JPS6114506A - Optical sensor - Google Patents

Abstract

PURPOSE:To perform optical sensing in the presence of noises due to external light by projecting laser light which has different modulation frequencies upon a work, calculating outputs corresponding to modulation frequencies from reflected light, and calculating their difference. CONSTITUTION:A modulation frequency setting means 14 which sets sections of mutually different modulation frequencies periodically, a means which modulates and projects laser light on the work 5 through said means 15, and the photodetecting means consisting of an interference filter 16, semiconductor position sensor 7, etc., which photodetect reflected light from the work 5 are provided. Further, current-voltage converting circuit 8 and 9 which convert the output of the photodetecting means into an electric signal, filters 17 and 18 which are connected to the circuits 8 and 9 to pass a signal of modulation frequency f1, output sample means 19 and 20 which receive outputs of the filters 18 and 19 and detect an output A corresponding to a section of frequency f1 and an output B corresponding to a section of frequency f2, and an arithmetic means 23 which calculates the difference between the outputs A and B are provided. Then, a filter 16 cuts off the majority of arc light to prevent the sensor 7 and electric signal converting circuits 8 and 9 connected thereto from being saturated.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、アーク溶接用の光学センサに関するものであ
る。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of the Invention The present invention relates to an optical sensor for arc welding.

従来例の構成とその問題点 従来のアーク溶接用光学センサの最大の問題点は、アー
ク光ノイズの影響を受は検出精度が低下することである
。Conventional Structure and Problems The biggest problem with conventional optical sensors for arc welding is that detection accuracy is reduced due to the influence of arc light noise.

第１図は、被溶接物（以下ワークという）までの距離を
非接触で検出する光学距離センサの従来例を示すもので
ある。１は１０曲変調回路、２はレーザダイオード３を
ドライブするドライブ回路、４はレーザダイオード３の
出力光をスポット光に絞るコリメータレンズ、５はワー
ク、６は集光レンズ、７は半導***置センサ（ＰＳＤ）
、ｓと９はオペアンプで構成した電流電圧変換回路、１
０と１１はオペアンプなどで構成した１０％のバンドパ
スフィルタ、１２と１３はそれぞれオペアンプなどで構
成した加算回路と引き算回路、１４はアナログの割算回
路である。この例における距離検出の原理は、次の通り
である。１０ｋｌ（Ｚに変調したレーザスポット光をワ
ーク５に照射し、その像をＰＳＤ７で受光すると、ＰＳ
Ｄ了の結像位置に対応した光電流がＰＳＤ７の出力端子
から流れ出る。これを電流電圧変換回路８および９で電
圧に変換Ｌ、さらに１０匹のバンドパスフィルタ１０と
、１１を介することにより通常照明光などの外乱光′ノ
イズをカットし、１０％に変調したレーザ光信号のみを
取り出す。この各々の出力の和と差をとり、差で和を割
算するとある程度の受光光量の変動に無関係にＰＳＤＴ
上での結像位置を求めることができる。したがってワー
ク６の変位はＰＳＤＹ上のスポット光の結像位置の変位
として検知できるので、ワーク５までの距離を検知でき
る。FIG. 1 shows a conventional example of an optical distance sensor that detects the distance to an object to be welded (hereinafter referred to as a work) in a non-contact manner. 1 is a 10-track modulation circuit, 2 is a drive circuit that drives the laser diode 3, 4 is a collimator lens that focuses the output light of the laser diode 3 into a spot light, 5 is a workpiece, 6 is a condensing lens, 7 is a semiconductor position sensor ( PSD)
, s and 9 are current-voltage conversion circuits composed of operational amplifiers, 1
0 and 11 are 10% band-pass filters made up of operational amplifiers, etc., 12 and 13 are addition circuits and subtraction circuits made up of operational amplifiers, etc., and 14 is an analog division circuit. The principle of distance detection in this example is as follows. When a laser spot light modulated to 10kl (Z) is irradiated onto the workpiece 5 and the image is received by the PSD 7, the PS
A photocurrent corresponding to the imaging position of D ends flows out from the output terminal of the PSD 7. This is converted into voltage by current-voltage conversion circuits 8 and 9, and then passed through 10 band-pass filters 10 and 11 to cut disturbance light noise such as normal illumination light, and laser light modulated to 10%. Extract only the signal. By taking the sum and difference of each of these outputs and dividing the sum by the difference, the PSDT
The imaging position above can be determined. Therefore, the displacement of the workpiece 6 can be detected as a displacement of the imaging position of the spot light on the PSDY, so the distance to the workpiece 5 can be detected.

