JP7393934B2

JP7393934B2 - レーザ溶接システム及び加工条件登録方法

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Publication number: JP7393934B2
Application number: JP2019226220A
Authority: JP
Inventors: 和隆佐藤
Original assignee: Amada Co Ltd
Current assignee: Amada Co Ltd
Priority date: 2019-12-16
Filing date: 2019-12-16
Publication date: 2023-12-07
Anticipated expiration: 2039-12-16
Also published as: JP2021094569A

Description

本発明は、板金に対してレーザ溶接を行うためのレーザ溶接システム、及び未登録の板金の加工条件を登録するための加工条件登録方法に関する。

レーザ溶接システムは、板金に対してレーザ溶接を行うレーザ溶接機と、様々な加工データ等を記憶するデータベースとを備えている。データベースには、複数の板金の加工条件が板金の材質毎、板金の板厚毎、及び加工形態毎に登録されている。加工条件には、加工速度、レーザビーム（レーザ光）の出力、レーザビームの周波数、レーザビームのデューティ比、シールドガスの圧力等が含まれる。また、レーザ溶接システムは、選択した加工条件に基づいて、レーザ溶接機を制御する制御装置を備えている。

なお、本発明に関連する先行技術として特許文献１に示すものがある。

特開平１０－１５６７８号公報

ところで、データベースに加工条件が登録されていない未登録の板金に対してレーザ溶接を行う場合がある。このような場合には、レーザ溶接システムのユーザが加工試験専門の技術者に未登録の板金について加工試験を依頼し、その技術者が未登録の板金に適した加工条件を見出している。未登録の板金に適した加工条件は、加工条件記憶部としてのデータベースに登録される。

しかしながら、未登録の板金に適した加工条件を見出すための作業は熟練を要し、非常に厄介である。そのため、未登録の板金に適した加工条件をデータベースに登録するまでに多くの時間を要し、様々な板金のレーザ溶接を早期に開始することは困難であるとう問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決するため、加工試験専門の技術者に頼ることなく、未登録の板金に適した加工条件を見出すことができる、新規なレーザ溶接システム及び加工条件登録方法を提供することを目的とする。

第１実施形態に係るレーザ溶接システムは、加工パラメータを含む加工条件と板金の板厚と加工形態との関係を板金の材質毎に記憶する加工条件記憶部と、板金の材質毎に記憶された加工条件と板金の板厚と加工形態との関係を参照しつつ、未登録の板金に近い材質の板金の加工条件であって、前記未登録の板金の加工形態と同じ加工形態でかつ前記未登録の板金と同じ板厚又は近い板厚の加工条件を選択する加工条件選択部と、選択された加工条件に基づいて、その加工条件の加工パラメータを変化させながら、レーザ溶接機を制御して前記未登録の板金に対して加工試験（加工試験としてのレーザ溶接）を行う溶接制御部と、前記レーザ溶接機の加工ヘッド周辺の温度を検出する温度センサと、選択された加工条件の加工パラメータが変化する度に、前記温度センサからの検出結果に基づいて、前記未登録の板金の加工試験の良否を判定する加工判定部と、前記未登録の板金の加工試験が良好であると判定されるときのいずれかの加工パラメータ（加工パラメータの値）を特定して、前記未登録の板金の加工条件を前記加工条件記憶部に登録する加工条件登録部と、を備える。

第１実施態様に係るレーザ溶接システムによると、前記加工条件選択部は、前記未登録の板金に近い材質の板金の加工条件であって、前記未登録の板金の加工形態と同じ加工形態でかつ前記未登録の板金と同じ板厚又は近い板厚の加工条件を選択する。次に、前記溶接制御部は、選択された加工条件に基づいて、その加工条件の加工パラメータを変化させながら、レーザ溶接機を制御して前記未登録の板金に対して加工試験を行う。前記温度センサは、前記レーザ溶接機の加工ヘッド周辺の温度を検出する。前記加工判定部は、選択された加工条件の加工パラメータが変化する度に、前記温度センサからの検出結果に基づいて、前記未登録の板金の加工試験の良否を判定する。そして、前記加工条件登録部は、前記未登録の板金の加工試験が良好であると判定されるときのいずれかの加工パラメータを特定して、前記未登録の板金の加工条件を前記加工条件記憶部に登録する。

