JPS63212073A - 溶接位置検出装置 - 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〕 本発明は溶接位置検出装置に関し、特に被溶接材のアー
ク点に先行する開先面の光切断像を検出し、溶接すべき
位置を検出する全自動溶接ロボットの溶接線倣い装置に
好適な溶接位置検出装置に関するものである。

〔従来の技術〕

従来の装置は１例えば特開昭６０−２３３２５２号公報
に記載のように、溶接トーチと視覚センサを一体とした
構造とし、溶接トーチのノズル部分で溶接アーク光が隠
れる方向から光切断像を観測するようになっていた。ま
た、特開昭６０−１２８３０４号公報では、スポット光
を走査し形状を測定する際、走査に比較し十分速い速度
でスポット光を変調し。

変調信号成分のみを取り出すことにより溶接アーク光の
影響を軽減するようになっていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術のうち特開昭６０−２３３２５２号公報に
開示された技術では、溶接トーチのノズル部分で溶接ア
ーク光を隠しているため、直接強いアーク光が入射する
ことは無いが、被溶接材の表面で反射したアーク光、あ
るいは溶接中に飛散する溶融金属（いわゆるスパッタ）
の発する光については考慮されておらず、これらの光が
光切断像に重なり検出を困難にするという問題があった
。また、ノズル部分でアーク光を隠すためには、ノズル
に近接する部分から光切断像を観測する必要があり。

溶接トーチが被溶接部材に誤って衝突すると、これに近
接するセンサも破損するという問題があった。

また、特開昭６０−１２８３０４号公報に開示された技
術では、センサと溶接トーチを分離しているため。

トーチが衝突した際、センサが破損する可能性が無く、
また、ワークとの距離を測定する一次元センサの視野内
にアーク光の像が直接入射しないような光学系の配置お
よび、走査するスポット光を高速に変調し、センサ出力
の変調成分のみを取り出すという対策によりアーク光に
よる影響を除去していたが、センサには、変調したスポ
ット光の変調成分（交流骨）と被溶接部材表面で反射し
たアーク光の直流成分が重畳して入射しており、これに
よりセンサの出力が飽和する。あるいは飽和部近辺でセ
ンサの感度が低下するという問題があった。

本発明の目的は、溶接トーチとセンサを分離しセンサの
破損を防ぐとともに、溶接中に発生するアーク光および
スパッタが溶接線位置の検出に影響を与えないような溶
接位置検出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〕

上記目的は、光切断像を観測する撮像素子の前面に光の
透過と遮断を制御する機能を有するチョッパを設け、こ
のチョッパと同期してスリット光を照射する半導体レー
ザの発光を制御するように成すとともに、半導体レーザ
、撮像素子等の光学素子を内蔵する視覚センサを溶接ト
ーチと分離して設置することにより達成される。

〔作用〕

光切断像を観測する撮像素子の前面に設置したシャッタ
は、半導体レーザの発光と同期して光を透過し、半導体
レーザが発光していない状態では遮光する。そして、擬
像素子上には、半導体レーザが発光した際に形成される
光切断像と、シャッタが光を透過するシャツタ開の状態
での溶接アーク光を光源とする像が入射し、撮像素子を
形成する各画素からは撮像素子の全画素を走査する時間
のうちシャツタ開の時間内での露光量に比例した信号が
得られる。ここで、チョッパによる光の透過時間を遮光
時間に比べ短く１例えば、透過時間ｔμｓに対し、遮光
時間ｄＸｔμＳとすると、擬像素子上に入射する溶接ア
ーク光による光量は、光を連続透過した場合に比べ１／
ｄに減少する。

ここで、半導体レーザについては点灯時の出力が連続発
振の場合のｄ倍とすることにより擬像素子上における反
射像の光量を連続発振の場合と同等に保っている。この
ように１本発明になる視覚センサでは、溶接アーク光か
らの反射光めみが減光され光切断像は減光されないので
、撮像素子の出力が飽和する、あるいは飽和領域付近で
感度が低下するということがない、このため、溶接中に
おいても溶接線の位置を検出することができる。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。

第２図および第３図に本発明に係る溶接位置検出装置を
溶接ロボットに適用してなる一実施例の概略構成図を示
し、第１図にその要部構成図を示す。

第２図および第３図に示すように、溶接トーチ１は、ア
ーム２の先端に図示矢印３方向に揺動可能に、かつ図示
矢印４方向に回転可能に垂下されてなる支持軸５に、取
付具６を介して固定されている。また、溶接トーチ１の
内部を通って送給されるワイヤ７の先端位置は、前記支
持軸５の回転中心軸ａに一致するように配設されている
。前記支持軸５の下端部に第１図に示す詳細構成を有す
る検出光学系１０を直流モータ９とタイミングベルト８
により回転中心軸αの回りを回転するよう取り付けてい
る。なお、溶接トーチ軸にと支持軸５の回転通心軸Ｑは
一定の角度δ（例えば２５°）に設定されている。

