JP7307614B2 - Surface treatment method and surface treatment apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、レーザー照射によって対象物の付着物を除去する下地処理方法及び下地処理装置に関し、特に、複雑な形状の対象物や大面積形状の対象物に対して表面処理を行うのに適した下地処理方法及び下地処理装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a surface treatment method and a surface treatment apparatus for removing deposits on an object by laser irradiation, and is particularly suitable for performing surface treatment on objects with complex shapes and objects with large areas. The present invention relates to a surface treatment method and a surface treatment apparatus.
例えば、橋梁等の鋼構造物の表面には、用途や機能に応じて、塗装、舗装、ライニング、樹脂シート等、種々の被膜が形成される。かかる被膜は、風雨に晒されることが多く、時間の経過とともに、劣化したり酸化物や汚れ等が付着したりすることとなる。鉄部に付着している汚れや錆をしっかりと落とさずに、塗料を塗布してもしっかり塗料が付着しないので、すぐに剥がれてしまうなど、本来の耐久性を発揮することができない。その為、下地処理作業を行い、確実に汚れや錆を落とし、かつ、目粗しをして表面積を広げる事で密着性を向上させる必要がある。そこで、かかる被膜を有する構造物等では、定期的に洗浄や剥離(下地処理作業を含む)等の除去作業を行い、必要に応じて、被膜の塗り替えや張り替え等の処理を行っている。 For example, on the surface of steel structures such as bridges, various coatings such as coating, pavement, lining, and resin sheets are formed according to their uses and functions. Such coatings are often exposed to the weather, and over time, they deteriorate or become contaminated with oxides, dirt, and the like. Even if the paint is applied without properly removing the dirt and rust attached to the iron part, the paint will not adhere firmly, so it will peel off immediately, and the original durability cannot be demonstrated. For this reason, it is necessary to improve adhesion by performing surface preparation work to remove dirt and rust without fail, and by roughening the surface to increase the surface area. Therefore, structures and the like having such coatings are periodically subjected to removal work such as cleaning and peeling (including surface treatment work), and if necessary, the coating is repainted or re-covered.
従来、塗膜剥離剤やショトブラストによる塗膜剥離処理が行われていたが、作業環境及び作業効率が悪いばかりでなく、大量の除去物の回収・廃棄処理に問題があることから、レーザー照射による塗膜剥離処理が提案されている。 In the past, coating stripping was performed using coating stripping agents and shot blasting, but not only was the work environment and work efficiency poor, but there were also problems with the collection and disposal of a large amount of removed material, so laser irradiation has been proposed as a paint film stripping treatment.
例えば、化学薬品を用いることなく、塗装膜の除去が可能な塗装膜除去方法、及びその塗装膜除去に適したレーザー処理装置として、レーザー光を集光もしくは発散し処理対象物の表面に照射するレンズと、レンズを支持し、処理対象物表面からレンズまでの高さを調節可能なレンズ支持機構と、処理対象物の表面のレーザー光照射部分にガスを吹き付けるガス噴出手段とを有し、ガスを吹き付けることにより、処理対象物の表面温度の上昇を抑制することができるようにしたレーザー処理装置が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 For example, as a coating film removing method capable of removing a coating film without using chemicals, and a laser processing apparatus suitable for removing the coating film, a laser beam is condensed or diverged to irradiate the surface of the object to be processed. a lens, a lens support mechanism for supporting the lens and capable of adjusting the height from the surface of the object to be processed to the lens, and a gas ejection means for blowing gas onto the laser beam irradiated portion of the surface of the object to be processed, A laser processing apparatus has been proposed in which an increase in the surface temperature of an object to be processed can be suppressed by spraying (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1には、かかるレーザー処理装置において、レーザー照射ヘッドは、マニピュレータアームの先端に取り付けられ、マニピュレータアームは、マニピュレータ本体により制御され、レーザー照射ヘッドを処理対象物の表面の所望の位置に移動させ支持することが記載されている。
In
また、構造物における表面の塗膜を効率的に除去し、その除去物を吸引回収することができるレーザー照射装置として、レーザーヘッドを、レーザー光を照射する光学系と、レーザー光の照射点から生じる除去物を吸引する吸引手段と、構造物の表面に当接可能に構成されたアタッチメントと、から構成し、光学系は、レーザー光の光軸に対して略垂直な表面において、光軸を中心とする半径の第1の円の軌跡を描くようにレーザー光の照射点を走査させるように動作させるようにしたレーザー塗膜除去装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。 In addition, as a laser irradiation device capable of efficiently removing the coating film on the surface of the structure and sucking and collecting the removed material, the laser head is composed of an optical system for irradiating the laser light, and from the irradiation point of the laser light. The optical system is composed of a suction means for sucking the resulting removed matter and an attachment configured to be able to abut on the surface of the structure, and the optical system has an optical axis on a surface substantially perpendicular to the optical axis of the laser beam. A laser coating film removing apparatus has been proposed that operates so as to scan an irradiation point of a laser beam so as to draw a trajectory of a first circle with a center radius (see, for example, Patent Document 2).
レーザー照射による塗膜剥離処理では、レーザーアブレーションにより、化学薬品を使用することなく、処理対象物の表面の塗装膜を除去することができる。 In the coating film stripping treatment by laser irradiation, the coating film on the surface of the object to be treated can be removed by laser ablation without using chemicals.
しかしながら、特許文献1の開示技術におけるレーザー照射装置では、レーザー集光レンズを所定の焦点距離に固定し、その高さを保つため、処理対象物の表面にレーザー照射ヘッドを接触させた状態で、マニピュレータアームにより、処理対象物の表面の所望の位置にレーザー照射ヘッドを移動させるようにしている。
However, in the laser irradiation apparatus disclosed in
したがって、この特許文献1の開示技術では、複雑な形状や狭い空間での作業が極めて困難であり特に、突起物などを有する処理対象物の場合には角部における剥離処理作業が不可能であるという問題点があった。
Therefore, with the technique disclosed in
また、特許文献2の開示技術では、レーザー発振器から出力されるレーザー光を集束させて構造物の表面に照射するための可搬性のあるレーザーヘッドを有するレーザー照射装置からのレーザー照射によって構造物の表面の塗膜を除去するものであって、作業者がレーザー照射装置を持って剥離処理作業を行うので、処理対象物との焦点距離を一定に保つことが困難であることから、レーザー照射装置の先端にアタッチメントを設置して、これを処理対象物に接触させた状態でレーザー照射により剥離処理作業を行う必要があった。
Further, in the technique disclosed in
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、複雑な形状の対象物や大面積形状の対象物に対して、レーザー照射により確実に且つ効率よく表面処理を行うことができる下地処理方法及び下地処理装置を提供することにある。 Therefore, in view of the conventional circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a substrate that can reliably and efficiently perform surface treatment by laser irradiation on objects with complex shapes and objects with large areas. An object of the present invention is to provide a processing method and a substrate processing apparatus.
また、本発明の他の目的は、レーザー照射による下地処理作業を自動化して、作業環境を改善するとともに、作業者の安全と健康を確保することにある。 Another object of the present invention is to automate the surface preparation work by laser irradiation, improve the working environment, and secure the safety and health of workers.
本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。 Other objects of the present invention and specific advantages obtained by the present invention will become clearer from the description of the embodiments described below.
本発明では、レーザー照射装置をロボットに持たせてレーザー照射によって対象物の付着物を除去する下地処理作業を行う。 In the present invention, a robot is provided with a laser irradiating device to perform a surface treatment operation for removing deposits on an object by irradiating the laser.
また、本発明では、処理対象領域の表面形状や下地処理品質などに応じてレーザー光の照射条件を適切に設定したレーザー照射によって対象物の付着物を除去する下地処理作業を行う。 Further, in the present invention, a base treatment operation is performed to remove deposits on an object by laser irradiation in which the irradiation conditions of the laser light are appropriately set according to the surface shape of the region to be processed, the quality of the base treatment, and the like.
