JPH08103871A

JPH08103871A - 自動溶接方法

Info

Publication number: JPH08103871A
Application number: JP26202394A
Authority: JP
Inventors: Zenzo Yamaguchi; 善三山口; Akitaka Fujiyama; 晶敬藤山
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1994-09-30
Publication date: 1996-04-23
Anticipated expiration: 2016-02-19
Also published as: JP3137253B2

Abstract

(57)【要約】【目的】コンバスター等の熱交換器に発生した欠陥部
分をその欠陥部分の形状等に応じて自動で溶接すること
ができる自動溶接方法を提供する。【構成】コンバスター２の各パネルに生じた亀裂の部
分を補修溶接する場合、まず、距離センサ２４を用いて
溶接トーチ２２からパネルまでの高さを計測する。次
に、画像処理装置５０は、ＣＣＤカメラ２６で得られた
パネルの画像に所定の処理を施し、開先部についての画
像情報を得る。そして、開先部が予め分類された複数の
開先パターンのいずれに該当するかを認識する。中央制
御部６０は、この認識された開先パターンに基づいて開
先部についての溶接条件を求めると共に、開先部の画像
情報に基づいて溶接位置情報を求める。ロボットコント
ローラ４０は、パネルまでの高さ情報と溶接位置情報と
溶接条件についての情報とに基づいて、溶接ロボット１
０を動作させ、開先部を溶接する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、たとえば航空機エンジ
ン部品であるコンバスター（combustor ）に亀裂等の欠
陥が発生した場合に、その欠陥部分を自動的に補修溶接
する自動溶接方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】航空機エンジン部品であるコンバスター
（燃焼筒）、ガスタービンの燃焼室、原子炉の熱交換装
置、冷蔵器などには、細管が通る部分に規則的な配列で
多数の穴が設けられたパネルが使用される。このような
パネルは高温、高圧、極低温の条件下で、又は大きな温
度差があるような過酷な条件下で使用されることが多い
ので、細管が通る穴の周囲に亀裂が生じることがある。
このような亀裂をそのままにしておくと重大事故につな
がるおそれがある。このため、亀裂が発生した場合に
は、その部分を溶接して補修するという作業が行われ
る。かかる亀裂は非常に細いため肉眼では見えない場合
も多く、したがってパネルを洗浄した後に特殊な液に浸
けるなどして亀裂部分を見やすくし、更にその部分にグ
ラインダなどで溶接するための開先部を形成する。従来
は、このような開先部を形成した後、人間が手作業で各
開先部について溶接していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来は、
人間が手作業で各開先部について溶接していたので、作
業効率が悪く、また作業の質を均一化できず、亀裂の再
発を有効に防止できないという問題があった。このた
め、かかる溶接作業を溶接ロボットに自動的に行わせる
自動溶接システムの実現が望まれている。しかしなが
ら、補修溶接の場合は、亀裂はさまざまな位置にいろい
ろな形状で発生するため、各開先部もその発生位置や形
状等が異なり、また、過去に何度も補修溶接を繰り返し
ていると、パネルの表面が変形してしまうことがあるの
で、溶接ロボットに開先部についての溶接条件や開先部
までの距離を教示する際に困難が伴う。

【０００４】本発明は上記事情に基づいてなされたもの
であり、コンバスター等の熱交換器に発生した欠陥部分
をその欠陥部分の形状等に応じて自動で溶接することが
できる自動溶接方法を提供することを目的とするもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの請求項１記載の発明は、熱交換器に発生した欠陥部
分に開先部を形成し、溶接ロボットを用いて補修溶接す
る自動溶接方法であって、前記溶接ロボットに取着され
る溶接トーチから前記開先部までの距離情報を得る工程
と、前記熱交換器を撮像して得られた画像に所定の処理
を施すことにより、前記開先部についての画像情報を得
る工程と、前記開先部の画像情報に基づいて溶接部に前
記溶接トーチを移動するための情報である溶接位置情報
を得る工程と、前記開先部の画像情報に基づいて前記開
先部が予め分類された複数の開先パターンのいずれに該
当するかを認識する工程と、前記開先部までの距離情報
と前記溶接位置情報と前記認識された開先パターンとに
基づいて前記溶接ロボットを動作させ、前記開先部を溶
接する工程と、を具備することを特徴とするものであ
る。

【０００６】請求項２記載の発明に係る自動溶接方法
は、請求項１記載の発明において、前記各開先部間の間
隔が所定の値以上であるかどうかを判定する工程を具備
することを特徴とするものである。

【０００７】請求項３記載の発明に係る自動溶接方法
は、請求項１又は２記載の発明において、前記開先部ま
での距離情報を得る場合、前記熱交換器上の任意の複数
の位置を計測し、前記複数の位置の間を補間することに
より、前記開先部までの距離を算出することを特徴とす
るものである。

【０００８】請求項４記載の発明に係る自動溶接方法
は、請求項１、２又は３記載の発明において、前記溶接
ロボットは前記熱交換器を傾動及び回転するポジショナ
ーを有するものであることを特徴とするものである。

