JPH022902A - 姿勢制御センサ - 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〕 レーザビーム、イオンビーム等の高エネルギビームを用
い、材料の切断、溶接等の加工作業を行うには、例えば
レーザビームガン等の加工機ヘッドの軸Ｚを被加工物表
面Ｊに垂直に保つとともに、該加工機ヘッドの先端と被
加工物表面Ｊとの間隙ｄを一定に保つことが必要である
。本発明は、該加工機ヘッドに装備して加工機ヘッドの
被加工物表面Ｊに対する姿勢（傾斜および間隙）を自動
検出し、加工機ヘッドを正規の姿勢に自動制御する姿勢
制御センサを提案するものである。

〔従来の技術〕

代表的なレーザ加工機の加工機ヘッド（以下レーザガン
と呼ぶ）Ｇの姿勢検出に用いられている従来の技術を第
８図を用いて説明する。従来のレーザガンでは、レーザ
ガンＧの先端部に板状電極Ｃを装着し、板状電極Ｃと被
加工物表面Ｊとの間に静電容量を形成させ、板状電極Ｃ
と被加工物表面Ｊとの間の間隙ｄの変化による静電容量
の変化を、電圧または発振周波数等の電気的変化量とし
て検出する。この方法では、間隙ｄの平均値は求められ
るが、レーザガンＧの中心軸であるＺ軸と被加工物表面
Ｊとの傾きは不明である。

〔発明が解決しようとしている課題〕

本発明が解決しようとする課題は、次の点である。

（１）　　レーザガンＧの姿勢を自動検出できる姿勢検
出器を実現すること。例えば、第８図において、レーザ
ガンＧの中心軸２を被加工物表面Ｊに対しどのような角
度で取付けるか（多くの場合垂直である）、ならびに間
隙ｄが加工上きめられている規定値に適合しているかど
うかを検出すること（２）上記姿勢検出器はレーザガン
Ｇの総重量および外形寸法をあまり増加することなく装
備できること 〔課題を解決するための手段および実施例〕本発明の姿
勢センサを装備したレーザガンＧの実施例を第１図に示
す。（ａ）図はワーク面の方向から見た下面図、ら）図
はそのＣ−０面での端面図を示す。本姿勢センサはレー
ザガンＧの中心軸のまわりに複数個の測定ユニッｌ”　
Ｍ　＋、　Ｍ　２．・・・・１Ｍ。

が配置されている。この複数組の組数を表すｎはワーク
が平面の場合はｎ＝３でよいが、ワークの縁部では３組
のうちの１組（例えばＭ２）の測定がしばしば欠測とな
る。残りの２つのデータから姿勢制御を行わせることは
困難であり、この場合にはｎ≧４とする。さらにワーク
の四隅では測定できる面が視野面の約スとなるから、ｎ
をもっと増加させることとなる。しかし、一般には、ｎ
は３〜４で充分である。

また、各測定ユニッ）Ｍ、は光源０ＰＳｉ　、光ファイ
バ１０、微小レンズ、Ｅ　ｆｉ、受光レンズ、ＥＲ＋、
線状受光素子Ｓ、および検出回路ＤＥＴＩから成ってい
る。（第７図参照） 第１図に示すように、レーザガンＧの筐体を上下に分割
してＢ、、Ｂ２とし、その間に中央部に加工用レーザビ
ーム及び加圧エアを通す穴が設けられている板状のガラ
ス板Ｔｃで仕切る。ガラス板Ｔｃの一邪には受光窓とな
るガラス窓Ｔｗ、を設けた。ｎ組の受光レンＸ　Ａ　Ｒ
＝と線状受光素子Ｓ、はＢ１部に配置する。測定レーザ
光は光源ｏｐｓ。

