JPH08276271A

JPH08276271A - 倣い溶接方法及び装置

Info

Publication number: JPH08276271A
Application number: JP10324895A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Maeda; 剛前田
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1995-04-05
Filing date: 1995-04-05
Publication date: 1996-10-22

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ照射部と溶接部とを近接させても、ア
ーク光及びスパッタの影響を完全に回避することがで
き、極めて精密な溶接倣いを行うことができる倣い溶接
方法及び装置を提供する。【構成】溶接トーチ３の進行方向前方の直近に位置す
る開先にレーザ線状光を照射し、溶滴短絡移行状態にな
った時に、干渉フィルタ１５を備えた撮像装置１４の液
晶シャッタ１３を開放して光切断像を撮像すると共に、
液晶シャッタ１３を閉成してアーク光画像を撮像し、光
切断像及びアーク光画像に基づいて溶接倣いを行うよう
にしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、横向き姿勢や下向き姿
勢の継手開先を倣いながら溶接する倣い溶接方法及び装
置に係り、特にレーザ光及び光学系等を利用して溶接倣
いを自動で行う倣い溶接方法及び装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】高炉の炉体強度は鉄皮強度に依存してい
るため、高炉改修工事において、鉄皮溶接を高品質に行
うことが要望される。しかし、近年、熟練溶接工の確保
は難しく、且つ高炉鉄皮は厚板であるので、溶接品質を
均一化し、溶接能率を向上させるため、鉄皮溶接の自動
化が図られている。

【０００３】従来より、この種の自動化技術として、レ
ーザ光及び光学系等を利用して溶接倣いを自動で行う技
術が種々提案されており、例えば、特開昭６２−３３０
６４号公報（以下、「引用例１」という。）に開示され
ている「自動多層溶接装置」に関する発明と、特公平３
−１６２２６号公報（以下、「引用例２」という。）に
開示されている「溶接位置検出装置」に関する発明が挙
げられる。

【０００４】引用例１には、「溶融池、アーク及びその
前方を撮像する撮像器、この撮像器の前に設けられたフ
ィルタ群及び母材に対してスリット光を斜めに投光する
スリット光投光器からなるセンサ系と、投光したスリッ
ト光の形状を撮像・記憶して溶融池の形状特性を読取る
画像処理系と、この画像処理系に接続され、読み取った
開先形状特性値を演算する演算系と、前記開先形状特性
値とアーク、溶融池の特性値を比較して、倣い及び溶接
条件を制御する制御対象系とを具備する。」旨が開示さ
れている。

【０００５】即ち、引用例１は、電動フィルタをスリッ
ト光での開先形状情報取り込み時に演算器のタイミング
信号により同期して開閉させることにより、アーク・溶
融池からの強力な放射光を除去すると共に、実用スペー
ス及び制御の時間遅れの問題を回避し、且つ、アーク、
溶融池の状態、開先形状の検出によりリアルタイムの溶
接条件制御が可能にし得るものである。

【０００６】また、引用例２には、「アークを観測用光
学系で観測する一方で、アーク点近傍の開先面に線状集
光光線を照射させ、その反射光を上記観測用光学系でア
ーク観測と同時に観測するように光学系を配置すること
で、アーク画像と開先光切断画像を１つの観測用光学系
の２次元光位置検出器の視野内に直接入るようにし、上
記両画像が同時に検出される。」旨が開示されている。

【０００７】即ち、引用例２は、線状集光光線照射用及
び観測用のそれぞれの光学系を配置し、アーク画像と開
先光切断像を観測用光学系の視野に直接検出させること
により、溶接の倣い精度の向上と装置の小型化を図るも
のである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、引用例１及
び引用例２にあっては、アーク光をフィルタにより遮断
しているが、依然としてその影響を完全に取り除くこと
は困難であった。また、画像処理を行う際にも、溶接ス
パッタが画像内に散乱し、その影響を取り除くことが困
難であった。

【０００９】従って、アーク光及びスパッタの影響を回
避するために、レーザ照射部と溶接部とをある程度離す
必要があり、その反面、これらの間の距離が増大すると
開先の熱変形やワイヤ先端の曲がり等に対応し難くな
り、精密な倣い溶接を行うことができないという問題が
あった。

【００１０】本発明の目的は、上記課題に鑑み、開先の
熱変形やワイヤ先端の曲がり等に対応させるべくレーザ
照射部と溶接部とを近接させても、アーク光及びスパッ
タの影響を完全に回避することができ、極めて精密な溶
接倣いを行うことができる倣い溶接方法及びこれに使用
する倣い溶接装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく、
本発明に係る倣い溶接方法は、１パス１レア溶接中に、
溶接トーチの進行方向前方の直近に位置する開先にレー
ザ線状光を照射し、溶接電流を低下させて溶滴短絡移行
状態になった時に、撮像装置に備えられた液晶シャッタ
を開放して干渉フィルタを透して光切断像を撮像し、該
撮像装置の液晶シャッタを閉成して開先手前及び開先奥
でのアーク光画像を撮像し、上記光切断像を近似処理し
て開先特徴点座標を抽出すると共に、上記アーク光画像
の重心点に初期設定値を加えて溶接トーチのワイヤ先端
位置を算出し、これらに基づいて溶接トーチのワイヤ先
端位置を補正するようにしたものである。

【００１２】上記倣い溶接方法の構成において、好まし
くは、上記レーザ線状光が、溶接トーチの進行方向前方
３０〜１００ｍｍに位置する開先に照射されるものであ
る。

【００１３】また、好ましくは、上記溶滴短絡移行状態
の溶接電流が、開先手前位置で２００Ａ以下に設定され
るものである。

【００１４】さらに、好ましくは、上記干渉フィルタ
が、当該レーザ光の波長±２０ｎｍ以下に設定されるも
のである。

【００１５】そして、好ましくは、上記溶滴短絡移行状
態において、短絡移行の間に前記光切断像を複数回撮像
し、これらの光切断像を２値化後、論理積演算処理によ
り開先特徴点座標を抽出するようにしたものである。

