WO2022009844A1 - レーザ加工のための教示装置及び教示方法 - Google Patents

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WO2022009844A1
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俊也 武田
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ファナック株式会社
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    • G05B2219/30—Nc systems
    • G05B2219/45—Nc applications
    • G05B2219/45104—Lasrobot, welding robot

Definitions

  • the present invention relates to a teaching device and a teaching method for laser machining that teaches a laser machining system using a robot.
  • a laser processing system has been proposed in which a laser is irradiated from a processing head mounted on the tip of a robot arm to perform processing such as welding on a work (for example, Patent Document 1-5).
  • the robot's operation path is generated by the teaching device so that the dots are within the irradiation range of the galvano scanner attached to the robot from the arrangement of the dots.
  • the fiber connected to the galvano scanner may be twisted beyond the permissible range depending on the posture of the galvano scanner.
  • One aspect of the present disclosure is set as an object in a teaching device for teaching the operation of the robot of a laser processing system including a laser processing head to which an optical fiber is connected and a robot for moving the laser processing head.
  • a path determination unit that determines the motion path of the robot based on the positions of a plurality of machining points, a simulation execution unit that executes motion simulation of the robot according to the determined motion path, and the robot based on the motion simulation.
  • the twist amount of the optical fiber is obtained by simulating the behavior of the optical fiber according to the movement of the optical fiber, and the twist amount is evaluated by comparing the twist amount with a predetermined allowable range.
  • It is a teaching device including a robot posture changing unit that changes the posture of the robot so that the twist amount becomes smaller for the operation of the robot whose twist amount exceeds a predetermined allowable range.
  • Another aspect of the present disclosure is set to an object in a teaching method for teaching the operation of the robot of a laser processing system including a laser processing head to which an optical fiber is connected and a robot for moving the laser processing head.
  • the motion path of the robot is determined based on the positions of a plurality of processing points, the motion simulation of the robot is executed according to the determined motion path, and the motion of the robot according to the motion simulation of the optical fiber.
  • the twist amount of the optical fiber is obtained by simulating the behavior, the twist amount is evaluated by comparing the twist amount with a predetermined allowable range, and the twist amount exceeds the predetermined allowable range of the robot. This is a teaching method for changing the posture of the robot so that the amount of twist is small.
  • FIG. 1 An example is shown in which the posture of the robot when moving the motion path is determined so that the moving direction of the robot is along the side of the irradiation range of the scanner.
  • FIG. 1 An example is shown in which the posture of the robot when moving the motion path is determined so that the moving direction of the robot is along the side of the irradiation range of the scanner.
  • FIG. 1 An example is shown in which the posture of the robot when moving the motion path is determined so that the moving direction of the robot is along the side of the irradiation range of the scanner.
  • FIG. 1 An example is shown in which the posture of the robot when moving the motion path is determined so that the moving direction of the robot is along the side of the irradiation range of the scanner.
  • FIG. 1 An example is shown in which the posture of the robot when moving the motion path is determined so that the moving direction of the robot is along the side of the irradiation range of the scanner.
  • FIG. 1 An example is shown in which the posture of the robot when moving the motion path
  • FIG. 1 is an overall configuration diagram of a laser machining system 100 including a laser machining teaching device 60 according to an embodiment.
  • the laser processing system 100 scans the laser beam while moving a galvano scanner (hereinafter, simply referred to as a scanner) 90 as a laser processing head attached to a predetermined movable portion (arm tip portion in the present embodiment) of the robot 110. It is configured as a so-called cooperative remote laser processing system that processes each processing point on the work W.
  • the laser machining system 100 includes a robot 110, a robot control device 70 that controls the robot 110, a laser oscillator 80, and a laser machining teaching device 60.
  • the robot 110 is a vertical articulated robot in the configuration example of FIG.
  • the scanner 90 has a function of scanning a laser beam transmitted from a laser oscillator 80 via an optical fiber 81 in the XY direction by driving a mirror, and driving a lens in the Z direction to move a laser spot in the Z direction. It has a function to make it.
  • the optical fiber 81 is connected to the central portion of the upper surface 90a in a state where the connection end portion 81a to the scanner 90 is substantially perpendicular to the upper surface 90a of the scanner 90.
  • the laser machining teaching device 60 is a programming device that generates operation programs for the robot 110 and the scanner 90 off-run.
  • the laser processing teaching device 60 may have a configuration as a general PC having hardware components such as a CPU, ROM, RAM, hard disk, input device, display device, and network interface.
  • various information processing devices such as a desktop PC, a notebook PC, and a portable information terminal can be used.
  • the laser processing teaching device 60 is connected to the robot control device 70 via a network, and the operation programs of the robot 110 and the scanner 90 created by the laser processing teaching device 60 are networked. It can be transferred from the laser processing teaching device 60 to the robot control device 70 via the above.
  • the robot control device 70 includes an operation control unit 71 that controls the robot 110 according to an operation program.
  • the robot control device 70 may have a configuration as a general computer having a CPU, ROM, RAM, a storage device, and the like.
  • the operation program of the scanner 90 generated by the laser machining teaching device 60 is transferred from the laser machining teaching device 60 to the control unit 91 of the scanner 90 via the robot control device 70.
  • the control unit 91 of the scanner 90 can operate according to the loaded operation program.
  • the control unit 91 of the scanner 90 may have a configuration as a general computer having a CPU, ROM, RAM, a storage device, and the like.
  • the laser processing system 100 can perform various laser processing such as welding and cutting. Hereinafter, the description will be made assuming that the laser processing system 100 performs welding. As will be described in detail below, the laser processing teaching device 60 executes an operation simulation of the robot 110 in the process of creating an operation program for welding a group of dots to be welded, and the optical fiber 81 accompanying the movement of the robot 110. By evaluating the amount of twist, the posture of the robot 110 is corrected so that the optical fiber 81 is not twisted.
  • FIG. 2 is a diagram showing the functional configurations of the laser machining teaching device 60, the robot control device 70, and the scanner 90.
  • the functional block of the laser machining teaching device 60 shown in FIG. 2 may be realized by the CPU 61 of the laser machining teaching device 60 executing software, or by a dedicated wordware such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit). It may be realized.
  • the laser machining teaching device 60 includes a data input unit 161, a path determination unit 162, a simulation execution unit 163, a twist amount evaluation unit 164, a robot posture change unit 165, and an operation program creation unit 166.
  • the data input unit 161 acquires various data necessary for the operation program creation process including model data such as a group of hit points to be welded, a welding time of each hit point, a welding pattern, a robot 110, and a work W. These various data may be stored in advance in the storage device in the laser machining teaching device 60, or may be input to the laser machining teaching device 60 via the operation unit. Alternatively, various data may be input from an external device to the laser machining teaching device 60 via a network.
  • model data such as a group of hit points to be welded, a welding time of each hit point, a welding pattern, a robot 110, and a work W.
  • the route determination unit 162 performs a group of hitting points acquired by the data input unit 161, determines an operation path passing through each group, and operates so that all the hitting points to be welded can be welded and the cycle time can be shortened. Determine the speed.
  • the simulation execution unit 163 executes the motion simulation of the robot 110 using the motion path and motion speed determined by the path determination unit 162.
  • the twist amount evaluation unit 164 obtains the twist amount of the optical fiber 81 by simulating the behavior of the optical fiber 81 according to the movement of the robot 110 by the motion simulation, and twists by comparing the twist amount with a predetermined allowable range. Evaluate the quantity.
  • the robot posture changing unit 165 changes the posture of the robot 110 so that the twist amount becomes smaller for the operation of the robot 110 whose twist amount exceeds a predetermined allowable range.
  • the operation program creation unit 166 creates an operation program for the robot 110 and the scanner 90 using data such as an operation path, an operation speed, and a welding period at each hitting point, for which various adjustments have been made. As a result, an operation path (operation program) of the robot 110 and an operation program of the scanner 90 that execute a predetermined welding operation so that the twist amount of the optical fiber 81 can be kept within an allowable range are generated.
  • FIG. 3 is a flowchart showing an operation program creation process for generating an operation program for executing a predetermined welding operation while keeping the twist amount of the optical fiber 81 within an allowable range.
  • the operation program creation process of FIG. 3 is executed under the control of the CPU 61 of the laser machining teaching device 60.
  • various data necessary for the operation program creation process including model data such as a group of hit points to be welded, a welding time of each hit point, a welding pattern, and a work W are via the data input unit 161. It is assumed that it has been entered.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the process of generating the operation path and determining the operation speed in step S11.
