JP2809449B2

JP2809449B2 - 多層盛自動溶接制御方法

Info

Publication number: JP2809449B2
Application number: JP1287924A
Authority: JP
Inventors: 哲平飛鳥; 鈴木　　茂; 公一佐藤; 孝志菅原; 順三小松; 隆桜井
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-11-07
Filing date: 1989-11-07
Publication date: 1998-10-08
Anticipated expiration: 2013-10-08
Also published as: JPH03151165A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、複数の曲面の接合により現われる溶接線を
対象とした多層盛自動溶接装置の制御方法に係り、特に
水車ランナなど複雑な形状を有する大型構造物の溶接に
好適な自動溶接制御方法に関する。

〔従来の技術〕

従来から、第７図に示す水車ランナＲなどの複雑な形
状の金属構造物の製造は、一体鋳造、或いは分割鋳造に
よる製造法の独壇場であったが、近年、特に大型の水車
ランナなどの構造物の製造には個別部分の組立による製
造方法が適用されるようになってきた。

ところで、このような複雑な形状の構造物の溶接で
は、例えば第７図（ａ）に示すように、水車ランナＲに
おいて、そのベーン１とクラウン２との接合部での被溶
接線17などのように、複数の曲面の接合部に現われ、開
先の形状や姿勢が溶接線に沿って変化している溶接線を
対象とした溶接技法が必要である。なお、この第７図に
おいて、同図の（ｂ），（ｃ），（ｄ）は、それぞれ同
図（ａ）におけるA,B,Cの各部における断面を表わした
図で、開先の姿勢が変化している様子が良く表わされて
いる。

そこで、このような複雑な開先形状となる任意形状の
曲面の接合を対象とした自動溶接技法についての提案が
種々見られるようになり、その例としては、例えば「開
先溶接倣い制御方法」と題する特開昭59−4975号公報の
開示を挙げることが出来るが、この公報による制御方法
では、第８図（ａ）に示すように、ITVカメラ（工業用
テレビカメラ）などの撮像装置20を用い、溶接母材21
a、21bの溶接線での溶接開先MNの画像データを信号処理
部30に取り込んで自動溶接の倣い制御を補正するように
なっていた。なお、23は照明器、31は溶接トーチ駆動装
置、32は溶接トーチであり、第８図（ｂ）は開先部分の
断面図である。

〔発明が解決しょうとする課題〕

上記従来技術は、多層盛溶接の適用について配慮がさ
れておらず、多層盛溶接を行う場合での画像データの２
値化処理時での輪郭線の異常検出に際して、及びビード
積層位置の変更、修正に必要な倣い制御の修正法が無
く、溶接装置のシフト機能などによる演算上の移動情報
だけによって多層盛溶接に対応出来るに過ぎないため、
上記した水車ランナなどのように、開先形状や開先姿勢
が溶接線に沿って変化している、いわゆる変形継手への
適用が困難で、簡単に溶接作業の変更などにも追従でき
ないという問題があった。

本発明の目的は、水車ランナなど、溶接により製造し
ようとした場合に多くの変形継手を対象とした溶接作業
を必要とする、大型複雑形状の構造物の自動溶接におい
て、簡単な段取り作業を要するだけで、容易に高精度で
安定た多層盛溶接が得られるようにした多層盛自動溶接
制御方法を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、被溶接物の溶接予定線の近傍に沿って移
動可能な撮像手段と、該撮像手段により上記溶接予定線
に沿って逐次撮像した画像データから順次開先の形状と
溶接ビードの形状を解析し、形状データ及び位置データ
を求めてゆくデータ処理手段とを備え、多層盛溶接の各
層の溶接工程毎に、その工程の直前での開先形状及び溶
接ビード形状の少なくとも一方を考慮した補正処理が施
されて行く方式の自動溶接制御方法において、少なくともトーチ角、ウィービング条件、電気的溶接
条件の各データを外部から任意に書換可能なデータベー
スとして保持する手段と、上記形状データ及び位置データを順次所定のデータと
して格納してゆく手段と、上記メモリ手段から読出した形状データ及び位置デー
タと、上記データベースとして保持してある少なくとも
トーチ角、ウィービング条件、電気的溶接条件の各デー
タとに基づいて所定のティーチングデータを作成する作
成手段とを設け、上記多層盛溶接の各層の溶接工程における溶接トーチ
部の移動制御が、上記ティーチングデータを用いて遂行
されてゆくようにして構成される。

