JPH03151180A - 接合部追跡方式の精密レーザ溶接システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はレーザ溶接システムに関するものであって、更
に詳しく言えば、並置された部材間の細長い接合部に沿
って連続シーム溶接を行うためのレーザ溶接システムに
関する。

発明の背景 全長にわたる接合部または継目に沿って並置された細長
い部材同士の接合を必要とする用途は数多く存在する。

はとんどの金属部材については、それらをシーム溶接に
よって接合することが自明の方法である。言うまでもな
く、流れ生産方式に基づいてシーム溶接を行うためには
数多くの溶接技術を使用し得るのであって、その実例と
してはＴＩＧ溶接、ＭＩＧ溶接、電子ビーム溶接、レー
ザ溶接などが挙げられる。それらの内、レーザ溶接は高
い精度をもって非常に高い強度の溶接エネルギーを極め
て小さい区域に集中させ得るという利点を有している。

その結果、ＴＩＧ溶接やＭＩＧ溶接に比べ、レーザ溶接
は部材への熱入力が実質的に少ない条件下で行うことが
できる。それ故、溶接部に隣接した部材の熱影響部にお
ける材料の有害な金属学的変化が劇的に低減するばかり
でなく、残留引張応力もまた劇的に低減するのである。

いかなる溶接技術を使用するにせよ、自動化された流れ
生産方式に基づいて細長い接合部のシーム溶接を行うた
めには追跡装置が必要である。かかる追跡装置は、接合
部と溶接手段とが相対運動をしている場合に接合部の位
置を探知し、そして溶接エネルギーを付与すべき位置を
調整するために役立つ２．レーザ溶接の場合には、接合
部に入射するレーザ溶接ビームは１０ミル以下という小
さい直径にまで集束されることがあるから、追跡装置は
高い精度をもって連続的に接合部の位置を探知する必要
がある。かかる追跡装置としては、接触型のものと非接
触型のものがある。接触針を使用する追跡装置は、十分
な精度をもって接合部を追跡し、そして接合部に対する
レーザ溶接ビームの投射を制御することができる。しか
しながら、接触針は時間の経過と共に摩耗する傾向があ
り、その結果として信頼度の低下が生じる。それ故、電
気的、光学的、空気圧式または音響学的な探知技術を用
いた非接触型の追跡装置が有用であると考えられる。

特に有用な非接触型の追跡装置としては、本発明の場合
と同じ譲受人に譲渡された、「挿引開口式の飛点走査装
置Ｊと称するベニ−（ｐｃｃｌｎｅｙ）等の米国特許第
４６４５９１７号明細書中に開示されたものが挙げられ
る。かかる装置においては、コヒーレントな光学繊維束
を通して伝送されたレーザビームが、輪郭を決定すべき
表面上に実質的に集束するようなして適当な角度（たと
えば、３０〜９０°の角度）で投射される。このレーザ
スポットは、Ｘ軸およびＹ軸に沿ったラスク走査方式に
従って該表面上を挿引される。こうして掃引されたレー
ザスポットからの拡散反射光は該表面に対して垂直な方
向から観測され、そして第２のコヒーレントな光学繊維
束を通して走査消去装置に送られる。この走査消去装置
は、たとえば、一方の掃引方向くたとえば、Ｙ軸方向）
におけるレーザスポットの運動と同期して振動する鏡か
ら成っている。このようにして形成された幅の狭い走査
開口を通して、拡散反射光が適当な光センサ（たとえば
、光電子増倍管）に入射する。各回のＸ軸婦引に際して
レーザスポットが光センサにより観測される時刻を求め
れば、光学的な三角測量により、検査中の表面の高度を
Ｙ軸方向におけるレーザスポットの位置の関数として決
定することができる。このような結果から、表面に対し
て垂直な検査面内に存在する走査開口によって定義され
た視野中における該表面の正確な輪郭を求めることがで
きる。要するに、光センサの応答を処理する形成を必要
としかつ本発明を特に有利に適用し得る用途の１つは、
原子炉用制御棒の製造である。

１９８８年９月２９日に提出されかつ本発明の場合と同
じ譲受人に譲渡された、「正方形横断面の管および二重
レーザ溶接法の使用による制御棒の中性子吸収部材の製
造Ｊと称するアイエロ（＾１ｅ１１０）等の同時係属米
国特許出願第２５０６３１号明細書中には、十字形の横
断面形状を有する制御棒の製造方法が開示されている。

