(57)【要約】  ワークWのレーザ溶接加工時におけるレーザ光Lの焦点を高精度で溶接加工位置に合わせることができるワークWのレーザ溶接方法とその装置10とを提供する。  ＣＣＤカメラ14aを備えたパターン認識装置14でワークWの外形パターンを認識した後、該外形パターンにおける全てのコーナー部分C1〜C12…についてその形状を特定する特異点P1〜P12…の平面座標を読み取り、この座標に基づいてワークWの外形パターンの位置情報を特定し、当該位置情報に基づき溶接加工経路Sを演算する。又、溶接加工時においては、補正パターン取得装置20にて取得したワークWの外形の補正位置情報と予めパターン認識装置14で取り込んだ同位置におけるワークWの位置情報とを対比して、溶接加工経路Sを補正する。
2009078077.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
(1) ワークの外形をＣＣＤカメラの視野内に捕らえつつ、該ＣＣＤカメラを備えたパターン認識装置をワークの外形に沿って走行させてワークの外形パターンを認識させ、その際に、
(2) 少なくとも前記外形パターンにおける全てのコーナー部分についてその形状を特定する特異点の原点に対する平面座標を読み取り、前記特異点の平面座標に基づいて前記ワークの外形パターンの位置情報を取得し、且つ当該外形パターンの位置情報に基づいて前記ワークの溶接加工経路を演算し、
(3) 前記ＣＣＤカメラの視野内に於いて出射されるレーザ光の焦点位置が前記溶接加工経路上の溶接箇所に一致するように前記ワーク又は前記レーザ照射装置を移動させながら前記レーザ光を前記ワークの溶接箇所に照射すると共に、
(4) 前記溶接加工経路に沿って前記レーザ光を前記ワークの溶接箇所に照射する際に、前記レーザ照射装置に前置され且つレーザ照射装置の移動と共にワークの外形に沿って該レーザ照射装置の周囲を回動可能に設置され、前記ワークの外形を撮像する前駆ＣＣＤカメラを備えた補正パターン取得装置にて、前記レーザ光の進路前方に位置する前記ワークの外形の補正位置情報を取得し、
(5) 該補正位置情報と予め前記パターン認識装置を介して取り込んである前記ワークの外形パターンの位置情報とを対比し、前記補正位置情報が、予め前記パターン認識装置で取り込んだ同位置における前記ワークの位置情報から乖離している場合には、前記補正位置情報に基づいて溶接加工経路を補正しながら溶接を行うことを特徴とするレーザ溶接方法。
【請求項２】
前記ワークの前記外形パターンにおける全てのコーナー部分についてその形状を特定する特異点の平面座標を読み取るのと同時に、当該コーナー部分において高さ方向にて複数撮像した画像の画素に基づいて各高さにおける合焦点検出データを順次取り出し、当該合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形のピーク値を求め、
前記特異点の平面座標及び前記合焦点検出波形のピーク値に基づいて前記ワーク表面における外形パターンの位置情報を三次元にて特定することを特徴とする請求の範囲第１項に記載のレーザ溶接方法。
【請求項３】
前記溶接加工経路の終点が前記溶接加工経路の始点を越えて、溶接部分がオーバーラップするように設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ溶接方法。
【請求項４】
(a) 溶接加工用のレーザ光を発生させるレーザ発生装置と、
(b) 前記レーザ発生装置で発生したレーザ光を前記ＣＣＤカメラの視野内に出射させてワークの溶接箇所に照射するレーザ照射装置と、
(c) 前記レーザ発生装置と前記レーザ照射装置とを結ぶレーザトランスファ部材と、
(d) ワークテーブル又は前記レーザ照射装置のいずれかを移動させる移動手段と、
(e) ＣＣＤカメラを備え、ワークの外形パターンを認識するパターン認識装置と、
(f) 前記レーザ照射装置に前置され且つレーザ照射装置の移動と共にワークの外形に沿って該レーザ照射装置の周囲を回動可能に設置された前駆ＣＣＤカメラを備え、前記レーザ照射装置より照射される前記レーザ光の進路前方に位置する前記ワークの外形の補正位置情報を取得する補正パターン取得装置と、
(g1) ワークのレーザ溶接加工前にあっては前記パターン認識装置を通して認識されたワークの外形パターンを処理して少なくとも前記外形パターンにおける全てのコーナー部分についてその形状を特定する特異点の原点に対する平面座標を読み取り、 前記特異点の平面座標に基づいてワークの外形パターンの位置情報を取得し、且つ当該外形パターンの位置情報に基づいて溶接加工経路を演算し、
(g2) 続いて前記ＣＣＤカメラの視野内に於いて出射される前記レーザ光の焦点位置が前記溶接加工経路上の溶接箇所に一致するように前記移動手段にてワークＷ又はレーザ照射装置を移動させながらレーザ光ＬをワークＷの溶接箇所に照射してレーザ溶接加工を行わせると共に、
(g3) 前記溶接加工経路に沿って前記レーザ光を前記ワークに照射する際に、前記補正パターン取得装置を通して取得された補正位置情報と予め前記パターン認識装置を介して取り込んである前記ワークの外形パターンの位置情報とを対比し、前記補正位置情報が、予め前記パターン認識装置で取り込んだ同位置における前記ワークの位置情報と乖離している場合には、前記補正位置情報に基づいて溶接加工経路を補正する制御装置とで構成されていることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項５】
前記パターン認識装置が、前記ワークの前記コーナー部分において高さ方向にて複数の画像を撮像すると共に、
前記制御装置が、前記ワークの前記外形パターンにおける全てのコーナー部分についてその形状を特定する特異点の平面座標を読み取るのと同時に、当該コーナー部分において高さ方向にて複数撮像した画像の画素に基づいて各高さにおける合焦点検出データを順次取り出し、当該合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形のピーク値を求め、前記特異点の平面座標及び前記合焦点検出波形のピーク値に基づいて前記ワーク表面における外形パターンの位置情報を三次元にて特定することを特徴とする請求の範囲第４項に記載のレーザ溶接装置。
【請求項６】
前記補正パターン取得装置のワークに近接する先端側には、前記前駆ＣＣＤカメラにレーザ光及び溶接光が入光されないように遮蔽する遮光部材が取り付けられていることを特徴とする請求項４又は５に記載のレーザ溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ワークのレーザ溶接方法とその装置に関し、特に、角型電池等の電池缶の開口部への電池ヘッダの封口に好適なレーザ溶接方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザ溶接は、アーク溶接，抵抗溶接或いはガス溶接と云った他の溶接方法に比べて溶接部の位置決め精度が高く且つ微細領域での溶接が可能であるため溶接部周囲への熱的影響が少ないことから、電子部品の製造プロセスにおけるワークの溶接方法に多用されている。【０００３】
