JPH08267247A

JPH08267247A - 倣い溶接方法及び装置

Info

Publication number: JPH08267247A
Application number: JP7099789A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Maeda; 剛前田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-03-31
Filing date: 1995-03-31
Publication date: 1996-10-15

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ照射部と溶接部とを近接させても、ア
ーク光及びスパッタの影響を完全に回避することがで
き、極めて精密な溶接倣いを行うことができる倣い溶接
方法及び装置を提供する。【構成】溶接トーチ３の進行方向前方の直近に位置す
る開先にレーザ線状光を照射し、溶接電流を低下させて
溶滴短絡移行状態になった時に、干渉フィルタ１５を備
えた第１の撮像装置１３で光切断像を撮像し、近似処理
により開先特徴点を算出して、溶接倣いを行うようにし
たものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、横向き姿勢や下向き姿
勢の継手開先を倣いながら溶接する倣い溶接方法及び装
置に係り、特にレーザ光及び光学系等を利用して溶接倣
いを自動で行う倣い溶接方法及び装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】高炉の炉体強度は鉄皮強度に依存してい
るため、高炉改修工事において、鉄皮溶接を高品質に行
うことが要望される。しかし、近年、熟練溶接工の確保
は難しく、且つ高炉鉄皮は厚板であるので、溶接品質を
均一化し、溶接能率を向上させるため、鉄皮溶接の自動
化が図られている。

【０００３】従来より、この種の自動化技術として、レ
ーザ光及び光学系等を利用して溶接倣いを自動で行う技
術が種々提案されており、例えば、特開昭５７−６２８
６６号公報（以下、「引用例１」という。）に開示され
ている「アーク溶接の倣い装置」に関する発明と、特公
平３−１６２２６号公報（以下、「引用例２」とい
う。）に開示されている「溶接位置検出装置」に関する
発明が挙げられる。

【０００４】引用例１には、「レーザ光発生装置から発
射したレーザ光を光学レンズで拡げて溶接アーク及び開
先に照射し、溶接部で反射したレーザ光及び白色のアー
ク光をバンドパスフィルタに通過させて大部分のアーク
光を遮断した後にＴＶカメラに入射し、ＴＶカメラで受
像した溶接部の影絵を画像処理装置に入力し、白黒濃淡
２値画像化して演算装置に入力し、開先中心とトーチ中
心との偏りを算出すると共に偏りが零となるよう制御信
号を発し、これを受けてモータが駆動して溶接トーチの
位置を修正し、自動的に倣い動作をする。」旨が開示さ
れている。

【０００５】即ち、引用例１は、ＴＶカメラにより撮像
した溶接部の影絵を画像処理装置を介して演算装置に入
力し、ここで溶接ワイヤと開先とのずれを演算してこれ
を制御回路に入力してずれを零とするよう制御すること
により、溶接の倣いを正確かつ簡便に行わせるものであ
る。

【０００６】また、引用例２には、「アークを観測用光
学系で観測する一方で、アーク点近傍の開先面に線状集
光光線を照射させ、その反射光を上記観測用光学系でア
ーク観測と同時に観測するように光学系を配置すること
で、アーク画像と開先光切断画像を１つの観測用光学系
の２次元光位置検出器の視野内に直接入るようにし、上
記両画像が同時に検出される。」旨が開示されている。

【０００７】即ち、引用例２は、線状集光光線照射用及
び観測用のそれぞれの光学系を配置し、アーク画像と開
先光切断像を観測用光学系の視野に直接検出させること
により、溶接の倣い精度の向上と装置の小型化を図るも
のである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、引用例１及
び引用例２にあっては、アーク光をフィルタにより遮断
しているが、依然としてその影響を完全に取り除くこと
は困難であった。また、画像処理を行う際にも、溶接ス
パッタが画像内に散乱し、その影響を取り除くことが困
難であった。従って、アーク光及びスパッタの影響を回
避するために、レーザ照射部と溶接部とをある程度離す
必要があり、その反面、これらの間の距離が増大すると
開先の熱変形やワイヤ先端の曲がり等に対応し難くな
り、精密な倣い溶接を行うことができないという問題が
あった。

【０００９】本発明の目的は、上記課題に鑑み、開先の
熱変形やワイヤ先端の曲がり等に対応させるべくレーザ
照射部と溶接部とを近接させても、アーク光及びスパッ
タの影響を完全に回避することができ、極めて精密な溶
接倣いを行うことができる倣い溶接方法及びこれに使用
する倣い溶接方法及び装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明に係る倣い溶接方法は、１パス１レア溶接中に、
開先にレーザ線状光を照射して撮像装置で光切断像を撮
像し、この画像に基づいて溶接トーチのワイヤ先端位置
を補正する倣い溶接方法において、上記溶接トーチの進
行方向前方の直近に位置する開先にレーザ線状光を照射
し、溶接電流を低下させて溶滴短絡移行状態になった時
に、干渉フィルタを備えた第１の撮像装置で光切断像を
撮像し、近似処理により開先特徴点座標を抽出するよう
にしたものである。

【００１１】上記倣い溶接方法の構成において、好まし
くは、上記レーザ線状光が、溶接トーチの進行方向前方
３０〜１００ｍｍに位置する開先に照射されるものであ
る。

【００１２】また、好ましくは、上記溶滴短絡移行状態
の溶接電流が、開先手前位置で２００Ａ以下に設定され
るものである。

【００１３】さらに、好ましくは、上記干渉フィルタ
が、当該レーザ光の波長±１０ｎｍ以下に設定されるも
のである。

【００１４】また、溶滴短絡移行状態において、短絡移
行の間に前記光切断像を２回撮像し、これらの光切断像
を２値化後、論理積演算処理により開先特徴点座標を抽
出するようにしたものである。

【００１５】さらに、減光フィルタを備えた第２の撮像
装置でアーク光を撮像し、このアーク光の画像の重心点
に初期設定値を加えた点をワイヤ先端位置とし、これに
基づいて溶接トーチのワイヤ先端位置を補正するように
したものである。

