JP6861350B2

JP6861350B2 - レーザ溶接装置

Info

Publication number: JP6861350B2
Application number: JP2017187259A
Authority: JP
Inventors: 淳也下玉利; 山内　英樹; 英樹山内
Original assignee: 株式会社タマリ工業
Priority date: 2017-09-27
Filing date: 2017-09-27
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2037-09-27
Also published as: JP2019058943A

Description

本発明は、溶接対象物へレーザ光を照射して溶接を行うレーザ溶接装置に関するものである。

レーザ発振器にて発振されたレーザ光を、ガルバノスキャナを用いてスキャンしながら溶接対象物へ照射し、溶接を行うレーザ溶接装置がある（例えば、特許文献１）。

レーザ溶接装置では、ティーチングにより予め溶接対象物の溶接線をプログラムする。プログラムされた溶接線に向けてレーザ光が照射されるようにガルバノスキャナが制御される。

特開２０１２−０２４８０８号公報

しかしながら、従来のレーザ溶接装置では、溶接対象物を溶接している間、その溶接に伴って、溶接対象物が最初に設置していた位置からずれることがある。よって、プログラムに従ってレーザ光を照射すると、当所予定していた溶接線からずれて、レーザ光が照射されることがあった。また、同一形状の複数の溶接対象物に対して溶接を行う場合、同一のプログラムに基づいて溶接線に向けてレーザ光を照射すると、各溶接対象物の形状に多少のばらつきがあるため、やはり望ましい位置にレーザ光が照射されないということがあった。よって、従来のレーザ溶接装置では、溶接の品質が低下するおそれがあるという問題点があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、望ましい位置でレーザ溶接を行うことができるレーザ溶接装置を提供することを目的とする。

この目的を達成するために請求項１記載のレーザ溶接装置は、溶接線に沿ってレーザ光を照射して溶接対象物の溶接を行うものであって、レーザ光を出力するレーザ発振器と、前記溶接線の位置を記憶する記憶手段と、その記憶手段に記憶された前記溶接線の位置に基づいて、前記レーザ発振器より出力された前記レーザ光が前記溶接対象物に照射されるように制御する照射位置制御手段と、前記溶接対象物の溶接面を撮像する撮像手段と、その撮像手段により撮像された画像より前記レーザ光の照射位置を検出する照射位置検出手段と、前記撮像手段により撮像された画像より前記溶接線の位置を複数点検出する溶接線検出手段と、その溶接線検出手段により検出された複数点から推定される前記溶接線の位置と、前記照射位置検出手段により検出された前記レーザ光の照射位置とのずれ量を算出するずれ量算出手段と、前記溶接線検出手段により複数点検出された前記溶接線の位置のばらつきに基づいて、その検出された前記溶接線の位置の信頼度を算出する溶接線信頼度算出手段と、その溶接線信頼度算出手段により算出された前記溶接線の位置の信頼度と、前記ずれ量算出手段により算出された前記ずれ量とに基づいて、前記レーザ光の照射位置を補正するための位置補正量を算出する位置補正量算出手段と、を備え、前記照射位置制御手段は、前記位置補正量算出手段により算出された前記位置補正量に基づいて、前記記憶手段に記憶された前記溶接線の位置に基づく前記レーザ光の照射位置を補正する。

請求項２記載のレーザ溶接装置は、請求項１記載のレーザ溶接装置において、前記撮像手段により撮像された画像より、前記溶接線から所定距離離れた場所に存在し得るガイド線の位置を複数点検出するガイド線検出手段と、そのガイド線検出手段により検出された複数点から推定される前記ガイド線の位置と前記溶接線検出手段により検出された複数点から推定される前記溶接線の位置との距離である推定距離と、前記所定距離との誤差を算出する誤差算出手段と、前記ガイド線検出手段により複数点検出された前記ガイド線の位置のばらつきに基づいて、その検出された前記ガイド線の位置の信頼度を算出するガイド線信頼度算出手段と、前記誤差算出手段により算出された誤差の大きさに基づいて、前記推定距離の信頼度を算出する推定距離信頼度算出手段と、を備え、前記位置補正量算出手段は、前記溶接線信頼度算出手段により算出された前記溶接線の位置の信頼度と、前記ガイド線信頼度算出手段により算出された前記ガイド線の位置の信頼度と、前記推定距離信頼度算出手段により算出された前記推定距離の信頼度と、前記ずれ量算出手段により算出された前記ずれ量とに基づいて、前記レーザ光の照射位置を補正するための位置補正量を算出する。

請求項３記載のレーザ溶接装置は、請求項２記載のレーザ溶接装置において、前記ガイド線は、前記溶接対象物の外縁に設けられる。

請求項４記載のレーザ溶接装置は、請求項１記載のレーザ溶接装置において、これから溶接が行われると想定される領域に、所定形状の所定領域を設定する所定領域設定手段を備え、前記溶接線検出手段は、前記所定領域設定手段により設定された前記所定領域内に含まれる前記溶接線の位置を、前記撮像手段により撮像された画像より検出する。

請求項５記載のレーザ溶接装置は、請求項２又は３記載のレーザ溶接装置において、これから溶接が行われると想定される領域に、所定形状の所定領域を設定する所定領域設定手段を備え、前記溶接線検出手段は、前記所定領域設定手段により設定された前記所定領域内に含まれる前記溶接線の位置を、前記撮像手段により撮像された画像より検出し、前記ガイド線検出手段は、前記所定領域設定手段により設定された前記所定領域内に含まれる前記ガイド線の位置を、前記撮像手段により撮像された画像より検出する。

