溶接制御方法及び溶接装置
【課題】ＴＩＧ溶接かＧＭＡ溶接を問わず、ルートギャップや裏当て隙間や目違いが変わっても良好な裏ビード形状とビード品質を安定して得る。
【解決手段】被溶接部材７の溶融池１２とその近傍を視覚センサ４で撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭２５を抽出し、抽出した輪郭２５から溶融池先端の左端点ＦＬＰと右端点ＦＲＰを抽出する。抽出した溶融池先端の左端点ＦＬＰと右端点ＦＲＰの座標から溶融池先端部幅Ｗを算出し、算出した溶融池先端部幅Ｗｏによりルートギャップの変化量ΔＷを算出する。算出したルートギャップの変化量ΔＷに基づいてトーチ揺動幅の制御量Ｗｔと溶接速度の制御量Ｖｗを算出し、算出したトーチ揺動幅Ｗｔと溶接速度の制御量Ｖｗで揺動幅と溶接速度を制御する．
【解決手段】被溶接部材７の溶融池１２とその近傍を視覚センサ４で撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭２５を抽出し、抽出した輪郭２５から溶融池先端の左端点ＦＬＰと右端点ＦＲＰを抽出する。抽出した溶融池先端の左端点ＦＬＰと右端点ＦＲＰの座標から溶融池先端部幅Ｗを算出し、算出した溶融池先端部幅Ｗｏによりルートギャップの変化量ΔＷを算出する。算出したルートギャップの変化量ΔＷに基づいてトーチ揺動幅の制御量Ｗｔと溶接速度の制御量Ｖｗを算出し、算出したトーチ揺動幅Ｗｔと溶接速度の制御量Ｖｗで揺動幅と溶接速度を制御する．
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アーク溶接を行うときに、トーチ揺動幅と溶接速度を適応制御する溶接制御方法及び溶接装置、特に、開先形状例えばルートギャップや目違いあるいは裏当て隙間などの変化が発生しても、初層溶接における所定の溶接ビード厚さを維持しながら良質な裏波ビードも得ることに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、造船や橋梁、建築、パイプライン、機械、鉄鋼などの分野において、自動溶接のニーズが高まっている。この自動溶接の際に、溶接アークを溶接線に自動的に倣わせることはもちろん、開先形状の変化有無にかかわらず良質な裏波ビードや各層の適切な溶接ビード厚さを維持する必要がある。これらを実現するためにレーザセンサ視覚センサを使用している。
【０００３】
レーザセンサを使用する場合は、溶接トーチの前方にレーザセンサヘッドを設け、溶接アークから十分離れた溶接方向の前方の開先上にレーザ光を照射し、そのレーザ光切断画像をＣＣＤカメラなどで撮影し、撮影した画像を画像処理して開先断面積を求め、求めたデータをメモリに記憶しておき、溶接アークが計測位置に移動してきたときに、メモリに記憶した開先断面積のデータを読み出して溶接条件を算出して制御に利用するようにしている。この制御方法は、一般的に制御による不安定現象が生じないため、システムを構築しやすい利点がある。
【０００４】
一般的にレーザセンサ自身は高い計測精度を持たせるのは容易であるが、ＣＣＤカメラ等が撮影したレーザ光切断画像は開先表面の反射状況の影響を受け易く、例えば、グラインダをかけた開先表面の場合、ときにはＣＣＤカメラ等に入射する反射光が弱すぎてレーザ光切断画像の一部が欠如するような不完全な画像になったり、逆に反射光が強すぎて、ハレーション現像を起こして画像が歪んでしまったりすることがよくあるので、計測結果が使用環境によって変わり易い欠点がある。
【０００５】
視覚センサは、レーザセンサと違ってアーク直下の溶融池、あるいはその周辺の開先形状も含めて撮影するので、時間的な遅れなしにフィードバッグ制御を行うことができ、近年注目を浴びている。例えば特許文献１に示された溶接制御方法は、溶融池の後方に設置した赤外線カメラを用いて溶融池を直接撮像し、赤外線カメラからの撮像データに基づき、溶融池の温度分布や、溶融池の形状を示す面積と幅及び幾何学的重心と最後端部との距離等を特徴づける特徴データを抽出し、これらの特徴データを、あらかじめ理想的な溶接において得た溶融池の特徴データの目標値と一致するように、溶接電流、溶接速度又は溶接トーチの狙い位置等の溶接条件を制御して所定の溶接品質を得るようにしている。
【０００６】
また、特許文献２に示された溶接制御方法は、多層盛アーク溶接の初層波溶接において、溶接進行方向の斜め上方に設置されたＣＣＤカメラにより、溶接部溶融池の画像を撮像し、この画像を画像処理して、溶融池前縁位置とアーク光画像の開先長手方向における重心位置との画像上の距離を溶融池先行量として算出し、算出した溶融池先行量が所定の適正値になるように溶接速度を制御して自動裏波溶接を行うようにしている。
【特許文献１】特開２０００−３５１０７１号公報
【特許文献２】特開２０００−９４１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特許文献１や特許文献２に示された溶接制御方法は、溶融池の形状変化を引き起こすルートギャップ変化に応じてトーチ揺動幅の適応制御をなんら講じていない。一般に、ルートギャップが変化したとき、トーチ揺動幅もルートギャップの変化に応じて変化させないと、開先壁（ベベル面）での溶け込み具合を確保するのは困難である。したがって、溶接速度や溶接電流すなわち溶着量の適応制御により裏波ビード形状やビード高さを期待どおりに確保しようとしても、必ず良好な溶接ビード品質が得られるとは限らない。また、溶融池先行量を、アーク光により輝度の高いアーク光画像の重心位置を基準にして算出しても、アーク光は一定ではなく変化するため、アーク光画像の重心位置を特定することは難しく、溶融池先行量の変動（ノイズ）が大きくなってしまう。
【０００８】
この発明は、このような問題を解消し、ＴＩＧ溶接かＧＭＡ溶接を問わず、ルートギャップや裏当て隙間や目違いが変わっても良好な裏ビード形状とビード品質を安定して得ることができる溶接制御方法及び溶接装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の溶接制御方法は、被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、抽出した輪郭から溶融池先端の左端点と右端点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、算出した溶融池先端部幅とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから溶接速度の制御量を算出し、算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする。
【００１０】
この発明の他の溶接制御方法は、被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、抽出した輪郭から溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の４個所の特異点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、抽出した溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池高さを算出し、算出した溶融池先端部幅とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから補正溶接速度を算出し、算出した溶融池高さとあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さとの差である溶融池高さの変化量を算出し、算出した溶融池高さの変化量に基づいて溶接速度修正量を演算し、演算した溶接速度修正量により前記補正溶接速度を修正して溶接速度の制御量を算出し、算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする。
【００１１】