  • the dot group 201-215 is grouped into a temporary dot group.
  • one group defines a plurality of hit points for welding while the robot 110 operates with one operation command.
  • the robot 110 operates with one operation command, and during that time, the scanner 90 performs a scanning operation to weld each hitting point belonging to the group. With one operation command, the robot 110 operates linearly at a constant speed.
  • the RBI group 201-215 is tentatively divided into three RBI groups G1 to G3.
  • step S22 for each group G1-G3, the route of the robot 110 passing through the center of the hitting point group is determined.
  • the straight line passing through the center of the dot group is obtained by, for example, the least squares method.
  • the path R1 is obtained as a straight line in which the sum of squares of the distances from each hitting point 201-205 to the path R1 is minimized. Since the hitting points are located on the three-dimensional space, the hitting points 201-205 are actually distributed in the three-dimensional space. The above path is determined assuming that each hitting point exists at a position where the hitting point is projected on this plane.
  • the plane passing through the averaged position of each hitting point position can be obtained, for example, by using the least squares method or by using Newell's algorithm. It is assumed that the routes R1, R2, and R3 are determined as the routes of the hitting point groups G1, G2, and G3 by the processing in step S22, respectively.
  • the path may be determined as a path in which the foot of the perpendicular line drawn from the irradiation position of the laser beam to the plane defining the hitting point group moves on the plane.
  • step S23 it is confirmed whether or not each hitting point is within the operating range (irradiation range) of the scanner 90 for each hitting point group.
  • the hitting point group G1 it is possible to confirm in this step S23 depending on whether or not the distance from each hitting point 201-205 to the path R1 is within the operating range of the scanner 90. If a hitting point outside the operating range of the scanner 90 is found (S23: NG), the grouping is repeated (step S21).
  • step S24 the movement order between the hitting point groups and the hitting point order within the hitting point group are optimized.
  • the movement order between the groups and the hitting order within the hitting point group are determined so that the total moving distance between the groups is minimized.
  • various methods known in the art for solving the so-called traveling salesman problem can be used.
  • the dot group G1-G3 and the path R1-R3 are determined for the dot group 201-215 as shown in FIG.
  • various methods known in the art for example, the method for determining the operation path described in JP-A-2020-35404) may be applied.
  • the operating speed of the robot 110 is determined.
  • the operation speed of the robot 110 may be determined by the following procedure.
  • (Procedure 1) Determine a temporary operating speed for each hitting point group.
  • (Procedure 2) Execute a robot motion simulation using the determined path and motion speed.
  • (Procedure 3) Calculate the period during which each hitting point can be welded on the robot's operation path
  • (Procedure 4) Determine the position and time for welding each hitting point.
  • (Procedure 5) Optimize the operating speed.
  • step 1 the provisional speed may be set uniformly for all the dot groups at a low speed at which it is considered that the dots of each dot group can be welded without any problem.
  • a typical speed based on the experience value may be set uniformly for each RBI group.
  • step 2 the motion simulation of the robot 110 is executed using the path (path R1-R3) determined as described above and the temporary motion speed.
  • the motion simulation By executing the motion simulation, the position data (hereinafter, also referred to as the motion path) for each interpolation cycle of the robot is acquired.
  • step 3 the period corresponding to the range in which each hitting point can be welded on the operation path of the robot 110 using the operation path of the robot 110 obtained by the operation simulation of the robot 110 (hereinafter, the weldable period). ) Is calculated. Specifically, first, the position of the scanner 90 attached to the tip of the arm of the robot 110 based on the position on the operation path of the robot 110 (specifically, for example, the position of the condenser lens in the scanner 90). Is obtained, and the path of the laser beam connecting the position of the scanner 90 and the position of the hitting point is obtained. At this time, (1) The path of the laser beam does not interfere with the work or jig. (2) The path of the laser beam is the operating range of the scanner.
  • the irradiation angle which is the angle between the normal direction of the work and the laser beam at the striking point position, is within a predetermined allowable range. When the condition of is satisfied, it may be determined that welding is possible for the path of this laser beam.
  • the period corresponding to the range in which the path of the laser beam is continuously determined to be weldable on the operation path is the weldable period for each hitting point.
  • step 4 the position and time for welding each hitting point are determined using the weldable period for each hitting point.
  • the welding time of each hitting point is taken into consideration, and the welding time is ensured that the welding time of each hitting point is satisfied without depending on the start time of the weldable period of each hitting point.
  • the weldable period of the spot A is 1 to 4 seconds from the start of operation
  • the weldable period of the spot B is 1.1 seconds from the start of operation. It is assumed that it is 2.1 seconds from the eye.
  • the hitting point A it is the hitting point A that can be welded first, but if the hitting point A is welded from the first second to the second second, the hitting point B cannot be welded.
  • the dot B is welded from the 1.1 second to the 2.1 second, and the dot A is welded from the 2.1 second to the 3.1 second.
  • step 5 the operating speed is adjusted and optimized so that all the hit points can be welded and the cycle time is shortened.
  • the operating speed of the robot 110 is set to the same value for all the hitting points, the operating speed is lowered until welding is possible for all the hitting points, and then the operating speed is increased for each hitting point group.
  • the operation speed determination process in step S25 is completed.
  • the route determination unit 162 may determine the posture of the robot 110 (that is, the posture of the scanner 90) as follows. It is assumed that the robot 110 is operating and welding a certain hitting point. While the robot 110 is irradiating the laser beam to weld the hit point, the hit point needs to remain within the irradiation range of the scanner 90. Assuming that the irradiation range of the scanner 90 is rectangular, it is better that the operation direction of the robot 110 is along either the vertical side or the horizontal side of the irradiation range during the welding time of the hitting point. The distance that can be moved becomes longer, and the operating speed of the robot 110 can be further increased. It also makes it possible to shorten the cycle time. This will be described with reference to FIGS. 6A and 6B.
  • the irradiation range (scanning range) of the scanner 90 attached to the wrist of the robot 110 is indicated by reference numeral 90A.
  • FIGS. 6A and 6B show an XY coordinate system fixed to the wrist portion of the robot 110 (that is, fixed to the scanner 90).
  • the irradiation range 90A is a rectangular area having a width WX in the X-axis direction and a width WY in the Y-axis direction.
  • the scanner 90 is moved in a direction parallel to the X axis (direction A in FIG. 6A) when irradiating the striking point 221 with the laser.
  • the moving direction A of the robot 110 is a direction along the side (X-axis direction) of the irradiation range 90A, the robot 110 can move the distance L1 during the welding time of the dot 221. ..
  • the wrist portion of the robot 110 (that is, the scanner 90) moves in the direction of arrow B in the figure in the posture as shown in FIG. 6B.
  • the moving direction of the robot 110 is not along the direction of the side of the irradiation region 90A. Therefore, the distance that the robot 110 can move during the welding time in which the robot 110 welds the hitting point 221 is the distance L2.
  • the distance L2 is shorter than the distance L1 (L2 ⁇ L1). From the above, when the moving direction of the robot 110 is along any side (X-axis or Y-axis) of the irradiation range of the scanner 90, the distance that the robot 110 can move during the welding time of the hitting point becomes longer. That is, it can be understood that the operating speed of the robot 110 can be increased.
  • FIG. 7 shows the posture of the robot 110 (scanner 90) when moving the paths R1-R3 so that the moving direction of the robot 110 is along any side (X-axis or Y-axis) of the irradiation range of the scanner 90. It shows an example when it is decided.
  • the posture of the wrist portion of the robot 110 in the path R1, the posture of the wrist portion of the robot 110 is determined so that the Y axis of the irradiation range 90A is parallel to the path R1, and in the path R2, the X axis of the irradiation range 90A is the path R2.
  • the posture of the wrist portion of the robot 110 is determined so as to be parallel, and in the path R3, the posture of the wrist portion of the robot 110 is determined so that the Y axis of the irradiation range 90A is parallel to the path R3.
  • step S12 of the operation program determination process the twist amount evaluation unit 164 evaluates the twist amount of the optical fiber 81 by physical simulation. A physical simulation of the twist amount of the optical fiber 81 as a striatum will be described with reference to FIGS. 8 to 10.
  • FIG. 8 is a perspective view showing an example of a striatal model 2 having a circular cross section.
  • the striatal model 2 is formed by a plurality of mass points 3 and a plurality of spring elements 4 connecting the mass points 3 to each other.
