JP2840146B2 - 自動溶接装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、被溶接体とトーチとの
位置関係を判定して、これにより溶接位置を求め、該ト
ーチの位置決め制御及び移動制御を行いながら溶接する
自動溶接装置に係り、特に、溶接位置を迅速に、正確に
求めることができる自動溶接装置関する。

【０００２】

【従来の技術】溶接ロボット等、自動溶接装置において
は、溶接中のトーチの動作経路、即ち始動から溶接線へ
のアプローチ、溶接、待避そして停止に至る全ての動作
順序を規定する必要がある。

【０００３】例えば、ティーチングプレーバックロボッ
トは、ロボットが動く動作経路をオペレータが実際にロ
ボットアームを動かして教示する。又、数値制御ロボッ
トは、起動する前に、その動作経路を全てプログラムし
ておく。

【０００４】一方、自動溶接装置の溶接ワイヤの被溶接
体への位置決め精度を向上させる等の目的のために、ワ
イヤタッチセンサを用いた自動溶接装置がある。

【０００５】図１２は、ワイヤタッチセンサを用いた自
動溶接装置のブロック図である。

【０００６】この図１２において、溶接電源４０とトー
チ３及び被溶接体１との間には、電磁開閉器Ｒ２の接点
が挿入されている。この接点Ｒ２は、定常状態では、接
点c1が接点b1に接続され、接点c2が接点b2に接続されて
いる。

【０００７】一方、センシングのときには、ロボットコ
ントローラ２４b で電磁開閉器Ｒ２が励磁され、接点c1
は接点a1に接続され、接点c2は接点a2に接続される。セ
ンシングが開始されトーチ３が移動してワイヤ４が被溶
接体１に接触すると、センサユニット４２のリレーＲ１
が励磁されて、ロボットコントローラ２４b にタッチ信
号が入力される。即ち、ロボットコントローラ２４b 内
のリレー接点Ｒ１がオンとなる。従って、ロボットコン
トローラ２４b は、このようなタッチ信号に従ってトー
チ３の座標値を読取ることにより、被溶接体１とトーチ
３との位置関係を判定することができる。

【０００８】図１３は、ワイヤタッチセンサを用いた自
動溶接装置のセンシング動作を示す斜視図である。

【０００９】この図１３において、符号Ｐs は、被溶接
体１e と被溶接体１f とを溶接する際の溶接始点であ
る。トーチ３は、ワイヤ４が被溶接体１e にタッチする
まで移動することにより、点Ｐa のＺ軸方向の位置を求
める。この後、トーチ３はＸ軸方向のマイナス方向に小
刻みに移動しながら、点Ｐb の位置を求める。更に、ト
ーチ３は、小刻みにＹ軸方向に移動しながら点Ｐc の位
置を求め、この後始点Ｐs の位置を求める。

【００１０】このようなワイヤタッチセンサを用いた自
動溶接装置によれば、被溶接体とトーチとの位置関係を
より正確に判定して、良好な溶接を行うことができる。

【００１１】

【発明が達成しようとする課題】しかしながら、前述の
ワイヤタッチセンサを用いた自動溶接装置は、溶接始点
等をセンシングするための時間が掛かってしまうという
問題がある。

【００１２】これは、図１３を用いて前述したように、
センシング動作が小刻みな動作であり、検出精度を確保
するためには、移動速度を速くすることができないため
である。

【００１３】例えば、センサユニット４２やロボットコ
ントーラ２４b での検出速度や処理速度を考慮してセン
シング中のトーチ３の移動速度は決定されなければなら
ず、移動速度が速すぎると停止位置精度や位置検出精度
が低下して、センシング誤差が増大してしまう。又、こ
のようなワイヤタッチセンサを用いた自動溶接装置にお
いて、ワイヤ４が曲がってしまうとセンジング誤差が生
じてしまうという問題がある。例えば、センシング中、
ワイヤ４が被溶接体１に接触した後のトーチ３の移動の
停止が遅れてしまうと、ワイヤ４が曲がってしまい、セ
ンシング誤差が生じてしまう。

【００１４】又、被溶接体１の表面のスケールやスラグ
等の絶縁体や、ワイヤ４のカルシウム等の絶縁性のフラ
ックスによって、ワイヤ４と被溶接体１との接触がセン
サユニット４２で検出できなかったり、検出が遅れてし
まう等の異常動作が生じてしまうという問題もある。

