JP3243590B2 - 開先検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスリット光を照射した開
先をテレビカメラで撮影し、テレビカメラの画像信号を
用いて自動溶接機を倣い制御するための開先検出方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】スリット光を照射した開先をテレビカメ
ラで撮影した画像信号を用いて自動溶接機を倣い制御す
るための開先位置検出方法は特開平１−１０４１１号公
報や特開平４−３７４７６号公報に示すようにテレビカ
メラ２の光軸と開先２１を照射するスリット光線に所定
の角度で交差するようテレビカメラ２とスリット光源１
を配置する（図２）。テレビカメラ２で撮影されたスリ
ット光照射像（以後、光切断線６）は図３に示すよう
に、背景より輝度の高く開先の形状に応じた折れ線状の
像が撮影される。画像信号は輝度の高い部分は電圧が高
い。このため光切断線６の輝度が充分に高ければ、適当
な電圧しきい値を用いて２値化し、光切断線６を背景と
区別することができる。

【０００３】次に、開先位置や開先角度を求めるには開
先断面図（図５）と対比して図３に示す開先低部Ｐ、開
先左エッジ部Ｑおよび右エッジ部Ｒの画面上の位置を検
出する必要がある。Ｐ，Ｑ，Ｒ位置を検出する方法とし
ては特開平１−１０４１１号公報に示されるように、図
３に示す画像の輝度の高い上下方向（Ｙ方向）の位置ｙ
を左端から順番に水平方向（Ｘ方向）に計測し、Ｘに対
しｙが急激に変化する２次微分データの最高値を示す位
置を開先低部Ｐとし、Ｐから左側の２次微分データの最
低値を開先左エッジ部Ｑ，Ｐから右側の２次微分データ
の最低値を開先右エッジ部Ｒとして、開先位置や形状を
示すＰ，Ｑ，Ｒを求めている。また、特開平４−３７４
７６号公報では光切断線の線幅が溶接板表面と開先低部
では太く、開先加工面（斜面）は細く撮影されることを
利用して開先エッジ部や低部の位置を検出できるとして
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】溶接前の撮影でも仮づ
け溶接により開先および周辺にスパッタが付着したり、
開先加工時のガス切断ノッチ等による凹凸があり、図４
（ａ）に示すようにスパッタ付着による光切断線の途切
れＤ１、ガス切断ノッチによる光切断線の途切れＤ２や
スパッタ付着による光切断線の変形Ｎ１、ガス切断ノッ
チによる光切断線の変形Ｎ２が発生する。スパッタ付着
による光切断線の途切れＤ１は図４（ｂ）に示すよう
に、光切断線６は付着したスパッタ７の影になり光切断
線の途切れが発生する。

【０００５】ガス切断ノッチによる光切断線の途切れＤ
２は図４（ｃ）に示すように、光切断線６はガス切断ノ
ッチ溝９の影になり光切断線の途切れが発生する。スパ
ッタ付着による光切断線の変形Ｎ１は図４（ｄ）に示す
ように、光切断線６は付着したスパッタ７の上の照射さ
れた光切断線の変形が発生する。ガス切断ノッチによる
光切断線の変形Ｎ２は図４（ｅ）に示すように、光切断
線６はガス切断ノッチ溝９の中に照射され光切断線の変
形が発生する。

【０００６】また、図２に示すように溶接中に開先を撮
影する場合、図４（ａ）に示すようにスパッタの飛散軌
跡８が光切断線６と重なるなど図３に示す良好な光切断
線の画像は実際には得られない。したがって、光切断線
の良好な２値画像が得られないため、開先位置や形状を
検出するために必要な、図３に示すＰ，Ｑ，Ｒの位置計
測は非常に困難となり、自動溶接機の倣い制御が不安定
で実用化できなかった。

【０００７】以上、課題を整理すれば以下の２点とな
る。 アーク溶接中に撮影した画像は、２値化による光切断
線の背景からの分離が困難である。 光切断線の途切れ、変形およびスパッタ飛散軌跡の重
なりは、開先の特徴点Ｐ，Ｑ，Ｒの抽出を困難にする。

【０００８】本発明はこの様な条件下でも開先の特徴点
を安定して抽出できる開先検出方法を提供することを目
的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明はかかる課題を解
決するためになされたもので、その要旨とするところは
下記のとおりである。 （１）スリット光を溶接用開先に照射し、開先部で屈折
したスリット光の光切断線をテレビカメラで撮影し、テ
レビカメラからの画像信号電圧を用いて開先の位置を検
出する方法において、テレビカメラの撮影画面を、水平
方向の画素数（ｓ画素）および垂直方向の画素数（ｔ画
素）の（ｓ×ｔ画素）（ｓおよびｔは正の整数である）
とし、倣い制御前に撮影した光切断線の濃淡画像を、前
記テレビカメラの撮影画面（ｓ×ｔ画素）から選択し、
これを縦横ｎ×ｍ画素（ｎ，ｍは正の整数、ｓ＞ｎ，ｔ
＞ｍ）で構成された教示パターンとして記憶し、倣い制
御中に撮影した光切断線の濃淡画像を前記テレビカメラ
の撮影画面（ｓ×ｔ画素）から、教示パターン（ｎ×ｍ
画素）と同じ大きさの形状（ｎ×ｍ画素）の入力パター
ンとして順次取り出し、下記（１）式により求められる
教示パターン輝度Ｗと入力パターン輝度Ｕの相関係数Ｒ
が０．６以上となる入力パターン位置を求め開先位置を
決定することを特徴とする開先検出方法。

【数２】

【００１０】 （２）倣い制御前に撮影した光切断線の濃淡画像を教示
パターンとして記憶する方法において、屈折点を含む領
域、および屈折点を除く直線部または曲線部だけの領域
の少なくとも１つの領域が含まれる領域の濃淡画像デー
タを教示パターンとして記憶することを特徴とする前項
１記載の開先検出方法。 （３）倣い制御前に撮影した光切断線の濃淡画像を教示
パターンとして記憶する方法において、屈折点を除く直
線部または曲線部だけの領域の少なくとも１つの領域が
含まれる領域の濃淡画像データを教示パターンとして記
憶することを特徴とする前項１記載の開先検出方法。

