特開 2024-45000 レーザ溶接機及び溶接ヘッドの高さ位置調整方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024045000

(43)【公開日】2024-04-02

(54)【発明の名称】レーザ溶接機及び溶接ヘッドの高さ位置調整方法

(51)【国際特許分類】

   B23K 26/02 20140101AFI20240326BHJP

   B23K 26/21 20140101ALI20240326BHJP

【ＦＩ】

B23K26/02 A

B23K26/21 A

【審査請求】有

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023106168

(22)【出願日】2023-06-28

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-12-07

(31)【優先権主張番号】P 2022150106

(32)【優先日】2022-09-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(31)【優先権主張番号】P 2022199639

(32)【優先日】2022-12-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】390014672

【氏名又は名称】株式会社アマダ

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100111235

【弁理士】

【氏名又は名称】原 裕子

(74)【代理人】

【識別番号】100170575

【弁理士】

【氏名又は名称】森 太士

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 和隆

(72)【発明者】

【氏名】林本 和也

(72)【発明者】

【氏名】岩野 剛

【テーマコード（参考）】

4E168

【Ｆターム（参考）】

4E168CA06

4E168CB03

4E168CB08

4E168CB15

4E168CB22

4E168CB23

4E168DA02

4E168DA28

(57)【要約】

【課題】オペレータによる溶接箇所を教示するティーチングの作業を簡略化することができるレーザ溶接機を提供する。
【解決手段】溶接ヘッド２０は溶接対象の板金Ｗにレーザビームを照射する。位置調整機構（多関節ロボット１０）は、溶接ヘッド２０の板金Ｗに対する平面的な位置及び高さ方向の位置を調整する。カメラ２１は溶接ヘッド２０に取り付けられ、板金Ｗの溶接箇所を撮影する。計算機（コンピュータ機器５０）は、カメラ２１が溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した評価値に基づいて、カメラ２１の焦点が板金Ｗの表面に位置する溶接ヘッド２０の高さ方向の最適位置を求める。制御装置（ＮＣ装置４０）は、溶接ヘッド２０の高さ方向の位置が計算機によって求められた最適位置となるように位置調整機構を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接対象の板金にレーザビームを照射する溶接ヘッドと、
前記溶接ヘッドの前記板金に対する平面的な位置及び高さ方向の位置を調整する位置調整機構と、
前記溶接ヘッドに取り付けられ、前記板金の溶接箇所を撮影するカメラと、
前記カメラが前記溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した評価値に基づいて、前記カメラの焦点が前記板金の表面に位置する前記溶接ヘッドの高さ方向の最適位置を求める計算機と、
前記溶接ヘッドの高さ方向の位置が前記計算機によって求められた最適位置となるように前記位置調整機構を制御する制御装置と、
を備えるレーザ溶接機。

【請求項2】

前記計算機は、前記評価値が最大値となる前記溶接ヘッドの高さ方向の位置を前記最適位置と決定する請求項１に記載のレーザ溶接機。

【請求項3】

前記計算機は、
前記位置調整機構が前記溶接ヘッドを前記高さ方向に移動させている状態で、所定の時間ごとに前記評価値を求め、
時間の進行に伴って変化する前記評価値の回帰直線の傾きを求め、
前記回帰直線の傾きが０となる第１の時刻を求め、
前記第１の時刻から、前記第１の時刻から所定の時間だけ遡った第２の時刻までの、複数の前記評価値を含む時間の中央である第３の時刻を求め、
前記第３の時刻における前記溶接ヘッドの前記高さ方向の位置を前記最適位置と決定する
請求項１に記載のレーザ溶接機。

【請求項4】

前記溶接ヘッドは、
発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメーションレンズと、
コリメート光に変換されたレーザビームを集束させて前記板金に照射する集束レンズと、
前記板金で反射する可視光を反射させて前記カメラに入射させる全反射ミラーと、
前記計算機が前記最適位置を求めるとき、前記全反射ミラーを前記板金で反射する可視光を反射させて前記カメラに入射させる第１の位置に位置させ、前記板金における前記溶接箇所を溶接するとき、前記全反射ミラーを前記板金に照射されるレーザビームの光路から退避する第２の位置に位置させるよう、前記全反射ミラーを駆動する駆動部と、
を備える請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ溶接機。

【請求項5】

前記溶接ヘッドは、
発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメーションレンズと、
コリメート光に変換されたレーザビームを集束させて前記板金に照射する集束レンズと、
前記板金で反射する可視光を反射させて前記カメラに入射させ、前記板金に照射されるレーザビームを透過させるハーフミラーと、
を備える請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ溶接機。

【請求項6】

前記溶接ヘッドは、
発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメーションレンズと、
コリメート光に変換されたレーザビームを反射させてレーザビームの進行方向を曲げる全反射ミラーと、
前記全反射ミラーで反射したレーザビームを集束させて前記板金に照射する集束レンズと、
前記板金における前記溶接箇所を溶接するとき、前記全反射ミラーを前記板金に照射されるレーザビームを反射させて前記集束レンズに入射させる第１の位置に位置させ、前記計算機が前記最適位置を求めるとき、前記全反射ミラーを前記板金で反射する可視光の光路から退避する第２の位置に位置させるよう、前記全反射ミラーを駆動する駆動部と、
を備える請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ溶接機。

【請求項7】

前記溶接ヘッドは、
発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメーションレンズと、
コリメート光に変換されたレーザビームを反射させてレーザビームの進行方向を曲げ、前記板金で反射する可視光を透過させて前記カメラに入射させるハーフミラーと、
前記ハーフミラーで反射したレーザビームを集束させて前記板金に照射する集束レンズと、
を備える請求項１～３のいずれか１項に記載のレーザ溶接機。

【請求項8】

溶接ヘッドを板金の溶接箇所における平面的な位置に位置させた状態で、前記溶接ヘッドを高さ方向に移動させて、前記溶接ヘッドに取り付けられているカメラによって前記溶接箇所を撮影し、
前記溶接箇所の撮影画像のコントラストを評価した評価値を算出し、
前記評価値に基づいて、前記カメラの焦点が前記板金の表面に位置する前記溶接ヘッドの高さ方向の最適位置を求め、
前記溶接ヘッドより射出されるレーザビームによって前記溶接箇所を溶接するときに、前記溶接ヘッドの高さ方向の位置を前記最適位置に位置決めする
溶接ヘッドの高さ位置調整方法。

【請求項9】

前記溶接ヘッドを前記高さ方向の複数の位置における各位置に移動させて、前記カメラによって前記溶接箇所を撮影し、
前記各位置における前記溶接箇所の撮影画像のコントラストを評価した評価値を算出し、
前記各位置で算出した前記評価値に基づいて前記最適位置を求める
請求項８に記載の溶接ヘッドの高さ位置調整方法。

【請求項10】

前記評価値が最大値となる前記溶接ヘッドの高さ方向の位置を前記最適位置と決定する請求項９に記載の溶接ヘッドの高さ位置調整方法。

【請求項11】

前記溶接ヘッドを前記高さ方向に移動させている状態で、所定の時間ごとに、前記溶接箇所の撮影画像のコントラストを評価した評価値を算出し、
時間の進行に伴って変化する前記評価値の回帰直線の傾きを求め、
前記回帰直線の傾きが０となる第１の時刻を求め、
前記第１の時刻から、前記第１の時刻から所定の時間だけ前の第２の時刻までの、複数の前記評価値を含む時間の中央である第３の時刻を求め、
前記第３の時刻における前記溶接ヘッドの前記高さ方向の位置を前記最適位置と決定する
請求項８に記載の溶接ヘッドの高さ位置調整方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、レーザ溶接機及び溶接ヘッドの高さ位置調整方法に関する。

【背景技術】

【0002】

レーザ溶接機によって板金における第１の箇所から第２の箇所まで直線状の溶接箇所を溶接することがある。このような場合、レーザ溶接機のオペレータは、第１及び第２の箇所それぞれに対する溶接ヘッドの平面的な位置及び高さ方向の位置を教示するティーチングを行う必要がある。ティーチングでは、平面的な位置及び高さ方向の位置に加えて、溶接ヘッドの角度を教示することもある。板金における溶接箇所に対する溶接ヘッドの高さ方向の位置を調整するのは、溶接ヘッドから射出されるレーザビームの焦点を板金の表面に位置させる必要があるからである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６４５０６２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来のレーザ溶接機は、レーザビームの焦点が板金の表面に位置しているか否かを確認するための測定光を板金の表面に照射する測定光照射装置と、測定光が照射された板金の表面を撮影するカメラを備える（特許文献１参照）。板金の表面に照射された測定光は、レーザビームの焦点が板金の表面から上方に離れた位置にあるか、表面上にあるか、下方にあるかによってその位置がずれる。カメラが撮影している板金の表面に照射された測定光の画像をモニタに表示することにより、オペレータは、レーザビームの焦点が板金の表面に位置するように溶接ヘッドの高さ方向の位置を調整することができる。

