JP4127614B2 - レーザ溶接装置および溶接方法 - Google Patents

レーザ溶接装置および溶接方法 Download PDF

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Description

【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θ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
0、Z0…規定位置 XP1…X軸座標値
0…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

Claims (6)

  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
  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。
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