(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接トーチ案内装置と撮像装置と画像処理装置を備え、前記撮像装置がワイヤ先端位置を含む溶接部を撮影して映像信号を発生し、前記画像処理装置が該映像信号を取込み前記溶接トーチ案内装置から溶接トーチ先端位置情報を取込んで、該溶接部の画像から開先の位置を検出し前記溶接トーチ先端位置情報に基づいて開先とトーチ相互の位置関係を算定し、該開先の予め決められた中間位置に溶接トーチの進行軌道が位置するようにする位置補正信号を前記溶接トーチ案内装置に送信するようにした自動開先倣い溶接装置であって、前記溶接トーチ案内装置がウィービング動作を行うもので、前記画像処理装置が該溶接トーチ案内装置からウィービングの位相を表わす信号を入力し前記開先位置と溶接トーチの位置関係を該位相に基づいて算定して、ウィービング幅を補正する補正信号を前記溶接トーチ案内装置に送信するようにした自動開先倣い溶接装置において、前記画像処理装置が、前記溶接トーチのウィービングの半周期について前記開先位置と溶接トーチの位置関係を求めてウィービング幅を補正する補正信号を算出して前記溶接トーチ案内装置に送信し、残りの半周期で該溶接トーチ案内装置が溶接トーチの位置を修正することを特徴とする自動開先倣い溶接装置。
【請求項２】
ｍを正の実数として、前記ウィービングのｍ周期分の位置補正量を正の整数ｎで等分して修正するための補正信号を生成して送信し、前記溶接トーチ案内装置が溶接トーチの位置をｍ周期をｎ等分した位相毎に修正することを特徴とする請求項１記載の自動開先倣い溶接装置。
【請求項３】
溶接トーチ案内装置と撮像装置と画像処理装置を備え、前記撮像装置がワイヤ先端位置を含む溶接部を撮影して映像信号を発生し、前記画像処理装置が該映像信号を取込み前記溶接トーチ案内装置から溶接トーチ先端位置情報を取込んで、該溶接部の画像から開先の位置を検出し前記溶接トーチ先端位置情報に基づいて開先とトーチ相互の位置関係を算定し、該開先の予め決められた中間位置に溶接トーチの進行軌道が位置するようにする位置補正信号を前記溶接トーチ案内装置に送信するようにした自動開先倣い溶接装置であって、前記溶接トーチ案内装置がウィービング動作を行うもので、前記画像処理装置が該溶接トーチ案内装置からウィービングの位相を表わす信号を入力し前記開先位置と溶接トーチの位置関係を該位相に基づいて算定して、ウィービング幅を補正する補正信号を前記溶接トーチ案内装置に送信するようにした自動開先倣い溶接装置において、前記画像処理装置が、ｍを正の実数として、前記ウィービングのｍ周期分の位置補正量を正の整数ｎで等分して修正するための補正信号を生成して送信し、前記溶接トーチ案内装置が溶接トーチの位置をｍ周期をｎ等分した位相毎に修正することを特徴とする自動開先倣い溶接装置。
【請求項４】
前記溶接トーチ案内装置が消耗型電極を把持して案内するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の自動開先倣い溶接装置。
【請求項５】
前記溶接トーチ案内装置が非消耗型電極を把持して案内するものであって、溶接ワイヤを供給すると共に該溶接ワイヤの先端位置を調整するワイヤ供給装置をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の自動開先倣い溶接装置。
【請求項６】
前記画像処理装置が前記開先の位置と断面形状を算定してウィービングの動作範囲を画定して該画定した動作範囲に合致するように前記溶接トーチのウィービング動作を補正する補正信号を前記溶接トーチ案内装置に送信するようにしたことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の自動開先倣い溶接装置。
【請求項７】
前記画像処理装置が前記開先の方向を算定して前記溶接トーチのウィービング動作における幅方向の向きを補正する補正信号を前記溶接トーチ案内装置に送信するようにしたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の自動開先倣い溶接装置。
【請求項８】
前記画像処理装置が求める前記開先幅に基づいて溶接速度を補正する補正信号を前記溶接トーチ案内装置に送信するようにしたことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の自動開先倣い溶接装置。
【請求項９】
前記撮像装置は前記溶接トーチに対して相対的に固定されていることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の自動開先倣い溶接装置。
【請求項１０】
