(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動手段に設けた加工ツールによりワークの加工線をレーザ加工するレーザ加工方法において、
前記加工ツールは、レーザを照射するレーザ照射手段と、
前記レーザが照射されるべき照射位置を計測する第１センサと、
加工線に沿って照射位置よりも前方の所定の先行位置を計測する第２センサと、
を有し、
前記レーザ照射手段によるレーザ照射を停止させた状態で、前記移動手段により所定のマスタワークに対応して、前記加工ツールを加工線に沿って移動させながら、前記第１センサで前記マスタワークの加工線における照射位置を計測するとともに、前記第２センサで前記マスタワークの加工線における先行位置を計測する計測工程と、
演算手段により、前記第１センサから得られた前記マスタワークにおける照射位置と基準データにおける照射位置との第１偏差を加工線に沿った系列データとして求め、記録するデータ記録工程と、
前記レーザ照射手段によりレーザを照射させた状態で、前記移動手段により実ワークに対応して前記加工ツールを加工線に沿って移動させながら、前記第２センサで前記実ワークの加工線における先行位置を計測する加工工程と、
を有し、
前記加工工程では、制御手段が、前記第２センサから得られた前記実ワークにおける先行位置と前記１工程で得られた前記マスタワークの加工線における先行位置との第２偏差を加工線に沿った系列データとして求め、記録し、前記第１偏差及び前記第２偏差に基づいて前記実ワークの加工線における照射位置を演算して、前記加工ツールによる加工位置を補正することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ加工方法において、
照射位置と先行位置との距離及び前記加工ツールの移動速度に応じて、所定順番だけ前の前記第２偏差に基づいて前記実ワークの加工線における照射位置を演算することを特徴とするレーザ加工方法。
【請求項３】
移動手段に設けた加工ツールによりワークの加工線をレーザ加工するレーザ加工方法において、
前記加工ツールは、レーザを照射するレーザ照射手段と、
前記レーザが照射されるべき照射位置と、加工線に沿って照射位置よりも前方の所定の先行位置のいずれか一方を切換手段によって切り換えて計測するセンサと、
を有し、
前記レーザ照射手段によるレーザ照射を停止させた状態で、前記移動手段により所定のマスタワークに対応して、前記加工ツールを加工線に沿って移動させながら、前記センサで前記マスタワークの加工線における照射位置を計測する第１計測工程と、
前記レーザ照射手段によるレーザ照射を停止させた状態で、前記移動手段により所定のマスタワークに対応して、前記加工ツールを加工線に沿って移動させながら、前記センサで前記マスタワークの加工線における先行位置を計測する第２計測工程と、
演算手段により、前記第１計測工程で得られた前記マスタワークにおける照射位置と基準データにおける照射位置との第１偏差を加工線に沿った系列データとして求め、記録するデータ記録工程と、
前記レーザ照射手段によりレーザを照射させた状態で、前記移動手段を実ワークに対応して前記加工ツールを加工線に沿って移動させながら、前記センサで前記実ワークの加工線における先行位置を計測する加工工程と、
を有し、
前記加工工程では、制御手段が、前記センサから得られた前記実ワークにおける先行位置と前記２計測工程で得られた前記マスタワークの加工線における先行位置との第２偏差を加工線に沿った系列データとして求め、記録し、前記第１偏差及び前記第２偏差に基づいて前記実ワークの加工線における照射位置を演算して、前記加工ツールによる加工位置を補正することを特徴とするレーザ加工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動手段に設けた加工ツールによりワークの加工線をレーザ加工するレーザ加工方法に関し、特に、レーザが照射されるべき照射位置をセンサから得られるデータに基づいて特定するレーザ加工方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
車両には多くの箇所に溶接が用いられており、例えば２つの部材を所定の加工線に沿ってレーザを照射することにより溶接して接合している。レーザを照射するトーチは、産業用ロボットの先端に設けられて移動し、加工線に沿った溶接が行われる。産業用ロボットは予め設定された教示パスに沿ってトーチを相当高精度に移動させることができ、所望の溶接がなされる。
【０００３】
しかしながら、産業用ロボットは加工線に沿ってトーチを移動させるのに必ずしも十分な動作精度を有していない場合があり、又は産業用ロボットが十分に高精度に動作をしてもワークの載置位置がずれている場合もある。このような場合には、溶接の行われる箇所の軌跡が本来の加工線に対してずれてしまうことから、溶接を行いながらトーチの位置を何らかの手段で補正をすることが望まれる。