【００１５】本発明は、前記従来の問題点を解決するべ
くなされたもので、溶接位置をより迅速に、より正確に
求めることができる自動溶接装置を提供することを目的
とする。

【００１６】本発明は、被溶接体とトーチとの位置関係
を判定して、これにより溶接位置を求め、該トーチの位
置決め制御及び移動制御を行いながら溶接する自動溶接
装置において、スリット像を被溶接体の表面に投影する
投影手段と、前記スリット像を所定撮像画面に撮像する
撮像手段とを配置すると共に、一方の被溶接体の溶接線
の方向をＸ軸、該溶接体上の溶接点と直角の方向をＹ
軸、該溶接体と前記トーチとの距離方向をＺ軸とする直
角座標系で、前記投影手段の投影軸の方向及び前記撮像
手段の撮像軸の方向及びＺ軸方向の、少なくとも１組が
所定の角度差を有して位置決め及び移動するように、前
記トーチ及び前記投影手段及び前記撮像手段を一体構造
とし、前記撮像手段が出力する映像信号に対して、前記
撮像画面内での前記スリット像の位置からＺ軸上の前記
位置関係を解析し、前記撮像画面内での前記スリット像
の有無からＸ軸上の前記位置関係を解析し、前記撮像画
面内での前記スリット像の変形からＹ軸上の前記位置関
係を解析し、これらの解析により前記位置関係を判定
し、これにより溶接位置を求める画像解析手段と、求め
られた溶接位置に従って、トーチの位置決め制御及び移
動制御を行う位置決め制御装置とを備えたことにより、
前記課題を達成したものである。

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【作用】本発明は、溶接位置をより迅速に、より正確に
求めるために、ＣＣＤ（chargecoupled device ）カメ
ラ等の撮像手段を用いて、被溶接体に対して非接触で、
該被溶接体とトーチとの位置関係を判定して、これによ
り溶接位置を求めることができる、より効果的な構成を
見出してなされたものである。

【００２１】図１は、本発明の要旨を示す、一部斜視図
を含むブロック図である。なお以下の説明において、図
４や図７に示されるように、溶接する２つの被溶接体の
溶接部分を、それぞれの被溶接体について溶接線とす
る。するとこれら図４及び図７に示されるように、Ｘ軸
方向は一方の被溶接体の溶接線の方向である。又一体構
造となったトーチ及び投影手段及び撮像手段と、被溶接
体との距離方向をＺ軸方向とする。当然ながらＹ軸方向
はこれらＸ軸及びＺ軸に直交する方向である。

【００２２】この図１に示される如く、本発明では、前
述の撮像手段１４に加えて投影手段１０を有している。
この投影手段は、所定の投影映像を被溶接体の表面に投
影するものである。従って、撮像手段１４は、前記投影
手段１０から被溶接体の表面に投影された投影映像を撮
像する。又、画像解析手段２０は、撮像手段１４で撮像
された所定の投影映像を解析して、被溶接体とトーチと
の位置関係を判定して、これにより溶接位置を求める。
位置決め装置２４は、例えばロボットコントローラ等で
あり、前述の画像解析手段２０で求められた溶接位置に
従って、トーチ３の移動方向や移動速度を決定したり、
位置決め制御を行う。なお、符号１０a及び１４a は、
それぞれ、投影軸、撮像軸である。又、符号４は、溶接
用のワイヤである。

【００２３】本発明の画像解析手段２０は、被溶接体の
表面に投影された所定の投影映像を対象として、この被
溶接体とトーチとの位置関係の判定等の処理を行うの
で、能率良く処理を行うことができる。

【００２４】なお本発明においては図１に示されるよう
に、トーチ及び投影手段及び撮像手段を一体構造として
いる。又後述する実施例についても例えば図６に示され
る如く同様に一体構造としている。