【００１６】そして、開先手前および開先奥における溶
接電流の平均値の比が所定値以上になった場合にワイヤ
先端位置が開先奥にあると判定し、これに基づいて溶接
トーチのワイヤ先端位置を補正するようにしたものであ
る。

【００１７】一方、本発明に係る倣い溶接装置は、継手
開先に沿って走行移動する溶接台車上に搭載された溶接
トーチと、この溶接トーチの進行方向前方３０〜１００
ｍｍに位置する開先に対して垂直にレーザ線状光を照射
するレーザ照射装置と、このレーザ線状光の光切断像及
びアーク光を上記溶接トーチの斜め前方から撮像する撮
像装置と、この光切断像から開先特徴点座標を近似処理
により抽出すると共に、上記アーク光の画像の重心点に
初期設定値を加えてワイヤ先端位置を算出する画像処理
装置と、この画像処理装置の算出値に基づいて溶接トー
チを制御し、ワイヤ先端位置を補正する溶接機制御装置
とを備えているものである。

【００１８】上記倣い溶接装置の構成において、好まし
くは、上記撮像装置が、レーザ線状光の光切断像を撮像
する第１の撮像装置と、アーク光を撮像する第２の撮像
装置とからなり、第１の撮像装置には当該レーザ光の波
長±１０ｎｍ以下の干渉フィルタが備えられており、第
２の撮像装置には減光フィルタが備えられているもので
ある。

【００１９】また、好ましくは、上記撮像装置が、ＣＣ
Ｄカメラによって形成されているものである。

【００２０】さらに、好ましくは、上記画像処理装置
に、溶接電圧が設定しきい値より低下した時に、トリガ
パルスを送信して画像取り込みを指示する画像取り込み
制御装置が備えられているものである。

【００２１】

【作用】上記倣い溶接方法の構成によれば、レーザ線状
光を溶接トーチの進行方向前方の直近に位置する開先に
照射している。これは、溶接熱による開先の形状変形等
に対応させるべく、レーザ光照射部と溶接部とを近接さ
せるためである。このようにレーザ光照射部と溶接部と
を近接させても、溶接電流を低下させて溶滴短絡移行状
態とし、アーク光が低減した時に、レーザ光の相対強度
を上げる干渉フィルタを備えた第１の撮像装置で光切断
像を撮像するので、アーク光の影響を完全に回避するこ
とができる。従って、このようにして撮像した光切断像
から近似処理、即ち、直線近似及び／又は曲線近似によ
り開先特徴点座標を抽出することにより、精密な溶接倣
いを行うことができるものである。

【００２２】特に、上記レーザ線状光を、溶接トーチの
進行方向前方３０〜１００ｍｍに位置する開先に照射す
るようにすれば、開先の熱変形等に確実に対応すること
ができる。溶接進行方向前方３０〜１００ｍｍに設定し
たのは、３０ｍｍ未満であるとアーク光の影響が強過ぎ
るからであり、１００ｍｍを超えると溶接熱による開先
の形状変形等に対応し難くなるからである。

【００２３】また、上記溶滴短絡移行状態の溶接電流を
２００Ａ以下に設定するのは、強烈なアーク光の影響を
避けるために、溶滴短絡移行時にアーク光が低減するこ
とに着目したからである。そして、溶接電流を２００Ａ
以下に設定するのを開先手前位置としたのは、溶接品質
に比較的影響のない位置だからである。

【００２４】さらに、上記干渉フィルタを当該レーザ光
の波長±２０ｎｍ以下に設定するのは、半導体レーザの
波長は±２０程度の変動があるため、フィルタにも同様
の半値幅が必要だからである。

【００２５】また、上記溶滴短絡移行状態において、短
絡移行の間に前記光切断像を撮像するのは、短絡移行の
際にはアークが瞬間的に切れるからである。また、短絡
移行の間に光切断像を２以上回撮像し、これらの光切断
像を２値化後、論理積演算処理により開先特徴点座標を
抽出するのは、溶接中における光切断像はスパッタ等の
ノイズ画像成分を多く含んでいるため、複数面の２値化
画像間において論理積演算処理を行うことにより不特定
箇所に現れるこれらのノイズを除去するためである。

【００２６】さらに、上記第２の撮像装置は減光フィル
タを介してアーク光を撮像するので、強烈なアーク光を
点形状に撮像することができる。このアーク光画像の重
心点に初期設定値を加えて、アーク点であるワイヤ先端
位置を算出し、この算出値を上記光切断像より求めた開
先特徴点座標と比較して、そのずれ分を補正値としてト
ーチ狙い位置に加えれば、精密な溶接倣いを行うことが
できるものである。

【００２７】そして、開先手前および開先奥における溶
接電流の平均値の比が所定値以上になった場合に、ワイ
ヤ先端位置が開先奥にあると判定している。即ち、開先
手前から奥に移動する際の溶接電流の平均値を取り、記
録する。次に、開先奥での溶接電流の平均値を取り、記
録してある開先手前での平均値と開先奥での平均値とを
比較し、その比率がある設定値以内であればワイヤ先端
位置が開先奥にあると判定する。この判定に基づいて、
精密な溶接倣いが行われることになる。

【００２８】一方、上記倣い溶接装置の構成によれば、
溶接台車が走行移動すると、これに搭載された溶接トー
チが継手開先に沿って移動する。レーザ照射装置は、溶
接トーチの進行方向前方３０〜１００ｍｍに位置する開
先に対して垂直にレーザ線状光を照射する。次に、撮像
装置は、上記溶接トーチの斜め前方から、レーザ線状光
の光切断像及びアーク光を撮像する。さらに、画像処理
装置は、撮像した光切断像から近似処理、即ち、直線近
似及び／又は曲線近似により開先特徴点座標を抽出する
と共に、上記アーク光の画像の重心点に初期設定値を加
えてワイヤ先端位置を算出し、この算出値を上記光切断
像より抽出した開先特徴点座標と比較して、そのずれ分
を補正値としてトーチ狙い位置に加える。そして、溶接
機制御装置は、画像処理装置の算出値に基づいて溶接ト
ーチを制御し、ワイヤ先端位置を補正するものである。

