JP2635892B2 - 溶接開先形状の検知方法及び装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、開先溶接での溶接開先
形状の検知方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶接作業の自動化による省力化及び品質
向上の要請が高まるに従い、溶接開先形状に不整があっ
ても、溶接装置の側でその変動に応じて溶接条件及び溶
接トーチ位置等を調整し、良好な溶接を自動施工するこ
とが必要となってきており、その実現の上で、溶接開先
形状の検知技術が重要な技術的ポイントとなっている。
開先形状検知装置が特開昭５９−６１５７４号公報が開
示されている。これは、溶接開先上方に溶接部材の表面
までの距離を検知する縦距離計を配置し、パルスモータ
及びボールねじ等により距離計を溶接線すなわち開先の
長手方向に対し、直角方向に横行して、開先部に直接に
縦距離計から発するレーザー等のビームを照射し、開先
の形状を測定する。

【０００３】このように、縦距離計を開先を横断する方
向に駆動して開先形状すなわち開先断面形状を検知する
方法は、Ｖ，Ｘ開先などの溶接部材の開先形状を検知す
る際には、溶接線方向（開先の長手方向）に直角な断面
と溶接開先面および溶接部材上面の交わる直線にたいし
て、縦距離計からの距離情報がほぼ全線で確実に得られ
ることによって、該断面での開先形状を精度よく測定す
ることができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述した従来の開先形
状検知の技術を、形状，寸法にばらつきがある溶接部材
あるいは表面が荒れた溶接部材によっで形成される溶接
開先に適用した場合以下のような問題がある。一般的に
縦距離計にセンサーとして測長が長く、コンパクトな特
徴を有する光学式の変位センサーを用いる場合が多い。
この光学式変位センサーは、半導体レーザーで発光した
光を対象物に照射し、その乱反射光をレンズで集光し、
受光素子を用いて三角法の原理にて距離を検知する機構
のものである。しかし、実際に対象とする溶接部材は、
光反射特性が一様な圧延表面であることは少ない。前記
の光学式距離計は、その計測精度が測定表面の性状や色
等に依存して誤差を生じる傾向がある。特に対象が鏡面
に近い状況になっていた場合には適正な乱反射光が得ら
れず、表面までの距離を検知出来ない場合が多い。例え
ば開先周辺に、傷の手入れのためのグライダー加工等に
より、鏡状に光択を有すると共に多角面状になった場合
には、光が受光素子を外れる方向に反射してしまい、ま
た、高強度仕様のための水焼入れ等のＱＴ処理により表
面がスケール等による凹凸を生じていたり錆を生じてい
る場合には、受光素子への反射光が少い。ゆえに、この
ような表面性状の十分に良好でない溶接開先に対し、従
来技術に従い、溶接開先上方で光学式の距離計を横行移
動させても、適正な反射光が得られず、そのため検知さ
れた開先形状データの信頼性が低下する。

【０００５】例えば、図５に示すように、グラインダー
処理部Ｇｒでは、検知データにとぎれを生じたり、スケ
ールやサビの付着部では検知したデータにバラツキ誤差
を伴う。これらの情報だけをもとに開先形状を推定した
場合、信頼性が十分に高い溶接開先の位置・形状検知の
達成が難しくなる問題がある。

【０００６】かかる問題により、溶接施工において開先
表面の性状にバラツキがある場合に、開先センサーで開
先形状（とくに幅寸法）を検知し、それをもとに溶接条
件および溶接トーチ位置を適正値にコントロールして溶
接施工することができなくなり、溶接品質・効率の確保
に大きな支障をきたす。特に、開先面の傾斜角が大きい
場合、例えば９０度前後の壁状の面であるときには、縦
距離計による開先面（壁状面）の正確な形状（傾斜角又
は深さ方向各位置での横方向位置）測定が難かしい。

【０００７】本発明は、開先形状測定の信頼性を向上す
ることを第１の目的とし、傾斜角が大きい（９０度前
後）場合の高信頼性の測定を実現することを第２の目的
とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、溶接開先を
形成する対向溶接部材(Mv,Mh)の上方に配設した横距離
計(2)を開先の深さ方向に平行移動させ、開先を形成す
る両溶接部材(Mv,Mh)の上面位置と開先の深さ方向段差
部の壁面の位置の情報を得、開先の上方に配設した縦距
離計(1)を開先の長手方向を横切る方向に横行させて開
先断面の位置情報を得、前記横距離計(2)で得た開先の
深さ方向段差部の壁面の位置情報と、前記縦距離計(1)
で得た横方向各位置の開先断面位置情報により、開先面
の幅及び深さを測定する。なお、カッコ内の記号は、図
面に示す本発明を実施する装置の一実施例の対応要素を
示す。