例えば、電子機器用電源として利用されている角型電池の封口には、このレーザ溶接が用いられている。ここで、角型電池とは、リチウムイオン二次電池等の電池要素を厚みの薄い角柱状の電池缶に密閉・収納した電池であり、具体的には以下の方法で製造される。すなわち、電池要素を収納したステンレス、アルミニウム等の金属からなる角型の電池缶の開口端部に導電接続端子等を備えた蓋体を嵌合し、電池缶と蓋体との嵌合部分にレーザ光を照射して当該部分を気密的且つ耐圧的に溶接して製造される。このため、溶接位置の位置決め精度が低下し前記嵌合部分に溶接不良が生じた場合には、電解質の漏洩や耐圧性の不足による電池の破裂と云った問題が生じるようになる。【０００４】
そこで、従来より、溶接位置の位置決め精度をより一層高めるため、ＣＣＤカメラ等で撮像した画像データを元に、溶接位置を調整するレーザ溶接方法及びその装置が提案されている。例えば、特許文献１には、レーザヘッドから出射されたパルスレーザ光を検出するステップと、所定回数のパルスレーザ光を検出して所定の遅延時間が経過すると、外装缶の開口部の周壁と前記開口部を封止する封口体との嵌合部の溶接位置の画像を撮影するステップと、撮影された画像に基づいて予め設定された溶接位置とのズレ量を演算するステップと、演算結果に基づいてレーザヘッドの軌道を補正するステップとを備えるレーザ溶接方法が提案されている。【０００５】
溶接部の位置決め精度が高く且つ微細領域での溶接が可能なレーザ溶接を用いる場合において、ワークがワークテーブル(載置台)における所定の取付位置からズレて取り付けられているような場合には、ワークを連続的に溶接する際に溶接ズレが生じるようになる。そこで、かかるレーザ溶接方法を用いれば、該レーザ光がパルスレーザ光であって、レーザ光を出力していない間にワーク表面の溶接位置の画像を取り込み、当該画像中に示される溶接痕と予め設定されている溶接位置との間のズレを短時間で計測して当該溶接ズレを精度よく補正することができる。【０００６】
しかしながら、このレーザ溶接方法は、溶接後の溶接痕と予め設定されている溶接位置との間のズレを補正するものであることから、当該補正直前の溶接部分には予め設定されている溶接位置との間にズレが生じている事になる。つまり、かかる技術では、予め設定されている溶接位置と実際の溶接位置との間にズレが生じた場合に溶接加工経路が補正されるのであって、このようなズレを未然に防ぐことはできないと云う問題があった。【０００７】
また、ワークの溶接位置を補正するため、ＣＣＤカメラなどのカメラ装置を用いてワーク表面の溶接位置を直接撮影して溶接位置補正用の画像データを取得しているが、互いに似たような金属色の外観を有する外装缶と封口体とが嵌め合わされた嵌合部(溶接部)はその境界（＝溶接位置）が不明瞭であり、ワーク表面の溶接位置を直接撮影して当該溶接位置を的確に把握するためにはＣＣＤカメラなどのカメラ装置として解像度の高いものを使用しなければならない。又、このように解像度の高いＣＣＤカメラを使用した場合には、画像処理に時間が掛かるようになり、レーザ溶接装置全体の動作速度を低下させる要因になると云う問題もあった。【０００８】
さらに、ワークをワークテーブル等に固定する際に使用する治具の磨耗や異物の噛み込み等によってワークが傾斜した状態でワークテーブル等に固定された場合やワークが高さ方向(Ｚ軸方向)にズレて配置されている場合には、仮に水平方向(Ｘ−Ｙ方向)の溶接ズレを解消できたとしても、高さ方向のズレを補正することはできず、部分的にレーザ光の焦点位置がワーク表面の溶接位置から外れ、溶接不良が生じるようになると云う問題があった。なお、このような問題は、例えばハイブリッド自動車用二次電池のような大型の電池缶(ワーク)の表面を連続的に溶接する際により顕著なものとなる。【０００９】
そして、上述の技術では、パルスレーザ光を出力していない間にワーク表面の溶接位置の画像を撮像するようにしているが、ワークの大型化に伴う溶接加工速度の高速化が図られた場合、単位時間当たりに照射されるパルスレーザ光のパルス数が圧倒的に増えるようになる。そうすると、パルスレーザ光を出力していない間にワーク表面の溶接位置の画像を撮像するようにしていたとしても、パルスの間隔が余りにも短くＣＣＤカメラで溶接位置の画像を撮像する際に溶接光(ブルーム)の残光によってハレーションが起こるようになり良好な画像を撮像できなくなると云う問題が生じる。又、溶接の熱源としてパルスレーザ光ではなく連続波発振(ＣＷ)のものが用いた場合には、溶接位置の画像を撮像することすらできなくなると云う問題もあった。
【特許文献２】特開２００３−９４１８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
それゆえに、本発明の主たる課題は、溶接位置のズレを未然に防ぎ、溶接が必要な箇所を確実に溶接することができるワークのレーザ溶接方法とその装置とを提供することである。又、本発明の更なる課題は、ワークの大小にかかわらず、ワークのレーザ溶接加工時におけるレーザ光の焦点を高精度で所定の溶接加工位置に合わせることができるワークのレーザ溶接方法とその装置とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求の範囲第１項に記載した発明は、
(1)ワークＷの外形をＣＣＤカメラ１４ａの視野内に捕らえつつ、該ＣＣＤカメラ１４ａを備えたパターン認識装置１４をワークＷの外形に沿って走行させてワークＷの外形パターンを認識させ、その際に、
(2)少なくとも前記外形パターンにおける全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４…についてその形状を特定する特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の原点に対する平面座標を読み取り、前記特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の平面座標に基づいて前記ワークＷの外形パターンの位置情報を取得し、且つ当該外形パターンの位置情報に基づいて前記ワークＷの溶接加工経路Ｓを演算し、
(3)前記ＣＣＤカメラ１４ａの視野内に於いて出射されるレーザ光Ｌの焦点位置Ｒが前記溶接加工経路Ｓ上の溶接箇所に一致するように前記ワークＷ又は前記レーザ照射装置１６を移動させながら前記レーザ光Ｌを前記ワークＷの溶接箇所に照射すると共に、
(4)前記溶接加工経路Ｓに沿って前記レーザ光Ｌを前記ワークＷの溶接箇所に照射する際に、前記レーザ照射装置１６に前置され且つレーザ照射装置１６の移動と共にワークＷの外形に沿って該レーザ照射装置１６の周囲を回動可能に設置され、前記ワークＷの外形を撮像する前駆ＣＣＤカメラ２０ａを備えた補正パターン取得装置２０にて、前記レーザ光Ｌの進路前方に位置する前記ワークＷの外形の補正位置情報を取得し、
(5)該補正位置情報と予め前記パターン認識装置１４を介して取り込んである前記ワークＷの外形パターンの位置情報とを対比し、前記補正位置情報が、予め前記パターン認識装置１４で取り込んだ同位置における前記ワークＷの位置情報から乖離している場合には、前記補正位置情報に基づいて溶接加工経路Ｓを補正しながら溶接を行う
