(57)【要約】【課題】  必要なセンサの数を低減することが可能な自動アーク動溶接システム及び方法を提供することを目的とする。【解決手段】  溶接トーチ９の先端からワイヤ１０を突出させてこれをアークにより溶融させながら該溶接トーチを開先左右倣い及び開先上下倣いさせるようにして開先１３の延在方向に沿って移動させ、それにより開先にビードを形成する溶接システム１０１において、ワイヤ及びアークを撮像する撮像装置４と、撮像した映像を画像処理してワイヤの突出長さを抽出する画像処理手段６と、抽出したワイヤの突出長さを一定長に維持するよう制御することにより開先上下倣いを行う制御手段６と、を備えている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチの先端からワイヤを突出させてこれをアークにより溶融させながら該溶接トーチを開先左右倣い及び開先上下倣いさせるようにして開先の延在方向に沿って移動させ、それにより前記開先にビードを形成する溶接システムにおいて、
前記ワイヤ及び前記アークを撮像する撮像装置と、
前記撮像した映像を画像処理して前記ワイヤの突出長さを抽出する画像処理手段と、
前記抽出したワイヤの突出長さを一定長に維持するよう制御することにより前記開先上下倣いを行う制御手段と、を備えた自動アーク溶接システム。
【請求項２】
前記撮像装置は、前記撮像を前記溶接トーチの前記開先の延在方向に沿った移動方向における前方でかつ上方から行う、請求項１に記載の自動アーク溶接システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前層のビード表面高さに強く関係する、現在の前記ワイヤの先端位置の高さと現在における前記開先左右倣いのためのデータとに基づいて溶接速度を制御する、請求項１に記載の自動アーク溶接方法。
【請求項４】
前記画像処理手段は、前記画像処理において前記アークの高輝度部の形状の特徴を抽出し、
前記制御手段は、前記抽出した形状の特徴に基づいて前記開先左右倣いを行う、請求項３に記載の自動アーク溶接システム。
【請求項５】
溶接トーチの先端からワイヤを突出させてこれをアークにより溶融させながら該溶接トーチを開先左右倣い及び開先上下倣いさせるようにして開先の延在方向に沿って移動させ、それにより前記開先にビードを形成する溶接方法において、
前記ワイヤ及び前記アークを撮像するステップと、
前記撮像した映像を画像処理して前記ワイヤの突出長さを抽出するステップと、
前記抽出したワイヤの突出長さを一定長に維持するよう制御することにより前記開先上下倣いを行うステップと、を含む自動アーク溶接方法。
【請求項６】
前記撮像を前記溶接トーチの前記開先の延在方向に沿った移動方向における前方でかつ上方から行う、請求項５に記載の自動アーク溶接方法。
【請求項７】
前層のビード表面高さに強く関係する、現在の前記ワイヤの先端位置の高さと現在における前記開先左右倣いのためのデータとに基づいて溶接速度を制御する、請求項５に記載の自動アーク溶接方法。
【請求項８】
前記画像処理において前記アークの高輝度部の形状の特徴を抽出し、
前記抽出した形状の特徴に基づいて前記開先左右倣いを行う、請求項７に記載の自動アーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動アーク溶接システム及び方法に関し、特に溶接部の映像に基づいて溶接条件を制御するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、アーク溶接の作業効率向上を図るため、自動アーク溶接方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。ところで、多層盛の開先溶接にて開先幅変動によらず積層ビード高さを継ぎ手全線に渡り均一化するためには、各パスでの所要ビード断面積の増減分布を知る必要がある。このためには、ワイヤ先端高さにおける開先幅と現在の積層高さとの情報が必要である。そこで、この自動アーク溶接方法では、積層直後のビードの形状を把握するためにレーザスリット光センサを用いて次パスの各種条件設定に利用し、開先左右倣いに溶接部直視カメラを用い、かつ開先上下倣いにアークセンサを利用することによって、ワイヤ先端の高さにおける開先幅と現在の積層高さとの情報を得ている。これにより、自動化が図られている。
【０００３】
また、溶接部前方に取付けたカメラにより得られた溶接部の映像からアーク高輝度部の形状の特徴を抽出し、この抽出した特徴に基づいて開先左右倣いを行う自動アーク溶接方法が提案されている（特許文献２及び特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００１−３４０９６６号公報
【特許文献２】特開２００４−０４２０６７号公報
【特許文献３】特開２００５−１９３２７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１の自動アーク溶接方法は、多数のセンサが必要であるという問題があった。
【０００５】
また、特許文献２及び特許文献３には、開先左右倣い以外に用いられるセンサについては開示されていない。
【０００６】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、必要なセンサの数を低減することが可能な自動アーク動溶接システム及び方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明に係る自動アーク溶接システムは、溶接トーチの先端からワイヤを突出させてこれをアークにより溶融させながら該溶接トーチを開先左右倣い及び開先上下倣いさせるようにして開先の延在方向に沿って移動させ、それにより前記開先にビードを形成する溶接システムにおいて、前記ワイヤ及び前記アークを撮像する撮像装置と、前記撮像した映像を画像処理して前記ワイヤの突出長さを抽出する画像処理手段と、前記抽出したワイヤの突出長さを一定長に維持するよう制御することにより前記開先上下倣いを行う制御手段と、を備えている。このような構成とすると、開先左右倣い制御を、撮像装置で撮像した映像の画像処理に基づいて行うことにより、必要なセンサの数を低減することができる。
【０００８】
前記撮像装置は、前記撮像を前記溶接トーチの前記開先の延在方向に沿った移動方向における前方でかつ上方から行ってもよい。このような構成とすると、画像処理に好適な映像を得ることができる。
【０００９】
前記制御手段は、前層のビード表面高さに強く関係する、現在の前記ワイヤの先端位置の高さと現在における前記開先左右倣いのためのデータとに基づいて溶接速度を制御してもよい。このような構成とすると、好適に積層ビード高さ一定制御を行うことができる。
