JP3798931B2 - 自動溶接装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接トーチの位置を自動制御しながら溶接を行う自動溶接装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
溶接トーチの位置を自動制御しながら溶接を行う自動溶接装置に付いては、従来より、例えば特公平６−５９５４５号公報に記載されている自動溶接方法や、特公平６−７５７８９号公報に記載されている溶接制御システムに開示されているように、溶接箇所の開先形状をレーザー光を利用したセンサーや、赤外線カメラで検出し、その検出値を元に溶接トーチの位置決めや、溶接条件等を適宜制御して、指定の位置に溶接するように構成したものが存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、例えば溶接対象物が大物板金物であって、部品そのものの精度不良や溶接時に於ける歪み等の発生が原因で、溶接位置に寸法的なバラツキが存在する場合、或は、溶接母材に開先が無く、母材同士を単に突き合わせて溶接する場合や、直角に立ち上げた母材の面同士を互いに合せた状態にして溶接する場合、更には、その他形状的に溶接位置の認識が困難であったり、溶接部分の形状認識が難しい母材の場合は、上記従来の自動溶接方法及び装置では、溶接トーチの位置制御ができない問題があった。
【０００４】
つまり、自動溶接を行う場合は、プログラムに設定されている位置に溶接トーチを移動して溶接することに成るが、溶接部が外れていたり、開先形状にバラツキがあって溶接箇所の形態を認識できないような場合には、溶接トーチのスタート位置を検出することができず、また、スタート位置を検出できない場合は溶接機の自動運転が停止されてしまうため、自動溶接機としての役割が果たせない問題があった。
【０００５】
更に、レーザー光を利用したセンサーの場合は、溶接母材（ワーク）の光沢等の違いによって検出値が一定にならないため、溶接位置の検出が難しく、また、誤差も大きくなってしまう問題があった。
【０００６】
従って本発明の技術的課題は、プログラムに設定されている位置に溶接トーチを移動して自動溶接を行う際に、溶接部が外れた位置にあったり、開先形状にバラツキがあったりして溶接箇所の形状を認識できない場合であっても、溶接トーチのスタート位置を検出して安定した状態で正確に溶接作業を行えるように工夫した自動溶接装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の技術的課題を解決するために本発明で講じた手段は以下の如くである。
【０００８】
走行軸をＸ軸とし、横行軸をＹ軸とする座標平面上を、溶接トーチと二次元変位センサーとを搭載したトーチ台をプログラム制御しながら移動させることにより、二次元変位センサーによって溶接箇所を検知し、且つ、この検知した溶接箇所に対して上記の溶接トーチが溶接を行うように構成した自動溶接装置であって、
【０００９】
（１） プログラムによって位置決めされた溶接位置から、トーチ台を上記横行軸方向に移動させながら上記二次元変位センサーに溶接箇所形状を検知させて、予め設定されている溶接箇所形状のマスター波形と類似する波形の溶接箇所形状が存在する場合に、その位置を溶接開始位置として確認する溶接位置確認手段と、溶接開始位置が確認された場合に、再びトーチ台を横行軸方向に移動させ、且つ、二次元変位センサーに溶接箇所を走査させながら複数箇所で溶接箇所形状を検出する溶接箇所走査手段と、この溶接箇所走査手段による走査結果から得られた複数の溶接箇所形状の情報と上記マスター波形とを比較して、その基準位置のズレを検出するズレ検出手段と、検出したズレの平均値を演算し、且つ、その平均値が許容範囲内である場合に、上記溶接トーチの位置をマスター波形の中心に移動してズレをゼロに修正するズレ修正手段と、上記二次元変位センサーで溶接部の位置を確認しながら上記ゼロ修正した溶接トーチを溶接部の中心位置に追従移動させつつ溶接を行う溶接トーチ追従手段とを備えること。（請求項１）