かかる制御棒は、中性子吸収用のいわゆる毒物質（たと
えば、炭化ホウ素）を閉込めるための内部空間を有しか
つ基本的に正方形の外部横断面形状を有する複数の細長
い管から成っている。毒物質を封入した個々の管は十字
形を成してジグ中に保持されるが、十字形の形状を構成
する４枚の側板の各々は１４本の管を含んでいる。かか
る管のかど部分には面取りが施されている結果、それら
が約１４フイートの全長にわたって並置された場合、互
いに隣接した管の間には多数の平行なＶ字形溝が形成さ
れる。

こうしてジグ中に保持された管は溶接ステーションに送
り込まれ、そこにおいて１枚の側板が１対のレーザ溶接
ヘッドの間を通過する。かかるレーザ溶接ヘッドは、該
側板の両側に位置するＶ字形溝に沿って連続シーム溶接
を行うように制御される。多数回にわたって溶接ステー
ションを通過させた後には、全ての管が溶接継手によっ
て接合されることになる。最後に、４枚の側板を中心連
結部材に溶接し、制御棒の一端にハンドルを溶接し、か
つ他端に速度制限器を溶接すれば、あらゆる予見可能な
静荷重および動荷重に耐え得る構造的に剛性の制御棒が
得られるのである。

上記のごとき管は、長さは大きいが横断面寸法はかなり
小さいのであって、たとえば１辺の長さは０．２６０イ
ンチである。従って、互いに隣接した管の間に形成され
るＶ字形の溝は極めて小さいのであって、それの幅は３
０ミル以下に過ぎない。

このように微小な横方向寸法を有する接合部を検出し、
そして毎分６０インチを越える速度で運動する接合部を
忠実に追跡することは、かなり厄介な仕事である。その
上、追跡装置はレーザ溶接ビームの制御も行わなければ
ならない、すなわち、ジグ中に保持された管が早い速度
で溶接ステーションを通過する際、レーザ溶接ビームを
横方向において溝に整列させると共に、それを実質的に
溝の底部に向けて集束させることが必要とされるのであ
る。

そこで、本発明の目的の１つは細長い接合部に沿って金
属部材同士を接合するためのレーザ溶接システムを提供
することにある。

また、レーザ溶接ビームが比較的早い速度で移動する細
長い接合部を自動的に追跡するように制御される上記の
ごときレーザ溶接システムを提供することも本発明の目
的の１つである。

更にまた、比較的小さい横断寸法を有する細長い接合部
を精密に溶接し得る上記のごとき溶接部追跡方式のレー
ザ溶接システムを提供することも本発明の目的の１つで
ある。

更にまた、動作に融通性があり、環境の影響をほとんど
受けず、かつ簡便に使用し得る上記のごとき溶接部追跡
方式の精密レーザ溶接システムを提供することも本発明
の目的の１つである。

本発明のその他の目的は、以下の説明を読むことによっ
て自ら明らかとなろう。

発明の要約 本発明に従えば、移動している細長い接合部にレーザ溶
接ビームを投射するための集束ヘッドにレーザプロファ
イラの検出ヘッドが取付られる。

かかる検出ヘッドにより、レーザ溶接ビームの投射を受
けるのに先立ち、一連の横断方向検査面内における該溶
接部の輪郭が繰返して検査される。

かかる検出ヘッドの応答を処理することにより、各々の
横断方向検査面内における接合部の輪郭を規定するデー
タが生成される。こうして得られた接合部の輪郭データ
は、溶接すべき接合部について設計された追跡スケジュ
ールに基づく接合部抽出アルゴリズムに従って計算機処
理される。この計算機により、各々の横断方向検査面に
関し、レーザプロファイラの視野中における接合部中心
線の位置が決定される。プロファイラ座標系中における
接合部中心線の位置を規定する位置データは、接合部を
横断する追跡面内に存在する焦点方向のＺ軸および横断
方向のＹ軸から成る対応した（しかし位置のずれた）追
跡座標系に変換される。こうして変換された位置データ
を使用することにより、該位置データを求めた横断方向
検査面が追跡面に到達する時刻に合わせて、レーザ溶接
ビームの横方向位置合せおよび焦点合せが行われる。こ
のようにして、レーザ溶接ビームは接合部を忠実に追跡
すると共に、それの焦点は融合が起こるべき接合部中の
目標点において最大強度が得られるように絶えず調整さ
れるのである。

