JPH04231188A - ３種のミラーを用いたレーザロボットの光軸調整方法及び装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザロボットの機体
内におけるレーザ光の光軸を調整する方法と装置に関し
、特に、レーザ光出射口を最先端に有したレーザロボッ
トの各関節に設けられるレーザ光の進路変更用の反射ミ
ラーを同関節における動作軸に一致させるように調整す
る場合に、最先端のレーザ光出射口の前段位置に凹面鏡
、平面鏡、凸面鏡の３種の反射鏡を順次に装着すること
により、レーザ光出射口に装着する光センサーの検出範
囲外へずれた光軸の調整から光センサーの分解能を越え
る高い検出精度で光軸ずれを検出しながら遂行する高精
度の光軸調整までの広い範囲に渡る光軸調整を行うこと
ができる３種のミラーを用いたレーザロボットの光軸調
整方法と装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

【０００３】レーザロボットにおいては、ロボット機体
の外部に設けられたレーザ光の光源であるレーザ発振器
からロボット機体内部に導入したレーザ光をロボットの
各関節に設けたレーザ光の進路変更用の反射ミラーによ
り光路変更して関節における関節動作軸と同軸心上を進
行させて順次にロボット最先端に導き、その最先端に設
けられた反射、集光用のミラー又はレンズとレーザ出射
口を成すノズルとから成るレーザ光出射装置により、レ
ーザ光照射対象に向けてレーザ光を出射する。

【０００４】このようなレーザロボットにおいて、ロボ
ット機体内におけるレーザ光の光軸は、各関節に設けら
れたレーザ光反射ミラーによる光の入射位置や入射角度
を正確に関節の動作軸と同軸になるように調整すること
により、正確に最先端のレーザ光出射装置へ到達させる
必要があり、また、そのとき、ロボット機体への導入位
置から最先端の出射装置に到る理想的な光路を通過した
場合に、照射対象上の照射点におけるレーザ光のエネル
ギーレベルが最も高いエネルギーとなり、その結果、材
料切断、溶接、光化学反応等の作業に最も効果的に実用
可能となる。

【０００５】このため、従来より、レーザロボットの機
体内部においては、各関節に設けたレーザ光反射ミラー
を調整してレーザ光の光軸調整が遂行されている。この
とき従来は、レーザ発振器から送出された調整用レーザ
光がロボット機体の外部に設けられたレーザ導管路を介
してロボット機体内に導入され、ロボット機体内のロボ
ット旋回胴やロボット腕等の各関節に設けられたレーザ
光の進路変更用の反射ミラーを経てロボット手首に設け
られたレーザ光出射装置に導き、同レーザ光出射装置に
より反射された調整用レーザ光を当該調整用レーザ光の
進行方向に見て最終の平面反射ミラーの下流側に設けら
れた光センサによってレーザ光々軸位置を検出している
。従って、例えばロボット機体内の関節に設けた反射ミ
ラーにずれが有ると、調整用レーザ光は最終の平面反射
ミラーに達するが、検出される光軸位置にはずれが生じ
ている。故に、何れか１つのロボット関部を旋回させ、
検出された光軸位置が光センサー内のマトリクス座標面
で変位したときは、ロボット機体内部のレーザ光の光軸
にずれが存在しているものと判断し、その変位がゼロと
なり定位置に停止するように、各関節におけるレーザ光
反射ミラにおけるレーザ光の入射位置と入射角度を調整
する方法が取られていた。

