JPH03193270A - 溶接位置検出装置および方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被溶接材のアーク点に先行する開先面の光切
断線を検出して、溶接すべき位置を検出する全自動溶接
ロボットの溶接線倣い装置に好適な溶接位置検出装置お
よび方法に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の溶接位置の検出装置としては、溶接前にあらかじ
め教示した動作に従って溶接トーチを被溶接部に接近さ
せて、溶接トーチから一定の長さで突出させたワイヤ先
端を被溶接部に接触させて、このときの位置を検出する
ことにより被溶接材のズレ量を検知するワイヤ接触式溶
接位置検出装置がある。

また別の検出装置としては、例えば特開昭５５−５０９
８４号に記載されているように、投光手段からレーザ光
をスリット状に鋭く集光させて被溶接材のアーク点に先
行する開先面に照射し、開先面からの反射光をＩＴＶカ
メラなどの受光手段で検出し、得られた光切断画像を解
析することにより、溶接すべき位置を求めるものがある
。そして、このような装置を溶接ロボットに適用し、溶
接トーチを制御する場合には、溶接トーチと投光手段と
受光手段が一体となった検出装置付トーチとしてロボッ
トアームの先端に取付けられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記従来技術のうちワイヤ接触式溶接位
置検出装置では、被溶接材に溶接トーチを直接接触させ
てワイヤ先端位置を検出するため、溶接トーチを低速で
移動させないと、被溶接材にぶつかった衝撃でワイヤ先
端が曲がり、位置が正確に検出できない。さらに、上記
の位置検出装置は、溶接開始点と溶接終了点の３次元位
置情報は検出することができるが、途中の溶接経路につ
いては検出ができない。このため、溶接中の被溶接材が
熱変形した際に溶接の品質を確保することが難しいとい
う問題がある。

また、投光手段と受光手段からなる溶接位置検出装置は
、アーク発生点に先行した被溶接材の溶接位置について
ロボット座標系での３次元位置情報を知ることができる
。しかし、溶接位置を検出できる範囲が限定されている
ため、あらかじめティーチングされた際の被溶接材の位
置に対して、実際の被溶接材のセツティング位置が大き
くずれている場合には検出が不可能となる問題がある。

本発明の目的は、溶接位置を正確に検出して溶接品質の
向上を図るとともに、被溶接材の位置ずれを補正できる
溶接位置検出装置および方法を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明は、溶接トーチによ
るアーク点に先行する被溶接材の開先面に線状集光光線
を照射する投光手段と、前記開先面からの反射光を観測
する受光手段と、該受光手段により得られた開先面上の
画像を処理することにより、溶接すべき位置を検出する
画像処理手段と、を備えた溶接位置検出装置において、
溶接トーチを被溶接材に接近させた際、前記線状集光光
線による光切断線が前記受光手段の視野内の中心に移動
したときの位置を検出する位置検出手段と。

該位置検出手段からの検出位置の情報を取込んで、その
検出位置をティーチング時と実際の溶接時について比較
することにより、被溶接材の位置ずれを検出する位置ず
れ検出手段と、を設けたものである。

また、本発明は、溶接トーチによるアーク点に先行する
被溶接材の開先面に線状集光光線を照射して、開先面か
らの反射光を観測するとともに、そのｆＲ測した反射光
から得た開先面上の画像を処理することにより、溶接す
べき位置を検出する溶接位置検出方法において、溶接ト
ーチを被溶接材に接近させていき、前記線状集光光線に
よる光切断線が観測視野内の中心に移動したときの位置
を検出するとともに、その検出位置をティーチング時と
実際の溶接時について比較することにより、被溶接材の
位置ずれを検出するようにしたことである。

