JP5847697B2 - 溶接装置および溶接方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、溶接ロボットを用いた溶接装置および溶接方法に関する。

水力発電装置の水車ランナ等の大型複雑構造物では、その部材は厚板となるため、部材同士の接合に多層肉盛溶接が用いられる。しかし、部材の溶接作業は必ずしも容易でなく、部材の素材や構造によっては、溶接作業が困難となる。例えば、割れ感受性の高い部材を溶接する際には、溶接部の０割れを防止するために予熱処理され、母材が所定の温度範囲に入っている状態で溶接される。このため、溶接を行う作業者に高温環境下での作業を強いることになる。また、部材同士が入り組んだ複雑構造物では、狭隘部での溶接作業となる。このため、作業性の悪い姿勢が続くなど、作業者に多くの労力を強いることになる。

そのため、レールを用いた溶接装置が提案されている（特許文献１参照）。この溶接装置は、溶接線に沿って、溶接対象物に設置されるレールと、そのレール上を走行する多関節型ロボットと、溶接ビード形状を計測するセンサとを有する。このセンサで計測された溶接ビード形状に基づいて、溶接ねらい位置が補正される。この結果、品質の高い自動溶接が可能となる。また、多層肉盛溶接において、開先および溶接ビード形状を計測することで、溶接速度、ねらい位置およびトーチ姿勢を補正する方法が提案されている（特許文献２参照）。

しかしながら、特許文献１記載の溶接装置では、水車ランナ等の３次元曲面を有する溶接対象物に対応するレールの製作、取り付けに、多大な費用および労力を要する。さらに、水車ランナ等の狭隘部の多い溶接対象物では、溶接ビード形状を計測するセンサの配置が制限されることから、形状データに歪が生じ易くなる。即ち、センサ等と溶接対象物との干渉を避けるために、溶接線の鉛直面に対して、回転および傾斜させた位置へのセンサ等の配置が必要となり、計測された形状データに歪みが生じる。この場合、溶接ビードの形状の計測結果に基づく、溶接速度等の補正に誤りが含まれることになる。

特許登録第２５２９３１６号明細書 特許登録第３８２９２１３号明細書

本発明は、溶接ロボットを走行させるレールが不要で、かつ高品質の自動溶接を可能とする溶接装置および溶接方法を提供することを目的とする。

実施形態の溶接装置は、溶接ロボットに取り付けられる溶接トーチおよび形状センサと、前記形状センサでの計測データから、溶接対象の輪郭を表す形状データを抽出する形状データ抽出部と、前記形状センサの位置および姿勢に基づいて、前記形状データを補正するための座標変換データを算出する変換データ算出部と、前記座標変換データに基づいて、前記形状データを補正する形状データ補正部と、前記補正された形状データの変化点を抽出する変化点抽出部と、前記抽出された変化点に基づいて、ビードの幅および開先面の傾斜角度を算出する算出部と、前記ビードの幅に基づいて、溶接条件、前記溶接トーチの位置、および前記開先面の傾斜角度に対する姿勢を決定する溶接位置・姿勢決定部と、を有する。

また、実施形態の溶接方法は、位置・姿勢データに基づいて、溶接対象に対する形状センサの位置および姿勢を制御するステップと、前記位置・姿勢データに基づいて、位置および姿勢を制御された形状センサでの計測データから、前記溶接対象の輪郭を表す形状データを抽出するステップと、前記位置・姿勢データに基づいて、前記形状データを補正するための座標変換データを算出するステップと、前記座標変換データを用いて、前記形状データを補正するステップと、前記補正された形状データから、形状の変化点を複数抽出するステップと、前記補正された形状データから、ビードの端部に対応する、複数の形状の変化点を抽出するステップと、前記補正された形状データおよび前記複数の形状の変化点に基づいて、前記ビードの幅と、開先面の傾斜角度とを算出するステップと、前記ビードの幅と、前記開先面の傾斜角度に基づいて、溶接条件、前記溶接トーチの位置および姿勢を決定するステップと、前記溶接条件、前記溶接トーチの位置および姿勢に基づいて、溶接するステップと、を有する。

本発明の溶接装置および溶接方法によれば、溶接ロボットを走行させるレールが不要で、かつ高品質の自動溶接が可能となる。

実施の形態の溶接装置の構成を例示する図である。 実施の形態の溶接方法のフローを例示する図である。 実施の形態の溶接装置と水車との位置関係を例示する図である。 水車の開先傾斜角度の変化と溶接の様子を例示する図である。 水車の溶接線高低変化を例示する図である。 実施の形態の溶接装置の要部を例示する図である。 実施の形態の溶接方法を例示する図である。 座標変換を表す図である。 補正後の形状データで表される形状（輪郭）を例示する図である。 条件分岐式の一例を表す図である。 条件分岐式の一例を表す図である。 実施の形態の溶接装置の構成を例示する図である。 実施の形態の溶接方法のフローを例示する図である。 実施の形態の溶接方法を例示する図である。

以下、図面を参照しつつ、実施の形態について説明する。尚、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
第１の実施の形態の溶接装置について図１を用いて説明をする。この溶接装置は、スライダ装置１と、スライダ装置１からデータを受信する形状センサ処理装置６と、形状センサ処理装置６と相互にデータを送受信するロボット制御装置５と、を有する。ロボット制御装置５は、教示データ記憶装置１４と動作軸制御装置１５を有する。教示データ記憶装置１４は、形状センサ処理装置６へ計測教示データを送信する。動作軸制御装置１５は、スライダ装置１と後述する溶接ロボット２の動作を制御する。

