レーザー溶接装置
【課題】レーザー溶接作業を高速に行なう。
【解決手段】複数のアームを備えた多軸ロボット１１０と、アームの作業端に取り付けワークにレーザー光を照射する光学系を備えたスキャナ１２０と、スキャナ１２０の座標原点を光学系の構成要素のうち固定している構成要素とレーザー光の光軸との交点に設定し、座標原点が教示経路上を通過するように多軸ロボット１１０の動作を制御するロボット制御装置１４０と、レーザー光がワークの加工点上に照射されるようにスキャナ１２０の光学系の動作を制御するスキャナ制御装置１５０とを有する。
【解決手段】複数のアームを備えた多軸ロボット１１０と、アームの作業端に取り付けワークにレーザー光を照射する光学系を備えたスキャナ１２０と、スキャナ１２０の座標原点を光学系の構成要素のうち固定している構成要素とレーザー光の光軸との交点に設定し、座標原点が教示経路上を通過するように多軸ロボット１１０の動作を制御するロボット制御装置１４０と、レーザー光がワークの加工点上に照射されるようにスキャナ１２０の光学系の動作を制御するスキャナ制御装置１５０とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー溶接作業を高速に行なうことができるレーザー溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車業界ではレーザー溶接を用いて車体の組立を行なっている。レーザー溶接は、多軸ロボットの作業端に取り付けたスキャナからレーザーを照射することによって行なう。一般的に、レーザー溶接には高速性と高い照射位置精度が要求される。この要求に応えるため、下記特許文献１に示すように、多軸ロボットと２軸方向に動くスキャナとを共同して動作させてレーザー溶接を行う技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８７８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された技術によれば、スキャナの光路上で２軸方向に動くスキャナミラーの回転軸中心点にスキャナの座標原点を設定している。多軸ロボットはロボットの座標原点からスキャナの座標原点を常に把握している。多軸ロボットの各アーム、スキャナミラーの角度および焦点距離はロボット制御装置が総合的に制御している。
【０００５】
このように、スキャナミラーの回転軸中心点にスキャナの座標原点を設定すると、スキャナミラーを２軸方向に動かすためのガタや組付け精度の影響により、多軸ロボットが把握しているスキャナの座標原点が実際の座標原点とは異なってしまうことがある。このようなことがあると、レーザーの照射位置が実際に狙っている位置からずれてしまい、レーザー溶接の照射位置精度が悪化する。
【０００６】
また、多軸ロボットの各アーム、スキャナミラーの角度および焦点距離の全てをロボット制御装置が総合的に制御しているので、レーザー溶接の高速性にも限界があり、レーザー溶接を高速で行うことが難しくなる。
【０００７】
本発明では、スキャナの光路上の固定してある要素（たとえばレンズ）にスキャナの座標原点を設定している。また、多軸ロボットとスキャナの動作をそれぞれ専用の制御装置で制御している。
【０００８】
したがって、本発明は、レーザー溶接作業を高速に行なうことができるレーザー溶接装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係るレーザー溶接装置は、多軸ロボット、スキャナ、ロボット制御装置、スキャナ制御装置、中央処理装置を備えている。
【００１０】
多軸ロボットは複数のアームを備える。スキャナは多軸ロボットの１つのアームの作業端に取り付ける。スキャナはワークにレーザー光を照射する光学系を備える。
【００１１】
ロボット制御装置はスキャナの座標原点を光学系の構成要素のうち固定されている構成要素と光軸との交点に設定する。ロボット制御装置は座標原点が教示経路上を通過するように多軸ロボットの動作を制御する。
【００１２】
スキャナ制御装置はレーザー光が教示経路上に照射されるようにスキャナの光学系の動作を制御する。
【００１３】
したがって、レーザー溶接作業を高速で行なうことができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように構成された本発明のレーザー溶接装置は下記のような効果を奏する。
【００１５】
まず、スキャナの座標原点を光学系の構成要素のうち固定されている構成要素とレーザー光の光軸との交点に設定しているので、多軸ロボットの制御が容易になり、多軸ロボットは教示された点を正確にかつ高速にトレースできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係るレーザー溶接装置の概略構成図である。
【図２】図１に示したスキャナの具体的な構成図である。
【図３】エキスパンダレンズの移動距離とフォーカスレンズから加工点までの距離との関係を示した図である。
【図４】本実施形態に係るレーザー溶接装置の動作フローチャートである。
【図５】図４の動作フローチャートの処理の説明に供する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明に係る一実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。以下で説明する実施形態は本発明の技術的思想を分かり易く説明するために記載したものである。したがって、以下で説明する実施形態は特許請求の範囲に記載した各発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１８】
図１は本実施形態に係るレーザー溶接装置の概略構成図である。
【００１９】
レーザー溶接装置１００は、多軸ロボット１１０、スキャナ１２０、ロボット制御装置１４０、スキャナ制御装置１５０、中央処理装置１６０から構成される。
【００２０】
多軸ロボット１１０は、図示したように複数のアームを備えている。多軸ロボット１１０は、具体的には、複数のアームを備えた６軸ロボットであり、各軸をＡＣサーボモータで駆動する。したがって、多軸ロボット１１０は、ＡＣサーボモータを６台備え６自由度を有している。また、多軸ロボット１１０は、固有のロボット座標系に基づいて動作する。
【００２１】
スキャナ１２０は、多軸ロボット１１０のアームの作業端１１２に取り付けてある。スキャナ１２０は、図示されていないワーク、たとえば車両用のドア、ボンネット、トランクなどの構成部品の加工点１７０にレーザー光を照射する。レーザー光が照射された部分は溶融して溶接される。スキャナ１２０は、固有のスキャナ座標系に基づいて動作する。また、加工点１７０の座標はロボット系の座標によって特定されている。したがって、スキャナ１２０は、レーザー光を加工点１７０に正確に照射するための光学系を備える。光学系の動作によって、レーザー光のＸ軸、Ｙ軸（ロボット座標系）方向の走査およびＺ軸（ロボット座標系）方向の焦点位置調整を行なう。スキャナ１２０はレーザー光をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸（スキャナ座標系）の３方向に動かすために３台のＡＣサーボモータを備えている。これにより、スキャナ１２０は３次元に集光位置を変えることができる。スキャナ１２０のロボット座標系とスキャナ座標系間の座標変換方法およびスキャナ１２０の具体的な構成は後述する。
