JPH05185227A - 自動溶接システムおよび自動溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶接プロセス全般の機能を実時間で管理する
自動溶接システムおよび自動溶接方法を実現する。 【構成】 この発明による自動溶接システムは、溶接ヘ
ッド（３２）と、この溶接ヘッドを固定する溶接ベンチ
（３０）と、前記溶接ヘッドに給電する給電手段（３
６，３８）と、溶接ヘッドと溶接ベンチとに接続される
制御処理装置（２８）とを備え、溶接ヘッドは、溶接場
面を撮像すると共に録画し、溶接ベンチは溶接場面に対
して移動し、かつ、制御処理装置は、中央ユニット（４
８）と、画像処理装置（４４）と、給電手段を制御する
制御装置（４６）と、溶接サポートとから構成される。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

【０００１】この発明は、例えば、原子力、航空宇宙等
のいわゆる先端技術分野で数多くの用途に利用される溶
接システムに関し、特に、実時間で溶接プロセスを管理
することができる自動溶接システムおよび自動溶接方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、大半の溶接作業においては、不測
の事態に対処できるよう、常時、オペレータの監視を必
要としている。実際、溶接システム稼働中においては、
溶接条件が常に一定でなく、溶接部の変形、不均一性あ
るいは位置ずれ等の偶発的で不測の事態が起こり得る。
このような外乱があると、溶接箇所が不完全なものにな
り、溶接ミスの原因となる。そこで、近年においては、
こうした外乱に基づく溶接ミスを防ぐ自動溶接装置が提
案されている。この種の装置については、”Ｊ．Ｍ．デ
トリッシュ著，「センサにより軌道制御する溶接ロボッ
ト」，１９８８年，Ｈｅｒｍｅｓ社刊”にその詳細が開
示されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記公知資
料に開示されている自動溶接装置は、既設の溶接ロボッ
トにセンサを設け、該センサの検出信号に基づき自動溶
接するように構成されている。すなわち、この装置で
は、各種の溶接プロセスの内、例えば、溶接ジョイント
を監視する等の一つの機能しか備えておらず、各種溶接
プロセス全般の機能を実時間で管理することができない
という問題がある。この発明は上述した事情に鑑みてな
されたもので、溶接プロセス全般の機能を実時間で管理
でき、しかも、好ましくない環境下にあってもオペレー
タが管理できない条件（溶接速度、溶接精度、利益性）
内でも溶接作業を行うことができる自動溶接システムお
よび自動溶接方法を提供することを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この発明は、溶接作業中
に変化する溶接パラメータを処理し、該溶接パラメータ
相互の関係を設定記憶する第１の段階と、（ａ）溶接場
面を撮像する過程、（ｂ）この溶接場面から相関関係に
ある前記溶接パラメータを計測する過程、（ｃ）この計
測により得た計測値とその相関関係および前記溶接パラ
メータの修正値とに基づいて評価する過程、（ｄ）前記
修正値に応じて前記溶接作業を制御する過程から構成さ
れる第２の段階とを具備することを特徴としている。

【０００５】

【作用】この発明による自動溶接システムは、溶接場面
を撮像する溶接ヘッドを含む装置から構成されており、
該溶接ヘッドにより撮像された溶接場面はコンピュータ
からなる制御処理装置によって実時間で処理される。こ
の実時間処理では、精密、かつ、品質の良い溶接を実現
するため、必要に応じてシステムに適用する修正値を発
生する。

【０００６】また、この発明による自動溶接方法では、
第１段階において、溶接作業時における溶接部材の挙動
の法則性とその定量的事項とが各種溶接パラメータの相
互関係として事前設定される。この溶接パラメータの相
互関係とは、計測パラメータと結果パラメータとの関
係、あるいは結果パラメータと制御パラメータとの関係
である。これら３つのパラメータは、それぞれ相互に作
用し合い、各結果パラメータは、計測パラメータの決定
に基づいて制御パラメータによって修正される定常値に
従属する。これら関係を設定する長所としては、それぞ
れ計測パラメータ、制御パラメータおよび結果パラメー
タから構成されるパラメータ三重項となる。このパラメ
ータ三重項よりデータベースを設定することが可能にな
る。なお、これらパラメータ間の関係は、溶接条件に応
じた溶接電流、作業中における溶融池の長さ、溶接ビー
ドの幾何学的パラメータ等から構成することができる。
なお、これら関係は、溶接電流、作業中の溶融物の凹凸
および溶接ビードの幾何学パラメータから構成しても良
い。

【０００７】自動溶接システムの機能は、該システム内
のソフトウェアとして組込まれる。これによって溶接を
行う自動溶接方法の第２段階は、次のような構成とな
る。すなわち、 （ａ）実施されている溶接場面の撮像 （ｂ）この撮像画面を分析して必要なパラメータを計測 （ｃ）システム内に組込まれているパラメータ値を計測
した溶接パラメータに応じて修正 （ｄ）修正した溶接パラメータに基づく溶接処理

