(57)【要約】【課題】  簡単な構成で、且つ、精度のよい溶接継手のギャップ幅を検出する。【解決手段】  被溶接物１５の溶接線１５ａに対して交差する方向に走査しながら光を照射し、反射した光の光量を、溶接線１５ａを挟んだ所定領域において検出し、所定領域の光量に基づいて溶接線１５ａのギャップ幅Ｇを求める。【選択図】図５
2005066625.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接線に対して交差する方向に走査しながら光を照射し、反射した光の光量を前記溶接線を挟んだ所定領域において検出し、前記所定領域の光量に基づいて前記溶接線のギャップ幅を求めることを特徴とするギャップ幅検出方法。
【請求項２】
溶接線を有した被溶接物に光を照射する投光機構と、前記被溶接物から反射した光を受光し、光量に応じた光量検出信号を出力する受光機構とを備えた光検出器と、
前記溶接線を挟んだ所定領域を走査するように前記光検出器を移動させる駆動機構と、
前記光検出器の走査位置を検出する走査位置検出器と、
前記所定領域における前記走査位置検出器からの走査位置と、前記光検出器からの光量検出信号とに基づいて前記溶接線のギャップ幅を求めるギャップ幅演算装置と
を備えていることを特徴とするギャップ幅検出装置。
【請求項３】
前記光検出器からの光量検出信号の基準値を決定する基準光量決定装置と、
前記光検出器からの光量検出信号の平均値を演算する平均受光量演算装置と、
前記光量検出信号の基準値と、前記光量検出信号の平均値とに基づいて前記光検出器の鉛直方向の位置を調整する位置調整装置と
をさらに備えていることを特徴とする請求項２に記載のギャップ幅検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動溶接機におけるギャップ幅検出装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、船舶や橋梁、建築鉄骨等の構造物は、複数の溶接母材を接合し、接合部分を溶接ロボットにより溶接することで形成されている。複数の溶接母材の接合部分である溶接継手には様々な形状があり、その溶接継手の形状に応じて溶接方法を変える必要がある。これまでに、溶接継手の形状に対応した溶接条件を記憶しておき、溶接継手の形状を検出し、その形状に応じた溶接条件を選択し、溶接を行う自動溶接装置がある（特許文献１）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−３３４３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の自動溶接装置は、センサから被溶接物にレーザ光を投光し、センサから被溶接物までの距離を算出する。そして、この距離データに基づいて溶接継手の断面形状を算出し、その断面形状から溶接継手のギャップ幅を算出し、そのギャップ幅に対応した溶接条件を選択している。このため、かかる自動溶接機は、ギャップ幅を検出するために、センサから被溶接物までの距離を算出するための手段と、距離から溶接継手の断面形状を算出する手段とを必要とするため、ギャップ幅を検出するための構成が複雑になる。また、市販されているレーザ変位センサやレーザスキャニングセンサ等の筐体サイズは小さくなく、自動溶接機の先端近傍に取り付けると、狭い個所を溶接する場合、かかるセンサと被溶接物とが干渉しやすいため、使用できない場合がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、簡単な構成で、且つ、精度のよい溶接継手のギャップ幅を検出することができる自動溶接機におけるギャップ幅検出装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段及び効果】
【０００６】
本発明の自動溶接機におけるギャップ幅検出方法は、溶接線に対して交差する方向に走査しながら光を照射し、反射した光の光量を前記溶接線を挟んだ所定領域において検出し、前記所定領域の光量に基づいて前記溶接線のギャップ幅を求めることを特徴とする。
【０００７】
本発明の自動溶接機におけるギャップ幅検出装置は、溶接線を有した被溶接物に光を照射する投光機構と、前記被溶接物から反射した光を受光し、光量に応じた光量検出信号を出力する受光機構とを備えた光検出器と、前記溶接線を挟んだ所定領域を走査するように前記光検出器を移動させる駆動機構と、前記光検出器の走査位置を検出する走査位置検出器と、前記所定領域における前記走査位置検出器からの走査位置と、前記光検出器からの光量検出信号とに基づいて前記溶接線のギャップ幅を求めるギャップ幅演算装置とを備えていることを特徴とする。
