WO2012090394A1 - レーザ加工システム及びその制御方法 - Google Patents

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WO2012090394A1
WO2012090394A1 PCT/JP2011/006745 JP2011006745W WO2012090394A1 WO 2012090394 A1 WO2012090394 A1 WO 2012090394A1 JP 2011006745 W JP2011006745 W JP 2011006745W WO 2012090394 A1 WO2012090394 A1 WO 2012090394A1
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WO
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scanner
laser
robot
control
command
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PCT/JP2011/006745
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English (en)
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純一 白尾
平塚　充一
省吾 長谷川
隆行 村田
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川崎重工業株式会社
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    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1656—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators
    • B25J9/1671—Programme controls characterised by programming, planning systems for manipulators characterised by simulation, either to verify existing program or to create and verify new program, CAD/CAM oriented, graphic oriented programming systems
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/082—Scanning systems, i.e. devices involving movement of the laser beam relative to the laser head
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/08—Devices involving relative movement between laser beam and workpiece
    • B23K26/0869—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction
    • B23K26/0876—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions
    • B23K26/0884—Devices involving movement of the laser head in at least one axial direction in at least two axial directions in at least in three axial directions, e.g. manipulators, robots
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B2219/00—Program-control systems
    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/40—Robotics, robotics mapping to robotics vision
    • G05B2219/40311—Real time simulation
    • G—PHYSICS
    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45104—Lasrobot, welding robot

Definitions

  • the present invention relates to a laser processing system that performs processing such as welding, cutting, and drilling by irradiating a workpiece with a laser and a control method thereof.
  • remote laser welding In recent years, with the increase in efficiency of laser oscillators, the application of remote laser welding in which laser is irradiated to a workpiece from a distant position and welding is being promoted.
  • This remote laser welding is, for example, resistance spot welding. It is applicable also to the welding location used.
  • Remote laser welding is performed by a laser welding apparatus including a laser processing head (so-called laser scanner) and a robot as disclosed in Patent Document 1, for example.
  • the laser scanner can operate at high speed and can irradiate the laser with high accuracy. Further, the robot is configured to be able to perform various movements and has flexibility in its operation range.
  • the laser welding apparatus is expected to improve productivity by combining such a laser scanner and a robot.
  • a laser is oscillated from a laser scanner and irradiated onto a workpiece while moving the robot without stopping at the welding position (so-called on-the-fly control), thereby realizing efficient welding work and reducing welding time. It can be greatly shortened.
  • a robot control unit that controls a robot and a scanner control unit that controls a laser scanner are provided separately, and each operation is controlled independently.
  • the robot controller and the scanner controller do not have a function of synchronizing each other. Therefore, it is difficult to control the robot and the laser scanner in strict cooperation, and a control delay occurs in the operation of the laser scanner with respect to the operation of the robot. In the case of on-the-fly control, this delay causes the laser to be irradiated at a position away from the desired welding position.
  • the laser welding apparatus of Patent Document 1 corrects the laser irradiation position. Specifically, the laser welding apparatus of Patent Document 1 calculates a predicted position of the laser scanner using a numerical model, compares the predicted position with the measured position of the laser scanner, and determines the laser irradiation position based on the difference between the predicted position and the measured position of the laser scanner. The deviation is corrected.
  • Patent Document 1 only describes a case where this correction method is applied when the laser scanner is linearly moving at a constant speed, and the speed changes momentarily as in acceleration / deceleration movement. No consideration is given to when applied. This is because this correction method controls the operation of the next laser scanner based on the current amount of deviation, so when applied to the acceleration / deceleration motion in which the amount of deviation changes from time to time, the laser scanner before and after the control is controlled. The amount of misalignment may increase depending on the state of exercise. Therefore, the correction method of Patent Document 1 can be applied only when the laser scanner moves linearly at a constant speed, the degree of freedom of movement of the robot is reduced, and the movement path of the laser scanner during work needs to be trial and error. is there.
  • an object of the present invention is to provide a laser processing system capable of irradiating a laser at an accurate position without depending on the motion state of the laser scanner and a control method therefor.
  • the laser processing system of the present invention includes a laser scanner that performs laser processing by irradiating a workpiece with a laser, a robot that operates to move the laser scanner, and an operation of the laser scanner simultaneously while controlling the operation of the robot. And a control device that controls the operation of the laser scanner in response to the scanner command, and the robot control system controls the operation of the robot.
  • a robot motion simulation unit that simulates a posture of the robot after a predetermined time from a control time point, and a scanner command unit that outputs the scanner command based on a simulation result of the robot motion simulation unit, After the scanner command is output, the scanner control system Those which are set in the control delay time until the start of your.
  • the posture of the robot after the control delay time that is, the posture of the robot at the start of the operation control of the laser scanner can be predicted by simulation.
  • the operation of the laser scanner is controlled based on the robot's predicted posture at the start of the laser scanner operation control, it is possible to eliminate the deviation of the laser irradiation position due to the control delay, and to accurately position the laser. Can be irradiated and processed.
  • the laser is irradiated to an accurate position regardless of the state of motion of the laser scanner before and after the start of the operation control. Can be processed.
  • the laser can be irradiated and processed at an accurate position regardless of the motion state of the laser scanner, it is possible to cause the laser scanner to perform acceleration / deceleration motion or angular velocity motion.
  • movement of a robot can be improved and the freedom degree of the movement path
  • the laser scanner is configured to be able to change a focal position and an irradiation direction of the laser
  • the scanner command unit is configured to determine a posture of the laser scanner based on a simulation result of the robot motion simulation unit, and A relative coordinate between a laser scanner and a processing position to be processed by the laser is calculated, and the scanner command is output based on the calculation result.
  • the scanner control system is configured to output the laser irradiation direction and the laser based on the scanner command. It is preferable to control the operation of the laser scanner so as to change the focal position.
  • the attitude and relative coordinates of the laser scanner are calculated based on the simulation result, and the operation of the laser scanner is controlled so as to change the laser irradiation direction and the focal position based on the calculation result. Therefore, the degree of freedom for controlling the operation of the laser scanner can be further improved. As the degree of freedom is improved in this manner, the degree of freedom of the moving path of the operating laser scanner is further improved, and the processing time of laser processing can be shortened.
  • the scanner control system controls the operation of the laser scanner so as to draw an endless figure so as to surround the processing position in the laser processing.
  • the laser irradiation position is shifted. It can suppress that a figure opens without becoming endless.
  • the workpiece can be firmly welded by irradiating the laser so as to draw an endless figure, or the workpiece can be wound into an arbitrary shape.
  • the scanner control system outputs a response signal in response to a response request signal output from the robot control system, and the robot control system outputs the response request signal. It is preferable that the time until the response signal is received is measured, and the control delay time is set according to the measurement time.
  • control delay time is accurately measured and set by the robot control system.
  • a laser can be irradiated to a more accurate position.
  • the robot motion control step for controlling the motion of the robot, the robot motion simulation step for simulating the posture of the robot, and the laser based on the simulation result of the robot motion simulation step.
  • a scanner command output step for outputting a scanner command related to the operation of the scanner, and a scanner control step for controlling the operation of the laser scanner based on the scanner command output in the scanner command output step,
  • the posture of the robot after a set time from the control time point for controlling the operation of the robot is simulated, and the predetermined time is a control from the output of the scanner command to the start of the control of the scanner control system.
  • the delay time must be set Masui.
  • the posture of the robot after the control delay time that is, the posture of the robot at the start of the operation control of the laser scanner
  • the operation of the laser scanner is controlled based on the predicted posture of the robot, so that the deviation of the laser irradiation position due to the control delay can be eliminated, and the laser is positioned accurately.
  • the laser is irradiated to an accurate position regardless of the state of motion of the laser scanner before and after the start of the operation control. Can be processed.
  • the laser can be irradiated and processed at an accurate position regardless of the motion state of the laser scanner, it is possible to cause the laser scanner to perform acceleration / deceleration motion or angular velocity motion.