【０００８】さらに、上記（ａ）項の操作と（ｂ）項の
操作との間には、自動的に実行される（ｂ）項から
（ｄ）項まで処理を選択する対話操作がある。溶接作業
を連続的に管理する場合には、システムが中止指令を受
ける迄、この（ａ）項〜（ｄ）項までの操作が繰り返し
実行される。この中止指令は、システムとの対話操作に
おいて利用者が指示するものである。また、（ａ）項の
撮像操作の後には、例えば、ビデオテープへの録画作業
が行われる場合がある。通常、撮像操作（ａ）は、連続
モードで行われる。但し、逐次動作させるようにした時
には、例えば、パラメータの必要性に応じてストップモ
ーションモードで録画するように指令を発生することも
可能である。

【０００９】このような自動溶接方法は、自動溶接シス
テムに適用することが可能である。上記溶接プロセスを
実行するシステムは、溶接ヘッドと、この溶接ヘッドを
固定する溶接ベンチと、該溶接ヘッドへの給電装置と、
上記溶接ヘッドおよび溶接ベンチとに接続される制御処
理装置（ＵＣＴ）とから構成される。さらに、前記溶接
ヘッドは、溶接場面を撮像する撮像装置から構成され
る。前記溶接ベンチは、溶接場面に対して移動可能な構
造となる。制御処理装置（ＵＣＴ）は、中央ユニット
（ＵＴ）、画像分析装置、給電装置および溶接ベンチ制
御装置とから構成される。

【００１０】さらに、制御処理装置は、分析装置の前段
側に画像表示装置と画像記憶装置とを搭載している。溶
接場面の画像を分析するための装置は、中央ユニット
（ＵＣ）内に画像収集カードを搭載しており、該カード
は画像表示装置と画像記憶装置とに接続されている。中
央ユニット（ＵＣ）は、溶接ベンチ、給電装置および溶
接ヘッドの各々と接続するインプット／アウトプットイ
ンタフェースを備える。給電装置は、２入力端を持つ溶
接発電機によって構成されており、一方の入力端は定格
電流値を受信し、他方の入力端は定格電流を修正する修
正電流値を受信する。この定格電流値と修正電流値と
は、中央ユニットにより制御される。加えてこのシステ
ムでは、入力側が前記溶接ヘッドに接続され、出力側が
前記溶接ベンチに接続されるアーク電圧調整装置を具備
している。

【００１１】

【実施例】以下、図面を参照してこの発明の実施例につ
いて説明する。図１はこの発明による一実施例の機能構
成を示すブロック図である。この図に示すように、自動
溶接システムは、溶接作業中に一部の溶接パラメータを
修正するように、フィードバックループを備える。この
フィードバックループは、溶接場面を撮像した画像に基
づいて設定されるものであり、この画像から抽出した情
報に応じて溶接パラメータの一部を修正する。該ループ
を帰還する情報は、パラメータ数が多いため、多変数と
なる。このようなフィードバックを利用するには、溶接
時の挙動を法則化し、これを予め認識しておく必要があ
る。この溶接時の挙動を表わす法則は、溶接作業に先立
って決定される。この法則は、自動溶接システムを利用
して決定されるものであり、決定された法則は当該シス
テムにデータベースとして登録されるようになってい
る。

【００１２】図１に示されているように、２でプログラ
ミングされたパラメータは、設定値４に初期化された
後、プロセスループ（フィードバックループ）６に供給
される。該ループに供給されるパラメータ値は、自動溶
接装置８に与えられる。該装置８でなされる溶接作業過
程において、溶接ヘッドのアークと溶接部品との間には
溶接の物理現象となる相互作用１０が発生する。ここ
で、溶接条件が不完全である場合、すなわち、事前に定
義された条件に適合しない時には、外乱１２が相互作用
１０に影響を与える。

【００１３】溶接場面は、１６で撮像され、撮像された
溶接画像は１８で画像処理される。この画像処理では、
溶接時の挙動を法則化するための各種情報が抽出され
る。これら情報の一部は、溶接ジョイント部の軌道に関
するものであり、修正値２２に変換された後、プロセス
ループ６の入力部２４に供給される。この入力部２４で
は、パラメータ２の設定値４と相関関係に置かれる。こ
うして溶接軌道のループ６ａが形成される。

【００１４】１８で決定されるその他の情報により、デ
ータベースに登録されたプロセスの相関関係の法則と制
御法則２０とに基づいて、修正値２２が生成される。こ
の修正値２２は、入力部２４にてパラメータ２の設定値
４との相関関係に置かれる。これにより、プロセスルー
プ６ｂが形成される。上記相関関係の法則と制御法則と
が１対１に対応し、かつ、パラメータが独立している場
合、各溶接パラメータは上述したプロセスループによっ
て制御することが可能になる。

