JP2012011433A

JP2012011433A - 溶接狙い位置計測装置

Info

Publication number: JP2012011433A
Application number: JP2010151803A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Otake; 達哉大嶽; Tetsuo Aikawa; 徹郎相川; Yoshinori Sato; 美徳佐藤; Kazuo Aoyama; 和夫青山
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-07-02
Filing date: 2010-07-02
Publication date: 2012-01-19
Anticipated expiration: 2030-07-02
Also published as: US20130098971A1; CN103025466A; CN103025466B; WO2012001918A1; US9010614B2; BR112013000089A2; JP5637753B2

Abstract

【課題】より正確な溶接狙い位置情報を取得可能な溶接狙い位置計測装置を提供する。
【解決手段】開先形状を計測する開先形状計測部１１と、開先形状計測結果となる形状データを記録する開先形状記録部１４と、少なくとも溶接位置、溶接パス番号を含む溶接情報を記録する溶接情報記録部１５と、溶接情報記録部１５の溶接情報における次パスの溶接パス番号を取得し、開先壁面溶接部および溶接ビード端部の検出結果に基づいて、各溶接位置により異なる次パスの溶接狙い位置を選定する溶接狙い位置選定部１７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば沸騰水型原子炉のシュラウド、水車のランナ、あるいは炉内配管などを溶接する場合に適用される溶接狙い位置計測装置に関する。

一般に、溶接条件の一つである溶接狙い位置は、開先形状情報などから設定可能であるが、溶接ビードの形状は、必ずしも予測されたビード形状はしていないため、次パスの溶接前に溶接狙い位置を溶接ビードの形状から計測する必要がある。

従来技術は、レーザを用いた計測方法による溶接ビードの現在と過去における形状データの断面積の差分を求めることにより、溶着量を溶接条件の一つとし、自動溶接機の溶接速度を制御する方法や、開先表面や溶接ビードなどの変化点を検出し、狙い位置を制御する方法がある。また、画像を用いた方法では、開先表面や溶接ビード底部の端部を画像処理により検出し、溶接狙い位置を開先幅の中心とする狭開先に対応した方法がある。

また、特許文献１に記載された技術は、２パス目以降の溶接前又は溶接直後の開先形状の画像と１パス前の同じ位置で求めた開先形状の画像を用いて画像処理を行い、これら２枚の画像の重なりあった部分から離れたようにする部分の接点を求め、その位置を基準にして狙い位置や溶接条件を求めている。さらに、特許文献２に記載された技術は、開先センシングを各層の最終パス施工前に行う施工方法である。

特開平８−３３９７９号公報特開平９−１４１４３９号公報

しかしながら、溶接狙い位置は、一般的なＶ字型開先だけでなく、開先幅の広い溶接対象や３次元的に変化するような複雑な形状に形成された開先がある。その場合の溶接狙い位置は、１層多パスによる溶接方法となる。このような場合、開先内での溶接狙い位置は、溶接するパスの位置により狙い位置は異なり、その溶接ビード上の計測すべき特徴が異なる。

上述したような溶接技術では、各溶接位置における１層多パス溶接方法や溶接姿勢などにより、それぞれ次パスの溶接狙い位置を設定することが困難である。また、溶接狙い位置は、開先形状情報などから設定可能であるが、溶接ビードの形状は、上記のように必ずしも予測されたビード形状に形成されていないため、次パスの溶接前に溶接ビードの形状から計測し、溶接狙い位置を正確に選定することが困難である。

さらに、特許文献１および特許文献２に記載された技術では、１層多パスの場合、屈曲点を検出してその屈曲点を溶接狙い位置としているため、正確な溶接狙い位置情報を得ることができない場合があるという問題がある。

