(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ビードが多層盛られる開先に対してスリット状のレーザ光を照射し、前記開先からの反射光を撮像して、その画像の計測データに基づいて最新の溶接ビードの形状を検出するに際して、
前記最新の溶接ビードを盛る前の計測データであるモデル計測データ及び前記開先のモデル計測データのうちのいずれか一方と該最新の溶接ビードの最新計測データとから、想定される前記最新の溶接ビードにおける幅の範囲の計測データをそれぞれ除外したうえで、前記モデル計測データ及び前記最新計測データの双方においてそれぞれ複数の計測点を選択する計測点選択工程と、この計測点選択工程で選択した前記モデル計測データの複数の計測点と前記最新計測データの複数の計測点とを一点一点対応付けする対応付工程と、この対応付工程で対応付けされた前記モデル計測データ及び前記最新計測データの各計測点間の距離閾値及び角度閾値を設定する制約設定工程と、互いに対応付けされた前記モデル計測データ及び前記最新計測データの各計測点間距離を最小にするべく前記距離閾値及び角度閾値に基づいて前記モデル計測データを前記最新計測データにマッチングさせるモデル位置変換工程とを前記モデル計測データが前記最新計測データに収束するまで繰り返す位置マッチング処理を行って、最新の溶接ビードの形状を検出する
ことを特徴とする溶接ビード位置検出方法。
【請求項２】
開先に対する多層盛り溶接の最新の溶接ビードの形状を検出する溶接ビード位置検出装置であって、
前記開先に向けてスリット状のレーザ光を照射するレーザヘッドと、
前記開先からの反射光を受けて該開先内の溶接ビードを撮影するカメラと、
前記カメラからの画像を処理する画像処理部と、
前記カメラからの画像を前記画像処理部で処理して得られる画像の計測データに基づいて最新の溶接ビードの形状を検出する制御部を備え、
前記制御部では、前記最新の溶接ビードを盛る前の計測データであるモデル計測データ及び前記開先のモデル計測データのうちのいずれか一方と該最新の溶接ビードの最新計測データとから、想定される前記最新の溶接ビードにおける幅の範囲の計測データをそれぞれ除外したうえで、前記モデル計測データ及び前記最新計測データの双方においてそれぞれ複数の計測点を選択する計測点選択工程と、この計測点選択工程で選択した前記モデル計測データの複数の計測点と前記最新計測データの複数の計測点とを一点一点対応付けする対応付工程と、この対応付工程で対応付けされた前記モデル計測データ及び前記最新計測データの各計測点間の距離閾値及び角度閾値を設定する制約設定工程と、互いに対応付けされた前記モデル計測データ及び前記最新計測データの各計測点間距離を最小にするべく前記距離閾値及び角度閾値に基づいて前記モデル計測データを前記最新計測データにマッチングさせるモデル位置変換工程とを前記モデル計測データが前記最新計測データに収束するまで繰り返す位置マッチング処理を行って、最新の溶接ビードの形状を検出する
ことを特徴とする溶接ビード位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接ビードの位置を検出するのに用いられる溶接ビード位置検出方法及び溶接ビード位置検出装置に関わり、特に、多層盛り溶接における溶接ビードの位置検出に好適な溶接ビード位置検出方法及び溶接ビード位置検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、溶接ビードの位置を検出する装置には、例えば、特許文献１に記載された溶接ビードの品質検査装置がある。
この溶接ビードの品質検査装置は、溶接トーチの近傍に配置され、開先に向けてスリット状のレーザ光を照射するレーザヘッドと、開先からの反射光を受けて開先内の溶接ビードを撮影するカメラを備えており、この溶接ビードの品質検査装置では、カメラからの画像を処理して得られる計測データに基づいて溶接ビードの形状を検出するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第3123146号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところが、上記した溶接ビードの品質検査装置では、単層盛りや二層程度の多層盛り溶接であれば、溶接ビードの変局点（位置）を検出することは比較的容易であるが、二層よりも多い多層盛り溶接や鋼管の周囲に沿って行う溶接のように、溶接ビードの起伏が少ない場合には、溶接ビードの位置を特定することができず、管理上好ましくないという問題があり、この問題を解決することが従来の課題となっていた。
