JPH0630802B2 - 溶接開始点検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、産業用ロボットに装着した撮像手段により溶
接開始点を検出し、ロボットエンドエフェクタ先端の制
御点を溶接開始点に一致させるようにロボット各軸を制
御する溶接開始点検出方法に関する。

〔従来の技術〕

撮像手段を産業用ロボットのセンサとして適用する例は
古く、かつ多方面に亘っている。溶接作業ロボットに適
用する例も近年盛んになっているが、シームファインデ
ィング、シームトラッキング、アダプティブファンクシ
ョンという総合的見地で考えれば、特開昭61−279481号
公報で開示した発明は実用化レベルに達した技術の一つ
である。前記出願は、多方面に亘る技術的事項を開示し
ているが、このうち、シーム・ファインディングに関し
ては、ロボット手首に装着した撮像手段の画像情報によ
り、前記手首部に取付けた溶接トーチ先端の電極ワイヤ
像と、前記手首部に装着した光源の照射により、前記電
極ワイヤの被溶接ワークの下板側に投影される映像とが
被溶接ワークの接合面で形成される溶接線像で一致する
ようにロボット各軸を制御する方法であって、二次元検
出センサでありながら、三次元軌跡制御を可能ならしめ
るユニークな方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

一般に溶接ロボットの制御点は、手首部に装着した溶接
トーチ先端より供給される電極ワイヤの先端である。そ
して、所望の長さの電極ワイヤ先端が所望の軌跡をたど
るように、軌跡制御、軌跡修正制御が行われる。

しかるに、溶接終了時には、溶接条件や溶接電源特性に
依存するワイヤの燃え上がり、ワイヤの惰走、ワイヤ溶
滴の付着などにより発生する電極ワイヤ長の不揃いは、
不可避的である。電極ワイヤ長のばらつきは、とりもな
おさず、実際の制御点の変動をもたらす。変動した実際
の制御点を溶接開始点に位置決めする方法は、それなり
に有効であるが、給電チップ−母材間距離の変動によ
り、溶接結果の品質に悪影響を招くことがある。このた
め、電極ワイヤ長を所望値に一致させる操作が必要とな
る。

ところが、電極ワイヤを送り出すワイヤ送給装置は位置
制御ループを有せず、位置制御に対し、オープン・ルー
プである上、ワイヤ送給ケーブル内でのワイヤとケーブ
ルの摩擦，たるみ，がた等の要因により、電極ワイヤ長
を所望値に短時間で一致させることは必ずしも容易では
ない。

本発明は、このような背景のもとでなされたものであ
る。

すなわち、本発明は、前記出願で開示した発明をベース
に、特に前記電極ワイヤ長が溶接終了時に多くの要因に
よりばらつくため、これを補正し、また前記電極ワイヤ
長が所望値と一致しない場合でも、一致したのと同じ効
果をもたらす方法を提供するものであって、溶接開始点
への位置決め精度を向上かつ、安定化させ、溶接開始点
検出動作を迅速に行わせることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明の溶接開始点検出方法
は、産業用ロボットの手首部に溶接トーチ，光源及び撮
像手段を装着し、該撮像手段により、前記溶接トーチの
ワイヤ先端部，前記光源にて照射したときに前記ワイヤ
の被溶接ワークに投影される影及び実際ワークの溶接線
の三者が前記撮像手段によって撮像された画面上の溶接
線上で一致するようにロボット各軸を制御するに際し、
前記画面上のワイヤ先端位置と所望値の偏差量を検出
し、その偏差量に応じ、ワイヤ先端位置が前記所望値に
一致するようにワイヤ・インチングを行い、溶接終了時
に発生するワイヤ突き出し長のばらつきを補正して、次
の溶接開始に備えることを特徴とする。

