JPH11156577A - 突合せ位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 外乱光の影響を受け難く、より高速で行なう
加工にも対応できる突合せ位置検出装置を提供する。 【解決手段】 ワークＷＡ、ＷＢ間の段差部Ｓに向けて
スリットレーザ発振器２で斜めに光を投光し、ＣＣＤラ
インセンサ４でこの反射光を受光し、ＣＣＤラインセン
サ４が受光した光の光量において高光量から低光量に変
化した位置からワークＷＡ、ＷＢ間の突合せ位置をマイ
コンで算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、突合せ位置検出装
置に係り、特に段差のある突合せ位置を検出する突合せ
位置検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば自動車の製造工程には、板厚の異
なるブランク材同士を溶接によってつなぎ合わせる工程
がある。このような工程では、溶接ヘッドを両パネルの
突合せ位置に正確に合わせる必要がある。このような突
合せ位置の検出は、例えばアーク溶接を行なう場合には
視覚センサや光切断センサを用いて行なわれている。

【０００３】ところで近年では、アーク溶接よりも高
速、かつ高精度で行なう溶接方法が要求されている。こ
のため、従来のアーク溶接に代えてレーザ溶接が用いら
れる場合がある。

【０００４】レーザ溶接は、そのレーザ光径が約０．５
ｍｍ程度と非常に小さく、また溶接速度が５ｍ／ｍｉｎ
と高速である。このため、レーザ溶接ではアーク溶接よ
りも正確にかつ高速で突合せ位置を検出する必要があ
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、視覚セ
ンサではカメラで捕らえられた画像を２値化処理や微分
処理することにより突合せ位置の検出をするようにして
いるので、外乱光による影響を受けやすく、例えば昼夜
といった時間帯による周囲の明るさの変化はもちろんの
こと、工場内の照度むらによっても検出精度が異なって
しまうことから、生産現場でレーザ溶接に用いるのには
実用的ではない。

【０００６】また光切断センサでは、例えばスリットレ
ーザ光のような広がりを持つ光を両ブランク材の表面に
照射し、その反射光の形状を二次元センサで検出するこ
とによって両ブランク材の形状を算出し、その形状から
突合せ位置の検出をするようにしているので、その形状
の算出と突合せ位置の検出に要する時間、すなわちスキ
ャンタイムが遅くなる。

【０００７】したがって、従来から用いられているこれ
らのセンサを、より高精度、高速度で突合せ位置の検出
を行なうレーザ溶接に適用することはできない。

【０００８】本発明は、このような従来技術の問題点に
鑑みてなされたものであり、外乱光の影響を受け難く、
より高速で行なわれる溶接にも適用できる突合せ位置検
出装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的は、以下の手段
によって達成される。

【００１０】（１）第１のワークと第２のワークとの突
合せ位置を検出する突合せ位置検出装置であって、段差
部が形成される前記突合せ位置に向けて斜めに光を投光
する投光手段と、段差部からの反射光を受光する受光手
段と、受光手段が受光した反射光において、光量が高光
量から低光量に変化した位置から前記第１のワークと前
記第２のワークとの突合せ位置を算出する突合せ位置算
出手段とを有することを特徴とするものである。

【００１１】このように構成することによって、第１の
ワークと第２のワークとの境界の段差部に向けて斜めに
光を投光し、両者の突合せ位置に光が投光されない領域
を設けることができる。そして受光手段でこの反射光を
受光することによって、光が投光された領域と投光され
ない領域とを識別することができる。

【００１２】さらに受光手段が受光した反射光におい
て、光量が高光量から低光量に変化した位置から前記第
１のワークと前記第２のワークとの突合せ位置を算出す
ることにより、周囲の明るさの状態によらず突合せ位置
の判定を行なうことができる。

【００１３】（２）前記投光手段から投光される光が、
レーザスリット光であることを特徴とするものである。

【００１４】このように構成することによって、第１の
ワークと第２のワークとを横切って同時に両方のワーク
に線状の光を投光することができる。よって、一次元の
データの処理で両者の反射光の相違を認識することがで
きて、それぞれの反射光に基づく突合せ位置の検出速度
をいっそう高めることができる。

【００１５】（３）前記第１のワークと前記第２のワー
クとの突合せ位置に加工を施す突合せ位置加工部と、突
合せ位置加工部を前記突合せ位置算出手段が算出した突
合せ位置に移動する加工部移動手段とをさらに有するこ
とを特徴とするものである。