  • movement of a robot can be improved and the freedom degree of the movement path
  • the laser scanner is configured to be able to change a focal position and an irradiation direction of the laser
  • the scanner command output step includes an attitude of the laser scanner based on a simulation result of the robot operation simulation step, and Relative coordinates between the laser scanner and a processing position to be processed by the laser are calculated, and the scanner command is output based on the calculation result.
  • the scanner control step is configured to irradiate the laser based on the scanner command. It is preferable to control the operation of the laser scanner so as to change the focal position.
  • the attitude and relative coordinates of the laser scanner are calculated based on the simulation result, and the operation of the laser scanner is controlled so as to change the laser irradiation direction and focal position based on the calculation result. Therefore, the degree of freedom for controlling the operation of the laser scanner can be further improved. As the degree of freedom is improved in this manner, the degree of freedom of the moving path of the operating laser scanner is further improved, and the processing time of laser processing can be shortened.
  • FIG. 1 It is a conceptual diagram which shows the whole structure of the laser processing robot which concerns on embodiment of this invention. It is a block diagram which shows the structure of the control system of the laser processing system shown in FIG. It is a flowchart which shows the process sequence of the control method performed in the laser processing system shown in FIG. It is an operation
  • a laser processing system 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings described above. Note that the concept of the vertical direction in the embodiment is used for convenience of description, and does not suggest that the arrangement and orientation of the components of the laser processing system 1 are limited to that direction.
  • the laser processing system 1 described below is only one embodiment of the present invention, and the present invention is not limited to the embodiment, and can be added, deleted, and changed without departing from the spirit of the invention. is there.
  • the laser processing system 1 is provided in equipment or the like for manufacturing a vehicle body of a vehicle, and is configured to be able to weld, cut or punch the workpiece 7 by irradiating the workpiece 7 made of metal or resin with a laser.
  • the laser processing system 1 includes a robot 2, a laser scanner 3, a laser oscillator 4, and a control device 5.
  • the robot 2 is a robot for moving the laser scanner 3, and for example, a 6-axis robot is used.
  • the robot 2 is not limited to a six-axis robot, and may be a vertical type or horizontal type robot as long as it is a moving robot that can move with the laser scanner 3 attached thereto.
  • the robot 2 has a plurality of arms and a plurality of motors 17a to 17f (see FIG. 2), and changes the posture of the robot 2 by driving the plurality of motors 17a to 17f and rotating the arms. Can be done. By changing the posture of the robot 2 in this way, the tip 2a of the robot 2 can be moved to various positions, and the tip 2a can be directed in various directions.
  • a laser scanner 3 is attached to the tip 2 a of the robot 2.
  • the laser scanner 3 which is a laser scanner, can be welded by irradiating a laser toward the workpiece 7 from the irradiation port 3a.
  • the laser scanner 3 has a substantially rectangular parallelepiped housing, and a focus adjustment mechanism 23 and an irradiation direction adjustment mechanism 24 (see FIG. 2) are accommodated in the housing.
  • the focus adjustment mechanism 23 has, for example, a plurality of lens groups and a lens drive motor (not shown), and the focus position of the laser can be adjusted by moving the lens groups with the lens drive motor. .
  • the irradiation direction adjusting mechanism 24 includes a reflection mirror and a mirror driving motor (not shown), and the laser irradiation direction can be adjusted by moving the reflection mirror by the mirror driving motor. .
  • a lightweight reflecting mirror is used to enable high-speed and high-precision operation of the mirror, and a galvano motor, for example, is used as the mirror driving motor.
  • the laser scanner 3 configured in this way is connected to the laser oscillator 4 via the optical fiber cable 8.
  • the laser oscillator 4 is a laser source capable of oscillating a high-power laser, and the oscillated laser is sent to the laser scanner 3 via the optical fiber cable 8.
  • the laser scanner 3 adjusts the focal position and irradiation direction of the transmitted laser by the focal adjustment mechanism 23 and the irradiation direction adjustment mechanism 24, and irradiates the workpiece 7 with the laser to perform processing such as welding, cutting, and drilling. To do.
  • the laser scanner 3 that irradiates the laser can be moved to various positions by changing the posture of the robot 2 and moving the tip 2a, and by changing the orientation (posture) of the tip 2a.
  • the posture of the scanner 3 can be changed.
  • the robot 2 and the laser scanner 3 are configured to perform various operations, and these operations are controlled by the control device 5.
  • the control device 5 is connected to the robot 2, the laser scanner 3, and the laser transmitter 4 via communication cables 9a, 9b, and 9c, and includes a robot control system 10, a laser scanner control system 20, an oscillator control system 30, and the like. have.
  • the robot control system 10 controls the operation of the robot 2
  • the laser scanner control system 20 controls the operation of the laser scanner 3, that is, the movement of the focus adjustment mechanism 23 and the irradiation direction adjustment mechanism 24.
  • the transmitter control system 30 controls the operation of the laser transmitter 4, that is, the laser oscillation.
  • the robot control system 10 includes an operation program storage unit 11, an operation program processing unit 12, each axis command value calculation unit 13, a robot servo processing unit 14, a robot operation simulation unit 15, a scanner command value calculation unit 16, have.
  • the operation program storage unit 11 stores an operation program.
  • the operation program is a program related to the operation of the robot 2, the laser scanner 3, and the laser oscillator 4, and shows the movement destination position, the welding position, the operation type of the laser scanner 3, and the like of the robot 2.
  • the operation type of the laser scanner 3 includes a continuous operation and a stop operation. The continuous operation notifies that the next command value is continuously sent after the operation, and commands to arrive at the destination position while maintaining the speed.
  • the stop operation is a command that is sent at the end after the operation without the next command value, that is, after the continuous operation, and commands to stop at the destination position.
  • the operation program storage unit 11 that stores the operation program is connected to the operation program processing unit 12.
  • the operation program processing unit 12 processes the operation program stored in the operation program storage unit 11 so that the movement destination position, the welding position, and the operation type of the laser scanner 3 indicated in the operation program can be realized.
  • the movement of 2 is decided.
  • the laser scanner 3 is moved so as to continuously irradiate the laser so that an endless (circular locus in this embodiment) figure is drawn around the welding position.
  • An operation program is created by combining the previous position, the welding position, and the operation type of the laser scanner 3.
  • the figure drawn by operating the laser scanner 3 is not necessarily limited to an endless figure such as an annular shape, and an endless figure such as a straight line or a curve may be drawn.
  • the operation program processing unit 12 is connected to each axis command value calculation unit 13.
  • Each axis command value calculation unit 13 calculates the rotation amount of each axis of the robot 2, that is, the drive amount of each motor 17a to 17f, based on the movement of the robot 2 determined by the operation program processing unit 12. ing.
  • Each axis command value calculation unit 13 is connected to the robot servo processing unit 14 and the robot motion simulation unit 15, and outputs the driving amounts of the motors 17a to 17f calculated thereto as each axis command value.
  • the robot servo processing unit 14 is connected to each of the plurality of motors 17a to 17f, and controls the currents flowing to the motors 17a to 17f in accordance with the axis command values from the axis command value calculation units 13. ing.
  • the robot servo processing unit 14 supplies current to the motors 17a to 17f, the motors 17a to 17f are driven, and each arm of the robot 2 is rotated. By doing so, the robot 2 moves and changes its posture, and the tip 2a of the robot 2 moves to the movement position indicated in the operation program.
  • the robot motion simulation unit 15 connected to each axis command value calculation unit 13 simulates the posture of the robot 2 based on each axis command value, and predicts the position and orientation of the tip 2a of the robot 2. It is configured as follows.
  • the simulation includes, for example, a numerical model such as a linear model that is linearly approximated using parameters constituting the servo system of the robot 2 or a non-linear model that further considers the influence of the spring system of the robot 2 or a neural network. Used. Note that only the position and orientation of the distal end portion 2a of the robot 2 may be calculated by this simulation, or the simulation may be performed based on actual motion data of the robot 2 measured in advance.