【００２９】特に、上記撮像装置は、当該レーザ光の波
長±２０ｎｍ以下の干渉フィルタを備えた第１の撮像装
置と、減光フィルタを備えた第２の撮像装置とによって
構成されている。従って、第１の撮像装置は、干渉フィ
ルタを介してレーザ線状光の光切断像を撮像するので、
レーザ光の相対強度が上がり、光切断像を鮮明に撮像す
ることができる。また、第２の撮像装置は、減光フィル
タを介してアーク光を撮像するので、強烈なアーク光を
点形状に撮像することができるものである。

【００３０】また、上記撮像装置をＣＣＤカメラによっ
て形成すれば、撮像管カメラに比して、小型かつ取扱い
が容易であり、焼き付け等の不具合を解消することがで
きるものである。

【００３１】さらに、画像取り込み制御装置は、溶接電
圧が設定しきい値より低下した時にトリガパルスを送信
して画像取り込みを指示するので、短絡移行時とトリガ
パルスとが同期するようにしきい値を設定すれば、アー
クが切れた瞬間に光切断像を撮像することができるもの
である。

【００３２】

【実施例】以下、本発明に係る倣い溶接方法及び装置の
好適実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。本実
施例の倣い溶接方法は、図１に示すような倣い溶接装置
を使用して行われる。図示するように、本実施例の倣い
溶接装置１の溶接台車２は、溶接トーチ３を支持しなが
ら走行レール４に沿って走行移動するように成ってい
る。

【００３３】上記走行レール４は、被溶接物（図示せ
ず）の横向き姿勢や下向き姿勢の継手開先と略平行に設
置される。従って、溶接台車２は、走行レール４の長手
方向に沿って略水平に走行移動することになる。この走
行レール４には直状走行レールと円弧状走行レールとを
使用することができ、曲面を有する被溶接物をも溶接対
象にすることができる。従って、円弧状走行レールを使
用すれば、本実施例の倣い溶接装置１を高炉鉄皮の周方
向継手の溶接に適用することができる。

【００３４】また、溶接台車２の下方には、溶接アーム
５に支持されて、溶接トーチ３が配置されている。溶接
アーム５は、溶接台車２に配置されている前後移動手段
６、上下移動手段７及び水平回動手段８を介して溶接台
車２と接続されている。

【００３５】前後移動手段６は溶接トーチ３を被溶接物
の板厚方向に移動させ、上下移動手段７は溶接トーチ３
を上下方向に移動させ、水平回動手段８は溶接トーチ３
を水平面内で回動させる手段であり、それぞれ溶接機制
御装置９に接続されている。

【００３６】よって、前後移動手段６、上下移動手段７
及び水平回動手段８は、溶接機制御装置９で演算した回
転速度・位置に従ってモータ駆動される歯車機構（図示
せず）により作動されるように成っている。特に、水平
回動手段８は、被溶接物の曲率軸と溶接トーチ３の軸と
が常に平行になるようにモータの回転速度・位置の制御
が行われる。

【００３７】即ち、前後移動手段６により溶接トーチ３
を前後に、上下移動手段７により溶接トーチ３を上下に
動作させることができ、さらに、これらを溶接機制御装
置９によって制御することにより、溶接トーチ３の狙い
を上下左右自由に決定することができる。

【００３８】また、水平回動手段８により、溶接トーチ
３を水平面内で回動することができる。従って、走行レ
ール４と被溶接物との曲率が違う場合には、水平回動手
段８を動作させることで、溶接トーチ３の向きを被溶接
物に対して常に一定方向に保つことができる。これによ
って、被溶接物の曲率に合わせて数種類の走行レール４
を準備する必要がなく、１種類の走行レール４で異なっ
た曲率を有する被溶接物の溶接が可能である。

【００３９】そして、溶接アーム５のトーチ取付部に
は、円弧状を呈する鉛直回動手段１０が設けられてい
る。この鉛直回動手段１０は溶接トーチ３を鉛直面内で
回動させる手段であり、溶接機制御装置９で演算した回
転速度・位置に従ってモータ駆動される歯車機構（図示
せず）により作動されるように成っている。この鉛直回
動手段１０により、溶接トーチ３が、溶接ワイヤ先端
（溶接アーク点）を中心に円弧を描いて回動するので、
溶接アークが振れることなく、鉛直面内で溶接トーチ３
の傾き角度を変化させることができる。

【００４０】また、溶接台車２には、図２に示すセンサ
ユニット１１が連結装備され、上記継手の開先形状や上
記溶接トーチ３のワイヤ先端位置を検出するように成っ
ている。図示するように、センサユニット１１内には、
継手開先に向けてレーザ線状光を照射するレーザ照射装
置１２と、レーザ線状光の光切断像を撮像する第１の撮
像装置１３と、溶接トーチ３のアーク光を撮像する第２
の撮像装置１４とが収納されている。

【００４１】レーザ照射装置１２は、波長６８０±１０
ｎｍ、出力３５ｍＷの半導体レーザによって構成されて
おり、レーザ光を線状にするためのコリメートレンズ、
シリンドリカルレンズが使用されている。

【００４２】本実施例において、レーザ光の波長を６８
０ｎｍに設定したのは、次のような理由による。即ち、
アーク光のスペクトルは、Ｆｅやシールドガス（Ａｒ
等）の特性スペクトル強度分布に近く、６００〜７００
ｎｍ近辺の波長において強度が減少する。また、溶融池
放射光のスペクトルは、可視光から赤外光波長域にかけ
て波長が長くなるにしたがって強度が増加する。そこ
で、本実施例では、計測に用いるレーザ光の波長を、ア
ーク光や溶融池放射光の影響を受けにくい６８０ｎｍに
設定することとした。