スライダ装置１は、台座Ｂ１、支柱Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、ベース７を有する。支柱Ｂ２は、台座Ｂ１に対して、上下方向の軸を旋回軸として、矢印Ａで示される回転が可能である。支柱Ｂ３は、支柱Ｂ２に対して、上下方向（矢印Ｂ）の移動（直動）が可動である。支柱Ｂ４は、支柱Ｂ３に対して、前後方向（矢印Ｃ）の移動（直動）が可能である。ベース７は支柱Ｂ４の前方に取り付けられている。即ち、ベース７は、上下方向の軸に対する回転、上下方向および前後方向の移動が可能である。ベース７に溶接ロボット２が設置される。

溶接ロボット２は、多関節での多軸回転が可能なアームを有する。例えば、６つの関節での６軸の回転が可能である。この場合、第１〜第６の関節それぞれに第１〜第６のリンク（サブアーム）が配置される。即ち、第１の関節、第１のリンク、第２の関節、第２のリンク、…、第６の関節、第６のリンクが順に配置される。第１の関節がベース７に配置される。第ｊの関節が第（ｊ−１）のリンクの先端に配置される（１＜ｊ≦６）。第６のリンクの先端が、アームの先端に対応する。

このアームの先端に、互いに対応するように（例えば、溶接トーチ３と形状センサ４の相対的な位置（距離）が固定）、溶接トーチ３と形状センサ４が取り付けられている。形状センサ４から形状センサ処理装置６に計測データが出力される。後述のように、形状センサ４は、照射装置と撮像装置の組み合わせによって構成できる。

図２を用いて、溶接装置の動作を説明する。溶接装置の動作は、ロボット制御装置５での処理工程（ステップＳ１、Ｓ２）および形状センサ処理装置６での処理工程（ステップＳ３〜Ｓ９）に区分される。

教示データ記憶工程（ステップＳ１）では、教示データ記憶装置１４に教示データが記憶される。例えば、ロボット制御装置５に設けられた操作装置を用いて溶接トーチ３または形状センサ４を教示点に移動し、その位置と姿勢を記憶する機能を選択する。この結果、教示データが入力され、教示データ記憶装置１４に記憶される。

教示データは、溶接ロボット２のアームの先端に取り付けられた溶接トーチ３および形状センサ４の位置・姿勢を表す位置・姿勢データと溶接条件とを含む動作命令で構成される。教示データは、溶接トーチ３での溶接に用いられる溶接教示データ、および形状センサ４での計測に用いられる計測教示データに区分できる。

位置・姿勢データは、溶接（予定）線（溶接対象に形成されるビードの軸を表す線分）に対応する。即ち、溶接トーチ３の位置（正確には、溶接トーチ３で熔接されるポイント）が溶接線上に配置される。また、一般には、溶接線の鉛直面上、一対の開先面の傾斜角度の中心を通る向きに溶接トーチ３を配置するのが好ましい（正規の位置および姿勢）。通常、このような位置および姿勢に対応して、位置・姿勢データが設定される。

但し、溶接装置と溶接対象の干渉の関係で、正規の位置および姿勢を選択できない場合がある。この場合、溶接装置と溶接対象が干渉しないように、溶接トーチ３の位置および姿勢が変更される。本実施形態では、ロボット制御装置５に設けられた操作装置を用いて、スライダ装置１と溶接ロボット２を操作することで、人的に干渉を回避できる。

同様に、形状センサ４の位置、姿勢も溶接予定線に対応する。形状センサ４が照射装置と撮像装置の組み合わせによって構成されるとする。この場合、溶接線の鉛直面に沿って、照射装置から光が照射されることが好ましい。例えば、後述の照射面Ｓ０が溶接線の鉛直面Ｓ１と一致することが好ましい。但し、溶接装置と溶接対象が干渉しないように、形状センサ４の位置および姿勢が適宜に変更される。

このようにして、教示データ記憶工程（ステップＳ１）において、溶接装置と溶接対象とが干渉しないような、教示データ（位置・姿勢データ）が入力される。

溶接トーチ３での溶接および形状センサ４での計測それぞれで、異なる位置・姿勢データを用いることができる（溶接トーチ３および形状センサ４の位置、姿勢の少なくとも一方が異なる）。但し、溶接トーチ３および形状センサ４の位置、姿勢を一致させても良い。

位置・姿勢データは、溶接ロボット２の取り付け位置（ベース７）を表す基準座標と、基準座標からの溶接トーチ３等の相対的な変位を表す相対座標（ロボット座標系）に区分できる。基準座標、相対座標はそれぞれ、スライダ装置１および溶接ロボット２の動作の制御に用いられる。

動作軸制御工程（ステップＳ２）では、教示データ記憶工程（ステップＳ１）で記憶された教示データ（計測教示データ）に基づいて、スライダ装置１と溶接ロボット２の動作軸が制御される。教示データ中の基準座標、相対座標それぞれによって、スライダ装置１と溶接ロボット２の動作が制御される。即ち、位置・姿勢データに基づいて、形状センサ４の位置・姿勢が制御される。この制御後に、形状センサ４による計測がなされる。

座標変換データ算出工程（ステップＳ３）では、ロボット制御装置５から出力される教示データ（計測教示データ）に基づいて、形状データ補正用の座標変換データ（後述の変換行列Ｃｎ，Ｃｎ’，Ｃｎ”等）が算出される。この工程で算出された座標変換データは、ステップＳ５、ステップＳ８、ステップＳ９で用いられる。なお、座標変換データの算出の詳細は後述する。

