JP3462353B2 - 開先倣い制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はアーク溶接の近傍を
テレビカメラで撮影し、テレビカメラの画像信号を用い
て自動溶接機を開先倣い制御する方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】溶接ワイヤを用いた消耗電極式のアーク
溶接は、チップから突きだしたワイヤの曲がりの変動に
より、アーク位置が開先の所定の狙い位置からズレ、欠
陥やビード形状不良を発生させる大きな原因になってい
る。開先を検出する倣い制御機構を搭載した自動溶接機
でも、開先位置の変化に応じ溶接トーチ位置を制御する
ことは可能であるが、ワイヤの曲がりの変動によって、
ワイヤ先端のアーク位置は開先の所定の狙い位置からず
れることがある。このため、倣い制御機構を搭載した自
動溶接機でも、欠陥やビード形状不良の発生を避けるた
めやむをえず、オペレータがアーク位置を見ながら倣い
修正しているのが現状である。

【０００３】このような問題を改善するためには、開先
に対するアークまたは溶接ワイヤの位置を検出し、倣い
制御する必要がある。特開昭５９−９４５８３号公報に
は、狭開先溶接のアーク溶接中の溶接ワイヤおよび開先
を、テレビカメラにて撮影し、撮影画像に基づいて開先
倣い制御する方法が提案されている。アークや溶融プー
ル輻射光に対し、開先が陰となって撮影されるととも
に、画面のほぼ中央に陰となって溶接ワイヤが撮影され
る。したがって、画像データを適当なしきい値で２値化
することにより、開先位置と幅，ワイヤ位置が計測でき
ると説明されている。このように、適当な輝度しきい値
を設けて開先，ワイヤ等を識別する方法は２値化法と呼
ばれるが、この方法を通常使用されるガスシールドアー
クの板継溶接に適用した場合について説明する。

【０００４】アーク溶接される開先付近を、図４に示す
ように斜め前方からＴＶカメラ１にて撮影した、撮影画
像の概要を図５に示す。図５の水平走査線Ｌ１における
線上の輝度分布を図８の（ａ）に示す。図５および図８
の（ａ）から、走査線Ｌ１上の点ａ／ｂ間とｇ／ｈ間
は、鋼板表面像であって開先４内で発生する高輝度光
（アーク光や溶融プール輻射光）が開先４で遮られるの
で輝度が低い。点ｂ／ｃ間とｆ／ｇ間は、高輝度光に照
らされた開先４内の、開先斜辺像でやや輝度が高い。点
ｃ／ｄ間とｅ／ｆ間は、溶融プール輻射光（一部溶融プ
ール面でのアーク光の反射光）の領域であり輝度が高
い。点ｄ／ｅ間は、背景の溶融プール輻射光が溶接ワイ
ヤ６で遮られた陰（以下単にワイヤ像と称す）であり、
輝度が低い。

【０００５】図８の（ｂ）には、溶滴移行中にワイヤ６
／溶融プール間の短絡によりアークが消えて、溶融プー
ルの輻射光のみがあるときの、走査線Ｌ１上の輝度分布
を示す。また図８の（ｃ）には、アーク長が長く、アー
ク炎が大きく溶接ワイヤ６を包み全体が明るく、これに
より溶接ワイヤ６の陰が薄くなった場合の走査線Ｌ１上
の輝度分布を示す。

【０００６】図８の（ａ）に示す輝度分布の場合には、
しきい値Ｂ１を、図８の（ａ）に示すように、点ｄ／ｅ
間（ワイヤ像）の輝度と点ｂ／ｃ間（開先斜辺像）の輝
度との間の値に設定して画像デ−タを、例えばしきい値
Ｂ１以上の画像デ−タを「１」に、Ｂ１未満の画像デ−
タを「０」に２値化することにより、開先部が「１」
で、開先内の「０」がワイヤで、開先外部（鋼板表面）
が「０」の２値画像デ−タが得られる。この２値画像デ
−タに基づいて開先４の位置と幅およびワイヤ６の位置
を算出しうる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ア−クが消え
た瞬間の図８の（ｂ）に示す輝度分布の場合には、しき
い値Ｂ１により「１」と切り出される領域は点ｃ／ｄ，
ｅ／ｆ間（溶融プール像）のみであり、それらの間の点
ｄ／ｅ間（ワイヤ像）も切出されるが、開先像は切出さ
れず、開先４の位置と幅は検出できない。あるいは、溶
融プ−ルを開先と誤検出してしまう。したがってこの場
合には、しきい値を、Ｂ１から図８の（ｂ）に示すＢ２
に下げる必要がある。

【０００８】ア−ク長が長い図８の（ｃ）に示す輝度分
布の場合には、しきい値Ｂ１により開先が「１」と切り
出されるが、点ｄ／ｅ間（ワイヤ像）は切り出されず、
ワイヤ位置が検出できない。したがってこの場合には、
しきい値を、Ｂ１から図８の（ｃ）に示すＢ３に上げる
必要がある。

【０００９】このように２値化法では撮影画像の明るさ
の変動に応じて適当なしきい値（Ｂ１〜Ｂ３）を設定す
る必要がある。溶接中のアークの明るさの変動が大き
く、これに対してリアルタイムで適切なしきい値を自動
的に設定することは困難であり、正確かつ安定した開
先，ワイヤの位置の計測が困難であった。

【００１０】本発明はこの様な条件下であっても、開先
に対する溶接ワイヤ又はア−クの位置を正確かつ安定し
て自動検出し良好な開先倣いを行なうことを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】

