JP2910763B1 - 溶接レーザの焦点位置検出装置 - Google Patents
溶接レーザの焦点位置検出装置Info
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
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- Laser Beam Processing (AREA)
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Abstract
【要約】
【課題】 溶接レーザを集光する集光レンズの位置とは
無関係に溶接レーザの焦点位置を直接検出できる溶接レ
ーザの焦点位置検出装置を提供すること。 【解決手段】 レーザによる溶接部位の発光4を受光す
る受光素子5と、この受光素子5の光電変換出力をサン
プリングするサンプリング手段6と、このサンプリング
手段6で得た離散的な光強度データの分散値Varを算
出する分散値算出手段7と、分散値Varに対応するレ
ーザの焦点位置を特定した焦点位置テーブル8と、この
焦点位置テーブル8を参照し分散値算出手段7で得た光
強度データの分散値Varを溶接レーザの焦点位置Pに
変換し出力する焦点位置算出手段9とを備えたこと。
無関係に溶接レーザの焦点位置を直接検出できる溶接レ
ーザの焦点位置検出装置を提供すること。 【解決手段】 レーザによる溶接部位の発光4を受光す
る受光素子5と、この受光素子5の光電変換出力をサン
プリングするサンプリング手段6と、このサンプリング
手段6で得た離散的な光強度データの分散値Varを算
出する分散値算出手段7と、分散値Varに対応するレ
ーザの焦点位置を特定した焦点位置テーブル8と、この
焦点位置テーブル8を参照し分散値算出手段7で得た光
強度データの分散値Varを溶接レーザの焦点位置Pに
変換し出力する焦点位置算出手段9とを備えたこと。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、溶接レーザの焦点
位置検出装置に係り、特に、レーザによって金属板を溶
接するときの、そのレーザの焦点位置を検出する焦点位
置検出装置に関する。
位置検出装置に係り、特に、レーザによって金属板を溶
接するときの、そのレーザの焦点位置を検出する焦点位
置検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】レーザ溶接装置は、2枚の金属板を重ね
合わせた溶接部位にレーザを照射し該レーザのパワーに
よって金属を溶融させ接合するものであり、主に鋼板等
の溶接に用いられている。溶接の良否には、溶接中のレ
ーザ焦点の位置が最適位置からどの程度ずれているかが
大きく影響し、このため、焦点位置を最適位置に制御す
る必要がある。従来のレーザ溶接装置では、レーザの集
光レンズから溶接される板までの距離を検出し、この距
離が一定となるように集光レンズの位置を制御すること
によって、レーザの焦点位置を補正していた。このよう
な従来例は、特開平4−127983号公報にも開示さ
れている。
合わせた溶接部位にレーザを照射し該レーザのパワーに
よって金属を溶融させ接合するものであり、主に鋼板等
の溶接に用いられている。溶接の良否には、溶接中のレ
ーザ焦点の位置が最適位置からどの程度ずれているかが
大きく影響し、このため、焦点位置を最適位置に制御す
る必要がある。従来のレーザ溶接装置では、レーザの集
光レンズから溶接される板までの距離を検出し、この距
離が一定となるように集光レンズの位置を制御すること
によって、レーザの焦点位置を補正していた。このよう
な従来例は、特開平4−127983号公報にも開示さ
れている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例にあっては、集光レンズからレーザ焦点までの距離
が常に一定であることを前提にレーザの焦点位置を補正
している(レーザの焦点位置を直接検出しているわけで
はない)。このため、光学系やレーザの状態が経時的に
変化し、集光レンズからレーザ焦点までの距離が変化し
た場合、焦点位置を最適位置に補正することができなく
なるという不都合があった。
来例にあっては、集光レンズからレーザ焦点までの距離
が常に一定であることを前提にレーザの焦点位置を補正
している(レーザの焦点位置を直接検出しているわけで
はない)。このため、光学系やレーザの状態が経時的に
変化し、集光レンズからレーザ焦点までの距離が変化し
た場合、焦点位置を最適位置に補正することができなく
なるという不都合があった。
【0004】
【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、特に、溶接レーザを集光する集光レンズの位
置とは無関係に溶接レーザの焦点位置を直接検出できる
溶接レーザの焦点位置検出装置を提供することを、その
目的とする。
を改善し、特に、溶接レーザを集光する集光レンズの位
置とは無関係に溶接レーザの焦点位置を直接検出できる
溶接レーザの焦点位置検出装置を提供することを、その
目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、発明者は、次の実験を行った。まず、2枚のアルミ
ニウム板を重ねた溶接部位にレーザ(炭酸ガスレーザ)
を照射し、溶融の状態を確かめた。集光レンズの位置を
レーザ照射方向に変位させながらこの検査を繰り返し、
最も溶融が進んだ集光レンズの位置においてレーザ焦点
の基準位置とした。ここで、光学系の経時変化等の影響
がない短期間であれば集光レンズの位置からレーザ焦点
までの距離は常時一定である。次に、溶接部位から所定
距離離れた位置に受光素子を固定し、溶融部位から発せ
られるプラズマ発光を受光した。そして、受光素子の出
力を一定期間周期的にサンプリングし、これによって得
られた光強度データの分散値を算出させた。これをレー
ザ焦点が基準位置になるように集光レンズを位置決めし