【００１１】

【作用】以下、本発明について詳細に説明する。一般に
テレビカメラの画像信号は輝度に応じたアナログ電圧が
出力されるが、画像信号出力順序は画面の左端から右端
にいたる水平方向の輝度信号が、画面の垂直方向の上方
から下方に順番に出力される。従って、画像信号をアナ
ログ→デジタル変換し、画像データとして取り扱うに
は、あらかじめ、水平方向の画素数（ｓ画素）および垂
直方向の画素数（ｔ画素）を決め、全画素数に応じたメ
モリー数（ｓ×ｔ画素）を用意し、画面上の任意の位置
の輝度がメモリーの所定の番地のデータに対応付けられ
るように、上記の順番で出力される輝度信号のアナログ
電圧をタイミングを取りながらデジタルに変換し、メモ
リーの所定の番地にデータを記憶する（図６）。

【００１２】光切断線のＰあるいはＱ，Ｒを認識する方
法は、まず光切断線の屈折点部Ｑでは溶接板表面を示す
水平線と開先加工斜面を示す斜め線がＱで接続されたパ
ターンを図３の撮影画面（ｓ×ｔ画素）から選択し、縦
横ｎ×ｍ画素（ｎ，ｍは正の整数、ｓ＞ｎ、ｔ＞ｍ）で
構成された濃淡画像の教示パターン（図７、図８）とし
て記憶する。

【００１３】溶接中に撮影した光切断線は溶接板表面の
凹凸（スパッタ付着部、ガス切断ノッチ等）のため途切
れていたり、周辺の画像のなかにスパッタ飛散軌跡８が
撮影されている（図４（ａ））。ｓ×ｔ画素で構成され
た図４（ａ）の中から、教示パターンと同じ大きさ形状
の（ｎ×ｍ画素）領域を、図４（ａ）の中から３区域を
入力パターンの例として図９の中のａ１，ａ２，ａ３を
取り出せば、教示パターンの左上を１とし横方向にｍ番
目まで縦方向にｎ番目まで番号を付け、横方向ｉ番目、
縦方向ｊ番目の位置の輝度Ｗ（ｉ，ｊ）とする。同様に
入力パターン図９のａ１，ａ２，ａ３の左上を１とし横
方向にｍ番目まで縦方向にｎ番目まで番号を付け、横方
向ｉ番目、縦方向ｊ番目の位置の輝度Ｕ１（ｉ，ｊ），
Ｕ２（ｉ，ｊ），Ｕ３（ｉ，ｊ）とする。教示パターン
輝度Ｗと入力パターン輝度Ｕの相関係数Ｒを

【００１４】

【数３】

【００１５】で計算する。教示パターン図８と入力パタ
ーン図９のａ１，ａ２，ａ３の相関係数Ｒ１，Ｒ２，Ｒ
３は Ｒ１＞Ｒ２、Ｒ１＞Ｒ３ となり、入力パターン図９のａ１の相関係数が最も大き
く、光切断線の屈折点部Ｑを良好に判別することができ
る。したがって、図４（ａ）の左から右、さらに上から
下に順番に１画素ずつ移動させながら入力パターンを取
り出し、相関係数の最も大きい座標位置を求めれば、図
４（ａ）から光切断線の屈折点部Ｑを認識し、屈折点部
Ｑの位置を求めることができる。同様な方法で光切断線
のＰ，Ｒを認識し、位置を求めることができる。

【００１６】なお、開先形状に応じて開先の特徴を示す
光切断線が入った領域は異なり、倣い制御前に濃淡画像
データを教示パターンとして記憶する方法において、板
継ぎＶ型開先（ルートギャップなし）図１０（ａ）ある
いはＹ型開先の特徴は図１０（ｂ）に示すように左開先
加工面と開先底部と右開先加工面から作られる領域Ｇ
１、左溶接板表面と左開先加工面から作られる領域Ｅ１
Ｌ、右溶接板表面と右開先加工面から作られる領域Ｅ１
Ｒ、左開先加工面から作られる領域Ｆ１Ｌ、右開先加工
面から作られる領域Ｆ１Ｒ、左溶接板表面から作られる
領域Ｈ１Ｌ、右溶接板表面から作られる領域Ｈ１Ｒ、左
開先加工面とビード表面から作られる領域Ｋ１Ｌ、右開
先加工面とビード表面から作られる領域Ｋ１Ｒ、ビード
表面中央或いは振り分けビードの重なる領域Ｋ１Ｃの１
つ以上の領域が含まれる領域の濃淡画像データを教示パ
ターンとして記憶する。

【００１７】板継ぎＶ型開先（ルートギャップあり）図
１１（ａ）の特徴は図１１（ｂ）に示すように、左溶接
板表面と左開先加工面から作られる領域Ｅ２Ｌ、右溶接
板表面と右開先加工面から作られる領域Ｅ２Ｒ、左開先
加工面から作られる領域Ｆ２Ｌ、右開先加工面から作ら
れる領域Ｆ２Ｒ、左開先加工面と開先底部から作られる
領域Ｇ２Ｌ、右開先加工面と開先底部から作られる領域
Ｇ２Ｒ、開先底部Ｇ２Ｃ、左溶接板表面から作られる領
域Ｈ２Ｌ、右溶接板表面から作られる領域Ｈ２Ｒ、左開
先加工面とビード表面から作られる領域Ｋ２Ｌ、右開先
加工面とビード表面から作られる領域Ｋ２Ｒ、ビード表
面中央或いは振り分けビードの重なる領域Ｋ２Ｃの１つ
以上の領域が含まれる領域の濃淡画像データを教示パタ
ーンとして記憶する。

