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特開2019-217508レーザ溶接制御方法及びレーザ溶接システム
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2019-217508(P2019-217508A)
(43)【公開日】2019年12月26日
(54)【発明の名称】レーザ溶接制御方法及びレーザ溶接システム
(51)【国際特許分類】
   B23K 26/00 20140101AFI20191129BHJP
   B23K 26/21 20140101ALI20191129BHJP
【FI】
   B23K26/00 M
   B23K26/00 N
   B23K26/21 E
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
【全頁数】8
(21)【出願番号】特願2018-114471(P2018-114471)
(22)【出願日】2018年6月15日
(71)【出願人】
【識別番号】314012076
【氏名又は名称】パナソニックIPマネジメント株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110001427
【氏名又は名称】特許業務法人前田特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】小松 嵩宙
【テーマコード(参考)】
4E168
【Fターム(参考)】
4E168BA05
4E168CA13
4E168CB03
4E168CB08
4E168DA42
4E168DA43
4E168EA17
4E168KA04
(57)【要約】
【課題】溶接条件の設定作業を容易にする。
【解決手段】レーザ溶接システム100に、モータ131の回転角度を測定する角度センサ132と、角度センサ132により測定されたモータ131の回転速度に基づいて、レーザ光Lの照射位置を特定する照射位置特定部143と、照射位置特定部143により特定された照射位置に基づいて、レーザ光Lの照射位置の移動速度を算出する速度算出部152と、速度算出部152によって算出された移動速度に基づいて、レーザ光Lの照射位置における入熱量が設定値となるように、レーザ発振器110によって出力されるレーザ光Lのレーザパワーを制御するレーザパワー制御部153とを設ける。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レーザ光の照射位置を移動させながらレーザ溶接を行う際に、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザ溶接制御方法であって、
前記レーザ光の照射位置の移動に応じて変化する物理量を測定するセンサの測定結果に基づいて、前記レーザ光の照射位置を特定する照射位置特定ステップと、
前記照射位置特定ステップによって特定された照射位置に基づいて、前記レーザ光の照射位置の移動速度を算出する速度算出ステップと、
前記速度算出ステップによって算出された移動速度に基づいて、前記レーザ光の照射位置における入熱量が設定値となるように、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザパワー制御ステップとを実行することを特徴とするレーザ溶接制御方法。
【請求項2】
請求項1に記載のレーザ溶接制御方法において、
前記レーザ光は、パルスレーザ光であり、
前記レーザパワー制御ステップでは、前記レーザ光のピークパワーを一定にし、前記レーザ光のデューティ比を制御することにより、前記レーザ光のレーザパワーを制御することを特徴とするレーザ溶接制御方法。
【請求項3】
レーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記レーザ発振器に出力されたレーザ光を照射位置に集光するレーザ加工ヘッドと、
前記レーザ加工ヘッドを移動させる移動装置と、
前記レーザ発振器によって出力されるレーザ光のレーザパワーを制御するレーザパワー制御部とを備えたレーザ溶接システムであって、
前記レーザ加工ヘッドの移動に応じて変化する物理量を測定するセンサと、
前記センサの測定結果に基づいて、前記レーザ光の照射位置を特定する照射位置特定部と、
前記照射位置特定部によって特定された照射位置に基づいて、前記レーザ光の照射位置の移動速度を算出する速度算出部とをさらに備え、
