JPH03151165A - 多層盛自動溶接制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
車ランナなと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）に示すような、水車ランナＲにおい
て、そのベーンｌ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、例えば「開先溶
接倣い制御方法Ｊ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２１ａ、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。

〔発明が解決しようとする課題〕

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、水車ランナなと、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め自動溶接において
、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〕

上記目的を達成するため、本発明は、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形状と溶接ビー
ド形状を解析してゆくデータ処理手段を設け、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
理が施されて行くようにしたものである。

〔作用〕

本発明におけるデータ処理手段は、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動作する。

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。

〔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、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、１
４は画像処理装置、モして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ｌ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と一ド部分とを撮像
し、開先断面も含めた形状と溶接ビードの外観を、スリ
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［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明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次光の画像から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、θ１
、θい　θ１、α１、α、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はなく
、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θ１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、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、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、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軸町が、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だ回
動、つまり、ひねり動作をする第５軸α、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、及び第２軸θ
、のアームの姿勢と、第３軸θ、による曲げ、第４軸α
、による振り動作、それに第５軸α。

によるひねり動作のそれぞれの制御により溶接トーチ１
５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５従来は水車ランナなと、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、成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が設けであるから、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、−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■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゜２５５）を基準とした場合に、基準点Ｐ、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Ｐ、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＋４ＱＰ　　　　　　・・・・・・（
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
、＝ＩＱｐ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
ー覧表である。

この溶接パラメーター覧表は、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（１）と、溶接ノウハ
ウ（ＩＩ）、ロボット制御角情報（ｍ）、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
関する暦数（Ｋ）、位置す。

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）、挟角（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ＮＧ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ー覧表の中で
、暦数、位置Ｎｏ、画像水平、画像垂直の６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、挟角、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ー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ー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ー覧表を構成する溶接パラメータデ
ータベース（讐ＥＬＰＲＭ　、ＰＯＬ）は、この第５図
に示すように、大別すると、ＴＶカメラ６がらのデータ
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（−ＲＫ
　、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　、ＰＯ５）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、■：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：トーチ挟角、Ｗ：
溶接条件、Ｌ：ウィービング振幅）も併せて登録し、Ｔ
Ｖ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（Ｓｌ
）、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ー覧表に登録しくＳ４）
、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ー覧表に対してロボット制御
角演算処理を施しく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ＮＧデータメモリの所定
の領域に登録する（ＳＳ）。

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８１０
の処理により確認し、変更の必要が成る場合には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（５１１）、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８８
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
、ＳｌからＳｌｌ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ｌとク
ラウン２の溶接作業では、その溶接線Ｉ７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、
溶接パラメーター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ー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、成るい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
段の変更だ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れ、大型水車
のランナなと、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。 ｌ・・・・・・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。 第２図 （Ｂ） １３図 （Ａ） （８） （Ｃ） １１５図 第６９図 第７ｃｉ！！！ （０） −（ｂ） （Ｃ） （ｄ） （ａ） （ｂ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被溶接物の溶接予定線の近傍に沿って移動可能な撮
   像手段を備え、該撮像手段で撮像した上記溶接予定線の
   画像データにより溶接制御を補正して行く方式の自動溶
   接制御方法において、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形状と溶接ビード形状を解
   析してゆくデータ処理手段を設け、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。 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。 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。 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。 ５、請求項１乃至４のいずれかの発明において、上記開
   先と溶接ビードの形状データ及び位置データと、予め設
   定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、上記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が設
   けられていることを特徴とする多層盛自動溶接制御方法
   。