JP2006266994A - 溶接部の検査方法および検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ワークに形成されたスポット溶接部の数と位置を精度良く検査することができる検査装置を提供する。
【解決手段】 溶接部１２を検査するための検査装置１０は、ロボットアーム２１に設けられたレーザセンサ２２と、レーザセンサ２２をワーク１１の表面に沿って移動させる制御部２３と、判定部２４と、表示装置２５などを備えている。判定部２４は、レーザセンサ２２をワーク１１に対して等速度で移動させている間に、レーザセンサ２２からワーク表面１１ａに向けてレーザビームを照射し、その反射光に基いてレーザセンサ２２からワーク１１までの距離を検出する。こうして検出された波形を微分化することにより、レーザセンサ２２からワーク１１までの距離の変化量を求める。そしてこの変化量がしきい値を越えたとき、レーザビームが照射された個所にスポット溶接部１２が存在したと判断する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば自動車等の車体を構成するワークのスポット溶接部を検査するための溶接部の検査方法と検査装置に関する。

自動車の車体等を組立てるためにスポット溶接が多用されている。スポット溶接は溶接ロボットによって行われることが通例であるが、スポット溶接が正しく行われたか否かをチェックする必要がある。スポット溶接部の溶接品質自体は、溶接装置の定電流タイマー盤などの採用によって保証できる。しかしスポット溶接部の位置を定電流タイマー盤によってチェックすることはできない。

スポット溶接部の位置を確認するために、例えば作業員が定期的に目視と簡単な治具等によって、スポット溶接部をチェックすることが行われている。しかしながら人手に頼る検査は熟練を要するだけでなく個人差があり、また、スポット溶接部の一部を見落とすおそれもあるなど、信頼性に改善の余地がある。

例えば特開平９−２９４５７号公報（特許文献１）に記載されているように、スポット溶接部の数を検査するためのカウント手段を備えた打点監視装置が提案されている。あるいは特開２０００−２０７００７号公報（特許文献２）に記載されているロボット特定システムのように、溶接ラインのサーバに各製品ごとの全溶接部の座標データを保管し、溶接不良が発見されたときに、製品座標と車種等のデータに基いて、溶接不良を行ったロボットを特定できるようなシステムも提案されている。
特開平９−２９４５７号公報 特開２０００−２０７００７号公報

特許文献１に記載されている従来の検査装置は、溶接部の数のみをカウントするため、個々の溶接部の位置が適切であるか否かの判断ができないという問題があった。また、スポット溶接のやり直し（２度打ち）をした場合に、カウント数と実際に溶接がなされた数との整合がとれなくなるため、そのような場合に正確な検査結果を期待できない。特許文献２には、溶接不良を行ったロボットを特定できるシステムについて記載されているが、溶接部の位置と数を正しく検出できるような手段は記載されていない。

溶接部の位置と数を検査するために、ワークの表面を画像処理装置によって検査する方法や、光電センサ，近接センサ等のセンサを用いて走査する検査装置も検討されている。しかし画像処理装置はコストが高い割には検査精度が低いという問題がある。またセンサを用いる検査装置は、コストは比較的安いが精度が低く、実用に適さないという問題がある。

しかもワークの表面は常に平らであるとは限らない。例えば、水平面に対して傾いているワークをセンサによって水平方向に走査する場合のように、センサからワークまでの距離が変化することが考えられる。その場合、センサからワークまでの距離の変化分に応じてセンサの出力も変化するため、溶接部の有無を判断するためのしきい値を設定できないという問題があった。

従って本発明の目的は、作業員の目視や治具に頼ることなくスポット溶接部の適否を精度良く検査することができる検査方法と検査装置を提供することにある。

本発明の検査方法は、ワークに形成されたスポット溶接部をロボットアームに設けたレーザセンサを用いて検査する検査方法であって、前記ロボットアームによって前記レーザセンサを前記ワークの表面に沿う方向に一定速度で移動させる等速移動工程と、前記等速移動工程中に前記レーザセンサからレーザビームを前記ワークの表面に向けて照射し、その反射光に基いて前記レーザセンサから前記ワークまでの距離を検出する走査工程と、前記走査工程によって検出された前記距離に関する波形を微分化することにより前記レーザセンサから前記ワークの表面までの距離の変化量を求め、該変化量がしきい値を越えたとき前記レーザビームが照射された個所にスポット溶接部が存在したと判断する判定工程とを具備している。

