JP2023060403A - スポット溶接部の検査システムおよびスポット溶接部の検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スポット溶接部の不良の検出に関して、非破壊・非接触で、かつ、ロボットアームに搭載可能な大きさで検査を行う方法がなかった。【解決手段】パルスレーザ光源と撮像画像によりスポット溶接部を認識しスポット溶接部の周囲に高精度にレーザ照射を行うレーザ照射ユニットを用いて加振し、その振動音を周波数解析することによりスポット溶接部の検査を非破壊・非接触で行う方法を提供する。励起レーザ光源あるいは電源装置と屈曲性のある光ファイバーにて接続可能なパルスレーザ光源を用いることにより、ロボットアームに搭載可能な小型のスポット溶接部検査ヘッドとする。【選択図】図５

Description

スポット溶接は、自動車のシャーシを組み立てる際に薄板材料の組み立ての手法として一般的に用いられている手法である。近年、エネルギ問題、および、環境問題により自動車のシャーシには軽量化が求められる。その反面、運転者および同乗者の安全性の観点で自動車のシャーシには剛性も求められる。これらの要求により自動車のシャーシを組み立てる際に薄板材料の組み立ての手法として一般的に用いられているスポット溶接においては、高い信頼性が要求されることとなる。
図１から図３を用いて、板材１のスポット溶接の工程を示す。まず図１に示すように、スポット溶接を行う板材１ａおよび板材１ｂの溶接を行う部分にスポット溶接機の電極７、８を配置する。次に図２に示すように、電極７、電極８により板材１ａと１ｂを挟むとともに、電極７および電極８間に電流を注入するスポット溶接工程を実施する。電流注入により板材１ａと１ｂが電極材７、８に押し当てられた部分が温度上昇により溶融したラゲット部分５を図３に示すように形成し、板材１ａと１ｂは接合された構造体となる。ここで、板材１の電極７、８が押し当てられ部分にはその痕跡３、４が形成される。

図２に示したスポット溶接工程において、２つの板材１ａおよび１ｂの表面に形成されている酸化膜が通常よりも厚い、あるいは、ごみが挟まるなどの事象、あるいは電極７、８に加える圧力あるいは電流が何等かの原因により低下するなどの事象が生じると図４に示すように想定よりも小さいラゲット部６となる場合がある。板材１ａおよび１ｂの間に形成されるラゲット部６が、図３に示す通常のラゲット５の状態よりも小さい場合には、板材１ａと１ｂの間の強度が不足し、シャーシの剛性の低下を生じさせることとなるので、ラゲット部６の大きさが許容範囲よりも小さい場合には不良品となる。

スポット溶接部の不良による接合部の強度低下を防止するためには、図４に示したようにラゲット部の大きさが小さいスポット溶接部を非破壊で発見できることが望ましい。
非特許文献１に示す方法においては、超音波の発振子と超音波の測定子をスポット溶接部の周囲に接触させ、スポット溶接部を透過する超音波の減衰特性を測定することによりスポット溶接部のラゲット径の測定を行っているが、多くの測定点にて超音波の測定を行う必要がある。超音波の発振子と超音波の測定子を薄板材料に安定させて接触するためには、薄板材料の変形を防止するために、薄板材料の背面に支え部材を配置する必要がある。したがって、接触式の測定を短時間で行うことは困難であるので、量産の製品のスポット溶接部の検査は非破壊・非接触の検査方法が望ましい。

非接触で物体に振動を与える手法として、非特許文献２に示すレーザ加振技術がある。このレーザ加振技術はパルス時間５ナノ秒で出力が６５０ｍＪというパルスレーザを物体に照射することにより、ハンマーで振動を与える方法と同様に、物体の振動特性を把握することができる方法である。そのため、非接触で物体に振動を与えることができる優れた方法であるが、レーザ光源が大型である。シャーシにおけるスポット溶接がなされている箇所は一般的に複数箇所であるため、複数個所のスポット溶接部の検査を行うためには、レーザ光源を含む測定器あるいはシャーシである測定試料のどちらかを移動させる必要があるが、測定器および測定試料がともに大型である場合は、高速測定を行うことが容易でない。さらには、スポット溶接部の検査に際してはスポット溶接部の位置を認識する必要があるが、非特許文献２に示すレーザ加振方法においては、作業者がハンマーで加振する程度の位置精度しか有していないので、レーザ光の照射位置をスポット溶接部の位置に精度よく制御することは困難である。

