JP7378067B2 - レーザ切断ロボットの制御方法、ロボットシステム及びレーザ切断システム - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光の照射によりワークを切断するレーザ切断ロボットの制御方法、ロボットシステム及びレーザ切断システムに関する。

特許文献１には、レーザ光の照射によりワークを切断するレーザ切断システムとして、集光レンズの焦点と前記ワークとの距離を一定に保つように切断トーチを移動させる倣い制御を行うものが開示されている。

特開平２－４６９９２号公報

ところで、レーザ光の照射によりワークを切断するために、ベース部と、少なくとも１つの関節部を有し、前記ベース部に基端が固定されたロボットアームと、レーザ発振器により出射されたレーザ光を照射位置に集光する集光レンズを有する加工ヘッドと、前記ロボットアームの先端に固定され、前記加工ヘッドを支持するとともに、前記加工ヘッドを前記光軸方向に移動させるヘッド駆動機構とを備えたレーザ切断ロボットを使用することが考えられる。このようなレーザ切断ロボットでは、前記ベース部と前記ロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が長くなると、集光レンズの焦点と前記ワークとの距離を一定に保つ倣い制御の実行中に、加工ヘッドの移動によりロボットアームの先端に振動が大きく生じ、ドロスの生成等の切断不良を招く。

また、ロボットアームの先端の振動に起因する切断不良を低減するために、加工ヘッドの移動速度を大幅に低くすると、タクトタイムが長くなる。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、タクトタイムを抑制しつつ、切断不良を低減することにある。

本発明は、レーザ光の照射によりワークを切断するレーザ切断ロボットの制御を対象とし、次のような解決手段を講じた。

すなわち、第１～第４の発明は、前記レーザ切断ロボットは、ベース部と、少なくとも１つの関節部を有し、前記ベース部に基端が固定されたロボットアームと、レーザ発振器により出射されたレーザ光を集光する集光レンズ、及び当該集光レンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動機構を有する加工ヘッドと、前記ロボットアームの先端に固定され、前記加工ヘッドを支持するとともに、前記加工ヘッドを前記光軸方向に移動させるヘッド駆動機構とを有しており、前記集光レンズの焦点と前記ワークとの距離を一定に保つように前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御する倣い制御の実行中、前記ベース部と前記ロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が長くなる程、前記集光レンズの光軸方向の移動量における前記レンズ駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が高くなるとともに、前記ヘッド駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が低くなるように、前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御することを特徴とする。

これにより、ベース部とロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が長くなると、ヘッド駆動機構の駆動による加工ヘッド全体の移動量を減らし、加工ヘッドの一部だけを大きく移動させるので、集光レンズの移動速度を大幅に低くしなくても、ロボットアームの先端の振動を抑制できる。したがって、タクトタイムを抑制しつつ、ロボットアームの先端の振動に起因する切断不良を低減できる。

また、第２の発明は、前記レンズ駆動機構は、前記集光レンズを第１平均速度で前記光軸方向に移動させ、前記ヘッド駆動機構は、前記加工ヘッドを前記第１平均速度よりも高い第２平均速度で前記光軸方向に移動させることを特徴とする。

これにより、ベース部とロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が短くなると、ヘッド駆動機構の駆動による集光レンズの移動量、すなわち第１平均速度よりも高い第２平均速度での移動量が増えるので、タクトタイムを短縮できる。

本発明によれば、タクトタイムを抑制しつつ、ロボットアームの先端の振動に起因する切断不良を抑制できる。

本発明の実施形態に係るレーザ切断システムの構成を示す概略図である。 ピエゾアクチュエータ及び集光レンズの斜視図である。 制御装置による制御動作のフローチャートである。 ベース部とロボットアームの先端との距離の水平成分と、集光レンズの移動量におけるピエゾアクチュエータの駆動による集光レンズの移動量の割合、及び集光レンズの移動量における一軸アクチュエータの駆動による集光レンズの移動量の割合との関係を示すグラフである。 ピエゾアクチュエータの駆動により集光レンズを移動させる前後における加工ヘッド先端周りの状態を示す概略図であり、（ａ）は、移動前の状態を示し、（ｂ）は、移動後の状態を示す。 一軸アクチュエータの駆動により加工ヘッドを移動させる前後における加工ヘッド先端周りの状態を示す概略図であり、（ａ）は、移動前の状態を示し、（ｂ）は移動後の状態を示す。

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に示すように、本発明の実施形態に係るレーザ切断システム１は、レーザ発振器３と、光ファイバ５と、ロボットシステム７とを備えている。

