(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットと、
前記ロボットに取り付けられ、レーザを射出するレーザ射出手段と、
前記ロボットの現在位置を測定する測定手段と、
前記測定手段が計測した前記ロボットの前記現在位置に基づいて前記レーザの照射位置があらかじめ決められた照射位置となるように前記レーザ射出手段から射出される前記レーザの向きを制御する制御手段と、を有し、
前記レーザ射出手段は、前記レーザ射出手段まで導かれた前記レーザを反射させる反射手段を有し、
前記制御手段は、前記レーザ照射位置があらかじめ決められた照射位置となるように、前記測定手段が計測した前記ロボットの前記現在位置に応じて前記反射手段の向きを移動させることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
前記ロボットは少なくとも一つの可動する軸を備え、
前記測定手段は前記軸が実際に動作した動作量を測定するものであり、
前記制御手段は、前記動作量から前記ロボットの現在位置を求めて、求めた現在位置に基づいて前記レーザの照射位置があらかじめ決められた照射位置となるように前記レーザ射出手段から射出される前記レーザの向きを制御することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記ロボットの現在位置から前記レーザ射出手段の現在位置を求めて、求めた前記レーザ射出手段の現在位置に基づいて前記レーザの照射位置があらかじめ決められた照射位置となるように前記レーザ射出手段から射出される前記レーザの向きを制御することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
前記レーザ射出手段が取り付けられた状態の前記ロボットの数値化モデルを用いて、前記ロボットのあらかじめ教示されている動作位置データに基づいて前記ロボットの動作位置に対する前記レーザ射出手段の予測位置を算出する予測手段をさらに有し、
前記制御手段は、前記予測手段から得られる前記レーザ射出手段の予測位置と、前記測定手段が測定した前記ロボットの前記現在位置から得られる前記レーザ射出手段の前記現在位置とを比較してその差によって生じる前記レーザの照射位置のずれを補正して、前記レーザの照射位置があらかじめ決められた位置となるようにすることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記測定手段は前記ロボットの外部に設けられ、前記レーザ射出手段の現在位置を測定するものであり、
前記制御手段は、前記外部に設けられた前記測定手段が測定した前記レーザ射出手段の現在位置に基づいて、前記レーザの照射位置があらかじめ決められた位置となるようにすることを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記制御手段は、さらに、前記レーザの焦点距離のずれを補正することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
前記制御手段は、さらに、前記レーザ射出手段から前記レーザの照射位置までの距離に応じて、前記レーザの出力を制御することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザ溶接装置。
【請求項８】
ロボットを動作させて当該ロボットに取り付けられたレーザ射出手段を移動させて当該レーザ射出手段からレーザをワークの所定位置に照射して溶接を行うレーザ溶接方法であって、
前記ロボットの現在位置を取得する段階と、
前記現在位置に基づいて前記レーザの照射位置があらかじめ決められた照射位置となるように前記レーザ射出手段から射出されるレーザの向きを制御する段階と、を有し、
前記レーザ射出手段は前記レーザ射出手段まで導かれた前記レーザを反射させる反射手段を有し、
前記制御する段階は、前記反射手段の向きを前記レーザ照射位置があらかじめ決められた照射位置となるように移動させることを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項９】
前記ロボットは少なくとも一つの可動する軸を備え、
前記現在位置を取得する段階は前記軸に取り付けられている前記軸の動作量を測定する測定手段から前記軸の動作量の測定値を取得するものであり、
前記制御する段階は、前記指令された前記軸の前記測定値に基づいて前記レーザの照射位置があらかじめ決められた位置となるようにすることを特徴とする請求項８記載のレーザ溶接方法。
【請求項１０】
前記制御する段階は、前記取得した前記ロボットの前記現在位置から求められる前記レーザ射出手段の現在位置に基づいて前記レーザの照射位置があらかじめ決められた位置となるようにすることを特徴とする請求項８記載のレーザ溶接方法。
【請求項１１】
前記制御する段階は、前記レーザ射出手段が取り付けられた状態の前記ロボットの数値化モデルを用いてあらかじめ教示された前記ロボットの動作位置データに基づいてあらかじめ算出された前記レーザ射出手段の予測位置と、取得した前記現在位置から求められる前記レーザ射出手段の現在位置とを比較してその差によって生じる前記レーザの照射位置のずれを補正して、前記レーザの照射位置があらかじめ決められた位置となるようにすることを特徴とする請求項８記載のレーザ溶接方法。
【請求項１２】
前記現在位置を取得する段階は、前記ロボットの外部に設けられた前記レーザ射出手段の前記現在位置を測定する測定手段によって測定された前記レーザ射出手段の現在位置を取得するものであり、
前記制御する段階は、取得した前記レーザ射出手段の現在位置に基づいて、前記レーザの照射位置があらかじめ決められた位置となるようにすることを特徴とする請求項８記載のレーザ溶接方法。
【請求項１３】
前記制御する段階は、さらに、前記レーザの焦点距離のずれを補正することを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
【請求項１４】
