JPS62289395A - レ−ザ−用２軸光学リスト - 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】 ３、発明の詳細な説明 本発明は産業用ロボットとの組合わせで平行光線を供給
する光学系、特にロボット式し−ザービーム供給装置と
併用するための２軸光学リスト（ｏｐｔｉｃａｌ　ｗｒ
ｉｓｔ）に係る。

穿孔や切断などにおける材料気化を含む各種金属加工の
ための熱源として使用するには高出力レーザーが理想的
である。レーザーは材料の溶融を必要とする材料の溶接
や表面被覆などにも応用できる。また、硬化や焼きなま
しにレーザーを利用することにより、固体材料の温度を
変えることができる。

レーザービーム照射により材料が受ける熱的効果は主と
してレーザーエネルギーの強さ、材料の吸収率及び反射
率、並びにレーザービーム照射時間によって決定される
。これらのパラメータを正確に制御することにより、照
射を行った結果としての材料の相または状態の変化が決
まる。溶接、切断、表面処理のような加工にレーザーを
利用する場合、工作物の被処理表面の向きを、レーザー
ビームとほぼ直交させ、ビームが被処理表面に直角に衝
突するように設定するのが普通である。このように構成
すれば、材料の吸収率が最大になり、加熱が促進される
。レーザーと工作物を相対移動させるのが普通であり、
この相対移動は２通りの態様で行うことができる。第１
の態様では固定された工作物を横切るようにビームを操
作する。第２の態様ではレーザービームを固定して工作
物を操作する。前者の場合、レーザーを可動装置に取り
付けるか、可動光学系を利用して固定レーザーから工作
物にビームを当てることによってレーザービームを移動
させねばならない。後者の場合、工作物操作装置を利用
しなければならない。

一般的には、後者の方式を採用することが多い。材料加
工にレーザーを利用する公知システムの多くは固定した
レーザービームを工作物を操作できる装置と併用する。

この工作物においては、工作物を線形または回転運動さ
せ、工作物の対称性を利用するのが普通である。対称的
な、または簡単な工作物は１つまたは２つの自由軸を有
する装置で加工できるが、少し複雑な工作物ならば４ま
たは５個の自由度を持つ工作物操作装置が必要になる。

このようにして複雑な工作物の操作条件と、レーザービ
ームが加工面に垂直に衝突しなければならないという一
般的な条件を市販の工作物操作装置で満たすことは困難
である。しかもこれらの装置は特定の工作物を対象に構
成されており、専用のハードウェアを備えるのが普通で
ある。従って、工作物の形状及び寸法が変われば、これ
に対応して装置を最構成するのが困難である。公知装置
のその他の問題点として、大型の工作物は正確にかつ繰
り返し位置決めするのが困難であり、運動には大きい慣
性効果が伴う。また、工作物の幾何学形状のため、レー
ザー光源と工作物加工面との間の明確な「視線」をさえ
ぎる障害物が存在する可能性がある。

上記問題の解決に大きく貢献したのが Ｄａｎｉｅｌ　Ｊ、　Ｐｌａｎｋｅｎｈｏｒｎの米国特
許第４，５３９゜４６２号”Ｒｏｂｏｔｉｃ　Ｌａ５ｅ
ｒ　Ｂｅａｍ　ＤｅｌｉｖｅｒｙＡｐｐａｒａｔｕｓ　
　ｒロボット式レーザービーム供給装置」であり、この
特許は本発明の出願人に譲渡されており、本願明細書に
その内容をそのまま引用している。この特許には、レー
ザーのような反射光線を複数の直線部分から成る光路に
沿って案内することのできる光ビーム案内装置が開示さ
れている。ビームの各セグメントを一定の空間的関係で
ロボット・アームの各部分と連携させる。レーザービー
ム供給システムは産業用ロボットと併用して両者の運動
軸が同期的に動き、互いに干渉し合うことがないように
機能する光学的ジヨイントを提供する。

