JP3482615B2 - 溶接位置自動倣い制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は溶接位置自動倣い制
御装置に係り、特に、溶接開始前に非消耗電極先端位置
に対する開先位置のずれを検出し、この位置ずれ検出情
報に基づいて非消耗電極を所定位置に自動的に倣って溶
接する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の溶接装置自動倣い制御装
置では、特開平５−１３８３５４号公報、あるいは特開
平１０−６００６号公報に記載された例が知られてい
る。

【０００３】このうち、特開平５−１３８３５４号公報
には、ＩＴＶカメラより得られる溶接部内視覚情報、お
よびレーザスリット光にて投影された開先の光切断線よ
り得られる開先内形状を演算し、溶接トーチずれ量を求
め、溶接トーチ位置制御を行う方法が示されている。

【０００４】また、特開平１０−６００６号公報には、
溶接予定位置を照射するスリット光照射器と、その断面
プロフィールを測定する断面形状測定用カメラと、溶接
アークおよび溶着金属のプールを観測するアークカメラ
と、断面プロフィールとアーク画像を合成する画像合成
装置とを備えたアーク溶接監視方法が示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】被溶接部材の溶接長が
比較的短い場合、被溶接部材のセッテイング時に予めテ
ィーチングした溶接線に対して、溶接すべきラインがず
れた際でも、溶接部の開始点のみ、あるいは溶接開始点
と終了点、あるいは溶接中間点等における開先位置のず
れを検出し、これらの情報のうちのいずれかを使用して
ティーチングした溶接線を修正し溶接することによっ
て、品質のよい溶接ビードを得ることが可能である。

【０００６】このためには、溶接前に、非消耗電極と溶
接すべき位置とのずれを正確に計測し、この計測情報に
基づいて、非消耗電極を正しく倣わせて溶接を行わなく
てはならない。

【０００７】上記特開平５−１３８３５４号公報に示さ
れた例は、溶接進行方向前方の前溶接パスのビード、あ
るいは、溶接進行方向後方の溶接直後のビード表面を含
む開先に照射したスリット光からの反射像と、溶接トー
チ先端部の両方を撮像するＩＴＶカメラの画像から、開
先位置あるいは溶接ビード接点に対する溶接中のトーチ
位置ずれ等を求め、溶接トーチの狙い位置を制御する方
法である。

【０００８】また、上記特開平１０−６００６号公報に
示された例は、溶接部断面形状とアークモニタ画像を合
成することにより、溶接部周辺の立体形状情報を容易に
把握することができ、溶接部の状況に応じた溶接オペレ
ーションがリアルタイムに可能とする方法である。

【０００９】しかしながら、これらの例には、溶接中に
おけるトーチ位置ずれを求め、倣い制御する方法は示し
てはいるが、予め溶接開始前に開先位置ずれを計測し、
この情報に基づいて溶接ラインを確定して倣い制御する
方法は開示されていない。

【００１０】上記の問題を解決する手段として、溶接作
業者が、溶接トーチと開先のずれを目視や遠隔モニタカ
メラにより判断し、手作業で溶接トーチ位置を修正しな
がら溶接を行う方法が用いられるが、熟練を要し、精度
よく倣って溶接を行うことが困難であり、また、位置修
正のための時間を要するといった実用上の問題があっ
た。

【００１１】本発明の課題は、上記問題を有利に解決す
ることで、溶接開始前に被溶接部の開先に対して、非消
耗溶接電極の位置が所定位置となるように、自動的に倣
って溶接する制御装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、開先壁および非消耗電極が同一画面内に
撮像できるように、非消耗電極の斜め上方に二次元受光
手段を配置し、非消耗電極を中心にして、前記二次元受
光手段と反対側に、スリット状光線を照射する第１の投
光手段と、広がりのある光を照射する第２の投光手段と
を配置した。

【００１３】そして、二次元受光手段から得られる画像
を処理する画像処理装置と、画像処理装置で検出される
検出情報による非消耗電極の位置制御を行う電極位置制
御手段で構成し、例えば、予め計画しておいた溶接ライ
ンの開始点位置、あるいは終了点位置、あるいは中間点
位置のいずれかで、前記第１および第２の投光手段を照
射した際に得られる画像を用い、非消耗電極の映像から
非消耗電極先端位置を検出するとともに、スリット状光
線によるスリット画像から被溶接部開先位置を検出す
る。

【００１４】これにより、非消耗電極先端位置に対する
被溶接部開先位置のずれを計算し、この位置ずれ計算値
に基づいて溶接ラインを確定し、この溶接ラインに基づ
いて、非消耗電極を所定位置に倣って自動溶接すること
が可能となった。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して説明する。図１は、本発明の溶接位
置自動倣い制御装置の一実施形態を示す概略構成図であ
る。