【０００９】請求項５記載の発明に係る自動溶接方法
は、請求項１、２、３又は４記載の発明において、前記
熱交換器は、航空機エンジン部品であるコンバスターで
あることを特徴とするものである。

【００１０】

【作用】請求項１記載の発明は前記の構成によって、開
先部について予め分類した複数の開先パターンを用意し
ておき、熱交換器を撮像して得られた画像に基づいて開
先部が開先パターンのいずれに該当するかを認識するこ
とにより、この認識した開先パターンに基づいて、その
開先部についての溶接条件を容易に決定することができ
る。また、開先部までの距離情報と溶接位置情報と認識
された開先パターンとに基づいて溶接ロボットを動作さ
せることにより、自動で開先部を確実に溶接することが
できると共に、所定の開先パターンに該当する開先部に
ついては、常に一定の条件での溶接が可能となり、溶接
の品質を一定に保つことができる。

【００１１】請求項２記載の発明は前記の構成によっ
て、各開先部間の間隔が所定の値以上であるかどうかを
判定する工程を具備することにより、一の開先部につい
てその周囲にある他の開先部との位置関係を考慮して、
溶接ロボットがその開先部を実際に溶接できるかどうか
を判断することができる。

【００１２】請求項３記載の発明は前記の構成によっ
て、開先部までの距離情報を得る場合、熱交換器上の任
意の複数の位置を計測し、複数の位置の間を補間するこ
とにより、開先部までの距離を容易に算出することがで
きる。

【００１３】請求項４記載の発明は前記の構成によっ
て、溶接ロボットが熱交換器を傾動及び回転するポジシ
ョナーを有するものであることにより、熱交換器を傾動
及び回転して、開先部を溶接しやすい位置に移動するこ
とができる。

【００１４】請求項５記載の発明は前記の構成によっ
て、熱交換器が、航空機エンジン部品であるコンバスタ
ーであることにより、欠陥の部分を一定の高い品質で溶
接して、欠陥の再発を有効に防止することができるの
で、航空機事故の発生を効果的に防止することができ
る。

【００１５】

【実施例】以下に本発明の一実施例について図面を参照
して説明する。図１は本発明の一実施例である自動溶接
方法を適用した自動溶接システムの概略構成図である。

【００１６】図１に示す自動溶接システムは、溶接ロボ
ット１０と、ロボットコントローラ４０と、画像処理装
置５０と、中央制御部６０と、記憶部７０と、ＣＲＴ表
示装置８０とを備えるものである。

【００１７】本実施例では、被溶接物として、航空機エ
ンジン部品であるコンバスター（combustor ）を用いる
場合について考える。図２にコンバスターの一部の概略
平面図、図３にコンバスターのＡ−Ａ矢視方向概略断面
図を示す。コンバスター２は、図２及び図３に示すよう
に、たとえば６つの円筒形状のパネル４ａ，４ｂ，・・・
，４ｆからなり、各パネル４ａ，４ｂ，・・・，４ｅに
は穴６が一定間隔で多数形成されている。ここで、パネ
ル４ａの側を「上側」、またパネル４ｆの側を「下側」
と称することにする。また、隣合うパネル同士は、下側
のパネルの端部が上側のパネルの端部の外に位置するよ
うに一部を重ねて接合されている。そして、隣合うパネ
ル同士では穴６が千鳥状になるように、各パネル４ａ，
４ｂ，・・・，４ｆを配置している。一つのパネルにおい
て、その中心軸上の点に対する隣合う穴６の中心間の角
度は１２°である。すなわち、一つのパネルには、穴６
が３０個形成されている。また、この穴６の形状として
は、円と楕円の二種類がある。たとえばパネル４ａから
パネル４ｄまでは穴６を円形状に形成し、パネル４ｅで
は穴６を楕円形状に形成している。尚、各パネル４ａ，
４ｂ，・・・，４ｅの幅は約５０ｍｍ、パネル４ｆの幅は
約３０ｍｍである。

【００１８】ところで、コンバスター２を高温、高圧等
の条件下で使用していくと、その構造の関係上、図２に
示すように、主に、穴６の周囲や各パネル４ａ，４ｂ，
・・・，４ｆの下側のエッジの部分に亀裂８が生じる。一
方、かかる亀裂８は、穴６のない部分に単独で生じた
り、パネルの上側のエッジに達したりすることはあまり
ない。かかる亀裂８が生じた場合、その亀裂８をそのま
ま放置しておくと重大事故につながるおそれがある。こ
のため、この亀裂８が生じた部分を溶接によって補修す
ることが行われる。図２では亀裂８を誇張して示してあ
るが、実際の亀裂８は非常に細く、肉眼でもなかなか見
ることができない。このため、溶接によって補修する場
合は、まず、グラインダを用いて、亀裂８が生じた部分
に開先部を形成する。開先部は、ある程度の幅、たとえ
ば３ｍｍ程度で形成される。このとき、特殊なグライン
ダを使用しているので、亀裂８が長いと、開先部におい
て、グラインダを最初にあてた部分の近傍に、パネルの
裏面まで貫通した貫通部ができる。そして、亀裂８が長
くなるほど、開先部にできる貫通部も大きくなる。一
方、亀裂８が短ければ、開先部には、貫通部ができな
い。図４は亀裂８が生じた部分に形成された開先部の一
例を示す図である。同図（ａ）はその開先部の概略平面
図、同図（ｂ）はその開先部のＢ−Ｂ矢視方向概略断面
図である。この開先部１１０は、一のパネル４の下側の
エッジの部分に生じた亀裂を削り取って形成したもので
ある。この開先部１１０の左側には、グラインダの先端
部の曲面形状によって生じる傾斜部１１２がある。また
開先部１１０の右側には、パネル４の裏面まで貫通した
貫通部１１４がある。このように開先部を形成した後、
その開先部を上から溶接する。