また、本発明では、照射するレーザー光の光軸が処置対象の対象物の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御を行い、法線方向からのレーザー照射によって対象物の付着物を除去する下地処理作業を行う。 Further, in the present invention, shape-following control is performed so that the optical axis of the irradiated laser light coincides with the normal direction of the surface position of the object to be treated. Perform surface preparation work to remove
本発明において、形状倣い制御は、対象物の三次元形状を計測する形状測定装置による測定結果から得られる対象物の三次元形状情報に基づいて、ロボットの下地処理作業軌道を修正することにより、任意形状の対象物の表面形状に倣ってロボットによりレーザー照射装置を移動させることで、所定の焦点距離とレーザー照射角度を適切に制御する。 In the present invention, the shape following control corrects the ground processing work trajectory of the robot based on the three-dimensional shape information of the object obtained from the measurement results of a shape measuring device that measures the three-dimensional shape of the object. A predetermined focal length and laser irradiation angle are appropriately controlled by moving the laser irradiation device with a robot following the surface shape of an object of arbitrary shape.
さらに、本発明では、対象物に対してレーザー照射による下地処理作業が完了した領域に塗布処理を施すことにより、黒皮の発生を防止する。 Furthermore, according to the present invention, the generation of black scale is prevented by applying a coating treatment to the area of the object that has been subjected to the base treatment operation by laser irradiation.
すなわち、本発明は、レーザー照射によって対象物の付着物を除去する下地処理方法であって、対象物の三次元形状を計測する形状測定装置とともに対象物にレーザー光を照射するレーザー照射装置をマニピュレータにより保持して、対象物の処理対象領域を含む作業領域内で移動させ、形状測定装置による測定結果から得られる対象物の三次元形状情報に基づいて、対象物の処理対象領域におけるレーザー照射装置によるレーザー照射位置での法線方向とレーザー照射位置までの距離を求め、形状処理装置による演算結果に基づいて、レーザー照射装置とマニピュレータの動作を制御して、レーザー照射装置により照射されるレーザー光の光軸が対象物の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御し、対象物の処理前の表面性状および処理後の表面性状への要求性能に応じてレーザー照射条件を適切に設定し、前記レーザー照射装置によりパルスレーザー光を照射して実施することを特徴とする。 That is, the present invention relates to a surface treatment method for removing deposits on an object by laser irradiation, in which a shape measuring device for measuring the three-dimensional shape of the object and a laser irradiation device for irradiating the object with a laser beam are used as manipulators. and move it within the work area including the processing target area of the object, and based on the three-dimensional shape information of the object obtained from the measurement result by the shape measuring device, the laser irradiation device in the processing target area of the object The normal direction at the laser irradiation position and the distance to the laser irradiation position are obtained, and based on the calculation result by the shape processing device, the operation of the laser irradiation device and the manipulator is controlled, and the laser light emitted by the laser irradiation device Shape following control is performed so that the optical axis of is aligned with the normal direction of the surface position of the target, and the laser irradiation conditions are appropriately adjusted according to the required performance for the surface texture of the target before and after processing. It is characterized in that it is set and implemented by irradiating a pulsed laser beam from the laser irradiation device .
より具体的な条件としては、本発明に係る下地処理方法では、レーザー照射装置によりパルスレーザー光を照射し、1パルス毎にX軸方向又はY軸方向にレーザー照射位置を移動させ、パルスレーザー光の照射点でのスポット径をDとし、1パルス当たりのX軸方向の送り量をΔXとしたX方向送り率αx=(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100及びY軸方向の送り量をΔYとした送り率αy=(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100を35%以下にしたものとすることができる。 As a more specific condition, in the surface treatment method according to the present invention, a pulsed laser beam is irradiated by a laser irradiation device, the laser irradiation position is moved in the X-axis direction or the Y-axis direction for each pulse, and the pulsed laser beam is irradiated. D is the spot diameter at the irradiation point, and ΔX is the feed amount in the X-axis direction per pulse. The feed rate α y =(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100, where ΔY is the feed amount in the direction, can be set to 35% or less.
また、本発明に係る下地処理方法では、レーザー照射装置にてパルスレーザー光を二次元走査することにより所定の面積の四角形状の照射範囲に照射した後、マニピュレータにて照射範囲部分だけ移動させた後、続いて同様の二次元走査によりレーザー照射をすることを繰り返し実施するものとすることができる。 Further, in the surface treatment method according to the present invention, a pulsed laser beam is two-dimensionally scanned by a laser irradiation device to irradiate a rectangular irradiation range of a predetermined area, and then the manipulator is moved by the irradiation range portion. Subsequently, laser irradiation by similar two-dimensional scanning can be repeated.
また、本発明に係る下地処理方法では、レーザー照射装置にてパルスレーザー光を一次元走査することにより所定の長さの線状にレーザー照射することを繰り返すとともに、同時にマニピュレータにてレーザー照射装置を線状レーザーとは垂直方向に連続的に移動させるものとすることができる。 Further, in the surface treatment method according to the present invention, the pulsed laser beam is one-dimensionally scanned by the laser irradiation device, thereby repeatedly irradiating the laser beam in a line of a predetermined length, and at the same time, the laser irradiation device is moved by the manipulator. A linear laser can be one that moves continuously in the vertical direction.
また、本発明に係る下地処理方法において、マニピュレータはロボットアームであり、レーザー照射装置によるレーザー照射位置を移動させて対象物の処理対象領域における付着物を除去する一連の下地処理作業動作を自動制御するものとすることができる。 Further, in the surface treatment method according to the present invention, the manipulator is a robot arm, which automatically controls a series of surface treatment operations for removing deposits on the processing target area of the object by moving the laser irradiation position of the laser irradiation device. shall be allowed.
本発明に係る下地処理方法では、さらに、対象物に対してレーザー照射による下地処理作業が完了した領域に塗布剤による塗布処理を施すものとすることができる。さらに、塗料剤、前処理用剤あるいは樹脂接着用の接着剤などの塗布剤を塗布するスプレーあるいはノズルを前記マニピュレータで保持し、対象物に対してレーザー照射による下地処理作業が完了した領域に塗布剤による塗布処理を施すものとすることができる。 In the base treatment method according to the present invention, the area of the object that has been subjected to the base treatment by laser irradiation can be further coated with a coating agent. Furthermore, the manipulator holds a spray or nozzle for applying a coating agent such as a coating agent, a pretreatment agent, or an adhesive agent for resin bonding, and applies it to the area where the base treatment work by laser irradiation has been completed on the object. A coating treatment with an agent may be applied.
本発明に係る下地処理方法では、さらに、下地処理後の対象材の錆発生などの防止のために、レーザー照射に合わせて、空気中の酸素を遮断するためのガスを噴射させるスプレーあるいはノズルを前記マニピュレータで保持し、対象物に対してレーザー照射による下地処理作業が完了した領域にガスの吹き付け処理を施すものとすることができる。 In the surface treatment method according to the present invention, a spray or nozzle for ejecting a gas for blocking oxygen in the air is further provided in accordance with the laser irradiation in order to prevent the generation of rust on the target material after the surface treatment. It is possible to hold the object by the manipulator and apply a gas blowing process to the area where the base treatment work by laser irradiation has been completed on the object.
また、本発明は、レーザー照射によって対象物の付着物を除去する下地処理装置であって、レーザー照射装置と、レーザー照射装置を保持し、対象物の処理対象領域を含む作業領域内でレーザー照射装置を移動させるマニピュレータと、対象物の三次元形状を計測する形状測定装置と、形状測定装置による測定結果から得られる対象物の三次元形状情報に基づいて、対象物の処理対象領域におけるレーザー照射装置によるレーザー照射位置での法線方向とレーザー照射位置までの距離を求める演算処理を行う形状処理装置と、形状処理装置による演算結果に基づいて、レーザー照射装置とマニピュレータの動作を制御する制御装置と、を備え、制御装置は、レーザー照射装置により照射されるレーザー光の光軸が対象物の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御し、前記レーザー照射装置は、対象物の処理前の表面性状および処理後の表面性状への要求性能に応じてレーザー照射条件が設定され、パルスレーザー光を照射することを特徴とする。 Further, the present invention is a substrate processing apparatus for removing deposits on an object by laser irradiation, comprising: a laser irradiation device; A manipulator that moves the device, a shape measuring device that measures the three-dimensional shape of the object, and laser irradiation in the processing target area of the object based on the three-dimensional shape information of the object obtained from the measurement results of the shape measuring device. A shape processing device that performs arithmetic processing to determine the normal direction at the laser irradiation position by the device and the distance to the laser irradiation position, and a control device that controls the operation of the laser irradiation device and the manipulator based on the calculation results of the shape processing device. And, the control device performs shape following control so that the optical axis of the laser light irradiated by the laser irradiation device is aligned with the normal direction at the surface position of the object, and the laser irradiation device is the object The laser irradiation conditions are set according to the performance required for the surface texture before treatment and the surface texture after treatment, and pulsed laser light is applied.
