JP2000210771A - 溶接位置自動倣い制御装置及び被溶接部材の開先部溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】簡単で小形な構成の二次元受光手段を備えた溶
接位置自動倣い制御装置において、高品質な溶接ビード
を得る。 【解決手段】溶接電極１と被溶接部材２，３との間に発
生するアーク発生部の近傍を撮像する二次元受光手段６
を備えた溶接位置自動倣い制御装置において、二次元受
光手段６で撮像した溶接電極画像の溶接プール画像２３
と重ならない部分の境界Ｐ１，Ｐ２を検出して位置ずれ
を算出し溶接電極１の位置ずれを修正する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接位置自動倣い
制御装置及び被溶接部材の開先部溶接方法に係わり、被
溶接部材の開先部を非消耗溶接電極を用いて溶接する溶
接位置自動倣い制御装置及び被溶接部材の開先部溶接方
法に好適なものに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種の溶接装置自動倣い制御装
置としては、特開平８−１５０４７５号公報のものが知
られている。即ち、開先面に下端部が対向して移動可能
に配置された溶接トーチのワイヤと、この溶接ワイヤを
駆動する装置と、この駆動装置を制御する制御装置と、
溶接トーチの溶接進行方向前方向に移動可能に配置さ
れ、かつ溶接部を撮像するＣＣＤカメラと、前記ＣＣＤ
カメラで撮像した画像を利用して溶接ワイヤ挿入位置，
ビード左端及びビード右端の位置を把握し、かつワイヤ
挿入位置がビード左端及びビード右端の位置の中央に来
るように溶接線を制御する装置とを備えたものが知られ
ている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、かかる従来の
溶接位置自動倣い制御装置によれば、溶接アーク熱で先
端位置が様々に変化する溶接ワイヤの挿入位置を把握し
ているため、溶接ワイヤの先端と溶接対象部との位置ず
れを高精度に抽出することが困難であり、高品質な溶接
ビードを得ることができなかった。また、溶接アーク部
の溶融池より前方の溶接ビードの左右端を把握して溶接
対象部としているが、溶接アーク熱によって被溶接部材
が様々に変形して把握した溶接ビードの左右端の位置と
溶接対象部の位置とが一致せずにずれてしまうため、溶
接ワイヤと溶接対象部との位置ずれ防止を高精度に行う
ことが困難であり、高品質な溶接ビードを得ることがで
きなかった。

【０００４】本発明の目的は、簡単で小形な構成で高品
質な溶接ビードが得られる溶接位置自動倣い制御装置及
び被溶接部材の開先部溶接方法を得ることにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の第１の特徴は、被溶接部材の開先に先端部が
対向して移動可能に配置される非消耗溶接電極と、前記
溶接電極を駆動する電極位置制御機構と、前記電極位置
制御装置による前記溶接電極の移動を制御する電極位置
制御装置と、前記溶接電極の溶接線方向前方に移動可能
に配置され、かつ前記溶接電極と被溶接部材との間に発
生するアーク発生部の近傍を撮像する二次元受光手段
と、前記二次元受光手段で撮像した画像から前記溶接電
極の位置ずれを算出して前記電極位置制御装置を制御す
る位置ずれ制御装置とを備えた溶接位置自動倣い制御装
置において、前記位置ずれ制御装置は、前記二次元受光
手段で撮像した溶接電極画像の溶接プール画像及びアー
ク画像と重ならない部分の少なくとも片側境界部分を検
出して位置ずれを算出する構成にしたことにある。

【０００６】本発明の第２の特徴は、被溶接部材の開先
に先端部が対向して移動可能に配置される非消耗溶接電
極と、前記溶接電極を駆動する電極位置制御機構と、前
記電極位置制御装置による前記溶接電極の移動を制御す
る電極位置制御装置と、前記溶接電極の溶接線方向前方
に移動可能に配置され、かつ前記溶接電極と被溶接部材
との間に発生するアーク発生部の近傍を撮像する二次元
受光手段と、前記二次元受光手段で撮像した画像から前
記溶接電極の位置ずれを算出して前記電極位置制御装置
を制御する位置ずれ制御装置とを備えた溶接位置自動倣
い制御装置において、前記位置ずれ制御装置は、前記二
次元受光手段で撮像した溶接プール画像の少なくとも片
側境界部分を検出して位置ずれを算出する構成にしたこ
とにある。

【０００７】本発明の第３の特徴は、被溶接部材の開先
に先端部が対向して移動可能に配置される非消耗溶接電
極と、前記溶接電極を駆動する電極位置制御機構と、前
記電極位置制御装置による前記溶接電極の移動を制御す
る電極位置制御装置と、前記溶接電極の溶接線方向前方
に移動可能に配置され、かつ前記溶接電極と被溶接部材
との間に発生するアーク発生部の近傍を撮像する二次元
受光手段と、前記二次元受光手段で撮像した画像から前
記溶接電極の位置ずれを算出して前記電極位置制御装置
を制御する位置ずれ制御装置とを備えた溶接位置自動倣
い制御装置において、前記位置ずれ制御装置は、前記二
次元受光手段で撮像した溶接電極画像または溶接プール
画像の少なくとも片側境界部分の複数箇所を検出して位
置ずれを算出する構成にしたことにある。