【０００４】
このような観点から、特許文献１記載のロボット制御方法では、レーザの照射位置に対して所定距離だけ先行配置されたＣＣＤカメラにより、加工線上の先行する位置を計測し、得られたデータに基づいてトーチの位置を補正している。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３２４７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記の特許文献１記載のロボット制御方法では、ＣＣＤカメラによりレーザの照射位置に対して所定距離を先行する位置を計測することから、レーザの照射位置を直接的に計測することはできず、ＣＣＤカメラから得られたデータに基づいて照射位置を計算している。レーザの照射位置は相当高温になり明るくなっていることからＣＣＤカメラによる撮像は困難なためである。
【０００７】
しかしながら、この制御方法ではレーザの照射位置を計算する段階で誤差が生じ得る。ロボットの角度情報等に誤差が含まれる等の理由による。このため、従来の制御方法では十分に高精度な溶接がなされない場合がある。
【０００８】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、移動手段に設けた加工ツールによりワークの加工線をレーザ加工する際に、所定の加工線に沿ってトーチを正確に移動させ、高精度な溶接を行うことができるレーザ加工方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るレーザ加工方法は、移動手段に設けた加工ツールによりワークの加工線をレーザ加工するレーザ加工方法において、前記加工ツールは、レーザを照射するレーザ照射手段と、前記レーザが照射されるべき照射位置を計測する第１センサと、加工線に沿って照射位置よりも前方の所定の先行位置を計測する第２センサとを有し、前記レーザ照射手段によるレーザ照射を停止させた状態で、前記移動手段により所定のマスタワークに対応して、前記加工ツールを加工線に沿って移動させながら、前記第１センサで前記マスタワークの加工線における照射位置を計測するとともに、前記第２センサで前記マスタワークの加工線における先行位置を計測する計測工程と、演算手段により、前記第１センサから得られた前記マスタワークにおける照射位置と基準データにおける照射位置との第１偏差を加工線に沿った系列データとして求め、記録するデータ記録工程と、前記レーザ照射手段によりレーザを照射させた状態で、前記移動手段により実ワークに対応して前記加工ツールを加工線に沿って移動させながら、前記第２センサで前記実ワークの加工線における先行位置を計測する加工工程とを有し、前記加工工程では、制御手段が、前記第２センサから得られた前記実ワークにおける先行位置と前記１工程で得られた前記マスタワークの加工線における先行位置との第２偏差を加工線に沿った系列データとして求め、記録し、前記第１偏差及び前記第２偏差に基づいて前記実ワークの加工線における照射位置を演算して、前記加工ツールによる加工位置を補正することを特徴とする。
【００１０】
このように、予めマスタワークにおける照射位置と基準データにおける照射位置との第１偏差を求め、さらに加工を行いながら実ワークにおける先行位置と計測工程で得られたマスタワークの加工線における先行位置との第２偏差を求めることにより、該第１偏差及び第２偏差に基づいて溶接を行っている際のレーザ照射位置を正確に求めることができ、トーチの位置を補正して、高精度な加工を行うことができる。
【００１１】
また、照射位置と先行位置との距離及び前記加工ツールの移動速度に応じて、所定順番だけ前の前記第２偏差に基づいて前記実ワークの加工線における照射位置を演算することにより、一層正確な溶接がなされる。
【００１２】
さらに、本発明に係るレーザ加工方法は、移動手段に設けた加工ツールによりワークの加工線をレーザ加工するレーザ加工方法において、前記加工ツールは、レーザを照射するレーザ照射手段と、前記レーザが照射されるべき照射位置と、加工線に沿って照射位置よりも前方の所定の先行位置のいずれか一方を切換手段によって切り換えて計測するセンサとを有し、前記レーザ照射手段によるレーザ照射を停止させた状態で、前記移動手段により所定のマスタワークに対応して、前記加工ツールを加工線に沿って移動させながら、前記センサで前記マスタワークの加工線における照射位置を計測する第１計測工程と、前記レーザ照射手段によるレーザ照射を停止させた状態で、前記移動手段により所定のマスタワークに対応して、前記加工ツールを加工線に沿って移動させながら、前記センサで前記マスタワークの加工線における先行位置を計測する第２計測工程と、演算手段により、前記第１計測工程で得られた前記マスタワークにおける照射位置と基準データにおける照射位置との第１偏差を加工線に沿った系列データとして求め、記録するデータ記録工程と、前記レーザ照射手段によりレーザを照射させた状態で、前記移動手段を実ワークに対応して前記加工ツールを加工線に沿って移動させながら、前記センサで前記実ワークの加工線における先行位置を計測する加工工程とを有し、前記加工工程では、制御手段が、前記センサから得られた前記実ワークにおける先行位置と前記２計測工程で得られた前記マスタワークの加工線における先行位置との第２偏差を加工線に沿った系列データとして求め、記録し、前記第１偏差及び前記第２偏差に基づいて前記実ワークの加工線における照射位置を演算して、前記加工ツールによる加工位置を補正することを特徴とする。
【００１３】
このように、予めマスタワークにおける照射位置と基準データにおける照射位置との第１偏差を求め、さらに加工を行いながら実ワークにおける先行位置と計測工程で得られたマスタワークの加工線における先行位置との第２偏差を求めることにより、該第１偏差及び第２偏差に基づいて溶接を行っている際のレーザ照射位置を正確に求めることができ、トーチの位置を補正して、高精度な加工を行うことができる。また、切換手段を用いてセンサの計測対象を切り換えることにより、該センサは１台で足りる。第１計測工程と第２計測工程の順序はいずれが先でもよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るレーザ加工方法では、予めマスタワークにおける照射位置と所定の記憶データにおける照射位置との第１偏差を求め、さらに加工（溶接等）を行いながら実ワークにおける先行位置と１工程で得られたマスタワークの加工線における先行位置との第２偏差を求める。これにより、該第１偏差及び第２偏差に基づいて加工を行っている際のレーザ照射位置を正確に求めることができ、トーチの位置を補正して、高精度な溶接を行うことができる。また、切換手段を用いてセンサの計測対象を切り換えることにより、センサが１台で足りる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係るレーザ加工方法について実施の形態を挙げ、添付の図１〜図６を参照しながら説明する。本実施の形態に係るレーザ溶接方法は、レーザ溶接システム１０を用いて行う。先ずレーザ溶接システム１０について説明する。
【００１６】
図１及び図２に示すように、レーザ溶接システム１０は、ワークの溶接をするためのものであり、多関節ロボット（移動手段）１２と、該多関節ロボット１２の先端にエンドエフェクタとして設けられた加工ツール１４と、全体を統括的に制御するコントローラ（制御手段、演算手段）１６とを有する。実ワークＷは、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２とからなり、該第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との境の加工線Ｌについてレーザ溶接システム１０で溶接するものとする。加工ツール１４は、多関節ロボット１２に対してＸＹテーブル（移動手段）１８を介して接続されている。多関節ロボット１２は、いわゆる産業用ロボットであって、独立的な６軸を有し、移動範囲内で加工ツール１４を任意の位置及び向きに設定することができる。
【００１７】
図２に示すように、加工ツール１４は、ワークに対してレーザを照射するトーチ（レーザ照射手段）２０と、レーザが照射されるべき照射位置Ｐを計測する第１センサシステム２２と、加工方向に沿って照射位置Ｐよりも前方の所定の先行位置Ｑを計測する第２センサシステム２４とを有する。トーチ２０は、例えばＹＡＧレーザを出力する。加工ツール１４は、さらに、照射位置Ｐの周辺に不活性ガスを噴出するガスノズル２６と、照射位置Ｐに対してフィラー２８を供給するフィラーノズル２９とを有する。
【００１８】
第１センサシステム２２は、周知の位置計測システムであって、第１レーザマーカ３０と第１カメラ３２とを有する。第１センサシステム２２は、第１レーザマーカ３０が出力する微小エネルギーのレーザ照射位置を第１カメラ３２で撮像することにより、該位置を計測可能な構成であって、トーチ２０のレーザが照射されるべき照射位置Ｐを計測するように配置されている。第１レーザマーカ３０は、例えば細長い線分状のレーザをワークに照射し、第１部材Ｗ１と第２部材Ｗ２との適度な段差部で折れ曲がって照射される。この折れ曲がり形状を第１カメラ３２で撮像をすることにより、照射位置Ｐを３次元的に計測することが可能である。
【００１９】