〔作用〕

第１図に、本発明の対象とするロボットの概略図を示
す。第１図において、ロボットアーム２に据え付けられ
たワイヤ送給装置１により、ロボット手首６に固定され
た溶接トーチ３を経由して溶接ワイヤ４が送給される。

被溶接ワークの下板13にはロボット手首６の先のカメラ
駆動軸14に取り付けられた光源５の照明により、前記ワ
イヤ４の影10が生じる。

被溶接ワークの上板12と下板13の接合部11が溶接線であ
る。

ロボット手首６の先のカメラ駆動軸14に装着されたレン
ズ系７、ファイバスコープ８により、溶接ワイヤ４の
像、影10の像、溶接線11の像がカメラボックス９に光学
的に伝送され、前記カメラボックス内の撮像手段15（第
２図）により画像信号に変換される。

カメラ駆動軸14はロボットの手首軸の追加軸であって、
他の手首軸と同等の扱いを受けるとともに、溶接トーチ
３に対し、カメラアングルを自由に変えることを可能に
する軸である。

第２図にシステムの概略ブロック図を示す。

撮像手段15による画像信号は、イメージプロセッサ16に
より画像処理され、所要の情報をロボット・コントロー
ラ17に伝送する。

イメージプロセッサ16は少なくとも画像信号をアナログ
量からディジタル量に変換する手段、フレームメモリ、
マイクロプロセッサ、プログラムメモリＤ／Ａ変換手段
等を有している。

ロボットコントローラ17はティーチング・プレイバック
型ロボットのコントローラであって、カメラ駆動軸14を
含むロボット18の各駆動軸を駆動制御するとともに溶接
機19に指令を発する。

溶接機19はロボットコントローラ17の指令により、ワイ
ヤ送給装置１のモータ（図示せず）を駆動する。

イメージプロセッサ16は、画像処理の結果によりワイヤ
インチング指令を出力する。ロボットコントローラ17
は、この情報に基づき所望の指令を溶接機19に対し送
る。

さて、実空間と画面上の関係を第３図に基づいて説明す
る。

第３図(a)は実際空間、第３図(b)は撮像手段15が捕らえ
た画面の状態を示す。実際空間における上板12，下板1
3，溶接線11に対し、ワイヤ４の移動方向を左右方向2
0、上下方向21と定義する。

前記定義は、ロボットのティーチモードのとき、オペレ
ータによってなされる。

第３図(a)に対応する画面上の様子を、第３図(b)に“ダ
ッシュ（′）”を付加して示している。第３図(a)の輪
郭縁が円形状であるのは、ファイバ・スコープを形成す
るファイバ束の積層構造によるものである。

溶接線像11′，ワイヤ像４′及びワイヤの影撮像10′
は、被溶接ワークの上板像12′，下板像13′などの背景
に対し、明らかに異なるグレイ・レベルを示す。溶接線
像11′，ワイヤ像４′，ワイヤの影像10′のうち、被溶
接ワークのばらつき、セッティングのばらつきによっ
て、画面上の溶接線像11′，ワイヤの影像10′の位置は
変動するが、ワイヤ像の位置は特定のロボット手首姿勢
による溶接トーチ姿勢と特定のカメラ姿勢であるかぎ
り、即ちワイヤとカメラとの間の相対角度関係が保たれ
ているかぎり、幾何学的には変動しない。

このため、給電チップ29からのワイヤ長が一定であるか
ぎり、ワイヤ先端30はワイヤ像の先端点30′として、画
面座標上に固定される。

しかしながら、実際のワイヤ長は多くの変動要因により
ばらつく。

第４図に示す例は、実際のワイヤ像４′の先端30′が所
望のワイヤ長となる先端31より短い場合である。本発明
は、軌跡制御点を実際の先端30′にする場合と、所望の
ワイヤ先端31と実際のワイヤ先端30′が一致するまでイ
ンチングする場合と、実際のワイヤ先端30′が所望のワ
イヤ先端31との間に多少の過不足があっても所望の範囲
内ならば、所望のワイヤ先端31が溶接線11′の点35で一
致するように制御を行う仮想点方式の３つを含む。