つまり、第１実施形態に係るレーザ溶接システムによると、加工試験専門の技術者に頼ることなく、前記未登録の板金に適した加工条件を見出して、前記未登録の板金に適した加工条件を前記加工条件記憶部に登録することができる。

第２実施形態に係る加工条件登録方法においては、板金の材質毎に記憶された加工パラメータを含む加工条件と板金の板厚と加工形態との関係を参照しつつ、未登録の板金に近い材質の板金の加工条件であって、前記未登録の板金の加工形態と同じ加工形態でかつ前記未登録の板金と同じ板厚又は近い板厚の加工条件を選択し、選択された加工条件に基づいて、その加工条件の加工パラメータを変化させながら、レーザ溶接機を制御して前記未登録の板金に対して加工試験（加工試験としてのレーザ溶接）を行い、選択された加工条件の加工パラメータが変化する度に、温度センサで検出した前記レーザ溶接機の加工ヘッド周辺の温度に基づいて、前記未登録の板金の加工試験の良否を判定し、前記未登録の板金の加工試験が良好であると判定されるときのいずれかの加工パラメータを特定して前記未登録の板金の加工条件を加工条件記憶部に登録する。

第２実施形態に係る加工条件登録方法によると、加工試験専門の技術者に頼ることなく、前記未登録の板金に適した加工条件を見出して、前記未登録の板金に適した加工条件を前記加工条件記憶部に登録することができる。

本発明によれば、未登録の板金に適した加工条件を加工条件記憶部に登録するまでの時間を短縮して、様々な板金のレーザ溶接を早期に開始することができる。

図１は、本実施形態に係るレーザ溶接システムの主要部の模式的な斜視図である。図２は、本実施形態に係るレーザ溶接システムの制御ブロック図である。図３は、板金の材質がA5052である場合における加工条件テーブルを示す図である。図４（ａ）は、突き合わせた状態の未登録の板金に対して加工試験を行う前の様子を示す斜視図である。図４（ｂ）は、突き合わせた状態の未登録の板金に対して加工試験を行った後の様子を示す斜視図である。図５（ａ）は、直角に合わせた状態の未登録の板金に対して加工試験を行う前の様子を示す斜視図である。図５（ｂ）は、直角に合わせた状態の未登録の板金に対して加工試験を行った後の様子を示す斜視図である。

以下、本実施形態について図１から図５を参照して説明する。

なお、本願の明細書において、「設けられる」とは、直接的に設けられることの他に、別部材を介して間接的に設けられることを含む意である。「Ｘ軸方向」とは、水平方向の１つであって、本発明の実施形態にあっては左右方向のことである。「Ｙ軸方向」とは、Ｘ軸方向に直交する水平方向の１つであって、本発明の実施形態にあっては前後方向のことである。「Ｚ軸方向」とは、鉛直方向（上下方向）のことである。また、図面中、「ＦＦ」は前方向、「ＦＲ」は後方向、「Ｌ」は左方向、「Ｒ」は右方向、「Ｕ」は上方向、「Ｄ」は下方向をそれぞれ指している。

図１に示すように、本実施形態に係るレーザ溶接システム１０は、例えば突き合わせた板金Ｗに対してレーザ溶接を行うための加工システムである。レーザ溶接システム１０は、板金Ｗを載置する載置台１２を備えており、載置台１２の適宜位置には、板金Ｗを載置台１２に対してセットするための治具（図示省略）が設けられている。

レーザ溶接システム１０は、板金Ｗに対してレーザ溶接を行うレーザ溶接機１４を備えており、レーザ溶接機１４は、溶接ロボット１６を主要な構成要素としている。溶接ロボット１６は、載置台１２の後方に設置したガイドフレーム１８にＸ軸方向へ移動可能に設けられている。また、溶接ロボット１６は、多関節のロボットアーム２０を備えており、ロボットアーム２０の先端部には、板金Ｗに向かってレーザビーム（レーザ光）を照射する筒状の加工ヘッド２２が設けられている。加工ヘッド２２は、ロボットアーム２０の動作によってＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向へ移動する。レーザ溶接機１４は、レーザビームを発振（出力）するファイバレーザ発振器又はＹＡＧレーザ発振器等のレーザ発振器２４を備えており、レーザ発振器２４は、加工ヘッド２２に光学的に接続されている。