【０００８】本発明の第４の特徴は、被溶接部材の開先
に先端部が対向して移動可能に配置される非消耗溶接電
極と、前記溶接電極を駆動する電極位置制御機構と、前
記電極位置制御装置による前記溶接電極の移動を制御す
る電極位置制御装置と、前記溶接電極の溶接線方向前方
に移動可能に配置され、かつ前記溶接電極と被溶接部材
との間に発生するアーク発生部の近傍を撮像する二次元
受光手段と、前記二次元受光手段で撮像した画像から前
記溶接電極の位置ずれを算出して前記電極位置制御装置
を制御する位置ずれ制御装置とを備えた溶接位置自動倣
い制御装置において、前記位置ずれ制御装置は、前記二
次元受光手段で撮像した溶接電極画像の溶接プール画像
及びアーク画像と重ならない部分の少なくとも片側境界
部分を検出し、かつ前記二次元受光手段で撮像した溶接
プール画像の少なくとも片側境界部分を検出して位置ず
れを算出する構成にしたことにある。

【０００９】本発明の第５の特徴は、被溶接部材の開先
に先端部が対向して移動可能に配置される非消耗溶接電
極と、前記溶接電極を駆動する電極位置制御機構と、前
記電極位置制御装置による前記溶接電極の移動を制御す
る電極位置制御装置と、前記溶接電極の溶接線方向前方
に移動可能に配置され、かつ前記溶接電極と被溶接部材
との間に発生するアーク発生部の近傍を撮像する二次元
受光手段と、前記二次元受光手段で撮像した画像から前
記溶接電極の位置ずれを算出して前記電極位置制御装置
を制御する位置ずれ制御装置とを備えた溶接位置自動倣
い制御装置において、前記位置ずれ制御装置は、前記二
次元受光手段で撮像した溶接電極画像の溶接プール画像
及びアーク画像と重ならない部分の少なくとも片側境界
部分の複数箇所を検出し、かつ前記二次元受光手段で撮
像した溶接プール画像の少なくとも片側境界部分の複数
箇所を検出して位置ずれを算出する構成にしたことにあ
る。

【００１０】本発明の第６の特徴は、被溶接部材の開先
に先端部が対向して移動可能に配置される先端部が尖っ
た棒状の非消耗溶接電極と、Ｘ走行台車，Ｙ走行台車及
びＺ走行台車を有し、前記溶接電極をＸ軸，Ｙ軸及びＺ
軸方向に駆動可能な電極位置制御機構と、前記電極位置
制御装置による前記溶接電極の駆動を制御する電極位置
制御装置と、干渉フィルタ及び工業用テレビを有し、前
記溶接電極の溶接線方向前方に移動可能に配置され、か
つ前記溶接電極と被溶接部材との間に発生するアーク発
生部の近傍を撮像する二次元受光手段と、前記二次元受
光手段で撮像した画像中の暗い部分から明るい部分に変
化するエッジ部または明るい部分から暗い部分に変化す
るエッジ部で極大点または極小点を抽出する微分または
平滑化微分処理部を有して前記溶接電極の位置ずれを算
出する画像処理装置と、この画像処理装置で算出した位
置ずれ情報に基づいて前記溶接電極の位置ずれを修正す
るように前記電極位置制御装置を制御する全体制御装置
とを備えた溶接位置自動倣い制御装置において、前記画
像処理装置は、前記二次元受光手段で撮像した溶接電極
画像中の溶接プール画像及びアーク画像と重ならない棒
状本体部分の少なくとも片側境界部分または両側境界部
分の複数箇所を微分または平滑化微分処理部で検出して
極大点または極小点を抽出し、かつ前記二次元受光手段
で撮像した溶接プール画像の少なくとも片側境界部分及
び開先肩部画像の少なくとも片側境界部分の複数箇所を
微分または平滑化微分処理部で検出して極大点または極
小点を抽出して、両者の位置ずれを算出する構成にした
ことにある。

【００１１】本発明の第７の特徴は、被溶接部材の開先
に非消耗溶接電極の先端部を対向して配置し、前記溶接
電極と前記被溶接部材の開先部との間にアークを発生し
て溶接プールを生成しながら溶接線方向に駆動すると共
に、前記溶接電極の溶接線方向前方から前記溶接電極と
被溶接部材との間に発生するアーク発生部の近傍を二次
元受光手段で撮像し、前記二次元受光手段で撮像した画
像から前記溶接電極の位置ずれを算出して前記溶接電極
の位置ずれを修正するように制御して溶接する被溶接部
材の開先部溶接方法において、前記二次元受光手段で撮
像した溶接電極画像の溶接プール画像及びアーク画像と
重ならない部分の少なくとも片側境界部分を検出して位
置ずれを算出し、これに基づいて溶接電極の位置ずれを
修正するする構成にしたことにある。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施例につい
て、図１ないし図１０を用いて説明する。

【００１３】図１は、本発明の溶接位置自動倣い制御装
置の概略構成図である。図１において、１はタングステ
ン電極等の非消耗溶接電極(以下、溶接電極と略す)で、
先端部が尖った棒状をなしている。２，３は被溶接部
材、４は溶接開先（以下、溶接ビードも含む開先につい
て開先と称す）、５は電極先端部のアーク発生部、６は
受光手段である。受光手段６は、干渉フィルタ−７、及
び工業用テレビ(ＩＴＶ)等の二次元受光カメラ８を備え
ている。受光手段６は、溶接進行方向の前方に配置し、
開先４の斜め前方から溶融プール及び電極１を観測（撮
像）する。９は二次元受光カメラ８の制御回路であり外
部にアナログ映像（画像）信号を出力する。

