JP5343772B2 - 溶接用レーザ・視覚複合センサおよび溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接用レーザセンサと溶接用視覚センサを併用した溶接用レーザ・視覚複合センサ、及び、この溶接用レーザ・視覚複合センサを用いた溶接制御方法に関する。

溶接自動化のために、適正なセンサが必要不可欠である。特許文献１には、そのための溶接用視覚センサが開示され、また特許文献２〜４には、視覚センサを用いた様々な溶接制御方法等が開示されている。溶接用視覚センサを使用する利点は、溶接中に溶融池およびその真上の溶接電極（溶接ワイヤとも称する）を直接撮影し、その画像を通じて溶接電極の開先内での位置が適正か否かを直接検出できるため、たとえ溶接電極の曲がり癖が変化しても溶接トーチの開先倣い制御が精度よく行えることにある。また開先形状の変化が間接的にリアルタイムで推定できるので溶接条件の適応制御も行える。しかし、溶融池自身は流体であるので、様々な外乱を受けやすいと同時に、アーク光の影響で溶融池画像の輝度も変化しやすいため、溶融池画像の安定性があまりよくない。そのため、開先寸法変化量の計測精度をあまり高く期待できないのが欠点である。

また、開先内に仮付けビードがある場合では、仮に視覚センサが仮付けビードの有無を検出できたとしても、一般に視覚センサが判ったときには、溶接アークが既に仮付けビードの上に登っているか、あるいは仮付けビードから離れているため、この時にたとえ溶接条件を瞬時に変えられても、仮付けビードの始点部と終点部に溶接欠陥を残してしまうおそれがある。

上記問題点を解決するために、溶接用レーザセンサを同時に使用する方法が考えられる。溶接用レーザセンサは、特許文献５に開示されているように、一般にフライングスポットレーザ光かスリットレーザ光で溶接位置前方の開先を照射して、その開先の光切断像をカメラで撮影し、画像処理を通じて開先形状の変化を直接検出するものである。従って適正なカメラ、フィルターおよび画像処理技術等を使用すれば、比較的容易に満足な、高い検出精度が得られることが大きな特徴である。レーザセンサを利用するもう一つの利点は、溶接条件がフィードフォワード制御で行えることである。例えば、開先内に仮付けビードがある場合、レーザセンサにより仮付けビードの有無を事前に察知することができるため、アークが仮付けビード部を通過するときに、溶接条件をタイミングよく変化させるので、仮付けビードの始点部と終点部に溶接欠陥を残さずに溶接することができる。

溶接用レーザセンサは開先倣い制御にもよく使われるが、計測と制御との間にタイムラグがあるため、曲線の開先倣い制御では使いにくい欠点がある。また、たとえ直線の開先倣い制御でも、溶接電極とレーザセンサとの間の相対位置は固定であるか、またはその変化量がリアルタイムで把握できる必要がある。なぜならば、レーザセンサでは、溶接電極が撮影視野に入っていないため、センサと電極間の相対位置をリアルタイムで計測できないからである。従って、もしセンサと電極間の相対位置にランダム的な変動があると、その変化分が結果として開先倣い制御の誤差として残ってしまう。

上記のように、溶接用視覚センサとレーザセンサは、それぞれの得意と不得意分野があることがわかる。従って、両方を同時に使用すれば、互いに補完できる理想的な溶接制御システムが構築できる。

特開２００６−７３０３号公報 特開２００６−５５８５８号公報 特開２００６−２８１２８２号公報 特開２００７−１８５７００号公報 特開２００２−１２００６６号公報

しかし、両方を同時に使用すると、二つのセンサシステムが必要であり、コスト的にも割高になると同時に、溶接トーチの近傍に２個のセンサヘッドを装着しなければならないので、溶接トーチの被溶接物へのアクセス性を著しく損ねるおそれがある。

従って、本発明は、上記問題点を解決するために、センサヘッドも計測システムも一つだけでよい溶接用レーザ・視覚複合センサおよび溶接制御方法を提供することを課題とする。

