JPH02229689A - レーザ加工ロボット - 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】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はレーザ加エロボットに係り，特にレーザ発振器
から伝送されたレーザ光をアームの先端に導いてワーク
を加工するレーザカピエロボットに関する． （従来の技術） レーザと産業用ロボットを組合せて溶接・切断作業など
をするレーザ加エロボットは、レーザ加工に一般的に使
われるガントリ形のＮＣ加工機と比べて，設置面積が小
さく，据付・移動が容易でラインの生産形態への適用も
容易なので、レーザとロボットの新しい応用分野となっ
ている．そして、このレーザ加エロボットには、第５図
のように垂直多関節形ロボット１の手首２に集光系３を
設け、上腕４に取付たミラーとパイブなどの多関節形の
レーザ光伝送系５で旋回軸Ｉ軸の軸心上方の光学系６か
ら下方に曲げられたレーザ光７を手首２の先端の集光系
３へ導くものが多い．また，中空のアームをレーザ光の
伝送路としたものもある． ところで，このレーザ加エロボットの適用分野は、プレ
ス成形された三次元形状ワークの穴明け・切断や，溶接
などが主で、特に熱歪を抑えることができるレーザ加工
の特徴を活かして，複雑且つ高精度のワークを対象とし
たものが多い．（発明が解決しようとする課題） ところで、このような三次元ワークの穴明け・切断や溶
接では、ワークに直接アクセスする手首，ノズルやアー
ムの先端は小形でなければならない．しかし第５図では
、レーザ光伝送系５がアーム４と手首２の外にあるので
大形になる．一方、アームの中空部をレーザ光の伝送路
とすると，手首とアーム先端はコンパクトとなるが、ア
ームの関節部の軸心にレーザ光を伝送する伝送機構と軸
心回りに取付られる関節駆動用の伝動機構とが錯綜して
、組立と保守がやりにくい．次に、肉厚部品の溶接は、
一般に下向きで行なわれるが、第５図の従来のロボット
１では、先端に手首２のあるアーム４の姿勢がアクセス
する位置で変り、しかもロボット１側の斜め上からだけ
に限られるので、例えばワークに長い部品を立ててこの
周りを溶接する単純な作業でも、ポジショナなどの周辺
装置なしではできない． 更に，レーザ加工装置が要求される安全性、特にビーム
ハンドリング時の周辺への放射防止に対して、周囲の遮
へいの状況により水平に対し集光系のノズル方向角の俯
角を制限することでできるが、第５図では集光系３のノ
ズル方向角はアーム４の姿勢でも変るので，計算機の演
算でしかできず，ハードリミットやメカニカルストツパ
などの信頼性の高い確実な対策がとれない。

そこで本発明の目的は、組立性・保守性がよく、切断・
溶接作業をワークと干渉せずに常に上からでき、更に集
光系のノズル方向角の俯角を機械的に制限できる安全性
の優れたレーザ加エロボットを得ることである。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 本発明は，ベースに垂直な第１の旋回軸回りに旋回する
コラムに設けられた第１の旋回軸と直交する第１の揺動
軸に平行四辺形リンクを取付け，この平行四辺形リンク
の先端第１の旋回軸と平行な第２の旋回軸に内部にレー
ザ伝送路が設けられたＬ形アームを取け、このＬ形アー
ムの先端の第１，第２の旋回軸と平行な第３の旋回軸に
この旋回軸と直交する第２の揺動軸回りに揺動する集光
部が先端に設けられ内部にレーザ伝送路が設けられた先
端アームを取付け、これら各動作軸に駆動部を取付け、
コラム上方の第１の旋回軸心近傍の光学系に伝送された
レーザ光をＬ形アームの基端の光学系に導く多自由度の
レーザ伝送路を設けたものである． （作　用） この結果，コラムの旋回と平行四辺形リンクの揺動とＬ
形アームの旋回の３自由度でＬ形アームの先端は三次元
的に動作範囲内の任意の位置へ移動可能となる．又、上
記３自由度の作用でＬ形アームの旋回軸は常にコラムの
旋回軸と平行となり、先端に集光系のある先端も常に一
定の姿勢、即ちコラムの旋回軸方向となり、集光系の基
準姿勢も常に一定となる。一方、ロボット旋回中心と概
略一致して上空に設けられた光学系へ伝送されたレーザ
光は、基端ロボット外部に設けられた伝送系を経てＬ形
アームの基端に伝送され、Ｌ形アーム先端め内部から集
光系を経て加工対象ワークに照．射される。

（実施例） 以下、本発明のレーザ加エロボットの一実施例を図面に
もとづいて説明する。

第１〜２図において、ベース８にはコラム９が第１の旋
回軸としての垂直軸回りに矢印Ｉのように旋回自在に支
持され、ベース８に固定された図示しないモータと減速
機で構成された駆動部と連結されている．コラム９上部
のＵ形のフレーム１０には、図示しないモータと減速機
で構成された駆動部１１が設けられ、フレーム１０を横
に貫通したこの出力軸１１ａには、第１アーム１２の基
端が固定されて矢印■のようにコラム９の旋回軸と直交
した軸回りに揺動する．次に、第１アーム１２の先端に
は、　フレーム１３の上部が出力軸１１ａと平行な軸１
４回りに揺動自在に取付られ、フレーム１０のビン１０
ａとフレーム１３のピン１３ａ間には、第１アーム１２
と平行にリンク１６が連結され、この結果、第１アーム
１２，フレーム１３，リンク１６はフレーム１０に支え
られて移動する平行四辺形リンクを構成している。