  • the mass point 3 includes a first mass point 31 and a second mass point 32 arranged on a plane 20 perpendicular to the longitudinal direction of the striatum.
  • the first mass point 31 is arranged at the radial center portion of the plane 20.
  • the second mass points 32 are arranged around the first mass points 31 at equal intervals in the circumferential direction, and define the outer peripheral surface of the striatum.
  • the first mass point 31 and the second mass point 32 are arranged at equal intervals along the longitudinal direction of the striatum.
  • Each mass point 3 has mass information, three-dimensional position information (position data), and three-dimensional velocity information.
  • the mass of each mass point 3 can be a value obtained by dividing the mass of the striatum by the number of mass points.
  • the spring element 4 includes a first spring 41 that connects the second mass points 32 arranged on the circumference of the same plane 20, and the first mass point 31 and the second mass point 31 that extend radially from the first mass point 31 on the plane 20.
  • the second spring 42 that connects the mass points 32
  • the third spring 43 that sequentially connects the first mass points 31 and the second mass points 32 arranged in a row along the longitudinal direction of the strip, and the third spring 43 in the longitudinal direction.
  • the first spring 41 and the second spring 42 represent the elasticity in the radial direction of the striatum
  • the third spring 43 and the fourth spring 44 represent the elasticity in the longitudinal direction of the striatum.
  • the twist amount evaluation unit 164 sets a plurality of points of interest 33 for grasping the twisted state of the striatum on the striatum model 2.
  • attention is paid to a part of the circumferential direction of the striatum model, more specifically, a row of second mass points 32 along the longitudinal direction of the striatum sequentially connected via the third spring element 43.
  • Point 33 is set.
  • the point of interest 33 can be arbitrarily set by the user on the striatum model 2 via the operation unit of the laser machining teaching device 60.
  • the twist amount evaluation unit 164 operates the robot model according to a predetermined motion program, and simulates the behavior of the striatum accompanying the motion of the robot. That is, the elastic force, gravity, and damping force from the spring element 4 acting on each mass point 3 of the strip model 2 are calculated for each predetermined unit time according to the operation of the robot model, and each mass point is calculated for each unit time. A simulation (physical simulation) that changes the position of 3 is executed.
  • the elastic force F1 of the spring element 4 acting on the mass point 3A when the mass point 3A and the mass point 3B are connected to each other via the spring element 4 can be calculated by the following equation (I).
  • F1 (unit vector of 3A ⁇ 3B) ⁇ spring constant ⁇ spring expansion / contraction amount (I)
  • the expansion / contraction amount (spring expansion / contraction amount) of the spring element 4 is a value obtained by subtracting the natural length of the spring element 4 from the length of the spring element 4 in a certain state.
  • the natural length of the spring element 4 corresponds to the distance between the mass points 3A and 3B in the natural state without expansion and contraction and bending of the striatal model 2.
  • the damping force of the spring element includes a damping force F2 that suppresses the vibration of the spring and a damping force F3 that suppresses the translational motion of each mass point 3, and can be calculated by the following equations (II) and (III), respectively.
  • F2 v ⁇ v inner product ⁇ vibration damping coefficient (II)
  • F3 velocity of each mass point x damping coefficient of translational motion (III)
  • v is a unit vector of (velocity of mass point 3B-velocity of mass point 3A).
  • the damping forces F2 and F3 act to slow down the movement of the spring.
  • the gravity F4 acting on each mass point 3 can be calculated by the following equation (IV).
  • F4 unit vector in the direction of gravity x gravitational acceleration x mass of mass points (IV)
  • a repulsive force acting on the mass point 3 may be calculated.
  • the value of the component of the mass point velocity at the time of collision in the direction perpendicular to the plane of the collision is the value obtained by multiplying the velocity before the collision by the coefficient of restitution and inverting the sign.
  • the repulsive force can be calculated by multiplying the acceleration obtained by dividing the amount of change in velocity before and after the collision by the unit time by the mass of the mass point.
  • the twist amount evaluation unit 164 further calculates the resultant force of the forces F1 to F4 acting on each mass point 3, and divides this by the mass to calculate the acceleration of the mass point 3. Further, the amount of change in the speed of the mass point 3 is calculated by multiplying the acceleration by the unit time, and the speed of the mass point 3 is calculated by adding this to the speed of the mass point 3. Further, the displacement amount of the mass point 3 is calculated by the velocity ⁇ the unit time, and the position of the mass point 3 is calculated by adding this to the three-dimensional position data of the mass point 3.
  • the twist amount evaluation unit 164 changes the position of the mass point 3 in the striatum mounting portion (the connection portion of the optical fiber 81 to the scanner 90) according to the movement of the robot every unit time, and changes the position of the mass point 3 to each mass point 3.
  • the acting forces F1 to F4 are calculated as described above, and these resultant forces are calculated, and the velocity and position of each mass point 3 are updated to simulate the behavior of the striatum.
  • time-series position data of each mass point 3 can be obtained.
  • the position data of the point of interest 33 can also be obtained.
  • FIG. 9 is a diagram showing an example of a striatum image 51 in which the state of the striatum is imaged according to the simulation result, and an example of the focus point image 52 in the case where the focus point is imaged.
  • the striatal image 51 is shown by a solid line
  • the point of interest image 52 is shown by a black circle. Since the points of interest 33 are set in the same phase in the circumferential direction of the striatum in a row in the longitudinal direction, when the striatum is twisted, the point of interest image 52 is twisted on the striatum image 51 as shown in FIG. It will be in a state of being.
  • the twist amount evaluation unit 164 further has a function of calculating the twist amount in order to quantitatively represent the twist state of the striatum.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a procedure for calculating the amount of twist.
  • 20n and 20n + 1 are planes adjacent to each other in the linear model 2 in which the mass point 3 is set, and 31n and 31n + 1 are mass points located at the center of the planes 20n and 20n + 1, respectively, 32n, 32n + 1 is a mass point located at the same position (same phase) in the circumferential direction on the circumference of the planes 20n and 20n + 1, respectively.
  • the mass points 32n and 32n + 1 are, for example, points of interest 33.
  • the amount of twist of the striatum between the planes 20n and 20n + 1 can be defined by the angle between the surface formed by the mass points 31n, 32n and 31n + 1 and the surface formed by the mass points 31n + 1, 32n + 1 and 31n.
  • a clockwise twist is defined as a plus
  • a counterclockwise twist is defined as a minus toward the tip (scanner side) in the length direction of the striatum.
  • the twist amount evaluation unit 164 calculates the total twist amount of the optical fiber 81 having one end connected to the central portion of the upper surface 90a of the scanner 90. When the optical fiber 81 is fixed to the arm of the robot 110 at an intermediate position, the twist amount is calculated between the connection end of the optical fiber 81 to the scanner 90 and the mounting position to the robot 110. May be.
  • the twist amount evaluation unit 164 evaluates the twist amount of the optical fiber 81 when the robot 110 moves in each path R1-R3 (that is, the entire operation path). For example, it is assumed that the twist amount of the optical fiber 81 when the robot 110 operates the path R1, the path R2, and the path R3 is obtained as the twist amounts T1, T2, and T3, respectively.
  • the twist amount evaluation unit 164 compares the twist amounts T1, T2, and T3 with a predetermined allowable range. When there is a twist amount exceeding a predetermined allowable range, the twist amount evaluation unit 164 targets the operation of the robot 110 when the twist amount exceeds the allowable value to change the posture (step S12).
  • the robot posture changing unit 165 changes the posture of the robot 110 whose twist amount exceeds the permissible range.
  • the posture change is, for example, the axial direction of the connection end portion 81a of the optical fiber 81 to the scanner 90 so that the optical fiber 81 is twisted in the negative direction when the twisting direction is the positive direction. This may be done by rotating around parallel axes.
  • the circumference of the axis parallel to the axis direction of the connection end portion 81a is, for example, around the axis of the connection end portion 81a or around the axis in the vertical direction passing through the center of the upper surface 90a of the scanner 90.
  • the robot posture changing unit 165 changes the posture of the robot 110 so as to rotate the scanner 90 counterclockwise (direction of arrow C1 in FIG. 11) with respect to the operation of the path R1.
  • the robot posture changing unit 165 changes the posture of the robot 110 so as to rotate the scanner 90 clockwise (in the direction of arrow C2 in FIG. 11).