（１）本発明は、アーク溶接中の開先(4)をテレビカメ
ラ(1)にて撮影し、得た画像デ−タに基づいて開先(4)に
対する溶接ワイヤ(6)又はア−クの位置を求めて、開先
(4)に対して溶接ワイヤ(6)又はア−クが所定位置となる
ように、溶接ワイヤ又はア−クの位置を調整する開先倣
い制御方法において、撮影画面上の溶接ワイヤ又はア−
ク相当像を含み該像よりは大きく撮影画面より小さいサ
イズの第１領域(P2/P8)の画像デ−タ、および、撮影画
面上において第１領域に対して所定の位置の、撮影画面
上の開先相当像および開先に連なる鋼板表面相当像を含
み撮影画面より小さいサイズの第２領域(P1/P3/P4/P5/P
6/P7),の画像デ−タ、をメモリ(10)に書込み、その後、
テレビカメラ(1)が順次に発生する撮影画面上の、前記
メモリ(10)に書込んだ第１領域および第２領域の画像デ
−タと相関が高い第３領域および第４領域を検索し、撮
影画面上の第３領域と第４領域の位置に基づいて開先に
対する溶接ワイヤ(6)又はア−クの位置を求める、こと
を特徴とする。なお、理解を容易にするためにカッコ内
には、図面に示し後述する実施例の対応要素の符号を、
参考までに付記した。

【００１２】テレビカメラ(1)の撮影画面上の、相関検
索により検出された第３領域は、予めメモリ(10)に書込
まれている第１領域(P2/P8)と同様に、溶接ワイヤ又は
ア−ク相当像を含むものであり、第３領域内でのワイヤ
像又はア−ク像の位置は、第１領域(P2/P8)内のワイヤ
像又はア−ク像の位置と実質上同一である。同様に、相
関検索により検出された第４領域は、予めメモリ(10)に
書込まれている第２領域(P1/P3/P4/P5/P6/P7)と同様
に、撮影画面上の開先相当像および開先に連なる鋼板表
面相当像を含むものであり、第４領域内での開先像の位
置は、第２領域(P1/P3/P4/P5/P6/P7)内の開先像の位置
と実質上同一となる。第３領域と第４領域の相互間の位
置関係は撮影画面上の両領域の位置により分かる。一
方、第１領域と第２領域の相互間の位置関係が所定のも
のであるので、第３／第４領域間相対位置関係と、第１
／第２領域間相対位置関係に基づいて、第３領域に現わ
れた開先に対する第４領域に現われたワイヤ又はア−ク
の位置を算出することができる。

【００１３】例えば、テレビカメラ(1)の撮影画面上
に、図５に示すように、水平走査線Ｌ１に領域中心を置
いて第１領域Ｐ２を定め、同様に水平走査線Ｌ１に領域
中心を置いて第２領域Ｐ１を定めた場合、画面上の第１
領域Ｐ２と第２領域Ｐ１との水平距離をＸｔとし、画面
上の第３領域と第４領域との水平距離をＸｒとすると、
メモリに第１領域Ｐ２と第２領域Ｐ１の画像デ−タを書
込んだとき（基準時）よりも、Ｘｒ−Ｘｔ分、開先４に
対して溶接ワイヤ又はア−クがずれたことになり、この
関係に基づいて、基準時の開先４／溶接ワイヤ又はア−
ク間の相対位置に対する、現在の相対位置が求まる。

【００１４】相関検索では、画面の明るさの変動による
相関係数の変動が小さいので、第３領域および第４領域
の検出精度が高く、したがって開先に対する溶接ワイヤ
又はア−ク間の相対位置の検出が正確であり、この検出
に基づいて良好な開先倣いを行なうことができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】 （２）撮影画面上の溶接ワイヤ又はア−ク相当像を含み
該像よりは大きく撮影画面より小さいサイズの第１領域
(P2/P8)の画像デ−タ、ならびに、撮影画面上において
第１領域に対して所定の位置の、撮影画面上の開先相当
像および開先に連なる鋼板表面相当像を含み撮影画面よ
り小さいサイズの、溶接ワイヤ又はア−ク相当像を間に
置いた第２−１領域(P1/P4/P5)および第２−２領域(P3/
P7/P6)の画像デ−タ、をメモリ(10)に書込み、その後、
テレビカメラ(1)が順次に発生する撮影画面上の、前記
メモリに書込んだ第１領域ならびに第２−１領域および
第２−２領域の画像デ−タと相関が高い第３領域ならび
に第４−１領域および第４−２領域を検索し、撮影画面
上の第３領域と第４−１領域および第４−２領域との位
置に基づいて開先に対する溶接ワイヤ又はア−クの位置
を求める。

【００１６】例えば、テレビカメラ(1)の撮影画面上
に、図５に示すように、水平走査線Ｌ１に領域中心を置
いて第１領域Ｐ２を定め、同様に水平走査線Ｌ１に領域
中心を置いて第２−１領域Ｐ１および第２−２領域Ｐ３
を定めた場合、画面上の第１領域Ｐ２と第２−１領域Ｐ
１および第２−２領域Ｐ３との水平距離をＸｔ１および
Ｘｔ２とし、画面上の第３領域と第４−１領域および第
４−２領域との水平距離をＸｒ１およびＸｒ２とする
と、メモリに第１領域Ｐ２と第２領域Ｐ１，Ｐ２の画像
デ−タを書込んだとき（基準時）よりも、（Ｘｒ１＋Ｘ
ｒ２）−（Ｘｔ１＋Ｘｔ２）だけ、現在のカメラ視野に
ある開先幅が変化し、Ｘｒ１−Ｘｔ１分、開先４に対し
て溶接ワイヤ又はア−クがずれたことになり、これらの
関係に基づいて、基準時の開先４／溶接ワイヤ又はア−
ク間の相対位置に対する、現在の相対位置が求まる。