レーザービーム供給システムは５ｏｒｏｋａ等の米国特
許第４，５７１，１４９号に開示された汎用直交軸マニ
ピュレータシステムと併用するのに好適である。この特
許はＷｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅＥｌｅｃｔｒｉｃ　Ｃｏ
ｒｐｏｒａｔｉｏｎからｔｌｎｉｍａｔｅ　６０００シ
リーズの商品名で市販されている直交軸ロボット・シス
テムを開示している。この特許も本願明細書にそのまま
引用されている。直角座標系では、定義上、立体解析幾
何学により、６つの自由度があれば任意の直交方向にお
いて空間中のすべての点に到達できる。この６つの自由
度は３つの並進または直動、即ち、Ｘ、Ｙ及びＺ軸に沿
う運動と３つの回転運動Ｒｘ、　ＲＹ及びＲ２から成る
。多くの工作機械及びロボットは５つの自由度だけを利
用し、６番目の自由度Ｒ２はその運動が末端作動体の自
転であり、スピンドルのような他の機械的設計に依存す
る方が良い結果を得られるから、自由度に含めない。

以上の説明から明らかなように、この５つの自由度また
は運動はビームを駆動させて有用な仕事を行うために材
料加工用レーザーシステムが必要とする条件でもある。

ロボットの幾何学的形状に応じて、所与の産業用ロボッ
トに必要なレーザービーム光学系を取り付ける態様が必
ずしも一律でないことはいうまでもない。

レーザーとロボットを組み合わせて有利な用途に用いる
のに必要な自由度を提供する種々の光学リストまたは光
学ヘッドの構成が提案されている。その−例は上記Ｐｌ
ａｎｋｅｎｈｏｒｎ特許に開示されており、この特許の
光学ジヨイントは管状部材から成り、互いに回転自在に
連結されているが、ロボットの動作中必ずしも自動的に
互いに回転する方向に駆動されることはない。同様の光
学ヘッドまたはリストはＤａｖｉｄ等の英国特許出願第
２，１３１，３８８Ａ号に開示されている。このような
光学リストまたは焦点合わせ装置なモータ駆動する試み
もなされており、その−例がＲｅｘｅｒ等の米国特許第
３，９８６，７６７号”０ｐｔｉｃａｌ　Ｆｏｃｕｓ　
Ｄｅｖｉｃｅ（焦点合わせ装置）”に開示されている。

この特許は扁平な回転ミラーと組み合わせた偏軸放物面
部分を有する焦点合わせヘッドを利用して平行光線の焦
点合わせをする装置を開示している。前記ヘッドは２つ
の直交軸を中心にビームを回転させることができ、ヘッ
ド全体の３次元運動を可能にするガントリに取り付けら
れる。ヘッドの回転は歯車列、及び与えられる各自由度
と連携する駆動モータによって得られる。このような方
式で光学ヘッドを運動させれば、当然の結果として歯車
のバックラッシュ及び構造上不可避の精度上の問題が起
こる。像捕捉用の装置として中空シャフト型モータの利
用が米国特許第４，４１３，１８０号によって提案され
ている。このような方式ではモータ自体が光反射内側凹
面を有する固定円筒形反射鏡から成るビーム案内／拡散
集合体を駆動する。

本発明の目的はレーザービーム供給装置と併用するため
の簡単な光学リストを提供することにある。

この目的に鑑み、本発明は、（Ａ）レーザービームを通
す孔を有し、取り外し自在にレーザー供給システムの末
端に固定できる取り付けブラケットと、（Ｂ）それぞれ
が通孔を有する第１取り付け面及び第１取り付け面と直
交する通孔を有する第２取り付け面を有し、第１及び第
２取り付け面の通孔と連通ずるチェンバ及びチェンバ内
の反射面を画定する第１及び第２ミラー筐体と、（Ｃ）
それぞれが内側ステータと、外側ステータ及び送られる
ビームと一致する回転軸を中心として内側及び外側ステ
ータの間に同軸配置された環状ロータを有する第１及び
第２モータとより成り、（ａ）第１モータがビームが取
り付けブラケットに対して機械的に固定されている内側
及び外側ステータ、及び第１ミラー筐体の第１取り付け
面に機械的に固定されているロータを通過するための導
管を画定することと、（ｂ）第２モータがビームが第１
ミラー筐体の第２取り付け面に対して機械的に固定され
ている内側及び外側ステータ、及び第２ミラー筐体の第
１取り付け面に対して機械的に固定されているロータを
通過するための導管を画定することと、ＣＤ）第２ミラ
ー筐体の第２取り付け面に取り外し自在に取り付けたレ
ーザービーム焦点合わせ集合体から成り、各モータがそ
の回転軸線を中心に回転するのに伴って各ロータと連携
するミラー筐体の反射面で反射したビームが元のビーム
に対して９０°の角度で通過し、モータ回転軸線と直交
するほぼ扁平な面を描くことを特徴とするレーザー用２
軸光学リストを提案する。

