JPH0350201B2 - - Google Patents

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Gwは開先幅方向、Glは開先線
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ツプごとに
説明する。

ステツプ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（スリツト光）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。

ステツプ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。

ステツプ３検出された画像情報に基づいて、左右
の開先肩Ga、Gb（母材表面と開先斜面との交
点）の位置Ｌ、Ｒを検出し、左右の開先肩間の
中央位置Ｃ（（Ｌ＋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55−20631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つている
「溶接開先」は、一般に「Ｖ字開先」あるいは
「Ｖ型開先」と称される形状を指すものであり、
従つて、上記装置の適用に際しては、左右の開先
肩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」、「仮付け溶接」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つた開
先断面形状を有するものや、仮付け溶接時の溶接
ビードによつて開先肩部が覆い隠されてしまつた
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つては、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
によつて右側の開先肩部Gbが覆い隠された被溶
接母材の例、ｂは溶接ビードWBによつて左右の
開先肩部Ga，Gb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、WBeはビードエ
ツヂである。

従つて、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つた。

［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つた
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］ 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、前記照明手段によつて得られる光
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
号が検出された後、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、前記マクロ２階差分回路から得
られる測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
検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、１２はイメージガイド（光フアイバー）、１
３はライガイド（光フアイバー）、１４は光源、
１５はタツチロール、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１０１は投光装
置、１０２は受光装置、１０３は撮像装置、１０
４は照明・撮像装置収納筺体、そして、１０５は
外乱光遮へい材である。

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（スリツト光）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１６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、例えばタツチロール１５等のセンターを用い
て、撮像距離l₁及び照明距離l₂が常に一定となる
ように、溶接位置制御装置１６により制御され
る。また、溶接アーク等の外乱光は、外乱光遮へ
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１１
５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１１１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・異常形
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１１６、開先部概略断面形状検出回路１１
７、開先部詳細断面形状検出回路１１８及び開先
肩部断面形状検出回路１２０から構成されてお
り、光切断位置検出部１１１によつて検出された
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
に先だつて、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「開先肩」と称す。

[2] ダレ肩状；第２図ｃに示す様に、開先肩が
プレス形加工等溶接の前工程において押し潰さ
れてしまつた形の断面形状を言い、便宜上、押
し潰された開先肩を「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
ドによつて開先肩が覆い隠されてしまつた形の
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ツヂと称す。

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つ
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つて評価する
ことができ、その信頼性は、［１］開先肩位置情
報＞［２］ダレ肩位置情報＞［３］ビードエツヂ位
置情報の順に高い。

ここで再び第５図に戻つて、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１１６によりノイズ成分が移動
平均処理によつて除去される。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１１６の
出力信号は、第６Ｃ図に示すとおりである。

移動平均回路１１６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
理によつて、開先肩位置及びビードエツヂ位置に
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に示す様な開先肩が僅
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
よつ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１１８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の改善をはかり、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、開先肩が僅かに
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
細断面形状検出回路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「開先肩」なのか「ダレ肩」なのかあ
るいは「ビードエツヂ」なのかを識別し、位置検
出を行なう。但し、開先部詳細断面形状検出回路
１１８では、検出し得ないゆるやかな変化を示す
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１１７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つて、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
１１８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
しないかによつて詳細形状を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つて第７Ａ図、第７
Ｂ図に記載されるようなマトリツクスを作成し左
右それぞれの開先肩部の形状が「開先肩」、「ビー
ドエツヂ」或いは「ダレ肩」のいずれであるかを
検出すると共に、その形状に応じて肩部の位置
（B1）（A1）、（B2）（A2）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「ビードエツヂ
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］
開先肩位置＞［２］ダレ肩位置＞ビードエツヂ位
置）と予め入力された開先幅標準値を用いて開先
中心位置を演算する。

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、△ｄは開先幅標準値
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（１１７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、立上がりのゆるやかなビー
ド形状であることが認識され、ここで、アドレス
A₁＝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
できる開先肩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。従つて、開先中心位置は、第８図により、 開先中心位置＝A₂＋△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１２
１に供給される。この回路１２１は、同一溶接母
材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、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つ
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。

() 開先部の左右いずれかで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。

() ビードエツジ部及びダレ肩部ではこれらの
形状によつ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、±0.5〜0.7mm以内であつた。

【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，ｃ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
装置のブロツク図、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ヤート、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、１５……タツチロール、１
６……溶接位置制御装置、１７……溶接トーチ。
１０１……投光装置、１０２……受光装置、１０
３……撮像装置。１１１……光切断位置検出部、
１１５……開先肩部断面形状検出手段、１１７…
…開先部概略断面形状検出回路、１１８……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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶接開先部に線状光を照射する照明手段と； 該照明手段によつ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つ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。