JPH06320294A - 接合線検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で被溶接物の接合線を高い精度で
検出することができ、被溶接物の接合線のトラッキング
を高精度で行なうことである。 【構成】 撮像装置５が、溶接の加工点１３から先行し
た接合線４上の観察点から溶接の加工進行方向に傾いた
光軸２５を有するレンズ３７，３８と、このレンズ３
７，３８の背後に配置されてそれにより結像した被溶接
物２，３の接合線４の像を撮影して画像信号に変換する
ＣＣＤカメラ１７と、このＣＣＤカメラ１７に入射する
溶接光を減衰させる干渉フィルタ１８，１９とを備え
る。また、第１照明装置６および第２照明装置７が被溶
接物２，３のワーク面に対してほぼ４５度の角度をなす
照明光軸４４を有して上記被溶接物２，３の接合線４を
照明し、撮像装置５によりこの接合線４を撮像して、そ
の位置を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接ロボット等の溶接
装置の溶接ヘッドとともにロボットアームに取り付けら
れ、レーザビーム等により互いに溶接される被溶接物の
接合線を検出する接合線検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、レーザビームを用いるレーザ溶
接は、レーザ光を非常に小さい領域に集束させてこの集
束領域にレーザ光のエネルギを集中させることにより、
被溶接物を溶接するものである。したがって、２つの被
溶接物を突き合わせて溶接（突合せ溶接）したり、重ね
合わせて溶接（重ね溶接）する場合、接合線検出装置に
より２つの被溶接物の接合線を検出し、その上にレーザ
ビームの上記集束領域が合致するようにレーザビームを
制御しなければならない。

【０００３】従来より、上記接合線検出装置としては、
接触式のセンサを用いて溶接すべき被溶接物の接合線を
検出するものや、予め入力したデータに基づいて被溶接
物の接合線を演算するもの等が一般に知られている。

【０００４】しかしながら、上記従来の接合線検出装置
においては、いずれのものも被溶接物を溶接装置に正確
に設定する必要があるため、溶接の段取りに多くの時間
と労力を必要とし、作業能率がわるいばかりでなく、溶
接する被溶接物の接合線の状況などにより、必ずしも所
定の位置にレーザビームが正確に照射されないので、信
頼性に欠けるといった問題があった。

【０００５】かかる問題を解消するため、接合線の溶接
部と接合線とを同時に工業用テレビジョンで監視し、得
られた映像信号に基づいて、レーザビームを制御するこ
とにより、接合線にならってレーザビームをトラッキン
グするようにした、接合線検出装置も提案されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、被溶接物を
レーザビームで溶接する場合、溶接部からは溶接光（プ
ラズマ光）が放射されるので、溶接部の照度は非常に高
い。このため、工業用テレビジョンを使用した上記従来
の接合線検出装置では、溶接光による工業用テレビジョ
ンの撮像部にハレーションや残像などが発生し、これら
ハレーションや残像により、安定してトラッキング線が
検出できない。このため、工業用テレビジョンにより接
合線を信頼性よく検出し、その検出情報に基づいて接合
線を高い精度でトラッキングすることが困難であるとい
った問題があった。

【０００７】本発明の目的は、従来の接合線検出装置に
おける上記問題を解消すべくなされたものであって、簡
単な構成で被溶接物の接合線を高い精度で検出すること
ができ、被溶接物の接合線のトラッキングを高精度で行
なうことができる信頼性の高い接合線検出装置を提供す
ることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１にかかる接合線検出装置は、溶接ヘッドと
ともにロボットアームに取り付けられ、被溶接物が溶接
されて接合される接合線を検出する接合線検出装置にお
いて、溶接の加工点から先行した接合線上の観察点から
溶接の加工進行方向に傾いた結像光軸を有する結像手段
と、この結像手段の背後に配置されてそれにより結像し
た被溶接物の接合線の像を撮影して画像信号に変換する
撮像手段と、この撮像手段に入射する溶接光を減衰させ
る溶接光減衰手段と、からなる観察手段を備える一方、
上記接合線を直角に横断する平面上に含まれるととも
に、被溶接物のワーク面に対してほぼ４５度の角度をな
す照明光軸を有して上記被溶接物の接合線を照明する接
合線照明手段を備えたことを特徴とする。

【０００９】上記目的を達成するため、請求項２にかか
る接合線検出装置は、請求項１記載の接合線検出装置に
おいて、上記溶接光減衰手段が同じ波長特性を有する２
以上のバンドパスフィルタからなることを特徴とする。

【００１０】上記目的を達成するため、請求項３にかか
る接合線検出装置は、請求項１または２記載の接合線検
出装置において、上記結像手段もしくは溶接光減衰手段
が上記結像光軸に対して傾いた光軸を有する光学平面を
持つことを特徴とする。

【００１１】上記目的を達成するため、請求項４にかか
る接合線検出装置は、請求項１から３のいずれか一記載
の接合線検出装置において、上記照明手段が光案内手段
とこの光案内手段によって形成される２次光源面が被照
明面に結像されるようにした照明光学系からなることを
特徴とする。

【００１２】上記目的を達成するため、請求項５にかか
る接合線検出装置は、請求項１から４のいずれか一記載
の接合線検出装置において、予め複数の画像処理アルゴ
リズムを記憶してなる画像処理アルゴリズム記憶手段
と、上記観察手段の撮像手段から入力する被溶接物の接
合線の像情報に基づいて被溶接物の接合の種類を判定
し、この判定結果と被溶接物の材質とに基づいて上記画
像処理アルゴリズム記憶手段に記憶された複数の画像処
理アルゴリズムから最適画像処理アルゴリズムを選択す
る最適画像処理アルゴリズム選択手段とを備える一方、
上記接合線照明手段が被溶接物の上記接合線を間にして
互いに反対側に配置されて上記接合線をその一側および
他側からそれぞれ照明する第１の接合線照明手段および
第２の接合線照明手段を備え、被溶接物の上記接合の種
類および被溶接物の上記材質に応じて上記第１の接合線
照明手段による照明、第２の接合線照明手段による照明
もしくはこれら両照明手段による照明のうちから最適な
照明を選択する照明選択手段を備えたことを特徴とす
る。

