(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチを、開先に倣う方向となる溶接方向に移動させつつ、溶接方向に交差する方向となるウィービング方向両方向に周期的に交互に移動させて、２つの被溶接部材をアーク溶接するアーク溶接方法であって、
溶接時における溶接トーチ付近の溶接画像を撮像する撮像工程と、
撮像工程によって撮像される溶接画像に含まれる情報のうち、溶接トーチの移動に伴って変化する特徴情報に基づいて、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達する到達時刻を特定する到達時刻特定工程と、
到達時刻における溶接画像に基づいて、アーク溶接における溶接条件を調整する調整工程とを含むことを特徴とするアーク溶接方法。
【請求項２】
前記撮像工程で撮像された溶接画像から所定の輝度を表わす輝度しきい値以上となる領域を前記アーク高輝度領域とし、前記アーク高輝度領域を構成する各画素のＸ軸の座標をｘｉとし、前記Ｘ軸に直交するＹ軸の座標をｙｉとし、前記アーク高輝度領域の重心の座標を（Ｘｇ，Ｙｇ）としたとき、次式、
ｙ＝ｔａｎθ×（ｘｉ−Ｘｇ）＋Ｙｇ
によって表わされる直線ｙに関する慣性モーメントが最小となる対称軸の前記ウィービング方向に対する傾きθを、前記アーク高輝度領域の長軸の傾きとして前記特徴情報に用いることを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法。
【請求項３】
前記特徴情報は、前記撮像工程で撮像された溶接画像から所定の輝度を表わす輝度しきい値以上となる領域を前記アーク高輝度領域とし、前記アーク高輝度領域を構成する各画素のＸ軸の座標をｘｉとし、前記Ｘ軸に直交するＹ軸の座標をｙｉとし、前記アーク高輝度領域の重心の座標を（Ｘｇ，Ｙｇ）としたとき、次式、
ｙ＝ｔａｎθ×（ｘｉ−Ｘｇ）＋Ｙｇ
によって表わされる直線ｙに関する慣性モーメントが最小となる対称軸を長軸とし、アーク高輝度領域の重心を通過する前記長軸の長さと、アーク高輝度領域の重心を通過して前記長軸に直交する短軸の長さとの比であることを特徴とする請求項１記載のアーク溶接方法。
【請求項４】
撮像工程は、アーク溶接期間にわたって溶接画像を撮像し、
到達時刻特定工程は、予め定められる溶接条件に基づいて、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達するであろう推定到達時刻をｔ１，ｔｉとし、推定到達時刻ｔ１，ｔｉを含む到達時刻探索期間をｗとし、予め定める２以上の自然数をｎとしたとき、次式、
ｔｉ−ｎ・Ｔｆ＜ｗ＜ｔｉ＋ｎ・Ｔｆ
によって表される前記到達時刻探索期間を終了した後に、実際の到達時刻を抽出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアーク溶接方法。
【請求項５】
溶接トーチを、開先に倣う方向となる溶接方向に移動させつつ、溶接方向に交差する方向となるウィービング方向に周期的に交互に移動させて、２つの被接合部材を溶接するアーク溶接において、溶接トーチの開先に対する位置を特定するトーチ位置特定方法であって、
アーク溶接時における溶接トーチ付近の溶接画像を撮像する撮像工程と、
撮像工程によって撮像される溶接画像に含まれる情報のうち、溶接トーチの移動に伴って変化するアーク高輝度領域の特徴情報に基づいて、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達する到達時刻を特定する到達時刻特定工程と、
前記到達時刻における溶接画像に基づいて、アーク溶接における溶接条件を調整する調整工程と、
前記特徴情報に基づいて、溶接トーチの開先に対する位置を特定する溶接トーチ位置特定工程とを含むことを特徴とするトーチ位置特定方法。
【請求項６】
溶接トーチを、開先に倣う方向となる溶接方向に移動させつつ、溶接方向に交差する方向となるウィービング方向両方向に周期的に交互に移動させるトーチ移動手段と、
溶接時における溶接トーチ付近の溶接画像を撮像する撮像手段と、
撮像手段によって撮像される溶接画像に含まれる情報のうち、溶接トーチの移動に伴って変化するアーク高輝度領域の特徴に基づいて、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達した時刻となる到達時刻を検出する到達時刻特定手段と、
到達時刻特定手段が検出した到達時刻における溶接画像に基づいて、アーク溶接における溶接条件を調整する制御手段とを含むことを特徴とするアーク溶接装置。
【請求項７】
溶接トーチがウィービング方向の両端に到達したときに、開先に対して溶接トーチが位置すべき設定位置が入力される設定位置入力手段と、
撮像手段によって撮像される溶接画像に基づいて、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達したときに、開先に対して溶接トーチが実際に位置する実際位置を取得する実際位置取得手段とをさらに含み、
制御手段は、設定位置と実際位置とに基づいて、溶接トーチが設定位置に移動するようにトーチ移動手段を制御することを特徴とする請求項６記載のアーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、開先倣いアーク溶接に関し、特にウィービングを行うアーク溶接に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来技術のアーク溶接装置において、溶接トーチを開先倣い制御する装置がある。従来技術のアーク溶接装置は、溶融池の形状から開先の左右端位置と電極とを認識して、溶接トーチのウィービング方向の中心位置、ウィービング幅、溶接電流、溶接電圧および溶接速度を制御する（たとえば特許文献１参照）。
【０００３】
従来技術では、溶接トーチがウィービング方向の両端に到達したことを検出すると、カメラを用いて溶接トーチ付近の画像を撮像する。そしてその画像から溶接中の溶融池を抽出し、開先左右端と電極との位置関係を認識する。従来技術において、溶接トーチがウィービング方向の両端に到達したことを検出する検出手段は、リミットスイッチ、エンコーダまたは電気的な検出センサによって実現される。すなわち検出手段は、ハードウェアによって実現され、ウィービング用に別途設けられる。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２９５１４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術のアーク溶接装置は、溶接トーチを含むアーク溶接装置本体と、溶接トーチをウィービング移動させる移動装置とが別体に設けられる場合がある。この場合、アーク溶接装置本体と移動装置とが組立てられて、ウィービング機能を有するアーク溶接装置として構成される。この場合、アーク溶接装置本体は、移動装置または専用センサから溶接トーチの移動に関するトーチ位置情報が与えられないと、溶接トーチの移動に応じたアーク溶接制御を行うことができない。
【０００６】
移動装置からトーチ位置情報を得る場合、移動装置から出力させたトーチ位置情報をアーク溶接装置本体に認識させ、アーク溶接装置本体によって溶接条件の調整を行う必要がある。したがってアーク溶接装置本体と移動装置とのハード的およびソフト的な仕様が互いに対応していないと、溶接トーチの移動に応じたアーク溶接制御が困難となる。また移動装置からトーチ位置情報を出力することが困難な場合には、溶接トーチがウィービング方向の両端に到達したことを検出するセンサが別途必要となる。
【０００７】
また従来技術では、溶接トーチがウィービング方向の両端に到達した後で、カメラを用いて溶接画像を撮影するので、溶接画像の撮影タイミングが遅れてしまう場合がある。この場合、溶接トーチがウィービング方向の両端に到達したときの溶接画像を正確に求めることができない場合がある。
【０００８】
このように従来技術のアーク溶接装置は、溶接トーチの移動位置に同期して溶接条件を変更するには、移動装置または専用のセンサから、トーチ位置情報を取得する機能が別途必要である。また溶接トーチの移動に正確に同期して溶接条件を変更することができない。
【０００９】
したがって本発明の目的は、トーチ位置情報を取得する専用の機能を必要とせずに、溶接トーチの移動位置に同期して溶接条件を変更可能なアーク溶接方法およびアーク溶接装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、溶接トーチを、開先に倣う方向となる溶接方向に移動させつつ、溶接方向に交差する方向となるウィービング方向両方向に周期的に交互に移動させて、２つの被溶接部材をアーク溶接するアーク溶接方法であって、
溶接時における溶接トーチ付近の溶接画像を撮像する撮像工程と、
撮像工程によって撮像される溶接画像に含まれる情報のうち、溶接トーチの移動に伴って変化する特徴情報に基づいて、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達する到達時刻を特定する到達時刻特定工程と、
到達時刻における溶接画像に基づいて、アーク溶接における溶接条件を調整する調整工程とを含むことを特徴とするアーク溶接方法である。
【００１１】
本発明に従えば、撮像工程で、溶接時における溶接トーチ付近の溶接画像を撮像する。次に、到達時刻特定工程で、溶接画像に含まれるアーク高輝度領域の特徴から、溶接トーチの到達時刻を特定する。調整工程では、到達時刻における溶接画像に基づいて、溶接条件を調整する。たとえば溶接条件は、溶接トーチの中心位置、ウィービング幅、溶接電流、電圧および溶接速度などである。
【００１２】
到達時刻特定工程では、溶接画像を用いて到達時刻を特定する。すなわち到達時刻を特定するために、溶接画像を撮像する撮像手段が兼用される。撮像手段は、アーク溶接の溶接条件を調整するための溶接画像を得るために必須の構成である。したがって従来技術のようにリミットスイッチ、エンコーダおよび電気的センサなどの到達時刻特定のための専用センサを用いることなく、到達時刻を特定することができる。また到達時刻を溶接画像から抽出することによって、到達時刻における溶接画像を正確に求めることができる。
【００１３】
また本発明は、前記撮像工程で撮像された溶接画像から所定の輝度を表わす輝度しきい値以上となる領域を前記アーク高輝度領域とし、前記アーク高輝度領域を構成する各画素のＸ軸の座標をｘｉとし、前記Ｘ軸に直交するＹ軸の座標をｙｉとし、前記アーク高輝度領域の重心の座標を（Ｘｇ，Ｙｇ）としたとき、次式、
