JPH0562029B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は溶接線検出装置に係り、特に鋼材など
の磁性材をアーク溶接するときの継手の溶接線か
ら溶接電流によつて発生した磁束が漏れる現象に
着目し、この漏れ磁束を計測してオン・ラインで
溶接トーチを倣せることのできる溶接線検出装置
に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

アーク溶接時の溶接電流によつて発生した漏れ
磁束は溶接線と交叉して通過するので、溶接線付
近でこの漏れ磁束を計測することにより溶接線の
検出が可能である。この原理に基く従来の溶接線
検出装置は、中心から左右に一定距離はなれた位
置に垂直でかつ溶接線と平行な磁束を受ける面を
もつたホール素子等の磁気センサを１個ずつ配設
した磁気センサヘツドを備え、このヘツドを回転
しながら左右の磁気センサの出力が等しくなる位
置を探し、その方向に磁気センサヘツドを駆動し
ながら溶接線の検出を行なつていた。これは、開
先中心に対して開先形状が対象な場合、開先中心
で漏れ磁束密度が最大となり、漏れ磁束分布も開
先中心に対して対称となつていることを前提とし
ているので、溶接線の両側で磁気センサの出力が
等しい位置を探せば磁気センサヘツドの中心が溶
接線と一致するためである。

従つて、重ね合わせ継手のように溶接継手のル
ートの位置に対して継手が対称な形状でない場合
には、漏れ磁束分布も非対称となるから、溶接線
上に磁気センサヘツドの中心がくるように磁束密
度を補正する必要がある。この場合、予め磁束密
度を計測して補正すべき磁束密度を算定し、検出
装置がアナログ方式の場合は磁束密度に相当する
アナログ量の補正値を保存し、デイジタル方式の
場合はマイコンシステムのメモリに補正値を記憶
するなどの必要があつた。

このように、従来の溶接線検出装置では、磁束
分布が対称な場合を主たる対象としていたため、
非対称の磁束分布の場合には取扱いが面倒で、そ
れぞれの場合に対応した事前の計測と補正量の決
定および補正手段の設定が必要で、簡単に高い精
度を得ることができなかつた。

一方、突合わせ継手でもレ形、Ｋ形、Ｊ形、両
面Ｊ形のように開先形状が対称でない場合も沢山
あり、また溶接物の使用される環境の関係などか
ら磁気特性の違う材料が溶接される場合もあるた
め、磁束密度分布が非対称の場合でも容易に使え
る溶接線検出装置に対する要求が強かつた。

〔発明の目的〕

従つて、本発明の目的は、上記従来技術の問題
点を解消し、重ね継手やあて金継手などの溶接継
手の形式や突合わせ継手の開先形状の関係で幾何
学的に磁束密度分布が非対称になつた場合や磁気
特性の違う材料が溶接されて漏れ磁束分布が非対
称となつた場合も、溶接線の位置を容易にかつ確
実に検出することを可能とした溶接線検出装置を
提供するにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために、本発明は溶接トー
チの周辺で磁束密度値を検出する３個以上の磁気
センサを中心から左右の等距離の位置に配設した
磁気センサヘツドと、磁気センサの計測値に基い
て基準となる代表点の磁束密度値と他の位置の磁
束密度値の関係を演算して記憶する手段と、磁気
センサの計測値を演算記憶手段の出力値と比較演
算し、差が小さくなる位置の予測をする予測手段
と、予測手段の出力に基いて到達すべき目標位置
を設定し、溶接トーチを移動する手段とを備える
溶接線検出装置を提供するものである。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を説
明する。

