(57)【要約】【課題】  輝度レベルが異なる溶接電極、溶融池、開先壁およびフィラーワイヤを撮像画像から安定して分離、検出でき、画像計測値を基に安定して制御を行うことができるＴＩＧアーク溶接の自動制御方法を提供する。【解決手段】  溶接電極、溶融池、開先壁、フィラーワイヤを含む領域を撮像した輝度画像において溶接電極と溶融池との輝度差、溶融池と開先壁との輝度差、フィラーワイヤと溶融池との輝度差がそれぞれ相対的に大きくなるような露光時間ｔ１、ｔ２、ｔ３で撮像した溶接電極、開先壁、溶融池、および、フィラーワイヤの輝度画像の計測値を基に溶接電極の中心線倣い制御、揺動幅制御、および、フィラーワイヤ挿入位置制御を行うＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。【選択図】      なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接電極とフィラーワイヤを開先幅方向に揺動させつつ溶接線方向に移動させることにより、開先に溶融池を形成させて溶接するＴＩＧアーク溶接の自動制御方法において、
溶接電極、溶融池、開先壁、フィラーワイヤを含む領域を、溶接電極と溶融池との輝度差、溶融池と開先壁との輝度差、フィラーワイヤと溶融池との輝度差がそれぞれ相対的に大きくなるように異なる露光時間により撮影し、得られた溶接電極と溶融池、溶融池と開先壁、及びフィラーワイヤと溶融池の輝度画像の計測値を基に、溶接電極の中心線倣い制御、揺動幅制御、及びフィラーワイヤ挿入位置制御を行うＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【請求項２】
溶接電極とフィラーワイヤを開先幅方向に揺動させつつ溶接線方向に移動させることにより、開先に溶融池を形成させて溶接するＴＩＧアーク溶接の自動制御方法において、予め基準溶接において溶接電極、溶融池、開先壁、フィラーワイヤを含む領域を光学フィルターを介してＣＣＤカメラで撮像した輝度画像と該撮像時の露光時間を基に、輝度画像において溶接電極と溶融池との輝度差、溶融池と開先壁との輝度差、フィラーワイヤと溶融池との輝度差がそれぞれ相対的に大きくなるような露光時間ｔ１、ｔ２、ｔ３を求めて記憶しておき、本溶接において、先ず、溶接電極と溶融池を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ１で計測時間Ｔ１の期間内に撮像し得られた溶接電極の輝度画像の計測値を基に開先幅Ｘ方向及び溶接線Ｙ方向における溶接電極先端位置（Ｘec_med，Ｙet_med）を算出した後、次に、溶融池と開先壁を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ２で計測時間Ｔ２の期間内に溶接電極の揺動左端および揺動右端においてそれぞれ撮像し得られた溶融池および開先壁の輝度画像の計測値を基に開先幅Ｘ方向における溶融池中心位置Ｘpc_med、開先中心位置Ｘgc_medおよび開先幅Ｗg_medを算出し、開先幅Ｘ方向における前記溶接電極先端位置Ｘec_medと前記溶融池中心位置Ｘpc_medまたは前記開先中心位置Ｘgc_medとの差が０になるように溶接電極の中心線倣い制御を行い、かつ、前記開先幅Ｗg_medから下記関数Ｗosc(Ｗg)により算出される目標揺動幅になるように溶接電極の揺動幅制御を行う、一連の処理を１または２回以上繰り返した後、最後に、フィラーワイヤと溶融池を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ３で計測数時間Ｔ３の期間内に撮像し得られたフィラーワイヤの輝度画像を基に、予め記憶されたフィラーワイヤ先端部の教示画像パターンとの相関性を計算し、相関性が最大となる開先幅Ｘ方向及び溶接線Ｙ方向における位置をフィラーワイヤ先端位置（Ｘf_med，Ｙf_med）とし、溶接線Ｙ方向における前記溶接電極先端位置Ｙet_medと該フィラーワイヤ先端位置Ｙf_medとの差を基に溶接線Ｙ方向におけるフィラーワイヤ挿入位置制御を行い、かつ、開先Ｘ方向における前記溶接電極先端位置Ｘec_medと該フィラーワイヤ先端位置Ｘf_medとの差および前記開先幅Ｗg_medと、予め記憶された開先ルートギャップが０の時の開先幅Ｗg_std およびフィラーワイヤ径φｆを基に、開先Ｘ方向におけるフィラーワイヤ挿入位置制御を行うことを特徴とするＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【請求項３】
前記開先幅Ｘ方向における溶接電極先端位置Ｘec_medは、前記計測時間Ｔ１の期間内に、溶接電極の揺動左端位置および揺動右端位置で撮像し得られた溶接電極の輝度画像から、それぞれ溶接電極の左側面位置候補点Ｘel、右側面位置候補点Ｘerを計測後、それぞれ平滑化処理をおこなって計測値中の中央値Ｘel_med、Ｘer_medを算出後、これらを基に下記（１）式により算出し、かつ、前記溶接線Ｙ方向における溶接電極先端位置Ｙet_medは、前記計測時間Ｔ１の期間内に、溶接電極の揺動左端位置および揺動右端位置で撮像し得られた溶接電極の輝度画像から、それぞれ溶接電極の先端位置候補点Ｙet′を計測後、平滑化処理をおこなって計測値中の中央値Ｙet_medを算出することにより、求められることを特徴とする請求項２に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
Ｘec_med＝（Ｘel_med＋Ｘer_med）／２    ・・・（１）
【請求項４】
前記開先幅Ｘ方向における溶融池中心位置Ｘpc_med、開先中心位置Ｘgc_medおよび開先幅Ｗg_medは、前記計測時間Ｔ２の期間内に、溶接電極の揺動左端位置で撮像し得られた溶融池および開先壁の輝度画像から溶融池左端位置候補点ＬＸpl、溶融池右端位置候補点ＬＸpr、開先左端位置候補点ＬＸgl、開先右端位置候補点ＬＸgrを算出し、かつ溶接電極の揺動右端位置で撮像し得られた溶融池および開先壁の輝度画像から溶融池左端位置候補点ＲＸpl、溶融池右端位置候補点ＲＸpr、開先左端位置候補点ＲＸgl、開先右端位置候補点ＲＸgrを計測した後、それぞれ平滑化処理をおこなって計測値中の中央値ＲＸpl_med、ＲＸpr_med、ＲＸgl_med、ＲＸgr_med、ＲＸpl_med、ＲＸpr_med、ＲＸgl_med、ＲＸgr_medを算出し、これらを基に下記（２）、（３）及び（４）式により算出することにより、求められることを特徴とする請求項２または３に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
Ｘpc_med＝（ＬＸpl_med＋ＬＸpr_med＋ＲＸpl_med＋ＲＸpr_med）／４  ・・・（２）
Ｘgc_med＝（ＬＸgl_med＋ＬＸgr_med＋ＲＸgl_med＋ＲＸgr_med）／４  ・・・（３）
Ｗg_med＝（ＬＸgr_med−ＬＸgl_med＋ＲＸgr_med―ＲＸgl_med）／２   ・・・（４）
【請求項５】
前記溶接電極の揺動幅制御は、前記開先幅Ｗg_medから下記関数Ｗosc(Ｗg)により算出される目標揺動幅になるように溶接電極の揺動幅制御を行うことを特徴とする請求項２〜４の何れか１項に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
Ｗosc（Ｗg）：
１）０≦Ｗg＜Ｗg_minのとき、Ｗosc（Ｗg）＝Ｏ_min
２）Ｗg_min≦Ｗg≦Ｗg_maxのとき、Ｗosc（Ｗg）＝αＷg＋ｂ、但し、α、ｂは定数
３）Ｗg＞Ｗg_maxのとき、Ｗosc（Ｗg）＝Ｏ_max
但し、Ｗｇ＝Ｗg_med×Phであり、Ｐｈは画素単位からmm単位への変換係数を示す。
また、Ｗg_min、Ｗg_max、Ｏ_min、Ｏ_max、α、ｂは実験で求められる定数。
【請求項６】
前記開先幅Ｘ方向及び溶接線Ｙ方向における位置をフィラーワイヤ先端位置（Ｘf_med，Ｙf_med）は、前記計測時間Ｔ３の期間内に、溶接電極の揺動左端位置および揺動右端位置で撮像し得られたフィラーワイヤの輝度画像内で、それぞれ前記溶接電極先端位置（Ｘec_med，Ｙet_med）を基準とし、開先幅Ｘ方向にＸ＝Ｘec_med−Ｘm〜Ｘec_med＋Ｘmで、かつ溶接線Ｙ方向にＹ＝Ｙet_med〜Ｙet_med＋Ｙmの矩形領域について、予め記憶されたフィラーワイヤ先端部の教示画像パターンとの相関性を計算し、相関性が最大となる開先幅Ｘ方向及び溶接線Ｙ方向における位置をフィラーワイヤ先端位置（Ｘｆ，Ｙｆ）とした後、平滑化処理をおこなって計測値中の中央値を算出することにより、求められることを特徴とする請求項２〜５の何れか１項に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
但し、上記Ｘm、Ｙmは実験で求められる定数を示す。
【請求項７】
前記溶接線Ｙ方向におけるフィラーワイヤ挿入位置制御は、予め基準溶接を基に前記溶接電極先端位置Ｙet_medと前記フィラーワイヤ先端位置Ｙf_medとの差δＹ＝Ｙet_med―Ｙf_medの最適な範囲ｄ１〜ｄ２を設定しておき、本溶接時に溶接線Ｙ方向における前記溶接電極先端位置Ｙet_medと前記フィラーワイヤ先端位置Ｙf_medとの差δＹ＝Ｙet_med―Ｙf_medを算出し、δＹ＜ｄ１の場合には、フィラワイヤの挿入位置を溶接線Ｙ方向に＋（α１×ｄ１＋α２×ｄ２−δＹ）×Ｐvだけ移動し、δＹ＞ｄ２の場合には、フィラワイヤの挿入位置を溶接線Ｙ方向に＋（α２×ｄ１＋α１×ｄ２−δＹ）×Ｐvだけ移動するでおこなわれることを特徴とする請求項２〜６の何れか１項に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
ただし、上記Ｐvは画素単位からmm単位への変換係数であり、α１、α２は実験で求められる定数を示す。
【請求項８】
