JPH0413070B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アーク溶接、特に重ね継手溶接、隅
肉継手溶接、突合わせ継手溶接において、溶接ア
ーク光を直視し、そのパターンを認識することに
より溶接開先〓間を検出し、開先〓間に対する適
応制御を行う方法に関する。

〔従来の技術〕

アーク溶接では、溶融池、通電チツプ、ワイ
ヤ、溶接開先等を含む溶接部分を工業用テレビカ
メラ（ITV）で撮像し、これによつて得た画像
を解析することにより、溶接位置、溶接条件等を
制御する方法が古くから知られている。

ところが、アーク光は、周囲（例えば溶融池）
の明るさに比べて強烈であり、しかも赤外線及び
紫外線を多量に含んでいるため、溶接部分を検出
することには困難な問題点が多い。

そこで、従来は、次のような解決策を講じてい
た。

すなわち、その一つは、撮像装置又は光学フイ
ルタに工夫を加える方法である。例えば、特開昭
51−72938号公報では、赤外線、熱線、色、光量
を制限する各フイルタを設けるとともに、テレビ
カメラにシリコンビジコン撮像管を使用して、溶
接部からの輻射線を可視光領域及び近赤外線領域
でのみ通過させるようにしている。また、特開昭
59−212172号公報では、赤外線のみを通すフイル
タを介して赤外線テレビカメラで撮像している。
特開昭58−159980号公報では、撮像装置として
CCD（固体イメージセンサ）を用いることによ
り、フイルタを不要にしている。

アーク光による影響を解決する他の方法は、工
業用テレビカメラに高速シヤツタを設ける方法で
ある。例えば、特開昭58−7776号公報では、アー
クの短絡時にアークが消滅する機会を捉えて、短
絡時のみシヤツタを開けるようにしている。ま
た、特開昭59−202178号公報では、パルス溶接に
おいて、ベース電流時期のアーク光が減衰したと
きだけシヤツタを開けるようにしている。

更に、溶接部をアーク光と区別して撮像する方
法としては、撮像のための光源を設ける方法があ
る。例えば、特開昭55−42185号公報では、アー
ク光等の外乱光のスペクトル分布と異なる光源を
設け、外乱光の光量が前記光源の光量に比較して
小さくなる波長帯を検出波長としている。また、
特開昭59−191574号公報では、溶接トーチの走行
方向前方に光を投射して、溶接開先の像を陰影で
区画した輪郭で表すための光源を設けている。

以上述べた各種の従来例において共通している
ことは、撮像したい目的物は溶融池等の溶接部分
であり、アーク光はそれを邪魔する外乱光である
ので、撮像したい映像とアーク光との分離、除去
を行おうとするものであると言える。

しかしながら、アーク光の強度は強烈であり、
しかもその波長もほぼ全域にわたるものであるか
ら、完全な除去は困難で、装置も複雑且つ高価と
ならざるを得ない。

一方、狭開先溶接の場合には、アーク光自体を
監視する例もある。例えば、特開昭55−45554号
公報では、アーク光の輝度分布を求め、溶接心線
の開先内での回転中心を求めている。また、特開
昭58−187268号公報では、トーチ先端に光検出器
を設け、この検出器出力を比較することより、ト
ーチを移動制御している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上に述べた溶接位置を検出する従来の方法に
対し、溶接開先〓間を検出する方法には、レーザ
ー光を用いて、ワークの段差の変化を検出する方
法があるが、溶接中にITVで撮像して得た画像
からワークの段差の高さ方向の変化を検出してい
るものはない。また、〓間を直接撮像して〓間を
検出する方法も、アーク光は周囲の明るさに比べ
て余りにも強烈であるため、多くの問題点があ
る。

次に、検出した〓間に対して〓間を埋める方法
があるが、溶接条件（電流、電圧、速度）の変更
だけでは、ワークの溶け落ちの問題があるため、
溶接条件の設定が難しく、また溶接条件の変更だ
けでは〓間の許容量も小さい。その他、ウイービ
ング可能な自動溶接装置によりウイービングを行
い、〓間を埋める方法もあるが、ウイービング振
幅が一定であるため、溶接中の熱歪等による〓間
量のリアルタイムの変化には対応することができ
ない。

また、開先に〓間が存在すると、ワイヤの狙い
位置を開先のルート（根本）で溶接すると、前述
の溶接条件、ウイービング動作だけでは、上板側
の溶接溶け込み不良が発生してしまう。

本発明は、以上の諸問題を解決し、特殊な装置
を付加せず、アーク自体を直視し、そのパターン
を認識することにより溶接開先〓間を検出し、開
先〓間に対する適応制御を行うことを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明は、アーク溶
接の溶接開先〓間を検出して〓間に対する適応制
御溶接をする方法において、溶接部分の上方から
アーク光の形状を撮像し、開先〓間に起因してア
ーク光の形状に現れる特異な部分を解析すること
により、開先〓間を検出し、開先〓間を埋めるた
めに、ワイヤの目標位置の変更を行い、かつ検出
した開先〓間に応じた振幅を選択してウイービン
グを行うことを特徴とする。