【０００５】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、溶接ビードの起伏が少ない多層盛り溶接であったとしても、最新の溶接ビードの位置を検出することができ、その結果、溶接状態を簡単且つ確実に把握することが可能である溶接ビード位置検出方法及び溶接ビード位置検出装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ここで、本発明者らは、多層盛り溶接において、前回盛った溶接ビード上に新たに盛った溶接ビードの位置を特定するのに、ICP(Iterative Closest Points)手法を用いることを思い立った。
このICP手法は、三次元物体認識技術であり、見えている部分同士をマッチングさせることで、見えていない部分を特定する手法である。
【０００７】
この手法を二次元で説明すると、図５（ａ）に示すように、モデル計測データＭを計測データＦとほぼ一致すると思われる初期位置及び姿勢にセットする。
次に、図５（ｂ）に示すように、モデル計測データＭ及び計測データＦの双方において選択された複数の計測点Ｐについて、両データを結ぶ直線の向きがほぼ一致することや両データの距離が最も近いことなどの基準で一点一点対応付けし、次いで、図５（ｃ）に示すように、互いに対応付けされたモデル計測データＭ及び計測データＦの各計測点Ｐ間距離が最小になるように、モデル計測データＭを平行移動させると共に回転させた後、図５（ｄ）に示すように、モデル計測データＭ及び計測データＦの各計測点Ｐについて新たに対応付けを行う。
【０００８】
そして、これらの処理をモデル計測データＭと計測データＦとの距離がある範囲内に収まるまで繰り返すことで、モデル計測データＭに対する計測データＦの位置及び姿勢を認識する。
【０００９】
本発明者らは、このICP手法を多層盛り溶接に適用して、図６に示すように、モデル計測データＭを前回盛った溶接ビードの計測データ（前回計測データＭ）とし、計測データＦを新しく盛った溶接ビードの計測データ（今回計測データＦ）として、前回計測データＭ及び今回計測データＦの間の距離が最小になるように、前回計測データＭを平行移動させると共にθ方向に回転させる図５（ｃ）に示す位置合わせを繰り返すことで、未知の新しく盛った溶接ビードＷＢを特定し得ることを見出し、本発明をするに至った。
なお、ICP手法に関しては、IHI技法 Vol.48 No.1(2008-3)の「三次元物体認識技術を応用したバラ積みピッキングシステムの開発」に詳しく記載されている。
【００１０】
すなわち、本発明の請求項１に係る発明は、溶接ビードが多層盛られる開先に対してスリット状のレーザ光を照射し、前記開先からの反射光を撮像して、その画像の計測データに基づいて最新の溶接ビードの形状を検出するに際して、前記最新の溶接ビードを盛る前の計測データであるモデル計測データ及び前記開先のモデル計測データのうちのいずれか一方と該最新の溶接ビードの最新計測データとから、想定される前記最新の溶接ビードにおける幅の範囲の計測データをそれぞれ除外したうえで、前記モデル計測データ及び前記最新計測データの双方においてそれぞれ複数の計測点を選択する計測点選択工程と、この計測点選択工程で選択した前記モデル計測データの複数の計測点と前記最新計測データの複数の計測点とを一点一点対応付けする対応付工程と、この対応付工程で対応付けされた前記モデル計測データ及び前記最新計測データの各計測点間の距離閾値及び角度閾値を設定する制約設定工程と、互いに対応付けされた前記モデル計測データ及び前記最新計測データの各計測点間距離を最小にするべく前記距離閾値及び角度閾値に基づいて前記モデル計測データを前記最新計測データにマッチングさせるモデル位置変換工程とを前記モデル計測データが前記最新計測データに収束するまで繰り返す位置マッチング処理を行って、最新の溶接ビードの形状を検出する構成としたことを特徴としており、この構成の溶接ビード位置検出方法を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１２】