特許第６５６２４６４号公報 特開第２０２１－０９９３８７号公報 特許第５１８０５０１号公報

高田一、広瀬智行、"スポット溶接部の非破壊検査技術"、ＪＦＥ技報、Ｎｏ．１５、ｐｐ．４６－４９（２００７年） 宮本大資、梶原逸朗、細矢直基、西留千晶、"レーザー加振技術を用いた高周波帯域の特性変動検知に基づくヘルスモニタリング"、日本機械学会論文集（Ｃ編）７７巻７７７号、ｐｐ．１７６０－１７７１（２０１１年）

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、スポット溶接部の不良の検出に関して、非破壊・非接触でかつ高速に行う方法がないという課題の解決手法を提供するものである。さらには、スポット溶接部の不良の検出に際して、スポット溶接部の位置を光学カメラにより認識しレーザ光を照射することにより、個々のスポット溶接部の評価を高精度に行うことを可能にする。

かかる課題を解決するため本発明のスポット溶接部の検査システムおよびスポット溶接部の検査方法においては、電源および励起用レーザ光源部とパルスレーザ光源部が屈曲性を有する光ファイバーにより接続された構成でありパルスレーザ光源のみを検査ヘッドに配置することが可能な小型パルスレーザ光源と、スポット溶接部を光学的に認識することが可能な撮像系とレーザ光の照射位置を制御するレーザ走査系が一体化されたユニットを用いる。そして、スポット溶接部付近にパルスレーザ光を照射することによりスポット溶接がなされた板材を加振し、その加振されたことにより振動する振動音を収音機により収音し、周波数解析を行うことにより、スポット溶接部の検査システムおよびスポット溶接部の検査方法である。

本発明のスポット溶接部の検査システムおよびスポット溶接部の検査方法は、電源および励起用レーザ光源部とパルスレーザ光源部が屈曲性を有する光ファイバーにより接続された構成でありパルスレーザ光源のみを検査ヘッドに配置することが可能な小型パルスレーザ光源を用いるとともに、スポット溶接部を光学カメラにより検出し、その検出したスポット溶接部にパルスレーザ光を位置制御して照射し、スポット溶接部の加振評価を行うことから、検査を行うことができるスポット溶接部検査ヘッドの小型化と、パルスレーザ照射位置の高精度な制御が可能となっている。スポット溶接部検査ヘッドの小型化により、検査対象であるシャーシ部材を固定した状態で、スポット溶接部検査ヘッドをロボットに搭載し、順次スポット溶接個所を移動させることによりシャーシ部材のすべてのスポット溶接部の評価を行うことが可能となる。また、スポット溶接部検査ヘッド内に、パルスレーザの照射位置の制御を行う走査系を有していることから、ロボットを動かすことなく高速・高精度にパルスレーザ光を検査対象とするスポット溶接部に照射することができる。

スポット溶接工程を示す概略構成図である。 スポット溶接工程を示す概略構成図である。 スポット溶接部の良品の状態を示す概略構成図である。 スポット溶接部の不良品の状態を示す概略構成図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムの概略構成図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムにおけるパルスレーザ照射部を示す構成図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムにおけるパルスレーザ照射部を示す構成図である。 パルスレーザの照射によるスポット溶接部の加振状態を示す概略図である。 パルスレーザの照射によるスポット溶接部の加振状態を示す概略図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムにおける判定方法を示すブロック図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムにおける判定方法を示す図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムにおける判定方法を示す図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムにおけるパルスレーザ照射部を示す構成図である。 スポット溶接部の光学的認識方法を示す概略図である。 スポット溶接部の光学的認識方法を示す概略図である。 スポット溶接部の光学的認識方法の原理を概略図である。 スポット溶接部の光学的認識方法を示す概略図である。 スポット溶接部の光学的認識方法を示す概略図である。 スポット溶接部の光学的認識方法を示す概略図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムにおけるパルスレーザ照射目標位置を示す図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムにおける検査工程を示すブロック図である。 本発明のスポット溶接部の検査工程における各デバイスの制御信号の例を示すタイミングチャート図である。。 本発明のスポット溶接部の検査システムの概略構成図である。 本発明のスポット溶接部検査ヘッドのロボットアームへの搭載を示す概略構成図である。 本発明のスポット溶接部検査ヘッドのロボットアームへの搭載を示す概略構成図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムにおける判定方法を示すブロック図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムの概略構成図である。 本発明のスポット溶接部の検査システムの検査工程概略を示すブロック図である。 スポット溶接部の光学的認識方法を示す概略図である。 スポット溶接部の光学的認識方法を示す概略図である。 スポット溶接部の光学的認識方法を示す概略図である。 スポット溶接部の光学的認識方法を示す概略図である。

