(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接体上の溶接経路上の複数の点をサンプリングしてこの各点の座標を計測し、溶接経路を認識する溶接経路認識手段を備えた自動溶接装置において、
前記座標の計測データのうち、当該の座標と前記溶接経路を近似する連続曲線の式で表される経路との隔たりが所定のしきい値を越えない計測データによって式を特定する定数値を決定し、この決定した曲線式で表される経路を、正規の溶接経路とする溶接経路補正手段を備えたことを特徴とする自動溶接装置。
【請求項２】
請求項１に記載の自動溶接装置において、
前記溶接経路が１または複数の区間に分けられ、該区間ごとに前記曲線式の座標の２次元分の座標の相互の関係が１次または複数次の代数式で表現されてなることを特徴とする自動溶接装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の自動溶接装置において、
溶接の開始にあたり溶接トーチの電極の先端の位置を計測する手段と、
この先端位置の計測データ用い、前記電極の先端に、前記の正規の溶接経路と所定長のギャップを保つ空間経路を辿らせて溶接を行わせる手段とを備えたことを特徴とする自動溶接装置。
【請求項４】
請求項３に記載の自動溶接装置において、
前記溶接を行わせる手段が、前記溶接トーチを移動する多関節ロボットを備えたことを特徴とする自動溶接装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の自動溶接装置において、
前記溶接経路認識手段が、被溶接体上の前記溶接経路を撮像し、少なくとも該溶接経路についての前記撮像の光軸に直交する方向の位置を求める第１の位置認識手段と、
前記溶接経路についての前記撮像の光軸方向の位置に関わる距離を非接触で求める第２の位置認識手段とを備えたことを特徴とする自動溶接装置。
【請求項６】
請求項５に記載の自動溶接装置において、
前記溶接経路の認識が該溶接経路を辿って行われるように、前記被溶接体と、
少なくとも前記第１，第２の位置認識手段との相対位置を可変させる相対位置可変駆動手段を備えたことを特徴とする自動溶接装置。
【請求項７】
請求項５または６に記載の自動溶接装置において、
前記第１の位置認識手段がカラー画像から前記溶接経路を識別することを特徴とする自動溶接装置。
【請求項８】
請求項５ないし７のいずれかに記載の自動溶接装置において、
前記第２の位置認識手段がレーザ変位計からなることを特徴とする自動溶接装置。
【請求項９】
請求項６ないし８のいずれかに記載の自動溶接装置において、
前記相対位置可変駆動手段が、前記被溶接体を所定の一軸を中心に回転させるものであることを特徴とする自動溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は予め被溶接体上の溶接すべき経路上の各点の位置をサンプリングによって自動的に測定し、その測定した位置データから得られた溶接経路に沿い溶接トーチを多関節ロボットを介し自動的に移動して溶接を行う自動溶接装置であって、
特に溶接部における開先の有無やバリ，キズ等の存在の影響を受けずに適正な溶接経路を自動認識し、且つ溶接電極の消耗等による溶接ギャップ量の変化を防ぐ機能を備えた自動溶接装置に関する。
【０００２】
なお、以下各図において同一の符号は同一もしくは相当部分を示す。
【０００３】
【従来の技術】
溶接の対象物には多種多様のものがあるが、ここでは図６に示す例で説明する。図６（ａ）は円柱１と半円柱２を破線部で溶接する前の状態を示す。また同図（ｂ）はこの両者１と２を組み合わせて溶接した状態を示し、３が溶接部（溶接経路）である。
【０００４】
このような溶接例の場合、従来は人が溶接トーチを溶接部３に当てがって溶接経路３に沿って溶接していた。
これをロボット等で自動的に溶接しようとすると溶接経路３を三次元的に認識する必要がある。このような技術の一例として、本出願人の先願になる特許願２０００−３０３６３５号の技術がある。次に図４，図５を用いてこの先願発明の技術を説明する。
