(57)【要約】【課題】より広範に利用でき、外乱や状況変化によりよく対応することができるような、より簡便な自動開先倣い溶接装置と方法を提供する。【解決手段】溶接トーチ４１の前方やや上方から溶接部の映像を取得する撮影装置１と、撮影装置１の映像出力を処理してアーク高輝度部５１の領域を画定する画像処理装置２１と、予め求めて記憶装置２３に格納しておいた溶接トーチと開先の位置関係とアーク高輝度部の形状特性の関係に基づいてアーク高輝度部領域の形状特性から溶接トーチの位置を算定する演算装置２２と、算定された溶接トーチの位置に基づいて溶接トーチを適正位置に調整する制御装置を備える。【選択図】　図１
2004042067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチの前方やや上方から溶接部の映像を取得する撮影装置と、該撮影装置の映像出力を処理してアーク高輝度部の領域を画定する画像処理装置と、予め求めておいた溶接トーチと開先の位置関係およびアーク高輝度部の形状特性の関係に基づいて前記領域が画定されたアーク高輝度部の形状特性から前記溶接トーチの位置を算定する演算装置と、該算定された溶接トーチの位置に基づいて前記溶接トーチを適正位置に調整する制御装置を備える自動開先倣い溶接装置。
【請求項２】
前記位置関係を求める形状特性がアーク高輝度部の長軸の方向であることを特徴とする請求項１記載の自動開先倣い溶接装置。
【請求項３】
前記位置関係を求める形状特性がアーク高輝度部の長軸の方向および該アーク高輝度部の重心位置を通り該長軸と直交する短軸の長さと前記長軸の長さの比で決められるものであることを特徴とする請求項１記載の自動開先倣い溶接装置。
【請求項４】
前記位置関係を求める形状特性が、開先面間が狭い間はアーク高輝度部の長軸の傾き方向および該アーク高輝度部の重心位置を通り該長軸と直交する短軸の長さと前記長軸の長さの比で決められるものとし、前記開先面間が広くなるとアーク高輝度部の長軸の方向に切り替えられることを特徴とする請求項１記載の自動開先倣い溶接装置。
【請求項５】
溶接トーチの前方やや上方から溶接部の映像を取得し、該映像を画像処理してアーク高輝度部の領域を画定し、予め求めておいた溶接トーチと開先の位置関係とアーク高輝度部の形状特性との関係に基づいて前記領域画定したアーク高輝度部の形状特性から溶接トーチの位置を算定し、算定された溶接トーチの位置に基づいて溶接トーチを適正位置に調整することを特徴とする自動開先倣い溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク溶接を用いた自動開先倣い溶接に関し、特にウィービングを行う開先倣い溶接に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、アーク溶接における溶接中の溶接部画像を利用した自動開先倣い制御は、溶融池と電極との相対位置関係あるいはアーク中心と電極との相対位置関係に基づいて行うのが普通である。
たとえば、ＴＩＧ開先溶接では、アーク放電中の画像とアーク停止中の画像を取得して合成し、電極先端位置とアーク中心位置の間の開先幅方向のずれを測定して、適正範囲を越えたときにトーチ位置をずれと反対の方向に移動させて開先倣いを行う方法がある。
また、特開平９−２９５１４６には、ウィービング付溶極式シールドガスアーク溶接（ＧＭＡ溶接：ガスメタルアーク溶接）において溶接部位の溶融池形状から開先の左右端位置と溶接ワイヤの挿入位置を認識して、溶接トーチのウィービング中心位置を開先左右端の中間位置に来るように制御する溶接線倣い溶接方法が開示されている。
【０００３】
溶融池や電極部分はアーク光に比べて輝度が低いため、これらの部位について明確な映像を取得しようとすると、パルスアークのベース期間や溶滴の短絡移行時などアーク光が減光するタイミングに合わせて撮像する方法などを用いる必要がある。しかし、パルスアークと同期する方法などは特定の溶接方法や特定の溶接電源を使ったときにしか実施できないため、適用対象が限定される。
