(57)【要約】【課題】板隙値の変化や溶接位置のずれに応じて補正する制御によって溶接品質を向上する。【解決手段】溶接部ＷＺの画像を撮影し、撮影した溶接部画像に基づいてビード幅値を検出し、そのビード幅値から板隙値を求め、その板隙値に基づいて溶接条件、主に溶接速度を補正する制御をしつつ溶接する。また、溶接部画像中の一定値以上の輝度値を有する領域がなす光像形状を検出し、その光像形状から溶接位置Ｘを検出し、その溶接位置Ｘを設定位置と比較して溶接位置を補正する制御をしつつ溶接する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
板と板を溶接する溶接方法であって、
溶接部の画像を撮影し、
撮影した溶接部画像に基づいてビード幅値を検出し、
検出したビード幅値から溶接する板と板の間の板隙の値を求め、
求めた板隙の値に基づいて溶接条件を補正する制御をしつつ溶接することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
前記溶接条件は溶接速度であり、前記板隙の値に基づいて溶接速度を補正する制御をしつつ溶接することを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
【請求項３】
板と板を溶接する溶接方法であって、
溶接部の画像を撮影し、
撮影した溶接部画像中の一定値以上の輝度値を有する領域がなす光像形状を検出し、
検出した光像形状から実際の溶接位置を検出し、
検出した溶接位置を設定位置と比較して溶接位置を補正する制御をしつつ溶接することを特徴とする溶接方法。
【請求項４】
溶接にアーク溶接が用いられることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１の請求項に記載の溶接方法。
【請求項５】
前記光像形状はアーク光像形状であることを特徴とする請求項４に記載の溶接方法。
【請求項６】
ロボット制御装置により溶接ロボットを制御して板と板を溶接する溶接装置であって、
溶接部の画像を撮影する撮影手段と、
この撮影手段からの溶接部画像に基づきビード幅値を検出し、検出したビード幅値から溶接する板と板の間の板隙の値を求め、求めた板隙の値に基づいて溶接条件を補正するための制御信号、及び／又は、前記溶接部画像中の光像形状から実際の溶接位置を検出し、検出した溶接位置を設定位置と比較して溶接位置を補正するための制御信号を出力する画像処理手段とを備え、
この画像処理手段からの制御信号を前記ロボット制御装置が受信して前記アーク溶接ロボットを制御しつつ溶接することを特徴とする溶接装置。
【請求項７】
前記溶接条件は溶接速度であり、
前記画像処理手段は、前記板隙の値に基づいて溶接速度を補正するための制御信号を出力することを特徴とする請求項６に記載の溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク溶接等において溶接品質の向上に好適な溶接方法及び溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の技術としては特許文献１に記載の溶接方法があった。
これは、薄鋼板の重ね溶接において、溶接予定個所にＹＡＧレーザーを照射した後にガスメタルアーク溶接を行なう際に、溶接ビード幅が下式（１）で表される条件を満足するようにレーザ出力、アーク電流、溶接速度（溶接条件）を調節して溶接品質を向上するという溶接方法である。
Ｗ＞ＴＳ×ｔ／（１．９×Ｈｖ）…（１）
ただし、Ｗ（ｍｍ）：溶接ビード幅（２枚の板の間におけるビード幅）、Ｈｖ：溶接金属のビッカース硬さ、ｔ（ｍｍ）：板厚（重ね溶接される２枚の薄鋼板のうちＴｓ×ｔの値の小さい側）、ＴＳ（ＭＰａ）：引張強さ（重ね溶接される２枚の薄鋼板のうちＴＳ×ｔの値の小さい側）である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１４４０６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来技術では、上式（１）によりビード幅の制御が可能となり、これによる溶接品質の向上が期待される。