【００１８】板継ぎレ形開先（ルートギャップなし）図
１２（ａ）の特徴は図１２（ｂ）に示すように、左開先
加工面と開先底部と右開先加工面から作られる領域Ｇ
３、左溶接板表面と左開先加工面から作られる領域Ｅ３
Ｌ、右溶接板表面と右開先加工面から作られる領域Ｅ３
Ｒ、左開先加工面から作られる領域Ｆ３Ｌ、右開先加工
面から作られる領域Ｆ３Ｒ、左溶接板表面から作られる
領域Ｈ３Ｌ、右溶接板表面から作られる領域Ｈ３Ｒ、左
開先加工面とビード表面から作られる領域Ｋ３Ｌ、右開
先加工面とビード表面から作られる領域Ｋ３Ｒ、ビード
表面中央或いは振り分けビードの重なる領域Ｋ３Ｃの１
つ以上の領域が含まれる領域の濃淡画像データを教示パ
ターンとして記憶する。

【００１９】板継ぎレ形開先（ルートギャップあり）図
１３（ａ）の特徴は図１３（ｂ）に示すように、左溶接
板表面と左開先加工面から作られる領域Ｅ４Ｌ、右溶接
板表面と右開先加工面から作られる領域Ｅ４Ｒ、左開先
加工面から作られる領域Ｆ４Ｌ、右開先加工面から作ら
れる領域Ｆ４Ｒ、左開先加工面と開先底部から作られる
領域Ｇ４Ｌ、右開先加工面と開先底部から作られる領域
Ｇ４Ｒ、開先底部Ｇ４Ｃ、左溶接板表面から作られる領
域Ｈ４Ｌ、右溶接板表面から作られる領域Ｈ４Ｒ、左開
先加工面とビード表面から作られる領域Ｋ４Ｌ、右開先
加工面とビード表面から作られる領域Ｋ４Ｒ、ビード表
面中央或いは振り分けビードの重なる領域Ｋ４Ｃの１つ
以上の領域が含まれる領域の濃淡画像データを教示パタ
ーンとして記憶する。

【００２０】Ｕ型開先図１４（ａ）の特徴は図１４
（ｂ）に示すように、左開先加工面と開先底部と右開先
加工面から作られる領域Ｇ５、左溶接板表面と左開先加
工面から作られる領域Ｅ５Ｌ、右溶接板表面と右開先加
工面から作られる領域Ｅ５Ｒ、左開先加工面から作られ
る領域Ｆ５Ｌ、右開先加工面から作られる領域Ｆ５Ｒ、
左溶接板表面から作られる領域Ｈ５Ｌ、右溶接板表面か
ら作られる領域Ｈ５Ｒ、左開先加工面とビード表面から
作られる領域Ｋ５Ｌ、右開先加工面とビード表面から作
られる領域Ｋ５Ｒ、ビード表面中央或いは振り分けビー
ドの重なる領域Ｋ５Ｃの１つ以上の領域が含まれる領域
の濃淡画像データを教示パターンとして記憶する。

【００２１】仕口開先（ルートギャップなし）図１５
（ａ）の特徴は図１５（ｂ）に示すように、左溶接板表
面と開先底部と右開先加工面から作られる領域Ｇ６、右
溶接板表面と右開先加工面から作られる領域Ｅ６Ｒ、右
開先加工面から作られる領域Ｆ６Ｒ、左溶接板表面から
作られる領域Ｈ６Ｌ、右溶接板表面から作られる領域Ｈ
６Ｒ、左溶接板表面とビード表面から作られる領域Ｋ６
Ｌ、右開先加工面とビード表面から作られる領域Ｋ６
Ｒ、ビード表面中央或いは振り分けビードの重なる領域
Ｋ６Ｃの１つ以上の領域が含まれる領域の濃淡画像デー
タを教示パターンとして記憶する。

【００２２】仕口開先（ルートギャップあり）図１６
（ａ）の特徴は図１６（ｂ）に示すように、右溶接板表
面と右開先加工面から作られる領域Ｅ７Ｒ、右開先加工
面から作られる領域Ｆ７Ｒ、左開先加工面と開先底部か
ら作られる領域Ｇ７Ｌ、右開先加工面と開先底部から作
られる領域Ｇ７Ｒ、開先底部Ｇ７Ｃ、左溶接板表面から
作られる領域Ｈ７Ｌ、右溶接板表面から作られる領域Ｈ
７Ｒ（図示せず）、右溶接板表面とビード表面から作ら
れる領域Ｋ７Ｌ、右開先加工面とビード表面から作られ
る領域Ｋ７Ｒ、ビード表面中央或いは振り分けビードの
重なる領域Ｋ７Ｃの１つ以上の領域が含まれる領域の濃
淡画像データを教示パターンとして記憶する。

【００２３】すみ肉開先図１７（ａ）の特徴は図１７
（ｂ）に示すように、左溶接板表面或いは上溶接板表面
から作られる領域Ｈ８Ｌ、右溶接板表面或いは下溶接板
表面から作られる領域Ｈ８Ｒ、左溶接板表面と右溶接板
表面或いは上溶接板表面と下溶接板表面の交差から作ら
れる領域Ｇ８、左溶接板表面或いは上溶接板表面とビー
ド表面から作られる領域Ｋ８Ｌ、右溶接板表面或いは下
溶接板表面とビード表面から作られる領域Ｋ８Ｒ、ビー
ド表面中央或いは振り分けビードの重なる領域Ｋ８Ｃの
１つ以上の領域が含まれる領域の濃淡画像データを教示
パターンとして記憶する。