【００１９】特に、本実施例では、過去において何度も
補修溶接されたコンバスターを、再度溶接により補修す
る場合を考える。かかる場合、何度も開先部を形成して
溶接することを繰り返していると、当然、パネルの表面
に図５に示すような凹凸が生じる。このため、溶接の
際、開先部までの距離に応じて溶接トーチと母材との間
隔を決定しないと、確実な溶接をすることができない。
しかも、亀裂はさまざまな部分に発生するため、補修溶
接を行う毎に、開先部の位置やその形状等を特定し、そ
れに基づいて各開先部についての溶接条件を決定する必
要がある。かかる事情のために、補修溶接を行う場合に
は困難が伴う。

【００２０】溶接ロボット１０は、図１に示すように、
ロボット本体１２と、ポジショナー３２とを有する。ポ
ジショナー３２は、コンバスター２を保持するもので、
コンバスター２を傾動したり、コンバスター２をその中
心軸の回りに回転することができる。また、ロボット本
体１２のアームには、溶接トーチ２２、距離センサ２
４、撮像手段としてのＣＣＤカメラ２６、照明装置２８
が設けられている。溶接トーチ２２は、たとえばＴＩＧ
肉盛り溶接を行うためのものである。距離センサ２４
は、溶接の際に溶接トーチ２２とコンバスター２との距
離をたとえば０．５ｍｍ程度の一定距離に保つために、
コンバスター２までの距離（以下、高さとも称する。）
を計測するものである。ＣＣＤカメラ２６は、コンバス
ター２を撮像するためのものである。照明装置２８は、
コンバスター２に照射する光源であり、この照明下でコ
ンバスター２が撮像される。ＣＣＤカメラ２６によって
得られた画像は、画像処理装置４０に送られ、所定の画
像処理がなされる。また、ロボット本体１２のアームを
回転することにより、溶接トーチ２２、距離センサ２
４、ＣＣＤカメラ２６を、必要に応じて別々にコンバス
ター２に対向する位置に移動させることができる。ここ
では、各パネル毎に、高さの検知、画像認識、溶接の各
動作を順に行う。

【００２１】各パネルを撮像する場合には、ポジショナ
ー３２はコンバスター２を約６°ずつ回転し、たとえば
５０ｍｍ×５０ｍｍの画像視野で撮像する。図６に撮像
した画像の例を示す。かかる視野寸法としたことによ
り、一つの穴６全体が画像視野に入る画像と、穴６が全
く画像視野に入らない画像とが順に得られる。また、各
パネルについて高さを計測する場合には、ポジショナー
３２はコンバスター２を２°ずつ回転して、図６に示す
ように、パネル４の上下２点の計測ポイントにおいて計
測する。すなわち、一つの画像視野の中で、上下それぞ
れ３点、合計６点の計測ポイントにおいて高さを計測す
る。ここで得られた高さについてのデータは中央制御部
６０に送られる。

【００２２】画像処理装置５０は、開先位置検出部５２
と、開先パターン認識部５４とを有する。開先位置検出
部５２は、ＣＣＤカメラ２６で撮像して得られた入力画
像に所定の処理を施して、各開先部の位置及びその形状
を検出するものである。たとえば、具体的には、図７
（ａ）に示すように、開先部の外接長方形の左上座標
（ｘ₁，ｙ₁）、その外接長方形の右下座標（ｘ₂，ｙ
₂）、開先部の面積、開先部の重心座標、開先部の主軸
等を計測する。ここで、ｘ軸は水平方向、ｙ軸はｘ軸に
垂直な方向である。また、これらの開先部の特徴量か
ら、図７（ｂ）に示すように、外接長方形の境界線と主
軸の直線との交点であるＰ_S点及びＰ_E点（ここでは、
画像の上側にある点をＰ_S点とする。）と、Ｐ_S点とＰ
_E点との中点であるＰ_M点と、開先部の角度θ（主軸が
ｙ軸となす角度）とを算出する。

【００２３】ところで、コンバスターを補修溶接する場
合、開先部の位置やその形状、開先部における貫通部の
有無等に応じて、その開先部を溶接する際の溶接条件が
異なる。このため、本実施例では、予めかなりの頻度で
発生する開先部に対して溶接条件が同じであるもの毎に
分類した複数の開先パターンを用意している。開先パタ
ーン認識部５４は、各開先部がどの開先パターンに該当
するのかを認識するものである。