一方、本発明の請求項２に係る発明は、開先に対する多層盛り溶接の最新の溶接ビードの形状を検出する溶接ビード位置検出装置であって、前記開先に向けてスリット状のレーザ光を照射するレーザヘッドと、前記開先からの反射光を受けて該開先内の溶接ビードを撮影するカメラと、前記カメラからの画像を処理する画像処理部と、前記カメラからの画像を前記画像処理部で処理して得られる画像の計測データに基づいて最新の溶接ビードの形状を検出する制御部を備え、前記制御部では、前記最新の溶接ビードを盛る前の計測データであるモデル計測データ及び前記開先のモデル計測データのうちのいずれか一方と該最新の溶接ビードの最新計測データとから、想定される前記最新の溶接ビードにおける幅の範囲の計測データをそれぞれ除外したうえで、前記モデル計測データ及び前記最新計測データの双方においてそれぞれ複数の計測点を選択する計測点選択工程と、この計測点選択工程で選択した前記モデル計測データの複数の計測点と前記最新計測データの複数の計測点とを一点一点対応付けする対応付工程と、この対応付工程で対応付けされた前記モデル計測データ及び前記最新計測データの各計測点間の距離閾値及び角度閾値を設定する制約設定工程と、互いに対応付けされた前記モデル計測データ及び前記最新計測データの各計測点間距離を最小にするべく前記距離閾値及び角度閾値に基づいて前記モデル計測データを前記最新計測データにマッチングさせるモデル位置変換工程とを前記モデル計測データが前記最新計測データに収束するまで繰り返す位置マッチング処理を行って、最新の溶接ビードの形状を検出する構成としたことを特徴としており、この構成の溶接ビード位置検出装置を前述した従来の課題を解決するための手段としている。
【００１３】
本発明に係る溶接ビード位置検出方法及び溶接ビード位置検出装置において、溶接トーチを具備した溶接機の位置決め精度及びこの溶接ビード位置検出装置による計測範囲のほとんどの部分が同様の形状を成しているという前提に立った場合、すなわち、計測精度の向上を図る場合には、制約設定工程で設定されるモデル計測データ及び最新計測データの各計測点間の距離閾値及び角度閾値は、溶接トーチを具備した溶接機の繰り返し精度相当に絞り込むことが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る溶接ビード位置検出方法では、上記した構成としているので、溶接ビードの起伏が少ない多層盛り溶接であったとしても、最新の溶接ビードの位置を検出することが可能であり、したがって、多層盛り溶接の施工状態を簡単且つ確実に把握することができるという非常に優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例に係る溶接ビード位置検出装置を概略的に示す斜視説明図である。
【図２】図１に示した溶接ビード位置検出装置の制御部による位置マッチング処理の工程説明図である。
【図３】図２の位置マッチング処理による溶接ビード位置検出状況を示す図である。
【図４】図２の位置マッチング処理による他の溶接ビード位置検出状況を示す図（ａ），（ｂ）である。
【図５】図２の位置マッチング処理の動作原理を説明する図（ａ）〜（ｄ）である。
【図６】図２の位置マッチング処理を溶接ビードの位置検出に適用する要領を模式的に示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明に係る溶接ビード位置検出装置の一実施例を示している。
【００１７】
図１に示すように、この溶接ビード位置検出装置１は、溶接トーチＴによるワークＷ，Ｗ間の開先Ｗａに対する多層盛り溶接の最新の溶接ビードＷＢの形状を検出する装置であって、開先Ｗａに向けてレーザ光Ｌを照射するレーザヘッド２と、開先Ｗａからの反射光を受けて開先Ｗａ内の溶接ビードＷＢを撮影するカメラ４と、このカメラ４からの画像を処理する画像処理部５と、カメラ４からの画像を画像処理部５で処理して得られる画像の計測データに基づいて最新の溶接ビードＷＢの形状を検出する制御部６を備えており、レーザヘッド２では、レーザ発振器３から発せられたレーザ光をスリット状のレーザ光Ｌにして開先Ｗａに向けて照射するようになっている。
【００１８】