【００１５】例えば、ＴＩＧ（タングステン溶接棒を使
用する不活性ガス溶接）などのアーク溶接プロセスを規
定する溶接パラメータは、アーク電圧、溶接電流、溶接
トーチの速度、フィラー・ワイヤの速度、材料タイプ、
溶接する部品の表面状態など、約１２種程度存在し、種
類が多い。したがって、この発明は、これら溶接パラメ
ータの内から重要な溶接パラメータの法則を相関関係に
応じて決定する自動溶接方法を利用する。この自動溶接
方法によれば、重要なパラメータは次の３種類に分類で
きる。すなわち、溶接後の状態を表わす結果パラメー
タ、結果パラメータに対して作用する制御パラメー
タ、溶接作業中に計測可能な計測パラメータである。

【００１６】計測パラメータの一部を取得することで、
結果パラメータの一部の特徴（例えば、溶接品質など）
を決定することが可能である。こうして、計測パラメー
タと結果パラメータとの相関関係の法則を決定すること
ができる。さらに、結果パラメータは、制御パラメータ
を適宜変更することによりコントロールされる。したが
って、制御パラメータと結果パラメータとの相関関係の
法則も決定可能である。

【００１７】以上のように、各相関関係の法則は、所定
のカテゴリー（計測、制御、結果）のパラメータと別の
カテゴリーのパラメータとの間の密接な関係を確立す
る。より具体的に言えば、結果パラメータを事前に定義
される公差内に維持することによって、システムを制御
する。これらパラメータは、計測パラメータの計測値に
基づいて制御パラメータを修正すると、ほとんど一定に
なる。つまり、上記３種のパラメータは、パラメータ三
重項を構成する。

【００１８】以上の事柄は、例えば、図解で示すことが
できる。実際、熱に起因する外乱１２に対しては、結果
パラメータとして溶接部分の幅、制御パラメータとして
溶接電流、計測パラメータとしてビードの厚さ（溶接物
の凹凸）の三重項に基づいて、溶接作業が自動溶接シス
テムにより制御される。このような自動制御は、周知の
自動制御と同様に、２者のパラメータ間の相関関係が１
対１に対応するものであれば、実現可能である。

【００１９】より具体的には、正確に選択された３つの
情報を計測することにより、溶接作業における相関関係
の法則を確立し、その法則を利用する自動制御を実施す
ることができる。相関関係の法則は、上述したように記
憶手段に記憶され、データベースを構成する。データベ
ースを構成するには、試験に基づいて最適な三重項を選
択する。データベースの用途数が増すほど、システム処
理が速くなる。

【００２０】この実施例では、次のような３種類のデー
タベースから構成されている。 制御パラメータの安定値は異なるが、外乱がなく、そ
の他のパラメータが最小値一定となる定常状態における
プロセスの作用に基づいて設定される静的データベー
ス。 制御パラメータの値が変化し（２つの安定状態の間の
レベル）、かつ、外乱が無い状態において、その他のパ
ラメータが最小値一定になった時のプロセスの作用に基
づいて設定される動的データベース。 外乱が存在し、その他のパラメータは一定状態におい
て、プロセスの作用に基づいて設定される外乱データベ
ース。

【００２１】これら３種のデータベースは、前述した計
測パラメータ、制御パラメータおよび結果パラメータか
ら構成されるパラメータ三重項を管理することができ
る。静的データベースは、プロセスの様々な動作点にお
ける定常状態の制御パラメータ値および結果パラメータ
値に対して相関関係にある計測パラメータ値を含む。動
的データベースは、制御パラメータが一時的に変動する
過渡状態での計測パラメータ値と結果パラメータ値とを
示すものである。外乱データベースは、外乱が存在する
場合における制御パラメータ値および計測パラメータ値
に対する相関関係にある結果パラメータ値を含む。この
ような結果パラメータ値に基づく自動制御は、制御パラ
メータ値を計測パラメータ値に合せて変化させることに
よって行うようにしている。

【００２２】次に、図２は上記データベースを設定する
ための計測／処理を行う自動制御システムの構成を示す
ブロック図である。この図には、溶接ヘッド３２が固定
された溶接ベンチ３０を図示している。この溶接ヘッド
３２は、溶接ベンチ３０の動きに応じて溶接面３４を移
動させる。また、溶接ヘッド３２は、縦軸方向Ｘ、横軸
方向Ｙ、鉛直軸方向Ｚへ移動可能な構造としている。事
実、溶接ベンチ３０は、平坦なデカルト型をなしてお
り、図示されていないが、手動制御または制御処理装置
（以下、ＵＣＴと略す）２８によって制御される調整器
を使用するのと同様に、横軸Ｙを高速制御する。鉛直軸
Ｚは、溶接面３４に対する溶接ヘッド３２の高さを制御
するため、アーク電圧調整装置３６に接続されている。
この調整装置３６は、溶接ヘッド３２で計測されるアー
ク電圧値を受信する。

