JP2010089117A - 溶接用レーザ・視覚複合センサおよび溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサヘッドも計測システムも一つだけでよい溶接用レーザ・視覚複合センサおよび溶接制御方法を提供する。
【解決手段】開先上に投光したレーザ光（レーザスリット光２５）の開先断面像と、アーク直下の溶融池及び電極１４の画像を得るための溶接用レーザ・視覚複合センサであって、溶接トーチ２２を中心として、トーチ移動方向の前方及び後方斜め方向の一方にレーザ投光器２４を配設し、他方に画像撮影カメラ２６を配設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接用レーザセンサと溶接用視覚センサを併用した溶接用レーザ・視覚複合センサ、及び、この溶接用レーザ・視覚複合センサを用いた溶接制御方法に関する。

溶接自動化のために、適正なセンサが必要不可欠である。特許文献１には、そのための溶接用視覚センサが開示され、また特許文献２〜４には、視覚センサを用いた様々な溶接制御方法等が開示されている。溶接用視覚センサを使用する利点は、溶接中に溶融池およびその真上の溶接電極を直接撮影し、その画像を通じて溶接電極の開先内での位置が適正かどうかを直接検出できるため、たとえ溶接電極の曲がり癖が変化しても溶接トーチの開先倣い制御が精度よく行えることにある。また開先形状の変化が間接的にリアルタイムで推定できるので溶接条件の適応制御も行える。しかし、溶融池自身は流体であるので、様々な外乱を受けやすいと同時に、アーク光の影響で溶融池画像の輝度も変化しやすいため、溶融池画像の安定性があまりよくない。そのため、開先寸法変化量の計測精度をあまり高く期待できないのが欠点である。

また、開先内に仮付けビードがある場合では、仮に視覚センサが仮付けビードの有無を検出できたとしても、一般に視覚センサが判ったときには、溶接アークが既に仮付けビードの上に登っているか、あるいは仮付けビードから離れているため、この時にたとえ溶接条件を瞬時に変えられても、仮付けビードの始点部と終点部に溶接欠陥を残してしまうおそれがある。

上記問題点を解決するために、溶接用レーザセンサを同時に使用する方法が考えられる。溶接用レーザセンサは、特許文献５に開示されたように、一般にフライングスポットレーザ光かスリットレーザ光で溶接位置前方の開先を照射して、その開先の光切断像をカメラで撮影し、画像処理を通じて開先形状の変化を直接検出するものである。従って適正なカメラ、フィルターおよび画像処理技術等を使用すれば、比較的容易に満足な、高い検出精度が得られることが大きな特徴である。レーザセンサを利用するもう一つの利点は、溶接条件がフィードフォワード制御で行えることである。例えば、開先内に仮付けビードがある場合、レーザセンサにより仮付けビードの有無を事前に察知することができるため、アークが仮付けビード部を通過するときに、溶接条件をタイミングよく変化させるので、仮付けビードの始点部と終点部に溶接欠陥を残さずに溶接することができる。

溶接用レーザセンサは開先倣い制御にもよく使われるが、計測と制御との間にタイムラグがあるため、曲線の開先倣い制御では使いにくい欠点がある。また、たとえ直線の開先倣い制御でも、溶接電極とレーザセンサとの間の相対位置は固定であるか、またはその変化量がリアルタイムで把握できる必要がある。なぜならば、レーザセンサでは、溶接電極が撮影視野に入っていないため、センサと電極間の相対位置をリアルタイムで計測できないからである。従って、もしセンサと電極間の相対位置にランダム的な変動があると、その変化分が結果として開先倣い制御の誤差として残ってしまう。

上記のように、溶接用視覚センサとレーザセンサは、それぞれの得意と不得意分野があることがわかる。従って、両方を同時に使用すれば、互いに補完できる理想的な溶接制御システムが構築できる。

特開２００６−７３０３号公報 特開２００６−５５８５８号公報 特開２００６−２８１２８２号公報 特開２００７−１８５７００号公報 特開２００２−１２００６６号公報

しかし、両方を同時に使用すると、二つのセンサシステムが必要であり、コスト的にも割高になると同時に、溶接トーチの近傍に２個のセンサヘッドを装着しなければならないので、溶接トーチの被溶接物へのアクセス性を著しく損ねるおそれがある。

従って、本発明は、上記問題点を解決するために、センサヘッドも計測システムも一つだけでよい溶接用レーザ・視覚複合センサおよび溶接制御方法を提供することを課題とする。

本発明は、開先上に投光したレーザ光の開先断面像と、アーク直下の溶融池及び電極の画像を得るための溶接用レーザ・視覚複合センサであって、溶接トーチを中心として、トーチ移動方向の前方及び後方斜め方向の一方にレーザ投光器を配設し、他方に画像撮影カメラを配設することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記レーザ投光器によるレーザ光の照射角度と、前記画像撮影カメラによる撮影角度の和を９０°とすることができる。

本発明は、又、前記の溶接用レーザ・視覚複合センサを用いて、非溶接時には、レーザ投光器を開先上に投光しながら溶接トーチを移動させて、画像撮影カメラでレーザ光の開先断面像を撮影し、溶接中には、画像撮影カメラでアーク直下の溶融池及び電極を撮影し、得た情報を溶接制御に用いることを特徴とする溶接制御方法を提供するものである。