【００１６】加えて、好ましくは、開先手前および開先
奥における溶接電流の平均値の比が所定値以上になった
場合にワイヤ先端位置が開先奥にあると判定し、これに
基づいて溶接トーチのワイヤ先端位置を補正するように
したものである。

【００１７】一方、本発明に係る倣い溶接装置は、継手
開先に沿って走行移動する溶接台車上に搭載された溶接
トーチと、この溶接トーチの進行方向前方３０〜１００
ｍｍに位置する開先に対して垂直にレーザ線状光を照射
するレーザ照射装置と、液晶シャッタを開放してレーザ
線状光の光切断像を撮像すると共に、液晶シャッタを閉
成してアーク光画像を撮像する撮像装置と、上記光切断
像から開先特徴点座標を近似処理により抽出すると共
に、上記アーク光の画像の重心点に初期設定値を加えて
ワイヤ先端位置を算出する画像処理装置と、この画像処
理装置の算出値に基づいて溶接トーチを制御し、ワイヤ
先端位置を補正する溶接機制御装置とを備えているもの
である。

【００１８】上記倣い溶接装置の構成において、好まし
くは、上記撮像装置に、当該レーザ光の波長±２０ｎｍ
以下の干渉フィルタが備えられているものである。

【００１９】また、好ましくは、上記撮像装置が、ＣＣ
Ｄカメラによって形成されているものである。

【００２０】さらに、好ましくは、上記画像処理装置
に、溶接電圧が設定しきい値より低下した時に、トリガ
パルスを送信して画像取り込みを指示する画像取り込み
制御装置が備えられているものである。

【００２１】

【作用】上記倣い溶接方法の構成によれば、レーザ線状
光を溶接トーチの進行方向前方の直近に位置する開先に
照射している。これは、溶接熱による開先の形状変形等
に対応させるべく、レーザ光照射部と溶接部とを近接さ
せるためである。このようにレーザ光照射部と溶接部と
を近接させても、溶接電流を低下させて溶滴短絡移行状
態とし、アーク光が低減した時に、レーザ光の相対強度
を上げる干渉フィルタを備えた撮像装置で光切断像を撮
像するので、アーク光の影響を完全に回避することがで
きる。その際、撮像装置に備えられた液晶フィルタは開
放されている。

【００２２】また、同一の撮像装置により、液晶フィル
タを閉成して、開先手前及び開先奥における溶接トーチ
のアーク光画像を撮像している。このようにアーク光画
像を撮像するときのみ液晶フィルタを閉成することによ
り、強烈なアーク光を点形状にして撮像することができ
る。

【００２３】このようにして撮像した光切断像から近似
処理、即ち、直線近似及び／又は曲線近似により開先特
徴点座標を抽出すると共に、アーク光画像の重心点に初
期設定値を加えてアーク点であるワイヤ先端位置を算出
し、この算出値を上記光切断像より求めた開先特徴点座
標と比較して、そのずれ分を補正値としてトーチ狙い位
置に加えれば、精密な溶接倣いを行うことができるもの
である。

【００２４】特に、上記レーザ線状光を、溶接トーチの
進行方向前方３０〜１００ｍｍに位置する開先に照射す
るようにすれば、開先の熱変形等に確実に対応すること
ができる。溶接進行方向前方３０〜１００ｍｍに設定し
たのは、３０ｍｍ未満であるとアーク光の影響が強過ぎ
るからであり、１００ｍｍを超えると溶接熱による開先
の形状変形等に対応し難くなるからである。

【００２５】また、上記溶滴短絡移行状態の溶接電流を
２００Ａ以下に設定するのは、強烈なアーク光の影響を
避けるために、溶滴短絡移行時にアーク光が低減するこ
とに着目したからである。そして、溶接電流を２００Ａ
以下に設定するのを開先手前位置としたのは、溶接品質
に比較的影響のない位置だからである。

【００２６】さらに、上記干渉フィルタを当該レーザ光
の波長±２０ｎｍ以下に設定するのは、半導体レーザの
波長は±２０程度の変動があるため、フィルタにも同様
の半値幅が必要だからである。

【００２７】そして、上記溶滴短絡移行状態において、
短絡移行の間に前記光切断像を撮像するのは、短絡移行
の際にはアークが瞬間的に切れるからである。また、短
絡移行の間に光切断像を複数回撮像し、これらの光切断
像を２値化後、論理積演算処理により開先特徴点座標を
抽出するのは、溶接中における光切断像はスパッタ等の
ノイズ画像成分を多く含んでいるため、複数面の２値化
画像間において論理積演算処理を行うことにより不特定
箇所に現れるこれらのノイズを除去するためである。

【００２８】さらに、開先手前および開先奥における溶
接電流の平均値の比が所定値以上になった場合に、ワイ
ヤ先端位置が開先奥にあると判定している。即ち、開先
手前から奥に移動する際の溶接電流の平均値を取り、記
録する。次に、開先奥での溶接電流の平均値を取り、記
録してある開先手前での平均値と開先奥での平均値とを
比較し、その比率がある設定値以内であればワイヤ先端
位置が開先奥にあると判定する。この判定に基づいて、
精密な溶接倣いが行われることになる。

【００２９】一方、上記倣い溶接装置の構成によれば、
溶接台車が走行移動すると、これに搭載された溶接トー
チが継手開先に沿って移動する。レーザ照射装置は、溶
接トーチの進行方向前方３０〜１００ｍｍに位置する開
先に対して垂直にレーザ線状光を照射する。次に、撮像
装置は、上記溶接トーチの斜め前方から、レーザ線状光
の光切断像及びアーク光画像を撮像するが、光切断像を
撮像するときには液晶シャッタを開放し、アーク光画像
を撮像するときには液晶シャッタを閉成する。

