JP3154176B2 - レーザ溶接機の焦点位置制御装置 - Google Patents
レーザ溶接機の焦点位置制御装置Info
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Description
し、特にレーザトーチにおける焦点位置制御装置に関す
る。
れたパルス状のレーザ光を対象ワークに照射して溶接を
行うものである。このようなレーザ溶接においては、レ
ーザ光の焦点の変動が溶接ビードの溶け込み深さ等に影
響を与える。従って、安定した溶接品質を確保するため
には、焦点を最適かつ一定に保つことが重要である。
術として以下の手法が提案されている。
式変位(測長)計にて対象ワークまでの距離を逐次計測
し、距離変化に応じて焦点を調整する。
の調整として、溶接光の波長、溶接音、振動等を検出し
て最適焦点を探索的に決定する方法であり、オペレータ
の焦点決め作業を自動化することができる。この第2の
手法の一例は、特開平7−16779に開示されてい
る。
法は、高価である、ワーク表面性状(汚れ、色な
ど)に影響されるなどの問題点がある。
と焦点との関連性を一義的に定義付けすることが難し
く、調整精度の点で問題点がある。
レーザ反射光を逐次検出し、その強度をもとに焦点の自
動調整を行うことのできるレーザ溶接機の焦点位置制御
装置を提供することにある。
目している。すなわち、レーザ溶接はレーザ光を金属な
どの対象ワークに照射して溶融接合するものであり、照
射されたレーザ光はワークに全て吸収されることは無
く、吸収されないレーザ光は様々な方向へ反射するとい
う。
置制御装置は、レーザ光をレーザトーチでワークに照射
して溶接を行うレーザ溶接機において、前記レーザトー
チを光軸方向に駆動するための駆動ステージと、前記ワ
ークから反射した反射レーザ光を受光して電気信号に変
換する変換手段と、前記電気信号から前記反射レーザ光
の強度を計測し、その計測結果があらかじめ定められた
しきい値を越えると、あらかじめ定められた調整アルゴ
リズムに基づいて前記駆動ステージを制御して、前記反
射レーザ光の強度が前記あらかじめ定められたしきい値
よりも小さくなるようにする焦点制御手段とを備えたこ
とを特徴とする。
かじめ定められた調整アルゴリズムは、前記反射レーザ
光の強度が前記あらかじめ定められたしきい値を越える
と、前記駆動ステージを制御して、焦点位置をあらかじ
め定められた値Pだけ負(あるいは正)方向にずらす第
1のステップを実行し、該第1のステップの終了後、前
記反射レーザ光の強度が減少したが前記あらかじめ定め
られたしきい値よりは小さくならない場合には、前記第
1のステップを繰り返し実行し、前記反射レーザ光の強
度が前記あらかじめ定められたしきい値より小さくなる
と、焦点制御を終了し、前記第1のステップの終了後、
前記反射レーザ光の強度が増加した場合には、前記駆動
ステージを制御して、焦点位置をあらかじめ定められた
値Q(ただし、P<Q)だけ正(あるいは負)方向にず
らす第2のステップを実行し、該第2のステップの終了
後、前記反射レーザ光の強度が前記あらかじめ定められ
たしきい値より小さくならない場合には、前記第2のス
テップを繰り返し実行し、前記反射レーザ光の強度が前
記あらかじめ定められたしきい値より小さくなると、焦
点制御を終了する動作を実行するためのものであること
を特徴とする。
ひかりのみを透過させる透過フィルタを含むことが好ま
しい。
ましい実施の形態について説明する。図1において、Y
AGレーザ発振器(図示せず)で発生されたパルス状の
レーザ光を伝送ファイバ11でレーザトーチ12へ導
き、レーザトーチ12内の光学レンズを通してワーク1
3に照射して溶接を行う。ワーク13からのレーザ反射
光を集光レンズ14で集光し、帯域フィルタ15によっ
てYAGレーザ波長域の光のみを透過させる。透過した
光をフォトダイオード16で電気信号に変換し、この電
気信号をアンプ17で増幅して反射光強度に応じた電圧
信号を出力する。
取付けられている。可動ステージ18は、図示しない支
柱に沿って上下方向に移動可能に構成されており、レー
ザトーチ12から出射されるレーザ光の焦点位置を調整
するためのものである。
測制御部20にて処理される。焦点位置計測制御部20
は、後述する処理を行い、ステージ制御部21に対して
焦点位置指令信号を出力して可動ステージ18を駆動制
御することにより、レーザトーチ12からのレーザ光が
常に最適な焦点位置になるようにする。また、焦点位置
計測制御部20の処理結果を必要に応じて表示装置22
や記憶装置23で表示、記録する。
す。アンプ17からの反射光強度に応じた電圧信号をA
/Dコンバータ20−1でデジタル信号に変換する。こ