本発明の検査方法の一つの形態では、前記走査工程は、前記スポット溶接部が正常な位置に存在すべき領域を走査する第１の走査工程と、前記スポット溶接部が存在すべきでない領域を走査する第２の走査工程とを含み、前記判定工程は、前記第１の走査工程において前記スポット溶接部が検出され、かつ、前記第２の走査工程において前記スポット溶接部が検出されなかったときのみ、該スポット溶接部が正常な位置に存在したと判断する。

本発明の検査装置は、ロボットアームに設けられたレーザセンサと、前記レーザセンサを前記ワークの表面に沿って移動させかつ前記スポット溶接部を含む走査領域では前記レーザセンサを等速度で移動させるロボット制御手段と、前記走査領域において前記レーザセンサから前記ワークの表面に向けてレーザビームを照射し、その反射光に基いて前記レーザセンサから前記ワークまでの距離を検出し、この検出された波形を微分化することにより前記レーザセンサから前記ワークの表面までの距離の変化量を求め、該変化量がしきい値を越えたとき前記レーザビームが照射された個所にスポット溶接部が存在したと判断する判定手段とを具備している。

前記判定手段は、例えば、前記微分化された波形の一部にしきい値を越える第１のピーク部と第２のピーク部が検出されたとき、これら第１および第２のピーク部間にスポット溶接部が存在していると判断するロジックのプログラムを備えている。

前記判定手段は、例えば、スポット溶接部が存在すべき走査領域において前記しきい値を越える波形が検出されたとき合格を表す信号を表示装置に出力し、スポット溶接部が存在すべき走査領域において前記しきい値を越える波形が検出されなかったとき不合格を示す信号を表示装置に出力するように構成されている。

本発明の検査装置の好ましい形態では、前記ロボット制御手段は、前記スポット溶接部を含む走査領域の走査開始点と走査終了点を設定可能なロボットティーチング手段を備えている。

本発明の検査方法によれば、ワークの走査領域が傾いていても平らな場合と同様に溶接部を正確に検出することができる。本発明の検査装置によれば、ロボットによって溶接部の自動検査を正確に行うことができるため、作業員の熟練度に左右されず、溶接部の見落としなどの検査ミスを生じるおそれがなく、多数の溶接部も労力を要することなく検査することができる。

以下に本発明の一実施形態に係る溶接部の検査方法と検査装置について、図１〜図９を参照して説明する。
図１は検査装置１０を示している。この検査装置１０は、ワーク１１に形成されているスポット溶接部１２（以下、単に溶接部１２と称する）を検査するものである。図２は、この検査装置１０によって溶接部１２を検査する際の検査方法を示すフローチャートである。

ワーク１１の一例は、車体の一部を構成するパネル部材である。ワーク１１の複数箇所に溶接部１２が形成されている。溶接部１２は、ワーク１１の表面１１ａと対面する方向から見て略円形をなしている。溶接部１２の直径Ｄ（図３に示す）は、例えば５〜６ｍｍ前後である。溶接部１２は、ワーク１１の表面１１ａから少し窪んだ形状となっている。窪みの深さｄは、例えば０．２ｍｍ〜０．３ｍｍ程度である。

検査装置１０は、ロボットアーム２１を備えたロボット２０と、ロボットアーム２１の先端に装備されたレーザセンサ２２と、ロボット制御手段として機能する制御部２３と、判定手段として機能する判定部２４と、報知手段として機能する表示装置２５などを備えている。ロボット２０の近傍に設けられた保持機構（図示せず）によって、ワーク１１が所定位置に固定される。