【０００９】

【作用】壁状の開先面を有する対象物を例として図１に
示す。この例では相対向する溶接部材間に段差がある。
段差面すなわち壁面５に平行な方向に縦距離計１を配し
て段差面と直角方向に横行移動させた場合には、図４に
示すようプロット線（破線）示されるような対象物形状
に関する情報が得られる。この場合、対象物の高さ方向
位置は、縦距離計１の検知する対象物までの距離情報で
あり、対象物の表面性状の状況により検知情報に誤差等
の影響を受けるが、段差の存する横方向位置は、エンコ
ーダー等の位置計の情報であり、縦距離計１の検知する
情報の大きく変化する位置を判別するので、壁状の開先
面が垂直（壁状の開先面に対して縦距離計１の検出方向
が平行）な場合には、対象物の表面性状の影響をほとん
ど受けずに精度良く検知することが出来る。しかし、壁
状の開先面が垂直からずれているときには、そこでの検
出値が大きくばらつくか、又は計測不能となる。

【００１０】次に前記と同様な対象物に対し、図１に示
すように、段差面に垂直もしくは略垂直に対向する方向
に、横距離計２を配して、段差面と平行または略平行に
上下移動させた場合には、図３に示すようなプロットで
示す対象物形状に関する情報が得られる。この場合、前
記(図4)とは逆に、段差の存する横方向位置が横距離計
２の検知する距離情報で得られ、対象物の高さ方向位置
は、エンコーダー等の位置計の情報となる。つまり、距
離計の検知する距離情報の大きく変化する位置（壁面を
持つ溶接部材の上面と開先底）を判別することにより、
従来の検知方法では信頼性の高くなかった対象物、特に
垂直前後の壁面を有する溶接部材の高さ方向位置を表面
性状の影響をほとんど受けずに精度良く検知することが
出来る。また、Ｌ型溶接開先では、片側の開先面が鋼機
の圧延面であることが多く、光等の距離情報の反射性能
が非常に良い為、前記横距離計２を用いる検知方法によ
り横方向の位置情報も高い精度で検知することが出来
る。

【００１１】本発明では、上記２態様の両者で開先形状
演算に必要な情報を収集し、一方の態様では得られない
か信頼性が低い箇所を他方の態様で得られる高信頼性の
デ−タで補足して開先断面の全形状を得るので、信頼性
が高い開先形状デ−タが得られる。

【００１２】本発明の他の目的および特徴は、図面を参
照した以下の実施例の説明より明らかになろう。

【００１３】

【実施例】図１から図４に、本発明を一態様で実施する
装置の一実施例を示す。本発明は、特に片側壁面が鋼材
の圧延面であるＬ型開先等で有効であるので、その開先
における適用例を説明する。この種の溶接開先は、多く
の場所で使用されている。図１において、溶接開先の長
手方向(図１の紙面に垂直な方向）に移動自在の図示し
ない溶接移動台に、姿勢調節機構を介して装着された計
測機構支持枠ＷＢsに、水平方向に延びるボ−ルねじ１
１vと垂直方向に延びるボ−ルねじ１１hが回転自在に支
持されている。これらのボ−ルねじ１１v，１１hに平行
にガイドバ−１２v，１２hが配置され、支持枠ＷＢsに
固着されている。距離計キャリッジ１３v，１３hがボ−
ルねじ１１v，１１hにねじ結合しかつガイドバ−１２
v，１２hでそれらが延びる方向に自動自在に案内されて
いる。

【００１４】キャリッジ１３vには、図示しない２軸の
角度調整機構を介して、紙面（図１）に垂直な軸を中心
にしかもこの垂直軸に直交し紙面と平行な軸を中心に角
度調整自在に、縦距離計１が装着されている。キャリッ
ジ１３ｈには、図示しない２軸の角度調整機構を介し
て、紙面（図１）に垂直な軸を中心にしかもこの垂直軸
に直交し紙面と平行な軸を中心に角度調整自在に、横距
離計２が装着されている。

【００１５】ボ−ルねじ１１ｖはパルスモ−タ９ｖで、
ボ−ルねじ１１ｈはパルスモ−タ９ｈでそれぞれ正，逆
転駆動される。パルスモ−タ９ｖ，９ｈの回転軸にはそ
れぞれロ−タリエンコ−ダ１０ｖ，１０ｈが結合されて
おり、これらがそれぞれ、ボ−ルねじ１１ｖ，１１ｈの
所定小角度の回転につき１パルスの速度同期パルスと、
回転方向（正，逆転）を表わす方向信号を発生し、これ
らをパルスカウンタＰＣ１，ＰＣ２に与える。

