(57)【要約】【課題】  レーザ加工作業中に光ファイバに生じ得る絡みや撓みの問題を解消でき、しかもロボットの外形寸法の増加を効果的に抑制できるレーザ加工用ロボットを提供する。【解決手段】  マニピュレータ１４の腕部２８は、第１制御軸４４に関して固定配置される第１部材４８と、第１制御軸４４に関して回転可能に第１部材４８に支持され、手首部２６を有する第２部材５０とを備え、配線通路５２が第１及び第２部材の内部に連続して形成される。第１部材には光ファイバ導入口５４が設けられ、第２部材の手首部には光ファイバ導出口５６が設けられる。レーザ加工ツール１８は、第２制御軸４６に関して旋回可能な装着部６０と、装着部に内設され、光ファイバ２２から出射されたレーザ光を反射してノズル部６４のレーザ光通路６２に導く反射部６６とを備え、光ファイバの出力端面２２ａが、光ファイバ導出口５６と反射部６６との間に位置決めされる。【選択図】      図３
2006055954.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
手首部及び該手首部を有する腕部を備え、複数の制御軸が設置されるマニピュレータと、該マニピュレータの該手首部に装着されるレーザ加工ツールと、該レーザ加工ツールに向けてレーザ光を伝送する光ファイバと、該マニピュレータの該腕部に内設され、該光ファイバを収容する配線通路とを具備するレーザ加工用ロボットにおいて、
前記腕部は、前記手首部とは反対側で第１制御軸に関して固定配置される第１部材と、該第１制御軸に関して回転可能に該第１部材に支持され、末端に該手首部を有する第２部材とを備え、前記配線通路が該第１部材及び該第２部材の内部に連続して形成され、該第１部材に該配線通路の光ファイバ導入口が設けられるとともに、該第２部材の該手首部に該配線通路の光ファイバ導出口が設けられ、
前記レーザ加工ツールは、前記第１制御軸に直交する第２制御軸に関して旋回可能に前記手首部に装着される装着部と、該第２制御軸の軸線に交差する方向へ延びるレーザ光通路を有して該装着部から延設されるノズル部と、該装着部に内設され、前記光ファイバから出射されたレーザ光を反射して該レーザ光通路に導く反射部とを備え、
前記光ファイバの出力端面が、前記手首部に設けた前記光ファイバ導出口と前記レーザ加工ツールの前記反射部との間に位置決めされていること、
を特徴とするレーザ加工用ロボット。
【請求項２】
前記光ファイバの前記出力端面が前記第２制御軸の前記軸線上に位置決めされ、該出力端面から出射されたレーザ光の光軸が該第２制御軸の該軸線と合致している、請求項１に記載のレーザ加工用ロボット。
【請求項３】
前記レーザ加工ツールの前記反射部が、前記ノズル部の前記レーザ光通路内に、前記第１制御軸の軸線から離れた位置で前記第２制御軸の前記軸線に略直交する反射レーザ光の光軸を規定する、請求項１又は２に記載のレーザ加工用ロボット。
【請求項４】
前記レーザ加工ツールを前記第２制御軸に関して旋回させる電動機をさらに具備し、該電動機が前記腕部の前記第２部材の内部に収納されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工用ロボット。
【請求項５】
前記電動機の出力を前記レーザ加工ツールの前記装着部に伝達する動力伝達機構をさらに具備し、該電動機が、前記第２部材の内部で該動力伝達機構の出力側要素に並置されている、請求項４に記載のレーザ加工用ロボット。
【請求項６】
前記マニピュレータが、５軸垂直多関節型マニピュレータである、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工用ロボット。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工用ロボットと、前記光ファイバに接続されるレーザ発振器とを具備するロボットシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ加工用ロボットに関する。本発明はまた、レーザ加工用ロボットを備えたロボットシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
産業用ロボットでレーザ加工を実施するレーザ加工ロボットシステムにおいて、ロボット機構部（本願でマニピュレータと称する）の手首部に装着したレーザ加工ツールにレーザ発振器からのレーザ光を供給する伝送路として、光ファイバを使用する構成が知られている。このロボットシステムでは、光ファイバは、その許容最小曲げ半径が大きいので、通常、ケーブル又はコンジット収納の形態の線条体として、許容最小曲げ半径以上の曲げ半径を維持できる自由度を有してマニピュレータの外部に架線される。このような構成では、レーザ加工作業に際してマニピュレータが動作する間、それに伴い線条体の架線様態が大きく変動し、例えば線条体が過剰に引っ張られて腕部や周辺部材に絡まったり、線条体が過剰に弛んでその曲率変動によりレーザ光の出力が低下したりする等、加工作業に支障を来す惧れがあった。
