JP7553587B2 - レーザ加工システム及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ加工システム及び制御方法に関する。

従来より、ワークにレーザ光を離れた位置から照射して、溶接を行うレーザ加工システムが提案されている。レーザ加工システムは、ロボットのアーム先端にレーザ光を照射するスキャナを有する。レーザ加工システムのロボット各軸は、他の産業用ロボットと同様、予め制御装置に記憶されたプログラムに従って駆動される。このため、作業現場では、実機とワークを使ってプログラムを作成する教示作業が行われる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２－１３５７８１号公報

このようなレーザ加工システムを用いてレーザ加工を行う場合、プログラムにおけるレーザ照射点の経路と実際のレーザ照射点の経路とのずれが問題となる。

レーザ照射点の経路は、作業空間内のロボットの基部を基準とした座標系の点の列によって表現されると考えることができるため、これを制御点と呼ぶ。制御点は、レーザ照射点の経路上の点であってもよく、又は円弧の中心のように、レーザ照射点の経路上でなくても、レーザ照射点の経路を定義するために必要となる点であってもよい。

ロボットプログラム及びスキャナプログラムは、レーザ加工システムのプログラム生成装置において設定された各制御点の位置及び方向（制御点の座標系）の各点に応じて、生成される。しかし、ＣＡＤデータと実際のワークとは一致せず、ロボットの動作経路や治具等にも位置の誤差が存在する。そのため、このようなずれや誤差を教示修正する作業が必要となる。

また、レーザ加工システムにおいてロボットとスキャナを組み合わせるときに、工具中心点（ＴＣＰ）も修正を要することがある。ＴＣＰは、ロボット先端点からスキャナ基準点への位置ベクトルで表される。ＴＣＰを正しく設定することによって、ロボットの姿勢によらず、プログラム上のレーザ照射位置と実際のレーザ照射位置とが一致する。

従来、制御点の修正及びＴＣＰの設定は、スキャナ直下の特定の点を指し示す教示用治具を用いて行っていた。通常、特定の点は、スキャナの作業空間の原点であり、レーザが集光する点に設定される。

特定の点を指し示すために、金属や樹脂等で製造された教示用治具を用いたり、複数の付加的なガイドレーザを交差させ、その交点を視認したりすることが行われている。いずれの方法も、スキャナの直下の一点の座標を取得するため、実際のワーク上の所望の位置と特定の点とを一致させるためには、ロボットを操作する必要があり、効率が良くなかった。

また、従来の手法では、ロボットに教示用治具を取り付けたり、スキャナに付加的なガイドレーザを装備したりする必要があった。そのため、教示用治具や付加的なガイドレーザ等を必要とせず、制御点の修正を簡易に行うことができるレーザ加工システムが望まれていた。

本開示に係るレーザ加工システムは、ワークに対してレーザ光を走査可能なスキャナと、前記スキャナを前記ワークに対して移動させる移動装置と、前記スキャナを制御するスキャナ制御装置と、を備え、前記スキャナ制御装置は、前記移動装置を停止した状態で、予め設定された制御点を修正するための制御点修正用軌跡を前記ワークに照射するように前記スキャナを制御する軌跡制御部を有し、前記制御点修正用軌跡は、前記レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さと、前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向を特定するための所定の形状と、を有する。

本開示に係るレーザ加工システムの制御方法は、ワークに対してレーザ光を走査可能なスキャナを前記ワークに対して移動させるステップと、前記スキャナを前記ワークに対して移動させるための移動装置を停止させるステップと、前記移動装置を停止した状態で、予め設定された制御点を修正するための制御点修正用軌跡を前記ワークに照射するように、前記スキャナを制御するステップと、を備え、前記制御点修正用軌跡は、前記レーザ光の光軸方向を特定するための所定の長さと、前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向のずれを特定するための所定の形状と、を有する。

本発明によれば、制御点の修正を簡易に行うことができる。

本実施形態に係るレーザ加工システムの全体構成を示す図である。 本実施形態に係るレーザ加工システムにおけるスキャナの光学系を説明する図である。 本実施形態に係るレーザ加工システムの機能構成を示すブロック図である。 制御点を修正する前のロボットの経路を示す。 制御点を修正した後のロボットの経路を示す。 本実施形態に係るスキャナ制御装置の機能構成を示すブロック図である。 制御点修正用軌跡の一例を示す図である。 図６Ａに示す制御点修正用軌跡を用いて制御点を修正する動作を示す図である。 レーザ光の光軸方向のずれについて説明するための図である。 制御点修正用軌跡の別の例を示す図である。 制御点修正用軌跡を修正するための修正用パターンの例を示す図である。 制御点修正用軌跡を用いて制御点を修正する動作を示す図である。 レーザ加工システムによって溶接される部材を示す図である。 レーザ加工システムによって溶接される溶接部分及び制御点修正用軌跡を示す図である。 レーザ加工システムによって溶接される部材の平面図を示す。 レーザ加工システムによって溶接される部材の斜視図を示す。 制御点修正用軌跡を示す図である。 異なる位置からそれぞれ照射されるレーザ光Ｌを示す図である。 本実施形態に係るレーザ加工システムの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係るレーザ加工システム１の全体構成を示す図である。図１に示すレーザ加工システム１は、リモートレーザ溶接ロボットシステムの一例を示す。

レーザ加工システム１は、ロボット２と、レーザ発振器３と、スキャナ４と、ロボット制御装置５と、スキャナ制御装置６と、レーザ制御装置７と、ロボット教示操作盤８と、プログラム生成装置９と、を備える。

ロボット２は、例えば、複数の関節を有する多関節ロボットである。ロボット２は、基部２１と、アーム２２と、複数のＹ方向に延びる回転軸を有する関節軸２３ａ～２３ｄを備える。