  • the robot operation simulation unit 15 is connected to a scanner command value calculation unit 16.
  • the scanner command value calculation unit 16 is further connected to the operation program storage unit 11 and is based on the welding position (three-dimensional coordinates of the robot coordinate system) indicated in the operation program and the simulation result of the robot operation simulation unit 15. A relative position between the laser scanner 3 and the welding position (that is, a three-dimensional coordinate in the scanner coordinate system) is calculated. Further, the scanner command value calculation unit 16 acquires the calculated relative position and the operation type indicated in the operation program. Based on the acquired operation type and the relative position, the control amounts of the focus adjustment mechanism 23 and the irradiation direction adjustment mechanism (that is, the drive amounts of the motors of the adjustment mechanisms 23 and 24) are calculated. The scanner command value calculation unit 16 is electrically connected to the scanner control system 20, and outputs control amounts of the focus adjustment mechanism 23 and the irradiation direction adjustment mechanism 24 to the scanner control system 20 as scanner commands. Yes.
  • the scanner control system 20 is connected to a different board from the robot control system 10. These two control systems 10 and 20 are not synchronized with each other, and the control timing may be shifted.
  • the laser scanner control system 20 includes a scanner command value storage unit 21 and a scanner servo processing unit 22.
  • the scanner command value storage unit 21 stores the scanner command value output from the scanner command value calculation unit 16.
  • the scanner command value storage unit 21 is connected to the scanner servo processing unit 22 and outputs control amounts of the adjustment mechanisms 23 and 24 as scanner command values.
  • the scanner servo processing unit 22 is connected to the focus adjustment mechanism 23 and the irradiation direction adjustment mechanism 24 of the laser scanner 3, and allows a current to flow through the motors of the adjustment mechanisms 23 and 24 in accordance with the scanner command value. .
  • the optical axis of the laser irradiated from the irradiation port 3a of the laser scanner 3 is directed in the irradiation direction corresponding to the scanner command value, and the laser can be focused on the focal position corresponding to the scanner command value.
  • the operation type of the scanner command value is a continuous operation
  • the laser scanner 3 can be continuously operated according to the operation type to irradiate the laser around the welding position so as to surround the welding position.
  • the laser scanner 3 operating in this manner emits a laser beam oscillated by the laser oscillator 4 and guided through the optical fiber cable 8 from the irradiation port 3a.
  • Laser oscillation in the laser oscillator 4 is controlled by the oscillator control system 30.
  • the oscillator control system 30 is connected to the operation program processing unit 12 of the robot control system 10, and the operation program processing unit 12 sends an oscillation command to the oscillator control system 30 to oscillate the laser based on the operation program. It is designed to output.
  • the oscillator control system 30 includes an oscillation command storage unit 31 and a laser oscillation processing unit 32.
  • the oscillation command storage unit 31 is connected to the operation program processing unit 12, stores an oscillation command output from the operation program processing unit 12, and is connected to the laser oscillation processing unit 32.
  • the laser oscillation processing unit 32 is connected to the laser oscillator 4, and controls the operation of the laser oscillator 4, that is, the laser oscillation operation.
  • the laser processing system 1 configured in this way performs on-the-fly control of laser processing based on the operation program stored in the operation program processing unit 12.
  • the laser scanner 3 is operated while moving the tip 2a of the robot 2 by moving its arm, and the laser is controlled to oscillate. Therefore, there is a possibility that the laser is undesirably irradiated to a position away from a predetermined welding position due to a control delay between the robot control system 10 and the scanner control system 20. Therefore, the laser processing system 1 controls the operations of the robot 2, the laser scanner 3, and the laser oscillator 4 by using the robot operation simulation unit 15 so as to accurately irradiate a laser around a predetermined welding position. Yes. Below, the control method of the laser processing system 1 is demonstrated, referring the flowchart of FIG.
  • step S1 When the laser processing system 1 is instructed to start laser processing by an input means (not shown) or the like, the laser processing system 1 starts laser processing control processing and proceeds to step S1.
  • step S1 so-called program processing is performed in which the motion program processing unit 12 processes the motion program stored in the motion program storage unit 11 to determine the movement of the robot 2.
  • the path to the destination of the tip 2a of the robot 2 and the motion state to the destination are determined based on the operation program.
  • this program process ends, the process proceeds to step S2.
  • each axis command value calculation unit 13 calculates each axis command value to be given to each motor 17a to 17f based on the path and motion state determined in the program processing step.
  • Each axis command value calculation unit 13 outputs each axis command value to the robot servo processing unit 14 every predetermined control cycle, and calculates each axis command value at each control time point. Then, each axis command value calculation unit 13 outputs each calculated axis command value to the robot servo processing unit 14, and proceeds to step S3.
  • the current that the robot servo processing unit 14 passes to the motors 17a to 17f is controlled based on each axis command value acquired from each axis command value calculation unit 13. Thereby, each arm of the robot 2 rotates and the tip 2a moves.
  • the robot servo processing unit 14 acquires each axis command value from each axis command value calculation unit 13 for each control cycle, and continuously drives the motors 17a to 17f based on the command value.
  • moves by the path
  • each axis command value calculation unit 13 outputs the calculated axis command value to the robot servo processing unit 14 and outputs each axis command value to the robot motion simulation unit 15. To do.
  • the process proceeds to step S5.
  • the control delay time ⁇ t from the time when each axis command value is received based on each axis command value calculated by the robot motion simulation unit 15 in Step S2, and the response delay time of the robot servo processing unit.
  • the posture of the robot 2 in consideration of the above is simulated, and the position and orientation of the tip 2a are predicted.
  • control delay time ⁇ t is a control delay time generated between the robot control system 10 and the scanner control system 20 formed on different substrates. That is, it is the time taken for the scanner control system 20 to start controlling the operation of the laser scanner 3 in response to a command from the robot control system 10.
  • This control delay time ⁇ t is measured, for example, when the control device 5 is started.
  • the control delay time ⁇ t is measured by outputting a response request signal from the robot control system 10 to the scanner control system 20 and measuring the response time required to respond to the command, and half the measured response time R R / 2. Is considered to be a control delay time ⁇ t. However, it is not limited to this method, and may be set in advance based on experience, statistics, or the like.
  • the robot operation simulation unit 15 outputs the prediction result to the scanner command value calculation unit 16, and proceeds to step S6.
  • the scanner command value calculation unit 16 calculates the relative position between the laser scanner 3 and the welding position based on the prediction result of step S5 and the welding position indicated in the operation program. Thereby, the predicted relative position after the control delay time ⁇ t from the control time is calculated. Next, the scanner command value calculation unit 16 acquires the operation type from the operation program storage unit 11. Then, control amounts of the focus adjustment mechanism 23 and the irradiation direction adjustment mechanism 24 are calculated based on the operation type and the calculated predicted relative position. The scanner command value calculation unit 16 calculates this control amount for each control cycle, and outputs it to the scanner command value storage unit 21 as a scanner command value.
  • the scanner command value calculation unit 16 outputs a control amount calculated based on the predicted position of the robot 2 after the control delay time ⁇ t at each control time point as a scanner command value to the scanner command value storage unit 21.
  • the process proceeds to step S7.
  • the scanner command value storage step that is step S7
  • the scanner command value output from the scanner command value calculation unit 16 is stored in the scanner command value storage unit 21, and the process proceeds to step S8.
  • the scanner servo processing step which is step S8, the scanner servo processing unit 22 controls the current supplied to the motors of the focus adjustment mechanism 23 and the irradiation direction adjustment mechanism 24 according to the control amount included in the scanner command value.
  • the position of the lens group of the focus adjustment mechanism 23 and the angle of the mirror of the irradiation direction adjustment mechanism 24 are adjusted in accordance with the position of the tip 2a of the robot 2 after the control delay time ⁇ t from the control time point.