【００２２】
ロボット制御装置１４０は、スキャナ１２０の座標原点を、スキャナ１２０の光学系を構成するレンズなどの要素のうち光学系内で固定している構成要素とレーザー光の光軸との交点に設定する。スキャナ１２０の座標原点をスキャナ１２０の光学系で固定している構成要素とレーザー光の光軸との交点に設定し、かつ、焦点距離方向の制御に後述の演算方法を用いることにより、スキャナ１２０の位置決めが線形的な演算を行うことによってできるようになる。換言すれば、後述するエキスパンダレンズ１２３の光軸方向の移動量と焦点距離の変化量の演算が線形近似式によって行なえるようになる。したがって、加工点１７０に対する多軸ロボット１１０の制御が容易になり高精度の溶接作業を高速で行なうことができる。ロボット制御装置１４０は、スキャナ１２０の座標原点が、あらかじめ記憶している多軸ロボット１１０の教示経路を通過するように、多軸ロボット１１０の６台のＡＣサーボモータの動作を制御する。
【００２３】
スキャナ制御装置１５０は、スキャナ１２０から出力されるレーザー光が前述のワークの加工点１７０上に正確に照射されるようにスキャナ１２０の光学系の３台のＡＣサーボモータの動作を制御する。
【００２４】
中央処理装置１６０は、ロボット制御装置１４０とスキャナ制御装置１５０に同期した（たとえば同一周期同一タイミングで）動作指令を出力する。ロボット制御装置１４０とスキャナ制御装置１５０は中央処理装置１６０から出力された動作指令を同一の制御速度および同一の制御周期で処理する。したがって、多軸ロボット１１０とスキャナ１２０はあたかも１台の制御装置で動作しているかのごとく並列に動作する。
【００２５】
図２は図１に示したスキャナ１２０の具体的な構成図である。
【００２６】
スキャナ１２０は、光ファイバ１２２、エキスパンダレンズ１２３、焦点位置調整装置１２６、コリメートレンズ１２８、反射ミラー１３０、フォーカスレンズ１３１、レーザー光スキャン装置１３６から構成される。
【００２７】
焦点位置調整装置１２６は、エキスパンダレンズ１２３を駆動するＡＣサーボモータ１２４およびボールネジ１２５を備えている。
【００２８】
レーザー光スキャン装置１３６は、第１走査ミラー１３２、第１走査ミラー１３２を回動するＡＣサーボモータ１３３、第２走査ミラー１３４、第２走査ミラー１３４を回動するＡＣサーボモータ１３５を備えている。
【００２９】
光ファイバ１２２は、図示していないレーザー発振器から出力されたレーザー光をエキスパンダレンズ１２３に向けて照射する。
【００３０】
焦点位置調整装置１２６は、エキスパンダレンズ１２３をレーザー光の光軸方向（図２では矢印で示す上下方向）に移動させる。エキスパンダレンズ１２３は、レーザー光の光軸方向に移動して焦点距離を調整するレンズである。光ファイバ１２２から出力されたレーザー光はエキスパンダレンズ１２３の位置に応じて広がり角が変化する。その結果、レーザー光の焦点距離が変化して加工点の位置が図示Ｚ軸方向に移動する。エキスパンダレンズ１２３はＡＣサーボモータ１２４およびボールネジ１２５によって移動する。
【００３１】
コリメートレンズ１２８は、エキスパンダレンズ１２３を通過して角度が広げられたレーザー光を集光する。
【００３２】
反射ミラー１３０は、コリメートレンズ１２８によって集光されたレーザー光をレーザー光スキャン装置１３６に向けて照射する。
【００３３】
レーザー光スキャン装置１３６は、反射ミラー１３０で反射したレーザー光を、まず、第１走査ミラー１３２で反射し、次に、第２走査ミラー１３４で反射して加工点に導く。第１走査ミラー１３２はＡＣサーボモータ１３３の回転軸に接続されその回転軸を中心に回動する。第１走査ミラー１３２が回動すると、レーザー光は照射位置が図示Ｘ軸方向に移動して加工点の位置が変わる。第２走査ミラー１３４はＡＣサーボモータ１３５の回転軸に接続されその回転軸を中心に回動する。第２走査ミラー１３４が回動すると、レーザー光は照射位置がＹ軸方向（図２では紙面の手前側と奥側の方向）に移動して加工点の位置が変わる。
【００３４】
したがって、エキスパンダレンズ１２３、第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４を加工点の３次元座標に応じて動かすことによって、加工点が３次元方向に変化しているワークに対しても正確にレーザー溶接を行うことができる。
【００３５】
加工点のＺ軸方向の位置が微小に変化していたとしても、加工点に照射されるレーザー光の出力密度がある一定の範囲内の変化に留まるのであれば、エキスパンダレンズ１２３を動かす必要はない。
【００３６】
第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４は、表面のコーティングの状態の影響により、反射角に応じてレーザー光の反射率が変化する。加工点に必要なレーザー光の出力密度を得るためには、その反射角の範囲がある程度の角度に制限される。その角度は通常は±１０°程度である。
【００３７】
また、エキスパンダレンズ１２３を駆動するＡＣサーボモータ１２４、第１走査ミラー１３２を駆動するＡＣサーボモータ１３３、第２走査ミラー１３４を駆動するＡＣサーボモータ１３５は、多軸ロボット１１０の各アームを駆動するＡＣサーボモータよりも低イナーシャ比および高分解能のものを用いる。制御の俊敏性を確保するためである。
【００３８】
このため、エキスパンダレンズ１２３、第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４を敏速に動かすことができ、レーザー光が加工点に正確に照射できる。したがって、溶接品質を向上させることができる。また、スキャナ１２０の光学系を小型、軽量、低コストにすることができる。
【００３９】
ＡＣサーボモータ１２４は高減速比の減速機であるボールネジ１２５で連結したエキスパンダレンズ１２３を俊敏にかつ高精度に動かさなければならない。したがって、ＡＣサーボモータ１２４は低イナーシャ比および高分解能が要求される。また、ＡＣサーボモータ１３３、ＡＣサーボモータ１３５は、回転軸が図示していないが高減速比の減速機を介して第１走査ミラー１３２および第２走査ミラー１３４に連結してある。したがって、第１走査ミラー１３２および第２走査ミラー１３４俊敏にかつ高精度に動かすには、ＡＣサーボモータ１３３、ＡＣサーボモータ１３５は、低イナーシャ比および高分解能が要求される。
【００４０】
エキスパンダレンズ１２３、第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４は、ＡＣサーボモータの回転軸と高減速比の減速機で連結されている。このため、ＡＣサーボモータの動作に俊敏に反応することができ、レーザー光が加工点に正確に照射できる。したがって、溶接品質を向上させることができる。また、スキャナの光学系を小型、軽量、低コストにすることができる。
【００４１】
具体的には、加工点で１０ｍｍ〜１５０ｍｍ／ｓｅｃの速度でレーザー光が走査できなければならず、また、加工点間を３０００ｍｍ／ｓｅｃ〜６０００ｍｍ／ｓｅｃの速度でレーザー光が移動できなければならない。これらの要求を満たすためには、各ＡＣサーボモータは多軸ロボットのＡＣサーボモータとはかけ離れた加減速性能、高分解能が要求される。