【００４３】第１の撮像装置１３は、レーザ線状光の光
切断像を撮像するが、外部からのトリガ信号に対して約
１μＳの遅れ後、電子ランダムシャッタを設定時間内に
おいて開くことが可能なＣＣＤカメラが採用されてい
る。

【００４４】この第１の撮像装置１３の撮像レンズ１３
ａの手前には、レーザ光の波長（６８０ｎｍ）±１０ｎ
ｍの波長を有する干渉フィルタ１５が備えられている。
干渉フィルタ１５の波長をレーザ波長±１０ｎｍに設定
したのは、レーザ光の相対強度を上げるために干渉フィ
ルタを使用しているが、半導体レーザの波長には±１０
ｎｍ程度の変動があるため、干渉フィルタ１５にも同様
の半値幅が必要だからである。

【００４５】また、第２の撮像装置１４もＣＣＤカメラ
によって構成されており、その撮像レンズ１４ａの手前
には減光フィルタ１６が備えられている。第２の撮像手
段１４は強烈なアーク光を点形状に撮像するため、透過
率０．１％以下の減光フィルタ１６を使用している。

【００４６】本実施例にあっては、第１の撮像装置１３
及び第２の撮像装置１４としてＣＣＤカメラを採用して
いるが、ＣＣＤカメラは撮像管カメラに比べ、小型かつ
取扱いが容易であり、焼き付け等の不具合が無いという
利点がある。また、２次元ＣＣＤ素子を使用した場合に
は、１次元のものに比して、機械式のレーザ光スキャン
が不要であるため故障が少なく、２次元情報を扱うた
め、形状認識等の画像処理を行うことが容易であるとい
う利点がある。

【００４７】第１の撮像装置１３及び第２の撮像装置１
４は、撮像したレーザ線状光の光切断像やアーク光の画
像を演算処理する画像処理装置１７と接続されている。
この画像処理装置１７は、光切断像から開先特徴点座標
を近似処理、即ち、直線近似及び／又は曲線近似により
抽出すると共に、アーク光の画像の重心点に初期設定値
を加えてワイヤ先端位置を算出する演算手段である。ま
た、画像処理装置１７は、溶接電圧が設定しきい値より
低下するか否かを監視して画像取り込み位置を制御する
画像取り込み制御装置１８と接続されている。

【００４８】そして、画像処理装置１７及び画像取り込
み制御装置１８は、画像処理装置１７の算出値に基づい
て溶接トーチ３を制御し、ワイヤ先端位置を補正する溶
接機制御手段９とそれぞれ接続されている。

【００４９】また、上記レーザ照射装置１２は、上記溶
接トーチ３の進行方向前方３０〜１００ｍｍに位置する
開先に対して垂直にレーザ線状光を照射するように、セ
ンサユニット１１内で位置設定されている。さらに、第
１の撮像装置１３又は第２の撮像装置１４は、光切断像
又はアーク光を溶接トーチ３の斜め前方からそれぞれ撮
像するように、センサユニット１１内で位置設定されて
いる。

【００５０】次に、上記倣い溶接装置１の作用を、これ
を使用して行う本実施例の倣い溶接方法とともに説明す
る。高炉鉄皮の開先を溶接する際に、１パス・１レア・
トーチ角度変化の横向き溶接法を用いて溶接を行う。こ
の際、倣い溶接装置１は、溶接台車２を走行レール４に
沿って走行移動させ、溶接機制御装置９で前後移動手段
６、上下移動手段７、水平回動手段８及び鉛直回動手段
１０を４軸制御して溶接トーチ３をウィービング動作さ
せることにより、自動倣い溶接を行うものである。

【００５１】本実施例の倣い溶接方法は、まず、上記セ
ンサユニット１１内に収納されたレーザ照射装置１２か
ら溶接トーチ３の進行方向前方の直近に位置する開先に
レーザ線状光を照射する。

【００５２】具体的には、レーザ照射装置１２は、溶接
トーチ３の溶接点から溶接進行方向前方に３０〜１００
ｍｍ程度離れた位置の開先に対して垂直にレーザ線状光
を照射する。レーザ線状光の照射位置を溶接トーチ３の
進行方向前方３０〜１００ｍｍに設定したのは、３０ｍ
ｍ未満であるとアーク光の影響が強過ぎるからであり、
１００ｍｍを超えると高炉鉄皮のような極厚板長尺の開
先では溶接熱による形状変形等に対応し難くなるからで
ある。

【００５３】次に、溶接電流を低下させて溶接トーチ３
から繰り出される溶接ワイヤを溶滴短絡移行状態にす
る。具体的には、開先手前位置で溶接電流を２００Ａ以
下に下げて、溶接ワイヤを溶滴短絡移行状態にする。溶
接電流を２００Ａ以下に設定するのは、強烈なアーク光
の影響を避けるために、溶滴短絡移行時にアーク光が低
減することに着目したからである。

【００５４】即ち、本実施例で採用するマグ溶接の場
合、溶接電流が２００Ａを超えると溶接ワイヤの溶滴が
スプレー移行状態となり、アーク光が低減しない。その
ため、図３に示すように、ウィービング軌跡Ｗが開先手
前部Ａ〜Ｂの位置（Ａは溶接電流低下開始点、Ｂは溶接
電流低下終了点）で溶接電流を２００Ａ以下に落とすこ
とにより、計測を可能としている。開先手前部Ａ〜Ｂの
位置で溶接電流を低下させるのは、溶接品質に比較的影
響の無い部位だからである。

【００５５】溶滴短絡移行状態になることによって、
Ａ’の位置近辺でアーク光が低減する瞬間、すなわち画
像取り込み制御装置１８で溶接電圧を監視し、設定しき
い値より低下した瞬間に、干渉フィルタ１５を備えた第
１の撮像装置１３の電子ランダムシャッターを開いてレ
ーザ線状光の光切断像を撮像する。干渉フィルタ１５の
波長は、強烈なアーク光の影響を避けるべく、レーザ光
の波長（６８０ｎｍ）±１０ｎｍ以下に設定されてお
り、第１の撮像装置１３で撮像した光切断像は画像処理
装置１７に入力される。