ロボットアーム２１は、周知の産業用ロボットと同様に、第１アーム２１ａと第２アーム２１ｂと第３アーム２１ｃなどを含んでいる。これらのアーム２１ａ，２１ｂ，２１ｃは、図示しないアクチュエータによって駆動される。第３アーム２１ｃの先端部にレーザセンサ２２が設けられている。ロボットアーム２１は制御部２３によって移動方向と移動速度が制御され、レーザセンサ２２をワーク１１の表面１１ａに沿う方向に移動させることができるようになっている。

距離センサとして機能するレーザセンサ２２は、ワーク１１に向けてレーザビームを照射し、その反射光に基いて、レーザセンサ２２からワーク１１までの距離を検出する。レーザセンサ２２の測定距離の一例は８０±１５ｍｍ、分解能３μｍであるが、これ以外の仕様であってもかまわない。

制御部２３は、ロボットアーム２１を制御するためのロボット制御装置３０と、ロボット制御装置３０に接続されたシーケンサ３１と、ロボット制御装置３０に接続されたティーチング装置３２などを含んでいる。ロボット制御装置３０は、例えば汎用コンピュータにロボット制御用のソフトウェアをインストールしたもので構成されている。ティーチング装置３２は、下記走査領域Ｓの開始点と終了点を指定するためのティーチング手段として機能する。

制御部２３に表示装置２５が接続されている。この表示装置２５には、溶接部１２の検査結果が合格のとき点灯する正常ランプ４１と、検査結果が不合格のとき点灯する異常ランプ４２と、リセットスイッチ４３などが設けられている。なお、この表示装置２５に、検査結果が不合格のときに警報音を発する警報器が設けられていてもよい。

制御部２３はインタロック機能を有している。このインタロック機能は、溶接部１２の検査結果が不合格のときロボットアーム２１の動作を停止させるとともに、表示装置２５の異常ランプ４２を点灯させる。

ティーチング装置３２によって、それぞれの溶接部１２に応じた走査開始点Ｓ１と走査終了点Ｓ２（図４に示す）を入力できるようになっている。すなわち、作業者がティーチング装置３２によって各溶接部１２ごとに走査開始点Ｓ１と走査終了点Ｓ２を入力することにより、入力された位置が制御部２３のメモリに座標データとして記録される。この座標データに基いて、レーザセンサ２２による走査領域Ｓが決定される。

判定部２４は、レーザセンサ２２からの出力に基いて、溶接部１２が合格か不合格かを判定する機能を有している。判定部２４の一例は、レーザセンサ２２に接続されたセンサアンプ５０と、センサアンプ５０に接続されたコントローラ５１などを有している。センサアンプ５０は、レーザセンサ２２の出力に基いて、レーザセンサ２２からワーク１１までの距離Ｈに関する検出波形Ｗ１（図５に一例を示す）を得る機能を有している。

コントローラ５１は、前記検出波形Ｗ１に微分処理を行うことによって、処理波形Ｗ２（図６に一例を示す）を得るものであり、微分処理のためのハイパスフィルタを有している。またこのコントローラ５１は、処理波形Ｗ２がしきい値を越えたか否かを判断し、しきい値を越えた位置に溶接部１２が存在したと判断するロジックを有している。

レーザセンサ２２の移動速度が１０ｍｍ／ｓ程度、あるいはそれ以下であると、溶接部１２の深さｄが小さい場合に検出波形Ｗ１を微分化する効果が薄れ、処理波形Ｗ２に溶接部１２によるピークが表れにくくなる。このためレーザセンサ２２の移動速度を２０ｍｍ／ｓとし、カットオフ周波数を例えば１Ｈｚとすることが好ましい。この場合のしきい値は、例えば±３５ｍＶに設定するとよい。

判定部２４は、検出された溶接部１２の数をカウントする手段と、検出された溶接部１２が正常な位置にあったか否かを判別する手段とを有していてもよい。その場合には、検出された溶接部１２の数が予め設定されている数と一致し、かつ、検出された全ての溶接部１２が正常な位置にあったときに、合格を表す信号を表示装置２５に出力し、そうでないときに不合格を示す信号を表示装置２５に出力するとよい。

