JP7011523B2 - 加工システム、溶接方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークに対して所定の加工を行う加工システムおよび溶接方法に関する。

ワークにレーザ切断などの加工を行う加工システムが知られている。例えば、特許文献１には、切断ワークに対して三次元加工を行うレーザ加工装置が記載されている。特許文献１に記載のレーザ加工装置は、切断ワークを把持装置により把持して、把持した切断ワークを回転および上下移動させる把持機構を具備しており、切断ワークを回転および上下移動させながら、レーザ加工を行う。

特開平１１－０１０３８０号

特許文献１に記載のレーザ加工装置は、ワークの一端を把持して回転させながら当該ワークに対してレーザ加工を施すように構成されている。しかし、ワークの一端を把持しながら回転させると、ワークの他端側が振れ回りをするため、この他端側の加工精度が低下するという問題がある。特に、ワークが軸方向に長い場合、振れ回りによる加工精度は一層低下する。
これらから、特許文献１に記載の加工システムには、ワークの加工精度の低下を抑制する観点で改善の余地がある。
このような課題は、レーザ加工システムだけでなく、ワークを移動させながら、ワークに溶接、溶断、ろう付け、溝付け、吹付け、２Ｄまたは３Ｄ造形などの各種加工を行う加工システムについても生じうる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的は、ワークの加工精度の低下を抑制することが可能な加工システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の加工システムは、一端部と他端部との間に延びる被加工ワークを加工する加工システムであって、被加工ワークを加工する加工ツールを移動させるための第１移動機構と、被加工ワークを把持し、第１移動機構の動作に連動して被加工ワークの姿勢を変化させる把持機構と、を備える。把持機構は、被加工ワークの一端部を把持して回転させる第１把持装置と、被加工ワークの他端部を把持して回転させる第２把持装置と、を含む。第１把持装置と第２把持装置とを互いに同期回転させるように制御する。

この態様によると、第１把持装置と第２把持装置とを互いに同期して回転させることができる。

本発明の別の態様は溶接方法である。この溶接方法は、上述の加工システムを用いて２つのワークを溶接する溶接方法であって、第１把持装置に第１ワークを把持させることと、第２把持装置に第２ワークを把持させることと、第１ワークに第２ワークを接近または接触させた状態で、レーザヘッドからのレーザ光を第１ワーク及び第２ワークに照射することと、を含む。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、システムなどの間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、ワークの加工精度の低下を抑制することが可能な加工システムを提供することができる。

本発明の実施の形態に係る加工システムを示す平面図である。 図１の加工システムの一例を示す側面視の図である。 図１の加工システムの加工屑搬出機構の概要を示す模式図である。 図１の加工システムの共通ベースの一例を示す平面図である。 図１の加工システムの共通ベースの周辺を示す正面視の図である。 図１の加工システムの制御ユニットの一例を示すブロック図である。 図１の加工システムの切断動作の一例を示すフローチャートである。 図１の加工システムの溶接動作を示す正面視の図である。 図１の加工システムの溶接動作の一例を示すフローチャートである。 図１の加工システムの軌跡の手動入力を示す説明図である。 図１の加工システムの軌跡補正動作を説明する説明図である。

本発明者らは、被加工ワーク（以下、単に「ワーク」という）に所定の加工を施す加工システムの加工精度の低下要因を研究し、以下のような知見を得た。例えば、ワークを回転させながら、そのワークをレーザ加工することにより、固定されたワークをレーザ加工する場合に比べて、より複雑な軌跡での加工が可能になる。この場合に、ワークの一端側を把持手段で把持して回転させながら当該ワークに対してレーザ加工を施す構成が考えられる。しかし、一端側を把持してワークを回転させると、ワークの他端側は振れ回りをして他端側の加工精度が低下することが判明した。特に、ワークが軸方向に長い場合には、振れ回りによる加工精度の低下は顕著になる。

ワークの他端側の振れ回りを抑制するために、ワークの他端側を従動軸によって支持することが考えられる。しかし、この場合、他端側にはイナーシャや従動軸の回転損失により、一端側の回転に追従して回転する際に、その回転とは逆向きの負荷が加わることが判明した。このため、ワークは、回転とは逆向きの負荷によって捻れ、他端側の加工精度が低下すると考えられる。特に、ワークが軸方向に長い場合には、捻れやすいので捻れによる加工精度の低下は顕著になる。

他端側の加工精度の問題は、レーザ加工システムだけでなく、ワークを移動させながら、ワークに溶接、溶断、ろう付け、溝付け、吹付け、２Ｄまたは３Ｄ造形などの各種加工を行う加工システムについても生じうる。

これらから、本発明者らは、ワークの他端側の加工精度の低下を抑制するためには、他端側にワークの移動とは逆向きの負荷を付与しない手段により、他端側の振れ回りを抑制することが有効であるとの知見を得た。本発明者らは、この知見に基づき、ワークの他端側を支持しながら一端側の把持手段と同期して移動するワーク支持手段を案出した。以下、このワーク支持手段を備えた加工システムについて説明する。

以下、本発明を好適な実施形態をもとに各図面を参照しながら説明する。実施形態および変形例では、同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、各図面における部材の寸法は、理解を容易にするために適宜拡大、縮小して示される。また、各図面において実施形態を説明する上で重要ではない部材の一部は省略して表示する。

なお、以下の説明において、「平行」、「垂直」は、完全な平行、垂直だけではなく、誤差の範囲で平行、垂直からずれている場合も含むものとする。また、「略」は、おおよそその意味であることを示す。
また、第１、第２などの序数を含む用語は多様な構成要素を説明するために用いられるが、この用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的でのみ用いられ、この用語によって構成要素が限定されるものではない。

