(57)【要約】  本発明は、溶接ビーム用の少なくとも１つのビーム路及び第１測定位置において溶接位置を光学的に検出する手段を含む、金属部品を溶接するレーザービーム溶接ヘッドであって、溶接位置を光学的に検出する手段によって、溶接方向において、溶接ビームの溶接位置の先方に第１測定位置の配置を可能にし、そして少なくとも所望位置からの溶接の横方向のずれに応じて、溶接ビームの溶接位置を補正する補正信号を発生する前記レーザービーム溶接ヘッド、並びに対応するレーザービーム溶接ヘッドの使用に関する。さらに、本発明は、金属部品をビーム溶接する方法であって、溶接ビームの溶接位置の先方の第１測定位置において光学的検出手段を用いて溶接位置を決定し、そして所望の位置からの溶接位置のずれに応じて補正信号を発生する、前記方法に関する。特に事前の計算をしないで、発生する補正信号を、溶接ビーム（２）の溶接位置（８）を補正する手段を作動させるために直接使用することができるような方法で選択される、溶接ビーム（２）の溶接位置（８）の先の第１測定位置（９）の間隔によって、非常に高精度な位置及び同時に高速度溶接を実現することが可能であるレーザービーム溶接ヘッド及び金属部品のビーム溶接方法を提供する問題を解決する。
2009525186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ビーム（２）用の少なくとも１つのビーム路と第１測定位置（９）においてシーム溶接位置を光学的に獲得する手段とを有する、金属部品を溶接するためのレーザービーム溶接ヘッド（１）であって、
シーム溶接位置を光学的に獲得する前記手段によって、少なくとも溶接方向（６）において、溶接ビーム（２）の溶接位置（８）の先方を第１測定位置（９）が進行する配置を可能にし、そして、少なくとも、基準位置からのシーム溶接の横方向のずれに応じて、溶接ビーム（２）の溶接位置（８）を補正するための補正信号を発生し、
発生する補正信号を直接使用して、特には、先行する進行の計算を行わないで、
溶接ビーム（２）の溶接位置（８）を補正する手段（７）を作動することができるような方法で、先方を進行する第１測定位置（９）から溶接ビーム（２）の溶接位置（９）までの距離間隔を選択することを特徴とする、前記レーザービーム溶接ヘッド。
【請求項２】
第１測定位置（９）から溶接ビーム（２）の溶接位置（８）までの距離間隔が、最大３ｍｍ、好ましくは最大２ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項３】
溶接位置を変更するために、溶接ビーム（２）のビーム路内に、補正信号により作動することが可能である少なくとも１つのアクチュエーター素子（７）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項４】
アクチュエーター素子として、少なくとも１つの角度調節可能ミラー（７）、好ましくは二色性ミラーを備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項５】
光学的に位置を獲得する手段として、第１画像処理手段（１２）、特に第１ＣＭＯＳカメラを備え、そして第１測定位置（９）において、シーム溶接に対して横方向に進むレーザーライン（１１）を投影する第１ラインプロジェクター（１０）を備え、前記第１画像処理手段のビーム路（１３）内において、レーザーラインの波長に調節するフィルター素子（１４）を備えることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項６】
第１ラインプロジェクター（１０）用の光源として、近赤外範囲の波長、好ましくは８０５ｎｍの波長を有するレーザー光源を備え、そして第１画像処理手段（１２）のビーム路（１３）内の光学的フィルター素子（１４）が、８０５ｎｍの波長において最大透過を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項７】
第１画像処理手段（１２）の観測軸（１９）に対して所定の角度で、第１測定位置（９）上に、レーザーライン（１１）を投影することができることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項８】
第１画像処理手段（１２）のビーム路（１３）内に、更なる光学的素子、特に経路折り曲げミラー（１５）を備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項９】
溶接方向において、溶接ビーム（２）の溶接位置の後方で進行する第２測定位置（１８）を光学的に獲得する更なる手段を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項１０】
第２測定位置（１８）を光学的に獲得するために、第２測定位置における第２レーザーライン（１７）投影用の第２ラインプロジェクター（１６）、及び前記第２測定位置（１８）の観測用の第２画像処理手段、特に第２ＣＭＯＳカメラを備え、前記第２ラインプロジェクター（１６）の前記レーザーライン（１７）を、第２画像処理手段の観測軸に対して所定の角度で測定位置上に投影し、そして、場合により、第２レーザーラインに調節するフィルター素子を、第２画像処理手段のビーム路（１２）内に備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項１１】
同じ波長、好ましくは８０５ｎｍの波長を有するレーザーラインを発する第１及び第２ラインプロジェクター（１０，１５）を備えることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項１２】