  • the amount of change in posture in step S13 that is, the amount of rotation of the scanner 90 may be smaller than the amount of twisting that exceeds the permissible range. For example, assume that the calculated twist amount is +30 degrees and the allowable range is ⁇ 15 degrees. In this case, the amount of twist exceeding the allowable range is +15 degrees. In this case, the change amount (rotation amount) of the posture of the scanner 90 may be about -5 degrees.
  • the posture may be changed, for example, for the operation of the route R1, the posture may be changed at the teaching points set at the start point and the end point of the route R1.
  • a hitting point may occur that deviates from the irradiation range while the welding time specified for the hitting point ends.
  • such striking points are adjusted so as not to deviate from the irradiation range during welding (during laser irradiation). Specifically, by slowing down the operating speed of the robot 110 or adjusting the welding timing of the hitting point, the hitting point does not deviate from the irradiation range during welding.
  • the welding timing can be adjusted by a method of recalculating the weldable period of each dot and setting the welding period of the dot before and after the dot so as not to interfere with the welding period. Such an adjustment process is repeated for all hit points until the irradiation range is not deviated during welding (steps S14 and S15).
  • steps S12 to S15 an operation of re-evaluating the twist amount after changing the posture of the robot
  • steps S12 to S15 an operation of re-evaluating the twist amount after changing the posture of the robot
  • the operation program creation unit 166 creates an operation program for the robot 110 and the scanner 90 using various information including the operation path, the operation speed, and the welding period generated as described above.
  • the laser processing system 100 that is, generate an operation program for executing a predetermined welding operation so that the twist amount of the optical fiber 81 is within an allowable range. This makes it possible to prevent the optical fiber 81 from being damaged during the welding operation by the robot 110.
  • the posture of the robot is corrected to correct the posture.
  • the optical fiber 81 is twisted instead of or in combination with such a method. You may take measures to attach it to the scanner 90 by twisting it in a direction in which the amount is eliminated. For example, if the twist amount is +30 degrees in the behavior simulation, the optical fiber 81 can be twisted by -15 degrees to attach the scanner 90, and the twist can be set to ⁇ 15 degrees within the allowable range ( ⁇ 15 degrees).
  • a method for obtaining the twist amount of the striatum by simulation a method known in the art other than the method shown in the above-described embodiment may be applied.
  • the above-described embodiment is not limited to the optical fiber, and can be applied to eliminate the twist of various cables attached to the robot.
  • the program that executes various processes is a recording medium that can be read by a computer.
  • semiconductor memory such as ROM, EEPROM, flash memory, magnetic recording medium, optical disk such as CD-ROM, DVD-ROM
  • CD-ROM compact disc-read only memory
  • DVD-ROM digital versatile disc-read only memory

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Abstract

ガルバノスキャナに接続されたファイバが許容範囲を超えて捻じれてしまうことを回避し得る教示装置を提供する。　レーザ加工システムのロボットを教示するための教示装置６０において、対象物に設定される複数の加工点の位置に基づいてロボットの動作経路を決定する経路決定部１６２と、決定された動作経路にしたがってロボットの動作シミュレーションを実行するシミュレーション実行部１６３と、動作シミュレーションによるロボットの動きにしたがって光ファイバの挙動をシミュレーションすることで光ファイバのねじれ量を求め、該ねじれ量と所定の許容範囲とを対比することで前記ねじれ量を評価するねじれ量評価部１６４と、ねじれ量が所定の許容範囲を超えるロボットの動作について、ねじれ量が小さくなるようにロボットの姿勢を変更するロボット姿勢変更部１６５と、を備える教示装置である。

Description

レーザ加工のための教示装置及び教示方法
　本発明は、ロボットを用いたレーザ加工システムの教示を行うレーザ加工のための教示装置及び教示方法に関する。
　ロボットのアーム先端に搭載した加工ヘッドからレーザを照射し、ワークに対する溶接等の加工を行うレーザ加工システムが提案されている（例えば、特許文献１－５）。
特開２０２０－３５４０４号公報 特開２００６－３４４０５２号公報 特開２０１８－０８６７１１号公報 特開２００６－２８１３０４号公報 特開２００７－２１５５０号公報
