JPH02108489A - 多関節型レーザロボットの手首機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レーザ光を出射して溶接、切断、パリ取り等
の産業用途に利用されるレーザロボットに関し、特に、
多関節型レーザロボットにおけるレーザ集光、出射ユニ
ットを有したロボット手首の改良構造に関する。

〔従来の技術〕

レーザ光を利用した溶接、材料切断、鋳物や成形加工品
のパリ取り等をマニピュレータやロボットの無人動作に
より行うレーザロボットが従来から種々提供されている
。マニピュレータ式としては、門型に組んだ機枠に沿っ
て水平面内で直交２軸方向に又該水平面に垂直な方向に
も移動するレーザ出射ユニットを具備した門型レーザ加
工機が有り、平面ワークに対する溶接等のレーザ加工処
理に有効に利用されている。また、ロボット式としては
、直交座標型ロボットにより、水平面内で直交する２軸
方向に、又該２軸と直交する他の１軸方向に集光ユニッ
トを移動させてワーク表面に溶接等のレーザ加工処理を
施すようにしたものが有る。前者の門型レーザ加工機及
び後者の直交座標型レーザロボットは共に平面形状のワ
ークに対しては距離センサーを用いて距離設定を行うこ
とにより、高精度のレーザ加工処理を遂行し得る利点を
有するが、複雑な３次元立体形状品のコーナ一部等に対
してはレーザ出射、集光ユニットの先端を当該コーナ一
部に接近させることが困難又は不可能となる不利がある
。しかも、前者の門型レーザ加工機では門型機枠内に設
けたテーブル上にワークを設置してレーザ加工工程が遂
行されるため、工場ラインのワークルートに設置して用
いることが困難で、オフラインで使用しなければならな
い不利も有る。

これらの不利を克服するレーザロボットとして多関節型
レーザロボットはその多関節可動部の先端域、即ちロボ
ット手首にレーザ集光、出射ユニットを設け、多関節に
よる多軸口りに動作自由度を有することから複雑な立体
形状品等の隅部に対してもレーザ出射ユニットの先端を
接近させてレーザ加工処理を施し得る利点がある。

〔発明が解決すべき課題〕

然しなから、多関節型レーザロボットにおいては、その
ロボット可動部の位置や姿勢を変えるためには多数の関
節軸回りに回転動作させて総合的にロボット先端部を目
的地点に到達させる方式にあるため、各軸まわりの微小
な動作遅れ等のつみ重から、連続したレーザ加工処理過
程におき、各瞬間毎に常にレーザ出射口とワーク間の距
離を高精度に維持することが困難であり、周知の光セン
サー型の距離検出器で距離データを得てもこれに追従さ
せることは困難となって、高精度のレーザ加工を期待し
得ない問題が有る。しかも、上記距離センサーでワーク
上の加工位置を検出して誤差補正をしようとしても迅速
な立ち上がりで各関節軸回りに動作させなければリアル
タイムに補正することができないが、多関節ロボットの
旋回胴、やロボット腕等はそれ等自体のイナーシャが大
きいために、動作の立ち上がり速度には限界があり、故
に、結局は補正動作に遅れが生じて完全な補正が行い得
ない問題がある。この結果、例えば、半導体ウェハーの
切断等の高精度を要求するレーザ加工処理に利用するに
は不適切であると言う解決課題がある。

依って、本発明の目的は、多関節型ロボットにおける上
述の課題を解決し得る構造を有した多関節型レーザロボ
ットを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、レーザ集光、出射ユニット
を有したロボット手首における改良構造を提供して上述
の課題を解決することにある。

〔解決手段と作用〕

本発明に依れば、ロボット旋回胴の頂部に第１のロボッ
ト腕を揺動可能に設け、該第１ロボット腕の先端に第２
のロボット腕を仰伏動可能にかつ腕の軸心回りに回転可
能に設け、該第２ロボット腕の先端にはレーザ出射口を
有した集光ユニットを具備するロボット手首を備えて成
る多関節型レーザロボットにおいて、前記ロボット手首
は、前記第２ロボット腕に設けられた第１、第２の中空
回転軸を経て伝達される第１、第２の回転入力を伝動機
構により変換することにより、レーザ出射方向に対して
直交するｌ軸回りに前記集光ユニットを旋回可能にし、
かつ該レーザ出射方向に前記集光ユニットを前後動可能
にした多関節型レーザロボットの手首機構を提供し、上
記集光ユニットの前後動により、被加工ワークの加工位
置に対する距離補正を距離センサーからの測定データに
基づいて遂行するようにしたものである。なお、上記ロ
ボット手首は、上記第２ロボット腕の中空回転軸内に形
成されたレーザ光路に連通した中空し−ザ光路を形成す
る中空軸群を有し、これら中空軸群が上記の伝動機構の
回転軸要素及び回転−直動変換機構を構成しているので
ある。以下、本発明を添付図面に示す実施例に基づいて
、更に、詳細に説明する。