溶接ビーム（２）を結合するために、レーザービーム溶接ヘッド（１）内にファイバーカプラー（３）を備えることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項１３】
金属部品、特に「工業用ブランク」を溶接するために、ハンドリングシステム、特にフォールディングアーム式多軸ロボットを用いる、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッドの使用。
【請求項１４】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッドを特に使用する金属部品のビーム溶接方法であって、
溶接ビームの溶接位置の先方を進行する第１測定位置での光学的な獲得手段の使用により、シーム溶接位置を決定し、そして、基準位置からのシーム溶接位置のずれに依存する、補正信号を発生し、
第１測定位置と溶接ビームの位置との距離間隔が小さく、そして前記補正信号を直接使用して、特には、先行する進行の計算を行わないで、溶接ビームの溶接位置を補正する手段を作動することを特徴とする、前記方法。
【請求項１５】
第１測定位置と溶接ビームの位置との距離間隔を、最大３ｍｍ、好ましくは最大２ｍｍであることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
少なくとも補正信号の使用により、レーザービーム溶接ヘッドの溶接ビームのビーム路内の少なくとも１つのアクチュエーター素子を作動することを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の方法。
【請求項１７】
アクチュエーター素子として、角度調節可能ミラー、特に二色性ミラーを作動することを特徴とする、請求項１４〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
第１ラインプロジェクターが、シーム溶接に対して横方向にレーザーラインを投影し、そして、場合により、第１画像処理手段、特に第１ＣＭＯＳカメラが第１測定位置を評価するものであって、画像処理手段のビーム路内に配置され、かつレーザーラインの波長に調節するフィルター素子が、第１測定位置の光学的測定信号をフィルターすることを特徴とする、請求項１４〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
第１画像処理手段に対する角度で第１レーザーラインを第１測定位置上に投影し、そして光切断法に従って、画像処理手段により第１測定位置の評価を行うことを特徴とする、請求項１４〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
ラインプロジェクターが、近赤外線範囲の波長、特に８０５ｎｍの波長を有するレーザーラインを発することを特徴とする、請求項１４〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
溶接方向において、溶接ビームの溶接位置の後方で進行する第２測定位置において、作り出されるシーム溶接の光学的な獲得を行うことを特徴とする、請求項１４〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
作り出されるシーム溶接の光学的な獲得のために、第２ラインプロジェクターが第２測定位置においてレーザーラインを投影するものであって、前記第２測定位置において、第２画像処理手段、特に、第２ＣＭＯＳカメラの観測軸に対する角度で前記レーザーラインを投影し、そして第２測定位置での測定の評価のために光切断法を使用することを特徴とする、請求項１４〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、溶接ビーム用の少なくとも1つのビーム路及と第１測定位置においてシーム溶接の位置を光学的に獲得する手段とを有する、金属部品を溶接するためのレーザービーム溶接ヘッドであって、シーム溶接の位置を光学的に獲得する前記手段によって、溶接方向において、溶接ビームの溶接位置の先方を第１測定位置が進行する配置が可能となり、そして少なくとも基準位置からのシーム溶接の横方向のずれに応じて、溶接ビームの溶接位置を補正するための補正信号が発生すること、並びにそれに対応するレーザービーム溶接ヘッドの使用に関する。これに加えて、本発明は、金属部品のビーム溶接の方法であって、溶接ビームの溶接位置よりも先に進む第１測定位置での光学的獲得手段の使用によりシーム溶接の位置を決定し、そして基準位置からのシーム溶接位置のずれに依存して、補正信号を発生することに関する。
【０００２】
溶接ビームの使用により金属部品を溶接する場合には、所望のシーム溶接を作るために、溶接すべき部品と溶接ビームとの適切な相互に関連する動きを保障する自動運転装置を頻繁に使用する。深溶け込み溶接モードでの溶接の場合において「キーホール」を作るのに必要となるエネルギー密度を発生するために、一定のシーム溶接品質を保障するための自動運転装置に関して、極めて高い位置決め精度を要求しなければならないので、一般に、溶接ビームを、非常に鋭く集束する。一般に、シーム溶接の運転に対して垂直に±０．１５ｍｍより小さい溶接ビームの位置決め精度が要求され、前記シーム溶接は、突合わせ溶接又はすみ肉溶接として設計されている。ＣＮＣ制御型デカルトガントリーシステム（ｋａｒｔｅｓｉｓｃｈｅ  Ｐｏｒｔｌｓｙｓｔｅｍｅ）は、位置決め精度の要求を満たすが、高い投資費用を要求する。一般にデカルトガントリーシステムより経済的である多軸ロボットは、それらのドライブユニットの再設定及びドライブのソフトネスにより引き起こされる固有振動のために、軸方向の特定の位置において、最小繰り返し位置決め精度±０．１５ｍｍを有している。従って、溶接ビームの動力学的な位置決めで要求される精度を、多軸ロボットでは達成することができない。