本発明のスポット溶接部の検査システムの概略構成図を図５に示す。
本発明のスポット溶接部検査システム１０２は、板材１に配置されているスポット溶接部の検査を非破壊・非接触にて行うシステムである。スポット溶接部検査システム１０２は、スポット溶接部検査ヘッド１００と、コントローラー６５と、レーザ電源６０と、励起レーザ光源３５よりなり、コントローラー６５はスポット溶接部検査ヘッド１００内の各部品およびレーザ電源６０と接続されてそれら部品の制御とモニターを行う。また励起レーザ光源３５は、レーザ電源６０より供給される電力により波長８０９ｎｍの励起用レーザ光を発光し、光ファイバー３４により送出することにより特許文献１に示されているように波長１０６４ｎｍのパルスレーザ光源２１をパルス発振させる受動Ｑスイッチレーザを用いる。より具体的には、このパルスレーザ光源２１はパルス幅０．５ナノ秒で１パルス当たり２０ｍＪの出力であり最大繰り返し周波数２０Ｈｚのレーザを用いる。光源としていわゆるナノ秒レーザを採用する理由は、フェムト秒レーザに比較して１パルス当たりの出力が大きくレーザ加振に有利なためである。また一般的にナノ秒レーザは０．１ナノ秒から１０ナノ秒までのパルス幅のレーザが多い。ここで、光ファイバー３４は屈曲性を有することから、励起レーザ光源３５およびレーザ電源６０と、スポット溶接部検査ヘッド１００とは光ファイバー３４の屈曲性と長さが許す範囲で、遠隔に配置することができる。また、コントローラー６５もコントローラー６５とスポット溶接部検査ヘッド１００内の各部品とを接続する配線の屈曲性と長さが許す範囲で、遠隔に配置することができる。

スポット溶接部検査ヘッド１００は、特許文献２に示されているイメージガイドレーザ照射ユニット１０１と光学レンズ３３と収音機１２を有し、板材１におけるスポット溶接時に電極が押し当てられた痕跡３の位置を認識し、図６に示すようにレーザ光束１１を板材１に板材のほぼ法線方向より照射位置２０に照射することにより加振し、振動音を収音機１２により収音し、コントローラー６５内で解析することによりラゲット５の大きさを推定し、スポット溶接部の検査を行う。

イメージガイドレーザ照射ユニット１０１には、光学レンズ３３と組み合わせることにより板材１の表面状態の画像取得を行う撮像素子３１が配置されている。撮像素子３１により撮影光学系の光束範囲１３内の板材１の表面の画像が撮影可能となっている。またイメージガイドレーザ照射ユニット１０１は、パルスレーザ光源２１を有し、パルスレーザ光源２１より出力された波長１０６４ｎｍのパルスレーザ光はレンズ２２および２３により例えば３ｍｍの平行ビームとされた後、ミラー３６を介して、可動ミラー２７に照射される。可動ミラー２７は、コントローラー６５から出力される電圧信号により角度が変化し、スキャンレンズ２８との組み合わせにより、ミラー２９により反射した後、光学レンズ３３の結像位置３９におけるスポット位置の調整がなされる構成である。光学レンズ３３と撮像素子３１との間に配置されている分光ミラーは８００ｎｍよりも短い波長を透過し、８００ｎｍよりも長い波長を反射する分光ミラー３０が配置されており、パルスレーザ光源２１より出射されるレーザ光は反射され可視光は透過する構成となっている。そのため、結像位置３９においてスポットが形成されたパルスレーザ光は、分光ミラー３０により反射した後、光学レンズ３３により板材１上にスポットを形成する。板材１上に形成されるパルスレーザ光束１１の位置は、コントローラー６５から出力される信号により制御される可動ミラー２７の角度により制御される。イメージガイドレーザ照射ユニット１０１内において、撮像素子３１、可動ミラー２７、スキャンレンズ２８は、位置決め固定されており、可動ミラー２７に入射するレーザ光の位置も固定されているので、結像位置３９におけるスポット位置の調整がなされる可動ミラー２７の位置をコントローラーが把握していれば、撮像素子３１の画素との関係さらには、撮像素子３１により観察される板材１の位置との関係が既知となるので撮像素子３１により観察される画像からレーザ照射位置を選定することが可能となり、例えば図７に示すように、板材１におけるスポット溶接時に電極が押し当てられた痕跡３の位置を認識し、その周囲に例えば８点のパルスレーザ照射位置２０を指定し、パルスレーザ照射による加振を行うことが可能となる。

また、パルスレーザ２１より出力されるレーザ光は、平行光路中に配置された１／２波長板２４と偏光ビームスプリッタ２５により板材１に照射されるパルスレーザ光のエネルギを調整することが可能となっている。撮像素子３１と分光ミラー３０との間にはパルスレーザ光を吸収するフィルター３２が配置されている。

