JP2006187794A - Seam tracking welding apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、突合せ溶接線の検出をリアルタイムで行うシームトラッキング溶接装置に関するものである。 The present invention relates to a seam tracking welding apparatus that detects a butt weld line in real time.
レーザによる突合せ溶接加工は、複数の板金部材からなる溶接ワークを突合せ、その境界線を溶接線とし、この溶接線に沿ってレーザ光を照射することによりワーク部材を接合するものである。
この突合せ溶接加工においては、素材となる板金部材の形状や寸法のばらつき、治具の位置決め精度のばらつき等を要因する溶接不良が発生しやすく、製品の歩留まりはなかなか満足できる水準にはならない。
つまり、溶接線の位置が毎回微妙に変動してしまうことにより、溶接線上に正確に照射されるべきレーザ光が溶接線から外れてしまうこととなり、これが溶接不良を引き起こし十分な溶接強度が得られないという結果を招いてしまう。
また、溶接線に対し溶接ビードがずれれば外観も悪くなる等、強度と外観の両面で確率的に不具合が発生してしまう。
In the butt welding process using laser, welding workpieces made of a plurality of sheet metal members are butted together, the boundary line thereof is used as a welding line, and the workpiece member is joined by irradiating laser light along the welding line.
In this butt welding process, welding defects are likely to occur due to variations in the shape and dimensions of the sheet metal member that is the raw material, variations in the positioning accuracy of the jig, and the product yield is not at a satisfactory level.
In other words, the position of the weld line slightly changes each time, so that the laser beam that should be accurately irradiated on the weld line is deviated from the weld line, which causes welding failure and sufficient welding strength is obtained. Result in not.
In addition, if the weld bead is displaced with respect to the weld line, the appearance is deteriorated, and a problem occurs in both strength and appearance.
上記のような状況にも関わらず、近年は溶接品の品質や外観に対する要求が厳しくなる一方であるが、その中でも溶接線に対する溶接ビードの高精度な追従が強く求められている。
これは最も基本的で重要な要求事項であるが、低コストで安定して運用可能なものが見当たらないのが現状であり、溶接線に対してレーザ光を高精度に追従させ運用するための溶接支援システムの実現が求められてきた。
In spite of the above situation, in recent years, the demands on the quality and appearance of the welded product are becoming stricter, and among them, high-precision tracking of the weld bead to the weld line is strongly demanded.
This is the most basic and important requirement, but there are currently no low-cost products that can be stably operated. Realization of a welding support system has been demanded.
このようなユーザーの要求に答えるべく、レーザ光の照射位置が溶接線からずれないようにするために、レーザ光の照射位置をリアルタイムでトラッキングしながら調整する方法が公知例にいくつか見られるが、これらの多くは溶接線の検出方法として各種イメージセンサによる光学測定を採用している。
しかしながら、イメージセンサによる識別方法は、測定用のレーザ光が遮られるような条件下では運用ができないため適用範囲が限定され十分な成果を上げるに至っていない。
In order to respond to such a user's request, there are some known examples of adjusting the laser light irradiation position while tracking in real time in order to prevent the laser light irradiation position from deviating from the weld line. Many of these employ optical measurement using various image sensors as a method for detecting a weld line.
However, the identification method using an image sensor cannot be operated under the condition that the laser beam for measurement is blocked, so that the application range is limited and sufficient results have not been achieved.
図1は、加工ワークW1とレーザ発信器1を側面方向からとらえたものであり、加工ワークW1と複数の加工ワークW2に対し、レーザ発信器1で発生させたレーザ光をレンズ2により光学的に調整したレーザ光L1を溶接部14に照射している。
FIG. 1 shows the workpiece W1 and the
図2は、上記加工ワークW1とW2を斜視図にて示したものである。
この場合、加工ワークW1とW2の境界が溶接線20となるが、この溶接線20上に沿って如何にして正確にレーザ光を照射できるかにより製品の品質が左右されることとなる。
つまり、レーザ光の照射がこの溶接線20から外れれば、溶接強度が低下することはもちろん、溶接跡となる溶接ビードの外観も著しく損なわれてしまい商品価値を大きく損なうことになってしまう。
FIG. 2 is a perspective view of the workpieces W1 and W2.