加工ヘッド２２の外側には、反射板（熱伝導板）２６が設けられており、反射板２６は、純銅又は銅合金からなる。反射板２６の適宜位置には、加工ヘッド２２周辺の温度を検出する温度センサ２８が設けられている。温度センサ２８によって検出される温度が低い程、スパッタの量が少なく、板金Ｗのレーザ溶接が良好である。また、加工ヘッド２２の適宜位置には、レーザ溶接に生じた粉塵を取入れる粉塵ダクト３０が設けられている。粉塵ダクト３０には、その内部に取入れた粉塵の量（粉塵量）を検出する粉塵量検出器３２が接続されている。粉塵量検出器３２によって検出される粉塵量が少ない程、スパッタの量が少なく、板金Ｗのレーザ溶接が良好である。

図２に示すように、レーザ溶接システム１０は、様々な加工データ等を記憶するデータベース３４を備えている。データベース３４には、複数の板金Ｗの加工条件が板金Ｗの材質毎、板金Ｗの板厚毎、及び加工形態毎に登録されており、データベース３４は、加工条件記憶部３６としての機能を有する。ここで、加工条件には、加工速度、レーザビームの出力、レーザビームの周波数、レーザビームのデューティ比、シールドガスの圧力、レーザビームの焦点位置、レーザビームのビームパラメータ積（Beam Parameter Products）、ウィービング速度、フィラーワイヤの供給速度が含まれる。なお、加工条件は、加工速度等の複数の要素に限定されるものでなく、加工速度等の複数の要素から一部の要素を削除したり、他の要素を追加したりしてもよい。

図２及び図３に示すように、加工条件記憶部３６は、加工パラメータを含む加工条件と板金Ｗの板厚と加工形態との関係を示す加工条件テーブルＴを板金Ｗの材質毎に記憶する。そして、加工条件記憶部３６に記憶された様々な加工条件テーブルＴのうち、一例として、板金Ｗの材質が材料記号A5052のアルミニウム合金である場合の加工条件テーブルＴ（A5052）について簡単に説明すると、次のようになる。

図３に示すように、加工条件テーブルＴ（A5052）中における第１加工形態は、例えば、板金Ｗ（図１参照）の溶接部の美観を重視した加工形態である。第１加工形態においては、加工条件のうち、加工速度、レーザビームの出力、レーザビームの周波数、レーザビームのデューティ比、及びシールドガスの圧力がそれぞれ固定値として設定されている。図３の加工条件テーブルＴ（A5052）中における「△」は、固定値であることを表している。第１加工形態においては、ウィービング速度及びフィラーワイヤの供給速度がそれぞれゼロとして設定されている。第１加工形態においては、レーザビームの焦点位置が加工パラメータα₁として設定されており、レーザビームのビームパラメータ積が加工パラメータβ₁として設定されている。

加工条件テーブルＴ（A5052）中における第２加工形態は、例えば、板金Ｗの溶接強度を重視した加工形態である。第２加工形態においては、加工条件のうち、レーザビームの周波数、レーザビームのデューティ比、シールドガスの圧力、及びレーザビームのビームパラメータ積がそれぞれ固定値として設定されている。図３の加工条件テーブルＴ（A5052）中における「□」は、固定値であることを表している。第２加工形態においては、加工速度が加工パラメータγ₁として設定されており、レーザビームの出力が加工パラメータδ₁として設定されている。レーザビームの焦点位置が加工パラメータα₂として設定され、ウィービング速度が加工パラメータλ₁として設定されており、フィラーワイヤの供給速度が加工パラメータμ₁として設定されている。

加工条件テーブルＴ（A5052）中における第３加工形態は、例えば、溶接ビードによって板金Ｗ間の隙間を埋める加工形態である。第３加工形態においては、加工条件のうち、加工速度、レーザビームの出力、レーザビームの周波数、レーザビームのデューティ比、シールドガスの圧力、及びレーザビームのビームパラメータ積がそれぞれ固定値として設定されている。図３の加工条件テーブルＴ（A5052）中における「▽」は、固定値であることを表している。第３加工形態においては、レーザビームの焦点位置が加工パラメータα₃として設定されており、ウィービング速度が加工パラメータλ₂として設定されている。フィラーワイヤの供給速度が加工パラメータμ₂として設定されている。

