JP6810973B2 - Laser welding control device - Google Patents
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Description
本発明は、照射部から対象物に向けて照射されるレーザビームの出力を制御するうえで好適なレーザ溶接制御装置に関する。 The present invention relates to a laser welding control device suitable for controlling the output of a laser beam emitted from an irradiation unit toward an object.
従来、対象物に向けて照射されるレーザビームの制御を行うレーザ溶接制御装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１記載のレーザ溶接制御装置は、レーザビームを照射する照射部と、対象物におけるレーザビームが照射された加工部位を撮像するカメラと、を備えている。この制御装置は、まず、溶接前に溶接システムの異常要素を検出するためのニューラルネットワークモデルを構築する。そして、そのニューラルネットワークモデルの構築後、対象物にレーザビームを照射して加工部位を形成し、その加工部位の溶接状態を光強度検出センサにより検出し、その溶接状態を上記の如く構築したニューラルネットワークモデルの教師データと比較することにより、溶接システムの異常要素を検出する。 Conventionally, a laser welding control device that controls a laser beam emitted toward an object is known (for example, Patent Document 1). The laser welding control device described in Patent Document 1 includes an irradiation unit that irradiates a laser beam, and a camera that images a processed portion of an object that is irradiated with the laser beam. The controller first builds a neural network model to detect anomalous elements in the welding system prior to welding. Then, after constructing the neural network model, the object is irradiated with a laser beam to form a processed portion, the welded state of the processed portion is detected by a light intensity detection sensor, and the welded state is constructed as described above. Detect anomalous elements in the welding system by comparing with the teacher data of the network model.
しかしながら、上記した制御装置では、溶接工程で対象物の溶接結果が目標からずれたときに、照射部からのレーザビームの出力・強度が自動的に変更されないので、そのズレ発生後もそのズレ状態が継続するおそれがある。 However, in the above-mentioned control device, when the welding result of the object deviates from the target in the welding process, the output and intensity of the laser beam from the irradiation unit are not automatically changed, so that the deviation state even after the deviation occurs. May continue.
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、対象物の溶接品質を良好な状態に安定化させることが可能なレーザ溶接制御装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these points, and an object of the present invention is to provide a laser welding control device capable of stabilizing the welding quality of an object in a good state.
本発明の一態様のレーザ溶接状態判定装置は、レーザ溶接される対象物における、照射部の出力したレーザビームが照射された加工部位を撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された撮像画像を、機械学習により得られた溶接状態ごとの教示画像と比較することにより、前記加工部位の溶接状態と前記教示画像の溶接状態との一致度を演算する一致度演算部と、前記一致度演算部により演算された前記一致度と、目標とする溶接状態に基づく目標一致度とに基づいて、前記照射部の照射する前記レーザビームの出力をフィードバック制御するレーザ制御部と、を備える。 The laser welding state determination device according to one aspect of the present invention includes an imaging unit that images a processed portion of an object to be laser-welded that has been irradiated with a laser beam output by the irradiation unit, and an image captured by the imaging unit. By comparing with the teaching image for each welding state obtained by machine learning, the matching degree calculation unit for calculating the degree of coincidence between the welding state of the processed portion and the welding state of the teaching image, and the matching degree calculation A laser control unit that feedback-controls the output of the laser beam irradiated by the irradiation unit is provided based on the matching degree calculated by the unit and the target matching degree based on the target welding state.
この構成によれば、撮像部により対象物の加工部位が撮像された撮像画像が溶接状態ごとの教示画像と比較されることにより、加工部位の溶接状態と教示画像の溶接状態との一致度が演算される。そして、照射部の照射するレーザビームの出力が、その演算一致度と目標とする溶接状態に基づく目標一致度とに基づいてフィードバック制御される。このため、レーザ溶接される対象物の加工部位の溶接品質を、目標の品質に近づけて良好な状態に安定化させることができる。 According to this configuration, the captured image obtained by capturing the processed portion of the object by the imaging unit is compared with the teaching image for each welding state, so that the degree of coincidence between the welding state of the processed portion and the welding state of the teaching image can be obtained. It is calculated. Then, the output of the laser beam irradiated by the irradiation unit is feedback-controlled based on the calculation matching degree and the target matching degree based on the target welding state. Therefore, the welding quality of the processed portion of the object to be laser-welded can be brought close to the target quality and stabilized in a good state.
以下、本発明に係るレーザ溶接制御装置の具体的な実施の形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, specific embodiments of the laser welding control device according to the present invention will be described with reference to the drawings.
一実施形態のレーザ溶接制御装置１０は、レーザ溶接装置１に組み込まれた制御装置である。レーザ溶接装置１は、例えば金属製の板材２同士を突き合わせ或いは重ね合わせた部位を、レーザビームの照射により溶接する装置である。この溶接は、例えば、二つの板材２の側面同士が突き合わされた状態でその突き合わされた面に沿って平行にその板材２を貫通してなされる溶接（すなわち、突き合わせ貫通溶接）、その板材２を非貫通でなされる溶接（すなわち、突き合わせ非貫通溶接）、二つの板材２が積層方向に重ね合わされた状態でその重ね合わされた面に垂直にその板材２を貫通してなされる溶接（すなわち、重ね合わせ貫通溶接）、及びその板材２を非貫通でなされる溶接（すなわち、重ね合わせ非貫通溶接）の何れであってもよい。 The laser welding control device 10 of one embodiment is a control device incorporated in the laser welding device 1. The laser welding device 1 is a device that welds, for example, a portion where metal plates 2 are butted or overlapped with each other by irradiation with a laser beam. This welding is performed, for example, welding (that is, butt penetration welding) performed by penetrating the plate material 2 in parallel along the abutted surface in a state where the side surfaces of the two plate materials 2 are abutted against each other, the plate material 2. Welding performed non-penetratingly (that is, butt non-penetrating welding), welding performed by penetrating the plate material 2 perpendicular to the overlapped surface in a state where the two plate materials 2 are overlapped in the stacking direction (that is, It may be either lap-through welding) or welding performed by non-penetrating the plate material 2 (that is, lap-through non-penetration welding).
レーザ溶接装置１は、レーザビームであるレーザ光を熱源として発生しつつ集光した状態で溶接対象の板材２に照射し、板材２を局部的に溶融及び凝固させることにより、板材２同士を接合する。レーザ溶接装置１は、図１及び図２に示す如く、レーザ溶接制御装置１０を備えていると共に、レーザ発振器２０と、伝送路３０と、溶接ヘッド４０と、を備えている。 The laser welding apparatus 1 joins the plate materials 2 to each other by irradiating the plate material 2 to be welded in a condensed state while generating a laser beam which is a laser beam as a heat source and locally melting and solidifying the plate material 2. To do. As shown in FIGS. 1 and 2, the laser welding device 1 includes a laser welding control device 10, a laser oscillator 20, a transmission line 30, and a welding head 40.
レーザ発振器２０は、レーザ光（例えば１０７０ｎｍの第１波長を有するレーザ光）を発振する装置である。レーザ発振器２０は、例えば、高出力化が可能なＣＯ２レーザやＹＡＧレーザ，ファイバーレーザ，半導体レーザなどを用いて構成されている。レーザ発振器２０で発生したレーザ光は、伝送路３０を通じて溶接ヘッド４０の光学系へ導かれる。ＣＯ２レーザでは、伝送路３０での伝送は、ミラーによる折返しで行われる。また、ＹＡＧレーザでは、伝送路３０での伝送は、ミラーによる折返し以外に、自在に湾曲可能な光ファイバによる伝送で行われることもある。また、伝送路３０は、例えば光ファイバなどである。 The laser oscillator 20 is a device that oscillates a laser beam (for example, a laser beam having a first wavelength of 1070 nm). The laser oscillator 20 is configured by using, for example, a CO2 laser, a YAG laser, a fiber laser, a semiconductor laser, or the like capable of increasing the output. The laser light generated by the laser oscillator 20 is guided to the optical system of the welding head 40 through the transmission line 30. In the CO2 laser, the transmission on the transmission line 30 is performed by turning back by the mirror. Further, in the YAG laser, transmission on the transmission line 30 may be performed by transmission by a freely bendable optical fiber in addition to folding back by a mirror. The transmission line 30 is, for example, an optical fiber.
