JPH05200576A

JPH05200576A - 視覚案内レ―ザ溶接

Info

Publication number: JPH05200576A
Application number: JP15162892A
Authority: JP
Inventors: David G Tashjian; デビット・ジョージ・タッシュジアン; Shawn K Murphy; ショーン・ケリー・マーフィー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1991-06-14
Filing date: 1992-06-11
Publication date: 1993-08-10
Anticipated expiration: 2012-05-21
Also published as: EP0518658A2; JP2612131B2; US5168141A; EP0518658A3

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】連続した溶接部位においてレ―ザ・ビ―ムを
正確・精密に位置決めし、複数の部品を接合し複雑な組
立て品とするための方法と装置を提供する。【構成】ＴＶカメラ２２で各溶接点を検査し、そのビ
デオ出力をフレームグラバメモリ２８中に画素データと
して記憶する。この画素データをアルゴリズムに従って
コンピュータ３４で処理し、像に表わした溶接部位の最
適な溶接点の位置をカメラ視野内のレーザビーム中心線
に対して定めた後、Ｘ−Ｙ位置決めテーブル２０の位置
を調整して工作物１８の細かい位置を決定すると共に最
適の溶接点をレーザビーム中心線１６に合わせて精密に
配列させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はレ―ザ溶接に係り、特
に、連続した溶接部位においてレ―ザ溶接ビ―ムを正確
・精密に位置決めして、複数の部品を接合し複雑な組立
て品とするための方法と装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】多数の部品を互いに溶接して寸法公差と
物理的完全性の要求が厳しい複雑な組立て品を形成する
必要がある製造作業はいくつもある。そのような組立て
品のひとつは、本出願人に譲渡されているマツナ―(Mat
zner）らの米国特許第４，５０８，６７９号に開示され
ている構造の核燃料バンドルスペ―サである。これらの
スペ―サは、各々長さが約１．２インチ、直径が０．６
４インチ、壁厚が約０．０２５インチの複数の管状セル
すなわちフェル―ルからなっている。これらのフェル―
ルはマトリックス状に配列され、隣接するフェル―ルの
周辺の接触点は突合せ溶接によって接合される。各フェ
ル―ルの穴はバンドルの細長い燃料棒を受容する通路と
なる。燃料棒は、フェル―ルの穴の中で、弾性のあるス
プリングと、フェル―ルの上端および下端の近くに一体
的に形成された対向ストップとの間で心出しされて側部
で支持されている。もしレ―ザビ―ムが、フェル―ルの
上端と下端の間の実際の周辺接点で構成される溶接部位
上で正確に心出しされないと、溶込み不良のために許容
できない突合せ溶接が起こる。また、レ―ザビ―ムが中
心から外れているとフェル―ル端の下にある燃料棒心出
し用スプリングに当たって損傷を与えることがあり得
る。いずれの場合も得られるスペ―サは許容できないも
のであり、廃棄処分にしなければならない。

【０００３】

【発明の概要】したがって、本発明の主たる目的は、レ
―ザ溶接ビ―ムを迅速に心出しすることにより一連の溶
接部位に合わせて、多数の部品を接合して組立てる高品
質の溶接を迅速・自動的に達成するための方法と装置を
提供することである。このために、本発明の装置は、Ｘ
−Ｙ位置決めテ―ブル上にあって溶接すべき部位を複数
個もっている工作物の上に、高度集中レ―ザ溶接ビ―ム
を集束させるためのヘッドを有するレ―ザ溶接機を含ん
でいる。位置決めテ―ブルは、あらかじめ決定された公
称溶接部位位置の地図に従ってＣＮＣコントロ―ラによ
り作動させられて、レ―ザビ―ムに対して公称溶接位置
に各溶接部位を連続的に配置する。バックライト光源に
よって各溶接部位のシャ―プな像を公称溶接位置に形成
し、これをカメラによりレ―ザビ―ム光学を介して検査
する。この溶接部位の像は、最適な溶接点位置決定アル
ゴリズムに従ってコンピュ―タ処理するための画素像デ
―タとしてフレ―ムグラバに記憶させられる。このアル
ゴリズムにより、コンピュ―タは溶接部位にすぐ隣接す
る工作物の幾何学的特徴を突止め、これらの突止めた特
徴をもとにして、レ―ザビ―ムの中心線の位置と対比し
て溶接部位の最適な溶接点の位置を定める。これに合わ
せて、コンピュ―タは次に、位置決めテ―ブルの位置を
ＣＮＣコントロ―ラによって微調整して、最適な溶接点
をレ―ザビ―ムの中心線と正確に配列させる。