形状データ抽出工程（ステップＳ４）では、動作軸制御工程（ステップＳ２）で形状センサ４から出力される計測データからノイズ除去と二値化を行うことで、溶接対象の輪郭を表す形状データが抽出される。後述のように、溶接対象物に対する形状センサ４の位置、姿勢によっては、この形状データに歪みが生じる。

センサ姿勢補正工程（ステップＳ５）では、座標変換データ算出工程（ステップＳ３）で算出された座標変換データを用いて、形状データ抽出工程（ステップＳ４）で抽出された形状データが補正される。即ち、形状データの歪みが低減される。

変化点抽出工程（ステップＳ６）では、センサ姿勢補正工程（ステップＳ５）で補正された形状データから形状の変化点が抽出される。この変化点は、例えば、溶接対象物の上面と開先面との境界、溶接ビードと開先面の境界（溶接ビードの端部）に対応する。即ち、複数の面（例えば、上面、開先面、ビード面）の境界では、その輪郭の角度が急激に変化する。このため、形状データで表される輪郭での局所的な勾配（微分量）の絶対値が大きい箇所として、変化点が抽出される。なお、この詳細は後述する。

開先・ビード面抽出工程（ステップＳ７）では、変化点抽出工程（ステップＳ６）で抽出された変化点からビード端部が抽出される。さらに、ビード面と開先面が特定される。既述のように、変化点には、溶接ビードの端部（溶接ビードと開先面の境界）が含まれる。第３の実施形態で示すように、前回の溶接（今回の溶接層の下層での溶接）前後での形状データを比較し、形状の変化量が大きいポイントをビード端部として抽出できる。溶接ビードの２つの端部の間での形状データがビード面に対応する。また、この２つの端部の両側での形状データが一対の開先面に対応する。なお、この詳細は後述する。

溶接条件算出工程（ステップＳ８）では、開先・ビード面抽出工程（ステップＳ７）で特定されたビードの幅と一対の開先面の傾斜角度から、溶接条件、溶接ねらい位置（熔接時の溶接トーチ３の位置）、溶接トーチ姿勢（熔接時の溶接トーチ３の姿勢（向き））が決定される。ビードの幅は、溶接ビードの２つの端部間の距離に対応する。

溶接位置・姿勢算出工程（ステップＳ９）では、溶接条件算出工程（ステップＳ８）で算出された溶接ねらい位置および溶接トーチ姿勢をロボット座標系上の位置および姿勢として算出される。算出された位置データは教示データ記憶装置１４に教示データ（溶接教示データ）として記憶される。この溶接教示データに基づいて、溶接装置による溶接がなされる。

一例として、水車ランナの溶接について説明をする。図３に示すように、クレーン（図示なし）で、水車ランナ１６を起立状態で吊り上げ、ターニングローラ１７上に設置する。スライダ装置１と溶接ロボット２で構成される溶接装置が水車ランナ１６の開口部５１の横に設置される。

ターニングローラ１７を回転させることで、水車ランナ１６を連動して回転させる。羽根１８（溶接対象となる部材）の開先部（開先面に対応する部位）５３（図６参照）が溶接装置の前方に位置する角度で、水車ランナ１６の回転を停止させる。その状態で、ロボット制御装置５に設けられた動作軸制御装置１５によって、スライダ装置１と溶接ロボット２が操作される。溶接ロボット２のアーム先端に取り付けられた形状センサ４によって、開先部５３の形状が計測される。

水車ランナ１６の部材である羽根１８、クラウン１９およびバンド２０はそれぞれが３次元曲面を有する。図４および図５に、羽根１８の開先の傾斜角度と溶接線の勾配の一例を示す。図４の縦軸が開先の傾斜角度を示す。図４の横軸が、入口（水車ランナ１６外周側に配置される、水を取り込む箇所）から出口（水車ランナ１６中央に配置される、水を放出する箇所）に向かう方向での距離を示す。また、図５の縦軸が基準点からの高さを示す。図５の横軸が入口から出口に向かう方向での距離を示す。この傾斜角度と溶接線の勾配が、連続的に変化していることが分かる。

本実施形態では、３次元曲面のような複雑な形状の溶接が可能である。以下、一例として、図６に示すような形状センサ４を使用する場合について説明する。この形状センサ４は、照射装置であるレーザスリット光照射器２１と撮像装置であるＣＣＤカメラ２２とで構成される。

レーザスリット光照射器２１は、スリット状のレーザ光（スリット光）を照射する。溶接対象である羽根１８に向かうスリット光は、照射面（スリット光によって形成される面）Ｓ０と交わる線状の部位（照射ライン）ＬＲに照射される。照射ラインＬＲは、溶接対象の輪郭に対応する形状を有する。照射ラインＬＲの画像が、ＣＣＤカメラ２２で計測データとして取り込まれる。既述のように、形状データ抽出工程（ステップＳ４）において、この計測データから、スリット光の形状（照射ラインＬＲの形状）が形状データとして抽出される。

正確には、次のように形状データが生成される。まず、ＣＣＤカメラ２２で得られた画像（計測データ）から溶接対象に当たったスリット光の画素（照射ラインＬＲ）が抽出される。そして、光照射器２１とＣＣＤカメラ２２との相対位置および相対姿勢（向き）に基づき、抽出された各画素の位置（照射ラインＬＲ）を光照射器２１から照射されるスリット光面（照射面Ｓ０）上の位置に変換する。この結果、形状データが生成される。