【０００３】
シーム溶接位置を特定しそしてレーザー溶接ヘッドを補正するためのさらなる手段を有するレーザービーム溶接ヘッドは、従来技術から公知である。例えば、その原理は、溶接ビーム位置より先にある先行する進行の（Ｖｏｒｌａｕｆ）窓内において、レーザー溶接ビームヘッドの実際の真の経路を決定し、あらかじめ保存されている基準データとそれとを比較し、先行する進行を考慮することにより、対応する溶接ビーム位置の補正を実施する、独国特許出願公開第１０３３５５０１（Ａ１）号明細書から公知である。このレーザービーム溶接ヘッドの問題は、複雑な先行する進行の計算のために、高速溶接が経路のずれとなることである。
国際公開第２００５／０９５０４（Ａ１）号パンフレットは、三角測量法を用いて、現在の溶接位置に近いシーム溶接の基準場所のプロファイル（「キーホール」）を決定し、シーム溶接の基準場所の所定位置を基準としてレーザー溶接ヘッドを連続して位置決めする、シーム溶接位置の基準場所を決定する手段を有するレーザービーム溶接ヘッドを開示する。このレーザービーム溶接も有する、シーム溶接の基準場所の位置を決定するための、溶接位置と測定位置とを考慮する先行する進行のせいで、特に経路の半径プロセスの場合には、不十分な溶接速度のみによって適切な精度を達成するので、レーザー溶接ビームヘッド用の補正信号を計算するための労力が比較的大きい。
【０００４】
これを基に、本発明は、非常に高い動的な位置決め精度を、高速溶接と同時に達成することができる、一般タイプのレーザービーム溶接ヘッド、並びに金属部品をビーム溶接する方法を提供する目的に基づいている。さらに、レーザービーム溶接ヘッドの有利な使用も提案する。
【０００５】
前記目的は、溶接ビームの溶接位置を補正する手段を作動するために、特に先行する進行の計算を使用しないで、発生する補正信号を直接使用することができるような方法で、溶接ビームの溶接位置より先に進む第１測定位置の距離間隔を選択することで、一般タイプのレーザービーム溶接ヘッドにより、本発明の第１開示により解決される。
【０００６】
驚くべきことに、第１測定位置の配置と溶接ビームの溶接位置とが十分小さい距離間隔であり、そして、それぞれ、溶接ビームの「キーホール」の位置であれば、測定位置と溶接ビームとの先行する進行を考慮しないことが可能であることを示している。これは、例えば、不正確な位置決め、又はハンドリングシステム若しくは多軸ロボットの固有振動それぞれのせいでの溶接ビーム位置のずれに関する溶接ビーム位置の補正について、特に高速の結果をもたらす。小さい先行する進行により引き起こされる系統的に小さい残差偏差誤差（Ｒｅｓｔａｂｗｅｉｃｈｕｎｇｓｆｅｈｌｅｒｓ）にもかかわらず、驚くべきことに、これは、位置決め許容を超えるせいで、シーム位置に対し効果が無い。補正信号の発信が、シーム溶接の位置を光学的に獲得する手段により、基準位置からのずれの決定後すぐに行われるので、小さい溶接半径、例えば６０ｍｍより小さくても、特に１０ｍ／分範囲の高速溶接を達成することができる。これにもかかわらず、所定の溶接ビームの位置決め精度（±０．１５ｍｍ）を高速溶接でも維持することもできる。
【０００７】
第１測定位置と溶接ビームの溶接位置との距離間隔が最大３ｍｍ、好ましくは最大２ｍｍであることが好ましい。従来技術によれば、シーム溶接の位置の光学的な獲得は、先行する進行をいつも考慮しなければならないような、溶接ビームの溶接位置からより大きい距離間隔で行われる。本発明による第１測定位置と溶接ビームの溶接位置との距離間隔の結果として、本発明により、許容できる位置を越える結果に影響を及ぼさない程度まで、系統誤差を減少することが可能である。
【０００８】
本発明によるレーザービーム溶接ヘッドの後続の発展した実施態様により、溶接ビーム位置を変更するために、溶接ビームのビーム路内に補正信号により作動させることができる少なくとも１つのアクチュエーター素子を備えることにより、溶接位置を変更する動力学を改良することができる。補正信号に応じてのレーザービーム溶接ヘッドの連続的な動き又は作動を、従来技術から公知である方法と比較することにより、アクチュエーター素子のみがその位置内を変更することが必要であるので、溶接ビームのビーム路内のアクチュエーター素子が、大量の運動による溶接ビーム位置の補正を防止する。この結果、補正の速さを実質的に再び増加することができ、そしてハンドリングの固有振動を補正することができる。
【０００９】
アクチュエーター素子として、少なくとも１つの角度調節可能ミラー、好ましくは二色性ミラーを備えることができるという点で、特に簡単なアクチュエーター素子を備えることができる。先行する進行を使用しないで計算した補正信号により溶接ビーム位置を補正するために、全くほとんど自由な慣性として、レーザービーム溶接ヘッドに関連して、アクチュエーターとしての角度調節可能ミラーを動かすか、傾斜することができる。二色性ミラーは、特定の値より小さいか、又は大きい波長を非常に反射し、各々の場合において他の波長範囲をほとんど透過するという利点を有する。その後、レーザー溶接ヘッド内の溶接ビームのビーム路を、シーム溶接位置を光学的に獲得するためのビーム路としても使用することができる。これをするために、二色性ミラーは、例えば、溶接ビームレーザーの波長を非常に反射するような方法で選択され、そして、これを溶接位置に、又は、それぞれ、溶接位置からカップリングに、又は、それぞれ、溶接ビーム源に反射する。他の波長は、妨害されない二色性ミラーを通過し、そしてシーム溶接位置の測定のために使用することができる。同時に、レーザー溶接ビームの溶接経路の使用により、本発明によるレーザー溶接ヘッドの構造を簡単にすることができる。
【００１０】
