(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バー形状をした鋼板等の金属、あるいはプラスチック等の２つの被溶接材を突き合わせて、その突き合わせ面（溶接線）に沿ってパワーレーザーを自動的に倣いながら溶接するレーザー自動溶接装置であって、溶接線と略垂直な平面による被溶接材料の断面形状を検出する溶接線位置検出手段と、突き合わせ直前には該検出手段によって得られる２つの被溶接材の断面形状から突き合わせ面近傍の２つの被溶接材の高さを演算し、突き合わせ後には同じくその時の断面形状から溶接線位置を演算する信号処理装置と、突き合わせ前の該高さ情報に基づいて２つの被溶接材の突き合わせ高さ位置を独立に制御しうる突き合わせ制御装置とを具備することを特徴とするレーザー自動溶接装置。
【請求項２】
２つのバー形状をした鋼板等の金属、あるいはプラスチック等の被溶接材を突き合わせて、その突き合わせ面（溶接線）に沿ってパワーレーザーを自動的に倣いながら溶接するレーザー自動溶接方法であって、溶接線位置検出器を用いて、溶接線と略垂直な平面による被溶接材料の断面形状を検出し、突き合わせ直前には該溶接線位置検出器によって得られる２つの被溶接材の断面形状から突き合わせ面近傍の２つの被溶接材の高さを演算し、該高さ情報に基づいて２つの被溶接材の高さ位置に若干の段差を持たせて突き合わせを行い、突き合わせ後には前記溶接線位置検出器より得られる断面形伏から溶接線位置を演算し、該溶接線位置情報に基づいて溶接線を倣いながら溶接を行うことを特徴とするレーザー自動溶接方法。
【請求項３】
溶接線位置検出手段として、位相差検出方式を計測原理とするレーザー距離計を溶接線と垂直な方向にスキャンさせることにより溶接線と略垂直な平面による被溶接材料の断面形状を検出する溶接線位置検出器を具備することを特徴とする請求項１に記載のレーザー自動溶接装置。
【請求項４】
溶接線位置検出手段として、三角測量方式を計測原理とするレーザー距離計を溶接線と垂直な方向にスキャンさせることにより溶接線と略垂直な平面による被溶接材料の断面形状を検出する溶接線位置検出器を具備することを特徴とする請求項１に記載のレーザー自動溶接装置。
【請求項５】
溶接線位置検出手段として、光切断方式を計測原理とする断面形状計を溶接線位置検出器として具備することを特徴とする請求項１に記載のレーザー自動溶接装置。
【請求項６】
請求項２に記載のレーザー自動溶接方法において、溶接線位置検出器によって検出される溶接線と略垂直な平面による被溶接材料の断面形状から被溶接材の高さを演算する信号処理方法であって、該断面形状のうち、突き合わせ前には２つの被溶接材の各々の端部エッジ位置を検出し、該検出位置の高さあるいは該検出位置から２つの被溶接材の方向にそれぞれ若干の一定距離離れた位置の点の高さを２つの溶接材の高さとし、突き合わせ後には溶接線位置を検出し、該検出位置から２つの被溶接材の方向にそれぞれ若干の一定距離離れた位置の点の高さを被溶接材高さとして検出することを特徴とする信号処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、鋼板等の金属や、プラスチック等のその他の溶接可能な材料をレーザーを用いて、自動的に溶接線を倣いながら溶接する際に、溶接の成功率の向上を図ることが可能なレーザー自動溶接方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、溶接を実施する際にはＶ字型等の開先加工を行うことによって溶融を促進し、かつ突き合わせ部を確実に密着させることが重要であるが、同時に自動倣いを行う際には、例えば特開昭６０−１２１０７２号公報にあるように、レーザーとカメラを用いることによって開先部の特徴的な形状を検出することにより、開先加工がなされている場合には溶接線を比較的容易にかつ確実に検出する技術が存在する。
【０００３】
