JP2891593B2 - Ｔｉｇ溶接電極形状検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はＴＩＧ溶接の自動化
装置に適用されるＴＩＧ溶接電極形状検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】［従来の技術（１）］ 従来、ＴＩＧ溶接に於ける溶接電極は、オペレータがア
ークの出方の異常を見つけ、あるいは溶接開始前に電極
先端の消耗度合を見て、その目視による状況により溶接
をストップして電極を交換していた。

【０００３】また、上記目視によるＴＩＧ溶接電極の寿
命判断手段以外に、制御装置に電極の使用最大時間を覚
え込ませておき、その時間が来たらオペレータに交換を
施すようにする電極寿命管理手段等が存在する。

【０００４】上記各電極交換管理手段のうち、前者の目
視によるＴＩＧ溶接電極の寿命判断手段に於いては、常
にオペレータが溶接器に付いていなければならず、無人
運転ができないという問題がある。

【０００５】また、後者の電極使用最大時間を記憶して
管理する電極寿命管理手段に於いては、その寿命時間の
設定が難しく、使用電流等によって寿命が異なり万全と
は言えない。

【０００６】［従来の技術（２）］ 一方、ＴＩＧ溶接作業は熟練が必要とされる作業であ
り、優良な溶接を行なうためには十分な経験を要する。

【０００７】しかしながら、溶接作業に従事する作業員
が年々不足する傾向にあり、溶接作業の自動化を行なう
必要が出てきた。

【０００８】溶接作業者が優良な溶接を行なうために
は、溶接状況を監視し、そこから適正な溶接電流、速度
等の調整を行なわなければならない。

【０００９】溶接作業を自動化するためには、溶接作業
者と同様に、溶接状況を監視する必要がある。

【００１０】この際、電極の形状も監視対象の１つに含
まれ、電極先端の欠損や、異物の付着などを検出する必
要がある。

【００１１】しかしながら、従来の技術では、溶接中に
電極の形状を自動的に計測することは行なっておらず、
溶接状況をテレビカメラで撮像し、操作員が目視により
確認しているのみである。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】

［発明が解決しようとする課題（１）］ （ａ）上記従来の目視によるＴＩＧ溶接電極の寿命判断
手段に於いては、常にオペレータが溶接器に付いていな
ければならない。そのため無人運転ができないという問
題があった。 （ｂ）また、電極使用最大時間を記憶して管理する電極
寿命管理手段に於いては、その寿命時間の設定が難し
く、使用電流等によって寿命が異なり正しい寿命判断が
できないという問題があった。 （ｃ）そこで、工業用ＴＶカメラ（以下、ＩＴＶカメラ
という）で電極を写し画像処理をして、真の電極の消耗
度合を調べ、その形状により交換することが考えられ
た。

【００１３】しかし、単純にＩＴＶカメラで電極を写し
画像処理をしても、アークの影響で電極先端を明確に見
ることができなかった。 （ｄ）電流を落として画像を入力する手段も考えられる
が、この場合には、電極が暗くなってしまい、電極とし
ての正しい画像処理が難しかった。 （ｅ）照明を用いて電極を強調することも考えられた
が、この場合も後方の背景との関係で電極先端の認識は
正確には行なえず実用化に至っていない。

【００１４】 ［発明が解決しようとする課題（２）］ （ａ）従来の技術では、操作員の目視確認のみであった
ため、溶接作業中に操作員がモニタテレビを監視してお
く必要があり、操作員の作業負担を軽減することが出来
ない。 （ｂ）また、モニタテレビの画面から電極の欠損や、異
物の付着を検出する必要があるため、操作員に熟練が必
要であるという問題があった。

【００１５】［本発明の目的］ 本発明は上記実情に鑑みなされたもので、電極を撮影す
るＩＴＶカメラと同カメラで撮影した画像を処理する画
像処理装置とを用いて電極先端の処理画像から電極の消
耗度合（寿命）を判断する際に、鮮明な電極先端の画像
を得ることができ、電極寿命を正確に判断できるＴＩＧ
溶接電極形状検出装置を提供することを目的とする。