伝送路３０の出口側は、溶接ヘッド４０の上端に接続されている。溶接ヘッド４０は、上下に延在する円筒状に形成された筐体からなる。溶接ヘッド４０は、伝送路３０から伝送されたレーザ光を鉛直下方に導く。溶接ヘッド４０には、図１に示す如く、コリメーションレンズ４１と、ダイクロイックミラー４２と、集光レンズ４３と、が設けられている。コリメーションレンズ４１、ダイクロイックミラー４２、及び集光レンズ４３は、溶接ヘッド４０内におけるレーザ発振器２０の出力するレーザ光の光路上にその順に配置されている。 The outlet side of the transmission line 30 is connected to the upper end of the welding head 40. The welding head 40 is composed of a cylindrically formed housing extending vertically. The welding head 40 guides the laser beam transmitted from the transmission line 30 vertically downward. As shown in FIG. 1, the welding head 40 is provided with a collimation lens 41, a dichroic mirror 42, and a condenser lens 43. The collimation lens 41, the dichroic mirror 42, and the condenser lens 43 are arranged in this order on the optical path of the laser light output by the laser oscillator 20 in the welding head 40.
レーザ発振器２０から出力されたレーザ光は、放射状に広がりながら進行する。コリメーションレンズ４１は、放射状に広がりながら進行するレーザ光を、平行に進行するレーザ光に変換するレンズである。ダイクロイックミラー４２は、レーザ発振器２０から照射される上記第１波長のレーザ光を透過する一方、可視光及び後述するカメラ用の投光部から照射される第２波長（すなわち、上記の第１波長とは異なる波長；例えば８５０ｎｍの波長）のレーザ光を反射するミラーである。集光レンズ４３は、ダイクロイックミラー４２を透過したレーザ光を板材２の溶接加工部位に集光するレンズである。溶接ヘッド４０は、レーザ発振器２０の生成した第１波長のレーザ光を適切なサイズに集光して板材２へ照射する。このようにレーザ光の照射が行われることにより、二つの板材２が溶接される。 The laser beam output from the laser oscillator 20 travels while spreading radially. The collimation lens 41 is a lens that converts a laser beam that travels while spreading radially into a laser beam that travels in parallel. The dichroic mirror 42 transmits the laser light of the first wavelength emitted from the laser oscillator 20, while the second wavelength (that is, the first wavelength) emitted from visible light and a light projecting unit for a camera described later. It is a mirror that reflects laser light having a wavelength different from that of (for example, a wavelength of 850 nm). The condenser lens 43 is a lens that concentrates the laser light transmitted through the dichroic mirror 42 on the welded portion of the plate material 2. The welding head 40 collects the laser beam of the first wavelength generated by the laser oscillator 20 to an appropriate size and irradiates the plate material 2. By irradiating the laser beam in this way, the two plate materials 2 are welded.
溶接ヘッド４０の下方には、台座５０が設けられている。溶接対象の板材２は、台座５０に載置され、治具を用いて台座５０に固定される。溶接ヘッド４０は、駆動モータなどにより台座５０ひいては板材２に対して水平方向及び上下方向に移動可能である。溶接ヘッド４０は、台座５０に対する移動により、板材２の溶接部位である加工部位を変化させる。レーザ光による板材２同士の溶接は、溶接ヘッド４０が台座５０に対して水平方向に移動することによりその板材２の表面に沿って進行する。尚、溶接ヘッド４０の移動に代えて或いはその溶接ヘッド４０の移動と共に、台座５０が移動するものであってもよい。 A pedestal 50 is provided below the welding head 40. The plate material 2 to be welded is placed on the pedestal 50 and fixed to the pedestal 50 using a jig. The welding head 40 can be moved in the horizontal direction and the vertical direction with respect to the pedestal 50 and thus the plate material 2 by a drive motor or the like. The welding head 40 changes the processed portion, which is the welded portion of the plate material 2, by moving with respect to the pedestal 50. Welding of the plate materials 2 with each other by the laser beam proceeds along the surface of the plate materials 2 by moving the welding head 40 in the horizontal direction with respect to the pedestal 50. The pedestal 50 may move instead of or with the movement of the welding head 40.
レーザ溶接制御装置１０は、モニタ１５へのカメラ１１の画像表示や溶接状態を含む各種状態の表示を制御し、溶接状態を判定するための機械学習を行う判定部を制御することが可能であると共に、レーザ発振器２０によるレーザ光の出力を制御し、溶接ヘッド４０の位置移動を制御することが可能である。レーザ溶接制御装置１０は、図３に示す如く、カメラ１１と、状態判定部１２と、レーザ制御部１３と、を有している。 The laser welding control device 10 can control the image display of the camera 11 on the monitor 15 and the display of various states including the welding state, and can control the determination unit that performs machine learning for determining the welding state. At the same time, it is possible to control the output of the laser beam by the laser oscillator 20 and control the position movement of the welding head 40. As shown in FIG. 3, the laser welding control device 10 includes a camera 11, a state determination unit 12, and a laser control unit 13.
カメラ１１は、レーザ溶接された板材２における、レーザ光が照射された加工部位を撮像する撮像部である。カメラ１１は、反射ミラー１４を介して板材２の加工部位に指向されている。カメラ１１及び反射ミラー１４は、溶接ヘッド４０に取り付け固定されている。カメラ１１は、レーザ発振器２０から照射されるレーザ光と同軸上で撮像を行う。カメラ１１には、板材２の加工部位からの光が集光、反射、拡大、及び減衰などが施されて入射される。カメラ１１は、入射した光を光電変換することで画像を生成する。尚、カメラ１１は、可視光と共に可視光以外の近赤外光の波長成分を光電変換して画像生成するのが好適である。カメラ１１で生成される画像は、二次元平面画像を縦横で所定ピクセル数ずつに分割した領域ごとの輝度を所定数（例えば２５６）の階調で表現したものである。 The camera 11 is an imaging unit that captures an image of a processed portion irradiated with a laser beam in the laser-welded plate material 2. The camera 11 is directed to the processed portion of the plate material 2 via the reflection mirror 14. The camera 11 and the reflection mirror 14 are attached and fixed to the welding head 40. The camera 11 takes an image coaxially with the laser beam emitted from the laser oscillator 20. Light from the processed portion of the plate material 2 is focused, reflected, magnified, attenuated, and incidentally incident on the camera 11. The camera 11 generates an image by photoelectrically converting the incident light. The camera 11 preferably generates an image by photoelectrically converting wavelength components of near-infrared light other than visible light together with visible light. The image generated by the camera 11 expresses the brightness of each region obtained by dividing a two-dimensional plane image vertically and horizontally by a predetermined number of pixels with a predetermined number of gradations (for example, 256).
状態判定部１２は、レーザ溶接された板材２の溶接状態を判定する部位である。レーザ溶接は、板材２の加工部位で激しい蒸発が起こり、レーザ光からの熱と激しい蒸発の蒸発反力とによって加工部位に溶融金属が溜まる溶融池が形成されると共にその溶融池の中心付近に深い穴であるキーホールが形成された状態で進行する溶接であって、深溶込み溶接が可能である。このキーホールは、レーザ光の出力増加に伴って深くなり、進行方向への溶接速度の増加に伴って浅くなる傾向にある。 The state determination unit 12 is a portion for determining the welded state of the laser-welded plate material 2. In laser welding, vigorous evaporation occurs at the machined part of the plate material 2, and the heat from the laser beam and the evaporation reaction force of the violent evaporation form a molten pool where molten metal accumulates at the machined part, and near the center of the molten pool. Welding proceeds with a keyhole, which is a deep hole, formed, and deep penetration welding is possible. This keyhole tends to become deeper as the output of the laser beam increases, and becomes shallower as the welding speed increases in the traveling direction.
状態判定部１２により判定される溶接状態は、キーホールや溶融池の状態であって、少なくともキーホールの貫通有無を含み、例えば、キーホールの一部が溶着金属で満たされずに母材の表面と溶着金属の表面との間に溝が形成されるアンダーカットの有無、溶接表面が窪むアンダーフィルの有無，未溶着，レーザ未出力などを含んでもよい。状態判定部１２は、カメラ１１に接続されている。状態判定部１２は、カメラ１１の撮像画像を取得する。状態判定部１２は、事前に取得したデータに基づいて機械学習を行うと共に、その学習した結果を用いて、板材２の溶接中すなわち加工中に取得した画像データから板材２の溶接状態を判定する。尚、状態判定部１２は、他のスーパーコンピュータで計算した学習結果を用いて溶接状態の判定を行ってもよい。 The welded state determined by the state determining unit 12 is a state of a keyhole or a molten pool, and includes at least the presence or absence of penetration of the keyhole. It may include the presence or absence of undercut in which a groove is formed between the welded metal and the surface of the weld metal, the presence or absence of underfill in which the welded surface is dented, unwelded, and unpowered laser. The state determination unit 12 is connected to the camera 11. The state determination unit 12 acquires the captured image of the camera 11. The state determination unit 12 performs machine learning based on the data acquired in advance, and uses the learned result to determine the welding state of the plate material 2 from the image data acquired during welding of the plate material 2, that is, during processing. .. The state determination unit 12 may determine the welding state using the learning result calculated by another supercomputer.