【0005】

板金における複数の溶接箇所を溶接する場合には、オペレータは、それぞれの溶接箇所において、モニタに表示された測定光の位置を確認しながら、溶接ヘッドの平面的な位置及び高さ方向の位置を教示するティーチングを行う必要がある。このようなティーチングの作業は煩雑であり、オペレータにとって大きな負担となっている。そこで、ティーチングの作業を簡略化することが望まれる。

【課題を解決するための手段】

【0006】

１またはそれ以上の実施形態の第１の態様は、溶接対象の板金にレーザビームを照射する溶接ヘッドと、前記溶接ヘッドの前記板金に対する平面的な位置及び高さ方向の位置を調整する位置調整機構と、前記溶接ヘッドに取り付けられ、前記板金の溶接箇所を撮影するカメラと、前記カメラが前記溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した評価値に基づいて、前記カメラの焦点が前記板金の表面に位置する前記溶接ヘッドの高さ方向の最適位置を求める計算機と、前記溶接ヘッドの高さ方向の位置が前記計算機によって求められた最適位置となるように前記位置調整機構を制御する制御装置とを備えるレーザ溶接機を提供する。

【0007】

１またはそれ以上の実施形態の第１の態様によれば、カメラが溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した評価値に基づいて、カメラの焦点が板金の表面に位置する溶接ヘッドの高さ方向の最適位置が求められる。従って、オペレータは、ティーチングによって溶接箇所に対する溶接ヘッドの高さ方向の位置を教示する必要はなく、ティーチングの作業が簡略化される。

【0008】

１またはそれ以上の実施形態の第２の態様は、溶接ヘッドを板金の溶接箇所における平面的な位置に位置させた状態で、前記溶接ヘッドを高さ方向に移動させて、前記溶接ヘッドに取り付けられているカメラによって前記溶接箇所を撮影し、前記溶接箇所の撮影画像のコントラストを評価した評価値を算出し、前記評価値に基づいて、前記カメラの焦点が前記板金の表面に位置する前記溶接ヘッドの高さ方向の最適位置を求め、前記溶接ヘッドより射出されるレーザビームによって前記溶接箇所を溶接するときに、前記溶接ヘッドの高さ方向の位置を前記最適位置に位置決めする溶接ヘッドの高さ位置調整方法を提供する。

【0009】

１またはそれ以上の実施形態の第２の態様によれば、カメラが溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した評価値に基づいて、カメラの焦点が板金の表面に位置する溶接ヘッドの高さ方向の最適位置が求められる。従って、オペレータは、ティーチングによって溶接箇所に対する溶接ヘッドの高さ方向の位置を教示する必要はなく、ティーチングの作業が簡略化される。

【発明の効果】

【0010】

１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ溶接機及び溶接ヘッドの高さ位置調整方法によれば、オペレータによる溶接箇所を教示するティーチングの作業を簡略化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ溶接機を示す図である。

【図2】図２は、溶接ヘッドの第１の構成例を示す概念図である。

【図3】図３は、溶接ヘッドの第２の構成例を示す概念図である。

【図4】図４は、溶接ヘッドの第３の構成例を示す概念図である。

【図5】図５は、溶接ヘッドの第４の構成例を示す概念図である。

【図6】図６は、溶接ヘッドの第５の構成例を示す概念図である。

【図7】図７は、溶接ヘッドの第６の構成例を示す概念図である。

【図8A】図８Ａは、図２に示す第１の構成例の溶接ヘッドの具体的な構成を示し、全反射ミラーがレーザビームの光路に位置している状態を示す断面図である。

【図8B】図８Ｂは、図２に示す第１の構成例の溶接ヘッドの具体的な構成を示し、全反射ミラーがレーザビームの光路から退避している状態を示す断面図である。

【図9】図９は、カメラが溶接箇所を撮影した撮影画像の一例を示す図である。

【図10】図１０は、溶接ヘッドの高さ方向の位置を変化させたときの撮影画像のコントラストに基づく評価値の変化の一例を示す特性図である。

【図11A】図１１Ａは、コンピュータ機器が実行する、コントラストに基づく評価値の最大値を探索する処理の第１の例を示す部分的なフローチャートである。

【図11B】図１１Ｂは、図１１Ａに続く、コンピュータ機器が実行する、コントラストに基づく評価値の最大値を探索する処理の第１の例を示す部分的なフローチャートである。

【図12】図１２は、図１１ＡにおけるステップＳ８の具体的な処理を示すフローチャートである。

【図13】図１３は、溶接ヘッドの高さ方向の位置を変化させたときの撮影画像のコントラストに基づく評価値の変化の他の例を示す特性図である。

【図14A】図１４Ａは、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２のフローチャートで示す処理によって評価値の最大値が探索される工程の具体例における最初の工程を示す図である。

【図14B】図１４Ｂは、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２のフローチャートで示す処理によって評価値の最大値が探索される工程の具体例における図１４Ａの最初の工程に続く工程を示す図である。

【図14C】図１４Ｃは、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２のフローチャートで示す処理によって評価値の最大値が探索される工程の具体例における図１４Ｂの工程に続く工程を示す図である。

【図14D】図１４Ｄは、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２のフローチャートで示す処理によって評価値の最大値が探索される工程の具体例における図１４Ｃの工程に続く工程を示す図である。

【図15】図１５は、コンピュータ機器が、コントラストに基づく評価値の最大値を探索する処理の第２の例を実行するときの、溶接ヘッドの移動、カメラの動作、及びコンピュータ機器の動作を示す図である。

【図16】図１６は、コンピュータ機器が、コントラストに基づく評価値の最大値を探索する処理の第２の例を実行するときの、時間の進行に伴って変化する評価値及び評価値の回帰直線の傾きの一例を示す特性図である。

【図17】図１７は、コンピュータ機器が実行する、コントラストに基づく評価値の最大値を探索する処理の第２の例を示すフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ溶接機は、溶接ヘッド、位置調整機構、カメラ、計算機、制御装置を備える。前記溶接ヘッドは、溶接対象の板金にレーザビームを照射する。前記位置調整機構は、前記溶接ヘッドの前記板金に対する平面的な位置及び高さ方向の位置を調整する。前記カメラは前記溶接ヘッドに取り付けられ、前記板金の溶接箇所を撮影する。前記計算機は、前記カメラが前記溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した評価値に基づいて、前記カメラの焦点が前記板金の表面に位置する前記溶接ヘッドの高さ方向の最適位置を求める。前記制御装置は、前記溶接ヘッドの前記高さ方向の位置が前記計算機によって求められた最適位置となるように前記位置調整機構を制御する。

【0013】

１またはそれ以上の実施形態に係る溶接ヘッドの高さ位置調整方法は、溶接ヘッドを板金の溶接箇所における平面的な位置に位置させた状態で、前記溶接ヘッドを高さ方向に移動させて、前記溶接ヘッドに取り付けられているカメラによって前記溶接箇所を撮影し、前記溶接箇所の撮影画像のコントラストを評価した評価値を算出し、前記評価値に基づいて、前記カメラの焦点が前記板金の表面に位置する前記溶接ヘッドの高さ方向の最適位置を求め、前記溶接ヘッドより射出されるレーザビームによって前記溶接箇所を溶接するときに、前記溶接ヘッドの高さ方向の位置を前記最適位置に位置決めする。

【0014】

以下、１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ溶接機及び溶接ヘッドの高さ位置調整方法について、添付図面を参照して具体的に説明する。

【0015】

図１は、１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ溶接機を示している。図１において、ロボット型のレーザ溶接機１００は、多関節ロボット１０、溶接ヘッド２０、レーザ発振器３０、ＮＣ（Numerical Control）装置４０、コンピュータ機器５０、ティーチング操作部６０を備える。溶接ヘッド２０は、多関節ロボット１０のアーム１１の先端に取り付けられており、溶接対象の板金Ｗにレーザビームを照射する。溶接ヘッド２０はカメラ２１を有する。カメラ２１は単焦点のモノクロカメラでよい。レーザ発振器３０は、一例としてファイバレーザ発振器である。レーザ発振器３０が発振して射出されるレーザビームは、光ファイバ３１を介して溶接ヘッド２０へと供給される。

【0016】

ＮＣ装置４０は、レーザ発振器３０及び多関節ロボット１０を制御する。カメラ２１が溶接対象の板金Ｗを撮影することによって生成した画像信号は、コンピュータ機器５０に供給される。後述するように、コンピュータ機器５０は、入力された画像信号に基づいて溶接ヘッド２０の最適な高さ方向の位置を求めて、ＮＣ装置４０に通知する。オペレータは、ティーチング操作部６０を操作して板金Ｗにおける各溶接箇所に対する溶接ヘッド２０の平面的な位置を教示する。オペレータは、溶接ヘッド２０の平面的な位置に加えて、溶接ヘッド２０の角度を教示することがある。