一方、開先加工を行っていない場合の溶接線の検出方法としては、本発明者らは既に特願平７−１７８３４号（特開平８−２０６７０３号）において、画像処理により２つの被溶接材間の微小な表面ギャップと、実材料の境界部を検出することにより、溶接線位置を検出する溶接線倣いセンサを提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、レーザーのハイパワー化によりレーザーを用いた溶接が実施されているが、レ−ザ−を用いた場合非常に入熱効率が高いため、従来のような開先加工なしでも溶接可能な場合も多いが、実際には溶接線位置検出器を用いた自動倣いを行うために、開先加工を必要とする場合もあり、結果的に無駄な加工処理を必要としていた。
【０００５】
前記特開昭６０−１２１０７２号公報の技術によれば、このように開先加工を行わない場合に適用すると、例えば溶接線近傍に材料のしわや、シャー加工時のバリ等があった場合にはその部分を溶接線と誤認識する場合があり、適用対象によっては十分な溶接線検出精度が得られなくなるおそれがあった。
【０００６】
また、特願平７−１７８３４１号（特開平８−２０６７０３号）の技術によれば、２つの被溶接材間の微小なギャップを検出することにより溶接線位置を検出しているため、例えば２つの被溶接材を突き合わせる際に大きな力でこれを押しつける場合には、該微小なギャップはつぶれてしまうため、正確に溶接線位置を検出できなくなるおそれがあった。
【０００７】
すなわち、実際の生産現場においては、既設のライン内に溶接装置を導入する場合も多く、開先加工装置を設置することはラインの大幅な改造を必要とする場合もあり、また開先加工機そのものも高価であるため、これを導入することが困難である一方、シャーカット後のバー材料を直接溶接しようとすると、上記のようなしわやバリ等の問題により十分な溶接線倣いができず、結果として溶接不良率が低減できないといった問題が発生し、自動溶接装置の普及の妨げとなっていた。
【０００８】
従って、本発明においては、開先加工を必要とせずに、溶接線位置を精度よく検出することにより、安価で安全な溶接を自動的に行うことを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために発明されたものであり、バー形状をした鋼板等の金属、あるいはプラスチック等の２つの被溶接材を突き合わせて、その突き合わせ面（溶接線）に沿ってパワーレーザーを自動的に倣いながら溶接するレーザー自動溶接装置であって、溶接線と略垂直な平面による被溶接材料の断面形状を検出する溶接線位置検出手段と、突き合わせ直前には該検出手段によって得られる２つの被溶接材の断面形状から突き合わせ面近傍の２つの被溶接材の高さを演算し、突き合わせ後には同じくその時の断面形状から溶接線位置を演算する信号処理装置と、突き合わせ前の該高さ情報に基づいて２つの被溶接材の突き合わせ高さ位置を独立に制御しうる突き合わせ制御装置とを具備することを特徴とするレーザー自動溶接装置により実現できる。
【００１０】
また、該レーザ−自動溶接装置を用いて、２つのバー形状をした鋼板等の金属、あるいはプラスチック等の被溶接材を突き合わせて、その突き合わせ面（溶接線）に沿ってパワーレーザーを自動的に倣いながら溶接するレーザー自動溶接方法であって、溶接線位置検出器を用いて、溶接線と略垂直な平面による被溶接材料の断面形状を検出し、突き合わせ直前には該溶接線位置検出器によって得られる２つの被溶接材の断面形状から突き合わせ面近傍の２つの被溶接材の高さを演算し、該高さ情報に基づいて２つの被溶接材の高さ位置に若干の段差を持たせて突き合わせを行い、突き合わせ後には前記溶接線位置検出器より得られる断面形状から溶接線位置を演算し、該溶接線位置情報に基づいて溶接線を倣いながら溶接を行うことを特徴とするレーザー自動溶接方法により実現できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明によれば、突き合わせ直前には、溶接線と略垂直な平面による被溶接材料の断面形状を検出できる溶接線位置検出器により、２つの被溶接材の高さが検出可能となり、さらに突き合わせ前の該高さ情報に基づいて２つの被溶接材の高さ位置を独立に制御しうる突き合わせ制御装置により、突き合わせ時の段差を自由に制御可能であるため、被溶接材の形状によらず毎回ほぼ一定の若干の段差に突き合わせ状態を固定できることから、溶接線位置としては開先加工した場合と同様の大きな形状変化のある段差部を検出すれば良いため、微小なギャップを検出する場合にくらべ、しわやバリの影響を受けにくく、溶接線位置が安定的にまた精度よく検出可能となる。
