JPH03118975A - 溶接装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、溶接トーチを被溶接物の接合部分のギャップ
に沿って相対的に移動させてその接合部分を連続的に溶
接する溶接装置に関する。

（従来の技術） 近年、溶接作業の自動化のために、例えば第１２図に示
すような溶接装置が開発されている。

この溶接装置は、移動体ｌの移動方向側（図示右側）の
下面部に、スリット光源付きのカメラ２を固定し、その
反対側（図示左側）に溶接トーチ３を位置調整可能に設
けている。そして、溶接作業時には、移動体１を矢印Ａ
方向（Ｘ−Ｙ座標でＸ軸方向）に移動させつつ、カメラ
２のスリット光源から半導体レーザ光４を被溶接物５の
接合部分に照射し、その反射光をカメラ２の受光面で受
けて映像化する。このカメラ２からの映像信号を制御装
置６に入力して画像処理することにより、接合部分のギ
ャップ７の中心位置を求める。それに応じて位置補正手
段８により溶接トーチ３を矢印Ｂ方向（Ｙ軸方向）に移
動させて溶接トーチ３の位置をギャップの中心上に補正
する。これを繰返すことにより、溶接トーチ３が被溶接
物５の接合部分のギャップ７に倣って移動するようにな
り、接合部分が連続的に溶接されるものである。

この様な溶接装置では、ギャップ７の識別精度が、溶接
品質に大きく影響する。従来のギャップ識別方式として
は、カメラ２からの映像信号・を、■ハード回路で処理
して被溶接物５表面とギャップ７との識別を行う方式と
、 ■ソフト処理して被溶接物５表面とギャップ７との識別
を行う方式とがある。

この場合、制御装置６は、第１３図に示す手順に従って
ギャップ７の識別を行う。

即ち、まず、カメラ２が撮影した映像信号を取込む（ス
テップＳｌ）。次に、ギャップ識別方式が前記■又は■
で処理過程が分岐する（ステップＳ２）。■のハード回
路で処理する方式では、ステップＳ３にて前記カメラ２
の撮影した画像の光の強さをハード回路にて画像データ
化し、このデータをステップＳ４にてＲＡＭに収納する
。そして、ＣＰＵ内で前記画像データに基づく被溶接物
５表面とギャップ７との識別処理を行い（ステップ５５
）１、そのギャップ７の中心位置に来るように溶接トー
チ３の位置の補正量を求める（ステ・ツブＳ６）。一方
、前記■のソフト処理する方式では、ステップＳ７にて
前記カメラ２の撮影した画像の光の強さをＡ／Ｄ変換処
理によりデジタル信号化し、このデータをステップＳ８
にてＲＡＭに収納する。そして、ＣＰＵ内でそのデータ
を二値化処理しくステップＳ９）、これに基づいてギャ
ップ７の識別処理を行い（ステップ５１０）、上記同様
にそのギャップ７の中心位置に来るように溶接トーチ３
の位置の補正量を求める（ステ・ツブＳ６）　　。

（発明が解決しようとする課題） ところで、上記■のハード回路で処理する方式では、ハ
ード回路にてしきい値を一定にして二値化データ化する
ため、回路構成が簡単で製造コストが安く、しかも高速
処理が可能であるという利点がある。ところが、一定の
しきい値にて二値化データ化する場合、被溶接物５の表
面状態（汚れの付着度合や表面粗さ）により、実際には
被溶接物５の表面であるにもかかわらず、反射光が弱く
なってギャップと判定されることがあり、ひいては、ギ
ャップ識別がうまく行えない欠点がある。

このため、しきい値を被溶接物５の表面状態に合わせて
調整すべく、スレッシュレベル調整回路を設けて作業者
がしきい値を切替えながら使用することが行われている
。しかしながら、スレッシュレベル調整回路は高価で複
雑であり、しかも精度良く調節する作業は極めて難しか
った。

一方、前述した■のソフト処理方法では、ＣＰＵ内で二
値化処理を行うため、適切なしきい値を設定できてギャ
ップの識別を確実に行うことができるものの、処理する
情報量が膨大であり、Ａ／Ｄ変換処理や二値化処理にか
なりの時間（例えば８　ｂｉｔのマイクロコンピュータ
を機械語にて駆動しても演算時間に数秒程度）がかかっ
てしまう。

