JP4267789B2

JP4267789B2 - 溶接ビード形状の検出方法および装置

Info

Publication number: JP4267789B2
Application number: JP2000017917A
Authority: JP
Inventors: 光山本; 悠敬高野
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Priority date: 2000-01-24
Filing date: 2000-01-24
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2020-01-24
Also published as: JP2001208523A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接ビードの外観形状を検出する溶接ビード形状検出方法および装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
橋梁、建設機械の構造物など大型の溶接構造物の溶接部分の検査を行う場合、目視により溶接ビード脚長、のど厚、ビード幅、溶接ビード表面のアンダーカット、ピット（気孔）の有無、大きさなど溶接品質に影響する項目について外観の検査を行っている。
このような溶接ビードの外観形状を自動的に検出し溶接品質を検査するものとして、たとえば、特開平５−７１９３２号公報や特開平１０−８９９２３号公報に開示された方法、装置が提案されている。
【０００３】
これらの方法、装置では、溶接部に溶接ビードを横切るようにスリット状の光を照射し、その反射光をテレビカメラで撮像し、その画像を処理することにより溶接ビードの外観形状を検出するようになっている。
【０００４】
これらの方法、装置によれば、人手を介することなく溶接部の外観検査を自動的に行うことができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の方法および装置においては、検出部分に照射されたスリット光の反射光を撮像し、その画像を処理して溶接ビードの形状を検出する方式であるため、専用の照明手段とテレビカメラを必要とするだけでなく、それらを被溶接物と相対移動させる構造が必要になる。さらに、画像処理を高速化するためには画像処理専用のデータ処理装置が必要となり、装置が複雑化し、大型化するだけでなく、高価なものになってしまう。
【０００６】
前記の事情に鑑み、本発明の目的は、簡単な構成で安価な装置により、確実に検出することができる溶接ビード形状の検出方法および装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するため、本出願の請求項１に記載の発明は、照射したスポット状の光を溶接線と略直角な方向に溶接ビードを横切るように走査させ、走査方向に所定の間隔で溶接母材および溶接ビードからの反射光を受光して、溶接母材および溶接ビードの表面と反射光の受光位置との間の距離情報を取得し、この距離情報から溶接母材と溶接ビードの境界位置を検出し、この境界位置を基準として溶接ビードの外観形状を検出するようにした。
【０００８】
また、請求項２に記載の発明は、照射したスポット状の光を溶接線と略直角な方向に溶接ビードを横切るように走査させ、走査方向に所定の間隔で溶接母材および溶接ビードからの反射光を受光して、溶接母材および溶接ビードの表面と反射光の受光位置との間の距離情報をデータとして取得し、各測定位置で取得した各々のデータの欠落部分を検出し、欠落部分の大きさと予め設定された判定基準値を比較してノイズとなる欠落部分を抽出し、その欠落部分の両端を直線補間してデータを補正するとともに、補正されない欠落部分をピットとしてその数を検出し、前記補正されたデータから溶接母材の近似直線を検出し、この近似直線から所定の距離離れた直線と溶接ビードに対応するデータとの交点を求め、この交点から溶接ビードに対応するデータを前記近似直線に近付く方向に探索して、溶接母材と溶接ビードの境界位置を検出し、この境界位置を基準として溶接ビードの外観形状を検出するようにした。
