(57)【要約】【課題】  回転可能な円形のセンシングローラーをワークに接触させ、その位置変化をレーザ加工機にリアルタイムでフィードバックし、溶接線に対し高精度に追従することを可能とするシームトラッキング溶接装置を提供する。【解決手段】  取付用ステー１３によりレーザ発信器１と一体化し、先端部には回転軸Ａにより低摩擦で回転可能な円形のセンシングローラー６が設けられており、これは支点１０によるスプリング８の弾性力によって測定中は常に加工ワークＷ２に接触させ、  また、センシングローラー６が空中を移動する等の非接触状態において、スプリング８の引っ張り力で傾き過ぎないようにするためにストッパー１２を設けたものである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光により板金ワークを接合する突合せレーザ溶接加工であって、
板金ワークに近接しレーザ光を照射するためのレーザ発信器をロボットアーム先端部に設け、
一方、ワークの溶接線近傍のワーク表面に対し、スプリングの弾性力による接触圧でワークに接触しながら、それ自身が回転可能な円板形状のセンシングローラーと、このセンシングローラーの変位を検知するための差動トランスと、
上記センシングローラーの変位を上記差動トランスに伝達するためのリンク機構とにより変位検出部を構成し、
上記変位検出部はステーにより上記レーザ発信器より更に先端に配置し、かつレーザ発信器と一体化し、
上記センシングローラーは、ワークの上下方向の起伏に見合う分だけ上記変位検出部より更に下方に突き出す長さと構成位置に設定し、
上記変位検出部から測定した変位信号をリアルタイムで本体であるレーザ加工機の制御装置に伝送し、これを停滞なく直ちに位置制御にフィードバックさせ、溶接線とレーザ照射の位置ずれを修正することを特徴とするシームトラッキング溶接装置。
【請求項２】
請求項１記載のシームトラッキング方法において、２組の変位検出部を直交配置させ、２軸方向のフィードバック位置制御を同時に行うことを特徴とするシームトラッキング溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、突合せ溶接線の検出をリアルタイムで行うシームトラッキング溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザによる突合せ溶接加工は、複数の板金部材からなる溶接ワークを突合せ、その境界線を溶接線とし、この溶接線に沿ってレーザ光を照射することによりワーク部材を接合するものである。
この突合せ溶接加工においては、素材となる板金部材の形状や寸法のばらつき、治具の位置決め精度のばらつき等を要因する溶接不良が発生しやすく、製品の歩留まりはなかなか満足できる水準にはならない。
つまり、溶接線の位置が毎回微妙に変動してしまうことにより、溶接線上に正確に照射されるべきレーザ光が溶接線から外れてしまうこととなり、これが溶接不良を引き起こし十分な溶接強度が得られないという結果を招いてしまう。
また、溶接線に対し溶接ビードがずれれば外観も悪くなる等、強度と外観の両面で確率的に不具合が発生してしまう。
【０００３】
上記のような状況にも関わらず、近年は溶接品の品質や外観に対する要求が厳しくなる一方であるが、その中でも溶接線に対する溶接ビードの高精度な追従が強く求められている。
これは最も基本的で重要な要求事項であるが、低コストで安定して運用可能なものが見当たらないのが現状であり、溶接線に対してレーザ光を高精度に追従させ運用するための溶接支援システムの実現が求められてきた。
【０００４】
このようなユーザーの要求に答えるべく、レーザ光の照射位置が溶接線からずれないようにするために、レーザ光の照射位置をリアルタイムでトラッキングしながら調整する方法が公知例にいくつか見られるが、これらの多くは溶接線の検出方法として各種イメージセンサによる光学測定を採用している。
しかしながら、イメージセンサによる識別方法は、測定用のレーザ光が遮られるような条件下では運用ができないため適用範囲が限定され十分な成果を上げるに至っていない。
【０００５】
図１は、加工ワークＷ１とレーザ発信器１を側面方向からとらえたものであり、加工ワークＷ１と複数の加工ワークＷ２に対し、レーザ発信器１で発生させたレーザ光をレンズ２により光学的に調整したレーザ光Ｌ１を溶接部１４に照射している。