【００１３】上記目的を達成するため、請求項６にかか
る接合線検出装置は、溶接ヘッドとともにロボットアー
ムに取り付けられ、被溶接物が溶接されて接合される接
合線を検出する接合線検出装置において、溶接の加工点
から先行した接合線上の観察点から溶接の加工進行方向
に傾いた結像光軸を有する結像手段と、この結像手段の
背後に配置されてそれにより結像した被溶接物の接合線
の像を撮影して画像信号に変換する撮像手段と、この撮
像手段に入射する溶接光を減衰させる溶接光減衰手段
と、からなる観察手段を備える一方、上記接合線を直角
に横断する平面上に含まれるとともに、被溶接物のワー
ク面に対してほぼ４５度の角度をなす照明光軸を有して
上記被溶接物の接合線を照明する接合線照明手段と、接
合線を直角に横断する上記平面とワーク面との交線およ
び上記結像光軸により規定される面内に配置され、か
つ、上記結像光軸に対して傾斜した投射光軸を有するス
ポット光源を有し、このスポット光源からの光をワーク
面の上記観察点近傍に投射する点像投映手段とを備え、
上記ワークに投映されたスポット光源の点像の位置に基
づいてワークの上記観察点近傍と溶接ヘッドとの間の距
離を検出することを特徴とする。

【００１４】上記目的を達成するため、請求項７にかか
る接合線検出装置は、請求項６記載の接合線検出装置に
おいて、上記スポット光源が半導体レーザであることを
特徴とする。

【００１５】上記目的を達成するため、請求項８にかか
る接合線検出装置は、溶接ヘッドとともにロボットアー
ムに取り付けられ、被溶接物が溶接されて接合される接
合線を検出する接合線検出装置において、溶接の加工点
から先行した接合線上の観察点から溶接の加工進行方向
に傾いた結像光軸を有する結像手段と、この結像手段の
背後に配置されてそれにより結像した被溶接物の接合線
の像を撮影して画像信号に変換する撮像手段と、この撮
像手段に入射する溶接光を減衰させる溶接光減衰手段
と、からなる観察手段を備える一方、上記接合線を直角
に横断する平面上に含まれるとともに、被溶接物のワー
ク面に対してほぼ４５度の角度をなす照明光軸を有して
上記被溶接物の接合線を照明する接合線照明手段と、接
合線を直角に横断する上記平面とワーク面との交線およ
び上記結像光軸により規定される面内に配置され、か
つ、上記結像光軸に対して傾斜した投射光軸を有するス
ポット光源を有し、このスポット光源からの光をワーク
面の上記観察点近傍に投射する点像投映手段と、この点
像投映手段の上記スポット光源から出射した光のワーク
面の反射光を受けて上記スポット光源の点像を撮像手段
の接合線の上記撮像画面の一部に光学的に合成する点像
合成光学系とを備えたことを特徴とする。

【００１６】上記目的を達成するため、請求項９にかか
る接合線検出装置は、請求項８記載の接合線検出装置に
おいて、ワーク面上には、撮像手段により上記接合線が
観察される上記撮像手段の第１の観察領域およびワーク
に投映されたスポット光源の点像が観察される第２の観
察領域が存在し、上記スポット光源の点像が光学的に合
成される撮像画面の上記一部は、第１の観察領域の上記
加工点側に設けた第１の観察領域からの入射光の遮蔽領
域であることを特徴とする。

【００１７】

【発明の作用および効果】請求項１にかかる接合線検出
装置によれば、結像手段が溶接の加工点から先行した接
合線上の観察点から溶接の加工進行方向に傾いた結像光
軸を有しているので、被溶接物のワーク面による照明光
の鏡面反射光が入りにくく、ワーク面の傾き変化による
輝度変化を小さくすることができ、しかも、結像手段が
レーザヘッドとの干渉を避けて可能な限り加工点の近く
を観察することができるので、観察点に対する加工点の
ずれが小さくなり、加工点における被溶接物の接合線の
位置を高い精度で検出することができ、被溶接物の接合
線のトラッキングを高精度で行なうことができる。ま
た、接合線照明手段は、被溶接物のワーク面に対してほ
ぼ４５度の角度をなす照明光軸を有して被溶接物の接合
線を照明しているので、接合線照明手段の被溶接物にお
ける鏡面反射を避けトラッキング線を強調することがで
き、撮像手段には輝度の変化の少ない安定した接合線の
像が投射されて撮像手段からは安定した画像信号を得る
ことができる。

【００１８】請求項２にかかる接合線検出装置によれ
ば、溶接光減衰手段を構成する同じ波長特性を有する２
以上のバンドパスフィルタが溶接光の波長強度特性にお
いて強度が高い波長の溶接光を遮断するとともに、接合
線照明手段の波長強度特性のピーク付近の波長の光を透
過させるので、溶接光の透過率が下がるとともに透過帯
域が狭くなり、高価で傾いて取り付けられると波長特性
がずれる狭帯域のバンドパスフィルタに比較して、安価
で取扱いも容易なバンドパスフィルタを用いて、溶接光
と照明光とのＳ／Ｎ比を向上させることができる。

【００１９】請求項３にかかる接合線検出装置によれ
ば、結像手段もしくは溶接光減衰手段が結像光軸に対し
て傾いた光軸を有する光学平面を持っているので、溶接
光が結像手段もしくは溶接光減衰手段の表面から反射し
て観察領域内に投映されるのが避けられ、溶接が行われ
ている加工点のいわゆるゴーストが避けられ、観察画像
のコントラストが改善されるとともに、溶接光の強度変
化による画像信号への影響を改善することができる。