請求項１記載のレーザ溶接装置によれば、溶接対象物に対してレーザ光の照射による溶接が行われる溶接線の位置が記憶手段に記憶される。その記憶手段に記憶された溶接線の位置に基づいて、レーザ発振器より出力されたレーザ光が溶接対象物に照射されるように、照射位置制御手段により制御される。また、溶接対象物の溶接面が、撮像手段により撮像される。撮像された画像より、レーザ光の照射位置が照射位置検出手段により検出され、溶接線の位置が複数点、溶接線検出手段により検出される。その検出された複数点から推定される溶接線の位置と、照射位置検出手段により検出されたレーザ光の照射位置とのずれ量が、ずれ量算出手段により算出される。一方、溶接線検出手段により複数点検出された溶接線の位置のばらつきに基づいて、溶接線信頼度算出手段により、その検出された溶接線の位置の信頼度が算出される。そして、その算出された溶接線の位置の信頼度と、ずれ量算出手段により算出されたずれ量とに基づいて、レーザ光の照射位置を補正するための位置補正量が、位置補正量算出手段により算出される。その算出された位置補正量に基づいて、記憶手段に記憶された溶接線の位置に基づくレーザ光の照射位置が、照射位置制御手段によって補正される。これにより、撮像された溶接面の画像より推定される溶接線の位置とレーザ光の照射位置とにずれが生じている場合に、そのずれ量に応じてレーザ光の照射位置が補正される。しかも、撮像された溶接面の画像より検出される複数点の溶接線の位置のばらつきに基づいて溶接線の位置の信頼度が算出され、撮像された溶接面の画像より推定される溶接線の位置とレーザ光の照射位置とのずれ量だけでなく、溶接線の位置の信頼度をも考慮して、レーザ光の照射位置を補正するための位置補正量が算出される。よって、撮像された溶接面の画像より検出された溶接線の位置の信頼度に応じて、レーザ光の照射位置の補正を適応的に調整できるので、望ましい位置でレーザ溶接を行うことができるという効果がある。

請求項２記載のレーザ溶接装置によれば、請求項１記載のレーザ溶接装置の奏する効果に加え、次の効果を奏する。即ち、撮像手段により撮像された画像より、溶接線から所定距離離れた場所に存在し得るガイド線の位置が複数点、ガイド線検出手段により検出される。その検出された複数点から推定されるガイド線の位置と、溶接線検出手段により検出された複数点から推定される溶接線の位置との距離である推定距離と、前記所定距離との誤差が、誤差算出手段により算出される。一方、ガイド線検出手段により複数点検出されたガイド線の位置のばらつきに基づいて、その検出されたガイド線の位置の信頼度が、ガイド線信頼度算出手段によって算出される。また、誤差算出手段により算出された誤差の大きさに基づいて、推定距離の信頼度が、推定距離信頼度算出手段により算出される。そして、溶接線信頼度算出手段により算出された溶接線の位置の信頼度と、ガイド線信頼度算出手段により算出されたガイド線の位置の信頼度と、推定距離信頼度算出手段により算出された前記推定距離の信頼度と、ずれ量算出手段により算出されたずれ量とに基づいて、レーザ光の照射位置を補正するための位置補正量が、位置補正量算出手段により算出される。これにより、撮像された溶接面の画像より推定される溶接線の位置とレーザ光の照射位置とのずれ量だけでなく、溶接線の位置の信頼度と、ガイド線の位置の信頼度と、ガイド線の位置と溶接線の位置との距離である推定距離の信頼度とをも考慮して、レーザ光の照射位置を補正するための位置補正量が算出される。よって、撮像された溶接面の画像より検出された溶接線の位置の信頼度と、ガイド線の位置の信頼度と、溶接線の位置とガイド線の位置との推定距離の信頼度と、に応じて、レーザ光の照射位置の補正を適応的に調整できるので、より望ましい位置でレーザ溶接を行うことができるという効果がある。

請求項３記載のレーザ溶接装置によれば、請求項２記載のレーザ溶接装置の奏する効果に加え、ガイド線は、溶接対象物の外縁に設けられるので、撮像手段により撮像された画像から、ガイド線検出手段によって容易に且つ精度よくガイド線を検出できるという効果がある。

請求項４記載のレーザ溶接装置によれば、請求項１記載のレーザ溶接装置の奏する効果に加え、次の効果を奏する。即ち、所定領域設定手段によって、これから溶接が行われると想定される領域に、所定形状の所定領域が設定され、この所定領域内に含まれる溶接線の位置が、溶接線検出手段によって検出される。これにより、溶接線の検出範囲を所定領域内に限定できるので、処理に係る時間を短縮できるという効果がある。

請求項５記載のレーザ溶接装置によれば、請求項２又は３記載のレーザ溶接装置の奏する効果に加え、次の効果を奏する。即ち、所定領域設定手段によって、これから溶接が行われると想定される領域に、所定形状の所定領域が設定され、この所定領域内に含まれる溶接線の位置が、溶接線検出手段によって検出されると共に、この所定領域内に含まれるガイド線の位置が、ガイド線検出手段によって検出される。これにより、溶接線及びガイド線の検出範囲を所定領域内に限定できるので、処理に係る時間を短縮できるという効果がある。

本発明の一実施形態であるレーザ溶接装置の構成を概略的に示す概略図である。コントローラの電気的構成を示したブロック図である。コントローラにより実行される位置補正処理を示したフローチャートである。溶接中に撮像素子にて撮像されたワークの画像を模式的に示した模式図である。

以下、本発明を実施するための形態について添付図面を参照して説明する。まず、図１を参照して、本発明の一実施形態であるレーザ溶接装置Ｓの概略について説明する。図１は、そのレーザ溶接装置Ｓの構成を概略的に示す概略図である。

レーザ溶接装置Ｓは、レーザ光Ｃにより溶接対象物（以下、単に「ワーク」と称す）Ａを溶接するものである。レーザ溶接装置Ｓは、レーザ発振器１０を有し、レーザ発振器１０によりレーザ光Ｃが発振される。レーザ発振器１０により発振されたレーザ光Ｃは、光ファイバ１１によって伝送され、光ファイバ１１の一端に設けられたファイバアダプタ１２から照射される。