【００１０】
前記画像処理手段は、前記画像処理において前記アークの高輝度部の形状の特徴を抽出し、前記制御手段は、前記抽出した形状の特徴に基づいて前記開先左右倣いを行ってもよい。このような構成とすると、必要なセンサの数を低減することができる。
【００１１】
また、本発明に係る自動アーク溶接方法は、溶接トーチの先端からワイヤを突出させてこれをアークにより溶融させながら該溶接トーチを開先左右倣い及び開先上下倣いさせるようにして開先の延在方向に沿って移動させ、それにより前記開先にビードを形成する溶接システム及び方法において、前記ワイヤ及び前記アークを撮像するステップと、前記撮像した映像を画像処理して前記ワイヤの突出長さを抽出するステップと、前記抽出したワイヤの突出長さを一定長に維持するよう制御することにより前記開先上下倣いを行うステップと、を含む。このような構成とすると、開先左右倣い制御を、撮像した映像の画像処理に基づいて行うことにより、必要なセンサの数を低減することができる。
【００１２】
前記撮像を前記溶接トーチの前記開先の延在方向に沿った移動方向における前方でかつ上方から行ってもよい。このような構成とすると、画像処理に好適な映像を得ることができる。
【００１３】
前層のビード表面高さに強く関係する、現在の前記ワイヤの先端位置の高さと現在における前記開先左右倣いのためのデータとに基づいて溶接速度を制御してもよい。このような構成とすると、好適に積層ビード高さ一定制御を行うことができる。
【００１４】
前記画像処理において前記アークの高輝度部の形状の特徴を抽出し、前記抽出した形状の特徴に基づいて前記開先左右倣いを行ってもよい。このような構成とすると、必要なセンサの数を低減することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は以上に説明したような構成を有し、必要なセンサの数を低減することが可能な自動アーク溶接システム及び方法を提供できるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
（実施の形態）
図１は本発明の実施の形態に係る自動アーク溶接システムの構成を示す模式図である。図２はＣＣＤカメラの配設位置を示す斜視図である。図３は溶接部を模式的に示す斜視図である。
【００１７】
図１乃至図３に示すように、自動アーク溶接システム１０１は、溶接装置１と、ロボット２と、自動アーク溶接制御装置３と、を備えている。
【００１８】
本実施の形態では、一対の被溶接物１２が突き合わせ溶接される。そして、その継手を形成すべき箇所に開先１３が形成されている。一対の被溶接物１２は、所定のルートギャップＲＧを有して配置され、各々の開先面が所定のベベル角を有するように形成されている。そして、一対の被溶接物１２の突き合わせ端部の下面間に架け渡すように板状の裏当金１６が配設されている。この裏当金１６及び一対の被溶接物１２の開先面に囲まれるようにして開先１３が形成されている。
【００１９】
溶接装置１は、溶接トーチ９と溶接電源１１とを有している。溶接トーチ９は、不活性ガスを溶接部に供給するノズルで構成されている。溶接トーチ９の先端からは溶接材料からなるワイヤ１０が図示されない送り機構によって所定の速度で送り出される。このワイヤ１０には溶接電源１１から電流が供給される。
【００２０】
ロボット２は、６軸多関節のアーム７とこのアーム７の動作を制御するロボットコントローラ８とを有している。アーム７の手先部７ａには溶接トーチ９が取り付けられている。ロボットコントローラ８は、このアーム７を制御して、ワイヤ１０の先端１０ａが開先１３内を移動するように溶接トーチ９を移動させる。図２及び図３に示すように、ワイヤ１０の先端は、開先１３内を該開先１３の幅方向（左右方向）１９にウィービングしながら該開先１３の延在方向に移動する。このワイヤ１０の先端（ひいては溶接トーチ９）の開先１３の延在方向に沿った移動方向を、以下、溶接方向１８と呼ぶ。そして、この移動に連動して、上述の溶接電源１１によりワイヤ１０に溶接電流が供給されて、ワイヤ１０の先端１０ａと開先１３内に形成された前層のビード１７との間にアーク１４が発生し、ワイヤ１０の先端部が溶融して溶湯池１５が形成される。この溶湯池１５が冷えて固まってビード１７が形成される。
【００２１】
自動アーク溶接制御装置３は、ＣＣＤカメラ４と、ＣＣＤカメラ４で撮像した映像を所定の画像信号に変換して出力するＣＣＵ（camera control unit）５と、ＣＣＵ５からの画像信号を画像処理して特徴データを抽出するとともに、この抽出した特徴データに基づいて所要の指令等をロボットコントローラ８に出力するパソコン６とを有している。
【００２２】
ＣＣＤカメラ４には、例えば、一眼モノクロカメラが用いられる。ここで撮像装置をＣＣＤカメラとしているが、ＣＭＯＳイメージセンサ等、他の撮像装置であってもよい。ＣＣＤカメラ４は、溶接トーチ９の溶接方向１８における前方であって溶接部の上方に、そこから溶接部を撮像可能に（溶接部がその視野に入るように）配設される。ここで、溶接部とは、図３に示すように、溶接トーチ９、ワイヤ１０、アーク１４、及び溶湯池１５からなる領域をいう。ＣＣＤカメラ４は、本実施の形態では、図２に示すように、アーム７の手先部７ａに後方でかつ斜め下方を向くように取付けられる。つまり、ＣＣＤカメラ４は、溶接部と一定の間隔を維持するように配設される。もちろん、ＣＣＤカメラ４を、他の移動機構によって溶接トーチ９と一定の間隔を維持するよう移動させてもよい。
【００２３】
パソコン６は、周知のように、ＣＰＵ等の演算部３１と、内部メモリ等の記憶部３２と、演算部３１にデータを入力するためのキーボード等の入力部３３と、演算部３１に制御されて所要の表示を行う表示部３４とを備えている。記憶部３２には所定の制御プログラムが格納されている。演算部３１は、この制御プログラムを読み出して実行することにより、溶接部画像処理、開先左右倣い制御、開先上下倣い制御、溶接条件制御等を行う。演算部３１は、開先左右倣い制御、開先上下倣い制御、及び溶接条件制御においては、所要の指令等をロボットコントローラ８に入力することにより、これらの制御を遂行する。すなわち、演算部３１は、ロボットコントローラ８と共働して自動アーク溶接システム１０１全体の動作を制御する。また、演算部３１は表示部３４に所要の表示を行う。
【００２４】
次に、以上のように構成された自動アーク溶接システム１０１の動作（自動アーク溶接方法）を説明する。ここでは、一般的な動作は省略し、本発明を特徴付ける積層ビード高さ一定制御を説明する。この制御は、パソコン６の演算部３１とロボットコントローラ８との共働の制御により遂行される。
【００２５】
まず、積層ビード高さ一定制御の概要を説明する。