【００１６】すなわち、本発明は、溶接電流を一時的に
減少させた後、一定時間後に撮像された画像のうち、赤
色成分の画像から溶接電極の形状を検出する機構を備え
て、電極の形状が操作員の労力や経験を必要とすること
なく、安定して、かつ高精度に認識でき、ＴＩＧ溶接の
自動化が、より精度の高い制御により行なえるＴＩＧ溶
接電極形状検出装置を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る装置は、Ｔ
ＩＧ溶接自動化装置のＴＩＧ溶接電極形状検出装置に於
いて、 （Ａ）溶接電流を一時的に減少させるための溶接電流制
御回路と、 （Ｂ）前記溶接電流制御回路の制御により溶接電流が減
少してから予め設定した時間だけ計時を行なうタイマ
と、 （Ｃ）前記タイマからの指令により溶接電流減少後、一
定時間経過したときの溶接電極を撮像するための１台の
カラーテレビカメラと、 （Ｄ）前記カメラの前面に設置される光学バンドパスフ
ィルタと、 （Ｅ）前記記カメラから得られる画像信号を赤、青、緑
の３原色に分解する画像信号デコーダと、 （Ｆ）前記デコーダで分解された３原色のうち、赤色の
成分のみを記憶する画像メモリと画像を処理する画像処
理装置とを有し、 （Ｇ）前記溶接電極の先端形状を検出するために、溶接
電流を減少させた後、一定時間後に撮像された画像のう
ち、赤色成分の画像を処理して自動的に溶接電極の形状
を検出することを特徴とする。

【００１８】

【作用】（１）本発明による画像取り込みのタイミング
を図３に示す。

【００１９】図３から明らかなように、電極寿命判断の
画像取り込みに際し、あるタイミングで画像を取り込む
ため溶接電流を下げる。

【００２０】この溶接電流を下げたときからＴ1 秒後
に、画像を取り込むトリガをＩＴＶカメラに送り、カメ
ラからビデオ信号として画像情報を得る（実際には、ビ
デオ信号送信のタイミングがあるため最大１／６０秒は
遅れる可能性がある）。

【００２１】取り込んだ画像は図２のように電極の消耗
度合を、先端チップの消耗Ｈおよび片減りＫを画像デー
タから求め、予め設定しておいたそれぞれの指示量より
大きくなった際に、電極の消耗が大きいと判断して、溶
接をストップし、またはオペレータにアラーム表示して
知らせる。さらには、溶接トーチ２または電極１を交換
することも可能である。 （２）本発明による溶接電極形状検出装置に於いては、
溶接電流制御回路が溶接作業中の一定時間ごとに溶接に
不具合の発生しない時間（例えば、１００msec）だけ、
溶接電流を減少させる。

【００２２】この際、タイマは溶接電流が減少してか
ら、予め設定された時間を計測し、その時間に達すれ
ば、カラーテレビカメラに撮像指令信号を発する。

【００２３】カラーテレビカメラは撮像指令を受信する
と、電極付近の画像を撮像する。

【００２４】このとき、アーク光は、溶接電流を減少す
ることにより速やかに消滅するが、電極は高温に加熱さ
れているため、熱の時定数に従って緩やかに冷却され
る。

【００２５】即ち、アーク光が消滅した後も、電極のみ
が比較的長時間赤熱した状態を維持し、赤く観測され
る。

【００２６】この状況をカラーテレビカメラが光学バン
ドパスフィルタを介して撮像する。この光学バンドパス
フィルタは外部からの外乱光を除き、電極付近の画質を
安定して撮像させる働きを持つ。

【００２７】カラーテレビカメラにより撮像された画像
信号は、画像信号デコーダにより赤成分、青成分、緑成
分の３原色に分離され、赤成分のみが画像メモリに記憶
される。