【００２４】重ねすみ肉開先図１８（ａ）の特徴は図１
８（ｂ）に示すように 左溶接板表面或いは上溶接板表面から作られる領域Ｈ９
Ｌ、右溶接板表面或いは下溶接板表面から作られる領域
Ｈ９Ｒ、左溶接板端面と右溶接板表面或い上溶接板端面
と下溶接板表面の交差から作られる領域Ｇ９、左溶接板
表面と左溶接板端面或いは上溶接板表面と上溶接板端面
から作られる領域Ｅ９Ｌ、左溶接板端面或いは上溶接板
端面から作られる領域Ｆ９Ｌ、左溶接板端面或いは上溶
接板端面とビード表面から作られる領域Ｋ９Ｌ、右溶接
板端面或いは下溶接板端面とビード表面から作られる領
域Ｋ９Ｒ、ビード表面中央或いは振り分けビードの重な
る領域Ｋ９Ｃの１つ以上の領域が含まれる領域の濃淡画
像データを教示パターンとして記憶する。

【００２５】倣い制御中に撮影した前記光切断線の濃淡
画像をアナログ−デジタル変換し、２次元の画像信号電
圧からなる倣い制御中開先濃淡画像データを記憶し、前
記倣い制御中開先濃淡画像データから前記教示パターン
と等しいサイズの領域を画面上の位置を変えて順次取り
出し、入力パターンとし、前記教示パターンと前記入力
パターンの画像データの相関を算出し、相関係数が０．
６以上で、かつ最も相関係数の大きい前記入力パターン
位置を求め、開先位置を決定する。

【００２６】ここで、開先検出するには教示パターンが
１つ以上の領域が必要な理由を板継ぎＶ型開先（ルート
ギャップあり）図１１（ａ）を例に説明する。開先の主
な検出項目は溶接線方向に対し、左右位置、上下位置、
開先角度、ルートギャップなどである。これらの項目の
検出方法を図１１（ｂ）を用いて説明する。まず、開先
の左右位置はＥ２ＬとＥ２Ｒの２つを教示パターンと
し、倣い制御中に撮影した前記光切断線の濃淡画像か
ら、相関係数が０．６以上で、かつ最も相関係数の大き
い前記入力パターンの左右方向の位置はＸＥ２ＬとＸＥ
２Ｒが求められる。開先の左右位置は（ＸＥ２Ｌ−ＸＥ
２Ｒ）／２となる。開先の左右位置はＥ２ＬとＥ２Ｒの
他、Ｇ２ＬとＧ２Ｒ或いはＫ２ＬとＫ２Ｒのいずれか２
つを教示パターンとした場合でも同様に求めることがで
きる。

【００２７】開先の上下位置は開先底部のＧ２Ｃを教示
パターンとし、倣い制御中に撮影した前記光切断線の濃
淡画像から、相関係数が０．６以上で、かつ最も相関係
数の大きい前記入力パターンの上下方向の位置はＹＧ２
Ｃが求められる。開先の上下位置はＧ２Ｃの他、Ｋ２
Ｃ，Ｈ２Ｌ，Ｈ２Ｒのいずれか１つを教示パターンとし
ても同様に求めることができる。

【００２８】開先角度はＥ２Ｌ，Ｇ２Ｌ，Ｅ２Ｒおよび
Ｇ２Ｒの４つを教示パターンとし、倣い制御中に撮影し
た前記光切断線の濃淡画像から、相関係数が０．６以上
で、かつ、最も相関係数の大きい前記入力パターンの座
標位置（ＸＥ２Ｌ，ＹＥ２Ｌ）、（ＸＧ２Ｌ，ＹＧ２
Ｌ）、（ＸＥ２Ｒ，ＹＥ２Ｒ）、（ＸＧ２Ｒ，ＹＧ２
Ｒ）を求めることができる。開先角度は

【００２９】

【数２】

【００３０】となる。開先角度はＥ２Ｌ，Ｇ２Ｌ，Ｅ２
ＲおよびＧ２Ｒの組み合わせの他、Ｅ２Ｌ，Ｋ２Ｌ，Ｅ
２ＲおよびＫ２Ｒの４つを教示パターンとしても同様に
求めることができる。ルートギャップはＧ２ＬとＧ２Ｒ
の２つを教示パターンとし、倣い制御中に撮影した前記
光切断線の濃淡画像から、相関係数が０．６以上で、か
つ、最も相関係数の大きい前記入力パターンの左右方向
の位置はＸＧ２ＬとＸＧ２Ｒが求められる。ルートギャ
ップはＸＥ２Ｒ−ＸＥ２Ｌとなる。多層盛り溶接では前
層のビード幅をルートギャップとすることができるので
Ｋ２ＬとＫ２Ｒの２つを教示パターンとした場合でも同
様に求めることができる。

【００３１】以上の説明が開先検出するには教示パター
ンが１つ以上の領域が必要である理由である。また、倣
い制御前に濃淡画像データを教示パターンとして記憶す
る際に、板継ぎＶ型開先（ルートギャップなし）図１０
（ａ）あるいはＹ型開先の特徴は図１０（ｂ）に示すよ
うに左開先加工面から作られる領域Ｆ１Ｌ、右開先加工
面から作られる領域Ｆ１Ｒ、左溶接板表面から作られる
領域Ｈ１Ｌ、右溶接板表面から作られる領域Ｈ１Ｒ、ビ
ード表面中央或いは振り分けビードの重なる領域Ｋ１Ｃ
の１つ以上の領域が含まれる領域の濃淡画像データを教
示パターンとして記憶する。

【００３２】板継ぎＶ型開先（ルートギャップあり）図
１１（ａ）の特徴は図１１（ｂ）に示すように、開先底
部Ｇ２Ｃ、左開先加工面から作られる領域Ｆ２Ｌ、右開
先加工面から作られる領域Ｆ２Ｒ、左溶接板表面から作
られる領域Ｈ２Ｌ、右溶接板表面から作られる領域Ｈ２
Ｒ、ビード表面中央或いは振り分けビードの重なる領域
Ｋ２Ｃの１つ以上の領域が含まれる領域の濃淡画像デー
タを教示パターンとして記憶する。