ｙ＝ｔａｎθ×（ｘｉ−Ｘｇ）＋Ｙｇ
によって表わされる直線ｙに関する慣性モーメントが最小となる対称軸の前記ウィービング方向に対する傾きθを、前記アーク高輝度領域の長軸の傾きとして前記特徴情報に用いることを特徴とする。
【００１４】
本発明に従えば、溶接画像に含まれる情報のうち、アーク高輝度領域の長軸の傾く方向に関する情報を用いて、溶接トーチの到達時刻を特定する。前記アーク高輝度領域は、溶接画像から所定の輝度を表わす輝度しきい値以上となる領域である。また前記溶接画像の特徴情報は、前記アーク高輝度領域を構成する各画素のＸ軸の座標をｘｉとし、前記Ｘ軸に直交するＹ軸の座標をｙｉとし、前記アーク高輝度領域の重心の座標を（Ｘｇ，Ｙｇ）としたとき、ｙ＝ｔａｎθ×（ｘｉ−Ｘｇ）＋Ｙｇによって表わされる直線ｙに関して慣性モーメントが最小となる対称軸が、ウィービング方向に平行な仮想線に対する傾きが用いられる。
前記溶接トーチがウィービング方向の中心から、開先面に向かって移動する場合、その移動に伴って、長軸の傾く方向は、ほぼ比例的に変化する。そして長軸の傾く方向は、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達したときにその絶対値が極大となる。したがって到達時刻特定工程では、長軸の傾き方向の絶対値が極大となる時刻を、溶接トーチの到達時刻として検出する。このように長軸の傾く方向の極大を検出することは、単純な画像処理プログラムで実現することができる。したがって溶接トーチの到達時刻を容易に検出することができる。
【００１５】
また本発明は、前記特徴情報は、前記撮像工程で撮像された溶接画像から所定の輝度を表わす輝度しきい値以上となる領域を前記アーク高輝度領域とし、前記アーク高輝度領域を構成する各画素のＸ軸の座標をｘｉとし、前記Ｘ軸に直交するＹ軸の座標をｙｉとし、前記アーク高輝度領域の重心の座標を（Ｘｇ，Ｙｇ）としたとき、次式、
ｙ＝ｔａｎθ×（ｘｉ−Ｘｇ）＋Ｙｇ
によって表わされる直線ｙに関する慣性モーメントが最小となる対称軸を長軸とし、アーク高輝度領域の重心を通過する前記長軸の長さと、アーク高輝度領域の重心を通過して前記長軸に直交する短軸の長さとの比であることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、溶接画像に含まれる情報のうち、アーク高輝度領域の長軸の長さと短軸の長さとの比に関する情報を用いて、溶接トーチの到達時刻を特定する。長軸と短軸との長さの比は、溶接トーチがウィービング方向の中心から、開先面に向かって移動する場合、その移動に伴って、長軸と短軸との長さの比は、ほぼ比例的に変化する。そして短軸の長さを長軸の長さで除算した長短軸長比は、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達したときに極小となる。したがって到達時刻特定工程では、長短軸長比が極小となる時刻を、溶接トーチの到達時刻として検出する。このように長軸と短軸との長さの比の極小を検出することは、単純な画像処理プログラムで実現することができる。したがって溶接トーチの到達時刻を容易に検出することができる。
【００１７】
また本発明は、撮像工程は、アーク溶接期間にわたって溶接画像を撮像し、
到達時刻特定工程は、予め定められる溶接条件に基づいて、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達するであろう推定到達時刻をｔ１，ｔｉとし、推定到達時刻ｔ１，ｔｉを含む到達時刻探索期間をｗとし、予め定める２以上の自然数をｎとしたとき、次式、
ｔｉ−ｎ・Ｔｆ＜ｗ＜ｔｉ＋ｎ・Ｔｆ
によって表される前記到達時刻探索期間を終了した後に、実際の到達時刻を抽出することを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、到達時刻特定工程では、演算期間についてのみ、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達したか否かを検出する。したがって演算期間以外の残余の期間については、到達時刻特定工程を省略することができる。このように到達時刻特定工程を予め定める期間に行うことによって、画像処理の演算を一部省略することができ、溶接トーチの到達時刻を効率よく検出することができる。
【００１９】
また本発明は、溶接トーチを、開先に倣う方向となる溶接方向に移動させつつ、溶接方向に交差する方向となるウィービング方向に周期的に交互に移動させて、２つの被接合部材を溶接するアーク溶接において、溶接トーチの開先に対する位置を特定するトーチ位置特定方法であって、
アーク溶接時における溶接トーチ付近の溶接画像を撮像する撮像工程と、
撮像工程によって撮像される溶接画像に含まれる情報のうち、溶接トーチの移動に伴って変化するアーク高輝度領域の特徴情報に基づいて、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達する到達時刻を特定する到達時刻特定工程と、
前記到達時刻における溶接画像に基づいて、アーク溶接における溶接条件を調整する調整工程と、
前記特徴情報に基づいて、溶接トーチの開先に対する位置を特定する溶接トーチ位置特定工程とを含むことを特徴とするトーチ位置特定方法である。
【００２０】
本発明に従えば、溶接画像を撮像し、溶接画像のうちアーク高輝度領域の特徴情報に基づいて、溶接トーチの開先に対する位置を特定する。アーク高輝度領域は、開先に対する溶接トーチの位置に応じてその形状が変化する。このアーク高輝度領域の形状に基づくことによって、溶接トーチの開先に対する位置を特定することができる。なお、アーク高輝度領域は、溶接画像の中で最も明るい。したがって溶融池および電極などの他の特徴情報に比べて、複雑な画像処理を施す必要がなく、容易にその輪郭を取得することができる。また溶接条件調整可能な溶接対象物の選択肢を広げることができる。
到達時刻特定工程では、溶接画像を用いて到達時刻を特定する。すなわち到達時刻を特定するために、溶接画像を撮像する撮像手段が兼用される。撮像手段は、アーク溶接の溶接条件を調整するための溶接画像を得るための必須の構成である。したがって従来技術のようにリミットスイッチ、エンコーダおよび電気的センサなどの到達時刻特定のための専用センサを用いることなく、到達時刻を特定することができる。また到達時刻を溶接画像から抽出することによって、到達時刻における溶接画像を正確に求めることができる。
【００２１】
また本発明は、溶接トーチを、開先に倣う方向となる溶接方向に移動させつつ、溶接方向に交差する方向となるウィービング方向両方向に周期的に交互に移動させるトーチ移動手段と、
溶接時における溶接トーチ付近の溶接画像を撮像する撮像手段と、
撮像手段によって撮像される溶接画像に含まれる情報のうち、溶接トーチの移動に伴って変化するアーク高輝度領域の特徴に基づいて、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達した時刻となる到達時刻を検出する到達時刻特定手段と、
到達時刻特定手段が検出した到達時刻における溶接画像に基づいて、アーク溶接における溶接条件を調整する制御手段とを含むことを特徴とするアーク溶接装置である。
【００２２】
本発明に従えば、トーチ移動手段によって、溶接トーチを溶接方向およびウィービング方向に移動させる。そして溶接トーチを開先幅に応じて蛇行させながら、開先に沿って移動させて、２つの被溶接部材を溶接する。制御手段は、溶接トーチがウィービング方向の両端のいずれかの端点に到達したときの溶接画像に基づき、アーク溶接における溶接条件を調整する。なお、到達時刻特定手段は、溶接画像を画像処理することで到達時刻を検出する。これによって到達時刻特定手段は、到達時刻を検出するために、リミットスイッチ、エンコーダおよびアークセンサなどの検出手段を別途必要とすることがない。
【００２３】
また本発明は、溶接トーチがウィービング方向の両端に到達したときに、開先に対して溶接トーチが位置すべき設定位置が入力される設定位置入力手段と、
撮像手段によって撮像される溶接画像に基づいて、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達したときに、開先に対して溶接トーチが実際に位置する実際位置を取得する実際位置取得手段とをさらに含み、
制御手段は、設定位置と実際位置とに基づいて、溶接トーチが設定位置に移動するようにトーチ移動手段を制御することを特徴とする。
【００２４】
本発明に従えば、演算手段によって、溶接トーチの到達時刻における溶接画像に基づいて演算位置を演算する。また設定位置取得手段によって設定位置を取得する。制御手段は、演算位置と設定位置とを比較し、溶接トーチが設定位置に近づくようにトーチ移動手段を制御する。これによって開先幅に応じて、ウィービング中心位置を開先中心に、またウィービング幅を適正に追従させることができ、開先面での溶け込みを確保して良質な溶接を行うことができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、溶接画像を画像処理することで、溶接トーチがウィービング方向の端点に到達したときの到達時刻を検出する。したがってアーク溶接を行うためのアーク溶接装置は、到達時刻を検出するために、既に設けられる撮像手段を用いて到達時刻を検出することができる。すなわちアーク溶接装置は、ウィービング方向の端点を検出するためのセンサを別途必要とすることがない。これによってアーク溶接装置の構成を簡略化することができ、アーク溶接装置の製造コストを低減することができる。
【００２６】
また溶接トーチを移動させる移動手段から溶接トーチの位置情報を検出する必要がなく、汎用的な移動手段を用いることができる。たとえば汎用的な移動手段としてロボットを用いることができる。汎用的な移動手段を用いることによって、アーク溶接装置をさらに安価に形成することができる。
【００２７】
溶接画像から到達時刻を検出することによって、到達時刻における溶接画像を正確に抽出することができる。このように抽出される溶接画像を用いることによって、アーク溶接の溶接条件を精度よくフィードバック制御することができる。
【００２８】
なお溶接画像から抽出される特徴情報は、溶接トーチがウィービング方向の両端のいずれかに到達したときに、溶接画像に含まれる情報のうちで最大または最小あるいは極大または極小のいずれかとなる情報であることが好ましい。特徴情報が最大または最小あるいは極大または極小となる時刻を検出することは、単純な画像処理プログラムで実現することができ、溶接トーチの到達時刻を容易に検出することができる。