〔作用〕

上記構成によれば、投光手段から被溶接材に線状集光光
線を照射して被溶接材の開先面上に光切断像を生じさせ
る。そして、この光切断像が受光手段の視野内にはいる
ように調節した後、溶接トーチを被溶接材に近づけてい
くと、光切断像は画像の中央へと移動していく。そこで
、ティーチング時と実際の溶接時とについて、光切断像
が画像の中心を通る時の位置の差を計算することにより
、非接触で被溶接材の位置ずれ量を検出することができ
る。

〔実施例〕

以下に本発明の一実施例を図面に従って説明する。

第１図は本発明による溶接位置検出装置が適用された全
自動アーク溶接ロボットの一例の概略構成図である。図
に示すように、投光器２と受光器３を有する溶接トーチ
１は溶接ロボット５に取付けられ、かつ溶接トーチ１は
溶接電源６に接続されている。また投光器２と受光器３
は画像処理袋Ｗ４に接続され、この画像処理装置４は溶
接ロボット５と共にロボット制御装置７に接続されてい
る。

なお本実施例では、投光器２は投光手段を、受光器３は
受光手段を、画像処理装置４は画像処理手段を各々構成
している。そして、位置検出手段と位置ずれ検出手段は
画像処理装置４に内蔵されている。

第２図は、本発明の溶接位置検出装置の位置検出部の検
出原理を概略的に示す図であり、溶接トーチ１を用いて
被溶接材８，９の開先部１ｏをアーク溶接する状態を示
す、溶接トーチ１は被溶接材８，９の開先部１０と対向
する電極部１１を有し、この電極部１１から繰り出され
る溶接ワイヤ１２と開先部１０間に電気アークを発生さ
せる。

支持体１３は溶接トーチ１に対して回転自在に取付けら
れている。投光器２と受光器３は支持体１３に一体的に
固定されている。投光器２からはスリット状に鋭く集光
させた光（線状集光光線）１４を被溶接材８，９の開先
面のアーク点１０’に先行するアーク点近傍位置に照射
する。図中の線分Ｑ、Ｑ、、　Ｑ、Ｑ、は、線状集光光
線１４によって開先面上に生じる光切断線を表わす。前
述の受光器３は光切断線を観測し、溶接倣い位置を検出
する。

第３図に、光学式の位置検出部とロボット５との位置関
係を示す。ロボット５は、ロボット本体を固定した位置
に絶対座標系ＸＹＺを持ち、さらに溶接トーチ１を取付
ける手首にＸｗＹｗＺｗの手首座標系の移動機構を持つ
、ここで手首座標系は、手首の回転軸方向にＺｗ軸、こ
れと直交する２方向にＸｗ軸とＹｗ軸を備え、座標系の
原点が溶接トーチ１のワイヤ先端位置と一致するように
する。また溶接トーチ１は、トーチ中心軸がＹｗ軸とＺ
ｗ軸のなす平面上にあり、Ｚｗ軸となす角が４５度とな
るようにロボット５の手首に固定する。そしてセンサ直
交座標系を、トーチ中心軸方向にＺｓ軸、Ｘｗ上にＸｓ
軸、Ｘｓ軸とＺｓ軸に直交する方向にＹｓ軸を持ち、座
標系の原点が溶接トーチ１のワイヤ先端位置に一致する
ようにとる。さらに、Ｚｓ軸から一定距離にある。Ｘ５
Ｙｓ平面上に原点を持つカメラ座標系ＸｃＹｃＺｃを支
持体１３に一体的に形成する。支持体１３は溶接トーチ
１のまわりに回転可能な構造であるから、支持体１３の
回転と共にカメラ座標系も溶接トーチ１の軸回りに回転
する。回転時にＸｓ軸とＸｃがなす角をセンサ回転角θ
Ｓと呼ぶ。

第４図にカメラ座標系と投光器２と受光器３との位置関
係を示す。投光器２から照射される線状集光光線１４の
中心軸１５を、受光器３の撮像中心軸１６はＸｃＺｃ平
面上にあってカメラ座標系の原点で交わり、Ｚｃ軸とそ
れぞれα、βの角度をなし、さらに線状集光光線１４と
ＸｃＹｃ平面との交線がＹＣ軸となす角度をγ、受光器
３の撮像部がもつ平面座標系の座標軸ｕ、ｖはＸｃ、Ｙ
Ｃ軸と各々平行とする。

