JPS6320175A - 溶接トーチ高さの適否判定方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アーク溶接、特に重ね継手溶接、隅肉継手溶
接及び突合わせ継手溶接において、溶接アーク光を直視
し、その形状及び位置により溶接トーチの高さを検出し
て、正確な溶接を行う方法に関する。

〔従来の技術〕

アーク溶接では、溶融池、通電チップ、ワイヤ、溶接開
先等を含む溶接部分を工業用テレビカメラ（ＩＴＶ）で
１最像し、これによって得た画像を解析することにより
、溶接位置、溶接条件等を制御する方法が古くから知ら
れている。

ところが、アーク光は、周囲（例えば溶融池）の明るさ
に比べて強烈であり、しかも赤外線及び紫外線を多量に
含んでいるため、溶接部分を検出することには困難な問
題点が多い。

そこで、従来は、次のような解決策を講じていた。

すなわち、その一つは、撮像装置又は光学フィルタに工
夫を加える方法である。例えば、特開昭５１−７２９３
８号公報では、赤外線、熱線、色、光量を制限する各フ
ィルタを設けるとともに、テレビカメラにシリコンビジ
コン撮像管を使用して、溶接部からの輻射線を可視光領
域及び近赤外線領域でのみ通過させるようにしている。

また、特開昭５９−２１２１７２号公報では、赤外線の
みを通すフィルタを介して赤外線テレビカメラで撮像し
ている。更に、特開昭５８−１５９９８０号公報では、
撮像装置としてＣＣＤ　（固体イメージセンサ）を用い
ることにより、フィルタを不要にしている。

アーク光による影響を解決する他の方法は、工業用テレ
ビカメラに高速シャッタを設ける方法である。例えば、
特開昭５８−７７７６号公報では、アークの短絡時にア
ークが消滅する機会を捉えて、短絡時のみシャッタを開
けるようにしている。また、特開昭５９−２０２１７８
号公報では、パルス溶接にお、いて、ヘース電流時期の
アーク光が減衰したときだけシャッタを開けるようにし
ている。

更に、溶接部をアーク光と区別して撮像する方法として
は、撮像のための光源を設ける方法がある。例えば、特
開昭５５−４２１８５号公報では、アーク光等の外乱光
のスペクトル分布と異なる光源を設け、外乱光の光量が
前記光源の光量に比較して小さくなる波長帯を検出波長
としている。また、特開昭５９−１９１５７４号公報で
は、溶接トーチの走行方向前方に光を投射して、溶接開
先の像を陰影で区画した輪郭で表すための光源を設けて
いる。

以上述べた各種の従来例において共通していることは、
撮像したい目的物は溶融地等の溶接部分であり、アーク
光はそれを邪魔する外乱光であるので、撮像したい映像
とアーク光との分離、除去を行おうとするものであると
言える。

しかしながら、アーク光の強度は強烈であり、しかもそ
の波長もほぼ全域にわたるものであるから、完全な除去
は困難で、装置も複雑且つ高価とならざるを得ない。

一方、狭開先溶接の場合には、アーク光自体を監視する
例もある。例えば、特開昭５５−４５５５４号公報では
、アーク光の輝度分布を求め、溶接心線の開先内での回
転中心を求めている。また、特開昭５８−１８７２６８
号公報では、トーチ先端に光検出器を設け、この検出器
出力を比較することより、トーチを移動制御している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが、以上の例は、狭開先溶接の場合に限＝３− られるものであり、本発明が適用しようとする重ね継手
溶接、隅肉継手溶接、突合せ継手溶接には適用できない
。

本発明者らは、以上の諸問題を解決し、特殊な装置を付
加せず、アーク自体を観察することにより、溶接開先位
置を検出する方法を開発した。

その方法は、被溶接部材の継手部分の上方からアーク光
の形状を撮像装置によって撮像し、この撮像されたアー
ク光形状を２値化し、そのアーク光形状の輪郭部の特異
点を解析することにより、溶接開先位置を検出するとい
うものである。

この方法により、溶接トーチの左右方向を制御して、実
際の溶接線を正確に捉えることが可能となった。

一方、溶接トーチからのワイヤーの繰り出しは、垂直面
に対して斜め方向から行うため、溶接トーチの高さが適
正位置でないと、ワイヤーの先端が溶接線と一致しなく
なり、正確な溶接を行うことができない。したがって、
溶接トーチの高さを制御することも、正確な溶接を行う
上で重要なファフタ−である。

そこで、本発明は、アーク光を直接観察して得た２値化
画像を用いて、溶接トーチの高さが適正かどうかを検出
して精度の高い溶接を行うことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明の溶接トーチ高さ検出
方法は、溶接開先位置を検出しながら該溶接開先位置に
沿うアーク溶接を行うに際し、被溶接部材の継手部分の
上方からアーク光の形状を撮像装置によって撮像し、こ
の撮像されたアーク光形状を２（ｉ化し、当該アーク光
形状及び位置により、溶接トーチの高さを検出すること
を特徴とする。