シーム溶接位置を決定するためのプロセス信頼性の改善は、光学的な位置を獲得する手段として、第１画像処理手段、特に第１ＣＭＯＳカメラを備え、そしてシーム溶接に対して横方向に進むレーザーラインの投影用の第１ラインプロジェクターを第１測定位置に備えるものであって、第１画像処理手段のビーム路内で、レーザーラインの波長に調節するフィルター素子を備えることで、本発明によるレーザービーム溶接ヘッドの更なる改善された実施態様により、達成される。
当然、シーム溶接に対して横方向に、溶接すべき金属部品上に投影されるレーザーラインは、溶接ビームそれ自身の波長と異なる波長を有する。第１画像処理手段中へはレーザーラインの波長とは異なる他の波長が進入するせいで、すべての誤差信号を可能な限り抑制するために、レーザーラインに調節するフィルター素子は、特に急勾配（ｓｔｅｉｌｆｌａｎｋｉｎｇ）であることが好ましい。好ましく使用されるＣＭＯＳカメラは、それ相応に早い画像処理及び評価を行うように、ライン選択により、特に短い反応時間により特徴付けられる。しかし、所定の評価速度を実現するという条件で、他の画像処理手段を使用することも考えられる。
【００１１】
第１ラインプロジェクター用光源として、近赤外範囲の波長、好ましくは８０５ｎｍの波長を有するレーザー光源を備えることが特に有利となる。画像処理手段のビーム路内の光学的なフィルター素子が８０５ｎｍで最大透過を有する。例えば、ラインプロジェクターとして、例えば円柱レンズ（Ｚｙｌｉｎｄｅｒｌｉｎｓｅ）を介してレーザービームをレーザーラインに広げるレーザーダイオード（Ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｎ）が考慮されるようになる。フィルター素子を、特に急勾配として設計することが可能であることが好ましい。例えば、それは、８０５±５ｎｍの範囲の波長のみを透過することがある。金属蒸気光の形での溶接プロセスそれ自体からか又はシーム溶接からの放射の結合により引き起こされる干渉を、対応するフィルター素子及びレーザー源の使用で非常に抑制することができるので、近赤外線の範囲では、溶接ビームにより発せられる放射強度ばかりでなく、シーム溶接の熱放射強度も、比較的低い。従って、第１測定位置と溶接ビームの溶接位置との小さい距離間隔にもかかわらず、第１画像処理手段によるシーム溶接位置の誤差の決定に対して高いプロセス信頼性を保障することができる。
【００１２】
測定位置上に、所定の角度で第１画像処理手段の観測軸に対してレーザーラインを投影することができる場合には、有利な光切断法を、横方向の移動に加え、シームの基準位置の垂直方向のずれについての情報も得るために使用することができる。従って、シーム溶接のために得られるプロファイルの値を、レーザービーム溶接ヘッドの溶接位置の横方向の補正のために使用することができるばかりでなく、垂直方向の溶接位置の補正のためにも使用することができる。例えば、溶接ビームの焦点のような、溶接位置の垂直方向の補正のために、更なるアクチュエーター素子を溶接ビームのビーム路内に備えることができる。
【００１３】
本発明によるレーザービーム溶接ヘッドの次の発展した実施態様によれば、本発明によるレーザービーム溶接ヘッドの構造を特にコンパクトに設計することができるように、更なる光素子、特に経路折り曲げミラー（Ｕｍｌｅｎｋｓｐｉｅｇｅｌ）を第１画像処理手段のビーム路内に備える。
【００１４】
溶接方向において、溶接ビームの溶接位置の後方で進行する、第２測定位置の光学的な獲得のための更なる手段を用いて、シーム溶接品質の追跡調査を同時に実施することが可能である。
【００１５】
本発明によるレーザービーム溶接ヘッドの次の発展した実施態様によれば、第２測定位置の光学的な獲得のために、第２測定位置においてシーム溶接に対して横方向に第２レーザーラインを投影するための第２ラインプロジェクター、及び第２測定位置を観測するための第２画像処理手段、特に第２ＣＭＯＳカメラを備え、そして第２ラインプロジェクターのレーザーラインを、測定位置上に、画像処理手段の観測軸に対して所定の角度で投影し、そして場合により、第２レーザーラインに調節するフィルター素子を第２画像処理手段のビーム路内に備えることで、作り出されるシーム溶接の形状を決定するために光切断法を使用することができる。
【００１６】
しかし、第１及び第２ラインプロジェクターが、同じ波長、好ましくは８０５ｎｍを有するレーザーラインを発する場合には、第２画像処理手段のための更なるビーム路及び第２フィルター素子を用いないで行うことができる。この場合には、両方の画像処理手段によって、同じビーム路及び同じフィルター素子を使用することができる。例えば、ビーム路の１つの画像平面内で２つの異なる場所で第１及び第２測定位置を形成する場合には、画像処理手段は、ビーム路の画像平面内の隣接配置を用いて、別々の異なる測定位置からの測定信号のみを拾い上げることができる。しかし、１つの画像処理手段のみを備えることも可能であり、測定位置に割り当てられた個々の測定範囲を読み取るか、又は各々、別々に評価することができる。
【００１７】
好ましくは、レーザー源をレーザービーム溶接ヘッドそれ自体に配置せず、そして、これをより簡単に設計することができるように、溶接ビームを結合（Ｅｉｎｋｏｐｐｌｕｎｇ）するためのファイバーカップリングをレーザービーム溶接ヘッド内に備えることができる。しかし、レーザー源、例えばダイオードレーザーを、レーザービーム溶接ヘッドにおいて固定し、そして溶接ビームのファイバーカップリングを用いないで行うことも容易に考えられる。
【００１８】