【００１６】このように構成することによって、請求項
１または２に記載の突合せ検出装置を、突合せ位置加工
時の突合せ位置検出に用いることができる。

【００１７】（４）前記突き合わせ位置加工部が、レー
ザ溶接を行なうレーザ溶接手段であることを特徴とする
ものである。

【００１８】このように構成することによって、請求項
１または２に記載の突合せ検出装置をレーザ溶接時の突
合せ位置検出に用いることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。以下に述べる本実施の形態は、本
発明の突合せ位置検出装置を自動車の生産に用いられる
レーザ溶接器に適用する例を示すものである。

【００２０】図１は、本実施の形態の構成を示すブロッ
ク図である。

【００２１】図１に示した構成は、ＣＣＤラインセンサ
４と、マイコン１０と、ＮＣ工作機械の制御装置２０
と、レーザ溶接ヘッド１とを有している。また、マイコ
ン１０には、ＣＣＤラインセンサ４から入力した受光信
号を演算処理するＣＰＵ１２と、突合せ位置のマスタデ
ータが記憶されているメモリ１４とが備えられている。
このマスタデータとは、基準となる突合せ位置を求める
ために設計された専用のブランク材の突合せ位置を、本
実施の形態の位置合わせ検出装置で検出したデータであ
る。

【００２２】ＣＣＤラインセンサ４は、後述する投光手
段が投光した光を受光し、受光した光量に応じた信号を
マイコン１０に出力している。マイコン１０は、ＣＣＤ
ラインセンサ４からの信号をＣＰＵ１２およびメモリ１
４を用いて演算処理し、この演算の結果に基づいてＮＣ
工作機械の制御装置２０に指示を与えている。ＮＣ工作
機械の制御装置２０は、この指示に従ってレーザ溶接ヘ
ッドを制御し、突合せ位置にレーザ溶接を施している。

【００２３】なお、以上述べたＣＣＤラインセンサ４
は、請求項１の受光手段に相当し、マイコン１０は、突
合せ位置算出手段に相当するものである。また、ＮＣ工
作機械の制御装置２０は、請求項３の加工部移動手段に
相当し、レーザ溶接ヘッド１は、請求項４のレーザ溶接
手段に相当するものである。

【００２４】図２は、本実施の形態の構成を模式的に示
した図である。

【００２５】図２に示した本実施の形態の構成は、レー
ザ溶接ヘッド１と、スリットレーザ発振器２と、ＣＣＤ
ラインセンサ４と、測距センサ６とを有している。レー
ザ溶接ヘッド１、スリットレーザ発振器２、ＣＣＤライ
ンセンサ４は、３軸以上の軸を持つ同一のＮＣ工作機械
の作業端に一体的に支持されて、一体となって移動す
る。また、測距センサ６は、スリットレーザ発振器２の
高さをモニターし、レーザ溶接ヘッド１、スリットレー
ザ発振器２、ＣＣＤラインセンサ４の高さを一定に保つ
ようにしている。

【００２６】なおスリットレーザ発振器２は、請求項１
の受光手段に相当している。

【００２７】レーザ溶接ヘッド１の下方には、ワークＷ
Ａ（ＷＡ）とワークＷＢ（ＷＢ）とが配されている。ワ
ークＷＡ、ワークＷＢは、いずれも塗装前の自動車ボデ
ィのブランク材である。図示するようにワークＷＡとワ
ークＷＢとの板厚は異なっており、ワークＷＡの方がワ
ークＷＢよりも厚い。このためワークＷＡとワークＷＢ
との突合せ位置Ｃは段差を有している。以降、この段差
を段差部Ｓと記すものとする。

【００２８】スリットレーザ発振器２とＣＣＤラインセ
ンサ４とは、ワークＷＡとワークＷＢとの境界線と直交
する一直線上に配置されており、スリットレーザ発振器
２によってレーザ光がワークＷＡの側から段差部Ｓに斜
めに投光され、その反射光がワークＷＢ側上方のＣＣＤ
ラインセンサ４にすべて受光されるようになっている。

【００２９】スリットレーザ発振器２は、その断面が線
状になっているレーザ光を発振し、段差部Ｓを横切って
ワークＷＡとワークＷＢとに同時に投光することができ
る。また、ＣＣＤラインセンサ４は、複数のホトダイオ
ードを一列に配しており、各ホトダイオードには光を受
光することによって受光した光の強度（受光強度）に応
じた信号電荷が蓄積される。蓄積された信号電荷は、Ｃ
ＣＤに移されてＣＣＤからはその蓄積量に応じた強度の
信号が出力される。

