JPH08118023A - 溶接位置検出装置並びに自動溶接ロボットシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】対象物体表面にスリット状光線を照射した際の
物体表面からの反射像を撮像、画像処理して、物体位置
あるいは物体形状の特徴量を検出する。 【構成】本発明の物体位置検出装置は、溶接ト−チに装
備された線状光線を照射する投光手段３と、受光側の光
軸が投光手段３の照射中心軸に対して一定の角度を成し
且つ前記照射中心軸と同一平面となるように配置した第
一の受光手段９と、第二の受光手段１０とを備え、前記
線状光線を開先面に照射した際の開先光切断像を第一の
受光手段９と第二の受光手段１０により、互いに異なる
撮像倍率を用いて別々に撮像して得られる画像を計算処
理する。 【効果】本発明によれば、広視野あるいは高精度等とい
った所望とする最適条件での開先画像情報の検出が可能
になる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、対象物体表面にスリッ
ト状光線を照射した際の物体表面からの反射像を、カメ
ラで撮像して画像処理し、溶接位置あるいは被溶接部の
開先形状の特徴量を検出する溶接位置検出装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の溶接位置検出装置で、例
えば溶接ワ−ク位置を検出する装置を例に上げると、特
開昭５５−３０３３９号公報、特開昭５５−５０９８４
号公報、特開昭６１−１３２２７４号公報、特開昭６１
−１８６８０３号公報、及び特開平４−８３１０５号公
報に開示されているように、スリット光と２次元受光手
段によるものがある。

【０００３】このうち、この原理を用いて自動溶接を行
う方法・装置については、特開昭６１−１３２２７４号
公報、特開昭６１−１８６８０３号公報、及び特開平４
−８３１０５号公報に開示されている。

【０００４】また、スリット光と受光手段による溶接ワ
−ク位置を検出する方法で、１次元の受光手段によるも
のの例としては、特開昭６０−２１６２０９号公報、及
び特開昭６１−２７１７８号公報に開示されているもの
がある。

【０００５】図１１は、これら従来の溶接位置（開先）
検出の原理図を示したものである。

【０００６】図において、投光手段３と受光手段９は、
取付け支持体（図示せず）を介して、溶接ト−チ１と一
体となって構成される。投光手段３からスリット状に鋭
く集光させたレ−ザ光７を被溶接部材４、５のア−ク点
Ａに先行する開先部６に照射し、開先部からの反射光Ｑ
をＩＴＶカメラなどの２次元受光手段９で撮像する。こ
の溶接継手部の開先で得られる光切断画像から、図示し
た光切断線像の開先面の折れ曲がり点で作られる線分Ｑ
１Ｑ２、Ｑ２Ｑ３、Ｑ３Ｑ４及びＱ４Ｑ５に対応する線
画像を画像処理により検出し、各々の線分の交点等を演
算することにより、最終的に溶接すべき位置Ｑ３を求め
るものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した溶接位置検出
装置では、光切断像を構成している各線分の折れ曲がり
点等を画像処理することで物体表面の任意の点の３次元
位置を検出するものである。しかし、固定焦点の結像レ
ンズを使用した際には、２次元受光手段で検出できる視
野が一定のため、 １）撮像できる視野を広くした際には、１画素当たりの
視野の大きさが大きくなってしまうため、検出分解能が
低下し精度良く開先位置等の情報を検出でき な
い。

【０００８】２）逆に撮像視野を小さくして検出分解能
を高くすると、広い視野を撮像できないため、実際のワ
−クの加工精度の低下やワ−ク据付時の位置ずれが発生
した際には撮像すべき反射像が視野から外れてしまうた
め、検出できる開先情報に制限が発生する。

【０００９】といった問題があった。

【００１０】上記の問題を解決する手段として、ズ−ム
機構をもったレンズを使用する方法が考えられるが溶接
位置（開先）形状を検出するための光学系をコンパクト
且つ軽量に構成できないといった実用上の問題があっ
た。

