JPH021510A - 溶接開先中心位置検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、被溶接母材の開先中心位置を光学的に自動検
出する装置に関する。

［従来の技術］ 従来のこの種の装置は、第１図に示す検出原理に基づい
ている。同図において、（１）はレーザ等の照明装置、
（２）は被溶接母材、（３）は光切断線、（４）は撮像
装置、そして、Ｇｙは開先幅方向、ＧΩは開光線方向、
Ｇａは左側開先肩部、Ｇｂは右開先肩部、Ｌは開先左肩
部の検出位置、Ｒは開先右肩部の検出位置、Ｃは開先中
心の位置をそれぞれ示す。次に、第１図の検出原理の概
要を各ステップごとに説明する。

ステップ１；照明装置（１）を用いて被溶接母材（２）
の開先部分に線状光束（スリット光）を、溶接線に対し
て直交するように適切な角度から照射する。

ステップ２；ＩＴＶカメラ等の撮像装置（４）を用いて
、開先部分に展開された光切断線（３）の形状、すなわ
ち開先断面形状を検出する。

ステップ３；検出された画像情報に基づいて、左右の開
先部Ｇａ、Ｇｂ（母材表面と開先斜面との交点）の位置
り、Ｒを検出し、左右の開先部間の中央位置Ｃ（（Ｌ十
Ｒ）／２）を算出する。

このような検出原理を応用した装置としては特開昭５５
−２０８３１号公報に提案のものや、比較的類似した装
置として特開昭５２−１３３０５０号公報に提案のもの
がある。

しかしながら、上記の装置の対象となっている「溶接開
先」は、一般に「１字開先」あるいは「Ｖ型開光」と称
される形状を指すものであり、従って、上記装置の適用
に際しては、左右の開先部及びその近傍の開先斜面が鮮
明に観察し得る被溶接母材のみに限定される。

しかし、現実問題として、金属加工業における溶接構造
物の製造工程には、「本溶接」の前工程として、「プレ
ス加工」、「仮付は溶接ｊ等の工程が有り、本溶接時に
供される被溶接母材には、プレス加工時に開先肩部が押
し潰されてしまった開先断面形状を有するものや、仮付
は溶接時の溶接ビードによって開先肩部が覆い隠されて
しまった開先断面形状を有するものが多々含まれている
。

また、本溶接に一般的に用いられている多層盛溶接法で
は、開先内面に溶接ビードを累層していくため、溶接ビ
ードの盛り具合によっては、開先肩部が溶接ビードで覆
い隠されてしまう事が最終層に至る過程において起り得
る。

第２図に本溶接の被溶接母材の開先断面形状の一例を示
す。同図において、（ａ）は溶接ビードＷＢによって右
側の開先肩部Ｇｂが覆い隠された被溶接母材の例、（ｂ
）は溶接ビードＷＢによって左右の開先肩部ｃａ、ｃｂ
が覆い隠された被溶接母材の例であり、そして、（Ｃ）
は溶接の前工程において、右側の開先肩部Ｇｂが押し潰
された被溶接母材の例である。なお、同図において、Ｗ
　Ｂ　ｅはビードエッヂである。

従って、本溶接時及び本溶接の仕上げの段階では、被溶
接母材の開先肩部が必ずしも鮮明に観察し得る状態とは
言い難く、従来技術では検出原理そのものにおいて欠点
があるため、開先肩部の断面形状を精度良く検出するこ
とができず、このため、この断面形状に基づいて得られ
る開先中心位置も精度良く検出することがなかった。

［発明の目的］ 本発明は、前述の従来技術の問題点を解決するものであ
り、開先肩部が覆い隠されてしまったり、押し潰された
りした種々の開先の開先中心位置を高精度に検出する装
置を提供するものである。

［発明の概要コ 本発明に係る溶接開先中心位置検出装置は、照明手段、
光電変換手段、光切断位置信号を検出する手段、マクロ
２階差分回路、ミクロ２階差分回路、開先肩部概略形状
検出手段、開先肩部詳細形状検出手段、断面形状検出手
段、及び開先中心位置検出手段を備えている。

照明手段は、溶接開先部に線状光を照射し、光電変換手
段は、前記照明手段によって得られる光切断像を撮像し
て反射輝度に対応した電気信号を得る。そして、電気信
号に基づいて光切断位置信号が検出きれた後、マクロ２
階差分回路は、前記電気信号から得られる光切断位置信
号に対して、広い差分幅で２階差分演算を行なう。一方
、ミクロ２階差分回路は、前記マクロ２階差分回路から
得られる４ｐ１定範囲データに基づいて、所定の範囲に
ついてのみ狭い差分幅で２階差分を行なう。