〔作用〕

まず、データ処理手段は、被溶接線に前工程で形成し
た既存の溶接ビードの形状認識を行い、その結果に基づ
いて次の工程における溶接層の溶接位置に関するずれ量
を補正するように働く。

これにより、本発明による制御方法では、開先に対す
る最初の溶接ビード層（初層）から順次、最終層までの
各溶接ビード層のずれ及び変形に対して追従して行く動
作が与えられるため、誤動作の虞れがなく、簡単なティ
ーチングだけで充分に安定に高精度の多層盛溶接を自動
的に得ることが出来ると共に、溶接条件などによる溶接
姿勢の変更にも簡単な操作で容易に対応出来る。また、
この結果、本発明の制御方法では、周辺装置との通信機
能によるオフラインティーチング操作にも柔軟に対応す
ることが出来る。

次に、ティーチングデータを作成する手段は、溶接パ
ラメータ一覧表に登録してあるパラメータを使用して溶
接が遂行されてゆくように働くので、蓄積された溶接ノ
ウハウが充分に活用出来、常に安定した溶接を容易に得
ることが出来る。

また、データベースを保持する手段と、形状データ及
び位置データを順次所定のデータとして格納してゆく手
段は、溶接パラメータ一覧表に登録してあるパラメータ
が、撮像して取り込んだデータにより逐次書換えられて
ゆくように働くので、常に最良の条件での多層盛溶接が
自動的に得られ、溶接品質を容易に保つことが出来、さ
らに、この結果、類似した被溶接物の繰返しに際しては
ティーチング作業が不要に出来、或るいは簡略化出来
る。

〔実施例〕

以下、本発明による多層盛自動溶接制御方法につい
て、図示の実施例により詳細に説明する。

第１図は本発明の一実施例が適用された自動溶接装置
のハード構成図で、溶接により製造すべき大型構造物と
して、上記した水車ランナＲを設定し、そのベーン１と
クラウン２との溶接に適用した場合について示したもの
で、この第１図においては、３はガイドレール、４はロ
ボット機構、５はスリット光源、６はTVカメラ、７は移
動操作盤、８は数値制御装置、９は溶接制御装置、10は
リモコンボックス、11はロボット移動架台、12は表示装
置（CRT）、13はティーチングプログラム作成装置、14
は画像処理装置、そして15は溶接トーチである。

ガイドレール３は水車ランナＲのクラウン２の表面み
に取付けられるが、このとき、ベーン１とクラウン２と
の接合部、つまり溶接予定線の近傍で、それにほぼ並行
して位置するように段取りされる。

ロボット機構４は溶接トーチ15を任意に位置決めし得
るように作られた５軸の多関節マニプレータ機構を備
え、ガイドレール３により保持され、このガイドレール
３に沿って図示の矢印Ｚ方向に任意に移動可能に構成さ
れている。

TVカメラ６は、溶接トーチ15により溶接すべき開先部
分と、それにより形成された溶接ビード部分とを撮像
し、開先断面も含めた形状と溶接ビードの外観、スロッ
ト光源５によるスリット光の助けにより、輪郭画像とし
て撮像する働きをする。なお、このスリット光による撮
像技法は、いわゆる光切断法として周知の技法である。

第２図（Ａ）、（Ｂ）はロボット機構４の詳細を、ス
リット光源５とTVカメラ６の位置関係をも含めて示した
もので、この実施例では、上記したように、ロボット機
構の本体（マニプレータ）は５軸構成の多関節機構で構
成されている。なお、この第２図で、（Ａ）図は平面
図、（Ｂ）図は側面図である。

