JP2004042118A

JP2004042118A - 溶接位置自動倣い制御装置及び自動倣い溶接方法

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Publication number: JP2004042118A
Application number: JP2002204981A
Authority: JP
Inventors: Nobuo Shibata; 柴田　信雄; Michio Nakayama; 中山　道夫; Noriaki Goto; 後藤　紀昭; Toshimi Sato; 佐藤　登志美
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-12
Anticipated expiration: 2022-07-15
Also published as: JP4186533B2

Abstract

【課題】自動倣い溶接において、溶接開始前に溶接部材の開先に対してレーザ溶接位置を所定位置に設定する。
【解決手段】溶接位置自動倣い制御装置は、溶接部材４ａ〜４ｃの開先位置を検出し、この検出した位置にレーザ溶接トーチ１を自動的に倣い溶接するよう制御する。そのため、溶接部材の開先部に光を照射する投光手段５と、開先部を撮像する二次元受光手段６と、この二次元受光手段が撮像した画像を画像処理する画像処理装置１７と、レーザ溶接トーチを位置制御するトーチ位置制御手段９とを備えている。トーチ位置制御手段は画像処理装置から得られた情報を校正値により補正してレーザ溶接トーチの位置を制御する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は溶接位置自動倣い制御装置及び自動倣い溶接方法に係り、特に、開先の相対位置ずれを検出して自動的に倣い溶接させる制御装置及び溶接方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の溶接位置自動倣い制御装置の例が、特開平５―１３８３５４号公報あるいは特開平１０―６００６号公報に記載されている。また、レーザ溶接を用いた自動倣い溶接の例が、特開２０００―３２９８８５号公報に記載されている。この中で特開平５―１３８３５４号公報に記載の装置では、ＩＴＶカメラから得られた溶接部内の視覚情報と、レーザスリット光を溶接部の開先に投影して得られた開先内形状とから溶接トーチのずれ量を求め、溶接トーチの位置を制御している。より詳しく言えば、溶接進行方向前方の前溶接パスのビードあるいは溶接進行方向後方の溶接直後のビード表面を含む開先に照射したスリット光からの反射像と、溶接トーチ先端部の画像の双方をＩＴＶカメラが撮像し、開先位置あるいは溶接ビード接点に対する溶接トーチの位置ずれを求め、溶接トーチの目標位置を制御している。
【０００３】
特開平１０―６００６号公報には、溶接予定位置を照射するスリット光照射器と、スリット光が照射された部分の断面プロフィールを測定する断面形状測定用カメラと、溶接アーク及び溶着金属のプールを観測するアークカメラと、断面プロフィールとアーク画像を合成する画像合成装置とを備えた溶接装置が記載されている。そしてこの公報によれば、溶接部断面形状とアークモニタ画像を合成して溶接部周辺の立体形状情報を容易に把握し、溶接部の状況に応じた溶接オペレーションをリアルタイムに実行している。
また、特開２０００―３２９８８５号公報に記載の溶接方法においては、レーザ溶接ヘッドにＣＣＤカメラを設け、ＣＣＤカメラが撮像した画像から開先位置を検出し、この検出した開先位置に溶接トーチ位置を倣わせて溶接している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ティーチングプレイバック法を用いて自動溶接するときには、被溶接部材の溶接長が比較的短ければ、ティーチングした溶接線から溶接すべきラインがずれても、溶接部の開始点や終了点、中間点、溶接ライン間の任意の点等で開先位置のずれを検出して、予めティーチングした溶接線を修正すれば、品質の良い溶接ビードが得られる。そこで、溶接前に実際に溶接される位置と溶接すべき開先位置とのずれを何らかの手段を用いて正確に計測し、この計測した位置情報により溶接位置を補正してレーザ溶接トーチを正しい位置に倣わせることが試みられている。
【０００５】
上記特開平５―１３８３５４号公報や特開平１０―６００６号公報では、そのような試みがなされているが、溶接施工対象がアーク溶接であるので、レーザ溶接の際に解決すべき課題についてまでは充分には考慮されていない。つまり、レーザ溶接では、透過型レンズあるいは反射面鏡等でレーザ光を絞り込んだ際の発光エネルギで開先部を溶融するが、溶接に使用するＣＯ２レーザやＹＡＧレーザは赤外光なので目視できない。この不具合を解消するために、レーザ光の光軸合わせに、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光等の可視光線を重畳させることも考えられるが、通常溶接用のレーザ光と軸合わせ用レーザ光線の光軸が一致することはまれである。