  • the scanner servo processing unit 22 continuously adjusts the position of the lens group and the angle of the mirror according to the scanner command value sent to the scanner command value storage unit 21 for each control cycle of the robot control system 10.
  • the laser scanner 3 can be operated so that the laser is irradiated in an annular shape around the welding position (step S9).
  • step S1 the operation program processing unit 12 determines the laser oscillation timing along with the path to the destination of the tip 2a of the robot 2 and the motion state to the destination. This oscillation timing is output as an oscillation command from the operation program processing unit 12 to the oscillation command storage unit 31 of the oscillator control system 30.
  • step S10 proceeds simultaneously with step S2.
  • the oscillation command from the robot control system 10 is stored, and the process proceeds to step S11.
  • the laser oscillation processing unit 32 controls the laser oscillation continuously or intermittently according to the stored oscillation command.
  • the control device 5 can predict the posture of the robot 1 after the control delay time ⁇ t, that is, the posture of the robot 2 when starting the operation control of the laser scanner 3 by simulation.
  • the operation of the laser scanner 3 is controlled based on the predicted posture of the robot 2 when the operation control of the laser scanner 3 is started, the deviation of the laser irradiation position due to the control delay can be eliminated, and the laser It can be welded by irradiating the exact position.
  • the operation of the laser scanner is controlled based on the predicted posture of the robot 2 when the operation control of the laser scanner 3 is started, the laser is brought to an accurate position without depending on the motion state of the laser scanner before and after the start of the operation control. It can be irradiated and welded.
  • the laser can be irradiated to the accurate position in this way, as shown in FIG. 4 (a), it is possible to accurately weld the periphery of the welding position so that the welding mark 41 has an annular shape. In this way, the workpiece can be firmly welded by irradiating the laser so that the welding mark 41 becomes endless. Further, when used for cutting a workpiece, the workpiece can be punched. If the operation of the laser scanner 3 is controlled without considering the control delay time ⁇ t, welding is performed at a distance L from the welding position (see reference numeral 41 of the two-dot chain line) as shown in FIG. As a result, welding at an accurate position is impossible. Further, it cannot be welded in an annular shape, and as shown in FIG. 4 (b), it becomes a welding trace 42 of an open figure, and a desired welding strength cannot be obtained.
  • the laser processing system 1 can perform processing by irradiating the laser at an accurate position regardless of the movement state of the laser scanner 3 by the control method. You can exercise. Thereby, the freedom degree of operation
  • the laser processing system 1 of the present embodiment calculates the posture and relative coordinates of the laser scanner 3 based on the simulation results, and changes the laser irradiation direction and focal position based on the calculation results. Is controlled. Therefore, the degree of freedom for controlling the operation of the laser scanner 3 can be further improved. As the degree of freedom is improved in this way, the degree of freedom of the movement path of the operating laser scanner 3 is further improved, and the processing time of laser processing can be shortened.
  • the laser processing system 1 of the present embodiment measures the control delay time in advance at the time of startup or the like, the control delay time is accurately measured and set. Thereby, a laser can be irradiated to a more accurate position.
  • the motor control amounts of the focus adjustment mechanism 23 and the irradiation direction adjustment mechanism 24 are output as scanner command values, but the relative position and operation type are output as scanner command values, and the scanner The control amount may be calculated by the control system 20.
