JP5901284B2 - 倣い溶接装置および倣い溶接方法 - Google Patents

Description

この発明は、変位計で測定した被溶接部材の形状に倣って溶接する倣い溶接装置および倣い溶接方法に関するものである。

ロボットを用いて倣い溶接する場合、作業者が、溶接トーチを手動動作にて被溶接部材の溶接部に移動し、溶接トーチの電極が溶接部に対して適正に設置されたことを目視により確認することにより、溶接部の位置をロボットに教示していた。溶接トーチの電極位置がずれると不良品を作る可能性があるため、作業者は、被溶接部材を交換する都度、溶接部の位置を手動動作にて教示する必要があった。

また、被溶接部材の溶接部と溶接トーチの電極が接近しすぎたり離れすぎたりすると、溶接アークが不安定になり、溶接不良となる可能性があるため、溶接部と電極の距離を常に一定に保つ必要があった。従来、例えば同一外径の円形部材同士を軸方向に突き合わせてその外周部を溶接する場合、これら円形部材を回転させながら変位計により径方向の変位量を測定し、この径方向変位量に応じて溶接トーチの電極位置を径方向に移動させて円形部材外周の溶接部との距離を一定に保っていた（例えば、特許文献１〜３参照）。

特開平９−１０３８８０号公報 特開平１０−１５６５３８号公報 特開平６−６４５号公報

しかしながら、外径の異なる２つの円形部材を隅肉溶接または端部（へり）溶接する場合に関しては、上記特許文献１〜３のような変位量測定が不向きであり、溶接部位置の教示ミスが発生する場合があった。以下、図８を用いてこの課題を説明する。

図８は、従来の倣い溶接装置を用いた溶接部位置の測定方法を説明する図であり、隅肉溶接の一例を示す。被溶接部材は、円筒形状の大径部材１０１と円板形状の小径部材１０２をＺ軸方向に重ね合わせて成り、溶接部位置Ｒは、大径部材１０１の外周端位置Ｒ’から所定のオフセット量ΔＲだけ内側に位置する。上記特許文献１〜３に係る倣い溶接装置においてＺ軸まわりに回転しながら外周端位置Ｒ’を全周、変位計１０２で測定する場合、この外周端位置Ｒ’とＺ軸方向の高さが同じになる高さ位置Ｚ_Ａ付近では変位量が安定しないため直接測定することが困難であり、外周端位置Ｒ’から離れた高さ位置Ｚ_Ｂ付近で間接的に測定する必要がある。
また、変位計１０３から大径部材１０１までの距離を測定するため、変位計１０３の測定精度および取り付け精度の影響を受け易く、測定誤差が大きくなりやすい。そのため、溶接部位置の教示ミスが発生しやすく、溶接の不具合につながる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、従来の測定方法では対応できなかった隅肉溶接または端部（へり）溶接において教示ミスによる溶接の不具合を低減すると共に、手動教示に比べて工数を低減することを目的とする。

この発明の倣い溶接装置は、外径の異なる２つの円形部材を同心円状に配置して成る被溶接部材を、当該被溶接部材の中心軸まわりに回転させる回転テーブルと、被溶接部材の最外周より内側であって２つの円形部材の境界付近を溶接する溶接トーチと、被溶接部材に対して径方向に相対移動しながら軸方向の変位量を測定し、当該変位量が所定の閾値以上となったときに検出信号を出力する変位計と、溶接トーチおよび変位計に対する被溶接部材の径方向の位置を変更する径方向移動部と、変位計から検出信号が出力されたときの径方向移動部の径方向の位置に基づいて被溶接部材の溶接部位置を求め、回転テーブルを回転させながら溶接部位置に倣って径方向移動部の径方向の位置を制御して、溶接トーチから被溶接部材の溶接部までの距離を一定に保って溶接を行う制御部とを備えるものである。

この発明によれば、従来の測定方法では対応できなかった、外径の異なる２つの円形部材から成る被溶接部材を隅肉溶接または端部（へり）溶接する場合に、その軸方向の変位量が閾値以上となったときの径方向移動部の位置に基づいて溶接部位置を求めるようにしたので、教示ミスによる溶接の不具合を低減することができる。また、手動教示に比べて工数を低減することができる。