【０００６】
上記特開平２０００―３２９８８５号公報に記載のレーザ溶接トーチを用いて溶接する方法では、被溶接部表面に対しレーザ溶接トーチを垂直上方から傾斜して設置せざるを得ないと、被溶接部表面とレーザ溶接トーチの高さがわずかにずれても、実際に溶接される位置が溶接線直交方向からずれるので、カメラ画像だけでは正確に溶接位置を特定できないおそれがあった。また、突合せ継ぎ手の開先部の画像はコントラストが低く、開先位置を精度良く検出することも困難である。
【０００７】
本発明は上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、溶接開始前に被溶接部の開先に対してレーザ溶接位置を所定位置に設定することにある。本発明の他の目的は、レーザ溶接を自動で行えるようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の特徴は、溶接部材の開先位置を検出し、この検出した位置に自動的に倣って溶接する溶接装置の溶接位置自動倣い制御装置において、溶接部材の開先部に光を照射する投光手段と、開先部を撮像する二次元受光手段と、この二次元受光手段が撮像した画像を画像処理する画像処理装置と、レーザ溶接トーチを位置制御するトーチ位置制御手段とを備え、このトーチ位置制御手段は画像処理装置から得られた情報を校正値により補正してレーザ溶接トーチの位置を制御するものである。そして、この特徴において、投光手段は、光ファイバーライトガイドを介して被溶接部開先に光を照射するものが好ましい。
【０００９】
上記目的を達成するための本発明の他の特徴は、溶接部材の開先位置を検出し、この検出した位置に自動的に倣って溶接する自動倣い溶接方法において、予め溶接位置とは異なる位置でレーザトーチを用いて試し溶接した跡を二次元受光手段で撮像し、この撮像画像を画像処理して溶接位置を検出し記憶するステップと、実際に溶接する開先位置の画像を画像処理して開先位置を検出し記憶するステップと、試し溶接時の溶接位置情報と実際の溶接のための開先位置情報から相対位置ずれを求めるステップと、この相対位置ずれ情報に基づいてレーザ溶接トーチ位置を自動倣いさせるステップとを備えたものである。
【００１０】
そしてこの特徴において、試し溶接における画像処理では、溶接部の重心位置を検出しこの重心位置を溶接位置として記憶させるのがよく、実際の溶接における画像処理は、溶接線方向位置と溶接線に直交方向位置の各々のずれを検出する互いに独立した画像処理ウインドウを用いて処理するのが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例について、図１ないし図１９を参照して説明する。図１は、本発明に係る溶接位置自動倣い制御装置の一実施例の模式図である。レーザ溶接トーチ１（以下、溶接トーチ１と称す）を用いて、被溶接部材３に部材４ａ〜４ｃを突合せ溶接を実施する。ハロゲンランプ等の広がりのある光を照射する投光手段５とＣＣＤカメラ等の二次元受光手段６の各光軸が、溶接ラインとほぼ直交な平面７内にあるように、投光手段５と二次元受光手段６を配置する。例えば三角測量の原理を使用したレーザ変位計である高さ検出器８は、被溶接部材３の高さを非接触に検出する。投光手段５、二次元受光手段６及び高さ検出器８は、溶接トーチ１と一体化されている。
【００１２】
溶接トーチ位置制御機構９は、Ｘ走行軸１０とＸ走行軸上を走行するＸ走行台車１１と、Ｘ走行台車１１上に一体的に配設したＺ走行軸１２とＺ走行軸上を走行するＺ走行台車１３と、Ｚ走行台車１３上に一体的に配設したＹ走行軸１４とＹ走行軸上を走行するＹ走行台車１５とを有している。溶接トーチ１、投光手段５、二次元受光手段６及び高さ検出器８は、Ｙ走行台車１５と一体的に配置されている（以下これらの部品をまとめてヘッドと称す）。溶接トーチ位置制御機構９を駆動制御すると、被溶接部材３の上方において溶接線方向Ｘ、溶接線直交方向Ｙ、及び上下方向Ｚに、溶接トーチ１が自在に動く。
【００１３】
二次元受光手段６の制御回路１６は、外部にアナログ映像（画像）信号を出力する。画像処理装置１７は、受光手段制御回路１６から出力されるアナログ画像信号をデジタル量にＡ／Ｄ変換して多値画像データを入力する画像入力部、多値画像データを記憶する多値画像記憶部、多値画像記憶部に記憶された多値画像データから画像中の暗い部分から明るい部分に変化するエッジ部又は後述するパターンマッチングや、画像中の明るい部分から暗い部分に変化するエッジ部で極大点又は極小点を抽出する微分又は平滑化微分処理部、極大点及び極小点データから境界位置を検出すると共にその境界位置検出データから所定の開先位置及び溶接位置に対する開先位置ずれを検出する演算部処理部、及びこれらを統括的に制御する主制御部等を有する。
【００１４】
ＴＶモニター１８は、受光手段制御回路１６からの出力映像信号を表示したり、画像処理装置からの処理結果を出力表示する。投光手段駆動回路１９は、は投光手段５の点灯や消灯、照射光量等を制御する。高さ検出器制御回路２０は、高さ検出器８を駆動制御する。溶接トーチ位置制御装置２１は、溶接トーチ位置制御機構９を駆動制御する。２６は溶接電源である。
