(57)【要約】【課題】車体パネルを加圧拘束してパネル間隙間を矯正するための加圧ピンの位置に制約されることなく、溶接方向の変更が容易な構造を提供する。【解決手段】車体パネルＰ１に対してレーザ光Ｌを照射する加工ヘッド６に、パネル間隙間Ｇを矯正する加圧ピン８をピンホルダ９を介して装着する。加圧ピン８はサーボモータ１７の起動によりレーザ光Ｌの光軸を回転中心としてピンホルダ９および回転リング１０とともに回転可能である。同時に、加圧ピン８はサーボモータ２２の起動によりピンホルダ９および回転リング１０とともに上下動可能である。溶接方向においてレーザ光照射位置Ｑの前方側直近位置を加圧ピン８にて加圧拘束しながら溶接を行い、加圧ピン８の位置を適宜変更することにより溶接方向の変更に際して加工ヘッド６を大きく姿勢変更する必要がなくなる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接物とその被溶接物に対してレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドとを相対移動させることにより重ね溶接継手の形態でレーザ溶接を施すレーザ溶接装置において、
レーザ加工ヘッドは溶接位置近傍を加圧拘束して被溶接物同士の隙間を矯正する押圧部材を備えているとともに、
この押圧部材がレーザ光の光軸周りまたはレーザ光の光軸とほぼ平行な軸心周りに回転可能となっていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
上記押圧部材をレーザ光の光軸周りまたはレーザ光の光軸とほぼ平行な軸心周りに回転させる回転駆動機構を備えていることを特徴とする請求項１に記載のレーザ溶接装置。
【請求項３】
上記回転駆動機構はサーボモータを主要素として構成してあることを特徴とする請求項２に記載のレーザ溶接装置。
【請求項４】
上記押圧部材は先端を球面状としたガイドピンをもって構成してあることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
【請求項５】
上記押圧部材がレーザ光の光軸と平行またはほぼ平行な方向にスライド移動可能となっていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
上記押圧部材をレーザ光の光軸と平行またはほぼ平行な方向にスライド移動させるスライド駆動機構を備えていることを特徴とする請求項５に記載のレーザ溶接装置。
【請求項７】
上記スライド駆動機構はサーボモータを主要素として構成してあることを特徴とする請求項６に記載のレーザ溶接装置。
【請求項８】
産業用ロボットを溶接母機としてその産業用ロボットのアーム先端にレーザ加工ヘッドを装着してあることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被溶接物とその被溶接物に対してレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドとを相対移動させることによりレーザ溶接を施すレーザ溶接装置に関し、さらに詳しくは、例えば二枚の鋼板パネルを重ね溶接継手の形態で溶接するにあたり、そのパネル同士の隙間を矯正する押圧部材を備えたレーザ溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように自動車の車体パネルの溶接にレーザ溶接が多用されているが、レーザ溶接は接合するパネル同士の間の隙間の影響を受けやすく、隙間が大きくなると溶接品質上の不具合が発生することになる。そのため、特許文献１，２に記載のように、例えば光ファイバーにて伝達されたレーザ光を集光するべくレーザ光学系として機能するレーザ加工ヘッドにパネル間隙間を矯正するためのピンやローラ等の押圧部材を取り付けて、溶接位置の近傍を加圧矯正しながら溶接することが行われている。なお、上記レーザ加工ヘッドは例えば溶接母機として機能する多関節型の産業用ロボットのロボットアームに装着される。
【特許文献１】特開２００２−２８３０７９号公報