パルスレーザ光の照射による加振によりスポット溶接部のラゲットの大きさの違いを検出する原理について図８、図９を用いて説明を行う。図８は良品としての十分な大きさをラゲット部５が形成された板材１にパルスレーザ拘束１１を照射位置２０に照射した場合である。スポット溶接により板材１ａと１ｂはラゲット５により接合されているので、レーザ照射部２０にパルスレーザ光が照射されることによるレーザ加振により生じる振動の振幅は１１１に示すように、レーザ加振部２０において振幅が大きい腹部となり、ラゲット５により変位が拘束される節部となるので、波長は１１３に示す大きさとなる。

一方、図９は図８に示す十分な大きさのラゲット部５に比較して小さく不良とされるラゲット部６を有する板材１にパルスレーザ拘束１１を照射位置２０に照射した場合である。スポット溶接により板材１ａと１ｂはラゲット６により接合されているので、レーザ照射部２０にパルスレーザ光が照射されることによるレーザ加振により生じる振動の振幅は１１２に示すように、レーザ加振部２０において振幅が大きい腹部となり、ラゲット６により変位が拘束される節部となるので、波長は１１４に示す大きさとなる。図８と図９とを比較すると、ラゲットの縮小に応じて波長が長くなることとなる。波長の違いは音の周波数が違うことを意味するので、レーザ加振により生成する振動音を収集し、その周波数の違いから波長の違いがあること検出する。

図１０は、収音機１２により検出した振動音から周波数の違いを検出し、良品かどうかの判定を行うブロック図である。まず収音機１２により収集された振動音はコントローラー６５内のＡ／Ｄ変換器５１によりデジタル信号とされた後、高速フーリエ変換機ＦＦＴ５２により周波数情報とされ判定装置５３に転送される。

図７に示すレーザ照射位置２０にパルスレーザ光を照射しレーザ加振を行った場合において判定装置５３内での判定例を図１１に示す。電極痕３の周囲に電極痕３からの距離が均等なレーザ照射位置２０とした場合に、ラゲット５の形状が円形であり、かつ電極痕３の直下に形成されているとすると、検出される振動音の周波数は同一となるはずであるが、ばらつきは存在するので、同一条件の材質およびスポット溶接条件にて製作した試験片から計測した振動音およびラゲットサイズの情報から求めた良品としての周波数の下限値ＦＣ１と上限値ＦＣ２の間に計測された振動音が入っていれば良品と判定する。
ラゲットのサイズが小さい試料を計測した際には、図９に示したように波長の長い成分が存在するので、図１２に示すように良品としての周波数の下限値ＦＣ１よりも低い周波数の成分が出現するので、不良と判定する。

図７においては、レーザ光の照射位置２０を電極痕３の周囲の８か所とした例を示したが、図１３に示すように電極痕３の上にレーザ光の照射位置２０を加えることも可能である。この場合には電極痕３の上にレーザ光を照射しレーザ加振を行う場合の周波数は、電極痕３の周囲にレーザ加振を行った場合の周波数とは異なるので、別の判定基準となる。

本発明のスポット溶接部の検査システムおよびスポット溶接部の検査方法においては、レーザ光の照射位置２０の指定が重要であるので、電極痕３の位置の認識方法について説明を行う。電極痕３の位置の認識は、図５に示すＬＥＤ光源４１、４２およびＬＥＤレンズ４３、４４を用いた斜光照明を行うＬＥＤ照明光束４５、４６を用いる。ここで、ＬＥＤ４１およびＬＥＤ４２による照明は、電極痕３に対して対向する位置に配置されているとともに、可視光の波長である。

まず、図１４に示すように第１のＬＥＤアームに搭載されている第１のＬＥＤ４１を発光させ、レンズ４３によりＬＥＤ照明光束４５を電極痕３部分の斜めからの照明となるようにする。この状態において撮像素子３１により画像を撮影すると図１５に示すように、電極痕３の上側が電極痕３の周囲部分８７の明るさよりも明るい領域８１となり電極痕３の下側が電極痕３の周囲部分８７の明るさよりも暗い領域８３となる。また電極痕３のほぼ中心には、電極痕３の周囲部分８７の明るさとほぼ同等の明るさの領域８５が出現する。

