(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状に直線部および曲線部を有する鋼管の外周を移動する溶接ロボットにより前記鋼管を溶接する溶接システムであって、
前記鋼管から前記溶接ロボットまでの距離を測定する測定手段と、
前記測定手段による測定の結果に基づき、前記曲線部の形状を示す曲線部形状情報を特定する特定手段と、
を備え、
前記特定手段は、前記溶接ロボットの移動に伴って前記測定手段により測定された前記距離が変化した場合に、前記溶接ロボットの移動経路上の位置を示すロボット位置情報を用いて前記曲線部の一端と他端との間の曲線部中央位置を取得することにより、前記曲線部形状情報を特定することを特徴とする溶接システム。
【請求項２】
断面形状に直線部および曲線部を有する鋼管の外周に沿った移動経路上を移動する溶接ロボットにより前記鋼管を溶接する溶接システムであって、
前記鋼管から前記溶接ロボットまでの距離を測定する測定手段と、
記憶手段と、
少なくとも前記移動経路の形状を示す移動経路形状情報を前記記憶手段に記憶させる記憶制御手段と、
前記測定手段による測定の結果に基づき、前記曲線部の形状を示す曲線部形状情報を特定する特定手段と、
を備え、
前記記憶制御手段は、前記溶接ロボットの前記移動経路上の位置をそれぞれ示す複数のロボット位置情報と、前記ロボット位置情報で示される複数の位置それぞれで前記測定手段が測定した距離をそれぞれ示す複数の距離情報と、をそれぞれ対応付けて位置距離情報として前記記憶手段に記憶させ、
前記特定手段は、前記記憶手段に記憶された前記移動経路形状情報及び前記位置距離情報を用い、前記曲線部形状情報を特定することを特徴とする溶接システム。
【請求項３】
前記特定手段は、前記記憶手段に記憶された前記移動経路形状情報及び前記位置距離情報を用いて前記曲線部の一端と他端との間の曲線部中央位置を取得することにより、前記曲線部形状情報を特定することを特徴とする請求項２に記載の溶接システム。
【請求項４】
前記特定手段は、前記溶接ロボットの移動に伴って前記測定手段により測定された距離が長くなり始めた場合の前記ロボット位置情報が示す位置を変化開始位置とし、その後の前記溶接ロボットの移動に伴って前記測定手段により測定された距離が変化しなくなり始めた場合の前記ロボット位置情報が示す位置を変化終了位置とし、前記変化開始位置および前記変化終了位置に基づき、前記曲線部中央位置を取得することを特徴とする請求項１または請求項３に記載の溶接システム。
【請求項５】
前記特定手段は、取得した前記曲線部中央位置に基づいて前記曲線部の両端にある曲線部開始点及び曲線部終了点を求めることにより、前記曲線部形状情報を特定することを特徴とする請求項１、請求項３、および請求項４のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項６】
前記曲線部形状情報は、前記曲線部の曲率中心、又は、前記曲線部の曲率半径を含むことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項７】
前記溶接ロボットは、前記溶接ロボットの移動経路に沿って移動する台車を有し、
前記測定手段が測定する距離は、前記台車の移動方向に垂直な方向の距離であることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載の溶接システム。
【請求項８】
前記測定手段が、前記台車に設けられていることを特徴とする請求項７に記載の溶接システム。
【請求項９】
断面形状に直線部および曲線部を有する鋼管の外周に、所定の移動経路に沿って移動する台車を有する溶接ロボットを設置する準備工程と、
前記鋼管の前記曲線部に臨む区間で、前記台車を前記移動経路に沿って移動させつつ、前記移動経路上の複数の台車位置で、それぞれ前記台車から前記鋼管までの距離を示す台車距離を検出し、検出した前記台車距離と前記台車位置とを対にして位置距離情報として記録する検出工程と、
前記位置距離情報に基づいて、前記曲線部の形状を示す曲線部形状情報を演算する演算工程と、を有し、
前記準備工程では、前記移動経路の形状を示す移動経路形状情報を記憶しておき、
前記検出工程では、前記移動経路の直交方向に前記台車から前記鋼管までの距離を検出し、
前記演算工程では、前記位置距離情報および前記移動経路形状情報に基づいて、複数の前記台車位置ごとに、前記台車位置から前記移動経路の直交方向に前記台車距離だけ離れた点を求め、得られた複数の点を近似処理して前記曲線部形状情報を演算する、鋼管形状特定方法。
【請求項１０】
前記曲線部は円弧状であり、
前記演算工程の前記近似処理は最小二乗法による円弧近似であり、
前記曲線部形状情報として前記曲線部の曲率中心および曲率半径を求める
請求項９に記載の鋼管形状特定方法。
【請求項１１】
前記曲線部形状情報として前記曲線部の軌跡を求め、
前記位置距離情報として記録された複数の前記台車距離および前記台車位置の対のうち、前記台車距離が最大値または最小値となる対を選択し、選択した対の前記台車位置を通り前記移動経路に直交する対称線を求め、
前記対称線と前記軌跡の交点を曲線部中央位置とし、
前記鋼管の前記曲線部を挟む一対の前記直線部のなす中心角を求め、
前記軌跡上で前記対称線に対して前記中心角の２分の１となる曲線部開始点および曲線部終了点を求める、
請求項１０に記載の鋼管形状特定方法。
【請求項１２】
前記曲線部の曲率中心が、前記移動経路の曲率中心よりも前記鋼管の内側にあるとき、
前記曲線部開始点を変化開始位置とし、前記曲線部終了点を変化終了位置とする、
請求項１１に記載の鋼管形状特定方法。
【請求項１３】
前記曲線部の曲率中心が、前記移動経路の曲率中心よりも前記鋼管の外側にあるとき、
前記移動経路上で前記対称線に対して前記中心角の２分の１となる移動経路側開始点および移動経路側終了点を変化開始位置および変化終了位置とする、
請求項１１に記載の鋼管形状特定方法。
【請求項１４】
前記台車が、前記移動経路上を通りかつ互いに所定距離離れた一対の支持点を有し、
前記台車距離が、一対の前記支持点を結ぶ線分の中点から前記支持点を結ぶ線分に直交する方向に前記鋼管までの距離である、
請求項９から請求項１３のいずれか一項に記載の鋼管形状特定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は溶接システムおよび鋼管形状特定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高層ビルなどの大型建築物には、角形鋼管を継ぎ足して形成された角形鋼管柱が用いられている。このような角形鋼管の継ぎ足しには、走行レールに沿って鋼管柱の周囲を巡回する溶接ロボットを有する溶接システムが利用される（特許文献１参照）。