なお、37は実際のワイヤ中心軸線，38は実際映像10′の
中心軸線である。

第３図(b)に示す左右方向20′は第４図の実際のワイヤ
先端30′と点36を結ぶ方向及び第４図の所望のワイヤ先
端31と点35を結ぶ方向と等価である。同じく第３図(b)
に示す上下方向21′は第４図の31と34を結ぶ方向及び3
0′と33を結ぶ方向と等価である。これらは予め定義さ
れている。

実際のワイヤ先端30′を制御点とする場合には、ワイヤ
先端30′と実際の影先端33との間の画面上の距離
Ｄ_１′，ワイヤ先端30′とワイヤ先端から定義された左
右方向線を引き、溶接線像11′との交点36の間の画面上
の距離Ｌ_１′を算出する。

所望のワイヤ先端31と実際のワイヤ先端30′が一致して
いる場合には、実際の影先端は33ではなく34になるはず
である。

上下方向の距離Ｄ_１は31と34との間の距離、左右方向の
距離Ｌ_１は31と35との間の距離として算出する。

仮想点方式の場合には、実際のワイヤ先端30′が所望の
ワイヤ先端31と離隔しているにも拘わらず、所望のワイ
ヤ先端31を基準にして上下方向の距離Ｄ_１、左右方向の
距離Ｌ_１を算出する。

上下方向にＤ_１だけ移動したときの実際の影は10″とな
り、その先端32を通る中心軸線38′の延長線は点31で交
わる。同様に、点35、もしくは点36も上下方向にＤ_１だ
け移動する（図示せず）。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

第５図は、実際のシームファインディング動作の概略フ
ローであり、この図に基づいて説明する。

予めプログラムされたシームファインディングモードに
なると、イメージ・プロセッサ16はワイヤ認識とワイヤ
インチング処理（ブロック90）を実行する。その結果、
判定サーキュラー91によりワイヤ異常か否かを判定し、
異常ならば、ディスプレイ（図示せず）等により警告す
る。

一方、正常のときには、ワイヤ先端座標、ワイヤ中心
線、ワイヤ長等が算出される。これらを算出する詳細は
後述する。

ブロック92ではワイヤ影に対する認識のための画像処理
を行い、影像の中心線、先端座標などを算出し、ブロッ
ク93では溶接線認識の画像処理を実行し、溶接線の方向
線を算出する。

ブロック94ではブロック90、ブロック92での算出値に基
づきロボット直交座標の偏位置（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）を
(1)式又は(1)′式により算出する。

(1)式は仮想点方式、(1)′式は実際のワイヤ先端方式を
表す。

(1)式のＤ_１は画面上の所望のワイヤ先端における上下
方向の距離、Ｌ_１は同じく左右方向の距離を示す。
Ｋ_１，ｋ_１は画面上の距離から実際のロボット直交座標
上での距離への変換係数であって、予め算出又は定義さ
れている。

（ａ，ｂ，ｃ）^Ｔはロボット直交座標上での上下方向の
単位ベクトル、（ｅ，ｆ，ｇ）^Ｔはロボット直交座標上
での左右方向の単位ベクトルであって、予め教示作業等
によって定義されている。

(1)′式は画面上の実際のワイヤ先端を制御点とする場
合であって、Ｄ_１′は実際のワイヤ先端と影との間の距
離、同じくＬ_１′は実際のワイヤ先端から溶接線までの
左右方向の距離を示している。

実際のワイヤ長を所望のワイヤ長に一致させる方式は
(1)′式を用いる。

３つの制御点方式のいずれを選択するかは、任意であっ
てプログラマブルである。

さて、ブロック90〜93にはイメージプロセッサ16が関与
するが、ブロック94〜96はロボットコントローラ17が分
担する。ロボットコントローラ17は、ブロック94におい
て（ΔＸ，ΔＹ，ΔＺ）を算出すると、ブロック95にお
いて現在値にこれを加え、シームファインディングの終
了点を算出する。