図１６を用いて電極痕３の部分に明るさの明暗ができる理由を説明する。電極痕３の周囲の部分は無垢の状態であるため、板材１ａの素材としてのある程度荒れた面からの乱反射光５０が光学レンズ３３を介して撮像素子３１に入射しある程度の輝度となる。電極痕３は図１６の示すように曲率を有する形状であるので、電極痕３の上側の部分、第１のＬＥＤ４１よりも遠い側の部分である３ａは、ＬＥＤ照明光束４５に対して電極痕３の周囲の部分に比較して大きな角度をもっているので、その部分から発生する乱反射光４９は電極痕３の周囲の部分からの反射光５０よりも明るくなり撮像素子３１に入射することとなるので、明るい領域８１として撮像素子に撮影される。次に電極痕３の下側の部分、第１のＬＥＤ４１に近い側の部分である３ｂは、ＬＥＤ照明光束４５に対して電極痕３の周囲の部分に比較してより浅い角度をもっているので、この例においては、ＬＥＤ照明光束４５とほぼ平行となっているので、その部分から発生する乱反射光はほとんどないため、電極痕３の周囲の部分に比較して暗い領域８３となる。

次に図１７に示すように第２のＬＥＤアーム４８に搭載されている第２のＬＥＤ４２を発光させ、レンズ４４によりＬＥＤ照明光束４６を電極痕３部分の斜めからの照明となるようにする。この状態において撮像素子３１により画像を撮影すると図１８に示すように、電極痕３の上側が電極痕３の周囲部分８８の明るさよりも暗い領域８４となり電極痕３の下側が電極痕３の周囲部分８８の明るさよりも明るい領域８２となる。また電極痕３のほぼ中心には、電極痕３の周囲部分８８の明るさとほぼ同等の明るさの領域８６が出現する。したがって、図１５と図１８を比較すると電極痕３の部分において明るくなる領域と暗くなる領域が入れ替わっている。図１８において電極痕３の上側が暗い領域８４となり電極痕３の下側が明るい領域８２となる理由は、図１６に示した理由と同等であるので説明を省略する。

ここで、図１５に示した画像と図１８に示した画像の比較を行い、輝度の増加あるいは輝度の減少が大きい部分を斜線で塗りつぶした画像を図１９に示すが、輝度の増加あるいは輝度の減少が生じたエリアはいずれも電極痕３の内部であるので、斜線でしめされた部分８９の外形をつなげることにより電極痕３の外形を高精度に得ることができる。

本発明のスポット溶接部の検査システムおよびスポット溶接部の検査方法においては、図１４から図１８に示した方法により、電極痕３の外形を高精度に得ることができ、図７および図１３に示すようにパルスレーザ光の照射位置２０を高精度に指定することができることとなる。パルスレーザ光の照射位置２０を電極痕３の位置に対して高精度に指定し照射できることから、スポット溶接部が良品である場合の振動音の周波数のばらつきを小さくすることができ、スポット溶接が良品である場合と不良である場合の差異を明確に得ることができることとなる。

本発明のスポット溶接部の検査システムおよびスポット溶接部の検査方法において、電極痕３の位置情報を図１８に示すように撮像素子にて取得した後に、パルスレーザ光源２１とパルスレーザの照射位置の制御を行う可動ミラー２７およびレーザ照射により生成する振動音の収音を行う収音機１２が連携して動作するので、これらデバイスの制御方法の説明を行う。

図２０には、これらデバイスの制御方法のブロック図を示す。まず、図１８に示したＬＥＤ光源の斜光照明により得た電極痕３の外形位置情報からスポット溶接中心位置情報として電極痕３の外形位置情報から電極痕３の中心位置を取得する工程９１を行う。電極痕３の外形位置情報から電極痕３の中心位置を取得する演算方法は、単純に外形稜線の画素位置情報を平均化する方法などによっても求めることができる。次にレーザ光照射位置のピクセル位置を求める工程９２を行う。本発明のスポット溶接部の検査システムおよびスポット溶接部の検査方法においては、光学レンズの焦点調整工程を省略すること、および、斜光照明の条件を一定にすることを目的としてスポット溶接部検査ヘッド１００と試料１との距離は一定として状態で使用しているため、レーザ光照射位置の各ピクセル位置は、工程９１で求めた電極痕３の中心位置座標に所定の数値の加算および減算工程で求めることができる。次に各レーザ光照射位置のピクセル位置座標に応じた可動ミラー２７の電圧値の算出工程９３を行う。前述したようにイメージガイドレーザ照射ユニット１０１内において、撮像素子３１、可動ミラー２７、スキャンレンズ２８は、位置決め固定されており、可動ミラー２７に入射するレーザ光の位置も固定されているので、撮像素子３１の画素情報と可動ミラーに加える信号値との関係さらには、撮像素子３１により観察される板材１の位置との関係は既知であるので、その関係により可動ミラー２７のＸ軸方向およびＹ軸方向の電圧信号値を求めることができる。