抽出される形状データの精度を考慮すると、照射面Ｓ０が溶接（予定）線に対して鉛直であることが好ましい。即ち、照射面Ｓ０が溶接線と垂直になるように、溶接ロボット２を制御して、形状センサ４の位置、姿勢が決定される。

既述のように、形状センサ４の位置、姿勢が制限され、照射面Ｓ０と溶接線とを鉛直とできない場合があり得る。即ち、形状センサ４の位置、姿勢によっては、水車ランナの部材と、溶接トーチ３および形状センサ４とが干渉する（接触する）可能性がある。この場合、形状センサ４の姿勢を変更して、干渉を回避する必要がある。

照射面Ｓ０と溶接線が鉛直でない場合、形状データ抽出工程（ステップＳ４）で抽出される形状データに、姿勢変更分の歪が含まれることになる。このため、形状データの補正が必要となる。ここで、姿勢変更分の歪は、スリット光の照射面Ｓ０が溶接線に対して鉛直な場合での形状データからのずれを意味する。なお、他の検出方式の形状センサを使用した場合でも、一般に歪が発生し、補正が必要となる。

この姿勢変更分の補正には、照射面Ｓ０の位置および方向（溶接線の鉛直面に対する形状センサ４の姿勢のデータ）が必要である。このため、計測教示データ（位置・姿勢データ）が教示データ記憶装置１４から形状センサ処理装置６へ送られる。

図７を用いて姿勢変更分の補正について説明をする。計測教示点（ここでは、溶接予定線上の点）Ｐｎに対応する形状データを補正することを考える。座標変換データ算出工程（ステップＳ３）において、計測教示点Ｐｎおよびその前後の計測教示点Ｐｎ−１、Ｐｎ＋１を含む、３つの計測教示点Ｐｎ−１、Ｐｎ、Ｐｎ＋１を通る円弧ＡＣを想定する。この円弧ＡＣに教示点Ｐｎで接する接線ベクトルＸｎ’を求める。この接線ベクトルＸｎ’は、教示点Ｐｎにおける溶接線方向を表わす。

次に教示点Ｐｎを含み、ベクトルＸｎ’を法線ベクトルとする溶接線の鉛直面Ｓ１を求める。前記教示データ記憶装置１４から入力された計測教示データの計測教示点の位置・姿勢データから形状センサ４のレーザスリット光照射器２１の軸方向を表わすベクトルＺｎを求める。ベクトルＺｎを前記鉛直面に投影したベクトルＺｎ’を求める。

接線ベクトルＸｎ’の単位ベクトルＮとし、Ｎに垂直な平面Ｓ１へ射影する射影行列をＰｎとする。このとき、次のような関係が成り立つ。
Ｐｎ＝Ｉ−Ｎ・Ｎ^Ｔ
ここで、Ｉ：単位行列、Ｎ^Ｔ：単位ベクトルＮを転置した転置ベクトル
以上からＺｎ’は以下の式で算出できる。
Ｚｎ’＝Ｐｎ・Ｚｎ

上記で得られたベクトルＸｎ’とＺｎ’に直交するベクトルＹｎ’を求める。
Ｙｎ’＝Ｚｎ’× Ｘｎ’ （ここで、「×」はベクトルの外積を表す）
これらのベクトルＸｎ’、Ｙｎ’、Ｚｎ’を座標軸とし、教示点Ｐｎを座標原点とする（ロボット座標系から見た）鉛直面Ｓ１の座標系を表す行列（変換行列）Ｃｎ’が算出される。

次に、変換行列Ｃｎの算出につき説明する。既述のように、形状センサ４（および溶接トーチ３）は、例えば、６つの関節を有する、溶接ロボット２のアームに取り付けられる。このため、６つの関節の動作に応じて、形状センサ４の位置および姿勢（方向）が定まる。

ここで、第１〜第６の関節に接続される第１〜第６のリンクの先端それぞれでの相対的な位置、姿勢を行列Ａ_ｉで表すことができる。即ち、行列Ａ_ｉは、ロボット座標を基準とする第１リンクの先端の位置・姿勢を表す。行列Ａ_ｉは、第（ｉ−１）のリンクの先端を基準とする第ｉリンクの先端の位置姿勢を表す。

このようにすると、ロボット２のアームの先端（形状センサ４）の位置および方向（照射面Ｓ０の位置及び方向（計測教示データの教示点の位置と姿勢））を表す行列Ｔ_６は、次のように行列Ａ_１〜Ａ_６の積によって、表現できる。
Ｔ_６＝Ａ_１・Ａ_２・Ａ_３・Ａ_４・Ａ_５・Ａ_６ ……式（１）

行列Ａ_ｉには、並進成分、回転成分の双方が含まれて良い。並進成分は、第（ｉ−１）のリンクの先端に対する、第ｉのリンクの先端の並進移動による座標変換の成分を表す。回転成分は、第（ｉ−１）のリンクの先端に対する、第ｉのリンクの先端の回転移動による座標変換の成分を表す。

並進成分は、教示点Ｐｎの位置に対応する。これは、計測教示データが各関節軸の角度で記憶されている場合は、運動学方程式を解くことで得られる。教示点Ｐｎの教示データに対応する式（１）から並進成分が算出される。

