板材保持装置、板材保持方法、レーザ溶接システム、およびレーザ溶接方法
【課題】板材間の隙間を容易に把握することができる板材保持装置を提供する。
【解決手段】本発明の板材保持装置１０は、押圧部材１１１、駆動手段１２０、移動量検出手段１２３、反力検出手段１２２、および判定手段３０を有する。押圧部材は、隙間を空けて重ねられている複数枚の板材４１，４２，４３のうち最外部に配置される板材を押圧する。駆動手段は、押圧部材を押圧方向に移動させて、板材間の隙間を矯正する。移動量検出手段は、駆動手段により移動される押圧部材の押圧方向における移動量を検出する。反力検出手段は、押圧部材により押圧されて変形した板材から押圧部材が受ける反力を検出する。判定手段は、移動量検出手段により検出された押圧部材の移動量と、反力検出手段により検出された板材からの反力とに基づいて、板材の接触状態を判定する。
【解決手段】本発明の板材保持装置１０は、押圧部材１１１、駆動手段１２０、移動量検出手段１２３、反力検出手段１２２、および判定手段３０を有する。押圧部材は、隙間を空けて重ねられている複数枚の板材４１，４２，４３のうち最外部に配置される板材を押圧する。駆動手段は、押圧部材を押圧方向に移動させて、板材間の隙間を矯正する。移動量検出手段は、駆動手段により移動される押圧部材の押圧方向における移動量を検出する。反力検出手段は、押圧部材により押圧されて変形した板材から押圧部材が受ける反力を検出する。判定手段は、移動量検出手段により検出された押圧部材の移動量と、反力検出手段により検出された板材からの反力とに基づいて、板材の接触状態を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板材保持装置、板材保持方法、レーザ溶接システム、およびレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
板材の重ね合わせ溶接では、板材間の隙間を管理することが重要である。特に、亜鉛メッキ層が形成された鋼板同士をレーザ溶接する場合、鋼板間の隙間が大き過ぎると溶接不良が起こるおそれがあり、逆に隙間が小さ過ぎると亜鉛メッキ層の気化ガスが十分に排出されず、溶接ビードにポロシティが生成されるおそれがある。
【０００３】
これに関連する技術として、下記の特許文献１に示すような板間隙間量計測装置が知られている。引用文献１に開示されている隙間量計測装置は、２枚の板材の振動を付与しつつピックアップセンサにより板材の振動を検出し、検出される周波数が板材間の隙間量に応じて異なることを利用して、板材間の隙間量を求めるものである。このような構成によれば、求められた隙間量に基づいて、板材を押圧する押圧力または溶接条件を変更することにより、溶接欠陥を伴うことなく２枚の板材を溶接することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１２２２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の隙間量計測装置では、隙間と周波数との関係を示すデータを、溶接する板材の組毎に予め測定する必要があり、種々の板材への対応が困難であるという問題がある。板材の厚みおよび材質が変われば、隙間と周波数との関係も変わるため、新たな板材同士を溶接しようとすれば、改めてデータを取得する必要が生じる。
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、板材間の隙間を容易に把握することができる板材保持装置および板材保持方法を提供することである。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、板材間の隙間を調整して、溶接品質を確保することができるレーザ溶接システムおよびレーザ溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００９】
本発明の板材保持装置は、押圧部材、駆動手段、移動量検出手段、反力検出手段、および判定手段を有する。前記押圧部材は、隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する。前記駆動手段は、前記押圧部材を押圧方向に移動させて、前記板材間の隙間を矯正する。前記移動量検出手段は、前記駆動手段により移動される前記押圧部材の前記押圧方向における移動量を検出する。前記反力検出手段は、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する。前記判定手段は、前記移動量検出手段により検出された前記押圧部材の前記移動量と、前記反力検出手段により検出された前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する。
【００１０】
本発明の板材保持方法は、第１および第２段階を有する。前記第１段階は、隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材の押圧方向における移動量を検出するとともに、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する。前記第２段階は、前記押圧部材の前記移動量と前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する。
【００１１】
本発明のレーザ溶接システムは、押圧部材、駆動手段、移動量検出手段、反力検出手段、判定手段、制御手段、およびレーザ光照射手段を有する。前記押圧部材は、隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する。前記駆動手段は、前記押圧部材を押圧方向に移動させて、前記板材間の隙間を矯正する。前記移動量検出手段は、前記駆動手段により移動される前記押圧部材の前記押圧方向における移動量を検出する。前記反力検出手段は、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する。前記判定手段は、前記移動量検出手段により検出された前記押圧部材の前記移動量と、前記反力検出手段により検出された前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する。前記制御手段は、前記判定手段により判定される前記板材の接触状態に基づいて前記駆動手段を制御することにより、前記隙間を調整する。前記レーザ光照射手段は、前記制御手段により前記隙間が調整された前記板材にレーザ光を照射して、当該板材をレーザ溶接する。
【００１２】
本発明のレーザ溶接方法は、第１〜第４段階を有する。前記第１段階は、隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材の押圧方向における移動量を検出するとともに、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する。前記第２段階は、前記押圧部材の前記移動量と前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する。前記第３段階は、前記板材の接触状態に基づいて前記押圧部材を移動させることにより、前記隙間を調整する。前記第４段階は、前記隙間が調整された前記板材にレーザ光を照射して、当該板材をレーザ溶接する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の板材間の板材保持装置および板材保持方法によれば、複数枚の板材の接触状態が判定されるため、板材の接触状態から板材間の隙間を容易に把握することができる。
【００１４】
また、本発明のレーザ溶接システムおよびレーザ溶接方法によれば、板材間の隙間の状態が容易に把握されるため、板材間の隙間の状態を適切に調整して、溶接品質を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるレーザ溶接システムを説明するための図である。
【図２】図１に示される板材保持装置の概略構成を説明するための図である。
【図３】図２に示される板材保持装置の押圧部材の移動にともなう板材の接触状態の変化を示す図である。
【図４】図２に示される板材保持装置の押圧部材の移動量と板材からの反力との関係を示す図である。
【図５】図２に示される板材保持装置の変形例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態における板材保持装置を示す図である。
【図７】図６に示される板材保持装置の変形例を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態における板材保持装置を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態である強度調整処理を説明するための図である。
【図１０】エンボスの位置と板材の強度との関係を示す図である。
【図１１】強度調整処理の作用効果を説明するための図である。
【図１２】強度調整処理の作用効果を説明するための図である。
【図１３】強度調整処理の作用効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図中、同様の部材には、同一の符号を用いた。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるレーザ溶接システムを説明するための図である。