加工条件テーブルＴ（A5052）中における第４加工形態は、例えば、高速溶接に適した加工形態である。第４加工形態においては、加工条件のうち、レーザビームの周波数、レーザビームのデューティ比、シールドガスの圧力がそれぞれ固定値として設定されている。図３の加工条件テーブルＴ（A5052）中における「◇」は、固定値であることを表している。第４加工形態においては、ウィービング速度及びフィラーワイヤの供給速度がそれぞれゼロとして設定されている。第４加工形態においては、加工速度が加工パラメータγ₂として設定されており、レーザビームの出力が加工パラメータδ₂として設定されている。レーザビームの焦点位置が加工パラメータα₄として設定されており、レーザビームのビームパラメータ積が加工パラメータβ₂として設定されている。

なお、各加工形態は、突き合わせ継手、角継手等の溶接継手の種類に応じて細分化してもよい。

図１及び図２に示すように、レーザ溶接システム１０は、レーザ溶接機１４（溶接ロボット１６及びレーザ発振器２４）を制御する制御装置３８を備えており、制御装置３８は、コンピュータによって構成されている。制御装置３８は、加工プログラム及び加工試験プログラム等を記憶するメモリと、加工プログラム及び加工試験プログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）とを有している。制御装置３８には、温度センサ２８、粉塵量検出器３２、及びデータベース３４が接続されている。また、制御装置３８には、様々な加工データ等を入力する入力部４０が接続されており、入力部４０は、タッチパネル、キーボード、及びマウス等からなる。入力部４０は、オペレータの入力操作に基づいて、データベース３４（加工条件記憶部３６）に加工条件が登録されていない未登録の板金Ｗの材質、板厚、及び加工形態等を入力する。

制御装置３８のＣＰＵは、加工試験プログラムを実行することにより、加工条件選択部４２、溶接制御部４４、加工判定部４６、及び加工条件登録部４８としての機能を有する。そして、制御装置３８のＣＰＵの各機能の具体的な内容は、次の通りである。

図１から図３に示すように、加工条件選択部４２は、板金の材質毎に記憶された加工条件テーブルＴの中から、入力された未登録の板金Ｗの材質に近い材質の板金の加工条件テーブルＴを選択する。加工条件選択部４２は、選択した加工条件テーブルＴを参照しつつ、入力された未登録の板金Ｗの加工形態と同じ加工形態で、かつ入力された未登録の板金Ｗの板厚と同じ板厚又は近い板厚の加工条件を選択する。例えば、未登録の板金Ｗの材質が材料記号A5054のアルミニウム合金であって、未登録の板金Ｗの加工形態が第１加工形態であって、未登録の板金Ｗの板厚が0.8mmである場合に、加工条件選択部４２は、加工条件テーブルＴ（A5052）を選択する。加工条件選択部４２は、加工条件テーブルＴ（A5052）を参照しつつ、加工形態が第１加工形態に設定されかつ板金Ｗの板厚が1.0mmに設定された所定の加工条件を選択する。ここでは0.8mmに最も近い1.0mmの加工条件を選択しているが、例えば0.8mmに近い２つの板厚の加工条件を選択してもよい。

溶接制御部４４は、選択された加工条件に基づいて、その加工条件の加工パラメータを変化させながら、レーザ溶接機１４を制御して未登録の板金Ｗに対して加工試験（加工試験としてのレーザ溶接）を行う。例えば、加工条件テーブルＴ（A5052）中の前記所定の加工条件が選択された場合に、溶接制御部４４は、前記所定の加工条件に基づいて、加工パラメータα₁、β₁としてのレーザビームの焦点位置、ビームパラメータ積を変化させながら、レーザ溶接機１４を制御して未登録の板金Ｗに対して加工試験を行う。なお、変化させる加工パラメータの値、及び加工試験の試験時間は、加工条件毎に予め設定されている。