第２センサシステム２４は、周知の位置計測システムであって、第２レーザマーカ３４と第２カメラ３６とを有する。第２センサシステム２４は、第２レーザマーカ３４が出力する微小エネルギーのレーザ照射位置を第２カメラ３６で撮像することにより、該位置を計測可能な構成であって、照射位置Ｐよりも所定距離だけ前方の先行位置Ｑを計測するように配置されている。第２レーザマーカ３４及び第２カメラ３６は、第１レーザマーカ３０及び第１カメラ３２と同じものを用いてもよい。第１カメラ３２及び第２カメラ３６は、例えばＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラを用いるとよい。第１センサシステム２２及び第２センサシステム２４によれば、ワークに対して非接触で所定の位置を計測することができて好適である。
【００２０】
次に、このように構成されるレーザ溶接システム１０を用いたレーザ加工方法について説明する。
【００２１】
先ず、図４に示すように、ステップＳ１で、多関節ロボット１２の動作の基礎となる教示データを作成する。この教示データの作成は所定のオフラインティーチングによって行われ、予め設定されているワーク形状を示す基準データに基づき、例えば、該基準データにおける加工面にトーチ２０が面直となり、且つ加工線からの距離が一定となるように教示が行われる。オフラインティーチングは、所定の専用機で行い、得られた教示データをコントローラ１６にロードしてもよい。ワーク形状を示す基準データもコントローラ１６にロードしておく。ワーク形状を示す基準データの加工線上の照射位置Ｐは、該加工線に沿った系列データとして記録しておく。この系列データを照射位置Ｐｉ（図５参照）とする。ここで、系列データとは、例えば加工ツール１４の動作に基づく微小動作時間順のデータ又は微小移動距離順のデータである。図５においては、教示データ上の加工線を符号Ｌ０で示す。
【００２２】
ステップＳ２（計測工程）において、所定のマスタワークＷｍを用意した後、トーチ２０によるレーザ照射を停止させた状態で、多関節ロボット１２を教示データに基づいて動作させる。このときマスタワークＷｍの加工線上の照射位置Ｐを第１センサシステム２２で計測するとともに、先行位置Ｑを第２センサシステム２４により計測をする。このステップＳ２では、レーザ照射を停止させているので、第１センサシステム２２により照射位置Ｐの計測が可能である。マスタワークＷｍは、例えば実ワークＷのうち任意の１つを選択して用いればよい。
【００２３】
計測をした結果の照射位置Ｐ及び先行位置Ｑは加工線に沿った系列データとして所定の記録部に記録する。ステップＳ２で計測をしたマスタワークＷｍに関する照射位置Ｐ及び先行位置Ｑの系列データを照射位置Ｐｍ及び先行位置Ｑｍ（図５参照）とする。図５においては、マスタワークＷｍ上の加工線を符号Ｌ１で示す。図５においては、第１センサシステム２２はＰｒを指向しているように表しているが、実際にはＰｉ、Ｐｍ及びＰｒは近傍範囲にあり、これらは第１センサシステム２２の計測可能な範囲内であることはもちろんである。第２センサシステム２４についても同様である。
【００２４】
ステップＳ３（データ記録工程）において、コントローラ１６は、第１センサシステム２２から得られたマスタワークＷｍにおける照射位置Ｐｍと基準データにおける照射位置Ｐｉとの差である第１偏差Δｘを求め、系列データとして記録する。第１偏差Δｘ（及び後述する第２偏差Δｙ）は、スカラ量又はベクトル量で表される。ステップＳ２とステップＳ３は同時並行にしてもよい。
【００２５】
ステップＳ４（加工工程）において、マスタワークＷｍに代えて実ワークＷをセットし、トーチ２０によりレーザを照射させた状態で、多関節ロボット１２を教示データに基づいて動作させる。また、フィラーノズル２９からフィラー２８を適量供給するとともに、ガスノズル２６からは不活性ガスを噴出する。第１センサシステム２２は停止させておく。
【００２６】
このとき実ワークＷの加工線上の先行位置Ｑを第２センサシステム２４で計測する。このデータを先行位置Ｑｒとする。このステップＳ４では、レーザ照射を行っているが、先行位置Ｑは発熱及び発光がなく、第２センサシステム２４による計測が可能である。図５においては、実ワークＷ上の加工線を符号Ｌ２で示す。
【００２７】
このステップＳ４では、コントローラ１６で、第２センサシステム２４から得られた実ワークＷにおける先行位置Ｑｒと前記のステップＳ２で得られたマスタワークＷｍの先行位置Ｑｍとの差である第２偏差Δｙを求め、系列データとして記録する。
【００２８】
さらに、ステップＳ４では、コントローラ１６は、第１偏差Δｘ及び第２偏差Δｙに基づいて実ワークＷの加工線Ｌにおける照射位置Ｐｒ（図５参照）を演算し、照射位置Ｐｉとの差に基づいてフィードバックを行い、トーチ２０及び加工ツール１４の位置及び向きを補正する。
【００２９】
具体的には、先ず、その時点の動作進行状態に応じた照射位置Ｐｉ及びＰｍに対応した第１偏差Δｘを記録部から読み出す。読み出したデータを第１偏差ΔｘNとする。添え字Ｎは系列データの記録順を示す。
【００３０】
