(57)【要約】【課題】簡単な構成で、溶接作業線を規定するための段差部を容易に短時間で精度良く検出することができる方法および装置を提供する。【解決手段】ワーク１、２を重ねてその段差部Ｄを検出することによりこの段差部Ｄを溶接するための溶接作業線Ｗを規定し、この規定された溶接作業線Ｗに従って段差部Ｄを溶接する方法であって、段差部Ｄを横切る複数の線状光Ｌnを段差部Ｄ上から所定の角度αで照射して、段差部Ｄにより切断される各光切断線ｌn、ｌn’を段差部Ｄ上から撮像し、この撮像された各光切断線ｌn、ｌn’を画像処理して段差部Ｄにおける座標（Ｘn，Ｙn）あるいは（Ｘn’，Ｙn’）を抽出し、抽出された光切断線ｌn、ｌn’の端部の各座標（Ｘn，Ｙn）、（Ｘn’，Ｙn’）に基づいて段差部Ｄを検出する。【選択図】図１
2008260043.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークを重ねてその段差部を検出することにより該段差部を溶接するための溶接作業線を規定し、該規定された溶接作業線に従って前記段差部を溶接する方法であって、
前記段差部を横切る複数の線状光を段差部上から所定の角度で照射して、前記段差部により切断される各光切断線を前記段差部上から撮像し、
該撮像された各光切断線を画像処理することにより前記段差部を検出することを特徴とする溶接方法。
【請求項２】
ワークを重ねることにより生じ、溶接作業線を規定するための段差部を検出する装置であって、
前記段差部を横切るように複数の線状光を段差部上から所定の角度で照射する投光手段と、
前記段差部により切断される各光切断線を前記段差部上から撮像する撮像手段と、
該撮像された各光切断線を画像処理することにより前記段差部を演算する演算処理手段と、
を備えたことを特徴とする段差部の検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接方法、および段差部の検出装置に関し、特に、ワークを重ねることにより一方のワークの端面と他方のワークの表面との間に生じる段差部を検出して、該段差部を溶接するための溶接作業線を規定し、該規定された溶接作業線に従って前記段差部を溶接する方法、および、ワークを重ねることにより一方のワークの端面と他方のワークの表面との間に生じ、規定された溶接作業線に従って溶接する段差部を検出するための装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
たとえば板状のワークを重ねて接合する重ね継手においては、図６に参照されるように、一方のワークの端面と他方の板状ワークの表面との間に生じる段差部をアーク溶接などにより肉盛溶接している。そして、このような段差部を溶接するために、位置決めした状態の一方のワークの端面と他方の板状ワークの表面の位置（つまり、段差部の位置）を設定して、一方のワークの端面と他方の板状ワークの表面とからそれぞれ所定の距離だけ離間させた溶接作業線を段差部に沿って規定し、この溶接作業線に従ってロボットのアームに保持された溶接トーチの移動を教示（ティーチング）して、ロボットを制御し自動的に溶接することが一般に行われている。
【０００３】
ここで、両ワークのそれぞれの板厚の誤差や、一方のワークの端面の成形精度あるいは位置決め、変形などにより両ワークが互いに離れた状態となるなどにより、段差部を構成する一方のワークの端面と他方の板状ワークの表面との位置が溶接するワークによって異なることがある。そのため、ワーク毎に段差部を検出して、上述したように規定された溶接作業線に従って移動される溶接トーチの移動軌跡を補正することが従来から行われている（特許文献１を参照）。
【０００４】
特許文献１には、溶接線部に対して所定の線幅のスリット光を照射する投光部と、前記投光部からの照射光に対し一定の角度をなす角度から前記スリット光を撮像する撮像部と、前記投光部の光量を調節する光量調節部と、前記撮像部からの画像信号をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記撮像部からの画像信号から分離した同期信号を基に画像データ制御用の同期信号を発生する同期信号発生部と、前記Ａ／Ｄ変換器からのディジタル画像信号を前記同期信号発生部からの同期信号を基に画像データとして記憶する画像データ記憶部と、前記光量調節部や前記同期信号発生部や前記画像データ記憶部などを統合制御したり前記画像データを基に２値化および細線化などの画像処理を実行して溶接線位置を算出する全体制御部と、前記全体制御部で算出した溶接線検出データをロボット制御装置などに送出するための外部通信インターフェース部と、前記Ａ／Ｄ変換器からのディジタル画像信号と前記同期信号発生部からの同期信号を基に水平方向ならびに垂直方向の濃淡投影値を算出するための水平方向加算器および水平方向投影値記憶部ならびに垂直方向加算器および垂直方向投影値記憶部を有する濃淡投影値処理部とを備えた溶接線検出装置が開示されている。
【０００５】
また、特許文献１には、上記の溶接線検出装置を用い、その濃淡投影値処理部での処理結果より得られる水平方向濃淡投影値の変曲点と垂直方向濃淡投影値の変曲点とを算出することにより溶接線を検出する第１の手法と、画像データ記憶部の画像データを２値化し細線化した上でその線上の屈曲点を算出し溶接線を検出する第２の手法とを、濃淡投影値の大きさや濃淡投影値の形状に応じて、前記第１の手法と前記第２の手法とを全体制御部にて選択的に切換える溶接線検出方法が開示されている。