て行い、更に、集光レンズの位置を照射方向に1mmず
つ変位させ、これによってレーザ焦点を1mmずつ変位
させ、基準位置に対し−2mm〜+3mmの範囲でそれ
ぞれ分散値を算出させた。この結果、図4に示す特性図
が得られた。横軸は基準位置を0としたレーザ焦点位置
を示し、縦軸は分散値を示す。この結果、一定区間(−
2mm〜+2mm)では、分散値と焦点位置との間に1
対1の対応関係があることが分かった。このため、発明
者は、この対応関係を利用して分散値から焦点位置を求
める方法を見出した。
め、発明者は、次の実験を行った。まず、2枚のアルミ
ニウム板を重ねた溶接部位にレーザ(炭酸ガスレーザ)
を照射し、溶融の状態を確かめた。集光レンズの位置を
レーザ照射方向に変位させながらこの検査を繰り返し、
最も溶融が進んだ集光レンズの位置においてレーザ焦点
の基準位置とした。ここで、光学系の経時変化等の影響
がない短期間であれば集光レンズの位置からレーザ焦点
までの距離は常時一定である。次に、溶接部位から所定
距離離れた位置に受光素子を固定し、溶融部位から発せ
られるプラズマ発光を受光した。そして、受光素子の出
力を一定期間周期的にサンプリングし、これによって得
られた光強度データの分散値を算出させた。これをレー
ザ焦点が基準位置になるように集光レンズを位置決めし
て行い、更に、集光レンズの位置を照射方向に1mmず
つ変位させ、これによってレーザ焦点を1mmずつ変位
させ、基準位置に対し−2mm〜+3mmの範囲でそれ
ぞれ分散値を算出させた。この結果、図4に示す特性図
が得られた。横軸は基準位置を0としたレーザ焦点位置
を示し、縦軸は分散値を示す。この結果、一定区間(−
2mm〜+2mm)では、分散値と焦点位置との間に1
対1の対応関係があることが分かった。このため、発明
者は、この対応関係を利用して分散値から焦点位置を求
める方法を見出した。
【0006】そこで、請求項1記載の発明では、レーザ
による溶接部位の発光を受光する受光素子と、この受光
素子の光電変換出力をサンプリングするサンプリング手
段と、このサンプリング手段で得た離散的な光強度デー
タの分散値を算出する分散値算出手段とを備えている。
また、分散値に対応するレーザの焦点位置を特定した焦
点位置テーブルと、この焦点位置テーブルを参照し分散
値算出手段で得た光強度データの分散値を溶接レーザの
焦点位置に変換し出力する焦点位置算出手段とを備え
た、という構成を採っている。
による溶接部位の発光を受光する受光素子と、この受光
素子の光電変換出力をサンプリングするサンプリング手
段と、このサンプリング手段で得た離散的な光強度デー
タの分散値を算出する分散値算出手段とを備えている。
また、分散値に対応するレーザの焦点位置を特定した焦
点位置テーブルと、この焦点位置テーブルを参照し分散
値算出手段で得た光強度データの分散値を溶接レーザの
焦点位置に変換し出力する焦点位置算出手段とを備え
た、という構成を採っている。
【0007】また、発明者は、一定期間の光強度データ
から分散値を求めるだけでなく、それらの平均値も求
め、分散値を平均値の2乗で割った特徴量(無次元)を
求めてみた。この結果、当該特徴量と焦点位置との間に
図6に示す関係があることがわかった。この図6による
と、縦軸の特徴量と横軸の焦点位置とが1対1で対応す
る区間が、先ほどの分散値と焦点位置との関係よりも広
がっている(−2mm〜+3mm)。このため、発明者
は、この対応関係を利用して上記特徴量から焦点位置を
導けば、分散値と焦点位置との対応関係を利用した場合
に比べより広い範囲で焦点位置の検出を行うことができ
ることを見出した。
から分散値を求めるだけでなく、それらの平均値も求
め、分散値を平均値の2乗で割った特徴量(無次元)を
求めてみた。この結果、当該特徴量と焦点位置との間に
図6に示す関係があることがわかった。この図6による
と、縦軸の特徴量と横軸の焦点位置とが1対1で対応す
る区間が、先ほどの分散値と焦点位置との関係よりも広
がっている(−2mm〜+3mm)。このため、発明者
は、この対応関係を利用して上記特徴量から焦点位置を
導けば、分散値と焦点位置との対応関係を利用した場合
に比べより広い範囲で焦点位置の検出を行うことができ
ることを見出した。
【0008】そこで、請求項2記載の発明では、レーザ
による溶接部位の発光を受光する受光素子と、この受光
素子の光電変換出力をサンプリングするサンプリング手
段と、このサンプリング手段で得た離散的な光強度デー
タの分散値を算出する分散値算出手段とを備えている。
また、サンプリング手段で得た離散的な光強度データの
平均値を算出する平均値算出手段と、分散値を平均値の
2乗で割った特徴量を算出する特徴量算出手段と、特徴
量に対応するレーザの焦点位置を特定した焦点位置テー
ブルとを有する。更に、この焦点位置テーブルを参照し
特徴量算出手段で得た特徴量を溶接レーザの焦点位置に
変換し出力する焦点位置算出手段を備えた、という構成
を採っている。これにより前述した目的を達成しようと
するものである。
による溶接部位の発光を受光する受光素子と、この受光
素子の光電変換出力をサンプリングするサンプリング手
段と、このサンプリング手段で得た離散的な光強度デー
タの分散値を算出する分散値算出手段とを備えている。
また、サンプリング手段で得た離散的な光強度データの
平均値を算出する平均値算出手段と、分散値を平均値の
2乗で割った特徴量を算出する特徴量算出手段と、特徴
量に対応するレーザの焦点位置を特定した焦点位置テー
ブルとを有する。更に、この焦点位置テーブルを参照し
特徴量算出手段で得た特徴量を溶接レーザの焦点位置に
変換し出力する焦点位置算出手段を備えた、という構成
を採っている。これにより前述した目的を達成しようと
するものである。
【0009】
【発明の実施の形態】以下、本発明の第1実施形態を図
1及び図2に基づいて説明する。
1及び図2に基づいて説明する。
【0010】図1に示すように、溶接する2枚の金属板
1,2を重ね、溶接部位にレーザ3が照射されると、溶
