WO2015141196A1 - レーザ加工ロボット - Google Patents

Abstract

　本開示のレーザ加工ロボットは、マニピュレータと、ロボット制御装置と、レーザ加工ヘッドとを有する。ロボット制御装置は、マニピュレータの動作を制御する。レーザ加工ヘッドは、マニピュレータに取り付けられ、レーザ光を走査する。レーザ加工ヘッドは、レーザ光を走査するための部材を駆動するサーボモータを有する。サーボモータの駆動は、ロボット制御装置により制御される。

Description

レーザ加工ロボット

　本開示は、レーザ加工ヘッドおよびマニピュレータを有するレーザ加工ロボットに関する。

　特許文献１には、先端にスポット溶接ガンが設けられたスポット溶接ロボットについて記載されている。スポット溶接ロボットには、第１の線条体および第２の線条体が配線されている。第１の線条体は、スポット溶接ロボットの関節軸を駆動するサーボモータに接続された電源ケーブルと電源線と信号線を束ねたものである。第２の線条体は、スポット溶接ロボットの関節軸を駆動するサーボモータに接続された電源ケーブルと電源線と信号線、および、スポット溶接ガンに接続された溶接用電源線と冷却用ホースと電源線と信号線を束ねたものである。

　第１の線条体および第２の線条体は、スポット溶接ロボットのベースの接続口から、ベースの内部、アームの側面、アームの内部を経由して、スポット溶接ロボットのサーボモータやスポット溶接ガンに接続されている。

特開２０１２－０９６３３２号公報

　従来のスポット溶接ロボットでは、スポット溶接ガンを制御する溶接制御装置と、スポット溶接ロボットを制御するロボット制御装置とに、第１の線条体および第２の線条体の配線を別々に接続する必要がある。そのため、スポット溶接ロボットから、溶接制御装置およびロボット制御装置に別々の制御ケーブルを設ける必要があり、これらのケーブルが周辺機器と干渉する恐れがあった。

　本開示は、レーザ加工ロボットに使用するケーブルが周辺機器と干渉することを低減したレーザ加工ロボットを提供する。

　上記課題を解決するために、本開示のレーザ加工ロボットは、マニピュレータと、ロボット制御装置と、レーザ加工ヘッドとを有する。ロボット制御装置は、マニピュレータの動作を制御する。レーザ加工ヘッドは、マニピュレータに取り付けられ、レーザ光を走査する。レーザ加工ヘッドは、レーザ光を走査するための部材を駆動するサーボモータを有する。サーボモータの駆動は、ロボット制御装置により制御される。

　本開示のレーザ加工ロボットによれば、マニピュレータとロボット制御装置との間のケーブルの数を低減でき、レーザ加工ロボットに配設するケーブルと周辺機器との干渉を低減することができる。

図１は、実施の形態における、マニピュレータとロボット制御装置とレーザ加工ヘッドとを有するレーザ加工ロボットの右側面図である。 図２は、実施の形態における、マニピュレータとロボット制御装置とレーザ加工ヘッドとを有するレーザ加工ロボットの上面図である。 図３は、実施の形態における、レーザ加工ヘッドを取り付けたマニピュレータの手首部を示す左側面図である。 図４は、実施の形態における、レーザ加工ヘッドを取り付けていない状態のマニピュレータの手首部の先端を示す斜視図である。 図５は、実施の形態における、レーザ加工ヘッドを取り付けた状態のマニピュレータの手首部の先端を示す斜視図である。

　（実施の形態）
　本開示の実施の形態について、図１から図５を用いて説明する。図１は、本実施の形態における、マニピュレータ１とロボット制御装置５１とレーザ加工ヘッド３１とを有するレーザ加工ロボット１００の右側面図である。図２は、本実施の形態における、マニピュレータ１とロボット制御装置５１とレーザ加工ヘッド３１とを有するレーザ加工ロボット１００の上面図である。図３は、本実施の形態における、レーザ加工ヘッド３１を取り付けたマニピュレータ１の手首部を示す左側面図である。図４は、本実施の形態における、レーザ加工ヘッド３１を取り付けていない状態のマニピュレータ１の手首部の先端を示す斜視図である。図５は、本実施の形態における、レーザ加工ヘッド３１を取り付けた状態のマニピュレータ１の手首部の先端を示す斜視図である。なお、レーザ加工ロボット１００としては、レーザ溶接ロボットやレーザ切断ロボット等がある。