ファイバアダプタ１２の出力側には、コリメートレンズ１３が配置されており、ファイバアダプタ１２から照射されたレーザ光Ｃは、コリメートレンズ１３によって平行光とする。コリメートレンズ１３により平行光とされたレーザ光Ｃは、反射ミラー１４によってガルバノスキャナ２０に向けて反射され、反射ミラー１４とガルバノスキャナ２０との間に設けられたダイクロイックミラー１５を透過して、ガルバノスキャナ２０に入力される。

ガルバノスキャナ２０は、ワークＡに向けてレーザ光Ｃを照射する場合に、その照射位置を調整するものであり、図示しない一対の反射ミラー（ガルバノミラー）によって構成される。

一対の反射ミラーのうち、一方の反射ミラーはＸ軸変位モータ２０ａに接続されている。このＸ軸変位モータ２０ａを駆動することにより、接続する反射ミラーの反射角が変更され、ワークＡに対するレーザ光Ｃの照射位置が、Ｘ軸方向に変位可能とされる。また、一対の反射ミラーのうち、他方の反射ミラーはＹ軸変位モータ２０ｂに接続されている。このＹ軸変位モータ２０ｂを駆動することにより、接続する反射ミラーの反射角が変更され、ワークＡに対するレーザ光Ｃの照射位置が、Ｙ軸方向に変位可能とされる。よって、Ｘ軸変位モータ２０ａ及びＹ軸変位モータ２０ｂを駆動することで、ガルバノスキャナ２０により、ワークＡの平面上の所望の位置に、レーザ光Ｃを照射することができる。

ガルバノスキャナ２０の出力側にはｆθレンズ２１が配置されている。ガルバノスキャナ２０によって所望の照射位置に向けられたレーザ光Ｃは、ｆθレンズ２１によってワークＡの照射位置に集光される。

レーザ光Ｃ、その他の光によりワークＡから反射された光Ｉは、レーザ光Ｃとは逆向きに、ｆθレンズ２１及びガルバノスキャナ２０を通過して進み、ダイクロイックミラー１５によって反射されて、撮像素子１７に入力される。ダイクロイックミラー１５と撮像素子１７との間には、フォーカシングレンズ１６が配置されており、フォーカシングレンズ１６によって、ワークＡより反射された光Ｉが、ワークＡの溶接面を表す画像として撮像素子１７に結像される。

撮像素子１７は、例えばＣＣＤ（ＣｈａｒｇｅＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ）イメージセンサやＣＭＯＳ（ＣｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙＭＯＳ）イメージセンサ等によって構成される。撮像素子１７に結像された画像は、その撮像素子１７において２次元に並べられた画素に分解され、画素毎に、入力された光の強度が電気信号に変換されることで、撮像が行われる。撮像素子１７によって画素毎に変換された電気信号は、ラスタスキャンによりコントローラ３０へ出力される。

コントローラ３０は、レーザ溶接装置Ｓの全体の制御素子を行うものである。コントローラ３０には、ティーチペンダント２３が接続されている。ティーチペンダント２３は、コントローラ３０に対して、レーザ溶接装置Ｓの動作に関する設定や、ワークＡに対して溶接を行う軌跡を示す溶接線Ｌの教示（プログラム）等をするための入力手段としての役割を担うと共に、レーザ溶接装置Ｓの運転状態を表示する表示手段としての役割を担うものである。

ティーチペンダント２３により溶接線Ｌの教示が行われる場合、コントローラ３０に設けられ又は接続された表示装置（図示せず）、若しくは、ティーチペンダント２３に設けられた表示装置（図示せず）に、撮像素子１７によって撮像されたワークＡの溶接面が表示される。使用者は、表示装置に表示されたワークＡの溶接面を見ながら、ワークＡにおける溶接線Ｌの教示を行う。

このとき、コントローラ３０は、撮像素子１７により撮像されたワークＡの画像から検出される接合予定部から特徴点を検出し、その特徴点に基づいて、ワークＡにおける溶接線Ｌが設定されるよう、表示装置に表示される画像を通して使用者を支援し、また、ティーチペンダント２３の操作の受付の可否を判断する。

ティーチペンダント２３により教示されたワークＡの溶接線Ｌの位置を示す情報は、コントローラ３０に設けられたＲＡＭ３３（図２参照）に記憶され、また、ガルバノスキャナコントローラ１８にも送信される。

コントローラ３０は、また、ワークＡの溶接を行っている期間中、撮像素子１７により撮像されたワークＡの画像から、レーザ光の照射位置を検出し、また、溶接線Ｌの位置を複数点検出する。撮像されたワークＡの画像からの溶接線Ｌの位置の検出は、溶接線Ｌの教示が行われるときに使用された特徴点を検出することによって行われる。そして、コントローラ３０は、その検出された複数点から推定される溶接線Ｌの位置と、検出されたレーザ光の照射位置とのずれ量を算出し、そのずれ量に基づいて、レーザ光Ｃの照射位置が溶接線Ｌへと移動するよう補正するために、その位置補正量を算出する。この位置補正量を算出するときに、コントローラ３０は、撮像素子１７により撮像されたワークＡの画像から推定される溶接線Ｌの位置等の信頼度を、溶接線Ｌの位置として検出された複数点のばらつきに基づいて算出し、この信頼度を反映させて、位置補正量を算出する。

これにより、撮像されたワークＡの画像より推定される溶接線Ｌの位置等の信頼度に応じて、レーザ光Ｃの照射位置の補正を適応的に調整できる。つまり、撮像されたワークＡの画像より推定される溶接線Ｌの位置等の信頼度が高い場合には、その推定された溶接線Ｌの位置に基づいて算出されたずれ量をほぼ位置補正量に反映させるのに対し、撮像されたワークＡの画像より推定される溶接線Ｌの位置等の信頼度が低い場合には、その推定された溶接線Ｌの位置に基づいて算出されたずれ量よりも位置補正量を小さくする。よって、撮像されたワークＡの画像より推定される溶接線Ｌの位置等の信頼度が低い場合に、位置補正によって、かえってレーザ光Ｃの照射位置が実際の溶接線Ｌよりもずれてしまうことを抑制でき、望ましい位置でレーザ溶接を可能とすることができる。