【００２０】請求項４にかかる接合線検出装置によれ
ば、照明手段が光案内手段とこの光案内手段によって形
成される２次光源面が被照明面に結像されるようにした
照明光学系からなるものであるので、光源の輝度むらが
光案内手段により平均化され、ワーク面の狭い観察領域
を輝度むらが少ない画像処理に適した状態で照明するこ
とができるばかりでなく、大きく、重く、かつ振動に弱
い光源部を溶接ヘッドから分離することができ、ロボッ
トアームの負担を軽減することができる。

【００２１】請求項５にかかる接合線検出装置によれ
ば、被溶接物の上記接合の種類および被溶接物の上記材
質に応じて、最適画像処理アルゴリズム選択手段が予め
記憶されている最適画像処理アルゴリズムを選択すると
ともに、照明選択手段が接合線を間にして互いに反対側
に配置されて接合線をその一側および他側からそれぞれ
照明する第１の接合線照明手段による照明、第２の接合
線照明手段による照明もしくはこれら両照明手段による
照明のうちから最適な照明を選択するので、被溶接物の
材質、平面状態、被溶接物の切断の際に切断端に生じる
エッジとアールの接合線における組合せ等の被溶接物の
状態に対応して、最良の状態で接合線を観察するととも
に、最適の画像処理を行うことができ、接合線の位置検
出精度が大幅に向上する。

【００２２】請求項６にかかる接合線検出装置によれ
ば、点像投映手段のスポット光源からの光をワーク面の
上記観察点近傍に投射し、ワークに投映されたスポット
光源の点像の位置に基づいてワークの上記観察点近傍と
溶接ヘッドとの間の距離を検出するので、この検出情報
に基づいて、被溶接物の傾きや浮き上がり等に溶接ヘッ
ドが追従でき、加工条件を守って加工品質を向上させる
ことができ、また、溶接ヘッドや接合線検出装置が被溶
接物に衝突して破損するのを防止することができる。

【００２３】請求項７にかかる接合線検出装置によれ
ば、スポット光源が半導体レーザであるので、スポット
光源をコンパクトに容易に実現することができる。

【００２４】請求項８にかかる接合線検出装置によれ
ば、点像合成光学系により点像投映手段のスポット光源
から出射した光のワーク面の反射光を受けてスポット光
源の点像が撮像手段の接合線の撮像画面の一部に光学的
に合成されるので、単純で安価な構成により、一つの撮
像手段で被溶接物の進行方向に直角な方向と被溶接物の
ワーク面の法線方向の二つの軸検出ができるにもかかわ
らず、ロボットアームへの取り付けの制約が増えること
がなく、しかも、一つの画像内に二つの情報があるので
一度に画像処理ができ、画像処理時間も一つの画像処理
の時間しか必要とせず、画像処理時間が短縮され、溶接
速度が速くなっても、接合線の位置を小さい間隔でサン
プリングすることができ、接合線のトラッキングを高精
度で行える。

【００２５】請求項９にかかる接合線検出装置によれ
ば、スポット光源の点像が光学的に合成される撮像画面
の一部は、第１の観察領域の加工点側に設けた第１の観
察領域からの入射光の遮蔽領域であるので、撮像画面を
無駄なく使用することができる。

【００２６】

【実施例】以下に、添付の図面を参照して本発明の実施
例を説明する。本発明にかかる接合線検出装置の一実施
例のセンサ光学ヘッド部の構成を図１に、図１において
加工用レーザノズルを除いたセンサ光学ヘッド部の構成
を図２にそれぞれ示す。また、センサ光学ヘッド部を構
成する構成要素の幾何学的な配置関係を図３に、全体の
システム構成を図４にそれぞれ示す。

【００２７】なお、以下では、溶接の加工進行方向をＸ
軸方向といい、また被溶接物のワーク面を含む平面にお
いて上記Ｘ軸方向に直角な方向をＹ軸方向といい、さら
に被溶接物のワーク面を含む上記平面に立てた法線の方
向をＺ軸方向という。

【００２８】上記センサ光学ヘッド部１は、図１および
図２に示すように、被溶接物２，３の接合線４を撮影し
てその上記Ｙ軸方向の位置を検出するＹ軸センサとして
の撮像装置５、接合線４を照明するための第１照明装置
６および第２照明装置７および上記被溶接物２，３と加
工用レーザノズル（溶接ヘッド）８との間の上記Ｚ軸方
向の距離を検出するためのＺ軸センサとしての点像投映
装置９を備える。

【００２９】上記撮像装置５は、図３において内周に斜
線を付して示した四角形状の被溶接物２，３のワーク面
における第１観察領域１１およびこの第１観察領域１１
内に含まれる接合線４を撮像する。なお、この第１観察
領域１１のレーザビーム１２が照射される加工点１３寄
りの端部領域１４には強度の強い溶接光が入射して反射
されるので、上記撮像装置５は、この端部領域１４から
の反射光のマスク領域１４としている。このマスク領域
１４からの反射光をマスクするための構成については、
後に図８とともに説明する。

【００３０】上記撮像装置５は、その具体的な構成の詳
細を図５に示すように、上記第１観察領域１１（図３参
照）を撮像するための結像レンズ１５、この結像レンズ
１５の背後に配置された結像レンズ１６、この結像レン
ズ１６の背後に配置されてそれにより結像した被溶接物
２，３の接合線４を含む上記第１観察領域１１の像が結
像する光電変換面（撮像画面）を有し、この結像した像
に対応する画像信号を出力するＣＣＤカメラ１７および
このＣＣＤカメラ１７に入射する溶接の加工点１３から
の溶接光を減衰させる２枚の干渉フィルタ１８，１９を
備える。