このため、短時間での処理が困難で、ひいては溶接トー
チ３の倣いの精度が低下してしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は
、ギャップの識別を安価な構成でしかも短時間で精度良
く行い得、ひいては溶接の品質を向上し得る溶接装置を
提供するにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明の溶接装置は、接合部分のギャップを含めて被溶
接物を撮影する撮像手段を設け、この撮像手段の撮影画
像の画像データをギャップの画像の幅方向に連なる単位
画面毎に予め設定された光量のしきい値にて二値化判定
処理する画像判定手段を設け、この画像判定手段による
二値化データに基づいてしきい値以下の単位画面が予め
設定された所定数以上連続する範囲を画像上のギャップ
であると認識してその画像上のギャップの中心位置を検
出するギャップ識別手段を設け、このギャップ識別手段
が検出した画像上のギャップの中心位置に基づいて溶接
手段を移動させる位置補正手段を設けたところに特徴を
有する。

（作用） 本発明の溶接装置によれば、まず、撮像手段の撮影画像
の画像データは画像判定手段により単位画面毎に二値化
判定される。このとき、被溶接物の表面状態が良好なも
のであれば、単位画面毎の光量は、ギャップに対応した
部分が含まれる単位画面は全てしきい値以下となり表面
に対応した単位画面は全てしきい値より大となる。一方
、被溶接物の表面に汚れや傷などがあって、本当は表面
であるにもかかわらず、その単位画面の光量がしきい値
以下となる単位画面が存在する場合があるが、ギャップ
識別手段によりその二値化データは修正され、この結果
、真のギャップの中心位置を検出することができる。従
って、位置補正手段により溶接手段を真のギャップの中
心位置に移動させることができて高品質の溶接を行うこ
とができる。

この場合、画像データはハード回路にてしきい値を一定
に保ったままで得ることができるから、安価な構成で安
定したギャップ識別が可能で、しかも、二値化判定処理
する情報量も少なくて済むから、短時間で精度良くギャ
ップの検出を行うことができる。

（実施例） 以下本発明の第１実施例について、第１図乃至第８図を
参照して説明する。

第２図は本実施例に係る溶接装置１１による溶接時の様
子を概略的に示しており、ここで、１２゜１２は被溶接
物たる２枚の薄鋼板であり、これらは第３図にも示すよ
うに接合部分たる端面１２ａ。

１２ａを互いに突合わせて配置され、その間には微小な
ギャップ１３が略図示Ｘ軸方向に延びて形成されている
。この薄鋼板１２．１２を溶接するための溶接装置１１
は、以下のように構成されている。

即ち、１４は移動体であり、これは、前記薄鋼板１２．
１２の上方に配置され、図示しない移動機構により図示
矢印Ａ方向（Ｘ軸方向）に一定速度で移動されるように
なっている。そして、この移動体１４には、移動方向前
方側に撮像手段たるカメラ１５、後方側に溶接手段たる
溶接トーチ１６が夫々設けられている。カメラ１５は、
図示しないスリット光源から、前記ギャップ１３を含め
た薄鋼板１２．１２に半導体レーザ光りを照射し、その
反射光をフィルタを介して受光して映像化するようにな
っている。この場合、第３図に示すように、レーザ光り
は、ギャップ１３の延びる方向と直交する方向に延びる
スリット状に照射される。

また、カメラ１５は、その視野が例えば第３図に二点鎖
線で囲む範囲に設定され、ギャップ１３を含む接合部分
を撮影する。この撮影画像は、第４図に示すようになり
、前記ギャップ１３の幅に対応する部位がとぎれた縦に
延びるスリット状の反射部分（薄鋼板１２表面）が撮影
される。尚、第４図では、便宜上、明輝している部位Ｗ
をハツチングにて示している。そして、このカメラ１５
の撮影画像は、後述するように制御装置１７により画像
処理がなされるようになっている。前記溶接トーチ１６
は、例えばＣＯ２レーザ光を熱源とし、前記薄鋼板１２
．１２の接合部分にそのレーザ光を照射して溶接を行う
ようになっている。そして、この溶接トーチ１６は、移
動体１４に対して図示矢印Ｂ方向（Ｙ軸方向）に移動可
能とされており、位置補正手段たる位置補正装置１８に
よって移動されるようになっている。また、この位置補
正装置１８の動作は、制御装置１７によって自動的に制
御されるようになっている。