本発明は上記事情を考慮してなされたものであり、より正確な溶接狙い位置情報を取得可能な溶接狙い位置計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る溶接狙い位置計測装置は、開先形状を計測する開先形状計測手段と、開先形状計測結果となる形状データを記録する開先形状記録手段と、少なくとも溶接位置、溶接パス番号を含む溶接情報を記録する溶接情報記録手段と、現在の形状データを過去の形状データに位置調整する開先形状位置合せ手段と、前記現在の形状データに基づいて形状変化量を演算する開先形状変化量演算手段と、現在と過去の形状データの差分量を演算する開先形状差分量演算手段と、前記開先形状変化量演算手段の演算結果に基づいて開先壁面溶接部を検出する開先壁面溶接部検出手段と、前記開先形状差分量演算手段の演算結果に基づいて溶接ビード端部を検出する溶接ビード端部検出手段と、前記溶接情報記録手段の溶接情報における次パスの溶接パス番号を取得し、前記開先壁面溶接部および前記溶接ビード端部の検出結果に基づいて、各溶接位置により異なる次パスの溶接狙い位置を選定する溶接狙い位置選定手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、より正確な溶接狙い位置情報を取得することにより、溶接品質の安定化を図るともに、自動溶接の効率化を図ることが可能となる。

本発明に係る溶接狙い位置計測装置の一実施形態を示すブロック図である。一実施形態において開先形状計測部の距離計測方法を示す説明図である。一実施形態において溶接狙い位置計測処理部の内部構造を示すブロック図である。一実施形態において溶接狙い位置計測処理を示すフローチャートである。一実施形態において開先断面の溶接ビードと計測点を示す説明図である。一実施形態において溶接狙い位置を示す説明図である。

以下に、本発明に係る溶接狙い位置計測装置の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明に係る溶接狙い位置計測装置の一実施形態を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態に係る溶接狙い位置計測装置は、溶接対象１０の開先を形状計測することができる位置に設置された撮像装置１２と線状光を投影する光投影装置１３から構成された開先形状計測部１１と、この開先形状計測部１１により計測された形状データを記録する開先形状記録部１４と、溶接位置、溶接パス番号や溶接するワイヤーの速度などの溶接情報を記録する溶接情報記録部１５と、現在と過去の形状データを取得してその形状データから溶接狙い位置となる計測点を検出する溶接狙い位置計測処理部１６と、溶接情報記録部１５の溶接情報に基づいて次パスの溶接狙い位置を選定する溶接狙い位置選定部１７と、を備える。

次に、図１に示す溶接狙い位置計測装置の動作について説明する。

図１に示すように、開先形状計測部１１は、溶接対象１０の開先形状を計測する。すなわち、開先形状計測部１１は、光投影装置１３により投影された線状光を撮像装置１２により検出し、水平方向と奥行き方向の距離を計測する。この開先計測部１１により計測された形状データは、溶接情報記録部１５の溶接位置や溶接パス番号などの溶接情報を形状データと一元管理する開先形状記録部１４に記録される。

現在と過去の形状データを溶接狙い位置計測処理部１６に伝送し、この溶接狙い位置計測処理部１６の各計測処理により形状データから溶接狙い位置となる計測点を検出し、溶接狙い位置選定部１７において当該計測点を溶接情報記録部１５の溶接パス番号などの溶接情報として取得することで、次パスの溶接狙い位置を選定することができる。これにより、各溶接位置により異なる次パスの溶接狙い位置を形状データから計測して選定することが可能となる。

図２は一実施形態において開先形状計測部の距離計測方法を示す説明図である。

図２に示すように、撮像装置１２と光投影装置１３の距離Ｄは既知であり、撮像装置１２の位置を点Ｃとし、光投影装置１３の位置を点Ｌとしたとき、点Ｃから計測点Ｐとまでの距離Ｈが溶接対象１０の開先形状の計測結果となる。

ここで、計測距離Ｈは、角度α、角度βおよび距離Ｄが既知であれば、正弦定理より計測距離Ｈ＝距離Ｄ×Ｓｉｎβ/Ｓｉｎ（１８０−α−β）で表すことができる。この距離計測方法を光投影装置１３の光模様に対して実施することにより、任意の領域の形状計測が実施される。