【０００６】なお、上述した光センサは、周知のＰＳＤ
素子（　ＰＯＳＩＴＩＯＮ　ＳＥＮＳＩＴＩＶＥ　ＤＥ
ＴＥＣＴＯＲ　）　、即ち半導体位置検出素子から成り
、また、調整用レーザ光はヘリウムーネオンレーザ等の
可視性のレーザ光を使用するので、調整用レーザ光の光
軸は光センサーのマトリクス座標面における光点として
可視的に検出される。従って、この光点位置がロボット
関節の関節動作（旋回）によってマトリクス座標面上で
軌跡を描いて変位するか否かを測定して光点が上記マト
リクス座標面上における何れかの位置に静止していれば
、ロボット機体内部の各関節部を通過したレーザ光の光
軸はそのロボット関節部の旋回軸と同軸上に入光され、
確実に外部の照射対象へ照射される調整が達成されてい
るものと判断し、逆に、光点が円軌跡を描き変位し、同
軸からずれているときは、光点が静止するように上記の
如く反射ミラーを調整して光軸調整を行う方法が取られ
るのである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】然しながら、上述した
従来のレーザ光の光軸調整方法では、レーザ出射部のレ
ーザ光出射口の前段に設けられる最終段の反射ミラーは
、平面鏡であり、しかも光センサーの検出口径が現在入
手可能な光センサーでは精々１５ｃｍ角程度に限られる
ため、光センサーで光軸の調整状態を検出して調整を実
行する前段で、別にスクリーン等を用いて、可視調整用
レーザ光（ヘリウムーネオンレーザ光）を該スクリーン
上に投影させて目視で光軸調整度を検査し、光センサー
により光軸調整状態の検出が可能な程度まで、予め、粗
調整を実施しておくことが必要でレーザ光の光軸調整作
業を煩瑣にしていた。また、従来の方法は、光軸調整精
度が光センサーの分解能に依存するものであり、より高
精度の光軸調整方法の提供が要望されている。

【０００８】従って、本発明の主目的は、レーザロボッ
トの機体内のレーザ光路における光軸調整作業に伴う煩
瑣を解消し得るレーザ光の光軸調整方法とその方法の実
施に使用可能な光軸調整装置を提供せんとするものであ
る。本発明の他の目的は、光センサーの分解能を超えた
高精度の光軸調整をレーザロボットに適用可能なレーザ
光の光軸調整方法と装置とを提供せんとするものである
。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の目的に鑑
み、レーザロボットの関節に設けたレーザ光反射ミラー
の位置調整により、レーザ光の光軸を関節の動作軸と同
軸に調整してロボット最先端のレーザ光出射口から高エ
ネルギー度のレーザ光を照射対象へ指向させ得るように
すべく、出射口の前段に設ける光軸調整に用いる最終段
のレーザ光反射ミラーユニットを凹面鏡、平面鏡、凸面
鏡の３種の反射鏡で構成し、これらの３種の反射鏡で順
次に光センサーのマトリクス面に調整用のヘリウムーネ
オンレーザ光を集光、検出しながら、光軸調整を遂行す
ることにより、粗調整からセンサー分解能を超える高精
度の光軸調整を一連の作業として遂行可能にする光軸調
整方法と装置とを提供するものである。

【００１０】即ち、本発明によれば、レーザロボットの
関節に設けられた反射ミラーを経由して先端のレーザ光
出射部へ導かれるレーザ光のロボット機体内における光
軸を調整するレーザロボットの光軸調整方法において、
前記レーザロボットのレーザ光出射部に凹面鏡、平面鏡
、凸面鏡の３種の反射鏡を順次に装着すると共に該レー
ザ光出射部のレーザ光出射口に光センサーを装着し、ロ
ボット機体に光軸調整用レーザ光を導入し、前記凹面鏡
を介して前記光センサーにより光軸調整度を検出しなが
ら前記関節に設けられた反射ミラーを調節する第１のス
テップと、前記平面鏡を介して前記光センサーにより光
軸調整度を検出しながら前記関節に設けられた反射ミラ
ーを調節する第２のステップと、前記凸面鏡を介して前
記光センサーにより光軸調整度を検出しながら前記関節
に設けられた反射ミラーを調節する第３のステップとを
、設け、前記第１から第３のステップ、前記第１、第２
のステップ又は前記第２、第３のステップの何れかの組
合せにより光軸調整をおこうことを特徴とした３種のミ
ラーを用いたレーザロボットの光軸調整方法が提供され
る。