【０００３】
レーザ加工ロボットシステムにおける光ファイバ架線に関する問題を解決するために、従来、光ファイバ（又は線条体）をマニピュレータの腕部に収容することが提案されている。例えば特許文献１は、多関節ロボットの先端の手首部に取り付けたレーザトーチに接続される光ファイバを、手首部を有するアームの回転軸の中空部に回転軸線に沿って配設した構成を開示する。また、特許文献２は、産業用ロボットの手首部に装着したエンドエフェクタに動力、信号、材料等を供給するケーブルを、アーム側面の進入口からアーム内部に引き込むとともに、手首部の回転軸の軸線に交差する位置に設けた通過口から引き出して、エンドエフェクタまで延設した構成を開示する。
【０００４】
【特許文献１】特許第２６０６０１１号公報
【特許文献２】特開２００３−２００３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１に開示される構成では、光ファイバは、手首部を有するアームの後端から回転軸の中空部を通してアーム内に導入され、そのまま先端のレーザトーチまで延設されている。レーザトーチは、アーム回転軸の軸線に直交する方向へ手首部から突設されているので、光ファイバは、レーザトーチの直前で約９０°方向転換して延設される。このような構成では、レーザトーチ直前の曲げ領域で、光ファイバの許容最小曲げ半径を確保することが困難になる惧れがある。このとき、手首部からのレーザトーチの突出量を大きく取ることにより、レーザトーチ直前での光ファイバの許容最小曲げ半径を確保できるようになるが、その場合にはロボットの特にエンドエフェクタ領域の外形寸法が増大することが懸念される。
【０００６】
また、特許文献２に開示される構成では、やはりエンドエフェクタが手首部の回転軸の軸線に直交する方向へ突設されているので、エンドエフェクタの直前でケーブルの許容最小曲げ半径を確保するために、手首部を二股状の構造にしてケーブルの一部分が外部に露出するように構成している。このようなケーブルの露出部分は、光ファイバを内蔵している場合には、前述した過剰な絡みや弛みに起因する問題を生起する惧れがある。また、この構成においても、エンドエフェクタ領域の外形寸法の増大が懸念される。
【０００７】
本発明の目的は、レーザ加工作業中に光ファイバに生じ得る絡みや撓みの問題を解消でき、しかもロボットの外形寸法の増加を効果的に抑制できるレーザ加工用ロボットを提供することにある。
本発明の他の目的は、そのようなレーザ加工用ロボットを備えた安全で使い易いロボットシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、手首部及び手首部を有する腕部を備え、複数の制御軸が設置されるマニピュレータと、マニピュレータの手首部に装着されるレーザ加工ツールと、レーザ加工ツールに向けてレーザ光を伝送する光ファイバと、マニピュレータの腕部に内設され、光ファイバを収容する配線通路とを具備するレーザ加工用ロボットにおいて、腕部は、手首部とは反対側で第１制御軸に関して固定配置される第１部材と、第１制御軸に関して回転可能に第１部材に支持され、末端に手首部を有する第２部材とを備え、配線通路が第１部材及び第２部材の内部に連続して形成され、第１部材に配線通路の光ファイバ導入口が設けられるとともに、第２部材の手首部に配線通路の光ファイバ導出口が設けられ、レーザ加工ツールは、第１制御軸に直交する第２制御軸に関して旋回可能に手首部に装着される装着部と、第２制御軸の軸線に交差する方向へ延びるレーザ光通路を有して装着部から延設されるノズル部と、装着部に内設され、光ファイバから出射されたレーザ光を反射してレーザ光通路に導く反射部とを備え、光ファイバの出力端面が、手首部に設けた光ファイバ導出口とレーザ加工ツールの反射部との間に位置決めされていること、を特徴とするレーザ加工用ロボットを提供する。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のレーザ加工用ロボットにおいて、光ファイバの出力端面が第２制御軸の軸線上に位置決めされ、出力端面から出射されたレーザ光の光軸が第２制御軸の軸線と合致しているレーザ加工用ロボットを提供する。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のレーザ加工用ロボットにおいて、レーザ加工ツールの反射部が、ノズル部のレーザ光通路内に、第１制御軸の軸線から離れた位置で第２制御軸の軸線に略直交する反射レーザ光の光軸を規定するレーザ加工用ロボットを提供する。