まず、第２図（Ａ）で、Ｚ軸はガイドレール３の延長
方向であり、Ｘ軸は、Ｚ軸の進行方向によって任意に変
化するガイドレール３のひねり角を考慮したとき、各ひ
ねり角における値を修正することによって常に水平方向
を示す被溶接線17とガイドレール軸（Ｚ軸）との相対伸
縮距離を意味するベクトル軸となる。また、Ｙ軸は、第
２図（Ｂ）に示すように、上記Ｘ軸とＺ軸とに直角で、
被溶接線17のガイドレール３を基準としてＸ軸上での上
下のずれ量を表わすベクトル軸となる。

スリット光源５は、被溶接線17の継手部をＺ軸回り
に、XY平面上の輪郭線を浮き上がらせるべく、直線状の
スリット光を照射する。そして、TVカメラ６は、このス
リット光により照射されている被溶接線17の継手部頂点
が撮像視野範囲の中央部になるように、Ｘ軸となす角度
がφをなすようにして取付けられている。すなわち、こ
のTVカメラ６は、角度φの方向から斜めに撮像した画像
データを取り込むことにより、強制的に画像を歪ませ、
本来２次元の画像から３次元の成分が取り出せるように
し、これにより各方向のベクトル成分が、画像データか
ら抽出出来るようにしている。

ロボット機構４のロボット本体（マニプレータ）は、
上記したように、５軸構成の多関節機構からなるが、こ
れらの軸は第１図、及び第２図から明らかなように、θ
_１、θ_２、θ_３、α_１、α_２の各軸からなる。ただし、
ここでいう軸とは、回転中心をなす枢支軸のことでな
く、回動アームの意である。なお、第１図では、図示を
簡単にするため、例えば、往復円弧矢印θ_１の如く、回
転軸を、その回動を表わす往復円弧矢印によって表現し
てある。

これら多関節機構の各移動軸は、上記したように、ガ
イドレール３によってＺ軸方向に、つまり、被溶接線17
に沿って全体がほぼ並行に移動可能に構成されている
が、これらの軸についてさらに詳しく説明すると、これ
らは、まず、上記Ｚ軸を中心に回動する第１軸θ_１と、
この第１軸のアーム先端部を中心に、この第１軸の軌道
と同一平面内で回動する第２軸θ_２と、この第２軸のア
ーム先端部を中心にして、この第２軸の軌道と同一平面
内で回動する第３軸θ_３とを備え、これらの軸により全
アームの姿勢が決定されるようになっている。

更に、上記第３軸の先端部には、この第３軸のアーム
を中心にして曲げ振り動作する第４軸α_１が、そして、
さらにこの第４軸の先端部には、この先端部を中心にし
た回動、つまり、ひねり動作をする第５軸α_２がそれぞ
れ設けられており、この第５軸の先端部に溶接トーチ15
が取付けられているのである。

従って、この実施例によれば、第１軸θ_１及び第２軸
θ_２のアームの姿勢と、第３軸θ_３による曲げ、第４軸
α_１による振り動作、それに第５軸α_２によるひねり動
作のそれぞれの制御により溶接トーチ15の姿勢を完全に
特定することが出来る。

そして、このときの各軸の回動角の制御は、数値制御
指令を解読する数値制御装置８により行われるが、この
ときに必要な溶接条件の設定は溶接制御装置９により行
われ、且つ、上記TVカメラ６により撮像された輪郭画像
データに基づいて画像処理装置14が、開先と溶接ビード
の形状を認識し、必要な補正処理を実行する。

また、この実施例では、ロボット機構４を小型、軽量
化し、ガイドレール３により溶接個所に誘導するように
構成してあるので、従来は水車ランナなど、狭隘部では
困難であった溶接の自動化が極めて容易になる。このと
き、ガイドレール３は調整機能を有するロボット移動架
台11に容易に接続できるように構成してあり、これによ
り、或る部分で多層盛溶接を終了したら、このロボット
移動架台11の上にロボット機構４を移し、切り離し作業
を行うだけで簡単に次の溶接部に移動させ、多層盛溶接
の続行が可能である。

さらに、この実施例によれば、移動操作盤７及びリモ
コンボックス10が設けてあるから、上記した操作を任意
の場所から行うことが出来、優れた操作性を容易に与え
ることが出来る。

