(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向から被溶接部材の溶接照射部にレーザを照射し、前記第１の方向と異なる第２の方向から前記溶接照射部にフィラーワイヤを送給し、前記レーザによって前記フィラーワイヤを溶融させて前記被溶接部材を溶接するレーザ溶接装置において、
前記フィラーワイヤの全幅より広い幅を有し、前記第１の方向及び前記第２の方向と異なる第３の方向から前記フィラーワイヤの途中部に照射され、該フィラーワイヤに対して交差する計測ビームと、
少なくとも前記第２の方向及び前記第３の方向と異なる第４の方向から前記フィラーワイヤにおける前記計測ビームの照射箇所である計測照射部を撮像するカメラと、
前記計測ビームの照射角度及び前記カメラによって撮像される画像中の前記計測用照射部の位置に基づいて前記フィラーワイヤの少なくとも高さ方向位置を算出する位置算出部と、
前記位置算出部で算出された位置が規定位置を基準とした許容位置範囲の外であるとき、前記フィラーワイヤを前記許容位置範囲内へ移動調整するワイヤ位置調整部と、
を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ溶接装置において、
前記計測ビームは一定の厚みの平行ビームであり、
前記位置算出部は、前記計測ビームの厚み及び前記画像中の前記計測用照射部の形状に基づいて、前記フィラーワイヤの角度を算出し、
前記ワイヤ位置調整部は、前記位置算出部で算出された角度が規定角度を基準とした許容角度範囲の外であるとき、前記フィラーワイヤを前記許容角度範囲内へ移動調整することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載のレーザ溶接装置において、
前記レーザと前記計測ビームのそれぞれの投光部は相対位置が固定された構成であり、
前記計測ビームは、前記フィラーワイヤの前記計測照射部を照射する残余の部分の少なくとも一部が前記被溶接部材を照射し、
前記カメラは、前記計測ビームが照射する前記被溶接部材の被溶接部材照射部と前記レーザが照射される溶接照射部とを１つの画像内で撮像し、
前記１つの画像中における前記被溶接部材照射部と前記溶接照射部との距離及び前記計測ビームの照射角度に基づいて前記レーザの投光部の前記溶接照射部に対する高さを算出するレーザ高さ算出部と、
前記レーザ高さ算出部で算出された高さが規定高さを基準とした許容高さ範囲の外であるとき、前記レーザと前記計測ビームのそれぞれの投光部を、前記溶接照射部に対して一体的に進退駆動させて前記許容高さ内へ移動調整する進退駆動部と、
を有することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載のレーザ溶接装置において、
前記計測ビームは、レーザの一部を偏向することによって生成することを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のレーザ溶接装置において、
前記計測ビームは、ライン状で平行な２本のビームからなることを特徴とするレーザ溶接装置。
【請求項６】
第１の方向から被溶接部材の溶接照射部にレーザを照射し、前記第１の方向と異なる第２の方向から前記溶接照射部にフィラーワイヤを送給し、前記レーザによって前記フィラーワイヤを溶融させて前記被溶接部材を溶接するレーザ溶接方法において、
前記フィラーワイヤの全幅より広い幅を有する計測ビームを、前記第１の方向及び前記第２の方向と異なる第３の方向から前記フィラーワイヤの途中部に照射し、該フィラーワイヤに対して交差させるステップと、
少なくとも前記第２の方向及び前記第３の方向と異なる第４の方向から前記フィラーワイヤにおける前記計測ビームの照射箇所である計測用照射部をカメラにより撮像するステップと、
前記計測ビームの照射角度及び前記カメラによって撮像される画像中の前記計測用照射部の位置に基づいて前記フィラーワイヤの少なくとも高さ方向位置を算出するステップと、
算出された前記フィラーワイヤの位置が規定位置を基準とした許容位置範囲の外であるとき、前記フィラーワイヤを前記許容位置範囲内へ移動調整するステップと
を有することを特徴とするレーザ溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザ溶接装置および溶接方法に関し、特にフィラーワイヤおよび／またはレーザの投光部を適正な位置へ調整するレーザ溶接装置および溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、レーザビームを用いる加工が広範に採用されており、車両製造工程においても、フレームや板金の溶接等に用いられている。この際、高融点である材質の接合や突き合わせ溶接時の隙間を埋めるためや溶接強度を向上させるための肉盛り等を目的として、溶接時の溶接池にフィラーワイヤを送給し、前記フィラーワイヤを被溶接部材とともに溶融させて溶接することが行われている。