ことを特徴とするレーザ溶接方法である。【００１２】
この発明では、ワークＷの溶接に先立ち、当該ワークＷの溶接加工経路Ｓを特定するが、その際、パターン認識装置１４のＣＣＤカメラ１４ａでワークＷ表面の溶接箇所を直接撮影して溶接加工経路Ｓを特定するのではなく、ＣＣＤカメラ１４ａでワークＷの外形パターンを認識させる共に、当該外形パターンにおける全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４…についてその形状を特定する特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の原点に対する平面座標を読み取る。そして、この特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の平面座標に基づいてワークＷ表面における外形パターンを特定すると共に、特定された外形パターンの位置情報に基づいてワークＷの溶接加工経路Ｓを演算している。【００１３】
ここで、「コーナー部分についてその形状を特定する特異点」とは、コーナー部分の外形を形成する円弧の始点・終点・中心点や始点と終点とに挟まれた円弧上の中間点或いは変曲点など、コーナー部分の円弧形状を特定するために必要な点を云う。【００１４】
かかる構成により、ＣＣＤカメラ１４ａでワークＷの表面に設けられる溶接加工経路Ｓを撮影して当該経路Ｓの位置を特定する方法に比べて、目的とするパターン(すなわち、外形パターンであり、延いては溶接加工経路Ｓ)をより正確に且つ精度よく特定することができる。このため、ワークＷをワークテーブルＴに取り付ける際、治具Ｊの磨耗等によってクランプミスが生じた場合であっても、溶接が必要な箇所を確実に捕らえることができる。加えて、ＣＣＤカメラ１４ａで境界が明瞭なワークＷの外形を撮影しているので、このＣＣＤカメラ１４ａとして高解像度のものを必要とせず、解像度の低いものを使用できる結果、レーザ溶接装置１０全体の動作速度の向上を図ることもできる。【００１５】
そして、ワークＷの溶接加工経路Ｓの演算が完了すると、ワークＷの溶接が開始されるが、当該ワークＷを溶接加工経路Ｓに沿って連続的に溶接した場合、溶接時の熱膨張などによって予め演算した溶接加工経路Ｓと実際に溶接すべき溶接箇所との間にズレが生じることがある。特に、ワークＷが大型のものの場合や溶接加工経路が長い場合にこのようなズレが大きくなる。しかしながら、本発明では、ワークＷの溶接箇所にレーザ光Ｌを照射する際、補正パターン取得装置２０でレーザ光Ｌの進路前方に位置するワークＷ外形の補正位置情報を取得し、この補正位置情報と予めパターン認識装置１４を介して取り込んであるワークＷの外形パターンの位置情報とを対比し、補正位置情報が予めパターン認識装置１４で取り込んだ同位置におけるワークＷの外形パターンの位置情報から乖離している場合には、前記補正位置情報に基づいて溶接加工経路Ｓを補正するようにしている。このように、レーザ溶接が行われる直前に、溶接加工経路Ｓを補正して当該溶接加工経路Ｓが加工時点のワークＷの状態に合致するようにしているので、レーザ照射装置１６から照射されるレーザ光Ｌの焦点位置Ｒが溶接箇所からズレるのを未然に防止することができ、レーザ光Ｌの焦点位置Ｒを常に実際に溶接すべき箇所に合わせることができる。【００１６】
また、溶接加工経路Ｓの補正を行う際、補正パターン取得装置２０では、上述のパターン認識装置１４と同様に、その境界が極めて明瞭なワークＷの外形の画像に基づいてその位置情報(すなわち補正位置情報)を取得している。そして、境界が明瞭な外形の画像に基づいて取得された位置情報同士を対比して溶接加工経路Ｓを補正するようにしているので、非常に高い精度で溶接加工経路Ｓを補正することができ、当該溶接加工経路Ｓを実際の溶接箇所に完全に合致させることができる。なお、パターン認識装置１４を基準に、パターン認識装置１４に対する補正パターン取得装置２０の位置関係は後述するように一義的に決まっている。【００１７】
請求の範囲第２項に記載した発明は、請求項１に記載のレーザ溶接方法において、「前記ワークＷの前記外形パターンにおける全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４…についてその形状を特定する特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の平面座標を読み取るのと同時に、当該コーナー部分Ｃ１〜Ｃ４…において高さ方向にて複数撮像した画像の画素に基づいて各高さにおける合焦点検出データを順次取り出し、当該合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形Ｆのピーク値を求め、
前記特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の平面座標及び前記合焦点検出波形Ｆのピーク値に基づいて前記ワークＷ表面における外形パターンの位置情報を三次元にて特定する」ことを特徴とする。【００１８】
この発明では、前記ワークＷの前記外形パターンにおける全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４…についてその形状を特定する特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の平面座標を読み取るのと同時に、当該コーナー部分Ｃ１〜Ｃ４…において高さ方向にて複数撮像した画像の画素に基づいて各高さにおける合焦点検出データを順次取り出し、当該合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形Ｆのピーク値を求める。【００１９】
ここで、「合焦点検出データ」とは、ＣＣＤカメラ１４ａで撮像された画像の各微小部分を構成する画素(或いは隣接又は近接した複数の画素群)の輝度や彩度などのデータを抽出・加工することによって得られるデータを云い、「合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形Ｆのピーク値」は、ワークＷの高さ方向(Ｚ軸方向)における表面(上面)位置を特定する指標となる（なお、「合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形Ｆのピーク値」の求め方等については後述する）。【００２０】
そして、前記特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の平面座標及び前記合焦点検出波形Ｆのピーク値に基づいて前記ワークＷ表面における外形パターンの位置情報を三次元にて特定するようにしているので、かかる位置情報に基づいて演算されるワークＷの溶接加工経路Ｓは、実際に溶接に供されるワークＷの溶接箇所と三次元方向にて完全に一致する。従って、ワークＷが水平方向(Ｘ−Ｙ方向)のみならず高さ方向(Ｚ軸方向)にズレて配置された場合や傾斜した状態で固定された場合であっても、レーザ照射装置１６から照射されるレーザ光Ｌの焦点を常にワークＷの溶接箇所に合わせることができ、当該溶接箇所を一定の品質で確実に溶接することができる。【００２１】