【００１０】
（２） 溶接トーチと二次元変位センサーを搭載したトーチ台に、これ等の溶接トーチと二次元変位センサーを上下方向と、走行軸の方向に夫々移動することができるデジタル制御可能な各モータを設けること。（請求項２）
【００１１】
（３） 波形判断手段による判定の結果、マスター波形に類似する溶接箇所形状が存在しない場合、並びに、ズレ検出手段が検出した各溶接箇所形状とマスター波形の基準位置とのズレの平均値が許容範囲を逸脱している場合に、溶接運転を停止して異常を知らせるように構成すること。（請求項３）
【００１２】
▲１▼ 上記（１）で述べた請求項１に係る手段によれば、プログラムされた位置に溶接トーチを一旦位置決めするが、その後、トーチ台を横行軸方向（Ｙ軸方向）に移動させながら溶接箇所形状とその位置を確認させて、もし所定形状の溶接部が一つでも存在すればその位置を固定し、次いで、その溶接箇所形状の中心位置とマスター波形の中心位置とのズレを溶接トーチを移動して修正した後、溶接作業を開始することができるものであって、溶接箇所がプログラムによって設定されている基準位置から少し外れていたり、溶接箇所形状がマスター波形と多少相違していたとしても、二次元変位センサーがこれ等を認識して溶接運転を停止することなく、溶接作業をスムーズに行うことを可能にする。
【００１３】
▲２▼ 上記（２）で述べた請求項２に係る手段によれば、溶接トーチをトーチ台に設けた例えばサーボモータのようなデジタル制御可能なモータを用いて上下方向、及び、走行軸方向に移動調節できるため、溶接トーチの溶接開始位置をサーチする場合や、溶接トーチをマスター波形の中心位置に移動してズレを修正する場合の微妙な移動調整を、コンピュータ制御によって自動的に、且つ、適格に行うことを可能にする。
【００１４】
▲３▼ 上記（３）で述べた請求項３に係る手段によれば、通常の場合、形状や位置のズレの許容範囲はプラス／マイナス１０ｍｍ程度であって、殆どのものがこの範囲内に入って二次元変位センサーで認識可能となるが、形状や位置のズレがこの許容範囲を逸脱している場合は、溶接箇所形状の差異が甚だしくて形状認識ができず、また、位置の修正も不可能なものとして溶接運転を停止すると共に、警報等によって異常を知らせるため、自動溶接の失敗を可及的に少くすることを可能にする。
【００１５】
以上の如くであるから、上記（１）〜（３）の手段によって上述した技術的課題を解決して、前記従来の技術の問題点を解消することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に、上述した本発明に係る自動溶接装置の実施の形態を図面と共に説明すると、図１は本発明の全体の構成を説明した平面図、図２は図１で符号Ａで示した本発明の要部であるトーチ台の部分を拡大して示した正面図であって、図１に於いて、１は溶接母材（ワーク）を載置する定盤、２，３はこの定盤１の左右両側に平行に設けたＸ軸としての走行軸、２Ａ，３Ａはこれ等各走行軸２，３に設けたラック、５は左右の走行軸２，３の上に走行自在に掛渡したＹ軸としての横行軸、５Ａはこの横行軸５に設けたラック、６Ｍ，７Ｍは横行軸５の両側に設けたデジタル制御可能なＸ軸サーボモータで、両サーボモータ６Ｍ，７Ｍには減速機を介して上記各ラック２Ａ，３Ａに噛合するピニオンギヤ（図示省略）が設けられていて、両サーボモータ６Ｍ，７Ｍの回転に従って横行軸５を走行軸２，３に沿ってＸ軸方向に走行させる仕組に成っている。
【００１７】