【０００５】
図４は、溶接を行う前に溶接経路を自動認識する装置の構成を示す。本例では被溶接体を図６に示した円柱１と半円柱２として溶接経路３に沿って溶接を行うものとする。
図４において１４は回転テーブルで、この回転テーブル１４は水平なテーブル面１４ａ上に被溶接体１と２を組合わせた状態で載せながら、鉛直な回転軸１４ｂを中心とし、回転テーブルコントローラ１５によって、所定の回転速度で回転されるものとする。
【０００６】
７はカラーＣＣＤカメラからなる画像センサ、９はレーザ光線１０を発して対象物までの距離を測定するレーザ変位計であり、この画像センサ７とレーザ変位計９のそれぞれの光軸は回転テーブル１４の回転軸１４ｂを含む同一の鉛直面内に置かれているものとする。
画像センサ７は、被溶接体１、２側を撮像して被溶接体１と２との境界である溶接経路３を被溶接体１と２との色の差から認識し、前記鉛直面と溶接経路３が交わる点Ｐのテーブル面１４ａからの高さＨを所定のサンプリング周期（例えば０．１秒）で測定する。
【０００７】
また、レーザ変位計９は、本例ではレーザ変位計９の本体の位置から上記の点Ｐまでの水平距離Ｄを上記のサンプリングに同期して測定する。
なお、Ｌ１は前記鉛直面がテーブル面１４ａを含む平面と交わってできる線の一部でＯはこの線Ｌ１と回転軸１４ｂとの交点としての回転中心である。
また、Ｌ２は前記鉛直面が円柱１の外周面と交わってできる線で、本例では線Ｌ２の下端が点Ｐとなる。
【０００８】
このようにして画像センサ７、レーザ変位計９、及び回転テーブルコントローラ１５と接続された溶接経路認識装置１１は、回転テーブル１４の回転角度θに応じてサンプリングされた、溶接経路３上の点Ｐについての高さＨ及び水平距離Ｄのデータを、溶接経路３の位置の認識データとして受信し記憶する。この溶接経路３の位置認識は回転テーブル１４が１回転すると完了する。
【０００９】
図５は次に実際の溶接を行う装置の構成を示す。同図においては図４の画像センサ７、レーザ変位計９、経路認識装置１１に代わって、多関節ロボット４（例えば５軸のアームを持つ）と、このロボット４の先端に取付けられた溶接トーチ５（例えばＴＩＧ方式）と、溶接トーチ５の電極６の先端６ａにアークを発生させて溶接電流を流す溶接電源１６と、多関節ロボット４、回転テーブルコントローラ１５、溶接電源１６を制御するロボットコントローラ１７とが示されている。
【００１０】
なおロボットコントローラ１７には、予め図４の経路認識装置１１から、回転テーブル１４の回転角度θに応じた溶接経路３の三次元の位置データが送られている。
これにより、ロボットコントローラ１７は回転テーブル１４を回転テーブルコントローラ１５を介して回転させつつ、多関節ロボット４及び溶接電源１６を制御し、溶接トーチ５の電極先端６ａをを溶接経路３に当てがってこの経路３に沿い自動的に溶接していく。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の溶接方式には次のような問題があった。
▲１▼被溶接体の溶接経路３の近傍にはバリやキズ等が存在することがあり、これらが原因で溶接経路の認識精度が低下することがある。
▲２▼溶接品質への影響が大きいトーチ電極６の先端６ａと溶接箇所とのギャップが電極交換や溶接による電極先端の消耗により変化する。
【００１２】
そこで本発明は、被溶接体上のバリ，キズ等による認識精度の低下を防いで自動的に溶接経路を認識すると共に、溶接用電極の交換や消耗による電極先端位置のズレを自動的に補正し、トーチ先端と被溶接体との間のギャップ量を一定に保つことができる自動溶接装置を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１の自動溶接装置は、
被溶接体（円柱１，半円柱２などの）上の溶接経路（３などの）上の複数の点をサンプリングしてこの各点の座標を計測し、溶接経路を認識する溶接経路認識手段（溶接経路認識装置１２のうちエラーデータ補正機能を除いた部分）を備えた自動溶接装置において、