【０００８】
この構成によると、光量検出信号と光検出器の走査位置とからギャップ幅を検出するため、光量信号から溶接線の形状を検出することなく、ギャップ幅を検出することができる。これにより、複雑な演算を必要としなくなる。また、センサが小型になるため、自動溶接機の先端近傍にセンサを取り付けても、センサと、被溶接物との干渉が少なくなり、使用範囲が拡大する。
【０００９】
本発明は、前記光検出器からの光量検出信号の基準値を決定する基準光量決定装置と、前記光検出器からの光量検出信号の平均値を演算する平均受光量演算装置と、前記光量検出信号の基準値と、前記光量検出信号の平均値とに基づいて前記光検出器の鉛直方向の位置を調整する位置調整装置とをさらに備えていることが好ましい。
【００１０】
これによると、光検出器の位置を調節することで、常に所望の受光量を受光することができるため、ギャップ幅を検出する精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の一実施の形態について、図１〜図５を参照しつつ説明する。図１に示すように、自動溶接機８は、複数の自由度を有した多関節型の溶接ロボット８ａと、溶接ロボット８ａに装着されているレーザ受光量センサ９とを有している。溶接ロボット８ａは、被溶接物１５の溶接線１５ａに沿って溶接する（図５参照）。レーザ受光量センサ９は、被溶接物１５にレーザ光を照射し、その反射レーザ光を受光する。自動溶接機８には、自動溶接機８を制御するための制御装置１０が接続されている。制御装置１０は、ロボット制御部１、センサ制御部２、データ処理部３、記憶部４、入出力部５、及び入力変換部６を備えている。
【００１２】
ロボット制御部１は、溶接ロボット８ａを制御する。ロボット制御部１は、オペレータにより教示ボックス７から教示された経路や溶接条件等に基づいて溶接ロボット８ａを駆動させる。
【００１３】
センサ制御部２は、レーザ受光量センサ９を制御する。センサ制御部２は、投光手段２１と、受光手段２２と、駆動手段２３と、位置検出手段２４とを有している。投光手段２１は、レーザ光を被溶接物１５に対して照射する。受光手段２２は、被溶接物から反射したレーザ光を受光する。駆動手段２３は、教示された経路に沿って、レーザ受光量センサ９を走行及び停止させる。また、駆動手段２３は、後述する位置調整手段３３に基づいてレーザ受光量センサ９を鉛直方向に移動させる。位置検出手段２４は、レーザ受光量センサ９の走行位置を検出する。
【００１４】
データ処理部３は、各データに対して所定の処理を行う。データ処理部３は、電圧変換手段３１、平均受光量演算手段３２と、位置調整手段３３と、データ作成手段３４と、ギャップ幅演算手段３５と、基準受光量決定手段３６とを有している。電圧変換手段３１は、受光手段２２が受光したレーザ光の受光量を、それに相当する電圧値に変換する。平均受光量演算手段３２は、教示された経路上で受光手段２２が受光した受光量の平均値を演算する。位置調整手段３３は、レーザ受光量センサ９の被溶接物１５に対する位置ずれ検出する。データ作成手段３４は、経路上で受光手段２２が受光した受光量と、位置検出手段２４により検出されたレーザ受光量センサ９の走行位置とから、後述する受光量プロファイルデータ（図６参照）を作成する。ギャップ幅演算手段３５は、データ作成手段３４が作成した受光量プロファイルデータから被溶接物１５の溶接線１５ａのギャップ幅Ｇを演算する。基準受光量決定手段３６は、データ作成手段３４により作成された受光量プロファイルデータから基準受光量Ｍbase（後に詳述）を決定する。
【００１５】
記憶部４は、必要なデータを記憶する。記憶部４は、基準受光量領域４１と、許容受光量領域４２と、判断領域４３と、測定値領域４４とを有している。基準受光量領域４２は、基準受光量決定手段３６により決定された基準受光量Ｍｂａｓｅを記憶する領域である。許容受光量領域４３は、許容受光量ΔＭ（後に詳述）を記憶する領域である。測定値領域４４は、受光量Ｍ及びその測定位置を記憶する領域である。尚、図示していないが、記憶部４には図２〜図３のフローチャートを動作させるための演算プログラムが記憶されている。
【００１６】
入出力部５は、教示ボックス７と接続されており、教示ボックス７とデータの受け渡しをする。教示ボックス７は、オペレータのキー操作により溶接条件の溶接データや、走査経路や、許容受光量値等を入力するための装置である。
【００１７】
入力変換部６は、自動溶接機８に接続されており、自動溶接機８を制御するための信号（電流、電圧等）を出力し、自動溶接機８からレーザ受光量センサ９の位置情報などの信号を受信する。