【０００６】
図２は、上記加工ワークＷ１とＷ２を斜視図にて示したものである。
この場合、加工ワークＷ１とＷ２の境界が溶接線２０となるが、この溶接線２０上に沿って如何にして正確にレーザ光を照射できるかにより製品の品質が左右されることとなる。
つまり、レーザ光の照射がこの溶接線２０から外れれば、溶接強度が低下することはもちろん、溶接跡となる溶接ビードの外観も著しく損なわれてしまい商品価値を大きく損なうことになってしまう。
【０００７】
上記で述べた溶接線のずれに対処する方法としては、図３に示すような光学測定装置３により溶接線を検知するのが一般的である。
光学測定法による方法では、レーザ発信器１の近傍に光学測定装置３を設け、光学測定装置３内のレーザ発光部４から測定用レーザ光Ｌ２をパルス状に照射し、これが溶接線周辺の加工ワークＷ１、Ｗ２の表面で反射させ、この反射したレーザ光Ｌ３をレーザ受光部５で個々に捕らえ、各パルス光に対して三角測量の原理でこれを多数の３次元座標ポイントとして認識し、溶接線たる境界部を座標群の変化として演算により推論し抽出する。
【０００８】
しかしながら、上記の方法による測定結果は３次元の点群データであるから、３次元形状として形状認識し判定するには多数の点群データが必要となる。
つまり、想定した溶接線に対し、ある程度の幅をもたせ、帯状に３次元の点群データを測定していくわけであるが、現状、既に運用されているレーザ加工機の送り速度は比較的高速であり、これに見合う測定スピードと処理スピードを確保することは容易ではない。
また、光学式による測定は、ワーク表面の反射やその角度等の影響で誤差の影響が出やすく運用には各種制限があり十分な注意が必要であった。
【０００９】
上記のような光学式による測定においては、反射光を補足しなければならないため、照射角度やワークとの位置関係に十分な注意が必要となる。
例えば、図４に示すような状況では測定用レーザＬ２の反射光Ｌ３を補足できるが、加工ワークＷ２の個数が増えた図５に示すような状況では、反射光Ｌ３が加工ワークＷ２に干渉してし遮られることによって容易に測定不能の事態に陥るし、測定用レーザの照射位置や照射角度によっても測定用レーザ光は容易に遮られてしまう。
レーザ加工は途中で中断することは極めて問題であり、仮に再度中断したところから始めても溶接品質に問題が残るため、上記のように測定が滞る可能性は運用上の大きなリスクとなる。
【００１０】
また、加工しながらリアルタイムで座標を測定したい場合にも、加工用レーザ光の反射光や散乱光の影響を大きく受けてしまい、正常な測定は期待できない。
このように、運用上の制限が多く安心して使用できるものでもなかった。
【特許文献１】特開平０５−１４６８８５
【特許文献２】特開平１０−３１１７０６
【特許文献３】特開平１０−３１１７０７
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、３次元的な形状を有するワークにおいて、従来の光学測定による溶接線の検出では、測定光と反射光がワークに干渉し測定が中断してしまう状況が起こりやすく実用的に溶接線の検出が行えない点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、溶接線の検出をリアルタイムで行うシームトラッキング溶接装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の請求項１は、板金ワークに近接しレーザ光を照射するためのレーザ発信器をロボットアーム先端部に設け、
一方、ワークの溶接線近傍のワーク表面に対し、スプリングの弾性力による接触圧でワークに接触しながら、それ自身が回転可能な円板形状のセンシングローラーと、このセンシングローラーの変位を検知するための差動トランスと、
上記センシングローラーの変位を上記差動トランスに伝達するためのリンク機構とにより変位検出部を構成し、
上記変位検出部はステーにより上記レーザ発信器より更に先端に配置し、かつレーザ発信器と一体化し、
上記センシングローラーは、ワークの上下方向の起伏に見合う分だけ上記変位検出部より更に下方に突き出す長さと構成位置に設定し、
上記変位検出部から測定した変位信号をリアルタイムで本体であるレーザ加工機の制御装置に伝送し、これを停滞なく直ちに位置制御にフィードバックさせ、溶接線とレーザ照射の位置ずれを修正することを特徴とする。