溶接ロボットで角形鋼管を継ぎ足す際には、先ず、継ぎ足す角形鋼管の端部にそれぞれエレクションピースを形成し、エレクションピースどうしを建て入れ治具で仮止めしておく。次に、建て入れ治具で仕切られた区間毎に溶接ロボットを設置し、区間毎に所定パス数の初期溶接を行ってゆく。全ての区間で初期溶接が終了したら、エレクションピースから建て入れ治具を撤去し、角形鋼管の継ぎ目の全周にわたって残りの複数パスの溶接を行い、全ての溶接が終了した後にエレクションピースを除去する（特許文献２参照）。
【０００３】
溶接ロボットで自動溶接を行う際には、溶接速度（単位時間あたりの溶接長さ）を一定にして溶接品質を安定化させることが好ましい。ただし、角形鋼管は一般に角部が断面円弧状のアールとされ、溶接ロボットの走行レールにも角形鋼管のアールに沿った円弧状のカーブが形成される。このようなカーブでは、角形鋼管の平坦部に沿った走行レールの直線部分に対して、溶接ロボットの走行速度が一定であっても溶接速度が変動し、安定した溶接品質が得られないことがある。
これに対し、角形鋼管および走行レールの形状に基づいて溶接ロボットの移動速度を制御することで、溶接速度を一定化して溶接品質を安定化することがなされている（特許文献３参照）。
【０００４】
特許文献３の溶接ロボットでは、溶接ロボットの台車から角形鋼管までの距離を測定し、測定された距離に応じて台車の走行速度を演算して記憶しておき、台車を走行させる際に位置に応じた走行速度を読み出して台車の速度を制御する（特許文献３段落００２２，００３７，００４１，００４２参照）。これにより、角形鋼管の平坦部（直線部）から円弧状の角部（曲線部）までの溶接速度を一定化している。
角形鋼管の角部（コーナ部）では、角形鋼管および走行レールの形状によって３つの配置関係が生じる（特許文献３段落００２４〜００２８参照）。すなわち、角形鋼管と走行レールとの曲線部の曲率中心が一致しており、各々の曲線部の範囲が同じとなる場合（特許文献３図４（ａ）参照）、走行レールの曲率中心が角形鋼管の曲率中心よりも角形鋼管の内側にあり、走行レールの曲線部が角形鋼管の直線部まではみ出している場合（同図４（ｂ）参照）、走行レールの曲率中心が角形鋼管の曲率中心よりも角形鋼管の外側にあり、角形鋼管の曲線部が走行レールの直線部まではみ出している場合（同図４（ｃ）参照）がある。特許文献３の溶接ロボットでは、これらの各々に対応可能である。
【０００５】
なお、特許文献３の溶接ロボットでは、台車と鋼管との距離を測定したのち、演算した溶接速度を記録するが、距離は記録していない。
また、特許文献３の溶接ロボットでは、角形鋼管の大きさ（外形寸法等）、直線部や曲線部等の寸法（大きさや中心位置等）と、使用するガイドレールの直線ユニット、コーナユニットの曲線部の寸法（大きさや中心位置等）が予め記録されている（特許文献３段落００２３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５９４８５２１号公報
【特許文献２】特開２０１８−５３６２６号公報
【特許文献３】特開２０１８−５８０７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前述した特許文献３の溶接ロボットでは、台車と鋼管との距離の測定は、専ら溶接速度の演算に用いられ、曲線部の形状情報とくに曲率半径や曲率中心位置、直線部との境界位置（曲線部の開始点および終了点）の識別には不十分である。
また、特許文献３における角形鋼管情報記憶部は、予め曲線部の形状情報が記憶されるが、その形状情報を準備して記憶させる作業が必要であるうえ、公称寸法であるため製造誤差への対応が不十分である。
特許文献３とは別に、溶接ロボットを鋼管に設置し、台車をレールに沿って移動させ、レールの曲線部および鋼管の曲線部をユーザがティーチングすることも行われる。しかし、溶接作業のつどティーチングが必要であり、煩雑さが避けられなかった。
そこで、鋼管において、直線部とは異なる曲線部の処理を行うために、曲線部の正確な形状および範囲を効率よく測定することが求められていた。
【０００８】
本発明の目的は、鋼管の曲線部の正確な形状および範囲を効率よく測定できる溶接システムおよび鋼管形状特定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の溶接システムは、断面形状に直線部および曲線部を有する鋼管の外周を移動する溶接ロボットにより前記鋼管を溶接する溶接システムであって、前記鋼管から前記溶接ロボットまでの距離を測定する測定手段と、前記測定手段による測定の結果に基づき、前記曲線部の形状を示す曲線部形状情報を特定する特定手段と、を備え、前記特定手段は、前記溶接ロボットの移動に伴って前記測定手段により測定された前記距離が変化した場合に、前記溶接ロボットの移動経路上の位置を示すロボット位置情報を用いて前記曲線部の一端と他端との間の曲線部中央位置を取得することにより、前記曲線部形状情報を特定することを特徴とする。
【００１０】
本発明の溶接システムは、断面形状に直線部および曲線部を有する鋼管の外周に沿った移動経路上を移動する溶接ロボットにより前記鋼管を溶接する溶接システムであって、前記鋼管から前記溶接ロボットまでの距離を測定する測定手段と、記憶手段と、少なくとも前記移動経路の形状を示す移動経路形状情報を前記記憶手段に記憶させる記憶制御手段と、前記測定手段による測定の結果に基づき、前記曲線部の形状を示す曲線部形状情報を特定する特定手段と、を備え、前記記憶制御手段は、前記溶接ロボットの前記移動経路上の位置をそれぞれ示す複数のロボット位置情報と、前記ロボット位置情報で示される複数の位置それぞれで前記測定手段が測定した距離をそれぞれ示す複数の距離情報と、をそれぞれ対応付けて位置距離情報として前記記憶手段に記憶させ、前記特定手段は、前記記憶手段に記憶された前記移動経路形状情報及び前記位置距離情報を用い、前記曲線部形状情報を特定することを特徴とする。
【００１１】
本発明の溶接システムにおいて、前記特定手段は、前記記憶手段に記憶された前記移動経路形状情報及び前記位置距離情報を用いて前記曲線部の一端と他端との間の曲線部中央位置を取得することにより、前記曲線部形状情報を特定することが好ましい。
【００１２】
