JP2540288B2 - メンブレン自動溶接装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液化天然ガス貯蔵用タ
ンクの内張りなどに用いるメンブレンを自動的に溶接す
るメンブレン自動溶接装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、ＬＮＧタンクのメンブレンの
重ね隅肉溶接においては、地下式ＬＮＧ貯槽１が、たと
えば内径６４ｍ、貯蔵深さ３０ｍで非常に大きな構造物
であり、溶接延長が２００００ｍにも及び信頼性のある
均質な溶接を人手で行うことには限界があるので、メン
ブレン形状に即した自動溶接装置が導入適用されてい
る。

【０００３】これら自動溶接装置は、溶接トーチを溶接
継手に沿って自動的に走行させる機能と、継手にコルゲ
ーションと称する熱収縮吸収ヒダを有することから、溶
接トーチのコルゲーション各位置における姿勢制御機能
とを保有するが、薄肉重ね溶接の溶接品質に影響の大き
い、開先線追随機能（溶接トーチねらい位置制御）はオ
ペレータによる手動調整を要するものである。すなわ
ち、溶接中は常時オペレータがアーク監視を行い、開先
線と走行レールのずれあるいは接合部材精度に起因する
開先線の曲がり等による溶接トーチのねらい位置の修正
作業を実施するもので、自動溶接といえども、品質と能
率もオペレータに依存する度合の大きいものである。

【０００４】メンブレンの自動溶接における開先線自動
追随機能を実現するためには、開先線の位置を正確に検
知する必要がある。溶接部付近の開先形状を撮像して、
画像データの演算処理によって開先位置を検出し、溶接
を自動化しようとする考え方は、たとえば溶接学会誌第
４８巻第７号（１９７９年刊）第５５頁〜第６０頁に記
載の研究論文「アーク熱源の自動制御化溶接に関する基
礎的研究（第１報）」や、溶接学会誌第４９巻第９号
（１９８０年刊）の第２５頁〜第２９頁に記載の研究論
文「溶接プロセスのオンライン検出のための画像処理
（第１報）」などで報告されている。アーク光自体を観
察することによって自動溶接を行う先行技術は、たとえ
ば、特公平３−５６８２９号公報などで開示されてい
る。この先行技術では、アーク光の形状に開先位置に関
連して特異な形状が発生することに注目し、アーク光の
二値化画像のデータ処理によって開先位置を検出してい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前述の各先行技術で
は、アーク光の二値化画像から溶接の開先位置を検出し
ている。しかしながら、アーク光の輝度は溶接中にかな
り変動し、二値化のための閾値を適切に設定することは
現実的には困難な場合が多い。事前に設定してある閾値
が不適切であれば、充分にアーク光の形状を捕えること
ができなくなったり、溶融池の形状なども含んだりノイ
ズの影響を受けたりしやすくなり、検出されたアーク光
形状の特異点は必ずしも開先位置を捉えたものでない場
合が発生し、その結果、メンブレンの重ね溶接に要求さ
れる高精度な開先線追随性能が得られない。

【０００６】本発明の目的は、ノイズの影響やアーク光
の輝度ばらつきによる誤差の増大を防ぎ、正確に開先線
の位置を検出し、溶接トーチを常に一定に制御すること
によって、オペレータのアーク監視を排除し、無人運転
が可能なメンブレン自動溶接装置を提供することであ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、タンク内壁面
メンブレンを溶接する際に、タンク上方に環状に布設さ
れた軌道から吊下げられたフレームをレールとして、上
下方向に移動可能な台車にメンブレンコルゲーションを
含む溶接継手を連続的に溶接可能な動作軸を有するメン
ブレン自動溶接装置において、直交２軸のＸ−Ｙテーブ
ルと、これら２軸で構成される平面内で回転可能なψ軸
と、前記平面に垂直な方向に動作可能なＺ軸と、Ｘ軸あ
るいはＹ軸まわりに旋回可能なθ軸とを配する軸構成を
有する溶接ヘッドと、予め設定される開先線位置に従っ
てアーク溶接中の開先線近傍の画像を撮像する撮像手段
と、撮像手段が撮像した画像の輝度を表すアナログ信号
を多値のデジタル信号に変換する多値化手段と、多値化
手段によって変換された多値デジタル信号を前記予め設
定される開先線に垂直な方向に微分演算処理し、微分演
算値を前記開先線方向に加算してプロジェクション演算
処理を行い、プロジェクション演算結果のピーク値の位
置を開先線の位置として検出する演算手段とを含み、演
算手段によって検出された開先線の位置が予め設定され
た位置になるように溶接ヘッドを制御することによって
自動溶接を行うことを特徴とするメンブレン自動溶接装
置である。