以下に、前記検査装置１０を用いて溶接部１２を検査する検査方法について、図２のフローチャートを参照して説明する。

図３に示すワーク１１の一例は、レーザセンサ２２の走査方向Ｘと平行ではなく傾いている。例えば水平面に沿う線分Ｎに対して角度θで傾斜している。この例では、レーザセンサ２２が走査方向Ｘに移動すると、レーザセンサ２２からワーク表面１１ａまでの距離Ｈが次第に小さくなる。傾斜角度θが±４°を越えると、溶接部１２を誤検出する可能性が大きくなるため、傾斜角度θは±４°以下であることが望まれる。

図２に示すステップＳ１１において、ロボットアーム２１によってレーザセンサ２２を走査領域Ｓの手前の位置Ａ（図４に示す）に移動させる。走査領域Ｓの開始点Ｓ１および終了点Ｓ２は、ティーチング装置３２によって予め制御部２３に設定されている。

図４に示すように、レーザセンサ２２の移動速度は、走査領域Ｓの手前の位置Ａから始まる加速領域Ｖ１と、走査領域Ｓをカバーする等速領域Ｖ２と、走査領域Ｓを通過した後の位置Ｂに至るまでの減速領域Ｖ３とに変化する。等速領域Ｖ２ではレーザセンサ２２が一定の速度（例えば２０ｍｍ／ｓ）で移動する。等速領域Ｖ２は本発明で言う等速移動工程に相当する。

ステップＳ１２では、等速領域Ｖ２において、ロボットアーム２１によってレーザセンサ２２を一定速度で移動させながら、レーザセンサ２２からのレーザビーム２６をワーク表面１１ａに照射し、その反射光を受光することにより溶接部１２の走査を行う。つまり走査開始点Ｓ１にてワーク表面１１ａまでの距離測定を開始し、溶接部１２を過ぎた走査終了点Ｓ２にて距離測定を終了する。これが本発明で言う走査工程である。レーザセンサ２２の出力はセンサアンプ５０に入力される。

ステップＳ１３において、センサアンプ５０の出力電圧に基いて距離データに関する検出波形を得る。図５は検出波形Ｗ１の一例を示している。図３に示す例ではワーク１１が傾いているため、図５の横軸の時間の経過とともに、レーザセンサ２２からワーク表面１１ａまでの距離が小さくなってゆく。このため検出波形Ｗ１は、時間の経過とともに電圧が下がる波形となる。

このようにレーザセンサ２２からワーク表面１１ａまでの距離Ｈと経過時間に基いて、ワーク表面１１ａの凹凸が検出されるため、検出波形Ｗ１の途中に溶接部１２によるピーク部Ｐ_０が現れる。しかしこの検出波形Ｗ１は、ワーク１１が傾斜していることにより、時間の経過とともに電圧値が変化し続けるため、溶接部１２の有無を判定できるようなしきい値を定めることができない。

このため本実施形態では、ステップＳ１４において、コントローラ５１のハイパスフィルタによって検出波形Ｗ１に微分処理を行う。検出波形Ｗ１を微分化することにより、経過時間に対してワーク表面１１ａまでの距離の変化量を示す処理波形Ｗ２（図６に示す）が得られる。

こうして微分化し整形された処理波形Ｗ２であれば、溶接部１２の有無を判断する基準となるしきい値±ＳＨを設定することが可能である。溶接部１２が所定の位置に存在していれば、処理波形Ｗ２の一部に、溶接部１２の周縁部に対応した第１のピーク部Ｐ１と第２のピーク部Ｐ２が現れる。溶接部１２が所定の位置に存在していなければ、しきい値±ＳＨを越えるようなピークは現れない。なお図６に示す処理波形Ｗ２の例では、ピーク部Ｐ１の手前とピーク部Ｐ２の後で波形が少し右上がりとなっているが、これはハイパスフィルタの応答遅れ成分によるものであり、溶接部１２の検出に悪影響を及ぼさない程度である。

判定工程であるステップＳ１５において、処理波形Ｗ２がしきい値±ＳＨを越えたか否かが判断される。この判断を行うために、判定部２４に判定プログラムが組込まれている。判定プログラムは、処理波形Ｗ２の第１のピーク部Ｐ１が第１のしきい値＋ＳＨを越え、かつ、第２のピーク部Ｐ２が第２のしきい値−ＳＨを越えたときに、これらピーク部Ｐ１，Ｐ２間にスポット溶接部１２が存在していると判断する。