レーザ発振器３は、発振によりレーザ光Ｌを出射する。

光ファイバ５は、レーザ発振器３により出射されたレーザ光Ｌをロボットシステム７の加工ヘッド１３（後述）に導く。

ロボットシステム７は、ベース部９と、６軸の多関節型のロボットアーム１１と、加工ヘッド１３と、静電容量式センサ電極１５と、ヘッド駆動機構としての一軸アクチュエータ１７と、制御装置１９とを備えている。ベース部９と、ロボットアーム１１と、加工ヘッド１３と、センサ電極１５と、一軸アクチュエータ１７とが、レーザ切断ロボット２１を構成する。

ロボットアーム１１の基端は、ベース部９に接続され、ロボットアーム１１の先端には、一軸アクチュエータ１７を介して加工ヘッド１３が取り付けられている。

加工ヘッド１３は、レーザ発振器３により出射されて光ファイバ５によって加工ヘッド１３に導かれたレーザ光ＬをワークＷに照射する。加工ヘッド１３は、上下方向に延びる略円筒状のケース１３ａを備え、当該ケース１３ａが加工ヘッド１３の外表面を構成している。

ケース１３ａの内部には、図２に示す円筒状のレンズ駆動機構としてのピエゾアクチュエータ１３ｂがその軸方向をケース１３ａの長手方向（上下方向）に沿わせた状態で収容されている。ピエゾアクチュエータ１３ｂの下端部は、ケース１３ａに固定されている。このピエゾアクチュエータ１３ｂは、入力電圧に応じて所定の伸縮速度で軸方向に伸縮する。ピエゾアクチュエータ１３ｂの上端側の面には、集光レンズ１３ｃの外周部が固定されている。この集光レンズ１３ｃは、レーザ発振器３により出射されて光ファイバ５によって加工ヘッド１３に導かれたレーザ光Ｌを集光する。ピエゾアクチュエータ１３ｂは、入力電圧に応じた伸縮動作により、集光レンズ１３ｃを所定の第１平均速度Ｖ１で光軸方向（上下方向）に移動させる。

また、加工ヘッド１３のノズル側の端部には、ワークＷとの前記光軸方向の距離に応じた静電容量値を計測値として得るセンサ電極１５が設けられている。

一軸アクチュエータ１７は、ロボットアーム１１の先端に固定され、加工ヘッド１３を支持するとともに、加工ヘッド１３を前記第１平均速度Ｖ１よりも高い第２平均速度Ｖ２で集光レンズ１３ｃの光軸方向に移動させる。一軸アクチュエータ１７は、加工ヘッド１３が固定されるスライダ部品１７ａと、当該スライダ部品１７ａを昇降させる本体装置１７ｂとで構成される。本体装置１７ｂは、スライダ部品１７ａに貫通形成されたねじ孔に螺合するねじ軸１７ｃと、当該ねじ軸１７ｃを回転させるモータ（図示せず）とで構成される。

制御装置１９は、センサ電極１５の計測値に基づいて、集光レンズ１３ｃの焦点Ｆ（図５参照）とワークＷとの距離を一定に保つようにピエゾアクチュエータ１３ｂ及び一軸アクチュエータ１７を制御する倣い制御を実行する。制御装置１９は、ピエゾアクチュエータ１３ｂの入力電圧を制御することにより、センサ電極１５に対する集光レンズ１３ｃの相対位置を制御する。制御装置１９は、センサ電極１５に対する集光レンズ１３ｃの相対位置、すなわち加工ヘッド１３における集光レンズ１３ｃの位置を認識できる。制御装置１９の機能は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）によって実現される。

ここで、図３を参照して、制御装置１９による倣い制御実行中の動作の詳細を説明する。

まず、（Ｓ１０１）において、制御装置１９は、センサ電極１５とワークＷとの光軸方向の距離と、センサ電極１５により計測される静電容量値との関係を示す関係データを取得する。

次に、（Ｓ１０２）において、制御装置１９は、センサ電極１５により計測された静電容量値を取得する。センサ電極１５により計測される静電容量値は、センサ電極１５とワークＷとの光軸方向の距離、及び加工ヘッド１３とワークＷとの光軸方向の距離に応じたものとなる。

そして、（Ｓ１０３）において、制御装置１９は、（Ｓ１０１）で取得した関係データと（Ｓ１０２）で取得した静電容量値とに基づいて、現在のセンサ電極１５とワークＷとの光軸方向の距離を算出する。

次に、（Ｓ１０４）において、制御装置１９は、（Ｓ１０３）で算出した距離と、現在の加工ヘッド１３における集光レンズ１３ｃの位置とに基づいて、集光レンズ１３ｃの焦点Ｆの現在位置と目標焦点位置との差分を算出する。