ところで、その時点の照射位置Ｐｒは発光していることから直接的には計測できないのであるが、所定回数Ｍ前には先行位置Ｑｒとして第２センサシステム２４によって計測がなされている。ここで所定回数Ｍとは、第１センサシステム２２と第２センサシステム２４が距離Ｗ［ｍｍ］だけ離れた箇所を計測していて、加工ツール１４及びトーチ２０が速度Ｖ［ｍｍ／ｓｅｃ］で移動をしており、計測周期がＴ［ｓｅｃ］であるときには、Ｍ＝Ｗ／（Ｔ×Ｖ）［回］である。そこで、Ｍ回前の第２偏差Δｙ、つまり第２偏差ΔｙN-Mを記録部から読み出す。
【００３１】
これにより、その時点の照射位置Ｐｒは、Ｐｒ＝Ｐｉ＋ΔｘN＋ΔｙN-Mとして求められ、基準データ上の照射位置Ｐｉに対してΔｘN＋ΔｙN-Mだけずれていることが分かる。従って、照射位置Ｐｒを直接的に計測することなく、しかも推測ではなく、計測結果に基づいて照射位置Ｐｒがほとんど誤差なく正確に求められる。
【００３２】
ずれ量ΔｘN＋ΔｙN-Mはトーチ２０及び加工ツール１４の位置偏差に相当することから、この値に基づいてフィードバックを行い、多関節ロボット１２及び（又は）ＸＹテーブル１８を動かしてトーチ２０を適切な位置に補正することができる。つまり、トーチ２０の座標Ｚを補正した座標Ｚ’（＝Ｚ＋ΔｘN＋ΔｙN-M）にする。この座標Ｚは直交３軸の座標でもよいし、ロール、ピッチ、ヨーの傾斜角度を含んだ座標として、トーチ２０の向きについても補正してもよい。
【００３３】
なお、実ワークＷが複数ある場合には、ステップＳ４を繰り返し行えばよい。この場合ステップＳ２の処理は一度で済み、実ワークＷ毎に繰り返して行う必要はない。
【００３４】
上述したように、本実施の形態に係るレーザ加工方法によれば、予めマスタワークＷｍにおける照射位置Ｐｍとワークの基準データにおける照射位置Ｐｉとの第１偏差Δｘを求め、さらに溶接を行いながら実ワークＷにおける先行位置ＱｒとステップＳ２で得られたマスタワークＷｍの加工線における先行位置Ｑｍとの第２偏差Δｙを求めることにより、該第１偏差Δｘ及び第２偏差Δｙに基づいて溶接を行っている際のレーザ照射位置Ｐｒを正確に求めることができ、トーチ２０の位置を補正して、高精度な溶接を行うことができる。高精度な溶接を行うことにより、外観品質及び溶接強度の向上を図ることができる。
【００３５】
上記では、第１センサシステム２２及び第２センサシステム２４を用いた例を説明したが、例えば、図６に示すように、第２センサシステム２４を省略したレーザ溶接システム１０ａを用いてもよい。この場合、第１センサシステム２２の向きの切換手段を設けておき、前記のステップＳ２を２回に分けて行い、１回目に照射位置Ｐｍを計測し（第１計測工程）、２回目に第１センサシステム２２の向きを切り換えて（図６の仮想線参照）先行位置Ｑｍを計測してもよい（第２計測工程）。この後、前記のステップＳ３及びステップＳ４と同じ処理を行えばよい。照射位置Ｐｍと先行位置Ｑｍの計測の順序は逆でもよい。
【００３６】
本実施の形態に係るレーザ加工方法は、溶接に限らず、切断及びマーキング等のレーザ加工にも適用可能である。
【００３７】
本発明に係るレーザ加工方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】レーザ溶接システムの概略側面図である。
【図２】ロボットの先端に設けられた加工ツールの斜視図である。
【図３】レーザ溶接システムの概略正面図である。
【図４】本実施の形態に係るレーザ加工方法の手順を示すフローチャートである。
【図５】本実施の形態に係るレーザ加工方法による溶接の様子を示す模式図である。
【図６】変形例に係るレーザ加工方法による溶接の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３９】
１０、１０ａ…レーザ溶接システム            １２…多関節ロボット
１４…加工ツール                            １６…コントローラ
１８…ＸＹテーブル                          ２０…トーチ
２２…第１センサシステム                    ２４…第２センサシステム
３０…第１レーザマーカ                      ３２…第１カメラ
３４…第２レーザマーカ                      ３６…第２カメラ
Ｐ、Ｐｉ、Ｐｍ、Ｐｒ…照射位置              Ｑ、Ｑｍ、Ｑｒ…先行位置
Ｗ…実ワーク                                Ｗｍ…マスタワーク
【図１】
0004843573.tif 000002
【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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