【００１６】図１に示すように、本実施形態では、タン
グステン電極等の非消耗溶接電極（以下、電極と略す）
１により、被溶接部材２、３による隅肉継手の溶接ライ
ン４（以下、この溶接ライン近傍を開先と称す）に溶接
を実施する。また、スリット状光５ａを照射する光源５
（以下、第１の投光手段とも言う）と、例えばハロゲン
ランプ等の広がりのある光を照射する光源６（以下、第
２の投光手段ともいう）と、二次元受光手段７などを備
えている。

【００１７】二次元受光手段７は、干渉フィルタ８、お
よびＩＴＶ等の二次元受光カメラ９から成る。この二次
元受光手段７を、電極１に対して、第１および第２の光
源５、６と反対側に配置し、開先の斜めから電極像およ
び開先の画像を観測（撮像）するようにした。こうし
て、第１および第２の投光手段５、６、電極１、二次元
受光手段７は、図では、分かりやすいように個別に画い
てあるが、本実施形態では、一体的に配設されている。

【００１８】電極１を駆動制御する電極位置制御機構１
０は、電極１を先端部に取り付け、被溶接部材２および
３の上方で、溶接線方向：Ｘ、溶接線直交方向：Ｙ、お
よび上下方向：Ｚを自在に可動する溶接用ロボットなど
の機構を模式的に示したもので、例えば、６軸の動作自
由度を具備した多関節ロボット（図の丸印が関節部で、
矢印が可動方向を示す）の如き装置である。

【００１９】また、二次元受光カメラ９を制御する二次
元受光カメラ制御回路１１は、撮像した電極先端位置お
よび被溶接部開先位置を、アナログ映像（画像）信号と
して画像処理装置１２に出力する。

【００２０】画像処理装置１２は、つぎの部分（図示せ
ず）から成る。受光手段制御回路１１から出力されるア
ナログ画像信号をデジタル量にＡ／Ｄ変換して多値画像
データを入力する画像入力部、多値画像データを記憶す
る多値画像記憶部、多値画像記憶部に記憶された多値画
像データから画像中の暗い部分から明るい部分に変化す
るエッジ部または画像中の明るい部分から暗い部分に変
化するエッジ部で極大点または極小点を抽出する微分ま
たは平滑化微分処理部、極大点および極小点データから
境界位置を検出するとともに、その境界位置検出データ
から所定の電極先端位置、開先位置および電極先端位置
に対する開先位置ずれを検出する演算処理部、およびこ
れらを統括的に制御する主制御部等である。

【００２１】ＴＶモニタ１３は、受光手段制御装置１１
からの出力映像信号の表示や画像処理装置からの処理結
果を出力表示する。第１の投光手段５と第２の投光手段
６は、それぞれ駆動電源１４、１５を備えている。ま
た、電極１には溶接電源１７が接続されている。

【００２２】そして、電極位置制御装置１６は電極位置
制御機構９を駆動制御する。また、全体制御装置１８
は、画像処理装置１２、駆動電源１４、１５、電極位置
制御装置１６、および溶接電源１７を統括的に制御し、
パーソナルコンピュータ等で構成されている。

【００２３】全体制御装置１８は、溶接を行うための被
溶接部材に対する電極の倣い目標位置を予め記憶してお
く機能や、その電極の倣い目標位置と画像処理装置１２
から得られる開先位置ずれ情報から電極の溶接狙い位置
を決定するために、電極位置制御装置１６へ電極狙い位
置情報を出力する溶接線倣い制御機能を有する。さら
に、溶接電流、電圧、溶接速度等の溶接条件データ等が
記憶できるとともに、溶接開始前にこれらのデータの修
正ができる。

【００２４】図２は、被溶接部材２と３による開先４の
コーナに電極先端部１が一致している場合の図１の矢印
Ａ方向から見た電極周辺部の側面図である。図１と同一
の部品には同じ記号で示した。

【００２５】第１の投光手段５によるスリット光は、溶
接ラインとほぼ直行する角度（図１のα≒９０度）で電
極先端部１に照射されない手前のｐ_０点を照射する。第
２の投光手段６による光は、ほぼ電極先端部を向けて照
射する。

【００２６】図３は、溶接ライン４に電極先端部１が一
致し、開先位置ずれが発生していない場合での二次元受
光手段７で撮像した画像の模式図を示したものである。
この画像は、二次元受光手段７の前面の干渉フィルタ８
を取り外して得られものである。