【００１１】本発明の目的は、開先画像情報を、広視野
或いは高精度等といった所望の最適条件で検出すること
が可能な溶接位置検出装置、或いは、自動溶接ロボット
システムを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の物体位置検出方法は、溶接ト−チに装備さ
れた線状光線を照射する投光手段と、受光側の光軸が投
光手段の照射中心軸に対して一定の角度を成し且つ該照
射中心軸と同一平面となるように配置した第一の受光手
段と、受光側の光軸が投光手段の照射中心軸に対して一
定の角度を成し、前記投光手段の照射中心軸と第一の受
光手段光軸で作られる平面内にあると共に投光手段の照
射光軸と第一の受光手段光軸の交点に一致するように配
置した第二の受光手段とを備えた構成とし、線状光線を
開先面に照射した際の開先光切断像を第一の受光手段と
第二の受光手段により、互いに異なる撮像倍率を用いて
別々に撮像して得られる画像を計算処理して所望とする
開先の特徴量を検出するようにしたものである。

【００１３】

【作用】本発明は、異なる撮像倍率を持った２つのＣＣ
Ｄ等のカメラで開先光切断像を撮像できるので、広視野
あるいは高精度の開先情報を同時に検出することが可能
となる。

【００１４】

【実施例】以下に本発明の一実施例について、図１ない
し図１０により説明する。

【００１５】図１は、本発明での溶接位置検出装置の一
実施例を示す光学系の概略構成図である。

【００１６】図１において、３は照射用光学系、７はス
リット光、９、１０は各々第１、第２の観測用光学系で
ある。照射用光学系３は、溶接部材の開先面（図示せ
ず）にスリット光７を照射し、その際に得られる光切断
線Ｑを開先の上方から第１、第２の観測用光学系９、１
０により観測（撮像）する。

【００１７】ここで、第１の観測用光学系の光軸Ｍは、
照射用光学系３の照射中心軸Ｐに対して一定の角度（θ
１）を成し、且つ照射中心軸を含む平面Ｈ内に入るよう
に配置する。また、第２の観測用光学系の光軸Ｎは、照
射用光学系３の照射中心軸Ｐに対して第１の観測用光学
系の光軸Ｍと異なる角度（θ２）を成し、前記平面Ｈと
同一平面内にあると共に照射光軸Ｐと光軸Ｍの交点Ｏに
ほぼ一致するように配置する。

【００１８】ここで、第１の観測用光学系９と第２の観
測用光学系１０の撮像倍率は、必ずしも互いに同じ値と
する必要はない。本発明での一実施例として、第１の観
測用光学系は広視野を観測する撮像倍率とし、第２の観
測用光学系は高分解能となるような撮像倍率とする。

【００１９】図２は、本発明での溶接位置検出装置の一
実施例を示す概略構成図である。

【００２０】図２において、図１と同じ構成部品につい
ては同一記号で示した。図において、１は溶接ト−チ、
２は溶接ワイヤ、４、５は溶接部材、６は溶接開先面
（開先）、７はスリット光、８は光切断線である。第
１、第２の観測用光学系９、１０は、各々干渉フィルタ
−１１、１２、及びＩＴＶ等の二次元受光カメラ１３、
１４からなる。照射用光学系３は、溶接部材４、５の開
先形状がＶ型突合せの開先６の部分にスリット光７を照
射し、その際に得られる光切断線８を上述したように開
先の上方から第１、第２の観測用光学系９、１０により
観測（撮像）する。１５及び１６は各々二次元受光カメ
ラ１３、１４の制御回路で外部にアナログ映像（画像）
信号を出力する。１７は照射用光学系３の制御回路であ
る。