前記開先幅Ｘ方向におけるフィラーワイヤ挿入位置制御は、開先幅Ｘ方向における前記溶接電極先端位置Ｘec_medと前記フィラーワイヤ先端位置Ｘf_medとの差δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_med、および、前記開先幅Ｗg_medと、予め記憶された開先ルートギャップが０の時の開先幅Ｗg_stdおよびフィラーワイヤ径φｆを基に、ＬＧ＝Ｗg_med−Ｗg_std＞φf、かつ、δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_med＞０の場合には、フィラーワイヤ先端位置を開先幅Ｘ方向に、−ＬＧだけ移動させ、ＬＧ＝Ｗg_med−Ｗg_std＞φｆ、かつ、δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_med＜０の場合には、フィラーワイヤ先端位置を開先幅Ｘ方向に、＋ＬＧだけ移動させ、ＬＧ＝Ｗg_med−Ｗg_std≦φｆの場合には、δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_medが０となるようにフィラーワイヤ先端位置を制御することを特徴とする請求項２〜７の何れか１項に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【請求項９】
前記ｔ１は１／１００００〜１／１０００秒であり、前記ｔ２が１／１００〜１／１０００秒であり、前記ｔ３が１／１００００〜１／１０００秒であることを特徴とする請求項２〜８の何れか１項に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力容器、パイプ等に適用されるＴＩＧアーク溶接方法に関し、詳しくは、ＴＩＧアーク溶接時に溶接線中心倣い制御、揺動幅制御、および、フィラーワイヤ供給位置制御を同時に制御するＴＩＧアーク溶接の自動制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＴＩＧアーク溶接は、非溶極式アーク溶接方法であり、比較的高い溶接品質が求められる圧力容器等の溶接施工に多く用いられている。一般にＴＩＧアーク溶接は溶接電極（タングステン製電極）を開先幅方向で揺動させながら溶接電極のアーク熱でフィラーワイヤを溶融して開先部に溶融金属を形成して溶接が行なわれるため、その自動制御においては、良好な溶接を安定して行うために溶接電極の溶接線中心倣い及び揺動幅の制御とともにフィラーワイヤ挿入位置制御も適正に行なうことが求められている。
【０００３】
従来、溶接電極揺動時の溶接線中心倣い制御及び開先幅制御については、例えば、特許文献１などに示されるようなレーザスリット光とＴＶカメラを組み合わせたレーザセンサによる光切断法を用いて開先形状を検知し、開先中心位置および開先幅の計測値を基に溶接電極の位置制御を行なう方法が一般に知られている。
【０００４】
また、ＴＩＧアーク溶接における溶接電極揺動時のフィラーワイヤ挿入位置制御については、特許文献２などではフィラーワイヤ付近を光学バンドパスフィルターを通してＴＶカメラで撮像し、得られた画像からフィラーワイヤ先端の位置を計測し、フィラーワイヤの幅方向位置を制御する方法が開示されている。
【０００５】
特許文献１で示されるレーザセンサによる光切断法は、開先形状は計測できるものの、溶接部の溶融池形状やフィラーワイヤ位置を計測することができないため、フィラーワイヤ挿入位置制御を行なうためには他の計測手段を組み合わせて用いなければならない。
【０００６】
また、特許文献２で示される方法は、ＴＶカメラによるフィラーワイヤ付近の画像からフィラーワイヤ先端の溶接線方向位置（画像計測座標系の絶対座標）を検知する方法であるが、この方法で溶接電極、開先部、および、溶融池などの輝度が大きく異なる撮像画層から同時に検知し、それぞれの位置を測定することはできない。また、フィラーワイヤの開先幅方向および高さ方向の具体的な制御方法は全く開示していない。
【０００７】
また、従来から溶融池の撮像画像を基に溶接電極の溶接線中心倣い制御および揺動幅制御を行なう方法が、例えば、特許文献３および４で知られている。
【０００８】
特許文献３ではＭＩＧまたはＭＡＧアーク溶接においてＣＣＤカメラにより遮光フィルターを通して溶接部の溶接池を撮像し、溶融池形状および溶接電極（溶接ワイヤ）挿入位置を検知し、溶融池左右端部と溶接ワイヤ挿入位置との開先幅方向の位置のずれ量をもとに溶接電極の溶接線中心倣い制御を行う方法が開示されている。この方法は、エンコーダなどにより溶接電極の左右端位置および中央位置での溶融池および溶接ワイヤを撮像し、その撮像画像から溶融池の左右端位置及び溶接ワイヤ位置を計測し、揺動端での溶融池の各左右端位置に対する溶接ワイヤ位置のずれ量、または、溶融池の中心位置と揺動中心での溶接ワイヤ位置とのずれ量を基に溶接電極の溶接線中心倣い制御を行なうものである。しかし、この方法は、溶接電極が溶融する溶極式アーク溶接方法に適用できるが、溶接電極とは別の送給手段でフィラーワイヤを挿入し溶融させる、ＴＩＧアーク溶接のような非溶極式アーク溶接方法では、溶接電極揺動時に溶接電極とフィラーワイヤとの相対的な位置制御が不安定な場合に所望の溶接品質が得られない恐れがある。
【０００９】
また、特許文献４では、ＣＣＤカメラにより遮光フィルターを通して溶接部の溶接池を撮像する際に、アーク、溶融池、開先壁の各対象に合わせてＣＣＤカメラのシャッタースピードを切り替えて各撮像を行い、溶接部画像の一部（位置固定）を取り出し、合成することで溶接部を見易くし、この画像をモニタまたは溶接線倣い、溶接条件制御を行う方法が開示されている。
【００１０】
しかし、この方法も、特許文献３と同様に、溶接電極とは別の送給手段でフィラーワイヤを挿入し溶融させる、ＴＩＧアーク溶接のような非溶極式アーク溶接方法に適用する具体的方法は示されていなく、溶接電極揺動時に溶接電極とフィラーワイヤとの相対的な位置制御が不安定な場合に所望の溶接品質が得られない恐れがある。
【００１１】
【特許文献１】特開平８−１５０４７４号公報
【特許文献２】特開平６−１９０５５８号公報
【特許文献３】特開平０９−２９５１４６号公報
【特許文献４】特開平０８−１５０４７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ＴＩＧアーク溶接の自動制御においては、視覚センサ等を用いて、溶接電極位置、開先位置とそれから求められる開先幅、および、フィラーワイヤ挿入位置を安定的に検知し、これらの情報を基に溶接電極の溶接線中心倣い、揺動幅制御、および、フィラーワイヤ挿入位置制御を同時に行なう必要がある。
【００１３】
溶接線中心倣いおよび揺動幅制御は、視覚センサにより溶融池または開先壁の左右端位置、あるいは揺動端の溶接電極位置を検知し、溶接電極揺動中心と開先中心が一致するように溶接電極位置を制御し、開先幅を制御する。また、フィラーワイヤ挿入位置の制御は、フィラーワイヤの位置と開先位置及び溶接電極位置を検知し、フィラーワイヤと溶融池および溶接電極との各位置関係を適正に制御する必要がある。
【００１４】
特許文献１及び２等に示されるような従来法を用いてＴＩＧアーク溶接自動制御における溶接電極の溶接線中心倣い、揺動幅制御、および、フィラーワイヤ挿入位置制御を同時に行なうためには、開先位置情報を得るためのレーザセンサとフィラーワイヤの位置情報を得るための視覚センサの２種類の視覚センサが必要となり、制御の煩雑さや溶接装置のコストアップに繋がる等の問題があり好ましくない。
【００１５】
一方、特許文献３及び４等に示される従来法では、溶接部の溶融池を直接撮像するＣＣＤカメラなどの直視型視覚センサを用いて溶接電極、溶融池、開先壁ごとにシャッタースピードを制御し、各画像の一部を合成することにより、溶接電極、溶融池、開先壁の各画像をぶれの無い画像で検出可能であるが、同時にフィラーワイヤを検出することはできない。
【００１６】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みて、ＴＩＧアーク溶接において、ＣＣＤカメラを用いて撮像する際に、溶接電極揺動時にぶれの無い鮮明な画像が得られるるとともに、輝度レベルが異なる溶接電極、溶融池、開先壁およびフィラーワイヤを撮像画像から安定して分離、検出でき、画像計測値を基に安定して溶接電極の溶接線中心倣い制御及び揺動幅制御並びにフィラーワイヤ挿入位置制御を同時に行うことができるＴＩＧアーク溶接の自動制御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】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するものであり、その発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
【００１８】
（１）  溶接電極とフィラーワイヤを開先幅方向に揺動させつつ溶接線方向に移動させることにより、開先に溶融池を形成させて溶接するＴＩＧアーク溶接の自動制御方法において、
溶接電極、溶融池、開先壁、フィラーワイヤを含む領域を、溶接電極と溶融池との輝度差、溶融池と開先壁との輝度差、フィラーワイヤと溶融池との輝度差がそれぞれ相対的に大きくなるように異なる露光時間により撮影し、得られた溶接電極と溶融池、溶融池と開先壁、及びフィラーワイヤと溶融池の輝度画像の計測値を基に、溶接電極の中心線倣い制御、揺動幅制御、及びフィラーワイヤ挿入位置制御を行うＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【００１９】