  • the laser processing system 1 of the present embodiment is applied to the scanner control system 20 and the robot control system 10 provided on different substrates. However, even if these are provided on the same substrate, these controls are performed. It can also be applied if the systems 10, 20 have different control periods, or if the substrates are formed on the same or different chips.

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Abstract

レーザ加工システム(１)は、先端部(２ａ)にレーザスキャナ(３)が取り付けられたロボット(２)と、ロボット制御系(１０)及びレーザスキャナ制御系(２０)を有する制御装置(５)を備えている。ロボット制御系(１０)は、ロボット(２)の動作の制御しながら同時にレーザスキャナ(３)の動作に関するスキャナ指令を出力し、制御遅れ時間Δｔ後のロボット(２)の動作をシミュレーションするロボット動作模擬部(１５)と、そのシミュレーション結果に基づいてスキャナ指令を出力するスキャナ指令値演算部(１６)とを有している。レーザスキャナ制御系(２０)は、スキャナ指令に応じてレーザスキャナ(３)の動作を制御する。そして、制御遅れ時間Δｔがスキャナ指令の出力から前記スキャナ制御系(２０)が制御を開始するまで時間に設定されている。

Description

レーザ加工システム及びその制御方法
　本発明は、ワークにレーザを照射して溶接、切断及び穿孔等の加工を行うレーザ加工システム及びその制御方法に関する。
　近年、レーザ発振器の高効率化を受けて、離れた位置からワークに向かってレーザを照射して溶接するリモートレーザ溶接の適用が進められており、このリモートレーザ溶接は、例えば抵抗スポット溶接等が用いられていた溶接箇所にも適用することができる。リモートレーザ溶接は、例えば、特許文献1のようなレーザ加工ヘッド（いわゆる、レーザスキャナ）とロボットとを備えるレーザ溶接装置によって行なわれる。
　レーザスキャナは、高速動作ができ、且つ高い精度でレーザを照射することができるようになっている。また、ロボットは、様々な動きができるように構成され、その動作範囲に柔軟性を有している。このようなレーザスキャナ及びロボットを組み合わせることで、レーザ溶接装置は、生産性の向上に期待が寄せられている。また、リモートレーザ溶接では、溶接位置で止めることなくロボットを動かしながらレーザスキャナからレーザを発振させてワークに照射する（いわゆる、オンザフライ制御）ことにより、効率的な溶接作業を実現し、溶接時間を大幅に短縮させることができる。
特開２００７－９８４１６号公報
　特許文献1の記載レーザ溶接装置は、ロボットを制御するロボット制御部と、レーザスキャナを制御するスキャナ制御部とが別々に設けられ、各々の動作が独立して制御されている。ロボット制御部及びスキャナ制御部は、互いを同期させる機能を有していない。そのため、ロボットとレーザスキャナを厳密に協調させて制御することが難しく、ロボットの動作に対してレーザスキャナの動作に制御遅れが生じる。オンザフライ制御の場合、この遅れにより、所望の溶接位置から離れた位置にレーザが照射されてしまう。
　このような問題点を解決すべく、特許文献１のレーザ溶接装置では、レーザの照射位置を補正してするようになっている。具体的には、特許文献１のレーザ溶接装置は、数値化モデルを用いてレーザスキャナの予測位置を算出し、この予測位置とレーザスキャナの実測位置とを比較してその差によりレーザの照射位置のずれを補正している。
　しかし、特許文献１には、この補正方法に関してレーザスキャナが所定速度で等速直線運動しているときに適用した場合しか記載されておらず、加減速運動のように速度が時々刻々と変化するときに適用した場合について何ら考慮されていない。というのも、この補正方法は、現時点でのズレ量に基づいて次のレーザスキャナの動作を制御するので、その時々によってズレ量が変わる加減速運動の場合に適用すると、制御前後のレーザスキャナの運動状態に応じてズレ量が大きくなってしまうことがある。それ故、特許文献１の補正方法は、レーザスキャナが等速直線運動するときにしか適用できず、ロボットの動きの自由度が低下し、作業中におけるレーザスキャナの移動経路を試行錯誤する必要がある。
　そこで本発明は、レーザスキャナの運動状態に寄らずにレーザを正確な位置に照射することができるレーザ加工システム及びその制御方法を提供することを目的としている。
　本発明のレーザ加工システムは、レーザをワークに照射してレーザ加工を行なうレーザスキャナと、前記レーザスキャナを移動させるように動作するロボットと、前記ロボットの動作の制御しながら同時に前記レーザスキャナの動作に関するスキャナ指令を出力するロボット制御系と、前記スキャナ指令に応じて前記レーザスキャナの動作を制御するスキャナ制御系とを有する制御装置とを備え、前記ロボット制御系は、前記ロボットの動作を制御する制御時点から所定時間後の前記ロボットの姿勢をシミュレーションするロボット動作模擬部と、前記ロボット動作模擬部のシミュレーション結果に基づいて前記スキャナ指令を出力するスキャナ指令部とを有し、前記所定時間は、前記スキャナ指令が出力されてから前記スキャナ制御系の制御を開始するまでの制御遅れ時間に設定されているものである。
　本発明に従えば、シミュレーションにより制御遅れ時間後のロボットの姿勢、即ちレーザスキャナの動作制御開始時におけるロボットの姿勢を予測することができる。これにより、レーザスキャナの動作制御開始時におけるロボットの予測の姿勢に基づいてレーザスキャナの動作が制御されるので、制御遅れに伴うレーザの照射位置のズレをなくすことができ、レーザを正確な位置に照射して加工することができる。また、レーザスキャナの動作制御開始時にロボットの予測の姿勢に基づいてレーザスキャナの動作が制御されるので、動作制御開始時前後のレーザスキャナの運動状態に寄らずにレーザを正確な位置に照射して加工することができる。
　このように本発明は、レーザスキャナの運動状態に関係なくレーザを正確な位置に照射して加工することができるので、レーザスキャナを加減速運動や角速度運動等をさせることができる。これにより、ロボットの動作の自由度を向上させることができ、動作中のレーザスキャナの移動経路の自由度も向上させることができる。
　上記発明において、前記レーザスキャナは、前記レーザの焦点位置及び照射方向を変更できるように構成され、前記スキャナ指令部は、前記ロボット動作模擬部のシミュレーション結果に基づいて前記レーザスキャナの姿勢、及び前記レーザスキャナと前記レーザで加工すべき加工位置との相対座標を演算し、この演算結果に基づいて前記スキャナ指令を出力し、前記スキャナ制御系は、前記スキャナ指令に基づいて前記レーザの照射方向及び焦点位置を変えるように前記レーザスキャナの動作を制御するようになっていることが好ましい。
　上記構成に従えば、シミュレーション結果に基づいてレーザスキャナの姿勢及び相対座標が演算され、これら演算結果に基づいてレーザの照射方向及び焦点位置を変えるようにレーザスキャナの動作が制御される。それ故、レーザスキャナの動作制御に対する自由度を更に向上させることができる。このように自由度が向上することで、動作中のレーザスキャナの移動経路の自由度が更に向上し、レーザ加工の加工時間を短縮することができる。
　上記発明において、前記スキャナ制御系は、前記レーザ加工において前記加工位置を取り囲むように無端状の図形を描くように前記レーザスキャナの動作を制御するようになっていることが好ましい。
　上記構成に従えば、レーザを正確な位置に照射することができるので、前記レーザスキャナの動作を制御して無端状の図形を描くようにレーザを照射したときに、レーザの照射位置のズレにより図形が無端状にならずに開いてしまうことを抑えることができる。これにより、無端状の図形を描くようにレーザを照射してワークを強固に溶接したり、任意の形状にワークを刳り貫いたりすることができる。
　上記発明において、前記スキャナ制御系は、前記ロボット制御系から出力される応答要求信号に対して応答信号を出力するようになっており、前記ロボット制御系は、前記応答要求信号を出力してから前記応答信号を受け取るまでの時間を測定し、その測定時間に応じて制御遅れ時間を設定するようになっていることが好ましい。
　上記構成に従えば、ロボット制御系により制御遅れ時間が正確に測定されて設定される。これにより、レーザが更に正確な位置に照射されるようにすることができる。