【００２３】縦軸Ｘの動きは、ＵＣＴ２８から供給され
る「ＯＮ−ＯＦＦ」モード信号により遠隔制御される。
さらに、電気接点３１は溶接ベンチ３０の縦軸Ｘ上の位
置をＵＣＴ２８に供給する。溶接ヘッド３２は、溶接場
面を撮像し、溶接画像をＵＣＴ２８に供給するビデオカ
メラを備える。また、該ヘッド３２は、溶接作業部分へ
光を照射するスポットライトをも備える。このヘッド３
２により撮像される溶接画像からスポットライトの位置
とアーク状態とに対応する計測パラメータが取得でき
る。

【００２４】溶接発電機３８は、ＵＣＴ２８によって指
示された溶接電流を溶接ヘッド３２の入力端に供給す
る。つまり、溶接電流値に関する情報は、発電機３８と
ＵＣＴ２８との間で行われる。溶接発電機３８は、図示
されていないが、２つの入力端を有する。この２入力端
の内、一方の入力端は設定値入力用であり、与えられた
設定値に従って発電機３８の定格電流（０Ａから２００
Ａ）を制御する。他方の入力端は、修正値入力用であ
り、与えられた修正値（−５０Ａから＋５０Ａ）に応じ
て発電機３８の設定電流を制御する。なお、この溶接発
電機３８は、ＵＣＴ２８から供給される「ＯＮ−ＯＦ
Ｆ」モード信号により制御される。

【００２５】次に、図３は、制御処理装置（ＵＣＴ）２
８の構成を示すブロック図である。ＵＣＴ２８の入力端
２８ａには、上述した溶接ヘッド３２の出力信号が供給
される。この出力信号とは、溶接ヘッド３２に設けられ
たビデオカメラから出力されるビデオ信号である。ＵＣ
Ｔ２８は、ＶＴＲ４０（あるいは他の画像記憶装置）を
備えており、その入力端にはビデオ信号が供給される。
このＶＴＲ４０は、溶接画像を記録するものであって、
溶接画像から計測パラメータを実時間で抽出しない時に
必要に応じて溶接プロセスをシミュレーションする際に
用いられる。

【００２６】ＵＴＣ２８は、ビデオモニタ４２、画像収
集カード４４およびＩ／Ｏインタフェースカード４６を
内蔵しており、これらカード４４，４６は全て中央ユニ
ット４８に組込まれている。この中央ユニット４８は、
ディスクユニット５０、ハードディスクユニット５２、
ＣＲＴ５４、キーボード５６およびプリンタ５８等の通
常のコンピュータと同様の周辺装置を制御するものであ
る。

【００２７】ＶＴＲ４０が出力するビデオ信号は、画像
収集カード４４に連続的に送出され、このようにするこ
とで、溶接画像を常時処理することが可能になる。モニ
タ４２を利用すると、操作者は、画像収集カード４４の
内容、例えば、画像処理を行うために番号が付与された
画像や、中央ユニット４８が当該カード４４の連続画像
を処理することによって決定されるパラメータ値を視覚
化することができる。

【００２８】本発明の実現方法によると、モニタ４２は
カラー・アナログモニタである。「モノクロ」モード
は、画像情報のタイプにより異なった配色で、モノクロ
の主要画像の表示とその他の情報の表示を行うことがで
きる。「疑似カラー」モードは、任意の方法により、グ
レイスケールをカラースケールに変換することができ
る。これにより、より鮮明な画像が形成される。切換え
器４１は、利用者の必要性に応じてＶＴＲ４０の録画画
像、あるいは画像収集カード４４に順次書込まれる撮像
画像のいずれかを切換え、これをモニタ４２に表示す
る。

【００２９】この実施例では、画像収集カード４４は、
「フレーム・グラバ・カード」であり、ＡＴ規格の工業
用マイクロコンピュータである中央ユニット４８に組込
まれる。このフレーム・グラバ・カードは、アナログの
ビデオ信号をディジタル画像データに変換するものであ
る。これにより、中央ユニット４８は該ディジタル画像
データが記録されるメモリにアクセス可能になる。中央
ユニット４８は、大量の画像データを扱うため、高速処
理機能を備えるものが要求される。該ユニット４８に
は、更に、インタフェースカード４６が組込まれてお
り、中央ユニット４８とシステムのその他の構成要素と
の接続、例えば、溶接ヘッド３２、溶接ベンチ３０、溶
接発電機３８との接続をＬ１〜Ｌ３にて行う。なお、こ
のインタフェースカードは、アナログ出力カード、アナ
ログ入力カードおよびディジタル入出力カードから構成
されている。