第１図ａ，ｂはそれぞれ本発明の一実施例に係
る溶接線検出装置の主要部の配置を示す正面図と
側面図である。同図に示すように、互いに溶接さ
れる被溶接物１の開先２がレ形に形成されている
場合を例示する。溶接は開先２に沿つて進行する
図示しない台車に載置された溶接トーチ３と溶接
電極指定方向、例えば溶接トーチ３が垂直方向と
角度φだけ傾けられているので角度φだけ傾けた
方向に所定量ずつ送給される溶接電極４とによつ
て被溶接物１上に溶接部５を形成しつつ実施さ
れ、矢印イの方向に進行する。溶接トーチ３を角
度φだけ傾けるのは片側のトーチ回転軸６と直結
されたパルスモータ７によつて行なわれる。溶接
線検出用の磁気センサヘツド８はトーチ回転軸６
とパルスモータ７を乗せたリング状のヘツド支持
器９内で回転するリング１０に取付けられてい
る。支持器９の一端には立上りの早い直流モータ
１１とこれに直結されたアブソリユートエンコー
ダ１２が配設されており、直流モータ１１によつ
て溶接トーチ３の下端近くの支持位置を中心とす
る同心円状に回転リング１０が旋回することによ
つて、磁気センサヘツド８とこの先端に装着され
た磁気センサ１３は矢印ロの方向に旋回する。な
お、磁気センサ１３は被溶接物１の表面から１mm
前後上方でその表面と直角に、かつ回転リング１
０の同心円の接線方向に対して直角に磁束計測面
を置き、磁気センサヘツド８の中心から等距離へ
だてて左右に２個ずつ計４個配設され、溶接線を
またいで回転リング１０の同心円の接線上の４点
の磁束密度を計測する。

第２図は第１図の構成に適用される計測と制御
に関する信号を処理するブロツク回路図である。
同図に示すように、磁気センサ１３で計測された
信号はデータ収集ユニツト１４に集められる。デ
ータ収集ユニツト１４はマルチプレクサ回路、サ
ンプルアンドホールド回路、アナログデイジタル
コンバータ回路、３ステートバツフア回路等から
なり、デイジタル化された信号がデータ収集ユニ
ツト１４の３ステート出力バツフアを通して例え
ばワンチツプマイコンなどからなるマイクロプロ
セツサ回路１５（以下、MPU回路と称する）に
伝えられる。MPU回路１５にはデータをやりと
りできるように入力と出力の双方ができるような
双方向バスを介してメモリ１６が接続される。
MPU回路１５から直流モータ１１への指令値が
出されると、デイジタル・アナログ・コンバータ
１７（以下、DACと称する）を介してアナログ
量に変換され、直流モータドライブユニツト１８
に与えられる。この直流モータドライブユニツト
１８は直流モータ１１を駆動するに必要なパワー
を発生し、これを直流モータ１１に供給する。

さて、溶接線上の磁束分布が第３図の磁束密度
分布図に示すように非対称の場合には、必ずしも
溶接線ギヤツプのトーチ先端の狙い位置で漏れ磁
束が最大値にはならない。そこで、始動に先立つ
てLEDデイスプレイとキーボードからなる入出
力ユニツト１９のキーボードへ開先形状と寸法か
ら割り出した溶接トーチの傾斜角φを入力する。
その結果、この情報は入出力ユニツト１９と接続
されたCPU、メモリ、インターフエースなどの
周辺素子から成るマイクロコンピユータユニツト
２０（以下、マイコンユニツトと称する）に伝え
られる。マイコンユニツト２０で傾斜角φを得る
のに必要なパルス数が算定されると、この情報は
マイコンユニツト２０内のメモリに記憶されると
同時にモータ制御ユニツト２１に伝えられてパル
スに変換され、モータドライブユニツト２２によ
つてパルスモータ７をドライプするパワーをもつ
たパルスに変換されパルスモータ７に入力され
る。このように、原点位置で溶接トーチ３をφだ
け傾斜させてから、進行目標のトーチ先端の狙い
位置に磁気センサヘツド８の中心を一致させた
後、入出力ユニツト１９のキーボードを押して過
去の実績から得た左右それぞれ１個の代表点の磁
束密度B_S1，B_S-1と２点間の磁束密度比B_S2／B_S1と B_S-2／B_S-1（または磁束密度差でもよい）を入力し、 続いてセンサ位置割出しの指示を入力する。磁束
密度のデータがマイコンユニツト２０と接続され
たバツフアRAM（ランダムアクセスメモリ）２
３を通してMPU回路１５に伝えられる。バツフ
アRAMを介在した場合、ハンドシエーク等によ
つて個々のマイクロプロセツサの動作と同期をと
る必要がなくなるので、非同期状態でも高速のデ
ータ転送が可能となる。MPU回路１５に到着し
た磁束密度のデータはメモリ１６にストアされて
溶接線検出の基準値とされる。一方、センサ位置
割出し指示によつてアブソリユートエンコーダ１
２の回転角θがマイコンユニツト２０に読みとら
れると、角度φとθから磁気センサヘツド８の
Ｘ，Ｙ平面上の位置（x₁、y₁）が算出される。ま
た、過去の実績がない場合には、始動してから始
動位置近辺の計測値をメモリ１６にストアして当
面の基準磁束密度とし、更に端部の影響の少ない
と考えられる場所に達してからその位置の計測値
をもう一度メモリ１６にストアして最終の基準値
とする。このためには、磁気センサ１３で測定し
た磁気密度をデータ収集ユニツト１４でデイジタ
ル量に変えてからMPU回路１５に伝える。その
結果、このMPU回路１５により直流モータ１１
に対して指令値が出力されるとともに、バツフア
RAM２３とマイコンユニツト２０を通して入出
力ユニツト１９から作業者へ伝えられる。

