(57)【要約】【課題】開先溝の明瞭な画像の取り込みを可能とした自動溶接装置を提供することを目的とする。【解決手段】開先溝上方に配置された画像検出カメラと、この画像検出カメラの近傍に設けられた照明装置であって、開先溝への照射光による反射光は画像検出カメラへ入射させずに画像検出カメラにて暗黒色に撮像される如くし、平坦面への照射光による反射光は画像検出カメラへ入射させることにより、画像検出カメラにて高明度に撮像される如く照明装置を配置することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開先溝とこの開先溝から延在する平坦面を有する被溶接部材を撮像し、この撮像結果により溶接トーチの位置を制御して自動溶接する自動溶接装置において、開先溝上方に配置された画像検出カメラと、この画像検出カメラの近傍に設けられた照明装置であって、前記開先溝への照射光による反射光は前記画像検出カメラへ入射させずに前記画像検出カメラにて暗黒色に撮像される如くし、前記平坦面への照射光による反射光は前記画像検出カメラへ入射させることにより、前記画像検出カメラにて高明度に撮像される如く前記照明装置を配置することを特徴とする自動溶接装置。
【請求項２】
前記照明装置は、複数の青色ＬＥＤ素子が直線状に配置されていることを特徴とする請求項１記載の自動溶接装置。
【請求項３】
前記照明装置は、前記画像検出カメラの前後に配置された平行な一対の照明装置からなり、各々の照明装置は、前記開先溝に直交する如く前記開先溝並びに前記平坦部上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の自動溶接装置。
【請求項４】
前記照明装置は、前記画像検出カメラの側方に配置された平行な一対の照明装置からなり、各々の照明装置は、前記開先溝に平行に前記平坦部上に配置されていることを特徴とする請求項１又は２記載の自動溶接装置。
【請求項５】
前記照明装置は、前記平坦面から同一角度傾斜して配置されていることを特徴とする請求項４記載の自動溶接装置。
【請求項６】
走行車輪を備え、開先溝の上方を走行する溶接台車と、この溶接台車に設けられた前記車輪を走行駆動する車輪走行駆動部と、前記溶接台車に設けられた溶接トーチと、前記溶接台車に設けられ前記溶接トーチの位置を補正制御する溶接トーチ補正制御部と、前記溶接台車に設けられ、前記開先溝に対向する位置に開口部が形成され、前記溶接台車の走行方向に直交する如く前記開口部を挟んで平行に配置された第１照明部並びに第２照明部を有し、前記第１並びに第２照明部は、それぞれ複数の青色ＬＥＤが直線状に配置されており、前記溶接台車上であって、前記開口部に対向する位置に設けられた画像検出カメラとを具備することを特徴とする自動溶接装置。
【請求項７】
前記画像検出カメラは、前記開口部に対向する位置に設けられ、前記第１並びに第２照明部からの照射光に基づく反射光を直角に屈折させる光屈折部と、この光屈折部に連結されたＣＣＤ撮像部とから構成されていることを特徴とする請求項６記載の自動溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接対象の開先形状を検出して溶接トーチの位置を制御する自動溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
各種プラントにおける例えば配管は、口径が１０ｍｍ程度から２０００ｍｍを超えるものまであり、板厚や材質も多種多様である。これらの配管の溶接施工には、高品質な溶接技術と狭い作業環境でも可能な施工方法が必要である。
【０００３】
そこで、自動溶接装置が用いられているが、溶接トーチを開先の所定の位置に的確に配置して溶接施工することが重要である。このため、溶接施工中において開先形状の変化に追随して溶接トーチの位置を補正制御する方法として、開先センサーにて開先形状を検出し溶接トーチを制御する方法が知られている（特許文献１を参照）。
【０００４】