【００１７】（３）アーク溶接中の開先(4)をテレビカ
メラ(1)にて撮影し、得た画像デ−タに基づいて開先(4)
に対する溶接ワイヤ(6)又はア−クの位置を求めて、開
先に対して溶接ワイヤ又はア−クが所定位置となるよう
に、溶接ワイヤ又はア−クの位置を調整する開先倣い制
御方法において、開先(4)にそれを幅方向に横切るスリ
ット光を照射して撮影した撮影画面上の溶接ワイヤ又は
ア−ク相当像を含み該像よりは大きく撮影画面より小さ
いサイズの第１領域(P2/P8)の画像デ−タ、および、撮
影画面上において第１領域に対して所定の位置の、撮影
画面上の開先相当像，開先に連なる鋼板表面相当像およ
びスリット光相当像を含み撮影画面より小さいサイズの
第２領域(P4/P5/P6/P7)の画像デ−タ、をメモリ(10)に
書込み、その後、テレビカメラ(1)が順次に発生する撮
影画面上の、前記メモリ(3)に書込んだ第１領域および
第２領域の画像デ−タと相関が高い第３領域および第４
領域を検索し、撮影画面上の第３領域と第４領域の位置
に基づいて開先に対する溶接ワイヤ又はア−クの位置を
求める、ことを特徴とする。

【００１８】この態様では、スリット光像が第２領域お
よび第４領域に含まれ、このスリット光像の明るさの変
動が実質上なく、第４領域の検出精度が更に高く、した
がって開先の検出がより正確であり、この検出に基づい
て良好な開先倣いを行なうことができる。

【００１９】（４）撮影画面上の溶接ワイヤ又はア−ク
相当像を含み該像よりは大きく撮影画面より小さいサイ
ズの第１領域(P2/P8)の画像デ−タ、ならびに、撮影画
面上において第１領域に対して所定の位置の、撮影画面
上の開先相当像，開先に連なる鋼板表面相当像およびス
リット光像を含み撮影画面より小さいサイズの、溶接ワ
イヤ又はア−ク相当像を間に置いた第２−１領域(P4/P
5)および第２−２領域(P7/P6)の画像デ−タ、をメモリ
(10)に書込み、その後、テレビカメラ(1)が順次に発生
する撮影画面上の、前記メモリ(10)に書込んだ第１領域
ならびに第２−１領域および第２−２領域の画像デ−タ
と相関が高い第３領域ならびに第４−１領域および第４
−２領域を検索し、撮影画面上の第３領域と第４−１領
域および第４−２領域との位置に基づいて開先に対する
溶接ワイヤ又はア−クの位置を求める。

【００２０】例えば、テレビカメラ(1)の撮影画面上
に、図５に示すように、第１領域Ｐ２又はＰ８を定め、
同一水平走査線に領域中心を置いて第２−１領域Ｐ４
（Ｐ５）および第２−２領域Ｐ７（Ｐ６）を定めた場
合、画面上の第１領域Ｐ２又はＰ８と第２−１領域Ｐ４
（Ｐ５）および第２−２領域Ｐ７（Ｐ６）との水平距離
をＸｔ１およびＸｔ２とし、画面上の第３領域と第４−
１領域および第４−２領域との水平距離をＸｒ１および
Ｘｒ２とすると、メモリに第１領域Ｐ２又はＰ８と第２
領域Ｐ４（Ｐ５），Ｐ７（Ｐ６）の画像デ−タを書込ん
だとき（基準時）よりも、（Ｘｒ１＋Ｘｒ２）−（Ｘｔ
１＋Ｘｔ２）だけ、現在のカメラ視野にある開先幅が変
化し、Ｘｒ１−Ｘｔ１分、開先４に対して溶接ワイヤ又
はア−クがずれたことになり、これらの関係に基づい
て、基準時の開先４／溶接ワイヤ又はア−ク間の相対位
置に対する、現在の相対位置が求まる。

【００２１】以下、本発明について詳細に説明する。

【００２２】一般にテレビカメラが出力する画像信号は
輝度に応じたアナログ電圧であるが、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
がって、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（画像信号）
をタイミングを取りながらデジタルデ−タ（画像デ−
タ）に変換し、メモリーの所定の番地にデータを記憶す
る。すなわち、倣い制御開始までにア−ク溶接状態で、
倣い制御中と同様に開先を撮影して、基準又は標準と見
なしうる画面（ｓ×ｔ画素）から、その中の、所定サイ
ズ（ｍ×ｎ画素（ｍ，ｎは正の整数、ｓ＞ｍ、ｔ＞ｎ）
であって所定位置に特定の像が表われた領域の画像デ−
タを切出して、教示パタ−ンとしてメモリーに記憶す
る。あるいは、画面（ｓ×ｔ画素）の全画像デ−タをメ
モリーに記憶すると共に、教示パタ−ンとして切出すべ
き領域情報（該領域の対角コ−ナのアドレス）をメモリ
ーに記憶する。