【０００９】
また、請求項３に記載の発明は、溶接部にスポット状の光を照射する投光手段と溶接部からの反射光を受光する受光手段とを有し、溶接部と受光位置との間の距離情報を出力するセンサと、このセンサを、溶接線に沿って所定の間隔で間欠移動させ、かつその各停止位置で溶接線を略直角方向に横切るように移動させる駆動手段と、前記センサの位置に同期して前記センサを制御し、センサの出力をデータとして取り込むセンサ制御装置と、センサ制御装置で取り込まれたデータに基づいて、溶接母材と溶接ビードの境界位置を検出するとともに、この境界位置を基準として溶接ビードの外観形状を検出するデータ処理手段とを設けた。
【００１０】
さらに、請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記センサをレーザ変位計で構成した。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１ないし図５は本発明の実施の形態を示すもので、図１は、溶接ビード形状検出装置を備えた自動溶接装置の構成図、図２は、被溶接物を構成する溶接継ぎ手の一例を示すすみ肉溶接継ぎ手の断面図、図３は、溶接ビードの検出手順を示すフローチャート、図４は、溶接部の拡大図、図５は、溶接ビードに発生するノイズの例を示す断面図、図６は、ノイズ除去手順を示すフローチャート、図７は、溶接ビードの止端位置の算出方法を示す特性図、図８は、溶接ビードの止端角を算出する方法を示す特性図である。
【００１２】
図１において、１は多関節型の溶接ロボット。２は溶接トーチで、溶接ロボット１の自由端に支持されている。３はセンサで、たとえば、市販されている安価なレーザ変位計で構成され、溶接トーチ２と所定の間隔で溶接ロボット１の自由端に支持されている。
【００１３】
４は制御装置で、溶接ロボット１の動作を制御し、溶接トーチ２およびセンサ３を予め教示された経路に沿って移動させるとともに、必要な信号を発信する。５は溶接電源で、溶接トーチ２と被溶接物との間に、制御装置４からの指令に対応する溶接電力を印加する。
【００１４】
６はセンサ制御装置で、制御装置４からの指令に基づいてセンサ３のオン、オフ制御を行うとともに、センサ３の出力の中継を行う。７はデータ処理装置で、制御装置４からの位置信号とセンサ制御装置６で中継されたセンサ３の出力に基づいて溶接部の外形形状を検出するとともに、検出した外形形状から外観検査項目に対応するデータを算出する。
【００１５】
８はデータ保管装置で、データ処理装置７で算出された溶接部の外形形状を記憶する。また、このデータ保管装置８には、溶接部の外観検査項目とその判定基準のテーブルが格納されている。９はデータ表示装置で、データ処理装置７で算出された外観検査項目に対応するデータとデータ保管装置８に予め記憶された判定基準とを比較した結果を表示する。
【００１６】
１０は被溶接物で、たとえば、図２に示すように、溶接母材１０ａと溶接母材１０ｂをすみ肉溶接により形成された溶接ビード１１で接合した溶接部が形成されている。
【００１７】
このような構成で、被溶接物１０の溶接を行う場合、溶接母材１０ａと溶接母材１０ｂが所定の位置に配置されると、制御装置４は、溶接トーチ２を予め教示された溶接開始位置へ移動させる。そして、制御装置４は、溶接電源５を作動させ、予め設定された溶接条件に基づいて溶接母材１０ａ、１０ｂと溶接トーチ２の間に溶接電力を印加させるとともに、溶接ロボット１を制御して溶接トーチ２を予め教示された溶接経路に従って溶接終了位置まで移動させ溶接を行う。
