JP4701655B2

JP4701655B2 - 溶接制御方法及び溶接装置

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Publication number: JP4701655B2
Application number: JP2004236895A
Authority: JP
Inventors: 文傑毛; 誠勝木
Original assignee: JFE Engineering Corp
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2004-08-17
Filing date: 2004-08-17
Publication date: 2011-06-15
Anticipated expiration: 2024-08-17
Also published as: JP2006055858A

Description

この発明は、アーク溶接を行うときに、溶接トーチ位置を自動的に修正してアーク位置を溶接線に倣わせる溶接制御方法及び溶接装置、特に溶接線倣い精度の向上に関するものである。

近年、造船や橋梁、建築、パイプライン、機械、鉄鋼などの分野において、自動溶接のニーズが高まっている。この自動溶接で最適な接合を行うために最も必要な機能の一つは溶接アークを溶接線に自動的に倣わせることである。この溶接線倣いを実現するため、アークセンサやレーザセンサ及び視覚センサが使用されている。

アークセンサを使用する場合、溶接トーチ（アーク）を開先内で溶接線に対して左右に揺動する必要がある。その際に得たトーチ揺動中心の両側における溶接電流や電圧の特徴量、例えば、積分値や最高値の差を最適値（通常ゼロ）にするように、溶接トーチの位置を調整して溶接線倣いを行う。このアークセンサは溶接線倣いや自動溶接装置に最も使用されているが、センサ感度がトーチ揺動速度に影響されることや、計測精度も瞬間的なアーク短絡やアーク不安定、溶融池形状変化などの影響を受け易い弱点がある。そのため、短絡溶滴移行の溶接プロセスでは倣い精度がそれ程高くなく、特にトーチ揺動周波数が比較的低い場合には、ほとんど溶接線に追従できない場合もある。

レーザセンサを使用する場合は、溶接トーチの前方にレーザセンサヘッドを設ける必要がある。このレーザセンサヘッドで溶接アークから十分離れた溶接前方の開先上にレーザ光を照射し、そのレーザ光切断像をＣＤＤカメラなどで撮影して画像処理し、開先中心位置あるいは開先上の他の特殊な位置を決め、これらのデータを一旦メモリに記憶し、後に溶接アークが先の計測位置に移動してきたときに、メモリから記憶値を読み出して溶接アークの狙い位置を修正するようにしている。

一般的にレーザセンサ自身は高い計測精度を持たせるのは容易であるが、ＣＣＤカメラ等が撮影したレーザ光切断画像は開先表面の反射状況の影響を受け易く、例えば、グラインダーをかけた開先表面の場合、ときにはＣＣＤカメラ等に入射する反射光が弱すぎてレーザ光切断画像の一部が欠如するような不完全な画像になったり、逆に反射光が強すぎて、ハレーション現像を起こして画像が歪んでしまったりすることがよくあるので、計測結果が使用環境によって変わり易い欠点がある。また、溶接線倣いは、センサと溶接ワイヤとの位置関係が一定であることを前提にした上で行うもので、溶接ワイヤの曲がり癖が変化した場合には倣いずれが生じてしまう。さらに、計測から実際にその計測値に基づく制御までにタイムラグがあるため、その間にもし溶接トーチとセンサが載った走行台車（マニピュレータ）の想定姿勢が変化してしまうと、倣いも溶接線から外れることもある。

視覚センサは、レーザセンサと違ってアーク直下の溶融池、あるいはその周辺の開先形状も含めて撮影するので、時間的な遅れなしにフィードバッグ制御を行うことができ、近年注目を浴びている。例えば特許文献１に示された溶接制御方法は、消耗電極式アーク溶接に視覚センサを使用して溶接線倣いを行う方法であり、溶接進行方向に配置したＣＣＤカメラで溶接状況を撮影し、撮影した画像を画像処理して溶接トーチ下部から出た溶接ワイヤの挿入位置と、溶融池輪郭の溶接進行方向前方からみて左端位置及び右端位置をそれぞれ求め、この左右端の中央位置とワイヤ挿入位置との差を算出して、その差を溶接トーチの位置ずれ量として溶接トーチ位置を修正して溶接線倣いを行っている。