さて、溶接の出発点では磁気センサヘツド８の
中心がトーチ先端の将来の狙い位置（x₁、y₁）に
あるから、入出力ユニツト１９のキーボードから
作業者が出発の指示を入力すると、図示しない台
車を動かしてトーチ３の先端狙い位置が位置
（x₁、y₁）へ移るように、マイコンユニツト２０
からモータ制御ユニツト２１に対して指令が出さ
れ、同時にバツフアRAM２３を通してMPU回
路１５にも指令が伝えられる。その結果、モータ
制御ユニツト２１はデイジタル量の指令値をアナ
ログ量に変換した後これをモータドライブユニツ
ト２２に与え、図示しない台車に取付けられたＸ
軸とＹ軸の各直流モータ２４，２５を所定量動か
すのに必要なパワーに変換して直流モータ２４，
２５に与える。これら２つの直流モータ２４，２
５の軸にはそれぞれロータリエンコーダ２６，２
７が直結されており、回転数に比例したパルスを
発する。このパルスはパルスカウント方向判別ユ
ニツト２８に入力され、パルス数を４倍化してカ
ウントし、２つのパルス列の位相関係から方向判
別をしてマイコンユニツト２０に入力する。マイ
コンユニツト２０はパルス数の積算によつてＸ，
Ｙ座標軸上の位置を算出し、同時にサンプリング
周期τ毎のパルス数の大きさからＸ軸、Ｙ軸の移
動速度を算出する。ロータリエンコーダ２６，２
７からパルスカウント方向判別ユニツト２８を経
てマイコンユニツト２０に至る経路はフイードバ
ツク経路を形成しているので、目標位置、ここで
は位置（x₁、y₁）をはずれようとするとすぐにこ
の動きを抑制する制御ができる。更に、出発前に
指定したトーチ３の移動速度をはずれる動作に対
しても、これを維持するように制御することがで
きる。

一方、測定開始指令をマイコンユニツト２０か
ら受取つたMPU回路１５は、データ収集ユニツ
ト１４に動作指令を出力する。その結果、データ
収集ユニツト１４は磁気センサヘツド８の中心が
位置（x₁、y₁）にある時の４点の磁気センサ１３
の信号をマルチプレクサによるチヤンネル切替で
１点ずつ取り込み、順次サンプリングしてアナロ
グデイジタル変換が終わる迄の期間ホールドする
ことによりデイジタル量に変え、３ステート出力
バツフアを通してMPU回路１５に送出する。こ
の４点の検出デイジタル信号は、第３図ａ，ｂに
おいて、磁気センサヘツド８の中心が距離０の位
置にあるとき、ここから正方向に距離S₁，S₂を隔
てた位置の磁束密度B₁，B₂と、負方向にもそれ
ぞれ同じ距離S_-1，S_-2（絶対値はS₁，S₂と等しく
方向が反対の量）を隔てた位置の磁束密度B_-1，
B_-2に対応する。第３図のようなレ形開先２の場
合、被溶接物１の表面近くでは磁束分布が対象で
はないから、B₁≠B_-1、B₂≠B_-2である。従つ
て、位置S₁，S_-1を代表点としてこの磁束密度
B₁，B_-1と２点間の磁束密度比B₂／B₁とB_-2／B_-1（また は磁束密度差でもよい）のデータを作り、これら
を溶接開始前に基準値として入力した値B_S1，
B_S-1，B_S2／B_S1，B_S-2／B_S-1と比較し、これらの差が縮
小 する位置の予測と移動計測をくり返しながらすべ
てが一致する場所を探す。その場所が見当らない
場合には、ある傾向、例えばB₁／B_-1がB_S1／B_S-1±0.1
の 範囲内にあつてB_-2／B_-1＞B₂／B₁という大小関係が保持 されているという傾向があつて、その上にB₁，
B_-1，B₂／B₁，B_-2／B_-1が基準値の許容範囲、例えば± ５％内にあるというような条件を満たす場所をト
ーチ３の移動とともに、回転リング１０を回転さ
せながら探す。その結果、開先２が組立時に発生
したずれによつて設計値と多少変つている場所が
あつたりしても、溶接線に沿つてトーチ先端の狙
い位置をはずさないようにすることができる。も
ちろん、磁束分布が対称な場合には、B₁＝B_-1，
B₂／B₁＝B_-2／B_-1なる条件によつて容易に溶接トーチ３ の先端の狙い位置を探すことができる。