【0017】

オペレータは、各溶接箇所に対する溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を教示する必要はない。ＮＣ装置４０は、溶接ヘッド２０の高さ方向の位置が、コンピュータ機器５０より通知された高さ方向の最適位置となるよう多関節ロボット１０を制御する。即ち、ＮＣ装置４０は、溶接ヘッド２０がコンピュータ機器５０より通知された高さ方向の位置となるように多関節ロボット１０を制御して、板金Ｗの表面と溶接ヘッド２０との間の距離を調整する。

【0018】

多関節ロボット１０は、溶接ヘッド２０の板金Ｗに対する平面的な位置及び高さ方向の位置を調整する位置調整機構として機能する。後述するように、コンピュータ機器５０は、カメラ２１が溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した評価値に基づいて、溶接ヘッド２０の高さ方向の最適位置を求める計算機の一例である。カメラ２１の焦点が板金Ｗの表面に位置するとき、溶接ヘッド２０は高さ方向の最適位置となる。ＮＣ装置４０は、溶接ヘッド２０の高さ方向の位置がコンピュータ機器５０によって求められた最適位置となるように多関節ロボット１０を制御する制御装置の一例である。

【0019】

図２～図７は、それぞれ、溶接ヘッド２０の第１～第６の構成例を示す概念図である。図２～図７において、レーザビームを一点鎖線で示し、可視光を破線で示す。レーザビームの波長は例えば１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍであり、可視光の波長は例えば５００～６００ｎｍである。

【0020】

図２に示す第１の構成例である溶接ヘッド２０Ａは、光ファイバ３１の端部より射出される発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメーションレンズ２２と、コリメート光のレーザビームを集束させて、板金Ｗに照射する集束レンズ２３とを備える。溶接ヘッド２０Ａは、集束レンズ２３より板金Ｗ側の位置に全反射ミラー２４を備える。

【0021】

駆動部２５は、コンピュータ機器５０が溶接ヘッド２０Ａの高さ方向の最適位置を求めるとき、ＮＣ装置４０による制御に従って、全反射ミラー２４を板金Ｗで反射する可視光を反射させてカメラ２１に入射させる第１の位置に位置させるよう、全反射ミラー２４を駆動する。これにより、板金Ｗで反射する可視光は側方に位置するカメラ２１に入射して、カメラ２１は溶接箇所を撮影することができる。このとき、全反射ミラー２４はレーザビームの光路に位置する。

【0022】

駆動部２５は、レーザビームを板金Ｗに照射して板金Ｗにおける溶接箇所を溶接するとき、ＮＣ装置４０による制御に従って、全反射ミラー２４を板金Ｗに照射されるレーザビームの光路から退避する第２の位置に位置させるよう、全反射ミラー２４を駆動する。これにより、全反射ミラー２４がレーザビームの進行の妨げとなることを回避することができる。

【0023】

例えば、全反射ミラー２４を保持する保持機構はレール等に沿って紙面と直交する方向に移動自在に構成されている。駆動部２５は例えばモータであって、全反射ミラー２４を移動させる。

【0024】

第１の構成例である溶接ヘッド２０Ａを用いると、全反射ミラー２４を移動させる構成が必要になるものの、全反射ミラー２４の存在が板金Ｗにレーザビームを照射する板金Ｗの溶接に一切影響を与えることがない。

【0025】

図３に示す第２の構成例である溶接ヘッド２０Ｂにおいて、溶接ヘッド２０Ａと同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。溶接ヘッド２０Ｂにおいては、全反射ミラー２４が、コリメーションレンズ２２と集束レンズ２３との間に配置されている。溶接ヘッド２０Ｂによれば、溶接ヘッド２０Ａと同様に、全反射ミラー２４を移動させる構成が必要になるものの、全反射ミラー２４の存在が板金Ｗにレーザビームを照射する板金Ｗの溶接に一切影響を与えることがない。また、溶接ヘッド２０Ｂによれば、カメラ２１の位置は溶接ヘッド２０Ａにおけるカメラ２１の位置よりも上方となるので、カメラ２１が溶接ヘッド２０Ｂの姿勢の制限となりにくい。

【0026】

図４に示す第３の構成例である溶接ヘッド２０Ｃにおいて、溶接ヘッド２０Ａと同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。溶接ヘッド２０Ｃは、溶接ヘッド２０Ａにおける全反射ミラー２４の代わりに、レーザビームを透過させ、可視光を反射するハーフミラー２６を備える。ハーフミラー２６は、波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍの光を透過し、波長５００～６００ｎｍの光の反射する２波長ガラスで構成される。溶接ヘッド２０Ｃにおいてはハーフミラー２６を移動させる必要はないため、駆動部２５は省略されている。

【0027】

溶接ヘッド２０Ｃによれば、ハーフミラー２６を移動自在する構成及び駆動部２５が必要なく、ハーフミラー２６の位置を固定すればよいから、溶接ヘッド２０Ａと比較して構成が簡略化される。

【0028】

図５に示す第４の構成例である溶接ヘッド２０Ｄにおいて、溶接ヘッド２０Ｂまたは２０Ｃと同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。溶接ヘッド２０Ｄにおいては、溶接ヘッド２０Ｂにおける全反射ミラー２４の代わりに、ハーフミラー２６を備える。溶接ヘッド２０Ｃと同様に、溶接ヘッド２０Ｄにおいてはハーフミラー２６を移動させる必要はないため、駆動部２５は省略されている。溶接ヘッド２０Ｄによれば、カメラ２１が溶接ヘッド２０Ｄの姿勢の制限となりにくく、溶接ヘッド２０Ｂと比較して構成が簡略化される。

【0029】

図６に示す第５の構成例である溶接ヘッド２０Ｅにおいて、溶接ヘッド２０Ａと同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。溶接ヘッド２０Ｅにおいては、コリメーションレンズ２２は側方に配置した光ファイバ３１の端部より射出されるレーザビームをコリメート光に変換する。全反射ミラー２７は、コリメート光のレーザビームを集束レンズ２３に入射させるよう反射させて、レーザビームの進行方向を曲げる。集束レンズ２３は、全反射ミラー２７で反射したレーザビームを集束させて板金Ｗに照射する。

【0030】

全反射ミラー２７に対して集束レンズ２３とは反対側の上方には、カメラ２１が配置されている。駆動部２５は、板金Ｗにおける溶接箇所を溶接するとき、ＮＣ装置４０による制御に従って、全反射ミラー２７を板金Ｗに照射されるレーザビームを反射させて集束レンズ２３に入射させる第１の位置に位置させるよう、全反射ミラー２７を駆動する。駆動部２５は、コンピュータ機器５０が最適位置を求めるとき、全反射ミラー２７を板金Ｗで反射する可視光の光路から退避する第２の位置に位置させるよう、全反射ミラー２７を駆動する。

【0031】

溶接ヘッド２０Ｅによれば、レーザビームの進行方向を全反射ミラー２７で９０度曲げて板金Ｗに照射するように構成され、カメラ２１によって溶接箇所を撮影することができる。

【0032】

図７に示す第６の構成例である溶接ヘッド２０Ｆにおいて、溶接ヘッド２０Ｅと同一部分には同一符号を付し、その説明を省略する。溶接ヘッド２０Ｆにおいては、溶接ヘッド２０Ｅにおける全反射ミラー２７の代わりに、レーザビームを反射し、可視光を透過させるハーフミラー２８を備える。ハーフミラー２８は、波長１０６０ｎｍ～１０８０ｎｍの光を反射し、波長５００～６００ｎｍの光の透過する２波長ガラスで構成される。溶接ヘッド２０Ｆにおいてはハーフミラー２８を移動させる必要はないため、駆動部２５は省略されている。

【0033】

溶接ヘッド２０Ｆによれば、レーザビームの進行方向をハーフミラー２８で９０度曲げて板金Ｗに照射するように構成され、溶接ヘッド２０Ｅよりも簡略な構成で、カメラ２１によって溶接箇所を撮影することができる。

【0034】

このように、溶接ヘッド２０は図２～図７に示す溶接ヘッド２０Ａ～２０Ｆのいずれの構成でもよい。図８Ａ及び図８Ｂは、図２に示す第１の構成例の溶接ヘッド２０Ａの具体的な構成を示す断面図である。図８Ａ及び図８Ｂにおいては、駆動部２５は図示されていない。図８Ａは、板金Ｗで反射する可視光をカメラ２１に入射させるよう、全反射ミラー２４がレーザビームの光路上である第１の位置に位置している状態を示す。図８Ｂは、板金Ｗを溶接するために全反射ミラー２４をレーザビームの光路から退避させた第２の位置に位置している状態を示す。