〔実施例〕

さて、第１図は、本発明に係る多関節型レーザロボット
のレーザ集光ユニットを有した手首の構造の詳細を示す
断面図であり、第２図は同手首を備えた多関節型レーザ
ロボットの全体外観と基本的動作軸の配置を示した側面
図である。

先ず、第２図を参照すると、多関節型レーザロボットの
典型例が示されており、同ロボット１０は、使用現場の
床面に設置されるベース１２、このベース１２の上に縦
軸線（θ軸線）回りに旋回可能なロボット旋回円１４、
この旋回胴１４の頂部に枢着されて水平軸線（Ｗ軸線）
回りに揺動可能な第１のロボット腕１６、この第１のロ
ボット腕１６の先端に枢着されてＷ軸線と平行な他の水
平軸線（Ｕ軸線）回りに仲秋回転可能であると共に前腕
部１８ａは腕長さ方向の軸線（γ軸線）回りに回転可能
な第２のロボット腕１８、この第２のロボット腕１８の
前腕部１８ａの先端に結合されるロボット手首２０とを
具備して構成され、該ロボット手首２０はその先端にレ
ーザ光の集光、出射を行う集光ユニット２２を備えてい
るものである。上記の構成において、図示されていない
が各軸＆ｉ　（θ軸線〜γ軸線）回りの回転性の動作は
全て夫々がサーボモータから成る駆動モータによって生
起される構成にあり、駆動モータの配置に就いては、既
に多関節型ロボットの分野で周知である。また、本多関
節型ロボットはレーザロボットとして形成されているか
ら、レーザ光源１００から発せられたレーザ光を反射鏡
１０４を内蔵した適宜のレーザ光導管１０２によってロ
ボットベース１２から機体内に導入し、中空構造により
レーザ光路を内部に形成してロボット胴１４、第１、第
２ロボット腕１６．１８内をレーザ光を進行させるよう
に形成されている。

さて、本実施例の多関節型レーザロボット１０のロボッ
ト手首２０は、第２図に図示のように、集光ユニット２
２から外部前方に向けて出射するレーザ光出射方向に対
して直交する軸線（β軸線）回りに回転可能であると共
に後述に詳細に説明するように集光ユニット２２が前後
に直動可能に形成され、従って、集光ユニット２２がレ
ーザ出射方向と一致する軸線に沿って前後（これを以下
にはＺ軸方向とする）に直動可能に構成されているので
ある。集光ユニット２２は被加工ワークの加工位置まで
の正確な距離を測定する周知の距離センサー２４（光を
発射して反射光を受光検知するタイプ）が出射口とワー
ク（第２図に図示なし）の加工位置との間の精密な距離
を測定するために設けられている。

次に第１図を参照すると、同図は、ロボット手首２０の
詳細な構造を図示しており、第２ロボット腕１８の前腕
部１８ａに適宜手段によって第１の手首ケース２８ａが
結合、固定さている。第２ロボット腕１８の内部には、
２本の回転軸３０ａ１３０ｂが同軸配置により設けられ
、外側中空軸３０ａは後端に設けられた歯車３２と駆動
モータＭβの出力軸に取付けられた小歯車３４との噛合
により該駆動モータＭβにより回転駆動され、ロボット
手首２０のβ軸回転のドライブ軸を形成している。

他方、内側中空軸３０ｂは、内部がレーザ光の導管路を
形成し、後端側に設けられた歯車３６が駆動モータＭｚ
の出力軸に取付けられた小歯車３８との噛合を介して同
駆動モータＭｚにより回転駆動され、後述する集光ユニ
ット２２の前後動をを生起するドライブ軸を形成してい
る。

さて、外側中空軸３０ａは前端側か第１手首ケース２８
ａの入口端部に設けられたベベル歯車４０ａにスプライ
ン結合により一体回転可能に結合され、従って該ベベル
歯車４０を回転駆動する。