本発明は、開先上に投光したレーザ光の開先断面像と、アーク直下の溶融池及び電極の画像を得るための溶接用レーザ・視覚複合センサであって、トーチホルダー上で溶接トーチを中心として、トーチ移動方向の前方及び後方の一方にレーザ投光器を、他方に撮影カメラを配設し、レーザセンサとして使用するときは、前記レーザ投光器を開先の真上から投光できる姿勢として、開先断面像を前記撮影カメラで撮像し、視覚センサとして使用するときは、前記溶接トーチを被溶接物に対して溶接に必要な姿勢として、アーク直下の溶融池及び電極の画像を前記撮影カメラで直接撮影し、前記溶接トーチ、レーザ投光器及び撮影カメラを含む溶接トーチセットの回転により、レーザセンサとして使用するときの姿勢と、視覚センサとして使用するときの姿勢を入換えるようにすることにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、前記の溶接用レーザ・視覚複合センサを用いて、非溶接時には、レーザ投光器を開先上に投光しながら溶接トーチを移動させて、撮影カメラでレーザ光の開先断面像を撮影し、溶接中には、撮影カメラでアーク直下の溶融池及び電極を撮影し、得た情報を溶接制御に用いることを特徴とする溶接制御方法を提供するものである。

本発明では、まず溶接トーチを中心とし、トーチホルダー上でトーチ移動方向の前方に撮影手段のカメラを、溶接トーチの反対側に照明手段のレーザ投光器をそれぞれ配置しておく。勿論、カメラとレーザ投光器の設置位置を逆転しても構わない。すると、非溶接時には、このシステムをレーザセンサとして機能させることができる。即ち、カメラ、溶接トーチを含めたレーザ投光器を、開先の真上から投光できる姿勢とする。すると、レーザ光の開先切断像を溶接トーチの反対側に設置したカメラで撮影できる。こうして得た開先光切断像を画像処理すれば、開先の上部幅と下部幅（ギャップ）および深さなどの形状情報を得ることができる。また同時に計測中における開先中心位置とレーザ投光器（溶接トーチ）の高さ（開先表面までの距離）などのトーチ位置情報も知ることができる。この位置情報に基づいて、計測中のトーチ左右位置と高さの倣い制御を行い、その制御軌跡結果を開先形状情報と一緒に記憶しておけば、溶接時に溶接制御装置に必要な開先倣いとトーチ高さ倣いの再生制御データを提供することもできる。

一方、溶接の際には、まず溶接トーチを溶接開始位置に戻させ、溶接の直前には、溶接トーチの姿勢をレーザセンサ使用時のままにしておく。この時に溶接ワイヤをゆっくり出して、被溶接物に軽く当てて停止する。そうすると、レーザ光を開先に照射すれば、ワイヤ位置を含めた開先光切断画像が得られる。この画像を処理すれば、レーザセンサ座標におけるワイヤ先端の位置がわかり、この情報に基づいて溶接開始時のトーチ位置自動設定とアーク自動スタートが可能である。

溶接時には、まず撮影カメラ、レーザ投光器を含めた溶接トーチを、被溶接物に対して溶接に必要な姿勢とする。そうすると、溶接中に、撮影カメラはアーク直下の溶融池および電極を直接撮影することができる。これは、いわゆる視覚センサとしての使い方である。こうして撮影した画像を処理すれば、溶接トーチの開先倣い状況および開先内の溶着量などが最適か否かを計測でき、もし不適切と判断したら、直ちにフィードバック制御を通して修正することができる。

また一般的に、溶接中にはレーザ投光器は照射しないが、必要に応じて照射することも可能である。

本発明に係るレーザ・視覚複合センサの実施形態の視覚センサとしての使用状況を示す断面図 同じくレーザセンサとしての使用状況を示す断面図 同じくＶ型開先のレーザ光切断像の模式図 同じく仮付けビード部のレーザ光切断像の模式図 前記実施形態を用いた測定手順を示す流れ図 前記実施形態のレーザセンサによるワイヤ先端位置計測状況を示す斜視図 同じくワイヤ先端部の影を含めたレーザスリット光切断像の模式図 前記実施形態を用いた溶接制御の方法を示す図