また、ロボット２は、Ｚ方向を回転軸としてアーム２２を回転移動させるロボット用サーボモータ、各関節軸２３ａ～２３ｄを回転させてアーム２２をＸ方向に移動させるロボット用サーボモータ等の複数のロボット用サーボモータを有する。各ロボット用サーボモータは、後述するロボット制御装置５からの駆動データに基づいてそれぞれ回転駆動する。

ロボット２のアーム２２の先端部２２ａには、スキャナ４が固定されている。したがって、ロボット２は、各ロボット用サーボモータの回転駆動によって、スキャナ４を所定のロボット速度で、作業空間上の任意の位置に任意の向きになるよう移動させることができる。すなわち、ロボット２は、スキャナ４をワーク１０に対して移動させる移動装置である。なお、本実施形態では、レーザ加工システム１は、移動装置としてロボット２を用いているが、これに限定されず、例えば、移動装置として三次元加工機を用いてもよい。

レーザ発振器３は、レーザ媒質、光共振器及び励起源等から構成される。レーザ発振器３は、後述するレーザ制御装置７からのレーザ出力指令に基づくレーザ出力のレーザ光を生成し、スキャナ４に対して、生成したレーザ光を供給する。発振されるレーザの種類として、ファーバーレーザ、ＣＯ_２レーザ、ＹＡＧレーザ等があるが、本実施形態においては、レーザの種類について特に問わない。

レーザ発振器３は、ワーク１０を加工するための加工用レーザと、加工用レーザを調整するためのガイドレーザとを出力可能である。ガイドレーザは、加工用レーザと同一の軸上に調整された可視光レーザである。

スキャナ４は、レーザ発振器３から出射されるレーザ光Ｌを受けて、ワーク１０に対してレーザ光Ｌを走査可能な装置である。

図２は、本実施形態に係るレーザ加工システム１におけるスキャナ４の光学系を説明する図である。図２に示すように、スキャナ４は、例えば、レーザ発振器３から出射されるレーザ光Ｌを反射させる２つのガルバノミラー４１、４２と、ガルバノミラー４１、４２をそれぞれ回転駆動するガルバノモータ４１ａ、４２ａと、カバーガラス４３を備える。

ガルバノミラー４１、４２は、互いに直交する２つの回転軸Ｊ１、Ｊ２回りにそれぞれ回転可能に構成される。ガルバノモータ４１ａ、４２ａは、レーザ制御装置７からの駆動データに基づいて回転駆動し、ガルバノミラー４１、４２を回転軸Ｊ１、Ｊ２回りに独立して回転させる。

レーザ発振器３から出射されたレーザ光Ｌは、２つのガルバノミラー４１、４２で順次反射された後にスキャナ４から出射され、ワーク１０の加工点（溶接点）に到達する。このとき、ガルバノモータ４１ａ、４２ａにより２つのガルバノミラー４１、４２がそれぞれ回転すると、これらガルバノミラー４１、４２に入射するレーザ光Ｌの入射角が連続的に変化する。その結果、スキャナ４からワーク１０に対して所定の経路でレーザ光Ｌが走査され、そのレーザ光Ｌの走査経路に沿ってワーク１０上に溶接軌跡を形成する。

スキャナ４からワーク１０上に出射されるレーザ光Ｌの走査経路は、ガルバノモータ４１ａ、４２ａの回転駆動を適宜制御してガルバノミラー４１、４２のそれぞれの回転角度を変化させることにより、Ｘ、Ｙ方向に任意に変化させることができる。

スキャナ４は、Ｚ軸モータによって位置関係を変更自在としたズーミング光学系（図示せず）も備えている。スキャナ４は、Ｚ軸モータの駆動制御により、レーザを集光する点を光軸方向に移動させることで、レーザ照射点をＺ方向にも任意に変化させることができる。

カバーガラス４３は、円盤状であり、ガルバノミラー４１、４２によって順次反射されてワーク１０に向かうレーザ光Ｌを透過すると共に、スキャナ４の内部を保護する機能を有する。

また、スキャナ４は、トレパニングヘッドであってもよい。この場合、スキャナ４は、例えば、一方の面が傾斜した形式のレンズをモータで回転させることで、入射したレーザを屈折させて、任意の位置に照射する構成を有することが可能である。

ロボット制御装置５は、所定のロボットプログラムに応じて、ロボット２の各ロボット用サーボモータに駆動制御データを出力し、ロボット２の動作を制御する。

スキャナ制御装置６は、スキャナ４の機構内のレンズ、ミラーの位置調整を行う制御装置である。なお、スキャナ制御装置６は、ロボット制御装置５に組み込まれてもよい。

レーザ制御装置７は、レーザ発振器３を制御する制御装置であり、スキャナ制御装置６からの指令に応じて、レーザ光を出力するように制御を行う。レーザ制御装置７は、スキャナ制御装置６と接続されるだけでなく、ロボット制御装置５と直接接続されてもよい。また、レーザ制御装置７は、スキャナ制御装置６と一体化されていてもよい。

ロボット教示操作盤８は、ロボット制御装置５に接続され、ロボット２の操作を行うために操作者によって使用される。例えば、操作者は、レーザ加工を行うための加工情報を、ロボット教示操作盤８上のユーザインターフェースを通して入力する。

プログラム生成装置９は、ロボット制御装置５及びスキャナ制御装置６に接続され、ロボット２及びスキャナ４のためのプログラムを生成する。なお、プログラム生成装置９については、図３を参照しながら詳述する。本実施形態において、少なくともスキャナ４は、好ましくはロボット２も、プログラムの指令に対して正確に駆動するように調整されているとする。

図３は、本実施形態に係るレーザ加工システム１の機能構成を示すブロック図である。
前述したように、レーザ加工システム１は、ロボット２と、レーザ発振器３と、スキャナ４と、ロボット制御装置５と、スキャナ制御装置６と、レーザ制御装置７と、ロボット教示操作盤８と、プログラム生成装置９と、を備える。
以下、図３を参照しながら、ロボット制御装置、スキャナ制御装置６、レーザ制御装置７及びプログラム生成装置９の動作について詳述する。

