JP2011016165A

JP2011016165A - 枝管を母管に配置して溶接する溶接方法および枝管を母管に配置する配置方法

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Publication number: JP2011016165A
Application number: JP2009164129A
Authority: JP
Inventors: Taro Arimatsu; 太郎有松; Takashi Jumonji; 隆十文字
Original assignee: Fanuc Corp
Current assignee: Fanuc Corp
Priority date: 2009-07-10
Filing date: 2009-07-10
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2029-07-10
Also published as: JP5296624B2

Abstract

【課題】作業者の熟練度を必要とすることなしに、枝管を母管の周面に正確に配置して短時間で自動的に溶接する。
【解決手段】一方の端面（１３）が開先加工された枝管（１２）を母管（１１）の周面に配置して溶接する溶接方法において、撮像部（３９）の視線（４０）を枝管と同軸にしつつ枝管の端面を撮像部により撮像し、撮像部により撮像された画像から枝管の端面を楕円として抽出し、抽出された楕円の中心と、予め定められた基準姿勢に対する中心回りの位相角とを算出し、算出された位相角に基づいて枝管を中心から定まる枝管の中心線回りに回転させ、回転された枝管の位相角を維持しつつ、枝管の端面が母管の周面に接触するまで枝管を移動させ、枝管の端面と母管とが接触したラインに沿って枝管を母管に溶接するようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、枝管を母管に配置して溶接する溶接方法、特に端面が開先加工された枝管を母管の周面に配置して溶接する溶接方法に関する。さらに、本発明は枝管を母管に配置する配置方法に関する。

従来より、端面が鞍型形状に開先加工された枝管を母管の周面に配置して溶接する際に、産業用ロボットが使用されている（特許文献１）。また、特許文献２においては、母管の外径、枝管の外径、これら管の肉厚および開先加工角度に基づいて、溶接線データを作成し、溶接線データに基づいて配置された光学センサにより開先の形状を計測して溶接線位置座標および開先幅を検出し、溶接線位置座標で溶接線データを修正することが行われている。

特開昭６３−１９４８７４号公報特開平１０−０５８１３９号公報

しかしながら、従来技術においては、作業者が枝管の位置と位相とを調節して、枝管を母管の周面に配置している。その後、作業者が枝管を母管に仮溶接した後で、産業用ロボットが溶接線に沿って溶接を行っていた。

このような方式では、作業者が手作業で枝管を配置する必要があるので作業時間が増す上に、作業者の熟練度によって枝管の配置のされ方が個々に異なるという問題点があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、作業者の熟練度を必要とすることなしに、枝管を母管の周面に正確に配置して短時間で自動的に溶接を行うことのできる溶接方法を提供することを目的とする。さらに、本発明は、作業者の熟練度を必要とすることなしに、枝管を母管の周面に短時間で正確に配置することのできる配置方法を提供することを目的とする。

前述した目的を達成するために１番目の発明によれば、一方の端面が開先加工された枝管を母管の周面に配置して溶接する溶接方法において、撮像部の視線を前記枝管と同軸にしつつ前記枝管の前記端面を撮像部により撮像し、前記撮像部により撮像された画像から前記枝管の前記端面を楕円として抽出し、抽出された前記楕円の中心と、予め定められた基準姿勢に対する前記中心回りの位相角とを算出し、算出された前記位相角に基づいて前記枝管を前記中心から定まる前記枝管の中心線回りに回転させ、回転された前記枝管の位相角を維持しつつ、前記枝管の前記端面が前記母管の周面に接触するまで前記枝管を移動させ、前記枝管の前記端面と前記母管とが接触したラインに沿って前記枝管を前記母管に溶接する溶接方法が提供される。

２番目の発明によれば、１番目の発明において、前記画像において、前記撮像部に対して近位に位置する前記端面の一部分が、前記撮像部に対して遠位に位置する前記端面の他の部分よりも相対的に大きいことを利用して、前記枝管の前記端面を楕円として抽出するようにした。