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図１は、本発明のレーザ・視覚複合センサのレーザセンサとしての構成例を示すものである。ここで、溶接トーチ２２、レーザ投光器２４、撮影カメラ２６は、みな同一のトーチホルダー２０に取り付ける。こうする理由は、三者にいつも同一の動きを取らせ、相対的な移動を無くすためである。

また撮影カメラ２６の前にはフィルターセット２８を設けて、その中にレーザセンサ用フィルターと視覚センサ用フィルターをそれぞれ設置し、用途に応じてセンサに適正な光学的フィルターを提供する。更に、フィルターの切替え自動化を実現するために、ここでフィルターセット回転駆動器３４を設けてある。ただし、もしレーザ投光器のレーザ光波長が視覚センサの使用波長に合わせて選択できれば、このようなフィルターセットとフィルターセットを回転する駆動器は必要ない。

図において、１０は被溶接物である母材、１２は、溶接トーチ２２、レーザ投光器２４及び撮影カメラ２６を含む溶接トーチセット、２３は溶接ワイヤ、１６は溶接アーク、２４Ａはレーザ投光器保護ケース、２４Ｂ、２４Ｃはレーザ反射ミラー、２４Ｄは透明板、２４Ｅはレーザ投光器保護シャッター、２４Ｆは光出口、２６Ａはカメラ保護ケース、２６Ｂは光入口、２６Ｃは撮影カメラ保護シャッター、２６Ｄは透明板、２８Ａはバンドパスフィルター、２８Ｂ、２８Ｃは反射ミラーである。

この複合光センサの使い方は以下の３通りがある。

まず溶接前に、レーザセンサとして使用する場合は、図２に示すように、まず溶接トーチセット１２を、溶接トーチ２２の溶接ワイヤ２３が狙うべき位置を回転軸の中心として、レーザ投光器２４が開先の真上から投光できる姿勢となるまで回転する。すると、レーザ投光器２４からのスリット光２５の開先切断像が、ちょうど開先の断面輪郭を反映できる。この開先切断像を溶接トーチ２２の反対側に設置したカメラ２６で撮影し、得た開先光切断像を処理すれば、開先の上部幅と下部幅（ギャップ）および深さなどの形状情報を得ることができる。また同時に計測中における開先中心位置と溶接トーチの高さ（開先表面までの距離）などのトーチ位置情報も知ることができる。この位置情報に基づいて、計測中のトーチ左右位置と高さの倣い制御が行え、その制御軌跡結果を開先形状情報と一緒に記憶しておけば、溶接時に溶接制御装置に必要な開先倣いとトーチ高さ倣いの再生制御データを提供することもできる。

図３は、撮影カメラ２６が撮影したレーザスリット光２５の開先切断像の模式図を示すものである。これはＶ型開先のレーザ光切断像例であるが、この画像を処理すれば、特異点と称するＳＰ１〜ＳＰ５のポイント位置を見出せる。そして、これらの特異点より特徴量と称するＳＶ１〜ＳＶ８が求められる。ここで、ＳＶ１は開先幅、ＳＶ２はルートギャップ、ＳＶ３は目違い、ＳＶ４とＳＶ５はそれぞれ裏当ての左右の隙間、ＳＶ６とＳＶ７はそれぞれ左右の板厚、ＳＶ８は開先深さを表すものである。さらに、ＳＰ１とＳＰ２あるいはＳＰ３とＳＰ４より開先の中心位置が求められ、またＳＰ１〜ＳＰ５より開先の断面積を求めることも可能である。

一方、図４は、仮付けビードのある開先のレーザ光切断像模式図を示すものである。ここでも、同様に５ポイントの特異点ＳＰ１〜ＳＰ５が求められる。従って、これらの特異点から特徴量のＳＶ１〜ＳＶ８を求めて、仮付けビードの無い開先の特徴量と比較すれば、仮付けビードであるか否かがわかる。例えば、開先深さＳＶ８が板厚よりも小さいことが仮付けビード部の特徴の一つである。