【００２８】その結果、画像メモリには撮像された画像
のうち、赤く撮像されている部分のみが記録されている
ことになる。即ち、赤熱している電極が明瞭に得られ
る。

【００２９】その画像メモリに記憶された画像から、正
常時の電極形状との差異を検出することにより、電極の
欠損や異物の付着を容易に認識することが出来る。

【００３０】

【実施例】［実施例１］ 以下図１乃至図３を参照して本発明の第１実施例を説明
する。

【００３１】図１は第１実施例に係る溶接電極の寿命判
断手段を適用した装置の構成を示す図、図２は第１実施
例に於ける電極形状を例示する斜視図、図３は第１実施
例に於ける画像取り込みタイミングを説明するための図
である。

【００３２】図１〜図３中、３はアーク、４は溶融池、
５は母材、７はスライドを示す。

【００３３】図１に於いて、電極１の溶接方向前方に配
設された視覚センサ（ＩＴＶカメラ）６は、電極１の先
端部を中心とした電極画像を撮影する。

【００３４】このＩＴＶカメラ６によって撮影された電
極画像は画像処理装置９に供給される。

【００３５】画像処理装置９はＩＴＶカメラ６により撮
影した画像情報８を取り込み、図２に示す電極画像を得
て、同画像を対象に所定の画像処理を施し、図２の如
く、電極先端消耗量Ｈ、および片減りＫを認識する。

【００３６】そして、この処理により得られたＨ、Ｋ
と、予め設定された消耗最大量Ｈmax、Ｋmax とを比較
し、 Ｈ≦Ｈmax 又は Ｋ≧Ｋmax になれば溶接ストップさせる。

【００３７】この際の画像の取り込みは、通常、溶接機
制御装置１０により溶接電流を図３の如く出力している
のに対し、電極１の消耗度を検査する際は、図３に如く
溶接電流をパルス的にＴ3 秒だけ下げる。

【００３８】この溶接電流を下げてからＴ1 秒後に、Ｉ
ＴＶカメラ６の画像取り込みトリガが出力され、そのと
きの画像を画像処理装置９が取り込み、上記電極先端の
画像処理及び寿命判断を行なう。

【００３９】その際、溶接電流をパルス的に下げること
により、電極１の溶接電流がパルス的に低電流になりア
ーク光が軽減される。

【００４０】その電極印加電圧が低電圧へ移行する瞬間
の電極１が赤熱した時点の電極先端の撮影画像をもと
に、上記画像処理装置９が電極寿命を判断する。

【００４１】これにより、アーク光に影響されない鮮明
な電極先端の画像を得ることができ、電極の消耗度合い
を常に正確に判断することができる。

【００４２】［実施例２］ 次に図４乃至図６を参照して本発明の第２実施例を説明
する。

【００４３】図４は第２実施例に係る装置の構成を示す
ブロック図、図５は第２実施例に係る装置の説明図、図
６は第２実施例に係る装置の動作の説明図（タイムチャ
ート）である。

【００４４】電極１の形状を計測するときにアーク光が
存在すると、その光量が非常に大きいため、電極の先端
まで撮像することができない。

【００４５】そのため、図６に示すように、溶接電流制
御回路５３が溶接作業中の一定時間毎に溶接に不具合の
発生しない時間、例えば１００msecだけ、溶接電流を減
少させる。

【００４６】その際、タイマ５４は、溶接電流が減少し
てから、予め設定された電流減少時間より短い時間（例
えば３０msec）を計測し、その時間に達すれば、カラー
テレビカメラ４２に撮像指令信号を発生する。

【００４７】カラーテレビカメラ４２は撮像指令を受信
すると、光学バンドパスフィルタ４１を介して、電極付
近の画像を撮像する。

【００４８】光学バンドパスフィルタ４１は、ここでは
６００〜７００ｎｍの赤色領域の波長を持ち、赤外線を
遮断する特性を有して、外部からの外乱光を除去し、電
極付近の画像を安定して撮像させる働きを持つ。