【００１４】１５は電極位置制御機構である。電極位置
制御機構１５は、Ｘ走行軸１６及び該Ｘ走行軸上を走行
するＸ走行台車１７と、該Ｘ走行台車１７上に一体に配
設したＺ走行軸２０及び該Ｚ走行軸上を走行するＺ走行
台車２１と、該Ｚ走行台車２１に一体に配設したＹ走行
軸１８及び該Ｙ走行軸上を走行するＹ走行台車１９とを
有している。

【００１５】溶接電極１と受光手段６は、Ｙ走行台車１
９と一体的に配置され、かつ電極位置制御機構１５を駆
動することにより開先４の上方において溶接線方向(Ｘ
方向），溶接線直交方向（Ｙ方向）、及び上下方向（Ｚ
方向）に自在に可動する。

【００１６】１０は画像処理装置である。画像処理装置
１０は、受光手段制御回路９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ータを
入力する画像入力部と、多値画像データを記憶する多値
画像記憶部と、多値画像記憶部に記憶された多値画像デ
ータから画像中の暗い部分から明るい部分に変化するエ
ッジ部又は画像中の明るい部分から暗い部分に変化する
エッジ部で極大点又は極小点を抽出する微分又は平滑化
微分処理部と、極大点及び極小点データから境界位置を
検出し境界位置検出から所定の電極中心位置，溶融プー
ル中心位置及び溶融プール中心位置に対する電極中心位
置ずれを検出する演算部処理部と、これらを統括的に制
御する主制御部等を有している。１１は、ＴＶモニター
であり、受光手段制御装置９からの出力映像信号の表示
や画像処理装置からの処理結果を出力表示する。

【００１７】１３は電極位置制御機構１５を駆動制御す
る電極位置制御装置、１４は溶接電源である。１２は、
全体制御装置で、画像処理装置１０，電極位置制御装置
１３、及び溶接電源１４を統括的に制御し、パーソナル
コンピュータ等で構成されている。全体制御装置１２
は、多層盛溶接を行うための被溶接部材に対する各溶接
パスでの電極の倣い目標位置を予め記憶しておく機能
と、その電極位置と画像処理装置１２から得られる電極
位置ずれ情報から溶接電極１の移動量を電極位置制御装
置１３へ出力する溶接線倣い制御機能とを有する。さら
に、この全体制御装置１２は開先深さ，開先角度，段違
い等の開先基準形状の記憶，溶接パス数や各パス毎の基
準溶接電流，電圧，溶接速度，ワイヤ送給速度等の溶接
計画データ等が記憶ができると共に、溶接開始前あるい
は各溶接パスでの溶接開始前にこれらのデータの修正が
出来るようになっている。なお、画像処理装置１０と全
体制御装置１２とで、二次元受光手段で撮像した画像か
ら溶接電極の位置ずれを算出して電極位置制御装置を制
御する位置ずれ制御装置を構成する。

【００１８】図２は、図１の二次元受光手段で撮像した
溶融プール及び電極画像部分の模式図を示したものであ
る。通常の画像とは逆に白黒を反転、すなわち明るい
（輝度が高い）部分を黒く，暗い（輝度が低い）部分を
白く表現している。図１において、１は溶接電極の画
像、２３は溶融プールの画像、２４はアーク画像、２９
及び３０は開先壁部である。また、２ａと３ａは開先壁
部２９，３０における開先底部と開先斜面部の境界線、
２ｂと３ｂは開先壁部２９，３０における開先斜面部と
開先表面の境界線である。通常、アーク画像２４が最も
明るく、溶融プール画像２３、電極画像１の順に明るい
画像として撮像される。また、開先壁部２９及び３０も
溶接中のアーク光２４に照らされて明るく撮像される。
開先底部のギャップ（底幅）が狭い場合、溶融プール２
３は開先底部の幅に規制され溶接線方向に伸びる形とな
る。換言すれば、溶融プール２３の溶接線に直交する方
向の幅は、開先底部のギャップ（底幅）となる。また、
電極１の先端部１ａは、強いアーク光の影響により鮮明
な画像として撮像されない。

【００１９】図３は、図２の画像を基に本発明での自動
溶接倣いを行うための位置ずれ検出情報を模式的に示し
たものである。図３において、アーク画像，溶融プール
画像及び電極画像については、輪郭線のみを示してい
る。本発明での電極位置ずれの検出では、まず電極画像
１の中心Ｍ１を検出し、次に溶融プール画像２３の中心
Ｍ２を検出し、溶融プール画像２３の中心Ｍ２と電極画
像１の中心Ｍ１との位置のずれを検出する。このうち、
電極中心位置Ｍ１においては、例えばアーク光２４の影
響の大きい電極先端部を避けた棒状本体部分に位置する
図３のＡ−Ａ′ラインにおいて、電極画像１の両側の境
界位置Ｐ１（Ｘ１，Ｙ１)とＰ２(Ｘ２，Ｙ２）を画像処
理により検出する。

【００２０】図４は、図３のＡ−Ａ′ライン上での各画
素の輝度を示すものである。Ｙ１からＹ２の範囲にある
電極画像１部分の輝度が高く、背景部分（Ｙ＜Ｙ１，Ｙ
２＜Ｙの領域）の輝度が低い。

【００２１】図５は、図４で示されるＡ−Ａ′ラインで
の輝度のデータを微分処理して得られるデータ例を示す
ものである。原画像は、輝度の二次元配列であり、これ
をｆ(Ｘｉ，Ｙｉ)と表わすものとする。ｆ(Ｘｉ，Ｙｉ)
は画像ｆの(Ｘｉ，Ｙｉ)なる画素を表わすと共に、その
点の輝度を表現する。微分処理後の画像をｇ(Ｘｉ,Ｙ
ｉ）と表わすと、次式となる。