しかるに、アーク光の場合には、通常照明光に比べ格段
に強度が強く、かつ第２図に示すようにレーザの変調周
波域までその周波数成分が存在するので、第１図に示し
たような従来方法や回路では、バンドパスフィルタを通
した後の信号出力は、第２図に示すようにレーザ光の成
分とアーク光の成分の合成されたものになり、検出精度
が低下することになる。なお、変調周波数はＰＳＤの応
答特性の制限から３０ｋｌｂ程度以上には上げられない
。However, in the case of arc light, the intensity is much stronger than that of normal illumination light, and as shown in Figure 2, its frequency components exist up to the laser modulation frequency range, so the In conventional methods and circuits, the signal output after passing through a band-pass filter is a combination of laser light components and arc light components, as shown in Figure 2, resulting in a decrease in detection accuracy. . Note that the modulation frequency cannot be increased above about 30 klb due to limitations in the response characteristics of the PSD.

そのため、従来の光学センサをアーク溶接用に適用する
のは困難であった。Therefore, it has been difficult to apply conventional optical sensors to arc welding.

発明の目的 本発明は、前記従来の欠点を除去するもので、特にアー
ク光などのような外乱光ノイズが大きい環境下での光学
センシングを可能にすることを目的とするものである。OBJECTS OF THE INVENTION The present invention aims to eliminate the above-mentioned drawbacks of the conventional technology, and particularly aims to enable optical sensing in an environment with large disturbance light noise such as arc light.

発明の構成 この目的を達成するために本発明は、相異なる変調周波
数ｆ　の区間と１２の区間を周期的に設置 定する変調周波数設定手段と、前記変調周波数設定手段
によりレーザ光を変調しワークに投光する投光手段と、
前記ワークからのレーザ光の反射光を受光する受光手段
と、前記受光手段の出力を電気信号に変換する電気信号
変換手段と、前記電気信号変換手段に接続され前記変調
周波数１１　　を通すフィルタと、前記フィルタの出力
のうち前記変調周波数１１の区間に対応する出力（Ａ）
と前記変調周波数１２の区間に対応する出力（Ｂ）とを
検出する出力サンプル手段と、前記出力（Ａ）と出力（
Ｂ）の差を求める演算手段（１）と、前記演算上 手段（１）の出力から前記受光手段ｂレーザ光の結像位
置を求める演算手段（ＩＩ）とから構成した光学センサ
である。Structure of the Invention In order to achieve this object, the present invention includes a modulation frequency setting means for periodically setting sections of different modulation frequencies f and 12 sections, and a laser beam modulated by the modulation frequency setting means to control the workpiece. a light projecting means for projecting light to;
a light receiving means for receiving reflected light of the laser beam from the workpiece; an electrical signal converting means for converting the output of the light receiving means into an electrical signal; and a filter connected to the electrical signal converting means and passing the modulation frequency 11; Output (A) corresponding to the section of the modulation frequency 11 among the outputs of the filter
and output sampling means for detecting the output (B) corresponding to the section of the modulation frequency 12;
This optical sensor is composed of a calculation means (1) for calculating the difference between the light receiving means B and a calculation means (II) for calculating the imaging position of the laser beam of the light receiving means B from the output of the calculation means (1).