制御部６では、図２（図６）に示すように、最新の溶接ビードＷＢを盛る前の計測データであるモデル計測データＭ及び最新の溶接ビードＷＢの最新計測データＦの双方においてそれぞれ複数の計測点を選択する計測点選択工程Ｂ１と、この計測点選択工程Ｂ１で選択したモデル計測データＭの複数の計測点と最新計測データＦの複数の計測点とを一点一点対応付けする対応付工程Ｂ２と、この対応付工程Ｂ２で対応付けされたモデル計測データＭ及び最新計測データＦの各計測点間の距離閾値及び角度閾値を設定する制約設定工程Ｂ３と、互いに対応付けされたモデル計測データＭ及び最新計測データＦの各計測点間距離を最小にするべく距離閾値及び角度閾値に基づいてモデル計測データＭを最新計測データＦにマッチングさせるモデル位置変換工程Ｂ４とをモデル計測データＭが最新計測データＦに収束するまで繰り返す位置マッチング処理を行って、最新の溶接ビードＷＢの形状を検出するようになっている。
【００１９】
ここで、制約設定工程Ｂ３で設定されるモデル計測データＭ及び最新計測データＦの各計測点間の距離閾値及び角度閾値は、溶接トーチＴを有する溶接機の繰り返し精度相当に絞り込むことで、計測精度の向上を図っている。
【００２０】
この場合、制御部６では、図３及び図４に示すように、モデル計測データＭ（前回計測データ）及び最新計測データＦ（今回計測データ）から、想定される最新の溶接ビードＷＢにおける幅の範囲Ｅｘの計測データを除外して、それぞれ位置マッチング処理を行うようにしている。
【００２１】
上記した溶接ビード位置検出装置１によって、最新の溶接ビードＷＢの形状を検出するに際しては、まず、最新の溶接ビードＷＢを盛る前の計測データであるモデル計測データＭを最新の溶接ビードＷＢの計測データＦとほぼ一致すると思われる初期位置及び姿勢にセットした後、計測点選択工程Ｂ１でモデル計測データＭ（開先Ｗａのモデル計測データでもよい）と最新計測データＦとの双方においてそれぞれ複数の計測点を選択する。
【００２２】
次に、対応付工程Ｂ２において、モデル計測データＭ及び計測データＦの双方において選択された複数の計測点について、両データを結ぶ直線の向きがほぼ一致することや両データの距離が最も近いことなどの基準で一点一点対応付けする。
【００２３】
次いで、制約設定工程Ｂ３において、対応付工程Ｂ２で対応付けされたモデル計測データＭ及び最新計測データＦの各計測点間の距離閾値及び角度閾値を設定するのに続いて、モデル位置変換工程Ｂ４において、互いに対応付けされたモデル計測データＭ及び計測データＦの各計測点Ｐ間距離が最小になるように、モデル計測データＭを平行移動させると共に回転させた後、モデル計測データＭが最新計測データＦに収束するまで繰り返す位置マッチング処理を行って、最新の溶接ビードＷＢの形状を検出する。
【００２４】
このように、上記した本実施例に係る溶接ビード位置検出装置１では、溶接ビードＷＢの起伏が少ない多層盛り溶接であったとしても、最新の溶接ビードＷＢの位置を検出することが可能であり、その結果、多層盛り溶接の施工状態を簡単且つ確実に把握し得ることとなる。
【００２５】
また、上記した本実施例に係る溶接ビード位置検出装置１において、モデル計測データＭ（前回計測データ）及び最新計測データＦ（今回計測データ）から、想定される最新の溶接ビードＷＢにおける幅の範囲Ｅｘの計測データを除外して、それぞれ位置マッチング処理を行うようにしているので、最新の溶接ビードＷＢの位置検出精度の向上を実現することができる。
【００２６】
上記した実施例では、最新の溶接ビードＷＢを盛る前の計測データをモデル計測データＭとしているが、最新の溶接ビードＷＢを盛る前の計測データを開先Ｗａのモデル計測データとしてもよい。
この場合には、検出した最新の溶接ビードＷＢの位置が、そのまま開先Ｗａの座標系で表されることとなる。
【００２７】
なお、本発明に係る溶接ビード位置検出方法及び溶接ビード位置検出装置の構成は、上記した実施例の構成に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００２８】
１  溶接ビード位置検出装置
２  レーザヘッド
３  レーザ発振器
４  カメラ
５  画像処理部
６  制御部
Ｂ１  計測点選択工程
Ｂ２  対応付工程
Ｂ３  制約設定工程
Ｂ４  モデル位置変換工程
Ｅｘ  除外範囲
Ｆ  最新計測データ
Ｌ  スリット状のレーザ光
Ｍ  モデル計測データ
Ｐ  計測点
Ｗ  ワーク
Ｗａ  開先
ＷＢ  溶接ビード
【図１】
0005907336.tif 000002
【図２】
0005907336.tif 000003
【図３】
0005907336.tif 000004
【図４】
0005907336.tif 000005
【図５】
0005907336.tif 000006
【図６】
0005907336.tif 000007