【００１５】
全体制御装置２２は、画像処理装置１７、投光手段駆動回路１９、高さ検出器制御回路２０、溶接トーチ位置制御装置２１及び溶接電源２６を統括的に制御する。この全体制御装置２２は、パーソナルコンピュータ等で構成されている。全体制御装置２２は、被溶接部材の開先位置に対する溶接トーチの倣い目標位置を予め記憶する記憶手段、溶接トーチの倣い目標位置と画像処理装置１７から得られる開先位置ずれ情報から溶接トーチの目標溶接位置を決定するために溶接トーチ位置制御装置２１へ溶接目標位置の情報を出力する溶接線倣い制御部とを有する。さらに、記憶手段は、溶接電流や電圧や溶接速度等の溶接条件データ等を記憶する。溶接開始前にこれら記憶されたデータを修正または書き換えすることが可能である。全体制御装置の出力モニタ２３は、各装置の条件設定や倣い溶接の起動等の操作メニュー等を表示する。筐体２４は、上述した各回路または装置１６〜２３を実装する。マンマシンインターフェース２５は、全体制御装置２２を遠隔で操作する。
【００１６】
図２に、被溶接部材３に部材４ａ〜４ｃを溶接するときの溶接部の平面図を、図３にその正面図を示す。図２では、部材４ａを被溶接部材３にＳ点からＥ点まで溶接する場合を取り上げている。部材４ａの各々のコーナから溶接開始までの距離をＬｓ、各々のコーナから溶接終了までの距離をＬｅとする。部材４ａの溶接長は、Ｌである。被溶接部材３には段差状突起３ａが形成されている。被溶接部材３に部材４ｂ及び部材４ｃを溶接するときも同様である。図３では、投光手段５を被溶接部材３と部材４ａ〜４ｃに対し斜めに配置している。開先に斜めに照射した光の散乱画像を、二次元受光手段６が開先の真上から観測する。
【００１７】
図４に、図２及び図３のように配置したときに、二次元受光手段６が被溶接部材３と部材４ａの接合部近傍を撮像して得られた画像を模式化した一例を示す。ここで、Ａ１は被溶接部材３の表面の散乱像、Ａ２は被溶接部材の段差部３ａの表面であるが段差状突起３ｂにより照明光が照射されないで暗い影となる像、Ａ４は部材４ａの表面でわずかの段差により暗い影となる像、Ａ５は部材４ａの表面の散乱像、Ａ６は被溶接部材３及び部材４ａが存在しない背景部分の像である。被溶接部材３及び部材４ａは溶接ワーク台上に配置されている。背景像Ａ６は、溶接ワーク台表面の散乱像である。通常の画像同様に、輝度が高く明るい部分を白、輝度が低く暗い部分を黒で表している。被溶接部材３と段差部３ａとは同材質であるが、被溶接部材３の表面像Ａ１と段差部３ａの表面の像Ａ２とは加工条件の違いによる表面粗さの違いから、明るさにわずかに差が生じる。
【００１８】
図５に、図４のａ_１−ａ_２断面における輝度分布を示す。横軸が画面垂直方向の座標ｊ、縦軸が諧調をＩ＝０（黒）〜Ｉ＝２５５（白）とした時の各座標における輝度Ｉである。被溶接部材３の表面の散乱像Ａ１の平均的輝度がＩ_Ａ１、部材４ａの段差により形成された影の像Ａ４の平均的輝度がＩ_Ａ４、部材４ａの表面の散乱像Ａ５の平均的輝度がＩ_Ａ５、背景部分の像Ａ６の平均的輝度がＩ_Ａ６である。段差部の像Ａ４に対応する垂直方向座標ｊ_１からｊ_２において、輝度はＩ_Ａ１からＩ_Ａ４にステップ的に変化する。その後、Ｉ_Ａ１よりは低輝度のＩ_Ａ５まで回復するが、背景部分に相当するＡ６に対応した垂直方向座標ｊ_３からＮにおいて、Ｉ_Ａ４よりも低輝度なＩ_Ａ _６になる。
【００１９】
図６に、図４のｂ_１−ｂ_２断面における輝度分布を示す。被溶接部材３ａに形成された段差３ｂにより照明光が照射されない像Ａ２に対応した垂直方向座標ｊ_１からｊ_４では、輝度が最も低いＩ_Ａ２までステップ的に低下している。輝度はその後Ｉ_Ａ５まで回復するが、背景部分に相当するＡ６に対応する垂直方向座標ｊ_５からＮにおいて、Ｉ_Ａ _６まで再び低下する。図５及び図６に示したように、被溶接部材３と部材４の表面あるいは影や背景部分で明るさが微妙に変化する。この画像における明るさの微妙な変化を利用すれば、画面上の水平方向と垂直方向の開先位置を検出できる。
【００２０】
そこで、画面水平方向、すなわち溶接線方向の開先位置を検出する方法について以下に説明する。開先部分全体を撮像するとカメラの撮像解像度が低下するので、本実施例では開先部を部分的に観測する。開先部が図４の画像で示されたときに、画面水平方向の開先位置を検出するために２つのウインドウＰ_ｈｒ、Ｐ_ｈｌを形成した例を図７に示す。ウインドウＰ_ｈｒは開先の右側の水平方向位置を検出するために設けた第１の二次元受光手段の観測領域と位置を示しており、ウインドウＰ_ｈｌは開先の左側の水平方向位置を検出するために設けた第２の二次元受光手段の観測領域と位置を示している。開先の教示位置である基準開先位置から実際の溶接時の開先位置が多少ずれていても画面内に検出すべき境界ポイントＣ_ｒまたはＣ_ｌが入るように、これらの観測領域の大きさを設定する。
【００２１】
