JPH0647171B2

JPH0647171B2 - 溶接制御装置

Info

Publication number: JPH0647171B2
Application number: JP60213063A
Authority: JP
Inventors: 和敏岩田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-09-26
Filing date: 1985-09-26
Publication date: 1994-06-22
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: JPS6272475A

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の技術分野〕本発明は鋼材などの被溶接材を溶接する際に、被接触検
出した開先の位置および形状から溶接トーチの進路と溶
接条件とを決定し、トーチの駆動やワイヤの送給の他、
溶接電流やアーク電圧を制御する溶接装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

電気アーク溶接機において、溶接の目的に合致した計測
値に基づいて、溶接作業中に多数の溶接パラメータを操
作できる制御が望ましい。斯る溶接パラメータとしては
従来から、溶込み深さ溶接幅、溶接部の断面積及びビー
ド外観などが考えられている。

〔背景技術の問題点〕

しかしながら、アーク発生部付近ではアークの発する、
光、熱、音、或いはスパッタなどの妨害を受けるため、
一般の分野で適用可能な計測技術の適用が困難で、前記
各溶接パラメータの計測ができない。またアークの反対
側（裏面側）で計測操作しようとすると、アーク溶接で
は母材を固定してアークを移動させることが多いから、
検出器を溶接トーチと裏面で連動させるか、溶接線に沿
って予め取付けた長い検出プローブを用いなければなら
ないため極めて面倒である。また、裏当ての存在も裏面
側での計測を都合悪くする。

〔発明の目的〕

本発明は、上記事情に鑑みて創案されたもので、その目
的とするところは、被接触検出した被溶接材の開先の位
置および形状に基づいて溶接トーチの進路と溶接条件と
を決定し、トーチの駆動やワイヤの送給の他、溶接電流
やアーク電圧を制御し、良好な溶接を実現した溶接制御
装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため本発明は、溶接トーチの前方に
例えば凹面圧電振動子による近接超音波センサーを設
け、溶接線と直行する方向に前記センサーを移動させ
て、超音波が送波されて開先に当って反射されて受波さ
れるまでの時間をカウントして距離を割出すことによ
り、開先の位置と形状を検知して溶接トーチの進路と溶
接条件とを決定し、トーチ駆動装置を制御して溶接線に
倣わせる一方、添加ワイヤ送給装置や電流および電圧制
御装置の駆動制御を行う。また、溶接トーチの後方等に
近接超音波センサーを設けたものでは、溶接ビードの形
状や溶込み深さを検出し、溶接欠陥の判定や溶接条件の
フィードバック制御を行う。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。
尚実施例にあっては非溶極式のＴＩＧ溶接を示すが、こ
れに限定されず溶極式のＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接にも適
用し得るものである。

第１図は本発明の一実施例に係る溶接制御装置の主要部
の配置を示す側面図であり、母材１が作業台２上に置か
れている。母材１は第１図の左右方向に沿って図示しな
い溶接線が設けられ、矢印方向に進行する。そして母材
１上方に臨む溶接トーチ３に対しては、前方からワイヤ
リール４にコイル状に巻かれた溶加ワイヤ５を溶加ワイ
ヤ送給装置６によってコンジェットチューブ７を通して
送給するようにしている。また、溶接トーチ３の前方と
後方には２個ずつ対をなす凹面圧電振動子からなる近接
超音波センサー８を配設している。これら超音波センサ
ー８はトーチ３からそれぞれ３〜１０cm離れ、また１．
１ＭＨｚでは母材から０．５〜１６cm離れた位置に設け
るとともに、前方センサー８と溶接トーチ３との距離が
後方センサー８と溶接トーチ３との距離よりも大きくな
るようにする。尚、超音波センサー８を前方及び後方に
２個ずつ配設したのは溶接線の９０゜屈曲などが左右に
ある場合にチューブやケーブル１６との干渉を避けるた
めであり、これ以外については前後各１個ずつ配設して
もよい。

そして、前後の各センサー８，８は支持アーム１１を介
してセンサー移動装置１０に取付けられ、このセンサー
移動装置１０は台車９に取付けたモータで９０゜以上の
旋回と上下方向及び旋回アームと直交（水平方向に直交
する２軸でもよい）方向に動かされる。

また、後方の超音波センサー８には前方に向って温度セ
ンサー１２が設けられ、溶接トーチ３は支持アーム１１
を介してトーチ移動装置１３は図示しないモータにより
上下方向及び紙面垂直方向に移動する。溶加ワイヤ５は
その先端がトーチ３が作るアーク内に臨むようにコンジ
ェットチューブ７を貫通し、このコンジェットチューブ
７は支持アーム１１を介して図示しないモータで駆動さ
れて上下方向に動くとともに、トーチ３の周囲を矢印の
進行方向から左右に９０゜ずつ円弧を描いて動く移動装
置１４に連結されている。また、トーチ３は制御装置１
５にパワーケーブル、シールドガスホース、冷却水ホー
スを含む接続ケーブル１６によって接続され、制御装置
１５と台車９とは制御ケーブル１７によって接続され、
制御装置１５と作業台２とはパワーケーブル１８で結ば
れ、制御装置１５と溶接用電源１９とは制御用ケーブル
１７とパワーケーブル１８で結ばれ、更に前記台車９は
サイドビーム２０に沿って走行する。