本発明者らは、先ず、重ね継手溶接の場合に、溶接継手
部分の上方にテレビカメラを設置して溶接状況を撮像す
るという単純な実験を繰り返し行ったところ、強烈なア
ーク光のため、テレビ画像では、そのアーク光の輪郭し
か識別できなかった。

ところが、溶接線には継手の段差があるため、ビ−ドに
よって埋められていないトーチ前方の溶接線では、アー
ク自体にも段差が生じ、それがアーク光撮像形状の輪郭
の一部に特徴ある形状を呈することを見出した。

さらに、本発明者らは、この現象が、隅肉継手溶接、突
合せ継手溶接の場合も生じることを確認した。

本発明は、以上の知見に基づくもので、従来は外乱光と
して除去すべきものと考えられていたアーク光自体に注
目し、継手部分において、そのアーク光を上方から見た
形状を撮像し、その形状及び位置を解析して溶接トーチ
高さを求めるものである。

〔作用〕

溶接を行っているときのアークをテレビカメラ等の撮像
装置で観察する構成を第３図に示す。第３図は、重ね継
手溶接の例であり、１はトーチ、２はワイヤ、３は撮像
装置、４及び５は被溶接部材、６はアーク光である。な
お、トーチ１は、アークを飛ばしながら進行方向（図面
の奥へ向かう方向）に移動しているものとする。

このとき、撮像装置３で撮像された映像を、アーク部が
「白」、その他が「黒（斜線部）」となるように２（Ｉ
ｉ化したものが第４図である。

すなわち、進行方向側（第４図の上半分）の被溶接部材
は、当然まだ溶接されていないから段差があるのに対し
、既に溶接が終わった部分（第４図の下半分）は、段差
がビードで埋まっている。

つまり、進行方向側にある段差によって突起部（Ａ点）
と凹部（Ｂ点）が生じているのである。

ただし、進行していない状態でも、瞬間的にはＡ点、Ｂ
点とも検出されるが、ビードによって埋まるため、すぐ
検出されなくなる。したがって、Ａ点又はＢ点の位置は
、溶接線に対し、ある特定の関係を有しているため、こ
れらの点を認識できれば、溶接線（溶接量先位Ｎ）を検
出できることになる。なお、第４図の大きな湾曲状部Ｃ
は、ワイヤー２の影により生じているものである。

ざて、トーチの高さが適当でないと、ワイヤー２の先端
から飛ぶアークの形状が変化する。

、−７− 第５図は重ね継手溶接の場合のトーチの高さとアーク光
の２値化パターンとの関係を示すものである。（ａｌ）
はトーチが適正な高さの場合、（ａ２）はそのときのア
ーク光パターンを示している。（ｂｌ）に示すようにト
ーチが適正位置よりも上にあると、被溶接部材５の上面
にアークが及んでくるため、（ｂ２）に示すように、ア
ークの特異点へより左側の幅Ｗ１が、（ａ２）の場合の
幅よりも伸びてくる。また、（ｃｌ）に示すようにトー
チの高さが適正位置よりも低くなると、（ｃ２）に示す
ようにアークの特異点Ａより右側の幅Ｗ２が、（ａ２）
の場合よりも伸びてくる。

このように、アークの形状及び幅が変化したことを解析
することによって、トーチの高さが適正か否かを検出す
ることができる。

第６図は隅肉継手溶接の場合を、第７図は突合わせ継手
溶接の場合をそれぞれ第５図と同様に示している。

〔実施例〕

以下、本発明の具体的実施例を説明する。第２図は本発
明を実施するための構成例である。第２図において、２
１はロボット、２２はロボット制御装置、２３は検出制
御装置、２４はＣＲＴ表示装置である。

トーチ１及び撮像装置３はロボット２１の手首部に取付
けられており、トーチ１の動きにつれてＩ静像装置の視
点も追従し、常に溶接部を相対的に同じ位置から撮像す
るようになっている。

これは、画像処理を容易にするためである。

撮像装置３は、ＣＣＤカメラ等から構成され、それで撮
像された画像は、検出制御袋Ｗ２３へ送られて、ロボッ
ト制御装置２２の開始指令により画像処理されるととも
に、ＣＲ７表示装置２４にも送られて表示される。

検出制御装置２３は、ロボット制御装置２２の溶接開始
指令により、溶接開先位置を求める処理を実行し、もし
トーチｌがそれにより求まった位置から外れているよう
であれば、ロボット制ｆＩｌ装置２２に対し修正指令を
発し、トーチ位置を修正させる。