このように、本発明は下記に詳述されるような構成上の
特徴、要素の組合せ、および部品の配列から成っており
、また本発明の範囲は前記特許請求の範囲中に規定され
ている。

本発明の内容および目的は、添付の図面を参照しながら
以下の詳細な説明を読むことによって十分に理解されよ
う、なお、図面全体を通じ、同じ部品は同じ参照番号に
よって指示されている。

発明の詳細な説明 第１図には、本発明に基づく接合部追跡方式の精密レー
ザ溶接システムの概略ブロック図が示されている。かか
るシステムはレーザ溶接ビーム１２を発生するための工
業用レーザ１０を含んでいるが、その実例としてはコヒ
ーレント・ゼネラルＳ５１　　ＣＯ２レーザ（Ｃｏｈｅ
ｒｅｎｔ　Ｇｃｓ＋ｅｒａｌ　Ｓ５１　Ｃ０２Ｌａｓｅ
ｒ）が挙げられる。レーザ溶接ビーム１２はビーム位置
決めヘッド１４によって焦点に集束され、それにより矢
印１８で示される方向に沿って焦点を通過する細長い接
合部１６の連続シーム溶接が達成される。ビーム位置決
めへラド１４にはレーザプロファイラの検出ヘッド２０
が取付けられているが、この検出ヘッド２０は前述の米
国特許第４６４５９１７号明細書中に記載のごときもの
であることが好ましい、検出ヘッド２０は、独立した入
力用および出力用のコヒーレントな光学繊維束２４を介
して光学系パッケージ２２と結合されている、光学系パ
ッケージ２２は、米国特許第４６４５９１７号明細書中
に記載されているごとく、レーザと、ラスタ走査方式に
従ってレーザビームを掃引するように働くＸ軸およびＹ
軸し−ザビーム走査装置とを含んでいる。ｔｉ引された
レーザビームは入力用光学繊維束によって検出ヘッド２
０に伝送され、そして垂直方向と３０〜４０°の範囲内
の角度を成しながら接合部１６の表面に投射される。接
合部１６の表面に対して垂直な方向から、拡散反射光が
検出ヘッド２０によって受光され、そして出力用光学繊
維束を通して光学系パッケージ２２に送られる。そこに
おいては、かかる光のＹ軸方向の走査が消去され、次い
で開口を通して光電子増倍管に導かれる。その結果、各
回のＸ軸婦引に際してレーザスポットが横断方向に沿っ
て配置された極めて幅の狭い検査帯を通過する場合にの
み、光電子増倍管はレーザスポットを観測することにな
る。なお、光学系パッケージ２２の構成部品の動作は、
ケーブル２８を介してシステム制御器２６によって制御
される。光電子増倍管の応答をマイクロプロセッサで処
理することにより、各回のＸ軸掃引の開始時刻から光電
子増倍管がレーザスポットを観測する時刻までの時間間
隔が求められる。このような時間間隔から、横断方向検
査面と整列しながら接合部表面上に存在する多数の互い
に近接した点の位置および相対高度を規定するデータを
容易に導き出すことができる。

かかる表面点データから、マイクロプロセッサは接合部
１６の長さ方向に沿って分布している一連の互いに近接
した横断方向検査面（または接合部１６の横断面）につ
いての輪郭データを生成する。

かかる輪郭データはケーブル２８を通してシステム制御
器２６に送られる。レーザ溶接ビーム１２の上流側に検
出ヘッド２０を配置すれば、各々の横断方向検査面が横
断方向の追跡面を通過するのに先立ち、ケーブル３０を
通してビーム位置決めヘッド１４を制御し、それにより
該追跡面内においてレーザ溶接ビーム１２の位置合せお
よび焦点合せを行うために上記の輪郭データを利用する
ことができる。このようにして、レーザ溶接ビーム１２
は矢印１８の方向に沿って移動する接合部１６を追跡す
るように制御されるのである。