次に、TVカメラ６から取り込んだ画像データの解析処
理について説明する。

上記したように、TVカメラ６は、角度φの方向から斜
めに撮像した画像データを取り込むことにより、強制的
に画像を歪ませ、本来２次元の画像から３次元の成分が
取り出せるようにし、これにより各方向のベクトル成分
が、画像データから抽出出来るようにしている。

第３図（Ａ）は、第２図に示したTVカメラ６による撮
像視野14a内での画像を示したもので、この図から明ら
かなように、撮像した画像には歪みが含まれているの
で、まず、水平Ｈ及び垂直Ｖ方向の変換を行って、この
歪みを補正処理し、これにより第３図（Ｂ）に示すよう
な、一様分布の２次元画像を作成する。

このときの水平Ｈ及び垂直Ｖの各方向成分は、第３図
（Ｃ）に示すように、代表点Ｑ（Ｈ、Ｖ）＝Ｑ（１、25
5）を基準とした場合に、基準点P₀を決定するための手
段と、数値制御指令により求めることが出来る。

つぎに、この基準点P₀と輪郭頂点（代表点）Ｑとは、
次式によりロボット機構４の多関節機構で指示される。

⇒OP＝⇒OQ＋⇒QP ……（１）ここで、⇒OPはベクトルOPを表わす。また、⇒OQは画
像範囲内における絶対位置を表わすベクトルで、⇒QPは
画像視野を設定した場合に生じる初期長さを表わすベク
トルである。

以上の関係を表にまとめたのが第４図の溶接パラメー
タ一覧表である。

この溶接パラメータ一覧表は、大別すると、各ポイン
ト毎に管理されるティーチング情報（Ｉ）と、溶接ノウ
ハウ（II）、ロボット制御角情報（III）、それに位置
決め情報（IV）の４種類からなり、且つ、これらは、全
て共通パラメータ情報（Ｖ）によって管理されるように
なっているもので、多層盛溶接における各層毎の溶接に
関する層数（Ｋ）、位置ナンバー（Ｊ）、画像水平
（Ｈ）、画像垂直（Ｖ）の各パラメータと、溶接トーチ
の姿勢を決定するための前進角（Ｕ）、挾角（Ｔ）、溶
接条件（Ｗ）、ウィービング振幅（Ｌ）の各パラメー
タ、ロボット機構４の多関節機構の姿勢を決定するため
のNC指令値、第１腕（Ａ）、第２腕（Ｂ）、第３腕
（Ｃ）、曲げ腕（Ｅ）、回転腕（Ｆ）の各パラメータ、
それにガイドレール３による軸上での座標位置である水
平方向（Ｘ）、垂直方向（Ｙ）の各パラメータから構成
されている。

さらに、画像処理に著しい影響があるTVカメラの撮像
レンズの倍率と、多関節機構のNC制御指令値と撮像範囲
内における絶対位置との設定を図るためのロボット初期
値となる水平方向（Mvx）、垂直方向（Mvy）とにより設
定されるようになっている。

この実施例によれば、この溶接パラメータ一覧表の中
で、層数、位置No、画像水平、画像垂直の各値は、上記
した手法により画像範囲の絶対位置を求めることにより
自動的に処理されるようになっているが、他方、溶接ト
ーチの前進角、挾角、溶接条件、それにウィービング振
幅などの値は、各溶接対象によって決定される、溶接ノ
ウハウとして与えられるものである。

この溶接ノウハウは、各作業者の熟練度によってバラ
ツキを生じてしまうため、従来技術では安定した溶接を
得るのが困難であったが、この実施例によれば、上記し
たように、これらは溶接パラメータ一覧表として登録さ
れ、溶接制御に自動的に使用されるため、常に安定した
多層盛溶接を自動的に得ることが出来る。