この発明の溶接装置は、視覚センサと溶接制御装置を有し、前記視覚センサは、被溶接部材の溶融池及びその近傍を撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、前記溶接制御装置は、画像処理部と演算処理部及び駆動制御部を有し、前記画像処理部は、前記視覚センサで撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、前記演算処理部は、特徴量演算部とギャップ変化量演算部と揺動幅演算部及び補正速度演算部を有し、前記特徴量演算部は、前記画像処理部で抽出した溶融池の輪郭から溶融池先端の左端点と右端点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、前記ギャップ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池先端部幅とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、前記揺動幅演算部は、前記ギャップ変化量演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、前記補正速度演算部は、前記揺動幅演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから溶接速度の制御量を算出し、前記駆動制御部は、前記揺動幅演算部で算出したトーチ揺動幅と前記補正速度演算部で算出した溶接速度の制御量により揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする。
【００１２】
この発明の他の溶接装置は、視覚センサと溶接制御装置を有し、前記視覚センサは、被溶接部材の溶融池及びその近傍を撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、前記溶接制御装置は、画像処理部と演算処理部及び駆動制御部を有し、前記画像処理部は、前記視覚センサで撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、前記演算処理部は、特徴量演算部とギャップ変化量演算部と揺動幅演算部と補正速度演算部と高さ変化量演算部と補正速度修正量演算部及び溶接速度演算部を有し、前記特徴量演算部は、前記画像処理部で抽出した溶融池の輪郭から溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の４個所の特異点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、抽出した溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池高さを算出し、前記ギャップ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池先端部幅とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、前記揺動幅演算部は、前記ギャップ変化量演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、前記補正速度演算部は、前記揺動幅演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから補正溶接速度を算出し、前記高さ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池高さとあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さとの差である溶融池高さの変化量を算出し、前記補正速度修正量演算部は、前記高さ変化量演算部で算出した溶融池高さの変化量に基づいて溶接速度修正量を演算し、前記溶接速度演算部は、前記補正速度修正量演算部で演算した溶接速度修正量により前記補正速度演算部で算出した前記補正溶接速度を修正して溶接速度の制御量を算出し、前記駆動制御部は、前記揺動幅演算部で算出したトーチ揺動幅と前記溶接速度演算部で算出した溶接速度の制御量により揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明は、被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、抽出した輪郭から溶融池先端の左端点と右端点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、算出した溶融池先端部幅によりルートギャップの変化量を算出し、算出したルートギャップの変化量に基づいてトーチ揺動幅の制御量と溶接速度の制御量を算出し、算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することにより、ＴＩＧ溶接かＧＭＡ溶接を問わず、ルートギャップが変わっても良好な裏ビード形状とビード品質を安定して得ることができる。
【００１４】
また、撮影した画像から溶融池の輪郭から溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の４個所の特異点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、抽出した溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池高さを算出し、算出した溶融池先端部幅によりルートギャップの変化量を算出し、算出したルートギャップの変化量に基づいてトーチ揺動幅の制御量と補正溶接速度を算出し、算出した補正溶接速度を溶融池高さの変化量に基づいて修正して溶接速度の制御量を算出し、算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することにより、ＴＩＧ溶接かＧＭＡ溶接を問わず、ルートギャップや裏当て隙間や目違いが変わっても良好な裏ビード形状とビード品質を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１はこの発明の溶接装置の構成図である。図に示すように、溶接装置１は、先端に電極２を有する溶接トーチ３と例えばＣＣＤカメラを有する視覚センサ４とトーチ上下移動機構部５及びトーチ左右移動機構部６を搭載し、被溶接部材７の開先（溶接線）に沿って移動する移動台車８と、溶接電源９と溶接制御装置１０を有する。視覚センサ４は溶接トーチ３より溶接方向の前方に近接して配置され、図２に示すように、被溶接部材７に溶接ビード１１を形成する溶融池１２とその近傍を撮影する。この視覚センサ４は溶接トーチ３とともにトーチ上下移動機構部５に固定され、トーチ上下移動機構部５により上下方向に移動する。トーチ上下移動機構部５は移動台車８に固定されたトーチ左右移動機構部６に固定され、トーチ左右移動機構部６により溶接線と直交する方向に移動して、溶接トーチ３及び視覚センサ４の位置を可変する。
【００１６】
溶接制御装置１０は、図３のブロック図に示すように、画像処理部１３と演算処理部１４及び駆動制御部１５を有する。画像処理部１３は視覚センサ４から出力される溶融池１２とその近傍の画像の輝度むら等を補正するシェーディング補正や２値化処理やノイズ除去等を行い、溶融池画像の輪郭を抽出する。
【００１７】
演算処理部１４は、理想値設定部１６と特徴量演算部１７とギャップ変化量演算部１８と高さ変化量演算部１９と揺動幅演算部２０と補正速度演算部２１と補正速度修正量演算部２２及び溶接速度演算部２３を有する。理想値設定部１６には、あらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅Ｗｏとトーチ揺動幅Ｗｔｏと溶接速度Ｖｗｏとビード断面積Ｓｂｏ及びビード高さＨｂｏが設定されている。特徴量演算部１７は画像処理部１３で抽出した溶融池１２の特異点を抽出し、抽出した特異点から溶融池先端部幅Ｗとビード高さすなわち溶融池高さＨを演算する。ギャップ変化量演算部１８は特徴量演算部１７で演算した溶融池先端部幅Ｗと理想値設定部１６に設定された理想的な溶融池先端部幅Ｗｏからルートギャップの変化量ΔＷを演算する。高さ変化量演算部１９は特徴量演算部１７で演算した溶融池高さＨと理想的なビード高さＨｂｏから溶融池高さの変化量ΔＨを算出する。揺動幅演算部２０はギャップ変化量演算部１８で算出したルートギャップの変化量ΔＷと理想値設定部１６に設定された理想的なトーチ揺動幅Ｗｔｏから実際のトーチ揺動幅Ｗｔを演算する。補正速度演算部２１はギャップ変化量演算部１８で算出したルートギャップの変化量ΔＷと理想値設定部１６に設定された理想的な溶接速度Ｖｗｏとビード断面積Ｓｂｏ及びビード高さ（溶融池高さ）Ｈｂｏにより補正溶接速度Ｖｗを演算する。補正速度修正量演算部２２は高さ変化量演算部１９で算出している溶融池高さの変化量ΔＨに基づいた溶接速度の増減量ΔＶｗを例えばファジー推論を用いて算出する。溶接速度演算部２３は補正速度演算部２１で算出した補正溶接速度Ｖｗを補正速度修正量演算部２２で算出した増減量ΔＶｗで修正する。
【００１８】
駆動制御部１５は揺動幅演算部２０で算出したトーチ揺動幅Ｗｔにより溶接トーチ３の揺動幅を制御し、溶接速度演算部２３で修正した溶接速度により溶接速度を制御する。
【００１９】
この溶接装置１で移動台車８を被溶接部材７の開先に沿って移動しながら被溶接部材７を溶接するときのトーチ揺動幅と溶接速度を制御して良好な裏ビード形状を形成するときの処理を図４のフローチャートを参照して説明する。