【００１６】図示は省略したが、キャリッジ１３ｖが右
限界位置（退避位置＝ホ−ムポジション）に達すると閉
じるリミットスイッチ（ホ−ムポジションセンサ）があ
り、このスイッチの閉を表わす信号（ホ−ムポジション
信号）がクリア信号としてカウンタＰＣ１に与えられ
る。カウンタＰＣ１は、ホ−ムポジション信号がある間
はクリア状態（カウント値＝０を表わすカウント出力）
にあり、ホ−ムポジション信号が無いときには、正転信
号が到来（キャリッジ１３ｖが左移動）しているときに
は速度同期パルスをカウントアップし、逆転信号が到来
（キャリッジ１３ｖが右移動）しているときには速度同
期パルスをカウントダウンする。したがってカウンタＰ
Ｃ１のカウント出力は、キャリッジ１３ｖ（縦距離計
１）がホ−ムポジション（右限界位置）からどれだけ左
方に移動しているか（横方向距離）を表わす。このカウ
ント出力はデ−タ処理装置ＤＰＤに与えられる。

【００１７】同様に、図示は省略したが、キャリッジ１
３ｈが上限界位置（退避位置＝ホ−ムポジション）に達
すると閉じるリミットスイッチ（ホ−ムポジションセン
サ）があり、このスイッチの閉を表わす信号（ホ−ムポ
ジション信号）がクリア信号としてカウンタＰＣ２に与
えられる。カウンタＰＣ２は、ホ−ムポジション信号が
ある間はクリア状態（カウント値＝０を表わすカウント
出力）にあり、ホ−ムポジション信号が無いときには、
正転信号が到来（キャリッジ１３ｈが下移動）している
ときには速度同期パルスをカウントアップし、逆転信号
が到来（キャリッジ１３ｈが上移動）しているときには
速度同期パルスをカウントダウンする。したがってカウ
ンタＰＣ２のカウント出力は、キャリッジ１３ｈ（横距
離計２）がホ−ムポジション（上限界位置）からどれだ
け下方に移動しているか（深さ方向距離）を表わす。こ
のカウント出力はデ−タ処理装置ＤＰＤに与えられる。

【００１８】図１に示す計測機構ＦＭＤのセッテングは
以下の要領で行う。まず、溶接移動台に対して支持枠Ｗ
Ｂsの姿勢を調節する機構を調節して、開先巾方向(図1
で左右方向)と縦距離計１の横行移動方向（ボ−ルねじ
１１ｖが延びる方向）が平行になり、開先巾の範囲を横
行移動範囲がおおう位置に、かつ開先深さ方向（図１で
上下方向）と横距離計２の上下移動方向（ボ−ルねじ１
１ｈが延びる方向）が平行になり、突き合わせ開先部上
端までを上下移動範囲がおおう位置にセットする。次に
操作ボ−ド（図示せず）を操作して、デ−タ処理装置Ｄ
ＰＤを介してキャリッジ１３ｖ，１３ｈを駆動してそれ
ら（必然的に縦，横距離計１，２）をホ−ムポジション
にセットする。この前後に、２軸の角度調整機構で縦，
横距離計１，２の角度を調整する。

【００１９】デ−タ処理装置ＤＰＤが、モ−タドライバ
ＭＤ１，ＭＤ２を介して、パルスモ−タ９ｖ，９ｈを
縦，横距離計１，２のホ−ムポジション（右限界位置，
上限界位置）から定速度で正転駆動して、定ピッチで
縦，横距離計１，２の距離信号を、Ａ／Ｄ変換器ＡＤ
１，ＡＤ２を介して収集する。これにより、デ−タ処理
装置ＤＰＤは、横距離計２より、図３に示すような位置
情報を得、また、縦距離計１より、図４に示すような位
置情報を得る。これらの情報より、デ−タ処理装置ＤＰ
Ｄは、開先片側壁面の横方向位置及び開先上面の高さ位
置及び段差を検知する。

【００２０】すなわち、横距離計２の位置情報（図３の
黒丸）を開先巾方向（距離検出方向）にヒストグラム処
理（図３のデ−タ測定点（黒丸）の、横軸への投影によ
る、測定点分布密度の算出）を行い、これにより得た測
定点分布密度が高い領域を壁面の位置と判定し、更に、
横距離計２の位置情報（図３の黒丸）を開先深さ方向
（距離計２駆動方向）にヒストグラフ処理（図３のデ−
タ測定点（黒丸）の、縦軸への投影による、測定点分布
密度の算出）を行ない、これにより得た測定点分布密度
が高い領域（Ｍｖ上面対応位置とＭｈ上面対応位置の２
箇所）を、溶接部材Ｍｖ，Ｍｈの上面位置と判定する。
また、同様に、縦距離計１の位置情報（図４の点線）の
ヒストグラフ処理により、壁面の位置ならびに溶接部材
Ｍｖ，Ｍｈの上面位置を判定する。更には、横距離計２
で得た位置情報（図３）を、図４に示す縦距離計１で得
た位置情報の縦，横軸値に校正して、縦距離計１で得た
位置情報に重ね合せることにより、一方の距離計で得ら
れなかった領域を他方の距離計の検出情報で補充した情
報グル−プを生成して、２軸座標系（図４）における該
情報グル−プの各情報の分布より、溶接部材Ｍｖおよび
Ｍｈの上面，両部材の開先面、および、開先底、を近似
する直線を求めて、溶接開先形状（深さ各位置の幅）を
求める。

