レーザ加工装置
【課題】レーザ溶接の精度を向上する。
【解決手段】レーザの光軸ＬＳ上に配置されたコリメーションレンズ１１と集光レンズ１２とを有する加工ヘッド３を備え、集光レンズ１２によって被溶接物Ｗの接合予定線ＳＳ上にレーザを集光させると共に、接合予定線ＳＳに沿って走査するように加工ヘッド３を移動させるレーザ加工装置１において、光軸ＬＳ上に配置されたウェッジ基板１３と、ウェッジ基板１３を光軸ＬＳを中心に回転させる回転機構２２と、加工ヘッド３の加速度を検出する加速度センサ２３と、加工ヘッド３の変位に伴って生じる光軸ＬＳのブレを補正するために、加速度センサ２３によって検出された加速度に基づいてウェッジ基板１３を回転させる補正制御信号を回転機構２２に対して出力する補正制御部２６ｃと、を備えることを特徴とする。
【解決手段】レーザの光軸ＬＳ上に配置されたコリメーションレンズ１１と集光レンズ１２とを有する加工ヘッド３を備え、集光レンズ１２によって被溶接物Ｗの接合予定線ＳＳ上にレーザを集光させると共に、接合予定線ＳＳに沿って走査するように加工ヘッド３を移動させるレーザ加工装置１において、光軸ＬＳ上に配置されたウェッジ基板１３と、ウェッジ基板１３を光軸ＬＳを中心に回転させる回転機構２２と、加工ヘッド３の加速度を検出する加速度センサ２３と、加工ヘッド３の変位に伴って生じる光軸ＬＳのブレを補正するために、加速度センサ２３によって検出された加速度に基づいてウェッジ基板１３を回転させる補正制御信号を回転機構２２に対して出力する補正制御部２６ｃと、を備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザを集光すると共に、そのレーザを走査して溶接を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のレーザ加工装置が知られている。このレーザ加工装置では、レーザ発振器から出力されたレーザを光ファイバで加工ヘッドに伝送する。加工ヘッドには、コリメーションレンズと集光レンズとがレーザの光軸上に配置されている。レーザ加工装置は、集光レンズで集光されたレーザを被溶接物に照射しながら走査することによって連続溶接を行う。
【特許文献１】特開平１１−１９２５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
被溶接物の連続溶接を行う場合には、接合予定線に沿って加工ヘッドを所定の速度で移動させる必要がある。しなしながら、加工ヘッドを移動させると、加工ヘッドが左右にブレてしまい、さらに、加工へッドに働く慣性力によって加工ヘッドのブレ幅が大きくなり、レーザ溶接の精度を低下させる虞れがあった。
【０００４】
そこで、本発明は、レーザ溶接の精度を向上できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、レーザの光軸上に配置されたコリメーションレンズと集光レンズとを有する加工ヘッドを備え、集光レンズによって被溶接物の接合予定線上にレーザを集光させると共に、接合予定線に沿って走査するように加工ヘッドを移動させるレーザ加工装置において、光軸上に配置されたウェッジ基板と、ウェッジ基板を光軸を中心に回転させる回転機構と、加工ヘッドの変位値を検出する検出部と、加工ヘッドの変位に伴って生じる光軸のブレを補正するために、検出部によって検出された変位値に基づいてウェッジ基板を回転させる補正制御信号を回転機構に対して出力する補正制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
このレーザ加工装置では、レーザの光軸上にウェッジ基板が配置され、ウェッジ基板は、回転機構によって光軸を中心に回転する。ウェッジ基板を透過するレーザの光軸は、ウェッジ基板の傾斜角に応じて屈折し、ウェッジ基板の回転に伴って移動する。レーザ走査のために進行する加工ヘッドが変位してレーザの光軸がブレると、補正制御部は、検出部で検出された加工ヘッドの変位値に基づいてウェッジ基板を回転させる補正制御信号を回転機構に出力する。回転機構は、入力された補正制御信号に基づいてウェッジ基板を回転させ、レーザの光軸のブレを補正する。レーザ加工装置によれば、加工ヘッドを移動させることなく、ウェッジ基板の回転によってレーザの光軸のブレを補正できるため、レーザの光軸のブレを容易に補正でき、レーザ溶接の精度を向上できる。
【０００７】
さらに、ウェッジ基板は、コリメーションレンズと集光レンズとの間に配置されていると好適である。ウェッジ基板がコリメーションレンズよりも光路の上流側に配置されていると、レンズ法線に対するレーザの入射角を大きくしなければレーザの光軸のブレを十分に補正できない。しかしながら、入射角が大きいとレンズの収差が大きくなり、所望のビームスポットサイズを得ることが難しくなって溶接精度を低下させてしまう可能性がある。また、ウェッジ基板が集光レンズよりも光路の下流側に配置されていると、ワーキングディスタンスが小さくなってしまう。そこで、ウェッジ基板を、コリメーションレンズと集光レンズとの間に配置した場合には、レーザの光軸のブレを補正しながら、ビームスポットを所望のサイズにすることが容易になり、さらに、ワーキングディスタンスを広くすることが可能になる。その結果として、レーザ溶接の精度を向上できる。
【０００８】