【００２０】
移動台車８を被溶接部材７の開先に沿って配置して溶接を開始すると、視覚センサ４で被溶接部材７の溶融池１２及びその近傍を撮影し、撮影した画像信号を溶接制御装置１０の画像処理部１３に逐次送る（ステップＳ１）。この視覚センサ４による撮影は溶接中にいつでも可能であるが、溶接トーチ３を揺動させながら溶接する場合、溶融池１２の形状は溶接トーチ３の揺動位置により変化するので、一定の揺動位置、例えば揺動中心位置で撮影する。
【００２１】
画像処理部１３は視覚センサ４から画像信号が送られると、送られた画像信号を画像処理してノイズ等を除去して、図５（ａ）に示すように、溶融池画像２４の輪郭２５を抽出して演算処理部１４の特徴量演算部１７に送る（ステップＳ２）。特徴量演算部１７は、送られた溶融池画像２４の輪郭２５から溶融池１２の形状を特徴付ける左端点ＬＰと右端点ＲＰ及び溶融池１２の左先端点ＦＬＰと右先端点ＦＲＰを特異点として特定し、各特異点の座標ＬＰ（Ｘｌ，Ｙｌ）とＲＰ（Ｘｒ，Ｙｒ）とＦＬＰ（Ｘｆｌ，Ｙｆｌ）及びＦＲＰ（Ｘｆｒ，Ｙｆｒ）をそれぞれ求める（ステップＳ３）。この溶融池画像２４を形成した溶接ビード１１に当てはめると、図５（ｂ）に示すように、左端点ＬＰと右端点ＲＰは溶接ビード１１表面における両端の点であり、左先端点ＦＬＰと右先端点ＦＲＰは開先ルート２８の両端の点であることがわかる。
【００２２】
特徴量演算部１７は求めた各特異点の座標ＬＰ（Ｘｌ，Ｙｌ）とＲＰ（Ｘｒ，Ｙｒ）とＦＬＰ（Ｘｆｌ，Ｙｆｌ）及びＦＲＰ（Ｘｆｒ，Ｙｆｒ）から下記（１）式と（２）式により溶融池先端部幅Ｗと溶融池高さＨを特徴量として算出し、算出した溶融池先端部幅Ｗをギャップ変化量演算部１８に送り、溶融池高さＨを高さ変化量演算部１９に送る（ステップＳ４）。
Ｗ＝Ｘｆｒ−Ｘｆｌ （１）
Ｈ＝｛（Ｙｆｌ＋Ｙｆｒ）−（Ｙｌ＋Ｙｒ）｝／２ （２）
この算出した溶融池先端部幅Ｗは開先のルートギャップに関係し、溶融池高さＨは溶接ビード１１の高さに関係する。ここで、もし溶着量が一定とする場合、図５（ｂ）に示すように、これらの特徴量はルートギャップと裏当て隙間や目違い、すなわち開先形状の変化にしたがって変化するはずである。例えば、ルートギャップが大きいほど、溶融池先端部幅Ｗは増大するが、溶融池高さＨは減少する。一方、裏当て隙間が大きくなると、溶融池高さＨは減少する。目違いによる影響も裏当て隙間と同様な傾向を示す。
【００２３】
一般に、開先形状（ルートギャップ、目違い、裏当て隙間など）が変わっても、適正な溶融池高さＨ，すなわち溶接ビード厚さを保てば、良好な表溶接ビード形状のみならず、良好な裏ビード形状も得られる。したがって、開先形状が一定に保てない溶接の際に、溶融池高さＨを維持できるような溶着量の適応制御が望ましい。また、ルートギャップが変化した場合、開先壁（ベベル面）での溶け込み具合を確保するためには、ルートギャップの変化に応じる溶接トーチ３の揺動幅の適応制御も必要である。
【００２４】
そこでギャップ変化量演算部１９は、送られた溶融池先端部幅Ｗとあらかじめ理想値設定部１６に格納した理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅Ｗｏとからルートギャップの変化量ΔＷを下記（３）式により算出して揺動幅演算部２０と補正速度演算部２１に送る（ステップＳ５）。
ΔＷ＝Ｋ・（Ｗ−Ｗｏ） （３）
（３）式においてＫは比例係数である。
揺動幅演算部２０は、送られたルートギャップの変化量ΔＷとあらかじめ理想値設定部１６に格納した理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅Ｗｔｏから実際のトーチ揺動幅Ｗｔを下記（４）式により算出して駆動制御部１５に送る（ステップＳ６）。
Ｗｔ＝Ｗｔｏ−ΔＷ （４）
【００２５】
一方、補正速度演算部２１は、送られたルートギャップの変化量ΔＷとあらかじめ理想値設定部１６に格納した理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度Ｖｗｏとビード断面積Ｓｂｏ及びビード高さＨｂｏから補正溶接速度Ｖｗを下記（５）式により算出する（ステップＳ７）。
Ｖｗ＝Ｖｗｏ・Ｓｂｏ／（Ｓｂｏ＋ΔＷ・Ｈｂｏ） （５）
【００２６】
この補正速度演算部２１で算出した補正溶接速度Ｖｗはルートギャップの変化量ΔＷのみに応じたもので、実際の溶接では、ルートギャップのほかに、目違いや裏当て隙間の変化もある。これらの変化は溶融池高さＨの変化をもたらす。そこで補正速度演算部２１で算出した補正溶接速度Ｖｗは、計測した溶融池高さ（ビード高さ）Ｈと理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さＨｂｏとの差ΔＨを常に零にするように修正する。このため高さ変化量演算部１９は、特徴量演算部１７から送られた溶融池高さＨとあらかじめ理想値設定部１６に格納した理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さＨｂｏとの差である溶融池高さの変化量ΔＨを算出して補正速度修正量演算部２２に送る（ステップＳ８）。補正速度修正量演算部２２は送られた溶融池高さの変化量ΔＨに基づいて溶接速度修正量ΔＶｗを演算する（ステップＳ９）。
【００２７】
この溶融池高さの変化量ΔＨが生じる原因となる裏当て隙間は裏当て銅板の継目において急変することがあるため、溶接速度修正量ΔＶｗを演算して補正溶接速度Ｖｗを修正する場合高い応答性が求められている。そこで補正速度修正量演算部２２は例えばファジー推論法を用いて溶接速度修正量ΔＶｗを求める。ここで、補正速度修正量演算部２２で使用したファジー推論法は簡略推論法を用い、ファジー推論器の入力変数は、Ｅ０とＥ１及びＥ２の３つにし、入力変数Ｅ０の値は溶融池高さの変化量ΔＨを用い、入力変数Ｅ１の値は溶融池高さの変化量ΔＨの一階差分値を用い、入力変数Ｅ２の値は溶融池高さの変化量ΔＨの二階差分値を用いる。各入力変数Ｅ０，Ｅ１，Ｅ２は、ＰとＺとＮの３つのファジーラベルを設け、各入力変数Ｅ０，Ｅ１，Ｅ２の値から各自のファジーラベルに変換するのは、図６（ａ）に示すように、三角形のメンバーシップ関数を用いる。一方、ファジー推論器の出力は溶接速度修正量ΔＶｗの一階差分値ΔＵとし、この出力変数はＰＢ（Positive Big)、ＰＨ（Positive High)、ＰＭ（Positive Medium)、ＰＳ（Positive Small)、ＺＥ(Zero)、ＮＳ(Negative Small)、ＮＭ(Negative Medium)、ＮＨ(Negative High)、ＮＢ(Negative Big)の９つのファジーラベルを設け、ファジーラベルと溶接速度修正量ΔＶｗの一階差分値ΔＵとの関係に図６（ａ）に示すように、シングルトンメンバーシップ関数を用いる。そして図７に示すファジー推論ルールを用いる。図７に示すファジー推論ルールは、２７個のルールからなり、例えばルール１としては次のようなルールを示す。
if ＥＯ is Ｐ and Ｅ１ is Ｐ and Ｅ２ is Ｐ， then ΔＵ is ＰＢ
【００２８】
そして補正速度修正量演算部２２は、送られた溶融池高さの変化量ΔＨに基づいて溶接速度修正量ΔＶｗを求めるとき、まず、送られた溶融池高さの変化量ΔＨからファジー入力変数Ｅ０〜Ｅ２の値を求める。次に、求めたファジー入力変数のそれぞれのファジーラベル値を求め、前記表に示すファジー推論ルールに基づき、各ルールの適合度を積算方法にて求める。求めた各ルールの適合度と出力変数のファジィ値により溶接速度修正量ΔＶｗを重心法に基づいて算出して非ファジィ化し、算出した溶接速度修正量ΔＶｗを溶接速度演算部２３に送る。
【００２９】
溶接速度演算部２３は、補正速度演算部２１から送られた補正溶接速度Ｖｗを補正速度修正量演算部２２から送られた溶接速度修正量ΔＶｗにより修正し、修正した溶接速度Ｖｔを駆動制御部１５に送る（ステップＳ１０）。駆動制御部１５は揺動幅演算部２０から送られたトーチ揺動幅Ｗｔにより溶接トーチ３の揺動幅を制御し、溶接速度演算部２３から送られた溶接速度Ｖｔにより溶接速度を制御する（ステップＳ１１）。この処理を溶接が終了するまで繰り返す（ステップＳ１２，Ｓ１〜Ｓ１１）。
【００３０】
このようにルートギャップの変化に応じて求めたトーチ揺動幅Ｗｔと、ルートギャップの変化と目違いや裏当て隙間の変化に応じて求めた溶接速度Ｖｔにより溶接トーチ３の揺動幅と溶接速度を制御することにより、良好な表と裏ビード形状を形成することができた。例えば図８にはルートギャップが変化した場合、図９は目違いが変化した場合、図１０は裏当て隙間が急変した場合のトーチ揺動幅と溶接速度の制御結果を示す。いずれの場合も良好な制御性能を持ち、形成したビードは、いずれも良好な表と裏ビード形状とビード品質を示していたことが確認できた。
