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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-
- 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
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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 |
|---|---|
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