溶接トーチ案内装置と撮像装置と画像処理装置を備え、前記撮像装置がワイヤ先端位置を含む溶接部を撮影して映像信号を発生し、前記画像処理装置が該映像信号を取込み前記溶接トーチ案内装置から溶接トーチ先端位置情報を取込んで、該溶接部の画像から開先の位置を検出し前記溶接トーチ先端位置情報に基づいて開先とトーチ相互の位置関係を算定し、該開先の予め決められた中間位置に溶接トーチの進行軌道が位置するようにする位置補正信号を前記溶接トーチ案内装置に送信するようにした自動開先倣い溶接装置であって、前記溶接トーチ案内装置が非消耗型電極を把持して案内するものであって、溶接ワイヤを供給すると共に該溶接ワイヤの先端位置を調整するワイヤ供給装置をさらに備える自動開先倣い溶接装置において、前記画像処理装置が、前記溶接部の画像から前記溶接ワイヤ先端を挟んだ両側の溶融池前端位置を溶接進行方向に測定してその差を出力し、前記ワイヤ供給装置が溶融池前端の遅れている側に前記溶接ワイヤを移動させて補償することを特徴とする自動開先倣い溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接部の映像に基づき実際の開先の位置を反映して自動的に溶接を行う自動開先倣い装置と方法に関し、またウィービング付き開先倣い溶接を正確に行う自動溶接装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
溶接により定型品を大量に生産する場合には汎用ロボットや溶接専用ロボットなどを用いた自動溶接機が用いられ、溶接部モニタリング装置を一緒に用いる場合もある。溶接部モニタリング装置は、溶接トーチ部に設けたカメラヘッドにより開先と溶接トーチ先端と溶融池など溶接部の状態を撮影してＴＶモニタに表示するものである。
【０００３】
たとえば、特開平１１−１４６３８７には、それぞれ光の透過率等の異なるフィルタを備えた複数のカメラで同じ溶接部を撮影して、輝度の高いアーク部分の画像と溶融池や開先などアーク以外の部分の画像を合成して１枚の表示画面に表示する技術が開示されている。この技術により溶接部の状態をリアルタイムで観察することができるが、熟練者でなければ表示された画面に基づいて溶融池の領域を正確に判定することはできない。また、溶接作業者が表示画面に基づいて状況を判断し適正な溶接条件や溶接線倣いができるように溶接機を操作することは容易でない。
【０００４】
また、特開２００１−００００３８には、カラー撮像装置で撮影した溶接部のカラー映像信号を画像処理装置でＲＧＢ成分に分解し各成分の強度もしくは成分間の比率から溶融池の範囲を推定しかつカラー映像信号に基づいて開先線の位置を決め、さらに、溶接施工データベースを参照して溶融池の形状と開先線との位置関係から溶接条件と溶接線倣いなど溶接施工上必要となる溶接補正情報を生成し、画像表示装置に表示するモニター装置が開示されている。
このモニター装置では溶接技術者が溶融池の状態や開先線位置を見誤らないように補助情報を提供するようにしているが、溶接機の運転は熟練した溶接技術者が映像を見て判断した後に行うようにしており、直接に自動溶接機にフィードバックして作動させるに足りる信頼を得ていない。
【０００５】
なお、ＴＩＧ溶接など非消耗型電極を用いた溶接では、ちょっとしたきっかけで溶融状態にアンバランスが生じて溶接進行方向を挟んだ両側の溶接状態に偏差が生じる場合があり、溶接品位を維持するために作業者が溶接ワイヤの位置を手直しする必要があるが、この操作を自動化することが難しかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、開先の状態が設計条件からずれていても無監視で溶接ができる自動開先倣い溶接装置を提供することであり、特にウィービング付き溶接を行う自動開先倣い溶接装置を提供することである。また、従来の溶接部モニタリング装置に自動化機能を付加して自動溶接ロボットと組合わせることにより高付加価値化した自動開先倣い溶接装置を提供することである。
さらに、ＴＩＧ溶接などで溶接進行方向の左右に生じる溶接状態の偏差を解消する自動開先倣い溶接装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の自動開先倣い溶接装置は、溶接トーチ案内装置と撮像装置と画像処理装置を備え、画像処理装置が撮像装置からワイヤ先端位置を含む溶接中の溶接部の映像信号を取込み溶接トーチ案内装置から溶接トーチ先端位置情報を取込んで、溶接部の画像から開先の位置を検出し溶接トーチ先端位置情報から求まる溶接トーチに対する位置関係を算定し、開先の中間位置に溶接トーチの進行軌道が位置するようにする位置補正信号を溶接トーチ案内装置に送信するようにしたことを特徴とする。
【０００８】
なお、本発明は、消耗型電極を用いるアーク溶接装置でも非消耗型電極を用いるアーク溶接装置でも同様に適用することができる。ただし、非消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤあるいは溶接棒を溶接トーチと別の装置で供給し位置制御する必要があるので、ワイヤ供給装置をさらに備えて、溶接ワイヤなどをアークの位置に追従させたり、さらには意図的な位置制御を行ったりする。
【０００９】
本発明の自動開先倣い溶接装置によれば、画像中の輝度値もしくはＲＧＢ比率等の状態から特徴点を検出し開先位置を推定すると共に、画像中のワイヤ先端位置を汎用ロボットや溶接専用機などの溶接トーチ案内装置から与えられる位置情報と重ねて確定し、溶接トーチの進行位置が開先の中間位置と一致しないときには、補正信号を溶接トーチ案内装置に送って溶接中に制御動作を修正することにより両者が一致するように溶接トーチを案内して溶接を行うことができる。
【００１０】