【００２４】図８は開先パターンを説明するための図で
ある。本実施例では、開先パターンとして九つ用いてい
る。開先パターン１，２は、開先部が穴６の上部から伸
びているものであって、開先部がｙ軸に対して±４５°
の角度範囲にあるものである。開先パターン１は円形の
穴の場合、開先パターン２は楕円形の穴の場合である。
開先パターン３，４は、開先部が穴の下部から伸びてい
て、パネルの下側のエッジに達していないものであっ
て、開先部がｙ軸に対して±４５°の角度範囲にあるも
のである。開先パターン３は円形の穴の場合、開先パタ
ーン４は楕円形の穴の場合である。開先パターン５，６
は、開先部が穴の下部から伸びていて、パネルの下側の
エッジに達しているものであって、開先部がｙ軸に対し
て±５°の角度範囲にあるものである。開先パターン５
は円形の穴の場合、開先パターン６は楕円形の穴の場合
である。また、開先パターン７，８，９は、開先部がパ
ネルの下側のエッジから伸びていて、穴に達していない
ものであって、開先部がｙ軸に対して±５°の角度範囲
にあるものである。開先パターン７，８，９は、Ｐ_S点
とＰ_E点との距離により分けられる。すなわち、開先パ
ターン７は、Ｐ_S点とＰ_E点との距離が５〜１０ｍｍで
あるもの、開先パターン８は、Ｐ_S点とＰ_E点との距離
が１０〜１３ｍｍであるもの、開先パターン９は、Ｐ_S
点とＰ_E点との距離が１３〜２５ｍｍであるものであ
る。尚、貫通部は、通常、比較的長い開先部において生
じるので、上記の開先パターンの分類においては、貫通
部の有無を開先部の長さで判定できる。すなわち、これ
らの開先パターンのうち、開先パターン５，６と開先パ
ターン９の場合には、開先部に貫通部がある。それ以外
の開先パターンの場合には、貫通部がない。

【００２５】また、各開先部間の間隔が短い場合、及び
開先パターン９に分類された開先部については上端部と
穴との間隔が短い場合、開先部を溶接できないことがあ
るので、開先パターン認識部５４では、これらの間隔が
それぞれ所定の値以上であることを確認して、最終的
に、各開先部を九つの開先パターンのいずれかに分類し
ている。尚、開先部が、上記の九つの開先パターンのい
ずれにも該当しないと判定された場合には、人間が手作
業で溶接を行うことになる。

【００２６】記憶部７０は、各開先パターンに対応する
溶接条件を記憶するものである。中央制御部６０は、各
部を統括して制御するものである。具体的には、距離セ
ンサ２４から送られる各計測ポイントでの高さデータに
基づいて、各計測ポイント間を補間することによりパネ
ルの各開先部についての高さを特定する。そして、この
ようにして得られたパネルの高さデータは、溶接を行う
際に溶接トーチ２２に教示する高さ方向（ｚ方向）の位
置情報（高さ情報）となる。また、開先位置検出部５２
から送られる開先部の位置及び形状についての情報か
ら、溶接部である溶接平面（ｘｙ平面）において溶接ト
ーチ２２を移動するための情報である溶接位置情報（溶
接開始点、溶接終了点、その中間点等）を求めたり、開
先パターン認識部５４から送られる開先パターンの情報
から、各開先部についての溶接条件（電流、電圧、速度
等）を決定する。そして、高さ情報、溶接位置情報、溶
接条件についての情報は、ロボットコントローラ４０に
出力される。また、ロボットコントローラ４０は、中央
制御部６０からの命令にしたがって溶接ロボット１０の
動作を制御するものである。ＣＲＴ表示装置８０は、必
要に応じて画像処理結果を表示する。

【００２７】次に、本実施例の自動溶接方法を適用した
自動溶接システムの動作について説明する。図９はその
自動溶接システムの全体の動作を説明するための図であ
る。まず、図９に示すように、コンバスター２をポジシ
ョナー３２に取り付け（step 2）、その後、ポジショナ
ー３２を制御し、コンバスター２を傾動して溶接できる
姿勢にもっていく（step 4）。次に、一のパネル４に対
して、コンバスター２を２°ずつ回転し、距離センサ２
４によりそのパネル４までの高さを計測する（step
6）。距離センサ２４で得られた高さデータは中央制御
部６０に出力され、中央制御部６０は、高さデータに基
づいてパネル４の各開先部についての高さを算出する。
次に、ポジショナー３２を制御し、コンバスター２を約
６°ずつ回転させ、ＣＣＤカメラ２６によりそのパネル
４について６０枚の画像を取り込む。そして、画像処理
装置５０では、かかる入力画像に所定の画像処理を施
し、開先部の位置を検出したり、開先パターンを特定し
たりする（step 8）。