また、特許文献２に示された溶接制御方法は、非消耗電極式アーク溶接に視覚センサを使用して溶接線倣いを行う方法であり、ＣＣＤカメラで撮影した画像からタングステン電極の先端位置と、溶接進行方向の開先底面の左右両端位置を検出し、電極先端位置と開先底面の左右両端位置との水平距離を求め、この左右両端位置の距離の差を電極狙い位置のずれ量と判断し、このずれ量に基づいて溶接トーチ位置を左右に調整して溶接倣いを行っている。
特開平７−２９９５６５号公報特開２０００−３０１３４０号公報

特許文献１と特許文献２に示された溶接線倣い方法は、適用する溶接法は相違しているが、両者とも電極先端を基準にして求めた溶融池の左右先端や開先底面の左右先端までの距離差から倣いずれ量を検出しているため、電極の先端位置を正確に求めなければならない。この電極の先端にはアークが存在し、それが鮮明な電極先端の画像を撮影するのに妨げになる。この電極先端の鮮明な画像を撮影するためには、溶接電流を極小レベル以下に低減して撮影するか、あるいは特許文献２が示すように、部分的に異なる透過率分布をもつ減光フィルタを使用する必要がある。

溶接電流を通常レベルから瞬間的に極小レベルに低減するためには、溶接電源に極めて高い動特性を持たせる必要があり、溶接電源が高価になってしまう。また、溶接電源が極めて高い動特性を有しても、現場溶接のような場合、普通長い溶接ケーブルを使用することが多く、そのような場合、溶接ケーブルのインピーダンスが増加し、溶接電流を通常レベルから所定の極小レベル以下に低減させるに必要な時間が長くなり、アーク不安定を引き起こすことがある。

また、部分的に異なる透過率分布を持つ減光フィルタのような特殊フィルタを使用すると、フィルタの制作費が高価になってしまう。さらに、消耗電極式アーク溶接においては、電極チップからワイヤ先端までの距離、すなわちワイヤ突出し長が変化し、ＣＣＤカメラから見たワイヤ先端位置が上下方向に変化するため、部分的に異なる透過率分布をもつ減光フィルタを使用しても、ときには電極先端位置が低い透過率の減光フィルタ範囲から逸脱して、鮮明な電極先端の画像を得られず、正確な電極先端位置の認識ができなくなるおそれもある。

この発明は、このような問題点を解消し、ＴＩＧ溶接かＧＭＡ溶接を問わず、簡単な構成で高精度な溶接線倣い制御を行うことができる溶接制御方法及び溶接装置を提供することを目的とするものである。

この発明の溶接制御方法は、被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、抽出した輪郭から溶融池の溶接進行方向前方から見て最も左側の端点（以下、左端点（ＬＰ）という）と溶融池の溶接進行方向前方から見て最も右側の端点（以下、右端点（ＲＰ）という）及びび溶融池の溶接進行方向前方から見て最も先端の左側の端点（以下、先端の左端点（ＦＬＰ）という）と溶融池の溶接進行方向前方から見て最も先端の右側の端点（以下、先端の右端点（ＦＲＰ）という）の４個所の特異点を抽出し、抽出した４個所の特異点により溶融池の形状を特定し、特定した溶融池の形状から電極の狙い位置ずれの有無と、溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出することを特徴とする。

前記抽出した特異点で構成された四角形の２本の対角線の長さの差を算出し、算出した２本の対角線の長さの差から被溶接部材の溶接線に対する電極の狙い位置ずれの有無を検出し、算出した２本の対角線の長さの差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出し、算出した２本の対角線の長さの差と、あらかじめ求めた２本の対角線の長さの差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した電極の位置ずれ量と電極の狙い位置ずれ方向に基づいて溶接トーチの位置を制御すると良い。

また、抽出した４個所の特異点で構成された四角形の左端点（ＬＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）を結ぶ線分の長さ及び四角形の右端点（ＲＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分の長さの差から被溶接部材の溶接線に対する電極の狙い位置ずれの有無を検出し、算出した線分の長さの差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出し、算出した２本の線分の長さの差と、あらかじめ求めた２本の線分の長さの差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した電極の位置ずれ量と電極の狙い位置ずれ方向に基づいて溶接トーチの位置を制御しても良い。