【００３１】上記結像レンズ１５，結像レンズ１６は、
干渉フィルタ１８，１９および加工点１３から入射する
赤外線をカットするための赤外カットフィルタ２１とと
もに、一つのレンズ鏡胴２２に組み込まれる。このレン
ズ鏡胴２２は主鏡胴２３の先端部に取り付けられる。こ
の主鏡胴２３の後端部には上記ＣＣＤカメラ１７が取り
付けられ、全体が一つの外装ケース２４内に収容され
る。上記干渉フィルタ１８，１９は、レンズ鏡胴２２内
にて結像レンズ１５に関して第１観察領域１１側に配置
されており、また、上記赤外カットフィルタ２１は、レ
ンズ鏡胴２２内にて上記結像レンズ１５に関してＣＣＤ
カメラ１７側に配置される。

【００３２】上記結像レンズ１５の光軸、結像レンズ１
６の光軸およびＣＣＤカメラ１７の軸が主鏡胴２３の光
軸に合致するように、レンズ鏡胴２２およびＣＣＤカメ
ラ１７が上記主鏡胴２３に取り付けられる。以下、主鏡
胴２３の上記光軸を撮像装置５の光軸２５という。

【００３３】２枚の上記干渉フィルタ１８，１９は、各
々が互いに同じ透過波長特性を有するバンドパスフィル
タであり、溶接光の波長強度特性において強度が強い波
長の溶接光の成分を遮断するとともに、第１照明装置６
および第２照明装置７（図１および図２参照）の波長強
度特性のピーク付近の光を透過させる光透過特性を有す
る。

【００３４】このような光透過特性を有する２枚の干渉
フィルタ１８，１９を重ねて使用するのは、これら干渉
フィルタ１８，１９により強度の強い波長の溶接光の通
過が阻止されるのに対して、第１照明装置６および第２
照明装置７の第１観察領域１１（図３参照）からの入射
光のピーク付近の光が透過し、溶接光と照明光とのＳ／
Ｎ比が向上するからである。

【００３５】また、上記のような光の透過特性を有する
２枚の干渉フィルタ１８，１９を重ねて使用すると、高
価でありしかも傾いて取り付けられると波長特性がずれ
る狭帯域のバンドパスフィルタに比較して、安価で取扱
いも容易になる。

【００３６】なお、２枚の上記干渉フィルタ１８，１９
は、図５に示すように、その光軸が撮像装置５の光軸２
５に対して傾いた状態でレンズ鏡胴２２に取り付けられ
る。これは、溶接光が上記干渉フィルタ１８，１９の表
面から反射して第１観察領域１１（図３参照）内に投映
され、この第１観察領域１１内でのこの反射光が加工点
１３のいわゆるゴーストとしてＣＣＤカメラ１７に入射
して撮影されるのを避けるためである。この構成によ
り、観察画像のコントラストが改善されるとともに、溶
接光の強度変化による画像信号への影響も改善される。

【００３７】また、上記ゴーストを避けるために、撮像
装置５の上記光軸２５に対して傾いた別の光学平面を設
けてもよい。

【００３８】撮像装置５は、その上記外装ケース２４に
て、支持部材２６（図１および図２参照）により、図示
しないレーザ溶接装置のロボットアームの加工用レーザ
ノズル８の支持部に固定される。このとき、撮像装置５
は、その上記光軸２５が、図５に示すように、加工点１
３から距離ｄ₁だけ先行した第１観察領域１１の中心点
（観察点）２７から、この中心点２７において立てた被
溶接物２，３のワーク面の法線（Ｚ軸）に対して上記加
工進行方向に角度θ₁傾斜して、上記ロボットアームの
加工用レーザノズル８の上記支持部に支持される。

【００３９】撮像装置５を上記のように傾斜させて支持
するのは、次の理由による。すなわち、レーザビーム１
２が被溶接物２，３の接合線４を正確にトラッキングし
つつ被溶接物２，３を溶接するためには、理想的には、
撮像装置５の第１観察領域１１の中心点２７を現在の加
工点１３の位置に合致させて撮像装置５により現在の加
工点１３を検出し、この検出位置に基づいて加工用レー
ザノズル８を制御するのが最も好ましい。しかしなが
ら、撮像装置５を加工用レーザノズル８とともに溶接装
置のロボットアームに取り付ける場合、撮像装置５が加
工用レーザノズル８と干渉するとともに、現在の加工点
１３の位置からは強い溶接光が出ているので、撮像装置
５により現在の加工点１３を撮像してその位置を検出す
ることは困難である。

【００４０】そこで、本実施例では、上記中心点２７が
加工点１３に先行してこの加工点１３にできるだけ近い
位置にあり、しかも、上記溶接光の影響ができるだけ及
ばない領域を、第１観察領域１１として設定するため
に、撮像装置５を上記のように傾斜させて支持してい
る。また、撮像装置５を傾斜させて支持することによ
り、被溶接物２，３の僅かの傾き変化によっても輝度が
著しく変化する照明光のワーク面における鏡面反射光が
撮像装置５に入射することがない。本実施例では、上記
距離ｄ₁は６ｍｍに設定され、また、上記角度θ₁は２７
度に設定される。

【００４１】撮像装置５の上記外装ケース２４には、レ
ーザ溶接に伴って加工点１３で発生する金属蒸気から上
記干渉フィルタ１８，１９を防護するため、上記レンズ
鏡胴２２の前方部分に防護カバー３１を設けるととも
に、上記外装ケース２４の前部にドライエアー噴出装置
３２を設けている。そして、このドライエアー噴出装置
３２により、上記防護カバー３１の側方から上記防護カ
バー３１の面に沿ってドライエアーを噴出し、防護カバ
ー３１に上記金属蒸気が蒸着するのを防止している。

【００４２】一方、被溶接物２，３の接合線４を照明す
る第１照明装置６および第２照明装置７は、被溶接物
２，３のワーク面上に光源の像を形成する、いわゆるク
リティカル照明を行うものである。第１照明装置６は、
図６に示すように、レンズケース３６内に２枚の照明レ
ンズ３７，３８が配置されるとともに、レンズケース３
６に設けたライトガイド挿入部３９に、たとえばグラス
ファイバ製もしくは樹脂製のライトガイド４１の一端が
接続される。また、このライトガイド４１の他端には、
図示しない光源の光が入射する。第２照明装置７も第１
照明装置６と同じ構成を有する。