【００１２】
従って、レーザー溶接トーチが精度良く溶接線上を倣うことが可能となり、溶接強度の向上により安定的に溶接が可能となる。特に、レーザー溶接においては少々段差がついた突き合わせ状態でも入熱効率が高く、また段差により溶接位置が影響を受けないため、溶融池のかたより等の問題がなく溶接が可能となり、上記作用が有効に機能する。従って特に、開先加工を必要とせず、シャー加工された形状のままの被溶接材を確実に溶接することが可能となる。
【００１３】
【実施例】
以下本発明の一実施例を図面を用いて説明する。
図１は本発明の全体構成を示す図である。１ａおよび１ｂは粗圧延をされた粗バーとよばれる熱延鋼板であり、突き合わせ面２で両者は突き合わせされる。粗バー１ａおよび１ｂは粗圧延された後、それぞれ後端部、先端部をシャーにてカットされたままの形状で本溶接実施部に搬送されてくるため、突き合わせ面２の形状はシャーにてカットされたせん断面のままの形状であり、特に開先加工はなされていない。３はレーザー溶接トーチてあり、その先端部よりレーザー光線４を投射することにより粗バー１ａと１ｂの溶接を行う。本レーザートーチ３は溶接線位置検出器５と一体となって溶接線倣い機構６に設置されており、溶接線位置検出器５の出力を処理する信号処理装置７によって演算される溶接線位置出力に従うべく倣い制御装置８によって、溶接線方向ｘ、倣い方向ｙ、および高さ方向ｚの各方向に溶接線位置上を自動的に移動して溶接を実施する。
【００１４】
図２（ａ）は突き合わせ直前の粗バー１ａ，１ｂの溶接線と垂直な平面による断面形状を示す。溶接線位置検出器５は本図の断面形状を計測し、信号処理装置７によって端部エッジ位置Ａ，Ｂを検出し、その点の高さの差を粗バー１ａ、１ｂの段差として定義し、突き合わせ演算装置９に出力する。突き合わせ演算装置９は、該段差を実現すべく、粗バー１ａおよび１ｂそれぞれの高さ方向位置を自由に制御できる突き合わせ制御機構１０、１１を制御し、最終的な突き合わせにて該段差を実現する。ここで示した突き合わせ演算装置９と突き合わせ制御機構１０、１１をあわせて突き合わせ制御装置と呼ぶ。なお、段差は溶接の際の接合面積をできるだけ大きくとり、溶接強度を確保するため、できるだけ小さい方が良い一方で、溶接線検出を容易にする意味では大きい方が良い。従って、今回の場合両者の目的を満たすため段差は０．５mm以上被溶接材板厚の１０％以下とした。
【００１５】
図２（ｂ）は突き合わせ後の粗バー１ａ，１ｂの図２（ａ）と同様の断面形状を示す。信号処理装置７は溶接線位置として点Ｃの位置を検出し、そこから若干の一定距離、ここでは３mm離れた点Ｄの位置の高さを被溶接材高さとして検出している。なお、トーチ位置は点Ｄの高さに併せて倣い動作を行うため、粗バー１ａ側の高さ位置はこの場合求めていないが、点Ｃより粗バー１ａ側に３mm離れた点として粗バー１ａの高さも定義可能である。
【００１６】
図３（ａ）は位相差検出方式を計測原理とするレーザー距離計を溶接線と垂直な方向にスキャンさせる溶接線位置検出器の構成図である。１２はレーザー光源であり、この場合半導体レーザー素子を用いている。１３はコリメーション用のレンズであり、接合線上の計測点でレーザーのスポットが焦点を結ぶようになっている。１４，１５，１６は平板ミラーであり、レーザー光をガルバノミラー１７に導く。１７はモーター１８によって往復運動することにより、レーザースポットを往復スキャンさせる。ある一瞬においてレーザースポットが点Ｅにあるとすると、そこからの反射光は再びガルバノミラー１７に戻ってき、さらに平板ミラー１６を経由して、ミラー１５の周辺に取り付けられたフィルタ１９を通り、さらに集光レンズ２０を通ってフォトダイオード２１に集光され、電気信号に変換される。
【００１７】