［実施の形態］
まず、図１、図２を参照して、本発明の実施の形態に係る加工システム１００の全体構成について説明する。図１は、実施の形態に係る加工システム１００を示す平面図である。図２は、加工システム１００の主要部分を示す側面図である。以下、主にＸＹＺ直交座標系をもとに説明する。Ｙ軸方向およびＺ軸方向はそれぞれＸ軸方向に直交する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸のそれぞれの正の方向は、各図における矢印の方向に規定され、負の方向は、矢印と逆向きの方向に規定される。また、Ｘ軸の正方向側を「右側」、Ｘ軸の負方向側を「左側」ということもある。また、Ｙ軸の正方向側を「前側」、Ｙ軸の負方向側を「後側」、Ｚ軸の正方向側を「上側」、Ｚ軸の負方向側を「下側」ということもある。このような方向の表記は加工システム１００の使用姿勢を制限するものではなく、加工システム１００は、用途に応じて任意の姿勢で使用されうる。

（加工システム）
加工システム１００は、第１移動機構１０と、把持機構２０と、第２移動機構１２と、共通ベース２４と、制御ユニット３０と、搬入機構４０と、搬出機構４２と、加工屑搬出機構４４と、レーザ発振機４８と、冷却機構５０と、吸引機構５２と、周壁５６と、を主に備える。

第１移動機構１０は、ワーク８を加工する加工ツールとしてレーザヘッド１８を移動させるための装置である。把持機構２０は、ワーク８を把持し、第１移動機構１０の動作に連動してワークの姿勢を変化させるためのワーク支持手段であり、いわば姿勢可変支持機構である。第２移動機構１２は、把持機構２０にワークを把持させるための装置である。共通ベース２４は、把持機構２０と、第１移動機構１０と、第２移動機構１２と、を固定するための基台である。

制御ユニット３０は、主に、第１移動機構１０、把持機構２０および第２移動機構１２の動作を制御するための制御手段である。制御ユニット３０については後述する。

搬入機構４０は、加工前のワーク８（Ａ）を搬入するための手段である。本実施形態の搬入機構４０は、周壁５６の外部から第２移動機構１２の近傍まで加工前のワーク８（Ａ）をＸ軸方向に搬送するコンベア４０ｂを有する。

搬出機構４２は、加工後のワーク８（Ｃ）を搬出するための手段である。本実施形態の搬出機構４２は、第２移動機構１２の近傍から周壁５６の外部までワーク８（Ｃ）をＸ軸方向に搬送するコンベア４２ｂを有する。

図１に示すように、搬入機構４０と搬出機構４２とは、平面視において、第２移動機構１２から放射状に延びる直線上に配置されている。また、搬入機構４０と搬出機構４２とは、第２移動機構１２を挟んで配置されている。このように配置することにより、第２移動機構１２の作業距離を短くして、第２移動機構１２の作業時間を短くすることができる。搬入機構４０の搬入口と搬出機構４２の搬出口とは、後述する周壁５６の外側に設けられている。

図３も参照して、加工屑搬出機構４４を説明する。図３は、加工屑搬出機構４４の概要を示す模式図である。加工屑搬出機構４４は、ワーク８を加工した際の切粉や余材などの加工屑８ｙを搬出するための手段である。図３に示すように、本実施形態の加工屑搬出機構４４は、案内機構４４ｓと、コンベア４４ｂと、カバー部材４４ｃと、を含む。案内機構４４ｓは、把持機構２０の下方でワーク８の加工屑８ｙを受けてコンベア４４ｂに滑落させるシュートの機能を有する。コンベア４４ｂは、案内機構４４ｓの下方で加工屑８ｙを回収し、当該加工屑８ｙを周壁５６の外部までＸ軸方向に搬送する。カバー部材４４ｃは、コンベア４４ｂの上側に配置され、加工屑８ｙに含まれるワーク８を加工した際の塵やガス（以下、ダストという）の拡散を抑制する。カバー部材４４ｃは、コンベア４４ｂの上側の少なくとも一部を覆う。加工屑搬出機構４４の近傍には、後述する吸引機構５２の第２吸入口５２ｋが設けられ、集塵用の配管５２ｈを通じて、ダストが排出される。

コンベア４４ｂの下流側には加工屑８ｙを回収して搬送するための搬送台車４４ｄが配置される。コンベア４４ｂは下流端に向けて斜め上方に延びており、回収した加工屑８ｙを上側から搬送台車４４ｄに排出する。

図１に示すように、レーザ発振機４８は、レーザ光を発生させて光ケーブル４８ｃを介してレーザヘッド１８に供給するための手段である。本実施形態のレーザ発振機４８はファイバーレーザであり、その動作は制御ユニット３０に制御される。

図１に示すように、冷却機構５０は、チラー５０ａで冷却された冷水を配管５０ｈを介して循環させることにより、レーザ発振機４８および第１移動機構１０を冷却するための手段である。

図１に示すように、吸引機構５２は、ワーク８を加工した際に生じるダストを集めて排出するための手段である。吸引機構５２は、ワーク８の近傍に配置される第１吸入口５２ｊと、加工屑搬出機構４４の上流側に配置される第２吸入口５２ｋと、集塵用の配管５２ｈと、セパレータ５２ａと、集塵装置５２ｍと、を含む。特に、吸入口５２ｊは、ワーク８の周囲の空気を吸入するように構成される。集塵用の配管５２ｈは、第１吸入口５２ｊおよび第２吸入口５２ｋからセパレータ５２ａの間に接続される。集塵装置５２ｍは、セパレータ５２ａと配管を介して吸入口５２ｊ、５２ｋから空気を吸入してダストを分離し清浄空気を排出する。