この特許文献１には、溶接対象の開先形状を検出するために、溶接トーチによる溶接部より上手位置に画像センサーを配置し、検出位置を照明手段で照射して検出する構成である。この際、溶接部のアーク光が画像センサーでの検知作動に影響を与えないように、溶接部をとり囲む如く配置された遮光フィルタを介して画像を画像センサーへ取り込まなければならない。このため、溶接開先形状の明瞭な画像を取り込むことが困難で、画像センサーから得られる開先の形状・位置情報を溶接トーチの位置情報として的確にフィードバックすることが困難であった。
【特許文献１】特開２００５−２３０８６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
自動溶接装置の開先センサーの内、ＣＣＤカメラなど半導体素子を使用した画像センサー方式においては、溶接時に発生するアーク光を直接ＣＣＤカメラで検出するとＣＣＤカメラの半導体素子がアーク光により損傷を受け、画像検出ができなくなる。このため、アーク光をフィルタなどの遮光装置にて弱めてからＣＣＤカメラに取り込む方式が採用されているが、この方式では、アーク光以外の通常の反射光もフィルタによって取り除かれるため、開先形状の明瞭な画像が得られない問題点があった。
【０００６】
本発明は、画像検出カメラを損傷させることなく、開先溝の明瞭な画像の取り込みを可能とした自動溶接装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の請求項１に係る自動溶接装置は、開先溝とこの開先溝から延在する平坦面を有する被溶接部材を撮像し、この撮像結果により溶接トーチの位置を制御して自動溶接する自動溶接装置において、開先溝上方に配置された画像検出カメラと、この画像検出カメラの近傍に設けられた照明装置であって、前記開先溝への照射光による反射光は前記画像検出カメラへ入射させずに前記画像検出カメラにて暗黒色に撮像される如くし、前記平坦面への照射光による反射光は前記画像検出カメラへ入射させることにより、前記画像検出カメラにて高明度に撮像される如く前記照明装置を配置することを特徴とする。
【０００８】
本発明の請求項２に係る自動溶接装置は、前記照明装置は、複数の青色ＬＥＤ素子が直線状に配置されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項３に係る自動溶接装置は、前記照明装置が、前記画像検出カメラの前後に配置された平行な一対の照明装置からなり、各々の照明装置は、前記開先溝に直交する如く前記開先溝並びに前記平坦部上に配置されていることを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項４に係る自動溶接装置は、前記照明装置が、前記画像検出カメラの側方に配置された平行な一対の照明装置からなり、各々の照明装置は、前記開先溝に平行に前記平坦部上に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項５に係る自動溶接装置は、前記照明装置が、前記平坦面から同一角度傾斜して配置されていることを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項６に係る自動溶接装置は、走行車輪を備え、開先溝の上方を走行する溶接台車と、この溶接台車に設けられた前記車輪を走行駆動する車輪走行駆動部と、前記溶接台車に設けられた溶接トーチと、前記溶接台車に設けられ前記溶接トーチの位置を補正制御する溶接トーチ補正制御部と、前記溶接台車に設けられ、前記開先溝に対向する位置に開口部が形成され、前記溶接台車の走行方向に直交する如く前記開口部を挟んで平行に配置された第１照明部並びに第２照明部を有し、前記第１並びに第２照明部は、それぞれ複数の青色ＬＥＤが直線状に配置されており、前記溶接台車上であって、前記開口部に対向する位置に設けられた画像検出カメラとを具備することを特徴とする。
【００１３】
本発明の請求項７に係る自動溶接装置は、前記画像検出カメラが、前記開口部に対向する位置に設けられ、前記第１並びに第２照明部からの照射光に基づく反射光を直角に屈折させる光屈折部と、この光屈折部に連結されたＣＣＤ撮像部とから構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
