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JP3385362B2 - レーザ溶接ヘッド制御システムおよびこれを具えるレーザ溶接ヘッド - Google Patents

レーザ溶接ヘッド制御システムおよびこれを具えるレーザ溶接ヘッド

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JP3385362B2
JP3385362B2 JP2000138283A JP2000138283A JP3385362B2 JP 3385362 B2 JP3385362 B2 JP 3385362B2 JP 2000138283 A JP2000138283 A JP 2000138283A JP 2000138283 A JP2000138283 A JP 2000138283A JP 3385362 B2 JP3385362 B2 JP 3385362B2
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Japan
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laser
welding head
laser welding
control system
welding
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幸一 武笠
正幸 池田
和久 末岡
映介 上田
久夫 上遠野
征一 武藤
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北海道大学長
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レーザ溶接ヘッド
を制御するシステムに関する。さらに本発明は、このよ
うなレーザ溶接ヘッドを制御するシステムを具えるレー
ザ溶接ヘッドにも関する。
【０００２】
【従来の技術】レーザ溶接は、ステンレスの高精度加工
部品を組立てて製造する超高真空機器等に適用するのに
適している。このようなレーザ溶接において、最近では
ＹＡＧ（yttrium-aluminum-garnet：イットリウム・ア
ルミニウム・ガーネット）レーザ溶接が普及してきてい
る。このようなＹＡＧレーザ溶接の利点としては、金属
材料に対する吸収率が一般的に高いので、加工効率がよ
い点と、レーザビームを光ファイバで伝送できるため、
三次元溶接装置や産業用ロボットに加工ヘッドを搭載で
きる点と、レンズやビーム透過窓に石英が利用できるの
で、破損時にも安全であり、低コストである点などが挙
げられる。
【０００３】一方で、高精度な加工を実現するレーザ溶
接においては、レーザの集光スポットの位置決め精度に
関しても高い精度が要求される。この位置決めに関する
裕度としては、溶接可能なギャップ量は板厚の１０％ま
たは集光スポット径の５０％、位置決め精度は集光スポ
ット径の１／３以下である。レーザ溶接に使用されるレ
ーザビームのスポット径は１ｍｍ以下である。例えば、
集光スポット径をφ０．５ｍｍとすると、約０．２ｍｍ
以下の位置決め精度が要求されることになり、適切なレ
ーザ溶接を行うためには、溶接線（シームライン）に沿
って約０．２ｍｍ以下の位置精度で集光したレーザビー
ムを一定の距離を保持した状態でトレースする必要があ
る。また、溶接面に対して、所定の角度を維持する姿勢
制御が必要となる。
【０００４】このために、部品寸法の精度向上、治具に
よる位置決め精度向上、センサによる位置決め精度向
上、センサによる溶接位置の補正等が試みられてきた。
従来は溶接の焦点位置、溶接のシームトレース、溶接面
に対するレーザ溶接ヘッドの姿勢を検出するために、各
々個別のセンサを使用していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】このような従来のレー
ザ溶接装置は、操作が複雑であり、高コストであり、大
型であるという欠点があった。
【０００６】また、ＣＣＤカメラを使用し、溶接面の画
像に基づいたシームトレースについても、多方面で研究
され、報告されてきたが、検出可能な条件には制約があ
り、一般に普及するには至っていない。
【０００７】困難な原因としては、精度の高い突合せ部
はその隙間が限りなく０に近くなり、画像の濃淡におけ
る検出が難しく、画像処理から検出までの応答時間を短
くするためには、白黒の２５６階調程度での入力画像と
なり、検出部が金属表面であることから、光の反射や表
面の傷に影響を受ける等があげられる。
【０００８】これらの機能をインプロセスで実現するべ
く取り組みも多方面で検討されているが、レーザ溶接は
一般の溶接と比較して溶接速度が非常に速いため、画像
処理速度との兼ね合いで、実際の溶接部より前方のプロ
セスを処理する方法が一般的であり、本当の意味でのリ
アルタイムなインプロセスの実現は、現状の画像処理速
度の面から不可能といえる。
【０００９】また、この前方のプロセスを処理する装置
は、レーザ光軸とＣＣＤカメラの観察エリアに距離が必
要なため、溶接ヘッドの小型化ができないという欠点を