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のレーザ加工用ロボットにおいて、レーザ加工ツールを第２制御軸に関して旋回させる電動機をさらに具備し、電動機が腕部の第２部材の内部に収納されているレーザ加工用ロボットを提供する。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のレーザ加工用ロボットにおいて、電動機の出力をレーザ加工ツールの装着部に伝達する動力伝達機構をさらに具備し、電動機が、第２部材の内部で動力伝達機構の出力側要素に並置されているレーザ加工用ロボットを提供する。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレーザ加工用ロボットにおいて、マニピュレータが５軸垂直多関節型マニピュレータであるレーザ加工用ロボットを提供する。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載のレーザ加工用ロボットと、光ファイバに接続されるレーザ発振器とを具備するロボットシステムを提供する。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、腕部の配線通路に収容された光ファイバは、手首部に装着したレーザ加工ツールの旋回動作の影響を実質的に受けることなく、配線通路内で適当な（すなわち許容最小曲げ半径以上の）撓曲形態を維持することができる。また光ファイバは、腕部の第１及び第２部材に連続して設けた配線通路内に保持される。したがって、レーザ加工作業に際してマニピュレータを動作させている間に過剰な絡みや撓みが光ファイバに生じることは、確実に防止される。しかも、レーザ加工ツールに設けた反射部により、光ファイバから出射されたレーザ光を、第２制御軸の軸線に交差する方向へ反射してノズル部から照射するようにしたから、手首部に対するノズル部の、第２制御軸に沿った方向への突出量を削減でき、以ってレーザ加工用ロボットのエンドエフェクタ領域の寸法増加を効果的に抑制できる。
【００１６】
請求項２に記載の発明によれば、レーザ加工ツールを第２制御軸に関して旋回動作させる間に、反射部によって反射されるレーザ光の光軸が、旋回角度に関わらず、ノズル部のレーザ光通路内で同一位置に維持されるので、レーザ加工作業に際してのマニピュレータの制御が容易になる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、手首部からのノズル部の、第２制御軸に沿った方向への突出量を最小限にすることができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明によれば、手首部における外面上の突出部分を可及的に排除でき、狭隘な空間でのレーザ加工作業を一層容易に実施できる。
【００１９】
請求項５に記載の発明によれば、マニピュレータの動作中（特に第１制御軸に関する腕部の回転中）に腕部の第２部材の内部で光ファイバが自由に変位できる空間を十分に確保できる。
【００２０】
請求項６に記載の発明によれば、比較的構成が簡単な５軸多関節型ロボットで、安全なレーザ加工を実施できる。
【００２１】
請求項７に記載の発明によれば、安全で使い易いレーザ加工用のロボットシステムが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。
図面を参照すると、図１は、本発明に係るレーザ加工用ロボット１０及びロボットシステム１２の基本構成を概略で示す。レーザ加工用ロボット１０は、複数の制御軸を有するマニピュレータ（ロボット機構部）１４と、マニピュレータ１４の動作を制御する制御装置１６と、エンドエフェクタとしてマニピュレータ１４の先端に装着されるレーザ加工ツール１８とを備える。ロボットシステム１２は、このレーザ加工用ロボット１０に、レーザ発振器２０を付設して構成される。
【００２３】
レーザ加工用ロボット１０とレーザ発振器２０との間には、レーザ発振器２０で生成したレーザ光をレーザ加工ツール１８まで伝送する光ファイバ２２が架線される。制御装置１６は、制御ライン２４を介して、マニピュレータ１４及びレーザ発振器２０の双方に接続され、マニピュレータ１４の動作を制御するとともに、光ファイバ２２を通してレーザ発振器２０からレーザ加工ツール１８に供給されるレーザ光を制御し、それによりワークＷに所望のレーザ加工を実施する。なお、光ファイバ２２は通常、外被に収容されたケーブルの形態を有し、また、アシストガスや冷却水の配管、センサ制御用ケーブル等と一緒に、コンジットに収納されて架線される場合もある。
【００２４】