次に、（Ｓ１０５）において、制御装置１９は、（Ｓ１０４）で算出した差分に応じて、集光レンズ１３ｃの焦点Ｆが目標焦点位置に位置するように必要移動量を算出する。

次に、（Ｓ１０６）において、制御装置１９は、ベース部９とロボットアーム１１の先端との距離の水平成分ＨＬを取得する。そして、当該水平成分ＨＬに基づいて、前記集光レンズ１３ｃの光軸方向の移動量におけるピエゾアクチュエータ１３ｂの駆動による移動量の割合Ｐ１と、前記集光レンズ１３ｃの光軸方向の移動量における一軸アクチュエータ１７の駆動による移動量の割合Ｐ２とを決定する。具体的には、図４に示すように、水平成分ＨＬが６００ｍｍ未満である場合には、割合Ｐ１，Ｐ２の両方を５０％とする。また、水平成分ＨＬが６００～１６００ｍｍである場合には、水平成分ＨＬが長くなる程、割合Ｐ１が高くなるとともに、割合Ｐ２が低くなるように割合Ｐ１，Ｐ２を決定する。また、水平成分ＨＬが１６００ｍｍを超える場合には、割合Ｐ１を１００％とするとともに、割合Ｐ２を０％とする。

そして、（Ｓ１０７）において、制御装置１９は、（Ｓ１０５）で算出した必要移動量のうち（Ｓ１０６）で決定した割合Ｐ１分の移動量だけ第１平均速度Ｖ１で集光レンズ１３ｃを移動させるように、ピエゾアクチュエータ１３ｂを駆動させる。具体的には、必要移動量のうち（Ｓ１０６）で決定した割合Ｐ１分の移動量だけピエゾアクチュエータ１３ｂを伸縮させる。図５中、Ｍ１は、集光レンズ１３ｃの移動量を示し、ＳＨ１は、焦点Ｆの移動量を示す。また、必要移動量のうち（Ｓ１０６）で決定した割合Ｐ２分の移動量だけ第２平均速度Ｖ２で加工ヘッド１３を移動させるように、一軸アクチュエータ１７を駆動させる。図６中、Ｍ２は、集光レンズ１３ｃを内蔵する加工ヘッド１３の移動量を示し、ＳＨ２は、焦点Ｆの移動量を示す。

例えば、ベース部９とロボットアーム１１の先端との距離の水平成分ＨＬが、８００ｍｍである場合には、（Ｓ１０６）において、集光レンズ１３ｃの移動量におけるピエゾアクチュエータ１３ｂの駆動による移動量の割合Ｐ１が６０％に決定されるとともに、集光レンズ１３ｃの移動量における一軸アクチュエータ１７の駆動による移動量の割合Ｐ２が４０％に決定される。そして、（Ｓ１０７）において、必要移動量のうち６０％の移動量だけ集光レンズ１３ｃを移動させるように、制御装置１９の制御によってピエゾアクチュエータ１３ｂが駆動する。また、必要移動量のうち４０％の移動量だけ加工ヘッド１３を移動させるように、制御装置１９の制御によって一軸アクチュエータ１７が駆動する。

また、ベース部９とロボットアーム１１の先端との距離の水平成分ＨＬが、１２００ｍｍである場合には、（Ｓ１０６）において、集光レンズ１３ｃの移動量におけるピエゾアクチュエータ１３ｂの駆動による移動量の割合Ｐ１が８０％に決定されるとともに、集光レンズ１３ｃの移動量における一軸アクチュエータ１７の駆動による移動量の割合Ｐ２が２０％に決定される。そして、（Ｓ１０７）において、必要移動量のうち８０％の移動量だけ集光レンズ１３ｃを移動させるように、制御装置１９の制御によってピエゾアクチュエータ１３ｂが駆動する。また、必要移動量のうち２０％の移動量だけ加工ヘッド１３を移動させるように、制御装置１９の制御によって一軸アクチュエータ１７が駆動する。

制御装置１９が、上記（Ｓ１０１）～（Ｓ１０７）の動作を、目標焦点位置を一定の位置に設定した状態で繰り返すことにより、集光レンズ１３ｃの焦点ＦとワークＷとの距離が一定に保たれる。なお、制御装置１９が、（Ｓ１０１）の動作を最初に１回だけ行い、（Ｓ１０２）～（Ｓ１０７）の動作だけを繰り返すようにしてもよい。

したがって、本実施形態によれば、ベース部９とロボットアーム１１の先端との距離の水平成分ＨＬが長くなると、一軸アクチュエータ１７の駆動による加工ヘッド１３全体の移動量を減らし、加工ヘッド１３の一部だけを大きく移動させるので、集光レンズ１３ｃの移動速度を大幅に低くしなくても、ロボットアーム１１の先端の振動を抑制できる。したがって、タクトタイムを抑制しつつ、ロボットアーム１１の先端の振動に起因する切断不良を低減できる。