【００２６】
図４は積層ビード高さ一定制御の概要を示すフローチャートである。
【００２７】
図１乃至図４において、自動アーク溶接システムが始動すると、溶接条件が設定される（ステップＳ１）。具体的には、ロボット２にティーチングにより溶接の始端点及び終端点が教示される。次いで、開先角度、ルートギャップ等の所要の制御パラメータが演算部３１に入力される。次いで、ウィービング条件等の溶接条件が設定される。次いで、後述するアーク高輝度部の長軸の傾斜角θの適正値等が設定される。これらの入力及び設定は、所要のデータがパソコン６の入力部３３を介して演算部３１に入力され、記憶部３２に記憶されることによって行われる。
【００２８】
次いで、溶接開始スイッチ（図示せず）がＯＮされることによって、溶接が開始される（ステップＳ２）。
【００２９】
次いで、溶接部の撮像が行われる（ステップＳ３）。具体的には、以下のようにして、溶接部の撮像が行われる。
【００３０】
図１１はＣＣＤカメラ４で撮像された溶接部の映像を示す画像（以下、溶接部画像という）であって、（ａ）は画像処理前の溶接部画像であり、（ｂ）は画像処理によって抽出された溶接トーチ先端位置及びワイヤ先端位置を表示した溶接部画像である。
【００３１】
ＣＣＤカメラ４は、図１１（ａ）に示すような、溶接部をその前方かつ上方から撮った映像を撮影する。ＣＣＵ５は、この映像を所定の画像信号に変換してパソコン６に入力する。パソコン６はこの画像信号の所定数のフレーム分（ここでは３フレーム）の画像（溶接部画像）を一時的に記憶部３２に保存する。この溶接部画像は、所定数の画素及び所定数の階調を有するデジタル画像である。溶接部画像には、図１１（ａ）に示すように、画面の暗い背景の中央部にやや明るく溶融池が写り、その溶融池の中に非常に明るくアーク（以下、アーク高輝度部ともいう）が写っている。そして、その明るいアーク高輝度部の上部の一部を切り欠くように黒くワイヤの先端部が写り、そのワイヤの上端にやや明るく弧状のトーチの先端部が写っている。
【００３２】
次いで、パソコン６の演算部３１は、この溶接部画像（正確には溶接部画像の画像データ）を記憶部３２から読み出して画像処理する（ステップＳ４）。
【００３３】
次いで、この画像処理により抽出されたデータに基づいて、ワイヤ１０の開先左右倣い制御（水平方向、ステップＳ５）とワイヤ１０の開先上下倣い制御（鉛直方向、ステップＳ６）とがパラレルに行われる。
【００３４】
次いで、溶接条件（溶接速度）制御が行われる（ステップＳ７）。
【００３５】
そして、溶接が終了するまで、ステップＳ３〜ステップＳ７が繰り返され、溶接が終了すると（ステップＳ８）、積層ビード高さ一定制御が終了する。
【００３６】
次に、画像処理（ステップＳ４）、開先左右倣い制御（ステップＳ５）、開先上下倣い制御（ステップＳ６）、及び溶接条件制御（ステップＳ７）について詳しく説明する。
【００３７】
まず、開先左右倣い制御用の画像処理及び該開先左右倣い制御（以下、画像処理に基づく開先左右倣い制御という）について説明する。なお、この画像処理に基づく開先左右倣い制御は公知であるので、ここでは、必要最小限の説明に止める。詳しくは、特開２００４−０４２０６７号公報又は特開２００５−１９３２７７号公報を参照されたい。
【００３８】
画像処理に基づく開先左右倣い制御は、開先の底幅が大きい場合と開先の底幅が小さい場合とで異なる。
【００３９】
まず、開先の底幅が大きい場合の画像処理に基づく開先左右倣い制御について説明する。
【００４０】
図５は開先の底幅が大きい場合におけるウィービングに伴うアーク高輝度部の形状変化を示す模式図であって、（ａ）はワイヤがウィービング中央位置に位置するときのアーク高輝度部の形状を示す図、（ｂ）はワイヤがウィービング右端に位置するときのアーク高輝度部の形状を示す図、（ｃ）はワイヤが開先面にほぼ接触するときのアーク高輝度部の形状を示す図である。図６は開先の底幅が大きい場合における電極−開先面間距離に対するアーク高輝度部長軸の傾斜角の変化を示すグラフである。
【００４１】
溶接部画像から抽出したアーク高輝度部１４を観察すると図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように形状が変化する。すなわち、ワイヤ１０がＣＣＤカメラ４から見てウィービング中央位置に位置するときは、図５（ａ）に示すように、アーク高輝度部１４は、ほぼ水平方向に長軸Ｌを有する楕円形を成している。そして、ワイヤ１０がＣＣＤカメラ４から見てウィービング右端に位置するときは、溶接アークは開先面に制約されて右側が狭まるため、図５（ｂ）に示すように、アーク高輝度部１４は多少細った楕円形になり、その長軸Ｌが右上方を向くようになる。さらに、ワイヤ１０が開先面に近づいてほぼ接触するようになると、図５（ｃ）に示すように、アーク高輝度部１４の形状はさらに細くなり、その長軸Ｌもさらに右が上がって傾斜角が大きくなる。
【００４２】
このようなアーク高輝度部１４の形状変化は、ワイヤと開先面の間の水平距離及び開先面のベベル角度によって律せられ、ほぼ再現性があることが分かっている。
【００４３】
このワイヤと開先面の間の水平距離（以下、ワイヤ−開先面間距離という）に対するアーク高輝度部１４の長軸Ｌの傾斜角θ（図３参照）の変化の測定例を説明する。
【００４４】
図６はワイヤ−開先面間距離に対するアーク高輝度部の長軸Ｌの傾斜角θの変化の測定例を示すグラフである。図６は、開先面が３０度のベベル角度を有するよう配置された一対の被溶接物１２について得られた実測値をプロットしたものである。
【００４５】
図６において、ワイヤ−開先面間距離が減少するに連れてアークク高輝度部１４の長軸Ｌの傾斜角（以下、単に長軸の傾斜角という）θはほぼ単調に減少している。なお、通常、適当なウィービング端点は、ワイヤ１０が開先面から２ｍｍ程度離れた位置とされる。従って、本測定例によれば、ウィービングの端点における長軸の傾斜角θがほぼ３０度であれば適正なウィービング溶接がな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、長軸の傾斜角θが３０度に近づくようにウィービングを調整する必要がある。この調整は、パソコン６の演算部３１が、ロボットコントローラ８に、長軸の傾斜角θの適正値（ここでは３０度）からのずれに応じたウィービング端点位置補正量を入力することにより行われる。
【００４６】
本実施の形態における画像処理に基づく開先左右倣い制御は、このワイヤ−開先面間距離と長軸の傾斜角θとの関係を利用して行われる。
【００４７】
次に、この画像処理に基づく開先左右倣い制御を図１乃至図３及び図５を用いて具体的に説明する。
【００４８】