【００２７】図３において、Ｌ_１は、被溶接部材３（下
板）からのスリット光によるスリット画像、Ｌ_２は、被
溶接部材２（縦板）からのスリット光によるスリット画
像、Ｄは電極像、第２の投光手段によるＫ_Vは被溶接部
材３からの散乱像、Ｋ_Hは第２の投光手段による被溶接
部材２からの散乱像、Ｇは被溶接部材２と被溶接部材３
の境界部に発生したギャップによる映像である。通常の
画像同様に、明るい（輝度が高い）部分を白っぽく、暗
い（輝度が低い）部分を黒っぽく表現している。

【００２８】本発明では、スリット画像（スリット光散
乱像ともいう）Ｌ_１とＬ_２の像が最も明るく、次に、Ｋ
_VとＫ_Hの像が明るくなるように、第１の投光手段と第２
の投光手段の照射光量を調整して各々を照射する。二次
元受光手段７は、電極１を中心に第２の投光手段６と反
対側に配置しているため、電極像は暗いシルエット像と
なって観測される。

【００２９】以上は、開先位置ずれが無い場合の模式図
である。図２において、被溶接部材２と３が一体となっ
て、Ｙ軸、およびＺ軸方向にΔＹ（図示せず）、および
ΔＺずれたときには（同図破線の位置）、スリット光の
照射ポイントはｐ_０からｐ_１点に変化する。この結果、
二次元受光手段７で観測されるスリット光散乱像Ｌ_１と
Ｌ_２ 画像が、画面上で変化する。

【００３０】図４は、開先位置ずれが発生した際に取得
される画像の模式図である。同図において、図３と同じ
画像には同一の記号で示した。スリット光散乱像Ｌ_１と
Ｌ_２画像が、画面上で変化するが、電極１と二次元受光
手段７の相対位置関係に変化がないので、電極像Ｄは、
図２とほぼ同様となる。

【００３１】本発明は、予め、図３で示される画像か
ら、電極先端位置とスリット光の交点位置に基づいて、
両者の相対位置関係（後述するオフセット量）を求めて
おく。次に、実際に被溶接部材をセッテングして溶接を
施工する前に、図４に示される画像から、電極先端位置
とスリット光の交点位置から両者の相対位置ずれを求
め、前もって求めておいたオフセット量を考慮し、電極
先端位置に対する開先位置のずれを計算する。

【００３２】図５は、図３と図４の画像から、電極先端
位置に対する開先の位置ずれ量を求める方法を画面上で
示したものである。Ｗ_０（Ｉ_ｗ０ ，Ｊ_ｗ０ ）は、図３
の溶接ライン４に電極先端部１が一致し、開先位置ずれ
が発生していない場合でのスリット光散乱像Ｌ_１とＬ_２
の画面上での交点座標である（基準開先位置と称す）。
Ｄ_０（Ｉ_Ｄ０ ，J_Ｄ０）も同様に開先位置ずれが発生し
ていない場合での電極先端位置である。ここで、オフセ
ット量ΔＩ_０、ΔＪ_０の値を次式で定義する。

【００３３】 ΔＩ_０＝ Ｉ_Ｗ０ − Ｉ_Ｄ０ ………………………（１）

【００３４】 ΔＪ_０＝ Ｊ_Ｗ０ − J_Ｄ０ ………………………（２）

【００３５】図５のＷ_１（Ｉ_ｗ１ ，Ｊ_ｗ１）、および
Ｄ_１（Ｉ_Ｄ１ ，Ｉ_Ｄ１）は、図４の開先位置ずれが発
生しているときにおける、スリット光散乱像Ｌ_１とＬ_２
の画面上での交点座標、および電極先端位置である。両
者から、電極先端位置に対する開先位置ずれ量：Δ
Ｉ_１、ΔＪ_１を次式より求める。

【００３６】 ΔＩ_１＝ Ｉ_ｗ１ − Ｉ_Ｄ１ ………………………（３）

【００３７】 ΔＪ_１＝ Ｊ_ｗ１ − Ｉ_Ｄ１ ………………………（４）

【００３８】さらに、オフセット量を考慮して、次式に
より、最終開先位置ずれ量：ΔＩ_ｆ、ΔＪ_ｆを求める。

【００３９】 ΔＩ_ｆ＝ ΔＩ_１ − ΔＩ_０ ………………………（５）

【００４０】 ΔＪ_ｆ＝ ΔＪ_１ − ΔＪ_１ ………………………（６）

【００４１】以上説明した本発明の開先位置ずれを求め
るための電極先端位置、およびスリット光散乱像Ｌ_１と
Ｌ_２の画面上での交点座標を、画像処理により検出する
方法を以下に示す。