図８に、図７のウインドウＰ_ｈｒで撮像される開先画像の模式図を示す。図７の画像の拡大画像である。画像は、輝度の二次元配列であり、これをｆ（ｉ，ｊ）と表わす。ｆ（ｉ，ｊ）は、画素（ｉ，ｊ）における画像の輝度ｆである。水平方向にｍ個、垂直方向にｎ個の画素を有する四角形の画像を、ｆ_０（ｉ，ｊ）とする。ここで画像ｆ_０（ｉ，ｊ）と同じく（ｍ×ｎ）画素を有する他の四角形の画像を、ｆ_１（ｉ，ｊ）とする。２つの画像ｆ_０（ｉ，ｊ）とｆ_１（ｉ，ｊ）を、画素（ξ，η）分だけ平面的にずらした時、両画像の対応する画素間の輝度差の２乗総和Ｓ（ξ，η）は、次のように定義できる。
【００２２】
Ｓ（ξ，η）＝　ΣΣ｛ｆ_１（ｉ＋ξ，ｊ＋η）−ｆ_０（ｉ，ｊ）｝^２
この総和が最小となる相対位置が最もよく一致する位置である。２つの画像ｆ_０（ｉ，ｊ）とｆ_１（ｉ，ｊ）が同一であれば、ξ＝η＝０において輝度の総和Ｓは最小値０となる。すなわち、ｆ_１（ｉ，ｊ）を入力画像、ｆ_０（ｉ，ｊ）を標準パターンとして、輝度の総和Ｓ（ξ，η）が最小となる位置（ξ，η）を見出すパターンマッチング処理を行う。これにより、位置ずれが発生した観測画像において標準パターンに最もよく合う画像ｆ_１の相対位置を検出できる。
【００２３】
パターンマッチング処理方法を、図９に模式的に示す。図８に示した基準画像に対し、開先の位置がずれたときに撮像した画像である。入力画像ｆ_１（ｉ，ｊ）の座標を、水平方向であるｉ方向に１、垂直方向であるｊ方向に１画素ずつずらしながら（１）式を演算する。全画面を走査し終わった後に、輝度の総和Ｓ（ξ，η）が最小となる位置（ξ，η）を求める。これにより、開先位置Ｃｒｍ（ｉ_ｒｍ，ｊ_ｒｍ）が検出される。
【００２４】
一方、図４の段差部分の暗い影像Ａ４の幅、すなわち図５におけるｊ１−ｊ２間の幅は、被溶接部材３と被溶接部材３ａとの重なり方に応じて変化する。このため、図９に示したパターンマッチング処理で画面水平方向の位置ずれを精度良く検出できるが、画面垂直方向の位置ずれを精度良く検出できない場合がある。以上は、図７のウインドウＰ_ｈｒを拡大した例であるが、図７のウインドウＰ_ｈｌを拡大したときにも同様の方法で画面水平方向の位置ずれを検出できる。
【００２５】
画面垂直方向、すなわち溶接線と直交方向の開先位置を検出する方法を、以下に説明する。水平方向位置を検出する場合と同様に開先部分全体を撮像すると、カメラの撮像解像度が低下する、そこで、一部分だけ観測する。図４に示した画像上に、画面垂直方向の開先位置を検出する２つのウインドウＰ_ｖｒとＰ_ｖｌを示した例を、図１０に示す。ウインドウＰ_ｖｒは開先の右側の垂直方向位置を検出するための二次元受光手段の観測領域であり、ウインドウＰ_ｈｌは開先の左側の垂直方向位置を検出するための二次元受光手段の観測領域である。この図１０において、ウインドウＰ_ｖｒは、Ｍ×Ｎ個の画素を有する。
【００２６】
図１０の右側のウインドウＰ_ｈｒが撮像した開先画像の拡大画像の一例を、図１１に示す。Ｄ_１、Ｄ_２は画像上に観測される開先表面の傷等の像である。この傷のある部分における断面像の例を、図１２に示す。図１２は、図１１のＣ_１−Ｃ_２断面における輝度分布である。図１２において、横軸は画面垂直方向の座標ｊ、縦軸は各座標における輝度Ｉである。
【００２７】
被溶接部材Ａ１に観察された傷Ｄ１に対応する垂直方向座標ｊ_６〜ｊ_７間においては、輝度がＩ_Ａ１からＩ_Ａ４までステップ状に低下している。また、部材４ａに形成された段差による影の部分Ａ４に対応する垂直方向座標ｊ_１〜ｊ_２間の輝度は、Ｉ_Ａ１からＩ_Ａ４より低輝度のＩ_Ａ６までステップ状に低下する。なお、部材４ａの表面の散乱像Ａ５の輝度Ｉ_Ａ５は、Ｉ_Ａ４，Ｉ_Ａ６よりも高輝度ではあるが、被溶接部材３の表面の散乱像Ａ１の輝度Ｉ_Ａ１よりは低輝度である。
【００２８】
図１２で得られた図１１のＣ_１−Ｃ_２断面における輝度分布を、微分処理した例を図１３に示す。図１１に示した画像の輝度分布をｆ（ｉ，ｊ）と表し、この輝度分布を微分処理した値の分布をｇ（ｉ，ｊ）と表わす。
【００２９】
ｇ（ｉ，ｊ）＝　ｆ（ｉ，ｊ）−ｆ（ｉ，ｊ＋１）
微分処理をした後では、輝度が高い点から低い点に変化する境界部分ｊ_６とｊ_１において極大値となり、輝度が低い点から高い点に変化する境界部分ｊ_７とｊ_２で極小値となる。この極大値、極小値を検出すれば、Ｃ_１−Ｃ_２ライン上の開先表面の傷や部材４と４ａの垂直方向境界位置を見つけることができる。開先画像の明るさは、表面の凹凸等により、局部的に変化する場合がある。この場合には、例えば次式のような平滑化処理と微分処理を兼ね備えた方法（以下、この方法を平滑化微分処理と称す）でエッジを抽出するようにしても良い。
【００３０】
ｇ（ｉ_ｉ，ｊ_ｉ）＝ｆ（ｉ，ｊ−２）＋ｆ（ｉ，ｊ−１）−ｆ（ｉ，ｊ＋１）−ｆ（ｉ，ｊ＋２）