また、請求項２によると、２組の変位検出部を直交配置させ、２軸方向のフィードバック位置制御を同時に行うことを特徴とする。
【００１３】
上記のように、本発明のシームトラッキング溶接装置によると、加工ワークに接触するセンシングローラーを下方に突き出すことによりワークとの干渉を抑制し、このセンシングローラーの変位検出により直接的に形状を認識し、これをレーザ加工機の位置制御にリアルタイムでフィードバックさせることにより、従来の煩雑な画像処理からなる演算処理を排し、簡易的でありながら安定的で高精度なレーザ加工を行うことができる。
更に２組の変位検出部を直交配置することで、２軸方向のフィードバック位置制御が行え、より高精度なシームトラッキングが可能である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のシームトラッキング装置は、回転可能な円形のセンシングローラーによりワーク形状を直接認識するため、実用的な測定精度を確保しながら安定動作し、その構造はシンプルであり、低コストで製作し運用できる利点がある。
また、運用に必要な制御ロジックもシンプルなフィードバック制御を基本とした比較的扱いやすいものでよいため、各種溶接ロボット等へ適用しやすい利点もある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のシームトラッキング装置は、溶接線を検出するシームトラッキングにおいて、必要十分な精度と安定性を有し制御性にも優れ、ユーザーが運用しやすいものを市場に供給するという目的を、シンプルな装置構成により安価に実現したものであり、以下、実施の形態により説明する。
【実施例１】
【００１６】
図６は、本発明によるシームトラッキング装置の第１の実施の形態を示す側面図であり、取付用ステー１３によりレーザ発信器１と一体化している。
そして、先端部には回転軸Ａとした低摩擦で回転可能な円形のセンシングローラー６が設けられており、これは支点１０を介したスプリング８の弾性力によって測定中は常に加工ワークＷ２に接触している。
また、センシングローラー６が空中を移動する等の非接触状態において、スプリング８の引っ張り力で傾き過ぎないようにするためにストッパー１２を設けている。
【００１７】
もし、想定したワークの位置と実際のワークの位置にずれが発生した場合、センシングローラー６の変位は支点１０を介して接点１９に伝えられ、プローブ１８を動かす。
プローブ１８の進退は差動トランス９で精密にその位置を測定し、信号線１１によりレーザ加工機の制御部にアナログ信号として伝送されフィードバック制御に活用する。
【００１８】
図７では、センシングローラーの変位とそのフィードバック制御に関して記載している。
図７（ａ）はセンシングローラー６がワークと理想的に接触している状態であり、制御的にはニュートラルな状態となる。
図７（ｂ）は突っ込み状態であり、この状況ではセンシングローラー６の傾きが差動トランス９によりプラス変位として検出されるため、レーザ加工機の制御装置で、検出した変位量を相殺する分だけ引っ込めることにより、図7（ｃ）に示すようなニュートラル状態に復帰できる。
図７（ｄ）は、上記とは逆の状況となっているが、上記と同様に変位量を相殺する分だけ座標修正することによりニュートラル状態に復帰できる。
【００１９】
図８はセンシングローラー６と、照射される加工用レーザ光Ｌ１との位置関係を示したものである。
センシングローラー６の進行方向より後側で、熱影響が出ない程度の距離をおいてレーザ光を照射するため、センシングローラー６と溶接部１４には一定の距離をとらざるを得ない。
ローラー径やワークの形状変化によって、上記距離が問題視される場合は、この距離を考慮したフィードバック制御を行い、レーザ光を照射する位置補正に反映することとなる。
【００２０】
図９は、センシングローラ６の形状のバリエーションである。
図９（ａ）は標準的な形状であるが、この形状ではセンシングローラー６の下部と加工ワークＷ１が接触やセンシングローラーの傾斜の分を考慮し、僅かながらも隙間を確保する必要がある。
これに対し、図9（ｂ）はセンシングローラーの形状を変更し、より溶接線に近い部分の検出を可能としたものである。
また、図９（ｃ）はセンシングローラーの底部を楕円形とすることにより、仮にセンシングローラー６’’が加工ワークＷ１と接触しても、摩擦抵抗を低く抑制することができる。