被溶接材の開先溝とこの開先溝から延在する平坦面の画像を撮像し、開先溝と平坦面間のエッジ部を明瞭に識別することを可能とした結果、開先溝のずれに応じて溶接トーチを正確に位置補正できるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明に係る実施形態を図を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態の構成を模式的に示した図である。溶接トーチ１１により金属を溶融し、肉盛される開先溝１２は、平面部１３ａ、１３ｂを有する被溶接材１４ａ、１４ｂにてＶ字型の溝形状をなしている。また、開先溝１２の溝部は、機械加工（ディスクグラインダによる加工も含む）により滑らかな金属光沢を有する。
【００１６】
開先溝１２の上方には、溶接トーチ１１から距離Ｌ離間した位置に画像検出カメラ１５が配置されている。画像検出カメラ１５は、撮像素子としてＣＣＤ素子を備えており、また、溶接トーチ１１とは一点鎖線で示したように一体に連結されている。画像検出カメラ１５の前後には、矢印１６で示した画像検出カメラ１５の進行方向に直交し、開先溝１２の上部を直交して横断するように一対の照明装置１７ａ、１７ｂが設けられている。
【００１７】
この照明装置１７ａ、１７ｂの各々は、複数の青色ＬＥＤを直線状に配列して構成されている。そして、この照明装置１７ａ、１７ｂから開先溝１２並びに開先溝１２の側方にのびる平面部１３ａ、１３ｂへ照射された光のうち、開先溝１２へ向けて照射された照射光１８ａ、１８ｂは、開先溝１２の斜面反射位置１９ａ、１９ｂにて反射され斜面反射光２０ａ、２０ｂとして開先溝１２の外部へ出射し、画像検出カメラ１５の受光部には入射せずに進行する。
【００１８】
また、開先溝１２の側方へ照射された照射光は平面部１３ａ、１３ｂにて反射・拡散され、拡散された反射・拡散光が画像検出カメラ１５の受光部に入射する。
【００１９】
図２は、照明装置１７ａから、開先溝１２並びに開先溝１２の側方へ延在する平面部１３ａ、１３ｂへ照射された光の反射状況を説明する模式図である。照明装置１７ａから照射された光のうち、開先溝１２へ向かった照射光１８ａ、１８ｂは、開先溝斜面の斜面反射位置１９ａ、１９ｂで反射し、更に、対向する斜面反射位置１９ｃ、１９ｄで反射され、この斜面反射光２０ａ、２０ｂは画像検出カメラ１５の受光部へは入射されずに外方へ出射される。
【００２０】
また、照明装置１７ａから平面部１３ａ、１３ｂへ照射された照射光２１は、平面部１３ａ、１３ｂにて反射・拡散され、外方へも出射されるが、反射・拡散光２２として画像検出カメラ１５の受光部へ十分な光量が入射される。
【００２１】
このように複数の青色ＬＥＤを直線状に配列し、開先溝１２に直角に配置した照明装置１５から、開先溝１２並びに平面部１３ａ、１３ｂに向けて光を照射し、後述する画像検出プロセスにより取り込まれた画像を図３に示す。
【００２２】
図３に示すように、中央の暗黒色帯状の箇所は開先溝１２の画像であり、その側方の明るい白色の箇所は平面部１３ａ、１３ｂの画像である。なお、画面中の開先溝１２に直交する２本の平行な白色帯状の画像は、後述する画像検出領域２３ａ、２３ｂを表している。図３からも明らかなように、暗黒色の開先溝１２の側方へ延在する明るい白色の平坦部１３ａ、１３ｂとが大きなコントラスト差を持って、明瞭に識別されており、これらの画像の境界である開先溝１２のエッジ部２４ａ、２４ｂが明瞭に認識可能となっている。
【００２３】
図４は、図３に示した取り込み画像から溶接トーチを制御する信号を生成するプロセスを説明するためのブロック図である。図４に示すように、開先溝１２を図１に示すように照明装置１７ａ、１７ｂで照射し、画像検出カメラ１５で画像を撮像した映像信号をビデオ信号に変換し、画像処理装置２２へ送信する。画像処理装置２５では、前処理部でビデオ信号をグレー・フィルタ処理を行い、計測データ処理部でエッジ位置検出を行う。
【００２４】
計測データ処理部で検出したエッジ位置の座標データを基に、特徴抽出部であらかじめ設定したパターン形状とマッチング判定を行う。開先溝１２の検出は、図３に示した画像検出領域２３ａ、２３ｂの各々、すなわち、開先溝１２のエッジ部の両サイドの２３ａ１、２３ａ２、並びに２３ｂ１、２３ｂ２の２点ずつ設定して行った。
【００２５】