【００２８】次に、画像処理装置５０の開先位置検出部
５２の動作について説明する。図１０はその開先位置検
出部５２の動作を説明するための図である。まず、開先
位置検出部５２には、ＣＣＤカメラ２６によってその原
画像が、たとえば２５６階調で取り込まれて送られる
（step22）。図１１（ａ）にこの原画像の一例を示す。
この例では、三つの開先部があり、それらは開先パター
ン１，５，９の場合である。開先位置検出部５２では、
まず、射影ヒストグラムを算出し（step24）、これか
ら、穴がある場合には穴の位置とパネルの二つのエッジ
の位置とを検出し、穴がない場合にはパネルの二つのエ
ッジの位置を検出する（step26）。尚、ここで検出され
た穴の位置とエッジの位置についての情報は、開先パタ
ーン認識部５４にも出力される。

【００２９】パネルのエッジの位置や穴の位置を検出し
たら、それらの位置の補正をした後、ウインドウ処理を
行う（step28）。ウインドウ処理とは、開先部を穴やエ
ッジから分離するために、穴の部分と他のパネルの部分
にウインドウをかけるマスク処理をするものである。こ
れにより、たとえば、図１１（ａ）に示す原画像の場合
には、同図（ｂ）に示すように網かけで記したウインド
ウがかけられる。そして、同図（ｃ）に示すように、穴
及びエッジがないものとして、三つの開先部だけが認識
される。

【００３０】また、ウインドウ処理の前に位置の補正を
行うのは、過去の溶接時に熱の影響により、各パネルは
伸びたり縮んだりしており、したがって、たとえば穴の
位置がずれたり、穴の形状が変形したりしているからで
ある。ウインドウ処理の際には、かかる位置の補正量を
計測して、入力画像が所定のウインドウにはまるように
入力画像を移動する。これにより、ウインドウとしては
常に同じものを用いることができるという利点がある。
また、ウインドウのサイズは、穴の変形を考慮し、少し
大きめの値にしている。ただし、穴はパネルの円周方向
に沿ってずれる傾向があるので、たとえば円形の穴につ
いては、ウインドウとしてパネルの円周方向に少し膨ら
んだ楕円形状のものを用いる。開先部は上下方向に形成
されることが多いので、かかるウインドウによって開先
部が余分に切り取られる部分を少しでも少なくすること
ができる。更に、図１１（ｂ）に示すように、特に下側
のエッジの部分については少し大きめにウインドウを設
定している。これは、開先部が主にパネルの下側のエッ
ジで発生するため、かかる開先部の影響により、パネル
の下側のエッジの位置は大きく変動することがあるから
である。

【００３１】次に、ウインドウ処理により開先部だけが
抽出された画像を二値化する（step32）。図１２はこの
二値化処理を説明するための図である。この図１２で
は、図４に示す開先部を例にとって示している。

【００３２】図４に示す開先部１１０を撮影した原画像
を、たとえば２５６階調で表示すると、図１２（ａ）に
示すようになる。この場合、開先部１１０の貫通部１１
４の画像は最も階調が低く、ほとんど黒に近い状態で映
る。これは、貫通部１１４からの光の反射がないためで
ある。これに対し、開先部１１０の底の平坦部１１６か
らは照明の光が反射されるので、得られる画像の階調は
最も高く、ほぼ白く映る。また、図１２（ａ）に梨地で
示したパネル４の地の部分は、グラインダで削り取られ
た平坦部１１６とは状態が異なり、２５６階調のほぼ中
間階調、すなわち灰色となる。ところで、グラインダで
開先部１１０を形成する場合、開先部１１０の左側の端
部には、図４（ｂ）に示すようにグラインダの先端部の
形状に対応した形状の傾斜部１１２が生じる。この傾斜
部１１２では、光の反射の仕方がその傾斜角によって変
化するので、この部分を上から見ると、図１２（ａ）に
示したように、最も左側が黒く映り、右に行くに従って
徐々に明るくなりながら平坦部１１６につながる。

【００３３】開先部１１０の位置及び形状を特定するた
めの二値化処理の際、普通の方法、すなわち一つのしき
い値を設定しこのしきい値よりも高い階調の画像は白又
は黒、このしきい値以下の階調の画像はこれとは反対の
色とする方法を用いると、地の部分の画像が開先部１１
０の平坦部１１６又は貫通部１１４のうちのいずれかと
同じ色で表示される。また、傾斜部１１２は、黒く映る
部分と白く映る部分の境界がしきい値の設定の仕方によ
って左右に変動する。したがって、上記のように、一つ
のしきい値を設定して二値画像を得る方法では、開先部
１１０の形状が不明瞭となり、パネル４上における開先
部１１０の位置やその形状を認識することができない。

【００３４】そこで、図１３に示すように、二つのしき
い値を用いて、原画像を各画素毎に二値化する。図１３
のグラフにおいて、横軸は入力される原画像の階調、縦
軸は出力であり、入力される画素はその階調によって黒
又は白で表示される。ここでは、第一のしきい値を１０
０、第二のしきい値を１６５とする。すなわち、入力さ
れる原画像において、階調が１００よりも小さい部分及
び１６５よりも大きい部分の画素は白として表示され、
階調が１００以上１６５以下の部分の画素は黒として表
示される。この二つのしきい値１００及び１６５は、パ
ネル４の地の部分の灰色がこの二つのしきい値の間に含
まれるようにすると共に、平坦部１１６の白が第二のし
きい値よりも大きくなり、かつ貫通部１１４の黒が第一
のしきい値よりも小さくなるよう選ばれている。尚、二
値化する際に、白の部分と黒の部分を反対に表示できる
ことは言うまでもない。

