(57)【要約】【課題】円筒ワーク６に対して自動的に溶接を行なうことができる自動レーザー溶接装置とする。【解決手段】レーザー発振器２から出力されたレーザー光を溶接加工ヘッド４に伝送する光ファイバー３と、溶接加工ヘッドの位置を移動させる移動手段５と、円筒ワーク６の形状を認識するＣＣＤカメラ８及び高さセンサ９と、円筒ワーク６支持するワーク用テーブル３１と、ワーク用テーブル３１に対する円筒ワーク６の搬入及び搬出を行なうハンドリング用多関節ロボット１７と、ＣＣＤカメラ８及び高さセンサ９の情報に基づいて円筒ワーク６に対する溶接加工ヘッド４の相対的な位置を所定位置に制御する制御手段１０とを備え、円筒ワーク６に対して自動的に溶接を行なうことができる自動レーザー溶接装置とする。【選択図】　　　　図１
2004105973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を出力するレーザー発振器と、
レーザー発振器から出力されたレーザー光を溶接加工ヘッドに伝送する光ファイバーと、
溶接加工ヘッドの位置を移動させる移動手段と、
被溶接物の形状を認識する形状認識手段と、
被溶接物を支持する被溶接物支持手段と、
被溶接物支持手段に対する被溶接物の搬入及び搬出を行なうハンドリング手段と、
形状認識手段の情報に基づいて被溶接物に対する溶接加工ヘッドの相対的な位置を所定位置に制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする自動レーザー溶接装置。
【請求項２】
請求項１に記載の自動レーザー溶接装置において、
レーザー光を出力するレーザー発振器が複数設けられ、
光ファイバーはそれぞれのレーザー発振器からのレーザー光を単独及び合体させて溶接加工ヘッドに伝送する
ことを特徴とする自動レーザー溶接装置。
【請求項３】
請求項１に記載の自動レーザー溶接装置において、
レーザー光の出力が異なる複数の溶接加工ヘッドを備え、
制御手段は被溶接物の状況により溶接加工ヘッドを選択する機能を備え、選択された溶接加工ヘッドを所定位置に制御するように移動手段を作動させる
ことを特徴とする自動レーザー溶接装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
形状認識手段は被溶接物を撮影して画像を得る撮像手段であることを特徴とする自動レーザー溶接装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
形状認識手段は被溶接物に接触することで被溶接物と溶接加工ヘッドとの距離を検出する高さセンサであることを特徴とする自動レーザー溶接装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
レーザー発振器はＹＡＧレーザー発振器であることを特徴とする自動レーザー溶接装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
被溶接物は円筒・円柱状の部品もしくはその製造過程の部品であることを特徴とする自動レーザー溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動レーザー溶接装置に関し、被溶接物、特に、円筒・円柱状の部品もしくはその製造過程の部品に対し自動溶接できるように企図したものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザー光は、極めて指向性がよく大エネルギーを有しているので、小さな点に集光することにより、精密な溶接・切断・穿孔・表面改質処理などに利用されている。
【０００３】
この場合、ワークの材質や加工手法の違いに応じてパルス波レーザー光（ＰＷ）や連続波レーザー光（ＣＷ）が使用される。一般的に、パルス波レーザー光は、その持続時間が短いので周辺への影響をおよぼさずに微小な孔をあけたりスポット溶接する加工に適しており、連続波レーザー光は、つぎ目のない溶接などの加工に適している。
【０００４】
固体レーザー発振器の一種であるＹＡＧレーザー発振器は、レーザー単結晶としてＮｄをドープしたＹＡＧ（イットリウム，アルミニウム，ガーネット）結晶を用いており、波長が１．０６４μｍのレーザー光を、パルス波レーザー光または連続波レーザー光として出力する。ＹＡＧレーザー光は波長が１．０６４μｍの赤外レーザー光であるため、光ファイバーによる伝送が可能である。
【０００５】
この結果、ＹＡＧレーザー発振器を用いた溶接装置や切断装置では、レーザー光を光ファイバーにより引き回すことができ、設計や配置の自由度が大きい。