接部位に発光4を生じる。この発光を受光素子5で受光
する。
1,2を重ね、溶接部位にレーザ3が照射されると、溶
接部位に発光4を生じる。この発光を受光素子5で受光
する。
【0011】図2は、本実施形態にかかる焦点位置検出
装置のブロック図である。この焦点位置検出装置は、レ
ーザ3による溶接部位の発光4を受光する受光素子5
と、この受光素子5の光電変換出力をサンプリングする
サンプリング手段6と、このサンプリング手段6で得た
離散的な光強度データの分散値Varを算出する分散値
算出手段7とを備えている。また、分散値Varに対応
するレーザ3の焦点位置を特定した焦点位置テーブル8
と、この焦点位置テーブル8を参照し分散値算出手段7
で得た光強度データの分散値Varを溶接レーザの焦点
位置Pに変換し出力する焦点位置算出手段9とを備えて
いる。
装置のブロック図である。この焦点位置検出装置は、レ
ーザ3による溶接部位の発光4を受光する受光素子5
と、この受光素子5の光電変換出力をサンプリングする
サンプリング手段6と、このサンプリング手段6で得た
離散的な光強度データの分散値Varを算出する分散値
算出手段7とを備えている。また、分散値Varに対応
するレーザ3の焦点位置を特定した焦点位置テーブル8
と、この焦点位置テーブル8を参照し分散値算出手段7
で得た光強度データの分散値Varを溶接レーザの焦点
位置Pに変換し出力する焦点位置算出手段9とを備えて
いる。
【0012】このうち、受光素子5は、例えばフォトダ
イオードであり、溶接部位の発光4を受光可能な位置に
固定されている。サンプリング手段6は、受光素子5の
出力に応じた増幅電圧信号を出力する増幅器6aと、こ
の増幅器6aから出力される連続したアナログ信号を周
期的にサンプリングし離散的な光強度データに変換する
A/D変換器6bと、このA/D変換器6bの出力を蓄
積するメモリ6cとを備えている。分散値算出手段7
は、光強度データがメモリ6cに一定量蓄積される毎に
該光強度データ群の分散値Varを算出する。ここで、
分散値Varの算出は次式(1)に基づいて行われる。
ここで、Nはサンプリング数、xjはj番目の光強度デ
ータ、Aveはx1〜xNまでの平均値である。
イオードであり、溶接部位の発光4を受光可能な位置に
固定されている。サンプリング手段6は、受光素子5の
出力に応じた増幅電圧信号を出力する増幅器6aと、こ
の増幅器6aから出力される連続したアナログ信号を周
期的にサンプリングし離散的な光強度データに変換する
A/D変換器6bと、このA/D変換器6bの出力を蓄
積するメモリ6cとを備えている。分散値算出手段7
は、光強度データがメモリ6cに一定量蓄積される毎に
該光強度データ群の分散値Varを算出する。ここで、
分散値Varの算出は次式(1)に基づいて行われる。
ここで、Nはサンプリング数、xjはj番目の光強度デ
ータ、Aveはx1〜xNまでの平均値である。
【0013】
【数1】
【0014】焦点位置テーブル8は、上述した分散値と
焦点位置との対応関係を、受光素子5の固定位置と溶接
部位との位置関係を変えずに予め測定し、この対応関係
を記録したものである。図4は、焦点位置テーブル8の
例であり、最も溶融が進む焦点の基準位置(0点)を中
心として焦点位置Pが金属板の内側(マイナス側)に移
動すると分散値Varが徐々に高い値となり、外側(プ
ラス側)に移動すると分散値Varが徐々に低い値とな
る(−2mm〜+2mmの範囲内)。この実験的に得ら
れた対応関係(この例では−2mm〜+2mmの範囲)
が焦点位置テーブル8に記録されている。
焦点位置との対応関係を、受光素子5の固定位置と溶接
部位との位置関係を変えずに予め測定し、この対応関係
を記録したものである。図4は、焦点位置テーブル8の
例であり、最も溶融が進む焦点の基準位置(0点)を中
心として焦点位置Pが金属板の内側(マイナス側)に移
動すると分散値Varが徐々に高い値となり、外側(プ
ラス側)に移動すると分散値Varが徐々に低い値とな
る(−2mm〜+2mmの範囲内)。この実験的に得ら
れた対応関係(この例では−2mm〜+2mmの範囲)
が焦点位置テーブル8に記録されている。
【0015】焦点位置算出手段9は、分散値算出手段7
から定期的に出力される分散値Varを受け取り、焦点
位置テーブル8を参照して分散値Varを対応する焦点
位置P(基準位置からのずれ量)に変換し出力する。こ
のため、図4の例において、分散値出力手段が分散値V
arとして0.35(単位はνの二乗)を出力したと
き、焦点位置Pはおよそ−0.5mmと算出され、分散
値Varとして0.25を出力したとき、焦点位置Pは
およそ+0.5mmと算出される。
から定期的に出力される分散値Varを受け取り、焦点
位置テーブル8を参照して分散値Varを対応する焦点
位置P(基準位置からのずれ量)に変換し出力する。こ
のため、図4の例において、分散値出力手段が分散値V
arとして0.35(単位はνの二乗)を出力したと
き、焦点位置Pはおよそ−0.5mmと算出され、分散
値Varとして0.25を出力したとき、焦点位置Pは
およそ+0.5mmと算出される。
【0016】このように、溶接部位に生じる発光強度の
分散値と焦点位置とが所定区間で1対1に対応すること
を見出し、この対応関係を焦点位置テーブル8に記録
し、この焦点位置テーブル8を利用して分散値Varか
ら焦点位置を求めるようにしたので、受光素子5の出力
に基づいて溶接レーザの焦点位置を検出することができ
る。これによると、レーザの光学系や発振器等に経時的
な状態変化を生じレーザの集光レンズとレーザ焦点との
距離が変動しても、溶接部位からの発光強度のみに基づ
いて焦点位置を検出するので焦点位置を正しく検出する
ことができる。
分散値と焦点位置とが所定区間で1対1に対応すること
を見出し、この対応関係を焦点位置テーブル8に記録
し、この焦点位置テーブル8を利用して分散値Varか
ら焦点位置を求めるようにしたので、受光素子5の出力
に基づいて溶接レーザの焦点位置を検出することができ