【００３５】図１２（ｂ）は、図１２（ａ）の原画像を
図１３に示した特性で二値化したときの二値画像であ
る。図１２（ｂ）に示すように、図１２（ａ）の開先部
１１０の貫通部１１４、平坦部１１６、及び傾斜部１１
２の左側の端部は白く表示される。一方、パネル４の地
の部分は図１２（ｂ）に斜線でハッチングしたように黒
く表示される。これにより、二値化したときに開先部１
１０の形状が明瞭に認識できる。尚、図１２（ｂ）のよ
うな画像を得るには、１００より低い階調を白、１００
以上の階調を黒とする二値画像を得ると共に、これとは
別に１６５以下の階調を黒、１６５より高い階調を白と
する二値画像を得て、後に両方の画像を画像加算すると
いう方法を用いても、同様の結果が得られる。しかしな
がら、このような方法を採用すると、図１３に示す特性
で二値化する場合よりも処理に時間がかかる。

【００３６】開先部１１０の傾斜部１１４については、
その階調が徐々に変化するので、階調が１００以上１６
５以下の範囲にある部分は、二値化した場合に黒く表示
される。したがって、傾斜部１１４のうちこのような部
分は、図１２（ｂ）に示すすじ状の部分１１８として画
像に残る。しかし、開先部１１０を形成するのに使用す
るグラインダの形状は予め分かっているので、所定のグ
ラインダを使用する限りは、図１２（ｂ）のすじ状の部
分１１８の幅はほぼ一定となる。このため公知の膨張・
収縮処理を行うことによって、このすじ状の部分を画像
から除去することができる。このような処理を行った結
果、最終的には図１２（ｃ）に示すように、すじ状の部
分のない開先部だけが表示された二値画像が得られる。

【００３７】図１２（ｃ）に示すような、開先部１１０
だけが表示された画像が得られたら、次に各開先部１１
０を区別するためにラベリングする（step34）。その
後、ラベリングされた各開先部１１０について、開先部
の外接長方形、開先部の面積、開先部の重心座標、開先
部の主軸等の特徴量を計測する。また、これらの開先部
の特徴量から、Ｐ_S点、Ｐ_M点、Ｐ_E点、開先部の角度
θを算出する（step36）。こうして得られた開先データ
は、開先パターン認識部５４及び中央制御部６０に出力
される。

【００３８】次に、開先パターン認識部５４の動作につ
いて図１４乃至図１７を用いて説明する。図１４乃至図
１７はその開先パターン認識部５４の動作を説明するた
めの図である。まず、開先位置検出部５２から開先部に
ついての開先データが入力すると（step42）、穴が存在
するかどうかを判定する（step44）。穴が存在しないと
判定された場合には、この開先部は開先パターン７，
８，９のいずれかに該当する可能性がある。そして、開
先部がパネルの下端のエッジまで達しているか（step4
6）、開先部の角度θがｙ軸に対して±５°の角度範囲
にあるか（step48）を判定する。いずれか一方でもＮｏ
と判定されると、その開先部は、九つの開先パターンに
該当しない、すなわちＮＧであるとして、その開先部に
ついてのデータは転送されない。一方、step46、step48
において、ともにＹｅｓと判定されると、開先部の長
さ、すなわちＰ_S点とＰ_E点との距離を算出し（step5
2）、その距離に基づいて、開先部を開先パターン７，
８，９のいずれかに分類する（step54）。

【００３９】また、step44において、穴が存在すると判
定されると、開先部が穴の中心より上側にあるかどうか
を判定する（step56）。開先部がその上側にあると判定
された場合には、開先部は開先パターン１又は２に該当
する可能性がある。この場合、まず、開先部が穴に入っ
ていないことを確認する（step58）。ウインドウをかけ
ているため、実際、開先部が穴に入っていることはない
が、しかし、たとえばウインドウがずれて設定された場
合には、開先部と穴の一部とが一体になって、この一体
となったものが開先部と認識されることがあり、誤動作
の原因となる。このため、step58では、ウインドウをか
けたときのエラーをチェックしている。次に、開先部の
角度θがｙ軸に対して±４５°の角度範囲にあるかどう
かを判定する（step62）。開先部の角度θがこの角度範
囲になければ、ＮＧとされ、一方、この角度範囲にあれ
ば、開先部は穴の形状に応じて開先パターン１，２に分
類される（step64）。