図１と図２に於いて、８は上記横行軸５の上面に横行軸方向（Ｙ軸方向）に移動自在に取付けたトーチ台で、このトーチ台８に取付けたデジタル制御可能なＹ軸サーボモータ９Ｍのピニオンギヤ９Ｐが上記横行軸５のラック５Ａに噛合していて、このＹ軸サーボモータ９Ｍが回転するとトーチ台８を横行軸５の上をＹ軸方向に走行させる仕組に成っている。
【００１８】
１６はサポート１６Ａ，１６Ａによって両側を支持された状態で、上記トーチ台８の上面に上記走行軸２，３に対して平行に取付けたＸガイド軸、１７はこのＸガイド軸１６の周面に沿って移動自在に取付けたＸ軸可動ベース、１８ＲはＸガイド軸１６内に設けたネジ軸、１８Ｍはこのネジ軸１８Ｒを回転するために上記Ｘガイド軸１６の一端に取付けたデジタル制御可能な第２Ｘ軸サーボモータで、このモータ１８Ｍが上記のネジ軸１８Ｒを回転すると、これにナットやアーム等の連繋部材を用いて連繋する上記Ｘ軸可動ベース１７がＸガイド軸１６に沿って走行軸２，３に対して平行な方向、即ち、Ｘ軸方向に移動するように構成されている。
【００１９】
また、１９は下端部側を上記可動ベース１７に取付けた状態で上下縦方向に立設したＺガイド軸、２１はこのＺガイド軸１９の周面に沿って移動自在に取付けた上下可動ベース、２０ＲはＺガイド軸１９内に設けたネジ軸、２０Ｍはこのネジ軸２０Ｒを回転するために上記Ｚガイド軸１９の上端部に取付けたデジタル制御可能なＺ軸サーボモータで、このモータ２０Ｍが上記のネジ軸２０Ｒを回転すると、これに上記と同じ連繋部材を用いて連繋する上記上下可動ベース２１がＺガイド軸１９に沿って上下方向、即ち、Ｚ軸方向に移動する仕組に成っている。
【００２０】
２３はアーム台２２を介して上記上下可動ベース２１に取付けた取付板、１１と１２はこの取付板２３に取付けた溶接トーチと二次元変位センサーであって、図２にはこれ等溶接トーチ１１とセンサー１２を横並びに取付けているが、これは説明上便宜的に示されたものであって、実際にはトーチ台８のＹ軸方向への移動に当って、常に二次元変位センサー１２が溶接トーチ１１に対して先行するように、図面上９０度角度を違えて設けられている。
【００２１】
また、本発明で使用する上記二次元変位センサー１２とは、赤色の半導体レーザを対象物（溶接母材）に照射し、その反射光を受光側のＰＳＤ（光位置検出素子）上に集光する一方、対象物のＺ軸方向に形状変位が現れると、ＰＳＤ上に集光されたスポットがその形状に合せて変位し、対象物のＺ軸方向の形状を測定し、また、センサー内部のスキャナによってＸ軸方向に高速走査されたレーザ光は、Ｘ方向ＰＳＤでどの位置を測定しているか常に検出して、このＸ方向の測定位置データとＺ軸方向のデータを正確に照合することで、二次元の測定を可能にするように構成されている。
【００２２】
従って上記の二次元変位センサー１２によれば、例えば、１スキャン３０ｍｓの高速スキャンニングによって溶接母材（特に溶接箇所形状）の表面形状を瞬時に測定できるものであって、Ｘ軸とＺ軸の二次元測定により、溶接母材の溶接箇所形状を正確に再現でき、而かも、スキャンエリア内であれば溶接箇所形状がどこにあってもその表面形状を連続測定できる仕組に成っている。
【００２３】
更に図１に於いて、１３は上記二次元変位センサー１２の制御盤、１４は自動溶接装置の全体を制御する制御装置、１５は溶接電源を示し、また、４は自動溶接装置の全体を囲った安全ヘンスであって、次に、上記本発明の電気的構成を図３に示したブロック図に従って説明することにある。
【００２４】
図３に於いて、３０は制御部の中心を成すＣＰＵと、システムプログラムを格納したメモリ（いずれも図示省略）を備えたシステム制御盤で、この制御盤３０にはモータ制御装置３１と、溶接制御装置３２と、各種データを表示するための表示器３３と、各種プログラム等を入力するための入力キーや、各種運転用のキーを備えたキーボード３４が接続されていて、これ等の装置類によって上述した制御装置１４が構成されている。