まず、パソコン６の演算部３１は、ウィービングが右端に到達したことを確認すると、記憶部３２から溶接部画像を取り込み、画像処理により長軸の傾斜角θを算出する。具体的には、取り込んだ溶接部画像を所定の閾値を用いて２値化してアーク高輝度部１４の形状を抽出する。アーク高輝度部１４は溶融池１５等の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、簡単にこれを抽出することができる。
【００４９】
次いで、所定の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除去する。
【００５０】
次いで、抽出したアーク高輝度部１４について重心座標Ｇを算定する。重心座標Ｇ（Xg,Yg）は、アーク高輝度部１４内の画素についてそれぞれｘ座標xiとｙ座標yiとの平均値を算出することにより簡単に算定することができる。
【００５１】
さらに、アーク高輝度部１４の各画素の座標(xi,yi)を用いて、下式によりアーク高輝度部１４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。
【００５２】
この式は、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｝］
である。但し、−９０°≦θ≦＋９０°である。
【００５３】
角度θはこの図形の最も長い軸に沿うものとなる。ここで、重心Ｇを通り、角度θを持つ軸をアーク高輝度部１４の長軸、重心Ｇを通り、長軸に直交する軸を短軸と定義する。ここで、ｘｙ座標系は、ｘ座標を水平方向に取り、ｙ座標を鉛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。
【００５４】
次に、演算部３１は、このようにして求めた長軸Ｌの傾斜角θを適正値と対比して、そのずれから右端における位置補正量ΔＲを算出する。
【００５５】
次いで、演算部３１は、ウィービングが左端に到達したことを確認すると、上記と同様にして、長軸の傾斜角θを算出し、左端における位置補正量ΔＬを算出する。
【００５６】
次いで、演算部３１は、ウィービングが中央位置に到達したことを確認すると、右端における位置補正量（以下、右側補正量という）ΔＲと左端における位置補正量（以下、左側補正量という）ΔＬとを合成してウィービングの中央位置のずれを正す補正量を算出する。具体的には、演算部３１は、右側補正量ΔＲと左側補正量ΔＬとの差の半分をウィービング中央位置の補正量ΔXcとし、右側補正量ΔＲと左側補正量ΔＬとの和をウイービング幅の補正量ΔＷとする。そして、このウィービング中央位置の補正量ΔXc及びウイービング幅の補正量ΔＷをロボットコントローラ８に入力する。すると、ロボットコントローラ８がこの補正量に応じてワイヤ１０のウィービング動作を調整する。これにより、ウィービングの動作が補正される。このようにして、開先の底幅が大きい場合におけるワイヤ１０の開先左右倣い制御が行われる。
【００５７】
次に、開先の底幅が小さい場合の画像処理に基づく開先左右倣い制御について説明する。
【００５８】
図７は開先の底幅が小さい場合における溶接部を模式的に示す斜視図である。図７に示すように、開先の底幅が小さい場合、すなわち、下向きＶ開先の初層や開先角度が小さい場合には、アーク１４が同時に両側の開先面に制約されて、溶接部画像において、アーク高輝度部１４が塊状に写り、長軸を判定しその傾斜を正確に算出できるような疑似楕円形には写らない。従って、長軸の傾斜角θに依存するウィービング位置の計測では信頼性に劣る。そこで、このような場合には、アーク高輝度部１４の長軸の長さと短軸の長さとの比（以下、長短軸長比という）Ｐを利用してウィービング位置が計測される。
【００５９】
図８は開先の底幅が小さい場合におけるウィービングに伴うアーク高輝度部の形状変化を示す模式図であって、（ａ）はワイヤがウィービング左端に到達したときのアーク高輝度部の形状を示す図、（ｂ）はワイヤがウィービング中央位置に到達したときのアーク高輝度部の形状を示す図、（ｃ）はワイヤがウィービング右端に到達したときのアーク高輝度部の形状を示す図である。図９は開先中心からの距離に対するアーク高輝度部の長短軸長比Ｐの変化を示すグラフである。
【００６０】
開先の底幅が小さい場合において、溶接部画像から抽出したアーク高輝度部１４を観察すると図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように形状が変化する。すなわち、ワイヤ１０が左側の開先面に近づくと、図８（ａ）に示すように、アーク高輝度部１４は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成す。そして、ワイヤがウィービング中央位置に到達すると、図８（ｂ）に示すように、アーク高輝度部１４は、三角形に近い塊状になり、長軸の長さと短軸の長さとはほぼ等しくなる。そして、左肩上がりから右肩上がりへとその形状が変化するのに伴い、長軸と短軸とが入れ替わる。そして、ワイヤ１０が右側の開先面に近づくと、図８（ｃ）に示すように、アーク高輝度部１４は、図８（ａ）におけるアーク高輝度部１４の形状とほぼ対称の右肩上がりの形状を成す。
【００６１】
演算部３１は、長短軸長比Ｐを以下のようにして算出する。
【００６２】
図７及び図８において、演算部３１は、上述のように、慣性モーメントを表す式Ｍを用いた演算により、アーク高輝度部１４の重心Ｇを算出し、かつ重心Ｇを通る長軸の傾斜角θを算出する。そして、長軸の傾斜角θに±９０°を加えることにより、短軸の傾斜角σを算出する。次いで、重心Ｇの座標(Xg,Yg)、長軸の傾斜角θ、短軸の傾斜角σ、及び実数パラメータｒを用いて長軸と短軸の方程式を立てる。例えば、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Ｇとの距離を表すことになる。
【００６３】
この式を利用して、アーク高輝度部１４の輪郭と長軸及び短軸との交点を求めて、それぞれ長軸長ａと短軸長ｂとを算出する。そして、この長軸長ａと短軸長ｂとを用いて、長短軸長比Ｐ＝ｂ／ａを算出する。
【００６４】
このようにして得られる長短軸長比Ｐは、ワイヤ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、開先の中心に対して対称になっている。
【００６５】
この開先の中心からの距離に対する長短軸長比Ｐの変化の測定例を説明する。
【００６６】
