JPH0659544B2 - 溶接開先隙間に対する適応制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アーク溶接、特に重ね継手溶接において、溶
接アーク光を直視し、そのパターンを認識することによ
り溶接開先隙間を検出し、開先隙間に対する適応制御を
行う方法に関する。

〔従来の技術〕

アーク溶接では、溶融池、通電チップ、ワイヤー、溶接
開先等を含む溶接部分を工業用テレビカメラ（ＩＴＶ）
で撮像し、これによって得た画像を解析することによ
り、溶接位置、溶接条件等を制御する方法が古くから知
られている。

ところが、アーク光は、例えば溶融池等の周囲の明るさ
に比べて強烈であり、しかも赤外線及び紫外線を多量に
含んでいるため、溶接部分を検出することには困難な問
題が多い。

そこで、従来は、次のような解決策を講じていた。

すなわち、その一つは、撮像装置又は光学フィルタに工
夫を加える方法である。例えば、特開昭51-72938号公報
では、赤外線、熱線、色、光量を制限する各フィルタを
設けるとともに、テレビカメラにシリコンビジコン撮像
管を使用して、溶接部からの輻射線を可視光領域及び近
赤外線領域でのみ通過させるようにしている。また、特
開昭59−212172号公報に記載の方法では、赤外線のみを
通すフィルタを介して赤外線テレビカメラで撮像してい
る。特開昭58−159980号公報の方法では、撮像装置とし
てＣＣＤ(固体イメージセンサ)を用いることにより、フ
ィルタを不要にしている。

アーク光による影響を解決する他の方法は、工業用テレ
ビカメラに高速シャッタを設ける方法である。例えば、
特開昭58−7776号公報の方法では、アークの短絡時にア
ークが消滅する機会を捉えて、短絡時のみシャッタを開
けるようにしている。また、特開昭59−202178号公報の
方法では、パルス溶接において、ベース電流時期のアー
ク光が減衰したときだけシャッタを開けるようにしてい
る。

更に、溶接部をアーク光と区別して撮像する方法として
は、撮像のための光源を設ける方法がある。例えば、特
開昭55-42185号公報の方法では、アーク光等の外乱光の
スペクトル分布と異なる光源を設け、外乱光の光量が前
記光源の光量に比較して小さくなる波長帯を検出波長と
している。また、特開昭59−191574号公報の方法では、
溶接トーチの走行方向前方に光を投射して、溶接開先の
像を陰影で区画した輪郭で表すための光源を設けてい
る。

以上に述べた各種の従来例において共通していること
は、撮像したい目的物は溶融池等の溶接部分であり、ア
ーク光はそれを邪魔する外乱光であるので、撮像したい
映像とアーク光との分離、除去を行おうとするものであ
ると言える。

しかしながら、アーク光の強度は強烈であり、しかもそ
の波長分布もほぼ全域にわたるものであるから、完全な
除去は困難で、装置も複雑且つ高価とならざるを得な
い。

一方、狭開先溶接の場合には、アーク光自体を監視する
例もある。例えば、特開昭55-45554号公報の方法では、
アーク光の輝度分布を求め、溶接心線の開先内での回転
中心を求めている。また、特開昭58−187268号公報の方
法では、トーチ先端に光検出器を設け、この検出器出力
を比較することより、トーチを移動制御している。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上に述べた溶接位置を検出する従来の方法に対し、溶
接開先隙間を検出する方法には、レーザー光を用いて、
ワークの段差の変化を検出する方法があるが、溶接中に
ＩＴＶで撮像して得た画像からワークの段差の高さ方向
の変化を検出しているものはない。また、隙間を直接撮
像して隙間を検出する方法も、アーク光は周囲の明るさ
に比べて余りにも強烈であるため、多くの問題点があ
る。

次に、検出した隙間に対して隙間を埋める方法がある
が、電流，電圧，速度等の溶接条件の変更だけでは、ワ
ークの溶け落ちの問題があるため、溶接条件の設定が難
しく、また条件の変更だけでは隙間の許容量も小さい。
その他、ウィービング可能な自動溶接装置によりウィー
ビングを行い、隙間を埋める方法もあるが、ウィービン
グ振幅が一定であるため、溶接中の熱歪等による隙間量
のリアルタイムの変化には対応することができない。