次の第２図には、ビーム位置決めヘッド１４が一層詳し
く示されている。かかるビーム位置決めヘッド１４は、
前述のごとき同時係属米国特許出願第４６４ΣＵムー号
明細書中に記載のごとき適当な位置決め機構（図示せず
）によって支持された面板３４を含んでいる。このよう
な位置決め機構は、溶接に先立つ整備段階において、レ
ーザ溶接ビームを溶接すべき特定の接合部と概略的に整
列させ、かつ該接合部がレーザプロファイラの検出ヘッ
ド２０の視野の範囲内（すなわち、該視野の横方向およ
び深さ方向の限界内）に存在するように調整するために
使用される。

面板３４からは支柱３６が懸垂していて、それの中心部
にはレーザビーム伝送管３８が支持されている。支柱３
６はまた、鉛直方向に沿って互いに離隔した複数の案内
部材４０から成る１対の通路を横方向に離隔した位置に
支持していて、かかる通路内には対応する１対の直立し
た細長いスライダ４２が捕捉されている。これらのスラ
イダ４２の下端には水平の上部取付板４４が固定されて
いる。更にまた、支柱３６には電動機４６が取付けられ
ていて、それの出力軸は上部取付板４４に固定された走
行ナツト５０とかみ合う玉ねじ４８を駆動するように連
結されている。

他方、水平の下部取付板５２によって１対のスライダ（
１者のみが５４として図示されている）が支持されてい
て、これらのスライダは上部取付板４４から懸垂した案
内部材５６中に捕捉されている。下部取付板５２はまた
、軸受６２を介して上部取付板４４により支持された親
ねじ６０とかみ合う走行ナツト５８をも支持している。

上部数を回転させる結果、下部取付板５２は上部取付板
４４に対して水平方向に移動することになる。

下部取付板５２には、内部に集束レンズ７０を支持した
集束ヘッド６８が取付られている。その結果、伝送管３
８を通して下方に伝送され、かつ伝送管３８の下端に取
付けられた鏡７２によって水平方向に反射されたレーザ
溶接ビーム１２は集束レンズ７０を通して投射されるこ
とになる。このようにして、電動機４６の選択的な二方
向回転によって集束ヘッド６８の鉛直方向位置を調整し
得ること、従ってＹ軸方向くすなわち横断方向）に沿っ
てレーザ溶接ビーム１２を移動させて接合部１６を追跡
し得ることが理解されよう。また、電動機６４を選択的
に駆動して集束ヘッド６８を焦点合せ用のＺ軸に沿って
水平に移動させることにより、レーザ溶接ビーム１２の
焦点を溶接すべき接合部１６の底部に実質的に集束させ
た状態に維持することもできる。

次の第３図に示されるごとく、レーザプロファイラの検
出ヘッド２０はブラケット７２によって集束ヘッド６８
の一方の側に取付けられている。

従って、検出ヘッド２０は集束ヘッド６８と一緒に運動
するのである。ブラケット７２は滑りブロック７４を含
んでいて、この滑りブロック７４中に収容されたスライ
ダ７６の下端には第２の滑りブロック７８が支持されて
いる。この滑りブロック７８中にはくさび形のスライダ
８０が収容されており、かつスライダ８０には１対のブ
ラケット８２および８４を調整可能かつ旋回可能に取付
けるためのナックル継手８２が固定されている。ブラケ
ット８２には集束レンズ８６が取付けられていて、この
レンズ８６には入力用光学繊維束２４ａの出力端が結合
されている。また、ブラケット８４には集光レンズ８８
が取付けられていて、このレンズ８８には出力用光学繊
維束２４ｂの入力端が結合されている。レンズ８６は検
査用のレーザビーム９０を接合部１６に投射するために
役立つ一方、レンズ８８は接合部表面に対して垂直な光
路９２に沿って接合部１６からの拡散反射光を集めるた
めに役立つ、ブラケット８２および８４をナックル継手
８２上で旋回させて調整することにより、レンズ８６お
よび８８の光軸間の角度を所望の値（たとえば３０°）
に設定することができると共に、ビーム位置決めヘッド
６８のプツシ、に 角が傾斜している場合にはそれを補償することもできる
。更にまた、滑りブロック７８中におけるスライダ８０
の位置および滑りブロック７４中におけるスライダ７６
の位置を整備段階において（つまみねじ９４を用いて）
調整することにより、プロファイラ座標系と追跡座標系
との間に所要の関係が設定される。すなわち、集束ヘッ
ド６８がＹおよびＺ軸方向の運動範囲の中点に位置する
ようにビーム位置決め用の電動機４６および６４のホー
ム位置を決定することにより、レーザ溶接ビームの焦点
と一致する空間基準点に追跡座標系の原点が設定される
０次いで、検出ヘッド２０の位置を調整することにより
、（プロファイラ座標系の原点である）レーザプロファ
イラの視野の中心が追跡座標系のＸ軸に位置合せされる
。第３図に見られるごとく、このＸ軸は接合部１６の長
手方向の中心線とほぼ整列している。