また、カメラの露出方法や光学フィルタに工夫をして低輝度部分でも明確な像を得るようにすることもできるが、厳密なパラメータ設定が要求され設定に余裕がないため、特定の溶接施工対象に特化される。
このように、溶融池の画像を処理する従来方法は、現場で用いられる各種の溶接方法に広範に適用することができなかった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、より広範に利用でき、外乱や状況変化によりよく対応することができるような、より簡便な自動開先倣い溶接装置と方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の自動開先倣い溶接装置は、溶接トーチの前方やや上方から溶接部の映像を取得する撮影装置と、撮影装置の映像出力を処理してアーク高輝度部の領域を画定する画像処理装置と、予め求めておいた溶接トーチと開先の位置関係とアーク高輝度部の形状特性の関係に基づいてアーク高輝度部領域の形状特性から溶接トーチの位置を算定する演算装置と、算定された溶接トーチの位置に基づいて溶接トーチを適正位置に調整する制御装置を備えることを特徴とする。
【０００６】
本発明の自動開先倣い溶接装置は、開先内の電極位置によりアーク光の形状が変化する現象に基づいて工夫されたものである。このアーク光形状の変化は再現性があるので、電極位置制御に利用することができる。
たとえば、溶接中のアーク高輝度部を斜め前方から観察すると、電極が開先幅の中央にあるときは開先幅方向に長いほぼ左右対称の楕円形になっているが、電極が開先面に近づくに従って開先面に制約されて変形し、開先面に沿った部分が上方に持ち上がって行くように見える。
【０００７】
位置変化に伴うアーク高輝度部の変形を定量的に把握するため、映像中のアーク高輝度部の輪郭を抽出して、この形状の長軸の傾きを評価する。すると、開先幅が広い場合は、ウィービング端における電極と開先面の間の水平距離が大きくなるに従って長軸の傾きがほぼ単調に減少する関係があることが分かる。ただし、減少する度合いは、開先のベベル角度により異なる。
そこで、開先のベベル角度ごとに適当なウィービング端位置に対応する電極開先間距離を設定することにより、これに対応するアーク高輝度領域の長軸の傾きが求まり、この長軸の傾きを指標にして電極の左右動の端点を決めるようなウィービング制御をすることにより、開先面での溶け込みを確保して良質な溶接を得ることができる。
【０００８】
本発明の溶接装置は、撮影装置が取得する画像中で最も明るいアーク高輝度部の形状に基づいて溶接トーチの位置制御を行うので、従来の撮影装置では暗い溶融池や電極の画像を明確にするために必要とされた複雑な機構や特殊な対象について有効になる装置を用いる必要がなく、安価に構成できる上、より広い対象について適用ができる。
溶接部画像は、カメラの設定、レンズカバーの汚れ、溶接条件の変化などにより大きく影響を受けて、たとえばアーク高輝度部領域の輪郭が拡大したり縮小したりし、また映像中のぼけや黒点などが加入されるが、アーク高輝度部映像の長軸や短軸を認識する上ではこれらの条件変化は障害にならない。したがって、本発明の方法は広範囲の溶接に適用が可能である。
【０００９】
上記のようなアーク高輝度部形状の長軸の方向を利用してウィービング制御する自動開先倣い溶接装置は、積層ウィービング溶接において層が進んで前層におけるビード幅がある大きさ以上になっている場合など、片側のウィービング端におけるアーク高輝度部形状が反対側の開先面の影響を受けないときに有効である。
しかし、ルートギャップが小さいときの初層の溶接や前層ビード幅が狭いときなど開先面間の距離が小さい場合には、アーク高輝度部が幅方向に十分広がることができず、電極位置が開先中央にあるときにもアーク高輝度部長軸が開先幅方向に向かない。このため、電極が開先中央から開先面に接近する度合いをアーク高輝度部長軸の傾きで評価する上記の装置の手法は成立しない。このような場合は、アーク高輝度部の形状が開先までの距離に対応して変化する度合いを長軸と短軸の長さの比によって評価することができる。電極の開先中央からのずれとアーク高輝度部の画像における長短軸長比の間には単調な関係があることが分かっている。
