DE19925413A1 - Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt eine Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers zur Verfügung, welche direkt die Brennpunktposition eines Schweißlasers festellen kann, unabhängig von der Position einer Sammellinse zum Sammeln eines Schweißlaserstrahls. Die Einrichtung weist auf: ein Photoelement (5) zum Empfang von Plasmalicht (4), welches infolge eines Laserstrahls in einer Schweißposition hervorgerufen wird; eine Abtastvorrichtung (6) zum Abtasten des photoelektrisch umgewandelten Ausgangssignals von dem Photoelement; eine Berechnungsvorrichtung (7) für den Varianzwert zur Berechnung eines Varianzwertes Var der diskreten Lichtintensitätswerte, die von der Abtastvorrichtung erhalten werden; eine Brennpunkttabelle (8), welche Laserbrennpunkte entsprechend dem Varianzwert Var angibt; und eine Brennpunktberechnungsvorrichtung zur Bezugnahme auf die Brennpunkttabelle (8), um die Lichtintensitätsdaten, die von der Berechnungsvorrichtung (7) für den Varianzwert erhalten werden, in Schweißlaserbrennpunktpositionen P für die Ausgabe umzuwandeln.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers, und insbesondere eine derartige Einrichtung zur Verwendung beim Schweißen von Metallplatten.

Herkömmlich wird ein Laser bei einer Schweißposition an zwei übereinander angeordneten Metallplatten eingesetzt, so daß die beiden Metallplatten an dieser Position geschmolzen und aneinander befestigt werden. Insbesondere wird derartiges Laserschweißen beim Schweißen von Stahlplatten eingesetzt. Die Schweißqualität hängt vom Ausmaß der Abweichung von einer optimalen Position des Laserbrennpunkts ab. Um ein ordnungsgemäßen Schweißergebnis zu erzielen ist es erforderlich, den Brennpunkt so zu steuern oder zu regeln, daß er sich in der optimalen Position befindet.

Bei einer herkömmlichen Laserschweißeinrichtung wird die Entfernung zwischen einer Lasersammellinse und einer zu schweißenden Platte ermittelt, und wird die Position der Sammellinse gesteuert, so daß die Entfernung konstant ist. Auf diese Weise wird die Position der Laserbrennpunktposition korrigiert. Diese Anordnung ist in der japanischen Patentanmeldung A4-127983 beschrieben.

Allerdings wird bei diesem Beispiel die Laserbrennpunktposition unter der Annahme korrigiert, daß die Entfernung von der Sammellinse zum Laserbrennpunkt konstant ist. (Die Laserbrennpunktposition wird daher nicht direkt festgestellt). Wenn sich daher die Entfernung zwischen der Sammellinse und dem Laserbrennpunkt ändert, infolge von Verschlechterungen aufgrund des Alters eines optischen Systems und des Lasers, wird es unmöglich, den Brennpunkt so zu korrigieren, daß er sich in seiner optimalen Position befindet.

Weiterhin beschreibt das US-Patent 5 607 605 ein Verfahren zum Photografieren eines Plasmas mit einer CCD-Kamera und zur Berechnung des vom Plasmabild eingenommenen Anteils in dem photografierten Bild. Allerdings ist bei diesem Beispiel die Entfernung zwischen dem vom Plasmabild eingenommenen Anteil und der Brennweite nicht so, daß sie monoton zunimmt oder abnimmt, und ist es unmöglich festzustellen, ob man näher an der optimalen Brennpunktposition ist oder weiter von dieser entfernt.

Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Bereitstellung einer Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers, welche direkt einen Schweißlaserbrennpunkt feststellen kann, unabhängig von der Position der Sammellinse zum Sammeln des Laserstrahls.

Darüber hinaus wird durch die vorliegende Erfindung der Brennpunkt in Echtzeit festgestellt, so daß sich der Brennpunkt immer an seiner optimalen Position befindet.

Weiterhin ermöglicht es die vorliegende Erfindung, den Brennpunkt in einem sehr kleinen Intervall festzustellen, das kleiner ist als 1 Sekunde, so daß eine Änderung der Brennpunktposition sofort festgestellt werden kann.

Um die voranstehenden Vorteile zu erreichen führte der Erfinder der vorliegenden Erfindung folgendes Experiment durch. Eine Aluminiumplatte wurde auf eine andere Aluminiumplatte gelegt, und ein Laserstrahl (Kohlendioxidlaser) wurde an eine Schweißposition angelegt. Auf diese Weise wurde der Schmelzzustand überprüft. Diese Überprüfung wurde wiederholt, während die Sammelvorrichtung, die eine Sammellinse oder einen Parabolreflektor aufwies, in Richtung des Laserstrahls geändert wurde, und jene Position der Sammellinse oder des Parabolreflektors, welche ein maximales Schmelzen hervorruft, wurde als Bezugsposition für den Laserbrennpunkt festgelegt.

Hierbei ist die Entfernung zwischen der Sammellinse und dem Laserbrennpunkt konstant, wenn bei dem optischen System keine Änderung infolge des Alterns berücksichtigt wird. Als nächstes wurde ein Photoelement in einer vorbestimmten Entfernung von der Schmelzposition angebracht, um das von der Schweißposition ausgesandte Plasmalicht zu empfangen. Ausgangssignale des Photoelements wurden periodisch über ein vorbestimmtes Zeitintervall abgetastet, und die Lichtintensitätsdatenposten, die so erhalten wurden, wurden zur Berechnung eines Varianzwertes eingesetzt.