る。これによると、レーザの光学系や発振器等に経時的
な状態変化を生じレーザの集光レンズとレーザ焦点との
距離が変動しても、溶接部位からの発光強度のみに基づ
いて焦点位置を検出するので焦点位置を正しく検出する
ことができる。
【0017】ここで、サンプリング手段6,分散値算出
手段7,焦点位置算出手段9は、コンピュータが焦点検
出プログラムを実行することによって実現されてもよ
い。この場合、焦点検出プログラムは、コンピュータ読
み取り可能な媒体から読み出されたものであってもよ
い。この媒体は、受光素子の光電変換出力をサンプリン
グするサンプリング処理と、このサンプリング処理で得
た離散的な光強度データの分散値を算出する分散値算出
処理と、焦点位置テーブルを参照し分散値算出処理で得
た光強度データの分散値を溶接レーザの焦点位置に変換
し出力する焦点位置算出処理とをコンピュータに実行さ
せるための焦点検出プログラムを記録したコンピュータ
読み取り可能な媒体である。
手段7,焦点位置算出手段9は、コンピュータが焦点検
出プログラムを実行することによって実現されてもよ
い。この場合、焦点検出プログラムは、コンピュータ読
み取り可能な媒体から読み出されたものであってもよ
い。この媒体は、受光素子の光電変換出力をサンプリン
グするサンプリング処理と、このサンプリング処理で得
た離散的な光強度データの分散値を算出する分散値算出
処理と、焦点位置テーブルを参照し分散値算出処理で得
た光強度データの分散値を溶接レーザの焦点位置に変換
し出力する焦点位置算出処理とをコンピュータに実行さ
せるための焦点検出プログラムを記録したコンピュータ
読み取り可能な媒体である。
【0018】
【実施例】次に、焦点位置テーブル8を設定するための
具体的な実施例を図2乃至図4に基づいて説明する。焦
点位置テーブル8を準備するため、次の作業を行った。
図3に示すように、実際に溶接の対象として予定してい
る厚さ2.5mmの5083番アルミニウム板1,2を
重ね、その板面から13°の位置に受光素子5を固定し
た。受光素子5は、受光面を溶接部位の方向に向けた。
溶接レーザは出力3kWの炭酸ガスレーザ3(送り速度
3m/s,フィラ供給速度3m/s)とし、溶接を開始
するとプラズマ発光4が得られた。炭酸ガスレーザ3
は、集光レンズと一体的に上下動するノズル(トーチ)
の先端から照射させるが、実際に溶接動作を繰り返し、
アルミ板の溶融が最も進むノズルの先端位置(そのとき
のレーザ焦点位置)をレーザ焦点の基準位置とした。そ
して、ノズルの先端が基準位置にある状態で炭酸ガスレ
ーザ3を照射し、受光素子5,サンプリング手段6を介
し分散値算出手段7から得られる分散値Varを記録し
た。次に、ノズルの位置を基準位置から1mmずつずら
し都度分散値Varを記録した。この際、サンプリング
レートは20kHz、各サンプリング数は10000と
した。
具体的な実施例を図2乃至図4に基づいて説明する。焦
点位置テーブル8を準備するため、次の作業を行った。
図3に示すように、実際に溶接の対象として予定してい
る厚さ2.5mmの5083番アルミニウム板1,2を
重ね、その板面から13°の位置に受光素子5を固定し
た。受光素子5は、受光面を溶接部位の方向に向けた。
溶接レーザは出力3kWの炭酸ガスレーザ3(送り速度
3m/s,フィラ供給速度3m/s)とし、溶接を開始
するとプラズマ発光4が得られた。炭酸ガスレーザ3
は、集光レンズと一体的に上下動するノズル(トーチ)
の先端から照射させるが、実際に溶接動作を繰り返し、
アルミ板の溶融が最も進むノズルの先端位置(そのとき
のレーザ焦点位置)をレーザ焦点の基準位置とした。そ
して、ノズルの先端が基準位置にある状態で炭酸ガスレ
ーザ3を照射し、受光素子5,サンプリング手段6を介
し分散値算出手段7から得られる分散値Varを記録し
た。次に、ノズルの位置を基準位置から1mmずつずら
し都度分散値Varを記録した。この際、サンプリング
レートは20kHz、各サンプリング数は10000と
した。
【0019】この結果、図4の関係が得られた。この図
4において焦点位置Pは、レーザ焦点がアルミ板の内側
にずれる方向を負、外側にずれる方向を正としている。
そして、変化率の正負が変わらない−2mm〜+2mm
までの対応関係を焦点位置テーブル8に設定した。
4において焦点位置Pは、レーザ焦点がアルミ板の内側
にずれる方向を負、外側にずれる方向を正としている。
そして、変化率の正負が変わらない−2mm〜+2mm
までの対応関係を焦点位置テーブル8に設定した。
【0020】
【第2実施形態】次に、本発明の第2実施形態を図5及
び図6に基づいて説明する。
び図6に基づいて説明する。
【0021】この図5に示す溶接レーザの焦点位置検出
装置は、レーザ3による溶接部位の発光4を受光する受
光素子5と、この受光素子5の光電変換出力をサンプリ
ングするサンプリング手段6と、このサンプリング手段
6で得た離散的な光強度データの分散値Varを算出す
る分散値算出手段7とを備えている。また、サンプリン
グ手段6で得た離散的な光強度データの平均値Aveを
算出する平均値算出手段11と、分散値Varを平均値
Aveの2乗で割った特徴量を算出する特徴量算出手段
12とを有する。更に、特徴量に対応するレーザ3の焦
点位置を特定した焦点位置テーブル13と、この焦点位
置テーブル13を参照し特徴量算出手段12で得た特徴
量を溶接レーザの焦点位置Pに変換し出力する焦点位置
算出手段14とを備えている。
装置は、レーザ3による溶接部位の発光4を受光する受
光素子5と、この受光素子5の光電変換出力をサンプリ
ングするサンプリング手段6と、このサンプリング手段
6で得た離散的な光強度データの分散値Varを算出す
る分散値算出手段7とを備えている。また、サンプリン
グ手段6で得た離散的な光強度データの平均値Aveを
算出する平均値算出手段11と、分散値Varを平均値
Aveの2乗で割った特徴量を算出する特徴量算出手段
12とを有する。更に、特徴量に対応するレーザ3の焦