【００４２】
このような加減速性能を各ＡＣサーボモータが備えるには、加減速時にほとんどイナーシャがかからないようにする必要がある。通常であれば、イナーシャ比が３：１程度であるのに対して１：１またはそれ以下のイナーシャ比とする必要がある。
【００４３】
また、高分解能を各ＡＣサーボモータが備えるには、通常のオプティカルエンコーダのみでは加工点での分解能が不足するため、高減速比の減速機を用いている。このときに、減速機の摩擦の影響をいかに少なくするかが問題となるため、各ＡＣサーボモータの上限の定格回転速度が加工点で３０００ｍｍ／ｓｅｃ〜６０００ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動できるように減速比を設定する。
【００４４】
また、多軸ロボット１１０に用いられているモータをＡＣサーボモータとし、スキャナ１２０に用いられているモータもＡＣサーボモータとしている。全てをＡＣサーボモータとすることによって、指令の均一化が図れるので、ロボット制御装置１４０とスキャナ制御装置１５０を１台の中央処理装置１６０で同一の制御速度および同一の制御周期で処理することができる。
【００４５】
具体的には、中央処理装置１６０から出力された動作指令に基づいて、ロボット制御装置１４０はあらかじめ記憶した多軸ロボット１１０の教示経路を正確にトレースするように多軸ロボット１１０の動作を制御できる。また、中央処理装置１６０から出力された動作指令に基づいて、スキャナ制御装置１５０は、あらかじめ記憶しているスキャナ１２０の加工点軌跡を正確にトレースするようにレーザー光の照射位置を制御できる。つまり、ロボット制御装置１４０でスキャナ１２０の位置決めをし、スキャナ１２０で加工点のトレースをするというように、役割分担が容易にできる。役割分担ができることで、多軸ロボット１１０とスキャナ１２０の役割が明確になり、多軸ロボット１１０とスキャナ１２０の性能を絞り込むことができ、最適な装置構成が可能となる。
【００４６】
中央処理装置１６０は、動作指令をロボット制御装置１４０とスキャナ制御装置１５０に同一周期同一タイミングで出力するので、多軸ロボット１１０の教示経路とスキャナ１２０の加工点軌跡の指令は同期する。したがって、多軸ロボット１１０を動作させながらスキャナ１２０も容易に動作させることができ、ワークが複雑な３次元形状であっても、正確にかつ高速にレーザー溶接をすることができる。
【００４７】
図３はエキスパンダレンズ１２３の移動距離とフォーカスレンズ１３１から加工点までの距離との関係を示した図である。この図において、上側に位置されている曲線は焦点距離が１０００ｍｍ（ｆ＝１０００）のエキスパンダレンズ１２３を用いた場合の関係を示す。下側に位置されている曲線は焦点距離が８００ｍｍ（ｆ＝８００）のエキスパンダレンズを用いた場合の関係を示す。
【００４８】
この図を見れば明らかなように、エキスパンダレンズ１２３の移動距離とフォーカスレンズ１３１から加工点までの距離との関係はほぼ２次曲線近似の関係にあることがわかる。この関係は、焦点距離が１０００ｍｍ（ｆ＝１０００）のエキスパンダレンズ１２３を用いた場合と焦点距離が８００ｍｍ（ｆ＝８００）のエキスパンダレンズ１２３を用いた場合とであまり変わりない。具体的な誤差はいずれの焦点距離のエキスパンダレンズ１２３に対しても１ｍｍ程度である。
【００４９】
光ファイバ１２２から出力されるレーザー光のビーム品質が５ｍｍ〜２０ｍｍ＊ｍｒａｄであれば、加工点近辺での焦点深度は２ｍｍ〜５ｍｍ程度得られる。このため、２次曲線近似による焦点位置の誤差はレーザー溶接にほとんど影響を与えない。
【００５０】
つまり、光学系の中で固定されているフォーカスレンズ１３１にスキャナ１２０の座標原点を設定しておくと、エキスパンダレンズ１２３を動かして焦点距離を変化させた場合に、焦点距離を２次曲線近似することができることを示している。本実施形態では、このような事実に着目してフォーカスレンズ１３１とレーザー光の光軸との交点をスキャナ１２０の座標原点としているのである。
【００５１】
第１走査ミラー１３２および第２走査ミラー１３４を動かしたとしても焦点距離を２次曲線近似できることに変わりはない。このように２次曲線近似が可能であるということは、多軸ロボット１１０を教示経路上に位置決めすることが容易であるということであり、また、スキャナ１２０から出力されるレーザー光を加工点に位置決めすることが容易であるということである。これは、加工点に対してスキャナ１２０の３軸が全て線形的に演算できるからである。線形的に演算できると、リアルタイムで容易にフィードバック制御ができるようになる。
【００５２】
特に、多軸ロボット１１０の場合、作業端の現在の位置を知るために、キネマティクス（順運動学）、逆キネマティクス（逆運動学）でフィードバックする必要がある。逆キネマティクスの演算をしたときに、光学系の中で固定されているフォーカスレンズ１３１にスキャナ１２０の座標原点を設定してあると、一回の演算で解析解が得られ、作業端の現在の位置を正確に求めることができるので、ロボット制御装置１４０の演算負担が少なくなる。
【００５３】
これとは異なって、光学系の中で固定されていない要素、たとえばエキスパンダレンズ１２３、第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４などにスキャナ１２０の座標原点が設定してあると、一回の演算で解析解を得ることができず、作業端の現在の位置を求めることができなくなる。ロボット制御装置１４０は何度もキネマティクス、逆キネマティクスの演算をしてフィードバックする必要がある。これでは、ロボット制御装置１４０の演算負担が大きくなって高速性が犠牲になる。
【００５４】
次に、本実施形態に係るレーザー溶接装置の動作を図４の動作フローチャートおよび図５の動作説明に供する図を参照して説明する。
【００５５】
図４は本実施形態に係るレーザー溶接装置の動作フローチャートであり、図５は図４の動作フローチャートの処理の説明に供する図である。
【００５６】
この動作フローチャートは多軸ロボット１１０の経路とスキャナ１２０の加工軌跡が教示されていることを前提に記載している。このため、多軸ロボット１１０の経路とスキャナ１２０の加工軌跡の教示について簡単に説明しておく。
【００５７】
多軸ロボット１１０の各アームの駆動と、スキャナ１２０のエキスパンダレンズ１２３、第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４の駆動とでは、移動速度、応答性の点で要求される性能が全く異なる。このため、多軸ロボット１１０には加工点を通過する軌跡を教示経路として教示する。また、スキャナ１２０には加工点にレーザー光を照射するための軌跡を加工経路として教示する。
【００５８】
つまり、多軸ロボット１１０の教示経路とスキャナ１２０の加工経路を別々に教示して中央処理装置１６０に記憶させておく。
【００５９】
具体的な教示経路および加工経路の教示について図５を参照して説明すると、まず多軸ロボット１１０の教示経路の始点のＰ１点を教示し、スキャナ１２０の加工経路の始点のＷ１を教示する。次に、多軸ロボット１１０の次の移動位置Ｐ２点を教示し、Ｐ１点からＰ２点への移動速度Ｖ１を教示する。同時に、スキャナ１２０によって描くべき加工点での軌跡Ｍ（図では半円状）および終点のＷ２並びに加工速度Ｖを教示する。