【０００４】この装置を校正するには、溶接部位によっ
て占められている同じ焦点面内で位置決めテ―ブル上に
固体のシ―ト金属試片を載せ、レ―ザビ―ムで燃焼させ
て試片に穴を開ける。次に、カメラ視野内における焼け
穴の質量中心の位置をコンピュ―タによって見つける。
その後コンピュ―タは、位置決めテ―ブルのひとつの軸
に沿って試片の位置を所定の距離だけ変え、次に別の軸
に沿って所定の距離だけ位置を変えるようにＣＮＣコン
トロ―ラに指令を出す。カメラ視野内におけるＸ軸およ
びＹ軸に沿った焼け穴の移動の長さ（画素で測定）と、
Ｘ軸およびＹ軸に沿った位置決めテ―ブル移動の所定の
距離との比をそれぞれとって、ＸおよびＹ校正定数を導
く。これらの定数は、溶接部位の最適な溶接点を位置合
せしてレ―ザビ―ムの中心線と正確に配列させる際にコ
ントロ―ラに入力する微細位置調整用ＸおよびＹ入力に
対する係数として機能する。

【０００５】したがって本発明は、構造、要素の組合
せ、部品の配列および一組の方法ステップの特徴（詳細
は後述する）を含んでおり、本発明の範囲は特許請求の
範囲に示されている。本発明の本質と目的を充分に理解
するには添付の図面に関する以下の詳細な説明を参照さ
れたい。

【０００６】

【詳細な説明】図１で明らかなように、本発明の影像に
よって案内されるレ―ザ溶接装置は、ビ―ム送出管１２
を有するコヒ―レント・ゼネラル・モデル(Coherent Ge
neralModel)Ｓ−５１型ＣＯ₂レ―ザのようなレ―ザ溶
接機１０を含んでおり、このビ―ム送出管を介してレ―
ザエネルギが集束ヘッド１４に向けられ、この集束ヘッ
ドからはＸ−Ｙ位置決めテ―ブル（全体を２０で示す）
上に固定された工作物１８に衝突する垂直に配向された
集中溶接ビ―ム１６が発せられる。電荷結合素子（ＣＣ
Ｄ）のようなＴＶカメラが集束ヘッド装着用ブラケット
２４に固定されていて、レ―ザビ―ムおよび一対の直角
反射プリズム２６の光路全体に渡って工作物を眺めるよ
うになっている。カメラのビデオシグナル出力はディジ
タル化され、通常のフレ―ムグラバ２８によって画素デ
―タとして記憶される。この画素デ―タは、溶接部位公
称位置地図３２からの粗いＸ−Ｙ位置決め指令に応答し
て作動するＣＮＣコントロ―ラ３０からのＸ−Ｙ位置決
め用入力情報に応答して位置決めテ―ブル２０によって
カメラの視野（ＦＯＶ）内に配置された工作物の多くの
溶接部位のうちのひとつの二次元像を表わしている。以
下に記載するように、コンピュ―タ３４は、フレ―ムグ
ラバに記憶された画素デ―タを処理して、レ―ザビ―ム
中心線に関して最適な溶接部位上の溶接点の位置を定
め、最適な溶接点をレ―ザ溶接ビ―ム１６の中心線と正
確に配列させるための細かいＸ−Ｙ位置決めデ―タ入力
情報を生成する。