また、コントローラ３０は、溶接線Ｌの信頼度だけでなく、撮像されたワークＡの別の特徴点に基づいて信頼度を算出し、その信頼度も加味してレーザ光Ｃの照射位置の位置補正量を決定する。即ち、コントローラ３０では、溶接線Ｌとは別の特徴点として検出可能な線をガイド線Ｇとして設定する（図４参照）。このガイド線Ｇとしては、例えば、ワークＡの外縁が設定される。コントローラ３０は、撮像されたワークＡの画像からワークＡの外縁を示す特徴点を複数検出し、その複数のガイド線Ｇを示す点からガイド線Ｇの位置を推定する。ここで、使用者より教示される溶接線Ｌは、ワークＡの外縁から距離Ｔｓ離れたところに設定される場合を想定する。つまり、撮像されたワークＡの画像から推定されたガイド線Ｇと溶接線Ｌとの距離Ｔの期待値はＴｓとなる。そこで、実際に撮像された画像から推定されたガイド線Ｇと溶接線Ｌとの距離Ｔ（測定値）と、その距離の期待値Ｔｓとの差や、撮像されたワークＡの画像から検出されたガイド線Ｇの複数の点のばらつき
に基づいて、信頼度を算出する。種々の信頼度を用いて、レーザ光Ｃの照射位置の補正を適応的に調整することで、より望ましい位置でレーザ溶接を可能とすることができる。なお、本実施形態では、ガイド線ＧとしてワークＡの外縁を設定する場合について説明するが、溶接線Ｌから所定距離Ｔｓ離れた線であって、撮像されたワークＡの画像から特徴点が検出される線であれば、ガイド線Ｇとして採用可能である。また、そのガイド線Ｇは、溶接線Ｌの外側だけでなく内側に設定されてもよい。

なお、このレーザ光Ｃの照射位置の補正の詳細については、図３及び図４を参照して後述する。

ガルバノスキャナコントローラ１８は、ワークＡの平面上の所望の位置に、レーザ光Ｃが照射されるように、ガルバノスキャナ２０に設けられたＸ軸変位モータ２０ａ及びＹ軸変位モータ２０ｂを駆動するものである。ガルバノスキャナコントローラ１８は、コントローラ３０より予め受信した、使用者より教示されたワークＡの溶接線Ｌの位置に基づいてＸ軸変位モータ２０ａ及びＹ軸変位モータ２０ｂを駆動し、ワークＡに対して、その教示されたワークＡの溶接線Ｌの位置にレーザ光Ｃを照射する制御を行う。また、ガルバノスキャナコントローラ１８は、レーザ光Ｃを照射中にコントローラ３０より位置補正量を受信した場合は、その位置補正量を加味して、使用者より教示されたワークＡの溶接線Ｌの位置を補正し、補正後のワークＡの溶接線Ｌの位置へレーザ光Ｃが照射されるよう、Ｘ軸変位モータ２０ａ及びＹ軸変位モータ２０ｂを駆動する。

次いで、図２を参照して、コントローラ３０の詳細構成について説明する。図２は、コントローラ３０の電気的構成を示したブロック図である。コントローラ３０は、ＣＰＵ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）３１、ＲＯＭ（ＲｅａｄＯｎｌｙＭｅｍｏｒｙ）３２、ＲＡＭ（ＲａｎｄｏｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）３３を有しており、それらはバスライン３４を介して接続されている。また、バスライン３４には、撮像素子１７と、ガルバノスキャナコントローラ１８と、ティーチペンダント２３とが接続される他、図示しない表示装置が接続されている。

ＣＰＵ３１は、ＲＯＭ３２に記憶されたプログラムに従って、レーザ溶接装置Ｓを制御する演算装置である。ＲＯＭ３２は、ＣＰＵ３１によって実行されるプログラムや固定値データ等を記憶するための書き換え不能な不揮発性のメモリである。例えば、図３に示す位置補正処理を実行するためのプログラムはＲＯＭ３２に格納される。ＲＡＭ３３は、書き換え可能な揮発性のメモリであり、ＣＰＵ３１によるプログラムの実行時に各種のデータを一時的に記憶する。

ここで、図３及び図４を参照して、コントローラ３０により実行される、レーザ光Ｃの照射位置の位置補正処理について説明する。図３は、コントローラ３０のＣＰＵ３１により実行される位置補正処理を示すフローチャートである。図４は、ワークＡの溶接中に撮像素子１７にて撮像されたワークＡの画像５０を模式的に示した模式図であり、位置補正量を算出するために必要な各種パラメータを説明したものである。

位置補正処理は、ＣＰＵ３１により、ワークＡに対してレーザ光Ｃが照射されている期間中、即ち、ワークＡの溶接が行われている期間中に、所定時間間隔（例えば１０ミリ秒毎）に実行される処理である。

位置補正処理では、まず、画像取込処理を実行する（Ｓ１）。画像取込処理（Ｓ１）では、ワークＡの撮像を撮像素子１７へ指示し、撮像素子１７からラスタスキャンによって出力され、Ａ／Ｄ変換器によってディジタル値に変換された各画素の画像データをＲＡＭ３３に格納する。

この画像取込処理（Ｓ１）では、露光時間を短くして撮像素子１７にて撮像したワークＡの画像データと、露光時間を長くして撮像素子１７にて撮像したワークＡの画像データとを、連続して取り込んでいる。露光時間の異なる２つの画像データを取り込むのは、次の理由による。露光時間が長いと、レーザ光Ｃの強度の強い光の反射により、レーザ光Ｃが照射される位置付近が白飛びしてしまい、レーザ光Ｃの照射位置ＣＳの検出や、その照射位置ＣＳ付近でのワークＡに設定された溶接線Ｌの検出、及び、ワークＡの外縁であるガイド線Ｇの検出ができなくなる。