【００５６】即ち、図４に示すように、開先手前電圧設
定値をＶａ、しきい値を０．６Ｖａとすると、溶接電圧
Ｖ≦０．６Ｖａとなる信号の立ち下がりに同期してトリ
ガパルスＴＰ（１ｍｓ以上負論理）を出力する。このト
リガパルスＴＰに対して約１μＳの遅れ後、第１の撮像
装置１３の電子ランダムシャッタが設定時間内において
開くことになる。

【００５７】さらに詳述すると、図５に示すように、短
絡期間は溶接電流を低下させる開先手前部においてであ
るが、第１の撮像装置１３が溶接方向に対して停止して
いる期間を撮像取り込み可（イネーブル）とする。

【００５８】そして、図６に示すように、画像取り込み
制御装置（外部トリガコントローラ）１８で溶接電源１
９の溶接電圧Ｖを監視し、溶接電圧Ｖがしきい値０．６
Ｖａまで低下したら、その立ち下がりに同期してトリガ
パルスＴＰを発生する。

【００５９】トリガパルスＴＰはカメラコントローラ２
０のＲ．Ｒ．入力（リセット・リスタート）に入り、電
子ランダムシャッタを切ると同時にホストコンピュータ
２１において割り込みを発生し、それがイネーブル期間
ならば画像処理装置１７に画像取り込みを指令するもの
である。尚、溶接電源１９は、溶接機制御装置（ロボッ
トコントローラ）９を介して、ホストコンピュータ２１
と接続されている。

【００６０】干渉フィルタ１５や電子ランダムシャッタ
による撮像のみでは画像計測には不十分であるため、画
像処理による画質改善を行う。即ち、溶滴短絡移行状態
において、短絡移行の間に第１の撮像装置１３により光
切断像を２回以上撮像する。光切断像を２回以上撮像す
るのは、溶接中におけるレーザ線状光の光切断像は、画
像内にスパッタ等のノイズ画像成分を多く含んでいるた
め、複数面の２値化処理（白黒・濃淡処理）した画像間
において論理積演算処理を行うことにより不特定箇所に
現れるこれらのノイズを除去するためである。

【００６１】具体的には、図３において、Ａ’の位置で
撮像した光切断像（図７（ａ）に示す。）を画像メモリ
に記録しておき、Ａ’の次に短絡した瞬間Ａ''の光切断
像（図７（ｂ）に示す。）を取り込み、記録した画像と
共に２値化処理及び平滑化処理を行った後、２つの画像
間で画素毎の論理積（ＡＮＤ）処理を行い、ノイズ画像
を除去する（図７（ｃ）に示す。）。必要であれば、そ
の次の画像とも同様の論理積演算を行う。

【００６２】次に、ＡＮＤ処理画像に対して、孤立点・
端点除去を行う。即ち、２値化画像に対して３×３平滑
化フィルタ処理（平滑化オペレータ）を施した後、２回
目の２値化処理を行う。平滑化後の２値化画像に対して
Ｘ方向微分処理（差分オペレータ）を行い線画像変換を
行う。そして、直線近似法を用いて図７（ｄ）に示す開
先内特徴点（初層）を抽出し、これを３次元座標変換す
ることにより、所望の座標値を得る。第２層目以降につ
いては、図７（ｅ）に示すように直線部の延長線上にあ
る点を特徴点として抽出する。

【００６３】具体的には、開先特徴点を検出するため
に、分割・合成法（始点・終点近似）および追跡法（コ
ーン交差法）と呼ばれる直線近似法及び／又は曲線近似
法を用いて算出する。尚、この近似処理の詳しい内容
は、大沢裕ほか著作の「図面の認識と理解」（株）昭晃
堂に記述されている。

【００６４】即ち、図８に示す特徴点抽出フローに基づ
いて、開先特徴点の抽出を行う。図示するように、ま
ず、ステップ（ＳＴ）１でサーチウインドウを設定し、
ウインドウ内始点・終点を検出する（ＳＴ２）。

【００６５】具体的には、図９に示すように、追跡法に
よってＰ１，Ｐ２，Ｐ２’を検出する場合、Ｐｓ（始
点）、Ｐｅ（終点）を決定し、図１０に示すサーチウイ
ンドウによって画素を追跡する。即ち、Ｐｓからは図１
０（ａ）に示す下向きサーチウインドウを使用し、Ｐｅ
からは図１０（ｂ）に示す上向きサーチウインドウを使
用する。

【００６６】そして、画素Ｃから見た近傍における画素
連結状態を調べ、最も優先度の高いものを次の追跡画素
とする。下向き優先順位はＰＤ＞ＰＲＤ＞ＰＬＤ＞ＰＲ
＞ＰＬであり、上向き優先順位はＰＵ＞ＰＲＵ＞ＰＬＵ
＞ＰＲ＞ＰＬである。

【００６７】また、連結が途切れた場合は、図１１に示
すように、サーチウインドウをシフトする。即ち、ウイ
ンドウ中心画素ＣをＣ１，Ｃ２，Ｃ３の位置にシフト
し、そこを新たに中心Ｃとしたウインドウを生成する。
この場合の優先順位は、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３である。シフ
トしても連結が見つからない場合は、元の中心画素を特
異点とする。

【００６８】サーチウインドウで画素を検出した後、そ
れが直線に当てはまるか否かを調べるが、最初にＰｓよ
り下向きに画素を追跡し、次のようにＰ１を求める（Ｓ
Ｔ３）。まず、ステップ３は、図１２に示すように、
始点画素Ｐｓと次に追跡する画素Ｑ１を選択する。この
場合、Ｑ１は次に連結している画素とは限らない。ま
た、中心がＱ１で半径ｒの円に対してＰｓより２本の接
線を引き、その囲まれた領域をＳ１とする。尚、Ｑ１は
半径ｒの値によって決定し、線分ＰｓＱ１＞ｒである。
そして、Ｑ１をＱｉ、Ｓ１をＳｉとし、次のステップ３
へ進む。