第５図は、第２図に示した溶接位置検出装置により得ら
れる開先画像の検出例を示す１図において、線分Ｑ、Ｑ
、は下板である被溶接材８の表面で形成される反射像、
また線分Ｑ、Ｑ、は上板である被溶接材９の表面で形成
される反射像であり、線分Ｑ、Ｑ、とＱ、Ｑ、の交点Ｑ
２が開先位置である。

前述した画像処理装置４は、得られた開先画像に所定の
処理を行ない、溶接線Ｑ２の検出位置座標（ｕ、ｖ）を
求める。

こうして得られる検出位置座標（ｕ、ｖ）をカメラ座標
系の原点から受光器３までの距離Ｐ、受光器３の撮影倍
率ｍ、前述したα、β、γの各校正データを用いてカメ
ラ座標系の検出データ（Ｘｃ、Ｙｃ、Ｚｃ）に変換する
。そして処理した結果をさらにセンサの回転角θＳ、溶
接トーチ１の取付角度（４５度）を用いて手首座標系（
Ｘｗ。

Ｙｗ、Ｚｗ）に変換する。ロボット制御装置は手首座標
系に変換された検出結果を、検出時の各回転軸の角度情
報を用いてロボット座標（Ｘ、Ｙ。

Ｚ）に変換し、溶接の目標位置としてメモリ内に記憶す
る。

以上の手順によって溶接トーチの先端位置に先行した位
置での被溶接材の開先位置を検出できる。

次に、上述した溶接位置検出装置を用いて非接触で溶接
開始点、または終了点の位置ずれを検出する方法につい
て説明する。第６図は検出原理を示している。図におい
て（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は被溶接材と溶接トーチ１と
の位置関係を示している。

この図では、Ｙ軸方向に溶接トーチ１を移動させた場合
のみを例にとっている。（ａ’　Ｌ　（ｂ’　）。

（Ｃ′）は各々（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の時に受光器３
で得られる画像を表わしており、Ｑ、Ｑ、、　Ｑ。

Ｑ、、　Ｑ、Ｑ、は画像上に現われる光切断像を示して
いる。線分Ｑは画像の中心Ｃを通りＹ軸に平行に引いた
直線で、（ａ′）、（ｂ’　）、ＣＱ’）はＱ上での画
像の輝度分布を示したものである。つまり（ａ’　）、
（ｂ“）、（ｃ’）の水平方向はＱ上の位置、垂直方向
は明るさをとっている。溶接トーチ１が被溶接材から離
れた点Ｐ工において、角θＳを変化させて光切断像が受
光器３の視野内にはいるように調節すると（ａ′）のよ
うな画像が得られる。このＰ工の位置を記憶した後、溶
接トーチ１をＹ軸に沿って被溶接材に近づけていくと、
（ｂ′）のようにＰ２の位置では光切断像Ｑ、　Ｑ７が
画像の中心に近づいていく。さらに溶接トーチ１を被溶
接材に接近させると、（Ｃ′）のように光切断像が画像
の中心Ｃを通る。そこで、溶接トーチ１を被溶接材に近
づける時に画像の中心位置Ｃの明るさを順次検出してい
き、明るさがある一定値以上になったところで溶接トー
チ１を停止させて、前述したような座標変換の演算を行
ない、溶接トーチ１のワイヤ先端の位置を求める。