【００２３】第１領域を、溶接ワイヤ像を所定位置に含
むワイヤ教示パタ−ンとする場合、まず、倣い制御の開
始までに、図５に示す領域Ｐ２の画像デ−タを教示パタ
ーン（ｍ×ｎ画素）としてメモリーに記憶する。倣い制
御中に撮影した画面（ｓ×ｔ）は開先，ワイヤおよびア
ークの位置の変動および明るさの変動はあるが、図５の
Ｐ２に類似した画像を有するものとなる。この撮影画面
の先ず左上コ−ナｘ＝１，ｙ＝１すなわち（１，１）を
左上コ−ナとし、（ｍ，ｎ）を右下コ−ナとする領域
（第１領域と同一サイズの領域）の画像デ−タを入力パ
ターン（ｍ×ｎ）Ｉ１１と定めて、教示パタ−ンＰ２お
よび入力パタ−ンそれぞれのパターンの左上コ−ナを
（１，１）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番目の位置の教示
パタ−ンＰ２および入力パタ−ンＩ１１の画像デ−タが
表わす輝度を、それぞれＷ（ｉ，ｊ）およびＵ（ｉ，
ｊ）とすると、教示パターンＰ２の輝度Ｗと入力パター
ンＩ１１の輝度Ｕの相関係数Ｒ１１を下記の（１）式で
計算する。

【００２４】

【数１】

【００２５】教示パターンＰ２と入力パターンＩ１１の
相関係数Ｒ１１が得られる。次に、倣い制御中に撮影し
た画面左上コ−ナ（１，１）からの１画素下の画素
（２，１）を左上コ−ナとする入力パタ−ンＩ２１の相
関係数Ｒ２１を同様に（１）式で計算する。このように
相関係数ＲＩＪを求める計算を、倣い制御中の一画面の
左上コ−ナ（１，１）から（ｓ−ｍ，１）まで１ライン
分実行すると、同様にこれをライン（ｙ方向画素）を下
方（ｙが増大する方向）に繰返して、ｔ−ｎのラインま
で実行する。そしてこれを終了すると、最も相関係数Ｒ
ＩＪが大きい位置（Ｉ＝ｘc，Ｊ＝ｙc）を求めれば、
（ｘc，ｙc）を左上コ−ナとし、（ｘc＋ｍ−１，ｙc＋
ｎ−１）を右下コ−ナとする、ｍ×ｎ画素の領域が、教
示パターンＫ１と同等又は相似の、ワイヤ像を含む領域
（抽出パタ−ン）である。

【００２６】このとき図７に示すように、教示パターン
Ｐ２の輝度を横軸に、これに相当するものとして上述の
ように求めた抽出パタ−ンの輝度を縦軸にとり、両パタ
−ンｍ×ｎの各画素の輝度を対応づけてプロットすれば
教示パターンと入力パターンがほぼ同じ明るさの場合
は、約４５°の線を中心に分布する（Ｑ１）。しかし、
抽出パターンの方が暗い場合は、Ｑ２として示すよう
に、４５度線より下側に分布し、抽出パタ−ンの方が明
るい場合は、Ｑ３として示すように、４５度線より上側
に分布する。

【００２７】ここで重要なことは、図７のＱ１，Ｑ２，
Ｑ３に分布した輝度プロットの広がりは相関係数Ｒに相
当するが、Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のプロットの広がりには差
が少ない。すなわち、相関係数Ｒは明るさの変動による
影響は少ないことである。

【００２８】図６の（ａ）〜（ｈ）に示す左エッジパタ
−ンＰ１，ワイヤ像パタ−ンＰ２，右エッジパタ−ンＰ
３，光切断線左エッジパタ−ンＰ４，光切断線右エッジ
パタ−ンＰ７，光切断線左ル−トパタ−ンＰ５，光切断
線右ル−トパタ−ンＰ６、あるいは、ア−ク像パタ−ン
Ｐ８を教示パタ−ンとすれば、上記方法で同様に、倣い
制御中の撮影画面上のそれぞれの位置を検出できる。

【００２９】開先とワイヤ又はア−クとの相対位置関係
を把握するためには、ワイヤ像パタ−ンＰ２およびア−
ク像パタ−ンＰ８の一方を第１領域（第１教示パタ−
ン）とし、左エッジパタ−ンＰ１，右エッジパタ−ンＰ
３，光切断線左エッジパタ−ンＰ４，光切断線右エッジ
パタ−ンＰ７，光切断線左ル−トパタ−ンＰ５および光
切断線右ル−トパタ−ンＰ６の少くとも１つを第２領域
（第２教示パタ−ン）として、倣い制御中の撮影画面上
の対応領域（第３領域および第４領域）を相関処理によ
り検出すると、第１／第２領域間相対位置と第３／第４
領域間相対位置に従って、開先に対するア−ク位置のず
れが分かる。第２領域（第２教示パタ−ン）を、左エッ
ジパタ−ンＰ１および右エッジパタ−ンＰ３，光切断線
左エッジパタ−ンＰ４および光切断線右エッジパタ−ン
Ｐ７、又は、光切断線左ル−トパタ−ンＰ５および光切
断線右ル−トパタ−ンＰ６とすると、すなわち略対称関
係となる２種類とすることにより、開先幅および開先幅
内のワイヤ又はア−ク位置が分かる。