（２）  溶接電極とフィラーワイヤを開先幅方向に揺動させつつ溶接線方向に移動させることにより、開先に溶融池を形成させて溶接するＴＩＧアーク溶接の自動制御方法において、予め基準溶接において溶接電極、溶融池、開先壁、フィラーワイヤを含む領域を光学フィルターを介してＣＣＤカメラで撮像した輝度画像と該撮像時の露光時間を基に、輝度画像において溶接電極と溶融池との輝度差、溶融池と開先壁との輝度差、フィラーワイヤと溶融池との輝度差がそれぞれ相対的に大きくなるような露光時間ｔ１、ｔ２、ｔ３を求めて記憶しておき、本溶接において、先ず、溶接電極と溶融池を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ１で計測時間Ｔ１の期間内に撮像し得られた溶接電極の輝度画像の計測値を基に開先幅Ｘ方向及び溶接線Ｙ方向における溶接電極先端位置（Ｘec_med，Ｙet_med）を算出した後、次に、溶融池と開先壁を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ２で計測時間Ｔ２の期間内に溶接電極の揺動左端および揺動右端においてそれぞれ撮像し得られた溶融池および開先壁の輝度画像の計測値を基に開先幅Ｘ方向における溶融池中心位置Ｘpc_med、開先中心位置Ｘgc_medおよび開先幅Ｗg_medを算出し、開先幅Ｘ方向における前記溶接電極先端位置Ｘec_medと前記溶融池中心位置Ｘpc_medまたは前記開先中心位置Ｘgc_medとの差が０になるように溶接電極の中心線倣い制御を行い、かつ、前記開先幅Ｗg_medから下記関数Ｗosc(Ｗg)により算出される目標揺動幅になるように溶接電極の揺動幅制御を行う、一連の処理を１または２回以上繰り返した後、最後に、フィラーワイヤと溶融池を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ３で計測数時間Ｔ３の期間内に撮像し得られたフィラーワイヤの輝度画像を基に、予め記憶されたフィラーワイヤ先端部の教示画像パターンとの相関性を計算し、相関性が最大となる開先幅Ｘ方向及び溶接線Ｙ方向における位置をフィラーワイヤ先端位置（Ｘf_med，Ｙf_med）とし、溶接線Ｙ方向における前記溶接電極先端位置Ｙet_medと該フィラーワイヤ先端位置Ｙf_medとの差を基に溶接線Ｙ方向におけるフィラーワイヤ挿入位置制御を行い、かつ、開先Ｘ方向における前記溶接電極先端位置Ｘec_medと該フィラーワイヤ先端位置Ｘf_medとの差および前記開先幅Ｗg_medと、予め記憶された開先ルートギャップが０の時の開先幅Ｗg_std およびフィラーワイヤ径φｆを基に、開先Ｘ方向におけるフィラーワイヤ挿入位置制御を行うことを特徴とするＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【００２０】
（３）  前記開先幅Ｘ方向における溶接電極先端位置Ｘec_medは、前記計測時間Ｔ１の期間内に、溶接電極の揺動左端位置および揺動右端位置で撮像し得られた溶接電極の輝度画像から、それぞれ溶接電極の左側面位置候補点Ｘel、右側面位置候補点Ｘerを計測後、それぞれ平滑化処理をおこなって計測値中の中央値Ｘel_med、Ｘer_medを算出後、これらを基に下記（１）式により算出し、かつ、前記溶接線Ｙ方向における溶接電極先端位置Ｙet_medは、前記計測時間Ｔ１の期間内に、溶接電極の揺動左端位置および揺動右端位置で撮像し得られた溶接電極の輝度画像から、それぞれ溶接電極の先端位置候補点Ｙet′を計測後、平滑化処理をおこなって計測値中の中央値Ｙet_medを算出することにより、求められることを特徴とする前記（２）に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【００２１】
Ｘec_med＝（Ｘel_med＋Ｘer_med）／２    ・・・（１）
（４）  前記開先幅Ｘ方向における溶融池中心位置Ｘpc_med、開先中心位置Ｘgc_medおよび開先幅Ｗg_medは、前記計測時間Ｔ２の期間内に、溶接電極の揺動左端位置で撮像し得られた溶融池および開先壁の輝度画像から溶融池左端位置候補点ＬＸpl、溶融池右端位置候補点ＬＸpr、開先左端位置候補点ＬＸgl、開先右端位置候補点ＬＸgrを算出し、かつ溶接電極の揺動右端位置で撮像し得られた溶融池および開先壁の輝度画像から溶融池左端位置候補点ＲＸpl、溶融池右端位置候補点ＲＸpr、開先左端位置候補点ＲＸgl、開先右端位置候補点ＲＸgrを計測した後、それぞれ平滑化処理をおこなって計測値中の中央値ＲＸpl_med、ＲＸpr_med、ＲＸgl_med、ＲＸgr_med、ＲＸpl_med、ＲＸpr_med、ＲＸgl_med、ＲＸgr_medを算出し、これらを基に下記（２）、（３）及び（４）式により算出することにより、求められることを特徴とする前記（２）または（３）に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【００２２】
Ｘpc_med＝（ＬＸpl_med＋ＬＸpr_med＋ＲＸpl_med＋ＲＸpr_med）／４  ・・・（２）
Ｘgc_med＝（ＬＸgl_med＋ＬＸgr_med＋ＲＸgl_med＋ＲＸgr_med）／４  ・・・（３）
Ｗg_med＝（ＬＸgr_med−ＬＸgl_med＋ＲＸgr_med―ＲＸgl_med）／２   ・・・（４）
（５）  前記溶接電極の揺動幅制御は、前記開先幅Ｗg_medから下記関数Ｗosc(Ｗg)により算出される目標揺動幅になるように溶接電極の揺動幅制御を行うことを特徴とする前記（２）〜（４）の何れか１項に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【００２３】
Ｗosc（Ｗg）：
１）０≦Ｗg＜Ｗg_minのとき、Ｗosc（Ｗg）＝Ｏ_min
２）Ｗg_min≦Ｗg≦Ｗg_maxのとき、Ｗosc（Ｗg）＝αＷg＋ｂ、但し、α、ｂは定数
３）Ｗg＞Ｗg_maxのとき、Ｗosc（Ｗg）＝Ｏ_max
但し、Ｗｇ＝Ｗg_med×Phであり、Ｐｈは画素単位からmm単位への変換係数を示す。
【００２４】
また、Ｗg_min、Ｗg_max、Ｏ_min、Ｏ_max、α、ｂは実験で求められるた定数。
【００２５】
（６）  前記開先幅Ｘ方向及び溶接線Ｙ方向における位置をフィラーワイヤ先端位置（Ｘf_med，Ｙf_med）は、前記計測時間Ｔ３の期間内に、溶接電極の揺動左端位置および揺動右端位置で撮像し得られたフィラーワイヤの輝度画像内で、それぞれ前記溶接電極先端位置（Ｘec_med，Ｙet_med）を基準とし、開先幅Ｘ方向にＸ＝Ｘec_med−Ｘm〜Ｘec_med＋Ｘmで、かつ溶接線Ｙ方向にＹ＝Ｙet_med〜Ｙet_med＋Ｙmの矩形領域について、予め記憶されたフィラーワイヤ先端部の教示画像パターンとの相関性を計算し、相関性が最大となる開先幅Ｘ方向及び溶接線Ｙ方向における位置をフィラーワイヤ先端位置（Ｘｆ，Ｙｆ）とした後、平滑化処理をおこなって計測値中の中央値を算出することにより、求められることを特徴とする前記（２）〜（５）の何れか１項に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【００２６】
但し、上記Ｘm、Ｙmは実験で求められる定数を示す。
【００２７】
（７）  前記溶接線Ｙ方向におけるフィラーワイヤ挿入位置制御は、予め基準溶接を基に前記溶接電極先端位置Ｙet_medと前記フィラーワイヤ先端位置Ｙf_medとの差δＹ＝Ｙet_med―Ｙf_medの最適な範囲ｄ１〜ｄ２を設定しておき、本溶接時に溶接線Ｙ方向における前記溶接電極先端位置Ｙet_medと前記フィラーワイヤ先端位置Ｙf_medとの差δＹ＝Ｙet_med―Ｙf_medを算出し、δＹ＜ｄ１の場合には、フィラワイヤの挿入位置を溶接線Ｙ方向に＋（α１×ｄ１＋α２×ｄ２−δＹ）×Ｐvだけ移動し、δＹ＞ｄ２の場合には、フィラワイヤの挿入位置を溶接線Ｙ方向に＋（α２×ｄ１＋α１×ｄ２−δＹ）×Ｐvだけ移動するでおこなわれることを特徴とする前記（２）〜（６）の何れか１項に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【００２８】
ただし、上記Ｐvは画素単位からmm単位への変換係数であり、α１、α２は実験で求められる定数を示す。
【００２９】
（８）  前記開先幅Ｘ方向におけるフィラーワイヤ挿入位置制御は、開先幅Ｘ方向における前記溶接電極先端位置Ｘec_medと前記フィラーワイヤ先端位置Ｘf_medとの差δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_med、および、前記開先幅Ｗg_medと、予め記憶された開先ルートギャップが０の時の開先幅Ｗg_stdおよびフィラーワイヤ径φｆを基に、ＬＧ＝Ｗg_med−Ｗg_std＞φf、かつ、δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_med＞０の場合には、フィラーワイヤ先端位置を開先幅Ｘ方向に、−ＬＧだけ移動させ、ＬＧ＝Ｗg_med−Ｗg_std＞φｆ、かつ、δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_med＜０の場合には、フィラーワイヤ先端位置を開先幅Ｘ方向に、＋ＬＧだけ移動させ、ＬＧ＝Ｗg_med−Ｗg_std≦φfの場合には、δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_medが０となるようにフィラーワイヤ先端位置を制御することを特徴とする前記（２）〜（７）の何れか１項に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【００３０】
