JP2007216242A

JP2007216242A - スキップ溶接における溶接位置補正方法

Info

Publication number: JP2007216242A
Application number: JP2006037109A
Authority: JP
Inventors: Masaru Hashimoto; 優橋本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2007-08-30

Abstract

【課題】ワークにおける環状に配置された複数箇所の溶接部位をスキップ溶接する際に、実溶接境界位置と制御装置に予め記憶された溶接位置データとの間のズレを短時間で補正することのできるスキップ溶接における溶接位置補正方法を提供する。
【解決手段】溶接すべきワーク１０を円周方向にセンシングして各溶接部位ｓ１，ｓ２，ｓ３の円周方向の位相θに関する現データを得る。位相θを検出した少なくとも３個の溶接部位において溶接部位を横断する方向に線センシングし、当該溶接部位での溶接境界位置ｖ１，ｖ２，ｖ３について点としての現データを得る。取得した点としての現データから制御装置が当該ワークの溶接径Ｒおよび溶接中心を算出する。算出した溶接径および溶接中心についてのデータと取得した位相に関する現データに基づいて予め記憶した溶接位置データを補正する。補正した溶接位置データに基づいて溶接部位をスキップ溶接する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スキップ溶接における溶接位置補正方法に関し、特に、溶接装置側の制御装置に記憶された溶接位置データに基づいて、ワークにおける環状に配置された複数箇所の溶接部位をスキップ溶接するときに、実際のワークの溶接位置と既に入力してある溶接位置データとの間のズレを補正することによって、適切に溶接を行い得るようにした溶接位置の補正方法に関する。

シャフトの円形をなすフランジ部分を筒状のキャリア内に圧入したワーク等において、両者の間に形成される環状の圧着面の複数箇所をスキップ溶接することが行われる。溶接装置としては、電子ビーム溶接装置やレーザー溶接装置などが用いられる。通常、溶接装置の制御装置に記憶された溶接位置データに基づいて、電子ビームやレーザー光を移動させ、ワークに対する溶接が行われるが、インラインで連続的にワークに対して溶接を行う場合、制御装置に予め記憶されている溶接位置データに溶接しようとするワークの実溶接位置を一致させることは容易でない。現状では、例えば電子ビーム溶接の場合、電子ビームの照射位置にある程度の誤差を許容し、溶接境界部位で所要深さまでの溶け込みが進行していれば、合格品としている。また、所要深さまで溶け込みが進行しているかどうかは、後工程で全数について超音波検知しており、大きな労力となっている。

実溶接位置を検知して、溶接装置側へフィードバックして溶接位置を適正位置に補正する方法として、特許文献１には、ならいセンサにより溶接位置（溶接境界位置）を検出し、その溶接位置データをベースとして溶接位置のフィードバック制御（位置補正）を行うことが記載されている。また、特許文献２には、非接触式で正確な電子ビーム溶接のならいを行うための方法として、電子ビームが当たる前の溶接開先（溶接境界位置）に線状レーザビームを照射し、視覚カメラでレーザビームの当たっている部分を撮像し、その画像を画像処理して電子ビームの中心点とのズレ量を検出し、それを補正量として用いて、溶接位置を補正することが記載されている。

特開平９−１３３５号公報実開平５−２４１７８号公報

前記した現在行われている電子ビーム溶接の場合、溶接後の製品に対して、後工程で全数について超音波による検査を行っており、工程数も多く、電子ビーム側への溶接位置のフィードバック補正も迅速には行えない。また、電子ビームの照射位置に誤差を許容していることは、エネルギーの無駄を招いているといえる。もし、ワークの実溶接位置（溶接境界位置）と制御装置に予め記憶されている溶接位置データとの間のズレを容易かつ迅速に補正することができれば、ワークの実溶接境界位置に沿って正確に電子ビームを照射することができ、最少のエネルギーで最大の効果をあげることができる。このことは、レーザー溶接についても同様である。

前記特許文献１あるいは２に記載の方法は、事前に位置補正する方法を採用しており、溶接装置側へのフィードバック制御は比較的容易となるが、いずれも位置補正に必要なデータ量が大きく、インラインで流れてくるワークに対する迅速な溶接位置補正方法としては十全なものではない。