のデジタル信号に基づいて、CPU20−2、高速信号
処理プロセッサ20−3にて後述する焦点位置調整アル
ゴリズムに従った処理を行うことにより最適な焦点位置
を決定し、ステージ制御部21に焦点位置指令信号を出
力して最適な焦点位置になるようにレーザトーチ12の
位置を制御する。このような焦点位置計測制御部20の
構成は信号処理装置として一般的であり、パソコンを利
用して容易に実現できる。
号を処理し、焦点位置が不適切な場合には焦点位置を自
動修正していく点にある。以下に、そのための焦点位置
調整アルゴリズムについて説明する。
さ、反射光強度の特性を示す。図3からわかるように、
溶け込み深さは焦点位置に対して山型の特性を有し、そ
の頂点付近における焦点位置が最適位置といえる。反射
光強度は逆に谷型の特性を有し、その最も低い領域は焦
点位置において溶け込み深さの頂点付近と一致する。よ
って、反射光強度が小さくなるようにレーザトーチ12
の位置を調整することで焦点位置を最適にできる。
点位置調整アルゴリズムについて述べる。図4に反射光
強度と焦点位置の時系列を模式的に示す。図4におい
て、反射光強度があらかじめ設定したしきい値Sを越え
た場合、焦点位置が最適位置からずれたと判定し、反射
光強度がしきい値Sより小さくなるようにレーザトーチ
12の位置を変更する。
焦点位置計測制御部20内のCPU20−2及び高速信
号処理プロセッサ20−3が行う。
位置をあらかじめ定めた値Pだけ負方向にずらす。その
結果、反射光強度が増加あるいは減少のいずれを示すか
で、現在の焦点位置が図3の反射光強度の最低点を境に
したどちらにあるかを知ることができる。すなわち、焦
点位置をあらかじめ定めた値Pだけ負方向にずらした時
に反射光強度が増加した場合には、現在の焦点位置は図
3の左側にある。逆に、反射光強度が減少した場合に
は、現在の焦点位置は図3の右側にあることになる。そ
して、現在の焦点位置が図3の左側にある場合には、焦
点位置を正方向にずらせば良く、現在の焦点位置が図3
の右側にある場合には、焦点位置を負方向にずらせば良
いことがわかる。
であって、反射光強度がしきい値Sより小さくなればレ
ーザトーチ12の位置の変更は終了する(図4中の
a)。一方、反射光強度がしきい値Sより小さくならな
ければへ戻り、負方向への位置変更が、反射光強度が
しきい値Sより小さくなるまで繰り返される。
場合には、焦点位置は正方向にずらした方が良いので、
次のに進む。
位置をあらかじめ定めた値Q(ただし、P<Q)だけ正
方向にずらす。この操作後に反射光強度がしきい値Sよ
り小さくなればレーザトーチ12の位置の変更は終了す
る(図4中のb)。一方、反射光強度がしきい値Sより
小さくならなければ、反射光強度がしきい値Sより小さ
くなるまでを繰り返す。なお、においてP<Qとす
るのは、以下の理由による。すなわち、の操作では、
焦点位置が負方向にPだけずらされている。その結果、
焦点位置を正方向にずらした方が良いと判定された場合
には、最初の焦点位置よりも大きく正方向にずらした方
がの操作の繰り返し回数を減らすことできるからであ
る。
焦点位置をあらかじめ定めた値Pだけ負方向にずらすよ
うにしているが、正方向にPだけずらすようにしても同
じ結果が得られることは明らかである。
光強度とワークにおける溶け込み深さとの間には密接な
関係があり、レーザ反射光強度を検出して焦点位置を調
整することで溶け込み深さの安定化が図れる。
てYAGレーザ発振器を用いているが、これに限らず、
他の例えばCO2 レーザ発振器、エキシマレーザ発振器
を用いても良い。この場合、レーザ反射光の検出が可能
なように光学系の構成や光電素子の選定を行う。また、
図3に示したように、焦点位置において溶け込み深さと
反射光強度との間に正または負の相関関係が成立するこ
とが前提である。
ば、ワークに対するレーザ光の焦点位置を常に最適位置
に制御することができ、その結果、溶接品質の安定、向
上を図ることができる。また、レーザ反射光の検出部の
主要部品がフォトダイオードと集光レンズであるため、
簡単に構成できて安価である。
構成を示した図である。
した図である。
深さと反射光強度の関係を示した特性図である。
するために、反射光強度と焦点位置の時系列を模式的に
示した図である。
Claims (4)
- 【請求項1】 レーザ光をレーザトーチでワークに照射
して溶接を行うレーザ溶接機において、 前記レーザトーチを光軸方向に駆動するための駆動ステ
ージと、 前記ワークから反射した反射レーザ光を受光して電気信
号に変換する変換手段と、 前記電気信号から前記反射レーザ光の強度を計測し、そ
の計測結果があらかじめ定められたしきい値を越える