　レーザ加工ヘッドとしてガルバノスキャナを用いるレーザ加工システムでは、打点の配置から、ロボットに取り付けられたガルバノスキャナの照射範囲に打点が入るように、教示装置によってロボットの動作経路が生成される。このように生成された動作経路に従ってロボットを動作させた場合、ガルバノスキャナの姿勢によっては、ガルバノスキャナに接続されたファイバが許容範囲を超えて捻じれてしまう場合がある。
　本開示の一態様は、光ファイバが接続されたレーザ加工ヘッドと該レーザ加工ヘッドを移動させるロボットとを含むレーザ加工システムの前記ロボットの動作を教示するための教示装置において、対象物に設定される複数の加工点の位置に基づいて前記ロボットの動作経路を決定する経路決定部と、決定された前記動作経路にしたがって前記ロボットの動作シミュレーションを実行するシミュレーション実行部と、前記動作シミュレーションによる前記ロボットの動きにしたがって前記光ファイバの挙動をシミュレーションすることで前記光ファイバのねじれ量を求め、該ねじれ量と所定の許容範囲とを対比することで前記ねじれ量を評価するねじれ量評価部と、前記ねじれ量が前記所定の許容範囲を超える前記ロボットの動作について、前記ねじれ量が小さくなるように前記ロボットの姿勢を変更するロボット姿勢変更部と、を備える教示装置である。
　本開示の別の態様は、光ファイバが接続されたレーザ加工ヘッドと該レーザ加工ヘッドを移動させるロボットとを含むレーザ加工システムの前記ロボットの動作を教示するための教示方法において、対象物に設定される複数の加工点の位置に基づいて前記ロボットの動作経路を決定し、決定された前記動作経路に従い前記ロボットの動作シミュレーションを実行し、前記動作シミュレーションによる前記ロボットの動きにしたがって前記光ファイバの挙動をシミュレーションすることで前記光ファイバのねじれ量を求め、該ねじれ量と所定の許容範囲とを対比することで前記ねじれ量を評価し、前記ねじれ量が前記所定の許容範囲を超える前記ロボットの動作について、前記ねじれ量が小さくなるように前記ロボットの姿勢を変更する、教示方法である。
　上記構成によれば、光ファイバのねじれが許容範囲に収めるようにレーザ加工システムにおける教示を行うことができる。
　添付図面に示される本発明の典型的な実施形態の詳細な説明から、本発明のこれらの目的、特徴および利点ならびに他の目的、特徴および利点がさらに明確になるであろう。
一実施形態に係るレーザ加工教示装置を含むレーザ加工システムの全体構成図である。 レーザ加工教示装置、ロボット制御装置及びスキャナの機能構成を表す図である。 動作プログラム作成処理を表すフローチャートである。 動作経路の生成及び動作速度の決定処理を表すフローチャートである。 打点群のグループ分け及び経路の決定を説明するための図である。 ロボットが照射範囲の辺に沿って移動する状態を表す図である。 ロボットの移動方向が照射範囲に沿っていない状態を表す図である。 動作経路を移動する際のロボットの姿勢を、ロボットの移動方向がスキャナの照射範囲の辺に沿うように決定した場合の例を表している。 線条体の挙動シミュレーションで用いられる線条体モデルの一例を示す斜視図である。 線条体と着目点の画像の例を示す図である。 線条体の挙動シミュレーションにおけるねじれ量の算出手順を示す図である。 ねじれ量を解消するためのロボットの姿勢の変更を説明する図である。
　次に、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。参照する図面において、同様の構成部分または機能部分には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これらの図面は縮尺を適宜変更している。また、図面に示される形態は本発明を実施するための一つの例であり、本発明は図示された形態に限定されるものではない。
　図１は一実施形態に係るレーザ加工教示装置６０を含むレーザ加工システム１００の全体構成図である。レーザ加工システム１００は、ロボット１１０の所定の可動部位（本実施形態ではアーム先端部）に取り付けられたレーザ加工ヘッドとしてのガルバノスキャナ（以下、単にスキャナと記す）９０を移動させながらレーザ光を走査させワークＷ上の各加工点の加工を行う、いわゆる協調型のリモートレーザ加工システムとして構成されている。図１の構成例では、レーザ加工システム１００は、ロボット１１０と、ロボット１１０の制御を行うロボット制御装置７０と、レーザ発振器８０と、レーザ加工教示装置６０とを含む。ロボット１１０は図１の構成例では垂直多関節ロボットであるが、他のタイプのロボットが用いられても良い。また、ガルバノスキャナ以外のレーザ走査装置が用いられても良い。スキャナ９０は、レーザ発振器８０から光ファイバ８１を介して送られてくるレーザ光をミラーを駆動することによってＸＹ方向に走査させる機能、およびレンズをＺ方向に駆動してレーザスポットをＺ方向に移動させる機能を有する。
　光ファイバ８１は、スキャナ９０への接続端部８１ａがスキャナ９０の上面９０ａに対してほぼ垂直となる状態で、上面９０ａの中央部に接続されている。
　レーザ加工教示装置６０は、オフランでロボット１１０およびスキャナ９０の動作プログラムを生成するプログラミング装置である。レーザ加工教示装置６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク、入力装置、表示装置、ネットワークインタフェース等のハードウェア構成要素を有する一般的なＰＣとしての構成を有していても良い。レーザ加工教示装置６０としては、デスクトップ型ＰＣ，ノートブック型ＰＣ，携帯型情報端末など、各種の情報処理装置を用いることができる。図１に示した構成例では、レーザ加工教示装置６０は、ネットワークを介してロボット制御装置７０と接続されており、レーザ加工教示装置６０で作成されたロボット１１０及びスキャナ９０の動作プログラムは、ネットワークを介してレーザ加工教示装置６０からロボット制御装置７０に転送することができる。
　ロボット制御装置７０は、動作プログラムにしたがってロボット１１０を制御する動作制御部７１を備える。ロボット制御装置７０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶装置等を有する一般的なコンピュータとしての構成を有していても良い。レーザ加工教示装置６０で生成されたスキャナ９０の動作プログラムは、レーザ加工教示装置６０からロボット制御装置７０を経由してスキャナ９０の制御部９１に転送される。スキャナ９０の制御部９１は、ロードされた動作プログラムにしたがって動作可能となる。スキャナ９０の制御部９１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、記憶装置等を有する一般的なコンピュータとしての構成を有していても良い。
　レーザ加工システム１００は、溶接、切断等の様々なレーザ加工を行うことができる。以下では、レーザ加工システム１００が溶接を行うものとして説明を行う。以下で詳細に説明するように、レーザ加工教示装置６０は、溶接対象の打点群を溶接する動作プログラムの作成過程において、ロボット１１０の動作シミュレーションを実行し、ロボット１１０の移動に伴う光ファイバ８１のねじれ量を評価することで、光ファイバ８１のねじれが生じないようにロボット１１０の姿勢を修正する。
　図２は、レーザ加工教示装置６０、ロボット制御装置７０及びスキャナ９０の機能構成を表す図である。図２に示されるレーザ加工教示装置６０の機能ブロックは、レーザ加工教示装置６０のＣＰＵ６１がソフトウェアを実行することによって実現されても良いし、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の専用のワードウェアによって実現されても良い。図２に示されるように、レーザ加工教示装置６０は、データ入力部１６１、経路決定部１６２、シミュレーション実行部１６３、ねじれ量評価部１６４、ロボット姿勢変更部１６５、動作プログラム作成部１６６を有する。
　データ入力部１６１は、溶接対象の打点群、各打点の溶接時間、溶接パターン、ロボット１１０、ワークＷ等のモデルデータを含む動作プログラム作成処理に必要な各種データを取得する。これらの各種データは、レーザ加工教示装置６０内の記憶装置に予め格納されていても良く、レーザ加工教示装置６０に対して操作部を介して入力されるものであっても良い。或いは、各種データは、外部装置からネットワークを介してレーザ加工教示装置６０に入力されても良い。
　経路決定部１６２は、データ入力部１６１によって取得された打点群のグループ分を行い、各グループを通る動作経路を決定し、溶接対象の全打点が溶接可能でサイクルタイムが短縮化できるように動作速度を決定する。
　シミュレーション実行部１６３は、経路決定部１６２により決定された動作経路及び動作速度を用いてロボット１１０の動作シミュレーションを実行する。
　ねじれ量評価部１６４は、動作シミュレーションによるロボット１１０の動きにしたがって光ファイバ８１の挙動をシミュレーションすることで光ファイバ８１のねじれ量を求め、該ねじれ量と所定の許容範囲とを対比することでねじれ量を評価する。
　ロボット姿勢変更部１６５は、ねじれ量が所定の許容範囲を超えるロボット１１０の動作について、ねじれ量が小さくなるようにロボット１１０の姿勢を変更する。