【００１８】
図１に示すとおり、本実施の形態におけるレーザ溶接システムは、板材保持装置１０、レーザ溶接装置２０、および制御装置３０を備える。
【００１９】
板材保持装置１０は、隙間を空けて重ねられた複数枚の板材４０を保持するものである。板材保持装置１０は、クランプ機構と駆動機構とを有しており、複数枚の板材４０をクランプすることによって複数枚の板材４０を保持する。板材保持装置１０によって保持される板材４０は、たとえば、亜鉛メッキ層が形成された鋼板であり、溶接時の亜鉛の気化ガスの排出経路が確保されるように、板材４０は、隙間を空けて重ねられている。板材保持装置１０についての詳細な説明は後述する。
【００２０】
レーザ溶接装置２０は、隙間を空けて重ねられた複数枚の板材４０をレーザ溶接するものである。レーザ溶接装置２０は、レーザ光を照射する加工ヘッド２１と、加工ヘッド２１を所定の位置へ移動させる移動ロボット２２とを有しており、移動ロボット２２によって加工ヘッド２１を移動させて所定の溶接箇所へレーザ光を照射する。また、加工ヘッド２１の内部には、光学ミラーなどの光学系が備えられており、板材４０上でレーザ光を走査させることができる。なお、レーザ溶接装置２０自体は、一般的なレーザ溶接装置であるため、詳細な説明は省略する。
【００２１】
制御装置３０は、板材保持装置１０およびレーザ溶接装置２０を制御するものである。制御装置３０は、板材保持装置１０と電気的に接続されており、板材保持装置１０の駆動機構の駆動情報を取得する。制御装置３０は、板材保持装置１０を制御して、板材４０間の隙間を矯正するとともに、レーザ溶接装置２０を制御して、隙間が矯正された板材４０にレーザ光を照射する。
【００２２】
次に、図２を参照して、本実施の形態における板材保持装置１０について詳細に説明する。
【００２３】
図２は、図１に示される板材保持装置の概略構成を説明するための図である。図２に示すとおり、本実施の形態の板材保持装置１０は、クランプ機構１１０と駆動機構１２０とを有する。板材保持装置１０には、３枚の板材４１，４２，４３が保持されている。
【００２４】
クランプ機構１１０は、支軸を中心に回動可能に設けられている押圧部材１１１と、押圧部材１１１とともに板材４１，４２，４３をクランプする受け部材１１２とを有する。押圧部材１１１は、駆動機構１２０と連結されており、駆動機構１２０の連結部１２１ａが昇降することにより、押圧方向に移動する。押圧部材１１１が移動することにより、押圧部材１１１と受け部材１１２とによって板材４１，４２，４３をクランプすることができる。板材４１，４２，４３は、所定の隙間を空けて配置されるように、片持ち支持構造に形成されている。押圧部材１１１の押圧方向における位置が制御されることにより、板材４１，４２，４３が変形し、板材４１，４２，４３間の隙間が矯正される。
【００２５】
駆動機構１２０は、昇降機構１２１とサーボモータ１２２とを有する。昇降機構１２１は、リニアステージであり、連結部１２１ａを介して押圧部材１１１と連結されている。サーボモータ１２２は、昇降機構１２１の連結部１２１ａを昇降させるものであり、制御装置３０によって制御される。サーボモータ１２２は、制御装置３０に電気的に接続されており、サーボモータ１２２の駆動トルクを示す駆動電流が検出される。また、サーボモータ１２２には、エンコーダ１２３が取り付けられており、サーボモータ１２２の回転量が検出される。制御装置３０は、サーボモータ１２２の駆動電流と回転量とから、押圧部材１１１に作用する板材４１，４２，４３からの反力と押圧部材１１１の移動量とをそれぞれ算出する。
【００２６】
以上のとおり構成される本実施の形態の板材保持装置１０では、隙間を空けて保持されている複数枚の板材を押圧する押圧部材１１１の移動量と押圧部材１１１が押圧する板材４１，４２，４３からの反力とに基づいて、複数枚の板材４０の接触状態が判定される。そして、接触状態の判定結果に基づいて、押圧部材１１１の押圧方向における位置が制御されることにより、板材４１，４２，４３の隙間が調整される。以下、図３および図４を参照して、本実施の形態の板材保持装置１０を用いた板材保持方法について説明する。なお、以下では、隙間を空けて重ねられている３枚の板材（上板４１、中板４２、および下板４３）の接触状態を判定し、接触状態に基づいて板材間の隙間を調整する場合を例に挙げて説明する。
【００２７】
図３は、押圧部材の移動にともなう板材の接触状態の変化を示す図であり、図４は、押圧部材の移動量と板材からの反力との関係を示す図である。図４の縦軸は、押圧部材１１１の移動量であり、横軸は、変形した板材から押圧部材１１１が受ける反力である。
【００２８】
板材保持装置１０の押圧部材１１１が３枚の板材４１，４２，４３を上方から押圧する場合、押圧部材１１１の押圧方向に沿った移動量に応じて、３枚の板材４１，４２，４３の接触状態が変化する。本実施の形態の板材保持装置１０は、３枚の板材４１，４２，４３の接触状態に応じて変化する板材からの反力を検出することにより、板材４１，４２，４３の接触状態を判定する。なお、本実施の形態では、下板４３と受け部材１１２との間に厚板（不図示）が配置され、クランプ機構１１０によってクランプされても下板４３が変形しないように構成されている。
【００２９】
図３（Ａ）は、片持ち構造の上板４１を押圧部材１１１が押圧する第１の状態を示す図である。
【００３０】
受け部材１１２上に載置される板材４１，４２，４３に向かって押圧部材１１１が移動する場合、まず、押圧部材１１１は、上板４１のみを押圧する。押圧部材１１１が、上板４１のみを押圧している第１の状態では、押圧部材１１１には、変形した上板４１からの反力のみが作用する。
【００３１】
具体的には、図４の第１領域（ａ）に示すとおり、押圧部材１１１が上板４１のみを押圧する第１の状態では、押圧部材１１１の移動量が増加するに連れて上板４１の変形量が増加し、これにともなって、上板４１から押圧部材１１１に作用する反力が増加する。したがって、第１領域（ａ）では、押圧部材１１１の移動量に対して比例的に増加する反力が検出される。押圧部材１１１の移動量がさらに増加するにともなって、上板４１の先端部は、中板４２の先端部に接触する。
【００３２】
図３（Ｂ）は、上板４１の先端部と中板４２の先端部とが接触している板材を押圧部材１１１が押圧する第２の状態を示す図である。
【００３３】
上板４１の先端部と中板４２の先端部とが接触している第２の状態では、押圧部材１１１には、変形した上板４１および中板４２からの反力が作用する。したがって、第１の状態に比べて、押圧部材１１１が受ける反力が増加する。
【００３４】
具体的には、図４の第２領域（ｂ）に示すとおり、上板４１の先端部が中板４２に接触した時点から、反力−変位量曲線の傾きが増加する。より具体的には、上板４１と中板４２とが同じ厚さおよび材料の板材である場合、第１領域（ａ）における直線の傾きＡに比べて、第２領域（ｂ）における直線の傾きＢは、２倍の大きさ（Ｂ＝２Ａ）を示す。押圧部材１１１の移動量がさらに増加するにともなって、中板４２の先端部は、下板４３の先端部に接触する。
【００３５】
図３（Ｃ）は、上板４１、中板４２、および下板４３の先端部が接触している板材を押圧部材１１１が押圧する第３の状態を示す図である。
【００３６】
上板４１、中板４２、および下板４３の先端部が接触している第３の状態では、押圧部材１１１には、下板４３によって両持ち支持されている上板４１および中板４２からの反力が作用する。したがって、上板４１および中板４２が片持ち支持されている第２の状態に比べて、変形した上板４１および中板４２から押圧部材１１１が受ける反力が増加する。
【００３７】
具体的には、図４の第３領域（ｃ）に示すとおり、中板４２の先端部が下板４３に接触した時点から、反力−変位量曲線の傾きが大きくなる。押圧部材１１１の移動量がさらに増加するにともなって、上板４１と中板４２との接触面積が増加し、上板４１と中板４２との間の隙間がなくなる。
【００３８】
図３（Ｄ）は、上板４１と中板４２との間の隙間がなくなっている第４の状態を示す図である。
【００３９】
上板４１と中板４２との間の隙間がなくなっている第４の状態では、押圧部材１１１には、さらに大きな反力が作用する。具体的には、図４の第４領域（ｄ）に示すとおり、上板４１と中板４２との間の隙間がなくなった時点から、反力−変位量曲線の傾きが大きくなる。押圧部材１１１の移動量がさらに増加するにともなって、今度は、中板４２と下板４３との接触面積が増加し、中板４２と下板４３との間の隙間がなくなる。
【００４０】
図３（Ｅ）は、中板４２と下板４３との間の隙間がなくなっている第５の状態を示す図である。
【００４１】
中板４２と下板４３との間の隙間がなくなっている第５の状態では、押圧部材１１１には、さらに大きな反力が作用する。具体的には、図４の第５領域（ｅ）に示すとおり、中板４２と下板４３との間の隙間がなくなった時点から、反力−変位量曲線の傾きがさらに大きくなる。
【００４２】
以上のとおり、本実施の形態の板材保持装置１０によれば、押圧部材１１１の押圧方向に沿った移動量に応じて変化する３枚の板材４１，４２，４３からの反力を検出することにより、板材４１，４２，４３の接触状態が判定される。板材４１，４２，４３の接触状態を判定することにより、板材間の隙間を調整することが可能となる。
【００４３】