【００２２】ｇ(Ｘｉ，Ｙｉ）＝ｆ(Ｘｉ，Ｙｉ−１）−
ｆ(Ｘｉ，Ｙｉ） 微分処理後の画像では、輝度が低い点から高い点に変化
する電極の左側の境界部分（Ｙ１）では極小値、輝度が
高い点から低い点に変化する電極の右側の境界部分（Ｙ
２）では極大値となる。この極小値，極大値を検出する
ことにより、電極画像１の左右境界部分を見つけること
が可能となる。

【００２３】電極中心位置Ｍ１(Ｘｍ１，Ｙｍ１)は、Ｐ
１とＰ２の中心とし、次式から算出する。

【００２４】Ｘｍ１＝（Ｘ１＋Ｘ２）／２ Ｙｍ１＝（Ｙ１＋Ｙ２）／２ 溶接中の画像は、アーク光や電気的なノイズ等の影響に
より、得られる画像の明るさが局部的に変化する場合が
ある。このような場合には、例えば次式に示した平滑化
処理と微分処理を兼ね備えた方法（以下、この方法を平
滑化微分処理と略す）でエッジを抽出するようにしても
良い。

【００２５】ｇ(Ｘｉ，Ｙｉ)＝ｆ(Ｘｉ，Ｙｉ−１)＋ｆ
(Ｘｉ，Ｙｉ）−ｆ(Ｘｉ，Ｙｉ＋１)−ｆ(Ｘｉ，Ｙｉ＋
２） 以上、電極１の境界位置を検出する方法を示したが、溶
融プール２３の境界位置あるいは開先斜面部２９，３０
と開先表面の境界部位置を検出する場合も同様である。

【００２６】図６は、溶融プール部画像の任意の水平ラ
インで微分処理して得られるデータ例を示すものであ
る。微分処理後の画像では、輝度が低い点から高い点に
変化する左側の開先表面と開先斜面部の境界部位置（Ｙ
５）と溶融プールの左側境界位置（Ｙ３）では極小値と
なり、輝度が高い点から低い点に変化する右側溶融プー
ルの境界位置（Ｙ４）と右側の開先斜面部と開先表面の
境界部位置（Ｙ６）では極大値となる（以下、開先斜面
部と開先表面の境界部を開先肩と称す）。この極小値，
極大値を別々に検出してやることにより、溶融プールの
境界位置及び開先肩の両側位置を見つけることが可能と
なる。

【００２７】また、境界部を検出する方法として、微分
処理及び平滑化微分処理による方法を示したが、この他
に二値化しきい値処理による電極画像と背景画像、ある
いは溶融プールと背景画像を分離して境界を求める方法
や二次微分処理により境界を求める方法を用いても良
い。

【００２８】図７は、図３に示した位置ずれ情報を検出
するための本発明の具体的実施例を示すものである。図
７では、開先壁境界部の検出は省略されている。図７に
おいて、Ｗ１は、電極中心位置を求めるための検出領域
（以下、ウインドーと称す）である。この電極ウインド
ーＷ１の中で複数の水平ライン上で上述した方法で左右
境界位置を検出する。得られた左右境界位置検出群に対
して、例えば左側境界位置検出群及び右側境界位置検出
群の各々のＹ軸方向データの平均値を求める。電極中心
位置Ｍ１(Ｘｍ１，Ｙｍ１)は、こうして求められた左右
両側の境界の平均値から計算によりその中点を求めれば
良い。ここで電極中心のＸ方向位置は、電極の倣い情報
としては用いないので特に重要でない検出値である。Ｗ
２，Ｗ３は、上述同様の溶融プール２３の溶接線に直交
方向の左側境界及び右側境界を検出するためのウインド
ーである。溶融プールウインドーＷ２，Ｗ３は、画面上
で固定した領域として予め決めておいても良いし、後述
するように電極中心位置検出結果を基に自在に変化させ
て設定しても良い。この場合も、溶融ウインドーＷ２、
あるいはＷ３の中で複数の水平ライン上で左右の溶融プ
ール境界位置を検出する。前述したように、電極境界検
出の場合は、複数ラインでの境界検出群の平均値から左
右各々の境界を確定している。これに対して溶融プール
の場合は、溶融ウインドーＷ２、あるいはＷ３での複数
の境界位置検出群から画面水平方向で最も外側に位置し
た境界検出点を各々の境界位置として検出する。溶融プ
ール中心位置Ｍ２(Ｘｍ２，Ｙｍ２)は、こうして求めら
れた左右両側の境界の確定値から計算によりその中点を
求めれば良い。境界を検出するための各ラインは、画面
上下方向で１ラインおき、あるいは２ラインおき等々、
必ずしも隣接したラインごとに設定しなくても良い。

【００２９】さらに、溶接電極の位置ずれΔＹは、（Ｙ
ｍ２−Ｙｍ１）として計算により求められる。溶融プー
ル中心位置Ｍ２(Ｘｍ２，Ｙｍ２)は、狭い開先の場合、
実験結果からほぼ開先底部の中心を示していることか
ら、溶接電極の位置ずれΔＹは開先中心からの電極のず
れを表わしていることになる。

【００３０】図８は、図７に示した画像から溶融プール
中心に対する電極位置ずれ等を検出するための本発明に
おけるフローチャートを示したものである。以下、図８
のフローチャートを用い検出方法の概略を説明する。