上記手順と同様の処理を画面水平方向に１ラインずつずらしながら行えば、垂直ラインごとに画面垂直方向の明るさが変化する境界点を検出することができる。図１４を用いて、垂直方向境界部の検出方法を説明する。全画面の処理には多大な処理時間を要するので、画像内に小領域のウインドウを複数設けている。各々のウインドウにおいて垂直方向境界部検出し、その後この検出された垂直方向境界部を用いて、最終的な垂直方向境界部を確定する。
【００３１】
図１４において、水平方向座標の小さい方から順に複数のウインドウＷ_ｍ１，Ｗ_ｍ２，Ｗ_ｍ３，…を設定する。第１のウインドウＷ_ｍ１の左上の座標を、Ｐｓ１（ｉ_ｓ１、ｊ_ｓ１）、右下の座標をＰｅ１（ｉ_ｅ１，ｊ_ｅ１）とする。この第１のウインドウにおいて、垂直方向境界部を検出する手順を、図１５に示す。
【００３２】
垂直方向境界部の検出プログラムが実行されると、後述する処理を実行するために、ステップＳ１で垂直方向のライン番号を初期化する。そしてステップＳ２で、垂直方向の１ライン（最初はｉ_ｓ１ライン）について微分処理をする（図１３参照）。ステップＳ２で求めた微分値に対し、しきい値を越え隣り合う極大−極小のペア（例えば図１３の場合で言えばｊ_６とｊ_７、及びｊ_１とｊ_２であり、以下これらを極大極小ペアと略す）をステップ３で検出する。このしきい値は、上限及び下限について、予め定めて記憶しておく。
【００３３】
ステップＳ３で検出された複数の極大極小ペア群から、極大値と極小値の差が最も大きいもの（第１極大極小ペア）と、それに次ぐもの（第２極大極小ペア）とを取り出し記憶する（ステップ４）。ウインドウの右端のライン、すなわちｉ＝ｉ_ｅ１まで処理が完了したか否かをチェックする（ステップＳ５）。処理が完了していないときには、次のラインに移り、ステップＳ２〜Ｓ５までを繰り返す。すべての垂直ラインについての処理が完了したら、ステップＳ７に進む。
【００３４】
ステップＳ７では、ｉ_Ｓ１〜ｉ_ｅ１までの各ラインごとに求めた第１極大極小ペアと第２極大極小ペアを用いてラベルリング処理する。ラベルリング処理とは、各ラインごとに求めた第１極大極小ペアと第２極大極小ペアを対象に、同じ連結成分に属すると判断した極大極小ペアには同じ番号を、異なる連結成分に属すると判断した極大極小ペアには異なる番号を割り当てる処理である。図１４を例にとると、ウインドウＷ_ｍ１では明るさが変化する影Ａ１部の極大極小ペアしか検出されないので、ラベリング処理の結果１種類の番号だけが割り当てられる。ウインドウＷ_ｍ２では、欠陥部分Ｄ_１にも極大極小ペアが存在する（図１３参照）から、影Ａ１部と合わせて合計２種類の番号を割り当てる。
【００３５】
ラベリング処理を実行する際には、同じ連結成分のラベルに対し、各ラインにおける極大極小ペアの画面垂直方向中心位置の平均値を計算しておく。第１のウインドウＷ_ｍ１で検出されたラベルの中心位置はＣ１（ｉ_Ｃ１，ｊ_Ｃ１）であり、１個だけである。同様に、第２のウインドウＷ_ｍ２で検出されたラベルの中心位置は、Ｃ２１（ｉ_Ｃ２１，ｊ_Ｃ２１）とＣ２２（ｉ_Ｃ２２，ｊ_Ｃ２２）の２個存在する。
【００３６】
ステップ７のラベリング処理でラベル付けされた極大極小ペアから、Ａ１境界部分に相当する極大極小ペアを取り出す（ステップ８）。その方法はいろいろ考えられるが、一例として図９に示したパターンマッチング処理で得たＣｒｍ（ｉ_ｒｍ，ｊ_ｒｍ）の垂直方向座標、すなわちｊ_ｒｍに最も接近した垂直方向中心座標を持つ極大極小ペアを選択する方法がある。以上のステップＳ１〜Ｓ８の処理を、図１４に示した各ウインドウＷ_ｍ１〜Ｗ_ｍ５について実行する。これにより、各ウインドウにおける影Ａ１境界部分に相当する極大極小ペアを検出できる。
【００３７】
上記各ウインドウで検出された位置から最終的な境界位置を確定する。図１１に示した傷などの画像が、検出すべき境界位置近傍で撮像されたときは、誤った位置を検出するおそれがある。そこで、各ウインドウにおいて検出された境界の垂直位置の平均値を、計算する。得られた平均値と各ウインドウで検出された境界の垂直位置の差を、計算する。この垂直位置の差が予め定めた設定値を越える場合には、そのデータを無効とする。各ウインドウで検出した境界の垂直位置のなかで、有効と見なされたデータを使用して平均化し、その値を最終的に境界位置の値に定める。これにより、誤って検出されたデータを使用しないので、信頼性の高い検出が可能となる。
【００３８】
図１６に、溶接位置倣い制御に、上記境界位置検出処理を適用したときの制御のフローチャートを示す。制御フローは４つに大別される。予め被溶接部材の近傍に基準プレートを設け、この基準プレート上に試し溶接をする。そのときの画像からレーザ溶接位置を計測して、計測した情報を記憶する（手順１）。一方、実際の溶接作業においては、被溶接部材を据え付けて溶接する前に溶接位置を画像処理を用いて求め、その溶接位置の情報を記憶する（手順２）。手順１で求めた計測情報と、手順２で求めた溶接位置情報との相対位置ずれを求め、この求めた相対位置ずれを用いてレーザ溶接トーチの狙い位置を計算する（手順３）。計算した溶接トーチ位置の情報を用いて、溶接トーチによる倣い溶接をする（手順４）。
【００３９】