【００３１】
前記説明では溶接制御装置１０に画像処理部１３と演算処理部１４及び駆動制御部１５を設けた場合について説明したが、図１１のブロック図に示すように、溶接制御装置１０の演算処理部１４を入力部３０とＣＰＵ３１とＲＯＭ３２とＲＡＭ３３及び出力部３４で構成し、あらかじめ前記処理プログラムをＲＯＭ３２に格納しておき、ＲＯＭ３２に格納した処理プログラムによりＣＰＵ３１でトーチ揺動幅Ｗｔと溶接速度Ｖｔを演算するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の溶接装置の構成図である。
【図２】視覚センサにより溶融池とその近傍を撮影する状態を示す模式図である。
【図３】溶接制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】トーチ揺動幅と溶接速度の制御処理を示すフローチャートである。
【図５】溶融池画像と特異点を示す模式図である。
【図６】ファジー推論の入力変数と出力変数のメンバーシップ関数を示す模式図である。
【図７】ファジー推論ルールを示す図である。
【図８】ルートギャップが変化した場合のトーチ揺動幅と溶接速度の制御結果を示す図である。
【図９】目違いが変化した場合のトーチ揺動幅と溶接速度の制御結果を示す図である。
【図１０】裏当て隙間が急変した場合のトーチ揺動幅と溶接速度の制御結果を示す図である。
【図１１】溶接制御装置の他の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３３】
１；溶接装置、２；電極、３；溶接トーチ、４；視覚センサ、
５；トーチ上下移動機構部、６；トーチ左右移動機構部、７；被溶接部材、
８；移動台車、９；溶接電源、１０；溶接制御装置、１１；溶接ビード、
１２；溶融池、１３；画像処理部、１４；演算処理部、１５；駆動制御部、
１６；理想値設定部、１７；特徴量演算部、１８；ギャップ変化量演算部、
１９；高さ変化量演算部、２０；揺動幅演算部、２１；補正速度演算部、
２２；補正速度修正量演算部、２３；溶接速度演算部。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、アーク溶接を行うときに、トーチ揺動幅と溶接速度を適応制御する溶接制御方法及び溶接装置、特に、開先形状例えばルートギャップや目違いあるいは裏当て隙間などの変化が発生しても、初層溶接における所定の溶接ビード厚さを維持しながら良質な裏波ビードも得ることに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、造船や橋梁、建築、パイプライン、機械、鉄鋼などの分野において、自動溶接のニーズが高まっている。この自動溶接の際に、溶接アークを溶接線に自動的に倣わせることはもちろん、開先形状の変化有無にかかわらず良質な裏波ビードや各層の適切な溶接ビード厚さを維持する必要がある。これらを実現するためにレーザセンサ視覚センサを使用している。
【０００３】
レーザセンサを使用する場合は、溶接トーチの前方にレーザセンサヘッドを設け、溶接アークから十分離れた溶接方向の前方の開先上にレーザ光を照射し、そのレーザ光切断画像をＣＣＤカメラなどで撮影し、撮影した画像を画像処理して開先断面積を求め、求めたデータをメモリに記憶しておき、溶接アークが計測位置に移動してきたときに、メモリに記憶した開先断面積のデータを読み出して溶接条件を算出して制御に利用するようにしている。この制御方法は、一般的に制御による不安定現象が生じないため、システムを構築しやすい利点がある。
【０００４】
一般的にレーザセンサ自身は高い計測精度を持たせるのは容易であるが、ＣＣＤカメラ等が撮影したレーザ光切断画像は開先表面の反射状況の影響を受け易く、例えば、グラインダをかけた開先表面の場合、ときにはＣＣＤカメラ等に入射する反射光が弱すぎてレーザ光切断画像の一部が欠如するような不完全な画像になったり、逆に反射光が強すぎて、ハレーション現像を起こして画像が歪んでしまったりすることがよくあるので、計測結果が使用環境によって変わり易い欠点がある。
【０００５】
視覚センサは、レーザセンサと違ってアーク直下の溶融池、あるいはその周辺の開先形状も含めて撮影するので、時間的な遅れなしにフィードバッグ制御を行うことができ、近年注目を浴びている。例えば特許文献１に示された溶接制御方法は、溶融池の後方に設置した赤外線カメラを用いて溶融池を直接撮像し、赤外線カメラからの撮像データに基づき、溶融池の温度分布や、溶融池の形状を示す面積と幅及び幾何学的重心と最後端部との距離等を特徴づける特徴データを抽出し、これらの特徴データを、あらかじめ理想的な溶接において得た溶融池の特徴データの目標値と一致するように、溶接電流、溶接速度又は溶接トーチの狙い位置等の溶接条件を制御して所定の溶接品質を得るようにしている。
【０００６】
また、特許文献２に示された溶接制御方法は、多層盛アーク溶接の初層波溶接において、溶接進行方向の斜め上方に設置されたＣＣＤカメラにより、溶接部溶融池の画像を撮像し、この画像を画像処理して、溶融池前縁位置とアーク光画像の開先長手方向における重心位置との画像上の距離を溶融池先行量として算出し、算出した溶融池先行量が所定の適正値になるように溶接速度を制御して自動裏波溶接を行うようにしている。
【特許文献１】特開２０００−３５１０７１号公報
【特許文献２】特開２０００−９４１３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら特許文献１や特許文献２に示された溶接制御方法は、溶融池の形状変化を引き起こすルートギャップ変化に応じてトーチ揺動幅の適応制御をなんら講じていない。一般に、ルートギャップが変化したとき、トーチ揺動幅もルートギャップの変化に応じて変化させないと、開先壁（ベベル面）での溶け込み具合を確保するのは困難である。したがって、溶接速度や溶接電流すなわち溶着量の適応制御により裏波ビード形状やビード高さを期待どおりに確保しようとしても、必ず良好な溶接ビード品質が得られるとは限らない。また、溶融池先行量を、アーク光により輝度の高いアーク光画像の重心位置を基準にして算出しても、アーク光は一定ではなく変化するため、アーク光画像の重心位置を特定することは難しく、溶融池先行量の変動（ノイズ）が大きくなってしまう。
【０００８】
この発明は、このような問題を解消し、ＴＩＧ溶接かＧＭＡ溶接を問わず、ルートギャップや裏当て隙間や目違いが変わっても良好な裏ビード形状とビード品質を安定して得ることができる溶接制御方法及び溶接装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の溶接制御方法は、被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、抽出した輪郭から溶融池先端の左端点と右端点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、算出した溶融池先端部幅とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから溶接速度の制御量を算出し、算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする。
【００１０】
この発明の他の溶接制御方法は、被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、抽出した輪郭から溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の４個所の特異点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、抽出した溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池高さを算出し、算出した溶融池先端部幅とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから補正溶接速度を算出し、算出した溶融池高さとあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さとの差である溶融池高さの変化量を算出し、算出した溶融池高さの変化量に基づいて溶接速度修正量を演算し、演算した溶接速度修正量により前記補正溶接速度を修正して溶接速度の制御量を算出し、算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする。
【００１１】