【０００３】
ところで、フィラーワイヤが溶融池に対してずれた状態で送給されると、板金隙間を埋めるギャップタフネス性の低下、フィラーワイヤが均質に肉盛りされる姿勢タフネス性の低下およびフィラーワイヤと被溶接部材との摺動による振動発生などの不都合が発生する。
【０００４】
また、レーザ溶接ではＴＩＧ溶接などに比べて溶接速度が速く、しかも一般にレーザビーム径は０．６［ｍｍ］と小径である。従って、小径の溶融池が速い速度で移動することとなり、高い制御精度の下でフィラーワイヤを送給する必要がある。
【０００５】
さらに、高エネルギーを得るためには、レーザビームは焦点距離が被溶接部材に対して正確に調整されている必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
フィラーワイヤを正確に送給するために、フィラーワイヤに沿ってカメラを移動させながら撮像し、フィラーワイヤの位置を検出する技術（特許第２９４１５８８号公報参照）や、フィラーワイヤの先端部を撮像し、得られた画像からフィラーワイヤの送り出し量および送り出し方向を検出する技術（特開２００１−１７９４７１号公報参照）が提案されている。
【０００７】
しかしながら、これらの従来技術においては、フィラーワイヤの水平面における位置のみが検出可能であり、高さや角度については検出することができない。従って、板厚の異なる多種の板金を溶接する際には、その都度溶接作業を中断して、高さおよび角度を目視確認しながら手動により調整しなければならない。
【０００８】
また、従来技術は、フィラーワイヤの位置だけを検出するものであり、レーザビームの焦点距離の調整については検出不可能である。従って、板厚の異なる多種の板金を溶接する際には、焦点距離検出のための装置を、ワイヤ位置検出装置とは別に設ける必要がある。
【０００９】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、レーザ溶接を行う際に送給するフィラーワイヤの水平位置、高さおよび／または角度を検出して、フィラーワイヤを規定位置および／または規定角度に調整することを可能にするレーザ溶接装置および溶接方法を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、レーザの投光部の高さを焦点距離に合わせて調整するために、投光部の高さの検出を可能にすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るレーザ溶接装置は、第１の方向から被溶接部材の溶接照射部にレーザを照射し、前記第１の方向と異なる第２の方向から前記溶接照射部にフィラーワイヤを送給し、前記レーザによって前記フィラーワイヤを溶融させて前記被溶接部材を溶接するレーザ溶接装置において、前記フィラーワイヤの全幅より広い幅と所定の厚みを有し、前記第１の方向及び前記第２の方向と異なる第３の方向から前記フィラーワイヤの途中部に照射され、該フィラーワイヤに対して交差する計測ビームと、少なくとも前記第２の方向及び前記第３の方向と異なる第４の方向から前記フィラーワイヤにおける前記計測ビームの照射箇所である計測照射部を撮像するカメラと、前記計測ビームの照射角度及び前記カメラによって撮像される画像中の前記計測用照射部の位置に基づいて前記フィラーワイヤの少なくとも高さ方向位置を算出する位置算出部と、前記位置算出部で算出された位置が規定位置を基準とした許容位置範囲の外であるとき、前記フィラーワイヤを前記許容位置範囲内へ移動調整するワイヤ位置調整部とを有することを特徴とする。
【００１２】
このようにしてフィラーワイヤの位置を算出することができ、フィラーワイヤの位置が規定位置からずれているときには、位置調整を行うことができる。
【００１３】
この場合、前記計測ビームは一定の厚みの平行ビームであり、前記位置算出部は、前記計測ビームの厚み及び前記画像中の前記計測用照射部の形状に基づいて、前記フィラーワイヤの角度を算出し、前記ワイヤ位置調整部は、前記位置算出部で算出された角度が規定角度を基準とした許容角度範囲の外であるとき、前記フィラーワイヤを前記許容角度範囲内へ移動調整してもよい。
【００１５】