本発明の溶接システムにおいて、前記特定手段は、前記溶接ロボットの移動に伴って前記測定手段により測定された距離が長くなり始めた場合の前記ロボット位置情報が示す位置を変化開始位置とし、その後の前記溶接ロボットの移動に伴って前記測定手段により測定された距離が変化しなくなり始めた場合の前記ロボット位置情報が示す位置を変化終了位置とし、前記変化開始位置および前記変化終了位置に基づき、前記曲線部中央位置を取得することが好ましい。
【００１３】
本発明の溶接システムにおいて、前記特定手段は、取得した前記曲線部中央位置に基づいて前記曲線部の両端にある曲線部開始点及び曲線部終了点を求めることにより、前記曲線部形状情報を特定することが好ましい。
【００１４】
本発明の溶接システムにおいて、前記曲線部形状情報は、前記曲線部の曲率中心、又は、前記曲線部の曲率半径を含むことが好ましい。
【００１５】
本発明の溶接システムにおいて、前記溶接ロボットは、前記溶接ロボットの移動経路に沿って移動する台車を有し、前記測定手段が測定する距離は、前記台車の移動方向に垂直な方向の距離であることが好ましい。
【００１６】
本発明の溶接システムにおいて、前記測定手段が、前記台車に設けられていることが好ましい。
【００１７】
本発明の鋼管形状特定方法は、断面形状に直線部および曲線部を有する鋼管の外周に、所定の移動経路に沿って移動する台車を有する溶接ロボットを設置する準備工程と、前記鋼管の前記曲線部に臨む区間で、前記台車を前記移動経路に沿って移動させつつ、前記移動経路上の複数の台車位置で、それぞれ前記台車から前記鋼管までの距離を示す台車距離を検出し、検出した前記台車距離と前記台車位置とを対にして位置距離情報として記録する検出工程と、前記位置距離情報に基づいて、前記曲線部の形状を示す曲線部形状情報を演算する演算工程と、を有する。
【００１８】
本発明の鋼管形状特定方法において、前記準備工程では、前記移動経路の形状を示す移動経路形状情報を記憶しておき、前記検出工程では、前記移動経路の直交方向に前記台車から前記鋼管までの距離を検出し、前記演算工程では、前記位置距離情報および前記移動経路形状情報に基づいて、複数の前記台車位置ごとに、前記台車位置から前記移動経路の直交方向に前記台車距離だけ離れた点を求め、得られた複数の点を近似処理して前記曲線部形状情報を演算することが好ましい。
【００１９】
本発明の鋼管形状特定方法において、前記曲線部は円弧状であり、前記演算工程の前記近似処理は最小二乗法による円弧近似であり、前記曲線部形状情報として前記曲線部の曲率中心および曲率半径を求めることが好ましい。
【００２０】
本発明の鋼管形状特定方法において、前記曲線部形状情報として前記曲線部の軌跡を求め、前記位置距離情報として記録された複数の前記台車距離および前記台車位置の対のうち、前記台車距離が最大値または最小値となる対を選択し、選択した対の前記台車位置を通り前記移動経路に直交する対称線を求め、前記対称線と前記軌跡の交点を曲線部中央位置とし、前記鋼管の前記曲線部を挟む一対の前記直線部のなす中心角を求め、前記軌跡上で前記対称線に対して前記中心角の２分の１となる曲線部開始点および曲線部終了点を求めることが好ましい。
【００２１】
本発明の鋼管形状特定方法において、前記曲線部の曲率中心が、前記移動経路の曲率中心よりも前記鋼管の内側にあるとき、前記曲線部開始点を変化開始位置とし、前記曲線部終了点を変化終了位置とすることが好ましい。
【００２２】
本発明の鋼管形状特定方法において、前記曲線部の曲率中心が、前記移動経路の曲率中心よりも前記鋼管の外側にあるとき、前記移動経路上で前記対称線に対して前記中心角の２分の１となる移動経路側開始点および移動経路側終了点を変化開始位置および変化終了位置とすることが好ましい。
【００２３】
本発明の鋼管形状特定方法において、前記台車が、前記移動経路上を通りかつ互いに所定距離離れた一対の支持点を有し、前記台車距離が、一対の前記支持点を結ぶ線分の中点から前記支持点を結ぶ線分に直交する方向に前記鋼管までの距離であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、鋼管の曲線部の正確な形状および範囲を効率よく測定できる溶接システムおよび鋼管形状特定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の一実施形態の装置全体を示す斜視図。
【図２】前記実施形態の溶接ロボットを示す斜視図。
【図３】前記実施形態の溶接位置の溶接トーチを示す側面図。
【図４】前記実施形態の退避位置の溶接トーチを示す側面図。
【図５】前記実施形態の測定手段を示す斜視図。
【図６】前記実施形態の制御装置を示すブロック図。
【図７】前記実施形態の溶接区間を示す平面図。
【図８】前記実施形態の走行レールを示す平面図。
【図９】前記実施形態の鋼管の曲線部を示す平面図。
【図１０】前記実施形態の台車の移動経路を示す平面図。
【図１１】前記実施形態の位置距離情報のデータ構成を示す図。
【図１２】前記実施形態の対称線を示す平面図。
【図１３】前記実施形態の位置距離情報を示すグラフ。
【図１４】前記実施形態の位置距離情報のデータ処理を示す図。
【図１５】前記実施形態の他の位置距離情報を示すグラフ。
【図１６】前記実施形態のさらに他の位置距離情報を示すグラフ。
【図１７】前記実施形態の曲線部の形状測定演算を示す平面図。
【図１８】前記実施形態の鋼管形状特定動作を示すフローチャート。
【図１９】前記実施形態の曲線部形状演算を示すフローチャート。
【図２０】本発明の他の実施形態の測定手段を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の一実施形態を図面にもとづいて説明する。
図１において、溶接システム１０は、一対の鋼管１，２の端部を建て入れ治具５で仮止めした状態で、接続端３，４どうしを全周にわたって自動溶接するものである。
溶接システム１０は、鋼管１，２に支持されて接続端３，４に沿うように配置された走行レール１１と、走行レール１１に沿って移動可能な溶接ロボット２０と、溶接ロボット２０に接続された制御装置９と、を有する。
【００２７】
〔溶接ロボット〕
溶接ロボット２０は、走行レール１１に支持された台車２１と、先端から溶接ワイヤ２２１が延びる溶接トーチ２２と、溶接トーチ２２を台車２１に支持する支持機構３０と、を有する。
支持機構３０は、溶接トーチ２２を、溶接ワイヤ２２１が接続端３，４に接触する溶接位置Ｐｗ（図３参照）から、溶接トーチ２２が建て入れ治具５と干渉しない退避位置Ｐｅ（図４参照）まで退避させる退避機構３１を備えている。
さらに、支持機構３０は、溶接トーチ２２を台車２１に対して近接離隔させる移動支持機構３２と、溶接トーチ２２を台車２１に対して回動させる回動支持機構３３と、を有する。
【００２８】