【００１８】
次に、図２〜図６を参照しつつ、レーザ受光量センサ９によりギャップ幅Ｇを検出する動作について説明する。まず、オペレータが教示ボックス７から調整経路１１を教示したか否かを判断する（Ｓ２０１）。調整経路１１とは、レーザ受光量センサ９が走査する経路であり、図５に示すように、被溶接物１５の溶接線１５ａと交差しない。調整経路１１が教示されていなければ（Ｓ２０１，ＮＯ）、Ｓ２０１を繰り返して実行することにより教示待ち状態を維持する。調整経路１１が教示されていれば（Ｓ２０１，ＹＥＳ）、位置調整処理を行う（Ｓ２０２）。
【００１９】
ここで、図３のフローチャートを用いて、位置調整処理について説明する。位置調整処理は、経路に沿って走査するレーザ受光量センサ９と被溶接物１５との距離が略一定を保つように、レーザ受光量センサ９の鉛直方向の位置を調整する処理である。まず、センサ制御部２の駆動手段２３により、調整経路１１に沿ってレーザ受光量センサ９の走行を開始させ、任意の位置で停止し、被溶接物１５にレーザ光を照射し、反射レーザ光を受光する（Ｓ３０１）。このとき、受光した受光量及びその測定位置は、測定値領域４４に記憶される。そして、レーザ受光量センサ９が調整経路１１の終端まで走行したか否かを判断する（Ｓ３０２）。レーザ受光量センサ９が調整経路１１の終端まで走行してなければ（Ｓ３０２，ＮＯ）、Ｓ３０１を繰り返しレーザ受光量センサ９が調整経路１１の終端まで繰り返す。
【００２０】
レーザ受光量センサ９が調整経路１１の終端まで走行していれば（Ｓ３０２，ＹＥＳ）、測定値領域４４に記憶されたデータに基づいて、データ作成手段３５により、受光量プロファイルデータ（図６参照）を作成する（Ｓ３０３）。受光量プロファイルデータは、図６に示すように、横軸にレーザ受光量センサ９の移動量（測定位置）、縦軸に受光量としたグラフである。尚、受光量は電圧変換手段３１により対応する電圧値に変換されている。
【００２１】
作成した受光量プロファイルデータから、基準受光量決定手段３６により、基準となる基準受光量Ｍbaseを決定し、基準受光量領域４２に記憶する（Ｓ３０４）。基準受光量Ｍbaseは、作成した受光量プロファイルデータから任意に決定され、レーザ受光量センサ９の位置調整の際に基準とされる受光量である。その後、レーザ受光量センサ９を再び調整経路１１に沿って走行させ、平均受光量演算手段３２により調整経路１１の平均受光量Ｍを演算する（Ｓ３０５）。
【００２２】
そして、位置調整手段３３により、受光量Ｍ＞基準受光量Ｍbase―許容受光量ΔＭを判断する（Ｓ３０６）。ここで、許容受光量ΔＭは、教示ボックス７により設定され許容受光量領域４３に記憶されている受光量のしきい値であり、ギャップ幅Ｇを検出する際に、精度を下げることがない範囲で設定される。尚、受光量Ｍ、基準受光量Ｍbase、及び許容受光量ΔＭはそれぞれ電圧変換手段３１により変換された電圧値である。
【００２３】
受光量Ｍが基準受光量Ｍbase―許容受光量ΔＭよりも大きくない場合（Ｓ３０６，ＮＯ）、レーザ受光量センサ９と被溶接物１５との距離が離れていると判断し、レーザ受光量センサ９を被溶接物１５に一定距離ΔＺだけ移動させ近づける（Ｓ３０７）。その後、Ｓ３０５に戻り、再び調整経路１１の平均受光量Ｍを求める。尚、一定距離ΔＺは、記憶部４の図示しない領域に記憶されており、基準受光量Ｍbaseに対応している。
【００２４】
受光量Ｍが基準受光量Ｍbase―許容受光量ΔＭよりも大きい場合（Ｓ３０６，ＹＥＳ）、次に、受光量Ｍ＜基準受光量Ｍbase＋許容受光量ΔＭを演算する（Ｓ３０８）。受光量Ｍが基準受光量Ｍbase＋許容受光量ΔＭよりも小さくない場合（Ｓ３０８，ＮＯ）、レーザ受光量センサ９と被溶接物１５との距離が近いと判断し、レーザ受光量センサ９を被溶接物１５から一定距離ΔＺを移動させ遠ざける（ステップＳ３０９）。その後、Ｓ３０５に戻り、再び調整経路１１の平均受光量Ｍを求める。受光量Ｍが基準受光量Ｍbase＋許容受光量ΔＭよりも小さい場合（Ｓ３０８，ＹＥＳ）、位置調整処理を終了する。
【００２５】
再び図２に戻り、走査経路１２が教示されたか否かを判断する（Ｓ２０３）。走査経路１２は、レーザ受光量センサ９が走査する経路であり、図６に示すように、溶接線と垂直に交差している。走査経路１２が教示されていなければ（Ｓ２０３，ＮＯ）、Ｓ２０３を繰り返して実行することにより教示待ち状態を維持する。走査経路１２が教示されていれば（Ｓ２０３，ＹＥＳ）、ギャップ幅演算処理を行う（Ｓ２０４）。
【００２６】