この発明の溶接装置は、視覚センサと溶接制御装置を有し、前記視覚センサは、被溶接部材の溶融池及びその近傍を撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、前記溶接制御装置は、画像処理部と演算処理部及び駆動制御部を有し、前記画像処理部は、前記視覚センサで撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、前記演算処理部は、特徴量演算部とギャップ変化量演算部と揺動幅演算部及び補正速度演算部を有し、前記特徴量演算部は、前記画像処理部で抽出した溶融池の輪郭から溶融池先端の左端点と右端点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、前記ギャップ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池先端部幅とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、前記揺動幅演算部は、前記ギャップ変化量演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、前記補正速度演算部は、前記揺動幅演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから溶接速度の制御量を算出し、前記駆動制御部は、前記揺動幅演算部で算出したトーチ揺動幅と前記補正速度演算部で算出した溶接速度の制御量により揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする。
【００１２】
この発明の他の溶接装置は、視覚センサと溶接制御装置を有し、前記視覚センサは、被溶接部材の溶融池及びその近傍を撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、前記溶接制御装置は、画像処理部と演算処理部及び駆動制御部を有し、前記画像処理部は、前記視覚センサで撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、前記演算処理部は、特徴量演算部とギャップ変化量演算部と揺動幅演算部と補正速度演算部と高さ変化量演算部と補正速度修正量演算部及び溶接速度演算部を有し、前記特徴量演算部は、前記画像処理部で抽出した溶融池の輪郭から溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の４個所の特異点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、抽出した溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池高さを算出し、前記ギャップ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池先端部幅とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、前記揺動幅演算部は、前記ギャップ変化量演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、前記補正速度演算部は、前記揺動幅演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから補正溶接速度を算出し、前記高さ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池高さとあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さとの差である溶融池高さの変化量を算出し、前記補正速度修正量演算部は、前記高さ変化量演算部で算出した溶融池高さの変化量に基づいて溶接速度修正量を演算し、前記溶接速度演算部は、前記補正速度修正量演算部で演算した溶接速度修正量により前記補正速度演算部で算出した前記補正溶接速度を修正して溶接速度の制御量を算出し、前記駆動制御部は、前記揺動幅演算部で算出したトーチ揺動幅と前記溶接速度演算部で算出した溶接速度の制御量により揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明は、被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、抽出した輪郭から溶融池先端の左端点と右端点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、算出した溶融池先端部幅によりルートギャップの変化量を算出し、算出したルートギャップの変化量に基づいてトーチ揺動幅の制御量と溶接速度の制御量を算出し、算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することにより、ＴＩＧ溶接かＧＭＡ溶接を問わず、ルートギャップが変わっても良好な裏ビード形状とビード品質を安定して得ることができる。
【００１４】
また、撮影した画像から溶融池の輪郭から溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の４個所の特異点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、抽出した溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池高さを算出し、算出した溶融池先端部幅によりルートギャップの変化量を算出し、算出したルートギャップの変化量に基づいてトーチ揺動幅の制御量と補正溶接速度を算出し、算出した補正溶接速度を溶融池高さの変化量に基づいて修正して溶接速度の制御量を算出し、算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することにより、ＴＩＧ溶接かＧＭＡ溶接を問わず、ルートギャップや裏当て隙間や目違いが変わっても良好な裏ビード形状とビード品質を安定して得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１はこの発明の溶接装置の構成図である。図に示すように、溶接装置１は、先端に電極２を有する溶接トーチ３と例えばＣＣＤカメラを有する視覚センサ４とトーチ上下移動機構部５及びトーチ左右移動機構部６を搭載し、被溶接部材７の開先（溶接線）に沿って移動する移動台車８と、溶接電源９と溶接制御装置１０を有する。視覚センサ４は溶接トーチ３より溶接方向の前方に近接して配置され、図２に示すように、被溶接部材７に溶接ビード１１を形成する溶融池１２とその近傍を撮影する。この視覚センサ４は溶接トーチ３とともにトーチ上下移動機構部５に固定され、トーチ上下移動機構部５により上下方向に移動する。トーチ上下移動機構部５は移動台車８に固定されたトーチ左右移動機構部６に固定され、トーチ左右移動機構部６により溶接線と直交する方向に移動して、溶接トーチ３及び視覚センサ４の位置を可変する。
【００１６】
溶接制御装置１０は、図３のブロック図に示すように、画像処理部１３と演算処理部１４及び駆動制御部１５を有する。画像処理部１３は視覚センサ４から出力される溶融池１２とその近傍の画像の輝度むら等を補正するシェーディング補正や２値化処理やノイズ除去等を行い、溶融池画像の輪郭を抽出する。
【００１７】
演算処理部１４は、理想値設定部１６と特徴量演算部１７とギャップ変化量演算部１８と高さ変化量演算部１９と揺動幅演算部２０と補正速度演算部２１と補正速度修正量演算部２２及び溶接速度演算部２３を有する。理想値設定部１６には、あらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅Ｗｏとトーチ揺動幅Ｗｔｏと溶接速度Ｖｗｏとビード断面積Ｓｂｏ及びビード高さＨｂｏが設定されている。特徴量演算部１７は画像処理部１３で抽出した溶融池１２の特異点を抽出し、抽出した特異点から溶融池先端部幅Ｗとビード高さすなわち溶融池高さＨを演算する。ギャップ変化量演算部１８は特徴量演算部１７で演算した溶融池先端部幅Ｗと理想値設定部１６に設定された理想的な溶融池先端部幅Ｗｏからルートギャップの変化量ΔＷを演算する。高さ変化量演算部１９は特徴量演算部１７で演算した溶融池高さＨと理想的なビード高さＨｂｏから溶融池高さの変化量ΔＨを算出する。揺動幅演算部２０はギャップ変化量演算部１８で算出したルートギャップの変化量ΔＷと理想値設定部１６に設定された理想的なトーチ揺動幅Ｗｔｏから実際のトーチ揺動幅Ｗｔを演算する。補正速度演算部２１はギャップ変化量演算部１８で算出したルートギャップの変化量ΔＷと理想値設定部１６に設定された理想的な溶接速度Ｖｗｏとビード断面積Ｓｂｏ及びビード高さ（溶融池高さ）Ｈｂｏにより補正溶接速度Ｖｗを演算する。補正速度修正量演算部２２は高さ変化量演算部１９で算出している溶融池高さの変化量ΔＨに基づいた溶接速度の増減量ΔＶｗを例えばファジー推論を用いて算出する。溶接速度演算部２３は補正速度演算部２１で算出した補正溶接速度Ｖｗを補正速度修正量演算部２２で算出した増減量ΔＶｗで修正する。
