JPS594975A - 開先溶接倣い制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は非接触にて撮像装置と溶接開先部との３次元距
離を正確に検出して溶接トーチを制御する開先溶接倣い
制御方法に関する。

従来、箱型構造物の溶接は、その殆んどが人手によるも
のであったため、品質にムラがあり、人件費の高騰等に
よってコストの晶いものであった。そこで、近年、溶接
の自動化の一環として、非接触で精度のよい距離センサ
の開発が行なわれてきた。光切断法による距離測定は精
度もよく、実用化されている例もあり、将来的に有望で
ある。

第１図は上記実用化装置鰺の一例を示す図である。即ち
、この装置は、照明器１よシ溶接母材２の溶接開先部３
ヘスリ、ト光４を照射して同溶接開先部３に開先断面形
状を示すスリット像４′を形成する。このスリット像４
′は溶接開先部３の＃１は真上に配置しだＩＴＶカメラ
等の撮像装置５によってスリット画像データとして取込
む。この撮像装置５で取込んだスリット画像データは垂
直、水平同期検出回路６からの取込み制御信号を受りて
画像取込み制御回路７が縦１ラインずつ取込み、この縦
１ラインのスリット画像データを後続の１ライン記憶容
緻を持った画像縦１ライン記憶回路８に記憶する。９は
最明点検出回路であって、これは画像縦１ライン記憶回
路８に記憶さ′れた縦１ラインのスリット画像データの
中から最輝度点を求め、これを平滑化微分回路１０に供
給する。この平滑化微分回路１０および肩判定回路ノー
は幾つかのライう 鴻輝度点のデータから第２図に示す肩部Ｓｔ。

を検出すると、肩判定回路１１は溶接母材２の走行速度
等を考慮しながら画像取込み制御回路ミ ７に複数ライ）輛ばす旨の信号を送る。ここで、画像取
込み制御回路２は複数ライ−ｈｔ　ｎ　して同様に縦１
ラインずつスリット画像データを取込む。そして、同様
に平滑化微分回路１ｏおよび肩判定回路１１で幾つかの
最輝度点データから第２図に示す肩部ｓＲを求める。肩
部ＳＬおよびＳＲを求めたならば、次に開先中心位置演
獅回路１２によυ札とＳＲとの中心位置っまシ開先中心
位置を演算匹て求め、この演算結果に基づいて溶接トー
チ駆動制御演算回路１３および溶接トーチ駆動装置１４
は溶接トーチ１５を開先中心位置へと倣い制御するもの
である。

しかし、上記装置の場合、次のような点が問題とされて
いる。っまシ、この装置は開先中心位置は検出できるが
、溶接トーチ１５（又は撮像装置５）と溶接母材２との
距離が分らないため精度の高い自動溶接ができない。例
えば第３図（ａ）に示すようにＶ型溶接開先部３や突合
せ溶接の場合、溶接トーチ１５の２方向の位置が分らな
いため、予め溶接トーチ１５の２方向の位置を設定する
必要がある。仁のことは、２方向の位置が常に一定であ
る溶接のものしか適用できない問題がある。しかし、実
際上、開先線表面は変化している場合が多く、さらに箱
型構造物や鋼管の内面溶接等の場合２方向の位置を機械
的に常に一定に保つことは非常に難しい、！た、第３図
（ｂ）のような水平隅肉溶接の場合、溶接トーチ１５と
開先位置とのＸ、Ｚ方向の距離が分らないと、開先中心
方向であるｌｆＲ上に於ける溶接の自動化ができにくい
という問題がある。更に、仮付は時の目違いや多層盛溶
接に対処させにくい。この多層盛溶接では、第３図（ｃ
）に示すように開先中心位置はｌ線上のＡ点、Ｂ点等で
あるが、実際上、溶接トーチ１５と０点、Ｄ点、Ｅ点、
Ｆ点等との位置関係が分らなければ深さ方向が把握でき
ないので、多層盛溶接を行なうことができないという欠
点がある。

本発明は上記実情にかんがみてなされたもので、撮像装
置と溶接開先部との３次元距離を簡単な構成によって検
出可能とし、また種々の態様の溶接に対し高精度に自動
溶接できる開先溶接倣い制御方法を提供するものである
。