ブロック96では現在値を始点とする実際の移動動作を実
行させ、前記終了点に制御点を到達せしめる。

実際の画像処理とワイヤインチングの関係を第６図(a)
に示す。同図(a)は、第５図のブロック90を具体的にし
たものである。

ブロック100 において指定されたウィンド内でのワイヤ
探索動作を行う。このブロック100 の詳細を第６図(b)
に示す。

第６図(b)において、まずブロック1000でワイヤ縁点座
標（Ｘ_ｋ，Ｙ_ｋ）をイニシャライズし、第３図(b)に示
す画面軸(i，j)に対し、順次画像処理を行う。座標
(I_o，J_o),座標(I_max,J_max）は指定ウィンドを示し、(i,
j)はＩ_ｏ≦ｉ≦I_max,Ｊ_ｏ≦ｊ≦J_max)の領域であって、
予め定義されている。

サーキュラー1002のＰ_ijは(i，j)座標のグレイレベル
を、Ｐ_ｏは閾値を示す。

Ｐ_ij≧Ｐ_ｏのとき白レベル、Ｐ_ij＜Ｐ_ｏのとき黒レベル
とみなす。

ブロック1001のZONEはステータス・フラッグであり、ZO
NE＝０で背景部、ZONE＝１でワイヤ部であることを示
す。背景部ではＰ_ij≧Ｐ_ｏとなり、ワイヤ部ではＰ_ij＜
Ｐ_ｏである。

Ｘ_Ｌはワイヤ部の左エッジのｉ座標値を示し、(X_k，Y
_k )は、ワイヤ部の左エッジ座標値と右エッジ座標値と
の間の中心座標を意味する。ｋはワイヤ部が検出された
回数であって、その最終値Ｎ（1012ブロック）が指定さ
れた回路ｎ_１より大なるときは1015、小なるときは1014
ブロックに進む。WIREはステータスフラッグであってWI
RE＝１はワイヤが認識されたことを示す。以上でブロッ
ク100 は完了し、第６図(a)のサーキュラ101 に進む。
サーキュラ101 において、WIRE＝０のときサーキュラ10
6 に進む。106 はワイヤインチングを実行した回数が指
定回数を越えたかどうかをテストするサーキュラであっ
て、越えていればワイヤ異常フラッグをセットし、リタ
ーンする。指定回数を越えていない場合には、ブロック
109 においてワイヤインチング指令Ｗ、指令時間Ｔを算
出する。実験値テーブルでは例えば(W_m,T_m,Δl_m),（W_m,
T_p,Δl_p)で表される。

すなわち、指令値Ｗ_ｍ，インチング時間Ｔ_ｍのときワイ
ヤ量の延びがΔｌ_ｍになり、指令値Ｗ_m,インチング時間
Ｔ_ｐのときワイヤ量の伸びがΔｌ_ｐとなるようなテーブ
ルである。今、画面上の偏位Δｌに対し Δｌ_ｍ≦ｋ_３Δｌ≦Δｌ_ｐ となる(W_m,T_m,Δl_m)，(W_m,T_p,Δl_p)を抽出し、 として（Ｗ，Ｔ）を算出する。なおｋ_３は画面上のワイ
ヤ長と実際のワイヤ長との変換係数である。

かくてブロック110 に進み、第２式のＷをＴ時間出力す
る。完了すればブロック100 に進む。

一方、サーキュラー101 においてWIRE＝１の場合、ブロ
ック102 に進みワイヤ長ｌの算出を行う。ブロック102
の詳細を第６図(c)に示す。第６図(c)のブロック1020で
は、ブロック100 で算出した（Ｘ_Ｋ，Ｙ_Ｋ），ｋ＝０〜
Ｎに対し最小自乗近似を行い、ワイヤの中心軸線を求め
る。この中心軸線に基づき、ブロック1021ではワイヤ先
端座標（ｘ_１，ｙ_１）を、ブロック1022では、ワイヤ送
り出し側の座標（ｘ_２，ｙ_２）を求める。