【００２１】溶接ト−チ１と照射用光学系３と観測用光
学系９、１０は一体的に配置され（図示せず）、かつ溶
接ト−チ位置制御機構１８を駆動することにより開先６
の上方を自在に可動する。同図において、２０は画像処
理装置でつぎの部分から成る。２１は制御回路１５、１
６から出力されるアナログ画像信号をデジタル量にＡ／
Ｄ変換して多値画像デ−タを出力する画像入力部、２２
と２２’は多値画像画像デ−タを記憶する多値画像記憶
部、２３は多値画像記憶部２２、２２’に記憶された多
値画像デ−タから画像中の明るい部分のみを抽出する２
値化処理部、２４と２４’は２値化処理部２３により得
られる２値画像を記憶する２値画像記憶部、２５は２値
画像記憶部に記憶された画像デ−タから計算処理によっ
て例えば溶接すべき開先位置等の画像中の任意の特徴量
を求める演算処理部、２６は外部機器制御部、２７は上
記各部を統括的に制御する主制御部である。

【００２２】図３は、図１の本発明による溶接位置検出
装置の一実施例を示す溶接位置検出手順のフロ−チャ−
トである。

【００２３】図３において、まずステップＳ１で画像処
理装置２０の画像入力部２１により、受光カメラ制御部
１５から得られる第１の開先光切断画像を入力し、多値
画像記憶部２２に記憶する。

【００２４】次にステップＳ２で画像入力部２１によ
り、受光カメラ制御部１６から得られる第２の開先光切
断画像を入力し、多値画像記憶部２２’に記憶する。

【００２５】そしてステップＳ３で多値画像記憶部２２
に記憶された第１の開先画像を２値化して光切断画像の
みを圧縮して抽出し、このデ−タを２値画像記憶部２４
に記憶する。

【００２６】同様に、ステップＳ４で多値画像記憶部２
２’に記憶された第２の開先画像から２値画像処理部２
３を作動させて２値化し光切断画像のみを圧縮して抽出
し、このデ−タを２値画像記憶部２４’に記憶する。

【００２７】ステップＳ５では、２値画像記憶部２４に
記憶された光切断画像デ−タを用いて、後述するような
開先情報の検出処理を行う。

【００２８】同様に、ステップＳ６では、２値画像記憶
部２４’に記憶された光切断画像デ−タを用いて、ステ
ップＳ５で検出した開先情報と異なった開先情報の検出
処理を行う。

【００２９】図４及び図５は、各々ステップＳ４とステ
ップＳ５で得られた光切断画像デ−タを画面デ−タとし
て模式的に表した一例である。

【００３０】両図に示した例では、溶接線の水平直交方
向が画像上で垂直（ｙ）方向となるように、換言すれば
溶接線の垂直（高さ）方向が画像上で水平（ｘ）方向と
なるように、光切断画像を入力し処理した結果である。
図４の光切断画像デ−タの例では、前述したように広視
野の撮像倍率を有する観測用光学系を用いているため、
溶接部材４、５の溶接開先面６以外の光切断像であるｌ
１、ｌ４の線画像が得られる。これによって、溶接線に
溶接ト−チを倣うのに重要な２つのショルダ−Ｑ２、Ｑ
４の検出が可能となる。

【００３１】また、溶接施工方法によっては、Ｑ３で示
されるコ−ナ点の位置情報を用いて溶接トーチ位置の遅
延倣い動作を行う場合もあるが、この場合には２つの斜
面ｌ２、ｌ３の交点を求めれば良い。さらに、溶接の際
に、溶接電流、ア−ク電圧、溶接速度等の溶接条件を決
めるのに重要となるＱ２、Ｑ３及びＱ４の３つの頂点で
構成される３角形の面積から溶融面積Ｓの検出も可能と
なる。

【００３２】これに対して、図５の光切断画像デ−タの
例では、前述したように高分解能の撮像倍率を有する観
測用光学系を用いているため、溶接部材４、５の溶接開
先面の交点近傍の光切断像を拡大した線画像が得られ
る。