なお、上記いずれの場合においても、電極が開先中央の左右いずれに属するかは長軸の傾斜角の符号により判定する。
【００１０】
このように、長短軸長比と長軸傾斜方向を指標として狭い開先内のウィービング溶接を行う場合は、電極がウィービング端点に達した際に取得したアーク高輝度部形状について長短軸長比と長軸傾斜方向を検知することにより電極の水平位置を推定する。
ただし、長短軸長比と電極位置の関係はベベル角度やルートギャップもしくは前層ビード幅によって変化するので、これらをパラメータとしてウィービング端点における適正な長短軸長比を予め求めて、この値を基準値として記憶しておく。そして、左右の端点で測定した長短軸長比と基準値を比較して端点位置として補正すべき量を算出し、これらに基づいてウィービング中心位置とウィービング幅を補正する。
【００１１】
なお、ウィービング幅が十分小さい場合は、ウィービング幅は変更せずウィービング中心位置のみを調整するだけでもよい。
また、開先面間距離が小さい間はアーク高輝度部形状の長短軸長比と長軸傾斜方向を指標とし、開先面間距離が大きくなると長軸傾斜角を指標にするように切り替えるようにしてもよい。
なお、アーク高輝度部の形状特性の変化を観察していてウィービングの端点に対応する所定の目標値に達すると溶接トーチの運動方向を逆転させるようにすることにより、ウィービングを直接制御するようにすることも可能である。
【００１２】
また、ストレート溶接の場合には、ウィービングがないため測定タイミングをウィービング端点位置で決めることができないが、適当な時間間隔でアーク高輝度部形状を測定して、長短軸長比と長軸傾斜角の正負符号を抽出することにより、電極の水平位置を評価することができる。
ストレート溶接の場合には、ベベル角度に代えて左右のベベル角度の差と、ルートギャップあるいは前層ビード幅とをパラメータとして、アーク高輝度部形状の長短軸長比と適正な電極狙い位置補正量の関係を予め求めておいて、測定した長短軸長比に基づいて電極位置制御を行うことができる。
【００１３】
なお、本発明の取り組む課題を解決するため、本発明の自動開先倣い溶接方法は、溶接トーチの前方やや上方から溶接部の映像を取得し、映像を画像処理してアーク高輝度部の領域を画定し、予め求めておいた溶接トーチと開先の位置関係とアーク高輝度部の形状特性との関係に基づいて領域画定したアーク高輝度部の形状特性から溶接トーチの位置を算定し、算定された溶接トーチの位置に基づいて溶接トーチを適正位置に調整することを特徴とする。
【００１４】
本発明の溶接方法により、溶接部位を簡単な撮影装置で撮影し単純に最高輝度部分を切り出すことにより簡単にアーク高輝度部を抽出し、さらにアーク高輝度部映像の長軸短軸を画定して予め知られた関係に当て嵌めることにより適合する電極位置制御を行うことができる。
したがって、外乱の多い現場において、広範な対象について、安価な構成の溶接装置を用いて、開先面での十分な溶け込みを確保した上で、自動開先倣い溶接を無監視下で実現することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例に係る自動開先倣い溶接装置のシステム構成例を示すブロック図、図２から図７は本実施例の第１の適用例を説明する図面、図８から図１１は本実施例の第２の適用例を説明する図面、図１２は本実施例の第３の適用例を説明する図面である。
本実施例の自動開先倣い溶接装置は、溶接部の映像に基づいて自動的に開先のアーク溶接を行うものである。
【００１６】
本実施例の自動開先倣い溶接装置は、溶接トーチ４１を手先に把持したロボット装置３と、溶接部を撮影するカメラ装置１と、必要な演算をしてロボット制御装置に目標値を与えるパソコン２から構成される。溶接トーチ４１はロボット３に連動する溶接装置４により別途調整され、溶接対象５の開先溶接をする。