（９）  前記ｔ１は１／１００００〜１／１０００秒であり、前記ｔ２が１／１００〜１／１０００秒であり、前記ｔ３が１／１００００〜１／１０００秒であることを特徴とする前記（２）〜（８）の何れか１項に記載のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、ＴＩＧ多層盛り溶接において、ＣＣＤカメラを用いて撮像する際に、溶接電極揺動時にぶれの無い鮮明な画像が得られるるとともに、輝度レベルが異なる溶接電極、溶融池、開先壁およびフィラーワイヤを撮像画像から安定して分離、検出でき、画像計測値を基に安定して溶接電極の溶接線中心倣い制御及び揺動幅制御並びにフィラーワイヤ挿入位置制御を同時に行うことができる。このため、今まで人手では困難であったＴＩＧアーク溶接施工の省力化・自動化ができ、さらには従来の自動溶接法に比べ溶接部の高品質化に大いに貢献できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
一般的に画像計測に使われるＣＣＤカメラは、撮像素子の光電変換部において入力光を電荷に変換した後一旦蓄積し、これを順次読み出すことで映像信号としている。光電変換部における電荷の蓄積許容量は限られているから、過大な光量が入力されると映像信号が飽和し、これが実質的なＣＣＤカメラのダイナミックレンジを決めている。また、通常のＣＣＤカメラでは、低輝度対象物を撮像することを前提し、撮像素子から出力される映像信号を増幅するアンプ回路のゲインは大きめに設定されているため、高輝度対象物を撮像する場合はダイナミックレンジがさらに低下することになる。このため、ＣＣＤカメラにより溶接時のアーク光を含む溶融池を撮像する場合には、映像信号が飽和しないように赤外または近赤外域に透過主波長を持つ光学フィルターを通過させて、溶融池からの輻射光に比べ、数１００〜数１０００倍の強度をもつアーク光を減光することにより相対的に溶融池輻射光の強度を増大させ、見かけ上のダイナミックレンジを上げている。
【００３３】
しかしながら、光学フィルターによるアーク光の減光のみでは、溶接電極、溶融池、開先壁、フィラワイヤー等の輝度レベルが異なる複数対象物を同じ光学条件で撮像し、同一画像上で各対象物を安定して検知し、画像計測することは困難である。
【００３４】
例えば、溶融池の撮像画像から溶接電極を検知しようとする場合、溶接電極の輝度レベルがに溶融池比べて高いため、撮像時の露光時間を調整し溶接電極輝度が溶融池輝度に対して十分に低くなるように画像全体の輝度レベルを下げることによる両者を輝度レベルで分離することで、溶接電極を検知することが可能となる。
【００３５】
しかしながら、溶接電極と溶融池との画像が十分に分離できる輝度レベルに調整した場合には、溶融池の輝度レベルはかなり低下するため、その他画像、例えば、低輝度の開先壁の画像から溶融池の画像を分離、検知することは非常に困難となる。ＴＩＧアーク溶接の自動制御における撮像対象としては、溶接電極、溶融池、開先壁のほかに、フィラーワイヤーがあり、それぞれ撮像画時の輝度レベルが異なるため、同一光学条件において各撮像画像毎に最適な輝度レベルとなるように制御することは困難である。
【００３６】
また、溶接電極を高速揺動して溶接する場合には、撮像時の露光時間により画像がぶれることがあるため、輝度レベルが異なる溶接電極、溶融池、開先壁、フィラーワイヤーの各撮像画像を輝度レベルで分離、検出するとともに、溶接電極高速揺動時にもぶれのない鮮明な画像が得られるように露光時間の制御が必要である。
【００３７】
本発明は、以上の知見をもとに、溶接電極、溶融池、開先壁およびフィラーワイヤの各々の撮像対象物に対してＣＣＤカメラの電子シャッター時間すなわち露光時間を適正に設定することで溶接電極高速揺動時にもぶれのない鮮明な画像が得られ、かつ輝度レベルの異なる各撮像対象物を検出し、画像計測を基に安定して溶接電極の溶接線中心倣い制御及び揺動幅制御並びにフィラーワイヤ挿入位置制御を同時に行うものである。
【００３８】
本発明の実施形態を以下に説明する。
図１は本発明の示す自動溶接装置の模式図を示すものである。
【００３９】
鋼材３の開先表側から溶接電極２を備えた溶接トーチ１を用いて開先幅方向１１に揺動させながら溶接進行方向１０に沿ってＴＩＧアーク溶接する。ＴＩＧアーク溶接は、溶接トーチ１の溶接電極２から発生するアークにより鋼材３を溶融するとともに、溶接電極２と連動してフィラワイヤ送給装置９により揺動しながら開先に供給されるフィラワイヤ５を溶融して溶接金属の溶融池８が形成され、溶接ビード４が形成される。
【００４０】
溶接時に開先に形成される溶融池８は、溶接加工点に対して斜め前方に設置され、かつ溶接電極２と連動するＣＣＤカメラ６を用いて、溶接電極２、溶融池８、開先壁、フィラーワイヤ５を含む溶接部領域を近赤外線域に透過主波長を持つ近赤外光透過フィルター７を通して撮像される。ＣＣＤカメラ６は、溶接トーチ１の揺動軸に連結され、溶接電極２及びフィラーワイヤ５と一緒に揺動するとともに、遠隔操作で非同期電子シャッター機能により露光時間を変更することができる。溶接電極２の揺動左右端位置において溶接制御装置１３から出力されるトリガ信号がＣＣＤカメラ６に入力され、このトリガ信号に同期してＣＣＤカメラ６の電子シャッターが開くことで露光され、前記溶接部領域が撮像される。撮像された画像信号は、画像処理装置１２においてディジタル画像データに変換した後、必要データ領域の輝度データを基にホストＣＰＵ１４において溶融池、溶接電極、開先壁、フィラーワイヤーの各輝度画像における各位置座標を検出し、溶融池中心および開先中心、開先幅、フィラーワイヤー挿入位置などを算出し、これらの計測値および計算値に基づいて溶接制御装置１３から溶接トーチの溶接電極２、フィラーワイヤ送給装置９などに各制御指令値を送信し、溶接電極の溶接線中心制御、揺動幅制御、フィラーワイヤ挿入位置制御などの各溶接制御を行うものである。
【００４１】
開先を設ける厚板のＴＩＧアーク溶接では、溶接電極２を揺動させるとともに、溶接電極２の揺揺動と連動してフィラーワイヤ５を開先内の適切な位置に安定して供給することが、ＴＩＧアーク溶接時の溶接効率および溶接部の品質向上のために重要となる。
【００４２】
図２にＣＣＤカメラによって溶融池の先端位置に対して斜め前方から撮像した溶接部領域の画像を示す。なお、Ｘ方向が開先幅方向１１、Ｙ方向が溶接線方向１０に相当する。
【００４３】
前述の通り、ＣＣＤカメラは溶接トーチの揺動軸に連結されているためＣＣＤカメラは溶接電極と一緒に揺動し、溶接電極の揺動左右端位置においてＣＣＤカメラの電子シャッターが自動的に開くことで露光し撮像される。また、フィラーワイヤは溶接電極の揺動と連動して一緒に揺動する。そのため、その撮像画像は、図２に示されるように、溶接電極１７の揺動左端位置（図２ａ、参照）および揺動右端位置（図２ｂ、参照）で撮像されるそれぞれの輝度画像において溶接電極の輝度画像１７の位置は変動せず（静止状態）、溶融池の輝度画像１８及び左右側開先壁の輝度画像１５、１６が開先幅方向１１（Ｘ方向）に揺動するように見える。また、フィラーワイヤの輝度画像１９も溶接電極の輝度画像１７に対して変動はあるが、溶融池の輝度画像１８及び左右側開先壁の輝度画像１５、１６に比べて非常に変動がすくなく、ほぼ静止状態に見える。
【００４４】
また、赤外線透過フィルターを用いて撮像した輝度画像であるため、撮像画像においてアーク光は充分減光され、撮像画像の中で、溶接電極の輝度画像１７の輝度が最も高く、溶融池の輝度画像１８の輝度が次に高く、左右側開先壁の輝度画像１５、１６が最も輝度が低くなる。
【００４５】
また、フィラーワイヤの輝度画像１９は、溶接電極の輝度画像１７の輝度とほぼ等しい。
【００４６】
本発明は、図２に示される、溶接電極の揺動左端位置および揺動右端位置で撮像される輝度画像における溶接電極の輝度画像１７、溶融池の輝度画像１８、左右側開先壁の輝度画像１５、１６、および、フィラーワイヤの輝度画像１９から特定対象画像の検出および測定を行なうが、安定して測定するためには、測定する特定対象画像とその他の画像（背景）とを輝度レベルで分離させる必要がある。
【００４７】
そこで、本発明において本溶接前に予め本溶接時と同じ条件で基準溶接を行い、その際にＣＣＤカメラで撮像して得られる画像において、測定対象画像毎に、測定対象画像とその他の画像（背景）とを輝度レベルで充分分離できるための最適な露光時間をＣＣＤカメラの電子シャッター時間の調整により決定し、測定対象画像毎に最適な露光時間をホストＣＰＵに記憶しておく。本発明では、上記基準溶接により溶接電極、溶融池、開先壁、フィラーワイヤを測定対象画像として、これらの画像を含む接合部の輝度画像において、溶接電極と溶融池との輝度差、溶融池と開先壁との輝度差、フィラーワイヤと溶融池との輝度差がそれぞれ相対的に大きくなるような露光時間ｔ１、ｔ２、ｔ３を以下のように求める。
【００４８】
輝度のコントラストが高く、かつぶれがなく鮮明な撮像画像を得るための露光時間は、測定対象画像とその他の画像（背景）との輝度条件だけでなく、ＣＣＤカメラの撮像素子の感度特性、レンズ絞り量、フィルター透過率や揺動条件などによっても変わるため、本溶接の前に予め溶接時と同じ条件で基準溶接を行い、撮像にための露光時間を決定する必要がある。
【００４９】
図２に示される撮像画像において、最も輝度が高い溶接電極の輝度画像１７とその背景に相当する輝度が低い溶融池の輝度画像１８とが輝度レベルで分離できる露光時間ｔ１は、画像データが８ビットのディジタルデータであるとすると、溶接電極の輝度画像１７の輝度を１５０〜２００とし、その背景である溶融池の輝度画像１８の輝度を１５０よりも十分に小さくなるようにＣＣＤカメラの電子シャッター時間（露光時間）を短くする方向で調整するが、その露光時間ｔ１は、１／１００００秒〜１／１０００秒とするのが好ましい。
【００５０】