【０００７】以下の説明上、工作物１８として、前記マ
ツナ―(Matzner）らの米国特許に開示されている構造の
核燃料バンドルスペ―サを想定する。すなわち、工作物
は目の詰まったマトリックス上に配列・固定された一組
のフェル―ルの形態である。本発明の目的は、フェル―
ルを突合せ溶接して結合した組立て品にする前に、溶接
部位として、隣接する各対のフェル―ルの外端上の最近
接正接点を可視的に突止め、各溶接部位に対して最適な
溶接点を定め、次いで各々の最適溶接点をレ―ザ溶接ビ
―ムの中心線と正確な配列関係に案内（誘導）すること
である。カメラ２２で検査する各溶接部位のシャ―プな
像を得るために、光パネル３６、好ましくは半導体ファ
イバオプティック構造の光パネルによってスペ―サの背
後から照らす。カメラの視角は多数の溶接部位を含む平
面に垂直であるので、このバックライトは集束ヘッド１
４によって確立されたレ―ザビ―ム１６の適当な焦点に
おける各溶接部位の正確な像を投じる。実質的な像コン
トラストのために、最適な溶接点の正確な位置決めの規
定に従ってコンピュータ３４による各溶接部位における
フェル―ルの上端の非常に正確な位置決めが可能にな
る。

【０００８】必要な精度を確保するためにはカメラＦＯ
Ｖの中にレ―ザビ―ムの中心線の位置を参照しなければ
ならず、フレ―ムグラバメモリに記憶された画像デ―タ
の寸法単位と位置決めテ―ブルの寸法単位との間の関係
を校正しなければならない。すなわち、本発明の重大な
一局面によると、厚さ約１０ミルの固体の金属シ―トす
なわち試片（図示してない）を、スペ―サの溶接部位が
占めることになるのと同じ焦点面内の位置決めテ―ブル
上に載せる。次に、この試片をレ―ザ溶接機１０で焼い
て小さい穴を開け、この焼け穴を含むカメラのＦＯＶ内
のこの穴の像をフレ―ムグラバメモリに記憶させる。記
憶された画素デ―タをコンピュ―タ３４で処理して、穴
の質量中心の正確な位置を画素座標位置（Ｘ₁、Ｙ₁）
で特定する。次に、カメラＦＯＶのレ―ザビ―ム中心線
を特定する。コンピュ―タは次にＣＮＣコントロ―ラ３
０にＸ軸に沿って試片を所定のミル数（Ｎ）だけ動かす
ように指令を出し、穴の質量中心の新しいＸ軸位置座標
Ｘ₂を突止める。Ｘ軸校正定数ＫＸはコンピュ―タによ
り次式に従って計算される。

【０００９】ＫＸ＝（Ｘ₁−Ｘ₂）／Ｎ画素／ミル次にコンピュ―タはＣＮＣコントロ―ラに対して試片を
Ｙ軸に沿ってＮミル動かすように指令を出し、穴の質量
中心の新しいＹ軸位置座標Ｙ₂を特定する。Ｙ軸校正定
数ＫＹは次式で計算される。ＫＹ＝（Ｙ₁−Ｙ₂）／Ｎ画素／ミルこの校正アルゴリズムの結果、カメラＦＯＶ内における
レ―ザビ―ム中心線の位置を特定し、位置決めテ―ブル
のＸ−Ｙ座標系を記憶されたＦＯＶ画像のＸ−Ｙ座標系
に対して校正する。次に、カメラ光学の倍率およびＦＯ
Ｖのアスペクト比に対しても装置の校正をする。レ―ザ
ビ―ムは時間と共にドリフトする傾向があるので、この
校正手順は、カメラＦＯＶ内のその中心線位置を再度特
定するために度々繰返さなければならないであろう。

【００１０】あるひとつの溶接部位に最適な溶接点を決
定する際の装置の作動を説明するために図２を参照す
る。図２は、図１の溶接部位公称位置地図３２からのＸ
−Ｙ位置決め入力情報に応答してＣＮＣコントロ―ラに
よってカメラＦＯＶ中に粗く配置された溶接部位４０を
含むＦＯＶの画素像を示している。カメラＦＯＶの大き
さは２００平方ミル程度であり、これは核燃料バンドル
スペ―サの場合ひとつの溶接部位を覆うには充分であ
る。図２から明らかなように、溶接部位４０は、隣接す
るフェル―ル４２と４４の外周表面がそれぞれの上端４
２ａおよび４４ａで互いに接触するかまたはほとんど接
触する関係にある領域、すなわち、隣接するふたつのフ
ェル―ルの外端上の最近接正接点を含む領域を含んでい
る。これらの近接正接点は接触しているのが理想的では
あるが、その間に隙間があってもその隙間があまり大き
過ぎない限り充分に満足な突合せ溶接継手を実現するこ
とができる。したがって、コンピュ―タはすべての隙間
をチェックして、所定の限界、たとえば２〜３ミルを越
えていれば作業を中止する。いったんスペ―サを取外し
て過大な隙間が再組立てによって治癒できるがどうか調
べる。