【００６０】
このときの多軸ロボット１１０がＰ１点からＰ２点まで移動する速度Ｖ１はスキャナ１２０の加工速度Ｖとは独立に設定する。多軸ロボット１１０がＰ１点からＰ２点まで移動する間にスキャナ１２０のレーザー溶接が完了するように、移動速度Ｖ１と加工速度Ｖを設定するのが好ましい。
【００６１】
次に、図４の動作フローチャートに基づいて本実施形態に係るレーザー溶接装置の動作を説明する。
【００６２】
ステップＳ１０
中央処理装置１６０は、内蔵されている記憶装置から多軸ロボット１１０とスキャナ１２０の教示値を入力する。つまり、記憶装置にあらかじめ記憶させておいたロボット１１０の始点のＰ１点および終点のＰ２点、移動速度Ｖ１、スキャナ１２０の始点のＷ１点および終点のＷ２点、加工速度Ｖを入力する。
【００６３】
ステップＳ１１
中央処理装置１６０は、記憶装置から入力した多軸ロボット１１０の教示値に基づいて、多軸ロボット１１０の教示経路を作成する。具体的には、ロボット制御装置１４０の制御周期ごとの通過点（図５のＰ１〜Ｐ２の間で点線が引かれている３点）を作成する。
【００６４】
ステップＳ１２
中央処理装置１６０は、記憶装置から入力したスキャナ１２０の教示値に基づいて、スキャナ１２０の教示経路を作成する。具体的には、スキャナ制御装置１５０の制御周期（ロボット制御装置１４０の制御周期と同一）ごとの通過点（図５のＷ１〜Ｗ２の間で点線が引かれている３点）を作成する。
【００６５】
ステップＳ１３
中央処理装置１６０は、ステップＳ１２で作成した多軸ロボット１１０の教示経路および作成したスキャナ１２０の教示経路を時系列に配列する。
【００６６】
ステップＳ１４
中央処理装置１６０は、時系列に配列した多軸ロボット１１０の教示経路をロボット制御装置１４０に出力する一方、時系列に配列したスキャナ１２０の教示経路をスキャナ制御装置１５０に出力する。
【００６７】
ロボット制御装置１４０は中央処理装置１６０から出力された教示経路を同一周期同一タイミングで多軸ロボット１１０に出力し、教示経路Ｐ１とＰ２との間で位置決めしていく。また、スキャナ制御装置１５０は中央処理装置１６０から出力された加工経路同一周期同一タイミングでスキャナ１２０に出力し、レーザー光を加工経路Ｗ１とＷ２との間で照射していく。
【００６８】
図５を見れば明らかなように、レーザー光が加工経路Ｗ１からＷ２まで移動して軌跡Ｍの溶接が完了した時点では、多軸ロボット１１０は教示経路Ｐ１からＰ´１まで到達しているに過ぎず、移動位置Ｐ２までには少しの距離を残している。
【００６９】
ステップＳ１５
次に、全ての教示経路および加工経路の実行が終了したか否かが判断される。
【００７０】
全ての教示経路および加工経路の実行が終了していなければ（ステップＳ１５：ＮＯ）、ステップＳ１４の処理が継続される。つまり、図５では、レーザー光が加工経路Ｗ１からＷ２まで移動して軌跡Ｍの溶接が完了し、多軸ロボット１１０が教示経路Ｐ１からＰ２まで到達していなければ、ステップＳ１４の処理が継続される。
【００７１】
一方、全ての教示経路および加工経路の実行が終了していれば（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、レーザー溶接を終了する。
【００７２】
本実施形態に係るレーザー溶接装置によれば、次のような効果を得ることができる。
・スキャナの座標原点を光学系の構成要素のうち固定されている構成要素とレーザー光の光軸との交点に設定しているので、多軸ロボットの制御が容易になり、多軸ロボットは教示された点を正確にかつ高速にトレースできる。
・また、ロボット制御装置とスキャナ制御装置に同一周期同一タイミングで動作指令を出力し、多軸ロボットはロボット制御装置により、スキャナはスキャナ制御装置により、それぞれの動作を個別に制御するので、同期を取ることが容易になり、レーザー溶接作業が高速かつ高精度に行なえる。
・エキスパンダレンズ、２枚の走査ミラーのそれぞれを加工点の３次元座標に応じて動かすことによって、加工点が３次元方向に変化しているワークに対しても正確にレーザー溶接を行うことができる。
・エキスパンダレンズと２枚の走査ミラーを駆動するモータを、多軸ロボットのアームを駆動するモータよりも低イナーシャ比および高分解能とすることによって、レーザー光が加工点に正確に照射できる。したがって、溶接品質を向上させることができる。また、スキャナの光学系を小型、軽量、低コストにすることができる。
・全てをＡＣサーボモータとすることによって、指令の均一化が図れるので、ロボット制御装置とスキャナ制御装置を１台の中央処理装置で同一の制御速度および同一の制御周期で処理することができる。
・また、エキスパンダレンズと２枚のそれぞれの走査ミラーを、ＡＣサーボモータの回転軸と高減速比の減速機で連結している。このため、ＡＣサーボモータの動作に俊敏に反応することができるので、レーザー光が加工点に正確に照射できる。したがって、溶接品質を向上させることができる。また、スキャナの光学系を小型、軽量、低コストにすることができる。
【符号の説明】
【００７３】
１００ レーザー溶接装置、
１１０ 多軸ロボット、
１１２ 作業端、
１２０ スキャナ、
１２２ 光ファイバ、
１２３ エキスパンダレンズ、
１２４ ＡＣサーボモータ、
１２５ ボールネジ、
１２６ 焦点位置調整装置、
１２８ コリメートレンズ、
１３０ 反射ミラー、
１３１ フォーカスレンズ、
１３２ 走査ミラー、
１３３ ＡＣサーボモータ、
１３４ 走査ミラー、
１３５ ＡＣサーボモータ、
１３６ レーザー光スキャン装置、
１４０ ロボット制御装置、
１５０ スキャナ制御装置、
１６０ 中央処理装置、
１７０ 加工点。
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザー溶接作業を高速に行なうことができるレーザー溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車業界ではレーザー溶接を用いて車体の組立を行なっている。レーザー溶接は、多軸ロボットの作業端に取り付けたスキャナからレーザーを照射することによって行なう。一般的に、レーザー溶接には高速性と高い照射位置精度が要求される。この要求に応えるため、下記特許文献１に示すように、多軸ロボットと２軸方向に動くスキャナとを共同して動作させてレーザー溶接を行う技術がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８７８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載された技術によれば、スキャナの光路上で２軸方向に動くスキャナミラーの回転軸中心点にスキャナの座標原点を設定している。多軸ロボットはロボットの座標原点からスキャナの座標原点を常に把握している。多軸ロボットの各アーム、スキャナミラーの角度および焦点距離はロボット制御装置が総合的に制御している。
【０００５】
このように、スキャナミラーの回転軸中心点にスキャナの座標原点を設定すると、スキャナミラーを２軸方向に動かすためのガタや組付け精度の影響により、多軸ロボットが把握しているスキャナの座標原点が実際の座標原点とは異なってしまうことがある。このようなことがあると、レーザーの照射位置が実際に狙っている位置からずれてしまい、レーザー溶接の照射位置精度が悪化する。