状態判定部１２にて溶接状態を判定するための機械学習は、ＡＩ（人工知能）パラメータを用いる。このＡＩパラメータは、畳み込み処理の入力画像サイズ及び枚数、畳み込み処理フィルタの選択、活性化処理のフィルタ選択、間引き処理のフィルタ選択、これらフィルタの組み合わせ方法、パーセプトロン結合処理の中間層や出力層のサイズ及び層数、活性化関数、重み係数、オフセット値、学習におけるエポック数、ドロップアウト割合やバッチ処理の方法、オプチマイザの設定などである。 AI (artificial intelligence) parameters are used for machine learning for determining the welding state by the state determination unit 12. This AI parameter is the input image size and number of convolution processing, selection of convolution processing filter, filter selection of activation processing, filter selection of thinning processing, combination method of these filters, size of intermediate layer and output layer of perceptron coupling processing. And the number of layers, activation function, weighting factor, offset value, number of epochs in learning, dropout ratio and batch processing method, optimizer settings, etc.
カメラ１１の撮像画像を示す画像データと溶接状態とを互いに関連させた学習データは、データサーバに格納される。この学習データは、カメラ１１の撮像画像自体（元画像）、その元画像に対する画像処理により取得した画像（処理後画像）、及びその元画像に対する画像処理により取得した数値パラメータを含む。すなわち、カメラ１１の元画像のデータ、処理後画像のデータ、及び数値パラメータは、教示画像として、溶接状態に関連されてデータサーバに格納される。データサーバに格納される教示画像は、アップデート可能である。 The learning data in which the image data showing the image captured by the camera 11 and the welding state are related to each other is stored in the data server. This training data includes the captured image itself (original image) of the camera 11, an image acquired by image processing on the original image (processed image), and numerical parameters acquired by image processing on the original image. That is, the data of the original image of the camera 11, the data of the processed image, and the numerical parameters are stored in the data server as teaching images in relation to the welding state. The teaching image stored in the data server can be updated.
カメラ１１の撮像画像に対して行われる画像処理は、二値化処理、ブロブ解析処理、露出カラー化処理、三次元化処理などである。二値化処理は、カメラ１１の撮像画像（元画像）が例えば２５６階調の濃淡で表現されている場合に、設定した閾値を境にして白と黒との二階調に変換する処理である。二値化処理は、複数の閾値に対応して複数種類、実行される。ブロブ解析処理は、二値化処理された画像を分析する手法であって、その画像に含まれるブロブ（具体的には、キーホールや溶融池）の面積や周囲長，重心位置，真円度，扁平率，角度、更には、キーホールや溶融池に外接若しくは内接する四角形の位置や縦横それぞれの一辺の長さなどを算出する処理である。画像処理上、例えば、閾値１２８以上の二値化部分がキーホールに設定され、閾値６４以上の二値化部分が溶融池に設定される。尚、通常、キーホールや溶融池は、複数ブロブ中の最大ブロブで定義される。 The image processing performed on the captured image of the camera 11 is a binarization process, a blob analysis process, an exposure colorization process, a three-dimensionalization process, and the like. The binarization process is a process of converting the captured image (original image) of the camera 11 into two gradations of white and black at a set threshold value, for example, when the image is represented by shades of 256 gradations. .. The binarization process is executed in a plurality of types corresponding to a plurality of threshold values. The blob analysis process is a method of analyzing a binarized image, and the area, circumference length, center of gravity position, and roundness of the blob (specifically, a keyhole or a molten pool) included in the image. It is a process to calculate the flatness, the angle, the position of the quadrangle circumscribing or inscribed in the keyhole or the molten pool, and the length of each side in the vertical and horizontal directions. In image processing, for example, a binarized portion having a threshold value of 128 or more is set in a keyhole, and a binarized portion having a threshold value of 64 or more is set in a molten pool. Normally, a keyhole or a molten pool is defined by the maximum blob among a plurality of blobs.
露出カラー化処理は、カメラ１１の撮像画像中の各ピクセルの輝度値（例えば２５６段階）を所定段階（具体的には、輝度値の総階調数よりも少ない段階数、例えば１６段階などの任意の値）のうちの何れに含まれるかを判定し、その段階に色を割り当ててその輝度を色で表示する処理である。三次元化処理は、カメラ１１の撮像画像の輝度分布及び輝度勾配分布などに基づいてその画像を立体化する処理、及び、その立体化後、更にＸＺ平面、ＹＺ平面に変換する処理である。 In the exposure colorization process, the brightness value (for example, 256 steps) of each pixel in the image captured by the camera 11 is set to a predetermined step (specifically, the number of steps smaller than the total number of gradations of the brightness value, for example, 16 steps). It is a process of determining which of the (arbitrary values) is included, assigning a color to that stage, and displaying the brightness in color. The three-dimensional processing is a process of three-dimensionalizing the image based on the luminance distribution and the luminance gradient distribution of the image captured by the camera 11, and a process of further converting the image into an XZ plane and a YZ plane after the three-dimensionalization.
上記の画像処理が実行されると、キーホール及び溶融池の面積、周囲長、重心位置、真円度、扁平率、及び角度、キーホールに外接若しくは内接する四角形及び溶融池に外接若しくは内接する四角形の位置及び縦横それぞれの一辺の長さ、キーホール周辺及び溶融池周辺の輝度勾配分布、露出カラー化された各色の面積比、並びにキーホール重心及び溶融池重心の輝度分布及びその輝度分布の時間変化などが、数値パラメータとして算出される。 When the above image processing is executed, the area of the keyhole and the molten pool, the circumference, the position of the center of gravity, the roundness, the flatness, and the angle, the quadrangle circumscribing or inscribed in the keyhole, and the quadrangle inscribed or inscribed in the molten pool are circumscribed or inscribed. The position of the quadrangle and the length of each side in the vertical and horizontal directions, the brightness gradient distribution around the keyhole and the molten pool, the area ratio of each exposed color, and the brightness distribution of the keyhole center of gravity and the center of the molten pool and their brightness distribution. Time changes and the like are calculated as numerical parameters.
状態判定部１２は、データサーバに格納されている教示画像データを読み込み、機械学習を行う。尚、状態判定部１２は、データサーバから学習済みの結果を取得することも可能である。状態判定部１２は、初期は予め設定されている初期パラメータに基づいて機械学習を行い、以後は、学習により算出したパラメータに基づいて機械学習を行う。この機械学習は、画像の各ピクセルの輝度値に対して重み付けを行う係数、閾値、オフセット値などを変化させることにより、最終的に溶接状態を当てる確率が最も高くなる重み付け係数などを決定するものである。機械学習は、重み付けを行う層が多階層であるディープラーニング（ＤＬ）を含む。ＤＬは、出力値から入力値が正しいか否かを検算するオプチマイザ機能（バックプロパゲーション）を有しており、勾配降下法等で各階層での重み付け係数などのパラメータを自動最適化することが可能である。尚、ＤＬの階層は、局所的（例えば１ピクセルのみ）に重み付けを行う層を含んでもよいし、また、大局的（例えばすべてのピクセル）に重み付けを行う層を含んでもよい。 The state determination unit 12 reads the teaching image data stored in the data server and performs machine learning. The state determination unit 12 can also acquire the learned result from the data server. Initially, the state determination unit 12 performs machine learning based on preset initial parameters, and thereafter, machine learning is performed based on the parameters calculated by learning. In this machine learning, the coefficient for weighting the brightness value of each pixel of the image, the threshold value, the offset value, etc. are changed to determine the weighting coefficient, etc., which gives the highest probability of finally applying the welded state. Is. Machine learning includes deep learning (DL) in which the weighting layer is multi-layered. The DL has an optimizer function (backpropagation) that checks whether the input value is correct from the output value, and it is possible to automatically optimize parameters such as the weighting coefficient in each layer by the gradient descent method or the like. It is possible. The DL layer may include a layer that weights locally (for example, only one pixel), or may include a layer that weights globally (for example, all pixels).