【００１８】
駆動制御部１５は揺動幅演算部２０で算出したトーチ揺動幅Ｗｔにより溶接トーチ３の揺動幅を制御し、溶接速度演算部２３で修正した溶接速度により溶接速度を制御する。
【００１９】
この溶接装置１で移動台車８を被溶接部材７の開先に沿って移動しながら被溶接部材７を溶接するときのトーチ揺動幅と溶接速度を制御して良好な裏ビード形状を形成するときの処理を図４のフローチャートを参照して説明する。
【００２０】
移動台車８を被溶接部材７の開先に沿って配置して溶接を開始すると、視覚センサ４で被溶接部材７の溶融池１２及びその近傍を撮影し、撮影した画像信号を溶接制御装置１０の画像処理部１３に逐次送る（ステップＳ１）。この視覚センサ４による撮影は溶接中にいつでも可能であるが、溶接トーチ３を揺動させながら溶接する場合、溶融池１２の形状は溶接トーチ３の揺動位置により変化するので、一定の揺動位置、例えば揺動中心位置で撮影する。
【００２１】
画像処理部１３は視覚センサ４から画像信号が送られると、送られた画像信号を画像処理してノイズ等を除去して、図５（ａ）に示すように、溶融池画像２４の輪郭２５を抽出して演算処理部１４の特徴量演算部１７に送る（ステップＳ２）。特徴量演算部１７は、送られた溶融池画像２４の輪郭２５から溶融池１２の形状を特徴付ける左端点ＬＰと右端点ＲＰ及び溶融池１２の左先端点ＦＬＰと右先端点ＦＲＰを特異点として特定し、各特異点の座標ＬＰ（Ｘｌ，Ｙｌ）とＲＰ（Ｘｒ，Ｙｒ）とＦＬＰ（Ｘｆｌ，Ｙｆｌ）及びＦＲＰ（Ｘｆｒ，Ｙｆｒ）をそれぞれ求める（ステップＳ３）。この溶融池画像２４を形成した溶接ビード１１に当てはめると、図５（ｂ）に示すように、左端点ＬＰと右端点ＲＰは溶接ビード１１表面における両端の点であり、左先端点ＦＬＰと右先端点ＦＲＰは開先ルート２８の両端の点であることがわかる。
【００２２】
特徴量演算部１７は求めた各特異点の座標ＬＰ（Ｘｌ，Ｙｌ）とＲＰ（Ｘｒ，Ｙｒ）とＦＬＰ（Ｘｆｌ，Ｙｆｌ）及びＦＲＰ（Ｘｆｒ，Ｙｆｒ）から下記（１）式と（２）式により溶融池先端部幅Ｗと溶融池高さＨを特徴量として算出し、算出した溶融池先端部幅Ｗをギャップ変化量演算部１８に送り、溶融池高さＨを高さ変化量演算部１９に送る（ステップＳ４）。
Ｗ＝Ｘｆｒ−Ｘｆｌ （１）
Ｈ＝｛（Ｙｆｌ＋Ｙｆｒ）−（Ｙｌ＋Ｙｒ）｝／２ （２）
この算出した溶融池先端部幅Ｗは開先のルートギャップに関係し、溶融池高さＨは溶接ビード１１の高さに関係する。ここで、もし溶着量が一定とする場合、図５（ｂ）に示すように、これらの特徴量はルートギャップと裏当て隙間や目違い、すなわち開先形状の変化にしたがって変化するはずである。例えば、ルートギャップが大きいほど、溶融池先端部幅Ｗは増大するが、溶融池高さＨは減少する。一方、裏当て隙間が大きくなると、溶融池高さＨは減少する。目違いによる影響も裏当て隙間と同様な傾向を示す。
【００２３】
一般に、開先形状（ルートギャップ、目違い、裏当て隙間など）が変わっても、適正な溶融池高さＨ，すなわち溶接ビード厚さを保てば、良好な表溶接ビード形状のみならず、良好な裏ビード形状も得られる。したがって、開先形状が一定に保てない溶接の際に、溶融池高さＨを維持できるような溶着量の適応制御が望ましい。また、ルートギャップが変化した場合、開先壁（ベベル面）での溶け込み具合を確保するためには、ルートギャップの変化に応じる溶接トーチ３の揺動幅の適応制御も必要である。
【００２４】
そこでギャップ変化量演算部１９は、送られた溶融池先端部幅Ｗとあらかじめ理想値設定部１６に格納した理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅Ｗｏとからルートギャップの変化量ΔＷを下記（３）式により算出して揺動幅演算部２０と補正速度演算部２１に送る（ステップＳ５）。
ΔＷ＝Ｋ・（Ｗ−Ｗｏ） （３）
（３）式においてＫは比例係数である。
揺動幅演算部２０は、送られたルートギャップの変化量ΔＷとあらかじめ理想値設定部１６に格納した理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅Ｗｔｏから実際のトーチ揺動幅Ｗｔを下記（４）式により算出して駆動制御部１５に送る（ステップＳ６）。
Ｗｔ＝Ｗｔｏ−ΔＷ （４）
【００２５】
一方、補正速度演算部２１は、送られたルートギャップの変化量ΔＷとあらかじめ理想値設定部１６に格納した理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度Ｖｗｏとビード断面積Ｓｂｏ及びビード高さＨｂｏから補正溶接速度Ｖｗを下記（５）式により算出する（ステップＳ７）。
Ｖｗ＝Ｖｗｏ・Ｓｂｏ／（Ｓｂｏ＋ΔＷ・Ｈｂｏ） （５）
【００２６】
この補正速度演算部２１で算出した補正溶接速度Ｖｗはルートギャップの変化量ΔＷのみに応じたもので、実際の溶接では、ルートギャップのほかに、目違いや裏当て隙間の変化もある。これらの変化は溶融池高さＨの変化をもたらす。そこで補正速度演算部２１で算出した補正溶接速度Ｖｗは、計測した溶融池高さ（ビード高さ）Ｈと理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さＨｂｏとの差ΔＨを常に零にするように修正する。このため高さ変化量演算部１９は、特徴量演算部１７から送られた溶融池高さＨとあらかじめ理想値設定部１６に格納した理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さＨｂｏとの差である溶融池高さの変化量ΔＨを算出して補正速度修正量演算部２２に送る（ステップＳ８）。補正速度修正量演算部２２は送られた溶融池高さの変化量ΔＨに基づいて溶接速度修正量ΔＶｗを演算する（ステップＳ９）。
【００２７】
この溶融池高さの変化量ΔＨが生じる原因となる裏当て隙間は裏当て銅板の継目において急変することがあるため、溶接速度修正量ΔＶｗを演算して補正溶接速度Ｖｗを修正する場合高い応答性が求められている。そこで補正速度修正量演算部２２は例えばファジー推論法を用いて溶接速度修正量ΔＶｗを求める。ここで、補正速度修正量演算部２２で使用したファジー推論法は簡略推論法を用い、ファジー推論器の入力変数は、Ｅ０とＥ１及びＥ２の３つにし、入力変数Ｅ０の値は溶融池高さの変化量ΔＨを用い、入力変数Ｅ１の値は溶融池高さの変化量ΔＨの一階差分値を用い、入力変数Ｅ２の値は溶融池高さの変化量ΔＨの二階差分値を用いる。各入力変数Ｅ０，Ｅ１，Ｅ２は、ＰとＺとＮの３つのファジーラベルを設け、各入力変数Ｅ０，Ｅ１，Ｅ２の値から各自のファジーラベルに変換するのは、図６（ａ）に示すように、三角形のメンバーシップ関数を用いる。一方、ファジー推論器の出力は溶接速度修正量ΔＶｗの一階差分値ΔＵとし、この出力変数はＰＢ（Positive Big)、ＰＨ（Positive High)、ＰＭ（Positive Medium)、ＰＳ（Positive Small)、ＺＥ(Zero)、ＮＳ(Negative Small)、ＮＭ(Negative Medium)、ＮＨ(Negative High)、ＮＢ(Negative Big)の９つのファジーラベルを設け、ファジーラベルと溶接速度修正量ΔＶｗの一階差分値ΔＵとの関係に図６（ａ）に示すように、シングルトンメンバーシップ関数を用いる。そして図７に示すファジー推論ルールを用いる。図７に示すファジー推論ルールは、２７個のルールからなり、例えばルール１としては次のようなルールを示す。
if ＥＯ is Ｐ and Ｅ１ is Ｐ and Ｅ２ is Ｐ， then ΔＵ is ＰＢ
【００２８】
そして補正速度修正量演算部２２は、送られた溶融池高さの変化量ΔＨに基づいて溶接速度修正量ΔＶｗを求めるとき、まず、送られた溶融池高さの変化量ΔＨからファジー入力変数Ｅ０〜Ｅ２の値を求める。次に、求めたファジー入力変数のそれぞれのファジーラベル値を求め、前記表に示すファジー推論ルールに基づき、各ルールの適合度を積算方法にて求める。求めた各ルールの適合度と出力変数のファジィ値により溶接速度修正量ΔＶｗを重心法に基づいて算出して非ファジィ化し、算出した溶接速度修正量ΔＶｗを溶接速度演算部２３に送る。
【００２９】