このベベル歯車４０ａは回転軸受４２ａ、４２ｂと回転
軸受４４ａ、４４ｂとの間に挟持されて回転し、他のベ
ベル歯車４０ｂに回転方向を９０″変換して回転伝動を
行う。この結果、ベベル歯車４０ｂ周知のＲＶ減速機（
〔株〕帝人精機社の商品名）等から成る同軸減速機４６
を介して第１、第２手首ケース２８ａ、２８ｂとその内
部に装着された手首構成要素をベベル歯車４０ｂと減速
機４６との軸心に一致したβ軸線回りに回転駆動する構
成に成っている。つまり、ロボット手首２゜がβ軸線回
りに回転可能な機構が構成されているのである。第２の
ロボット手首２８ｂは円筒状の第３の手首ケース２８ｃ
にねじ結合され、この第３の手首ケース２８ｃの前端に
後述する集光ユニット２２の前後動を起動する回転−直
動変換機構を介して集光ユニット２２が設けられている
ことから、上記ロボット手首２０のβ軸線回りの回転は
当然、該ロボット手首２０先端の集光ユニット２２も一
体にβ軸線回りに回転させる。

他方、内側中空軸３０ｂの回転は、その先端がスプライ
ン結合を介してベベル歯車４６ａに結合されているこシ
から該ベベル歯車４６ａを回転駆動し、このベベル歯車
４６ａに噛合したベベル歯車４６ｂを回転駆動する。従
って、同ベベル歯車４６ｂの回転は、上記の減速機４６
の中心を貫通して延設されたレーザ光導管路を内部に形
成した中空軸５０にスプライン結合部４８ａを介して伝
達される。故に、同中空軸５０が回転し、その回転は同
中空軸５０の上端部に形成されたスプライン結合部４８
ｂを経てベベル歯車５２ａに伝達される。その結果、ベ
ベル歯車５２ａに噛合した他のベベル歯車５２ｂに９０
″の回転方向を転換して回転伝達が行われる。後者のベ
ベル歯車５２ｂは第３の手首ケース２８ｃ内で１対の回
転軸受５４により支承されて回転し、同ベベル歯車５２
ｂの回転は、スプライン結合部５６を経て手首ケース２
８ｃの内部に１対の回転軸受５８ａ、５８ｂを介して回
転可能に支承された回転円筒部材６０に伝達される。こ
の回転円筒部材６ｏはその前方部に周知のボールねし・
ナット機構のナフト６２を有し、このボールねしナツト
機構のナツト６２にはボールねじ軸６４が螺合している
ことから、ナツト６２の正逆回転に応じて当該ボールね
じ軸６４はボールスプラインナツト部材６６に支持され
、前後方向に直線動作する。つまり、このボールねじ・
ナット噛合機構が回転−直動変換機構を形成しているの
である。そして、このボールねじ軸６４の先端にレーザ
光の集光、出射を行う集光ユニット２２が結合されてい
るから、同集光ユニット２２はその軸線方向（この集光
ユニット２２から出射されるレーザ光の出射方向に一致
する）に前後の直動を行うことができるのである。６８
はボールねじ軸６４を被覆して外部からの塵埃進入を防
止するために設けられた例えば、蛇腹等のカバーであり
、他のケース構造体によりカバーを構成しても良い。

上述のように、本発明に係る手首２０は、第２ロボット
腕１８に取付け、保持した２つの駆動モータＭβとＭｚ
を駆動源にしてレーザ光出射、集光ユニット２２の方向
変換と共にワークの加工点に対するレーザ光出射口を前
後方向に微調節して最適の加工位置へ補正するものであ
る。なお、上記駆動モータＭβとＭｚは周知のロボット
制御装置からサーボ系を介して制御されることは言うま
でもない。

一方、上述したロボット手首２０の動作機構とは別に、
このロボット手首２０内にはレーザ光の導管路が形成さ
れている。即ち、第２ロボット腕１８の内部の内側中空
軸３０ｂ内を進むレーザ光は、手首２０の第１手首ケー
ス２８ａの一端に保持された反射鏡要素７０で反射され
ることにより進路を９０°変更し、中空軸５０の略中心
部を進行し、第２手首ケース２８ｂに保持された別の反
射鏡要素７２で再び反射され、再度、９０°の進路変更
を行って中空構造に形成された前述のベベル歯車５２ｂ
、回転円筒部材６０、ボールねじ軸６４の内部空間を導
管路として進行し、レーザ光の集光ユニット２２に達す
る。この集光ユニット２２は内部に光学レンズ系から成
るレーザ光の集光系（図示路）を有し、ここでレーザ光
を細光線として集めて溶接、切断、パリ取り等のレーザ
加工処理に適したレーザエネルギーを確保して先端の出
射口２２ａからワーク方向に向けて出射されるのである
。なお、２４は既述の如く、周知の距離センサーである
。なお、レーザ光は第２図に関して既に説明の如く、外
部のレーザ光源１００を発してロボット機体内を進行し
て第２ロボット腕１８の内部の内側中空軸３０ｂに誘導
されたものである。