【００２５】又、本発明は画像解析手段２０での具体的
な画像解析処理を限定するものではなく、被溶接体の表
面に投影された投影映像から、被溶接体とトーチとの位
置関係を判定する処理であればよい。例えば、この画像
解析手段２０で行われる処理は、撮像手段１４の撮像画
面内での投影映像の位置から、被溶接体とトーチとの位
置関係を判定するものであってもよい。又、撮像手段１
４で得られた投影映像の変形から、被溶接体とトーチと
の位置関係を判定するものであってもよい。あるいは、
投影映像がスポット像である場合等では、撮像画面内で
の投影映像の有無から、被溶接体とトーチとの位置関係
を判定してもよい。

【００２６】

【実施例】以下、図を用いて本発明の実施例を詳細に説
明する。

【００２７】図２は、本発明の第１実施例の斜視図であ
る。

【００２８】この図２において、符号１０、１４は、前
述の図１の同符号のものと同一のものである。

【００２９】この図２の投影手段１０は、スリット像Ｓ
１やＳ２等のスリット像を投影するものである。投影手
段１０の投影軸１０a と、撮像手段１４の撮像軸１４a
とは、所定の角度差αを有するように配置されている。

【００３０】従って、Ｚ軸方向の距離に従って、撮像手
段１４で撮影される範囲である撮像画面範囲でのスリッ
ト像の位置が変化する。例えば、この図２においては、
距離Ｚ１では、撮像画面範囲Ａ１でのスリット像Ｓ１の
位置が、該撮像画面範囲Ａ１の中心からずれ量d の位置
となっている。一方、距離Ｚ２では、スリット像Ｓ２が
撮像画面範囲Ａ２の中心（d ＝０）となっている。

【００３１】従って、第１実施例では、ずれ量d を画像
解析手段で求めることにより、非接触でＺ軸方向の溶接
位置を求めることができる。

【００３２】図３は、前記第１実施例を変形した、本発
明の第２実施例のフローチャートである。

【００３３】本第２実施例では、図２に示される原理を
活用して、溶接トーチと共に固定された投影手段１０及
び撮像手段１４を、被溶接体表面から所定距離Ｄ（Ｚ軸
方向）に位置決めするというものである。

【００３４】この図３において、ステップ１０４でスリ
ット像が右であると判定された場合には、ステップ１０
６で、溶接トーチ、投影手段１０及び撮像手段１４が取
付けられたロボットアームを上昇させ、この後、前記ス
テップ１０４の前方へ分岐する。このスリット像が右で
あると判定される場合とは、図２において、撮像画面範
囲Ａ１及びスリット像Ｓ１で示されるような場合で、被
溶接体表面までの距離が接近している。

【００３５】一方、ステップ１０４でスリット像が右で
はないと判定され、且つ、ステップ１１０でスリット像
が左であると判定された場合には、ステップ１１４で前
記ロボットアームを下降させ、この後、前記ステップ１
０４の前方へ分岐する。

【００３６】又、ステップ１０４でスリット像が右では
ないと判定され、且つ、ステップ１１０でスリット像が
左ではないと判定された場合は、スリット像は中央にな
っており、この図３のフローチャートに示される処理を
全て終了する。即ち、スリット像が中央になるまで、こ
の図３のフローチャートに示される処理は続行される。
又、スリット像が中央であると判定された場合とは、図
２において、投影画面範囲Ａ２及びスリット像Ｓ２で示
されるような場合で、被溶接体表面までの距離がＤとな
っている。

【００３７】図４は、本発明の第３実施例を示す斜視図
である。

【００３８】この図４において、符号１０、１４は、前
述の図１の同符号のものと同一のものである。

【００３９】この第３実施例の投影手段１０は、スリッ
ト像を被溶接体１a 乃至は１b に投影する。なお、この
図４において、符号１０c は投影経路であり、符号ＲＧ
はルートギャップである。

【００４０】図５は、前記第３実施例の撮像手段１４で
得られた撮像画面を示す平面図である。

【００４１】この図５に示される如く、投影手段１４に
より投影された直線のスリット像Ｓ３は、被溶接体１a
と１b との接合形態により、屈曲線となっている。従っ
て、この第３実施例では、画像解析手段により、符号Ｒ
Ｇの長さや位置から、例えばＹ軸方向のルートギャップ
ＲＧとトーチとの位置関係を求めることができる。