次の第４図に示されるごとく、システム制御器２６は接
合部抽出計算機１００を含んでいる。この接合部抽出計
算機１００は、溶接すべき特定の接合部の幾何学的形状
に適合するように設計された追跡スケジュールに従って
光学系パッケージ２２から送られた輪郭データを処理す
ることにより、レーザプロファイラの視野中における接
合部中心線の位置を各々の横断方向検査面について計算
する。このようにしてプロファイラ座標系中において規
定された接合部中心線の位置は追跡計算機１０２に送ら
れ、そして追跡アルゴリズムによって処理される。追跡
座標系中における位置決めデータはＣＮＣ制御器１０４
に送られる。このＣＮＣ制御器１０４は電動機４６およ
び６４（第２図）を選択的に駆動し、それによってＹ軸
に沿った横断方向およびＺ軸に沿った焦点方向における
集束ヘッド６８の位置決めを行う結果、溶接ビームの焦
点は移動する接合部中の目標点に常に維持されることに
よって最適の溶接が行われる。

追跡スケジュールは、特定の接合部の幾何学的形状を特
徴づける一連の接合部パラメータ、およびシステム全体
の動作を制御する動作パラメータを含んでいる。接合部
パラメータ中には、第５図に示されるごとく、接合部を
形成する２個の細長い部材１６ａおよび１６ｂのかど点
１０６および１０８の位置を輪郭データから決定するた
め接合部抽出アルゴリズムによって使用されるがど点間
値が含まれている。また、接合部表面１１０を求めるた
めに疑似勾配関数を適用すべき距離はかど点間関数長さ
値によって規定される。部材１６ａおよび１６ｂが間隙
なしに並置されている場合には、上記のパラメータ値と
共に中心かと点間値を使用することによって接合部中心
線が求められる。

部材１６ａおよび１６ｂ間に存在する間隙の大きさは、
最小反射率パラメータを反射率閾値として使用すること
によって決定される０輪郭データが接合部の位置を決定
するのに十分な接合部形状データ点を含むかどうかを確
認するためには、最小検査区域サイズ値が使用される。

第６Ａ図は特定の横断方向検査面に関する輪郭データの
ＣＲＴ表示例であって、部材１６ａおよび１６ｂ間に間
隙または不整合が存在しない場合の接合部を示している
。

追跡スケジュールはまた、最大接合部間隙値および間隙
範囲値をも含んでいる。接合部間隙が最大値を越えてい
ることが判明した場合には、接合部抽出アルゴリズムは
かがる間隙の状態が存在する長手方向距離を接合部に沿
って追跡する。接合部間隙が間隙範囲値を越える長手方
向距離にわたって最大値を越えていれば、レーザ溶接は
通例停止される。第６Ｃ図は、接合部間隙の存在を示す
輪郭データのＣＲＴ表示例である。

部材１６ａおよび１６ｂについてはまた、接合部間隙の
問題に加えて、第５図に示されるような不整合が存在す
る場合もある。このような状態は、かど点１０６および
１０８の高度が相異なることに基づき、接合部抽出アル
ゴリズム中において認識される。それ故、追跡スケジュ
ールは最大接合部不整合値および不整合範囲値をも含ん
でいる。

接合部不整合が不整合範囲値を越える長手方向距離にわ
たって最大値を越えていれば、レーザ溶接は停止される
。第６Ｂ図は、接合部不整合の存在を示す輪郭データの
ＣＲＴ表示例である。