　＜レーザ加工ロボット１００の構造と動作＞
　図１および図２に示すように、本実施の形態のレーザ加工ロボット１００は、マニピュレータ１と、ロボット制御装置５１と、レーザ加工ヘッド３１とを有する。レーザ加工ヘッド３１には、レーザ発振装置（図示せず）が出力したレーザ光が入力され、レーザ加工ヘッド３１は、レーザ光の照射位置を変えながら、加工物（図示せず）にレーザ光を照射する。マニピュレータ１の先端には、レーザ加工ヘッド３１が取り付けられている。ロボット制御装置５１は、ロボット制御装置５１内に記憶した動作プログラムに基づいて、マニピュレータ１の動作や、レーザ加工ヘッド３１の動作を制御する。

　図１に示すように、マニピュレータ１は、６軸の垂直多関節型であり、ベース１２と、旋回部１３と、下部アーム１４と、上部アーム１５と、手首部とを有する。なお、手首部は、少なくとも、第１手首アーム１６と、第２手首アーム１７と、手首フランジ１８とを有する。すなわち、マニピュレータ１は、大別すると、ベース１２と、旋回部１３と、下部アーム１４と、上部アーム１５と、第１手首アーム１６と、第２手首アーム１７と、手首フランジ１８との７つのパーツからなる。そして、これらのパーツを接続する６つの接続部において、回転軸を中心に回転することができる。マニピュレータ１の先端部分には、レーザ加工ヘッド３１が取り付けられている。マニピュレータ１によってレーザ加工ヘッド３１を移動させ、レーザ加工ヘッド３１から出射されるレーザ光を用いて、溶接や切断等のレーザ加工を行う。

　次に、マニピュレータ１の具体的な構造について説明する。

　ベース１２は、マニピュレータ１を設置する設置面に固定される。

　旋回部１３は、ベース１２に対して旋回可能に設けられており、回転軸Ｊ１（第１の回転軸）を中心に旋回する。回転軸Ｊ１は、設置面と直交する軸であり、図１において、上下方向の軸である。

　下部アーム１４は、その一端において、旋回部１３に対して回転可能に設けられており、回転軸Ｊ２（第２の回転軸）を中心に回転する。回転軸Ｊ２は、設置面と平行な軸であり、回転軸Ｊ１に垂直な方向の軸である。図１において、紙面に垂直な方向の軸である。すなわち、回転軸Ｊ２を中心として、下部アーム１４は前後方向（図１では左右方向）に搖動する。

　上部アーム１５は、その一端において、下部アーム１４に対して回転可能に設けられており、回転軸Ｊ３（第３の回転軸）を中心に回転する。回転軸Ｊ３は、回転軸Ｊ２と平行な軸であり、回転軸Ｊ１に垂直な方向の軸である。図１において、紙面に垂直な方向の軸である。すなわち、回転軸Ｊ３を中心として、上部アーム１５は上下方向（図１では上下方向）に搖動する。

　なお、下部アーム１４は上下方向にも揺動し、上部アーム１５は左右方向にも揺動するが、それぞれの主な動作方向は、前述した方向である。

　手首部は、第１手首アーム１６と第２手首アーム１７と手首フランジ１８とを有し、さらに、図４に示すように、少なくとも中間部材２３を有している。

　第１手首アーム１６は、その一端において、上部アーム１５に対して回転可能に設けられており、回転軸Ｊ４（第４の回転軸）を中心に回転する。回転軸Ｊ４は、回転軸Ｊ３に垂直な方向の軸であり、図１において、左右方向の軸である。第１手首アーム１６の主軸と回転軸Ｊ４はほぼ一致しているため、第１手首アーム１６は、ねじり動作を行う。