図１０は開先の中心からの距離に対する長短軸長比Ｐの変化の測定例を示すグラフである。図１０は、両側の開先面がともに３０°のベベル角度を有しルートギャップが０ｍｍである開先を形成するよう配置された一対の被測定物について、ウィービング溶接したときの開先の中心からの距離に対する長短軸長比Ｐの実測値をプロットしたものである。図１０から明らかなように、長短軸長比Ｐは、ワイヤが開先の中心に位置するとき最高値１となり、中心から左右に離れるに連れて左右ほぼ同じ割合で減少する。
【００６７】
本実施の形態では、演算部３１が、ウィービング端における長短軸長比Ｐの実測値を適正値と対比し、そのずれを無くすような補正を行う。演算部３１は、ウィービング端における長短軸長比Ｐの適正値からのずれから右側補正量ΔＲ及び左側補正量ΔＬをそれぞれ算出し、右側補正量ΔＲと左側補正量ΔＬとの差の半分をウィービング中央位置の補正量ΔXcとし、右側補正量ΔＲと左側補正量ΔＬとの和をウィービング幅の補正量ΔＷとする。なお、ワイヤ１０が開先１３の左側領域にあるか右側領域にあるかは、長軸の傾斜角θが正か負かによって判定される。そして、このウィービング中央位置の補正量ΔXc及びウイービング幅の補正量ΔＷをロボットコントローラ８に入力する。すると、ロボットコントローラ８がこれらの補正量に応じてワイヤ１０のウィービング動作を調整する。これにより、ウィービングの動作が補正される。このようにして、開先の底幅が小さい場合における開先左右倣い制御が行われる。
【００６８】
本実施の形態では、例えば、教示したウィービング幅に対して閾値（例えば４ｍｍ）が設けられ、閾値以下の場合には、開先の底幅が小さい場合における（長短軸長比Ｐを特徴量とする）開先左右倣い制御が実行され、閾値を越える場合には、開先の底幅が大きい場合における（長軸傾斜角θを特徴量とする）開先左右倣い制御に切り替えられてこれが実行される。なお、前記の両開先左右倣い制御においては、演算部３１がウィービング端点に達したことを判定して画像処理を開始する手順を記した。しかし、ウィービング端点では長軸傾斜角θ及び長短軸長比Ｐが極小あるいは極大になることを利用すれば、常時画像処理を行ってこれら特徴量の時系列変化を評価することで、演算部３１がウィービング端点到達時刻を特定することができる。演算部３１は、実際には、前記の要領で特定したウィービング端点到達時刻での特徴量の値を用いて開先左右倣い制御を行っている。
【００６９】
次に、開先上下倣い制御用の画像処理及び該開先上下倣い制御について説明する。
【００７０】
図１乃至図３において、一般に使われている定電圧特性の溶接電源１１を使用する場合、開先上下倣いにより溶接トーチ９を前層ビード１７の表面に平行に移動させて溶接すると、ウィービングの中心部においてはアーク長Ｌａの変化は小さいため、見かけ上のワイヤ突出長（以下、単にワイヤ突出長という）Ｌｗが一定になる。従って、開先上下倣い制御とは、ワイヤ突出長一定制御を行っていると見なすことができる。開先高さ制御を行えば、ワイヤ突出長が一定に維持されることになり、それによって安定した溶接電流が維持され、その結果、溶接品質が確保される。
【００７１】
従って、開先上下倣い制御の具体的手法として、溶接電流を直接パソコン６に取り込み、これを指標として適正電流を維持するよう溶接トーチ９の高さを補正するという方法が容易に着想されるが、本実施の形態では、ワイヤ突出長を指標として、これが一定になるよう溶接トーチ９の高さ（ひいてはワイヤ１０の先端１０ａの高さ）を補正するという方法を採用することとした。これは、上述の開先左右倣い制御に用いた溶接部画像センサとしてのＣＣＤカメラ４をそのまま開先上下倣い制御にも用いて、この溶接部画像センサ以外のセンサを一切用いない溶接システムを構築するためである。
【００７２】
ワイヤ突出長とは、本来、ワイヤへの給電用のコンタクトチップ先端からのワイヤの突出長である。しかし、画像処理を行うに際し、必ずしもコンタクトチップ先端が溶接部画像中に見られるわけではないので、ここではトーチ先端部を構成するガスノズルの先端（以下、単にトーチ先端という）からワイヤの先端までの距離をワイヤ突出長と定義する。従って、開先上下倣い制御用の画像処理においては、最終的に、図１１（ｂ）に×印で示すワイヤ先端位置及び溶接トーチ先端位置が抽出される。
【００７３】
まず、ワイヤ先端位置の抽出処理を詳しく説明する。
【００７４】
図１２は溶接部画像からワイヤ先端位置を抽出する画像処理の過程を示す画像であって、（ａ）は２値化後切り出したアーク高輝度部及びその周辺領域を示す画像、（ｂ）は（ａ）の画像をクローズ処理した画像、（ｃ）は（ｂ）の画像のアーク高輝度部の切欠部（以下、単に切欠部という）を抽出した画像、（ｄ）は（ｃ）の画像における切欠部の領域重心（ワイヤ先端位置）を示す画像である。
【００７５】
パソコン６の演算部３１（以下、単に演算部３１という）は、図１１（ａ）に示す、取り込んだ状態の溶接部の画像を２値化し、その後、この２値化した画像からアーク高輝度部及びその周辺領域を切り出して図１２（ａ）に示すような画像を得、これを記憶部３２のバッファ（以下、バッファＡという）に保存する。
【００７６】
次いで、演算部３１は、このバッファＡに保存した画像をクローズ処理して図１２（ｂ）に示すような画像を得、これを記憶部３２の他のバッファ（以下、バッファＢという）に保存する。ここで、クローズ処理とは、アーク高輝度部からなる白色領域の内部の微小な穴や当該領域の切欠部分を除去する処理をいう。
【００７７】
次いで、演算部３１は、バッファＢに保存した画像からバッファＡに保存した画像を減算して図１２（ｃ）に示すような、アーク高輝度部の切欠部を抽出し、これをバッファＢに保存する。２つの画像の減算は、双方の画像の互いに対応する画素の階調の値同士を減算するようにして行われる。
【００７８】
次いで、演算部３１は、図１２（ｃ）における切欠部の領域重心を算出し、図１２（ｄ）に示すように、これをワイヤ先端位置とする。
【００７９】
次に、溶接トーチ先端位置の抽出処理を詳しく説明する。
【００８０】
図１３は溶接部画像から溶接トーチ先端位置を抽出する画像処理の過程を示す画像であって、（ａ）は溶接トーチ探索領域として切り出す領域が示された溶接部画像、（ｂ）は（ａ）の画像から切り出された溶接トーチ探索領域を示す画像、（ｃ）は（ｂ）の画像を画質改善した画像、（ｄ）は（ｃ）溶接トーチ先端位置を示す画像である。
【００８１】
演算部３１は、まず、図１３（ａ）に示すように、溶接部画像から溶接トーチを探索すべき領域（溶接トーチ探索領域）を切り出す。これは、当該領域を絞り込んで誤検出を防ぐとともに、画像処理の負荷を軽減するためである。この切り出しは、ワイヤの先端位置を基準として切り出される。この切り出した溶接トーチ探索領域画像には、図１３（ｂ）に示すように、その下半部に位置するやや明るい溶融池と、溶融池の両側に位置する溶融池より暗い開先面の一部と、溶融池の中央部を上下方向に延びる黒いワイヤと、溶融池の上方に位置するやや明るい弧状の溶接トーチ先端部とが含まれている。