さらに、前記レーザと前記計測ビームのそれぞれの投光部は相対位置が固定された構成であり、前記計測ビームは、前記フィラーワイヤの前記計測照射部を照射する残余の部分の少なくとも一部が前記被溶接部材を照射し、前記カメラは、前記計測ビームが照射する前記被溶接部材の被溶接部材照射部と前記レーザが照射される溶接照射部とを１つの画像内で撮像し、前記１つの画像中における前記被溶接部材照射部と前記溶接照射部との距離及び前記計測ビームの照射角度に基づいて前記レーザの投光部の前記溶接照射部に対する高さを算出するレーザ高さ算出部と、前記レーザ高さ算出部で算出された高さが規定高さを基準とした許容高さ範囲の外であるとき、前記レーザと前記計測ビームのそれぞれの投光部を、前記溶接照射部に対して一体的に進退駆動させて前記許容高さ内へ移動調整する進退駆動部とを有していてもよい。
【００１６】
さらにまた、前記計測ビームは、レーザの一部を偏向することによって生成するようにしてもよい。
【００１７】
前記計測ビームは、ライン状で平行な２本のビームからなる構成でもよい。
【００２１】
本発明に係るレーザ溶接方法は、第１の方向から被溶接部材の溶接照射部にレーザを照射し、前記第１の方向と異なる第２の方向から前記溶接照射部にフィラーワイヤを送給し、前記レーザによって前記フィラーワイヤを溶融させて前記被溶接部材を溶接するレーザ溶接方法において、前記フィラーワイヤの全幅より広い幅を有する計測ビームを、前記第１の方向及び前記第２の方向と異なる第３の方向から前記フィラーワイヤの途中部に照射し、該フィラーワイヤに対して交差させるステップと、少なくとも前記第２の方向及び前記第３の方向と異なる第４の方向から前記フィラーワイヤにおける前記計測ビームの照射箇所である計測用照射部をカメラにより撮像するステップと、前記計測ビームの照射角度及び前記カメラによって撮像される画像中の前記計測用照射部の位置に基づいて前記フィラーワイヤの少なくとも高さ方向位置を算出するステップと、算出された前記フィラーワイヤの位置が規定位置を基準とした許容位置範囲の外であるとき、前記フィラーワイヤを前記許容位置範囲内へ移動調整するステップとを有することを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザ溶接装置および溶接方法の実施形態例を、図１〜図１１を参照しながら説明する。
【００２４】
まず、第１の実施形態に係るレーザ溶接装置１０およびこのレーザ溶接装置１０を用いた溶接方法について、図１〜図８を参照しながら説明する。
【００２５】
レーザ溶接装置１０は、基本的には、溶接に用いられるレーザの一部を偏向して補助ビームとし、この補助ビームをフィラーワイヤに照射するものである。この照射部をカメラにより撮像し、照射部の位置、形状および面積からフィラーワイヤの位置を求めるとともにレーザの投光部の高さを算出する。
【００２６】
以下、説明の便宜のため、方向を特定する３次元座標を設定し、図１の矢印Ｘ、Ｙで示される方向をそれぞれＸ軸、Ｙ軸とする。Ｙ軸は鋼板Ｗ１、Ｗ２に対する高さを表し、Ｙ軸方向を高さ方向ともよぶ。また、図１の紙面に垂直な方向をＺ軸とする（図３参照）。さらに、Ｘ軸およびＺ軸で表現される面、すなわち鋼板Ｗ１、Ｗ２の表面に平行な面を水平面として規定する。
【００２７】
図１に示すように、レーザ溶接装置１０は、補助ビームＬ１を鋼板Ｗ１、Ｗ２に照射するとともに、鋼板Ｗ１、Ｗ２が突き合わされている溶接部位（溶接照射部）ＰにレーザビームＬ２を照射して鋼板Ｗ１、Ｗ２同士を溶接するレーザ照射機構１２と、前記補助ビームＬ１および前記レーザビームＬ２を互いに同期して溶接方向に移動させるロボットアーム１４と、レーザ溶接装置１０の全体を制御する制御機構１６とを備える。
【００２８】
ロボットアーム１４には、支持ブラケット１８が固着されており、この支持ブラケット１８は上面板２０と、この上面板２０に対して略直交する長手方向に延在する側面板２２とを備える。上面板２０には、シリンダピストン機構等の第１アクチュエータ２４が取着され、側面板２２の内側面２２ａには、後述する進退駆動部３０を摺動自在に支持するガイド部材２８が取着されている。
【００２９】
一側面がガイド部材２８に摺動自在に支持された進退駆動部３０は、一側部が第１アクチュエータ２４のロッド３２にナット３４を介して螺着されている。これにより、進退駆動部３０は、ガイド部材２８にガイドされて第１アクチュエータ２４の駆動作用下に、Ｙ軸方向に沿って往復動作可能に設けられている。
【００３０】
進退駆動部３０の他側面には、ベースプレート３６が固着され、前記ベースプレート３６には、補助ビームＬ１およびレーザビームＬ２を照射するレーザ照射機構１２が取着されている。
【００３１】
