JP4154153B2 - アーク画像の取込方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はパルス通電により加熱させた添加ワイヤを供給してTIGアーク溶接を行う際にCCDカメラで撮影した画像のデータを取り込んで処理するアーク画像の取込方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
アーク溶接を自動化するために用いられる光学センサーとしては、レーザー光を開先と直角方向に走査させて開先形状等を計測するレーザーセンサーと、レーザースリット光を開先と直角方向に照射し、その反射光を電荷結合素子(CCD)撮像装置で撮像し、画像処理して開先形状を計測するスリット光センサーと、溶接部を直接CCD撮像装置で撮影し、画像処理して溶接トーチの狙い位置等を制御する視覚センサーとがある。この中、視覚センサーは直接、溶接部を計測できることや、アーク、溶融池の状態が判定できること等の利点が評価されて現在は広く使用されている。
【0003】
図3は従来例に係る視覚センサーを用いたTIG溶接制御装置の概略を示す構成図である。このTIG溶接制御装置では、視覚センサーは電極狙い位置制御のために用いられる。まず、TIG溶接トーチ1先端のタングステン製の電極2と母材3とにアーク電源4からの出力端子を接続し、アルゴンガス遮蔽雰囲気中で、電極2を負極、母材3を正極として直流電圧を印加して、その間にアーク5を形成させ、ワイヤ案内管16により導かれた添加ワイヤ6を溶融池13中に供給しつつ溶接を行う。なお、この図では、矢印Pで示すように、溶接トーチ1は右側に向かって進行している。左右移動装置20は溶接トーチ1の水平位置を進行方向(矢印P)と直角の左右方向に調整する。溶接トーチ1はトーチ取付治具21に取り付けられており、このトーチ取付治具21は左右駆動装置19により駆動される左右移動装置20に固定されている。
【0004】
視覚センサー装置は溶接部を直接撮影するCCDカメラ17と、CCDカメラ17で撮影した画像のデータをメモリーに取り込んで解析するコンピューターからなる画像処理装置18とから成っている。溶接部の撮影は一般的に開先や溶融池13の状態を監視し易いため、進行方向前方より行われる場合が多い。画像処理装置18と左右駆動装置19とは信号線で接続されていて、画像処理装置18で得られた溶接部の画像のデータに基づいて左右移動装置20の駆動制御が行われる。
【0005】
図4は電極の狙い位置を計測する画像処理方法を説明するための説明図である。同図はCCDカメラ17が撮影した画像の一例を示したものである。左上角を座標原点とすると、右方向のX座標は0〜510、下方向のY座標は0〜ー510の値を取る。電極2の中心位置は以下のようにして計測する。即ち、同図で、画面上部を横方向に走る水平走査線Lh上の点の画素データを左から右に向かって調べていくと、電極2の画像は周囲のものに比較してかなり明るいので、画素データが大きく変化する点として境界点A,Bを検出することができる。これらの境界点A,Bの中点が電極2の中心位置となる。
【0006】
次に、例えば、境界点Aから下方向に垂直走査線Ll1上の点の画素データを調べていくと、アーク5の画像の輝度はかなり高いので、上述のようにして、その開先との境界を検出することができる。こうして、下方向に辿る垂直走査線Ll1を外側(左側)にずらしていくと、アーク5と開先との境界点Cを検出することができる。同様にして、境界点Bから右下方向に垂直走査線Ll2を外側(右側)にずらしながら垂直走査線Ll2上の点の画素データを調べていくことにより、アーク5と開先との境界点Dを検出することができる。これらの境界点C,Dの中点をアーク5の中心位置として求めることができる。
【0007】
そして、このアーク5の中心位置と電極2の中心位置とを比較することにより、開先内の電極2のずれ量を検出することができる。このずれ量のデータが左右駆動装置19に送られ、左右移動装置20の駆動制御に用いられる。このように、視覚センサー装置ではアーク5を撮影した画像を基に開先内の電極2のずれ量を検出ているので、アーク5が安定して発生することが電極の狙い位置制御の必須条件となる。
【0008】
ところで、TIG溶接法では非消耗品の電極2と母材3との間を不活性ガスで遮蔽し、そこに安定したアーク5を発生させると共に添加ワイヤ6を溶融池13中に挿入することにより、高品質の溶接を実施することができる。しかし、溶接効率がMAG溶接法等の他の溶接法に較べて劣っているため、より溶接効率が優れた溶接法としてホットワイヤTIG溶接法が導入された。
【0009】
図5はホットワイヤTIG溶接装置の概略を示す構成図である。ホットワイヤTIG溶接法では添加ワイヤ6はワイヤリール15に捲回されていて、ワイヤ送給装置7により送り出され、導管8およびこれに連結された導電管9とセラミック案内管12の内部を挿通してアーク形成部に導かれる。
【0010】
ワイヤ加熱電源10から母材3および導電管9との間に、交流、直流または直流パルス電流が供給され、これにより導電管9と母材3との間の加熱部位eの添加ワイヤ6がジュール発熱して加熱され、溶融部に達するから、そこでの溶融速度を高めることができる。このように、添加ワイヤ6の加熱部位eは通電されるため、近傍に磁界が発生し、この磁界により、アーク5に所謂、磁気吹き現象が起きる。