変位変換回路２２はレーザー装置１２に対し制御電流を供給することにより周期的にレーザーの強度変調を行う−方、受光素子２１から受光強度に比例した電流値を入力される。図３（ｂ）に示すように、前記制御電流２３に対し、受光素子から入力される電流値２４は、レーザー１２から受光部２１に至る距離の伝送時間ｔに相当する位相分遅れた強度変動のある信号として検出される。なお、図３（ｂ）のグラフの縦軸は電流強度を示し、横軸は時間を示す。変位変換回路２２はこの位相のずれを距離値に変換するとともに、モニター１８に設置されているパルスエンコーダ２５によって得られるガルバノミラー１７の振り角信号をとりこむことにより、計測点Ｅの位置座標が検出可能となる。以上の素子、回路はケース２６内に収納されており、２６がセンサヘッドである。
【００１８】
図４は三角測量方式を計測原理とするレーザー距離計を溶接線と垂直な方向にスキャンさせることにより溶接線と略垂直な平面による被溶接材料の断面形状を検出する溶接線位置検出器の構成図である。３０は半導体レーザーであり、３１のレンズにより投光位置Ｆ点にてスポット径が約φ（直径）０．２mm程度になるよう集光されている。鋼板３２にて反射された光は、集光レンズ３３によって図上の横方向に受光素子が並べられている１次元ＣＣＤ素子３４上の点Ｇに集光される。鋼板３２がセンサに対し上下に移動するとＧの位置がＣＣＤ上で左右に移動し、その移動量を検出することによってセンサと鋼板の距離を計測する。一方、上述の３０、３１、３３、３４はケース３５にそれぞれ固定され、ケース３５は中心線３６を中心に回転することによって、点Ｆを移動させながら断面形状を計測する。
【００１９】
図５は光切断方式を計測原理とする溶接線位置検出器を示す構成図である。４０は半導体レーザーであり、シリンドリカルレンズ４１により鋼板上にスリット状の光帯を投射する。投射された該スリット光は鋼板上で反射されて、集光レンズ４２を介してカメラ４３内にある２次元ＣＣＤ素子４４にて受光される。
【００２０】
図６〜図８は、図１に示す信号処理装置７において行われる信号処理の概要を示す図である。図３、４の各手法のいずれを用いた場合にも、同じ処理内容である。
【００２１】
図６は突き合わせ前の処理フローを示す。図７（ａ）はこの時の溶接線位置検出器からの断面形状の検出波形を示す。波形５１ａは突き合わせ前の被溶接材１ａの断面、波形５１ｂは被溶接材１ｂの断面である。該波形における座標軸ｘ，ｚは図１における座標系と同じであり図示の通りである。
【００２２】
図６及び図７において、まず、検出波形５１ａ，５１ｂがブロック１０１にて溶接位置検出器より信号処理装置に入力される。続いてブロック１０２ではｘについてのｚの微分、ｚ′（ｘ）が演算される。この結果の波形を図７（ｂ）の５２ａ，５２ｂに示す。波形５２ａの、５２ｂ側と反対側の端点をＡ，波形５２ｂの５２ａと反対側の端点をＢとする。ブロック１０３において検査点を点Ａに設定した後、ブロック１０４において検査点Ａのｚ′に対して−定のしきい値ＴＨとの大小を比較する。もし、ｚ′がＴＨ以上てあればブロック１０５にて検査点を波形５２ｂ側に１点ずらして、再度ブロック１０４にてｚ′のＴＨに対する大小判定を実行する。この操作をｚ′がしきい値ＴＨより小さくなる検査点がみつかるまで繰り返し実行する。最終的にｚ′がＴＨより小さくなれば、ブロック１０６にてその検査点に対応する検出波形データ５１ａのｘ方向位置を求め、ブロック１０７にてその点からｘ方向について点Ａ側に３mmもどった点のｚ座標を求める。ここで求まったｚ座標が被溶接材１ａの高さｈ１である。
【００２３】
すなわち、ブロック１０３から１０７は検出波形５１ａの微分波形５２ａに対し、点Ａから５２ｂ側に向かってしきい値ＴＨより小さくなるのをサーチし、初めて検出されるこれを満足する点Ｐ（図７（ａ），（ｂ））を検出し、その点より３mm点Ａ側の位置の高さを求めるものである。
【００２４】
ブロック１０８〜１１２は同様の動作を被溶接材１ｂについて行うものであり、この場合検出波形５１ｂの微分波形５２ｂについて点Ｂより５２ａの方向にサーチを行い、点Ｑを求めることとなる。最後にブロック１１３にて１スキャンの演算処理を終了し、次のスキャンデータの処理としてブロック１０１から再び実行する。
【００２５】
次に、図８（ａ）は突き合わせ後の処理フローを示す。