なお、未登録の板金Ｗに対して加工試験を行う前に、例えば、図４（ａ）に示すように、未登録の板金Ｗを突き合わせた状態で載置台１２（図１参照）に対してセットする。又は、図５（ａ）に示すように、未登録の板金Ｗを直角に合わせた状態で載置台１２に対してセットする。未登録の板金Ｗに対して加工試験を行うと、図４（ｂ）及び図５（ｂ）に示すように、未登録の板金Ｗに複数の接合部Ｗｊが形成される。

図１から図３に示すように、加工判定部４６は、選択された加工条件の加工パラメータが変化する度に、温度センサ２８及び粉塵量検出器３２からの検出結果に基づいて、未登録の板金Ｗの加工試験の良否を総合的に判定する。例えば、加工条件テーブルＴ（A5052）中の前記所定の加工条件が選択された場合に、加工判定部４６は、加工パラメータα₁、β₁としてのレーザビームの焦点位置、ビームパラメータ積が変化する度に、温度センサ２８によって検出される温度が温度閾値を超えているか否かについて判定する。加工判定部４６は、加工パラメータα₁、β₁としてのレーザビームの焦点位置、ビームパラメータ積が変化する度に、粉塵量検出器３２によって検出される粉塵量が粉塵量閾値を超えているか否かについて判定する。そして、加工判定部４６は、温度センサ２８によって検出される温度が温度閾値を超えないで、かつ粉塵量検出器３２によって検出される粉塵量が粉塵量閾値を超えないこと条件として、未登録の板金Ｗの加工試験が良好であると判定する。温度閾値、粉塵量閾値等の判定閾値は、未登録の板金Ｗの加工試験の良否を判定するために加工条件毎に予め設定されている。

なお、加工判定部４６は、温度センサ２８及び粉塵量検出器３２からの検出結果についてそれぞれ重み付けて、未登録の板金Ｗの加工試験の良否を判定してもよい。加工判定部４６は、温度センサ２８及び粉塵量検出器３２からの検出結果のうちの一方の検出結果のみに基づいて、未登録の板金Ｗの加工試験の良否を判定してもよい。また、加工判定部４６は、カメラ（図示省略）によって撮像された無登録の板金Ｗの溶接部の画像と、良好な溶接部の参照画像（図示省略）をパターンマッチングにより比較することにより、未登録の板金Ｗの加工試験の良否を判定してもよい。

加工条件登録部４８は、未登録の板金Ｗの加工試験が最も良好であると判定されるときの加工パラメータ（加工パラメータの値）を特定して、未登録の板金Ｗの加工条件を加工条件記憶部３６に登録する。換言すれば、加工条件登録部４８は、未登録の板金Ｗの加工試験の試験結果に基づいて、加工パラメータを特定して未登録の板金Ｗの加工条件を加工条件記憶部３６に登録する。例えば、加工条件テーブルＴ（A5052）中の前記所定の加工条件が選択された場合に、未登録の板金Ｗの加工試験が最も良好であると判定されるときの加工パラメータα₁、β₁としてのレーザビームの焦点位置、ビームパラメータ積を特定して、未登録の板金Ｗの加工条件を加工条件記憶部３６に登録する。

加工条件登録部４８は、未登録の板金Ｗの加工試験が最も良好であると判定されるときの加工パラメータの代わりに、良好であると判定されるときのいずれかの加工パラメータを特定してもよい。加工条件登録部４８は、加工判定部４６の判定結果を用いることなく、作業者が目視によって判断した登録の板金Ｗの加工試験の試験結果を基づいて、加工パラメータを特定して未登録の板金Ｗの加工条件を加工条件記憶部３６に登録してもよい。

続いて、本実施形態に係る加工条件登録方法を含めて、本実施形態の作用効果について説明する。本実施形態に加工条件登録方法は、未登録の板金の加工条件を登録するための方法であり、加工条件選択ステップ、溶接制御ステップ、加工判定ステップ、及びを備えている。

入力部４０は、オペレータの入力操作に基づいて、未登録の板金Ｗの材質、板厚、及び加工形態を入力する。すると、加工条件選択部４２は、入力された未登録の板金Ｗの材質に近い材質の板金の加工条件テーブルＴを選択する。そして、加工条件選択部４２は、選択した加工条件テーブルＴを参照しつつ、入力された未登録の板金Ｗの加工形態と同じ加工形態で、かつ入力された未登録の板金Ｗの板厚と同じ板厚又は近い板厚の加工条件を選択する（加工条件選択ステップ）。