ところで、上記のような板と板の溶接に当たっては、それら板と板の間に板隙が生じないように重ね合わされる。板隙が生じると、特に板隙の値（板隙値）に変化が生じると溶接品質が低下するからである。しかし実際には、板と板を合わせる際の加圧力が不足する等によって板隙が生じることがある。
上記従来技術では、このような板隙値の変化や溶接位置のずれ（狙いズレ）に応じて補正する制御（補正制御）による溶接品質の向上については配慮されていなく、このような補正制御による溶接品質の向上は期待され得ない。
【０００５】
本発明は、上記のような実情に鑑みなされたもので、板隙値の変化や溶接位置のずれに応じて補正する制御によって溶接品質を向上し得る溶接方法及び溶接装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題は、溶接方法及び溶接装置を下記各態様の構成とすることによって解決される。
各態様は、請求項と同様に、項に区分し、各項に番号を付し、必要に応じて他の項の番号を引用する形式で記載する。これは、あくまでも本発明の理解を容易にするためであり、本明細書に記載の技術的特徴及びそれらの組合わせが以下の各項に記載のものに限定されると解釈されるべきではない。また、１つの項に複数の事項が記載されている場合、それら複数の事項を常に一緒に採用しなければならないわけではなく、一部の事項のみを取り出して採用することも可能である。
【０００７】
以下の各項のうち、（１）項が請求項１に、（２）項が請求項２に、（３）項が請求項３に、（４）項が請求項４に、（５）項が請求項５に、（６）項が請求項６に、（７）項が請求項７に、各々対応する。
【０００８】
（１）板と板を溶接する溶接方法であって、溶接部の画像を撮影し、撮影した溶接部画像に基づいてビード幅値を検出し、検出したビード幅値から溶接する板と板の間の板隙の値を求め、求めた板隙の値に基づいて溶接条件を補正する制御をしつつ溶接することを特徴とする溶接方法。
（２）前記溶接条件は溶接速度であり、前記板隙の値に基づいて溶接速度を補正する制御をしつつ溶接することを特徴とする（１）項に記載の溶接方法。
（３）板と板を溶接する溶接方法であって、溶接部の画像を撮影し、撮影した溶接部画像中の一定値以上の輝度値を有する領域がなす光像形状を検出し、検出した光像形状から実際の溶接位置を検出し、検出した溶接位置を設定位置と比較して溶接位置を補正する制御をしつつ溶接することを特徴とする溶接方法。
（４）溶接にアーク溶接が用いられることを特徴とする（１）項〜（３）項のいずれか１の項に記載の溶接方法。
（５）前記光像形状はアーク光像形状であることを特徴とする（４）項に記載の溶接方法。
（６）ロボット制御装置により溶接ロボットを制御して板と板を溶接する溶接装置であって、溶接部の画像を撮影する撮影手段と、この撮影手段からの溶接部画像に基づきビード幅値を検出し、検出したビード幅値から溶接する板と板の間の板隙の値を求め、求めた板隙の値に基づいて溶接条件を補正するための制御信号、及び／又は、前記溶接部画像中の光像形状から実際の溶接位置を検出し、検出した溶接位置を設定位置と比較して溶接位置を補正するための制御信号を出力する画像処理手段とを備え、この画像処理手段からの制御信号を前記ロボット制御装置が受信して前記アーク溶接ロボットを制御しつつ溶接することを特徴とする溶接装置。
（７）前記溶接条件は溶接速度であり、前記画像処理手段は、前記板隙の値に基づいて溶接速度を補正するための制御信号を出力することを特徴とする（６）項に記載の溶接装置。
【発明の効果】
【０００９】
（１）項に記載の発明によれば、板隙の値の変化に応じて補正する制御によって溶接品質を向上し得る溶接方法を提供できる。
（２）項に記載の発明によれば、溶接速度を補正する制御によって溶接品質を向上し得る溶接方法を提供できる。