状態判定部１２は、機能ブロックとして、畳み込み層（コンボリューションニューラルネットワーク（ＣＮＮ）層）と、活性化層と、プーリング層と、ファイナライザと、オプチマイザと、を有している。畳み込み層は、フィルタ機能である画像の畳み込み処理を行う層である。活性化層は、畳み込み層から出力されるデータを処理に適した形に変換するルックアップテーブル（ＬＵＴ）である。プーリング層は、活性化層から出力されたデータを間引き処理する層である。フィイナライザは、プーリング層から出力されるデータを結合する結合層である。オプチマイザは、出力値から入力値が正しいか否かを検算する層である。 The state determination unit 12 has a convolutional layer (convolutional neural network (CNN) layer), an activation layer, a pooling layer, a finalizer, and an optimizer as functional blocks. The convolution layer is a layer that performs image convolution processing, which is a filter function. The activation layer is a look-up table (LUT) that converts the data output from the convolution layer into a form suitable for processing. The pooling layer is a layer for thinning out the data output from the activation layer. The finalizer is a binding layer that binds the data output from the pooling layer. The optimizer is a layer that checks whether the input value is correct from the output value.
状態判定部１２による機械学習は、図４に示す如く、ＡＩ判定アルゴリズムとしての３層以上の多層ニューラルネットワークを有している。この多層ニューラルネットワークは、入力層と、隠れ層と、出力層と、を含む。入力層は、入力された元画像の各ドットの輝度を表した層である。入力層のユニット数ｍは、元画像のサイズであって、例えば縦横（１００×１００）個である。この入力層の値Ｘ１〜Ｘｍはそれぞれ、入力される。隠れ層は、入力層と出力層との間に介在する中間層である。隠れ層のユニット数ｎは、例えば５１２個である。また、出力層は、溶接状態の出力を表す層である。出力層のユニット数ｏは、例えば、貫通、非貫通、及び貫通と非貫通との中間の各状態を出力するように３個である。尚、本実施形態では、隠れ層の層数は“１”であるものとし、出力層のユニット数ｏは“３”であるものとする。また、隠れ層の層数は“２”以上であってよく、出力層のユニット数ｏは“２”や“４”以上であってよい。 As shown in FIG. 4, the machine learning by the state determination unit 12 has a multi-layer neural network having three or more layers as an AI determination algorithm. This multi-layer neural network includes an input layer, a hidden layer, and an output layer. The input layer is a layer representing the brightness of each dot of the input original image. The number of units m of the input layer is the size of the original image, for example, vertically and horizontally (100 × 100). The values X1 to Xm of this input layer are input respectively. The hidden layer is an intermediate layer interposed between the input layer and the output layer. The number of units n in the hidden layer is, for example, 512. The output layer is a layer representing the output in the welded state. The number of units o of the output layer is, for example, three so as to output each state of penetration, non-penetration, and intermediate between penetration and non-penetration. In the present embodiment, the number of hidden layers is assumed to be "1", and the number of units o of the output layer is assumed to be "3". Further, the number of hidden layers may be "2" or more, and the number of units o of the output layer may be "2" or "4" or more.
隠れ層の値Ｈ１〜Ｈｎは、以下の式で表される。尚、ｍ＝１００００、かつ、ｎ＝５１２が成立するものとする。係数ωは、各ニューロン間の係数であって、ω（＊１，＊２）で表され、任意の初期値を取ることができる。上記の（＊１）は、ｘ１〜ｘｍ及びバイアス値ｂ１である。上記の（＊２）は、ｈ１〜ｈｎである。 The values H1 to Hn of the hidden layer are represented by the following equations. It is assumed that m = 10000 and n = 512 are established. The coefficient ω is a coefficient between each neuron, is represented by ω (* 1, * 2), and can take an arbitrary initial value. The above (* 1) is x1 to xm and a bias value b1. The above (* 2) is h1 to hn.
Ｈ１＝ω（ｘ１，ｈ１）×Ｘ１＋ω（ｘ２，ｈ１）×Ｘ２＋・・・＋ω（ｘ１００００，ｈ１）×Ｘ１００００＋ω（ｂ１，ｈ１）×バイアスＸ
・・・
Ｈ５１２＝ω（ｘ１，ｈ５１２）×Ｘ１＋ω（ｘ２，ｈ５１２）×Ｘ２＋・・・＋ω（ｘ１００００，ｈ５１２）×Ｘ１００００＋ω（ｂ１，ｈ５１２）×バイアスＸ
H1 = ω (x1, h1) x X1 + ω (x2, h1) x X2 + ... + ω (x10000, h1) x X10000 + ω (b1, h1) x bias X
・ ・ ・
H512 = ω (x1, h512) x X1 + ω (x2, h512) x X2 + ... + ω (x10000, h512) x X10000 + ω (b1, h512) x bias X
また、出力層の値Ａ１〜Ａｏは、以下の式で表される。尚、ｏ＝３が成立するものとする。また、Ｈ１´〜Ｈｎ´は、Ｈ１〜Ｈｎに対して後処理として活性化関数ｆを用いた処理が施された値である（Ｈｎ´＝ｆ（Ｈｎ））。係数ωは、各ニューロン間の係数であって、ω（＊３，＊４）で表され、任意の初期値を取ることができる。上記の（＊３）は、ｈ１〜ｈｎ及びバイアス値ｂ２である。上記の（＊４）は、ａ１〜ａｏである。 The values A1 to Ao of the output layer are represented by the following equations. It is assumed that o = 3 holds. Further, H1'to Hn'are values obtained by subjecting H1 to Hn to a treatment using the activation function f as a post-treatment (Hn'= f (Hn)). The coefficient ω is a coefficient between each neuron, is represented by ω (* 3, * 4), and can take an arbitrary initial value. The above (* 3) is h1 to hn and a bias value b2. The above (* 4) are a1 to ao.
Ａ１＝ω（ｈ１，ａ１）×Ｈ１´＋ω（ｈ２，ａ１）×Ｈ２´＋・・・＋ω（ｈ５１２，ａ１）×Ｈ´５１２＋ω（ｂ２，ａ１）×バイアスＨ
Ａ２＝ω（ｈ１，ａ２）×Ｈ１´＋ω（ｈ２，ａ２）×Ｈ２´＋・・・＋ω（ｈ５１２，ａ２）×Ｈ´５１２＋ω（ｂ２，ａ２）×バイアスＨ
Ａ３＝ω（ｈ１，ａ３）×Ｈ１´＋ω（ｈ２，ａ３）×Ｈ２´＋・・・＋ω（ｈ５１２，ａ３）×Ｈ´５１２＋ω（ｂ２，ａ３）×バイアスＨ
A1 = ω (h1, a1) x H1'+ ω (h2, a1) x H2'+ ... + ω (h512, a1) x H'512 + ω (b2, a1) x bias H
A2 = ω (h1, a2) x H1'+ ω (h2, a2) x H2'+ ... + ω (h512, a2) x H'512 + ω (b2, a2) x bias H
A3 = ω (h1, a3) x H1'+ ω (h2, a3) x H2'+ ... + ω (h512, a3) x H'512 + ω (b2, a3) x bias H
更に、状態判定部１２は、出力層の出力を“０”〜“１”の範囲に変換するソフトマックス部を有している。ソフトマックス部の出力値Ｏ１〜Ｏｏは、指数関数ｅｘｐを用いて以下の式で表される。尚、ｏ＝３が成立するものとする。また、Ａ１´〜Ａｎ´は、Ａ１〜Ａｎに対して後処理として活性化関数ｆを用いた処理が施された値である（Ａｎ´＝ｆ（Ａｎ））。これらの出力値Ｏ１〜Ｏ３は、入力画像がキーホールが貫通する貫通教示画像に一致する確率すなわち板材２の加工部位の溶接状態がキーホール貫通状態である確率（貫通一致率）、入力画像がキーホールが貫通しない非貫通教示画像に一致する確率すなわち板材２の加工部位の溶接状態がキーホール非貫通状態である確率（非貫通一致率）、及び入力画像がキーホールが貫通と非貫通との中間の状態にある中間教示画像に一致する確率すなわち板材２の加工部位の溶接状態がキーホール中間貫通状態である確率（中間一致率）であり、その総和（Ｏ１＋Ｏ２＋Ｏ３）は“１”である。 Further, the state determination unit 12 has a softmax unit that converts the output of the output layer into a range of “0” to “1”. The output values O1 to Oo of the softmax portion are expressed by the following equations using the exponential function exp. It is assumed that o = 3 holds. Further, A1'to An'are values obtained by subjecting A1 to An to a treatment using the activation function f as a post-treatment (An'= f (An)). These output values O1 to O3 are the probability that the input image matches the penetration teaching image through which the keyhole penetrates, that is, the probability that the welded state of the processed portion of the plate material 2 is the keyhole penetration state (penetration matching rate), and the input image is The probability that the keyhole does not penetrate the non-penetrating teaching image, that is, the probability that the welded state of the processed part of the plate material 2 is the keyhole non-penetrating state (non-penetrating match rate), and the input image shows that the keyhole penetrates and does not penetrate. The probability of matching the intermediate teaching image in the intermediate state of the above, that is, the probability that the welded state of the processed portion of the plate material 2 is the keyhole intermediate penetration state (intermediate match rate), and the total (O1 + O2 + O3) is "1". ..
