JPH0610607B2 - 微小間隔測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ 本発明は，長手方向に微小間隔部を有して接する被測定
材間の微小間隔を測定する方法に係り，特に金属板やプ
ラスチック板等の突き合せ溶接部の幅および溶接線を検
出する際に用いるのに好適な突き合せ溶接される被溶接
材の溶接線を検出する溶接線検出方法に関する。

＜従来の技術＞ 長手方向に微小間隔部を有して接する被測定材，例えば
金属板等を突き合せ溶接するような場合には，溶接品質
の安定化や向上を図るために，突き合されて溶接される
部分の幅および溶接線を正確に検出する必要がある。

このような溶接線を検出するものとして，従来，例えば
特開昭59-97773で溶接線倣い方法が提案されている。

この溶接線倣い方法は，隅肉、突き合せ溶接において，
溶接トーチと一体としたモニタテレビカメラにバンドパ
スフィルタを設け，溶融池直前の輝度の大小の輝度走査
法により求め，反射光の極小値とアーク中心のずれをサ
ーボ機構により一致させて行う方法である。

＜発明が解決しようとする問題点＞ この方法においては溶接線の検出を反射光の極小値を求
めることによって行っているため，溶接時に発生するア
ーク光の影響や外乱光により，前記極小値の位置が不安
定となる可能性があった。また，最近脚光をあびている
レーザ溶接等で前記突き合せ溶接を行う際には，熱源の
形状が非常に小さいため，鋼板突き合せ部の形状を従来
の溶接方法に比べて厳しく管理する必要があり，しか
も，剪断刃の劣化，剪断の高速化等により，前記形状の
精度を確保することが困難となり，高精度の倣い技術が
必要とされている。

従って，レーザ光を用いて鋼板等の被溶接材を突き合せ
て溶接する際には，その溶接線を高精度に検出して倣う
技術が必要となるが，このような溶接線を倣う技術を開
発するに当っては，従来，以下に示すような課題があっ
た。

（１）被溶接板の板厚や，切断部断面の形状が，板毎に
大きく異なる。

（２）板厚の違う被溶接板を溶接する場合に、高さ方向
のずれが生じ，受光光学系の焦点ずれが生ずる。

（３）被溶接板エッジのダレ等により，エッジ画像が不
鮮明になる。

以上述べた課題から，前記レーザ溶接で前記突き合せ部
の溶接を行う際には，前記溶接線の高精度の測定が要求
され，また，被溶接板の板厚や切断部の両エッジの形状
の変化に影響されずに安定した検出が行える光学系配置
および信号処理系が必要とされる。

＜発明の目的＞ 本発明は，前記従来の問題点に鑑みなされたものであっ
て，高精度の溶接倣いが可能となるような，被溶接材の
微小間隔部の幅を精度よく測定する方法を提供すること
を目的とする。

＜問題点を解決するための手段＞ 本発明は，長手方向に微小間隔部を有して接する被測定
材間の微小間隔を測定するに際し，前記被測定材に，投
光部から放出された平行光束を，前記微小間隔部の長手
方向に対して直角方向にわたって反射光が生ずるように
照射し，前記被測定材の反射光を生ずる部分において，
前記平行光束面に対して受光軸が直角なるように配設さ
れた受像部を用いて前記反射光を撮像して画像信号を作
成し，該作成された画像信号を処理して前記微小間隔部
の幅を測定することにより，前記目的を達成したもので
ある。

また，本発明の実施態様として，前記受像部は，受光中
心軸と投光軸の交点を，被測定材の平均板厚に相当する
測定材の表面上に結ぶように配設されたものである。

さらに，前記画像信号の処理は，画像信号の強度分布に
応じて２値化処理し，２値化処理後の結果を各走査線毎
に走査線方向に積分処理して得られた新たな信号分布に
基いて，微小間隔部の幅を算出するものとしたものであ
る。

以下，本発明の作用について，第１図乃至第３図に示し
た鋼板等の突き合せ溶接部の幅および溶接線を検出する
場合を例に詳細に説明する。

図において，鋼板等の被溶接板５の突き合せ溶接部６の
溶接線を検出する際に、短冊状の光束ＬＢを該溶接線の
長手方向に直角方向に，スリット状に照射する。前記被
溶接板５上に照射された光束ＬＢが反射して生じた反射
光ＦＬは，例えば狭帯域干渉フィルタを通して外乱光を
除去し，例えばＣＣＤカメラ等撮像手段で撮像する。