この発明の実施の形態１に係る倣い溶接装置の測定状態を示し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図である。 実施の形態１に係る倣い溶接装置の溶接状態を示し、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は正面図である。 実施の形態１に係る倣い溶接装置の測定動作を説明する図であり、隅肉溶接の場合を示す。 実施の形態１に係る倣い溶接装置による外周端位置の測定結果を示す図である。 実施の形態１に係る倣い溶接装置による溶接部位置の計算結果を示す図である。 実施の形態１に係る倣い溶接装置の補間動作を説明するグラフである。 実施の形態１に係る倣い溶接装置の測定動作を説明する図であり、端部（へり）溶接の場合を示す。 従来の倣い溶接装置を用いた溶接位置の測定方法を説明する図である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る倣い溶接装置を表わす平面図を図１（ａ）および図２（ａ）に、正面図を図１（ｂ）および図２（ｂ）に示す。図１は被溶接部材１００の形状を測定している状態であり、図２は被溶接部材１００を溶接している状態である。
この倣い溶接装置は、被溶接部材１００を載置してこの被溶接部材１００の中心軸であるＺ軸まわりをθ方向に回転する回転テーブル１と、溶接トーチ２と、被溶接部材１００のＺ軸方向の変位を検出する変位計３と、溶接トーチ２と変位計３に対して回転テーブル１をＲ軸方向（径方向）に移動する径方向移動部４と、溶接トーチ２と変位計３をＺ軸方向に移動する軸方向移動部５と、溶接トーチ２の姿勢を変更するトーチ回転部６と、変位計３をＺ，Ｒ軸と直交するＸ軸方向に移動させ測定位置または退避位置に保持する変位計移動部７と、これら各部の動作を制御して倣い溶接を行う制御部８とを備える。

図１および図２に例示した被溶接部材１００は、円筒形状の大径部材１０１と、この大径部材１０１より外径の小さい円板形状の小径部材１０２とから構成される。大径部材１０１の上に小径部材１０２を軸方向に重ね、小径部材１０２の外周を大径部材１０１の上端面に溶接して（いわゆる隅肉溶接）、一体化することになる。
図示例の他にも、例えば円板形状の大径部材１０１と小径部材１０２等の組み合わせであってもよい。

倣い溶接装置において、回転テーブル１は、大径部材１０１、小径部材１０２を位置決め保持して、これら部材の中心軸であるＺ軸を中心にしてθ方向に回転させる。また、この回転テーブル１は径方向移動部４上に設置されており、Ｒ軸方向に移動可能である。
径方向移動部４は、被溶接部材１００の形状を測定する場合には回転テーブル１を図１に示す測定位置に移動させて、被溶接部材１００の溶接部を変位計３のセンシング領域に入るように配置し、一方、溶接する場合には回転テーブル１を図２に示す溶接位置に移動させて、被溶接部材１００の溶接部を溶接トーチ２から所定距離に配置する。

溶接トーチ２は、ＴＩＧ溶接などのアーク溶接用であり、先端側に溶接用の電極２ａを備える。もう一方の電極は図示を省略する。
トーチ回転部６は、溶接トーチ２の電極２ａの先端を中心にしてθ’角度回転させ、被溶接部材１００の溶接部に対する溶接トーチ２の角度を調整可能である。図１および図２の例では、隅肉溶接のために回転テーブル１の面に対して溶接トーチ２をθ’＝４５°傾斜させている。また、後述する端部（へり）溶接の場合は、回転テーブル１の面に対して溶接トーチ２をθ’＝９０°にする。

変位計３は、レーザ光線等のスポット光を回転テーブル１上の被溶接部材１００へ向けて上側から照射して、反射光に基づいて被溶接部材１００のＺ軸方向の変位量を測定し、大径部材１０１または小径部材１０２の外周端を検出するセンサである。この変位計３は、Ｚ軸方向の変位量が所定の閾値を超えた場合に外周端を検出したことを示す信号を制御部８へ出力する。
変位計移動部７は、変位計３をＸ軸方向に移動可能であり、被溶接部材１００の形状を測定する場合には図１に示す測定位置に変位計３を保持し、溶接する場合には図２に示す退避位置へ変位計３を退避させる。