【００２９】
また本発明によれば、アーク高輝度領域の長軸の傾く方向または長軸と短軸との長さの比に基づいて、溶接トーチの到達時刻を検出する。アーク高輝度領域は、撮像手段が取得する画像中で最も明るい領域となる。したがって、アーク高輝度領域の輪郭を明確にするための特別な工夫を必要とすることがなく、溶接トーチの到達時刻を容易に検出することができる。これによって安価に構成することができるうえ、溶接対象物の選択肢を広げて適用することができる。
【００３０】
また溶接画像は、カメラの設定および溶接条件の変化などによって、アーク高輝度領域の輪郭が拡大したり縮小したりする。またレンズカバーの汚れなどによっては、画像中のボケや黒点などが加入する。しかしながらアーク高輝度領域の長軸の傾く方向または長軸と短軸との長さの比を認識するうえでは、これらの条件変化はほとんど障害にならない。これによって溶接トーチの到達時刻を、精度よく特定することが可能である。
【００３１】
また上述したアーク高輝度領域の長軸の方向を利用して、溶接トーチの到達時刻を求めることは、開先幅が広い場合に精度よく求めることができる。たとえば、長軸の傾く方向を利用して溶接トーチの到達時刻を求めることは、積層ウィービング溶接において、複数の層を積層した後であり、ビード幅が予め定める大きさ以上となる場合に有効である。
【００３２】
また上述したアーク高輝度領域の輪郭の長軸と短軸との長さの比を利用して、溶接アームの到達時刻を求めることは、開先面の開先幅方向の距離が小さい場合であっても、溶接トーチの到達時刻を精度よく求めることができる。したがって、ルートギャップが小さい場合における初層の溶接、前層のビード幅が狭い場合などであっても有効に用いることができる。
【００３３】
また本発明によれば、演算期間についてのみ、溶接トーチがウィービング方向の両端のうちいずれかに到達したか否かを検出する。したがって演算期間以外の残余の期間については、画像処理手段による処理を省略することができる。このように画像処理手段の演算を一部省略することで、溶接トーチの到達時刻を効率よく検出することができる。
【００３４】
また本発明によれば、溶接画像を撮像し、溶接画像のうちアーク高輝度領域の特徴に基づいて、溶接トーチの開先に対する位置を特定する。アーク高輝度領域は、開先に対する溶接トーチの位置に応じてその形状が変化する。このアーク高輝度領域の形状に基づくことによって、溶接トーチの開先に対する位置を特定することができる。アーク高輝度領域は、溶接画像の中で最も明るい。したがって溶融池および電極などの他の特徴情報に比べて、複雑な方法を用いる必要がなく、安価に構成できる。また溶接対象が特殊であっても有効に用いることができ、より広い対象範囲について適用することができる。
【００３５】
また本発明によれば、制御手段は、溶接トーチがウィービング方向の両端のいずれかの端点に到達したときの溶接画像に基づき、トーチ移動手段を制御する。これによって開先幅に応じて、ウィービング中心位置を中心とするウィービング幅で、溶接トーチをウィービング方向に移動させることができる。制御手段は、トーチ移動手段または他の検出手段から溶接トーチの位置情報を必要としないので、トーチ移動手段から溶接トーチの位置情報を抽出することが困難な場合であっても、溶接トーチの位置をフィードバック制御することができる。
【００３６】
また本発明によれば、制御手段によって、トーチ移動手段を制御し、ウィービング方向の両端における溶接トーチの位置を設定位置に近づけることができる。これによって開先幅に対して溶接トーチのウィービング中心およびウィービング幅を追従させることができ、開先面での溶け込みを確保して良質な溶接を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
図１は、本発明の実施の一形態であるアーク溶接装置６を示すブロック図であり、図２は、アーク溶接装置６の一部を拡大して示す斜視図である。アーク溶接装置６は、溶接対象物５を構成する２つの被溶接部材７４，７５をアーク溶接する。被溶接部材７４，７５は、互いに対向する部分に開先面が形成され、２つの開先面によって形成される溝が開先７６となる。
【００３８】
アーク溶接装置６は、開先倣い機能を有し、溶接トーチ４１を開先７６に沿って移動させる。具体的には、溶接トーチ４１は、溶接方向７０およびウィービング方向７１に移動する。なお、溶接方向７０は開先７６に沿う方向であって、ウィービング方向７１は溶接方向７０に交差する方向である。溶接方向７０およびウィービング方向７１は、ともに溶接対象物５の板厚方向に直交する。
【００３９】
溶接トーチ４１は、ウィービング方向７１の両方向に周期的に交互に移動しながら、溶接方向７０に移動する。言換えると、溶接トーチ４１は、ウィービング方向７１にジグザグに移動しながら、開先７６に沿って移動する。また本実施の形態では、溶接トーチ４１の電極６１は、先端部６２を下方に向けた状態で、被溶接部材７４，７５を溶接する。このとき電極６１は、略鉛直方向に延びる。
【００４０】
アーク溶接装置６は、溶接トーチ４１を含む溶接装置本体４と、溶接トーチ４１を把持するロボット装置３と、溶接トーチ付近の画像である溶接画像を撮像するカメラ装置１と、予め定められる演算をしてロボット制御装置３および溶接装置本体４に目標値を与えるコンピュータ２とを含んで構成される。溶接装置本体４は、ロボット装置３と連動して動作し、溶接トーチ４１から発生するアークを調整する。
【００４１】
ロボット装置３は、溶接トーチ４１を移動させるトーチ移動手段となる。またカメラ装置１は、溶接画像を撮像する撮像手段となる。またコンピュータ２は、溶接映像を画像処理する画像処理手段と、ロボット装置３を制御する制御手段とを兼用する。コンピュータ２は、パーソナルコンピュータによって実現され、パソコン２と称する場合がある。
【００４２】
カメラ装置１は、時間経過とともに連続して溶接画像を撮像可能である。カメラ装置１は、溶接トーチ４１に臨んで設けられる撮影ヘッド１１と、画像信号を出力するカメラ制御装置（ＣＣＵ、Camera control unit）１２とを含む。撮影ヘッド１１は、溶接トーチ４１よりも溶接方向７０上流側に配置されて、ロボット装置３に設置され、溶接方向７０の下流側となる溶接トーチ４１を撮像する。言換えると、撮像ヘッド１１は、溶接トーチ４１の電極先端部６２に対して、溶接方向上流側のやや上方から溶接画像を撮像する。すなわち撮影ヘッド１１は、所定の角度をもって溶接対象物５を斜めに写し込むように、ロボット装置３の手先部３３に固定される。撮影ヘッド１１は、結合電荷素子（ＣＣＤ、
Charge Coupled Device）や対数変換型ＣＭＯＳ（Complementary-Metal Oxide
Semiconductor）素子等から成るイメージセンサによって実現される。
【００４３】
撮影ヘッド１１は、溶接画像に応じた信号を生成し、生成した信号をカメラ制御装置１２に与える。カメラ制御装置１２は、撮影ヘッド１１から与えられる溶接画像に関する情報を画像信号として処理し、処理した画像信号をパソコン２に与える。
【００４４】
パソコン２は、画像処理装置２１と、演算処理装置２２と、記憶装置２３と、画像メモリ２４とを含んで構成される。画像処理装置２１は、カメラ制御装置１２から与えられる画像信号を画像処理して、溶接画像に含まれるアークのうち高輝度の領域をアーク高輝度領域５１として抽出する。また画像処理装置２１は、アーク高輝度領域５１に基づいて、溶接トーチの位置変化に対応する特徴情報を抽出する。
【００４５】
演算処理装置２２は、画像処理装置２１で抽出されたアーク高輝度領域５１の特徴情報に基づいて、開先７６に対する溶接トーチ４１の位置を演算し、溶接トーチ４１の運動に対して補正すべき量を算出する。記憶装置２３は、アーク高輝度領域５１と溶接トーチ位置との関係を予め格納するとともに、演算処理装置２２が実行すべきプログラムを記憶する。画像メモリ２４は、演算処理装置２２によって形成される表示画像に対応する画像信号を格納する。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信号を表示装置２５に与える。表示装置２５は、画像メモリ２４から画像信号が与えられると、画像信号に対応する画像を表示画面に表示する。
【００４６】
画像処理装置２１および演算処理装置２２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算回路が、予め定める処理プログラムを実行することによって実現される。また記憶装置２３および画像メモリ２４は、ＲＡＭ（Random Access Memory）を含んで実現される。なお、記憶装置２３が、演算処理装置２２の処理プログラムを記憶する場合には、ＲＯＭ（Read Only Memory）を含んで実現される。
【００４７】
本実施の形態のロボット装置３は、多関節ロボットによって実現される。ロボット装置３は、ロボットアームの先端に手先部３３が設けられる。手先部３３は、少なくとも溶接方向７０およびウィービング方向７１に移動可能に形成され、溶接トーチ４１を把持する。ロボットアーム３２は、複数の関節とリンクによって構成される。ロボット装置３は、ロボットコントローラ３１によって、各関節に内蔵されるサーボモータをそれぞれ個別に駆動する。これによって手先部３３に把持した溶接トーチ４１を、任意の位置および姿勢に移動させることができる。
【００４８】
ロボットコントローラ３１は、演算処理装置２２から溶接トーチ位置修正量を表わす修正情報が与えられる。これによってロボットコントローラ３１は、手先部３３の移動量を補正し、手先部３３の姿勢を補正しながら移動させる。
【００４９】
溶接装置本体４は、少なくとも溶接電源装置４２を含む。溶接電源装置４２は、ロボットアーム３２の動作に連動して、溶接トーチ４１に適正な溶接電流を供給する。また溶接装置本体４は、溶接に用いられるガスを溶接トーチ４１に供給するガス供給手段（図示せず）を含んでもよい。また溶接装置本体４は、溶着金属となる溶接ワイヤまたは電極を開先付近に供給する溶着金属供給手段（図示せず）を含んでもよい。このように溶接装置本体４は、アーク溶接に必要な機能を有する。
【００５０】
（第１適用例）