【０００８】また本発明の前記演算手段は、多値化手段
によって多値化されたデジタル信号が表す画像のアーク
溶接位置を検出し、アーク溶接位置を基準に前記予め設
定される開先線方向の前方に予め定める範囲のウィンド
ウを設定し、設定されたウィンドウを前記予め設定され
る開先線方向に配列される複数の領域に分割し、分割さ
れた各領域内で前記プロジェクション演算を行い、各領
域内の最大ピーク値の位置を連結したラインを開先線の
位置として検出することを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明に従えば、撮像手段は予め設定される開
先線位置に従ってアーク溶接中の開先線近傍の画像を撮
像する。多値化手段は、撮像手段が撮像した画像の輝度
を表すアナログ信号を多値のデジタル信号に変換する。
演算手段は、多値のデジタル信号を予め設定される開先
線に垂直な方向に微分演算処理し、微分演算値を開先線
方向に加算してプロジェクション演算処理を行う。プロ
ジェクション演算処理のピークの位置が開先線の位置と
して検出され、この位置が予め設定された位置となるよ
うに溶接ヘッドが制御されて自動溶接が行われる。開先
線を検出するための画像は、多値化手段によって多値の
デジタル信号に変換され、微分演算処理によって相対的
な変化分が検出されるので、画像の輝度レベルが変化し
ても開先線の位置を正確に検出することができる。

【００１０】また本発明に従えば、アーク溶接位置の画
像の重心を基準として、予め設定される開先線方向の前
方にウィンドウを設定し、ウィンドウを開先線の方向に
配列される複数の領域に分割する。分割された各領域で
プロジェクション演算を行い、最大ピーク位置を連結し
たラインを開先線として検出するので、ノイズやアーク
光の輝度のばらつきの影響を受けずに、高精度に開先線
の検出を行うことができる。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例、すなわち図２の
カメラ配置による開先線近傍の撮像画像プロジェクショ
ン処理結果を示す。モニタ２０の画面２０ａには、溶接
トーチ２１、溶接トーチ２１の先端の溶接用の電極２
２、電極から発生されるアークのアーク光２３、溶接部
の開先線２４および開先線検出のためのウィンドウ２５
が表示される。ウィンドウ２５は、アーク光２３から開
先線２４に沿う進行方向の前方に設定され、画像データ
の開先線２４に垂直な方向の微分演算処理に基づいて演
算処理によるプロジェクション２６のピーク値を検出エ
ッジ２７として求めている。検出エッジ２７は、開先線
２４の実際の位置に対応する。

【００１２】図２は、溶接中の開先線近傍の画像を得る
ためのカメラ配置図を示す。撮像手段であるＣＣＤカメ
ラ２８は、溶接の進行方向であるＸ軸方向の斜め前方か
ら溶接部分を撮像する。Ｘ軸方向の後方には溶接ビード
２９が形成され、溶接ビード２９の先端には、溶融状態
の溶融池３０が形成される。溶融池３０の直上には、タ
ングステンイナートガス（以下「ＴＩＧ」と略称す
る。）方式の溶接トーチ２１が配置される。溶接トーチ
２１は、いずれも板厚２ｍｍであるＳＵＳ３０４のステ
ンレス薄板の上側母材３１と下側母材３２との重ね継手
溶接を行う。

【００１３】なお、ＣＣＤカメラ２８を溶接線（Ｘ軸）
直上でなく、Ｙ軸方向にシフトした関係に配置した場合
は、検出エッジと開先線の実際の位置は、シフト量に対
応した定常偏差を持つことになる。またＺ軸とＹ軸の干
渉が発生するので、検出値に対してＺ軸成分による補正
を考慮する。