【００４３】被溶接物２，３の接合線４の照明を、上記
のようにクリティカル照明により行なうのは次の理由に
よる。すなわち、クリティカル照明は、一般に、光源の
像を観察物体上に形成する照明法であるので、光源に輝
度むらがあると、その通りに観察物体上にも照明むらが
でるという欠点を有している。しかしながら、本実施例
では、光源（図示せず。）と照明レンズ３７，３８との
間にライトガイド４１があるので、このライトガイド４
１により光源の輝度むらは平均化され、この平均化によ
り、被溶接物２，３上での輝度むらが少なく画像処理に
適した照明が行われるからである。また、第１照明装置
６および第２照明装置７は、ライトガイド４１により、
重量が大きく振動に弱い光源と分離されているので、ロ
ボットアームの負担が軽減される。

【００４４】２枚の上記照明レンズ３７，３８のうち、
ライトガイド４１の上記一端と反対側の照明レンズ３７
の前には、撮影装置５と同様に、レーザ溶接に伴って加
工点１３で発生する金属蒸気から上記照明レンズ３７を
防護するため、上記レンズケース３６の前方部分に防護
カバー４２を設けている。また、上記レンズケース３６
の前部に取り付けたドライエアー噴出装置４３により、
防護カバー４２の側方から防護カバー４２の面に沿って
ドライエアーを噴出し、防護カバー４２に上記金属蒸気
が蒸着するのを防止している。

【００４５】上記第１照明装置６および第２照明装置７
は、図３および図６に示すように、その各照明光軸４４
が第１観察領域１１の中心点２７を含んで被溶接物２，
３の接合線４を直角に横断する平面４５上にあり、か
つ、Ｚ軸方向に対して角度θ₂およびθ₃、すなわち、被
溶接物２，３のワーク面に対してθ₂およびθ₃の角度を
なして、上記被溶接物２，３の接合線４をその側方斜め
上方から照明する。本実施例では、θ₂＝θ₃＝４５度に
設定される。このように、接合線４をその側方斜め上方
から照明すると、第１照明装置６および第２照明装置７
の被溶接物２，３のワーク面における輝度変化の大きい
鏡面反射光が撮像装置５に入射することがなく、撮像装
置５には輝度の変化の少ない光が入射し、かつ、接合線
を強調できる。

【００４６】上記第１照明装置６および第２照明装置７
による照明は、後述するように、図１０にその一例を示
すように、突合せ溶接であるか重ね溶接であるかの被溶
接物２，３の接合の種類、被溶接物２，３の材料および
被溶接物２，３の突合せもしくは重ねの際の切断端にお
けるアール（Ｒ）とエッジ（Ｅ）との組合せに応じて、
（１）接合線４の右斜め上方および左斜め上方からの同
時照明、（２）右斜め上方からの片側照明、（３）左斜
め上方からの片側照明のいずれかから最適な照明法が選
択される。

【００４７】なお、上記第１０図においてあげた材料
は、画像処理上問題となるその表面の性状が代表的な性
状を有するものである。すなわち、ＳＰＣＣ（冷間圧延
鋼板）は、その表面に画像処理上じゃまになる細かい凹
凸を有する。ＳＵＳ（ステンレス鋼板）は、その表面が
比較的滑らかで鏡面状である。ボンデ鋼板（亜鉛メッキ
鋼板）はＳＰＣＣとＳＵＳの中間の表面性状を有する。

【００４８】上記第１照明装置３６および第２照明装置
３７は、撮像装置５とともに支持部材２６（図１および
図２参照）に取り付けられ、この支持部材２６により、
上記の関係を満すように、図示しないレーザ溶接装置の
ロボットアームの加工用レーザノズル８の支持部に取り
付けられて支持される。

【００４９】点像投映装置９は、図７に示すように、ス
ポット光源として半導体レーザ５１を備える。この半導
体レーザ５１は、図３に示すように、被溶接物２，３の
接合線４を直角に横断する上記平面４５（図３参照）と
ワーク面との交線（Ｙ軸）および撮像装置５の光軸２５
により規定される面５２内に配置され、かつ、上記光軸
２５に対して角度θ₄傾斜した投射光軸５３を有する。
本実施例では、この角度θ₄は、３０度に設定される。

【００５０】上記半導体レーザ５１からのレーザ光は、
被溶接物２，３のワーク面に対する加工用レーザノズル
８のＺ軸方向の距離が規定の値を有しているときは、上
記Ｙ軸上にて、被溶接物２，３のワーク面の第１観察領
域１１の中心点２７から、所定の距離ｄ₂離れた投射位
置５４に投射される。この投射位置５４は、次に説明す
るように、被溶接物２，３のワーク面と加工用レーザノ
ズル８との間の距離を検出するための四角形状の第２観
察領域４７の中心点に合致する。本実施例では、上記距
離ｄ₂は４ｍｍに設定される。

【００５１】上記点像投映装置９は、その投射光軸５３
が上記のように傾斜しているので、被溶接物２，３のワ
ーク面が湾曲していたり傾斜していたりすると、このワ
ーク面における上記点像投映装置９のレーザ光の投射位
置が変化する。したがって、このレーザ光の投射位置を
検出することにより、上記ワーク面と加工用レーザノズ
ル８との間の距離を検出することができる。

【００５２】上記点像投映装置９の半導体レーザ５１の
前部には、撮影装置５と同様に、レーザ溶接に伴って加
工点１３で発生する金属蒸気から上記半導体レーザ５１
を防護するため、前方部分に防護カバー５５を設けてい
る。また、上記点像投映装置９の半導体レーザ５１の前
部に取り付けたドライエアー噴出装置５６により、防護
カバー５５の側方から防護カバー５５の面に沿ってドラ
イエアーを噴出し、防護カバー５５に上記金属蒸気が蒸
着するのを防止している。