本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、ワークにおける環状に配置された複数箇所の溶接部位をスキップ溶接する際に、実溶接境界位置と制御装置に予め記憶された溶接位置データとの間のズレを短時間で補正することを可能とし、それにより、インラインで送られてくるワークに対して、個々にかつ迅速に溶接位置を補正できるようにしたスキップ溶接における溶接位置補正方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明によるスキップ溶接における溶接位置補正方法は、制御装置に記憶された溶接位置データに基づいて、ワークにおける環状に配置された複数箇所の溶接部位をスキップ溶接する際の、溶接位置補正方法であって、溶接すべきワークを円周方向にセンシングして各溶接部位の円周方向の位相に関する現データを得る工程と、位相を検出した複数個の溶接部位における少なくとも３個の溶接部位において溶接部位を横断する方向に線センシングして、当該溶接部位での溶接境界位置について点としての現データを得る工程と、取得した点としての現データから制御装置が当該ワークの溶接径および溶接中心を算出する工程と、算出した溶接径および溶接中心についてのデータと取得した位相に関する現データに基づいて制御装置が予め記憶した溶接位置データを補正する工程とを有し、補正した溶接位置データに基づいて、当該ワークにおける環状に配置された複数箇所の溶接部位をスキップ溶接することを特徴とする。

本発明において、溶接境界位置とは２つの部材の接合面に位置する実際に溶接される境界面位置をいっており、溶接部位とは前記溶接境界位置の近傍で対向する２つの部材の領域部位いっている。本発明でいう溶接すべきワークでは、前記複数の溶接境界位置は間隔を置いて一つの円周上に位置している。また、溶接位置データとは、制御装置に記憶されている、ワークにおける環状に配置された複数箇所の溶接部位の位相（すなわち、基準となる始点位置からの各溶接部位の円周方向の角度位置）に関するデータ、と溶接境界位置が形成する円の径と中心に関するデータである。

上記の検出方法において、ワークを円周方向にセンシングして各溶接部位の位相に関する現データを得る手段は、ワークの環状をなす溶接部位に沿う線センシングでもよく、径方向にある程度の幅を持つ面センシングでもよい。線センシングは処理すべきデータ数が少ない利点があるが、溶接境界位置の近傍面に切り込みや段差等がある場合に、正確な情報が得られない場合が起こり得る。面センシングでは、ワークセットをよりラフに行っても必要な位相情報を得ることができるが、データ数が多くなり制御装置（演算部）側の負担が大きくなる不都合がある。

いずれの場合でも、ワークの環状をなす溶接部位を円周方向にセンシングすると、溶接すべき箇所が存在する部位とそれ以外の部位とでセンサ側に入力する情報が異なってくることから、それを解析することにより、当該ワークでの各溶接部位の円周方向の位相に関する現データを取得できる。

次ぎに、検出された複数個の溶接部位の少なくとも３つを選択し、溶接部位を横断する方向に線センシングして、各溶接部位での溶接境界位置における点としての現データ（すなわち、点座標としてのデータ）を取得する。少なくとも３つの点座標を取得することにより、当該ワークにおける実際に溶接すべき溶接径および溶接中心を算出することができる。そして、算出した溶接径および溶接中心についての現データと既に取得している位相に関する現データに基づき、制御装置に予め記憶させておいた溶接位置データを補正し、該補正後の溶接位置データに基づき溶接装置を調整して、実際の溶接を開始する。それにより、当該ワークに対して、位置ズレのない状態で、環状に配置された複数箇所の溶接部位をスキップ溶接することができる。

本発明の方法において、前記センシングのための手段に特に制限はなく、溶接部位と非溶接部位の識別と、および溶接部位における溶接境界位置について点としての情報を入手できること、を条件に任意である。接触式であってもよく非接触式であってもよい。実際に使用する溶接装置との関連で最適な手段を選択すればよい。好ましくは、電子ビームによる非接触センシング手段である。