【００３０】図５はＶ開先の説明であるが、Ｕ開先の場
合にはワイヤ像パタ−ンＰ２とア−ク像パタ−ンＰ８に
対し、左エッジパタ−ンＰ１，右エッジパタ−ンＰ３，
光切断線左エッジパタ−ンＰ４，光切断線右エッジパタ
−ンＰ７に類似したパタ−ンの位置検出ができる。レ型
開先の場合には、ワイヤ像パタ−ンＰ２とア−ク像パタ
−ンＰ８に対し左エッジパタ−ンＰ１，右エッジパタ−
ンＰ３，光切断線左ル−トパタ−ンＰ５，光切断線右ル
−トパタ−ンＰ６に類似したパタ−ンの位置と光切断線
左エッジパタ−ンＰ４，光切断線右エッジパタ−ンＰ７
のいずれか一方に類似したパタ−ンの位置が検出でき
る。すみ肉開先の場合には、ワイヤ像パタ−ンＰ２とア
−ク像パタ−ンＰ８に対し光切断線左ル−トパタ−ンＰ
５や光切断線右ル−トパタ−ンＰ６に類似した光切断線
の開先底部の位置が検出できる。このため、多様な開先
の、ワイヤ又はア−ク位置に対する開先位置が検出でき
る。なお、被写体の輝度変化に対応できないＴＶカメラ
では、図４に示すように高輝度のア−クや溶融プ−ルを
背景としたワイヤの撮影はＴＶカメラ１で、比較的輝度
の低い開先エッジや光切断線はＴＶカメラ２で撮影し、
ＴＶカメラ１，ＴＶカメラ２の絞りを別々に調整するこ
とにより良好に撮影できる。

【００３１】

【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２に、制御装置の構成を図１に示す。ＴＶカメラ
１，ＴＶカメラ２およびスリット光源３を納めたカメラ
箱３３と溶接ト−チ５を倣い軸３４に取り付け走行台車
３０に搭載した。なお、ＴＶカメラ２は、ア−ク７およ
び溶融プ−ルの光が実質上視野に入らない配置となって
いる。

【００３２】ＴＶカメラ１からのアナログ画像信号はＡ
／Ｄ変換器１４でデジタルデ−タ（画像デ−タ）に変換
し画像メモリー１３に記憶する。１画面は、横５１２画
素×縦４８０画素である。すなわちｓ＝５１２、ｔ＝４
８０である。ＴＶカメラ２からのアナログ画像信号はＡ
／Ｄ変換器１８でデジタルデ−タに変換し画像メモリー
１７に記憶する。この画面も横５１２画素×縦４８０画
素である。

【００３３】ＣＰＵおよび内部メモリを含むマイクロコ
ンピュータ１０は、その内部メモリーの教示パタ−ンに
対する倣い制御中のカメラ１，２の撮影画面の相関関数
を式１に従って算出して教示パタ−ン対応領域（第３領
域＆第４領域）を抽出し、抽出した領域間相対位置よ
り、開先に対するワイヤ又はア−クのＸ位置を算出し
て、それに応じた信号をサ−ボアンプ１１に指令し、倣
い軸３４の倣い軸モ−タ１２を制御した。また、倣い制
御開始前にＴＶカメラ１からのアナログ画像信号を分配
器２３を介してＶＴＲ２１に入力し、これをモニタＴＶ
２２に再生して基準画像を摘出し、基準画像（画面）上
に教示パタ−ン領域を指定して、教示パタ−ン領域の画
像デ−タをマイクロコンピュ−タ１０の内部メモリーに
書込んだ。更に、倣い制御中のＴＶカメラ１からのアナ
ログ画像信号を分配器２３を介してＶＴＲ２１に入力
し、倣い制御中の開先，ワイヤ，ア−ク等の撮影された
画像を記録した。

【００３４】図２に示す溶接鋼板３２は、図３に示すＶ
開先（長さＬ＝１０００ｍｍ、幅Ｗ＝４００ｍｍ、板厚
Ｔ＝１５ｍｍ、開先加工角度θ＝２０°、ル−トギャッ
プＧ＝６ｍｍ）で、レ−ル３１に対し溶接線を開先幅方
向に変化（走行１０００ｍｍに対し１０ｍｍ）させ設置
した。溶接は炭酸ガスシ−ルドア−ク溶接でおこなっ
た。また、ア−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。

【００３５】（１）実験１〜３ 倣い制御開始前に、あらかじめ溶接しながらＴＶカメ
ラ１のみで撮影し、画像メモリー１３に記憶し、図６の
（ａ）〜（ｈ）にしめすパタ−ンＰ１〜Ｐ８をマイクロ
コンピュ−タ１０内のメモリーに記憶した。 走行台車１０を走行させ溶接を開始した。 マイクロコンピュ−タ１０の指令に応じて撮影された
画像を画像メモリー１３に記憶した。 マイクロコンピュ−タ１０は画像メモリー１３からワ
イヤ像パタ−ンＰ２と同サイズの入力パタ−ンを位置を
変え順次取り出し、パタ−ンＰ２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以上の場合はワイヤ像位
置と判断しそのＸ座標位置ＸＰ２を記憶した。

【００３６】実験１では、左エッジパタ−ンＰ１と右
エッジパタ−ンＰ３について，と同様の処理を行
い、それぞれＸ座標位置ＸＰ１とＸＰ３を検出し、ＸＰ
２と（ＸＰ３＋ＸＰ１）／２を比較してワイヤ像位置が
開先の中央になる方向にサ−ボモ−タ２２に指令し倣い
軸を修正した。

【００３７】実験２では、光切断線左エッジパタ−ンＰ
４について，と同様の処理を行い、Ｘ座標位置ＸＰ
４を検出し、ＸＰ２とＸＰ４を比較してワイヤ像位置が
光切断線左エッジ位置に対し所定の位置になる方向にサ
−ボモ−タ２２へ指令し倣い軸を修正した。

【００３８】実験３では、光切断線左ル−トパタ−ンＰ
５と光切断線右ル−トパタ−ンＰ６について，と同
様の処理を行い、それぞれＸ座標位置ＸＰ５とＸＰ６を
検出し、ＸＰ２と（ＸＰ６＋ＸＰ５）／２を比較してワ
イヤ位置が開先の中央になる方向にサ−ボモ−タ２２へ
指令し倣い軸を修正した。