ブロック1020において、最小自乗近似を行うのはワイヤ
の曲がりワイヤ先端部に溶滴部が付着する場合などに備
えるためである。

ブロック1023において、ワイヤ長ｌを算出し、リターン
するとともに、ブロック103 に進む。ブロック103 では
前記ワイヤ長ｌと予め教示されている所望ワイヤ長ｌ_ｏ
との間の差Δｌを算出し、サーキュラー104 に進む。実
際のワイヤ長を所望ワイヤ長と一致させる方式を実行さ
せる場合にはサーキュラー108 に進む。サーキュラー10
8 では、前記Δｌが、一致しているとみなせる許容量ｌ
_minと比較し、インチングするか完了とみなすかを決定
する。

一方、前記一致方式でない場合には、サーキュラー105
において、Δｌが所望の範囲ｌ_zoneにあるか否かをテス
トし、ワイヤ・インチングをするか、ワイヤ・インチン
グを完了するかを決定する。

なお、ブロック92，ブロック93の詳細説明は基本的には
第６図(b)，第６図(c)のフローチャートの全部もしくは
一部によって説明できるため省略する。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明においては、ワイヤ長の
ばらつきを撮像画像に基づいて測定し、その結果に基づ
いてワイヤインチングさせることによりワイヤ長を管理
するようにしている。その結果、ワイヤ長が溶接終了時
に多くの要因によりばらついても、これを補正して溶接
開始点への位置決め精度を向上させるとともにアーク・
スタートを安定化させ、溶接開始点検出動作を迅速に行
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を適用するロボットの概略図、第２図は
本発明のシステムの概略ブロック図、第３図は実空間と
画面上の関係を示す説明図、第４図は第３図(b)の詳細
図、第５図はシームファインディング動作のフローチャ
ート、第６図は実際の画像処理とワイヤインチングのフ
ローチャートである。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】産業用ロボットの手首部に溶接トーチ，光
   源及び撮像手段を装着し、該撮像手段により、前記溶接
   トーチのワイヤ先端部，前記光源にて照射したときに前
   記ワイヤの被溶接ワークに投影される影及び実際ワーク
   の溶接線の三者が前記撮像手段によって撮像された画面
   上の溶接線上で一致するようにロボット各軸を制御する
   に際し、前記画面上のワイヤ先端位置と所望値の偏差量
   を検出し、その偏差量に応じ、ワイヤ先端位置が前記所
   望値に一致するようにワイヤ・インチングを行い、溶接
   終了時に発生するワイヤ突き出し長のばらつきを補正し
   て、次の溶接開始に備えることを特徴とする溶接開始点
   検出方法。
2. 【請求項２】ワイヤ・インチングの実行にも拘わらずワ
   イヤが前記画面に現れない場合、ワイヤ異常又はワイヤ
   切れと判定することを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の溶接開始点検出方法。
3. 【請求項３】ワイヤ先端が所望の範囲にセットされてい
   れば、前記ワイヤ先端部と前記ワイヤの影先端部とが前
   記画面内の溶接線上で一致するようにロボット各軸を制
   御することを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の溶
   接開始点検出方法。
4. 【請求項４】ワイヤ先端部が所望の範囲にセットされて
   いれば、前記ワイヤ先端部の位置に拘わらず、所望のワ
   イヤ先端位置と所望のワイヤによる影先端部とが前記画
   面内溶接線に一致するように、前記実際ワイヤ先端及び
   前記実際影先端が移動するようにロボット各軸を制御す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の溶接開
   始点検出方法。