【００３０】上記インタフェースカードからの接続ライ
ンＬ１，Ｌ２，Ｌ３は、特に、溶接の際の高圧電流とア
ークとに起因する外乱の影響を受ける。これら接続ライ
ンＬ１〜Ｌ３が、この外乱の影響を受けないようにする
には、当該接続を例えば、光カプラや、亜鉛メッキされ
た絶縁体に設けられた絶縁増幅器を介して行う。

【００３１】システムと利用者との相互対話処理は、キ
ーボード５６の制御とＣＲＴ５４への表示によってなさ
れる。ＣＲＴ５４には、メニュー画面が表示されるよう
になっており、利用者は、このメニューを選択すること
で、他のメニュー画面あるいはウインドウ画面にアクセ
ス可能になっている。このウインドウ画面では、中央ユ
ニット４８に記録された実行中のプログラムにおける一
定数のパラメータに対してアクセス可能にし、該パラメ
ータの変更が可能になっている。

【００３２】次に、図４は、自動溶接システムに適用さ
れるソフトウェアが実行するプロセスを示すフローチャ
ートである。この図に示すソフトウェアは、メモリの複
数の制御ブロック（あるいはプログラム）と一緒に動作
することが可能であり、所定時間経過する毎に単独で機
能する割込み処理となる。一般的に、ソフトウェアは、
自動溶接システムの全ての機能、画像処理による計測、
実時間による自動制御、システムのコントロールと制御
機能および利用者との対話インタフェースを受持ってい
る。

【００３３】プロセスの開始時には、ブロック１００の
全体的初期化段階がある。この初期化は、プロセスのソ
フトウェアとパラメータとを設定値、すなわち、呼称溶
接条件として検討された呼称値に初期化することから構
成される。次の段階は、ブロック２００，３００，４０
０，５００において定義され、溶接作業時を一定の速度
で機能させるため、クロックに同期したループ動作とな
る。すなわち、ブロック２００では、全体メニューの表
示し、利用者とのインタフェースを図る。この全体メニ
ューでは、以下の項〜項に示す３つの選択項目が表
示され、アクセス可能になる。

【００３４】パラメータの変更２１４、他のプログラ
ムへのパラメータ複写２１５、プリンタ５８への出力２
１６、このプリンタ出力を編集する編集メニュー２１
１、プログラムをディスクに保存する保存メニュー２１
２およびプログラム変更操作にアクセスする変更メニュ
ー２１３を備えたプログラム群２１０。 実行中にあるプログラムの全パラメータを変更可能な
インタラクティブ実行メニュー２２１と、実行中には変
更不可な自動実行メニュー２２２とを備えた実時間実行
プログラム群２２０。 ディスクの書式作成２３４、情報システムの制御２３
５、例えば、ＤＯＳコマンドを実行する等の実用メニュ
ー２３１、画像カードの直接相互作用的作業を行うイン
タプリタ利用メニュー２３２およびソフトウェアの直接
アウトプット２３３を備えたシステムプログラム群２３
０。

【００３５】この図に示すソフトウェアの内、ブロック
３００は、溶接ベンチの位置モニタと溶接発電機の状態
モニタとから構成され、これらによって検出された状態
は全体ループが一巡する毎に更新される。ブロック４０
０では、次のように機能する。まず、ブロック４１０が
システム運転中の画像処理機能４１１，４１２，４１３
を実行する。次に、ブロック４２０が計測を行い、必要
に応じてブロック４２１，４２２で溶接ベンチおよび溶
接発電機を制御する。この制御は、溶接場面を画像処理
した結果に基づいて実時間で行われる。

【００３６】上述した画像処理機能は、大別して３種あ
り、これらはジョイント部の軌道、バスの幅および溶接
ヘッドの高さに関する計測情報を発生するものである。
ジョイント計測ブロック４１１、バス計測ブロック４１
２および高さ計測ブロック４１３の３つの計測機能は、
以下の（ａ）〜（ｅ）に示す共通の特徴に従って実行さ
れる。

【００３７】（ａ）画像処理は、処理中の画像のウイン
ドの内容に基づいてのみ実行される。このウインドは、
その寸法と位置とを完全にプログラミングすることが可
能である。 （ｂ）ウインド寸法の調整は、該ウインドの２つの軸に
従って１次元形状に変換される。形状の一点の値は、別
の軸に従う平均値とする。 （ｃ）形状の特徴を抽出するアルゴリズムは、ウインド
によって囲まれた領域から計測パラメータを算出する。 （ｄ）様々な処理段階で、有効性の基準が考慮される。
エラーの発生は警告され、プログラム可能な所定回数の
エラーが発生した場合には、アラームが鳴る。 （ｅ）各処理ウインドの内側には、位置をプログラミン
グすることができる補足的マーキングがなされる。これ
らマーキングは、ウインドの軸上で行われ、それに沿っ
てグレイスケールが設定される。