また、フレーム１３には、内部に後述するレーザ光伝送
路が構成されたＬ字形の第２アーム１７の上半が、コラ
ム９の旋回軸と平行な第２の旋回軸としての軸回りに矢
印■のように旋回自在に支持され、図示しないモータと
減速機で構成された駆動部１８に連結されている．更に
，第２アーム１７の先端には、長手方向の軸と直交する
軸回りに矢印のように揺動する集光系（ノズル）１９と
図示しないモータと減速機で構成された駆動部２０が取
付られ内部にレーザ光伝送路が構成された第３アーム２
１が第１の旋回軸と第２の旋回軸と平行な軸回りに？印
■のように回動自在に支持されていて、図示しないモー
タと減速機で構成された駆動部２２と連結されている． 次に、第１図と第３図でレーザ光の伝送系を説明する． ロボットの第１の旋回軸心に概略一致して上空の図示し
ない架台上に設けられた光学系には，図示しないレーザ
発振器から導かれたレーザ光を下方に反射するミラーＭ
０と，伝送バイブＰエを第３図矢印ｉ方向に回動自在に
支持する軸受Ｂ１が設けられている．伝送バイプＰエの
下部には、光軸と４５１傾斜して対向するミラーＭ１と
Ｍ２が軸受Ｂ２で矢印ｉのように揺動自在に連結された
光学関節Ｅ■が設けられ、出力側光軸と同軸に伝送パイ
プＰ２の一端が接続されている。　この伝送バイプＰ２
の他端には、　同じくミラーＭ．，Ｍ．と軸受Ｂ，から
なり、矢印■のように揺動自在の光学関節Ｅ２が設けら
れて、出力側光軸と同軸の伝送パイプＰ，は，光軸回り
に図中矢印桓のように回動自在に軸受Ｂ４で支持されて
いる．更に、この伝送パイプＰ３の先端には、　ミラー
Ｍ，，Ｍ．と軸受Ｂ，からなり矢印Ｖの揺動の自由度の
ある光学関節Ｅ，が設けられ、　その出力軸側は第２ア
ーム１７の基端に軸受Ｂ６で矢印員の方向に回動自在に
支持されているが、フレーム１３から伸びたサポート２
３ａに可撓性部材２３で支持されているため、　その動
作は、部分的なものに制限されている。一方、上半がフ
レーム１３に軸受Ｂ７を介して支持されている第２アー
ム１７の屈折部には、レーザ光を折り曲げて先端に伝送
するミラーＭ７が設けられ、第２アーム１７の先端には
、　ミラーＭ．が設けられ、第２アーム１７の先端に軸
受Ｂ．を介して矢印ｄのように回動する第３アーム２１
の長手方向の軸心ヘレーザ光を導き、更にそのレーザ光
は，第３アーム２１の下端に設けられ駆動部２０に連結
され軸受Ｂ，に支持されて矢印幅のように揺動するレン
ズＬｅとノズルＮからなる集光系１９にミラーＭ　ｇ　
ｇＭ１。で伝送される． 次に，本発明の一実施例の作用を説明する。