本発明の第２の開示によれば、前記目的は、金属部品、特に「工業用ブランク」の溶接のために、ハンドリングシステム、特にフォールディングアーム式多軸ロボットを用いる、本発明によるレーザービーム溶接ヘッドの使用により解決される。一方、本発明によるレーザービーム溶接ヘッドの使用によって、溶接すべき金属部品を有するシーム溶接の動的な位置精度はかなり増加し、他方、この使用によって、経済的なフォールディングアーム式多軸ロボットの使用が可能となる。これは、「工業用ブランク」の溶接で特に有利となる。「工業用ブランク」は、他の金属部品での溶接によって製造される金属部品、又は、それぞれ、荷重に耐えるように設計されている半製品を成形するためのシートであり、シーム溶接の正確な位置合わせは、「工業用ブランク」の許容荷重について重要な役割を果たす。溶接半径が一部分において６０ｍｍより小さく、そして±０．１５ｍｍのシーム溶接の位置決めの精度を要求するが、本発明によるレーザービーム溶接ヘッドの使用によって、高品質である「工業用ブランク」の迅速かつ経済的な製造を可能にする。
【００１９】
本発明による第３開示によれば、前記目的は、溶接ビームの位置から第１測定位置の距離間隔が小さく、そして溶接ビームの溶接位置を補正する手段のアクチュエーションのために、特にアドバンス計算をしないで、補正信号を直接使用することで、金属部品をビーム溶接する一般的な方法により解決される。既に上述したように、第１測定位置と溶接ビームの溶接位置との小さい間隔を設けることにより、驚くべきことに、溶接ビームの位置への第１測定位置の先行する進行を、補正計算において無視することができる。結果として、特に、基準位置からのシーム溶接のずれを、平易かつ迅速に計算する。ほとんど瞬間に（「リアルタイムに近い」）シーム溶接の位置を考慮するおかげで、ハンドリングシステムの固有振動及びレーザービーム溶接ヘッドの位置内の不正確さを、１０ｍ／分より大きい高速溶接でも補正する。
【００２０】
第１測定位置と溶接ビームの位置との間隔を最大３ｍｍ、好ましくは最大２ｍｍとすることが好ましい。溶接ビームの位置が、一般に金属部品を溶接する場合に形成される、「キーホール」の溶込みの場所を決定する。最大３ｍｍ、好ましくは最大２ｍｍの先行する進行にもかかわらず、驚くべきことに、先行する進行を考慮しない場合に起こる系統誤差をそれにもかかわらず無視することができ、そして±０．１５ｍｍのシーム溶接精度を保障するために、特に先行する進行の計算をしない溶接ビームの溶接位置の迅速、直接な補正を、使用することができる。
【００２１】
シーム溶接関する溶接ビームの位置の最も迅速な補正を可能にするために、少なくとも１つのアクチュエーター素子をレーザービーム溶接ヘッドの溶接ビームのビーム路内において作動し、本発明による方法の次の実施態様による補正信号を少なくとも利用する。それによって、溶接ビームの位置の変更中において更なる不正確さとなる可能性のある、不活性物質（ｔｒａｅｇｅｒ  Ｍａｓｓｅｎ）の動きを最小限にする。
【００２２】
本発明による方法の特に簡単な実施態様によれば、角度調節可能ミラー、特に二色性ミラーを、アクチュエーター素子として作動する。上述したように、一方では、二色性ミラーは、例えば溶接ビームの波長の範囲内における、特定の波長用のミラーの機能を実現する。他方、二色性ミラーは、例えば、溶接シームの位置を決定するために使用される波長を、本質的に透過することが可能である。二色性ミラーの傾斜運動のせいで、光学的に獲得するビーム路を変更しないで、溶接ビームを、好ましくは溶接ビームに対して横方向に、所望の位置に向きを変えることができる。同時に、二色性フィルターを、溶接ビームのビーム路内、そして続く第１観測手段のビーム路内のプロセス光を分離するために使用することができる。しかし、１以上の更なるアクチュエーター素子又はミラーによって、レーザービームの焦点を、補正信号に直接依存するシーム溶接に対して垂直に移動させることも考えられる。
【００２３】
第１ラインプロジェクターが第１測定投影においてレーザーラインを投影し、そして第１画像処理手段、特にＣＭＯＳカメラが第１測定位置を光学的に評価するものであって、画像処理手段のビーム路内に配置されかつレーザーラインに調節するフィルター素子が、第１測定位置からの光信号をフィルターする本発明による方法の別の有利な実施態様により、特に高度なプロセスの信頼性を実現する。更なるフィルター素子と一緒にレーザーラインを組み合わせるために、測定位置からの光信号を、非常に狭い波長範囲、すなわちレーザーラインの波長に確実に調節することができる。この結果として、第１画像処理手段の測定信号が特に良好な信号対雑音比を有する状況となる。
【００２４】
好ましくは、第１レーザーラインを、第１測定位置上に、第１画像処理手段の観測軸に対する角度で投影し、そして画像処理手段による第１測定位置の評価は、光切断法により結果が得られる。従って、レーザーラインを、第１測定位置上に、同軸上に投影しない。上述したように、溶接ビームの溶接位置を、シーム溶接に対して垂直方向のずれに適応することもできるように、三角測量法を活用する光切断法、並びに横方向のずれを用いて、垂直方向のシーム溶接位置の基準場所のずれを、プロファイル測定に対応させて、決定することが同時に可能となる。これに加えて、画像処理方法を用いる特に簡単な方法において、正確なシーム溶接位置をプロファイルから決定し、そしてそれによって基準位置からのずれを容易に計算することが可能となる。必要とされる計算労力が全体的に低いおかげで、依然として、補正速度をさらに増加する。
【００２５】
ラインプロジェクターが、近赤外線範囲の波長、特に８０５ｎｍの波長を有するレーザーラインを投影する場合には、この波長の範囲内において、エッジフィルター（ｋａｎｔｅｎｆｉｌｔｅｒｓ）の活用により、溶接ビーム自体も、シーム溶接により放射される熱放射も、金属蒸気光も、画像処理手段内で強い干渉信号を作り出さないので、シーム溶接位置を決定するプロセス信頼性を依然としてさらに増加することができる。これは、溶接ビームの溶接位置と第１測定位置との小さい距離間隔の場合には、特に有利である。