次に、本発明の一実施例である計測と制御に関する信号
の処理を第２図のブロック図に基づいて説明する。

本発明にあっては以下の信号をデータ収集ユニット２４
に入力する。前方と後方の近距離超音波センサー８か
らの信号、温度センサー１２からの信号、後述する
電流Ｉと電圧Ｖの制御装置より負荷側に設置された溶接
電流の電流センサー２１からの信号、アーク電圧の電
圧センサー２２からの信号、トーチ３の前後の移動装
置１０とトーチ移動装置１３の上下方向と水平方向（溶
接線に垂直な方向）の位置を測定する磁気格子方式など
のスケールからの信号、センサー移動装置１０の旋回
角の位置を例えばアブソリュートエンコーダによりデジ
タル的に検出する位置センサー２３からの信号、溶加
ワイヤ５の先端位置を調節するための移動装置１４の上
下方向の位置を検出する磁気格子方式のスケールからの
信号、トーチ３の周囲の旋回角（１８０゜以内）の位
置をアブソリュートエンコーダでデジタル的に検出する
位置センサー２３からの信号、ビーム２０の方向とこ
れに垂直方向の２台の交流サーボモータからなる台車走
行用モータ２５と１台の交流サーボモータからなる溶加
ワイヤ５の送給用モータ２６にそれぞれ直結されたブラ
シレスレゾルバ２７からの信号。

そして、このデータ収集ユニット２４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
ジタル・コンバータ回路、３ステート・バッファ回路、
クロック・カウント回路などからなり、デジタル化され
た信号が３ステート・バッファ回路を通して１６ビット
又は３２ビットのマイクロプロセッサとこの周辺回路か
らなる回路２８に伝えられる。また、マイクロプロセッ
サ回路２８とこれに接続されたメモリ２９（外部メモリ
も含む）とはデータの入力と出力の双方ができるように
なっており、マイクロプロセッサ回路２８から台車走行
用モータ２５と溶加ワイヤ送給用モータ２６に出される
指令値は、デジタル・アナログ・コンバータ３０によっ
てアナログ量に変換されてからモータドライブユニット
３１に伝えられ、このモータドライブユニット３１でモ
ータ２５，２６を駆動するのに必要なパワーに変換した
後、各モータ２５，２６に入力される。

更に、ビード外観の検知から溶接条件としての溶接電流
やアーク電圧を制御するためにパワーケーブルに接続さ
れた電流制御装置３２と電圧制御装置３３へマイクロプ
ロセッサ回路２８から指令値を出力する。また、データ
収集ユニット２４、マイクロプロセッサ回路２８、メモ
リ２９、デジタル・アナログ・コンバータ３０、ドライ
ブユニット３１、電流制御装置３２及び電圧制御装置３
３は制御装置１５内に納められている。

次に上記の如き構成からなる溶接制御装置の作用を述べ
る。

先ず第３図に示すように、溶接トーチ３の前方に設置し
た溶接線の倣い制御のための検出器である超音波センサ
ー８がセンサー移動装置１０の旋回動作で開先の幅が最
小になる位置を探し、溶接線と直交するように移動して
開先の始点３４から終点３５までの全範囲を主として水
平方向の運動により網羅する。ここで超音波センサー８
は凹面型の圧電セラミック振動子を使用しているので、
超音波ビームの集束ができるように送波するため、直径
０．５mm程度までの微小物体の検出ができる。また超音
波センサー８は振動子の正面側に大きい音響インピーダ
ンスと小さい音響インピーダンスを持つ２層の音響整合
層を設け、送波する周波数、例えば１．１ＭＨｚの挿入
損失を３５ｄＢと小さくし、０．８ＭＨｚでは４６ｄＢ
と大きくして、送波周波数を中心とする反射超音波信号
を選択的に効率よく受波する。一方、空気の超音波吸収
ビームの拡散による減衰などを考慮しても、１．１ＭＨ
ｚでは計測可能距離は約０．５〜１６cmであるので、開
先における母材１のルート部までの距離の測定に十分使
用できる。そして、距離の測定は、ｔ℃での空気中の音
速が３３１．７＋０．６ｔ（ｍ／ｓ）であるから、第５
図のメインプログラムＭに呼出されたサブプログラムＳ
１により、送波してから反射波を受波するまでの時間
（計測可能範囲は１ｍＳ以内となる）のクロックパルス
をデータ収集ユニット２４のカウント回路で数えたパル
ス数の半分にパルス間隔時間と音速を掛けて行う。ここ
で、パルスＴＩＧ溶接などで使う高周波パルスの周波数
は５０ＫＭｚ付近であるから、溶接アークが発生する騒
音の影響を受けにくい。