実施例の説明 以下、本発明の実施例につき、図面の第３図〜第５図に
沿って説明する。第１図と同一部分には同一番号を付し
説明を省略する。第３図において、１５は変調周波数設
定手段（変調回路）、１６は干渉フィルタ、１７．１８
はバンドパスフィルタ、１９．２０はサンプルホールド
回路、２１．２２はＡ／Ｄ変換回路、２３は演算手段（
マイクロコ／ビ、−タ）である。そして変調周波数設定
手段１５は第５図にその一例を示すような変調周波数ｆ
’＝３０ｋＪｈと変調周波数１２−１ｋＨ＋を合成した
変調周波数を設定するために、発振回路とカウンタ回路
とゲート回路とで構成する。投光手段は波長８３０　ｎ
ｍのレーザ光を発生するレーザダイオード３七それらを
ドライブするドライブ回路２とレーザ光を０．８圏φに
絞るコリメータレンズ４で構成する。受光手段は集魚距
離３０ｍｎの凸レンズ６と、８１０　ｎｍから８４０　
ｎｍの波長の光を通過させる干渉フィルターらとＰＳＤ
了とで構成する。この干渉フィルタ１６により、第４図
に示すように、アーク光の大部分をカットできるので、
ＰＳＤ７やそれに接続される電気信号変換回路の飽和を
防止でき、かつレーザ光のアーク光に対するＳ／Ｎを飛
躍的に向上させることができる。電気信号変換手段は、
オペアンプなどで構成した電流電圧変換回ＦＮｒ８およ
び９で構成する。フィルタは、オペアンプなどで構成し
たバンド・くスフイルタ出力をサンプルホールドするサ
ンプルホールド回路１９および２０（サンプルタイミン
グは、第６図の変調周波敷石　＝３０匹を区間の略中間
のタイミングで行い、このサンプリング信号はマイクロ
コンピュータ２３から出力される）と高速８ビットＡ／
Ｄ変換回路２１および２２　（Ａ　／　Ｄスタートタイ
ミングは、マイクロコンピュータ２３だし、アナログ回
路などでも構成することは可能である。マイクロコンピ
ュータ２３は、変調周波数設定手段１５から、現在の変
調周波数を検出し、出力サンプル手段のタイミングを出
力する。また変調周波数ｆ１＝３０ｋ）ｈの区間（第５
図の（ｔｌ−ｔ３）区間）でのＡ／Ｄ変換値ｖ１ｆ１・
ｖ２ｆ２と変調周波ｆ２＝１曲の区間（第５図のｔ３の
区間）でのＡ／Ｄ変換値ｖ１ｆ２．ｖ２ｆ２とを読み込
み、（ｖｌｆｌ−ｖ１ｆ２）＝Δｖ１　、（ｖ２ｆ１−
■２ｆ２）＝Δｖ２　の引き算地理を行う。この処理に
よりアーク光のりち干渉フィルタを通過した３０ｋＨｉ
成分（第２図のＲＰ）をカットできる。すなわち変調周
波数ｆ１　＝３ｏｋの区間では、バンドパスフィルタを
通過してくるのは、３０ｋｌｋに変調したレーザ光と、
同じ（３０ｋｌｂの周波数成分をもつアーク光である。DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 5 of the drawings. Components that are the same as those in FIG. 1 are given the same numbers and their explanations will be omitted. In FIG. 3, 15 is a modulation frequency setting means (modulation circuit), 16 is an interference filter, 17.18
is a band pass filter, 19.20 is a sample hold circuit, 21.22 is an A/D conversion circuit, and 23 is a calculation means (
Microco/Vita). The modulation frequency setting means 15 sets the modulation frequency f, an example of which is shown in FIG.
In order to set a modulation frequency that is a combination of '=30kJh and a modulation frequency of 12-1kHz+, it is composed of an oscillation circuit, a counter circuit, and a gate circuit. The light emitting means has a wavelength of 830n.
It consists of a laser diode 3 which generates a laser beam of m, a drive circuit 2 which drives them, and a collimator lens 4 which focuses the laser beam to 0.8 φ. The light receiving means is a convex lens 6 with a fish collecting distance of 30 mm and a light receiving device of 810 nm to 840 nm.
Interference filters and PSD that pass light with a wavelength of nm
It is composed of the end and the end. This interference filter 16 can cut most of the arc light as shown in FIG.
It is possible to prevent saturation of the PSD 7 and the electric signal conversion circuit connected thereto, and to dramatically improve the S/N of laser light with respect to arc light. The electrical signal conversion means is
It consists of current-voltage conversion circuits FNr8 and FNr9 made up of operational amplifiers and the like. The filter consists of sample-and-hold circuits 19 and 20 that sample and hold the output of a band filter composed of an operational amplifier, etc. signal is output from the microcomputer 23) and high-speed 8-bit A/
D conversion circuits 21 and 22 (The A/D start timing is set by the microcomputer 23, but it can also be configured by an analog circuit. The microcomputer 23 detects the current modulation frequency from the modulation frequency setting means 15, Outputs the timing of the output sampling means.Also, modulation frequency f1=30k)h interval (fifth
A/D conversion value v1f1 in the (tl-t3) interval in the figure)
v2f2 and modulation frequency f2=A/D conversion value v1f2 in the section of one song (section t3 in FIG. 5). v2f2, (vlfl-v1f2)=Δv1, (v2f1-
■ Perform subtraction geography of 2f2)=Δv2. Through this process, 30kHi of arc light passed through the Norichi interference filter.
The component (RP in Figure 2) can be cut. That is, in the section where the modulation frequency f1 = 3ok, what passes through the bandpass filter is the laser light modulated to 30klk,
The same (arc light with a frequency component of 30 klb).