図２は、上記基本構成を有するレーザ加工用ロボット１０の一実施形態を示す。図示実施形態において、マニピュレータ１４は、５軸垂直多関節型マニピュレータであって、手首部２６を有する腕部（いわゆる前腕）２８を備える。さらにマニピュレータ１４は、静止基台３０と、第１関節部３２を介して静止基台３０に連結される第２の腕部（いわゆる後腕）３４とを備え、腕部２８が、第２関節部３６を介して第２の腕部３４に連結される。第１関節部３２は、第２の腕部３４を静止基台３０に対し、鉛直軸線（制御軸）３８に関して回転可能かつ水平軸線（制御軸）４０に関して旋回可能に連結する。また第２関節部３６は、腕部２８を第２の腕部３４に対し、第２の水平軸線（制御軸）４２に関して旋回可能かつ第２の鉛直軸線（制御軸）４４に関して回転可能に連結する。さらに、腕部２８の手首部２６には、レーザ加工ツール１８が、第３の水平軸線（制御軸）４６に関して旋回可能に連結される。本願では、第２の鉛直軸線４４を回転中心とする腕部２８の回転制御軸を第１制御軸４４と称し、第３の水平軸線４６を旋回中心とするレーザ加工ツール１８の旋回制御軸を、第１制御軸４４に直交する第２制御軸４６と称する。
【００２５】
図３を参照してさらに詳述すると、腕部２８は、手首部２６とは反対側で、第１制御軸４４に関し固定して第２関節部３６に取り付けられる第１部材４８と、第１制御軸４４に関して回転可能に第１部材４８に支持され、末端に手首部２６を有する第２部材５０とを備える。それら第１部材４８及び第２部材５０は、いずれも中空筒状部材であって、光ファイバ２２を収容する配線通路５２が、第１部材４８及び第２部材５０の内部に連続して形成される。腕部２８の第１部材４８には、配線通路５２に光ファイバ２２を導入するための光ファイバ導入口５４が、第２関節部３６を基準として第２の腕部３４とは反対側の側面に開口するように設けられる（図２（ｂ））。また、腕部２８の第２部材５０には、その手首部２６に、配線通路５２から光ファイバ２２を導出するための光ファイバ導出口５６が、第２制御軸４６の軸線に沿って開口するように設けられる。
【００２６】
レーザ加工ツール１８は、腕部２８の手首部２６に第２制御軸４６に関して旋回可能に装着され、配線通路５２の光ファイバ導出口５６に連通する空洞部５８を有する装着部６０と、装着部６０から一体的に延設され、第２制御軸４６の軸線に交差する方向へ延びるレーザ光通路６２を有するノズル部６４と、装着部６０の空洞部５８に固定的に内設され、光ファイバ２２から出射されたレーザ光Ｌを反射してレーザ光通路６２に導く反射部６６とを備える。光ファイバ２２は、その出力端面２２ａが、手首部２６に設けた光ファイバ導出口５６とレーザ加工ツール１８の反射部６６との間に位置決めされるようにして、配線通路５２内で適当に（すなわち許容最小曲げ半径以上で）撓曲して配置される。なお、光ファイバ２２の出力端面２２ａを含む末端領域は、例えば駒部材６８を介して、図示しない手段により手首部２６に対し固定的に支持されることが有利である。
【００２７】
上記構成を有するレーザ加工用ロボット１０によれば、腕部２８の配線通路５２に収容された光ファイバ２２は、手首部２６に装着したレーザ加工ツール１８の旋回動作の影響を実質的に受けることなく、配線通路５２内で予め設定した適当な（すなわち許容最小曲げ半径以上の）撓曲形態を維持することができる。また光ファイバ２２は、腕部２８の第１及び第２部材４８、５０に連続して設けた配線通路５２内に保持される。したがって、レーザ加工作業に際して、レーザ加工ツール１８のノズル部６４がワークＷ（図１）に対し適切な溶接姿勢を取るようにマニピュレータ１４の姿勢を多様に変化させている間に、ファイバ損傷やレーザ光出力低下に至るような過剰な絡みや撓みが光ファイバ２２に生じることは、確実に防止される。しかも、レーザ加工ツール１８に設けた反射部６６により、光ファイバ２２から出射されたレーザ光Ｌを、第２制御軸４６の軸線に交差する方向へ反射してノズル部６４からワークＷ（図１）に照射するようにしたから、手首部２６に対するノズル部６４の、第２制御軸４６に沿った方向への突出量を削減でき、以ってレーザ加工用ロボット１０のエンドエフェクタ領域の寸法増加を効果的に抑制できる。
【００２８】
レーザ加工用ロボット１０では、図３に示すように、光ファイバ２２の出力端面２２ａが第２制御軸４６の軸線上に位置決めされ、出力端面２２ａから出射されたレーザ光Ｌの光軸が、レーザ加工ツール１８の反射部６６の直前で第２制御軸４６の軸線と合致していることが有利である。このような構成によれば、レーザ加工ツール１８を第２制御軸４６に関して旋回動作させる間に、反射部６６によって反射されるレーザ光Ｌの光軸が、旋回角度に関わらず、ノズル部６４のレーザ光通路６２内で同一位置に維持されるので、レーザ加工作業に際してのマニピュレータ１４の制御が容易になる。
【００２９】