図２において、移動支持機構３２は、台車２１の外側に接続されたケースを有し、ケースの内部に構成された送り機構などでケースを台車２１に対して近接離隔する方向Ｄｈへ移動可能である。溶接トーチ２２は、支持機構３０を介して移動支持機構３２のケースに支持されており、移動支持機構３２でケースを移動させることで溶接トーチ２２を台車２１に対して近接離隔させることができる。
回動支持機構３３は、移動支持機構３２に接続されたブラケット３３１と、ブラケット３３１に接続されたパネル３３２と、パネル３３２に支持されたホルダ３３３と、を有する。このホルダ３３３に溶接トーチ２２が支持されている。
回動支持機構３３には、台車２１の走行方向Ｄｍの軸線まわりに溶接トーチ２２を回動させるねらい角調整機構３４と、鋼管１，２の延長方向Ｄｃの軸線まわりに溶接トーチ２２を回動させるトーチ角回動機構３５と、が形成されている。
【００２９】
図２および図３において、ねらい角調整機構３４として、パネル３３２は、ブラケット３３１に対して、台車２１の走行方向Ｄｍの軸線３４１を中心に回動可能（図３の矢印Ａｍ）とされている。ブラケット３３１とパネル３３２との軸線３４１まわりの角度は、手動または駆動モータにより調整可能である。
ねらい角調整機構３４は、パネル３３２のブラケット３３１に対する角度を調整することで、溶接トーチ２２のねらい角Ａｗを調整可能である。ねらい角Ａｗは、溶接トーチ２２の先端に支持された溶接ワイヤ２２１の上下方向つまり鋼管１，２の延長方向Ｄｃの向きであり、鋼管１，２の接続端３，４の溶接部位の状態に応じて適切に調整される。
【００３０】
本実施形態では、ねらい角調整機構３４が、退避機構３１を兼ねている。
図３の状態では、溶接トーチ２２の先端の溶接ワイヤ２２１が鋼管１，２の接続端３，４の溶接部位に近接され、溶接を行うことができる（溶接位置Ｐｗ）。
図４において、ねらい角調整機構３４は、軸線３４１まわりに大きく回動させて溶接ワイヤ２２１を接続端３，４から離隔させることができる（退避位置Ｐｅ）。退避位置Ｐｅは、溶接ワイヤ２２１およびこれを支持する溶接トーチ２２の先端部分が建て入れ治具５と干渉しない位置とすることができる。
従って、溶接トーチ２２の先端の溶接ワイヤ２２１が接続端３，４に接触する溶接位置Ｐｗから、溶接トーチ２２が建て入れ治具５と干渉しない退避位置Ｐｅまで退避させる退避機構３１が構成される。
【００３１】
図２において、ホルダ３３３は、パネル３３２に対して、パネル３３２の表面と直交する軸線３５１を中心に回動可能とされている。パネル３３２に対するホルダ３３３の回動角度は、手動または駆動モータにより調整可能である。これらによりトーチ角回動機構３５が構成されている。
トーチ角回動機構３５は、ホルダ３３３のパネル３３２に対する角度を調整することで、溶接トーチ２２のトーチ角Ａｔを調整可能である。トーチ角Ａｔは、溶接トーチ２２の先端に支持された溶接ワイヤ２２１の水平方向つまり台車２１の走行方向Ｄｍの向きであり、鋼管１，２の接続端３，４の溶接部位の状態および建て入れ治具５との相対位置に応じて適切に調整される。
【００３２】
図１において、溶接ロボット２０の台車２１には一対のカメラ２３が設置されている。
一対のカメラ２３は、それぞれＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ、電荷結合素子）などの固体撮像素子で構成され、支持アーム２４を介して移動支持機構３２の側面に支持されている。
一対のカメラ２３は、溶接トーチ２２を挟んで両側に対向設置され、溶接トーチ２２の先端および鋼管１，２の接続端３，４の溶接部位の溶接方向前側および後側の画像を撮影可能である。一対のカメラ２３および支持アーム２４は、それぞれ走行の際にも建て入れ治具５と干渉しない位置に配置されている。
【００３３】
図５において、溶接ロボット２０は、溶接トーチ２２を支持するホルダ３３３に支持された照明装置２５を有する。
照明装置２５は、ラインレーザ照射装置であり、接続端３，４に形成された開先の横断方向に拡がるレーザ光束２５１を鋼管１，２の接続端３，４の開先に照射し、この開先の断面形状２５２を周囲よりも明るく浮かび上がらせることができる。
カメラ２３は、断面形状２５２を含む測定部位２５３の画像を撮影し、画像データとして制御装置９に送信可能である。
【００３４】
〔制御装置〕
図６において、制御装置９は、既存のコンピュータシステムに専用のドライバを組み合わせて構成され、記憶領域に格納されたプログラムを実行することで、走行レール１１に沿った台車２１の走行、溶接トーチ２２の姿勢調整、溶接トーチ２２への供給電圧および電流の調整、溶接ワイヤの送り速度の調整など、溶接システム１０の各部動作の制御を行うものである。
このために、制御装置９は、溶接トーチ２２ほかを制御する溶接動作制御部９１を有するとともに、台車２１を制御する台車移動制御部９２を有する。
【００３５】
制御装置９は、カメラ２３からの画像データの処理を行い、溶接動作で参照される開先断面形状の測定、および本発明に基づく鋼管形状特定方法を実行可能である。
このために、制御装置９には、形状特定部９３が形成されている。
形状特定部９３は、測定手段９４、記憶手段９５、記憶制御手段９６、特定手段９７を有し、鋼管１，２の曲線部、つまり鋼管１，２の矩形断面形状における四隅の形状を示す曲線部形状情報を特定する。
【００３６】
測定手段９４は、鋼管１，２から溶接ロボット２０までの距離を測定するものである。具体的には、照明装置２５でレーザ光束２５１を鋼管１，２の開先に照射させるとともに、カメラ２３で得られた画像から、周囲よりも明るく浮かび上がった断面形状２５２を測定し、そのうち鋼管１，２の表面、つまり開先でない部分に表れた断面形状２５２から、いわゆる三角測量により鋼管１，２から溶接ロボット２０までの距離とする。
なお、測定手段９４としては、溶接ロボット２０にレーザ測距装置を設置し、鋼管１，２の表面に直交するレーザビームを用いて鋼管１，２から溶接ロボット２０までの距離を測定してもよい。
【００３７】
記憶手段９５は、測定手段９４により測定された鋼管１，２から溶接ロボット２０までの距離を記憶可能である。
併せて、記憶手段９５は、走行レール１１における溶接ロボット２０の位置情報、つまり溶接ロボット２０が走行レール１１のどこにあるか、を記憶可能である。
さらに、記憶手段９５は、溶接ロボット２０の移動経路を示す移動経路形状情報として、走行レール１１の平面形状（鋼管１，２の断面方向）を記憶している。この移動経路形状情報は、鋼管１，２の溶接に用いられる走行レール１１のパーツの設計情報、および鋼管１，２に設置された組立状態での形状情報に基づいて設定される。