ｆ２＝１ｋ）ｈの区間にバンドパスフィルタを通過して
くるのは３０敗の周波数成分をもつアーク′光のみであ
る。したがって、この画周波数域でのバンドパス出力値
を前述のように引き算すれば、アーク光ノイズを除去で
きる。こうして求　　　　　ゝめたΔＶ、とΔｖ２　と
から（Δｖ１−Δｖ２）／（Δｖ１＋ΔＶ２）　＝　Ｘ
　　という演算処理をすることにより、受光光量の変動
に無関係に、ワーク５に投光したレーザ光のＰＳＤＴ上
での結像位置（Ｘ）を検出でき、ワークとこのセンサと
の距離を検知することができる。なお、バンドパスフィ
ルタの出力値のサンプリング処理については、複数回デ
ータを取り込んで、その平均値を用いることも有効で、
これらはマイクロコンピュータ２３を使用すれば容易で
ある。In the interval f2=1k)h, only the arc' light having 30 frequency components passes through the bandpass filter. Therefore, by subtracting the bandpass output value in this image frequency range as described above, arc light noise can be removed. From ΔV and Δv2 obtained in this way, (Δv1-Δv2)/(Δv1+ΔV2) = X
By performing this calculation process, the image formation position (X) on the PSDT of the laser beam projected onto the workpiece 5 can be detected regardless of fluctuations in the amount of received light, and the distance between the workpiece and this sensor can be detected. Can be done. Regarding the sampling process of the output value of the bandpass filter, it is also effective to capture data multiple times and use the average value.
These can be easily done by using the microcomputer 23.

本発明センサにより、ＴＩＧアーク光近傍のワークまで
の距離測定を行ったところ、３ｏｏＡのアーク電流で、
アーク前方１５瓢の位置まで検出可能であった。第１図
に示した従来センサでは、６００簡以上である。When the sensor of the present invention was used to measure the distance to the workpiece near the TIG arc light, it was found that at an arc current of 3ooA,
It was possible to detect up to 15 gourds in front of the arc. In the conventional sensor shown in FIG. 1, the distance is more than 600.