本発明に係る下地処理装置において、レーザー照射装置は、対象物の処理前の表面性状および処理後の表面性状への要求性能に応じてレーザー照射条件が設定され、パルスレーザー光を照射するものとすることができる。 In the surface treatment apparatus according to the present invention, the laser irradiation apparatus irradiates a pulsed laser beam with the laser irradiation conditions set according to the performance required for the surface texture of the object before processing and the surface texture after processing. can do.
本発明に係る下地処理装置において、パルスレーザー光の照射点でのスポット径をDとし、1パルス当たりのX軸方向の送り量をΔXとしたX方向送り率αx=(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100及びY軸方向の送り量をΔYとした送り率αy=(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100を35%以下となるように、制御装置で制御するものとすることができる。 In the substrate processing apparatus according to the present invention, where D is the spot diameter at the irradiation point of the pulsed laser beam, and ΔX is the feed amount in the X-axis direction per pulse, the X-direction feed rate α x =(ΔX/D)× 100 = (ΔY/D) × 100 and the feed rate α y where ΔY is the feed amount in the Y-axis direction = (ΔX/D) × 100 = (ΔY/D) × 100 is controlled to be 35% or less. It can be controlled by the device.
本発明に係る下地処理装置は、レーザー照射装置から出射されるパルスレーザー光を二次元走査して対象物の所定の面積の四角形状の照射範囲に照射する二次元走査手段を備え、マニピュレータにてレーザー照射装置を照射範囲部分だけ移動させる毎に、レーザー照射装置により照射範囲にレーザー照射をすることを繰り返し実施するものとすることができる。 A substrate processing apparatus according to the present invention includes a two-dimensional scanning means for two-dimensionally scanning a pulsed laser beam emitted from a laser irradiation device and irradiating a rectangular irradiation range of a predetermined area on an object, and a manipulator. Each time the laser irradiation device is moved by the irradiation range, the laser irradiation device can repeatedly irradiate the irradiation range.
本発明に係る下地処理装置は、レーザー照射装置から出射されるパルスレーザー光を一次元走査することにより所定の長さの線状にレーザー照射する一次元走査手段を備え、マニピュレータにてレーザー照射装置を線状レーザーとは垂直方向に連続的に移動させながら、レーザー照射装置にて繰り返し所定の長さの線状にレーザー照射するものとすることができる。 A substrate processing apparatus according to the present invention includes a one-dimensional scanning means for irradiating a line of a predetermined length by one-dimensionally scanning a pulsed laser beam emitted from a laser irradiation device, and a laser irradiation device operated by a manipulator. While moving continuously in the direction perpendicular to the linear laser, laser irradiation can be performed repeatedly in a linear form of a predetermined length with a laser irradiation device.
本発明に係る下地処理装置において、マニピュレータはロボットアームであり、レーザー照射装置によるレーザー照射位置を移動させて対象物の処理対象領域における付着物を除去する一連の下地処理作業動作を制御装置により自動制御するものとすることができる。 In the surface treatment apparatus according to the present invention, the manipulator is a robot arm, and the control device automatically performs a series of surface treatment operations for removing deposits on the processing target area of the object by moving the laser irradiation position of the laser irradiation device. can be controlled.
本発明に係る下地処理装置は、さらに、塗料剤、前処理用剤あるいは樹脂接着用の接着剤などの塗布剤を対象物に塗布するスプレーノズルなどの塗布装置を備え、塗布装置をマニピュレータで保持し、制御装置は、対象物に対してレーザー照射による下地処理作業が完了した領域に塗布剤にて塗布処理を施すように塗布装置を制御するものとすることができる。 The surface treatment apparatus according to the present invention further includes a coating device such as a spray nozzle for coating an object with a coating agent such as a coating agent, a pretreatment agent, or an adhesive for resin bonding, and the coating device is held by a manipulator. Alternatively, the control device may control the coating device so as to apply a coating agent to a region of the object that has been subjected to the base treatment operation by laser irradiation.
本発明に係る下地処理装置は、さらに、下地処理後の対象材の錆発生などの防止のために、レーザー照射に合わせて、空気中の酸素を遮断するためのガスを噴射させるスプレーあるいはノズルなどの吹き付け装置を備え、吹き付け装置をマニピュレータで保持し、制御装置は、対象物に対してレーザー照射による下地処理作業が完了した領域にガスの吹き付け処理を施すように制御するものとすることができる。 The surface treatment apparatus according to the present invention further includes a spray or nozzle for ejecting a gas for blocking oxygen in the air in accordance with the laser irradiation in order to prevent the generation of rust on the target material after the surface treatment. is provided with a spraying device, the spraying device is held by a manipulator, and the control device controls to perform gas spraying treatment on the area where the surface treatment work by laser irradiation has been completed on the object. .
本発明では、処理対象領域の表面形状や下地処理品質などに応じてレーザー光の照射条件を適切に設定したレーザー照射によって対象物の付着物を除去する下地処理作業を行うことができ、レーザー照射装置をロボットに持たせてレーザー照射によって対象物の付着物を除去する下地処理作業を行ことにより、レーザー照射による下地処理作業を自動化して、作業環境を改善するとともに、作業者の安全と健康を確保することができる。 According to the present invention, it is possible to perform a surface treatment operation for removing deposits on an object by laser irradiation in which the irradiation conditions of the laser beam are appropriately set according to the surface shape of the processing target area and the quality of the surface treatment. By having a robot hold the device and perform the surface treatment work that removes deposits on the target by laser irradiation, the surface treatment work by laser irradiation is automated, improving the working environment and improving the safety and health of the worker. can be ensured.
また、本発明では、照射するレーザー光の光軸が対象物の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御を行い、法線方向からのレーザー照射によって対象物の付着物を除去する下地処理作業を行うことにより、複雑な形状の対象物や大面積形状の対象物に対して、レーザー照射により確実に且つ効率よく表面処理を行うことができる。 Further, in the present invention, shape follow-up control is performed so that the optical axis of the irradiated laser light coincides with the normal direction of the surface position of the object, and deposits on the object are removed by laser irradiation from the normal direction. By performing the surface treatment work, it is possible to reliably and efficiently perform surface treatment by laser irradiation on an object having a complicated shape or an object having a large area shape.
本発明において、形状倣い制御は、対象物の三次元形状を計測する形状測定装置による測定結果から得られる対象物の三次元形状情報に基づいて、ロボットの下地処理作業軌道を修正することにより、任意形状の対象物の表面形状に倣ってロボットによりレーザー照射装置を移動させることで、所定の焦点距離とレーザー照射角度を適切に制御することができる。 In the present invention, the shape following control corrects the ground processing work trajectory of the robot based on the three-dimensional shape information of the object obtained from the measurement results of a shape measuring device that measures the three-dimensional shape of the object. A predetermined focal length and laser irradiation angle can be appropriately controlled by moving the laser irradiation device with a robot following the surface shape of an object having an arbitrary shape.
さらに、本発明では、対象物に対してレーザー照射による下地処理作業が完了した領域にプライマーや塗料などの塗布剤を塗布する塗布処理を施すことにより、黒皮の発生を防止することができる。また、樹脂接着用の接着剤などの塗布剤を対象物に塗布し、樹脂接着させることにより、対象物の補強をすることができる。 Furthermore, in the present invention, by applying a coating agent such as a primer or paint to the area of the object that has undergone the base treatment work by laser irradiation, it is possible to prevent the occurrence of black scale. In addition, the object can be reinforced by applying a coating agent such as an adhesive for resin bonding to the object and bonding the object with the resin.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that common constituent elements will be described by attaching common reference numerals in the drawings. Further, the present invention is not limited to the following examples, and can be arbitrarily modified without departing from the gist of the present invention.