【００４２】図６は、本発明の第４実施例の、一部斜視
図を含むブロック図である。

【００４３】この図６において、符号３、４、１０、１
４は、前述の図１の同符号のものと同一のものである。

【００４４】この図６において、トーチ３と投影手段１
０と撮像手段１４とは、一定の位置関係で、ロボットア
ーム５上に取付けられている。又、このロボットアーム
５は、この図６に示される如く、トーチ３と投影手段１
０と撮像手段１４とを一体にＳ軸インデックスが可能で
あり、又、トーチ３を独立してＢ軸インデックスするこ
とができる。

【００４５】本第４実施例において、前記投影手段１０
は、波長６７０nmのレーザ光のスリット像を投影する半
導体レーザである。本第４実施例の前記撮像手段１４
は、約２７万画素のＣＣＤカメラであり、撮影レンズに
は６７０nm用のバンドパスフィルタ（光学フィルタ）が
取付けられている。なお、撮像手段１４から画像処理機
２０a に入力される画像信号は０〜１Ｖの信号である。

【００４６】画像処理機２０a は、まず、５１２×４８
０画素毎に０〜１Ｖを２５６に量子化（クラス分け）す
る。又、この画像処理機２０a からは、リレー接点出力
として、合計３種の出力信号Ｒx 、Ｒy 、Ｒz がロボッ
トコントローラ２４a へ出力されている。一方、画像処
理機２０a は、リレー接点信号として、合計３種の入力
信号Ｉx 、Ｉy 、Ｉz を、ロボットコントローラ２４a
から入力している。

【００４７】以下、本第４実施例の作用を説明する。

【００４８】この第４実施例では、図７に示される如
く、Ｘ軸−Ｙ軸−Ｚ軸の３次元での溶接始点Ｐs の位置
を、Ｚ軸方向、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の順に、３回に分け
て求める。

【００４９】まず、Ｚ軸方向の際には、ロボットコント
ローラ２４a からの入力信号Ｉz がオンになる。この
後、投影手段１０から被溶接体１dの表面にスリット像
Ｓa を投影しながら、前述の第２実施例と同じ原理で、
該投影手段１０やトーチ３が取付けられたロボットアー
ム５を位置決めする。即ち、図８に示される如く、撮像
画面範囲Ａ４の中央にスリット像Ｓa が来ると、画像処
理機２０a は出力信号Ｒz をオンにする。この出力信号
Ｒz のオンにより、ロボットコントローラ２４aは、こ
の位置にロボットアーム５を停止させ、Ｚ軸方向の位置
決めを行う。

【００５０】Ｘ軸方向のロボットアーム５の位置決めの
際には、ロボットコントローラ２４a は、まず、該ロボ
ットアーム５のＳ軸のインデックスを行い、入力信号Ｉ
x をオンにする。即ち、図７のスリット像Ｓb に示され
る如く、被溶接体１d の端面との角度βが０とならない
ように、該Ｓ軸をインデックスする。この後、ロボット
アーム５をＸ軸のマイナス方向へ移動すると、被溶接体
１d の前記端面にスリット像Ｓb が接近するに連れ、図
９の点線に示される如く、該スリット像Ｓb は漸次短く
なっていく。被溶接体１d の該端面により、該スリット
像Ｓb の半分が消失されると、前記出力信号Ｒx がオン
状態となり、ロボットアーム５の移動は停止する。

【００５１】この後、Ｙ軸方向のロボットアーム５の溶
接始点Ｐs への位置決めの際には、ロボットコントロー
ラ２４a は、ルートギャップＲＧに対してスリット像Ｓ
c がほぼ直角になるようにロボットアーム５のＳ軸のイ
ンデックスを行い、入力信号Ｉy をオンとした後、Ｙ軸
のプラス方向へ該ロボットアーム５を移動する。このＹ
軸のプラス方向への移動に従って、図１０に示される如
く、ルートギャップＲＧによりスリット像Ｓc が変形す
る。又、このルートギャップＲＧに対応する変形は、撮
像画面範囲Ａ４の上方から下方へと移動する。この図１
０の符号ＲＧで示されるルートギャップＲＧによるスリ
ット像Ｓc の変形箇所が撮像画面範囲Ａ４の上下方向の
中央位置となると、画像処理機２０a は出力信号Ｒy を
オンとする。該出力信号Ｒy がオンとなると、ロボット
コントローラ２４a は、ロボットアーム５のＹ軸方向の
移動を停止する。このとき、ロボットアーム５は溶接始
点Ｐs に到達している。