【００１４】図３および図４は、図２のカメラ配置を含
む溶接ヘッド３３の正面図および側面図をそれぞれ示
す。溶接ヘッド３３には、アーク電圧を制御することに
よって電極２２の先端と溶接部分との間隔を一定に保つ
ためのＡＶＣ軸調整機構３４、メンブレンのコルゲーシ
ョン形状に合わせて電極２２の先端を中心として溶接ト
ーチ２１の角度を換えるθ軸調整機構３５、図２のＸ軸
およびＹ軸に垂直な方向へ溶接トーチ２１を変位させる
Ｚ軸調整機構３６、および方形メンブレンパネルの外周
縁で溶接開先を連続的に溶接を行うため、溶接トーチを
中心として軸まわりに溶接ヘッド３３を旋回させるψ軸
調整機構３７が設けられる。これらの機構は、溶接トー
チ２１の位置制御を高精度に行うことを可能にする。θ
軸、Ｚ軸、ψ軸のそれぞれの変位のために、旋回レール
３８、ボールねじ３９ａおよびボールナット３９ｂ、ψ
軸ピニオン４０ａおよびψ軸ベアリング４０ｂが設けら
れる。コルゲーション部におけるθ軸およびＺ軸の動作
は、倣いセンサ４１の先端のスタイラス４２の検出信号
によって制御される。ＣＣＤカメラ２８は、取付部材４
３によって溶接トーチ２１と一体に取付けられる。倣い
センサ４１は、母材３１，３２の表面形状に従って信号
を導出し、Ｚ軸およびθ軸を制御して位置を変えるの
で、ＣＣＤカメラ２８の位置も同時に変化し、常に適正
なカメラ配置が実現される。なお、ＣＣＤカメラ２８の
光軸２８ａの前方には、遮光フィルタ２８ｂが挿入また
は離脱可能に配置される。また、溶接ヘッド３３は、図
１２に示す枠レール６１上を移動する台車６１ａの溶接
ヘッド部６３に搭載され、Ｘ軸およびＹ軸方向に移動す
る。台車６１ａは予め設定されたメンブレンパネル位置
データに基づき、順次移動を繰返し、枠レール６１でカ
バーされるエリアの溶接作業を実施する。

【００１５】図５は、図１の実施例のための概略的な構
成図を示す。マイクロコンピュータなどを含んで実現さ
れる制御装置４４は、予め入力されている開先線の位置
データに基づき、さらに倣いセンサ４１からの入力信号
に従ってθ軸モータ、Ｚ軸モータおよびψ軸モータを制
御し、θ軸調整機構３５、Ｚ軸調整機構３６およびψ軸
調整機構３７を作動させる。また、溶接電源４８を制御
し、溶接開始を円滑に行ったり、溶接電流を設定したり
して、溶接状態の制御を行う。

【００１６】ＣＣＤカメラ２８が撮像した画像データ
は、画像入力部４９でアナログ信号から多値のデジタル
信号への変換を行い、演算装置５０に入力される。画像
データはモニタ２０によっても表示可能である。演算装
置５０内には、ソフトウェア処理によって等価的に実現
される微分演算部５１、プロジェクション演算部５２、
重心演算部５３、ウィンドウ設定部５４および記憶部５
５が含まれる。演算装置５０は、開先線を検出し、溶接
トーチ２１の位置誤差信号を制御装置４４に伝送する。

【００１７】次に図２に示すメンブレン重ね継手溶接の
場合の開先線検出の処理手順を図６のフローチャートに
基づき具体的に説明する。図７、図８、図９、図１０お
よび図１１は、演算処理過程の説明図である。