このように、ワーク形状や測定条件等の要求内容により、センシングローラーの形状を適宜変更し、対応することが可能である。
【００２１】
上記第１の実施形態のシームトラッキング溶接装置によると、下記の効果がある。
加工ワークに接触するセンシングローラーを下方に突き出すことによりワークとの干渉を抑制し、このセンシングローラーの変位検出により直接的に形状を認識し、これをレーザ加工機の位置制御にリアルタイムでフィードバックさせることにより、従来の煩雑な画像処理からなる演算処理を排し、簡易的でありながら安定的で高精度なレーザ加工を行うことができる。
【実施例２】
【００２２】
続いて、第２の実施形態を説明する。
上記は、１軸方向のみの計測に基づくシームトラッキングに関するものであったが、２組の変位検出部をそれぞれ直交に配置し実装することにより、２軸方向の同時補正が可能となるが、これを図１０に示す。
側面方向用のセンシングローラー６に関する構成は実施例１で述べたものであり、これに上下方向検出用のセンシングローラ６’’’を組み合わせる。
【００２３】
上記構成によると、下方向の位置の変化に追従できるため、３次元形状の加工ワークを溶接したい場合に特に有効である。
あらかじめティーチングにより基本的な軌跡を入力し、実際の溶接においてはティーチング以上に高精度に溶接線に追従させたい場合に有効なシステムであり、従来のティーチングの作業負荷を削減することができる。
また、センシングローラーによる高精度な溶接線への追従により、照射する加工用レーザ光のスポット径が小さい場合であっても、その小さいレーザ光スポットを溶接線から外れることなくトレースでき、更なる高精度化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明によれば、溶接線の検出に基づくシームトラッキングという範疇以外にも、ワーク形状を倣うことによるデジタイズ機能を潜在的に併せ持っている。
つまり、規定外のワークの変形があればそれを検出しアラームを表示することにより、後工程に不良品が流出することを未然に防止できる。
差動トランスによる計測は一般に高精度であり、溶接後の歪等も十分に計測可能であり、溶接の不良そのものを減らすと共に、不良品そのものの検査まで１台の機械で行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】加工用レーザをワークに照射する状況を示す従来装置の外観図である。
【図２】加工用ワークとその溶接線を示す従来装置の斜視図である。
【図３】従来の光学式測定に基づくシームトラッキングシステムの外観図である。
【図４】従来の測定用レーザ光の照射と反射を示す説明図である。
【図５】従来の測定用レーザ光の反射が遮られる様子を示す説明図である。
【図６】本発明による第１の実施の形態のシームトラッキング装置の構成図である。
【図７】上記センシングローラーの変位とフィードバックを示す作用図である。
【図８】上記センシングローラーと加工用レーザの照射位置を示す斜視図である。
【図９】各種センシングローラの断面図である。
【図１０】センシングローラーを２個使用した第２の実施の形態のシームトラッキング装置の構成図である。
【符号の説明】
【００２６】
１    レーザ発信器
２    レンズ
３    光学測定装置
４    レーザ発光部（光学測定装置）
５    レーザ受講部（光学測定装置）
６    センシングローラー
７    支柱
８    スプリング
９    差動トランス
１０  支点
１１  信号線
１２  ストッパー
１３  取付用ステー
１４  溶接部
１５  溶接ビード
１６  進行方向
１７  回転方向
１８  プローブ
１９  接点
２０  溶接線
Ａ    回転軸
Ｌ１  加工用レーザ光
Ｌ２  測定用レーザ光
Ｌ３  測定用レーザ光（反射光）
Ｗ１  加工ワーク（ベース側）
Ｗ２  加工ワーク（付加側）
【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】
2006187794.tif 000010
【図９】
2006187794.tif 000011
【図１０】
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