JP3933358B2

JP3933358B2 - 溶接線検出装置

Info

Publication number: JP3933358B2
Application number: JP29648399A
Authority: JP
Inventors: 馨安達; 数彦小野; 泰一松本
Original assignee: Komatsu Ltd
Current assignee: Komatsu Ltd
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2007-06-20
Anticipated expiration: 2019-10-19
Also published as: JP2001116514A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、溶接線検出装置に関するもので、詳しくは、例えば１組の被溶接材によって構成される溶接線をレーザビームにより溶接するレーザ溶接に適した溶接線検出装置に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ溶接は、レーザ光を細いビームに絞って溶接を行うもので、特に板厚が２ｍｍ以下の薄板を高精度で溶接するのに適している。例えば板厚が１．６ｍｍ以下の被溶接材同士を突き合わせ溶接する場合においては、突き合わせ位置（溶接線）に対するレーザビームの位置ずれの許容限界が±０．２ｍｍであり、ビームのずれ量がこれより大きくなると溶接不良を生ずる原因となる。このため、従来から被溶接材の溶接線を検出する方法は各種のものが提案されており、例えば、溶接線の周辺にレーザ光を照射し、その反射光を入力して、その照射された範囲内で特徴的な点を溶接線であるとして検出する方法が公知である（例えば、特開平８−１１２６８９号公報）。
【０００３】
図６（ａ）には上記のような溶接装置を示している。図において、１、２は被溶接材を示しており、図の場合、立設された被溶接材１の側面に他方の被溶接材２の端面を当接させて角継手が構成されている。そして両被溶接材１、２によって構成される溶接線４にレーザビームを照射すべく、上記溶接線４の上方にはレーザ照射ヘッド２０が配置されている。またこのレーザ照射ヘッド２０には、溶接線を検出するためのセンサ３０と、溶接部にフィラーワイヤを供給するためのフィラーワイヤ供給ノズル３１とが取付けられている。このセンサ３０は、レーザビーム照射部よりも溶接進行方向の前方に配置されている。また図示しないが、上記被溶接材１、２は、レーザ照射ヘッド２０に対してＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸方向にその相対位置が制御されるようになっている。そして上記センサ３０は、レーザスリット光を溶接線４の周辺に照射すると共に、図６（ｂ）のようにその反射パターンを検出し、この反射パターンの特徴的な点を溶接線４であると検出するものである。
【０００４】
また、レーザビーム照射位置が溶接線４を正確に倣いながら溶接できているのかどうかを確認する方法として、溶接部をＣＣＤカメラによって撮像し、画像処理を行うことにより、実際の溶接線と溶接部とのズレを検出することも公知である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶接線の周辺にレーザスリット光を照射して、反射光の特徴点を溶接線として検出する方法にあっては、被溶接材の表面に傷、光沢面等がある場合には、その傷等を溶接線と誤って検出するおそれがあった。特に、被溶接材同士を仮付けし、その仮付け部の凸量が大きい場合には、その仮付け部分を溶接線と誤って検出してしまうという問題があった。例えば、図７には、傷Ｐ、光沢面（打痕）Ｑ、仮付け部Ｒが存在する場合の反射パターンを示しているが、いずれも溶接線４とは異なる位置ｐ、ｑ、ｒを溶接線として検出してしまうことになる。一方、これら傷等の影響を排除しようとして、特徴点の検出の条件を厳しくすると、溶接線を検出できないという問題を生じる。さらに、この種の誤認に基づく溶接不良は、溶接作業中には判断できず、溶接作業を終了した被溶接材を目視チェックすることによって初めて判断できるものであるため、生産効率が極めて悪いものとならざるを得なかった。
【０００６】
また、ＣＣＤカメラによって撮像し、画像処理を行う方法にあっては、ＣＣＤカメラ及びその画像処理に関しコストが嵩み、さらにＣＣＤカメラは大きいため加工ヘッド近傍に設置することは、加工ヘッドや被溶接材との干渉が生じ易いという問題を有している。しかも、突き合わせ位置と溶接部との輝度が大きく異なる場合には、その画像処理は技術的に困難であると共に、信号の変動が大きいのでその精度にも問題があった。