図３は、溶接中の溶接対象物５を拡大して示す斜視図である。本発明の実施の形態では、溶接対象物５は、２つの被溶接部材７４，７５が対向してＶ字開先７６を形成する。また、溶接対象物５は、各被溶接部材７４，７５に形成される開先面７７，７８と、鉛直な仮想線７９との成す角度であるベベル角度θ１，θ２がそれぞれ等しく形成される。また溶接トーチ４１は、その電極６１がほぼ鉛直に延び、電極６１の先端部６２が、電極６１の基端部６３に対して下向きに配置される。
【００５１】
本発明の第１適用例では、溶接すべき２つの被溶接部材７４，７５において、２つの開先面７７，７８の間のウィービング方向距離が十分大きい場合に好適に用いられる。上述する溶接対象物５のＶ字開先７６を複数の溶接動作によって溶接する場合、たとえば２回目以降の溶接動作に好適に用いられる。なお、ウィービング方向７１は、２つの被溶接部材７４，７５が並ぶ方向である。
【００５２】
この場合には、溶接中に撮像されるアークのうち、アーク高輝度領域５１の輪郭形状が略楕円形となる。開先７６のウィービング方向中央からいずれか一方の開先面に、電極６１が移動するにつれて、アーク高輝度領域５１における略楕円形の長軸８０の傾きが変化する。この略楕円形の長軸８０の変化は、再現性がよい。
【００５３】
複数の溶接動作が行われることによって、２つの開先面７７，７８の間の領域となる溶接領域は、下方側から何層もの溶接ビードが積層して略平面状のビード面８１が形成される。溶接トーチ４１は、ウィービング方向７１に周期的に移動しながら、電極６１の先端部６２からアークを放出して溶接ワイヤと被溶接部材７４，７５とを溶融する。溶融した溶接ワイヤは、溶接領域に層状に堆積する。これによって２つの被溶接部材７４，７５が溶接される。なお、ウィービング機能を有するアーク溶接装置は、２つの開先面７７，７８から予め定められる設定距離だけ離れた２つの設定位置の間を往復動させるように設定される。たとえば設定位置は、電極６１と各開先面７７，７８とが２ｍｍ程度離れた位置に設定される。
【００５４】
溶接領域をカメラ装置１で撮像すると、電極６１の先端部６２と溶融池８３との間に、画像中で最も明るい領域であるアーク高輝度領域５１が形成される。したがってカメラ装置１で取得した溶接画像から、所定のしきい値以上の輝度を有する領域を抽出することによって、アーク高輝度領域５１を容易に抽出することができる。たとえばアーク近傍の輝度が飽和するような条件で撮像し、取り込んだ画像において、所定のしきい値以上の輝度を持つ領域の輪郭形状が、アーク高輝度領域の輪郭となる。撮像される溶接画像が８ビット（０〜２５５）濃淡画像であれば、輝度のしきい値は、たとえば２４０とする。
【００５５】
図４は、図３に示す場合について撮像される溶接領域を簡略化して示す図である。なお、図４では、ウィービング方向７１を水平方向とした場合を示す図である。図４（ａ）は、２つの開先面７７，７８間におけるウィービング方向中央位置に電極６１が存在するときの溶接画像である。また図４（ｂ）は、２つの開先面７７，７８間におけるウィービング方向一方寄り（図４では右方向）に電極６１が存在するときの溶接画像である。また図４（ｃ）は、２つの開先面７７，７８間におけるウィービング方向一方端（図４ではさらに右方向）に電極６１が存在するときの溶接画像である。
【００５６】
図４（ａ）では、アーク高輝度領域５１の輪郭の長軸８０は、水平方向７１に略平行または平行に延びる。図４（ｂ）では、アーク高輝度領域５１の輪郭は、ウィービング方向一方の開先面７８に制約されて水平方向一方側が狭まる。これによってアーク高輝度領域５１は多少細った楕円形に形成される。この略楕円形の長軸８０は、ウィービング方向一方に向かうにつれて上方に傾斜して延びる。図４（ｃ）では、アーク高輝度領域５１がさらに細った楕円形状に形成される。この略楕円形の長軸８０は、ウィービング方向一方に向かうにつれて上方に傾斜して延び、図４（ｂ）よりもさらに長軸８０の傾斜が大きくなる。なお、長軸８０の傾斜は、長軸８０とウィービング方向７１に平行に延びる仮想線８４との成す角度である。
【００５７】
長軸８０の傾斜角θ３は、溶接トーチ４１が各開先面７７，７８間におけるウィービング方向中央位置から、開先面７７，７８に向かうにつれて、その絶対値が大きくなる。そして溶接トーチ４１が各開先面７７，７８に最も近接するときに、長軸傾斜角θ３の絶対値が最大となる。このようなアーク高輝度領域５１の形状変化は、再現性がよい。
【００５８】
図５は、溶接トーチ４１の位置の時間変化と、長軸傾斜角θ３の時間変化とを示すグラフである。溶接トーチ４１の位置は、開先７６におけるウィービング方向７１の中心から開先面７８に溶接トーチ４１が移動した距離を示す。図５には、溶接トーチ４１の位置変化を破線９２で示し、長軸傾斜角θ３の変化を実線９３で示す。
【００５９】
溶接トーチ４１がウィービング動作すると、長軸傾斜角θ３は、時間経過とともに周期的に変化する。長軸傾斜角θ３の周期および位相は、溶接トーチ４１がウィービング方向７１に変化する周期および位相とほぼ一致する。溶接トーチ４１がウィービング方向７１の一方の端点に到達したときに、長軸傾斜角θ３が極大９４となる。また溶接トーチ４１がウィービング方向７１の他方の端点に到達したときに、長軸傾斜角θ３が極小９５となる。
【００６０】
したがって随時撮像される溶接画像を画像処理し、溶接画像から長軸傾斜角θ３が極大９４または極小９５となる時刻を特定する。この特定した時刻が、溶接トーチ４１がウィービング方向７１の端点に到達した到達時刻となる。到達時刻における溶接画像を選出することによって、溶接トーチ４１がウィービング方向７１の端点に到達したときの溶接画像を選出することができる。また長軸傾斜角θ３の変化と、溶接トーチ４１のウィービング方向７１の位置変化とがほぼ対応するので、長軸傾斜角θ３の変化に基づいて、溶接トーチ４１のウィービング方向７１の位置を求めることができる。
【００６１】
長軸傾斜角θ３の変化は、溶接トーチ４１の位置変化に対して、微小な位相の遅れＬ３が生じる。またこの遅れＬ３は、溶接期間中にわたってほぼ一定である。この遅れＬ３は、画像取込および画像処理の時間遅れなどによって生じ、長軸傾斜角θ３を出力するのに費やす時間遅れに起因する。したがって長軸傾斜角θ３が極大９４，９５となる時刻における溶接画像は、溶接トーチ４１がウィービング方向７１の端点に到達したときの正確な溶接画像である。また、位相の遅れＬ３は、微小であるので、制御上問題とならない場合が多い。また位相の遅れＬ３が溶接期間を通してほぼ一定であるので、位相の遅れＬ３分を考慮して到達時刻を推定してもよい。
【００６２】
図６は、画像処理装置２１の画像読み取り手順を示すフローチャートである。まず、ステップａ０で、画像処理装置２１は、演算処理装置２２から、アーク溶接指令が与えられたことを検出すると、ステップａ１に進み、画像の読み取り手順を開始する。
【００６３】
ステップａ１では、画像処理装置２１は、ロボットコントローラ３１から、実際にアーク溶接が開始されたことを示す信号が与えられると、ステップａ２に進む。ステップａ２では、カメラ制御装置１２から与えられる画像信号を取り込み、ステップａ３に進む。ステップａ２では、取り込んだ画像信号を画像処理し、そのときの長軸傾斜角θ３と、アーク溶接を開始してから経過した時間ｔとを算出し、ステップａ４に進む。
【００６４】
ステップａ４では、算出した長軸傾斜角θ３とアーク溶接を開始してから経過した時間ｔとを出力する。画像処理装置２１は、演算処理装置２２を介して長軸傾斜角θ３とそのときの時間ｔとを記憶装置２３に格納させ、ステップａ５に進む。
【００６５】
ステップａ５では、画像処理装置２１は、アーク溶接が継続されているか否かを判断する。アーク溶接が継続されている場合には、ステップａ１に戻り、再び画像を取り込む。またステップａ５において、アーク溶接が終了している場合には、画像処理装置２１は、画像取込動作を終了する。
【００６６】
図７は、画像取込と画像処理とを説明するためのブロック図である。画像処理装置２１は、画像取込回路９７と、２つ以上のバッファ回路９８ａ，９８ｂと、画像処理回路９９とを含む。画像取込回路９７は、カメラ制御装置１２から与えられる溶接画像を取り込み、取り込んだ溶接画像を各バッファ回路９８ａ，９８ｂに選択的に与える。各バッファ回路９８ａ，９８ｂは、与えられる溶接画像を記憶する。画像処理回路９９は、各バッファ回路９８ａ，９８ｂが記憶する溶接画像を選択的に取り出し、取り出した溶接画像について画像処理、具体的には長軸傾斜角θ３を求める。本実施の形態では、バッファ回路９８ａ，９８ｂが複数設けられることによって、カメラ装置１から与えられる溶接画像をコマ落ちすることなく処理することができる。
【００６７】
バッファ回路が１つしかない場合には、１つの溶接画像に費やすサイクルタイムは、画像取込に費やす時間と、画像処理に費やす時間とを加算した時間が必要となる。これに対して本実施の形態では、バッファ回路９８ａ，９８ｂが複数設けられる。まず画像取込回路９７は、第１工程として、図７（１）に示すように、第１バッファ回路９８ａへ溶接画像を供給する。溶接画像の供給が完了すると、図７（２）に示す第２工程に進む。第２工程では、第２バッファ回路９８ｂへ次の溶接画像の供給を開始する。このとき、画像処理回路９９は、第１バッファ回路９８ａが記憶する溶接画像を取り出して画像処理する。
【００６８】
画像取込回路９７による第２バッファ回路９８ｂへ溶接画像の供給が完了するとともに、画像処理回路９９による第１バッファ回路９８ａからの溶接画像の取出しが完了すると、図７（３）に示す第３工程に進む。第３工程では、画像取込回路９７は、第１バッファ回路９８ａへさらに次の溶接画像の供給を開始する。このとき画像処理回路９９は、第２バッファ回路９８ｂが記憶する溶接画像を取り出して画像処理する。この後、第２工程と第３工程とを交互に繰り返す。このように画像取込回路９７は、第１バッファ回路９８ａへの溶接画像の供給が終了した後、第２バッファ回路９８ｂへの溶接画像の供給を即座に開始する。
【００６９】
したがって画像取込回路９７は、第１バッファ回路９８ａの画像処理が完了するまで待機する必要がない。画像取込と画像処理とでは、計算機内の空き領域の競合が少なく、並列処理によって生じる遅延時間がほとんど生じない。このように複数のバッファ回路９８ａ，９８ｂを設けることによって、連続的に画像を撮像しても、画像処理の処理時間遅延に起因する画像のコマ落ちを防止することができる。これによってカメラ装置から与えられる溶接画像のフレーム周期が短い場合であっても、特徴情報を確実に抽出することができる。たとえば、ビデオ−テレビ間の規格であるＮＴＳＣ方式に従うと、秒間３０フレームの画像を送受信する。本実施に従えばこれをコマ落ちすることなく処理することが可能となる。