【００４９】また、アーク光が存在するときには、アー
ク光の光量を減少させ、溶融池４やフィラーワイヤ５１
を明瞭に撮像させることも可能である。

【００５０】このとき、図６に示すように、アーク光は
溶接電流が減少することにより、速やかにその輝度が低
下するが、電極１は高温に加熱されているため、熱の時
定数に従って緩やかに冷却される。即ち、アーク光の輝
度が低下した後も、電極１のみが比較的長時間赤熱した
状態を維持し、赤く観測される。

【００５１】また、溶融池４も赤熱しているが、溶融池
４は熱容量の大きい溶接対象母材５０の冷却用のため、
比較的速やかに温度が低下し、発光量が小さくなる。

【００５２】或いは、溶融池４が赤熱状態であっても、
電極１とは画像上の位置が離れているため、十分に分離
可能であり、この領域を無視することができる。

【００５３】このようにして、カラーテレビカメラ４２
により撮像された画像信号は画像信号デコーダ４３によ
り赤成分、青成分、緑成分の３原色に分離される。

【００５４】分離された画像のうち、赤成分の画像のみ
をＡ／Ｄ変換器４４を介して画像メモリ４５に書き込
む。

【００５５】このとき、他の色成分の画像、例えば、青
成分の画像は、アーク光の存在する時のアーク光の検出
や、フィラーワイヤ５１の検出に利用でき、緑成分の画
像を溶融池４の検出に利用する等、色ごとに他の溶接状
況の検出に利用することが出来る。

【００５６】その結果、画像メモリ４５には撮像された
画像のうち、赤く撮像されている部分のみが記録されて
いることになる。即ち、赤熱している電極１が明瞭に得
られる。

【００５７】画像メモリ４５のデータは二値化回路４６
により予め設定された閾値と比較され、閾値より大きけ
れば“Ｈ”に、小さければ“Ｌ”になる二値化画像２１
に変換される。

【００５８】二値化回路４６は閾値レジスタと比較器で
構成される。

【００５９】二値化回路４６から出力される画像２０は
照合回路４８に入力される。

【００６０】照合回路４８の他方の入力には基準画像メ
モリ４７のデータが入力される。

【００６１】基準画像メモリ４７には、予め、正常な形
状の電極１の二値化画像２３が記憶されている。

【００６２】ここで、カラーテレビカメラ４２と電極１
との位置関係が常に変化しないように撮像すると、基準
画像メモリ４７にある正常な形状の電極１の二値化画像
２３と二値化回路４６から出力される二値化画像２１の
位置は常に一致する。

【００６３】照合回路４８では、図５に示すように、入
力される２つの画像データを比較し、基準画像２３では
“Ｈ”であるが、二値化画像２１では“Ｌ”である領域
については、欠損領域として画素数を計数する。

【００６４】また、逆に基準画像２３では“Ｌ”である
が、二値化画像２１では“Ｈ”である領域については、
付着領域として、その画素数を計数する。

【００６５】ここでは、照合回路４８の機能として上記
機能を考えたが、同様に２つの画像の差異を検出できる
回路であれば、他の機能の回路であっても問題はない。

【００６６】電極１の欠損領域の付着領域の大きさが検
出されると、その値を溶接機制御装置４９に出力し、異
常であると判断される程度であれば、電極１を交換する
ように制御されるか、又は操作員に警告を発する。