一方で、露光時間を短くして、レーザ光Ｃの照射位置付近も白飛びなく画像を撮像した場合は、レーザ光Ｃの照射位置から遠い領域が黒潰れしてしまい、その領域において、ワークＡに設定された溶接線Ｌの検出、及び、ガイド線Ｇの検出ができなくなる。そこで、露光時間の異なる２つの画像データを取り込むことで、レーザ光Ｃが照射された位置付近については露光時間の短い画像データを使用し、また、レーザ光Ｃが照射された位置より遠い領域については露光時間の長い画像データを使用することで、レーザ光Ｃの照射位置ＣＳの検出、溶接線Ｌの検出、及び、ガイド線Ｇの検出を確実に行うことができる。

次いで、レーザスポット検出処理を実行する（Ｓ２）。レーザスポット検出処理（Ｓ２）では、Ｓ１により取り込まれた２つの画像データのうち露光時間の短い画像データを用いて、レーザ光Ｃの現在の照射位置（スポット点の位置）ＣＳ（図４参照）を画像処理にて検出する。レーザ光Ｃの現在の照射位置ＣＳの検出に、露光時間の短い画像データを用いるので、レーザ光Ｃの照射位置付近は白飛びしていない。よって、画像データからレーザ光Ｃの現在の照射位置ＣＳを正確に検出できる。

次いで、ウィンドウ設定処理を実行する（Ｓ３）。ウィンドウ設定処理（Ｓ３）では、Ｓ１により取り込まれた画像データに対して、溶接線Ｌ及びガイド線Ｇを検出するための矩形の領域（ウィンドウ）を設定する。具体的には、Ｓ２の処理により検出されたレーザ光Ｃの現在の照射位置ＣＳから、現在のレーザ光Ｃの移動方向に向けて、所定距離離れた位置にある所定の大きさの範囲が、ワークＡの溶接線Ｌ及びガイド線Ｇを検出する領域（ウィンドウ）として設定される。

なお、領域（ウィンドウ）の形状は、必ずしも矩形である必要はなく、その形状は任意のものであってよい。例えば、領域（ウィンドウ）の形状として、平行四辺形がＳ３の処理により設定されてもよい。この場合、平行四辺形の４辺のうち、平行する２辺の傾きが、使用者により教示された溶接線Ｌの傾きと略平行となるようにしてもよい。これにより、ワークＡの特徴点５４を検出する領域（ウィンドウ）が余分に広く設定されることを抑制できるので、溶接線Ｌ及びガイド線Ｇの検出に係る時間を短くでき、また、誤検出が発生する可能性を低く抑えることができる。

また、領域（ウィンドウ）の大きさを、その領域（ウィンドウ）が設定されるワークＡにおける場所（ワークＡの中央か、端か、等）に応じて、変化させてもよい。これにより、領域（ウィンドウ）が設定されるワークＡにおける場所がワークＡの中央部であれば、領域（ウィンドウ）の大きさを大きくして、溶接線Ｌの位置をより多くの点で検出することで、撮像された画像における溶接線Ｌの位置をより正確に推定できるとともに、ガイド線Ｇを確実に検出できる。一方、領域（ウィンドウ）が設定されるワークＡにおける場所がワークＡの端部であれば、領域（ウィンドウ）の大きさを小さくして、ワークＡ以外の部分について溶接線Ｌやガイド線Ｇの検出が行われることを抑制できる。

次いで、溶接線検出処理を実行する（Ｓ４）。溶接線検出処理（Ｓ４）では、Ｓ１の処理により取り込まれた２つの画像データから、Ｓ３の処理により設定された領域（ウィンドウ）に含まれる、ワークＡの特徴点を複数検出し、その特徴点を溶接線Ｌの位置を示す複数の点ＬＤとして検出する。ここで、領域（ウィンドウ）のうち、Ｓ２の処理により検出されたレーザ光Ｃの現在の照射位置ＣＳが近い領域については、露光時間の短い画像データを使用して、溶接線Ｌの位置を示す点ＬＤを検出する。また、領域（ウィンドウ）のうち、Ｓ２の処理により検出されたレーザ光Ｃの現在の照射位置ＣＳが遠い領域については、露光時間の長い画像データを使用して、溶接線Ｌの位置を示す点ＬＤを検出する。これにより、領域（ウィンドウ）を、レーザ光Ｃの現在の照射位置ＣＳより近い領域から遠い領域に広く設定しても、その領域（ウィンドウ）に存在する溶接線Ｌの位置を示す複数の点ＬＤを確実に検出できる。

次いで、ガイド線検出処理を実行する（Ｓ５）。ガイド線検出処理（Ｓ５）では、Ｓ１の処理により取り込まれた２つの画像データから、Ｓ３の処理により設定された領域（ウィンドウ）に含まれる、ワークＡの外縁に位置する点を複数検出し、その点をガイド線Ｇの位置を示す複数の点ＧＤとして検出する。ここで、領域（ウィンドウ）のうち、Ｓ２の処理により検出されたレーザ光Ｃの現在の照射位置ＣＳが近い領域については、露光時間の短い画像データを使用して、ガイド線Ｇの位置を示す点ＧＤを検出する。また、領域（ウィンドウ）のうち、Ｓ２の処理により検出されたレーザ光Ｃの現在の照射位置ＣＳが遠い領域については、露光時間の長い画像データを使用して、ガイド線Ｇの位置を示す点ＧＤを検出する。これにより、領域（ウィンドウ）を、レーザ光Ｃの現在の照射位置ＣＳより近い領域から遠い領域に広く設定しても、その領域（ウィンドウ）に存在するガイド線Ｇの位置を示す複数の点ＧＤを確実に検出できる。

次いで、レーザ光Ｃの現在の照射位置ＣＳと、溶接線Ｌとのずれ量Ｄを算出する（Ｓ６）。具体的には、図４に示す通り、溶接線Ｌの位置を示す複数の点ＬＤから溶接線Ｌの位置を推定し、その推定された溶接線Ｌの位置に対して、レーザ光Ｃの現在の照射位置ＣＳがどれだけずれているかをずれ量Ｄとして算出する。