【００３１】ステップＳ１で溶融プール画像を入力した
後、まず、ステップＳ２でウインドーＷ１で複数の水平
ラインで平滑化微分処理を行う。

【００３２】ステップＳ３では、平滑化微分処理データ
から、電極左側境界部での複数の極小点と電極右側境界
部での複数の極大点を検出し、これらを左右境界点の候
補点とし記憶する。

【００３３】ステップＳ４では、左右境界点の候補点を
用い、極小点側候補点の平均値と極大点側候補点の平均
値を各々求め、この点を電極１の左右境界点とする。

【００３４】ステップＳ５では、ステップＳ４で得られ
た電極１の左右境界点の中心位置を計算し、この値を電
極１の中心位置として記憶する。

【００３５】次に、ステップＳ６では、電極中心位置検
出結果を基にウインドーＷ２とＷ３を設定する。

【００３６】ステップＳ７では、ウインドーＷ２で複数
の水平ラインで平滑化微分処理を行う。

【００３７】ステップＳ８では、ステップＳ７での平滑
化微分処理データから、溶融プール左側境界部での複数
の極小点を検出し、これらを左側境界点の候補点とし記
憶する。

【００３８】ステップＳ９では、左側境界点の候補点を
用い、最も外側（図７で画面上最も左側）極小点を求
め、この点を溶融プール２３の左側境界点とする。

【００３９】ステップＳ１０では、ウインドーＷ３で複
数の水平ラインで平滑化微分処理を行う。

【００４０】ステップＳ１１では、ステップＳ１０での
平滑化微分処理データから、溶融プール右側境界部での
複数の極大点を検出し、これらを右側境界点の候補点と
し記憶する。

【００４１】ステップＳ１２では、右側境界点の候補点
を用い、最も外側（図７で画面上最も右側）極大点を求
め、この点を溶融プール２３の右側境界点とする。

【００４２】ステップＳ１３では、ステップＳ９で求め
た溶融プール２３の左側境界点とステップＳ１２で求め
た溶融プール２３の右側境界点の中心位置を検出し、こ
の点を溶融プールの中心位置とする。

【００４３】ステップＳ１４では、ステップＳ１３で求
めた溶融プール２３の中心位置に対するステップＳ５で
求めた電極１の中心位置との差を計算し、これを電極位
置ずれとする。ここまでに求まる電極位置ずれは、二次
元受光手段、すなわちカメラ画面上における検出結果で
ある。この画面上で得られる位置ずれをカメラの撮像倍
率等の諸定数から実際の位置ずれ量に変換する必要があ
る。処理ステップＳ14では、この変換までを行うもので
ある。

【００４４】以上の本発明での電極１の中心位置は、電
極幅方向の両側境界位置検出データを用い計算により求
める方法で説明した。電極１の幅の大きさが予めわかっ
ているときは、画面に撮像される電極１の大きさを事前
に知ることが出来る。この場合は、電極１の片側の境界
位置を検出し、この情報を用いて電極中心位置を計算す
るようにしても良い。

【００４５】また、図７ないし図８では、溶融プール境
界中心位置に対する電極中心位置ずれの検出方法並びに
電極倣い方法について説明した。この他に、開先壁境界
部中心に対する電極中心位置ずれの検出並びに電極倣い
を行うようにしても良い。

【００４６】図９は、本発明による溶接電極の溶接線に
直交方向（Ｙ方向）の倣い制御を目的としたＹ走行台車
移動制御方法の一実施例を示すブロック線図である。本
ブロック線図による動作では、予め決められた台車移動
指令値に対して、実際の電極位置ずれ量を検出し、台車
移動指令値と実際の電極位置ずれ量に基づいてＹ走行台
車の倣い制御をする。

【００４７】図９において、２５は例えば多層盛溶接を
行うための各溶接パスにおけるＹ走行台車１９の移動指
令値である。この移動指令値１９は、オペレータ２６の
入力操作により溶接開始前あるいは各溶接パスごとに決
められる電極１の狙い位置である。２７は比較器であ
り、１０は前述した電極位置ずれを検出する画像処理装
置である。図示したように、移動指令値２５は、比較器
２７に入力される。一方、画像処理装置１０により検出
された電極位置ずれ検出値ΔＹは比較器２７に入力され
る。比較器２７では、移動指令値２５と検出された電極
位置ずれ検出値ΔＹとの差（移動差）を演算し、その結
果をＹ走行台車１９の移動制御部２８に出力する。Ｙ走
行台車１９の移動制御部２８では、移動差に応じた分だ
けＹ走行台車１９の移動修正を行う。ここで、Ｙ走行台
車１９の移動制御部２８では、移動差分より十分小さい
一定移動量で移動制御するようにしてもよい。この一定
移動量を外部から自在に変更可能としておく。以上の方
法により、台車を急激に移動変化させないので安定した
溶接制御を行うことが出来る。また、外部から電極の狙
い位置や移動量を自由に設定できることからきめ細かい
溶接条件の設定・制御を行うことが出来る。

【００４８】つぎに、本発明が適用される溶接位置自動
倣い制御方法について示す。

【００４９】図１において、Ｂ１からＢ４は、既に溶接
済みビードである。Ｂ４は、直前の溶接ビードである。
図１はビードＢ４の上にビードを重ねて溶接する場合の
例である。本自動倣いを行う溶接装置は、電極１の進行
方向前方に前記二次元受光手段６を配置し、電極１の位
置ずれを検出し、つぎにこの検出情報を基に電極位置の
倣い溶接制御を行う。