具体的には、たとえば、図４における第３領域（ｃ）と第４領域（ｄ）との境界に位置する２つの直線の傾きが変化する特徴点を基準として、当該特徴点を示す押圧部材１１１の位置から所定量だけ押圧部材１１１を移動させる。これにより、板材の接触状態および隙間を所望の状態および大きさに調整することができる。
【００４４】
そして、上記特徴点を基準にして所定量だけ押圧部材１１１を移動させて板材４１，４２，４３間の隙間を調整した後、板材４１，４２，４３にレーザ光を照射して、板材をレーザ溶接する。このとき、板材４１，４２，４３間の隙間から亜鉛メッキの気化ガスが排出される。その結果、隙間が小さすぎて溶接ビードにポロシティを発生させることも、隙間が大き過ぎて溶接不良を起こすこともなく、板材４１，４２，４３をレーザ溶接することができる。すなわち、レーザ溶接による板材の溶接品質を確保することができる。
【００４５】
（変形例）
なお、本実施の形態の板材保持装置１０では、サーボモータの回転量のみから押圧部材１１１の移動量を算出した。しかしながら、押圧部材１１１の移動量を精度良く検出する見地から、押圧部材１１１に歪みゲージ１１３のような変形量検出手段を貼り付けてもよい（図５参照）。このような構成によれば、歪みゲージ１１３からの信号に基づいて取得される押圧部材１１１の変形量に基づいて、制御装置３０が、押圧部材１１１の移動量を補正することにより、押圧部材１１１の移動量を精度良く検出することができる。
【００４６】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。
【００４７】
（ａ）本実施の形態の板材保持装置１０は、押圧部材１１１の押圧方向における移動量と、板材４１，４２，４３から押圧部材１１１が受ける反力とに基づいて、板材４１，４２，４３の接触状態を判定する。したがって、複数枚の板材の接触状態が判定されるため、板材の接触状態から板材間の隙間を容易に把握することができる。また、本実施の形態の板材保持装置１０では、隙間を調整するクランプ機構１１０と、板材の接触状態を判定するための判定機構とが一体化されているため、装置構成が簡略化される。さらに、３枚以上の板材の接触状態を判定することが可能であり、たとえば、３枚の板材間の２つの隙間を把握することができる。なお、板材間の隙間量に応じて周波数が異なることを利用して隙間量を求める方式では、３枚の板材の接触状態を把握することはできない。また、ストッパを用いてクランプ機構の押圧部材と受け部材との間隔を調整する方式では、３枚の板材間の２つの隙間を調整することはできない。
【００４８】
（ｂ）板材からの反力と押圧部材の移動量との関係を示す反力の特性曲線は、板材の接触状態に応じて曲線の傾きが変化する複数の特徴点を有し、制御装置は、特徴点および曲線の傾きの少なくとも一方から、板材の接触状態を判定する。したがって、反力の特性曲線における特徴点の通過数をカウントすることにより、あるいは、板材の剛性および厚さから曲線の傾きを求めることにより、板材の接触状態を判定することができる。
【００４９】
（ｃ）本実施の形態では、駆動機構１２０の駆動情報から、移動量および反力がそれぞれ検出される。したがって、移動量および反力を検出するためのセンサを別途に準備する必要がなく、板材保持装置１０の構成を簡素化することができる。
【００５０】
（ｄ）駆動機構１２０は、サーボモータ１２２を有し、サーボモータ１２２の回転量から移動量が検出され、サーボモータ１２２の駆動トルクから反力が検出される。したがって、移動量および反力がサーボモータ１２２からともに取得されるため、移動量と反力との時間軸を調整する必要がなく、調整性および制御性が向上する。
【００５１】
（ｅ）板材保持装置１０は、板材を押圧している押圧部材１１１の変形量を検出する歪みゲージ１１３をさらに有し、制御装置３０は、歪みゲージ１１３により検出された押圧部材１１１の変形量から、押圧部材１１１の移動量を補正する。したがって、押圧部材１１１の移動量をより正確に検出することができる。
【００５２】
（ｆ）本実施の形態のレーザ溶接システムは、駆動機構２０を制御して板材間の隙間を調整する制御装置３０と、制御装置３０により隙間が調整された３枚の板材４０にレーザ光を照射して板材をレーザ溶接するレーザ溶接装置２０とを有する。したがって、板材間の隙間の状態を適切に調整して、溶接品質を確保することができる。
【００５３】
（ｇ）本実施の形態の板材保持方法は、隙間を空けて重ねられる板材のうち最上部の板材を押圧する押圧部材の移動量を検出するとともに、押圧部材が受ける反力を検出する段階と、移動量と反力とに基づいて板材の接触状態を判定する段階と、を有する。したがって、複数枚の板材の接触状態が判定されるため、板材の接触状態から板材間の隙間を容易に把握することができる。また、３枚以上の板材の接触状態を判定することが可能であり、たとえば、３枚の板材間の２つの隙間を把握することができる。
【００５４】
（ｈ）本実施の形態のレーザ溶接方法は、駆動機構２０を制御して板材間の隙間を調整する段階と、制御装置３０により隙間が調整された板材にレーザ光を照射して、板材をレーザ溶接する段階と、を有する。したがって、板材間の隙間の状態を適切に調整して、溶接品質を確保することができる。
【００５５】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態における板材保持装置を示す図である。本実施の形態は、押圧部材を押圧方向に移動させる駆動機構として、エアシリンダを用いる実施の形態である。
【００５６】
図６に示すとおり、本実施の形態の板材保持装置１０は、クランプ機構１１０とブレーキ付エアシリンダ１２４とから構成される。クランプ機構１１０の押圧部材１１１の先端部には、反力を検出するためのロードセル１１４が取り付けられており、エアシリンダ１２４のロッドには、磁歪式変位センサ１２６が取り付けられている。エアシリンダ１２４は、電空比例弁１２５と接続されており、電空比例弁１２５は、制御装置３０によって制御される。
【００５７】
このような構成によれば、制御装置３０によってエアシリンダ１２４のエア圧が制御されることによって連結部１２１ａが昇降し、押圧部材１１１が移動されるため、サーボモータを用いる場合と比較して、より安価に板材保持装置１０を構成することができる。
【００５８】
なお、本実施の形態とは異なり、磁歪式変位センサ１２６の代わりに、レーザ変位計１２７を用いてもよい（図７参照）。また、ロードセル１１４の代わりに、エアシリンダ１２４のエア圧力を検出する圧力計を用いてもよい。
【００５９】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００６０】
（ｉ）本実施の形態の駆動機構１２０は、エアシリンダ１２４と、エアシリンダ１２４に接続される電空比例弁１２５と、を有する。したがって、サーボモータを用いる場合と比較して、板材保持装置１０の製造コストを抑制することができる。
【００６１】
（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態における板材保持装置を示す図である。本実施の形態は、クランプ機構１１０の押圧部材１１１をサーボモータ１２２により直接的に駆動する実施の形態である。
【００６２】
図８に示すとおり、本実施の形態の板材保持装置１０は、押圧部材１１１の支軸に直接的に連結されるサーボモータ１２２を備える。サーボモータ１２２には、エンコーダ１２３が取り付けられている。
【００６３】
このような構成によれば、押圧部材１１１にサーボモータ１２２が直接的に連結されるため、サーボモータ１２２の駆動トルクを検出することにより、押圧部材１１１が板材４０から受ける反力をより高精度に検出することができる。
【００６４】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１および第２の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００６５】
（ｊ）本実施の形態の駆動機構１２０は、押圧部材１１１に直接的に接続されるサーボモータ１２２を有する。したがって、板材保持装置１０の構成をより簡素化することができる。また、押圧部材１１１が板材４０から受ける反力をより精度よく検出することができる。
【００６６】
（第４の実施の形態）
隙間を空けて重ねられている３枚の板材をクランプ機構によってクランプする場合、上板と中板との間の隙間の変形量、および、中板と下板との間の隙間の変形量は、板材の強度（剛性）によって決まる。本実施の形態は、板材の強度を変化させることにより、板材間の隙間の変形量を調整する実施の形態である。
【００６７】
図９は、本発明の第４の実施の形態である強度調整処理を説明するための図である。図９に示すとおり、本実施の形態の板材保持装置１０では、上板４１に補強部材としてのエンボス４１ａ，４１ｂが形成される。本実施の形態のエンボス４１ａ，４１ｂは、上板４１と中板４２との間の隙間を確保するためのスペーサの役割も果たしている。
【００６８】
２つのエンボス４１ａ，４１ｂの間隔は、３枚の板材４１，４２，４３の厚さおよび保持構成に応じて適宜調整される。たとえば、図１０（Ａ）に示すとおり、中板４２と下板４３とが片側の端部のみで固定されている場合には、図１０（Ｂ）に示すとおり、中板４２と下板４３とが両方の端部で固定されている場合に比べて、２つのエンボス４１ａ，４１ｂの間隔Ｌが長く形成される。
【００６９】
