JPH0478926B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） レーザビームを用いて材料の切断、溶接等の加
工を行う場合には、第１図に示すように、レーザ
ビームガンＧの軸Ｚを被加工物表面Ｊに垂直に保
つとともに、レーザビームガンＧの先端と表面Ｊ
との間〓ｄを一定に保つことが必要である。本発
明の姿勢検出器は、上記のレーザビームガンＧに
装備して、レーザビームガンＧの被加工物表面Ｊ
に対する姿勢（傾斜および間〓）を自動検出し、
正規の姿勢に自動制御するに役立つ信号を発生す
るものである。本発明は、同様な工具の姿勢制御
にも適用できる。

（従来の技術） レーザビームガンＧの姿勢検出に関する従来の
技術を第１図により説明する。従来のレーザビー
ムガンではガンの先端近くに、板状電極Ｃを挿入
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、静電容量の変化を電気的量の変化
にかえて、それを検出し、間〓ｄの制御を行つて
いる。この方法では、間〓ｄの平均値は求められ
るが、Ｚ軸との傾きは不明である。

（発明が解決しようとする問題点） 本発明が解決しようとする問題点は、次の２点
である。

(イ) レーザビームガンの姿勢を自動検出できる姿
勢検出器を実現すること。ここに、姿勢検出と
は、第１図のＺ軸の表面Ｊに対する傾斜および
先端間〓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である。

(ロ) 上記姿勢検出器を、レーザビームガンの総重
量、外径寸法をあまり増加することなく装備で
きること。

（問題を解決するための手段および実施例） 本発明の姿勢検出器を装備したレーザビームガ
ンの例を第２図に示す。本姿勢検出器はレーザビ
ームガンＧの中心軸Ｚのまわりに複数個の測定系
M₁，M₂……M_oを配置して形成されている。ｎ
は通常３〜４で充分である。

第２図に示すように、レーザビームガンＧの筺
体Ｂを上下に分割してB₁，B₂とし、その間に環
状の受光レンズ£_Rを、その光軸をＺ軸に一致さ
せて設ける。筺体内側にオプチカルフアイバI_iを
設け、その先端に微小集光レンズ£_fを設け、図
のようにＺ軸に平行に細い信号光ビームL_iを発射
し、被加工物表面Ｊ上に光のスポツトa_iを生ぜし
める。a_iからの乱反射光の一部が、受光レンズ
£_Rで集光されて、筺体B₁内に設けた受光素子S_i
上に入射する。受光素子S_iは、レーザビームガン
Ｇの姿勢が規定値になつている時、a_iの像A_i0がS_i
上に結ばれるように取付けられている。受光レン
ズ£_Rとスポツトa_iとの距離が規定値からずれる
と、a_iからの反射光の受光素子への入射位置が変
化する。これについては後に説明する。受光レン
ズ£_Rは測定系M_i（ｉ＝１、２、……）に共用さ
れており、構造の単純化、価格の低下に役立つて
いる。

受光素子S_i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、その電気出力から光の
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（ホトセンサデバイ
ス）、シリコンホトダイオードアレー等、あるい
は複数條のオプチカルフアイバの一端を直線上に
密に並べて配置して受光部とし、光フアイバでレ
ーザビームガンＧの外部へ導出し、他端に受光用
ホトダイオードを設けたものを用いてもよい。

次に、１つの測定系M_iにつき光学的測定原理
を第３〜７図により説明する。第２図の構造にお
いては、下の筺体B_zはスポツトa_iの乱反射光が受
光レンズ£_Rの反対側の部分に入射するのを遮り、
さらにまた、受光素子S_iとして細い線状のものを
用いるので、測定系M_iにおけるスポツトa_iからの
乱反射光が受光素子S_iに入射する様子は、近似的
には、受光素子S_iとレンズの光軸Ｚを含む面内の
現象として取扱つてもよい。さらにまた、受光素
子S_iの取付方向は、必ずしもＺ軸に平行でなくて
もよい。その様子をわかり易くするために、Ｚ軸
に平行と垂直の場合を代表例として図に示してお
いた。Ｚ軸に平行な受光素子をS_ivで、垂直な受
光素子をS_ihで示した。円環状受光レンズ£_Rの内
縁の半径をr₁、外縁の半径をr₂、Ｚ軸と信号光ビ
ームとの距離をr_L、受光レンズの中心面とスポツ
トa_iとの距離をl_aiとし、r_L、l_aiの変化にともなつ
て生ずる、受光素子S_iへのスポツト反射光の変化
の様子を述べる。図において、a_i0は被加工物J₀上
の規定位置にあるスポツト、a_i1は遠方にあるス
ポツト、a_i2は近くにあるスポツトを示し、それ
らの像をA_i0、A_i1、A_i2で示す。l_a0、l_ai1、l_ai2はそ
れぞれ受光レンズ£_Rの中心面とスポツトa_i0、
a_i1、a_i2との距離である。