詳細は、以下のとおりである。図１に示した溶接倣い装置を用いている。初めに、基準プレート３０の上に溶接トーチ１を移動させ、低出力で試し溶接する（ステップＦ１）。このとき、トーチ位置制御機構９が示すＸＹＺ座標位置を、（Ｘ_ｔ，Ｙ_ｔ，Ｚ_ｔ）とする。図１７に、被溶接部の平面図を示す。この図１７では、各装置のロボット座標系もあわせて示している。被溶接部材４ａの主な開先ポイントの、予め定めた座標あるいはトーチ位置制御機構９が教示した座標を、Ｓ，Ｐ_{ｏｓ−ｈｒ}，Ｐ_{ｏｓ−ｖｒ}等で示す。これらの座標のなかで、Ｐｏｓ−ｒは溶接トーチ１のロボット座標系における座標であり、Ｐｏｓ−ｃは二次元受光手段６のロボット座標系の座標、Ｐｏｓ−ｈは高さ検出器８のロボット座標系の座標、Ｐｏｓ−ｒは基準プレートのロボット座標系の座標である。
【００４０】
簡単のために、台車はＸＹＺ座標原点から負側の方向だけ可動である。溶接トーチ１の座標Ｐｏｓ−ｒ（Ｘ_ｒ，Ｙ_ｒ，Ｚ_ｒ）＝（０，０，０）をロボット座標系の原点とする。溶接トーチ１の座標Ｐｏｓ−ｒ（Ｘ_ｒ，Ｙ_ｒ，Ｚ_ｒ）に対する二次元受光手段６の相対位置Ｐｏｓ−ｃ（Ｘ_ｃ，Ｙ_ｃ，Ｚ_ｃ）と高さ検出器８の相対位置Ｐｏｓ−ｈ（Ｘ_ｈ，Ｙ_ｈ，Ｚ_ｈ）予め校正により判明している。
【００４１】
溶接トーチ１と一体化された高さ検出器８を基準プレート３０の上に移動させ、基準プレート３０の表面の高さを計測する（ステップＦ２）。このとき計測した高さをＨ_ｔとする。基準プレート３０の板厚ｔ_ｐは、予め校正されており既知である。基準プレート３０を設置する被溶接部材４ａ〜４ｃの高さは、設計値通りで正規の高さの場合にはＨ_０である。ここで、高さ計測時のトーチ１の位置制御装置９のＸＹＺ座標位置は、（Ｘ_ｔ＋ΔＸ_ｓ，Ｙ_ｔ＋ΔＹ_ｓ，Ｚ_ｔ）で表される。（ΔＸ_ｓ，ΔＹ_ｓ）は、高さ検出器８が測った溶接トーチ１のセンタ位置を基準とした基準プレート上の計測点の座標である。この座標値を、予め求めて記憶しておく。図１７に示す関係から、ΔＸ_ｓ＝（Ｘ_ｒ−Ｘ_ｃ）、ΔＹ_ｓ＝（Ｙ_ｒ−Ｙ_ｃ）である。
【００４２】
次に、基準プレート３０の上に溶接トーチ１と一体化した二次元受光手段６を移動させ、溶接個所を撮像する。撮像した画像から画面上での溶接位置を検出し、その情報を記憶する（ステップＦ３）。このようにして得られた画像の例を、図１８に示す。この画像中におけるＷｐは、試し溶接部を示している。この試し溶接部を画像処理して得られた重心位置の座標が、（ｉ_ｗ，ｊ_ｗ）である。画面中心Ｃｒの座標（ｉ_０，ｊ_０）から重心位置の座標（ｉ_ｗ，ｊ_ｗ）までのずれ量を計算する。二次元受光手段６の撮像倍率やステップＦ２で計測した高さＨ_ｔ情報を用いて、試し溶接部の座標をワーク表面でのずれ量（ΔＸ_ｗ，ΔＹ_ｗ）に換算する。ここで、試し溶接時におけるトーチ位置制御装置９のＸＹＺ座標位置は、（Ｘ_ｔ＋ΔＸ_ｍ０，Ｙ_ｔ＋ΔＹ_ｍ０，Ｚ_ｔ＋ｔ_ｐ）である。（ΔＸ_ｍ０，ΔＹ_ｍ０）は、溶接トーチ１のセンタを原点とする二次元受光手段６が観測する観測点位置であり、予め求めて記憶しておく。
【００４３】
予め記憶した正しい位置で溶接トーチ１を用いて試し溶接をし、二次元受光手段６を正しい位置に取り付けたときには、ずれ量（ΔＸ_ｗ，ΔＹ_ｗ）は（０，０）である。ステップＦ１〜Ｆ３の手順の内容を換言すれば、溶接トーチによる実際の溶接位置と二次元受光手段による観測位置の相対的な位置関係を求めることである。
【００４４】
ステップＦ４で図７の右側のウインドウＰ_ｈｒに相当する部分の画像を取り込む。ステップＦ５でこの取り込んだ画像部分の水平方向の位置ずれを検出する。水平位置ずれ量は、Δｉ_ｒである。画面上のずれ量Δｉ_ｒを、ワーク表面でのずれ量ΔＸ_ｒに換算する。ここで、右側のウインドウＰ_ｈｒの画像を取り込むときのトーチ位置制御機構９のＸＹＺ座標位置は、（Ｘ_ｔ＋ΔＸ_ｈｒ，Ｙ_ｔ＋ΔＹ_ｈｒ，Ｚ_ｔ）で表される。（ΔＸ_ｈｒ，ΔＹ_ｈｒ）は、溶接トーチ１のセンタを原点としたときの右側のウインドウＰ_ｈｒの撮像位置である。この値は、予め求めて記憶しておく。なお、溶接部材が位置ずれしたときの符号は、図２と図３に示す座標系を用いたときに、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸がともに任意の基準点から＋側にずれるときを正、−側にずれるときを負とする。画面上での各ポイントの位置ずれは、例えば画面中心Ｃｒの座標（ｉ_０，ｊ_０）のような基準点からのずれ量である。上記画面を示す各図では、上方にずれたときが正、画面下方にずれたときが負である。
【００４５】
ステップＦ６において、図７の左側のウインドウＰ_ｈｌに相当する部分の画像を取り込む。ステップＦ７で、取り込んだ画像の水平方向の位置ずれを検出する。このとき検出された水平位置ずれ量は、Δｉ_ｌである。検出された画面上の値Δｉ_２を、ワーク表面でのずれ量ΔＸ_ｌに換算する。左側のウインドウＰ_ｈｌの画像を取り込んだときのトーチ位置制御機構９のＸＹＺ座標位置は、（Ｘ_ｔ＋ΔＸ_ｈｌ，Ｙ_ｔ＋ΔＹ_ｈｌ、Ｚ_ｔ）で表される。（ΔＸ_ｈｌ，ΔＹ_ｈｌ）は、溶接トーチ１のセンタを原点とした左側ウインドウＰ_ｈｌの位置である。この位置を予め求め記憶しておく。