【0035】

詳細には、図８Ａ及び図８Ｂに示す構成は、全反射ミラー２４で反射した可視光をさらに別の全反射ミラーで反射させてカメラ２１に入射させる構成を示している。全反射ミラーの数は１つでも２つでもよく、または３つ以上でもよい。

【0036】

次に、コンピュータ機器５０がカメラ２１から供給される画像信号に基づいて溶接ヘッド２０の高さ方向の最適位置をどのように求めるかを説明する。前提として、板金Ｗに照射されるレーザビームの焦点が板金Ｗの表面に位置している状態で、カメラ２１は板金Ｗの表面で焦点が合った状態となるようにカメラ２１の焦点距離が設定されている。カメラ２１が撮影している画像が、焦点が合っている状態か焦点がずれている状態かは、画像のコントラストに基づいて判定することができる。

【0037】

そこで、コンピュータ機器５０は、次のようにしてコントラストの評価値を求める。図９は、カメラ２１が溶接箇所を撮影した撮影画像２１ｉｓの一例を示している。溶接ヘッド２０の平面的な位置は事前のティーチングによって位置決めされている。撮影画像２１ｉｓは、板金Ｗ１と板金Ｗ２とを半引き角継手で溶接する場合の板金Ｗ１及びＷ２を撮影した画像を示している。半引き角継手とは、一方の板金の面の端部を他方の板金の板厚の中央部に位置させた状態で溶接することである。

【0038】

コンピュータ機器５０は、撮影画像２１ｉｓにおける指定領域Ｓ内の次の式（１）で得られるコントラスト値Ｃをコントラストの評価値とする。式（１）で得られるコントラスト値Ｃは、指定領域Ｓ内の各画素における隣接画素との輝度値の差の総和である。式（１）において、Ｉは指定領域Ｓ内の任意の位置、ｉ及びｊは隣接画素を決めるための微小値、Ｉ（ｘ，ｙ）は位置Ｉにおける輝度値、Ｉ（ｘ＋ｉ，ｙ＋ｊ）は隣接画像の位置における輝度値である。

【0039】

【数1】

【0040】

図１０は、溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を変化させたときの撮影画像２１ｉｓの評価値の変化の一例を示している。コンピュータ機器５０が式（１）を用いてコントラスト値Ｃを評価値として求めると、図１０に示すように、評価値は焦点が合っている状態の距離０で最大値となる。溶接ヘッド２０と板金Ｗ（Ｗ１及びＷ２）との距離が、距離０から正方向または負方向に大きくなると、評価値は小さくなる。溶接ヘッド２０が板金Ｗから離れる方向の距離が正方向の距離であり、溶接ヘッド２０が板金Ｗに近付く向の距離が負方向の距離である。コンピュータ機器５０は、評価値の最大値を求めることにより、カメラ２１は板金Ｗの表面で焦点が合っている状態であると判定する。

【0041】

図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２に示すフローチャートを用いて、コンピュータ機器５０が実行する、図１０に示すような特性を有する評価値の最大値を探索する処理の第１の例を説明する。図１１Ａにおいて、コンピュータ機器５０が処理を開始させると、コンピュータ機器５０は、ステップＳ１にて、溶接ヘッド２０の現在の高さである０ｍｍと、板金Ｗから離れる方向の＋２ｍｍ及び＋４ｍｍの３点で板金Ｗを撮影した撮影画像２１ｉｓに基づき、評価値を算出する。上記のように、溶接ヘッド２０の高さ方向の位置は、コンピュータ機器５０からの通知を受けたＮＣ装置４０によって制御される。

【0042】

コンピュータ機器５０は、ステップＳ２にて、算出された３点の評価値の傾きパターンを判定する。コンピュータ機器５０は、評価値の傾きが大きいか小さいかを判定するための傾き閾値と、高さ０ｍｍと高さ＋２ｍｍにおける評価値の傾き、及び高さ＋２ｍｍと高さ＋４ｍｍにおける評価値の傾きとを比較して傾きパターンを判定する。傾き閾値は、評価値の傾きが正であるときに用いる正の傾き閾値と、評価値の傾きが負であるときに用いる負の傾き閾値とを含む。

【0043】

図１０に示す縦軸の評価値は各種の条件によって値が変化する。よって、傾き閾値は算出される評価値に応じた値とする必要があり、固定値ではない。後述するように、傾き閾値が算出された評価値に応じた値となっていないと判定されるときには、コンピュータ機器５０は傾き閾値を変化させる。

【0044】

評価値の傾きが正で正の傾き閾値以上である状態を傾きが＋大、評価値の傾きが負で負の傾き閾値以下である（評価値の負の傾きの絶対値が負の傾き閾値の絶対値以上である）状態を傾きが－大と称することとする。評価値の傾きの絶対値が正及び負の傾き閾値の絶対値より小さい状態を傾きが小と称することとする。高さ０ｍｍと高さ＋２ｍｍにおける評価値の傾きと高さ＋２ｍｍと高さ＋４ｍｍにおける評価値の傾きとの傾きパターンが（＋大、＋大）または（小、＋大）であれば、ステップＳ１にて算出された３点の評価値は、図１０における焦点からの距離が負側に位置すると想定される。

【0045】

そこで、ステップＳ２で判定された傾きパターンが（＋大、＋大）または（小、＋大）であれば、コンピュータ機器５０は、ステップＳ３にて、高さ＋４ｍｍの位置にある溶接ヘッド２０を板金Ｗに近付く方向に１ｍｍ及び３ｍｍ移動させる。コンピュータ機器５０は、高さ＋３ｍｍ及び＋１ｍｍの２点で板金Ｗを撮影した撮影画像２１ｉｓに基づき、評価値を算出する。これにより、ステップＳ１で撮影しなかった＋３ｍｍ及び＋１ｍｍの２点での撮影が行われ、高さ０ｍｍ、＋１ｍｍ、＋２ｍｍ、＋３ｍｍ、＋４ｍｍの４点での評価値が得られる。

【0046】

続けて、コンピュータ機器５０は、ステップＳ４にて、高さ＋４ｍｍから＋１ｍｍずつ溶接ヘッド２０を高さ方向に移動させた各点で撮影した撮影画像２１ｉｓに基づき、評価値を算出する。コンピュータ機器５０は、ステップＳ５にて、評価値の傾きが負となったか否かを判定し、負とならなければ（NO）、ステップＳ４及びＳ５の処理を繰り返す。

【0047】

即ち、コンピュータ機器５０は、高さ＋５ｍｍの位置で高さ＋４ｍｍと高さ＋５ｍｍにおける評価値の傾きが負となったか否かを判定する。負とならなければ、コンピュータ機器５０は、高さ＋６ｍｍの位置で高さ＋５ｍｍと高さ＋６ｍｍにおける評価値の傾きが負となったか否かを判定する。負とならなければ、コンピュータ機器５０は、高さ＋７ｍｍの位置で高さ＋６ｍｍと高さ＋７ｍｍにおける評価値の傾きが負となったか否かを判定する。以降、コンピュータ機器５０は、評価値の傾きが負となるまで、溶接ヘッド２０の高さを正方向に移動させて、評価値の傾きの判定を繰り返す。

【0048】

ステップＳ５にて評価値の傾きが負となれば（YES）、コンピュータ機器５０は、ステップＳ６にて、評価値の最大値を決定して、処理を終了させる。評価値の最大値が得られた溶接ヘッド２０の高さ方向の位置において、カメラ２１の焦点が板金Ｗの表面に合った状態となり、板金Ｗに照射されるレーザビームの焦点が板金Ｗの表面に位置する状態となる。

【0049】

高さ０ｍｍと高さ＋２ｍｍにおける評価値の傾きと高さ＋２ｍｍと高さ＋４ｍｍにおける評価値の傾きとの傾きパターンが（＋大、－大）、（小、－大）、または（＋大、小）であれば、ステップＳ１にて算出された３点の評価値は、図１０における最大値の近傍に位置すると想定される。

【0050】

そこで、ステップＳ２で判定された傾きパターンが（＋大、－大）、（小、－大）、または（＋大、小）であれば、コンピュータ機器５０は、ステップＳ３と同様に、ステップＳ７にて、高さ＋３ｍｍ及び＋１ｍｍの２点で板金Ｗを撮影した撮影画像２１ｉｓに基づき、評価値を算出する。続けて、コンピュータ機器５０は、ステップＳ８にて、最大値の確認処理を実行して、処理を終了させる。ステップＳ８の詳細については後述する。