前記座標の計測データのうち、当該の座標と前記溶接経路を近似する連続曲線の式で表される経路との隔たりが所定のしきい値を（越える計測データの割合が所定値以下であるように）越えない計測データによって式を特定する定数値を決定し、この決定した曲線式で表される経路を、正規の溶接経路とする溶接経路補正手段（溶接経路認識装置１２のうちエラーデータ補正機能の部分）を備えたものとする。
【００１４】
また請求項２の自動溶接装置は、請求項１に記載の自動溶接装置において、
前記溶接経路が１または複数の区間に分けられ、該区間ごとに前記曲線式の座標の２次元分の座標の相互の関係が１次または複数次の代数式（ｃｏｓ2 θ＝ａＺ2 ＋ｂＺ＋ｃ（但し、θ：角度座標、Ｚ：高さ座標、ａ，ｂ，ｃ：定数）など）で表現されてなるようにする。
【００１５】
また請求項３の自動溶接装置は、請求項１または２に記載の自動溶接装置において、
溶接の開始にあたり溶接トーチ（５）の電極（６）の先端（６ａ）の位置を計測する手段（画像センサ８、先端位置検出装置１３など）と、
この先端位置の計測データ用い、前記電極の先端に、前記の正規の溶接経路と所定長のギャップを保つ空間経路を辿らせて溶接を行わせる手段（ロボットコントローラ１７など）とを備えたものとする。
【００１６】
また請求項４の自動溶接装置は、請求項３に記載の自動溶接装置において、
前記溶接を行わせる手段が、前記溶接トーチを移動する多関節ロボット（４）を備えたものとする。
また請求項５の自動溶接装置は、請求項１ないし４のいずれかに記載の自動溶接装置において、
前記溶接経路認識手段が、被溶接体上の前記溶接経路を撮像し、少なくとも該溶接経路についての前記撮像の光軸に直交する方向の位置を求める第１の位置認識手段と、
前記溶接経路についての前記撮像の光軸方向の位置に関わる距離を非接触で求める第２の位置認識手段とを備えたものとする。
【００１７】
また請求項６の自動溶接装置は、請求項５に記載の自動溶接装置において、
前記溶接経路の認識が該溶接経路を辿って行われるように、前記被溶接体と、少なくとも前記第１，第２の位置認識手段との相対位置を可変させる相対位置可変駆動手段を備えたものとする。
また請求項７の自動溶接装置は、請求項５または６に記載の自動溶接装置において、
前記第１の位置認識手段がカラー画像から前記溶接経路を識別する（画像センサ７である）ようにする。
【００１８】
また請求項８の自動溶接装置は、請求項５ないし７のいずれかに記載の自動溶接装置において、
前記第２の位置認識手段がレーザ変位計（９）からなるようにする。
また請求項９の自動溶接装置は、請求項６ないし８のいずれかに記載の自動溶接装置において、
前記相対位置可変駆動手段が、前記被溶接体を所定の一軸（回転軸１４ｂ）を中心に回転させるもの（回転テーブル１４，回転テーブルコントローラ１５など）であるようにする。
【００１９】
本発明の作用は次のごとくである。即ち、本発明では、予め複雑な溶接経路を認識させるためＣＣＤカメラを用いたカラー画像センサと固定式レーザ変位計を用い、被溶接体を回転テーブル上で回転させてながら、被溶接体上の回転角度に応じた溶接箇所の位置を計測して溶接経路を認識するが、特にこの際、個々の位置計測値を直接に溶接経路上の位置とするのではなく、被溶接体の溶接部の形状を考慮した溶接経路を近似する連続曲線の代数式を定める定数を位置計測値によって決定し、この決定した近似式で表される連続曲線を正規の溶接経路として認識するようにする。
【００２０】
なお、この式の決定にあたっては、式で表される連続曲線と実測された個々の位置計測値との隔たりをしらべ、バリ，キズ等による異常と推定される位置データ（エラーデータ）を判別し除去する。