第１図と第２図において，まずコラム９は図示しない駆
動部で矢印！のように旋回する。次に駆動部１１を駆動
すると、第１アーム１２は矢印■のように揺動する．こ
のときフレーム１３は，第１アーム１２，リンク１６で
構成される平行四辺形リンクで常に一定の姿勢に保たれ
る．更に第２７ーム１７は、駆動部１８で第１の旋回軸
と平行な軸回りに矢印■のように旋回し、以上の３自由
度で第２アーム１７の先端は動作範囲内の任意の位置へ
三次元的に位置決めされる．第１アーム１２，第２アー
ム１７の揺動による第３アーム２１先端の縦断面上の動
作範囲Ｓを第２図に示す。このとき，フレーム１３は、
上述のように一定の姿勢のため、第２アーム１７の揺動
の軸も更に第３アーム２１の姿勢即ち集光系１９の基準
姿勢もこの場合は鉛直方向に保たれる．また，第３アー
ム２１の駆動部２０．　２２を駆動すると，集光系ｌ９
の姿勢は矢印■，■のように旋回し揺動する．一方、レ
ーザ光伝送系のうち、第２アーム１７の基端までの部分
は、ロボット各自由度の動きに従って受動的に動く．即
ち、ロボット上空の光学系６直下の同軸回転ｉ，光学関
節Ｅｉの揺動…，光学関節Ｅ８の揺動伝送パイプＰ，の
同軸回転履、光学関節Ｅ，の揺動Ｖ、第２アーム１７基
端での回動社の６自由度を備えており、第２アーム１７
基端の三次元的な動き（姿勢変化）に対応して追従する
ことができる．なお、光学関節Ｅ，において、フレーム
１３から伸びたサポート２３ａで可撓性部材２３を介し
て伝送系を支持しているので、極端な姿勢変更や有害な
特異姿勢近傍での伝送系のふらつきを防ぐことができる
． したがって、 ■　コラム９の第１の旋回軸の旋回と、平行リンクを構
成する第１アーム１２の揺動と、第１の旋回軸と平行な
第２の旋回軸回りの第２アームの旋回とで構成されたア
ーム機構で、集光系１９はワークに対して常に上方から
アクセスでき，第３アーム２ｌで立てられたワークなど
を避けてその基端の切断・溶接などの作業を行なうこと
ができる． ■　しかもこのとき、集光系１９の自由度のうち俯角を
決める集光系１９の自由度はその動き■に限？−され，
その基準姿勢は動作範囲内のすべての位置で設置面に対
して一定となるので，この軸のハードリミットやメカニ
カルストッパで集光系１９のノズルＮの向きを確実に決
めることができる． ■　一方，レーザ光伝送系では、ロボット上空の固定光
学系６から第２アーム１７基端までの光学系を、光学関
節Ｅ■，Ｅ，，Ｅ．などで６自由度としたので、ロボッ
トのどんな動きにも追従できるだけでなく、光学系６の
光軸とロボットの旋回軸のずれも吸収でき，据付と移動
も容易となる． （ニ）更に、第２アーム１７の後端から軸心ヘレーザ光
を導いたので，第２アーム１７と第３アーム２１は伝送
パイプをそのまま構造部とすることができ、第３アーム
２１先端と集光系１９がスリムとなる。しかも、第２ア
ーム１７，第３アーム２１，集光系１９は、各々の駆動
部１８，　２２．　２０で伝送パイプの外周から駆動さ
れるので、レーザ光路がアーム内部にありながら、駆動
機構とレーザ光伝送系との錯綜を防ぐことができる． なお，上記実施例では、先端アーム２１は常に下向きに
なるように構成されているが、先端アーム２１をＬ形ア
ーム１７の先端に水平前方に向けてもよい．このときは
、先端アーム２１は、円筒座標形ロボットのアームのよ
うに水平状態で動くので，例えば旋回Ｔの軸周りの縦の
面にワークを溶接するとき等に適する利点がある。

更に本実施例では、第２アーム１７後端までのロボット
外部のレーザ伝送系を６自由度の多関節形で構成したが
、第４図の上半のように両端に２〜３の揺動の自由度の
ある図中矢印Ｘのように伸縮形のレーザ光伝送系２４と
してもよい．〔発明の効果〕 以上、本発明によれば，動作範囲のどの位置でも先端の
ノズルの向きが一定で、溶接・切断作業も常にワークの
上からでき，ワークと干渉せず、アーム先端部ではレー
ザ光路をアームの内部に設けたのでアーム先端と集光系
が小形で、しかも光学系と駆動機構が別で組立と保守が
容昌で、更に集光系のノズル方向の俯角を機械的に制限
できるので安全性の高いレーザ加エロボットを得ること
ができる．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ加エロボットの一実施例を示す
斜視図、第２図は第１図の側面図、第３図は本発明のレ
ーザ加エロボットの作用を示す説明図、第４図は本発明
のレーザ加エロボット他の実施例を示す斜視図゛，゜第
５図は従来のレーザ加エロボットの一例を示す斜視図で
ある。 ８・・・ペース　　　　　９・・・コラム１１．　１ｇ
，　２０．　２２・・・駆動部工２・・・第１アーム　
　　ｌ７・・・Ｌ形アーム１９・・・集光部　　　　　
２１・・・先端アームＥエ，Ｅ，，Ｅ，・・・光学関節 Ｍ０〜Ｍよ。・・・ミラー （８７３３）代理人弁理士　猪　股　祥　晃（ばか１名
）正 第 図 第 図 ■ 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. ベースに垂直な第１の旋回軸回りに旋回するコラムと、
   このコラムに基端が取付られ前記第１の旋回軸と直交す
   る第１の揺動軸回りに揺動する平行四辺形リンクと、こ
   の平行四辺形リンクの先端に設けられ前記第１の旋回軸
   と平行な第２の旋回軸回りに旋回し内部にレーザ伝送路
   が設けられたＬ形のアームと、このＬ形のアームの先端
   に基端が取付られ前記第１、第２の旋回軸と平行な第３
   の旋回軸回りに旋回し先端にこの第３の旋回軸と直交す
   る第２の揺動軸回りに揺動する集光部を備え内部にレー
   ザ伝送路が設けられた前記第１の旋回軸と平行な先端ア
   ームと、前記各動作軸を個別に駆動する駆動部と、前記
   コラム上方の前記第１の旋回軸心近傍に設けられた光学
   系に伝送されたレーザ光を前記Ｌ形のアームの基端の光
   学系に導く多自由度のレーザ伝送路とよりなるレーザ加
   工ロボット。