Ｏ１＝ｅｘｐ（Ａ１´）／（ｅｘｐ（Ａ１´）＋ｅｘｐ（Ａ２´）＋ｅｘｐ（Ａ３´））
Ｏ２＝ｅｘｐ（Ａ２´）／（ｅｘｐ（Ａ１´）＋ｅｘｐ（Ａ２´）＋ｅｘｐ（Ａ３´））
Ｏ３＝ｅｘｐ（Ａ３´）／（ｅｘｐ（Ａ１´）＋ｅｘｐ（Ａ２´）＋ｅｘｐ（Ａ３´））
O1 = exp (A1') / (exp (A1') + exp (A2') + exp (A3'))
O2 = exp (A2') / (exp (A1') + exp (A2') + exp (A3'))
O3 = exp (A3') / (exp (A1') + exp (A2') + exp (A3'))
状態判定部１２は、板材２の溶接状態の判定結果としての上記の貫通一致率Ｏ１、非貫通一致率Ｏ２、及び中間一致率Ｏ３を出力する。尚、状態判定部１２で用いられる係数及び閾値に用いる数値は、作業者の入力操作により変更設定可能であってよい。状態判定部１２は、習熟度（教示画像のデータ数）に応じて自動的に上記の係数などを変化させることとしてもよい。更に、状態判定部１２は、作業者の入力操作に従って設定された係数などにエラーが生じると判別される場合に、その人による基準よりもＡＩ処理により設定された基準を優先して用いることとしてもよい。 The state determination unit 12 outputs the above-mentioned penetration match rate O1, non-penetration match rate O2, and intermediate match rate O3 as the determination result of the welded state of the plate material 2. The coefficient used in the state determination unit 12 and the numerical value used for the threshold value may be changed and set by an input operation of the operator. The state determination unit 12 may automatically change the above-mentioned coefficient or the like according to the proficiency level (the number of data of the teaching image). Further, when it is determined that an error occurs in the coefficient or the like set according to the input operation of the operator, the state determination unit 12 preferentially uses the standard set by the AI process over the standard set by the person. May be good.
レーザ制御部１３は、溶接ヘッド４０の位置移動を制御すると共に、レーザ発振器２０によるレーザ光の出力を制御する。レーザ制御部１３は、状態判定部１２に接続されている。レーザ制御部１３は、後に詳述する如く、状態判定部１２による溶接状態の判定結果に基づいて、レーザ光の出力をフィードバック制御する。 The laser control unit 13 controls the position movement of the welding head 40 and also controls the output of the laser beam from the laser oscillator 20. The laser control unit 13 is connected to the state determination unit 12. As will be described in detail later, the laser control unit 13 feedback-controls the output of the laser beam based on the welding state determination result by the state determination unit 12.
次に、レーザ溶接制御装置１０の動作を説明する。
レーザ溶接制御装置１０において、システム電源がオンすると（図５に示すステップＳ１００）、まず、機械学習が完了していない場合、データサーバに格納されている教示画像データが取得され、システムティーチング処理が行われる（ステップＳ１０１）。具体的には、システムパラメータの設定処理及びデータサーバに格納されている教示画像データに対する上記の機械学習が実行される。そして、システムパラメータの設定処理が完了しかつ機械学習が完了したか否かが判別される（ステップＳ１０２）。この判別は、肯定判定がなされるまで継続して行われる。機械学習が完了すると、その学習結果が状態判定部１２に供給される。
Next, the operation of the laser welding control device 10 will be described.
When the system power is turned on in the laser welding control device 10 (step S100 shown in FIG. 5), first, when machine learning is not completed, the teaching image data stored in the data server is acquired and the system teaching process is performed. It is performed (step S101). Specifically, the system parameter setting process and the above machine learning for the teaching image data stored in the data server are executed. Then, it is determined whether or not the system parameter setting process is completed and the machine learning is completed (step S102). This determination is continued until an affirmative determination is made. When the machine learning is completed, the learning result is supplied to the state determination unit 12.
上記のシステムティーチング処理が完了した後にレーザ溶接制御装置１０での各種のモニタリングが開始され（ステップＳ１０３）かつレーザ溶接が開始されると（ステップＳ１０４）、まず、状態判定部１２が、カメラ１１の撮像画像に基づいて板材２の溶接状態を判定し、その判定した板材２の溶接状態が目標とする溶接状態（以下、目標溶接状態と称す。）に一致して良好であるか否かを判別する（ステップＳ１０５）。具体的には、上記の一致率Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３が目標値に近い溶接状態を板材２の溶接状態として判定する。 When various types of monitoring by the laser welding control device 10 are started (step S103) and laser welding is started after the above system teaching process is completed (step S104), first, the state determination unit 12 receives the camera 11. The welding state of the plate material 2 is determined based on the captured image, and it is determined whether or not the determined welding state of the plate material 2 matches the target welding state (hereinafter referred to as the target welding state) and is good. (Step S105). Specifically, a welded state in which the above-mentioned matching rates O1, O2, and O3 are close to the target value is determined as the welded state of the plate material 2.
尚、目標溶接状態は、作業者の操作により変更可能であってよい。また、溶接状態の判定結果は、カメラ１１の一回の撮像で得られるものであってもよいが、単位時間当たりに取得したものの移動平均や中央値を用いることとしてもよい。例えば、過去に得た時系列の所定数のデータを平均した値を用いて各種溶接状態との一致度判定を行うこととしてもよい。 The target welding state may be changed by an operator's operation. Further, the welding state determination result may be obtained by one imaging of the camera 11, but the moving average or the median value of the one acquired per unit time may be used. For example, the degree of agreement with various welding states may be determined using a value obtained by averaging a predetermined number of time-series data obtained in the past.
例えば、突き合わせ貫通溶接が目標として要求されているときに、判定された溶接状態が貫通溶接である場合は、その溶接状態が良好であると判別される一方、判定された溶接状態が非貫通溶接である場合は、その溶接状態が良好でないと判別される。また、重ね合わせ非貫通溶接が目標として要求されているときに、判定された溶接状態が貫通溶接である場合は、その溶接状態が良好でないと判別される一方、判定された溶接状態が非貫通溶接である場合は、その溶接状態が良好であると判別される。 For example, when butt-through welding is required as a target, if the determined welding state is through-welding, it is determined that the welding state is good, while the determined welding state is non-penetration welding. If, it is determined that the welded state is not good. Further, when the overlap non-penetration welding is required as a target, if the determined welding state is through welding, it is determined that the welding state is not good, while the determined welding state is non-penetration. If it is welded, it is determined that the welded state is good.
状態判定部１２は、溶接状態が目標溶接状態に一致せず良好でないと判別した場合は、レーザ制御部１３に対して、レーザ発振器２０によるレーザ光の出力及び溶接ヘッド４０の位置（すなわち、板材２に対するレーザ光の照射位置）の少なくとも何れかを良好な溶接状態が得られるように変更させる指令を行う（ステップＳ１０６）。この指令は、溶接状態の判定ごとに行われる。かかる指令がなされると、レーザ制御部１３は、良好な溶接状態が得られるようにレーザ発振器２０によるレーザ光の出力を増減させると共に台座５０に対する溶接ヘッド４０の位置を変更させる。 When the state determination unit 12 determines that the welding state does not match the target welding state and is not good, the output of the laser light by the laser oscillator 20 and the position of the welding head 40 (that is, the plate material) with respect to the laser control unit 13. A command is given to change at least one of the laser beam irradiation positions with respect to 2) so that a good welding state can be obtained (step S106). This command is issued for each determination of the welding state. When such a command is given, the laser control unit 13 increases or decreases the output of the laser beam from the laser oscillator 20 and changes the position of the welding head 40 with respect to the pedestal 50 so that a good welding state can be obtained.