また、ベース部９とロボットアーム１１の先端との距離の水平成分ＨＬが短くなると、一軸アクチュエータ１７の駆動による集光レンズ１３ｃの移動量、すなわち第１平均速度Ｖ１よりも高い第２平均速度Ｖ２での移動量が増えるので、タクトタイムを短縮できる。

なお、本実施形態では、集光レンズ１３ｃを光軸方向にピエゾアクチュエータ１３ｂにより移動させたが、ピエゾアクチュエータ１３ｂ以外のレンズ駆動機構により移動させてもよい。

また、本実施形態では、加工ヘッド１３を集光レンズ１３ｃの光軸方向に一軸アクチュエータ１７によって移動させたが、一軸アクチュエータ１７以外のヘッド駆動機構により移動させてもよい。

また、本実施形態では、（Ｓ１０６）において、ベース部９とロボットアーム１１の先端との距離の水平成分ＨＬが長くなる程、割合Ｐ１が高くなるとともに、割合Ｐ２が低くなるように割合Ｐ１，Ｐ２を決定した。しかし、ベース部９とロボットアーム１１の先端との距離自体が長くなる程、割合Ｐ１が高くなるとともに、割合Ｐ２が低くなるように割合Ｐ１，Ｐ２を決定してもよい。また、ロボットアーム１１の所定の長さに対する伸長率が高くなる程、割合Ｐ１が高くなるとともに、割合Ｐ２が低くなるように割合Ｐ１，Ｐ２を決定してもよい。

本発明のレーザ切断ロボットの制御方法、ロボットシステム、及びレーザ切断システムは、タクトタイムを抑制しつつ、ロボットアームの先端の振動に起因する切断不良を抑制でき、レーザ光の照射によりワークを切断するレーザ切断ロボットの制御方法、ロボットシステム及びレーザ切断システムとして有用である。

１ レーザ切断システム
３ レーザ発振器
７ ロボットシステム
９ ベース部
１１ ロボットアーム
１３ 加工ヘッド
１３ｂ ピエゾアクチュエータ（レンズ駆動機構）
１３ｃ 集光レンズ
１７ 一軸アクチュエータ（ヘッド駆動機構）
１９ 制御装置
２１ レーザ切断ロボット
Ｆ 焦点
Ｌ レーザ光
Ｗ ワーク
Ｖ１ 第１平均速度
Ｖ２ 第２平均速度
Ｐ１，Ｐ２ 割合

Claims (4)

1. レーザ光の照射によりワークを切断するレーザ切断ロボットの制御方法であって、
   前記レーザ切断ロボットは、ベース部と、
   少なくとも１つの関節部を有し、前記ベース部に基端が固定されたロボットアームと、
   レーザ発振器により出射されたレーザ光を集光する集光レンズ、及び当該集光レンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動機構を有する加工ヘッドと、
   前記ロボットアームの先端に固定され、前記加工ヘッドを支持するとともに、前記加工ヘッドを前記光軸方向に移動させるヘッド駆動機構とを有しており、
   前記集光レンズの焦点と前記ワークとの距離を一定に保つように前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御する倣い制御の実行中、前記ベース部と前記ロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が長くなる程、前記集光レンズの光軸方向の移動量における前記レンズ駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が高くなるとともに、前記ヘッド駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が低くなるように、前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御することを特徴とするレーザ切断ロボットの制御方法。
2. 請求項１に記載のレーザ切断ロボットの制御方法において、
   前記レンズ駆動機構は、前記集光レンズを第１平均速度で前記光軸方向に移動させ、
   前記ヘッド駆動機構は、前記加工ヘッドを前記第１平均速度よりも高い第２平均速度で前記光軸方向に移動させることを特徴とするレーザ切断ロボットの制御方法。
3. レーザ光の照射によりワークを切断するロボットシステムであって、
   ベース部と、
   少なくとも１つの関節部を有し、前記ベース部に基端が固定されたロボットアームと、
   レーザ発振器により出射されたレーザ光を集光する集光レンズ、及び当該集光レンズを光軸方向に移動させるレンズ駆動機構を有する加工ヘッドと、
   前記ロボットアームの先端に固定され、前記加工ヘッドを支持するとともに、前記加工ヘッドを前記光軸方向に移動させるヘッド駆動機構とを有するレーザ切断ロボット、及び
   前記集光レンズの焦点と前記ワークとの距離を一定に保つように前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御する倣い制御の実行中、前記ベース部と前記ロボットアームの先端との距離、又は当該距離の水平成分が長くなる程、前記集光レンズの光軸方向の移動量における前記レンズ駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が高くなるとともに、前記ヘッド駆動機構の駆動による集光レンズの移動量の割合が低くなるように、前記レンズ駆動機構及び前記ヘッド駆動機構を制御する制御装置を備えていることを特徴とするロボットシステム。
4. 請求項３に記載のロボットシステムと、
   前記レーザ発振器とを備えたレーザ切断システム。

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