Die Sammellinse wurde so angeordnet, daß sich der Laserbrennpunkt an der Bezugsposition befand. Weiterhin wurde die Position der Sammellinse nacheinander jeweils um einen Betrag von 1 mm verschoben, so daß jedes Mal der Laserbrennpunkt um 1 mm verschoben wurde. Varianzwerte wurden für den Bereich von -2 mm bis +3 mm in Bezug auf die Bezugsposition berechnet. Dies führte zu dem in Fig. 4 gezeigten Diagramm. Die Horizontalachse gibt die Laserbrennpunktposition an, wobei der Wert 0 für die Bezugsposition gewählt ist. Die Vertikalachse repräsentiert Varianzwerte.

Aus diesem Experiment ergab sich, daß in einem vorbestimmten Bereich (-2 bis +2 mm) ein Beziehung von 1 : 1 zwischen den Varianzwert und dem Brennpunkt vorhanden ist. Unter Verwendung dieser Beziehung ermittelte der Erfinder ein Verfahren zur Bestimmung der Brennpunktposition aus der Varianz.

Die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf:
ein Photoelement zum Empfangen von Licht von einer Schweißposition, wobei das Schweißen von einer Laserstrahlquelle durchgeführt wird, und zur Umwandlung der Intensität des empfangenen Lichts in ein elektrisches Signal;
ein Abtastvorrichtung zur periodischen Abtastung des elektrischen Signals, welches von dem Photoelement erzeugt wird, mit einem vorbestimmten Intervall; und eine Berechnungsvorrichtung zur Berechnung einer Datenverteilung (Abweichung von einem Bezugswert) oder der Varianz diskreter Lichtintensitätsdatenposten, wenn eine vorbestimmte Anzahl an Lichtintensitätsdatenposten gespeichert wurde.

Die Einrichtung kann darüber hinaus aufweisen: eine Brennpunkttabelle, welche eine Laserbrennpunktposition entsprechend einer Varianz eingibt; und eine Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung zur Bezugnahme auf die Varianz der Brennpunkttabelle, die von der Berechnungsvorrichtung erhalten wird, um die Varianz der Lichtintensitätsdaten in eine Schweißlaserbrennpunktposition für die Ausgabe umzuwandeln.

Darüber hinaus benutzte der Erfinder einen Mittelwert der Lichtintensitätsdaten zusätzlich zur Varianz. Dies bedeutet, daß eine charakteristische Größe der Varianz durch das Quadrat des Mittelwerts dividiert wurde. Im Ergebnis stellte sich heraus, daß die charakteristische Größe und die Brennpunktposition in der in Fig. 6 dargestellten Beziehung stehen.

Diese Fig. 6 zeigt einen größeren Bereich (-2 bis +3 mm), einer Entsprechung von 1 : 1 zwischen der Vertikalachse als der charakteristischen Größe und der Horizontalachse der Brennpunktposition, verglichen mit der Beziehung zwischen dem Varianzwert und der Brennpunktposition.

Wenn daher eine Brennpunktposition aus der voranstehend erwähnten charakteristischen Größe ermittelt wird, so ist es möglich, eine Brennpunktposition in einem weiteren Bereich festzustellen als dann, wenn die Korrespondenz zwischen der Varianz und der Brennpunktposition verwendet wird.

Die Schweißlaserbrennpunktpositionserfassungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: ein Photoelement zum Empfang von Licht von einer Position einer Schweißstelle, wobei das Schweißen mit einer Laserstrahlquelle durchgeführt wird, und zur Umwandlung der Intensität des empfangenen Lichts in ein elektrisches Signal; eine Abtastvorrichtung zur periodischen Abtastung des von dem Photoelement erzeugten elektrischen Signals periodisch mit vorbestimmten Intervallen; und eine Varianzwertberechnungsvorrichtung zur Berechnung eines Varianzwertes diskreter Lichtintensitätsdaten, die von der Abtastvorrichtung erhalten werden.

Darüber hinaus kann die Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweisen: eine Mittelwertberechnungsvorrichtung zur Berechnung des Mittelwertes der diskreten Lichtintensitätsdaten, die von der Abtastvorrichtung erhalten werden; eine Berechnungsvorrichtung für eine charakteristische Größe zur Berechnung einer charakteristischen Größe der Varianz, geteilt durch das Quadrat des Mittelwerts; und eine Brennpunkttabelle zur Festlegung eines Laserbrennpunkts entsprechend der charakteristischen Größe.

Darüber hinaus kann die Einrichtung eine Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung aufweisen, zur Bezugnahme auf die Brennpunkttabelle, um so die charakteristische Größe, die von der Berechnungsvorrichtung für die charakteristische Größe erhalten wird, in einen Schweißlaserbrennpunkt für die Ausgabe umzuwandeln.

Die Erfindung wird nachstehend anhand zeichnerisch dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert, aus welchen weitere Vorteile und Merkmale hervorgehen. Es zeigt:

Fig. 1 ein Plasma an einer Schweißposition sowie ein Photoelement an seiner festen Position;

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Anordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3 eine Erläuterung des Beispiels für die erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 ein Beispiel für eine Brennpunkttabelle, die bei der in Fig. 3 dargestellten zweiten Ausführungsform erhalten wird;

Fig. 5 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform;

Fig. 6 ein Beispiel für eine Brennpunkttabelle, die bei der in Fig. 5 gezeigten zweiten Ausführungsform erhalten wird;

Fig. 7 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8 ein Blockschaltbild des Aufbaus einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 eine Erläuterung eines Beispiels gemäß der vierten Ausführungsform von Fig. 8;

Fig. 10 eine Brennpunkttabelle, die durch das Beispiel gemäß der vierten Ausführungsform von Fig. 9 erhalten wird; und

Fig. 11 eine Perspektivansicht, bei welcher ein Photoelement in der vierten Ausführungsform von Fig. 8 befestigt ist.