【００３３】板継ぎレ形開先（ルートギャップなし）図
１２（ａ）の特徴は図１２（ｂ）に示すように、左開先
加工面から作られる領域Ｆ３Ｌ、右開先加工面から作ら
れる領域Ｆ３Ｒ、左溶接板表面から作られる領域Ｈ３
Ｌ、右溶接板表面から作られる領域Ｈ３Ｒ、ビード表面
中央或いは振り分けビードの重なる領域Ｋ３Ｃの１つ以
上の領域が含まれる領域の濃淡画像データを教示パター
ンとして記憶する。

【００３４】板継ぎレ形開先（ルートギャップあり）図
１３（ａ）の特徴は図１３（ｂ）に示すように、左開先
加工面から作られる領域Ｆ４Ｌ、右開先加工面から作ら
れる領域Ｆ４Ｒ、開先底部Ｇ４Ｃ、左溶接板表面から作
られる領域Ｈ４Ｌ、右溶接板表面から作られる領域Ｈ４
Ｒ、ビード表面中央或いは振り分けビードの重なる領域
Ｋ４Ｃの１つ以上の領域が含まれる領域の濃淡画像デー
タを教示パターンとして記憶する。

【００３５】Ｕ型開先図１４（ａ）の特徴は図１４
（ｂ）に示すように、左開先加工面から作られる領域Ｆ
５Ｌ、右開先加工面から作られる領域Ｆ５Ｒ、左溶接板
表面から作られる領域Ｈ５Ｌ、右溶接板表面から作られ
る領域Ｈ５Ｒ、ビード表面中央或いは振り分けビードの
重なる領域Ｋ５Ｃの１つ以上の領域が含まれる領域の濃
淡画像データを教示パターンとして記憶する。

【００３６】仕口開先（ルートギャップなし）図１５
（ａ）の特徴は図１５（ｂ）に示すように、右開先加工
面から作られる領域Ｆ６Ｒ、左溶接板表面から作られる
領域Ｈ６Ｌ、右溶接板表面から作られる領域Ｈ６Ｒ、ビ
ード表面中央或いは振り分けビードの重なる領域Ｋ６Ｃ
の１つ以上の領域が含まれる領域の濃淡画像データを教
示パターンとして記憶する。

【００３７】仕口開先（ルートギャップあり）図１６
（１）の特徴は図１６（ｂ）に示すように、右開先加工
面から作られる領域Ｆ７Ｒ、開先底部Ｇ７Ｃ、左溶接板
表面から作られる領域Ｈ７Ｌ、右溶接板表面から作られ
る領域Ｈ７Ｒ、ビード表面中央或いは振り分けビードの
重なる領域Ｋ７Ｃの１つ以上の領域が含まれる領域の濃
淡画像データを教示パターンとして記憶する。

【００３８】すみ肉開先図１７（ａ）の特徴は図１７
（ｂ）に示すように、左溶接板表面或いは上溶接板表面
から作られる領域Ｈ８Ｌ、右溶接板表面或いは下溶接板
表面から作られる領域Ｈ８Ｒ、の１つ以上の領域が含ま
れる領域の濃淡画像データを教示パターンとして記憶す
る。

【００３９】重ねすみ肉開先図１８（ａ）の特徴は図１
８（ｂ）に示すように左溶接板表面或いは上溶接板表面
から作られる領域Ｈ９Ｌ、右溶接板表面或いは下溶接板
表面から作られる領域Ｈ９Ｒ、左溶接板端面或いは上溶
接板端面から作られる領域Ｆ９Ｌの１つ以上の領域が含
まれる領域の濃淡画像データを教示パターンとして記憶
する。

【００４０】倣い制御中に撮影した前記光切断線の濃淡
画像をアナログ−デジタル変換し、２次元の画像信号電
圧からなる倣い制御中開先濃淡画像データを記憶し、前
記倣い制御中開先濃淡画像データから前記教示パターン
と等しいサイズの領域を画面上の位置を変えて順次取り
出し入力パターンとし、前記教示パターンと前記入力パ
ターンの画像データの相関を算出し、相関係数が０．６
以上の前記入力パターン位置を複数求め、開先位置を決
定する。

【００４１】ここで、開先検出するには入力パターン位
置を複数求める理由を板継ぎＶ型開先（ルートギャップ
あり）図１１（ａ）を例に説明する。まず、開先検出項
目の左右位置、開先角度について検出方法を図１１
（ｂ）を用いて説明する。Ｆ２ＬとＦ２Ｒの２つの領域
を教示パターンとし、倣い制御中に撮影した前記光切断
線の濃淡画像から、相関係数が０．６以上の入力パター
ン位置を複数求め、これらの座標位置（Ｘ１Ｆ２Ｌ，Ｙ
１Ｆ２Ｌ）、（Ｘ２Ｆ２Ｌ，Ｙ２Ｆ２Ｌ）、・・・、
（ＸｎＦ２Ｌ，ＹｎＦ２Ｌ）と（Ｘ１Ｆ２Ｒ，Ｙ１Ｆ２
Ｒ）、（Ｘ２Ｆ２Ｒ，Ｙ２Ｆ２Ｒ）、・・・、（ＸｎＦ
２Ｒ，ＹｎＦ２Ｒ）を求めることができる。図２３に示
すように（Ｘ１Ｆ２Ｌ，Ｙ１Ｆ２Ｌ）、（Ｘ２Ｆ２Ｌ，
Ｙ２Ｆ２Ｌ）、・・・、（ＸｎＦ２Ｌ，ＹｎＦ２Ｌ）か
らＹ＝ａＬＸ＋ｂＬの係数ａＬ，ｂＬを求め、（Ｘ１Ｆ
２Ｒ，Ｙ１Ｆ２Ｒ）、（Ｘ２Ｆ２Ｒ，Ｙ２Ｆ２Ｒ）、・
・・、（ＸｎＦ２Ｒ，ＹｎＦ２Ｒ）からＹ＝ａＲＸ＋ｂ
Ｒの係数ａＲ，ｂＲを求める。開先の左右位置はＹ＝ａ
ＬＸ＋ｂＬとＹ＝ａＲＸ＋ｂＲの交点から求めることが
でき、また開先角度は下記式にて求めることができる。