図５は本実施形態の計測フローを示すものである。左側はレーザセンサを使用して開先形状を測定するときの計測フロー、中央は同じくレーザセンサを使用してワイヤ先端位置を測定するときの計測フロー、右側は視覚センサを使用するときの計測フローであり、その切替えは計測モード信号で制御する（ステップ１０２）。

このように、レーザセンサによる開先形状の計測が終了（ステップ１０４〜１１２）したら、自動的に計測開始位置に戻らせて、アークスタートの準備を行う。アークスタート時には、溶接ワイヤ２３を定めた位置に狙う必要がある。ところが、溶接装置は先のレーザセンサの計測情報から、開先だけの所在位置しか分からない。溶接トーチ２２とセンサヘッドとの位置は固定しているが、溶接ワイヤ２３の曲がり癖があるため、溶接ワイヤ先端位置がかならずしも溶接トーチ２２の中心軸と常に一致しているわけではないため、レーザセンサにおける溶接トーチ中心軸のデフォルト値をそのまま使用してしまうと、アークスタート時の開先におけるワイヤ狙い位置が所定位置からずれてしまう可能性がある。このズレの自動計測には、従来のワイヤタッチセンサを利用することが考えられるが、本発明では複合光センサを利用して実現する。

図６は、レーザセンサを用いて、溶接ワイヤ先端位置を計測する原理図を示すものである。計測方法は以下の通りになる。まずワイヤ突出し長を所定の長さまでに出しておく（ステップ１２０）。この状態で、レーザ光を母材や開先に照射すると、図７に示すようなワイヤ先端部の影を含めた光切断画像が得られる。図７（Ａ）はレーザスリット光を平らな母材表面に照射した時の画像、図７（Ｂ）はレーザスリット光を開先上に照射した時の画像を示すものである。画像上の欠けた部分はワイヤ先端部の影を表している。このような画像を処理すれば、レーザセンサ座標におけるワイヤ先端の位置がわかり、この情報と上記レーザセンサで計測した開先位置情報に基づいて、溶接開始時のトーチ位置自動設定、即ち溶接ワイヤを開先内の定めた狙い位置にセットすることが可能である。

一方、溶接時には、溶接トーチセット１２を逆回転し、溶接トーチ２２と母材表面が溶接に必要な角度（例えば９０°）となるように、溶接トーチ姿勢を図６から図１の状態に戻して、視覚センサとして使える状態にセットしておく。視覚センサ時の撮影カメラ２６は、アーク直下の溶融池および電極の画像を直接撮影する（ステップ１２４）。こうして撮影した画像を処理すれば（ステップ１２８）、溶接トーチ２２の開先倣い状況および開先内の溶着量などが最適かどうかが計測でき（ステップ１３０）、もし不適切と判断したら、直ちにフィードバック制御方法を通して修正することができる（ステップ１３２）。

一般的に、溶接中にはレーザ投光器は照射しないが、必要に応じて照射することも可能である。ただし、このときに、レーザ光の波長選択は視覚センサに合わせる必要がある。この場合、溶融池画像だけではなく、開先形状画像も一緒に撮れるメリットがある。

溶接中に撮った画像の計測方法は、特許文献２〜４に記載したものを使用することができる。

図８はレーザセンサと視覚センサのそれぞれの情報に基づく溶接制御方法の例を示すものである。

ここで、溶接の制御は、まず、レーザセンサで得たデータ情報に基づきティーチングプレーバック方法で行う。この制御は、溶接スタート時のワイヤ狙い位置の自動設定と溶接中の溶接条件適応制御であり、溶接位置ごとに、開先内の仮付けビードの有無や開先幅、開先深さおよびルートギャップなどの大きさに基づき、溶接条件（溶接電流、電圧、溶接速度、トーチ揺動幅、揺動端部停止時間など）の制御補正量を求めて、これらを基準溶接条件に加えて溶接する。

溶接トーチの開先倣いは勿論、レーザセンサから得た開先幅とルートギャップの中心位置データに基づき行えるが、その倣い制御の実際のズレは、更に溶接中に視覚センサが得たデータ情報に基づき修正する。