軸方向移動部５には、溶接トーチ２を保持するトーチ回転部６と、変位計３を保持する変位計移動部７とが固定されており、これら溶接トーチ２、トーチ回転部６、変位計３および変位計移動部７をＺ軸方向に移動可能である。

制御部８は、予め与えられたプログラムに従って倣い溶接装置全体を制御するものであり、回転手段（回転テーブル１およびトーチ回転部６）の回転量、移動手段（径方向移動部４、軸方向移動部５および変位計移動部７）の移動量をそれぞれ制御する。また、制御部８には、変位計３から外周端検出信号が入力される。

例えばＴＩＧ溶接では、被溶接部材１００の溶接部に対して溶接トーチ２を±０．１ｍｍ程度で位置決めする必要がある。被溶接部材１００の形状のばらつき、被溶接部材１００を回転テーブル１に設置する際の位置決め誤差等があるため、新たに被溶接部材１００を溶接する都度、溶接部の位置を測定して、溶接時に再現する必要がある。

先ず、倣い溶接装置の測定動作を説明する。
図３は測定動作を説明する図であり、回転手段および移動手段は図示を省略している。図３において、溶接部位置Ｒは大径部材１０１と小径部材１０２を溶接するＲ軸方向の位置座標、外周端位置Ｒ’は大径部材１０１の外周端の位置座標、オフセット量ΔＲは外周端位置Ｒ’から溶接部位置ＲまでのＲ軸方向の距離である。オフセット量Δｒは、変位計３の投光スポットから溶接トーチ２の電極２ａまでのＲ軸方向の距離であり、固定値である。オフセット量ΔＺは溶接部位置Ｒから溶接トーチ２の電極２ａまでのＺ軸方向の距離である。

隅肉溶接の場合、大径部材１０１の外周端位置Ｒ’よりオフセット量ΔＲだけ内側の位置が溶接部位置Ｒとなる。なお、被溶接部材１００の口径等により溶接条件が異なるため、制御部８には、被溶接部材１００毎にオフセット量ΔＲ，ΔＺの値が予め与えられている。

測定開始時、大径部材１０１と小径部材１０２は軸合わせされた状態で回転テーブル１に設置されている。図１および図３に示すように、制御部８は変位計移動部７を制御して変位計３を測定位置に移動させると共に、径方向移動部４を制御して回転テーブル１と被溶接部材１００を測定位置に移動させ、変位計３のセンシング領域に被溶接部材１００を配置する。
また、制御部８はトーチ回転部６を制御して、溶接トーチ２をθ’＝４５°に傾斜させると共に、軸方向移動部５を制御して、電極２ａから溶接部位置ＲまでのＺ軸方向の距離をオフセット量ΔＺにする。

続いて、制御部８は回転テーブル１を制御して、θ＝４５°毎に０°、４５°、９０°、１３５°、１８０°、２２５°、２７０°、３１５°の８点において被溶接部材１００の回転を停止し、各角度にて変位計３による測定を実施する。
例えばθ＝０°のとき、制御部８が径方向移動部４を制御して被溶接部材１００をＲ軸方向に移動させる。この移動中に、変位計３が被溶接部材１００の外周側から内周側へ相対移動しながらＺ軸方向の高さを測定し、測定値が所定閾値以上になったとき外周端と判定して、外周端検出信号を出力する。
そして、制御部８は、変位計３が外周端検出信号を出力したときの径方向移動部４のＲ軸方向の位置座標をθ＝０°の外周端位置Ｒ’_０に設定する。

このようにして、制御部８はθ＝０°〜３１５°の８点の外周端位置Ｒ’_０、Ｒ’_４５、Ｒ’_９０、Ｒ’_１３５、Ｒ’_１８０、Ｒ’_２２５、Ｒ’_２７０、Ｒ’_３１５を取得する。図４に、外周端位置Ｒ’の測定結果を示す。理想的な真円形状の大径部材１０１および小径部材１０２に対し、８点の外周端位置Ｒ’が実測値である。