〔作用〕

本発明においては、ウイービング溶接可能な自
動溶接装置において、溶接継手部分のほぼ上方に
テレビカメラを設置して溶接状況を撮像すると、
強烈なアーク光のため、テレビ画像では、そのア
ーク光の輪郭しか識別できないが、そのアーク光
の輪郭は溶接開先状態を強く反映しているという
ことが実験により確かめられた。特に、溶接開先
に〓間が存在するとアーク光撮像形状の輪郭の一
部に特徴ある形状を呈することが判明した。

本発明では、この現像を利用して、溶接開先〓
間の検出を行う。また、検出後の溶接開先の上
板、下板の溶け込みを確保するために、〓間に応
じてワイヤの目標位置を変更することにより、溶
接開先〓間に対して適切な溶接を行う。

さらに、溶接開先〓間検出はウイービング溶接
でも行えることを実験により確認し、ウイービン
グ溶接の振幅を〓間に応じて選択することによ
り、溶接開先〓間に対して適切な溶接を行う。

〔実施例〕

以下、図面に示す重ね継手溶接の実施例に基づ
いて本発明を具体的に説明する。

本発明では、アーク光のパターン解析による〓
間検出と、アーク光のパターン解析によつてウイ
ービング振幅を制御したウイービングにより〓間
適応溶接を行うという二つの大きな特徴を有して
いる。

第１図は、本発明の全体のフローを示すもので
ある。まず、教示動作を開始し、〓間検出を行
う。ステツプ120において〓間を検出すると、ウ
イービングを開始する。このときの振幅初期値
は、ワークによる〓間のバラツキにより異なる
が、重ね継手の場合には板厚の２〜３倍程度とす
る。ウイービングの振幅が適当でない場合には振
幅を変更し、適正の場合には、ウイービング溶接
動作中に〓間検出を行う（ステツプ150）。〓間を
検出している間はウイービングを継続し、この動
作を教示動作が終了するまで繰り返す。

次に、本発明による〓間検出方法の原理につい
て説明する。

第２図ａのように溶接トーチのワイヤ先端が重
ね継手のルート（根本）を狙つており、かつ下板
１と上板２との間に〓間のない場合は、同図ｂに
示すようにアーク光はその半分の幅程度、上板２
の上に出る。これに対し、第３図ａのように溶接
トーチの狙い位置はそのままで、下板１と上板２
との間に〓間ｇがあると、同図ｂに示すようにア
ーク光は上板２に余り出ることができない。そこ
で、ワーク上部のテレビカメラ３によりアーク光
を観察すると、上板側のアーク光の大きさにより
ワークの〓間を検出することができる。図中４は
溶接トーチ、５はワイヤー、Ａはアークである。
また、溶接線の検出については、本願出願人が先
に特願昭61−167069号において開示したように、
アーク光の形状を撮像装置により撮像し、撮像さ
れたアーク光形状を２値化し、このアーク光形状
の輪郭部の特異点（アークトツプ）を検出するこ
とで検出することができる。

また、実験観察の結果であるが、ワークに〓間
が存在すると、上板側のアーク光が小さくなるば
かりでなく、第４図のような凹形状を示すことが
確認されている。このことにより、アーク形状に
基づいて〓間を検出することが可能である。これ
らの検出の流れ図の一例を第５図に示す。まず、
初期設定として、溶接線をｙ座標とするアーク光
が含まれるウインドウを設定する。次に、ロボツ
トの教示動作が開始すると、左右方向のズレを修
正する。左右方向のズレを修正して〓間検出のル
ーチンに入る。〓間検出のルーチンの実例を次に
説明する。

(1) 方法Ａ 左上からＹ軸に平行に走査し、０→１→０→
１のレベル変化を検出し、〓間を検出する。上
板側のアーク光が〓間が存在することにより凹
形状となるのを利用したものである。

(2) 方法Ｂ 左上からＸ軸に平行に走査し、ワイヤによる
変曲点Ｃを検出し、溶接線までの距離l₁、l₂を
測定する。l₁とl₂とを比較し、ａ×l₁＜l₂（ａは
実験により求まる定数）となると〓間を検出す
る。これは、第３図に示すように、〓間が存在
すると上板側のアーク光が小さくなることを利
用したものである。