【0051】

高さ０ｍｍと高さ＋２ｍｍにおける評価値の傾きと高さ＋２ｍｍと高さ＋４ｍｍにおける評価値の傾きとの傾きパターンが（－大、小）または（－大、－大）であれば、ステップＳ１にて算出された３点の評価値は、図１０における焦点からの距離が正側に位置すると想定される。

【0052】

そこで、ステップＳ２で判定された傾きパターンが（－大、小）または（－大、－大）であれば、コンピュータ機器５０は、ステップＳ３と同様に、ステップＳ９にて、高さ＋３ｍｍ及び＋１ｍｍの２点で板金Ｗを撮影した撮影画像２１ｉｓに基づき、評価値を算出する。続けて、コンピュータ機器５０は、ステップＳ１０にて、高さ０ｍｍから－１ｍｍずつ溶接ヘッド２０を高さ方向に移動させた各点で撮影した撮影画像２１ｉｓに基づき、評価値を算出する。コンピュータ機器５０は、ステップＳ１１にて、評価値の傾きが正となったか否かを判定し、正とならなければ（NO）、ステップＳ１０及びＳ１１の処理を繰り返す。

【0053】

即ち、コンピュータ機器５０は、高さ－１ｍｍの位置で高さ０ｍｍと高さ－１ｍｍにおける評価値の傾きが正となったか否かを判定する。正とならなければ、コンピュータ機器５０は、高さ－２ｍｍの位置で高さ－１ｍｍと高さ－２ｍｍにおける評価値の傾きが正となったか否かを判定する。正とならなければ、コンピュータ機器５０は、高さ－３ｍｍの位置で高さ－２ｍｍと高さ－３ｍｍにおける評価値の傾きが正となったか否かを判定する。以降、コンピュータ機器５０は、評価値の傾きが正となるまで、溶接ヘッド２０の高さを負方向に移動させて、評価値の傾きの判定を繰り返す。

【0054】

ステップＳ１１にて評価値の傾きが正となれば（YES）、コンピュータ機器５０は、ステップＳ１２にて、評価値の最大値を決定して、処理を終了させる。同様に、評価値の最大値が得られた溶接ヘッド２０の高さ方向の位置において、カメラ２１の焦点が板金Ｗの表面に合った状態となり、板金Ｗに照射されるレーザビームの焦点が板金Ｗの表面に位置する状態となる。

【0055】

高さ０ｍｍと高さ＋２ｍｍにおける評価値の傾きと高さ＋２ｍｍと高さ＋４ｍｍにおける評価値の傾きとの傾きパターンが（小、小）であれば、コンピュータ機器５０は、図１１ＢのステップＳ１３にて、高さ０ｍｍと高さ＋４ｍｍにおける評価値の傾きを取得する。続けて、コンピュータ機器５０は、ステップＳ１４にて、前回の探索時と比較して傾きの方向が反転したか否かを判定する。最初の探索時であれば、前回の探索時と比較して傾きの方向が反転するとは判定されず（NO）、コンピュータ機器５０は、ステップＳ１５にて、ステップＳ１３で取得した評価値の傾きが正であるか否かを判定する。

【0056】

ステップＳ１５にて評価値の傾きが正であれば（YES）、コンピュータ機器５０は、ステップＳ１６にて、溶接ヘッド２０を現時点の＋４ｍｍから高さ方向に＋５ｍｍ移動させて、処理を図１１ＡのステップＳ１に移行させる。ステップＳ１６にて高さ＋９ｍｍの位置に移動された溶接ヘッド２０は、ステップＳ１にて、その高さ＋９ｍｍの位置が新たに高さ０ｍｍとされて、ステップＳ１以降の処理が繰り返される。

【0057】

ステップＳ１５にて評価値の傾きが正でなければ（NO）、コンピュータ機器５０は、ステップＳ１７にて、溶接ヘッド２０を現時点の＋４ｍｍから高さ方向に－９ｍｍ移動させて、処理を図１１ＡのステップＳ１に移行させる。ステップＳ１７にて高さ－５ｍｍの位置に移動された溶接ヘッド２０は、ステップＳ１にて、その高さ－５ｍｍの位置が新たに高さ０ｍｍとされて、ステップＳ１以降の処理が繰り返される。

【0058】

ステップＳ１４にて、前回の探索時と比較して傾きの方向が反転すれば（YES）、コンピュータ機器５０は、ステップＳ１８にて、正及び負の傾き閾値の絶対値を小さくして、処理を図１１ＡのステップＳ１に移行させる。コンピュータ機器５０は、絶対値を小さくした正及び負の傾き閾値で、ステップＳ１以降の処理を繰り返す。ステップＳ１８にて正及び負の傾き閾値の絶対値を小さくしたときには、コンピュータ機器５０は、既に算出されているステップＳ１における高さ０ｍｍ、＋２ｍｍ、＋４ｍｍの３点の評価値をそのまま用いて、ステップＳ２における傾きパターンを判定する。

【0059】

図１２は、図１１ＡにおけるステップＳ８の具体的な処理を示している。図１２において、コンピュータ機器５０は、ステップＳ８１にて、溶接ヘッド２０の高さ０ｍｍ～＋４ｍｍにおける１ｍｍピッチで評価値の傾きを判定する。コンピュータ機器５０は、ステップＳ８２にて、高さ０ｍｍ～＋４ｍｍの途中で評価値の傾きが正から負に反転したか否かを判定する。正、負、負、負と、正、正、負、負と、正、正、正、負とのうちのいずれかが評価値の傾きが正から負に反転した状態である。評価値の傾きが正から負に反転すれば（YES）、コンピュータ機器５０は、ステップＳ８９にて、評価値の最大値を決定して、処理を終了させる。

【0060】

ステップＳ８２にて評価値の傾きが正から負に反転しなければ（NO）、コンピュータ機器５０は、ステップＳ８３にて、溶接ヘッド２０の高さ０ｍｍ～＋４ｍｍにおける２ｍｍピッチで評価値の傾きを判定する。高さ０ｍｍと高さ＋２ｍｍにおける評価値の傾きと高さ＋２ｍｍと高さ＋４ｍｍにおける評価値の傾きとの傾きパターンが（＋大、－大）であることは通常なく、評価値の最大値を探索不能な異常な状態である。そこで、コンピュータ機器５０は、ステップＳ８３で傾きパターンが（＋大、－大）であると判定すれば、ステップＳ８４にて、アラームを発生させて、処理を終了させる。

【0061】

コンピュータ機器５０は表示部を有する。コンピュータ機器５０は表示部にアラームに相当する画像を表示してもよいし、アラームの音声を発生してもよい。

【0062】

ステップＳ８３での傾きパターンが（小、－大）であるということは、溶接ヘッド２０が、カメラ２１の焦点が板金Ｗの表面で合っている状態よりも板金Ｗに近付いている状態にあるということである。そこで、ステップＳ８３で傾きパターンが（小、－大）であると判定すれば、コンピュータ機器５０は、ステップＳ８５にて、溶接ヘッド２０を高さ方向に＋１ｍｍずつ移動させた各点で板金Ｗを撮影した撮影画像２１ｉｓに基づき、評価値を算出する。

【0063】

コンピュータ機器５０は、ステップＳ８６にて、評価値の傾きが負となったか否かを判定し、負とならなければ（NO）、ステップＳ８５及びＳ８６の処理を繰り返す。ステップＳ８６にて評価値の傾きが負となれば（YES）、コンピュータ機器５０は、ステップＳ８９にて、評価値の最大値を決定して、処理を終了させる。

【0064】

ステップＳ８３での傾きパターンが（＋大、小）であるということは、溶接ヘッド２０が、カメラ２１の焦点が板金Ｗの表面で合っている状態よりも板金Ｗから離れている状態にあるということである。そこで、ステップＳ８３で傾きパターンが（＋大、小）であると判定すれば、コンピュータ機器５０は、ステップＳ８７にて、溶接ヘッド２０を高さ方向に－１ｍｍずつ移動させた各点で板金Ｗを撮影した撮影画像２１ｉｓに基づき、評価値を算出する。

【0065】

コンピュータ機器５０は、ステップＳ８８にて、評価値の傾きが正となったか否かを判定し、正とならなければ（NO）、ステップＳ８７及びＳ８８の処理を繰り返す。ステップＳ８８にて評価値の傾きが正となれば（YES）、コンピュータ機器５０は、ステップＳ８９にて、評価値の最大値を決定して、処理を終了させる。

【0066】

図１３及び図１４Ａ～図１４Ｄを用いて、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２のフローチャートで示す処理によって評価値の最大値が探索される工程の具体例を説明する。図１４Ａ～図１４Ｄは、図１１ＡのステップＳ２において傾きパターンが（小、小）と判定される場合を例とする。