さらに、検出部は、加工ヘッドの変位値として加速度を検出する加速度センサであると好適である。加速度センサによって検出された加速度から変位方向及び変位量を求めることができ、その変位量を相殺するようにウェッジ基板を回転させることによって精度の高い補正を可能にし、その結果として、レーザ溶接の精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
レーザ溶接の精度を向上できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明に係るレーザ加工装置の好適な実施の形態について詳細に説明をする。
【００１１】
（レーザ加工装置）
図１及び図２に示すように、レーザ加工装置１は、溶接用熱源としてＹＡＧレーザを用いる溶接装置である。レーザ加工装置１は、ＹＡＧレーザロッドに励起ランプの光を照射して発振波長が１．０６μｍのレーザを出力するレーザ発振部２と、ステンレス製の板材（被溶接物）Ｗに向けてレーザを照射する加工ヘッド３と、レーザ発振部３から加工ヘッド３にレーザを伝送する光ファイバ４と、加工ヘッド３に固定されると共に、レーザの焦点位置に向けて斜め上方からシールドガスを噴射するガス供給ノズル６とを備える。加工ヘッド３は、マニピュレータ７によって支持され、二枚の板材Ｗが突き合わされた箇所における直線状の接合予定線ＳＳに沿って移動する。
【００１２】
加工ヘッド３のケース３ａ内には、集光光学系８が設けられている。レーザ発振部２から集光光学系８へレーザを伝送する光ファイバ４は、直径０．６ｍｍであり、光ファイバ４から出射したレーザは、ＮＡ０．２で拡散する。
【００１３】
図２及び図３に示すように、集光光学系８は、レーザの光軸ＬＳ上に配置されたコリメーションレンズ１１と集光レンズ１２とを備え、レーザの光軸ＬＳ上においてコリメーションレンズ１１と集光レンズ１２との間には、ウェッジ基板１３が配置されている。コリメーションレンズ１１は、材質がＢＫ７で焦点距離５０ｍｍの平凸レンズであり、光ファイバ４の先端から約５０ｍｍ離れている。光ファイバ４の先端から出射されたレーザは、コリメーションレンズ１１によって平行に成形され、ウェッジ基板１３に入射する。
【００１４】
ウェッジ基板１３（図４参照）は円形であり、コリメーションレンズ１１側の上面１３ａは、集光レンズ１２側の下面１３ｂに対して傾いており、その傾斜角θは約１０度である。ウェッジ基板１３の上面１３ａに入射したレーザは、平行のまま角度α「約５．１度」だけ屈折して集光レンズ１２に入射する。
【００１５】
集光レンズ１２は、材質がＢＫ７で焦点距離が５０ｍｍの凸レンズであり、ウェッジ基板１３の下面１３ｂから１０ｍｍ離れている。集光レンズ１２を透過したレーザは集光レンズ１２から約５０ｍｍ離れた位置で集光する。集光レンズ１２の焦点位置は、ウェッジ基板１３を配置しない場合に比べて約４．４４ｍｍずれている。このずれ量Ｌは、ウェッジ基板１３の傾斜角θと密接に関係しており、傾斜角θが大きくなる程ずれ量Ｌは大きくなる（図１０参照）。
【００１６】
図３及び図４に示すように、ウェッジ基板１３は円筒部材１７の内部に固定されており、円筒部材１７は軸受け１４を介してブラケット１６に固定され、ブラケット１６はケース３ａに固定されている。軸受け１４によって回転自在に支持された円筒部材１７の下部には、歯車１７ａが設けられている。この歯車１７ａは、減速機構１８を介してモータ１９の出力軸１９ａに連結されている。モータ１９は、モータドライバ２１（図２参照）によって駆動制御され、モータ１９の駆動によって円筒部材１７およびウェッジ基板１３は所定の回転角速度で回転する。円筒部材１７、減速機構１８、モータ１９及びモータドライバ２１によってウェッジ基板１３の回転機構２２が構成される。
【００１７】
ウェッジ基板１３は入射レーザの光軸ＬＳを中心に回転し、ウェッジ基板１３が回転すると、レーザの光軸ＬＳの屈折方向が変化し、レーザの光軸ＬＳが移動して焦点位置が移動する。加工ヘッド３のブレに伴ってレーザの光軸ＬＳがブレた場合には、ウェッジ基板１３を回転させることによって補正することができる。なお、ウェッジ基板１３の傾斜角θが大きいほど、光軸ＬＳのブレを補正できる範囲は広がるが、傾斜角θが大きくなるに従って焦点の収差も大きくなって加工性能に影響を及ぼすため、ウェッジ基板１３の傾斜角θは「１０°」程度が望ましい。
【００１８】
加工ヘッド３には、加速度センサ（検出部）２３が固定されている（図２参照）。加速度センサ２３は、半導体式の２軸センサであり、加工ヘッド３の変位値として水平面における２次元の加速度を検出する。レーザ走査を行うために、加工ヘッド３を移動させると、加工ヘッド３は、その移動に伴って左右に僅かなブレを生じる。加速度センサ２３は、このブレに伴う加速度を検出する。
【００１９】
図２に示すように、モータ１９には、インクリメンタル方式のロータリーエンコーダ２４が固定されている。ロータリーエンコーダ２４は、ウェッジ基板１３の回転量に応じた２相のパルスを出力する。各相のパルスは位相がずれて出力されるようになっており、パルスの出力タイミングから回転方向が特定され、さらにパルス数からウェッジ基板の回転量が検出され、ウェッジ基板の回転角度が算出できるようになっている。なお、アブソリュート方式のロータリーエンコーダにて、ウェッジ基板１３の絶対的な回転角度を検出するようにしてもよい。
【００２０】
レーザ加工装置１は、バスを介して接続されたＣＰＵ２６、ＲＯＭ２７及びＲＡＭ２８等によって構成される主制御処理部２９を有する。ＣＰＵ２６は、マニピュレータ７、レーザ発振部２、モータドライバ２１、加速度センサ２３及びロータリーエンコーダ２４に有線もしくは無線によって信号送受信可能に接続されている。
【００２１】