発明の効果 継手形状の検出が可能になる。アーク溶接ロボットや自
動溶接機器に本センサを搭載すれば、溶接熱歪みや継手
変動などを正確かつ高速に検出できるので、溶接の高品
質、高効率、省力、低コスト化が図れ、その工業的効果
は犬なるものがある。Effects of the Invention It becomes possible to detect the joint shape. If this sensor is installed in an arc welding robot or automatic welding equipment, it will be possible to accurately and quickly detect welding thermal distortion and joint fluctuations. The effect is like a dog.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図は従来の光学センサのブロック図、第２図はアー
ク光とレーザ光の周波数分析特性図、第３図は本発明に
よる光学センサの一実施例のブロック図、第４図は干渉
フィルタによるアーク光カット効果の例を示す周波数分
析特性図、第５図は本発明の光学センサにおけるレーザ
光変調の一例を示す出力特性図である。Fig. 1 is a block diagram of a conventional optical sensor, Fig. 2 is a frequency analysis characteristic diagram of arc light and laser light, Fig. 3 is a block diagram of an embodiment of the optical sensor according to the present invention, and Fig. 4 is an interference filter. FIG. 5 is a frequency analysis characteristic diagram showing an example of the arc light cutting effect according to the present invention, and FIG. 5 is an output characteristic diagram showing an example of laser light modulation in the optical sensor of the present invention.

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] （１）相異なる変調周波数ｆ＿１の区間とｆ＿２の区間
を周期的に設定する変調周波数設定手段と、前記変調周
波数設定手段によりレーザ光を変調し被溶接物に投光す
る投光手段と、前記被溶接物からのレーザ光の反射光を
受光する受光手段と、前記受光手段の出力を電気信号に
変換する電気信号変換手段と、前記電気信号変換手段に
接続され前記変調周波数ｆ＿１を通すフィルタと、前記
フィルタの出力のうち前記変調周波数ｆ＿１の区間に対
応する出力（Ａ）と前記変調周波数ｆ＿２の区間に対応
する出力（Ｂ）とを検出する出力サンプル手段と、前記
出力（Ａ）と出力（Ｂ）の差を求める演算手段（ I ）
と、前記演算手段（ I ）の出力から前記受光手段上の
レーザ光の結像位置を求める演算手段（II）とから構成
した光学センサ。(1) a modulation frequency setting means for periodically setting a section of different modulation frequencies f_1 and a section of f_2; a light projection means for modulating a laser beam by the modulation frequency setting means and projecting the light onto the workpiece; a light receiving means for receiving reflected light of the laser beam from the object to be welded; an electrical signal converting means for converting the output of the light receiving means into an electrical signal; and a filter connected to the electrical signal converting means and passing the modulation frequency f_1. , output sampling means for detecting an output (A) corresponding to the section of the modulation frequency f_1 and an output (B) corresponding to the section of the modulation frequency f_2 among the outputs of the filter; and the output (A) and the output. Calculating means (I) for calculating the difference between (B)
and a calculation means (II) for determining the imaging position of the laser beam on the light receiving means from the output of the calculation means (I). （２）投光手段をコリメータレンズとレーザダイオード
とで構成した特許請求の範囲第（１）項記載の光学セン
サ。(2) The optical sensor according to claim (1), wherein the light projecting means includes a collimator lens and a laser diode. （３）受光手段を集光レンズとレーザ光の波長を通す干
渉フィルタと半導***置センサ（ＰＳＤ）とで構成した
特許請求の範囲第（１）項記載の光学センサ。(3) The optical sensor according to claim (1), wherein the light receiving means is constituted by a condensing lens, an interference filter that passes the wavelength of laser light, and a semiconductor position sensor (PSD). （４）出力サンプル手段をサンプルホールド回路とＡ／
Ｄ変換回路とで構成した特許請求の範囲第（１）項記載
の光学センサ。(4) The output sample means is a sample hold circuit and an A/
An optical sensor according to claim (1), which comprises a D-conversion circuit. （５）演算手段（ I ）および（II）をマイクロコンピ
ュータで構成した特許請求の範囲第（１）項記載の光学
センサ。(5) The optical sensor according to claim (1), wherein the calculation means (I) and (II) are configured by a microcomputer.