【００４２】図６は、電極先端部を拡大した模式図であ
る。電極先端部の画面垂直方向任意のＪｓラインにおい
て、電極先端両側の境界位置Ｐ1、およびＰ2のＩ座標
（Ｉ1）、および（Ｉ2）を画像処理により検出する。

【００４３】図７は、Ｊｓライン上での各画素の輝度を
模式的に示したものである。第２の投光手段の照射によ
り、Ｉ1からＩ2の範囲にある電極画像部の輝度が低く、
背景部分（Ｉ＜Ｉ1、Ｉ2＜Ｉの領域）の輝度が高い。

【００４４】図８は、図６のＪｓラインでの輝度のデー
タを微分処理して得られるデータ例を示したものであ
る。原画像は、輝度の二次元配列であり、これをｆ（Ｉ
ｉ、Ｊｉ）と表わすものとする。ｆ（Ｉｉ、Ｊｉ）は画
像ｆの（Ｉｉ、Ｊｉ）なる画素を表わすとともに、その
点の輝度を表現する。微分処理後の画像をｇ（Ｉｉ、Ｊ
ｉ）と表わすと、次式となる。

【００４５】 ｇ（Ｉｉ、Ｊｉ）＝ ｆ（Ｉｉ、Ｊｉ）−ｆ（Ｉｉ−１、Ｊｉ） ………………………（７）

【００４６】図８に示したように、微分処理後の画像で
は、輝度が高い点から低い点に変化する電極の左側の境
界部分（Ｉ1）では極大値、輝度が低い点から高い点に
変化する電極の右側の境界部分（Ｉ2）では極小値とな
る。この極大値、極小値を検出してやることにより、Ｊ
ｓラインにおける電極の左右境界位置Ｐ1、およびＰ2を
見つけることが可能となる。

【００４７】これと同様の方法で、Ｊｅラインにおける
電極の左右境界位置Ｐ3、およびＰ4を見つけることが可
能となる。さらに、Ｐ1、Ｐ3を結ぶ直線と、Ｐ2、Ｐ4を
結ぶ直線の各々の交点を計算することによって、電極先
端位置を求めることが可能となる。

【００４８】電極像の背景部分の明るさは、表面の凹凸
等の影響により、局部的に変化する場合がある。このよ
うな場合には、例えば、次式に示した平滑化処理と微分
処理を兼ね備えた方法（以下、この方法を平滑化微分処
理と略す）でエッジを抽出するようにしてもよい。

【００４９】 ｇ（Ｉｉ、Ｊｉ）＝ ｆ（Ｉｉ＋１、Ｊｉ）＋ ｆ（Ｉｉ、Ｊｉ） − ｆ（Ｉｉ−１、Ｊｉ）− ｆ（Ｉｉ−２、Ｊｉ） ………………………（８）

【００５０】以上、電極先端位置を検出する方法を示し
たが、スリット光散乱像Ｌ_１とＬ_２の画面上の交点座標
位置を検出する場合も同様である。スリット光散乱像を
上述と同様に水平方向に微分処理を行うと、輝度が低い
点から高い点に変化するスリット光散乱像の左側境界部
分では極小値となり、輝度が高い点から低い点に変化す
るスリット光散乱像の右側の境界部分では極大値とな
る。

【００５１】この極大値、極小値を検出してやることに
より、スリット光散乱像位置を見つけることが可能とな
る。この方法で直線となるスリット光散乱像Ｌ_１の任意
の２ポイント（Ｐ_Ｌ１Ｓ、Ｐ_Ｌ１Ｅ）と、スリット光散
乱像Ｌ_２の任意の２ポイント（（Ｐ_Ｌ２Ｓ、
Ｐ_Ｌ２Ｅ））を求める。さらに、Ｐ_Ｌ１ＳとＰ_Ｌ１Ｅを
結ぶ直線と、Ｐ_Ｌ２ＳとＰ_Ｌ２Ｅを結ぶ直線との各々の
交点を計算することによって、開先位置を求めることが
可能となる。

【００５２】本発明における画像処理装置１２を使用し
た処理手順は、予め図３で示される画像から、電極先端
位置とスリット光の交点位置とから、両者の相対位置関
係（オフセット量）を求めて、その情報を記憶しておく
処理手順１と、実際の溶接作業において、被溶接部材を
セッテングして溶接する前に、図４に示される画像か
ら、電極先端位置とスリット光の交点位置とから、両者
の相対位置ずれを求める処理手順２に大別される。

【００５３】図９は、処理手順１のフローチャートを示
したものである。以下、図９のフローチャートを用い処
理手順１を説明する。ステップＳ１で画像（図３参照）
を入力した後、まず、ステップＳ２で閾値処理によりス
リット光散乱像並びに背景像を消す。