【００１８】図６のステップａ１で、演算処理を開始す
る。ステップａ２では、ＣＣＤカメラ２８のキャリブレ
ーションを行い、位置、角度、焦点などを調整する。

【００１９】図７（Ａ）は、キャリブレーションの状態
を示す。キャリブレーションはカメラセット時にのみ必
要である。図３に示すようにＣＣＤカメラ２８には、ア
ーク光からの光を弱めるための遮光フィルタ２８ｂを装
着しているが、溶接開始前のキャリブレーション時は自
然光あるいは別途光源を用い、遮光フィルタ２８ｂを外
した状態で、開先線２４近傍の画像をモニタ２０で確認
しながら開先線２４が水平になるようにＣＣＤカメラ２
８の位置確認と、焦点の調整などを行う。次にＹ軸イン
チングによって溶接トーチ２１を視野内で上下に移動さ
せ、開先線２４の画像の移動量と画素数との対応を計測
し、演算処理の際の実寸法換算係数を決定しておく。な
お溶接トーチ２１を開先線２４に追随させることは、図
７（Ａ）においてΔｄを常に一定の関係に保持すること
に他ならない。メンブレンの重ね溶接では、通常Δｄは
１ｍｍ程度に設定される。

【００２０】ステップａ３から溶接を開始する。薄板メ
ンブレンのＴＩＧ溶接ではパルス溶接が採用されること
が多い。この場合、たとえば０．１秒間は大電流のピー
ク電流を流し、０．４秒間は比較的低いベース電流とい
う矩形波の溶接電流となり、アーク光強度もパルスに対
応して変化する。ステップａ４では、電極検出のためベ
ース電流時の画像を、ピーク電流時のカメラ露出条件で
撮像する。アーク光２３の輝度がピーク電流時に比べて
弱いので、電極２２の輪郭が明瞭に識別される。図７
（Ｂ）にベース電流時の画像を示す。

【００２１】ステップａ５の電極検出の処理を説明す
る。図８（Ａ）では、電極２２を含むような位置にウィ
ンドウ２５を設定し、ウィンドウ２５内を縦微分し、暗
い状態から明るい状態に変化する点のみを取出す。図８
（Ｂ）では、逆に、明るい状態から暗い状態に変化する
点のみを取出す。図８（Ａ）および図８（Ｂ）の各画素
毎の微分演算値を、横方向に合計し、プロジェクション
演算を行えば、電極２２の輪郭線２２ａ，２２ｂの位置
をそれぞれ検出することができる。輪郭線２２ａ，２２
ｂの中間を電極位置とする。なお、電極検出は溶接開始
時に一度実施すればよい。

【００２２】次に開先線検出の処理についてステップａ
６以降で説明する。ステップａ６では、ピーク電流時の
画像を入力する。ステップａ７ではフィルタ処理を行
う。図９は、画像入力およびフィルタ処理の状態を示
す。フィルタ処理は、たとえば３×３の画素を１組と
し、その中央の輝度データで代表させるメディアンフィ
ルタ処理を、画面２０ａ全体に対して行う。これによっ
て、ノイズが除去される。

【００２３】ステップａ８では、図１０（Ａ）に示すよ
うに、ウィンドウ２５を適切に設定するためにアーク光
の重心検出の演算処理を行う。アーク光２３の重心５７
の位置をアーク光２３の原画像から求め、重心５７の右
下方にウィンドウ２５を設定する。ウィンドウ２５の位
置および大きさは、実際の開先線の変位範囲をカバー
し、かつ演算処理時間ができるだけ短縮できるように、
予め適切な数値に設定しておく。ステップａ１０では、
図１０（Ｂ）のように縦微分処理を行う。縦微分処理で
は、設定したウィンドウ２５内の画像を縦方向に微分
し、負の値は０とする微分演算を行う。この処理によっ
て暗から明に変化する部分が強調される。次に、ステッ
プａ１１では、図１１に示すようにして、プロジェクシ
ョンおよびピーク検出の演算処理を行う。先ず、図１１
（Ａ）のように、ウィンドウ２５を縦に１０分割する。
次に、図１１（Ｂ）のように、分割したそれぞれの分割
領域５８に対して、縦微分画像の画素の明るさを、横方
向に加算するプロジェクション処理を行う。図１１
（Ｃ）のようなプロジェクション演算処理の結果から、
ピーク５９とその連続であるラインを求め、これが開先
線２４に対応する。