【０００６】
このようなレーザー溶接装置によりレーザー溶接したときには、狭い溶接範囲に対して溶け込み深さの深い溶接を行うことができる。これはレーザー光には非常に強い集光性があり、エネルギー密度の極めて高い強力な集中熱源として、レーザー光が機能するからである。
【０００７】
レーザー溶接装置を用いて、例えば、円筒・円柱状のガスタービンの高温部品である燃焼器の燃料噴出口部材等のワークを溶接加工する場合、旋盤等の回転チャックや小型ターンテーブルを用いてワークを固定し、溶接対象部の決まった位置に溶接加工ヘッドを移動させて位置を固定し、ワークチャック装置を適切な速度で回転させて加工を実施している。
【０００８】
また、溶接ロボットにレーザー溶接装置を保持し、ティーチング等により予めレーザー溶接装置の移動軌跡を記憶させる技術（例えば、特許文献１参照）を円筒・円柱状の部品もしくはその製造過程の部品のワークに対して適用することも考えられる。
【０００９】
【特許文献１】
特開２０００−４２７７５号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の技術では、ワークの搬入、ワークの固定、被溶接部に対する溶接加工ヘッドの移動及びティーチング、加工後のワークの搬出等の作業は作業者の手により行なわれていた。これらの作業は重量物の運搬やＹＡＧレーザーの照射環境での作業となり、作業環境が悪く生産性の低い作業となっていた。
【００１１】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、被溶接物、特に、円筒・円柱状のガスタービンの部品もしくはその製造過程の部品に対して自動的に溶接を行なうことができる自動レーザー溶接装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の自動レーザー溶接装置は、
レーザー光を出力するレーザー発振器と、
レーザー発振器から出力されたレーザー光を溶接加工ヘッドに伝送する光ファイバーと、
溶接加工ヘッドの位置を移動させる移動手段と、
被溶接物の形状を認識する形状認識手段と、
被溶接物を支持する被溶接物支持手段と、
被溶接物支持手段に対する被溶接物の搬入及び搬出を行なうハンドリング手段と、
形状認識手段の情報に基づいて被溶接物に対する溶接加工ヘッドの相対的な位置を所定位置に制御する制御手段と
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項１に記載の自動レーザー溶接装置において、
レーザー光を出力するレーザー発振器が複数設けられ、
光ファイバーはそれぞれのレーザー発振器からのレーザー光を単独及び合体させて溶接加工ヘッドに伝送する
ことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項１に記載の自動レーザー溶接装置において、
レーザー光の出力が異なる複数の溶接加工ヘッドを備え、
制御手段は被溶接物の状況により溶接加工ヘッドを選択する機能を備え、選択された溶接加工ヘッドを所定位置に制御するように移動手段を作動させる
ことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
形状認識手段は被溶接物を撮影して画像を得る撮像手段であることを特徴とする。
【００１６】
また、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
形状認識手段は被溶接物に接触することで被溶接物と溶接加工ヘッドとの距離を検出する高さセンサであることを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
レーザー発振器はＹＡＧレーザー発振器であることを特徴とする。
【００１８】
また、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
被溶接物は円筒・円柱状の部品もしくはその製造過程の部品であることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１には本発明の一実施形態例に係る自動レーザー溶接装置の全体構成、図２には溶接加工ヘッドの概略構成を示してある。
【００２０】
図１、図２に示すように、レーザー溶接装置１には、レーザー光を出力するＹＡＧレーザー発振器２が備えられ、ＹＡＧレーザー発振器２から出力されたレーザー光は光ファイバー３によりコネクタ１５を介して溶接加工ヘッド４に伝送される。溶接加工ヘッド４は移動手段（例えば、直行型の溶接ロボット）５に保持され、移動手段５により任意の位置に位置決め移動される。