レーザ照射機構１２は、ベースプレート３６に固定されるケーシング３８を備え、このケーシング３８の上端部には、レーザ発振器４０から前記ケーシング３８内にレーザビームＬを導入するための光ファイバ４２が接続されている。また、溶接時のスパッタ飛散からレーザ照射機構１２を防護するために、ケーシング３８の下端部には下方へ縮径する円筒状のシールドノズル４４が設けられている。
【００３２】
光ファイバ４２から導出されるレーザビームＬの光軸Ｏ上には、Ｙ軸方向に沿ってコリメータレンズ４６および集光レンズ４８が配置されるとともに、前記コリメータレンズ４６と前記集光レンズ４８との間には、偏向レンズ５０が進退手段５２および回転手段５４を介して配置される。
【００３３】
さらに、光軸Ｏ上であって、コリメータレンズ４６と集光レンズ４８との間には、シールドノズル４４の開口部から臨むことのできる視界（破線５５参照）を光軸Ｏに対して直角に屈折させる第１の直角プリズム５６が配置されている。第１の直角プリズム５６で屈折された映像は、第２の直角プリズム５８によって再度屈折することにより、光軸Ｏに対して平行光線となりカメラ６０（ＣＭＯＳカメラまたはＣＣＤカメラ等）によって撮像される。カメラ６０によって撮像された画像は制御機構１６に供給される。
【００３４】
これにより、カメラ６０は溶接部位Ｐを真上から撮像することができ、溶接部位Ｐの周辺を詳細に検証することができる。しかも得られる画像は水平面すなわちＸＺ平面の画像なので解析処理において好適である。
【００３５】
なお、カメラ６０を光軸Ｏに対して直角な姿勢とし、第２のプリズム５８の位置に配置すれば、第２のプリズム５８を省略することも可能である。さらに、第１のプリズム５６、第２のプリズム５８をいずれも省略し、溶接部位Ｐおよびその周辺部を臨むことのできる任意の位置に、カメラ６０を配置して撮像するようにしてもよい。
【００３６】
図１および図２に示すように、進退手段５２は、回転部材６２に固定される第２アクチュエータ６４を備え、この第２アクチュエータ６４から光軸Ｏ側に突出するロッド６６の先端には、偏向レンズ５０が固定されている。回転部材６２は、ケーシング３８に対しベアリング６８を介して回転可能に支持されている。偏向レンズ５０は、レーザビームＬを補助ビームＬ１およびレーザビームＬ２に分割するとともに、進退手段５２は、前記補助ビームＬ１およびレーザビームＬ２の出力比を調整する機能を有しており、補助ビームＬ１はカメラ６０で撮像可能な程度に撮像範囲内の所定位置を照射可能な弱い出力に調整されている。一方、レーザビームＬ２は、鋼板Ｗ１、Ｗ２を一度溶融することにより溶接可能な大きい出力に調整されている。
【００３７】
このように偏光レンズ５０を用いることにより、レーザの供給源がレーザ発振器４０だけであっても、補助ビームＬ１とレーザビームＬ２との２つのビームを得ることができるとともに、進退手段５２により補助ビームＬ１とレーザビームＬ２との出力比を調整することができる。また、補助ビームＬ１は、偏光レンズ５０の特性によって任意の形状とすることができる。
【００３８】
図３に示すように、補助ビームＬ１は、偏向レンズ５０および集光レンズ４８の特性により略平行光となっており、幅Ｔ１のライン状のビームとして照射される。補助ビームＬ１の照射方向は、幅Ｔ１の方向が後述するフィラーワイヤ７８の延出する方向に略一致し、フィラーワイヤ７８の全幅７９を計測用照射部６９として照射している。
【００３９】
補助ビームＬ１の縦方向の幅Ｔ２は、フィラーワイヤ７８の全幅７９より長く設定されており、計測用照射部６９を照射しない部分の補助ビームＬ１は、鋼板Ｗ１、Ｗ２を被溶接部材照射部７０として照射している。なお、補助ビームＬ１の縦方向、つまり幅Ｔ２の方向は、Ｚ軸方向と一致するように回転手段５４により調整されている。
【００４０】
回転手段５４（図２参照）は、第３アクチュエータ７１を備えており、この第３アクチュエータ７１の回転軸７２に駆動歯車７４が軸着される。回転部材６２には、駆動歯車７４に噛合するリング状の従動歯車７６が設けられており、回転手段５４は、補助ビームＬ１、レーザビームＬ２の相対位置を調整する機能を有している。また、前記第１および第２のプリズム５６、５８とカメラ６０は、回転手段５４と一体的に回転するようにしてもよい。
【００４１】
フィラーワイヤ７８は、溶接部位Ｐに送給されることによって、鋼板Ｗ１、Ｗ２とともにレーザビームＬ２によって過熱溶融し鋼板Ｗ１、Ｗ２の隙間部を埋める作用をもつ。この作用により、鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２との溶接強度を向上させることができる。
