置１は、例えば、ワークに対してガルバノスキャナ１０をＸＹＺ座標系（ツール座標系）において動作（移動及び回転）させることで、ワークに対して任意の方向からレーザ光を照射させることができる。ツール座標系は、ワークを加工する前に予めワークの焦点位置等を原点する座標系として設定される。

次に、本開示の第１実施形態に係る調整補助具１００及びレーザ溶接装置１について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態に係るレーザ溶接装置１は、図１に示すように、調整補助具１００と、ガルバノスキャナ１０と、制御装置２０と、を備える。

調整補助具１００は、設定されたツール座標系の実際の焦点位置（原点）と、ガルバノスキャナ１０の設計上の焦点位置とのずれを定量化する装置である。調整補助具１００は、ガルバノスキャナ１０のレーザ出射側に装着されて、ガルバノスキャナ１０のツール座標系を調整するのに用いられる。調整補助具１００は、図２に示すように、受光部材１０１と、連結部材１０２と、を備える。

受光部材１０１は、例えば、少なくとも１つの平面を受光面として有する部材である。具体的には、受光部材１０１は、ガルバノスキャナ１０の出射口から出射された光を受光する受光面Ｓとして有する部材である。本実施形態において、受光部材１０１は、円板状の受光プレートであり、一方の面を受光面Ｓとして構成される。受光部材１０１は、図３に示すように、受光標示部１１０を有する。

受光標示部１１０は、受光面Ｓに配置される標示である。受光標示部１１０は、レーザ出射口１２から出射する光の基準受光位置Ｐに対する、レーザ出射口１２から出射する光の実際の受光位置Ｒの相対位置の差を定量化するための指標である。ここで、「基準受光位置」とは、レーザ出射口１２に配置されるレンズ（図示せず）の焦点位置であり、ガルバノスキャナ１０の設計上の焦点位置である。受光標示部１１０は、基準点標示部１１１と、網目標示部１１２と、を有する。

基準点標示部１１１は、受光面Ｓに、基準受光位置Ｐを基準点として示す標示である。基準点標示部１１１は、例えば、受光面Ｓに、レーザ出射口１２に配置されるレンズの焦点位置を示す標示である。基準点標示部１１１は、レーザ出射口１２に配置されるレンズの軸に重なる位置に配置される。

網目標示部１１２は、受光面Ｓに、所定の間隔で網目状に配置された複数の線によって示される。換言すると、網目標示部１１２は、受光面Ｓに、格子状の標示を形成する網目状の線である。網目標示部１１２は、例えば、０．５ｍｍ間隔で網目状に配置される線によって構成される。

連結部材１０２は、受光部材１０１をガルバノスキャナ１０に連結する部材である。連結部材１０２は、例えば、受光部材１０１をレーザ出射口１２から所定の距離を空けて配置するためのスペーサ（間隔確保部材）として機能する。具体的には、連結部材１０２は、受光部材１０１の受光面Ｓを所定の距離を空けて対向配置可能なスペーサとして機能する。本実施形態において、連結部材１０２は、ガルバノスキャナ１０のレンズの焦点距離と同じ又は略同じ長さの２本の棒状部材によって構成される。連結部材１０２のそれぞれは、一端が受光部材１０１の受光面Ｓの外周部に接続される。連結部材１０２のそれぞれは、他端がガルバノスキャナ１０のレーザ出射側に連結される。

ガルバノスキャナ１０は、アーム（図示せず）の先端に取り付けられて動作される装置である。ガルバノスキャナ１０は、レーザ生成部１１と、レーザ出射口１２と、撮像部１３と、撮像データ出力部１４と、を備える。

レーザ生成部１１は、例えば、溶接用のレーザを生成する装置である。レーザ生成部１１は、ガルバノミラー（図示せず）を有し、ガルバノミラーの回転量を変化させることで、生成されたレーザの向きを変更する。また、レーザ生成部１１は、ツール座標系の原点として設定されている方向に向けて、ガイド光Ｌを照射する。