プログラム生成装置９は、ＣＡＤ／ＣＡＭデータから仮想作業空間内におけるロボット２のためのロボットプログラムＰ１及びスキャナ４のためのスキャナプログラムＰ２を生成する。更に、プログラム生成装置９は、制御点修正用軌跡を照射するためのプログラムを生成する。

生成されたロボットプログラムＰ１及びスキャナプログラムＰ２は、それぞれ、ロボット制御装置５及びスキャナ制御装置６に転送される。ロボット教示操作盤８の操作によって、ロボット制御装置５内に格納されたロボットプログラムＰ１が起動されると、ロボット制御装置５からスキャナ制御装置６に指令が送られ、スキャナプログラムＰ２も起動される。

ロボット制御装置５は、ロボット２がスキャナ４を所定の位置まで搬送したときに信号を出力する。ロボット制御装置５から出力された信号に応じて、スキャナ制御装置６は、スキャナ４内の光学系を駆動する。

また、スキャナ制御装置６は、レーザ制御装置７にレーザ出力を指令する。ロボット制御装置５、スキャナ制御装置６及びレーザ制御装置７は、適切なタイミングで信号をやりとりすることによって、ロボット２の動き、レーザ光軸の走査及びレーザビームの出力を同期する。

ロボット２及びスキャナ４は、位置情報及び時刻情報を共有し、作業空間内の所望の位置にレーザ照射点を制御する。また、ロボット２及びスキャナ４は、適切なタイミングでレーザ照射を開始及び終了させる。これにより、レーザ加工システム１は、溶接等のレーザ加工を行うことができる。

また、プログラム生成装置９は、３Ｄモデリングソフトウェアを内蔵している。操作者は、ロボット２及びスキャナ４のモデルをコンピュータ上で操作し、レーザ照射点や座標値等を確認することができる。

更に、プログラム生成装置９は、ワーク１０のＣＡＤデータを用いて、ワーク１０の３Ｄモデリングを生成し、当該３Ｄモデリングのワーク１０上に１以上の制御点を設定する。そして、プログラム生成装置９は、設定された各制御点に対して溶接形状を定義する。

上述したように、レーザ照射点の経路は、作業空間内のロボットの基部を基準とした座標系の点の列によって表現されると考えることができるため、これを制御点と呼ぶ。制御点は、レーザ照射点の経路上の点であってもよく、又は円弧の中心のように、レーザ照射点の経路上でなくても、レーザ照射点の経路を定義するために必要となる点であってもよい。

制御点及び溶接形状の定義を終えると、プログラム生成装置９は、ロボット２が移動するロボット経路、及びスキャナ４によるレーザ照射点の走査経路を計算する。

３次元空間内のレーザ照射点に対して、ロボット２の姿勢及びスキャナ４によるレーザ照射点のガルバノモータ４１ａ、４２ａの回転角度は、一意に決定されない。そのため、プログラム生成装置９は、条件を満たす最適解を探索するアルゴリズムを備える。ロボットプログラムＰ１及びスキャナプログラムＰ２のプログラム生成における条件とは、加工時間の最短化、ワーク１０に対するレーザ照射角の制限、ロボット２の姿勢範囲の制限等である。

そして、制御点が修正されると、スキャナ制御装置６は、修正後の制御点の位置情報及び座標系の方向情報をプログラム生成装置９へ送信する。

プログラム生成装置９は、上述した最適解を探索するアルゴリズムを用いて、修正後の制御点の位置情報及び座標系の方向情報に基づいて、ロボットプログラムＰ１及びスキャナプログラムＰ２を再度生成する。生成されたロボットプログラムＰ１及びスキャナプログラムＰ２は、再びスキャナ制御装置６へ送信される。

このようにプログラム生成装置９は、修正された制御点を反映したロボットプログラムＰ１及びスキャナプログラムＰ２を生成することによって、ロボットプログラムＰ１におけるロボット経路、及びスキャナプログラムＰ２におけるスキャナ４によるレーザ光の照射経路を修正することができる。

図４Ａ及び図４Ｂは、ロボットプログラムＰ１におけるロボット２の経路の修正の一例を示す図である。図４Ａは、制御点を修正する前のロボット２の経路を示し、図４Ｂは、制御点を修正した後のロボット２の経路を示す。

図４Ａに示すワーク１８の溶接点２０付近を拡大すると、スキャナ４から照射されるレーザによる溶接点２０は、ロボットプログラムＰ１におけるロボット経路１９Ａ及びスキャナプログラムＰ２におけるスキャナ４によるレーザ光の照射経路に従って決定される。

したがって、図４Ｂに示すように、溶接点２０の位置の変更及び制御点の増減等が発生すると、プログラム生成装置９は、溶接点２０の位置の変更及び制御点の増減に基づいて、ロボットプログラム及びスキャナプログラムを再度生成し、最適なロボット経路１９Ｂ及びレーザ照射経路を再生成することができる。

図５は、本実施形態に係るスキャナ制御装置６の機能構成を示すブロック図である。
図５に示すように、スキャナ制御装置６は、軌跡制御部６１と、制御点移動部６２と、制御点記憶部６３と、を備える。

軌跡制御部６１は、制御点修正用軌跡を照射するためのプログラムに基づいて、ロボット２を停止した状態で、予め設定された制御点を修正するための制御点修正用軌跡をワーク１０に照射するようにスキャナ４を制御する。
制御点移動部６２は、制御点修正用軌跡に基づいて、ロボット教示操作盤８の操作に従って制御点を移動する。

制御点記憶部６３は、制御点移動部６２によって移動された制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向を記憶する。また、軌跡制御部６１は、制御点記憶部６３に記憶された制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向に基づいて、制御点修正用軌跡をワーク１０に照射するようにスキャナ４を制御する。