また、図示のように、レーザ加工ツール１８の反射部６６は、ノズル部６４のレーザ光通路６２内に、第１制御軸４４の軸線から離れた位置で第２制御軸４６の軸線に略直交する反射レーザ光Ｌの光軸を規定するように構成されることが有利である。このような構成によれば、手首部２６からのノズル部６４の、第２制御軸４６に沿った方向への突出量を最小限にすることができる。
【００３０】
図３に示すように、レーザ加工用ロボット１０においては、マニピュレータ１４の腕部２８の手首部２６に、断面コ字状の連結軸部材７０が設置される。連結軸部材７０は、第２制御軸４６の駆動機構における動力伝達機構の出力端側の一要素であり、同駆動機構の駆動源である電動機７２に、動力伝達機構であるベルト／プーリ装置７４を介して接続される。これら第２制御軸４６の駆動機構（連結軸部材７０、電動機７２、ベルト／プーリ装置７４）は、手首部２６にて腕部２８の第２部材５０の内部に収納されている。連結軸部材７０は、手首部２６にて第２部材５０に設けた側方開口５０ａから外部に露出するフランジ７０ａを有し、このフランジ７０ａに光ファイバ導出口５６が形成されるとともに、レーザ加工ツール１８の装着部６０がフランジ７０ａに固定される。それによりレーザ加工ツール１８は、連結軸部材７０と一体的に、電動機７２の出力により第２制御軸４６に関して旋回動作する。
【００３１】
このように、第２制御軸４６の駆動機構（特に電動機７２）を腕部２８の第２部材５０に収納したことにより、手首部２６における外面上の突出部分を可及的に排除でき、狭隘な空間でのレーザ加工作業を一層容易に実施できる。連結軸部材７０が有するコ字状断面の形状は、レーザ加工ツール１８の旋回中に、連結軸部材７０が光ファイバ２２に干渉することを極力回避するように作用する。特に、図示のように、電動機７２が第２部材５０の内部で連結軸部材７０（動力伝達機構の出力側要素）に並置され、しかも両者の中心（回転）軸線が互いに平行に配置されている構成とすれば、マニピュレータ１４の動作中（特に第１制御軸４４に関する腕部２８の回転中）に第２部材５０の内部で光ファイバ２２が自由に変位できる空間を十分に確保することができる。
【００３２】
レーザ加工用ロボット１０では、腕部２８の第１部材４８に設けた光ファイバ導入口５４に近接して、第２関節部３６の外面に、光ファイバ２２を保持するためのホルダ７６を固定的に設置することが有利である。これにより、マニピュレータ１４の動作中の光ファイバ２２の変位動作を抑制することができる。
【００３３】
以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲の記載範囲内で様々な修正を施すことができる。例えば、腕部２８の第１部材４８の側面に光ファイバ導入口５４を設ける図示構成に代えて、第２関節部３６及びそれに隣接する第１部材４８の軸線方向端面に貫通穴を設け、その貫通穴を光ファイバ導入口としてもよい。また、図示実施形態では、５軸垂直多関節型のマニピュレータ１４を採用したが、これに代えて、他の様々な構成を有するマニピュレータを採用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明に係るレーザ加工用ロボット及びそれを備えたロボットシステムは、安価な構造で、レーザ光伝送用の光ファイバの過剰な絡みや撓みを回避できるので、光ファイバとロボット周辺設備との相互干渉を防止可能な安全で使い易い産業用ロボットとして、好適に利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係るレーザ加工用ロボット及びロボットシステムの基本構成を概略で示す図である。
【図２】本発明の一実施形態によるレーザ加工用ロボットの図で、（ａ）正面図、及び（ｂ）側面図である。
【図３】図２のレーザ加工用ロボットにおけるマニピュレータの腕部及びレーザ加工ツールを、一部切欠いて示す拡大図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０    レーザ加工用ロボット
１２    ロボットシステム
１４    マニピュレータ
１６    制御装置
１８    レーザ加工ツール
２０    レーザ発振器
２２    光ファイバ
２６    手首部
２８    腕部
４４    第１制御軸
４６    第２制御軸
４８    第１部材
５０    第２部材
５２    配線通路
５４    光ファイバ導入口
５６    光ファイバ導出口
６０    装着部
６２    レーザ光通路
６４    ノズル部
６６    反射部
７０    連結軸部材
７２    電動機
【図１】
2006055954.tif 000003
【図２】
2006055954.tif 000004
【図３】
2006055954.tif 000005