【０００６】
また、多軸ロボットの各アーム、スキャナミラーの角度および焦点距離の全てをロボット制御装置が総合的に制御しているので、レーザー溶接の高速性にも限界があり、レーザー溶接を高速で行うことが難しくなる。
【０００７】
本発明では、スキャナの光路上の固定してある要素（たとえばレンズ）にスキャナの座標原点を設定している。また、多軸ロボットとスキャナの動作をそれぞれ専用の制御装置で制御している。
【０００８】
したがって、本発明は、レーザー溶接作業を高速に行なうことができるレーザー溶接装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するための本発明に係るレーザー溶接装置は、多軸ロボット、スキャナ、ロボット制御装置、スキャナ制御装置、中央処理装置を備えている。
【００１０】
多軸ロボットは複数のアームを備える。スキャナは多軸ロボットの１つのアームの作業端に取り付ける。スキャナはワークにレーザー光を照射する光学系を備える。
【００１１】
ロボット制御装置はスキャナの座標原点を光学系の構成要素のうち固定されている構成要素と光軸との交点に設定する。ロボット制御装置は座標原点が教示経路上を通過するように多軸ロボットの動作を制御する。
【００１２】
スキャナ制御装置はレーザー光が教示経路上に照射されるようにスキャナの光学系の動作を制御する。
【００１３】
したがって、レーザー溶接作業を高速で行なうことができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上のように構成された本発明のレーザー溶接装置は下記のような効果を奏する。
【００１５】
まず、スキャナの座標原点を光学系の構成要素のうち固定されている構成要素とレーザー光の光軸との交点に設定しているので、多軸ロボットの制御が容易になり、多軸ロボットは教示された点を正確にかつ高速にトレースできる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係るレーザー溶接装置の概略構成図である。
【図２】図１に示したスキャナの具体的な構成図である。
【図３】エキスパンダレンズの移動距離とフォーカスレンズから加工点までの距離との関係を示した図である。
【図４】本実施形態に係るレーザー溶接装置の動作フローチャートである。
【図５】図４の動作フローチャートの処理の説明に供する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明に係る一実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。以下で説明する実施形態は本発明の技術的思想を分かり易く説明するために記載したものである。したがって、以下で説明する実施形態は特許請求の範囲に記載した各発明の技術的範囲を限定するものではない。
【００１８】
図１は本実施形態に係るレーザー溶接装置の概略構成図である。
【００１９】
レーザー溶接装置１００は、多軸ロボット１１０、スキャナ１２０、ロボット制御装置１４０、スキャナ制御装置１５０、中央処理装置１６０から構成される。
【００２０】
多軸ロボット１１０は、図示したように複数のアームを備えている。多軸ロボット１１０は、具体的には、複数のアームを備えた６軸ロボットであり、各軸をＡＣサーボモータで駆動する。したがって、多軸ロボット１１０は、ＡＣサーボモータを６台備え６自由度を有している。また、多軸ロボット１１０は、固有のロボット座標系に基づいて動作する。
【００２１】
スキャナ１２０は、多軸ロボット１１０のアームの作業端１１２に取り付けてある。スキャナ１２０は、図示されていないワーク、たとえば車両用のドア、ボンネット、トランクなどの構成部品の加工点１７０にレーザー光を照射する。レーザー光が照射された部分は溶融して溶接される。スキャナ１２０は、固有のスキャナ座標系に基づいて動作する。また、加工点１７０の座標はロボット系の座標によって特定されている。したがって、スキャナ１２０は、レーザー光を加工点１７０に正確に照射するための光学系を備える。光学系の動作によって、レーザー光のＸ軸、Ｙ軸（ロボット座標系）方向の走査およびＺ軸（ロボット座標系）方向の焦点位置調整を行なう。スキャナ１２０はレーザー光をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸（スキャナ座標系）の３方向に動かすために３台のＡＣサーボモータを備えている。これにより、スキャナ１２０は３次元に集光位置を変えることができる。スキャナ１２０のロボット座標系とスキャナ座標系間の座標変換方法およびスキャナ１２０の具体的な構成は後述する。
【００２２】
ロボット制御装置１４０は、スキャナ１２０の座標原点を、スキャナ１２０の光学系を構成するレンズなどの要素のうち光学系内で固定している構成要素とレーザー光の光軸との交点に設定する。スキャナ１２０の座標原点をスキャナ１２０の光学系で固定している構成要素とレーザー光の光軸との交点に設定し、かつ、焦点距離方向の制御に後述の演算方法を用いることにより、スキャナ１２０の位置決めが線形的な演算を行うことによってできるようになる。換言すれば、後述するエキスパンダレンズ１２３の光軸方向の移動量と焦点距離の変化量の演算が線形近似式によって行なえるようになる。したがって、加工点１７０に対する多軸ロボット１１０の制御が容易になり高精度の溶接作業を高速で行なうことができる。ロボット制御装置１４０は、スキャナ１２０の座標原点が、あらかじめ記憶している多軸ロボット１１０の教示経路を通過するように、多軸ロボット１１０の６台のＡＣサーボモータの動作を制御する。
【００２３】
スキャナ制御装置１５０は、スキャナ１２０から出力されるレーザー光が前述のワークの加工点１７０上に正確に照射されるようにスキャナ１２０の光学系の３台のＡＣサーボモータの動作を制御する。
【００２４】
中央処理装置１６０は、ロボット制御装置１４０とスキャナ制御装置１５０に同期した（たとえば同一周期同一タイミングで）動作指令を出力する。ロボット制御装置１４０とスキャナ制御装置１５０は中央処理装置１６０から出力された動作指令を同一の制御速度および同一の制御周期で処理する。したがって、多軸ロボット１１０とスキャナ１２０はあたかも１台の制御装置で動作しているかのごとく並列に動作する。
【００２５】
図２は図１に示したスキャナ１２０の具体的な構成図である。
【００２６】
スキャナ１２０は、光ファイバ１２２、エキスパンダレンズ１２３、焦点位置調整装置１２６、コリメートレンズ１２８、反射ミラー１３０、フォーカスレンズ１３１、レーザー光スキャン装置１３６から構成される。
【００２７】
焦点位置調整装置１２６は、エキスパンダレンズ１２３を駆動するＡＣサーボモータ１２４およびボールネジ１２５を備えている。
【００２８】
レーザー光スキャン装置１３６は、第１走査ミラー１３２、第１走査ミラー１３２を回動するＡＣサーボモータ１３３、第２走査ミラー１３４、第２走査ミラー１３４を回動するＡＣサーボモータ１３５を備えている。
【００２９】
光ファイバ１２２は、図示していないレーザー発振器から出力されたレーザー光をエキスパンダレンズ１２３に向けて照射する。
【００３０】