【００３０】さらに、画像処理装置は、撮像した光切断
像から近似処理、即ち、直線近似及び／又は曲線近似に
より開先特徴点座標を抽出すると共に、上記アーク光の
画像の重心点に初期設定値を加えてワイヤ先端位置を算
出し、この算出値を上記光切断像より抽出した開先特徴
点座標と比較して、そのずれ分を補正値としてトーチ狙
い位置に加える。そして、溶接機制御装置は、画像処理
装置の算出値に基づいて溶接トーチを制御し、ワイヤ先
端位置を補正するものである。

【００３１】特に、上記撮像装置には、当該レーザ光の
波長±２０ｎｍ以下の干渉フィルタが備えられている。
撮像装置は、干渉フィルタを透してレーザ線状光の光切
断像を撮像するので、レーザ光の相対強度が上がり、光
切断像を鮮明に撮像することができる。また、この撮像
装置には液晶シャッタが備えられているので、これを適
宜開閉することにより、同一の撮像装置で光切断像とア
ーク光画像を撮像することができるものである。

【００３２】さらに、上記撮像装置をＣＣＤカメラによ
って形成すれば、撮像管カメラに比して、小型かつ取扱
いが容易であり、焼き付け等の不具合を解消することが
できるものである。

【００３３】そして、画像取り込み制御装置は、溶接電
圧が設定しきい値より低下した時にトリガパルスを送信
して画像取り込みを指示するので、短絡移行時とトリガ
パルスとが同期するようにしきい値を設定すれば、アー
クが切れた瞬間に光切断像を撮像することができるもの
である。

【００３４】

【実施例】以下、本発明に係る倣い溶接方法及び装置の
好適実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。本実
施例の倣い溶接方法は、図１に示すような倣い溶接装置
を使用して行われる。図示するように、本実施例の倣い
溶接装置１の溶接台車２は、溶接トーチ３を支持しなが
ら走行レール４に沿って走行移動するように成ってい
る。

【００３５】上記走行レール４は、被溶接物（図示せ
ず）の横向き姿勢や下向き姿勢の継手開先と略平行に設
置される。従って、溶接台車２は、走行レール４の長手
方向に沿って略水平に走行移動することになる。この走
行レール４には直状走行レールと円弧状走行レールとを
使用することができ、曲面を有する被溶接物をも溶接対
象にすることができる。従って、円弧状走行レールを使
用すれば、本実施例の倣い溶接装置１を高炉鉄皮の周方
向継手の溶接に適用することができる。

【００３６】また、溶接台車２の下方には、溶接アーム
５に支持されて、溶接トーチ３が配置されている。溶接
アーム５は、溶接台車２に配置されている前後移動手段
６、上下移動手段７及び水平回動手段８を介して溶接台
車２と接続されている。

【００３７】前後移動手段６は溶接トーチ３を被溶接物
の板厚方向に移動させ、上下移動手段７は溶接トーチ３
を上下方向に移動させ、水平回動手段８は溶接トーチ３
を水平面内で回動させる手段であり、それぞれ溶接機制
御装置９に接続されている。

【００３８】よって、前後移動手段６、上下移動手段７
及び水平回動手段８は、溶接機制御装置９で演算した回
転速度・位置に従ってモータ駆動される歯車機構（図示
せず）により作動されるように成っている。特に、水平
回動手段８は、被溶接物の曲率軸と溶接トーチ３の軸と
が常に平行になるようにモータの回転速度・位置の制御
が行われる。

【００３９】即ち、前後移動手段６により溶接トーチ３
を前後に、上下移動手段７により溶接トーチ３を上下に
動作させることができ、さらに、これらを溶接機制御装
置９によって制御することにより、溶接トーチ３の狙い
を上下左右自由に決定することができる。

【００４０】また、水平回動手段８により、溶接トーチ
３を水平面内で回動することができる。従って、走行レ
ール４と被溶接物との曲率が違う場合には、水平回動手
段８を動作させることで、溶接トーチ３の向きを被溶接
物に対して常に一定方向に保つことができる。これによ
って、被溶接物の曲率に合わせて数種類の走行レール４
を準備する必要がなく、１種類の走行レール４で異なっ
た曲率を有する被溶接物の溶接が可能である。

【００４１】そして、溶接アーム５のトーチ取付部に
は、円弧状を呈する鉛直回動手段１０が設けられてい
る。この鉛直回動手段１０は溶接トーチ３を鉛直面内で
回動させる手段であり、溶接機制御装置９で演算した回
転速度・位置に従ってモータ駆動される歯車機構（図示
せず）により作動されるように成っている。この鉛直回
動手段１０により、溶接トーチ３が、溶接ワイヤ先端
（溶接アーク点）を中心に円弧を描いて回動するので、
溶接アークが振れることなく、鉛直面内で溶接トーチ３
の傾き角度を変化させることができる。

【００４２】また、溶接台車２には、図２に示すセンサ
ユニット１１が連結装備され、上記継手の開先形状や上
記溶接トーチ３のワイヤ先端位置を検出するように成っ
ている。図示するように、センサユニット１１内には、
継手開先に向けてレーザ線状光を照射するレーザ照射装
置１２と、液晶シャッタ１３を備えた撮像装置１４とが
収納されている。

【００４３】レーザ照射装置１２は、波長６８０±１０
ｎｍ、出力３５ｍＷの半導体レーザによって構成されて
おり、レーザ光を線状にするためのコリメートレンズ、
シリンドリカルレンズが使用されている。

【００４４】本実施例において、レーザ光の波長を６８
０ｎｍに設定したのは、次のような理由による。即ち、
アーク光のスペクトルは、Ｆｅやシールドガス（Ａｒ
等）の特性スペクトル強度分布に近く、６００〜７００
ｎｍ近辺の波長において強度が減少する。また、溶融池
放射光のスペクトルは、可視光から赤外光波長域にかけ
て波長が長くなるにしたがって強度が増加する。そこ
で、本実施例では、計測に用いるレーザ光の波長を、ア
ーク光や溶融池放射光の影響を受けにくい６８０ｎｍに
設定することとした。

