レーザ加工機におけるオートフォーカス装置

【目的】レーザ光の焦点位置に影響する光軸方向の位置誤差を微細に補正することのできるオートフォーカス装置を提供すること。
【構成】ロボット手首部１２にその少なくとも三方から囲む形状を有するベース部材１３を取り付けると共に、該ベース部材にリンク駆動機構１４を介して出射光学系２０を上下方向に変位可能に連結する。前記リンク駆動機構は、前記出射光学系の先端に設けられたハイトセンサの検出信号により前記出射光学系の上下方向位置を微調整するコントローラを含む。

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は多関節ロボットを用いてレーザの出射光学系を３次元空間内で軌跡制御することによりレーザ加工を行うレーザ加工機に関し、特に、出射光学系の光軸方向の位置を微調整可能としてオートフォーカス機能を向上させるためのオートフォーカス装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】この種のレーザ加工機として、市販の多関節ロボットの先端にあるロボット手首部にレーザの出射光学系を取り付け、出射光学系には光ファイバを通してＹＡＧレーザ等のレーザ光を導入することにより、出射光学系を軌跡追従制御して３次元加工を可能としたものが提供されている。
【０００３】一例を、図５を参照して簡単に説明する。図５において、基台５０上に回転台５１が水平状態で回転可能に設けられている。回転台５１には上方に延びる第１のアーム５１−１が設けられ、その上部には第２のアーム５２が水平軸５１−２（第１の関節）を中心に回転可能に設けられている。第２のアーム５２の上部にはまた、第３のアーム５３が軸５２−１（第２の関節）を中心に回動可能に設けられている。更に、第３のアーム５３の先端にはロボット手首部５４がＡで示す一点鎖線を中心に回動可能に取り付けられている。ロボット手首部５４には、軸５５−１を中心に回動可能なアーム５５を介して出射光学系５６が取り付けられている。
【０００４】出射光学系５６には、光ファイバ５７を通してレーザ光が導入され、ワーク５８の表面に焦点を結ぶようにレーザ光が照射される。光ファイバ５７は、出射光学系５６の３軸方向の位置変位を妨げないように、コイルバネ５９−１，５９−２で支持したり、吊下部５９−３により吊り下げている。
【０００５】回転台５１、第１のアーム５１−１、第２のアーム５２、第３のアーム５３、ロボット手首部５４、アーム５５はそれぞれ、個別の駆動機構で駆動され、各駆動機構をロボット制御装置６０で制御することにより、出射光学系５６の３軸方向位置制御が行われる。なお、図示していないが、出射光学系５６の先端には、そのノズル先端とワーク５８との間の距離をハイト（高さ）として検出するためのハイトセンサが設けられており、このハイトセンサによる検出信号はロボット制御装置６０にフィードバックされる。
【０００６】この種のレーザ加工機は、出射光学系自体は高い加工速度及び加工精度を有しているものの、多関節ロボットの軌跡追従精度に制約があるため、出射光学系の全能力を発揮することができないという問題点がある。
【０００７】このような問題点を考慮した例としては、ロボット手首部に出射光学系をその光軸方向に変位可能に設けたものが知られている。簡単に説明すると、ロボット手首部に光軸方向に位置制御可能な１軸の駆動制御機構を介して出射光学系を取り付け、この駆動制御機構を、出射光学系の先端に設けたハイトセンサからの検出信号によって動作させるようにしている。
【０００８】更に言えば、駆動制御機構は、出射光学系の位置変位を、ボールネジ機構により実現した第１の例と、リンク駆動機構により実現した第２の例とが提供されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上記第１の例は、モータの回転運動をボールネジにより直線運動に変換するものであるが、機構部の寸法が大型化するという問題点がある。これは、多関節ロボットに要求される可搬重量が増加することを意味し、装置全体が大型化する。加えて、適切な減速比をとりにくいという問題点もある。