次に、上記した溶接パラメータ一覧表の構成及び内容
について、さらに第５図により説明する。

この溶接パラメータ一覧表を構成する溶接パラメータ
データベース（WELPRM,POL）は、この第５図に示すよう
に、大別すると、TVカメラ６からのデータにより登録さ
れるパラメータ（WRK,PiC）と、編集用CRT/KBから登録
されるパラメータ（WRK,CRT）と、TVカメラ及びカメラ
光学系によって決定されるパラメータ（WRK,CMR）、そ
れに、これらのパラメータから自動処理により生成され
るロボット制御角を登録するパラメータ（WRK,POS）
と、このロボット制御角での断面座標値を登録するパラ
メータ（WRK,XY）とからなる。

TVカメラ６によって取り込まれたティーチング点群
は、画像処理装置14を介してパラメータ（K;層数、J:位
置No、H:水平位置、V:垂直位置）として登録される。

また、上記のパラメータ群に対して各々の溶接条件パ
ラメータ（U:溶接トーチ前進角、T:トーチ挾角、W:溶接
条件、L:ウィービング振幅）を併せて登録し、TVカメラ
及びその光学系から決定されるパラメータによってロボ
ット制御角のパラメータ（A:アーム第１軸、B:アーム第
２軸、C:アーム第３軸、E:アーム曲げ軸、F:トーチ回転
軸、X:水平座標軸、Y:水平座標軸）を自動生成するシス
テムを働かせ、これらのパラメータを生成させる。そし
て、この生成のための解析が終了したら数値制御装置の
プログラムコードを生成し、この生成を完了後、それを
数値制御装置のNCメモリ領域に転送するのである。

つぎに、以上の動作を第６図のフローチャートにより
説明する。

まず、ガイドレール３及びロボット機構４の段取りが
終了したら、ここでロボットの初期値の設定を行い（S
1）、続いて自動画像処理開先教示（S2）により全点に
ついての教示を実施し、それを完了させる（S3）。

こうして、全点についての自動画像処理開先教示が完
了したら、それを溶接パラメータ一覧表に登録し（S
4）、この設定パラメータから溶接条件パラメータを設
定する（S5）。

次に、この溶接パラメータ一覧表に対してロボット制
御角演算処理を施し（S6）、数値制御装置のプログラム
コードを順次生成し、それからNCプログラムを自動生成
する（S7）。

このNCプログラム生成後、それを、データ転送用の回
線を使用して、数値制御装置のNCデータメモリの所定の
領域に登録する（S8）。

以後、数値制御装置のプレイバック動作のテスト運転
により溶接トーチの姿勢が適切に得られるか否かをS100
の処理により確認し、変更の必要が或る場合にはS4の処
理に戻る。

変更の必要が無いときにはプレイバック自動溶接運転
に入り（S11）、この実施例による良好な自動溶接を得
るのである。なお、この第６図の処理で、S2からS8まで
の処理フローは溶接開先の認識に関するものであり、S1
からS11までの処理が多層盛溶接に関するものである。

上記実施例の場合のように、水車ランナのベーン１と
クラウン２の溶接作業では、その溶接線17に沿って、順
次開先の形状が変化し、溶接条件も変化する。また、ウ
ィービングパターンも変化する。

従って、このような場合には、従来の技術では安定し
た溶接は不可能であった。

しかしながら、この実施例によれば、上記したよう
に、溶接パラメータ一覧表に登録してあるパラメータを
使用して溶接が遂行されてゆくので、蓄積された溶接ノ
ウハウが充分に活用出来、常に安定した溶接を容易に得
ることが出来る。

また、この実施例によれば、TVカメラ６により取り込
んだデータにより溶接パラメータ一覧表に登録してある
パラメータが、逐次書換えられてゆくので、常に最良の
条件での多層盛溶接が自動的に得られ、溶接品質を容易
に保つことが出来る。

そして、この結果、本発明の実施例によれば、類似し
た被溶接物の繰返しに際してはティーチング作業が不要
に出来、或るには簡略化出来ることになるという効果が
ある。

これに対して、従来のティーチングプレイバック方式
の溶接ロボットなどでは、たとえ同一の被溶接物の場合
でも最初からティーチング作業を繰り返す必要があり、
その作業効率には大きな違いがある。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではな
く、例えば直交型ロボットと視覚センサの組合せなど、
任意の構成により実施する場合でも、ロボット制御角演
算手段の変更でけで容易に対応可能である。