【０００６】
また、特許文献１に開示されているように溶接作業線を検出しながらロボットによるトーチの移動をフィードバック制御して、ロボットの教示を補正する手法も一般に行われている。この手法はリアルタイムトラッキングと呼ばれている。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−２９４３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来の技術のうち、特許文献１にあっては、投光部からの照射光に対し一定の角度をなす角度からスリット光を撮像するものであるため、前記投光部の光量を調節する光量調節部と、前記撮像部からの画像信号をディジタル量に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記撮像部からの画像信号から分離した同期信号を基に画像データ制御用の同期信号を発生する同期信号発生部と、前記Ａ／Ｄ変換器からのディジタル画像信号を前記同期信号発生部からの同期信号を基に画像データとして記憶する画像データ記憶部と、前記光量調節部や前記同期信号発生部や前記画像データ記憶部などを統合制御したり前記画像データを基に２値化および細線化などの画像処理を実行して溶接線位置を算出する全体制御部と、前記全体制御部で算出した溶接線検出データをロボット制御装置などに送出するための外部通信インターフェース部と、前記Ａ／Ｄ変換器からのディジタル画像信号と前記同期信号発生部からの同期信号を基に水平方向ならびに垂直方向の濃淡投影値を算出するための水平方向加算器および水平方向投影値記憶部ならびに垂直方向加算器および垂直方向投影値記憶部を有する濃淡投影値処理部とを備える必要があり、構造が複雑となり、溶接作業線を検出するための処理内容が煩雑であるという問題があった。そして、特許文献１にあっては、撮像投光部の光量を調節した上でスリット光を撮像して、水平方向ならびに垂直方向の濃淡投影値を算出するものであるため、撮像投光部の光量を適切に調節することは困難であり、調節した光量によっては溶接作業線を精度良く検出することができないなど、溶接作業線の検出精度を向上させることが容易でないという問題があった。
【０００９】
また、一般に照射するスリット光のピッチを細かく設定することにより溶接作業線の検出精度を向上させることができるが、上記特許文献１にあっては、上述したように溶接作業線を検出するための処理内容が煩雑であることから、照射するスリット光のピッチを細かく設定すると、溶接作業線の検出に時間がかかることとなる。そのため、特許文献１では、溶接作業に要する時間を短縮してコストを低減させることが困難であるという問題があった。
【００１０】
そして、上記特許文献１にあっては、「濃淡投影値データより水平方向および垂直方向の屈曲点を全体制御部にて算出し、この屈曲点を元に溶接線位置を算出」するなどと記載されていることから（００１２）、重ねられた２枚の板の寸法誤差により板厚が変化したり変形誤差により隙間が生じた場合に、適切な溶接作業線を検出することができないという問題があった。
【００１１】
一方、上記従来の技術で述べたようなリアルタイムトラッキングにあっては、たとえばアーク溶接などのように溶接の際にスパッタが発生すると、溶接作業線を検出するための装置（以下、センサという）がスパッタを被ってダメージを受け、溶接作業線を精度良く長期にわたって検出することが困難となり、また、センサの寿命が短くなるなどの問題が生じることとなるという問題や、溶接作業線を検出するためのセンサを適用できる範囲が限定されるなどの問題があった。さらに、リアルタイムトラッキングにあっては、上述したように溶接作業線の検出精度を向上させるために照射するスリット光のピッチを細かく設定すると、検出回数が増加することとなることから、溶接作業線の検出と並行して行われる溶接速度が低下するため、溶接速度調整の自由度が小さいという問題もあった。
【００１２】
本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、溶接作業線を規定するための段差部を容易に短時間で精度良く検出することができる方法および装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、溶接作業線を規定するための段差部を三次元的に検出することができる方法および装置を提供することを目的とする。
さらに、本発明は、溶接速度調整の自由度を大きくすることが可能な溶接方法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】
【００１３】
本発明の溶接方法は、上記の課題を解決するために、ワークを重ねてその段差部を検出することにより該段差部を溶接するための溶接作業線を規定し、該規定された溶接作業線に従って前記段差部を溶接する方法であって、
前記段差部を横切る複数の線状光を段差部上から所定の角度で照射して、前記段差部により切断される各光切断線を前記段差部上から撮像し、