また、この形状データは、溶接情報記録部１５に記録された溶接位置や溶接パス番号と開先形状記録部１４に一元管理され記録される。これにより、例えば、光投影装置１３の光模様が１本の線である場合、距離計測により１本の開先形状計測部１１の結果として溶接対象１０の開先の形状データが計測可能となる。

次に、溶接狙い位置計測処理部１６の構成について説明する。

図３は一実施形態において溶接狙い位置計測処理部の内部構造を示すブロック図である。

図３に示すように、本実施形態の溶接狙い位置計測処理部１６は、現在と過去の形状データの位置を調整する開先形状位置合せ部２１と、現在の形状データに基づいて形状変化量を演算する開先形状変化量演算部２２と、現在の形状データの差分量を演算して新規溶接ビード部分を演算する開先形状差分量演算部２３と、開先形状変化量演算部２２の演算結果に基づいて開先表面端部を検出する開先表面端部検出部２４と、開先形状変化量演算部２２の演算結果に基づいて開先壁面溶接部を検出する開先壁面溶接部検出部２５と、開先形状差分量演算部２３の演算結果に基づいて新規溶接端点である溶接ビード端部を検出する溶接ビード端部検出部２６と、開先形状変化量演算部２２の演算結果に基づいて溶接ビード頂点部分を検出する溶接ビード頂点検出部２７と、を備える。

図４は一実施形態において溶接狙い位置計測処理を示すフローチャートである。図４に示す溶接狙い位置計測処理は、図３の溶接狙い位置計測処理部１６における各計測処理手段により実行される。図５は一実施形態において開先断面の溶接ビードと計測点を示す説明図である。

図４に示した例では、はじめに現在の形状データと過去の形状データを比較するために、ステップＳ２１の位置合せを実施する開先位置合せ処理が実行される。また、図５の開先形状３０上のＡ点からＧ点は、溶接狙い位置計測装置における計測対象点であり、溶接パス１から溶接パス５は、溶接パスの溶接順番を示し、以下では溶接パス５を例として述べる。さらに、図５において、実線は現在の形状データ、破線は過去の形状データ、一点鎖線は開先形状をそれぞれ示している。

次に、溶接狙い位置計測処理部１６の動作を説明する。

ステップＳ２１の開先位置合せ処理では、開先形状計測部１１により計測された現在の形状データは、開先形状記録部１４に記録された過去の形状データを比較するために、開先形状計測部１１による溶接対象１０の溶接位置のずれを調整する。まず、現在の形状データと過去の形状データとの両者の差分合計を求め、差分合計が最小となる位置を演算することで、両者の位置ずれを調整する。これにより、現在と過去の形状データの計測位置がずれた場合に、位置のずれを最小とすることが可能である。

ステップＳ２２の開先形状変化量演算処理は、現在の形状データの各計測点について、計測点を挟んだ前後の設定可能な演算計測点数より、計測点前後２区間における２つの直線の傾きを最小二乗法により演算する。演算された２直線の傾きから、計測点の２直線のなす角度を演算し、開先形状の変化量とする。この変化量は０°であれば変化のない計測点であり、９０°であれば急峻な変化をする計測点であることを示す。ステップＳ２２の開先形状変化量演算処理を全計測点に対して実施する。これにより、形状データの変化する点を検出するための指標を設けることが可能となり、溶接狙い位置となる計測点の検出が可能となる。

ステップＳ２３の開先形状差分量演算処理は、ステップＳ２１の開先形状位置合せ処理により位置合せされた現在と過去の形状データにおける各計測点の差分量を演算し、つまり新規溶接ビード部分を演算する。

ステップＳ２４の開先表面端部検出処理は、図５に示した開先表面端部であるＡ点とＢ点を検出する。ステップＳ２２の開先形状変化量演算処理により求められた現在の形状データの変化量を用い、設定した閾値以上の最大角度となる計測点を検出する。まず、Ａ点は形状データの中央位置を境界として、図５の左側から最大角度となる計測点を検出する。次に、Ｂ点も同様に最大角度となる計測点を図５の右側から検出するが、図５に示したようにＡ点のような形状が変化する計測点がない場合は、形状データの端部を開先表面端部としてＢ点として設定する。これにより、開先表面端部を検出することで、形状データの溶接狙い位置の存在する範囲の限定と、処理の軽減することができる。