次に、撮像画像において、輝度が高い溶融池の輝度画像１８とその背景に相当する輝度が低い左右側開先壁の輝度画像１５、１６とが輝度レベルで分離できる露光時間ｔ２は、上記の場合と同様に電子シャッタ時間（露光時間）を短くして画像全体の輝度を低下することにより両者の画像の境界線が明瞭なるように調整するが、画像全体の輝度が低（暗）すぎると、左右側開先壁の輝度画像１５、１６の左右端位置を安定して計測することが困難となる。一方、電子シャッター時間（露光時間）を長くして画像全体の輝度を増加する場合、輝度が高（明）すぎると両者の画像の境界が不明瞭になり、また、溶接電極の高速揺動時には画像がぶれる可能性があるため、溶融池の輝度画像１８の左右端位置を安定して計測することが困難となる。したがって、測定対象の溶融池とその背景部の輝度のコントラストを明瞭にし、かつ高速揺動時の画像ぶれがないように露光時間ｔ２を決定するが、このような露光時間ｔ２は１／１０００秒〜１／１００秒とするのが好ましい。
【００５１】
次に、撮像画像において、フィラーワイヤの輝度画像１９とその背景に相当する輝度が低い溶融池の輝度画像１８とが輝度レベルで分離できる露光時間ｔ３は、輝度レベルが上記溶接電極と近いため、上記溶接電極の輝度撮像１７の場合と同じ要領で調整し、その露光時間ｔ３は１／１００００秒〜１／１０００秒とするのが好ましい。
【００５２】
以上のように、予め基準溶接により溶接電極、溶融池、開先壁およびフィラワイヤの輝度画像を含む輝度画像において、溶接電極と溶融池との輝度差、溶融池と開先壁との輝度差、フィラーワイヤと溶融池との輝度差がそれぞれ相対的に大きくなるような露光時間ｔ１、ｔ２、ｔ３を求め、測定対象画像毎に最適な露光時間ｔ１、ｔ２、ｔ３をホストＣＰＵに記憶しておく。
【００５３】
本溶接では、ホストＣＰＵ１４に記憶された最適な露光時間ｔ１、ｔ２、ｔ３が画像処理装置１２を経由しＣＣＤカメラ６に指令信号が入力されることにより、各測定対象物に適した輝度の撮像が所定の時間間隔Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３で行なわれ、各測定対象物の輝度画像をもとに、溶接電極の先端位置、溶融池中心位置または開先中心位置、開先幅、フィラーワイヤの先端位置などの制御に必要な位置および形状データを計測をおこなう。
【００５４】
本溶接において、先ず、溶接電極と溶融池を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ１で計測時間Ｔ１の期間内に撮像し得られた溶接電極の輝度画像の計測値を基に開先幅Ｘ方向及び溶接線Ｙ方向における溶接電極先端位置（Ｘec_med，Ｙet_med）を算出する。
【００５５】
図２に示される撮像画像から溶接電極の先端位置（Ｘec_med，Ｙet_med）を算出する方法を以下に説明する。
【００５６】
本溶接時に上記露光時間ｔ１で撮像して得られた輝度画像データは２値化処理をすることにより容易に２値化画素データとすることができる。
【００５７】
溶接電極の輝度画像１７の輝度が１５０〜２００、その背景である溶融池の輝度画像１８の輝度が１５０よりも十分に小さい輝度画像データを、例えば、しきい値Ｔｈを１５０に設定し、２値化処理をした場合、図３に示されるような溶接電極の２値化画像２３が得られ、輝度が低い溶融池画像と分離することができる。
【００５８】
この溶接電極の２値化画像２３の画素データを基に、各Ｘ座標毎にＹ軸方向（溶接線方向１０）の全画素をカウント（積算）し、図３に示すようなＸ軸方向（開先幅方向１１）における溶接電極の画素分布を作成すると、溶接電極の軸中心付近に画素カウント数ＣＴのピーク値が得られる。この溶接電極の画素分布図から溶接電極の軸中心のＸ座標を求めるためには、先ず、画素カウント数ＣＴのピーク値のＸ座標Ｘ＝Ｘecを起点とし、それぞれＸ軸方向の−側（左側）および＋側（右側）の画素カウント数ＣＴを計測し、予め設定したしきい値ＣＴminを下回った値のＸ座標をそれぞれ溶接電極の左側面位置候補点Ｘel、右側面位置候補点Ｘerとし、これらからＸ軸方向（開先幅方向１１）における溶接電極の中心位置候補Ｘec′＝（Ｘel＋Ｘer）／２を求めることができる。
【００５９】
次に、溶接電極の輝度画像１７（２値化処理前の輝度画像データ）を用い、図４に示されるように、上記中心位置候補Ｘec′＝（Ｘel＋Ｘer）／２を通るＹ軸方向（溶接線方向１０）の直線を計測ライン２０とし、各輝度値Ｂ（Ｘec′，ｙ）２５の１次微分処理および２次微分処理を行い、１次微分値−ｄＢ（Ｘec′，ｙ）／ｄｙ２６が最初にしきい値Ｙet_thを越えた点から２次微分値−ｄ2Ｂ（Ｘec′，ｙ）／ｄｙ2２７が負から正に変化する点、すなわち、輝度値Ｂ（Ｘec′，ｙ）の１次微分ピーク点をＹ軸方向（溶接線方向１０）における溶接電極の先端位置２２候補点（Ｘec′，Ｙet′）とする。
【００６０】
以上の一連の計測および計算をＴ１秒間ずつ繰り返し、Ｔ１秒の期間毎に得られた計測値及び計算値の中央値を算出する平滑化処理を行い、その結果、溶接電極の先端位置候補点の中央値（Ｘec_med，Ｙet_med）が得られる。
【００６１】
なお、Ｘ軸方向（開先幅方向１１）における溶接電極の先端位置候補点の中央値（Ｘec_med）は、以下のようになる。
【００６２】
Ｘec_med＝（Ｘel_med＋Ｘer_med）／２  ・・・（１）
ＣＣＤカメラは溶接電極一緒に揺動しながら撮像されるため、溶接電極の揺動右端位置および揺動左端位置でのいずれの撮像画像においても溶接電極の先端位置は変わらないため、以下の撮像画像の位置および形状の計測では、溶接電極の先端位置（Ｘec_med，Ｙet_med）を基準位置とすることができる。
【００６３】
次に、本発明において、溶融池と開先壁を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ２で計測時間Ｔ２の期間内に溶接電極の揺動左端および揺動右端においてそれぞれ撮像し得られた溶融池および開先壁の輝度画像の計測値を基に開先幅Ｘ方向における溶融池中心位置Ｘpc_med、開先中心位置Ｘgc_medおよび開先幅Ｗg_medを算出する。
【００６４】
図２に示される撮像画像から開先左右端位置、溶融池左右端位置及び開先幅を計測する方法を以下に説明する。
【００６５】
先ず、図５を用いて溶接電極の揺動左端位置での撮像画像（輝度画像データ）（図２ａ、参照）を基に溶融池左右端位置及び開先左右端位置を測定する方法を説明する。
【００６６】
前記のとおり計測された溶接電極の輝度画像１７の先端位置のＹ座標Ｙ＝Ｙet_medを通るＸ軸方向（開先幅方向１１）の直線を計測ラインとし、左側開先壁１５および右側開先壁１６から外側にある計測ライン上のＸｓ点（Ｘs，Ｙet_med）、Ｘｅ点（Ｘe，Ｙet_med）からそれぞれ溶接電極の先端位置の方向に、各輝度値Ｐ（Ｘ，Ｙet_med）２５の１次微分処理および２次微分処理を行い、１次微分値−ｄＰ（Ｘ，Ｙet_med）／ｄＸ２６が最初に予め設定されたしきい値Ｔhを越えた点から２次微分値−ｄ2Ｐ（Ｘ，Ｙet_med）／ｄＸ2２７が正から負に変化する点、すなわち、輝度値Ｐ（Ｘ，Ｙet_med）の１次微分ピーク点をそれぞれ開先左端位置ＬＸgl０及び開先右端位置ＬＸgr0とする。さらに、計測ライン上を溶接電極の先端位置方向に、各輝度データＰ（Ｘ，Ｙet_med）の１次微分処理および２次微分処理を行い、次に１次微分値−ｄＰ（Ｘ，Ｙet_med）／ｄＸが予め設定されたしきい値Ｔhを越えた点から２次微分値−ｄ2Ｐ（Ｘ，Ｙet_med）／ｄＸ2が正から負に変化する点２８、すなわち、輝度データＰ（Ｘ，Ｙet_med）の１次微分ピーク点を各々Ｘ軸方向（開先幅方向１１）における溶融池左端位置ＬＸpl０及び溶融池右端位置ＬＸpr０とする。
【００６７】
計測精度を高めるために、上記の一連の測定処を上記計測ライン（Ｙ＝Ｙet_med）に対してＹ軸方向（溶接線方向１０）に＋α及び−αだけ移動した計測ライン（Ｙ＝Ｙet_med＋α及びＹ＝Ｙet_med−α）の計測ラインを用いて同様に行なう。その結果、それぞれＸ軸方向（開先幅方向１１）における開先左端位置としてＬＸgl１、ＬＸgl２、開先右端位置としてＬＸgr１、ＬＸgr２、溶融池左端位置としてＬＸpl１、ＬＸpl２、溶融池右端位置としてＬＸpr１、ＬＸpr２を計測により求められる。
【００６８】
なお、上記αは、実験で求められる定数であり、通常１０以下にするのが好ましい。また、計測ラインは上記の場合は３本で行なった場合を説明したが、誤検出を防止し、測定の信頼性を向上させるために増加しても良い。
【００６９】
本発明では、以上の計測により得られた、Ｘ軸方向（開先幅方向１１）における開先左端位置としてＬＸgl０、ＬＸgl１、ＬＸgl２、開先右端位置としてＬＸgr０、ＬＸgr１、ＬＸgr２、溶融池左端位置としてＬＸpl０、ＬＸpl１、ＬＸpl２、溶融池右端位置としてＬＸpr０、ＬＸpr１、ＬＸpr２のそれぞれ３点の中央値を算出する平滑化処理を行ない、これらをＸ軸方向（開先幅方向１１）における開先左端位置候補点ＬＸgl、開先右端位置候補点ＬＸgr、溶融池左端位置候補点ＬＸpl、溶融池右端位置候補点ＬＸprとする。
【００７０】
また、開先幅候補ＬＷｇは、上記開先左端位置候補点ＬＸgl、開先右端位置候補点ＬＸgrの差から求められ、ＬＷｇ＝ＬＸgr−ＬＸglとして求められる。
【００７１】
本発明では、上記の溶接電極の揺動左端位置での撮像画像を用いた計測処理と同様な一連の処理を、溶接電極の揺動右端位置での撮像画像（輝度画像データ）（図２ｂ、参照）についても行なう。その結果、溶接電極の揺動左端位置での撮像画像を基に計測された、Ｘ軸方向（開先幅方向１１）における開先左端位置候補点ＲＸgl、開先右端位置候補点ＲＸgr、溶融池左端位置候補点ＲＸpl、溶融池右端位置候補点ＲＸpr、ＲＷｇ＝ＲＸgr−ＲＸglとする。
【００７２】
本発明では、以上のような溶接電極の揺動右端位置および揺動左端位置のそれぞれで撮像された輝度画像を基にした一連の計測処理をＴ２秒間ずつ繰り返し、Ｔ２秒の期間毎に各計測値及び計算値の中央値を算出する平滑化処理を行う。
【００７３】