該撮像された各光切断線を画像処理することにより前記段差部を検出することを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明の段差部の検出装置は、上記の課題を解決するために、ワークを重ねることにより生じ、溶接作業線を規定するための段差部を検出する装置であって、前記段差部を横切るように複数の線状光を段差部上から所定の角度で照射する投光手段と、前記段差部により切断される各光切断線を前記段差部上から撮像する撮像手段と、該撮像された各光切断線を画像処理することにより前記段差部を演算する演算処理手段と、を備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の溶接方法によれば、段差部を横切る複数の線状光を段差部上から所定の角度で照射して、段差部により切断される各光切断線を段差部上から撮像し、この撮像された各光切断線を画像処理することにより段差部を検出するという簡単な構成で、溶接作業線を規定するための段差部を容易に精度良く検出することができる。
【００１６】
また、本発明の段差部の検出装置によれば、段差部を横切るように複数の線状光を段差部上から所定の角度で照射する投光手段と、前記段差部により切断される各光切断線を前記段差部上から撮像する撮像手段と、該撮像された各光切断線を画像処理することにより前記段差部を演算する演算処理手段と、を備えたという簡単な構成で、ワークを重ねることにより一方のワークの端面と他方のワークの表面との間に生じる段差部を容易に精度良く検出することができ、もって、かかる段差部を溶接するための溶接作業線を容易に精度良く規定することができる。
【００１７】
（発明の態様）
以下に、本願において特許請求が可能と認識されている発明（以下、「請求可能発明」という場合がある。請求可能発明は、少なくとも、請求の範囲に記載された発明である「本発明」ないし「本願発明」を含むが、本願発明の下位概念発明や、本願発明の上位概念あるいは別概念の発明を含むこともある。）の態様をいくつか例示し、それらについて説明する。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、あくまでも請求可能発明の理解を容易にするためであり、請求可能発明を構成する構成要素の組み合わせを、以下の各項に記載されたものに限定する趣旨ではない。つまり、請求可能発明は、各項に付随する記載，実施例の記載等を参酌して解釈されるべきであり、その解釈に従う限りにおいて、各項の態様にさらに他の構成要素を付加した態様も、また、各項の態様から構成要素を削除した態様も、請求可能発明の一態様となり得るのである。なお、以下の各項において、（１）項が請求項１に相当し、（７）項が請求項２に相当する。
【００１８】
（１）  ワークを重ねてその段差部を検出することにより該段差部を溶接するための溶接作業線を規定し、該規定された溶接作業線に従って前記段差部を溶接する方法であって、
前記段差部を横切る複数の線状光を段差部上から所定の角度で照射して、前記段差部により切断される各光切断線を前記段差部上から撮像し、
該撮像された各光切断線を画像処理することにより前記段差部を検出することを特徴とする溶接方法。
【００１９】
（１）項の発明では、段差部を横切る複数の線状光を段差部上から所定の角度で、両ワークの表面の位置が異なる段差部に対して複数照射することにより、各線状光を段差部上から撮像した画像は、段差部を境界として切断された光切断線となる。この撮像された各光切断線を画像処理することにより、その処理結果に基づいて段差部を短時間で容易に精度良く検出することができる。
ここで、本発明でいう「段差部を横切る複数の線状光を段差部上から所定の角度で照射」するとは、段差部を構成する一方のワークの端面と他方のワークの表面とが交差する位置において、他方のワークの表面とほぼ鉛直な平面上であって、一方のワークの端面に沿った方向へ所定の角度で傾斜させた状態で、段差部に沿った方向の異なる位置に対して、段差部を横切る方向に所定の長さを有するとともに段差部に沿った方向に所定の幅を有するスリット光を照射したり、所定の径を有するスポット状の光を、段差部を横切る方向に所定の長さだけ走査させる場合などが含まれる。
また、本発明でいう「段差部により切断される各光切断線を前記段差部上から撮像」するとは、線状光を段差部上から所定の角度で照射することにより段差部で途切れる線状光を、段差部を構成する一方のワークの端面と他方のワークの表面とが交差する位置において、他方のワークの表面とほぼ鉛直な位置から撮像することをいう。上記のスポット状の光を走査させる場合には、その走査させたスポット状の光の軌跡を記憶することにより、線状光として扱うことができる。
【００２０】
（２）  前記画像処理により撮像された各光切断線の端部の座標を抽出し、該抽出された光切断線の端部の座標に基づいて前記段差部を検出することを特徴とする（１）項に記載の溶接方法。
【００２１】
（２）項の発明では、（１）項に記載の発明において、撮像された各光切断線を画像処理してその段差部で切断された各光切断線の端部の座標を抽出することにより、この抽出された光切断線の端部の座標に基づいて段差部を容易に精度良く検出することができる。
【００２２】
（３）  前記光切断線の抽出された端部の各座標を関数として近似させることにより、前記段差部のワークの表面に沿った位置を検出することを特徴とする（２）項に記載の溶接方法。
【００２３】
（３）項の発明では、（２）項に記載の発明において、光切断線の抽出された端部の、ワークの表面と平行な平面上に位置する各座標をたとえばＸ、Ｙとし、この座標Ｘ、Ｙの関数として近似させることにより、一方のワークの端面の位置、すなわち、段差部のワークの表面に沿った位置を容易に精度良く検出することができる。
【００２４】