【０００７】
この発明は上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、検出手段によって誤って溶接線を検出してしまうことがあっても、溶接線の誤認を検知することが可能な溶接線検出装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段及び効果】
そこで請求項１の溶接線検出装置は、被溶接材１、２の溶接線を検出する検出手段３０と、溶接線を溶接する溶接手段２０とを備えた溶接線検出装置であって、被溶接材１、２の基準位置を検出して、この基準位置と上記検出手段３０により検出された溶接線との距離Ｄを把握し、この距離Ｄが所定の範囲を超える場合には、溶接線を誤って検出していると判断することを特徴とする。
【０００９】
上記請求項１の溶接線検出装置においては、検出手段３０によって検出された溶接線の正否を判断できるので、仮に検出手段３０が溶接線を誤って検出したとしても、基準位置からの距離Ｄにより検出手段３０の誤認を判断することができ、このため誤って検出した位置をそのまま溶接してしまうのを防止することができる。
【００１０】
上述のごとく、請求項１の溶接線検出装置によれば、誤って検出した位置をそのまま溶接してしまうを防止することができ、このため溶接品質及び生産性を向上でき、生産コストの低減を図ることができる。
【００１１】
また、本願発明において「基準位置」の選定としては、例えば請求項２のように、被溶接材１の端部１ａを基準位置とすることができる。このように端部１ａを基準位置とするならば、端部１ａの検出は溶接線の検出よりも確実且つ容易に行い得るので、誤った位置への溶接を確実に防止することができる。
【００１２】
さらに、複数位置を溶接する場合にあっては、請求項３のように、他の溶接線を基準位置とすることもできる。このように、他の溶接線を基準位置とすることにより、他の溶接線のデータを有効に利用することかできる。
【００１３】
また、請求項４のように、被溶接材１、２に形成されたケガキ５を基準位置とすることもできる。このように、ケガキ５を基準位置とする場合には、所望位置にケガキ５を形成することにより、溶接線の誤認を容易且つ確実に認定することが可能となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
以下、本願発明の第１実施形態について説明するが、まず、溶接線検出装置の概要は、図６に示したものと同様である。すなわち第１実施形態の溶接線検出装置は、角継手、隅肉継手等の被溶接材１、２同士をレーザ溶接するものであるが、一方の被溶接材１を立設し、この立設した被溶接材１の側面に他方の被溶接材２の端面を当接させて、この当接位置（溶接線４）をレーザ溶接するようにしている。ここで、被溶接材１の端面が当接される被溶接材２の上面は、立設された被溶接材１の上面（端面）よりもやや下方に位置している。第１実施形態の溶接線検出装置は、被溶接材１、２の溶接線を検出する検出手段としてのセンサ３０と、被溶接材１、２の溶接線を溶接する溶接手段としての溶接レーザ照射ヘッド２０とを備えている。上記センサ３０と溶接レーザ照射ヘッド２０とは、何れも被溶接材１、２に対してＸ、Ｙ、Ｚの直交３軸方向に相対移動できるように設けられている。また上記センサ３０は、溶接線近傍にレーザスリット光を照射すると共に、この照射部の光学的状態をＣＣＤリニアセンサ等よりなる受光部で検出し得るようになされている。なお上記装置の動作は、図示しないが、コンピュータによって制御されるものである。
【００１５】
上記センサ３０から得られたデータに基づいて、コンピュータは、溶接線４の位置を決定するのであるが、次に、コンピュータによる溶接線４の位置の決定方法について、図２を参照しつつ以下説明する。なお、図２は、本発明の第１実施形態のコンピュータによる溶接線の位置の決定のためのフローチャートである。また、図１は、センサの受光部により得られたデータから基準位置及び溶接線を検出する方法を示す説明図である。
【００１６】
まず、コンピュータの制御により、、センサ３０から被溶接材１、２の溶接線４の近傍にレーザスリット光を照射する（ステップＳ１）。そして、受光部で得られたデータを取り込み、これを順次、保存する（ステップＳ２）。
【００１７】