ＣＰＵ２６は、レーザ加工装置１全体の動作制御を行い、特に、レーザの照射制御を行うレーザ発振制御部２６ａと、レーザ走査速度を制御するレーザ走査制御部２６ｂと、加工ヘッド３のブレに伴って生じるレーザの光軸ＬＳのブレを補正するための補正制御信号をモータドライバ２１に出力する補正制御部２６ｃとを有する。
【００２２】
レーザ発振制御部２６ａは、レーザの照射開始と停止に関するＯＮ／ＯＦＦ信号とレーザの照射強度を設定する照射強度設定信号とをレーザ発振部２に出力する。レーザ走査制御部２６ｂは、レーザ走査速度を設定する速度設定信号をマニピュレータ７に出力する。
【００２３】
補正制御部２６ｃは、加速度センサ２３から出力された加速度信号から、ローパスフィルターによって高周波のノイズを減衰させ、１００Ｈｚ以下の低周波成分のみを取り出す。なお、図６は、加速度センサ２３から出力された加速度信号から求められた振動波形ＷＡ１を示し、所定の低周波成分に高周波ノイズが重畳している状態を示す図である。また、図７は、ローパスフィルターによって低周波成分のみを取り出した加速度信号からなる振動波形ＷＡ２を示している。振動波形ＷＡ２の周期は０．１ｓｅｃ、振幅ｄ１は５ｍｍである。
【００２４】
さらに、補正制御部２６ｃは、低周波成分からなる加速度信号に対して移動平均処理を行い、サンプリング周期の平均加速度を算出する。さらに、補正制御部２６ｃは、平均加速度から変位方向を求めるとともに、平均加速度を積分処理して変位速度を算出し、さらに、変位速度を積分処理してサンプリング周期での変位量を算出する。そして、この変位方向、変位量から、レーザの光軸ＬＳのブレを補正するために必要なウェッジ基板１３の回転方向及び回転角速度を求める。ＲＡＭ２８には、ウェッジ基板１３の停止位置としての回転角度、変位方向及び変位量とウェッジ基板１３の回転方向、回転角速度及び回転時間とを対応付けたテーブルが記憶されており、補正制御部２６ｃは、ウェッジ基板１３の回転角度、変位方向及び変位量をテーブルの検索キーに設定し、対応する回転方向、回転角速度及び回転時間を求める。この回転方向及び回転角速度に係る補正制御信号はモータドライバ２１に入力される。モータドライバ２１は、補正制御信号に基づいた回転方向及び回転角速度で、サンプリング周期の対応する時間だけウェッジ基板１３を回転させる。
【００２５】
なお、ＣＰＵ２６は、ガス供給ノズル６に供給されるシールドガスの流路を開閉する制御弁（図示省略）にも信号送信可能に接続されており、制御弁に対する開閉信号をも出力する。
【００２６】
（補正制御）
次に、レーザ走査中におけるレーザの光軸ＬＳのブレを補正するための補正制御について説明する。図８（ａ）に示すように、前述したレーザ加工装置１では、レーザの焦点位置を接合予定線ＳＳ上に合わせ、レーザ走査を開始する。なお、レーザ走査の開始前には、ウェッジ基板１３を回転させる前の停止位置が、初期の回転角度としてＲＡＭ２８に記憶されている。ＲＡＭ２８に記憶されるウェッジ基板１３の回転角度は、ウェッジ基板１３が回転する度に更新される。
【００２７】
レーザ走査中は、図８（ｂ）に示すように、加工ヘッド３が振動によってブレ易く、加工ヘッド３に働く慣性力によってそのブレ幅も大きくなり易い。図９（ａ）に示すように、このブレを補正しない場合には、レーザの焦点位置は接合予定線ＳＳを挟んで左右にブレた蛇行軌跡Ｆｔを描く。蛇行軌跡Ｆｔはサインカーブを描き、波長ｄ２は約１０ｍｍ、周期は０．１ｓ、蛇行幅ｄ３は約５ｍｍである。さらに、レーザ走査速度は６ｍ／ｍｉｎに設定されており、蛇行軌跡Ｆｔの周波数は１０Ｈｚとなる。
【００２８】
図５に示すように、レーザ走査中には、加速度センサ２３によって加工ヘッド３の加速度が監視されており、加速度が検出されると（Ｓ１）、加速度センサ２３から加速度信号が出力されて主制御処理部２９に入力される（Ｓ２）。
【００２９】
補正制御部２６ｃは、加工ヘッド３から加速度信号が入力されると、ローパスフィルタによって高周波を除去し、低周波数成分（図７参照）のみを取り出す（Ｓ３）。その後、補正制御部２６ｃは、低周波数成分からなる加速度信号について移動平均処理を行い、サンプリング周期「１／１０００ｓｅｃ」内での平均加速度を算出する（Ｓ４）。さらに、補正制御部２６ｃは、平均加速度から変位方向を求め、さらに、平均加速度を積分処理して変位速度を算出し、変位速度を積分処理することでサンプリング周期内の変位量「０．００３ｍｍ」を算出する（Ｓ５）。
【００３０】
その後、補正制御部２６ｃは、ウェッジ基板１３の停止位置としてＲＡＭ２８に記憶されている回転角度を読み出す。補正制御部２６ｃは、その回転角度をステップ５で求めた変位方向及び変位量とともに、ＲＡＭ２８に記憶されたテーブルを参照し、ウェッジ基板１３の回転方向と回転角速度「５πｒａｄ／ｓｅｃ」と回転時間「０．０２５ｓｅｃ」とを求める（Ｓ６）。
【００３１】
なお、補正制御部２６ｃがウェッジ基板１３の回転角速度や回転時間を求める際に、ウェッジ基板１３の停止位置としての回転角度を参照するのは、ウェッジ基板１３の回転角度によって、ウェッジ基板１３の角度変化量に対する焦点位置の変位幅が異なるからである。ウェッジ基板１３の回転角度と焦点位置の変位幅との関係をグラフ化するとサインカーブになる。そして、例えば、振幅を「Ａ」とし、回転角度「０°」の初期停止位置から回転角度「１５°」になるように「１５°」の角度変化量だけ回転させると、焦点位置の変位幅Δｙ１は「Ａ×（sin（15°）−sin（0°））＝０．２５９×Ａ」になる。一方、回転角度「１５°」から回転角度「３０°」になるように「１５°」の角度変化量だけ回転させると、焦点位置の変位幅Δｙ２は「Ａ×（sin（30°）−sin（15°））＝０．２４１×Ａ」になる。このように、ウェッジ基板１３の停止位置が異なれば、各停止位置から同じ角度変化量だけ回転させた場合の変位幅Δｙ１，Δｙ２が異なる。そのため、ウェッジ基板１３の停止位置としての回転角度をも参照してウェッジ基板１３の回転角速度や回転時間を求めている。