従って、視覚センサは主として溶接トーチの開先倣い制御に使用する。但し、初層溶接の時に、裏当て隙間の変動やその隙間に入り込んだ溶融金属量の変化などがあるため、単に溶接前にレーザセンサが得たデータ情報に基づくティーチングプレーバック制御だけでは、高品質な初層溶接ビードを維持するのが難しい場合もある。従って、ここで視覚センサから得た初層溶接時の溶融池の高さ（特許文献３、４参照）に基づき、溶着量の追加的な補正量を求めて、ティーチングプレーバックデータに加えて溶接制御を行うこともできる。

また、非常時には手元のリモコンより手動制御も加える。例えば、緊急停止とか、あるいはモニターから制御のズレを発見した時に、インプロセスで手動修正を加えることもできる。

以上のレーザ・視覚複合センサに基づく溶接制御を実施した結果、溶接プロセスの全自動化を実現することができると同時に、実際の開先形状が標準形状から大きく乖離しても、例えば、鋼板裏当てをつけた開先の場合、ルートギャップの変動が２ｍｍ〜１２ｍｍ、また仮付けビードの有無に関わらず、均一かつ高品質な溶接ビードが得られることが確認できた。

本実施形態においては、レーザ反射ミラー２４Ｂ、２４Ｃを用いて、レーザ投光器２４から出射されるレーザ光が溶接狙い位置に来るようにしているので、レーザ投光器２４の光軸を溶接トーチ２２と平行にコンパクトに固定できる。同様に、反射ミラー２８Ｂ、２８Ｃを用いて、撮影カメラ２６が溶接狙い位置の画像を撮影できるようにしているので、撮影カメラ２６の光軸を溶接トーチ２２と平行にコンパクトに固定できる。なお、レーザ反射ミラー２４Ｂ、２４Ｃ及び反射ミラー２８Ｂ、２８Ｃのいずれか一方、又は双方を省略して、レーザ投光器２４及び／又は撮影カメラ２６の光軸を斜めにすることもできる。

前記実施形態においては、溶接トーチセット１２を回転することにより、図１に示した視覚センサとしての姿勢と、図２、図６に示したレーザセンサとしての姿勢を入換えるようにしていたが、視覚センサとしての姿勢とレーザセンサとしての姿勢を入換える方法は、これに限定されず、例えば溶接トーチセット１２を傾けても良い。

溶接時の溶接トーチ２２と母材１０表面の角度も、９０°に限定されない。

１０…被溶接物（母材）
１２…溶接トーチセット
１６…溶接アーク
２０…トーチホルダー
２２…溶接トーチ
２３…溶接ワイヤ
２４…レーザ投光器
２５…レーザスリット光
２６…撮影カメラ
２８…フィルターセット

Claims (2)

1. 開先上に投光したレーザ光の開先断面像と、アーク直下の溶融池及び電極の画像を得るための溶接用レーザ・視覚複合センサであって、
   トーチホルダー上で、溶接トーチを中心として、トーチ移動方向の前方及び後方の一方にレーザ投光器を、他方に撮影カメラを配設し、
   レーザセンサとして使用するときは、前記レーザ投光器を開先の真上から投光できる姿勢として、開先断面像を前記撮影カメラで撮像し、
   視覚センサとして使用するときは、前記溶接トーチを被溶接物に対して溶接に必要な姿勢として、アーク直下の溶融池及び電極の画像を前記撮影カメラで直接撮影し、
   前記溶接トーチ、レーザ投光器及び撮影カメラを含む溶接トーチセットの回転により、レーザセンサとして使用するときの姿勢と、視覚センサとして使用するときの姿勢を入換えるようにされていることを特徴とする溶接用レーザ・視覚複合センサ。
2. 請求項１に記載の溶接用レーザ・視覚複合センサを用いて、
   非溶接時には、レーザ投光器を開先上に投光しながら溶接トーチを移動させて、撮影カメラでレーザ光の開先断面像を撮影し、
   溶接中には、撮影カメラでアーク直下の溶融池及び電極を撮影し、
   得た情報を溶接制御に用いることを特徴とする溶接制御方法。