【００１８】
溶接終了後、データ処理装置７において、溶接ビードを検出する手順を、図３に示すフローチャートおよび図４に示す溶接部の拡大図により説明する。
【００１９】
制御装置４は、溶接ロボット１を制御して、センサ３を溶接経路に沿って予め設定された複数の計測位置へ、各計測位置で一旦停止するように順次間欠移動させる。また、各計測位置では、センサ３を溶接部の形状を確実に検出できるように各溶接母材１０ａ、１０ｂに対し、所定の角度傾斜した経路（予め教示されている）に沿って、溶接線と略直交する方向に移動させるとともに、センサ制御装置６に計測指令を与える。センサ制御装置６は、制御装置４からの計測指令に基づいて、センサ３をオン、オフ制御してセンサ３に、センサ３から溶接母材１０ａ、１０ｂおよび溶接ビード１１の表面までの距離を測定させるとともに、センサ３による測定結果をデータ処理装置７に送る（ステップＳ１）。
【００２０】
データ処理装置７は、制御装置４から印加された測定位置の位置情報とセンサ制御装置６から印加された測定結果を一旦データ保管装置８に記憶させるとともに、記憶された各測定位置に対応するデータを個別に呼び出し、データ内の欠落部分を検出し、その欠落部分の深さが設定値より大きく、幅が設定値より小さいとき、測定時のノイズと判定し、その欠落部分の両端を直線で結ぶようデータを補間し、ノイズを除去する（ステップＳ２）。
【００２１】
ついで、２つの溶接母材１０ａ、１０ｂの表面に対応するそれぞれ複数のデータを抽出し、最小自乗法により各溶接母材１０ａ、１０ｂの表面を表す２つの近似直線Ａ１、Ａ２を決定する（ステップＳ３）。
【００２２】
ついで、決定された各近似直線Ａ１、Ａ２に平行でそれぞれ垂直方向にΔｈだけ離れた直線Ｂ１、Ｂ２を算出し、この直線Ｂ１、Ｂ２と溶接ビード１１の表面に対応するデータとの交点Ｃ１、Ｃ２を求め、この交点Ｃ１、Ｃ２を探索開始点として、それぞれ近似直線Ａ１、Ａ２にちかずく方向に溶接ビード１１に対応するデータを探索ていく（ステップＳ４）。
【００２３】
探索されたデータの位置が、前記溶接母材１０ａ、１０ｂの表面の近似直線Ａ１、Ａ２から垂直方向に設定されたしきい値より小さくなったとき、その位置をそれぞれ溶接母材１０ａ、１０ｂと溶接ビード１１の境界位置（以下、止端位置という）Ｄ１、Ｄ２として検出する（ステップＳ５）。
【００２４】
溶接ビード１１のそれぞれの止端位置Ｄ１、Ｄ２より、溶接ビード上の複数点のデータを抽出して直線近似し、この直線Ｅ１、Ｅ２と前記近似直線Ａ１、Ａ２との成す角度を溶接ビード１１の各止端角Θ１、Θ２として算出し、前記近似直線Ａ１、Ａ２の交点Ｏから溶接ビード１１の止端位置Ｄ１、Ｄ２までの距離を脚長Ｌ１、Ｌ２として算出し、前記溶接ビード１１の両止端位置Ｄ１、Ｄ２を結ぶ直線Ｆと前記近似直線の交点Ｏとの垂直距離を理論のど厚Ｔとして算出する（ステップ６）。
【００２５】
前記算出された各止端角Θ１、Θ２、脚長Ｌ１、Ｌ２、のど厚Ｔを、予めデータ保管装置８に設定された判定基準と比較し、判定基準として設定された許容範囲内にあるか否かを判定する。たとえば、止端角Θ１、Θ２が判定基準値以下である場合には、オーバーラップと定義する（ステップＳ７）。
【００２６】
前記近似直線Ａ１、Ａ２と溶接母材１０ａ、１０ｂの表面の測定データとを比較して、近似直線Ａ１、Ａ２と測定データの差Ｇを求め、この差Ｇが判定基準値より大きい場合には、溶接母材１０ａ（または、１０ｂ）のアンダーカットと定義する。各測定位置における溶接母材１０ａ、１０ｂのアンダーカットの有無と、その数を検出する（ステップＳ８）。
【００２７】