前記制御装置１７は、第５図に示すように、画像処理ハ
ード回路１９、本発明にいう画像判定手段及びギャップ
識別手段として機能するＣＰＵからなる演算処理部２０
．各種データを記憶するＲＡＭ２１から構成されている
。画像処理ハード回路１９は、前記前記カメラ１５の撮
影画像を、その光の強さを予め設定されたしきい値にて
二値化して画像データ化する。ＲＡＭ２１には、この画
像処理ハード回路１９がらの画像データが走査線毎に記
憶されるようになっている。演算処理部２０は、その画
像データに基づいて、後述するように、前記ギャップ１
３の幅方向に連なる単位画面としての走査線単位での二
値化判定処理を行い、さらにその二値化データに基づい
てギャップ１３の認識を行ってギャップ１３の中心位置
を演算するようになっている。そして、この演算処理部
２０が演算したギャップ１３の中心位置に応じた補正信
号が、前記位置補正装置１８に出力されるようになって
いる。また、画像処理ハード回路１９からの画像データ
によってモニタ２２の画面（第４図参照）に撮影画像が
写し出されるようになっている。

次に、上記構成の作用について述べる。

溶接装置１１が起動されると、溶接トーチ１６からレー
ザ光が薄鋼板１２．１２の接合部分に照射され、このレ
ーザ光の高熱により、接合部分が加熱されて溶接される
。そして、これと同時に、移動体１４が矢印Ａ方向に一
定の速度で移動し、以て接合部分の連続的な溶接が行わ
れる。

而して、このとき、第６図に示す手順に従って、接合部
分のギャップ１３に溶接トーチ１６を倣わせることが行
われる。これは、まず、カメラ１５にてギャップ１３を
含めて接合部分を撮影しくステップＰ１）、次に、その
撮影画像が制御装置１７に入力され（ステップＰ２）、
処理される。この処理は、前述したようにまず画像処理
ハード回路１９により撮影画像の画像データ化が行われ
る（ステップＰ３）。このデータが水平走査線毎にＲＡ
Ｍ２１に記憶され（ステップＰ４）、次いで、演算処理
部２０にて、そのデータの水平走査線単位での二値化判
定（ステップＰ５）、ギャップ１３の認識及びその中心
位置の演算（ステップＰ６）、溶接トーチ１６の補正量
信号の出力（ステップＰ７）が行われる。そして、位置
補正装置１８は、その補正量信号に基づく溶接トーチ１
６の移動を行うものである（ステップＰ８）。

さて、前記演算処理部２０の演算処理は、詳細には第１
図のフローチャートに従って行われる。

尚、溶接作業を開始するにあたって、作業者によって、
制御装置１７に対しての溶接開始部分のギャップ１３の
画像中心Ｃ８の指示と、検出幅の指定とが行われている
。溶接開始部分のギャップ１３の画像中心Ｃ６の指示は
、例えば、表面状態が均質でギャップ１３に相当するギ
ャップが１本ある治具を、薄鋼板１２．１２の上面にそ
のギャップが接合部分のギャップ１３に一致するように
載置し、それをカメラ１５で撮影して、ギャップ中心に
相当する水平走査線番号（例えば＃　２５０）で指定す
る。以下、走査線番号は＃を付して表すこととする。ま
た、検出幅の指定は、水平走査線の数にて行う（例えば
４０１本）。これは、カメラ１５の１フレ一ム分（例え
ば走査線数にて５゜０本）全て画像処理することは時間
的に無駄となるためになされるものであり、ギャップ１
３の幅やその蛇行幅等に基づいて指定される。

演算処理は、まず、ステップＰ１ｏでギャップ１３の中
心Ｃ８の走査線番号が認識され、次のステップｐＨで検
出エリアの設定が行われる。この検出エリアの設定は、
前記走査線Ｃ８が中心となり指定された検出幅となるよ
うに設定される。