本発明では、レーザービームが回転軸中心線上に位置す
るように構成されたレーザー用光学リストが提供される
。

更に本発明では、一体的なレーザービーム供給システム
を有する産業用ロボットと併用されるレーザー用２軸光
学リストが提供される。

以下、添付図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。

本発明はロボット式レーザービーム供給システムと併用
される２軸光学リストを提供する。Ｕｎｉｍａｔｅ　６
０００シリーズ・ガントリ型ロボットのような直交軸ロ
ボット・システムと併用すれば、この光学リストはロボ
ットの作業範囲の空間中のあらゆる点に到達できるよう
に２つの自由度を加えることがでとる。即ち、直交軸ロ
ボットによって与えられる３つの自由度及び本発明の光
学リストによって提供される２つの自由度により、産業
用材料加工レーザーシステムはロボットの作業範囲内で
有用な仕事が行われるようにレーザービームを移動させ
ることができる。

完全に一体化されたロボット／レーザ一作業セルを第１
図に斜視図で示し、一括して参照番号１１で表わした。

ロボット・レーザーシステム１１は直交軸マニピュレー
タ・システム１３を含み、これにレーザービーム供給シ
ステム１７を介してレーザー１５が結合されている。シ
ステム１１は排気システム１９、安全囲壁手段２１及び
精密テーブルまたは類似の取り付け具２３を含む。２５
はレーザービーム供給システムに使用する光学系のため
の冷却手段である。２７は直交軸マニピュレータを制御
するプログラム可能制御装置である。ロボット・システ
ム１３はＸ軸集合体３３、Ｙ軸集合体３５、及びＺ軸集
合体３７から成る３つの直交軸集合体を含む。本発明の
光学リスト４１に必要な支持手段として、リスト機構の
ような支持構造３９をＺ軸集合体３７に機械的に結合す
る。光学リストの詳細は後述する。マニピュレータ１３
の作業範囲内で有効に利用できる一体的なレーザービー
ム供給システム１７とするため、これに光学リストを結
合する。このロボットと併用されるレーザービーム供給
システムは最も簡単な形態として、マニピュレータ・シ
ステム１３の１つの運動軸を画定する支持部材またはア
ームに取り付けた一連のシミインドを含む。レーザービ
ーム供給システムはレーザーのような反射光線を複数の
直線部分から成る光路に沿って案内することができる。

一定の空間関係においてロボットの軸線各部分にビーム
の各部分をそれぞれ連携させる。

第１図に示した作業セルはＣｏｈｅｒｅｎｔ、Ｉｎｃ。

製Ｅｖｅｒｌａｓｔ　ＥＦＡ　５１　ＣＯ２レーザーを
含むが、レーザーの還択は個々の用途に著しく左右され
るから、多種多様なレーザーから適当な製品を選んで利
用すればよく、どのようなレーザーを通訳するにしても
、本発明の光学リスト４１をこれと併用することができ
る。また、Ｎ１図の作業セルは空気濾過・乾燥・循環シ
ステム２０を利用している。適当なシステム２０として
は、Ｂａｌａｓｔｒｏｍから市販されているフィルタ”
Ａｉｒ　Ｄｒｙｅｒ　Ｍｏｄｅｌ　７５”がある。排気
システム１９はマニピュレータ１３のレーザービーム供
給点３０の近くまで延びている導管系１９′を含む。な
お、ここに述べるようなシステムの一般的な材料加工の
性質上、材料によってはレーザー加工中に有毒ガスが排
出される。また、この排気システム１９ではガス発生源
に向けたピックアップ・ノズルを光学リストの近傍に配
置している。

導管系１９′のピックアップ・ノズルに、作業域からガ
スを吸引し、最終的に放出及び／または濾渦するのに必
要な負圧発生手段を連携させる。

第１図の作業セルは充分な安全余裕度を与えるため作業
範囲を囲むプレキシガラス製囲壁を含む。このプレキシ
ガラス製囲壁はプレキガラスの性質上、多くの目的を達
成することができる。例えば、プレキシガラスに１０．
６ミクロンＣ０２レーザー光が衝突すると、穴が開く前
に煙が発生し、作業セル付近にいる人に対する早期警報
信号として働く。また、プレキシガラスはオペレータが
負傷する危険なしにシステム動作を観察することを可能
にし、さらには関係者以外の者が作業範囲に立ち入るの
を防ぐ防衛線として機能する。このプレキシガラス・パ
ネル１フ３は枠部材１７５によって支持される。