さらに、本発明の自動開先倣い溶接装置は、ウィービング溶接を行うものであってもよく、この場合は、画像処理装置が溶接トーチ案内装置からウィービングの位相を表わす信号を入力し、開先位置と溶接トーチの位置関係をウィービングの位相に基づいて算定して、ウィービング幅を補正する補正信号を溶接トーチ案内装置に送信するようにすることが好ましい。
また、開先と溶接トーチの関係を測定する位置と補正信号を用いてウィービング幅を補正する位置を交互に置いて、測定時には溶接トーチの位置修正を行わないようにすることができる。
【００１１】
特に、溶接トーチのウィービングの半周期について開先位置と溶接トーチの位置関係を求めてウィービング幅を補正する補正信号を溶接トーチ案内装置に送信し、溶接トーチ案内装置が残りの半周期で溶接トーチの位置を修正するようにすることが好ましい。
また、１周期毎の補正量をｎ等分して１／ｎ周期毎に小刻みに修正させるようにすることにより、滑らかに溶接面を仕上げるようにすることが好ましい。ここで、ｎは整数で、たとえば８や１６などの電子計算機による演算処理に便利な数が選ばれる。
なお、補正量の算出は、ウィービングの半周期に限らず適当な正の実数ｍ個の周期について行ってもよい。
【００１２】
さらに、開先の断面形状を算定して、この断面形状に適合するようにウィービングの動作範囲を補正することができる。特に、多層溶接を行う場合には溶接ワイヤ先端位置は底部から表面層まで層毎に少しずつ浅くなるように調整される。開先面は傾斜を有するので、上層部の溶接ほどウィービング幅を長くし、壁面を溶かすようにしたり、溶接金属の盛量を変化させることが好ましい。このため、本発明の自動開先倣い溶接装置には、開先の位置と断面形状を把握してウィービング制御に反映できるように構成することが好ましい。
開先の位置は撮像装置で取得した映像から得ることができ、また断面形状は開先形状の情報を教示されている溶接トーチ案内装置から取得することができる。もちろん断面情報を別途入力してもよい。また映像から画像処理によって求めてもよい。
【００１３】
また、画像処理装置が映像から開先の方向を測定して、ウィービングの往復動方向を一般的には開先の向きに対して垂直な向きに補正できるようにすることが好ましい。溶接対象の位置が設計時と異なる場合は、溶接トーチの進行方向を開先に合わせても、ウィービングの方向が初めの設定と同じであれば、溶接ビードの形状は開先に対して斜行するので、良質の溶接ができない。上記本発明のウィービング方向の修正方法を用いることにより、美麗な溶接状態を得ることができる。
さらに、開先幅が大きい場合には溶接速度を低下させ小さい場合には上昇させると、溶接厚みが均等な良好な溶接品質を得ることができる。
また、撮像装置は、溶接部を見通せる位置に設置する必要があるが、特に溶接トーチに固定した支持アームに取付けるなど、溶接トーチに対して固定すると、溶接ワイヤ先端が常に取得した画像中の一定の位置にあることになり、画像処理装置における処理が簡略化されて便利である。
【００１４】
このように、本発明装置により、溶接の無監視化および自動化を実現することが可能となる。
また、本発明における画像処理装置はパソコンなどの電子計算機で構成することができ、電子計算機で構成すれば、上記補正信号の生成の他にも、処理画像の表示や保存、溶接軌跡のロギングなど付帯作業を容易に行わせることができる。また、従来使用されてきた溶接モニタ装置に付加的に組込むことも可能である。
【００１５】
なお、ウィービングしないで直線的に開先に倣うような溶接では、溶接進行方向の左右で溶接ワイヤの溶融状態に変化が生じて、溶接品質が低下する場合がある。このような場合には、作業者が溶融池の状態を監視していて進行方向にアンバランスが生じると溶融池の前端が遅れている方にワイヤ先端を移動させて左右のバランスを回復することができる。本発明の自動溶接装置は、溶融部を撮影する撮像装置と画像処理装置を備えるので、特に、ワイヤ供給装置を使用する非消耗電極式溶接を行うときは、これら装置を利用して溶融池の前端部分の状態を検知し、その情報信号を用いてワイヤ先端位置の調整をすることにより、自動的に補償制御を行うことができる。
【００１６】
また、発明の課題を解決するため、遠隔制御される溶接トーチ案内装置を用いた本発明の自動開先倣い溶接は、ワイヤ先端位置を含む溶接部を撮影して映像信号を発生し、溶接部の映像信号から開先の位置を検出すると共に、溶接トーチ案内装置から溶接トーチ先端位置情報を取込み、その溶接トーチ先端位置情報に基づいて開先とワイヤ先端の位置関係を算定し、開先の予め決められた中間位置に溶接トーチの進行軌道が位置するようにする位置補正信号を溶接トーチ案内装置に送信して、溶接位置制御することを特徴とする。
【００１７】
本発明の自動開先倣い溶接方法によれば、画像中の輝度値もしくはＲＧＢ比率等の状態から特徴点を検出し開先位置を推定し、画像中のワイヤ先端位置を汎用ロボットや溶接専用機などの溶接トーチ案内装置から与えられる位置情報と重ねて確定し、溶接トーチの進行位置が開先の中間位置と一致しないときには、補正信号を溶接トーチ案内装置に送って溶接中に制御動作を修正して両者が一致するように溶接トーチを案内し、自動的に高品質の溶接を行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下実施例を用いて本発明を詳細に説明する。
【００１９】