【００３９】（２）実験４〜６ 〜は実験１〜３と同様。，はワイヤ像パタ−ン
Ｐ２をア−ク像パタ−ンＰ８に変更し実施した。

【００４０】実験４では、右エッジパタ−ンＰ３につ
いて，と同様の処理を行い、Ｘ座標位置ＸＰ３を検
出し、ＸＰ８とＸＰ３を比較してア−ク位置が右エッジ
位置に対し所定の位置になる方向にサ−ボモ−タ２２へ
指令し倣い軸を修正した。

【００４１】実験５では、光切断線左エッジパタ−ンＰ
４と光切断線右エッジパタ−ンＰ７について，と同
様の処理を行い、それぞれＸ座標位置ＸＰ４とＸＰ７を
検出し、ＸＰ２と（ＸＰ４＋ＸＰ７）／２を比較してア
−ク位置が開先の中央になる方向にサ−ボモ−タ２２へ
指令し倣い軸を修正した。

【００４２】実験６では、光切断右ル−トパタ−ンＰ６
について，と同様の処理を行い、Ｘ座標位置ＸＰ６
を検出し、ＸＰ８とＸＰ６を比較してア−ク位置が光切
断線右ル−ト位置に対し所定の位置になる方向にサ−ボ
モ−タ２２へ指令し倣い軸を修正した。

【００４３】（３）実験７〜１２では、 あらかじめ溶接しながら、ＴＶカメラ１および２で撮
影し、画像メモリー１３と画像メモリー１７に記憶し、
図６の（ａ）〜（ｈ）にしめすパタ−ンをマイクロコン
ピュ−タ１０内のメモリーに記憶した。 走行台車３０を走行させ溶接を開始した。 マイクロコンピュ−タ１０の指令に応じて撮影された
画像を画像メモリー１３と画像メモリー１７に記憶し
た。 マイクロコンピュ−タ１０は画像メモリー１３からワ
イヤ像パタ−ンＰ２と同サイズの入力パタ−ンを位置を
変え順次取り出し、パタ−ンＰ２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以上の場合はワイヤ像位
置と判断しそのＸ座標位置ＸＰ２を記憶した。

【００４４】実験７では、左エッジパタ−ンＰ１につ
いて，と同様の処理を画像メモリー１７にて行い、
Ｘ座標位置ＸＰ１を検出し、ＸＰ２とＸＰ１を比較して
ワイヤ位置が左エッジ位置に対し所定の位置になる方向
にサ−ボモ−タ２２に指令し倣い軸を修正した。

【００４５】実験８では、光切断線左エッジパタ−ンＰ
４と光切断線右エッジパタ−ンＰ７について，と同
様の処理を画像メモリー１７の画像デ−タに対して行
い、それぞれＸ座標位置ＸＰ４とＸＰ７を検出し、ＸＰ
２と（ＸＰ７＋ＸＰ４）／２を比較してワイヤ位置が開
先の中央になる方向にサ−ボモ−タ２２へ指令し倣い軸
を修正した。

【００４６】実験９では、光切断線左ル−トパタ−ンＰ
５について，と同様の処理を画像メモリー１７の画
像デ−タに対して行い、Ｘ座標位置ＸＰ５を検出し、Ｘ
Ｐ２とＸＰ５を比較してワイヤ位置が光切断線左ル−ト
位置に対して所定の位置になる方向にサ−ボモ−タ２２
へ指令し倣い軸を修正した。

【００４７】（４）実験１０〜１２ 〜は実験７〜９と同様。，はワイヤ像パタ−ン
Ｐ２をア−ク像パタ−ンＰ８に変更し実施した。

【００４８】実験１０では、左エッジパタ−ンＰ１と
右エッジパタ−ンＰ３について，と同様の処理を画
像メモリー１３の画像デ−タに対して行い、それぞれＸ
座標位置ＸＰ１およびＸＰ３を検出し、ＸＰ２と（ＸＰ
３＋ＸＰ１）／２を比較してア−ク位置が開先の中央に
なる方向にサ−ボモ−タ２２へ指令し倣い軸を修正し
た。

【００４９】実験１１では、光切断線右エッジパタ−ン
Ｐ７について，と同様の処理を画像メモリー１７の
画像デ−タに対して行い、Ｘ座標位置ＸＰ７を検出し、
ＸＰ２とＸＰ７を比較してア−ク位置が光切断線右エッ
ジ位置に対し所定の位置になる方向にサ−ボモ−タ２２
へ指令し倣い軸を修正した。

【００５０】実験１２では、光切断線左ル−トパタ−ン
Ｐ５と光切断線右ル−トパタ−ンＰ６について，と
同様の処理を行い、それぞれＸ座標位置ＸＰ６とＸＰ６
を検出し、ＸＰ２と（ＸＰ６＋ＸＰ５）／２を比較して
ア−ク位置が開先の中央になる方向にサ−ボモ−タ２２
へ指令し倣い軸を修正した。

【００５１】なお、Ｘ座標は、図１の横方向、言い替え
れば開先幅方向であり、Ｘ座標の方向は、画面上でｘ方
向である。

【００５２】評価方法は、倣い制御中のＴＶカメラ１の
画像信号をＶＴＲ２１にて記録したビデオテ−プを、溶
接後にコマ送りで再生し、モニタＴＶ２２の画面にスケ
−ルを当て肉眼でワイヤ位置と開先位置を計測し実距離
に換算し、開先中央またはエッジやル−トの所定の位置
からワイヤやア−クが最大左右倣いズレが±１ｍｍ以内
を良好と評価した。