点位置を特定した焦点位置テーブル13と、この焦点位
置テーブル13を参照し特徴量算出手段12で得た特徴
量を溶接レーザの焦点位置Pに変換し出力する焦点位置
算出手段14とを備えている。
【0022】本実施形態において、受光素子5、サンプ
リング手段6、分散値算出手段7の構成は、先の実施形
態と同一である。平均値算出手段11は、分散値算出手
段7が分散値Varの算出に用いる光強度データの平均
値Aveを算出する。平均値Aveの算出は次式(2)
に基づいて行われる。ここで、Nはサンプリング数、x
jはj番目の光強度データである。
リング手段6、分散値算出手段7の構成は、先の実施形
態と同一である。平均値算出手段11は、分散値算出手
段7が分散値Varの算出に用いる光強度データの平均
値Aveを算出する。平均値Aveの算出は次式(2)
に基づいて行われる。ここで、Nはサンプリング数、x
jはj番目の光強度データである。
【0023】
【数2】
【0024】焦点位置テーブル13は、上述した特徴量
と焦点位置との対応関係を、受光素子5の固定位置と溶
接部位との位置関係を変えずに予め測定し、この対応関
係を記録したものである。図6は、先の実施例と同一条
件の下で特徴量算出手段12から得た出力を記録した焦
点位置テーブル13である。最も溶融が進む焦点の基準
位置(0点)を中心として焦点位置Pが金属板の内側
(マイナス側)に移動すると特徴量が徐々に高い値とな
り、外側(プラス側)に移動すると特徴量が徐々に低い
値となっている(−2mm〜+3mmの範囲内)。
と焦点位置との対応関係を、受光素子5の固定位置と溶
接部位との位置関係を変えずに予め測定し、この対応関
係を記録したものである。図6は、先の実施例と同一条
件の下で特徴量算出手段12から得た出力を記録した焦
点位置テーブル13である。最も溶融が進む焦点の基準
位置(0点)を中心として焦点位置Pが金属板の内側
(マイナス側)に移動すると特徴量が徐々に高い値とな
り、外側(プラス側)に移動すると特徴量が徐々に低い
値となっている(−2mm〜+3mmの範囲内)。
【0025】焦点位置算出手段14は、特徴量算出手段
12から定期的に出力される特徴量を受け取り、焦点位
置テーブル13を参照し特徴量をこれに対応する焦点位
置P(基準位置からのずれ量)に変換し出力する。
12から定期的に出力される特徴量を受け取り、焦点位
置テーブル13を参照し特徴量をこれに対応する焦点位
置P(基準位置からのずれ量)に変換し出力する。
【0026】本実施形態によれば、先の実施形態と同一
の作用効果に加え、分散値を平均値の2乗で割って無次
元化したので、焦点位置テーブルの有効範囲を先の実施
形態よりも更に広げることができ、これがため、より広
い有効範囲で焦点位置の検出を行うことができる。
の作用効果に加え、分散値を平均値の2乗で割って無次
元化したので、焦点位置テーブルの有効範囲を先の実施
形態よりも更に広げることができ、これがため、より広
い有効範囲で焦点位置の検出を行うことができる。
【0027】ここで、サンプリング手段6,分散値算出
手段7,平均値算出手段11,特徴量算出手段12,焦
点位置算出手段9は、コンピュータが焦点検出プログラ
ムを実行することによって実現されてもよい。この場
合、焦点検出プログラムは、コンピュータ読み取り可能
な媒体から読み出されたものであってもよい。この媒体
は、受光素子5の光電変換出力をサンプリングするサン
プリング処理6と、このサンプリング処理6で得た離散
的な光強度データの分散値Varを算出する分散値算出
処理と、サンプリング処理で得た離散的な光強度データ
の平均値Aveを算出する平均値算出処理と、分散値V
arを平均値Aveの2乗で割った特徴量を算出する特
徴量算出処理と、焦点位置テーブル13を参照し特徴量
算出処理で得た特徴量を溶接レーザ3の焦点位置に変換
し出力する焦点位置算出処理とをコンピュータに実行さ
せるための焦点検出プログラムを記録したコンピュータ
読み取り可能な媒体である。また、図5のブロック図に
おいて、平均値算出手段11の出力する平均値Aveを
分散値算出手段7での分散値の算出に用いてもよい。
手段7,平均値算出手段11,特徴量算出手段12,焦
点位置算出手段9は、コンピュータが焦点検出プログラ
ムを実行することによって実現されてもよい。この場
合、焦点検出プログラムは、コンピュータ読み取り可能
な媒体から読み出されたものであってもよい。この媒体
は、受光素子5の光電変換出力をサンプリングするサン
プリング処理6と、このサンプリング処理6で得た離散
的な光強度データの分散値Varを算出する分散値算出
処理と、サンプリング処理で得た離散的な光強度データ
の平均値Aveを算出する平均値算出処理と、分散値V
arを平均値Aveの2乗で割った特徴量を算出する特
徴量算出処理と、焦点位置テーブル13を参照し特徴量
算出処理で得た特徴量を溶接レーザ3の焦点位置に変換
し出力する焦点位置算出処理とをコンピュータに実行さ
せるための焦点検出プログラムを記録したコンピュータ
読み取り可能な媒体である。また、図5のブロック図に
おいて、平均値算出手段11の出力する平均値Aveを
分散値算出手段7での分散値の算出に用いてもよい。
【0028】
【第3実施形態】次に、図7に他の実施形態のブロック
図を示す。図1に示した実施形態の構成に対し、第2の
受光素子25、第2のサンプリング手段26、第2の分
散値算出手段27を設ける。第2の受光素子25は、第
1の受光素子5が固定されている位置と異なる位置に固
定する。そして、焦点位置テーブル28には、第1の受
光素子5の出力に基づいて得られる分散値と焦点位置と
の対応関係に加え、第2の受光素子25の出力に基づい
て得られる分散値と焦点位置との対応関係も記録してお
く。焦点位置算出手段29は、焦点位置テーブル28を
参照し、2つの分散値算出手段7,27の両方の出力に
基づいて焦点位置Pを算出する。
図を示す。図1に示した実施形態の構成に対し、第2の
受光素子25、第2のサンプリング手段26、第2の分