In this case, the boundary between the workpieces W1 and W2 becomes the
That is, if the laser beam irradiation deviates from the
上記で述べた溶接線のずれに対処する方法としては、図3に示すような光学測定装置3により溶接線を検知するのが一般的である。
光学測定法による方法では、レーザ発信器1の近傍に光学測定装置3を設け、光学測定装置3内のレーザ発光部4から測定用レーザ光L2をパルス状に照射し、これが溶接線周辺の加工ワークW1、W2の表面で反射させ、この反射したレーザ光L3をレーザ受光部5で個々に捕らえ、各パルス光に対して三角測量の原理でこれを多数の3次元座標ポイントとして認識し、溶接線たる境界部を座標群の変化として演算により推論し抽出する。
As a method for coping with the welding line deviation described above, it is common to detect the welding line by an
In the method based on the optical measurement method, an
しかしながら、上記の方法による測定結果は3次元の点群データであるから、3次元形状として形状認識し判定するには多数の点群データが必要となる。
つまり、想定した溶接線に対し、ある程度の幅をもたせ、帯状に3次元の点群データを測定していくわけであるが、現状、既に運用されているレーザ加工機の送り速度は比較的高速であり、これに見合う測定スピードと処理スピードを確保することは容易ではない。
また、光学式による測定は、ワーク表面の反射やその角度等の影響で誤差の影響が出やすく運用には各種制限があり十分な注意が必要であった。
However, since the measurement result obtained by the above method is three-dimensional point group data, a large number of point group data is required to recognize and determine the shape as a three-dimensional shape.
In other words, a certain width is given to the assumed weld line, and the three-dimensional point cloud data is measured in a strip shape, but the feed rate of laser processing machines already in operation is relatively high. Therefore, it is not easy to secure a measurement speed and a processing speed corresponding to this.
In addition, the measurement by the optical method is susceptible to errors due to the reflection of the workpiece surface and its angle, etc., and there are various restrictions on the operation, and sufficient caution is required.
上記のような光学式による測定においては、反射光を補足しなければならないため、照射角度やワークとの位置関係に十分な注意が必要となる。
例えば、図4に示すような状況では測定用レーザL2の反射光L3を補足できるが、加工ワークW2の個数が増えた図5に示すような状況では、反射光L3が加工ワークW2に干渉してし遮られることによって容易に測定不能の事態に陥るし、測定用レーザの照射位置や照射角度によっても測定用レーザ光は容易に遮られてしまう。
レーザ加工は途中で中断することは極めて問題であり、仮に再度中断したところから始めても溶接品質に問題が残るため、上記のように測定が滞る可能性は運用上の大きなリスクとなる。
In the optical measurement as described above, since reflected light must be supplemented, sufficient attention must be paid to the irradiation angle and the positional relationship with the workpiece.
For example, in the situation shown in FIG. 4, the reflected light L3 of the measurement laser L2 can be supplemented. However, in the situation shown in FIG. 5 where the number of workpieces W2 has increased, the reflected light L3 interferes with the workpiece W2. Therefore, the measurement laser beam is easily blocked by the measurement laser beam, and the measurement laser beam is easily blocked by the irradiation position and irradiation angle of the measurement laser.
It is extremely problematic to interrupt the laser processing in the middle, and even if it starts again from the point where it was interrupted again, there remains a problem in the welding quality. Therefore, the possibility that the measurement is delayed as described above is a large operational risk.
また、加工しながらリアルタイムで座標を測定したい場合にも、加工用レーザ光の反射光や散乱光の影響を大きく受けてしまい、正常な測定は期待できない。
このように、運用上の制限が多く安心して使用できるものでもなかった。
Thus, there were many operational restrictions and it was not something that could be used with confidence.