第３図、r_L＜r₁なる場合を示す。この場合、ス
ポツトの反射光が受光素子S_iに入射する位置は l_ai＝l_ai1＜l_a0なる場合 ：S_iv上では区間〔A′u₁〜A′u₂〕 S_ih上では区間〔A″u₁〜A″u₂〕 l_ai＝l_a0なる場合 ：S_ivl，S_ih上で点A_i0 l_ai＝l_ai2＜l_a0なる場合は図に示してないが、A_i0
に関してl_ai1＞l_a0なる場合の区間と反対側の一定
区間。

第４図、r_L＝r₁なる場合を示す。この場合のス
ポツト反射光の受光素子への入射位置は、l_ai＝
l_ai1＞l_a0なる場合 ：S_iv上では区間〔A_i0〜A′_i1〕 S_ih上では区間〔A_i0〜A″_i1〕 l_ai＝l_a0なる場合 ：S_ivl，S_ih上で点A_i0 l_ai＝l_ai2＜l_a0なる場合は図に示してないが、A_i0
に関してl_ai1＞l_a0なる場合の区間と反対側の一定
区間。

第５図、r₂＞r_L＞r₁なる場合、はスポツトから
の反射光はS_i上で、A_i0の両側にまたがる区間に
入射する。

第６図、r_L＝r₂なる場合を示す。スポツトS_iの
反射光の受光素子への入射位置は、 l_ai＝l_ai1＞l_a0なる場合（ａ図） ：S_iv上では区間〔A_i0〜A′_i1〕 S_ih上では区間〔A_i0〜A″_i1〕 l_ai＝l_a0なる場合 ：S_iv，S_ih上で点A_i0 l_ai＝l_ai2＜l_a0なる場合（ｂ図） ：S_iv上では区間〔A_i0〜A′_i2〕 S_ih上では区間〔A_i0〜A″_i2〕 第７図、r_L＞r₂なる場合を示し、スポツト反射
光の受光素子への入射位置は、 l_ai＝l_ai1＞l_a0なる場合 ：S_iv上では区間〔A′u₁〜A′u₂〕 S_ih上では区間〔A″u₁〜A″u₂〕 l_ai＝l_a0なる場合 ：S_iv，S_ih上で点A_i0 l_ai＝l_ai2＜l_a0なる場合は図に示してないが、A_i0
に関してl_ai＞l_a0なる場合の入射区間と反対側の一
定区間。

上述の第３図より第７図までを比較すると、r_L
r₂、r_Lr₁なる場合は、l_aiが規定値より外れた
場合、スポツトからの反射光が受光素子S_iへ入射
する区間が、l_ai〓l_a0に対して、A_i0の互に反対側
にあるので、その識別がやり易くなる。しかし、
r₂＞r_L＞r₁なる場合は上述の性質を有しないので
識別し難くなる。つまり、信号光の位置を受光レ
ンズ£_Rの内縁より内側か、外縁より外側にとつ
て、測定系M_iを構成しておけば、スポツトa_iが受
光レンズ£_Rに規定値より遠すぎるか、近すぎる
か、丁度よいかを識別し易くなる。

次に雑音の除去について説明する。レーザビー
ム加工においては、加工用レーザビームの加工点
における反射・散乱、加工点の温度上昇による発
光、および工場内の各種光源等の雑音光による測
定妨害が存在する。しかし、これらの雑音光の時
間変動の周波数スペクトルはせいぜい100kHz以
下であるので、測定に使用する信号光ビームを数
百ｋHz程度の高周波で変調しておけば、受光素子
の電気出力側でハイパスフイルタを用いて、雑音
光対応成分を除去し、雑音光による測定妨害を除
くことができる。

上に説明した測定系M_iを、レーザビームガン
Ｇの軸Ｚのまわりに、一定角づつずらして、例え
ば90°づつずらして４個（M₁、M₂、M₃、M₄）配
置すれば、４個の光スポツトa_iと受光レンズ£_R
との距離が、規定値l_a0とどのようにずれている
かを知ることができるので、レーザビームガンＧ
の姿勢を矯正できる。

以上においては、レーザビームガンＧのＺ軸を
被加工物表面Ｊに垂直に保つ場合につき説明した
が、レーザビームガンＧのＺ軸を被加工物表面Ｊ
に対して一定の傾斜を保たせるためには、その傾
斜位置において、各スポツトa_iの像を結ぶ位置
A_i0に、それぞれの受光素子S_iを設けることによ
り、前述と全く同様にレーザビームガンＧの規定
位置からのずれ方向を検知することができる。