その後は、数ｍｓ以下のサンプリング周期τで
溶接トーチ３の進行に伴つて磁気センサ１３で探
した将来のトーチ先端の狙い位置（x_i，y_i）ｉ＝
１、２、３、…を順次マイコンユニツト２０のメ
モリにストアして行き、一方ではこの位置情報を
メモリから順番に取出して、位置（x_j、y_j）ｊ＝
１、２、３、…を進むべき目標としてトーチ先端
の狙い位置になるように溶接トーチ３を倣わせ
る。

また、直流モータ１１の立上がりがそれ程早く
なくてもよく、磁気センサヘツド８が図示しない
基準点を通過する度毎に回転角をセツトし直せば
十分に角度の精度を保てるような場合には、直流
モータ１１をパルスモータに置換えれば、アブソ
リユートエンコーダ１２を用いることなく回転角
の設定が可能となる。また、これまでの説明で
は、磁束密度Ｂを計測する場合を例にとつて説明
してきたが、磁気センサは磁束の通過面積が同じ
に作られているため、磁束Φを計測すると考えて
も同じ作用を得ることができる。また、上記実施
例は台車に載置された溶接トーチ３と磁気センサ
ヘツド８を例示したが、ロボツトのアーム先端な
どにこの装置を取付けて同様の検出動作を行ない
ながら溶接トーチ３を倣い動作させても同じ作用
を得ることができることはもちろんである。

第４図ａ，ｂは本発明の他の実施例に係る溶接
線検出装置の部分側面図と磁束密度分布図であ
る。同図に示すように、磁気センサヘツド８には
３個の磁気センサ１３が溶接線をまたぐように交
互して配される。このような構成において、溶接
トーチ３の先端の狙い位置を探す場合、３点の磁
束密度B₁，B₀，B_-1を基準値B_s1，B_s0，B_s-1と比
較する。この場合、磁気センサ１３は被溶接物１
の表面と直角に、かつ回転リング１０の同心円の
接線方向に対して直角に磁束計測面を置き、磁気
センサヘツド８の中心に１個、他の２個は中心か
ら等距離へだてて左右に１個ずつ配設される。

このため、第１図の構成に比べて磁気センサが
１個減り、それだけ計測部分が小形化される。さ
らに、アナログデイジタル変換時間も減るから、
サンプリング周期τを短くすることもできる。ま
た、磁束密度の計測についても、先の実施例の
B₁とB_-1がB₀に、B₂とB_-2がB₁とB_-1に変つたと
見なせば、磁束密度の処理とその後の一の動作は
全く同様にできる。このため、安価でサンプリン
グ周期τの短縮により溶接の品質をより高くする
ことのできる装置を実現することが可能である。

第５図は本発明のさらに他の実施例に係る溶接
線検出装置の部分側面図を示すものである。同図
の構成においては、垂直かつ回転リング１０の同
心円の接線方向に直角に磁束計測面を置いた磁気
センサ素子を多数個密着してアレイ状にした磁気
センサアレイ２９が用いられる。この磁気センサ
アレイ２９は開先２側の端末に取付けた非磁性体
の可動バー３０に取り付けられる。可動バー３０
は３〜５mmの移動距離をもつ小形のリニアパルス
モータ３１の可動部に連なつていて、矢印ハで示
す上下方向に動かされ、パルス数により上下位置
が算出される。このリニアパルスモータ３１は回
転リング１０の裏側に取付けられている。