【００３８】ジョイント機能は、ジョイントの位置を計
測することを目的としている。この位置は、撮像角度か
らアーク、あるいはスポットライトによって照された溶
接場面を観察することにより、事前に決定することがで
きる。ジョイントの位置は、溶接軸に対して横断方向の
形状を決定し、画像の中心軸に平行方向のウインド内で
機能する。ジョイント部は、通常、明るい背景の溶接軸
に暗い線として現れる。ジョイント機能のアルゴリズム
は、形状の最小値と、背景および他の最小値に対する最
小コントラスト基準とをプログラミングによって決め
る。ジョイント部中央における有効最小値が計測結果と
なる。

【００３９】バス機能は、溶接場面での観察に基づいて
バスの幅や、バスの直径を計測することを目的としてい
る。この機能においては、処理する画像に応じて次のよ
うにプログラム可能なウインドを使用する。 （ａ）溶接軸に対して横断方向の形状が決定され、画像
の中心軸に平行方向の直角ウインド。 （ｂ）上点（中央「旋回点」）が共通で、溶接軸に対し
て約±６０゜の方向に取り付けられ、同一寸法の２つの
ハーフ・ウインドから構成される「斜め方向」ウイン
ド。この斜め方向ウインドは、バスの前方に方向付けら
れたＶ字型をしており、バスの２つの半径に基づいて機
能することができる。形状は、Ｖ字の２つの傾斜にした
がって決定され、バスの疑似直径方向の断面と同一視す
ることができる。

【００４０】バスの画像によって、処理に際してプログ
ラム可能な３つのアルゴリズムを選択することが可能で
ある。この３つのアルゴリズムとも、ウインドのグレイ
スケールによるコントラスト分析に関連する。最も単純
なアルゴリズム、いわゆる「班点(tache)」は、バスが
ウインド内の暗い背景に均質な輝点を形成し、その周辺
部と際だったコントラストを作る画像に使用することが
できる。

【００４１】「班点１」と呼ばれるアルゴリズムは、上
記と同じ様な画像に適用されるが、ウインド内の班点が
均質でない場合を処理することができる（通常、溶接棒
の先端部に起因する班点の輝度増加あるいは輝度低
下）。以上の２つのアルゴリズムは、くぼんだバス、す
なわち、フィラー・ワイヤを使用しない溶接に一般的に
用いられる。

【００４２】いわゆる、「波」と言われるアルゴリズム
は、縁の色が濃く（黒色）、その縁自体が比較的幅の狭
い光沢に取囲まれたバスにおいて、不均質で明るい中央
部の班点を暗い背景に形成する画像で使用される。この
アルゴリズムは、基本的に「凹凸のある」バス、すなわ
ち、フィラー・ワイヤを用いる溶接に適用される。

【００４３】高さ機能は、三角測量により、スポットラ
イトの照射点上部にある溶接ヘッドの高さを計測するこ
とを目的としている。該ヘッドの幾何学的配置関係を考
慮して、高さの変化は、溶接軸に平行方向のスポットラ
イトの移動として画像に表わされる。高さ機能は、スポ
ットライトにより画像中心軸に平行方向の３つのウイン
ドを使用する。処理は、３つのウインドともに同一で、
各プログラムのプログラミングの可能なパラメータ値に
より、最初の２つのウインドあるいは３つのウインドで
連続的に行われる。形状は、溶接軸に平行方向に決定さ
れ、処理アルゴリズムはスポットライトのい中央部の位
置、あるいは必要に応じて、例えば、位置の変更等を行
う場合には、濃い色から淡い色への移行点、または淡い
色から濃い色への移行点を決定する。

【００４４】本発明のもう１つの実施方法によれば、高
さを計測するには、撮像カメラと組合わせてビーム・セ
パレータを使用する。このビーム・セパレータを使用す
ると、投射されたスポットライトの観察に基づいて、該
スポットライトの位置を検出する位置検出器（ＰＳＤ）
が１台または２台据え付けられた計測部により溶接場面
の画像を形成することができる。

【００４５】以上説明した機能は、ブロック４２０にお
いて行われる。このブロック４２０でなされる計測によ
り、また、設定値に基づいて外側エレメントの自動制御
機能ブロック４２１，４２２が実行される。これら機能
の実行は、溶接ベンチの制御とプロセスのパラメータ制
御、例えば、溶接発電機が供給する溶接電流制御とによ
って行われる。実際、動きの制御は、計測値と設定値と
の差異に比例する速度の制御を特徴とする。この種の制
御は、以下に示す機能と組み合わされる。