レーザ出射口１２は、レーザ生成部１１によって生成されたレーザ及びガイド光Ｌを照射可能な構成である。レーザ出射口１２は、レーザ生成部１１のレーザの出射方向に重なる位置に設けられる。レーザ出射口１２には、レーザを透過するレンズが配置される。

撮像部１３は、例えば、カメラである。撮像部１３は、レーザ出射口１２のレンズの軸に重なる位置（軸上）に配置され、レーザ出射口１２を介して受光部材１０１の受光面Ｓを撮像可能に構成される。撮像部１３は、例えば、受光面Ｓの受光標示部１１０と、ガイド光Ｌの受光位置Ｒとを撮像可能に構成される。

撮像データ出力部１４は、例えば、モデム等の通信インタフェースである。撮像データ出力部１４は、撮像部１３によって撮像された撮像画像に関するデータを出力可能に構成される。

制御装置２０は、例えば、コントローラである。制御装置２０は、例えば、ツール座標系を設定するとともに、ガルバノミラーの動作を制御する。制御装置２０は、撮像データ受信部２１と、定量化部２２と、調整実行部２３と、を備える。

撮像データ受信部２１は、例えば、通信インタフェースである。撮像データ受信部２１は、撮像部１３から出力される撮像データを受信する。

定量化部２２は、例えば、ＣＰＵが動作することにより実現される。定量化部２２は、受光標示部１１０に示される実際の受光位置Ｒに基づいて、相対位置の差を定量化する。具体的には、定量化部２２は、撮像データに含まれる基準受光位置Ｐからの実際の受光位置Ｒの相対位置との差について、網目標示部１１２によって示される距離及び方向を用いて、相対位置の差を定量化する。

調整実行部２３は、例えば、ＣＰＵが動作することにより実現される。調整実行部２３は、既に設定されているツール座標系について、定量化された相対位置の差に基づいて調整を実行する。調整実行部２３は、例えば、調整を実行することで、図４に示すように、基準受光位置Ｐに原点が設定されているツール座標系について、実際の受光位置Ｒを通る光軸上にツール座標系の原点Ｐを移動する。具体的には、調整実行部２３は、調整を実行することで、実際の受光位置Ｒを通る光軸上であって、実際の焦点距離と同じ又は略同じ位置Ｑにツール座標系の原点Ｐを移動する。

以上の調整補助具１００及びレーザ溶接装置１は以下のように用いられる。
まず、調整補助具１００は、ガルバノスキャナ１０のレーザ出射側に装着される。具体的には、まず、受光部材１０１の受光面Ｓがレーザ出射口１２に対向配置される。次いで、調整補助具１００は、レーザ出射口１２に向けて近づけられる。そして、連結部材１０２の他端がレーザ出射口１２側に装着される。このとき、受光標示部１１０は、レーザ出射口１２のレンズの軸上に位置合わせされる。

次いで、ガルバノスキャナ１０のレーザ出射口１２から、ツール座標系の原点に向けてガイド光Ｌが照射される。受光面Ｓは、レーザ出射口１２から出射されたガイド光Ｌを受光する。

次いで、撮像部１３は、ガイド光Ｌを受光している受光面Ｓを撮像する。撮像部１３は、例えば、基準点標示部１１１と、網目標示部１１２と、ガイド光Ｌの受光位置Ｒと、を含む撮像画像を撮像する。次いで、撮像データ出力部１４は、撮像画像を撮像データとして出力する。

撮像データ受信部２１は、出力された撮像データを受信する。定量化部２２は、撮像データに含まれる基準点標示部１１１と、網目標示部１１２と、ガイド光Ｌの受光位置Ｒと、に基づいて、基準受光位置からガイド光Ｌの受光位置Ｒまでの相対位置の差を定量化する。定量化部２２は、例えば、基準受光位置から受光位置Ｒまでの距離及び方向について定量化する。