【００３３】図５は、溶接部材４、５を据付た際に相互
間でギャップや段違いが発生している場合の光切断画像
デ−タの模式図である。

【００３４】図示した光切断画像デ−タの例では、開先
の裏あて部（溶接部材裏側に溶融ビ−ドが溶け落ちない
ようにするためのもの：図示せず）に相当する光切断像
ｌ５が検出されている例である。この場合は、上述の開
先部のショルダ−や溶融面積は検出できないが、同図の
ｐ１、ｐ２点の座標デ−タをもとに開先部に発生したギ
ャップｇ１や段違いｄ１を精度良く検出することが可能
となる。また、同図のｌ２、ｌ３の傾斜から計算によっ
て求められる開先角度も図４に比較してより精度良く検
出することが可能となる。

【００３５】ここで、図４あるいは図５で示した例えば
溶接位置等を示す画面上の特徴点検出位置から、溶接ワ
−クの位置ずれを求めることができる。この際、本発明
では、図３には示したように、予め第１、第２の観測用
光学系の光軸等の画面上での基準点について、各々独立
した値を計測して画像処理装置内の記憶部２８、２９に
記憶しておき、必要に応じて参照するようにする。例え
ば、溶接ワ−クの位置ずれを求める際は、画面上で検出
される開先位置から上述した基準点との差を求めれば良
い。

【００３６】これによって、前述した２つの観測用光学
系の光軸Ｍ、Ｎは、必ずしもＯ点に完全に一致させなく
とも検出が可能となり、後述するセンサヘッドの組立・
調整が容易となる効果がある。

【００３７】図６は、本発明による溶接位置検出におけ
る他の検出手順を示すフロ−チャ−トである。

【００３８】図６において、図３の検出手順を示したフ
ロ−チャ−トに対して、ステップＳ０、Ｓ０’とステッ
プＳ７からＳ１３までを新たに追加している。

【００３９】ステップＳ０では、以下に処理される内容
がどの手順で行うかを決める処理番号：１、２、３の３
種類のうち何れかを入力する。

【００４０】ステップＳ０’では、前記入力処理された
処理番号を判定する。処理番号が１の時は、ステップＳ
７、Ｓ８，Ｓ９を処理する。すなわち、第１の開先光切
断画像の入力（ステップＳ７）、２値化処理によるこの
光切断画像デ−タの圧縮抽出（ステップＳ８）及び開先
情報の検出処理（ステップＳ９）を行う。同様に、処理
番号が２の時は、ステップＳ１０、Ｓ１１，Ｓ１２を処
理する。すなわち、第２の開先光切断画像の入力（ステ
ップＳ１０）、２値化処理によるこの光切断画像デ−タ
の圧縮抽出（ステップＳ１１）及び開先情報の検出処理
（ステップＳ１２）を行う。処理番号が３の時の処理手
順は、ステップＳ１からステップ６までを処理するもの
でこれについては前述した通りである。

【００４１】以上の処理番号に従った処理を行った後、
検出処理が終了したか否かをステップＳ１３で判定し、
検出処理が終了時は溶接位置検出を終了しそうでなけれ
ばステップＳ０’から上述した処理を繰り返す。ここ
で、ステップＳ１３での検出処理の終了の判定は、総検
出回数でも良いし、あるいは外部からの検出終了信号
（図示せず）によって終了を判定するようにしても良い
し特に限定しない。また、処理番号は、前もって予め設
定しておいた値（１、２または３）を使用しても良いも
ので、必ずしもこのステップＳ０での処理番号入力処理
を設けなくても良いものとする。

【００４２】図６に示した検出手順を設けることによ
り、作業者は、検出すべき開先形状の種類や溶接条件等
から２つの観測用光学系のうち何れかから得られる開先
画像を処理して開先情報を検出するのかあるいは両方の
開先画像を処理して開先情報を検出するのか自由に変更
・選択が可能となる。

【００４３】図７及び図８は、本発明での溶接位置検出
装置の一実施例を示しており、各々照射用光学系及び２
つの観測用光学系を実装したセンサヘッド部の平面（断
面）図及び筐体部の外観図である。