【００４６】（ａ）ジョイント部の監視機能を担うジョ
イント機能。計測ウインドの設定は、ジョイント部を維
持したい位置で行う。ジョイントウインド内の偏差は、
プログラミング可能なゲインを乗じ、溶接ベンチの横方
向の動きを与える装置の出力として送出する。計測に誤
差があった場合、あるいは計測値が限界値を外れている
場合には、直ちに速度を０とするゼロ制御指令を指示
し、動きを正常な状態に設定する。 （ｂ）アーク電圧による制御とは別に高さ調整したい場
合には、高さ機能が用いられる。これは、撮像カメラに
よるアプローチ段階、または観察段階において、アーク
が生じていない状態に相当する。この場合、上述したジ
ョイント機能と同等であるが、動きが縦方向になる。但
し、所望の高さに対応する位置に使用するウインドを設
定することが条件となる。

【００４７】さらに、プロセスのパラメータ制御は、設
定値との差異に基づく周知のＰＩＤ（比例、積分、微分
制御）を特徴とする。この実施例は、基本的にバスの幅
計測、あるいはアーク電圧調整に基づく溶接ヘッドの高
さ計測に従って、溶け込みを制御することを目的とした
溶接発電機の電流制御である。この電流制御において
は、いわゆる設定値制御と修正値制御との２つに分けら
れる。設定値は、各プログラム毎にプログラミング可能
であり、実行モードのソフトウェアの処理毎に出力され
る。溶接電流の自動制御は、下記の機能と組み合わされ
る。

【００４８】（ａ）バスの幅に基づく自動制御を行う場
合には、バス機能が用いられる。計測された値は、プロ
グラミング可能な設定値（バス幅）と比較され、その差
異がＰＩＤ制御を行うアルゴリズムに送出されて修正さ
れる。こうして算出される修正値が溶接発電機のアナロ
グ修正値入力端に供給され、該発電機の設定値入力と加
算される。ここで、誤差が発生した場合には、前回設定
した修正値を保存するが、誤差が累積されている場合に
は、アラームが鳴り、修正値をゼロにリセットして基本
的な設定電流に戻る。 （ｂ）溶接面の凹凸に基づく自動制御を行う場合には、
「高さ」がアーク電圧調整によって制御される。「高
さ」は、１つのスポットライトで計測されるか、あるい
は２つのスポットライトで計測されて平均値が出され、
プログラミング可能な凹凸設定値と比較される。この場
合の処理は、上記のバス幅による自動制御と同等にな
る。

【００４９】画像処理機能および上述した自動制御機能
の実行の他に、この実施例によるソフトウェアは、シー
ケンス制御も管理する。このシーケンス制御は、溶接ベ
ンチと溶接発電機とのスタート／ストップ制御と、プロ
グラミング可能なパラメータ（プログラム終了形式の選
択、次に実行するプログラムの選択）選択と、利用者か
らの直接的な制御によって指示されるプログラムチェー
ンとを有する。

【００５０】最後に、ソフトウェアの４つ目のブロック
５００は、画像収集カードを利用して画像収集を行う。
この作業は、連続的な録画モードでしか実行できない。
事実、ストップモーション・モードの場合、処理画像
は、該カードのメモリに記憶されて保存されるため、新
規画像の収集は、最初の作業の間に利用者から要求され
ることになる。

【００５１】上述した実施例は、ＴＩＧ溶接という特定
の場合について説明した。しかしながら、本発明はこれ
に限定されることなく、その他の溶接（レーザ溶接、プ
ラズマ溶接など）や、リサーフェシング等の溶融池を使
用する金属処理にも適用可能であることは言うまでもな
い。

【００５２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、溶接プロセス全般の機能を実時間で管理でき、しか
も、好ましくない環境下にあってもオペレータが管理で
きない条件（溶接速度、溶接精度、利益性）内でも溶接
作業することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による自動溶接システムの
機能構成を示すブロック図。