ここで，これらの投光系と受光系の位置関係について
は，第３図（ａ）に示すように，前記投光系の投光軸
と，前記受光系の受光軸の被溶接板上での交点を直角と
なすように，前記投光系と前記受光系を配置する。その
ようにすれば，被溶接板の厚み変化によって生ずる段差
の影響による受光光学系の焦点ずれを防ぐことが可能で
ある。

このようにして，撮像して得られた画像信号の輝度分布
を，最適なスレショルド・レベル（しきい値）で２値化
処理し，各走査線毎に走査線方向に２値化処理後の
“１”レベルを加算処理する。加算処理後，新しく得ら
れた信号分布から新たなスレショルド・レベルを決定
し，突き合せ溶接部６の両エッジ部を検出して，該エッ
ジ位置からギャップ幅および溶接線を算出する。

以上のような検出操作を，被溶接板５の突き合せ溶接部
６の溶接線の長手方向へ連続的に行うことにより，被溶
接板エッジのプロフィールを得ることが出来る。そし
て，前記算出された溶接線を基に溶接線倣いコントロー
ラを介して，溶接トーチを制御することにより，高精度
の溶接線倣いが可能となる。

＜実施例＞ 以下，本発明に係る実施例について詳細に説明する。

この実施例は，前出第１図にその概略構成を示すよう
に，鋼板等の被溶接板５の突き合せ溶接部６を溶接する
際に，溶接トーチ４が精度よく該突き合せ溶接部６を倣
うように，その溶接線を検出する溶接線検出装置に本発
明を採用したものである。

第１図に示されるように，前記溶接トーチ４の進行方向
Ａに対して前側に前記溶接線を検出するための検出ヘッ
ド１が設置されている。

該検出ヘッド１の概略構成を第２図に示す。該検出ヘッ
ド１には，小型レーザが用いられた光源２と高解像のＣ
ＣＤ（電荷結合素子）カメラが用いられた受像部３が備
えられる。また，前記検出ヘッド１は、溶接機からの雑
音信号の影響を受けないように，電磁的，静電的にシー
ルドされる。

前記光源２には，He-Neレーザや半導体レーザ等の小型
レーザを使用することが可能であり，それを使用した場
合，この装置の構成を小型化できる。

また，前記光源２のレーザ光ＬＢの照射側には，第２図
に示すように，該レーザ光ＬＢを平行光とする平行光束
作成用の光学系９が取付けられる。

前記受像部３には，第１図に示されるように，それによ
り撮像された像を画像信号として処理する画像処理装置
７が接続される。該画像処理装置７には，その出力信号
により，前記被溶接板５のエッジ位置を検出して，前記
溶接トーチ４が倣うべき溶接線を検出するためのマイク
ロコンピュータ８が接続され，画像信号を高速で演算処
理される。

ここで，前記被溶接板５の突き合せ溶接部６の形状は，
剪断刃の剪断精度に依存し，該剪断刃が劣化してくると
剪断部の断面形状が悪くなる。特に，この溶接線検出装
置の目標検出精度は５０μｍ以下であり，この精度を満
足させるためには，切断部形状の不均一に起因する前記
受像部３で撮像した像の焦点ずれを無くする必要があ
る。また，厚物と薄物の溶接のように，板厚の違う被溶
接板５の溶接が非常に多く行われているため，焦点ずれ
を生じないように配慮する必要がある。

そこで，前記被溶接板５の板厚変化や切断部形状の不均
一さという諸問題に影響されずに常に安定した検出が行
える方法として，第３図（ａ）に示すように，前記光源
２の投光軸１０と前記受像部３の受光軸１１の交点１２
が直角をなすように，光源２と受像部３との位置関係を
前記交点１２の垂直線１３に対して各々θ_１，θ_２を決
定するのである。また，前記受像部の配設方法として，
受光中心軸と投光軸の交点が，被測定材の平均板厚tmに
相当する測定材の表面上にくるように投光系と受光系を
配置し，視野範囲は通板鋼板の最大板厚tuと最小板厚t1
のそれぞれの場合の表面に反射した反射光を撮像可能な
最小限の範囲となるように設定する。