図１に示すように、周壁５６は、第１移動機構１０、把持機構２０および第２移動機構１２を取り囲む所定の空間を仕切るための壁手段である。

図１に示すように、本実施形態の加工システム１００は、平面視で略矩形に組み付けられた周壁５６の内側に加工空間を有する。加工空間を周壁５６で囲むことにより、加工の際に生じる粉塵やガスおよび加工用のレーザの拡散範囲を限定し、これらから作業員を保護することができる。加工空間の床面Ｇｆの略中央には、共通ベース２４が設置される。共通ベース２４は、床面Ｇｆの凹凸や傾斜に関わらず、搭載機器を水平に支持するための搭載部を有している。共通ベース２４の搭載部には、把持機構２０、第１移動機構１０および第２移動機構１２が固定される。共通ベース２４には、他の機器が固定されてもよい。

（共通ベース）
図４、図５を参照して、共通ベース２４を説明する。図４は、共通ベース２４の一例を示す平面図である。図５は、共通ベース２４の一例を示す正面図である。これらの図は、共通ベース２４に架台２２及び移動機構載置部２４ｇ、２４ｈが固定された状態を示している。

共通ベース２４に特別な制限はないが、本実施形態の共通ベース２４は、Ｙ軸に平行な長辺とＸ軸に平行な短辺とからなる平面視で略矩形の外枠２４ｊを有する。外枠２４ｊは、長辺に対応する一対のフレーム２４ａと短辺に対応する一対のフレーム２４ｂとで構成される。強度を得るために、共通ベース２４は、外枠２４ｊの中でＸ軸に平行な２本のビーム２４ｃと、Ｙ軸に平行な２本のビーム２４ｄと、を有する。

共通ベース２４は、架台２２を支持するために、Ｘ軸に平行な長辺とＹ軸に平行な短辺とからなる平面視で略矩形の架台枠２４ｋを有する。架台枠２４ｋは、長辺に対応する一対のフレーム２４ｅと短辺に対応する一対のフレーム２４ｆとで構成される。フレーム２４ｅは、フレーム２４ｂより長く、架台枠２４ｋのＸ軸方向の両端は、フレーム２４ｂから外側に張出している。図４に示す共通ベース２４は、短辺の幅を二等分する二等分線Ｌｍに対して線対称に構成され、長辺の幅を二等分する二等分線Ｌｎに対して線対称に構成される。

フレーム２４ａと、フレーム２４ｂと、ビーム２４ｃと、ビーム２４ｄと、フレーム２４ｅと、フレーム２４ｆとには、それぞれ離隔して設けられる複数の取付部２４ｐが設けられている。複数の取付部２４ｐはボルト（不図示）などの固定部材により床面Ｇｆに固定される。

（架台）
共通ベース２４の架台枠２４ｋには、把持機構２０を支持固定するための架台２２が固定される。架台２２に特別な制限はないが、本実施形態の架台２２は、Ｘ軸方向に互いに離れて配置される一対の台部２２ｂを含む。各台部２２ｂは、平面視で略矩形板状の載置部２２ｃと、載置部２２ｃの四隅から下向きに延びて架台枠２４ｋに固定される４本の脚部２２ｄと、を含む。

図４に示す架台２２は、二等分線Ｌｍに対して線対称に構成され、二等分線Ｌｎに対して線対称に構成される。載置部２２ｃは、二等分線Ｌｍを挟んで二等分線Ｌｎ上に配置される。各載置部２２ｃには、把持機構２０の後述する第１把持装置２０ａと第２把持装置２０ｂとが固定される。

（移動機構載置部）
共通ベース２４には、Ｙ軸方向に離間して配置される移動機構載置部２４ｇ、２４ｈが設けられる。移動機構載置部２４ｇ、２４ｈは、平面視で略矩形の台状の部材で、２本のビーム２４ｄと、フレーム２４ｂとに固定される。移動機構載置部２４ｇ、２４ｈは、架台２２を挟んで二等分線Ｌｍ上に配置される。移動機構載置部２４ｇには、第１移動機構１０が固定され、移動機構載置部２４ｈには、第２移動機構１２が固定される。

（把持機構）
次に、図５を参照して、把持機構２０を説明する。把持機構２０は、第１把持装置２０ａと、第２把持装置２０ｂと、制御ユニット３０と、を含む。把持装置２０ａ、２０ｂは、ワーク８を把持する把持部２０ｈと、把持部２０ｈを回転させるモータ２０ｍと、を含む。一例として、モータ２０ｍはＡＣサーボモータであってもよい。モータ２０ｍの回転は制御ユニット３０によって制御される。第２把持装置２０ｂは、第１把持装置２０ａに対向するように第１把持装置２０ａと共通の架台２２に固定される。架台２２は、各把持装置２０ａ、２０ｂをＸ軸方向に移動することができる。例えば、把持装置２０ａ、２０ｂを開方向（互いに遠ざかる方向）に移動させた状態でワーク８をセットすることができる。

第１把持装置２０ａは、ワーク８の一端部を把持して回転させる。第２把持装置２０ｂは、ワーク８の他端部を把持して回転させる。この例では、第１把持装置２０ａ及び第２把持装置２０ｂは、Ｘ軸方向に水平に延びる回転軸Ｌｅを中心にワーク８を回転させる。制御ユニット３０は、第１把持装置２０ａと第２把持装置２０ｂとを互いに同期して回転させるように制御する。これらを同期して回転させることにより、ワーク８の振れ回りや捻れによる加工精度の低下を抑制することができる。