（３）項に記載の発明によれば、溶接位置のずれに応じて補正する制御によって溶接品質を向上し得る溶接方法を提供できる。
（４）項に記載の発明によれば、アーク溶接において、（１）項〜（３）項のいずれか１の項に記載の発明による効果が得られる。
（５）項に記載の発明によれば、アーク光像形状から実際の溶接位置を検出するアーク溶接において、（４）項に記載の発明による効果が得られる。
（６）項に記載の発明によれば、板隙の値の変化や溶接位置のずれに応じて補正する制御によって溶接品質を向上し得る溶接装置を提供できる。
（７）項に記載の発明によれば、溶接速度を補正する制御によって溶接品質を向上し得る溶接装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】溶接部画像の一例を示す図である。
【図２】本発明方法における板隙値検出の説明図である。
【図３】本発明方法における溶接位置検出の説明図である。
【図４】図２に示すビード幅値と板隙値との関係の一例を示すグラフである。
【図５】本発明方法が適用された溶接装置の一実施形態を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。なお、各図間において、同一符号は同一又は相当部分を示す。
まず、本発明をするに至った経緯について述べる。
アーク溶接等において、溶接ビードの幅（ビード幅）を制御できれば溶接品質を向上できるが、溶接品質の向上にはこのビード幅の制御に限られない。
例えば、板隙の値（板隙値）の変化や溶接位置のずれに応じた溶接条件や溶接位置を補正する制御によっても溶接品質を向上させ得る。板隙値や溶接位置ずれが大きいと溶接品質を低下させる虞があるからである。
しかし、板隙値の変化や溶接位置のずれに応じて溶接条件や溶接位置を補正する制御、特にリアルタイムで補正する制御を行うには、板隙値や溶接位置を簡単、迅速に検出する必要があるが、従来、これに好適な手法を見いだし得なかった。
【００１２】
そこで本発明者らは、鋭意実験、検討の結果、次のような知見（１）、（２）を得るに至った。
なお、以下の説明において参照される溶接部画像は次の通りである。
図１に例示する溶接部画像１は、減光フィルタを通して撮影されたそのままの原溶接部画像（アークプラズマから発せられるアーク光による溶接部画像）である。図２に例示する溶接部画像２は、高温部が強調された高温強調溶接部画像である。図３に例示する溶接部画像３は、高温部を強調しない非高温溶接部画像である。図１〜図３中、右方向が溶接方向を示す。
高温強調溶接部画像２及び非高温溶接部画像３は、原溶接部画像１から画像処理によって得たものでも、あるいは波長フィルタ（光学フィルタ）を通して撮影されたものであってもよい。原溶接部画像１から画像処理によって高温強調溶接部画像２及び非高温溶接部画像３を得る場合は、原溶接部画像１はカラー撮影された原溶接部画像が用いられる。
【００１３】
本発明者らは、まず、
（１）ビード幅値と板隙値との間には相関があることを見いだした。
アーク溶接により形成されるビードの幅は、被溶接物相互の溶接時に溶接部を撮影して得られる、例えば図１に示す原溶接部画像１から検出できる。ビードは高温であるから、図２に示す高温部が強調された高温強調溶接部画像２を用いることが望ましく、ここでは高温強調溶接部画像２を用いた。
本発明者らの実験、検討によれば、上記高温部強調溶接部画像２中の一定値以上の輝度値を有する領域における縦方向寸法の例えば最大値をビード幅値ＢＷ（図２参照）としたとき、このビード幅値ＢＷは、板隙値Ｇとの間で図４に示すような相関が得られた。図４において、縦軸はビード幅値ＢＷを、横軸は板隙値Ｇを各々示し、グラフ２１は実験により得られた板隙値Ｇに対するビード幅値ＢＷを示す。２２は板隙値Ｇ−ビード幅値ＢＷの関係を直線で表したグラフである。図４から分かるように、板隙値Ｇが大きくなるにつれて、ビード幅ＢＷは小さくなる。
