(57)【要約】【課題】互いに重ね合わせた板材に対し、この板材の重ね合わせ部を必要最小限の大きさとして、一対の挟持部材により隙間矯正を行いつつ溶接作業を的確に行えるようにする【解決手段】加工ヘッド１１が、板材１７，１９相互の重ね合わせ部１５にレーザ光１３を照射しつつ重ね合わせ部１５に沿って移動してレーザ溶接を行う。加工ヘッド１１は、重ね合わせ部１５を両側から挟み込んで矯正挟持力を付与して板材１７，１９相互の隙間を矯正する上部ローラ３１および下部ローラ３９を備える。この上下各ローラ３１，３９が重ね合わせ部１５から外れようとする力を打ち消すだけの力を、上下各ローラ３１，３９による重ね合わせ部１５に対する補正挟持力として付加する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工ヘッドが、板材相互を重ね合わせた被溶接部にレーザ光を照射しつつ被溶接部に沿って移動してレーザ溶接を行うレーザ溶接方法において、前記加工ヘッドは、前記被溶接部を両側から挟み込んで矯正挟持力を付与して板材相互の隙間を矯正する一対の挟持部材を備え、この一対の挟持部材が前記被溶接部から外れようとする力を打ち消すだけの力を、前記一対の挟持部材が、前記被溶接部に対する補正挟持力として付加することを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記一対の挟持部材の前記被溶接部に対する挟持動作によって弾性変形する前記加工ヘッドの一部の歪み量：δを測定し、この歪み量から、前記挟持部材の前記矯正挟持力によって弾性変形する前記加工ヘッドの一部の歪み量：δ２を差し引くことで、前記一対の挟持部材が前記被溶接部から外れようとする力に対応する前記加工ヘッドの一部の歪み量：δ１（＝δ−δ２）を算出し、この歪み量：δ１に基づいて、前記一対の挟持部材が前記被溶接部から外れようとする力を算出することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記補正挟持力の付加により生じる前記加工ヘッドの一部の歪み量：δ３を算出し、前記補正挟持力を付加しているときには、前記加工ヘッドの一部の歪み量：δから、前記矯正挟持力による前記加工ヘッドの一部の歪み量：δ２と、前記補正挟持力による前記加工ヘッドの一部の歪み量：δ３とを差し引くことで、前記一対の挟持部材が前記被溶接部から外れようとする力に対応する前記加工ヘッドの一部の歪み量：δ１（＝δ−δ２−δ３）を算出することを特徴とする請求項２記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
前記一対の挟持部材が前記被溶接部から外れようとする力を算出する動作と、前記補正挟持力を付加する動作とを、互いに独立させたことを特徴とする請求項２記載のレーザ溶接方法。
【請求項５】
板材相互を重ね合わせた被溶接部にレーザ光を照射しつつ被溶接部に沿って移動する加工ヘッドを備えたレーザ溶接装置において、前記加工ヘッドに、前記被溶接部を両側から挟み込んで矯正挟持力を付与して板材相互の隙間を矯正する一対の挟持部材を設け、この一対の挟持部材が前記被溶接部から外れようとする力を取り消すだけの力を、前記一対の挟持部材が、前記被溶接部に対する補正挟持力として付加することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記一対の挟持部材の前記被溶接部に対する挟持動作によって弾性変形する前記加工ヘッドの一部の歪み量：δを測定するする歪み量測定手段を設け、前記歪み量：δから、前記挟持部材の前記矯正挟持力によって弾性変形する前記加工ヘッドの一部の歪み量：δ２を差し引くことで、前記一対の挟持部材が前記被溶接部から外れようとする力に対応する前記加工ヘッドの一部の歪み量：δ１（＝δ−δ２）を算出し、この歪み量：δ１に基づいて、前記一対の挟持部材が前記被溶接部から外れようとする力を算出する制御手段を設けたことを特徴とする請求項５記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、加工ヘッドが、板材相互を重ね合わせた被溶接部にレーザ光を照射しつつ被溶接部に沿って移動してレーザ溶接を行うレーザ溶接方法およびレーザ溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車の車体パネルのような三次元形状をもつ部品に対するレーザ溶接では、溶接品質を確保するために、互いに重ね合わせた板材相互間の継手隙間を矯正する必要がある。