【特許文献２】特開２００１−１２９６７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載の従来の隙間矯正技術において、溶接品質の安定化の上では溶接点の前方側を例えばピンにて加圧してパネル間隙間を矯正することが最も有効である。その反面、上記ピンはレーザ加工ヘッドに固定されていて、溶接位置よりもピンが先行するようにレーザ加工ヘッドには例えば直線的な動きを与えるのが一般的であることから、例えば溶接組立中の車体の内部空間における溶接の方向、すなわち被溶接物であるパネルとレーザ加工ヘッドの相対移動方向が多方向に及ぶような場合であって、且つロボットアームのリスト部の自由度をもってレーザ加工ヘッドを姿勢変更させて溶接位置よりも常に前方側にピンが位置するようにその溶接方向を変更しようとする場合には、レーザ加工ヘッドの一部と車体との干渉が余儀なくされることになる。そのため、レーザ加工ヘッドを一旦車体の外部等のような移動範囲に制約のない場所に移動させ、レーザ加工ヘッドを所定の姿勢に姿勢変更させた上で再度車体の内部空間に移動させる必要があり、サイクルタイムが無用に長くなることとなって好ましくない。
【０００４】
また、先に述べたように溶接位置よりも固定式のピンが先行するようにレーザ加工ヘッドに所定の動きを与える方式であるため、曲率を有する溶接線のもとでの溶接には対応することができず溶接できる部位が著しく制約されてしまうという不具合がある。
【０００５】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、比較的簡単な構成のもとで所期の目的を達成できるようにしたレーザ溶接装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、被溶接物とその被溶接物に対してレーザ光を照射するレーザ加工ヘッドとを相対移動させることにより重ね溶接継手の形態でレーザ溶接を施すレーザ溶接装置において、レーザ加工ヘッドは溶接位置近傍を加圧拘束して被溶接物同士の隙間を矯正する押圧部材を備えているとともに、この押圧部材がレーザ光の光軸周りまたはレーザ光の光軸とほぼ平行な軸心周りに回転可能となっていることを特徴とする。
望ましくは請求項２に記載のように、上記押圧部材をレーザ光の光軸周りまたはレーザ光の光軸とほぼ平行な軸心周りに回転させる回転駆動機構を備えているものとし、またその回転駆動機構は、請求項３に記載のようにサーボモータを主要素として構成してあるものとする。
【０００７】
同時に、上記押圧部材は、溶接方向が多方向に及ぶことに備えて、請求項４に記載のように先端を球面状としたガイドピンをもって構成してあることが望ましい。
【０００８】
さらに、押圧部材の方向の自由度を一段と高める上では、請求項５に記載のように、その押圧部材がレーザ光の光軸と平行またはほぼ平行な方向にスライド移動可能となっているものとし、特に請求項６に記載のように、上記押圧部材をレーザ光の光軸と平行またはほぼ平行な方向にスライド移動させるスライド駆動機構を備えていることが望ましい。
【０００９】
したがって、少なくとも請求項１に記載の発明では、押圧部材が例えばピンであるとし、そのピンがレーザ光の照射位置である溶接位置よりも常に先行するように位置させて溶接を行う場合を想定すると、レーザ光の照射位置である溶接位置とピンの先端とを結んだ線が溶接方向となる点では従来と同じである。そして、上記請求項１に記載の発明では、ピン等の押圧部材がレーザ光の光軸周りまたはレーザ光の光軸とほぼ平行な軸心周りに回転可能となっているため、ピン等の押圧部材を所定量だけ回転させれば、レーザ光の照射位置である溶接位置とそのピンの先端とを結んだ線の方向が変化することになる。この場合、先に述べたようにレーザ光の照射位置である溶接位置とピンの先端とを結んだ線が溶接方向であることにほかならないから、レーザ加工ヘッド全体を姿勢変更させることなく、上記のピン等の押圧部材の回転変位をもって溶接方向を変更することが可能となる。