このようなビード幅値ＢＷと板隙値Ｇとの相関関係（グラフ２１又は直線２２）を利用すれば、ビード幅値ＢＷを検出することによって板隙値Ｇを、更には板隙値Ｇの変化を求めることが可能である。
そして、この板隙値Ｇの変化に応じて溶接条件、主に溶接速度Ｖを補正（速度ΔＶだけ補正）する制御を行えば、溶接品質は向上する。
【００１４】
次に、
（２）アーク溶接において、図１〜図３に示す溶接部画像１〜３から分かるように、特に図３に示す非高温溶接部画像３から分かるように、溶接部画像は溶接方向（図１〜図３中、右方向）に向かって尖り形状３ａ（図３参照）を示す。
本発明者らの実験、検討によれば、上記尖り形状３ａは開先によって生じ、尖り形状３ａの先端位置３ｂは開先位置、つまり実際の溶接位置（Ｘ軸上における実際の溶接位置）になることを見いだした。
したがって、尖り形状３ａの先端位置３ｂを検出し、この先端位置３ｂを予め設定された溶接位置（Ｘ座標：溶接線上の各位置）と比較すれば、設定溶接位置Ｘに対する実際の溶接位置Ｘのずれ（狙いズレ）量ΔＸが検出できる。そして、このずれ量ΔＸをなくし、実際の溶接位置Ｘに従って溶接するように溶接位置Ｘをずれ量ΔＸだけ補正する制御を行えば、溶接品質は向上する。
なお、尖り形状３ａの先端位置３ｂの検出は図１，図２に示す溶接部画像１，２により行ってもよいが、図３に示す非高温溶接部画像３により行うことが望ましい。非高温溶接部画像３により行えば、溶接中に生じる高温のスパッタの影響を受けず、より精度よく先端位置３ｂの検出が可能だからである。
本発明方法は、以上のような知見（１）、（２）に基づいて溶接品質を向上するものであって、以下に実施形態を説明する。
【００１５】
図５は、本発明方法が適用された溶接装置の一実施形態の全体構成を示すブロック図である。
この図に示すように、本実施形態に係る溶接装置は、被溶接物である例えば鋼板からなるワークＷ（Ｗ１，Ｗ２）をアーク溶接する装置であって、溶接装置本体５及びカメラ６１、減光フィルタ６２、画像処理プロセッサ６３を備えてなる。
【００１６】
上記溶接装置本体５は、ここでは溶接トーチ５１、アーク溶接ロボット５２、ロボット制御装置５３及びアーク溶接電源装置５４を備えてなるもので、基本的にはアーク溶接ロボット５２を用いてアーク溶接装置を構成する場合に一般的なものである。
例えばロボット制御装置５３は、アーク溶接ロボット５２のアームの三次元空間上の位置、向き（姿勢）や、アーク溶接の開始、終了、溶接条件等が予め記述され、格納された実行プログラムに従ってアーク溶接ロボット５２を制御可能に構成されている。また、アーク溶接中に溶接位置や溶接条件、ここでは溶接速度Ｖを補正する制御が行えるように構成されている。
またアーク溶接電源装置５４は、溶接中、アーク電流Ｉを測定し、その測定値（実測値）を設定値と比較して変化があれば、その変化量ΔＩをロボット制御装置５３に与え補正する制御が行えるように構成されている。
なお、上記三次元空間上の位置はＸ，Ｙ，Ｚ各軸上の座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表される。ここで、Ｙ軸は溶接方向を、Ｘ軸は溶接方向に交差する方向を、Ｚ軸はアーク溶接ロボット５２のアーム（溶接トーチ５１）の高さ方向を、各々指す。ワークＷも同じ三次元空間上に置かれる。
上記溶接条件には、アーク電圧Ｅ、アーク電流Ｉ、溶接速度（ロボット移動速度）Ｖ等が含まれる。
【００１７】
上記カメラ６１は、溶接部ＷＺに向けられ、ワークＷ１，Ｗ２相互（以下、ワークＷと記す。）の溶接時に溶接部ＷＺの画像（溶接部画像）を撮影するもので、カラーカメラ、例えばＣＣＤカラーカメラからなる。本実施形態では、カメラ６１は溶接トーチ５１に取り付けられるので、溶接トーチ５１の進入性を妨げないように所謂小型カメラが用いられる。
減光フィルタ６２は、カメラ６１の受光側に配置されて同カメラ６１を過大光等から保護する。この減光フィルタ６２は例えばカメラ６１に取り付けられる。
【００１８】