【００４６】
ステップＦ８において、図１０の右側のウインドウＰ_ｖｒに相当する部分の開先画像を取り込む。ステップＦ９では、この取り込んだウインドウ部分の垂直方向の位置ずれを検出する。ここで、開先を撮像したときのトーチ位置制御機構９のＸＹＺ座標位置は、（Ｘ_ｔ＋ΔＸ_ｗ１，Ｙ_ｔ＋ΔＹ_ｗ１，Ｚ_ｔ）で表される。（ΔＸ_ｗ１，ΔＹ_ｗ１）は、溶接トーチ１のセンタを原点とする開先位置座標であり、設計値からあるいはトーチ位置制御機構９を動かしてテーチングして求める。画像処理により検出された垂直位置ずれ量は、Δｊ_ｖ１であり、水平位置ずれ量は、Δｉ_ｖ１である。この検出した位置ずれ量（Δｉ_ｖ１，Δｊ_ｖ１）を、ワーク表面でのずれ量（ΔＸ_ｖ１，ΔＹ_ｖ１）に換算する。
【００４７】
同様に、ステップＦ９で図７の左側ウインドウＰ_ｖｌに相当する部分の画像を取り込む。ステップＦ１０で取り込んだ画像の垂直方向の位置ずれを検出する。ここで、開先撮像時におけるトーチ位置制御機構９のＸＹＺ座標位置は、（Ｘ_ｔ＋ΔＸ_ｗ２，Ｙ_ｔ＋ΔＹ_ｗ２，Ｚ_ｔ）で表される。（ΔＸ_ｗ２，ΔＹ_ｗ２）は、溶接トーチ１のセンタ位置を原点とする開先位置座標であり、設計値あるいはトーチの位置制御装置９を用いてテーチングして求められる。垂直位置ずれ量をΔｊ_ｖ２，水平位置ずれ量Δｉ_ｖ２を用いて、画面上のすれ量（Δｉ_ｖ２，Δｊ_ｖ２）をワーク表面でのずれ量（ΔＸ_ｖ２，ΔＹ_ｖ２）に換算する。以上のステップＦ４〜Ｆ１１を実行して、図７の被溶接部材３と被溶接部材４ａの接合部Ｐｏｓ−ｈｒ、Ｐｏｓ−ｈｌ、Ｐｏｓ−ｖｒ及びＰｏｓ−ｖｌの実際位置を知ることができる。
【００４８】
得られた接合部Ｐｏｓ−ｈｒ、Ｐｏｓ−ｈｌ、Ｐｏｓ−ｖｒ及びＰｏｓ−ｖｌの各点の座標から、溶接開始点Ｓと溶接終了点Ｅの座標を求め、レーザ溶接ラインを決定する。この溶接開始点Ｓと溶接終了点Ｅの位置座標決定方法の一例を、以下に説明する。接合部Ｐｏｓ−ｈｌとＰｏｓ−ｖｒの２点を結ぶ直線を設定する。次に、この直線上にある点であってＸ座標が実際の溶接点Ｐｏｓ−ｈｒと一致する点と溶接点Ｐｏｓ−ｖｌと一致する点を算出する。溶接点Ｐｏｓ−ｈｒとＰｏｓ−ｖｌ２点の各々を基準に上記直線上を外挿し、溶接開始距離Ｌｓだけ離れた溶接開始点Ｓと溶接終了距離Ｌｅだけ離れた溶接終了点Ｅの２点の座標を計算する。
【００４９】
求めた溶接開始点Ｓまで溶接トーチ１を誘導し（ステップＦ１３）、溶接開始点Ｓから溶接終了点Ｅまで溶接トーチ１を用いて倣い溶接する（ステップＦ１４）。溶接トーチ１を溶接開始点Ｓから溶接終了点Ｅまで倣わせるときは、ステップＦ１２で得た座標を、ステップＦ１〜Ｆ３で得た実際にレーザ溶接される位置の情報に基づいて修正する。ステップＦ１５では、すべての溶接部（図１７の４ａ〜４ｃ参照）の倣い溶接が終了したか否かをチェックする。倣い溶接が終了していないと判断したときはステップＦ１６に進み、上記同様にステップＦ４〜Ｆ１５までを繰り返す。
【００５０】
以上の処理手順において、被溶接部４ａの加工精度が充分で幅Ｌが常に正確な値であるときは、処理ステップＦ６とＦ７を省略しても良い。すなわち、溶接点Ｐｏｓ−ｈｒ、Ｐｏｓ−ｈｌ及びＰｏｓ−ｖｒの３点の座標を用いて、溶接開始点Ｓ点と終了点Ｅを計算により求めてもよい。さらに、実際の溶接ラインＳ−Ｅと二次元受光手段６が受光して得た画面上のラインが常に平行であるように被溶接部材３、４ａ、４ｂ及び４ｃを据え付けることできる場合は、ステップＦ４とＦ５においてＰｏｓ−ｖｒを検出するか、あるいはステップＦ６とＦ７においてＰｏｓ−ｖｌを検出するかのいずれか一方のみを実行し、溶接開始点Ｓ点と終了点Ｅを計算から求めてもよい。
【００５１】
溶接部の詳細の例を、図１９に示す。被溶接部材３と部材４ａ〜４ｃを有する例である。被溶接部材３は十字状の構造体で、９０°間隔で４方向に張り出した部分３ａに、部材４ａ〜４ｃ（図２参照）を表裏２箇所づつ合計８箇所で溶接する。溶接トーチは１、各部材との接触を避けるため、角度θだけ傾斜している。この場合、照射光が部材３ａによって遮られるので、投光手段５を使用できない。そこで、可逆性の光ファイバーライトガイド３０を使用している。光ファイバーライトガイド３０の光が出射する先端部３０ａを曲線状に曲げているので、容易に開先画像を得ることができる。
【００５２】
被溶接部材の溶接位置を正確に検出できても、被溶接部材と溶接トーチ１間が正規の高さよりΔＺだけずれていれば、Ｙ方向にΔＹ（＝ΔＺ／ｔａｎθ）だけずれた位置に倣い溶接される。これに対して、上記実施例によれば、図１６の処理ステップＦ２で基準プレートの高さから被溶接部表面の高さを知ることができるから、この高さ情報をフィードバックして正確な位置での倣い溶接を行える。
【００５３】
