JPH0413068B2 - - Google Patents

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
トーチ高さの適否を判定して、正確な溶接を行う
方法に関する。

〔従来の技術〕 アーク溶液では、溶融池、通電チツプ、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）で撮像し、これによつて得た画像
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イ
ルタに工夫を加える方法である。例えば、特開昭
51−72938号公報では、赤外線、熱線、色、光量
を制限する各フイ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イル
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、フイ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ヤツタを設ける方法で
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
絡時のみシヤツ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、ベース電流時期のアーク光が減衰したと
きだけシヤツ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、外乱光の光量が前期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池等の溶接部分
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、
しかもその波長は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
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つて撮像し、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、
溶接開光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
なつた。

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、正確を溶接を行う
ことができない。したがつて、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
フアクターである。

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
かどうかを判定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
高さの適否判定方法は、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つて撮像し、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、溶接トーチ高さの適否を判定するこ
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
つたところ、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つ
た。ところが、溶接線には継手の段差があるた
め、ビードによつ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の適否を判定す
るものである。

〔作用〕

溶接を行つ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値化したものが第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、既に溶接が終わつた部分（第４
図の下半分）は、段差がビードで埋まつている。

つまり、進行方法側にある段差によつて突起部
（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、ビードによつて埋ま
るため、すぐ検出されなくなる。したがつて、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（溶接開先位置）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。

さて、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。

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。ａ１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。ｂ１
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Ａより左
側の幅Ｗ１が、ａ２の場合の幅よりも伸びてく
る。また、ｃ１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
と特異点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つて、トーチの高さが適正
か否かを判定することができる。

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、２１はロボツト、２２はロボツト制
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はロボツト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
撮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つている。

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、検出制御装置２３へ送られ
て、ロボツト制御装置２２の開始指令により画像
処理されるとともに、CRT表示装置２４にも送
られて表示される。

検出制御装置２３は、ロボツト制御装置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１がそれにより求まつた位
置から外れているようであれば、ロボツト制御装
置２２に対し修正指令を発し、トーチ位置を修正
させる。

ロボツト制御装置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ヤートであ
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ａ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が映つている。溶接線３
１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インドウ（画像処
理すべき画像の領域）を設定する（第１図１０
３）。

このウインドウは、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、ロボツト制御装置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１０４）。

次に、撮像画像をビデオRAM上にラツチし
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１０５、第１図ｃ）。

次に、第１図ｄに示すように、ウインドウに対
し、左上から水平にスキヤンニングを行い、２値
化レベルの変化を検出する（第１図１０６）。こ
の最初の２値化レベルの最初の変化点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ツト
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（第１図１０９）、そのＡ点より
得られた溶接開先位置を画像上の記憶された溶接
線に一致させるように、ロボツトを制御する（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、オフセツトは溶接条件、撮像装置とトー
チとの角度によつて定まる定数であり、本発明者
らの実験結果によると、0.6mm程度以内であつた。

このＡ点又はこの点から所定のオフセツトをと
つ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の適否判
定は、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、ステツプ105にお
いて２値化処理した後、ステツプ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Ｗ１，Ｗ
２参照）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、ロボツト
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、溶接トーチ高さの適否を
判定し、ロボツ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高さの適否も
同時に判定するようにしている。

したがつて、トーチ高さの適否を判定するため
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くく、
特別なカツトオフフイルタ、バンドパスフイルタ
等を要せず、光量を減じるための一般的な溶接用
フイ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ヤート、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。 １：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、２１：溶接
ロボツト、２２：ロボツト制御装置、２３：検出
制御装置、２４：CRT、３１：溶接線、３２：
ワイヤー、３３：ワイヤーの影、３４：トーチ。

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
   つて撮像し、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
   ーチ高さの適否を判定することを特徴とする溶接
   トーチ高さの適否判定方法。 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
   の溶接トーチ高さの適否判定方法。