【００１０】
なお、レーザ加工ヘッドは例えば溶接母機として機能する産業用ロボットのアーム先端に装着してあるものと仮定すれば、そのレーザ加工ヘッドの溶接方向での移動動作そのものは産業用ロボットの動きに依存することになる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の発明によれば、レーザ加工ヘッドに付帯させたピン等の押圧部材がレーザ光の光軸周りまたはレーザ光の光軸とほぼ平行な軸心周りに回転可能な構造となっているため、レーザ加工ヘッド全体を大きく姿勢変更させることなく多方向の溶接に対応することができるようになる。その結果、溶接方向の変更に際して他部品との干渉を未然に回避でき、特に自動車車体の内部空間等のように狭隘なスペースで溶接を行う場合に特に有利となるほか、従来のようにレーザ加工ヘッドを一旦自動車車体の外部に移動させ、その位置にてレーザ加工ヘッドの姿勢を変更した上で再度自動車車体の内部空間に移動させるといった余分な動きをさせる必要がなく、溶接作業のサイクルタイムの短縮化にも大きく寄与することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１以下の図面は本発明のより具体的な実施の形態を示す図であり、例えば図１０に示すように溶接組立中の自動車の車体Ｂｏの内部空間においてフロアパネルＦ１やシートバックパネルＳｂ、あるいはパーセルシェルフＰｓ等を被溶接物としてこれらにいわゆる重ね溶接継手のかたちでレーザ溶接を施す装置の例を示している。そして、特に図１はその全体構成を、図２は図１におけるレーザ加工ヘッド周りの要部拡大図を、図３は図２のＥ方向矢視図を、図４〜７は図２におけるレーザ加工ヘッドの細部の構造をそれぞれ示している。なお、溶接対象となる車体パネルとしては亜鉛めっき鋼板等が使用されている。
【００１３】
図１，２に示すように、溶接母機として機能する多関節型の産業用ロボット（以下、単に「ロボット」という）１におけるロボットアーム２の先端のリスト部３にブラケット４，５を介して略角柱状のレーザ加工ヘッド（以下、単に「加工ヘッド」という）６を装着してある。加工ヘッド６にはいわゆるヘアピン状に曲折形成した鋼管等のいわゆるハードタイプの保護パイプ７を接続してあり、この保護パイプ７内には例えば図示しないＹＡＧレーザタイプのレーザ発振器から加工ヘッド６にレーザ光を伝達するたの光ファイバーが内挿されている。このように加工ヘッド６にハードタイプの保護パイプ７が付帯していることにより、光ファイバーをその折損等から確実に保護することができる反面、特に加工ヘッド６を自動車の車体の内部空間にて移動させて溶接を行う場合に、車体の一部のパネルとの干渉等によりロボットアーム２の向きや加工ヘッド６の姿勢の自由度が制約されることとなる。
【００１４】
加工ヘッド６は先に述べたブラケット５に固定支持されていて、それ自体がレーザ光の集光光学系として機能するものであることから、周知のように図示外の集光レンズ等が内蔵されている。そして、図３，４にも示すように、レーザ発振器で励起・増幅されたレーザ光Ｌが光ファイバーを伝達経路として加工ヘッド６に導入された上で、集光レンズ等を経て車体パネルＰ１に対し真下に向けて照射することになる。この状態で、車体パネルＰ１，Ｐ２を固定側として加工ヘッド６を所定速度で連続移動させることにより、レーザ光Ｌの照射による連続溶接が施されることになる。
【００１５】
図４は図２のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図を、図５は図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図を、図６は図４のＣ−Ｃ線に沿う一部断面図を、図７は図４のＤ部拡大図をそれぞれ示している。なお、図３のＦは溶接線を示している。
【００１６】