次に、上記データ（被溶接材１、２の表面データ）から、立設された被溶接材１の端部１ａの位置（基準位置）、及び溶接すべき位置（溶接線）を検出する（ステップＳ３）。ここで、これらの位置の検出にあっては、表面データの変位が大きい位置をそれぞれ端部１ａの位置及び溶接線４の位置として、検出することとなる（図１参照）。
【００１８】
このようにして検出された基準位置と溶接線との距離Ｄを計算し（ステップＳ４）、この距離Ｄを規定距離と比較する（ステップＳ５）。ここで、規定距離は立設された被溶接材１の板厚と同程度の距離として設定されている。
【００１９】
上記比較により基準位置から溶接線までの距離Ｄと規定距離との差が規定誤差の範囲内であれば、上記データを記憶する（ステップＳ６）。ここで、規定誤差は、例えば、±２ｍｍ以下に規定することが好ましい。
【００２０】
そして、コンピュータに記憶されたデータ数が規定数量に達しているか否かを判断する（ステップＳ７）。記憶されたデータ数が所定数量未満である場合には、上記ステップＳ１に戻り、再び上記ステップＳ１〜ステップＳ７の手順を繰り返し実行する。上記ステップＳ１からステップＳ７までの一連の手順を実行する間にも、上記センサ３０と溶接レーザ照射ヘッド２０とは溶接線４に対して相対移動しているが、上記ステップＳ１〜ステップＳ７の手順の繰り返しは、例えば、溶接線４が１ｍｍ程度だけ移動する間に１回程度行うように設定しておけばよい。そしてコンピュータに記憶されたデータが規定数量に達した場合には、記憶されている溶接線のデータに基づいて溶接線４の位置を決定する（ステップＳ８）。
【００２１】
さらに、上記のように基準位置から溶接線までの距離Ｄを規定距離と比較した（ステップＳ５）際に、基準位置から溶接線４の位置までの距離Ｄが、規定誤差の範囲外であった場合には、アラームを発する等のためにエラー信号を送信する（ステップＳ９）。
【００２２】
このようにして溶接線４の位置を決定しながら、コンピュータにより溶接レーザ照射ヘッド２０を追従移動させて、この決定された溶接線４の位置に従って被溶接材１、２のレーザ溶接を行うのである。
【００２３】
ところで上記フローチャートにおけるステップＳ７において、記憶されたデータ数が規定数量に達しているか否かの判断を行い、規定数量に達している場合に、ステップＳ８において、溶接線４の位置を決定するようにしているが、これは検出データのバラツキを抑制するためのスムージング処理とも称されるものである。以下にこの処理の具体例について、図３に基づいて説明する。
【００２４】
まず上記センサ３０により検出される継手情報のパラメータとしては、時間ｔ、センサ座標ｘ、ｙ、ｚ、ギャップ量ｇ、段差量ｍの５種類がある。これらデータは、約２０ｍｓｅｃ間隔でコンピュータに入力される。これらには、当然にノイズが含まれている。そこで、連続して得られる５個のデータをメモリに記憶し、それらの中央値をデータとして採用するようにしているのである。例えば、時間ｔ₁〜ｔ₅の間に、ｘ₁〜ｘ₅、ｙ₁〜ｙ₅、ｚ₁〜ｚ₅、ｇ₁〜ｇ₅、ｍ₁〜ｍ₅の各データが得られた場合、これらの中央値、例えば、ｔ₃、ｘ₃、ｙ₄、ｚ₃、ｇ₂、ｍ₁をそれぞれ採用し、時間ｔ₃における各データをｘ₃、ｙ₄、ｚ₃、ｇ₂、ｍ₁であると決定するのである。また次の検出タイミングにおいて、時間ｔ₂〜ｔ₆の間に、ｘ₂〜ｘ₆、ｙ₂〜ｙ₆、ｚ₂〜ｚ₆、ｇ₂〜ｇ₆、ｍ₂〜ｍ₆の各データが得られた場合、これらの中央値、例えば、ｔ₄、ｘ₅、ｙ₃、ｚ₄、ｇ₂、ｍ₅をそれぞれ採用し、時間ｔ₄における各データをｘ₅、ｙ₃、ｚ₄、ｇ₂、ｍ₅であると決定するのである。同様にしてさらに次の検出タイミングにおいて、時間ｔ₃〜ｔ₇の間に、ｘ₃〜ｘ₇、ｙ₃〜ｙ₇、ｚ₃〜ｚ₇、ｇ₃〜ｇ₇、ｍ₃〜ｍ₇の各データが得られた場合、これらの中央値、例えば、ｔ₅、ｘ₃、ｙ₆、ｚ₄、ｇ₃、ｍ₅をそれぞれ採用し、時間ｔ₅における各データをｘ₃、ｙ₆、ｚ₄、ｇ₃、ｍ₅であると決定するのである。
【００２５】
上記ステップＳ７は、このような場合に記憶されたデータ数が規定数量、この場合には５個に達しているか否かを判断し、規定数量に達していれば上記手順にて溶接線４の位置の決定を行い（ステップＳ８）、規定数量に達していなければ、規定数量に達するまでデータの読み込みを行うためのものである。このようなスムージング処理を行うことにより、異常データを排除して、精度の高い溶接線検出が行えることになる。なお上記規定数量は５個に限られず、任意の数に変更可能である。
【００２６】