【００５３】上記点像投映装置９は、図７に示すよう
に、その投射光軸５３が上記関係を有して、外装ケース
５７に設けられた取付部材５８により、撮像装置５の外
装ケース２４に固定される。

【００５４】上記点像投映装置９の上記半導体レーザ５
１から出射した光が投射される第２観察領域４７の像
は、図８に示すように、撮像装置５のＣＣＤカメラ１７
の光電変換面６１における第１観察領域１１の像が投映
される投映領域６２のうち、第１観察領域１１のマスク
領域１４に相当するマスク相当領域６３に、以下に説明
する点像合成光学系により、合成される。

【００５５】上記図８は、撮像装置５における光軸２
５、第１観察領域１１の中心点２７からＣＣＤカメラ１
７の光電変換面６１に至る光路６４、マスク領域１４か
らＣＣＤカメラ１７の光電変換面６１のマスク相当領域
６３に至る光路６５および上記点像合成光学系の光路６
６を示している。

【００５６】上記第１観察領域１１の中心点２７からの
光は、上記光路６４に沿い、図５において説明した干渉
フィルタ１８，１９、結像レンズ１６等を透過し、第１
の絞り部材６７の絞り穴６８を通過したのち、第２の絞
り部材６９の絞り穴７１を通過し、ＣＣＤカメラ１７の
光電変換面６１における上記第１観察領域１１の像の投
映領域６２に入射する。

【００５７】これに対し、上記第１観察領域１１の加工
点１３寄りのマスク領域１４からの光は、上記光路６５
に沿い、干渉フィルタ１８，１９、結像レンズ１６等を
透過したのち、第１の絞り部材６７の絞り穴６８は通過
するが、第２の絞り部材６９により遮断され、ＣＣＤカ
メラ１７の光電変換面６１には入射しない。

【００５８】一方、半導体レーザ５１からのレーザビー
ムの投射位置５４からの反射光は、光路６６に沿い、干
渉フィルタ１８，１９、結像レンズ１６等を透過したあ
と、第１の絞り部材６７に設けたウエッジプリズム７２
を透過し、さらに、第２の絞り部材６９に設けたいま一
つのウエッジプリズム７３を透過して、ＣＣＤカメラ１
７の光電変換面６１における上記マスク相当領域６３に
入射する。

【００５９】これにより、上記ＣＣＤカメラ１７の光電
変換面６１上には、マスク相当領域６３を除く第１観察
領域１１内の像と第２観察領域４７内の像が形成され、
ＣＣＤカメラ１７からは、これら第１観察領域１１内の
像と第２観察領域４７内の像とが合成された１つの画像
信号が出力する。したがって、ＣＣＤカメラ１７の光電
変換面６１から出力する画像信号の１フレームの時間
（３３ｍｓ）内に、溶接すべき溶接線４のＹ軸方向の位
置情報およびＺ軸方向の両情報が得られることになり、
画像情報処理の負担が軽減されるとともに、画像情報処
理時間が短くなる。

【００６０】上記のように、画像情報処理時間が短いこ
とは、被溶接物２，３を高速に溶接する、レーザ溶接の
場合に特に有利である。たとえば、溶接速度が５ｍ／ｍ
ｉｎ，３．０ｍ／ｍｉｎ，２．０ｍ／ｍｉｎ，１．５ｍ
／ｍｉｎおよび１．０ｍ／ｍｉｎでは、ＣＣＤカメラ１
７の１フレームの時間（３３ｍｓ）内に、溶接がそれぞ
れ２．７８ｍｍ，１．６７ｍｍ，１．１１ｍｍ，０．８
３ｍｍおよび０．５６ｍｍ進行することになる。したが
って、本実施例では、溶接速度が５ｍ／ｍｉｎであって
も、２．７８ｍｍ間隔で接合線４の位置をサンプリング
することができることになる。

【００６１】被溶接物３のワーク面における第１観察領
域１１および第２観察領域４７と、ＣＣＤカメラ１７の
光電変換面６１との関係を図９に示す。

【００６２】上記ＣＣＤカメラ１７の光電変換面６１に
は、マスク相当領域６３とともに、幅がａ₁の第１画像
処理エリア７４およびこの第１画像処理エリア７４から
距離ｆをおいて幅がａ₂の第２画像処理エリア７５が設
定されている。上記光電変換面６１の中心線Ｘｉが第１
観察領域１１の中心線であるＸ軸に対応する。

【００６３】被溶接物２，３の接合線４の位置のＹ軸方
向の位置は、たとえば第１画像処理エリア７４および第
２画像処理エリア７５のマスク相当領域６３側の各辺と
上記中心線Ｘｉとの各交点と、接合線４の像４ｉと上記
各辺との交点との間の距離Ｙ１およびＹ２を検出するこ
とにより、検出される。

【００６４】また、被溶接物２，３の加工点１３のＺ軸
方向の位置は、たとえば点像投映装置９の半導体レーザ
５１から投射され、被溶接物２，３のワーク面からの反
射によりＣＣＤカメラ１７の光電変換面６１のマスク相
当領域６３に投映される点像の上記中心線Ｘｉからの距
離Ｚを検出することにより、検出される。

【００６５】なお、図９において、加工点１３は、突合
せ溶接の場合の第１観察領域１１に対する位置を示して
おり、１３ｉは、ＣＣＤカメラ１７の光電変換面６１に
おける上記加工点１３の対応位置を示している。また、
加工点１３ａは、重ね溶接の場合の第１観察領域１１に
対する位置を示しており、１３ａｉは、ＣＣＤカメラ１
７の光電変換面６１における上記加工点１３ａの対応位
置を示している。