　第２手首アーム１７は、その一端において、第１手首アーム１６に対して回転可能に設けられており、回転軸Ｊ５（第５の回転軸）を中心に回転する。回転軸Ｊ５は、回転軸Ｊ４に垂直な方向の軸であり、図１において、紙面に垂直な方向の軸である。すなわち、回転軸Ｊ４を中心として、第２手首アーム１７は、主に上下方向（図１では上下方向）に搖動する。

　手首フランジ１８は、第２手首アーム１７の先端部に、第２手首アーム１７に対して回転可能に設けられており、回転軸Ｊ６（第６の回転軸）を中心に回転する。回転軸Ｊ６は、回転軸Ｊ５に垂直な方向の軸であり、図１においては、左右方向の軸である。手首フランジ１８の主軸と回転軸Ｊ６はほぼ一致しているため、手首フランジ１８は、ねじり動作を行う。すなわち、手首フランジ１８に取り付けられたレーザ加工ヘッド３１を回転させる。

　なお、上部アーム１５は、図１および図２に示すように、回転軸Ｊ４の方向に、ケーブル等を通すことができる中空部２１（第１の中空部）を有している。また、第１手首アーム１６は、図２に示すように、回転軸Ｊ４の方向に、ケーブル等を通すことができる中空部２５（第２の中空部）を有している。

　また、第２手首アーム１７と手首フランジ１８とは、図４に示すように、回転軸Ｊ６の方向に、回転軸Ｊ６を含むように、ケーブル等を通すことができる中空部を有している。

　図４に示すように、中間部材２３は、手首フランジ１８に取り付けられている。中間部材２３は、一方が手首フランジ１８の中空部に通じるように開口し、他方が回転軸Ｊ６における反対方向に開口するように貫通孔を有している。中間部材２３の貫通孔は、マニピュレータ１からレーザ加工ヘッド３１へ導かれるケーブル（配線など）の経路である。

　図５に示すように、レーザ加工ヘッド３１は、中間部材２３の、手首フランジ１８とは反対側の面に取り付けられる。

　＜レーザ加工ヘッド３１の構造と動作＞
　レーザ加工ヘッド３１は、加工物に対するレーザ光の照射位置を変更する（加工物に対してレーザ光を走査する）ための、光学部材（図示せず）を有している。なお、光学部材は、例えば、ミラーや傾斜並行平板等である。本実施の形態では、傾斜並行平板を２つ有し、２つの傾斜並行平板を回転させることでレーザ光の照射位置を変えるレーザ加工ヘッド３１について説明する。

　レーザ加工ヘッド３１は、一方の傾斜並行平板を回転するためのサーボモータ３２（第１のサーボモータ）と、他方の傾斜並行平板を回転するためのサーボモータ３３（第２のサーボモータ）を有する。マニピュレータ１の回転軸Ｊ１～Ｊ６に設けられたサーボモータは、サーボモータ３２、３３と同種であり、出力容量が異なるものである。ここでいう「同種」とは、サーボモータの駆動原理や制御方法のメカニズムが同じであることを示している。そして、サーボモータ３２、３３は、マニピュレータ１を構成するサーボモータを制御するロボット制御装置５１により制御される。すなわち、レーザ加工ヘッド３１に設けられたサーボモータ３２、３３と、マニピュレータ１を構成するサーボモータは、ロボット制御装置５１を制御装置として共有している。このように、出力容量だけが異なる同種のサーボモータをマニピュレータ１とレーザ加工ヘッド３１に用いることで、制御回路の大半を共有でき、また、相互に制御をリンクさせやすくなる。