すなわち１番目および２番目の発明においては、撮像部により撮像された枝管の端面の画像から楕円を抽出し、基準姿勢に対する楕円の位相角に基づいて、枝管を母管の周面に配置し、溶接を行っている。つまり、角度調整を行った後で、枝管を母管の周面に配置している。このため、開先加工された枝管を母管の周面に正確に配置でき、また、作業者の熟練度に応じて枝管の配置が異なることもない。従って、枝管の溶接作業を短時間で自動的に行うことが可能となる。

３番目の発明によれば、一方の端面が開先加工された枝管を母管の周面に配置する配置方法において、撮像部の視線を前記枝管と同軸にしつつ前記枝管の前記端面を撮像部により撮像し、前記撮像部により撮像された画像から前記枝管の前記端面を楕円として抽出し、抽出された前記楕円の中心と、予め定められた基準姿勢に対する前記中心回りの位相角とを算出し、算出された前記位相角に基づいて前記枝管を前記中心から定まる前記枝管の中心線回りに回転させ、回転された前記枝管の位相角を維持しつつ、前記枝管を移動させて前記枝管の前記端面を前記母管の周面に配置する、配置方法が提供される。

４番目の発明によれば、３番目の発明において、前記画像において、前記撮像部に対して近位に位置する前記端面の一部分が、前記撮像部に対して遠位に位置する前記端面の他の部分よりも相対的に大きいことを利用して、前記枝管の前記端面を楕円として抽出するようにした。

すなわち３番目および４番目の発明においては、撮像部により撮像された枝管の端面の画像から楕円を抽出し、基準姿勢に対する楕円の位相角に基づいて、枝管を母管の周面に配置している。つまり、角度調整を行った後で、枝管を母管の周面に配置している。このため、開先加工された枝管を母管の周面に正確に配置でき、また、作業者の熟練度に応じて枝管の配置が異なることもない。従って、枝管の配置作業を短時間で自動的に行うことが可能となる。

本発明に基づく溶接システムを示す略図である。図１に示されるロボット制御装置のブロック図である。（ａ）母管および枝管の部分拡大図である。（ｂ）母管および枝管の他の部分拡大図である。本発明に基づく溶接システムの動作を示すフローチャートである。カメラのレンズと対象物および撮像面の関係を示す図である。カメラにより撮像された枝管の一端の画像を示す図である。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図１は本発明に基づく溶接システムを示す略図である。図１に示される溶接システム１０は、ロボット制御部２０およびビジョン制御部３０を含むロボット制御装置１５と、ロボット制御装置１５に接続された溶接トーチなどの溶接部１８とを主に含んでいる。溶接部１８は、母管１１に枝管１２を鞍形（Ｔ字形状）に溶接するのに使用される。

図示されるように、ロボット制御部２０は、ロボット２９、例えば多関節ロボットに接続されている。このロボット２９は、枝管１２を把持するハンド機構部２９ａを備えている。ハンド機構部２９ａは枝管１２をその軸線回りに少なくとも回転させられる。

さらに、ビジョン制御部３０は、カメラ３９およびモニタ３８を主に含んでいる。なお、図１に示される実施形態においてはビジョン制御部３０がロボット制御装置１５に内蔵されているが、ビジョン制御部３０はロボット制御装置１５に外部から接続されていてもよい。

図２は、図１に示されるロボット制御装置のブロック図である。図２に示されるように、ロボット制御部２０およびビジョン制御部３０は接続ラインａ１により互いに接続されており、各種信号および指令を送受信することができる。

ロボット制御部２０はデジタルコンピュータであり、各種の処理を実施するＣＰＵ２１と、ＲＯＭ２２と、ＲＡＭ２３と、不揮発性ＲＡＭ２４と、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）用データメモリ２７と、デジタルシグナルプロセッサ２８と、ロボット２９を制御する軸制御機器２５およびサーボ回路２６とを含んでおり、これらがバスａ２によって互いに接続されている。