請求の範囲第３項に記載した発明は、請求の範囲第１項又は第２項に記載のレーザ溶接方法において、「前記溶接加工経路Ｓの終点が前記溶接加工経路Ｓの始点を越えて、溶接部分がオーバーラップするように設定されている」ことを特徴とするもので、これにより、溶接加工経路Ｓに未溶接部分が生じるのを確実に防止することができる。【００２２】
請求の範囲第４項に記載した発明は、
(a)溶接加工用のレーザ光Ｌを発生させるレーザ発生装置１２と、
(b)前記レーザ発生装置１２で発生したレーザ光ＬをワークＷの溶接箇所に照射するレーザ照射装置１６と、
(c)前記レーザ発生装置１２と前記レーザ照射装置１６とを結ぶレーザトランスファ部材５４と、
(d)ワークテーブルＴ又は前記レーザ照射装置１６のいずれかを移動させる移動手段１８と、
(e)ＣＣＤカメラ１４ａを備え、ワークＷの外形パターンを認識するパターン認識装置１４と、
(f)前記レーザ照射装置１６に前置され且つレーザ照射装置１６の移動と共にワークＷの外形に沿って該レーザ照射装置１６の周囲を回動可能に設置された前駆ＣＣＤカメラ２０ａを備え、前記レーザ照射装置１６より照射される前記レーザ光Ｌの進路前方に位置する前記ワークＷの外形の補正位置情報を取得する補正パターン取得装置２０と、
(g1)ワークＷのレーザ溶接加工前にあっては前記パターン認識装置１４を通して認識されたワークＷの外形パターンを処理して少なくとも前記外形パターンにおける全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４…についてその形状を特定する特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の原点に対する平面座標を読み取り、前記特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の平面座標に基づいてワークＷの外形パターンの位置情報を取得し、且つ当該外形パターンの位置情報に基づいて溶接加工経路Ｓを演算し、
(g2)続いて前記ＣＣＤカメラ１４ａの視野内に於いて出射される前記レーザ光Ｌの焦点位置Ｒが前記溶接加工経路Ｓ上の溶接箇所に一致するように前記移動手段１８にてワークＷ又はレーザ照射装置１６を移動させながらレーザ光ＬをワークＷの溶接箇所に照射してレーザ溶接加工を行わせると共に、
(g3)前記溶接加工経路Ｓに沿って前記レーザ光Ｌを前記ワークＷに照射する際に、前記補正パターン取得装置２０を通して取得された補正位置情報と予め前記パターン認識装置１４を介して取り込んである前記ワークＷの外形パターンの位置情報とを対比し、前記補正位置情報が、予め前記パターン認識装置１４で取り込んだ同位置における前記ワークＷの位置情報と乖離している場合には、前記補正位置情報に基づいて溶接加工経路Ｓを補正する制御装置Ａとで構成されている
ことを特徴とするレーザ溶接装置１０で、これにより、請求の範囲第１項に記載のレーザ溶接方法を実施することができる。【００２３】
また、このレーザ溶接装置１０では、レーザ溶接後に再度パターン認識装置１４を作動させつつワークＷに沿って移動させてワークＷの溶接後の画像データを採取し、当該画像データに基づいてワークＷの溶接品質の良否を判定することができると共に、溶接部分の品質について全数検査することも可能である。【００２４】
請求の範囲第５項に記載した発明は、請求の範囲第４項に記載のレーザ溶接装置１０において、「前記パターン認識装置１４が、前記ワークＷの前記コーナー部分Ｃ１〜Ｃ４…において高さ方向にて複数の画像を撮像すると共に、
前記制御装置Ａが、前記ワークＷの前記外形パターンにおける全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４…についてその形状を特定する特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の平面座標を読み取るのと同時に、当該コーナー部分Ｃ１〜Ｃ４…において高さ方向にて複数撮像した画像の画素に基づいて各高さにおける合焦点検出データを順次取り出し、当該合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形Ｆのピーク値を求め、前記特異点Ｐ１〜Ｐ１２…の平面座標及び前記合焦点検出波形Ｆのピーク値に基づいて前記ワークＷ表面における外形パターンの位置情報を三次元にて特定する」ことを特徴とするもので、これにより、請求の範囲第２項に記載のレーザ溶接方法を実施することができる。【００２５】
請求の範囲第６項に記載した発明は、請求項４又は５に記載のレーザ溶接装置１０において、「補正パターン取得装置２０のワークＷに近接する先端側には、前駆ＣＣＤカメラ２０ａにレーザ光Ｌ及び溶接光が入光しないよう遮蔽する遮光部材２０ｂが取り付けられている」ことを特徴とするもので、これにより、補正パターン取得装置２０をレーザ光Ｌの近傍に配備することができると共に、レーザ発生装置１２より出力される溶接用のレーザ光Ｌが、連続発振，パルス発振，Ｑスイッチパルス発振，シングルモードなどの何れの手法で出力される場合であっても、前駆ＣＣＤカメラ２０ａでレーザ光Ｌの進路前方に位置するワークＷの外形の画像を撮像することができる。その結果、係る画像に基づいて上述のように非常に高い精度で溶接加工経路Ｓを補正することができる。
【発明の効果】
【００２６】
請求の範囲第１項及び第４項に記載した発明によれば、ワークにレーザ光を照射する際、補正パターン取得装置で取得されたレーザ光の進路前方に位置するワークの外形の補正位置情報と予めパターン認識装置を介して取り込んである同位置におけるワークの外形パターンの位置情報とを対比して溶接加工経路を補正するようにしているので、レーザ照射装置から照射されるレーザ光の焦点位置が溶接箇所からズレるのを未然に防止することができ、レーザ光Ｌの焦点位置Ｒを常に実際に溶接すべき箇所に合わせることができる。【００２７】
請求の範囲第２項及び第５項に記載した発明によれば、上記効果に加え、ワークの外形パターンの位置情報を三次元にて特定した後、係る位置情報に基づいて溶接加工経路を演算しているので、ワークＷが水平方向(Ｘ−Ｙ方向)のみならず高さ方向(Ｚ軸方向)にズレて配置された場合や傾斜した状態で固定された場合であっても、レーザ照射装置から照射されるレーザ光の焦点を常にワークの溶接箇所に合わせることができ、当該溶接箇所を一定の品質で確実に溶接することができる。それ故、ワークの大小にかかわらず、ワークのレーザ溶接加工時におけるレーザ光の焦点を高精度で所定の溶接加工位置に合わせることができる。【００２８】
請求の範囲第３項に記載した発明によれば、溶接加工経路に未溶接部分が生じるのを確実に防止することができるので、例えばワークである角型電池について本発明のレーザ溶接方法を用いて開口部の封口を行った場合には、電解質の漏洩や耐圧性の不足による電池の破裂と云った問題を確実に解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明に係る一実施例のレーザ溶接装置のブロック回路図である。
【図２】本発明に使用されるレーザ照射装置の一例を示す説明図である。