【００４２】
図１に示すように、フィラーワイヤ７８はフィラーワイヤ送り出し装置８０によって溶接速度に応じた一定速度で送給される。フィラーワイヤ送り出し装置８０は第４アクチュエータ（ワイヤ位置調整部）８２によって移動可能であり、これにより、フィラーワイヤ７８をＸ軸方向、Ｙ軸方向に移動調整が可能であり、さらに高さ方向の角度θ１および水平方向の角度θ２（図３参照）の移動調整が可能となっている。第４アクチュエータ８２の調整動作は制御機構１６から供給される指令信号によって制御される。
【００４３】
制御機構１６は、アクチュエータ制御部９０、ロボット制御部９２、位置算出部９４およびレーザ高さ算出部９６とを有する。また、制御機構１６は、レーザ発振器４０を駆動制御する。
【００４４】
アクチュエータ制御部９０、ロボット制御部９２、位置算出部９４およびレーザ高さ算出部９６は、それぞれ一体となっていてもよい。
【００４５】
アクチュエータ制御部９０は、第１乃至第４アクチュエータ２４、６４、７１および８２を駆動制御するとともに、ロボット制御部９２は、ロボットアーム１４を備える図示しないロボットの駆動制御を行う。
【００４６】
位置算出部９４は、基本的には、カメラ６０によって撮像される画像から計測用照射部６９の位置、形状に基づいてフィラーワイヤ７８の位置を算出する機能を有するものである。
【００４７】
レーザ高さ算出部９６は、基本的には、被溶接部材照射部７０と溶接部位Ｐとの距離ΔＸ（図３参照）に基づいてケーシング３８の溶接部位Ｐに対する高さ（投光部高さ）Ｙ１（図１参照）を算出する機能を有するものである。
【００４８】
次に、位置算出部９４の機能を主に用いてフィラーワイヤ７８の位置を調整しながら鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２を溶接する方法について、図４〜図７を参照しながら説明する。なお、図４に示される処理は、実際上は微小時間毎に連続的に実行されるものであり、所謂、リアルタイム処理が可能である。
【００４９】
まず、図４のステップＳ１において、鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２との突き合わせ部にレーザビームＬ２を照射し、フィラーワイヤ７８には補助ビームＬ１を照射する。
【００５０】
次に、ステップＳ２において、第１プリズム５６、第２プリズム５８を介してシールドノズル４４の先端開口部から望む視界をカメラ６０によって撮像する。
【００５１】
この撮像データには、溶接部位Ｐ（図３参照）、計測用照射部６９および被溶接部材照射部７０が含まれており、撮像データは制御機構１６に供給される。制御機構１６では、取得したデータを、例えば、２値化で画像前処理した画像１００（図５参照）を生成し、位置算出部９４に供給する。また、この画像１００は、レーザ高さ算出部９６にも供給される。
【００５２】
次に、ステップＳ３において、画像１００から、計測用照射部６９を抽出し、さらに計測用照射部６９の位置、形状（撮像情報）を求める。すなわち、位置に関しては、計測用照射部６９の重心位置Ｇ（ＸＧ、ＺＧ）を求める。この重心位置Ｇは、水平面における重心を示し、Ｘ軸座標値がＸＧでありＺ軸座標値がＺＧである。形状に関しては、計測用照射部６９の２つの端点６９ａ、６９ｂのＺ軸方向の偏差εと、Ｘ軸方向の幅Ｔ３とを求める。
【００５３】
次に、ステップＳ４において、重心位置Ｇからフィラーワイヤ７８のＺ軸方向のずれ量ΔＺを求める。つまり、重心位置ＧのＺ軸座標値ＺＧとＺ軸に係る規定位置Ｚ0とを比較して、ずれ量ΔＺをΔＺ＝Ｚ0−ＺＧとして求める。規定位置Ｚ0は予め設定されている値を用いるか、または溶接部位Ｐの重心位置を求め、そのＺ軸成分を採用してもよい。
【００５４】
次に、ステップＳ５において、重心位置Ｇからフィラーワイヤ７８のＹ軸方向のずれ量ΔＹを求める。すなわち、図６に示すように、重心位置ＧのＺ軸座標値ＺＧとＸ軸に係る規定位置Ｘ0とを比較して、Ｘ軸方向のずれ量ΔＸをΔＸ＝Ｘ0−ＸＧとして求める。そして、このずれ量ΔＸを用いてＹ軸方向のずれ量ΔＹをΔＹ＝ΔＸ・ｔａｎθL1として求める。θL1は、補助ビームＬ１と水平面とのなす角度である。
【００５５】
次に、ステップＳ６において、計測用照射部６９のＸ軸方向の幅Ｔ３（図５参照）からフィラーワイヤ７８の高さ方向の角度θ１を求める。図７に示すように、角度θ１は、幅Ｔ３、補助ビームＬ１と水平面とのなす角度θL1、および補助ビームＬ１の幅Ｔ１とから求めることができる。さらに求めた角度θ１と高さ方向に係る規定角度θ１0とのずれ量Δθ１をΔθ１＝θ１0−θ１として求める。