さらに、抽出した４個所の特異点で構成された四角形の左端点（ＬＰ）と右端点（ＲＰ）を結ぶ線分と四角形の左端点（ＬＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）を結ぶ線分及び四角形の右端点（ＲＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）結ぶ線分で構成された三角形の面積と、四角形の左端点（ＬＰ）と右端点（ＲＰ）を結ぶ線分と四角形の右端点（ＲＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分及び四角形の左端点（ＬＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分で構成された三角形の面積との差から被溶接部材の溶接線に対する電極の狙い位置ずれの有無を検出し、算出した面積の差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出し、算出した二つの三角形の面積の差と、あらかじめ求めた二つの三角形の面積の差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した電極の位置ずれ量と電極の狙い位置ずれ方向に基づいて溶接トーチの位置を制御しても良い。

この発明の溶接装置は、視覚センサと画像処理装置及び溶接制御装置を有し、視覚センサは、被溶接部材の溶融池及びその近傍を溶接進行方向前方から撮影し、撮影した画像を画像処理装置に出力し、画像処理装置は、前処理部と特異点抽出部及び位置ずれ量算出部を有し、前処理部は、視覚センサから出力された画像信号から溶融池の輪郭を抽出し、特異点抽出部は、抽出した輪郭から溶融池の溶接進行方向前方から見て最も左側の端点（以下、左端点（ＬＰ）という）と溶融池の溶接進行方向前方から見て最も右側の端点（以下、右端点（ＲＰ）という）及びび溶融池の溶接進行方向前方から見て最も先端の左側の端点（以下、先端の左端点（ＦＬＰ）という）と溶融池の溶接進行方向前方から見て最も先端の右側の端点（以下、先端の右端点（ＦＲＰ）という）の４個所の特異点を抽出し、位置ずれ量算出部は、抽出した特異点から溶融池の形状を特定し、特定した溶融池の形状から電極の狙い位置ずれの有無と、溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出し、溶接制御装置は、位置ずれ量算出部で算出した電極の位置ずれの有無と位置ずれ方向に基づいて溶接トーチの位置を制御することを特徴とする。

また、位置ずれ量算出部は、抽出した溶融池の特異点で構成された四角形の２本の対角線の長さの差を算出し、算出した２本の対角線の長さの差と、あらかじめ記憶した２本の対角線の長さの差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した２本の対角線の長さの差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出したり、抽出した４個所の特異点で構成された四角形の左端点（ＬＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）を結ぶ線分の長さ及び四角形の右端点（ＲＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分の長さの差と、あらかじめ記憶した２本の線分の長さの差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から溶接電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した２本の線分の長さの差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出したり、あるいは抽出した４個所の特異点で構成された四角形の左端点（ＬＰ）と右端点（ＲＰ）を結ぶ線分と四角形の左端点（ＬＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）を結ぶ線分及び四角形の右端点（ＲＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）結ぶ線分で構成された三角形の面積と、四角形の左端点（ＬＰ）と右端点（ＲＰ）を結ぶ線分と四角形の右端点（ＲＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分及び四角形の左端点（ＬＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分で構成された三角形の面積との差と、あらかじめ求めた二つの三角形の面積の差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した二つの三角形の面積の差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出すると良い。

この発明の溶接制御方法は、被溶接部材の溶融池及びその近傍を溶接進行方向前方から視覚センサで撮影し、撮影した溶融池の画像から溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の４個所の特異点を抽出し、抽出した４個所の特異点で溶融池の形状を特定するようにしたから、視覚センサで確実に検出することができる溶融池の輪郭を利用して溶接線倣い制御を行うことができ、高精度な溶接線倣い制御を行うことができる。

また、抽出した４個所の特異点で構成された四角形の２本の対角線の長さの差や、四角形の左辺の長さと右辺の長さの差から電極の狙い位置ずれの有無を検出し、２本の対角線や線分の長さの差の正負から溶接線に対する電極の位置ずれ方向を検出するから、溶融池の形状を利用して溶接線倣い制御を行うことができ、高精度な溶接線倣い制御を行うことができる。

また、溶融池の形状を特定する４個所の特異点として、溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点を抽出することにより、電極の位置ずれの有無や位置ずれ方向を精度良く検出することができる。