　サーボモータ３２、３３は、レーザ加工ヘッド３１の１つの面に偏って配置されている。そして、サーボモータ３２、３３がマニピュレータ１側（手首フランジ１８側）に位置するように、レーザ加工ヘッド３１をマニピュレータ１に取り付けている。より詳しくは、レーザ加工ヘッド３１をマニピュレータ１に取り付けた状態では、図５に示すように、サーボモータ３２およびサーボモータ３３は、中間部材２３の上下に配置される。

　このようにする理由は、短いタクトタイムでマニピュレータ１を動作させるためには、手首部の加減速度を少しでも高める必要があるからである。すなわち、比較的重いサーボモータ３２、３３を、マニピュレータ１側に配置することで、マニピュレータ１全体の回転軸である回転軸Ｊ１により近くなり、イナーシャを低減することができる。

　＜ロボット制御装置５１とマニピュレータ１との接続＞
　本実施の形態のレーザ加工ロボット１００において、マニピュレータ１とロボット制御装置５１とは、図１および図２に示すように、複数のケーブルやホースで接続されている。マニピュレータ１を構成するサーボモータの駆動電力およびモータエンコーダの信号と、レーザ加工ヘッド３１を構成するサーボモータ３２、３３の駆動電力およびモータエンコーダの信号とは、これらのケーブルを介して送られる。

　本実施の形態では、一例として、図１および図２に示すように、３本のケーブルと１本のホースを使用する例を示す。図１においては、ケーブル５２、５３は、ケーブル５４の奥に配置され、図２においては、冷却ホース５５は、ケーブル５４の奥に配置されている。ケーブル５２（第１のケーブル）は、マニピュレータ１を構成するサーボモータの駆動電力等を供給する電源線である。ケーブル５３（第２のケーブル）は、マニピュレータ１を構成するサーボモータのモータエンコーダの信号等を伝達する信号線である。ケーブル５４（第３のケーブル）は、レーザ加工ヘッド３１を構成するサーボモータの駆動電力を供給する電源線や、モータエンコーダの信号を伝達する信号線をまとめたものである。なお、ケーブル５４は、モータ制御線ともいう。冷却ホース５５（第１の冷却ホース）は、レーザ加工ヘッド３１を冷却するための冷却水等を供給および排出する。

　ケーブル５４と冷却ホース５５は、ケーブル５２、５３を接続するためにマニピュレータ１のベース１２に設けられた接続口とは別に、マニピュレータ１のベース１２に設けられた接続口１１を介してマニピュレータ１のベース１２内に導かれる。ケーブル５４と冷却ホース５５とは、ベース１２の内部および旋回部１３の内部を通って旋回部１３の外に引き出される。

　旋回部１３から引き出されたケーブル５４は、下部アーム１４の側面に沿って上部アーム１５まで導かれる。ここで、ケーブル５４は、上部アーム１５に設けられたバッテリーカード４５に接続され、レーザ加工ヘッド３１を構成するサーボモータ３２、３３のエンコーダ（図示せず）に電力を供給し、エンコーダはサーボモータ３２、３３の回転角度を記録することができる。なお、バッテリーカード４５は、上部アーム１５以外に設けても良い。

　一方、冷却ホース５５は、一旦、下部アーム１４に設置してある変換金具４３の一端に接続される。そして、変換金具４３の他端には、冷却ホース５６（第２の冷却ホース）が接続される。冷却ホース５６の直径は、冷却ホース５５の直径より小さい。冷却ホース５６の径は、冷却ホースを接続するためにレーザ加工ヘッド３１に設けられた継手（図示せず）に適合する。このように、変換金具４３までは大きな直径の冷却ホース５５を使用することで、冷却水を送るポンプ（図示せず）の負担を軽減することができる。