（４）  前記各線状光における光切断線の抽出された端部の、前記段差部に沿った方向の各座標間の差を関数として近似させることにより、前記段差部の高さを検出することを特徴とする（２）または（３）項に記載の溶接方法。
【００２５】
（４）項の発明では、（２）または（３）項に記載の発明において、各線状光における光切断線の抽出された端部の段差部に沿った方向の座標の差、たとえば一の光切断線の抽出された一方のワークにおける端部の座標Ｘnと他方のワークの端部の座標Ｘn’との差ΔＸn−Ｘn’や、異なる光切断線の抽出された一方のワークにおける端部の座標Ｘn-1とＸnの差ΔＸn-1−Ｘn、または他方のワークにおける端部の座標Ｘn-1’とＸn’の差ΔＸn-1’−Ｘn’をそれぞれ関数として近似させることにより、一方のワークの表面や他方のワークの表面の高さＨ方向の相対的な変移や、それぞれの高さＨ方向の変移を三次元的に容易に精度良く検出することができる。
【００２６】
（５）  前記複数の線状光を同時に照射することを特徴とする（１）〜（４）項のいずれかに記載の溶接方法。
【００２７】
（５）項に記載の発明では、（１）〜（４）項のいずれかに記載の発明において、複数のスリット光を同時に照射したり、複数のスポット状の光を同時に走査させることにより、段差部の検出を短時間で行うことができる。
【００２８】
（６）  検出された段差部により規定される溶接作業線を、トーチを保持したロボットの制御パラメータとして入力し、その後、前記制御パラメータに従ってロボットを制御して重ねられたワークの段差部をトーチにより溶接することを特徴とする（１）〜（５）項のいずれかに記載の溶接方法。
【００２９】
（６）項に記載の発明では、（１）〜（５）項のいずれかに記載の発明において、段差部の検出を行って溶接作業線を規定して、ロボットに保持されたトーチの移動軌跡の制御パラメータとして溶接作業線を入力し、線状光を照射するための投光手段や、光切断線を撮像するための手段を退避させた後に、段差部の溶接を開始することができるため、線状光を照射するための投光手段や、光切断線を撮像するための手段が溶接時に発生するスパッタなどによるダメージを受けることがなく、したがって、溶接作業線を精度良く長期にわたって検出することができるとともに、線状光を照射するための投光手段や、光切断線を撮像するための手段の寿命を長くすることができる。
【００３０】
（７）  ワークを重ねることにより生じ、溶接作業線を規定するための段差部を検出する装置であって、
前記段差部を横切るように複数の線状光を段差部上から所定の角度で照射する投光手段と、
前記段差部により切断される各光切断線を前記段差部上から撮像する撮像手段と、
該撮像された各光切断線を画像処理することにより前記段差部を演算する演算処理手段と、
を備えたことを特徴とする段差部の検出装置。
【００３１】
（７）項に記載の発明では、投光手段により段差部を横切る複数の線状光を段差部上から所定の角度で、両ワークの表面の位置が異なる段差部に対して複数照射すると、段差部を境界として切断された光切断線となる。この光切断線を撮像手段により段差部上から撮像して、演算処理手段により撮像された各光切断線を画像処理することにより、その画像処理結果に基づいて段差部を求めるための演算を短時間で容易に行って精度良く検出することができる。
なお、本発明でいう「段差部を横切るように複数の線状光を段差部上から所定の角度で照射する」とは、段差部を構成する一方のワークの端面と他方のワークの表面とが交差する位置において、他方のワークの表面とほぼ鉛直な平面上であって、一方のワークの端面に沿った方向へ所定の角度で傾斜させた状態で、段差部に沿った方向の異なる位置に対して、段差部を横切る方向に所定の長さを有するとともに段差部に沿った方向に所定の幅を有するスリット光を照射したり、所定の径を有するスポット状の光を、段差部を横切る方向に所定の長さだけ走査させることなどが含まれる。
また、本発明でいう「段差部により切断される各光切断線を前記段差部上から撮像する」とは、線状光を段差部上から所定の角度で照射することにより段差部で途切れる線状光を、段差部を構成する一方のワークの端面と他方のワークの表面とが交差する位置において、他方のワークの表面とほぼ鉛直な位置から撮像することをいう。上記のスポット状の光を走査させる場合には、演算処理手段が走査させたスポット状の光の画像の軌跡を記憶することにより、線状光として扱うことができる。
【００３２】
（８）  前記演算処理手段は、撮像された各光切断線を画像処理することにより、その端部の座標を抽出し、該抽出された光切断線の端部の座標に基づいて前記段差部を検出するものであることを特徴とする（７）項に記載の段差部の検出装置。
【００３３】
（８）項に記載の発明では、（７）項に記載の発明において、演算処理手段が画像処理して撮像された各光切断線の端部の座標を抽出することにより、抽出された光切断線の端部の座標を容易に短時間で演算して、段差部を精度良く検出することができる。
【００３４】
（９）  前記演算処理手段は、撮像された各光切断線を画像処理することにより、その端部の座標を抽出し、該抽出された光切断線の端部の座標を関数として近似させることにより、前記段差部のワークの表面に沿った位置を検出するものであることを特徴とする（８）項に記載の段差部の検出装置。
【００３５】