回転成分につき説明する。ベクトルＸｎ’，Ｙｎ’，Ｚｎ’のそれぞれの単位ベクトルをＮ＝［Ｎｘ，Ｎｙ，Ｎｚ，０］^Ｔ、Ｏ＝［Ｏｘ，Ｏｙ，Ｏｚ，０］^Ｔ、Ａ＝［Ａｘ，Ａｙ，Ａｚ，０］^Ｔとする。また、Ｚ軸まわりの回転をΔｒ、Ｙ軸まわりの回転をΔｐ、Ｘ軸まわりの回転をΔｙとする（ロール・ピッチ・ヨーの回転）。

この場合の回転変換は、以下のように表されることが知られている。
Δｒ＝atan2（Ｎｙ，Ｎｘ）） および Δｒ＝Δｒ＋１８０°
Δｐ＝atan2（−Ｎｚ，cosΔｒ・Ｎｘ−sinΔｒ・Ｎｙ）
Δｙ＝atan2（sinΔｒ・Ａｘ−cosΔｒ・Ａｙ，
−sinΔｒ・Ｏｘ＋cosΔｒ・Ｏy）

ベクトルＸｎ、Ｙｎ、Ｚｎを座標軸とし、教示点Ｐｎを座標原点とする（ロボット座標系から見た）照射面Ｓ０の座標系を表す行列（変換行列）Ｃｎは、式（１）と同様の式（２）によって表される。
Ｃｎ＝Ａ_１・Ａ_２・Ａ_３・Ａ_４・Ａ_５・Ａ_６ ……式（２）
但し、行列Ａ_ｉの内容は、式（１）、（２）で必ずしも一致しない（溶接ロボット２のアームの状態が異なる）。

以上で算出された変換行列Ｃｎ’，Ｃｎは、座標変換データを意味する。座標変換データは、センサ姿勢補正工程（ステップＳ５）、溶接条件算出工程（ステップＳ８）、溶接位置・姿勢算出工程（ステップＳ９）で用いられる。

センサ姿勢補正工程（ステップＳ５）では、形状データ抽出工程（ステップＳ４）で抽出された形状データが補正される。即ち、形状データ上の点（照射ラインＬＲ上の点）に対応する位置行列Ｔｎから、補正後の形状データに対応する位置行列Ｔｎ’が算出される。

具体的には、次の式（３）によって、位置行列Ｔｎ’が算出される。
Ｔｎ’＝Ｃｎ’^−１・Ｃｎ・Ｔｎ ……式（３）
ここで、「Ｃｎ’^−１」は、行列Ｃｎ’の逆行列を表す。

次に、式（３）による位置行列Ｔｎからの位置行列Ｔｎ’の算出（「Ｃｎ’^−１・Ｃｎ」による座標変換）の意味を説明する。

図８に、この座標変換の内容を模式的に表す。照射面Ｓ０上の位置データ（形状データ）が、鉛直面Ｓ１上の形状データに変換される（座標変換）。

照射面Ｓ０上の点Ｐａの鉛直面Ｓ１への射影を点Ｐｂとする。点Ｐａ、Ｐｂをそれぞれ、ベクトルＶａ（＝［Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ，１］^Ｔ）、Ｖｂ（＝［Ｘｂ’，Ｙｂ’，Ｚｂ’，１］^Ｔ）で表す。ベクトルＶａ，Ｖｂはそれぞれ、照射面Ｓ０上の座標（Ｘａ，Ｙａ，Ｚａ］、鉛直面Ｓ１の座標（Ｘｂ’，Ｙｂ’，Ｚｂ’）で表されている。

このとき、ベクトルＶｂは次のように、ベクトルＶａから算出される。
Ｖｂ＝Ｃｎ’^−１・Ｃｎ・Ｖａ

以上から判るように、「Ｃｎ’^−１・Ｃｎ」による座標変換は、照射面Ｓ０上の点から鉛直面Ｓ１上への射影に対応する。この座標変換を用いて、補正後の形状データ上の点に対応する位置行列Ｔｎ’が算出される（式（３））。形状データの各点（照射ラインＬＲ上の点（座標））それぞれに対応する複数の位置行列Ｔｎから、補正後の形状データの各点（補正された照射ラインＬＲ上の点）それぞれに対応する複数の位置行列Ｔｎ’が算出される。

補正後の形状データ（位置行列Ｔｎ’）は、変化点抽出工程（ステップＳ６）で利用される。即ち、図９に示すように、形状データの各ポイント（補正後の照射ラインＬＲ上の点）を繋いだベクトル間での角度変化（角度差）の大きいポイントが、変化点として抽出される。

開先・ビード面抽出工程（Ｓ７）では、次のような処理がなされる。まず、抽出されたポイント（変化点）から開先端部となる二つのポイントが抽出される。その２点間にあるポイントがビード端部と特定される。クラウン１９側またはバンド２０側の開先端部とビード端部の位置から、溶接線の鉛直面Ｓ１上での開先面の角度が算出される。また、ビード端部同士の距離からビード幅が算出される。

溶接条件算出工程（ステップＳ８）では、次のような処理がなされる。まず、開先・ビード面抽出工程（ステップＳ７）で算出された溶接線鉛直面Ｓ１上での開先面の角度と、座標変換データ算出工程（ステップＳ３）で算出された鉛直面Ｓ１の位置と姿勢を表わす変換行列Ｃｎ’から、ロボット座標系での開先面の傾斜角度が算出される。これら開先の傾斜角度と溶接線の勾配と、開先・ビード面抽出工程（ステップＳ７）で算出されたビード幅に基づいて、溶接条件と、溶接線鉛直面上でのねらい位置とトーチ姿勢の最適値を求める。溶接条件は、溶接電流、溶接電圧、溶接速度、ウィービング周波数・振幅・方向で構成される。