【００２４】ステップａ１２では、検出値の信頼性を高
めるため検出した開先線の位置を、たとえば最近３秒間
の平均と比較し、或る値以上変化していたら、誤検出と
して判断する時系列処理を行う。その判定値は、実際に
変動する可能性のある値より大きくしておく。正常な値
であれば、ステップａ１３で基準値との偏差を計測値と
して溶接ヘッド制御装置４４に出力する。以上の処理を
ステップａ１５の溶接終了まで繰返すことによって、溶
接トーチ２１の開先線追随機能が実現される。

【００２５】図１２は、図１の実施例を含むメンブレン
タンクのタンク内壁面自動溶接機６０の全体構成を示
す。溶接機６０は、枠レール６１内を上下移動可能な台
車６１ａに設けられるＸ−Ｙスライダ６２、Ｘ−Ｙスラ
イダ６２内でＸ軸およびＹ軸方向に移動可能な溶接へッ
ド部６３を含む。溶接ヘッド部６３には、前述の溶接ヘ
ッド３３が搭載される。枠レール６１は、枠レール移動
装置６４から吊下げられ、上下方向とタンク周方向レー
ル６５とに沿って移動可能である。溶接ヘッド部６３お
よびＸ−Ｙスライダ６２の制御のためには、溶接ヘッド
制御装置６７および開先線検出のためのＹ軸倣い制御装
置６８がそれぞれ設けられる。また、Ｘ−Ｙスライダ６
２を含む溶接ヘッド部６３を枠レール６１内に上下移動
させる枠レール台車制御装置が設けられている。溶接電
源４８および各制御装置と溶接ヘッド部６３との電気的
接続のため、中継箱６９が設けられる。枠レール６１の
運転のために、ゴンドラ７０が設けられ、オペレータ７
１がゴンドラ操作盤７２、枠レール操作盤７３および溶
接機操作盤７４から操作を行うことができる。地上に
は、モニタ２０、分電盤７５およびシールドガスヘッダ
７６が設けられる。シールドガスヘッダ７６からは、Ｔ
ＩＧ溶接を行うための不活性ガスであるアルゴンガスな
どが供給される。溶接電源４８および各制御装置と地上
との接続のため、コードおよびホース７７が使用され
る。

【００２６】図１３は、図１２に示す溶接機６０がＬＮ
Ｇ貯槽壁面部に設置された状態を示す。図１３（Ａ）は
側断面図、図１３（Ｂ）は正面図をそれぞれ示す。コン
クリート躯体７８の上方に周方向レール６５が設けら
れ、枠レール６１およびゴンドラ７０は枠レール移動装
置６４によって水平方向および垂直方向に移動可能であ
る。枠レール６１は溶接に支障が無いようにメンブレン
に一旦固定されると、枠レール６１の範囲内で台車６１
ａが予め設定されたＮＣデータに基づき上下方向に移動
し、メンブレンパネルの溶接を自動的にアークスター
ト、ストップを繰返しながら一枚ずつ行う。このように
して、移動溶接可能範囲７９で、枠レール６１のセッテ
ィング作業以外はオペレータが介入することなく良好な
全自動溶接を行うことができる。

【００２７】本実施例では、メディアンフィルタ処理お
よび時系列処理によって、ノイズやアーク光の輝度変化
の影響をさらに低減し、開先線の位置を一層高精度で検
出することができる。なお、アーク溶接の電流波形が異
なるときは、撮像のタイミングを調整すればよい。アー
ク溶接でないスポット溶接などの場合は、他の照明を用
いればよい。

【００２８】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、多値化さ
れた画像データを微分演算処理することによって開先線
の位置を検出するので、溶接部の近傍でアーク光の輝度
や照明が変化したりノイズの混入があっても、薄板メン
ブレンの重ね溶接に充分な精度で開先線の位置を検出
し、検出した開先線に従って溶接を行うことができる。

【００２９】また本発明によれば、予め設定されるウィ
ンドウ内で開先線の位置を検出するので、高精度の演算
に要する時間が短縮され、短い時間間隔で溶接位置を修
正し、高精度でかつオペレータによるアーク監視を不要
とする自動溶接を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による画像処理結果を示す簡
略化した斜視図である。