また制御部８は、測定した外周端位置Ｒ’と予め与えられたオフセット量ΔＲより、溶接部位置Ｒ＝（Ｒ’＋ΔＲ）を計算して、８点の溶接部位置Ｒ_０、Ｒ_４５、Ｒ_９０、Ｒ_１３５、Ｒ_１８０、Ｒ_２２５、Ｒ_２７０、Ｒ_３１５の座標を求める。図５に、溶接部位置Ｒの計算結果を示す。なお、溶接部位置Ｒ_０とＲ_４５の間、Ｒ_４５とＲ_９０の間、Ｒ_９０とＲ_１３５の間、Ｒ_１３５とＲ_１８０の間、Ｒ_１８０とＲ_２２５の間、Ｒ_２２５とＲ_２７０の間、Ｒ_２７０とＲ_３１５の間の軌道については、溶接時に制御部８が補間動作を行えばよい。この補間動作は後述する。

なお、図４と図５では、倣い溶接装置の動作を説明するために、外周端位置Ｒ’と溶接部位置Ｒを実際より甚だしく表現している。
本実施の形態１では、変位計３から外周端位置Ｒ’までのＲ軸方向の正確な距離を測定する必要はなく、単に外周端位置Ｒ’を検出できればよいため、変位計３の測定精度は低くてよい。また、外周端位置Ｒ’の検出タイミングから直接的に外周端位置Ｒ’を求めることができるため、位置計測精度は径方向移動部４の位置精度と略同等の精度が得られる。

次に、上記測定結果に基づく溶接動作を説明する。
溶接開始時、図２に示すように、制御部８は変位計移動部７を制御して変位計３を退避位置に移動させる。また、制御部８は、径方向移動部４を制御して回転テーブル１と被溶接部材１００をオフセット量Δｒ（図３）だけ移動させると共に、軸方向移動部５を制御して溶接トーチ２をＺ軸方向下側に所定量移動させて、溶接トーチ２の電極２ａが被溶接部材１００の溶接部に対して所定の位置関係になるよう配置する。

続いて、制御部８は溶接トーチ２の電極２ａと不図示の他方電極との間に電流を流し、電極２ａと被溶接部材１００の間でアーク放電させて、大径部材１０１と小径部材１０２の隅肉溶接を開始する。制御部８は回転テーブル１をθ方向へ回転させながら、この回転に同期するように、溶接部位置Ｒに基づいて径方向移動部４をＲ軸方向に移動させる。これにより、溶接トーチ２の電極２ａが被溶接部材１００の溶接部に対して常に一定の距離を維持しながら良好に溶接することができる。

ここで、図６を参照しながら、８点の溶接部位置Ｒ間の軌道の補間動作を説明する。
グラフの横軸は回転テーブル１の回転角度θ＝０°〜３１５°、縦軸は各回転角度θにおける被溶接部材１００の溶接部位置Ｒ_０〜Ｒ_３１５に対応する位置関係である。
例えばθ＝０°〜４５°の期間、制御部８は回転テーブル１をθ方向に一定速度で回転させると共に、この回転に同期して径方向移動部４を溶接部位置Ｒ_０からＲ_４５へ等速度で移動させる。これにより、溶接部位置Ｒ_０〜Ｒ_４５の軌道が円弧補間され、溶接トーチ２が図５に示す太線に沿って溶接できる。
このようにして、制御部８はθ＝０°〜４５°、４５°〜９０°、９０°〜１３５°、１３５°〜１８０°、１８０°〜２２５°、２２５°〜２７０°、２７０°〜３１５°、３１５°〜３６０°（０°）の各軌道を円弧補間しながら、溶接を行う。
なお、補間動作は円弧補間に限定されるものではなく、直線補間等であってもよい。

上記説明では外周端位置Ｒ’をθ＝４５°毎に８点測定したが、これに限定されるものではなく、任意の角度θ毎に複数の外周端位置Ｒ’を測定すればよい。測定点を減らすことにより、測定時間を削減できると共に、測定データを削減できるメリットがある。

また、上記説明では大径部材１０１の外周端位置Ｒ’に基づいて溶接部位置Ｒを求める構成にしたが、これに限定されるものではなく、例えば小径部材１０２の外周端（即ち、大径部材１０１と小径部材１０２の境界）を検出するようにして、この外周端位置より所定のオフセット量だけ外側に溶接部位置Ｒを求めることも可能である。