（９）項に記載の発明では、（８）項に記載の発明において、演算処理手段は、画像処理により抽出された光切断線の端部の、ワークの表面と平行な平面上に位置する各座標をたとえばｘ、ｙとし、この座標ｘ、ｙの関数として近似させる。これにより、一方のワークの端面の位置、すなわち、段差部のワークの表面に沿った位置を容易に精度良く検出することができる。
【００３６】
（１０）  前記演算処理手段は、撮像された光切断線群を画像処理することにより、その端部の各座標を抽出し、
前記各線状光における光切断線の抽出された端部の、前記段差部に沿った方向の各座標間の差を関数として近似させることにより、前記段差部の高さを検出するものであることを特徴とする（８）または（９）項に記載の段差部の検出装置。
【００３７】
（１０）項に記載の発明では、（８）または（９）項に記載の発明において、演算処理手段は、各線状光における光切断線の抽出された端部の段差部に沿った方向の座標の差、たとえば一の光切断線の抽出された一方のワークにおける端部の座標Ｘnと他方のワークの端部の座標Ｘn’との差ΔＸn−Ｘn’や、異なる光切断線の抽出された一方のワークにおける端部の座標Ｘn-1とＸnの差ΔＸn-1−Ｘn、または他方のワークにおける端部の座標Ｘn-1’とＸn’の差ΔＸn-1’−Ｘn’をそれぞれ関数として近似させることにより、一方のワークの表面や他方のワークの表面の高さＨ方向の相対的な変移や、それぞれの高さＨ方向の変移を三次元的に容易に精度良く検出することができる。
【００３８】
（１１）  前記投光手段は、複数の線状光を同時に照射するものであることを特徴とする（７）〜（１０）項のいずれかに記載の段差部の検出装置。
【００３９】
（１１）項に記載の発明では、（７）〜（１０）項のいずれかに記載の発明において、投光手段が、複数のスリット光を同時に照射したり、複数のスポット状の光を同時に走査させるものであることにより、段差部の検出を短時間で行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
最初に、本発明による段差部の検出装置について、図１に基づいて詳細に説明する。同一符号は、同様または相当する部分を示すものとする。
本発明の段差の検出装置は、概略、ワーク１、２を重ね溶接するための溶接作業線Ｗを規定する段差部Ｄを検出するもので、段差部Ｄを横切るように複数の線状光Ｌnを照射する投光手段３と、段差部Ｄにより各線状光Ｌnが切断された光切断線ｌn、ｌn’を撮像する撮像手段４と、撮像された各光切断線ｌn、ｌn’を画像処理して段差部Ｄを演算する演算処理手段５とを備えており、投光手段３は、段差部Ｄ上から段差部Ｄに沿って所定の角度αで線状光Ｌnを照射するよう配設されており、撮像手段４は、段差部Ｄ上にワーク１、２の表面に対して鉛直な方向に向けて配設されており、演算処理手段５は、撮像された各光切断線ｌn、ｌn’の端部の座標（Ｘn，Ｙn）あるいは（Ｘn’，Ｙn’）を抽出して、各座標（Ｘn，Ｙn）、（Ｘn’，Ｙn’）に基づいて段差部Ｄを検出するものである。
【００４１】
この実施の形態において重ね溶接されるワーク１、２は、それぞれ板状に形成されており、所定の板厚（図における垂直方向Ｈの高さ）を有している。ワーク１の端面１ｂとワーク２の表面２ａとによって構成される段差部Ｄがアーク溶接される。ここで、本発明でいう溶接作業線Ｗとは、溶接トーチに保持された溶接棒の先端を移動させるための軌跡をいい、図６に参照されるように、段差部Ｄを構成するワーク１の端面１ｂとワーク２の表面２ａとからそれぞれ所定の距離ＳＹ、ＳＨを離して設定された座標が初期教示座標として、段差部Ｄに沿って規定されている。溶接トーチはロボットのアームに支持されており、ロボットは溶接棒の先端が溶接作業線Ｗ上を移動するよう制御されて溶接トーチを移動させる。
【００４２】
投光手段３は、この実施の形態の場合、レーザ発振器３ａと、レーザ発振器３ａによりスリット光として照射するレーザビームＬnの強度や所定のピッチＰで照射するためのタイミング、および後述するように移動する軌跡などを制御する投光部制御部３ｂとを含んでいる。レーザ発振器３ａは、図１に示したように、線状光として段差部Ｄを横切る所定長さ（Ｙ方向）および所定幅（Ｘ方向）のスリット光Ｌnを照射するよう調整されている。そして、レーザ発振器３ａは、溶接トーチが設けられたロボットまたはこれとは別のロボットに支持されて、段差部Ｄを構成するワーク１の端面１ｂとワーク２の表面２ａとが交差する位置において、ワーク２の表面２ａに対してほぼ鉛直な平面上に配置されている。そして、レーザ発振器３ａは、ワーク１の端面１ｂに沿った方向に一定の角度α、たとえばワーク１、２の表面１ａ、２ａに対して４５度の角度で傾斜させた状態で（α＝４５度）、段差部Ｄを跨いでワーク１、２の表面１ａ、２ａに所定のピッチＰ（図３を参照）で複数の位置にスリット光Ｌnを縞状のパターンに照射し得るように移動される。各スリット光Ｌnは、上述したように所定の角度αで傾斜していることにより、段差部Ｄを境界にして切断されて、ワーク１と２の表面１ａ、２ａに対して図１のＸ方向にずれて照射された光切断線ｌn、ｌn’となる。
【００４３】
撮像手段４は、レーザ発信器３ａから段差部Ｄを跨いでワーク１、２の表面１ａ、２ａに所定の角度αで照射されたスリット光Ｌnを撮影するカメラ４ａと、カメラ４ａの感度や絞り、および後述するように移動する軌跡などを制御する撮像部制御部４ｂとを含んでいる。カメラ４ａは、レーザ発振器３ａと同様に、溶接トーチが設けられたロボットまたはこれとは別のロボットに支持されている。そして、カメラ４ａは、段差部Ｄを構成するワーク１の端面１ｂとワーク２の表面２ａとが交差する位置において、各スリット光Ｌnが照射されたワーク１および２の表面１ａ、２ａに対する鉛直線上に位置して、照射されたスリット光Ｌnの画像をそれぞれ撮影するよう移動される。