【００７０】
図８は、アーク高輝度領域５１の長軸８０の傾斜角度θ３を求める具体的な手順を示すフローチャートである。上述したステップａ３において、長軸８０の傾斜角度θ３を求める場合、ステップｓ５１に進み、長軸８０の傾斜角度θ３を求める手順を開始する。
【００７１】
ステップｓ５１では、画像処理装置２１は、所定の輝度を表わす輝度しきい値で、溶接画像を２値化して、アーク高輝度領域５１の画像を抽出する。アーク高輝度領域５１は溶融池８３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、輝度しきい値の設定も容易であり、高輝度領域の領域を容易に抽出することができる。このようにして、輝度しきい値以上となる領域を高輝度領域として抽出すると、ステップｓ５２に進む。
【００７２】
ステップｓ５２では、アーク高輝度領域５１以外の高輝度領域を除去する。具体的には、ステップｓ５１によって抽出された高輝度領域は、ノイズの影響で存在する高輝度領域も含まれる。したがってステップｓ５１によって抽出された高輝度領域のうちから、所定の面積を表わす面積しきい値以上の高輝度領域を抽出する。このようにしてアーク高輝度領域５１以外の高輝度領域を排除することで、アーク高輝度領域５１を正確に抽出することができる。アーク高輝度領域５１を抽出すると、ステップｓ５３に進む。
【００７３】
ステップｓ５３では、アーク高輝度領域５１の輪郭形状について重心座標Ｇを算定する。重心座標Ｇ（Ｘｇ，Ｙｇ）は、アーク高輝度領域５１を構成する各画素について、各画素に設定されるｘ軸の座標ｘｉと、ｘ軸に直交するｙ軸の座標ｙｉとの平均値から求めることができる。ステップｓ５３で重心座標Ｇを求めると、ステップｓ５４に進む。
【００７４】
ステップｓ５４では、アーク高輝度領域５１の各画素の座標（ｘｉ，ｙｉ）を用いて、次式によってアーク高輝度領域５１の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。
【００７５】
対称軸の角度θを求める式は、直線ｙ＝ｔａｎθ×（ｘ−Ｘｇ）＋Ｙｇの周りのモーメントを表わす式について、ｄＭ／ｄθ＝０となるような角度θを求めるもので、
θ＝−０．５・ａｔａｎ［２・Σ｛（ｘｉ−Ｘｇ）・（ｙｉ−Ｙｇ）｝
／｛Σ｛（ｘｉ−Ｘｇ）２｝−Σ｛（ｙｉ−Ｙｇ）２｝｝］
で表わされる。
【００７６】
ただし、−９０度≦θ≦＋９０度である。ａｔａｎは、アークタンジェントを示す。またｉは、アーク高輝度領域５１に含まれる画素を個別に示す記号である。たとえば、ｘｉは、アーク高輝度領域５１に含まれるｉ番目の画素のＸ軸の座標を表わし、ｙｉは、アーク高輝度領域５１に含まれるｉ番目の画素のＹ軸の座標を表わす。Σは、直和集合を表わす算術記号である。アーク高輝度領域５１に含まれる画素がｊ個ある場合、Σは、１番目からｊ番目までの画素について、Σ以降の項をそれぞれ演算した解の和を示す。このようにして求められる角度θはアーク高輝度領域５１の図形の最も長い軸に沿う。重心Ｇを通り前記角度θに平行な直線を長軸８０とし、重心Ｇを通り長軸８０と直交する直線を短軸８１とする。
【００７７】
なお、表示される画像においてｘ−ｙ座標系は、ｘ座標をウィービング方向一方（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、角度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。このようにして求められる角度θは、長軸８０の傾斜角度θ３を表わす。また長軸傾斜角θ３から、予め定める係数を乗算することによって、ウィービング方向中心位置からの溶接トーチ４１の位置を求めることができる。このようにステップｓ５４で長軸傾斜角θ３を算出すると、画像処理装置２１は傾斜角度θ３の算出動作を終了する。
【００７８】
図９は、演算処理装置２２の到達時刻特定動作を示すフローチャートである。まずステップｂ０で、カメラ装置１と、ロボット装置３と、溶接装置本体４とが準備されて、溶接可能な状態となると、ステップｂ１に進み、演算処理装置２２は、ウィービング制御における設定工程を開始する。
【００７９】
ステップｂ１では、ウィービング周期、溶接開始位置などの溶接条件が作業者によって入力される。演算処理装置２２は、作業者によって入力される各溶接条件を取得すると、ステップｂ２に進む。
【００８０】
ステップｂ２では、作業者によって与えられる溶接開始指令を取得する。そして溶接開始指令に基づいて、ロボット装置３に溶接開始指令を与え、ステップｂ３に進む。ステップｂ３では、演算処理装置２２は、ロボットコントローラ３１から、実際にアーク溶接が開始されたことを示す信号が与えられると、アーク溶接を開始した開始時刻ｔ０を決定し、ステップｂ４に進む。
【００８１】
ステップｂ４では、ステップｂ１で与えられた溶接条件に基づいて、溶接トーチ４１がウィービング方向７１の端点に到達する時刻であろう推定到達時刻ｔ１，ｔｉを推定する。たとえば開先に関してウィービング方向７１の中央からアーク溶接を開始する場合には、最初に端点に到達するであろう推定到達時刻ｔ１は、次式によって表わされる。
ｔ１＝ｔ０＋Ｔ／４
【００８２】
ここで、ｔ１は溶接トーチ４１が最初に端点に到達するであろう推定到達時刻を示す。ｔ０はアーク溶接を開始した時刻を示す。Ｔは、ウィービング周期を示す。また２回目以降に端点に到達するであろう推定到達時刻ｔｉは、次式によって表わされる。
ｔｉ＝ｔｉ−１＋Ｔ／２
【００８３】
ここで、ｔｉはｉ回目に端点に到達する推定到達時刻を示す。なお、ｉは自然数を示す。またｔｉ−１は、ｉ−１回目に端点に到達した時刻である。このように端点に到達するであろう推定到達時刻ｔ１，ｔｉを算出すると、ステップｂ５に進む。なお、溶接開始直後のアーク現象が不安定な場合、１回目のウィービング端点時刻をスキップして、２回目のウィービング端点到達時刻から探索してもよい。
【００８４】
ステップｂ５では、ステップｂ４で算出した推定到達時刻ｔ１，ｔｉを含む到達時刻探索期間を決定する。到達時刻探索期間ｗは、次式によって表わされる。
ｔｉ−ｎ・Ｔｆ＜ｗ＜ｔｉ＋ｎ・Ｔｆ
【００８５】
ここで、ｗは到達時刻探索期間を示す。またｎは、予め定められる２以上の自然数である。またＴｆは、カメラ装置１のフレーム周期を示し、たとえば、３３ｍｓに設定される。ｎが小さすぎると、到達時刻を正確に検出することができず、ｎが大きすぎると、効率が悪い。たとえばｎが３に設定されることによって到達時刻を好適に求めることができる。このようにして到達時刻探索期間ｗを算出すると、ステップｂ６に進む。
【００８６】
ステップｂ６では、ステップｂ６における時刻が到達時刻の探索を開始する開始時刻かどうかを判定し、到達時刻探索期間の開始時刻に到達すると、ステップｂ７に進む。ステップｂ７では、画像処理装置２１から溶接画像における特徴量を取得する。具体的には、演算処理装置２２は、画像処理装置２１から長軸傾斜角θ３とそれに対応する時刻ｔとが与えられ、ステップｂ８に進む。
【００８７】
ステップｂ８では、ステップｂ８における時刻が到達時刻探索期間終了時刻に達したかどうかを判断する。時刻が探索期間終了時刻に達するまでステップｂ７を繰り返す。
【００８８】
ステップｂ９では、演算処理装置２２は、ステップｂ７で取得した特徴量に基づいて、実際の到達時刻を抽出する。演算処理装置２２は、随時与えられる長軸傾斜角θ３のうち極大値または極小値となる長軸傾斜角θ３を抽出し、抽出した長軸傾斜角θ３に対応する時刻と溶接画像とを選出する。長軸傾斜角θ３が極大または極小となる長軸傾斜角θ３に対応する時刻と溶接画像を抽出すると、ステップｂ１０に進む。
【００８９】
ステップｂ１０では、抽出した時刻を到達時刻として出力し、ステップｂ１１に進む。ステップｂ１１では、演算処理装置２２は、アーク溶接が継続されているか否かを判断する。アーク溶接が継続されている場合には、ステップｂ４に戻り、再び推定到達時刻を算出する。またステップｂ１１において、アーク溶接が終了している場合には、演算処理装置２２は、ステップｂ１２に進み、到達時刻の抽出動作を終了する。
【００９０】
以上のように、演算処理装置２２が到達時刻を検出することによって、ロボット装置３から溶接トーチ４１の移動量を取得することなく、また特別なセンサを用いることなく、到達時刻を取得することができる。これによって演算処理装置２２は、到達時刻における溶接画像に基づいて、溶接条件を設定し直すことができる。また演算処理装置２２は、ロボットコントローラ３１を介して、変更した溶接条件を溶接装置本体４およびロボット装置３に与えることができる。すなわち到達時刻における溶接画像に基づいて、溶接装置本体４およびロボット装置３をフィードバック制御することができる。たとえば到達時刻における溶接画像に基づいて、溶接中の溶接電圧、溶接電流、溶接速度、ウィービング周期、ウィービング幅などを設定し直すことができる。
【００９１】
第１適用例では、到達時刻における溶接画像の長軸傾斜角θ３を評価することで、溶接トーチ４１と開先面との間の距離である離間距離ｄＲを検出し、この距離を予め定める適正離間距離となるように溶接トーチ４１の移動量をフィードバック制御する。  
【００９２】
図１０は、長軸傾斜角度θ３と離間距離ｄＲとの関係を示すグラフである。離間距離ｄＲは、溶接トーチ４１の電極６１と開先面７８との間のウィービング方向７１の距離を示す。図１０には、２つの開先面７７，７８のベベル角度θ１，θ２が、それぞれ３０度の場合を示す。
【００９３】
長軸傾斜角θ３は、電極６１が開先面７８に近づくにつれて、すなわち離間距離ｄＲが減少するにつれてほぼ単調に増加する。長軸傾斜角θ３と、離間距離ｄＲとを、グラフの縦軸と横軸にとると、その関係を表すプロット線は、大略的に直線的な関係を有する。なお、溶接トーチ４１がウィービング方向両端の端点に到達したときの適正な適正離間距離ｄＲは、予め実験によって決定される。本実施の形態では、適正離間距離ｄＲは、２ｍｍに設定される。この場合、ウィービング端点での電極６１と開先面７８との離間距離ｄＲが適正離間距離に保たれることによって、開先面付近での溶け込みを確保して、良質な溶接を行うことができる。
【００９４】