ここで、ＲＯＭ２２はシステム全体を制御するプログラムを格納しており、ＲＡＭ２３はＣＰＵ２１により処理するのに用いられるデータを一時的に格納する。さらに、不揮発性ＲＡＭ２４はロボット２９のための動作プログラム、設定データ、後述する検出データ転送処理プログラムを格納している。

さらに、ビジョン制御部３０もデジタルコンピュータであり、各種の処理を実施するＣＰＵ３１と、フレームメモリ３２と、画像処理プロセッサ３３と、データメモリ３４と、プログラムメモリ３５と、モニタインタフェース３６と、カメラインタフェース３７とを含んでおり、これらがバスａ３によって互いに接続されている。図２から分かるように、モニタインタフェース３６およびカメラインタフェース３７には、それぞれモニタ３８およびカメラ３９が接続されている。

フレームメモリ３２はカメラ３９により撮像された画像を格納する。そして、フレームメモリ３２に格納された画像は、画像処理プロセッサ３３によって後述するように処理される。データメモリ３４は、画像処理プロセッサ３３の各種設定を格納しており、プログラムメモリ３５は後述する解析プログラムを格納する。

図３（ａ）および図３（ｂ）は母管１１および枝管１２の部分拡大図である。母管１１は図示しない固定具により固定されており、母管１１の周面は少なくとも部分的に露出しているものとする。また、枝管１２はロボット２９のハンド機構部２９ａ（図２には示さない）により把持されている。

図３（ａ）から分かるように枝管１２の一端１３は開先加工されている。この開先加工は、枝管１２の一端１３が母管１１の周面に密着可能なように行われており、例えば鞍型形状に加工されている。言い換えれば、真横から見ると、枝管１２の端面の縁部は母管１１の周面の一部と一致する。なお、枝管１２を母管１１の周面に必ずしも垂直に配置する必要はなく、垂直以外の角度をなして配置してもよい。

一つの実施形態においては、枝管１２の外径Ｄは２０ｍｍであり、枝管１２の一端１３の頂部１３ａと底部１３ｂの間の高低差Ｒは２．５ｍｍである。なお、図面においては、母管１１および枝管１２の外径は互いに等しいように表されている。しかしながら、母管１１および枝管１２の外径が互いに異なっていてもよく、そのような場合でも本発明の範囲に含まれる。なお、枝管１２の他端は開先加工されてなくてもよい。

図４は本発明に基づく溶接システムの動作を示すフローチャートである。以下、図４を参照しつつ、溶接システム１０の動作について説明する。はじめに、ステップ１０１において、ロボット制御部２０は、ロボット２９のハンド機構部２９ａに枝管１２を把持させる。そして、ハンド機構部２９ａを移動させて、枝管１２の一端１３がカメラ３９の真下に位置するようにする。これにより、枝管１２の一端１３がカメラ３９の視野に入るようになる。図１から分かるように、このときには、カメラ３９の視線４０を枝管１２の中心線に一致させる。

次いで、ステップ１０２において、ロボット制御部２０は不揮発性ＲＡＭ２４の検出データ転送処理プログラムを実施し、ビジョン制御部３０に対して、後述する以下の処理を行うよう指令する。従って、以下の処理は、ロボット制御部２０からビジョン制御部３０に移る。ステップ１０３においては、ビジョン制御部３０がカメラ３９に枝管１２の一端１３の画像を撮像させる。このとき、カメラ３９の焦点は一端１３の頂部１３ａと底部１３ｂの中間位置に合わせるのが好ましい。これにより、後述する画像処理を容易に行うことができる。

撮像された画像はフレームメモリ３２に格納される。そして、ステップ１０４において、ビジョン制御部３０の画像処理プロセッサ３３がプログラムメモリ３５の解析プログラムを用いて枝管１２の一端１３の画像から楕円（長円）を抽出する処理を行う。この処理には、パターンマッチングまたはその他の手法を利用できる。