　本発明のレーザ加工システムの制御方法において、前記ロボットの動作を制御するロボット動作制御工程と、前記ロボットの姿勢をシミュレーションするロボット動作模擬工程と、前記ロボット動作模擬工程のシミュレーション結果に基づいて前記レーザスキャナの動作に関するスキャナ指令を出力するスキャナ指令出力工程と、前記スキャナ指令出力工程で出力された前記スキャナ指令に基づいて前記レーザスキャナの動作を制御するスキャナ制御工程とを有し、前記ロボット動作模擬工程では、前記ロボットの動作を制御する制御時点から設定時間後の前記ロボットの姿勢がシミュレーションされ、前記所定時間は、前記スキャナ指令が出力されてから前記スキャナ制御系の制御を開始するまでの制御遅れ時間に設定されていることが好ましい。
　上記構成に従えば、このシミュレーションにより制御遅れ時間後のロボットの姿勢、即ちレーザスキャナの動作制御開始時におけるロボットの姿勢を予測することができる。これにより、レーザスキャナの動作制御開始時にロボットが予測の姿勢に基づいてレーザスキャナの動作が制御されるので、制御遅れに伴うレーザの照射位置のズレをなくすことができ、レーザを正確な位置に照射して加工することができる。また、レーザスキャナの動作制御開始時にロボットの予測の姿勢に基づいてレーザスキャナの動作が制御されるので、動作制御開始時前後のレーザスキャナの運動状態に寄らずにレーザを正確な位置に照射して加工することができる。
　このように本発明は、レーザスキャナの運動状態に関係なくレーザを正確な位置に照射して加工することができるので、レーザスキャナを加減速運動や角速度運動等をさせることができる。これにより、ロボットの動作の自由度を向上させることができ、動作中のレーザスキャナの移動経路の自由度も向上させることができる。
　上記発明において、前記レーザスキャナは、前記レーザの焦点位置及び照射方向を変更できるように構成され、前記スキャナ指令出力工程は、前記ロボット動作模擬工程のシミュレーション結果に基づいて前記レーザスキャナの姿勢、及び前記レーザスキャナと前記レーザで加工すべき加工位置との相対座標を演算し、この演算結果に基づいて前記スキャナ指令を出力し、前記スキャナ制御工程は、前記スキャナ指令に基づいて前記レーザの照射方向及び焦点位置を変えるように前記レーザスキャナの動作を制御するようになっていることが好ましい。
　上記構成に従えば、シミュレーション結果に基づいてレーザスキャナの姿勢及び相対座標が演算され、これら演算結果に基づいて前記レーザの照射方向及び焦点位置を変えるように前記レーザスキャナの動作が制御される。それ故、レーザスキャナの動作制御に対する自由度を更に向上させることができる。このように自由度が向上することで、動作中のレーザスキャナの移動経路の自由度が更に向上し、レーザ加工の加工時間を短縮することができる。
　本発明によれば、レーザスキャナの運動状態に寄らずにレーザを正確な位置に照射することができる。
　本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明の実施形態に係るレーザ加工ロボットの全体構成を示す概念図である。 図１に示すレーザ加工システムの制御系の構成を示すブロック図である。 図１に示すレーザ加工システムにおいて実行される制御方法の処理手順を示すフローチャートである。 図１に示すレーザ加工システムの動きを示す動作図であり、（ａ）は、図３にて手順を示した制御方法を適用した場合の動作図であり、（ｂ）は、従来の制御方法を適用した場合の動作図である。
　以下では、前述する図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るレーザ加工システム１を説明する。なお、実施形態における上下の方向の概念は、説明の便宜上使用するものであって、レーザ加工システム１に関して、それらの構成の配置及び向き等をその方向に限定することを示唆するものではない。また、以下に説明するレーザ加工システム１は、本発明の一実施形態に過ぎず、本発明は実施の形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲で追加、削除、及び変更が可能である。
　レーザ加工システム１は、車両の車体を製造する設備等に設けられ、金属又は樹脂から成るワーク７にレーザを照射してそのワーク７を溶接、切断又は穿孔可能に構成されている。レーザ加工システム１は、図１に示すように、ロボット２、レーザスキャナ３、レーザ発振器４及び制御装置５を備える。ロボット２は、レーザスキャナ３を移動させるためのロボットであり、例えば６軸ロボットが用いられている。なお、ロボット２は、６軸ロボットに限定されず、垂直型や水平型ロボットであってもよく、レーザスキャナ３を取付けて移動可能な移動用ロボットであればよい。
　ロボット２は、複数のアーム及び複数のモータ１７ａ～１７ｆ（図２参照）を有しており、複数のモータ１７ａ～１７ｆを駆動してアームを回動させることでロボット２の姿勢を変化させることができるようになっている。このようにロボット２の姿勢を変えることでロボット２の先端部２ａを様々な位置に動かし、またその先端部２ａを様々な方向に向けることができる。ロボット２の先端部２ａには、レーザスキャナ３が取付けられている。
　レーザスキャナであるレーザスキャナ３は、レーザを照射口３ａからワーク７に向かって照射して溶接できるようになっている。レーザスキャナ３は、大略直方体状の筐体を有しており、その筐体の中には、焦点調整機構２３及び照射方向調整機構２４（図２参照）が収容されている。焦点調整機構２３は、例えば複数のレンズ群及びレンズ駆動用モータ（図示せず）を有しており、レンズ駆動用モータによりレンズ群を動かすことでレーザの焦点位置を調整できるようになっている。また、照射方向調整機構２４は、反射ミラー及びミラー駆動用モータ（図示せず）を有しており、ミラー駆動用モータにより反射ミラーを動かすことでレーザの照射方向を調整できるようになっている。なお、ミラーの高速及び高精度の動作を可能にすべく軽量の反射ミラーを用い、更にミラー駆動用モータには、例えばガルバノモータが用いられている。
　このように構成されているレーザスキャナ３は、光ファイバケーブル８を介してレーザ発振器４に接続されている。レーザ発振器４は、高出力のレーザを発振可能なレーザ源であり、発振されたレーザは、光ファイバケーブル８を介してレーザスキャナ３に送られる。そして、レーザスキャナ３は、送られてきたレーザの焦点位置及び照射方向を焦点調整機構２３及び照射方向調整機構２４により調整し、レーザをワーク７に照射して溶接、切断、穿孔等の加工を行なうようになっている。このようにレーザを照射するレーザスキャナ３は、ロボット２の姿勢を変えてその先端部２ａを動かすことで様々な位置に移動させることができ、先端部２ａの向き（姿勢）を変えることによってレーザスキャナ３の姿勢を変えることができる。このようにロボット２及びレーザスキャナ３は、様々な動作ができるように構成されており、それらの動作は制御装置５によって制御されている。
　制御装置５は、通信ケーブル９ａ，９ｂ，９ｃを介してロボット２、レーザスキャナ３及びレーザ発信器４に接続されており、ロボット制御系１０と、レーザスキャナ制御系２０と、発振器制御系３０とを有している。ロボット制御系１０は、ロボット２の動作を制御するようになっており、レーザスキャナ制御系２０は、レーザスキャナ３の動作、即ち焦点調整機構２３及び照射方向調整機構２４の動きを制御するようになっており、発信器制御系３０は、レーザ発信器４の動作、即ちレーザの発振を制御するようになっている。以下では、各制御系１０，２０，３０の電気的構成について詳述する。
　ロボット制御系１０は、動作プログラム記憶部１１と、動作プログラム処理部１２と、各軸指令値演算部１３と、ロボットサーボ処理部１４と、ロボット動作模擬部１５と、スキャナ指令値演算部１６とを有している。動作プログラム記憶部１１は、動作プログラムを記憶している。動作プログラムは、ロボット２、レーザスキャナ３及びレーザ発振器４の動作に関するプログラムであり、そこに、ロボット２の先端部２ａの移動先の位置、溶接位置、及びレーザスキャナ３の動作タイプ等が示されている。レーザスキャナ３の動作タイプには、連続動作及び停止動作がある。連続動作は、動作後に連続して次の指令値が送られてくること知らせるものであり、速度を保ったまま移動先の位置に到着させることを指令するものである。他方、停止動作は、動作後に次の指令値がない、即ち連続動作させた後の最後に送られてくる指令であり、移動先の位置にて停止することを指令するものである。この動作プログラムを記憶する動作プログラム記憶部１１は、動作プログラム処理部１２に接続されている。
　動作プログラム処理部１２は、動作プログラム記憶部１１に記憶される動作プログラムを処理して、動作プログラムに示された移動先の位置、溶接位置、及びレーザスキャナ３の動作タイプを実現できるようにロボット２の動きを決定するようになっている。本実施形態では、溶接位置を取り囲むようにその周りに無端状（本実施形態では、円環状の軌跡）の図形が描かれるようにレーザを連続照射させるようにレーザスキャナ３を動作させるべく、移動先の位置、溶接位置、及びレーザスキャナ３の動作タイプを組み合わせて動作プログラムが作成されている。なお、レーザスキャナ３を動作させて描く図形は、必ずしも円環状等の無端状の図形に限定されず、直線や曲線等の有端状の図形を描いてもよい。また、動作プログラム処理部１２は、各軸指令値演算部１３に接続されている。