追跡スケジュール中にはまた、接合部抽出アルゴリズム
が上記のごとき追跡スケジュールの接合部パラメータに
従って接合部形状データ点を探知するためのプロファイ
ラ視野の内部により小さい検査窓を規定するために使用
される境界設定パラメータが含まれることもある。かか
る境界設定パラメータは、視野の周辺部分において発生
して接合部抽出アルゴリズムを混乱させることのある不
正輪郭データを無視することが望ましい場合に使用され
る。かかる不正輪郭データは、接合部の外側における部
材の形状、保持構造物のごとき障害物、あるいは視野の
周辺部分における僅かなピントのずれに由来するもので
ある。

接合部抽出アルゴリズムによって使用される追跡スケジ
ュール中のもう１つのパラメータは、接合部喪失範囲値
である。このパラメータは、接合部の位置を決定するの
に十分なだけの輪郭データの喪失が許容されるような接
合部の長手方向距離を規定する。その結果、接合部抽出
アルゴリズムはスパッタ、煙、およびその他の予想され
るレーザ溶接条件に原因した正常な輪郭データ喪失に対
処し得ることになる。なお、接合部喪失範囲値を越えた
場合には、溶接停止を支持する信号が発生されるのが通
例である。

接合部抽出計算機１００において接合部抽出アルゴリズ
ムにより計算された接合部中心線の位置は、プロファイ
ラ座標系の座標で表わされた状態で追跡計算機１０２に
送られる。しかるに、ＣＮＣ制御器１０４は整備段階に
おいて設定された追跡座標系に基づいて動作する。かか
る追跡座標系は、追跡用電動機４６および６４を用いて
集束ヘッド６８をＹおよびＺ軸方向の運動範囲の中点（
すなわち、ホーム位置）に合わせることによって設定さ
れたものである。溶接作業に際しては、集束ヘッド６８
は接合部を追跡しており、従ってそれがホーム位置に存
在するのは一時的に過ぎないことが認められよう、それ
故、プロファイラ座標系の原点と追跡座標系の原点とが
長手方向に沿って整列することもやはり一時的なものに
過ぎない、従って、追跡アルゴリズムの実行に際して追
跡計算機１０２は、プロファイラ座標系に基づいて接合
部抽出計算機１００が計算した接合部中心線の位置を追
跡座標系に変換しなければならない。

かかる変換に際しては、集束ヘッドのホーム位置に対す
る現在の集束ヘッド位置のずれ、および現在の集束ヘッ
ド位置に対する接合部中心線位置のずれを計算すること
が必要である。更にまた、集束ヘッド６８のブツシュ角
９３（第３図）が傾斜している場合には、プロファイラ
座標系を空間内において回転させてそれのＹおよびＺ軸
を追跡座標系の対応する軸に整列させることも必要とな
る。

第４図に示されるごとく、追跡スケジュール中の一部の
パラメータは、追跡計算機１０２が実行する追跡アルゴ
リズム中において使用される。かかるパラメータとして
は、横断方向（またはＹ軸方向）および焦点方向くまた
はＺ軸方向）のオフセット値が挙げられる。追跡スケジ
ュールの設計対象とした特定の接合部の幾何学的形状に
よっては、接合部抽出計算機１００によって計算された
接合部のＶ字形溝の底部に位置する接合部中心線が、溶
接ビームの焦点を合わせるべき最適の目標点とはならな
い場合もある。このような場合には、追跡スケジュール
中に規定されたオフセット値を使用することにより、溶
接ビームの焦点を計算された接合部中心線から位置のず
れた最適の溶接部位に溶接ビームの焦点を合わせればよ
い、追跡アルゴリズムによって使用されるその他のパラ
メータとしては、追跡感度値、追跡許容限界値、および
許容限界逸脱範囲値が挙げられる。追跡感度値は、溶接
ビームの焦点の実際位置と目標点の位置との間における
計算された誤差に対する追跡アルゴリズムの応答性を制
御するものである。感度値が低ければ、追跡運動は円滑
になるが、システムの応答は著しく緩慢になることがあ
る。感度値が高ければ、ビーム位置決めヘッド１４は計
算された接合部中心線位置データの変化に対して迅速に
応答するが、誤ったデータにも過度の反応を示すことが
ある。追跡許容限界値は、溶接ビームの焦点の実際位置
と目標点の位置との間における誤差の許容範囲を規定す
るものである。許容限界逸脱範囲値は許容限界逸脱状態
が許容されるような接合部の最大長手方向距離を規定す
るものであって、この値を越えた場合には、システムが
接合部を正しく追跡していないことを操作員に知らせる
信号が発生される。