【実施例１】
図１は、本発明第１の実施例にかかる自動開先倣い溶接装置の構成を表すブロック図である。
本実施例の自動開先倣い溶接装置は、溶接トーチ１と連動するカメラヘッド２と、画像処理装置３と、溶接用ロボット装置４からなり、溶接用ロボット装置４は溶接トーチ１を備える溶接機４１を手先に把持した多関節ロボットアーム４２とロボットの制御装置４３と溶接機４１に溶接電流を供給する溶接電源装置４４を備える。
溶接トーチ１は、ロボット装置４により予めセットされたプログラムに従ってワーク５の開先５１に倣って走行しながら溶接ワイヤを溶かして開先の間を溶接する。
【００２０】
カメラヘッド２にはＣＣＤカメラが仕込まれており、溶接トーチ１に固定された支持アーム２１の先端に取付けられ、カメラの視野が溶接ワイヤの先端部に発生する溶接部５２を含むように配置されている。特に、カメラの光軸が溶接トーチの移動方向に向くように取付けることが好ましい。なお、カラーＣＣＤカメラを使用してカラー画像として映像を取得してもよい。
画像処理装置３は、カメラヘッド２から画像入力を受信して画像表示装置に表示すると共に、適当な画像処理を行って必要な情報を取出し溶接トーチ１の位置制御の補正値を算出して制御装置４３に供給するもので、画像表示装置を備えたパソコンであってもよい。
【００２１】
溶接中のカメラ映像３１は、図２に概念的に例示するように、極めて明るい領域とその周辺の明るい領域さらにその外側にできる暗い領域を写している。
極めて明るい領域Ｍは、カメラ２と溶接トーチ１の配置関係に基づいて画像のほぼ中央の位置に固定される溶接ワイヤの先端部Ｐから発する極めて輝度の高い溶接アークと、その周囲に形成される溶融部である。またその周辺の明るい領域Ｗは、アークに照らされて明るく見える溶接面と開先の傾斜壁の部分である。さらに外側の最も暗い部分Ｆは、アーク光の届かないワークの表面部である。なお、画像中央上部にはワーク表面部Ｆと同じように暗い溶接トーチ１の表面Ｃが写し込まれている。
ワーク表面部Ｆとアーク光に照らされた領域Ｗの境界は開先の稜線に当る。したがって、画像信号から明度変化を用いた特徴抽出を行うことにより、開先稜線Ｂ−Ｂを検出することができる。
【００２２】
ストレート溶接を行うときには、両側の開先稜線の中間のたとえば丁度真ん中を通るように溶接トーチを案内する。従来は、開先の位置を決めておいて、その中央位置に決められる溶接線を通るように設定されたプログラムに従って溶接を行っている。したがって、実際と設計した位置に狂いがある場合は、現物を観察したり溶接モニター装置を見てそれを発見した作業者が、ロボット制御装置に軌道補正信号を入力して軌道の修正を行う必要があった。
【００２３】
本実施例の自動開先倣い溶接装置では、画像処理装置３で画像信号に対して上記説明のように画像処理を行って開先稜線Ｂ−Ｂを検出した上で、２つの稜線Ｂ−Ｂの中間線として適正な溶接線Ｌを確定し、画像中の溶接ワイヤ先端位置Ｐと比較して得られる誤差に基づいて、位置修正量を算出して補正信号をロボットの制御装置４３に送り、作業者の手を煩わせることなく自動的に修正動作を行わせることができる。
なお、溶接ワイヤ先端位置Ｐは、画像中の高輝度位置から推定することもできるが、カメラ２と溶接トーチ１の関係が固定されていることから測定あるいは演算により画像中の固定位置として予め定めておくこともできる。
【００２４】
また、ワーク５が溶接方向に対して斜めに置かれていた場合には、ワイヤ狙い位置を補正せずに溶接を行うとワイヤ先端は開先壁に向って進行するので、ワイヤ狙い位置補正動作が必要となる。このような場合には、カメラの撮影画像は、図４に示すように、開先稜線Ｂ−Ｂが斜行するように表示されるので、同様に２本の開先稜線Ｂ−Ｂを検出して、その中間に検出される溶接線Ｌに沿ってワイヤ先端Ｐが進行するようにする補正信号を作成し、制御装置４３に送って溶接案内方向を修正する。
なお、カメラヘッド２の向きが溶接トーチ１の進行方向に合致するように溶接トーチ１を軸周りに回転させるようにした場合は、画像の垂直方向に溶接トーチ１が進行することになるため、上記修正に伴って開先稜線Ｂ−Ｂの向きが変化して溶接線が画像中に垂直な線として現れるので画像処理が容易である。勿論、カメラヘッド２の向きを溶接方向と関係なく操作するようにすれば画像処理上の困難は増加するが、溶接ロボットの操作は容易になる。
【００２５】
さらに、図４に示すような状態で、普通にウィービングを伴う溶接を行っているときは、画像中で水平の方向αにウィービングするので、溶接方向に対して斜行する方向にウィービングすることになり不都合である。そこで、溶接線に対して垂直な方向βにウィービングしようとすれば、画像から求めた溶接線Ｌに対して垂直な方向βと水平方向αとの角度差θを求めて、補正信号を生成し制御装置４３に送ればよい。
【００２６】
また、開先の突き合せ距離が変化して開先幅が設計と異なるような場合にも、ウィービング幅を修正して溶接欠陥が発生しないようにする必要がある。
このような場合には、図５に示すように、開先稜線から溶接線を算定し溶接中心線上にウィービング中心が来るように修正するのに加えて、開先幅に合わせてウィービング幅を修正する補正信号を生成して制御装置４３に送る。