本発明は、3次元的な形状を有するワークにおいて、従来の光学測定による溶接線の検出では、測定光と反射光がワークに干渉し測定が中断してしまう状況が起こりやすく実用的に溶接線の検出が行えない点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、溶接線の検出をリアルタイムで行うシームトラッキング溶接装置を提供するものである。 According to the present invention, in a workpiece having a three-dimensional shape, in the conventional detection of a welding line by optical measurement, a situation in which measurement light and reflected light interfere with the workpiece and the measurement is interrupted easily occurs. The purpose of this is to provide a seam tracking welding apparatus that detects a weld line in real time.
本発明の請求項1は、板金ワークに近接しレーザ光を照射するためのレーザ発信器をロボットアーム先端部に設け、
一方、ワークの溶接線近傍のワーク表面に対し、スプリングの弾性力による接触圧でワークに接触しながら、それ自身が回転可能な円板形状のセンシングローラーと、このセンシングローラーの変位を検知するための差動トランスと、
上記センシングローラーの変位を上記差動トランスに伝達するためのリンク機構とにより変位検出部を構成し、
上記変位検出部はステーにより上記レーザ発信器より更に先端に配置し、かつレーザ発信器と一体化し、
上記センシングローラーは、ワークの上下方向の起伏に見合う分だけ上記変位検出部より更に下方に突き出す長さと構成位置に設定し、
上記変位検出部から測定した変位信号をリアルタイムで本体であるレーザ加工機の制御装置に伝送し、これを停滞なく直ちに位置制御にフィードバックさせ、溶接線とレーザ照射の位置ずれを修正することを特徴とする。
また、請求項2によると、2組の変位検出部を直交配置させ、2軸方向のフィードバック位置制御を同時に行うことを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, a laser transmitter for irradiating a laser beam close to a sheet metal workpiece is provided at the tip of the robot arm,
On the other hand, a disk-shaped sensing roller that can rotate itself while contacting the workpiece with the contact pressure of the spring's elastic force against the workpiece surface near the workpiece weld line, and to detect the displacement of this sensing roller Differential transformer,
A displacement detection unit is configured with a link mechanism for transmitting the displacement of the sensing roller to the differential transformer,
The displacement detector is arranged at the tip further than the laser transmitter by a stay, and is integrated with the laser transmitter,
The sensing roller is set to a length and a configuration position that protrude further downward than the displacement detection unit by an amount corresponding to the vertical undulation of the workpiece,
The displacement signal measured from the displacement detection unit is transmitted in real time to the control device of the laser processing machine that is the main body, and this is immediately fed back to the position control without stagnation, thereby correcting the misalignment between the welding line and the laser irradiation. And
According to a second aspect of the present invention, two sets of displacement detectors are arranged orthogonally to perform feedback position control in two axial directions simultaneously.
上記のように、本発明のシームトラッキング溶接装置によると、加工ワークに接触するセンシングローラーを下方に突き出すことによりワークとの干渉を抑制し、このセンシングローラーの変位検出により直接的に形状を認識し、これをレーザ加工機の位置制御にリアルタイムでフィードバックさせることにより、従来の煩雑な画像処理からなる演算処理を排し、簡易的でありながら安定的で高精度なレーザ加工を行うことができる。
更に2組の変位検出部を直交配置することで、2軸方向のフィードバック位置制御が行え、より高精度なシームトラッキングが可能である。
As described above, according to the seam tracking welding apparatus of the present invention, the sensing roller that contacts the workpiece is protruded downward to suppress interference with the workpiece, and the shape is directly recognized by detecting the displacement of the sensing roller. By feeding this back to the position control of the laser processing machine in real time, the conventional arithmetic processing consisting of complicated image processing can be eliminated, and simple but stable and highly accurate laser processing can be performed.
Furthermore, by arranging two sets of displacement detectors orthogonally, feedback position control in the biaxial direction can be performed, and more accurate seam tracking is possible.