図２，３のほか図４に示すように、加工ヘッド６の外周には車体パネルＰ１，Ｐ２上での溶接位置となるレーザ光照射位置Ｑの直近位置を加圧拘束するための押圧部材として先端球面状の加圧ピン８をピンホルダ９を介して装着してあり、後述するように加圧ピン８はピンホルダ９とともに加工ヘッド６に対し回転可能で且つ上下動可能となっている。この加圧ピン８は、図４に示すように溶接進行方向においてレーザ光照射位置Ｑの前方側直近位置に常時位置して、溶接対象となる車体パネルＰ１，Ｐ２同士を強制的に加圧拘束してそのパネル間隙間Ｇを加圧矯正する役目をする。なお、加圧ピン８は例えばねじ込み等の手段によりピンホルダ９に着脱可能に装着してあり、溶接条件等に応じて例えば直径の異なるものと適宜交換可能となっている。
【００１７】
図４に示すように、加圧ピン８を支えているピンホルダ９は加工ヘッド６の外周側から下方に延びた先細りアーム状のものであって、その先端にレーザ光照射位置Ｑを指向するように加圧ピン８を斜めに装着してある。ピンホルダ９は加工ヘッド６に外挿された断面略ボックス状の回転リング１０に固定支持されているとともに、回転リング１０は加工ヘッド６の外周四面に配置されたスライダ１１に回転可能に案内支持されている。より具体的には、図４のほか図７に示すように、略角柱状の加工ヘッド６の四周の各面には、ガイドレール１２とこのガイドレール１２にそって上下方向にスライド可能なスライドブロック１３との組み合わせからなるリニアガイド１４が個別に設けられていて、各リニアガイド１４のスライドブロック１３に上記スライダ１１が個別に固定支持されている。これにより、加圧ピン８を支持しているピンホルダ９が加工ヘッド６に対して回転可能で且つ上下動可能に支持されていることになる。
【００１８】
図７に示すように、回転リング１０はスライダ１１側に装着された複数のガイドローラ１５とスラストベアリング１６とを介して各スライダ１１に回転可能に支持されているとともに、いずれか一つのスライダ１１には回転リング１０を回転駆動するためのサーボモータ１７が装着されていて、そのサーボモータ１７の出力軸に固定されたドライブギヤ１８が回転リング１０の内周のリングギヤ（内歯車）１９に噛み合っている。したがって、このサーボモータ１７の起動により加圧ピン８が回転リング１０やピンホルダ９とともにレーザ光Ｌの光軸を回転中心として回転可能となっている。すなわち、加圧ピン８はレーザ光照射位置Ｑの前方側直近位置に常時位置していながらも、レーザ光Ｌの光軸を回転中心として３６０°任意の位置に回転させて位置決めすることが可能となっている。
【００１９】
以上の説明から明らかなように、サーボモータ１７やドライブギヤ１８およびリングギヤ１９等をもって、押圧手段としての加圧ピン８を回転させるための回転駆動機構が構成されている。なお、加圧ピン８は、レーザ光Ｌの光軸を回転中心とする場合以外に、その光軸とほぼ平行な軸線周りに回転するものであっても良い。
【００２０】
また、サーボモータ１７が装着されたスライダ１１には、そのスライダ１１とともにボールねじを構成することになるスクリューシャフト２０が上下方向に貫通するように配置されていて、スクリューシャフト２０はスライダ１１に螺合しているとともに、上下両端部がアーム２１を介して加工ヘッド６に回転可能に両持ち支持されている。そして、加工ヘッド６側にはそのスクリューシャフト２０よりも上方位置に回転リング１０を上下動駆動するためのサーボモータ２２（図４参照）が配置されていて、そのサーボモータ２２の出力軸に固定されたドライブギヤ２３がスクリューシャフト２０の上端のドリブンギヤ２４と噛み合っている。したがって、サーボモータ２２の起動によりスクリューシャフト２０が回転駆動され、それに伴ういわゆる螺進作用のために複数のスライダ１１を介して回転リング１０、ひいては加圧ピン８を支えているピンホルダ９が上下動することになる。
【００２１】
以上の説明から明らかなように、サーボモータ２２やドライブギヤ２３、ドリブンギヤ２４およびスクリューシャフト（ボールねじ）２０等をもって、押圧手段としての加圧ピン８をレーザ光の光軸と平行またはほぼ平行な方向にスライド移動させるためのスライド駆動機構が構成されている。
【００２２】