（図示せず）から筐体Ｂ１外周に母線に沿って設けられ
た光ファイバＩＪにより導かれ、ファイバ端から出る光
を微小レンズ２４．により細い平行ビームに集光する。

このように集光された光ビームは、第２図に示すように
２軸に対し９０°−αの角度方向から被加工物表面Ｊ上
に入射し、輝点ａ、を生せしめる。受光系は輝点ａ、か
らの反射光をとらえる。受光系は光源に対し、ワーク上
の輝点を正反射に近い角度で取りこむ。この場合、輝点
はワーク面の正反射方向をピークに余弦分布をしている
から、関係位置が多少変化しても問題ない。受光レンズ
ε□で集光された光は筐体Ｂ１内に設けた受光素子Ｓ、
上に入射し、光信号から電気信号に変換され、電気的出
力を得る。線状受光素子Ｓ１は、レーザガンＧと被加工
物表面Ｊとの距離が規定値になっているときの輝点ａ、
。の像Ｂｌｏを含む結像面ＳまたはＳ′上に配置される
。

像Ｂ１とレンズ中心面との距離ｂ１はレンズの結像式 で求められる。Ｓ′は第２図に示すように、ｌ　ａ［に
対し、常に上記公式が満足される結像面である。

受光レンズｆｆ１ＲＬと輝点ａ１との距離１゜が規定値
からずれると、ａ、の位置が変わりａｌからの反射光が
線状受光素子Ｓｔへ入射する位置が変化する。この場合
８８点の位置は斜入射のため若干変化するが、その変化
量は、通常の加工機ヘッドでは入射角αが７０゛〜８５
°であり、βａｌの変化量数ｍｍに対し、たかだか１ｍ
ｍ程度に過ぎない。

光源１．と微小レンズＥ　ｔ＋ならびに受光レンズＥ　
ＩＩ　ｉと線状受光素子Ｓ１とは一体化でき、構造が単
純で大きさもたかだか数ｍｍ程度であるので、加エヘッ
ド内に複数組の測定ユニットを容易に組み込むことがで
きる。また、価格の低下に役立っている。

線状受光素子Ｓ１は直線状の細長い形をなし、光が入射
すると電気出力を生じ、その出力から光の入射位置を知
ることができるような素子である。

例えば、市販されているＰＳＤ　（ホトセンシングデバ
イス）、シリコンホトダイオードアレー等あるいは複数
条の光ファイバの一端を直線上に密に並べて配置して受
光部とし、受光した信号光を光ファイバで中継してレー
ザガンの外部へ導出し、他端に受光用ホトダイオード列
を設けたものを用いてもよい。

ガラス板Ｔ。はレーザ切断等の加工において、高温の加
工飛沫による汚染を避けるため、耐熱ガラス板が適当で
ある。また、ガラス板Ｔｃのガラス窓Ｔ、の部分は測定
レーザ光波長の光の透過度を高めたものが望ましい。

円錐状の形状をもつ下部筐体Ｂ２は、ガラス窓（受光面
積）を大とするため、外径を小さくしたいが、筐体Ｂ２
の内部は加圧空気の通路として所定の断面積が必要であ
る。第２図の例では、長さが約１００　＋ｎｍ、　Ｂ　
、の外径が約４０ｍｍである加工ヘッドの場合、ガラス
板Ｔｃとの継目における外筒径は約６〜７　ｍｍに設定
された。筐体Ｂ２の筐体Ｂ１への係止はガラス板Ｔ、の
ヘッド側でガラス窓Ｔ１から外れたところで行っている
（第３図参照）各測定ユニットは光軸を加工用レザ光が
通る加工ヘッド中心軸からオフセットさせて、ワーク上
の輝点を加工点を中心とした半径３〜１０ｍｍの円周上
に生じさせている。このようにすると、反射光を取りこ
むさい、筐体Ｂ２により遮光されることが少なくなり、
また測定レーザ光が加工光の干渉による雑音をほとんど
受けない。

次に１つの測定ユニットＭ、につき光学的測定原理を第
２図を用いて説明する。

第１図の構造では、下の筐体Ｂ２は輝点ａ＋の反射光が
受光レンＸ　Ｅ　ｖ＝　ｔの反対側の部分に入射するの
を遮り、また、線状受光素子Ｓ、として−次元ＰＳＤの
ような細い線状のものを用いるので、測定ユニッ）Ｍ、
における輝点ａ、からの反射光が線状受光素子Ｓ、に入
射する様子は、近似的には、受光素子Ｓｔと受光レンＸ
　、Ｅ　ｔ　＋の光軸Ｚを含む面内の現象として取扱っ
てもよい。さらに、受光素子Ｓ、の取付は方向は、測定
すべき物体に面して取付けられればよいが、精度を上げ
るには、第２図に示したように、Ｚ軸に対する入射角が
９０°−α度のとき、 ｔａｎβ＝Ｍ−ｔａｎα ただし、Ｍはレンズの倍率（Ｍ＝ｆ／（β４゜−ｆ））
を満足するよう受光素子Ｓ１をＺ軸に対し９０°−βを
傾けて組み込む。

