JP3223416B2 - 加工位置検出装置および自動加工システム - 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、加工位置検出装置
および自動加工システムに係り、特に、加工対象物体の
表面にスリット光を照射し、加工物体表面からの反射光
をカメラで撮像して画像処理し、加工位置等を検出する
加工位置検出装置およびそれを応用した自動加工システ
ムに関する。

【０００２】

【従来の技術】加工位置検出装置のうち、例えば溶接ワ
ーク位置を検出するために、スリット光投光手段と一次
元の撮像手段とを利用する検出装置は、特開昭60−2162
09号，特開昭61−027178号等がある。この検出原理を用
いて開先部のギャップを検出する方法は、特開平5−296
734号，特開平6−042926号等に開示されている。

【０００３】また、スリット光投光手段と二次元撮像手
段とを利用する検出装置は、特開昭55−30339号，特開
昭55−50984号，特開昭61−132274号，特開昭61−18680
3号，特開平4−83105号，特開平5−296734号，特開平6
−42926号等がある。この溶接ワーク位置検出結果を用
いて自動溶接する方法／装置には、特開昭61−132274
号，特開昭61−166803号，特開平4−83105号等に記載さ
れているものがある。

【０００４】図１１は、スリット光投光手段と二次元撮
像手段とを利用し、開先上の溶接位置を検出する原理を
示す斜視図である。図１１において、投光手段３とＩＴ
Ｖカメラ等からなる撮像手段９とは、図示しない取付け
支持部材により溶接トーチ１に一体的に取り付けられて
いる。投光手段３は、溶接部材４，５上の溶接電極２の
先端部のアーク点Ａに先行する開先部６に、スリットを
透過した光のように鋭く集光させたレーザ光７を照射す
る。二次元撮像手段９は、開先部６からの反射光Ｑを撮
像する。ここには図示していない画像処理装置は、溶接
継手の開先部６で得られる光切断画像から、図示した光
切断線像の開先面の折れ曲がり点で作られる線分Ｑ1Ｑ
2，Ｑ2Ｑ3，Ｑ3Ｑ4に対応する線画像を検出し、各線分
の交点等を演算し、最終的に加工位置すなわち溶接すべ
き位置Ｑ３を求める。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】図１２は、配管部材Ｗ
ＲおよびＷＬの突合せ溶接部の概略の断面形状を示す図
である。この突合せ溶接は、配管部材ＷＲおよびＷＬが
肉厚であるために、開先部を多層盛溶接により接合す
る。その際、品質の良い初層溶接を実現するには、図１
２に示すように、インサートリングＩを介在させて配管
部材ＷＲおよびＷＬを突き合わせ、開先部を構成してい
る。

【０００６】この多層盛溶接において、配管部材ＷＲお
よびＷＬやインサートリングＩの加工精度，各部品接合
部の溶接前の仮付け組立精度等により、インサートリン
グＩの両側にギャップが発生する場合がある。このよう
な場合でも、所定の溶接品質を確保するには、ギャップ
ＧＲおよびＧＬの大きさを正確に測定して、さらに、こ
れらギャップの大きさに応じた適正な施工条件で溶接を
実行する必要がある。

【０００７】上記従来の溶接位置検出装置では、光切断
像を構成している各線分の折れ曲がり点等を画像処理
し、物体表面の位置や形状等を検出していた。これをギ
ャップの検出に適用した場合、開先部を構成しているイ
ンサートリングＩの幅方向中心位置すなわち直上に投光
手段３および撮像手段９の各光軸を正確に一致させない
と、ルートフェースの角部Ｒｃが、インサートリングＩ
の影の部分に入りまたは投光手段３からの光が当たって
いても撮像手段からはインサートリングＩの後ろとなり
見えない部分になって撮像される。したがって、その部
分の開先情報が得られず、ギャップの大きさを正確に測
定できないという問題があった。

【０００８】上記問題を解決する手段として、溶接位置
検出装置によりインサートリングＩのセンタ位置を検出
し、溶接位置検出装置の投光手段３および撮像手段９の
各光軸がインサートリングＩの幅方向中心位置に常に正
確に一致するように溶接位置検出装置の位置を制御し、
ならい溶接することが考えられる。しかし、この方法
は、制御機構および制御アルゴリズムが複雑となり、実
用上問題があった。

【０００９】本発明の目的は、インサートリング周辺に
ギャップが発生した場合でもギャップの大きさ，溶接位
置，形状特徴量等の情報を正確に検出できる加工位置検
出装置を提供することである。