(3) 方法Ｃ（第６図参照） 方法Ｂと同様に、〓間が存在すると上板側の
アーク光が小さくなるのを利用したものであ
る。上板側のアーク光の面積Ｓを求めることに
より、アーク光が小さくなるのを検出してい
る。なお、S₁は実験により求まる定数であり、
アーク光の面積Ｓが定数S₁より小さくなるとこ
れを〓間であると判定し、それ以外の場合には
第５図のステツプ230に戻る。

次に、〓間に対してウイービング振幅を変える
方法について説明する。

もし〓間の大きさが変化しなければ、一定のウ
イービング振幅でよい。しかし、〓間の大きさが
変化した場合は、〓間が大きければウイービング
振幅を大きくし、〓間が小さければウイービング
振幅を小さくするという制御を行う必要がある。

本発明は、アーク光のパターンによりウイービ
ングの振幅が〓間に対して適切かどうかを判断
し、適切でない（振幅が大きすぎるか又は小さす
ぎる）ならば、振幅を変更させるものである。〓
間に対するウイービング振幅が適切かどうか検出
するフローを第７図に示す。

第７図のフローチヤートにおいて、ロボツトウ
イービング１周期動作中、まずLeft max時に同
期をとり、画像を取り込む。そして溶接線までの
距離l₁、l₂を測定し、l₁とl₂の比較を行う。l₁×a₁
＞l₂ならばLeft方向の振幅が大きいと、l₁×a₂＜l₂
ならばLeft方向の振幅が小さいと判定する。ここ
で、a₁、a₂は実験により求まる定数である。これ
は、Left max時、つまり最も上板側にウイービ
ングした時、上板側のアーク光が〓間を埋めるの
に適切な大きさかどうか検出するものである。上
板側のアーク光が小さいと〓間を埋めることがで
きず、大きいとビード外観が悪くなる。

次に、Right max時に同期をとり、画像に取
り込む。そして溶接線までの距離l₃、l₄を測定し、
l₃とl₄の比較を行う。l₃×a₃＜l₄のときはRight方
向の振幅が大きいと、l₃×a₄＞l₄のときはRight方
向の振幅が小さいと判定する。ここで、a₃、a₄は
実験により求まる定数である。これは、Right
max時、つまり最も下板側にウイービングした
時、下板側のアーク光が〓間を埋めるのに適切な
大きさかどうか検出するものである。下板側のア
ーク光が小さいと〓間を埋めることができず、大
きいとビード外観が悪くなる。

このようにして、ウイービングの左と右方向の
振幅が適当になるようにウイービングの各振幅を
制御することにより、溶接開先の大きさに応じて
ウイービングの振幅とウイービングの中心位置、
すなわちワイヤの目標位置が変更され、これによ
り良好なビード外観が得られる。

ウイービング中の〓間検出は、溶接トーチがウ
イービングの中心にきた時に同期をとり、画像を
取り込めば、直線溶接の場合と同様な検出方法で
〓間を検出することが可能である。

また、ウイービング振幅が振幅制御によりある
一定値以下になれば、〓間がないとして、直線溶
接に戻す方法により〓間検出と同等な機能をもつ
ことが可能である。

この事例は、ウイービングの１周期毎に、振幅
が適切か否かを検出して、次の１周期に対して制
御する方法である。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明においては、ア
ーク光を直接観察し、そのアーク光が特異な形状
を呈した個所を解析することにより開先〓間を検
出し、〓間に応じてワイヤの目標位置およびウイ
ービング振幅を変更することにより、上板側の溶
けた金属が〓間に埋まるため、溶接開先の溶け込
みが充分に確保され、溶接開先〓間に対する適切
な溶接が行われる。

これにより、〓間の溶接中の熱歪によるリアル
タイムの変動に対しても、適応制御が可能とな
る。したがつて、ワーク精度、治具精度の許容度
が飛躍的に大きくなり、ロボツト溶接の適用範囲
を広げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による制御の全体の流れを示す
フローチヤート、第２図及び第３図は本発明によ
る〓間検出の原理を示す説明図、第４図は〓間が
ある場合のワークのアーク光を示す図、第５図は
本発明の〓間検出方法のフローチヤート、第６図
は方法Ｃのフローチヤート、第７図は〓間に対す
るウイービングの振幅の適否を検出するフローチ
ヤートである。 １：下板、２：上板、３：テレビカメラ、４：
溶接トーチ、５：ワイヤー、Ａ：アーク、ｇ：〓
間。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ アーク溶接の溶接開先〓間を検出して〓間に
   対する適応制御溶接をする方法において、 溶接部分の上方からアーク光の形状を撮像し、
   開先〓間に起因してアーク光の形状に現れる特異
   な部分を解析することにより、開先〓間を検出
   し、 開先〓間を埋めるためのワイヤの目標位置の変
   更を行い、かつ検出した開先〓間に応じた振幅を
   選択してウイービングを行うことを特徴とする溶
   接開先〓間に対する適応制御方法。