本発明のシームトラッキング装置は、回転可能な円形のセンシングローラーによりワーク形状を直接認識するため、実用的な測定精度を確保しながら安定動作し、その構造はシンプルであり、低コストで製作し運用できる利点がある。
また、運用に必要な制御ロジックもシンプルなフィードバック制御を基本とした比較的扱いやすいものでよいため、各種溶接ロボット等へ適用しやすい利点もある。
Since the seam tracking device of the present invention directly recognizes the workpiece shape with a rotatable circular sensing roller, it operates stably while ensuring practical measurement accuracy, its structure is simple, and it is manufactured and operated at low cost. There are advantages you can do.
Moreover, since the control logic required for operation may be relatively easy to handle based on simple feedback control, there is an advantage that it can be easily applied to various welding robots.
本発明のシームトラッキング装置は、溶接線を検出するシームトラッキングにおいて、必要十分な精度と安定性を有し制御性にも優れ、ユーザーが運用しやすいものを市場に供給するという目的を、シンプルな装置構成により安価に実現したものであり、以下、実施の形態により説明する。 The seam tracking device of the present invention has a simple purpose of supplying the market with seam tracking for detecting a weld line that has necessary and sufficient accuracy and stability, has excellent controllability, and is easy for users to operate. This is realized at a low cost by the apparatus configuration, and will be described below by an embodiment.
図6は、本発明によるシームトラッキング装置の第1の実施の形態を示す側面図であり、取付用ステー13によりレーザ発信器1と一体化している。
そして、先端部には回転軸Aとした低摩擦で回転可能な円形のセンシングローラー6が設けられており、これは支点10を介したスプリング8の弾性力によって測定中は常に加工ワークW2に接触している。
また、センシングローラー6が空中を移動する等の非接触状態において、スプリング8の引っ張り力で傾き過ぎないようにするためにストッパー12を設けている。
FIG. 6 is a side view showing the first embodiment of the seam tracking device according to the present invention, which is integrated with the
A
In addition, a
もし、想定したワークの位置と実際のワークの位置にずれが発生した場合、センシングローラー6の変位は支点10を介して接点19に伝えられ、プローブ18を動かす。
プローブ18の進退は差動トランス9で精密にその位置を測定し、信号線11によりレーザ加工機の制御部にアナログ信号として伝送されフィードバック制御に活用する。
If a deviation occurs between the assumed workpiece position and the actual workpiece position, the displacement of the
The advance / retreat of the
図7では、センシングローラーの変位とそのフィードバック制御に関して記載している。
図7(a)はセンシングローラー6がワークと理想的に接触している状態であり、制御的にはニュートラルな状態となる。
図7(b)は突っ込み状態であり、この状況ではセンシングローラー6の傾きが差動トランス9によりプラス変位として検出されるため、レーザ加工機の制御装置で、検出した変位量を相殺する分だけ引っ込めることにより、図7(c)に示すようなニュートラル状態に復帰できる。
図7(d)は、上記とは逆の状況となっているが、上記と同様に変位量を相殺する分だけ座標修正することによりニュートラル状態に復帰できる。
FIG. 7 describes the displacement of the sensing roller and its feedback control.
FIG. 7A shows a state where the
FIG. 7B shows a rushing state. In this situation, the inclination of the
FIG. 7D shows a situation opposite to the above, but it is possible to return to the neutral state by correcting the coordinates as much as the amount of displacement is canceled in the same manner as described above.
図8はセンシングローラー6と、照射される加工用レーザ光L1との位置関係を示したものである。
センシングローラー6の進行方向より後側で、熱影響が出ない程度の距離をおいてレーザ光を照射するため、センシングローラー6と溶接部14には一定の距離をとらざるを得ない。
ローラー径やワークの形状変化によって、上記距離が問題視される場合は、この距離を考慮したフィードバック制御を行い、レーザ光を照射する位置補正に反映することとなる。
FIG. 8 shows the positional relationship between the sensing
Since the laser beam is irradiated at a distance from the rear of the traveling direction of the
When the above distance is regarded as a problem due to changes in the roller diameter or workpiece shape, feedback control is performed in consideration of this distance, which is reflected in the correction of the position where the laser beam is irradiated.