【００６９】ステップ３は、Ｑｉの次に連結する画素
Ｑｉ＋１をサーチウインドウで検索し、これが領域Ｓｉ
の中にあればステップ３へ進む。一方、Ｑｉ＋１が存
在しないか、或いは領域Ｓｉの中に無ければ、Ｑｉを特
徴点Ｐ１とする。

【００７０】ステップ３は、中心Ｑｉ＋１で半径ｒの
円に対してＰｓより２本の接線を引く。そして、これら
に囲まれた領域をＳｉ＋１とし、ＳｉとＳｉ＋１の共通
領域をＳｉ、Ｑｉ＋１をＱｉとしてステップ３に戻
る。

【００７１】同様に、Ｐｅより上向きに画素を追跡し、
Ｐ２を求める（ＳＴ４）。この処理は、上記ステップ３
〜と同様のステップを繰り返す。但し、サーチウイ
ンドウは、上向きのものを使用する。

【００７２】次に、図１３に示すように、Ｐ０の検出を
行うが、開先奥部分は線画像が途切れる場合が多く追跡
法が使えないため、分割・合成法（始点・終点近似法）
を用いる。追跡法で求めたＰ１，Ｐ２を始点・終点とし
た線分に対するユークリッド距離が最大となる画素を求
め、これをＰ０とする（ＳＴ５，ＳＴ６）。即ち、Ｐ
１，Ｐ２の座標を各々（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２）
とすると、画素Ｐｊ（Ｘｊ，Ｙｊ）からの線分Ｐ１Ｐ２
への距離Ｅｊは、次式で表される。

【数１】

【００７３】また、図１４に示すように、Ｘ方向はＷＸ
１からＷＸ２まで、Ｙ方向はＹ１からＹ２までの距離計
算を行う。そして、ノイズ等の影響を避けるため、画素
検出を順方向と逆方向から行い、座標が一致したものだ
けを有効とする。この場合、Ｘ方向微分により、１画素
／１ＬＩＮＥとなっている。

【００７４】次に、初回溶接であれば（ＳＴ７）、半径
ｒを大きめに設定し、Ｐｅを始点として追跡法によりＰ
２’を検出する（ＳＴ８）。点Ｐｓ（Ｘｓ，Ｙｓ）から
点Ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ）を中心とする半径ｒの円への接線
の式は以下の通りである。

【数２】また、点（ａ，ｂ）が上記接線の式で囲まれた領域の中
にあるためには、以下の式が成立する。

【数３】

【００７５】次に、図１５に示すように、Ｐ０’の検出
を行う。即ち、変形追跡法により、線分Ｐ１Ｐ２とＰ
２’Ｐ０に対する近似直線（Ｐ１，Ｐ２’を通る）を求
め、その交点をＰ０’とする（ＳＴ９，ＳＴ１０）。即
ち、Ｐ１を始点とし、Ｐ０まで画素を検出し（分割・合
成法と同様に順方向・逆方向で行い、サーチウインドウ
は使用しない。）、次のように直線上に当てはまるか否
かを調べる。

【００７６】まず、ステップ９は、Ｐ０を中心とした
半径ｒ０の円を描き、Ｐ１からこの円に対して２本の接
線を引く。そして、Ｐ１の次の画素Ｑ１が接線で囲まれ
た領域Ｓ０の中に入っているか否かを調べる。これをＱ
１が検出されるまで繰り返す。ただし、線分Ｐ０Ｑ１＞
ｒであり、ステップ９で使用する。

【００７７】ステップ９は、中心がＱ１で半径ｒの円
にＰ１より２本の接線を引き、その囲まれた領域をＳ１
とする。そして、Ｑ１をＱｉ、Ｓ１をＳｉとし、次のス
テップ９へ進む。

【００７８】ステップ９は、Ｑｉの次の画素Ｑｉ＋１
を探し、これが領域Ｓｉの中にあればステップ９へ進
む。一方、領域Ｓｉの中に入っていなければ、このステ
ップ９を繰り返す。そして、Ｙ方向がＹ０（Ｐ０のＹ
座標）となったら、後述するステップ９へ進む。

【００７９】ステップ９は、Ｑｉ＋１を中心として半
径ｒの円を描き、Ｐｓよりこの円へ２本の接線を引く。
これらに囲まれた領域をＳｉ＋１とし、ＳｉとＳｉ＋１
の共通領域をＳｉ、Ｑｉ＋１をＱｉとして、ステップ９
に戻る。

【００８０】ステップ９は、線分Ｐ１Ｑｉの直線式を
求める。同様に、Ｐ２を始点とし、線分Ｐ２Ｑｉ’の直
線式を求め、線分Ｐ１Ｑｉと線分Ｐ２Ｑｉ’の交点をＰ
０’とする（ＳＴ１０）。

【００８１】そして、座標データを送信した後（ＳＴ１
１）、ステップ２に戻る。また、上記ステップ７におい
て、初回溶接でない場合は、直ちに座標データが送信さ
れる（ＳＴ１１）。

【００８２】一方、第２の撮像装置１４では、減光フィ
ルタ１６を使ってアーク光輝度を減少させ、点状画像と
なるようにアーク光を撮像する。この減光フィルタ１６
には、前述のように透過率０．１％以下のものを使用し
ており、強烈なアーク光を点形状に撮像することができ
る。具体的には、図３に示したように、ウィービング軌
跡が開先手前部Ｂ’および開先奥部Ｃの位置にあるとき
に、第２の撮像装置１４がアーク光を撮像し、これを画
像処理装置１７に取り込む。