さらに、溶接を実施する前に多関節ロボットに取付けた溶接トーチの電極の先端位置を画像センサで計測し、その計測データを、正規に認識した上述の溶接経路の三次元位置データと共に、多関節ロボットに送り込むことで、溶接トーチの電極先端と被溶接体とのギャップ量を一定に保ちつつ溶接経路に辿らせて溶接を自動的に行うようにする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は、本発明の１実施例としての、溶接前に必要な溶接経路の自動認識を行うシステムの構成を示す。同図において、回転テーブル１４に載せられた被溶接体（本例では円柱１と半円柱２）の周辺には図４と同様に画像センサ７とレーザ変位計９が設置されている。
【００２２】
回転テーブル１４を回転テーブルコントローラ１５によって回転させ、回転テーブル１４、従って被溶接体を計測すべき回転角度θの位置で停止させ、図４の場合と同様に、画像センサ７およびレーザ変位計９の光軸と回転テーブル１４の回転軸１４ｂが含まれる鉛直面と溶接経路３とが交わる点Ｐ（計測点という）についての高さを画像センサ７で、同じく計測点Ｐについての水平距離をレーザ変位計９で順次計測し、この計測データをエラーデータ処理機能付きの溶接経路認識装置１２ヘ送る。このような計測を回転テーブル１４の回転角度θのいくつかのサンプリング角度、本例では回転角度θの１０°きざみの角度毎に実施し、テーブル１４が１回転すると計測は完了する。
【００２３】
図２は、図１のエラーデータ処理機能付溶接経路認識装置１２が計測値から正規の溶接経路を認識する手順を示し、Ｓ１〜Ｓ５はステップ番号を示す。
即ち、溶接経路認識装置１２は上記のように溶接経路３についての全ての計測値を取得すると（ステップＳ１）、この各計測値から以下に述べる曲線近似の方法により溶接経路３を算出する（ステップＳ２）。
【００２４】
即ち、この溶接経路の算出には，被溶接体の形状を考慮した式を使用している。本実施例では被溶接体が鞍型を呈しているため、回転テーブル１４の回転角度θを４分割した後述の区間ごとに、回転角度θ、この場合ｃｏｓθと高さＺとの関係が、下式のような２次式で表される連続曲線により溶接経路３を近似することができる。
【００２５】
【数１】
ｃｏｓ2 θ＝ａＺ2 ＋ｂＺ＋ｃ
但し、  ａ，ｂ，ｃ：定数
この式と計測データとから最小二乗法で定数ａ，ｂ，ｃを定め、溶接経路３を表す式を算出する。
【００２６】
この式の算出は、回転テーブル１４の１周を４分割して、θ＝０〜８０°，９０〜１７０°，１８０〜２６０°，２７０〜３５０°の区間毎に行う。
次に、計測値内のエラーデータを判別して（ステップＳ３）、エラーデータの除去を行う（ステップＳ４）。
このエラーデータの判別方法は、上記の全周を４つに分割した各区間毎に、計測値とこの計測値に対応する算出溶接経路上の点との差が最も大きな計測値を探して、前記の差がしきい値を越える場合は当該の計測値をエラーデータとして除去する。
【００２７】
計測値を除去した場合は、再度、溶接経路を算出し直し、上記と同様に算出溶接経路と計測値の差を求めてエラーデータの有無を調べる。
ここで、エラーデータが無い場合には、この算出溶接経路を正規の溶接経路として溶接を行うが、再びエラーデータが存在する場合には、最初から計測をやり直す。
【００２８】
つまり、溶接品質を確保するため、分割区間毎のエラーデータの除去は１個までとし、それ以上にエラーデータがあった場合には再度計測を行う。
このようにして全周分の正規の溶接経路３を決定する（ステップＳ５）。
（実施の形態２）
図３は本発明によって図１の被溶接体１，２に実際に溶接を行う際の構成を示す。図３では図５におけるロボットコントローラ１７に図１で述べたエラーデータ処理機能付溶接経路認識装置１２が接続され、さらに多関節ロボット４に取り付けた溶接トーチ５の電極６の先端６ａの位置を画像センサ８を介して検出する先端位置検出装置１３が接続されている。
【００２９】
トーチ電極６の先端６ａは、溶接による消耗や電極６の交換により位置（トーチ５からの突出し量）が変化する（例えば、１回の溶接による電極先端６ａの消耗量は数１０μｍ程度）。
トーチ電極先端６ａのトーチ５からの突出し量は、電極６の交換時は治具を使用することで大まかには設定できる。
【００３０】