図１はこの発明の溶接装置の構成図である。図に示すように、溶接装置１は、先端に電極２を有する溶接トーチ３と例えばＣＣＤカメラを有する視覚センサ４とトーチ上下移動機構部５及びトーチ左右移動機構部６を搭載し、被溶接部材７の開先（溶接線）に沿って移動する移動台車８と、溶接電源９と画像処理装置１０と溶接制御装置１１を有する。視覚センサ４は溶接トーチ３より溶接方向の前方に近接して配置され、被溶接部材７の溶融池及びその近傍を溶接進行方向前方から撮影する。この視覚センサ４は溶接トーチ３とともにトーチ上下移動機構部５に固定され、トーチ上下移動機構部５により上下方向に移動する。トーチ上下移動機構部５は移動台車８に固定されたトーチ左右移動機構部６に固定され、トーチ左右移動機構部６により溶接線と直交する方向に移動して、溶接トーチ３及び視覚センサ４の位置を可変する。

画像処理装置１０は、図２のブロック図に示すように、前処理部１２と特異点抽出部１３及び位置ずれ量算出部１４を有する。前処理部１２は視覚センサ４から出力される画像の輝度むら等を補正するシェーディング補正や２値化処理やノイズ除去等を行う。特異点抽出部１３は前処理部１２で処理された画像信号から溶融池の特異点を抽出する。位置ずれ量算出部１４は特異点抽出部１３で抽出した溶融池の特異点から溶接線と直交する方向に対する電極２の狙い位置ずれ量を算出する。溶接制御装置１１は位置ずれ量算出部１３で算出した電極２の狙い位置ずれ量に応じてトーチ左右移動機構部６を駆動制御して電極２の倣い制御やウィービング幅や移動台車８の移動速度及び溶着量を制御する。

この溶接装置１で移動台車８を被溶接部材７の開先に沿って移動しながら被溶接部材７を溶接するとき、溶接トーチ３先端の電極２を溶接線に沿って適切に移動させる必要がある。この電極２を溶接線に沿って適切に移動させるために行う溶接線倣い処理を図３のフローチャートを参照して説明する。

移動台車８を被溶接部材７の開先に沿って配置して溶接を開始すると（ステップＳ１）、溶接線倣いを行うために、視覚センサ４で被溶接部材７の溶融池及びその近傍を撮影する。この視覚センサ４による撮影は溶接中にいつでも可能であるが、溶接トーチ３を揺動させながら溶接する場合、溶融池の形状は溶接トーチ３の揺動位置により変化するので、一定の揺動位置、例えば揺動中心位置で撮影する必要がある。そこで視覚センサ４は溶接制御装置１１から所定の揺動位置信号が出力されると被溶接部材７の溶融池及びその近傍を撮影し、画像信号を画像処理装置１０に送る（ステップＳ２，Ｓ３）。ここで溶接トーチ３を揺動させない場合、視覚センサ４はあらかじめ定めた一定タイミング毎に溶融池及びその近傍を撮影すれば良い。

画像処理装置１０は視覚センサ４から画像信号が送られると、送られた画像信号を前処理部１２で画像処理して、図４に示すように、溶融池画像の輪郭１５を抽出して特異点抽出部１３に送る。特異点抽出部１３は送られた溶融池画像の輪郭１５から溶融池１６の左端点ＬＰと右端点ＲＰ及び溶融池１６の先端の左端点ＦＬＰと溶融池１６の先端の右端点ＦＲＰを特異点として特定し、各特異点の座標ＬＰ（Ｘｌ，Ｙｌ）とＲＰ（Ｘｒ，Ｙｒ）とＦＬＰ（Ｘｆｌ，Ｙｆｌ）及びＦＲＰ（Ｘｆｒ，Ｙｆｒ）をそれぞれ算出して位置ずれ量算出部１４に送る（ステップＳ４）。位置ずれ量算出部１４は、送られた特異点の座標ＬＰ（Ｘｌ，Ｙｌ），ＲＰ（Ｘｒ，Ｙｒ），ＦＬＰ（Ｘｆｌ，Ｙｆｌ），ＦＲＰ（Ｘｆｒ，Ｙｆｒ）で構成する四角形１７で溶融池１６の形状を特定し、左端点ＬＰと先端の右端点ＦＲＰを結ぶ対角線の長さＬ１と、右端点ＲＰと先端の左端点ＦＬＰを結ぶ対角線の長さＬ２を下記式で算出し、この２本の対角線長さの差ΔＬを算出して、開先１８にある溶接線に対する電極２の狙い位置ずれの有無を検出する（ステップＳ５）。