【００１１】また、本発明によれば、レーザロボットの
関節に設けられた反射ミラーを経由して先端のレーザ光
出射部へ導かれるレーザ光のロボット機体内における光
軸を調整するレーザロボットの光軸調整装置において、
前記レーザ光出射部のレーザ光出射口に装着されて光軸
の調整度を検出可能な光センサーと、前記レーザロボッ
トのレーザ光出射部に着脱自在に設けられる光軸調整用
ミラー装置とを具備し、かつ、前記光軸調整用ミラー装
置は、前記ロボット機体を通過した光軸調整用レーザ光
を前記レーザ光出射口に向けて反射させる凹面鏡と平面
鏡と凸面鏡との３種の反射鏡を具備して成ることを特徴
とした３種のミラーを用いたレーザロボットの光軸調整
装置が提供される。以下、本発明を実施例に基づいて、
更に詳細に説明する。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の１実施例によるレーザロボ
ットのレーザ光の光軸調整装置を示す要部断面図、図２
は、本発明に係る光軸調整用ミラー装置の構成の実施例
を示す断面図、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明
によるレーザロボットのレーザ光の光軸調整方法におけ
る調整手順を説明する解説図、図４は、本発明による光
軸調整方法が適用されるレーザロボットの例を示す斜視
外観図である。

【００１３】先ず、図４を参照すると、レーザロボット
１０は、基台１２、この基台１２から上方に立設され、
縦軸（θ軸）回りに旋回可能なロボット胴１４、このロ
ボット胴１４の頂部近傍に設けられた水平軸（Ｗ軸）回
りに俯仰方向の旋回が可能に設けられた第１のロボット
腕１６、同第１のロボット腕１６内に装着されて前後方
向（Ｒ軸方向）に伸縮動作可能にかつ、腕中心軸（γ軸
）回りに旋回可能な第２のロボット腕１８、同第２のロ
ボット腕１８の先端に設けられて上記γ軸回りに一体と
なって旋回可能なロボット手首２０等を具備して構成さ
れ、ロボット手首２０の先端にはレーザ光出射装置２２
が縦軸（β軸）回りに旋回可能に装着されている。

【００１４】レーザ光は、ロボットの機体の外部設備と
して設けられたレーザ光発振器（図示なし）から送出さ
れ、適宜のレーザ光管路を介して、例えば、図４に図示
のごとく、ロボット胴１４の頂部からロボット機体内に
導入され、ロボット胴部１４内のＷ軸線上の位置に設け
られた第１のレーザ反射ミラー２４によって進路を直角
に変更されて第１のロボット腕１６内における光路中心
と上記Ｗ軸線とが直交する位置に配置された第２のレー
ザ反射ミラー２６に入射し、同第２の反射ミラーで反射
されて進路を変更し、第１、第２のロボット腕１６、１
８内の光路を矢印で示すように、ロボット手首２０に向
かう。ロボット手首２０に達したレーザ光は同手首２０
内に設けられた第３の反射ミラー２８に入射し、再び、
この第３の反射ミラー２８で進路を直角に変更されてレ
ーザ光出射装置２２の集光ミラー３０に入射し、進路変
更とエネルギー密度を高められてから出射ノズル又は出
射口２２ａから外部の照射対象へ照射される構成にある
。集光ミラー３０に替えて反射ミラーと集光レンズとを
設ける場合もある。

【００１５】ここで、レーザ光が出射装置２２から外部
の照射対象に高エネルギーのレーザ光を照射するために
は、第１〜第３のレーザ反射ミラー２４、２６、２８、
特に関節に設けられた第１、第２のレーザ反射ミラー２
４、２６が関節の動作軸と同軸上の位置に、かつ所定の
反射角度でレーザ光を反射するように位置調整と角度調
整とを行ってレーザ光の光軸がロボット機体内でずれの
ないように設定されていなければならない。従って、一
般的にはレーザロボット１０のロボット組立時やメンテ
ナンス時に関節に設けられた第１、第２のレーザ反射ミ
ラー２４、２６等を調整するレーザ光の光軸調整作業が
遂行される。

【００１６】即ち、レーザ光の光軸調整は、レーザ光出
射装置２２の出射口２２ａに後述する光センサー（図１
参照）を装着し、かつ、その出射口２２ａの前段に設け
られた集光ミラー３０を光軸調整用ミラー装置（図１）
に置換し、作業用レーザ光に替えて安全かつ目視可能な
ヘリウムーネオンレーザ光を外部からロボット機体無い
に調整用レーザ光として導入し、光軸調整作業が遂行さ
れる。