なお、ウィービングは、ワイヤ先端が開先壁に当らないようにする必要があるので、開先稜線から所定の余裕を持つように算定して修正信号を生成する。
【００２７】
さらに、積層溶接を行うときは、開先壁に角度があるため層を重ねるに従ってウィービング幅を拡げていく必要があり、ウィービングの端点から開先稜線までの距離も変化する。
このため、本実施例の自動開先倣い溶接装置では、図５に示すように、開先壁の形状を考慮に入れた修正動作を行わせることによって、より良質な溶接を行うことができるようになっている。図５は、上側に開先部の断面を示し、下側に平面図を示す。
【００２８】
画像処理装置３は、開先の角度とワークの板厚を入力しておいて、画像信号から検出された開先稜線Ｂ−Ｂに基づいて開先壁の位置Ｓを予め算出しておく。
さらに、この開先壁Ｓに対して所定の余裕を持った制限面Ｒを設定して、溶接ワイヤがこの制限面Ｒまでしか近づかないように溶接トーチ１の位置制御を修正する補正信号を発生させる。
溶接ワイヤの先端高さは溶接の層により異なるので、溶接トーチ１の高さに関する情報を制御装置４３から入力して、その時々のウィービング端点位置の目標値Ｔを算出する。ウィービング端点位置目標値Ｔは開先稜線Ｂに対して算定し、溶接ワイヤ先端位置が描くウィービング端点と開先稜線Ｂの距離の計測値と比較して修正動作量を算出する。
なお、開先幅が変化したときに溶接速度が変らないと、溶接盛りの厚さが設計と異なることになり、溶接強度の仕様を満足しないことがある。そこで、開先幅が設計値より広くなったときにはウィービング速度を遅くして盛りを補充し、狭くなったときにはウィービング速度を速めて溜りを少なくするように調整することができるようにすることが好ましい。
【００２９】
図６は、本実施例の自動開先倣い溶接装置のプログラムを説明するフロー図である。
本実施例の自動開先倣い溶接装置は、従前から用いられているロボット側プログラム６と協働するパソコン側プログラム７に特徴がある。
ロボット側プログラム６は、ロボット制御装置４３に搭載され、メインプログラム６１および、溶接プログラム６２とロボット制御プログラム６３の２個のサブプログラムから構成される。
溶接プログラム６２は、溶接ワイヤの送出しや電源装置４４を制御して溶接機４１を作動させるもので、ロボット制御プログラム６３は、ロボット４を制御して溶接機４１を正しい位置に案内するものである。メインプログラム６１は、サブプログラム６２，６３の動きを整合させてロボットをコントロールして適正な溶接を行う。
【００３０】
パソコン側プログラム７はパソコン３に搭載され、メインプログラム７１および、ロボット状態監視プログラム７２とカメラ入力プログラム７３と画像処理プログラム７４の３個のサブプログラムから構成される。
ロボット状態監視プログラム７２は、ロボット側の溶接プログラム６２と通信で接続されていて溶接機の状態を監視する。また、カメラ入力プログラム７３はカメラヘッド２の制御を行うプログラムで、画像処理プログラム７４は上記説明した各種の画像処理を実行させるプログラムである。メインプログラム７１はロボット側のメインプログラム６１と通信により接続され、ロボット側プログラム６に各種の指令を発生すると共に、３個のサブプログラム７２，７３，７４の整合を取って適正に稼働させるプログラムである。
【００３１】
パソコン側プログラムに指示を与えることにより、本発明の自動開先倣い溶接装置が作動し始める。
▲１▼  パソコン側のメインプログラム７１が起動指示を発生すると、ロボット側プログラム６とパソコン側のサブプログラム７２，７３，７４が待機ループを実行しながら条件が成立するまで待機する。
▲２▼  ロボット側プログラム６は、ロボット制御プログラム６３を作動させて溶接機４１が所定の位置まで案内されたところで、溶接プログラム６２に溶接開始の指示を与える。
▲３▼  溶接プログラム６２は、溶接機４１に電源を供給して溶接を開始する。
▲４▼  ロボット状態監視プログラム７２は、溶接プログラム６２の状態を監視していて、溶接が開始されたことを探知すると、カメラ入力プログラム７３に始動を促す。
▲５▼  カメラ入力プログラム７３は、カメラヘッド２に対して画像の取込みを指示する。
▲６▼  画像処理プログラム７４は、カメラヘッド２から入力される映像信号を画像処理して、画像表示装置に表示すると共に、溶接トーチ１の位置修正の必要を検知したときには修正量を算出して補正信号を生成し、メインプログラム７１を介してロボット側のメインプログラム６１に通知する。
▲７▼  ロボット制御プログラム６３は、メインプログラム６１から受けた指示に基づいて位置・移動速度などロボットアーム４２の動きを補正して、実際のワークの状態に適合した溶接ができるようにする。
【００３２】
ウィービングは同じパターンで周期的に行われるので、１周期を単位として測定および補正を行うことが合理的である。また、修正動作の円滑化のためには、１周期を分割して補正量を分配し動作に幅の大きな階段状変化を与えないようにすることが好ましい。このため、１周期を適当な数値で分割したタイミングで測定し、その結果を用いて次の周期で補正動作を行う。補正動作は同じように分割したタイミングで行う。各タイミングにおける補正値は、総体として必要となる補正量を分割数で分けて分配すれば、補正値に大きなステップ状変化を与えず、スムーズな補正動作を行うことができる。