補正後の溶接位置データに基づき溶接装置を調整する方法は、例えば電子ビーム溶接やレーザー溶接の場合には、電子ビームやレーザー光の偏向方向を調整することにより行ってもよく、電子ビームやレーザー光の照射源を位置制御して行ってもよく、ワークを支持する支持体側を位置制御して行ってもよい。機械的な位置制御を行うと、そこに機械的誤差が生じる恐れがあるので、電子ビームやレーザー光の偏向方向を調整する方法は最も好ましい。

本発明によれば、位置補正に必要となるデータ数はごく小さいので、データ処理は容易であり、短時間でのセンシングおよび演算が可能となる。そのために、溶接位置にセットする各ワーク毎に、個々に溶接位置を補正して正確な溶接を行うことが可能となり、従前のように、溶接後に全数チェックするような作業を回避することができる。

本発明において、溶接装置は、電子ビーム溶接装置、レーザー溶接装置、アーク溶接装置等であってよいが、溶接のためのビームとセンシングのためのビームとを、出力を変える等によって、共用できることから、電子ビーム溶接装置は特に好ましい。電子ビームを金属表面に照射すると、表面性状に応じて異なった量の反射電子が放出されるので、それを検出パラメータとして利用する。反射電子の量を例えば電圧変換することにより、所要のデータを入手することができる。他のデータ入手法として、Ｘ線検出法や二次電子検出法等も利用することができる。

本発明によれば、ワークにおける環状に配置された複数箇所の溶接部位をスキップ溶接する際に、実溶接境界位置と制御装置に予め記憶された溶接位置データとの間のズレを短時間で是正することが可能となる。そのために、インラインで流れてくるワークに対しても、個々にかつ迅速に溶接位置を補正することができ、従来行っていた溶接後の全数チェック作業が不要となり、溶接プロセツを簡素化することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明を実施の形態に基づき説明する。図１は被溶接物であるワークの一例を説明する図であり、図２はそこにおける溶接部位を説明するための模式図である。図３は溶接部位を円周方向にセンシングする状態を説明する図であり、図４はその検出結果の一例を示すグラフである。図５は同じワークについて検出された溶接部位を横断する方向に線センシングする状態を説明する図であり、図６、図７はそれにより溶接境界位置を検出する方法を説明するための図である。図８は検出した現位置データから当該ワークにおける溶接径および溶接中心を算出する方法を説明する図である。

図１に示すように、この例で被溶接物であるワーク１０は、円盤状フランジ１を備える部材Ａと該フランジ１に外嵌圧入される部材Ｂとからなる。圧入した状態で、部材Ａと部材Ｂとの間には、間隔をおいて３箇所の溶接部位ｓ１，ｓ２，ｓ３（図２参照）が形成され、それぞれの溶接部位には、全体で半径Ｒの円Ｐを形成する溶接境界位置ｖ１，ｖ２，ｖ３が形成される。その溶接境界位置ｖ１，ｖ２，ｖ３を電子ビーム溶接により溶接することにより、ワーク１０とされる。

この例で、部材Ａはフランジ１の周囲には同一円周面をなす３個の膨出部２ａ，２ｂ，２ｃを有し、部材Ｂは内周面に、前記３個の膨出部２ａ，２ｂ，２ｃに対向する位置に、やはり同一円周面をなす３個の膨出部３ａ，３ｂ，３ｃを有する。また、各膨出部の上端偶部は面取り加工が施されている。双方の膨出部が一致するようにして、部材Ａに対して部材Ｂを外嵌圧入すると、図２に示すように、膨出部２ａと膨出部３ａとで溶接部位ｓ１が形成され、膨出部２ｂと膨出部３ｂとで溶接部位ｓ２が形成され、膨出部２ｃと膨出部３ｃとで溶接部位ｓ３が形成される。そして、各溶接部位ｓ１，ｓ２，ｓ３には、それぞれ溶接境界位置ｖ１，ｖ２，ｖ３が、同一円Ｐをなすようにして形成される。なお、図２では部材Ａの軸部は示していない。