レーザ制御部１３によるレーザ光の出力増減は、以下に示す如く行われる。すなわち、レーザ制御部１３は、状態判定部１２からの指令に従ってレーザ光の出力変換を開始する（図６に示すステップＳ２００）。レーザ制御部１３は、出力変換の開始後、まず、状態判定部１２の演算した一致率を取得する（ステップＳ２０１）。この取得する一致率は、教示画像の種類ごとにあり、具体的には、教示画像が貫通教示画像、非貫通教示画像、及び中間教示画像の３種類ある場合は、貫通一致率Ｏ１、非貫通一致率Ｏ２、及び中間一致率Ｏ３である。 The output of the laser beam is increased or decreased by the laser control unit 13 as shown below. That is, the laser control unit 13 starts the output conversion of the laser beam according to the command from the state determination unit 12 (step S200 shown in FIG. 6). After starting the output conversion, the laser control unit 13 first acquires the coincidence rate calculated by the state determination unit 12 (step S201). The matching rate to be acquired is different for each type of teaching image. Specifically, when there are three types of teaching images, a penetration teaching image, a non-penetrating teaching image, and an intermediate teaching image, the penetration matching rate O1 and non-penetration are obtained. The match rate O2 and the intermediate match rate O3.
レーザ制御部１３は、教示画像の種類分（具体的には、貫通教示画像、非貫通教示画像、及び中間教示画像）の各一致率を取得すると、以下の式に示す如くそれらの各一致率を合成してレーザ出力制御に用いる合成一致率Ｏを演算する（ステップＳ２０２）。尚、ｃ１，ｃ２，ｃ３はそれぞれ、貫通一致率Ｏ１に対する係数、非貫通一致率Ｏ２に対する係数、及び中間一致率Ｏ３に対する係数である。
Ｏ＝ｃ１×Ｏ１＋ｃ２×Ｏ２＋ｃ３×Ｏ３
When the laser control unit 13 acquires each matching rate for each type of teaching image (specifically, a penetrating teaching image, a non-penetrating teaching image, and an intermediate teaching image), each matching rate is shown in the following equation. Is synthesized to calculate the composite match rate O used for laser output control (step S202). Note that c1, c2, and c3 are a coefficient for the penetration coincidence rate O1, a coefficient for the non-penetration match rate O2, and a coefficient for the intermediate match rate O3, respectively.
O = c1 x O1 + c2 x O2 + c3 x O3
例えば、目標溶接状態が、キーホールが貫通と非貫通との中間状態であるものとすると、中間一致率Ｏ３が“１”となるようにレーザ光出力のフィードバック制御を行うことが必要であり、その中間状態に重みを置いた演算を行うことが必要である。この場合は、溶接状態が“貫通”になったときにレーザ光出力を下げる制御を行うと共に、溶接状態が“非貫通”になったときにレーザ光出力を上げる制御を行うことが要求される。 For example, assuming that the target welding state is an intermediate state between penetrating and non-penetrating keyholes, it is necessary to perform feedback control of the laser beam output so that the intermediate coincidence rate O3 becomes "1". It is necessary to perform operations that place weight on the intermediate state. In this case, it is required to control to lower the laser beam output when the welded state becomes "penetrating" and to increase the laser beam output when the welded state becomes "non-penetrating". ..
そこで、上記の場合は、例えば、係数ｃ１，ｃ２，ｃ３がそれぞれ、“０．９”，“０．１”，“０．５”に設定されると共に、目標合成一致率Ｏ´が“０．５”に設定される。これら係数ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の設定によれば、キーホールが“貫通”になると合成一致率Ｏが“１”に近づき、キーホールが“非貫通”になると合成一致率Ｏが“０”に近づき、キーホールが“中間状態”になると合成一致率Ｏが“０．５”に近づく。そして、この目標合成一致率Ｏ´の設定によれば、合成一致率Ｏが“０．５”より高いときはレーザ光出力を下げる制御を行い、合成一致率Ｏが“０．５”より低いときはレーザ光出力を上げる制御を行うことができる。 Therefore, in the above case, for example, the coefficients c1, c2, and c3 are set to "0.9", "0.1", and "0.5", respectively, and the target composite match rate O'is "0". It is set to .5 ". According to the settings of these coefficients c1, C2, and C3, when the keyhole becomes "penetrating", the combined matching rate O approaches "1", and when the keyhole becomes "non-penetrating", the combined matching rate O becomes "0". As the keyhole approaches the "intermediate state", the composite match rate O approaches "0.5". Then, according to the setting of the target composite match rate O', when the composite match rate O is higher than "0.5", the laser light output is controlled to be lowered, and the composite match rate O is lower than "0.5". At times, it is possible to control to increase the laser beam output.
レーザ制御部１３は、上記ステップＳ２０２で演算した合成一致率Ｏが目標合成一致率Ｏ´と異なるか否かを判別する（ステップＳ２０３）。目標合成一致率Ｏ´は、使用者の操作により変更設定可能である。尚、この判別は、合成一致率Ｏが目標合成一致率Ｏ´の上下所定閾値外にある事態が所定回数（例えば、“０”〜“１０００”のうちの任意の回数）連続して発生した場合に肯定されるものであってよい。レーザ制御部１３は、Ｏ≠Ｏ´が成立しないと判別した場合は、上記ステップＳ２０１の処理を繰り返し実行する。 The laser control unit 13 determines whether or not the composite match rate O calculated in step S202 is different from the target composite match rate O'(step S203). The target composite match rate O'can be changed and set by the operation of the user. In this determination, a situation in which the composite match rate O is outside the upper and lower predetermined thresholds of the target composite match rate O'occurs continuously for a predetermined number of times (for example, any number of "0" to "1000"). It may be affirmed in some cases. When the laser control unit 13 determines that O ≠ O'does not hold, the laser control unit 13 repeatedly executes the process of step S201.
一方、レーザ制御部１３は、上記ステップＳ２０３でＯ≠Ｏ´が成立すると判別した場合は、演算した合成一致率Ｏについて所定のフィルタ処理を実行する（ステップＳ２０４）。この所定のフィルタ処理は、溶接状態の誤判定がレーザ溶接へ与える影響を抑えるための処理であって、例えば、単位時間当たりに得られる合成一致率Ｏの時系列データを平滑化した移動平均を求める処理、単位時間当たりに得られる複数の合成一致率Ｏの中央値を求める処理、或いはローパスフィルタによる処理などである。次に、レーザ制御部１３は、演算した合成一致率Ｏと目標合成一致率Ｏ´とに基づいてその差｜Ｏ−Ｏ´｜に応じてＰＩＤ処理を実行する（ステップＳ２０５）。このＰＩＤ処理は、フィードバック制御の応答性を向上させるための処理である。尚、レーザ制御部１３は、ＰＩＤ処理に代えて、ＰＩ処理やＰＤ処理，Ｐ処理を実行することとしてもよい。 On the other hand, when the laser control unit 13 determines in step S203 that O ≠ O ′ is satisfied, the laser control unit 13 executes a predetermined filter process on the calculated combined match rate O (step S204). This predetermined filter processing is a processing for suppressing the influence of the erroneous determination of the welding state on the laser welding. For example, a moving average obtained by smoothing the time series data of the composite matching rate O obtained per unit time is obtained. It is a process of obtaining, a process of obtaining the median value of a plurality of composite matching rates O obtained per unit time, a process of using a low-pass filter, or the like. Next, the laser control unit 13 executes the PID process according to the difference | OO'| based on the calculated composite match rate O and the target composite match rate O'(step S205). This PID process is a process for improving the responsiveness of the feedback control. The laser control unit 13 may execute PI processing, PD processing, and P processing instead of PID processing.