以下、本発明の一実施例を説明するにあた９、先ず３？
′に元距離を得るための基礎となる光学系の原理と開先
形状との関係について述べる。一般に、撮像装置Ｉｔ２
０と測定対象２１とは第４図に示す関係にある。図中、
２０Ａはレンズ、２０１、は撮像画、ＬＣは光軸である
。従って、撮像装置２０と測定対象２ノとが第４図のよ
うな関係あるとき、撮像装置２０と測定対象２１との距
離Ｘａは、 ｆｏ（Ａ＋Ｂ）（１） ｘ　ａ”＝　　　、　　　　”””””’であられすこ
とができる。ここで、ｆは焦点距離、Ａは測定対象２１
の長さ、Ｂは撮像画２０Ｌ上の測定対象の長さ、ｘｂは
レンズ２０Ａと撮像面２０Ｌとの距離である。上式にお
いて焦点距離ｆは測定範囲に応じて予め設定できるので
、ＡとＢが分れば距離ｘ、Ｌ’ｉｔ求めることができる
。

そこで、長さＡ　ｔ　Ｂと第５図に示す溶接開先部との
関係について考えると、測定対象２１の長さＡは第５図
のＹ又は２の何れかの値に相当し、またＢはＹ又は２の
撮像画２０Ｌ上の距離に相当する。ここで、溶接開先部
は、第６図（ａ）。

光角度ψは既知でちるため、例えば２軸を中心にｙ軸か
らθだけ角度を傾けた方向よりレーザスリット元を溶接
母材に照射すればＹ、Ｚは下式より既知の値と考えるこ
とができる。

Ｙ＝−・・・・・・・・・・・・　　　　　（２）−〇 ２＝−・・・・・・・・・・・・　　　　　（３）−ψ 故に、（２）式および（３）式よシ長さＡは既知として
求めることができる。一方、Ｂはｙと２の原点を任意に
定め、そのときの撮像画２０Ｌに蓄積されたスリット画
像データを画像処理して得られるＹ、ｚから求められる
。従って、以上のような原理に基づいて２方向の距離ｘ
ｓＬを求めることが可能でちゃ、さらにはＭ点、Ｎ点の
撮像装ｆＩｔ２０からのＸＩ）’ＩＺの３次元距離デー
タを求めることができる。

しかし、実際の計測時では、精度向上、Ｂの絶対値の算
出およびレンズ系の焦点距離の設定のために、一度較正
する必要がある。そζで、較正法を含んだ実際の測定に
ついて第７図ないし第９図にて説明する。先ず、較正法
は第７図に示すフローチャートに従って行なう。先ず、
プロ、タイでは、計測条件の設定を行なって実像のＹ−
２を得る。次に、プロ、クロでは実際に測定対象２．１
と撮像装置２０との距離Ｘを定め、これに基づいて焦点
距離ｆｔ決定する。次に、プロ、クハは、ｆを決定した
後、ブロックイのＹ又は２を（１）式に代入ｔ１同（１
）式全変形することによシ撮像面２０Ｌ上の像の絶対値
Ｂを得る。次に、ブロック二では、画像処理速度が速い
場合、精度を高めるために撮像面上のＹ。

ｚｌ複数回求めてその平均値を求める。そして、ｙ伊２
方向の を求める。

次に、第８図は第７図のような較正法の下に、Ｍ点、Ｎ
点の３次元位置情報を求めて溶接倣いを行なう１つの方
法であって、これは多層盛溶汝を行なう場合の必須の情
報となる。第９図は３次元位置情報を用いずに溶接倣い
を行なう場合の方法を示している。

次に、前記原理に基づいて実現した本発明に係る開先溶
接倣い制御方法の一実施例について第１０図および第１
１図を参照して説明する。

第１０図は本発明方法を適用した装置の全体構成を示す
図であって、第１の溶接母材２１ｈ上に第６図のように
開先角度ψをもった第２の溶接母材２１ｂが例えば垂直
に尚接して溶接開先部２２を得るとともに、この溶接開
先部２２の一側方に照明器２３ｔ−設定する。仁の照明
器２３は２軸を中心にｙ軸から０だけ角度を傾けた方向
よりレーデのスリ、ト光２４を照射して溶接開先部２２
に当て、開先断面形状を示すス′す、ト像２４′を得る
。２０けスリ、ト像２４′をスリット画像データとして
撮像する撮像装置、３０は信号処理部、３１は溶接トー
チ駆動装置、３２は溶接トーチである。