上述の構成を有した本実施例の多関節型レーザロボット
の手首２０によれば、その先端に具備されたレーザ光の
集光ユニット２０が手首２０の先端で前後方向に独立に
直線動作可能に設けられているから、ワークの被加工位
置へ集光ユニット２２がロボット動作で到達され、レー
ザ光を該加工位置に出射向けて出射する際に、距離セン
サー２４がワークと出射口端２２ａとの正確な距離測定
を行い、該距離測定データに基づいて補正動作させると
き、当該集光ユニット２２だけが前後動作して上記距離
補正を遂行できるから、従来の多関節型ロボットにおい
て、ロボットの各関節図りに回転動作を起動し、その総
合動作により、集光ユニットの先端とワークの加工位置
との距離調節を行う場合に比較して、大幅に調節動作を
簡単かつ高ネｎ度に実現可能と成ったのである。

加えて、上述のように直動作用は集光ユニット２２が手
首ケース２８ａ〜２８ｃに対して前後に直動するだけで
あることから、直動体のイナーシャが種々のロボット可
動部の総合イナーシャであった従来の構成のレーザロボ
ットに比較して、本実施例の多関節型レーザロボットの
手首では集光ユニット２２だけのイナーシャによること
から、レーザ加工過程における動作の立ち上がりを極め
て迅速化することが可能となり、距離センサーかちの距
離データに対して遅れを伴うことなく、極めて高速に補
正作用を遂行、達成できる。つまり、レーザ加工の精度
を著しく高度にレベルアップすることが可能になるので
ある。

上述の説明は、本発明の実施例に関するものであるが、
多関節型ロボットをレーザロボットとして利用する他の
構成の多関節型ロボットにも等しく本発明の技術思想が
適用可能であることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上の記載から理解できるように、本発明によれば、多
関節型ロボットによって構成されるレーザロボットがそ
の多関節機能を利して平面形状ワークのみならず、複雑
な３次元立体形状ワークの隅部等にもレーザ加工処理を
施しえるばかりでなく、しかも、レーザ光の所望の加工
位置に正確に投射して加工処理を行い得るから、極めて
高精度のレーザ加工処理を得ることができるのである。

しかも、レーザ光の投射時における微妙な距離調整を距
離センサーからの測定データに基づいて、簡単かつ高精
度に行い得ることから、精密なレーザ加工処理技術を要
する産業用途にも効果的に適用し得る多関節型レーザロ
ボットを提供し得るのである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例による多関節型レーザロボッ
トの手首構造の詳細を示す断面図、第２図は、第１図の
ロボット手首を備えた多関節型ロボットの全体的構成と
関節の配置とを示した側面図。 １０　・　・ １４　・　・ １６　・　・ 工　８　・　・ １８ａ　　・ ２０　・　・ ２２　・　・ ２２ａ　　・ ２４　・　・ ０ａ１ ６２　・　・ ６４　・　・ Ｍβ・　・ Ｍ２　・　・ 多関節型ロボット、 ロボット胴、 第１ロボット腕、 第２ロボット腕、 ・前腕部、 ロボット手首、 集光ユニット、 ・出射口、 距離センサー、 Ｏｂ・・・外側、内側中空軸、 ボールねじナンド、 ボールねじ軸、 駆動モータ、 駆動モータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ロボット旋回胴の頂部に第１のロボット腕を揺動可
   能に設け、該第１ロボット腕の先端に第２のロボット腕
   を仰伏動可能にかつ腕の軸心回りに回転可能に設け、該
   第２ロボット腕の先端にはレーザ出射口を有した集光ユ
   ニットを具備するロボット手首を備えて成る多関節型レ
   ーザロボットにおいて、前記ロボット手首は、前記第２
   ロボット腕に設けられた第１、第２の中空回転軸を経て
   伝達される第１、第２の回転入力を伝動機構により変換
   することにより、レーザ出射方向に対して直交する１軸
   回りに前記集光ユニットを旋回可能にし、かつ該レーザ
   出射方向に前記集光ユニットを前後動可能にしたことを
   特徴とする多関節型レーザロボットの手首機構。 ２、前記ロボット手首は、前記第２ロボット腕の中空回
   転軸内に形成されたレーザ光路に連通した中空レーザ光
   路を形成する中空軸群を有し、これら中空軸群が前記伝
   動機構の回転軸要素及び回転−直動変換機構を構成して
   いることを特徴とした特許請求の範囲１、項に記載の多
   関節型レーザロボットの手首機構。 ３、前記回転−直動変換機構はボールねじ・ナット機構
   から成る特許請求の範囲２、項に記載の多関節型レーザ
   ロボットの手首機構。