本発明は、例えば図1のブロック図に示すような構成のレーザー照射装置10をロボットマニピュレータ20に持たせてレーザー照射によって対象物1の付着物を除去する下地処理作業を行うレーザー下地処理装置100に適用される。
The present invention is a laser
このレーザー下地処理装置100は、レーザー照射装置10、マニピュレータ20、形状測定装置30、形状処理装置40、制御装置50などからなる。
This laser
レーザー照射装置10は、レーザー発振部11と、このレーザー発振部11に光ファイバー12を介して接続されたレーザーヘッド部13からなる。このレーザー照射装置10は、制御装置50に備えられた統括制御部51により動作が制御され、レーザー発振部11によりレーザー光を発生し、レーザーヘッド部13から出射して、対象物1に照射する。
The
また、ロボットマニピュレータ20は、多関節のロボットアーム21を備え、ロボットアーム21の先端部21Aに上記レーザー照射装置10のレーザーヘッド部13とともに形状測定装置30が取り付けられている。
The
このロボットマニピュレータ20は、制御装置50に備えられたロボット制御部53による制御によって、上記ロボットアーム21の先端部21Aを、所定の作業範囲内を自由に移動させ、前方の実質的な立体角で任意の方向に向けることができるようになっている。
This
すなわち、上記ロボットアーム21の先端部21Aに取り付けられた上記レーザー照射装置10のレーザーヘッド部13は、上記ロボットマニピュレータ20の作業範囲内の任意の位置において、前方の実質的な立体角で任意の方向に向けてレーザー光を照射することができるようになっている。
That is, the
また、上記ロボットアーム21の先端部21Aに上記レーザー照射装置10のレーザーヘッド部13とともに取り付けられた形状測定装置30は、上記レーザー照射装置10のレーザーヘッド部13からレーザー光を照射する対象物1の表面の三次元形状を計測する。
Further, the
この形状測定装置30は、ステレオ撮像装置や三次元距離測定装置などからなり、対象物1の表面の三次元形状を計測して、その計測結果を形状処理装置40に供給するようになっている。
The
形状処理装置40では、形状測定装置30による測定結果から得られる対象物1の表面の三次元形状情報に基づいて、対象物1の処理対象領域におけるレーザー照射装置10によるレーザー照射位置での法線方向とレーザー照射位置までの距離を求める演算処理を行う。この形状処理装置40により得られた対象物1の処理対象領域におけるレーザー照射装置10によるレーザー照射位置での法線方向とレーザー照射位置までの距離の情報は、制御装置50に備えられた形状倣い制御部52に供給される。
In the
制御装置50は、統括制御部51、形状倣い制御部52、ロボット制御部53からなり、統括制御部51により形状倣い制御部52、ロボット制御部53の動作を制御するとともに、レーザー照射装置10の動作を制御して、このレーザー下地処理装置100による一連の下地処理作業動作を自動制御する。
The
すなわち、この制御装置50における統括制御部51は、上記ロボットアーム21の先端部21Aに取り付けられたレーザー照射装置10のレーザーヘッド部13が予め設定したロボットマニピュレータ20による下地処理作業軌道を通過するように、ロボット制御部53を制御するとともに、レーザー照射装置10の動作を制御して、このレーザー下地処理装置100による一連の下地処理作業動作を自動制御する。
That is, the
そして、この制御装置50における統括制御部51は、このレーザー下地処理装置100による一連の下地処理作業動作を自動制御するにあたり、形状処理装置40により得られた対象物1の処理対象領域におけるレーザー照射装置10によるレーザー照射位置での法線方向とレーザー照射位置までの距離の情報に基づいて、当初設定したロボットマニピュレータ20による下地処理作業軌道を修正する修正制御情報を生成するように形状倣い制御部52を制御する。
The
形状倣い制御部52は、統括制御部51による制御にしたがい、当初設定したロボットマニピュレータ20による下地処理作業軌道を修正する修正制御情報を生成してロボット制御部53に供給することにより、レーザー照射装置10により照射されるレーザー光の光軸が対象物1の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御を行う。
The shape following
ここで、レーザー照射装置10のレーザー発振部11が発生するレーザー光は、対象物1の付着物(例えば表面に塗布された塗料膜など)をレーザーアブレーションにより除去するのに必要なパワーを有するものであれば、連続光あるいはパルス光の何れであってもよく、制御装置50の統括制御部51により、対象物1の処理対象領域の表面形状や下地処理品質などに応じてレーザー光の照射条件を適切に設定したレーザー照射によって対象物1の付着物を除去する下地処理作業を行うことができる。
Here, the laser beam generated by the
すなわち、図1に示したレーザー下地処理装置100は、レーザー照射装置10と、レーザー照射装置10を保持し、対象物1の処理対象領域を含む作業領域内でレーザー照射装置10を移動させるロボットマニピュレータ20と、対象物1の三次元形状を計測する形状測定装置30と、形状測定装置30による測定結果から得られる対象物1の三次元形状情報に基づいて、対象物1の処理対象領域におけるレーザー照射装置10によるレーザー照射位置での法線方向とレーザー照射位置までの距離を求める演算処理を行う形状処理装置40と、形状処理装置40による演算結果に基づいて、レーザー照射装置10とロボットマニピュレータ20の動作を制御する制御装置50とを備え、制御装置50は、レーザー照射装置10により照射されるレーザー光の光軸が対象物10の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御を行う。
That is, the laser
このような構成のレーザー下地処理装置100では、対象物1の三次元形状を計測する形状測定装置30とともに対象物1にレーザーを照射するレーザー照射装置10をロボットマニピュレータ20により保持して、対象物1の処理対象領域を含む作業領域内で移動させ、形状測定装置30による測定結果から得られる対象物1の三次元形状情報に基づいて、対象物1の処理対象領域におけるレーザー照射装置10によるレーザー照射位置での法線方向とレーザー照射位置までの距離を求め、形状処理装置40による演算結果に基づいて、レーザー照射装置10とロボットマニピュレータ20の動作を制御して、レーザー照射装置10により照射されるレーザー光の光軸が対象物1の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御する下地処理方法を実施することができる。
In the laser
このレーザー下地処理装置100では、レーザー照射装置10をロボットマニピュレータ20に持たせてレーザー照射によって対象物1の付着物を除去する下地処理作業を行ことにより、レーザー照射による下地処理作業を自動化して、作業環境を改善するとともに、作業者の安全と健康を確保することができる。
In this laser
また、このレーザー下地処理装置100では、照射するレーザー光の光軸が対象物1の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御を行い、法線方向からのレーザー照射によって対象物1の付着物を除去する下地処理作業を行うことにより、複雑な形状の対象物や大面積形状の対象物1に対して、レーザー照射により確実に且つ効率よく表面処理を行うことができる。
Further, in this laser
このレーザー下地処理装置100における形状倣い制御は、対象物1の三次元形状を計測する形状測定装置30による測定結果から得られる対象物1の三次元形状情報に基づいて、ロボットマニピュレータ20の下地処理作業軌道を修正することにより、任意形状の対象物の表面形状に倣ってロボットマニピュレータ20によりレーザー照射装置10を移動させることで、所定の焦点距離とレーザー照射角度を適切に制御することができる。
The shape following control in this laser
ここで、上記レーザー下地処理装置100において、レーザー照射装置10により対象物1にパルスレーザー光を照射して、下地処理作業を行う場合、1パルス当たりのX軸方向及びY軸方向の送りピッチ(送り率αx及びαy)を適正に設定することにより、下地処理品質を制御することができ、レーザー照射条件は次のようにして最適化することができる。
Here, in the laser
すなわち、1パルス当たりのX軸方向及びY軸方向の送りピッチ(送り率αx及びαy)を適正に設定することにより、下地処理品質を制御することができる。 That is, by appropriately setting the feed pitches (feed rates α x and α y ) in the X-axis direction and Y-axis direction per pulse, the surface treatment quality can be controlled.