【００４５】上記撮像装置１４は、液晶シャッタ１３を
開放してレーザ線状光の光切断像を撮像すると共に、液
晶シャッタ１３を閉成してアーク光画像を撮像するよう
に成っている。また、この撮像装置１４は、外部からの
トリガ信号に対して約１μＳの遅れ後、電子シャッタを
設定時間内において開くことが可能なＣＣＤカメラが採
用されている。即ち、電子シャッタは撮像する際に開閉
動作し、液晶シャッタ１３は撮像対象を選択する目的で
開閉される。

【００４６】この液晶シャッタ１３は、図３に示すよう
に、インプット端子１３ａから電気信号が入力されるこ
とにより、光軸上に位置する液晶部１３ｂが開閉動作
し、開放時には液晶部１３ｂの透過率が増加し、閉成時
には液晶部１３ｂの透過率が減少する装置であり、撮像
装置１４の撮像レンズ１４ａの手前に装着される。本実
施例では、例えば、ＶＳ２２００（日本光学株式会社
製）を採用する。

【００４７】また、撮像装置１４としてＣＣＤカメラを
採用したのは、ＣＣＤカメラは撮像管カメラに比べ、小
型かつ取扱いが容易であり、焼き付け等の不具合が無い
という利点があり、また、２次元ＣＣＤ素子を使用した
場合には、１次元のものに比して、機械式のレーザ光ス
キャンが不要であるため故障が少なく、２次元情報を扱
うため、形状認識等の画像処理を行うことが容易である
という利点があるからである。

【００４８】さらに、この撮像装置１４の撮像レンズ１
４ａ及び液晶シャッタ１３の手前には、レーザ光の波長
（６８０ｎｍ）±１０ｎｍの波長を有する干渉フィルタ
１５が備えられている。干渉フィルタ１５の波長をレー
ザ波長±１０ｎｍに設定したのは、レーザ光の相対強度
を上げるために干渉フィルタを使用しているが、当該半
導体レーザの波長には±１０ｎｍ程度の変動があるた
め、干渉フィルタ１５にも同様の半値幅が必要だからで
ある。

【００４９】そして、撮像装置１４は、撮像したレーザ
線状光の光切断像やアーク光画像を演算処理する画像処
理装置１６と接続されている。この画像処理装置１６
は、光切断像から開先特徴点座標を近似処理、即ち、直
線近似及び／又は曲線近似により抽出すると共に、アー
ク光画像の重心点に初期設定値を加えてワイヤ先端位置
を算出する演算手段である。また、画像処理装置１６
は、溶接電圧が設定しきい値より低下するか否かを監視
して画像取り込み位置を制御する画像取り込み制御装置
１７と接続されている。

【００５０】さらに、画像処理装置１６及び画像取り込
み制御装置１７は、画像処理装置１６の算出値に基づい
て溶接トーチ３を制御し、ワイヤ先端位置を補正する溶
接機制御手段９とそれぞれ接続されている。

【００５１】また、上記レーザ照射装置１２は、上記溶
接トーチ３の進行方向前方３０〜１００ｍｍに位置する
開先に対して垂直にレーザ線状光を照射するように、セ
ンサユニット１１内で位置設定されている。さらに、撮
像装置１４は、光切断像及びアーク光画像を溶接トーチ
３の斜め前方からそれぞれ撮像するように、センサユニ
ット１１内で位置設定されている。

【００５２】次に、上記倣い溶接装置１の作用を、これ
を使用して行う本実施例の倣い溶接方法とともに説明す
る。高炉鉄皮の開先を溶接する際に、１パス・１レア・
トーチ角度変化の横向き溶接法を用いて溶接を行う。こ
の際、倣い溶接装置１は、溶接台車２を走行レール４に
沿って走行移動させ、溶接機制御装置９で前後移動手段
６、上下移動手段７、水平回動手段８及び鉛直回動手段
１０を４軸制御して溶接トーチ３をウィービング動作さ
せることにより、自動倣い溶接を行うものである。

【００５３】本実施例の倣い溶接方法は、まず、上記セ
ンサユニット１１内に収納されたレーザ照射装置１２か
ら溶接トーチ３の進行方向前方の直近に位置する開先に
レーザ線状光を照射する。

【００５４】具体的には、レーザ照射装置１２は、溶接
トーチ３の溶接点から溶接進行方向前方に３０〜１００
ｍｍ程度離れた位置の開先に対して垂直にレーザ線状光
を照射する。レーザ線状光の照射位置を溶接トーチ３の
進行方向前方３０〜１００ｍｍに設定したのは、３０ｍ
ｍ未満であるとアーク光の影響が強過ぎるからであり、
１００ｍｍを超えると高炉鉄皮のような極厚板長尺の開
先では溶接熱による形状変形等に対応し難くなるからで
ある。

【００５５】次に、溶接電流を低下させて溶接トーチ３
から繰り出される溶接ワイヤを溶滴短絡移行状態にす
る。具体的には、開先手前位置で溶接電流を２００Ａ以
下に下げて、溶接ワイヤを溶滴短絡移行状態にする。溶
接電流を２００Ａ以下に設定するのは、強烈なアーク光
の影響を避けるために、溶滴短絡移行時にアーク光が低
減することに着目したからである。

【００５６】即ち、本実施例で採用するマグ溶接の場
合、溶接電流が２００Ａを超えると溶接ワイヤの溶滴が
スプレー移行状態となり、アーク光が低減しない。その
ため、図４に示すように、ウィービング軌跡Ｗが開先手
前部Ａ〜Ｂの位置（Ａは溶接電流低下開始点、Ｂは溶接
電流低下終了点）で溶接電流を２００Ａ以下に落とすこ
とにより、計測を可能としている。開先手前部Ａ〜Ｂの
位置で溶接電流を低下させるのは、溶接品質に比較的影
響の無い部位だからである。