ここで、図５はカメラのレンズと対象物および撮像面の関係を示す図である。図５に示されるカメラ３９の内部には、撮像面Ｑの前方にレンズ３９ａが配置されている。レンズ３９ａと撮像面Ｑとの間の距離は固定値ｆである。また、カメラ３９の外部には、外寸Ｈが互いに等しい対象物Ｐ１、Ｐ２が例として配置されている。図５においては、対象物Ｐ１は、対象物Ｐ２よりもレンズ３９ａに近接して位置しており、対象物Ｐ１とレンズ３９ａとの間の距離Ｌは、対象物Ｐ２とレンズ３９ａとの間の距離Ｌ’よりも短い。

図５から分かるように、撮像面Ｑに投影される対象物Ｐ１の寸法ｈは、撮像面Ｑにおける対象物Ｐ２の寸法ｈ’よりも大きい。すなわち、カメラ３９により近接した位置に在る対象物が、撮像面Ｑにより大きく投影されることになる。

従って、枝管１２の一端１３の画像Ｉを示す図である図６から分かるように、カメラ３９により近接した位置にある頂部１３ａは底部１３ｂよりも大きく撮像される。このため、図６において頂部１３ａ付近における枝管１２の肉厚は、底部１３ｂ付近における枝管１２の肉厚よりも大きい。その結果、画像Ｉにおける枝管１２の一端１３は、頂部１３ａと中心とを通る線分を長軸とする楕円形または長円形になる。このようなことから、プログラムメモリ３５の解析プログラムは、枝管１２の一端１３を楕円形として画像Ｉから抽出することができる。この目的のために、カメラ３９のレンズ３９ａは短焦点レンズ（広角レンズ）であるのが好ましく、カメラ３９を枝管１２の一端１３に近付けて撮像することにより、楕円をより正確に抽出することができる。

次いで、図４のステップ１０５においては、画像Ｉ上の抽出された楕円に基づいてその中心Ｃを算出する。そして、楕円を表す式から楕円の長軸および／または短軸を求め、この楕円の基準姿勢に対する位相角θ（基準姿勢に対する回転量）を算出する（図６を参照されたい）。また、長円が画像Ｉから抽出された場合には、長円の外形を表す幾何情報モデル（ビジョン制御部３０に記憶されている）と画像Ｉとの正規化相関などの手法を用いて、長円の基準姿勢に対する位相角θ（基準姿勢に対する回転量）を算出してもよい。なお、基準姿勢とは、枝管１２を母管１１の周面に密着させられる姿勢のことであり、予め実験等により定められているものとする。その後、ステップ１０６において、楕円の中心Ｃおよび位相角θの情報をロボット制御部２０に送信する。従って、以下の処理は、ロボット制御部２０において再び行われるようになる。

図４のステップ１０７においては、ロボット２９が、楕円の中心Ｃから定まる枝管１２の中心線回りに枝管１２を位相角θだけ回転して位置補正する。これにより、枝管１２は基準姿勢に一致するようになる。次いで、ステップ１０８において、この位相角θを維持しつつ、ロボット２９が枝管１２をカメラ３９から母管１１の下方に移動させる。

そして、ロボット２９は、枝管１２を母管１１の周面まで枝管１２の中心線上に移動させる。これにより、枝管１２の一端１３は母管１１の周面に密着して鞍形に配置されるようになる（図３（ｂ）を参照されたい）。このような枝管１２の母管１１への配置は、作業者の熟練度によって変わることがない。従って、本発明においては、開先加工された枝管１２を母管１１の周面に正確かつ短時間で配置することが可能となる。

その後、ステップ１０９において、ロボット制御部２０は溶接部１８に溶接指令を出す。これにより、溶接部１８は枝管１２と母管１１とが密着したラインに沿って溶接を行う。溶接ラインに沿った溶接作業自体は公知であるので、詳細な説明を省略する。

