JPH074672B2 - 開先位置検出の経路補正装置 - Google Patents

開先位置検出の経路補正装置

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JPH074672B2
JPH074672B2 JP22956987A JP22956987A JPH074672B2 JP H074672 B2 JPH074672 B2 JP H074672B2 JP 22956987 A JP22956987 A JP 22956987A JP 22956987 A JP22956987 A JP 22956987A JP H074672 B2 JPH074672 B2 JP H074672B2
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明 平井
信雄 柴田
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    • B23MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K9/00Arc welding or cutting
    • B23K9/12Automatic feeding or moving of electrodes or work for spot or seam welding or cutting
    • B23K9/127Means for tracking lines during arc welding or cutting
    • B23K9/1272Geometry oriented, e.g. beam optical trading
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被加工材の加工面に対し光学的なパターンを
照射した際に得られる画像に基づき加工すべき位置を検
出し、加工位置に先行して得られた該検出位置を用い加
工手段の位置補正を行う光学的手法による開先位置検出
の経路補正装置に関する。
〔従来の技術〕
従来、溶接トーチの近傍に設けられ線状光線を被溶接材
の開先面と交叉するように照射する投光手段と、この開
先面に照射された光の反射光を受光する撮像カメラなど
の受光手段を備え、この受光手段でえられた画像(光切
断画像)を解析することにより、溶接すべき位置を検出
し溶接すべき経路を補正する光学的手法による継手位置
検出ならびに加工手段の経路補正装置が知られている。
すなわち、このような光学的手法による継手位置検出な
らびに加工手段の経路補正装置は、米国特許第4491719
号、米国特許第4532405号に開示されている。
〔発明が解決しようとする問題点〕
上記した従来技術の溶接位置検出は、光切断法により検
出した継手位置によつて直接加工手段の経路補正を行つ
ている。このため、加工品質を保証するためには3次元
の全ての方向で高精度の位置検出を行い経路を正確に傲
う必要がある。しかし、光切断法で3次元の全ての方向
で高い精度を補償するためには、スリット光を照射する
光軸と像を観測する光軸の成す角度を約30〜45゜と大き
くとらなければならない。検出すべきワーク位置と光学
手段までの距離を大きく取つた状態でこの角度を確保す
ると、センサの形状が大きくなり溶接ワーク或はワーク
固定治具とセンサが接触する、いわゆる干渉の問題が生
じ被加工材の形状や姿勢か制限される。あるいは、形状
を小さく抑えるために検出すべきワーク位置と光学手段
までの距離を小さくすると、溶接中に発生するヒユーム
あるいはスパツタなどにより光学系が汚れ、長期間保守
無しで使用出来ない等の問題があつた。
本発明の目的は、ヒユームあるいはスパツタなどにより
光学系が汚れないよう検出すべきワーク位置と光学手段
までの距離を大きくするとともに、ワークとセンサの干
渉を避けるためセンサの外径を抑えた状態で溶接品質を
補償することが出来る光学的手法による開先位置検出の
経路補正装置を提供することにある。
〔問題点を解決するための手段〕
本発明における光学的手法による開先位置検出ならびに
加工手段の経路補正装置は、加工手段供給方向から光学
的方法により繰り返し加工経路に先行した位置における
継手の位置ずれを検出し、検出した3次元の位置ずれベ
クトル量を加工手段の供給方向と供給方向に直交した方
向に分解し、このうち供給方向成分については前回まで
の複数点の検出結果の該方向成分の平均値を、供給方向
に直交する成分については直接該方向の検出成分を用
い、予め教示された加工経路を補正するようにした開先
位置検出の経路補正装置を備えることにより達成され
る。
〔作用〕
検出した3次元の位置ずれベクトル量を加工手段の供給
方向と供給方向に直交した方向に分解し、このうち供給
方向成分については前回までの複数点の検出結果の該方
向成分の平均値と比較し、供給方向に直交する成分につ
いては直接該方向の検出成分を用いている。ヒユームあ
るいはスパツタなどにより光学系が汚れないように検出
すべきワーク位置と光学手段までの距離を大きくすると
ともにワークとセンサの干渉を避けるためセンサの外径
を抑えた光学系の構成を用いると、加工手段の供給方向
に対する位置ずれ量の検出精度が、加工手段の供給方向
に直交する方向に対する位置ずれ量の検出精度に比較し
て低くなる。しかし、加工手段の供給方向については、