【００２６】
最後に、溶接方向において、溶接ビームの溶接位置の後方で進行する第２測定位置において、作り出されるシーム溶接の光学的な獲得を行うことで、シーム溶接の品質を確認する。
【００２７】
有利には、作り出されるシーム溶接を光学的に獲得するために、第２ラインプロジェクターは、第２測定位置でシーム溶接に対して横方向にレーザーラインを投影するものであって、第２測定位置において、第２画像処理手段、特に第２ＣＭＯＳカメラの観測軸に対する角度でレーザーラインを投影し、そして第２測定位置において測定を評価するために、光切断法を使用する。本発明による方法は、第１測定位置と同じ波長のレーザーラインで第２測定位置の測定を特に行う場合には、シーム溶接の品質監視を有する特に迅速で正確な溶接位置の補正を組み入れるだけでなく、レーザービーム溶接ヘッドのコンパクトデザインも可能にする。
【００２８】
本発明によるレーザービーム溶接ヘッドを設計し、改良するための多くの可能性、並びに金属部品を溶接するための本発明による方法が今なお存在する。これに関しては、請求項１及び請求項１４の従属項を参照されたい。他方、下記図面と一緒に、本発明によるレーザービーム溶接ヘッドの態様例の説明を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明によるレーザービーム溶接ヘッドの態様例のビーム路を模式断面図で示す。
【図２】第１測定位置から溶接位置までの距離間隔の関数として、図１の態様例で測定された系統的な残差偏差を模式図で示す。
【００３０】
図１では、最初に、本発明によるレーザービーム溶接ヘッド（１）の態様例の溶接ビームのビーム路（２）を、模式的に示す。レーザービーム溶接ヘッドへのファイバーカップリング（３）を介して、溶接ビーム（２）を結合することが好ましい。光学素子（４）を用いて、溶接すべき金属部品（５）の上へ、溶接ビーム（２）を集束する。その後、ほとんどの場合、集束によって、形成されるレーザープラズマを介して、「キーホール」の形成（図示せず）を引き起こし、その後、溶接シームを作り出し、溶接ビーム（２）の溶接位置を示す。溶接すべき金属部品（５）は、矢印（６）が示す方向に、レーザービーム溶接ヘッド（１）に関連して移動する。本発明によるレーザービーム溶接ヘッド（１）の図示した態様例において、アクチュエーター素子として、傾斜運動を行うことができる二色性ミラー（７）を、溶接ビーム（２）のビーム路内に備えたい。二色性ミラー（７）のアクチュエーションにより、図面の平面に対して垂直、つまり溶接方向（６）に対して横方向の溶接ビームの溶接位置（８）を変えることができるように、二色性ミラー（７）の傾斜軸を、例えば、図面の平面に対して平行に置くことができる。ラインプロジェクター（１０）が、画像処理手段（１２）の観測軸に対する角度でシーム溶接に対して横方向にレーザーライン（１１）を投影する、溶接方向（６）よりも先方を進行する測定位置（９）を備える。二色性ミラー（７）がラインプロジェクターにより放出されるレーザーラインの波長を透過するので、例えば、ＣＭＯＳ写真を用いて実現することができる観測手段（１２）と一緒に、光切断法の手段を用いて、溶接の前でシーム溶接のプロファイルを観測することが今なお可能である。引き出されたビーム路に従って、シーム溶接上に投影されたレーザーライン（１１）の画像を画像処理手段（１２）により測定する。二色性ミラー（７）だけでなく、さらなるフィルター素子（１４）を画像処理手段（１２）のビーム路内に備えるせいで、「キーホール」上で、溶接ビーム（２）それ自体により、金属スパッタ、シーム溶接からの熱放射又は金属蒸気光により引き起こされるいくつかの干渉を抑制し、そしてレーザーラインのみ、従ってシーム溶接の測定されたプロファイルが光学的に評価される。ラインにより明るくされる溶接スパッタ（１６０ユニット／秒）は、約２％測定点エラーとなり、アルゴリズム、例えばイエス／ノーインタロゲーション（ｊａ／ｎｅｉｎ  Ａｂｆｒａｇｅ）による異常値として「計算外（ｈｅｒａｕｓｇｅｒｅｃｈｎｅｔ）」とすることができる。
【００３１】
三角測量法の使用により、光切断法に従って、第１測定位置（９）でのシーム溶接の位置を、高速で正確に決定することができる。測定位置（９）の先行する進行を特に考慮しないで、基準位置からのシーム溶接の現在位置の測定されたずれから、本発明により、補正のために、溶接位置（８）、例えば角度調節可能ミラー（７）に補正信号を直接送る。その後、これは、対応するその位置の変更により、シーム溶接（２）の溶接位置（８）の補正を行う。残っている先行する進行の時間内においてシーム溶接（２）の位置を補正できるような方法で、この状況で角度調節可能ミラー（７）の動力学を配置する。
【００３２】
本発明によるレーザービーム溶接ヘッド（１）のよりコンパクトなデザインをさらに可能にするために、さらなる補助ミラー（１５）を備えることができる。例えば、すみ肉溶接の溶接に関する多くの用途の可能性のために、レーザービーム溶接ヘッド（１）の大きさは、実用的な重要性を同様に得ることができる。
【００３３】
作り出されるシーム溶接を監視するために、代表的な態様例では、第２測定位置（１８）において、溶接方向（６）に対して横方向に、シーム溶接の上に、画像処理手段（１２）の観測軸に対する角度で、レーザーライン（１７）を順番に投影するさらなるラインプロジェクター（１６）を備えている。ビーム路内において第１及び第２測定位置をお互いに容易に分離することができるので、好ましくは画像処理手段（１２）において、各々の測定位置のために、ＣＭＯＳカメラ又は光学的評価用の別の平面光センサーを備えたい。これは、簡単にする目的で、図１に示されていない。
【００３４】