そして、このような構成によれば、押圧部材１１１に対する上板４１の強度を高めることができる。その結果、押圧部材１１１により押圧されることによって矯正される上板４１と中板４２との間の隙間と、中板４２と下板４３との間の隙間とを同じにすることができる。
【００７０】
なお、板材間の隙間の変形量を調整するために板材の強度を変更する方法は、エンボスを形成する方法のみに限定されず、たとえば、上板４１の形状を変更して中板４２と接触する状態を形成したり、あるいは、板材の厚さを変更させたりしても実現される。
【００７１】
下記（１）および（２）式に示すような片持ち梁および両持ち梁のたわみの式からも明らかなように、板材の強度は、板厚の３乗に比例して増加する。また、板材の強度は、エンボス間の距離の３乗に比例して増加する。さらに、片持ち支持の状態の板材にエンボスを形成して、板材を両持ち支持の状態にすることによっても、板材の強度は向上される。
【００７２】
【数１】
【００７３】
【数２】
【００７４】
ここで、Ｐ：加圧力、Ｅ：板材のヤング率、Ｉ：断面二次モーメント（∝板厚ｈ３）、ａ：加圧位置、Ｌ：板材の長さである。
【００７５】
次に、図１１〜図１３を参照して、本実施の形態の強度調整処理の効果を説明する。なお、以下では、エンボスを形成する代わりに、上板４１を厚く形成することにより、上板４１の強度を調整している。
【００７６】
図１１および図１２は、比較例として、上板４１と下板４３とが同じ厚さ（すなわち、同じ強度）を有している場合の板材の挙動を示す図である。
【００７７】
図１１に示すとおり、上板４１と下板４３の厚さが同じであって、板材間の隙間ｇ１，ｇ２の初期値が異なる場合、初期値が小さい上板４１の方が、下板４３よりも先に中板４２に接触する。
【００７８】
しかしながら、図１３に示すとおり、上板４１を下板４３よりも厚く形成することにより、隙間の初期値が異なる場合であっても、上板４１と中板４２との間の隙間ｇ１と、中板４２と下板４３との間の隙間ｇ２とを最終的に同じ大きさに調整することができる。
【００７９】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１〜第３の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００８０】
（ｋ）上板の強度が調整されることにより、上板４１と中板４２との間の隙間ｇ１と、中板４２と下板４３との間の隙間ｇ２とが調整される。したがって、３枚の板材４１，４２，４３間の隙間を適切に確保することが可能となる。
【００８１】
（ｌ）本実施の形態における上板４１と中板４２との間には、上板４１の強度を変化させるためのエンボス４１ａ，４１ｂが備えられている。したがって、板材４１にエンボス４１ａ，４１ｂを設けることにより、上板４１の強度を容易に調整することができる。
【００８２】
（ｍ）本実施の形態のエンボス４１ａ，４１ｂは、板材４１，４２間の隙間を確保するためのスペーサを兼ねる。したがって、上板４１にエンボス４１ａ，４１ｂを設けることにより、上板４１の強度を調整するのみならず、板材間の隙間を確保することができる。
【００８３】
以上のとおり、説明した第１〜第４の実施の形態において、本発明の板材保持装置、板材保持方法、レーザ溶接システム、およびレーザ溶接方法を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８４】
１０ 板材保持装置、
２０ レーザ溶接装置、
３０ 制御装置（判定手段、制御手段、補正手段）、
４０ 板材、
４１ 上板（第３の板材）、
４１ａ，４１ｂ エンボス（補強手段）、
４２ 中板（第２の板材）、
４３ 下板（第１の板材）、
１１０ クランプ機構、
１１１ 押圧部材、
１１２ 受け部材、
１１３ 歪みゲージ（変形量検出手段）、
１１４ ロードセル（反力検出手段）、
１２０ 駆動機構（駆動手段）、
１２１ 昇降機構（駆動手段）、
１２２ サーボモータ（駆動手段、反力検出手段）、
１２３ エンコーダ（移動量検出手段）、
１２４ エアシリンダ、
１２５ 空電比例弁（制御バルブ）、
１２６ 磁歪式変位センサ（移動量検出手段）、
１２７ レーザ変位計（移動量検出手段）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、板材保持装置、板材保持方法、レーザ溶接システム、およびレーザ溶接方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
板材の重ね合わせ溶接では、板材間の隙間を管理することが重要である。特に、亜鉛メッキ層が形成された鋼板同士をレーザ溶接する場合、鋼板間の隙間が大き過ぎると溶接不良が起こるおそれがあり、逆に隙間が小さ過ぎると亜鉛メッキ層の気化ガスが十分に排出されず、溶接ビードにポロシティが生成されるおそれがある。
【０００３】
これに関連する技術として、下記の特許文献１に示すような板間隙間量計測装置が知られている。引用文献１に開示されている隙間量計測装置は、２枚の板材の振動を付与しつつピックアップセンサにより板材の振動を検出し、検出される周波数が板材間の隙間量に応じて異なることを利用して、板材間の隙間量を求めるものである。このような構成によれば、求められた隙間量に基づいて、板材を押圧する押圧力または溶接条件を変更することにより、溶接欠陥を伴うことなく２枚の板材を溶接することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１２２２０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の隙間量計測装置では、隙間と周波数との関係を示すデータを、溶接する板材の組毎に予め測定する必要があり、種々の板材への対応が困難であるという問題がある。板材の厚みおよび材質が変われば、隙間と周波数との関係も変わるため、新たな板材同士を溶接しようとすれば、改めてデータを取得する必要が生じる。
【０００６】
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものである。したがって、本発明の目的は、板材間の隙間を容易に把握することができる板材保持装置および板材保持方法を提供することである。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、板材間の隙間を調整して、溶接品質を確保することができるレーザ溶接システムおよびレーザ溶接方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の上記目的は、下記の手段によって達成される。
【０００９】
本発明の板材保持装置は、押圧部材、駆動手段、移動量検出手段、反力検出手段、および判定手段を有する。前記押圧部材は、隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する。前記駆動手段は、前記押圧部材を押圧方向に移動させて、前記板材間の隙間を矯正する。前記移動量検出手段は、前記駆動手段により移動される前記押圧部材の前記押圧方向における移動量を検出する。前記反力検出手段は、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する。前記判定手段は、前記移動量検出手段により検出された前記押圧部材の前記移動量と、前記反力検出手段により検出された前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する。
【００１０】
本発明の板材保持方法は、第１および第２段階を有する。前記第１段階は、隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材の押圧方向における移動量を検出するとともに、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する。前記第２段階は、前記押圧部材の前記移動量と前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する。
【００１１】
本発明のレーザ溶接システムは、押圧部材、駆動手段、移動量検出手段、反力検出手段、判定手段、制御手段、およびレーザ光照射手段を有する。前記押圧部材は、隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する。前記駆動手段は、前記押圧部材を押圧方向に移動させて、前記板材間の隙間を矯正する。前記移動量検出手段は、前記駆動手段により移動される前記押圧部材の前記押圧方向における移動量を検出する。前記反力検出手段は、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する。前記判定手段は、前記移動量検出手段により検出された前記押圧部材の前記移動量と、前記反力検出手段により検出された前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する。前記制御手段は、前記判定手段により判定される前記板材の接触状態に基づいて前記駆動手段を制御することにより、前記隙間を調整する。前記レーザ光照射手段は、前記制御手段により前記隙間が調整された前記板材にレーザ光を照射して、当該板材をレーザ溶接する。
【００１２】