具体的には、形状センサ処理装置６内に条件分岐式を記憶させる。図１０、図１１は、条件分岐式の一例を表す。図１０がビード幅による条件の組み合わせを表す。図１１が溶接条件を表す。ここでは多層溶接を考慮している。

ビード幅（既存（下層）のビードの幅）が第１の値（１２ｍｍ）以下であれば、条件３が選択され、既存のビードの中央で溶接がなされ、より上層のビードが形成される。ビード幅が第１の値（１２ｍｍ）より大きく第２の値（１９ｍｍ）以下であれば、条件１、３が順に選択され、右側、左側の２箇所で溶接がなされる。また、ビード幅が第２の値（１９ｍｍ）より大きければ、条件１、２、３が順に選択され、右側、中央、左側の３箇所で溶接がなされる。

図１１の条件２での「先のビードの端部」はこれから溶接しようとする層より下層のビードの端部を意味する。

図１１に示す条件１〜３では、ねらい位置、トーチ姿勢、溶接条件（アーク条件、ウィービング条件）が設定されている。このように、開先・ビード面抽出工程（ステップＳ７）で算出されたビード幅に合うねらい位置、トーチ姿勢、溶接条件が求められる。

ここで、図１０、図１１の条件分岐において、条件１〜３が適用される溶接線勾配の範囲が設定されているものとする。即ち、溶接線の勾配毎に、図１０、図１１のような条件分岐式が設定されているものとする。このようにすることで、ビード幅、溶接線の勾配が決まれば、ねらい位置、トーチ姿勢、溶接条件が求まる。

なお、開先の傾斜角度は、トーチ姿勢の基準として用いられる。即ち、開先面を基準面として、トーチ姿勢が決定される。

以上のねらい位置、トーチ姿勢、溶接条件は、一般に、開先鉛直面Ｓ１上の値として設定されている。このため、上記の式（３）では、形状データの座標を鉛直面Ｓ１上の座標に変換している。

一方、座標変換データ算出工程（ステップＳ３）で溶接教示データの教示点（溶接トーチ３）の位置と姿勢を表わす変換行列Ｃｎ”を求める。これは、計測教示点と同様に溶接ロボット２のアームの先端の位置と姿勢に対応することから、式（２）と同様、次の式（４）で表すことができる。
Ｃｎ”＝Ａ_１・Ａ_２・Ａ_３・Ａ_４・Ａ_５・Ａ_６ ……式（４）
但し、行列Ａ_ｉの内容は、式（１）、（２）、（４）で必ずしも一致しない（溶接ロボット２のアームの状態が異なる）。

溶接位置・姿勢算出工程（Ｓ９）では、算出された座標変換行列Ｃｎ”を用いて、溶接線鉛直面Ｓ１上でのねらい位置とトーチ姿勢がロボット座標系でのねらい位置とトーチ姿勢に変換される。以下のように、溶接線鉛直面Ｓ１上での位置と姿勢を表わす行列Ｘｄからロボット座標系で表した行列Ｘｄ’が算出される。

Ｘｄ’＝ Ｃｎ”^−１・Ｃｎ’・Ｘｄ
ここで、行列Ｃｎ”^−１は、行列Ｃｎ”の逆行列を表わす。

次に、ロボット制御装置５では算出された溶接位置・姿勢および溶接条件が教示データ記憶装置１４に記憶される。

以上を形状計測点毎に繰返すことで、溶接動作を教示し、溶接教示データを生成できる。この教示データを自動で再生することで、溶接作業が実行される。

以上の結果より、本実施の形態によれば、スライダ装置１、溶接ロボット２、溶接トーチ３、形状センサ４で構成される溶接装置を用いることにより、溶接ロボットを走行させるレールが不要となる。

また、ロボット制御装置５および形状センサ処理装置６を用いることにより、溶接ビード形状を計測するセンサの姿勢の自由度が向上する。この結果、高品質の自動溶接が可能な大型複雑構造物の自動溶接装置および溶接方法を提供可能となる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施の形態について図１２を用いて説明する。なお第２の実施の形態と同一の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

図１２に示すように本実施例では、製品設計用３次元ＣＡＤ２３およびオフライン・ティーチング・システム２４を設ける。

第２の実施の形態の溶接装置について図１２を用いて説明をする。この溶接装置はスライダ装置１と、スライダ装置１からデータを受信する形状センサ処理装置２６と、形状センサ処理装置２６と相互にデータを送受信するロボット制御装置５と、を有する。ロボット制御装置５は教示データ記憶装置１４と動作軸制御装置１５を有する。教示データ記憶装置１４は形状センサ処理装置６へ計測教示データを送信する。動作軸制御装置１５は、スライダ装置１と溶接ロボット２の動作を制御する。

第１の実施形態と重複することから、スライダ装置１、溶接ロボット２の説明は省略する。形状センサ４から出力されるデータは形状センサ処理装置２６に出力される。形状センサ処理装置２６は、図１３で示すような工程を実行する。

教示データ記憶工程（ステップＳ４１）では、教示データ記憶装置１４に教示データが記憶される。例えば、キーボード等の入力装置を用いて、教示データが入力される。

動作軸制御工程（ステップＳ４２）では、教示データ記憶工程（ステップＳ４１）で記憶された教示データ（計測教示データ）に基づいて、スライダ装置１と溶接ロボット２の動作軸が制御される。

動作軸制御装置１５がスライダ装置１および溶接ロボット２を駆動し、計測教示点に形状センサを移動する。そして、形状センサ４からの計測データが取得される。

オフライン・ティーチング・システム２４では、計測・溶接教示工程（ステップＳ４３）、姿勢変更工程（ステップＳ４４）、変換データ算出工程（ステップＳ４５）が実行される。

