JPH10180471A - レーザ溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】溶接部位に対する溶接ロボットの位置決めを容
易且つ正確に行うことができ、しかも、高精度な溶接加
工処理を極めて効率的に行うとともに、溶接工程に対す
る設備投資やスペースの確保等を必要最小限のものとす
ることのできるレーザ溶接装置を提供する。 【解決手段】搬送機構１８によって溶接ステーションに
搬送されたワークＷの位置を位置検出部２０、２２を構
成するＣＣＤカメラ１２４、１２６によって検出し、基
準位置に対するワークＷの位置決め誤差を求める。次い
で、前記位置決め誤差に基づいて溶接ロボット１２、１
４の動作教示データを修正した後、溶接ロボット１２、
１４の先端部に設けられたスキャンヘッド８２、８４を
ワークＷの内部に挿入する。所定位置までスキャンヘッ
ド８２、８４が挿入された後、前記スキャンヘッド８
２、８４のみを駆動することで、レーザビームＬにより
近接する複数の溶接部位に対する溶接作業を遂行する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ワークの固定位置
の誤差を修正し、スキャンヘッドを備えた溶接ロボット
を用いて、レーザビームを複数の溶接部位に照射し、溶
接加工を行うレーザ溶接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、自動車車体（ボディ）の内板部
材と外板部材とを溶接する際、従来から抵抗スポット溶
接ロボットが用いられている。この抵抗スポット溶接ロ
ボットは、所定の溶接ステーションに搬送されたボディ
の各溶接部位に対して、溶接ガンを移動させながら溶接
作業を行う。

【０００３】ところで、前記抵抗スポット溶接ロボット
の場合、比較的重量のある溶接ガンを溶接部位毎に移動
させているため、その移動にかなりの時間を要し、従っ
て、効率的な作業が望めないという不具合がある。そこ
で、例えば、溶接ロボットの台数を増加させることで処
理時間の短縮を図ることが考えられる。

【０００４】しかしながら、単に溶接ロボットの台数を
増加させただけでは、設備投資が増大し、また、溶接ロ
ボットのスペースの関係から、ライン長を長くせざるを
得ないという不具合が発生してしまう。さらに、抵抗ス
ポット溶接ロボットでは、溶接ガンを構成する溶接チッ
プをボディに接触させて作業を行うため、溶接チップの
張り付きや磨耗といった事態を考慮する必要が生じる。
すなわち、溶接チップの張り付きを常時監視し、張り付
きが発生した際には、ラインを停止させて所定の処置を
施す必要がある。また、溶接チップを定期的にドレッシ
ングし、最適な溶接条件が維持できるようにしなければ
ならない。

【０００５】そこで、前述したような抵抗スポット溶接
ロボットの欠点を解消するため、レーザビームを用いて
ボディの溶接を行うものが提案されている（特開平４−
２２０１８７号公報）。この従来技術では、溶接ロボッ
トの先端部に装着されたレーザビーム照射ヘッドをボデ
ィの溶接部位近傍まで移動させることにより、所望の溶
接作業を行うようにしている。この場合、溶接チップの
張り付きや磨耗といった事態は発生しない。

【０００６】しかしながら、レーザビーム照射ヘッドを
溶接ロボットの移動によって所定の溶接部位近傍に設定
するため、前記レーザビーム照射ヘッドの高速移動動作
を実現することは不可能である。また、溶接の対象物で
あるボディが前記溶接ロボットに対して正確に位置決め
されている保証がなく、従って、高精度な溶接作業を行
える確証が得られるものではない。

【０００７】一方、特公平４−３６７９２号公報に開示
された従来技術では、複数の溶接ヘッドをワークの溶接
部位近傍に配設し、平面鏡の角度を調整することで所望
の溶接ヘッドを選択し、レーザビームを選択された前記
溶接ヘッドを介してワークの溶接部位に照射することに
より溶接を行うようにしている。この場合、複数の溶接
部位に対する溶接作業を比較的短時間で行うことができ
る。