このように、本発明においては、カメラ３９により撮像された枝管１２の一端１３の画像Ｉから楕円を抽出し、基準姿勢に対する楕円の位相角θに基づいて、枝管１２を母管１１の周面に配置し、溶接を行っている。つまり、本発明においては、角度調整を行った後で、枝管１２を母管１１の周面に配置している。このため、開先加工された枝管１２を母管１１の周面に正確に配置でき、また、作業者の熟練度に応じて枝管１２の配置が異なることがない。従って、枝管１２の溶接作業を短時間で且つ自動的に行うことが可能となっている。

なお、前述した実施形態においては周面に開口部を有さない母管１１に枝管１２を配置することを説明した。しかしながら、母管１１に形成された開口部（直径が枝管１２の外径と同じ）に枝管１２を配置して溶接する場合にも、本発明を適用できるのは明らかであろう。また、枝管１２の回転および移動は必ずしもロボット２９が行う必要はなく、枝管１２を回転および移動させられる他のデバイスを採用してもよい。さらに、母管１１および枝管１２が筒体である必要はなく、これらが円柱であってもよい。

１０溶接システム
１１母管
１２枝管
１３一端
１３ａ頂部
１３ｂ底部
１５ロボット制御装置
１８溶接部
２０ロボット制御部
２１ＣＰＵ
２２ＲＯＭ
２３ＲＡＭ
２４不揮発性ＲＡＭ
２５軸制御機器
２６サーボ回路
２７ＤＳＰ用データメモリ
２８デジタルシグナルプロセッサ
２９ロボット
２９ａハンド機構部
３０ビジョン制御部
３１ＣＰＵ
３２フレームメモリ
３３画像処理プロセッサ
３４データメモリ
３５プログラムメモリ
３６モニタインタフェース
３７カメラインタフェース
３８モニタ
３９カメラ（撮像部）
３９ａレンズ
４０視線

Claims

一方の端面が開先加工された枝管を母管の周面に配置して溶接する溶接方法において、
撮像部の視線を前記枝管と同軸にしつつ前記枝管の前記端面を撮像部により撮像し、
前記撮像部により撮像された画像から前記枝管の前記端面を楕円として抽出し、
抽出された前記楕円の中心と、予め定められた基準姿勢に対する前記中心回りの位相角とを算出し、
算出された前記位相角に基づいて前記枝管を前記中心から定まる前記枝管の中心線回りに回転させ、
回転された前記枝管の位相角を維持しつつ、前記枝管の前記端面が前記母管の周面に接触するまで前記枝管を移動させ、
前記枝管の前記端面と前記母管とが接触したラインに沿って前記枝管を前記母管に溶接する溶接方法。
前記画像において、前記撮像部に対して近位に位置する前記端面の一部分が、前記撮像部に対して遠位に位置する前記端面の他の部分よりも相対的に大きいことを利用して、前記枝管の前記端面を楕円として抽出するようにした、請求項１に記載の溶接方法。
一方の端面が開先加工された枝管を母管の周面に配置する配置方法において、
撮像部の視線を前記枝管と同軸にしつつ前記枝管の前記端面を撮像部により撮像し、
前記撮像部により撮像された画像から前記枝管の前記端面を楕円として抽出し、
抽出された前記楕円の中心と、予め定められた基準姿勢に対する前記中心回りの位相角とを算出し、
算出された前記位相角に基づいて前記枝管を前記中心から定まる前記枝管の中心線回りに回転させ、
回転された前記枝管の位相角を維持しつつ、前記枝管を移動させて前記枝管の前記端面を前記母管の周面に配置する、配置方法。
前記画像において、前記撮像部に対して近位に位置する前記端面の一部分が、前記撮像部に対して遠位に位置する前記端面の他の部分よりも相対的に大きいことを利用して、前記枝管の前記端面を楕円として抽出するようにした、請求項３に記載の配置方法。