　動作プログラム作成部１６６は、各種調整が行われた、動作経路、動作速度、各打点の溶接期間等のデータを用いてロボット１１０及びスキャナ９０の動作プログラムを作成する。これにより、光ファイバ８１のねじれ量を許容範囲に収めることのできるように所定の溶接作業を実行するロボット１１０の動作経路（動作プログラム）及びスキャナ９０の動作プログラムが生成される。
　図３は、光ファイバ８１のねじれ量を許容範囲に収めながら所定に溶接作業を実行するための動作プログラムを生成する動作プログラム作成処理を表すフローチャートである。図３の動作プログラム作成処理は、レーザ加工教示装置６０のＣＰＵ６１による制御の下で実行される。なお、動作プログラム作成処理の開始にあたり、溶接対象の打点群、各打点の溶接時間、溶接パターン、ワークＷ等のモデルデータを含む動作プログラム作成処理に必要な各種データは、データ入力部１６１を介して入力されているものとする。
　動作プログラム作成処理が開始されると、はじめに、レーザ加工教示装置６０（経路決定部１６２）は、ロボット１１０の動作経路の生成及び動作速度を決定するための処理を実行する（ステップＳ１１）。図４は、ステップＳ１１における動作経路の生成及び動作速度の決定処理を表すフローチャートである。一例として、図５に示す打点群２０１－２１５について動作経路を生成する場合を想定する。はじめに、ステップＳ２１では、打点群２０１－２１５を仮の打点グループにグループ分けする。ここで、一グループは、ロボット１１０が一つの動作命令で動作する間に溶接を行う複数の打点を規定する。一グループ内では、ロボット１１０が一つの動作命令で動作し、その間スキャナ９０がスキャン動作を行うことでグループに属する各打点を溶接する。一動作命令ではロボット１１０は直線的に等速で動作する。ここででは一例として、打点群２０１－２１５を三つの打点グループＧ１～Ｇ３に仮に分けるものとする。
　ステップＳ２２では、各グループＧ１－Ｇ３について、打点グループの中心を通るロボット１１０の経路を決定する。打点グループの中心を通る直線は、例えば、最小二乗法により求める。一例としてグループＧ１に関して述べると、経路Ｒ１は、各打点２０１－２０５から経路Ｒ１までの距離の二乗和が最小になる直線として求められる。なお、打点位置は三次元空間上の位置であるため各打点２０１－２０５は実際には３次元空間に分布しているが、各打点位置を平均した位置を通過する平面を定義して、各打点をこの平面に投影した位置に各打点が存在するものとして上記経路の決定を行う。各打点位置の平均した位置を通過する平面は、例えば、最小二乗法を用いて或いはＮｅｗｅｌｌのアルゴリズムを用いて求めることができる。ステップＳ２２での処理により、打点グループＧ１、Ｇ２、Ｇ３の経路としてそれぞれ経路Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３が決定されたものとする。なお、経路とは、レーザ光の照射位置から打点グループを定義する平面に下した垂線の足が当該平面上を移動する経路として決定されても良い。
　次に、ステップＳ２３では、それぞれの打点グループについて、各打点がスキャナ９０の動作範囲（照射範囲）内にあるか否かの確認が行われる。例えば打点グループＧ１に関して説明すると、各打点２０１－２０５から経路Ｒ１までの距離がスキャナ９０の動作範囲内であるか否かにより本ステップＳ２３での確認を行うことができる。スキャナ９０の動作範囲外である打点が見つかった場合には（Ｓ２３：ＮＧ）、グループ分けをやり直す（ステップＳ２１）。
　次に、ステップＳ２４では、打点グループ間の移動順序および打点グループ内での打点順序の最適化を行う。ここでは、グループ間の総移動距離が最小となるようにグループ間の移動順序および打点グループ内での打点順序を決定する。打点グループ間の総移動距離を最小にする移動順序を決定する手法としては、いわゆる巡回セールスマン問題を解くための当分野で知られた各種手法を用いることができる。以上の処理により、図５に示す通り打点群２０１－２１５について打点グループＧ１－Ｇ３及び経路Ｒ１－Ｒ３が決定されたものとする。なお、打点群に対し動作経路を決定する手法としては、当分野知られた各種手法（例えば、特開２０２０－３５４０４に記載された動作経路の決定方法）を適用しても良い。
　次に、ステップＳ２５では、ロボット１１０の動作速度を決定する。ロボット１１０の動作速度の決定は、下記のような手順で実行しても良い。
（手順１）各打点グループについての仮の動作速度を決定する。
（手順２）決定された経路および動作速度を用いてロボットの動作シミュレーションを実行する。
（手順３）ロボットの動作経路上で各打点を溶接できる期間を算出
（手順４）各打点を溶接する位置・時間を決定する。
（手順５）動作速度を最適化する。
　各手順について具体的に説明する。手順１では、仮の速度は、各打点グループの打点を問題なく溶接できると考えられる低い速度を全打点グループについて一律に設定しても良い。或いは、経験値に基づく代表的な速度を各打点グループに一律に設定しても良い。
　次に手順２では、上述のように決定された経路（経路Ｒ１－Ｒ３）及び仮の動作速度を用いて、ロボット１１０の動作シミュレーションを実行する。動作シミュレーションの実行により、ロボットの補間周期毎の位置データ（以下、動作経路とも記す）を取得する。
　次に手順３では、次に、ロボット１１０の動作シミュレーションにより得られたロボット１１０の動作経路を用いて、ロボット１１０の動作経路上で各打点を溶接できる範囲に対応する期間（以下、溶接可能期間と記す）を算出する。具体的には、まず、ロボット１１０の動作経路上の位置に基づいてロボット１１０のアーム先端に取り付けられているスキャナ９０の位置（具体的には、例えば、スキャナ９０内の集光レンズの位置）を求め、スキャナ９０の位置と打点の位置とを結ぶレーザ光の経路を求める。このとき、
（１）レーザ光の経路がワーク、ジグと干渉しない、
（２）レーザ光の経路がスキャナの動作範囲である、
（３）打点位置でのワークの法線方向とレーザ光とがなす角度である照射角度が所定の許容範囲であること、
の条件を満たすとき、このレーザ光の経路については溶接可能であると判定しても良い。そして、動作経路上で連続してレーザ光の経路が溶接可能であると判定される範囲に対応する期間が、各打点についての溶接可能期間である。
　次に手順４では、各打点についての溶接可能期間を用いて、各打点を溶接する位置、時間を決定する。ここでは、第１の条件として、各打点の溶接時間を考慮し、各打点の溶接可能期間の開始時間の先後に依存することなく、各打点の溶接時間が確実に満たされるように溶接の時間を決定する。例えば、溶接時間が同じ１秒の二つの打点Ａ，Ｂがあり、打点Ａの溶接可能期間が動作開始から１秒目から４秒目、打点Ｂの溶接可能期間が動作開始から１．１秒目から２．１秒目である場合を想定する。この場合、先に溶接可能になるのは打点Ａであるが、打点Ａを１秒目から２秒目に溶接すると打点Ｂの溶接ができなくなる。このような場合、打点Ｂを１．１秒目から２．１秒目に溶接し、打点Ａを２．１秒目から３．１秒目に溶接する。
　次に、手順５では、全打点が溶接できて且つサイクルタイムが短くなるように動作速度を調整し最適化する。例えば、全打点グループについてロボット１１０の動作速度を同じ値として全打点について溶接可能となるまで動作速度を下げ、次に、各打点グループ毎に動作速度を上げるというやり方が考えられる。以上により、ステップＳ２５における動作速度の決定処理が終了する。
　ステップＳ１１における動作経路及び動作速度の決定処理においては、経路決定部１６２は、ロボット１１０の姿勢（すなわち、スキャナ９０の姿勢）を以下のように決定しても良い。ロボット１１０が動作しながらある打点を溶接する場面を想定する。ロボット１１０がその打点を溶接するためにレーザ光を照射している間、その打点はスキャナ９０の照射範囲に居続ける必要がある。スキャナ９０の照射範囲が矩形であるとすると、ロボット１１０の動作方向が、照射範囲の縦方向の辺または横方向の辺のいずれかに沿っていた方が、その打点の溶接時間中にロボット１１０が移動できる距離が長くなり、ロボット１１０の動作速度をいっそう高くすることができる。また、それによりサイクルタイムを短縮することが可能となる。このことについて図６Ａ及び図６Ｂを参照して説明する。
　図６Ａ及び図６Ｂにおいて、ロボット１１０の手首部に取り付けられたスキャナ９０の照射範囲（走査範囲）を符号９０Ａで示している。また図６Ａ及び図６Ｂには、ロボット１１０の手首部に固定した（すなわちスキャナ９０に固定した）ＸＹ座標系を示している。照射範囲９０Ａは、Ｘ軸方向の幅ＷＸ、Ｙ軸方向の幅ＷＹを有する矩形の領域である。図６Ａでは、打点２２１にレーザを照射する際に、Ｘ軸に平行な方向（図６Ａ中Ａ方向）にスキャナ９０を移動させるものとする。この場合、ロボット１１０の移動方向Ａは、照射範囲９０Ａの辺（Ｘ軸方向）に沿った方向となっているため、打点２２１の溶接時間の間、ロボット１１０は距離Ｌ１を移動することができる。