各々の測定位置（９，１８）のために２つの異なるＣＭＯＳカメラを使用することによって、相互に独立して読み取ることができる、より低い画素数を有するより小さいＣＭＯＳカメラを使用することが可能である。同程度の精度を用いて、その後、溶接位置の補正の動力学を、より低い測定に基づいて、増加することができ、又、別々に、基準位置からのシーム溶接のずれを決定するＣＭＯＳカメラの時間を読取ることができる。しかし、１つの単一ＣＭＯＳカメラを、別々に評価される２つの異なるセグメントに分けられることも考えられる。
【００３５】
溶接位置（８）を補正するための第１測定位置（９）の先行する進行の計算を本発明により行わないで、１０ｍ／分より速い高速溶接を同時に達成することができる、特にシーム追跡の高い動力学を達成することができる。迅速な補正の結果、本発明によるレーザービーム溶接ヘッド（１）は、多軸ロボットの固有振動及び不正確な位置決定を補償することができる。
【００３６】
本発明によるレーザービーム溶接ヘッド（１）に関係する計算の労力が低いので、溶接位置（８）の２段階位置決定を可能にするために、図１に図示しない、シーム溶接の位置を獲得するためのさらにより強力な先行する進行の測定手段をこれに備えることも考えられる。
【００３７】
６０ｍｍより小さい半径のシーム溶接が特に起こる場合には、本発明によるレーザービーム溶接ヘッド（１）の高精度なシーム溶接の追跡が特に有利である。シーム追跡のためのしっかりした測定法及び迅速な補正の結果、このタイプの小さい半径を、多軸ロボットの利用により、本発明によるレーザービーム溶接ヘッド（１）で容易に溶接することができる。
【００３８】
第１測定位置と実際の測定位置との距離間隔の関数として、先行する進行を無視することによって系統的に作り出される残差偏差誤差の決定を、図２に模式的に示す。
【００３９】
図２の残差偏差の測定のために、例えば、ライン寸法（６×０．０５ｍｍ）を有する波長８０５ｎｍのレーザーライン（１１）を放出するラインプロジェクター（１０）を使用した。光学画像処理手段（１２）、ＣＭＯＳカメラの解像度は、ｚ方向及びｘ方向に２０μｍとなる。これに加えて、急勾配のフィルター素子（ｓｔｅｉｌｆｌａｎｋｉｇｅｓ  Ｆｉｌｔｅｒｅｌｅｍｅｎｔ）（１４）を、画像処理手段のビーム路内において、波長８０５±５ｎｍの透過窓（Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｆｅｎｓｔｅｒ）で使用した。
【００４０】
２ｍｍの先行する進行、つまり測定位置（９）と溶接位置（８）との２ｍｍの距離間隔において、残差偏差がわずか０．０３５ｍｍとなり、従って残差偏差が、要求される精度限界より低いことは明らかである。０．２５ｍｍ先行する進行の範囲では、これを記録することができないような、残差偏差が解像限界に近づく。残差偏差、つまり先行する進行を無視する場合の系統誤差についての図２に示される結果は、１０ｍ／分を超える溶接速度で、半径６０ｍｍのシーム運転（Ｎａｈｔｖｅｒｌａｕｆ）で測定された。これから、本発明による方法、又は本発明による溶接ヘッドを使用することにより、ほぼ直線状運転の溶接シームの精度を、かなり高くすることができることが明らかとなる。
【図１】
2009525186.tif 000003
【図２】
2009525186.tif 000004
【手続補正書】
【提出日】平成19年12月3日(2007.12.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ビーム（２）用の少なくとも１つのビーム路と第１測定位置（９）においてシーム溶接位置を光学的に獲得する手段とを有する、金属部品を溶接するためのレーザービーム溶接ヘッド（１）であって、
シーム溶接位置を光学的に獲得する前記手段によって、少なくとも溶接方向（６）において、溶接ビーム（２）の溶接位置（８）の先方を第１測定位置（９）が進行する配置を可能にし、そして、少なくとも、基準位置からのシーム溶接の横方向のずれに応じて、溶接ビーム（２）の溶接位置（８）を補正するための補正信号を発生し、
発生する補正信号を直接使用して、特には、先行する進行の計算を行わないで、溶接ビーム（２）の溶接位置（８）を補正する手段（７）を作動することができるような方法で、先方を進行する第１測定位置（９）から溶接ビーム（２）の溶接位置（９）までの距離間隔を選択する前記レーザービーム溶接ヘッド（１）において、
溶接位置を変更するために、溶接ビーム（２）のビーム路内に、補正信号により作動することが可能である少なくとも１つのアクチュエーター素子（７）を備えること、及び前記アクチュエーター素子として、少なくとも１つの角度調節可能ミラー（７）、好ましくは二色性ミラーを備えることを特徴とする、前記レーザービーム溶接ヘッド。
【請求項２】
第１測定位置（９）から溶接ビーム（２）の溶接位置（８）までの距離間隔が、最大３ｍｍ、好ましくは最大２ｍｍであることを特徴とする、請求項１に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項３】
光学的に位置を獲得する手段として、第１画像処理手段（１２）、特に第１ＣＭＯＳカメラを備え、そして第１測定位置（９）において、シーム溶接に対して横方向に進行するレーザーライン（１１）を投影する第１ラインプロジェクター（１０）を備え、前記第１画像処理手段のビーム路（１３）内において、レーザーラインの波長に調節するフィルター素子（１４）を備えることを特徴とする、請求項１又は２に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項４】