【０００８】しかしながら、この従来技術では、溶接ヘ
ッドがワークに対して固定されているため、溶接部位に
スポット溶接を行うことはできても、連続溶接であるシ
ーム溶接を行うことは不可能である。また、前記溶接ヘ
ッドが各溶接部位毎に必要となるため、装置自体が高価
になるだけでなく、ワークの種類に応じて溶接ヘッドの
位置および台数を変更しなければならず、そのための処
理が煩雑となる不具合がある。さらに、溶接ヘッドが溶
接部位近傍に配置されるため、溶接時に生じるスパッタ
によって溶接ヘッドが汚れ、加工精度が低下する不具合
も生じている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、溶接
部位に対する溶接ロボットの位置決めを容易且つ正確に
行うことができ、しかも、高精度な溶接加工処理を極め
て効率的に行うことができるとともに、溶接工程に対す
る設備投資やスペースの確保等を必要最小限のものとす
ることのできるレーザ溶接装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明では、誤差検出手段により、溶接ステーシ
ョンに搬入されたワーク上の特定部位と基準位置とを比
較して位置決め誤差を検出し、教示データ修正手段にお
いて溶接ロボットの動作教示データを修正する。次い
で、前記溶接ロボットを前記修正された動作教示データ
に従って動作させることにより、スキャンヘッドをワー
クの複数の溶接部位を溶接可能な位置まで移動させる。
その後、前記溶接ロボット自体は固定させ、前記スキャ
ンヘッドのみを駆動させることにより、レーザ出力部よ
り出力されたレーザビームを所望の複数の溶接部位に照
射し、溶接作業を行う。前記の複数の溶接部位に対する
溶接作業が完了すると、溶接ロボットを次の複数の溶接
部位を溶接可能な位置まで移動させ、再び、前記と同様
にして溶接作業を行う。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１および図２は、本実施形態の
レーザ溶接装置１０の側面構成図および正面構成図を示
す。

【００１２】レーザ溶接装置１０は、所定の溶接ステー
ションに配置される２台の溶接ロボット１２、１４と、
前記溶接ロボット１２、１４に対してレーザビームＬを
供給するレーザ発振器１６と、前記溶接ステーションに
自動車車体（ボディ）であるワークＷを搬送する搬送機
構１８と、前記ワークＷの両側部に配置され、前記溶接
ステーションに搬送されたワークＷの位置を検出する位
置検出部２０、２２とを備える。なお、ワークＷは、複
数のクランパ２４を有する搬送台車２６に載置された状
態で溶接ステーションに搬送される。

【００１３】溶接ロボット１２、１４は、図３に示すよ
うに構成される。すなわち、溶接ステーションの上面部
に設けられた天板２８には、ガイドレール３０、３２が
配設されており、各ガイドレール３０、３２に対して第
１スライド部材３４、３６が係合する。この場合、溶接
ロボット１２を構成する第１スライド部材３４の端部に
は、シフトミラー３８を保持する筺体４０が設けられ、
溶接ロボット１４を構成する第１スライド部材３６の端
部には、反射ミラー４２を保持する筺体４４が設けられ
る（図１参照）。また、前記各第１スライド部材３４、
３６には、第２スライド部材４６、４８が係合する。第
１スライド部材３４、３６は、ガイドレール３０、３２
に沿って矢印Ｘ方向に移動し、第２スライド部材４６、
４８は、第１スライド部材３４、３６に沿って矢印Ｙ方
向に移動する。

【００１４】第２スライド部材４６、４８には、軸受５
０、５２を介して矢印θ方向に回動する筺体５４、５６
が軸部材５１、５３によって軸支される。筺体５４、５
６の中には、反射ミラー５８、６０が保持される。筺体
５４、５６の下部には、第１円筒体６２、６４が固定さ
れており、前記第１円筒体６２、６４の下部には、第２
円筒体６６、６８が係合する。第１円筒体６２、６４と
第２円筒体６６、６８とは、ボールねじ７０、７２を介
して連結される。ボールねじ７０、７２は、一端部が第
１円筒体６２、６４の外周部に固定されたステッピング
モータ７４、７６に連結し、他端部が第２円筒体６６、
６８の外周部に固定されたナット部材７８、８０に螺合
する（図１参照）。第２円筒体６６、６８は、ステッピ
ングモータ７４、７６の回転に伴って矢印Ｚ方向に移動
する。

【００１５】第２円筒体６６、６８の下部には、図４に
示すように構成されるスキャンヘッド８２、８４が固定
される。スキャンヘッド８２、８４は、第２円筒体６
６、６８の下端部に固定される筺体８６と、前記筺体８
６に対して矢印α方向に旋回可能に連結される筺体８８
とを備える。筺体８６の中には、反射ミラー９０が保持
される。筺体８８に連結される筺体８６の端部外周部に
は、ウォームホイール９２および回転ガイド９３が固定
されている。このウォームホイール９２には、筺体８８
に固定されたブラケット９４により支持されたウォーム
９６が噛合する。なお、前記ウォーム９６は、ステッピ
ングモータ９８によって回転する。また、ブラケット９
４には、回転ガイド９３が係合する。