次いで、ガイド線Ｇと溶接線Ｌとの距離Ｔを算出する（Ｓ７）。具体的には、図４に示す通り、ガイド線Ｇの位置を示す複数の点ＧＤからガイド線Ｇの位置を推定し、その位置が推定されたガイド線Ｇと、Ｓ６の処理で位置が推定された溶接線Ｌとの距離Ｔを算出する。

次いで、溶接線Ｌの位置を示す複数の点ＬＤの標準偏差δ１を算出する（Ｓ８）。標準偏差δ１は次の数１を用いて算出する。

数１において、ａは、Ｓ４の処理にて検出された溶接線Ｌの位置を示す複数の点の数であり、ＬＤ１，ＬＤ２，ＬＤ３，・・・，ＬＤａ（以下、まとめてＬＤｉ（ｉ＝１〜ａ）と称す）は、Ｓ４の処理にて検出された溶接線Ｌの位置を示す各々の点について、Ｓ６の処理で推定された溶接線Ｌからの距離と方向を示す情報であり、ＬＤＡは、溶接線Ｌの位置を示す全ての点におけるＬＤｉの平均値である。

次いで、ガイド線Ｇの位置を示す複数の点ＧＤの標準偏差δ２を算出する（Ｓ９）。標準偏差δ２は次の数２を用いて算出する。

数２において、ｂは、Ｓ５の処理にて検出されたガイド線Ｇの位置を示す複数の点の数であり、ＧＤ１，ＧＤ２，ＧＤ３，・・・，ＧＤｂ（以下、まとめてＧＤｂ（ｉ＝１〜ｂ）と称す）は、Ｓ５の処理にて検出されたガイド線Ｇの位置を示す各々の点について、Ｓ７の処理で推定されたガイド線Ｇからの距離と方向を示す情報であり、ＧＤＡは、ガイド線Ｇの位置を示す全ての点におけるＧＤｉの平均値である。

次いで、Ｓ６の処理で推定された溶接線Ｌの信頼度ｋ１を、Ｓ８の処理により算出した標準偏差δ１から、次の数３を用いて算出する。

数３において、ｎ１とδｓ１とは、標準偏差δ１の値に対して算出される信頼度ｋ１を調整するための調整用パラメータである。ここで、標準偏差δ１が小さいほど、即ち、Ｓ４の処理により検出された溶接線Ｌの位置を示す複数の点ＬＤのばらつきが小さいほど、Ｓ６の処理で推定された溶接線Ｌの信頼度が高いとして、数３により算出される信頼度ｋ１が１に近づく。一方、標準偏差δ１が大きいほど、即ち、Ｓ４の処理により検出された溶接線Ｌの位置を示す複数の点ＬＤのばらつきが大きいほど、Ｓ６の処理で推定された溶接線Ｌの信頼度が低いとして、数３により算出される信頼度ｋ１が０に近づく。

次いで、Ｓ７の処理で推定されたガイド線Ｇの信頼度ｋ２を、Ｓ９の処理により算出した標準偏差δ２から、次の数４を用いて算出する。

数４において、ｎ２とδｓ２とは、標準偏差δ２の値に対して算出される信頼度ｋ２を調整するための調整用パラメータである。ここで、標準偏差δ２が小さいほど、即ち、Ｓ５の処理により検出されたガイド線Ｇの位置を示す複数の点ＧＤのばらつきが小さいほど、Ｓ７の処理で推定されたガイド線Ｇの信頼度が高いとして、数４により算出される信頼度ｋ２が１に近づく。一方、標準偏差δ２が大きいほど、即ち、Ｓ５の処理により検出されたガイド線Ｇの位置を示す複数の点ＧＤのばらつきが大きいほど、Ｓ７の処理で推定されたガイド線Ｇの信頼度が低いとして、数４により算出される信頼度ｋ２が０に近づく。

次いで、Ｓ７の処理にて算出されたガイド線Ｇと溶接線Ｌとの距離Ｔの信頼度ｋ３を、次の数５を用いて算出する。

数５において、Ｔｓは、上述した通り、ガイド線Ｇと溶接線Ｌとの距離の期待値である。また、ｎ３とｃとは、Ｓ７の処理にて算出されたガイド線Ｇと溶接線Ｌとの距離Ｔの値に対して算出される信頼度ｋ３を調整するための調整用パラメータである。ここで、Ｓ７の処理にて算出されたガイド線Ｇと溶接線Ｌとの距離Ｔが期待値Ｔｓに近いほど、その算出された距離Ｔの信頼度が高いとして、数５により算出される信頼度ｋ３が１に近づく。一方、Ｓ７の処理にて算出されたガイド線Ｇと溶接線Ｌとの距離Ｔが期待値Ｔｓと離れているほど、その算出された距離Ｔの信頼度が低いとして、数５により算出される信頼度ｋ３が０に近づく。

次いで、Ｓ１０〜Ｓ１２の処理により算出された各信頼度ｋ１，ｋ２，ｋ３を乗算して、トータルの信頼度ｋ（＝ｋ１×ｋ２×ｋ３）を算出する（Ｓ１３）。そして、Ｓ６の処理により算出されたずれ量Ｄに対し、Ｓ１３の処理により算出されたトータルの信頼度ｋを乗算して得られる量（ｋ×Ｄ）を、レーザ光Ｃの照射位置の位置補正量とし、ガルバノスキャナコントローラ１８へ出力する（Ｓ１４）。そして、位置補正処理を終了する。

ガルバノスキャナコントローラ１８は、コントローラ３０がＳ１４の処理によって出力した位置補正量を受信すると、その位置補正量を加味して、使用者より教示されていたワークＡの溶接線Ｌの位置を補正し、補正後のワークＡの溶接線Ｌの位置へレーザ光Ｃが照射されるよう、Ｘ軸変位モータ２０ａ及びＹ軸変位モータ２０ｂを駆動する。