【0011】
図6はホットワイヤTIG溶接法における磁気吹き現象を説明するための説明図である。同図において、(a)は導電管9が負極、母材3が正極に電圧印加された場合、(b)は導電管9が正極、母材3が負極に電圧印加された場合の例を示している。(a)の場合のように、アーク5を流れるアーク電流Iaの方向と、添加ワイヤ6を流れるワイヤ電流Iwの方向とが同一の場合は、アーク5aのように添加ワイヤ6側に引っ張られ、(b)の場合のように、アーク5を流れるアーク電流Iaの方向と、添加ワイヤ6を流れるワイヤ電流Iwの方向とが逆の場合は、アーク5bのように添加ワイヤ6から遠ざかる方に吹き出される。
【0012】
溶接効率を上げる場合のように、ワイヤ電流Iwを大きくすると、当然のことながら、磁気吹き現象は顕著になる。母材3や添加ワイヤ6の溶融状態はこの磁気吹き現象により影響を受けるため、溶接の作業性を著しく阻害する。そこで、従来からかかる磁気吹き現象の発生を抑制する方法が工夫された。
【0013】
図7は改良されたホットワイヤTIG溶接法における電流制御方法を説明するための電流波形図である。(a)はアーク電流Iaを一定とし、ワイヤ電流Iwをパルス電流として通電するPH(Pulse Heated Hot Wire)方式の通電制御、(b)はアーク電流Iaとワイヤ電流Iwを共にパルス電流にすると共に交互に通電するHST(Hot Wire Switching TIG)方式のパルス通電制御の具体例を示す。PH方式のパルス通電制御の場合は、例えば、ワイヤ電流は3msec程度の短期間のパルス電流通電時間中だけアーク5に磁気吹き現象が起きるが、この時間は非常に短期間であるため、溶接の作業性を損ねることは殆ど無い。この方式を採用すると、市販のアーク電源装置を使用できるという利点がある。
【0014】
また、HTS方式のパルス通電制御の場合は、短期間のパルスのワイヤ電流通電時間中は、アーク電流はアーク5を持続できるだけの最低レベルの値まで下げられているので、磁気吹き現象の影響は軽微である。図5に示すホットワイヤTIG溶接装置は、この方式に係る装置を示したものであり、アーク電源4から出力されるアーク電流Iaとワイヤ加熱電源10から出力されるワイヤ電流Iwを同期させるために、溶接制御装置11からアーク電源4とワイヤ加熱電源10とに同期信号を出力し、両者を同期させている。なお、図7に示したパルス電流の周波数は100Hz、通電デューティは30%であるが、一般的にはパルス電流の周波数は60Hz〜200Hz、ワイヤ電流Iwの通電デューティは15 〜40%のものが使用とされる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ホットワイヤTIG溶接装置でパルス通電制御を行った場合は、ワイヤ電流Iwのパルス通電期間以外の期間にCCDカメラ17が撮影した画像のデータについては画像処理装置18による開先内の電極2のずれ量検出に用いることができるが、ワイヤ電流Iwのパルス通電期間中にCCDカメラ17が撮影したアークの画像データは磁気吹き現象が生じている可能性が高いので、開先内の電極2のずれ量検出に用いることはできない。例えば、図7(a)に示すPH方式のパルス通電制御の場合に、3msecの通電期間、即ち、溶接作業期間の全体で約3割の期間中にCCDカメラ17が撮影したアークの画像はアーク5の形状が不安定になっているため、開先内の電極2のずれ量検出に用いることができない。
【0016】
本発明は従来技術におけるかかる不具合を解消すべく為されたものであり、ワイヤ電流をパルス通電制御するようにしたホットワイヤTIGアーク溶接を行う場合でも、安定したアーク画像を取り込むことができるアーク画像取込方法を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、添加ワイヤに加熱用のワイヤ電流が流れていない期間に画像のデータの取込みを行うようにしたものであり、好ましくは、アークを発生させるアーク電流をパルス通電されたワイヤ電流と同期させて交互にパルス通電したり、画像のデータの取込みはアークを持続できる最低レベルのアーク電流が電極に供給されている期間内に行うようにしたものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を具体化した一実施例を詳細に説明する。図2は本発明の実施例に係るホットワイヤTIG溶接装置の概略を示す構成図、図1は同じく、ホットワイヤTIG溶接法における電流制御方法を説明するための電流波形図である。従来例と同一または同一とみなせる箇所には同一の符号を附して重複する説明を省略する。図1で(a),(b),(c)は何れもアーク電流Iaおよびワイヤ電流Iwの波形図と画像の取込みタイミング図であり、(a)はPH方式、(b),(c)はHST方式によるものである。
【0019】