第１実施形態は上記構成からなるので、被溶接材１の基準位置１ａを検出し、その基準位置１ａのデータに基づいてセンサ３０が検出した溶接線の正否を判断できるので、センサ３０が溶接線を誤って検出したとしても、その誤認した溶接線のデータによる溶接線４の位置の誤った決定を防止できる。これにより誤って検出した溶接線４への溶接を防止でき、溶接不良に起因する製品不良の発生を抑制できる。そしてこのため生産性を向上でき、生産コストの低減をも図ることができる。
【００２７】
しかも、第１実施形態においては、溶接線を検出するセンサ３０によって基準位置（被溶接材１の端部１ａ）も検出するよう構成したため、別途新たなセンサ等を設ける必要が無く、機能追加によるコスト高を抑えることができる。
【００２８】
また、被溶接材１の端部１ａを基準位置としており、この端部１ａにおける表面データの変化は大きいので溶接線の検出よりも確実且つ容易で、このため誤った位置への溶接を確実に防止することができる。
【００２９】
さらに、溶接線の誤認が生じた際には、エラー信号が送信されるので、それにより例えばアラーム音を発したり、あるいは画面等の表示部にエラー表示を行う等の方法によって、人が容易に溶接線の誤認を知ることができる。
【００３０】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について図４を参酌しつつ説明するが、上記第１実施形態の溶接線検出装置と同様の溶接線検出装置を用いており、溶接線の認定においても略同様の手法を用いているため、第１実施形態と同一の構成については説明を省略する。なお、図４は、第２実施形態の溶接線検出装置のセンサによる溶接位置の検出の概略的な説明図である。
【００３１】
第２実施形態においては、基準位置として、被溶接材２の表面に形成されたケガキ線５を利用している。つまり、予め被溶接材２の表面に、被溶接材２のレーザ切断時に、溶接線４（被溶接材２の端面）と平行なレーザケガキ線５を形成しておき、このケガキ線５をセンサ３０によって読み取り、このケガキ線５のデータと溶接線４のデータとを比較して、センサ３０が検出した溶接線の適否を判断するものである。なおこの際のデータ処理法は、上記第１実施形態において図２のフローチャートに基づいて説明した手順と全く同様である。
【００３２】
第２実施形態は上記構成からなるので、誤って検出した溶接線のデータによる溶接線４の位置の誤った決定を防止できるとともに、所望位置にケガキ線５を形成することで、その基準位置の検出、及び比較等が容易に行うことができ、例えば被溶接材の端面同士を突き合わせて溶接する場合等、被溶接材の端部からの距離が遠い溶接線４を決定する場合に、別途端部を検出するセンサ３０を設ける必要がないという利点を有する。
【００３３】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明するが、上記第１実施形態の溶接線検出装置と同様の溶接線検出装置を用いており、その溶接線の決定の手法において、溶接線を誤って検出している場合のデータ処理手法が異なるものである。図５は、第３実施形態のコンピュータによる溶接線の決定のためのフローチャートであり、以下、この図５に従って説明する。
【００３４】
第３実施形態の溶接線の認定において、溶接線の誤認を起こしていない場合には第１実施形態と同様の手順が採られている。つまり、センサから被溶接材に対してレーザスリット光を照射し（ステップＳ１）、受光部で得られたデータを順次保存し（ステップＳ２）、このデータから基準位置及び溶接線を検出する（ステップＳ３）。さらに、この検出された基準位置と溶接線との距離を計算し（ステップＳ４）、この距離を規定距離と比較し（ステップＳ５）、両者の差が規定誤差の範囲内であれば、そのデータを記憶し（ステップＳ６）、データ数が規定数量に達しているかを判断し（ステップＳ７）、規定数量未満であれば規定数量に達するまで上記一連の工程を繰り返し、記憶されたデータをもとに溶接線の位置を決定する（ステップＳ８）。
【００３５】
その一方、上記基準位置から溶接線までの距離を規定距離と比較した際に（ステップＳ５）、両者の差が規定誤差の範囲外であれば、この表面データを削除する（ステップＳ１１）。そして、この削除が規定回数以上連続でなされているものか否かを判断し（ステップＳ１２）、規定回数未満である場合には再度ステップＳ１からの一連の工程を行い、規定回数以上である場合にはその動作を停止する（ステップＳ１３）。つまり、連続して削除した回数が規定回数未満であればセンサを移動して再度一連の工程を繰り返して行い、得られた基準位置から溶接線までの距離と規定距離との差が規定誤差の範囲外であればそのデータを削除し、このようなデータの削除が規定回数以上繰り返された場合には、一連の溶接作業を中止するのである。