次に、端部（へり）溶接を説明する。
図７は、端部（へり）溶接時の測定動作を説明する図であり、回転手段および移動手段は図示を省略している。端部（へり）溶接の場合は、溶接トーチ２をθ’＝９０°にする。図７において、被溶接部材１００は、円筒形状の大径部材１０１と、この大径部材１０１より外径の小さい円筒形状の小径部材１０２とを入れ子にして成る。この場合、溶接部位置Ｒは、大径部材１０１の外周端位置Ｒ’よりオフセット量ΔＲ（即ち、大径部材１０１の肉厚）だけ内側の位置になる。

変位計３はＲ軸方向に相対的に移動しながら大径部材１０１の外周端を検出し、制御部８がその検出時の径方向移動部４のＲ軸方向の位置座標（外周端位置Ｒ’）より所定のオフセット量ΔＲだけ内側に溶接部位置Ｒを求める。
あるいは、変位計３が、大径部材１０１の外周端位置Ｒ’を検出した後のディップ（図７のＲに相当する位置）を検出し、制御部８がディップ位置をそのまま溶接部位置Ｒに用いてもよい。この場合、オフセット量ΔＲ＝０と等価である。
あるいは、変位計３が、小径部材１０２の内周端を検出し、制御部８がその検出時の径方向移動部４のＲ軸方向の位置座標より所定のオフセット量だけ外側に溶接部位置Ｒを求めてもよい。

以上より、実施の形態１によれば、倣い溶接装置は、円筒形状の大径部材１０１と円板形状の小径部材１０２を同心円状に重ねて成る被溶接部材１００を隅肉溶接する場合に、この被溶接部材１００をＺ軸まわりに回転させる回転テーブル１と、大径部材１０１の外周端より内側であって小径部材１０２との境界付近を溶接する溶接トーチ２と、被溶接部材１００に対してＲ軸方向に移動しながらＺ軸方向の変位量を測定し大径部材１０１の外周端を検出して外周端検出信号を出力する変位計３と、溶接トーチ２および変位計３に対する被溶接部材１００のＲ軸方向の位置を変更する径方向移動部４と、変位計３から外周端検出信号が出力されたときの径方向移動部４の位置座標（外周端位置Ｒ’）に所定オフセット量ΔＲを加算して被溶接部材１００の溶接部位置Ｒを求め、回転テーブル１を回転させながら溶接部位置Ｒに倣って径方向移動部４のＲ軸方向の位置を制御して、溶接トーチ２から被溶接部材１００の溶接部までの距離を一定に保って溶接を行う制御部８とを備えるように構成した。このため、上記特許文献１〜３の測定方法では対応できなかった隅肉溶接の場合に、変位計３の測定結果に倣って溶接トーチ２と溶接部位置Ｒの距離を一定に保って溶接できるようになり、教示ミスによる溶接の不具合を低減することができる。また、手動教示に比べて工数を低減することができる。

また、実施の形態１によれば、倣い溶接装置は、円筒形状の大径部材１０１と小径部材１０２を入れ子にして成る被溶接部材１００を端部（へり）溶接する場合にも、変位計３から外周端検出信号が出力されたときの径方向移動部４の位置座標（外周端位置Ｒ’）に所定オフセット量ΔＲを加算して被溶接部材１００の溶接部位置Ｒを求め、回転テーブル１を回転させながら溶接部位置Ｒに倣って径方向移動部４のＲ軸方向の位置を制御して、溶接トーチ２から被溶接部材１００の溶接部までの距離を一定に保って溶接を行うように構成した。このため、上記特許文献１〜３の測定方法では対応できなかった端部（へり）溶接の場合に、変位計３の測定結果に倣って溶接トーチ２と溶接部位置Ｒの距離を一定に保って溶接できるようになり、教示ミスによる溶接の不具合を低減することができる。また、手動教示に比べて工数を低減することができる。

なお、本発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、上述した実施の形態の構成に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更などがあっても本発明に含まれることは言うまでもない。