その後、レーザ制御部１３は、合成一致率Ｏに基づいてレーザ発振器２０によるレーザ光の出力を増減させる処理を実行する（ステップＳ２０６）。この出力増減処理は、上記のフィルタ処理後かつ上記のＰＩＤ処理後の合成一致率Ｏと目標合成一致率Ｏ´との差に基づいて行われる。具体的には、合成一致率Ｏが目標合成一致率Ｏ´より高いときは、レーザ光出力が下げられ、合成一致率Ｏが目標合成一致率Ｏ´より低いときは、レーザ光出力が上げられる。尚、このレーザ光出力の増減は、単位量ずつ時間をかけて徐々に行われるものであってよく、更に、その増減単位量は、合成一致率Ｏと目標合成一致率Ｏ´との差の大きさに応じて変更されるものであってもよい。 After that, the laser control unit 13 executes a process of increasing or decreasing the output of the laser beam by the laser oscillator 20 based on the combined matching rate O (step S206). This output increase / decrease processing is performed based on the difference between the composite match rate O and the target composite match rate O'after the filter process and the PID process. Specifically, when the composite match rate O is higher than the target composite match rate O', the laser beam output is lowered, and when the composite match rate O is lower than the target composite match rate O', the laser light output is increased. .. The increase / decrease of the laser beam output may be gradually performed by a unit amount over time, and the increase / decrease unit amount is the difference between the composite match rate O and the target composite match rate O'. It may be changed according to the size.
レーザ制御部１３は、上記したレーザ光出力の増減処理後、合成一致率Ｏが目標合成一致率Ｏ´に一致することによりその出力変換を終了する条件が成立したか否かを判別する（ステップＳ２０７）。そして、その終了条件が成立しないと判別した場合は、上記ステップＳ２０１の処理を繰り返し実行する。一方、その終了条件が成立したと判別した場合は、図６に示すルーチンを終了する。 After the laser light output increase / decrease process described above, the laser control unit 13 determines whether or not the condition for terminating the output conversion is satisfied when the composite match rate O matches the target composite match rate O'(step). S207). Then, when it is determined that the end condition is not satisfied, the process of step S201 is repeatedly executed. On the other hand, when it is determined that the end condition is satisfied, the routine shown in FIG. 6 is terminated.
一方、状態判定部１２は、上記ステップＳ１０５において溶接状態が良好であると判別した場合は、板材２のすべての溶接が終了したか否かを判別する（ステップＳ１０７）。そして、すべての溶接が終了していないと判別された場合は、板材２の溶接に対する溶接状態の判定が継続される。一方、すべての溶接が終了したと判別された場合は、各種のモニタリングが終了され（ステップＳ１０８）、そして、システム電源がオフされる（ステップＳ１０９）。 On the other hand, when the state determination unit 12 determines that the welding state is good in step S105, it determines whether or not all the welding of the plate material 2 has been completed (step S107). Then, when it is determined that all the welding has not been completed, the determination of the welding state with respect to the welding of the plate material 2 is continued. On the other hand, when it is determined that all welding is completed, various monitoring is completed (step S108), and the system power is turned off (step S109).
このように、レーザ溶接制御装置１０においては、レーザ発振器２０の出力したレーザ光が照射された板材２の加工部位をカメラ１１を用いて撮像し、その撮像画像をＡＩによって得られた教示画像と比較することにより加工部位の溶接状態と教示画像の溶接状態との一致率を演算して、その板材２の溶接状態を判定することができる。そして、その一致率が目標値から乖離してその溶接状態が良好でない場合に、レーザ光の出力を板材２の溶接状態が良好となるようにフィードバック制御することができる。 As described above, in the laser welding control device 10, the processed portion of the plate material 2 irradiated with the laser beam output by the laser oscillator 20 is imaged by using the camera 11, and the captured image is taken as the teaching image obtained by AI. By comparing, the matching rate between the welded state of the machined portion and the welded state of the teaching image can be calculated, and the welded state of the plate material 2 can be determined. Then, when the matching rate deviates from the target value and the welding state is not good, the output of the laser beam can be feedback-controlled so that the welding state of the plate material 2 becomes good.
具体的には、レーザ出力制御に用いる合成一致率Ｏが目標合成一致率Ｏ´より高いときはレーザ光の出力を下げ、一方、レーザ出力制御に用いる合成一致率Ｏが目標合成一致率Ｏ´より低いときはレーザ光の出力を上げて、その合成一致率Ｏが目標合成一致率Ｏ´に一致するように制御することができる。このため、レーザ溶接制御装置１０によれば、レーザ溶接装置１によりレーザ溶接される板材２の溶接品質を向上させて良好な状態に安定化させることができる。 Specifically, when the composite match rate O used for laser output control is higher than the target composite match rate O', the output of the laser beam is lowered, while the composite match rate O used for laser output control is the target composite match rate O'. When it is lower, the output of the laser beam can be increased and the combined matching rate O can be controlled to match the target combined matching rate O'. Therefore, according to the laser welding control device 10, the welding quality of the plate material 2 laser-welded by the laser welding device 1 can be improved and stabilized in a good state.
尚、上記の実施形態においては、板材２が特許請求の範囲に記載した「対象物」に、レーザ発振器２０が特許請求の範囲に記載した「照射部」に、カメラ１１が特許請求の範囲に記載した「撮像部」に、状態判定部１２がカメラ１１の撮像画像を貫通教示画像、非貫通教示画像、及び中間教示画像それぞれと比較して貫通一致率Ｏ１、非貫通一致率Ｏ２、及び中間一致率Ｏ３を演算することが特許請求の範囲に記載した「一致度演算部」及び「個別演算部」に、レーザ制御部１３が貫通一致率Ｏ１と非貫通一致率Ｏ２と中間一致率Ｏ３とに基づいて、レーザ光出力のフィードバック制御に用いる合成一致率Ｏを演算することが特許請求の範囲に記載した「一致度演算部」及び「合成演算部」に、それぞれ相当している。 In the above embodiment, the plate material 2 is in the "object" described in the claims, the laser oscillator 20 is in the "irradiation section" described in the claims, and the camera 11 is in the claims. In the described "imaging unit", the state determination unit 12 compares the image captured by the camera 11 with the penetrating teaching image, the non-penetrating teaching image, and the intermediate teaching image, respectively, and the penetration matching rate O1, the non-penetrating matching rate O2, and the intermediate. In the "matching degree calculation unit" and "individual calculation unit" in which the calculation of the matching rate O3 is described in the claims, the laser control unit 13 sets the penetration matching rate O1, the non-penetrating matching rate O2, and the intermediate matching rate O3. Based on the above, the calculation of the composite matching rate O used for the feedback control of the laser beam output corresponds to the "matching degree calculation unit" and the "composite calculation unit" described in the claims, respectively.
また、状態判定部１２又はレーザ制御部１３が単位時間当たりに得られる一致率Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３又は合成一致率Ｏの時系列データを平滑化した移動平均を求めることが特許請求の範囲に記載した「一致度演算部」及び「移動平均演算部」に、状態判定部１２又はレーザ制御部１３が単位時間当たりに得られる複数の一致率Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３又は合成一致率Ｏの中央値を演算することが特許請求の範囲に記載した「一致度演算部」及び「中央値演算部」に、それぞれ相当している。 Further, it is stated in the claims that the state determination unit 12 or the laser control unit 13 obtains a smoothed moving average of the time series data of the matching rate O1, O2, O3 or the combined matching rate O obtained per unit time. The median value of a plurality of matching rates O1, O2, O3 or combined matching rate O obtained by the state determination unit 12 or the laser control unit 13 per unit time is set in the "matching degree calculation unit" and the "moving average calculation unit". The calculation corresponds to the "matching degree calculation unit" and the "median value calculation unit" described in the claims, respectively.
ところで、上記の実施形態においては、溶接状態の判定結果として、“０”〜“１”の範囲の値を取り得る板材２の加工部位の溶接状態と教示画像の溶接状態との一致率を演算することとしている。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、任意の数値を取り得る板材２の加工部位の溶接状態と教示画像の溶接状態との一致度を演算するものであってもよい。 By the way, in the above embodiment, as a result of determining the welding state, the matching rate between the welding state of the processed portion of the plate material 2 which can take a value in the range of "0" to "1" and the welding state of the teaching image is calculated. I'm supposed to do it. However, the present invention is not limited to this, and the degree of coincidence between the welded state of the processed portion of the plate material 2 and the welded state of the teaching image, which can take an arbitrary numerical value, may be calculated.