検出光学系１０は、光照射装置２０と曲折点検出装置３
０とを含んで形成されている。光照射装置２０は、光源
としての半導体レーザ２１．凸レンズ２２．凹レンズ２
３．シリンドリカルレンズ２４、ミラー２５を含んで形
成されており、半導体レーザ２１から出射された光は、
凸レンズ２２と凹レンズ２３を介してシリンドリカルレ
ンズ２４に導かれ、スリット光（ＩｔＩｉＩ状照射光）
に形成される。このスリン１〜光は、ミラー２５によっ
て反射され、検出光学系１０の底板に取付けた窓２６か
ら検出すべき溶接線を含む母材４０の表面に照射される
ようになっている。また曲折点検出装置３０は、ミラー
３２．凸レンズ３３．干渉フィルタ３４．光学シャツチ
機構３５．撮像素子３６を含んで形成されている。光学
シャッタ機構３５は、偏光子検光子の間にポッケルス効
果を持つ結晶を挾持したポッケルスセルから成り、電圧
印加により遮光状態から透光状態に変わる。そして、こ
の検出光学系１ｏの底抜に取付けた窓３１を通って入射
される母材表面からの反射光を凸レンズ３３．干渉フィ
ルタ３４．光学シャッタ機構３５を介して撮像素子３６
に導き、ここにおいて母材表面の反射像を電気信号に変
換して２次元の反射像として検出するようになっている
。

第４図は、半導体レーザ２１の点灯および光学シャッタ
機構３５の開閉のタイミングを示し、また第５図は、こ
のタイミングを達成するための回路ブロック図を示した
ものである。半導体レーザ２１は、例えばパルス発振に
適した英国エム／ニー・コム（Ｍ／Ａ　Ｃｏｗ）　　牡
牛導体レーザ（型名：ＬＡ−６８）を、また光学シャッ
タ機端３５には米国レーザ・メトリクス（Ｌａｓｅｒ　
＋５ｅｔｒｉｃｓ）　　社１１Ｑスイッチ（型名：１０
５７）を用いる。第５図に示した同期回路６０は、繰り
返し周波数５Ｍ　Ｈｚ、デユーティ比１の方形波を出力
する発振回路６１．この方形波の周波数を１０００分の
１としデユーティ比を１　：　９９９とする分周回路６
２、この分周回路の出力が０→１に遷移するタイミング
に対し微小時間（例えば２０ｎｓｅｃ）　　遅延した信
号を出力する遅延回路６３．遅延回路の出力信号が０→
１に遷移したタイミングで０→１に切換わり、一定時間
（例えば５０ｎｓｅｃ）　　１の状態を保持するタイマ
ー回路６４により構成している。半導体レーザ駆動回路
７０およびシャッタ駆動回路８０は、同期回路６ｏから
送られてくるこれらの制御信号により、それぞれ半導体
レーザおよび光学シャッタ機構を駆動し、光学シャッタ
機構３５の開時間を１００ｎｓ、開閉の繰り返し周波数
を１０ＫＨｚとし、光スイツチ機構が開くタイミングに
同期して、半導体レーザ２１を５０ｎｓ、点灯時の出力
１０Ｗとして点灯する。このように制御することにより
、撮像素子３６に入射する溶接アーク光の光量は光ス、
イツチ機構３５を持たない場合の１／１０００に減少す
るが、光切断像については、５ｍＷの出力で連続発振す
る半導体レーザを照射した場合と同等の像を得ることが
でき、溶接アーク光の影響を受けることなく反射像が検
出できる。

なお、検出光学系１０で用いている撮像素子３６は、Ｍ
ＯＳ、ＣＣ［）等の蓄積形の撮像素子であり、走査周期
内で光学シャッタ機構が開となった総時間内の各画素の
総露光量に比例した電気信号を出力する。

第５図に示したように、撮像素子３６は、画像処理装置
内の同期信号発生回路から出力される信号に同期して入
力画像に対応した電気信号を出力する。この信号は、Ａ
／Ｄ変換器１０１で一定周期毎にＡ／Ｄ変換され、アド
レスカウンタから出力されるアドレス情報に対応した画
像メモリ１０２に順次記憶される０画像処理装置内のＣ
ＰＵ１０３は、画像メモリに記憶された情報から、後述
する方法により溶接すべき位置を求め、検出結果を通信
制御回路１０４を介してロボット制御装置に転送する。