各測定位置における溶接ビード１１の測定データで、ノイズとして補間されていないデータの欠落部分をピットと定義して、データ欠落部分の数を計数する事によりピットの数を検出する（ステップＳ９）。なお、このステップＳ９は、前記ステップＳ２と同時に行っても良い。
【００２８】
各検出（判定）結果をデータ表示装置９に表示する（ステップＳ１０）。
なお、突き合わせ溶接の場合には、脚長の代わりに溶接ビード１１の止端間の距離、すなわち、溶接ビード１１の幅を用いればよい。
【００２９】
前記ステップＳ２におけるノイズの除去手順一例を、図５および図６により説明する。なお、センサ３の変位計測範囲を±１５ｍｍ（３０ｍｍ）とする。
【００３０】
データ保管装置８に記憶された計測データを呼び出し、処理点をデータの左端（始端、図５のＸ₀，Ｙ₀）に設定する（ステップＳ１１）。直前のデータに対する処理点のデータの落ち込み量がセンサ３の変位計測範囲の２５％（７、５ｍｍ）より大きいか否かを判定する（ステップＳ１２）。
【００３１】
データの落ち込み量が７、５ｍｍより小さいときには、処理点を右へ移動させる（ステップＳ１３）。処理点がデータの右端（終端）か否かを判定する。処理点がデータの右端であれば作業を終了する。処理点がデータの右端でないときには、ステップＳ１２に戻り処理を継続する（ステップＳ１４）。
【００３２】
ステップ１２において、直前のデータ（図５のＸ₁，Ｙ₁）に対し処理点（図５のＸ₂，Ｙ₂）のデータの落ち込み量が７、５ｍｍより大きい場合、その直前の点（図５のＸ₁，Ｙ₁）を「ノイズ開始点」として認識し記憶する（ステップＳ１５）。処理点を右へ移動させる（ステップＳ１６）。処理点がデータの右端（終端、図５のX_n，Ｙ_n）か否かを判定する。処理点がデータの右端であれば作業を終了する（ステップＳ１７）。
【００３３】
処理点がデータの右端でない場合、直前のデータ（図５のＸ₃，Ｙ₃）に対し処理点（図５のＸ₄，Ｙ₄）データの立ち上がり量が７、５ｍｍより大きいか否かを判定する（ステップＳ１８）。データの立ち上がり量が７、５ｍｍより小さいときには、処理点を右に移動させる（ステップＳ１９）。処理点がデータの右端か否かを判定する。処理点がデータの右端であれば作業を終了する。処理点がデータの右端でないときには、ステップＳ１８に戻り処理を継続する（ステップＳ２０）。
【００３４】
ステップＳ１８において、データの立ち上がり量が７、５ｍｍより大きい場合、その処理点（図５のＸ₄，Ｙ₄）と前記ノイズ開始点（図５のＸ₁，Ｙ₁）との間の距離を求め、その距離が０、５ｍｍより小さいか否かを判定する（ステップＳ２１）。処理点（図５のＸ₄，Ｙ₄）とノイズ開始点（図５のＸ₁，Ｙ₁）の間の距離が０、５ｍｍより小さい場合には、その処理点（図５のＸ₄，Ｙ₄）を「ノイズ終了点」として認識し記憶する（ステップＳ２２）。前記ノイズ開始点（図５のＸ₁，Ｙ₁）とノイズ終了点（図５のＸ₄，Ｙ₄）とを結ぶ直線を求め補間する（ステップＳ２３）。
【００３５】
ステップ２１において、処理点とノイズ開始点との間の距離が０、５ｍｍより大きい場合および、ステップ２３による直線補間後、処理点を右に移動させる（ステップＳ２４）。処理点がデータの右端か否かを判定する。処理点がデータの右端であれば作業を終了する。処理点がデータの右端でないときには、ステップＳ１２に戻り処理を継続する（ステップＳ２５）。
【００３６】
上記の処理で直線補間されないデータの落ち込み、立ち上がりが存在する場合、その位置は溶接ビード１１のピットと認識する。
【００３７】
なお、ピットとして認識すべき大きさは、要求される溶接品質に応じて適宜設定することができる。
【００３８】
前記図３のステップＳ３における近似直線の算出は次のように行う。
サンプル数ｎの２変数データ列（Ｘ₁，Ｙ₁）〜（Ｘｎ，Ｙｎ）が存在するとき、
サンプル数の総和
【００３９】
【数１】