開先肩部概略形状検出手段は、マクロ２階差分回路の出
力波形の正負に基づいて開先肩部の概略形状を分類する
と共に、開先肩部の概略位置を検出する。一方、開先肩
部詳細形状検出手段は、ミクロ２階差分回路の出力波形
の正負に基づいて開先肩部の詳細形状を分類すると共に
、開先肩部の詳細位置を検出する。断面形状検出手段は
、分類された開先肩部の概略形状と開先肩部の詳細形状
との組合せに基づいて、左右の開先肩部の形状をそれぞ
れ判定すると共に、判定された開先肩部の形状に基づい
て概略位置及び詳細位置のいずれかを選択することで、
開先肩部の位置を検出する。

そして、開先中心位置検出手段は、該断面形状検出手段
で検出された左右の開先肩部の形状及び＋３：出位置に
基づいて演算し、開先中心位置を求める。

［実施例］ 次に、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第３図及び第４図は本発明の一実施例に係る装置の一部
を示す構造説明図である。第３図において、（１０）は
照明・影像装置、（１１）は信号処理装置、（＋２）は
イメージガイド（光ファイバー）　、　（１，３）はラ
イガイド（光ファイバー）　、（１４）は光源、（１５
）はタッチロール、（１６）は溶接位置制御装置、そし
て、（１７）は溶接トーチである。第４図において、照
明・撮像装置（１０〉における（＋０１）は投光装置、
（１０２）は受光装置、（１０３）は撮像装置、（１０
４）は照明・撮像装置収納筐体、そして、（１０５）は
外乱光速へい材である。

光源（１４）から発せられるレーザー光を、ライトガイ
ド（１３）を介して照明撮像装置（１０）の投光器（１
０１）に導き、線状光束（スリット光）を生じせしめ、
これを被溶接母材（２）の開先部に照射（溶接線に直交
し、適切な照射角度を持たせて）して開先表面に展開さ
れる光切断像を、受光装置（１０２）とイメージガイド
（１２）とを用いて、撮像装置（１０３）の撮像面に結
像せしめ、得られるビデオ信号を信号処理装置（１１）
にて処理を施し、溶接開先肩部の断面形状及び開先中心
位置を検出する。

溶接位置制御装置（１Ｇ）は、検出された溶接開先中心
位置に基づいて、溶接トーチ（１７）が常に溶接開先中
心位置を指す様に位置決め制御を行なうとともに、照明
・撮像装置（１０）の位置決め制御を行なうものである
。照明・撮像装置収納筺体（１０４）は、例えばタッチ
ロール（１５）等のセンターを用いて、撮像距離ｇ　及
び照明距離ｇ２が常に一定となるように、溶接位置制御
装置（ＩＢ）により制御される。また、溶接アーク等の
外乱光は、外乱光速へい材（１０５）により遮へいされ
て常に安定した光切断像を得ることができる。

以上が本実施例の装置構成例であり、次に第５図に基づ
いて信号処理装置（１１）について説明する。

この信号処理装置（１１）は、大別して、光切断位置検
出部（１１１）　、開先肩部の断面形状検出部（１１５
）及び開先中心位置演算回路（１２０）から構成されて
いる。

光切断位置検出部（ｉｌｌ）は、ビデオ信号ノイズ除去
回路（１１２）　、光切断位置検出回路（１１３）及び
断線・異常形状データ補正回路（１１４）から構成され
ている。撮像装置（１０３）からのビデオ信号（光切断
画像）は、ビデオ信号ノイズ除去回路（１１２）により
溶接線方向にのみ移動平均処理を施され、光切断画像に
含まれるノイズ成分が除去される。

ビデオ信号ノイズ除去回路（１１２）の出力信号は、光
切断位置検出回路（１１３）により開先幅方向に順次、
溶接線方向の最明点（最大ビデオ信号レベルを示す位置
）を繰り返し検出し、第６Ａ図に示すような光切断位置
情報を得る。このとき、光切断位置検出回路（１１３）
により検出された光切断位置情報には、被溶接母材の表
面性状等の悪影響により、光切断線の断線や異常形状の
情報が含まれる場合があり、このような場合には、断線
・異常）ド状データ補正回路（１１４）において異常部
左右の正常なデータを用いて補間処理を施し、第６Ｂ図
に示すような光切断位置情報を作り出す。