したがって、このように構成されたレーザ溶接装置によれば、レーザ溶接を施すに際して、照射したレーザ光Ｌの焦点位置が車体パネルＰ１上にある状態で加圧ピン８が車体パネルＰ１に当接して所定の押圧力で車体パネルＰ１，Ｐ２同士を加圧拘束することができるように、サーボモータ２２の起動により加圧ピン８の高さ位置を調整する一方、車体パネルＰ１上でのレーザ光照射位置Ｑと加圧ピン８の先端とを結んだ線が溶接方向（溶接線＝加工ヘッド６を動かす方向）と一致し且つレーザ光照射位置Ｑの前方側直近位置に加圧ピン８が位置するように、サーボモータ１７の起動により加圧ピン８の位置を調整し、その状態で加工ヘッド６を上記溶接方向（溶接線）に沿って所定速度で動かすことにより、実質的に加圧ピン８にて加圧拘束した位置をレーザ光Ｌが追いかけるようにして車体パネルＰ１，Ｐ２に連続溶接が施されることになる。
【００２３】
この場合、従来のように加圧ピン８が定位置固定式のものであると、溶接方向においてレーザ光照射位置Ｑよりも常に加圧ピン８が先行するような位置関係を維持しようとすると、加工ヘッド６の向きとその移動方向が一義的に決まってしまうため、加工ヘッド６から保護パイプ７が張り出すように付帯していることとも相俟って、溶接組立中の狭隘な車体Ｂｏの内部空間にて加工ヘッド６を動かす場合に保護パイプ７等と車体Ｂｏとの干渉が余儀なくされ、車体Ｂｏの内部空間での溶接方向の変更の自由度が著しく制約されるほか、例えばリスト部３の自由度を使って加工ヘッド６を大きく動かす必要がある場合には加工ヘッド６を一旦車体Ｂｏの外部に移動させた上でその姿勢変更を行わなければならず、それによってサイクルタイムが長くなることは先に述べた通りである。
【００２４】
これに対して本実施の形態によれば、特に加圧ピン８がレーザ光Ｌの光軸を回転中心として回転可能であって、３６０°任意の位置に移動させて位置決めすることが可能であり、このことはレーザ光照射位置Ｑと加圧ピン８の先端とを結んだ線の方向を任意に変更できる自由度を有していることにならない。したがって、加工ヘッド６に付帯している保護パイプ７等が車体そのものと干渉しないかぎりは、加工ヘッド６をどの方向にも動かすことが可能であり、例えば加工ヘッド６の向きとその移動方向（溶接方向）を優先的に決めたならば、その移動方向に対し、レーザ光照射位置Ｑと加圧ピン８の先端とを結んだ線が一致するように、加圧ピン８を回転させてその加圧ピン８の位置を予め変更するか、もしくは加工ヘッド６の動きに連動してリアルタイムで加圧ピン８の位置を徐々に変更すれば良いことになる。その結果として、加工ヘッド６を大きく回転させて姿勢変更する頻度が大幅に少なくなるとともに、加工ヘッド６を車体Ｂｏの外部に移動させて行う姿勢変更の頻度も極端に少なくなる。
【００２５】
図８，９は従来技術と上記実施の形態での機能を比較した模式図であり、同図（Ａ）は従来技術を、同図（Ｂ）は上記実施の形態をそれぞれ示している。なお、これらの図において、符号Ｒは車体の一部等の干渉域をそれぞれ示している。
【００２６】
図８の（Ａ），（Ｂ）は共に曲線の溶接線Ｆを想定した場合の平面的な模式図であり、同図（Ａ）から明らかなように、従来技術では溶接方向においてレーザ光照射位置Ｑよりも加圧ピン８の位置が常に先行するように加工ヘッド６の向きもしくは姿勢を変更する必要があるため、加工ヘッド６が干渉域Ｒと干渉する度合いが高くなる。これに対して上記実施の形態では、同図（Ｂ）に示したように、加工ヘッド６の向きもしくは姿勢として干渉域Ｒと干渉しにくいものとした上で、加工ヘッド６の移動に基づく溶接動作に連動してリアルタイムで加圧ピン８の位置を変更し、レーザ光照射位置Ｑと加圧ピン８の先端とを結んだ線が常に上記溶接方向（溶接線Ｆ）と一致するように制御することにより、加工ヘッド６と干渉域Ｒとの干渉を効果的に回避できるようになる。
【００２７】