【００８２】
次いで、演算部３１は、この溶接トーチ探索領域の画像の画質を改善して、図１３（ｃ）に示すような画像を得る。この画質改善においては、溶接トーチ先端部のコントラストを高めるためにいわゆる「γ補正」やいわゆる「ヒストグラム調整」が行われ、また、濃淡領域エッジ部を鮮明に残したままノイズを除去するためにいわゆる「メジアンフィルタ」がかけられた。これにより、図１３（ｃ）に示す画質改善後の画像においては、溶接トーチの先端部に対応する領域が白色化されて明瞭になっている。
【００８３】
次いで、演算部３１は、図１３（ｃ）の画像において、ワイヤ先端位置と同一の縦ライン上に位置する溶接トーチ先端部を溶接トーチ先端位置として抽出する。この抽出は、図１３（ｄ）に示すように、ワイヤ先端位置と同一の縦ラインを画像の上側から走査し、濃度勾配及びラプラシアンの分布情報を利用して、溶接トーチ先端部の白色領域を探知するようにして行う。
【００８４】
次に、このような画像処理に基づくワイヤ１０の開先上下倣い制御の全体を、図１０を用いて説明する。
【００８５】
図１０は画像処理に基づくワイヤ１０の開先上下倣い制御を示すフローチャートである。  図１０において、ステップＳ１１乃至Ｓ１７が図４のフローチャートにおけるステップＳ４（画像処理）に相当し、ステップＳ１８乃至Ｓ２３が図４のフローチャートにおけるステップＳ６（開先上下倣い制御）に相当する。
【００８６】
演算部３１は、まず、記憶部３３から溶接部画像を取り込む（ステップＳ１１）。ここでは、３フレーム分の溶接部画像が取り込まれる。
【００８７】
次いで、演算部３１は、溶接部画像の特徴量を抽出する（ステップＳ１２）。この特徴量の抽出は、開先左右倣いで必要となるアーク高輝度部長軸傾斜角θ、あるいは長短軸長比Ｐの取得を示しており、これらの特徴量の時系列変化を調べることでウィービング端到達時刻を特定し、ウィービングの位相を把握している。
【００８８】
次いで、演算部３１は、ワイヤ１０のウィービングがその中心区間に到達したか否かを、ウィービング端到達時刻からの経過時間とウィービング１／４周期との比較によって、判定する（ステップＳ１３）。中心区間に到達していない場合には、ステップＳ１１に戻り、中心区間に到達するまで、ステップＳ１１乃至Ｓ１３を繰り返す。ここで、ウィービングの中心区間とは、ＣＣＵ５から入力される画像信号の３フレームに対応する長さの区間であって、ウィービングの中央位置を中心とする区間をいう。
【００８９】
そして、演算部３１は、ウィービングが中心区間に到達すると、まず、ワイヤ先端位置を抽出し（ステップＳ１４）、次いで、溶接トーチ先端位置を抽出する（ステップＳ１５。
【００９０】
次いで、演算部３１は、ワイヤ先端位置と溶接トーチ先端位置との距離を算出して、これをワイヤ突出長Ｌｗ（図３参照）とする（ステップＳ１６）。
【００９１】
次いで、演算部３１は、ウィービングが３フレーム分の区間のうちの最終フレームに対応する区間か否かを判定する（ステップＳ１７）。最終フレームに対応する区間でない場合には、ステップＳ１１に戻り、当該区間になるまで、ステップＳ１１乃至Ｓ１７を繰り返す。そして、最終フレームに対応する区間になると、演算部３１はステップＳ１８に進む。
【００９２】
ステップＳ１８において、演算部３１は、３フレーム分のワイヤ突出長Ｌｗを平均してこれを最新の計測値とする。これによりワイヤ突出長の計測値のバラツキが低減される。
【００９３】
次いで、演算部３１は、ワイヤ突出長について、過去３回の制御周期分の移動平均を算出し、これをワイヤ突出長の計測値とする（ステップＳ１９）。これは、ワイヤ突出長は通常の溶接では急激に変化しないため、このように移動平均を取ることにより、計測が安定化するからである。なお、制御周期は、溶接トーチ９がウィービング中央位置を通過する周期であるため、１／２ウィービング周期である。
【００９４】
次いで、演算部３１は、このワイヤ突出長の計測値を設定された適正値と対比し、その差分（ずれ）を算出する（ステップＳ２０）。ここで、ワイヤ突出長の計測値は、溶接部画像上の長さとして抽出されるため、溶接トーチ９やＣＣＤカメラ４の取り付け設定の影響を強く受ける。そこで、本実施の形態では、汎用性を高めるため、適正値を予め設定せずに、溶接が開始した後、安定した時期に上述の画像処理によって求めたワイヤ突出長の計測値が、演算部３１によって、適正値として自動的に設定される。なお、予め同じ継ぎ手の溶接試験を行い、その適正な状態を見計らってその時のワイヤ突出長の計測値をサンプリングし、これを適正値として予め設定してもよい。
【００９５】
次いで、演算部３１は、この差分に基づいてワイヤ先端位置の高さ補正量（以下、高さ補正量という）を算出する（ステップＳ２１）。具体的には、この差分は溶接部画像上の長さとして得られるため、演算部３１は、これを実際の長さに換算し、その換算長に適当なゲインを乗じて高さ補正量を得る。
【００９６】
次いで、演算部３１は、この高さ補正量をロボットコントローラ８に入力する。すると、ロボットコントローラ８がこの高さ補正量に応じてワイヤ１０の高さ位置を調整する。これにより、ワイヤ１０の高さ位置が補正される（ステップＳ２２）。
【００９７】
次いで、演算部３１は、溶接が終了したか否か判定する（ステップＳ２３）。そして、溶接が終了していない場合にはステップＳ１１に戻り、上述の各ステップを繰り返し、溶接が終了すると、この制御を終了する。
【００９８】
このようにして、ワイヤ１０の開先上下倣い制御が行われる。
【００９９】
次に、この開先上下倣い制御の機能確認試験について説明する。
【０１００】
本件発明者等はこの開先上下倣い制御の有効性を評価するために、溶接動作点の教示において、溶接開始点では正しく、溶接終了点では開先高さ方向へずらし量を与えるという条件の下で溶接試験を実施した。
【０１０１】
ワイヤ突出長の適正値は、溶接開始直後の状態を適正状態と仮定し、溶接開始後からウィービング数周期の間にワイヤ突出長の計測値をサンプリングして設定した。
【０１０２】
図１４は開先上下倣い制御の機能確認試験における溶接箇所を示す模式図である。図１５は開先上下倣い制御の機能確認試験における教示内容を示す模式図である。
【０１０３】
図１４に示すように、本機能確認試験においては、被測定物１２として板厚２１ｍｍの母材が用いられた。ルートギャップは９ｍｍであり、開先角度は６０°であった。
【０１０４】
また、図１５に示すように、溶接開始教示点４１に対する溶接終了教示点４２における高さ方向ずらし量を、溶接長２１８ｍｍの５％に相当する１０．９ｍｍとした。
【０１０５】