本発明では、まず溶接トーチを中心とし、トーチ移動方向の前方斜め方向に撮影手段のカメラを、トーチの反対側に照明手段のレーザ投光器をそれぞれ配置しておく。勿論、カメラとレーザ投光器の設置位置を逆転しても構わない。すると、非溶接時には、このシステムをレーザセンサとして機能させることができる。即ち、レーザ投光器を開先上に斜めに投光しながらトーチを移動させる。この時、トーチの反対側にあるカメラで、そのレーザ光の開先切断像を撮影する。得た開先光切断像を画像処理すれば、開先の上部幅と下部幅（ギャップ）および深さなどの形状情報を得ることができる。また同時に計測中における開先中心位置とトーチ高さ（開先表面までの距離）などのトーチ位置情報も知ることができる。この位置情報に基づいて、計測中のトーチ左右位置と高さの倣い制御を行い、その制御軌跡結果を開先形状情報と一緒に記憶しておけば、溶接時に溶接制御装置に必要な開先倣いとトーチ高さ倣いの再生制御データを提供することもできる。

一方、溶接中には、カメラはアーク直下の溶融池および電極を撮影する。これは、いわゆる視覚センサとしての使い方である。撮影した画像を画像処理すれば、トーチの開先倣い状況および開先内の溶着量などが最適かどうかを計測でき、もし不適切と判断したら、直ちにフィードバック制御方法を通して修正することができる。

また一般的に、溶接中にはレーザ投光器は照射しないが、必要に応じて照射することも可能である。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明のレーザ・視覚複合センサのレーザセンサとしての構成例を示すものである。ここで、溶接トーチ２２、レーザ投光器２４、画像撮影カメラ２６は、みな同一のホルダー２０に取り付ける。こうする理由は、三者にいつも同一の動きを取らせ、相対的な移動を無くすためである。また画像撮影カメラ２６の前にはフィルターセット２８を設けて、その中にレーザセンサ用フィルター３０と視覚センサ用フィルター３２をそれぞれ設置し、用途に応じてセンサに適正な光学的フィルターを提供する。図において、１０は被溶接物、１２は溶接ヘッド、１４は溶接電極である。

図２は、画像撮影カメラ２６が撮影したレーザスリット光２５の開先切断像の模式図を示すものである。これはＶ型開先のレーザ光切断像例であるが、この画像を処理すれば、特異点と称するＳＰ１〜ＳＰ５のポイント位置を見出せる。そして、これらの特異点より特徴量と称するＳＶ１〜ＳＶ８が求められる。ここで、ＳＶ１は開先幅、ＳＶ２はルートギャップを表すものである。ただし、図１よりわかるように、レーザスリット光２５は、被照射体である被溶接物１０と直交せず、斜めに交わっているため、求めた各特異点ＳＰ１〜ＳＰ５は同一断面にあるものではない。この状況を図３に示す。従って、目違いが無い場合では、ＳＶ１とＳＶ２の値は開先幅とルートギャップのそのものを表すことができるが、目違いがある場合では、近似的にしか表せないことがわかる。この誤差はレーザスリット光２５の照射角度αが小さいほど小さくなる。

一方、ＳＶ３〜ＳＶ８の値は目違い、ＳＶ４とＳＶ５は裏当ての左右の隙間、ＳＶ６とＳＶ７は左右の板厚、ＳＶ８は開先深さを表すものである。上記と同様の理由で、これらも近似的な値でしか表せない。同様に、レーザスリット光２５の照射角度αが小さくなればなるほど、真の意味での厚さや深さに近づける。また、これらの厚さや深さ等を表すパラメータの解像度を、画像撮影カメラ２６においてできるだけ均一にするためには、画像撮影カメラ２６による撮影角度βとレーザスリット光２５の照射角度αに余角関係に持たせることが望ましい。

その理由は、図４に示す如くαとβの和が９０°でない場合、カメラに写された結像は、理論的にあたかも被写体の虚像を見たようなものであるので、図４に見るように、たとえ被写体がレンズ光軸を中心に上下両側の長さが同じであっても、虚像がレンズ光軸を中心に上下両側の長さが違うため、カメラに写された像もレンズ光軸（画面）を中心に上下両側の長さも違うことになるからである。この違いはαとβの和が９０°に近づくほど小さくなる。

また、開先の中心位置は、図３よりわかるようにＳＰ１とＳＰ２あるいはＳＰ３とＳＰ４より求められる。

図５は、開先内の仮付けビード部のレーザ光切断像模式図を表すものである。ここでも、同様に５ポイントの特異点ＳＰ１〜ＳＰ５が求められる。従って、これらから特徴量のＳＶ１〜ＳＶ８を求めて、仮付けビードの無い開先の特徴量を比較すれば、仮付けビードであるかどうかがわかる。例えば、開先深さＳＶ８が板厚よりも短いことが仮付けビード部の特徴の一つである。