[Ausführungsform 1]

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird eine erste Metallplatte 1 auf eine zweite Metallplatte 2 aufgelegt, und wird ein Laserstrahl 3 auf eine Schweißposition aufgebracht, wodurch ein Plasma 4 hervorgerufen wird. Dieses Plasma wird von einem Photoelement 5 detektiert.

Fig. 1 ist ein Blockschaltbild, welches eine Brennpunktpositionsfeststelleinrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Diese Brennpunktpositionsfeststelleinrichtung weist auf: ein Photoelement zum Feststellen oder Detektieren des Plasmas 4, welches an der Schweißposition durch den Laser 3 hervorgerufen wird; eine Abtastvorrichtung 5 zur Abtastung eines photoelektrisch umgewandelten Ausgangssignals des Photoelements 5, und eine Varianzberechnungsvorrichtung zur Berechnung des Varianzwertes Var auf der Grundlage diskreter Lichtintensitätsdaten, die von der Abtastvorrichtung 6 erhalten werden.

Die Einrichtung weist weiterhin auf: eine Brennpunkttabelle 8, welche Brennpunkte des Lasers 3 enthält, die entsprechend den Varianzwerten aufgeführt sind; und eine Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung 9 zur Umwandlung des Varianzwertes Var der Lichtintensitätsdaten, die von der Varianzwertberechnungsvorrichtung 7 erhalten werden, in eine Schweißlaserbrennpunktposition P.

Das Photoelement kann beispielsweise eine Photodiode sein, die an einem Ort befestigt wird, an welchem sie das Plasma 4 aus der Schweißposition detektieren kann.

Die Abtastvorrichtung weist auf: einen Verstärker 6a zur Erzeugung eines verstärkten Spannungssignals entsprechend dem Ausgangssignal des Photoelements 5; einen Analog/Digitalwandler 6b zur periodischen Abtastung eines kontinuierlichen Analogsignals von dem Verstärker 6a, in diskrete Lichtintensitätsdaten; und einen Speicher 6c zum Speichern der Ausgangsdaten von dem Analog/Digitalwandler 6b.

Die Varianzwertberechnungsvorrichtung 7 berechnet einen Varianzwert Var der Lichtintensitätsdaten, die bis zu einer vorbestimmten Größe gespeichert wurden. Hierbei wird der Varianzwert Var gemäß nachstehender Gleichung (1) berechnet.

[Gleichung 1]

Hierbei bezeichnet N einen Abtastzähler, ist xj ein j-ter Lichtintensitätsdatenposten, und ist Ave ein Mittelwert von x1 bis xN.

Die Brennpunkttabelle 8 wird so erzeugt, daß die Beziehung zwischen dem voranstehend geschilderten Varianzwert und dem Brennpunkt gemessen wird, ohne daß die Positionsbeziehung zwischen der festen Position des Photoelements 5 und der Schweißposition geändert wird. Fig. 4 zeigt ein Beispiel für die Brennpunkttabelle 8, bei welchem der Varianzwert Var allmählich zunimmt, während sich der Brennpunkt P zum Inneren der Metallplatte hin bewegt (zur Minusseite), und der Varianzwert Var allmählich verringert wird, während sich der Brennpunkt zur Außenseite (positiven Seite) bewegt (innerhalb eines Bereiches von -2 mm bis +2 mm). Diese Beziehung, der Bereich von -2 mm bis +2 mm, die experimentell erhalten wurde, ist in der Brennpunkttabelle angegeben.

Die Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung 9 empfängt einen Varianzwert Var, der periodisch von der Varianzwertberechnungsvorrichtung 9 erhalten wird, und wandelt unter Bezugnahme auf die Brennpunkttabelle 8 den Varianzwert Var in eine entsprechende Brennpunktsposition P um (Abweichung gegenüber einer Bezugsposition), zur Ausgabe.

Wenn beispielsweise 0,35 (Einheit ist das Quadrat von v) als Varianzwert Var von der Varianzwertausgabevorrichtung ausgegeben wird, so berechnet sich der Brennpunkt P zu etwa - (Minus) 0,5 mm; und wenn 0,25 als Varianzwert Var ausgegeben wird, berechnet sich der Brennpunkt P zu etwa + (Plus) 0,5 mm.

Daher wurde herausgefunden, daß der Varianzwert der Lichtintensitätsdaten an einer Schweißposition und die Brennpunktposition in einer Beziehung von 1 : 1 stehen, und ist diese Beziehung in der Brennpunkttabelle aufgezeichnet. Unter Verwendung dieser Brennpunkttabelle 8 wird die Brennpunktposition aus dem Varianzwert Var erhalten. Daher kann der Brennpunkt des Schweißlasers auf der Grundlage des Ausgangssignals des Photoelements 5 festgestellt werden. Selbst wenn sich die Entfernung zwischen der Sammellinse und Laserbrennpunkt ändert, infolge einer Alterungsänderung in dem Laseroptiksystem oder dem Oszillator, und sich der Zustand des Laseroptiksystems und des Oszillators durch Alterung geändert haben, wodurch wiederum die Entfernung zwischen der Lasersammellinse und dem Laserbrennpunkt schwankt, kann die Brennpunktposition nur auf der Grundlage der Lichtintensitätsdaten von der Schweißposition bestimmt werden, so daß die Brennpunktposition korrekt festgestellt werden kann.