第１１図は信号処理部３０を具体化した−拾成例である
。この４ｇ号処理部３Ｑは、撮像装置２０からの垂直・
水平同期信号を検出する垂直・水平同期検出回路３０ノ
と、この回路３０１からの取込み制御４８号で１ライン
ずつスリット画像データを取込んでディジタルイド号と
する画像取込み制＠ｊ回路３０２と、１ラインのメモリ
容Ｓを持った＋ｉｉ１家１ライン記憶回路３０３と、１
ラインごとの記憶内容の中から最大輝度点のアドレスを
検出する最明点検出回路３０４と、これらの最大輝度点
の信号ｆ！：２値化或いは平滑化微分して撮像面２０Ｌ
上の１ｎ部Ｎ点９Ｍ点の座標データｆ：得る２値化回路
又は平滑化微分回路（以下、２値化回路等と相称する）
３０５と、この座標データから撮像ｍ］上のＹ、Ｚを求
め、また予め設定されている板厚ｈ１開先角度ψ、スリ
ット傾斜角度θから（２）式および（３）式に基づいて
実像のＹ、Ｚを求める開先位置演算回路３０６と、この
回路３０６の出力信号から撮像面２０Ｌ上の長さＢを求
めた後、撮像装置２゜と開先部２２との距離ｘａを求め
る距離演算回路３０７と、溶接トーチ駆動制御演算回路
３０８とを備えたものである。

次に、第１２図は溶接トーチ駆動装置３ノの概略構成を
示す図であって、３１ノはレール架台、３１２はＸ軸駆
動用モータ、３１３はＹ軸駆動用モータ、３１４は２軸
駆動用モータであって、これらのモータ３１２〜３１４
は溶接トーチ駆動制御演算回路３０８からの信号で溶接
トーチ３２を図示一点鎖巌矢印方向に倣い制御する。３
２ノはψ軸駆動用モータである。

仄に、上記装［べの作用を説、明する。先ず、条件設定
を行なう。設定項目としては、板厚あるいは開先深さｈ
１開先角度ψおよび照明器２３によるスリット光の照射
角度θがあるが、これらは開先位置演算回路３０６に設
定する。また焦点距離ｆは距離演算回路３０７に設定す
る。

以上のような条件設定を行なった後、照明器２３よシ例
えばレーザのスリット光２４を照射して溶接開先部２２
に開先断面形状を示すスリット像２４′を形成する。撮
像装置２ｏは溶接開先部２３に形成されたスリット像２
４′を例えばビーム走査によって順次取込んでスリット
画像データとしてイメージ部（撮像面）に蓄積するとと
もに、このスリット画像データ（ビデオ信号）およびビ
ーム走１による化１白・水平同期信号をも出力している
。ここで、垂１ｎ・水平同期検出回路３０１は水平同期
信号を検出するごとに取込み制御信号を画像取込み制研
１回路３０２に送ると、同画像取込み制御回路３０２は
撮像装置２０から１ラインずつスリット画像データを取
込んでデイノタル信号に変換し後続の画像１ライン記憶
回路、３０３に記憶する。画１象取込み制御回路３０２
によるＡ−Ｄ変換のサンプリング数は分解能との関係で
定めら九ておジ、従って、そのサンプリング数が同時に
画像１ライン記憶回路３０３のアドレスと対応するよう
になっている。而して、画像１ライン記憶回路３０３の
１ラインスリット画像データは最明点検出回路３０４に
供給されるが、ここでは１ラインの中の最大輝度点のア
ドレス信号出する。このような操作を各ラインごとに行
なって順次最大輝度点のアドレスを求めていく。そして
、最明点検出回路３０４で求めた最大輝度点のアドレス
信号は２値化回路等３０５によって２値化変換されて第
５図のＮ点、Ｍ点の撮像面上の座標データを求め、これ
を開先位置演算回路３０６に入力する。この開先位置演
算回路３０６では、前記座標データの減算操作を行なっ
て第５図の撮像面上のＹ、Ｚを求め、これを距離演算回
路３０７に供給する。また、この回路３０７は、予め前
述した条件設定値に基づいて（２）式、（３）式の演算
を行なって実像でのＹ、ｚを求め、これも同様に距離演
算回路３０７に供給する。この距離演算回路３０２には
予め焦点距離ｆが設定されているので、ここではｆとＹ
１２とを用いて（１）式により距離ｘ、’を求める。