併せ持つ。
【００１０】本発明の目的は、簡単な構造のレーザ溶接
ヘッド制御システムおよびこれを具えるレーザ溶接ヘッ
ドを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的のため、請求項
１に記載の第１発明のレーザ溶接ヘッド制御システム
は、溶接部材表面にライン状に測定用レーザ光を所定の
角度で投射する少なくとも２個の半導体レーザと、前記
測定用レーザ光の波長のみを透過するバンドパスフィル
タと、前記バンドパスフィルタを通して前記測定用レー
ザ光を撮影するＣＣＤカメラと、前記ＣＣＤカメラが撮
影した前記測定用レーザ光の画像を画像処理し、溶接面
の状態を決定する画像処理手段とを具え、決定された前
記溶接面の状態に基づいて前記レーザ溶接ヘッドの姿勢
を制御することを特徴とする。
【００１２】請求項２に記載の第２発明によるレーザ溶
接ヘッド制御システムは、前記レーザ溶接ヘッドの姿勢
を、溶接しようとする溶接部材のＣＡＤデータにも基づ
いて制御することを特徴とする。
【００１３】請求項３に記載の第３発明によるレーザ溶
接ヘッド制御システムは、前記撮影された前記測定用レ
ーザ光の状態が、前記２本のラインレーザの間隔、相対
位置および絶対位置と、前記ラインレーザの太さおよび
形状とを含むことを特徴とする。
【００１４】請求項４に記載の第４発明によるレーザ溶
接ヘッド制御システムは、前記決定された前記溶接面の
状態が、前記溶接面の形状、傾き、高さおよび位置と、
シームラインとを含むことを特徴とする。
【００１５】請求項５に記載の第５発明によるレーザ溶
接ヘッド制御システムは、前記ＣＣＤカメラによって撮
影された測定用レーザ光の状態と前記ＣＡＤデータとか
ら正確な溶接を可能とし、前記ＣＣＤカメラを異常状態
による溶接欠陥の発生の監視に併用することを特徴とす
る。
【００１６】
【発明の効果】第１発明によれば、溶接面に投射した測
定用レーザをＣＣＤカメラで撮影した画像に基づいて溶
接面の状態を判断することにより、光の反射や表面の傷
に影響を受けにくく、操作が簡単で、低コストで、小型
のレーザ溶接ヘッド制御システムが実現される。
【００１７】第２発明によれば、ＣＡＤデータを用いる
ことにより、画像処理を高速にすることができる。
【００１８】第３発明によれば、少なくとも２本のライ
ンレーザの間隔、相対位置および絶対位置と、前記ライ
ンレーザの太さおよび形状とを測定することによって、
溶接面におけるシームライン、溶接面の形状、傾き、高
さおよび位置等を正確に決定することができる。
【００１９】第４発明によれば、溶接面の形状、傾き、
高さおよび位置と、シームラインを決定することによっ
て、レーザ溶接ヘッドの姿勢を適切に制御することがで
きる。
【００２０】第５発明によれば、追加の装置無しに、異
常状態による溶接欠陥の発生も監視することができる。
【００２１】本発明は、これらのようなレーザ溶接ヘッ
ド制御システムを具えるレーザ溶接ヘッドにも関する。
【００２２】
【発明の実施の形態】図１は、本発明によるレーザ溶接
ヘッド制御システムを具えるレーザ溶接ヘッドの構成を
示す図である。本レーザ溶接ヘッドは、ＹＡＧレーザ入
射口１と、ＹＡＧレーザ出射口２と、半導体レーザ装置
３および４と、ＣＣＤカメラ５とを具える。ＹＡＧレー
ザ入射口１から入射されたＹＡＧレーザビームは、集光
され、ＹＡＧレーザ出射口２から溶接部材の溶接面に対
して放射される。半導体レーザ装置３および４は、例え
ば、前記溶接面におけるシームラインと直角に交わるよ
うなラインレーザ光を、例えば、４５°の斜め方向から
放射する。ＣＣＤカメラ５は、前記溶接面の方向を向
き、前記溶接面を撮影する。ＣＣＤカメラ５には、前記
ラインレーザ光の波長のみを透過させるバンドパスフィ
ルタが装着されている。すなわち、ＣＣＤカメラ５は、
外光および溶接レーザ光に妨げられることなく、前記溶
接面で反射された半導体ラインレーザ光のみを撮影する
ことができる。撮影された画像は画像処理部（図示せ
ず）に送られ、画像処理を施され、前記２本のラインレ
ーザ光の間隔、相対位置および絶対位置と、各々のライ
ンレーザの太さおよび形状とが決定される。
【００２３】図２は、ラインレーザ光を照射した溶接表
面の様子を示す上面図である。本例において４５°の斜
め方向から照射されたラインレーザ光２２および２３
は、シームライン２１の場所で途切れる。したがって、
ＣＣＤカメラによって撮影した画像から、シームライン
２１とラインレーザ光２２および２３との交点を決定す
ることができる。シームライン２１が直線ならば、これ
ら２つの交点からシームライン２１を決定することがで
きる。前記ラインレーザ光を斜めから照射していること
により、例えば、溶接表面の傾きは反射された前記ライ
ンレーザ光の太さによって決定することができ、高さは
前記ラインレーザ光の絶対位置によって決定することが
できる。このようにして、上記で決定された前記２本の
ラインレーザ光の間隔、相対位置および絶対位置と、各
々のラインレーザの太さおよび形状とから、溶接面の形
状、傾き、高さおよび位置と、シームラインとを決定す
ることができる。