また、本発明の実施例としては、従来の自動溶接装置
に対して変更や修正という形で実施することも出来、溶
接精度の大きな向上を容易に得ることが出来る。

更に本発明は、多層盛溶接に限らず、狭開先溶接に適
用して高精度の溶接を容易に得ることも可能であり、厚
板のすみ肉溶接や狭隘部溶接、或いは遠隔操作による溶
接にも適用可能なことは言うまでもない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、TVカメラなどの撮像手段を用い、教
示点を自動的に検出してゆくようにしたので、ティーチ
ングが容易になり、且つ、溶接ノウハウも含めて各種の
パラメータを登録するようにしているので、多層盛溶接
作業や類似溶接作業が容易に安定して得らて、大型水車
のランナなど、大型構造物の多層盛溶接作業を行う場合
にも容易に、高品質の溶接ビードを生成することが出来
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による多層盛自動溶接制御方法の一実施
例が適用された自動溶接装置のハード構成図、第２図は
ロボット機構の一実施例を示す詳細説明図、第３図は画
像データ処理の説明図、第４図は溶接パラメータの説明
図、第５図は溶接パラメータデータベースの説明図、第
６図は動作説明用のフローチャート、第７図は被溶接物
の一例である水車ランナの説明図、第８図は従来例の説
明図である。１……水車ランナのベーン、２……水車ランナのクラウ
ン、３……ガイドレール、４……ロボット機構、５……
スリット光源、６……TVカメラ、７……移動操作盤、８
……数値制御装置、９……溶接制御装置、10……リモコ
ンボックス、11……ロボット移動架台、12……表示装置
（CRT）、13……ティーチングプログラム作成装置、14
……画像処理装置、15……溶接トーチ、Ｒ……水車ラン
ナ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者菅原孝志茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者小松順三茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者桜井隆茨城県日立市幸町３丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (56)参考文献特開平１−170583（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−33064（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−262463（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 9/127 B23K 9/095

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被溶接物の溶接予定線の近傍に沿って移動
可能な撮像手段と、該撮像手段により上記溶接予定線に
沿って逐次撮像した画像データから順次開先の形状と溶
接ビードの形状を解析し、形状データ及び位置データを
求めてゆくデータ処理手段とを備え、多層盛溶接の各層
の溶接工程毎に、その工程の直前での開先形状及び溶接
ビード形状の少なくとも一方を考慮した補正処理が施さ
れて行く方式の自動溶接制御方法において、少なくともトーチ角、ウィービング条件、電気的溶接条
件の各データを外部から任意に書換可能なデータベース
として保持する手段と、上記形状データ及び位置データを順次所定のデータとし
て格納してゆく手段と、上記メモリ手段から読出した形状データ及び位置データ
と、上記データベースとして保持してある少なくともト
ーチ角、ウィービング条件、電気的溶接条件の各データ
とに基づいて所定のティーチングデータを作成する手段
とを設け、上記多層盛溶接の各層の溶接工程における溶接トーチ部
の移動制御が、上記ティーチングデータを用いて遂行さ
れてゆくように構成したことを特徴とする多層盛自動溶
接制御方法。
【請求項２】請求項１の発明において、上記撮像手段を被溶接物の溶接予定線の近傍に沿って移
動可能にするための手段が、該被溶接物の溶接予定線の近傍に沿って任意に設置可能
に形成されているガイドレールと、このガイドレール上
を走行可能に作られている走行機構とで構成されている
ことを特徴とする多層盛自動溶接制御方法。
【請求項３】請求項１の発明において、上記画像データから求められた開先形状と溶接ビード形
状を順次所定のデータとして格納してゆくメモリ手段を
設け、このメモリ手段から読出したデータに基づいて制御基準
値が修正されてゆくように構成したことを特徴とする多
層盛自動溶接制御方法。
【請求項４】請求項３の発明において、上記制御基準値の修正処理が、溶接トーチ部を移動制御
するためのティーチングデータの修正処理であることを
特徴とする多層盛自動溶接制御方法。