次に、図２を参照して、第１移動機構１０および第２移動機構１２を説明する。第１移動機構１０は、ワーク８を加工するレーザヘッド１８を移動可能なものであれば形態に制限はない。第２移動機構１２は、搬入機構４０のコンベア４０ｂ上の加工前のワーク８（Ａ）を掴んで把持機構２０に移動させ、第１把持装置２０ａおよび第２把持装置２０ｂに把持させる動作を実行する。第２移動機構１２は、加工後のワーク８（Ｃ）を把持機構２０から外して、搬出機構４２のコンベア４２ｂ上に移動する動作を実行する。第２移動機構１２は、これらの動作を実行可能なものであれば形態に制限はない。

第１移動機構１０は、加工ツールを移動させることができるものであれば特別な制限はない。第１移動機構１０は、例えば、１軸以上の自由度を持つロボットなど、自動制御またはプログラム可能なマニピュレータであってもよい。本実施形態の第１移動機構１０は、多関節を有するいわゆる産業用の多関節型ロボットである。特に、第１移動機構１０は、手首１０ｂの回転用の関節１０ｃと、手首１０ｂの曲げ用の関節１０ｄと、手首１０ｂの旋回用の関節１０ｅと、上腕１０ｆの曲げ用の関節１０ｇと、下腕１０ｈの曲げ用の関節１０ｊと、全体旋回用の関節１０ｋと、を有する垂直６軸ロボットである。第１移動機構１０の動作は制御ユニット３０によって制御される。

第１移動機構１０の手首１０ｂには、レーザヘッド１８を支持するための支持ユニット１４が固定されている。本実施形態の支持ユニット１４は、直交する２軸（ＸＹ）または３軸（ＸＹＺ）のステージの各軸にリニアアクチュエータを有する多軸駆動ステージ（以下、「多軸ステージ１６」という）を含む。特に、多軸ステージ１６は、質量をレーザヘッド１８と逆方向に駆動することによってレーザヘッド１８の移動反力を打ち消すためのカウンタマス手段１６ｍを有する。

多軸ステージ１６を含むことにより、支持ユニット１４は、第１移動機構１０の動作に加えて、レーザヘッド１８を直交する２軸または３軸方向に駆動することができる。カウンタマス手段１６ｍを有することにより、多軸ステージ１６は、移動反力の影響を抑制しレーザヘッド１８を高精度で駆動することができる。多軸ステージ１６の動作は制御ユニット３０によって制御される。レーザヘッド１８に限定はないが、本実施形態のレーザヘッド１８は、把持機構２０に支持されたワーク８を切断または溶接するためのレーザ光を出力する。

第２移動機構１２は、把持機構２０にワーク８を把持させることができるものであれば特別な制限はない。第２移動機構１２は、例えば、１軸以上の自由度を持つロボットなど、自動制御またはプログラム可能なマニピュレータであってもよい。本実施形態の第２移動機構１２は、多関節を有するいわゆる産業用の多関節型ロボットである。特に、第２移動機構１２は、手首１２ｂの回転用の関節１２ｃと、手首１２ｂの曲げ用の関節１２ｄと、手首１２ｂの旋回用の関節１２ｅと、上腕１２ｆの曲げ用の関節１２ｇと、下腕１２ｈの曲げ用の関節１２ｊと、全体旋回用の関節１２ｋと、を有する垂直６軸ロボットである。第２移動機構１２の動作は制御ユニット３０によって制御される。

第２移動機構１２の手首１２ｂには、ワーク８を掴むための把持ハンド１２ｍが固定されている。第２移動機構１２は、第１移動機構１０と把持機構２０とを挟んでＹ軸方向に離間して配置される。つまり、第１移動機構１０と第２移動機構１２とは、互いにＹ軸方向に対向して二等分線Ｌｍ上に配置される。

（制御ユニット）
図６も参照して制御ユニット３０について説明する。図６に示す制御ユニット３０の各ブロックは、ハードウエア的には、コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）をはじめとする素子や機械装置で実現でき、ソフトウエア的にはコンピュータプログラム等によって実現されるが、ここでは、それらの連携によって実現される機能ブロックを描いている。したがって、これらの機能ブロックはハードウエア、ソフトウエアの組合せによっていろいろなかたちで実現できることは、本明細書に触れた当業者には理解されるところである。

本実施形態の制御ユニット３０は、周壁５６の外部に設けられた操作盤２８の内部に設けられている。制御ユニット３０は、主に、把持機構２０と、第１移動機構１０と、第２移動機構１２と、を制御する。制御ユニット３０の各ブロックが１つのユニットに収容されることは必須ではなく、制御ユニット３０は、複数のブロックが分離された複数のユニットから構成されていてもよく、これらのユニットは別々に設けられていてもよい。

制御ユニット３０は、画像取得部３０ａと、距離取得部３０ｂと、第１移動機構制御部３０ｅと、第２移動機構制御部３０ｆと、第１把持装置制御部３０ｇと、第２把持装置制御部３０ｈと、加工ヘッド制御部３０ｊと、制御コード記憶部３０ｋと、手動データ取得部３０ｍと、手動データ記憶部３０ｎと、軌跡補正部３０ｐと、ステージ制御部３０ｑと、表示制御部３０ｒと、搬入機構制御部３０ｓと、搬出機構制御部３０ｔと、加工屑搬出機構制御部３０ｕと、画像データ特徴抽出部３０ｖと、ビジュアルサーボ部３０ｗと、を含む。

画像取得部３０ａは、支持ユニット１４に設けたカメラ３８の撮像結果を取得する。本実施形態のカメラ３８は、ワーク８を撮像するように配置される。特に、カメラ３８は、ワーク８のレーザヘッド１８からのレーザ光の照射点の周辺を撮像しており、画像取得部３０ａは、この撮像結果を動画像データとして取得すると共に、取得した動画像データを記憶する。