その結果、溶接電極の揺動左端位置での撮像画像の計測値から開先左端位置ＬＸgl_med、開先右端位置ＬＸgr_medが得られ、これらから溶接電極の揺動右端位置でのＸ軸方向（開先幅方向１１）における開先中心位置ＬＸgc_med＝（ＬＸgl_med＋ＬＸgr_med）／２が求められる。また、同様に溶接電極の揺動右端位置での撮像画像の計測から開先左端位置ＲＸgl_med、開先右端位置ＲＸgr_medが得られ、これらから溶接電極の揺動左端位置でのＸ軸方向（開先幅方向１１）における開先中心位置ＲＸgc_med＝（ＲＸgl_med＋ＲＸgr_med）／２が求められる。
【００７４】
本発明では、上記のように溶接電極の揺動左端位置および揺動右端位置で撮像された画像計測値から得られた開先中心位置ＬＸgc_med＝（ＬＸgl_med＋ＬＸgr_med）／２、ＲＸgc_med＝（ＲＸgl_med＋ＲＸgr_med）／２を基に、Ｘ軸方向（開先幅方向１１）の開先中心位置Ｘgc_medを以下のように求め、後述する溶接電極の溶接線中心倣い制御に用いる。
【００７５】
Ｘgc_med＝（ＬＸgc_med＋ＲＸgc_med）／２
＝（ＬＸgl_med＋ＬＸgr_med＋ＲＸgl_med＋ＲＸgr_med）／４  ・・・（２）
また、溶接電極の揺動左端位置での撮像画像の計測値から溶融池左端位置ＬＸpl_med、溶融池右端位置ＬＸpr_medが得られ、これらから溶接電極の揺動左端位置でのＸ軸方向（開先幅方向１１）における溶融池中心位置ＬＸpc_med＝（ＬＸpl_med＋ＬＸpr_med）／２と求められる。また、同様に溶接電極の揺動右端位置での撮像画像の計測から溶融池左端位置ＲＸpｌ_med、溶融池右端位置ＲＸpｒ_medが得られ、これらから溶接電極の揺動右端位置でのＸ軸方向（開先幅方向１１）における溶融池中心位置ＲＸpc_med＝（ＲＸpl_med＋ＲＸpr_med）／２が求められる。
【００７６】
本発明では、上記のように溶接電極の揺動左端位置および揺動右端位置で撮像された画像計測値から得られた溶融池中心位置ＬＸpc_med＝（ＬＸpl_med＋ＬＸpr_med）／２、ＲＸpc_med＝（ＲＸpl_med＋ＲＸpr_med）／２を基に、Ｘ軸方向（開先幅方向１１）の溶融池中心位置Ｘpc_medを以下のように求め、後述する溶接電極の溶接線中心倣い制御に用いる。
【００７７】
Ｘpc_med＝（ＬＸpc_med＋ＲＸpc_med）／２
＝（ＬＸpl_med＋ＬＸpr_med＋ＲＸpl_med＋ＲＸpr_med）／４  ・・・（３）
また、溶接電極の揺動左端位置での撮像画像の計測値から開先左端位置ＬＸgl_med、開先右端位置ＬＸgr_medが得られ、同様に溶接電極の揺動右端位置での撮像画像の計測から開先左端位置ＲＸgl_med、開先右端位置ＲＸgr_medが得られる。開先幅は、溶接電極の揺動左端位置と揺動右端位置の画像において変化しないので、両方の画像計測値から以下のように求められる。
【００７８】
Ｗg_med＝（ＬＸgr_med−ＬＸgl_med＋ＬＸgr_med―ＬＸgl_med）／２  ・・・（４）
本発明では、このように求められたＷg_medを後述する溶接電極の揺動幅制御に用いる。
【００７９】
以上のように画像計測で求められたＸ軸方向（開先幅方向１１）における溶接電極の先端位置Ｘec_med、溶融池中心位置Ｘpc_medまたは開先中心位置Ｘgc_med、および、開先幅Ｗg_medを基に溶接電極の溶接線中心倣い制御および揺動幅制御を行なう方法を次に説明する。
【００８０】
本発明のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法における溶接電極の溶接線中心倣い制御は、図６および図７に示されるように、撮像画像のＸ軸方向（開先幅方向１１）における開先中心位置または溶融池中心位置と溶接電極中心位置とが一致（両者のずれ量が０）するように溶接電極の揺動中心位置を制御することで行なわれる。
【００８１】
撮像画像の開先中心位置を基に溶接電極の揺動中心を制御する場合は、例えば、図６に示すような溶接電極の揺動左端位置で撮像した輝度画像（図６ａ、参照）および溶接電極の揺動右端位置で撮像した輝度画像（図６ｂ、参照）において、上述のように計測された開先中心位置ＬＸgc_med３９、ＲＸgc_med４０を基にＸ軸方向（開先幅方向１１）における開先中心位置Ｘgc_med４１を下記（３）式により求め、Ｘ軸方向（開先幅方向１１）における溶接電極中心位置Ｘec_med２１と開先中心位置Ｘgc_med４１とのずれ量（差）δＣ’４２（＝Ｘec_med−Ｘgc_med）が０となるように溶接電極の揺動位置の中心を移動制御する。
【００８２】
Ｘgc_med＝（ＬＸgc_med＋ＲＸgc_med）／２
＝（ＬＸgl_med＋ＬＸgr_med＋ＲＸgl_med＋ＲＸgr_med）／４  ・・・（３）
なお、溶接電極の溶接線中心倣い制御における制御量δＣは、撮像画像のＸ軸方向（開先幅方向１１）における溶接電極の中心位置Ｘec_medと上記開動中心位置Ｘgc_medとの差（ずれ量）δＣ’を基に以下のように求められる。
【００８３】
δＣ＝δＣ’×Ｐh＝（Ｘec_med−Ｘgc_med）×Ｐh  ・・・（５）
但し、Ｐｈは画素単位からmm単位への変換係数を示す。
【００８４】
例えば、図６に示される場合は、δＣ’＝Ｘec_med−Ｘgc_med＜０（負）であるから、溶接電極の溶接線中心倣い制御における制御量δＣは、負の値となり、溶接電極の中心位置Ｘec_medをＸ軸方向（開先幅方向１１）と逆の方向（−方向）に｜δＣ｜だけ移動することで制御が行なわれる。
【００８５】
撮像画像の溶融池中心位置を基に溶接電極の揺動中心を制御する場合は、図７に示すような溶接電極の揺動左端位置で撮像した輝度画像（図７ａ、参照）および溶接電極の揺動右端位置で撮像した輝度画像（図７ｂ、参照）において、上記図６における開先中心位置Ｘgc_med４１の変わりに溶融池中心位置Ｘpｃ_med４５を用いることにより同様に行なうことができる。
【００８６】
この場合の溶接線中心倣い制御における制御量δＣは、以下のようになる。
【００８７】
δＣ＝δＣ’×Ｐh＝（Ｘec_med−Ｘpc_med）×Ｐh  ・・・（６）
Ｘpc_med＝（ＬＸpc_med＋ＲＸpc_med）／２
＝（ＬＸpr_med＋ＬＸpl_med＋ＲＸpr_med＋ＲＸpl_med）／４・・・（２）
但し、Ｐｈは画素単位からmm単位への変換係数を示す。
【００８８】
また、ＲＸpc_medおよびＬＸpc_medは、それぞれ溶接電極の揺動左端位置（図７ａ、参照）および揺動右端位置（図７ｂ、参照）で撮像した輝度画像における溶融池中心位置４３、４４を示す。
【００８９】
本発明では、上記の通り撮像画像の計測により、開先中心位置および溶融池中心位置を算出し、これらの計測値の何れを用いても溶接線中心倣い制御をすることは可能である。
【００９０】
しかしながら、次の理由からＴＩＧ溶接により開先を多層盛り溶接する際は、初層溶接時の溶接線中心倣い制御は開先中心位置の測定値を用い、第２層以降の溶接時の溶接線中心倣い制御は溶融池中心位置の測定値を用いて制御を行うことが好ましい。
【００９１】
ＴＩＧ溶接においてＵ型開先３７を用いる場合（図８ｂ、参照）は、Ｖ型開先３８を用いる場合（図８ａ、参照）の場合に比べて、初層溶接時に溶融池８が偏って一方の開先壁側に這い上がり、他方の開先壁の溶融池レベルが下がってしまう現象が生じやすい。このため、溶融池中心位置の測定値４１は、実際の開先中心位置４１’と一致しなくなり、開先方向１１（Ｘ軸方向）における溶融池中心位置の測定値４１と溶接電極の輝度画像１７の差（ずれ量）は実際の差（ずれ量）より小さくなり、溶接電極の溶接線中心倣い制御が困難となる。
【００９２】
したがって、ＴＩＧ溶接においてＵ型開先３７を用いる場合、少なくとも初層溶接時の溶接線中心倣い制御は、溶融池中心位置の測定値を用いず、開先中心位置の測定値を用いて制御を行うことが好ましい。
【００９３】
また、ＴＩＧ溶接により開先を多層盛り溶接する場合の第２層以降の溶接時は、ＣＣＤカメラの撮像位置が適正に調整された場合、溶接線中心倣い制御を溶融池中心位置の測定値および開先中心位置の測定値の何れを用いて制御しても良いが、ＣＣＤカメラの撮像位置が適正でない場合は以下のような問題が生じる可能性がある。
【００９４】
図９ａに示すようにＣＣＤカメラの光軸が溶接電極２の位置に対して開先幅方向１１（Ｘ軸方向）の左側に傾きが生じた場合、撮像画像は、図９ｂのように左側開先壁画像１５に比べて右側開先壁画像１６のみかけ上の幅が大きくなり、この撮像画像から計測された開先左端位置３０Ｘgl、開先右端位置３１Ｘgrを基に算出した開先幅方向１１（Ｘ軸方向）の開先中心位置３５Ｘｃ（＝（Ｘgl＋Ｘgr）／２）は、溶融池中心位置３６と一致する実際の開先中心位置からずれてしまう。
【００９５】
したがって、ＴＩＧ溶接により開先を多層盛り溶接する場合にＣＣＤカメラの撮像位置が適正でない場合の開先中心位置の計測値の誤差を防止するために、第２層以降の溶接時の溶接電極の溶接線中心倣い制御は、開先中心位置の測定値を用いず、溶融池中心位置の測定値を用いて制御を行うことが好ましい。
【００９６】
次に、本発明のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法における溶接電極の揺動幅制御を説明する。
【００９７】
溶接電極の揺動幅制御は、上述した溶接電極の揺動左端位置および揺動右端位置で撮像した輝度画像の計測により求められた開先幅Ｗg_medを基に、例えば、図１０に示されるように、下記の関数Ｗosc（Ｗg）を用いて目標揺動幅を決定し、この目標揺動幅になるように溶接電極の揺動幅を制御することで行なわれる。
【００９８】
Ｗosc（Ｗg）：
１）０≦Ｗg＜Ｗg_minのとき、Ｗosc（Ｗg）＝Ｏ_min
２）Ｗg_min≦Ｗg≦Ｗg_maxのとき、Ｗosc（Ｗg）＝αＷg＋ｂ
３）Ｗg＞Ｗg_maxのとき、Ｗosc（Ｗg）＝Ｏ_max
但し、Ｗｇ＝Ｗg_med×Phであり、Ｐｈは画素単位からmm単位への変換係数を示す。
【００９９】