ステップＳ２５の開先壁面溶接部検出処理は、図５に示した開先壁面溶接部、すなわち溶接母材と溶接部の境界部となるＣ点およびＤ点を検出する。ステップＳ２２の開先形状変化量演算処理により求められた現在の形状データの変化量を用い、設定した閾値以上の最大角度となる計測点を検出する。まず、ステップＳ２４の開先表面端部検出処理において検出されたＡ点とＢ点とに挟まれた区間について処理対象の形状データとし、この区間における設定した閾値以上の角度を角度の大きい順に並べ替えを行う。次に、形状データの図５における水平方向に対して並べ替えを行い、Ｃ点は図５における最も左側の計測点とし、Ｄ点は図５における最も右側の計測点を開先壁面溶接部として設定する。これにより、開先壁面溶接部を検出し、溶接狙い位置の選定対象となる計測点を検出することができる。

ステップＳ２６の溶接ビード端部検出処理は、図５に示した溶接ビード端部となるＥ点とＦ点を検出する。溶接ビード端部は、ステップＳ２３の開先形状差分量演算処理により求められた現在と過去の形状データの差分量を用い、設定した閾値以上の差分量を示す計測点を検出する。

また、ステップＳ２５の開先壁面溶接部検出処理において検出されたＣ点とＤ点に挟まれた区間の形状データを処理対象とする。ステップＳ２６の溶接ビード端部検出処理において検出されたＥ点とＦ点に挟まれた区間は新規に溶接された部分である。これにより、溶接ビード端部を検出し、溶接狙い位置の選定対象となる計測点を検出することができる。

ステップＳ２７の溶接ビード頂点検出処理は、溶接ビードの頂点となるＧ点を検出する処理であり、ステップＳ２２の開先形状変化量演算処理により求められた現在の形状データの変化量を用い、設定した閾値以上の最大角度となる計測点を検出する。検出されたＧ点は、溶接パスの位置によっては次パスの溶接ビード端部となる計測点となる。これにより、溶接ビード頂点を検出し、溶接狙い位置の選定対象となる計測点を検出することができる。

次に、ステップＳ２８の溶接狙い位置選定処理について説明する。

図６は一実施形態において溶接狙い位置を示す説明図である。

ステップＳ２１の開先形状位置合せ処理からステップＳ２７の溶接ビード頂点検出処理までに検出された図５に示す開先表面端部のＡ点、Ｂ点と、開先壁面溶接部のＣ点、Ｄ点と、溶接ビード端部のＥ点、Ｆ点と、溶接ビード頂点のＧ点がステップＳ２８の溶接狙い位置選定処理における処理の計測対象点となる。

まず、溶接情報記録部１５より、現在の形状データの溶接位置と溶接パス番号の溶接情報を取得する。次に、現在の溶接パス番号の次のパス番号における溶接位置は、それぞれの溶接位置により場合分けを行う。図６に示した例では、溶接狙い位置はＸ点となり、図５のＤ点の開先壁面溶接部およびＦ点の溶接ビード端部と選定する。また、溶接狙い位置Ｙ点は、図５のＦ点の溶接ビード端部と選定する。さらに、図６の右図の溶接狙い位置Ｚ０点は、図６のＺ１点に対応する図５のＣ点の開先壁面溶接部と図６のＺ２点に対応する図５におけるＥ点の溶接ビード端部の中点と選定する。

このように本実施形態によれば、現在の形状データと過去の形状データ、形状データの変化量および差分量と、溶接位置、溶接パス番号などの溶接情報とを取得し、開先壁面溶接部および溶接ビード端部の検出結果に基づいて、各溶接位置により異なる次パスの溶接狙い位置を選定することにより、一段と正確な溶接狙い位置情報を取得する可能となるため、溶接品質の安定化を図るともに、自動溶接の効率化を図ることが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の変更が可能である。例えば、上記実施形態では、溶接情報記録部１５に溶接位置、溶接パス番号や溶接するワイヤーの速度などの溶接情報を記録するようにしたが、本発明では、少なくとも溶接位置と溶接パス番号を記録すればよい。