距離取得部３０ｂは、支持ユニット１４に設けたハイトセンサ３６の検知結果を取得する。ハイトセンサ３６は、ワーク８からレーザヘッド１８までの距離を検知しており、距離取得部３０ｂは、この検知を距離データとして取得することができる。

第１移動機構制御部３０ｅは、作成されたロボットＧコードにより第１移動機構１０の動作を制御する。特に、レーザヘッド１８からのレーザ光の照射点がロボットＧコードにより指示される軌跡に沿って移動するように制御される。

第２移動機構制御部３０ｆは、作成されたロボット制御コードにより第２移動機構１２の動作を制御する。特に、第２移動機構１２は、加工前のワーク８（Ａ）を把持機構２０に把持させ、加工済みのワーク８（Ｃ）を把持機構２０から外すように制御される。

第１把持装置制御部３０ｇは、作成された制御コードにより第１把持装置２０ａの回転を制御する。第２把持装置制御部３０ｈは、作成された制御コードにより第２把持装置２０ｂの回転を制御する。特に、把持装置制御部３０ｇ、３０ｈは、第１把持装置２０ａと第２把持装置２０ｂとを互いに同期して回転するように制御する。

加工ヘッド制御部３０ｊは、作成された制御コードによりレーザヘッド１８のＯＮ・ＯＦＦを制御する。

制御コード記憶部３０ｋは、ＣＡＤデータを元に作成されたロボットＧコードなどを含む制御コードを記憶している。特に、制御コード記憶部３０ｋは、第１移動機構制御部３０ｅ、第２移動機構制御部３０ｆ、第１把持装置制御部３０ｇ、第２把持装置制御部３０ｈおよび加工ヘッド制御部３０ｊの制御コードを記憶している。

手動データ取得部３０ｍは、後述する軌跡補正動作のために、ジョイスティックなどレバー操作を入力する操作入力部３４から手動で入力された操作結果を取得する。手動データ記憶部３０ｎは、手動データ取得部３０ｍの取得結果を記憶する。

軌跡補正部３０ｐは、手動データ記憶部３０ｎで記憶された操作履歴データに応じて、レーザヘッド１８の軌跡を補正するためのデータ（以下、「修正制御コード」という）を演算により求める。ステージ制御部３０ｑは、軌跡補正部３０ｐで求められた修正制御コードに基づいて、多軸ステージ１６の動作を制御してレーザヘッド１８の軌跡を補正する。つまり、第１移動機構１０は、ロボットＧコードにより指示される軌跡に沿ってレーザヘッド１８を移動させ、多軸ステージ１６は、修正制御コードにより指示される軌跡に沿ってレーザヘッド１８を移動させる。この結果、レーザヘッド１８は、ロボットＧコードの軌跡に修正制御コードの軌跡が重畳された重畳軌跡に沿って移動する。

表示制御部３０ｒは、画像取得部３０ａに記憶された動画像データを、液晶ディスプレイなどの表示部３２に表示する。このとき、表示制御部３０ｒは、この動画像に手動データ取得部３０ｍで取得された手動操作結果を重畳表示することができる。

搬入機構制御部３０ｓは、第２移動機構１２の動作に応じて搬入機構４０の動作を制御し、加工前のワーク８（Ａ）を第２移動機構１２が把持可能な位置に移動させる。搬出機構制御部３０ｔは、第２移動機構１２の動作に応じて搬出機構４２の動作を制御し、第２移動機構１２が取り出した加工後のワーク８（Ｃ）を搬出機構４２の出口側に移動させる。加工屑搬出機構制御部３０ｕは、加工屑搬出機構４４の動作を制御し、ワーク８を加工した際の加工屑８ｙを加工屑搬出機構４４の出口側に移動させる。

画像データ特徴抽出部３０ｖとビジュアルサーボ部３０ｗとは、後述するビジュアルサーボ動作を制御するための要素である。画像データ特徴抽出部３０ｖは、カメラ３８から画像取得部３０ａを介して取得したワーク８の実画像（リアルタイム画像）から画像処理によって、ワーク８の特徴を抽出する。画像データ特徴抽出部３０ｖは、抽出したワーク８の特徴と予め作成されたロボット制御コードに基づく加工軌跡とのずれ量を演算により求め、このずれ量を修正制御データに変換する。

ビジュアルサーボ部３０ｗは、画像データ特徴抽出部３０ｖで生成された修正制御データに応じてレーザヘッド１８の軌跡をリアルタイムで補正する。本実施形態のビジュアルサーボ部３０ｗは、レーザヘッド１８の軌跡を補正するために、フィードバックされた修正制御データに基づいて多軸ステージ１６の動作を制御する。

以上、本実施形態の構成について説明した。以下、このように構成された本実施形態の動作について説明する。

（切断動作）
図７を参照して、切断動作の一例について説明する。図７は、本実施形態の切断動作の一例を示すフローチャートであり、この動作に関する処理Ｓ６０を示している。処理Ｓ６０は、レーザヘッド１８によりワーク８を切断またはワーク８に孔を形成する処理である。この動作は、操作盤２８から、切断動作をするための所定の操作がなされることにより実行される。

操作者が加工前のワーク８（Ａ）を搬入機構４０の入口側に投入する（ステップＳ６１）。このステップは、操作者は周壁５６の外側で行うことができる。投入されたワーク８（Ａ）は、コンベア４０ｂによって第２移動機構１２の近傍に搬送される。

搬送された後、第２移動機構１２によってワーク８（Ａ）を把持機構２０にセットする（ステップＳ６２）。このステップでは、第２移動機構１２は、ワーク８（Ａ）を把持ハンド１２ｍで把持して持ち上げ、把持機構２０まで移動させる。