Hierbei können die Abtastvorrichtung 6, die Varianzwertberechnungsvorrichtung 7 und die Brennpunktsberechnungsvorrichtung 9 dadurch realisiert werden, daß ein Brennpunktfeststellungsprogramm von einem Computer ausgeführt wird. In diesem Fall kann das Brennpunktfeststellungsprogramm aus einem Medium ausgelesen werden, das von dem Computer gelesen werden kann. Dieses Medium enthält ein Abtastprogramm zum Abtasten eines photoelektrisch umgewandelten Ausgangssignals von dem Photoelement; ein Varianzwertberechnungsprogramm zur Berechnung eines Varianzwertes der diskreten Lichtintensitätsdaten, die bei der Abtastverarbeitung erhalten werden; und ein Brennpunktpositionsberechnungsprogramm zur Bezugnahme auf die Brennpunkttabelle, um so die diskreten Lichtintensitätsdaten, die bei der Berechnungsverarbeitung für die diskreten Werte erhalten werden, in eine Schweißlaserbrennpunktposition für die Ausgabe umzuwandeln.

Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 4 die Einstellung einer Brennpunkttabelle 8 genauer erläutert.

Um die Brennpunkttabelle 8 aufzubauen wurden folgende Vorbereitungen durchgeführt. Wie in Fig. 3 gezeigt wurde eine Aluminiumplatte 1 aus JIS A5083 auf eine weiteren Aluminiumplatte 2 aus JIS A5083 aufgelegt, die beide eine Dicke von 2,5 mm aufwiesen, und wurde ein Photoelement 5 an einem Ort von 13° in Bezug auf die Oberfläche der Aluminiumplatte 1 befestigt. Das Photoelement 5 wurde so angeordnet, daß seine Empfangsoberfläche zur Schweißposition hin zeigte. Der verwendete Schweißlaser war ein Kohlendioxidgaslaser 3 mit einer Ausgangsleistung von 3 kW (Vorschubgeschwindigkeit 3 m/s, Füllmittelzufuhrgeschwindigkeit 3 m/s). Dann wurde mit dem Schweißen begonnen, und erhielt man die Plasmalichtemission 4. Der Kohlendioxidlaserstrahl wird vom Ende der Spitze einer Düse (Brenner) ausgesandt, die sich zusammen mit der Sammellinse aufwärts und abwärts bewegt. Tatsächlich wurde der Schweißvorgang wiederholt, und wurde eine Laserbrennpunktbezugsposition durch die Position des Endes an der Spitze der Düse (Laserbrennpunkt in diesem Moment) festgelegt, wenn das maximale Schweißen der Aluminiumplatte erhalten wurde.

Der Kohlendioxidlaserstrahl wurde ausgesandt, wenn das Ende der Spitze der Düse sich in der Bezugsposition befand, und es wurde ein Varianzwert Var aufgezeichnet, der von der Varianzwertberechnungsvorrichtung 7 über das Photoelement 5 und die Abtastvorrichtung 6 erhalten wurde.

Daraufhin wurde die Position der Düse nacheinander jeweils um 1 mm gegenüber der Bezugsposition verschoben. Jedesmal wenn die Düsenposition verschoben wurde, wurde ein Varianzwert Var aufgezeichnet. Hierbei war die Abtastrate auf 20 kHz eingestellt, und die Anzahl an Proben auf 10000.

Im Ergebnis wurde die in Fig. 4 dargestellte Beziehung erhalten. In Fig. 4 ist die Brennpunktposition P negativ, wenn der Laserbrennpunkt nach einwärts der Aluminiumplatten verschoben wird, und positiv, wenn der Laserbrennpunkt von den Aluminiumplatten nach außen verschoben wird.

Die Korrespondenz des Bereiches von -2 mm bis +2 mm, in welchem das Änderungsverhältnis nicht das Vorzeichen änderte, wurde in der Brennpunkttabelle 8 eingestellt.

[Ausführungsform 2]

Nunmehr wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5 und 6 eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Die in Fig. 5 gezeigte Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers weist auf: ein Photoelement 5 zum Empfang von Plasmalichtemission von einer Schweißposition infolge des Lasers 3; eine Abtastvorrichtung 6 zum Abtasten des photoelektrisch umgewandelten Ausgangssignals von dem Photoelement; und eine Varianzwertberechnungsvorrichtung 7 zur Berechnung eines Varianzwertes Var der diskreten Lichtintensitätsdaten, die von der Abtastvorrichtung 6 erhalten werden.

Weiterhin weist die Einrichtung auf: eine Mittelwertberechnungsvorrichtung 11 zur Berechnung eines Mittelwertes Ave der diskreten Lichtintensitätsdaten, die von der Abtastvorrichtung 6 erhalten werden; und eine Berechnungsvorrichtung für eine charakteristische Größe zur Berechnung einer charakteristischen Größe, die dadurch erhalten wird, daß die Varianz Var durch das Quadrat von Ave dividiert wird.

Weiterhin weist die Einrichtung auf: eine Brennpunkttabelle 13, welche einen Brennpunkt des Lasers entsprechend einer charakteristischen Größe festlegt; und eine Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung 14 zur Bezugnahme auf die Brennpunkttabelle 13, um die charakteristische Größe, die von der Berechnungsvorrichtung 12 für die charakteristische Größe erhalten wird, in ein Schweißlaserbrennpunktposition P für die Ausgabe umzuwandeln.