焦点位置調整装置１２６は、エキスパンダレンズ１２３をレーザー光の光軸方向（図２では矢印で示す上下方向）に移動させる。エキスパンダレンズ１２３は、レーザー光の光軸方向に移動して焦点距離を調整するレンズである。光ファイバ１２２から出力されたレーザー光はエキスパンダレンズ１２３の位置に応じて広がり角が変化する。その結果、レーザー光の焦点距離が変化して加工点の位置が図示Ｚ軸方向に移動する。エキスパンダレンズ１２３はＡＣサーボモータ１２４およびボールネジ１２５によって移動する。
【００３１】
コリメートレンズ１２８は、エキスパンダレンズ１２３を通過して角度が広げられたレーザー光を集光する。
【００３２】
反射ミラー１３０は、コリメートレンズ１２８によって集光されたレーザー光をレーザー光スキャン装置１３６に向けて照射する。
【００３３】
レーザー光スキャン装置１３６は、反射ミラー１３０で反射したレーザー光を、まず、第１走査ミラー１３２で反射し、次に、第２走査ミラー１３４で反射して加工点に導く。第１走査ミラー１３２はＡＣサーボモータ１３３の回転軸に接続されその回転軸を中心に回動する。第１走査ミラー１３２が回動すると、レーザー光は照射位置が図示Ｘ軸方向に移動して加工点の位置が変わる。第２走査ミラー１３４はＡＣサーボモータ１３５の回転軸に接続されその回転軸を中心に回動する。第２走査ミラー１３４が回動すると、レーザー光は照射位置がＹ軸方向（図２では紙面の手前側と奥側の方向）に移動して加工点の位置が変わる。
【００３４】
したがって、エキスパンダレンズ１２３、第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４を加工点の３次元座標に応じて動かすことによって、加工点が３次元方向に変化しているワークに対しても正確にレーザー溶接を行うことができる。
【００３５】
加工点のＺ軸方向の位置が微小に変化していたとしても、加工点に照射されるレーザー光の出力密度がある一定の範囲内の変化に留まるのであれば、エキスパンダレンズ１２３を動かす必要はない。
【００３６】
第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４は、表面のコーティングの状態の影響により、反射角に応じてレーザー光の反射率が変化する。加工点に必要なレーザー光の出力密度を得るためには、その反射角の範囲がある程度の角度に制限される。その角度は通常は±１０°程度である。
【００３７】
また、エキスパンダレンズ１２３を駆動するＡＣサーボモータ１２４、第１走査ミラー１３２を駆動するＡＣサーボモータ１３３、第２走査ミラー１３４を駆動するＡＣサーボモータ１３５は、多軸ロボット１１０の各アームを駆動するＡＣサーボモータよりも低イナーシャ比および高分解能のものを用いる。制御の俊敏性を確保するためである。
【００３８】
このため、エキスパンダレンズ１２３、第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４を敏速に動かすことができ、レーザー光が加工点に正確に照射できる。したがって、溶接品質を向上させることができる。また、スキャナ１２０の光学系を小型、軽量、低コストにすることができる。
【００３９】
ＡＣサーボモータ１２４は高減速比の減速機であるボールネジ１２５で連結したエキスパンダレンズ１２３を俊敏にかつ高精度に動かさなければならない。したがって、ＡＣサーボモータ１２４は低イナーシャ比および高分解能が要求される。また、ＡＣサーボモータ１３３、ＡＣサーボモータ１３５は、回転軸が図示していないが高減速比の減速機を介して第１走査ミラー１３２および第２走査ミラー１３４に連結してある。したがって、第１走査ミラー１３２および第２走査ミラー１３４俊敏にかつ高精度に動かすには、ＡＣサーボモータ１３３、ＡＣサーボモータ１３５は、低イナーシャ比および高分解能が要求される。
【００４０】
エキスパンダレンズ１２３、第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４は、ＡＣサーボモータの回転軸と高減速比の減速機で連結されている。このため、ＡＣサーボモータの動作に俊敏に反応することができ、レーザー光が加工点に正確に照射できる。したがって、溶接品質を向上させることができる。また、スキャナの光学系を小型、軽量、低コストにすることができる。
【００４１】
具体的には、加工点で１０ｍｍ〜１５０ｍｍ／ｓｅｃの速度でレーザー光が走査できなければならず、また、加工点間を３０００ｍｍ／ｓｅｃ〜６０００ｍｍ／ｓｅｃの速度でレーザー光が移動できなければならない。これらの要求を満たすためには、各ＡＣサーボモータは多軸ロボットのＡＣサーボモータとはかけ離れた加減速性能、高分解能が要求される。
【００４２】
このような加減速性能を各ＡＣサーボモータが備えるには、加減速時にほとんどイナーシャがかからないようにする必要がある。通常であれば、イナーシャ比が３：１程度であるのに対して１：１またはそれ以下のイナーシャ比とする必要がある。
【００４３】
また、高分解能を各ＡＣサーボモータが備えるには、通常のオプティカルエンコーダのみでは加工点での分解能が不足するため、高減速比の減速機を用いている。このときに、減速機の摩擦の影響をいかに少なくするかが問題となるため、各ＡＣサーボモータの上限の定格回転速度が加工点で３０００ｍｍ／ｓｅｃ〜６０００ｍｍ／ｓｅｃの速度で移動できるように減速比を設定する。
【００４４】
また、多軸ロボット１１０に用いられているモータをＡＣサーボモータとし、スキャナ１２０に用いられているモータもＡＣサーボモータとしている。全てをＡＣサーボモータとすることによって、指令の均一化が図れるので、ロボット制御装置１４０とスキャナ制御装置１５０を１台の中央処理装置１６０で同一の制御速度および同一の制御周期で処理することができる。
【００４５】
具体的には、中央処理装置１６０から出力された動作指令に基づいて、ロボット制御装置１４０はあらかじめ記憶した多軸ロボット１１０の教示経路を正確にトレースするように多軸ロボット１１０の動作を制御できる。また、中央処理装置１６０から出力された動作指令に基づいて、スキャナ制御装置１５０は、あらかじめ記憶しているスキャナ１２０の加工点軌跡を正確にトレースするようにレーザー光の照射位置を制御できる。つまり、ロボット制御装置１４０でスキャナ１２０の位置決めをし、スキャナ１２０で加工点のトレースをするというように、役割分担が容易にできる。役割分担ができることで、多軸ロボット１１０とスキャナ１２０の役割が明確になり、多軸ロボット１１０とスキャナ１２０の性能を絞り込むことができ、最適な装置構成が可能となる。
【００４６】
中央処理装置１６０は、動作指令をロボット制御装置１４０とスキャナ制御装置１５０に同一周期同一タイミングで出力するので、多軸ロボット１１０の教示経路とスキャナ１２０の加工点軌跡の指令は同期する。したがって、多軸ロボット１１０を動作させながらスキャナ１２０も容易に動作させることができ、ワークが複雑な３次元形状であっても、正確にかつ高速にレーザー溶接をすることができる。
【００４７】
図３はエキスパンダレンズ１２３の移動距離とフォーカスレンズ１３１から加工点までの距離との関係を示した図である。この図において、上側に位置されている曲線は焦点距離が１０００ｍｍ（ｆ＝１０００）のエキスパンダレンズ１２３を用いた場合の関係を示す。下側に位置されている曲線は焦点距離が８００ｍｍ（ｆ＝８００）のエキスパンダレンズを用いた場合の関係を示す。
【００４８】