前記制御する段階は、さらに、前記レーザ射出手段から前記レーザの照射位置までの距離に応じて、前記レーザの出力を制御することを特徴とする請求項８〜１２のいずれか一つに記載のレーザ溶接方法。
【請求項１５】
照射物を照射する照射手段と、
前記照射手段を移動させる移動手段と、
前記移動手段の現在位置を測定する測定手段と、
前記測定手段によって得られた前記現在位置に基づいて前記照射手段から照射される照射物の照射位置があらかじめ決められた位置となるように前記照射手段から射出される前記照射物の照射方向を制御する制御手段と、を有し、
前記照射手段は、前記照射物の照射方向を反射および／または屈折させることで変更する照射方向変更手段を有し、
前記制御手段は、前記現在位置に基づいて前記照射手段から照射される前記照射物の照射位置があらかじめ決められた位置となるように前記照射方向変更手段を変更することを特徴とする照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ溶接装置およびその方法、照射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ロボットを利用した溶接にもレーザ溶接が用いられるようになってきている。従来、このようなレーザ溶接技術としては、ロボットアーム先端にレーザを射出するレーザ加工ヘッドを取り付け、ロボットの位置姿勢を変更することで、レーザが溶接点に届く位置にレーザ加工ヘッドを移動させて、ワークから離れた位置からレーザを射出して目的の溶接点をレーザ溶接する（たとえば文献１参照）。この技術によれば、ワークから一定距離離れた位置からレーザを溶接点に向けて照射することが可能であるため、ロボットの位置姿勢を変更することでレーザ加工ヘッドを移動させて、複数の溶接点を次々に溶接することができるようにしている。
【特許文献１】特開２００５−１７７８６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、ロボットは、指令された動作位置に対して実際に移動している現在位置が異なる場合がある。これは、ロボットやその先端に取り付けられたレーザ加工ヘッドの質量から来る慣性、およびロボット自体の動き易さなどに起因して、指令された動作位置に対してわずかに遅れたり、正確に指令位置を追従できなかったりして起こる。
【０００４】
このため、従来のレーザ溶接においては、このロボットの位置のずれによって、レーザ照射位置が設計どおりの位置とならない場合があるという問題があった。
【０００５】
そこで本発明の目的は、予定されているレーザ照射位置に正確にレーザを照射することのできるレーザ溶接装置を提供することである。
【０００６】
また、本発明の他の目的は、予定されているレーザ照射位置に正確にレーザを照射することのできる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】
【０００７】
上記課題を解決するための本発明は、ロボットと、前記ロボットに取り付けられ、レーザを射出するレーザ射出手段と、前記ロボットの現在位置を測定する測定手段と、前記測定手段が計測した前記ロボットの前記現在位置に基づいて前記レーザの照射位置があらかじめ決められた照射位置となるように前記レーザ射出手段から射出される前記レーザの向きを制御する制御手段と、を有し、前記レーザ射出手段は、前記レーザ射出手段まで導かれた前記レーザを反射させる反射手段を有し、前記制御手段は、前記レーザ照射位置があらかじめ決められた照射位置となるように、前記測定手段が計測した前記ロボットの前記現在位置に応じて前記反射手段の向きを移動させることを特徴とするレーザ溶接装置である。
【０００８】
また上記課題を解決するための本発明は、ロボットを動作させて当該ロボットに取り付けられたレーザ射出手段を移動させて当該レーザ射出手段からレーザをワークの所定位置に照射して溶接を行うレーザ溶接方法であって、前記ロボットの現在位置を取得する段階と、前記現在位置に基づいて前記レーザの照射位置があらかじめ決められた照射位置となるように前記レーザ射出手段から射出されるレーザの向きを制御する段階と、を有し、前記レーザ射出手段は前記レーザ射出手段まで導かれた前記レーザを反射させる反射手段を有し、前記制御する段階は、前記反射手段の向きを前記レーザ照射位置があらかじめ決められた照射位置となるように移動させることを特徴とするレーザ溶接方法である。
【０００９】
また、本発明は、照射物を照射する照射手段と、前記照射手段を移動させる移動手段と、前記移動手段の現在位置を測定する測定手段と、前記測定手段によって得られた前記現在位置に基づいて前記照射手段から照射される照射物の照射位置があらかじめ決められた位置となるように前記照射手段から射出される前記照射物の照射方向を制御する制御手段と、を有し、前記照射手段は、前記照射物の照射方向を反射および／または屈折させることで変更する照射方向変更手段を有し、前記制御手段は、前記現在位置に基づいて前記照射手段から照射される前記照射物の照射位置があらかじめ決められた位置となるように前記照射方向変更手段を変更することを特徴とする照射装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、実際に動いたロボットの現在位置に基づいてレーザ射出手段から射出されるレーザの向きを変えて、あらかじめ決められたレーザ照射位置にレーザが照射されるようにしたので、レーザを正確に予定したレーザ照射位置（たとえば溶接点）へ照射することができる。
【００１１】
また本発明は、レーザに限らず、さまざまな照射物を照射する照射装置においても、その照射手段の現在位置から、照射物の照射位置を制御することで正確に予定した照射位置へ照射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１３】
（実施形態１）
図１は、本発明を適用したレーザ溶接装置を説明するための概略斜視図、図２はレーザ加工ヘッドを説明するための概略透視図、図３はレーザ溶接装置の制御系の全体構成を説明するためのブロック図である。
【００１４】