【００２１】
また、レーザー溶接装置１には、被溶接物としての円筒ワーク６の形状を認識する形状認識手段としてのＣＣＤカメラ８及び高さセンサ９が設けられている。
ＣＣＤカメラ８には照度調整が可能な照明装置が備えられている。
【００２２】
尚、形状認識手段としては、ＣＣＤカメラ８や高さセンサ９に限らず、円筒ワーク６の形状を認識できるものであれば、接触式、被接触式等のセンサを適用することが可能である。
【００２３】
図１に示すように、被溶接物支持手段としてのワーク用テーブル３１及びワーク用テーブル３２が備えられ、円筒ワーク６の大きさや形状に応じて適宜選択して使用される。一方、ワークストッカー台車１３及びワークストッカー台車１４が備えられ、円筒ワーク６の大きさや形状に応じて適宜選択して使用される。
【００２４】
ワークストッカー台車１３及びワークストッカー台車１４に搬入された円筒ワーク６はハンドリング手段としてのハンドリング用多関節ロボット１７によりワーク用テーブル３１及びワーク用テーブル３２に搬送される。
【００２５】
ＣＣＤカメラ８はワーク用テーブル３１及びワーク用テーブル３２に支持された円筒ワーク６の撮影を行い、高さセンサ９はワーク用テーブル３１及びワーク用テーブル３２に支持された円筒ワーク６と溶接加工ヘッド４との高さ検出を行ない、円筒ワーク６の形状認識を行なう。
【００２６】
ＣＣＤカメラ８の撮影結果及び高さセンサ９の検出結果は制御手段１０に入力され、制御手段１０からは入力結果に基づいて、溶接加工ヘッド４を所定位置に制御するように移動手段５に移動指令を出力すると共にワーク用テーブル３１及びワーク用テーブル３２に必要な姿勢駆動を行なうように指令を出力する。
【００２７】
つまり、形状認識手段であるＣＣＤカメラ８及び高さセンサ９の情報に基づいて円筒ワーク６に対する溶接加工ヘッド４の相対的な位置が所定位置に制御される。
【００２８】
即ち、図２に示すように、ＣＣＤカメラ８の撮影結果により溶接対象線７の横方向の位置及び開先状況等が判断され、高さセンサ９により溶接対象線７までの高さが判断され、これらの判断結果に基づいて溶接加工ヘッド４からのレーザー光１２が溶接対象線７に集光するように溶接加工ヘッド４の位置及びワーク用テーブル３１及びワーク用テーブル３２の姿勢が制御される。
【００２９】
上記構成のレーザー溶接装置１では、レーザー遮光壁２０の外側でワークストッカー台車１３もしくはワークストッカー台車１４に円筒ワーク６を積載する。
この場合、作業員の人手もしくは図示しないハンドリングロボットが使用される。ワークストッカー台車１３もしくはワークストッカー台車１４をレーザー溶接装置１の所定位置に移動させてワークストッカー台車１３もしくはワークストッカー台車１４の位置を固定する。
【００３０】
この状態で自動運転が開始される。
【００３１】
ハンドリング用多関節ロボット１７により円筒ワーク６をワーク用テーブル３１もしくはワーク用テーブル３２に移動させてチャッキングする。ワーク用テーブル３１もしくはワーク用テーブル３２の姿勢移動及び溶接加工ヘッド４の所定位置への移動が行なわれる。
【００３２】
更に、ＣＣＤカメラ８の撮影結果により溶接対象線７の横方向の位置及び開先状況等が判断され、高さセンサ９により溶接対象線７までの高さが判断され、これらの判断結果に基づいて溶接加工ヘッド４からのレーザー光１２が溶接対象線７に集光するように溶接加工ヘッド４の位置及びワーク用テーブル３１及びワーク用テーブル３２の姿勢が制御される。
【００３３】
これにより、溶接加工ヘッド４からのレーザー光１２が溶接対象線７に集光するように位置及びワーク用テーブル３１及びワーク用テーブル３２の姿勢が制御され、円筒ワーク６の溶接が自動的に実施される。
【００３４】
溶接が完了した後、ハンドリング用多関節ロボット１７により加工が完了した円筒ワーク６をワークストッカー台車１４もしくはワークストッカー台車１３に移動させ、新たな円筒ワーク６をワークストッカー台車１３もしくはワークストッカー台車１４からワーク用テーブル３１もしくはワーク用テーブル３２に移　させてチャッキングする。
【００３５】
所定数の円筒ワーク６に対して上述した溶接加工を繰り返し、ストックされた円筒ワーク６の加工が完了した後、加工が完了した円筒ワーク６が収容されたワークストッカー台車１４もしくはワークストッカー台車１３をレーザー遮光壁２０の外に移動させて円筒ワーク６の積替えを行なう。
【００３６】