【００１６】一方、筺体８８の中には、反射ミラー１０
０、１０２が保持される。また、前記反射ミラー１０２
によって反射されたレーザビームＬの光路上には、放物
面ミラー１０４と、２枚の反射ミラー１０６、１０８
と、楕円面ミラー１１０と、走査ミラー１１２、１１４
とを備える。反射ミラー１０６、１０８は、互いに所定
の角度を維持して枠体１１６に保持されており、この枠
体１１６に連結されるステッピングモータ１１８を介し
て矢印Ａ方向に進退自在である。走査ミラー１１２、１
１４は、図示しないサーボモータによって矢印β、γ方
向に偏向自在である。

【００１７】位置検出部２０、２２は、溶接ステーショ
ンの上面部に設けられた天板２８に対して、ブラケット
１２０、１２２を介して固定されるＣＣＤカメラ１２
４、１２６を備える。この場合、前記ＣＣＤカメラ１２
４、１２６は、溶接ロボット１２、１４間であってワー
クＷの両側部に配置される。

【００１８】溶接ステーションには、さらに、図５およ
び図６に示す構造からなる複数のクランパ機構１２８が
設けられる。このクランパ機構１２８は、溶接対象であ
る２枚のワークＷを支持するワーク受け治具１３０と、
前記ワーク受け治具１３０と共同してワークＷを挟持す
るクランパ１３２とを備える。クランパ１３２は、Ｌ字
状に折曲する部分がワーク受け治具１３０に固定された
ブラケット１３４に軸支されるとともに、端部には、ワ
ーク受け治具１３０に軸支されたシリンダ１３６のロッ
ド１３８が軸着する。また、クランパ１３２には、図６
に示すように、上部および両側部に開口するガス通路１
４０が形成されており、このガス通路１４０には、上部
に連結されたチューブ１４２を介してＡｒガス等の不活
性ガスが導入される。

【００１９】図７は、前記のように構成されるレーザ溶
接装置１０の制御回路ブロックを示す。この制御回路で
は、ＣＣＤカメラ１２４、１２６により得られた画像デ
ータに基づいて、溶接ステーションにおけるワークＷの
位置決め誤差を溶接ロボット１２、１４の動作教示デー
タに反映させて修正する教示データ修正装置１４４と、
修正された動作教示データに基づいて溶接ロボット１
２、１４を制御する溶接ロボット制御装置１４６とを備
える。教示データ修正装置１４４は、ＣＣＤカメラ１２
４、１２６からの信号を取り込むインタフェース１４８
と、動作教示データを記憶する動作教示データメモリ１
５０と、主として前記動作教示データを修正する演算処
理を行うＣＰＵ１５２と、修正された動作教示データを
溶接ロボット制御装置１４６に出力するインタフェース
１５４とを備える。

【００２０】本実施形態のレーザ溶接装置１０は、基本
的には以上のように構成されるものであり、次に、その
動作について説明する。

【００２１】先ず、複数のクランパ２４によって搬送台
車２６に固定されたワークＷは、搬送機構１８によって
溶接ステーションに搬入される。次いで、前記溶接ステ
ーションに搬入されたワークＷは、溶接部位近傍が図５
に示すクランパ機構１２８によって保持される。すなわ
ち、例えば、外板部材および内板部材からなる２枚のワ
ークＷは、溶接部位近傍がワーク受け治具１３０によっ
て支持され、シリンダ１３６の駆動作用下にロッド１３
８を介してクランパ１３２が回動変位することで挟持固
定される。

【００２２】次に、溶接ステーションの所定位置に前記
のようにして固定されたワークＷは、位置検出部２０、
２２によって位置が検出され、所定の基準位置に対する
位置決め誤差が求められる。

【００２３】すなわち、ワークＷの両側部に配設された
位置検出部２０、２２を構成するＣＣＤカメラ１２４、
１２６は、ワークＷの特定部位の画像を取り込み、得ら
れた画像データをインタフェース１４８を介して教示デ
ータ修正装置１４４を構成するＣＰＵ１５２に転送す
る。ワークＷの特定部位としては、例えば、フロントウ
インドウ開口部のコーナ部分、リアウインドウ開口部の
コーナ部分、センタピラーの基準点等、ワークＷとして
のボディの精度を代表する部位を挙げることができる。
ＣＰＵ１５２は、取り込んだ画像データを予め記憶され
ている前記特定部位の基準画像データと比較することに
より、基準位置に対するワークＷの位置決め誤差を求め
る。この画像処理方法としては、例えば、基準位置に正
確に設定したワークＷの特定部位の基準画像データを予
め記憶させておき、前記特定部位をＣＣＤカメラ１２
４、１２６により撮影して得られた画像データと、前記
基準画像データとの差を求め、前記差が最小となるよう
に前記画像データの位置を変位させたときの変位量を位
置決め誤差として求める方法を採用することができる。