本発明のレーザ溶接方法は、第１〜第４段階を有する。前記第１段階は、隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材の押圧方向における移動量を検出するとともに、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する。前記第２段階は、前記押圧部材の前記移動量と前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する。前記第３段階は、前記板材の接触状態に基づいて前記押圧部材を移動させることにより、前記隙間を調整する。前記第４段階は、前記隙間が調整された前記板材にレーザ光を照射して、当該板材をレーザ溶接する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の板材間の板材保持装置および板材保持方法によれば、複数枚の板材の接触状態が判定されるため、板材の接触状態から板材間の隙間を容易に把握することができる。
【００１４】
また、本発明のレーザ溶接システムおよびレーザ溶接方法によれば、板材間の隙間の状態が容易に把握されるため、板材間の隙間の状態を適切に調整して、溶接品質を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態におけるレーザ溶接システムを説明するための図である。
【図２】図１に示される板材保持装置の概略構成を説明するための図である。
【図３】図２に示される板材保持装置の押圧部材の移動にともなう板材の接触状態の変化を示す図である。
【図４】図２に示される板材保持装置の押圧部材の移動量と板材からの反力との関係を示す図である。
【図５】図２に示される板材保持装置の変形例を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態における板材保持装置を示す図である。
【図７】図６に示される板材保持装置の変形例を示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態における板材保持装置を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態である強度調整処理を説明するための図である。
【図１０】エンボスの位置と板材の強度との関係を示す図である。
【図１１】強度調整処理の作用効果を説明するための図である。
【図１２】強度調整処理の作用効果を説明するための図である。
【図１３】強度調整処理の作用効果を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、添付の図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図中、同様の部材には、同一の符号を用いた。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるレーザ溶接システムを説明するための図である。
【００１８】
図１に示すとおり、本実施の形態におけるレーザ溶接システムは、板材保持装置１０、レーザ溶接装置２０、および制御装置３０を備える。
【００１９】
板材保持装置１０は、隙間を空けて重ねられた複数枚の板材４０を保持するものである。板材保持装置１０は、クランプ機構と駆動機構とを有しており、複数枚の板材４０をクランプすることによって複数枚の板材４０を保持する。板材保持装置１０によって保持される板材４０は、たとえば、亜鉛メッキ層が形成された鋼板であり、溶接時の亜鉛の気化ガスの排出経路が確保されるように、板材４０は、隙間を空けて重ねられている。板材保持装置１０についての詳細な説明は後述する。
【００２０】
レーザ溶接装置２０は、隙間を空けて重ねられた複数枚の板材４０をレーザ溶接するものである。レーザ溶接装置２０は、レーザ光を照射する加工ヘッド２１と、加工ヘッド２１を所定の位置へ移動させる移動ロボット２２とを有しており、移動ロボット２２によって加工ヘッド２１を移動させて所定の溶接箇所へレーザ光を照射する。また、加工ヘッド２１の内部には、光学ミラーなどの光学系が備えられており、板材４０上でレーザ光を走査させることができる。なお、レーザ溶接装置２０自体は、一般的なレーザ溶接装置であるため、詳細な説明は省略する。
【００２１】
制御装置３０は、板材保持装置１０およびレーザ溶接装置２０を制御するものである。制御装置３０は、板材保持装置１０と電気的に接続されており、板材保持装置１０の駆動機構の駆動情報を取得する。制御装置３０は、板材保持装置１０を制御して、板材４０間の隙間を矯正するとともに、レーザ溶接装置２０を制御して、隙間が矯正された板材４０にレーザ光を照射する。
【００２２】
次に、図２を参照して、本実施の形態における板材保持装置１０について詳細に説明する。
【００２３】
図２は、図１に示される板材保持装置の概略構成を説明するための図である。図２に示すとおり、本実施の形態の板材保持装置１０は、クランプ機構１１０と駆動機構１２０とを有する。板材保持装置１０には、３枚の板材４１，４２，４３が保持されている。
【００２４】
クランプ機構１１０は、支軸を中心に回動可能に設けられている押圧部材１１１と、押圧部材１１１とともに板材４１，４２，４３をクランプする受け部材１１２とを有する。押圧部材１１１は、駆動機構１２０と連結されており、駆動機構１２０の連結部１２１ａが昇降することにより、押圧方向に移動する。押圧部材１１１が移動することにより、押圧部材１１１と受け部材１１２とによって板材４１，４２，４３をクランプすることができる。板材４１，４２，４３は、所定の隙間を空けて配置されるように、片持ち支持構造に形成されている。押圧部材１１１の押圧方向における位置が制御されることにより、板材４１，４２，４３が変形し、板材４１，４２，４３間の隙間が矯正される。
【００２５】
駆動機構１２０は、昇降機構１２１とサーボモータ１２２とを有する。昇降機構１２１は、リニアステージであり、連結部１２１ａを介して押圧部材１１１と連結されている。サーボモータ１２２は、昇降機構１２１の連結部１２１ａを昇降させるものであり、制御装置３０によって制御される。サーボモータ１２２は、制御装置３０に電気的に接続されており、サーボモータ１２２の駆動トルクを示す駆動電流が検出される。また、サーボモータ１２２には、エンコーダ１２３が取り付けられており、サーボモータ１２２の回転量が検出される。制御装置３０は、サーボモータ１２２の駆動電流と回転量とから、押圧部材１１１に作用する板材４１，４２，４３からの反力と押圧部材１１１の移動量とをそれぞれ算出する。
【００２６】
以上のとおり構成される本実施の形態の板材保持装置１０では、隙間を空けて保持されている複数枚の板材を押圧する押圧部材１１１の移動量と押圧部材１１１が押圧する板材４１，４２，４３からの反力とに基づいて、複数枚の板材４０の接触状態が判定される。そして、接触状態の判定結果に基づいて、押圧部材１１１の押圧方向における位置が制御されることにより、板材４１，４２，４３の隙間が調整される。以下、図３および図４を参照して、本実施の形態の板材保持装置１０を用いた板材保持方法について説明する。なお、以下では、隙間を空けて重ねられている３枚の板材（上板４１、中板４２、および下板４３）の接触状態を判定し、接触状態に基づいて板材間の隙間を調整する場合を例に挙げて説明する。
【００２７】
図３は、押圧部材の移動にともなう板材の接触状態の変化を示す図であり、図４は、押圧部材の移動量と板材からの反力との関係を示す図である。図４の縦軸は、押圧部材１１１の移動量であり、横軸は、変形した板材から押圧部材１１１が受ける反力である。
【００２８】
板材保持装置１０の押圧部材１１１が３枚の板材４１，４２，４３を上方から押圧する場合、押圧部材１１１の押圧方向に沿った移動量に応じて、３枚の板材４１，４２，４３の接触状態が変化する。本実施の形態の板材保持装置１０は、３枚の板材４１，４２，４３の接触状態に応じて変化する板材からの反力を検出することにより、板材４１，４２，４３の接触状態を判定する。なお、本実施の形態では、下板４３と受け部材１１２との間に厚板（不図示）が配置され、クランプ機構１１０によってクランプされても下板４３が変形しないように構成されている。
【００２９】
図３（Ａ）は、片持ち構造の上板４１を押圧部材１１１が押圧する第１の状態を示す図である。
【００３０】
受け部材１１２上に載置される板材４１，４２，４３に向かって押圧部材１１１が移動する場合、まず、押圧部材１１１は、上板４１のみを押圧する。押圧部材１１１が、上板４１のみを押圧している第１の状態では、押圧部材１１１には、変形した上板４１からの反力のみが作用する。
【００３１】
具体的には、図４の第１領域（ａ）に示すとおり、押圧部材１１１が上板４１のみを押圧する第１の状態では、押圧部材１１１の移動量が増加するに連れて上板４１の変形量が増加し、これにともなって、上板４１から押圧部材１１１に作用する反力が増加する。したがって、第１領域（ａ）では、押圧部材１１１の移動量に対して比例的に増加する反力が検出される。押圧部材１１１の移動量がさらに増加するにともなって、上板４１の先端部は、中板４２の先端部に接触する。
【００３２】
図３（Ｂ）は、上板４１の先端部と中板４２の先端部とが接触している板材を押圧部材１１１が押圧する第２の状態を示す図である。
【００３３】
上板４１の先端部と中板４２の先端部とが接触している第２の状態では、押圧部材１１１には、変形した上板４１および中板４２からの反力が作用する。したがって、第１の状態に比べて、押圧部材１１１が受ける反力が増加する。
【００３４】