また、何れのパルス電流も従来例と同様に周波数は100Hz 、通電デューティは30%である。同図から明らかなように、画像の取込みタイミング信号t11,t12(t21,t22,t31,t32)は何れもワイヤ電流が0の期間にある。取込みタイミング信号t11,t12(t21,t22,t31,t32)は溶接制御装置11からCCDカメラ17と画像処理装置18に出力される。CCDカメラ17と画像処理装置18はこれらの取込みタイミング信号t11,t12(t21,t22,t31,t32)に同期して画像の取り込みと画像処理を行う。
【0020】
これにより、視覚センサー装置の画像処理装置18におけるアーク5と開先との境界点C,Dの検出を安定的に確実に行うことができる。つまり、視覚センサー装置が検出した開先内の電極2の正しいずれ量に基づいたTIG溶接トーチ1の正確な左右位置制御を行うことができる。なお、市販のCCDカメラは通常1/60sec に1回の画像取込みを行うようになっているので、そのタイミングに合わせて約30msecに1回の画像取込みを行うと良い。
【0021】
(b),(c)に示すHST方式によるパルス電流と取込みタイミングの制御では、(b)の方は従来例と同様のアーク電流Iaおよびワイヤ電流Iwの交互出力制御を行うと共に、ワイヤ電流が0の期間内に取込みタイミング信号t21,t22を発生させたものであり、(c)の方はアーク電流Iaが最低レベルにある期間を分割して、始めにワイヤ電流Iwの出力期間、次に取込みタイミング信号t31,t32の発生期間としたものである。
【0022】
アーク光の強度は紫外域が強いため、アーク光を撮影して画像処理する場合は、特殊なフィルターを用いて紫外域光を減衰させる必要があるが、フィルターの選択を誤ると、電極2や溶融池13からの赤外域の光をも減衰させてしまい、それらの画像が検出不能になることがあるが、(c)に示すHST方式の取込みタイミング制御では、アーク電流Iaが最低レベルにある期間に画像の取り込みを行うようにしているので、アーク光の強度が著しく低下した状態の光を撮影することになり、上述のような失敗をしなくて済むようになる。また、最低レベルにあるアーク電流Iaの値は一定に保たれているため、アーク光の撮影条件を一定に保持できるという利点もある。
【0023】
さらに、アーク電流Iaが最低レベルにある期間の中、始めの方をワイヤ電流Iwの出力期間とし、その後、取込みタイミング信号t31,t32の発生期間としたので、アーク電流Iaが完全に最低レベルに達した後、画像取込みを行うことができるから、精度が高い開先内の電極2のずれ量検出を行うことができる。
【発明の効果】
以上説明したように請求項1記載の発明によれば、添加ワイヤに加熱用のワイヤ電流が流れていない期間に画像のデータの取込みを行うようにしたので、ホットワイヤTIGアーク溶接を行う場合でも、安定したアーク画像を取り込むことができる。
【0024】
請求項2記載の発明によれば、アークを発生させるアーク電流をパルス通電されたワイヤ電流と同期させて交互にパルス通電したので、磁気吹き現象の影響を最低限に抑えることができる。
【0025】
請求項3記載の発明によれば、画像のデータの取込みはアークを持続できる最低レベルのアーク電流が電極に供給されている期間内に行うようにしたので、アーク以外の画像が検出不能となって見落としてしまうのを防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係るホットワイヤTIG溶接法における電流制御方法を説明するための電流波形図である。
【図2】同じく、ホットワイヤTIG溶接装置の概略を示す構成図である。
【図3】従来例に係る視覚センサーを用いたTIG溶接制御装置の概略を示す構成図である。
【図4】電極の狙い位置を計測する画像処理方法を説明するための説明図である。
【図5】従来例に係るホットワイヤTIG溶接装置の概略を示す構成図である。
【図6】ホットワイヤTIG溶接法における磁気吹き現象を説明するための説明図である。
【図7】改良されたホットワイヤTIG溶接法における電流制御方法を説明するための電流波形図である。
【符号の説明】
1 TIG溶接トーチ
2 電極
3 母材
4 アーク電源
5 アーク
6 添加ワイヤ
9 導電管
10 ワイヤ加熱電源
11 溶接制御装置
12 セラミック案内管
13 溶融池
17 CCDカメラ
18 画像処理装置
19 左右駆動装置
20 左右移動装置
Claims (3)
- 開先内に位置した電極と母材との間に発生させたアークで形成された溶融池に、パルス通電により加熱させた添加ワイヤを供給してTIGアーク溶接を行う際に、前記アークの発生位置を計測するためにCCDカメラで撮影した画像のデータを取り込んで処理するアーク画像の取込方法において、前記添加ワイヤに加熱用のワイヤ電流が流れていない期間に前記画像のデータの取込みを行うようにしたことを特徴とするアーク画像の取込方法。
- アークを発生させるアーク電流をパルス通電されたワイヤ電流と同期させて交互にパルス通電したことを特徴とする請求項1記載のアーク画像の取込方法。
- 画像のデータの取込みはアークを持続できる最低レベルのアーク電流が電極に供給されている期間内に行うようにしたことを特徴とする請求項2記載のアーク画像の取込方法。
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