【0067】

図１３は、溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を変化させたときの撮影画像２１ｉｓのコントラストに基づく評価値の変化の他の例を示している。溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を変化させたときに、コンピュータ機器５０が生成する評価値が図１３に示すように変化するとする。図１０と図１３とを比較すれば分かるように、評価値の最大値、及び評価値が変化するときの傾きは必ずしも同じとはならない。

【0068】

図１４Ａは、図１１Ａ、図１１Ｂ、図１２のフローチャートで示す処理によって評価値の最大値が探索される工程の具体例における最初の工程を示す。図１４Ｂは、図１４Ａの最初の工程に続く工程を示す。図１４Ｃは、図１４Ｂの工程に続く工程を示す。図１４Ｄは、図１４Ｃの工程に続く工程を示す。図１４Ａ～図１４Ｄにおいて、算出された評価値を黒丸で、算出されていない評価値を白丸で示す。

【0069】

図１４Ａに示すように、図１１ＡのステップＳ１における溶接ヘッド２０の現在の高さ０ｍｍが、焦点からの＋２ｍｍの位置であったとする。このとき、コンピュータ機器５０は、焦点から＋２ｍｍ、＋４ｍｍ、＋６ｍｍの３点における評価値を算出することになる。焦点から＋２ｍｍ、＋４ｍｍ、＋６ｍｍの３点における評価値は、それぞれ、５０２９１００、４６９４９００、４５３４７００である。

【0070】

図１４Ａにおいて、＋２ｍｍから＋４ｍｍまでの評価値の傾きは－１６７１００、＋４ｍｍから＋６ｍｍまでの評価値の傾きは－８０１００、＋２ｍｍから＋６ｍｍまでの評価値の傾きは－１２３６００である。正の傾き閾値を＋３、負の傾き閾値を－３とすると、コンピュータ機器５０は、ステップＳ２にて、傾きパターンが（小、小）であると判定する。よって、コンピュータ機器５０は、図１１ＢのステップＳ１７にて、溶接ヘッド２０を高さ方向に－９ｍｍ移動させるよう制御するので、溶接ヘッド２０は焦点から－３ｍｍの位置に移動する。

【0071】

コンピュータ機器５０は、再びステップＳ１の処理を実行させる。このときの高さ０ｍｍ、＋２ｍｍ、＋４ｍｍは、焦点から－３ｍｍ、－１ｍｍ、＋１ｍｍの位置である。図１４Ｂに示すように、コンピュータ機器５０は、ステップＳ１にて、焦点から－３ｍｍ、－１ｍｍ、＋１ｍｍの３点における評価値を算出する。焦点から－３ｍｍ、－１ｍｍ、＋１ｍｍの点における評価値は、それぞれ、４８８６７００、５３６９３００、５３３２５００である。

【0072】

図１４Ｂにおいて、－３ｍｍから－１ｍｍまでの評価値の傾きは２４１３００、－１ｍｍから＋１ｍｍまでの評価値の傾きは－１８４００、－３ｍｍから＋１ｍｍまでの評価値の傾きは１１１４５０である。最初の探索時と同様に、コンピュータ機器５０は、ステップＳ２にて、傾きパターンが（小、小）であると判定する。２回目の探索においては、コンピュータ機器５０は、図１１ＢのステップＳ１４にて、傾きの方向が反転したと判定するから、コンピュータ機器５０は、ステップＳ１８にて、例えば、正の傾き閾値を＋１５００００、負の傾き閾値を－１５００００に変更して、傾き閾値の絶対値を小さくする。

【0073】

コンピュータ機器５０は、正及び負の傾き閾値の絶対値を小さくしたので、図１１ＡのステップＳ２にて、最初の探索時の焦点から＋２ｍｍ、＋４ｍｍ、＋６ｍｍの３点における評価値の傾きパターンを改めて判定する。図１４Ａにおいて、＋２ｍｍから＋４ｍｍまでの評価値の傾きは－１６７１００、＋４ｍｍから＋６ｍｍまでの評価値の傾きは－８０１００であり、傾き閾値の絶対値が１５００００である。従って、コンピュータ機器５０は、ステップＳ２にて、傾きパターンが（－大、小）であると判定する。

【0074】

すると、図１４Ｃに示すように、コンピュータ機器５０は、ステップＳ９にて、＋３ｍｍ及び＋１ｍｍの位置に相当する焦点から＋５ｍｍ及び＋３ｍｍの位置における評価値を算出する。コンピュータ機器５０は、ステップＳ１０及びＳ１１にて、傾きが正とならない限り、焦点から＋２ｍｍの位置から－１ｍｍずつ溶接ヘッド２０を移動させて評価値を算出する。

【0075】

図１４Ｄに示すように、焦点から＋２ｍｍ、＋１ｍｍ、０ｍｍ、－１ｍｍの位置における評価値は、それぞれ、５０２９１００、５３３２５００、５５４１６００、５３６９３００である。図１４Ｄにおいて、＋２ｍｍから＋１ｍｍまでの傾きが－３０３４００、＋１ｍｍから０ｍｍまでの傾きが－２０９１００、０ｍｍから－１ｍｍの傾きが＋１７２３００であるから、コンピュータ機器５０は、ステップＳ１２にて、焦点から０ｍｍの位置の評価値を最大値と決定する。

【0076】

このようにして、溶接ヘッド２０を板金Ｗの溶接箇所における平面的な位置に位置させた状態で、コンピュータ機器５０は、溶接ヘッド２０を高さ方向の複数の位置に位置させてカメラ２１によって溶接箇所を撮影する。コンピュータ機器５０は、複数の位置の各位置における溶接箇所の撮影画像２１ｉｓのコントラストを評価した評価値を算出する。コンピュータ機器５０は、各位置で算出した評価値に基づいて、カメラ２１の焦点が板金Ｗの表面に位置する溶接ヘッド２０の高さ方向の最適位置を求める。

【0077】

コンピュータ機器５０は、評価値が最大値となる溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を最適位置と決定すればよい。コンピュータ機器５０は、溶接ヘッド２０を高さ方向の複数の位置に位置させてカメラ２１によって溶接箇所を撮影した撮影画像２１ｉｓに基づいて、溶接ヘッド２０の高さ方向の位置に応じて増減する評価値を得ることができる。コンピュータ機器５０は、増減する評価値の最大値を求めることによって、溶接ヘッド２０の高さ方向の最適位置を簡単に決定することができる。

【0078】

ＮＣ装置４０は、溶接ヘッド２０より射出されるレーザビームによって溶接箇所を溶接するとき、コンピュータ機器５０による通知に従って、溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を最適位置に位置決めする。

【0079】

コンピュータ機器５０が実行する、コントラストに基づく評価値の最大値を探索する処理は、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す第１の例に限定されず、図１５～図１７に示す第２の例を用いてもよい。

【0080】

図１５は、コンピュータ機器５０が、コントラストに基づく評価値の最大値を探索する処理の第２の例を実行するときの、溶接ヘッド２０の高さ方向の移動、カメラ２１の動作、及びコンピュータ機器５０の動作を示している。図１６は、コンピュータ機器５０が、コントラストに基づく評価値の最大値を探索する処理の第２の例を実行するときの、時間の進行に伴って変化する評価値及び評価値の回帰直線の傾きの一例を示している。図１７のフローチャートは、コンピュータ機器５０が実行する、コントラストに基づく評価値の最大値を探索する処理の第２の例を示している。

【0081】

図１５に示すように、ＮＣ装置４０は、溶接ヘッド２０を高さ方向に例えば６ｍｍ／ｓの速度で移動させる。カメラ２１は、例えば３０フレーム／ｓのフレームレートで溶接箇所を撮影する。このとき、時刻ｔ１から時刻ｔ２まで、時刻ｔ２から時刻ｔ３まで、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの各フレームＦ１～Ｆ３は、約３３．３ｍｓである。溶接ヘッド２０は、各フレームＦ１～Ｆ３の期間で０．２ｍｍ移動する。

【0082】

カメラ２１は、時刻ｔ０１から時刻ｔ１まで露光してフレームＦ１の画像信号を生成し、時刻ｔ１１から時刻ｔ２まで露光してフレームＦ２の画像信号を生成する。カメラ２１は、時刻ｔ２１から時刻ｔ３まで露光してフレームＦ３の画像信号を生成し、時刻ｔ３１から時刻ｔ４まで露光してフレームＦ３の次のフレームの画像信号を生成する。

【0083】

カメラ２１は、時刻ｔ１～ｔ４において、各フレームの画像信号のコンピュータ機器５０への送信を開始し、コンピュータ機器５０は各フレームの画像信号の受信を開始する。コンピュータ機器５０は、時刻ｔ１から時刻ｔ１２までの時間で評価値を算出し、時刻ｔ２から時刻ｔ２２までの時間で評価値を算出する。コンピュータ機器５０は、時刻ｔ３から時刻ｔ３２までの時間で評価値を算出し、時刻ｔ４から時刻ｔ４２までの時間で評価値を算出する。カメラ２１及びコンピュータ機器５０は、フレームＦ３の次のフレーム以降も同様に動作する。