図８（ｂ）において５３は溶接線位置検出器によって得られる断面形状の検出波形を示す。まず、検出波形５３がブロック１２１にて溶接位置検出器より信号処理装置に入力される。続いてブロック１２２にて本波形について突き合わせ前の時と同様ｘについてのｚの微分を行う。その結果の波形を図８（ｃ）の５４に示す。ブロック１２３ではブロック１２２の処理にて得られた微分波形のうちｚ′が最大となる点を検出する。すなわち、波形５４上の点Ｒ（図８（ｃ））が検出される。この点Ｒのｘ位置が溶接線位置である。続いて，ブロック１２４にてブロック１２３にて検出された点から３mm１ｂ側にオフセットした点のｚ座標を検出する。これが溶接時の被溶接材高さｈ３である。この場合段差の低い側を溶接トーチの高さ基準位置としたため、本演算方法とした。最後にブロック１２５にて１スキャン分のデータの演算を終了し、次のスキャンデータに対して、再び１２１より演算を行う。
【００２６】
なお、図５に示す光切断方式を用いた場合、上記微分処理は微分フィルタ処理とすれば原理的には同じ処理として実行可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上の通り本発明によれば、開先加工を必要とせずに、溶接線位置を精度よく検出することにより、安価で安全な溶接を自動的に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の全体構成を示す図。
【図２】（ａ）は突き合わせ直前の粗バーの断面形状、（ｂ）は突き合わせ後の粗バーの断面形状を示す図。
【図３】位相差検出方式を計測原理とするレーザー距離計を溶接線と垂直な方向にスキャンさせる溶接線位置検出器の構成図。
【図４】三角測量方式を計測原理とするレーザー距離計を溶接線と垂直な方向にスキャンさせる溶接線位置検出器の構成図。
【図５】光切断方式を計測原理とする溶接線位置検出器の構成図。
【図６】信号処理装置における信号処理の概要を示すもので、突き合わせ前の処理フロー図。
【図７】（ａ）は信号処理時の溶接線位置検出器からの断面形状の検出波形を示し、（ｂ）は演算後の波形を示す図。
【図８】（ａ）は突き合わせ後の処理フロー、（ｂ）は検出波形、（ｃ）は演算後の波形を示す図。
【符号の説明】
１ａ：熱延鋼板（粗バー）
１ｂ：熱延鋼板（粗バー）
２：突き合わせ面
３：レーザー溶接トーチ
４：レーザー光線
５：溶接線位置検出器
６：溶接線倣い機構
７：信号処理装置
８：倣い制御装置
９：突き合わせ演算装置
１０，１１：突き合わせ制御機構
１２：レーザー光源
１３：コリメーション用レンズ
１４：平板ミラー
１５：平板ミラー
１６：平板ミラー
１７：ガルバノミラー
１８：モーター
１９：フィルタ
２０：集光レンズ
２１：フォトダイオード
２２：変位変換回路
２３：レーザー装置に対する制御電流
２４：変位変換回路にフォトダイオードから入力される電流値
２５：パルスエンコーダ
２６：センサヘッド
３０：半導体レーザー
３１：レンズ
３２：鋼板
３３：集光レンズ
３４：ＣＣＤ素子
３５：ケース
３６：ケースの回転中心線
４０：半導体レーザー
４１：シリンドリカルレンズ
４２：集光レンズ
４３：カメラ
４４：２次元ＣＣＤ素子
５１ａ：突き合わせ前の被溶接材１ａの断面
５１ｂ：突き合わせ前の被溶接材１ｂの断面
５２ａ：５１ａの微分波形
５２ｂ：５１ｂの微分波形
５３：突き合わせ後の被溶接材の断面
５４：５３の微分波形
１０１：検出波形入力ブロック
１０２：微分演算ブロック
１０３：検査点を点Ａに設定するブロック
１０４：検査点におけるｚ′の大小を判定するブロック
１０５：検査点を５２ｂ側に１点ずらすブロック
１０６：検査点のｘ位置検出ブロック
１０７：ｈ１演算ブロック
１０８：検査点を点Ｂに設定するブロック
１０９：検査点におけるｚ′の大小を判定するブロック
１１０：検査点を５２ａ側に１点ずらすブロック
１１１：検査点のｘ位置検出ブロック
１１２：ｈ２演算ブロック
１１３：終了ブロック
１２１：検出波形入力ブロック
１２２：微分演算ブロック
１２３：ｚ，最大点のｘ座標検出ブロック
１２４：ｈ３演算ブロック
１２５：終了ブロック
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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