カメラ装置１はＣＣＤ素子などを用いた撮影ヘッド１１と画像信号を出力するカメラ制御装置（ＣＣＵ）１２からなる。撮影ヘッド１１は、図中矢印で示した溶接トーチの進行方向の前方に後ろ向きに設置され、溶接部平面に対して所定の角度をもって溶接部を斜めに写し込むようになっている。
【００１７】
パソコン２は、カメラ制御装置１２から入力する画像信号を画像処理してアーク高輝度部５１を抽出する画像処理装置２１と、アーク高輝度部形状と溶接トーチ位置の関係を予め格納した記憶装置２３と、画像処理装置２１で抽出されたアーク高輝度部５１の形状から開先面に対する溶接トーチの位置を推計し溶接トーチの運動に対して補正すべき量を算出する演算処理装置２２と、演算処理装置２２により形成される表示画面に対応する画像信号を格納する画像メモリ２４を備える。
なお、画像メモリ２４は表示装置２５と直結して、オペレータに必要とされる画像を表示装置２５に表示する。
【００１８】
ロボット３は多関節のロボットアーム３２の先端の手先部３３に溶接トーチ４１を把持し、ロボット制御装置３１によって手先部３３の動きを制御することにより開先に倣って溶接トーチ４１を位置制御して溶接する。ロボット制御装置３１は、予め教示された溶接対象の溶接線に基づき、各種センサで現実の形状を認識して修正しながら手先部３３の位置姿勢を制御する。
ロボット制御装置３１には、また、演算処理装置２２の演算結果として求められた溶接トーチ位置修正量が供給され、手先部３３位置制御の補正に用いられる。
溶接装置４の溶接電源装置４２はロボット３の動きに連動して溶接トーチ４１に適正な溶接電流を供給する。
【００１９】
（第１適用例）
本適用例は、開先面のベベル角度が等しい下向きＶ開先に対して、電極を鉛直下向きとしてウィービング溶接をするところに適用したものである。
第１適用例は、Ｖ開先の２層目以降など、開先面間距離が十分あってアーク高輝度部の形状がほぼ楕円形になり左右に動くにつれて疑似楕円形の長軸の傾きが再現性よく変化するところに適用した例である。
【００２０】
図２に示すように、溶接対象５の所定の傾き角を有する開先面に挟まれた部分は、突き合わされた先端から何層もの溶接ビードが重なってほぼ平面状のビード面が形成されている。溶接トーチ４１は溶接方向に垂直な方向にウィービングしながら先端からアーク５１を放出して溶接ワイヤを溶融し、溶接部に層状に堆積させて、２つの材料を連結し溶接する。なお、ウィービングは左右の開先面から適当に離れた位置の間を往復動させる。
溶接部をカメラで撮像すると、溶接トーチ４１の電極先端と溶融池の間に形成されるアークは画像中最も明るいアーク高輝度部を形成する。したがって、カメラ１１で取得した溶接部の画像から所定の閾値以上の輝度を有する高輝度部を切り出すことにより、簡単にアーク高輝度部５１を抽出することができる。
カメラ１１は溶接方向前方のやや上方から撮影するように設置されている。
【００２１】
そこで、溶接部画像から抽出したアーク高輝度部を観察すると、図３に示すような形状変化が見られる。図３の（ａ）は、電極がカメラから見てウィービング中心位置にあるときの溶接部画像で、最も明るいアーク高輝度部の形はほぼ水平方向に長軸を有する楕円形をなしている。また図３（ｂ）は、電極がウィービングの右端位置にあるときの溶接部画像で、溶接アークは開先面に制約されて右側が狭まるため、アーク高輝度部は多少細った楕円形になり長軸の方向が右上方に向くようになる。さらに、図３（ｃ）は、電極がさらに開先面に近づいてほぼ接触する程度になったときの溶接部画像で、アーク高輝度部の形状はさらに細くなり長軸方向もさらに右が上がって傾斜角が大きくなる。
【００２２】
このようなアーク高輝度部の形状変化は、溶接トーチと開先面の間の水平距離に対してほぼ再現性があることが分かる。
そこで、アーク高輝度部の形状変化を数量的に評価するため、溶接部画像から切り出したアーク高輝度部形状の長軸を算定してその方向を指標にして関係を調べた。