補正動作中にも測定を行い、次の補正動作のために補正量を算定する。
【００３３】
なお、ウィービングは溶接線を挟んで左右対称の動きを与えることが多い。そこで、ウィービングの周期に合わせて測定と修正動作を交互に行うようにして、測定時には修正途中の変化状態を排除し、かつ修正動作の結果を直ちに把握して効果的にフィードバックすることができる。
特に、図７に説明するように、ウィービングの１周期を測定期間、評価期間、補正期間の３つに分け、半周期で片側について測定を行い、この測定結果を敷衍して１周期における状態を評価し、その後の半周期で修正動作を行わせることもできる。
図７において、直線Ｄは溶接機の中心位置の移動方向、曲線Ａはウィービングしている溶接トーチ１の軌道である。ウィービング周期を１６等分したタイミングで曲線Ａ上に黒点Ｎを印してある。ここでは、進行方向に対して左側にウィービングしている間が測定期間で黒点Ｎで撮像した画像について特徴抽出して開先稜線位置を検出し、その最終期間で実際の位置と設定された位置との誤差を評価する。
【００３４】
黒点Ｎのタイミングとその時点における溶接トーチ１の位置情報は、ロボット制御装置４３から供給される。進行方向軸を挟んで対称なウィービングを行っているときは、半周期にわたって８カ所で測定された溶接トーチと開先稜線の関係から溶接トーチの進行方向およびウィービングのずれを知ることができるので、初めの半周期が終ったときに総体の補正量を算出し、補正必要量を８個に分割して黒点Ｎのタイミング毎の補正信号を生成する。
続く半周期は補正期間で、与えられた補正信号に従い、少しずつ溶接トーチの動きを修正させる。
このように、半周期を適当な整数ｎで等分し、その各時点で測定して統合した結果から算定した総補正量を同じ数値ｎで分割して次の半周期をｎ等分した各時点に分配して補正するようにすると、補正動作が滑らかになり、より良好な溶接品質を達成することができる。
なお、ウィービング軌跡は予め決められたたとえば正弦波状をしているので一部の期間について測定することで補正必要量を把握することができる。したがって、測定と補正は、上記のように１周期や２周期などに限らず、適当なｍ周期で測定して続くたとえばｍ周期で補正するようにしてもよい。
【００３５】
図８から図１１は、本実施例の自動開先倣い溶接装置の性能試験結果の１例を示す図表である。
性能試験は、汎用ロボットに溶接トーチを把持させて、溶接電流２６０Ａ、溶接電圧３０Ｖ、溶接速度１５ｃｍ／ｍｉｎ、ウィービング周波数０．５Ｈｚで、１．２φの溶接ワイヤを用い、シールドガスにアタールを使用して、開先角度４５°の鋼材に対して溶接を行うことにより実施した。溶接ロボットはウィービング周期を１６分割したタイミング毎に信号を発生する。補正量の算定はウィービング周期中１６回行われ、その結果を次の周期における１６回の修正動作に利用するようにしてある。
装置の性能を評価する目的で、ワークを教示した溶接線方向に対して開先稜線方向が６．６°ずれるように置いて試験した。
【００３６】
図８は、ワイヤ先端狙い位置補正の推移を補正量積算値の変化で示した図である。横軸にウィービング回数、縦軸にワイヤ先端位置の補正値積算値とを取ってある。
図から分るように、補正量はウィービング周期内に分配されて、補正信号はわずかずつしか変化しないので、ロボットアームは極めて滑らかに動作する。
グラフから、ウィービング１周期ごとの平均補正量は約０．５４ｍｍであった。一方、ウィービング１周期間に溶接トーチが進行する距離が１５ｃｍ／ｍｉｎ×（１／０．５Ｈｚ）＝１５０ｍｍ／６０ｓｅｃ×２ｓｅｃ、すなわち５ｍｍであり、ワークが６．６°の角度偏差を有することから、ワイヤ狙い位置を補正すべき量は５ｍｍ×tan６．６°、すなわち約０．５８ｍｍと算定される。
したがって、本実施例の自動開先倣い溶接装置により、溶接中に画像処理をして求めた溶接ワイヤ狙い位置補正量は、ほぼ理論どおりであったことが分る。
【００３７】
図９は、横軸にウィービング回数、縦軸に適正ウィービング幅と実際のウィービング幅の誤差をプロットして、ウィービング幅の修正状況を示す図面である。ウィービング幅が８ｍｍであるべきテストピースに対して、初期設定を１ｍｍとしたときに、誤差が自動的に修正されていく状況を示している。グラフに表示したウィービング幅誤差は、画像処理装置による評価値である。また、装置の簡単化のため、ウィービング幅補正値は一定の値をとるようにしてある。
図から分るように、適正なウィービング端位置に到達するまでに、１２回のウィービングが行われている。このとき、溶接開始から３ｃｍ進んだ位置にいることになる。１ｍｍの補正に要したウィービング回数は約１．７回となる。
実際の溶接に適用する場合は、こんなに大きな誤差がステップ状に出現することはないので、上記結果により本装置は十分使用できる性能を有すると評価される。
【００３８】
図１０は、画像処理結果を用いてウィービング幅方向補正を行った状況を示す図で、上段のグラフは横軸にウィービング回数、縦軸に溶接線方向偏差すなわちウィービングの幅方向変化をプロットし、下段のグラフは演算の結果からウィービング幅方向を修正したタイミングを示している。