【００４０】
【数２】

【００４１】
２乗和
【００４２】
【数３】

【００４３】
【数４】

【００４４】
積和
【００４５】
【数５】

【００４６】
平均値
【００４７】
【数６】

【００４８】
【数７】

【００４９】
分散
【００５０】
【数８】

【００５１】
【数９】

【００５２】
を用いて、１次回帰線、Ｙ＝ａＸ＋ｂの傾きａおよび切片ｂは
【００５３】
【数１０】

【００５４】
【数１１】

【００５５】
で求め、溶接母材１０ａ、１０ｂ表面の近似直線を決定する。
【００５６】
前記図３のステップＳ４、ステップＳ５における溶接ビード１１の止端位置の検出は次のように行う。
【００５７】
平行な２直線、Ｙ＝ａＸ＋ｂ₁、Ｙ＝ａＸ＋ｂ₂（ａ=ｔａｎθ）間の垂直距離Ｌ₁₂は、
【００５８】
【数１２】

【００５９】
より
【００６０】
【数１３】

【００６１】
で表される。
【００６２】
これを用いて、図７に示す、直線Ｙ＝ａＸ＋ｂと点（Ｘ₁，Ｙ₁）との垂直距離Ｌ₁は、
【００６３】
【数１４】

【００６４】
となる。この関係から、図４に示す近似直線Ａ１（Ａ２）と平行で垂直距離Δｈ（たとえば、０、５ｍｍ）離れた直線Ｂ１（Ｂ２）と溶接ビード１１との交点Ｃ１（Ｃ２）を処理開始点とし、処理点を近似直線Ａ１（Ａ２）に近付く方向に移動させ、処理点と近似直線Ａ１（Ａ２）との垂直距離Δｈが設定値（たとえば０、１ｍｍ）以下になった点を溶接ビード１１の止端位置とする。
【００６５】
なお、処理開始点を求める際の垂直距離Δｈ、止端を判定する設定値は、適宜選択することができる。
【００６６】
前記図３のステップＳ６における特性量の算出は、次のように行う。
（１）止端角、オーバーラップ
図８に示すように、２直線、Ｙ＝ａ₁Ｘ＋ｂ₁、Ｙ＝ａ₂Ｘ＋ｂ₂（ａ₁＝ｔａｎθ１、ａ₂＝ｔａｎθ２）の成す角度θ１２は、
【００６７】
【数１５】

【００６８】
【数１６】

【００６９】
【数１７】

【００７０】
【数１８】

【００７１】
より
（ｉ）ａ₁≧０、ａ₂≧０およびａ₁＜０、ａ₂＜０の場合、
【００７２】
【数１９】

【００７３】
（ｉｉ）ａ₁≧０、ａ₂＜０の場合、
【００７４】
【数２０】

【００７５】
（ｉｉｉ）ａ₁＜０、ａ₂≧０の場合、
【００７６】
【数２１】

【００７７】
で表される。これを用いて図４に示す溶接母材１０ａ（１０ｂ）の近似直線Ａ１（Ａ２）と溶接ビード１１の止端部のデータに近似させた直線Ｅ１（Ｅ２）とが成す角度Θ１（Θ２）を求める。
また、前記角度Θ１、Θ２がたとえば９０度以下の場合、オーバーラップと定義する。
【００７８】
（２）脚長
前記（数１４）を用いて、図４に示す近似直線Ａ１、Ａ２の交点Ｏから止端位置Ｄ１（Ｄ２）間での垂直距離Ｌ１（Ｌ２）を求める。
【００７９】
（３）論理のど厚
２点、（Ｘ₁，Ｙ₁），（Ｘ₂，Ｙ₂）を通る直線Ｙ＝ａ₁₂Ｘ＋ｂ₁₂の傾きａ₁₂および切片ｂ₁₂は、
【００８０】
【数２２】