本発明は、以上の諸問題を解決し、特殊な装置を付加せ
ずに溶接開先隙間を検出し、開先隙間に対する適応制御
を行うことを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明は、アーク溶接の溶接
開先隙間を検出して隙間に対する適応制御溶接をする方
法において、溶接部分の上方からアーク光の形状を撮像
し、開先隙間によりアーク光が特異な形状を呈した個所
を解析することにより開先隙間を検出し、開先隙間に応
じて溶接速度，ワイヤーのネライ位置の修正を行い、隙
間の変動に対しては、上板側のアーク光の形状を解析
し、上板側のアーク光幅が予め設定された幅より小さけ
れば上方へ、大きければ下方へ、ワイヤーのネライ位置
を修正することを特徴とする。

また、上板側のアーク光の形状を解析することによりワ
イヤーのネライ位置を修正した後、下板側のアーク光幅
が所定の幅より大きい状態が継続したことにより開先隙
間終了を検知することが可能である。

〔作用〕

本発明においては、溶接継手部分のほぼ上方にテレビカ
メラを設置して溶接状況を撮像すると、強烈なアーク光
のため、テレビ画像では、そのアーク光の輪郭しか識別
できないが、そのアーク光の輪郭は溶接開先状態を強く
反映しているということが実験により確められた。特
に、溶接開先に隙間が存在するとアーク光撮像形状の輪
郭の一部に特徴ある形状を呈することが判明した。本発
明では、この現象を利用して、溶接開先隙間の検出を行
うものである。

そして、溶接開先隙間を埋めるのに必要な熱量を与える
ために、溶接速度を設定された割合分だけ下降させ、下
板側の溶け落ちの防止、及び上板側と下板側の分離を防
止するため、ワイヤーのネライ位置を上板側に修正する
ことにより、溶接開先隙間に対して適切な溶接を行うも
のである。

また、アーク光の形状を解析し、溶接開先隙間終了を検
出することにより、通常の溶接に戻す制御を行うことも
可能にしている。

〔実施例〕

以下、図面に示す重ね継手溶接の実施例に基づいて本発
明を具体的に説明する。

まず、第２図及び第３図を参照して本発明による隙間検
出方法の原理について説明する。

第２図(a)のように下板１と上板２との間に隙間のない
場合は、同図(b)に示すようにアーク光はその半分の幅
程度、上板２の上に出る。これに対し、第３図(a)のよ
うに下板１と上板２との間に隙間ｇがあると、同図(b)
に示すようにアーク光は上板２に余り出ることができな
い。そこで、ワーク上部のテレビカメラ３によりアーク
光を観察すると、上板２側のアーク光の大きさによりワ
ークの隙間ｇを検出することができる。図中４は溶接ト
ーチ、５はワイヤー、Ａはアークである。

本発明では、アーク光の幅測定による隙間検出と、隙間
を適切に埋めるための溶接速度，ワイヤーのネライ位置
の修正による隙間適応溶接と、アーク光解析による隙間
終了検出を行うという三つの大きな特徴を有している。

第１図に本発明の全体のフローを示す。まず、教示動作
の前にパラメータ測定のためのテスト動作を行う。第２
図のように隙間の存在しないズレのないワークで溶接を
行い、アーク光の幅に関するデータを測定する。アーク
光の幅はほぼ正規分布でばらつくため、アーク光幅の平
均値Ｌ_a(＝x₂−x₁)と標準偏差σ_a,上板２側のアーク光
と溶接線の距離の平均値Lu(＝x_t−x₁)，下板１側のアー
ク光と溶接線の距離の平均値Lb(＝x₂−x_t)をそれぞれ測
定する。

次に、教示動作を行い、隙間検出を行う。隙間を検出す
ると、ワイヤーのネライ位置を上板側にアップし、速度
を遅くして、上板側のアーク幅によりアップ・ダウン修
正を行う。この動作を隙間が終了するか、教示動作が終
了まで断続する。