【００４４】図７において、図１及び図２と同じ構成部
品については、同一記号で示した。図７において、照射
用光学系３は、取付け部品３１により筐体部側面３０ａ
に取り付けられている。３２は反射ミラ−、３３はスリ
ット状に設けた溝部である。照射用光学系３から照射さ
れるスリット光は、反射ミラ−３２で反射され溝部３３
を通り光軸Ｐ上垂直下方に照射される。第１、第２の観
測用光学系９、１０は、各々取付け部材３４、３５によ
り筐体部側面３０ａに取り付けられている。照射用光学
系３、第１、第２の観測用光学系９、１０と筐体３０の
外気は、各々Ｏリング３６、３７、及び３８により遮断
されている。また、第１、第２の観測用光学系９、１０
の全面には、取付け金具４１を介して透明窓３９及び４
０が配設されている。この取付け金具４１には、通気穴
４２が複数個設けている。

【００４５】センサの筐体は、図８に示したように、本
体３０と蓋３０’で構成されている。最終的に本体３０
に蓋３０’が取り付けられた状態で外気と接続されてい
る個所は、溝部３３及び複数個の通気穴４２である。セ
ンサヘッドは、矢印４３に示した方向よりエアを注入す
ることにより内圧が若干上昇し、前述の溝部３３及び複
数個の通気穴４２からエアが吐き出される。これによっ
て、溶接中に発生するヒュ−ム等がセンサヘッド内部に
混入することを妨げることが可能となる。

【００４６】図９は、筐体３０を側面から見た外観図で
ある。図７及び図９に示したように、筐体３０の端部に
は、冷却水経路４４ａ〜４４ｆを配設している。すなわ
ち、矢印４５に示した方向より高圧の冷却水を注入する
ことにより、冷却水は、４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４
ｄ，４４ｅ，４４ｆの順路に従って矢印４６に示した方
向に排出される。これによって、まず冷却水経路の近傍
部分の温度が下がりさらに熱伝導によって筐体全体の温
度が下がり、溶接中に発生するア−ク熱からの温度上昇
を妨げる効果がある。

【００４７】また、筐体３０内部に、照射用光学系３、
第１、第２の観測用光学系９、１０の各光軸Ｐ，Ｊ，Ｍ
を同一平面となるように各部品を実装しているのでセン
サヘッドの幅方向の寸法をコンパクトに構成できると共
に、組立時に一度光学系のキャリブレ−ションさえすれ
ば実際の使用時に調整は不要となり使い勝手が良い。

【００４８】図１０に、本発明が適用される自動溶接ロ
ボットシステムの一例を示す。

【００４９】図において、１は溶接ト−チ、４７は溶接
ロボット、４８は溶接ロボットの制御装置、４９は溶接
ワイヤ送給装置、５０は溶接電源、５１は本発明の投光
手段３と第１、第２の観測用光学系９、１０が組み込ま
れたセンサヘッド、５２は投光手段３の制御と第１、第
２の観測用光学系用２次元受光カメラの１３、１４の制
御回路１５、１６及び画像処理部２０が組み込まれた位
置検出装置である。

【００５０】図示したように位置検出装置付き溶接ト−
チとしてロボット４７の先端に取付ける。センサヘッド
は溶接ト−チ１の進行方向前方に配置し、開先位置検出
を実行して実際の開先（ワ−ク）位置情報等を検出し、
該検出デ−タを用いて溶接ト−チ位置を倣うものであ
る。

【００５１】以上は本発明を溶接ワ−クの開先位置検出
に適用した自動溶接ロボットシステムの例であるが、こ
れに限定することなく、例えば物体の外観検査等にも同
様に適用できる。