Bei der vorliegenden Ausführungsform sind das Photoelement 5, die Abtastvorrichtung 6 und die Varianzwertberechnungsvorrichtung 7 ebenso aufgebaut wie bei der ersten Ausführungsform. Die Mittelwertberechnungsvorrichtung 11 berechnet den Mittelwert Ave der Lichtintensitätsdaten zum Einsatz bei dem Varianzwert Var, der von der Varianzwertberechnungsvorrichtung 7 berechnet wird. Die Berechnung des Mittelwertes Ave wird entsprechend der folgenden Gleichung (2) durchgeführt:

[Gleichung 2]

hierbei bezeichnet N die Anzahl abgetasteter Posten, und xj den j-ten Lichtintensitätsdatenposten.

In Bezug auf die Brennpunkttabelle 23 wird die Beziehung zwischen der voranstehend erwähnten charakteristischen Größe und dem Brennpunkt vorher gemessen und aufgezeichnet, ohne die Positionsbeziehung zwischen der festen Position des Photoelements 5 und der Schweißposition zu ändern.

Fig. 6 zeigt eine Brennpunkttabelle 13, die Ausgangsgrößen von der Berechnungsvorrichtung 12 für die charakteristische Größe unter denselben Bedingungen wie bei der ersten Ausführungsform enthält. Nimmt man den Brennpunkt, der das maximale Schweißen hervorruft, als Bezugspunkt (Punkt 0) an, so nimmt die charakteristische Größe allmählich zu, wenn die Brennpunktposition P nach innen verschoben wird (negative Seite), nämlich nach innen der Metallplatten, und nimmt die charakteristische Größe allmählich ab, wenn die Brennpunktposition P nach außen verschoben wird (positive Seite).

Die Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung 14 empfängt eine charakteristische Größe, die periodisch von der Berechnungsvorrichtung 12 für die charakteristische Größe erzeugt wird, und nimmt Bezug auf die Brennpunkttabelle 13, um so die charakteristische Größe in eine entsprechende Brennpunktposition P (Abweichung von der Bezugsposition) für die Ausgabe umzuwandeln.

Bei der vorliegenden Ausführungsform ist es möglich, zusätzlich zu den voranstehend geschilderten Auswirkungen der ersten Ausführungsform, den Gültigkeitsbereich der Brennpunkttabelle zu erhöhen, da der Varianzwert durch das Quadrat des Mittelwertes dividiert wird. Daher kann der Brennpunkt in einem breiteren gültigen Bereich detektiert werden.

Hierbei können die Abtastvorrichtung 6, die Varianzwertberechnungsvorrichtung 7, die Mittelwertberechnungsvorrichtung, die Berechnungsvorrichtung 12 für die charakteristische Größe, und die Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung 9 durch Ausführung eines Brennpunktfeststellprogramms durch einen Computer realisiert werden. In diesem Fall kann das Brennpunktfeststellungsprogramm aus einem Medium ausgelesen werden, was von dem Computer gelesen werden kann. Dieses Medium enthält ein Programm, welches auf dem Computer ablaufen soll, wobei das Programm die Abtastverarbeitung 6 zum Abtasten eines photoelektrisch umgewandelten Ausgangswerts von dem Photoelement 5 aufweist, die Varianzwertberechnungsverarbeitung zur Berechnung eines Varianzwertes Var der diskreten Lichtintensitätsdaten, die bei der Abtastverarbeitung 6 erhalten werden; die Berechnungsverarbeitung für die charakteristische Größe zum Dividieren des Varianzwertes durch das Quadrat des Mittelwertes Ave, um so eine charakteristische Größe zu erhalten; und die Brennpunktberechnungsverarbeitung zur Bezugnahme auf die Brennpunkttabelle 13 und zur Umwandlung der charakteristischen Größe, die bei der Berechnungsverarbeitung für die charakteristische Größe erhalten wird, in einen Brennpunkt des Schweißlasers 3.

Weiterhin kann in dem Blockdiagramm von Fig. 5 der Mittelwert Ave, der von der Mittelwertberechnungsvorrichtung 11 erzeugt wird, auch zur Berechnung des Varianzwertes durch die Varianzwertberechnungsvorrichtung 7 verwendet werden.

[Ausführungsform 3]

Als nächstes wird eine dritte Ausführungsform beschrieben, die im Blockdiagramm von Fig. 7 gezeigt ist.

Zusätzlich zu den in Fig. 1 dargestellten Bauteilen sind ein zweites Photoelement 25, eine zweite Abtastvorrichtung 26 und ein zweite Varianzwertberechnungsvorrichtung vorgesehen. Das zweite Photoelement 25 ist an einer Position befestigt, die sich von jener des ersten Photoelements 5 unterscheidet. In Bezug auf die Brennpunkttabelle 28 wird zusätzlich zu der Beziehung zwischen dem Varianzwert und dem Brennpunkt, die von dem ersten Photoelement 5 erhalten wird, auch die Beziehung zwischen einem Varianzwert und einem Brennpunkt aufgezeichnet, die auf der Grundlage des Ausgangssignals von dem zweiten Photoelement erhalten wird.

Die Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung 29 nimmt Bezug auf die Brennpunkttabelle 28 und berechnet eine Brennpunktposition P entsprechend den beiden Ausgangswerten der beiden Varianzwertberechnungsvorrichtungen.

Mit der voranstehend geschilderten Anordnung ist es möglich, dieselben Auswirkungen wie bei den vorherigen Ausführungsformen zu erzielen.