【００１０】本発明の他の目的は、そのような加工位置
検出装置を応用した自動加工システムを提供することで
ある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、加工物体表面にスリット光を照射する投
光手段と、加工物体からの反射光を受光し加工物体の光
切断画像を出力する二次元撮像手段と、光切断画像を画
像処理して加工位置を検出する手段とを有する加工位置
検出装置において、投光手段が、予想加工位置への垂線
に関して互いに反対側に配置されそれぞれのスリット光
を同一平面内で加工物体表面に照射する複数の投光手段
からなり、二次元撮像手段が、光軸が同一平面となるよ
うに加工方向に直交する方向に垂線に関して任意の距離
だけ離して配置され、かつ、光軸が複数の投光手段の光
軸を含む照射平面に対して所定角度をなす同一平面内で
加工物体からの反射光を受光して光切断画像を出力する
２つの二次元撮像手段からなり、加工位置検出手段が、
２つの二次元撮像手段からの撮像方向の異なる加工物体
表面の光切断画像を画像処理し加工物体のギャップ位置
等の特徴量を検出する画像処理手段を含む加工位置検出
装置を提案するものである。

【００１２】前記二次元撮像手段は、光軸が複数の投光
手段の光軸を含む照射平面に対して所定角度をなし、か
つ、２つの撮像手段の光軸間距離を等分する中心軸を含
む平面内にあるように配置した第３の撮像手段を含むこ
ともでき、その場合、加工位置検出手段は、３つの二次
元撮像手段からの撮像方向の異なる加工物体表面の光切
断画像を画像処理し加工物体のギャップ位置等の特徴量
を検出する画像処理手段を含むことになる。

【００１３】いずれの場合も、複数の投光手段と２つま
たは３つの撮像手段とを同一ケース内に収納することが
望ましい。

【００１４】このように同一ケース内に収納した場合に
は、そのケース内部に冷却水を循環させる冷却経路を備
えることも可能である。

【００１５】本発明は、上記他の目的を達成するため
に、前記いずれかの加工位置検出装置と、物体加工手段
と、加工位置検出装置および物体加工手段を加工線に沿
って駆動する手段と、加工位置検出装置からの信号に基
づいて駆動手段および物体加工手段を制御する制御手段
とからなる自動加工システムを提案するものである。

【００１６】図１は、本発明による加工位置検出装置の
光学系の構成と位置検出の原理とを示す図である。図１
において、第１投光手段３ａの照射光軸Ｓ１と第２投光
手段３ｂの照射光軸Ｓ２とは、溶接方向を示す線Ｒに対
する垂線方向の軸Ｐｓからおのおの任意の角度θｓ１と
θｓ２だけ傾斜し、しかも、スリット光７ａと７ｂとが
互いに同一照射平面Ｈ１内に存在するように配置する。
照射平面Ｈ１は、検出対象物体面Ｈに対してほぼ垂直と
なるように配置する。第１撮像手段９と第２撮像手段１
０とは、おのおのの光軸Ｏ１との光軸Ｏ２がいずれも照
射光軸Ｓ１とＳ２で作られる照射平面Ｈ１に対して所定
角度θｏをなし、かつ、両光軸の距離がＬ１およびＬ２
となるように配置する。なお、平面Ｈ２は、光軸Ｏ１と
光軸Ｏ２で生成される観測平面であり、中心線Ｐｏは、
光軸Ｏ１と光軸Ｏ２との中心軸線である。照射平面Ｈ１
の軸Ｐｓと観測平面Ｈ２のＰｏとは、同一平面Ｈ３内に
ある。

【００１７】このように配置した図１の加工位置検出装
置において、第１投光手段３ａは、検出対象物体面Ｈに
向けてスリット光７ａを発し、第２投光手段３ｂは、検
出対象物体面Ｈに向けてスリット光７ｂを発する。第１
撮像手段９と第２撮像手段１０とは、検出対象物体Ｈか
らの光切断線Ｑを上方から観測し撮像する。

【００１８】本発明においては、溶接線Ｒの近くに位置
するインサートリングの中心から溶接線の直交方向に離
れた開先光切断画像を溶接線に直交する方向で別々に撮
像して画像処理するために、溶接線に直交する方向でイ
ンサートリングの中心位置に対し検出部の中心が正確に
一致していなくても、例えばルートフェース部が影に入
りまたは光が当たっていても撮像手段からはインサート
リングの後ろで見えない部分になって撮像されるような
ことがないので、必要な開先情報が得られる。