　各軸指令値演算部１３は、動作プログラム処理部１２にて決定されたロボット２の動きに基づいてロボット２の各軸の回動量、即ち各モータ１７ａ～１７ｆの駆動量を演算するようになっている。各軸指令値演算部１３は、ロボットサーボ処理部１４とロボット動作模擬部１５とに接続され、それらに演算したモータ１７ａ～１７ｆの駆動量を各軸指令値として出力するようになっている。
　ロボットサーボ処理部１４は、複数のモータ１７ａ～１７ｆに夫々接続されており、各軸指令値演算部１３からの各軸指令値に応じて各モータ１７ａ～１７ｆに流す電流を制御するようになっている。ロボットサーボ処理部１４がモータ１７ａ～１７ｆに電流を流すことにより前記モータ１７ａ～１７ｆが駆動し、ロボット２の各アームが回動する。そうすることで、ロボット２が動いてその姿勢を変え、ロボット２の先端部２ａが動作プログラムに示された移動位置に移動する。
　他方、各軸指令値演算部１３に接続されているロボット動作模擬部１５は、各軸指令値に基づいてロボット２の姿勢をシミュレーションして、ロボット２の先端部２ａの位置及び向きを予測するように構成されている。シミュレーションは、例えば、ロボット２のサーボ系を構成しているパラメータ等を用いて線形近似した線形モデル又はロボット２のばね系等の影響を更に考慮した非線形モデル等の数値化モデルやニューラルネットワーク等が用いられる。なお、このシミュレーションによりロボット２の先端部２ａの位置及び向きだけを演算するようになっていてもよく、予め計測されたロボット２の実動作データに基づいてシミュレーションを行ってもよい。このロボット動作模擬部１５は、スキャナ指令値演算部１６に接続されている。
　スキャナ指令値演算部１６は、さらに動作プログラム記憶部１１にも接続されており、動作プログラムに示された溶接位置（ロボット座標系の３次元座標）及びロボット動作模擬部１５のシミュレーション結果に基づいてレーザスキャナ３と溶接位置との相対位置（即ち、スキャナ座標系における３次元座標）を演算するようになっている。また、スキャナ指令値演算部１６は、演算された相対位置と動作プログラムに示された動作タイプを取得するようになっている。この取得した動作タイプと前記相対位置とに基づいて焦点調整機構２３及び照射方向調整機構の制御量（即ち各調整機構２３，２４のモータの駆動量）を演算するようになっている。また、スキャナ指令値演算部１６は、スキャナ制御系２０に電気的に接続され、この焦点調整機構２３及び照射方向調整機構２４の制御量をスキャナ指令としてスキャナ制御系２０に出力するようになっている。
　スキャナ制御系２０は、ロボット制御系１０と別の基板に接続されている。これら２つの制御系１０，２０は、互いに同期制御がされておらず、制御時期がズレることがある。レーザスキャナ制御系２０は、スキャナ指令値記憶部２１と、スキャナサーボ処理部２２とを有している。スキャナ指令値記憶部２１は、スキャナ指令値演算部１６から出力されたスキャナ指令値を記憶するようになっている。スキャナ指令値記憶部２１は、スキャナサーボ処理部２２に接続されており、それにスキャナ指令値である調整機構２３，２４の制御量を出力するようになっている。
　スキャナサーボ処理部２２は、レーザスキャナ３の焦点調整機構２３及び照射方向調整機構２４に接続されており、スキャナ指令値に応じて各調整機構２３，２４のモータに電流を流すようになっている。これにより、スキャナ指令値に応じた照射方向にレーザスキャナ３の照射口３ａから照射されるレーザの光軸が向けられ、且つスキャナ指令値に応じた焦点位置にレーザの焦点を合わせることができる。そして、スキャナ指令値の動作タイプが連続動作の場合、その動作タイプに応じてレーザスキャナ３を連続的に動作させて溶接位置を取り囲むようにその周りに円環状にレーザを照射することができる。
　このように動作するレーザスキャナ３は、レーザ発振器４で発振されて光ファイバケーブル８を介して導かれたレーザを照射口３ａから発射するようになっている。そして、レーザ発振器４におけるレーザの発振は、発振器制御系３０によって制御されている。発振器制御系３０は、ロボット制御系１０の動作プログラム処理部１２に接続されており、この動作プログラム処理部１２は、動作プログラムに基づいてレーザを発振すべき旨の発振指令を発振器制御系３０に出力するようになっている。
　発振器制御系３０は、発振指令記憶部３１と、レーザ発振処理部３２とを有している。発振指令記憶部３１は、動作プログラム処理部１２に接続されており、そこから出力された発振指令を記憶するようになっており、レーザ発振処理部３２に接続されている。レーザ発振処理部３２は、レーザ発振器４に接続されており、レーザ発振器４の動作、つまりレーザの発振動作を制御するようになっている。
　このように構成されるレーザ加工システム１は、動作プログラム処理部１２に記憶されている動作プログラムに基づいてレーザ加工のオンザフライ制御を行う。オンザフライ制御では、ロボット２のアームを動かしてその先端部２ａを移動させながらレーザスキャナ３を動作させ、更にレーザを発振制御する。そのため、ロボット制御系１０及びスキャナ制御系２０間の制御遅れにより、予め定められた溶接位置から離れた位置にレーザが不所望に照射されるおそれがある。そこで、レーザ加工システム１は、予め定められた溶接位置の周りに正確にレーザを照射するようにロボット動作模擬部１５を利用してロボット２、レーザスキャナ３及びレーザ発振器４の動作を制御している。以下では、レーザ加工システム１の制御方法について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
　レーザ加工システム１は、図示しない入力手段等によりレーザ加工を開始すべき旨の指令が与えられると、レーザ加工制御処理を開始、ステップＳ１に移行する。ステップＳ１であるプログラム処理工程では、動作プログラム記憶部１１で記憶された動作プログラムを動作プログラム処理部１２が処理してロボット２の動きを決定する、いわゆるプログラム処理が行なわれる。このプログラム処理では、動作プログラムに基づいてロボット２の先端部２ａの移動先までの経路、及び移動先までの運動状態（例えば、等速直線運動、角速度運動、及び加速度運動等）を決定する。このプログラム処理が終了すると、ステップＳ２に移行する。
　ステップＳ２である各軸指令値演算工程では、プログラム処理工程にて決定された経路及び運動状態に基づいて各モータ１７ａ～１７ｆに与える各軸指令値を各軸指令値演算部１３が演算する。各軸指令値演算部１３は、予め定められた制御周期毎にロボットサーボ処理部１４に各軸指令値を出力するようになっており、各制御時点における各軸指令値を演算する。そして、各軸指令値演算部１３は、演算した各軸指令値をロボットサーボ処理部１４に出力し、ステップＳ３に移行する。
　ステップＳ３であるロボットサーボ処理工程では、各軸指令値演算部１３から取得した各軸指令値に基づいてロボットサーボ処理部１４が各モータ１７ａ～１７ｆに流す電流を制御する。これにより、ロボット２の各アームが回動し、先端部２ａが移動する。ロボットサーボ処理部１４は、制御周期毎に各軸指令値演算部１３から各軸指令値を取得し、その指令値に基づいて連続的にモータ１７ａ～１７ｆを駆動する。これにより、先端部２ａがステップＳ２にて決定される経路及び運動状態で運動し、動作プログラムに示された移動先に移動する（ステップＳ４）。
　また、ステップＳ２の各軸指令値演算工程において、各軸指令値演算部１３は、演算した各軸指令値をロボットサーボ処理部１４に出力すると共に各軸指令値をロボット動作模擬部１５に出力する。これによりステップＳ５へと移行する。ステップＳ５であるシミュレーション工程では、ロボット動作模擬部１５がステップＳ２で計算した各軸指令値に基づいて各軸指令値を受け付けた時点からの制御遅れ時間Δｔと、ロボットサーボ処理部の応答遅れ時間を考慮したロボット２の姿勢をシミュレーションし、先端部２ａの位置及び向きを予測する。
　ここで、制御遅れ時間Δｔとは、別々の基板に形成されたロボット制御系１０とスキャナ制御系２０との間に生じる制御遅れの時間である。つまり、ロボット制御系１０からの指令に対してスキャナ制御系２０がレーザスキャナ３の動作を制御開始するまでに掛かる時間である。この制御遅れ時間Δｔは、例えば制御装置５を起動した時に測定するようになっている。制御遅れ時間Δｔの測定方法は、ロボット制御系１０からスキャナ制御系２０に応答要求信号を出力してそのコマンドに対する応答に要する応答時間を測定し、測定された応答時間Ｒの半分時間Ｒ／２を制御遅れ時間Δｔとする方法が考えられる。ただし、この方法に限定されず、経験や統計等に基づいて予め設定しておいてもよい。ロボット動作模擬部１５は、その予測結果をスキャナ指令値演算部１６に出力し、ステップＳ６に移行する。
　ステップＳ６であるスキャナ指令値演算工程では、ステップＳ５の予測結果と動作プログラムに示された溶接位置とに基づいてレーザスキャナ３と溶接位置との相対位置をスキャナ指令値演算部１６が演算する。これにより、制御時点から制御遅れ時間Δｔ後の予測相対位置が演算される。次に、スキャナ指令値演算部１６は、動作プログラム記憶部１１から動作タイプを取得する。そして、この動作タイプと演算された予測相対位置とに基づいて焦点調整機構２３及び照射方向調整機構２４の制御量を演算する。スキャナ指令値演算部１６は、この制御量を制御周期毎に演算してスキャナ指令値としてスキャナ指令値記憶部２１に出力する。つまり、スキャナ指令値演算部１６は、各制御時点においてその制御遅れ時間Δｔ後におけるロボット２の予測位置に基づいて演算した制御量をスキャナ指令値としてスキャナ指令値記憶部２１に出力する。スキャナ指令値を出力すると、ステップＳ７に移行する。