【００２５】
更に上記のモータ制御装置３１には、トーチ台８をＸ軸方向に走行させるための走行用駆動装置（具体的には前述したＸ軸サーボモータ６Ｍ，７Ｍ）と、トーチ台８をＹ軸方向に横行させるための横行用駆動装置（具体的には前述したＹ軸サーボモータ９Ｍと、溶接トーチ１１と二次元変位センサー１２をＸ軸方向に少し作動させるためのトーチ台駆動装置（具体的には前述した第２Ｘ軸サーボモータ１８Ｍ）と、同じく上記のトーチ１１とセンサー１２をＺ軸方向に作動させるためのトーチ台駆動装置（具体的には前述したＺ軸サーボモータ２０Ｍ）が接続されている。
【００２６】
また、上記の溶接制御装置３２には溶接トーチ１１に対して溶接用の電力を供給する溶接電源１５が接続され、更に、上記のシステム制御盤３０には、二次元変位センサー１２から送られて来る測定データを演算して、その測定結果をシステム制御盤３０に入力する二次元変位センサー制御盤１３が接続されていて、夫々がシステム制御盤３０のメモリに格納されているシステムプログラムによって制御作動される仕組に成っている。
【００２７】
即ち、上記システム制御盤３０のメモリには、溶接部の位置を決めるプログラムと、このプログラムによって位置決めされた溶接部に向けて各Ｘ軸とＹ軸とＺ軸用の各サーボモータ６Ｍ，７Ｍ，９Ｍ，２０Ｍを駆動してトーチ台８（具体的には溶接トーチ１１）を移動する移動手段（プログラム）と、この溶接部からトーチ台８をＹ軸サーボモータ９ＭでＹ軸方向に横行させ、且つ、第２Ｘ軸サーボモータ１８ＭとＺ軸サーボモータ２０Ｍによって二次元変位センサー１２をＸ軸とＺ軸方向に移動させながら、溶接箇所形状を複数回（Ｎ回）検出して、予めプログラムされている所定の溶接箇所形状（マスター波形）に類似するものが存在するか否かを判定し、類似するものが一つでもあればその位置を溶接開始位置として確認して、トーチ台８をその開始位置に固定する溶接位置確認用のプログラム（手段）が格納されている。
【００２８】
更に上記のメモリには、上記溶接開始位置確認用プログラムによって確認された位置から、再びＹ軸サーボモータ９Ｍを作動してトーチ台８をＹ軸方向に移動しながら、二次元変位センサー１２に溶接箇所を走査させて、複数箇所（Ｎ回箇所）で溶接箇所形状を検出する溶接箇所走査用のプログラム（手段）と、この走査結果から得られた複数の溶接箇所形状と上記マスター波形とを夫々比較して、その基準位置のズレを検出するズレ検出用プログラム（手段）と、検出した各ズレの平均値を演算し、且つ、その平均値が許容範囲内である場合に、上記第２Ｘ軸サーボモータ１８ＭとＺ軸サーボモータ２０Ｍを作動して、上記溶接トーチの位置をマスター波形の中心に移動してズレをゼロに修正するズレ修正用プログラム（手段）が格納されている。
【００２９】
図４は、上記溶接開始位置確認用プログラムによって溶接開始位置を確認している状態を説明した波形図、図５は上記ズレ検出用プログラムによって縦軸追従偏差Ａと、横軸追従偏差Ｂを検出し、且つ、上記ズレ修正用プログラムによってこれ等Ａ，Ｂの差をゼロに修正する位置検出及びセンサ追従処理している状態を説明した波形図であって、上述した制御盤３０のメモリには、上記溶接開始位置確認用プログラムによる判定の結果、マスター波形に類似する溶接箇所形状が一つも存在しない場合、並びに、上記ズレ検出用プログラムが検出した各溶接箇所形状とマスター波形の基準位置のズレの平均値が許容範囲を逸脱している場合に、溶接運転を停止して上記の表示器３３やその他の発音装置等を用いて異常を知らせる警報用プログラムも格納されている。
【００３０】