次に、姿勢検出システムを第５図により説明す
る。図において、OPSは高周波変調された信号
光発生器で、信号光をオプチカルフアイバl_i（ｉ＝
１、２、……）を通してレーザビームガンＧへ送
る。レーザビームガンＧは前に説明したとおりの
機能をもつている。DET_i（ｉ＝１、２、……）は
検出回路で、受光素子S_iの電気出力V_iを増幅し、
フイルタで雑音成分を除去し、光のスポツトa_iか
らの反射光が受光素子S_i上で正規の入射位置に対
して遠近何れの側にあるかを示す電気信号を発生
し、それをデジタル化して、その信号V′_iをマイ
クロプロセツサμPへ送りこむ。マイクロプロセ
ツサμPはV′_iを受け入れて、これらの信号からレ
ーザビームガンＧが正規の姿勢からどうずれてい
るか（被加工物表面に対する傾斜および距離）を
判断し、その姿勢を矯正するための信号を発生
し、レーザビームガン駆動機GDへ送る。レーザ
ビームガン駆動機GDは、前記姿勢矯正のための
駆動力を発生し、レーザビームガンＧの姿勢を正
しい姿勢に矯正する。

（発明の効果） 本発明の姿勢検出器では、測定に用いる信号光
ビームとして高周波変調を加えた光ビームを用
い、受光素子の電気出力側でフイルタにより雑音
成分を除去することにより、外部雑音光による測
定妨害を防止している。

また、１個の受光レンズ£_Rを複数個の測定系
に共用することにより、姿勢検出器構造の小形
化、経済化をはかつている。本姿勢検出器の使用
により、作業中におけるレーザビームガンの姿勢
の自動制御が可能になり、作業の自動化の推進に
非常に役立つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は現用のレーザビームガンＧの構造を示
す図、第２図は本発明の姿勢検出器を装備したレ
ーザビームガンＧを示す図、第３図〜第７図は本
発明の姿勢検出器の光学系を示す図で、信号光ビ
ームL_iと中心軸Ｚとの距離r_Lと円筒状受光レンズ
£_Rの内縁径r₁と外縁径r₂との関係が、第３図はr_L
＜r₁なる場合、第４図はr_L＝r₁なる場合、第５図
はr₂＞r_L＞r₁なる場合、第６図はr_L＝r₂なる場合
でａ図は、l_ai1＞l_a0なる場合、ｂ図はl_ai2＜l_a0なる
場合、第７図はr_L＞r₂なる場合を示す図、第８図
は姿勢検出システムを示す図である。 前記各図において用いた記号について、Ｇはレ
ーザビームガン、£_wは加工レーザビーム用集光
レンズ、L_wは加工レーザビーム、Ｂは筺体、Ｃ
は静電容量用の板状電極、ｄはレーザビームガン
Ｇと被加工物表面Ｊとの間〓、Ｗは加工点、B₁
は上部の筺体、B₂は下部の筺体、£_Rは環状の受
光レンズ、r₁，r₂はそれぞれ£_Rの内縁半径、外
縁半径、I_iはオプチカルフアイバ、L_iは信号光ビ
ーム、a_iは信号光ビームのスポツト、£_fは微小集
光レンズ、R_iは受光方向、O_Rは受光レンズの中
心、Ｆは受光レンズの焦点、S_iは受光素子、Ｚは
レーザビームガンＧの中心軸、M_iは信号光ビー
ムL_i、受光レンズ£_R、および受光素子S_iよりな
る測定系、l_a0はレーザビームガンＧが規定の姿
勢をとつた場合のスポツトa_i0と受光レンズとの
距離、A_i0はl_a0なる場合のスポツトa_i0の像、r_Lは
信号光ビームL_iとＺ軸との距離、a_i1は規定値l_a0
より遠いスポツト、a_i2は近いスポツト、A_i1，A_i2
はそれぞれa_i1，a_i2の像、u₁，u₂はそれぞれ受光
レンズ£_Rの内縁および外縁、S_iv，S_ihはそれぞれ
Ｚ軸に平行および垂直におかれた受光素子、
A′u₁，A′u₂，A″u₁，A″u₂，A′_i1，A″_i1，A′_i2、
お
よびA″_i2は何れもスポツトからの反射光の受光素
子上の入射区間を示す点、GDはレーザビームガ
ン駆動機、OPSは信号光発生器、DET_iは検出回
路、μPはマイクロプロセツサである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ １個の環状受光レンズと、該受光レンズの光
   軸のまわりに配置され、環状受光レンズの内縁よ
   り内側または外側において、前記受光レンズの光
   軸に平行な細い複数條の信号光ビームを発生する
   手段を有し、該信号光ビームが被加工物表面につ
   くるスポツトと受光レンズとが所定の距離になつ
   た時、該受光レンズにより結ばれるスポツトの像
   の結像点に、受光位置を検知する手段をもつた細
   長い線状受光素子をそなえ、姿勢検出の場合、受
   光素子に入射するスポツ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ツト結像点の
   何れの側にあるかを判別する電気回路をそなえ、
   該電気回路の複数個の出力から姿勢を検出するこ
   とを特徴とする姿勢検出器。