【００６６】以上に説明した構成を有する上記センサ光
学ヘッド部１は、図４に示すように、その駆動制御部８
１とともにセンサユニット９１を構成する。このセンサ
ユニット９１の駆動制御部８１は、本接合線検出装置が
装着されたレーザ溶接装置の起動ルーチンにおいて、図
１０にしたがって、被溶接物２，３の接合の種類、被溶
接物２，３の材料の種類および被溶接物２，３の接合線
４における切断の端面の種類により、第１照明装置６お
よび第２照明装置７の両方もしくはそのいずれか一方に
よる照明の選択を行うとともに、これら第１照明装置６
および第２照明装置７、撮像装置５や点像投映装置９等
への駆動電源の供給および撮像装置５の撮像の制御等を
行う。

【００６７】上記照明の選択は、たとえば次のように行
われる。すわわち、本接合線検出装置が装着されたレー
ザ溶接装置の起動ルーチンにおいて、被溶接物２，３を
撮像装置５で撮像し、その画像情報に基づいて、被溶接
物２，３の接合の種類、被溶接物２，３の材料の種類お
よび被溶接物２，３の接合線４における切断の端面の種
類を判定し、この判定結果に基づいて、上記照明の選択
が行われる。

【００６８】上記センサユニット９１のセンサ光学ヘッ
ド部１の撮像装置５から出力する画像信号は、画像処理
部９２の前処理部８３に入力される。この前処理部８３
は、上記撮像装置５から入力する画像信号からのノイズ
成分の除去等、被溶接物２，３の接合線４の像４ｉを確
実に検出するための前処理を行う。

【００６９】上記前処理部８３にて前処理された画像信
号は、検出位置演算部８４に入力する。この検出位置演
算部８４は、複数の画像処理アルゴリズムを記憶したメ
モリ（図示せず。）を有するとともに、被溶接物２，３
の接合の種類、被溶接物２，３の材料の種類および被溶
接物２，３の接合線４における切断の端面の種類に関す
る上記判定結果に基づいて、上記メモリに記憶されてい
る最適な画像処理アルゴリズムを選択する。そして、こ
の選択された最適画像処理アルゴリズムに基づいて、上
記検出位置演算装置８４は、前処理された上記画像信号
から、図９において説明した距離Ｙ１，Ｙ２およびＺの
値を演算する。

【００７０】上記画像処理部９２とレーザ溶接装置のロ
ボット制御部８７との間には、制御インタフェース部９
３が設けられる。この制御インタフェース部９３は、補
正量算出部８５およびパルス換算部８６からなる。上記
補正量換算部８５は、画像処理部９２の検出位置演算部
８４から入力する上記距離Ｙ１，Ｙ２およびＺに基づい
て、加工用レーザノズル８の位置の補正量を算出する。
そして、補正量算出部８５において算出された位置の補
正量は、パルス換算部８６でたとえばパルス数に換算さ
れ、加工用レーザノズル８の位置が制御される。これに
より、加工用レーザノズル８は、上記補正量に応じて位
置が補正され、被溶接物２，３の接合線４上を正確にト
ラッキングすることができる。

【００７１】上記では、本接合線検出装置が装着された
レーザ溶接装置の起動ルーチンにおいて、被溶接物２，
３を撮像装置５で撮像し、その画像情報に基づいて、被
溶接物２，３の接合の種類、被溶接物２，３の材料の種
類および被溶接物２，３の接合線４における切断の端面
の種類を判定し、照明の選択および画像処理アルゴリズ
ムの選択を行うようにしたが、上記レーザ溶接装置のオ
ペレータがキーボードから入力した、被溶接物２，３の
接合の種類、被溶接物２，３の材料の種類および被溶接
物２，３の接合線４における切断の端面の種類の情報に
基づいて、照明の選択および画像処理アルゴリズムの選
択を行うようにしてもよい。

【００７２】本発明は、レーザ溶接のほかに、電子ビー
ム溶接等にも適用することができる。

【００７３】また、加工用レーザノズルとは別に、セン
サ光学ヘッドのみをロボットアームに取り付け、自動テ
ィーチングとしても使用できる。この場合は、溶接光減
衰手段は必要ない。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明にかかる接合線検出装置の一実施例の
センサ光学ヘッド部の構成図である。

【図２】 図１において加工用レーザノズルを除いたセ
ンサ光学ヘッド部の構成図である。

【図３】 センサ光学ヘッド部を構成する構成要素の幾
何学的配置関係を示す説明図である。

【図４】 本発明にかかる接合線検出装置のシステム構
成図である。

【図５】 センサ光学ヘッド部の撮像装置の内部構成を
示す部分断面図である。

【図６】 第１照明装置および第２照明装置の構造およ
び配置の説明図である。

【図７】 スポット光投映装置の説明図である。

【図８】 撮像装置および合成光学系の光路の説明図で
ある。

【図９】 第１観察領域、第２観察領域およびその像が
投映されるＣＣＤカメラの光電変換面の説明図である。

【図１０】 被溶接物の接合の種類、材料、材料の切断
端の組合せにより選択される照明法の説明図である。

【符号の説明】

１ センサ光学ヘッド部 ２ 被溶接物 ３ 被溶接物 ４ 接合線 ５ 撮像装置 ６ 第１照明装置 ７ 第２照明装置 ８ 加工用レーザノズル ９ 点像投映装置 １１ 第１観察領域 １３ 加工点 １４ マスク領域 １５ 結像レンズ １６ 結像レンズ １７ ＣＣＤカメラ １８ 干渉フィルタ １９ 干渉フィルタ ３７ 照明レンズ ３８ 照明レンズ ４１ ライトガイド ４７ 第２観察領域 ５１ 半導体レーザ ６１ 光電変換面 ６３ マスク相当領域 ６４ 光路 ６５ 光路 ６６ 光路 ６７ 第１の絞り部材 ６９ 第２の絞り部材 ７２ ウエッジプリズム ７３ ウエッジプリズム ７４ 第１画像処理エリア ７５ 第２画像処理エリア ８１ 駆動制御部 ８３ 前処理部 ８４ 検出位置演算部 ８５ 補正量算出部 ８６ パルス換算部 ８７ ロボット制御部 ９１ センサユニット ９２ 画像処理部 ９３ 制御インタフェース部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浜田 洋一 兵庫県西宮市宮西町10番29号 株式会社コ ーナン内