この図を見れば明らかなように、エキスパンダレンズ１２３の移動距離とフォーカスレンズ１３１から加工点までの距離との関係はほぼ２次曲線近似の関係にあることがわかる。この関係は、焦点距離が１０００ｍｍ（ｆ＝１０００）のエキスパンダレンズ１２３を用いた場合と焦点距離が８００ｍｍ（ｆ＝８００）のエキスパンダレンズ１２３を用いた場合とであまり変わりない。具体的な誤差はいずれの焦点距離のエキスパンダレンズ１２３に対しても１ｍｍ程度である。
【００４９】
光ファイバ１２２から出力されるレーザー光のビーム品質が５ｍｍ〜２０ｍｍ＊ｍｒａｄであれば、加工点近辺での焦点深度は２ｍｍ〜５ｍｍ程度得られる。このため、２次曲線近似による焦点位置の誤差はレーザー溶接にほとんど影響を与えない。
【００５０】
つまり、光学系の中で固定されているフォーカスレンズ１３１にスキャナ１２０の座標原点を設定しておくと、エキスパンダレンズ１２３を動かして焦点距離を変化させた場合に、焦点距離を２次曲線近似することができることを示している。本実施形態では、このような事実に着目してフォーカスレンズ１３１とレーザー光の光軸との交点をスキャナ１２０の座標原点としているのである。
【００５１】
第１走査ミラー１３２および第２走査ミラー１３４を動かしたとしても焦点距離を２次曲線近似できることに変わりはない。このように２次曲線近似が可能であるということは、多軸ロボット１１０を教示経路上に位置決めすることが容易であるということであり、また、スキャナ１２０から出力されるレーザー光を加工点に位置決めすることが容易であるということである。これは、加工点に対してスキャナ１２０の３軸が全て線形的に演算できるからである。線形的に演算できると、リアルタイムで容易にフィードバック制御ができるようになる。
【００５２】
特に、多軸ロボット１１０の場合、作業端の現在の位置を知るために、キネマティクス（順運動学）、逆キネマティクス（逆運動学）でフィードバックする必要がある。逆キネマティクスの演算をしたときに、光学系の中で固定されているフォーカスレンズ１３１にスキャナ１２０の座標原点を設定してあると、一回の演算で解析解が得られ、作業端の現在の位置を正確に求めることができるので、ロボット制御装置１４０の演算負担が少なくなる。
【００５３】
これとは異なって、光学系の中で固定されていない要素、たとえばエキスパンダレンズ１２３、第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４などにスキャナ１２０の座標原点が設定してあると、一回の演算で解析解を得ることができず、作業端の現在の位置を求めることができなくなる。ロボット制御装置１４０は何度もキネマティクス、逆キネマティクスの演算をしてフィードバックする必要がある。これでは、ロボット制御装置１４０の演算負担が大きくなって高速性が犠牲になる。
【００５４】
次に、本実施形態に係るレーザー溶接装置の動作を図４の動作フローチャートおよび図５の動作説明に供する図を参照して説明する。
【００５５】
図４は本実施形態に係るレーザー溶接装置の動作フローチャートであり、図５は図４の動作フローチャートの処理の説明に供する図である。
【００５６】
この動作フローチャートは多軸ロボット１１０の経路とスキャナ１２０の加工軌跡が教示されていることを前提に記載している。このため、多軸ロボット１１０の経路とスキャナ１２０の加工軌跡の教示について簡単に説明しておく。
【００５７】
多軸ロボット１１０の各アームの駆動と、スキャナ１２０のエキスパンダレンズ１２３、第１走査ミラー１３２、第２走査ミラー１３４の駆動とでは、移動速度、応答性の点で要求される性能が全く異なる。このため、多軸ロボット１１０には加工点を通過する軌跡を教示経路として教示する。また、スキャナ１２０には加工点にレーザー光を照射するための軌跡を加工経路として教示する。
【００５８】
つまり、多軸ロボット１１０の教示経路とスキャナ１２０の加工経路を別々に教示して中央処理装置１６０に記憶させておく。
【００５９】
具体的な教示経路および加工経路の教示について図５を参照して説明すると、まず多軸ロボット１１０の教示経路の始点のＰ１点を教示し、スキャナ１２０の加工経路の始点のＷ１を教示する。次に、多軸ロボット１１０の次の移動位置Ｐ２点を教示し、Ｐ１点からＰ２点への移動速度Ｖ１を教示する。同時に、スキャナ１２０によって描くべき加工点での軌跡Ｍ（図では半円状）および終点のＷ２並びに加工速度Ｖを教示する。
【００６０】
このときの多軸ロボット１１０がＰ１点からＰ２点まで移動する速度Ｖ１はスキャナ１２０の加工速度Ｖとは独立に設定する。多軸ロボット１１０がＰ１点からＰ２点まで移動する間にスキャナ１２０のレーザー溶接が完了するように、移動速度Ｖ１と加工速度Ｖを設定するのが好ましい。
【００６１】
次に、図４の動作フローチャートに基づいて本実施形態に係るレーザー溶接装置の動作を説明する。
【００６２】
ステップＳ１０
中央処理装置１６０は、内蔵されている記憶装置から多軸ロボット１１０とスキャナ１２０の教示値を入力する。つまり、記憶装置にあらかじめ記憶させておいたロボット１１０の始点のＰ１点および終点のＰ２点、移動速度Ｖ１、スキャナ１２０の始点のＷ１点および終点のＷ２点、加工速度Ｖを入力する。
【００６３】
ステップＳ１１
中央処理装置１６０は、記憶装置から入力した多軸ロボット１１０の教示値に基づいて、多軸ロボット１１０の教示経路を作成する。具体的には、ロボット制御装置１４０の制御周期ごとの通過点（図５のＰ１〜Ｐ２の間で点線が引かれている３点）を作成する。
【００６４】
ステップＳ１２
中央処理装置１６０は、記憶装置から入力したスキャナ１２０の教示値に基づいて、スキャナ１２０の教示経路を作成する。具体的には、スキャナ制御装置１５０の制御周期（ロボット制御装置１４０の制御周期と同一）ごとの通過点（図５のＷ１〜Ｗ２の間で点線が引かれている３点）を作成する。
【００６５】
ステップＳ１３
中央処理装置１６０は、ステップＳ１２で作成した多軸ロボット１１０の教示経路および作成したスキャナ１２０の教示経路を時系列に配列する。
【００６６】
ステップＳ１４
中央処理装置１６０は、時系列に配列した多軸ロボット１１０の教示経路をロボット制御装置１４０に出力する一方、時系列に配列したスキャナ１２０の教示経路をスキャナ制御装置１５０に出力する。
【００６７】
ロボット制御装置１４０は中央処理装置１６０から出力された教示経路を同一周期同一タイミングで多軸ロボット１１０に出力し、教示経路Ｐ１とＰ２との間で位置決めしていく。また、スキャナ制御装置１５０は中央処理装置１６０から出力された加工経路同一周期同一タイミングでスキャナ１２０に出力し、レーザー光を加工経路Ｗ１とＷ２との間で照射していく。
【００６８】
図５を見れば明らかなように、レーザー光が加工経路Ｗ１からＷ２まで移動して軌跡Ｍの溶接が完了した時点では、多軸ロボット１１０は教示経路Ｐ１からＰ´１まで到達しているに過ぎず、移動位置Ｐ２までには少しの距離を残している。
【００６９】
ステップＳ１５
次に、全ての教示経路および加工経路の実行が終了したか否かが判断される。
【００７０】
全ての教示経路および加工経路の実行が終了していなければ（ステップＳ１５：ＮＯ）、ステップＳ１４の処理が継続される。つまり、図５では、レーザー光が加工経路Ｗ１からＷ２まで移動して軌跡Ｍの溶接が完了し、多軸ロボット１１０が教示経路Ｐ１からＰ２まで到達していなければ、ステップＳ１４の処理が継続される。