[Ausführungsform 4]

Fig. 8 zeigt als Blockschaltbild den Aufbau der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Zusätzlich zu dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau der ersten Ausführungsform weist die vierte Ausführungsform auf: ein zweites Photoelement 25, eine zweite Abtastvorrichtung 26, eine zweite Varianzwertberechnungsvorrichtung 27, eine zweite Mittelwertberechnungsvorrichtung 31, und eine zweite Berechnungsvorrichtung 32 für die charakteristische Größe.

Das zweite Photoelement 25 ist an einer Position befestigt, die von der Position des ersten Photoelements 5 verschieden ist. In Bezug auf die Brennpunkttabelle 13 wird zusätzlich zu der Beziehung zwischen der charakteristischen Größe und einem Brennpunkt, die auf der Grundlage des Ausgangssignals von dem ersten Photoelement 5 erhalten wird, die Beziehung zwischen einer charakteristischen Größe und einem Brennpunkt aufgezeichnet, die auf der Grundlage des Ausgangssignals von dem zweiten Photoelement 25 erhalten wird. Die Brennpunktberechnungsvorrichtung 34 nimmt Bezug auf die Brennpunkttabelle 13 und berechnet einen Brennpunkt P entsprechend den beiden Ausgangswertposten von den beiden Berechnungsvorrichtungen 12 und 32 für die charakteristische Größe.

Mit diesem Aufbau ist es möglich, dieselben Auswirkungen wie bei der zweiten Ausführungsform zu erzielen.

Nunmehr wird ein bestimmtes Beispiel für die vierte Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Fig. 9 und 10 beschrieben.

Wie in Fig. 9 gezeigt wurde eine Aluminiumplatte 1 aus JIS 5083, die eine Dicke von 2,5 mm aufwies, auf eine andere Aluminiumplatte aus JIS 5083 aufgelegt, die eine Dicke von 2,5 mm hatte. Das Photoelement 5 wurde in einem Winkel von 13° in Bezug auf die Oberfläche der ersten Aluminiumplatte befestigt, und das zweite Photoelement 25 wurde in einem Winkel von 61° befestigt, wobei ihre Lichtempfangsoberflächen auf die Schweißposition hin gerichtet waren. Bei dieser Anordnung empfängt das erste Photoelement 5 hauptsächlich Licht, welches aus einem Schlüsselloch erzeugt wird, wogegen das zweite Photoelement 25 sowohl das innerhalb des Schlüsselloches als auch das außerhalb des Schlüsselloches erzeugte Licht empfängt.

Der verwendete Schweißlaser 3 war ein Kohlendioxidgaslaser mit einer Ausgangsleistung von 3 kW (Vorschubgeschwindigkeit 3 m/s, und Füllgutzufuhrgeschwindigkeit 3 m/s). Das Schweißen führte zum Auftreten von Plasmalicht 4. Der Kohlendioxidgaslaser 3 sendet Licht von einer Düse (Brenner) aus, die sich zusammen mit der Sammellinse aufwärts und abwärts bewegt. Tatsächlich wurde der Schweißvorgang wiederholt, und die Position des Endes an der Spitze der Düse, wenn ein maximales Schmelzen erhalten wurde, wurde als Bezugsposition für den Laserbrennpunkt festgelegt. In dem Zustand, in welchem sich das Ende einer Spitze der Düse in der Bezugsposition befand, wurde der Kohlendioxidgaslaser 3 betätigt, und wurde eine charakteristische Größe aufgezeichnet, die von der ersten Berechnungsvorrichtung 12 für die charakteristische Größe erhalten wird, und wurde eine charakteristische Größe aufgezeichnet, die von der zweiten Berechnungsvorrichtung 12 für die charakteristische Größe erhalten wird.

Daraufhin wurde nacheinander die Düsenposition jeweils um 1 mm gegenüber der Bezugsposition verschoben. Jedesmal wenn die Düsenposition verschoben wurde, wurden zwei charakteristische Größen auf der Grundlage des ersten und zweiten Photoelements 5 bzw. 25 aufgezeichnet. Hierbei war die Abtastrate auf 20 kHz eingestellt, und die Anzahl an Proben auf 10000.

Dies führte zu den beiden in Fig. 10 dargestellten Beziehungen. In Fig. 10 ist der Brennpunkt P negativ (Minus), wenn eine Abweichung nach innerhalb der Aluminiumplatten auftritt, und positiv (Plus), wenn eine Abweichung nach außen auftritt. Die Beziehungen in dem Bereich von -2 mm bis +3 mm, bei dem keine Änderung des Vorzeichens auftrat, wurden in der Brennpunkttabelle 8 eingerichtet. Fig. 10 zeigt, daß die Beziehung zwischen der charakteristischen Größe und dem Brennpunkt unabhängig von der Anbringungsposition des Photoelements erhalten werden kann.

Hierbei können die beiden Photoelemente 5 und 25 auch so angeordnet werden, wie dies in Fig. 11 gezeigt ist. Hierbei geht ein erster Arm 42 von der Seitenwand des Laserabgabevorrichtungshauptkörpers 41 aus, und ist das zweite Photoelement 25 am Ende der Spitze des Arms 42 befestigt. Weiterhin geht ein zweiter Arm 43 von diesem zweiten Photoelement 25 aus, und ist das erste Photoelement 25 am Ende der Spitze des zweiten Arms 43 befestigt. In diesem werden die Photoelemente 5 und 25 entsprechend der Vertikalbewegung des Laserabgabevorrichtungshauptkörpers 41 bewegt.