散値算出手段27を設ける。第2の受光素子25は、第
1の受光素子5が固定されている位置と異なる位置に固
定する。そして、焦点位置テーブル28には、第1の受
光素子5の出力に基づいて得られる分散値と焦点位置と
の対応関係に加え、第2の受光素子25の出力に基づい
て得られる分散値と焦点位置との対応関係も記録してお
く。焦点位置算出手段29は、焦点位置テーブル28を
参照し、2つの分散値算出手段7,27の両方の出力に
基づいて焦点位置Pを算出する。
【0029】このようにしても、第1の実施形態と同様
の作用効果を奏することができる。
の作用効果を奏することができる。
【0030】
【第4実施形態】続いて、図8に更に他の実施形態のブ
ロック図を示す。図1に示した実施形態の構成に対し、
第2の受光素子25、第2のサンプリング手段26、第
2の分散値算出手段27,第2の平均値算出手段31,
第2の特徴量算出手段32を設ける。第2の受光素子2
5は、第1の受光素子5が固定されている位置と異なる
位置に固定する。そして、焦点位置テーブル33には、
第1の受光素子5の出力に基づいて得られる特徴量と焦
点位置との対応関係に加え、第2の受光素子25の出力
に基づいて得られる特徴量と焦点位置との対応関係も記
録しておく。焦点位置算出手段34は、焦点位置テーブ
ル33を参照し、2つの特徴量算出手段12,32の両
方の出力に基づいて焦点位置Pを算出する。
ロック図を示す。図1に示した実施形態の構成に対し、
第2の受光素子25、第2のサンプリング手段26、第
2の分散値算出手段27,第2の平均値算出手段31,
第2の特徴量算出手段32を設ける。第2の受光素子2
5は、第1の受光素子5が固定されている位置と異なる
位置に固定する。そして、焦点位置テーブル33には、
第1の受光素子5の出力に基づいて得られる特徴量と焦
点位置との対応関係に加え、第2の受光素子25の出力
に基づいて得られる特徴量と焦点位置との対応関係も記
録しておく。焦点位置算出手段34は、焦点位置テーブ
ル33を参照し、2つの特徴量算出手段12,32の両
方の出力に基づいて焦点位置Pを算出する。
【0031】このようにしても、第2の実施形態と同様
の作用効果を奏することができる。
の作用効果を奏することができる。
【0032】
【実施例】次に、上記第4実施形態において、焦点位置
テーブル33を設定するための具体的な実施例を図9乃
至図10に基づいて説明する。焦点位置テーブル33を
準備するため、次の作業を行った。図9に示すように、
実際に溶接の対象として予定している厚さ2.5mmの
1100番アルミニウム板1,2を重ね、その板面から
13°の位置に受光素子5を固定すると共に、その板面
から61°の位置に第2の受光素子25を固定し、受光
面を溶接部位の方向に向けた。この位置関係にすると、
第1の受光素子5は、溶接部位であるキーホールの外に
生じた発光を主に受光する。一方、第2の受光素子25
は、キーホールの内で生じた発光と外で生じた発光の両
方を受光する。溶接レーザ3は出力3kWの炭酸ガスレ
ーザ3(送り速度3m/s,フィラ供給速度3m/s)
とし、溶接を開始するとプラズマ発光4が得られた。炭
酸ガスレーザ3は、集光レンズと一体的に上下動するノ
ズル(トーチ)の先端から照射させるが、実際に溶接動
作を繰り返し、アルミ板の溶融が最も進むノズルの先端
位置(そのときのレーザ焦点位置)をレーザ焦点の基準
位置とした。そして、ノズルの先端が基準位置にある状
態で炭酸ガスレーザ3を照射し、第1の特徴量算出手段
12から得られる特徴量を記録すると共に、第2の特徴
量算出手段32から得られる特徴量を記録した。次に、
ノズルの位置を基準位置から1mmずつずらし都度各受
光素子5,25に基づく2つの特徴量を記録した。この
際、サンプリングレートは20kHz、各サンプリング
数は10000とした。
テーブル33を設定するための具体的な実施例を図9乃
至図10に基づいて説明する。焦点位置テーブル33を
準備するため、次の作業を行った。図9に示すように、
実際に溶接の対象として予定している厚さ2.5mmの
1100番アルミニウム板1,2を重ね、その板面から
13°の位置に受光素子5を固定すると共に、その板面
から61°の位置に第2の受光素子25を固定し、受光
面を溶接部位の方向に向けた。この位置関係にすると、
第1の受光素子5は、溶接部位であるキーホールの外に
生じた発光を主に受光する。一方、第2の受光素子25
は、キーホールの内で生じた発光と外で生じた発光の両
方を受光する。溶接レーザ3は出力3kWの炭酸ガスレ
ーザ3(送り速度3m/s,フィラ供給速度3m/s)
とし、溶接を開始するとプラズマ発光4が得られた。炭
酸ガスレーザ3は、集光レンズと一体的に上下動するノ
ズル(トーチ)の先端から照射させるが、実際に溶接動
作を繰り返し、アルミ板の溶融が最も進むノズルの先端
位置(そのときのレーザ焦点位置)をレーザ焦点の基準
位置とした。そして、ノズルの先端が基準位置にある状
態で炭酸ガスレーザ3を照射し、第1の特徴量算出手段
12から得られる特徴量を記録すると共に、第2の特徴
量算出手段32から得られる特徴量を記録した。次に、
ノズルの位置を基準位置から1mmずつずらし都度各受
光素子5,25に基づく2つの特徴量を記録した。この
際、サンプリングレートは20kHz、各サンプリング
数は10000とした。
【0033】この結果、図10の関係が得られた。この
図10において焦点位置Pは、レーザ焦点がアルミ板の
内側にずれる方向を負、外側にずれる方向を正としてい
る。そして、変化率の正負が変わらない−2mm〜+3
mmまでの対応関係を焦点位置テーブル8に設定した。
この図10より、特徴量と焦点位置との相関は、受光素
子の固定位置によらず得られることがわかる。
図10において焦点位置Pは、レーザ焦点がアルミ板の
内側にずれる方向を負、外側にずれる方向を正としてい
る。そして、変化率の正負が変わらない−2mm〜+3
mmまでの対応関係を焦点位置テーブル8に設定した。