また、開先中央近辺の深さを正確に知りたい場合には、
超音波ビームの焦点距離で反射する場合の受波時間を計
測しておき、この時間に相当する上下方向位置まで超音
波センサー８をセンサー移動装置１０で上下移動させ
て、マイクロプロセッサ回路２８にてプログラムＳ１に
より位置センサー２３で検知した移動量とデータ収集ユ
ニット２４でカウントしたパルス数から得た距離を加え
れば求められる。

一方、開先の始点３４及び終点３５或はこれらの中央な
どにおける超音波センサー８に対する水平方向の位置は
センサー移動装置１０に接続された位置センサー２３に
より距離と方向のデジタル量として得られるからデータ
収集ユニット２４でサンプリングしてマイクロプロセッ
サ回路２８へ送られ、サブプログラムＳ２で開先の水平
方向のｘ，ｙ座標値とされ、この値と共に開先部（始点
３４と終点３５の間）にて母材１までの上下方向の距離
が上下方向の位置座標ｚの基準点３６を基準にした数値
に変換されたメモリ２９にストアされる。ここで基準点
３６は後方の超音波センサー８及び溶接トーチ３と共に
溶接作業の出発位置における母材１の表側平面を選んで
いる。

また、溶接作業の進行につれ、メモリ２９から読出され
たサブプログラムＳ３により溶接トーチ３が接近すべき
場所の水平及び上下方向の座標値が順次設定されて、サ
ブプログラムＳ６，Ｓ１０によりマイクロプロセッサ回
路２８で溶接トーチ３を溶接に最適な位置に導く指令値
に変換されて、デジタル・アナログ・コンバータ３０を
通じて台車走行用モータ２５へ、同時にマイクロプロセ
ッサ回路２８からトーチ移動装置１３へも指令値が伝え
られ、２台のモータ２５がビーム２０に沿った方向及び
これと垂直な方向に駆動し、トーチ移動装置１３のモー
タが上下方向及び紙面垂直方向に駆動し、更に溶接トー
チ３の進行方向が変化する時には、移動装置１４にもマ
イクロプロセッサ回路２８から指令値が出されて、溶加
ワイヤ５がトーチ３の進行方向の前方に来るように移動
装置１４のモータが駆動し、溶接トーチ３が所定の位置
へ移動する。

また、超音波センサー８における超音波の反射位置が第
３図の母材１の水平な表側平面を移動して、開先始点３
４に達すると、母材１の水平面からの反射波３８が半減
し、斜面からの反射波３９が増加して、反射波３８の受
波信号レベルが半分となり、反射波３９によって受信期
間が長くなる。そして、反射位置が開先の斜面に完全に
移ると、受波信号レベルが反射波３９のレベルになり、
受信期間が長くなり、送波してから受波するまでの時間
が長くなることから開先始点３４の位置を正確に知るこ
とができる。つまり、超音波センサー８からデータ収集
ユニット２４に受波信号が伝えられると、マルチプレク
サ回路によるチャンネル切替で、ユニット２４に取込ん
でサンプル・アンド・ホールド回路によってサンプリン
グ後ホールドされる。そしてホールド期間中にアナログ
・デジタル変換がなされ、デジタル量になってから３ス
テートバッファを通してマイクロプロセッサ回路２８に
渡され、回路２８で受波信レベルとして取扱う。

また、受信期間の測定はサブプログラムＳ１により、前
述の距離測定のためクロックパルスをカウントして受波
時間を測定する方法が使用され、データ収集ユニット２
４のカウンタ回路で行われる。

また開先のルート部と斜面の境界３７に超音波の反射位
置がある場合には、斜面からの反射波３９が届いてから
しばらくたって作業台２からの反射波４０が届き、反射
波３９の受波信号レベルは半減し、受信期間は斜面の反
射波３９よりも作業台２の反射波４０の方が短くなるか
ら、ルート部に超音波センサー８が位置していることが
分る。

以上の機能を超音波センサー８が持つからサブプログラ
ムＳ４により多層盛溶接ではかなり自然冷却された状態
における前回溶接部分のビード外観を単純な形状認識処
理して観察できるため、出来栄えの良否をチェックし、
トーチ３のねらい位置を正確に定めたり、有効なウイー
ビングを行えるようにして更に良い溶接結果を得るよう
に役立てられるばかりでなく、たとえ高温の状態から低
温の状態に移行する過程で発生する高温割れなどの発見
した溶接欠陥の中で、除去が必要な割れなど、本制御装
置では対処できないマイクロプロセッサ回路２８に組込
まれたサブプログラムＳ４が判断した場合には、入出力
ユニット４１へ伝達し、ユニット４１の音声合成装置か
ら発する欠陥内容のアナウンスにより、付近の監視者が
欠陥発生を早期に知り、適切な対策を取ることができ
る。