図４は、横軸に電極と開先面の間の水平距離を取り、縦軸にアーク高輝度部形状の長軸方向の傾きを取って、本実施例の装置においてベベル角度が３０度の対象について取得された実測値をプロットしたグラフである。
電極と開先面の距離が減少するにつれてアーク高輝度部形状の長軸の傾斜角はほぼ単調に増加している。なお、通常適当なウィービング端点は電極と開先面が２ｍｍ程度離れた位置とされている。したがって、本実施例の構成およびカメラ配置では、ウィービングの端点における長軸の傾斜角がほぼ３０度であれば適正なウィービング溶接がされていると見ることができ、これとずれを有するときには、傾斜角が３０度に近づく方向にウィービングを調整する必要がある。
【００２３】
ウィービング端部における位置補正量は予め算定された関係に基づいて算出する。
ウィービング補正は極端すぎると制御が安定しないので、最大補正量を±１ｍｍと決める。また、ベベル角度３０°の場合は長軸傾斜角目標値の３０°を挟む１５°から４５°の範囲で長軸傾斜角の偏差に比例した補正量を与えることとする。すると、実際のウィービング端点におけるアーク高輝度部形状の長軸方向測定値に対して、ウィービング端点位置を補正すべき量は図５のグラフに表される通りになる。
【００２４】
図５は、横軸に長軸傾斜角、縦軸にウィービング端点位置補正量をプロットしたものである。たとえば、ウィービング端点における長軸傾斜角が３７．５°であれば、ウィービング端点位置を−０．５ｍｍ、すなわち振幅が減少する方向に０．５ｍｍ調整する。このような調整を繰り返すことにより、ウィービングはやがて溶接対象にとって適正な位置および幅に収束することになる。
なお、ベベル角度が異なれば適正な端点位置も異なるので、長軸傾斜角と補正量の関係が変化する。たとえば、ベベル角度が４５°のときの補正量は点線で表示したようになる。演算はこのような関係を数式に表して使用する。
【００２５】
本実施例の自動開先倣い溶接装置は、これらの関係を利用して、ウィービング調整を行う。
図６は、本実施例で実行される制御アルゴリズムを表したフローチャートである。また、図７は形状特性を算出する画像処理手順を表したフローチャートである。
図６により、ウィービング制御の手順を説明する。
制御を開始する前に、溶接条件などを入力する。まず、溶接する始点および終点を教示する必要がある（Ｓ１１）。また、開先角度、ルートギャップ、電極の狙い位置深さなども入力する（Ｓ１２）。制御装置は、これら教示された情報に基づいて、適正な溶接条件およびウィービング条件を選定する（Ｓ１３）。また、記憶装置に格納された条件表に基づいて、ウィービング端点におけるアーク高輝度部形状の長軸傾斜角目標値を選定する（Ｓ１４）。
こうした準備が完了したら、制御装置から準備完了表示が出るので、これを確認して溶接開始スイッチを押すと自動溶接装置が溶接を開始する（Ｓ１５）。
【００２６】
まず、ウィービングが右端に到達したことを確認して（Ｓ２１）、溶接部画像を取り込み（Ｓ２２）、画像処理によりアーク高輝度部形状の長軸傾斜角θを算出する（Ｓ２３）。
図７の前半部に、溶接部映像からアーク高輝度部形状の長軸傾きを求める手順例が示されている。
カメラ１１により取得された溶接部画像について所定の閾値を用いて２値化しアーク高輝度部５１の映像を抽出する（Ｓ５１）。アーク高輝度部５１は溶融池など他の領域と比較すると極めて高い輝度を有するので、閾値の設定も容易であり、簡単に領域抽出することができる。
ただし、ノイズとなる高輝度領域はアーク光以外にも存在するので、閾値以下の面積しか持たない高輝度領域を削除することにより、これらノイズ成分を排除してアーク高輝度部５１のみに絞り込む（Ｓ５２）。
【００２７】
次に、対象となるアーク高輝度部５１映像について重心座標Ｇを算定する（Ｓ５３）。重心座標Ｇ（Ｘｇ，Ｙｇ）は、高輝度領域内の画素についてそれぞれｘ座標ｘｉとｙ座標ｙｉの平均値を取ることにより簡単に求めることができる。