Mit der voranstehend geschilderten Konfiguration wurde bestätigt, daß selbst dann, wenn wie bei der dritten Ausführungsform der Varianzwert direkt verwendet wird, es möglich ist, eine Brennpunkttabelle (10) zu erhalten, die praktisch identisch zu jener bei der vierten Ausführungsform ist. Daher kann die Beziehung zwischen dem Varianzwert und der Brennpunktposition unabhängig von der Befestigungsposition des Photoelements erhalten werden. Diese Konfiguration mit einer festen Position des Photoelements kann auch bei der ersten Ausführungsform eingesetzt werden.

Bei der vierten Ausführungsform, die eine charakteristische Größe einsetzt, wurde bestätigt, daß die Brennpunkttabelle von Fig. 10 auch erhalten werden kann, wenn die Positionierung der beiden Photoelemente durch visuelle Überprüfung durchgeführt wird.

Es wird darauf hingewiesen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf die voranstehend geschilderten Ausführungsformen und Beispiele beschränkt ist. Das Metall, welches geschweißt werden soll, kann ein anderes Material als eine Aluminiumplatte sein. Die vorliegende Erfindung läßt sich daher bei anderen zu verschweißenden Materialien einsetzen.

Die Bezugsposition für einen Brennpunkt kann eine andere Position sein als jene, bei welcher ein maximales Schmelzen auftritt.

Weiterhin kann die vorliegende Erfindung bei einer Brennpunktpositionierungseinrichtung zum Kontrollieren der Position der Sammellinse eingesetzt werden, durch Rückkopplung einer Brennpunktpositionsinformation, die festgestellt wurde, so daß sich der Brennpunkt immer in der optimalen Position befindet. In diesem Fall kann die Einrichtung in der letzten Stufe der Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung eine Steuervorrichtung zum Steuern der Position einer Lasersammellinse aufweisen, so daß sich das Ausmaß der Abweichung der Brennpunktposition, welches von der Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung erhalten wird, gegenüber dem Bezugspunkt an Null annähert.

Wenn man weiterhin berücksichtigt, daß der Laserbrennpunkt die Schweißqualität wesentlich beeinflußt, ist es möglich, eine Schweißqualitätbewertungseinrichtung einzusetzen, um das Schweißergebnis als akzeptierbar oder unakzeptabel zu bestimmen. In diesem Fall kann eine Qualitätsbewertungsvorrichtung an der letzten Stufe der Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung vorgesehen sein, um einen Brennpunkt (Abweichung gegenüber einer Bezugsposition), der von der Brennpunktpositionsberechnungsvorrichtung erzeugt wird, mit einem vorbestimmten Schwellenwert zu vergleichen. Wenn die Abweichung den Schwellenwert überschreitet, so wird das Schweißergebnis als unakzeptabel beurteilt.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Tatsache, die wir herausgefunden haben, daß in einem vorbestimmten Intervall ein Brennpunkt und ein Varianzwert der Lichtemissionsintensität, die an einer Schweißposition hervorgerufen wird, in einer Beziehung von 1 : 1 stehen. Diese Korrespondenz wird in einer Brennpunkttabelle aufgezeichnet, so daß die Brennpunkttabelle zur Bestimmung einer Brennpunktposition aus dem Varianzwert verwendet wird.

Daher ist es möglich, eine Schweißlaserbrennpunktposition auf der Grundlage des Ausgangssignals des Photoelements festzustellen. Selbst wenn ein Laseroptiksystem oder ein Oszillator infolge Alterns ihre Eigenschaften geändert haben, wodurch wiederum die Entfernung zwischen der Lasersammellinse und dem Laserbrennpunkt schwankt, ist es daher möglich, korrekt den Brennpunkt zu detektieren, da die Feststellung des Brennpunkts nur auf der Lichtintensität aus der Schweißposition beruht.

Weiterhin wird der Varianzwert durch das Quadrat des Mittelwertes geteilt, um eine charakteristische Größe zu erhalten. Die Korrelation zwischen der charakteristischen Größe und der Brennpunktposition wird in der Brennpunkttabelle aufgezeichnet. Wenn eine Brennpunktposition durch Bezugnahme auf diese Tabelle detektiert wird, ist es möglich, den Gültigkeitsbereich der Brennpunkttabelle zu erhöhen. Dies ermöglicht die Feststellung von Brennpunktpositionen in einem größeren gültigen Bereich.

Die Erfindung kann in anderen spezifischen Formen verwirklicht werden, ohne von ihrem Wesen oder wesentlichen Eigenschaften abzuweichen. Die vorliegenden Erfindungen sollen daher in jeglicher Hinsicht als beispielhaft und nicht als einschränkend verstanden werden, wobei der Umfang der Erfindung sich aus der Gesamtheit der vorliegenden Anmeldeunterlagen ergibt und von den beigefügten Patentansprüchen umfaßt sein soll, und es sollen alle derartigen Änderungen, die im Bereich der Bedeutung und der Äquivalenz der Patentansprüche liegen, von diesen umfaßt sein.

Die gesamte Offenbarung der japanischen Patentanmeldung Nr. A10-170567 (eingereicht am 3. Juni 1998) einschließlich Beschreibung, Patentansprüchen, Zeichnungen und Zusammenfassung wird insgesamt durch Bezugnahme in die vorliegende Erfindung eingeschlossen.