【００５６】
次に、ステップＳ７において、計測用照射部６９のＸ軸方向の幅Ｔ３とＺ軸方向の偏差εとから水平方向の角度θ２を求める。角度θ２は、θ２＝Ｔａｎ-1（ε／Ｔ３）として求めることができる。さらに求めた角度θ２と水平方向に係る規定角度θ２0とのずれ量Δθ２をΔθ２＝θ２0−θ２として求める。なお、規定角度θ２0は、Ｘ軸方向を基準にして０°とすると式が簡略化することができ好適である。
【００５７】
次に、ステップＳ８において、位置算出部９４は、算出したずれ量ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ、Δθ１およびΔθ２をアクチュエータ制御部９０へ供給する。
【００５８】
最後にステップＳ９において、アクチュエータ制御部９０は、取得したずれ量ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ、Δθ１およびΔθ２が「０」でないとき、または許容範囲内にないときは、それぞれのずれ量が「０」、または許容範囲内になるように第４アクチュエータ８２を動作させる。
【００５９】
このようにして、位置算出部９４は、画像１００から得られる重心位置Ｇ、偏差εおよび幅Ｔ３から、フィラーワイヤ７８のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に関するそれぞれのずれ量ΔＸ、ΔＹ、ΔＺを求めることができる。また、高さ方向および水平方向の角度に関するずれ量Δθ１およびΔθ２を求めることができる。さらにこれらのずれ量Δθ１、Δθ２により、フィラーワイヤ７８の角度を調整することができる。
【００６０】
次に、レーザ高さ算出部９６の機能を主に用いてレーザ照射機構１２の高さを調整しながら鋼板Ｗ１と鋼板Ｗ２を溶接する方法について、図８を参照しながら説明する。なお、図８に示される処理は、実際上は微小時間毎に連続的に実行されるものであり、所謂、リアルタイム処理が可能である。また、このレーザ高さ算出部９６は、前記位置算出部９４と同時並行的に動作するものである。
【００６１】
図８のステップＳ１０１およびＳ１０２は、前記ステップＳ１およびＳ２と同じ処理であり、実際上は区別されずに共用される。
【００６２】
次に、ステップＳ１０３において、レーザ高さ算出部９６は画像１００（図５参照）を取得した後、画像１００から溶接部位Ｐと被溶接部材照射部７０を抽出する。さらに溶接部位Ｐの水平面における位置（ＸＰ、ＺＰ）と被溶接部材照射部７０のＸ軸座標値ＸＰ1を求める。画像１００において溶接部位Ｐが所定の面積を持つときには、その重心位置を溶接部位Ｐの位置（ＸＰ、ＺＰ）とする。また、画像１００は第１プリズム５６の機能によって光軸Ｏを中心とした画像となっており、溶接部位Ｐは光軸Ｏ上にあることから、画像１００の中心を溶接部位Ｐの位置（ＸＰ、ＺＰ）としてもよい。
【００６３】
次に、ステップＳ１０４において、被溶接部材照射部７０と溶接部位Ｐとの距離ΔＸＰをΔＸＰ＝ＸＰ−ＸＰ1として求める。
【００６４】
次に、ステップＳ１０５において、距離ΔＸＰを用いて集光レンズ４８の溶接部位Ｐに対する高さＹ１を求める。図６から諒解されるように、高さＹ１はＹ１＝ΔＸＰ・ｔａｎθL1＋Ｙｃとして求められる。ここでＹｃは、補助ビームＬ１と光軸Ｏとの交点を交点Ｑとしたときの、該交点Ｑと集光レンズ４８との距離であり、レーザ高さ算出部９６が記憶しているものである。
【００６５】
次に、ステップＳ１０６において、集光レンズ４８の焦点距離（規定高さ）Ｙ0と高さＹ１とのずれ量ΔＹ１をΔＹ１＝Ｙ0−Ｙ１として求める。集光レンズ４８の焦点距離Ｙ0は、規定値としてレーザ高さ算出部９６が記憶しているものである。
【００６６】
次に、ステップＳ１０７において、レーザ高さ算出部９６は、焦点距離Ｙ0に係るずれ量ΔＹ１をアクチュエータ制御部９０に供給する。アクチュエータ制御部９０は、取得したずれ量ΔＹ１を参照し、ΔＹ１が「０」でないとき、または許容高さ範囲内にないときは、ずれ量ΔＹ１が「０」または許容高さ範囲内になるように第１アクチュエータ２４を動作させる。
【００６７】
このようにして、レーザ高さ算出部９６は、画像１００から得られる距離ΔＸＰに基づいて集光レンズ４８の溶接部位Ｐに対する高さＹ１を算出することができる。また、このずれ量ΔＹ１をアクチュエータ制御部９０に供給することにより、集光レンズ４８の焦点距離Ｙ0を溶接部位Ｐに対して適正に制御することができる。特に、被溶接部材である鋼板Ｗ１、Ｗ２が複数種類存在し厚みがそれぞれ異なるときに、それぞれの鋼板Ｗ１、Ｗ２に対して高さＹ１を焦点距離Ｙ0に一致するように制御することができる。さらに、鋼板Ｗ１、Ｗ２の厚みが連続的に変化している場合にも同様に制御可能である。