【００５４】画像の輝度は、スリット光散乱像、背景
像、電極像の順に低い。したがって、背景像の明るさよ
り低く、且つ、電極像より高い輝度レベルで二値化する
ことにより、電極像が黒（二値レベル＝０）、電極を除
く周辺像が白（二値レベル＝１）となる。この処理で得
られた画像を二値画像Ａとする。

【００５５】ステップＳ３では、後述する境界幅の減少
カウンタの初期値を、０にクリアする。ステップＳ４で
は、図６に示した微分処理を行うための水平ライン：Ｊ
ｓを決める。処理の最初は画面垂直方向一番上のライ
ン、すなわちＪｓ＝１とする。それ以降は、画面垂直方
向下側へ順次、あるいは複数画素間隔に水平ラインを移
動させて決める。

【００５６】ステップＳ５では、ステップ４で決定した
水平ラインの微分処理を実行する。ステップＳ６では、
図８に示される電極左側境界部で生じる極大点Ｐ１と、
電極右側境界部で生じる極小点Ｐ２とのペアの各座標、
並びに、その（電極）幅を検出し、その値を記憶する。

【００５７】ステップＳ７では、検出された電極幅と直
前に検出された電極幅とを比較し、減少しているか否か
を判定する。最初の検出時あるいは直前の電極幅より減
少していないと判断された際には、カウンタを０クリア
してステップＳ４に戻り、上述の処理を繰り返す。

【００５８】ステップＳ８では、ステップＳ７で検出さ
れた電極幅が、直前に検出された電極幅より減少してい
ると判断されたときに実行される。ここでは、電極幅の
減少を示すカウンタを１だけインクリメントする。

【００５９】ステップＳ９では、電極幅の減少を示すカ
ウンタが２か否かを判定し、２でない、すなわちカウン
タが１以下のときには、ステップＳ４に戻り、上述処理
を繰り返す。逆にカウンタが２、すなわち検出される電
極幅が２回連続して減少したときには、電極の尖った部
分での境界検出を実行したと見なし、次の処理ステップ
１０を実行する。

【００６０】ステップ１０では、直前に検出した際の水
平ライン情報を使用し、図６に示す如く、Ｊｓラインよ
り一定距離下方の電極先端寄りの微分処理を行うため
の、水平ライン：Ｊｓを決める。

【００６１】ステップＳ１１では、ステップ１０で決定
された水平ラインの微分処理を実行する。ステップＳ１
２では、電極左側境界部で生じる極大点Ｐ３と、電極右
側境界部で生じる極小点Ｐ４とのペアの各座標を検出
し、その値を記憶する。ステップＳ１３では、Ｐ１、Ｐ
３を結ぶ直線と、Ｐ２、Ｐ４を結ぶ直線との各々の交点
を計算することによって、電極先端位置座標を求め、そ
の値を記憶する。

【００６２】ステップＳ１４では、閾値処理により電極
像並びに背景像を消す。画像の輝度は、前述したよう
に、スリット散乱像、背景像、電極像の順に低い。した
がって、背景像の明るさより高く、且つスリット散乱像
より低い輝度レベルで二値化することにより、背景像が
黒（二値レベル＝０）、スリット散乱像が白（二値レベ
ル＝１）となる。この処理で得られた画像を二値画像Ｂ
とする。図１０はこの処理で得られた二値画像を示した
ものである。

【００６３】ステップＳ１５では、図１０に示す如く、
予め決定して水平ラインＪ_１での微分処理を実行する。
図１１に微分処理によって得られるデータを模式的に示
す。輝度が低い点から高い点に変化するスリット光散乱
像の左側境界部分では、極小値となり、輝度が高い点か
ら低い点に変化するスリット光散乱像の右側の境界部分
では極大値となる。この極小と極大のペアが、スリット
光散乱像Ｌ_１およびＬ _２の両方で発生する。

【００６４】ステップＳ１６では、スリット光散乱像Ｌ
_１およびＬ_２で生じる極小極大のペアを検出し、各極小
極大ペアの水平方向中心部（図１０の十字印）の座標Ｐ
_ｗ１（Ｉ_ｗ１，Ｊ_ｗ１）、Ｐ_ｗ２（Ｉ_ｗ２，Ｊ_ｗ２）を
検出し、その値を記憶する。ステップＳ１７では、図１
０に示す如く、予め決定しておいた水平ラインＪ_２での
微分処理を実行する。