図６Ａは、制御点修正用軌跡の一例を示す図である。図６Ａに示すように、制御点修正用軌跡１１Ａは、レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さＭ１と、制御点Ｃ１の位置及び制御点によって定義される座標系の方向を特定するための所定の形状Ｓ１と、を有する。ここで、所定の長さＭ１は、例えば、１００ｍｍ程度であることが好ましい。また、所定の形状Ｓ１は、正方向と逆方向とが判別可能な形状であることが好ましい。

また、軌跡制御部６１は、加工用レーザではなく、ガイドレーザによって制御点修正用軌跡１１Ａを照射するようにスキャナ４を制御する。これにより、レーザ加工システム１は、ワーク１０を加工せずに、制御点修正用軌跡１１Ａを照射することができる。

図６Ｂは、図６Ａに示す制御点修正用軌跡１１Ａを用いて制御点を修正する動作を示す図である。なお、図６Ｂは、説明の便宜上、ワーク１０を側面から視た図を示す。ここで、Ｌ１Ａ及びＬ２Ａは、図６Ａにおける制御点修正用軌跡１１Ａの両端を示しており、ガイドレーザは、Ｌ１ＡとＬ２Ａの間を行き来する。図６Ｂでは、スキャナ制御装置６は、スキャナプログラムにおける仮想的なワーク１０Ａに対する制御点Ｃ１を、実際のワーク１０上に修正する。よって、ガイドレーザＬ１Ａ及びＬ２Ａは、ガイドレーザＬ１及びＬ２に修正されることになる。

図６Ｂにおいて、制御点Ｃ１が光軸方向にずれている場合、所定の長さＭ１が小さいと、制御点Ｃ１のずれの差異は小さく、操作者は目視で判断しにくくなる。また、所定の長さＭ１が大きいと、光軸方向にずれに対して比較的大きく変化するため、操作者は目視で判断しやすくなる。

また、所定の長さＭ１が大きければ大きいほど判断しやすくなるが、所定の長さＭ１は、光軸方向のずれを修正するときに必要とされる精度や、スキャナ４とワーク１０との距離、レーザ加工をする部分の大きさ等によって、好ましい大きさが異なる。例えば、ワーク１０とスキャナ４の間の距離が５００ｍｍである場合、所定の長さＭ１は、１００ｍｍ程度であることが好ましい。

スキャナプログラムの仮想的なワーク１０Ａにおける制御点修正用軌跡１１Ａは、実際のワーク１０上では位置がずれると共に、スキャナプログラムの指令よりも小さくなる。これは、制御点修正用軌跡１１Ａの光軸方向の位置及び光軸と垂直な方向の位置がずれていることを示す。

そこで、スキャナ４から照射されるガイドレーザＬ１Ａ及びＬ２Ａを操作することによって、制御点修正用軌跡１１Ａの位置及び長さを、実際のワーク１０上で合致させる。これにより、スキャナ制御装置６は、実際のワーク１０上にガイドレーザＬ１とＬ２の間を適切に照射することができる。

図６Ｂにおいて、ガイドレーザＬ１Ａ，Ｌ２Ａ及びＬ１，Ｌ２は、ガイドレーザ光が走査される範囲を示す。スキャナ制御装置６によって制御点Ｃ１の位置を変えると、反復走査する制御点修正用軌跡は、ワーク１０の面上に形成される。そして、ガイドレーザ光の走査範囲は、ガイドレーザＬ１Ａ，Ｌ２ＡからガイドレーザＬ１，Ｌ２に移行する。これにより、ワーク１０の面上における制御点修正用軌跡１１Ａの所定の長さＭ１は、所望の大きさとなり、教示修正を完了する。

ここで、上述したように、制御点修正用軌跡は、レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さを必要とする。
以下に説明するように、レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さは、制御点修正用軌跡の長さの変化を視認できる距離、特定すべきレーザ光の光軸方向のずれ量、及びスキャナ４とレーザ光のレーザ照射点との距離から算出される。

図６Ｃは、レーザ光の光軸方向のずれについて説明するための図である。
図６Ｃに示すように、スキャナ４とワーク１０とは、正対しており、ワーク１０が位置Ａ１にあるときと、位置Ｂ１にあるときとを比較するものとする。

このとき、ワーク１０の位置Ａ１と位置Ｂ１との間のレーザ光の光軸方向のずれは、ΔＤとなる。また、図６Ｃに示すように、位置Ａ１における制御点修正用軌跡の長さは、Ｌであり、位置Ｂ１における制御点修正用軌跡の長さは、Ｌ＋ΔＬである。
スキャナ４内のガルバノミラー４１、４２からの距離は、ワーク１０の位置Ａ１及び位置Ｂ１それぞれにおいて、Ｄ及びＤ＋ΔＤである。そして、長さＬ及びＬ＋ΔＬ並びに距離Ｄ及びＤ＋ΔＤの関係は、以下のようになる。
Ｌ＝（ΔＬ／ΔＤ）×Ｄ

実際には、ガルバノミラー４１、４２は、Ｘ及びＹ軸の２つの軸を有し、ワーク１０及びスキャナ４は、必ずしも正対するとは限らない。また、スキャナ４の走査範囲の中心と周辺部とにおける光軸方向の距離の差異も影響を与える。これらを考慮しても、長さＬ及びＬ＋ΔＬ並びに距離Ｄ及びＤ＋ΔＤの関係は、上記の式によって近似することができる。

操作者が制御点修正用軌跡を視認するとき、例えば、長さΔＬは、差異を判断可能な最小の長さと考えることができる。このとき、距離ΔＤを、レーザ加工で許容されるレーザ光の光軸方向のずれ、すなわち、焦点距離の許容範囲とすれば、スキャナ４とワーク１０との距離Ｄから、長さＬ（すなわち、上述した所定の長さ）を導くことができる。