開先肩部の断面形状検出部（１１５）は、移動平均回路
（ｔｉｅ）　、開先部概略断面形状検出回路（１１７）
開先部詳細断面形状検出回路（１１８）及び開先肩部概
略形状検出手段（１２０）から構成されており、光切断
位置検出部（ｉｌｌ）によって検出された光切断位置情
報に基づいて左右の開先肩部の断面形状及び位置情報、
すなわち開先断面形状を検出する。

ここで、開先断面形状検出部（１１５）の詳細説明に先
だって、開先肩部の断面形状について説明する。

開先肩部の断面形状は、大別すると次の３種に分類され
る。

［１］開先肩形状；第２図（ａ）に示す様に、溶接母材
表面と開先斜面との交点が観察し得る断面形状を言い、
便宜上溶接母材表面と開先斜面との交点を「開先部」と
称す。

［２］ダレ肩状；第２図（ｃ）に示す様に、開先部がプ
レス形加工等溶接の前工程において押し潰されてしまっ
た形の断面形状を言い、便宜上、押し潰された開先部を
「ダレ肩」と称す。

［３］ビード形状；第２図（ｂ）に示す様に、溶接ビー
ドによって開先部が覆い隠されてしまった形の断面形状
を言い、便宜上溶接母材表面と溶接ビードとの交点をビ
ードエッヂと称す。

実際の被溶接母材の開先断面形状は、左右の開先肩部に
おいて上記３種類の形状が組み合わさった形で存在する
。

また、溶接開先中心位置の検出精度は、開先肩部の断面
形状に左右される。即ち、溶接開先中心位置検出の際に
用いられる情報によって評価することができ、その信頼
性は、［１］開開先位置情報〉［２］ダレ肩位置情報〉
［３］　ビードエッヂ位置情報の順に高い。

ここで再び第５図に戻って、開先肩部の断面形状検出部
（１１５）の詳細を説明する。

光切断位置検出部（１１１）からの光切断位置情報は、
移動平均回路（１１１３）によりノイズ成分が移動平均
処理によって除去される。ここで移動平均幅は、開先肩
部の位置検出精度を損なわない範囲で設定するものとす
る。この移動平均回路（１１Ｂ）の出力信号は、第６Ｃ
図に示すとおりである。

移動平均回路（１１Ｂ）の出力信号が供給される開先部
概略断面形状検出回路（１１７）及び開先部詳細断面形
状検出回路（１１８）は、ともに移動平均処理が施され
た光切断位置情報に対して、２階差分処理を施すことに
より、左右の開先肩部の断面形状と位置とを検出するも
のである。

この検出原理は次のとおりである。２階差分処理によっ
て、開先肩位置及びビードエッヂ位置において、マイナ
スあるいはプラスの大きな波形が現われる事を応用した
もので、マイナスあるいはプラスの波形パターンを判定
する事により、開先肩部の断面形状がわかり、また、そ
のピーク位置を求める事による位置情報が得られる。こ
こで、２階差分処理を施す際のパラメータ（差分幅）が
非常に重要な意味を持つ。即ち、幅の広い差分幅をパラ
メータとした場合には、ビード形状の様なマクロ形状の
検出能が高く、Ｓ／Ｎが良いという利点がある反面、第
２図（ａ）に示す様な開先部が僅かにしか観察されない
形状、いわゆるミクロ形状の検出能が低く、位置検出精
度が悪いという欠点がある。逆に、幅の狭い差分幅をパ
ラメータとした場合には、ミクロ形状の検出能が高く、
位置検出精度が良いという利点がある反面、マクロ形状
の検出能が低く、Ｓ／Ｎが悪いという欠点がある。

本発明では、２階差分処理を施す際の差分幅によって前
述の様な相反する長所と短所が現われるという特徴に着
目して、相互の長所のみを用いて、相互の短所を補なう
べく２系列の２階差分回路を設けた。それが開先部概略
断面形状検出回路（１１７）及び開先部詳細断面形状検
出回路（１１８）である。

まず、開先部概略断面形状検出回路（１１７）において
、幅の広い差分幅をパラメータとして２階差分処理を施
し第６Ｄ図に示す様な、開先部概略断面形状情報を得る
。この情報に現われるプラスあるいはマイナスの大きな
波形は、左右の開先肩部の断面形状を示唆するものであ
り、その波形をなす開先幅方向の位置情報は、その範囲
を更に詳しく検出していけば、精度の高い断面形状検出
ができ得る事を示している。ここで、差分幅はダレ肩形
状あるいはビード形状の様なゆるやかな変化を示す形状
を充分に検出し得る幅に設定する。