また、多層盛では、溶接時の熱が少しずつ蓄積されるの
で、後方の超音波センサー８の如く温度センサー１２を
取付けて、母材１の近くから前方の超音波センサー８ま
での複数点の温度計測値で補正された音速により、サブ
プログラムＳ１で距離の演算を行ってもよい。

一方、溶接トーチ３の後方の近接超音波センサー８は、
前方の超音波センサー８と同様に、反射波を受波するま
での受波時間と受信期間をデータ収集ユニット２４のカ
ウンタ回路で計測するが、大量の入熱のある溶接直後の
位置で計測しているから、後方の超音波センサー８の近
傍に取付けられた温度センサー１２によって、母材１の
すぐ上から超音波センサー８までの複数の位置の温度計
測が行われて、デジタル信号に変換された後、回路２８
に伝達され、サブプログラムＳ１によりこれらの温度で
補正された音速によって反射位置までの距離の演算が行
われる。従って、焦点距離にある絞ったビームがビード
表面に連結されるように当てられると、例えば直径０．
５mm毎の位置情報のつながりが得られるので、これから
ビード断面の外側形状を知ることができる。通常焦点が
作る円周が外接するような間隔で調べるが、止端部付近
などを特に精度良く調べるには、前の焦点が作った円弧
の中心に次の焦点が作る円周が来るように重ねて行く。
サブプログラムＳ４により溶接直後の一断面のビード外
観情報から第４図のように左右の止端部の座標（ｘ_ｌ，
ｙ_ｌ，ｚ_ｌ）（ｘ_ｒ，ｙ_ｒ，ｚ_ｒ）と余盛がビード側に
延長した母材１の表側平面となす左右の接線角度θ_ｌ，
θ_ｒ及びビード中央部の余盛ｈを抽出し、メモリ２９に
ストアする。これよりアンダカットやオーバラップ、余
盛過大、余盛不足、溶落ち、分離ビードなどが発見でき
る。更にメモリ２９にストアされた複数の隣接断面の情
報を読出して現在位置の断面情報と溶接線の方向に接続
してビード幅全体について調査すれば、融合不良、ハン
ピングビードや割れなどの欠陥を発見できる。

溶接欠陥の除去と再溶接が必要とマイクロプロセッサ回
路２８のサブプログラムＳ４で判断された場合には入出
力ユニット４１へ伝達され、ユニット４１の音声合成装
置から発する欠陥内容のアナウンスにより、付近の監視
者へ連絡すると同時に溶接作業を停止し、再溶接の準備
が終るまで待機する。しかし、正常な場合や、作業中止
再溶接の必要がないとマイクロプロセッサ回路２８のプ
ログラムＳ４で判断した場合には、アーク電圧Ｖ、溶接
電流Ｉ、溶接速度ｖ、溶加ワイヤ送給速度Ｗなどの溶接
条件が制御されて正常なビードが形成され溶接欠陥のな
い作業が行われる。

すなわち、この中で、溶加ワイヤ送給装置６はオープン
ループ回路で構成されて、アーク始動時から溶接終了間
際のクレータ処理に移るまで溶接姿勢などを通常電流Ｉ
などの入熱条件とワイヤサイズできめたワイヤ送給速度
Ｗ＝３ｍ／min以下のほぼ一定速度で送給して、クレー
タ処理に移ると電流制御装置３２によるクレータフィラ
電流調整が行われてから溶加ワイヤ５を幾分多めに送給
してから送給停止するというシーケンス制御がマイクロ
プロセッサ回路２８のサブプログラムＳ５で行われる。

溶接トーチ３の下端から突出した電極４２の先端から母
材１の表面までの間には溶接アークが形成され、この距
離、すなわち、アーク長Ｌは、電極４２と溶接池との短
絡がなく、かつ充分な溶込みが得られるような最適の長
さがマイクロプロセッサ回路２８のサブプログラムＳ６
により選定されて、電極４２の直径やシールドガスの種
類なども考慮しアーク長Ｌに対する基準アーク電圧Ｖ_ｓ
が電圧制御装置３３よりも負荷側に設けられたパワーケ
ーブルの電圧センサー２２の位置にて設定される。