【図２】同実施例おけるシステム構成を示すブロック
図。

【図３】同実施例における制御処理装置２８の構成を示
すブロック図。

【図４】同実施例における自動溶接方法の動作を示すフ
ローチャート。

【符号の説明】

２８…制御処理装置、 ３０…溶接ベンチ、 ３２…溶接ヘッド、 ３６，３８…給電手段、 ４４…画像処理装置、 ４６…制御装置、 ４８…中央ユニット。

Claims (19)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接作業中に変化する溶接パラメータを
   処理し、該溶接パラメータ相互の関係を設定記憶する第
   １の段階と、（ａ）溶接場面を撮像する過程、（ｂ）こ
   の溶接場面から相関関係にある前記溶接パラメータを計
   測する過程、（ｃ）この計測により得た計測値とその相
   関関係および前記溶接パラメータの修正値とに基づいて
   評価する過程、（ｄ）前記修正値に応じて前記溶接作業
   を制御する過程から構成される第２の段階とを具備する
   ことを特徴とする自動溶接方法。
2. 【請求項２】 前記第２の段階は、前記過程（ａ）と
   （ｂ）との間に、前記過程（ｂ）〜（ｄ）を自動的実行
   させるか、あるいは前記過程（ｂ）〜（ｄ）のいずれか
   を選択的に実行させるかを指示する対話型操作を備える
   ことを特徴とする請求項１記載の自動溶接方法。
3. 【請求項３】 前記第２の段階は、中止指令を受けるま
   で前記過程（ｂ）〜（ｄ）を順次繰り返し実行すること
   を特徴とする請求項１記載の自動溶接方法。
4. 【請求項４】 前記対話型操作時に、前記中止指令が指
   示されることを特徴とする請求項３記載の自動溶接方
   法。
5. 【請求項５】 前記過程（ａ）は、撮像した画像を記憶
   することを特徴とする請求項１記載の自動溶接方法。
6. 【請求項６】 前記相関関係は、計測パラメータと結果
   パラメータとの関係を含むことを特徴とする請求項１記
   載の自動溶接方法。
7. 【請求項７】 前記相関関係は、結果パラメータと制御
   パラメータとの関係を含むことを特徴とする請求項１記
   載の自動溶接方法。
8. 【請求項８】 前記結果パラメータと制御パラメータと
   の相関関係を含み、各結果パラメータが前記計測パラメ
   ータの決定に基づいて前記制御パラメータによって修正
   される定常値に従属することを特徴とする請求項６記載
   の自動溶接方法。
9. 【請求項９】 前記相関関係を設定する第１段階が、少
   なくとも前記計測パラメータ、前記制御パラメータおよ
   び前記結果パラメータから構成されるパラメータ三重項
   によりデータベースを形成することを特徴とする請求項
   ８記載の自動溶接方法。
10. 【請求項１０】 前記相関関係を設定する第１段階が、 （ａ）各計測パラメータに対応する値であって、定常状
    態における制御パラメータ値と結果パラメータ値とを含
    む静的データベースと、 （ｂ）前記制御パラメータが一時的に変化する場合の計
    測パラメータ値と前記結果パラメータ値とを含む動的デ
    ータベースと、 （ｃ）外乱が存在する場合の前記計測パラメータと前記
    制御パラメータとに応じて求まる結果パラメータ値を含
    む外乱データベースとを設定することを特徴とする請求
    項９記載の自動溶接方法。
11. 【請求項１１】 前記溶接パラメータの相関関係が溶接
    バスの幅を規定する関係を含むことを特徴とする請求項
    １記載の自動溶接方法。
12. 【請求項１２】 前記溶接パラメータの相関関係が溶接
    バスの形状を規定する関係を含むことを特徴とする請求
    項１記載の自動溶接方法。
13. 【請求項１３】 溶接ヘッド（３２）と、この溶接ヘッ
    ドを固定する溶接ベンチ（３０）と、前記溶接ヘッドに
    給電する給電手段（３６，３８）と、前記溶接ヘッドと
    前記溶接ベンチとに接続される制御処理装置（２８）と
    を備え、前記溶接ヘッドは、溶接場面を撮像すると共に
    録画し、前記溶接ベンチは溶接場面に対して移動し、か
    つ、前記制御処理装置は、中央ユニット（４８）と、画
    像処理装置（４４）と、前記給電手段を制御する制御装
    置（４６）と、前記溶接ベンチとから構成されることを
    特徴とする自動溶接システム。
14. 【請求項１４】 前記制御処理装置は、前記溶接ヘッド
    から出力される画像信号を表示する画像表示装置（４
    ２）と、この画像信号を記憶する画像記憶装置（４０）
    とを備えることを特徴とする請求項１３記載の自動溶接
    システム。
15. 【請求項１５】 前記画像処理装置は、前記中央ユニッ
    トに組込まれた画像収集カード（４４）を有し、該画像
    収集カードが前記画像表示装置と前記画像記憶装置とに
    接続されていることを特徴とする請求項１４記載の自動
    溶接システム。
16. 【請求項１６】 前記中央ユニットは、前記溶接ベン
    チ、前記給電手段および前記溶接ヘッドにそれぞれ信号
    を供給するインタフェースカード（４６）を具備するこ
    とを特徴とする請求項１３記載の自動溶接システム。
17. 【請求項１７】 前記給電手段は、外部から供給される
    制御信号に応じた溶接電流を発生する溶接発電機から構
    成されることを特徴とする請求項１３記載の自動溶接シ
    ステム。
18. 【請求項１８】 前記溶接ヘッドの出力と前記溶接ベン
    チの出力とに応じてアーク電圧が調整されることを特徴
    とする請求項１７記載の自動溶接システム。
19. 【請求項１９】 溶融池を使用する金属処理操作に適用
    したことを特徴とする請求項１記載の自動溶接方法。