これらの記憶手段９５の記憶は、記憶制御手段９６により制御される。
【００３８】
記憶制御手段９６は、溶接ロボット２０の移動経路を示す移動経路形状情報が外部入力された際に、これを記憶手段９５に記憶する。
また、記憶制御手段９６は、測定手段９４により鋼管１，２から溶接ロボット２０までの距離が測定された際に、この距離と、測定された時点の走行レール１１における溶接ロボット２０の位置情報とを、一対の位置距離情報（図１１の台車位置および台車距離）にして記憶手段９５に記憶する。この際、溶接ロボット２０が走行レール１１に沿って走行しつつ、距離の測定および記憶を繰り返し行うことで、記憶手段９５には複数の台車距離と台車位置の対が記憶される。
【００３９】
特定手段９７は、測定手段９４による測定の結果に基づき、鋼管１，２の曲線部の形状を示す曲線部形状情報を特定する。
特定手段９７は、走行レール１１に沿った溶接ロボット２０の移動に伴って測定手段９４により測定された鋼管１，２までの距離（図１１の台車距離）が変化した場合に、溶接ロボット２０の移動経路上の位置を示す位置情報（図１１の台車位置）を用いて、鋼管１，２の曲線部の中央の位置（曲線部の一端と他端との間の曲線部中央位置）を取得することにより、鋼管１，２の曲線部形状情報を特定する。このために、特定手段９７は、記憶手段９５に記憶された移動経路形状情報と、位置距離情報とを参照し、曲線部形状情報を特定する。
【００４０】
例えば、特定手段９７は、記憶手段９５に記憶された移動経路形状情報および位置距離情報を用いて曲線部の一端と他端との間の曲線部中央位置を取得することにより、曲線部の形状情報を特定することができる。
また、特定手段９７は、溶接ロボット２０の移動に伴って測定手段９４により測定された距離が長くなり始めた場合の溶接ロボット２０の位置情報が示す位置を変化開始位置とし、その後の溶接ロボット２０の移動に伴って測定手段９４により測定された距離が変化しなくなり始めた場合の溶接ロボット２０の位置情報が示す位置を変化終了位置とし、得られた変化開始位置および変化終了位置に基づき、曲線部中央位置曲線部の中央の位置を取得することができる。
そして、特定手段９７は、取得した曲線部の中央の位置に基づいて曲線部の両端にある曲線部開始点及び曲線部終了点を求めることにより、曲線部形状情報を特定することができる。
曲線部形状情報を特定するより詳細な手順については、のちほど図９〜図１８を用いて説明する。
【００４１】
〔自動溶接動作〕
本実施形態の溶接システム１０では、先ず鋼管１，２を建て入れ治具５で仮止めし、走行レール１１および溶接ロボット２０を設置したのち、溶接ロボット２０を走行レール１１に沿って走行させて曲線部形状情報の特定を行い、得られた曲線部形状情報を参照しつつ鋼管１，２の接続端３，４の自動溶接を実行する。
図７および図８には、本実施形態の溶接システム１０による鋼管１，２の自動溶接動作が示されている手順について説明する。
【００４２】
図７において、鋼管１，２の接続端３，４は、角の丸い正方形の断面形状を有する。この正方形の断面形状は、建て入れ治具５により４つの区画Ｓｎ（Ｓ１〜Ｓ４）に分割されている。
【００４３】
４つの区画Ｓ１〜Ｓ４に対する溶接動作は、先ず区画Ｓ１を時計回りに走行しつつ溶接１を行い、退避機構３１で建て入れ治具５を避けて区画Ｓ２に移動する。次に、区画Ｓ２を時計回りに走行しつつ溶接２を行い、退避機構３１で建て入れ治具５を避けて区画Ｓ３に移動する。以下同様に、区画Ｓ３で溶接３を行い、区画Ｓ４で溶接４を行う。
溶接４の終端に達したら、建て入れ治具５は越えずに走行する向きを反転し、区画Ｓ４を反時計回りに走行しつつ溶接５を行う。続いて、退避機構３１で建て入れ治具５を避けて区画Ｓ３に移動し、区画Ｓ３を反時計回りに走行しつつ溶接６を行う。以下同様に、区画Ｓ２で溶接７を行い、区画Ｓ１で溶接８を行う。
【００４４】
なお、上述した溶接１〜８に先立って、開先形状のセンシングを行うことがある。この場合でも、退避機構３１で建て入れ治具５を避けつつ、区画Ｓ１〜Ｓ４を連続して走行する。
また、溶接１〜８を繰り返し、鋼管１，２の接続端３，４の溶接に所定の強度が得られたら、建て入れ治具５を取り外して区画Ｓ１〜Ｓ４が互いに連続した状態とし、全周の連続溶接を行う。全周の連続溶接は、走行方向を反転させつつ、必要回数だけ繰り返し行う。
【００４５】
図８において、溶接される鋼管１，２の接続端３，４は、角の丸い正方形の断面形状、つまり４つの直線部２Ｆが４つの円弧状の曲線部２Ｃで接続された形状を有する。この形状に対応して、接続端３，４に沿って設置される走行レール１１も、４つの直線部１１Ｆが４つの円弧状の曲線部１１Ｃで接続された形状を有する。
このうち、走行レール１１の直線部１１Ｆおよび曲線部１１Ｃについては、各々の設置範囲、長さや境界点位置、曲線部１１Ｃの曲率中心位置および曲率半径が、予め走行レール１１の設計情報として既知である。
一方、鋼管１，２の直線部２Ｆおよび曲線部２Ｃについては、各々の設置範囲、長さや境界点位置、曲線部２Ｃの曲率中心位置および曲率半径が、材料の公称寸法として定められているが、実際の寸法は異なる場合がある。
さらに、走行レール１１の曲線部１１Ｃと、鋼管１，２の曲線部２Ｃとで、設置範囲、曲率中心位置および曲率半径が異なると、溶接ロボット２０が曲線部１１Ｃを通過する際に、溶接ロボット２０から鋼管１，２までの距離が変化し、溶接条件の設定を適切に調整する必要が生じる。
【００４６】
例えば、図８の区画Ｓ１で溶接１を行う場合（図７の溶接１）、建て入れ治具５の近傍の始端位置Ｐ１１から走行開始した溶接ロボット２０は、中間位置Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１５を経て終端位置Ｐ１６に達する。ここで、中間位置Ｐ１２では接続端３，４が直線部２Ｆから円弧状の曲線部２Ｃに変わり、中間位置Ｐ１３では走行レール１１が直線部１１Ｆから円弧状の曲線部１１Ｃに変わる。そして、中間位置Ｐ１４では走行レール１１が円弧状の曲線部１１Ｃから直線部１１Ｆに変わり、中間位置Ｐ１５では接続端３，４が円弧状の曲線部２Ｃから直線部２Ｆに変わる。その結果、これらの中間位置Ｐ１２，Ｐ１３，Ｐ１４，Ｐ１５を通るごとに、接続端３，４と走行レール１１との位置関係が変化し、溶接ロボット２０から鋼管１，２までの距離が変化する。
【００４７】
このような距離の変化は、溶接ロボット２０の走行方向が逆向きになった場合、つまり終端位置Ｐ１６から中間位置Ｐ１５，Ｐ１４，Ｐ１３，Ｐ１２を経て始端位置Ｐ１１へ至る場合も同じである（図７の溶接８）。