　ケーブル５４および冷却ホース５６は、互いの位置が近づいた状態で、上部アーム１５の回転軸Ｊ４に沿って設けられた中空部２１に導かれる。ケーブル５４および冷却ホース５６は、上部アーム１５の中空部２１の内部を通過し、回転軸Ｊ４に沿って、第１手首アーム１６へと導かれる。さらに、ケーブル５４および冷却ホース５６は、第１手首アーム１６に設けられた中空部２５の内部を通過し、第２手首アーム１７へ導かれる。さらに、ケーブル５４および冷却ホース５６は、第２手首アーム１７に設けられた中空部（図示せず）の内部を通過し、手首フランジ１８に導かれる。そして、ケーブル５４および冷却ホース５６は、中間部材２３の貫通孔を通り、レーザ加工ヘッド３１の取り付け面にある中間部材２３の開口部から引き出される。ケーブル５４は、サーボモータ３２、３３に接続される。冷却ホース５６は、冷却ホースを接続するためにレーザ加工ヘッド３１に設けられた継手に接続される。

　なお、レーザ加工ヘッド３１を構成するサーボモータは２つであるので、モータ制御線であるケーブル５４を２つ設けても良い。

　なお、上部アーム１５に設けられた中空部２１から、第１手首アーム１６の中空部２５を経由して、第２手首アーム１７の中空部（図示せず）に達するまでは、ケーブル５４と冷却ホース５６を保護するためのケーブルガイドとして、コイルバネ１９が設けられている。コイルバネ１９は、図１に示すように、上部アーム１５に設けられた固定部材４８（第１の固定部材）と、図４に示すように、中間部材２３に設けられた固定部材２４（第２の固定部材）により、固定される。ケーブル５４と冷却ホース５６は、コイルバネ１９内を通り、コイルバネ１９により保護される。なお、ケーブルガイドはコイルバネに限らず、伸縮や屈曲が可能なパイプでも構わない。

　また、コイルバネ１９は、レーザ加工ヘッド３１が回転軸Ｊ５や回転軸Ｊ６で回転する際に、ケーブル５４や冷却ホース５６が屈曲することを抑制できる。

　また、第１手首アーム１６は、図３に示すように、保護部材２０を有している。保護部材２０は、マニピュレータ１が動作する際に、ケーブル５４や冷却ホース５６が振れることを抑制する。

　また、図１に示すように、ケーブル５４の一部と冷却ホース５５の一部は、下部アーム１４に固定されている。従って、マニピュレータ１において、ベース１２から上部アーム１５まで、ケーブル５４や冷却ホース５５や冷却ホース５６を導くには、一部がマニピュレータ１の内部を通り、他の部分がマニピュレータ１の外部を通る。ケーブル５４や冷却ホース５５や冷却ホース５６が、マニピュレータ１の外部を通る場合も、下部アーム１４に固定されているので、これらのケーブルやホースが周辺機器と干渉することを防ぎ、断線等を低減できる。そして、マニピュレータ１の作業性もよくなる。

　なお、本実施の形態のレーザ溶接ロボットにおいて、レーザ加工ヘッド３１を構成する保護ガラス（図示せず）への汚れの付着を抑制するために、レーザ加工ヘッド３１にエアージェットを供給するためのエアーホースを、冷却ホース５５、５６と同様の経路で配設するようにしても良い。また、エアーホースはシールドガスやアシストガスをレーザ加工ヘッドに供給しても構わない。なお、エアーホースは、冷却ホースと並列に配置されるため、図示は省略する。

　また、３本のケーブル５２～５４と冷却ホース５６は、すべてを束ねて１本にしても構わず、また、任意の２本または３本を束ねて一本にしても構わない。また、ケーブル５２～５４は、マニピュレータ１のサーボモータの電源線や信号線、レーザ加工ヘッド３１のサーボモータの電源線や信号線をどのように組みあわても構わない。たとえば、信号線だけをまとめたケーブルと、電源線だけをまとめたケーブルとしても構わない。

　本開示によれば、マニピュレータとロボット制御装置との間のケーブルの数を低減でき、レーザ加工ロボットに配設するケーブルと周辺機器との干渉を低減することができる。これにより、レーザ加工を行うレーザ加工ロボットとして産業上有用である。