【００５７】溶滴短絡移行状態になることによって、
Ａ’の位置近辺でアーク光が低減する瞬間、すなわち画
像取り込み制御装置１７で溶接電圧を監視し、設定しき
い値より低下した瞬間に、撮像装置１４の液晶シャッタ
１３及び電子シャッタを開放して干渉フィルタ１５を透
してレーザ線状光の光切断像を撮像する。液晶シャッタ
１３の開放時には、光軸上に位置する液晶部１３ｂの透
過率が増加しているので、容易に光切断像を撮像するこ
とができる。また、干渉フィルタ１５の波長は、強烈な
アーク光の影響を避けるべく、レーザ光の波長（６８０
ｎｍ）±１０ｎｍ以下に設定されており、撮像装置１４
で撮像した光切断像は画像処理装置１６に入力される。

【００５８】即ち、図５に示すように、開先手前電圧設
定値をＶａ、しきい値を０．６Ｖａとすると、溶接電圧
Ｖ≦０．６Ｖａとなる信号の立ち下がりに同期してトリ
ガパルスＴＰ（１ｍｓ以上負論理）を出力する。このト
リガパルスＴＰに対して約１μＳの遅れ後、撮像装置１
４の電子シャッタが設定時間内において開くことにな
る。これに同期して、液晶シャッタ１３も開放し、液晶
部１３ｂの透過率が増加することになる。

【００５９】さらに詳述すると、図６に示すように、短
絡期間は溶接電流を低下させる開先手前部においてであ
るが、撮像装置１４が溶接方向に対して停止している期
間を撮像取り込み可（イネーブル）とする。

【００６０】そして、図７に示すように、画像取り込み
制御装置（外部トリガコントローラ）１７で溶接電源１
８の溶接電圧Ｖを監視し、溶接電圧Ｖがしきい値０．６
Ｖａまで低下したら、その立ち下がりに同期してトリガ
パルスＴＰを発生する。

【００６１】トリガパルスＴＰはカメラコントローラ１
９のＲ．Ｒ．入力（リセット・リスタート）に入り、電
子ランダムシャッタを切ると同時にホストコンピュータ
２０において割り込みを発生し、それがイネーブル期間
ならば画像処理装置１６に画像取り込みを指令するもの
である。尚、溶接電源１８は、溶接機制御装置（ロボッ
トコントローラ）９を介して、ホストコンピュータ２０
と接続されている。

【００６２】干渉フィルタ１５、液晶シャッタ１３及び
電子シャッタによる撮像のみでは画像計測には不十分で
あるため、画像処理による画質改善を行う。即ち、溶滴
短絡移行状態において、短絡移行の間に撮像装置１４に
より光切断像を２回撮像する。光切断像を２回撮像する
のは、溶接中におけるレーザ線状光の光切断像は、画像
内にスパッタ等のノイズ画像成分を多く含んでいるた
め、複数面の２値化処理（白黒・濃淡処理）した画像間
において論理積演算処理を行うことにより不特定箇所に
現れるこれらのノイズを除去するためである。

【００６３】具体的には、図４において、Ａ’の位置で
撮像した光切断像（図８（ａ）に示す。）を画像メモリ
に記録しておき、Ａ’の次に短絡した瞬間Ａ''の光切断
像（図８（ｂ）に示す。）を取り込み、記録した画像と
共に２値化処理及び平滑化処理を行った後、２つの画像
間で画素毎の論理積（ＡＮＤ）処理を行い、ノイズ画像
を除去する（図８（ｃ）に示す。）。必要であれば、そ
の次の画像とも同様の論理積演算を行う。

【００６４】次に、ＡＮＤ処理画像に対して、孤立点・
端点除去を行う。即ち、２値化画像に対して３×３平滑
化フィルタ処理（平滑化オペレータ）を施した後、２回
目の２値化処理を行う。平滑化後の２値化画像に対して
Ｘ方向微分処理（差分オペレータ）を行い線画像変換を
行う。そして、直線近似法を用いて図８（ｄ）に示す開
先内特徴点（初層）を抽出し、これを３次元座標変換す
ることにより、所望の座標値を得る。第２層目以降につ
いては、図８（ｅ）に示すように直線部の延長線上にあ
る点を特徴点として抽出する。

【００６５】具体的には、開先特徴点を検出するため
に、分割・合成法（始点・終点近似）および追跡法（コ
ーン交差法）と呼ばれる直線近似法及び／又は曲線近似
法を用いて算出する。尚、この近似処理の詳しい内容
は、大沢裕ほか著作の「図面の認識と理解」（株）昭晃
堂に記述されている。

【００６６】即ち、図９に示す特徴点抽出フローに基づ
いて、開先特徴点の抽出を行う。図示するように、ま
ず、ステップ（ＳＴ）１でサーチウインドウを設定し、
ウインドウ内始点・終点を検出する（ＳＴ２）。

【００６７】具体的には、図１０に示すように、追跡法
によってＰ１，Ｐ２，Ｐ２’を検出する場合、Ｐｓ（始
点）、Ｐｅ（終点）を決定し、図１１に示すサーチウイ
ンドウによって画素を追跡する。即ち、Ｐｓからは図１
１（ａ）に示す下向きサーチウインドウを使用し、Ｐｅ
からは図１１（ｂ）に示す上向きサーチウインドウを使
用する。

【００６８】そして、画素Ｃから見た近傍における画素
連結状態を調べ、最も優先度の高いものを次の追跡画素
とする。下向き優先順位はＰＤ＞ＰＲＤ＞ＰＬＤ＞ＰＲ
＞ＰＬであり、上向き優先順位はＰＵ＞ＰＲＵ＞ＰＬＵ
＞ＰＲ＞ＰＬである。

【００６９】また、連結が途切れた場合は、図１２に示
すように、サーチウインドウをシフトする。即ち、ウイ
ンドウ中心画素ＣをＣ１，Ｃ２，Ｃ３の位置にシフト
し、そこを新たに中心Ｃとしたウインドウを生成する。
この場合の優先順位は、Ｃ１＞Ｃ２＞Ｃ３である。シフ
トしても連結が見つからない場合は、元の中心画素を特
異点とする。