【００１９】ここで、第１投光手段３ａの照射光軸Ｓ１
の傾斜角度θｓ１と第２投光手段ｂの照射光軸Ｓ２の傾
斜角度θｓ２とが、図１に示す角度よりも大きくなり、
互いの光軸が照射平面Ｈ１内で交差しても、ギャップ等
を精度良く検出できる。これを要するに、第１投光手段
３ａと第２投光手段３ｂとが、溶接方向を示す線Ｒに対
する垂線Ｐｓの反対側にあればよい。したがって、本発
明では、第１投光手段３ａの照射光軸Ｓ１と第２投光手
段３ｂの照射光軸Ｓ２とが、必ずしも溶接線Ｒ上のＣ点
に一致する必要はない。

【００２０】また、第１撮像手段９と第２撮像手段１０
とが、平面Ｈ１と平面Ｈ２との交叉線上ＳでＬ１および
Ｌ２の離れた距離に配置されていれば、各光軸Ｏ１およ
びＯ２が必ずしも平行でなくても、ギャップ等を精度良
く検出できる。したがって、第１撮像手段９の光軸Ｏ１
と第２撮像手段１０の光軸Ｏ２とは、必ずしも平行でな
くともよい。

【００２１】

【発明の実施の形態】次に、図２〜図１０を参照して、
本発明による加工位置検出装置の一実施例を説明する。
なお、ここでは本発明を溶接の開先面の検出に適用した
例を中心に説明するが、本願発明は、これに限定され
ず、加工物体上における三次元的な位置の検出に広く適
用できることは、以下の説明から明らかになるであろ
う。

【００２２】図２は、本発明による加工位置検出装置の
一実施例のセンサヘッドとその制御系統の構成を示す図
である。図２において、溶接電極２を下側に装着し固定
された溶接トーチ１には、第１投光手段３ａおよび第２
投光手段３ｂと、第１撮像手段９および第２撮像手段１
０とが、一体的に搭載されている。溶接部材４および５
は、開先形状がＶ型突合せの溶接開先面６を形成し、イ
ンサートリング８を介在させてある。第１撮像手段９
は、干渉フィルタ１１とＩＴＶ等の二次元カメラ１３と
からなり、第２撮像手段１０は、干渉フィルタ１２およ
びＩＴＶ等の二次元カメラ１４とからなる。

【００２３】第１投光手段３ａの照射光軸と第２投光手
段３ｂの照射光軸とは、インサートリング８に対する垂
線方向の軸からおのおの任意の角度だけ傾斜させ、しか
もスリット光７ａとスリット光７ｂとが互いに同一照射
平面内に存在するように配置する。照射平面は、検出対
象物体面すなわち溶接部材４および５の上面に対し、ほ
ぼ垂直となるように配置する。第１撮像手段９と第２撮
像手段１０とは、おのおのの光軸がいずれも照射光軸で
作られる照射平面に対して所定角度をなし、かつ、両光
軸がインサートリング８の反対側にあるように配置す
る。

【００２４】第１投光手段３ａと第２投光手段３ｂと
は、それぞれ、投光手段制御回路１７ａ，１７ｂに制御
されて、溶接部材４，５の開先６の部分にスリット光７
ａとスリット光７ｂとを同一平面となるように重ねて照
射する。第１撮像手段９と第２撮像手段１０とは、それ
ぞれ、撮像手段制御回路１６ａ，１６ｂに制御されて、
光切断線Ｑを開先６の上方から観測し撮像する。撮像手
段制御回路１６ａ，１６ｂは、おのおの、アナログ画像
信号を画像処理装置２０に出力する。

【００２５】溶接トーチ１と投光手段３ａ，３ｂと撮像
手段９，１０とは、一体的に固定され、溶接トーチ位置
制御回路１９および位置制御機構１８により、開先６の
上方を自在に駆動される。

【００２６】画像処理装置２０は、撮像手段制御回路１
６ａ，１６ｂから出力されるアナログ画像信号をＡ／Ｄ
変換してデジタル多値画像データを出力する画像入力部
２１と、変換された多値画像データを記憶する多値画像
メモリ２２ａ，２２ｂと、多値画像メモリ２２ａ，２２
ｂに記憶された多値画像データから画像中の明るい部分
のみを抽出する２値化処理部２３と、得られた２値画像
を記憶する２値画像メモリ２４ａ，２４ｂと、２値画像
メモリ２４ａ，２４ｂに記憶された画像データから画像
処理により例えば溶接すべき開先位置等の画像中の任意
の特徴量を求める演算処理部２５と、外部機器制御部２
６と、上記各部を統括制御する主制御部２７と、第１撮
像手段の基準点メモリ２８と、第２撮像手段の基準点メ
モリ２９とからなる。