図１０に従うと、離間距離ｄＲが２ｍｍとなる場合における、アーク高輝度領域５１の長軸傾斜角θ３は、約３０度となる。したがって溶接トーチ４１がウィービング方向両端の端点に到達したときの長軸傾斜角θ３がほぼ３０度である場合には、溶接トーチ４１のウィービング方向７１への移動が適正であると判断される。溶接トーチ４１がウィービング方向両端の端点に到達したときの長軸傾斜角θ３が３０度でない場合には、傾斜角θ３が３０度に近づくように、溶接トーチ４１の移動量を補正する必要がある。以下、ウィービング方向７１の端点に溶接トーチ４１が達したときの長軸傾斜角θ３を端点傾斜角θ４と称する。また、予め定められる適正離間距離ｄＲとなる場合の長軸傾斜角θ３を適正傾斜角θ５と称する。
【００９５】
図１１は、溶接トーチ４１のウィービング右端位置補正量ΔＲと、端点傾斜角θ４との関係を示すグラフである。ウィービング方向７１における溶接トーチ４１のウィービング右端位置補正量ΔＲは、端点傾斜角θ４に基づいて、予め定められる関係に従って算出される。なお図１１は、開先面７７，７８のベベル角度θ１，θ２が３０度の場合のウィービング右端位置補正量ΔＲを示す。補正量ΔＲは、離間距離を縮小させる方向、すなわちウィービング幅を増大する方向を正の方向とする。
【００９６】
溶接トーチ４１の補正量ΔＲの範囲は、予め定める補正量範囲１００内に設定される。なお、補正量ΔＲが補正量範囲１００を超えると、制御量が過剰となり、溶接トーチの制御が安定しない。また補正量ΔＲは、端点傾斜角θ４が予め定める角度範囲１０１において、端点傾斜角度θ４と適正傾斜角θ５との偏差に比例した値に設定される。なお、角度範囲１０１を超えると、一定の補正量が与えられる。
【００９７】
端点傾斜角θ４が角度範囲１０１内であり、端点傾斜角θ４が適正傾斜角θ５よりも大きい場合には、負の位置補正量ΔＲが与えられる。これによって溶接トーチ４１は、ウィービング右端に到達したときの離間距離ｄＲが大きくなるように補正される。端点傾斜角θ４が角度範囲１０１内であり、端点傾斜角θ４が適正傾斜角θ５よりも小さい場合には、正の補正量ΔＲが与えられる。これによって溶接トーチ４１は、離間距離ｄＲが小さくなるように補正される。
【００９８】
ウィービング左端についても同様に取り扱うことができ、左右端点位置補正量ΔＲ，ΔＬはそれぞれ次式で与えられる。
【００９９】
【数１】
0004647914.tif 000002
【０１００】
ただし、Δｍａｘは補正量上限であり、上記補正量範囲１００幅の１／２である。また、Δθｍａｘは上記角度範囲１０１幅の１／２である。
【０１０１】
本実施の形態では、上述した補正量ΔＲの補正量範囲１００は、−１ｍｍ以上でかつ１ｍｍ以下に設定される。また、上述した角度範囲１０１は、適正な傾斜角θ４に対して、±１５度に設定される。すなわち適正な傾斜角θ５が３０度に設定される場合、角度範囲１０１は、１５度以上でかつ４５度以下に設定される。また角度範囲１０１内では、右端傾斜角度θ４から適正傾斜角θ５を減算した偏差（θ４−θ５）に、予め定める比例係数−α、たとえば−１／１５を乗算した値が補正量ΔＲとなる。また補正量ΔＲは、端点傾斜角θ４が４５度を超えると−１ｍｍとなり、端点傾斜角θ４が１５未満であると１ｍｍとなる。
【０１０２】
図１１に従えば、端点傾斜角θ４が３７．５度であれば、補正量ΔＲは、−０．５ｍｍとなる。これによって、端点傾斜角θ４が３７．４度であれば、ウィービング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って、溶接トーチのウィービング移動は、溶接対象物５にとって適正な位置および幅に収束する。
【０１０３】
なお、ベベル角度θ１，θ２が異なれば適正離間距離ｄＲも異なるので、図１１に示す端点傾斜角θ４と補正量ΔＲの関係が変化する。たとえば、ベベル角度θ１，θ２が４５度の場合には、適正傾斜角度θ５は２３度となる。
【０１０４】
本実施の形態のアーク溶接装置６は、端点傾斜角θ４に基づいて、上述した関係を利用して、位置補正量ΔＲの演算を行う。そしてアーク溶接装置６は、算出した補正量ΔＲに基づいて、溶接トーチ４１のウィービング移動を調整する。たとえばアーク溶接装置６は、図１１のグラフに示す関係を、数式またはデータベースに表して使用する。
【０１０５】
図１２は、本実施の形態で実行される演算制御装置２２の補正量算出動作を表わすフローチャートである。まずステップｃ０で、カメラ装置１と、ロボット装置３と、溶接装置本体４とが準備されて、各種溶接条件が入力されて、溶接可能な状態となるとステップｃ１に進む。たとえば溶接条件は、溶接開始点、溶接終了点、ウィービング中心位置およびウィービング幅などを含む。
【０１０６】
ステップｃ１では、演算制御装置２２は、溶接開始指令が与えられたことを判断すると、アーク溶接に必要な接合条件と、アーク溶接の開始指令をロボットコントローラ３１に与える。これによってロボットコントローラ３１は、演算処理装置２２から与えられる情報に基づいて、ロボットアームを駆動し、ウィービング方向７１および溶接方向７０に溶接トーチ４１を移動させる。またロボットコントローラ３１は、溶接電源４２に動作指令を与え、溶接トーチ４１の電極６１の先端からアークを発生させる。
【０１０７】
このようにしてアーク溶接装置６は、アーク溶接を開始する。アーク溶接期間中にわたって、カメラ装置１は、溶接画像を撮像する。カメラ装置１は、撮像した溶接画像から特徴量を抽出し、抽出した特徴量を演算処理装置２２に随時与える。
【０１０８】
ステップｃ２では、演算処理装置２２は、画像処理装置２２から随時与えられる長軸傾斜角θ３に基づいて、ウィービング端点の到達時刻を算出し、ステップｃ３に進む。
【０１０９】
ステップｃ３では、ウィービング端点の到達時刻における特徴量を取得する。本実施の形態では、ウィービング端点の到達時刻における長軸傾斜角θ３である端点傾斜角θ４を取得し、ステップｃ４に進む。
【０１１０】
ステップｃ４では、ステップｃ３で取得した端点傾斜角θ４と予め定められる計算式とに基づいて、溶接トーチ４１のウィービング端点位置補正量ΔＲ，ΔＬを算出する。補正量ΔＲ，ΔＬは、ウィービング右端位置補正量ΔＲと、ウィービング左端位置補正量ΔＬとのいずれかである。位置補正量ΔＲ，ΔＬを取得した段階では、補正動作を実行せず、次にステップｃ５に進む。
【０１１１】
ステップｃ５では、ステップｃ４で算出した移動補正量と、その半周期前に取得した移動補正量とを合成して、ウィービング中心位置補正量ΔＣと、ウィービング振幅の２倍となるウィービング幅補正量ΔＷを算出する。
【０１１２】
ウィービング中心位置補正量ΔＣは、以下の式で求められる。
ΔＣ＝（ΔＲ−ΔＬ）／２
【０１１３】
またウィービング幅補正量ΔＷは、以下の式で求められる。
ΔＷ＝ΔＲ＋ΔＬ
【０１１４】
またΔＲは、最も最近に求められたウィービング右端位置補正量を示し、ΔＬは、最も最近に求められたウィービング左端位置補正量を示す。ただし、ウィービング中心位置補正量は、ウィービング方向一方（図では、右方向）への補正を正とする。また各移動補正量ΔＲ，ΔＬは、ともにウィービング振幅増大方向を正とする。
【０１１５】
このようにウィービング中心位置補正量ΔＣとウィービング幅補正量ΔＷとを求めることは、ロボット装置に対する補正条件の与え方として、ウィービング短点を個別に補正するよりは一般的だからである。
【０１１６】
このようにウィービング中心位置補正量ΔＣとウィービング幅補正量ΔＷとを算出すると、ステップｃ６に進む。ステップｃ６では、ステップｃ５で算出したウィービング中心位置補正量ΔＣと、ウィービング幅補正量ΔＷとをロボットコントローラ３１に与え、補正動作を実行させる。ロボットコントローラ３１は、与えられる補正量ΔＣ，ΔＷに基づいて、溶接トーチ４１の移動量を補正し、ステップｃ７に進む。
【０１１７】
ステップｃ７では、演算処理装置２２は、ロボットコントローラ３１などから与えられる信号に基づいて、溶接が継続中か否かを検出し、溶接が継続中である場合は、ステップｃ２に戻り、補正量演算動作を継続する。またステップｃ７において、溶接動作が終了したことを判断すると、ステップｃ８に進む。ステップｃ８では、演算量算出動作を終了するとともに、ロボットコントローラ３１に溶接終了指令を与えて、溶接動作を終了させる。
【０１１８】
このようにアーク溶接装置６は、溶接トーチ４１がウィービング方向７１の両端の端点に達するたびに補正量を演算し、ウィービング中心位置補正量ΔＣと、ウィービング幅補正量ΔＷとを決定すると、即座に補正動作を実行する。したがって溶接トーチ４１がウィービング方向７１の端点に到達するたびに、補正動作を繰り返す。また溶接動作が終了するまで補正動作を継続することによって、良好なウィービング制御を確保することができる。
【０１１９】
なお、本実施の形態では、ウィービング端点に達するたびに、端点位置補正量ΔＲ，ΔＬを取得し、左右各補正量ΔＲ，ΔＬを合成し、補正動作を実行する。したがってウィービング１周期中に２回の補正を行い、制御周期を短くして、制御品質を向上することができる。
【０１２０】
なお、ステップｃ２において、溶接画像から長軸傾斜角θ３が抽出されることによって、溶接トーチ４１の到達時刻における溶接画像を正確に抽出することができる。またステップｃ６について、ウィービング中心位置補正量ΔＣと、ウィービング幅補正量ΔＷを補正したが、ウィービング左右端点位置補正量ΔＲ，ΔＬを直接補正してもよい。補正動作実行のタイミングは、ウィービングの任意のタイミングでよく、たとえば次のウィービング方向の端点から補正動作を実行してもよい。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制御を達成することができる。なお、到達時刻における溶接画像に基づいて、演算処理手段が、ウィービング以外の他の溶接条件を調整してもよい。
【０１２１】
図１３は、溶接トーチ４１のウィービング方向の位置と、ウィービング中心位置の補正量の時間変化を示すグラフであり、図１４は、アーク溶接装置６の開先倣い制御を説明するための溶接対象物５を示す平面図である。
【０１２２】
アーク溶接装置６の溶接条件として、溶接速度１６ｃｍ／ｍｉｎ、ウィービング幅８．５ｍｍ、ウィービング周期１Ｈｚとする。そしてウィービング左右端点位置補正量ΔＲ，ΔＬを次式で与える。
ΔＲ＝−α（θ４−θ５）
≡Ｆ（θ４）
ΔＬ＝Ｆ（−θ４）
【０１２３】
ここで、αは、比例係数であり０．０３３ｍｍ／度とする。またθ５は、適正傾斜角であり３５度とする。またθ４は、端点傾斜角である。また、任意の端点での補正量ΔＲの範囲１００は、任意の端点での補正書ΔＲの範囲は、−０．５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下とする。溶接対象物５は、溶接長Ｌ１が２３０ｍｍである。