　他方、ロボット１１０の手首部（すなわち、スキャナ９０）が図６Ｂのような姿勢で図中矢印Ｂ方向に移動する場合を想定する。この場合、ロボット１１０の移動方向は、照射領域９０Ａの辺の方向に沿っていない。そのため、ロボット１１０が打点２２１を溶接する溶接時間の間にロボット１１０が移動可能な距離は距離Ｌ２となる。距離Ｌ２は距離Ｌ１より短い（Ｌ２＜Ｌ１）。以上から、ロボット１１０の移動方向がスキャナ９０の照射範囲のいずれかの辺（Ｘ軸又はＹ軸）に沿っていた方が、その打点の溶接時間中にロボット１１０が移動できる距離が長くなること、つまりロボット１１０の動作速度を上げることができることが理解できる。
　図７は、経路Ｒ１－Ｒ３を移動する際のロボット１１０（スキャナ９０）の姿勢を、ロボット１１０の移動方向がスキャナ９０の照射範囲のいずれかの辺（Ｘ軸又はＹ軸）に沿うように決定した場合の例を表している。図７の例では、経路Ｒ１では、照射範囲９０ＡのＹ軸が経路Ｒ１と平行になるようにロボット１１０の手首部の姿勢が決定され、経路Ｒ２では、照射範囲９０ＡのＸ軸が経路Ｒ２と平行になるようにロボット１１０の手首部の姿勢が決定され、経路Ｒ３では、照射範囲９０ＡのＹ軸が経路Ｒ３と平行になるようにロボット１１０の手首部の姿勢が決定されている。
　以上のようにロボット１１０の手首部（スキャナ９０）の姿勢を決定する場合、スキャナ９０の鉛直軸回りでの回転動作が生じる。スキャナ９０の鉛直軸回りの回転は光ファイバ８１のねじれを生じる要因となり得る。動作プログラム決定処理（図３）のステップＳ１２では、ねじれ量評価部１６４は、物理シミュレーションにより光ファイバ８１のねじれ量を評価する。線条体としての光ファイバ８１のねじれ量の物理シミュレーションについて図８－図１０を参照して説明する。
　図８は、円形断面を有する線条体モデル２の一例を示す斜視図である。図８に示すように、線条体モデル２は、複数の質点３と、質点３同士を接続する複数のばね要素４とによって形成されている。質点３は、線条体の長手方向に垂直である平面２０上に配置された第１質点３１と第２質点３２とを含む。第１質点３１は、平面２０の径方向中央部に配置されている。第２質点３２は、第１質点３１の周囲に周方向等間隔に配置され、線条体の外周面を規定する。第１質点３１と第２質点３２とは、線条体の長手方向に沿って等間隔に配置されている。各質点３は、質量情報と、３次元位置情報（位置データ）と、３次元速度情報とを有する。各質点３の質量は、線条体の質量を質点の個数で除算した値とすることができる。
　ばね要素４は、同一平面２０の円周上に配置された第２質点３２同士を接続する第１ばね４１と、平面２０上で第１質点３１から放射状に延びて第１質点３１と第２質点３２とを接続する第２ばね４２と、線条体の長手方向に沿って一列に配置された第１質点３１同士および第２質点３２同士を順次接続する第３ばね４３と、長手方向に配置された第２質点３２同士を斜めに接続する第４ばね４４とを含む。第１ばね４１と第２ばね４２とは、線条体の径方向の弾性を表し、第３ばね４３と第４ばね４４とは、線条体の長手方向の弾性を表す。
　ねじれ量評価部１６４は、線条体モデル２上に、線条体のねじれ状態を把握するための複数の着目点３３を設定する。図８では、線条体モデルの周方向一部に、より具体的には、第３ばね要素４３を介して順次接続された線条体の長手方向に沿った一列の第２質点３２に着目点３３が設定されている。着目点３３は、レーザ加工教示装置６０の操作部を介して線条体モデル２上にユーザが任意に設定することができる。
　ねじれ量評価部１６４は、予め定められた動作プログラムに従いロボットモデルを動作させ、ロボットの動作に伴う線条体の挙動をシミュレーションする。すなわち、ロボットモデルの動作に伴い、線条体モデル２の各質点３に作用するばね要素４からの弾性力と重力と減衰力とを所定の単位時間毎に算出し、単位時間毎に各質点３の位置を変更するようなシミュレーション（物理シミュレーション）を実行する。
　この場合、質点３Ａと質点３Ｂとがばね要素４を介して互いに接続されているときの、質点３Ａに作用するばね要素４の弾性力Ｆ１は、次式(I)で算出できる。
　　Ｆ１＝（３Ａ→３Ｂの単位ベクトル）×ばね定数×ばね伸縮量　　(I)
上式(I)で、ばね要素４の伸縮量（ばね伸縮量）は、ある状態のばね要素４の長さからばね要素４の自然長を減算した値とする。ばね要素４の自然長は、線条体モデル２の伸縮および曲げがない自然な状態の質点３Ａ、３Ｂ間の距離に相当する。
　ばね要素の減衰力には、ばねの振動を抑える減衰力Ｆ２と各質点３の並進運動を抑える減衰力Ｆ３とがあり、それぞれ次式(II),(III)で算出できる。
　　Ｆ２＝ｖ×ｖの内積×振動の減衰係数　　　　　　(II)
　　Ｆ３＝各質点の速度×並進運動の減衰係数　　　　(III)
上式(II)で、ｖは、（質点３Ｂの速度－質点３Ａの速度）の単位ベクトルである。減衰力Ｆ２，Ｆ３は、ばねの動きを遅くように作用する。
　各質点３に作用する重力Ｆ４は、次式(IV)で算出できる。
　　Ｆ４＝重力方向の単位ベクトル×重力加速度×質点の質量　　　(IV)
なお、線条体モデル２の質点３が、ある干渉面に衝突したとき、質点３には反発力が作用する。この点を考慮し、弾性力と重力と減衰力だけでなく、質点に作用する反発力を算出してもよい。この場合、衝突時の質点の速度の、衝突した面の面直方向の成分の値は、衝突前の速度に反発係数を乗算して符号を反転した値になる。このとき、反発力は、衝突の前後の速度の変化量を単位時間で割って得られる加速度に、質点の質量を乗算することで算出できる。
　ねじれ量評価部１６４は、各質点３に作用する力Ｆ１～Ｆ４の合力をさらに算出し、これを質量で除算することにより質点３の加速度を算出する。また、加速度×単位時間により質点３の速度の変化量を算出し、これを質点３の速度に加算することで質点３の速度を算出する。さらに、速度×単位時間により質点３の変位量を算出し、これを質点３の３次元の位置データに加算することで質点３の位置を算出する。
　すなわち、ねじれ量評価部１６４は、単位時間毎に、ロボットの動きに合わせて線条体取付部（光ファイバ８１のスキャナ９０への接続部）における質点３の位置を変更し、各質点３に作用する力Ｆ１～Ｆ４を上述したようにして算出するとともに、これらの合力を算出し、各質点３の速度および位置を更新することにより、線条体の挙動をシミュレートする。これにより各質点３の時系列の位置データが得られる。また、着目点３３は質点３の一部であるので、着目点３３の位置データも得られる。
　図９は、シミュレーション結果にしたがって、線条体の状態を画像化した線条体画像５１と、着目点を画像化した場合の着目点画像５２の一例を示す図である。図９において、線条体画像５１は実線で、着目点画像５２は黒丸で示されている。着目点３３は、線条体の周方向同一位相に長手方向一列に設定されるため、線条体がねじれると、図９に示すように、着目点画像５２が線条体画像５１上にねじれた状態となる。
　ねじれ量評価部１６４は、さらに線条体のねじれ状態を定量的に表すため、ねじれ量を算出する機能を有する。図１０は、ねじれ量の算出手順を説明する図である。図１０において、２０ｎ，２０ｎ＋１は、質点３が設定される線条体モデル２の互いに隣り合う平面であり、３１ｎ，３１ｎ＋１は、それぞれ平面２０ｎ，２０ｎ＋１の中央部に位置する質点であり、３２ｎ，３２ｎ＋１は、それぞれ平面２０ｎ，２０ｎ＋１の円周上の周方向互いに同一位置（同一位相）に位置する質点である。質点３２ｎ，３２ｎ＋１は、例えば着目点３３である。
　平面２０ｎ，２０ｎ＋１間における線条体のねじれ量は、質点３１ｎ，３２ｎ，３１ｎ＋１によって形成される面と質点３１ｎ＋１，３２ｎ＋１，３１ｎによって形成される面とのなす角度によって定義することができる。一例として、線条体の長さ方向の先端部（スキャナ側）に向かって、右回りのねじれをプラス、左回りのねじれをマイナスと定義する。このような定義の下、ねじれ量評価部１６４は、スキャナ９０の上面９０ａの中央部にその一端が接続された光ファイバ８１の全体のねじれ量を算出する。なお、光ファイバ８１が中間の位置でロボット１１０のアームに固定されている場合には、ねじれ量は、光ファイバ８１のスキャナ９０への接続端とロボット１１０への取付位置との間で算出しても良い。
　ねじれ量評価部１６４は、ロボット１１０が各経路Ｒ１－Ｒ３（すなわち、動作経路全体）を移動する場合における光ファイバ８１のねじれ量を評価する。例えば、ロボット１１０が経路Ｒ１、経路Ｒ２、経路Ｒ３を動作する場合における光ファイバ８１のねじれ量がそれぞれ、ねじれ量Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３として求められたとする。ねじれ量評価部１６４は、ねじれ量Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３と所定の許容範囲とを比較する。所定の許容範囲を超えるねじれ量がある場合、ねじれ量評価部１６４は、ねじれ量が許容値を超える場合のロボット１１０の動作を姿勢変更の対象とする（ステップＳ１２）。
　次に、ステップＳ１３では、ロボット姿勢変更部１６５は、ねじれ量が許容範囲を超えるロボット１１０の動作について姿勢変更を行う。姿勢の変更は、例えば、ねじれの方向がプラス方向である場合には、光ファイバ８１がマイナス方向にねじれるように、スキャナ９０を、光ファイバ８１のスキャナ９０への接続端部８１ａの軸線方向と平行な軸線周りで回転させることで行っても良い。接続端部８１ａの軸線方向と平行な軸線周りとは、例えば、接続端部８１ａの軸線周り、或いは、スキャナ９０の上面９０ａの中心を通る鉛直方向の軸線周りである。