本発明の２軸光学リストはレーザービームをロール軸を
中心とする３６０°の回転範囲にわたって完全に制御す
ることができる。これはレーザービームが機械的動力系
の回転軸中心線上に位置するからである。従って、本発
明のリストは中空の構成となる。レーザービームと機械
的動力系の軸線を一致させるという本発明の着想から、
多様な用途に使用できる光学リストが得られる。この着
想を第２図でさらに明確に示した。この着想は他の座標
系を利用しても実現できるが、説明の便宜上、座標系は
すべて直交座標系とする。原点において初期ビームを曲
げる曲げミラーを操作するサーボまたは手動機械動力系
において曲げられる初期ビームの光軸上に座標系が存在
すると仮定する。ＡＢ型光学ジヨイントを第２図に示し
た。この座標系では、ビームが１つの軸、即ち、Ｘ軸に
沿って原点にむかって進行し、曲げミラーは（Ｙ−Ｚ）
平面から４５°の角度で固定されており、機械的な曲げ
ミラー回転システムが入射初期ビーム軸Ｘを中心にミラ
ーを回転させ、その結果、初期ビームは常に直交平面（
ｙ　−ｚ　）に沿って反射する。この構成ではジヨイン
トごとに１個づつ曲げミラーを設ければよい。即ち、複
数ミラーから成るナックル・ジヨイントは不要である。

この光学ジヨイントは機械的運動と光学的運動との間に
１＝１の関係を維持する。従って、光学ビームは機械的
動カシステム回転軸の中心線上に位置する。従って、レ
ーザービームはロール軸における回転を完全に制御され
る。

上記の特徴を備えた光学リストを第３図には立面図で、
第４図では断面図でそれぞれ示した。一般に、光学リス
ト４１は取り付けブラケット４３、第１ミラー筺体４５
、第２ミラー筐体４７、第１モータ手段４９、第２モー
タ手段５１及びレーザービーム焦点合わせ集合体５３を
含む。第３及び第４図に示す実施例は後述するように第
３図の取り付けブラケット４３及び第４図の取り付け部
材４３′を除けばほとんど同じである。

取り付けブラケット４３（または４３′）はレーザービ
ーム供給システム５７（第１図）の末端部分に取り付け
られ、ブラケット手段５５（第１図）を介してＸ軸で支
持される。取り付けブラケット４３は通孔５９を有し、
レーザービーム供給システムの末端５７に取り付けブラ
ケットを取り外し自在に固定するための手段６１を含む
。レーザービーム供給システム１７からのレーザービー
ムは前記通孔５９を通過する。第１ミラー筐体４５は第
１取り付け面６３及びこれとほぼ直交する第２取り付け
面６５を有する。第１ミラー筐体４５により、第１及び
第２取り付け面６３．６５と連通するチェンバ６７が画
定される。チェンバ６７内にミラ一手段６９のような反
射面を設ける。第３図に示すＸ軸に対するミラ一手段６
９の位置関係については第２図を参照されたい。第２ミ
ラー筐体４７は第１取り付け面７１及びこれとほぼ直交
する第２取り付け面７３を有する。第２ミラー筐体４７
内に第１及び第２取り付け面７１．７３と連通するチェ
ンバ７５が画定される。第１及び第２ミラー筐体４５．
４７の各取り付け面ば通孔７７を具備する。ミラー筐体
４７のチェンバ７５はミラ一手段７９のような反射面を
内蔵し、このミラ一手段は第１筐体４５のミラ一手段６
９とほぼ一線となるように位置決めされる。すでに述べ
たように、ミラ一手段７９の位置関係は第２図から明ら
かであろう。

第１及び第２モータ手段４９．５１はそれぞれ内側ステ
ータ８１、外側ステータ８３及びビームと一致する回転
軸を中心に、内側ステータ８１と外側ステータ８３の間
に同軸配置された環状ロータ８５を含む。第１モータ手
段４９はレーザービームを通す導管８７を画定する。内
側及び外側ステータ８１．８３は取り付けブラケット４
３に対して機械的に固定されている。ロータ手段８５は
第１ミラー筺体４５の第１取り付け面６３に対して機械
的固定関係となるように取り付けられている。