【０１２４】
本実施の形態では、溶接開始点９０が開先幅方向の中心位置に設定され、溶接終了点９１が溶接開始点９０に対してウィービング方向７１に意図的に２３ｍｍずらして教示した場合を用いて、開先倣い制御について説明する。溶接開始点９０と溶接終了点９１とをずらした場合であっても、ウィービング中心位置は、時間経過とともにほぼ一定の変化率を維持する。教示におけるずれを補正して変化し、最終的にウィービング方向７１に２２．０ｍｍの補正が行われる。すなわちウィービング中心位置は、開先７６に関してウィービング方向７１の中央位置を進む。溶接トーチ４１のウィービング幅は、図１３に示すようにほぼ一定に保たれる。
【０１２５】
このように本発明のアーク溶接装置６は、溶接時における溶接トーチ付近の溶接画像を撮像する撮像工程と、撮像工程によって撮像される溶接画像に含まれる情報のうち、溶接トーチ４１の移動に伴って変化する特徴情報に基づいて、溶接トーチ４１の到達時刻を特定する到達時刻特定工程と、到達時刻における溶接画像に基づいて、アーク溶接における溶接条件を調整する調整工程とを含む。
【０１２６】
到達時刻特定工程は、図９に示すように溶接条件の調整に必要なカメラ装置から与えられる溶接画像に基づいて到達時刻を特定する。したがってリミットスイッチ、エンコーダなどの到達時刻特定のための専用センサを用いる必要がない。到達時刻特定のための専用のセンサを省略することによって、アーク溶接装置６の構成を簡略化することができ、アーク溶接装置６の製造コストを低減することができる。また溶接画像から到達時刻を検出することによって、到達時刻における溶接画像を正確に抽出することができる。
【０１２７】
またロボット装置３から、溶接トーチ４１の移動情報を取得可能なソフト的およびハード的機構を必要としない。したがって溶接トーチ４１の位置情報の出力が困難なロボット装置３も用いることができる。すなわち、ロボット装置３に特別な工夫を施す必要がない。これによって汎用ロボットを用いて、アーク溶接装置６を実現することができる。ロボットを用いることによって、溶接トーチ４１の移動に関して柔軟に対応することができる。たとえばストレートアーク溶接装置から、ウィービングアーク溶接装置への転用を容易に行うことができる。
【０１２８】
また溶接トーチ４１の移動量を、溶接画像のうちのアーク高輝度領域５１に基づいて検出する。アーク高輝度領域５１は、溶接画像のうちで最も明るい領域となる。したがってアーク高輝度領域５１の輪郭を明確にするための特別な工夫を必要とすることがなく、溶接トーチ４１の到達時刻を容易に検出することができる。これによって安価に構成することができるうえ、溶接対象物５の選択肢を広げて適用することができる。
【０１２９】
また本形態では、演算期間についてのみ、溶接トーチ４１がウィービング方向７１の両端のうちいずれかに到達したか否かを検出する。したがって演算期間以外の残余の期間については、演算処理装置２２による処理の一部を省略することができる。このように演算処理装置２２の演算を一部省略することによって、溶接トーチ４１の到達時刻を効率よく検出することができる。すなわち演算処理装置２２を安価に構成することができる。このように本発明の第１適用例に従えば、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。
【０１３０】
（第２適用例）
図１５は、溶接中の溶接対象物５を拡大して示す斜視図である。図１５は、２つの開先面７７，７８の開先幅方向の間の距離が十分でない場合を示す。本発明の第２適用例では、溶接すべき２つの被溶接部材７４，７５において、２つの開先面７７，７８の間のウィービング方向距離が十分でない場合に好適に用いられる。具体的には、溶接対象物５のＶ字開先７６の初層の溶接動作に好適に用いられる。またはベベル角度θ１，θ２が小さい場合の溶接動作に好適に用いられる。
【０１３１】
開先７６が狭いときには、アークがウィービング方向７１に十分広がらず、アーク高輝度領域５１が塊状に写り、長軸８０を簡単に判定して、その傾きθ３を正確に算出できるような略楕円形にならない。したがって、長軸傾斜角θ３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Ｐ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、この他の制御手順などは第１適用例における制御手順と変わりがないので、説明を省略する。
【０１３２】
図１６は、図１５に示す場合について、撮像される溶接領域を簡略化して示す図である。溶接トーチ４１がウィービング移動に応じて、溶接画像から抽出したアーク高輝度領域５１は、図１６に示すような形状変化が現れる。図１６（ａ）は、電極６１が２つの開先面７７，７８間におけるウィービング方向一方（図１６では左方向）に移動したときの溶接画像である。図１６（ｂ）は、電極６１が２つの開先面７７，７８間におけるウィービング方向中央位置にあるときの溶接画像である。また図１６（ｃ）は、電極６１が２つの開先面７７，７８間におけるウィービング方向他方（図１６では右方向）に移動して、開先面７８に近接したときの位置にあるときの溶接画像である。
【０１３３】
図１６（ａ）では、アーク高輝度領域５１は、左側に広がらないので、左肩上がりの少し扁平な形状となる。図１６（ｂ）では、アーク高輝度領域５１は、三角形に近い塊状になり長軸８０の長さと短軸８１の長さとはほぼ等しくなる。この状態は、アーク高輝度領域５１が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８０と短軸８１とが入れ替わるところである。図１６（ｃ）では、図１６（ａ）におけるアーク高輝度領域５１とほぼ対称の右肩上がりの扁平な形状を示す。このようなアーク高輝度領域５１の形状変化は、再現性がよい。
【０１３４】
図１７は、長短軸長比Ｐの時間変化と、長軸傾斜角θ３の正負の時間変化とを示すグラフである。図１７には、長短軸長比Ｐの時間変化を実線１０４で示し、長軸傾斜角θ３の時間変化を破線１０５で示す。長短軸長比Ｐは、短軸８１の長さを長軸の長さ８０で除算した値であり、時間経過とともに周期的に変化する。長短軸長比Ｐの変化する周期および位相は、溶接トーチ４１のウィービング方向の周期および位相とほぼ一致する。具体的には、溶接トーチ４１がウィービング方向７１の各端点に到達したときに、長短軸長比Ｐが極小１０６となる。
【０１３５】
したがって随時撮像される溶接画像を画像処理し、溶接画像から長短軸長比Ｐが極小となる時刻を特定する。この特定した時刻が、溶接トーチ４１がウィービング方向の端点に到達した到達時刻となる。到達時刻における溶接画像を選出することによって、溶接トーチ４１がウィービング方向７１の端点に到達したときの溶接画像を選出することができる。また長短軸長比Ｐの角度変化と、溶接トーチ４１のウィービング方向７１の位置変化とがほぼ対応するので、長短軸長比Ｐの角度変化に基づいて、溶接トーチ４１のウィービング方向７１の位置を求めることができる。また長短軸長比Ｐが極小となるときの長軸傾斜角θ３の正負を判定することによって、ウィービング方向７１の両端のうち、いずれかの端点に到達したかを判定することができる。具体的には、溶接トーチ４１がウィービング方向７１の一方の端点に到達したときに、長軸傾斜角θ３が正となった状態で、長短軸長比Ｐが極小１０７となる。また溶接トーチ４１がウィービング方向７１の他方の端点に到達したときに、長軸傾斜角θ３が負となった状態で、長短軸長比Ｐが極大１０６となる。
【０１３６】
図１８は、アーク高輝度領域５１の長短軸長比Ｐを求める具体的な手順を示すフローチャートである。画像処理装置２１は、上述したステップｓ５１〜ｓ５３と同様の動作を行う。ステップｓ５３の動作が完了すると、ステップｓ５５に進む。ステップｓ５５では、重心Ｇを通る短軸８１の傾斜角度である短軸傾斜角σを算出する。短軸傾斜角σは、長軸傾斜角θに±９０度を加算することによって求められる。短軸傾斜角σを算出すると、ステップｓ５８に進む。
【０１３７】
ステップｓ５８では、長軸８０を示す直線の方程式と、短軸８１を示す方程式とを算出する。たとえば長軸に関する方程式は、
ｙ＝−（ｔａｎθ）×（ｘ−Ｘｇ）＋Ｙｇ
となる。
【０１３８】
ここで、Ｘｇは重心ＧのＸ座標であり、Ｙｇは重心ＧのＹ座標である。またθは、長軸傾斜角を示す。なお、短軸８１に関する方程式は、上式において、θを短軸傾斜角σに代えることによって求められる。
【０１３９】
この式を利用して、アーク高輝度領５１の輪郭と長軸８０との交点およびアーク高輝度領域５１の輪郭と短軸８１との交点を求めて、それぞれ長軸８０の長さと短軸８１の長さとを算出する。長軸８０の長さおよび短軸８１の長さを算出すると、ステップｓ６０に進む。
【０１４０】
ステップｓ６０は、ステップｓ５９で求めた長軸８０の長さと短軸８１の長さとを用いて、長短軸長比Ｐを求める。長短軸長比Ｐは、短軸８１の長さｂを長軸８０の長さａで除した値に設定される。長短軸長比Ｐを求めると、演算装置の動作を終了する。このようにして求められる長短軸長比Ｐは、電極６１の位置に対して比較的安定した関数になっており、各被溶接部材７４，７５のベベル角度θ１，θ２がそれぞれ等しい下向きＶ開先においては開先面の中央を挟んで対称になる。
【０１４１】
第２適用例では、演算処理装置２２は、アーク高輝度領域５１の長短軸長比Ｐを特徴量として抽出して、図９に示す動作を行う。すなわち演算処理装置２２は、長短軸長比Ｐに基づいて、到達時刻を検出することができる。第２適用例も、第１適用例と同様にロボット装置３から溶接トーチの移動量を取得することなく、また特別なセンサを用いることなく、到達時刻を取得することができる。これによって演算処理装置２２は、到達時刻における溶接画像に基づいて、溶接条件を設定し直すことができ、変更した溶接条件を、溶接装置本体４およびロボット装置３に与えることができる。すなわち到達時刻における溶接画像に基づいて、溶接装置本体４およびロボット装置３をフィードバック制御することができる。たとえば到達時刻における溶接画像に基づいて、溶接中の溶接電圧、溶接電流、溶接速度、ウィービング周期、ウィービング幅などを設定し直すことができる。
【０１４２】
本実施の形態では，第２適用例でも、到達時刻における溶接画像から、溶接トーチと開先面との間の距離である離間距離ｄＲを検出し、この距離を予め定める適正離間距離となるように溶接トーチの移動量をフィードバック制御する。  
【０１４３】