画像処理プロセッサ６３は、カメラ６１から原溶接部画像１（図１参照）を取り込み、同原溶接部画像１に基づいて、溶接により形成されるビードＢの幅（ビード幅値ＢＷ：図２参照）を検出し、板隙値Ｇを求める。そして、求めた板隙値Ｇ（板隙値変化量ΔＧ）に基づいて溶接条件、ここでは溶接速度Ｖを補正する制御信号を出力する装置であって、以下にその詳細を述べる。
【００１９】
本実施形態において、画像処理プロセッサ６３は、カメラ６１からの原溶接部画像１をＡ／Ｄ変換して各画素毎にその画素位置の光強度をデジタル化した輝度分布像となし、この輝度分布像に基づいてビード幅値ＢＷを検出するように構成されている。なお、説明の便宜上、原溶接部画像１とはデジタル化後の原溶接部画像をも指す。
ビード幅値ＢＷは、本実施形態では原溶接部画像１に対して赤色強調を行って得た高温部強調溶接部画像２（図２参照）中の一定値以上の輝度値（画素値）を有する領域において、縦方向寸法の最大値がその値とされる。
画像処理プロセッサ６３には、図４に示すようなビード幅値ＢＷと板隙値Ｇとの相関関係を表すデータ（関数式やルックアップテーブル）が予め登録されており、上記のように検出されたビード幅値ＢＷから板隙値Ｇを求めることができる。
画像処理プロセッサ６３は、このように求めた板隙値Ｇから、その板隙値Ｇにおいて最適な溶接が行われるように溶接条件、ここでは溶接速度Ｖを補正する制御信号を出力する構成となっている。
【００２０】
また画像処理プロセッサ６３は、溶接位置Ｘを補正する制御信号を出力する装置であって、以下にその詳細を述べる。
図１〜図３に例示するように、溶接部画像１〜３は溶接方向（図１〜図３中、右方向）に向かって尖り形状３ａ（図３参照）を示す。この尖り形状３ａは開先によって生じ、尖り形状３ａの先端位置３ｂ（図３参照）は開先位置、つまり実際の溶接位置（Ｘ軸上における実際の溶接位置）になることが本発明者らによって見いだされている。
【００２１】
画像処理プロセッサ６３は、溶接部画像１〜３中、特に非高温溶接部画像３の一定値以上の輝度値を有する領域がなすアーク光像形状３ｃを求める。そして、このアーク光像形状３ｃから上記尖り形状３ａを検出し、この尖り形状３ａの先端位置３ｂを検出する。この先端位置３ｂは開先位置、つまり実際の溶接位置Ｘであり、同先端位置３ｂの検出により実際の溶接位置Ｘが検出される。
そして、尖り形状３ａの先端位置３ｂを予め設定された溶接位置（Ｘ座標：溶接線上の各位置）と比較して設定溶接位置Ｘに対する実際の溶接位置Ｘのずれ（狙いズレ）量ΔＸを検出する。
画像処理プロセッサ６３は、このように検出したずれ量ΔＸをなくして実際の溶接位置Ｘに従って溶接するように、溶接位置Ｘを補正する制御信号を出力する構成となっている。
なお、図５中のロボット制御装置５３のブロック内の「変数」を表すグラフは単にイメージを示しただけで、これに特定されるものではない。
【００２２】
本実施形態に係る溶接装置は次のようにアーク溶接を行う。
すなわち、アーク溶接ロボット５２は、アーク溶接電源装置５４からの溶接電源を溶接トーチ５１及び溶接ワークＷ間に供給しつつアーク溶接を行う。アーク溶接は、ロボット制御装置５３で実行されるプログラムに記述された、すなわち予め設定された溶接条件、溶接位置（溶接線）に従ってアーク溶接ロボット５２を制御して行われる。
溶接条件には、アーク電圧Ｅ、アーク電流Ｉ、溶接速度Ｖを含む。溶接位置に係る制御は、ワークＷに対する溶接トーチ５１の位置つまり座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）や、向きについて行われる。
【００２３】
アーク溶接ロボット５２を用いたアーク溶接方法の概略は、一般的なそれと特に変わるところはないが、本実施形態においては、溶接品質を向上するため溶接中に次のような補正制御（フィードバック制御）が行われる。