第７図は被溶接材の位置ずれ検出を示した図である。図
において、ＷＴはティーチング時の被溶接材の位置、Ｗ
ｓは実際の被溶接材の位置であり、ティーチング時の位
置に対してずれて設置されている例である。ティーチン
グ時に前述のように被溶接材から離れた点Ｐ、の位置を
記憶しておき、Ｙ軸に沿って画像の中心位置の明るさが
一定値以上になるまで被溶接材に近づけて停止する。こ
のときの溶接トーチ１のワイヤ先端位置Ｐ、の座標を記
憶する。同様にしてＹ軸方向についても被溶接材から離
れた点Ｐ４と、光切断像が画像中心に来る位置ｐ、を記
憶する。次に実際の溶接材Ｗｓが設置された時、ティー
チングされた順序に従い、溶接トーチ１をＰ４からＹ軸
に沿って被溶接材に接近させていき、光切断像が画像中
心にきた位置Ｐ７で溶接トーチを停止させ、位置を記憶
する。

同様にＹ軸方向についてもティーチングされた順序に従
ってＰ４の位置から２軸方向で光切断像が画像中心にき
た位置Ｐ、を記憶する。Ｐ、のＹ座標をｙユｙ　ｐｉの
Ｙ座標をｙ２とするとＹ方向の位置ずれΔＹは、ΔＹ＝
）’ｚ　　Ｙｌで求められる。Ｙ軸方向の位置ずれΔＺ
についてもＹ軸と同様にして求めることができる。ΔＹ
、ΔＺの計算結果に開先位置のティーチング点２丁の情
報を加えて、実際の被溶接材の開先位置Ｐｓを求めるこ
とができる。このようにして溶接開始点、および終了点
の位置ずれを検出した後、溶接開始点まで溶接トーチ１
を移動して位置ずれを考慮した溶接ねらい位置を決定し
溶接を開始する。溶接開始後は、前述したようにアーク
点に先行した位置での開先位置を検出しながら倣い制御
を逐次実施していく。