図６は、本実施形態の計測フローを示すものである。左側はレーザセンサを使用するときの計測フローで、右側は視覚センサを使用するときの計測フローであり、その選択は使用前に計測モードの変更で行える（ステップ１０２）。

一方、図７は、この複合センサの視覚センサとして使用時の構成例を示すものである。図において、１６は溶接アークである。

ここで、レーザセンサとして使用した場合との違いは、レーザ照射が不要であると共に、画像撮影カメラ２６前に視覚センサ用フィルター３２を設置することである。フィルターの交換作業は、フィルターセット２８を９０°回させれば簡単に実現できる。また、この作業は、電磁石などを利用して自動的にも行えるし、手動で行うことも可能である。もしレーザセンサ用フィルター３０と視覚センサ用フィルター３２の波長を同じにすることができる場合には、このフィルターの交換作業が不要になり、構造的には単純になる。

溶接中の視覚センサ計測方法は、特許文献２〜４に記載したものを使用することができる。

一方、図８はレーザセンサと視覚センサのそれぞれの情報に基づく溶接制御方法の例を示すものである。

ここで、溶接の制御は、まず、レーザセンサで得たデータ情報に基づきティーチングプレーバック方法で行う。この制御は、主として溶接条件の適応制御であり、つまり、溶接位置ごとに、開先内に仮付けビードの有無や開先幅、開先深さおよびルートギャップなどの大きさに基づき、溶接条件（溶接電流、電圧、溶接速度、トーチ揺動幅、揺動端部停止時間など）の制御補正量を求めて、これらを基準溶接条件に加えて溶接する。

溶接トーチの開先倣いは勿論、レーザセンサから得た開先幅とルートギャップの中心位置データに基づき行えるが、その倣い制御の実際のずれは、更に溶接中で視覚センサが得たデータ情報に基づき修正する。

従って、視覚センサは主として溶接トーチの開先倣い制御に使用する。ただし、初層溶接の時に、裏当ての隙間の変動やその隙間に入り込んだ溶融金属量の変化などがあるため、単に溶接前にレーザセンサが得たデータ情報に基づくティーチングプレーバック制御だけでは、高品質な初層溶接ビードを維持するに難しい場合もある。従って、ここで視覚センサから得た初層溶接時の溶融池の高さ（特許文献３、４参照）に基づき、溶着量の追加的な補正量を求めて、ティーチングプレーバックデータに加えて溶接制御を行うこともできる。

また、非常時には手元のリモコンより手動制御も加える。例えば、緊急停止とか、あるいはモニターから制御のずれを発見した時に、インプロセスで手動修正も加えることができる。

以上のレーザ・視覚複合センサに基づく溶接制御を実施した結果、溶接プロセスの全自動化を実現することができると同時に、実際の開先形状が標準形状から大きく乖離しても、例えば、鋼板裏当てをつけた開先の場合、ルートギャップの変動が２ｍｍ〜１２ｍｍ、また仮付けビードの有無に関わらず、均一かつ高品質な溶接ビードが得られることが確認できた。

なお、前記実施形態では、レーザ投光器からレーザスリット光が照射されていたが、光切断像を得る方法は、これに限定されず、例えばフライングスポット光を照射しても良い。

本発明に係るレーザ・視覚複合センサの実施形態のレーザセンサとしての使用状況を示す斜視図 同じくＶ型開先のレーザ光切断像の模式図 同じく溶接トーチ方向から見たレーザスリット光切断像の模式図 同じく照射角度αと撮影角度βとの和が解像度の均一性に及ぼす影響を示す図 同じく仮付けビード部のレーザ光切断像の模式図 前記実施形態を用いた測定手順を示す流れ図 前記実施形態の視覚センサとしての使用状況を示す斜視図 前記実施形態を用いた溶接制御の方法を示す図

符号の説明

１０…被溶接物
１２…溶接ヘッド
１４…溶接電極
１６…溶接アーク
２０…ホルダー
２２…溶接トーチ
２４…レーザ投光器
２５…レーザスリット光
２６…画像撮影カメラ
２８…フィルターセット
３０…レーザセンサ用フィルター
３２…視覚センサ用フィルター

Claims (3)

1. 開先上に投光したレーザ光の開先断面像と、アーク直下の溶融池及び電極の画像を得るための溶接用レーザ・視覚複合センサであって、
   溶接トーチを中心として、トーチ移動方向の前方及び後方斜め方向の一方にレーザ投光器を配設し、他方に画像撮影カメラを配設したことを特徴とする溶接用レーザ・視覚複合センサ。
2. 前記レーザ投光器によるレーザ光の照射角度と、前記画像撮影カメラによる撮影角度の和を９０°としたことを特徴とする請求項１に記載の溶接用レーザ・視覚複合センサ。
3. 請求項１又は２に記載の溶接用レーザ・視覚複合センサを用いて、
   非溶接時には、レーザ投光器を開先上に投光しながら溶接トーチを移動させて、画像撮影カメラでレーザ光の開先断面像を撮影し、
   溶接中には、画像撮影カメラでアーク直下の溶融池及び電極を撮影し、
   得た情報を溶接制御に用いることを特徴とする溶接制御方法。

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