【００８１】
【数２３】

【００８２】
である。
【００８３】
また、２直線、Ｙ＝ａ₁Ｘ＋ｂ₁、Ｙ＝ａ₂Ｘ＋ｂ₂の交点（Ｘ₁₂，Ｙ₁₂）は、
【００８４】
【数２４】

【００８５】
【数２５】

【００８６】
で表される。これらの式および（数１４）を用いて、図４に示すように、溶接ビード１１の止端位置Ｄ１、Ｄ２を結ぶ線分と、前記近似直線Ａ１、Ａ２の交点Ｏとの垂直距離Ｔをのど厚と認識する。
【００８７】
（４）アンダーカット
前記近似直線Ａ１（Ａ２）と測定データとの差Ｇが、予め設定された基準値（例えば、０、３ｍｍ）より大きいとき、アンダーカットと認識する。なお、判定に用いる基準値は、その目的により適宜設定することができる。
【００８８】
以上述べたように、上記の実施の形態によれば、安価なレーザ変位計を用いて溶接ビードを含む溶接部を走査し、その測定データを用いて溶接品質に関係する特性を算出するようにしているので、従来のテレビカメラを用いる方法に比較して少ないデータ量で、溶接ビードを含む溶接部の形状を検出することができ、画像処理専用のデータ処理装置を用いることなく、簡単な構成で安価な装置を用いて、ノイズに惑わされることなく確実に溶接ビードの形状を検出することができる。また、溶接品質の判定を迅速に行うことができる。
【００８９】
なお、上記の実施の形態においては、予めセンサ３を溶接トーチ２とともに溶接ロボット１の自由端に取り付けているが、センサ３を着脱可能にして、溶接時は取り外し、測定時にのみ取り付けるようにしても良い。また、溶接時と測定時に、溶接トーチ２とセンサ３を付け替えるようにしても良い。
【００９０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、溶接ビードを含む溶接部の形状を、簡単で安価な装置により、確実に検出することができる。また、検出結果を判定基準と比較することにより、溶接品質の適正な判定を迅速に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】溶接ビード形状検出装置を備えた自動溶接装置の構成図。
【図２】被溶接物を構成する溶接継ぎ手の一例を示すすみ肉溶接継ぎ手の断面図。
【図３】溶接ビードの検出手順を示すフローチャート。
【図４】溶接部の拡大図。
【図５】溶接ビードに発生するノイズの例を示す断面図。
【図６】ノイズ除去手順を示すフローチャート。
【図７】溶接ビードの止端位置の算出方法を示す特性図。
【図８】溶接ビードの止端角を算出する方法を示す特性図。
【符号の説明】
１…多関節型の溶接ロボット、２…溶接トーチ、３…センサ、４…制御装置、５…溶接電源、６…センサ制御装置、７…データ処理装置、８データ保管装置、９…データ表示装置、１０…被溶接物、１０ａ、１０ｂ…溶接母材、１１…溶接ビード。

Claims

照射したスポット状の光を溶接線と略直角な方向に溶接ビードを横切るように走査させ、走査方向に所定の間隔で溶接母材および溶接ビードからの反射光を受光して、溶接母材および溶接ビードの表面と反射光の受光位置との間の距離情報をデータとして取得し、各測定位置で取得した各々のデータの欠落部分を検出し、欠落部分の大きさと予め設定された判定基準値を比較してノイズとなる欠落部分を抽出し、その欠落部分の両端を直線補間してデータを補正するとともに、補正されない欠落部分をピットとしてその数を検出し、前記補正されたデータから溶接母材の近似直線を検出し、この近似直線から所定の距離離れた直線と溶接ビードに対応するデータとの交点を求め、この交点から溶接ビードに対応するデータを前記近似直線に近付く方向に探索して、溶接母材と溶接ビードの境界位置を検出し、この境界位置を基準として溶接ビードの外観形状を検出することを特徴とする溶接ビード形状の検出方法。
溶接母材および溶接ビードまでの距離を測定するためのセンサと、
前記センサを予め設定された複数の計測位置へ移動させるとともに、各々の前記計測位置では、溶接線と略直交する方向に移動させる制御手段と、
前記センサをオン、オフ制御して、前記センサに前記溶接母材および前記溶接ビードの表面までの距離を測定させるセンサ制御手段と、
前記制御手段から取得した測定位置に関する測定位置情報と、前記センサ制御手段から取得した前記センサによる測定結果のデータとを基にして溶接ビードの外観形状を検出するデータ処理部と、
を備え、
前記データ処理部は、
前記制御手段から取得した測定位置に関する測定位置情報と、前記センサ制御手段から取得した前記センサによる測定結果のデータとを基にして、各々の前記測定位置で取得した各々の前記データの欠落部分を検出し、
前記欠落部分の大きさと予め設定された判定基準値を比較してノイズとなる欠落部分を抽出し、
前記ノイズとなる欠落部分の両端を直線補間してデータを補正するとともに、補正されない欠落部分をピットとしてその数を検出し、
前記補正されたデータから溶接母材の近似直線を検出し、
前記近似直線から所定の距離離れた直線と溶接ビードに対応するデータとの交点を求め、
前記交点から溶接ビードに対応するデータを前記近似直線に近付く方向に探索して、溶接母材と溶接ビードの境界位置を検出し、
前記境界位置を基準として溶接ビードの外観形状を検出すること、
を特徴とする溶接ビード形状検出装置。
前記センサがレーザ変位計であることを特徴とする請求項２に記載の溶接ビード形状検出装置。