【図２】図１の画像処理結果を得るためのカメラ配置を
示す簡略化した斜視図である。

【図３】図２のカメラ配置を含む溶接ヘッドの正面図で
ある。

【図４】図３の溶接ヘッドの左側面図である。

【図５】図１の画像処理結果を得るための電気的構成を
示すブロック図である。

【図６】図１の画像処理結果を得るための動作を示すフ
ローチャートである。

【図７】カメラキャリブレーションおよび画像ベース同
期の画像入力の状態を示す図である。

【図８】電極検出の状態を示す図である。

【図９】ピーク同期による画像入力およびフィルタ処理
の状態を示す図である。

【図１０】重心検出およびウィンドウ設定ならびに縦微
分処理の状態を示す図である。

【図１１】プロジェクションおよびピーク検出の状態を
示す図である。

【図１２】図１の実施例によるメンブレン溶接機の全体
構成を示す正面図である。

【図１３】図１２の溶接機の使用状態を示す側断面図お
よび正面図である。

【符号の説明】

２０ モニタ ２０ａ 画面 ２１ 溶接トーチ ２２ 電極 ２３ アーク光 ２４ 開先線 ２５ ウィンドウ ２６ プロジェクション ２７ 検出エッジ ２８ ＣＣＤカメラ ２９ 溶接ビード ３０ 溶融池 ３１ 上側母材 ３２ 下側母材 ３３ 溶接ヘッド ４１ 倣いセンサ ４２ スタイラス ４４ 制御装置 ４９ 画像入力部 ５０ 演算装置 ５１ 微分演算部 ５２ プロジェクション演算部 ５３ 重心演算部 ５４ ウィンドウ設定部 ６３ 溶接ヘッド部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山田 浩毅 千葉県野田市二ツ塚118番地川崎重工業 株式会社 野田工場内 (72)発明者 島田 忠雄 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (72)発明者 岩本 雅弘 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社 明石工場内 (56)参考文献 特開 平６−47540（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−228634（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−57561（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−34990（ＪＰ，Ｕ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 タンク内壁面メンブレンを溶接する際
   に、タンク上方に環状に布設された軌道から吊下げられ
   たフレームをレールとして、上下方向に移動可能な台車
   にメンブレンコルゲーションを含む溶接継手を連続的に
   溶接可能な動作軸を有するメンブレン自動溶接装置にお
   いて、 直交２軸のＸ−Ｙテーブルと、これら２軸で構成される
   平面内で回転可能なψ軸と、前記平面に垂直な方向に動
   作可能なＺ軸と、Ｘ軸あるいはＹ軸まわりに旋回可能な
   θ軸とを配する軸構成を有する溶接ヘッドと、 予め設定される開先線位置に従ってアーク溶接中の開先
   線近傍の画像を撮像する撮像手段と、 撮像手段が撮像した画像の輝度を表すアナログ信号を多
   値のデジタル信号に変換する多値化手段と、 多値化手段によって変換された多値デジタル信号を前記
   予め設定される開先線に垂直な方向に微分演算処理し、
   微分演算値を前記開先線方向に加算してプロジェクショ
   ン演算処理を行い、プロジェクション演算結果のピーク
   値の位置を開先線の位置として検出する演算手段とを含
   み、 演算手段によって検出された開先線の位置が予め設定さ
   れた位置になるように溶接ヘッドを制御することによっ
   て自動溶接を行うことを特徴とするメンブレン自動溶接
   装置。
2. 【請求項２】 前記演算手段は、多値化手段によって多
   値化されたデジタル信号が表す画像のアーク溶接位置を
   検出し、アーク溶接位置を基準に前記予め設定される開
   先線方向の前方に予め定める範囲のウィンドウを設定
   し、設定されたウィンドウを前記予め設定される開先線
   方向に配列される複数の領域に分割し、分割された各領
   域内で前記プロジェクション演算を行い、各領域内の最
   大ピーク値の位置を連結したラインを開先線として検出
   することを特徴とする請求項１記載のメンブレン自動溶
   接装置。