加工手段自体に位置ずれを自動補正する機能が有る為、
供給方向成分の検出量の変動を加工手段の自動補正機能
の応答速度を超えないよう平均化処理する事により加工
品質を確保できる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。な
お、以下の説明では、溶接線の位置を検出し溶接経路を
補正する場合を例にとり説明するが、本発明はこれに限
定されるものではない。第1図は、本発明になる継手位
置検出装置の検出原理を説明するため一実施例を概略的
に示した斜視図であり、溶接トーチ1を用いて被溶接材
2の開先面3をアーク溶接する状態を示す。作業能動部
である溶接トーチ1は、被溶接材2の開先面3と対向す
る電極部4を有し、この電極部4と開先面3の間に電気
アークを発生させる。支持体5は、溶接トーチ1の外周
に配設し、溶接トーチ1の中心軸を軸中心とする回転可
能構造となつている。この支持体5には、投光手段6と
受光手段9が取付けられる。投光手段6は第1の投光部
7と第2の投光部8を有し、これらは、スリツト状に鋭
く集光した光(線状光線)を溶接トーチ1の開先面3の
アーク点Pに先行するアーク点近傍位置に互いに一部が
重なるように照射する。図中、線Q1〜Q4は、前述の投光
部7,8によつて開先面3上に生じる光切断像を表す。前
述の受光手段9は、例えばITVカメラのようなものであ
り、前述の光切断線を観測し、溶接倣い線を検出する。
支持体5の上部には上部に固定した歯車10を取付ける。
一方溶接トーチ1を取付けている取付金具11にはモータ
12を固定し、モータ12の回転軸に取付けた歯車13と歯車
10を係合する伝達機構を形成する。この伝達機構によ
り、モータ12の回転力を支持体5に伝達し、支持体5を
溶接トーチ1の軸回りに回転させる。この時の支持体5
の回転位置はモータ12の回転軸を取付けたエンコーダに
より電気パルス信号に変換する。
第2図は、第1図で示した溶接位置検出装置を溶接トー
チの位置移動手段である溶接ロボツト14へ取付けた外観
を示し、これにより第1図で示した溶接位置検出装置と
ロボツト14との位置関係を説明する。ロボつト14はロボ
つトを固定した位置に絶対座標系XYZの移動機構を持
ち、さらに溶接機構トーチ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XwYw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。さらに溶接位置検出装置は溶接
トーチ1のトーチ中心軸がYw軸とZw軸のなす平面上にあ
りZw軸と成す角が45゜となるよう取付金具11によりロボ
ツト14の手首に固定する。そして、溶接トーチ1のトー
チ中心軸方向にZs軸、Xw上にZs軸,更にXsZs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
先端位置と一致するようセンサ直交座標系をとる。さら
に、Zs軸と一定距離離れたXsYs平面上に原点を持つカメ
ラ座標系XcYcZcを支持体5上に形成する。カメラ座標系
は、支持体5が溶接トーチ1の軸回りに回転すると回転
する。回転時にXsとXcが成す角度をセンサ回転角θsと
呼ぶ。第3図に示したように溶接位置検出装置の投光部
7,8により形成した線状光線の中心軸15ならびに受光手
段9の撮像中心軸16は、XcZc平面上にあつてカメラ座標
系の原点で交わりZc軸とそれぞれα,βの角度を成すも
のとし、さらに線状光線とXcYcとの交線がX軸と成す角
をγ、受光手段9の撮像部9′が持つ平面座標系の座標
軸u、vはXc,Yc軸と平行とする。
第4図は、第1図に示した溶接位置検出装置により得ら
れる開先画像の一実施例を、又、第5図は、第1図およ
び第2図に示した開先位置検出装置が適用された全自動
アーク溶接ロボツトの一例の構成図を示したものであ
る。開先画像の内線分▲▼は、下側の板の上面
で生成される反射像、又、分▲▼及び▲
▼は上側板の端面および上面でおのおの生成される反
射像であり線分▲▼と▲▼の交点Q2が
溶接線の位置を示す。第5図に示した画像処理装置17は
溶接位置検出装置により得られた開先画像を処理し画面
上で溶接線Q2の検出位置座標(U,V)を求める。
カメラ座標の原点から受光手段9までの距離をp、受光
手段9の撮像倍率をmとすると、検出位置座標を通る直
線は次式で表される。
また、投光手段6による線状光束が作る平面は先式で表
される。
(Xccosα−Ycsinγ)cosβ+Zcsinβ=O ……(3) 画像処理装置17は、式(1)〜(3)を用い検出位置座
標(U,V)を、カメラ座標系の検出データ(xc,yc,zc)
に変換する。この内、(zc)は溶接トーチ1方向の検出
成分、また(xc,yc)は溶接トーチ1の直交した方向の
検出成分を表す。(zc)の検出感度は、(2)(3)式
から分かるように(α+β)<45゜では、(xc)あるい
は(yc)方向の検出感度より低下する。しかし、角度α
あるいはβは、そのままセンサの外形形状を決める因子
となるため、ワークとの干渉を避けるためには小さく取
る必要がある。本実施例では、カメラ座標の原点から受
光手段9までの距離p=170mm、α=12゜、β=7゜と
することにより、ヒユームあるいはスパツタなどにより
光学系が汚れないよう検出すべきワーク位置と光学手段
までの距離を大きくするとともにワークとセンサの干渉