従ってこの場合、検出エリアは＃５ｏ〜＃４５゜と設定
される。

次に、前記二値化処理ハード回路１９にて処理されてＲ
ＡＭ２１に記憶された画像データを、単位画面たる水平
走査線単位で、その光量を与えられたしきい値で二値化
する二値化判定処理が行われる（ステップＰ４ａ〜Ｐ４
ｃ）。ここで、以下判定結果を、しきい値より大なるも
の（薄鋼板１２の表面に対応する）を白レベル、しきい
値以下のもの（ギャップ１３に対応する）を黒レベルと
称する。本実施例では、ステップＰ４ａにて水平走査線
単位にて前記自レベル／黒レベルの判定処理を行いこれ
をＲＡＭ２１に記憶させた後、そのデータを順次ＲＡＭ
２１より取出してギャップ検索（ステップＰ４　ｃ）を
行うものであるが、このとき、最初に白レベルが１０本
以上連続して始めてギャップ検索を開始する（ステップ
Ｐ４　ｂ）。

これは、検出エリアの端部に後述するギャップ候補が存
在するとは考えられないからである。ステップＰ４ｃの
ギャップ検索では、前記二値化データをいわば修正しつ
つ行うものであるが、ここでは白レベルが１０本以上連
続する範囲では白レベル領域とし、９本以下しか連続し
ない場合にはその範囲のデータを全て黒レベルに修正す
る。そして、この修正を行いながら、黒レベル領域（黒
レベルが連続する範囲）の開始位置（ＩＧＳ）及び終了
位置（ＩＣＥ）の走査線番号を記憶する。終了位置（Ｉ
ＣＥ）から白レベルが１０本まで進んだ時点で次のステ
ップＰ５ａのギャップ候補識別処理に進む。ここで、具
体例を上げると、第７図に示すように、薄鋼板１２．１
２の端面１２ａ。

１２ａにだれがある場合、この部分に対応する走査線範
囲の二値化判定結果は、例えば第８図（ａ）に示すよう
になる。即ち、だれに対応する部分例えば＃２１６〜＃
２３６及び＃２６０〜＃２７８は、ステップＰ４ａの二
値化判定では、白レベルと黒レベルとが短い周期（夫々
９本以下）で交互に繰返し現れるのである。この部分は
モニタ２２上では灰色に見えるグレー領域Ｇであり、第
４図に明輝部分Ｗと向きを変えたハツチングにて示す。

ステップＰ４ｃのギャップ検索では、このグレー領域Ｇ
では白レベルの走査線が１０本以上連続しないことから
、第８図（ｂ）に示すように、＃２１６〜＃２７８全体
を黒レベル領域と判断し、＃２８９まで検索が進んだ時
点で（＃２７９〜＃２８９の１０本が白レベル連続）、
ｌＧ５−＃２１６、ＩＧＥ−＃２７８をＲＡＭ２１に記
憶するのである。

次のステップＰ５ａでは、ギャップ候補の識別がなされ
る。これは、前記ステップＰ４ｃで検索された黒レベル
領域が、真のギャップに相当するかどうかを識別するも
ので、この場合、その黒レベル領域が走査線単位で１０
本以上の幅があるかどうかで識別される。ここで、幅を
走査線１０本以上と規定したのは、この場合カメラ１５
の分解能が２０μｍで、ギャップ１３の最低幅が２００
μｍであるから、ギャップ１３は必ず走査線１０本以上
の幅で撮影されることに基づくものである。

ギャップ候補と識別されたならば、その中心ＩＯＣと画
像中心Ｃ８とのずれ量ΔＷを演算し、その値を記憶して
おく。前記例でみれば、第８図（ｂ）の黒レベル領域＃
２１６〜＃２７８は、全体で６２本であるからギャップ
候補となり、中心ｌ０Ｃ−２４７、ずれ量Δｗｍｓ−３
が記憶される。