その後、溶接制御部４４は、選択された加工条件に基づいて、その加工条件の加工パラメータを変化させながら、レーザ溶接機１４を制御して未登録の板金Ｗに対して加工試験を行う（溶接制御ステップ）。また、加工判定部４６は、選択された加工条件の加工パラメータが変化する度に、温度センサ２８及び粉塵量検出器３２からの検出結果に基づいて、未登録の板金Ｗの加工試験の良否を総合的に判定する（加工判定ステップ）。そして、加工条件登録部４８は、未登録の板金Ｗの加工試験が最も良好であると判定されるときの加工パラメータ（加工パラメータの値）を特定して、未登録の板金Ｗの加工条件を加工条件記憶部３６に登録する（加工条件登録ステップ）。

つまり、本実施形態に係るレーザ溶接システム１０によると、加工試験専門の技術者に頼ることなく、未登録の板金Ｗに適した加工条件を見出して、未登録の板金Ｗに適した加工条件を加工条件記憶部３６に登録することができる。

従って、本実施形態によれば、未登録の板金Ｗに適した加工条件を加工条件記憶部３６に登録するまでの時間を大幅に短縮して、様々な板金Ｗのレーザ溶接を早期に開始することができる。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限るものでなく、適宜の変更を行うことにより、その他、様々な態様で実施可能である。そして、本発明に包含される権利範囲は、前述の実施形態に限定されないものである。

１０レーザ溶接システム
１２載置台
１４レーザ溶接機
１６溶接ロボット
１８ガイドフレーム
２０ロボットアーム
２２加工ヘッド
２４レーザ発振器
２６反射板（熱伝導板）
２８温度センサ
３０粉塵ダクト
３２粉塵量検出器
３４データベース
３６加工条件記憶部
３８制御装置
４０入力部
４２加工条件選択部
４４溶接制御部
４６加工判定部
４８加工条件登録部
Ｗ板金
Ｔ加工条件テーブル

Claims

加工パラメータを含む加工条件と板金の板厚と加工形態との関係を板金の材質毎に記憶する加工条件記憶部と、
板金の材質毎に記憶された加工条件と板金の板厚と加工形態との関係を参照しつつ、未登録の板金に近い材質の板金の加工条件であって、前記未登録の板金の加工形態と同じ加工形態でかつ前記未登録の板金と同じ板厚又は近い板厚の加工条件を選択する加工条件選択部と、
選択された加工条件に基づいて、その加工条件の加工パラメータを変化させながら、レーザ溶接機を制御して前記未登録の板金に対して加工試験を行う溶接制御部と、
前記レーザ溶接機の加工ヘッド周辺の温度を検出する温度センサと、
選択された加工条件の加工パラメータが変化する度に、前記温度センサからの検出結果に基づいて、前記未登録の板金の加工試験の良否を判定する加工判定部と、
前記未登録の板金の加工試験が良好であると判定されるときのいずれかの加工パラメータを特定して、前記未登録の板金の加工条件を前記加工条件記憶部に登録する加工条件登録部と、
を備えたことを特徴とするレーザ溶接システム。
板金の材質毎に記憶された加工パラメータを含む加工条件と板金の板厚と加工形態との関係を参照しつつ、未登録の板金に近い材質の板金の加工条件であって、前記未登録の板金の加工形態と同じ加工形態でかつ前記未登録の板金と同じ板厚又は近い板厚の加工条件を選択し、
選択された加工条件に基づいて、その加工条件の加工パラメータを変化させながら、レーザ溶接機を制御して前記未登録の板金に対して加工試験を行い、
選択された加工条件の加工パラメータが変化する度に、温度センサで検出した前記レーザ溶接機の加工ヘッド周辺の温度に基づいて、前記未登録の板金の加工試験の良否を判定し、
前記未登録の板金の加工試験が良好であると判定されるときのいずれかの加工パラメータを特定して前記未登録の板金の加工条件を加工条件記憶部に登録することを特徴とする加工条件登録方法。