図示するレーザ溶接装置を用いた溶接は、これまでのスポット溶接などと比較して、溶接冶具が直接ワークと接触せずに、レーザを用いてワークから離れた場所から溶接するものである。このためこのような溶接をリモート溶接と称している。
【００１５】
図示したレーザ溶接装置は、ロボット１と、このロボット１のアーム２先端に設けられ、レーザ１００を射出するレーザ加工ヘッド３（レーザ射出手段）と、レーザ光源であるレーザ発振器５と、レーザ発振器５からレーザ加工ヘッド３までレーザを導く光ファイバーケーブル６とを有する。レーザ発振器５は、レーザを光ファイバーケーブル６によって導くためにＹＡＧレーザ発振器を用いている。
【００１６】
ロボット１は、一般的な多軸ロボット（多関節ロボットなどとも称されている）であり、ここでは６軸（符号２１〜２６）を有する。
【００１７】
このロボット１は、教示作業によって与えられた動作経路のデータに従い各軸の移動量を指令されただけ動かすことで、その位置、姿勢を変えてアーム２の先端、すなわちレーザ加工ヘッド３をさまざまな方向に移動させることができる。
【００１８】
ロボット各軸２１〜２６には、それぞれモータとエンコーダ（図１において不図示）が取り付けられている。
【００１９】
モータは、たとえばサーボモータであり、ロボット制御装置（詳細後述）から指令された動作量だけモータが回転する。一方、エンコーダは測定手段となるものであり、たとえばパルスエンコーダが用いられる。パルスエンコーダは軸の回転した分だけパルスを出力する。出力されたパルス信号はロボット制御装置へ入力される。もちろんこれらサーボモータやパルスエンコーダ以外のものであっても使用可能である。
【００２０】
ロボットアーム２へのレーザ加工ヘッド３の取り付けには、たとえば、ロボットアームからの振動が伝わるのを抑えるために振動を吸収する振動抑制部材を入れて取り付けることが好ましい。振動抑制部材としては、たとえば、制振鋼板、ダンパー、制振ゴムなどが使用可能であり、特に、レーザ加工ヘッド３に加わる振動に固有の周波数において振動吸収効果の高いものが好ましい。もちろん、このような振動抑制部材を用いることなく、ロボットアーム先端に直接ジョイント機構を用いて取り付けてもよい。
【００２１】
このレーザ加工ヘッド３は、図２に示すように、光ファイバーケーブル６によって導かれたレーザ１００を、最終的に目的物方向へ射出する反射鏡１１（反射手段）と、反射鏡１１を回動させるモータ１６および１７（駆動手段）と、レーザの焦点距離を調整するためのレンズ群１２とを有する。
【００２２】
反射鏡１１は、鏡面を通る垂直な線をｚ軸として、このｚ軸と直行するｘ軸およびｙ軸をそれぞれ中心として独立に回動自在であり、回動することでレーザ１００の射出方向を自在に振り分けることができる。このためにモータ１６および１７が設けられている。なお、モータには必要によりギア機構（不図示）が設けられていてもよい。
【００２３】
このモータ１６および１７は、ロボット制御装置からの指令によって加工ヘッド制御装置（後述）からの信号によりレーザの照射方向を変更するために反射鏡１１を回動させる。このようなモータ１６および１７は、たとえばサーボモータ、ステッピングモータなどを使用することができ、指示された回転角度に応じて回転動作するモータが好ましい。
【００２４】
レンズ群１２内には、光ファイバーケーブル６端部から射出されたレーザを平行光にするコリメートレンズ１２１と、平行光になったレーザの焦点距離を可変してレーザを任意の位置で集光させるために可動する集光レンズ１２２を有する。
【００２５】
集光レンズ１２２は、ロボット制御装置からの指令によって加工ヘッド制御装置からの信号により焦点距離の調節が行われる。なお、焦点距離は、任意の位置で集光させることが可能であるが、可変できる焦点距離の範囲は用いる集光レンズやその可動範囲によって制限されていて、集光できる距離範囲は限界がある。
【００２６】
レーザ発振器５は、ＹＡＧレーザ発振器である。ここでは、レーザを光ファイバーケーブル６によって導くためにＹＡＧレーザを用いている。なお、その他のレーザであってもレーザ溶接に使用でき、光ファイバーケーブル６で導くことができるものであれば限定されない。
【００２７】
次に、レーザ溶接装置の制御系について説明する。
【００２８】
図３に示すように、レーザ溶接装置の制御系は、レーザ発振器５におけるレーザ出力のオン、オフおよび出力値などを実際に制御するレーザコントローラ５１と、ロボット１の動きと共に全体の制御を行うロボット制御装置５２と、レーザ加工ヘッド３の反射鏡１１およびレンズ１２２の動きを制御する加工ヘッド制御装置５３からなる。
【００２９】
レーザコントローラ５１は、レーザ発信器からのレーザ出力のオン、オフと、レーザの出力強度調整を行っている。このレーザコントローラ５１は、ロボット制御装置５２からの制御信号による指令に基づいてレーザ出力のオン、オフおよび出力調整を行っている。
【００３０】
ロボット制御装置５２は、あらかじめ教示されたデータ（教示データと称する）をもとにロボット動作とレーザのオンオフ、出力調節、およびレーザ加工ヘッドの各種制御を行っていて、ロボット１の動きを制御するとともにレーザ出力の制御と、レーザ射出方向の制御を行っている。
【００３１】
ロボット１は、前記のとおり、各軸にモータとエンコーダが備えられている（図４においてｒＭ＆Ｅ１〜６として示した）。ロボット制御装置５２は、モータに対して動作量を指令することでモータをその動作量だけ駆動し、一方、モータ動作によって実際に動いた軸の回転量をエンコーダから取得している。
【００３２】
加工ヘッド制御装置５３は、反射鏡１１をモータ１６および１７を動かしてレーザの射出方向を任意に変更する。この加工ヘッド制御装置５３による反射鏡１１の動作もロボット制御装置５２からの制御信号によって行われる。
【００３３】
レーザ加工ヘッド３内の反射鏡１１を回転させるためのモータ１６および１７には、その回転軸にエンコーダが備えられている（図４においてｓＭ＆Ｅ１および２として示した）。また、焦点距離調節のためのレンズ１２２を駆動するためのモータとその移動量を測定するエンコーダも備えられている（図４においてｓＭ＆Ｅ３として示した）。