【００４４】
演算処理手段５は、カメラ４ａによる各スリット光Ｌnの撮像位置などを記録する撮像記録部５ａと、カメラ４ａから出力された画像データを記録する画像データ記録部５ｂと、後述するように画像データを演算処理するデータ処理部５ｃとを含んでいる。画像データは、スリット光Ｌnが段差部Ｄに対して複数の位置に所定のピッチＰで照射されることにより、図１の画像データ記録部５ｂから下方に矢印で示したように、縞状パターンとして画像データ記録部５ｂに記録されることとなる。なお、データ処理部５ｃが行う処理内容については、後述する本発明の溶接方法において、段差部Ｄを検出することにより溶接作業線Ｗを規定する工程で併せて説明することとする。
【００４５】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、投光手段３として上述したスリット光Ｌnを照射するものに替えて、所定の径を有するレーザビームなどのスポット状の光を、段差部Ｄを横切る方向に所定の長さだけ走査させ、カメラ４ａにより撮像されたスポット状の光の軌跡を撮像記録部５ａに記録させることにより線状光とすることもできる。また、本発明は単一の線状光Ｌnを照射するものであることに限定されることなく、たとえばレーザ発振器３ａに回折格子と必要に応じてレンズとを設けて、図５に示すように複数の線状光Ｌnを同時に複数箇所へ照射するよう構成することもできる。この場合には、各線状光Ｌnがワーク１、２の表面１ａ、２ａに対して所定のピッチＰで、同じ傾斜角度αで照射されるよう構成することが望ましい。しかしながら、各線状光Ｌｎのワーク１、２の表面１ａ、２ａに対する傾斜角度αの差が無視できる程に小さい場合には、そのまま撮像した画像に基づいて段差部Ｄを検出するための画像処理を行うこともできる。また、かかる傾斜角度αの差を無視できない場合であっても、各線状光Ｌnのワーク１、２の表面１ａ、２ａに対する傾斜角度を求めて、各傾斜角度に応じて抽出された座標を補正するよう構成することもできる。
【００４６】
次に、本発明の溶接方法を、上述したように構成された段差部の検出装置が含まれる溶接装置を使用する場合により、主に図１〜図４に基づいて詳細に説明する。
本発明の溶接方法は、概略、ワーク１、２を重ねてその段差部Ｄを検出することによりこの段差部Ｄを溶接するための溶接作業線Ｗを規定し、この規定された溶接作業線Ｗに従って段差部Ｄを溶接する方法であって、段差部Ｄを横切る複数の線状光Ｌnを段差部Ｄ上から所定の角度αで照射して、段差部Ｄにより切断される各光切断線ｌn、ｌn’を段差部Ｄ上から撮像し、この撮像された各光切断線ｌn、ｌn’を画像処理して段差部Ｄにおける座標（Ｘn，Ｙn）あるいは（Ｘn’，Ｙn’）を抽出し、抽出された光切断線ｌn、ｌn’の端部の各座標（Ｘn，Ｙn）、（Ｘn’，Ｙn’）に基づいて段差部Ｄを検出するものである。
【００４７】
ワーク１、２を重ね溶接するに際して、ロボットに支持された溶接トーチの溶接棒の先端が設定された段差部Ｄに対する溶接作業線Ｗに従って移動するように、ロボットの軌跡が予め教示（ティーチング）され、その初期教示座標としてロボット制御部またはデータ処理部５ｃに記憶されている。溶接作業線Ｗを規定するための段差部Ｄを検出するためには、データ処理部５ｃにより、画像データ記録部５ｂに記録された各光切断線ｌn、ｌn’の縞状パターンの画像データから、各光切断線ｌn、ｌn’の段差部Ｄにおける端部の水平方向の不連続な座標、すなわち図２に平面図で示すように、ワーク１の表面１ａと端面１ｂとの角部において段差部Ｄに沿った方向の座標Ｘn、と、段差部Ｄと交差する方向の座標Ｙnとをそれぞれ抽出し（図１のＳ１）、これらの座標点群（Ｘn，Ｙn）を関数近似させる（図１および図２のＳ２）。なお、ワーク２の表面２ａとワーク１の端面１ｂとの角部における段差部Ｄに沿った方向の座標Ｘn’、と、段差部Ｄと交差する方向の座標Ｙn’とをそれぞれ抽出して、これらの座標点群（Ｘn’，Ｙn’）を関数近似させることもできる。
【００４８】
また、データ処理部５ｃにより、画像データ記録部５ｂに記録された各光切断線ｌn、ｌn’の縞状パターンの画像データから、各光切断線ｌn、ｌn’の段差部Ｄにおける端部の垂直方向の不連続な座標を抽出する。すなわち図３に示すように、両ワーク１、２の表面１ａ、２ａに対して照射された各スリット光Ｌnにおける段差部Ｄに沿った方向の座標ＸnとＸn’との差（距離ということもできる）ΔＸnをそれぞれ求める。また、この差ΔＸnとスリット光Ｌの傾斜角度αとから算出することができる両ワーク１、２の表面１ａ、２ａ間の高さ方向Ｈの差ΔＨnをそれぞれ求める。そして、この実施の形態の場合、溶接作業線Ｗの高さＨ方向の位置を中間の高さΔＨn／２に設定するために、ΔＸn／２と、ΔＸn／２およびスリット光の傾斜角度αとから算出することができるΔＨn／２をそれぞれ求め（図１のＳ３を参照）、これらの不連続な座標点群（ΔＸn／２，ΔＨn／２）を関数近似させる（図１および図３のＳ４）。なお、溶接作業線Ｗの高さＨ方向の位置は、表面１ａ、２ａの中間に限定されることはなく、任意に規定することができ、ΔＸnとΔＨnを除算する数値を変更することにより、容易に規定することができる。また、演算を省略するために、溶接作業線Ｗを中間の高さΔＨn／２に規定するこの実施の形態の場合、ΔＨを求めることなく、ΔＸn／２とスリット光の傾斜角度αとからΔＨn／２を直接算出することができる（図１のＳ３）。