【００３２】
その後、補正制御部２６ｃは、ステップ７で求めたウェッジ基板１３の回転方向及び回転角速度に係る補正制御信号を回転機構２２のモータドライバ２１に入力する（Ｓ７）。回転機構２２のモータドライバ２１は、補正制御信号に基づいてモータ１９を駆動制御し、ウェッジ基板１３を所定の回転角速度で所定の回転時間だけ回転させる（Ｓ８）。その結果として、図９（ｂ）に示すように、加工ヘッド３のブレに伴って生じるレーザの光軸ＬＳのブレは補正され、レーザの焦点位置の蛇行が軽減されて所望の直線に近づくようになる。
【００３３】
その後、補正制御部２６ｃは、ＲＡＭ２８に記憶されているウェッジ基板１３の停止位置としての回転角度を、ロータリーエンコーダ２４で検出されたウェッジ基板１３の新たな回転角度に更新する（Ｓ９）。このように、ウェッジ基板１３の回転角度は、ウェッジ基板１３が回転する度に更新され、更新された新たな回転角度は、前述のステップ６においてウェッジ基板１３の回転角速度及び回転時間を求める際に利用される。以上の各処理は、レーザ走査中において繰り返し実行される。
【００３４】
レーザ加工装置１によれば、加工ヘッド２を移動させることなく、ウェッジ基板１３の回転によってレーザの光軸ＬＳのブレを補正できるため、レーザの光軸ＬＳのブレを容易に補正でき、レーザ溶接の精度を向上できる。
【００３５】
また、ウェッジ基板１３がコリメーションレンズ１１よりも光路の上流側に配置されていると、レンズ法線に対するレーザの入射角を大きくしなければレーザの光軸ＬＳのブレを十分に補正できない。しかしながら、入射角が大きいとレンズの収差が大きくなり、所望のビームスポットサイズを得ることが難しくなって溶接精度を低下させてしまう可能性がある。また、ウェッジ基板１３が集光レンズ１２よりも光路の下流側に配置されていると、ワーキングディスタンスが小さくなってしまう。レーザ加工装置１では、ウェッジ基板１３は、コリメーションレンズ１１と集光レンズ１２との間に配置されているために、レーザの光軸ＬＳのブレを補正しながら、容易にビームスポットを所望のサイズにすることができ、さらに、ワーキングディスタンスを広くすることが可能になる。
【００３６】
さらに、加工ヘッド２３の変位値を検出する検出部として加速度センサ２３を用いているために、変位方向及び変位量を求めることができ、変位量を相殺するようにウェッジ基板１３を回転させることによって精度の高い補正を可能にし、その結果として、レーザ溶接の精度を向上できる。
【００３７】
なお、本発明は、以上の実施形態に限定されず、集光レンズとしてＦθレンズを用いて収差の影響を少なくしてもよい。また、ウェッジ基板を複数設け、各ウェッジ基板を回転させる回転機構を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示すレーザ加工装置のブロック図である。
【図３】図１に示すレーザ加工装置のウェッジ基板及び回転機構を拡大して示す断面図である。
【図４】図３のIV−IVに沿った端面図である。
【図５】レーザの光軸のブレを補正する補正制御の動作手順を示すフローチャートである。
【図６】加速度センサで検出した加速度信号から求められた振動波形を示すグラフであり、ローパスフィルタによる高周波成分除去前の状態を示す図である。
【図７】加速度センサで検出した加速度信号から求められた振動波形を示すグラフであり、ローパスフィルタによる高周波成分除去後の状態を示す図である。
【図８】ウェッジ基板の回転に伴って移動するレーザの光軸を示す図であり、（ａ）は加工ヘッドがブレる前の状態を示す図であり、（ｂ）は加工ヘッドがブレてしまった状態を示す図であり、（ｃ）はウェッジ基板を回転させてレーザの光軸のブレを補正した状態を示す図である。
【図９】レーザの光軸のブレに伴って生じる焦点位置の蛇行軌跡を示し、（ａ）は補正を行わなかった場合を示し、（ｂ）は補正を行った場合を示す図である。
【図１０】ウェッジ基板の傾斜角とレーザの焦点位置のずれ量との関係を示す表である。
【符号の説明】
【００３９】
１…レーザ加工装置、３…加工ヘッド、１１…コリメーションレンズ、１２…集光レンズ、１３…ウェッジ基板、２２…回転機構、２３…加速度センサ（検出部）、Ｗ…板材（被溶接物）、接合予定線ＳＳ、ＬＳ…光軸。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザを集光すると共に、そのレーザを走査して溶接を行うレーザ加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、このような分野の技術として、下記特許文献１に記載のレーザ加工装置が知られている。このレーザ加工装置では、レーザ発振器から出力されたレーザを光ファイバで加工ヘッドに伝送する。加工ヘッドには、コリメーションレンズと集光レンズとがレーザの光軸上に配置されている。レーザ加工装置は、集光レンズで集光されたレーザを被溶接物に照射しながら走査することによって連続溶接を行う。
【特許文献１】特開平１１−１９２５７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