ワーク８（Ａ）をセットした後、第２移動機構１２の腕を加工領域から退避させる（ステップＳ６３）。

第２移動機構１２が退避した後、第１移動機構１０によってレーザヘッド１８を所定の位置関係になるまでワーク８（Ａ）に接近させる（ステップＳ６４）。

ワーク８に接近した後、ワーク８（Ａ）を把持機構２０によって回転させながら、ワーク８（Ａ）に対してレーザヘッド１８からレーザ光を所定の軌跡に沿って照射し、ワーク８（Ａ）の切断や孔形成などを行う（ステップＳ６５）。このステップにおいて、制御ユニット３０は、第１把持装置２０ａと第２把持装置２０ｂとを互いに同期して回転するように制御する。このように制御することにより、ワークの振れ回りや捻れを小さくして、加工精度の低下を抑制することができる。

切断などの加工を行った後、第１移動機構１０の腕を加工領域から退避させる（ステップＳ６６）。

第１移動機構１０が退避した後、第２移動機構１２によって加工後のワーク８（Ｃ）を把持機構２０から外し、搬出機構４２の入口側に引き渡す（ステップＳ６７）。引き渡されたワーク８（Ｃ）は、コンベア４２ｂによって周壁５６の外側に搬送される。

加工後のワーク８（Ｃ）を外した後、加工により生じた加工屑８ｙを加工屑搬出機構４４により周壁５６の外側に搬出する（ステップＳ６８）。連続して加工する場合は、ステップＳ６１～ステップＳ６８を繰り返す。以上が、切断動作の説明である。これらの各ステップは、制御ユニット３０により制御される。これらの処理はあくまでも一例であり、他のステップを追加したり、一部のステップを変更または削除したり、ステップの順序を入れ替えてもよい。

（溶接動作）
図８、図９を参照して、溶接動作の一例について説明する。図８は、溶接動作を示す正面視の図である。図９は、本実施形態の切断動作の一例を示すフローチャートであり、この動作に関する処理Ｓ７０を示している。処理Ｓ７０は、別々の２つのワーク８ｂ、８ｃの互いの端部を溶接して一体化する処理である。なお、各ロボットの腕の退避や、ワークの搬入、搬出の各動作は、切断動作の処理Ｓ６０と同様であり、重複する説明を省く。

まず、第１把持装置２０ａと第２把持装置２０ｂとをＸ軸方向に遠ざけるように移動させる（ステップＳ７１）。この状態で、第１把持装置２０ａに第１ワーク８ｂを把持させる（ステップＳ７２）。また、第２把持装置２０ｂに第２ワーク８ｃを把持させる（ステップＳ７３）。ステップＳ７２、Ｓ７３は第２移動機構１２によって行われる。

ワークを把持したら、第１把持装置２０ａと第２把持装置２０ｂとを接近する方向に移動させることにより、第１ワーク８ｂに第２ワーク８ｃを接近または接触させる（ステップＳ７４）。この状態で、レーザヘッド１８を接近させ、レーザヘッド１８からのレーザ光１８ｅを第１ワーク８ｂ及び第２ワーク８ｃに照射してこれらを溶接する（ステップＳ７５）。このステップにおいて、制御ユニット３０は、第１把持装置２０ａと第２把持装置２０ｂとを互いに同期してワークを回転させるように制御する。ステップＳ７４、Ｓ７５は第１移動機構１０によって行われる。

溶接で一体化されたワーク８ｂ、８ｃを把持装置２０ａ、２０ｂから取り外す（ステップＳ７６）。ステップＳ７６は第２移動機構１２によって行われる。ワークを取り外すことにより処理Ｓ７０は終了する。以上が、溶接動作の説明である。これらの各ステップは、制御ユニット３０により制御される。これらの処理はあくまでも一例であり、他のステップを追加したり、一部のステップを変更または削除したり、ステップの順序を入れ替えてもよい。

このように、第１把持装置２０ａと第２把持装置２０ｂとが互いに同期してワークを回転させるので、別々のワークを無人の工程で溶接することが可能になる。

（軌跡補正動作）
図１０、図１１、図６を参照して軌跡補正動作について説明する。図１０は、軌跡の手動入力を示す説明図である。図１１は、軌跡補正動作を説明する説明図である。ロボットで自動加工を行う場合、ワークのＣＡＤデータに基づいて、オフラインティーチングソフトを用いて、ロボットの各移動ポイントにおける移動指令を規定する制御コード（以下、「ロボットＧコード」という）を作成する。

しかし、ロボットＧコードにより実際にロボットを動作させると、ロボットの精度や実際のワークの誤差などにより加工精度が低下することがある。そこで、本実施形態は、ロボットの移動軌跡を補正して加工精度を向上させる動作（以下、「軌跡補正動作」という）を行うために、手動データ取得部３０ｍや軌跡補正部３０ｐなどを備えている。本実施形態の軌跡補正動作は、手動により修正制御コードを入力する入力動作と、入力された修正制御コードに基づきレーザヘッド１８を移動させる補正動作と、を含む。

（入力動作）
入力動作について説明する。図１０、図１１に示すように、入力動作では、操作入力部３４（ジョイスティックなど）により手動で操作された軌跡を取得する。具体的には、まず、加工前に、第１移動機構１０をロボットＧコードに沿って動作させ、カメラ３８により動画撮影を行い、ロボットＧコードによる軌跡データを記憶する。この軌跡データは、画像取得部３０ａに記憶される。