そこで、溶接電源１９を電圧Ｖと電流Ｉが垂下特性をも
つように構成して、マイクロプロセッサ回路２８とトー
チ移動装置１３、電圧制御装置３３と電圧センサー２
２、データ収集ユニット２４、トーチ移動装置１３の位
置センサー２３によって閉ループ系を形成させ、時刻ｔ
における入力変数をアーク電圧Ｖ（ｔ）、出力変数をア
ーク長Ｌ（ｔ）、状態変数をトーチ移動装置１３の上下
方向に駆動する図示されないモータのエネルギに関する
諸元などを選び、これを状態ベクトルｘ_ａ（ｔ）、Ａ_ａ
をアーク長Ｌのシステム行列、Ｂ_ａを制御行列、Ｃ_ａ ^Ｔ
を出力行列として、対｛Ａ_ａ，Ｂ_ａ｝を可制御に構成で
きる。ここに、フィードバックゲインをｆ_ａ、スカラの
定数をｇ_ａとすると、Ｖ（ｔ）＝ｆ_ａ ^Ｔｘ_ａ（ｔ）＋ｇ
_ａＶ_ｓ（ｔ）という制御則により状態フィードバックを
施した連続系から安定性を考慮した離散値系に変換して
マイクロプロセッサ回路２８をサンプリング周期Ｔ_ａで
動作させると希望する極配置をしたデジタル制御系が構
成できるから、入力が未飽和の範囲で有限時間整定応答
制御を行わせることができる。また、サブプログラムＳ
１１でサブプログラムＳ６を置換して予想される条件の
範囲でアーク長Ｌの誤差を評価関数Ｊａに組込んでＪａ
を最小にするようなサンプリング周期Ｔ_ａをもつ最適レ
ギュレータを構成できる。

次に、溶接電流Ｉは板厚や母材の種類、開先形状と寸法
などの溶接条件に最も適した値がマイクロプロセッサ回
路２８のサブプログラムＳ６により選定され、多少の影
響をアーク電圧Ｖに与える。同様に予知されている溶接
電流Ｉに対する正常ビード形成範囲にあって希望する溶
込み深さの得られる溶接速度ｖが選定される。

時刻ｔにおけるアーク電圧をＶ（ｔ）、溶接電流をＩ
（ｔ）、溶接速度をｖ（ｔ）、入熱条件をＮ（ｔ）、比
例定数をＣ_ＮとすればＮ（ｔ）＝Ｃ_ＮＶ（ｔ）Ｉ（ｔ）
ｖ（ｔ）の関係があり、Ｉ（ｔ）は電流制御装置３２よ
りも負荷側のパワーケーブル位置で電流センサー２１に
より測定された値である。ここで溶接速度ｖ（ｔ）は２
つの台車走行用モータ２５につけられたブラシレスレゾ
ルバ２７のアナログ信号をユニット２４でデジタル化し
てカウント後マイクロプロセッサ回路２８へ送ると共
に、トーチ移動装置１３の位置センサー２３からのデジ
タル信号をデータ収集ユニット２４でカウントして伝え
られたマイクロプロセッサ回路２８にてサブプログラム
Ｓ８により毎秒当りの移動距離として計算すれば得られ
る。

この他に、入熱条件Ｎ（ｔ）から理論値を実験値で補正
した推定サブプログラムＳ９により溶込み深さＤ
（ｔ）、溶込み断面積Ａ（ｔ）を推定し、可否をチェッ
ク後、否の場合はＩ（ｔ）かｖ（ｔ）または双方を修正
する。そこで、マイクロプロセッサ回路２８と、２台の
モータ２５とブラシレスレゾルバ２７、トーチ移動装置
１３とその位置センサー２３、電流と電圧の制御装置３
２と３３、電流センサー２１と電圧センサー２２、コン
バータ３０とモータドライブユニット３１、近接超音波
センサー８、データ収集ユニット２４で閉ループシステ
ムを構成させる。

サンプリング周期ＴをＴ＞Ｔ_ａに選び、Ｉ（ｔ）Ｖ
（ｔ）、ｖ（ｔ）を入力変数とし、ビード幅Ｂ（ｔ）、
余盛ｈ（ｔ）、接線角度θ（ｔ）の３つを出力変数と
し、台車走行用モータ２５とトーチ移動装置１３の水平
・上下方向の駆動する図示されないモータのエネルギに
関する諸元、並びに装置３２と３３による入熱と熱伝導
に関する諸元などを状態変数ベクトルｘ（ｔ）、Ｃ^Ｔ＝
［Ｃ_０Ｃ_１…Ｃ_ｎ−１］を出力行列、Ａをシステム行
列、ｂを制御行列、トーチ２の位置と後側超音波センサ
ー８の間の距離に相当する計測のむだ時間ｔをもち、サ
ンプリング周期で動作し、可制御のため状態フィードバ
ックにより希望する極配置をしてη_ｉ＝min｛ｊ｜Ｃ_ｉ
Ａ^ｊ−１ｂ≠０｝により｜［Ｃ_ｉＡ^ηｉ^−１ｂ］｜≠０
という条件から非干渉化をしたデジタル制御系を構成し
てマイクロプロセッサ回路２８のサブプログラムＳ１０
により制御させる。そのため、入力が未飽和の範囲内で
のＩ（ｔ）、Ｖ（ｔ）及びｖ（ｔ）による有限時間整定
応答が行われ、ビード幅Ｂ（ｔ）は前記座標値（ｘ_ｌ、
ｙ_ｌ、ｚ_ｌ）と（ｘ_ｒ、ｙ_ｒ、ｚ_ｒ）から、接線角度θ
（ｔ）は前記θ_ｌとθ_ｒから得られる。