【００２４】ＣＰＵ１５２は、前記のようにして求めた
位置決め誤差に基づいて、動作教示データメモリ１５０
に記憶された溶接ロボット１２、１４の動作教示データ
を修正し、インタフェース１５４を介して溶接ロボット
制御装置１４６に転送する。溶接ロボット制御装置１４
６は、前記の修正された動作教示データに従って溶接ロ
ボット１２、１４を駆動制御して所定位置まで移動させ
た後、ワークＷに対する溶接作業を遂行する。この場
合、前記動作教示データは、ワークＷの位置決め誤差を
修正したものとなっているため、高精度な溶接作業が行
われることになる。また、このような動作教示データの
修正機能を有しているため、ワークＷを溶接ステーショ
ンに対して高精度に位置決めする必要がなく、その分、
設備を簡易なものとすることができる。

【００２５】次に、溶接ロボット１２、１４による溶接
作業について詳細に説明する。

【００２６】前記のようにして動作教示データが修正さ
れた後、溶接ロボット制御装置１４６の指示に従い、各
溶接ロボット１２、１４は、スキャンヘッド８２、８４
をワークＷの開口部、例えば、フロントウインドウ開口
部およびリアウインドウ開口部よりワークＷの内部に挿
入させる。すなわち、第１スライド部材３４、３６がガ
イドレール３０、３２に沿って矢印Ｘ方向に移動し、第
２スライド部材４６、４８が前記第１スライド部材３
４、３６に沿って矢印Ｙ方向に移動する。また、スキャ
ンヘッド８２、８４がそれを支持する筺体５４、５６、
第１円筒体６２、６４、第２円筒体６６、６８とともに
軸部材５１、５３を中心として矢印θ方向に回動する。
さらに、レーザビームＬをワークＷの所定の溶接部位に
照射すべく、ステッピングモータ７４、７６によってナ
ット部材７８、８０に螺合するボールねじ７０、７２が
回転し、第２円筒体６６、６８が第１円筒体６２、６４
に対して矢印Ｚ方向に変位しながらスキャンヘッド８
２、８４に設けられたステッピッグモータ９８が駆動さ
れ、ウォームホイール９２に噛合するウォーム９６が回
転することにより、筐体８８が矢印α方向に回動する。
この結果、スキャンヘッド８２、８４は、ワークＷの内
部の所定の位置に位置決めされ、溶接準備完了となる。
レーザ発振器１６より出力されたレーザビームＬは、溶
接ロボット１２を構成する第１スライド部材３４の端部
に設けられた筺体４０に保持されたシフトミラー３８に
よって反射され、孔部５５を介して筺体５４内の反射ミ
ラー５８に導かれる。反射ミラー５８によって反射され
たレーザビームＬは、第１円筒体６２および第２円筒体
６６を介してスキャンヘッド８２内に導かれる。スキャ
ンヘッド８２内に導かれた前記レーザビームＬは、反射
ミラー９０、１００、１０２を介して放物面ミラー１０
４により反射集光された後、反射ミラー１０６、１０８
を介して楕円面ミラー１１０に導かれる。次いで、レー
ザビームＬは、前記楕円面ミラー１１０によって集光さ
れつつ走査ミラー１１２、１１４のβ、γ方向への回動
制御とビームスポットの焦点位置合わせのための反射ミ
ラー１０６、１０８のＡ方向への移動制御を同時に行い
ながら、予めティーチングされた複数の溶接点の溶接を
完了させる。次に、前記レーザビームＬは、前記シフト
ミラー３８をレーザ光軸から退避させることにより溶接
ロボット１４を構成する第１スライド部材３６の端部に
設けられた筐体４４に保持された反射ミラー４２によっ
て反射され、孔部５７を介して筐体５６内の反射ミラー
６０に導かれ、以下、前述のようにスキャンヘッド８４
を走査し、一連の溶接動作を実施する。