【００３０】次に図３を用いて、ワークＷＡとワークＷ
Ｂとの突合せ位置Ｃを検出する検出原理を説明する。図
３（Ａ）は、スリットレーザ発振器２の投光状態および
ＣＣＤラインセンサ４の受光状態を説明する図である。
また、図３（Ｂ）は、ＣＣＤラインセンサ４のホトダイ
オードに蓄積される信号電荷を模式的に示した図であ
り、図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）に対応するＣＣＤライン
センサ４の受光強度を表す図である。

【００３１】図３（Ａ）に示すように、スリットレーザ
発振器２からスリットレーザ光Ｌ1が段差部Ｓに投光さ
れる。このときスリットレーザ発振器２は、より厚さの
厚いワークＷＡ側からワークＷＢ側へ、すなわち段差部
Ｓの上段側から下段側に向けてスリットレーザ光Ｌ1 を
入射角度θで投光している。入射角度θで投光されたス
リットレーザ光Ｌ1 は、ワークＷＡとワークＷＢとの境
界において反射角度θで反射される。この反射光である
スリットレーザ光Ｌ2 は、ＣＣＤラインセンサ４で受光
される。

【００３２】なお本実施の形態では、この入射角度θを
４５度に設定すると共に、ＣＣＤラインセンサ４を４５
度に傾けて反射光を受光可能なようにしている。

【００３３】スリットレーザ光Ｌ1 は、段差部Ｓを横切
るように投光されて、その一部がワークＷＡの表面で反
射され、他の一部がワークＷＢの表面で反射される。こ
のとき、ワークＷＢ表面にはワークＷＡの陰になってス
リットレーザ光Ｌ1 の投光を受けない領域Ｅが生じる。
このため、領域Ｅからはレーザ光が反射されず、ＣＣＤ
ラインセンサ４において位置ｄにあるホトダイオードが
反射光を受光することがない。この結果、図３（Ｂ）の
ように位置ｄにあるホトダイオードには反射光による電
荷が蓄積されない。

【００３４】各ホトダイオードにアドレスを付し、この
アドレスの並びに対して受光した光の受光強度をとれ
ば、図３（Ｃ）のように位置ｄにあるホトダイオードの
受光強度が他の位置にあるホトダイオードと比べて明ら
かに低くなることが分かる。よって、図３（Ｃ）の関係
を測定によって求めることで位置ｄにあるホトダイオー
ドのアドレスが分かる。このホトダイオードのアドレス
から、さらにレーザＬ2光がワークＷＢ内で反射されな
い領域Ｅが分かる。本実施の形態では、この領域Ｅのう
ち、ワークＷＡに最も近い点を突合せ位置と判定してい
る。

【００３５】なお、本明細書中ではｄの位置のホトダイ
オードが受光する光量を低光量と記し、これに対して他
の位置にあるホトダイオードが受光する光量を高光量と
記すものとする。

【００３６】以上述べた原理で行なわれる突合せ位置検
出は、必要なデータが一次元センサで得られることか
ら、比較的高速度で突合せ位置を検出することができて
高速度で溶接を行なうレーザ溶接装置に用いることに特
に適している。

【００３７】次に、本実施の形態のより具体的な突合せ
位置検出の例を示す。

【００３８】図４、図５は、いずれもホトダイオードの
アドレス並びに対して、各ホトダイードの受光強度をと
り、これに突合せ位置Ｃを対照して示している。図４
は、段差部Ｓが直角をなしている例であり、また図５
は、段差部ＳがＲを有している例である。

【００３９】図４、図５の例では、すべてのアドレスの
ホトダイオードの受光強度データから最小値Ａを検出す
る。そして検出した最小値Ａにオフセット量を足し合わ
せ、足し合わせた値を許容値Ｂとする。なお、このオフ
セット量の値は予め実験などによって決定されており、
例えばメモリ１４に記憶されている。

【００４０】次に許容値Ｂ以上のデータを高光量、許容
値Ｂ以下のデータを低光量として分ける。そして、高光
量から低光量の値に最初に変化したホトダイオードのう
ち、ワークＷＡ側により近い位置からの反射光を受光す
るものをＣ´とする。すなわち突合せ位置Ｃは、本来ホ
トダイオードＣ´が受光すべきスリットレーザ光Ｌ2
（図３（Ａ））を反射する位置にあることになるから、
ホトダイオードＣ´のアドレスに基づいて突合せ位置Ｃ
が検出できる。