【００６５】ステップＳ１８では、ステップ１６と同様
に、水平ラインＪ_２ 上のスリット光散乱像Ｌ_１ および
Ｌ_２ で生じる極小極大のペアを検出し、各極小極大ペ
アの水平方向中心部の座標Ｐ_ｗ３（Ｉ_ｗ３，Ｊ_ｗ３）、
Ｐ_ｗ４（Ｉ_ｗ４，Ｊ_ｗ４）を検出し、その値を記憶す
る。ステップＳ１９では、Ｐ_ｗ１ 、Ｐ_ｗ３ を結ぶ直線
と、Ｐ_ｗ２ 、Ｐ_ｗ４ を結ぶ直線との各々の交点を計算
することにより、基準開先位置座標を求め、その値を記
憶する。

【００６６】以上は、予め電極先端位置とスリット光の
交点位置とから両者の相対位置関係を求めて、その情報
を記憶しておく処理手順１のフローチャートの説明であ
る。処理手順２は、実際の溶接作業において、被溶接部
材をセッテングして溶接する前に、電極先端位置とスリ
ット光の交点位置とから両者の相対位置ずれを求めるも
のである。

【００６７】処理手順２で処理する図４の画像は、処理
手順１で処理する図２の画像に対して、スリット光散乱
画像の形状と位置とが異なるだけである。処理手順２
は、上述の処理手順１とほぼ同様であるので省略する。

【００６８】以上は、電極幅方向の微分処理による両側
境界位置検出データを用い、計算により電極中心位置を
求める方法である。観測される電極の形状（面積等）が
予めわかっているときは、セグメンテーションとラベリ
ングによる処理による電極部を検出することができる。

【００６９】この場合は、電極部を検出できれば、その
電極の最下部すなわち先端位置を検出することが可能で
あり、この方法を用いて電極先端位置を検出するように
してもよい。また、予め画面上の電極部画像を教師デー
タとして記憶しておいて、この情報を使用したパターン
マッチング処理により、電極およびその先端位置を検出
するようにしてもよい。

【００７０】つぎに、本発明が適用される溶接位置自動
倣い制御方法について示す。図１２は、被溶接部材２と
３による隅肉継手を断続溶接によって接合する例であ
る。同図のＢ1、Ｂ2、およびＢ3は、所望とする溶接に
よる接合部である。溶接を施工する前のセッテングで、
同図の破線で示す如く継手がずれた場合の溶接位置の自
動倣い方法を以下に示す。

【００７１】本発明では、開先位置ずれを検出するため
にＢ1、Ｂ2、およびＢ3の各溶接部でのセンシングポイ
ント、並びに溶接ラインを電極位置制御装置予め教示し
ておき、このセンシングポイントに電極１の先端位置を
プレーバックにより誘導し、開先位置ずれの検出を実行
する。

【００７２】センシングポイントは、例えばビードＢ1
において同図の開始点Ｐs1である。前述したように、電
極１には、第１の投光手段５、第２の投光手段６、およ
び二次元受光手段７が一体的に配設されている。前述の
位置ずれ方法によって電極先端位置に対する開先位置ず
れを検出し、この情報で予め教示しておいた溶接ライン
を平行シフトにより補正し、溶接を実行することによっ
て、位置ずれが発生している場合でも品質のよい溶接が
可能となる。

【００７３】以上では、開始点Ｐs1をセンシングポイン
トとしたが、溶接中間点Ｐc1、あるいは終了点Ｐe1とし
てもよい。さらに、開始点Ｐs1と終了点Ｐe1の二点をセ
ンシングポイントとして、各々で電極先端位置に対する
開先位置ずれを検出し、始終端の位置ずれ情報で予め教
示しておいた溶接ラインを回転シフトにより補正し、溶
接を実行するようにしてもよい。他のＢ2、およびＢ3で
の位置ずれ検出と溶接ラインの補正と溶接も同様であ
る。

【００７４】また、Ｂ2、およびＢ3での位置ずれ検出時
には、直前の開先位置ずれ情報、例えば、Ｂ2のときは
Ｂ1溶接時の位置ずれ情報で、センシングポイントを修
正して実行するようにしてもよい。

【００７５】図１３は、本発明による溶接電極の溶接線
に直交方向（Ｙ、Ｚ方向）の倣い制御を目的とした電極
位置制御方法の一実施形態を示すブロック線図である。
本ブロック線図による動作では、予め決められた電極位
置移動指令値に対して、実際の開先位置ずれ量を検出
し、電極位置指令値と実際の開先位置ずれ量とに基づい
て、電極位置制御機構による電極位置倣い制御をする。