　一例として、図１１に示すようにロボット１１０を上方からみた状態において、経路Ｒ１におけるねじれ量が右回りに許容範囲を超え、経路Ｒ３におけるねじれ量が左回りに許容範囲を超えているとする。この場合、ロボット姿勢変更部１６５は、経路Ｒ１の動作に関しては、スキャナ９０を左回り（図１１中の矢印Ｃ１方向）に回転させるようにロボット１１０の姿勢を変更する。経路Ｒ３の動作に関しては、ロボット姿勢変更部１６５は、スキャナ９０を右回り（図１１中矢印Ｃ２方向）に回転させるようにロボット１１０の姿勢を変更する。ステップＳ１３における姿勢の変更量、すなわち、スキャナ９０を回転させる量は、許容範囲を超えた分のねじれ量よりも小さい量としても良い。例えば、算出されたねじれ量が＋３０度で、許容範囲が±１５度であるとする。この場合、許容範囲を超えるねじれ量は＋１５度である。この場合のスキャナ９０の姿勢の変更量（回転量）は、マイナス５度程度としても良い。なお、姿勢の変更は、例えば経路Ｒ１の動作については、経路Ｒ１の始点と終点に設定した教示点において姿勢変更するやり方で行っても良い。
　ステップＳ１３における姿勢の修正の結果、打点に指定された溶接時間が終了する間に照射範囲から逸脱してしまうような打点が発生し得る。ステップＳ１４では、このような打点について、溶接中（レーザ照射中）に照射範囲から逸脱してしまうことがないように調整を行う。具体的には、ロボット１１０の動作速度を落とす、又は、当該打点の溶接のタイミングを調整することで、当該打点について溶接中に照射範囲を逸脱することがないようにする。一例として、溶接タイミングの調整は、各打点の溶接可能期間を改めて算出し、当該打点の前後の打点と溶接期間が干渉しないように当該打点の溶接期間を改めて設定する手法で行うことができる。このような調整処理を全打点について溶接中に照射範囲を逸脱することがなくなるまで繰り返す（ステップＳ１４、Ｓ１５）。
　そして、ステップＳ１２からＳ１５に至る一連の処理（ロボットの姿勢を変更後にねじれ量を再度評価する動作）を、ロボット１１０の動作経路全体の動作についてねじれ量が許容範囲に入るまで繰り返す（ステップＳ１６）。
　動作プログラム作成部１６６は、以上のように生成された動作経路、動作速度、溶接期間を含む各種情報を用いてロボット１１０及びスキャナ９０の動作プログラムを作成する。
　以上の処理により、光ファイバ８１のねじれ量を許容範囲に収めるように、レーザ加工システム１００における教示（すなわち、所定の溶接作業を実行するための動作プログラムを生成）を行うことができる。これにより、ロボット１１０による溶接作業中に光ファイバ８１を破損するといった事態が生じるのを防ぐことができる。
　以上、典型的な実施形態を用いて本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなしに、上述の各実施形態に変更及び種々の他の変更、省略、追加を行うことができるのを理解できるであろう。
　上述の実施形態では、ねじれ量が許容範囲を超える場合にロボットの姿勢を修正することで対処したが、このようなやり方に代えて、或いは、このようなやり方と併せて、光ファイバ８１をねじれ量が解消する方向にねじってスキャナ９０への取り付ける対処を行っても良い。例えば、挙動シミュレーションでねじれ量がプラス３０度であったら、光ファイバ８１をマイナス１５度ねじってスキャナ９０取り付けて、ねじれを±１５度にして許容範囲（±１５度）に収めることもできる。なお、線条体のねじれ量をシミュレーションにより求めるやり方として、上述の実施形態で示したやり方以外の、当分野で知られたやり方を適用しても良い。
　上述の実施形態は、光ファイバに限らず、ロボットに付設される各種ケーブル類の
ねじれの解消に適用し得る。
　上述した実施形態で説明した動作プログラム作成処理、動作経路の生成及び動作速度の決定処理、動作速度決定処理等の各種の処理（教示方法）を実行するプログラムは、コンピュータに読み取り可能な各種記録媒体（例えば、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリ等の半導体メモリ、磁気記録媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等の光ディスク）に記録することができる。
　２　　線条体モデル
　３　　質点
　４　　ばね要素
　２０　　平面
　５１　　線条体画像
　５２　　着目点画像
　６０　　レーザ加工教示装置
　７０　　ロボット制御装置
　７１　　動作制御部
　８０　　レーザ発振器
　８１　　光ファイバ
　８１ａ　　接続端部
　９０　　スキャナ
　９０Ａ　　照射範囲
　９１　　制御部
　１００　　レーザ加工システム
　１１０　　ロボット
　１６１　　データ入力部
　１６２　　経路決定部
　１６３　　シミュレーション実行部
　１６４　　ねじれ量評価部１６４
　１６５　　ロボット姿勢変更部
　１６６　　動作プログラム作成部
　Ｒ１－Ｒ３　　経路

Claims (10)

  1. 　光ファイバが接続されたレーザ加工ヘッドと該レーザ加工ヘッドを移動させるロボットとを含むレーザ加工システムの前記ロボットの動作を教示するための教示装置において、
    　対象物に設定される複数の加工点の位置に基づいて前記ロボットの動作経路を決定する経路決定部と、
    　決定された前記動作経路にしたがって前記ロボットの動作シミュレーションを実行するシミュレーション実行部と、
    　前記動作シミュレーションによる前記ロボットの動きにしたがって前記光ファイバの挙動をシミュレーションすることで前記光ファイバのねじれ量を求め、該ねじれ量と所定の許容範囲とを対比することで前記ねじれ量を評価するねじれ量評価部と、
    　前記ねじれ量が前記所定の許容範囲を超える前記ロボットの動作について、前記ねじれ量が小さくなるように前記ロボットの姿勢を変更するロボット姿勢変更部と、
    　を備える教示装置。
  2. 　前記ねじれ量評価部と前記ロボット姿勢変更部は、前記ロボットの姿勢を変更後に前記ねじれ量を再度評価する動作を、前記動作経路全体について前記光ファイバのねじれ量が前記所定の許容範囲に収まるまで繰り返し実行する、請求項１に記載の教示装置。
  3. 　前記経路決定部は、前記ロボット姿勢変更部により前記ロボットの姿勢を変更した結果として、溶接中に加工点が前記レーザ加工ヘッドによるレーザの照射範囲から逸脱する前記ロボットの動作について、前記ロボットの動作速度を落とす、又は、前記加工点の溶接タイミングを調整することにより、前記加工点が溶接中に前記照射範囲に収まるようにする、請求項１又は２に記載の教示装置。
  4. 　前記レーザ加工ヘッドのレーザの照射範囲は矩形であり、
    　前記経路決定部は、前記動作経路に沿った前記ロボットの動作方向と前記照射範囲のいずれかの辺とが平行になるように前記ロボットが前記動作経路上を動作する際の前記ロボットの姿勢を決定する、請求項１から３のいずれか一項に記載の教示装置。
  5. 　前記ロボット姿勢変更部は、前記光ファイバの前記レーザ加工ヘッドへの接続端部の軸線方向と平行な軸回りに前記レーザ加工ヘッドを回転させることで前記ロボットの姿勢を変更する、請求項１から４のいずれか一項に記載の教示装置。
  6. 　光ファイバが接続されたレーザ加工ヘッドと該レーザ加工ヘッドを移動させるロボットとを含むレーザ加工システムの前記ロボットの動作を教示するための教示方法において、
    　対象物に設定される複数の加工点の位置に基づいて前記ロボットの動作経路を決定し、
    　決定された前記動作経路に従い前記ロボットの動作シミュレーションを実行し、
    　前記動作シミュレーションによる前記ロボットの動きにしたがって前記光ファイバの挙動をシミュレーションすることで前記光ファイバのねじれ量を求め、該ねじれ量と所定の許容範囲とを対比することで前記ねじれ量を評価し、
    　前記ねじれ量が前記所定の許容範囲を超える前記ロボットの動作について、前記ねじれ量が小さくなるように前記ロボットの姿勢を変更する、教示方法。
  7. 　前記ロボットの姿勢を変更後に前記ねじれ量を再度評価する動作を、前記動作経路全体について前記光ファイバのねじれ量が前記所定の許容範囲に収まるまで繰り返し実行する、請求項６に記載の教示方法。
  8. 　前記ロボットの姿勢を変更した結果として、溶接中に加工点が前記レーザ加工ヘッドによるレーザの照射範囲から逸脱する前記ロボットの動作について、前記ロボットの動作速度を落とす、又は、前記加工点の溶接タイミングを調整することにより、前記加工点が溶接中に前記照射範囲に収まるようにする、請求項６又は７に記載の教示方法。
  9. 　前記レーザ加工ヘッドのレーザの照射範囲は矩形であり、
    　前記動作経路に沿った前記ロボットの動作方向と前記照射範囲のいずれかの辺とが平行になるように、前記ロボットが前記動作経路上を動作する際の前記ロボットの姿勢を決定する、請求項６から８のいずれか一項に記載の教示方法。
  10. 　前記ロボットの姿勢の変更は、前記光ファイバの前記レーザ加工ヘッドへの接続端部の軸線方向と平行な軸回りに前記レーザ加工ヘッドを回転させることで行われる、請求項６から９のいずれか一項に記載の教示方法。
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