【００１０】上記第２の例は、出射光学系を光軸方向に変位させる運動変換機構にリンクを用いている。ところが、ロボット手首部に取り付けた際に、重心がロボット手首部の旋回中心（関節）から遠くなってしまい、ロボット可搬重量の制限を受けるという問題点を解消できない。これは、ロボット手首部と出射光学系との間を連結している連結部材の長さが、光軸方向に直角な方向に長くならざるを得ないという点に起因している。
【００１１】上記のような問題点に鑑み、本発明の主たる課題は、レーザ加工において加工品質を左右する重要なファクタの一つであるレーザ光の焦点位置に影響する光軸方向の位置誤差を微細に補正することのできるオートフォーカス装置を提供することにある。
【００１２】本発明の他の課題は、上記装置の小型化、軽量化を図ることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、多関節ロボットアームの先端におけるロボット手首部に取り付けられた出射光学系を、座標駆動機構によりあらかじめ定められた軌跡に追従するように位置制御する制御装置を備えたレーザ加工機において、前記ロボット手首部にその少なくとも三方から囲む形状を有するベース部材を取り付けると共に、該ベース部材にリンク駆動機構を介して前記出射光学系を上下方向に変位可能に連結し、前記リンク駆動機構は、前記出射光学系の先端に設けられたハイトセンサの検出信号により前記出射光学系の上下方向位置を微調整するコントローラを含むことを特徴とするレーザ加工機におけるオートフォーカス装置が得られる。
【００１４】なお、前記リンク駆動機構は、駆動源として前記ロボット手首部の関節点に近い前記ベース部材の上部に設けられたモータを備え、前記コントローラは、ハイト設定信号と前記検出信号との間の差信号にもとづいて前記モータの速度制御を行う速度制御ループを備えている。
【００１５】本発明によればまた、前記コントローラが、前記モータの回転量を検出して得られる出射光学系の上下方向の位置信号を前記制御装置に伝送し、該制御装置は前記位置信号に基づいて前記出射光学系の上下方向位置を粗調整することを特徴とするオートフォーカス装置が得られる。
【００１６】更に、前記出射光学系はこれに一体的に取り付けられたステージ部材を有し、該ステージ部材は前記リンク駆動機構の駆動軸に連結されていると共に、該ステージ部材に対向している前記ベース部材の一面に設けられたスライド案内部材に上下方向にスライド可能に組み合わされていることを特徴とする。
【００１７】
【実施例】図１を参照して本発明の実施例を説明する。図１は、多関節ロボットの最終アーム１１の一部と、それより先の構成を示しており、多関節ロボット自体は周知の市販のものが使用可能である。最終アーム１１の先端には、ロボット手首部１２が軸１１−１を中心に回動可能に垂設されている。このロボット手首部１２はまた、そこに内蔵された回転駆動機構（図示せず）によりその中心軸を中心に回動可能に構成されている。
【００１８】ロボット手首部１２の下部には、これを少なくとも三方から囲むようなベース部材１３が取り付けられる。すなわち、ベース部材１３の最下部における横断面図である図２に示されるように、ベース部材１３は、ロボット手首部１２への取り付けのための底壁１３−１と、後述する出射光学系２０に対向する側壁１３−２と、この側壁１３−２の両側の側壁１３−３とを有している。なお、側壁１３−２の外面には、スライド案内用の２条のガイド部材１３−４が設けられるが、これも後述する。また、側壁１３−３には、軽量化のために、ベース部材１３の機械的強度を大きく劣化させない範囲で、１個以上の穴（図１には１３−５で例示している）を設けるようにしても良い。
【００１９】ベース部材１３の上部には、サーボモータ１５によるリンク駆動機構１４が設けられている。サーボモータ１５の回転軸１５−１に短アーム１４−１の一端を固定し、短アーム１４−１の他端には上下方向に延びるレバー１４−２を回動自在に軸支することによりリンク駆動機構を構成している。レバー１４−２の下端には、出射光学系２０の一部と一体化されたステージ部材２１の一部が取り付けられている。ステージ部材２１は、ベース部材１３の側壁１３−２に対向する部材を有し、この対向部材には前述したガイド部材１３−４の嵌合可能な被ガイド部２１−１が設けられている。