開先部詳細断面形状検出回路（１１ｇ）では、幅の狭い
差分幅をパラメータとして２階差分処理を行うが、この
時前述の開先部概略断面形状検出回路（１１７）で得た
大きな波形をなす開先幅方向の位置情報に基づいて、２
階差分の処理範囲を限定する事により、Ｓ／Ｎの改善を
はがり、第６Ｅ図に示す様な開先部詳細断面形状情報を
得る。ここで、差分幅は、第２図（ａ）に示す様な、開
先部が僅かにしか観察されない形状をも充分に検出し、
なおかつ位置検出精度を損なわない範囲で設定する。

開先肩部断面形状検出回路（１１９）は、開先部詳Ｉｎ
断面形状検出回路（１１８）で得た情報に現われた波形
のパターンを判定して左右それぞれの開先肩部の形状が
「開先部」なのが「ダレ肩」なのがあるいは「ビードエ
ッヂ」なのがを識別し、位置検出を行なう。但し、開先
部詳！１１所面形状検出回路（１１８）では、検出し得
ないゆるやがな変化を示す形状（ダレ肩形状及びビード
形状）については、開先部概略断面形状検出回路（１１
７）の検出結果を用いて補なう事により、種々の断面形
状を有する開先肩部の断面形状と位置検出を行なう。

第７Ａ図及び第７Ｂ図は２階差分処理による波形パター
ンと開先肩部の断面形状との関係を示した説明図である
。

開先部概略断面形状検出回路（１１７）は、概略形状波
形（幅の広い差分幅をパラメータとした２階差分波形）
が正方向の単一ピークであるか、負方向の単一ピークで
あるか、正方向のピークと負方向のピークが共に現れる
かによって、概略形状を３種類に分類する。開先部詳細
断面形状検出回路（１１ｇ）は、詳細形状波形（幅の狭
い差分幅をパラメータとした２階差分波形）が正方向の
単一ピークであるか、負方向の単一ピークであるか、出
現しないかによって詳細形状を３種類に分類する。

開先部断面形状検出回路（１１９）は、３種類の概略形
状と３種類の詳細形状によって第７Ａ図、第７Ｂ図に記
載されるようなマトリックスを作成し左右それぞれの開
先肩部の形状が「開先部」、「ビードエッヂ」或いは「
ダレ肩」のいずれであるがを検出すると共に、その形状
に応じて肩部の位置（Ｂｌ）（ＡＩ）、　（Ｂ２）（Ａ
２）を検出する。前記開先肩部の断面形状と位置検出情
報は、次の開先中心位置演算回路検出部（１２０）に供
給される他、他の情報処理にも適宜利用されるものであ
る。

開先中心位置演算回路（１２０）は、前述の開先肩部断
面形状検出回路（１１９）の検出結果に基づいて開先中
心位置を演算する。演算方法は、まず、左右それぞれの
開先肩部の検出位置が「開先肩位置」なのか「ダレ肩位
置」なのか「ビードエッヂ位置」なのかを判別し、もし
左右の開先肩部共に同一断面形状であれば、左右の検出
位置の中央を開先中心位置とし、左右で開先肩部の断面
形状が異なる場合には、開先中心位置の検出精度をだす
うえで、信頼性の高い断面形状の検出位置（［１］開先
肩部’Ｘ　＞　［２］ダレ肩位置〉ビードエッヂ位置）
と予め入力された開先幅標準値を用いて開先中心位置を
寅算する。

第８図において溶接開先中心位置の計算法を示す。なお
、第８図において、Δｄは開先幅４１値であり、信頼性
を示す数字１，２．３は小さいほど高い。また、同図の
Ａ１は第７Ａ図のＡ１又はＢ１に対応し、Ａ２は第７Ｂ
図のＡ２又はＢ２に対応する。

例えば第９図に示すように、右肩のマクロ検出信号（１
１７の出力）が正の正弦波状の信号で、ミクロ検出信号
（１１８の出力）がない場合には、第７図において、立
上がりのゆるやがなど一ド形状であることが認識され、
ここで、アドレスＡ−１１４とする。また、左肩のマク
ロ検出信号が正負の正弦波信号で、ミクロ検出信号が負
の正弦波信号の場合には、第７図において、鮮明に観察
できる開先部形状であることが認識され、ここで、アド
レスＡ２−１０２、△ｄ−４６であるものとする。従っ
て、開先中心位置は、第８図により、開先中心位置＝Ａ
　２＋　△ｄ　／　２−１０２＋２３−１２５として求
められる。