【００７１】
一方、全ての教示経路および加工経路の実行が終了していれば（ステップＳ１５：ＹＥＳ）、レーザー溶接を終了する。
【００７２】
本実施形態に係るレーザー溶接装置によれば、次のような効果を得ることができる。
・スキャナの座標原点を光学系の構成要素のうち固定されている構成要素とレーザー光の光軸との交点に設定しているので、多軸ロボットの制御が容易になり、多軸ロボットは教示された点を正確にかつ高速にトレースできる。
・また、ロボット制御装置とスキャナ制御装置に同一周期同一タイミングで動作指令を出力し、多軸ロボットはロボット制御装置により、スキャナはスキャナ制御装置により、それぞれの動作を個別に制御するので、同期を取ることが容易になり、レーザー溶接作業が高速かつ高精度に行なえる。
・エキスパンダレンズ、２枚の走査ミラーのそれぞれを加工点の３次元座標に応じて動かすことによって、加工点が３次元方向に変化しているワークに対しても正確にレーザー溶接を行うことができる。
・エキスパンダレンズと２枚の走査ミラーを駆動するモータを、多軸ロボットのアームを駆動するモータよりも低イナーシャ比および高分解能とすることによって、レーザー光が加工点に正確に照射できる。したがって、溶接品質を向上させることができる。また、スキャナの光学系を小型、軽量、低コストにすることができる。
・全てをＡＣサーボモータとすることによって、指令の均一化が図れるので、ロボット制御装置とスキャナ制御装置を１台の中央処理装置で同一の制御速度および同一の制御周期で処理することができる。
・また、エキスパンダレンズと２枚のそれぞれの走査ミラーを、ＡＣサーボモータの回転軸と高減速比の減速機で連結している。このため、ＡＣサーボモータの動作に俊敏に反応することができるので、レーザー光が加工点に正確に照射できる。したがって、溶接品質を向上させることができる。また、スキャナの光学系を小型、軽量、低コストにすることができる。
【符号の説明】
【００７３】
１００ レーザー溶接装置、
１１０ 多軸ロボット、
１１２ 作業端、
１２０ スキャナ、
１２２ 光ファイバ、
１２３ エキスパンダレンズ、
１２４ ＡＣサーボモータ、
１２５ ボールネジ、
１２６ 焦点位置調整装置、
１２８ コリメートレンズ、
１３０ 反射ミラー、
１３１ フォーカスレンズ、
１３２ 走査ミラー、
１３３ ＡＣサーボモータ、
１３４ 走査ミラー、
１３５ ＡＣサーボモータ、
１３６ レーザー光スキャン装置、
１４０ ロボット制御装置、
１５０ スキャナ制御装置、
１６０ 中央処理装置、
１７０ 加工点。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のアームを備えた多軸ロボットと、
当該アームの作業端に取り付けワークにレーザー光を照射する光学系を備えたスキャナと、
前記スキャナの座標原点を前記光学系の構成要素のうち固定している構成要素と前記レーザー光の光軸との交点に設定し、前記座標原点が教示経路上を通過するように前記多軸ロボットの動作を制御するロボット制御装置と、
前記レーザー光が前記ワークの加工点上に照射されるように前記スキャナの光学系の動作を制御するスキャナ制御装置と、
を有することを特徴とするレーザー溶接装置。
【請求項２】
前記ロボット制御装置と前記スキャナ制御装置が同期して動作するように動作指令を出力する中央処理装置をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー溶接装置。
【請求項３】
前記多軸ロボットの作業端に取り付けたスキャナの光学系は、
前記レーザー光の光軸方向に移動して焦点距離を調整するエキスパンダレンズと、
当該エキスパンダレンズを通過したレーザー光を集光するコリメートレンズと、
当該コリメートレンズを通過したレーザー光をワーク上で走査する２枚の走査ミラーと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー溶接装置。
【請求項４】
前記エキスパンダレンズと前記２枚のそれぞれの走査ミラーにモータの回転軸が接続され、
前記モータのそれぞれは、前記多軸ロボットのアームを駆動するモータよりも低イナーシャ比および高分解能であることを特徴とする請求項３に記載のレーザー溶接装置。
【請求項５】
前記エキスパンダレンズと前記２枚のそれぞれの走査ミラーを駆動するモータはＡＣサーボモータであり、前記エキスパンダレンズと前記２枚のそれぞれの走査ミラーは、当該ＡＣサーボモータの回転軸と高減速比の減速機で連結されていることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザー溶接装置。
【請求項６】
前記エキスパンダレンズの光軸方向の移動量と焦点距離の変化量の演算は線形近似式を使用することを特徴とする請求項３に記載のレーザー溶接装置。
【請求項１】
複数のアームを備えた多軸ロボットと、
当該アームの作業端に取り付けワークにレーザー光を照射する光学系を備えたスキャナと、
前記スキャナの座標原点を前記光学系の構成要素のうち固定している構成要素と前記レーザー光の光軸との交点に設定し、前記座標原点が教示経路上を通過するように前記多軸ロボットの動作を制御するロボット制御装置と、
前記レーザー光が前記ワークの加工点上に照射されるように前記スキャナの光学系の動作を制御するスキャナ制御装置と、
を有することを特徴とするレーザー溶接装置。
【請求項２】
前記ロボット制御装置と前記スキャナ制御装置が同期して動作するように動作指令を出力する中央処理装置をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー溶接装置。
【請求項３】
前記多軸ロボットの作業端に取り付けたスキャナの光学系は、
前記レーザー光の光軸方向に移動して焦点距離を調整するエキスパンダレンズと、
当該エキスパンダレンズを通過したレーザー光を集光するコリメートレンズと、
当該コリメートレンズを通過したレーザー光をワーク上で走査する２枚の走査ミラーと、
を有することを特徴とする請求項１に記載のレーザー溶接装置。
【請求項４】
前記エキスパンダレンズと前記２枚のそれぞれの走査ミラーにモータの回転軸が接続され、
前記モータのそれぞれは、前記多軸ロボットのアームを駆動するモータよりも低イナーシャ比および高分解能であることを特徴とする請求項３に記載のレーザー溶接装置。
【請求項５】
前記エキスパンダレンズと前記２枚のそれぞれの走査ミラーを駆動するモータはＡＣサーボモータであり、前記エキスパンダレンズと前記２枚のそれぞれの走査ミラーは、当該ＡＣサーボモータの回転軸と高減速比の減速機で連結されていることを特徴とする請求項３または４に記載のレーザー溶接装置。
【請求項６】
前記エキスパンダレンズの光軸方向の移動量と焦点距離の変化量の演算は線形近似式を使用することを特徴とする請求項３に記載のレーザー溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２１４３９３（Ｐ２０１０−２１４３９３Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６１７２４（Ｐ２００９−６１７２４）
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]