【０００３】
この継手隙間を矯正する作業として、例えばルーフパネルの車幅方向端部とボディサイドパネルの上端部との重ね合わせ部に対し、レーザ光照射側からローラを押し付けつつ回転させながら移動させる方法が、例えば特許文献１や特許文献２に開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２３７８８７号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開平１１−３２０１５３号公報
また、互いに重ね合わせた板材のフランジ相互を、一対のローラで両側から挟み込み、前記した継手隙間を矯正しながらレーザ溶接を行うものもある（例えば、独ＨＩＧＨ−ＹＡＧ社製加工ヘッド）。
【０００６】
これらのレーザ溶接装置では、隙間矯正用ローラを備えた加工ヘッドそのもので隙間矯正を行いながら、溶接作業を行うことができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのレーザ溶接装置では、隙間矯正を行うものの、部品精度や部品組立精度のばらつき、あるいはロボットを用いた場合の教示誤差が、溶接作業に与える影響については、特に考慮していない。
【０００８】
このような場合、具体的には二つの問題がある。
【０００９】
一つ目は、部品精度や部品組立精度のばらつきによるフランジの形状が与える影響である。このようなフランジ形状は、例えば図４に示すように、互いに重ね合わせた２枚の板材１，３のフランジ１ａ，３ａが、先端側のみ接触し、基端側が離れて隙間５を形成するような場合が想定される。
【００１０】
このような場合、上下の各ローラ７，９でフランジ１ａ，３ａを両側から挟み込み、隙間５を矯正すると、図４のＡ部の拡大図である図５に示すように、挟み込み方向に相当する隙間矯正Ｆベクトルは、フランジ１ａ，３ａに対して垂直に働かなくなる。
【００１１】
そのため、この隙間矯正Ｆベクトルは、フランジ１ａ，３ａに対して垂直方向の力（Ｆｎベクトル）と、フランジ１ａ，３ａに対して平行な力（Ｆτベクトル）とに分解される（Ｆベクトル＝Ｆｎベクトル＋Ｆτベクトル）。このように、上下各ローラ７，９が、フランジ１ａ，３ａに対して平行な力を受けることで、フランジ１ａ，３ａから外れ溶接が不可能になる場合がある。
【００１２】
この状態でも溶接を行うには、多少のτ方向（フランジ１ａ，３ａと平行な方向）への滑りを補うだけのフランジ長さが必要となり、これは板材１，３が大型化し重量増加を招くので好ましくない。
【００１３】
なお、上記したフランジ１ａ，３ａに対して平行な力であるＦτベクトルは、図６に示すように、フランジ１ａ，３ａの傾斜角度ηに比例する。したがって、この傾斜角度ηが大きくなるほど（隙間５が大きくなるほど）、上下各ローラ７，９がフランジ１ａ，３ａから外れやすくなる。
【００１４】
二つ目の問題は、ロボットを用いた場合の教示誤差の影響である。
【００１５】
前記図４に示したように、上下各ローラ７，９で隙間５を矯正しながら溶接を行う場合、レーザ光１０を照射する図示しない加工ヘッドの進行方向（図４中で紙面に直交する方向）と上下各ローラ７，９の回転方向とが一致していなければ、上下各ローラ７，９には、前記したτ方向の力（フランジ１ａ，３ａに対して平行な方向の力）が働いてしまう。
【００１６】
例えば、図４の平面図に相当する図７に示すように、上部ローラ７が、教示方向（図７中で上方向）に対し、角度θ傾いているような場合には、τ方向にＲτの力が発生する。この力Ｒτは、前記したＦτと同様に、上部ローラ７をフランジ１ａから外させる力であり、Ｆτと同様の問題を抱えている。