【００８３】画像処理装置１７は、第２の撮像装置１４
で撮像した点形状のアーク光画像を２値化処理した後、
これの重心点を検出する。この重心点にある初期設定値
を加えることにより、アーク点であるワイヤ先端位置を
算出し、これを３次元座標変換することにより、所望の
座標値を得る。

【００８４】ここで、アーク光画像に加える初期設定値
について説明する。図１６（ａ）に示すように、溶接開
始点における開先手前・奥に接触するワイヤ先端のカメ
ラ画像上の座標を各々（Ｘａ，Ｙａ）、（Ｘｂ，Ｙｂ）
とし、また図１６（ｂ）に示すように、溶接開始直後の
開先手前・奥におけるアーク光画像の重心点を各々（Ｘ
ａ’，Ｙａ’）、（Ｘｂ’，Ｙｂ’）とすると、初期設
定値は以下のようになる。

【００８５】即ち、開先手前初期設定値は、ＤＸａ＝Ｘ
ａ−Ｘａ’、ＤＹａ＝Ｙａ−Ｙａ’となる。一方、開先
奥初期設定値は、ＤＸｂ＝Ｘｂ−Ｘｂ’、ＤＹｂ＝Ｙｂ
−Ｙｂ’となる。

【００８６】このとき、図１７に示すように、アーク光
画像の最大径が５０画素程度になるように画像調整を行
うため、これらの上下限は次の数式の通りとする。

【数４】このように溶接中（１回目ウィービング）において初期
設定値を算出し、２回目ウィービング以降に加えてゆ
き、所望の座標値を得る。

【００８７】そして、この算出座標値を光切断像より求
めた開先特徴点座標と比較して、そのずれ分を補正値と
してトーチ狙い位置に加え、その結果に基づいて、溶接
機制御装置９が溶接トーチ３のワイヤ先端位置を補正す
る。

【００８８】具体的には、溶接機制御装置９は、算出し
た開先特徴点座標を基に開先手前・奥におけるトーチ狙
い位置や揺動幅をオンラインで変更する。このとき、図
７（ｄ）に示したように、ワイヤ先端位置座標と開先手
前Ｐ２点又は開先奥Ｐ０点とをそれぞれ比較し、ずれが
ある場合はその差を補正値として溶接トーチ３の制御を
行う。さらに、積層厚の変化分を次層溶接に反映させる
ため、ウィービングピッチを変更する。

【００８９】また、開先手前および開先奥における溶接
電流の平均値の比が所定値以上になった場合に、ワイヤ
先端位置が開先奥にあると判定する。具体的には、開先
手前から開先奥に移動する際の溶接電流・電圧の平均値
を取り、記録する。

【００９０】次に、開先奥での溶接電流・電圧の平均値
を取り、記録している開先手前での平均値と開先奥での
平均値を比較し、その比率がある設定値以内であればワ
イヤ先端位置が開先奥にあると判定する。

【００９１】具体的には、図１８に示す開先手前Ａ〜
Ａ’位置の溶接電流の平均値Ｉａは、次のような数式で
表される。

【数５】また、図１８に示す開先奥Ｂ〜Ｂ’位置の溶接電流の平
均値Ｉｂは、次のような数式で表される。

【数６】これら実績値（平均値）の比であるＫ（Ｋ＝Ｉｂ／Ｉ
ａ）が設定値ｋ（ｋ＝ｉｂ／ｉａ、ｉａ：開先手前電流
設定値、ｉｂ：開先奥電流設定値）の０．９倍以上のと
きに、ワイヤ先端位置が開先奥にあると判定する。

【００９２】ワイヤ先端位置を判定した場合、溶接トー
チのワイヤ先端位置を次のように補正する。即ち、ワイ
ヤ先端位置が開先奥でないと判定した場合、アーク画像
重心からワイヤ先端座標点を算出するための初期設定値
に予め設定しておいた補正値を加え、これを次からのワ
イヤ先端位置の算出に使用することにより、極めて精密
な倣い溶接を行うことができるものである。

【００９３】以上のように本実施例は、開先特徴点座標
の抽出及びワイヤ先端位置の算出により、溶接熱による
開先の形状変形やワイヤ先端の曲がり等に対応し、極め
て精密な溶接倣いを行うことができるが、その比較例と
して、特開平５−１３８３５４号公報に開示されている
「溶接自動倣い装置」が挙げられる。

【００９４】この発明は、「溶接トーチの進行方向前方
の開先内の光切断像を得るレーザスリット光発光部と、
このレーザスリット光発光部より進行方向前方にあって
上記溶接トーチや光切断画像を含む溶融池を含む溶接情
報を検出するＩＴＶカメラと、このＩＴＶカメラの溶接
情報により開先形状を計算し溶接ワイヤ位置又は電極位
置を演算する手段とを有する」ことを要旨としている。

【００９５】しかし、この発明では、前述した引用例１
及び引用例２と同様に、強烈なアーク光の影響を回避す
るために、レーザスリット光を溶接点からかなり離さな
ければならない。また、ワイヤ先端位置の正確な検出が
困難であるため、開先の熱変形またはワイヤ曲がり等に
は対処し得ないものである。

【００９６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係る倣い溶
接方法及び装置によれば、溶接熱による開先の形状変形
やワイヤ先端の曲がり等に対応させるべくレーザ照射部
と溶接部とを近接させても、アーク光及びスパッタの影
響を完全に回避することができ、極めて精密な溶接倣い
を行うことができるという優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の倣い溶接装置の全体構造を示す概略
図である。

【図２】本実施例の倣い溶接装置におけるセンサユニッ
トの内部構造を示す平面図である。

【図３】本実施例の倣い溶接方法において、ウィービン
グ状況及び溶接電流低下位置を示す概略図である。

【図４】本実施例の倣い溶接方法において、溶接電圧と
設定しきい値との関係を示す説明図である。

【図５】本実施例の倣い溶接方法において、ウィービン
グでの電子シャッタ作動期間を示す説明図である。

【図６】本実施例の倣い溶接方法において、トリガパル
スによる電子シャッタ作動の装置ブロックを示す概略図
である。

【図７】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特徴
点の抽出状況を示し、（ａ）はＡ’における光切断像の
説明図、（ｂ）はＡ''における光切断像の説明図、
（ｃ）は論理積演算後の画像の説明図、（ｄ）は初層特
徴点の説明図、（ｅ）は２層目以降の特徴点の説明図で
ある。