さらに、アーク高輝度領域５１の各素子の座標（ｘｉ，ｙｉ）を用いて、下式によりアーク高輝度部領域図形の慣性モーメントが最小となる対称軸の角度θを算出する（Ｓ５４）。
【００２８】
式は、直線ｙ＝ｔａｎθ×（ｘ−Ｘｇ）＋ｙＧ　の周りのモーメントを表す式Ｍについて、ｄＭ／ｄθ＝０となるようなθを求めるもので、
θ＝−０．５　ａｔａｎ［２Σ（ｘｉ−Ｘｇ）（ｙｉ−Ｙｇ）／｛Σ（ｘｉ−Ｘｇ）２−Σ（ｙｉ−Ｙｇ）２｝］。
ただし、−９０°≦θ≦＋９０°である。
角度θは図形の最も長い軸に沿うものとなり、重心を通り角度θを持つ直線を長軸、重心を通り長軸と直交する直線を短軸と定義する。
なお、ここで、ｘｙ座標系は、ｘ座標を水平右方向に取り、ｙ座標を垂直下方向に取ったものである。また、θは正のｘ軸を基準にして反時計方向に測るものとする。
本適用例では、ステップ５４で求めたアーク高輝度部形状の長軸方向θを用いて電極位置が推定できるので、後の演算工程は省略してよい（Ｓ５６）。
【００２９】
こうして求めたウィービング右端における長軸傾斜角θに基づいて、右端位置補正量ΔＲを算出した上で（Ｓ２４）、溶接継続中であることを確認する（Ｓ２５）。溶接が終了している場合は何もせずに終了する。
溶接中であれば、今度はウィービング左端に到着するのを待って（Ｓ３１）、右端におけると同様、溶接部画像を取り込み（Ｓ３２）、ウィービング左端におけるアーク高輝度部形状の長軸傾斜角θを算出し（Ｓ３３）、左端における位置補正量ΔＬを算出し（Ｓ３４）、溶接中であることを確認する（Ｓ３５）。
【００３０】
溶接中であれば、ウィービングが中央位置に到達するのを待って（Ｓ４１）、ウィービングの右端位置補正量ΔＲと左端位置補正量ΔＬを合成して（Ｓ４２）、ウィービングの中央位置のずれを正し適正なウィービング幅を算定して補正動作を実行する（Ｓ４３）。さらに、溶接継続中であることを確認して（Ｓ４４）、ステップ２１に戻り、次のウィービングの右端における補正量算出手順から同じ手順を繰り返す。このウィービングごとに行われる繰り返し動作を溶接が終了するまで継続することにより、良好なウィービング制御を確保することができる。
【００３１】
なお、ウィービング中央位置で補正動作を行う場合について説明したが、ウィービング中の任意のタイミングで補正を施して、適当な任意のタイミング、たとえば次のウィービング端点から実行してもよい。
また、位置補正は適当な数のウィービングについて平均してから行うようにしてもよい。平均化により異常値の影響を排除して、極端な動きを抑えた品位の高い制御が達成できる。
【００３２】
（第２適用例）
本適用例は、図８に示すように、下向きＶ開先の初層やベベル角度が小さいときなど、開先が狭いときに適用したものである。開先が狭いため、アーク光が溶接方向に垂直な方向に十分広がらず、アーク高輝度部５１が塊状に写り長軸を簡単に判定し傾きを正確に算出できるような疑似楕円形にならない。したがって、長軸傾きθに依存する計測では信頼性が劣る。
そこで、本発明の発明者らは、観察を積み重ねて、このような場合には長短軸長比を利用すると信頼性の高い電極位置推定が行えることを見出した。
なお、この他の制御手順等は第１適用例における制御手順等と変わりがない。
【００３３】
図９は、カメラ１１で溶接部を撮影した画像の例である。図９（ａ）はウィービング左端に到達したときの画像で、電極が左側の開先面に近づくとアーク高輝度部５１の領域が左側には広がらないため、左肩上がりの少し扁平な形状を示す。
図９（ｂ）は電極が開先間の中心位置に来たときの溶接部の映像である。アーク高輝度部形状は三角形に近い塊状になり長軸長と短軸長はほぼ等しく、左肩上がりから右肩上がりへと形状が変わるのに伴い、長軸と短軸が入れ替わるところである。
図９（ｃ）はウィービング右端に到達したところにおける画像で、図９（ａ）におけるアーク高輝度部形状とほぼ対称の右肩上がりの扁平な形状を示す。
【００３４】