また、入力変数をＩ（ｔ）、ｖ（ｔ）、Ｖ（ｔ）とし、
出力変数をＢ（ｔ）、ｈ（ｔ）、θ（ｔ）、Ｌ（ｔ）、
溶込み深さＤ（ｔ）、溶込み断面積Ａ_ｒ（ｔ）とし、直
接測定できるＬ（ｔ）を除くすべての出力を状態変数ベ
クトルｘ_ｓ（ｔ）へ含めて、可制御でかつ可観測なシス
テムとして、入力と測定出力Ｌ（ｔ）とからＢ（ｔ）、
ｈ（ｔ）、θ（ｔ）、Ｄ（ｔ）、Ａ（ｔ）などのそのま
ま又はむだ時間なしには直接測定できない状態変数を再
現するオブザーバ及び直接測定できる状態変数とオブザ
ーバを利用した状態推定ベクトル（ｔ）のフィードバックによりかつ非干渉化をはかった
入力の未飽和範囲内での有限時間整定応答をサンプリン
グ周期Ｔのデジタル制御系となるように、サブプログラ
ムＳ１２をマイクロプロセッサ回路２８に組込んで、サ
ブプログラムＳ７とＳ１０を置換して制御でき、後方の
超音波センサー８を除去しても可能である。勿論、後方
センサー８を取付けていれば計測時点ｋＴで状態推定値の修正もできる。

以上に説明した実施例によれば、アーク発生部からそれ
程へだてていない場所の溶接前後の開先とビード外観の
様子を１ＭＨｚ前後の超音波センサーで調査するから、
アークの妨害を排除することができる。また、超音波の
焦点を絞るから、溶接前の開先の位置とその周辺及び開
先内の状況を正確につかんだ上で溶接トーチ３を誘導で
きるため、熱ひずみなどによる溶接線の変位を適確に把
握した上での溶接ができる。また多層盛では前回パス時
の出来具合とその後発生した溶接欠陥を検出して不良の
程度を判断して改善するように処置することができる。

次に、溶接直後のビード外観Ｂ、ｈ、θを調査するか
ら、多層盛では前回パスとの関係を明らかにした上での
結果を把握し、次回のパスに活用することができる。ま
た、１パスの場合を含めて、ビード外観の少しの変化が
生じても最短時間で対処できる。また、アーク長Ｌを一
定に保つのにも、僅かの変化に対して最短時間で修正さ
せるか、またはＬの時間的変化量などの２乗を最小に出
来る。更に、ビード外観ばかりでなく、溶込み深さＤと
断面積Ａをオンラインで推定して変化して最短時間で対
処することもできる。したがって良好な溶接結果を比較
的安価な溶接制御装置で得られる。更に同じハード構成
のまま、状況に応じて前述以外の方法例えば適応制御な
ども含めて複数の制御方法のプログラムを用意すればそ
の中で最適のプログラムを選択して使える。

尚、第１図の実施例ではサイドビーム２０の例を示した
が、図示しないレール上を走行する台車を使用しても全
く同様の作用効果が得られ、配管溶接機にも全く同様に
適用できる。また、第２図では１個のマイクロプロセッ
サ回路２８を１６ビット以上と説明したが、複数個の８
ビットマイクロプロセッサ回路で構成しても同様の効果
が得られる。更に、第１図では同じ焦点をもつ近接超音
波センサー８を前後でそれぞれ１ないし２個としたが、
３個以上にして開先周辺の調査をスピードアップするこ
ともできる。

第６図は他の一実施例の正面から見た部分図である。こ
の実施例では第１図の溶接制御装置の台車９の側面に内
部調査用センサーの水平方向移動装置４３を設けて、こ
こから支持アーム１１を伸ばしその先端に内部調査用セ
ンサーの上下方向移動装置４４を取りつけ、前記支持ア
ーム１１を紙面に向って前後及び左右に移動させる。内
部調査用センサーの上下方向移動装置４４から下向きに
支持アーム１１を伸ばし母材１と接触する位置に内部調
査用超音波センサーユニット４５を取付ける。焦点距離
が第１図の実施例の超音波センサー８よりもやや大き
く、空気の代りに母材１の金属による音響インピーダン
スで設計された１個又はそれ以上の使用周波数１〜１０
ＭＨｚの近接超音波センサー４６及びセンサー４６と母
材１の間にあってセンサー４６に向っては円弧からなる
曲面を持ち母材１に向っては平面を盛って超音波の伝達
を助ける素子４７とセンサー４６、母材１との間の接触
面に揮発性の液体を供給して伝達効率を向上させる図示
されない液体供給装置、母材１の表面に接触して計測す
る温度センサー１２、第７図に示すモータドライブユニ
ット３１と接続され、かつ伝達素子４７の曲面上でセン
サー４６を移動させるモータ４８と、これに用途が限定
される場合センサー４６を素子４７上に固定し、モータ
４８とエンコーダ４９は不用となる。これに機械的に直
結されたアゾソリュートエンコーダ４９とからなる。こ
のエンコーダ４９と温度センサー１２、近接超音波セン
サー４６はデータ収集ユニット２４に接続される。