【００５３】実施結果を表１に示す。表１から実験１〜
１２まで、本発明方法は、良好な倣い制御が可能である
ことが確認された。

【００５４】

【表１】

【００５５】

【発明の効果】本発明方法は、溶接アーク光の明るさの
変動による影響が少ない基本的な特性があり、良好な倣
い制御ができるため、テレビカメラを利用した自動倣い
制御の信頼性が飛躍的に高くなり、溶接工程の自動化，
無人化に大きな貢献ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例に用いた制御装置の構成を示すブロッ
ク図である。

【図２】 実施例に用いた自動溶接装置の概要を示す斜
視図である。

【図３】 （ａ）は実施例に用いた溶接鋼板の平面図、
（ｂ）は側面図である。

【図４】 図２に示す自動溶接装置のＴＶカメラ１，ス
リット光源３および溶接ト−チ５の位置関係を示す斜視
図である。

【図５】 図４に示すＴＶカメラ１の撮影画面を示す平
面図である。

【図６】 （ａ）は図５に示す画面から摘出した左エッ
ジパタ−ンＰ１の拡大平面図、（ｂ）はワイヤ像パタ−
ンＰ２の拡大平面図、（ｃ）は右エッジパタ−ンＰ３の
拡大平面図、（ｄ）は光切断線左エッジパタ−ンＰ４の
拡大平面図、（ｅ）は光切断線左エッジパタ−ンＰ７の
拡大平面図、（ｆ）は光切断線左ル−トパタ−ンＰ５の
拡大平面図、（ｇ）は光切断線左ル−トパタ−ンＰ６の
拡大平面図、（ｈ）はア−ク像パタ−ンＰ８の拡大平面
図である。

【図７】 図１に示すマイクロコンピュ−タ１０の内部
メモリーに書込んでいる教示パターンと、ＴＶカメラ１
で撮影した画面上の入力パターンの、対応した各画素の
輝度分布を示すグラフである。

【図８】 （ａ）は図５の水平走査線Ｌ１上の輝度分布
を示すグラフ、（ｂ）は溶滴移行中に短絡しア−クが消
えた時の水平走査線Ｌ１上の輝度分布を示すグラフ、
（ｃ）はア−ク炎がワイヤを包み全体が明るいときの水
平走査線Ｌ１上の輝度分布を示すグラフである。

【符号の説明】

１：ＴＶカメラ ２：ＴＶカメラ ３：スリット光源 ４：開先 ５：溶接ト−チ ６：溶接ワイヤ ７：ア−ク ８：スリット光 １０：マイクロコンピュータ １１：サーボア
ンプ １２：倣い軸モータ １３：画像メモ
リー １４：Ａ／Ｄ変換器 １７：画像メモ
リー １８：Ａ／Ｄ変換器 ２１：ＶＴＲ ２２：モニタＴＶ ２３：分配器 ３０：走行台車 ３１：レール ３２：溶接鋼板 ３３：カメラ箱 ３４：倣い軸