図9は、センシングローラ6の形状のバリエーションである。
図9(a)は標準的な形状であるが、この形状ではセンシングローラー6の下部と加工ワークW1が接触やセンシングローラーの傾斜の分を考慮し、僅かながらも隙間を確保する必要がある。
これに対し、図9(b)はセンシングローラーの形状を変更し、より溶接線に近い部分の検出を可能としたものである。
また、図9(c)はセンシングローラーの底部を楕円形とすることにより、仮にセンシングローラー6’’が加工ワークW1と接触しても、摩擦抵抗を低く抑制することができる。
このように、ワーク形状や測定条件等の要求内容により、センシングローラーの形状を適宜変更し、対応することが可能である。
FIG. 9 shows variations of the shape of the
FIG. 9A shows a standard shape. In this shape, it is necessary to secure a slight gap in consideration of the contact between the lower part of the
On the other hand, FIG. 9B changes the shape of the sensing roller to enable detection of a portion closer to the weld line.
Further, in FIG. 9C, by making the bottom of the sensing roller elliptical, even if the
As described above, it is possible to appropriately change the shape of the sensing roller according to the required content such as the workpiece shape and measurement conditions.
上記第1の実施形態のシームトラッキング溶接装置によると、下記の効果がある。
加工ワークに接触するセンシングローラーを下方に突き出すことによりワークとの干渉を抑制し、このセンシングローラーの変位検出により直接的に形状を認識し、これをレーザ加工機の位置制御にリアルタイムでフィードバックさせることにより、従来の煩雑な画像処理からなる演算処理を排し、簡易的でありながら安定的で高精度なレーザ加工を行うことができる。
The seam tracking welding apparatus according to the first embodiment has the following effects.
Suppressing the sensing roller that touches the workpiece to work downward suppresses the interference with the workpiece, and the shape is directly recognized by detecting the displacement of this sensing roller, which is fed back to the position control of the laser machine in real time. Thus, it is possible to eliminate the conventional arithmetic processing consisting of complicated image processing, and to perform stable and highly accurate laser processing while being simple.
続いて、第2の実施形態を説明する。
上記は、1軸方向のみの計測に基づくシームトラッキングに関するものであったが、2組の変位検出部をそれぞれ直交に配置し実装することにより、2軸方向の同時補正が可能となるが、これを図10に示す。
側面方向用のセンシングローラー6に関する構成は実施例1で述べたものであり、これに上下方向検出用のセンシングローラ6’’’を組み合わせる。
Next, the second embodiment will be described.
The above was related to seam tracking based on measurement in only one axis direction, but by arranging and mounting two sets of displacement detectors orthogonal to each other, simultaneous correction in two axis directions is possible. Is shown in FIG.
The configuration related to the
上記構成によると、下方向の位置の変化に追従できるため、3次元形状の加工ワークを溶接したい場合に特に有効である。
あらかじめティーチングにより基本的な軌跡を入力し、実際の溶接においてはティーチング以上に高精度に溶接線に追従させたい場合に有効なシステムであり、従来のティーチングの作業負荷を削減することができる。
また、センシングローラーによる高精度な溶接線への追従により、照射する加工用レーザ光のスポット径が小さい場合であっても、その小さいレーザ光スポットを溶接線から外れることなくトレースでき、更なる高精度化を図ることができる。
According to the above configuration, since it is possible to follow a change in the position in the downward direction, it is particularly effective when it is desired to weld a workpiece having a three-dimensional shape.
This is an effective system for inputting a basic trajectory in advance by teaching and following the weld line with higher accuracy than in teaching in actual welding, and can reduce the work load of conventional teaching.