【００５０】図１０は、本発明における電極倣い制御動
作のフローチャートを示すものである。この動作におい
て、全体制御装置１２は動作全体を管理する主局とな
り、溶接電源１４，電極位置制御装置１３及び画像処理
装置１０は従局の関係にある。すなわち、従局の溶接電
源１４，電極位置制御装置１３及び画像処理装置１０
は、主局である全体制御装置１２の指令によって所定の
動作を実行する。

【００５１】動作開始後、ステップＦ１では、まず全体
制御装置が電極の現在位置を電極位置制御装置に対して
問い合わせ、その位置情報の報告（ステップＦ１９）を
受ける。

【００５２】ステップＦ２では、全体制御装置が電極を
引き上げる移動指令を電極位置制御装置に対して発行
し、電極を引き上げる（ステップＦ２０）。

【００５３】ステップＦ３では、全体制御装置が溶接を
開始する基準位置までの移動指令を電極位置制御装置に
対して発行し、基準位置まで電極を移動させる（ステッ
プＦ２１）。

【００５４】ステップＦ４では、全体制御装置が電極位
置をアークスタートできる所定の高さまで移動する指令
を電極位置制御装置に対して発行し、所定位置まで電極
を下降させる（ステップＦ２２）。

【００５５】ステップＦ５では、全体制御装置が溶接電
源にアークスタート（ＯＮ）指令を発行し、アークＯＮ
を開始する（ステップＦ２６）。

【００５６】ステップＦ６では、全体制御装置がＸ方向
の走行を開始する指令を電極位置制御装置に対して発行
し、Ｘ方向の走行をスタートする（ステップＦ２３）。
Ｘ方向走行動作は、後述するＸ軸走行停止指令がでるま
で走行動作が継続される。

【００５７】ステップＦ７では、全体制御装置が画像処
理装置に対して検出指令を発行し、画像処理装置は前述
した手順で電極位置ずれの検出を実行する(ステップＦ
２８)。

【００５８】ステップＦ８では、全体制御装置が電極位
置の現在位置を電極位置制御装置に対して問い合わせ、
その位置情報の報告（ステップＦ２４）を受ける。

【００５９】ステップＦ９では、全体制御装置が画像処
理装置に対して電極位置ずれ検出結果の報告指令を発行
し、画像処理装置はその結果の報告（ステップＦ２９）
を受ける。

【００６０】ステップＦ１０では、ステップＦ８の電極
現在位置情報及びステップＦ９の電極位置ずれ検出結果
情報を内部に記憶する。

【００６１】ステップＦ１１では、電極位置ずれ検出情
報を基に電極先端倣い位置を計算する。

【００６２】ステップＦ１２では、ステップＦ１１で演
算した情報を電極位置制御装置に対して転送してＹ走行
台車位置の修正制御を行う（ステップＦ２５）。

【００６３】ステップＦ１３では、電極現在位置情報を
基に溶接作業の終了位置か否かを判断し、電極位置がま
だ終了位置（予め全体制御装置内で決めて記憶しておく
ものとする）でないときには処理ステップＦ７に戻り上
述の動作を繰り返す。一方、電極位置が終了位置を超え
たと判断されたときには、処理ステップＦ１４に進む。

【００６４】ステップＦ１４では、全体制御装置が溶接
電源にアーク終了（ＯＦＦ）指令を発行し、アークＯＮ
を停止する（ステップＦ２７）。

【００６５】ステップＦ１５では、全体制御装置がＸ方
向の走行を停止する指令を電極位置制御装置に対して発
行し、Ｘ方向の走行をストップする。

【００６６】ステップＦ１６では、予め計画しておいた
全溶接パス数の溶接を終了したか否かを判定する。終了
の場合は一連の動作を終わるが、終了していない時には
ステップＦ２に処理を進める。

【００６７】なお、ステップＦ１６での溶接終了位置
は、予め全体制御装置内で決めて記憶しておくものとし
ているが、リミットスイッチ等で位置検出して決定して
も良い。

【００６８】また、本発明では、図１０には示していな
いが、つぎの溶接パスを溶接する際、直前あるいは前の
溶接パスでの溶接条件すなわち上述した電極倣い補正制
御データを用いて実施する方法でも良い。各溶接パスの
溶接において、このように前の溶接条件制御データを用
いて行うか、あるいは上述した各処理ステップの内容で
行うかは、予め全体制御装置内にデータベースとして組
み込んで置くものとする。

【００６９】図６に示したように、本発明では、溶融プ
ールの両側境界位置とその中心のみでなく、開先両側肩
部の位置とその中心を見つけることが可能である。した
がって、開先両側肩部の中心位置に対する電極中心位置
ずれを検出し、この位置ずれ情報を基に電極の位置倣い
制御を行っても良い。さらに、上述のステップＦ１１に
おいて、検出した溶融プールの中心検出位置と開先両側
肩中心検出位置と比較し、その差が所定値以内の場合に
倣いデータを採用するようにしても良い。

【００７０】なお、本発明の電極位置制御機構１５は、
Ｘ走行台車１７上に一体的に配置したＺ走行軸２０と該
Ｚ走行軸上を走行するＺ走行台車２１と、Ｚ走行台車２
１上に一体的に配置したＹ走行軸１８と該Ｙ走行軸上を
走行するＹ走行台車１９とで構成しているが、Ｘ軸とＹ
軸の取り付け構造を逆にした構成としても良い。

【００７１】また、本発明の電極位置制御機構１５は、
例えば溶接線方向（Ｘ）の走行軸を持たず平面上を自立
して走行する自走式溶接ロボット，多関節溶接ロボッ
ト、または配管の外周に設けた走行軸上を走行するロボ
ット等でも適用できるものであり、特に限定しない。