【００１７】さて、本発明に係るレーザ光の光軸調整方
法と装置に就いて、以下に図１〜図３に示す実施例に基
づいて説明する。図１を参照すると、レーザロボットの
レーザ光出射装置２２における出射口２２ａに既述した
半導体位置検出素子（ＰＳＤ素子）から成る光センサー
３０が受光部を出射口２２ａの内部に向けて装着される
。他方、レーザ出射口２２ａの前段位置、即ち、ロボッ
ト機体内を進行してロボット手首２０のレーザ反射ミラ
ー（図４の第３のレーザ反射ミラー２８）を通過したレ
ーザ光を最終的に出射口２２ａに向けて進路変更させる
最終段のレーザ反射ミラー又は集光ミラーの位置に光軸
調整用ミラー装置４０が装着される。この光軸調整用ミ
ラー装置４０は、レーザロボットのレーザ光出射装置２
２の最終段のレーザ光反射ミラーが装着される位置にフ
ランジ２２ｂを設け、このフランジ２２ｂに固定ねじ等
の適宜の固定手段を用いて装着される。次いで、外部か
らヘリウム−ネオンレーザ光を導入して光軸調整作業が
開始される。

【００１８】ここで、本発明によれば、光軸調整用ミラ
ー装置４０は、凹面鏡４２、平面鏡４４、凸面鏡４６の
３種の反射鏡を好ましくは、一体にして一つの軸心回り
の３位置に組み込んだ装置として構成され、上記３種の
反射鏡４０〜４４の何れか一つの反射鏡をロボット手首
２０側から進行して来た調整用レーザ光を光センサー３
０の受光口に向けて反射させるように設定可能に装着さ
れる。レーザ光の光軸調整においては、後述するように
、凹面鏡４０、平面鏡４２、凸面鏡４４の順序で順次に
調整用レーザ光反射位置に割り出して、その都度、ロボ
ット胴１４の旋回、第１ロボット腕１６の俯仰旋回、ロ
ボット手首２０のβ軸回りの旋回等の関節動作を起動し
ながら光センサー３０で光軸のずれ度合いを検出し、次
いで、各関節におけるレーザ光反射ミラー、例えば、図
４の第１、第２、第３のレーザ反射ミラー２４、２６、
２８等の取付け位置と取付け角度を調整するのである。 なお、各レーザ反射ミラー２４〜２８の位置や角度の調
整手段は既に周知であるから、ここでは説明を省略する
。

【００１９】さて、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を参照
すると、図２（ａ）は、光軸調整用ミラー装置４０の凹
面鏡４２を光軸調整用レーザ光の反射位置に設置した場
合を示している。この凹面鏡４２を先ず用いることによ
り、例えば、レーザロボット１０の組立直後のように、
各関節におけるレーザ反射ミラー２４〜２８に関し、光
軸調整が未実行のため、ロボット機体内部におけるレー
ザ管路の中心から光軸が大きくずれている（ずれ量ｅ１
）ような場合でも、凹面鏡４２で反射されたレーザ光は
収束的に光センサー３０の受光口へ向かう。従って、従
来のように単に平面鏡で反射させた方式では光センサー
内に取込み不可能であった調整用レーザ光を光センサー
３０内に取込むことができる。故に、調整用レーザ光を
光センサー３０内に取り込んでから、レーザロボット１
０の各関節で関節動作を遂行させれば、光センサー３０
のマトリクス画面で光軸のずれ度合いを検出することが
でき、従って、関節に設けられたレーザ反射ミラー２４
〜２８等を調整して粗調整を遂行することができるので
ある。つまり、従来は別途のスクリーンを使用して行っ
た粗調整を一気に反射ミラーで遂行することができるの
である。