次いで、調整実行部２３は、定量化された距離及び方向に基づいて、ツール座標系を調整する。これにより、調整実行部２３は、例えば、図４に示されるツール座標系の原点Ｐについて、図５に示すガイド光Ｌの上の位置Ｑに移動する。このとき、調整実行部２３は、レンズからの焦点距離がガイド光Ｌの上で同じ距離になるように原点Ｐを移動する。そして、調整実行部２３は、移動した位置Ｑを新たなツール座標系の原点として設定する。以上により、ツール座標系の調整が完了する。

以上の調整補助具１００及びレーザ溶接装置１によれば、以下の効果を奏する。
（１）ガルバノスキャナ１０のレーザ出射側に装着されて、ガルバノスキャナ１０のツール座標系を調整するのに用いられる調整補助具１００であって、少なくとも１つの平面である受光面Ｓを有する受光部材１０１と、受光部材をガルバスキャナに連結する連結部材１０２であって、ガルバノスキャナ１０のレーザ出射口１２に受光面Ｓを所定の距離を空けて対向配置可能な連結部材１０２と、を備え、受光部材は、受光面Ｓに、レーザ出射口１２から出射する光の基準受光位置Ｐに対する、レーザ出射口１２から出射する光の実際の受光位置Ｒの相対位置の差を定量化するための標示である受光標示部１１０を有する。これにより、基準受光位置Ｐに対して、実際の受光位置Ｒの相対位置の差を定量化することができる。したがって、実際の受光位置Ｒを理想的な受光位置への調整を容易にすることができる。

（２）受光標示部１１０は、受光面Ｓに、基準受光位置Ｐを基準点として示す基準点標示部１１１を有する。これにより、視覚的に容易に相対位置の差を把握することができる。

（３）受光標示部１１０は、受光面Ｓに、所定の間隔で網目状に配置された複数の線によって示される網目標示部１１２を有する。これにより、視覚的に容易に相対位置の差を把握することができる。また、基準受光位置Ｐに対する実際の受光位置Ｒの方向についても把握することができる。

（４）レーザ溶接装置１は、上記の調整補助具１００と、レーザ出射口１２の軸位置に重なる位置に配置され、受光面Ｓを撮像する撮像部１３を備えるガルバノスキャナ１０と、ガルバノスキャナ１０を制御する制御装置２０と、を備え、制御装置２０は、撮像された撮像画像に含まれる基準点標示部１１１と、網目標示部１１２と、実際の受光位置Ｒと、に基づいて、相対位置の差を定量化する定量化部２２と、定量化された相対位置の差に基づいて、ツール座標系を調整する調整実行部２３と、を備える。これにより、相対位置の差を定量化して、ツール座標系の原点を移動させることができる。したがって、レーザの受光位置のずれを調整して、精度の高い加工を実現することができる。

（５）調整実行部２３は、ツール座標系の原点の設定を実際のレーザ受光位置に応じて移動させる。これにより、実際にツール座標系の原点を調整することができる。

［第２実施形態］
次に、本開示の第２実施形態に係る調整補助具１００及びレーザ溶接装置１について、説明する。第２実施形態の説明にあたって、前述の実施形態と同一の構成要件については同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
第２実施形態に係るレーザ溶接装置１は、調整実行部２３が、ガルバノスキャナ１０のガルバノミラーの基準位置（基準角度）を変更することで、設定されているツール座標系の原点に実際の受光位置を移動させる点で、第１実施形態と異なる。具体的には、調整実行部２３は、Ｘ軸用のガルバノミラーの基準位置と、Ｙ軸用のガルバノミラーの基準位置とを、基準受光位置にガイド光Ｌを照射可能な角度まで微調整することで調整する。

以上の第２実施形態に係る調整補助具１００及びレーザ溶接装置１によれば、以下の効果を奏する。
（６）調整実行部２３は、ガルバノスキャナ１０のガルバノミラーの基準位置を変更することで、設定されているツール座標系の原点に実際のレーザ受光位置を移動させる。これにより、実際にツール座標系の原点を調整することができる。