【００７２】

【発明の効果】本発明の溶接位置自動倣い制御装置及び
被溶接部材の開先部溶接方法によれば、二次元受光手段
で撮像した溶接電極画像の溶接プール画像と重ならない
部分の少なくとも片側境界部分を検出して位置ずれを算
出するように位置ずれ制御装置を構成したので、溶接プ
ール画像及びアーク画像に影響されないで溶接電極の位
置を高精度に検出でき、変動し易い溶接アーク光による
溶接電極画像であっても溶接電極の位置の検出を信頼性
の高いものとすることができる。また、二次元受光手段
で撮像した溶接プール画像の少なくとも片側境界部分を
検出して位置ずれを算出するように位置ずれ制御装置を
構成したので、被溶接部材の開先部の組立誤差や溶接ア
ーク熱による被溶接部材の熱変形で生じる溶接対象部分
の位置変化の影響が少ない状態で溶接対象部分の位置を
高精度に検出することができる。さらに、二次元受光手
段で撮像した溶接電極画像または溶接プール画像の少な
くとも片側境界部分の複数箇所を検出して位置ずれを算
出するように位置ずれ制御装置を構成したので、変動し
やすい溶接アーク光による溶接電極画像または溶接プー
ル画像であっても溶接電極または溶接プールの位置を高
精度に検出することができる。これにより、簡単で小型
な構成である二次元受光手段を用いて、簡単な検出及び
算出方法で、電極位置ずれを高精度で倣うため、高品質
の溶接ビードを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶接位置自動倣い装置の一実施例を示
す概略構成図である。