溶接速度演算部２３は、補正速度演算部２１から送られた補正溶接速度Ｖｗを補正速度修正量演算部２２から送られた溶接速度修正量ΔＶｗにより修正し、修正した溶接速度Ｖｔを駆動制御部１５に送る（ステップＳ１０）。駆動制御部１５は揺動幅演算部２０から送られたトーチ揺動幅Ｗｔにより溶接トーチ３の揺動幅を制御し、溶接速度演算部２３から送られた溶接速度Ｖｔにより溶接速度を制御する（ステップＳ１１）。この処理を溶接が終了するまで繰り返す（ステップＳ１２，Ｓ１〜Ｓ１１）。
【００３０】
このようにルートギャップの変化に応じて求めたトーチ揺動幅Ｗｔと、ルートギャップの変化と目違いや裏当て隙間の変化に応じて求めた溶接速度Ｖｔにより溶接トーチ３の揺動幅と溶接速度を制御することにより、良好な表と裏ビード形状を形成することができた。例えば図８にはルートギャップが変化した場合、図９は目違いが変化した場合、図１０は裏当て隙間が急変した場合のトーチ揺動幅と溶接速度の制御結果を示す。いずれの場合も良好な制御性能を持ち、形成したビードは、いずれも良好な表と裏ビード形状とビード品質を示していたことが確認できた。
【００３１】
前記説明では溶接制御装置１０に画像処理部１３と演算処理部１４及び駆動制御部１５を設けた場合について説明したが、図１１のブロック図に示すように、溶接制御装置１０の演算処理部１４を入力部３０とＣＰＵ３１とＲＯＭ３２とＲＡＭ３３及び出力部３４で構成し、あらかじめ前記処理プログラムをＲＯＭ３２に格納しておき、ＲＯＭ３２に格納した処理プログラムによりＣＰＵ３１でトーチ揺動幅Ｗｔと溶接速度Ｖｔを演算するようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】この発明の溶接装置の構成図である。
【図２】視覚センサにより溶融池とその近傍を撮影する状態を示す模式図である。
【図３】溶接制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】トーチ揺動幅と溶接速度の制御処理を示すフローチャートである。
【図５】溶融池画像と特異点を示す模式図である。
【図６】ファジー推論の入力変数と出力変数のメンバーシップ関数を示す模式図である。
【図７】ファジー推論ルールを示す図である。
【図８】ルートギャップが変化した場合のトーチ揺動幅と溶接速度の制御結果を示す図である。
【図９】目違いが変化した場合のトーチ揺動幅と溶接速度の制御結果を示す図である。
【図１０】裏当て隙間が急変した場合のトーチ揺動幅と溶接速度の制御結果を示す図である。
【図１１】溶接制御装置の他の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３３】
１；溶接装置、２；電極、３；溶接トーチ、４；視覚センサ、
５；トーチ上下移動機構部、６；トーチ左右移動機構部、７；被溶接部材、
８；移動台車、９；溶接電源、１０；溶接制御装置、１１；溶接ビード、
１２；溶融池、１３；画像処理部、１４；演算処理部、１５；駆動制御部、
１６；理想値設定部、１７；特徴量演算部、１８；ギャップ変化量演算部、
１９；高さ変化量演算部、２０；揺動幅演算部、２１；補正速度演算部、
２２；補正速度修正量演算部、２３；溶接速度演算部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
抽出した輪郭から溶融池先端の左端点と右端点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、
算出した溶融池先端部幅とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、
算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、
算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから溶接速度の制御量を算出し、
算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする溶接制御方法。
【請求項２】
被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
抽出した輪郭から溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の４個所の特異点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、抽出した溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池高さを算出し、
算出した溶融池先端部幅とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、
算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、
算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから補正溶接速度を算出し、
算出した溶融池高さとあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さとの差である溶融池高さの変化量を算出し、算出した溶融池高さの変化量に基づいて溶接速度修正量を演算し、
演算した溶接速度修正量により前記補正溶接速度を修正して溶接速度の制御量を算出し、
算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする溶接制御方法。
【請求項３】
視覚センサと溶接制御装置を有し、
前記視覚センサは、被溶接部材の溶融池及びその近傍を撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
前記溶接制御装置は、画像処理部と演算処理部及び駆動制御部を有し、
前記画像処理部は、前記視覚センサで撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
前記演算処理部は、特徴量演算部とギャップ変化量演算部と揺動幅演算部及び補正速度演算部を有し、
前記特徴量演算部は、前記画像処理部で抽出した溶融池の輪郭から溶融池先端の左端点と右端点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、
前記ギャップ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池先端部幅とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、
前記揺動幅演算部は、前記ギャップ変化量演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、
前記補正速度演算部は、前記揺動幅演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから溶接速度の制御量を算出し、
前記駆動制御部は、前記揺動幅演算部で算出したトーチ揺動幅と前記補正速度演算部で算出した溶接速度の制御量により揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする溶接装置。
【請求項４】
視覚センサと溶接制御装置を有し、
前記視覚センサは、被溶接部材の溶融池及びその近傍を撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
前記溶接制御装置は、画像処理部と演算処理部及び駆動制御部を有し、
前記画像処理部は、前記視覚センサで撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
前記演算処理部は、特徴量演算部とギャップ変化量演算部と揺動幅演算部と補正速度演算部と高さ変化量演算部と補正速度修正量演算部及び溶接速度演算部を有し、
前記特徴量演算部は、前記画像処理部で抽出した溶融池の輪郭から溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の４個所の特異点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、抽出した溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池高さを算出し、
前記ギャップ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池先端部幅とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、
前記揺動幅演算部は、前記ギャップ変化量演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、