【００４９】
ここで、図４に基づいて、ワーク１の肉厚が設定よりも厚いなどの理由によりスリット光Ｌn-1を照射される表面１ａが設定よりも高い位置にある場合Ａと、ワークの肉厚が設定よりも薄いなどの理由によりスリット光Ｌn-1を照射される表面１ａが設定よりも低い位置にある場合Ｂとを説明する。ワーク１が設定された肉厚を有する場合（図４の実線）における抽出される座標をＸn-1とし、ワーク２に傾斜角度αが一定で照射されるスリット光の座標をＸn-1’とする。そして、ワーク１が設定された肉厚よりも厚い場合（図４の一点鎖線）Ａに抽出される座標をＸＡn-1とし、また、ワーク１が設定された肉厚よりも薄い場合（図４の二点鎖線）Ｂに抽出される座標をＸＢn-1とする。ワーク１が設定された肉厚よりも厚い場合Ａには、ＸＡn-1とＸn-1’との距離ΔＸＡn-1は、設定された肉厚の場合の距離ΔＸn-1よりも長くなり、また、ワーク１が設定された肉厚よりも薄い場合には、ＸＢn-1とＸn-1’との距離ΔＸＢn-1は、設定された肉厚の場合の距離ΔＸn-1よりも短くなる。上述したようにスリット光Ｌn-1が傾斜角度α＝一定で照射されているため、距離ΔＸn-1、ＸＡn-1、ＸＢn-1からそれぞれの板厚ΔＨn-1、ΔＨＡn-1、ΔＨＢn-1を容易に短時間の演算より算出することができる。そして、上述したようにスリット光Ｌn-1の傾斜角度αを４５度とした場合には、距離ΔＸn-1からΔＸＡn-1あるいはΔＸＢn-1にそれぞれ変化した差、換言すれば、設定され抽出されるはずの座標Ｘn-1に対する実際に抽出された座標ＸＡn-1あるいはＸＢn-1までの距離を求めることにより、その求められた値を高さΔＨn-1からΔＨＡn-1あるいはΔＨＢn-1にそれぞれ変化した量とすることができる。
【００５０】
なお、ワーク２の肉厚が設定よりも厚いなどの理由によりスリット光Ｌn-1を照射される表面２ａが設定よりも高い位置にある場合や、ワーク２の肉厚が設定よりも薄い厚いなどの理由によりスリット光Ｌn-1を照射される表面２ａが設定よりも低い位置にある場合も、上述した説明と同様の考え方で、抽出される座標Ｘn-1’の変化に基づいて容易に短時間の演算より算出することができる。このように、各スリット光Ｌnの段差部Ｄにおいて抽出された座標ＸnおよびＸn’の差ΔＸnとスリット光Ｌの傾斜角度αとから、両ワーク１、２の表面１ａ、２ａ間の高さ方向Ｈの差ΔＨnを求めることができる。
【００５１】
さらに、図４に基づいて、ワーク１の表面上で互いに隣接するスリット光Ｌn-1、Ｌnの抽出される座標Ｘn-1、Ｘnの差により、ワーク１の肉厚が厚く変化した場合（図４の一点鎖線）と、ワーク１の肉厚が薄く変化した場合（図４の二点鎖線）を検出する方法について説明する。ワーク１の座標Ｘn-1、Ｘn間が設定された肉厚で変化しない場合（図４の実線）に、ワーク１に傾斜角度αが一定で照射されるスリット光Ｌn-1の光切断線ｌn-1の端部の座標をＸn-1とし、これに隣接して傾斜角度αが一定で照射されるスリット光Ｌnの光切断線ｌnの端部の座標をＸnとする。そして、ワーク１の肉厚が厚く変化した場合にスリット光Ｌnの抽出される座標をＸＡnとし、また、ワーク１の肉厚が薄く変化した場合にスリット光Ｌnの抽出される座標をＸＢnとする。ワーク１の肉厚が厚く変化した場合には、座標Ｘn-1と座標ＸＡnとの距離ΔＸn-1−ＸＡnは、変化しない場合の距離ΔＸn-1−Ｘnと比較して短くなり、また、ワーク１の肉厚が薄く変化した場合には、座標Ｘn-1および座標ＸＢnの距離ΔＸn-1−ＸＢnは、変化しない場合の距離ΔＸn-1−Ｘnと比較して長くなる。上述したようにスリット光Ｌn-1、Ｌnがともに傾斜角度α一定で照射されているため、距離ΔＸn-1−Ｘn、ΔＸn-1−ＸＡn、ΔＸn-1−ＸＢnに基づいて、座標Ｘn-1を基準とした板厚の増減変化を容易に短時間の演算より算出することができる。そして、スリット光Ｌn-1、Ｌnの傾斜角度αを４５度とした場合には、距離ΔＸn-1−ＸnからΔＸn-1−ＸＡnあるいはΔＸn-1−ＸＢnにそれぞれ変化した差の値、換言すれば、設定され抽出されるはずの座標Ｘnに対する実際に抽出された座標ＸＡnあるいはＸＢnまでの距離を求めることにより、その求められた値をワーク１の表面の座標Ｘn-1から隣接する座標位置Ｘnでの高さＨ方向に変化した量とすることができる。このように、隣接するスリット光Ｌn-1、Ｌnの傾斜角度αと、段差部Ｄにおいて抽出された座標Ｘn-1およびＸnの距離ΔＸn-1−Ｘnの変化とから、ワーク１の段差部Ｄにおける表面１ａの高さ方向Ｈの変動を求めることができる。
【００５２】