Ｌ１＝｛（Ｘｆｒ−Ｘｌ）^２＋（Ｙｆｒ−Ｙｌ）^２｝^１／２
Ｌ２＝｛（Ｘｒ−Ｘｆｌ）^２＋（Ｙｒ−Ｙｆｌ）^２｝^１／２
ΔＬ＝Ｌ１−Ｌ２

例えば被溶接部材７の開先１８の左右ベベル角度が等しい場合、電極２の先端が開先１８の中心である溶接線と一致していると、図４に示すように、溶融池１６の形状は溶接線に対して左右対称であり、対角線の長さの差ΔＬ＝０になる。これに対して図５（ａ）に示すように、電極２の狙い位置が開先１８の中心に対して右側にずれると、溶融池１６の形状は左右で対称でなくなり、開先１８の中心である溶接線に対して右側の溶融池１６の面積が大きくなり、２本の対角線の長さはＬ１＞Ｌ２となってΔＬ＞０になる。また、図５（ｂ）に示すように、電極２の狙い位置が開先１８の中心に対して左側にずれると、２本の対角線の長さはＬ１＜Ｌ２となり、ΔＬ＜０になる。このΔＬの値と正負を検出することにより開先１８の中心である溶接線に対する電極２の狙い位置ずれの有無とずれ方向を検出することができる。また、検出したΔＬの値に応じて溶接トーチ２の位置を左側又は右側に移動して、ΔＬ＝０になるように電極２の狙い位置を修正することにより、電極２の狙い位置を溶接線と一致させることができる。

この２本の対角線の長さＬ１，Ｌ２の差ΔＬは、一般的に電極２の狙い位置のずれ量δの変化に対応して変化する。このずれ量δに応じて変化するΔＬ、すなわち対角線の長さの差ΔＬとずれ量δの変換特性を、図６に示すように、あらかじめ求めて位置ずれ量算出部１２に記憶しておく。図６は、簡単のために、この変換特性を線形で近似したが、必要によっては非線形の変換特性でも良い。また、電極２の狙い位置のずれ修正は、絶えず行なわれるため、視覚センサ４で毎回検出した画像から得た対角線の長さの差ΔＬはあまり大きくならないので、このΔＬがある程度大きくなった場合、かえって不自然で、ノイズなどによる影響の可能性がある。そこで図６に示すように、ΔＬがある程度大きくなったら変換特性を飽和させ、ΔＬが一定値ΔＬｐｔ，ΔＬｍｔを超えたら電極２の狙い位置のずれ量δを一定値δｍとみなす。

位置ずれ量算出部１３は、算出した２本の対角線長さの差ΔＬと、対角線の長さの差ΔＬとずれ量δの変換特性から電極２の狙い位置のずれ量δを算出して溶接制御装置１１に送る（ステップＳ６）。溶接制御装置１１は送られたずれ量δに基づいてトーチ左右移動機構部５を駆動制御し、溶接トーチ３の位置を可変して電極２の溶接線に対するずれを修正する（ステップＳ７）。この処理を被溶接部材７の溶接が終了するまで逐次繰り返す（ステップＳ８，Ｓ２）。

前記説明では開先１８の左右ベベル角度が等しい場合のΔＬとずれ量δの変換特性について示したが、開先１８の左右のベベル角度が異なる非対称性開先を溶接する場合、電極２が溶接線に対してずれていなくても溶融池１６は、図４に示すように左右対称とならず、溶融池１６の特異点を結んだ四角形１７の対角線の差ΔＬに固有値ΔＬ０が存在する。この固有値ΔＬ０は開先１８の左右ベベル角度の差により異なる。そこで開先１８の左右ベベル角度に応じた固有値ΔＬ０とずれ量δに応じて変化するΔＬをあらかじめ求め、図７（ａ），（ｂ）に示すように、ΔＬとずれ量δの変換特性を求めて位置ずれ量算出部１２に記憶させておけば良い。

前記説明では、溶接トーチ３を揺動させながら溶接するとき、視覚センサ４は揺動中心位置で被溶接部材７の溶融池１６及びその近傍を撮影する場合について説明したが、溶接トーチ３の揺動中心以外の特殊な位置、例えば揺動の両端のいずれか一方又は両方の位置に合わせて視覚センサ４で溶融池を含む電極２及びその近傍を撮影しても良い。この場合は、視覚センサ４の撮影位置に応じて、図７（ａ），（ｂ）に示すΔＬとずれ量δの変換特性を使用してずれ量δを算出して溶接トーチ３の位置を制御することにより、溶接トーチ３の揺動中心を溶接線に倣わせることができる。