【００２０】上述のように、ベース部材１３の形状を、ロボット手首部１２を包み込むようにしたことにより、リンク駆動機構１４、出射光学系２０をロボット手首部１２の旋回中心（図１の１１−１で示す関節位置）から極力近い位置に配置することができる。特に、比較的重量の大きいサーボモータ１５を上記旋回中心により近い位置に配置したことにより、ロボット手首部１２によって変位する部分の重心を上記旋回中心により近づけることができ、ロボット可搬重量の制限値を大きくすることができる。
【００２１】なお、サーボモータ１５の回転量はその回転軸１５−１に取り付けられたエンコーダ１５−２（図４R>４参照）により検出される。この回転量とステージ部材２１の移動量との比は、リンク駆動機構１４の短アーム１４−１の長さで決まり、この比は目的とするステージ部材２１の運動に必要な十分な容量のサーボモータ１５を選定した後、要求される最大速度から決定される。
【００２２】このような連結構造により、出射光学系２０は、リンク駆動機構１４に含まれる後述のハイトコントローラにより光軸方向の位置の微調整が可能となる。
【００２３】出射光学系２０には、その上部において光ファイバ（図示せず）からレーザ光が導入され、導入されたレーザ光は図１中上下方向に延びる光軸に沿ってノズル部２０−１からワーク３０に出射される。なお、出射光学系２０内には、レーザ光を所定の焦点位置に集光させるための光学系等が内蔵される他、ノズル部２０−１にはワーク３０との距離（ハイト）を検出するためのハイトセンサが設けられるが、これらの構成は周知であるので図示説明は省略する。
【００２４】図３は上述したリンク駆動機構１４のフィードバック制御系を示し、ハイトセンサによるハイト検出信号はセンサアンプ３１を通してハイトコントローラ３２に入力される。
【００２５】図４はハイトコントローラ３２の構成を示し、第１の減算器３２−１はハイト設定値とハイト検出信号によるハイト検出値との偏差を検出してアンプ３２−２に出力する。一方、サーボモータ１５の回転量はエンコーダ１５−２によりステージ位置信号として検出され、このステージ位置信号は周波数−電圧変換器３２−３で電圧信号に変換される。アンプ３２−２からのハイト偏差増幅信号と周波数−電圧変換器３２−３からのステージ速度を示す信号とは第２の減算器３２−４で減算され、速度制御器３２−５、電流アンプ３２−６を通してサーボモータ１５の駆動信号として供給される。図４から明らかなように、エンコーダ１５−２、周波数−電圧変換器３２−３、第２の減算器３２−４、速度制御器３２−５、電流アンプ３２−６により、サーボモータ１５の速度制御ループが構成される。また、この速度制御ループの外側に、ハイトセンサを用いたハイト制御ループが構成されている。
【００２６】例えば、ハイト検出値とハイト設定値との間に偏差が生ずると、偏差に比例した信号が速度指令信号として速度制御ループに与えられることにより、サーボモータ１５はこの偏差を小さくする方向に回転する。この回転運動はリンク駆動機構１４を介してステージ部材２１に伝達され、出射光学系２０は偏差を小さくする方向に変位する。
【００２７】更に、リンク駆動機構１４では、そのストロークを長くとれない分を補償する目的で、ベース部材１３とステージ部材２１、すなわち出射光学系２０との相対位置をステージ位置信号として検出し、光軸方向の運動中心からの位置ずれ量に比例した値を相対変位量として外部、すなわち図１に示すようなロボット制御装置６０に出力できる構成としている。
【００２８】ロボット制御装置６０では、ステージ部材２１の相対変位量に応じて座標駆動機構６１を制御する。その結果、ロボット手首部１２はステージ部材２１の相対変位量を小さくする方向へゆっくりと移動する。
【００２９】このように、出射光学系２０の光軸方向における位置ずれ量に比例した値をロボット制御装置６０にフィードバックすることにより、微小ストロークの高速、かつ高精度の追従制御を図３、図４に示すハイト制御ループで行う一方、大ストロークの比較的緩慢な追従制御をロボット制御装置６０で制御される座標駆動機構６１（図３）による３軸方向の制御で行うことができる。すなわち、本実施例装置によれば、出射光学系２０を微動調整、粗動調整の両方で位置制御することができる。