レーザー照射装置10のレーザーヘッド部13から対象物1に照射するパルスレーザー光の送り率αと下地処理品質の一つである錆の除去性能を試験した結果を図2に示すように、送り率αx及びαyを35%以下にすることにより、やや品質は低下するものの良好な条件を得ることができた。送り率αが25%以下であれば、さらに良好な条件を得ることができる。
FIG. 2 shows the result of testing the feed rate α of the pulsed laser light irradiated to the
ここで、送り率αx及びαyの定義を図3に示すように、レーザー照射装置10のレーザーヘッド部13から対象物1に照射するパルスレーザー光の照射点Oでのスポット径をDとし、1パルス当たりのX軸方向の送り量をΔXとしたX方向送り率αxは、
αx=(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100
であり、同様に、1パルス当たりのY軸方向の送り量をΔYとしたY方向送り率αyは、
αy=(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100
である。
Here, as shown in FIG. 3, the feed rates α x and α y are defined as follows: D is the spot diameter at the irradiation point O of the pulsed laser beam irradiated from the
αx = (ΔX/D) x 100 = (ΔY/D) x 100
Similarly, the Y-direction feed rate α y , where ΔY is the feed amount in the Y-axis direction per pulse, is
αy = (ΔX/D) x 100 = (ΔY/D) x 100
is.
すなわち、このレーザー下地処理装置100において、統括制御部51は、対象物1の状況や下地処理品質に応じて、レーザー照射のX軸方向の送り率αx及びY軸方向の送り率αyの最適値を上記条件
αx=(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100≦35%
αy=(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100≦35%
に基づいて設定し、設定された送り率αx及びαyの最適値にて下地処理作業を実行するように、ロボット制御部53によりロボットマニピュレータ20による下地処理作業の軌道制御を行うとともに、レーザー照射装置10のレーザー発振装置11により、設定された送り率αx及びαyの最適値に対応する所定のタイミング毎にパルスレーザー光を出射して、レーザーヘッド部13から対象物1に照射させる制御を行う。
That is, in the laser
αy = (ΔX/D) x 100 = (ΔY/D) x 100 ≤ 35%
, and the
ここで、本発明で用いる前記レーザー光の仕様としては、レーザー出力は100~500W、波長は1060~1100nmの範囲のパルスレーザー光が望ましい。レーザーパルスの繰り返し周波数は、50~150kHz、レーザースポット径Dは、50~200μm、レーザーエネルギ密度は、10~100J/cm2の範囲が望ましい。 Here, as specifications of the laser beam used in the present invention, a pulsed laser beam having a laser output of 100 to 500 W and a wavelength of 1060 to 1100 nm is desirable. Desirably, the laser pulse repetition frequency is 50 to 150 kHz, the laser spot diameter D is 50 to 200 μm, and the laser energy density is 10 to 100 J/cm 2 .
レーザー光の照射条件を見出した図2の試験結果について説明する。
図2は、レーザー照射による鋼材の黒皮(ミルスケール)の除去性能について調べた結果である。
The test results shown in FIG. 2, in which the irradiation conditions for the laser light were found, will be described.
FIG. 2 shows the results of examining the ability to remove millscale from steel materials by laser irradiation.
対象物1は、SS400(JIS G 3101:2010 一般構造用圧延鋼材)、寸法は、長さ50mm×幅50mm×厚6mmである。
The
レーザー照射装置には、前記記載の仕様範囲内のパルスレーザー光を出射するものを使用した。 As the laser irradiation device, one that emits a pulsed laser beam within the specification range described above was used.
図2は、レーザー照射条件としてX軸方向送り率αx及びY軸方向送り率αyを変更した組み合わせにより、前記対象物1の表面に設定した30mm×30mmの照射範囲を照射したときの対象材の表面性状を拡大率100倍の顕微鏡撮影並びに目視観察により確認した結果である。
FIG. 2 shows the target when the irradiation range of 30 mm × 30 mm set on the surface of the
ここで、表面状態として、黒皮がほぼ完全に削除できているものを○にて示した最良好範囲、一部残存するものを△にて示した良好範囲、かなりの部分に黒皮が残っているものを×にて示した不良範囲として整理した。 Here, as the surface condition, the best range indicated by ○ indicates that the black scale is almost completely removed, the good range indicated by △ indicates that the black scale is partially remaining, and the black scale remains in a considerable part. It was sorted out as a defective range indicated by x.
図2の結果から、送り率が35%以下であれば黒皮が良好に除去できていることが分かった。 From the results shown in FIG. 2, it was found that the scale was removed satisfactorily when the feed rate was 35% or less.
ここで、送り率は、単純に小さくすれば良いものではなく、送り率を小さくするほど、レーザー照射時間が長くなり、作業効率が低下する。したがって、表面品質(性状)が要求性能を満足する範囲において、できるだけ大きく設定することが重要である。 Here, it is not enough to simply reduce the feed rate, and the smaller the feed rate, the longer the laser irradiation time and the lower the work efficiency. Therefore, it is important to set it as large as possible within the range in which the surface quality (property) satisfies the required performance.
ここで、対象物1としては、前記図1に示す対象材のようなC形鋼で幅150mm、高さ100mm、長さ6000mmのもの、あるいは、幅200mm、高さ200mm、長さ6000mmのH型鋼などがあるが、これに限定するものではない。
Here, as the
これらの対象材のように長さの長い場合、ロボットアーム21の長さでは届かないことから、ロボットマニピュレータ20を対象材の長手方向に移動させながら下地処理をする必要がある。このような場合には、ロボットマニピュレータ20をラックアンドピニオン方式あるいはボールベアリング方式によるスライダーに乗せて、ロボットマニピュレータ20の長手方向位置制御を行う。図示しないが、統括制御部51が制御を行う。
In the case of long target materials such as these, since the length of the
また、ロボット制御部12は、下地処理作業前に予めロボットマニピュレータ20による下地処理作業の動作軌道が設定される。
In addition, the
そして、ロボット制御部12による制御により、予め設定された初期軌道に基づきロボットマニピュレータ20を動作させ、その際に、形状測定装置30により対象物1の表面の処理対象領域の三次元形状の測定を行い、その測定結果が形状処理装置40に送られる。
Then, under the control of the
形状処理装置40は、形状測定装置30による測定結果から得られる対象物1の三次元形状情報に基づいて、対象物1の処理対象領域におけるレーザー照射装置10によるレーザー照射位置での法線方向とレーザー照射位置までの距離を求める。
Based on the three-dimensional shape information of the
そして、形状処理装置40は、下地処理作業の軌道上の個々の点について、レーザー照射装置10によるレーザー照射位置での法線方向とレーザー照射位置までの距離を求めて形状倣い制御部52に供給する。
Then, the
形状倣い制御部52は、形状処理装置40から供給されるレーザー照射装置10によるレーザー照射位置での法線方向とレーザー照射位置までの距離の情報に基づいて、統括制御部51による制御にしたがい、当初設定したロボットマニピュレータ20による下地処理作業軌道を修正する修正制御情報を生成してロボット制御部53に供給することにより、レーザー照射装置10により照射されるレーザー光の光軸が対象物1の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御を行う。
The shape following
このレーザー下地処理装置100では、このような形状倣い制御を行うことによって、固定焦点のレーザーヘッド部13により、予め設定したレーザパワーのパルスレーザー光を対象物1の表面に法線方向からに照射して下地処理作業を適切に且つ確実に行うことができる。
In the laser
ここで、上記レーザー下地処理装置100において、レーザー照射装置10のレーザーヘッド部13には、図4に示すように、2つのモータ131X、131Yと2つのミラー132X、132Yからなる2軸のガルバノミラー機構130が設けられているものとすることができる。
Here, in the laser
この2軸のガルバノミラー機構130は、レーザー発振部11から光ファイバー12を介して供給されるレーザー光LをX軸方向とY軸方向に独立してレーザーの反射角度を変更させて走査することができるようになっている。
The two-
すなわち、ミラー132Xは、モータ131XによりZ軸周りに回転することにより、対象物1に照射するレーザー光LをX軸方向に走査する。
That is, the
また、ミラー132Yは、モータ131YによりX軸周りに回転することにより、対象物1に照射するレーザー光LをY軸方向に走査する。
Also, the
なお、上記2軸のガルバノミラー機構130における二つのミラー132X、132Yは、それぞれポリゴンミラーに置き換えることができる。
The two
すなわち、レーザー照射装置10のレーザーヘッド部13の位置を固定した状態で、所定の範囲内を照射することができるようになっている。
That is, in a state where the position of the
なお、ガルバノミラーやポリゴンミラーによる走査では光軸が法線方向と一致するのは一点のみで、レーザー光の焦点位置は円弧状に位置することになるので、この2軸のガルバノミラー機構130は、テレセントリックf-θレンズ(あるいはテレセントリックf-θレンズと同等の光学特性を有するテレセントリック光学系)133を介してレーザー光を対象物1に照射するようになっている。すなわち、カルバノミラー走査によるレーザー照射では、対象物1まで焦点距離が変化するので、レーザー処理能力の低下幅が小さい範囲内でレーザー光の照射位置を走査するように、レーザー照射範囲を制約する必要がある。
In scanning by a galvanometer mirror or a polygon mirror, the optical axis coincides with the normal direction only at one point, and the focal position of the laser beam is positioned in an arc. , a telecentric f-.theta. lens (or a telecentric optical system having optical characteristics equivalent to the telecentric f-.theta. In other words, in the laser irradiation by scanning the carbonometer mirror, the focal length changes to the
そして、このような2軸のガルバノミラー機構130によるレーザー照射方法について図5の(A)を用いて説明する。
Then, a laser irradiation method by such a
図5の(A)は、指定した四角形のレーザー照射範囲ARA内をY軸向の次にX軸向に走査する場合に2軸のガルバノミラー機構130のガルバノミラー132X,132Yによるレーザー照射のる状況を示す。
FIG. 5A shows the laser irradiation by the
この際、レーザー照射のY軸方向の送り率αyの最適値の条件
αy=(ΔY/D)×100≦35%
を満たすようにレーザー照射装置10のレーザーヘッド部13内のガルバノミラー132Yを動作させる。
At this time, the conditions for the optimum value of the feed rate α y in the Y-axis direction of laser irradiation α y = (ΔY/D) × 100 ≤ 35%
The
同様に、レーザー照射のX軸方向の送り率αxの最適値の条件
αx=(ΔX/D)×100≦35%
満たすようにレーザーヘッド部13内のガルバノミラー132Xを動作させる。
Similarly, the condition for the optimum value of the feed rate α x in the X-axis direction of laser irradiation α x = (ΔX/D) × 100 ≤ 35%
The
図5の(B)は、指定した四角形のレーザー照射範囲ARB内をX方向の次にY方向に照射する場合におけるガルバノミラー132X,132Yによるレーザー照射の状況を示す。 FIG. 5B shows the state of laser irradiation by the galvanometer mirrors 132X and 132Y when the specified rectangular laser irradiation range ARB is irradiated in the X direction and then in the Y direction.