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接ヘッドとともにロボットアームに取
   り付けられ、被溶接物が溶接されて接合される接合線を
   検出する接合線検出装置において、 溶接の加工点から先行した接合線上の観察点から溶接の
   加工進行方向に傾いた結像光軸を有する結像手段と、 この結像手段の背後に配置されてそれにより結像した被
   溶接物の接合線の像を撮影して画像信号に変換する撮像
   手段と、 この撮像手段に入射する溶接光を減衰させる溶接光減衰
   手段と、からなる観察手段を備える一方、 上記接合線を直角に横断する平面上に含まれるととも
   に、被溶接物のワーク面に対してほぼ４５度の角度をな
   す照明光軸を有して上記被溶接物の接合線を照明する接
   合線照明手段を備えたことを特徴とする接合線検出装
   置。
2. 【請求項２】 上記溶接光減衰手段が同じ波長特性を有
   する２以上のバンドパスフィルタからなることを特徴と
   する請求項１記載の接合線検出装置。
3. 【請求項３】 上記結像手段もしくは溶接光減衰手段が
   上記結像光軸に対して傾いた光軸を有する光学平面を持
   つことを特徴とする請求項１または２記載の接合線検出
   装置。
4. 【請求項４】 上記照明手段が光案内手段とこの光案内
   手段によって形成される２次光源面が被照明面に結像さ
   れるようにした照明光学系からなることを特徴とする請
   求項１から３のいずれか一記載の接合線検出装置。
5. 【請求項５】 予め複数の画像処理アルゴリズムを記憶
   してなる画像処理アルゴリズム記憶手段と、 上記観察手段の撮像手段から入力する被溶接物の接合線
   の像情報に基づいて被溶接物の接合の種類を判定し、こ
   の判定結果と被溶接物の材質とに基づいて上記画像処理
   アルゴリズム記憶手段に記憶された複数の画像処理アル
   ゴリズムから最適画像処理アルゴリズムを選択する最適
   画像処理アルゴリズム選択手段とを備える一方、 上記接合線照明手段が被溶接物の上記接合線を間にして
   互いに反対側に配置されて上記接合線をその一側および
   他側からそれぞれ照明する第１の接合線照明手段および
   第２の接合線照明手段を備え、被溶接物の上記接合の種
   類および被溶接物の上記材質に応じて上記第１の接合線
   照明手段による照明、第２の接合線照明手段による照明
   もしくはこれら両照明手段による照明のうちから最適な
   照明を選択する照明選択手段を備えたことを特徴とする
   請求項１から４のいずれか一記載の接合線検出装置。
6. 【請求項６】 溶接ヘッドとともにロボットアームに取
   り付けられ、被溶接物が溶接されて接合される接合線を
   検出する接合線検出装置において、 溶接の加工点から先行した接合線上の観察点から溶接の
   加工進行方向に傾いた結像光軸を有する結像手段と、 この結像手段の背後に配置されてそれにより結像した被
   溶接物の接合線の像を撮影して画像信号に変換する撮像
   手段と、 この撮像手段に入射する溶接光を減衰させる溶接光減衰
   手段と、からなる観察手段を備える一方、 上記接合線を直角に横断する平面上に含まれるととも
   に、被溶接物のワーク面に対してほぼ４５度の角度をな
   す照明光軸を有して上記被溶接物の接合線を照明する接
   合線照明手段と、 接合線を直角に横断する上記平面とワーク面との交線お
   よび上記結像光軸により規定される面内に配置され、か
   つ、上記結像光軸に対して傾斜した投射光軸を有するス
   ポット光源を有し、このスポット光源からの光をワーク
   面の上記観察点近傍に投射する点像投映手段とを備え、
   上記ワークに投映されたスポット光源の点像の位置に基
   づいてワークの上記観察点近傍と溶接ヘッドとの間の距
   離を検出することを特徴とする接合線検出装置。
7. 【請求項７】 上記スポット光源が半導体レーザである
   ことを特徴とする請求項６記載の接合線検出装置。
8. 【請求項８】 溶接ヘッドとともにロボットアームに取
   り付けられ、被溶接物が溶接されて接合される接合線を
   検出する接合線検出装置において、 溶接の加工点から先行した接合線上の観察点から溶接の
   加工進行方向に傾いた結像光軸を有する結像手段と、 この結像手段の背後に配置されてそれにより結像した被
   溶接物の接合線の像を撮影して画像信号に変換する撮像
   手段と、 この撮像手段に入射する溶接光を減衰させる溶接光減衰
   手段と、からなる観察手段を備える一方、 上記接合線を直角に横断する平面上に含まれるととも
   に、被溶接物のワーク面に対してほぼ４５度の角度をな
   す照明光軸を有して上記被溶接物の接合線を照明する接
   合線照明手段と、 接合線を直角に横断する上記平面とワーク面との交線お
   よび上記結像光軸により規定される面内に配置され、か
   つ、上記結像光軸に対して傾斜した投射光軸を有するス
   ポット光源を有し、このスポット光源からの光をワーク
   面の上記観察点近傍に投射する点像投映手段と、 この点像投映手段の上記スポット光源から出射した光の
   ワーク面の反射光を受けて上記スポット光源の点像を撮
   像手段の接合線の上記撮像画面の一部に光学的に合成す
   る点像合成光学系とを備えたことを特徴とする接合線検
   出装置。
9. 【請求項９】 ワーク面上には、撮像手段により上記接
   合線が観察される上記撮像手段の第１の観察領域および
   ワークに投映されたスポット光源の点像が観察される第
   ２の観察領域が存在し、上記スポット光源の点像が光学
   的に合成される撮像画面の上記一部は、第１の観察領域
   の上記加工点側に設けた第１の観察領域からの入射光の
   遮蔽領域であることを特徴とする請求項８記載の接合線
   検出装置。