次に、非加工時に、記憶された軌跡データを表示部３２にスロー（例えば１／１０速）で再生する。このとき、操作入力部３４のレバー３４ｂの左右への操作に応じて左右に移動するターゲットＴｍ（カーソルマーク）を重畳表示する。表示部３２に表示された基準線ＬｓとターゲットＴｍとを目視しながら、ターゲットＴｍが基準線Ｌｓをなぞるように手動でレバー３４ｂを操作する。この操作により、レバー３４ｂの操作履歴データは基準線Ｌｓに対するロボットＧコードのずれに対応しており、この操作履歴データに基づいて所定の演算により修正制御コードを求めることができる。基準線ＬｓとターゲットＴｍとを目視しながら、手動により修正制御コードを作成するので、高精度の修正制御コードを容易に作成することができる。このように作成された修正制御コードは、手動データ記憶部３０ｎに記憶される。

（補正動作）
補正動作について説明する。加工時には、レーザヘッド１８を、ロボットＧコードによる移動と、修正制御コードによる移動と、を重畳させる。このことにより、レーザヘッド１８の軌跡をより基準線Ｌｓに近づけることができる。しかし、ロボットの応答速度が遅い場合には、ロボットの動作が修正制御コードに追従できない可能性がある。そこで、本実施形態は、修正制御コードで多軸ステージ１６を駆動してレーザヘッド１８を移動させる。多軸ステージ１６は、ロボットよりも応答速度が速いので、修正制御コードに追従してレーザヘッド１８を移動させることができる。特に、本実施形態の多軸ステージ１６は、カウンタマス手段１６ｍを有しているので、レーザヘッド１８の追従精度を向上させることができる。

（ビジュアルサーボ）
ワークの形状は、すべてのワークで一定ではなく、各ワークが異なる特徴を持つことがある。このため、予め作成された制御コードに基づいてシーケンシャルな加工を行うと、加工精度が個々のワークの特徴の影響を受けて低下することがある。そこで、本実施形態は、ワークの加工点の周辺の実画像をフィードバックしてリアルタイムでレーザヘッド１８の軌跡を補正するビジュアルサーボ機能を有する。この機能は、加工動作のいわゆるリアルタイム補正動作を実現するものである。なお、ビジュアルサーボは、ビジュアルフィードバックと称されることがある。

ビジュアルサーボの構成は、ワークの実画像に基づく画像情報をフィードバックして加工動作を制御する制御ループを有するものであればよい。本実施形態のビジュアルサーボ動作は、修正制御データをリアルタイムで生成する生成動作と、修正制御データに基づきリアルタイムで加工動作を制御する制御動作と、を含む。

生成動作では、ワーク８の実画像から画像処理等によって、ワーク８の基準またはワーク８の特徴を抽出して、予め作成されたロボット制御コード（ロボットＧコード）に基づく加工軌跡とのずれ量を演算により求め、このずれ量を修正制御データに変換する。

加工動作では、生成された修正制御データに基づき、第１移動機構１０または多軸ステージ１６を駆動してレーザヘッド１８の移動を制御する。多軸ステージ１６は、ロボットよりも慣性が小さく応答速度が速いので、多軸ステージ１６で修正制御することにより、制御ループのゲインを高く設定して、より緻密な制御をすることが可能になる。特に、本実施形態の多軸ステージ１６は、カウンタマス手段１６ｍを有しているので、レーザヘッド１８の制御の精度を向上させることができる。

ビジュアルサーボ機能を有することにより、本実施形態は、視覚による認識とロボットの制御を同時に行うので、変化する環境に対応した加工作業を行うことができる。

本発明の一態様の概要は、次の通りである。本発明のある態様の加工システム１００は、一端部と他端部との間に延びるワーク８を加工する加工システムであって、ワーク８を加工する加工ツールを移動させるための第１移動機構１０と、ワーク８を把持し、第１移動機構１０の動作に連動してワーク８の姿勢を変化させる把持機構２０と、を備える。把持機構２０は、ワーク８の一端部を把持して回転させる第１把持装置２０ａと、ワーク８の他端部を把持して回転させる第２把持装置２０ｂと、を含み、第１把持装置２０ａと第２把持装置２０ｂとを互いに同期回転させるように制御する。

この態様によると、ワーク８の両端部を把持する第１把持装置２０ａおよび第２把持装置２０ｂが互いに同期して回転するので、ワーク８の振れ回りや捻れが生じ難く、これらによる加工精度の低下を抑制することができる。

第２把持装置２０ｂは、第１把持装置２０ａに対向するように第１把持装置２０ａと共に共通ベース２４に固定されていてもよい。この場合、別々に固定される場合と比べて、第１把持装置２０ａに対する第２把持装置２０ｂの相対位置の精度を向上することができる。

第１把持装置２０ａ及び第２把持装置２０ｂは、ワーク８を水平な回転軸の周りに回転させるようにしてもよい。この場合、第１把持装置２０ａと第２把持装置２０ｂとを水平に配置することができるので、これらの相対位置の精度を向上することができる。

把持機構２０にワーク８を把持させる第２移動機構１２をさらに備え、第１移動機構１０と第２移動機構１２とは、回転軸と交差する水平方向に把持機構２０を挟んで配置されていてもよい。この場合、第２移動機構１２が第１移動機構１０と同じ側に配置される場合と比べて、これらの腕が干渉する領域を小さくすることができる。このため、各ロボットの動作の自由度を高めることができる。

少なくとも第１移動機構１０と、第２移動機構１２と、把持機構２０とを取り囲む周壁を有していてもよい。この場合、ロボットの旋回範囲および、把持機構２０近傍での加工による有害ガスの発生領域を周壁によって囲むことができる。このため、作業員の安全性を高めることができる。