【００２１】このように溶接開先に対し、上記の２種の
センシングから開先形状情報が得られることになり、溶
接開先形状情報のうち、図２の開先片側の上面高さ位置
ア、開先片側の側面横位置イ、開先他方の上面高さ位置
ウについては、共通した重複のデータとして検知するこ
とが出来、それらのデータが互いに差異がないかどうか
をチェックして整合をとることにより、より信頼性の高
い開先形状検知を達成出来る。

【００２２】また、当発明において、横距離計２の上下
移動単独で、溶接部材Ｍｖ（の壁面）の高さおよび横方
向位置を検知するので、非接触で高精度の溶接開先のな
らいセンサーとしての機能も発揮することが出来る。

【００２３】

【発明の効果】本発明は、以下に記載するような効果を
奏する。

【００２４】(1) 溶接開先の表面性状が十分に良好でな
くても、溶接開先位置・形状（幅・深さ寸法）を効率的
に正確に測定できる。

【００２５】(2) 本発明の実現により、溶接進行中に溶
接条件および溶接トーチ位置を制御して施工する自動溶
接システムに正確な開先位置・形状情報をインプットす
ることが可能となり、特に開先形状にバラツキを有する
ワークに対する溶接作業を効率的に高品質に対応するこ
とが可能となる。

【００２６】このように実用的効果が、非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を一態様で実施する装置の一実施例を
示すブロック図である。

【図２】 図１に示す開先３の概要を示す横断面図であ
る。

【図３】 図１に示す横距離計２で得た位置情報を示す
グラフである。

【図４】 図１に示す縦距離計１で得た位置情報を示す
グラフである。

【図５】 グラインダ−による研削およびスケ−ルサビ
がある溶接部材の横断面図、および、そこに示される溶
接開先の縦距離計による測定デ−タを示すグラフであ
る。

【図６】 表面性状の良好な溶接部材の横断面図、およ
び、そこに示される溶接開先の縦距離計による測定デ−
タを示すグラフである。

【符号の説明】

ＷＢs：溶接移動台に装着された支持枠 １：縦距離計 ２：横距離計 ３：溶接開先 Ｍｖ，Ｍｈ：溶接
部材 Ｍｒ：裏当て部材 ４：溶接開先上
面 ５：溶接開先側面（壁面） ６：溶接開先側面 ７：溶接開先上面 ８：開先底面 ９：パルスモータ １０：エンコーダ １１ｖ，１１ｈ：ボールねじ １２ｖ，１２ｈ：
ガイドバ− １３ｖ，１３ｈ：距離計キャリッジの支持部材 ＦＭＤ：計測機構 ＤＰＤ：デ−タ処
理装置

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接開先を形成する対向溶接部材の上方に
   配設した横距離計を開先の深さ方向に平行移動させ、開
   先を形成する両溶接部材の上面位置と開先の深さ方向段
   差部の壁面の位置の情報を得、 開先の上方に配設した縦距離計を開先の長手方向を横切
   る方向に横行させて開先断面の位置情報を得、 前記横距離計で得た開先の深さ方向段差部の壁面の位置
   情報と、前記縦距離計で得た横方向各位置の開先断面位
   置情報により、開先面の幅及び深さを測定する、 対向溶接部材間の溶接開先形状の検知方法。
2. 【請求項２】対向溶接部材間の溶接開先の長手方向に移
   動する溶接移動台に、該開先の深さ方向に移動自在に設
   けられた横距離計，前記溶接移動台に前記開先の長手方
   向を横切る方向に横行自在に設けられた縦距離計、およ
   び、前記横距離計が得た開先の深さ方向段差部の壁面の
   位置情報および前記縦距離計で得た横方向各位置の開先
   断面位置情報を読込みこれらの情報に基づいて、対向溶
   接部材間の対向する面間の溶接開先形状を規定するパラ
   メ−タを算出する情報処理手段、を備える、対向溶接部
   材間の溶接開先形状の検知装置。