第３図は測定ユニットをπ／２ラジアン間隔で配置した
場合の構造例を示すワーク面方向から見た下面図（ａ図
）及びそのＡ−Ａ面での端面図（ｂ図）である。第１図
に比べ、構造は複雑となるが、輝点の対称性から、以下
に述べるように、遣い易い利点がある。

輝点ａ、の径は、一般に細く絞りこんだ方が精度が上が
るが、多少太き目の方が良い場合もある。

例えば、段差をもつ板の溶接において、中心軸断面Ｃ−
Ｃをワーク（板）の縁と一致させた場合第４図の輝点ａ
２とａ、は、輝点ａｌ＋ａ３に比べ、有効受光面積が約
半分となるので、受光量が３ｄＢ程度減少する。しかし
、計測は、受光レベルによらず、位置検出のみを、後段
の検出回路ＤＥＴ、で行わせているので、影響は小さい
。

このような場合、第４図に示すように、輝点ａとａ３と
で姿勢センサから見た距離を一致させると加工軸が２軸
から傾く。これを避けるため、レーザガンＧを０軸（Ｚ
軸）の周りに±εの角度微小振動させ、振動の各周期毎
に（Ｚ、、、Ｚ、。。

ｚ６．）、（Ｚ　ａ’２＋　　Ｚ　ａ　３＋　　Ｚ　ａ
’４）の測定をして、姿勢制御とともに、ワーク上板ｔ
１と下板ｔ２の段差を管理している。εは５°程度とす
る。

第１図、第３図において、結像面５−ｔ−ｓ’のように
、第２図で説明したａ　ｉｏ＋　　ａ　ｉ＋＋およびａ
１２の結像点Ｂ１゜＋　　ｓ、、、Ｂｔ□を結ぶ線上に
、受光素子Ｓ、を設けるとすれば、ワークの位置（距離
）が変化しても像がボケないから、受光レンズに入る光
が部分的に欠ける場合でもＳ面上で見る像は偏よりかな
く、したがって距離の検出精度を著しく向上させること
ができる。

測定ユニットの受光特性検討例として、光源に光出力１
ｍｗ程度のレーザを使用し、光ビームを斜めに物体に入
射した場合の測定結果を示す。第５図はその時に用いた
測定回路である。α＝８０゜１　、。＝　８０　ｍｍ、
レンズ倍率Ｍ＝１／６で、受光素子にＰＳＤを用い、金
属面を測定した。受光特性は第６図に示すように、ワー
ク面までの距離の変化量ΔＸに対し、直線性の良い出力
電圧かえられた。

上記測定ユニットＭ１をレーザガンＧの中心軸Ｚのまわ
りに一定角づつずらして３組以上設ける。

第１図は３組、第３図は４組の例である。例えば第３図
において９０°づつずらして４個（Ｍ、。

Ｍ２．Ｍｌ、Ｍ、）の測定ユニットをレーザガンＧ内に
配置すれば、４個の輝点ａｉ　　（ｉ＝１〜４）と受光
レンズＬ□との距離が、第２図の定義による測定値１４
゜からどのようにずれているかを知ることができるので
、レーザガンＧの姿勢を矯正できる。この場合、レーザ
ガンＧの姿勢は、４個のユニットの距離データを一致さ
せるよう姿勢制御を行えば、レーザガンＧの２軸が被加
工物表面Ｊに垂直を保ち、また、４個のユニットの距離
ｆａｔの基準値を適宜設定し、測定値との演算により、
レーザガンＧＯＺ軸を被加工物表面Ｊに対して一定の傾
斜を保たせることができる。