このような位置関係を保持すれば，光源２の光束ＬＢの
パス上に受像部３の焦点がすべて合うのである。

なお，前記投光軸１０と前記受光軸１１の交点１２の直
角即ち９０°とする理由は，受像部３の焦点ずれをなく
すためであるが，実用上，視野範囲が狭い場合などで
は，±10°程度のずれは問題ない。

また，投光軸１０の垂直線１３に対する角度θ_１を決定
するために，入射角度θ_１と受像部の分解能の関係を計
算により求めた結果を第３図（ｂ）に示す。入射角度θ
_１が０°に近づくほど分解能が向上することがわかる。
入射角度θ_１が30°以下であれば，分解能はほぼ一定で
あるので装置製作上，容易と思われるθ_１＝30°程度が
適当である。

一方，受光軸１１の垂直線１３に対する角度θ₂は上記
理由から一義的に求められる。

ここで，受像部３で撮像して得られた反射光ＦＬの画像
信号の信号処理について第４図に基いて詳しく説明す
る。

第４図(a)は，受像部３で撮像して得られた画像信号を
テレビモニタ１４上に表示した例である。該テレビモニ
タ１４の画面で，矢印Ｘは横軸であ該テレビモニタ１４
の画面で，矢印Ｘは横軸であり，矢印Ｙは縦軸である。
画像信号の走査線方向はＸ軸に平行に画面の左端から右
端に向って行われる。反射光ＦＬ中に見られる黒模様Ｍ
は，光束ＬＢが被溶接板５上で反射される際に，被溶接
板５の表面粗さにより散乱されるために生ずるまだら現
象によるものである。該まだら現象は，テレビモニタ１
４の分解能を高めるべく拡大率を高くすると顕著にな
る。

この画像信号をマイクロコンピュータ８に取り込む際
に，前記まだら現象の影響を受けると大きな外乱となる
ことから，この影響を防ぐために，すべての画像信号を
最適なスレショルド・レベル（図示せず）で２値化処理
する。この２値化処理した画像信号を表示した例を第４
図(b)に示す。また，その画面の１ラインであるＢ部の
輝度分布をＹ軸方向で表示した場合は，第４図(c)に示
す如くになり，輝度が大きく変化していることがわか
る。それ故，反射光ＦＬ全体の輝度分布を各走査線毎に
走査線方向即ちＸ軸方向に走査した２値化処理後の
“１”レベルの個数を加算処理して，前記まだら現象の
影響を受けない輝度分布を新しく得る。そうすれば，第
４図(d)に示す如く，極めて安定したものになるのであ
る。

この新しい輝度分布に対し，さらに新しいスレショルド
・レベル１５を設定することにより，被溶接板５の突き
合せ溶接部６の両エッジ位置Ｃ，Ｄを検出することが可
能となり，同時にギャップ幅ｌとその中心線即ち溶接線
Ｐとを求めることができるのである。

次に，被溶接板５の相互間の板厚が異なり，突き合せ溶
接部に段差ができる場合における信号処理の実施例を第
５図に基いて説明する。

受像部３で撮像して得られる反射光ＦＬの画像信号は，
テレビモニタ上に表示すると第５図(a)に示すように前
記段差部の影響により突き合せ溶接部６をはさんで煩瑣
光ＦＬ_１，ＦＬ_２のようにＸ軸方向にずれることにな
る。このときの２値化処理後の画像（第５図(b)）のＢ
部の輝度分布は，第５図(c)の如くである。続いて，光
束ＬＢ全体の輝度分布を各走査線毎にＸ軸方向に走査し
て，２値化処理後の“１”レベルの個数を加算処理すれ
ば，第５図(d)に示す通り前出第４図(d)と同様の安定し
た輝度分布を得ることができる。

以上，詳細に説明した通り，本発明によれば，被溶接板
５の間における段差の有無にかかわらず，突き合せ溶接
部６の両エッジ位置およびギャップ幅を高い精度で検出
することができるのである。