【図３】本発明に係るパターン認識装置により認識されるワークのコーナー部分の一例を示す画像図である。
【図４】本発明におけるワークの溶接手順の一例を示す説明図である。
【図５】本発明におけるワークの溶接加工時状況の一例を示す説明図である。
【図６】コーナー部分の合焦点検出位置における特徴量に基づく代表的な波形を示す図である。
【符号の説明】
【００３０】
１０…レーザ溶接装置
１２…レーザ発生装置
１４…パターン認識装置
１４ａ…ＣＣＤカメラ
１６…レーザ照射装置
１８…移動手段
２０…補正パターン取得装置
２０ａ…前駆ＣＣＤカメラ
２０ｂ…遮光部材
Ａ…制御装置
Ｆ…合焦点検出波形
Ｐ１〜Ｐ１２…各コーナー部分の形状を特定する特異点
Ｒ…(レーザ光の)焦点位置
Ｓ…溶接加工経路
Ｌ…レーザ光
Ｗ…ワーク
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
以下、本発明を図面に従って詳述する。図１は本発明に係る一実施例(第１実施例)のレーザ溶接装置１０のブロック回路図である。この図が示すように、本実施例のレーザ溶接装置１０は、大略、レーザ発生装置１２，パターン認識装置１４，レーザ照射装置１６，移動手段１８，補正パターン取得装置２０及び制御装置Ａで構成されている。【００３２】
レーザ発生装置１２は、ＹＡＧ(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)ロッド２２と、その両側に配置されたシャッタ２４，２６と、ＹＡＧロッド２２に光を投入する励起ランプ２８と、励起ランプ２８を印加する電源３０と、励起ランプ２８及びＹＡＧロッド２２を収納するハウジング３２を冷却するクーラ３４と、光軸合わせ用のＨｅ−Ｎｅレーザ３６と、Ｈｅ−Ｎｅレーザ３６から照射された光の進行方向を変える反射ミラー３８と、反射ミラー３８と図中左側のシャッタ２４との間に設置された全反射ミラー４０と、シャッタ２６の前方に配置された出力ミラー４２とで構成されている。レーザ光Ｌは、例えば、連続発振，パルス発振，Ｑスイッチパルス発振，シングルモードなどの手法により出力される。【００３３】
パターン認識装置１４は、ワークＷの表面の画像を撮像すると共に、撮像した画像を解析してデジタル信号に変換するＣＣＤカメラ１４ａを有する。このＣＣＤカメラ１４ａは制御装置Ａ内のＣＰＵ６０に接続されている。このため、パターン認識装置１４で取り込んだワークＷの外形パターンは、デジタル信号に変換されＣＰＵ６０に送り込まれるようになっている。又、図中４４はワーク照明用の光源で、光ファイバーケーブル４６を介してカプラ５２ｂに隣接して配置されている入光端子４８にてレーザ照射装置１６に入光するようになっており、この入光した光は、透過型全反射ミラー５６を介して光学系５０を通過し、ワークＷ上を照射するようになっている。【００３４】
レーザ照射装置１６は、シングルレンズ，ダブルレットレンズ，トリプルレットレンズ，平凸レンズ，シリンドリカルレンズ，その他各種レンズ系を組み合わせた光学系５０で構成されており、カプラ５２ａ，５２ｂを介してレーザ発生装置１２とレーザ照射装置１６とがレーザトランスファ部材５４で接続され、レーザ光Ｌがレーザ照射装置１６に入力するようになっている。本実施例では、このレーザ照射装置１６とパターン認識装置１４とが一体型になっており、後述の移動手段１８に設置されている。【００３５】
図中５６は、レーザ照射装置１６の光学系５０内に組み込まれた透過型の全反射ミラーで、カプラ５２ｂからレーザ照射装置１６内に入力されたレーザ光Ｌ並びに照明用光、光軸合わせ用のレーザ光を全反射するようになっている。ここで、この全反射ミラー５６にて全反射されるこれらの光の光軸は、パターン認識装置１４へ入力する光の光軸と一致するようになっており、レーザ光ＬがＣＣＤカメラ１４ａの視野内に於いて出射されるようになっている。又、本実施例のレーザ溶接装置１０では、パターン認識装置１４に備えられたＣＣＤカメラ１４ａの焦点位置がレーザ照射装置１６によって照射されるレーザ光Ｌの焦点位置Ｒと略一致するように設定されている。従って、ＣＣＤカメラ１４ａの焦点すなわちピントの合う位置がレーザ光Ｌの集中する溶接加工位置Ｙである（図２参照）。【００３６】
移動手段１８は、例えば３軸のネジ機構とサーボモータ(又はステッピングモータ)とが組み合わされ、ガイドレールに沿って三次元相対移動する相対移動装置のようなもので、ワークＷが例えばベルトコンベアのような搬送装置上に載せられて間欠移動するような場合にはパターン認識装置１４とレーザ照射装置１６とにこの移動手段１８ａ(１８)が設置される。なお、ワークＷが前述のような搬送装置に載置されず、バッチ式に手でワークテーブルＴに設置されるような場合には、ワークテーブルＴを移動手段１８ｂ(１８)上に設置するようにしてもよい。【００３７】
補正パターン取得装置２０は、ワークＷの外形を撮像すると共に、撮像した画像を解析してデジタル信号に変換する前駆ＣＣＤカメラ２０ａを有する。この前駆ＣＣＤカメラ２０ａは制御装置Ａ内のＣＰＵ６０に接続されている（図１参照）。このため、補正パターン取得装置２０で取り込んだワークＷの外形は、デジタル信号に変換されＣＰＵ６０に送り込まれるようになっている。この補正パターン取得装置２０は、レーザ照射装置１６に前置されると共に、旋回手段５８を介してレーザ照射装置１６に一体的に取り付けられ、且つレーザ照射装置１６の移動と共にワークＷの外形に沿って該レーザ照射装置１６の周囲を回動可能に設置されている。【００３８】
ここで、補正パターン取得装置２０を担持して旋回する旋回手段５８は、図示しないが、例えばステッピングモータ或はサーボモータと、前記モータの回転軸に取り付けられた駆動ギアと、レーザ照射装置１６の周囲に設けられ、前記駆動ギアに噛合するガイドギアとで構成され、前記デジタル信号に基づくＣＰＵ６０からの駆動信号によって制御されている。勿論、旋回手段５８の態様はこれに限定されないことは言うまでもない。なお、このような旋回手段５８を介してレーザ照射装置１６に取り付けられた補正パターン取得装置２０は、レーザ照射装置１６が照射するレーザ光Ｌの光軸を中心とした所定の半径の円軌道上を移動するようになる。【００３９】
また、レーザ照射装置１６から照射されるレーザ光Ｌの焦点と前駆ＣＣＤカメラ２０ａの焦点とは、その高さ方向(Ｚ軸方向)の位置が等しくなるように設定されている。【００４０】
そして、補正パターン取得装置２０のワークＷに近接する先端側には、前駆ＣＣＤカメラ２０ａの装備された補正パターン取得装置２０の内部にレーザ光及び溶接時の溶接光が入光されないよう遮蔽する円筒状の遮光部材２０ｂが取り付けられている。このため、補正パターン取得装置２０をレーザ照射装置１６より照射されるレーザ光Ｌの近傍に配備することができ、又、レーザ発生装置１２より出力される溶接用のレーザ光Ｌが、連続発振，パルス発振，Ｑスイッチパルス発振，シングルモードなどの何れの手法で出力される場合であっても影響されることなく、前駆ＣＣＤカメラ２０ａでレーザ光Ｌの進路前方に位置するワークＷの外形の画像を撮像することができる。なお、図示しないが、この遮光部材２０ｂには、前駆ＣＣＤカメラ２０ａの視野内すなわち遮光部材２ｂの内部を明るく照らす照明装置が取り付けられており、係る照明装置を点灯させることによって前駆ＣＣＤカメラ２０ａでレーザ光Ｌの進路前方に位置するワークＷの外形の画像をより鮮明に撮像することができるようになる。【００４１】