図１６はずらし量を上側に与えた場合における機能確認試験の結果を示す図であって、（ａ）は溶接距離に対する高さ補正量を示すグラフ、（ｂ）は高さ方向ずらし量を示す模式図である。図１７はずらし量を下側に与えた場合における機能確認試験の結果を示す図であって、（ａ）は溶接距離に対する高さ補正量を示すグラフ、（ｂ）は高さ方向ずらし量を示す模式図である。
【０１０６】
図１６（ａ）及び図１７（ａ）において、横軸は溶接距離（単位ｍｍ）を表し、縦軸は高さ補正量（単位ｍｍ）を表している。高さ補正量は、ロボットコントローラ８へ入力する溶接トーチ９の高さの積算補正量である。機能試験の結果、ずらし補正量１０．９ｍｍに対し、ずらし量を上側に与えた場合には１１．５ｍｍ、ずらし量を下側に与えた場合には１０．９ｍｍの積算量としての補正が直線状にかけられ、ワイヤ突出長を一定に維持することで、開先上下倣い制御が有効に機能したことが判明した。
【０１０７】
次に、溶接条件制御について説明する。
【０１０８】
テーパギャップ等に起因して、本来一様であるはずの開先断面積が変動してしまう場合、継手全線に渡って積層ビード高さが不均一になる不具合が生じる。溶接を無監視化する上で、積層ビード高さを均一に保って溶接品質を維持することは重要である。継手全線に渡って積層ビード高さ一定制御を行うには、まず、溶接線に沿った各横断面毎の開先断面積の増減変化を知る必要がある。このため、ワイヤ先端高さにおける開先幅と現在の積層ビード高さとの情報が必要である。
【０１０９】
一方、本実施の形態では、これら２つの情報は開先左右倣い制御及び開先上下倣い制御を利用して下記の通り間接的に獲得可能である。
【０１１０】
第１に、画像処理を用いた開先左右倣い制御によって、開先幅変動にも応じた適切なウィービング幅を維持でき、このウィービング幅の値によってワイヤ先端高さにおける開先幅を推定できる。
【０１１１】
第２に、画像処理を用いた開先上下倣い制御によってワイヤ突出長を一定に制御することで、ワイヤ先端は前層ビードをなぞるため、前層ビードの高さ情報が得られる。
【０１１２】
これら２つの情報から得られる変化量に応じてビード断面積を調整するには、溶接電流（ワイヤ送給速度）を制御する方法も考えられるが、本実施の形態では、溶接速度を制御するという方法を採用した。これは、この方法を採用すれば、上述の開先左右倣い制御及び開先上下倣い制御に加えて、積層ビード一定制御を含めた３種類の制御を溶接部画像センサのみを用いて実現できることになるからである。そして、さらなる効果として、継手の基準高さを把握するのに一般的に用いられる事前タッチセンシングを省くことができる。これにより、タッチセンシングに伴う複雑な動作が不要になり、また、タッチセンシング時間も節約でき、かつ、この積層ビード一定制御を６軸多関節ロボットのみならず簡易直交型自動溶接機にも容易に適用することができる。
【０１１３】
以下、この積層ビード高さ一定制御のための溶接条件制御を具体的に説明する。
【０１１４】
図１８は積層ビード高さ一定制御の概念を示す模式図である。図１９は開先幅の変動による所要ビード断面積の変化を示す図であって、（ａ）は前層ビード高さの変化を示す図、（ｂ）は溶接スタート直後における所要ビード断面積を示す図、（ｃ）は溶接進行時点における所要ビード断面積を示す図である。
【０１１５】
図１８において、符号５１は基準線（開先底面）を示す。符号５２はｉ−１層（前層）のビードの表面を示す。符号５３はｉ層（現層）のワイヤ先端軌跡を示す。符号５４はｉ層（現層）ビードの表面を示す。また、図１９において、符号５４’は積層予定ビードの表面を示す。
【０１１６】
本実施の形態においては、上述の開先上下倣い制御によりワイヤ１０のワイヤ突出長が一定に制御される。その結果、ワイヤ１０の先端は前層ビードの表面５２をなぞったことになり、ワイヤ先端軌跡５３は継手全線に渡って前層ビードの表面高さを表すこととなる。
【０１１７】
同様に初層溶接では、ワイヤ突出長一定制御の結果、ワイヤ先端軌跡５３は開先底面５１の高さを表すこととなる。パソコン６の演算部３１は、この高さを継手の基準とする。
【０１１８】
そして、演算部３１は、２層目以降、各パス毎に基準線５１からの前層ビード表面高さについて溶接スタート直後からの変化を監視する。
【０１１９】
以下に積層ビード高さを一定にするための適正溶接速度を求める方法を２例示す。
【０１２０】
まず、第１の方法は、溶接中に常時、溶接スタート直後の初期状態と比較して一定のビード高さを保つ方法である。
【０１２１】
図１９（ａ）に示すように、溶接の進行に伴ってずれ量Δｈが発生するに従い、現在盛るべきビード高さが溶接スタート直後のｈからｈ’（＝ｈ＋Δｈ）に変化する。
【０１２２】
ウィービング幅については、図１９（ｂ）及び図１９（ｃ）に示すように、上述の開先左右倣い制御の結果、常に適正ウィービング幅となるため、演算部３１は、溶接スタート直後と溶接進行各時点におけるワイヤ先端高さでの開先幅ｗとｗ’を、このウィービング幅を用いて算出する。
【０１２３】
ここで、各パスの溶接速度を制御すべく溶接速度を操作するものとして、溶接スタート直後の溶接速度をＳ、溶接進行時点での溶接速度（適正溶接速度）をＳ’とする。すると、溶接中は、単位時間当たりの溶着金属量一定の関係から、（１）式が成立する。
【０１２４】
ｈ・ｗ・Ｓ＝ｈ’・ｗ’・Ｓ’    （１）式
故に、積層ビード高さを均一化する適正溶接速度は（２）式のように求められる。
Ｓ’＝ｈ・ｗ・Ｓ／（ｈ’・ｗ’）＝ｈ・ｗ・Ｓ／（（ｈ＋Δｈ）・ｗ’）  （２）式
演算部３１は、これら（１）式及び（２）式を用いて逐次適正溶接速度を算出する。
【０１２５】
次に、第２の方法は、溶接中の状態変化を一定間隔毎に監視し、この変化に対処することで、一定の積層ビード高さを保つ方法である。
【０１２６】
図２０（ａ）に示すように、溶接の状態を一定間隔で逐次見ていくと、溶接の進行に伴って前層ビード高さのずれ量が発生するに従い、現在盛るべきビード高さが溶接スタート直後のｈ0からｈ1、・・・ｈi、・・・ｈn-1、ｈnに変化する。ウィービングの幅については、図２０（ｂ）、図２０（ｃ）、図２０（ｄ）に示すように、上述の開先左右倣い制御の結果、常に適正ウィービング幅となるため、演算部３１は、溶接スタート直後と溶接進行各時点におけるワイヤ先端高さでの開先幅ｗiをこのウィービング幅を用いて算出する。すると、第ｎ−１番目及び第ｎ番目の監視点でのウィービング幅はそれぞれｗn-1、ｗnと求められる。ここで、溶接速度の制御を適当な間隔毎に段階的に操作するものとして、第ｎ−１番目及び第ｎ番目の監視点での溶接速度をＳn-1、Ｓnとする。すると、溶接中は、単位時間当たりの溶着金属量一定の関係から（３）式が成立する。
【０１２７】
ｈn-1・ｗn-1・Ｓn-1＝ｈn・ｗn・Ｓn        （３）式