【００１１】本発明の最適溶接点配置アルゴリズムに従
ってコンピュ―タは、記憶された画素デ―タを処理して
上側のフェル―ル４２の内側の端上の最低点４６および
下側のフェル―ル４４の内側の端上の最高点４８を突止
める。点４６と４８のＸ軸画素座標とＹ軸画素座標の中
央点を計算して位置Ｐ１を定める。この位置を可能な最
適レ―ザ溶接点とする。

【００１２】この点Ｐ１が真の最適溶接点であるかどう
か確認するためには、Ｘ座標に沿ってＰ１点から左右に
固定された距離Ｍだけコンピュ―タで画素像デ―タを検
査して、フェル―ル４２の周縁上の点５０と５２および
フェル―ル４４の周縁上の点５４と５６を定める。点５
０と５４のＹ座標間の中点５８と、点５２と５６のＹ座
標間の中点６０とを定める。これらの中点５８と６０を
結ぶ直線を二分すると点Ｐ２が定まる。点Ｐ１とＰ２が
あらかじめ設定した製造公差内で一致すれば、すなわち
溶接部位４０内にあれば、点Ｐ１は最適の溶接点とされ
る。次に、Ｘ−Ｙ画素座標で最適な溶接位置を、たとえ
ば図２に１６ａで示したレ―ザビ―ム中心線の実際の位
置の画素座標と関連付けてビ―ムの位置と最適な溶接点
の位置との間の食違いを定める食違いまたは細かいＸ−
Ｙ位置決めデ―タを導く。この位置決めデ―タに校正定
数ＫＸおよびＫＹの係数をかけ、ＣＮＣコントロ―ラに
供給する。するとこのコントロ―ラがそれに応答して、
テ―ブルの細かい位置決めをして最適な溶接位置を図２
に１６で示したレ―ザビ―ムの中心線と正確に配列させ
る。その後、レ―ザ溶接機がレ―ザ溶接ビ―ムを発生さ
せてフェル―ルを互いに突合せ溶接する。溶接完了後、
溶接継手の像をフレ―ムグラバメモリに記憶させ、コン
ピュ―タに溶接継手を検査させて品質管理（ＱＣ）基準
３５（図１）を満たしているかどうか決定することがで
きる。

【００１３】溶接部位は、カメラＦＯＶ内の隣接するフ
ェル―ル対の関係を図２に示したのとは異なる関係にし
て、たとえば、Ｙ軸方向ではなくＸ軸に沿って並列に配
列して、粗く位置決めすることができるものと考えられ
る。その場合、最適な溶接点位置決めアルゴリズムは、
右側のフェル―ルの内側の端上の最も左の点と左側のフ
ェル―ルの内側の端上の最も右の点とを見出すことによ
って点Ｐ１を位置決めする。これらの最も端の点のＸ座
標とＹ座標との中点を計算してＦＯＶ内の点Ｐ１の位置
を決定する。次に、点Ｐ２の位置は、Ｙ軸に沿ったフェ
ル―ル間の領域を検査して、図２中の点５０、５２、５
４および５６に相当する必要な外側または周辺の端の点
を位置決めすることによって定められる。本発明によっ
て提供された最適な溶接点位置決めアルゴリズムの特徴
は、各溶接部位に対して独自の最適な溶接点を位置決め
することによって、フェル―ル自体およびフェル―ル相
互の相対位置における小さな幾何学的ばらつきのいずれ
も補償するものと理解されたい。