【００７０】サーチウインドウで画素を検出した後、そ
れが直線に当てはまるか否かを調べるが、最初にＰｓよ
り下向きに画素を追跡し、次のようにＰ１を求める（Ｓ
Ｔ３）。まず、ステップ３は、図１３に示すように、
始点画素Ｐｓと次に追跡する画素Ｑ１を選択する。この
場合、Ｑ１は次に連結している画素とは限らない。ま
た、中心がＱ１で半径ｒの円に対してＰｓより２本の接
線を引き、その囲まれた領域をＳ１とする。尚、Ｑ１は
半径ｒの値によって決定し、線分ＰｓＱ１＞ｒである。
そして、Ｑ１をＱｉ、Ｓ１をＳｉとし、次のステップ３
へ進む。

【００７１】ステップ３は、Ｑｉの次に連結する画素
Ｑｉ＋１をサーチウインドウで検索し、これが領域Ｓｉ
の中にあればステップ３へ進む。一方、Ｑｉ＋１が存
在しないか、或いは領域Ｓｉの中に無ければ、Ｑｉを特
徴点Ｐ１とする。

【００７２】ステップ３は、中心Ｑｉ＋１で半径ｒの
円に対してＰｓより２本の接線を引く。そして、これら
に囲まれた領域をＳｉ＋１とし、ＳｉとＳｉ＋１の共通
領域をＳｉ、Ｑｉ＋１をＱｉとしてステップ３に戻
る。

【００７３】同様に、Ｐｅより上向きに画素を追跡し、
Ｐ２を求める（ＳＴ４）。この処理は、上記ステップ３
〜と同様のステップを繰り返す。但し、サーチウイ
ンドウは、上向きのものを使用する。

【００７４】次に、図１４に示すように、Ｐ０の検出を
行うが、開先奥部分は線画像が途切れる場合が多く追跡
法が使えないため、分割・合成法（始点・終点近似法）
を用いる。追跡法で求めたＰ１，Ｐ２を始点・終点とし
た線分に対するユークリッド距離が最大となる画素を求
め、これをＰ０とする（ＳＴ５，ＳＴ６）。即ち、Ｐ
１，Ｐ２の座標を各々（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ２，Ｙ２）
とすると、画素Ｐｊ（Ｘｊ，Ｙｊ）からの線分Ｐ１Ｐ２
への距離Ｅｊは、次式で表される。

【数１】

【００７５】また、図１５に示すように、Ｘ方向はＷＸ
１からＷＸ２まで、Ｙ方向はＹ１からＹ２までの距離計
算を行う。そして、ノイズ等の影響を避けるため、画素
検出を順方向と逆方向から行い、座標が一致したものだ
けを有効とする。この場合、Ｘ方向微分により、１画素
／１ＬＩＮＥとなっている。

【００７６】次に、初回溶接であれば（ＳＴ７）、半径
ｒを大きめに設定し、Ｐｅを始点として追跡法によりＰ
２’を検出する（ＳＴ８）。点Ｐｓ（Ｘｓ，Ｙｓ）から
点Ｐｉ（Ｘｉ，Ｙｉ）を中心とする半径ｒの円への接線
の式は以下の通りである。

【数２】また、点（ａ，ｂ）が上記接線の式で囲まれた領域の中
にあるためには、以下の式が成立する。

【数３】

【００７７】次に、図１６に示すように、Ｐ０’の検出
を行う。即ち、変形追跡法により、線分Ｐ１Ｐ２とＰ
２’Ｐ０に対する近似直線（Ｐ１，Ｐ２’を通る）を求
め、その交点をＰ０’とする（ＳＴ９，ＳＴ１０）。即
ち、Ｐ１を始点とし、Ｐ０まで画素を検出し（分割・合
成法と同様に順方向・逆方向で行い、サーチウインドウ
は使用しない。）、次のように直線上に当てはまるか否
かを調べる。

【００７８】まず、ステップ９は、Ｐ０を中心とした
半径ｒ０の円を描き、Ｐ１からこの円に対して２本の接
線を引く。そして、Ｐ１の次の画素Ｑ１が接線で囲まれ
た領域Ｓ０の中に入っているか否かを調べる。これをＱ
１が検出されるまで繰り返す。ただし、線分Ｐ０Ｑ１＞
ｒであり、ステップ９で使用する。

【００７９】ステップ９は、中心がＱ１で半径ｒの円
にＰ１より２本の接線を引き、その囲まれた領域をＳ１
とする。そして、Ｑ１をＱｉ、Ｓ１をＳｉとし、次のス
テップ９へ進む。

【００８０】ステップ９は、Ｑｉの次の画素Ｑｉ＋１
を探し、これが領域Ｓｉの中にあればステップ９へ進
む。一方、領域Ｓｉの中に入っていなければ、このステ
ップ９を繰り返す。そして、Ｙ方向がＹ０（Ｐ０のＹ
座標）となったら、後述するステップ９へ進む。

【００８１】ステップ９は、Ｑｉ＋１を中心として半
径ｒの円を描き、Ｐｓよりこの円へ２本の接線を引く。
これらに囲まれた領域をＳｉ＋１とし、ＳｉとＳｉ＋１
の共通領域をＳｉ、Ｑｉ＋１をＱｉとして、ステップ９
に戻る。

【００８２】ステップ９は、線分Ｐ１Ｑｉの直線式を
求める。同様に、Ｐ２を始点とし、線分Ｐ２Ｑｉ’の直
線式を求め、線分Ｐ１Ｑｉと線分Ｐ２Ｑｉ’の交点をＰ
０’とする（ＳＴ１０）。

【００８３】そして、座標データを送信した後（ＳＴ１
１）、ステップ２に戻る。また、上記ステップ７におい
て、初回溶接でない場合は、直ちに座標データが送信さ
れる（ＳＴ１１）。