以上の一連の動作により、円筒ワーク６の自動レーザー溶接が可能となる。この結果、被溶接物、特に、円筒・円柱状の部品及びその製造過程の部品に対して自動的に溶接を行なうことができる自動レーザー溶接装置とすることが可能になる。円筒・円柱状の部品としては、例えば、ガスタービンの高温部品（燃焼器の燃料供給系の部品等）が適用できる。
【００３７】
図３にはＹＡＧレーザー発振器２の概略構成を示してある。コネクタ１５は、例えば、３種類の光ファイバーの接続が可能になっている。例えば、図３に示すように、ＹＡＧレーザー発振器２として３種類のＹＡＧレーザー発振器２ａ，２ｂ，２ｃが備えられている。
【００３８】
そして、それぞれのＹＡＧレーザー発振器２ａ，２ｂ，２ｃからの光ファイバーがそれぞれ単独で接続される低出力用の光ファイバー３ａと（図３（ａ）　参照）、ＹＡＧレーザー発振器２ａ，２ｂからの光ファイバーが束ねられて接続される中出力用の光ファイバー３ｂと（図３（ｂ）　参照）、ＹＡＧレーザー発振器２ａ，２ｂ，２ｃからの光ファイバーが束ねられて接続される高出力用の光ファイバー３ｃと（図３（ｃ）　参照）が適宜接続されるようになっている。
【００３９】
作業者は、対象となる円筒ワーク６に応じた（必要な溶接深さに応じた）光ファイバー３をコネクタ１５に接続しておく。ＣＣＤカメラ８による平面状況と高さセンサ９による高さ状況に基づいて溶接対象線７を検出することで、予め接続された光ファイバー３の出力と検出された溶接対象線７に対する出力とが一致しているか否かの確認を行なうことができる。不一致が確認された場合、作業前に要求される出力に合った光ファイバーを接続することができる。
【００４０】
図４には本発明の他の実施形態例に係る溶接加工ヘッドの概略構成を示してある。尚、図１乃至図３に示した部材と同一部材には同一符号を付してある。
【００４１】
図に示すように、レーザー光を出力するＹＡＧレーザー発振器２ａ，２ｂ，２ｃが備えられ（図３参照）、ＹＡＧレーザー発振器２ａ，２ｂ，２ｃから出力されたレーザー光は光ファイバー３ａ，３ｂ，３ｃによりコネクタ１５を介して溶接加工ヘッド２１ａ，２１ｂ，２１ｃに伝送される。
【００４２】
溶接加工ヘッド２１ａ，２１ｂ，２１ｃは移動手段５に保持され、移動手段５により必要な溶接加工ヘッド２１ａ，２１ｂ，２１ｃが任意の位置に位置決め移動される。
【００４３】
光ファイバー３は、ＹＡＧレーザー発振器２ａ，２ｂ，２ｃからの光ファイバーがそれぞれ単独で接続される低出力用の光ファイバー３ａと（図３（ａ）　参照）、ＹＡＧレーザー発振器２ａ，２ｂからの光ファイバーが束ねられて接続される中出力用の光ファイバー３ｂと（図３（ｂ）　参照）、ＹＡＧレーザー発振器２ａ，２ｂ，２ｃからの光ファイバーが束ねられて接続される高出力用の光ファイバー３ｃと（図３（ｃ）　参照）で構成されている。
【００４４】
ＣＣＤカメラ８の撮影結果及び高さセンサ９の検出結果は制御手段１０に入力され、制御手段１０からは入力結果に基づいて溶接に用いられる溶接加工ヘッド２１ａ，２１ｂ，２１ｃを選択して選択された溶接加工ヘッド２１を所定位置に制御するように移動手段５に移動指令を出力する。
【００４５】
つまり、ＣＣＤカメラ８の撮影結果により溶接対象線７の横方向の位置及び開先状況等が判断され、高さセンサ９により溶接対象線７までの高さが判断され、これらの判断結果に基づいて、所定の溶接深さに対応する溶接加工ヘッド２１からのレーザー光１２が溶接対象線７に集光するように溶接加工ヘッド２１ａ，２１ｂ，２１ｃが選択されて選択された溶接加工ヘッド２１の位置が制御される。
【００４６】
上記構成のレーザー溶接装置１では、円筒ワーク６を回転させた状態でＣＣＤカメラ８及び高さセンサ９を下降させ、溶接対象線７の画像状況（平面位置等）及び溶接対象線７の高さ状況が認識されて制御手段１０に入力される。このとき、高さセンサ９により円筒ワーク６の径が認識される。
【００４７】
制御手段１０からは溶接対象線７の画像状況及び溶接対象線７の高さ状況に基づいて所定の溶接深さに対応する（円筒ワーク６の径に対応する）溶接加工ヘッド２１が選択されて移動手段５に移動指令を出力する。
【００４８】
これにより、円筒ワーク６の径に対応する溶接加工ヘッド２１からのレーザー光１２が溶接対象線７に集光するように溶接加工ヘッド２１ａ，２１ｂ，２１ｃの位置が制御される。また、作業者は画像を確認することで溶接状況を手動で調整することもできる。
【００４９】