ロボット制御装置２２が溶接終了指令を発すると、検出
制御装置２３は溶接開先位置を求める処理を終了する。

次に、第３図に示す隅肉継手溶接の場合を例にとり、具
体的に溶接開先位置を求める方法を説明する。第１図は
、その処理のフローチャートである。

予め、検出制御装置２３は、まず溶接線を検出する（第
１図１０１）。これは、撮像装置３で撮像した画像から
、検出される。第１図（ａｌは、その画像であり、溶接
線３１、ワイヤ３２、ワイヤーの影３３及びトーチ３４
が映っている。溶接線３１は、２つの被溶接部材が接触
する線のことである。

次に、溶接線の画面上（画面に設定された座標上）の位
置を記憶する（第１図１０２）。

また、溶接線を基準とするウィンドウ（画像処理すべき
画像の領域）を設定する（第１図１０３）。

このウィンドウは、第１図（ｂ）に示すように、溶接線
をＹ軸とし、特異な形状を呈する個所が含まれるように
設定する。

以上が、予め行われておくべき処理である。

さて、ロボット制御装置２２が溶接開始指令を発すると
、検出制御装置２３は画像データを取り込む（第１図１
０４）。

次に、撮像画像をビデオＲＡＭ上にラッチして、アーク
光部を白、その他を黒とする２値化を行う（第１図１０
５．第１図（Ｃ））。

次に、第１図（ｄｌに示すように、ウィンドウに対し、
左上から水平にスキャンニングを行い、２値化レベルの
変化を検出する（第１図１０６）。この最初の２値化レ
ヘルの最初の変化点Ａが、溶接開先位置又はそれを算定
する基準となる点である（第１図１０７）。

このＡ点は、溶接線に対して所定のオフセットを保ち、
溶接線の移動とともに移動するため、このＡ点を検出す
ることにより、溶接開先位置を検出することができる（
第１図１０８）。

そのため、画面上に予め記憶されている溶接線とアーク
の特異点であるＡ点より得られた溶接開先位置を比較し
く第１図１０９）、そのＡ点より得られた溶接開先位置
を画面上の記憶された溶接線に一致させるように、ロボ
ットを制御する（第１図１１０）ことにより、ワイヤ先
端を溶接開先位置に追従させることができる。

なお、オフセントは溶接条件、撮像装置とトーチとの角
度によって定まる定数であり、本発明者らの実験結果に
よると、０．６ｎ程度以内であった。

このＡ点又はこの点から所定のオフセントをとった点が
溶接開先位置となる。

更に、本発明の目的とするトーチ高さ検出は、２値化画
像を用いて次のように行う。

すなわち、第１図において、ステップ１０５において２
植化処理した後、ステップ１０２で得られた溶接線から
のアーク光の左右の幅を検出する（第１図１１１）。次
に左右の幅（第５図の旧、闇参照）の大小を比較する（
第１図１１２）。次に、幅の差が所定の範囲に入るよう
に、ロボットの高さを制御する　（第１図１１３）。

このようにして、２値化された画像のパターンを解析す
ることにより、溶接トーチの高さを検出し、ロボットを
適正な高さに制御して正確な溶接を行う。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明においては、溶接開先位
置を検出する対象として用いるアーク光の２値化パター
ンを利用してトーチの高さをも同時に検出するようにし
ている。

したがって、高さを検出するための他の特別な装置を用
いる必要がなく、構成を著しく簡素化できる。アーク光
はそれ自体が強烈な光源であるので、他の外乱光に影響
されに＜＜、特別なカットオフフィルタ、バンドパスフ
ィルタ等を要せず、光量を減じるための一般的な溶接用
フィルタ等を使用するのみでよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施するフローチャート、第２図は本
発明の実施装置の構成図、第３図は重ね継手溶接の例を
示す説明図、第４図は同溶接におけるアーク光を撮像し
て２値化した状態を示す説明図、第５図〜第７図はそれ
ぞれトーチの高さの変化によるアーク光形状の変化を示
すものであり、第５図は重ね継手溶接、第６図は隅肉継
手溶接。 第７図は突合わせ継手溶接の場合をそれぞれ示す。 １８トーチ　　　　　２：ワイヤー ３：撮像装置　　　　４，５：被溶接部材６：アーク光

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶接開先位置を検出しながら該溶接開先位置に沿う
   アーク溶接を行うに際し、被溶接部材の継手部分の上方
   からアーク光の形状を撮像装置によって撮像し、この撮
   像されたアーク光形状を２値化し、当該アーク光形状及
   び位置により、溶接トーチの高さを検出することを特徴
   とする溶接トーチ高さ検出方法。 ２、撮像装置を溶接トーチと一体構造とし、溶接トーチ
   の移動に撮像装置の視点を追従させて撮像することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項記載の溶接トーチ高さ検
   出方法。