次に、可動ミラー２７を制御する電圧値およびパルスレーザ２１の発光タイミング、収音機１２の信号取得開始、終了のタイミングを時間波形として得る工程９４を行う。図２１に示す９個のレーザ照射位置２０ａ～２０ｉにレーザ照射を行う場合の時間波形の例を図２２に示す。
図２２には上より、可動ミラー２７のＸ軸方向の電圧値の時間的変化、可動ミラー２７のＹ軸方向の電圧値の時間的変化、パルスレーザ２１の発光タイミング、収音機１２の信号取得タイミングを記載した例であるとともに破線ａ～破線ｉは、それぞれ図２１に示すレーザ照射位置２０ａから２０ｉにレーザを照射するタイミングを示したものである。可動ミラー２７の移動には２ミリ秒程度の移動時間が必要なため、可動ミラー２７のＸ軸方向の電圧値の時間的変化、可動ミラー２７のＹ軸方向の電圧値の時間的変化はパルスレーザの発光時よりも前に移動が開始され、レーザ発光時にはそれぞれの位置でミラーが停止しているように制御がなされる。また収音機１２は、最初の点である２０ａのレーザパルスが発光される前に収音開始とされ、最後の点である２０ｉのレーザパルスが発光されその振動音の取得が終了した後に収音停止がなされるようなタイミングとしている。本発明のスポット溶接部の検査システムおよびスポット溶接部の検査方法においては、ラゲットの不良情報は、スポット溶接部ごとに得られればよく、ラゲットの不良時の方向情報は不要であり、スポット溶接部の不良が発見できれば良いので、収音機１２は、最初の点である２０ａのレーザパルスが発光される前に収音開始とされ、最後の点である２０ｉのレーザパルスが発光されその振動音の取得が終了した後に収音停止がなされるようなタイミングとした。

図２３には、スポット溶接部検査ヘッド１００をロボット６２のロボットアーム６１に搭載した例を示す。ＬＥＤ搭載アーム４７、４８、および収音機１２、およびイメージガイドレーザ照射ユニット１０１よりなるスポット溶接部検査ヘッド１００をロボットアーム６１に搭載することにより板材１に広く形成されている各スポット溶接部を個別に検査することができる。図２３は、スポット溶接部３ａの評価ができるようにロボットアーム６１が移動後に停止している状態を示しており、スポット溶接部検査ヘッド１００における撮像素子３１による撮影範囲１４がスポット溶接部３ａを撮影できる位置となっている。本発明の本発明のスポット溶接部の検査システムおよびスポット溶接部の検査方法においては、レーザ照射位置の指定と、スポット溶接部検査ヘッド１００における撮像素子３１により撮影された画像情報を用い可動ミラー２７により行うので、ロボットアーム６１による位置精度に高精度な位置決め精度が要求されないという特徴がある。しかし、スポット溶接部検査ヘッド１００と板材１ａとの間の距離が変化すると、光学レンズの焦点状態の変化、および、撮影倍率に変化が生じるので、ロボットアームの位置精度が十分でない場合には、スポット溶接部検査ヘッド１００と板材１ａとの間の距離を一定にするために、測距ユニット６３を用いて補正アクチュエーター６４を動作し、スポット溶接部検査ヘッド１００と板材１ａとの間の距離を一定にすることが望ましい。測距ユニット６３には、例えば特許文献３に示すＴＯＦセンサーなどを採用する。

図２４、図２５にロボットアーム６１に搭載される部材を示す。図２４はロボットアーム６１を上面から見た図であり、図２５はロボットアーム６１を側面から見た図である。ロボットアーム６１上にはＬＥＤ搭載アーム４７、４８、および収音機１２、およびイメージガイドレーザ照射ユニット１０１、測長ユニット６３および補正アクチュエーター６４が搭載されているが、４つの収音機１２ａ～１２ｄが搭載されている。収音機１２ｄは、上面図図２４においては１２ｂと重なり、側面図図２５においては１２ｃと重なっているために、指示はできていない。４つの収音機を採用している理由は、レーザ照射位置が光学レンズ３３の正面にあるとは限らないためであり、位置がシフトすることによる収音特性の低下を防ぐためである。収音機を４つとした場合においても検出した振動音から周波数の違いを検出し、良品かどうかの判定を行うフローは図１０に示したブロック図変わらないが、図２６に示すように、４つの収音機１２により収集された振動音はコントローラー６５内のＡ／Ｄ変換器５１ａ～５１ｄによりデジタル信号をされた後、高速フーリエ変換機ＦＦＴ５２ａ～５２ｄにより周波数情報とされ判定装置５４に転送されるフローとなっている。