被溶接物の連続溶接を行う場合には、接合予定線に沿って加工ヘッドを所定の速度で移動させる必要がある。しなしながら、加工ヘッドを移動させると、加工ヘッドが左右にブレてしまい、さらに、加工へッドに働く慣性力によって加工ヘッドのブレ幅が大きくなり、レーザ溶接の精度を低下させる虞れがあった。
【０００４】
そこで、本発明は、レーザ溶接の精度を向上できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、レーザの光軸上に配置されたコリメーションレンズと集光レンズとを有する加工ヘッドを備え、集光レンズによって被溶接物の接合予定線上にレーザを集光させると共に、接合予定線に沿って走査するように加工ヘッドを移動させるレーザ加工装置において、光軸上に配置されたウェッジ基板と、ウェッジ基板を光軸を中心に回転させる回転機構と、加工ヘッドの変位値を検出する検出部と、加工ヘッドの変位に伴って生じる光軸のブレを補正するために、検出部によって検出された変位値に基づいてウェッジ基板を回転させる補正制御信号を回転機構に対して出力する補正制御部と、を備えることを特徴とする。
【０００６】
このレーザ加工装置では、レーザの光軸上にウェッジ基板が配置され、ウェッジ基板は、回転機構によって光軸を中心に回転する。ウェッジ基板を透過するレーザの光軸は、ウェッジ基板の傾斜角に応じて屈折し、ウェッジ基板の回転に伴って移動する。レーザ走査のために進行する加工ヘッドが変位してレーザの光軸がブレると、補正制御部は、検出部で検出された加工ヘッドの変位値に基づいてウェッジ基板を回転させる補正制御信号を回転機構に出力する。回転機構は、入力された補正制御信号に基づいてウェッジ基板を回転させ、レーザの光軸のブレを補正する。レーザ加工装置によれば、加工ヘッドを移動させることなく、ウェッジ基板の回転によってレーザの光軸のブレを補正できるため、レーザの光軸のブレを容易に補正でき、レーザ溶接の精度を向上できる。
【０００７】
さらに、ウェッジ基板は、コリメーションレンズと集光レンズとの間に配置されていると好適である。ウェッジ基板がコリメーションレンズよりも光路の上流側に配置されていると、レンズ法線に対するレーザの入射角を大きくしなければレーザの光軸のブレを十分に補正できない。しかしながら、入射角が大きいとレンズの収差が大きくなり、所望のビームスポットサイズを得ることが難しくなって溶接精度を低下させてしまう可能性がある。また、ウェッジ基板が集光レンズよりも光路の下流側に配置されていると、ワーキングディスタンスが小さくなってしまう。そこで、ウェッジ基板を、コリメーションレンズと集光レンズとの間に配置した場合には、レーザの光軸のブレを補正しながら、ビームスポットを所望のサイズにすることが容易になり、さらに、ワーキングディスタンスを広くすることが可能になる。その結果として、レーザ溶接の精度を向上できる。
【０００８】
さらに、検出部は、加工ヘッドの変位値として加速度を検出する加速度センサであると好適である。加速度センサによって検出された加速度から変位方向及び変位量を求めることができ、その変位量を相殺するようにウェッジ基板を回転させることによって精度の高い補正を可能にし、その結果として、レーザ溶接の精度を向上させることができる。
【発明の効果】
【０００９】
レーザ溶接の精度を向上できるレーザ加工装置を提供することを目的とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明に係るレーザ加工装置の好適な実施の形態について詳細に説明をする。
【００１１】
（レーザ加工装置）
図１及び図２に示すように、レーザ加工装置１は、溶接用熱源としてＹＡＧレーザを用いる溶接装置である。レーザ加工装置１は、ＹＡＧレーザロッドに励起ランプの光を照射して発振波長が１．０６μｍのレーザを出力するレーザ発振部２と、ステンレス製の板材（被溶接物）Ｗに向けてレーザを照射する加工ヘッド３と、レーザ発振部３から加工ヘッド３にレーザを伝送する光ファイバ４と、加工ヘッド３に固定されると共に、レーザの焦点位置に向けて斜め上方からシールドガスを噴射するガス供給ノズル６とを備える。加工ヘッド３は、マニピュレータ７によって支持され、二枚の板材Ｗが突き合わされた箇所における直線状の接合予定線ＳＳに沿って移動する。
【００１２】
加工ヘッド３のケース３ａ内には、集光光学系８が設けられている。レーザ発振部２から集光光学系８へレーザを伝送する光ファイバ４は、直径０．６ｍｍであり、光ファイバ４から出射したレーザは、ＮＡ０．２で拡散する。
【００１３】
図２及び図３に示すように、集光光学系８は、レーザの光軸ＬＳ上に配置されたコリメーションレンズ１１と集光レンズ１２とを備え、レーザの光軸ＬＳ上においてコリメーションレンズ１１と集光レンズ１２との間には、ウェッジ基板１３が配置されている。コリメーションレンズ１１は、材質がＢＫ７で焦点距離５０ｍｍの平凸レンズであり、光ファイバ４の先端から約５０ｍｍ離れている。光ファイバ４の先端から出射されたレーザは、コリメーションレンズ１１によって平行に成形され、ウェッジ基板１３に入射する。
【００１４】
ウェッジ基板１３（図４参照）は円形であり、コリメーションレンズ１１側の上面１３ａは、集光レンズ１２側の下面１３ｂに対して傾いており、その傾斜角θは約１０度である。ウェッジ基板１３の上面１３ａに入射したレーザは、平行のまま角度α「約５．１度」だけ屈折して集光レンズ１２に入射する。
【００１５】