【0084】

図１６に示すように、多関節ロボット１０が溶接ヘッド２０を、１２００ｍｓ以上の移動時間だけ高さ方向に移動させているとき、コンピュータ機器５０は、所定の時間ごとに評価値を求める。これにより、時間の進行に伴って変化する図示のような特性の黒丸で示す評価値が得られる。コンピュータ機器５０は、例えば、最新の評価値とその直前の連続する６点の評価値との合計７点の評価値の回帰直線の傾きを求める。溶接ヘッド２０の移動に伴って、図示のような特性の黒三角で示す回帰直線の傾きが得られる。回帰直線の傾きを求める評価値は８点のような偶数であってもよい。

【0085】

図１６において、回帰直線の傾きを示す点Ｓｉで回帰直線の傾きが正であり、回帰直線の傾きを示す点Ｓｊで回帰直線の傾きが負になったとする。このとき、回帰直線の傾きは、点Ｓｉから点Ｓｊへの途中で０になったということである。コンピュータ機器５０は、回帰直線の傾きが０となる第１の時刻Ｔ１を求める。コンピュータ機器５０は、点Ｓｉから点Ｓｊまでの時間の例えば中央の時刻を第１の時刻Ｔ１とすればよい。回帰直線の傾きの各点は離散値であるため、回帰直線の傾きが０となる第１の時刻Ｔ１が直接的に得られないことがある。回帰直線の傾きが０となる第１の時刻Ｔ１を求める処理には、回帰直線の傾きが正から負、または負から正へと変化する時間の中間の時刻を第１の時刻Ｔ１とみなすことが含まれる。

【0086】

点Ｓｊが得られた時刻に対応する時刻の評価値は点Ｅｊである。コンピュータ機器５０は、第１の時刻Ｔ１から所定の時間だけ遡った第２の時刻Ｔ２までの、複数の評価値を含む時間ＴＭ０の中央である第３の時刻Ｔ３を求める。複数の評価値とは、回帰直線の傾きを求める７点の評価値である。７点の評価値の最初の評価値を点Ｅ１、最後の評価値を点Ｅ７とする。コンピュータ機器５０は、第３の時刻Ｔ３における溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を、評価値の最大値が得られる最適位置と決定する。回帰直線の傾きを求める評価値が７点のような奇数であるとき、第３の時刻Ｔ３は中央に位置する評価値の点Ｅ４が得られた時刻である。

【0087】

溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を変化させたときの撮影画像のコントラストに基づく評価値は、溶接ヘッド２０が高さ方向の所定の位置に位置するときに、図１０または図１３に示すように最大値となる。評価値の最大値の近傍を拡大すれば、評価値がほとんど変化しない位置が評価値の最大値となる。そこで、評価値の回帰直線の傾きが０となる第１の時刻Ｔ１に基づいて第３の時刻Ｔ３を求めれば、評価値の最大値が得られる溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を求めることができる。

【0088】

図１６に示す例では、実際には、時間ＴＭ０内の７点の評価値で、点Ｅ４ではなく点Ｅ３が評価値の最大値となっている。評価値は各種の条件で値が変化するので、突発的に最大値が発生した溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を最適位置とすることは好ましくない。コンピュータ機器５０は、回帰直線の傾きが０となる第１の時刻Ｔ１に基づいて、第１の時刻Ｔ１の直前の複数の評価値を含む時間ＴＭ０の中央である第３の時刻Ｔ３を求める。コンピュータ機器５０が、第３の時刻Ｔ３における溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を最適位置と決定することにより、各種の条件で評価値が変化しても、ほぼ評価値の最大値が得られる高さ方向の位置を最適位置とすることができる。

【0089】

ＮＣ装置４０は、溶接ヘッド２０の高さ方向の位置が、コンピュータ機器５０より通知された最適位置となるよう多関節ロボット１０を制御する。

【0090】

コンピュータ機器５０は、次の式（２）に基づいて回帰直線の傾きＳＲＬを求めることができる。式（２）において、ｘｎは、図１６の横軸である、時間ＴＭ０内の各評価値が得られた時刻であり、ｘバーは、時間ＴＭ０内の各評価値が得られた時刻の平均値である。ｙｎは、図１６の左縦軸である、時間ＴＭ０内の各評価値であり、ｙバーは時間ＴＭ０内の各評価値の平均値である。ｎが１であるときのｘ１は点Ｅ１の時刻であり、ｎがｎｍａｘであるときのｘｎｍａｘは点Ｅ７の時刻である。ｎが１であるときのｙ１は点Ｅ１の評価値であり、ｎがｎｍａｘであるときのｙｎｍａｘは点Ｅ７の評価値である。

【0091】

【数2】

【0092】

図１６の横軸をフレーム数、または溶接ヘッド２０の高さ方向の移動距離としても、回帰直線の傾きＳＲＬを求めることが可能である。回帰直線の傾きＳＲＬの求め方は、図１６の横軸を時間とした式（２）に限定されない。

【0093】

図１７に示すフローチャートを用いて、第２の例をさらに説明する。図１７において、ＮＣ装置４０は、コンピュータ機器５０からの指示を受けて、ステップＳ２１にて、溶接ヘッド２０の正方向への移動を開始させる。コンピュータ機器５０は、ステップＳ２２にて、カメラ２１による撮影画像を受信する。コンピュータ機器５０、ステップＳ２３にて、コントラストに基づく評価値を算出し、ステップＳ２４にて、評価値の回帰直線の傾きを算出する。

【0094】

コンピュータ機器５０は、ステップＳ２５にて、溶接ヘッド２０が正方向に移動中であるか否かを判定する。処理がステップＳ２１から初めてステップＳ２５へと到達したときには、溶接ヘッド２０は必ず正方向に移動しているが、後述するように、溶接ヘッド２０の移動方向を反転することがあるので、ステップＳ２５の処理が設けられている。溶接ヘッド２０が正方向に移動中でなければ（NO）、処理はステップＳ２９に移行される。溶接ヘッド２０が正方向に移動中であれば（YES）、コンピュータ機器５０、ステップＳ２６にて、評価値の減少を検出したか否かを判定する。

【0095】

ステップＳ２６にて評価値の減少を検出しなければ（NO）、処理はステップＳ２９に移行される。ステップＳ２６にて評価値の減少を検出すれば（YES）、ＮＣ装置４０は、コンピュータ機器５０からの指示を受けて、ステップＳ２７にて、多関節ロボット１０に溶接ヘッド２０の移動方向の反転を指令する。多関節ロボット１０は、移動方向の反転の指令を受けて、ステップＳ２８にて、溶接ヘッド２０の負方向への移動を開始させて、処理はステップＳ２２に戻されて、ステップＳ２２以降の処理が繰り返される。

【0096】

コンピュータ機器５０、ステップＳ２９にて、回帰直線の傾きが０となった時刻（第１の時刻Ｔ１）を基準とした溶接ヘッド２０の最適位置が得られたか否かを判定する。溶接ヘッド２０の最適位置が得られれば（YES）、コンピュータ機器５０、ステップＳ３０にて、現在位置から最適位置までの溶接ヘッド２０の移動量を算出する。コンピュータ機器５０は、ステップＳ３１にて、ＮＣ装置４０に移動量を通知する。ＮＣ装置４０は、ステップＳ３２にて、溶接ヘッド２０を通知された移動量だけ移動させるよう多関節ロボット１０を制御して、処理を終了させる。

【0097】

ステップＳ２９にて溶接ヘッド２０の最適位置が得られなければ（NO）、コンピュータ機器５０は、ステップＳ３３にて、溶接ヘッド２０が移動開始から負方向に５ｍｍの位置に位置しているか否かを判定する。溶接ヘッド２０が負方向に５ｍｍの位置に位置していなければ（NO）、処理はステップＳ２２に戻されて、ステップＳ２２以降の処理が繰り返される。溶接ヘッド２０が負方向に５ｍｍの位置に位置していれば（YES）、ＮＣ装置４０は、コンピュータ機器５０からの指示を受けて、ステップＳ３４にて、板金Ｗへの衝突を回避するため、溶接ヘッド２０を開始位置に移動させて、処理を終了させる。

【0098】

図１７に示す第２の例によれば、溶接ヘッド２０を連続的に移動させながら、評価値の回帰直線の傾きが０となった時刻を基準として溶接ヘッド２０の最適位置を求める構成である。従って、第２の例によれば、図１１Ａ及び図１１Ｂに示す第１の例と比較して、溶接ヘッド２０の最適位置が得られるまでの時間を短くすることができる。