具体的には、図４の第２領域（ｂ）に示すとおり、上板４１の先端部が中板４２に接触した時点から、反力−変位量曲線の傾きが増加する。より具体的には、上板４１と中板４２とが同じ厚さおよび材料の板材である場合、第１領域（ａ）における直線の傾きＡに比べて、第２領域（ｂ）における直線の傾きＢは、２倍の大きさ（Ｂ＝２Ａ）を示す。押圧部材１１１の移動量がさらに増加するにともなって、中板４２の先端部は、下板４３の先端部に接触する。
【００３５】
図３（Ｃ）は、上板４１、中板４２、および下板４３の先端部が接触している板材を押圧部材１１１が押圧する第３の状態を示す図である。
【００３６】
上板４１、中板４２、および下板４３の先端部が接触している第３の状態では、押圧部材１１１には、下板４３によって両持ち支持されている上板４１および中板４２からの反力が作用する。したがって、上板４１および中板４２が片持ち支持されている第２の状態に比べて、変形した上板４１および中板４２から押圧部材１１１が受ける反力が増加する。
【００３７】
具体的には、図４の第３領域（ｃ）に示すとおり、中板４２の先端部が下板４３に接触した時点から、反力−変位量曲線の傾きが大きくなる。押圧部材１１１の移動量がさらに増加するにともなって、上板４１と中板４２との接触面積が増加し、上板４１と中板４２との間の隙間がなくなる。
【００３８】
図３（Ｄ）は、上板４１と中板４２との間の隙間がなくなっている第４の状態を示す図である。
【００３９】
上板４１と中板４２との間の隙間がなくなっている第４の状態では、押圧部材１１１には、さらに大きな反力が作用する。具体的には、図４の第４領域（ｄ）に示すとおり、上板４１と中板４２との間の隙間がなくなった時点から、反力−変位量曲線の傾きが大きくなる。押圧部材１１１の移動量がさらに増加するにともなって、今度は、中板４２と下板４３との接触面積が増加し、中板４２と下板４３との間の隙間がなくなる。
【００４０】
図３（Ｅ）は、中板４２と下板４３との間の隙間がなくなっている第５の状態を示す図である。
【００４１】
中板４２と下板４３との間の隙間がなくなっている第５の状態では、押圧部材１１１には、さらに大きな反力が作用する。具体的には、図４の第５領域（ｅ）に示すとおり、中板４２と下板４３との間の隙間がなくなった時点から、反力−変位量曲線の傾きがさらに大きくなる。
【００４２】
以上のとおり、本実施の形態の板材保持装置１０によれば、押圧部材１１１の押圧方向に沿った移動量に応じて変化する３枚の板材４１，４２，４３からの反力を検出することにより、板材４１，４２，４３の接触状態が判定される。板材４１，４２，４３の接触状態を判定することにより、板材間の隙間を調整することが可能となる。
【００４３】
具体的には、たとえば、図４における第３領域（ｃ）と第４領域（ｄ）との境界に位置する２つの直線の傾きが変化する特徴点を基準として、当該特徴点を示す押圧部材１１１の位置から所定量だけ押圧部材１１１を移動させる。これにより、板材の接触状態および隙間を所望の状態および大きさに調整することができる。
【００４４】
そして、上記特徴点を基準にして所定量だけ押圧部材１１１を移動させて板材４１，４２，４３間の隙間を調整した後、板材４１，４２，４３にレーザ光を照射して、板材をレーザ溶接する。このとき、板材４１，４２，４３間の隙間から亜鉛メッキの気化ガスが排出される。その結果、隙間が小さすぎて溶接ビードにポロシティを発生させることも、隙間が大き過ぎて溶接不良を起こすこともなく、板材４１，４２，４３をレーザ溶接することができる。すなわち、レーザ溶接による板材の溶接品質を確保することができる。
【００４５】
（変形例）
なお、本実施の形態の板材保持装置１０では、サーボモータの回転量のみから押圧部材１１１の移動量を算出した。しかしながら、押圧部材１１１の移動量を精度良く検出する見地から、押圧部材１１１に歪みゲージ１１３のような変形量検出手段を貼り付けてもよい（図５参照）。このような構成によれば、歪みゲージ１１３からの信号に基づいて取得される押圧部材１１１の変形量に基づいて、制御装置３０が、押圧部材１１１の移動量を補正することにより、押圧部材１１１の移動量を精度良く検出することができる。
【００４６】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、以下の効果を奏する。
【００４７】
（ａ）本実施の形態の板材保持装置１０は、押圧部材１１１の押圧方向における移動量と、板材４１，４２，４３から押圧部材１１１が受ける反力とに基づいて、板材４１，４２，４３の接触状態を判定する。したがって、複数枚の板材の接触状態が判定されるため、板材の接触状態から板材間の隙間を容易に把握することができる。また、本実施の形態の板材保持装置１０では、隙間を調整するクランプ機構１１０と、板材の接触状態を判定するための判定機構とが一体化されているため、装置構成が簡略化される。さらに、３枚以上の板材の接触状態を判定することが可能であり、たとえば、３枚の板材間の２つの隙間を把握することができる。なお、板材間の隙間量に応じて周波数が異なることを利用して隙間量を求める方式では、３枚の板材の接触状態を把握することはできない。また、ストッパを用いてクランプ機構の押圧部材と受け部材との間隔を調整する方式では、３枚の板材間の２つの隙間を調整することはできない。
【００４８】
（ｂ）板材からの反力と押圧部材の移動量との関係を示す反力の特性曲線は、板材の接触状態に応じて曲線の傾きが変化する複数の特徴点を有し、制御装置は、特徴点および曲線の傾きの少なくとも一方から、板材の接触状態を判定する。したがって、反力の特性曲線における特徴点の通過数をカウントすることにより、あるいは、板材の剛性および厚さから曲線の傾きを求めることにより、板材の接触状態を判定することができる。
【００４９】
（ｃ）本実施の形態では、駆動機構１２０の駆動情報から、移動量および反力がそれぞれ検出される。したがって、移動量および反力を検出するためのセンサを別途に準備する必要がなく、板材保持装置１０の構成を簡素化することができる。
【００５０】
（ｄ）駆動機構１２０は、サーボモータ１２２を有し、サーボモータ１２２の回転量から移動量が検出され、サーボモータ１２２の駆動トルクから反力が検出される。したがって、移動量および反力がサーボモータ１２２からともに取得されるため、移動量と反力との時間軸を調整する必要がなく、調整性および制御性が向上する。
【００５１】
（ｅ）板材保持装置１０は、板材を押圧している押圧部材１１１の変形量を検出する歪みゲージ１１３をさらに有し、制御装置３０は、歪みゲージ１１３により検出された押圧部材１１１の変形量から、押圧部材１１１の移動量を補正する。したがって、押圧部材１１１の移動量をより正確に検出することができる。
【００５２】
（ｆ）本実施の形態のレーザ溶接システムは、駆動機構２０を制御して板材間の隙間を調整する制御装置３０と、制御装置３０により隙間が調整された３枚の板材４０にレーザ光を照射して板材をレーザ溶接するレーザ溶接装置２０とを有する。したがって、板材間の隙間の状態を適切に調整して、溶接品質を確保することができる。
【００５３】
（ｇ）本実施の形態の板材保持方法は、隙間を空けて重ねられる板材のうち最上部の板材を押圧する押圧部材の移動量を検出するとともに、押圧部材が受ける反力を検出する段階と、移動量と反力とに基づいて板材の接触状態を判定する段階と、を有する。したがって、複数枚の板材の接触状態が判定されるため、板材の接触状態から板材間の隙間を容易に把握することができる。また、３枚以上の板材の接触状態を判定することが可能であり、たとえば、３枚の板材間の２つの隙間を把握することができる。
【００５４】
（ｈ）本実施の形態のレーザ溶接方法は、駆動機構２０を制御して板材間の隙間を調整する段階と、制御装置３０により隙間が調整された板材にレーザ光を照射して、板材をレーザ溶接する段階と、を有する。したがって、板材間の隙間の状態を適切に調整して、溶接品質を確保することができる。
【００５５】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態における板材保持装置を示す図である。本実施の形態は、押圧部材を押圧方向に移動させる駆動機構として、エアシリンダを用いる実施の形態である。
【００５６】
図６に示すとおり、本実施の形態の板材保持装置１０は、クランプ機構１１０とブレーキ付エアシリンダ１２４とから構成される。クランプ機構１１０の押圧部材１１１の先端部には、反力を検出するためのロードセル１１４が取り付けられており、エアシリンダ１２４のロッドには、磁歪式変位センサ１２６が取り付けられている。エアシリンダ１２４は、電空比例弁１２５と接続されており、電空比例弁１２５は、制御装置３０によって制御される。
【００５７】
このような構成によれば、制御装置３０によってエアシリンダ１２４のエア圧が制御されることによって連結部１２１ａが昇降し、押圧部材１１１が移動されるため、サーボモータを用いる場合と比較して、より安価に板材保持装置１０を構成することができる。
【００５８】
なお、本実施の形態とは異なり、磁歪式変位センサ１２６の代わりに、レーザ変位計１２７を用いてもよい（図７参照）。また、ロードセル１１４の代わりに、エアシリンダ１２４のエア圧力を検出する圧力計を用いてもよい。
【００５９】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００６０】
（ｉ）本実施の形態の駆動機構１２０は、エアシリンダ１２４と、エアシリンダ１２４に接続される電空比例弁１２５と、を有する。したがって、サーボモータを用いる場合と比較して、板材保持装置１０の製造コストを抑制することができる。