【００６７】

【発明の効果】本発明は前述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。 （１）ＴＩＧ溶接電極を撮影するビデオカメラと同カメ
ラで撮影した画像を処理する画像処理装置とを用いて電
極先端の処理画像から電極の寿命を判断する手段に於い
て、溶接電流をパルス的に低電流にしてアーク光を軽減
することにより、電極印加電圧を瞬時的に高電圧から低
電圧に移行せしめ、上記電極印加電圧が高電圧から低電
圧へ移行する瞬間の電極が赤熱した時点の電極先端の撮
影画像を得ることができる。 （２）その赤熱した時点の電極先端の撮影画像に基づ
き、上記画像処理装置が電極寿命を判断することによ
り、鮮明な電極先端の画像を得ることができる。

【００６８】そのため電極の消耗度合いを常に正確に判
断でき、作業者が溶接器から離れていても、自動的に電
極の消耗度合いをチェックして、溶接機をストップ制御
する機構を実現できるため、工数の低減化が図れるとと
もに、高い溶接品質を保つことができる。 （３）電極の形状を操作員の労力や経験を必要とするこ
となく、安定して、かつ高精度に認識することができ
る。

【００６９】そのためＴＩＧ溶接の自動化が、より精度
の高い制御により行なえるようになり、省力化が図れ、
かつ熟練作業員不足に影響されないようにすることが出
来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る溶接電極の寿命判断
手段を適用した装置の構成を示す図。

【図２】第１実施例に於ける電極形状を例示する斜視
図。

【図３】第１実施例に於ける画像取り込みタイミングを
説明するための図。

【図４】本発明の第２実施例に係る電極形状検出装置の
構成を示すブロック図。

【図５】第２実施例に係る装置の説明図。

【図６】第２実施例に係る装置の動作の説明図（タイム
チャート）。

【符号の説明】

１…電極、２…溶接トーチ、３…アーク、４…溶融池、
５…母材、６…視覚センサ（ＩＴＶカメラ）、７…スラ
イド、８…画像情報、９…画像処理装置、１０…溶接機
制御装置、２０…原画像、２１…二値化画像、２２…形
状計測結果、２３…基準画像、３１…電極像、３３…溶
融池像、３４…ワイヤ像、３５…ワイヤ添加装置像、３
６…開先像、４１…光学バンドパスフィルタ、４２…カ
ラーテレビカメラ、４３…画像信号デコーダ、４４…Ａ
／Ｄ変換器、４５…画像メモリ、４６…二値化回路、４
７…基準画像メモリ、４８…照合回路、４９…溶接機制
御装置、５０…溶接対象、５１…フィラーワイヤ、５２
…ワイヤ添加装置、５３…溶接電流制御回路、５４…タ
イマ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤田 憲 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 小岩 正己 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 池田 孝夫 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (72)発明者 河合 幸博 兵庫県高砂市荒井町新浜二丁目１番１号 三菱重工業株式会社高砂研究所内 (56)参考文献 特開 平５−285654（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 9/26 B23K 9/095 515 B23K 9/12 331 B23K 9/167

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ＴＩＧ溶接自動化装置のＴＩＧ溶接電極形
   状検出装置に於いて、 （Ａ）溶接電流を一時的に減少させるための溶接電流制
   御回路と、 （Ｂ）前記溶接電流制御回路の制御により溶接電流が減
   少してから予め設定した時間だけ計時を行なうタイマ
   と、 （Ｃ）前記タイマからの指令により溶接電流減少後、一
   定時間経過したときの溶接電極を撮像するための１台の
   カラーテレビカメラと、 （Ｄ）前記カメラの前面に設置される光学バンドパスフ
   ィルタと、 （Ｅ）前記記カメラから得られる画像信号を赤、青、緑
   の３原色に分解する画像信号デコーダと、 （Ｆ）前記デコーダで分解された３原色のうち、赤色の
   成分のみを記憶する画像メモリと画像を処理する画像処
   理装置とを有し、 （Ｇ）前記溶接電極の先端形状を検出するために、溶接
   電流を減少させた後、一定時間後に撮像された画像のう
   ち、赤色成分の画像を処理して自動的に溶接電極の形状
   を検出することを特徴とするＴＩＧ溶接電極形状検出装
   置。