アーク高輝度部形状の長軸傾斜角と長短軸長比は図７に示した処理手順により求めることができる。まず、図７の前半部を用いて説明した手順でアーク高輝度部領域に含まれる画素座標から重心Ｇを求めてから（Ｓ５３）、重心を通る長軸傾斜角θを算出する（Ｓ５４）。短軸は、長軸と重心Ｇの位置で直交するので、短軸傾斜角σは長軸傾斜角θに±９０°を加えることにより求まる（Ｓ５７）。また、重心座標Ｇ（Ｘｇ，Ｙｇ）と軸傾斜角θ，σさらに実数パラメータｒを用いて長軸と短軸の方程式を立てる（Ｓ５８）。たとえば長軸に関する方程式は、
ｘ＝Ｘｇ＋ｒｃｏｓθ
ｙ＝Ｙｇ−ｒｓｉｎθ
となる。なお、実数パラメータｒの絶対値は直線上の点と重心の距離を表すことになる。
この式を利用して、アーク高輝度領域輪郭と長軸・短軸の交点を求めて、それぞれ長軸長ａと短軸長ｂを算出する（Ｓ５９）。
長軸長ａと短軸長ｂを用いて、長短軸長比γ＝ｂ／ａを求める（Ｓ６０）。
【００３５】
こうして得られる長短軸長比γは、電極の位置に対して比較的安定した関数になっており、ベベル角度が等しい下向きＶ開先においては開先面の中央を挟んで対称になっている。
図１０は、両側のベベル角度がいずれも３０°と等しい下向きＶ開先を有しルートギャップが０ｍｍの対象について、ウィービング溶接したときの電極位置と長短軸長比の関係をプロットしたものである。横軸は開先中心から電極までの距離、縦軸は長短軸長比γを表す。グラフから明らかなように、長短軸長比は電極が開先中心にあるときに最高値１を取り、中心から離れるにつれてほぼ同じ割合で減少することが分かる。
【００３６】
目標とするウィービング端点位置を長短軸長比γで指定し、実際のウィービング端点において求めた長短軸長比と差があるときに、ウィービング中央点や幅を補正して希望のウィービングに戻すことができる。
図１１は、横軸にウィービング右端における長短軸長比γをとり縦軸に右端位置補正量ΔＲをとって、両者間の関係を示すグラフである。ウィービング幅を２ｍｍとした場合で、目標とする電極位置における長短軸長比γｇ　が０．７５、１回の補正量は±１．４ｍｍを限界としたものを表している。補正量ΔＲは限界値以内で長短軸長比γの偏差に比例するように決める。
【００３７】
図中、下側の実線グラフ▲１▼は、ウィービング右端における長軸傾斜角θが正の場合の端点位置補正量を表す。一方、上側の鎖線グラフ▲２▼は、ウィービング右端における長軸傾斜角θが負になったとき、すなわち電極がウィービング右端にあるにもかかわらず電極が開先中央より左に位置する場合の端点位置補正量を与えるものである。ウィービング左端においても、図１１と対照な同様の関係が存在する。このように、図に表した関係を用いて、長軸傾斜角に基づき適正な左右の端点位置補正量を求めることができる。
【００３８】
なお、ウィービング中央位置の補正量ΔＸｃは、右側補正量ΔＲと左側補正量ΔＬの差の半分として与えられ、ウィービング幅の補正量ΔＷは、右側補正量ΔＲと左側補正量ΔＬの和として与えられる。また、電極が開先面間の左側領域にあるか右側領域にあるかは、アーク高輝度部形状の長軸傾斜角が正か負かによって判定することができる。
【００３９】
（第３適用例）
本適用例は、ストレート溶接に適用した例である。ストレート溶接でもアーク高輝度部の形状はほぼ同じであるから、溶接線から外れれば形状に歪みが生じこの歪みを評価することによりずれ量を推定することができ、したがって適正な補正量を決めることができる。溶接線からのずれ量を評価する指標として、第１適用例で用いた長軸傾斜角θを用いることもできるが、この指標は開先面の中央付近では偏差に敏感でないので、第２適用例で用いた軸長比γを利用することがより好ましい。
【００４０】
電極が目標とする溶接線からずれたときの偏差の大きさに対して表れるアーク高輝度部形状の軸長比γを実測に基づいて評価しておく。
また、軸長比γの偏差と補正量を比例するものとし、ある軸長比γｐになると電極の狙い位置を所定の補正量ｅだけ調整するものと予め設定する。また、補正量の上限を適当に決める。