【００７６】図１３において、例えば隅肉溶接を行うた
めの電極位置の移動指令値２０は、オペレータ１９の入
力操作により、溶接開始前に断続溶接パスごとに決めら
れる電極の狙い位置である。隅肉溶接では、開先のコー
ナ部より若干離れた位置を狙って溶接を行う場合があ
る。移動指令値２０は、この際の電極狙い位置に相当す
る。また、比較器２１、前述した開先位置ずれを検出す
る画像処理装置１２などを備える。

【００７７】図示したように、移動指令値２０は、比較
器２１に入力する。一方、画像処理装置１２により検出
された電極位置ずれ検出値を比較器２１に入力する。比
較器２１では、移動指令値２０と検出された開先位置ず
れ検出値との差（移動差）を演算し、その結果を電極位
置制御装置部１６に出力する。電極位置制御装置部１６
では、移動差に対応した分だけ電極位置制御機構の移動
修正を行う。

【００７８】以上の電極倣い制御動作において、全体制
御装置１８は動作全体を管理する主局となり、画像処理
装置１２、電極位置制御装置１６、および溶接電源１７
などは従局の関係にある。すなわち、従局の画像処理装
置１２、電極位置制御装置１６、および溶接電源１７
は、主局である全体制御装置１８の指令によって所定の
動作を実行する。

【００７９】なお、図１に示した本発明の溶接位置自動
倣い制御装置は、電極位置制御装置１６を含む他の装置
を統括的に制御する全体制御装置１８で構成している
が、電極位置制御装置１６と統括全体制御装置１８とを
一体とする構成にしてもよい。

【００８０】以上、隅肉開先の初層溶接を対象とした本
発明の実施形態を述べたが、突き合わせ継手や、Ｕ、Ｖ
継手での溶接での倣い溶接制御においても、電極先端位
置に対する開先位置情報を用いた倣い制御の適用が可能
である。

【００８１】また、初層溶接を対象とした本発明の実施
形態を述べたが、スリット光散乱像を処理する方法は、
開先と溶接ビード、および溶接ビード同士の境界位置も
検出可能であることから、多層盛溶接での２パス以降に
おいても、電極先端位置に対するビード境界位置ずれ情
報を用いた倣い制御の適用が可能である。

【００８２】電極位置制御機構１０は、図１に示した多
関節溶接ロボットに限定することなく、例えば溶接線方
向（Ｘ）の走行軸を有する溶接ロボット、走行軸を持た
ずに平面上を自立して走行する自走式溶接ロボット、直
行軸を有する溶接ロボット、または、配管の外周に設け
た走行軸上を走行するロボットなどでも適用可能であ
る。

【００８３】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明の溶接位置
自動倣い制御装置によれば、電極先端位置に対する開先
位置ずれ情報を用いて電極の位置倣い制御を行っている
ことから、開先の組立誤差が生じている場合でも、安定
で且つ品質のよい溶接施工が可能である。

【００８４】また、本発明の溶接位置自動倣い制御装置
は、溶接中の強いアーク光を受ける溶接開始前に位置ず
れを検出していることから、高精度な検出と倣い溶接が
実現できる。

【００８５】そして、本溶接位置自動倣い制御装置によ
り、作業者の技量に依存されずに品質のよい溶接ビード
を得ることができる。さらに、溶接位置検出装置と電極
制御機構とを用いて自動的に倣い溶接作業ができるの
で、無人溶接が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶接位置自動倣い装置の一実施形態を
示す概略構成図である。

【図２】本発明における電極周辺部の側面図である。

【図３】本発明の開先位置ずれがない場合での取得画像
の模式図である。

【図４】本発明の開先位置ずれがない場合での取得画像
の模式図である。

【図５】本発明の電極先端位置に対する開先位置ずれを
求める方法を示す図である。

【図６】本発明における電極先端部の画像を拡大した模
式図である。

【図７】本発明における特定ライン上での各画素の輝度
を示した図である。

【図８】本発明における特定ラインでの微分処理して得
られるデータの一例を示す図である。

【図９】本発明における処理手順１のフローチャートを
示す図である。

【図１０】本発明の二値画像処理で得られる二値画像を
示す図である。

【図１１】本発明の微分処理によって得られるデータの
模式図である。

【図１２】本発明における隅肉継手を、断続溶接によっ
て接合する例を示す図である。

【図１３】本発明における電極位置制御方法の一実施形
態を示すブロック線図である。

【符号の説明】

１ 電極 ２、３被溶接部材 ４ 溶接ライン ５ 第１の投光手段 ６ 第２の投光手段 ７ 二次元受光手段 ８ 干渉フィルタ ９ 二次元受光カメラ １０ 電極位置制御機構（ロボット） １１ 二次元受光カメラ制御回路 １２ 画像処理装置 １３ ＴＶモニタ １４ 第１の投光手段の駆動電源 １５ 第２の投光手段の駆動電源 １６ 電極位置制御装置 １７ 溶接電源 １８ 全体制御装置 ２１ 比較器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斎藤 敏男 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式 会社 日立製作所 原子力事業部内 (56)参考文献 特開 平７−71931（ＪＰ，Ａ) 特開 昭51−69452（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 9/127 B23K 9/12