以下，実施例の作用について説明する。

第１図に示されるように，溶接トーチ４が進行方向Ａに
移動しながら溶接する際に，検出ヘッド１はそれと一体
となって移動する。該検出ヘッド１内の光源２より放射
されるレーザビームは，平行光束作成用の光学系９で平
行光束とされ，短冊状のレーザビームＬＢとされて被溶
接板５上に投射される。

投射されたレーザビームＬＢによる前記被溶接板５上の
反射光ＦＬは，スリット状あるいは線状となり，前記被
溶接板５の突き合せ溶接部６の長手方向に対して直角と
なる。該反射光ＦＬは散乱光であり，受像部３で撮像さ
れ，画像信号として画像処理装置７に入力される。その
際，前記反射光ＦＬによる画像信号のレベルは，被溶接
板５の部分は高く，突き合せ溶接部６の部分は低くな
る。

前記画像処理装置７は，前記画像信号の取り込みにほゞ
同期して，即ち、３３ms程度で輝度分布の処理を行な
い，マイクロコンピュータ８に入力する。該マイクロコ
ンピュータ８は，処理された画像信号の信号レベルの高
低に基き，最適なスレショルド・レベルで２値化処理
し，各走査線毎に走査方向に２値化処理後の“１”レベ
ルを加算処理する。加算処理後，新しく得られた信号分
布を基に，新たなスレショルド・レベルを決め，被溶接
板５の突き合せ溶接部６の両エッジ部の検出を行う。そ
して検出された両エッジ部位置に基き，エッジ幅とその
中心位置を算出し，溶接トーチ４が倣うべき溶接線を検
出する。これらの操作は，ほゞ100ms以内で行われる。

以上の操作を突き合せ溶接部６の長手方向に連続的に行
うことにより，マイクロコンピュータ９の信号をコント
ローラ１６に入力して，該コントローラ１６を介して溶
接トーチ４を制御することにより，高精度の溶接線倣い
が可能となる。

この実施例の溶接線検出手段を用いれば，５０μｍの倣
い精度を得ることが可能である。

また，被溶接材としては，鋼板のほかプラスチック等も
対象としてあげられる。

＜発明の効果＞ この発明によれば，被測定材の板厚が変化して段差が生
じた場合でも，その微小間隔部を高精度に測定すること
が可能となり，従って，例えば鋼板等の突き合せ溶接時
の溶接部の自動倣いを行うサイクルタイムの短縮が可能
となり，さらに前工程における剪断機の刃の劣化に対す
るバックアップ等にも寄与するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は，本発明に係る微小間隔測定方法が採用された
溶接線検出装置の実施例の概略構成を示す，一部ブロッ
ク図を含む配置図，第２図は，前記実施例で用いられる
検出ヘッド内の構成を示す概略図，第３図（ａ）は，本
発明に係る投光系と受光系の焦点ずれのない位置関係を
説明する図，第３図（ｂ）は，入射角θ_１と受像部の分
解能との関係を説明する図，第４図は，本発明に係る画
像信号処理方法を説明する図第５図は，段差がある場合
の画像処理方法を説明する図である。 １……検出ヘッド、２……光源 ３……受像部、４……溶接トーチ ５……被溶接板、６……突き合せ溶接部 ７……画像処理装置、８……マイクロコンピュータ ９……コントローラ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】長手方向に微小間隔部を有して接する被測
   定材間の微小間隔を測定するに際し， 前記被測定材に，投光部から放出された平行光束を，前
   記微小間隔部の長手方向に対して直角方向にわたって反
   射光が生ずるように照射し，前記被測定材の反射光を生
   ずる部分において，前記平行光束面に対して受光軸が直
   角になるように配設された受像部を用いて前記反射光を
   撮像して画像信号を作成し，該作成された画像信号を処
   理して前記微小間隔部の幅を測定することを特徴とする
   微小間隔測定方法。
2. 【請求項２】前記受像部は，受光中心軸と投光軸の交点
   を，被測定材の平均板厚に相当する測定材の表面上に結
   ぶように，配設されることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の微小間隔測定方法。
3. 【請求項３】前記画像信号の処理は，画像信号の強度分
   布に応じて２値化処理し，２値化処理後の結果を各走査
   線毎に走査線方向に積分処理して得られた新たな信号分
   布に基いて，微小間隔部の幅を算出することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項および第２項記載の微小間隔測
   定方法。