溶接トーチ駆動制御演算回路３０８は距離演算回路３０
７から送られてくるｘ８とＹ、Ｚとから第１０図の３次
元データｘ、ｙｔｚ求め、これを溶接トーチ駆動装置３
ノに入力し溶接トーチ３２を倣い制御するものである。

従って、以上のような構成によれば、例えば第３図（、
）のよりなＶ開先溶接、突合せ溶接の場合でも２方向の
位置を固定したｖ１或いは予め２方向の位ｇｔヲプリセ
ットすることなく３次元的位置情報を検出して自動的に
溶接できる。また、第３図（ｂ）に示す水平隅肉溶接の
場合、溶接トーチ３２の位置と開先中心位置との！、！
方向の距離を検出し開先中心Ｈ１’を求めて溶接するこ
とができる。

さらに、上記方法を利用して多層盛溶接を行なうことが
できる。即ち、第１３図のような自動多層盛溶接におい
てＡ　ｔ　Ｂ　ｔ　Ｃ、・・・Ｈ等の溶接狙い位置が存
在する場合、予め板厚りおよび開先角度ψが分っている
ので、Ｎ点の３ｒＫ元位置情報から実際のＡ、Ｂ、Ｃ，
・・・、Ｈ点を決定し溶接トーチ３２ｆ制御可能であり
、精度の良い自動多層盛溶接を行なうことができる。

ところで、第１３図の自動多層盛溶接の場合、一層目の
溶接点Ａは前述した′ｆ、８図の溶接倣い方法で行なう
ことができる。しかし、多層盛溶接において各層の溶接
狙い位置をプリセットしたのでは、溶着量が変化し、ア
ンダカット、オーパラ、ｆ等の溶接欠陥が生じやすい。

そこで、第１３図のような多層盛溶接において２層目の
Ｃ，Ｄ点からはＧ、Ｈ点の撮像装Ｎ２０からの１．７．
”Ｌの３次元位置情報を求め、実験および経験的にＣ，
Ｄ点を修正する。なお、一層溶接後の溶接形状は、撮像
装置２０では第１４図のように表われる。ここで、Ｍ点
、Ｎ点の座標データが分っているので、Ｍ点とＮ点を結
ぶ直線の方程式がたち、Ｈ点を２値化回路等３０５によ
って判別し、舟凶へからＨ点の３次元位置を求める。次
に、Ｎ点を誤差、精度を考慮して画面の中央になるよう
に自動的に駆動し、ＭＧの延長線とＮ点からの垂線との
交点ｉＩとする。

このとき、Ｍ、Ｇ、１点の２座標は同じである。

また酊と鼎のｙ座標は等しく、（２）式で表わせる。こ
れよシ、 Ｘ＝Ｙ−一θ・・・・・・・・・・・・　　　　　　　
（４）となり、１点の３次元位置が求まる。同様にして
、Ｇ点を判別しＭＧ／ＭＩからＧ点の３次元位置を求め
る。さらに、Ｇ　ｔ　Ｈ点よシ溶接トーチ３２の溶接狙
い位Ｗ　ｃ　ｔ　ｎ点を決定する。このように繰返しを
行なって自動多層盛溶接を行なうことができる。また、
これによって、おおよその浴接面積ＭＧＨおよびＮＨＧ
Ｉが求まり、溶接条件の設定に用いることができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。

例えば溶接母材の走行速度および板厚、開先角度等を考
慮し、２値化回路等３０５で肩部Ｎを検出した後、所要
ライン飛ばす信号を画像取込み制御回路３０２に与える
ようにしてもよい。その他、本発明はその要旨を逸脱し
ない範囲で神々変形して実施できる。