また、Ｗg_min、Ｗg_max、Ｏ_min、Ｏ_max、α、ｂは実験で求められる定数
【０１００】
次に、本発明のＴＩＧアーク溶接の自動制御方法におけるフィラワイヤ挿入位置制御方法を説明する。
【０１０１】
ＴＩＧアーク溶接において、フィラーワイヤの送給装置の駆動部によって溶接電極の揺動と連動して揺動させるため、撮像画像においてフィラーワイヤの輝度画像は溶接電極の輝度画像と同様に変動しない（静止状態）ように見える。
【０１０２】
本発明において、フィラーワイヤと溶融池を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ３で撮像し得られたフィラーワイヤの輝度画像１９は、フィラーワイヤ表面がアーク光の反射により光沢して、図１１に示されるように背景の溶融池画像に比べて輝度が高い線状画像となる。
【０１０３】
撮像画像においてフィラーワイヤの輝度画像１９の先端位置を測定する方法は、以下に説明するような画像パターンマッチング処理を用いて行うことができる。
【０１０４】
フィラーワイヤの輝度画像１９の先端位置４７を含む矩形領域画像を、予め教示画像パターンとして、ホストＣＰＵのメモリーに登録しておき、撮像画像内の特定矩形領域画像と教示画像パターンとの相関性を計算しながら撮像画像内を走査し、最も相関性（一致度）が高い矩形領域画像の座標をフィラーワイヤの輝度画像１９の先端位置候補点（Ｘf，Ｙf）４７を検出する。
【０１０５】
この場合、全撮像画像を画像パターンマッチング処理すると計算量が多くなり、処理速度が低下するため、例えば、溶接電極の輝度画像１７の先端位置（Ｘec_med，Ｙet_med）を基準としてＸ軸方向（開先幅方向１１）にＸ＝Ｘec_med−Ｘm〜Ｘec_med＋Ｘmで、かつＹ軸方向（溶接線方向１０）にＹ＝Ｙet_med〜Ｙet_med＋Ｙmの範囲についてのみ処理を行なうことが好ましい。なお、ここで、Ｘm、Ｙmは実験で求められる定数である。
【０１０６】
フィラーワイヤの輝度画像１９の先端位置候補点（Ｘf，Ｙf）４７の計測は、溶接電極の揺動左端位置および揺動右端位置でそれぞれ撮像された撮像画像において、一連の計測処理をＴ３秒間ずつ繰り返し、Ｔ３秒の期間毎に各計測値及び計算値の中央値を算出する平滑化処理を行い、この期間に得られた計測値における中央値をフィラーワイヤの輝度画像１９の先端位置（Ｘf_med、Ｙf_med）とする。
【０１０７】
フィラーワイヤ挿入位置の制御は、得られたフィラーワイヤの輝度画像の先端位置（Ｘf_med、Ｙf_med）を基に以下のように行なう。
【０１０８】
フィラーワイヤ挿入位置のうち、Ｙ軸方向（溶接線方向１０）の位置制御は、図１１に示される撮像画像のＹ軸方向における溶接電極の輝度画像１７の先端位置Ｙet_medとフィラーワイヤの輝度画像１９の先端位置Ｙf_med４７との差δY（＝Ｙet_med―Ｙf_med）を基に以下のようにフィラーワイヤの位置を制御することで行なわれる。
【０１０９】
つまり、δY＜ｄ１の場合には、フィラワイヤの挿入位置を溶接線方向１０（Ｙ軸方向）に＋（α１×ｄ１＋α２×ｄ２−δＹ）×Ｐv  mmだけ移動し、δY＞ｄ２の場合には、フィラワイヤの挿入位置を溶接線方向１０（Ｙ軸方向）に＋（α２×ｄ１＋α１×ｄ２−δＹ）×Ｐv  mmだけ移動する。なお、＋は溶接線方向１０（Ｙ軸方向の＋側方向）、―は溶接線方向１０と逆方向（Ｙ軸方向の−側方向）を示す。
【０１１０】
ここで、Ｐvは画素単位からmm単位への変換係数であり、αは実験で求められる定数を示す。
【０１１１】
次に、フィラーワイヤ挿入位置制御のうち、開先幅方向１１（Ｘ軸方向）の位置制御は、以下のように行われる。
【０１１２】
図１２に、ＴＩＧアーク溶接時におけるＵ字開先部４８のルートギャップ４９とフィラーワイヤ５との関係を説明するための断面図を示す。
【０１１３】
通常のＴＩＧアーク溶接時におけるフィラーワイヤの開先幅方向１１（Ｘ軸方向）の挿入位置制御は、上述の撮像画像の計測から求められた開先幅方向１１（Ｘ軸方向）の溶接電極先端位置Ｘec_medとフィラーワイヤ先端位置Ｘf_medとのずれ量δＸ（＝Ｘec_med−Ｘf_med）が０となるように制御する。ここで、通常のＴＩＧアーク溶接時とは、以下に説明するような開先幅変動によりルートギャップがフィラーワイヤ径φfに比べて過大にならない場合を意味する。
【０１１４】
一方、ＴＩＧアーク溶接時に開先幅の変動によりルートギャップがフィラーワイヤ径φfに比べて過大になった場合、フィラーワイヤ５が十分溶融されずにルートギャップ４９に突っ込んでしまうトラブルが生じることがある（図１２ｂ、参照）ため、これを防止するため以下のようなフィラーワイヤ５の開先幅方向（Ｘ軸方向）の挿入位置制御を行なう必要がある。
【０１１５】
つまり、基準溶接を基に開先ルートギャップが０のときの開先幅Ｗg_std、フィラワイヤ径φfを予めホストＣＰＵのメモリーに登録し、上述の本溶接時の画像計測により求められた開先幅Ｗg_medと、上記Ｗg_std及びφfとの関係から以下のような制御を行なう。
【０１１６】
つまり、本溶接時のルートギャップＬＧがフィラワイヤ径φfよりも十分大きい、すなわちＬＧ（＝Ｗg_med−Ｗg_std）＞φfの場合で、かつフィラーワイヤ先端位置Ｘf_medが溶接電極先端位置Ｘec_medに対してＸ軸方向の−側にずれている場合、すなわちδＸ＝Ｘec_med−Ｘf_med＞０の場合には、フィラーワイヤ先端位置をＸ軸方向に−ＬＧ（＝Ｗg_med−Ｗg_std）だけ移動させる。また、本溶接時のルートギャップＬＧがフィラワイヤ径φfよりも十分大きい、すなわちＬＧ（＝Ｗg_med−Ｗg_std）＞φfの場合で、かつ溶接電極先端位置Ｘec_medに対してＸ軸方向の＋側にずれている場合、すなわちδＸ＝Ｘec_med−Ｘf_med＜０の場合には、フィラーワイヤ先端位置をＸ軸方向に＋ＬＧ（＝Ｗg_med−Ｗg_std）だけ移動させる。
【０１１７】
そして、Ｗg_med−Ｗg_std≦φfの場合には、δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_medが０となるようにフィラーワイヤ先端位置を制御することで行われる。
【０１１８】
これにより本溶接時に開先幅の変動によりルートギャップがフィラーワイヤ径φfに比べて過大になった場合にフィラーワイヤがルートギャップに突っ込んでしまうトラブルを防止することができ、かつ良好な溶接品質が得るためのフィラーワイヤの送給が可能となる。
【０１１９】
フィラーワイヤ挿入位置制御は、ホストＣＰＵからフィラーワイヤ送給装置９に各制御指令値を送信し、フィラーワイヤ供給装置の駆動手段を用いてフィラーワイヤ先端位置を溶接線方向（Ｙ軸方向）および開先幅方向（Ｘ軸方向）に移動することで行なうことができる。なお、実際のフィラーワイヤの溶接線方向（Ｙ軸方向）の移動は、フィラーワイヤ供給装置によりフィラーワイヤを送給しながらその高さレベルを上下に平行移動することで行なえる。
【実施例】
【０１２０】
以下に本発明を大型圧力容器の多層盛ＴＩＧアーク溶接における自動制御方法に適用した実施例について説明する。
【０１２１】
本実施例では図１２に示すようなルートフェイス付きのＵ型狭開先を用いて、６層盛りの溶接を行った。溶接電極は左右に数Ｈｚで揺動することが可能で、溶接制御装置から揺動端の位置でトリガ信号を出力し、これを非同期電子シャッター付きＣＣＤカメラおよび画像処理装置にシャッター信号として使うことができる。ＣＣＤカメラは近赤外光透過フィルタを備え、溶接方向前方に水平に対して約３０°程度の角度で揺動機構に固定されており、溶接電極と同じ動作となる。またホストＣＰＵからの設定でＣＣＤカメラの電子シャッターにより露光時間を動的に変更することが可能である。画像処理装置はホストＣＰＵに組み込まれており、８ビットのデジタルデータとして取り込まれた画像処理データは内部バスでホストＣＰＵに送られ、画像計測処理および制御量算出を行い、溶接制御装置にＲＳ−２３２Ｃシリアルインタフェースにより送信される。溶接制御装置では溶接電極の左右位置制御、揺動幅制御および上下位置制御、またフィラワイヤの左右位置制御、上下位置制御を行うことができる。また、画像処理装置の設定視野範囲は、開先幅方向に相当するＸ軸方向は２０ｍｍ、溶接線方向に相当するＹ軸方向は１５ｍｍであり、本実施例では水平に対して３０°の角度に設置したＣＣＤカメラで撮像したため、実際のＹ軸方向の視野は３０ｍｍとなる。画像処理装置の画素分解能は、Ｘ軸方向が６４０画素、Ｙ軸方向が４８０画素であるため、本実施例における計測分解能は、水平方向が約０．０３  ｍｍ／画素、垂直方向が約０．０６ｍｍ／画素である。
【０１２２】
本溶接に入る前に基準溶接を実施し、溶接電極、溶融池、開先壁、フィラーワイヤを含む領域を光学フィルターを介してＣＣＤカメラで撮像した輝度画像と該撮像時の露光時間を基に、輝度画像において溶接電極と溶融池との輝度差、溶融池と開先壁との輝度差、フィラーワイヤと溶融池との輝度差がそれぞれ相対的に大きくなるような露光時間ｔ１＝１／２０００ｓｅｃ、ｔ２＝１／５００ｓｅｃ、ｔ３＝１／１５００ｓｅｃを決定し、ホストＣＰＵに記憶した。また、溶接時に安定した溶接が可能なフィラーワイヤの挿入位置の範囲を調べ、撮像画像の溶接線方向（Ｙ軸方向）における溶接電極の先端位置とフィラーワイヤ挿入位置との最小値ｄ１＝２５（画素）と最大値ｄ２＝４５（画素）とし、各撮像画像における画素単位からｍｍ単位への変換係数Ｐv＝０．０６ｍｍ／画素とした。
【０１２３】
開先ルートギャップが０の時の開先幅Ｗg_std＝８．５ｍｍ、用いたフィラーワイヤ径φｆ＝０．９ｍｍであった。
【０１２４】
本溶接ではホストＣＰＵのプログラムより制御パラメータのデータを読み込み、設定値に沿ったシャッター速度、計測サイクル時間で画像計測および溶接電極位置、揺動幅、フィラワイヤ位置制御を実行して多層盛り溶接を行う。
【０１２５】
本溶接では、図１３にしたがって、画像計測及び測定値を基に溶接電極の溶接線倣い制御、揺動幅制御、フィラワイヤ位置制御を行った。