上記ワーク１０の溶接境界位置を電子ビーム溶接する場合を例として、以下に本発明を説明する。図３に示すように、電子ビーム溶接設備２０は、電子銃２１と偏向コイル２２と反射電子センサ２３とを備え、偏向コイル２２を操作することによって、電子ビームＥに任意の偏向を与えることができる。また、電子ビーム溶接設備２０はワーク支持テーブル（不図示）を備え、支持テーブルに支持されてワーク１０が、電子銃２１の電子ビーム偏向領域に連続して搬入され搬出される。図示しないが、全体は真空チャンバー内に収容されている。反射電子センサ２３を備えることを除き、電子ビーム溶接設備２０自体は周知のものである。

反射電子センサ２３は、ワーク１０の表面に照射した電子ビームＥが反射した反射電子量を検出するためのものであり、この例では、反射した電子量を電圧に変換して計測するために、コイル２４と電圧計２５を備える。

電子銃２１の直下にワーク１０をセットする。電子銃２１から低出力の電子ビームＥをセンシングビームとして出力し、制御装置に予め記憶されているワーク１０の溶接位置データのうち、前記溶接境界位置ｖ１，ｖ２，ｖ３が形成する円Ｐの径Ｒに関するデータに基づき、偏向コイル２２を操作して、径Ｒ１の円をなすように電子ビームＥを移動させる。なお、センシングビームの径Ｒ１は、前記円周Ｐの径Ｒとまったく同じである必要はなく、前記した溶接部位ｓ１，ｓ２，ｓ３の領域を通過する範囲の径（Ｒ１＝Ｒ±α）であればよい。

電子ビームＥが円を描くように移動すると、前記溶接部位ｓ１，ｓ２，ｓ３を通過するときの反射電子量は多く、それ以外の箇所での反射電子量は少ない。そのために、反射電子センサ２３がとらえる電圧値は溶接部位ｓ１，ｓ２，ｓ３とそれ以外の箇所では異なってくる。図４はその一例であり、あるしきい値を立てることにより、基準位置からある角度進んだａ−ｂの範囲であるθ１、さらにある角度進んだｃ−ｄの範囲であるθ２、さらにある角度進んだｅ−ｆの範囲であるθ３の範囲では、センシング電圧が立ち、他の領域では立ち上がらない。この電圧の立ち上がった領域が、セットしたワーク１０における溶接部位ｓ１，ｓ２，ｓ３の範囲であり、各溶接部位ｓ１，ｓ２，ｓ３の円周方向の位相に関する現データとして、制御装置に記憶される。

次ぎに、偏向コイル２２を操作して、図５に示すように、各溶接部位を横断する方向（径Ｒ方向）に電子ビームＥを偏向させて線センシングする。例えば、図６に示すように、溶接部位ｓ１では直線ｇ方向、溶接部位ｓ２では直線ｉ方向、溶接部位ｓ３では直線ｈ方向に、センシングする。図７ａは溶接部位ｓ１でのセンシング状態を説明する側断面図であり、図７ｂは反射電子センサ２３がとらえる電圧値のグラフである。２つの部材を嵌め合うときには、端面に面取り加工が施されており、図７ａに示すように、溶接境界位置ｖ１は凹陥部（溶接開先）となる。溶接部位ｓ１の表面を電子ビームＥが移動すると、凹陥部と他の領域とでは、反射電子センサ２３がとらえる反射電子量が異なる。すなわち、平坦部で発生する反射電子が反射電子センサ２３を通過する量よりも、斜面（面取り部）である凹陥部で発生する反射電子が反射電子センサ２３を通過する量は少なくなる。そのために、径方向に線センシングしたときに、センシング電圧は図７ｂのグラフに示すように変化する。最も電圧の低い位置が溶接境界位置ｖ１と推定することができる。この位置を検出して現データとし、溶接境界位置ｖ１での点座標データｇ（Ｘ_１，Ｙ_１）として制御装置内に格納する。以下、同様にして、溶接部位ｓ２における溶接境界位置ｖ２での点座標データｉ（Ｘ_２，Ｙ_２）、溶接部位ｓ３における溶接境界位置ｖ３での点座標データｈ（Ｘ_３，Ｙ_３）を現データとして制御装置内に格納する。