故に、積層ビード高さを均一化する適正溶接速度は下記（４）式のように求められる。
【０１２８】
Ｓn＝ｈn-1・ｗn-1・Ｓn-1／（ｈn・ｗn）    （４）式
演算部３１は、これらの（３）式及び（４）式を用いて逐次適正溶接速度を算出する。
【０１２９】
そして、演算部３１はいずれかの方式で算出した適正溶接速度を実現すべく、溶接トーチ９の溶接方向１８への移動速度に関する所要の指令をロボットコントローラ８に入力する。これにより、積層ビード高さ一定のビードが形成される。
【０１３０】
このようにして、積層ビード高さ一定制御のための溶接条件（溶接速度）制御（図４のフローチャートにおけるステップＳ７）が遂行される。
【０１３１】
以上に説明したように、本実施の形態の自動アーク溶接システム及び方法によれば、開先左右倣い制御、開先上下倣い制御、及び溶接条件制御を含む積層ビート高さ一定制御を、溶接部画像センサ（ＣＣＤカメラ４）で撮像した溶接部の画像を利用して行うので、必要なセンサの数を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３２】
本発明の自動アーク溶接システムは多層盛の開先溶接を行うアーク溶接システムとして有用である。
【０１３３】
本発明の自動アーク溶接方法は多層盛の開先溶接を行うアーク溶接方法として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１３４】
【図１】本発明の実施の形態に係る自動アーク溶接方法を実施するためのム自動アーク溶接システムの構成を示す模式図である。
【図２】ＣＣＤカメラの配設位置を示す斜視図である。
【図３】溶接部を模式的に示す斜視図である。
【図４】積層ビード高さ一定制御の概要を示すフローチャートである。
【図５】開先の底幅が大きい場合におけるウィービングに伴うアーク高輝度部の形状変化を示す模式図であって、（ａ）はワイヤがウィービング中央位置に位置するときのアーク高輝度部の形状を示す図、（ｂ）はワイヤがウィービング右端に位置するときのアーク高輝度部の形状を示す図、（ｃ）はワイヤが開先面にほぼ接触するときのアーク高輝度部の形状を示す図である。
【図６】開先の底幅が大きい場合における電極−開先面間距離に対するアーク高輝度部長軸の傾斜角の変化を示すグラフである。
【図７】図７は開先の底幅が小さい場合における溶接部を模式的に示す斜視図である。
【図８】開先の底幅が小さい場合におけるウィービングに伴うアーク高輝度部の形状変化を示す模式図であって、（ａ）はワイヤがウィービング左端に到達したときのアーク高輝度部の形状を示す図、（ｂ）はワイヤがウィービング中央位置に到達したときのアーク高輝度部の形状を示す図、（ｃ）はワイヤがウィービング右端に到達したときのアーク高輝度部の形状を示す図である。
【図９】開先中心からの距離に対するアーク高輝度部の長短軸長比Ｐの変化を示すグラフである。
【図１０】開先の中心からの距離に対する長短軸長比Ｐの変化の測定例を示すグラフである。
【図１１】ＣＣＤカメラで撮像された溶接部の映像を示す画像であって、（ａ）は画像処理前の溶接部画像であり、（ｂ）は画像処理によって抽出された溶接トーチ先端位置及びワイヤ先端位置を表示した溶接部画像である。
【図１２】溶接部画像からワイヤ先端位置を抽出する画像処理の過程を示す画像であって、（ａ）は２値化後切り出したアーク高輝度部及びその周辺領域を示す画像、（ｂ）は（ａ）の画像をクローズ処理した画像、（ｃ）は（ｂ）の画像のアーク高輝度部の切欠部を抽出した画像、（ｄ）は（ｃ）の画像における切欠部の領域重心を示す画像である。
【図１３】溶接部画像から溶接トーチ先端位置を抽出する画像処理の過程を示す画像であって、（ａ）は溶接トーチ探索領域として切り出す領域が示された溶接部画像、（ｂ）は（ａ）の画像から切り出された溶接トーチ探索領域を示す画像、（ｃ）は（ｂ）の画像を画質改善した画像、（ｄ）は（ｃ）溶接トーチ先端位置を示す画像である。
【図１４】開先上下倣い制御の機能確認試験における溶接箇所を示す模式図である。
【図１５】開先上下倣い制御の機能確認試験における教示内容を示す模式図である。
【図１６】ずらし量を上側に与えた場合における機能確認試験の結果を示す図であって、（ａ）は溶接距離に対する高さ倣い軌跡等を示すグラフ、（ｂ）は高さ方向ずらし量を示す模式図である。
【図１７】ずらし量を下側に与えた場合における機能確認試験の結果を示す図であって、（ａ）は溶接距離に対する高さ倣い軌跡等を示すグラフ、（ｂ）は高さ方向ずらし量を示す模式図である。
【図１８】積層ビード高さ一定制御の概念を示す模式図である。
【図１９】適正溶接速度を求める第１の方法における開先幅の変動による所要ビード断面積の変化を示す図であって、（ａ）は前層ビード高さの変化を示す図、（ｂ）は溶接スタート直後における所要ビード断面積を示す図、（ｃ）は溶接進行時点における所要ビード断面積を示す図である。
【図２０】適正溶接速度を求める第２の方法における開先幅の変動による所要ビード断面積の変化を示す図であって、（ａ）は前層ビード高さの変化を示す図、（ｂ）は溶接スタート直後における所要ビード断面積を示す図、（ｃ）は第ｎ−１番目の監視点における所要ビード断面積を示す図、（ｄ）は第ｎ番目の監視点における所要ビード断面積を示す図である。
【符号の説明】
【０１３５】
１  溶接装置
２  ロボット
３  自動アーク溶接制御装置
４  ＣＣＤカメラ
５  ＣＣＵ
６  パソコン
７  アーム
７ａ  手先部
８  ロボットコントローラ
９  溶接トーチ
１０  ワイヤ
１０ａ  ワイヤ先端
１１  溶接電源
１２  被溶接物
１３  開先
１４  アーク（アーク高輝度部）
１５  溶融池
１６  裏当金
１７  ビード
１８  溶接方向
１９  開先の幅方向
３１  演算部
３２  記憶部
３３  入力部
３４  表示部
４１  溶接開始教示点
４２  溶接終了教示点
５１  基準線（開先底面）
５２  ｉ−１層表面
５３  ワイヤ先端軌跡
５４  ｉ層表面
５４’  積層予定ビード
１０１  自動アーク溶接システム
ａ  長軸長
ｂ  短軸長
Ｇ  重心
Ｌ  長軸
ＲＧ  ルートギャップ
Ｓ、Ｓ’  溶接速度
ｗ、ｗ’  開先幅
θ  傾斜角
【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１１】
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【図１２】
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【図１３】
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