【００３４】
加工ヘッド制御装置５３は、ロボット制御装置５２からの制御信号に応じてモータに対して動作量を指令することでモータをその動作量だけ駆動し、一方、モータ動作によって実際に動いたモータ軸の回転量をエンコーダから取得している。これらエンコーダからの信号は加工ヘッド制御装置５３内において処理され、実際に指令値どおりに反射鏡１１およびレンズ１２２が動いているかどうかを確かめるものである。
【００３５】
このように、直接的には、レーザ出力はレーザコントローラ５１が制御し、レーザ加工ヘッド３は加工ヘッド制御装置５３が制御しているが、実質的にはロボット１の動きやレーザのオンオフ動作、出力調節、およびレーザ射出方向の制御は、すべてロボット制御装置５２からの制御信号によって行われている。したがって、このロボット制御装置５２は本発明のレーザ溶接装置における制御手段となる。
【００３６】
次に、このレーザ溶接装置の作用を説明する。
【００３７】
図４は溶接動作に関わる制御を説明するためのブロック図、図５は溶接動作のうち、レーザ照射位置の制御手順を示すフローチャートである。なお、ここでは、この制御手順に基づく動作を照射位置制御と称する。
【００３８】
まず、ロボット制御装置５２は、教示データに基づいて、ロボット１を動作させてレーザ加工ヘッドを所定位置へ移動させるために、教示データに従って各軸に対して、動作量Ｒｒ１（ｔ）〜Ｒｒ６（ｔ）を指令する。このとき同時に、教示データに基づいて溶接点方向へレーザが照射されるようにレーザ加工ヘッド３内の反射鏡１１の向きを決めるための溶接点位置Ｗｒ（ｔ）がセットされる（Ｓ１１）。
【００３９】
この処理により、ロボット１は動作指令量Ｒｒ１（ｔ）〜Ｒｒ６（ｔ）に従って各軸のモータが回転するとともに、各軸の実際の回転量がエンコーダからＲｃ１（ｔ）〜Ｒｃ６（ｔ）としてフィードバックされる。
【００４０】
ロボット制御装置５２は、エンコーダから取得したエンコーダの出力値（各軸回転量の測定値）からレーザ加工ヘッド３の現在位置を求める（Ｓ１２）。
【００４１】
ロボット制御装置５２は、さらに、求めたレーザ加工ヘッド３の現在位置から、予定されているレーザ照射位置（すなわち溶接点）方向へレーザを照射するために、反射鏡１１を移動させる指令値を求める（Ｓ１３）。そして、ロボット制御装置５２は、求めたレーザ照射指令値Ｓｒ（ｔ）を出力する（Ｓ１４）。
【００４２】
レーザ照射指令値Ｓｒ（ｔ）を受けた加工ヘッド制御装置５３は、Ｓｒ（ｔ）から指令値通りにレーザを照射するために、レーザ加工ヘッド座標系内における座標値から反射鏡１１を回動するモータ回転量Ｓｒ１（ｔ）およびＳｒ２（ｔ）と、焦点距離を合わせるためのレンズの移動指令値ＳＬ（ｔ）を算出してモータ１６および１７を動作させ、同時に補正された焦点距離ＳＬ（ｔ）によりレンズ１２１を動作させる。
【００４３】
このような溶接動作において、ロボット１の位置ずれに対して反射鏡１１およびレンズ１２２を動かすためのレーザ照射指令値Ｓｒ（ｔ）、すなわち教示データにより指示されている位置に対して補正した指令値を求めるには、以下のように座標変換により算出する。
【００４４】
ここでは、ロボット１の基準位置を中心とするロボット座標系をΣＲ、ロボット１への指令値に対応するレーザ加工ヘッド３の座標系をΣＳ（ｔ）、このΣＳ（ｔ）のロボット座標系ΣＲ内における位置はロボット１が動作することで時間ｔにより変化する。レーザ加工ヘッド３の現在位置に対応するレーザ加工ヘッド３の座標系をΣＳ’（ｔ）、レーザ加工ヘッド３の現在位置（実質的には反射鏡１１の中心位置の位置）をＲｃｐ（ｔ）、レーザ加工ヘッド３の現在姿勢をＲｃθ（ｔ）、レーザ加工ヘッド３の現在角度（実質的には反射鏡１１の現在の角度）によって決まる回転行列をＳＴＲ（Ｒｃθ（ｔ））とする。また、溶接点位置Ｗｒ（ｔ）はロボット座標系ΣＲ内において時間ｔに応じて変化する溶接点位置の座標値である。
【００４５】
レーザ加工ヘッド３の現在位置Ｒｃｐ（ｔ）はエンコーダから取得したロボット各軸の動作量から求められたロボット座標系ΣＲ内におけるレーザ加工ヘッド３の現在位置座標値である。
【００４６】
そして反射鏡１１およびレンズ１２２を動かすためのレーザ照射指令値Ｓｒ（ｔ）は、下記行列式（１）により、溶接点位置Ｗｒ（ｔ）を実際のレーザ加工ヘッド３の位置姿勢Ｒｃ（ｔ）を用いてレーザ加工ヘッド３の座標系ΣＳ’（ｔ）に変換することで求める。なお、レーザ加工ヘッド３の位置姿勢Ｒｃ（ｔ）は、下記行列式（２）で示すとおり、レーザ加工ヘッド３の現在位置Ｒｃｐ（ｔ）とレーザ加工ヘッド３の現在姿勢Ｒｃθ（ｔ）からなる行列である。
【００４７】
【数１】
0004792901.tif 000002
【００４８】
このようにして座標系全体を補正することで、ロボット１の指令された動作位置に対して、実際の現在位置がずれていた場合でも、反射鏡１１から射出されるレーザは、ロボットの現在位置から得られたレーザ加工ヘッドの現在位置から即座に割り出されて、レーザは予定の照射位置に照射されるようになる。
【００４９】
なお、このような座標系変換による補正は、ロボット１の現在位置からレーザ射出方向を算出するための一例であり、ほかの算出方法をとってもよいことはいうまでもない。
【００５０】
図６は、ロボット１の実際の現在位置が設計位置からずれていた場合を説明するための説明図である。
【００５１】
このようなロボットの位置ずれは、たとえばロボット１への動作指示に対して実際のロボット１の動作が追従できなくて発生する。
【００５２】
図６（ａ）は、ロボットの動作が設計どおりに完全に理想的に行われた場合を示している。このような理想的なロボット位置なら、レーザ加工ヘッド３の位置は設計どおりの位置に来ているため、設計位置からそのままレーザ１００の射出方向を決めてもよい。
【００５３】
しかし実際には、レーザ加工ヘッド３の位置は、図６（ｂ）に示すように、ロボットの慣性や動きやすさなどによってわずかにずれた位置となる。仮にこのままの位置で、ロボット教示データから得られる動作位置によってレーザ射出方向を決めてレーザを射出すると、レーザの照射位置が本来予定していたＰ０ではなく、Ｐ２にずれてしまう。