やはり第４図に示されるごとく、追跡アルゴリズムはま
た、ＣＮＣ制御器１０４に送られる追跡信号を計算する
際に機械定数をも使用する。これらの機械定数は、通例
、実行すべき追跡スケジュールとは無関係に一定に保た
れる。かかる機械定数の中には、レーザプロファイラの
ビーム９２と溶接ビーム１２との間の距離Ｄ、および接
合部１６が矢印１８（第３図）の方向に沿って移動する
速度が含まれる。これらの値から、追跡アルゴリズムは
各々の横断方向検査面が追跡面を通過する時刻を計算す
ることができる。すなわち、距離りおよび接合部の速度
から、追跡アルゴリズムは溶接ビームの位置合せを行っ
て接合部を正しく追跡するために各々の計算された接合
部中心線位置データを使用すべき時刻を計算するのであ
る。もう１つの機械定数はブツシュ角９３の値であって
、これは前述のごとくにプロファイラ座標系および追跡
座標系のＹおよびＺ軸を正確に整列させるために必要な
ものである。

その他の機械定数としては、追跡用電動機４６および６
４の回転速度の限界値、追跡スケジュール中において規
定し得る最大オフセット値を設定する限界値、プロファ
イラ座標系中において計算される接合部中心線位置デー
タの分解能、並びに追跡用電動機の分解能が挙げられる
。