　ステップＳ７であるスキャナ指令値記憶工程では、スキャナ指令値演算部１６から出力されたスキャナ指令値をスキャナ指令値記憶部２１に記憶し、ステップＳ８に移行する。ステップＳ８であるスキャナサーボ処理工程では、スキャナ指令値に含まれる制御量に応じてスキャナサーボ処理部２２が焦点調整機構２３及び照射方向調整機構２４のモータに流す電流を制御する。これにより、制御時点から制御遅れ時間Δｔ後のロボット２の先端部２ａ位置に合わせて焦点調整機構２３のレンズ群の位置及び照射方向調整機構２４のミラーの角度が調整される。スキャナサーボ処理部２２は、ロボット制御系１０の制御周期毎にスキャナ指令値記憶部２１に送られてくるスキャナ指令値に応じてレンズ郡の位置及びミラーの角度を連続的に調整することで、溶接位置の周りに円環状にレーザが照射されるようにレーザスキャナ３を動作させることができる（ステップＳ９）。
　また、ステップＳ１のプログラム処理工程では、ロボット２の先端部２ａの移動先までの経路、移動先までの運動状態と共に、動作プログラム処理部１２がレーザの発振時期を決定する。この発振時期は、発振指令として動作プログラム処理部１２から発振器制御系３０の発振指令記憶部３１に出力される。発振指令が出力されると、ステップＳ１０に移行する。なお、ステップＳ１０は、ステップＳ２と同時に進行するようになっている。
　ステップＳ１０である照射指令記憶工程では、ロボット制御系１０からの発振指令を記憶し、ステップＳ１１に移行する。ステップＳ１１であるレーザ発振工程では、記憶された発振指令に応じて連続的又は断続的にレーザ発振処理部３２がレーザの発振を制御するようになっている。
　このように制御装置５は、シミュレーションにより制御遅れ時間Δｔ後のロボット１の姿勢、即ちレーザスキャナ３の動作制御開始時におけるロボット２の姿勢を予測することができる。これにより、レーザスキャナ３の動作制御開始時におけるロボット２の予測の姿勢に基づいてレーザスキャナ３の動作が制御されるので、制御遅れに伴うレーザの照射位置のズレをなくすことができ、レーザを正確な位置に照射して溶接することができる。また、レーザスキャナ３の動作制御開始時にロボット２の予測の姿勢に基づいてレーザスキャナの動作が制御されるので、動作制御開始時前後のレーザスキャナの運動状態に寄らずにレーザを正確な位置に照射して溶接することができる。
　このようにレーザを正確な位置に照射することができるので、図４（ａ）に示すように、溶接跡４１が円環状になるように溶接位置の周辺に正確に溶接することができる。このように溶接跡４１が無端状になるようにレーザを照射することで、ワークを強固に溶接することができる。また、ワークの切断に使用する場合、ワークの刳り貫きを行うことができる。なお、制御遅れ時間Δｔを考慮せずにレーザスキャナ３の動作を制御すると、図４（ｂ）に示すように溶接位置（２点鎖線の符号４１参照）から距離Ｌ離れた位置で溶接されてしまい、正確な位置への溶接ができない。また、円環状に溶接することができずに図４（ｂ）に示すように開いた図形の溶接跡４２となり、所望の溶接強度が得られない。
　このように本実施形態のレーザ加工システム１は、その制御方法によりレーザスキャナ３の運動状態に関係なくレーザを正確な位置に照射して加工することができるので、レーザスキャナを加減速運動や角速度運動等をさせることができる。これにより、ロボット２の動作の自由度を向上させることができ、動作中のレーザスキャナ３の移動経路の自由度も向上させることができる。
　また、本実施形態のレーザ加工システム１は、シミュレーション結果に基づいてレーザスキャナ３の姿勢及び相対座標が演算され、これら演算結果に基づいて前記レーザの照射方向及び焦点位置を変えるようにレーザスキャナ３の動作が制御される。それ故、レーザスキャナ３の動作制御に対する自由度を更に向上させることができる。このように自由度が向上することで、動作中のレーザスキャナ３の移動経路の自由度が更に向上し、レーザ加工の加工時間を短縮することができる。
　更に、本実施形態のレーザ加工システム１は、起動時等において予め制御遅れ時間を測定しているので、制御遅れ時間が正確に測定されて設定される。これにより、レーザが更に正確な位置に照射されるようにすることができる。
　本実施形態のレーザ加工システム１では、焦点調整機構２３及び照射方向調整機構２４のモータの制御量がスキャナ指令値として出力されているが、相対位置及び動作タイプをスキャナ指令値として出力し、スキャナ制御系２０で前記制御量を演算するようになっていてもよい。また、本実施形態のレーザ加工システム１は、スキャナ制御系２０とロボット制御系１０とが別の基板に設けられているものに適用されているが、同じ基板に設けられていてもこれらの制御系１０，２０が異なる制御周期を有し、又は基板が同じでも異なるチップ上に形成されている場合にも適用されることができる。
　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
　１　レーザ加工システム
　２　ロボット
　３　レーザスキャナ
　４　レーザ発振器
　５　制御装置
　７　ワーク
　１０　ロボット制御系
　１５　ロボット動作模擬部
　１６　スキャナ指令値演算部
　２０　スキャナ制御系

Claims (6)

  1. 　レーザをワークに照射してレーザ加工を行なうレーザスキャナと、
    　前記レーザスキャナを移動させるように動作するロボットと、
    　前記ロボットの動作を制御しながら同時に前記レーザスキャナの動作に関するスキャナ指令を出力するロボット制御系と、前記スキャナ指令に応じて前記レーザスキャナの動作を制御するスキャナ制御系とを有する制御装置とを備え、
    　前記ロボット制御系は、前記ロボットの動作を制御する制御時点から所定時間後の前記ロボットの姿勢をシミュレーションするロボット動作模擬部と、前記ロボット動作模擬部のシミュレーション結果に基づいて前記スキャナ指令を出力するスキャナ指令部とを有し、
    　前記所定時間は、前記スキャナ指令が出力されてから前記スキャナ制御系の制御を開始するまでの制御遅れ時間に設定されている、レーザ加工システム。
  2. 　前記レーザスキャナは、前記レーザの焦点位置及び照射方向を変更できるように構成され、
    　前記スキャナ指令部は、前記ロボット動作模擬部のシミュレーション結果に基づいて前記レーザスキャナの姿勢、及び前記レーザスキャナと前記レーザで加工すべき加工位置との相対座標を演算し、この演算結果に基づいて前記スキャナ指令を出力し、
    　前記スキャナ制御系は、前記スキャナ指令に基づいて前記レーザスキャナの動作を制御して前記レーザの照射方向及び焦点位置を変えるようになっている、請求項１に記載のレーザ加工システム。
  3. 　前記スキャナ制御系は、前記レーザ加工において前記加工位置を取り囲むように無端状の図形を描くように前記レーザスキャナの動作を制御するようになっている、請求項１又は２に記載のレーザ加工システム。
  4. 　前記スキャナ制御系は、前記ロボット制御系から出力される応答要求信号に対して応答信号を出力するようになっており、
    　前記ロボット制御系は、前記応答要求信号を出力してから前記応答信号を受け取るまでの時間を測定し、その測定時間に応じて前記制御遅れ時間を設定するようになっている、請求項１乃至３の何れか１つに記載のレーザ加工システム。
  5. 　レーザを照射してワークにレーザ加工を行なうレーザスキャナと、前記レーザスキャナを移動させるように動作するロボットとを備えるレーザ加工システムの制御方法であって、
    　前記ロボットの動作を制御するロボット動作制御工程と、
    　前記ロボットの姿勢をシミュレーションするロボット動作模擬工程と、
    　前記ロボット動作模擬工程のシミュレーション結果に基づいて前記レーザスキャナの動作に関するスキャナ指令を出力するスキャナ指令出力工程と、
    　前記スキャナ指令出力工程で出力された前記スキャナ指令に基づいて前記レーザスキャナの動作を制御するスキャナ制御工程とを有し、
    　前記ロボット動作模擬工程では、前記ロボットの動作を制御する制御時点から設定時間後の前記ロボットの姿勢がシミュレーションされ、
    　前記所定時間は、前記スキャナ指令が出力されてから前記スキャナ制御系の制御を開始するまでの制御遅れ時間に設定されている、レーザ加工システムの制御方法。
  6. 　前記レーザスキャナは、前記レーザの焦点位置及び照射方向を変更できるように構成され、
    　前記スキャナ指令出力工程は、前記ロボット動作模擬工程のシミュレーション結果に基づいて前記レーザスキャナの姿勢、及び前記レーザスキャナと前記レーザで加工すべき加工位置との相対座標を演算し、この演算結果に基づいて前記スキャナ指令を出力し、
    　前記スキャナ制御工程は、前記スキャナ指令に基づいて前記レーザの照射方向及び焦点位置を変えるように前記レーザスキャナの動作を制御するようになっている、請求項５に記載のレーザ加工システムの制御方法。
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