【００１７】
溶接部位が直線に近い場合は、教示精度を上げることにより、Ｒτの原因である加工ヘッド進行方向に対する各ローラ７，９の回転方向の傾きを防ぐことができるが、溶接部位が自動車の車体パネルのような三次元形状の場合、教示点と教示点との間の補間領域では、上記した問題を避けることができない。
【００１８】
なお、上記したフランジ１ａ，３ａに対して平行な力であるＲτベクトルは、図８に示すように、角度θに比例する。このため、角度θが大きくなるほど、上下各ローラ７，９がフランジ１ａ，３ａから外れやすくなる。
【００１９】
したがって、この場合においても、上下各ローラ７，９がフランジ１ａ，３ａから外れずに溶接を行えるようにするためには、多少のτ方向（フランジ１ａ，３ａと平行な方向）への滑りを補うだけのフランジ長さが必要となり、前記と同様に板材１，３の重量増加を招くことになる。
【００２０】
そこで、この発明は、互いに重ね合わせた板材に対し、この板材の重ね合わせ部を必要最小限の大きさとして、一対の挟持部材により隙間矯正を行いつつ溶接作業を的確に行えるようにすることを目的としている。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明は、加工ヘッドが、板材相互を重ね合わせた被溶接部にレーザ光を照射しつつ被溶接部に沿って移動してレーザ溶接を行うレーザ溶接方法において、前記加工ヘッドは、前記被溶接部を両側から挟み込んで矯正挟持力を付与して板材相互の隙間を矯正する一対の挟持部材を備え、この一対の挟持部材が前記被溶接部から外れようとする力を打ち消すだけの力を、前記一対の挟持部材が、前記被溶接部に対する補正挟持力として付加するものとしてある。
【００２２】
【発明の効果】
この発明によれば、一対の挟持部材が互いに重ね合わせた板材の被溶接部から外れようとする力を打ち消すだけの力を、一対の挟持部材が、被溶接部に対する補正挟持力として付加するようにしたため、一対の挟持部材による被溶接部に対する挟持位置を、所定の狙い位置とすることができ、これにより一対の挟持部材による板材の挟持部位を必要最小限の大きさとして、一対の挟持部材により隙間矯正を行いつつ溶接作業を的確に行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２４】
図１は、この発明の実施の一形態を示すレーザ溶接装置の全体構成図である。
【００２５】
加工ヘッド１１は、レーザ光１３を被溶接部となるワークＷの重ね合わせ部１５に照射しつつ、図１中で紙面に直交する方向に重ね合わせ部１５に沿って移動してレーザ溶接を行う。ワークＷは、２枚の板材１７，１９を備え、その各フランジ１７ａ，１９ａ相互を突き合わせて上記した重ね合わせ部１５を形成する。
【００２６】
上記した加工ヘッド１１は、その側面をハウジング２１に取り付け、ハウジング２１は、ロボット用ブラケット２３に取り付ける。ロボット用ブラケット２３は、図１中で上下方向に延びるハウジング取付部２３ａを備え、このハウジング取付部２３ａに、ハウジング２１を、加工ヘッド１１とともに図１中で上下方向に移動可能となるよう、スライドガイド部２５を介して取り付ける。
【００２７】
ロボット用ブラケット２３は、上記したハウジング取付部２３ａの加工ヘッド１１と反対側の上部に、ハウジング取付部２３ａに対して垂直となるロボット取付部２３ｂを備え、このロボット取付部２３ｂに、多関節ロボット２７を取り付ける。
【００２８】
ハウジング２１の下端には、上部ローラ保持ブラケット２９の上端を固定する。上部ローラ保持ブラケット２９は、下方に延び、その下端がワークＷ側に膨出する膨出部２９ａを備え、この膨出部２９ａの図１中で右側面に、上部ローラ３１を、上部ローラ支持軸３３を介して回転可能に取り付ける。
【００２９】
上部ローラ３１は、照射方向前方側が収束するレーザ光１３に干渉しないように、上部が下部に対して膨出部２９ａに近づく位置となるよう傾斜させており、この傾斜状態で、前記した重ね合わせ部１５のレーザ光照射部位の側方を、レーザ光照射側から押圧する。