【００２７】図３は、図２の加工位置検出装置の実施例
の溶接位置検出手順のフローチャートである。 ステップＳ１： 画像処理装置２０の画像入力部２１
は、撮像手段制御回路１６ａから得られる第１開先光切
断画像を入力し、多値画像メモリ２２に記憶させる。 ステップＳ２： 画像入力部２１は、撮像手段制御回路
１６ｂから得られる第２開先光切断画像を入力し、多値
画像メモリ２２ａに記憶させる。 ステップＳ３： ２値化処理部２３は、多値画像メモリ
２２ａに記憶された第１開先画像を２値化して光切断画
像のみを圧縮して抽出し、このデータを２値画像メモリ
２４ａに記憶させる。 ステップＳ４： ２値化処理部２３は、多値画像メモリ
２２ｂに記憶された第２開先画像を２値化して光切断画
像のみを圧縮して抽出し、このデータを２値画像メモリ
２４ｂに記憶させる。 ステップＳ５： 演算処理部５は、２値画像メモリ２４
ａに記憶された光切断画像データを用いて、後述する開
先情報の検出処理を実行する。 ステップＳ６： 演算処理部５は、２値画像メモリ２４
ｂに記憶された光切断画像データを用いて、後述する開
先情報の検出処理を実行する。

【００２８】図４は、ステップＳ３において第１撮像手
段９により得た光切断画像データを画面データとして模
式的に示す図であり、図５は、ステップＳ４において第
２撮像手段１０により得た光切断画像データを画面デー
タとして模式的に示す図である。これらの図では、図２
の溶接部材４が図４内の右上に位置し、インサートリン
グ８がその下に位置し、図２の溶接部材５が図５内の右
下に位置し、インサートリング８がその上に位置してい
る方向となっている。すなわち、ｙ方向は、溶接部材４
の上面から溶接部材５の上面に沿う方向であり、ｘ方向
は、溶接トーチ１がインサートリング８に向かう方向で
ある。

【００２９】図４の光切断画像データの例では、図１に
示したように、第１撮像手段９の光軸を開先中心からＬ
１だけずらして配置してあるため、溶接部材４および溶
接部材５の溶接開先面６のうちインサートリング８の近
傍を含む溶接部材４からの光切断画像が得られる。した
がって、溶接線に溶接トーチ１をならう条件または溶接
条件を適正制御をするのに重要なインサートリング８の
位置や、インサートリング８と溶接部材４とのギャップ
および目違い等の検出が可能となる。インサート位置
は、インサートリング８表面の反射像Ｌ４の始点ｑＲ５
と終点ｑＬ５との中心位置として検出する。一方、イン
サートリング８と溶接部材４とのギャップおよび目違い
は、それぞれ、ルートフラット表面の反射像ＬＲ３の端
点位置ｑＲ３と上記ｑＲ５の垂直方向ｙおよび水平方向
ｘの距離を計算して求められる。

【００３０】図５の光切断画像データの例では、図１に
示したように、第２撮像手段１０の光軸を開先中心から
Ｌ２だけずらして配置しているため、溶接部材４および
溶接部材５の溶接開先面６のうちインサートリング８の
近傍を含む溶接部材５からの光切断画像が得られる。し
たがって、溶接線に溶接トーチ１をならう条件または溶
接条件を適正制御をするのに重要なインサートリング８
の位置や、インサートリング８と溶接部材５とのギャッ
プおよび目違い等の検出が可能となる。インサート位置
は、インサートリング８表面の反射像Ｌ４の始点ｑＲ５
と終点ｑＬ５との中心位置として検出する。一方、イン
サートリング８と溶接部材４とのギャップおよび目違い
は、それぞれ、ルートフラット表面の反射像ＬＬ３の端
点位置ｑＬ４と上記ｑＬ５の垂直方向ｙおよび水平方向
ｘの距離を計算して求められる。

【００３１】インサートリング８の位置は、図４の光切
断画像データと図５の光切断画像データとにより、２つ
求まることになる。これら２つのインサートリング８の
検出位置からインサートリング８の実際位置を確定する
方法としては、例えば、２つの検出結果の平均値を実際
値とする。しかし、本発明は、この確定方法には限定さ
れない。

【００３２】第１撮像手段９および第２撮像手段１０の
光軸を開先中心からそれぞれＬ１およびＬ２だけずらし
て配置しているため、溶接ワークの位置ずれがＬ１また
はＬ２以内であれば、ルートフェース部が影となって撮
像されることがなく、インサートリング８近傍の開先情
報を正確に取得し、ギャップの大きさ等を精度良く測定
できる。