集光レンズ１２は、材質がＢＫ７で焦点距離が５０ｍｍの凸レンズであり、ウェッジ基板１３の下面１３ｂから１０ｍｍ離れている。集光レンズ１２を透過したレーザは集光レンズ１２から約５０ｍｍ離れた位置で集光する。集光レンズ１２の焦点位置は、ウェッジ基板１３を配置しない場合に比べて約４．４４ｍｍずれている。このずれ量Ｌは、ウェッジ基板１３の傾斜角θと密接に関係しており、傾斜角θが大きくなる程ずれ量Ｌは大きくなる（図１０参照）。
【００１６】
図３及び図４に示すように、ウェッジ基板１３は円筒部材１７の内部に固定されており、円筒部材１７は軸受け１４を介してブラケット１６に固定され、ブラケット１６はケース３ａに固定されている。軸受け１４によって回転自在に支持された円筒部材１７の下部には、歯車１７ａが設けられている。この歯車１７ａは、減速機構１８を介してモータ１９の出力軸１９ａに連結されている。モータ１９は、モータドライバ２１（図２参照）によって駆動制御され、モータ１９の駆動によって円筒部材１７およびウェッジ基板１３は所定の回転角速度で回転する。円筒部材１７、減速機構１８、モータ１９及びモータドライバ２１によってウェッジ基板１３の回転機構２２が構成される。
【００１７】
ウェッジ基板１３は入射レーザの光軸ＬＳを中心に回転し、ウェッジ基板１３が回転すると、レーザの光軸ＬＳの屈折方向が変化し、レーザの光軸ＬＳが移動して焦点位置が移動する。加工ヘッド３のブレに伴ってレーザの光軸ＬＳがブレた場合には、ウェッジ基板１３を回転させることによって補正することができる。なお、ウェッジ基板１３の傾斜角θが大きいほど、光軸ＬＳのブレを補正できる範囲は広がるが、傾斜角θが大きくなるに従って焦点の収差も大きくなって加工性能に影響を及ぼすため、ウェッジ基板１３の傾斜角θは「１０°」程度が望ましい。
【００１８】
加工ヘッド３には、加速度センサ（検出部）２３が固定されている（図２参照）。加速度センサ２３は、半導体式の２軸センサであり、加工ヘッド３の変位値として水平面における２次元の加速度を検出する。レーザ走査を行うために、加工ヘッド３を移動させると、加工ヘッド３は、その移動に伴って左右に僅かなブレを生じる。加速度センサ２３は、このブレに伴う加速度を検出する。
【００１９】
図２に示すように、モータ１９には、インクリメンタル方式のロータリーエンコーダ２４が固定されている。ロータリーエンコーダ２４は、ウェッジ基板１３の回転量に応じた２相のパルスを出力する。各相のパルスは位相がずれて出力されるようになっており、パルスの出力タイミングから回転方向が特定され、さらにパルス数からウェッジ基板の回転量が検出され、ウェッジ基板の回転角度が算出できるようになっている。なお、アブソリュート方式のロータリーエンコーダにて、ウェッジ基板１３の絶対的な回転角度を検出するようにしてもよい。
【００２０】
レーザ加工装置１は、バスを介して接続されたＣＰＵ２６、ＲＯＭ２７及びＲＡＭ２８等によって構成される主制御処理部２９を有する。ＣＰＵ２６は、マニピュレータ７、レーザ発振部２、モータドライバ２１、加速度センサ２３及びロータリーエンコーダ２４に有線もしくは無線によって信号送受信可能に接続されている。
【００２１】
ＣＰＵ２６は、レーザ加工装置１全体の動作制御を行い、特に、レーザの照射制御を行うレーザ発振制御部２６ａと、レーザ走査速度を制御するレーザ走査制御部２６ｂと、加工ヘッド３のブレに伴って生じるレーザの光軸ＬＳのブレを補正するための補正制御信号をモータドライバ２１に出力する補正制御部２６ｃとを有する。
【００２２】
レーザ発振制御部２６ａは、レーザの照射開始と停止に関するＯＮ／ＯＦＦ信号とレーザの照射強度を設定する照射強度設定信号とをレーザ発振部２に出力する。レーザ走査制御部２６ｂは、レーザ走査速度を設定する速度設定信号をマニピュレータ７に出力する。
【００２３】
補正制御部２６ｃは、加速度センサ２３から出力された加速度信号から、ローパスフィルターによって高周波のノイズを減衰させ、１００Ｈｚ以下の低周波成分のみを取り出す。なお、図６は、加速度センサ２３から出力された加速度信号から求められた振動波形ＷＡ１を示し、所定の低周波成分に高周波ノイズが重畳している状態を示す図である。また、図７は、ローパスフィルターによって低周波成分のみを取り出した加速度信号からなる振動波形ＷＡ２を示している。振動波形ＷＡ２の周期は０．１ｓｅｃ、振幅ｄ１は５ｍｍである。
【００２４】
さらに、補正制御部２６ｃは、低周波成分からなる加速度信号に対して移動平均処理を行い、サンプリング周期の平均加速度を算出する。さらに、補正制御部２６ｃは、平均加速度から変位方向を求めるとともに、平均加速度を積分処理して変位速度を算出し、さらに、変位速度を積分処理してサンプリング周期での変位量を算出する。そして、この変位方向、変位量から、レーザの光軸ＬＳのブレを補正するために必要なウェッジ基板１３の回転方向及び回転角速度を求める。ＲＡＭ２８には、ウェッジ基板１３の停止位置としての回転角度、変位方向及び変位量とウェッジ基板１３の回転方向、回転角速度及び回転時間とを対応付けたテーブルが記憶されており、補正制御部２６ｃは、ウェッジ基板１３の回転角度、変位方向及び変位量をテーブルの検索キーに設定し、対応する回転方向、回転角速度及び回転時間を求める。この回転方向及び回転角速度に係る補正制御信号はモータドライバ２１に入力される。モータドライバ２１は、補正制御信号に基づいた回転方向及び回転角速度で、サンプリング周期の対応する時間だけウェッジ基板１３を回転させる。
【００２５】