【００４１】なお本実施の形態では、マスタデータに予
め測定されたホトダイオードＣ´と、このときのレーザ
溶接ヘッド１の位置とが記憶されている。よって、マイ
コン１０（図１）は、検出されたホトダイオードＣ´と
マスタデータに記憶されているＣ´とを比較し、このず
れ量に相当する分だけレーザ溶接ヘッド１を移動させる
ようにＮＣ工作機械の制御装置２０に指示している。

【００４２】また、突合せ位置Ｃの段差部ＳがＲを有し
ている図５の例では、最小値Ａが得られるまでに図４の
例よりも多くの測定点が記録されていることからも、受
光強度が緩やかに減少していることがわかる。しかし、
図５において図４の例と同様の方法で検出したホトダイ
オードＣ´の位置が突合せ位置Ｃに相当していることか
ら、本実施の形態は、段差部Ｓが直角形状であっても、
Ｒ形状であっても突合せ位置Ｃを検出することが可能で
ある。

【００４３】以上述べた検出例は、ＣＣＤラインセンサ
４が得た受光データのうち、最小値Ａを基準にして高光
量と低光量とを分けて反射光を受光したホトダイオード
と受光していないホトダイオードとを識別している。よ
って、例えばホトダイオードの周囲の照明光が変化した
としても、この場合にはすべてのホトダイオードの受光
強度が一様に変化する。よって周囲の照明光の変化は、
本実施の形態のホトダイオードＣ´の検出、ひいては位
置合わせ部Ｃの検出に影響しない。

【００４４】したがって本実施の形態は、周囲の照明状
態が変化する可能性のある生産現場で実用化するに当た
っても有利である。

【００４５】図６は、以上述べた本実施の形態の処理を
フローチャートにして示す図である。

【００４６】図６に示した処理は、レーザ溶接装置のス
イッチオンによって開始される（Ｓ１）。レーザ溶接装
置のスイッチがオンされると、スリットレーザ発振器２
がスリットレーザ光を発振する（Ｓ２）。発振されたス
リットレーザ光は、ＣＣＤラインセンサの各アドレスの
ホトダイオードに受光される。各アドレスのホトダイオ
ードが受光した光の受光強度は、受光強度データとして
ＣＣＤラインセンサに取得される（Ｓ３）。

【００４７】全アドレスのホトダイオードのデータの取
得が終了すると（Ｓ４）、取得したデータのうち受光強
度データの最小値が検出され（Ｓ５）、この値がメモリ
１４に記憶される（Ｓ６）。ＣＰＵ１２は、記憶された
受光強度の最小値に対してオフセット量を加算するなど
して突合せ位置に応じたホトダイオードのアドレスを求
め、このアドレスをマスタデータのものと比較して演
算、比較の処理を行ない（Ｓ７）、マスタデータの突き
合わせ位置とのずれ量がＮＣ工作機械の制御装置２０に
フィードバックされて、ＮＣ工作機械の移動量が決定さ
れる（Ｓ８）。

【００４８】次にステップ８で決定した移動量に応じて
ＮＣ工作機械を移動し（Ｓ９）、溶接を行なう（Ｓ１
０）。この後、レーザ溶接スイッチのオフが入力された
場合には処理を終了し（Ｓ１１）、オフされない場合に
はリターンする。

【００４９】以上述べた本実施の形態は、ワークＷＡと
ワークＷＢとの境界の段差部Ｓに向けて、段差部Ｓの上
段の側から斜めに光を投光し、両者の突合せ位置に光が
投光されない領域を設け、この反射光をＣＣＤラインセ
ンサで検出し、ワークＷＡとワークＷＢとの突合せ位置
を検出することができる。

【００５０】またスリットレーザ発振器２によって、ワ
ークＷＡとワークＷＢとの境界の段差部Ｓを横切って光
を投光すると共に、ＣＣＤラインセンサ４で投光された
光の反射光を受光することにより、一度の測定で突合せ
位置の検出に必要なデータを取得することができる。よ
って、いっそう突合せ位置の検出速度を高めることがで
きる。

【００５１】さらにＣＣＤラインセンサが受光した光の
強度を、測定で得た最小値に基づく許容値を基準にして
高光量と低光量とに分けることにより、周囲の明るさの
状態およびその変化によらず、正確に突合せ位置の判定
を行なうことができる。