【００６８】
次に、第２の実施形態に係るレーザ溶接装置１０ａおよびこのレーザ溶接装置１０ａを用いた溶接方法について、図９〜図１１を参照しながら説明する。
【００６９】
図９に示すように、レーザ溶接装置１０ａは、基本的には、第１の実施形態に係るレーザ溶接装置１０における補助ビームＬ１を、外部から照射する一対のラインビームＬ３、Ｌ４に置き換えたものである。以下、上述したレーザ溶接装置１０と同一の構成要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明は省略する。
【００７０】
レーザ溶接装置１０ａには、回転部材６２の下端部に一対のラインビーム発振器１０１、１０２が備えられており、このラインビーム発振器１０１、１０２から出力されるラインビームＬ３およびＬ４は、互いに平行でありフィラーワイヤ７８と鋼板Ｗ１、Ｗ２とを照射する。このラインビームＬ３およびＬ４は、レーザビームＬ２とは異なる波長のレーザ、例えば、ＩＲ（ｉｎｆｒａｒｅｄ）レーザとすると、画像１００において明確に識別可能となり好適である。
【００７１】
また、ラインビームＬ３、Ｌ４はレーザである必要はなく、例えば、指向性のある光、放射線などであってもよい。
【００７２】
なお、レーザ溶接装置１０ａでは、第１の実施形態における偏向レンズ５０、進退手段５２、第２アクチュエータ６４およびロッド６６は不要である。
【００７３】
図１０に示すように、ラインビームＬ３、Ｌ４は間隔が幅Ｔ１ａのライン状のビームとして照射され、ラインビームＬ３、Ｌ４の照射方向は、幅Ｔ１ａの方向がフィラーワイヤ７８の延出する方向に略一致し、フィラーワイヤ７８の全幅７９を補助照射線１０４および１０６として照射している。
【００７４】
ラインビームＬ３、Ｌ４の縦方向の幅Ｔ２ａは、フィラーワイヤ７８の全幅７９より長く設定されており、補助照射線１０４、１０６を照射しない部分のラインビームＬ３、Ｌ４は、鋼板Ｗ１、Ｗ２を被溶接部材照射部１０８、１１０として照射している。なお、ラインビームＬ３、Ｌ４の縦方向、つまり幅Ｔ２ａの方向は、Ｚ軸方向と一致するように回転手段５４により調整されている。
【００７５】
制御機構１６ａは、第１の実施形態と同様のアクチュエータ制御部９０、ロボット制御部９２を有し、さらに位置算出部９４ａおよびレーザ高さ算出部９６ａを有する。また、制御機構１６ａは、レーザ発振器４０とともにラインビーム発振器１０１、１０２を駆動制御する。
【００７６】
位置算出部９４ａは、カメラ６０によって撮像される画像から得られる補助照射線１０４、１０６で囲まれる領域（計測用照射部）１１２（図１１参照）の位置、形状に基づいてフィラーワイヤ７８の位置を算出する機能を有するものである。具体的には、領域１１２を第１の実施形態における計測用照射部６９と同様に扱い、ずれ量ΔＸ、ΔＹ、ΔＺ、Δθ１およびΔθ２を算出した後、アクチュエータ制御部９０へ供給する。
【００７７】
また、この場合、溶接部位Ｐは無関係であることから、カメラ６０により撮像する際にラインビームＬ３、Ｌ４による照射部、つまり補助照射線１０４、１０６および被溶接部材照射部１０８、１１０の波長だけに感光するように撮像してもよい。このようにすると、レーザビームＬ２による溶接部位Ｐが画像１００上に現れないので、補助照射線１０４、１０６を抽出しやすい。
【００７８】
さらに、ラインビームＬ３、Ｌ４の幅Ｔ１ａは、ラインビーム発振器１０１と１０２の配置によって任意の幅に設定可能であり、画像１００において抽出しやすい幅に設定できる。
【００７９】
レーザ高さ算出部９６ａは、被溶接部材照射部１０８のＸ座標値ＸＰａ1（図１１参照）と溶接部位ＰとのＸ軸方向の距離ΔＸＰａに基づいてケーシング３８の溶接部位Ｐに対する高さＹ１（図６参照）を算出する機能を有するものである。具体的には、距離ΔＸＰａを第１の実施形態における距離ΔＸＰと同様に扱い、集光レンズ４８の溶接部位Ｐに対する高さＹ１を求める。この場合、第１の実施形態における交点Ｑは、光軸ＯとラインビームＬ３との交点とすればよい。
【００８０】
この後、焦点距離Ｙ0に係るずれ量ΔＹ１をアクチュエータ制御部９０に供給し、第１アクチュエータ２４を動作させることにより集光レンズ４８およびレーザ照射機構１２の高さを調整することができる。
【００８１】
このように第２の実施形態においては、第１の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８２】