これと同様に、ワーク２の表面上で互いに隣接するスリット光Ｌn-1、Ｌnの抽出される座標Ｘn-1’、Ｘn’の差により、ワーク２の肉厚が厚く変化した場合（図４の一点鎖線）と、ワーク２の肉厚が薄く変化した場合（図４の二点鎖線）を検出する方法について説明する。ワーク２の座標Ｘn-1’、Ｘn’間が設定された肉厚で変化しない場合（図４の実線）に、ワーク２に傾斜角度αが一定で照射されるスリット光Ｌn-1の光切断線ｌn-1の端部座標をＸn-1’とし、これに隣接して傾斜角度αが一定で照射されるスリット光Ｌnの光切断線ｌnの端部の座標をＸn’とする。そして、ワーク２の肉厚が厚く変化した場合にスリット光Ｌnの抽出される座標をＸＡn’とし、また、ワーク２の肉厚が薄く変化した場合にスリット光Ｌnの抽出される座標をＸＢn’とする。ワーク２の肉厚が厚く変化した場合には、座標Ｘn-1’および座標ＸＡn’の距離ΔＸn-1’−ＸＡ n’は、変化しない場合の距離ΔＸn-1’−Ｘ n’と比較して短くなり、また、ワークの肉厚が薄く変化した場合には、座標Ｘn-1’および座標ＸＢn’の距離ΔＸn-1’−ＸＢ n’は、変化しない場合の距離ΔＸn-1’−Ｘ n’と比較して長くなる。上述したようにスリット光Ｌn-1、Ｌnがともに傾斜角度α一定で照射されているため、距離ΔＸn-1’−Ｘ n’、ΔＸn-1’−ＸＡ n’、ΔＸn-1’−ＸＢ n’に基づいて、座標Ｘn-1’を基準とした板厚の変化を容易に短時間の演算より算出することができる。そして、スリット光Ｌn-1、Ｌnの傾斜角度αを４５度とした場合には、距離ΔＸn-1’−Ｘ n’からΔＸn-1’−ＸＡ n’あるいはΔＸn-1’−ＸＢ n’にそれぞれ変化した差の値、換言すれば、抽出されるはずの座標Ｘnに対する実際に抽出された座標ＸＡn’あるいはＸＢn’までの距離を求めることにより、その求められた値をワーク２の表面の座標Ｘn-1’から隣接する座標位置Ｘn’での高さＨ方向に変化した量とすることができる。このように、隣接するスリット光Ｌn-1、Ｌnの傾斜角度αと、段差部Ｄにおいて抽出された座標Ｘn-1’およびＸn’の距離ΔＸn-1’−Ｘn ’の変化とから、ワーク２の段差部Ｄにおける表面２ａの高さ方向Ｈの変動を求めることができる。
【００５３】
図１に再び戻ると、データ処理部５ｃでは、上述したように検出された段差部Ｄに基づいて、溶接作業線Ｗの三次元座標を算出する（Ｓ５）。すなわち、各光切断線ｌn、ｌn’の端部の水平方向の不連続な座標点群（Ｘn，Ｙn）を関数近似させることにより検出された段差部Ｄを構成するワーク１の端面１ｂから図６に示したように水平方向Ｙに距離ＷＹだけ移動させるとともに、上述したように求められた高さ方向ＨにＷＨ（＝ΔＨn／２）だけ移動させた溶接作業線Ｗの三次元座標を容易に短時間で算出し、予め記憶された溶接トーチの移動軌跡の初期教示座標を補正してこれを制御パラメータとしてロボットの制御部へ出力する。
【００５４】
本発明では、段差部Ｄを横切る複数の線状光Ｌnを段差部Ｄ上から所定の角度αで照射して、段差部Ｄにより切断される各線状光Ｌnの光切断線ｌn、ｌn’を段差部Ｄ上から撮像し、この撮像された各光切断線ｌn、ｌn’を画像処理して、その端部の座標（Ｘn，Ｙn）あるいは（Ｘn’，Ｙn’）を抽出することにより、容易に精度良く短時間で段差部を検出することができ、したがって、重ね溶接するワーク１、２の形状などの状態に応じて正確な溶接作業線Ｗを規定することができる。
また、図５に示したように、複数の線状光Ｌnを同時に照射する場合には、さらに短時間で段差部Ｄを検出することができる。
【００５５】
その後、レーザ発信器３ａとカメラ４ａを段差部Ｄ上から退避させて、溶接作業線Ｗの予め設定された各初期教示座標を補正した溶接作業線Ｗに従って、溶接トーチの溶接棒の先端が移動するように、溶接トーチを支持しているロボットを制御する。溶接作業線Ｗを補正してレーザ発信器３ａとカメラ４ａを段差部Ｄ上から退避させた後に溶接を開始するため、溶接時に発生するスパッタを被ることによるダメージをレーザ発信器３ａとカメラ４ａが受けないことから、長期にわたって安定して精度良く段差部Ｄを検出して溶接作業線Ｗを規定することができる。また、溶接と並行して段差部Ｄを検出するリアルタイムトラッキングとは異なるので、ロボットによる溶接速度調整の自由度が大きくなる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の段差部の検出装置を説明するために示した概念図である。
【図２】本発明の水平方向の座標を抽出した状態を説明するために示した平面図である。
【図３】本発明の垂直方向の座標を抽出する状態を説明するために示した正面図である。
【図４】本発明の段差部の検出方法において、段差部に沿った方向の各座標間の差を関数として近似させることにより、段差部の高さを検出することを説明するために概念的に示した部分拡大正面図である。
【図５】複数の線状光を同時に照射するように構成した場合を説明するために示した斜視図である。
【図６】ワークを重ね溶接するための段差部に対する溶接作業線を示した側面図である。
【符号の説明】
【００５７】
１：一方のワーク、  ２：他方のワーク、  ３：投光手段、  ４：撮像手段、  ５：データ処理部（演算処理手段）、  Ｗ：溶接作業線、  Ｄ段差部、  １ａ：一方のワークの表面、１ｂ：一方のワークの端面、  ２ａ：他方のワークの表面、  Ｌn：スリット光（線状光）、  ｌn：光切断線、  ｌn’：光切断線、  α：線状光の傾斜角度、  Ｐ：線状光のピッチ、  Ｘn：段差部の、一方のワークの表面における端面に沿った方向の座標、  Ｘn’：段差部の他方の表面における端面に沿った方向の座標、Ｙn：段差部の、他方のワークの表面における端面と直交する方向の座標、  Ｙn’：段差部の、他方のワークの表面における端面と直交する方向の座標
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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