【００５２】また、ワークＷＡとワークＷＢとの突合せ
位置を加工するレーザ溶接ヘッド１と、マイコン１０が
判定した突合せ位置に合わせてレーザ溶接ヘッド１を移
動するＮＣ工作機械の制御装置２０とをさらに有するこ
とにより、本実施の形態の突合せ位置検出装置をレーザ
溶接ヘッド１を突合せ位置に正確に合わせることに用い
ることが可能となる。このような構成は、高速で、かつ
外乱に影響されずに正確にワーク間の突合せ位置にレー
ザ溶接を行なうことが可能なレーザ溶接装置を提供する
ことができる。

【００５３】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、第１のワークと
第２のワークとの突合せ位置に光が投光されない領域を
設け、受光手段でこの反射光を受光することによって突
合せ位置を検出している。

【００５４】よって、突合せ位置を検出する位置に効率
的に投光を行なうことが可能となり、突合せ位置の検出
速度を高めることができる。

【００５５】また、受光手段が受光した反射光におい
て、光量が高光量から低光量に変化した位置から前記第
１のワークと前記第２のワークとの突合せ位置を算出す
ることにより、周囲の明るさの状態によらず突合せ位置
の判定を行なうことができる。

【００５６】よって、より高速で行なう加工にも対応で
き、しかも外乱光の影響を受け難い突合せ位置検出装置
を提供することができる。

【００５７】請求項２記載の発明は、一次元センサで両
者の反射光の相違を認識することができて、それぞれの
反射光に基づく突合せ位置の検出速度をいっそう高める
ことができる。

【００５８】請求項３記載の発明は、請求項１または２
に記載の突合せ検出装置を突合せ位置加工時の突合せ位
置検出に用いることができる。

【００５９】請求項４記載の発明は、請求項１または２
に記載の突合せ検出装置を、レーザ溶接時の突合せ位置
検出に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態の構成を示すブロック
図である。

【図２】 本発明の一実施の形態の構成を模式的に示し
た図である。

【図３】 本発明の一実施の形態の突合せ位置を検出す
る検出原理を説明する図であって、図３（Ａ）は、スリ
ットレーザ発振器２の投光状態およびＣＣＤラインセン
サの受光状態を説明する図、図３（Ｂ）は、ＣＣＤライ
ンセンサのホトダイオードに蓄積される電荷を模式的に
示した図、図３（Ｃ）は、図３（Ｂ）に対応するＣＣＤ
ラインセンサの受光強度を表す図である。

【図４】 本発明の一実施の形態の突合せ位置の検出例
を示す図であって、特に段差部が直角をなしている場合
の例である。

【図５】 本発明の一実施の形態の突合せ位置の検出例
を示す図であって、特に段差部がＲを有している場合の
例である。

【図６】 本発明の一実施の形態の処理をフローチャー
トにして説明する図である。

【符号の簡単な説明】

１…レーザ溶接ヘッド（レーザ溶接手段） ２…スリットレーザ発振器（投光手段） ４…ＣＣＤラインセンサ（受光手段） ６…測距センサ １０…マイコン（突合せ位置算出手段） １２…ＣＰＵ １４…メモリ Ｃ…突合せ位置 Ｓ…段差部 ＷＡ…ワークＷＡ（第１のワーク） ＷＢ…ワークＷＢ（第２のワーク）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１のワークと第２のワークとの突合せ
   位置を検出する突合せ位置検出装置であって、 段差部が形成される前記突合せ位置に向けて斜めに光を
   投光する投光手段と、 当該段差部からの反射光を受光する受光手段と、 当該受光手段が受光した反射光において、光量が高光量
   から低光量に変化した位置から前記第１のワークと前記
   第２のワークとの突合せ位置を算出する突合せ位置算出
   手段と、を有することを特徴とする突合せ位置検出装
   置。
2. 【請求項２】 前記投光手段から投光される光が、レー
   ザスリット光であることを特徴とする請求項１記載の突
   合せ位置検出装置。
3. 【請求項３】 前記第１のワークと前記第２のワークと
   の突合せ位置に加工を施す突合せ位置加工部と、 当該突合せ位置加工部を前記突合せ位置算出手段が算出
   した突合せ位置に移動する加工部移動手段とをさらに有
   することを特徴とする請求項１または２に記載の突合せ
   位置検出装置。
4. 【請求項４】 前記突き合わせ位置加工部が、レーザ溶
   接を行なうレーザ溶接手段であることを特徴とする請求
   項３に記載の突合せ位置検出装置。