第７図は第２図のメインシステムに追加するものと位置
を示すようにした制御に関する信号処理のブロック図で
ある。水平方向移動装置４３は互いに直交する水平方向
移動用の２台のモータ５０と２台の磁気格子方式スケー
ル５１とからなり、ドライブユニット３１とモータ５
０、モータ５０とスケール５１、スケール５１とデータ
収集ユニット２４が夫々接続される。上下方向移動装置
４４は１台のモータ５２と１台の磁気格子方式スケール
５１とからなり、ドライブユニット３１とモータ５０、
スケール５１、収集ユニット２４の間が接続されてい
る。

超音波センサー４６の焦点距離は一定であるから、母材
１の底面で反射した超音波が溶接作業中の溶融池５３の
底面で、焦点を結び、ここで反射して戻るように受波時
間から距離を求めて移動装置４３と４４による位置の調
整とモータ４８による超音波センサー４６の角度の調整
をマイクロプロセッサ回路２８にメインプログラムＭに
よって呼出されたサブプログラムＳ１３によって行われ
る。溶融池５３との境界面に焦点が結ばれていない場合
には前記受波時間の他に反射点の各位置で距離が少しず
つずれるから、受波信号レベルが低く、かつ受信時間が
長いので、受波信号レベルが最も高くなり、受信期間が
最も短い位置をサブプログラムＳ１３によって探しても
よい。

境界面で焦点を結ばせるようにセンサーユニット４５の
位置が定められ、更にセンサーの水平方向移動装置４３
のスケール５１及びセンサーの上下方向移動装置４４の
スケール５１によりセンサーユニット４５の座標が求め
られ、これとセンサー４６の角度及び温度センサー１２
による母材１中の音速の温度補正から超音波を反射して
いる境界面の座標値が得られ、境界面の座標の中でｚ座
標値が最小の場合を探せば溶融池５３の底面の座標（ｘ
ｍ、ｙｍ、ｚｍ）と溶込み深さＤが得られる。従って、
第５図のサブプログラムＳ１０を動作させるのに関係し
た第２図の素子に第７図の素子を加えて閉ループシステ
ムをハード的に構成し、Ｉ（ｔ）、Ｖ（ｔ）、ｖ（ｔ）
を入力変数とし、Ｂ（ｔ）、ｈ（ｔ）、θ（ｔ）、溶込
み深さＤ（ｔ）の４つの出力変数、移動に寄与するモー
タのエネルギーに関する諸元や入熱と熱伝導に関する諸
元などを状態変数ベクトルｘ_ａ（ｔ）とし、Ｂ（ｔ）、
ｈ（ｔ）、θ（ｔ）はむだ時間Ｔをもつ、非干渉化をは
かった上で可制御にできるから入力の未飽和範囲内で有
限時間整定応答をするような極配置をした状態フィード
バックを設け、Ｔ＞Ｔ_ａなるサンプリング周期Ｔにより
離散値化したデジタル制御系をソフト的に構成し、第５
図のサブプログラムＳ９とＳ１０に代ってサブプログラ
ムＳ１４によって制御する。