前記補正速度演算部は、前記揺動幅演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから補正溶接速度を算出し、
前記高さ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池高さとあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さとの差である溶融池高さの変化量を算出し、
前記補正速度修正量演算部は、前記高さ変化量演算部で算出した溶融池高さの変化量に基づいて溶接速度修正量を演算し、
前記溶接速度演算部は、前記補正速度修正量演算部で演算した溶接速度修正量により前記補正速度演算部で算出した前記補正溶接速度を修正して溶接速度の制御量を算出し、
前記駆動制御部は、前記揺動幅演算部で算出したトーチ揺動幅と前記溶接速度演算部で算出した溶接速度の制御量により揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする溶接装置。
【請求項１】
被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
抽出した輪郭から溶融池先端の左端点と右端点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、
算出した溶融池先端部幅とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、
算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、
算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから溶接速度の制御量を算出し、
算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする溶接制御方法。
【請求項２】
被溶接部材の溶融池及びその近傍を視覚センサで撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
抽出した輪郭から溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の４個所の特異点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、抽出した溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池高さを算出し、
算出した溶融池先端部幅とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、
算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、
算出したルートギャップの変化量とあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから補正溶接速度を算出し、
算出した溶融池高さとあらかじめ理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さとの差である溶融池高さの変化量を算出し、算出した溶融池高さの変化量に基づいて溶接速度修正量を演算し、
演算した溶接速度修正量により前記補正溶接速度を修正して溶接速度の制御量を算出し、
算出したトーチ揺動幅と溶接速度の制御量で揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする溶接制御方法。
【請求項３】
視覚センサと溶接制御装置を有し、
前記視覚センサは、被溶接部材の溶融池及びその近傍を撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
前記溶接制御装置は、画像処理部と演算処理部及び駆動制御部を有し、
前記画像処理部は、前記視覚センサで撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
前記演算処理部は、特徴量演算部とギャップ変化量演算部と揺動幅演算部及び補正速度演算部を有し、
前記特徴量演算部は、前記画像処理部で抽出した溶融池の輪郭から溶融池先端の左端点と右端点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、
前記ギャップ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池先端部幅とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、
前記揺動幅演算部は、前記ギャップ変化量演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、
前記補正速度演算部は、前記揺動幅演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから溶接速度の制御量を算出し、
前記駆動制御部は、前記揺動幅演算部で算出したトーチ揺動幅と前記補正速度演算部で算出した溶接速度の制御量により揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする溶接装置。
【請求項４】
視覚センサと溶接制御装置を有し、
前記視覚センサは、被溶接部材の溶融池及びその近傍を撮影し、撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
前記溶接制御装置は、画像処理部と演算処理部及び駆動制御部を有し、
前記画像処理部は、前記視覚センサで撮影した画像から溶融池の輪郭を抽出し、
前記演算処理部は、特徴量演算部とギャップ変化量演算部と揺動幅演算部と補正速度演算部と高さ変化量演算部と補正速度修正量演算部及び溶接速度演算部を有し、
前記特徴量演算部は、前記画像処理部で抽出した溶融池の輪郭から溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の４個所の特異点を抽出し、抽出した溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池先端部幅を算出し、抽出した溶融池の左端点と右端点及び溶融池先端の左端点と右端点の座標から溶融池高さを算出し、
前記ギャップ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池先端部幅とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶融池先端部幅とからルートギャップの変化量を算出し、
前記揺動幅演算部は、前記ギャップ変化量演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たトーチ揺動幅からトーチ揺動幅の制御量を算出し、
前記補正速度演算部は、前記揺動幅演算部で算出したルートギャップの変化量とあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得た溶接速度とビード断面積及びビード高さから補正溶接速度を算出し、
前記高さ変化量演算部は、前記特徴量演算部で算出した溶融池高さとあらかじめ設定された理想的な開先形状の溶接時に得たビード高さとの差である溶融池高さの変化量を算出し、
前記補正速度修正量演算部は、前記高さ変化量演算部で算出した溶融池高さの変化量に基づいて溶接速度修正量を演算し、
前記溶接速度演算部は、前記補正速度修正量演算部で演算した溶接速度修正量により前記補正速度演算部で算出した前記補正溶接速度を修正して溶接速度の制御量を算出し、
前記駆動制御部は、前記揺動幅演算部で算出したトーチ揺動幅と前記溶接速度演算部で算出した溶接速度の制御量により揺動幅と溶接速度を制御することを特徴とする溶接装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００６−２８１２８２（Ｐ２００６−２８１２８２Ａ）
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１０５５６５（Ｐ２００５−１０５５６５）
【出願日】平成１７年４月１日（２００５．４．１）
【出願人】（０００２３１１３２）ＪＦＥ工建株式会社 (54)
【公開日】平成１８年１０月１９日（２００６．１０．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年４月１日（２００５．４．１）
【出願人】（０００２３１１３２）ＪＦＥ工建株式会社 (54)
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