計測・溶接教示工程（ステップＳ４３）では、コンピュータ上で教示データが作成される。姿勢変更工程（ステップＳ４４）では、大型水車ランナなどの施工対象物と溶接装置との干渉が確認される。これらが干渉する場合、溶接トーチ３および形状センサ４の姿勢が変更される。変換データ算出工程（ステップＳ４５）では、姿勢変更前の姿勢と変更後の姿勢の変換データが算出される。

一方、形状センサ処理装置２６では、形状データ抽出工程（Ｓ４６）、センサ姿勢補正工程（ステップＳ４７）、変化点抽出工程（ステップＳ４８）、開先・ビード面抽出工程（ステップＳ４９）、溶接条件算出工程（ステップＳ５０）、および溶接位置・姿勢補正工程（ステップＳ５１）が実行される。溶接位置・姿勢補正工程（ステップＳ５１）は、第１の実施の形態での溶接位置・姿勢算出工程（ステップＳ５１）の代替として設けられる。

ステップＳ４６〜Ｓ５１は第１の実施の形態におけるステップＳ４〜ステップＳ８と対応し、それぞれ同様の工程を示す。ステップＳ５１については後述する。

本実施の形態では、水車ランナなどの施工対象物の３次元形状データが、製品設計用３次元ＣＡＤ２３を用いて作成され、オフライン・ティーチング・システム２４、すなわち数値化装置に入力される。第１の実施の形態では、人が溶接ロボット２を操作して、データを入力していた。即ち、溶接対象および溶接装置の干渉を人的に回避していた。これに対し、本実施の形態では、製品設計用３次元ＣＡＤ２３、オフライン・ティーチング・システム２４を用いて、数値化されたデータを溶接ロボット２に入力する。この結果、本実施形態では、姿勢変更工程（ステップＳ４４）において、溶接対象および溶接装置の三次元データを用いて、干渉が自動的に回避される。

計測・溶接教示工程（ステップＳ４３）では、入力された施工対象物の３次元形状データを、予め作成された溶接装置（スライダ装置１、溶接ロボット２、溶接トーチ３、形状センサ４）の３次元モデルとともに、コンピュータ上の仮想空間に配置する。そして、３次元形状データで表される施工対象物の開先部の溶接線の鉛直面Ｓ１上、かつ開先面間同士の角度の中心を通る位置および方向（姿勢）に形状センサ（および溶接トーチ）が配置されるように、教示データが算出される。

さらに、この位置および姿勢へのアプローチ動作および退避動作の教示データを追加する。このように各々の教示点に動作命令を付加することで、計測教示データおよび溶接教示データが作成される。

次に姿勢変更工程（ステップＳ４４）において、上記計測および溶接教示データを用いて、施工対象物と溶接装置との干渉の有無を確認する。干渉がある場合は、教示データに含まれる溶接トーチ３および形状センサ４の姿勢が変更される。姿勢変更された溶接教示データは、溶接位置・姿勢補正工程（ステップＳ５１）において用いられる。また、計測教示データは、教示データ記憶装置１４と変換データ算出機能２７に出力される。

変換データ算出工程（ステップＳ４５）では、姿勢変更後から姿勢変更前への回転変換データが算出される。回転変換データの算出に、姿勢変更工程（ステップＳ４４）で求められた姿勢変更後の計測教示データ内の計測教示点の姿勢データと、計測・溶接教示工程（ステップＳ４３）で求められた姿勢変更前の計測教示データ内の計測教示点の姿勢データが用いられる。

センサ姿勢補正工程（ステップＳ４７）では、回転変換データに基づき、形状データ抽出工程（ステップＳ４６）で算出された形状データを変換することで、歪補正後の形状データが算出される。

溶接位置・姿勢補正工程（ステップＳ５１）では、姿勢変更工程（ステップＳ４４）で算出された溶接教示データ内の溶接教示点の位置・姿勢データを補正する。この補正には、溶接条件算出工程（ステップＳ５０）で算出された溶接条件と溶接線鉛直面上でのねらい位置、トーチ姿勢、および前記変換データ算出工程（ステップＳ４５）で算出された回転変換データが用いられる。

補正された位置・姿勢データは、溶接教示データとして教示データ記憶装置１４に記憶される。ロボット制御装置５では、教示データ記憶装置１４に記憶された溶接教示データに基づき、動作軸制御装置１５がスライダ装置１および溶接ロボット２を駆動し、自動溶接を行う。

以上の結果より、本実施の形態によれば、スライダ装置１、溶接ロボット２、溶接トーチ３、形状センサ４で構成される溶接装置を用いることにより、溶接ロボットを走行させるレールが不要となる。

また、ロボット制御装置５、形状センサ処理装置２６、製品設計用３次元ＣＡＤ２３、オフライン・ティーチング・システム２４を用いることにより、溶接ビード形状を計測するセンサの姿勢の自由度が向上する。この結果、高品質の自動溶接が可能な大型複雑構造物の自動溶接装置および溶接方法を提供可能となる。

（第３の実施形態）
第３の実施の形態を、図１４を用いて説明する。なお、第１の実施の形態および第２の実施の形態と同一の工程には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

グラフ１、１−１、１−２、２、３はそれぞれ、形状データ、前回形状データ（前回の溶接時の形状データを示す）、今回形状データ（今回の溶接時の形状を示す）、今回形状データのベクトルの角度変化量、前回形状データと今回形状データとの差分を示す。形状データ（グラフ１）は、前回形状データ（グラフ１−１）と今回形状データ（グラフ１−２）を含む。