同期信号発生回路１０５は、画像処理装置１００の動作
のためのタイミング信号を発生する。アドレスカウンタ
１０６は、同期信号発生回路からのタイミング信号をカ
ウントして、画像メモリ１０２の読出し、書込みのアド
レスを発生する。

一方、第１図に示したように、ミラー２５から出射され
るスリット光の光軸ｍと、ミラー３２に入射される反射
光の光軸ｎとの交点すなわち曲折点検出袋［３０の原点
０２は、ワイヤ先端の位置０１から一定距Ｈ（例えば１
５Ｉ１ｍｌ）ｌＩ！シて設定しており、撮像素子３６の
有効視野（例えば±１０１）内にワイヤ７の先端位置、
すなわち溶接中におけるアーク光が直接入らないように
している。

さらに、検出光学系１０を回転中心軸Ｑを軸として回転
させると、０１から０２までの距離を一定に保ち、さら
に母材４０の表面に対する溶接位置検出装置１０の相対
的な姿勢もほぼ一定に保った状態で検出方向を変更する
ことが可能となっており、これによって、溶接線の検出
位置は、回転中心軸ａを中心とした同心円状の任意の位
置に選定することが可能となる。

第６図は、第１図および第２図に示した溶接位置検出装
置が適用された全自動アーク溶接ロボットの一例の構成
図、また第７図は、溶接母材が重ね継手である場合に撮
像素子３６から得られる２次元の反射像の一例を示した
ものである。母材４０が重ね継手である場合、第７図に
示したＺ形の反射像が得られる。溶接中には、溶接アー
ク光を光源とした像がＺ形の反射像に重畳されるが、光
学シャッターの開、閉の比率が１；ｄであるため、その
光量は連続的に入射する場合の１／ｄに減光され、Ｚ形
の反射像の背景に対するＳＮ比は向上する。この時、撮
像素子３６の出力が、溶接アーク光を光源とする像によ
り飽和することも防げ、検出感度が低下することもない
、このＺ形の反射像中の線分Ｑ　Ｉ　Ｑ　ｘは、下側の
板の上面で生成される反射像、又、線分Ｑ　ｚ　Ｑ　８
及びＱ２１Ｑ４は上側板の端面及び上面で各々生成され
る反射像であり、線分Ｑ　ｔ　Ｑ　ｚとＱｚＱδの交点
Ｑ２が溶接線の位置を示す、第６図に示した画像処理装
置１００は、撮像素子３６から得られる反射像を処理し
、この交点Ｑｘを求める。そして、光照射袋［２０の配
置。

曲折点検出装置！３０の配置および撮像倍率を基に、撮
像素子３６上での交点位置Ｑｚのデータを変換して支持
軸５上で設定した座標系における溶接位置の三次元座標
データを求め、これをロボット制御袋［１５０に検出デ
ータとして転送する。

ロボット制御袋Ｍ１５０は、溶接中画像処理装［１００
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
、上述の手順を経て処理装置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、本発明によれば溶接アーク光を光
源とした像のみを感光することができるので、溶接中に
も光照射装置で形成した反射像の曲折点を検出し、溶接
トーチを溶接線に正確に倣わせ溶接することができると
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
および第３図は第１図図示実施例を適用してなる要部構
成図、第４図は、第１図図示実施例の動作タイミングを
示す図、第５図は回路ブロック図、第６図は、第１図図
示実施例を適用してなる溶接ロボットの全体構成図、第
７図は、溶接線の検出方法を示す図である。 １０・・・検出光学系、２０・・・光照射装置、３０・
・・曲冨１図 ”ｙＥｚ図 １０−一一禮：！ｃ尤字光 ■３図 ４０−　母叔 茅４図 冨　５　図 ２ρ 石６図 第７図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、半導体レーザ光源と、半導体レーザ光源より出たレ
   ーザをシート状の光束に変換し被溶接物表面上に照射し
   て該物体上に光切断像を形成する照射用光学系と、光切
   断像を撮像素子上に集光する観測用光学系と、該物体か
   ら反射した光が撮像素子に到達する光路上に設けた光学
   的チョッパと、該光学的チョッパと半導体レーザを、光
   学的チョッパが光を透過する状態（透光状態）になつた
   時点で半導体レーザが点灯するように成した同期制御回
   路と、撮像素子の出力信号を処理し、溶接線の位置を検
   出する画像処理回路からなり、撮像素子により光切断像
   を取り込む周期内に少なくとも一回半導体レーザをパル
   ス状に点灯し、且つこれと同期して動作する光学的チョ
   ッパの透光時間が遮光時間に比べ小さくなるようにした
   ことを特徴とする溶接位置検出装置。