溶接部１２が存在すべき走査領域Ｓにおいて、しきい値±ＳＨを越える波形が検出されたとき「合格」と判断され、ステップＳ１６に進み、表示装置２５の正常ランプ４１を点灯させる。溶接部１２が存在すべき走査領域Ｓにおいて、しきい値±ＳＨを越える波形が検出されなかったときには「不合格」と判断される。

「不合格」の場合には、ステップＳ１７に進み、ロボットアーム２１をインタロック制御させる。このインタロック制御では、ロボットアーム２１を停止させるとともに、ステップＳ１８に進み、表示装置２５の異常ランプ４２を点灯させ異常を作業者に報知する。異常ランプ４２が点灯したら、作業者は直ちに異常の原因を探り、対応策を講じる。そののちリセットスイッチ４３を押すことにより、ロボットアーム２１のインタロック制御を解除することができる。

以上説明したステップＳ１１からステップ１５までの一連の工程を、全ての溶接部１２ごとに行うことにより、溶接部１２の位置と数が正しいか否かを正確にかつ能率良く判断することができる。しかも本実施形態の検査装置１０によれば、図３に示すようにレーザセンサ２２の走査方向Ｘに対して傾斜したワーク１１を検査する場合においても、ワーク１１が平らな場合（θ＝０）と同様に、溶接部１２の有無と溶接部１２の位置を自動で能率良く検査することができる。

以下に、走査領域Ｓを変更する場合について説明する。
走査領域Ｓの変更はティーチング装置３２の入力情報を入れ替えることにより可能である。例えば図７に示すように、溶接部１２の近くにワーク１１の縁１１ｂが存在すると、走査領域Ｓにワーク１１の縁１１ｂが含まれてしまう可能性がある。その場合、実際には溶接部１２が存在していなくても、ワーク１１の縁１１ｂの段差を溶接部であると誤検出し、コントローラ５１が「合格」の判断をしてしまうおそれがある。

このような誤った判断を防止するために、図８に示すように走査領域Ｓが変更される。具体的には、ティーチング装置３２によって走査開始点Ｓ１と走査終了点Ｓ２を入力する際に、走査領域Ｓを狭めることで対応できる。図７に示す例では、走査領域Ｓの長さは例えば４０ｍｍ以下であったが、図８に示す例では走査領域Ｓを例えば２０ｍｍと短くすることにより、走査しないマスク領域を設定し、ワーク１１の縁１１ｂの影響を排除することができる。

次に、溶接部１２の位置をさらに正確に判定するための走査方法について説明する。
図９中の実線Ｌ１は位置が適切な溶接部１２を示している。これに対し２点鎖線Ｌ２で示す溶接部１２は、その一部にワーク１１の縁１１ｂがかかっているため、位置が不適切である。この不適切な位置にある溶接部１２の合否を１回の走査で判断すると、「合格」と判定されてしまうことがある。

不適切な位置にある溶接部１２を「不合格」と判断するために、第１の走査工程と第２の走査工程を行うとよい。第１の走査工程では、溶接部１２が正常な位置に存在すべき領域を、図９に示す第１の走査ラインＣ１に沿って走査する。第２の走査工程では、溶接部１２が存在すべきでない領域を第２の走査ラインＣ２に沿って走査する。

第１の走査工程後、第２の走査工程に移る際に、ロボットアーム２１によって、レーザセンサ２２の位置を走査方向と直交する方向（ワーク１１の縁１１ｂに近付ける方向）に移動させる。この位置で、第２の走査ラインＣ２に沿って走査を行う。すなわち第２の走査では、溶接部１２とワーク１１の縁１１ｂとの間が走査される。