　１　マニピュレータ
　１１　接続口
　１２　ベース
　１３　旋回部
　１４　下部アーム
　１５　上部アーム
　１６　第１手首アーム
　１７　第２手首アーム
　１８　手首フランジ
　１９　コイルバネ
　２０　保護部材
　２１，２５　中空部
　２３　中間部材
　２４，４８　固定部材
　３１　レーザ加工ヘッド
　３２，３３　サーボモータ
　４３　変換金具
　４５　バッテリーカード
　５１　ロボット制御装置
　５２，５４　ケーブル
　５５，５６　冷却ホース
　Ｊ１～Ｊ６　回転軸
　１００　レーザ加工ロボット

Claims (11)

1. 　マニピュレータと、
   　前記マニピュレータの動作を制御するロボット制御装置と、
   　前記マニピュレータに取り付けられ、レーザ光を走査するレーザ加工ヘッドと、を備え、
   　前記レーザ加工ヘッドは、前記レーザ光を走査するための部材を駆動するサーボモータを有し、
   　前記サーボモータの駆動は、前記ロボット制御装置により制御されるレーザ加工ロボット。
2. 　前記サーボモータと前記ロボット制御装置とを接続し、前記サーボモータを制御するモータ制御線と、
   　前記マニピュレータと前記ロボット制御装置とを接続し、前記マニピュレータを動作させる第１のケーブルと、をさらに備え、
   　前記モータ制御線は、前記第１のケーブル内に収納された請求項１に記載のレーザ加工ロボット。
3. 　前記モータ制御線の一部は、前記マニピュレータの内部を通る請求項２に記載のレーザ加工ロボット。
4. 　前記サーボモータおよび前記モータ制御線はともに複数であり、
   　前記サーボモータの数は、前記モータ制御線の数と同じである請求項２または３に記載のレーザ加工ロボット。
5. 　前記マニピュレータと前記ロボット制御装置とを接続し、前記マニピュレータの動作を制御する第２のケーブルをさらに備え、
   　前記第１のケーブルおよび前記第２のケーブルのうちの一方は、前記マニピュレータに電力を供給する電源線であり、
   　前記第１のケーブルおよび前記第２のケーブルのうちの他方は、前記マニピュレータの動作を制御する信号線である請求項２～４のいずれかに記載のレーザ加工ロボット。
6. 　前記サーボモータが、前記マニピュレータ側に位置するように、前記レーザ加工ヘッドが前記マニピュレータに取り付けられている請求項１～５いずれかに記載のレーザ加工ロボット。
7. 　前記レーザ加工ヘッドに接続され、冷却水を供給および排出する冷却水ホースと、
   　前記レーザ加工ヘッドに接続され、シールドガスを供給するエアーホースと、をさらに備え、
   　前記マニピュレータは６つの回転軸を有する垂直多関節型であり、
   　前記マニピュレータは、前記マニピュレータの設置面から４番目の回転軸と６番目の回転軸に沿って設けられたケーブルガイドを有し、
   　前記モータ制御線と、前記冷却水ホースと、前記エアーホースとは、前記ケーブルガイド内に配置される請求項１～６のいずれかに記載のレーザ加工ロボット。
8. 　前記ケーブルガイドはコイルバネである請求項７に記載のレーザ加工ロボット。
9. 　前記レーザ加工ヘッドに接続され、冷却水を供給する冷却水ホースをさらに備え、
   　前記冷却水ホースの前記レーザ加工ヘッド側の直径は、前記冷却水ホースの前記レーザ加工ヘッドとは反対側の直径よりも小さい請求項１～６のいずれかに記載のレーザ加工ロボット。
10. 　前記冷却水ホースは、第１の冷却水ホースと、一端が前記第１の冷却水ホースに接続され、他端が前記レーザ加工ヘッドに接続された第２の冷却水ホースとからなり、
    　前記第２の冷却水ホースの直径は、前記第１の冷却水ホースの直径よりも小さい請求項９に記載のレーザ加工ロボット。
11. 　前記マニピュレータは、前記サーボモータと同種であって出力容量が異なるサーボモータによって動作される請求項１～１０のいずれかに記載のレーザ加工ロボット。

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