図１２は、このようにして決めた長短軸長比γに対する電極狙い位置補正量の関係を表したグラフである。グラフは、狙い位置補正量の限界値を±１．４ｍｍとし、長短軸長比が０．７５のときに狙い位置を１ｍｍ補正するものとして作成したものである。
【００４１】
図１２のグラフは、横軸に長短軸長比γを取っている。長短軸長比γは電極が開先中央にあるときに最大値、たとえば１となり、開先面に近づくに従って小さくなる。また、電極が開先中央の左右どちらの領域に位置するかによって長軸傾斜角θの符号が入れ替わるので、この符号を利用して図中下側の実線グラフ▲１▼か上側の鎖線グラフ▲２▼のいずれかを選択して適合する狙い位置補正量を得ることができる。なお、補正量は狙い位置を右側にずらす方向に正とし左側にずらす方向を負としている。
ストレート溶接における電極狙い位置の補正は、カメラが取得した溶接部の画像からアーク高輝度部の形状特性を抽出し、図１２のグラフあるいはこれを数式化したものを用いて直接的に狙い位置補正値を算出して、位置修正動作を実行する。
なお、ウィービングしないストレート溶接では電極位置を測定するタイミングとしてウィービング端点位置を用いることができないので、タイマなどを使用して適当な間隔で画像取得し画像処理して補正量を評価し補正動作を行う。
【００４２】
上記各適用例において、ウィービング条件の補正は、ウィービングの各周期ごとに行うことができるが、適当な間隔ごとに行ってもよい。
なお、ベベル角度が左右の開先により異なる場合は、ウィービング端点における電極位置とアーク高輝度部形状の軸長比など特性値との関係が左右で異なるので、それぞれ実験などで事前に求めた状況に合致する関数を用いて、処理する必要がある。しかし、開先ごとに関数が異なる場合も、本質的な処理方法に差異はない。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の自動開先倣い溶接装置および方法によって、簡便で安価な溶接装置を用いながら、より広範な対象について外乱や条件変化に対応して、開先倣い溶接が自動的に実施できるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例に係る自動開先倣い溶接装置のシステム構成例を示すブロック図である。
【図２】本実施例の第１適用例における溶接部の状態を示す概念斜視図である。
【図３】第１適用例におけるアーク高輝度部形状変化を示す溶接部映像図である。
【図４】第１適用例における電極開先面距離と長軸傾斜角の関係を示すグラフである。
【図５】第１適用例における長軸傾斜角とウィービング端点位置補正量の関係を示すグラフである。
【図６】第１適用例における制御アルゴリズムを説明するフロー図である。
【図７】第１適用例における画像処理と演算処理の内容を説明するフロー図である。
【図８】本実施例の第２適用例における溶接部の状態を示す概念斜視図である。
【図９】第２適用例におけるアーク高輝度部形状変化を示す溶接部映像図である。
【図１０】第２適用例においてウィービング溶接したときの電極位置と長短軸長比の関係を示すグラフである。
【図１１】第２適用例における長短軸長比と右端位置補正量の関係を示すグラフである。
【図１２】第３適用例における長短軸長比と電極狙い位置補正量の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１　カメラ装置
２　パソコン
３　ロボット装置
４　溶接装置
５　溶接対象
１１　撮影ヘッド
１２　カメラ制御装置（ＣＣＵ）
２１　画像処理装置
２２　演算処理装置
２３　記憶装置
２４　画像メモリ
２５　表示装置
３１　ロボット制御装置
３２　ロボットアーム
３３　手先部
４１　溶接トーチ
４２　溶接電源装置
５１　アーク、アーク高輝度部
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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