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/127 508 B23K 9/095 510

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アーク溶接中の開先をテレビカメラにて撮
   影し、得た画像デ−タに基づいて開先に対する溶接ワイ
   ヤの位置を求めて、開先に対して溶接ワイヤが所定位置
   となるように、溶接ワイヤの位置を調整する開先倣い制
   御方法において、 撮影画面上の溶接ワイヤ相当像を含み該像よりは大きく
   撮影画面より小さいサイズの第１領域の画像デ−タ、お
   よび、撮影画面上において第１領域に対して所定の位置
   の、撮影画面上の開先相当像および開先に連なる鋼板表
   面相当像を含み撮影画面より小さいサイズの第２領域の
   画像デ−タ、をメモリに書込み、 その後、テレビカメラが順次に発生する撮影画面上の、
   前記メモリに書込んだ第１領域および第２領域の画像デ
   −タと相関が高い第３領域および第４領域を検索し、撮
   影画面上の第３領域と第４領域の位置に基づいて開先に
   対する溶接ワイヤの位置を求める、ことを特徴とする開
   先倣い制御方法。
2. 【請求項２】撮影画面上の溶接ワイヤ相当像を含み該像
   よりは大きく撮影画面より小さいサイズの第１領域の画
   像デ−タ、ならびに、撮影画面上において第１領域に対
   して所定の位置の、撮影画面上の開先相当像および開先
   に連なる鋼板表面相当像を含み撮影画面より小さいサイ
   ズの、溶接ワイヤ相当像を間に置いた第２−１領域およ
   び第２−２領域の画像デ−タ、をメモリに書込み、 その後、テレビカメラが順次に発生する撮影画面上の、
   前記メモリに書込んだ第１領域ならびに第２−１領域お
   よび第２−２領域の画像デ−タと相関が高い第３領域な
   らびに第４−１領域および第４−２領域を検索し、撮影
   画面上の第３領域と第４−１領域および第４−２領域と
   の位置に基づいて開先に対する溶接ワイヤの位置を求め
   る、 ことを特徴とする、請求項１記載の開先倣い制御方法。
3. 【請求項３】アーク溶接中の開先をテレビカメラにて撮
   影し、得た画像デ−タに基づいて開先に対する溶接ワイ
   ヤの位置を求めて、開先に対して溶接ワイヤが所定位置
   となるように、溶接ワイヤの位置を調整する開先倣い制
   御方法において、 開先にそれを幅方向に横切るスリット光を照射して撮影
   した撮影画面上の溶接ワイヤ相当像を含み該像よりは大
   きく撮影画面より小さいサイズの第１領域の画像デ−
   タ、および、撮影画面上において第１領域に対して所定
   の位置の、撮影画面上の開先相当像，開先に連なる鋼板
   表面相当像およびスリット光相当像を含み撮影画面より
   小さいサイズの第２領域の画像デ−タ、をメモリに書込
   み、 その後、テレビカメラが順次に発生する撮影画面上の、
   前記メモリに書込んだ第１領域および第２領域の画像デ
   −タと相関が高い第３領域および第４領域を検索し、撮
   影画面上の第３領域と第４領域の位置に基づいて開先に
   対する溶接ワイヤの位置を求める、ことを特徴とする開
   先倣い制御方法。
4. 【請求項４】撮影画面上の溶接ワイヤ相当像を含み該像
   よりは大きく撮影画面より小さいサイズの第１領域の画
   像デ−タ、ならびに、撮影画面上において第１領域に対
   して所定の位置の、撮影画面上の開先相当像，開先に連
   なる鋼板表面相当像およびスリット光像を含み撮影画面
   より小さいサイズの、溶接ワイヤ相当像を間に置いた第
   ２−１領域および第２−２領域の画像デ−タ、をメモリ
   に書込み、 その後、テレビカメラが順次に発生する撮影画面上の、
   前記メモリに書込んだ第１領域ならびに第２−１領域お
   よび第２−２領域の画像デ−タと相関が高い第３領域な
   らびに第４−１領域および第４−２領域を検索し、撮影
   画面上の第３領域と第４−１領域および第４−２領域と
   の位置に基づいて開先に対する溶接ワイヤの位置を求め
   る、ことを特徴とする、請求項３記載の開先倣い制御方
   法。
5. 【請求項５】アーク溶接中の開先をテレビカメラにて撮
   影し、得た画像デ−タに基づいて開先に対するア−クの
   位置を求めて、開先に対してア−クが所定位置となるよ
   うに、ア−クの位置を調整する開先倣い制御方法におい
   て、 撮影画面上のア−ク相当像を含み該像よりは大きく撮影
   画面より小さいサイズの第１領域の画像デ−タ、およ
   び、撮影画面上において第１領域に対して所定の位置
   の、撮影画面上の開先相当像および開先に連なる鋼板表
   面相当像を含み撮影画面より小さいサイズの第２領域の
   画像デ−タ、をメモリに書込み、 その後、テレビカメラが順次に発生する撮影画面上の、
   前記メモリに書込んだ第１領域および第２領域の画像デ
   −タと相関が高い第３領域および第４領域を検索し、撮
   影画面上の第３領域と第４領域の位置に基づいて開先に
   対するア−クの位置を求める、ことを特徴とする開先倣
   い制御方法。
6. 【請求項６】撮影画面上のア−ク相当像を含み該像より
   は大きく撮影画面より小さいサイズの第１領域の画像デ
   −タ、ならびに、撮影画面上において第１領域に対して
   所定の位置の、撮影画面上の開先相当像および開先に連
   なる鋼板表面相当像を含み撮影画面より小さいサイズ
   の、ア−ク相当像を間に置いた第２−１領域および第２
   −２領域の画像デ−タ、をメモリに書込み、 その後、テレビカメラが順次に発生する撮影画面上の、
   前記メモリに書込んだ第１領域ならびに第２−１領域お
   よび第２−２領域の画像デ−タと相関が高い第３領域な
   らびに第４−１領域および第４−２領域を検索し、撮影
   画面上の第３領域と第４−１領域および第４−２領域と
   の位置に基づいて開先に対するア−クの位置を求める、
   ことを特徴とする、請求項５記載の開先倣い制御方法。
7. 【請求項７】アーク溶接中の開先をテレビカメラにて撮
   影し、得た画像デ−タに基づいて開先に対するア−クの
   位置を求めて、開先に対してア−クが所定位置となるよ
   うに、ア−クの位置を調整する開先倣い制御方法におい
   て、 開先にそれを幅方向に横切るスリット光を照射して撮影
   した撮影画面上のア−ク相当像を含み該像よりは大きく
   撮影画面より小さいサイズの第１領域の画像デ−タ、お
   よび、撮影画面上において第１領域に対して所定の位置
   の、撮影画面上の開先相当像，開先に連なる鋼板表面相
   当像およびスリット光相当像を含み撮影画面より小さい
   サイズの第２領域の画像デ−タ、をメモリに書込み、 その後、テレビカメラが順次に発生する撮影画面上の、
   前記メモリに書込んだ第１領域および第２領域の画像デ
   −タと相関が高い第３領域および第４領域を検索し、撮
   影画面上の第３領域と第４領域の位置に基づいて開先に
   対するア−クの位置を求める、ことを特徴とする開先倣
   い制御方法。
8. 【請求項８】撮影画面上のア−ク相当像を含み該像より
   は大きく撮影画面より小さいサイズの第１領域の画像デ
   −タ、ならびに、撮影画面上において第１領域に対して
   所定の位置の、撮影画面上の開先相当像，開先に連なる
   鋼板表面相当像およびスリット光像を含み撮影画面より
   小さいサイズの、ア−ク相当像を間に置いた第２−１領
   域および第２−２領域の画像デ−タ、をメモリに書込
   み、 その後、テレビカメラが順次に発生する撮影画面上の、
   前記メモリに書込んだ第１領域ならびに第２−１領域お
   よび第２−２領域の画像デ−タと相関が高い第３領域な
   らびに第４−１領域および第４−２領域を検索し、撮影
   画面上の第３領域と第４−１領域および第４−２領域と
   の位置に基づいて開先に対するア−クの位置を求める、
   ことを特徴とする、請求項７記載の開先倣い制御方法。