以上のように、本実施形態におけるレーザ溶接装置Ｓによれば、コントローラ３０が位置補正処理を実行することにより、Ｓ１の処理によって撮像素子１７により撮像されたワークＡの画像より、レーザ光Ｃの照射位置ＣＳがＳ２の処理により検出され、また、溶接線Ｌの位置を示す複数の点ＬＤがＳ４の処理により検出される。そして、検出されたレーザ光Ｃの照射位置ＣＳと、複数点ＬＤから推定される溶接線Ｌの位置とのずれ量Ｄが、Ｓ６の処理により算出される。一方、溶接線Ｌの位置を示す複数の点ＬＤのばらつき（標準偏差δ１）に基づいて、溶接線Ｌの位置の信頼度ｋ１がＳ１０の処理により算出される。そして、その算出された溶接線Ｌの位置の信頼度ｋ１と、Ｓ６の処理により算出されたずれ量Ｄとに基づいて、レーザ光Ｃの照射位置ＣＳを補正するための位置補正量がＳ１４の処理により算出される。その算出された位置補正量に基づいて、レーザ光Ｃの照射位置ＣＳが、ガルバノスキャナコントローラ１８によって補正される。

ここで、ワークＡに傷が生じていたり、レーザ溶接によってワークＡ上にヒュームが発生したり、溶接線Ｌ上に所謂ダレがあったりすると、撮像したワークＡからの溶接線Ｌの位置の検出精度が劣化するおそれがある。よって、検出精度の悪い状態で検出した溶接線Ｌの位置をそのまま使用して、レーザ光Ｃの照射位置ＣＳの位置補正量を決定すると、かえって、レーザ光Ｃの照射位置が実際の溶接線Ｌからずれてしまうという問題点が生じ得る。

これに対し、本実施形態では、撮像されたワークＡの画像より検出される溶接線Ｌの位置を示す複数の点ＬＤのばらつきに基づいて溶接線Ｌの位置の信頼度ｋ１が算出され、撮像されたワークＡの画像より推定される溶接線Ｌの位置とレーザ光Ｃの照射位置ＣＳとのずれ量Ｄだけでなく、溶接線Ｌの位置の信頼度ｋ１をも考慮して、レーザ光Ｃの照射位置ＣＳを補正するための位置補正量が算出される。よって、撮像されたワークＡの画像より推定される溶接線Ｌの位置等の信頼度に応じて、レーザ光Ｃの照射位置の補正を適応的に調整できる。つまり、撮像されたワークＡの画像より推定される溶接線Ｌの位置等の信頼度が高い場合には、その推定された溶接線Ｌの位置に基づいて算出されたずれ量をほぼ位置補正量に反映させるのに対し、撮像されたワークＡの画像より推定される溶接線Ｌの位置等の信頼度が低い場合には、その推定された溶接線Ｌの位置に基づいて算出されたずれ量よりも位置補正量を小さくする。よって、撮像されたワークＡの画像より推定される溶接線Ｌの位置等の信頼度が低い場合に、位置補正によって、かえってレーザ光Ｃの照射位置が実際の溶接線Ｌよりもずれてしまうことを抑制でき、望ましい位置でレーザ溶接を可能とすることができる。

また、撮像されたワークＡの画像より、溶接線Ｌから距離Ｔｓだけ離れた場所に存在し得るガイド線Ｇの位置を示す複数の点ＧＤが、Ｓ５の処理により検出される。その検出された複数の点ＧＤから推定されるガイド線Ｇの位置と、Ｓ４の処理により検出された複数の点ＬＤから推定される溶接線Ｌの位置との距離Ｔと、その期待値である距離Ｔｓとの誤差が算出され、その誤差に基づいて算出された距離Ｔの信頼度ｋ３がＳ１２の処理により算出される。また、Ｓ５の処理により検出されたガイド線Ｇの位置を示す複数の点ＧＤのばらつき（標準偏差δ２）に基づいて、推定されたガイド線Ｇの位置の信頼度ｋ２がＳ１１の処理により算出される。そして、Ｓ１０〜Ｓ１２の処理により算出された各信頼度ｋ１，ｋ２，ｋ３と、Ｓ６の処理により算出されたずれ量Ｄとに基づいて、レーザ光Ｃの照射位置ＣＳを補正するための位置補正量がＳ１４の処理により算出される。これにより、撮像されたワークＡの画像より推定される溶接線Ｌの位置とレーザ光Ｃの照射位置ＣＳとのずれ量だけでなく、溶接線Ｌの位置の信頼度ｋ１と、ガイド線Ｇの位置の信頼度ｋ２と、ガイド線Ｇの位置と溶接線Ｌの位置との距離Ｔの信頼度ｋ３とをも考慮して、レーザ光Ｃの照射位置ＣＳを補正するための位置補正量が算出される。よって、各信頼度ｋ１〜ｋ３に応じて、レーザ光Ｃの照射位置ＣＳの補正を適応的に調整できるので、より望ましい位置でレーザ溶接を行うことができる。

また、ガイド線Ｇは、特徴点としてすぐに検出し易いワークＡの外縁に設けられるので、撮像素子１７により撮像された画像から容易に且つ精度よくガイド線Ｇを検出できる。

以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変形が可能であることは容易に推察できるものである。例えば、図１に、レーザ溶接装置Ｓの構成を示したが、そのレンズやミラーの配置は、レーザ溶接装置Ｓの構成によって適宜変更されてよい。また、図２に、本発明の一実施形態であるコントローラ３０の電気的構成を示したが、図３に示した処理を実現できるものであれば、その電気的構成は図２に示したものに何ら限定されるものではない。