【００６１】
（第３の実施の形態）
図８は、本発明の第３の実施の形態における板材保持装置を示す図である。本実施の形態は、クランプ機構１１０の押圧部材１１１をサーボモータ１２２により直接的に駆動する実施の形態である。
【００６２】
図８に示すとおり、本実施の形態の板材保持装置１０は、押圧部材１１１の支軸に直接的に連結されるサーボモータ１２２を備える。サーボモータ１２２には、エンコーダ１２３が取り付けられている。
【００６３】
このような構成によれば、押圧部材１１１にサーボモータ１２２が直接的に連結されるため、サーボモータ１２２の駆動トルクを検出することにより、押圧部材１１１が板材４０から受ける反力をより高精度に検出することができる。
【００６４】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１および第２の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００６５】
（ｊ）本実施の形態の駆動機構１２０は、押圧部材１１１に直接的に接続されるサーボモータ１２２を有する。したがって、板材保持装置１０の構成をより簡素化することができる。また、押圧部材１１１が板材４０から受ける反力をより精度よく検出することができる。
【００６６】
（第４の実施の形態）
隙間を空けて重ねられている３枚の板材をクランプ機構によってクランプする場合、上板と中板との間の隙間の変形量、および、中板と下板との間の隙間の変形量は、板材の強度（剛性）によって決まる。本実施の形態は、板材の強度を変化させることにより、板材間の隙間の変形量を調整する実施の形態である。
【００６７】
図９は、本発明の第４の実施の形態である強度調整処理を説明するための図である。図９に示すとおり、本実施の形態の板材保持装置１０では、上板４１に補強部材としてのエンボス４１ａ，４１ｂが形成される。本実施の形態のエンボス４１ａ，４１ｂは、上板４１と中板４２との間の隙間を確保するためのスペーサの役割も果たしている。
【００６８】
２つのエンボス４１ａ，４１ｂの間隔は、３枚の板材４１，４２，４３の厚さおよび保持構成に応じて適宜調整される。たとえば、図１０（Ａ）に示すとおり、中板４２と下板４３とが片側の端部のみで固定されている場合には、図１０（Ｂ）に示すとおり、中板４２と下板４３とが両方の端部で固定されている場合に比べて、２つのエンボス４１ａ，４１ｂの間隔Ｌが長く形成される。
【００６９】
そして、このような構成によれば、押圧部材１１１に対する上板４１の強度を高めることができる。その結果、押圧部材１１１により押圧されることによって矯正される上板４１と中板４２との間の隙間と、中板４２と下板４３との間の隙間とを同じにすることができる。
【００７０】
なお、板材間の隙間の変形量を調整するために板材の強度を変更する方法は、エンボスを形成する方法のみに限定されず、たとえば、上板４１の形状を変更して中板４２と接触する状態を形成したり、あるいは、板材の厚さを変更させたりしても実現される。
【００７１】
下記（１）および（２）式に示すような片持ち梁および両持ち梁のたわみの式からも明らかなように、板材の強度は、板厚の３乗に比例して増加する。また、板材の強度は、エンボス間の距離の３乗に比例して増加する。さらに、片持ち支持の状態の板材にエンボスを形成して、板材を両持ち支持の状態にすることによっても、板材の強度は向上される。
【００７２】
【数１】
【００７３】
【数２】
【００７４】
ここで、Ｐ：加圧力、Ｅ：板材のヤング率、Ｉ：断面二次モーメント（∝板厚ｈ３）、ａ：加圧位置、Ｌ：板材の長さである。
【００７５】
次に、図１１〜図１３を参照して、本実施の形態の強度調整処理の効果を説明する。なお、以下では、エンボスを形成する代わりに、上板４１を厚く形成することにより、上板４１の強度を調整している。
【００７６】
図１１および図１２は、比較例として、上板４１と下板４３とが同じ厚さ（すなわち、同じ強度）を有している場合の板材の挙動を示す図である。
【００７７】
図１１に示すとおり、上板４１と下板４３の厚さが同じであって、板材間の隙間ｇ１，ｇ２の初期値が異なる場合、初期値が小さい上板４１の方が、下板４３よりも先に中板４２に接触する。
【００７８】
しかしながら、図１３に示すとおり、上板４１を下板４３よりも厚く形成することにより、隙間の初期値が異なる場合であっても、上板４１と中板４２との間の隙間ｇ１と、中板４２と下板４３との間の隙間ｇ２とを最終的に同じ大きさに調整することができる。
【００７９】
以上のとおり、説明した本実施の形態は、第１〜第３の実施の形態の効果に加えて、以下の効果を奏する。
【００８０】
（ｋ）上板の強度が調整されることにより、上板４１と中板４２との間の隙間ｇ１と、中板４２と下板４３との間の隙間ｇ２とが調整される。したがって、３枚の板材４１，４２，４３間の隙間を適切に確保することが可能となる。
【００８１】
（ｌ）本実施の形態における上板４１と中板４２との間には、上板４１の強度を変化させるためのエンボス４１ａ，４１ｂが備えられている。したがって、板材４１にエンボス４１ａ，４１ｂを設けることにより、上板４１の強度を容易に調整することができる。
【００８２】
（ｍ）本実施の形態のエンボス４１ａ，４１ｂは、板材４１，４２間の隙間を確保するためのスペーサを兼ねる。したがって、上板４１にエンボス４１ａ，４１ｂを設けることにより、上板４１の強度を調整するのみならず、板材間の隙間を確保することができる。
【００８３】
以上のとおり、説明した第１〜第４の実施の形態において、本発明の板材保持装置、板材保持方法、レーザ溶接システム、およびレーザ溶接方法を説明した。しかしながら、本発明は、その技術思想の範囲内において当業者が適宜に追加、変形、および省略することができることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００８４】
１０ 板材保持装置、
２０ レーザ溶接装置、
３０ 制御装置（判定手段、制御手段、補正手段）、
４０ 板材、
４１ 上板（第３の板材）、
４１ａ，４１ｂ エンボス（補強手段）、
４２ 中板（第２の板材）、
４３ 下板（第１の板材）、
１１０ クランプ機構、
１１１ 押圧部材、
１１２ 受け部材、
１１３ 歪みゲージ（変形量検出手段）、
１１４ ロードセル（反力検出手段）、
１２０ 駆動機構（駆動手段）、
１２１ 昇降機構（駆動手段）、
１２２ サーボモータ（駆動手段、反力検出手段）、
１２３ エンコーダ（移動量検出手段）、
１２４ エアシリンダ、
１２５ 空電比例弁（制御バルブ）、
１２６ 磁歪式変位センサ（移動量検出手段）、
１２７ レーザ変位計（移動量検出手段）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材と、
前記押圧部材を押圧方向に移動させて、前記板材間の隙間を矯正する駆動手段と、
前記駆動手段により移動される前記押圧部材の前記押圧方向における移動量を検出する移動量検出手段と、
前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する反力検出手段と、
前記移動量検出手段により検出された前記押圧部材の前記移動量と、前記反力検出手段により検出された前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する判定手段と、を有することを特徴とする板材保持装置。
【請求項２】
前記板材からの前記反力と前記押圧部材の前記移動量との関係を示す反力の特性曲線は、前記板材の接触状態に応じて曲線の傾きが変化する特徴点を有し、
前記判断手段は、前記特徴点および前記曲線の傾きの少なくとも一方から、前記板材の接触状態を判定することを特徴とする請求項１に記載の板材保持装置。
【請求項３】
前記移動量検出手段および前記反力検出手段は、前記駆動手段の駆動情報から、前記移動量および前記反力をそれぞれ検出することを特徴とする請求項１または２に記載の板材保持装置。
【請求項４】
前記駆動手段は、サーボモータを有し、
前記移動量検出手段は、前記サーボモータの回転量から、前記移動量を検出し、
前記反力検出手段は、前記サーボモータの駆動トルクから、前記反力を検出することを特徴とする請求項３に記載の板材保持装置。
【請求項５】
前記押圧部材は、回動可能に回動軸により支持されており、
前記サーボモータの回転軸は、前記押圧部材の回動軸に直接的に連結されていることを特徴とする請求項４に記載の板材保持装置。
【請求項６】
前記駆動手段は、エアシリンダと、当該エアシリンダのエア圧を調整する制御バルブと、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の板材保持装置。
【請求項７】
前記押圧部材に取り付けられ、前記板材を押圧している前記押圧部材の変形量を検出する変形量検出手段と、
前記変形量検出手段により検出された前記押圧部材の変形量から、前記押圧部材の前記移動量を補正する補正手段と、をさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の板材保持装置。
【請求項８】
前記複数枚の板材は、第１の板材と、前記第１の板材上に重ねられた第２の板材と、前記第２の板材上に重ねられ前記押圧部材により押圧される第３の板材と、を有し、