また、上記の実施形態においては、溶接状態の出力を表す出力層のユニット数ｏが、貫通、非貫通、及び貫通と非貫通との中間の各状態を出力するように３個である例が示されている。しかし、本発明は、これに限定されるものではなく、その出力層のユニット数ｏが、未溶接の状態（すなわち、レーザが照射されていない溶接開始前の状態のこと）を含む貫通、非貫通、貫通と非貫通との中間、及び未溶接の各状態を出力するように４個であってもよい。 Further, in the above embodiment, there is an example in which the number of units o of the output layer representing the output in the welded state is three so as to output each state between penetration, non-penetration, and penetration and non-penetration. It is shown. However, the present invention is not limited to this, and the number of units o of the output layer includes a non-welded state (that is, a state before the start of welding without irradiation with a laser). The number may be four so as to output each state of penetration, intermediate between penetration and non-penetration, and unwelded.
この変形形態においては、レーザ制御部１３がレーザ出力制御に用いる合成一致率Ｏは、以下の式に従って演算される。尚、ｃ１，ｃ２，ｃ３，ｃ４はそれぞれ、貫通一致率Ｏ１に対する係数、非貫通一致率Ｏ２に対する係数、中間一致率Ｏ３に対する係数、及び、入力画像が未溶接教示画像に一致する確率である一致率（未溶接一致率）Ｏ４に対する係数であって、例えば、“０．９”，“０．１”，“０．５”，“０”に設定される。
Ｏ＝ｃ１×Ｏ１＋ｃ２×Ｏ２＋ｃ３×Ｏ３＋ｃ４×Ｏ４
In this modified form, the combined coincidence rate O used by the laser control unit 13 for laser output control is calculated according to the following equation. Note that c1, c2, c3, and c4 are the coefficients for the penetration matching rate O1, the coefficient for the non-penetrating matching rate O2, the coefficient for the intermediate matching rate O3, and the probability that the input image matches the unwelded teaching image. It is a coefficient with respect to the rate (unwelded coincidence rate) O4, and is set to, for example, "0.9", "0.1", "0.5", and "0".
O = c1 x O1 + c2 x O2 + c3 x O3 + c4 x O4
この変形形態によれば、実際の溶接状態が未溶接状態にある場合に、未溶接一致率Ｏ４を“１”に近い値にして、他の一致率Ｏ１，Ｏ２，Ｏ３を“０”に近い値にすることができるので、合成一致率Ｏを“０”に近い値にすることができる。このため、レーザ溶接開始時におけるレーザ出力を予め設定することなく、その後の合成一致率の判定によりレーザ出力を上昇させることができるので、レーザ溶接開始時に予め定めた出力でレーザ照射を行うことを不要とすることが可能となる。 According to this modified form, when the actual welded state is in the unwelded state, the unwelded coincidence rate O4 is set to a value close to "1", and the other match rates O1, O2, O3 are close to "0". Since it can be a value, the composite match rate O can be set to a value close to "0". Therefore, the laser output can be increased by the subsequent determination of the combined matching rate without setting the laser output at the start of laser welding in advance. Therefore, it is necessary to perform laser irradiation with a predetermined output at the start of laser welding. It becomes possible to make it unnecessary.
また、上記の実施形態においては、レーザ溶接制御装置１０に用いられる教示画像データがデータサーバに格納されるが、このデータサーバは、レーザ溶接制御装置１０に内蔵されてもよいし、また、ネットワークを介して通信接続可能な外部装置に設けられてもよい。データサーバが外部装置に設けられる場合は、レーザ溶接制御装置１０は、データサーバから送られる教示画像データを無線や有線のネットワーク経由で取得する受信部を有するものとしてよい。 Further, in the above embodiment, the teaching image data used in the laser welding control device 10 is stored in the data server, but this data server may be built in the laser welding control device 10 or a network. It may be provided in an external device that can be communicated and connected via. When the data server is provided in an external device, the laser welding control device 10 may have a receiving unit that acquires the teaching image data sent from the data server via a wireless or wired network.
尚、本発明は、上述した実施形態や変形形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を施すことが可能である。 The present invention is not limited to the above-described embodiments and modifications, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
１：レーザ溶接装置、２：板材、１０：レーザ溶接制御装置、１１：カメラ、１２：状態判定部、１３：レーザ制御部、２０：レーザ発振器、３０：伝送路、４０：溶接ヘッド、４１：コリメーションレンズ、４２：ダイクロイックミラー、４３：集光レンズ、５０：台座。 1: Laser welding device, 2: Plate material, 10: Laser welding control device, 11: Camera, 12: Status determination unit, 13: Laser control unit, 20: Laser oscillator, 30: Transmission line, 40: Welding head, 41: Collimation lens, 42: Dycroic mirror, 43: Condensing lens, 50: Pedestal.
Claims (7)
前記撮像部により撮像された撮像画像を、溶接状態と画像データとを関連させたデータセットが機械学習された結果として得られる溶接状態ごとの教示画像データと比較することにより、溶接状態ごとの、前記加工部位の溶接状態が前記教示画像データの溶接状態に一致する度合いを示す一致度を演算する一致度演算部と、
前記一致度演算部により演算された溶接状態ごとの前記一致度に基づく合成一致度と、目標とする目標溶接状態に基づく目標一致度とに基づいて、前記照射部の照射する前記レーザビームの出力をフィードバック制御するレーザ制御部と、
を備える、レーザ溶接制御装置。 An image pickup unit that images the processed part irradiated with the laser beam output by the irradiation unit in the object to be laser welded.
By comparing the captured image captured by the imaging unit with the teaching image data for each welding state obtained as a result of machine learning of the data set in which the welding state and the image data are associated with each welding state, A matching degree calculation unit that calculates a matching degree indicating the degree to which the welding state of the processed portion matches the welding state of the teaching image data ,
The output of the laser beam irradiated by the irradiation unit based on the combined agreement degree based on the agreement degree for each welding state calculated by the agreement degree calculation unit and the target agreement degree based on the target welding state. With a laser control unit that feedback-controls
A laser welding control device.
前記合成一致度は、前記移動平均演算部により演算された溶接状態ごとの前記移動平均に基づいて演算される、請求項１乃至３の何れか一項に記載されたレーザ溶接制御装置。 The matching degree calculation unit has a moving average calculation unit that calculates the moving average of the matching degree obtained per unit time for each welding state .
The laser welding control device according to any one of claims 1 to 3, wherein the combined matching degree is calculated based on the moving average for each welding state calculated by the moving average calculation unit .
前記合成一致度は、前記中央値演算部により演算された溶接状態ごとの前記中央値に基づいて演算される、請求項１乃至３の何れか一項に記載されたレーザ溶接制御装置。 The coincidence calculation unit has a median calculation unit that calculates the median value of a plurality of the coincidences obtained per unit time for each welding state .
The laser welding control device according to any one of claims 1 to 3, wherein the composite agreement is calculated based on the median value for each welding state calculated by the median value calculation unit .
前記一致度演算部は、
前記撮像部により撮像された前記撮像画像を、前記貫通状態を示す貫通教示画像、前記非貫通状態を示す非貫通教示画像、及び前記中間状態を示す中間教示画像それぞれと比較することにより、前記加工部位の溶接状態が前記貫通状態に一致する度合いを示す第１個別一致度、前記加工部位の溶接状態が前記非貫通状態に一致する度合いを示す第２個別一致度、及び前記加工部位の溶接状態が前記中間状態に一致する度合いを示す第３個別一致度を演算する個別演算部と、
前記個別演算部によりそれぞれ演算された、前記第１個別一致度と、前記第２個別一致度と、前記第３個別一致度と、に基づいて、前記合成一致度を演算する合成演算部と、
を有する、請求項１乃至６の何れか一項に記載されたレーザ溶接制御装置。 The welded state of the teaching image data is an intermediate state indicating a penetration state indicating penetration of a keyhole at the machined portion, a non-penetration state indicating non-penetration of the keyhole, and an intermediate state between penetration and non-penetration of the keyhole. Including the state,
The match degree calculation unit
The processing is performed by comparing the captured image captured by the imaging unit with each of the penetration teaching image showing the penetrating state, the non-penetrating teaching image showing the non-penetrating state, and the intermediate teaching image showing the intermediate state. The first individual degree of coincidence indicating the degree to which the welded state of the portion matches the penetration state, the second individual degree of coincidence indicating the degree to which the welded state of the processed portion matches the non-penetrating state, and the welded state of the processed portion. An individual calculation unit that calculates a third individual matching degree indicating the degree of coincidence with the intermediate state, and
The computed respectively by the individual calculation unit, and the first individual match degree, and the second individual match degree, said third and individual matching degree, based on the synthesis calculator for calculating the combined matching score,
The laser welding control device according to any one of claims 1 to 6.
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