また、上記実施形態では、Ｘ−Ｙ２軸のガルバノスキャナ２０を用いて、ワークＡに照射されるレーザ光Ｃの照射位置ＣＳを変位させるレーザ溶接装置Ｓについて説明したが、Ｘ−Ｙ−Ｚ３軸のガルバノスキャナを用いて、ワークに照射されるレーザ光の照射位置を変位させるレーザ溶接装置に対して、本発明を適用してもよい。また、多関節ロボットにレーザ光を照射するガルバノスキャナ又は単眼ヘッドを搭載し、多関節ロボットを移動させることで、ワークに照射されるレーザ光の照射位置を変位させるレーザ溶接装置に対して、本発明を適用してもよい。また、レーザ光を変位させるのではなく、ワークが設置されるテーブルをＸ−Ｙ２軸、Ｘ−Ｙ−Ｚ３軸又は５軸に移動させることで、ワークに照射されるレーザ光の照射位置を変位させるレーザ溶接装置に対して、本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態では、ワークＡに照射されるレーザ光Ｃの照射位置ＣＳを２次元に変位可能としたレーザ溶接装置に対して、本発明を適用した場合について説明したが、単眼ヘッドからワークに対してレーザ光を照射し、その単眼ヘッド又はワークが設置されるテーブルを一方向に移動させてレーザ溶接を行うレーザ溶接装置に対しても、本発明は適用可能である。この場合、検出されたワークの特徴点の位置と、教示された溶接線Ｌとに、ずれ量が検出されると、検出されたワークの特徴点の位置にレーザ光が照射されるように、ワークの溶接線方向に対して直角方向にレーザ光の照射位置を移動させるべく、位置補正量を算出してもよい。そして、その位置補正量に基づいて、単眼ヘッド又はテーブルを、溶接線方向に対して直角方向に移動させるようにしてもよい。

１０レーザ発振器
１７撮像素子（撮像手段）
１８ガルバノスキャナコントローラ（照射位置制御手段の一部）
２０ガルバノスキャナ（照射位置制御手段の一部）
３３ＲＡＭ（記憶手段）
Ａワーク（溶接対象物）
Ｃレーザ光
Ｇガイド線
Ｌ溶接線
Ｓレーザ溶接装置
Ｔ距離（推定距離）
Ｓ３（所定領域設定手段）
Ｓ４（溶接線検出手段）
Ｓ５（ガイド線検出手段）
Ｓ６（ずれ量算出手段）
Ｓ１０（溶接線信頼度算出手段）
Ｓ１１（ガイド線信頼度算出処理）
Ｓ１２（誤差算出手段、推定距離信頼度算出手段）
Ｓ１４（位置補正量算出手段）

Claims

溶接線に沿ってレーザ光を照射して溶接対象物の溶接を行うレーザ溶接装置であって、
レーザ光を出力するレーザ発振器と、
前記溶接線の位置を記憶する記憶手段と、
その記憶手段に記憶された前記溶接線の位置に基づいて、前記レーザ発振器より出力された前記レーザ光が前記溶接対象物に照射されるように制御する照射位置制御手段と、
前記溶接対象物の溶接面を撮像する撮像手段と、
その撮像手段により撮像された画像より前記レーザ光の照射位置を検出する照射位置検出手段と、
前記撮像手段により撮像された画像より前記溶接線の位置を複数点検出する溶接線検出手段と、
その溶接線検出手段により検出された複数点から推定される前記溶接線の位置と、前記照射位置検出手段により検出された前記レーザ光の照射位置とのずれ量を算出するずれ量算出手段と、
前記溶接線検出手段により複数点検出された前記溶接線の位置のばらつきに基づいて、その検出された前記溶接線の位置の信頼度を算出する溶接線信頼度算出手段と、
その溶接線信頼度算出手段により算出された前記溶接線の位置の信頼度と、前記ずれ量算出手段により算出された前記ずれ量とに基づいて、前記レーザ光の照射位置を補正するための位置補正量を算出する位置補正量算出手段と、を備え、
前記照射位置制御手段は、前記位置補正量算出手段により算出された前記位置補正量に基づいて、前記記憶手段に記憶された前記溶接線の位置に基づく前記レーザ光の照射位置を補正することを特徴とするレーザ溶接装置。
前記撮像手段により撮像された画像より、前記溶接線から所定距離離れた場所に存在し得るガイド線の位置を複数点検出するガイド線検出手段と、
そのガイド線検出手段により検出された複数点から推定される前記ガイド線の位置と前記溶接線検出手段により検出された複数点から推定される前記溶接線の位置との距離である推定距離と、前記所定距離との誤差を算出する誤差算出手段と、
前記ガイド線検出手段により複数点検出された前記ガイド線の位置のばらつきに基づいて、その検出された前記ガイド線の位置の信頼度を算出するガイド線信頼度算出手段と、
前記誤差算出手段により算出された誤差の大きさに基づいて、前記推定距離の信頼度を算出する推定距離信頼度算出手段と、を備え、
前記位置補正量算出手段は、前記溶接線信頼度算出手段により算出された前記溶接線の位置の信頼度と、前記ガイド線信頼度算出手段により算出された前記ガイド線の位置の信頼度と、前記推定距離信頼度算出手段により算出された前記推定距離の信頼度と、前記ずれ量算出手段により算出された前記ずれ量とに基づいて、前記レーザ光の照射位置を補正するための位置補正量を算出することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。
前記ガイド線は、前記溶接対象物の外縁に設けられることを特徴とする請求項２記載のレーザ溶接装置。
これから溶接が行われると想定される領域に、所定形状の所定領域を設定する所定領域設定手段を備え、
前記溶接線検出手段は、前記所定領域設定手段により設定された前記所定領域内に含まれる前記溶接線の位置を、前記撮像手段により撮像された画像より検出することを特徴とする請求項１記載のレーザ溶接装置。
これから溶接が行われると想定される領域に、所定形状の所定領域を設定する所定領域設定手段を備え、
前記溶接線検出手段は、前記所定領域設定手段により設定された前記所定領域内に含まれる前記溶接線の位置を、前記撮像手段により撮像された画像より検出し、
前記ガイド線検出手段は、前記所定領域設定手段により設定された前記所定領域内に含まれる前記ガイド線の位置を、前記撮像手段により撮像された画像より検出することを特徴とする請求項２又は３記載のレーザ溶接装置。