第６、７及び８図による実施例では溶接場所の溶融池５
３の底面から溶込み深さＤを作業中に直接測定してビー
ド形勢直後の外観情報と共に状態フィードバック制御に
利用しているので、即時に溶接の品質が低下しようとす
るのを防止できるため、非常に良い溶接結果を比較的安
価な溶接制御装置で得られる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように本発明によれば、溶接ト
ーチの走行ラインの前方に設けた非接触式の開先状態検
出手段により、被溶接材の開先の位置および形状を検出
して溶接トーチの進路と溶接条件とを決定し、トーチ駆
動装置を制御して溶接線に倣わせる一方、溶加ワイヤ送
給装置や電流および電圧制御装置の駆動制御を行うよう
にしたため、比較的安価な装置で正確な溶接を実施する
ことができる。また、溶接トーチの後方等にビード形状
検出手段を設けたものでは、溶接ビードの形状や溶込み
深さを検出して溶接欠陥の判定や溶接条件のフィードバ
ック制御が行え、たとえ欠陥発生の徴候が現れても最短
時間で対処できるので、良好な溶接結果が得られる。し
かも、開先状態検出手段やビード形状検出手段として超
音波センサーを用いたものでは、光による視覚センサー
のように、アーク光の影響排除や、画像情報などのよう
に大量のデータ処理を必要としない点で安価に溶接制御
装置を製作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る溶接制御装置の側面
図、第２図は同装置における計測と制御関係の信号処理
のブロック図、第３図は同装置における超音波の反射と
受波動作に関する作用説明図、第４図は溶接金属部分の
断面図、第５図は同装置で使用されるソフトウエアのブ
ロック図、第６図は本発明の他の実施例に係る溶接制御
装置の溶込み深さ計測サブシステムの正面図、第７図は
前記溶込み深さ計測サブシステムの計測と制御に関係す
る信号処理のブロック図、第８図は前記溶込み深さ計測
サブシステムに関係するソフトウエアのブロック図であ
る。１……母材、３……溶接トーチ、５……溶加ワイヤ、６
……溶加ワイヤ送給装置、７……コンジェットチュー
ブ、８，４６……近接音波センサー、９……台車、１
０，４３，４４……超音波センサー移動装置、１１……
支持アーム、１２……温度センサー、１３……トーチ移
動装置、１４……コンジェットチューブ移動装置、１５
……制御装置、１６，１７，１８……ケーブル類、１９
……溶接用電源、２０……サイドビーム、２１……電流
センサー、２２……電圧センサー、２３……位置センサ
ー、２４……データ収集ユニット、２５……台車走行用
モータ、２６……溶加ワイヤ送給用モータ、２７……ブ
ラシレスレゾルバ、２８……マイクロプロセッサ回路、
２９……メモリ、３０……デジタル・アナログ・コンバ
ータ、３１……モータドライブユニット、３２……電流
制御装置、３３……電圧制御装置、３４，３５……開先
始点、終点、３６……出発位置上下方向基準点、３８，
３９，４０……超音波の反射波、４１……入出力ユニッ
ト、４２……電極、４５……内部調査用超音波センサー
ユニット、４７……超音波伝達素子、４８……超音波セ
ンサー曲面移動用モータ、４９……アブソリュートエン
コーダ、５０，５２……移動装置用モータ類、５１……
磁気格子方式スケール、５３……溶融池。Ａ_ｒ……溶込み断面積、Ｂ……ビード幅、Ｄ……溶込み
深さ、ｈ……余盛、ｘ_ｒ，ｘ_ｌ，ｘ_ｍ，ｙ_ｒ，ｙ_ｌ，ｙ
_ｍ，ｚ_ｒ，ｚ_ｌ，ｚ_ｍ……座標値、Ｍ……メインプログ
ラム、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７，Ｓ
８，Ｓ９，Ｓ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１４…
…サブプログラム。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶接トーチの走行ラインの前方に配置さ
れ、被溶接材の開先の位置および形状を非接触検出する
超音波センサーからなる開先状態検出手段と、前記溶接トーチを前記被溶接材に対して相対移動させる
トーチ駆動手段と、前記溶接トーチが発生するアーク内に溶加ワイヤを送給
する溶加ワイヤ送給手段と、溶接電流を制御する電流制御手段と、アーク電圧を制御する電圧制御手段と、前記開先状態検出手段により検出された開先位置情報に
基づき、前記溶接トーチの進路を決定してトーチ駆動手
段を制御するトーチ走行制御手段と、前記開先状態検出手段により検出された開先形状情報に
基づき、溶接条件を決定する溶接条件決定手段と、前記溶接条件決定手段により決定された溶接条件に基づ
き、前記溶加ワイヤの送給速度を決定し、前記溶加ワイ
ヤ送給手段を駆動制御するワイヤ送給制御手段と、前記溶接条件決定手段により決定された溶接条件に基づ
き、所定の制御則により前記電流制御手段と前記電圧制
御手段とを駆動制御するアーク制御手段とを備えたことを特徴とする溶接制御装置。
【請求項２】溶接トーチの走行ラインの後方に配置さ
れ、形成された溶接ビードの形状を非接触検出する超音
波センサーからなるビード形状検出手段と、前記ビード形状検出手段の検出結果に基づき、溶接欠陥
の有無を判定する溶接欠陥判定手段とを備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
溶接制御装置。
【請求項３】前記ビード形状検出手段の検出結果に基づ
き、所定の制御則により前記ワイヤ送給制御手段と前記
アーク制御手段とをフィードバック制御する溶接条件補
正手段を備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の溶接制御装置。
【請求項４】溶接トーチの近傍に配置され、前記被溶接
材の溶込み深さを非接触検出する超音波センサーからな
る溶込み深さ検出手段と、前記溶込み深さ検出手段の検出結果に基づき、所定の制
御則により前記ワイヤ送給制御手段と前記アーク制御手
段とをフィードバック制御する溶接条件補正手段とを備えたことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
溶接制御装置。