【００３０】
上部ローラ保持ブラケット２９の下端には、下部ローラ保持ブラケット３５を取り付ける。上部ローラ保持ブラケット２９の下端におけるワークＷと反対側の角部には、切欠部２９ｂを形成し、この切欠部２９ｂに、挟み込み用シリンダ３７を設け、この挟み込み用シリンダ３７によって上記した下部ローラ保持ブラケット３５を上部ローラ保持ブラケット２９に対し接近離反する方向に移動させる。
【００３１】
また、上部ローラ保持ブラケット２９における下端中央部には、下方に突出するガイド突起２９ｃを設ける一方、下部ローラ保持ブラケット３５の上部には、ガイド突起２９ｃが挿入されるガイド凹部３５ａを設けてある。このガイド突起２９ｃとガイド凹部３５ａとにより、下部ローラ保持ブラケット３５の上記した移動をガイドする。
【００３２】
下部ローラ保持ブラケット３５のワークＷ側の側面には、上部ローラ３１との間でワークＷの重ね合わせ部１５を挟持する下部ローラ３９を、下部ローラ支持軸４１を介して回転可能に取り付ける。この下部ローラ３９は、重ね合わせ部１５を境にして上部ローラ３１に対して対称となるように、下部が上部に対して下部ローラ保持ブラケット３５に近づく位置となるよう傾斜している。
【００３３】
上記した上部ローラ３１および下部ローラ３９とで、互いに重ね合わせた板材１７，１９を両側から挟み込んで矯正挟持力を付与して板材１７，１９相互の隙間を矯正する一対の挟持部材を構成している。
【００３４】
加工ヘッド１１の一部を構成する上部ローラ支持軸３３の下部には、図１のＢ部の拡大図である図２に示すように、歪み量測定手段としての歪みゲージ４３を設けてある。この歪みゲージ４３は、上下の各ローラ３１，３９で重ね合わせ部１５を両側から挟み込んだときの上部ローラ支持軸３３の歪みを測定する。
【００３５】
歪みゲージ４３の測定値は、制御手段としてのコントローラ４５が取り込み、コントローラ４５は、多関節ロボット２７の制御を行う。
【００３６】
次に、作用を説明する。
【００３７】
コントローラ４５の制御を受けて多関節ロボット２７は、図１に示すように、加工ヘッド１１をワークＷに対する所定の溶接位置に移動させる。このとき、下部ローラ保持ブラケット３５は、挟み込み用シリンダ３７によって上部ローラ保持ブラケット２９から離反させた状態とし、上下の各ローラ３１，３９相互間も離れた状態にある。
【００３８】
この状態から、挟み込み用シリンダ３７を作動させて下部ローラ保持ブラケット３５を上部ローラ保持ブラケット２９に接近させ、これに伴い下部ローラ３９を上部ローラ３１に接近させて、両ローラ３１，３９相互でワークＷの重ね合わせ部１５を両側から挟み込む。すなわち、このとき上下各ローラ３１，３９は、ワークＷに対して矯正挟持力を付与して板材１７，１９相互間の隙間の矯正を行う。
【００３９】
上記した隙間の矯正を行いつつ、加工ヘッド１１をワークＷの重ね合わせ部１５に沿って紙面に直交する方向に移動させながら、レーザ光１３を被溶接部に照射してレーザ溶接を行う。
【００４０】
このとき、ワークＷのフランジ部１７ａ，１９ａの形状が、ワーク単品精度の低下やワークセット時のばらつきで、前記図４に示したように、各フランジ相互が、角度η（図５）で傾いて隙間５を形成する場合、あるいは前記図７に示したように、上下各ローラが、教示方向（図７中で上方向）に対し、角度θ傾いている場合には、前述したとおり、フランジと平行なτ方向のＦτやＲτの力が発生し、上下各ローラがフランジから外れる可能性がある。
【００４１】
上記したＦτやＲτが上下各ローラ３１，３９に働くとき、上部ローラ支持軸３３の下部は弾性変形を起こしており、この変形を歪みゲージ４３が測定する。
【００４２】