第１ラインプロジェクター（１０）用の光源として、近赤外範囲の波長、好ましくは８０５ｎｍの波長を有するレーザー光源を備え、そして第１画像処理手段（１２）のビーム路（１３）内の光学的フィルター素子（１４）が、８０５ｎｍの波長において最大透過を有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項５】
第１画像処理手段（１２）の観測軸（１９）に対して所定の角度で、第１測定位置（９）上に、レーザーライン（１１）を投影することができることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項６】
第１画像処理手段（１２）のビーム路（１３）内に、さらなる光学的素子、特に経路折り曲げミラー（１５）を備えることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項７】
溶接方向において、溶接ビーム（２）の溶接位置の後方を進行する第２測定位置（１８）を光学的に獲得するさらなる手段を備えることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項８】
第２測定位置（１８）を光学的に獲得するために、第２測定位置における第２レーザーライン（１７）投影用の第２ラインプロジェクター（１６）、及び前記第２測定位置（１８）の観測用の第２画像処理手段、特に第２ＣＭＯＳカメラを備え、前記第２ラインプロジェクター（１６）の前記レーザーライン（１７）を、第２画像処理手段の観測軸に対して所定の角度で測定位置上に投影し、そして、場合により、第２レーザーラインに調節するフィルター素子を、第２画像処理手段のビーム路（１２）内に備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項９】
同じ波長、好ましくは８０５ｎｍの波長を有するレーザーラインを発する第１及び第２ラインプロジェクター（１０，１５）を備えることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項１０】
溶接ビーム（２）を結合するために、レーザービーム溶接ヘッド（１）内にファイバーカプラー（３）を備えることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッド。
【請求項１１】
金属部品、特に「工業用ブランク」を溶接するために、ハンドリングシステム、特にフォールディングアーム式多軸ロボットを用いる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッドの使用。
【請求項１２】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザービーム溶接ヘッドを特に使用する金属部品のビーム溶接方法であって、
溶接ビームの溶接位置の先方を進行する第１測定位置での光学的な獲得手段の使用により、シーム溶接位置を決定し、そして、基準位置からのシーム溶接位置のずれに依存する、補正信号を発生し、
第１測定位置と溶接ビームの位置との距離間隔が小さく、そして前記補正信号を直接使用して、特には、先行する進行の計算を行わないで、溶接ビームの溶接位置を補正する手段を作動する前記ビーム溶接方法において、
少なくとも補正信号の使用により、レーザービーム溶接ヘッドの溶接ビームのビーム路内の少なくとも１つのアクチュエーター素子を作動すること、及び前記アクチュエーター素子として、角度調節可能ミラー、特に二色性ミラーを作動することを特徴とする、前記方法。
【請求項１３】
第１測定位置と溶接ビームの位置との距離間隔を、最大３ｍｍ、好ましくは最大２ｍｍであることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
第１ラインプロジェクターが、シーム溶接に対して横方向にレーザーラインを投影し、そして、場合により、第１画像処理手段、特に第１ＣＭＯＳカメラが第１測定位置を評価するものであって、画像処理手段のビーム路内に配置され、かつレーザーラインの波長に調節するフィルター素子が、第１測定位置の光学的測定信号をフィルターすることを特徴とする、請求項１２又は１３に記載の方法。
【請求項１５】
第１画像処理手段に対する角度で第１レーザーラインを第１測定位置上に投影し、そして光切断法に従って、画像処理手段により第１測定位置の評価を行うことを特徴とする、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
ラインプロジェクターが、近赤外線範囲の波長、特に８０５ｎｍの波長を有するレーザーラインを発することを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
溶接方向において、溶接ビームの溶接位置の後方を進行する第２測定位置において、作り出されるシーム溶接の光学的な獲得を行うことを特徴とする、請求項１２〜１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１８】
作り出されるシーム溶接の光学的な獲得のために、第２ラインプロジェクターが第２測定位置においてレーザーラインを投影するものであって、前記第２測定位置において、第２画像処理手段、特に、第２ＣＭＯＳカメラの観測軸に対する角度で前記レーザーラインを投影し、そして第２測定位置での測定の評価のために光切断法を使用することを特徴とする、請求項１２〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2009525186.tif 000005
2009525186.tif 000006
2009525186.tif 000007
2009525186.tif 000008
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