なお、ＣＰＵ２６は、ガス供給ノズル６に供給されるシールドガスの流路を開閉する制御弁（図示省略）にも信号送信可能に接続されており、制御弁に対する開閉信号をも出力する。
【００２６】
（補正制御）
次に、レーザ走査中におけるレーザの光軸ＬＳのブレを補正するための補正制御について説明する。図８（ａ）に示すように、前述したレーザ加工装置１では、レーザの焦点位置を接合予定線ＳＳ上に合わせ、レーザ走査を開始する。なお、レーザ走査の開始前には、ウェッジ基板１３を回転させる前の停止位置が、初期の回転角度としてＲＡＭ２８に記憶されている。ＲＡＭ２８に記憶されるウェッジ基板１３の回転角度は、ウェッジ基板１３が回転する度に更新される。
【００２７】
レーザ走査中は、図８（ｂ）に示すように、加工ヘッド３が振動によってブレ易く、加工ヘッド３に働く慣性力によってそのブレ幅も大きくなり易い。図９（ａ）に示すように、このブレを補正しない場合には、レーザの焦点位置は接合予定線ＳＳを挟んで左右にブレた蛇行軌跡Ｆｔを描く。蛇行軌跡Ｆｔはサインカーブを描き、波長ｄ２は約１０ｍｍ、周期は０．１ｓ、蛇行幅ｄ３は約５ｍｍである。さらに、レーザ走査速度は６ｍ／ｍｉｎに設定されており、蛇行軌跡Ｆｔの周波数は１０Ｈｚとなる。
【００２８】
図５に示すように、レーザ走査中には、加速度センサ２３によって加工ヘッド３の加速度が監視されており、加速度が検出されると（Ｓ１）、加速度センサ２３から加速度信号が出力されて主制御処理部２９に入力される（Ｓ２）。
【００２９】
補正制御部２６ｃは、加工ヘッド３から加速度信号が入力されると、ローパスフィルタによって高周波を除去し、低周波数成分（図７参照）のみを取り出す（Ｓ３）。その後、補正制御部２６ｃは、低周波数成分からなる加速度信号について移動平均処理を行い、サンプリング周期「１／１０００ｓｅｃ」内での平均加速度を算出する（Ｓ４）。さらに、補正制御部２６ｃは、平均加速度から変位方向を求め、さらに、平均加速度を積分処理して変位速度を算出し、変位速度を積分処理することでサンプリング周期内の変位量「０．００３ｍｍ」を算出する（Ｓ５）。
【００３０】
その後、補正制御部２６ｃは、ウェッジ基板１３の停止位置としてＲＡＭ２８に記憶されている回転角度を読み出す。補正制御部２６ｃは、その回転角度をステップ５で求めた変位方向及び変位量とともに、ＲＡＭ２８に記憶されたテーブルを参照し、ウェッジ基板１３の回転方向と回転角速度「５πｒａｄ／ｓｅｃ」と回転時間「０．０２５ｓｅｃ」とを求める（Ｓ６）。
【００３１】
なお、補正制御部２６ｃがウェッジ基板１３の回転角速度や回転時間を求める際に、ウェッジ基板１３の停止位置としての回転角度を参照するのは、ウェッジ基板１３の回転角度によって、ウェッジ基板１３の角度変化量に対する焦点位置の変位幅が異なるからである。ウェッジ基板１３の回転角度と焦点位置の変位幅との関係をグラフ化するとサインカーブになる。そして、例えば、振幅を「Ａ」とし、回転角度「０°」の初期停止位置から回転角度「１５°」になるように「１５°」の角度変化量だけ回転させると、焦点位置の変位幅Δｙ１は「Ａ×（sin（15°）−sin（0°））＝０．２５９×Ａ」になる。一方、回転角度「１５°」から回転角度「３０°」になるように「１５°」の角度変化量だけ回転させると、焦点位置の変位幅Δｙ２は「Ａ×（sin（30°）−sin（15°））＝０．２４１×Ａ」になる。このように、ウェッジ基板１３の停止位置が異なれば、各停止位置から同じ角度変化量だけ回転させた場合の変位幅Δｙ１，Δｙ２が異なる。そのため、ウェッジ基板１３の停止位置としての回転角度をも参照してウェッジ基板１３の回転角速度や回転時間を求めている。
【００３２】
その後、補正制御部２６ｃは、ステップ７で求めたウェッジ基板１３の回転方向及び回転角速度に係る補正制御信号を回転機構２２のモータドライバ２１に入力する（Ｓ７）。回転機構２２のモータドライバ２１は、補正制御信号に基づいてモータ１９を駆動制御し、ウェッジ基板１３を所定の回転角速度で所定の回転時間だけ回転させる（Ｓ８）。その結果として、図９（ｂ）に示すように、加工ヘッド３のブレに伴って生じるレーザの光軸ＬＳのブレは補正され、レーザの焦点位置の蛇行が軽減されて所望の直線に近づくようになる。
【００３３】
その後、補正制御部２６ｃは、ＲＡＭ２８に記憶されているウェッジ基板１３の停止位置としての回転角度を、ロータリーエンコーダ２４で検出されたウェッジ基板１３の新たな回転角度に更新する（Ｓ９）。このように、ウェッジ基板１３の回転角度は、ウェッジ基板１３が回転する度に更新され、更新された新たな回転角度は、前述のステップ６においてウェッジ基板１３の回転角速度及び回転時間を求める際に利用される。以上の各処理は、レーザ走査中において繰り返し実行される。
【００３４】
レーザ加工装置１によれば、加工ヘッド２を移動させることなく、ウェッジ基板１３の回転によってレーザの光軸ＬＳのブレを補正できるため、レーザの光軸ＬＳのブレを容易に補正でき、レーザ溶接の精度を向上できる。
【００３５】
また、ウェッジ基板１３がコリメーションレンズ１１よりも光路の上流側に配置されていると、レンズ法線に対するレーザの入射角を大きくしなければレーザの光軸ＬＳのブレを十分に補正できない。しかしながら、入射角が大きいとレンズの収差が大きくなり、所望のビームスポットサイズを得ることが難しくなって溶接精度を低下させてしまう可能性がある。また、ウェッジ基板１３が集光レンズ１２よりも光路の下流側に配置されていると、ワーキングディスタンスが小さくなってしまう。レーザ加工装置１では、ウェッジ基板１３は、コリメーションレンズ１１と集光レンズ１２との間に配置されているために、レーザの光軸ＬＳのブレを補正しながら、容易にビームスポットを所望のサイズにすることができ、さらに、ワーキングディスタンスを広くすることが可能になる。