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被溶接部の開先位置および非消耗電極の
   先端位置に光を照射する第１および第２の投光手段と、
   前記非消耗電極を挟んで前記第１および第２の投光手段
   と反対側に配置され、前記被溶接部開先位置および非消
   耗電極先端位置を撮像する二次元受光手段と、前記二次
   元受光手段から得られる画像に基づいて、前記被溶接部
   を溶接する非消耗電極の位置制御を行う電極位置制御手
   段とから構成され、前記第１の投光手段はスリット状の
   光を照射する光源からなり、前記第２の投光手段は広が
   りのある光を照射する光源からなる溶接位置自動倣い制
   御装置。
2. 【請求項２】 前記非消耗電極先端位置は、前記第１お
   よび第２の投光手段の光を照射して得られる画像から検
   出し、前記被溶接部開先位置は、前記第１の投光手段に
   よるスリット画像から検出する請求項１に記載の溶接位
   置自動倣い制御装置。
3. 【請求項３】 前記電極位置制御手段は、前記二次元受
   光手段から検出された画像に基づいて、非消耗電極先端
   位置に対する被溶接部開先位置のずれを計算し、前記位
   置ずれ計算値により確定させた溶接ラインに基づいて、
   前記非消耗電極を所定位置に倣って溶接するように制御
   する請求項１に記載の溶接位置自動倣い制御装置。
4. 【請求項４】 被溶接部の開先位置および非消耗電極の
   先端位置が、同一画面内に撮像できるように、前記非消
   耗電極の斜め上方に配置した二次元受光手段と、前記非
   消耗電極を挟んで前記二次元受光手段に対して反対側に
   配置したスリット状光線を照射する第１の投光手段、お
   よび、広がりのある光を照射する第２の投光手段と、前
   記二次元受光手段から得られる画像を処理する画像処理
   手段と、前記画像処理手段で検出される情報により、前
   記非消耗電極の位置制御を行う電極位置制御手段とから
   構成され、前記第１の投光手段と第２の投光手段を照射
   して得られた画像から検出される非消耗電極先端位置の
   検出値、および、前記スリット状光線によるスリット画
   像から検出される被溶接部開先位置の検出値に基づい
   て、前記電極位置制御手段によって、前記非消耗電極先
   端位置に対する被溶接部開先位置のずれを計算し、前記
   位置ずれ計算値により確定させた溶接ラインに基づい
   て、前記非消耗電極を所定位置に倣って溶接するように
   成した溶接位置自動倣い制御装置。
5. 【請求項５】 前記スリット状光線によるスリット画像
   から前記被溶接部の開先位置を検出し、予め検出し記憶
   しておいた非消耗電極先端の基準位置に対する前記開先
   位置のずれを計算し、前記位置ずれ計算値により溶接ラ
   インを確定する請求項１または４に記載の溶接位置自動
   倣い制御装置。
6. 【請求項６】 前記非消耗電極先端位置に対する被溶接
   部開先位置のずれを、予め計画した溶接ラインの開始点
   位置および終了点位置で計算し、この始終端位置ずれ計
   算値により溶接ラインを確定する請求項１または４に記
   載の溶接位置自動倣い制御装置。
7. 【請求項７】 前記非消耗電極先端位置に対する被溶接
   部開先位置のずれを、予め計画した溶接ラインの開始点
   位置、終了点位置、あるいは中間点位置のうちのいずれ
   かで計算し、前記位置ずれ計算値により溶接ラインを確
   定する請求項１または４に記載の溶接位置自動倣い制御
   装置。
8. 【請求項８】 前記非消耗電極先端位置と被溶接部開先
   位置との位置ずれを検出するための位置ずれ検出ポイン
   トとして、直前の溶接パスでの位置ずれ計算値を基に修
   正し誘導した位置ずれ検出ポイントを採用し、この位置
   ずれ検出ポイントで非消耗電極先端位置および被溶接部
   開先位置を検出して、前記非消耗電極先端位置に対する
   被溶接部開先位置のずれを計算し、この位置ずれ計算値
   により溶接ラインを確定する請求項１または４に記載の
   溶接位置自動倣い制御装置。