を避けるためにセンサの外径を抑えた光学系の構成を用
いている。このため、溶接トーチ1方向(zc)の検出感
度は、溶接トーチ1に直交した(xc)あるいは(yc)方
向の検出感度より低下している。しかし、溶接トーチ1
方向については、ワイヤ送給方向であるため位置が急激
に変化しなければワイヤの送給により自動的に位置決め
誤差が補正される事が知られている。そこで、画像処理
装置では、検出量の内(zc)成分については、前回作業
時までに検出した同一方向の検出結果を用い平均化処理
を行い、検出誤差が発生した場合の倣い制御位置の急激
な変化を防いでいる。そして、この値をzc′とする。こ
うして処理した結果を、さらにセンサの回転軸θs、溶
接トーチ1の取り付け角(45゜)を用い手首座標系に変
換し、変換した結果(xw,yw,zw)を、ロボツト制御装置
18に検出結果として転送する。
ロボツト制御装置18は、溶接中画像処理装置17に検出を
指令すると同時に各回転軸の角度情報を記憶し、上述の
手順を経て画像処理装置17から転送されたデータを指令
時に記憶した角度情報を用いてロボツト座標(x,y,z)
に座標変換し溶接の目標位置としてメモリ内に順次記憶
し、現在位置に先行して得られたこの検出データすなわ
ち溶接線の位置情報を用いて、溶接トーチ1の倣い制御
を行う。
〔発明の効果〕
以上説明したように、本発明によれば、ワーク位置と光
学手段までの距離を大きくし、センサの外径を抑えた光
学系を用い溶接品質を低下することなく、溶接線の倣い
制御を行うことができるので、ヒユームあるいはスパツ
タなどによる光学系の汚れを少なくし、保守工数を低下
することができ、又、センサとワークとの干渉も少ない
ので姿勢等に制約を与える事なく本システムを広範囲の
用途に使用できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の主要部構成斜視図、第2図
は第1図の実施例を適用してなる要部構成図、第3図
は、第1図の実施例の検出原理説明図、第4図は、溶接
線の検出方法を示す図、第5図は、第1図の実施例を適
用してなる溶接ロボツトの全体構成図である。 1……溶接トーチ、2……被溶接材、6……投光手段、
9……受光手段、14……溶接ロボツト、17……画像処理
装置、18……ロボツト制御装置。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】溶接トーチと被溶接部の開先位置を検出す
    る手段を有する溶接ロボットにおいて、前記溶接トーチ
    のワイヤ供給方向から、光学的に繰り返し溶接経路に先
    行した位置における溶接線の位置ずれを検出する第1の
    手段と、検出した3次元の位置ずれベクトル量をトーチ
    方向とトーチ直交方向に分解し、このうちトーチ方向成
    分については前回までの複数点の検出結果の該方向成分
    の平均値を、トーチ方向に直交する成分については直接
    該方向の検出成分を用い、予め数示された溶接トーチの
    溶接経路を補正するように光学系を駆動制御する第2の
    手段とを備えたことを特徴とする開先位置検出の経路補
    正装置。
  2. 【請求項2】特許請求の範囲第1項記載の開先位置検出
    の経路補正装置において、前記第1の手段は、光切断法
    により得られる画像すなわち線状光束を照射しその取得
    られる屈曲した線画像をU×V画素からなる撮像素子で
    電気信号に変換し、この信号を画像処理の手法で処理し
    溶接線の位置を求めるようにした開先位置検出の経路補
    正装置。
  3. 【請求項3】特許請求の範囲第1項記載の開先位置検出
    の経路補正装置において、溶接ワイヤを送給する溶接ト
    ーチの中心軸まわりに光学系を回転する機構を設け検出
    する先行位置の方向を変更できるようにした開先位置検
    出の経路補正装置。
  4. 【請求項4】特許請求の範囲第1項記載の開先検出の経
    路補正装置において、 前記光学系は直交する2平面の交差部の継手位置を検出
    する際に、一平面で反射した光が再度他の面で反射して
    作る反射像の影響を一回反射して作る光切断像と分離す
    る為、線状光束と二平面とが交わる各交線の成す角が直
    角とならないよう線状光束を捻って照射するようにした
    開先位置検出の経路補正装置。
JP22956987A 1987-09-16 1987-09-16 開先位置検出の経路補正装置 Expired - Lifetime JPH074672B2 (ja)

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EP2015022A1 (en) * 2007-07-11 2009-01-14 General Electric Company Profilometry apparatus and method of operation
CN109759753B (zh) * 2019-02-12 2021-10-22 北京斯达峰控制技术有限公司 激光测距焊缝跟踪器及智能焊接系统
CN111558762A (zh) * 2020-05-18 2020-08-21 湘潭大学 一种基于三线激光视觉传感的角焊缝跟踪方法

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