【００３０】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれば次のような効果が得られる。
【００３１】（１）ロボット手首部に出射光学系に対する光軸方向の位置制御を行う１軸のリンク駆動機構を設け、ハイトセンサによる検出信号をフィードバックして出射光学系の位置制御を行うようにしたことにより、出射光学系の光軸方向の位置ずれを高速で微調整して補正することができる。
【００３２】（２）リンク駆動機構を実装するためのベース部材の形状を、ロボット手首部を包み込むような形状とし、重量のかさむサーボモータをロボット手首部の旋回中心に極力近い位置に配置したことにより、多関節ロボットの負荷を軽減することができる。
【００３３】（３）リンク駆動機構を採用したことにより、適切な容量のサーボモータを選定することができ、その最大速度に関する仕様を適切に設定することができる。
【００３４】（４）リンク駆動機構によるハイト制御系からステージ部材の相対変位量をステージ位置信号として取り出し、多関節ロボットの制御系であるロボット制御装置に与えて出射光学系の緩やかな位置制御を可能としたことにより、リンク駆動機構のストロークが短かいという欠点をカバーすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例をロボット手首部と出射光学系及びその駆動機構について側面から見た図である。
【図２】図１におけるロボット手首部とベース部材との関係を説明するための横断面図である。
【図３】本発明におけるハイト制御系の構成を説明するための図である。
【図４】図３に示されたハイトコントローラの構成を示したブロック図である。
【図５】従来のレーザ加工機の一例を説明するための図である。
【符号の説明】
１１最終アーム
１２ロボット手首部
１３ベース部材
１４リンク駆動機構
１５サーボモータ
２０出射光学系
２１ステージ部材
３０ワーク

【特許請求の範囲】
【請求項１】多関節ロボットアームの先端におけるロボット手首部に取り付けられた出射光学系を、座標駆動機構によりあらかじめ定められた軌跡に追従するように位置制御する制御装置を備えたレーザ加工機において、前記ロボット手首部にその少なくとも三方から囲む形状を有するベース部材を取り付けると共に、該ベース部材にリンク駆動機構を介して前記出射光学系を上下方向に変位可能に連結し、前記リンク駆動機構は、前記出射光学系の先端に設けられたハイトセンサの検出信号により前記出射光学系の上下方向位置を微調整するコントローラを含むことを特徴とするレーザ加工機におけるオートフォーカス装置。
【請求項２】請求項１記載のオートフォーカス装置において、前記リンク駆動機構は、駆動源として前記ロボット手首部の関節点に近い前記ベース部材の上部に設けられたモータを備え、前記コントローラは、ハイト設定信号と前記検出信号との間の差信号にもとづいて前記モータの速度制御を行う速度制御ループを備えていることを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項３】請求項２記載のオートフォーカス装置において、前記コントローラは、前記モータの回転量を検出して得られる出射光学系の上下方向の位置信号を前記制御装置に伝送し、該制御装置は前記位置信号に基づいて前記出射光学系の上下方向位置を粗調整することを特徴とするオートフォーカス装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載のオートフォーカス装置において、前記出射光学系はこれに一体的に取り付けられたステージ部材を有し、該ステージ部材は前記リンク駆動機構の駆動軸に連結されていると共に、該ステージ部材に対向している前記ベース部材の一面に設けられたスライド案内部材に上下方向にスライド可能に組み合わされていることを特徴とするオートフォーカス装置。

【図１】