前記レーザパワー制御部は、前記速度算出部によって算出された移動速度に基づいて、前記レーザ光の照射位置における入熱量が設定値となるように、前記レーザ光のレーザパワーを制御することを特徴とするレーザ溶接システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザ光の照射位置を移動させながらレーザ溶接を行う際に、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザ溶接制御方法及びレーザ溶接システムに関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献1には、レーザ光の照射位置を移動させながらレーザ溶接を行う際に、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザ溶接システムが開示されている。このレーザ溶接システムでは、溶接開始後の所定時間、及び溶接終了前の所定時間におけるレーザパワーを、作業者によって予め設定された移動速度に基づいて、レーザ光の照射位置における入熱量が設定値となるように制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開2017−39145号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかし、特許文献1では、溶接開始後の所定時間における照射位置の移動速度、及び溶接終了前の所定時間における照射位置の移動速度を作業者が予め把握して設定する必要があるので、溶接条件の設定作業に手間がかかる。
【0005】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、溶接条件の設定作業を容易にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様は、レーザ光の照射位置を移動させながらレーザ溶接を行う際に、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザ溶接制御であって、前記レーザ光の照射位置の移動に応じて変化する物理量を測定するセンサの測定結果に基づいて、前記レーザ光の照射位置を特定する照射位置特定処理と、前記照射位置特定処理によって特定された照射位置に基づいて、前記レーザ光の照射位置の移動速度を算出する速度算出処理と、前記速度算出処理によって算出された移動速度に基づいて、前記レーザ光の照射位置における入熱量が設定値となるように、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザパワー制御処理とを実行することを特徴とする。
【0007】
この態様によると、レーザ光の照射位置の移動速度が、センサにより測定された物理量に基づいて自動的に算出され、照射位置の移動速度を作業者が予め把握して設定する必要がないので、溶接条件の設定作業を容易にできる。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、レーザ光の照射位置の移動速度が、センサにより測定された物理量に基づいて自動的に算出され、照射位置の移動速度を作業者が予め把握して設定する必要がないので、溶接条件の設定作業を容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
図1】本発明の実施形態に係るレーザ溶接システムの概略構成を示す図である。
図2】レーザ溶接時における本発明の実施形態に係るレーザ溶接システムの動作を示すフローチャートである。
図3】溶接対象物を例示する説明図である。
図4】第1の時系列データを例示するグラフである。
図5】第2の時系列データを例示するグラフである。
図6】第3の時系列データを例示するグラフである。
図7】レーザ溶接時におけるレーザ光の照射位置の移動速度と、レーザ光のレーザパワーと、レーザ光の照射位置における入熱量とを例示するグラフである。
図8】変形例において、レーザ溶接時におけるレーザ光の照射位置の移動速度と、レーザ光のデューティ比と、レーザ光の照射位置における入熱量とを例示するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。
【0011】
図1は、本発明の実施形態に係るレーザ溶接システム100を示す。このレーザ溶接システム100は、レーザ発振器110と、レーザ加工ヘッド120と、移動装置としてのロボット130と、ロボット制御装置140と、発振器制御装置150とを備えている。
【0012】
レーザ発振器110は、CWレーザ光Lを出力する。レーザ発振器110によって出力されたレーザ光Lは、光ファイバ111を介してレーザ加工ヘッド120に伝送される。
【0013】
レーザ加工ヘッド120は、レーザ発振器110により出力されたレーザ光Lを照射位置(焦点位置)に集光する。
【0014】
ロボット130は、6つのモータ131を有する6軸の多関節ロボットであり、各軸のモータ131には、モータ131の回転角度を測定する角度センサ132が設置されている。ロボット130は、レーザ加工ヘッド120を移動させる。
【0015】
ロボット制御装置140は、設定部141と、指令部142と、照射位置特定部143と、位置情報発信部144とを備えている。
【0016】
設定部141は、定常速度Vと、入熱量Qと、溶接開始位置P1、溶接終了位置P2、及び溶接線LIの軌跡を設定する作業者の入力を受け付け、作業者により設定された入熱量を出力する。また、作業者により設定された定常速度に基づいて、減速開始タイミングを算出する。
【0017】