また、図９の（Ａ），（Ｂ）は共に曲線の溶接線Ｆを想定した場合の垂直断面での模式図であり、同図（Ａ）から明らかなように、従来技術では加圧ピン８が定位置固定式のものであるため、上下方向で曲線の溶接線Ｆに沿って溶接を行う場合に、常に加圧ピン８が車体パネルＰ１に当接するようにするためには加工ヘッド６に無理な姿勢を強いるようになることは否めない。これに対して上記実施の形態では、同図（Ｂ）に示したように、例えば加工ヘッド６の移動に基づく溶接動作に連動してリアルタイムで加圧ピン８の高さ位置を連続的に変更するようにすれば、加工ヘッド６に無理な姿勢を強いる必要がなくなる。
【００２８】
このような溶接形態は、例えば図１０に示す車体Ｂｏの内部空間において加工ヘッド６を車幅方向および前後方向に移動させてフロアパネルＦ１を溶接する場合のほか、同図に示すように軌跡Ｒ１に沿って加工ヘッド６を移動させてシートバックパネルＳｂやパーセルシェルフＰｓを溶接する場合に特に有利となる。
【００２９】
より具体的には、図１１は図１０におけるシートバックパネルＳｂの溶接部位の詳細を示したものであるが、同図に示す四箇所の溶接線Ｆについて丸付き数字の１から４で示す溶接方向に加工ヘッド６を動かしながら溶接を施すにあたり、車体Ｂｏのリアドア開口部から車体内部に図１のロボットアーム２を進入させたならば、レーザ光Ｌの光軸がシートバックパネルＳｂとほぼ面直角となるように加工ヘッド６を傾けるとともに、加工ヘッド６に付帯している保護パイプ７がリアウインドガラス開口部側を指向するような姿勢とした上で、上方から下方に向かって加工ヘッド６を移動させることにより各溶接線Ｆでの溶接を車体Ｂｏとの干渉を招くことなくスムーズに溶接作業を行えるようになる。しかも、加工ヘッド６の姿勢変更に際して、その加工ヘッド６を車体Ｂｏの外部に一旦引き出して姿勢変更する必要もなくなる。
【００３０】
図１２，１３には本発明の第２の実施の形態を示し、先の第１の実施の形態と共通する部分には同一符号を付してある。
【００３１】
先の第１の実施の形態では、図２のＥ方向矢視図である図３から明らかなように、同図に関するかぎりではその左右方向においてレーザ光照射位置Ｑと加圧ピン８の先端位置とが一致していることになる。
【００３２】
これに対して第２の実施の形態では、図１２のＥ１方向矢視図である図１３から明らかなように、溶接対象となるパネルの特殊性等に対応するために、同図の左右方向においてレーザ光照射位置Ｑと加圧ピン８の先端位置８ａとを所定量だけオフセットさせてある。
【００３３】
この第２の実施の形態においても先の第１の実施の形態と同様の効果が得られることになる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明に係るレーザ溶接装置の第１の実施の形態を示す全体の概略説明図。
【図２】図１の加工ヘッドを中心とする要部の拡大説明図。
【図３】図２のＥ方向矢視図。
【図４】図１のＡ−Ａ線に沿う拡大断面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ線に沿う断面図。
【図６】図４のＣ−Ｃ線に沿う拡大断面図。
【図７】図４のＤ部拡大図。
【図８】従来技術と第１の実施の形態との機能を比較した模式的説明図。
【図９】同じく従来技術と第１の実施の形態との機能を比較した模式的説明図。
【図１０】自動車の車体を一部破断した斜視図。
【図１１】図１０の要部拡大図。
【図１２】本発明の第２の実施の形態を示す図で、図２の同等の斜視図。
【図１３】図１２のＥ１方向矢視図。
【符号の説明】
【００３５】
１…産業用ロボット
２…ロボットアーム
６…レーザ加工ヘッド
８…加圧ピン（押圧部材）
９…ピンホルダ
１０…回転リング
１１…スライダ
１４…リニアガイド（スライド駆動機構）
１７…サーボモータ（回転駆動機構）
２０…スクリューシャフト（スライド駆動機構）
２２…サーボモータ（スライド駆動機構）
Ｆ…溶接線
Ｇ…パネル間隙間
Ｌ…レーザ光
Ｐ１…車体パネル（被溶接物）
Ｐ２…車体パネル（被溶接物）
Ｑ…レーザ光照射位置
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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