【００５４】
そこで、本実施形態１では、ロボットの各軸のエンコーダの値からレーザ加工ヘッド３の現在位置を求めて、実際のレーザ加工ヘッド３の現在位置からリアルタイムにＰ０方向へレーザを照射するように反射鏡１１を移動させている。このため、レーザの射出方向は図６（ｃ）に示すように、レーザ照射位置Ｐ０に対して正確に照射されるようになるのである。
【００５５】
本実施形態１では、このような位置ずれに合わせて、上述したように、レーザ加工ヘッド３の座標系そのものを、ロボット各軸のエンコーダから得られた現在位置（この場合の位置とは角度を含む）に変換することで狙い通りのレーザ照射位置となるようにしている。
【００５６】
また、上述した行列式による座標変換によれば、単なる位置の変化に限らず、焦点距離の変化も含めてレーザ照射位置を正確に合わせることができる。なお、上述した行列式による座標変換を用いない場合は、ロボット座標系ΣＲ内における、ロボット１への指令値に対応するレーザ加工ヘッド３の座標系ΣＳ（ｔ）と、レーザ加工ヘッド３の現在位置に対応するレーザ加工ヘッド３の座標系ΣＳ’（ｔ）との差分から、教示データにおける元の焦点距離位置対して、現在位置から溶接点までの距離の変化が分かるので、この変化分を加味して、焦点距離ＳＬ（ｔ）をレーザ加工ヘッド３に指示することで、レンズ１２２がこの指示に従い焦点距離を調節することも可能である。
【００５７】
次に、このレーザ溶接装置を用いた溶接全体の流れを説明する。
【００５８】
図７は、レーザ溶接におけるレーザ加工ヘッド３の動きを説明するための説明図である。なお、ここでは理解を容易にするためにごく簡単な基本形を例に説明する。
【００５９】
本実施形態１では、図７に示すように、複数の溶接点２０１〜２０６がある場合に、目標とする一つの溶接点（たとえば２０１）へレーザ１００を射出中にも、レーザ加工ヘッド３を、次の溶接点（たとえば２０２）へ向けて所定速度で移動させる。そして、同時にレーザ加工ヘッド３が移動しても現在溶接中の溶接点（たとえば２０１）の溶接が終了するまで、その溶接点（たとえば２０１）からレーザ１００が外れないように反射鏡１１を加工ヘッド制御装置５３からの制御信号（指令）により回動させている。このとき、反射鏡１１は、上述したように、リアルタイムでレーザ加工ヘッド３の現在位置に応じてレーザ射出方向があらかじめ決められたレーザ照射位置となるように、反射鏡１１の向きを補正されて、レーザ１００が確実に溶接点へ照射されるようにしている。
【００６０】
したがって、図示する場合には、レーザ加工ヘッド３は、その位置ａからｊまで一定の速度（または可変速度でもよい）で移動しつつ、レーザの射出方向がそれぞれの溶接点へ向くように反射鏡１１が回動されている。
【００６１】
このときレーザ加工ヘッド３の位置移動はロボット姿勢の変更、すなわちロボットアーム２を動かすことで行っている。ロボット１の動きはロボット制御装置５２によって制御されており、レーザ加工ヘッド３の位置が溶接中の溶接点から次の溶接点へ向けて一定速度で移動させている。したがって、図示する場合には、レーザ加工ヘッド３は、その位置ａからｊまで一定の速度で移動する。
【００６２】
一方、反射鏡１１は、照射位置制御によって一つの溶接点を溶接中は、その溶接点が溶接されるように制御されている。したがって、レーザ加工ヘッド３の移動中においても、正確に溶接ビードが形成されるようになる。
【００６３】
また、このレーザ加工ヘッド３の移動速度は、溶接速度より速い必要がある。これは、一つの溶接点（たとえば２０１）の溶接が終了した時点で、次の溶接点（たとえば２０２）に対してレーザが届くようにするためである。
【００６４】
通常、レーザ溶接の溶接速度は１〜５ｍ／ｍｉｎである。これに対して、レーザ加工ヘッド３の移動速度（すなわちロボットアームを動作させる速度）は、ロボット１によってさまざまであるが、たとえば最大１０〜２０ｍ／ｍｉｎ程度であり、また、反射鏡１１によるレーザ焦点位置の移動速度は焦点位置が反射鏡１１から１ｍ程度の部分で最大１００ｍ／ｍｉｎ程度が可能である。したがって、レーザ加工ヘッド３の移動速度を溶接速度より速くすることは十分可能である。
【００６５】
なお、このようなそれぞれの速度から実際の移動速度を選択する際には、レーザ加工ヘッド３の振動を抑えるようにすることが好ましい。したがって、レーザ加工ヘッド３の移動速度ができるだけ低速となるように、各速度を選択することが好ましい。
【００６６】
そして、一つの溶接点（たとえば２０１）の終了から、次の溶接点（たとえば２０２）へのレーザ焦点位置の移動も、反射鏡１１の回動によって行う。このときの反射鏡１１の回動は、可能な限り速く行うことが好ましい。このとき、レーザ出力は、停止せずにそのまま出力を続けるようにしてもよい。これは、上記のとおり、レーザ焦点位置の移動速度は溶接速度に対して桁違いに速いため、溶接点間の移動中に、溶接しない部分にレーザが照射されたとしても、その部分がレーザの焦点位置から外れていたり、焦点位置内にあったとしても一瞬レーザが当たるだけでほとんど影響がなく、レーザ１００が当たった部分を傷つけることはないからである。なお、必要に応じてレーザコントローラ５１にオフ信号、または出力を低下させる信号を送りレーザ出力を一時停止または出力を低下させることも可能である。
【００６７】
このようにロボット１によるレーザ加工ヘッド３の移動および反射鏡１１の向きを制御することで、ロボットアーム先端に設けられているレーザ加工ヘッド３の位置は、順次溶接を行う方向に、溶接点（たとえば２０２）の溶接開始時にはその溶接点（たとえば２０２）より前にあり（たとえば位置ｂ）、その溶接点（たとえば２０２）の溶接終了時にはその溶接点（たとえば２０２）より先にある（たとえば位置ｄ）ことになる。
【００６８】
図８は、このリモート溶接における制御手順を示すフローチャートである。
【００６９】