第６図は10個の磁気センサ素子からなる磁気セ
ンサアレイ２９を用いた場合の計測と制御に関す
る信号を処理するブロツク回路図である。同図に
示す如く、磁気センサアレイ２９の出力端はデー
タ収集ユニツト１４に接続されていて、検出値は
デイジタル値に変換されて、MPU回路１５に入
力される。MPU回路１５では、指令値を演算し
てこの指令値をリニアパルスモータ制御ユニツト
３２に送出する。指令値はリニアパルスモータ制
御ユニツト３２でリニアパルスモータを駆動する
のに必要なパルス数に変換されて、次のリニアパ
ルスモータドライブユニツト３３でモータ駆動に
必要なをパワーもつパルスに変換されリニアパル
スモータ３１に送出される。その結果、第１図に
示した実施例と同じく、当初は磁気センサアレイ
２９が被溶接物１の表面から１〜２mm程離れた位
置にあるため、始動前に入力された最大磁束密度
B_nの位置と溶接トーチ３の先端の狙い位置との
相互関係から最大磁束密度B_nの位置を目印にし
てその前後の磁束分布を調べることにより、素早
く溶接トーチ３の狙い位置の見当をつけることが
できる。この場合、同時に10点の磁束密度を測定
しているため、精度の高い磁束分布を得ることが
可能である。次に、MPU回路１５からの指令に
よつて制御ユニツト３２が指示されただけのパル
スを発生し、ドライブユニツト３３を通してリニ
アパルスモータ３１が１mm前後下向きに駆動され
る。その結果、可動バー３０が磁気センサアレイ
２９を被溶接物１の表面すれすればかりでなく、
磁気センサアレイ２９を開先２の中へ突込むこと
もできる。これは、磁気センサアレイ２９が矢印
ロの方向については長さ10mm前後以下に作れるこ
とから多くの場合磁気センサアレイ２９を開先２
より小さくすることができるためである。従つ
て、磁束密度の大きい位置での計測が可能とな
り、磁束分布が強調されることになり、溶接トー
チ３の先端の狙い位置を精密に知ることができ、
高品質の溶接を実施することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、磁性材が
溶接される場合に、溶接線周辺で溶接電流により
発生する漏れ磁束の磁束分布が使用する磁性材の
関係で非対称の場合でも、わずらわしい事前準備
なしに簡単なキーボード入力だけで正確に溶接線
の検出を行なうことができる。このため、溶接ト
ーチの狙い位置を正確に決められるため品質の高
い溶接を実施することができる。しかも、測定に
関係する装置をマイクロプロセツサやデイジタル
回路で構成できるため、高機能化と低価格化が可
能であり、さらに磁気センサを含む装置をコンパ
クトに収納することができるので場所をとらない
という利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図ａ，ｂはそれぞれ本発明の一実施例に係
る溶接線検出装置の主要部の配置を示す正面図と
側面図、第２図は第１図の装置の計測制御信号に
関するブロツク図、第３図ａ，ｂは第１図の開先
周辺の磁束分布の１例を示す磁束密度分布図、お
よび、主要部の断面図、第４図は本発明の他の実
施例に係る溶接線検出装置の部分側面図と磁束密
度分布図、第５図は本発明のさらに他の実施例に
係る溶接線検出装置の部分側面図、第６図は第５
図の装置の計測制御信号に関するブロツク回路図
である。 １……被溶接物、２……開先、３……溶接トー
チ、８……磁気センサヘツド、１０……回転リン
グ、１１……直流モータ、１２……アブソリユー
トエンコーダ、１３……磁気センサ、１４……デ
ータ収集ユニツト、１５……マイクロプロセツサ
回路、２９……磁気センサアレイ、３１……リニ
アパルスモータ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 溶接トーチの周辺で磁束密度値を検出する３
   個以上の磁気センサを中心から左右の等距離の位
   置に配設した磁気センサヘツドと、磁気センサの
   計測値に基いて基準となる代表点の磁束密度値と
   他の位置の磁束密度値の関係を演算して記憶する
   手段と、磁気センサの計測値を演算記憶手段の出
   力値と比較演算し、差が小さくなる位置の予測を
   する予測手段と、予測手段の出力に基いて到達す
   べき目標位置を設定し、溶接トーチを移動する手
   段とを備えることを特徴とする溶接線検出装置。 ２ 磁気センサヘツドが磁気センサを狭い範囲に
   アレイ状に配置して非磁性体の可動部材の末端に
   取付けたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の溶接線検出装置。