前記説明では、溶融池１６の形状を特定した４個所の特異点で構成された四角形１７の２本の対角線の長さＬ１と長さＬ２の差ΔＬを算出した場合について説明したが、その四角形１７の特異点ＬＰと特異点ＦＬＰを結ぶ左辺と、特異点ＬＰと特異点ＦＬＰを結ぶ右辺の長さの差を算出したり、特異点ＬＰと特異点ＲＰを結ぶ四角形１７の底辺と、特異点ＬＰと特異点ＦＬＰを結ぶ左辺及び特異点ＲＰと特異点ＦＬＰを結ぶ線分で構成された三角形の面積と、特異点ＬＰと特異点ＲＰを結ぶ四角形１７の底辺と、特異点ＲＰと特異点ＦＲＰを結ぶ右辺及び特異点ＬＰと特異点ＦＲＰを結ぶ線分で構成された三角形の面積の差を算出して、電極２の狙い位置ずれ量と狙い位置ずれ方向を求めても良い。

例えば外径が406.5ｍｍの管をＧＭＡ溶接で全姿勢溶接したときの溶接線倣いの結果を図８に示す。図８において、横軸は溶接位置を示し、縦軸は開先中心位置のずれ量を示す。溶接は、ほぼ下向き（１１時の位置）から開始し、立向き下進｛１５（３）時の位置｝、上向き｛１８（６）時の位置｝、立向き上進｛２１（９）時の位置｝を経て下向き｛２３（１１）時の位置｝に戻った。そして１２時の位置と６時の位置での開先中心位置のズレ量を約7.5ｍｍ、アークスタート点のワイヤ（溶接トーチ）の狙い位置ずれを零にセットして、溶融池１６の特異点を抽出して対角線の差ΔＬを算出して溶接線倣い制御を行って溶接を行った。この溶接の結果、図８に示すように、倣い精度は良好で、かつ追従性も十分に満足できることが確認できた。

この発明の溶接装置の構成図である。画像処理装置の構成を示すブロック図である。溶接線倣い処理を示すフローチャートである。溶融池画像の輪郭と特異点及び特異点で構成する四角形を示す模式図である。電極狙い位置が溶接線からずれた状態の溶融池画像の輪郭と特異点及び特異点で構成する四角形を示す模式図である。溶融池の特異点を結ぶ四角形の２本の対角線の長さの差ΔＬと溶接線に対する溶接トーチのずれ量δの変換特性図である。開先左右のベベル角度が異なる場合のΔＬとずれ量δの変換特性図である。管を全姿勢溶接したときの溶接線倣いの結果を示す図である。

符号の説明

１；溶接装置、２；電極、３；溶接トーチ、４；視覚センサ、
５；トーチ上下移動機構部、６；トーチ左右移動機構部、７；被溶接部材、
８；移動台車、９；溶接電源、１０；画像処理装置、１１；溶接制御装置、
１２；前処理部、１３；特異点抽出部、１４；位置ずれ量算出部、
１５；溶融池画像の輪郭、１６；溶融池、１７；開先、ＬＰ；溶融池の左端点、
ＲＰ；溶融池の右端点、ＦＬＰ；溶融池の左先端点，ＦＲＰ；溶融池の右先端点。