すなわち、レーザー照射のX軸方向の送り率αxの最適値の条件
αx=(ΔX/D)×100≦35%
を満たすようにレーザー照射装置10のレーザーヘッド部13内のガルバノミラー132Xを動作させる。
That is, the condition for the optimum value of the feed rate α x in the X-axis direction of laser irradiation α x = (ΔX/D) × 100 ≤ 35%
The
同様に、レーザー照射のY軸方向の送り率αyの最適値の条件
αy=(ΔY/D)×100≦35%
満たすようにレーザーヘッド部13内のガルバノミラー132Yを動作させる。
Similarly, the condition for the optimum value of the laser irradiation feed rate α y in the Y-axis direction α y = (ΔY/D) × 100 ≤ 35%
The
このレーザー下地処理装置100では、ロボット制御部53によるロボットマニピュレータ20の軌道制御と、上記2軸のガルバノミラー機構130によるレーザー光の走査制御を組み合わせて、レーザー照射装置10のレーザーヘッド部13から対象物1の表面に照射するレーザーを走査することができる。
In this laser
そこで、ガルバノミラー機構130の動作に合わせたロボットマニピュレータ20による送り動作の連携について図5の(C),(D)を用いて説明する。
Therefore, the cooperation of the feed operation by the
次に、ロボットマニピュレータ20によるレーザー下地処理の方法について図5の(C),(D)を用いて説明する。
Next, a laser surface treatment method using the
ここでは、前記図1に示す対象物1のようなC形鋼の側面をレーザー下地処理する場合の2つの作業方法を説明する。
Two working methods are described here for the laser surface treatment of the sides of a C-section steel such as the
第1の作業方法では、図5の(C)に示すように、2軸のガルバノミラー機構130によるレーザー光の照射位置の走査範囲すなわち前記レーザー照射範囲の大きさを、例えば、50mm×50mmとした四角の基本面積で、C形鋼の側面をn分割の分割し、左上端点を(1,1)とし、X軸方向に50mm進んだ点を(1,2)とし、順次進めていき右方向の終端を(1,n)とする。
In the first working method, as shown in FIG. 5C, the scanning range of the irradiation position of the laser light by the
次に、Y方向下向きに50mm進んだ点を(2,n)とし、今度はX方向を左方向に50mm進んだ点を(2,n-1)とし、順次進めていき左方向の終点を(2,1)とする。
Next, the
以降同様に、右下の最終点(m,n)まで、この操作を実施する。 Thereafter, in the same manner, this operation is performed up to the final point (m, n) on the lower right.
ロボットマニピュレータ20の移動方法としては、上記点に基づき、左上点(1,1)からスタートし、斜線で示す照射範囲AR11を2軸のガルバノミラー機構130により走査して下地処理した後、次の(1,2)点にレーザーヘッド13を移動させ、同様に下地処理を実施する。
As a method of moving the
ここで、分割数m及びnは、前記幅150mm、高さ100mm、長さ6000mmのC形鋼であれば、当該側面は縦100mm、横6000mmの長方形であるので、m=2、n=120となる。同様に、幅200mm、高さ200mm、長さ6000mmのH型鋼では、当該側面は縦200mm、横6000mmの長方形であるので、m=4、n=120となる。 Here, the number of divisions m and n is 150 mm in width, 100 mm in height, and 6000 mm in length. becomes. Similarly, in an H-shaped steel with a width of 200 mm, a height of 200 mm, and a length of 6000 mm, the sides are rectangular with a length of 200 mm and a width of 6000 mm, so m=4 and n=120.
これらの対象物1では、横の長さが6000mmと長くなるので、当然、ロボットマニピュレータ20のロボットハンド21だけでは到達できないため、例えば、1000mmピッチ毎にロボットマニピュレータ20をX軸方向に移動させて同様の作業を実施する。
Since the horizontal length of these
また、第2の作業方法を図5の(D)に示す。 A second working method is shown in FIG. 5(D).