例えば、ΔＬ＝１ｍｍ、つまり、１ｍｍの差異を視認できるとした場合、ΔＤ＝５ｍｍ、つまり、焦点距離の許容範囲を５ｍｍとし、Ｄ＝５００ｍｍ、つまり、スキャナ４内のガルバノミラー４１、４２とレーザ照射点との距離を５００ｍｍとすると、制御点修正用軌跡の長さＬ（所定の長さ）は、１００ｍｍとなる。

更に、後述するような修正用パターンを用いる場合、視認できる長さの差異ΔＬは、より小さくなる。また、０．１ｍｍの長さの差異を見分けることができるであれば、制御点修正用軌跡の長さＬは、１０ｍｍでよいということになる。また、制御点修正用軌跡の長さＬを１００ｍｍのままとすれば、ΔＤ＝０．５ｍｍ、すなわち、０．５ｍｍの精度で光軸方向の位置を調整することができる。

次に、操作者による制御点を修正する動作について説明する。
本実施形態における制御点の修正では、操作者は、手動操作又は半自動操作によってロボット２を制御点の近傍に搬送し、ロボット２を停止する。そして、スキャナ４によってガイドレーザが照射されると、操作者は、ワーク１０上に照射された制御点修正用軌跡の形状を視認しながら、スキャナ４を移動させる。これにより、操作者は、制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向を修正することができる。

ここで、手動操作とは、操作者がロボット教示操作盤８を操作して、ロボット２の姿勢を変え、スキャナ４を所望の位置に搬送することをいう。また、半自動操作とは、３Ｄモデリング内の所望の制御点に対して、プログラム生成装置９によって生成された、スキャナ４を制御点の近傍に搬送するロボットプログラム、及びガイドレーザを照射するスキャナプログラムを用いてロボット２の姿勢を変えることでスキャナ４を所望の位置に搬送することをいう。

手動操作の具体的な操作は、以下に示すような手順となる。
（１）ロボット２を駆動し、ロボット２のアーム２２の先端部２２ａに固定されたスキャナ４を修正する制御点近傍に移動する。

（２）ロボット２を静止した状態で、ガイドレーザをワーク１０に照射する。このとき、スキャナ制御装置６は、ガルバノミラー４１、４２によって、ガイドレーザを用いて制御点修正用軌跡を高速で反復走査する。

（３）操作者は、ロボット教示操作盤８によって、ガイドレーザのＸ、Ｙ及びＺ軸並びに各軸周り回転を指示することができる。操作者の指示は、ロボット制御装置５からスキャナ制御装置６に伝えられ、これにより、高速で反復走査されている制御点修正用軌跡は、空間内を移動及び回転することができる。

（４）操作者は、ワーク１０上に投影された制御点修正用軌跡を視認しつつ、所望の位置及び所望の大きさとなるように、ロボット教示操作盤８によって制御点修正用軌跡を操作する。

（５）制御点修正用軌跡の制御点の位置及び座標系の方向が決定されると、操作者は、当該制御点修正用軌跡に関するデータをレーザ加工システム１の記憶装置（図示せず）に保存し、教示修正を完了する。なお、操作者がロボット教示操作盤８によって制御点修正用軌跡を操作するとき、ロボット２は、静止した状態であり、スキャナ４の位置及び座標系の方向は、変化しない。

スキャナ４を修正する制御点の近傍に停止した後、操作者は、ロボット教示操作盤８を操作して、制御点修正用軌跡を照射するためのプログラムを起動する。
手動操作の場合、初めから修正しようとしている制御点近傍にガイドレーザを照射することは難しいため、スキャナ４は、制御点修正用軌跡を照射するためのプログラムを起動した直後、スキャナ４の直下にガイドレーザを照射する。

手動操作に対し、半自動操作の場合は、プログラム生成装置９によって生成されたロボットプログラム及びスキャナプログラムを用いる。操作者は、ロボットプログラムを起動し、スキャナ４が当初から修正しようとしている制御点近傍に達したときに、ロボット２を止めて静止させる。その後の操作は、手動操作の（２）から（５）までと同様である。半自動操作では、操作者は、この後、静止した場所から、さらに、ロボット２をロボットプログラムに従って動作させ、次の修正すべき制御点近傍まで移動して、修正作業を継続する。

また、制御点修正用軌跡を照射するためのプログラムは、数種類用意しておき、目的に応じて使い分けてもよい。例えば、ワーク１０の面積が狭い部分には、小さな制御点修正用軌跡を用い、ワーク１０の面積が広い部分には大きな制御点修正用軌跡を用いてもよい。また、突合せ部分の直線に沿った部分には、長い制御点修正用軌跡を用い、円筒の蓋のような部分には、中心点が制御点であれば、当該制御点に対応する制御点修正用軌跡を用いてもよい。更に、円筒面には、立体的な制御点修正用軌跡を用いることができる。

図６Ｄは、制御点修正用軌跡の別の例を示す図である。図６Ｄに示すように、制御点修正用軌跡１１Ｂは、スキャナ制御装置６によって所定の周期で反復走査される。所定の周期は、例えば、５０ｍｓｅｃ程度であることが好ましい。これにより、残像効果によって、操作者は、制御点修正用軌跡が継続して描画されるように知覚することができる。

図６Ｅは、制御点修正用軌跡を修正するための修正用パターン１２の例を示す図である。図６Ｅに示すように、修正用パターン１２は、制御点修正用軌跡と同一の長さ及び形状を有し、かつワーク１０上に配置可能である。修正用パターン１２は、例えば、ワーク１０上に貼り付け可能なシール、ワーク１０上に配置可能なカード状の物品、型紙、磁石等であってもよい。また、修正用パターン１２は、ワーク１０上に予め印刷されていてもよい。