一方，電極先端６ａと被溶接体の溶接部とのギャップ量は、±０．１ｍｍ程度の精度が要求される。
本発明ではギャップ量を要求精度に保つために、ロボットコントローラ１７へは溶接前に溶接経路認識装置１２から実施の形態１で述べたように算出された溶接経路３のデータを送ると共に、別に画像センサ８と先端位置検出装置１３によりトーチ電極先端６ａの位置の計測も行って、この位置計測データも先端位置検出装置１３からロボットコントローラ１７へ送る。
【００３１】
ロボットコントローラ１７は、上記の２つのデータからトーチ電極先端６ａが被溶接体の溶接箇所から設定したギャップ量だけ離れた空間座標を占めるように電極先端６ａの初期の位置決めを行う。そして以後は回転テーブル１４をコントローラ１５で回転させつつ、このギャップ量を一定に保つようにトーチ電極先端６ａを正規の溶接経路３に沿って移動しながら溶接電源１６を働かせ、自動的に溶接していく。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、溶接経路上のサンプリングした複数の点についての、カラー画像センサとレーザ変位計を介し計測した位置計測値を用いて、溶接部の形状を考慮して溶接経路を近似する連続曲線の式を定める定数を決定し、この決定した式で表される連続曲線を正規の溶接経路と認識するようにしたので、
被溶接体上に位置認識上の特徴となる開先が無くても溶接経路が識別できて位置計測値が得られると共に、被溶接体上のバリ，キズ等の影響を受けることなく適正な溶接経路を認識することができる。
【００３３】
さらに、溶接を実施する前に、多関節ロボットに取付けた溶接トーチの±０．１ｍｍの位置決め精度が要求される電極先端位置を画像センサを介し±０．０２ｍｍの精度で計測し、トーチ電極先端と溶接経路とのギャップ量を補正して上記のように認識した正規の溶接経路をトーチ電極に辿らせて溶接するようにしたので、
溶接時におけるトーチ電極先端位置と被溶接体のギャップ量を一定に保ち、溶接品質を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に関わる発明の一実施例としての構成を示す図
【図２】図１の要部の動作手順を示すフローチャート
【図３】実施の形態２に関わる発明の一実施例としての構成を示す図
【図４】図１に対応する従来の構成図
【図５】図３に対応する従来の構成図
【図６】被溶接体の溶接前と溶接後の状態の例を示す図
【符号の説明】
１                円柱
２                半円柱
３                溶接部（溶接経路）
４                多関節ロボット
５                溶接トーチ
６                溶接電極
６ａ              電極先端
７，８            画像センサ
９                レーザ変位計
１０              レーザ光線
１２              エラーデータ処理機能付溶接経路認識装置
１３              先端位置検出装置
１４              回転テーブル
１４ａ            テーブル面
１４ｂ            回転軸
１５              回転テーブルコントローラ
１６              溶接電源
１７              ロボットコントローラ
Ｐ              溶接経路上の点
Ｈ              点Ｐの高さ
Ｄ              点Ｐの水平距離
θ              回転テーブルの回転角
【図１】
0003937814.tif 000002
【図２】
0003937814.tif 000003
【図３】
0003937814.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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