本実施例では、ウィービング幅補正動作はウィービング周期中に１回だけしか行わない。また、ウィービング幅方向補正は、教示された溶接線の方向に対して画像処理で求めた溶接線が規定回数の間を通じて規定角度、ここでは±１°以上であるときに規定量、ここではプラス１°またはマイナス１°だけ行うようにしている。
上記試験では、ウィービング幅方向補正は合計６回行われた。初期の溶接線方向誤差は６．６°であるから、１°ずつ６回の補正により最終的には許容限界の１°より小さい０．６°の偏差しか残らないようになった。
また、応答性も、初めの５回の修正が当初の５回ウィービングしたなかで完了しているので、十分評価できる。
【００３９】
図１１は、ワイヤ狙い位置補正とウィービング幅補正とウィービング幅方向補正の３個の補正動作を同時に行ったときのワイヤ先端の軌跡を示す図面である。横軸にウィービング回数、縦軸に溶接先端の偏倚をプロットしてある。
当初設定された１ｍｍのウィービング幅から自動的に補正されて１２回目位から安定したウィービングが行われている様子がうかがわれる。
これらの結果から、本実施例の自動開先倣い溶接装置は、溶接、特にウィービング付き溶接を、作業者の介在無く自動的にかつ良好に行うことができることが分る。
【００４０】
なお、本実施例において、画像処理装置は固有のハードウエアで構成することができることはもちろんであるが、プログラム可変の電子計算機、特に簡便なパソコンで構成する場合は、制御動作に使用するパラメータを自在に調整したり、また表示形式を任意に設計することができるので有利である。
また、多数の機台に対して１台の電子計算機を接続して一緒に管理したり制御したりすることができる。
なお、従来使用してきたモニタ装置に本実施例における画像処理装置の機能を組込むことにより、新たに溶接装置の無人制御を可能にすることができる。このように従来使用の機器を利用すると設備費用が大幅に抑制することができる。
【００４１】
【実施例２】
本発明第２の実施例にかかる自動開先倣い溶接装置は、ＴＩＧ溶接など非消耗型電極と溶接ワイヤを使用するアーク溶接に適用したもので、第１の実施例において説明したものと同じ構成を有し、同じ作用効果を呈する。本実施例の自動開先倣い溶接装置は、さらに、ウィービングをしないときに発生する溶接進行方向の偏差を修正する機能を付加したところに特徴がある。
【００４２】
図１２は、本発明第２の実施例にかかる自動開先倣い溶接装置の構成を表すブロック図である。
本実施例の自動開先倣い溶接装置は、溶接トーチ８１と、溶接ワイヤ８２を供給するワイヤ供給装置８３と、溶接トーチと連動するカメラヘッド８４と、パソコンで構成される画像処理装置８５、溶接機制御装置８６と、図に示していない溶接ロボット装置と、ロボット制御装置８７を備えて構成される。
溶接用ロボット装置は、溶接トーチ８１とワイヤ供給装置８３を備えた溶接機を多関節ロボットアームの手先に把持して溶接中の位置制御を行い、溶接機制御装置８６は内蔵する電源装置から溶接トーチ８１に溶接電流を供給し、また溶接ワイヤの位置決めとワイヤの繰り出しを行う。
なお、汎用ロボット装置を用いないで専用の自動溶接機による場合は、ロボット制御装置に代えて溶接機の位置姿勢制御装置を用いればよいことはいうまでもない。
【００４３】
溶接トーチ８１は、ロボット制御装置８７により予めセットされたプログラムに従ってワークの開先に倣って走行しながら溶接ワイヤを溶かして開先の間を溶接する。
溶接トーチ８１には溶接機制御装置に制御され横断方向に位置調整する駆動モータ８８が設けられている。なお、溶接トーチ８１をワークに近づけたり遠ざけたりする垂直方向の駆動モータも設備されているが、この操作は従来の自動溶接装置において常用される通りロボット制御装置の制御動作に従うので、図示しない。
また、ワイヤ供給装置８３には、垂直方向に駆動する垂直駆動モータ８９と横断方向に駆動する横動駆動モータ９０が設けられている。
【００４４】
カメラヘッド８４は、溶接トーチ８１に取付けられ、カメラの視野が溶接池を含むように配置されている。
溶接中のカメラ映像は、図１３に概念的に例示するように、極めて明るい溶接トーチの先端部とその周辺の明るい溶融池領域さらにその外側にできる暗い領域を写している。溶接ワイヤは溶融池と似た明度の画像として表示されるが、先端は画像処理により位置を確認することができる。
画像処理装置８５は、極めて明るい領域から溶接トーチ８１の先端位置を検出し、その周辺の明るい領域から開先の位置と溶接ワイヤの先端位置と検出する。本実施例の自動開先倣い溶接装置は、第１の実施例に関して説明したと同じ方法で溶接トーチ８１を案内し、さらに画像上の溶接トーチ８１と溶接ワイヤ８２の位置関係に従って垂直駆動モータ８９と横動駆動モータ９０を調整して溶接ワイヤ８２を溶接トーチ８１に追従させることで、ストレート溶接やウィービングの制御を行うことができる。
【００４５】
ストレート溶接を行うときには、両側の開先稜線の中間の適当な位置、たとえば丁度真ん中を通るように溶接トーチ８１を案内するが、この溶接トーチ８１の前方定位置に溶接ワイヤ８２を配置して溶接を行うと、ときに溶接ワイヤ８２の左右で溶融池の状態が変化する場合がある。このような溶融池の非対称性は、溶接品質を損ねるため、溶接ワイヤ８２を溶融金属の成長が遅れている方に移動させて修正する必要がある。
本実施例の自動開先倣い溶接装置では、溶接ワイヤ８２を溶接トーチ８１と独立に制御することができる上、溶融池の状態をカメラヘッド８４が取得する画像により観察することができるので、上記修正動作を自動化することができる。