以上、本開示の調整補助具及びレーザ溶接装置１の好ましい各実施形態につき説明したが、本開示は、上述の実施形態に制限されるものではなく、適宜変更が可能である。
例えば、上記実施形態において、受光標示部１１０が網目標示部１１２を有するとしたが、これに制限されない。受光標示部１１０は、網目標示部１１２に代えて、基準受光位置Ｐから同心円状に広がる複数の円によって示される円形標示部（図示せず）を有してもよい。また、受光標示部１１０は、網目標示部１１２に代えて、円形標示部に加え、基準受光位置Ｐから放射状に広がる複数の放射標示部（図示せず）を有してもよい。また、網目標示部１１２、円形標示部、及び放射標示部は、色や太さ、線の種類等によって、受光面Ｓの位置を識別可能に標示されてもよい。

また、上記実施形態において、制御装置２０は、基準点標示部１１１及びレーザ出射口のレンズの軸の位置を確認する位置確認部（図示せず）をさらに備えてもよい。位置確認部は、例えば、撮像部１３によって撮像された撮像画像に含まれる基準点標示部１１１及びレンズの軸の位置に基づいて、基準点標示部１１１がレンズの軸上にあるか否かを確認してもよい。基準点標示部１１１がレンズの軸上にない場合、位置確認部は、外部に信号を出力するようにしてもよい。

また、上記実施形態において、基準受光位置Ｐを焦点位置として説明したが、これに制限されない。例えば、基準受光位置Ｐは、レンズの被写界深度の範囲内であればよい。

１レーザ溶接装置
１０ガルバノスキャナ
１２レーザ出射口
１３撮像部
２０制御装置
２２定量化部
１００調整補助具
１０１受光部材
１０２連結部材
１１０受光標示部
１１１基準点標示部
１１２網目標示部
Ｐ基準受光位置
Ｒ実際の受光位置
Ｓ受光面

Claims

ガルバノスキャナのレーザ出射側に装着されて、ガルバノスキャナのツール座標系を調整するのに用いられる調整補助具であって、
少なくとも１つの平面である受光面を有する受光部材と、
前記受光部材を前記ガルバノスキャナに連結する連結部材であって、前記ガルバノスキャナのレーザ出射口に前記受光面を所定の距離を空けて対向配置可能な連結部材と、
を備え、
前記受光部材は、前記受光面に、前記レーザ出射口から出射する光の基準受光位置に対する、前記レーザ出射口から出射する光の実際の受光位置の相対位置の差を定量化するための標示である受光標示部を有し、
前記受光標示部は、前記受光面に、前記基準受光位置を基準点として示す基準点標示部を有し、
前記連結部材は、前記レーザ出射口に配置されるレンズの軸位置に前記基準点標示部が重なるよう、前記受光部材を配置する調整補助具。
前記受光標示部は、前記受光面に、所定の間隔で網目状に配置された複数の線によって示される網目標示部を有する請求項１に記載の調整補助具。
請求項２に記載の調整補助具と、
前記レーザ出射口に配置されるレンズの軸位置に重なる位置に配置され、前記受光面を撮像する撮像部を備えるガルバノスキャナと、
前記ガルバノスキャナを制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
撮像された撮像画像に含まれる前記基準点標示部と、前記受光標示部と、前記網目標示部と、前記実際の受光位置と、に基づいて、前記相対位置の差を定量化する定量化部と、
定量化された前記相対位置の差に基づいて、ツール座標系を調整する調整実行部と、
を備えるレーザ溶接装置。
前記調整実行部は、ツール座標系の原点の設定を実際のレーザ受光位置に応じて移動させる請求項３に記載のレーザ溶接装置。
前記調整実行部は、前記ガルバノスキャナのガルバノミラーの基準位置を変更することで、設定されているツール座標系の原点に実際のレーザ受光位置を移動させる請求項３に記載のレーザ溶接装置。