ＣＣＤカメラ８による平面状況と高さセンサ９による高さ状況に基づいて溶接対象線７を自動的に倣って円筒ワーク６の径に対応する溶接加工ヘッド２１を選択して平面方向位置及び高さ方向位置（即ち３次元位置）を制御することができる。画像処理により平面状況の認識を行なうことにより、作業者は実際の溶接対象線７を確認することができる。
【００５０】
従って、溶接対象線７と円筒ワーク６の径に対応した溶接加工ヘッド２１のレーザー光１２の集光点（照射点）とを自動的に一致させることができ、予めティーチング等により設定した動作に対して補正を行なう等が可能になる。これにより、径の異なる円筒ワーク６の溶接に適用しても必要な溶接加工ヘッド２１を選択し溶接対象線７に沿った溶接が可能になり、安定した溶接品質を保つことが可能になる。
【００５１】
この結果、被溶接物、特に、円筒・円柱状の部品もしくはその製造過程の部品に対して、異なる種類のワークに対しても自動的に溶接を行なうことができる自動レーザー溶接装置とすることが可能になる。
【００５２】
尚、溶接加工ヘッド２１の台数は３台に限らず、２台もしくは４台以上を適用することも可能である。
【００５３】
【発明の効果】
本発明のレーザー溶接装置は、
レーザー光を出力するレーザー発振器と、
レーザー発振器から出力されたレーザー光を溶接加工ヘッドに伝送する光ファイバーと、
溶接加工ヘッドの位置を移動させる移動手段と、
被溶接物の形状を認識する形状認識手段と、
被溶接物を支持する被溶接物支持手段と、
被溶接物支持手段に対する被溶接物の搬入及び搬出を行なうハンドリング手段と、
形状認識手段の情報に基づいて被溶接物に対する溶接加工ヘッドの相対的な位置を所定位置に制御する制御手段と
を備えたので、
被溶接物に対して自動的に溶接を行なうことができる自動レーザー溶接装置とすることが可能になる。
【００５４】
また、請求項１に記載の自動レーザー溶接装置において、
レーザー光を出力するレーザー発振器が複数設けられ、
光ファイバーはそれぞれのレーザー発振器からのレーザー光を単独及び合体させて溶接加工ヘッドに伝送するようにしたので、
出力の異なるレーザー光を使用することができる。
【００５５】
また、請求項１に記載の自動レーザー溶接装置において、
レーザー光の出力が異なる複数の溶接加工ヘッドを備え、
制御手段は被溶接物の状況により溶接加工ヘッドを選択する機能を備え、選択された溶接加工ヘッドを所定位置に制御するように移動手段を作動させるようにしたので、
異なる種類の被溶接部に対して使用することができる。
【００５６】
また、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
形状認識手段は被溶接物を撮影して画像を得る撮像手段であるので、
目視により被溶接部を認識することができる。
【００５７】
また、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
形状認識手段は被溶接物に接触することで被溶接物と溶接加工ヘッドとの距離を検出する高さセンサであるので、
確実に距離を検出することができる。
【００５８】
また、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
レーザー発振器はＹＡＧレーザー発振器であるので、
ＹＡＧレーザー溶接に適用することができる。
【００５９】
また、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の自動レーザー溶接装置において、
被溶接物は円筒・円柱状の部品もしくはその製造過程の部品であるので、
円筒・円柱状の部品もしくはその製造過程の部品の自動溶接が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態例に係る自動レーザー溶接装置の全体構成図。
【図２】溶接加工ヘッドの概略構成図。
【図３】ＹＡＧレーザー発振器２の概略構成図。
【図４】本発明の他の実施形態例に係る溶接加工ヘッドの概略構成図。
【符号の説明】
１　レーザー溶接装置
２　ＹＡＧレーザー発振器
３　光ファイバー
４　溶接加工ヘッド
５　移動手段
６　円筒ワーク
７　溶接対象線
８　ＣＣＤカメラ
９　高さセンサ
１０　制御手段
３１，３２　ワーク用テーブル
１３，１４　ワークストッカー台車
１５　コネクタ
１７　ハンドリング用多関節ロボット
２０　レーザー遮光壁
２１　溶接加工ヘッド
【図１】
2004105973.tif 000003
【図２】
2004105973.tif 000004
【図３】
2004105973.tif 000005
【図４】
2004105973.tif 000006