【００３３】図４または図５の画面上のインサートリン
グ位置に基づき、溶接ワークの位置ずれを求めることが
できる。この場合は、図２に示したように、第１撮像手
段９および第２撮像手段１０の光軸等の画面上での基準
点について、それぞれ独立した値を計測し、第１撮像手
段の基準点メモリ２８と第２撮像手段の基準点メモリ２
９メモリとに記憶しておき、必要に応じて参照する。例
えば、溶接ワークの位置ずれを求める際は、画面上で検
出されるインサートリング８の位置から上述した基準点
との差を求めればよい。２つの撮像手段９，１０の光軸
Ｏ１，Ｏ２の位置は、必ずしもＯ点からＬ１またはＬ２
に正確に一致させなくとも検出が可能となり、後述する
センサヘッドの組立・調整が容易になる。

【００３４】なお、本実施例では、初層開先にインサー
トリングがある場合を説明したが、初層開先にインサー
トリングがない場合でも、同様に開先情報を測定でき
る。

【００３５】図６は、本発明による加工位置検出装置の
他の実施例の構成を示す図である。図６の実施例は、図
２の実施例に干渉フィルタ３１および二次元カメラ３２
からなる第３の撮像手段３３を追加した実施例である。
第３の撮像手段３３は、光軸が図１の平面Ｈ３内すなわ
ち溶接線上に配置され、投光手段３ａと３ｂとからのス
リット光７ａと７ｂとを開先面に照射した際に得られる
光切断線Ｑを開先の上方から観測し撮像する。

【００３６】第３の撮像手段は、２つの撮像手段９，１
０よりも撮像倍率を小さく設定し、例えば図４の肩部ｑ
Ｒ２と図５の肩部ｑＬ２とを１つの画面内に撮像して、
広い範囲の開先光切断像を観測できるようにする。ここ
で、初層溶接すなわち第１層目の溶接以降のビードが盛
られた開先での開先情報の一つである開先位置は、両方
の肩の中心位置とする。この場合、図１に示した実施例
では、図３のフローチャートに示したように、２つの撮
像手段９，１０からの画像入力とおのおのの光切断画像
データとを用いて検出処理を実行する。これに対して、
第３の撮像手段３３を備えた図６の実施例の場合は、第
３の撮像手段３３から得た光切断画像データを用いて、
両方の肩中心位置を検出することが可能となる。２つの
撮像手段９，１０を用いて撮像し画像処理する場合より
も、第３の撮像手段３３から得た光切断画像データを用
いて画像処理した方が、画像入力時間，画像処理時間等
を省略し、画像処理時間を短縮できる。

【００３７】図７は、図６の実施例における検出手順を
示すフローチャートである。図７の検出手順は、図３の
検出手順に、ステップＳ０，Ｓ０ａ，およびステップＳ
７〜Ｓ１０までを追加してある。

【００３８】ステップＳ０： ２種類の画像処理番号
１，２のどちらの画像処理を実行するかを外部から入力
する。 ステップＳ０ａ：入力処理された処理番号を判定する。
処理番号が１のときは、図３のステップＳ１からＳ６の
処理に移る。これに対して、処理番号が２のときは、ス
テップＳ７，Ｓ８，Ｓ９の処理に移る。

【００３９】ステップ７：第３の開先光切断画像を入力
する。 ステップ８：その光切断画像データを２値化処理により
圧縮し２値画像データを抽出する。 ステップ９：２値画像データから開先情報を検出する。 ステップ１０：検出処理が終了したか否かを判定し、検
出処理が終了した時は、溶接位置検出を終了し、そうで
なければ、ステップＳ０ａからの上記処理を繰り返す。

【００４０】なお、ステップＳ１０における検出処理の
終了の判定は、総検出回数でもよいし、外部からの検出
終了信号により終了を判定するようにしてもよく、特に
限定しない。

【００４１】また、予め設定しておいた処理番号を使用
して、例えば第３撮像手段の画像処理からまず開始する
ようにしてもよいので、ステップＳ０の処理番号入力処
理は必ずしも必要な手順ではない。

【００４２】図７の検出手順によれば、作業者は、検出
すべき開先形状の種類や溶接条件等に応じて、３つの撮
像手段のうち第１撮像手段と第２撮像手段との組合せに
よる開先画像または第３撮像手段のみによる開先画像の
いずれを処理して開先情報を検出するかを選択でき、精
度と画像処理時間とに関する選択の自由度が上がる。

【００４３】図８は、図６の実施例における２つの投光
手段および３つの撮像手段を実装したセンサヘッドの構
造を示す断面図であり、図９は、図８のセンサヘッド上
部から見た外観を示す図である。