例えば、上記実施の形態１では被溶接部材１００の一例として円形部材を例に挙げたが、これに限定されるものではなく、例えば角の丸い多角形の筒状部材と、相同かつ小径の多角形の板状部材とから成る被溶接部材であってもよいし、あるいは角の丸い多角形の筒状部材と、相同かつ小径の多角形の筒状部材とから成る被溶接部材であってもよい。多角形の場合、良好な溶接を行うために、辺部の外周端に比べて角部の外周端の測定点を多くすることが好ましい。

また、測定動作時、変位計３が被溶接部材１００の外周側から内周側へ相対移動しながら外周端を検出する構成にしたが、反対に、内周側から外周側へ移動する構成にしてもよい。

また、径方向移動部４が回転テーブル１をＲ軸方向に移動させることにより、被溶接トーチ２と変位計３に対する径方向移動部４のＲ軸方向の位置を変更する構成にしたが、反対に、回転テーブル１を固定し、径方向移動部４が溶接トーチ２と変位計３をＲ軸方向に移動させる構成にしてもよい。

１ 回転テーブル
２ 溶接トーチ
２ａ 電極
３ 変位計
４ 径方向移動部
５ 軸方向移動部
６ トーチ回転部
７ 変位計移動部
８ 制御部
１００ 被溶接部材
１０１ 大径部材
１０２ 小径部材
１０３ 変位計

Claims (8)

1. 外径の異なる２つの円形部材を同心円状に配置して成る被溶接部材を、当該被溶接部材の中心軸まわりに回転させる回転テーブルと、
   前記被溶接部材の最外周より内側であって前記２つの円形部材の境界付近を溶接する溶接トーチと、
   前記被溶接部材に対して径方向に相対移動しながら軸方向の変位量を測定し、当該変位量が所定の閾値以上となったときに検出信号を出力する変位計と、
   前記溶接トーチおよび前記変位計に対する前記被溶接部材の径方向の位置を変更する径方向移動部と、
   前記変位計から検出信号が出力されたときの前記径方向移動部の径方向の位置に基づいて前記被溶接部材の溶接部位置を求め、前記回転テーブルを回転させながら前記溶接部位置に倣って前記径方向移動部の径方向の位置を制御して、前記溶接トーチから前記被溶接部材の溶接部までの距離を一定に保って溶接を行う制御部とを備える倣い溶接装置。
2. 被溶接部材は、円筒形状の大径部材と、当該大径部材より外径の小さい円板形状の小径部材とを重ねて成り、
   制御部は、前記大径部材の外周端より内側であって前記小径部材との境界付近を溶接部位置とすることを特徴とする請求項１記載の倣い溶接装置。
3. 被溶接部材は、円筒形状の大径部材と、当該大径部材より外径の小さい円筒形状の小径部材とを入れ子にして成り、
   制御部は、前記大径部材の外周端より内側であって前記小径部材との境界付近を溶接部位置とすることを特徴とする請求項１記載の倣い溶接装置。
4. 変位計は、大径部材の外周端を検出して検出信号を出力し、
   制御部は、前記変位計から検出信号が出力されたときの径方向移動部の径方向の位置に、所定オフセット量を加算して溶接部位置を求めることを特徴とする請求項２または請求項３記載の倣い溶接装置。
5. 変位計は、小径部材の外周端であって大径部材との境界を検出して検出信号を出力し、
   制御部は、前記変位計から検出信号が出力されたときの径方向移動部の径方向の位置に、所定オフセット量を加算して溶接部位置を求めることを特徴とする請求項２または請求項３記載の倣い溶接装置。
6. 変位計は、小径部材の内周端を検出して検出信号を出力し、
   制御部は、前記変位計から検出信号が出力されたときの径方向移動部の径方向の位置に、所定オフセット量を加算して溶接部位置を求めることを特徴とする請求項３記載の倣い溶接装置。
7. 径方向移動部は、変位計が被溶接部材の最外周側から内側に向かって移動しながら軸方向の変位量を測定するよう位置変更することを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の倣い溶接装置。
8. 制御部は、被溶接部材における複数の回転角度それぞれの溶接部位置を求め、当該溶接部位置間の軌道を補間することを特徴とする請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の倣い溶接装置。

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