この開先中心位置情報は、誤検出防止回路（１２１）に
供給される。この回路（１２１）は、同−溶接母祠の開
先中心位置情報を記憶する機能を有しており、新たに検
出された溶接開先中心位置と前回あるいはそれより以前
に検出された位置情報とを比較して１．新たに検出され
た溶接開先中心位置が適切なものか否かを判定し、適切
な位置情報を溶接位置制御装置（１６）に出力する。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明に係る装置は、
被溶接母材の開先断面形状に制約されることなく、開先
の中心位置の検出が可能となった。

なお、上記実施例において、本発明の有用性を裏付ける
次の事項が確認できている。

（１〉開先部の左右いずれがで０．５ｍｍ以上の開先部
が見えていれば、±０．３ｍｍの精度で開先中心位置の
検出が可能である。

Ｈｉ）ビードエツジ部及びダレ肩部ではこれらの形状に
よって開先中心位置検出精度が影響を受けるが、上記実
施例において用いたサンプルに関しては、ビードエツジ
部及びダレ肩部における検出精度は、±０．５〜０．７
ｍｍ以内であった。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の溶接開先中心位置検出原理の説明図、第
２図（ａ）　、　（ｂ）　、（ｅ）は被溶接母材の開先
断面形状の説明図、第３図は本発明の一実施例に係る装
置の構造説明図、第４図は第３図の照明撮像装置の拡大
断面説明図、第５図は第３図の信号処理装置のブロック
図、第６Ａ図〜第６Ｅ図はそれぞれ第５図の各部の出力
信号波形図、第７Ａ図及び第７Ｂ図は２階差分処理によ
る波形パターンと開先肩部の断面形状の説明図、第８図
は開先肩部の断面形状と開先中心位置の計算説明図、第
９図は開先検出位置の計算例のフローチャート、第１０
図（ａ）　、　（ｂ）は被溶接母材の開先断面形状の説
明図である。 （１０）・・・照明・撮像装置、（１１）・・・信号処
理回路、（１２）・・・イメージガイド、（１３）・・
・ライトガイド、（１４）・・・光源、（■５）・・・
タッチロール、（１６）・・・溶接位置制御装置、（１
７）・・・溶接トーチ。 （１０１）・・・投光装置、（１０２）・・・受光装置
、（１０３）・・・撮像装置。 （ｉｌｌ）・・・光切断位置検出部、（１１５）・・・
開先肩部断面形状検出手段、（ｌ　１７）・・・開先部
概略断面形状検出回路、（ｆｉｌｌ）・・・開先部詳細
断面形状検出回路、（１１９）・・・開先肩部断面形状
検出回路、（１２０）・・・開先中心位置演算回路。 第３図 代理人　弁理士　佐々木　宗　治 と 第４図 第６Ａ図 第６Ｂ図 第６Ｃ図 （開光Ｔｅλ舅ｊｌＬＪ−１ 第７Ａ図 第６Ｄ図 第７８ 図 第８ 図 第 図 第 １０図 （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 溶接開先部に線状光を照射する照明手段と；該照明手段
   によって得られる光切断像を撮像して反射輝度に対応し
   た電気信号を得る光電変換手段と； 該光電変換手段によって得られた電気信号により光切断
   位置信号を検出する手段と； 検出された光切断位置信号に対して広い差分幅で２階差
   分演算を行なうマクロ２階差分回路と；前記光切断位置
   信号に対して狭い差分幅で２階差分演算を行なうミクロ
   ２階差分回路と； マクロ２階差分回路の出力波形の正負に基づいて開先肩
   部の概略形状を分類すると共に、開先肩部の概略位置を
   検出する開先肩部概略形状検出手段と； ミクロ２階差分回路の出力波形の正負に基づいて開先肩
   部の詳細形状を分類すると共に、開先肩部の詳細位置を
   検出する開先肩部詳細形状検出手段と； 分類された開先肩部の概略形状と開先肩部の詳細形状と
   の組合せに基づいて、左方の開先肩部の形状をそれぞれ
   判定すると共に、判定された開先肩部の形状に基づいて
   概略位置及び詳細位置のいずれかを選択することにより
   、開先肩部の位置を検出する断面形状検出手段と； 該断面形状検出手段で検出された左右の開先肩部の形状
   及び検出位置に基づいて開先中心位置を演算する開先中
   心位置検出手段と； を備えたことを特徴とする溶接開先中心位置検出装置。