上記の第１および第２の実施形態では、計測用照射部６９および領域１１２は簡易的に長方形または平行四辺形として扱う例を示したが、厳密には計測用照射部６９および領域１１２はフィラーワイヤ７８の外周に沿った円弧をもつ形状となるので、位置算出部９４、９４ａはこの円弧形状を考慮して処理を行うようにしてもよい。
【００８３】
また、計測用照射部６９および領域１１２については、位置を示す重心位置Ｇ、形状を示す偏差εおよび幅Ｔ３を用いてフィラーワイヤ７８の位置を算出するものとしたが、計測用照射部６９および領域１１２の面積（撮像情報）を用いるようにしてもよい。例えば、幅Ｔ３と面積は比例関係にあるので、面積を幅Ｔ３の代替として用いることができる。
【００８４】
さらに、第２の実施形態では、ラインビームＬ３、Ｌ４と同様のラインビームを追加し、３つ以上のラインビームを用いるようにしてもよい。この場合、フィラーワイヤ７８の位置に応じて、任意の２つを選択して処理するようにしてもよい。
【００８５】
なお、この発明に係るレーザ溶接装置および溶接方法は、上述の実施形態例に限らず、この発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【００８６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るレーザ溶接装置および溶接方法によれば、レーザ溶接を行う際に送給するフィラーワイヤの水平位置、高さおよび／または角度を検出することができるという効果が達成される。これらの水平位置、高さおよび／または角度に基づいてフィラーワイヤを規定位置および／または規定角度へ調整することができる。
【００８７】
また、投光部の高さを検出することができることから、レーザの投光部の高さを焦点距離に合わせて調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置の一部を破断させた状態を示す側面説明図である。
【図２】前記レーザ溶接装置を構成する進退手段および回転手段の斜視説明図である。
【図３】第１の実施形態における溶接部位およびその周辺を示す概略斜視図である。
【図４】フィラーワイヤの位置を制御しながらレーザ溶接を行う手順を示すフローチャートである。
【図５】第１の実施形態において、カメラが撮像する画像を示す説明図である。
【図６】第１の実施形態において、集光レンズ、レーザビーム、補助ビームおよびフィラーワイヤの相互位置関係を示す側面説明図である。
【図７】第１の実施形態において、補助ビームとフィラーワイヤとの相対角度を示す側面説明図である。
【図８】集光レンズおよびレーザ照射機構の高さを制御しながらレーザ溶接を行う手順を示すフローチャートである。
【図９】本発明の第２の実施形態に係るレーザ溶接方法を実施するためのレーザ溶接装置の一部を破断させた状態を示す側面説明図である。
【図１０】第２の実施形態における溶接部位およびその周辺を示す概略斜視図である。
【図１１】第２の実施形態において、カメラが撮像する画像を示す説明図である。
【符号の説明】
１０、１０ａ…レーザ溶接装置      １２…レーザ照射機構
１４…ロボットアーム              １６、１６ａ…制御機構
２４、６４、７１、８２…アクチュエータ
４０…レーザ発振器                ４６…コリメータレンズ
４８…集光レンズ                  ５０…偏向レンズ
５６、５８…直角プリズム          ６０…カメラ
６９…計測用照射部                ７０…被溶接部材照射部
７２…回転軸                      ７８…フィラーワイヤ
７９…全幅                        ８０…ワイヤ送り出し装置
９０…アクチュエータ制御部        ９４、９４ａ…位置算出部
９６、９６ａ…レーザ高さ算出部    １００…画像
１１２…領域                      Ｌ１…補助ビーム
Ｌ２…レーザビーム                Ｌ３、Ｌ４…ラインビーム
Ｐ…溶接部位                      Ｗ１、Ｗ２…鋼板
Ｘ0、Ｚ0…規定位置                ＸＰ1…Ｘ軸座標値
Ｙ0…焦点距離                     Ｙ１…高さ
Ｙｃ…交点と集光レンズとの距離    ε…偏差
θ１…高さ方向の角度              θ２…水平方向の角度
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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