【００４０】step56において、開先部が穴の中心より上
側にないと判定されると、開先部は開先パターン３，
４，５，６，７，８，９のいずれかに該当する可能性が
ある。この場合にも、まず、開先部が穴に入っていない
ことを確認した後（step66）、穴の位置についての情報
に基づいてＰ_S点が穴に接しているかどうかを判定する
（step68）。Ｐ_S点が穴に接していると判定されると、
開先部は開先パターン３，４，５，６のいずれかに該当
する可能性がある。そして、開先部がパネルの下端のエ
ッジに達しているかどうかを判定する（step72）。開先
部がエッジまで達していない場合には、開先部の角度θ
がｙ軸に対して±４５°の角度範囲にあるかどうかを判
定し（step74）、開先部の角度θがその角度範囲になけ
れば、ＮＧとされ、一方、その角度範囲にあれば、開先
部は穴の形状に応じて開先パターン３又は４に分類され
る（step76）。また、step72において、開先部がパネル
の下端のエッジに達している場合には、開先部の角度θ
が±５°の角度範囲にあるかどうかを判定し（step7
8）、開先部の角度θがその角度範囲になければ、ＮＧ
とされ、一方、その角度範囲にあれば、開先部は穴の形
状に応じて開先パターン５又は６に分類される（step8
2）。

【００４１】また、step68において、Ｐ_S点が穴に接し
ていないと判定されると、開先部は開先パターン７，
８，９のいずれかに該当する可能性がある。そして、開
先部がパネルの下端のエッジまで達しているか（step8
4）、開先部の角度θがｙ軸に対して±５°の角度範囲
にあるか（step86）を判定する。いずれか一方でもＮｏ
と判定されると、ＮＧとされ、一方、step84、step86に
おいて、ともにＹｅｓと判定されると、開先部の長さ、
すなわちＰ_S点とＰ_E点との距離を算出し（step88）、
その距離に基づいて、開先部を開先パターン７，８，９
のいずれかに分類する（step92）。

【００４２】次に、上記のように個々の開先部の形状及
び位置に基づいて所定の開先パターンに分類された各開
先部について、相互の位置関係や穴との位置関係を調べ
る。まず、step54、step64、step76、step82、step92に
おいてそれぞれの開先パターンに分類された各開先部に
対して、それぞれのＰ_S点とＰ_S点との間、Ｐ_S点とＰ
_M点との間、Ｐ_S点とＰ_E点との間、Ｐ_M点とＰ_M点と
の間、Ｐ_M点とＰ_E点との間、Ｐ_E点とＰ_E点との間の
距離を算出し、そのうちの最短距離を求める（step9
4）。特に、step92において、開先パターン９に分類さ
れた開先部については、そのＰ_S点、Ｐ_M点、Ｐ_E点と
穴との最短距離をも求める（step96）。そして、それら
の最短距離が所定の値以上であるかどうかを調べ、最短
距離がその値よりも小さい場合には、溶接が困難である
ので、その開先部をＮＧとし、一方、最短距離がその値
以上である場合には、その開先部については、開先パタ
ーンの分類がそのまま確定する（step98）。

【００４３】次に、中央制御部６０は、距離センサ２４
から送られた高さデータに基づいて算出された高さ情報
や、画像処理装置５０から出力された各種データに基づ
いて算出された溶接位置情報、溶接条件についての情報
を、ロボットコントローラ４０に出力する。すると、ロ
ボットコントローラ４０はこれらの情報に基づいて溶接
ロボット１０を制御して、溶接を開始する（step12）。

【００４４】こうして、一のパネルについて溶接が終了
すると、溶接を終了するかどうかを判定し（step14）、
溶接すべき次のパネルがある場合には、step 6に移行
し、同様の処理を行う。そして、すべてのパネルについ
て溶接が終了すると、ポジショナー３２を元の位置に戻
し（step16）、コンバスター２を取り外して、処理が終
了する。

【００４５】本実施例の自動溶接方法では、開先部につ
いて予め分類した複数の開先パターンを用意しておき、
コンバスターを撮像して得られた画像に基づいて開先部
が開先パターンのいずれに該当するかを認識することに
より、この認識した開先パターンに基づいて、その開先
部についての溶接条件を容易に決定することができる。
また、開先部までの高さ情報と溶接位置情報と認識され
た開先パターンとに基づいて溶接ロボットを動作させる
ことにより、自動で開先部を確実に溶接することができ
ると共に、所定の開先パターンに該当する開先部につい
ては、常に一定の条件での溶接が可能となり、溶接の品
質を一定に保つことができる。

【００４６】尚、本発明は上記の実施例に限定されるも
のではなく、その要旨の範囲内において種々の変形が可
能である。たとえば、上記の実施例では、被溶接物とし
て航空機エンジン部品であるコンバスターを用いた場合
について説明したが、冷蔵器などの熱交換器、原子炉の
細管部、タービンの熱交換部など、溶接によって亀裂の
補修を必要とするものに対しても、本発明の自動溶接方
法を適用して、確実に補修溶接を行うことができる。

【００４７】

【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、開先部について予め分類した複数の開先パタ
ーンを用意しておき、熱交換器を撮像して得られた画像
に基づいて開先部が開先パターンのいずれに該当するか
を認識することにより、この認識した開先パターンに基
づいて、その開先部についての溶接条件を容易に決定す
ることができ、また、開先部までの距離情報と溶接位置
情報と認識された開先パターンとに基づいて溶接ロボッ
トを動作させることにより、自動で開先部を確実に溶接
することができると共に、所定の開先パターンに該当す
る開先部については、常に一定の条件での溶接が可能と
なり、溶接の品質を一定に保つことができる自動溶接方
法を提供することができる。