更に上記制御盤３０のメモリには、上記のズレ修正用プログラムによって中心位置のズレを修正した後、以後の溶接を、上記の二次元変位センサー１２で溶接部の位置を確認しながら、上記の第２Ｘ軸サーボモータ１８ＭとＺ軸サーボモータ２０Ｍ、並びに、Ｙ軸サーボモータ９Ｍを制御作動して、上記の溶接トーチ１１を溶接部の中心位置に追従させて溶接を行う溶接トーチ追従用のプログラムが格納されている。
【００３１】
図６は、本発明によって溶接を行う溶接事例と、その開先のマスター波形と、実測波形例（不可・可）を示したものであって、（イ）図は溶接母材Ｌを略直角に曲げ起して、その上端部同士を溶接ＬＡする場合の事例で、（ロ）図は平板状の母材Ｍ同士を突き合わせ、その開先部分を溶接ＭＡする事例を示し、また、 （ハ）図は下方に向けて略直角に屈曲した溶接母材Ｎの屈曲縁部同士を突き合わせて溶接ＮＡする事例であって、いずれの場合も、上記二次元変位センサー１２によるその溶接部の実測波形がマスター波形と著しく相違する場合は、溶接を行わずに警告を行い、その波形が類似している場合には、そのズレを修正しながら溶接を行う仕組に成っている。
【００３２】
次に、上述した本発明による位置検出センサー追従処理の手順を図７に示したフローチヤートに従って説明すると、始めのステップＳ１でプログラムに従って予め定められている溶接位置に、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸用の各サーボモータ６Ｍ，７Ｍ，９Ｍ，２０Ｍを夫々制御作動してトーチ台８及び溶接トーチ１１を移動して位置決めすると、次のステップＳ２に進んでその溶接部の位置を検出し、次いで、ステップＳ３に進んで二次元変位センサー１２がその位置にある溶接箇所形状を測定して、この測定形状と予めプログラムされているマスター波形とを比較し、波形が類似している場合はその位置を溶接開始位置と確認して次のステップＳ６に進む。
【００３３】
しかし、波形を比較した結果、波形が類似していない場合は、Ｙ軸サーボモータ９Ｍがトーチ台８をＹ軸方向に１ピッチ送って再びステップＳ２に戻り、位置検出と次のステップＳ３の判断が繰返され、この繰返しをＮ回送っても類似の波形が認められない場合は、ステップＳ５に進んで警報或は運転停止等の異常処理を行うが、１度でも類似する波形が認められた場合は、次のステップＳ６に進む。
【００３４】
ステップＳ６では、トーチ台８を上記溶接開始確認位置に戻し、且つ、第２Ｘ軸サーボモータ１８ＭとＺ軸サーボモータ２０Ｍを位置決めしてトーチ台８を固定した後、次のステップＳ７に進んでスタート位置の溶接箇所形状とマスター波形とのズレを検出してこれを記憶し、次いで、ステップＳ８に進んでＹ軸サーボモータ９Ｍがトーチ台８を１ピッチ送り、更に、ステップＳ９に進んでこのズレ検出の回数をカウントした後、再びこれ等ステップＳ７〜ステップＳ９の各処理をＮ回繰返して、測定された溶接箇所形状とマスター波形とのズレを明らかにする。
【００３５】
上記の処理をＮ回繰返したら、次に、ステップＳ１０に進んで上記検出したＮ回分のズレの平均値を算出し、次いで、ステップＳ１１に進んで算出したズレの平均値とマスター波形とのズレを比較してその差異が例えば±１０ｍｍ（許容範囲）の範囲内である場合はステップＳ１４に進み、その範囲外である場合は、再びＹ軸サーボモータ９Ｍを作動してトーチ台８を１ピッチ作動した後、上記ステップＳ７〜Ｓ１１の各処理を繰返し、この処理をＮ回繰返してもズレの範囲が±１０ｍｍ以上で許容範囲を逸脱している場合は、ステップＳ１３に進んで警報や運転停止等の異常処理を行う。
【００３６】
上記のステップＳ１４では、上記の比較データに従って第２Ｘ軸サーボモータ１８ＭとＺ軸サーボモータ２０Ｍを作動して、溶接トーチ１１の位置をマスター波形の中心位置にズラしてその偏差をゼロに調整した後、上記二次元変位センサー１２で溶接部の位置を確認しながら、上記のサーボモータ１８Ｍ，２０Ｍ並びに９Ｍを制御作動して、上記の溶接トーチ１１を溶接部の中心位置に追従させる追従処理を行いながら、次の溶接作業開始のステップＳ１５に進んで、溶接作業を行う。