まず、ロボット制御装置５２は、あらかじめ教示された教示データに従って最初の溶接開始位置にレーザ加工ヘッド３を移動させて定速移動を開始するとともに、レーザ出力をオンにするようにレーザコントローラ５１に指令し（Ｓ１）、同時に、上述した照射位置制御を実行する（Ｓ１０）。そして、指令された動作量となるように反射鏡１１およびレンズ１２２を移動させるためのレーザ照射指令値を加工ヘッド制御装置５３へ出力する。これにより指令された位置に反射鏡１１およびレンズ１２２が移動する（Ｓ２）。
【００７０】
続いて、ロボット制御装置５２は、教示データに従い、次の溶接点の溶接開始位置に到達したか否かを判断する（Ｓ３）。ここで教示データに従う次の溶接点の溶接開始位置は、その前の溶接点の溶接が終了した位置でもある。
【００７１】
この段階で次の溶接点の溶接開始位置に到達していれば、反射鏡１１を次の溶接点方向へ高速で回動するように加工ヘッド制御装置５３に対して指令する（Ｓ４）。これにより、加工ヘッド制御装置５３が次の目標となる溶接点方向へ反射鏡１１を高速で回動させてレーザが次の溶接点方向へ向けて射出されるようになる。以降Ｓ２〜Ｓ４の動作を最終溶接点の溶接終了まで続けることになる。この間照射位置制御も続けられている。
【００７２】
一方、ロボット制御装置５２は、ステップＳ３において、次の溶接点の溶接開始位置に到達していなければ、全溶接点の溶接終了か否かを判断する（Ｓ５）。この判断は教示データに従って最終溶接点の溶接が終了したことにより判断される。ここで、最終溶接点の溶接終了でなければ、現在溶接中の溶接作業自体が終了していないので、そのまま処理はステップＳ３へ戻る。これにより現在溶接中の溶接がそのまま継続されることになる。
【００７３】
一方、ステップＳ５において、最終溶接点の溶接が終了していれば、教示データに従って、レーザ出力をオフにするようにレーザコントローラ５１に指令し、レーザ加工ヘッド３を待機位置（または作業終了位置など）に戻し（Ｓ６）、すべての作業を終了する。
【００７４】
この動作を、図７の例を使って説明すれば、はじめにロボット制御装置５２はレーザ加工ヘッド３を溶接点２０１の溶接開始位置ａまで移動し、レーザ加工ヘッド３を所定速度で移動させつつレーザ出力を開始させ、同時に反射鏡１１を溶接点２０１にレーザが照射されるように補正しながら溶接点へレーザが向かうように回動させる。
【００７５】
続いて、位置ｂを経て、溶接点２０２の溶接開始位置ｃに到達した時点で（この時点で溶接点２０１の溶接が終了している）、ロボット制御装置５２は、反射鏡１１を教示されている最大速度で回動してレーザ射出方向を溶接点２０２方向に回動させる。そして溶接点２０２の溶接を継続して実行させる。以降溶接点２０６の溶接が終了するまでこれらの処理を繰り返し、溶接点２０６の溶接が終了した時点で、レーザ出力を停止させ、すべての溶接作業を終了する。
【００７６】
以上のように本実施形態１によれば、ロボット各軸のエンコーダから得られたロボット１の現在位置から、リアルタイムでレーザ加工ヘッド３の現在位置を算出して、目的の溶接点であるレーザ照射位置方向に反射鏡１１の向きを変えている。このため、ロボット１の慣性などによって、動作指令位置に対して実際のロボット１の位置がずれている場合でも、ロボット１の動作速度より格段に速い反射鏡１１の動作によって正確に溶接点へレーザを照射することができる。このため、レーザ溶接における溶接部位においてレーザ照射位置の位置ずれがなく、溶接品質が向上する。
【００７７】
また、本実施形態１では、焦点距離のずれも補正することとしているので、レーザ加工ヘッド３の位置ずれを反射鏡１１の角度を変えることで補正して、補正後のレーザ光路長が教示データの値から変わってしまった場合でも、確実に焦点距離を合わせて溶接を行うことが可能となる。
【００７８】
（実施形態２）
図９は、本実施形態２における溶接動作に関わる制御を説明するためのブロック図である。なお、レーザ溶接装置および制御系の全体構成は実施形態１（図１〜３参照）と同様であるので図面および詳細な説明を省略する。
【００７９】
本実施形態２は、ロボット制御装置５２内に、自らが制御しているロボット１の動作を数値化モデルによってシミュレーションし、レーザ加工ヘッド３の位置を求める数値化モデルシミュレータ５５（予測手段）を備える。
【００８０】
この数値化モデルシミュレータ５５は、与えられたロボット１の教示データの中で指示されているロボット１の動作位置を用いて、その動きにより時間ｔごとに変化するロボット１の実際の位置（姿勢を含む）を仮想的に求める。このとき、ロボット１の慣性や動きやすさなどの特徴を加味することで、実際にロボット１を動作させたときに近い仮想の現在位置を得ることができる。
【００８１】
さらに、数値化モデルシミュレータ５５は、求めたロボット仮想位置に基づいて、レーザ加工ヘッド３から目的の溶接点へ向けてレーザを照射するための仮想のレーザ照射指令値を求める。
【００８２】
これによりロボット仮想位置における仮想のレーザ加工ヘッド座標系内における反射鏡１１とレンズ１２２の仮想移動量がシミュレーションにより求められたことになる。
【００８３】
そして、ロボット制御装置５２は、この仮想のレーザ照射指令値をさらにエンコーダから得られる実際のロボット１の現在位置により補正することで、実際に動かす反射鏡１１およびレンズ１１を移動させるためのレーザ照射指令値を求める。
【００８４】
本実施形態２におけるシミュレーションを利用した補正動作、すなわち、実際に反射鏡１１およびレンズ１２２を動かすためのレーザ照射指令値Ｓｒ’’（ｔ）を、実施形態１と同様に行列式により求めている。
【００８５】
まず、（３）式によりロボット仮想位置における仮想のレーザ加工ヘッド座標系Σ’Ｓ（ｔ）内における仮想のレーザ照射指令値Ｓ’ｒ（ｔ）を求める。だだし、（３）式中、指令位置とシミュレーション値との差分をΔＲ’（ｔ）として用いており、これは（４）式に示すとおり、ロボット指令によるレーザ加工ヘッド３の位置とシミュレーションによるレーザ加工ヘッド３の位置との差分をΔＲ’ｐ（ｔ）とし、指令によるレーザ加工ヘッド３の姿勢（角度）とシミュレーションによるレーザ加工ヘッド３の角度との差分をΔＲ’θ（ｔ）として用いている。また、（３）式中、Ｓｒ（ｔ）はロボット指令位置に対応したレーザ照射指令値である。Ｓ’ＴＳ（ΔＲ’θ（ｔ））はレーザ加工ヘッド３の指令角度とシミュレーションで得られた角度との差分によって決まる回転行列である。