図5の(C)に示した第1の作業法では、レーザー照射範囲すなわちガルバノミラー機構130によるレーザー光の照射位置の走査範囲を四角形としたが、図5の(D)に示す第2の作業方法では、レーザー照射範囲を線状とした場合を説明する。
In the first working method shown in FIG. 5(C), the laser irradiation range, that is, the scanning range of the laser light irradiation position by the
第2の作業方法は、前記レーザー照射範囲すなわちガルバノミラー機構130によるレーザー光の照射位置の走査範囲を、例えばX軸方向1mm、Y軸方向50mmの縦線とし、X軸方向の移動は全てロボットマニピュレータ20で移動させる方法である。
In the second working method, the laser irradiation range, that is, the scanning range of the irradiation position of the laser light by the
つまり、ロボットマニピュレータ20により左上端点(1,1)からレーザーヘッド13をX軸方向(右方向)に1mmずつ移動させる毎に、ガルバノミラー機構130によりレーザー光の照射位置をY軸方向に50mm走査して、縦線状に下地処理を繰り返し実施して、点(1,n)に到達すると、Y軸方向下向きに50mm移動し、点(2,n)から点(2,1)までX軸方向(左方向)左方向に1mmずつロボットマニピュレータ20で移動させる毎に、ガルバノミラー機構130によりレーザー光の照射位置をY軸方向に50mm走査して、縦線状に下地処理を繰り返し実施する。この場合も、横の長さが6000mmある場合では、ロボットマニピュレータ20のロボットハンド21だけでは、到達できないため、ロボットハンドの移動に合わせて、ロボットマニピュレータ20自体をX軸方向に移動させる必要がある。
That is, every time the
また、本発明に係るレーザー下地処理装置は、図6に示すレーザー下地処理装置100Aのように、さらに、塗布剤を対象物1に塗布する塗布装置60を備えるものとすることができる。
Moreover, the laser surface treatment apparatus according to the present invention can further include a
塗布装置60は、塗布剤供給装置61と、この塗布剤供給装置61から供給管62を介してプライマーや塗料等の塗布剤が供給されるスプレーノズル63からなり、スプレーノズル63がロボットアーム21の先端部21Aに設置されている。
The
このレーザー下地処理装置100Aは上記レーザー下地処理装置100に塗布装置60を設けたものであって、塗布装置60以外の構成要素については、上記レーザー下地処理装置100と同じなので、同一符号を付して、その詳細な説明を省略する。
This laser
このレーザー下地処理装置100Aにおいて、塗布装置60は、制御装置50の統括制御部51により制御されて、下地処理作業後に対象物1に塗布剤を塗布する塗布処理を施すようになっている。すなわち、このレーザー下地処理装置100Aでは、制御装置50により、レーザー照射装置10、ロボットマニピュレータ20、塗布装置60の動作を制御して、図7のフローチャートに示す手順にしたがって、下地処理作業と塗布処理を実行する。
In this laser
すなわち、形状測定装置30により対象物1の表面の三次元形状を測定して、形状処理装置40にて三次元形状情報を取得し(ST1)、取得した対象物1の三次元形状情報に基づいて、レーザー照射装置10により照射されるレーザー光の光軸が対象物1の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御を行いながら、レーザー照射による下地処理作業を実行する(ST2)。
That is, the
対象物1の処理対象領域について下地処理作業を完了か否かを確認して(ST3)、下地処理作業を完了したら、レーザー照射装置10によるレーザー照射を停止して、塗布装置60の塗布剤供給装置61を起動する(ST4)。
It is confirmed whether or not the base treatment work is completed for the processing target area of the object 1 (ST3), and when the base treatment work is completed, the laser irradiation by the
そして、下地処理作業済みの対象物1の処理対象領域について、対象物の三次元形状情報に基づいて、形状倣い制御を行いながら、ロボットアーム21の先端部21Aに設置されているスプレーノズル63から塗布剤を噴霧して対象物の処理対象領域に塗布する塗布処理を実行する(ST5)。
Then, the
対象物1の処理対象領域について全て塗布処理を完了したか否かを確認して(ST6)、塗布処理を全て完了したら、塗布装置60の塗布剤供給装置61を停止して、一連の制御を終了する。
It is confirmed whether or not the coating process has been completed for all the processing target areas of the object 1 (ST6), and when the coating process is completed, the coating
このレーザー下地処理装置100Aでは、形状測定装置30による測定結果から得られる対象物1の三次元形状情報に基づいて、ロボットマニピュレータ20の下地処理作業軌道を修正することにより、任意形状の対象物1の表面形状に倣ってロボットマニピュレータ20によりレーザー照射装置10を移動させることで、所定の焦点距離とレーザー照射角度を適切に制御しながら、レーザー照射による下地処理作業を効率よく行い、さらに、対象物1に対してレーザー照射による下地処理作業が完了した領域にプライマーや塗料などの塗布剤を塗布する塗布処理を自動的に施すことができ、塗布処理により、レーザー下地処理した対象材の表目に再び錆が発生したり、活性化された表面性状が低下したりすることを防止することができる。
In this laser
ここで、このレーザー下地処理装置100Aにおけるレーザー下地処理から塗布処理への切り替えのタイミングは、最終製品の表面品質要求に応じて次のように決定する。
Here, the timing of switching from the laser surface treatment to the coating treatment in the laser
通常下地処理を完了した素材の表面は、単に表面の付着物だけが除去されただけではなく、表面に官能基などが現れた化学的に活性化した状態にあり、このような活性化した状態を活用して次の処理を実施する場合がある。 Generally, the surface of a material that has undergone surface treatment is not only free of contaminants on the surface, but also in a chemically activated state in which functional groups appear on the surface. may be used to perform the following processing:
このような場合では、下地処理したままの状況で長時間放置すると、表面に再び錆が発生したり、次の処理の性能が大幅に低下する場合があるので、下地処理完了から次の処理の開始まで時間を所定時間(処理切り替え時間)以内で処理を実施しなければならない。 In such a case, if the surface is left untreated for a long period of time, rust may occur again on the surface and the performance of the next treatment may be significantly reduced. The processing must be executed within a predetermined time (processing switching time) until the start.
そこで、前記図5の(C)で説明したレーザー下地処理作業においては、非常に短時間内で処理を切り替える必要がある場合には、左上点(1,1)から領域AR11のレーザー下地処理が完了した後即座に、点(1,1)から領域AR11の塗布処理を実施する。これが完了すると次に、点(1,2)から領域AR12のレーザー下地処理完了した後即座に、点(1,2)から領域AR12の塗布処理を実施するといったように一連の作業を最終点(m,n)まで繰り返し実施する。当然、照射範囲の大きさは、レーザー走査の時間が前記処理切り替え時間以内となる範囲に設定する必要があることは言うまでもない。 Therefore, in the laser surface treatment operation described in FIG. 5C, if it is necessary to switch the processing within a very short time, the laser surface treatment of the area AR 11 from the upper left point (1, 1) is completed, the coating process of the area AR11 from the point (1,1) is performed immediately. When this is completed, the series of operations is then finalized such that immediately after the laser surface treatment of the area AR12 from the point (1,2) is completed, the coating treatment of the area AR12 from the point (1,2) is performed. Repeat until point (m,n). Needless to say, the size of the irradiation range must be set so that the laser scanning time is within the process switching time.
次に、前記図5の(D)で説明したレーザー下地処理作業においては、ロボットマニピュレータ20により任意形状の対象物1の表面形状に倣って点(1,1)から領域AR1についてレーザーヘッド13をX方向移動させながら前記処理時間の間、レーザー下地処理を実施する。これが完了した後即座に、再び点(1,1)から領域AR1について塗布処理を実施する。この一連の作業を最終点(m,n)まで繰り返し実施する。
Next, in the laser base treatment operation described in FIG. 5D, the
当然ながら、処理切り替え時間が長くとれるような場合には、対象物1の処理対象面全体のレーザー下地処理を完了した後で、続く塗布処理作業に切り替えて実施すればよい。この方が、処理の切り替えが少なく効率的である。
As a matter of course, if the processing switching time can be long, the subsequent coating processing operation can be performed after completing the laser surface treatment of the entire processing target surface of the
また、ここでは、後続処理が塗布処理の場合を説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、中間処理であるプライマー塗布処理や、樹脂などを接着させるための接着剤の塗布処理がある。更に、下地処理後の対象材の錆発生などの防止のために、レーザー照射に合わせて、空気中の酸素を遮断するためのガス(窒素ガスなど)を噴射させながらレーザー照射することも考えられる。 Also, here, the case where the subsequent process is the coating process has been described, but the present invention is not limited to this. be. Furthermore, in order to prevent the generation of rust on the target material after surface treatment, it is conceivable to irradiate the laser while injecting a gas (nitrogen gas, etc.) to block oxygen in the air in conjunction with the laser irradiation. .