次に雑音の検出について説明する。レーザ加工機では、
Ｃ０２等加工レーザビームの加工点における反射、散乱
、工場内の各種光源等の雑音光による測定妨害、超音波
加工機や洗浄機などからの誘導、輻射等の妨害が無数に
存在する。しかし、これらの周波数域はたかだか１０〜
３０　Ｋ）Ｉｚであるので、測定に使用する信号光ビー
ムを３０　Ｋｌ（ｚ以上の高周波で変調しておけば、受
光素子の電気出力側で帯域フィルタまたは高域フィルタ
を用いて、雑音成分を除去し、その測定妨害を除くこと
ができる。

本発明による姿勢検出システムを第７図により説明する
。

０ＰＳは高周波変調された信号光発生器で、光ファ４　
／＜　Ｉ　ｔ　　（ｉ＝１．２．・・）を導路としてレ
ーザガンＧへ送る。レーザガンＧのセンサ組込みは前に
説明した通りであるが、光ビームの発光端部は中心から
径の半径方向に余弦的な屈折率分布をもつ円筒レンズ等
を使用すれば、光フアイバコード径と合わせて１〜２關
の径で構成できるから、レーザガンＧ外周上母線に近い
方向に溝を掘り、ファイバとも一体に埋込むことができ
る。その構造は第１図に示した通りである。ＤＥＴｌ　
（ｉ＝１．２．・・）は受光系の信号検出回路である。

受光素子Ｓ、で光から電気出力Ｖ、に変換された信号は
増幅後、フィルタで雑音成分を除去し、デジタル信号と
して出力される。出力データ、すなわち輝点ａ、が受光
素子Ｓ、上で正規の位置に対して遠近何れの側にあるか
を示す符号と距離の変化量等の情報は、Ｒ３−２３２Ｃ
等のインタフェースを介して、センサ・コンピュータＳ
ＰＣへ送られる。

センサ・コンピュータＳＰＣでは、４つの測定データの
計算処理をリアルタイムで行い、姿勢制御データを加工
機のコントローラＭＣＰへ渡す。この情報により、加工
機のコントローラＭＣＰは前記姿勢制御のための駆動動
力を発生し、レーザガンＧの姿勢を正しく矯正する。

（発明の効果） 以上説明したように本発明の姿勢センサを内蔵した加工
機ヘッドは小形・軽量・低価格であり、加工機ヘッドの
従来の作業空間を変更することなく、複雑に入りこんだ
凹所等の各種作業にも適用できる。また、本姿勢センサ
を使用することによって作業中の姿勢自動制御が可能に
なったことは、今後自動ならい等作業の自動化の推進に
大きく貢献する。特に、レーザ加工機におけるガンの姿
勢制御に有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す図、第２図は本発
明実施例の光学系を示す図、第３図は本発明の第２の実
施例を示す図、第４図は本発明実施例の使用例を示す図
、第５図は本発明の検出特定を測定する測定回路、第６
図は本発明の受光系の検出特性を示す図、第７図は本発
明の姿勢検出システムを示す図、第８図は従来のレーザ
加工機ヘッドの構造を示す図である。 １１　：光ファイバ、Ｅ、１：微小レンズ、ＴＧ　ニガ
ラス板、Ｔｗｔニガラス窓、Ｌ□：受光レンズ、Ｓ、二
線状受光素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）信号光ビームを発生する入射部と受光レンズと線
   状受光素子と電気回路をそなえ、 前記線状受光素子は前記信号光ビームが被加工物表面に
   つくるスポットと前記受光レンズとが所定の距離になっ
   た時、前記受光レンズにより結ばれるスポットの像の結
   像点に、受光位置を検知する手段をもち、 前記電気回路は前記線状受光素子に入射するスポットか
   らの反射光の入射区間が、前記の所定距離の場合のスポ
   ット結像点の何れの側にあるかを判別する機能を有し、 前記電気回路の複数個の出力から姿勢を検出する姿勢制
   御センサにおいて、 入射部から入射し、被測定物表面で反射された反射光の
   ほぼ光軸上の位置に前記受光レンズと前記線状受光素子
   とを対にして設けて受光部となし、前記入射部と該受光
   部とでなる姿勢検出部を複数個加工ヘッド内に設けたこ
   とを特徴とする姿勢制御センサ。