図１９は、ウィービング溶接したときの電極位置と長短軸長比Ｐの関係をプロットしたものである。なお図１９は、のベベル角度がいずれも３０°と等しい下向きＶ開先を有して、ルートギャップが０ｍｍの溶接対象物５の場合であり、横軸は開先中心から電極までの距離、縦軸は長短軸長比Ｐを表わす。
【０１４４】
図１９に示すように、長短軸長比Ｐは電極６１が開先中心にあるときに最高値１となり、開先中心から電極６１が離れるにつれて減少する。長短軸長比Ｐと開先中心からの電極６１の位置とは、大略的に直線的な関係を有する。したがって目標とするウィービング端点位置を長短軸長比Ｐ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Ｐ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幅に戻すことができる。
【０１４５】
図２０は、溶接トーチ４１のウィービング右端位置補正量ΔＲと、端点長短軸長比Ｐ１との関係を示すグラフである。なお、端点長短軸長比Ｐ１は、溶接トーチ４１がウィービング方向７１の端点に到達したときの長短軸長比Ｐを示す。ウィービング方向７１における溶接トーチ４１のウィービング右端位置補正量ΔＲは、長短軸長比Ｐに基づいて、予め定められる関係に従って算出される。なお、図２０は、ベベル角度θ１，θ２が３０度の場合の位置補正量ΔＲを示す。
【０１４６】
たとえば、図２０に示すようにウィービング幅を２ｍｍとした場合で、目標とする電極位置における適正長短軸長比Ｐｔが０．７５、１回の補正量は±１．４ｍｍを上限とする。補正量ΔＲは上限値以内で長短軸長比Ｐの偏差に比例するように設定する。
【０１４７】
図２０には、実線１１０で、ウィービング方向一方の端点における長軸傾斜角θ３が正の場合の端点位置補正量を表わす。また一点鎖線１１１で、ウィービング右端における長軸傾斜軸θ３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ウィービング方向他方に位置する場合の位置補正量を表わす。
【０１４８】
ウィービング方向一方の端点における長軸傾斜角θ３が正の場合、端点長短軸長比Ｐ１が予め定める設定値、たとえば０．４以上である場合、端点長短軸長比Ｐ１から適正長短軸長比Ｐｔを減算した偏差（Ｐ１−Ｐｔ）に、予め定める比例係数β１、たとえば４を乗算した値が補正量ΔＲとなる。また端点長短軸長比Ｐ１が予め定める設定値、たとえば０．４未満である場合、補正量は−１．４ｍｍとする。またウィービング右端における長軸傾斜角θ３が負の場合、端点長短軸長比Ｐ１が予め定める設定値、たとえば０．９未満である場合、端点長短軸長比Ｐ１から適正長短軸長比Ｐｔを減算した偏差（Ｐ１−Ｐｔ）に、予め定める比例係数β２を乗算した値が補正量ΔＲとなる。また端点長短軸長比Ｐ１が予め定める設定値、たとえば０．９未満である場合、補正量は１．４ｍｍとする。
【０１４９】
なお、図２０には、ウィービング右端における補正量ΔＲを示すが、ウィービング左端における補正量ΔＬについても、図２０に対応する同様の関係が存在する。このように図２０に表した関係を用いて、適正な左右の端点位置補正量を求めることができる。
【０１５０】
なお、ウィービング中央位置の補正量ΔＣは、ウィービング右端位置補正量ΔＲとウィービング左端位置補正量ΔＬと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。
【０１５１】
このようにして第２適用例では、溶接画像から抽出する特徴情報を長短軸長比Ｐとすることによって、第１適用例と同様の効果を得ることができる。さらに第２適用例では、開先７６の間の距離が狭い場合にも対応することができる。
【０１５２】
（第３適用例）
ストレート溶接でもアーク高輝度領域５１の形状はほぼ同じであるから、本発明の第３適用例として、溶接トーチ４１の位置検出方法をストレート溶接に適用してもよい。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って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θ３を用いることもできるが、この指標は開先面７７，７８の中央付近では偏差に敏感でないので、第２適用例で用いた長短軸長比Ｐを利用することがより好ましい。
【０１５３】
電極６１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領域５１の長短軸長比Ｐを実測に基づいて評価しておく。また、長短軸長比Ｐの偏差と補正量を比例するものとし、ある長短軸長比Ｐpになると電極６１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。
【０１５４】
図２１は、ストレート溶接における溶接トーチ４１の位置補正量ΔＣと、長短軸長比Ｐ１との関係を示すグラフである。図２１では、狙い位置補正量の限界値を±１．４ｍｍとし、長短軸長比Ｐ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。図２１には、実線１１２で、ウィービング方向中心位置における長軸傾斜角θ３が正の場合の端点位置補正量を表わす。また一点鎖線１１１で、ウィービング方向中心位置における長軸傾斜角θ３が負の場合の位置補正量を表わす。
【０１５５】
長短軸長比Ｐは電極６１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７７，７８に近づくにつれて小さくなる。また、電極６１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の実線１１２または一点鎖線１１３で示す関係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ウィービング方向右側にずらす方向に正としている。
【０１５６】
ストレート溶接における電極狙い位置の補正は、カメラ装置１が取得した溶接画像からアーク高輝度領域５１の長短軸長比Ｐを抽出し、図２１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。
【０１５７】
上記各適用例において、ウィービング条件の補正は、ウィービングの半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θ１，θ２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領域５１の長短軸長比Ｐ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７６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。また電極６１が略鉛直に延びるとしたが、溶接対象物５の姿勢によっては、鉛直方向以外の方向に延びた状態でアーク溶接を行ってもよい。
【０１５８】
上述した本発明の実施の形態は、発明の例示に過ぎず、発明の範囲内において構成を変更することができる。本実施の形態では、溶接画像に含まれる情報のうち、溶接トーチの位置を判断する特徴情報として、長軸傾斜角θ３または長短軸長比Ｐを用いたが他の情報を用いてもよい。また積層溶接において、特徴情報は、開先面間が狭い間は、第２適用例に示す長短軸長比Ｐを用い、開先面間が広くなると第１的用例に示す長軸傾斜角θ３を用いてもよい。これによって精度よく求めるとともに、演算にかかる負荷を低減することができる。また演算処理装置２２は、ウィービング方向７１の端点に到達したことを判断して、ウィービング幅などのトーチの移動量を調整したが、溶接電流、アーク電圧および溶接速度などの他の溶接情報をフィードバック制御してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【図１】本発明の実施の形態であるアーク溶接装置６を示すブロック図である。
【図２】アーク溶接装置６の一部を拡大して示す斜視図である。
【図３】溶接中の溶接対象物５を拡大して示す斜視図である。
【図４】図３に示す場合について撮像される溶接領域を簡略化して示す図である。
【図５】溶接トーチ４１の位置の時間変化と、長軸傾斜角θ３の時間変化とを示すグラフである。
【図６】画像処理装置２１の画像読み取り手順を示すフローチャートである。
【図７】画像取込と画像処理とを説明するためのブロック図である。
【図８】アーク高輝度領域５１の長軸８０の傾斜角度θ３を求める具体的な手順を示すフローチャートである。
【図９】演算処理装置２２の到達時刻特定動作を示すフローチャートである。
【図１０】長軸傾斜角度θ３と離間距離ｄＲとの関係を示すグラフである。
【図１１】溶接トーチ４１のウィービング右端位置補正量ΔＲと、端点傾斜角θ４との関係を示すグラフである。
【図１２】本実施の形態で実行される演算制御装置２２の補正量算出動作を表すフローチャートである。
【図１３】溶接トーチのウィービング方向位置と、ウィービング中心位置の補正量の時間変化を示すグラフである。
【図１４】アーク溶接装置の開先倣い制御を説明するための溶接対象物５を示す平面図である。
【図１５】溶接中の溶接対象物５を拡大して示す斜視図である。
【図１６】図１５に示す場合について、撮像される溶接領域を簡略化して示す図である。
【図１７】長短軸長比Ｐの時間変化と、長軸傾斜角θ３の正負の時間変化とを示すグラフである。
【図１８】アーク高輝度領域５１の長短軸長比Ｐを求める具体的な手順を示すフローチャートである。
【図１９】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。
【図２０】溶接トーチ４１のウィービング右端位置補正量ΔＲと、端点長短軸長比Ｐ１との関係を示すグラフである。
【０１６０】
【図２１】ストレート溶接における溶接トーチ４１の位置補正量ΔＣと、長短軸長比Ｐ１との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１６１】
１  カメラ装置
２  パソコン
３  ロボット装置
４  溶接装置本体
５  溶接対象物
６  アーク溶接装置
２１  画像処理装置
２２  演算処理装置
３１  ロボットコントローラ
４１  溶接トーチ
５１  アーク高輝度領域
６１  電極
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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