図２７は、図２３に示した位置からロボットアーム６１が移動し、スポット溶接部３ｂの評価ができる位置に停止している状態を示している。スポット溶接が複数なされた部材のスポット溶接部の検査を行うフローを図２８に示す。スポット溶接がなされる個所の位置情報を、図面データより入手し、ロボットアーム６１を各スポット溶接部の検査が可能なように移動させる工程７１がなされる。本発明のスポット溶接部の検査システムおよびスポット溶接部の検査方法において、可動ミラー２７によりレーザ照射位置の精密調整がなされるので、ロボットアーム６１の位置精度にはさほどの高精度な位置合わせは要求されない。次に測距ユニットの信号を用いた距離の調整工程７２が行われる。次に図１４～図１９に示した斜光照明を用いたスポット溶接個所の認識工程７３がなされたのち、可動ミラー２７、パルスレーザ２１、収音機１２が連携して動作するレーザ光照射により加振と振動音の収音工程７４がなされる。その後収集した振動音の周波数解析工程７５がなされ、その解析結果から良品であるか不良品であるのかの判定工程７６がなされ、１つのスポット溶接部の検査が終了する。

図２９～図３２にＬＥＤ照明光束４５、４６を用いたスポット溶接部の認識方法の他の例を示す。スポット溶接部に形成されるラゲット部は、スポット溶接を行う材質およびそのスポット溶接条件により板材の表面に至るとともに光沢部があるラゲット部９が表面に形成される場合がある。この場合においては、スポット溶接部の認識方法が図１４～図１８に示した方法と異なり、図２９に示すように第１のＬＥＤ４１を発光させた場合における撮像素子３１の画像の概略図を図３０に示すが、光沢を有している部分はＬＥＤ光を反射してしまうので、撮像素子３１に光が入射しない場合があるので、電極痕３の部分９５は、電極痕３の周囲部分８７の輝度よりも暗くなる場合がある。また、図３１に示すように第２のＬＥＤ４２を発光させた場合における撮像素子３１の画像の概略図を図３１に示すが、この場合においても同様に光沢を有している部分はＬＥＤ光を反射してしまうので、撮像素子３１に光が入射しない場合があるので、電極痕３の部分９６は、電極痕３の周囲部分８８の輝度よりも暗くなる場合がある。このようにスポット溶接の電極痕３の部分がどのような輝度で観察されるかは材料条件およびスポット溶接の条件により異なるので、電極痕３の認識における判定方法は材料条件およびスポット溶接の条件によりそれぞれの条件に適した方法を選択する必要がある。

本発明は、スポット溶接がその製造工程に用いられる自動車産業あるいは航空機産業などにおける品質検査工程に適応可能であり、この安全性能の向上などに貢献する。

１……板材、７、８……電極、５、９……ラゲット、６……ラゲット（不良）、３、４……くぼみ（電極痕）、 １１……レーザ光束、１２……収音機、１３……撮影光学系の光束、１４……撮影範囲、２０……レーザ照射位置、２１……光源、２２、２３、２８……レンズ、２４……波長板、２５……ＰＢＳ、２６、２９……ミラー、２７……可動ミラー、３０……分光ミラー、３１……撮像素子、３２……吸収フィルター、３３……撮像レンズ、３４……光ファイバー、３５……励起レーザ光源、３９……結像位置、４１、４２……ＬＥＤ、４３、４４……ＬＥＤレンズ、４５、４６……ＬＥＤ照明光束、４７、４８……ＬＥＤ搭載アーム、４９、５０……撮像素子に入射するＬＥＤの反射光、５１……Ａ／Ｄ変換装置、５２……ＦＦＴ、５３、５４……判定装置、６０……レーザ電源、６１……ロボットアーム、６２……ロボット、６３……測距ユニット、６４……補正アクチュエーター，６５……コントローラー、７１……ロボットアーム移動工程、７２……ロボットアーム距離調整工程、７３……スポット溶接位置認識工程、７４……レーザ照射による加振と振動音の収音工程、７５……収音データの周波数解析、７６……良品／不良判定、８１、８２……ＬＥＤ照明時に明るい部分、８３、８４、９５、９６……ＬＥＤ照明時に暗い部分、８５、８６、８７、８８……ＬＥＤ照明時に中間輝度部分、８９……輝度差の多い部分、９０……輝度差の少ない部分、９１……溶接部中心位置算出工程、９２……レーザ照射位置算出工程、９３……可動ミラー電圧算出工程、９４……時系列信号生成工程、１００……スポット溶接部検査ヘッド、１０１……イメージガイドレーザ照射ユニット、１０２……スポット溶接部検査システム、１１１、１１２……振動の振幅、１１３、１１４……振動の波長

Claims (15)