【００４８】請求項２記載の発明によれば、各開先部間
の間隔が所定の値以上であるかどうかを判定する工程を
具備することにより、一の開先部についてその周囲にあ
る他の開先部との位置関係を考慮して、溶接ロボットが
その開先部を実際に溶接できるかどうかを判断すること
ができる自動溶接方法を提供することができる。

【００４９】請求項３記載の発明によれば、開先部まで
の距離情報を得る場合、熱交換器上の任意の複数の位置
を計測し、複数の位置の間を補間することにより、開先
部までの距離を容易に算出することができる自動溶接方
法を提供することができる。

【００５０】請求項４記載の発明によれば、溶接ロボッ
トが熱交換器を傾動及び回転するポジショナーを有する
ものであることにより、熱交換器を傾動及び回転して、
開先部を溶接しやすい位置に移動することができる自動
溶接方法を提供することができる。

【００５１】請求項５記載の発明によれば、熱交換器
が、航空機エンジン部品であるコンバスターであること
により、欠陥の部分を一定の高い品質で溶接して、欠陥
の再発を有効に防止することができるので、航空機事故
の発生を効果的に防止することができる自動溶接方法を
提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である自動溶接方法を適用し
た自動溶接システムの概略構成図である。

【図２】被溶接物であるコンバスターの一部の概略平面
図である。

【図３】そのコンバスターのＡ−Ａ矢視方向概略断面図
である。

【図４】そのコンバスターに形成された開先部を説明す
るための図である。

【図５】そのコンバスターの表面に生じた凹凸状態を説
明するための図である。

【図６】そのコンバスターの撮像視野及び高さの計測ポ
イントを説明するための図である。

【図７】図１に示す自動溶接システムの開先位置検出部
において計測される開先部の特徴量を説明するための図
である。

【図８】開先パターンを説明するための図である。

【図９】図１に示す自動溶接システムの動作を説明する
ための図である。

【図１０】その自動溶接システムの開先位置検出部の動
作を説明するための図である。

【図１１】その開先位置検出部におけるウインドウ処理
を説明するための図である。

【図１２】その開先位置検出部における二値化処理を説
明するための図である。

【図１３】その二値化処理を行う際のしきい値の設定の
仕方を説明するための図である。

【図１４】図１に示す自動溶接システムの開先パターン
認識部の動作を説明するための図である。

【図１５】図１に示す自動溶接システムの開先パターン
認識部の動作を説明するための図である。

【図１６】図１に示す自動溶接システムの開先パターン
認識部の動作を説明するための図である。

【図１７】図１に示す自動溶接システムの開先パターン
認識部の動作を説明するための図である。

【符号の説明】

２コンバスター４パネル６穴８亀裂１０溶接ロボット１２ロボット本体２２溶接トーチ２４距離センサ２６ＣＣＤカメラ２８照明装置３２ポジショナー４０ロボットコントローラ５０画像処理装置５２開先位置検出部５４開先パターン認識部６０中央制御部７０記憶部８０ＣＲＴ表示装置１１０開先部１１２傾斜部１１４貫通部１１６平坦部１１８すじ状部分

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ２３Ｋ 9/127 ５０８Ｂ 8315−4Ｅ 37/047 ５０１ＤＦ０２Ｃ 7/00 ＤＦ２３Ｒ 3/42 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】熱交換器に発生した欠陥部分に開先部を
形成し、溶接ロボットを用いて補修溶接する自動溶接方
法であって、前記溶接ロボットに取着される溶接トーチから前記開先
部までの距離情報を得る工程と、前記熱交換器を撮像して得られた画像に所定の処理を施
すことにより、前記開先部についての画像情報を得る工
程と、前記開先部の画像情報に基づいて溶接部に前記溶接トー
チを移動するための情報である溶接位置情報を得る工程
と、前記開先部の画像情報に基づいて前記開先部が予め分類
された複数の開先パターンのいずれに該当するかを認識
する工程と、前記開先部までの距離情報と前記溶接位置情報と前記認
識された開先パターンとに基づいて前記溶接ロボットを
動作させ、前記開先部を溶接する工程と、を具備することを特徴とする自動溶接方法。
【請求項２】前記各開先部間の間隔が所定の値以上で
あるかどうかを判定する工程を具備することを特徴とす
る請求項１記載の自動溶接方法。
【請求項３】前記開先部までの距離情報を得る場合、
前記熱交換器上の任意の複数の位置を計測し、前記複数
の位置の間を補間することにより、前記開先部までの距
離を算出することを特徴とする請求項１又は２記載の自
動溶接方法。
【請求項４】前記溶接ロボットは前記熱交換器を傾動
及び回転するポジショナーを有するものであることを特
徴とする請求項１、２又は３記載の自動溶接方法。
【請求項５】前記熱交換器は、航空機エンジン部品で
あるコンバスターであることを特徴とする請求項１、
２、３又は４記載の自動溶接方法。