【００４２】

【数３】

【００４３】つぎに、開先の上下位置はＨ２Ｌを教示パ
ターンとし、倣い制御中に撮影した前記光切断線の濃淡
画像から、相関係数が０．６以上の入力パターン位置を
複数求め、これらの座標位置（Ｘ１Ｈ２Ｌ，Ｙ１Ｈ２
Ｌ）、（Ｘ２Ｈ２Ｌ，Ｙ２Ｈ２Ｌ）、・・・、（ＸｎＨ
２Ｌ，ＹｎＨ２Ｌ）を求めることができる。開先が画面
の中央で左右位置の変動が少ない場合には（Ｘ１Ｈ２
Ｌ，Ｙ１Ｈ２Ｌ）、（Ｘ２Ｈ２Ｌ，Ｙ２Ｈ２Ｌ）、・・
・、（ＸｎＨ２Ｌ，ＹｎＨ２Ｌ）から求めたＹ＝ａＬＸ
＋ｂＬと画面中央を示すＸ＝ｔ／２の交点から開先の上
下位置を求めることができる。Ｈ２Ｒ，Ｇ２Ｃ，Ｋ２Ｃ
を教示パターンとした場合でも同様に、開先の上下位置
を求めることができる。

【００４４】

【実施例】本発明の実施例に用いた自動溶接装置の構成
を図１に、制御装置の構成図を図１９に示す。テレビカ
メラ２と、溶接トーチ３をとりつけた倣い軸４を登載し
た走行台車３５とテレビカメラ２からの画像信号を取り
込み、Ａ／Ｄ変換器１１で変換し、１画面分の画像デー
タとして画面の縦４８０画素×横５１２画素、合計２４
５７６０画素分の画像データを記憶する画像メモリー１
２、画像データを処理するとともに倣い軸４の駆動モー
タ１３を制御するサーボアンプ１４に指令するマイクロ
コンピュータ１５で構成した。なお、画像メモリー１２
のデータは必要に応じてＤ／Ａ変換器１６を介してモニ
タテレビ１７で観察した。

【００４５】まず、実施例１では 開先は図２０に示すようにすみ肉開先で長さ１０００
ｍｍに対し線倣いズレを１０ｍｍ変化させた開先を作成
した。 スリット光が照射されたすみ肉開先の光切断線の屈折
点部（図１７（ｂ）のＧ８）を画面１８の中央に撮影す
るとともに画像メモリー１２に記憶した。

【００４６】画面１８中央部の縦１００画素×横１０
０画素に描かれた、すみ肉開先の光切断線の屈折点部
（図１７（ｂ）のＧ８）の画像データをマイクロコンピ
ュータ１５内に教示パターンとして記憶した。 走行台車３５を走行させ溶接を開始した。 マイクロコンピュータ１５の指令に応じて撮影された
開先画像を画像メモリー１２に記憶した。

【００４７】マイクロコンピュータ１５は画像メモリ
ー１２から縦１００画素×横１００画素の入力パターン
を位置を変え順次取り出し、教示パターンとの相関係数
を式−１に従って算出した。 大きい相関係数が０．６未満の場合は開先なしと判別
し倣い制御しない。 最も大きい相関係数が０．６以上の場合は開先と判断
し、すみ肉開先の光切断線の屈折点部（図１７（ｂ）の
Ｇ８）が画面１８の中央になる方向に左右倣い制御し
た。

【００４８】実施例２では 開先は図２１に示すようにＶ開先で板厚２０ｍｍ、開
先角度４０度、長さ１０００ｍｍに対し線倣いズレを１
０ｍｍ変化させ、スタート側からエンド側へルートギャ
ップを６ｍｍから１０ｍｍのテーパ状に変化させた開先
を作成した。 スリット光が照射されたＶ型開先の光切断線の屈折点
部（図１１（ｂ）のＥ２ＬとＥ２Ｒ）の中央を画面１８
の中央に撮影するとともに画像メモリー１２に記憶し
た。

【００４９】図１１（ｂ）の右側と左側に描かれた開
先エッジ部（図１１（ｂ）のＥ２Ｌ）と開先エッジ（図
１１（ｂ）のＥ２Ｒ）を縦１００画素×横１００画素の
画像データをマイクロコンピュータ１５内に教示パター
ンＰＲと教示パターンＰＬとして記憶した。 走行台車３５を走行させ溶接を開始した。

【００５０】マイクロコンピュータ１５の指令に応じ
て撮影された開先画像を画像メモリー１２に記憶した。 マイクロコンピュータ１５は画像メモリー１２から縦
１００画素×横１００画素の入力パターンを順次取り出
し、教示パターンＰＲとの相関係数を式−１に従って算
出した。また、教示パターンＰＬとの相関係数を式−１
に従って算出した。

【００５１】大きい相関係数が０．６未満の場合は開
先エッジなしと判別した。 教示パターンＰＲと最も大きい相関係数が０．６以上
の場合は開先エッジと判断し、座標位置ＥＲ（ＸＲ，Ｙ
Ｒ）とした。教示パターンＰＬと最も大きい相関係数が
０．６以上の場合は開先エッジと判断し、座標位置ＥＬ
（ＸＬ，ＹＬ）とした。

【００５２】Ｘ座標の開先位置Ｋ１（Ｘ１）は Ｘ１＝（ＸＲ＋ＸＬ）／２ とし、画面中央となる方向に左右倣い制御した。 実施例３では 開先は図２２に示すようにＶ開先で板厚２０ｍｍ、開
先角度４０度、ルートギャップを０ｍｍ、長さ１０００
ｍｍに対し線倣いズレを１０ｍｍ変化させた開先を作成
した。