前記第３の板材の強度が調整されることにより、前記押圧方向に移動される前記押圧部材によって矯正される前記板材間の隙間の大きさが調整されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の板材保持装置。
【請求項９】
前記第２の板材と前記第３の板材との間には、前記強度を調整するための補強部材が備えられることを特徴とする請求項８に記載の板材保持装置。
【請求項１０】
前記補強部材は、当該補強部材が備えられる前記板材間の隙間を確保するためのスペーサを兼ねることを特徴とする請求項９に記載の板材保持装置。
【請求項１１】
隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材と、
前記押圧部材を押圧方向に移動させて、前記板材間の隙間を矯正する駆動手段と、
前記駆動手段により移動される前記押圧部材の前記押圧方向における移動量を検出する移動量検出手段と、
前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する反力検出手段と、
前記移動量検出手段により検出された前記押圧部材の前記移動量と、前記反力検出手段により検出された前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する判定手段と、
前記判定手段により判定される前記板材の接触状態に基づいて前記駆動手段を制御することにより、前記隙間を調整する制御手段と、
前記制御手段により前記隙間が調整された前記板材にレーザ光を照射して、当該板材をレーザ溶接するレーザ光照射手段と、を有することを特徴とするレーザ溶接システム。
【請求項１２】
隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材の押圧方向における移動量を検出するとともに、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する段階と、
前記押圧部材の前記移動量と前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する段階と、を有することを特徴とする板材保持方法。
【請求項１３】
隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材の押圧方向における移動量を検出するとともに、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する段階と、
前記押圧部材の前記移動量と前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する段階と、
前記板材の接触状態に基づいて前記押圧部材を移動させることにより、前記隙間を調整する段階と、
前記隙間が調整された前記板材にレーザ光を照射して、当該板材をレーザ溶接する段階と、を有することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項１】
隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材と、
前記押圧部材を押圧方向に移動させて、前記板材間の隙間を矯正する駆動手段と、
前記駆動手段により移動される前記押圧部材の前記押圧方向における移動量を検出する移動量検出手段と、
前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する反力検出手段と、
前記移動量検出手段により検出された前記押圧部材の前記移動量と、前記反力検出手段により検出された前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する判定手段と、を有することを特徴とする板材保持装置。
【請求項２】
前記板材からの前記反力と前記押圧部材の前記移動量との関係を示す反力の特性曲線は、前記板材の接触状態に応じて曲線の傾きが変化する特徴点を有し、
前記判断手段は、前記特徴点および前記曲線の傾きの少なくとも一方から、前記板材の接触状態を判定することを特徴とする請求項１に記載の板材保持装置。
【請求項３】
前記移動量検出手段および前記反力検出手段は、前記駆動手段の駆動情報から、前記移動量および前記反力をそれぞれ検出することを特徴とする請求項１または２に記載の板材保持装置。
【請求項４】
前記駆動手段は、サーボモータを有し、
前記移動量検出手段は、前記サーボモータの回転量から、前記移動量を検出し、
前記反力検出手段は、前記サーボモータの駆動トルクから、前記反力を検出することを特徴とする請求項３に記載の板材保持装置。
【請求項５】
前記押圧部材は、回動可能に回動軸により支持されており、
前記サーボモータの回転軸は、前記押圧部材の回動軸に直接的に連結されていることを特徴とする請求項４に記載の板材保持装置。
【請求項６】
前記駆動手段は、エアシリンダと、当該エアシリンダのエア圧を調整する制御バルブと、を有することを特徴とする請求項１または２に記載の板材保持装置。
【請求項７】
前記押圧部材に取り付けられ、前記板材を押圧している前記押圧部材の変形量を検出する変形量検出手段と、
前記変形量検出手段により検出された前記押圧部材の変形量から、前記押圧部材の前記移動量を補正する補正手段と、をさらに有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の板材保持装置。
【請求項８】
前記複数枚の板材は、第１の板材と、前記第１の板材上に重ねられた第２の板材と、前記第２の板材上に重ねられ前記押圧部材により押圧される第３の板材と、を有し、
前記第３の板材の強度が調整されることにより、前記押圧方向に移動される前記押圧部材によって矯正される前記板材間の隙間の大きさが調整されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の板材保持装置。
【請求項９】
前記第２の板材と前記第３の板材との間には、前記強度を調整するための補強部材が備えられることを特徴とする請求項８に記載の板材保持装置。
【請求項１０】
前記補強部材は、当該補強部材が備えられる前記板材間の隙間を確保するためのスペーサを兼ねることを特徴とする請求項９に記載の板材保持装置。
【請求項１１】
隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材と、
前記押圧部材を押圧方向に移動させて、前記板材間の隙間を矯正する駆動手段と、
前記駆動手段により移動される前記押圧部材の前記押圧方向における移動量を検出する移動量検出手段と、
前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する反力検出手段と、
前記移動量検出手段により検出された前記押圧部材の前記移動量と、前記反力検出手段により検出された前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する判定手段と、
前記判定手段により判定される前記板材の接触状態に基づいて前記駆動手段を制御することにより、前記隙間を調整する制御手段と、
前記制御手段により前記隙間が調整された前記板材にレーザ光を照射して、当該板材をレーザ溶接するレーザ光照射手段と、を有することを特徴とするレーザ溶接システム。
【請求項１２】
隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材の押圧方向における移動量を検出するとともに、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する段階と、
前記押圧部材の前記移動量と前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する段階と、を有することを特徴とする板材保持方法。
【請求項１３】
隙間を空けて重ねられている複数枚の板材のうち最外部に配置される板材を押圧する押圧部材の押圧方向における移動量を検出するとともに、前記押圧部材により押圧されて変形した前記板材から当該押圧部材が受ける反力を検出する段階と、
前記押圧部材の前記移動量と前記板材からの前記反力とに基づいて、前記板材の接触状態を判定する段階と、
前記板材の接触状態に基づいて前記押圧部材を移動させることにより、前記隙間を調整する段階と、
前記隙間が調整された前記板材にレーザ光を照射して、当該板材をレーザ溶接する段階と、を有することを特徴とするレーザ溶接方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１０−２０７８２９（Ｐ２０１０−２０７８２９Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３８７７（Ｐ２００９−５３８７７）
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【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２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月６日（２００９．３．６）
【出願人】（０００００３９９７）日産自動車株式会社 (16,386)
【Ｆターム（参考）】
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