と、あらかじめ定められた調整アルゴリズムに基づいて
前記駆動ステージを制御して、前記反射レーザ光の強度
が前記あらかじめ定められたしきい値よりも小さくなる
ようにする焦点制御手段とを備えたことを特徴とするレ
ーザ溶接機の焦点位置制御装置。 - 【請求項2】 請求項1記載の焦点位置制御装置におい
て、前記焦点制御手段における前記あらかじめ定められ
た調整アルゴリズムは、 前記反射レーザ光の強度が前記あらかじめ定められたし
きい値を越えると、前記駆動ステージを制御して、焦点
位置をあらかじめ定められた値Pだけ負方向にずらす第
1のステップを実行し、 該第1のステップの終了後、前記反射レーザ光の強度が
減少したが前記あらかじめ定められたしきい値よりは小
さくならない場合には、前記第1のステップを繰り返し
実行し、前記反射レーザ光の強度が前記あらかじめ定め
られたしきい値より小さくなると、焦点制御を終了し、 前記第1のステップの終了後、前記反射レーザ光の強度
が増加した場合には、前記駆動ステージを制御して、焦
点位置をあらかじめ定められた値Q(ただし、P<Q)
だけ正方向にずらす第2のステップを実行し、 該第2のステップの終了後、前記反射レーザ光の強度が
前記あらかじめ定められたしきい値より小さくならない
場合には、前記第2のステップを繰り返し実行し、前記
反射レーザ光の強度が前記あらかじめ定められたしきい
値より小さくなると、焦点制御を終了する動作を実行す
るためのものであることを特徴とするレーザ溶接機の焦
点位置制御装置。 - 【請求項3】 請求項1記載の焦点位置制御装置におい
て、前記焦点制御手段における前記あらかじめ定められ
た調整アルゴリズムは、 前記反射レーザ光の強度が前記あらかじめ定められたし
きい値を越えると、前記駆動ステージを制御して、焦点
位置をあらかじめ定められた値Pだけ正方向にずらす第
1のステップを実行し、 該第1のステップの終了後、前記反射レーザ光の強度が
減少したが前記あらかじめ定められたしきい値よりは小
さくならない場合には、前記第1のステップを繰り返し
実行し、前記反射レーザ光の強度が前記あらかじめ定め
られたしきい値より小さくなると、焦点制御を終了し、 前記第1のステップの終了後、前記反射レーザ光の強度
が増加した場合には、前記駆動ステージを制御して、焦
点位置をあらかじめ定められた値Q(ただし、P<Q)
だけ負方向にずらす第2のステップを実行し、 該第2のステップの終了後、前記反射レーザ光の強度が
前記あらかじめ定められたしきい値より小さくならない
場合には、前記第2のステップを繰り返し実行し、前記
反射レーザ光の強度が前記あらかじめ定められたしきい
値より小さくなると、焦点制御を終了する動作を実行す
るためのものであることを特徴とするレーザ溶接機の焦
点位置制御装置。 - 【請求項4】 請求項2あるいは3記載の焦点位置制御
装置において、前記変換手段は、前記レーザ光の波長域
の光のみを透過させる透過フィルタを含むことを特徴と
するレーザ溶接機の焦点位置制御装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29812297A JP3154176B2 (ja) | 1997-10-30 | 1997-10-30 | レーザ溶接機の焦点位置制御装置 |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29812297A JP3154176B2 (ja) | 1997-10-30 | 1997-10-30 | レーザ溶接機の焦点位置制御装置 |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH11129084A JPH11129084A (ja) | 1999-05-18 |
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ID=17855467
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JP29812297A Expired - Fee Related JP3154176B2 (ja) | 1997-10-30 | 1997-10-30 | レーザ溶接機の焦点位置制御装置 |
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1997
- 1997-10-30 JP JP29812297A patent/JP3154176B2/ja not_active Expired - Fee Related
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