さらに、同様のことが、区画Ｓ２の始端位置Ｐ２１、中間位置Ｐ２２，Ｐ２３，Ｐ２４，Ｐ２５、および終端位置Ｐ２６（図７の溶接２，溶接７）、区画Ｓ３の始端位置Ｐ３１、中間位置Ｐ３２，Ｐ３３，Ｐ３４，Ｐ３５、および終端位置Ｐ３６（図７の溶接３，溶接６）、区画Ｓ４の始端位置Ｐ４１、中間位置Ｐ４２，Ｐ４３，Ｐ４４，Ｐ４５、および終端位置Ｐ４６（図７の溶接４，溶接５）にもいえる。
そこで、本実施形態では、前述した形状特定部９３により、鋼管１，２の曲線部形状情報を特定する。
【００４８】
〔曲線部形状特定処理〕
以下、本実施形態における曲線部形状特定処理について説明する。
以下、鋼管１，２の区画Ｓ１についての曲線部形状特定処理について説明する。例示は区画Ｓ１であるが、他の区画Ｓ２〜Ｓ４あるいは逆向きの区画Ｓ４〜Ｓ１についても同様に適用可能である。また、区画Ｓ１の一つではなく、区画Ｓ１〜Ｓ２、あるいは区画Ｓ１〜Ｓ４のように複数の区画を連続して処理してもよい。
【００４９】
図９には、本実施形態の曲線部形状特定処理で用いる要素を示す。
走行レール１１に関して、区画Ｓ１を構成する曲線部１１Ｃの両側の直線部１１Ｆの延伸方向はＸ軸方向およびＹ軸方向である。走行レール１１の厚み方向中央位置を結ぶ線が溶接ロボット２０の移動経路ＧＬであり、曲線部１１Ｃにおける移動経路ＧＬは曲率中心Ｃｒおよび曲率半径Ｒｒである。
曲線部１１Ｃの設置範囲に関して、曲線部１１Ｃとその両側の直線部１１Ｆとの境界点を移動経路側開始点Ｐｒｉおよび移動経路側終了点Ｐｒｏとする。移動経路側開始点Ｐｒｉは、曲率中心Ｃｒを通りＹ軸に平行な移動経路側開始線Ｌｒｉと走行レール１１との交点である。移動経路側終了点Ｐｒｏは、曲率中心Ｃｒを通りＸ軸に平行な移動経路側開始線Ｌｒｉと走行レール１１との交点である。
【００５０】
鋼管１，２に関して、区画Ｓ１を構成する曲線部２Ｃの両側の直線部２Ｆは延伸方向がＸ軸方向およびＹ軸方向であり、曲線部１１Ｃの表面は曲率中心Ｃｃおよび曲率半径Ｒｃである。
曲線部２Ｃの設置範囲に関して、曲線部２Ｃとその両側の直線部２Ｆとの境界点を曲線部開始点Ｐｃｉおよび曲線部終了点Ｐｃｏとする。曲線部開始点Ｐｃｉは、曲率中心Ｃｃを通りＹ軸に平行な曲線部開始線Ｌｃｉと鋼管１，２の表面との交点である。曲線部終了点Ｐｃｏは、曲率中心Ｃｃを通りＸ軸に平行な曲線部終了線Ｌｃｏと鋼管１，２の表面との交点である。
鋼管１，２の曲率中心Ｃｃと走行レール１１の曲率中心Ｃｒとは、Ｘ軸方向にｄｘ、Ｙ軸方向にｄｙだけ鋼管１，２の中心側へずれている。
ここで、鋼管１，２の曲線部２Ｃが、走行レール１１の曲線部１１Ｃと同心円状であったならば、曲線部２Ｃｃのようになる。
鋼管１，２の曲率中心Ｃｃが走行レール１１の曲率中心Ｃｒよりも鋼管１，２の中心側へずれているとき、曲線部開始線Ｌｃｉが区画Ｓ１の中間位置Ｐ１２、移動経路側開始線Ｌｒｉが区画Ｓ１の中間位置Ｐ１３、移動経路側終了線Ｌｒｏが区画Ｓ１の中間位置Ｐ１４、曲線部終了線Ｌｃｏが区画Ｓ１の中間位置Ｐ１５に相当する。
【００５１】
図１０には、測定手段９４（図６参照）による溶接ロボット２０から鋼管１，２までの距離の測定状態を示す。
溶接ロボット２０は、台車２１の両端近傍の２つの支持点ＰＦ，ＰＬを走行レール１１でガイドされる。測定手段９４は、２つの支持点ＰＦ，ＰＬの中点ＰＭから、支持点ＰＦ，ＰＬを結ぶ線分と直交方向の距離（台車距離Ｄｒ）を測定する。台車距離Ｄｒの測定は、走行レール１１を移動しつつ所定距離または所定時間ごとに複数回行われ（例えば台車距離Ｄｒ３、Ｄｒ１０、Ｄｒ１８など）、それぞれ測定した際の台車位置Ｐｒ（例えば台車位置Ｐｒ３、Ｐｒ１０、Ｐｒ１８など）と一対にして記録される。
具体的には、図６の記憶制御手段９６により、台車位置Ｐｒと台車距離Ｄｒとを対にして記憶手段９５に順次記憶されてゆき、これにより記憶手段９５には位置距離情報９５１（図１１参照）が形成される。
なお、台車２１が曲線部１１Ｃにあるとき、中点ＰＭは台車位置Ｐｒから内側に変位する。このため、記録する台車距離Ｄｒにおいては、測定手段９４による測定距離に対して中点ＰＭの内側変位分を補正した値とする。
【００５２】
図１１に示すように、記憶手段９５に記憶された位置距離情報９５１は、レコード番号、台車位置Ｐｒ、台車距離Ｄｒを複数記憶したものである。例えば、レコード番号＃１〜＃２４として、台車位置Ｐｒ１〜Ｐｒ２４が、台車距離Ｄｒ１〜Ｄｒ２４とそれぞれ対にして記憶される。
記憶手段９５に記憶された位置距離情報９５１は、特定手段９７（図６参照）が随時読み出し可能である。
特定手段９７は、位置距離情報９５１として記憶された複数対の台車位置Ｐｒおよび台車距離Ｄｒから、曲線部１１Ｃ，２Ｃの中央位置および対称線を検出する。
【００５３】
図１２において、溶接ロボット２０が図中左側の直線部１１Ｆから同右側へ移動する場合（図７の溶接１の動作）、走行レール１１の直線部１１Ｆと鋼管１，２の直線部２Ｆとが平行する領域では、台車位置Ｐｒにおける台車距離Ｄｒが一定となる。
続く曲線部開始線Ｌｃｉより右の領域では、曲線部２Ｃによって直線部１１Ｆとの間が拡がり、曲線部開始線Ｌｃｉを超えると台車距離Ｄｒがさらに拡大し、この拡大は対称線Ｌｍまで続く。
すなわち、鋼管１，２との曲率中心Ｃｃが走行レール１１の曲率中心Ｃｒにあれば、曲線部１１Ｃおよび曲線部２Ｃｃが同心円となり、曲線部１１Ｃにおいても台車距離Ｄｒは変化しない。しかし、曲率中心Ｃｃである曲線部２Ｃは、曲線部２Ｃｃから鋼管１，２の内側へ変位しており、従ってこの領域（曲線部開始線Ｌｃｉから対称線Ｌｍまで）では台車距離Ｄｒが拡大することになる。
【００５４】
曲線部２Ｃ，２Ｃｃ，１１Ｃはいずれも円弧状であり、各々の中心角（曲線部開始線Ｌｃｉと曲線部終了線Ｌｃｏとのなす角，移動経路側開始線Ｌｒｉと移動経路側終了線Ｌｒｏとのなす角）は通常Ｒ＝９０度である。
ここで、曲線部２Ｃ，２Ｃｃ，１１Ｃの各々の曲率中心Ｃｃ，Ｃｒを通る直線は、中心角Ｒ＝９０度の半分（Ｒ／２＝４５度）の方向に延びる。
この直線を対称線Ｌｍとすると、曲線部２Ｃ，２Ｃｃ，１１Ｃはこれらに接続される直線部２Ｆ，１１Ｆの近傍部分も含めて、対称線Ｌｍに対して線対称となる。対称線Ｌｍと曲線部２Ｃとの交点を曲線部２Ｃの中央位置Ｐｃｍとし、対称線Ｌｍと曲線部１１Ｃとの交点を曲線部１１Ｃの中央位置Ｐｒｍとすると、各々は曲線部２Ｃ，１１Ｃの経路上の中点位置となる。
【００５５】
このような曲線部２Ｃ，１１Ｃの対称性により、位置距離情報９５１に記憶された複数対の台車位置Ｐｒおよび台車距離Ｄｒは、台車位置Ｐｒが図中左側から右側へ移動するにつれて、曲線部２Ｃと曲線部１１Ｃとの距離が広くなり、台車距離Ｄｒが拡大するが、対称線Ｌｍを超えると、曲線部２Ｃと曲線部１１Ｃとの距離が狭くなり、台車距離Ｄｒが減少してゆく。