【図２】本発明の二次元受光手段で撮像した溶融プール
及び電極画像の模式図である。

【図３】本発明の自動溶接倣いを行うための位置ずれ検
出情報の基本的模式図である。

【図４】本発明の電極画像の輝度分布を示す図である。

【図５】本発明の電極画像を微分処理して得られるデー
タを示す図である。

【図６】本発明の溶融プール画像を微分処理して得られ
るデータを示す図である。

【図７】本発明の電極位置ずれ検出情報の具体的模式図
である。

【図８】本発明の撮像画像から電極位置ずれを検出する
ためのフローチャートを示す図である。

【図９】本発明による走行台車移動制御方法の一実施例
を示すブロック線図である。

【図１０】本発明の電極位置自動倣い制御動作のフロー
チャートを示す図である。

【符号の説明】

１…電極、２，３…被溶接部材、４…開先、５…アーク
発生部、６…受光手段、７…干渉フィルター、８…二次
元受光手段、９…受光手段制御回路、１０…画像処理装
置、１１…ＴＶモニター、１２…全体制御装置、１３…
電極位置制御装置、１４…溶接電源、１５…溶接位置制
御機構、１６…Ｘ走行軸、１７…Ｘ走行台車、１８…Ｙ
走行軸、１９…Ｙ走行台車、２０…Ｚ走行軸、２１…Ｚ
走行台車、２５…Ｙ走行台車移動指令値、２７…比較
器、２８…Ｙ走行台車移動制御指令値。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被溶接部材の開先に先端部が対向して移動
   可能に配置される非消耗溶接電極と、前記溶接電極を駆
   動する電極位置制御機構と、前記電極位置制御装置によ
   る前記溶接電極の移動を制御する電極位置制御装置と、
   前記溶接電極の溶接線方向前方に移動可能に配置され、
   かつ前記溶接電極と被溶接部材との間に発生するアーク
   発生部の近傍を撮像する二次元受光手段と、前記二次元
   受光手段で撮像した画像から前記溶接電極の位置ずれを
   算出して前記電極位置制御装置を制御する位置ずれ制御
   装置とを備えた溶接位置自動倣い制御装置において、前
   記位置ずれ制御装置は、前記二次元受光手段で撮像した
   溶接電極画像の溶接プール画像及びアーク画像と重なら
   ない部分の少なくとも片側境界部分を検出して位置ずれ
   を算出することを特徴とする溶接位置自動倣い制御装
   置。
2. 【請求項２】被溶接部材の開先に先端部が対向して移動
   可能に配置される非消耗溶接電極と、前記溶接電極を駆
   動する電極位置制御機構と、前記電極位置制御装置によ
   る前記溶接電極の移動を制御する電極位置制御装置と、
   前記溶接電極の溶接線方向前方に移動可能に配置され、
   かつ前記溶接電極と被溶接部材との間に発生するアーク
   発生部の近傍を撮像する二次元受光手段と、前記二次元
   受光手段で撮像した画像から前記溶接電極の位置ずれを
   算出して前記電極位置制御装置を制御する位置ずれ制御
   装置とを備えた溶接位置自動倣い制御装置において、前
   記位置ずれ制御装置は、前記二次元受光手段で撮像した
   溶接プール画像の少なくとも片側境界部分を検出して位
   置ずれを算出することを特徴とする溶接位置自動倣い制
   御装置。
3. 【請求項３】被溶接部材の開先に先端部が対向して移動
   可能に配置される非消耗溶接電極と、前記溶接電極を駆
   動する電極位置制御機構と、前記電極位置制御装置によ
   る前記溶接電極の移動を制御する電極位置制御装置と、
   前記溶接電極の溶接線方向前方に移動可能に配置され、
   かつ前記溶接電極と被溶接部材との間に発生するアーク
   発生部の近傍を撮像する二次元受光手段と、前記二次元
   受光手段で撮像した画像から前記溶接電極の位置ずれを
   算出して前記電極位置制御装置を制御する位置ずれ制御
   装置とを備えた溶接位置自動倣い制御装置において、前
   記位置ずれ制御装置は、前記二次元受光手段で撮像した
   溶接電極画像または溶接プール画像の少なくとも片側境
   界部分の複数箇所を検出して位置ずれを算出することを
   特徴とする溶接位置自動倣い制御装置。
4. 【請求項４】被溶接部材の開先に先端部が対向して移動
   可能に配置される非消耗溶接電極と、前記溶接電極を駆
   動する電極位置制御機構と、前記電極位置制御装置によ
   る前記溶接電極の移動を制御する電極位置制御装置と、
   前記溶接電極の溶接線方向前方に移動可能に配置され、
   かつ前記溶接電極と被溶接部材との間に発生するアーク
   発生部の近傍を撮像する二次元受光手段と、前記二次元
   受光手段で撮像した画像から前記溶接電極の位置ずれを
   算出して前記電極位置制御装置を制御する位置ずれ制御
   装置とを備えた溶接位置自動倣い制御装置において、前
   記位置ずれ制御装置は、前記二次元受光手段で撮像した
   溶接電極画像の溶接プール画像及びアーク画像と重なら
   ない部分の少なくとも片側境界部分を検出し、かつ前記
   二次元受光手段で撮像した溶接プール画像の少なくとも
   片側境界部分を検出して位置ずれを算出することを特徴
   とする溶接位置自動倣い制御装置。
5. 【請求項５】被溶接部材の開先に先端部が対向して移動
   可能に配置される非消耗溶接電極と、前記溶接電極を駆
   動する電極位置制御機構と、前記電極位置制御装置によ
   る前記溶接電極の移動を制御する電極位置制御装置と、
   前記溶接電極の溶接線方向前方に移動可能に配置され、
   かつ前記溶接電極と被溶接部材との間に発生するアーク
   発生部の近傍を撮像する二次元受光手段と、前記二次元
   受光手段で撮像した画像から前記溶接電極の位置ずれを
   算出して前記電極位置制御装置を制御する位置ずれ制御
   装置とを備えた溶接位置自動倣い制御装置において、前
   記位置ずれ制御装置は、前記二次元受光手段で撮像した
   溶接電極画像の溶接プール画像及びアーク画像と重なら
   ない部分の少なくとも片側境界部分の複数箇所を検出
   し、かつ前記二次元受光手段で撮像した溶接プール画像
   の少なくとも片側境界部分の複数箇所を検出して位置ず
   れを算出することを特徴とする溶接位置自動倣い制御装
   置。
6. 【請求項６】被溶接部材の開先に先端部が対向して移動
   可能に配置される先端部が尖った棒状の非消耗溶接電極
   と、Ｘ走行台車，Ｙ走行台車及びＺ走行台車を有し、前
   記溶接電極をＸ軸，Ｙ軸及びＺ軸方向に駆動可能な電極
   位置制御機構と、前記電極位置制御装置による前記溶接
   電極の駆動を制御する電極位置制御装置と、干渉フィル
   タ及び工業用テレビを有し、前記溶接電極の溶接線方向
   前方に移動可能に配置され、かつ前記溶接電極と被溶接
   部材との間に発生するアーク発生部の近傍を撮像する二
   次元受光手段と、前記二次元受光手段で撮像した画像中
   の暗い部分から明るい部分に変化するエッジ部または明
   るい部分から暗い部分に変化するエッジ部で極大点また
   は極小点を抽出する微分または平滑化微分処理部を有し
   て前記溶接電極の位置ずれを算出する画像処理装置と、
   この画像処理装置で算出した位置ずれ情報に基づいて前
   記溶接電極の位置ずれを修正するように前記電極位置制
   御装置を制御する全体制御装置とを備えた溶接位置自動
   倣い制御装置において、前記画像処理装置は、前記二次
   元受光手段で撮像した溶接電極画像中の溶接プール画像
   及びアーク画像と重ならない棒状本体部分の少なくとも
   片側境界部分または両側境界部分の複数箇所を微分また
   は平滑化微分処理部で検出して極大点または極小点を抽
   出し、かつ前記二次元受光手段で撮像した溶接プール画
   像の少なくとも片側境界部分及び開先肩部画像の少なく
   とも片側境界部分の複数箇所を微分または平滑化微分処
   理部で検出して極大点または極小点を抽出して、両者の
   位置ずれを算出することを特徴とする溶接位置自動倣い
   制御装置。
7. 【請求項７】被溶接部材の開先に非消耗溶接電極の先端
   部を対向して配置し、前記溶接電極と前記被溶接部材の
   開先部との間にアークを発生して溶接プールを生成しな
   がら溶接線方向に駆動すると共に、前記溶接電極の溶接
   線方向前方から前記溶接電極と被溶接部材との間に発生
   するアーク発生部の近傍を二次元受光手段で撮像し、前
   記二次元受光手段で撮像した画像から前記溶接電極の位
   置ずれを算出して前記溶接電極の位置ずれを修正するよ
   うに制御して溶接する被溶接部材の開先部溶接方法にお
   いて、前記二次元受光手段で撮像した溶接電極画像の溶
   接プール画像及びアーク画像と重ならない部分の少なく
   とも片側境界部分を検出して位置ずれを算出し、これに
   基づいて溶接電極の位置ずれを修正するすることを特徴
   とする被溶接部材の開先部溶接方法。