【００２０】凹面鏡４２による光軸の粗調整が完了した
時点で、次ぎに、光軸調整用ミラー装置４０の平面鏡４
４を調整用レーザ光の反射位置に割り出す。図２（ｂ）
は先の粗調整でレーザ光の光軸が光路中心に近づき、ず
れ量が（ｅ１　）　から（ｅ２　）　へ縮小した状態に
なっている。この状態では、調整用レーザ光は平面鏡４
４で反射したときに、全量のレーザ光が光センサー３０
に入力される。従って、光センサー３０のマトリクス座
標面を監視しながら、前述の場合と同様にレーザロボッ
ト１０の関節動作を起動すると、ずれ量に対応して座標
面上で光点の変位が目視できるので、この変位量が関節
動作を起動させてもゼロの定点に停止するように各関節
のレーザ反射ミラー２４〜２８の位置、角度調整を行え
ば良いのである。

【００２１】斯くして平面鏡４４による光軸調整が終了
したとき、光軸調整用ミラー装置４０の凸面鏡４６を調
整用レーザ光の反射位置に割り出す。図２（ｃ）は平面
鏡４４を用いた光軸調整が終了することにより、レーザ
光の光軸が略レーザ管路の中心線に一致する状態まで調
整が進み、故に、レーザ光路の中心線と進行するレーザ
光の光軸とが略一致した状態で凸面鏡４６に入射してい
る状態を示している。然しながら、完全に一致した状態
まで光軸調整が未だ、完了しているわけではい。然し、
凸面鏡４６を用いることにより、略光軸調整が達成され
たレーザ光は光センサー３０の受光口に向けて、拡散方
向にレーザ光を反射させるので、レーザ光は光センサー
３０の受光口の全域で受光する。故に、光軸の実際の残
存ずれが恰も増幅された状態で光センサー３０のマトリ
クス座標面に広がる。従って、略調整が完了した光軸の
ずれをこのように広い座標面に広げて目視できることに
より、恰も光センサーはその分解能を超えた精度で光軸
のずれを検出することができる。よって、光センサー３
０上の光軸ずれを目視で監視しながら、レーザロボット
の関節動作を起動し、光軸ずれをゼロ値に向けて調整す
ることにより高精度の光軸ずれ調整を達成することがで
きるのである。

【００２２】図３は、光軸調整用ミラー装置４０の具体
的構成に当たり、上述した凹面鏡４２、平面鏡４４、凸
面鏡４６の３種の反射ミラーを１つの軸４８により回動
させて順次に調整用レーザ光の反射位置へ自動割出し可
能にする構成を示しているものである。上記の軸４８は
、装置の機枠４１に上記３種の反射鏡４２、４４、４６
と共に一体に収納され、同機枠４１に対して一対の軸受
け５０、５２により回動可能に保持されており、同軸４
８と一緒に３種の反射鏡４２、４４、４６が回動する構
成になっている。また、上記回動軸４８は小歯車５４、
大歯車５６から成る一対の減速歯車機構５８を介して駆
動モータ６０により自動的に割出し位置に割り出し駆動
される構成にある。なお、駆動モータ６０は、好ましく
は、周知の電動サーボモータにより構成され、例えば、
モータ制御回路６２から制御されることにより、減速歯
車機構５８を介することにより回動軸４８、故に３種の
反射鏡４２〜４６を回動させて所望の１種の反射鏡を上
記の反射位置へ割出し得るような構成を有している。こ
のように、光軸調整用ミラー装置４０は、サーボモータ
からなる駆動モータ６０による精密な回転駆動を受けて
レーザ光反射位置へ割り出され、停止位置決めされるの
で、正確な反射位置に設定される。故に、高精度のレー
ザ光の光軸調整を簡単な作業によって達成することがで
きる。

【００２３】なお、図３では凹面鏡４２と凸面鏡４６と
が図示され、同図３に示す光軸調整用ミラー装置４０は
、その回動軸心（回転軸４８の中心）が図１にＣｔｒで
示す回転中心と一致するようにレーザ出射装置２２の部
分のフランジ２２ｂに装着されるものである。