以上詳記したように本発明によれば、開先部のスリット
像を撮像装置でスリット画像データとして取込んだ後、
１ラインずつ最大輝度点を検出し２値化変換等を行なっ
て撮像面の座標データを求めるとともに、このデータと
予め条件設定によって求めた実像のデータとから３次元
距離を求めて溶接トーチを倣い制御する構成であるので
、溶接トーチと開先部との距離を自動的に検出でき、こ
れによシ自動溶接の精度が飛躍的に向上させることがで
きる。また、多層盛溶接や箱型構造物も自動的に溶接で
きる開先溶接倣い制御方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図（ａｌ〜（ｅ）　ｉｉ：従来方法を
説明するために示したもので、第１図は従来方法を適用
した装置の構成図１、第２図は開先形状を検出するため
の説明図、第３図（、）〜（ｅ）は溶接態様を示す図、
第４図ないし第９図は本発明方法を実現するための原理
を説明するだめの図であって、第４図は光学系の構成図
、第５図、は開先形状を検出するための説明図、第６図
（ａｌ　、　（ｂ）は開先部の側面図、第７図ないし第
９図は較正法並びに溶接倣い方法を示すフローチャート
、第１０図は本発明方法を適用した装置の全体構成図、
第１１図は第１０図の信号処理部の−構成例図、第１２
図は溶接トーチ駆動装置の概略構成図、第１３図および
第１４図は多層盛溶接法の説明図である。 ２０・・・撮像装置、２１　ＩＬ＋　２１　ｂ・・・溶
接母料、２２・・・開先部、２３・・・照明器、２４′
・・・スリット像、３０・・・信号処理部、３ノ・・・
溶接トーチ駆動装置、３２・・・溶接トーチ、３０２・
・・画像取込み制御回路、３０３・・・画像１ライン記
憶回路、３０４・・・最明点検出回路、３０５・・・２
値化回路又は平滑化微分回路、３０６・・・開先位置演
算回路、３０７・・・距離演算回路、３０８・・・溶接
トーチ駆動制御演算回路、３１２・・・Ｘ軸駆動用モー
タ、３１３・・・Ｙｉ１％！ｌ駆動用モータ、３１４・
　Ｚ軸駆動用モータ。 出願人代理人　　弁理士　鈴　江　武　彦第８図 第９図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）　　照明器によシ溶接開先部を照射して開先形状
   を示す光学像を形成し、この光学像を撮像装置で画像デ
   ータとして取込んで開先溶接倣いに利用する開先溶接倣
   い制御方法において、前記撮像装置の画像データを１ラ
   インずつ取込んで各ラインの中から最大輝度点を検出す
   る最大輝度検出手段と、この手段によって得られた最大
   輝度点検出信号を２値化又は平滑化微分して撮像画にお
   ける前記溶接開先部の肩部を検出する回路と、この回路
   から出力された肩部の信号から撮像画における溶接開先
   部形状の２次元データを求めるとともに、この２次元デ
   ータと予め定めた設定条件によって得た実像の２次元デ
   ータとを出力する開先位置演算回路と、この開先位置演
   算回路から出力された撮像面上の２次元データと実像の
   ２次元データとを用いて演算し撮像装置と溶接開先部と
   の３次元距離を求める手段とを備えたことを特徴とする
   開先溶接倣い制御方法。
2. （２）照明器により溶接開先部を照射して開先形状を示
   す光学像を形成し、この光学像を撮像装置で画像データ
   として取込んで開先溶接倣いに利用する開先溶接倣い制
   御方法において、前記撮像装置の画像データを１ライン
   ずつ取込んで各ラインの中か′ら最大輝度点を検出する
   最大輝度検出手段と、仁の手段によって得られた最大輝
   度点検出信号を２値化又は平滑化微分して撮像面におけ
   る前記溶接開先部の肩部を検出する回路と、この回路か
   ら出力された肩部の信号から撮像画における溶接開先部
   形状の２次元データを求めるともに、この２次元データ
   と予め定めた設定条件によって得た実像の２次元データ
   とを出力する開先位置演算回路と、この開先位置演算回
   路から出力された撮像面上の２次元データと実像の２次
   元データとを用いて演算し撮像装置と溶接開先部との３
   次元距離を求める手段と、この手段によって得た３次元
   ｍと前記２次元データとを用いて溶接トーチを制御する
   溶接トーチ駆動手段とを備えたことを特徴とする開先溶
   接倣い制御方法。