図３（ａ）は、ＦτとＲτの双方が発生したときの上部ローラ支持軸３３の下部の歪みδ１を示している。ここで、図３（ａ）中で右側方向へのＦτとＲτとの和の増大は、前記図４の状態で隙間５の増大に対応しており、この場合の上部ローラ支持軸３３の下部の歪みδ１は縮む方向となる。一方、図３（ａ）中で左側方向へのＦτとＲτとの和の増大は、前記図４とは逆に、フランジの先端側に形成される隙間の増大に対応しており、この場合の上部ローラ支持軸３３の下部の歪みδ１は伸びる方向となる。
【００４３】
上部ローラ支持軸３３の下部の歪みは、上記したＦτやＲτによる歪みδ１以外に、前記した矯正挟持力による歪みδ２が考えられる。この歪みδ２は、図３（ｂ）に示すように、矯正挟持力（加圧力）と相関を持ち、データベース化してコントローラ４５に格納しておく。
【００４４】
このような歪みδ（δ１＋δ２）を、歪みゲージ４３で測定し、この測定した歪みδから、コントローラ４５にて、矯正挟持力による歪みδ２を差し引くことで、ＦτやＲτによる歪みδ１（＝δ−δ２）を算出する。この算出した歪みδ１からＦτ＋Ｒτを求め、Ｆτ＋Ｒτを打ち消すだけの力Ｒｆを、挟み込みシリンダ３７を作動させてワークＷに補正挟持力として付加する。
【００４５】
この場合、上下各ローラ３１，３９が被溶接部から外れようとする力（補正挟持力Ｒｆ）を算出する動作と、補正挟持力Ｒｆを付加する動作とを、互いに独立させている。
【００４６】
上記した補正挟持力ＲｆをワークＷに付加すると、上部ローラ支持軸３３の下部はさらに歪む。このときの歪みδ３は、図３（ｃ）に示すように補正挟持力Ｒｆと相関を持ち、データベース化してコントローラ４５に格納しておく。
【００４７】
補正挟持力ＲｆをワークＷに付加している間は、上記したデータベースに基づき、歪みゲージ４３による測定値δからさらにδ３を差し引く。つまり、ＦτやＲτによる歪みδ１は、δ１＝δ−δ２−δ３となる。これにより常に正確なＦτやＲτによる歪みδ１を算出することができる。
【００４８】
このように、上記した実施形態では、上下各ローラ３１，３９がフランジ１７ａ，１９ａから外れようとする力（ＦτやＲτ）を常に把握し、それらを打ち消すように反力として補正挟持力ＲｆをワークＷに付加するため、上下各ローラ３１，３９とフランジ１７ａ，１９ａとの間には、τ方向（フランジ１７ａ，１９ａと平行な方向）の力が発生せず、加工ヘッド１１は、所定の溶接位置上を移動し、狙い位置を正確に溶接することが可能となる。上下各ローラ３１，３９のτ方向のずれを考慮する必要がないため、ワークＷのフランジ１７ａ，１９ａの長さを必要最小限にすることができ、板材１７，１９の軽量化を達成することができる。
【００４９】
なお、上記した実施形態では、ＦτとＲτとの双方が発生した状態を想定したが、いずれか一方のみが発生した状態であっても、同様に対処することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の一形態を示すレーザ溶接装置の全体構成図である。
【図２】図１のＢ部の拡大図である。
【図３】（ａ）はＦτ，Ｒτと上部ローラ支持軸の歪みとの相関図、（ｂ）は上下各ローラによる矯正挟持力と、上部ローラ支持軸の歪みとの相関図、（ｃ）は上下各ローラによる補正挟持力と、上部ローラ支持軸の歪みとの相関図である。
【図４】部品精度が悪化した場合などでのワーク加工状態を示す説明図である。
【図５】図４のＡ部の拡大図である。
【図６】ワークのフランジの傾斜角度と、上部ローラにかかるフランジに対して平行な力との相関図である。
【図７】上下各ローラが、加工ヘッドに対するロボットによる教示方向に対して傾いている状態を示す平面図である。
【図８】上下各ローラの傾斜角度と、各ローラにかかるフランジ対して平行な力との相関図である。
【符号の説明】
１１  加工ヘッド
１３  レーザ光
１５  重ね合わせ部（被溶接部）
１７，１９  板材
３１  上部ローラ（挟持部材）
３３  下部ローラ（挟持部材）
４３  歪みゲージ（歪み量測定手段）
４５  コントローラ（制御手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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