Claims (10)

1. Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers, welche aufweist:
ein Photoelement zum Empfang von Licht von einer Schweißposition, wobei das Schweißen mit einer Laserstrahlquelle durchgeführt wird, und zur Umwandlung der Intensität des empfangenen Lichts in ein elektrisches Signal;
eine Abtastvorrichtung zum periodischen Abtasten des elektrischen Signals, welches von dem Photoelement erzeugt wird, periodisch mit einem vorbestimmten Intervall;
eine Berechnungsvorrichtung zur Berechnung einer Verteilung (oder einer Abweichung von einem Bezugswert) diskreter Lichtintensitätsdatenposten, wenn eine vorbestimmte Anzahl an Lichtintensitätsdatenposten gespeichert wurde; und
einen Detektor zur Feststellung der Brennpunktverschiebung entsprechend der berechneten Verteilung.

2. Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsvorrichtung einen Varianzwert auf der Grundlage von Abtastdaten der Lichtintensitätsdaten berechnet.

3. Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die abgetasteten Datenosten in einem großen Bereich verteilt sind, also wenn die Lichtintensität in einem großen Bereich verteilt ist, der Detektor entscheidet, daß sich die Brennpunktposition weg von der Laserstrahlquelle bewegt hat, und wenn die abgetasteten Datenposten in einem kleinen Bereich verteilt sind, also die Lichtintensität in einem kleinen Bereich verteilt ist, der Detektor entscheidet, daß sich die Brennpunktposition zur Laserstrahlquelle vorgeschoben hat.

4. Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers, welche aufweist:
ein Photoelement zum Empfang von Licht von einer Schweißposition, wobei das Schweißen von einer Laserstrahlquelle durchgeführt wird, und zur Umwandlung der Intensität des empfangenen Lichts in ein elektrisches Signal;
eine Abtastvorrichtung zur periodischen Abtastung des elektrischen Signals, welches von dem Photoelement erzeugt wird, periodisch mit einem vorbestimmten Intervall;
eine Berechnungsvorrichtung zur Berechnung eines Varianzwertes diskreter Lichtintensitätsdaten, wenn eine vorbestimmte Anzahl an Lichtintensitätsdatenposten gespeichert wurde, und zum Dividieren des Varianzwertes durch das Quadrat eines Mittelwertes, um so eine charakteristische Größe zu erhalten; und
einen Detektor zur Feststellung der Entfernung von einem Bezugsbrennpunkt entsprechend der berechneten Varianz.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Brennpunkttabelle aufweist, welche Beziehungen zwischen Brennpunkten und Varianzwerten enthält, die um den Bezugsbrennpunkt herum festgestellt wurden, der als die Bezugsgröße dient, und daß der Detektor auf die Brennpunkttabelle entsprechend den Varianzwerten Bezug nimmt.

6. Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers, welche aufweist:
ein Photoelement zum Empfang von Licht von einer Position eines Schweißvorgangs, wobei das Schweißen von einer Laserstrahlquelle durchgeführt wird, und zur Umwandlung der Intensität des empfangenen Lichts in ein elektrisches Signal;
eine Abtastvorrichtung zum periodischen Abtasten des elektrischen Signals, welches von dem Photoelement erzeugt wird, periodisch mit einem vorbestimmten Intervall;
eine Berechnungsvorrichtung zur Berechnung eines Varianzwertes diskreter Lichtintensitätsdatenposten, wenn eine vorbestimmte Anzahl an Lichtintensitätsdatenposten gespeichert wurde, wobei die Berechnungsvorrichtung weiterhin eine charakteristische Größe berechnet, nämlich den Varianzwert, dividiert durch das Quadrat des Mittelwertes; und
einen Detektor zur Feststellung des Brennpunkts, der sich gegenüber einem Brennpunkt verschiebt, der als Bezugsgröße dient, entsprechend der berechneten charakteristischen Größe.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung weiterhin eine Brennpunkttabelle aufweist, welche Beziehungen zwischen charakteristischen Größen und Brennpunkten um eine charakteristische Größe herum enthält, die vorher an dem erwähnten Bezugsbrennpunkt gemessen wurde, wobei der Detektor auf die Brennpunkttabelle entsprechend dem Wert der charakteristischen Größe Bezug nimmt.

8. Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers, welche aufweist:
ein Photoelement zum Empfang von Licht von einer Schweißposition, wobei das Schweißen von einer Laserstrahlquelle durchgeführt wird, und zur Umwandlung der Intensität des empfangenen Lichts in ein elektrisches Signal;
eine Abtastvorrichtung zum periodischen Abtasten des elektrischen Signals, welches von dem Photoelement erzeugt wird, periodisch mit einem vorbestimmten Intervall;
eine Berechnungsvorrichtung zur Berechnung einer Verteilung (oder einer Abweichung gegenüber einem Bezugswert) diskreter Lichtintensitätsdatenposten, wenn eine vorbestimmte Anzahl an Lichtintensitätsdatenposten gespeichert wurde; und
eine Detektorvorrichtung zur Feststellung des Brennpunkts, der sich entsprechend der berechneten Verteilung verschiebt.

9. Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnungsvorrichtung einen Varianzwert auf der Grundlage von Abtastdaten der Lichtintensitätsdaten berechnet.

10. Einrichtung zur Feststellung der Brennpunktposition eines Schweißlasers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn die abgetasteten Datenposten in einem großen Bereich verteilt sind, also wenn die Lichtintensität in einem großen Bereich verteilt ist, der Detektor entscheidet, daß sich die Brennpunktposition weg von der Laserstrahlquelle bewegt hat, und wenn die abgetasteten Datenposten in einem kleinen Bereich verteilt sind, also die Lichtintensität in einem kleinen Bereich verteilt ist, der Detektor entscheidet, daß sich die Brennpunktposition zur Laserstrahlquelle hin bewegt hat.