【００２７】ここで、溶接部位であるワークＷのＰ点の
近傍は、図５および図６に示すように、クランパ機構１
２８によってクランプされており、クランパ１３２に設
けられたガス通路１４０を介して前記Ｐ点にＡｒガス等
の不活性ガスが供給されている。従って、溶接部位は、
前記不活性ガスによって酸化が阻止された状態で好適に
溶接されることになる。なお、スキャンヘッド８２、８
４に収納された走査ミラー１１２、１１４の回動制御と
反射ミラー１０６、１０８の移動制御を同時に行いなが
ら溶接作業を行うことにより、スポット溶接だけではな
く、連続溶接であるシーム溶接として丸、四角等の各種
パターン形状の溶接を行うことができる。１つの溶接部
位に対する溶接作業が完了すると、スキャンヘッド８
２、８４を次の溶接部位に移動させるべくＸ、Ｙ、θ、
Ｚ、α軸を制御し、再度、β、γ、Ａ軸をティーチング
データによって制御しながら該溶接部位の溶接点の溶接
を完了させる。この場合、スキャンヘッド８２、８４の
全体を移動させる必要がないため、該当する溶接部位の
複数の溶接点の溶接作業を極めて効率的に行うことがで
きる。

【００２８】なお、これらの溶接作業において、光学系
を含むスキャンヘッド８２、８４は、溶接部位から十分
に離れた位置に配設して溶接作業を行わせることができ
るため、溶接によって発生するスパッタの影響を受ける
ことなく、良好な状態で溶接作業を遂行することができ
る。しかも、レーザビームＬを用いた溶接であるため、
抵抗スポット溶接のように、溶接チップの張り付きとい
った事態が生じることがなく、また、ドレッシング等の
メンテナンスを行う必要もない。従って、極めて効率的
に溶接作業を行うことができる。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、誤差検
出手段によりワークの位置ずれを検出し、溶接ロボット
の動作教示データを修正する構成であるため、溶接ステ
ーションに対してワークを正確に位置決めさせることな
く、所望の溶接部位に対して高精度に溶接作業を遂行さ
せることができる。また、スキャンヘッド全体は動かさ
ないでスキャンヘッド内に組み込まれた走査ミラーおよ
び焦点調整ミラーのみを制御するだけで約８００ｍｍ×
８００ｍｍの溶接範囲を極めて効率的に溶接することが
できる。なお、レーザビームを用いた溶接であるため、
チップの張り付きや磨耗といった抵抗溶接における不具
合は一切生じない。さらに、一台の溶接ロボットにより
複数の溶接部位の溶接作業を行うことができるため、溶
接工程に投入される溶接ロボットを必要最小限のものと
することができる。これにより、設備投資および溶接工
程が占有するスペースを低減させることができるととも
に、溶接ロボットに対する動作教示の手間も削減される
ことになる。さらにまた、スキャンヘッドを光偏向光学
系および集光光学系により構成することで、ワークの溶
接部位から十分に離間した地点よりレーザビームを照射
することができ、これによって、スパッタの影響を回避
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施形態のレーザ溶接装置の側面構成図であ
る。

【図２】本実施形態のレーザ溶接装置の正面構成図であ
る。

【図３】溶接ロボットの構成説明図である。

【図４】溶接ロボットに装着されたスキャンヘッドの構
成説明図である。

【図５】クランパ機構の構成図である。

【図６】クランパ機構およびその近傍における溶接部位
の溶接作業の説明図である。

【図７】教示データ修正装置を含む制御回路の構成ブロ
ック図である。

【符号の説明】

１０…レーザ溶接装置 １２、１４…溶
接ロボット １６…レーザ発振器 １８…搬送機構 ２０、２２…位置検出部 ２６…搬送台車 ８２、８４…スキャンヘッド １２４、１２６
…ＣＣＤカメラ １２８…クランパ機構 １４４…教示デ
ータ修正装置 １４６…溶接ロボット制御装置 Ｗ…ワーク

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接ステーションに搬入されたワークの基
   準位置に対する位置決め誤差を検出する誤差検出手段
   と、 前記ワークの溶接部位に対して照射されるレーザビーム
   を出力するレーザ出力部と、 前記レーザビームを複数の前記溶接部位に導くスキャン
   ヘッドを有し、前記スキャンヘッドを動作教示データに
   従って前記複数の溶接部位を溶接可能な位置に移動させ
   る溶接ロボットと、 前記誤差検出手段により検出された前記ワークの位置決
   め誤差に基づき、前記動作教示データを修正する教示デ
   ータ修正手段と、 を備えることを特徴とするレーザ溶接装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の装置において、 前記誤差検出手段は、前記ワークの特定部位を画像デー
   タとして検出する画像検出部と、前記画像データから得
   られる前記特定部位の位置と前記基準位置との差を位置
   決め誤差として求める誤差算出部とを備えることを特徴
   とするレーザ溶接装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の装置において、 前記スキャンヘッドは、前記レーザビームを所定の溶接
   部位に導く光偏向光学系と、前記レーザビームを前記所
   定の溶接部位に対して集光させる集光光学系とを備える
   ことを特徴とするレーザ溶接装置。