【００４６】
図１４は、溶融池の形状を調整する手順を表すフロー図である。
図１４（ａ）は正常な溶接状態を示す。何らかの原因により、図１４（ｂ）のように、溶接ワイヤ８２の左右で金属溶融状態に差が生じ溶融池形状の対称性が崩れて溶融池前端位置に偏差δが発生した場合は、画像処理装置８５でこれを検出し横動駆動モータ９０を操作して溶接ワイヤ８２を溶融池の発達が遅れている方向に適当量γだけ移動させる。
すると、図１４（ｃ）に示すように、遅れていた側の溶融池前端が反対側と比較してより前進する。この溶融池前端の位置がほぼ均衡したことを確認した後に溶接ワイヤ８２を戻し、図１４（ｄ）のように、正常な溶接状態に復旧する。
【００４７】
なお、溶接ワイヤ８２の位置移動γは、偏差δに対して比例的に制御することができる。勿論より高度な制御動作を取り入れても良いことはいうまでもない。またヒステリシスを持たせて許容範囲を越えたときに制御動作をさせるようにしても良い。
なお、この溶接ワイヤ位置制御はウィービング中には必要がないので、ウィービング制御とインターロックを組んで、ウィービング付き制御の間は上記ワイヤ位置制御ができないようにしてもよい。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の自動開先倣い溶接装置を導入することにより、溶接ワイヤ狙い位置、ウィービング幅、ウィービング方向、溶着量、あるいは溶接進行方向の溶接状態偏差などの自動補正ができるため、溶接の無監視化および自動化を実現することが可能になる。また、溶接作業者の判断が不要になるので、溶接品質に重大な影響を及す判断ミスや作業ミスなどを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す自動開先倣い溶接装置の構成を表すブロック図である。
【図２】第１実施例において取得する画像を概念的に示す図面である。
【図３】第１実施例における画像処理方法を説明する概念図である。
【図４】第１実施例における画像処理方法を別の例について説明する概念図である。
【図５】第１実施例におけるウィービング補正値算出手順を説明する概念図である。
【図６】第１実施例の自動開先倣い溶接装置における作動を説明するフロー図である。
【図７】第１実施例における測定タイミングを説明する概念図である。
【図８】第１実施例を用いた溶接制御試験における補正量積算値の変化例を示すグラフである。
【図９】第１実施例を用いた溶接制御試験におけるウィービング幅の誤差の推移例を示すグラフである。
【図１０】第１実施例を用いた溶接制御試験におけるウィービング幅の制御結果例を示すグラフである。
【図１１】第１実施例を用いた溶接制御試験におけるワイヤ先端の軌跡例を示すグラフである。
【図１２】本発明の第２実施例を示す自動開先倣い溶接装置の構成を表すブロック図である。
【図１３】第２実施例において取得する画像を概念的に示す図面である。
【図１４】第２実施例における制御手順を説明するフロー図である。
【符号の説明】
１  溶接トーチ
２  カメラヘッド
３  画像処理装置
４  溶接用ロボット装置
５  ワーク
６  ロボット側プログラム
７  パソコン側プログラム
２１  支持アーム
３１  カメラ映像
４１  溶接機４１
４２  多関節ロボットアーム
４３  ロボット制御装置
４４  溶接電源装置
５１  開先
５２  溶接部
６１  ロボット側メインプログラム
６２  溶接プログラム
６３  ロボット制御プログラム
７１  パソコン側メインプログラム
７２  ロボット状態監視プログラム
７３  カメラ入力プログラム
７４  画像処理プログラム
８１  溶接トーチ
８２  溶接ワイヤ
８３  ワイヤ供給装置
８４  カメラヘッド
８５  画像処理装置
８６  溶接機制御装置
８７  ロボット制御装置
８８  溶接トーチ横動駆動モータ
８９  ワイヤ垂直駆動モータ
９０  ワイヤ横動駆動モータ
Ａ  ウィービング軌跡
Ｂ  開先稜線
Ｃ  溶接トーチ表面部分
Ｄ  溶接進行方向
Ｆ  ワーク表面部分
Ｌ  溶接線
Ｍ  溶融池部分
Ｎ  作動タイミング（黒点）
Ｐ  溶接ワイヤ先端部
Ｒ  制限面
Ｓ  開先壁位置
Ｔ  ウィービング端点目標値
Ｗ  開先内部分
δ  溶融池前端位置偏差
γ  溶接ワイヤ位置移動量
【図１】
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【図２】
0003733485.tif 000003
【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】
0003733485.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003733485.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
0003733485.tif 000013
【図１３】
0003733485.tif 000014
【図１４】
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