この図10より、特徴量と焦点位置との相関は、受光素
子の固定位置によらず得られることがわかる。
【0034】ここで、2つの受光素子5,25は、図1
1に示すように固定してもよい。即ち、レーザ出力手段
本体41の側壁から第1のアーム42を延ばし、その先
端部に第2の受光素子25を固定する。また、この第2
の受光素子25から第2のアーム43を延ばし、その先
端部に第1の受光素子5を固定する。この場合、レーザ
出力手段本体41の上下動に従って各受光素子5,25
の位置も上下に移動する。このようにすると、第3実施
形態のように分散値をそのまま用いても、特徴量を用い
た第4実施形態とほぼ同一の焦点位置テーブル(図1
0)を得られることが確認された。この結果、分散値と
焦点位置との相関も受光素子の固定位置によらず得られ
ることが分かった。この受光素子の固定構造は、第1実
施形態にも採用することができる。逆に、特徴量を用い
た第4実施形態では、2つの受光素子5,25の位置決
めを目視で行った場合でも図10の焦点位置テーブルを
得られることが確認された。
1に示すように固定してもよい。即ち、レーザ出力手段
本体41の側壁から第1のアーム42を延ばし、その先
端部に第2の受光素子25を固定する。また、この第2
の受光素子25から第2のアーム43を延ばし、その先
端部に第1の受光素子5を固定する。この場合、レーザ
出力手段本体41の上下動に従って各受光素子5,25
の位置も上下に移動する。このようにすると、第3実施
形態のように分散値をそのまま用いても、特徴量を用い
た第4実施形態とほぼ同一の焦点位置テーブル(図1
0)を得られることが確認された。この結果、分散値と
焦点位置との相関も受光素子の固定位置によらず得られ
ることが分かった。この受光素子の固定構造は、第1実
施形態にも採用することができる。逆に、特徴量を用い
た第4実施形態では、2つの受光素子5,25の位置決
めを目視で行った場合でも図10の焦点位置テーブルを
得られることが確認された。
【0035】ここで、本発明は、上記実施形態や実施例
に限定されない。溶接の対象となる金属板は、アルミニ
ウム板以外であっても本発明を適用することは可能であ
る。焦点の基準位置は、溶融が最も進む位置としたが、
任意の位置で構わない。また、本発明は、検出された焦
点位置の情報をフィードバックして集光レンズの位置を
制御することによって焦点位置を常時最適位置に制御す
る焦点位置制御装置への応用が可能である。この場合、
焦点位置算出手段の後段に、焦点位置算出手段から出力
された焦点位置即ち基準位置からのずれ量を0に近づけ
る方向にレーザの集光レンズの位置を制御する制御手段
を装備するとよい。更に、溶接時のレーザ焦点の位置が
溶接の品質に大きく影響する点を考慮すれば、本発明に
よる焦点位置の検出結果から溶接結果の良否を判定する
溶接品質判定装置を実現することも可能である。この場
合、例えば、焦点位置算出手段の後段に、この焦点位置
算出手段から出力された焦点位置(基準位置からのずれ
量)を予め設定されたしきい値と比較しずれ量が当該し
きい値を越えている場合に溶接の不良を判定する品質判
定手段を設けるとよい。
に限定されない。溶接の対象となる金属板は、アルミニ
ウム板以外であっても本発明を適用することは可能であ
る。焦点の基準位置は、溶融が最も進む位置としたが、
任意の位置で構わない。また、本発明は、検出された焦
点位置の情報をフィードバックして集光レンズの位置を
制御することによって焦点位置を常時最適位置に制御す
る焦点位置制御装置への応用が可能である。この場合、
焦点位置算出手段の後段に、焦点位置算出手段から出力
された焦点位置即ち基準位置からのずれ量を0に近づけ
る方向にレーザの集光レンズの位置を制御する制御手段
を装備するとよい。更に、溶接時のレーザ焦点の位置が
溶接の品質に大きく影響する点を考慮すれば、本発明に
よる焦点位置の検出結果から溶接結果の良否を判定する
溶接品質判定装置を実現することも可能である。この場
合、例えば、焦点位置算出手段の後段に、この焦点位置
算出手段から出力された焦点位置(基準位置からのずれ
量)を予め設定されたしきい値と比較しずれ量が当該し
きい値を越えている場合に溶接の不良を判定する品質判
定手段を設けるとよい。
【0036】
【発明の効果】本発明は、以上のように構成され機能す
るので、これによると、請求項1記載の発明では、溶接
部位に生じる発光強度の分散値と焦点位置とが所定区間
で1対1に対応することを見出し、この対応関係を焦点
位置テーブルに記録し、この焦点位置テーブルを利用し
て分散値から焦点位置を求めるようにしたので、受光素
子の出力に基づいて溶接レーザの焦点位置を検出するこ
とができる。このため、レーザの光学系や発振器等に経
時的な状態変化を生じレーザの集光レンズとレーザ焦点
との距離が変動しても、溶接部位からの発光強度のみに
基づいて焦点位置を検出するので焦点位置を正しく検出
することができる。
るので、これによると、請求項1記載の発明では、溶接
部位に生じる発光強度の分散値と焦点位置とが所定区間
で1対1に対応することを見出し、この対応関係を焦点
位置テーブルに記録し、この焦点位置テーブルを利用し
て分散値から焦点位置を求めるようにしたので、受光素
子の出力に基づいて溶接レーザの焦点位置を検出するこ
とができる。このため、レーザの光学系や発振器等に経
時的な状態変化を生じレーザの集光レンズとレーザ焦点
との距離が変動しても、溶接部位からの発光強度のみに
基づいて焦点位置を検出するので焦点位置を正しく検出
することができる。
【0037】また、請求項2記載の発明では、分散値を
平均値の2乗で割って無次元化し、この特徴量と焦点位
置との相関を見出し、この相関を焦点位置テーブルに記
録し、このテーブルを参照して焦点位置を検出するの
で、上記の効果に加え、焦点位置テーブルの有効範囲を
先の実施形態よりも更に広げることができ、これがた
め、より広い有効範囲で焦点位置の検出を行うことがで
きる、という従来にない優れた焦点位置検出装置を提供