【図８】本実施例の倣い溶接方法において、開先特徴点
の抽出フローを示す説明図である。

【図９】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特徴
点の抽出概念を示す説明図である。

【図１０】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特
徴点の抽出に使用するサーチウインドウを示し、（ａ）
は上向きサーチウインドウの説明図、（ｂ）は下向きサ
ーチウインドウの説明図である。

【図１１】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特
徴点の抽出に使用するサーチウインドウのシフト状況を
示す説明図である。

【図１２】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、追跡法によるＰ１の検出状況を示す説明図であ
る。

【図１３】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、分割・合成法によるＰ０の検出状況を示す説明図
である。

【図１４】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、距離計算によるＰ０の検出状況を示す説明図であ
る。

【図１５】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、変形追跡法によるＰ０’の検出状況を示す説明図
である。

【図１６】本実施例に採用するワイヤ先端位置の検出に
おいて、初期設定値の算出状況を示し、（ａ）は溶接前
ワイヤ先端位置の説明図、（ｂ）は溶接中アーク光画像
重心の説明図である。

【図１７】本実施例に採用するワイヤ先端位置の検出に
おいて、アーク光の最大径と画素との関係を示す説明図
である。

【図１８】本実施例に採用するワイヤ先端位置の検出に
おいて、開先奥と判定する溶接電流・電圧の平均値及び
標準偏差の範囲を説明するための図である。

【符号の説明】

１倣い溶接装置２溶接台車３溶接トーチ４走行レール５溶接アーム６前後移動手段７上下移動手段８水平回動手段９溶接機制御装置（ロボットコントローラ）１０鉛直回動手段１１センサユニット１２レーザ照射装置１３第１の撮像装置１３ａ，撮像レンズ１４第２の撮像装置１４ａ，撮像レンズ１５干渉フィルタ１６減光フィルタ１７画像処理装置１８画像取り込み制御装置（外部トリガコン
トローラ）１９溶接電源２０カメラコントローラ２１ホストコンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１パス１レア溶接中に、開先にレーザ線
状光を照射して撮像装置で光切断像を撮像し、この画像
に基づいて溶接トーチのワイヤ先端位置を補正する倣い
溶接方法において、上記溶接トーチの進行方向前方の直近に位置する開先に
レーザ線状光を照射し、溶接電流を低下させて溶滴短絡
移行状態になった時に、干渉フィルタを備えた第１の撮
像装置で光切断像を撮像し、近似処理により開先特徴点
座標を抽出するようにしたことを特徴とする倣い溶接方
法。
【請求項２】前記レーザ線状光が、溶接トーチの進行
方向前方３０〜１００ｍｍに位置する開先に照射される
請求項１に記載の倣い溶接方法。
【請求項３】前記溶滴短絡移行状態の溶接電流が、開
先手前位置で２００Ａ以下に設定される請求項１または
請求項２に記載の倣い溶接方法。
【請求項４】前記干渉フィルタが、当該レーザ光の波
長±２０ｎｍ以下に設定される請求項１乃至請求項３の
いずれかに記載の倣い溶接方法。
【請求項５】前記溶滴短絡移行状態において、短絡移
行の間に前記光切断像を２回以上撮像し、これらの光切
断像を２値化後、論理積演算処理により開先特徴点座標
を抽出するようにした請求項１乃至請求項５のいずれか
に記載の倣い溶接方法。
【請求項６】減光フィルタを備えた第２の撮像装置で
アーク光を撮像し、該アーク光の画像の重心点に初期設
定値を加えた点をワイヤ先端位置とし、これに基づいて
溶接トーチのワイヤ先端位置を補正するようにした請求
項１乃至請求項５のいずれかに記載の倣い溶接方法。
【請求項７】開先手前および開先奥における溶接電流
の平均値の比が所定値以上になった場合にワイヤ先端位
置が開先奥にあると判定し、これに基づいて溶接トーチ
のワイヤ先端位置を補正するようにした請求項１乃至請
求項６のいずれかに記載の倣い溶接方法。
【請求項８】継手開先に沿って走行移動する溶接台車
上に搭載された溶接トーチと、該溶接トーチの進行方向前方３０〜１００ｍｍに位置す
る開先に対して垂直にレーザ線状光を照射するレーザ照
射装置と、該レーザ線状光の光切断像及びアーク光を上記溶接トー
チの斜め前方から撮像する撮像装置と、該光切断像から開先特徴点座標を近似処理により抽出す
ると共に、上記アーク光の画像の重心点に初期設定値を
加えてワイヤ先端位置を算出する画像処理装置と、該画像処理装置の算出値に基づいて溶接トーチを制御
し、ワイヤ先端位置を補正する溶接機制御装置とを備え
ていることを特徴とする倣い溶接装置。
【請求項９】前記撮像装置が、レーザ線状光の光切断
像を撮像する第１の撮像装置と、アーク光を撮像する第
２の撮像装置とからなり、第１の撮像装置には当該レー
ザ光の波長±２０ｎｍ以下の干渉フィルタが備えられて
おり、第２の撮像装置には減光フィルタが備えられてい
る請求項８に記載の倣い溶接装置。
【請求項１０】前記撮像装置が、ＣＣＤカメラによっ
て形成されている請求項８または請求項９に記載の倣い
溶接装置。
【請求項１１】前記画像処理装置に、溶接電圧が設定
しきい値より低下した時に、トリガパルスを送信して画
像取り込みを指示する画像取り込み制御装置が備えられ
ている請求項８乃至請求項１０のいずれかに記載の倣い
溶接装置。