【００４４】第１投光手段３ａは、取付け部材３６ａよ
り、センサケース３５に取り付けられ、第２投光手段３
ｂは、取付け部材３６ｂにより、センサケース３５に取
り付けられている。センサケース３５には、角度・位置
を調整し固定するための支持体３９ａおよび３９ｂによ
り、反射ミラー３７ａおよび３７ｂが取り付けられてい
る。第１投光手段３ａから照射されるスリット光は、反
射ミラー３７ａで反射され、スリット３８を通り、光軸
Ｐｓと開先面との交点方向に照射される。第２投光手段
３ｂから照射されるスリット光は、反射ミラー３７ｂで
反射され、スリット３８を通り、光軸Ｐｓと開先面との
交点方向に照射される。

【００４５】投光手段３ａおよび３ｂは、例えば半導体
レーザダイオードと光学レンズとを組み合わせたもので
あり、駆動電流等の電気信号をケーブル４４ａ，４４ｂ
を介して、それぞれ導入している。

【００４６】第１撮像手段９は、取付け部材４０によ
り、センサケース３５に取り付けられている。Ｏリング
４２は、第１撮像手段９の周りで、センサケース３５内
部と外気とを遮断している。第２撮像手段１０は、第１
撮像手段９と同様の取付け部材により、センサケース３
５に取り付けられている。図８には図示していないが、
Ｏリング４２と同様のＯリングは、第２撮像手段１０の
周りで、センサケース３５内部と外気とを遮断してい
る。第３の撮像手段３３は、取付け部材４１により、セ
ンサケース３５に取り付けられている。Ｏリング４３
は、第３の撮像手段３３の周りで、センサケース３５内
部と外気とを遮断している。

【００４７】第１撮像手段９，第２撮像手段１０，第３
撮像手段３３の前面には、取付け金具４１により、透明
窓４６が設置されている。

【００４８】図９に示すように、センサヘッドは、セン
サケース３５および２つのふた６０とふた６１とにより
外形を規定されている。ふた６０とふた６１とがセンサ
ケース３５に最終的に取り付けられた状態において外気
と通じている個所は、スリット３８のみとなる。図８の
矢印４７で示した方向からセンサヘッドにエアを注入す
ると、センサヘッドの内圧が少し上昇し、スリット３８
からエアが吐き出される。このエアは、溶接中に発生す
るヒューム等がセンサヘッド内部に混入するのを防ぐ。

【００４９】センサケース３５の端部には、冷却経路４
８ａ〜４８ｄを形成してある。これらの冷却経路４８ａ
〜４８ｄは、図では明らかではないが、らせん状に接続
されており、配管４９ａから矢印５０で示した方向に高
圧冷却水を注入すると、冷却水は、冷却経路４８ａ，４
８ｂ，４８ｃ，４８ｄから、配管４９ｂを通り、センサ
外部に排出される。この循環により、まず冷却経路４８
ａ〜４８ｄに近い部分の温度が下がり、さらに熱伝導に
より、センサケース３５全体の温度が下がり、溶接中に
発生するアーク熱等による温度上昇を防止できる。

【００５０】図８および図９の実施例では、センサケー
ス３５内部に、第１投光手段３ａ，第２投光手段３ｂ，
第１撮像手段９，第２撮像手段１０，第３撮像手段３３
を一体的に構成してあるので、各部材の組立時に一度だ
け光学系の調整とキャリブレーションを実行すれば、実
際の使用時の調整は不要となり、使い勝手が良い。

【００５１】図１０は、本発明の加工位置検出装置を溶
接作業用自動加工システム(ロボットシステム)に応用し
た実施例を示す図である。図１０において、溶接部材５
には、レール５１が固定され、このレール５１上には、
走行台車５２が搭載されている。走行台車５２に固定さ
れた上下方向駆動制御軸５３には、溶接部材４，５の突
き合わせ部の開先６と直交する方向の駆動軸５４を介し
て、溶接トーチ１が搭載されている。上下方向駆動軸５
３は、溶接線すなわち溶接部材４と５との突合せ部の開
先６に対して、溶接トーチ１を上下方向に駆動制御す
る。直交方向駆動軸５４は、上下方向駆動制御軸５３と
結合され、溶接線および上下方向制御軸５３に対して直
交方向に駆動制御される。走行台車５２には、溶接ワイ
ヤ５５も載せられている。加工位置検出装置６２は、例
えば図６の実施例の第１投光手段３ａ，第２投光手段３
ｂ，第１撮像手段９，第２撮像手段１０，第３撮像手段
３３を内蔵しており、上下方向駆動制御軸５３に一体的
に固定されている。

【００５２】自動溶接ロボット制御装置５７は、加工位
置検出装置６２の投光手段の制御回路，二次元カメラの
制御回路，図２の画像処理装置等を内蔵し、走行台車５
２，上下方向駆動軸５３，直交方向駆動軸５４，溶接電
源５６を統括的に制御する制御装置である。