このような修正用パターン１２を用いることによって、ワーク１０に照射される制御点修正用軌跡は、スキャナ４を制御するスキャナプログラムにおける制御点修正用軌跡と同一の長さ及び形状を有する修正用パターン１２と比較可能である。

これにより、操作者は、ワーク１０に照射される制御点修正用軌跡とスキャナプログラムにおける制御点修正用軌跡とを比較することによって、制御点修正用軌跡の位置、方向、大きさ及び歪みを確認及び修正することができる。

図６Ｆは、制御点修正用軌跡１１Ｂを用いて制御点Ｃ２を修正する動作を示す図である。図６Ｆに示すように、制御点移動部６２は、制御点Ｃ２を移動し、軌跡制御部６１は、移動された制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向に基づいて、制御点修正用軌跡１１Ｂを移動させる。

制御点移動部６２は、Ｘ、Ｙ及びＺ軸のような直交座標系、並びにｗ、ｐ及びｒ軸（ヨー、ピッチ及びロール）のような回転座標系において、制御点Ｃ２を移動することができる。すなわち、制御点移動部６２は、６自由度で制御点Ｃ２を移動することができる。

制御点修正用軌跡を照射するためのプログラムは、照射開始点を起点としてガイドレーザを照射し、再び起点に戻り、これらの動作を高速反復するようにスキャナ４を制御する。起動時のレーザ照射点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向は、ロボット２の基軸を原点とする座標における位置及び方向のベクトルとして、ロボット制御装置５又はスキャナ制御装置６に記憶される。

制御点修正用軌跡を移動するために、操作者がロボット教示操作盤８を操作すると、制御点修正用軌跡を照射するためのプログラムは、照射開始点に戻るたびに、例えばＸ軸の＋方向に０．１ｍｍずつ、照射点を変更する。同時に、スキャナ制御装置６は、照射開始点が変更されたことを、変更後の照射開始点の起点として記憶する。

制御点修正用軌跡を所望に位置に移動した後、すなわち、制御点を所望の位置及び座標系の方向に移動した後、操作者は、ロボット教示操作盤８を用いて、制御点の移動が終了したことをスキャナ制御装置６に通知する。

スキャナ制御装置６は、変更された制御点の情報をプログラム生成装置９に転送する。更に、プログラム生成装置９は、変更された制御点の情報をＣＡＤデータとしてＣＡＤシステム（図示せず）に転送してもよい。制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向は、ロボット２の基軸を原点とした座標系の値、修正した制御点の移動量等のように様々なデータ形式を取ることができる。また、手動操作において、スキャナ制御装置６は、任意の新しい位置及び座標系の方向を制御点として登録することもできる。

図７Ａ及び図７Ｂは、制御点修正用軌跡の別の例を説明するための図である。図７Ａは、レーザ加工システム１によって溶接される部材１３及び１４を示す図である。図７Ａに示すように、部材１４は、筒状の部材１３上に搭載され、レーザ加工システム１は、部材１３と部材１４との接触部分の一部を溶接する。

図７Ｂは、レーザ加工システム１によって溶接される溶接部分及び制御点修正用軌跡を示す図である。図７Ｂは、部材１３及び部材１４を平面視した図である。図７Ｂに示すように、レーザ加工システム１は、溶接部分１５Ａ～１５Ｆにおいて部材１３と部材１４とを溶接する。

特に、溶接部分１５Ｅの付近を拡大すると、部材１３及び部材１４は、部材１４の端部１４Ａ近傍において溶接部分１５Ｅによって溶接される。そして、軌跡制御部６１は、制御点修正用軌跡１１Ｃを部材１４の端部１４Ａに照射するようにスキャナ４を制御する。

制御点修正用軌跡１１Ｃは、端部１４Ａに沿う所定の長さと、制御点Ｃ４を基準点として対称な２つのＬ字形状と、を有する。なお、軌跡制御部６１は、操作者が制御点Ｃ４を明確に視認できるように、ガイドレーザをオフし、制御点Ｃ４のみを照射していない。

そして、操作者が制御点Ｃ４を修正する際には、制御点修正用軌跡１１Ｃの制御点Ｃ４を含む直線部分を部材１４の端部１４Ａ上に移動することによって、制御点Ｃ４は、部材１４の端部１４Ａ上に正確に配置される。

また、操作者は、制御点修正用軌跡１１Ｃの両端の短い線分の位置を調整することによって、制御点Ｃ４の位置及び制御点によって定義される座標系の方向を正確に調整することができる。また、操作者は、制御点修正用軌跡１１Ｃの所定の長さによって、部材１４の端部１４Ａとレーザ光の光軸方向とのずれを確認及び修正することができる。

図８Ａ～図８Ｄは、制御点修正用軌跡の別の例を説明するための図である。図８Ａは、レーザ加工システム１によって溶接される部材１６の平面図を示し、図８Ｂは、レーザ加工システム１によって溶接される部材１６の斜視図を示す。図８Ａに示すように、部材１６は、レーザ加工システム１によって溶接部分１７Ａ～１７Ｃにおいて溶接される。また、図８Ｂに示すように、部材１６は、フランジ部分１６Ａ及びパイプ部分１６Ｂを有する。

図８Ｃは、制御点修正用軌跡１１Ｄを示す図である。図８Ｃに示すように、制御点修正用軌跡１１Ｄは、扇形形状を有し、制御点Ｃ５は、制御点修正用軌跡１１Ｄ上の溶接部分１７Ａと重畳する部分に位置付けられる。なお、図８Ｃは、溶接部分１７Ａを溶接する場合の制御点修正用軌跡１１Ｄを示しているが、制御点修正用軌跡１１Ｄは、溶接部分１７Ｂ及び１７Ｃを溶接する場合も同様に、それぞれ、溶接部分１７Ｂ及び１７Ｃに対応する位置に照射される。