【００３７】
【発明の効果】
以上述べた次第で、本発明に係る自動溶接装置によれば、溶接部が予めプログラムされた位置とは多少外れた位置にあっても、また、溶接部の開先形状にバラツキがあって溶接箇所の形状が多少異なる場合であっても、多少のズレは修正して溶接作業を進めることができるため、溶接運転を無暗に停止させることなく安定した状態で溶接作業を進めることができるものであって、例えば、溶接位置や開先形状にバラツキの多い大物板金物等の溶接に用いて、洵に好適なものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る自動溶接装置の全体を説明した平面図である。
【図２】本発明の要部であるトーチ台部分の構成を拡大して示した正面図である。
【図３】本発明の電気的構成を説明したブロック図である。
【図４】溶接開始位置確認処理の状態を説明した波形図である。
【図５】位置検出及びセンサー追従処理の状態を説明した波形図である。
【図６】（イ）図と（ロ）図と（ハ）図は、いずれも溶接事例の斜視図とそのマスター波形及び実測波形例を示したものである。
【図７】本発明による位置検出とセンサー追従処理の手順を説明したフローチヤートである。
【符号の説明】
２，３ 走行軸（Ｘ軸）
５ 横行軸（Ｙ軸）
６Ｍ，７Ｍ Ｘ軸サーボモータ
８ トーチ台
９Ｍ Ｙ軸サーボモータ
１１ 溶接トーチ
１２ 二次元変位センサー
１８Ｍ 第２Ｘ軸サーボモータ
２０Ｍ Ｚ軸サーボモータ

Claims (3)

1. 走行軸をＸ軸とし、横行軸をＹ軸とする座標平面上を、溶接トーチと二次元変位センサーとを搭載したトーチ台をプログラム制御しながら移動させることにより、二次元変位センサーによって溶接箇所を検知し、且つ、この検知した溶接箇所に対して上記の溶接トーチが溶接を行うように構成した自動溶接装置であって、
   プログラムによって位置決めされた溶接位置から、トーチ台を上記横行軸方向に移動させながら上記二次元変位センサーに溶接箇所形状を検知させて、予め設定されている溶接箇所形状のマスター波形と類似する波形の溶接箇所形状が存在する場合に、その位置を溶接開始位置として確認する溶接位置確認手段と、
   溶接開始位置が確認された場合に、再びトーチ台を横行軸方向に移動させ、且つ、二次元変位センサーに溶接箇所を走査させながら複数箇所で溶接箇所形状を検出する溶接箇所走査手段と、
   この溶接箇所走査手段による走査結果から得られた複数の溶接箇所形状の情報と上記マスター波形とを比較して、その基準位置のズレを検出するズレ検出手段と、検出したズレの平均値を演算し、且つ、その平均値が許容範囲内である場合に、上記溶接トーチの位置をマスター波形の中心に移動してズレをゼロに修正するズレ修正手段と、
   上記二次元変位センサーで溶接部の位置を確認しながら上記ゼロ修正した溶接トーチを溶接部の中心位置に追従移動させつつ溶接を行う溶接トーチ追従手段とを備えて成ることを特徴とする自動溶接装置。
2. 溶接トーチと二次元変位センサーを搭載したトーチ台に、これ等の溶接トーチと二次元変位センサーを上下方向と、走行軸の方向に夫々移動することができるデジタル制御可能な各モータを設けたことを特徴とする請求項１記載の自動溶接装置。
3. 波形判断手段による判定の結果、マスター波形に類似する溶接箇所形状が存在しない場合、並びに、ズレ検出手段が検出した各溶接箇所形状とマスター波形の基準位置とのズレの平均値が許容範囲を逸脱している場合に、溶接運転を停止して異常を知らせるように構成したことを特徴とする請求項１記載の自動溶接装置。

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