次に、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の回転ずれの検出方法につい
て説明する。第８図はティーチング時と比較して被溶接
材が回転ずれをおこしている例を示したものである。図
においてＷｔはティーチング時の被溶接材の位置、Ｗｓ
は回転ずれを起こして設置されている被溶接材の位置で
ある。ティーチング時に前述したような手順で溶接トー
チを被溶接材に近づけていき１画像中心に光切断像が移
動してきた時の位置を記憶する。この動作を溶接開始点
Ｐ、、Ｐ１゜、Ｐ工０．終了点Ｐ　ｉｆｆ　Ｐ１３９　
Ｐ１４の各ポイントについて行う、同様にして実際の被
溶接材Ｗｓについても、溶接開始点Ｐ、’、Ｐ１゜Ｐ１
□′、終了点Ｐ工！　　＃　　１３　　、ｐ□、′の位
置を記憶する。点Ｐ　５ｔＰｉａｔＰｚｚで構成される
平面、および点ｐ、　　、ｐ工。　９ＰＬＺ′で構成さ
れる平面を考える。それぞれの点の座標をＰ’＋（Ｘｉ
＋ｙｓ＋Ｚｓ）、ｐ、。ＣＸ１ａ＋’／ｚｏｔＺｘｏ）
　、Ｐｚｚ（Ｘｔｚ＋ｙｚｚ＋Ｚｘ□）、Ｐ　＊’　（
Ｘｓ’　ｙ）’ｓ’　ｌＺ９’　）、Ｐｔｏ’　（Ｘｔ
ｏ　　ｙ）’１゜ＺＩＯ’）、ＰＩＺ　　　（Ｘ１２　
　＋’／ｘｚ　　１Ｚ１２’　）とす（ｄｔ　ｅｔ　ｆ
）とする。ａ、ｂをそれぞれｘｙ平面に正射影して得ら
れるベクトルをａ　’　＝　（ａ、ｂ、ｏ）、→ とし、ａ′とｂ′のなす角をα、ａ′とｂ′のなす角を
βとする。内積の定義により、 → ａ　”（（Ｚｌａ−Ｚｓ）（ｙｚｚ−ｙｓ）−（Ｘｌ２
−ＺＪ（３’ｘｏ−ｙｓ）ｔ（２１２−２ｇ）（ｘｌｏ
−ｘ９）−（ＺｉＯ−２９）（Ｘｌ２−Ｘ９）ｙ（ｘｔ
□−ｘ、）（ｙ□。−ｙｇ）−（Ｘｔｏ−Ｘｇ）（ｙｔ
ｚ−！／ｑ））ｂ＝（（ＺＬＯ’−ち’　）（ｙｉｚ’
　−ｙｓ’　）−（ｚｔ□′−ｈ′）（ｙ□。’　−Ｙ
ｓ’　）＋（Ｚｘｚ　　−ｚ、／　）（Ｘｌ。−Ｘ９’
　）−（２１０’　−１９’　）（ｘｔｚ’　−Ｘ９’
　Ｌ（ｘ１□　−ｘｇ’）（ｙ□。’　−ｙｑ’　）−
（ｘｔ。’　−Ｘｓ’　）（ｙ□２’　−ｙｓ’　））
ａ、ｂを示した。ここでａ＝（ａ、ｂ、Ｃ）、ｂ＝とあ
られせる。上式により、被溶接材のＸ軸方向の回転ずれ
はβ、Ｚ軸方向の回転ずれはαを計算することにより求
められる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、非接触で溶接開
始点、および終了点での位置ずれを検出できるため、溶
接トーチを高速で移動させることができ、作業時間を短
縮することができる。また、溶接トーチを移動させてテ
ィーチング時の被溶接材と実際の被溶接材の相対的な位
置の差を求めるため、従来の投光手段と受光手段からな
る溶接位置検出装置よりも広い検出範囲を持つことがで
きる。これにより、１種類の溶接位置検出装置で溶接前
に大きな位置ずれを補正し、溶接をしながら小さな位置
ずれを補正することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による溶接位置検出装置が適用された全
自動アーク溶接ロボットの一例の概略構成図、第２図は
位置検出部の検出原理図、第３図はロボットと位置検出
部の位置関係を示す図、第４図はカメラ座標系と投光器
および受光器との位置関係を示す図、第５図は開先画像
の検出例を示す図、第６図は非接触で溶接開始点および
終了点の位置ずれを検出する原理図、第７図は本装置に
よる位置ずれ検出の一例を示す説明図、第８図は回転ず
れを起こしている被溶接材の一例を示す説明図、第９図
は第８図の場合の位置ずれの検出の原理を示す説明図で
ある。 １・・・溶接トーチ、２・・・投光器、３・・・受光器
。 ４・・・画像処理装置、５・・・溶接ロボット、６・・
・溶接電源、 ７・・・ロボット制御装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶接トーチによるアーク点に先行する被溶接材の開
   先面に線状集光光線を照射する投光手段と、前記開先面
   からの反射光を観測する受光手段と、該受光手段により
   得られた開先面上の画像を処理することにより、溶接す
   べき位置を検出する画像処理手段と、を備えた溶接位置
   検出装置において、 溶接トーチを被溶接材に接近させた際、前記線状集光光
   線による光切断線が前記受光手段の視野内の中心に移動
   したときの位置を検出する位置検出手段と、該位置検出
   手段からの検出位置の情報を取込んで、その検出位置を
   ティーチング時と実際の溶接時について比較することに
   より、被溶接材の位置ずれを検出する位置ずれ検出手段
   と、を設けたことを特徴とする溶接位置検出装置。 ２、溶接トーチによるアーク点に先行する被溶接材の開
   先面に線状集光光線を照射して、開先面からの反射光を
   観測するとともに、その観測した反射光から得た開先面
   上の画像を処理することにより、溶接すべき位置を検出
   する溶接位置検出方法において、 溶接トーチを被溶接材に接近させていき、前記線状集光
   光線による光切断線が観測視野内の中心に移動したとき
   の位置を検出するとともに、その検出位置をティーチン
   グ時と実際の溶接時について比較することにより、被溶
   接材の位置ずれを検出することを特徴とする溶接位置検
   出方法。