することができる。
平均値の2乗で割って無次元化し、この特徴量と焦点位
置との相関を見出し、この相関を焦点位置テーブルに記
録し、このテーブルを参照して焦点位置を検出するの
で、上記の効果に加え、焦点位置テーブルの有効範囲を
先の実施形態よりも更に広げることができ、これがた
め、より広い有効範囲で焦点位置の検出を行うことがで
きる、という従来にない優れた焦点位置検出装置を提供
することができる。
【図1】溶接部位の発光の様子と、受光素子の固定位置
を示す説明図である。
を示す説明図である。
【図2】本発明の第1実施形態の構成を示すブロック図
である。
である。
【図3】図2の実施形態に基づく実施例を示すための説
明図である。
明図である。
【図4】図3の実施例で得られる焦点位置テーブルを示
す特性図である。
す特性図である。
【図5】本発明の第2実施形態を示すブロック図であ
る。
る。
【図6】図5の実施形態における焦点位置テーブルの一
例を示す特性図である。
例を示す特性図である。
【図7】本発明の第3実施形態を示すブロック図であ
る。
る。
【図8】本発明の第4実施形態を示すブロック図であ
る。
る。
【図9】図8の実施形態に基づく実施例を説明する説明
図である。
図である。
【図10】図9の実施例で得られる焦点位置テーブルを
示す特性図である。
示す特性図である。
【図11】図7の実施形態における受光素子の固定例を
示す斜視図である。
示す斜視図である。
1,2 金属板(アルミニウム板) 3 レーザ(炭酸ガスレーザ) 4 発光(プラズマ発光) 5,25 受光素子 6,26 サンプリング手段 7,27 分散値算出手段 8,13,28,33 焦点位置テーブル 9,14,29,34 焦点位置算出手段 11,31 平均値算出手段 12,32 特徴量算出手段 Ave 平均値 P 焦点位置 Var 分散値
Claims (2)
- 【請求項1】 レーザによる溶接部位の発光を受光する
受光素子と、この受光素子の光電変換出力をサンプリン
グするサンプリング手段と、このサンプリング手段で得
た離散的な光強度データの分散値を算出する分散値算出
手段と、分散値に対応するレーザの焦点位置を特定した
焦点位置テーブルと、この焦点位置テーブルを参照し分
散値算出手段で得た光強度データの分散値を溶接レーザ
の焦点位置に変換し出力する焦点位置算出手段とを備え
たことを特徴とした溶接レーザの焦点位置検出装置。 - 【請求項2】 レーザによる溶接部位の発光を受光する
受光素子と、この受光素子の光電変換出力をサンプリン
グするサンプリング手段と、このサンプリング手段で得
た離散的な光強度データの分散値を算出する分散値算出
手段と、サンプリング手段で得た離散的な光強度データ
の平均値を算出する平均値算出手段と、前記分散値を前
記平均値の2乗で割った特徴量を算出する特徴量算出手
段と、特徴量に対応するレーザの焦点位置を特定した焦
点位置テーブルと、この焦点位置テーブルを参照し特徴
量算出手段で得た特徴量を溶接レーザの焦点位置に変換
し出力する焦点位置算出手段とを備えたことを特徴とし
た溶接レーザの焦点位置検出装置。
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10170567A JP2910763B1 (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 溶接レーザの焦点位置検出装置 |
US09/321,878 US6377904B1 (en) | 1998-06-03 | 1999-05-28 | Welding laser focal point position detecting apparatus |
DE19925413A DE19925413B4 (de) | 1998-06-03 | 1999-06-02 | Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlaserstrahls |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10170567A JP2910763B1 (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 溶接レーザの焦点位置検出装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2910763B1 true JP2910763B1 (ja) | 1999-06-23 |
JPH11347760A JPH11347760A (ja) | 1999-12-21 |
Family
ID=15907240
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10170567A Expired - Fee Related JP2910763B1 (ja) | 1998-06-03 | 1998-06-03 | 溶接レーザの焦点位置検出装置 |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US6377904B1 (ja) |
JP (1) | JP2910763B1 (ja) |
DE (1) | DE19925413B4 (ja) |
Families Citing this family (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6303903B1 (en) * | 1999-08-11 | 2001-10-16 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd | Method and apparatus for determining focus position of a laser |
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