制御装置Ａは、ＣＰＵ６０，ＲＯＭ６２，ＲＡＭ６４，駆動制御部６６，補正用駆動制御部６８，外部モニタ７０及びキーボードなどの入力装置７２で構成されており、ＲＯＭ６２にはレーザ溶接装置１０の加工手順が全てプログラミングされている。又、ＲＡＭ６４にはパターン認識装置１４や補正パターン取得装置２０で取り込んだワークＷの外形等の各種信号が記憶されるようになっている。駆動制御部６６は移動手段１８の制御用のもので、ＣＰＵ６０に接続され、ＣＰＵ６０の指令の元に移動手段１８を二次元或いは三次元的に移動させるようになっている。補正用駆動制御部６８は補正パターン取得装置２０の制御用のもので、ＣＰＵ６０に接続され、ＣＰＵ６０の指令の元に旋回手段５８を作動させるようになっている。外部モニタ７０はパターン認識装置１４で取り込んだワークＷの溶接箇所のパターンを映し出すためのものである。入力装置７２はＣＰＵ６０の条件設定をオペレータが手で入力するためのものである。【００４２】
次に、本実施例のレーザ溶接装置１０の作用について説明する。まず始めにワークＷを治具Ｊなどの固定手段を用いてワークテーブルＴにセットし、パターン認識装置１４を作動させる。すると、ワークＷの外形をＣＣＤカメラ１４ａの視野内に捕らえつつ、パターン認識装置１４がワークＷの外形に沿って一周走行する(図４参照)。これによりワークＷの外形パターンがパターン認識装置１４によって認識され、その画像がデジタル信号化されてＣＰＵ６０に送られる。その際、ＣＰＵ６０では、ワークＷの外形パターンの中から全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４についてその形状を特定する特異点Ｐ１〜Ｐ１２の原点に対する平面座標(より具体的には、本実施例の場合、ワークテーブルＴ上に設けた基準点(0,0)を原点とする平面座標)が読み取られ、この特異点Ｐ１〜Ｐ１２の平面座標に基づいてワークＷの外形パターンの位置情報が取得される。【００４３】
なお、ＣＣＤカメラ１４ａにて捕らえられる画像のデータはＣＰＵ６０を介して外部モニタ７０に送られ、例えば図３に示すような外形パターンが外部モニタ７０に映し出される。又、パターン認識装置１４は、透過性全反射ミラー５６を透過し、光学系５０を通してワークＷの表面を観察している。【００４４】
外部モニタ７０に映し出された図３のワークＷの映像では、パターン認識装置１４によって認識されたワークＷの外形パターンの中からコーナー部分Ｃ１の形状を特定する特異点Ｐ１〜Ｐ３を読み取る場合を表わしている。ここで、「コーナー部分の形状を特定する特異点」とは、コーナー部分の外形を形成する円弧の始点・終点・中心点や始点と終点とに挟まれた円弧上の中間点或いは変曲点など、コーナー部分の円弧形状を特定するために必要な点を云い、図３に示す実施例では、円弧の始点Ｐ１，終点Ｐ３及び前記始点Ｐ１と終点Ｐ３とに挟まれた円弧状の中間点Ｐ２が「コーナー部分Ｃ１の形状を特定する特異点」としてその原点に対する平面座標が制御装置Ａによって読み取られ、係る点により特定される円弧の半径ｒのデータと共にＲＡＭ６４に記録されるようになっている。【００４５】
本実施例のレーザ溶接装置１０では、図４に示すように、ワークＷの外形パターンにおける全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４について特異点Ｐ１〜Ｐ１２の平面座標が制御装置Ａによって読み取られるようになっている。このように全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４について特異点Ｐ１〜Ｐ１２の原点に対する平面座標を読み取れば、これらの点を繋ぐことにより、ワークＷの外形パターンについて水平方向(Ｘ−Ｙ方向)の位置情報を特定することができる。なお、本実施例では、全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４の形状を特定する特異点Ｐ１〜Ｐ１２についてのみ平面座標を読み取るようにしているが、これに加えてワークＷの外形パターンにおける他の部分(例えば、直線部分)の平面座標も読み取るようにしてもよい。但し、平面座標を読み取るポイントが増えれば、ワークＷの外形パターンの水平方向の位置情報をより一層精度よく特定することができるようになるが、データ処理に時間がかかるようになり、レーザ溶接装置１０の稼働効率が若干低下するようになる。【００４６】
続いて、ＣＰＵ６０において、以上のように取得された特異点Ｐ１〜Ｐ１２の平面座標に基づいてワークＷの外形パターンの位置情報が特定されると共に、当該位置情報に基づいてワークＷの溶接加工経路Ｓが演算される。具体的には、入力装置７２を用いてＣＰＵ６０に所定の信号(数値等)を入力し、外形パターン全体をワークＷ表面の中心方向に向けて所定距離αだけ移動させ、当該パターンをワークＷ表面の溶接箇所と一致させる。これにより、ワークＷの溶接加工経路Ｓが演算されることになる。演算されたワークＷの溶接加工経路ＳはＲＡＭ６４に記憶されると共にＣＰＵ６０からレーザ照射装置１６，駆動制御部６６及び補正用駆動制御部６８に与えられる。なお、ＣＰＵ６０によって特定されたワークＷの外形パターンの位置情報も、補正パターン取得装置２０の駆動や後述する補正位置情報との対比に使用されるため、ＲＡＭ６４に記録される。【００４７】
そして、溶接加工経路Ｓが演算されたところで、移動手段１８によってレーザ照射装置１６が(予め入力装置７２を用いて設定した)ワークＷの溶接加工経路Ｓ上の始点(ＳＴＡＲＴ)に位置決めされ、レーザ発生装置１２が作動してレーザ光Ｌが照射される。レーザ光Ｌは一方のカプラ５２ａ、レーザトランスファ部材５４から他方のカプラ５２ｂを通ってレーザ照射装置１６内に入り、透過性全反射ミラー５６で全反射した後、光学系５０を通ってワークＷの溶接箇所に集光され、正確に溶接加工位置Ｙを加熱して溶接する。【００４８】
また、溶接開始と同時に、演算された溶接加工経路Ｓに基づいて駆動制御部６６が移動手段１８を作動させ、レーザ光Ｌの焦点位置Ｒが溶接加工経路Ｓに一致するようにレーザ照射装置１６又はワークＷの移動が開始される。【００４９】
さらに、ワークＷの外形パターンの位置情報に基づいて補正用駆動制御部６８が旋回手段５８を作動させ、補正パターン取得装置２０がレーザ光Ｌの進路前方に位置するワークＷの外形を撮像するように配置され、以降、補正パターン取得装置２０は、補正用駆動制御部６８及び旋回手段５８によってレーザ光Ｌの光軸を中心とした所定の半径の円軌道上を回動してレーザ光Ｌの進路前方に位置するワークＷの外形をトレースするように駆動制御される。【００５０】
そして、補正パターン取得装置２０では、レーザ光Ｌの進路前方に位置するワークＷの外形の補正位置情報が取得され、当該補正位置情報に基づいて以下に例示するような方法で溶接加工経路Ｓが補正される（なお、溶接加工経路Ｓの補正方法は以下の例に限定されるものではない）。【００５１】