【００１４】各溶接継手の完了および場合によりそのＱ
Ｃ検査の後、連続する次の溶接部位を、溶接部位公称位
置地図３２からの粗い位置決めデ―タ入力情報に応答す
るＣＮＣコントロ―ラによってカメラＦＯＶ内に位置合
せした後映像により案内して溶接用のレ―ザビ―ムと正
確に配列させる。いかなるときにも最適の溶接位置が発
見または確認できないならば溶接を中止し、位置決めテ
―ブルからスペ―サを取外して検査する。問題が固定ま
たは組立ての際の矯正可能なエラ―であればそのスペ―
サは保存しておくことができる。そうでない場合にはス
ペ―サは廃棄するかまたはできるだけ再利用する。

【００１５】以上のことから明らかなように、本発明
は、多数の溶接部位において自動生産ラインベ―スで複
数のレ―ザ溶接を実施するための装置を提供する。各溶
接部位をレ―ザビ―ムに対して正確・最適な溶接位置に
光学的に案内する能力によって、常に高い品質の溶接継
手が確保される。したがって、溶接された許容可能な組
立て品のスル―プットは顕著に向上する。このように、
上記の詳細な説明で明らかになったものも含めて前記し
た本発明の種々の目的は確実に達成され、また、本発明
の範囲から逸脱することなく以上に開示した具体例に多
少の変更をなすことができるのであるから、ここに述べ
た詳細は例示であって限定の意味はないものと考えられ
たい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って構築された、視覚案内レ―ザ溶
接装置のブロック線図である。

【図２】図１の装置により画像に表わされた溶接部位の
平面図であり、溶接部位の最適な溶接点の位置を定める
ための好ましいアルゴリズムを示している。

【符号の説明】

１０レ―ザ溶接機、１４集束ヘッド、１６溶接ビ―ム、１８工作物、２０Ｘ−Ｙ位置決めテ―ブル、２２カメラ、２８フレ―ムグラバ、３０ＣＮＣコントロ―ラ、３２溶接部位公称位置地図、３４コンピュ―タ、４０溶接部位、４２、４４フェル―ル。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ショーン・ケリー・マーフィーアメリカ合衆国、ノース・カロライナ州、ウィルミントン、アクエリアス・ドライブ、529番