【００３６】
第３実施形態は上記構成からなるので、誤って検出した溶接線のデータによる溶接線の位置の誤った決定を防止できるとともに、多少の誤認データが生じても溶接線の位置の決定を行うことができ、例えば微細な傷等により一部のデータが誤認データである場合にもその他のデータにより溶接線の位置の決定作業を継続できるという利点を有する。
【００３７】
なお、第３実施形態において、動作の停止を行うほかに、第１実施形態のようにアラーム信号を発することも可能である。また、誤認データを削除せずに、別途誤認データとして記憶することも可能である。さらに、第３実施形態においては、誤認データが規定回数以上連続した場合にエラーと判断するものであったが、所定回数以上の誤認データが得られた場合にエラーと判断して作業を中断することも可能である。
【００３８】
＜その他の実施形態＞
上記第１乃至第３実施形態は上述の構成からなり、それぞれ利点を有するものであったが、本願発明は上記構成に限定されるものでなく、本願請求項記載の範囲内において適宜設計変更可能である。例えば、上記第１実施形態においては、被溶接材の端面を基準位置とし、また第２実施形態においては、ケガキ線を基準位置としているが、センサの同一視野内に複数の溶接線が存在するような場合には、この内の特定の溶接線を基準位置として選択してもよい。また、基準位置を複数設けることも可能であり、例えば、上記第１実施形態のように被溶接材の端部との距離から溶接線の適否を判断するように設けるとともに、上記のように他方の溶接線との距離から溶接線の適否を判断することも可能であり、また、第１実施形態のような基準位置の設定とともに第３実施形態のようなケガキ線をも基準位置とすることもできる。
【００３９】
さらに、上記実施形態においては、溶接線の検出と基準位置の検出とを同時に行うものであったが、これは本願発明において必須ではなく、例えば、基準位置の検出を溶接線の検出とは別のセンサにより別工程で行うことも本願発明の意図する範囲内である。
【００４０】
また、第１実施形態において、端面が当接される被溶接材２の上面が、立設された被溶接材１、３の端面（上面）よりもやや下方に位置し、この部分に溶接を行うものについて説明したが、本願発明の溶接線はこれに限定されるものではない。
【００４１】
さらに、第１実施形態においては、センサ３０と溶接レーザ照射ヘッド２０とが溶接線４に沿って相対移動すると説明しているが、これは被溶接材１、２が移動する場合、センサ３０と溶接レーザ照射ヘッド２０とが移動する場合、及び両者が移動する場合を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態のセンサの受光部により得られたデータから基準位置及び溶接線を検出する方法を示す説明図である。
【図２】第１実施形態のコンピュータによる溶接線の位置の決定のためのフローチャートである。
【図３】上記フローチャートにおけるスムージング処理を説明するための説明図である。
【図４】第２実施形態の溶接線検出装置のセンサによる溶接線の検出の概略的な説明図である。
【図５】第３実施形態のコンピュータによる溶接線の位置の決定のためのフローチャートである。
【図６】第１実施形態の溶接線検出装置の説明図であって、（ａ）はその概略的な斜視図で、（ｂ）はセンサの受光部により得られたデータから溶接線を検出する方法を示す説明図である。
【図７】従来の溶接線検出方法による欠点を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１、２被溶接材
４溶接線
５ケガキ線
２０溶接レーザ照射ヘッド（溶接手段）
３０センサ（検出手段）
Ｄ基準位置から溶接線の距離

Claims

被溶接材（１）（２）の溶接線を検出する検出手段（３０）と、溶接線を溶接する溶接手段（２０）とを備えた溶接線検出装置であって、被溶接材（１）（２）の基準位置を検出して、この基準位置と上記検出手段（３０）により検出された溶接線との距離（Ｄ）を把握し、この距離（Ｄ）が所定の範囲を超える場合には、溶接線を誤って検出していると判断することを特徴とする溶接線検出装置。
上記基準位置は、被溶接材（１）の端部（１ａ）であることを特徴とする請求項１の溶接線検出装置。
上記基準位置は、検出手段（３０）によって検出された他の溶接線であることを特徴とする請求項１の溶接線検出装置。
上記基準位置は、被溶接材（２）に形成されたケガキ（５）であることを特徴とする請求項１の溶接線検出装置。