指令部142は、設定部141が受け付けた作業者の入力に基づいて、ロボット130のモータ131を制御することにより、レーザ加工ヘッド120を移動させる。
【0018】
照射位置特定部143は、6つの角度センサ132により測定されたモータ131の回転速度に基づいて、レーザ光Lの照射位置を特定する。
【0019】
位置情報発信部144は、照射位置特定部143により特定された照射位置を発信する。
【0020】
発振器制御装置150は、位置情報受信部151と、速度算出部152と、レーザパワー制御部153とを備えている。
【0021】
位置情報受信部151は、ロボット制御装置140の位置情報発信部144により発信された照射位置を受信する。
【0022】
速度算出部152は、位置情報受信部151により受信された照射位置、すなわちロボット制御装置140の照射位置特定部143により特定された照射位置に基づいて、レーザ光Lの照射位置の移動速度を算出する。具体的には、前回特定された照射位置と今回特定された照射位置との差分を示す値を移動速度として算出する。
【0023】
レーザパワー制御部153は、ロボット制御装置140の設定部141により出力された入熱量Qを設定値として受信し、速度算出部152によって算出された移動速度に基づいて、レーザ光Lの照射位置における入熱量が受信した設定値となるように、レーザ発振器110によって出力されるレーザ光Lのレーザパワー(平均パワー)を制御する。
【0024】
以下、レーザ溶接時におけるレーザ溶接システム100の動作について、図2を参照して説明する。
【0025】
まず、(S11)において、作業者が、溶接開始位置P1と溶接終了位置P2とをロボット制御装置140の設定部141に設定する。図3に、溶接対象物WがT継手である場合に設定される溶接開始位置P1と溶接終了位置P2とを例示する。
【0026】
次に、(S12)において、作業者が、溶接開始位置P1と溶接終了位置P2とを繋ぐ溶接線LIの軌跡(形状)をロボット制御装置140の設定部141に設定する。具体的には、作業者が、溶接開始位置P1と溶接終了位置P2との間に存在する溶接線LI上の複数の溶接位置を設定部141に入力する。図3の例では、溶接線LIの軌跡は直線状になっているが、曲線状又は螺旋状に設定できるようにしてもよい。また、溶接線LI上の複数の溶接位置を入力するという方法以外の方法で、溶接線LIの軌跡を設定するようにしてもよい。
【0027】
次に、(S13)において、作業者が、定常速度Vと入熱量Qとをロボット制御装置140の設定部141に設定する。
【0028】
次に、(S14)において、ロボット制御装置140の設定部141が、(S11)で設定された溶接開始位置P1と溶接終了位置P2、及び(S12)で設定された溶接線LIの軌跡に基づいて、溶接線LIの長さを算出し、算出した長さを定常速度Vで割ることにより、時間Nを算出する。
【0029】
次に、(S15)において、ロボット制御装置140の設定部141が、レーザ光Lの照射位置の各タイミングでの移動速度を決定する。まず、図4に示すように、定常速度VでT=1〜Nの区間で移動すると仮定した場合の各タイミングでの速度を示す第1の時系列データを得る。次に、第1の時系列データに基づいて、図5に示すように、各区間について、4区間(複数区間)分の移動平均(算出対象の区間と、当該算出対象の区間の前の連続する3区間(複数区間)との速度の平均)を示す第2の時系列データを得る。その後、図6に示すように、第2の時系列データに基づいて、各区間について4区間分の移動平均(算出対象の区間と、当該算出対象の区間の前の連続する3区間との速度の平均)を示す第3の時系列データを得る。そして、第3の時系列データで示される速度を、各タイミングでの速度とする。なお、図4図6は、N=10の場合の時系列データを例示している。
【0030】
次に、(S16)において、ロボット制御装置140の指令部142が、(S11)で設定部141に設定された溶接開始位置P1に基づいて、ロボット130のモータ131を制御することにより、レーザ光Lの照射位置が溶接開始位置P1となるようにレーザ加工ヘッド120を移動させ、一旦停止させる。そして、Tの値を0に初期化する。
【0031】
その後、(S17)において、ロボット制御装置140の指令部142が、Tに1を加算する。そして、ロボット制御装置140の指令部142が、ロボット130のモータ131を制御することにより、レーザ加工ヘッド120を、(S15)で設定部141に決定されたタイミングTにおける速度で移動させる。
【0032】
そして、(S18)において、ロボット制御装置140の照射位置特定部143が、6つの角度センサ132の測定結果、すなわち測定されたモータ131の回転角度に基づいて、レーザ光Lの照射位置を特定する。特定された照射位置は、ロボット制御装置140の位置情報発信部144により発信され、発振器制御装置150の位置情報受信部151に受信される。
【0033】
次に、(S19)において、発振器制御装置150の速度算出部152が、位置情報受信部151により受信されたレーザ光Lの照射位置に基づいて、レーザ光Lの照射位置の移動速度を算出する。具体的には、前回特定された照射位置と今回特定された照射位置との差分を示す値を移動速度として算出する。前回特定された照射位置がない場合には、溶接開始位置P1と今回特定された照射位置との差分を示す値を移動速度として算出する。