このような処理が、検出エリア全体が終了するまで行わ
れる（ステップＰ５ｂ）。これにより、ギャップ１３に
対応するギャップ候補が識別されるようになるが、薄鋼
板１２の表面の汚れや傷等により、ギャップ候補が複数
得られる場合も考えられる。そこで、ステップＰ５ｃで
は、得られたギャップ候補が複数ある場合には、それら
のずれ量ΔＷの絶対値を比較して、最もずれ量の小さい
ものに対応する中心ＩＯＣ（例えば＃２４７）を真のギ
ャップ中心と判定する。

次のステップＰ６ａにて、前記ずれ量ΔＷに対応する補
正量信号が位置補正装置１８に出力され、これにより、
位置補正装置１８は、カメラ１５と溶接トーチ１６との
離間距離及び移動体１４の移動速度に対応する時間Δを
後に溶接トーチ１６を移動させる。そして、ステップＰ
６ｂにて、画像中心Ｃ６の走査線番号を前記ＩＯＣ（＃
２４７）に書き替えると共に、それに応じた新たな検出
エリアの設定（＃４７〜＃４４７）を行う。そして、移
動体１４の移動に伴う新たな画像についての同様なギャ
ップ識別の処理が、溶接作業終了まで繰返される（ステ
ップＰ１２）。

このような本実施例によれば、二値化処理ハード回路１
９においては、しきい値を一定に保ったまま画像データ
化を行っているから、従来のハード回路によるギャップ
識別方法とは異なり、高価で複雑なスレッシュレベル調
整回路が不要となり、安価な構成で済ませることができ
、作業者の操作も容易となる。そして、演算処理部２０
では、前記データを走査線を一単位のデータとして白レ
ベル／黒レベルの判定を行うようにしたから、従来のソ
フト処理の方法と比べて、処理するデータの数が極めて
少なく済む。しかも、薄鋼板１２，１２表面に傷や汚れ
のある場合でも、確実にギャップ１３を識別することが
でき、さらには端縁部におけるグレー領域を白レベルか
黒レベルかのどちらかに特定することができて安定した
ギャップ識別を行うことができる。従って、安価で簡単
な構成であって、しかも、ギャップ識別の処理に要する
時間が短時間となると共に、精度の良い識別を行うこと
ができ、ひいては、溶接の品質を向上させることができ
るものである。

次に、本発明の第２実施例について、第９図乃至第１１
図を参照して述べる。尚、上記第１実施例と同一部分に
ついては同一符号を付して詳細な説明を省略する。

第９図は本実施例に係る溶接装置３１の概略的な構成を
示しており、ここで、撮像手段たるカメラ３２は次のよ
うに構成されている。

即ち、詳しく図示はしないが、カメラ３２はこの場合２
個の光源を有し、この光源によりギャップ１３に直交す
るようなスリット状の２条のレーザ光り、、Ｌ２が薄鋼
板１２．１２の接合部分の近接する位置に照射されるよ
うになっている。そして、カメラ３２は、その視野が例
えば第１０図に二点鎖線で囲むような範囲に設定され、
前記レーザ光Ｌｌ、Ｌ２の照射された部分をフィルタを
介して撮影する。この撮影画像は、第１１図に示すよう
になり、反射光が前記ギャップ１３に対応する部位を除
いて縦に延びるスリット状に撮影される。従ってこの場
合、カメラ３２は、近接する２つの画像を１つの画面に
て撮影している。尚、第１１図では、便宜上、明輝して
いる部位Ｗ。

Ｗ２をハツチングにて示している。

そして、このカメラ３２が撮影した画像は制御装置３３
に入力され、この制御装置３３により画像処理がなされ
るようになっている。

前記制御装置３３は、図示はしないが、カメラ３２の撮
影画像を、その光の強さを予め設定されたしきい値にて
二値化して画像データ化する画像処理ハード回路１９、
各種データを記憶するＲＡＭ２１、画像判定手段及びギ
ャップ識別手段として機能する演算処理部２ｏがら構成
されている。