【００５３】スリット光が照射されたＶ開先を画面１
８の中央に撮影するとともに画像メモリー１２に記憶し
た。画面１８の中の開先の左斜面部光切断線（図１０
（ｂ）のＦ１Ｌ）を縦３０画素×横３０画素の領域の画
像データをマイクロコンピュータ１５内に教示パターン
ＰＬとして記憶した。

【００５４】また、開先の右斜面部光切断線（図１０
（ｂ）のＦ１Ｒ）を縦３０画素×横３０画素の領域の画
像データをマイクロコンピュータ１５内に教示パターン
ＰＲとして記憶した。走行台車３５を走行させて溶接
を開始した。マイクロコンピュータ１５の指令に応じ
て撮影された開先画像を画像メモリー１２に記憶した。

【００５５】マイクロコンピュータ１５は画像メモリ
ー１２から順次位置を変えて縦３０画素×横３０画素の
入力パターンを取り出し、教示パターンとの相関係数を
式−１に従って算出した。 最も大きい相関係数が０．６未満の場合は開先なしと
判断し倣い制御しない。

【００５６】教示パターンＰＬとの相関係数が０．６
以上の複数の座標位置ＳＲ１（ＸＲ１，ＹＲ１）からＳ
Ｒｎ（ＸＲｎ，ＹＲｎ）のデータを用い回帰式Ｙ＝ａＬ
Ｘ＋ｂＬを求めた。教示パターンＰＲとの相関係数が
０．６以上の複数の座標位置ＳＬ１（ＸＬ１，ＹＬ１）
からＳＬｎ（ＸＬｎ，ＹＬｎ）のデータを用い回帰式Ｙ
＝ａＲＸ＋ｂＲを求めた（図２３）。

【００５７】Ｙ＝ａＬＸ＋ｂＬとＹ＝ａＲＸ＋ｂＲの
交点を開先位置座標Ｋ（Ｘ１，Ｙ１）とし、画面中央と
なる方向に左右倣い制御した。 実施例４では 開先は図２２に示すようにＶ開先で板厚２０ｍｍ、開
先角度４０度、ルートギャップを０ｍｍ、長さ１０００
ｍｍに対し倣いズレを１０ｍｍ変化させた開先を作成し
た。

【００５８】スリット光が照射されたＶ開先を画面１
８の中央に撮影するとともに画像メモリー１２に記憶し
た。画面１８の中の左溶接板表面の光切断線（図１０
（ｂ）のＨ１Ｌ）を縦３０画素×横３０画素の領域の画
像データをマイクロコンピュータ１５内に教示パターン
として記憶した。

【００５９】走行台車３５を走行させて溶接を開始し
た。 マイクロコンピュータ１５の指令に応じて撮影された
開先画像を画像メモリー１２に記憶した。 マイクロコンピュータ１５は画像メモリー１２から順
次位置を変えて縦３０画素×横３０画素の入力パターン
を取り出し、教示パターンとの相関係数を式−１に従っ
て算出した。

【００６０】最も大きい相関係数が０．６未満の場合
は開先なしと判断し倣い制御しない。 相関係数が０．６以上の複数の座標位置Ｓ１（Ｘ１Ｈ
１Ｌ，Ｙ１Ｈ１Ｌ）からＳｎ（ＸｎＨ１Ｌ，ＹｎＨ１
Ｌ）のデータを用い回帰式Ｙ＝ａＬＸ＋ｂＬを求めた。

【００６１】Ｙ＝ａＬＸ＋ｂＬと画面中央を示すＸ＝
ｔ／２の交点を開先位置座標Ｋ（Ｘ１，Ｙ１）とし、画
面中央となる方向に上下倣い制御した。溶接は潜弧溶接
と炭酸ガスシールドアーク溶接で行った。潜弧溶接は溶
接トーチ３をフラックス散布が可能な潜弧溶接用を用
い、炭酸ガスシールドアーク溶接ではガスシールドアー
ク溶接用の溶接トーチを用いた。

【００６２】なお、炭酸ガスシールドアーク溶接では、
アーク光の影響を避けるため、スリット光と同じ波長の
光を透過するバンドパスフィルタをＴＶカメラのレンズ
に取り付けた。評価方法は倣い軸４に取り付けたポテン
ションメータ５に定電圧電源とペンコーダ接続し、溶接
中の倣い制御過程を記録した。このとき、最大左右、上
下倣いズレが±１ｍｍ以内を良好と評価した。

【００６３】実施結果を表１に示す。本発明方法は実施
例１、実施例２、実施例３、実施例４について潜弧溶接
および炭酸ガスシールドアーク溶接ともに良好だった。

【００６４】

【表１】

【００６５】

【発明の効果】本発明によれば画像による開先位置検出
が従来方法と全く異なる方法で良好検出できるためテレ
ビカメラを利用した自動倣い制御を飛躍的に信頼性が高
くなるため、溶接工程の自動化、無人化に寄与できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に用いた自動溶接装置の構成を
示す斜視図である。

【図２】スリット光源、テレビカメラ、開先、溶接トー
チの配置を示す説明図である。

【図３】スリット光を照射したＶ開先をテレビカメラで
撮影した光切断線を示すモニタ画面である。

【図４】（ａ）は光切断線の途切れやスパッタの飛散軌
跡を示すモニタ画面、（ｂ）はスパッタ付着による光切
断線の途切れを示す説明図、（ｃ）はガス切断ノッチに
よる光切断線の途切れを示す説明図、（ｄ）はスパッタ
付着による光切断線の変形を示す説明図、（ｅ）はガス
切断ノッチによる光切断線の変形を示す説明図である。