図８Ｄは、異なる位置Ａ及び位置Ｂからそれぞれ照射されるレーザ光Ｌを示す図である。図８Ｄに示すように、位置Ａにおいて、スキャナ４は、フランジ部分１６Ａの内周側から、フランジ部分１６Ａとパイプ部分１６Ｂとを溶接しており、位置Ｂにおいて、スキャナ４は、パイプ部分１６Ｂの外周側からフランジ部分１６Ａの外周とパイプ部分１６Ｂとを溶接している。

この場合、制御点修正用軌跡１１Ｄは、レーザ光Ｌの光軸方向にも移動することになる。また、操作者が制御点Ｃ５を修正する際には、制御点修正用軌跡１１Ｄの制御点Ｃ５を含む扇形形状を溶接部分１７Ａ～１７Ｃ上に移動することによって、制御点Ｃ５は、溶接部分１７Ａ～１７Ｃ上に正確に配置される。

図９は、本実施形態に係るレーザ加工システム１の処理の流れを示すフローチャートである。
ステップＳ１において、ロボット制御装置５は、ロボットプログラムに基づいて、ワーク１０に対してレーザ光を走査可能なスキャナ４を、ワーク１０に対して移動させるようにロボット２を制御する。

ステップＳ２において、ロボット制御装置５は、ロボットプログラムに基づいて、ロボット２を停止させるように制御する。
ステップＳ３において、軌跡制御部６１は、ロボット２を停止した状態で、制御点修正用軌跡をワーク１０に照射するようにスキャナ４を制御する。

ステップＳ４において、制御点移動部６２は、制御点修正用軌跡に基づいて制御点を移動する。
ステップＳ５において、制御点記憶部６３は、移動された制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向を記憶する。

ステップＳ６において、軌跡制御部６１は、移動された制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向に基づいて、制御点修正用軌跡をワーク１０に照射するようにスキャナ４を制御する。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ加工システム１は、ワーク１０に対してレーザ光を走査可能なスキャナ４と、スキャナ４をワーク１０に対して移動させるロボット２と、スキャナ４を制御するスキャナ制御装置６と、を備える。スキャナ制御装置６は、ロボット２を停止した状態で、予め設定された制御点を修正するための制御点修正用軌跡をワーク１０に照射するようにスキャナ４を制御する軌跡制御部６１を有する。制御点修正用軌跡は、レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さと、制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向を特定するための所定の形状と、を有する。

これにより、レーザ加工システム１は、制御点修正用軌跡を用いて制御点を修正することができる。そのため、レーザ加工システム１は、ロボット２を動かさず、スキャナ４の動作のみによって、制御点を簡易に修正することができる。

また、レーザ加工システム１は、教示用治具、付加的な光源又は画像として解析するためのカメラ及び解析装置等を用いずに、制御点を修正することができる。また、レーザ加工システム１は、スキャナ４によってガイドレーザの光軸を偏向させるだけであるため、レーザ加工システム１の操作が簡便となる。また、レーザ加工システム１は、加工用レーザと同じ軸上のガイドレーザを用いるため、教示修正の結果が正確になる。

また、レーザ加工システム１は、制御点修正用軌跡を用いることにより、レーザ光の光軸方向の位置、光軸と垂直な面の位置、制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向、ワーク１０の傾き等を正確に調整することができる。特に、レーザ溶接では、突き合わせや稜線等のように線上の形状に沿ってレーザを照射する場合が多いため、本実施形態に係るレーザ加工システム１を用いることにより、レーザ光の方向及び位置を適切に調整することができる。

また、軌跡制御部６１は、制御点修正用軌跡を所定の周期で反復走査するようにスキャナ４を制御する。これにより、残像効果によって、操作者は、制御点修正用軌跡が継続して描画されるように知覚することができる。したがって、操作者は、制御点修正用軌跡を知覚することによって、制御点修正用軌跡の位置、方向、大きさ及び歪みを確認及び修正することができる。

また、ワーク１０に照射される制御点修正用軌跡は、スキャナ４を制御するスキャナプログラムにおける制御点修正用軌跡と同一の長さ及び形状を有し、かつワーク１０上に配置可能な修正用パターン１２と比較可能である。これにより、操作者は、ワーク１０に照射される制御点修正用軌跡とスキャナプログラムにおける制御点修正用軌跡とを比較することによって、制御点修正用軌跡の位置、方向、大きさ及び歪みを確認及び修正することができる。

また、スキャナ制御装置６は、制御点修正用軌跡に基づいて制御点を移動する制御点移動部６２と、移動された制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向を記憶する制御点記憶部６３と、更に備える。軌跡制御部６１は、制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向に基づいて、制御点修正用軌跡をワーク１０に照射するようにスキャナ４を制御する。

これにより、レーザ加工システム１は、ロボット２を動かさず、スキャナ４の走査範囲内の制御点の位置及び制御点によって定義される座標系の方向を修正することができる。したがって、レーザ加工システム１は、ロボット２の姿勢を変えずに、ガイドレーザの走査のみによって制御点を修正することができる。

また、レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さは、制御点修正用軌跡の長さの変化を視認できる距離、特定すべきレーザ光の光軸方向のずれ量、及びスキャナ４とレーザ光のレーザ照射点との距離から算出される。これにより、レーザ加工システム１は、レーザ光の光軸方向のずれを適切に特定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上記のレーザ加工システム１は、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。また、上記のレーザ加工システム１により行なわれる制御方法も、ハードウェア、ソフトウェア又はこれらの組み合わせにより実現することができる。ここで、ソフトウェアによって実現されるとは、コンピュータがプログラムを読み込んで実行することにより実現されることを意味する。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（ｎｏｎ－ｔｒａｎｓｉｔｏｒｙ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｒｅａｄａｂｌｅ ｍｅｄｉｕｍ）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（ｔａｎｇｉｂｌｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｍｅｄｉｕｍ）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えば、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば、光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ＲＯＭ）、ＥＰＲＯＭ（Ｅｒａｓａｂｌｅ ＰＲＯＭ）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（ｒａｎｄｏｍ ａｃｃｅｓｓ ｍｅｍｏｒｙ））を含む。