【0034】
次に、(S20)において、レーザパワー制御部153は、(S13)において作業者により設定された入熱量Qを設定値として受信し、(S18)で速度算出部152によって算出された移動速度に基づいて、レーザ光Lの照射位置における入熱量が受信した設定値となるように、レーザ発振器110によって出力されるレーザ光Lのレーザパワー(平均パワー)を制御する。
【0035】
次に、(S21)において、ロボット制御装置140の指令部142が、レーザ溶接を終了したか否かを判定する。かかる判定は、例えば、Tの値に基づいて行ってもよいし、(S18)で特定される照射位置が溶接終了位置P2であるか否かに基づいて行ってもよい。詳しくは、(S15)において、算出対象の区間と、当該算出対象の区間の前の連続する3区間との速度の平均を2回求めることで、各タイミングでの速度を決定しているので、T=N+6に達している場合には、レーザ溶接が終了していると判定できる。レーザ溶接が終了した場合には、動作を終了する一方、レーザ溶接が終了していない場合には、(S17)の処理に戻る。
【0036】
したがって、本実施形態によると、レーザ光Lの照射位置の移動速度が、角度センサ132により測定されたモータ131の角度に基づいて自動的に算出され、照射位置の移動速度を作業者が予め把握して設定する必要がないので、溶接条件の設定作業を容易にできる。
【0037】
また、レーザパワー制御部153が、速度算出部152によって算出された移動速度に基づいて、レーザ光Lの照射位置における入熱量が設定値となるようにレーザ発振器110のレーザパワーを制御するので、図7に示すように、照射位置の加速時及び減速時においても、レーザ光Lの照射位置における入熱量を設定値に維持できる。
【0038】
また、レーザ光Lの照射位置を0から定常速度Vまで加速させる過程、及び照射位置を定常速度Vから0まで減速させる過程で、照射位置の移動速度を算出し、算出した移動速度をレーザパワーに反映する手順を複数回実行するので、1回しか実行しない場合に比べ、レーザ光Lの照射位置における入熱量を安定させることができる。
【0039】
なお、上記実施形態では、CWレーザ光を用いた溶接に本発明を適用したが、本発明は、パルスレーザ光を用いた溶接にも適用できる。パルスレーザ光を用いた溶接に本発明を適用した場合、レーザパワー制御部153は、レーザ光Lのピークパワー及びデューティ比の少なくとも一方を制御することにより、レーザパワーを制御できる。ピークパワーを一定にし、デューティ比によりレーザパワーを制御する場合でも、図8に示すように、照射位置の加速時及び減速時において、レーザ光Lの照射位置における入熱量を設定値に維持できる。
【0040】
また、上記実施形態では、ロボット制御装置140とは別に発振器制御装置150を設けたが、発振器制御装置150の機能をレーザ発振器110又はロボット制御装置140に設けてもよい。
【0041】
また、上記実施形態では、モータ131の回転角度を測定する角度センサ132を設け、照射位置特定部143に、モータ131の回転角度に基づいて、レーザ光Lの照射位置を特定させるようにしたが、レーザ光Lの照射位置の移動に応じて変化する他の物理量を測定するセンサを設け、照射位置特定部143に、当該他の物理量に基づいて、レーザ光Lの照射位置を特定させるようにしてもよい。
【0042】
また、上記実施形態では、ロボット130として6軸の多関節ロボットを用いたが、5軸又は7軸のロボットを用いてもよい。また、レーザ加工ヘッド120を移動させる移動装置として、ロボット以外の装置を使用してもよい。
【0043】
また、上記実施形態では、(S14)及び(S15)において各タイミングにおける照射位置の移動速度を決定したが、上記実施形態の(S14)及び(S15)で実行した手順とは異なる方法で移動速度を決定するようにしてもよい。
【0044】
また、上記実施形態では、溶接範囲全体で共通の入熱量Qを設定部141に設定したが、複数種類の入熱量を溶接位置又は溶接タイミングに対応させて設定できるようにしてもよい。例えば、レーザ溶接開始直後は、溶接対象物Wが比較的冷えた状態にあることが多いので、レーザ溶接開始後一定期間の入熱量を、他の期間の入熱量よりも高く設定できるようにしてもよい。
【産業上の利用可能性】
【0045】
本発明は、溶接条件の設定作業を容易にでき、レーザ光の照射位置を移動させながらレーザ溶接を行う際に、前記レーザ光のレーザパワーを制御するレーザ溶接制御方法及びレーザ溶接システムとして有用である。
【符号の説明】
【0046】
100 レーザ溶接システム
110 レーザ発振器
120 レーザ加工ヘッド
130 ロボット (移動装置)
132 角度センサ
143 照射位置特定部
152 速度算出部
153 レーザパワー制御部
L レーザ光
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8