本実施の形態では、変化点抽出工程（ステップＳ６、Ｓ４８）において、形状データのベクトルの角度変化量が大きい４つのポイントＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄを、変化量の大きい順に抽出する。クラウンまたはバンド側開先面となる部分は、形状データ端部Ｅを開先面端部として抽出する。さらに前回形状データと今回形状データとの差分を算出する。この差分の変化量が大きいポイントｂ、ｄに対応する今回形状データのポイントＢ、Ｄをビード端部として抽出する。

アーク溶接では、溶接ビードが溶け込み不良の原因となるオーバーラップ形状とならないように溶接条件、ねらい位置、トーチ姿勢が選定される。

また、横向姿勢溶接では溶接ビードの下端形状が他の溶接姿勢に比べてなだらかになる傾向がある。この場合、形状データの角度変化量を抽出する場合に、ビード端部が抽出できない現象が発生する。

本実施の形態では、前回形状データと今回形状データとの差分を求め、その変化量が大きいポイントを抽出してビード端部とする。溶接条件算出工程（Ｓ８、Ｓ５０）ではこのビード端部の位置から求めたビード幅に対応する溶接電流、溶接電圧、溶接速度、ウィービング周波数・振幅・方向で構成される溶接条件と、計測面上でのねらい位置とトーチ姿勢を決定する。

以上の結果より、計測された形状データから確実にビード端部位置を求めることができる。これに基づいて、溶接条件、ねらい位置、トーチ姿勢を決定することで、高品質の自動溶接が可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１・・・スライダ装置、２・・・溶接ロボット、３・・・溶接トーチ、４・・・形状センサ、５・・・ロボット制御装置、６・・・形状センサ処理装置、７・・・ベース、２１・・・レーザスリット光照射器、２２・・・ＣＣＤカメラ、２３・・・製品設計用３次元ＣＡＤ、２４・・・オフライン・ティーチング・システム

Claims (7)

1. 溶接ロボットに取り付けられる溶接トーチおよび形状センサと、
   前記形状センサでの計測データから、溶接対象の輪郭を表す形状データを抽出する形状データ抽出部と、
   前記形状センサの位置および姿勢に基づいて、前記形状データを補正するための座標変換データを算出する変換データ算出部と、
   前記座標変換データに基づいて、前記形状データを補正する形状データ補正部と、
   前記補正された形状データの変化点を抽出する変化点抽出部と、
   前記抽出された変化点に基づいて、ビードの幅および開先面の傾斜角度を算出する算出部と、
   前記ビードの幅に基づいて、溶接条件、前記溶接トーチの位置、および前記開先面の傾斜角度に対する姿勢を決定する溶接位置・姿勢決定部と、
   を具備する溶接装置。
2. 前記溶接対象と前記形状センサの３次元形状データに基づき、前記溶接対象と前記形状センサが干渉しない前記形状センサの位置、姿勢を表す位置・姿勢データを生成する位置・姿勢データ生成部と、
   をさらに具備する請求項１記載の溶接装置。
3. 前記形状センサは、照明装置と撮像装置を有する
   請求項１記載の溶接装置。
4. 複数の軸を有するスライダ装置と、
   前記決定される溶接位置と姿勢に基づき、前記スライダ装置を制御する制御装置と、を具備し、
   前記溶接ロボットが、前記複数の軸のいずれかに設置される
   請求項１記載の溶接装置。
5. 前記複数の軸は、第１の直線方向の軸と、前記第１の直線方向と異なる第２の方向の軸と、回転軸と、を有する
   請求項４記載の溶接装置。
6. 位置・姿勢データに基づいて、溶接対象に対する形状センサの位置および姿勢を制御するステップと、
   前記位置・姿勢データに基づいて、位置および姿勢を制御された形状センサでの計測データから、前記溶接対象の輪郭を表す形状データを抽出するステップと、
   前記位置・姿勢データに基づいて、前記形状データを補正するための座標変換データを算出するステップと、
   前記座標変換データを用いて、前記形状データを補正するステップと、
   前記補正された形状データから、形状の変化点を複数抽出するステップと、
   前記補正された形状データから、ビードの端部に対応する、複数の形状の変化点を抽出するステップと、
   前記補正された形状データおよび前記複数の形状の変化点に基づいて、前記ビードの幅と、開先面の傾斜角度とを算出するステップと、
   前記ビードの幅に基づいて、溶接条件、前記溶接トーチの位置、および前記開先面の傾斜角度に対する姿勢を決定するステップと、
   前記溶接条件、前記溶接トーチの位置および姿勢に基づいて、溶接するステップと、
   を具備する溶接方法。
7. 前記溶接対象の３次元形状データを用いて、溶接線の鉛直面上、かつ一対の開先面間の角度の中心を通る角度で、溶接装置の形状センサおよび溶接トーチの、位置および姿勢を表す第３の位置・姿勢データを決定するステップと、
   前記第３の位置・姿勢データに対応して、前記形状センサおよび前記溶接トーチを配置したときの、前記溶接装置と前記溶接対象の干渉の有無を確認するステップと、
   前記干渉が確認された場合に、前記溶接装置と前記溶接対象とが干渉しない、前記形状センサおよび前記溶接トーチの、位置および姿勢を表す位置・姿勢データを決定するステップと、
   をさらに具備する請求項６記載の溶接方法。

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