前記第１および第２の走査工程では、それぞれ図２に示すステップＳ１１〜Ｓ１５と同様の処理が行われ、溶接部１２の有無が検出される。第１の走査工程においてスポット溶接部１２が検出され、かつ、第２の走査工程において溶接部１２が検出されなかったときのみ、溶接部１２が正常な位置に存在したと判断する。第２の走査工程において溶接部１２が検出されたときには、溶接部１２の位置が異常であると判断する。第１の走査工程と第２の走査工程のいずれも溶接部１２が検出されなかったときには、溶接部１２が存在しないと判断する。このように一つの溶接部１２に関して、第１の走査工程と第２の走査工程を行うことにより、溶接部１２の合否をさらに正確に判定することが可能である。

本発明の第１の実施形態に係る検査装置のシステム構成図。 図１に示された検査装置を用いる検査方法のフローチャート。 レーザセンサとワークの一部の断面図。 溶接部の位置と走査速度との関係を示す図。 溶接部の位置と検出波形との関係を示す図。 ハイパスフィルタを通過した処理波形と溶接部の位置との関係を示す図。 ワークの一部と走査領域を示す平面図。 走査領域を変更した場合のワークの一部と走査領域を示す平面図。 ワークの一部と第１および第２の走査ラインを示す平面図。

符号の説明

１０…溶接部の検査装置
１１…ワーク
１２…溶接部
２１…ロボットアーム
２２…レーザセンサ
２３…制御部（ロボット制御手段）
２４…判定部
２５…表示装置
３２…ティーチング装置

Claims (6)

1. ワークに形成されたスポット溶接部をロボットアームに設けたレーザセンサを用いて検査する検査方法であって、
   前記ロボットアームによって前記レーザセンサを前記ワークの表面に沿う方向に一定速度で移動させる等速移動工程と、
   前記等速移動工程中に前記レーザセンサからレーザビームを前記ワークの表面に向けて照射し、その反射光に基いて前記レーザセンサから前記ワークまでの距離を検出する走査工程と、
   前記走査工程によって検出された前記距離に関する波形を微分化することにより前記レーザセンサから前記ワークの表面までの距離の変化量を求め、該変化量がしきい値を越えたとき前記レーザビームが照射された個所にスポット溶接部が存在したと判断する判定工程と、
   を具備したことを特徴とする溶接部の検査方法。
2. 前記走査工程は、
   前記スポット溶接部が正常な位置に存在すべき領域を走査する第１の走査工程と、
   前記スポット溶接部が存在すべきでない領域を走査する第２の走査工程とを含み、
   前記判定工程は、
   前記第１の走査工程において前記スポット溶接部が検出され、かつ、前記第２の走査工程において前記スポット溶接部が検出されなかったときのみ、該スポット溶接部が正常な位置に存在したと判断することを特徴とする請求項１に記載の溶接部の検査方法。
3. ワークに形成されたスポット溶接部を検査するための検査装置であって、
   ロボットアームに設けられたレーザセンサと、
   前記レーザセンサを前記ワークの表面に沿って移動させかつ前記スポット溶接部を含む走査領域では前記レーザセンサを等速度で移動させるロボット制御手段と、
   前記走査領域において前記レーザセンサから前記ワークの表面に向けてレーザビームを照射し、その反射光に基いて前記レーザセンサから前記ワークまでの距離を検出し、この検出された波形を微分化することにより前記レーザセンサから前記ワークの表面までの距離の変化量を求め、該変化量がしきい値を越えたとき前記レーザビームが照射された個所にスポット溶接部が存在したと判断する判定手段と、
   を具備したことを特徴とする溶接部の検査装置。
4. 前記判定手段は、前記微分化された波形の一部にしきい値を越える第１のピーク部と第２のピーク部が検出されたとき、これら第１および第２のピーク部間にスポット溶接部が存在していると判断する手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載の溶接部の検査装置。
5. 前記判定手段は、スポット溶接部が存在すべき走査領域において前記しきい値を越える波形が検出されたとき合格を表す信号を表示装置に出力し、スポット溶接部が存在すべき走査領域において前記しきい値を越える波形が検出されなかったとき不合格を示す信号を表示装置に出力することを特徴とする請求項３に記載の溶接部の検査装置。
6. 前記ロボット制御手段は、前記スポット溶接部を含む走査領域の走査開始点と走査終了点を設定可能なロボットティーチング手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載の溶接部の検査装置。

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