すなわち、前駆ＣＣＤカメラ２０ａにより所定の間隔にてレーザ光Ｌの進路直前に近接するワークＷの外形の画像が撮像され、撮像された画像がデジタル処理される。その際、当該外形の原点に対する平面座標が読み取られ、この座標が補正位置情報としてＣＰＵ６０へと送られ、この時必要があればＣＰＵ６０ではＣＣＤカメラ１４ａの光軸(換言すれば、レーザ光Ｌの焦点位置Ｒ)と前駆ＣＣＤカメラ２０ａの光軸との関係が演算される。【００５２】
ここで、前駆ＣＣＤカメラ２０ａによるワークＷ外形の撮像間隔(コマ間隔)は、レーザ照射装置１６の溶接スピードや溶接痕(ナゲット)の大きさ等に応じて適宜設定され、例えば、同装置１６の溶接スピードが５０ｍｍ／秒であり且つ溶接によって形成されるナゲットの直径が１〜数ｍｍ程度である場合には、前駆ＣＣＤカメラ２０ａの撮像間隔が１０ｍｓ(ミリ秒)前後に設定される。【００５３】
続いて、ＣＰＵ６０では、補正パターン取得装置２０より送られて来たワークＷの外形の補正位置情報が、予めパターン認識装置１４を介して取り込まれＲＡＭ６４に記憶されている同位置におけるワークＷの外形パターンの位置情報と対比される。例えば、図５に示すように、溶接時の熱等の影響によりワークＷが膨張して外形の直線部分が伸び、予めパターン認識装置１４を介して取り込んであるワークＷの外形パターンの位置情報(図中の点線部分)に含まれるコーナー部分の始点Ｐ７がＰ７+に移動した場合、レーザ照射装置１６の進路前方を走行する補正パターン取得装置２０にて取り込むワークＷの外形の補正位置情報(図中の太線部分)の中にコーナー部分の始点Ｐ７+が出現するまで溶接加工経路Ｓの直線部分が延長される。当該補正位置情報の中にコーナー部分の始点Ｐ７+が出現すると、ＣＰＵ６０では、直ちに補正パターン取得装置２０で取得した補正位置情報に基づいて先に演算した溶接加工経路Ｓ(図中の二点鎖線部分)が実際に溶接の必要な箇所(図中の細線部分)と合致するよう補正される。すなわち、図５に示す例の場合、ＣＰＵ６０によってワークＷ外形の直線部分の伸び(Ｐ７+−Ｐ７)が演算され、この演算結果に基づいて予め演算した溶接加工経路Ｓの直線部分がワークＷ外形の延びに合致するようＲ７からＲ７+まで延長(補正)される。なお、Ｒ７及びＲ７+は、それぞれコーナー部分の始点Ｐ７及びＰ７+に対応する溶接箇所である。【００５４】
そして、補正後の溶接加工経路Ｓ+(図中の細線部分)を示すデータがＲＡＭ６４及び駆動制御部６６へと送られ、以降、この補正後の溶接加工経路Ｓ+でレーザ溶接装置１０が制御され、Ｒ７+まで溶接が成される。【００５５】
これに対し、例えばワークＷが小型であってワークＷの直線部分に伸びが生じていない場合や、例え伸びが発生してもワークＷが小さくその伸びがナゲットの有効溶接範囲内である場合には、溶接加工経路Ｓの補正は行われず、予め演算した溶接加工経路Ｓに沿ってＲ７までレーザ溶接が行われる。【００５６】
次に、ワークＷのコーナー部分の始点Ｐ７+に対応するＲ７+(又はＲ７)まで溶接が完了すると、これ以降、コーナー部分(円弧部分)の溶接に入るが、直線部分は伸びたが図５に示すようにワークＷのコーナー部分に変形がない場合や、例え変形があったとしてもその変形がナゲットの有効溶接範囲内である場合には、溶接加工経路Ｓ+の補正は行われず、溶接加工経路Ｓ+に沿ってレーザ溶接が行われる。【００５７】
一方、例えばワークＷが大型であって直線部分が伸び且つワークＷのコーナー部分にナゲットの有効溶接範囲を超える変形が生じている場合には、以下のように溶接加工経路Ｓ+の補正が行われる。すなわち、先行している補正パターン取得装置２０は既にコーナー部分の補正位置情報を取得しているので、ＣＰＵ６０では当該補正位置情報と予めパターン認識装置１４を介して取り込まれている当該コーナー部分の位置情報とが対比される。前述の通り、溶接加工経路ＳはワークＷの外形パターン全体をワークＷ表面の中心方向に向けて所定距離αだけ移動させて求められるため、ＣＰＵ６０では補正位置情報にて示される変形したワークＷのコーナー部分の外形を、変形したワークＷ表面の中心方向に向けて所定距離αだけ移動させて、当該コーナー部分の補正後の溶接加工経路Ｓ++(図示せず)が求められる。【００５８】
そして、このようにして得られた補正後の溶接加工経路Ｓ++を示すデータがＲＡＭ６４及び駆動制御部６６へと送られ、以降、この補正後の溶接加工経路Ｓ++でレーザ溶接装置１０が制御され、当該コーナー部分の終点まで溶接が成される。【００５９】
なお、直線部分が伸びていないか或いは伸びが発生してもその伸びがナゲットの有効溶接範囲内であるが、ワークＷのコーナー部分にナゲットの有効溶接範囲を超える変形が生じている場合にも、上記と同じ方法で溶接加工経路Ｓのコーナー部分の補正が行なわれる。【００６０】
本実施例のレーザ溶接装置１０では、以上のような補正が溶接加工経路Ｓにおける必要部分又は全体において繰り返され、図３に示すように、溶接部分がオーバーラップするよう設定された終点(ＥＮＤ)まで溶接が行われ、ワークＷの溶接が完了する。ここで、このように溶接加工経路Ｓの終点(ＥＮＤ)が溶接加工経路Ｓの始点(ＳＴＡＲＴ)を越えて、溶接部分がオーバーラップするように設定することより、溶接加工経路Ｓに未溶接部分が生じるのを確実に防止することができる。【００６１】
なお、上記レーザ溶接は、ワークＷの溶接加工位置Ｙにアシストガスを噴射し、アシストガス雰囲気中で行われる。アシストガスとしては、例えば活性ガスとしては酸素ガスが使用され、不活性ガスとして窒素ガス、アルゴンガスなどが一般的に使用される。【００６２】
また、調整においてパターン認識装置１４とレーザ照射装置１６のレーザ光Ｌの光軸を一致させておく必要があるが、光軸合わせにはＨｅ−Ｎｅレーザ３６が使用される。すなわち、Ｈｅ−Ｎｅレーザ３６から出たレーザ光は反射ミラー３８にて反射され、全反射ミラー４０、シャッタ２４、ＹＡＧロッド２２、シャッタ２６、出力ミラー４２を通って透過性全反射ミラー５６に反射され、光学系５０を通ってワークＷの溶接加工位置Ｙに達する。ここで、Ｈｅ−Ｎｅレーザ３６のレーザ光とパターン認識装置１４の光軸とが一致しておけば、ＹＡＧロッド２２のレーザ光Ｌの光軸とパターン認識装置１４の光軸とが一致していることになる。【００６３】
本実施例のレーザ溶接装置１０によれば、ワークＷの溶接に先立ち、当該ワークＷの溶接加工経路Ｓを特定するが、その際、パターン認識装置１４のＣＣＤカメラ１４ａでワークＷ表面の溶接箇所を直接撮影して溶接加工経路Ｓを特定するのではなく、ＣＣＤカメラ１４ａでワークＷの外形パターンを認識させる共に、当該外形パターンにおける全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４についてその形状を特定する特異点Ｐ１〜Ｐ１２の原点に対する平面座標を読み取る。そして、この特異点Ｐ１〜Ｐ１２の平面座標に基づいてワークＷ表面における外形パターンを特定すると共に、特定された外形パターンの位置情報に基づいてワークＷの溶接加工経路Ｓを演算している。従って、ＣＣＤカメラ１４ａでワークＷの表面に設けられる溶接加工経路Ｓを撮影して当該経路Ｓの位置を特定する方法に比べて、目的とするパターンをより正確に且つ精度よく特定することができる。このため、ワークＷをワークテーブルＴに取り付ける際、治具Ｊの磨耗等によってクランプミスが生じた場合であっても、溶接が必要な箇所を確実に捕らえることができる。加えて、ＣＣＤカメラ１４ａで境界が明瞭なワークＷの外形を撮影しているので、このＣＣＤカメラ１４ａとして高解像度のものを必要とせず、解像度の低いものを使用できる結果、レーザ溶接装置１０全体の動作速度の向上を図ることもできる。【００６４】