1. スポット溶接がなされた板状試料のスポット溶接部の不良を検出する検査システムにおいて、
   画像情報を取得する撮像素子と、
   撮像素子により板状試料におけるスポット溶接部の位置を認識する画像を撮影する際に用いる光学レンズと、
   パルスレーザ光源と、
   パルスレーザ光源より出射されたパルスレーザ光の板状試料における照射位置を調整することが可能な可動ミラー装置と、
   パルスレーザ光の板状試料への照射により生じる振動音を収集する収音装置と、
   収音装置により収集された振動音の周波数を取得する周波数解析装置と、
   周波数情報からスポット溶接部の不良を検出する解析装置よりなるスポット溶接部の検査システム。
2. 上記スポット溶接部の検査システムにおいて、斜光照明を行う照明装置を有することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接部の検査システム。
3. 上記スポット溶接部の検査システムにおいて、上記パルスレーザ光源から上記板状試料に至るパルスレーザ光の光路に、上記光学レンズを含むことを特徴とする請求項１あるいは請求項２に記載のスポット溶接部の検査システム。
4. 上記スポット溶接部の検査システムにおいて、上記可動ミラーの制御は、上記撮像素子により撮影された画像より生成された情報により制御がなされることを特徴とする請求項１より３のいずれかに記載のスポット溶接部の検査システム。
5. 上記スポット溶接部の検査システムにおいて、上記パルスレーザ光源は、パルス発光時間が０．１ナノ秒から１０ナノ秒の範囲であるナノ秒パルスレーザであることを特徴とする
   請求項１より４のいずれかに記載のスポット溶接部の検査システム。
6. 上記スポット溶接部の検査システムにおいて、上記パルスレーザ光源は、励起用光源とパルスレーザ発振部が屈曲性を有する光ファイバーにより接続された光源であることを特徴とする請求項１より５のいずれかに記載のスポット溶接部の検査システム。
7. 上記スポット溶接部の検査システムにおいて、上記撮像素子と、上記光学レンズと、上記パルスレーザ光源と、上記可動ミラー装置と、上記収音装置と、上記照明装置は、3次元的に移動が可能な可動部に搭載されていることを特徴とする請求項１より６のいずれかに記載のスポット溶接部の検査システム。
8. スポット溶接がなされた板状試料のスポット溶接部の検査方法において、
   撮像素子と光学レンズにより、スポット溶接がなされた板状試料のスポット溶接部の位置情報を取得し、
   スポット溶接部の位置情報からパルスレーザ光の照射位置を決定し、
   パルスレーザ光をスポット溶接がなされた板状試料の略法線方向より照射し、
   パルスレーザ照射により生じる振動音を収集し、
   収集した振動音の周波数情報を解析することにより、
   スポット溶接の不良を検出することを特徴とするスポット溶接部の検査方法。
9. 上記スポット溶接部の検査方法において、上記撮像素子と上記光学レンズにより、スポット溶接がなされた板状試料のスポット溶接部の位置情報の取得は、斜光照明を用いた撮影により取得することを特徴とする請求項８に記載のスポット溶接部の検査方法。
10. 上記スポット溶接部の検査方法において、上記斜光照明を用い撮像素子と光学レンズにより、スポット溶接がなされた板状試料のスポット溶接部の位置情報の取得は、異なる斜光照明光源により撮影した複数の画像の比較により取得することを特徴とする請求項８あるいは請求項９に記載のスポット溶接部の検査方法。
11. 上記スポット溶接部の検査方法において、上記パルスレーザ光をスポット溶接がなされた板状試料への照射位置の制御は、上記可動ミラーの角度を制御することによりなされることを特徴とする請求項８より１０のいずれかに記載のスポット溶接部の検査方法。
12. 上記スポット溶接部の検査方法において、上記パルスレーザ光は、スポット溶接がなされた板状試料のスポット溶接部の位置情報を取得する際に用いる上記光学レンズを介して、板状試料への照射がなされることを特徴とする請求項８より１１のいずれかに記載のスポット溶接部の検査方法。
13. 上記スポット溶接部の検査方法において、上記パルスレーザは、パルス発光時間が０．１ナノ秒から１０ナノ秒の範囲であるナノ秒パルスレーザであることを特徴とする請求項８より１２のいずれかに記載のスポット溶接部の検査方法。
14. 上記スポット溶接部の検査方法において、上記パルスレーザ光のスポット溶接がなされた板状試料への照射位置は、板状試料のスポット溶接部の周囲の複数個所を含む照射位置であることを特徴とする請求項８より１３のいずれかに記載のスポット溶接部の検査方法。
15. 上記スポット溶接部の検査方法において、上記撮像素子と、上記光学レンズと、上記パルスレーザ光源と、上記可動ミラー装置と、上記収音装置と上記照明装置は、3次元的に移動が可能な可動部に搭載され、3次元的に移動が可能な可動部を可動させることにより、スポット溶接がなされた板状試料における検査を順次行うことを特徴とする請求項８より１４のいずれかに記載のスポット溶接部の検査方法。
    

Images