マッチング判定の結果、同じと判定された計測データから開先データ演算部にて開先溝中心の計算を行い（２６）、溶接台車並びに走行位置（２７）とを比較して開先溝中心のずれ、傾き、幅などの補正量データが計算される（２８）。計算された補正量データは、溶接トーチの位置修正データとして溶接制御装置に出力され（２９）（３０）、溶接トーチの位置の修正をリアルタイムで行うことが可能となる。
【００２６】
このように、本発明においては、画像検出カメラへの開先溝からの入射光の明度より、開先溝側方の平坦面からの入射光の明度が大なる照明装置を、画像検出カメラ近傍に配置することによって、開先溝と平坦面間のエッジ部を明瞭に認識することが可能となるものである。
【００２７】
また、上記した開先溝と平坦面間のエッジ部を明瞭に認識することが可能とした照明装置として、前述もしたように、青色ＬＥＤを用いることが最良であることが判明した。ちなみに３５万画素のＣＣＤカメラを用い、レンズをＦ１０ｍｍ、照明素子としてＬＥＤ５個を使用し、照明素子と開先溝上端との距離を約１５０ｍｍの条件で白色ＬＥＤ、赤色ＬＥＤ、赤外ＬＥＤ並びに青色ＬＥＤをそれぞれ使用して対象表面が金属光沢のある場合の反射光の識別比較を行った。
【００２８】
その結果、白色ＬＥＤの場合には、明暗差が少なく全体的に明度が高くなるため、開先溝と平坦部との境界が鮮明に識別できなかった。赤色ＬＥＤの場合には、明暗差はあるが全体的に暗く境界識別には不適であった。赤外ＬＥＤの場合には、全体的に暗く目視でも確認不可で、いずれも明瞭な識別結果が得られなかった。青色ＬＥＤの場合には図３にも示したように明暗差があり更に全体的に明るくエッジ部の明瞭な識別が可能であることを確認した。
【００２９】
更に、光源に使用するＬＥＤには、上述のように種々の発光色があるが、通常市販されている４種類のＬＥＤについて比較した結果、青色ＬＥＤのピーク発光波長は４９０ｎｍ、緑色ＬＥＤのピーク波長は５６５ｎｍ、黄色ＬＥＤのピーク波長は５８５ｎｍ、赤色ＬＥＤのピーク波長は６９５ｎｍであった。これら４種類のＬＥＤを開先溝に照射してＣＣＤカメラで検出した場合のエッジ部の識別率を比較試験を実施した結果、ピーク波長が短い青色ＬＥＤの識別率が最も高かった。光学顕微鏡などにおいても検出画像の鮮明度を上げるための一手段として波長の短い光源を採用する例があるが、ＣＣＤカメラを使用した画像検出においても同様に波長の短い光源を使用することが有効であることが確かめられた。
【００３０】
図５（ａ）は、図１に模式的に示した本発明の自動溶接装置に係る実施形態を具体的に溶接台車２６に装着した例の要部を誇張して示した図である。溶接台車２６には前後両側に４個の走行車輪２７ａ（２７ｂ）、２８ａ（２８ｂ）が設けられ、これらの走行車輪は溶接台車２６上に配置された車輪走行駆動部２９にて走行駆動される。
【００３１】
図示されてはいないが、走行台車２６は被溶接材に取り付けられたレール部材に支持され、また、走行車輪２７ａ（２７ｂ）、２８ａ（２８ｂ）を強磁石製にすることによって、例えば配管内面の全周を落下することなく吸着走行可能としている。
【００３２】
溶接台車２６の前部には、照明装置１７が溶接台車２６の下方中央に光を照射するように設置されている。図５（ｂ）は、照明装置１７を下方から見た斜視図であるが、上面に矩形開口部３０が設けられ、下部が開放されている蓋状容器３１を有する。この蓋状容器３１の上部内面であり矩形開口部３０を挟み、溶接台車２６の走行方向に直交するように各々直線状に配列された８個の青色ＬＥＤからなる第１照明部３２ａ、第２照明部３２ｂが配置されている。
【００３３】
また、第１照明部３２ａ並びに第２照明部３２ｂを各々構成する８個の青色ＬＥＤは、左右４個ずつ組とされ、左の４個のＬＥＤと右のＬＥＤの中心は、矩形開口部３０の中心と一致するように配置されている。このようにすることにより、照明装置１７の下方に位置する開先溝の中心が基本的には矩形開口部３０の中心と一致し、左右の４個のＬＥＤは、開先溝の左右の斜面並びに各々の斜面からエッジを介して延在する左右の平坦面を照射することになる。
【００３４】