Claims

被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、抽出した輪郭から溶融池の溶接進行方向前方から見て最も左側の端点（以下、左端点（ＬＰ）という）と溶融池の溶接進行方向前方から見て最も右側の端点（以下、右端点（ＲＰ）という）及び溶融池の溶接進行方向前方から見て最も先端の左側の端点（以下、先端の左端点（ＦＬＰ）という）と溶融池の溶接進行方向前方から見て最も先端の右側の端点（以下、先端の右端点（ＦＲＰ）という）の４個所の特異点を抽出し、抽出した４個所の特異点により溶融池の形状を特定し、特定した溶融池の形状から電極の狙い位置ずれの有無と、溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出することを特徴とする溶接制御方法。
前記抽出した特異点で構成された四角形の２本の対角線の長さの差を算出し、算出した２本の対角線の長さの差から被溶接部材の溶接線に対する電極の狙い位置ずれの有無を検出し、算出した２本の対角線の長さの差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出し、算出した２本の対角線の長さの差と、あらかじめ求めた２本の対角線の長さの差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した電極の位置ずれ量と電極の狙い位置ずれ方向に基づいて溶接トーチの位置を制御する請求項１記載の溶接制御方法。
前記抽出した４個所の特異点で構成された四角形の左端点（ＬＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）を結ぶ線分の長さ及び四角形の右端点（ＲＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分の長さの差から被溶接部材の溶接線に対する電極の狙い位置ずれの有無を検出し、算出した線分の長さの差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出し、算出した２本の線分の長さの差と、あらかじめ求めた２本の線分の長さの差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した電極の位置ずれ量と電極の狙い位置ずれ方向に基づいて溶接トーチの位置を制御する請求項１記載の溶接制御方法。
前記抽出した４個所の特異点で構成された四角形の左端点（ＬＰ）と右端点（ＲＰ）を結ぶ線分と四角形の左端点（ＬＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）を結ぶ線分及び四角形の右端点（ＲＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）結ぶ線分で構成された三角形の面積と、四角形の左端点（ＬＰ）と右端点（ＲＰ）を結ぶ線分と四角形の右端点（ＲＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分及び四角形の左端点（ＬＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分で構成された三角形の面積との差から被溶接部材の溶接線に対する電極の狙い位置ずれの有無を検出し、算出した面積の差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出し、算出した二つの三角形の面積の差と、あらかじめ求めた二つの三角形の面積の差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した電極の位置ずれ量と電極の狙い位置ずれ方向に基づいて溶接トーチの位置を制御する請求項１記載の溶接制御方法。
視覚センサと画像処理装置及び溶接制御装置を有し、
前記視覚センサは、被溶接部材の溶融池及びその近傍を溶接進行方向前方から撮影し、撮影した画像を前記画像処理装置に出力し、
前記画像処理装置は、前処理部と特異点抽出部及び位置ずれ量算出部を有し、前記前処理部は、前記視覚センサから出力された画像信号から溶融池の輪郭を抽出し、前記特異点抽出部は、抽出した輪郭から溶融池の溶接進行方向前方から見て最も左側の端点（以下、左端点（ＬＰ）という）と溶融池の溶接進行方向前方から見て最も右側の端点（以下、右端点（ＲＰ）という）及び溶融池の溶接進行方向前方から見て最も先端の左側の端点（以下、先端の左端点（ＦＬＰ）という）と溶融池の溶接進行方向前方から見て最も先端の右側の端点（以下、先端の右端点（ＦＲＰ）という）の４個所の特異点を抽出し、前記位置ずれ量算出部は、抽出した特異点から溶融池の形状を特定し、特定した溶融池の形状から電極の狙い位置ずれの有無と、溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出し、
前記溶接制御装置は、前記位置ずれ量算出部で算出した電極の位置ずれの有無と位置ずれ方向に基づいて溶接トーチの位置を制御することを特徴とする溶接装置。
前記位置ずれ量算出部は、抽出した溶融池の特異点で構成された四角形の２本の対角線の長さの差を算出し、算出した２本の対角線の長さの差と、あらかじめ記憶した２本の対角線の長さの差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した２本の対角線の長さの差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出する請求項５記載の溶接装置。
前記位置ずれ量算出部は、抽出した４個所の特異点で構成された四角形の左端点（ＬＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）を結ぶ線分の長さ及び四角形の右端点（ＲＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分の長さの差と、あらかじめ記憶した２本の線分の長さの差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から溶接電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した２本の線分の長さの差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出する請求項５記載の溶接装置。
前記位置ずれ量算出部は、抽出した４個所の特異点で構成された四角形の左端点（ＬＰ）と右端点（ＲＰ）を結ぶ線分と四角形の左端点（ＬＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）を結ぶ線分及び四角形の右端点（ＲＰ）と先端の左端点（ＦＬＰ）結ぶ線分で構成された三角形の面積と、四角形の左端点（ＬＰ）と右端点（ＲＰ）を結ぶ線分と四角形の右端点（ＲＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分及び四角形の左端点（ＬＰ）と先端の右端点（ＦＲＰ）を結ぶ線分で構成された三角形の面積との差と、あらかじめ求めた二つの三角形の面積の差と溶接線に対する電極の狙い位置ずれ量の変換特性から電極の狙い位置ずれ量を算出し、算出した二つの三角形の面積の差の正負から溶接線に対する電極の狙い位置ずれ方向を検出する請求項５記載の溶接装置。