すなわち図５において、ロボット制御装置５３により制御されてアーク溶接ロボット５２がアーク溶接を開始すると、溶接部ＷＺに向けられたカメラ６１は減光フィルタ６２を通した原溶接部画像１（図１参照）の撮影を開始する。アーク溶接開始前にカメラ６１の撮影動作を開始させてもよい。
【００２４】
画像処理プロセッサ６３は、カメラ６１からの原溶接部画像１を取り込み、デジタル化した輝度分布像となし、以下に述べる画像処理を行い、処理結果（制御信号）をロボット制御装置５３に送信する。
すなわち、まず画像処理プロセッサ６３は、デジタル化した原溶接部画像１に対して赤色強調を行い高温部強調溶接部画像２（図２参照）を得る。そして、得られた高温部強調溶接部画像２中の一定値以上の輝度値を有する領域における縦方向寸法の例えば最大値を計測し、その値をビード幅値ＢＷとする。そして、予め登録されたビード幅値ＢＷと板隙値Ｇとの相関関係を表すデータ（関数式やルックアップテーブル）から板隙値Ｇを求める。そして、求めた板隙値Ｇからその板隙値Ｇにおいて最適な溶接が行われるように溶接条件、ここでは溶接速度Ｖを補正する制御信号をロボット制御装置５３に送信する。
【００２５】
また、画像処理プロセッサ６３は、上記のデジタル化した原溶接部画像１に対して青色強調を行い非高温溶接部画像３を得る（図３参照）。そして、得られた非高温溶接部画像３中の一定値以上の輝度値を有する領域がなすアーク光像形状３ｃを求め、このアーク光像形状３ｃにおいて溶接方向（図３中、右方向）に向かって示される尖り形状３ａを検出し、この尖り形状３ａの先端位置３ｂを検出する。これにより、開先位置、つまり実際の溶接位置（Ｘ軸上における実際の溶接位置）が検出される。
【００２６】
そして、尖り形状３ａの先端位置３ｂを予め設定された溶接位置（Ｘ座標：溶接線上の各位置）と比較して設定溶接位置Ｘに対する実際の溶接位置Ｘのずれ（狙いズレ）量ΔＸを検出する。そして、そのずれ量ΔＸをなくして実際の溶接位置Ｘに従って溶接するように、溶接位置Ｘを補正する制御信号をロボット制御装置５３に送信する。
ロボット制御装置５３は、上記のずれ（狙いズレ）量ΔＸ・板隙値変化量ΔＧ・電流変化量ΔＩを受信して、各々アーク溶接ロボット５２の位置座標に換算し、位置Ｘ，Ｚと速度Ｖ（移動方向と移動速度）の補正命令をアーク溶接ロボット５２に送る。
これにより、ワークＷの溶接状況に応じて溶接動作を補正する制御、特にリアルタイムで補正する制御が行われ、良好な溶接ビードを形成できる等、溶接品質が向上する。
【００２７】
上述実施形態では、溶接にアーク溶接を用いた場合について説明したが、これのみに限定されることはない。本発明がアーク溶接以外の溶接に適用される場合には、アーク溶接ロボットに代えてその溶接種類に応じた溶接ロボットが用いられることは勿論である。
また上述実施形態では、図５に示すようなワークＷ１，Ｗ２の重なった部分を隅肉溶接する場合について説明したが、これのみに限定されることはない。
上述実施形態において、波長フィルタ（光学フィルタ）をカメラの受光側に付加し、同波長フィルタによって高温強調溶接部画像や非高温溶接部画像を得るようにしてもよい。これによれば、カメラをカラーカメラから白黒カメラに代えることも可能である。
【符号の説明】
【００２８】
１：原溶接部画像、２：高温強調溶接部画像、３：非高温溶接部画像、３ａ：尖り形状、３ｂ：尖り形状の先端位置、３ｃ：アーク光像形状、５：溶接装置本体、５１：溶接トーチ、５２：アーク溶接ロボット、５３：ロボット制御装置、５４：アーク溶接電源装置、６１：カメラ（撮影手段）、６２：減光フィルタ、６３：画像処理プロセッサ（画像処理手段）、Ｂ：ビード、ＢＷ：ビード幅値、Ｇ：板隙値、Ｗ（Ｗ１，Ｗ２）：ワーク、ＷＺ：溶接部。
【図４】
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【図５】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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