【００３６】
さらに、加工ヘッド２３の変位値を検出する検出部として加速度センサ２３を用いているために、変位方向及び変位量を求めることができ、変位量を相殺するようにウェッジ基板１３を回転させることによって精度の高い補正を可能にし、その結果として、レーザ溶接の精度を向上できる。
【００３７】
なお、本発明は、以上の実施形態に限定されず、集光レンズとしてＦθレンズを用いて収差の影響を少なくしてもよい。また、ウェッジ基板を複数設け、各ウェッジ基板を回転させる回転機構を設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るレーザ加工装置の実施形態を示す斜視図である。
【図２】図１に示すレーザ加工装置のブロック図である。
【図３】図１に示すレーザ加工装置のウェッジ基板及び回転機構を拡大して示す断面図である。
【図４】図３のIV−IVに沿った端面図である。
【図５】レーザの光軸のブレを補正する補正制御の動作手順を示すフローチャートである。
【図６】加速度センサで検出した加速度信号から求められた振動波形を示すグラフであり、ローパスフィルタによる高周波成分除去前の状態を示す図である。
【図７】加速度センサで検出した加速度信号から求められた振動波形を示すグラフであり、ローパスフィルタによる高周波成分除去後の状態を示す図である。
【図８】ウェッジ基板の回転に伴って移動するレーザの光軸を示す図であり、（ａ）は加工ヘッドがブレる前の状態を示す図であり、（ｂ）は加工ヘッドがブレてしまった状態を示す図であり、（ｃ）はウェッジ基板を回転させてレーザの光軸のブレを補正した状態を示す図である。
【図９】レーザの光軸のブレに伴って生じる焦点位置の蛇行軌跡を示し、（ａ）は補正を行わなかった場合を示し、（ｂ）は補正を行った場合を示す図である。
【図１０】ウェッジ基板の傾斜角とレーザの焦点位置のずれ量との関係を示す表である。
【符号の説明】
【００３９】
１…レーザ加工装置、３…加工ヘッド、１１…コリメーションレンズ、１２…集光レンズ、１３…ウェッジ基板、２２…回転機構、２３…加速度センサ（検出部）、Ｗ…板材（被溶接物）、接合予定線ＳＳ、ＬＳ…光軸。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザの光軸上に配置されたコリメーションレンズと集光レンズとを有する加工ヘッドを備え、前記集光レンズによって被溶接物の接合予定線上に前記レーザを集光させると共に、前記接合予定線に沿って走査するように前記加工ヘッドを移動させるレーザ加工装置において、
前記光軸上に配置されたウェッジ基板と、
前記ウェッジ基板を前記光軸を中心に回転させる回転機構と、
前記加工ヘッドの変位値を検出する検出部と、
前記加工ヘッドの変位に伴って生じる前記光軸のブレを補正するために、前記検出部によって検出された前記変位値に基づいて前記ウェッジ基板を回転させる補正制御信号を前記回転機構に対して出力する補正制御部と、を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記ウェッジ基板は、前記コリメーションレンズと前記集光レンズとの間に配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記加工ヘッドの前記変位値として加速度を検出する加速度センサであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置。
【請求項１】
レーザの光軸上に配置されたコリメーションレンズと集光レンズとを有する加工ヘッドを備え、前記集光レンズによって被溶接物の接合予定線上に前記レーザを集光させると共に、前記接合予定線に沿って走査するように前記加工ヘッドを移動させるレーザ加工装置において、
前記光軸上に配置されたウェッジ基板と、
前記ウェッジ基板を前記光軸を中心に回転させる回転機構と、
前記加工ヘッドの変位値を検出する検出部と、
前記加工ヘッドの変位に伴って生じる前記光軸のブレを補正するために、前記検出部によって検出された前記変位値に基づいて前記ウェッジ基板を回転させる補正制御信号を前記回転機構に対して出力する補正制御部と、を備えることを特徴とするレーザ加工装置。
【請求項２】
前記ウェッジ基板は、前記コリメーションレンズと前記集光レンズとの間に配置されていることを特徴とする請求項１記載のレーザ加工装置。
【請求項３】
前記検出部は、前記加工ヘッドの前記変位値として加速度を検出する加速度センサであることを特徴とする請求項１または２記載のレーザ加工装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−８０１（Ｐ２００８−８０１Ａ）
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７４２６６（Ｐ２００６−１７４２６６）
【出願日】平成１８年６月２３日（２００６．６．２３）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２３日（２００６．６．２３）
【出願人】（０００００３３７７）東急車輛製造株式会社 (332)
【Ｆターム（参考）】
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