【0099】

以上説明した１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ溶接機１００及び溶接ヘッド２０の高さ位置調整方法によれば、オペレータは、ティーチング操作部６０を操作して板金Ｗにおける各溶接箇所に対する溶接ヘッド２０の平面的な位置（またはこれに加えて溶接ヘッド２０の角度）を教示するのみでよい。オペレータは、各溶接箇所に対する溶接ヘッド２０の高さ方向の位置を教示する必要はない。従って、１またはそれ以上の実施形態に係るレーザ溶接機１００及び溶接ヘッド２０の高さ位置調整方法によれば、オペレータによる溶接箇所を教示するティーチングの作業を簡略化することができる。

【0100】

本発明は以上説明した１またはそれ以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。

【符号の説明】

【0101】

１０ 多関節ロボット（位置調整機構）
１１ アーム
２０，２０Ａ～２０Ｆ 溶接ヘッド
２１ カメラ
２２ コリメーションレンズ
２３ 集束レンズ
２４，２７ 全反射ミラー
２５ 駆動部
２６，２８ ハーフミラー
３０ レーザ発振器
３１ 光ファイバ
４０ ＮＣ装置（制御装置）
５０ コンピュータ機器（計算機）
６０ ティーチング操作部
１００ レーザ溶接機
Ｗ，Ｗ１，Ｗ２ 板金

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11A】

【図11B】

【図12】

【図13】

【図14A】

【図14B】

【図14C】

【図14D】

【図15】

【図16】

【図17】

【手続補正書】

【提出日】2023-09-21

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

溶接対象の板金にレーザビームを照射する溶接ヘッドと、
前記溶接ヘッドの前記板金に対する平面的な位置及び高さ方向の位置を調整する位置調整機構と、
前記溶接ヘッドに取り付けられ、前記板金の溶接箇所を撮影するカメラと、
前記位置調整機構が前記溶接ヘッドを前記高さ方向に移動させている状態で、所定の時間ごとに、前記カメラが前記溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した、時間の進行に伴って変化する評価値を求め、前記評価値の回帰直線の傾きに基づいて、前記カメラの焦点が前記板金の表面に位置する前記溶接ヘッドの前記高さ方向の最適位置を求める計算機と、
前記溶接ヘッドの前記高さ方向の位置が前記計算機によって求められた最適位置となるように前記位置調整機構を制御する制御装置と、
を備えるレーザ溶接機。

【請求項2】

前記計算機は、
前記回帰直線の傾きが０となる第１の時刻を求め、
前記第１の時刻から、前記第１の時刻から所定の時間だけ遡った第２の時刻までの、複数の前記評価値を含む時間の中央である第３の時刻を求め、
前記第３の時刻における前記溶接ヘッドの前記高さ方向の位置を前記最適位置と決定する
請求項１に記載のレーザ溶接機。

【請求項3】

前記溶接ヘッドは、
発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメーションレンズと、
コリメート光に変換されたレーザビームを集束させて前記板金に照射する集束レンズと、
前記板金で反射する可視光を反射させて前記カメラに入射させる全反射ミラーと、
前記計算機が前記最適位置を求めるとき、前記全反射ミラーを前記板金で反射する可視光を反射させて前記カメラに入射させる第１の位置に位置させ、前記板金における前記溶接箇所を溶接するとき、前記全反射ミラーを前記板金に照射されるレーザビームの光路から退避する第２の位置に位置させるよう、前記全反射ミラーを駆動する駆動部と、
を備える請求項１または２に記載のレーザ溶接機。

【請求項4】

前記溶接ヘッドは、
発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメーションレンズと、
コリメート光に変換されたレーザビームを集束させて前記板金に照射する集束レンズと、
前記板金で反射する可視光を反射させて前記カメラに入射させ、前記板金に照射されるレーザビームを透過させるハーフミラーと、
を備える請求項１または２に記載のレーザ溶接機。

【請求項5】

前記溶接ヘッドは、
発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメーションレンズと、
コリメート光に変換されたレーザビームを反射させてレーザビームの進行方向を曲げる全反射ミラーと、
前記全反射ミラーで反射したレーザビームを集束させて前記板金に照射する集束レンズと、
前記板金における前記溶接箇所を溶接するとき、前記全反射ミラーを前記板金に照射されるレーザビームを反射させて前記集束レンズに入射させる第１の位置に位置させ、前記計算機が前記最適位置を求めるとき、前記全反射ミラーを前記板金で反射する可視光の光路から退避する第２の位置に位置させるよう、前記全反射ミラーを駆動する駆動部と、
を備える請求項１または２に記載のレーザ溶接機。

【請求項6】

前記溶接ヘッドは、
発散光のレーザビームをコリメート光に変換するコリメーションレンズと、
コリメート光に変換されたレーザビームを反射させてレーザビームの進行方向を曲げ、前記板金で反射する可視光を透過させて前記カメラに入射させるハーフミラーと、
前記ハーフミラーで反射したレーザビームを集束させて前記板金に照射する集束レンズと、
を備える請求項１または２に記載のレーザ溶接機。

【請求項7】

溶接ヘッドを板金の溶接箇所における平面的な位置に位置させた状態で、前記溶接ヘッドを高さ方向に移動させ、
前記溶接ヘッドを前記高さ方向に移動させている状態で、前記溶接ヘッドに取り付けられているカメラによって前記溶接箇所を撮影し、
所定の時間ごとに、前記カメラが前記溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した、時間の進行に伴って変化する評価値を求め、
前記評価値の回帰直線の傾きに基づいて、前記カメラの焦点が前記板金の表面に位置する前記溶接ヘッドの前記高さ方向の最適位置を求め
前記溶接ヘッドより射出されるレーザビームによって前記溶接箇所を溶接するときに、前記溶接ヘッドの前記高さ方向の位置を前記最適位置に位置決めする
溶接ヘッドの高さ位置調整方法。

【請求項8】

前記回帰直線の傾きが０となる第１の時刻を求め、
前記第１の時刻から、前記第１の時刻から所定の時間だけ前の第２の時刻までの、複数の前記評価値を含む時間の中央である第３の時刻を求め、
前記第３の時刻における前記溶接ヘッドの前記高さ方向の位置を前記最適位置と決定する
請求項７に記載の溶接ヘッドの高さ位置調整方法。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0006】

１またはそれ以上の実施形態の第１の態様は、溶接対象の板金にレーザビームを照射する溶接ヘッドと、前記溶接ヘッドの前記板金に対する平面的な位置及び高さ方向の位置を調整する位置調整機構と、前記溶接ヘッドに取り付けられ、前記板金の溶接箇所を撮影するカメラと、前記位置調整機構が前記溶接ヘッドを前記高さ方向に移動させている状態で、所定の時間ごとに、前記カメラが前記溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した、時間の進行に伴って変化する評価値を求め、前記評価値の回帰直線の傾きに基づいて、前記カメラの焦点が前記板金の表面に位置する前記溶接ヘッドの前記高さ方向の最適位置を求める計算機と、前記溶接ヘッドの前記高さ方向の位置が前記計算機によって求められた最適位置となるように前記位置調整機構を制御する制御装置とを備えるレーザ溶接機を提供する。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0007】

１またはそれ以上の実施形態の第１の態様によれば、カメラが溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した評価値の回帰直線の傾きに基づいて、カメラの焦点が板金の表面に位置する溶接ヘッドの高さ方向の最適位置が求められる。従って、オペレータは、ティーチングによって溶接箇所に対する溶接ヘッドの高さ方向の位置を教示する必要はなく、ティーチングの作業が簡略化される。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0008】

１またはそれ以上の実施形態の第２の態様は、溶接ヘッドを板金の溶接箇所における平面的な位置に位置させた状態で、前記溶接ヘッドを高さ方向に移動させ、前記溶接ヘッドを前記高さ方向に移動させている状態で、前記溶接ヘッドに取り付けられているカメラによって前記溶接箇所を撮影し、所定の時間ごとに、前記カメラが前記溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した、時間の進行に伴って変化する評価値を求め、前記評価値の回帰直線の傾きに基づいて、前記カメラの焦点が前記板金の表面に位置する前記溶接ヘッドの前記高さ方向の最適位置を求め前記溶接ヘッドより射出されるレーザビームによって前記溶接箇所を溶接するときに、前記溶接ヘッドの前記高さ方向の位置を前記最適位置に位置決めする溶接ヘッドの高さ位置調整方法を提供する。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0009】

１またはそれ以上の実施形態の第２の態様によれば、カメラが溶接箇所を撮影した撮影画像のコントラストを評価した評価値の回帰直線の傾きに基づいて、カメラの焦点が板金の表面に位置する溶接ヘッドの高さ方向の最適位置が求められる。従って、オペレータは、ティーチングによって溶接箇所に対する溶接ヘッドの高さ方向の位置を教示する必要はなく、ティーチングの作業が簡略化される。