図１３に、位置距離情報９５１に記憶された複数対の台車位置Ｐｒおよび台車距離Ｄｒの変化を模式的に示す。
前述した通り、台車距離Ｄｒは、台車位置Ｐｒが曲線部開始線Ｌｃｉまでは一定であるが、曲線部開始線Ｌｃｉを超え、さらに移動経路側開始線Ｌｒｉを超えると増大し、対称線Ｌｍで最大となったのち減少に転じ、移動経路側終了線Ｌｒｏを超え、さらに曲線部終了線Ｌｃｏを超えると再び一定となる。
従って、位置距離情報９５１に記憶された複数対の台車位置Ｐｒおよび台車距離Ｄｒから、最大値Ｄｒｘを検出することで、対称線Ｌｍに対応する曲線部１１Ｃの中央位置Ｐｒｍを検出可能である。
【００５６】
図１４において、位置距離情報９５１に記憶された台車位置Ｐｒ１〜Ｐｒ２４および台車距離Ｄｒ１〜Ｄｒ２４のうち、例えば台車距離Ｄｒ１２が最大値Ｄｒｘであれば、これに対応する台車位置Ｐｒ１２を曲線部１１Ｃの中央位置Ｐｒｍとする。台車位置Ｐｒ１２は走行レール１１の移動経路ＧＬ上の位置であるため、ＸＹ座標を確定できる。
曲線部１１Ｃの中央位置Ｐｒｍに対して、移動経路ＧＬに沿ってπ／４＝４５度（曲線部１１Ｃの中心角Ｒ＝９０度の半分）だけ戻ること、つまり移動経路ＧＬを長さ２Ｒｒ（π／４）だけ辿ることで、移動経路側開始点Ｐｒｉを検出することができる。同様に、中央位置Ｐｒｍから移動経路ＧＬに沿って４５度進むことで、移動経路側終了点Ｐｒｏを検出することができる。
【００５７】
これらの移動経路側開始点Ｐｒｉおよび移動経路側終了点Ｐｒｏは、走行レール１１の設計情報として既知であるが、改めて検出することで実際の位置を確定できる。
なお、以上の処理により、走行レール１１の曲線部１１Ｃの中央位置Ｐｒｍ、移動経路側開始点Ｐｒｉおよび移動経路側終了点Ｐｒｏが確定できる。しかし、鋼管１，２の表面形状は確定できていないので、同様の手順で曲線部２Ｃの中央位置Ｐｃｍ、曲線部開始点Ｐｃｉおよび曲線部終了点Ｐｃｏの座標を確定できない。これらの確定については後述する。
【００５８】
前述した図１４では、位置距離情報９５１が対称線Ｌｍで最大値Ｄｒｘになる例（曲率中心Ｃｃが曲率中心Ｃｒより鋼管１，２の内側にある形状）について説明したが、曲率中心Ｃｃが曲率中心Ｃｒより鋼管１，２の外側にある形状についても同様の処理が可能である。
図１５において、位置距離情報９５１に記憶された台車位置Ｐｒ１〜Ｐｒ２４および台車距離Ｄｒ１〜Ｄｒ２４のうち、例えば台車距離Ｄｒ１２が最小値Ｄｒｎであれば、これに対応する台車位置Ｐｒ１２を曲線部１１Ｃの中央位置Ｐｒｍとする。さらに、曲線部１１Ｃの中央位置Ｐｒｍに対して、移動経路ＧＬに沿ってπ／４＝４５度の長さを辿ることで、移動経路側開始点Ｐｒｉおよび移動経路側終了点Ｐｒｏを検出することができる。
【００５９】
曲率中心Ｃｃと曲率中心Ｃｒとが一致している場合、つまり曲線部２Ｃ，１１Ｃが同心円状である場合、各々の間隔は一定であり、この間隔は直線部２Ｆ，１１Ｆの間隔とも同じである。
ここで、本実施形態の台車２１は、一対の支持点ＰＦ，ＰＬが移動経路ＧＬに沿って移動し、台車２１が曲線部１１Ｃにあるとき、中点ＰＭは台車位置Ｐｒから内側に変位する。このため、曲線部２Ｃ，１１Ｃの間隔が直線部２Ｆ，１１Ｆの間隔と同じであっても、台車距離Ｄｒには曲線部１１Ｃによる変動が生じる。
具体的には、台車２１が直線部１１Ｆを移動し、台車２１の前方の支持点ＰＦが曲線部１１Ｃに入ると、中点ＰＭが内側へ変位しはじめる。続いて、台車２１の後方の支持点ＰＬが曲線部１１Ｃに入ると、中点ＰＭの内側への変位が一定となる。台車２１の前方の支持点ＰＦが曲線部１１Ｃを出て反対側の直線部１１Ｆに入ると、中点ＰＭの内側への変位が減少しはじめ、台車２１の後方の支持点ＰＬも直線部１１Ｆに入ると、中点ＰＭの内側への変位がない状態に戻る。
【００６０】
図１６において、前述した台車２１の中点ＰＭの内側への変位により、位置距離情報９５１に記憶された台車位置Ｐｒおよび台車距離Ｄｒの変化は偏平な台形状となる。すなわち、台形両側の水平な部分が支持点ＰＦ，ＰＬともに直線部１１Ｆにある状態、台形の斜めの部分が支持点ＰＦ，ＰＬの一方だけが曲線部１１Ｃにあり他方が直線部１１Ｆにある状態、台形の上底が支持点ＰＦ，ＰＬともに曲線部１１Ｃにある状態である。
ここで、所定の閾値ｄＤｒを用いて斜めの部分の台車距離Ｄｒを検査することで、台形の両側で交差位置Ｐｒｉｔ，Ｐｒｏｔを検出することができる。前述の通り、曲線部１１Ｃは対称線Ｌｍに対して線対称であるため、両側の交差位置Ｐｒｉｔ，Ｐｒｏｔの中点を中央位置Ｐｒｍとして検出できる。
【００６１】
特定手段９７は、以上の処理により、位置距離情報９５１として記憶された複数対の台車位置Ｐｒおよび台車距離Ｄｒから、走行レール１１の曲線部１１Ｃの対称線Ｌｍ、中央位置Ｐｒｍ、移動経路側開始点Ｐｒｉおよび移動経路側終了点Ｐｒｏを検出することができる。
一方、特定手段９７は、以下の処理により、鋼管１，２の曲線部２Ｃの表面形状、中央位置Ｐｃｍ、曲線部開始点Ｐｃｉおよび曲線部終了点Ｐｃｏを検出する。
【００６２】
図１７において、位置距離情報９５１として記憶された複数の台車位置Ｐｒの各々について、移動経路ＧＬ上の台車位置Ｐｒから移動経路ＧＬに直交内向きに、対応する台車距離Ｄｒの長さの点をプロットしてゆく。得られた点群を最小二乗法などで近似計算することで、鋼管１，２の直線部２Ｆおよび曲線部２Ｃの表面形状を示す軌跡Ｔｃが得られ、軌跡Ｔｃから曲線部２Ｃの曲率半径Ｒｃおよび曲率中心Ｃｃを確定できる。
軌跡Ｔｃが得られれば、軌跡Ｔｃと対称線Ｌｍの交点により曲線部２Ｃの中央位置Ｐｃｍを検出でき、前述した移動経路側開始点Ｐｒｉおよび移動経路側終了点Ｐｒｏと同様の手順により、曲線部開始点Ｐｃｉおよび曲線部終了点Ｐｃｏを検出することができる。
【００６３】
〔実施形態の動作〕
本実施形態の溶接システム１０においては、走行レール１１を鋼管１，２に設置し、溶接ロボット２０を装着し、制御装置９の制御のもとで自動溶接を行う。
本実施形態では、溶接ロボット２０による自動溶接に先立って、本発明に基づく曲線部形状特定処理を行う。
【００６４】
図１８において、準備工程として、先ず作業者が、鋼管１，２の外周に走行レール１１を設置し、走行レール１１に溶接ロボット２０を装着する（処理ＰＡ１）とともに、制御装置９に移動経路情報として走行レール１１の形状（移動経路ＧＬ）を記憶させる（処理ＰＡ２）。
次に、検出工程として、作業者は制御装置９に検出動作を実行させる。
制御装置９は、走行レール１１上で溶接ロボット２０を走行させ（処理ＰＡ３）、走行レール１１上の台車位置Ｐｒにおいて鋼管１，２までの台車距離Ｄｒを検出し（処理ＰＡ４）、台車位置Ｐｒと台車距離Ｄｒとの対を位置距離情報９５１に記録してゆく（処理ＰＡ５）。溶接ロボット２０が検出範囲（例えば図７の区画Ｓ１）を走行し終えていなければ、処理ＰＡ３〜ＰＡ６を繰り返す。