以上の説明かられかる通り、本発明に従えば前述のごと
き目的（上記の説明から明らかとなる目的を含む）は効
率的に達成される。また、上記に記載された構成には様
々な変更を加え得るから、上記の説明は制限的でなく例
示的なものと解すべきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従って構成された接合部追跡方式の精
密レーザ溶接システムの概略ブロック図、第２図は第１
図のシステム中に使用されるビーム位置決めヘッドの縦
断面図、第３図は第１図のシステム中に使用されるレー
ザプロファイラの検出ヘッドの側面図、第４図は第１図
中のシステム制御器において使用されるデータ処理ハー
ドウェアのブロック図、第５図は追跡しかつ溶接すべき
接合部を形成する１対の金属部材の部分断面図、そして
第６Ａ、６Ｂおよび６０図は第１図中のレーザプロファ
イラによって生み出された輪郭データの代表的なＣＲＴ
表示例を示す図である。 図中、１０はレーザ、１２はレーザ溶接ビーム、１４は
ビーム位置決めヘッド、１６は接合部、２０は検出ヘッ
ド、２２は光学系パッケージ、２４は光学繊維束、２６
はシステム制御器５２８および３０はケーブル、３６は
支柱、３８はレーザビーム伝送管、４４は上部取付板、
４６は第１の電動機、５２は下部取付板、６４は第２の
電動機、６８は集束ヘッド、７０は集束レンズ、７２は
鏡、８６は集束レンズ、８８は集光レンズ、９０はレー
ザビーム、１００は接合部抽出計算機、１０２は追跡計
算機、そして１０４はＣＮＣ制御器を表わす。 ＦＩＧ、　２ ＦＩＧ、　３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、（Ａ）レーザ溶接ビームを発生するためのレーザ、
   （Ｂ）直線運動をしている細長い接合部中に位置する焦
   点に前記溶接ビームを集束させるための集束ヘッド、（
   Ｃ）前記集束ヘッドを取付け、そして焦点合せ用のＺ軸
   および横方向位置合せ用のＹ軸に沿いながら前記集束ヘ
   ッドを前記接合部に対して制御下で運動させるための位
   置決めヘッド、（Ｄ）前記接合部の相対運動に関して前
   記集束ヘッドの上流側に取付けられていて、前記溶接ビ
   ームの投射を受けるのに先立って一連の横断方向検査面
   の位置における前記接合部の輪郭を規定する輪郭データ
   を生成するレーザプロファイラ、並びに（Ｅ）特定の追
   跡スケジュールに従って前記輪郭データを処理すること
   により、各々の前記検査面内に存在する前記レーザプロ
   ファイラの視野中における前記接合部の中心線の位置を
   決定し、かつ前記ＹおよびＺ軸に沿って前記位置決めヘ
   ッドの位置を連続的に調整して前記接合部中に位置する
   前記溶接ビームの焦点を前記接合部の中心線に対する所
   定の目標点の位置に維持するために役立つ位置決め信号
   を発生するための処理手段の諸要素から成ることを特徴
   とする接合部追跡方式のレーザ溶接システム。 ２、前記処理手段が接合部抽出計算機および接合部追跡
   計算機を含む請求項１記載のレーザ溶接システム。 ３、前記接合部抽出計算機中には前記輪郭データからプ
   ロファイラ座標系中における前記接合部の中心線位置デ
   ータを計算するための手段が含まれ、かつ前記接合部追
   跡計算機中には前記中心線位置データを前記位置決めヘ
   ッドの前記ＹおよびＺ軸から成る追跡座標系に変換する
   ための手段が含まれている請求項２記載のレーザ溶接シ
   ステム。 ４、前記レーザプロファイラが前記溶接ビームから所定
   の距離だけ上流側の位置において前記集束ヘッドに取付
   けられており、かつ前記接合部追跡計算機中には前記所
   定の距離および前記接合部の運動の線速度から各々の前
   記検査面が前記位置決めヘッドの前記ＹおよびＺ軸を含
   む追跡面を通過する時刻を計算する手段が含まれている
   請求項３記載のレーザ溶接システム。 ５、前記接合部抽出計算機中にはまた、前記輪郭データ
   を処理することにより、前記接合部を形成する細長い部
   材間の間隙が前記追跡スケジュール中に規定された前記
   接合部の第１の所定長さパラメータにわたってやはり前
   記追跡スケジュール中に規定された限界寸法パラメータ
   を越えるかどうかを判定するための手段が含まれている
   請求項４記載のレーザ溶接システム。 ６、前記接合部抽出計算機中にはまた、前記輪郭データ
   を処理することにより、前記部材間の不整合が前記追跡
   スケジュール中に規定された前記接合部の第２の所定長
   さパラメータにわたつてやはり前記追跡スケジュール中
   に規定された寸法パラメータを越えるかどうかを判定す
   るための手段が含まれている請求項５記載のレーザ溶接
   システム。 ７、前記位置決めヘッド中には、接合部溶接作業時に静
   止状態に保持される支柱、前記支柱により滑動可能に取
   付けられかつ前記Ｙ軸に沿って運動し得る第１の支持板
   、前記第１の支持板により滑動可能に取付けられかつ前
   記Ｚ軸に沿って運動し得る第２の支持板、前記支柱によ
   り取付けられてＹ軸方向の位置決め運動のために前記第
   １の支持板を駆動する第１の電動機、および前記第１の
   支持板により取付けられてＺ軸方向の位置決め運動のた
   めに前記第２の支持板を駆動する第２の電動機が含まれ
   、かつ前記集束ヘッドは前記第２の支持板によって取付
   けられている請求項６記載のレーザ溶接システム。 ８、前記位置決めヘッド中にはまた、前記支柱の中心部
   を通って伸びる溶接ビーム伝送管、並びに前記伝送管の
   末端に取付けられて、前記Ｙ軸に沿いながら前記伝送管
   を通して伝送される前記溶接ビームを反射しかつ前記Ｚ
   軸と整列した光路に沿って前記集束ヘッドに導くための
   鏡が含まれている請求項７記載のレーザ溶接システム。 ９、前記接合部追跡計算機からの前記位置決め信号に応
   答して前記第１および第２の電動機を選択的に駆動する
   ためのＣＮＣ制御器が含まれていて、前記ＣＮＣ制御器
   は前記第１および第２の電動機を駆動して前記集束ヘッ
   ドを前記ＹおよびＺ軸に沿った運動範囲の中点に配置し
   、それにより前記追跡座標系の原点として役立つ空間基
   準点を溶接作業に先立って設定する請求項８記載のレー
   ザ溶接システム。