照明装置１７の矩形開口部３０に対向する溶接台車２６上には、画像検出カメラ１５が装着されている。この画像検出カメラ１５は、矩形開口部３０の真上には、図６に太矢印で示したように光線を直角に屈折する反射鏡あるいはプリズムからなる屈折部１５ａとこの屈折部１５ａに一体に連結されたＣＣＤ撮像部１５ｂが横置きに配置されている。これは、画像検出カメラ１５を溶接台車２６上に垂直に立設すると、カメラ高が大となり、配管内面溶接などの管径による制限を回避したり、図示してはいないが、付帯する各種配管・配線の取り回しの邪魔になることにもなり、これらを回避することに有効である。
【００３５】
溶接台車２６の後部には、点線で示した溶接トーチ１１が設置され、溶接台車２６上の溶接トーチ１１近傍には、溶接トーチ補正制御部３３が配置されている。この溶接トーチ補正制御部３３は、画像検出カメラ１５で撮像した開先溝並びに平坦部の画像を処理し、所定の位置からの溶接トーチ１１のずれ量を補正して駆動するための信号を生成し、溶接トーチ１１を正確な位置に設定駆動する機能を有する。溶接トーチ１１の位置修正は０．１ｍｍ単位で行うことが可能である。溶接台車２６上の画像検出カメラ１５と溶接トーチ１１との距離は、数ｍｍから数百ｍｍ離れており、溶接トーチが実際の計測位置に到達した時点で、先に記録してある位置修正データに基づいて溶接トーチ１１の位置修正が行われるように制御されている。
【００３６】
上述した本発明に係る実施形態では、照明装置を開先溝上方を横断するように開先溝に直交する如く配置したが、本発明は、これのみに限定されるものではなく、本発明の他の実施形態を図６を用いて説明する。
【００３７】
図６に示すように、青色ＬＥＤを複数直線状に配置した第１照明装置３４ａ、第２照明装置３４ｂを、画像検出カメラ１１の両側に開先溝１２に平行かつ対称な位置に配置する。そして、第１照明装置３４ａ並びに第２照明装置３４ｂは、各々の光照射面が平坦面１３ａ、１３ｂに対して角度θ傾斜するようの設置されている。
【００３８】
このように配置したことにより、第１並びに第２照明装置３４ａ、３４ｂから平坦面１３ａ、１３ｂに照射された照射光３５ａの反射・拡散光３６ａは画像検出カメラ１５の受光部へ入射するが、開先溝１２の斜面へ照射された照射光３５ｂの反射光３６ｂは開先溝１２の外方へ出射され画像検出カメラ１１へは入射されない。
【００３９】
このように、画像検出カメラ１５の両側に、開先溝１２の斜面に照射した照射光は画像検出カメラ１５に入射しないようにし、平坦部１３ａ、１３ｂへの照射光は画像検出カメラ１５に入射するように照明装置を配置することによって、上述したように開先溝と平坦部間のエッジ部を明瞭に認識することを可能としたものである。
【００４０】
そして、このように機能させるために特に上述したように照明装置を配置するとともに、使用するＬＥＤとして青色ＬＥＤを直線状に配置した装置を用いることが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明に係る実施形態の構成を模式的に示した図。
【図２】本発明に係る実施形態の要部動作を説明する図。
【図３】本発明に係る実施形態にて取り込んだ撮像画像。
【図４】本発明に係る実施形態の画像認識動作を説明するためのブロック図。
【図５】本発明に係る実施形態の要部を誇張して示した具体的構成図で、図５（ａ）は、全体構成図、図５（ｂ）は要部拡大斜視図。
【図６】本発明に係る他の実施形態の構成を模式的に示した図。
【符号の説明】
【００４２】
１１…溶接トーチ、１２…開先溝、１３ａ、１３ｂ…平坦面、１４ａ、１４ｂ…被溶接材、１５…画像検出カメラ、１５ａ…屈折部、１５ｂ…ＣＣＤ撮像部、１６…矢印、１７ａ、１７ｂ…照明装置、１８ａ、１８ｂ、２１、３５ａ、３５ｂ…照射光、１９ａ、１９ｂ…斜面反射位置、２０ａ、２０ｂ、３６ｂ…斜面反射光、２２、３６ａ…反射・拡散光、２３ａ、２３ｂ…画像検出領域、２３ａ１、２３ａ２、２３ｂ１、２３ｂ２…画像認識領域、２４ａ、２４ｂ…エッジ部、２５…画像処理装置、２６…溶接台車、２７ａ、２７ｂ、２８ａ、２８ｂ…走行車輪、２９…車輪走行駆動部、３０…矩形開口部、３１…蓋状容器、３２ａ…第１照明部、３２ｂ…第２照明部、３３…溶接トーチ補正制御部、３４ａ…第１照明装置、３４ｂ…第２照明装置。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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