検出工程に続いて、演算工程として、制御装置９は、得られた位置距離情報９５１と、準備工程で記憶しておいた移動経路情報とを用いて、曲線部形状情報を演算する（処理ＰＡ７）。演算工程の詳細は図１９で詳述する。
以上により曲線部形状情報が得られたら、作業者が同情報に基づいて溶接プランを作成し、同プランに基づいて制御装置９に自動溶接動作を実行させる（処理ＰＡ８）。
【００６５】
図１９において、演算工程は制御装置９により実行される下記処理を含む。
まず、制御装置９は、位置距離情報９５１から最大の台車距離Ｄｒ（最大値Ｄｒｘ）を選択し、対応する台車位置Ｐｒを通りかつ移動経路ＧＬと直交方向の対称線Ｌｍを計算する（処理ＰＢ１）。
次に、制御装置９は、曲線部１１Ｃの移動経路ＧＬ上で対称線Ｌｍに対して曲線部の中心角の１／２となる移動経路側開始点Ｐｒｉおよび移動経路側終了点Ｐｒｏを計算する（処理ＰＢ２）。
続いて、制御装置９は、各台車位置Ｐｒから移動経路ＧＬと直交方向に各台車距離Ｄｒだけ離れた点を計算し（処理ＰＢ３）、得られた点を円弧近似して軌跡Ｔｃを計算し、曲率中心Ｃｃおよび曲率半径Ｒｃを計算する（処理ＰＢ４）。
そして、対称線Ｌｍと軌跡Ｔｃとの交点から曲線部２Ｃの中央位置Ｐｃｍを計算し（処理ＰＢ５）、軌跡Ｔｃ上で対称線Ｌｍに対して曲線部の中心角の１／２となる曲線部開始点Ｐｃｉおよび曲線部終了点Ｐｃｏを計算する（処理ＰＢ６）。
【００６６】
次に、軌跡Ｔｃの曲率中心Ｃｃ（鋼管１，２の曲線部２Ｃにおける表面の曲率中心）が、移動経路ＧＬの曲率中心Ｃｒ（走行レール１１の曲線部１１Ｃの曲率中心）よりも鋼管１，２の内側か否かを調べる（処理ＰＢ７）。
ここで、軌跡Ｔｃの曲率中心Ｃｃが移動経路ＧＬの曲率中心Ｃｒよりも内側であれば（図１７の形状）、曲線部開始点Ｐｃｉを変化開始位置とし、曲線部終了点Ｐｃｏを変化終了位置とする（処理ＰＢ８）。
一方、軌跡Ｔｃの曲率中心Ｃｃが移動経路ＧＬの曲率中心Ｃｒよりも内側でなければ（同じまたは外側であれば）、移動経路側開始点Ｐｒｉを変化開始位置とし、移動経路側終了点Ｐｒｏを変化終了位置とする（処理ＰＢ９）。
【００６７】
〔実施形態の効果〕
本実施形態によれば、鋼管１，２の曲線部２Ｃの正確な形状（軌跡Ｔｃ）および範囲（曲線部開始点Ｐｃｉおよび曲線部終了点Ｐｃｏ）を効率よく測定できる。
とくに、走行レール１１の曲線部１１Ｃおよび鋼管１，２の曲線部２Ｃの対称性を利用し、対称線Ｌｍを求めることで中心角の１／２を用いて曲線部開始点Ｐｃｉおよび曲線部終了点Ｐｃｏを効率よく測定できる。
本実施形態では、２つの支持点ＰＦ，ＰＬが移動経路ＧＬに沿って移動する台車２１を用いることで、曲線部１１Ｃにおける中点ＰＭの内側への変位により、曲線部１１Ｃと曲線部２Ｃが同心円状であっても、対称線Ｌｍを求めることができる。
本実施形態では、測定手段９４としてカメラ２３を用いることで、開先断面形状の測定用途と本発明に基づく鋼管形状特定方法とで兼用することができる。
【００６８】
〔他の実施形態〕
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
図２０において、測定手段９４としては、溶接ロボット２０にレーザ測距装置９４１を設置し、鋼管１，２の表面に直交するレーザビーム９４２を用いて鋼管１，２から溶接ロボット２０までの距離を測定してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は溶接ロボットおよび鋼管形状特定方法に利用できる。
【符号の説明】
【００７０】
１…鋼管、１０…溶接システム、１１…走行レール、１１Ｃ…曲線部、１１Ｆ…直線部、２０…溶接ロボット、２１…台車、２２…溶接トーチ、２２１…溶接ワイヤ、２３…カメラ、２４…支持アーム、２５…照明装置、２５１…レーザ光束、２５２…断面形状、２５３…測定部位、２Ｃ…曲線部、２Ｃｃ…曲線部、２Ｆ…直線部、３…接続端、３０…支持機構、３１…退避機構、３２…移動支持機構、３３…回動支持機構、３３１…ブラケット、３３２…パネル、３３３…ホルダ、３４…角調整機構、３４１…軸線、３５…トーチ角回動機構、３５１…軸線、５…建て入れ治具、９…制御装置、９１…溶接動作制御部、９２…台車移動制御部、９３…形状特定部、９４…測定手段、９４１…レーザ測距装置、９４２…レーザビーム、９５…記憶手段、９５１…位置距離情報、９６…記憶制御手段、９７…特定手段、Ａｔ…トーチ角、Ａｗ…角、Ｃｃ…曲率中心、Ｃｒ…曲率中心、Ｄｃ…延長方向、ｄＤｒ…閾値、Ｄｈ…方向、Ｄｍ…走行方向、Ｄｒ…台車距離、Ｄｒ１２…台車距離、Ｄｒ３…台車距離、Ｄｒｎ…最小値、Ｄｒｘ…最大値、ＧＬ…移動経路、Ｌｃｉ…曲線部開始線、Ｌｃｏ…曲線部終了線、Ｌｍ…対称線、Ｌｒｉ…移動経路側開始線、Ｌｒｏ…移動経路側終了線、Ｐ１１…始端位置、Ｐ１２…中間位置、Ｐ１３…中間位置、Ｐ１４…中間位置、Ｐ１５…中間位置、Ｐ１６…終端位置、Ｐ２１…始端位置、Ｐ２２…中間位置、Ｐ３１…始端位置、Ｐ３２…中間位置、Ｐ４１…始端位置、Ｐ４２…中間位置、Ｐｃｉ…曲線部開始点、Ｐｃｍ…中央位置、Ｐｃｏ…曲線部終了点、Ｐｅ…退避位置、ＰＦ…支持点、ＰＬ…支持点、ＰＭ…中点、Ｐｒ…台車位置、Ｐｒ１２…台車位置、Ｐｒ３…台車位置、Ｐｒｉ…移動経路側開始点、Ｐｒｉｔ…交差位置、Ｐｒｍ…中央位置、Ｐｒｏ…移動経路側終了点、Ｐｗ…溶接位置、Ｒｃ…曲率半径、Ｒｒ…曲率半径、Ｓ１…区画、Ｓ２…区画、Ｓ３…区画、Ｓ４…区画、Ｔｃ…軌跡。
【要約】
【課題】鋼管の曲線部の正確な形状および範囲を効率よく測定できる溶接システムおよび鋼管形状特定方法を提供する。
【解決手段】断面形状に直線部２Ｆおよび曲線部２Ｃを有する鋼管２の外周を移動する溶接ロボットにより鋼管２を溶接する溶接システムであって、鋼管から溶接ロボットまでの距離を測定する測定手段と、測定手段による測定の結果に基づき、曲線部２Ｃの形状を示す曲線部形状情報を特定する特定手段と、を備え、特定手段は、溶接ロボットの移動に伴って測定手段により測定された距離が変化した場合に、溶接ロボットの移動経路ＧＬ上の位置を示すロボット位置情報を用いて曲線部２Ｃの一端（曲線部開始点Ｐｃｉ）と他端（曲線部終了点Ｐｃｏ）との間の曲線部中央位置Ｐｃｍを取得することにより、曲線部形状情報(軌跡Ｔｃ、曲率中心Ｃｃ、曲率半径Ｒｃ)を特定する。
【選択図】図１７【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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