【００８６】
【数２】
0004792901.tif 000003
【００８７】
続いて、得られた仮想のレーザ加工ヘッド３の位置から、さらにエンコーダから得られたロボット１の現在位置から、実際に指令する反射鏡１１およびレンズの移動量となるレーザ照射指令値Ｓ’’ｒ（ｔ）は、同様に下記行列式（５）から求める。
【００８８】
ここで、（５）式中、シミュレーション値とエンコーダにより現在位置との差分をΔＲ（ｔ）として用いており、これは（６）式に示すとおり、シミュレーションによるレーザ加工ヘッド３の位置とエンコーダから得られる現在位置との差分をΔＲ’ｐ（ｔ）とし、シミュレーションによるレーザ加工ヘッド３の角度とエンコーダにより得られた角度の差分をΔＲ’θ（ｔ）として用いている。また、Ｓ’’ＴＳ’（ΔＲθ（ｔ））はシミュレーションで得られたレーザ加工ヘッド３の角度とエンコーダで得られた現在の角度との差分によって決まる回転行列である。
【００８９】
【数３】
0004792901.tif 000004
【００９０】
このように、本実施形態２によれば、シミュレーションによりある程度ロボットの位置を予測してその予測位置でのレーザ照射位置を求めておいて、その予測位置からさらにエンコーダによって得られる実際の現在位置を利用して、実際にレーザを照射するためのレーザ照射指令値を補正して指令することとしたので、補正量が、ロボット１の指令位置そのままと現在位置とを比較するよりも少なくなり、補正量自体がわずかですむようになり、制御時間が短く、より正確にあらかじめ決められたレーザ照射位置にレーザを照射することができるようになる。
【００９１】
また、数値化モデルによるシミュレーションをロボット１の制御装置内に設けたので、個々のロボット１の特徴を加味したシミュレーションを、そのロボット１を制御する制御装置において実行することができる。したがって、複数のロボットがある場合には、それぞれのロボットに自らの特性を入力しておくことで個々のロボットの特性を加味したシミュレーションを実行することが容易になる。
【００９２】
なお、この数値化モデルによるシミュレーションを行うための装置は、ロボット制御装置の外部にあってもよい。その場合は、シミュレーションの結果、すなわち、教示データから得られるレーザ加工ヘッドの予測位置に基づいたレーザ照射指令値だけをロボット制御装置に渡すようにしてもよい。
【００９３】
このような外部でのシミュレーションの場合、個々のロボットの特性を加味したシミュレーションが難しい場合には、単純にロボットの動作設計段階で得られた教示データからレーザ加工ヘッドの予測位置を求めて、その予測位置に基づいたレーザ照射指令値をシミュレーションするようにしてもよい。
【００９４】
（実施形態３）
図１０は、本実施形態３における溶接動作に関わる制御を説明するためのブロック図である。
【００９５】
本実施形態３は、ロボット制御装置５２内に、算出した補正後のレーザ照射指令値（実施形態１においてはＳｒ（ｔ）、実施形態２においてはＳ’’ｒ（ｔ）、なお図１０においては実施形態１と同様の図示としている）から補正後の焦点距離を得て、最初に教示データによって指示されている焦点距離と比較し、レーザの光路長が変わる場合に、その変化量に応じてレーザ出力を調整するレーザ出力調整部５６を備える。このレーザ出力調整部５６の指令によりロボット制御装置５２から制御信号Ｌｐがレーザコントローラ５１へ出力される。レーザコントローラ５１は制御信号Ｌｐに応じてレーザ発信機５の出力を制御する。
【００９６】
レーザ出力調整部５６は、もともとのレーザの光路長である焦点距離は教示データから得る。一方、補正後の焦点距離は実施形態１または２で説明した補正動作によって得られたレーザ照射指令値から得る。したがって、本実施形態３では、加工ヘッド制御装置５からは、レンズ移動指令値ＳＬ（ｔ）は出力しない。
【００９７】
なお、焦点距離調節機能そのものがない場合には、焦点距離が固定となるため、この固定焦点距離（反射鏡から溶接点までの距離）に合わせてレーザ加工ヘッド３を教示データとなる。なお、図１０においては、焦点距離調節機能がない場合を示している。
【００９８】
これら以外のレーザ溶接装置および制御系の全体構成は実施形態１（図１〜３参照）と同様であるので図面および詳細な説明を省略する。またレーザ出力調整以外の動作は実施形態１または２と同様であるので、説明は省略する。
【００９９】
図１１は、レーザ出力と焦点距離の関係を示すグラフである。
【０１００】
レーザ照射位置におけるレーザ強度は、レーザスポット径が最もしぼられた位置で最大となり、そこから焦点距離がずれるごとに、スポット径の面積に比例して低下する。
【０１０１】
そこで本実施形態では、図１１に示すように、焦点距離に応じて、レーザ出力を調整するグラフデータを利用して、焦点距離の変化に応じてレーザ出力を調整することとしている。
【０１０２】
このグラフにおいては、横軸を焦点距離のずれ量ΔＳＬ（ｔ）、縦軸をレーザ出力としている。
【０１０３】
図示するようにレーザ出力指令値は、焦点距離に応じたスポット径の面積に比例して上昇させるようにしている。ただしずれ量が大きすぎる場合は、適切なレーザ溶接ができなくなるおそれがあるため、ずれ補正可能範囲を超えた時点でエラー処理（たとえば出力停止溶接不能の表示など）を行うようにしている。
【０１０４】
また、レーザ出力の上限を超えた出力制御は行えないため、このグラフにはレーザ出力上限値を入れてある。このグラフにおいては、レーザ出力上限値がずれ補正可能範囲より外側にあるため、レーザ出力上限値を超えることはないが、もしレーザ出力上限値の方がずれ補正可能範囲より内側に来る場合には、レーザ出力上限値に到達した時点でエラー処理（たとえば出力停止溶接不能の表示など）を行うことになる。
【０１０５】