In addition, by tracking the welding line with high accuracy by the sensing roller, even if the spot diameter of the laser beam for processing to be irradiated is small, the small laser beam spot can be traced without detaching from the welding line. Accuracy can be improved.
本発明によれば、溶接線の検出に基づくシームトラッキングという範疇以外にも、ワーク形状を倣うことによるデジタイズ機能を潜在的に併せ持っている。
つまり、規定外のワークの変形があればそれを検出しアラームを表示することにより、後工程に不良品が流出することを未然に防止できる。
差動トランスによる計測は一般に高精度であり、溶接後の歪等も十分に計測可能であり、溶接の不良そのものを減らすと共に、不良品そのものの検査まで1台の機械で行うことが可能となる。
According to the present invention, in addition to the category of seam tracking based on the detection of a weld line, there is also a potential digitizing function by copying the workpiece shape.
That is, it is possible to prevent a defective product from leaking to a subsequent process by detecting an undefined deformation of the workpiece and displaying an alarm.
Measurement with a differential transformer is generally highly accurate and can sufficiently measure distortion after welding, etc., reducing welding defects themselves and enabling inspection of defective products themselves with a single machine. .
1 レーザ発信器
2 レンズ
3 光学測定装置
4 レーザ発光部(光学測定装置)
5 レーザ受講部(光学測定装置)
6 センシングローラー
7 支柱
8 スプリング
9 差動トランス
10 支点
11 信号線
12 ストッパー
13 取付用ステー
14 溶接部
15 溶接ビード
16 進行方向
17 回転方向
18 プローブ
19 接点
20 溶接線
A 回転軸
L1 加工用レーザ光
L2 測定用レーザ光
L3 測定用レーザ光(反射光)
W1 加工ワーク(ベース側)
W2 加工ワーク(付加側)
DESCRIPTION OF
5 Laser Participation Department (Optical Measuring Device)
6
W1 Machining workpiece (base side)
W2 Machining workpiece (additional side)
Claims (2)
板金ワークに近接しレーザ光を照射するためのレーザ発信器をロボットアーム先端部に設け、
一方、ワークの溶接線近傍のワーク表面に対し、スプリングの弾性力による接触圧でワークに接触しながら、それ自身が回転可能な円板形状のセンシングローラーと、このセンシングローラーの変位を検知するための差動トランスと、
上記センシングローラーの変位を上記差動トランスに伝達するためのリンク機構とにより変位検出部を構成し、
上記変位検出部はステーにより上記レーザ発信器より更に先端に配置し、かつレーザ発信器と一体化し、
上記センシングローラーは、ワークの上下方向の起伏に見合う分だけ上記変位検出部より更に下方に突き出す長さと構成位置に設定し、
上記変位検出部から測定した変位信号をリアルタイムで本体であるレーザ加工機の制御装置に伝送し、これを停滞なく直ちに位置制御にフィードバックさせ、溶接線とレーザ照射の位置ずれを修正することを特徴とするシームトラッキング溶接装置。 A butt laser welding process for joining sheet metal workpieces with laser light,
A laser transmitter for irradiating a laser beam close to the sheet metal workpiece is provided at the tip of the robot arm,
On the other hand, a disk-shaped sensing roller that can rotate itself while contacting the workpiece with the contact pressure of the spring's elastic force against the workpiece surface near the workpiece weld line, and to detect the displacement of this sensing roller Differential transformer,
A displacement detection unit is configured with a link mechanism for transmitting the displacement of the sensing roller to the differential transformer,
The displacement detector is arranged at the tip further than the laser transmitter by a stay, and is integrated with the laser transmitter,
The sensing roller is set to a length and a configuration position that protrudes further downward than the displacement detection unit by an amount corresponding to the vertical undulation of the workpiece,
The displacement signal measured from the displacement detection unit is transmitted in real time to the control device of the laser processing machine as the main body, and this is immediately fed back to the position control without stagnation, thereby correcting the misalignment between the welding line and the laser irradiation. Seam tracking welding equipment.
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