【００５３】溶接電源５６と溶接トーチ１とは、信号ケ
ーブル５８により接続され、自動溶接ロボット制御装置
５７と制御対象部材すなわち加工位置検出装置６２，走
行台車５２等は、信号ケーブル５９により接続されてい
る。

【００５４】加工位置検出装置６２は、溶接トーチ１の
進行方向前方に配置され、溶接部材４および５の突合せ
部の開先６の位置や形状等を検出する。自動溶接ロボッ
ト制御装置５７は、その検出データを用いて、溶接トー
チ１の位置をならい制御するとともに、溶接条件を適正
に制御する。

【００５５】図１０の自動加工ロボットシステムにおい
て、加工位置検出装置６２は、上下方向駆動制御軸５３
に取り付けてあるが、直交方向駆動制御軸５４に取り付
けてもよい。

【００５６】また、走行台車５２に上下方向駆動制御軸
５３を結合し、直交方向駆動制御軸５４を結合してある
が、上下方向駆動制御軸５３と直交方向駆動制御軸５４
との結合順序を交換することも可能である。

【００５７】さらに、加工位置検出装置６２を溶接トー
チ１の進行方向前方に配置して使用しているが、進行方
向後方に配置して用いることもできる。

【００５８】図１０の実施例は、本発明による加工位置
検出装置を溶接ワークの開先位置や形状検出に適用した
自動加工ロボットシステムの例であったが、例えばろう
付け作業での加工位置検出，シーリング作業での加工位
置検出，物体の外観検査等の作業にも同様に適用できる
ことは、明らかであろう。

【００５９】

【発明の効果】本発明においては、例えば溶接作業の場
合、溶接予定位置への垂線に関して両側から開先光切断
画像を別々に撮像して画像処理するために、インサート
リング中心位置に対して投光手段および／または撮像手
段が正対していなくても、ルートフェース部が影となり
またはインサートリングの後ろとなって撮像されること
がなく、必要にして十分な開先情報が得られる。

【００６０】光学系を実装するセンサヘッドの筐体内に
冷却水経路を設けてあるので、溶接作業中に発生するア
ーク熱によるセンサヘッドの温度上昇を防止できる。

【００６１】第１，第２投光手段および少なくとも第
１，第２撮像手段をセンサケース内に一括して実装して
あり、組立時に一度光学系を調整しキャリブレーション
を実行すれば、実際の使用時の調整が不要となり、使い
勝手が良い。

【００６２】第３の撮像手段も搭載した場合は、所定の
精度が確保される範囲内において、その画像を画像処理
して開先情報を検出すると、画像処理時間が短縮される
場合もある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による加工位置検出装置の光学系の構成
と位置検出の原理とを示す図である。