【００８４】また、撮像装置１４は、液晶シャッタ１３
を閉成して、開先手前・奥でのアーク光画像を撮像す
る。液晶シャッタ１３を閉成時には、光軸上に位置する
液晶部１３ｂの透過率が減少するので、アーク光輝度を
減少させ、強烈なアーク光を点状画像となるように撮像
することができる。具体的には、図４に示したように、
ウィービング軌跡が開先手前部Ｂ’および開先奥部Ｃの
位置にあるときに、液晶シャッタ１３を閉成して、電子
シャッタを開くことにより、撮像装置１４がアーク光画
像を撮像し、これを画像処理装置１６に取り込む。

【００８５】画像処理装置１７は、撮像装置１４で撮像
した点形状のアーク光画像を２値化処理した後、これの
重心点を検出する。この重心点にある初期設定値を加え
ることにより、アーク点であるワイヤ先端位置を算出
し、これを３次元座標変換することにより、所望の座標
値を得る。

【００８６】ここで、アーク光画像に加える初期設定値
について説明する。図１７（ａ）に示すように、溶接開
始点における開先手前・奥に接触するワイヤ先端のカメ
ラ画像上の座標を各々（Ｘａ，Ｙａ）、（Ｘｂ，Ｙｂ）
とし、また図１７（ｂ）に示すように、溶接開始直後の
開先手前・奥におけるアーク光画像の重心点を各々（Ｘ
ａ’，Ｙａ’）、（Ｘｂ’，Ｙｂ’）とすると、初期設
定値は以下のようになる。

【００８７】即ち、開先手前初期設定値は、ＤＸａ＝Ｘ
ａ−Ｘａ’、ＤＹａ＝Ｙａ−Ｙａ’となる。一方、開先
奥初期設定値は、ＤＸｂ＝Ｘｂ−Ｘｂ’、ＤＹｂ＝Ｙｂ
−Ｙｂ’となる。

【００８８】このとき、図１８に示すように、アーク光
画像の最大径が５０画素程度になるように画像調整を行
うため、これらの上下限は次の数式の通りとする。

【数４】このように溶接中（１回目ウィービング）において初期
設定値を算出し、２回目ウィービング以降に加えてゆ
き、所望の座標値を得る。

【００８９】そして、この算出座標値を光切断像より求
めた開先特徴点座標と比較して、そのずれ分を補正値と
してトーチ狙い位置に加え、その結果に基づいて、溶接
機制御装置９が溶接トーチ３のワイヤ先端位置を補正す
る。

【００９０】具体的には、溶接機制御装置９は、算出し
た開先特徴点座標を基に開先手前・奥におけるトーチ狙
い位置や揺動幅をオンラインで変更する。このとき、図
８（ｄ）に示したように、ワイヤ先端位置座標と開先手
前Ｐ２点又は開先奥Ｐ０点とをそれぞれ比較し、ずれが
ある場合はその差を補正値として溶接トーチ３の制御を
行う。さらに、積層厚の変化分を次層溶接に反映させる
ため、ウィービングピッチを変更する。

【００９１】また、開先手前および開先奥における溶接
電流の平均値の比が所定値以上になった場合に、ワイヤ
先端位置が開先奥にあると判定する。具体的には、開先
手前から開先奥に移動する際の溶接電流の平均値を取
り、記録する。

【００９２】次に、開先奥での溶接電流の平均値を取
り、記録している開先手前での平均値と開先奥での平均
値を比較し、その比率がある設定値以内であればワイヤ
先端位置が開先奥にあると判定する。

【００９３】具体的には、図１９に示す開先手前Ａ〜
Ａ’位置の溶接電流の平均値Ｉａは、次のような数式で
表される。

【数５】また、図１９に示す開先奥Ｂ〜Ｂ’位置の溶接電流の平
均値Ｉｂは、次のような数式で表される。

【数６】これら実績値（平均値）の比であるＫ（Ｋ＝Ｉｂ／Ｉ
ａ）が設定値ｋ（ｋ＝ｉｂ／ｉａ、ｉａ：開先手前電流
設定値、ｉｂ：開先奥電流設定値）の０．９倍以上のと
きに、ワイヤ先端位置が開先奥にあると判定する。

【００９４】ワイヤ先端位置を判定した場合、溶接トー
チのワイヤ先端位置を次のように補正する。即ち、ワイ
ヤ先端位置が開先奥でないと判定した場合、アーク画像
重心からワイヤ先端座標点を算出するための初期設定値
に予め設定しておいた補正値を加え、これを次からのワ
イヤ先端位置の算出に使用することにより、極めて精密
な倣い溶接を行うことができるものである。

【００９５】以上のように本実施例は、１台の撮像装置
１４の液晶シャッタ１３を開閉することにより、同一視
野内における光切断像とアーク光画像とを時間差を持た
せて撮像することが可能であり、光切断像からの開先特
徴点座標の抽出及びアーク光画像からのワイヤ先端位置
の算出により、溶接熱による開先の形状変形やワイヤ先
端の曲がり等に対応させることができ、極めて精密な溶
接倣いを行うことができるものである。

【００９６】本実施例の比較例としては、前述した引用
例２が挙げられる。しかし、この引用例２は、構造が複
雑で光軸合わせ等が困難であり、適用できる開先形状も
限定される。また強烈なアーク光の影響を回避するため
に、レーザ線状光を溶接点からかなり離さなければなら
ず、さらに、ワイヤ先端位置の正確な検出が困難である
ため、開先の熱変形またはワイヤ曲がり等には対処し得
ないものである。

【００９７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明に係る倣い溶
接方法及び装置によれば、溶接熱による開先の形状変形
やワイヤ先端の曲がり等に対応させるべくレーザ照射部
と溶接部とを近接させても、アーク光及びスパッタの影
響を完全に回避することができ、極めて精密な溶接倣い
を行うことができるという優れた効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例の倣い溶接装置の全体構造を示す概略
図である。