第２モータ手段５１はビームを通すための導管８９を画
定する。内側及び外側ステータ８１．８３は第１ミラー
筺体４５の第２取り付け面６Ｓに対して機械的に固定さ
れた関係にあり、ロータは第２ミラー筐体４７の第１取
り付け面７１に対して機械的に固定された関係にある。

ここに述べるような目的に好適なモータはカリフォルニ
ア州すンタローサのＭｏｔｏｒｎｅｔｉｃｓ　Ｃｏｒｐ
ｏｒａｔｉｏｎから市販されている。この高トルク・モ
ータの構造及び動作は本願明細書にも引用している米国
特許第４．４５８．１６８号、第４．４８１，４５３号
及び第４，５０１゜９８０号に記載されている。

第４図の取り付けブケット４３′はほぼ垂直に延びた筐
体部分９１を含み、軸受手段９３を介してこの部分９１
で第１ミラー筐体４５を回転自在に支持する。第２ミラ
ー筐体４７は第２ミラー筐体４７、及び究極的にはレー
ザービーム焦点合わせ集合体が安全作業域へ回転するの
を制止する機械的制止手段９５を含むことができる。こ
の機械的制止手段により、第１図に示す産業用マニピュ
レータ及びこれに支持されるレーザービーム供給システ
ムの損傷が防止される。以上に述べた構成では、各モー
タ手段４９または５１がその回転軸を中心に回転すると
、それぞれのモータのロータと連携するミラー筐体の反
射面で反射したビームが初期ビームに対し９０゛の角度
で通過する。この反射ビームはモータ回転軸と直交する
ほぼ扁平な面を描く（第２図）。

レーザービーム供給システムを含む産業用マニピュレー
タとの併用に好適なレーザー用２軸光学リストを以上に
おいて説明した。

【図面の簡単な説明】

第１図はレーザービーム供給システム及び本発明の２軸
光学リストを組込んだ直交軸マニピュレータシステムの
斜視図。 第２図はＡ−Ｂ軸すスト型システムの説明図。 第３図は本発明の２軸光学リストの立面図。 第４図は本発明の２軸光学リストの他の実施態様を示す
断面図である。 １３・・・・産業用マニピュレータ １７・・・・レーザービーム供給システム４１・・・イ
２軸光学リスト ４３・・・・取り付けブラケット ４５・・・・第１ミラー筐体 ４７・・・・第２ミラー筐体 ４９・・・・第１モータ手段 ５１・・・・第２モータ手段 ６７．７９・・・・ミラ一手段

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（Ａ）レーザービームを通す孔を有し、取り外し自
   在にレーザー供給システムの末端に固定できる取り付け
   ブラケットと、 （Ｂ）それぞれが通孔を有する第１取り付け面及び第１
   取り付け面と直交する通孔を有する第２取り付け面を有
   し、第１及び第２取り付け面の通孔と連通するチェンバ
   及びチェンバ内の反射面を画定する第１及び第２ミラー
   筺体と、 （Ｃ）それぞれが内側ステータと、外側ステータ及び送
   られるビームと一致する回転軸を中心として内側及び外
   側ステータの間に同軸配置された環状ロータを有する第
   １及び第２モータとより成り、 （ａ）第１モータがビームが取り付けブラケットに対し
   て機械的に固定されている内側及び外側ステータ、及び
   第１ミラー筺体の第１取り付け面に機械的に固定されて
   いるロータを通過するための導管を画定することと、 （ｂ）第２モータがビームが第１ミラー筺体の第２取り
   付け面に対して機械的に固定されている内側及び外側ス
   テータ、及び第２ミラー筺体の第１取り付け面に対して
   機械的に固定されているロータを通過するための導管を
   画定することと、 （Ｄ）第２ミラー筺体の第２取り付け面に取り外し自在
   に取り付けたレーザービーム焦点合わせ集合体から成り
   、各モータがその回転軸線を中心に回転するのに伴って
   各ロータと連携するミラー筐体の反射面で反射したビー
   ムが元のビームに対して９０°の角度で通過し、モータ
   回転軸線と直交するほぼ扁平な面を描くことを特徴とす
   るレーザー用２軸光学リスト。