【図２】本発明による加工位置検出装置の一実施例のセ
ンサヘッドと制御系統の構成を示す図である。

【図３】図２の実施例における開先位置検出手順を示す
フローチャートである。

【図４】第１撮像手段により撮像された光切断画像デー
タの一例を模式的に示す図である。

【図５】第２撮像手段により撮像された光切断画像デー
タの一例を模式的に示す図である。

【図６】本発明による加工位置検出装置に他の実施例の
構成を示す図である。

【図７】図６の実施例における開先位置検出手順を示す
フローチャートである。

【図８】図６の実施例のセンサヘッドの具体的構造を示
す断面図である。

【図９】図８のセンサヘッドを上部から見た構造を示す
図である。

【図１０】本発明による自動加工システムの概略の構成
を示す図である。

【図１１】従来の開先位置検出の原理を示す図である。

【図１２】２つの配管部材の突合せ溶接部の断面形状の
一例を示す図である。

【符号の説明】

１ 溶接トーチ ２ 溶接電極 ３ａ 第１投光手段 ３ｂ 第２投光手段 ４ 溶接部材 ５ 溶接部材 ６ 開先 ７ａ スリット光 ７ｂ スリット光 ８ インサートリング ９ 第１撮像手段 １０ 第２撮像手段 １１ 干渉フィルタ １２ 干渉フィルタ １３ 二次元カメラ １４ 二次元カメラ １６ａ 二次元カメラ制御回路 １６ｂ 二次元カメラ制御回路 １７ａ 第１投光手段制御回路 １７ｂ 第２投光手段制御回路 １８ 溶接トーチ位置制御機構 １９ 溶接トーチ位置制御回路 ２０ 画像処理装置 ２１ 画像入力部 ２２ 多値画像メモリ ２３ ２値画像処理部 ２４ ２値画像メモリ ２５ 演算処理部 ２６ 外部機器制御部 ２７ 主制御部 ２８ 第１撮像手段基準点メモリ ２９ 第２撮像手段基準点メモリ ３１ 干渉フィルタ ３２ 二次元カメラ ３３ 第３の撮像手段 ３５ センサケース ３６ 取り付け部材 ３７ ミラー ３８ スリット ３９ ミラー角度調整部材 ４０ 取り付け部材 ４１ 取り付け部材 ４２ Ｏリング ４３ Ｏリング ４４ ケーブル ４５ 取り付け部材 ４６ 透明窓 ４７ エア注入方向 ４８ 冷却経路 ４９ 配管 ５０ エア注入方向 ５１ レール ５２ 走行台車 ５３ 上下方向駆動制御軸 ５４ 直交方向駆動制御軸 ５５ 溶接ワイヤ ５６ 溶接電源 ５７ 自動溶接ロボット制御装置 ５８ ケーブル ５９ ケーブル ６０ ふた ６１ ふた ６２ 加工位置検出装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今永 昭慈 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 羽田 光明 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社 日立製作所 機械研究所内 (72)発明者 小林 正宏 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 上原 壮夫 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 日野 英司 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (56)参考文献 特開 平５−71932（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−337209（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 B23K 9/127 B23Q 17/00 - 23/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加工物体表面にスリット光を照射する投
   光手段と、前記加工物体からの反射光を受光し前記加工
   物体の光切断画像を出力する二次元撮像手段と、前記光
   切断画像を画像処理して加工位置を検出する手段とを有
   する加工位置検出装置において、 前記投光手段が、予想加工位置への垂線に関して互いに
   反対側に配置されそれぞれのスリット光を同一平面内で
   前記加工物体表面に照射する複数の投光手段からなり、 前記二次元撮像手段が、光軸が同一平面となるように加
   工方向に直交する方向に前記垂線に関して任意の距離だ
   け離して配置され、かつ、光軸が前記複数の投光手段の
   光軸を含む照射平面に対して所定角度をなす同一平面内
   で前記加工物体からの反射光を受光して光切断画像を出
   力する２つの二次元撮像手段からなり、 前記加工位置検出手段が、前記２つの二次元撮像手段か
   らの撮像方向の異なる前記加工物体表面の光切断画像を
   画像処理し前記加工物体のギャップ位置等の特徴量を検
   出する画像処理手段を含むことを特徴とする加工位置検
   出装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の加工位置検出装置にお
   いて、 前記複数の投光手段と前記２つの撮像手段とを同一ケー
   ス内に収納したことを特徴とする加工位置検出装置。
3. 【請求項３】 加工物体表面にスリット光を照射する投
   光手段と、前記加工物体からの反射光を受光し前記加工
   物体の光切断画像を出力する二次元撮像手段と、前記光
   切断画像を画像処理して加工位置を検出する手段とを有
   する加工位置検出装置において、 前記投光手段が、予想加工位置への垂線に関して互いに
   反対側に配置されそれぞれのスリット光を同一平面内で
   前記加工物体表面に照射する複数の投光手段からなり、 前記二次元撮像手段が、光軸が同一平面となるように加
   工方向に直交する方向に前記垂線に関して任意の距離だ
   け離して配置され、かつ、光軸が前記複数の投光手段の
   光軸を含む照射平面に対して所定角度をなす同一平面内
   で前記加工物体からの反射光を受光して光切断画像を出
   力する２つの二次元撮像手段と、光軸が前記複数の投光
   手段の光軸を含む照射平面に対し所定角度をなし、か
   つ、前記２つの撮像手段の光軸間距離を等分する中心軸
   を含む平面内にあるように配置した第３の撮像手段とか
   らなり、 前記加工位置検出手段が、前記３つの二次元撮像手段か
   らの撮像方向の異なる前記加工物体表面の光切断画像を
   画像処理し前記加工物体のギャップ位置等の特徴量を検
   出する画像処理手段を含むことを特徴とする加工位置検
   出装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載の加工位置検出装置にお
   いて、 前記複数の投光手段と前記３つの撮像手段とを同一ケー
   ス内に収納したことを特徴とする加工位置検出装置。
5. 【請求項５】 請求項２または４に記載の加工位置検出
   装置において、 前記ケース内部に冷却水を循環させる冷却経路を備えた
   ことを特徴とする加工位置検出装置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれか一項に記載
   の加工位置検出装置と、 物体加工手段と、 前記加工位置検出装置および前記物体加工手段を加工線
   に沿って駆動する手段と、 前記加工位置検出装置からの信号に基づいて前記駆動手
   段および前記物体加工手段を制御する制御手段とからな
   る自動加工システム。