【図２】本実施例の倣い溶接装置におけるセンサユニッ
トの内部構造を示す平面図である。

【図３】本実施例の倣い溶接装置における液晶シャッタ
を示す概略図である。

【図４】本実施例の倣い溶接方法において、ウィービン
グ状況及び溶接電流低下位置を示す概略図である。

【図５】本実施例の倣い溶接方法において、溶接電圧と
設定しきい値との関係を示す説明図である。

【図６】本実施例の倣い溶接方法において、ウィービン
グでの電子シャッタ作動期間を示す説明図である。

【図７】本実施例の倣い溶接方法において、トリガパル
スによる電子シャッタ作動の装置ブロックを示す概略図
である。

【図８】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特徴
点の抽出状況を示し、（ａ）はＡ’における光切断像の
説明図、（ｂ）はＡ''における光切断像の説明図、
（ｃ）は論理積演算後の画像の説明図、（ｄ）は初層特
徴点の説明図、（ｅ）は２層目以降の特徴点の説明図で
ある。

【図９】本実施例の倣い溶接方法において、開先特徴点
の抽出フローを示す説明図である。

【図１０】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特
徴点の抽出概念を示す説明図である。

【図１１】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特
徴点の抽出に使用するサーチウインドウを示し、（ａ）
は上向きサーチウインドウの説明図、（ｂ）は下向きサ
ーチウインドウの説明図である。

【図１２】本実施例の倣い溶接方法において、開先内特
徴点の抽出に使用するサーチウインドウのシフト状況を
示す説明図である。

【図１３】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、追跡法によるＰ１の検出状況を示す説明図であ
る。

【図１４】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、分割・合成法によるＰ０の検出状況を示す説明図
である。

【図１５】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、距離計算によるＰ０の検出状況を示す説明図であ
る。

【図１６】本実施例に採用する開先内特徴点の抽出にお
いて、変形追跡法によるＰ０’の検出状況を示す説明図
である。

【図１７】本実施例に採用するワイヤ先端位置の検出に
おいて、初期設定値の算出状況を示し、（ａ）は溶接前
ワイヤ先端位置の説明図、（ｂ）は溶接中アーク光画像
重心の説明図である。

【図１８】本実施例に採用するワイヤ先端位置の検出に
おいて、アーク光の最大径と画素との関係を示す説明図
である。

【図１９】本実施例に採用するワイヤ先端位置の検出に
おいて、開先奥と判定する溶接電流・電圧の平均値及び
標準偏差の範囲を説明するための図である。

【符号の説明】

１倣い溶接装置２溶接台車３溶接トーチ４走行レール５溶接アーム６前後移動手段７上下移動手段８水平回動手段９溶接機制御装置（ロボットコントローラ）１０鉛直回動手段１１センサユニット１２レーザ照射装置１３液晶シャッタ１３ａ入力端子１３ｂ液晶部１４撮像装置１４ａ撮像レンズ１５干渉フィルタ１６画像処理装置１７画像取り込み制御装置（外部トリガコン
トローラ）１８溶接電源１９カメラコントローラ２０ホストコンピュータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１パス１レア溶接中に、溶接トーチの進
行方向前方の直近に位置する開先にレーザ線状光を照射
し、溶接電流を低下させて溶滴短絡移行状態になった時に、
撮像装置に備えられた液晶シャッタを開放して干渉フィ
ルタを透して光切断像を撮像し、該撮像装置の液晶シャッタを閉成して開先手前及び開先
奥でのアーク光画像を撮像し、上記光切断像を近似処理して開先特徴点座標を抽出する
と共に、上記アーク光画像の重心点に初期設定値を加え
て溶接トーチのワイヤ先端位置を算出し、これらに基づいて溶接トーチのワイヤ先端位置を補正す
るようにしたことを特徴とする倣い溶接方法。
【請求項２】前記レーザ線状光が、溶接トーチの進行
方向前方３０〜１００ｍｍに位置する開先に照射される
請求項１に記載の倣い溶接方法。
【請求項３】前記溶滴短絡移行状態の溶接電流が、開
先手前位置で２００Ａ以下に設定される請求項１または
請求項２に記載の倣い溶接方法。
【請求項４】前記干渉フィルタが、当該レーザ光の波
長±２０ｎｍ以下に設定される請求項１乃至請求項３の
いずれかに記載の倣い溶接方法。
【請求項５】前記溶滴短絡移行状態において、短絡移
行の間に前記光切断像を複数回撮像し、これらの光切断
像を２値化後、論理積演算処理により開先特徴点座標を
抽出するようにした請求項１乃至請求項４のいずれかに
記載の倣い溶接方法。
【請求項６】開先手前および開先奥における溶接電流
の平均値の比が所定値以上になった場合にワイヤ先端位
置が開先奥にあると判定し、これに基づいて溶接トーチ
のワイヤ先端位置を補正するようにした請求項１乃至請
求項５のいずれかに記載の倣い溶接方法。
【請求項７】継手開先に沿って走行移動する溶接台車
上に搭載された溶接トーチと、該溶接トーチの進行方向前方３０〜１００ｍｍに位置す
る開先に対して垂直にレーザ線状光を照射するレーザ照
射装置と、液晶シャッタを開放してレーザ線状光の光切断像を撮像
すると共に、液晶シャッタを閉成してアーク光画像を撮
像する撮像装置と、上記光切断像から開先特徴点座標を近似処理により抽出
すると共に、上記アーク光の画像の重心点に初期設定値
を加えてワイヤ先端位置を算出する画像処理装置と、該画像処理装置の算出値に基づいて溶接トーチを制御
し、ワイヤ先端位置を補正する溶接機制御装置とを備え
ていることを特徴とする倣い溶接装置。
【請求項８】前記撮像装置に、当該レーザ光の波長±
２０ｎｍ以下の干渉フィルタが備えられている請求項７
に記載の倣い溶接装置。
【請求項９】前記撮像装置が、ＣＣＤカメラによって
形成されている請求項７または請求項８に記載の倣い溶
接装置。
【請求項１０】前記画像処理装置に、溶接電圧が設定
しきい値より低下した時に、トリガパルスを送信して画
像取り込みを指示する画像取り込み制御装置が備えられ
ている請求項７乃至請求項９のいずれかに記載の倣い溶
接装置。