【００２４】各種溶接部品を溶接する場合、例えば、溶
接部品の平面と平面、円筒面と平面、球と平面、円筒面
と円筒面、円筒面と球面の交差線、交接面の形状と寸法
はＣＡＤデータを利用し、レーザ溶接ヘッドに関する絶
対座標におけるこれらの交差線や交接面の位置や角度は
上記のように決定したデータを使用する。これらのデー
タに基づいて、前記レーザ溶接ヘッドの姿勢を、前記Ｙ
ＡＧレーザビームが前記シームラインをトレースするよ
うに制御する。このようにＣＡＤデータを使用すること
により、画像処理が高速化され、溶接部品のセッティン
グ作業の時間が短縮でき、溶接の再現性や信頼性を向上
させることができる。また、これらのデータから、異常
状態による溶接欠陥の発生を監視するようにしてもよ
い。上述した実施形態においてはラインレーザを２本と
したが、３本以上としてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるレーザ溶接ヘッド制御システム
を具えるレーザ溶接ヘッドの構成を示す図である。
【図２】 半導体ラインレーザ光を照射した溶接表面の
様子を示す上面図である。
【符号の説明】
１ ＹＡＧレーザ入射口 ２ ＹＡＧレーザ出射口 ３、４ 半導体レーザ装置 ５ ＣＣＤカメラ ２１ シームライン ２２、２３ ラインレーザ光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｇ０１Ｂ 11/02 Ｇ０１Ｂ 11/02 Ｈ 11/24 11/24 Ｋ (72)発明者 上田 映介 北海道上磯郡上磯町字追分３丁目２−２ 株式会社 菅製作所内 (72)発明者 上遠野 久夫 北海道札幌市手稲区曙２条４−２−29 株式会社 産鋼スチール内 (72)発明者 武藤 征一 北海道札幌市白石区本郷通13丁目南４− １ ムトウ建設工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平４−55078（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−51869（ＪＰ，Ａ) 特開2000−42769（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−285524（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−337662（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B23K 26/00 - 26/42

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザ溶接ヘッドの姿勢を制御するシス
    テムにおいて、溶接の進行方向において前記レーザ溶接ヘッドの前後に
    前記レーザ溶接ヘッドと一体に固定され、 溶接部材表面
    にライン状に測定用レーザ光を所定の角度で投射する少
    なくとも２個の半導体レーザと、 前記測定用レーザ光の波長のみを透過するバンドパスフ
    ィルタと、 前記バンドパスフィルタを通して前記測定用レーザ光を
    撮影するＣＣＤカメラと、 前記ＣＣＤカメラが撮影した前記測定用レーザ光の画像
    を画像処理し、前記溶接部材表面の状態を決定する画像
    処理手段とを具え、溶接前に決定された前記溶接部材表面 の状態に基づいて
    前記レーザ溶接ヘッドの溶接時の姿勢を制御することを
    特徴とするレーザ溶接ヘッド制御システム。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のレーザ溶接ヘッド制御
    システムにおいて、前記レーザ溶接ヘッドの姿勢を、溶
    接しようとする溶接部材のＣＡＤデータにも基づいて制
    御することを特徴とするレーザ溶接ヘッド制御システ
    ム。
  3. 【請求項３】 請求項１または２に記載のレーザ溶接ヘ
    ッド制御システムにおいて、前記撮影された前記測定用
    レーザ光の状態が、前記２本のラインレーザの間隔、相
    対位置および絶対位置と、前記ラインレーザの太さおよ
    び形状とを含むことを特徴とするレーザ溶接ヘッド制御
    システム。
  4. 【請求項４】 請求項１、２または３に記載のレーザ溶
    接ヘッド制御システムにおいて、前記決定された前記溶
    接面の状態が、前記溶接面の形状、傾き、高さおよび位
    置と、シームラインとを含むことを特徴とするレーザ溶
    接ヘッド制御システム。
  5. 【請求項５】 請求項２、３または４に記載のレーザ溶
    接ヘッド制御システムにおいて、前記ＣＣＤカメラによ
    って撮影された測定用レーザ光の状態と前記ＣＡＤデー
    タとから正確な溶接を可能としたことを特徴とするレー
    ザ溶接ヘッド制御システム。
  6. 【請求項６】請求項１ないし５のいずれか１項に記載の
    レーザ溶接ヘッド制御システムを具えるレーザ溶接ヘッ
    ド。
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