すなわち、本発明に係るレーザー下地処理装置は、さらに、下地処理後の対象材の錆発生などの防止のために、レーザー照射に合わせて、空気中の酸素を遮断するためのガスを噴射させるスプレーあるいはノズルなどの図示しない吹き付け装置を備え、吹き付け装置をマニピュレータで保持し、制御装置は、対象物に対してレーザー照射による下地処理作業が完了した領域に前記ガスの吹き付け処理を施すように制御するものとすることができる。 That is, the laser surface treatment apparatus according to the present invention further includes a spray that jets a gas for blocking oxygen in the air in accordance with the laser irradiation in order to prevent the generation of rust on the target material after the surface treatment. Alternatively, a spraying device (not shown) such as a nozzle is provided, the spraying device is held by a manipulator, and the control device controls the gas to be sprayed onto an area of the object on which the base treatment work by laser irradiation has been completed. can be
1 対象物、10 レーザー照射装置、11 レーザー発振部、12 光ファイバー、13 レーザーヘッド部、20 ロボットマニピュレータ、21 ロボットアーム、21A 先端部、30 形状測定装置、40 形状処理装置、50 制御装置、51 統括制御部、52 形状倣い制御部、53 ロボット制御部、60 塗布装置、61 塗布剤供給装置、62 供給管、63 スプレーノズル、100、100A レーザー下地処理装置、130 ガルバノミラー機構、131X、131Y モータ、132X、132Y ミラー、133 テレセントリックf-θレンズ
1 Object, 10 Laser Irradiator, 11 Laser Oscillator, 12 Optical Fiber, 13 Laser Head, 20 Robot Manipulator, 21 Robot Arm, 21A Tip, 30 Shape Measuring Device, 40 Shape Processing Device, 50 Control Device, 51
Claims (14)
前記対象物の三次元形状を計測する形状測定装置とともに前記対象物にレーザー光を照射するレーザー照射装置をマニピュレータにより保持して、前記対象物の処理対象領域を含む作業領域内で移動させ、
前記形状測定装置による測定結果から得られる前記対象物の三次元形状情報に基づいて、前記対象物の処理対象領域における前記レーザー照射装置によるレーザー照射位置での法線方向と前記レーザー照射位置までの距離を求め、
前記形状処理装置による演算結果に基づいて、前記レーザー照射装置と前記マニピュレータの動作を制御して、前記レーザー照射装置により照射されるレーザー光の光軸が前記対象物の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御し、
対象物の処理前の表面性状および処理後の表面性状への要求性能に応じてレーザー照射条件を適切に設定し、前記レーザー照射装置によりパルスレーザー光を照射して実施することを特徴とする下地処理方法。 A surface treatment method for removing deposits on an object by laser irradiation,
A shape measuring device that measures the three-dimensional shape of the object and a laser irradiation device that irradiates the object with a laser beam are held by a manipulator and moved within a work area including a processing target region of the object,
Based on the three-dimensional shape information of the object obtained from the measurement result by the shape measuring device, the normal direction at the laser irradiation position by the laser irradiation device in the processing target area of the object and the laser irradiation position find the distance
The operation of the laser irradiation device and the manipulator is controlled based on the calculation result by the shape processing device so that the optical axis of the laser light irradiated by the laser irradiation device is aligned with the normal direction of the surface position of the object. Shape following control to match,
A substrate characterized in that the laser irradiation conditions are appropriately set according to the performance required for the surface texture of the object before processing and the surface texture after processing, and the laser irradiation device is used to irradiate a pulsed laser beam. processing method .
1パルス毎にX軸方向又はY軸方向にレーザー照射位置を移動させ、
前記パルスレーザー光の照射点でのスポット径をDとし、1パルス当たりのX軸方向の送り量をΔXとしたX方向送り率αx=(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100及びY軸方向の送り量をΔYとした送り率αy=(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100を35%以下にしたことを特徴とする請求項1に記載の下地処理方法。 A pulsed laser beam is irradiated by the laser irradiation device,
moving the laser irradiation position in the X-axis direction or the Y-axis direction for each pulse,
D is the spot diameter at the irradiation point of the pulsed laser beam, and ΔX is the feed amount in the X-axis direction per pulse. 100 and the feed rate α y =(ΔX/D)×100=(ΔY/D)×100, where ΔY is the feed amount in the Y -axis direction, is set to 35% or less. Processing method.
前記レーザー照射装置によるレーザー照射位置を移動させて前記対象物の処理対象領域における付着物を除去する一連の下地処理作業動作を自動制御することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の下地処理方法。 the manipulator is a robot arm,
5. The apparatus according to any one of claims 1 to 4 , wherein a series of base treatment operations for removing deposits on the processing target region of the object by moving the laser irradiation position of the laser irradiation device are automatically controlled. 1. The base treatment method according to item 1.
レーザー照射装置と、
前記レーザー照射装置を保持し、前記対象物の処理対象領域を含む作業領域内で前記レーザー照射装置を移動させるマニピュレータと、
前記対象物の三次元形状を計測する形状測定装置と、
前記形状測定装置による測定結果から得られる前記対象物の三次元形状情報に基づいて、前記対象物の処理対象領域における前記レーザー照射装置によるレーザー照射位置での法線方向と前記レーザー照射位置までの距離を求める演算処理を行う形状処理装置と、
前記形状処理装置による演算結果に基づいて、前記レーザー照射装置と前記マニピュレータの動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記レーザー照射装置により照射されるレーザー光の光軸が前記対象物の表面位置における法線方向と一致するように形状倣い制御し、
前記レーザー照射装置は、対象物の処理前の表面性状および処理後の表面性状への要求性能に応じてレーザー照射条件が設定され、パルスレーザー光を照射することを特徴とする下地処理装置。 A surface treatment apparatus for removing deposits on an object by laser irradiation,
a laser irradiation device;
a manipulator that holds the laser irradiation device and moves the laser irradiation device within a work area including a processing target area of the object;
a shape measuring device that measures the three-dimensional shape of the object;
Based on the three-dimensional shape information of the object obtained from the measurement result by the shape measuring device, the normal direction at the laser irradiation position by the laser irradiation device in the processing target area of the object and the laser irradiation position a shape processing device that performs arithmetic processing to obtain a distance;
a control device that controls operations of the laser irradiation device and the manipulator based on the result of calculation by the shape processing device;
with
The control device performs shape-following control so that the optical axis of the laser light irradiated by the laser irradiation device is aligned with the normal direction of the surface position of the object,
A substrate processing apparatus, wherein the laser irradiation apparatus irradiates a pulsed laser beam under laser irradiation conditions set according to the performance required for the surface properties of an object before processing and the surface properties after processing.
前記マニピュレータにて前記レーザー照射装置を前記照射範囲部分だけ移動させる毎に、前記レーザー照射装置により前記照射範囲にレーザー照射をすることを繰り返し実施することを特徴とする請求項8又は請求項9のいずれか1項に記載の下地処理装置。 A two-dimensional scanning means for two-dimensionally scanning a pulsed laser beam emitted from the laser irradiation device to irradiate a rectangular irradiation range of a predetermined area of the object,
10. Each time the manipulator moves the laser irradiation device by the irradiation range, the laser irradiation device irradiates the irradiation range with the laser repeatedly. The substrate treatment apparatus according to any one of items 1 and 2.
前記マニピュレータにて前記レーザー照射装置を線状レーザーとは垂直方向に連続的に移動させながら、前記レーザー照射装置にて繰り返し所定の長さの線状にレーザー照射することを特徴とする請求項8又は請求項9のいずれか1項に記載の下地処理装置。 A one-dimensional scanning means for one-dimensionally scanning the pulsed laser light emitted from the laser irradiation device to irradiate the laser in a line of a predetermined length,
8. The manipulator continuously moves the laser irradiation device in a direction perpendicular to the linear laser, and the laser irradiation device repeatedly irradiates the laser in a linear shape of a predetermined length. Or the substrate treatment apparatus according to claim 9 .
前記レーザー照射装置によるレーザー照射位置を移動させて前記対象物の処理対象領域における付着物を除去する一連の下地処理作業動作を前記制御装置により自動制御することを特徴とする請求項8乃至請求項11のいずれか1 項に記載の下地処理装置。 the manipulator is a robot arm,
8. The controller automatically controls a series of surface treatment operations for removing deposits on the processing target region of the object by moving the laser irradiation position of the laser irradiation device. 12. The substrate treatment apparatus according to any one of 11 .
前記塗布装置をマニピュレータで保持し、
前記制御装置は、前記対象物に対して前記レーザー照射による下地処理作業が完了した領域に前記塗布剤にて塗布処理を施すように前記塗布装置を制御することを特徴とする請求項8乃至請求項11のいずれか1項に記載の下地処理装置。 Furthermore, an application device such as a spray nozzle for applying a coating agent such as a paint agent, a pretreatment agent, or an adhesive agent for resin bonding to the object,
Holding the coating device with a manipulator,
8. The control device controls the coating device so as to apply the coating agent to a region of the object on which the base treatment work by the laser irradiation has been completed. Item 12. The substrate processing apparatus according to any one of Item 11 .
前記吹き付け装置を前記マニピュレータで保持し、
前記制御装置は、前記対象物に対して前記レーザー照射による下地処理作業が完了した領域に前記ガスの吹き付け処理を施すように前記吹き付け装置を制御することを特徴とする請求項8乃至請求項11のいずれか1項に記載の下地処理装置。 In addition, in order to prevent rusting of the target material after surface treatment, it is equipped with a blowing device such as a spray or nozzle that injects gas to block oxygen in the air in accordance with the laser irradiation.
holding the spraying device with the manipulator;
12. The control device controls the blowing device so as to blow the gas onto a region of the object on which the base treatment work by the laser irradiation has been completed . The substrate treatment apparatus according to any one of 1.
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