そして、ワークＷの溶接加工経路Ｓの演算が完了すると、ワークＷの溶接が開始されるが、当該ワークＷを溶接加工経路Ｓに沿って連続的に溶接した場合、溶接時の熱膨張などによって予め演算した溶接加工経路Ｓと実際に溶接すべき溶接箇所との間にズレが生じることがある。特に、ワークＷが大型のものの場合や溶接加工経路が長い場合にこのようなズレが大きくなる。しかしながら、本発明では、ワークＷの溶接箇所にレーザ光Ｌを照射する際、補正パターン取得装置２０でレーザ光Ｌの進路前方に位置するワークＷ外形の補正位置情報を取得し、この補正位置情報と予めパターン認識装置１４を介して取り込んであるワークＷの外形パターンの位置情報とを対比し、補正位置情報が予めパターン認識装置１４で取り込んだ同位置におけるワークＷの外形パターンの位置情報から乖離している場合には、前記補正位置情報に基づいて溶接加工経路ＳをＳ+(更にはＳ++…)に補正するようにしている。このように、レーザ溶接が行われる直前に、溶接加工経路Ｓを補正して、当該溶接加工経路Ｓが加工時点のワークＷの状態に合致するようにしているので、レーザ照射装置１６から照射されるレーザ光Ｌの焦点位置Ｒが溶接箇所からズレるのを未然に防止することができ、レーザ光Ｌの焦点位置Ｒを常に実際に溶接すべき箇所に合わせることができる。【００６５】
また、溶接加工経路Ｓの補正を行う際、補正パターン取得装置２０では、上述のパターン認識装置１４と同様に、その境界が極めて明瞭なワークＷの外形の画像に基づいてその位置情報(すなわち補正位置情報)を取得している。そして、境界が明瞭な外形の画像に基づいて取得された位置情報同士を対比して溶接加工経路Ｓを補正するようにしているので、非常に高い精度で溶接加工経路Ｓを補正することができ、当該溶接加工経路Ｓを実際の溶接箇所に完全に合致させることができる。【００６６】
次に、第２実施例のレーザ溶接装置１０について説明する。上述した第１実施例のレーザ溶接装置１０と異なる部分は、パターン認識装置１４が、ワークＷの外形パターンにおける全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４において高さ方向にて複数の画像を撮像する点、及び制御装置Ａ(より具体的にはＣＰＵ６０)が、ワークＷの外形パターンにおける全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４についてその形状を特定する特異点Ｐ１〜Ｐ１２の平面座標を読み取るのと同時に、当該コーナー部分Ｃ１〜Ｃ４において高さ方向にて複数撮像した画像の画素に基づいて各高さにおける合焦点検出データを順次取り出し、当該合焦点検出データの変化に基づく合焦点検出波形Ｆのピーク値を求め、特異点Ｐ１〜Ｐ１２の平面座標及び合焦点検出波形Ｆのピーク値に基づいてワークＷ表面における外形パターンの位置情報を三次元にて特定する点にある。なお、これら以外の部分は前記第１実施例と同じであるので、上記第１実施例の説明を援用して本実施例の説明に代える。【００６７】
本実施例のレーザ溶接装置１０では、上述の第１実施例の場合と同様に、まず始めに、パターン認識装置１４にてワークＷの外形パターンが認識されると共に、制御装置ＡによってワークＷの外形パターンにおける全てのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４について特異点Ｐ１〜Ｐ１２の平面座標が読み取られる。【００６８】
そして、特異点Ｐ１〜Ｐ１２の平面座標を読み取ったワークＷのコーナー部分Ｃ１〜Ｃ４については、ワークＷに対してパターン認識装置１４を近接離間等させて高さ方向にて複数の画像が撮像され、当該画像に基づいて各高さにおける合焦点検出データが取り出されＲＡＭ６４に記録される。ここで、「合焦点検出データ」とは、ＣＣＤカメラ１４ａで撮像された画像の各微小部分を構成する画素（或いは隣接又は近接した複数の画素群）から輝度や彩度などのデータを抽出・加工することによって得られたデータである。ＲＡＭ６４に各高さにおける合焦点検出データの蓄積が終了すると、次に、各コーナー部分毎に合焦点検出データの変化量をプロットして図６に示すよう合焦点検出波形Ｆを描き、そのピーク値を求める。【００６９】
図６における二点鎖線は、ＣＣＤカメラ１４ａをワークＷに対して近接離間させながら当該ＣＣＤカメラ１４ａでワークＷを撮像した際の撮像位置ｔを示している。本実施例では、撮像位置ｔと合焦点検出位置との交点の画素の輝度を合焦点検出データ(特徴量)として録取しており、ＣＣＤカメラ１４ａの焦点及び当該焦点と略同一に合わされたレーザ光Ｌの焦点がワークＷの角部Ｅに近い位置にあるほどピントがあっているため画素より検出される輝度(又は濃淡)が高くなる。従って、高さ方向での移動範囲におけるこれら合焦点検出データ(輝度等)をプロットすると、図６の左側に示すように、ＣＣＤカメラ１４ａ及びレーザ光Ｌの焦点がワークＷの角部Ｅに近い位置にあるほど合焦点検出データ(輝度等)の値が高くなる合焦点検出波形Ｆが生成される。換言すれば、この合焦点検出波形Ｆのピーク値がレーザ照射装置１６から照射されるレーザ光Ｌの焦点距離に一致する合焦点位置であると判定することができる。【００７０】
続いて、ＣＰＵ６０において、以上のように取得された特異点Ｐ１〜Ｐ１２の平面座標及び合焦点検出波形Ｆのピーク値に基づいてワークＷの外形パターンの位置情報が三次元的に特定され、以下、上述の第１実施例と同様に、ワークＷの外形パターンの位置情報に基づいてワークＷの溶接加工経路Ｓが演算され、補正位置情報に基づいて当該溶接加工経路Ｓを補正しながらレーザ溶接が行われる。【００７１】
本実施例のレーザ溶接装置１０によれば、特異点Ｐ１〜Ｐ１２の平面座標及び合焦点検出波形Ｆのピーク値に基づいてワークＷ表面における外形パターンの位置情報を三次元にて特定するようにしているので、かかる軌跡に基づいて演算されるワークＷの溶接加工経路Ｓは、実際に溶接に供されるワークＷの溶接箇所と三次元方向にて完全に一致する。従って、ワークＷが水平方向(Ｘ−Ｙ方向)のみならず高さ方向(Ｚ軸方向)にズレて配置された場合や傾斜した状態で固定された場合であっても、レーザ照射装置１６から照射されるレーザ光Ｌの焦点を常にワークＷの溶接箇所に合わせることができ、当該溶接箇所を一定の品質で確実に溶接することができる。
【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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【国際調査報告】
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