ここで、図４のフローチャートを用いて、ギャップ幅演算処理について説明する。Ｓ４０１〜Ｓ４０３までの受光量プロファイルデータの作成については、図３でのＳ３０１〜Ｓ３０３の説明が適用できるため省略する。作成した受光量プロファイルデータからギャップ幅Ｇｒを検出する（Ｓ４０４）。
【００２７】
図６に示すように、作成した受光量プロファイルデータに記憶部４のしきい値受光量領域４４に記憶されているしきい値の受光量Ｍ１を用いてギャップ幅Ｇｒを検出する。しきい値の受光量Ｍ１は、オペレータによって予め設定された任意の値である。作成した受光量プロファイルデータと受光量Ｍ１との２つの交点の距離が、ギャップ幅Ｇｒに相当する。尚、図６には、ギャップ幅が０ｍｍ、２ｍｍ、４ｍｍの場合の受光量プロファイルデータが描かれており、上述ではギャップ幅４ｍｍについて説明している。
【００２８】
次に、受光量Ｍ１の値に応じて、ギャップ幅Ｇｒの値が多少異なるため、ギャップ幅演算手段３５により、作成した受光量プロファイルデータから検出したギャップ幅Ｇｒを補正し、実際のギャップ幅Ｇを演算する（Ｓ４０５）。補正には、ギャップ値Ｇ＝ａＧｒ＋ｂの式が用いられる。ａ及びｂは、記憶部４の図示しない領域に記憶された、実験データより得られた値である。上記の式により、検出したギャップ幅Ｇｒから実際のギャップ値Ｇに補正することができ、図２のギャップ幅検出処理を終了する。
【００２９】
以上説明したように、本実施の形態において、被溶接物１５からの反射レーザ光の受光量と、レーザ受光量センサ９の走査位置とから受光量プロファイルデータを作成することにより、溶接線１５ａのギャップ幅Ｇを検出することができる。このため、受光量からレーザ受光量センサ９と被溶接物１５との距離を求める場合との対比において、複雑な演算回路を必要としない。これにより、簡単にギャップ幅Ｇを検出することができる。また、受光量から直接ギャップ幅Ｇを検出するため、受光量からレーザ受光量センサ９と被溶接物１５との距離を求めてギャップ幅Ｇを検出するという２段階で検出する場合よりも、精度がよくなる。
【００３０】
また、ギャップ幅Ｇの検出前に基準受光量Ｍｂａｓｅを求めることで、溶接線以外の場所で、常に略所望の受光量を受光することができる。このため、さらに精度のよいギャップ幅を検出することができる。さらに、レーザ受光量センサ９は光を照射及び受光する機能を有していればよく、他のレーザセンサよりも小さく構成することができる。このため、溶接ロボット８ａに配設しても、レーザ受光量センサ９と被溶接物１５との干渉が少なくなり、狭い個所の溶接線に対して使用する場合でも、使用することが可能となる。
【００３１】
尚、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明したが、本発明はその趣旨を超えない範囲において変更が可能である。即ち、本実施の形態では、溶接ロボット８ａにレーザ受光量センサ９を設けているが、これ以外の場所に設けてもよい。具体的には、溶接ロボット８ａとレーザ受光量センサ９とを別々に構成してもよい。また、走査経路１２は溶接線１５ａと垂直に交差させているが、垂直でなくてもよい。溶接する精度が悪くならないギャップ幅Ｇが算出できる範囲で、交差させてもよい。
【００３２】
上述の実施の形態では、調整経路１１、溶接線を１５ａと交差していないが、溶接線１５ａと交差するようにしてもよい。また、被溶接物１５にレーザ光を照射、受光しているが、レーザ光でなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の一実施の形態に係るギャップ検出装置を備えた自動溶接機の機能ブロック図である。
【図２】ギャップ幅検出処理を表したフローチャートである。
【図３】レーザ受光量センサと被溶接物との距離を調整する位置調整処理を表わしたフローチャートである。
【図４】ギャップ幅演算処理を表したフローチャートである。
【図５】被溶接物上の走査経路を走行するレーザ受光量センサを表した概略図である。
【図６】受光量プロファイルデータを表した図である。
【符号の説明】
【００３４】
１    ロボット制御部
２    センサ制御部
３    データ処理部
４    記憶部
５    入出力部５
６    入力変換部
７    教示ボックス
８    自動溶接機
８ａ    溶接ロボット
９    レーザ受光量センサ
１１    位置検出手段
１５    被溶接物
１５ａ  溶接線
【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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