１１…開先形状計測部
１４…開先形状記録部
１５…溶接情報記録部
１６…溶接狙い位置計測処理部
１７…溶接狙い位置選定部
２１…開先形状位置合せ部
２２…開先形状変化量演算部
２３…開先形状差分量演算部
２４…開先表面端部検出部
２５…開先壁面溶接部検出部
２６…溶接ビード端部検出部
２７…溶接ビード頂点検出部

Claims

開先形状を計測する開先形状計測手段と、
開先形状計測結果となる形状データを記録する開先形状記録手段と、
少なくとも溶接位置、溶接パス番号を含む溶接情報を記録する溶接情報記録手段と、
現在の形状データを過去の形状データに位置調整する開先形状位置合せ手段と、
前記現在の形状データに基づいて形状変化量を演算する開先形状変化量演算手段と、
現在と過去の形状データの差分量を演算する開先形状差分量演算手段と、
前記開先形状変化量演算手段の演算結果に基づいて開先壁面溶接部を検出する開先壁面溶接部検出手段と、
前記開先形状差分量演算手段の演算結果に基づいて溶接ビード端部を検出する溶接ビード端部検出手段と、
前記溶接情報記録手段の溶接情報における次パスの溶接パス番号を取得し、前記開先壁面溶接部および前記溶接ビード端部の検出結果に基づいて、各溶接位置により異なる次パスの溶接狙い位置を選定する溶接狙い位置選定手段と、
を備えることを特徴とする溶接狙い位置計測装置。
前記開先形状位置合せ手段は、前記開先形状計測手段により計測された現在の形状データと、前記開先形状記録手段に記録された過去の形状データとを比較し、両者の差分合計が最小となる位置を演算してずれ量を調整することを特徴とする請求項１記載の溶接狙い位置計測装置。
前記開先形状変化量演算手段は、現在の形状データの各計測点について計測点を挟んだ２直線の傾きを最小二乗法により演算し、その２直線のなす角度情報を演算することを特徴とする請求項１または２に記載の溶接狙い位置計測装置。
前記開先形状変化量演算手段の演算結果に基づいて開先表面端部を検出する開先表面端部検出手段を設け、
前記開先表面端部検出手段は、前記開先形状変化量演算手段により求めた現在の形状データの結果に基づいて最大角度となる計測点をデータの中央位置を境界として開先表面端部を検出し、検出されない場合は各データの端点をそれぞれの開先表面端部として検出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の溶接狙い位置計測装置。
前記開先壁面溶接部検出手段は、前記開先表面端部検出手段の検出結果である開先表面の両端部に挟まれた形状データに基づいて最大角度から閾値以上となる計測点を検出し、角度の大きい順に並べ替え処理し、溶接母材と溶接ビードとの境界点となる開先壁面溶接部を検出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の溶接狙い位置計測装置。
前記溶接ビード端部検出手段は、前記開先壁面溶接部検出手段の検出結果である開先壁面端部の両端部に挟まれた形状データに基づいて、前記開先形状差分量演算手段の結果から閾値以上の形状データを新規溶接部として抽出し、その抽出結果の両端点を新規に溶接された現在の溶接ビード端部として検出することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の溶接狙い位置計測装置。
前記開先形状変化量演算手段の演算結果に基づいて溶接ビード頂点を検出する溶接ビード頂点検出手段を設け、
前記溶接ビード頂点検出手段は、前記溶接ビード端部検出手段の検出結果である新規に溶接された溶接ビード端部に挟まれた形状データを抽出し、前記開先形状変化量演算部の結果に基づいて最大角度となる位置を溶接ビード頂点として検出することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の溶接狙い位置計測装置。