この各座標データに基づき、図８に示す２つの式により、セットしたワーク１０における溶接境界位置ｖ１，ｖ２，ｖ３で構成される円Ｐの中心座標（Ｘ，Ｙ）と、その半径Ｒを求める。これが、実際の溶接中心位置（Ｘ，Ｙ）と溶接半径Ｒとなる。

次ぎに、制御装置に予め記憶させておいた溶接位置データと、上記で得られた実位相データ、および実溶接中心位置データ、溶接半径データを比較する。そして、そのズレ分だけ予め記憶させておいた溶接位置データを補正して、補正溶接位置データとする。位相のズレに対しては、そのズレ分だけ電子ビームの照射開始位置を周方向に変位させ、中心のズレおよび半径のズレに対しては、それが実位置データと一致するように、偏向コイル２２の操作を行う。このようにして補正した位置データに基づき、電子ビームの出力を上げて実際の電子ビーム溶接を行うことにより、セットしたワーク１０の溶接境界位置ｖ１，ｖ２，ｖ３に対して、精度のよい溶接を実現することができる。

前記したように、本発明による方法では、位置補正に必要となるデータは僅かであり、位置補正に要する時間は短い。従って、実際の溶接作業を停滞させることなく、溶接しようとする各ワーク毎に、現位置データの取得と溶接位置補正を行うことが可能であり、また、結果として精度高く溶接されることから事後のチェックを省略することも可能となる。従って、溶接効率は大幅に向上する。さらに、この方法を採用すれば、ワーク支持台にワークをセットするときに高い取り付け精度を必要としないので、この面での作業の効率化も可能となる。

上記の説明では、センシング用の電子ビームと溶接用の電子ビームとを同じ電子銃から射出するようにしたが、異なる電子銃からそれぞれのビームを射出するようにしてもよい。また、センシングは電子ビームで行い、溶接はレーザー溶接により行うようにしてもよい。さらに、センシングと溶接の双方を電子ビームで行う場合、センシング時のスポット径を溶接時のスポット径よりも十分に小径とすることにより、精度の高い現位置データが得られるとともに、万一計測誤差が生じた場合でも、溶接位置を溶接時の電子ビームのスポット径内に納めることでできる。

被溶接物であるワークの一例を説明する図。図１に示すワークにおける溶接部位等を説明するための模式図。溶接部位を円周方向にセンシングする状態を説明する図。円周方向の検出結果（位相）の一例を示すグラフ。同じワークについて、検出された溶接部位を横断する方向に線センシングする状態を説明する図。溶接部位を横断する方向に線センシングにより検出された溶接境界位置を説明するための図である。図７ａは溶接部位ｓ１でのセンシング状態を説明する側断面図、図７ｂは反射電子センサがとらえる電圧値のグラフ。検出した現位置データから当該ワークにおける溶接径および溶接中心を算出する方法を説明する図。

符号の説明

１０…ワーク、ｓ１，ｓ２，ｓ３…溶接部位、ｖ１，ｖ２，ｖ３…全体で半径Ｒの円Ｐを形成する溶接境界位置、２０…電子ビーム溶接設備、２１…電子銃、２２…偏向コイル、２３…反射電子センサ、Ｅ…電子ビーム、θ…位相

Claims

制御装置に記憶された溶接位置データに基づいて、ワークにおける環状に配置された複数箇所の溶接部位をスキップ溶接する際の、溶接位置補正方法であって、
溶接すべきワークを円周方向にセンシングして各溶接部位の円周方向の位相に関する現データを得る工程と、
位相を検出した複数個の溶接部における少なくとも３個の溶接部位において溶接部位を横断する方向に線センシングし、当該溶接部位での溶接境界位置について点としての現データを得る工程と、
取得した点としての現データから制御装置が当該ワークの溶接径および溶接中心を算出する工程と、
算出した溶接径および溶接中心についてのデータと取得した位相に関する現データに基づいて制御装置が予め記憶した溶接位置データを補正する工程とを有し、
補正した溶接位置データに基づいて、当該ワークにおける環状に配置された複数箇所の溶接部位をスキップ溶接することを特徴とするスキップ溶接における溶接位置補正方法。
溶接が電子ビームによる溶接であることを特徴とする請求項１に記載のスキップ溶接における溶接位置補正方法。