また、上述した各実施形態は、本発明の好適な実施形態ではあるが、上記各実施形態のみに本発明の範囲を限定するものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更を施した形態での実施が可能である。

１ レーザ加工システム
２ ロボット
３ レーザ発振器
４ スキャナ４
５ ロボット制御装置
６ スキャナ制御装置
７ レーザ制御装置
８ ロボット教示操作盤
９ プログラム生成装置
１０ ワーク
６１ 軌跡制御部
６２ 制御点移動部
６３ 制御点記憶部

Claims (7)

1. ワークに対してレーザ光を走査可能なスキャナと、
   前記スキャナを前記ワークに対して移動させる移動装置と、
   前記スキャナを制御するスキャナ制御装置と、
   を備え、
   前記スキャナ制御装置は、前記移動装置を停止した状態で、予め設定された制御点を修正するための制御点修正用軌跡を前記ワークに照射するように前記スキャナを制御する軌跡制御部を有し、
   前記制御点修正用軌跡は、前記レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さと、前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向を特定するための所定の形状と、を有し、
   前記ワークに照射される前記制御点修正用軌跡は、前記スキャナを制御するスキャナプログラムにおける制御点修正用軌跡と同一の長さ及び形状を有し、かつ前記ワーク上に配置可能な修正用パターンと比較可能である、レーザ加工システム。
2. ワークに対してレーザ光を走査可能なスキャナと、
   前記スキャナを前記ワークに対して移動させる移動装置と、
   前記スキャナを制御するスキャナ制御装置と、
   を備え、
   前記スキャナ制御装置は、前記移動装置を停止した状態で、予め設定された制御点を修正するための制御点修正用軌跡を前記ワークに照射するように前記スキャナを制御する軌跡制御部を有し、
   前記制御点修正用軌跡は、前記レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さと、前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向を特定するための所定の形状と、を有し、
   前記スキャナ制御装置は、
   前記制御点修正用軌跡に基づいて前記制御点を移動する制御点移動部と、
   移動された前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向を記憶する制御点記憶部と、を更に備え、
   前記軌跡制御部は、前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向に基づいて、前記制御点修正用軌跡を前記ワークに照射するように前記スキャナを制御する、レーザ加工システム。
3. ワークに対してレーザ光を走査可能なスキャナと、
   前記スキャナを前記ワークに対して移動させる移動装置と、
   前記スキャナを制御するスキャナ制御装置と、
   を備え、
   前記スキャナ制御装置は、前記移動装置を停止した状態で、予め設定された制御点を修正するための制御点修正用軌跡を前記ワークに照射するように前記スキャナを制御する軌跡制御部を有し、
   前記制御点修正用軌跡は、前記レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さと、前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向を特定するための所定の形状と、を有し、
   前記レーザ光の光軸方向のずれを特定するための前記所定の長さは、前記制御点修正用軌跡の長さの変化を視認できる距離、前記レーザ光の光軸方向のずれ量、及び前記スキャナと前記レーザ光のレーザ照射点との距離から算出される、レーザ加工システム。
4. 前記軌跡制御部は、前記制御点修正用軌跡を所定の周期で反復走査するように前記スキャナを制御する、請求項１から３のいずれか一項に記載のレーザ加工システム。
5. ワークに対してレーザ光を走査可能なスキャナを前記ワークに対して移動させるステップと、
   前記スキャナを前記ワークに対して移動させるための移動装置を停止させるステップと、
   前記移動装置を停止した状態で、予め設定された制御点を修正するための制御点修正用軌跡を前記ワークに照射するように、前記スキャナを制御するステップと、
   を備え、
   前記制御点修正用軌跡は、前記レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さと、前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向を特定するための所定の形状と、を有し、
   前記ワークに照射される前記制御点修正用軌跡は、前記スキャナを制御するスキャナプログラムにおける制御点修正用軌跡と同一の長さ及び形状を有し、かつ前記ワーク上に配置可能な修正用パターンと比較可能である、
   レーザ加工システムの制御方法。
6. ワークに対してレーザ光を走査可能なスキャナを前記ワークに対して移動させるステップと、
   前記スキャナを前記ワークに対して移動させるための移動装置を停止させるステップと、
   前記移動装置を停止した状態で、予め設定された制御点を修正するための制御点修正用軌跡を前記ワークに照射するように、前記スキャナを制御するステップと、
   前記制御点修正用軌跡に基づいて前記制御点を移動するステップと、
   移動された前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向を記憶するステップと、
   を備え、
   前記制御点修正用軌跡は、前記レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さと、前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向を特定するための所定の形状と、を有し、
   前記スキャナを制御するステップは、前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向に基づいて、前記制御点修正用軌跡を前記ワークに照射するように前記スキャナを制御するステップを含む、
   レーザ加工システムの制御方法。
7. ワークに対してレーザ光を走査可能なスキャナを前記ワークに対して移動させるステップと、
   前記スキャナを前記ワークに対して移動させるための移動装置を停止させるステップと、
   前記移動装置を停止した状態で、予め設定された制御点を修正するための制御点修正用軌跡を前記ワークに照射するように、前記スキャナを制御するステップと、
   を備え、
   前記制御点修正用軌跡は、前記レーザ光の光軸方向のずれを特定するための所定の長さと、前記制御点の位置及び前記制御点によって定義される座標系の方向を特定するための所定の形状と、を有し、
   前記レーザ光の光軸方向のずれを特定するための前記所定の長さは、前記制御点修正用軌跡の長さの変化を視認できる距離、前記レーザ光の光軸方向のずれ量、及び前記スキャナと前記レーザ光のレーザ照射点との距離から算出される、
   レーザ加工システムの制御方法。

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