【００５２】本発明によれば、光学系を実装するセンサ
ヘッドの筐体内に冷却水経路を設けているので溶接中に
発生するア−ク熱からの温度上昇を妨げる効果がある。

【００５３】また、照射用光学系、第１、第２の観測用
光学系の各光軸を同一平面となるようにセンサヘッド筐
体部に各部品を実装しているのでセンサヘッドの幅方向
の寸法をコンパクトに構成できると共に、組立時に一度
光学系のキャリブレ−ションさえすれば実際の使用時に
調整は不要となり使い勝手が良い。

【００５４】

【発明の効果】本発明は、異なる撮像倍率を持った２つ
のＣＣＤカメラで開先光切断像を独立して撮像できるの
で、広視野あるいは高精度等といった所望とする最適条
件での開先画像情報を入力して検出処理することが可能
となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明での溶接位置検出装置の光学系構成の一
実施例を示す図である。

【図２】本発明での溶接位置検出装置構成の一実施例を
示す図である。

【図３】開先位置検出手順を示すフロ−チャ−トであ
る。

【図４】第１の光切断画像デ−タの一例を模式的に表し
た図である。

【図５】第２の光切断画像デ−タの一例を模式的に表し
た図である。

【図６】本発明の他の開先位置検出手順を示すフロ−チ
ャ−トである。

【図７】本発明でのセンサヘッドの断面図である。

【図８】本発明でのセンサヘッド筐体部の外観を示した
図である。

【図９】本発明でのセンサヘッド筐体の側面図である。

【図１０】本発明が適用される自動溶接ロボットシステ
ムの概略構成図の一例である。

【図１１】従来の開先位置検出の原理図である。

【符号の説明】

１…溶接ト−チ、２…溶接ワイヤ、３…照射用光学系、
４、５…溶接部材、７…スリット光、８…光切断線、９
…第１の観測用光学系、１０…第２の観測用光学系、１
５、１６…二次元受光カメラの制御回路、１７…照射用
光学系３の制御回路、１８…溶接ト−チ位置制御機構、
２０…画像処理装置、３０…筐体部、４７…溶接ロボッ
ト、４８…溶接ロボットの制御装置、４９…溶接ワイヤ
送給装置、５０…溶接電源、５１…位置検出装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 今永 昭慈 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 羽田 光明 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接ト−チに一体的に装備された投光手段
   と、反射光を検出する二次元の受光手段とを備えた開先
   位置検出装置を有し、被溶接物の溶接線に対して投光手
   段からスリット状の光を照射し、反射光を受光手段によ
   り受光し、この受光手段で検出した開先光切断画像を計
   算処理して、被溶接物の溶接線の位置を検出する溶接位
   置検出装置において、受光側の光軸が投光手段の照射中
   心軸に対して一定の角度を成し、且つ該照射中心軸と同
   一平面となるように配置した第一の受光手段と、受光側
   の光軸が投光手段の照射中心軸に対して一定の角度を成
   し、前記投光手段の照射中心軸と第一の受光手段光軸で
   作られる平面内にあると共に投光手段の照射光軸と第一
   の受光手段光軸の交点に一致するように配置した第二の
   受光手段とを備え、前記投光手段と第一の受光手段と第
   二の受光手段を同一筐体内に配設したこと特徴とする溶
   接位置検出装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の溶接位置検出装置におい
   て、筐体内部に冷却水を循環する冷却経路を備えたこと
   を特徴とする溶接位置検出装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の溶接位置検出装置におい
   て、第一、第二の受光手段の各々の画面上における溶接
   位置ずれ検出のための検出基準点を独立して記憶する記
   憶部を備えたことを特徴とする溶接位置検出装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の投光手段と、第一、第二の
   受光手段と、溶接ト−チとを位置検出装置付きト−チと
   してロボットのア−ム先端に取付け、前記位置検出装置
   付きト−チと、前記投光手段の制御部と、前記第１、第
   ２の受光手段の制御部と、画像処理部が組み込まれた物
   体位置検出装置と、前記ロボットの制御装置とを備えて
   構成したことを特徴とする自動溶接ロボットシステム。