【００５２】溶接始点Ｐs に到達すると、ロボットコン
トローラ２４aは、ロボットアーム５のＢ軸をインデッ
クスして、トーチ３をルートギャップＲＧの方向へ向け
る。

【００５３】このように本第４実施例によれば、前記図
１３に対応する図１１の矢印Ｍ１〜Ｍ３に示される如
く、トーチ３を溶接始点Ｐs へと、より迅速に、より正
確に位置決めすることができる。

【００５４】

【発明の効果】以上説明した通り、本発明によれば、溶
接位置をより迅速に、より正確に求めることができる自
動溶接装置を提供することができるという優れた効果を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の要旨を示す、一部斜視図を含
むブロック図である。

【図２】図２は、本発明の第１実施例の斜視図である。

【図３】図３は、本発明の第２実施例のフローチャート
である。

【図４】図４は、本発明の第３実施例の斜視図である。

【図５】図５は、前記第３実施例の撮像画面図である。

【図６】図６は、本発明の第４実施例の、一部斜視図を
含むブロック図である。

【図７】図７は、前記第４実施例の、被溶接体への投影
映像を示す斜視図である。

【図８】図８は、前記第４実施例のＺ軸方向での位置決
めの際の撮像画面図である。

【図９】図９は、前記第４実施例のＸ軸方向での位置決
めの際の撮像画面図である。

【図１０】図１０は、前記第４実施例のＹ軸方向での位
置決めの際の撮像画面図である。

【図１１】図１１は、前記第４実施例での撮像手段１４
及びロボットアーム５の移動経路を示す斜視図である。

【図１２】図１２は、ワイヤタッチセンサを用いた従来
の自動溶接装置のブロック図である。

【図１３】図１３は、前記従来の自動溶接装置のセンシ
ング動作を示す斜視図である。

【符号の説明】

１、１a 、１b …被溶接体、 ３…トーチ、 ５…ロボットアーム、 １０…投影手段、 １０a …投影軸、 １０b …投影経路、 １４…撮像手段、 １４a …撮像軸、 １４b …撮像範囲、 ２０…画像解析手段、 ２０a …画像処理機（画像解析手段）、 ２４…位置決め装置、 ２４a …ロボットコントローラ（位置決め装置）、 ４０…溶接電源、 ４２…センサユニット、 Ａ１〜Ａ４…撮像画面範囲、 Ｉx 、Ｉy 、Ｉz …入力信号、 Ｒx 、Ｒy 、Ｒz …出力信号、 Ｓ１〜Ｓ３、Ｓa 〜Ｓc …スリット像、 d …スリット像のずれ量、 h …高さ差、 Ｐa 〜Ｐc …点、 Ｐs …溶接始点。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被溶接体とトーチとの位置関係を判定し
   て、これにより溶接位置を求め、該トーチの位置決め制
   御及び移動制御を行いながら溶接する自動溶接装置にお
   いて、スリット像 を被溶接体の表面に投影する投影手段と、 前記スリット像を所定撮像画面に撮像する撮像手段とを
   配置すると共に、 一方の被溶接体の溶接線の方向をＸ軸、該溶接体上の溶
   接点と直角の方向をＹ軸、該溶接体と前記トーチとの距
   離方向をＺ軸とする直角座標系で、前記投影手段の投影
   軸の方向及び前記撮像手段の撮像軸の方向及びＺ軸方向
   の、少なくとも１組が所定の角度差を有して位置決め及
   び移動するように、前記トーチ及び前記投影手段及び前
   記撮像手段を一体構造とし、 前記撮像手段が出力する映像信号に対して、前記撮像画
   面内での前記スリット像の位置からＺ軸上の前記位置関
   係を解析し、前記撮像画面内での前記スリット像の有無
   からＸ軸上の前記位置関係を解析し、前記撮像画面内で
   の前記スリット像の変形からＹ軸上の前記位置関係を解
   析し、これらの解析により前記位置関係を判定し、これ
   により溶接位置を求める画像解析手段と、 求められた溶接位置に従って、トーチの位置決め制御及
   び移動制御を行う位置決め制御装置とを備えたことを特
   徴とする自動溶接装置。