なお図１に示した実施例では、全体制御装置２２が動作全体を管理する主局となり、画像処理装置１７、投光手段駆動回路１９、高さ検出器制御回路２０、溶接トーチ位置制御装置２１及び溶接電源２６が従局になる。すなわち、従局の画像処理装置１７、投光手段駆動回路１９、高さ検出器制御回路２０、溶接トーチ位置制御装置２１及び溶接電源２６は、主局である全体制御装置２２の指令によって所定の動作を実行している。
【００５４】
また図１に示した溶接位置自動倣い制御装置の実施例では、溶接トーチ位置制御装置２１と他の装置を統括的に制御する全体制御装置２２別々に構成したが、溶接トーチ位置制御装置２１と全体制御装置２２を一体としてもよい。溶接トーチ位置制御機構２１は、図１に示した直行軸を有する機構に限定することなく、多関節溶接ロボットでもよい。上記実施例に記載の溶接位置自動倣い制御装置を用いることにより、自動的に倣い溶接作業をできるので無人溶接が可能となる。
【００５５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る溶接位置自動倣い制御装置によれば、溶接開始前に開先位置ずれ情報に従って溶接トーチの位置を倣い制御するので、開先の組立誤差が生じていても安定でかつ品質の良い溶接を施工できる。また、溶接中には強いレーザ光を受けて位置ずれ検出が困難になるが、位置ずれを溶接開始前に検出したので、倣い溶接を信頼性高く実行できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の溶接位置自動倣い装置の一実施例の模式図である。
【図２】図１に示した溶接位置自動倣い装置に用いる溶接部の平面図である。
【図３】図２に示した溶接部の正面図である。
【図４】図１に示した溶接位置自動倣い装置で得られた画像情報の一例を示す図である。
【図５】図４のａ_１―ａ_２線における輝度分布の一例を示す図である。
【図６】図４のｂ_１―ｂ_２線における輝度分布の一例を示す図である。
【図７】図１に示した溶接位置自動倣い装置で得られた画像情報の一例を示す図である。
【図８】図１に示した溶接位置自動倣い装置で得られた画像情報の一例を示す図である。
【図９】画像処理を説明する図である。
【図１０】本発明の画面垂直方向の開先位置を検出する２つのウインドウを示す図である。
【図１１】図１に示した溶接位置自動倣い装置で得られた画像情報の一例を示す図である。
【図１２】図１１のＣ_１―Ｃ_２線における輝度分布の一例を示す図である。
【図１３】図１１のＣ_１―Ｃ_２線における画像処理後の輝度分布の一例を示す図である。
【図１４】垂直方向の境界部検出を説明する図である。
【図１５】境界位置を検出するフローチャートである。
【図１６】本発明に係る溶接位置自動倣い装置を用いた溶接のフローチャートである。
【図１７】ロボット座標系を説明する図である。
【図１８】図１に示した溶接位置自動倣い装置で得られた画像情報の一例を示す図である。
【図１９】図１に示した溶接位置自動倣い装置に用いる溶接部の正面図である。
【符号の説明】
１…レーザ溶接トーチ、３…被溶接部材、４ａ〜４ｃ…部材、５…投光手段、６…二次元受光手段、８…非接触高さ検出器、９…溶接トーチ位置制御装置、１０…Ｘ走行軸、１１…Ｘ走行台車、１２…Ｚ走行軸、１３…Ｚ走行台車、１４…Ｙ走行軸、１５…Ｙ走行台車、１６…二次元受光カメラ制御回路、１７…画像処理装置、１８…ＴＶモニター、１９…投光手段駆動回路、２０…高さ検出器制御回路、２１…溶接トーチ位置制御装置、２２…全体制御装置、２６…溶接電源。

Claims

溶接部材の開先位置を検出し、この検出した位置に自動的に倣って溶接する溶接装置の溶接位置自動倣い制御装置において、溶接部材の開先部に光を照射する投光手段と、開先部を撮像する二次元受光手段と、この二次元受光手段が撮像した画像を画像処理する画像処理装置と、レーザ溶接トーチを位置制御するトーチ位置制御手段とを備え、このトーチ位置制御手段は前記画像処理装置から得られた情報を校正値により補正してレーザ溶接トーチの位置を制御することを特徴とする溶接位置自動倣い制御装置。
前記投光手段は、光ファイバーライトガイドを介して被溶接部開先に光を照射する手段であることを特徴とする請求項１に記載の溶接位置自動倣い制御装置。
溶接部材の開先位置を検出し、この検出した位置に自動的に倣って溶接する自動倣い溶接方法において、予め溶接位置とは異なる位置でレーザトーチを用いて試し溶接した跡を二次元受光手段で撮像し、この撮像画像を画像処理して溶接位置を検出し記憶するステップと、実際に溶接する開先位置の画像を画像処理して開先位置を検出し記憶するステップと、試し溶接時の溶接位置情報と実際の溶接のための開先位置情報から相対位置ずれを求めるステップと、この相対位置ずれ情報に基づいてレーザ溶接トーチ位置を自動倣いさせるステップとを備えたことを特徴とする自動倣い溶接方法。
前記試し溶接における画像処理では、溶接部の重心位置を検出しこの重心位置を溶接位置として記憶させることを特徴とする請求項３に記載の自動倣い溶接方法。
前記実際の溶接における画像処理は、溶接線方向位置と溶接線に直交方向位置の各々のずれを検出する互いに独立した画像処理ウインドウを用いて処理することを特徴とする請求項３に記載の自動倣い溶接方法。