【００２４】

【発明の効果】以上、本発明の実施例を介した説明から
明らかなように、本発明によれば、３種の反射鏡、つま
り、凹面鏡、平面鏡、凸面鏡を順次に用いて光軸調整を
粗調整から光センサーの分解能を超えた精密な光軸調整
を可能とするもので、この結果、レーザロボットの機体
内におけるレーザ光の光軸調整を簡単にしかも精密に遂
行することができるのである。そして、このように、従
来は光センサーの分解能に依存していた光軸調整精度を
向上させ得たことから、レーザロボットのレーザ光出射
装置から外部の照射対象へ照射される作業用レーザ光の
エネルギー密度を充分に高度化させることが可能となる
効果を奏することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例によるレーザロボットのレー
ザ光の光軸調整装置を示す要部断面図である。

【図２】本発明に係る光軸調整用ミラー装置の構成の実
施例を示す断面図である。

【図３】本発明によるレーザロボットのレーザ光の光軸
調整方法における調整手順を説明する（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）の解説図である。

【図４】本発明による光軸調整方法が適用されるレーザ
ロボットの例を示す斜視外観図である。

【符号の説明】

１０…レーザロボット、 １４…ロボット胴、 １６…第１のロボット腕、 １８…第２のロボット腕、 ２０…ロボット手首、 ２２…レーザ光出射装置、 ２２ａ…レーザ光出射口、 ３０…光センサー、 ４０…光軸調整用反射ミラー装置、 ４２…凹面鏡、 ４４…平面鏡、 ４６…凸面鏡、 ６０…電動サーボモータ。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　レーザロボットの関節に設けられた反
   射ミラーを経由して先端のレーザ光出射部へ導かれるレ
   ーザ光のロボット機体内における光軸を調整するレーザ
   ロボットの光軸調整方法において、前記レーザロボット
   のレーザ光出射部に凹面鏡、平面鏡、凸面鏡の３種の反
   射鏡を順次に装着すると共に該レーザ光出射部のレーザ
   光出射口に光センサーを装着し、ロボット機体に光軸調
   整用レーザ光を導入し、前記凹面鏡を介して前記光セン
   サーにより光軸調整度を検出しながら前記関節に設けら
   れた反射ミラーを調節する第１のステップと、前記平面
   鏡を介して前記光センサーにより光軸調整度を検出しな
   がら前記関節に設けられた反射ミラーを調節する第２の
   ステップと、前記凸面鏡を介して前記光センサーにより
   光軸調整度を検出しながら前記関節に設けられた反射ミ
   ラーを調節する第３のステップと、を設け、前記第１か
   ら第３のステップ、前記第１、第２のステップ又は前記
   第２、第３のステップの何れかの組合せにより光軸調整
   を行うことを特徴とする３種のミラーを用いたレーザロ
   ボットの光軸調整方法。
2. 【請求項２】　　レーザロボットの関節に設けられた反
   射ミラーを経由して先端のレーザ光出射部へ導かれるレ
   ーザ光のロボット機体内における光軸を調整するレーザ
   ロボットの光軸調整装置において、前記レーザ光出射部
   のレーザ光出射口に装着されて光軸の調整度を検出可能
   な光センサーと、前記レーザロボットのレーザ光出射部
   に着脱自在に設けられる光軸調整用ミラー装置とを具備
   し、かつ、前記光軸調整用ミラー装置は、前記ロボット
   機体を通過した光軸調整用レーザ光を前記レーザ光出射
   口に向けて反射させる凹面鏡と平面鏡と凸面鏡との３種
   の反射鏡を具備して成ることを特徴とした３種のミラー
   を用いたレーザロボットの光軸調整装置。
3. 【請求項３】　　前記光軸調整用ミラー装置に具備され
   た前記凹面鏡、平面鏡、凸面鏡の３種の反射ミラーは同
   軸線回りに回転可能に設けられ、何れか一つの反射ミラ
   ーが前記調整用レーザ光を前記レーザ光出射口へ向けて
   反射する所定の位置に位置決め可能に設けられているこ
   とを特徴とした請求項２に記載の３種のミラーを用いた
   レーザロボットの光軸調整装置。
4. 【請求項４】　　前記凹面鏡、平面鏡、凸面鏡の３種の
   反射ミラーを前記同軸線回りに回転させて前記所定の位
   置に位置決め可能なアクチュエータ手段を具備している
   請求項３に記載の３種のミラーを用いたレーザロボット
   の光軸調整装置。