【０１２６】
本溶接の初層溶接においては、まず、溶接電極と溶融池を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ１＝１／２０００ｓｅｃで計測時間Ｔ１＝２ｓｅｃの期間内に撮像し得られた溶接電極の輝度画像から、開先幅方向（Ｘ軸方向）における溶接電極の左右端位置Ｘel、Ｘer、および、溶接線方向（Ｙ軸方向）における溶接電極の先端位置Ｙetを計測し、平滑化処理することにより計測時間Ｔ１＝２ｓｅｃの期間内に得られた溶接電極の左右端位置の計測値における中央値をＸel_med、Ｘer_medとし、これらを基に開先幅方向（Ｘ軸方向）における溶接電極中心位置Ｘec_med＝（Ｘel_med＋Ｘer_med）／２を算出する。また、計測時間Ｔ１＝２ｓｅｃの期間内に得られた溶接線方向（Ｙ軸方向）における溶接電極の先端位置の計測値における中央値を溶接電極先端位置Ｙet_medとする。
【０１２７】
次に、溶融池と開先壁を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ２＝１／５００ｓｅｃで計測時間Ｔ２＝１ｓｅｃの期間内に溶接電極の揺動左端において撮像し得られた開先壁の輝度画像を基に開先幅方向（Ｘ軸方向）における開先左右端位置ＬＸgl、ＬＸgr、および、溶接電極の揺動右端において撮像し得られた開先壁の輝度画像を基に開先幅方向（Ｘ軸方向）における開先左右端位置ＲＸgl、ＲＸgrを計測し、これらを平滑化処理することにより計測時間Ｔ２＝１sｅｃの期間内に得られた開先左右端位置の各計測値における中央値をＬＸgl_med、ＬＸgr_med、ＲＸgl_med、ＲＸgr_medとし、これらを基に開先中心位置Ｘgc_med＝（ＬＸgl_med＋ＬＸgr_med＋ＲＸgl_med＋ＲＸgr_med）／４、および開先幅Ｗg_med＝（ＬＸgr_med−ＬＸgl_med＋ＲＸgr_med―ＲＸgl_med）／２を算出する。
【０１２８】
次に、初層溶接は、溶接電極先端位置Ｘec_medと開先中心位置Ｘgc_medとの差が０になるように溶接電極の中心線倣い制御を行うとともに、開先幅Ｗg_medから下記関数Ｗosc(Ｗg)により算出される目標揺動幅Ｗosc(Ｗg_med)になるように溶接電極の揺動幅制御を行う。
【０１２９】
Ｗosc（Ｗg）：
１）０≦Ｗg＜８．５のとき、Ｗosc（Ｗg）＝１．０ｍｍ
２）８．５≦Ｗg≦１２のとき、Ｗosc（Ｗg）＝０．３６Ｗg−２．４２
３）Ｗg＞Ｗg_maxのとき、Ｗosc（Ｗg）＝１．９ｍｍ
予め、設定してある回数N＝５回だけ上記溶接線中心倣い、揺動幅制御を繰り返し行う。
【０１３０】
その後、フィラーワイヤと溶融池を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ３＝１／１５００ｓｅｃで計測数時間Ｔ３＝２ｓｅｃの期間内に撮像し得られたフィラーワイヤの輝度画像を基に、予め記憶されたフィラーワイヤ先端部の教示画像パターンとの相関性を計算し、相関性が最大となる開先幅方向及び溶接線方向における位置をフィラーワイヤ先端位置（Ｘf_med，Ｙf_med）とする。
【０１３１】
溶接線方向における前記溶接電極先端位置Ｙet_medと前記フィラーワイヤ先端位置Ｙf_medとの差δＹ＝Ｙet_med―Ｙf_medを算出し、このδＹより、以下のように溶接線方向におけるフィラーワイヤ挿入位置制御を行う。
【０１３２】
１）δＹ＜ｄ１の場合、溶接線Ｙ方向に＋（α１×ｄ１＋α２×ｄ２−δＹ）×Ｐv  ｍｍだけ移動する。
【０１３３】
２）δＹ＞ｄ２の場合、溶接線Ｙ方向に＋（α２×ｄ１＋α１×ｄ２−δＹ）×Ｐv  ｍｍだけ移動する。
【０１３４】
（３）ｄ１≦ δＹ ≦ｄ２の場合、フィラワイヤは移動しない。）
また、開先幅方向における前記溶接電極先端位置Ｘec_medと前記フィラーワイヤ先端位置Ｘf_medとの差δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_med、および、前記開先幅Ｗg_medと、予め記憶された開先ルートギャップが０の時の開先幅Ｗg_stdおよびフィラーワイヤ径φｆを基に、以下のように開先幅方向におけるフィラーワイヤ挿入位置制御を行う。
【０１３５】
１）ＬＧ＝Ｗg_med−Ｗg_std＞φf、かつ、δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_med＞０の場合、
フィラーワイヤ先端位置を開先幅方向に−ＬＧだけ移動させる。
【０１３６】
２）ＬＧ＝Ｗg_med−Ｗg_std＞φｆ、かつ、δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_med＜０の場合、
フィラーワイヤ先端位置を開先幅方向に＋ＬＧだけ移動させる。
【０１３７】
３）ＬＧ＝Ｗg_med−Ｗg_std≦φfの場合、
δＸ＝Ｘec_med−Ｘf_medが０となるようにフィラーワイヤ先端位置を制御する。
【０１３８】
上記フィラーワイヤ送入位置制御を１回行った後、再び、上記溶接線中心倣いおよび揺動幅倣いをＮ＝５回実行し、これらの一連の処理を初層溶接が終了するまで交互に制御を行う。
【０１３９】
初層溶接が終了後、次に、第２層目の溶接においては、溶融池の画像計測およびそれを基にした溶接電極の中心線倣い制御以外は、開先壁の画像計測およびそれを基にした溶接電極の揺動幅制御、フィラーワイヤの画像計測およびそれを基にしたフィラーワイヤ挿入位置制御は、初層溶接時と同様な計測および制御を行う。
【０１４０】
なお、第２層目の溶接においては、溶融池と開先壁を含む領域をＣＣＤカメラで露光時間ｔ２＝１／５００ｓｅｃで計測時間Ｔ２＝１ｓｅｃの期間内に溶接電極の揺動左端において撮像し得られた溶融池の輝度画像を基に開先幅方向（Ｘ軸方向）における溶融池左右端位置ＬＸpl、ＬＸpr、および、溶接電極の揺動右端において撮像し得られた溶融池の輝度画像を基に開先幅方向（Ｘ軸方向）における溶融池左右端位置ＲＸpl、ＲＸprを計測し、これらを平滑化処理することにより計測時間Ｔ２＝１sｅｃの期間内に得られた溶融池左右端位置の各計測値における中央値をＬＸpl_med、ＬＸpr_med、ＲＸpl_med、ＲＸpr_medとし、これらを基に溶融池中心位置Ｘpc_med＝（ＬＸpl_med＋ＬＸpr_med＋ＲＸpl_med＋ＲＸpr_med）／４を算出し、溶接電極先端位置Ｘec_medと溶接池中心位置Ｘpc_medとの差が０になるように溶接電極の中心線倣い制御を行う。
【図面の簡単な説明】
【０１４１】
【図１】溶接制御の装置構成図。
【図２】ＣＣＤカメラによるａ：揺動左端位置での撮像画像およびｂ：揺動右端位置での撮像画像。
【図３】溶接電極２値化画像のＸ軸方向における画素分布図。
【図４】輝度値の１次、２次微分処理による溶接電極先端位置測定方法。
【図５】溶融池左右端位置及び開先左右端位置の測定方法。
【図６】ａ：揺動左端位置での撮像画像、およびｂ：揺動右端位置での撮像画像における開先中心位置と溶接電極中心位置。
【図７】ａ：揺動左端位置での撮像画像、およびｂ：揺動右端位置での撮像画像における溶融池中心位置と溶接電極中心位置。
【図８】ａ：Ｖ型開先、およびｂ：Ｕ型開先での初層溶接時の溶融池および溶接電極。
【図９】ａ：光軸が傾いた位置から見た溶接部、およびｂ：溶融池画像及び開先画像。
【図１０】溶接電極揺動幅制御における開先幅測定値と目標揺動幅との関係。
【図１１】フィラーワイヤ輝度画像と溶接電極輝度画像。
【図１２】ａ：ルートギャップが小さい場合、及びｂルートギャップ大きい場合のフィラーワイヤ径との関係。
【図１３】実施例における制御フロー。
【符号の説明】
【０１４２】
１…溶接トーチ
２…溶接電極
３…鋼材
４…溶接ビード
５…フィラーワイヤ
６…ＣＣＤカメラ
７…赤外線透過フィルター
８…溶融池
９…フィラーワイヤ送給装置
１０…溶接線方向
１１…開先幅方向
１２…画像処理装置
１３…溶接制御装置
１４…ホストＣＰＵ
１５…左側開先壁画像
１６…右側開先壁画像
１７…溶接電極の輝度画像
１８…溶融池の輝度画像
１９…フィラーワイヤの輝度画像
２０…計測ライン
２１…Ｘ軸方向における溶接電極中心位置
２２…Ｙ軸方向における溶接電極の先端位置
２３…溶接電極の２値化画像
２４…溶接電極の画素分布図
２５…計測ライン上の輝度値
２６…計測ライン上の一次微分値
２７…計測ライン上の二次微分値
２８…二次微分値が正から負に変化する点（クロス点）
２９…開先左右端位置の測定ライン
３０…開先左端位置
３１…開先右端位置
３２…溶融池左右端位置の測定ライン
３３…溶融池左端位置
３４…溶融池右端位置
３５…開先中心位置
３６…溶融池中心位置
３７…Ｕ型開先
３８…Ｖ型開先
３９…揺動左端画像の開先中心位置
４０…揺動右端画像の開先中心位置
４１…開先中心位置
４２…溶接電極中心位置と開先中心位置とのずれ量
４３…揺動左端画像の溶融池中心位置
４４…揺動右端画像の溶融池中心位置
４５…溶融池中心位置
４６…溶接電極中心位置と溶融池中心位置とのずれ量
４７…フィラーワイヤの輝度画像の先端位置
４８…Ｕ字開先部
４９…ルートギャップ
【図１】
2005081419.tif 000002
【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】
2005081419.tif 000008
【図８】
2005081419.tif 000009
【図９】
2005081419.tif 000010
【図１０】
2005081419.tif 000011
【図１１】
2005081419.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
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