このように本実施形態３によれば、レーザ照射位置を補正することで、反射鏡１１から溶接点までの距離が、教示データの値から変化した場合でも、焦点距離を調整することなくレーザ出力を調整して溶接に適したレーザ強度となるようにしたので、レンズによる焦点距離の補正が不要になり、溶接品質を一定に保つことができる。
【０１０６】
（実施形態４）
図１２は、本実施形態４における溶接動作に関わる制御を説明するためのブロック図である。
【０１０７】
本実施形態４は、ロボット１の外部にレーザ加工ヘッド３の位置測定装置５７を設けたものである。
【０１０８】
外部に設ける位置測定装置５７としては、ロボット１に取り付けられているレーザ加工ヘッド３の位置をリアルタイムで３次元として得ることができるものであれば特に限定されない。たとえば、レーザ加工ヘッド３に電波発信器５８を取り付け、その周囲少なくとも３点にその電波を受信する受信機５９を設け、各受信機５９でとらえられる電波発信器５８からの電波の相互の伝送時間から、レーザ加工ヘッド３の現在位置を求める装置を利用することができる。もちろん、これ以外に、リアルタイムで３次元的にレーザ加工ヘッド３の現在位置を測定できるものであればどのようなものであってもよい。
【０１０９】
なお、ロボット各軸に取り付けられているエンコーダからの値は、動作確認のために用いられるのみで本発明の補正動作に用いる必要はない（したがって、図１１ではエンコーダからロボット制御装置５２へ至る信号線は省略してある）。
【０１１０】
このように外部の位置測定装置５７によりレーザ加工ヘッド３の現在位置を計測するようにした場合、基本的な補正動作は既に説明した実施形態１と同様であるが、ロボット各軸のエンコーダの値からレーザ加工ヘッド３の現在位置を算出する段階が不要となる。
【０１１１】
したがって、ロボット制御装置５２による補正動作は、教示データから得られるロボット動作位置から求めたレーザ加工ヘッドの位置と、位置測定装置５７から得られたレーザ加工ヘッド３の現在位置とを比較して、その誤差分を補正したレーザ照射指令値を出力することになる。
【０１１２】
このように本実施形態４によれば、ロボット各軸のエンコーダの値からレーザ加工ヘッド３の現在位置を算出する段階が不要となるので、補正動作の処理を少なくとも１ステップ省略して処理動作を早くすることが可能となる。
【０１１３】
以上本発明を適用した実施形態を説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではない。
【０１１４】
たとえば、各実施形態ではレーザの向きを変えるために反射鏡を用いているが、これに変えてプリズムなど他の光学手段を用いてもよい。
【０１１５】
また、本発明は、レーザ溶接に限定されるざまざまな照射物を照射する装置においても実施することが可能である。たとえば、ロボットやアクチュエータなどのさまざまな移動手段に、光（可視光、赤外線、紫外線など）、Ｘ線などの放射線、電子線、電磁波などさまざまなビームを照射する照射手段を取り付け、移動手段によって照射手段を移動させながら、ビームを照射する装置においても、本発明を適用することで、正確に予定された位置にビームを照射することができる。これらビームのうち光については反射鏡を移動させることで光の照射方向を変えることができる。光以外のビームについては、反射板を用いたり、電子レンズ、偏向コイルなどを用いたりしてビームの照射方向を変更することが可能である。
【０１１６】
さらに照射手段は、照射物としてビームに限らず、ショット（金属などの固体物体）や水流などを照射する照射手段であっても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１１７】
本発明は、ロボットを使用したレーザ溶接に利用可能である。また、本発明はロボットに限らず、さまざまなアクチュエータなどの移動手段に照射手段を取り付け、移動手段によって照射手段を移動させながら、照射物を照射する装置にも適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明を適用したレーザ溶接装置を説明するための概略斜視図である。
【図２】レーザ加工ヘッドを説明するための概略透視図である。
【図３】レーザ溶接装置の制御系の全体構成を説明するためのブロック図である。
【図４】実施形態１における溶接動作に関わる制御を説明するためのブロック図である。
【図５】レーザ照射位置の制御手順を示すフローチャートである。
【図６】ロボットの動作に対して位置がずれた場合の補正を説明するための説明図である。
【図７】レーザ溶接におけるレーザ加工ヘッド３の動きを説明するための説明図である
【図８】レーザ溶接における全体の制御手順を示すフローチャートである。
【図９】本実施形態２における溶接動作に関わる制御を説明するためのブロック図である。
【図１０】本実施形態３における溶接動作に関わる制御を説明するためのブロック図である。
【図１１】レーザ出力と焦点距離の関係を示すグラフである。
【図１２】実施形態４における溶接動作に関わる制御を説明するためのブロック図である。
【符号の説明】
【０１１９】
１…ロボット、
２…ロボットアーム、
３…レーザ加工ヘッド、
１１…反射鏡、
５１…レーザコントローラ、
５２…ロボット制御装置、
５３…加工ヘッド制御装置、
５５…数値化モデルシミュレータ、
５６…レーザ出力調整部、
５７…位置測定装置。
【図１】
0004792901.tif 000005
【図２】
0004792901.tif 000006
【図３】
0004792901.tif 000007
【図４】
0004792901.tif 000008
【図５】
0004792901.tif 000009
【図６】
0004792901.tif 000010
【図７】
0004792901.tif 000011
【図８】
0004792901.tif 000012
【図９】
0004792901.tif 000013
【図１０】
0004792901.tif 000014
【図１１】
0004792901.tif 000015
【図１２】
0004792901.tif 000016