加工ツールを相互に直交する２軸または３軸に沿って移動させるためのアクチュエータをさらに備え、アクチュエータの動作を制御するための補正制御コードを記憶し、第１移動機構１０が加工ツールを移動させるとき、補正制御コードに基づいてアクチュエータを制御するようにしてもよい。この場合、アクチュエータにより加工ツールの加工軌跡をより柔軟に制御することができる。

加工ツールは、レーザ光を出力するレーザヘッド１８を有してもよい。この場合、レーザ光を用いた加工をすることができる。

本発明の別の態様の概要は、次の通りである。この溶接方法は、上述の加工システム１００を用いて２つのワーク８ｂ、８ｃを溶接する溶接方法である。この方法は、第１把持装置２０ａに第１ワーク８ｂを把持させることと、第２把持装置２０ｂに第２ワーク８ｃを把持させることと、第１ワーク８ｂに第２ワーク８ｃを接近または接触させた状態で、レーザヘッド１８からのレーザ光を第１ワーク８ｂ及び第２ワーク８ｃに照射することと、を含む。

この態様によると、２つのワーク８ｂ、８ｃが同期して回転するので、２つのワーク８ｂ、８ｃを高精度で溶接することができる。

以上、本発明の実施の形態について詳細に説明した。この実施の形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体例を示したものにすぎない。この実施の形態の内容は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、請求の範囲に規定された発明の思想を逸脱しない範囲において、構成要素の変更、追加、削除等の多くの設計変更が可能である。

以下、変形例について説明する。変形例の図面および説明では、実施形態と同一または同等の構成要素、部材には、同一の符号を付する。実施形態と重複する説明を適宜省略し、実施形態と相違する構成について重点的に説明する。

［変形例］
実施の形態の説明では、第１移動機構１０が多関節ロボットである例を示したが、本発明はこれに限定されない。第１移動機構１０は、多関節ロボットに代えてガントリー型やカンチレバー型などの直交座標型ロボットであってもよい。

実施の形態の説明では、周壁５６が２つのロボットと把持機構２０とを四方から囲む例を示したが、本発明はこれに限定されない。周壁５６が四方を囲むことは必須ではなく、周壁５６は、三方を囲むものであってもよいし、二方を囲むものであってもよい。

実施の形態の説明では、制御ユニット３０がそれぞれの構成要素を制御する例を示したが、本発明はこれに限定されない。制御ユニット３０の機能の一部が別のユニットとして設けられてもよい。制御ユニット３０が一体に構成されることは必須ではなく、幾つかに分割されて、論理的に連携するように構成されてもよい。

上述の各変形例は、実施形態と同様の作用・効果を奏する。

上述した実施の形態と変形例の任意の組み合わせもまた本発明の実施形態として有用である。組み合わせによって生じる新たな実施形態は、組み合わされる実施の形態および変形例それぞれの効果をあわせもつ。

８・・ワーク、 ８ｂ・・第１ワーク、 ８ｃ・・第２ワーク、 １０・・第１移動機構、 １２・・第２移動機構、 １６・・多軸ステージ、 １８・・レーザヘッド、 ２０・・把持機構、 ２０ａ・・第１把持装置、 ２０ｂ・・第２把持装置、 ２２・・架台、 ２４・・共通ベース、 ２８・・操作盤、 ３０・・制御ユニット、 ４０・・搬入機構、 ４２・・搬出機構、 ４４・・加工屑搬出機構、 ４８・・レーザ発振機、 ５０・・冷却機構、 ５２・・集塵機構、 ５６・・周壁、 １００・・加工システム。

Claims (8)

1. 一端部と他端部との間に延びる被加工ワークを加工する加工システムであって、
   前記被加工ワークを加工する加工ツールを移動させるための第１移動機構と、
   前記被加工ワークを把持し、前記第１移動機構の動作に連動して前記被加工ワークの姿勢を変化させる把持機構と、
   を備え、
   前記把持機構は、前記被加工ワークの前記一端部を把持して回転させる第１把持装置と、前記被加工ワークの前記他端部を把持して回転させる第２把持装置と、を含み、
   前記第１把持装置と前記第２把持装置とを互いに同期回転させるように制御することを特徴とする加工システム。
2. 前記第２把持装置は、前記第１把持装置に対向するように前記第１把持装置と共に共通ベースに固定されることを特徴とする請求項１に記載の加工システム。
3. 前記第１把持装置及び前記第２把持装置は、前記被加工ワークを水平な回転軸の周りに回転させることを特徴とする請求項１または２に記載の加工システム。
4. 前記把持機構に前記被加工ワークを把持させる第２移動機構をさらに備え、
   前記第１移動機構と前記第２移動機構とは、前記回転軸と交差する水平方向に前記把持機構を挟んで配置されることを特徴とする請求項３に記載の加工システム。
5. 少なくとも前記第１移動機構と、前記第２移動機構と、前記把持機構とを取り囲む周壁を有することを特徴とする請求項４に記載の加工システム。
6. 前記加工ツールを相互に直交する２軸または３軸に沿って移動させるためのアクチュエータをさらに備え、
   前記アクチュエータの動作を制御するための補正制御コードを記憶し、前記第１移動機構が前記加工ツールを移動させるとき、前記補正制御コードに基づいて前記アクチュエータを制御することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の加工システム。
7. 前記加工ツールは、レーザ光を出力するレーザヘッドを有することを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の加工システム。
8. 請求項７に記載の加工システムを用いて２つの被加工ワークを溶接する溶接方法であって、
   前記第１把持装置に第１被加工ワークを把持させることと、
   前記第２把持装置に第２被加工ワークを把持させることと、
   前記第１被加工ワークに前記第２被加工ワークを接近または接触させた状態で、前記レーザヘッドからのレーザ光を前記第１被加工ワーク及び前記第２被加工ワークに照射することと、
   を含むことを特徴とする溶接方法。

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