【図５】Ｖ開先の断面図である。

【図６】倣い制御前あるいは倣い制御中に撮影した画像
の処理対象領域（輝度データサイズ）を示す平面図であ
る。

【図７】教示パターンおよび入力パターンに共通の画像
の領域（輝度データサイズ）を示す平面図である。

【図８】図３の左溶接板表面と左開先加工面から作られ
る領域の教示パターン例を示す図である。

【図９】光切断線の途切れやスパッタの飛散軌跡を示す
溶接中の画面の入力パターン例を示す図である。

【図１０】（ａ）は板継ぎＶ型開先（ルートギャップな
し）とスリット光源から照射した光切断線の斜視図、
（ｂ）はスリット光を照射した板継ぎＶ型開先（ルート
ギャップなし）あるいはＹ型開先をテレビカメラで撮影
した光切断線を示すモニタ画面である。

【図１１】（ａ）は板継ぎＶ型開先（ルートギャップあ
り）とスリット光源から照射した光切断線の斜視図、
（ｂ）はスリット光を照射した板継ぎＶ型開先（ルート
ギャップあり）をテレビカメラで撮影した光切断線を示
すモニタ画面である。

【図１２】（ａ）は板継ぎレ形開先（ルートギャップな
し）とスリット光源から照射した光切断線の斜視図、
（ｂ）はスリット光を照射した板継ぎレ形開先（ルート
ギャップなし）をテレビカメラで撮影した光切断線を示
すモニタ画面である。

【図１３】（ａ）は板継ぎレ形開先（ルートギャップあ
り）とスリット光源から照射した光切断線の斜視図、
（ｂ）はスリット光を照射した板継ぎレ形開先（ルート
ギャップあり）をテレビカメラで撮影した光切断線を示
すモニタ画面である。

【図１４】（ａ）はＵ型開先とスリット光源から照射し
た光切断線の斜視図、（ｂ）はスリット光を照射したＵ
型開先をテレビカメラで撮影した光切断線を示すモニタ
図である。

【図１５】（ａ）は仕口開先（ルートギャップなし）と
スリット光源から照射した光切断線の斜視図、（ｂ）は
スリット光を照射した仕口開先（ルートギャップなし）
をテレビカメラで撮影した光切断線を示すモニタ画面で
ある。

【図１６】（ａ）は仕口開先（ルートギャップなし）と
スリット光源から照射した光切断線の斜視図、（ｂ）は
スリット光を照射した仕口開先（ルートギャップあり）
をテレビカメラで撮影した光切断線を示すモニタ画面で
ある。

【図１７】（ａ）はすみ肉開先とスリット光源から照射
した光切断線の斜視図、（ｂ）はスリット光を照射した
すみ肉開先をテレビカメラで撮影した光切断線を示すモ
ニタ画面である。

【図１８】（ａ）は重ねすみ肉開先とスリット光源から
照射した光切断線の斜視図、（ｂ）はスリット光を照射
した重ねすみ肉開先をテレビカメラで撮影した光切断線
を示すモニタ画面である。

【図１９】実施例に用いた制御装置の構成の概略説明図
である。

【図２０】（ａ）はすみ肉開先の平面図、（ｂ）はすみ
肉開先の側面図である。

【図２１】（ａ）はＶ型開先の平面図、（ｂ）はＶ型開
先の側面図である。

【図２２】（ａ）はＶ型開先の平面図、（ｂ）はＶ型開
先の側面図である。

【図２３】Ｖ型開先の開先加工面を示す光切断線と回帰
式を示す説明図である。

【符号の説明】

１ スリット光源 ２ テレビカメラ ３ 溶接トーチ ４ 倣い軸機構 ５ ポテンションメータ ６ 光切断線 ７ 付着したスパッタ ８ スパッタの飛散軌跡 ９ ガス切断ノッチの溝 １１ Ａ／Ｄコンバータ １２ 画像メモリ １３ 倣い軸モータ １４ サーボアンプ １５ マイクロコンピーュタ １６ Ｄ／Ａコンバータ １７ モニターテレビ １８ 画面 １９ アーク光 ２１ 開先 ２２ 溶接板表面 ２３ スパッタ ３５ 走行台車

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/127 B23K 9/095 H04N 7/18

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スリット光を溶接用開先に照射し、開先
   部で屈折したスリット光の光切断線をテレビカメラで撮
   影し、テレビカメラからの画像信号電圧を用いて開先の
   位置を検出する方法において、テレビカメラの撮影画面
   を、水平方向の画素数（ｓ画素）および垂直方向の画素
   数（ｔ画素）（ｓ×ｔ画素）（ｓおよびｔは正の整数で
   ある）とし、倣い制御前に撮影した光切断線の濃淡画像
   を、前記テレビカメラの撮影画面（ｓ×ｔ画素）から選
   択し、これを縦横ｎ×ｍ画素（ｎ，ｍは正の整数、ｓ＞
   ｎ，ｔ＞ｍ）で構成された教示パターンとして記憶し、
   倣い制御中に撮影した光切断線の濃淡画像を前記テレビ
   カメラの撮影画面（ｓ×ｔ画素）から、教示パターン
   （ｎ×ｍ画素）と同じ大きさの形状（ｎ×ｍ画素）の入
   力パターンとして順次取り出し、下記（１）式により求
   められる教示パターン輝度Ｗと入力パターン輝度Ｕの相
   関係数Ｒが０．６以上となる入力パターン位置を求め開
   先位置を決定することを特徴とする開先検出方法。 【数１】
2. 【請求項２】 倣い制御前に撮影した光切断線の濃淡画
   像を教示パターンとして記憶する方法において、屈折点
   を含む領域、および屈折点を除く直線部または曲線部だ
   けの領域の少なくとも１つの領域が含まれる領域の濃淡
   画像データを教示パターンとして記憶することを特徴と
   する請求項１記載の開先検出方法。
3. 【請求項３】 倣い制御前に撮影した光切断線の濃淡画
   像を教示パターンとして記憶する方法において、屈折点
   を除く直線部または曲線部だけの領域の少なくとも１つ
   の領域が含まれる領域の濃淡画像データを教示パターン
   として記憶することを特徴とする請求項１記載の開先検
   出方法。