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】工作物上の溶接部位において精密な溶接
継手を実現するための方法であって、（Ａ）工作物をＸ
−Ｙ位置決めテ―ブル上に載せ、（Ｂ）レ―ザビ―ム集
束ヘッドを工作物に対して溶接関係に配し、（Ｃ）工作
物に対して画像形成関係にかつ集束ヘッドに対して固定
された関係にカメラを位置決めして、集束ヘッドから出
たレ―ザビ―ムの焦点がカメラの視野内に位置決めされ
るようにし、（Ｄ）工作物を位置合せして公称上の溶接
部位をカメラ視野内に位置決めし、（Ｅ）カメラ視野の
画像を画素デ―タフォ―マットに記憶させ、（Ｆ）画素
デ―タを点検して、溶接部位に隣接する工作物の構造的
特徴の、視野画像における位置を確認し、（Ｇ）構造的
特徴の位置から、カメラ視野内のレ―ザビ―ム中心線の
位置に対する溶接部位上の最適な溶接点の位置を突止
め、（Ｈ）工作物の位置を矯正して、溶接部位の最適な
溶接点をレ―ザビ―ムの中心線と心合せし、（Ｉ）レ―
ザビ―ムを発生させて溶接継手を実現することからなる
方法。
【請求項２】さらに、工程Ｄ〜Ｉを連続的に繰返して
工作物上の複数の溶接部位の各々で溶接継手を実現する
ことを含んでいる、請求項１記載の方法。
【請求項３】カメラが、集束ヘッドのレ―ザビ―ム光
学によって溶接部位を見る、請求項１記載の方法。
【請求項４】前記溶接点を突止める工程（Ｇ）が、
（１）第一の複数の確認された構造的特徴の位置から、
最適な溶接点に対する第一の位置を計算し、（２）前記
第一の最適な溶接点の位置に対する第二の複数の確認さ
れた構造的特徴の位置から、最適な溶接点に対する第二
の位置を計算し、（３）第二の最適な溶接点の位置が第
一の最適な溶接点の位置と実質的に一致するときに第一
の最適な溶接点の位置を真の最適な溶接点の位置として
受入れることを含んでいる、請求項３記載の方法。
【請求項５】さらに、背後から工作物を照らして、カ
メラによって見るために溶接部位の高コントラスト画像
を投じることを含んでいる、請求項３記載の方法。
【請求項６】さらに、（１）固体シ―ト材料の試片を
位置決めテ―ブル上に載せ、（２）レ―ザビ―ムを使用
して試片を焼いて穴を開け、（３）この焼け穴を含むカ
メラ視野の第一の画像を記憶させ、（４）記憶された画
像を点検して、カメラ視野内における焼け穴の質量中心
の位置、したがってレ―ザビ―ム中心線の位置を特定
し、（５）試片を位置決めテ―ブルのＸ軸に沿って所定
の距離だけ移動させて位置合せし、（６）焼け穴を含む
試片の第二の画像を記憶させ、（７）第二の画像を点検
して、カメラ視野内における焼け穴の質量中心の位置を
特定し、（８）試片を位置決めテ―ブルのＹ軸に沿って
所定の距離だけ移動させて位置合せし、（９）焼け穴を
含む試片の第三の画像を記憶させ、（１０）第三の画像
を点検して、カメラ視野内における焼け穴の質量中心の
位置を特定し、（１１）カメラ視野の記憶された画像の
画素寸法単位で表わしたＸおよびＹの焼け穴の質量中心
の移動長さと、位置決めテ―ブル寸法単位で表わしたＸ
およびＹの焼け穴の質量中心の移動長さとの比をとっ
て、ＸおよびＹ軸それぞれの校正定数を導くことからな
る校正手順を含んでいる、請求項３記載の方法。
【請求項７】工作物がマトリックス配列のフェル―ル
および複数の溶接部位を含む核燃料バンドルスペ―サで
あり、各フェル―ルが集束ヘッドおよびカメラに面する
端において隣接する一対のフェル―ル上に最近接正接点
を含んでいる、請求項３記載の方法。
【請求項８】工作物上の溶接部位において精密な溶接
継手を実現するための装置であって、（Ａ）工作物を支
持するＸ−Ｙ位置決めテ―ブルと、（Ｂ）レ―ザビ―ム
を工作物に向けさせる集束ヘッドを含むレ―ザ溶接機
と、（Ｃ）前記集束ヘッドに固定された関係で装着され
ており、視野内にレ―ザビ―ムの焦点があるカメラと、
（Ｄ）Ｘ−Ｙ位置決めテ―ブルコントロ―ラと、（Ｅ）
前記テ―ブルを位置合せして前記カメラの視野内で公称
上の溶接部位を位置決めするための粗い位置決め情報を
前記コントロ―ラに入力する手段と、（Ｆ）前記カメラ
のビデオ出力に応答して、溶接部位の画像を画素デ―タ
フォ―マットに記憶する手段と、（Ｇ）記憶された画素
デ―タを処理して、（１）前記カメラ視野内で溶接部位
に隣接する工作物の構造的特徴の位置を確認し、（２）
確認された構造的特徴の位置から、レ―ザビ―ムの中心
線の位置に対して最適な溶接部位上の溶接点の位置を計
算し、かつ（３）レーザビームによる溶接継手の実現に
先立って前記テ―ブルを位置合せして最適な溶接点をレ
―ザビ―ム中心線と心合せして位置決めするための細か
い位置決め情報を前記コントロ―ラに入力するためのコ
ンピュ―タとを組合せて含む、装置。
【請求項９】前記カメラが、前記集束ヘッドのレ―ザ
ビ―ム光学によって溶接部位を見るように位置決めされ
ている、請求項８記載の装置。
【請求項１０】さらに、前記コンピュ―タによる画素
デ―タの処理を制御して、（１）第一の複数の確認され
た構造的特徴の位置から、最適な溶接点の第一の位置を
計算し、（２）前記第一の最適な溶接点の位置に対して
第二の複数の確認された構造的特徴の位置から、最適な
溶接点の第二の位置を計算し、かつ（３）前記第一およ
び第二の最適な溶接点の位置が実質的に一致するときに
前記第一の最適な溶接点の位置を真の最適な溶接点の位
置として受入れる、ための最適な溶接点位置決定アルゴ
リズムを含んでいることを含んでいる、請求項９記載の
装置。