演算処理部２０はＲＡＭ２１に記憶された画像データに
基づいて、前記ギャップ１３の幅方向に連なる単位画面
としての走査線単位での二値化判定を、例えば画像の右
半分、左半分の夫々に対して個々に行い、さらにその二
値化判定に基づいて各画像毎のギャップ１３の認識を行
ってギャップ１３の中心位置を演算するようになってい
る。そして、位置補正手段たる位置補正装置１８には、
前記画像ごとのギャップの中心を結ぶ直線上に溶接トー
チ１６を移動させるべく、制御装置３３からの補正信号
が出力される。その他の構成は上記第１実施例と同様と
なっている。

本実施例では、上記第１実施例と同様なギャップ１３の
識別が、２つの画像データに関して行われる。従って、
夫々の画像データにおけるギャップ中心Ｃ，，Ｃ２が求
められるようになる（第１１図参照）。そして、これら
ギャップ中心Ｃｌ　ｒ０２及びこれらのＸ軸方向の離間
距離、カメラ３２と溶接トーチ１６との離間距離等から
、ギャップ中心Ｃ，，Ｃ２を結ぶ直線上に溶接トーチ１
６の位置を補正するように補正量が演算される。

従って、本実施例によれば、上記第１実施例と同様に、
ギャップ識別の処理に要する時間が短時間となると共に
、安価な構成で精度の良い識別を行うことができる。そ
して、カメラ３２が撮影している画像から、リアルタイ
ムで現在の溶接トーチ１６の位置の補正ができるもので
ある。

尚、本実施例では、近接する２箇所を一つのカメラ３２
にて撮影するようにしたが、２つのカメラを用いて近接
する部分を撮影し、夫々の画像データからギャップ中心
位置を検出するようにしても良い。また、３箇所以上を
撮影するように構成しても良い。

その他、本発明は上記各実施例に限定されるものではな
く、例えば固定された溶接トーチに対して被溶接物側を
移動させるようにしたものにも適用することができ、ま
た、レーザ溶接に限らずアーク溶接など他の溶接方法に
も適用することができる等、要旨を逸脱しない範囲内で
適宜変更して実施することが可能である。

［発明の効果］ 以上の説明にて明らがなように、本発明の溶接装置によ
れば、ギャップの識別を安価な構成でしかも短時間で精
度良く行い得、ひいては溶接の品質を向上し得るという
優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】 第１図乃至第８図は本発明の第１実施例を示すもので、
第１図はギャップ識別のフローチャート、第２図は全体
構成を示す斜視図、第３図はカメラの撮影部分を示す上
面図、第４図はカメラが撮影した画像を示す図、第５図
は電気的構成を示すブロック図、第６図は溶接トーチの
位置補正の手順を示す図、第７図は薄鋼板の接合部分の
縦断面図、第８図＜ａ）及び（ｂ）は夫々第７図に対応
した走査線範囲のギャップ認識の行程における二値化判
定結果及び黒レベル領域判定結果を概念的に示す図であ
る。そして、第９図乃至第１１図は本発明の第２実施例
を示すもので、第９図は第２図相当図、第１０図は第３
図相当図、第１１図は第４図相当図である。また、第１
２図は従来例を示す第２図相当図、第１３図は従来例を
示す第６図相当図である。 図面中、１１．３’ｌは溶接装置、１２は薄鋼板（彼溶
接物）、１３はギャップ、１５．３２はカメラ（撮像手
段）、１６は溶接トーチ（溶接手段）１７３３は制御装
置（画像判定手段、ギャップ識別手段）、１８は位置補
正装置（位置補正手段） を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、溶接手段を被溶接物の接合部分のギャップに沿って
   相対的に移動させてその接合部分を連続的に溶接するも
   のにおいて、前記ギャップを含めて被溶接物を撮影する
   撮像手段と、この撮像手段の撮影画像の画像データを前
   記ギャップの画像の幅方向に連なる単位画面毎に予め設
   定された光量のしきい値にて二値化判定処理する画像判
   定手段と、この画像判定手段による二値化データに基づ
   いて前記しきい値以下の単位画面が予め設定された所定
   数以上連続する範囲を画像上のギャップであると認識し
   てその画像上のギャップの中心位置を検出するギャップ
   識別手段と、このギャップ識別手段が検出した画像上の
   ギャップの中心位置に基づいて前記溶接手段を移動させ
   る位置補正手段とを具備したことを特徴とする溶接装置
   。