次に、隙間検出ルーチンの実例を示す。隙間検出ルーチ
ンは、開先に隙間が存在することによりアーク光幅が小
さくなるのを利用するものである。まず始めに、第４図
に示すようにワイヤーのやや上部にアーク光幅検出線A1
−A2を設定する。ここで、上板側の検出点をx₁，下板側
の検出点をx₂，溶接線上の点をx_tとする。

次に、第５図に示す隙間検出ルーチンに従ってアーク光
幅が小さくなったことを判断部5-1で検出する。アーク
光幅は隙間が存在しなくても、溶接条件によりある分散
をもって変化する。そこで、隙間によるアーク光幅の減
少を検出するため、パラメータ測定時に得た準備偏差２
σ_ａと連続回数Ｍを利用している。

アーク光幅の判断部5-1は、検出が必要な隙間の大きさ
が小さい場合、アーク光幅の減少が小さいため、ｌ≦La
−σ_ａ又はｌ≦Laを採用する場合もある。しかし、この
場合、誤検出の確率が高まるため、判断部5-2のＭの回
数を増加しなければならない。

Ｍの回数の設定方法を以下に示す。

アーク光の幅は正規分布的にバラつくため、正規分布の
バラツキ確率を利用すると、平均値より１σ以上小さく
なる確率は0.16、２σ以上小さくなる確率は0.025 とな
る。よって、これがＭ回連続する確率は第１表のように
なる。

次に、上記確率を用いて誤検出確率、すなわち隙間では
ないのに隙間であると判断する確率を求める。

例として、溶接長 200mm、速度1000/min、検出の周波数
14Hzと仮定した場合、修正回数は 165回となり、このと
きの誤検出の確率は第２表のようになる。

第２表より、１σ以上小さくなる場合を利用する場合は
Ｍ＝６、２σ以上小さくなる場合を利用する場合はＭ＝
３を用いると、誤検出する確率は小さい。Ｍが増加する
と、それだけ検出遅れとなるため、システムを考慮して
妥当な値を設定する必要がある。

次に、隙間埋め動作について説明する。隙間が存在した
場合、それ埋めるには、第６図(b)に示すように、隙間
がない場合(第６図(a))の溶融金属Ｓa に比較してより
多くの溶融金属Ｓb を必要とする。そのため、隙間ｇの
存在を検出したら溶接速度を減少する方式を使用してい
る。また、電流，電圧を変更して実現する方式も使用可
能である。しかし、単に速度を減少させると、下板１側
熱が集中して、「溶け落ち」が発生する。また、隙間ｇ
の存在により上板２側にアークがとばない場合は、第７
図に示すよう溶融金属Ｓc が隙間ｇの中に入ってしま
い、いくら溶接速度を減少させても、溶接がなされず、
上板２と下板１が溶接されない。

そこで本発明では、隙間を検出したとき、単に溶接速度
を減少させるだけでなく、「溶け落ち」と溶融金属が隙
間の中に入るのを防止するため、上板側に常に一定のア
ークを飛ばすこととしている。従って、上板側のアーク
光幅を一定とするため、上板側のアーク光幅を監視して
上下方向の修正を行っている。

隙間埋め動作ルーチンの実例を第８図に示す。隙間を検
出すると、まず始めに溶接速度の減少を行う。そして検
出器側の隙間検出の遅れ要素を考慮して、一定量のアッ
プ修正を行う。この修正処理8-1による動作量、すなわ
ち溶接速度の減少量，アップ修正量は、実験によって求
められる。板厚２〜３mmの板の重ね継手溶接では、70％
の速度低下、１．５mmのアップ修正が妥当であった。

次に上板側のアーク光幅ｌu を測定し、パラメータ測定
時に得られたLuと比較して、小さければアップ修正、大
きければダウン修正を行う。

上板側のアーク光幅は、隙間の有無にかかわらずばらつ
くため、判断基準ｌu ＜Lu(ステップ8-2)には不感帯が
必要である。

次に隙間終了検出方法について説明する。隙間埋め動作
は、上板側のアーク光幅を一定にするために上下方向の
修正を行っている。そのため、ワークに隙間が存在して
いる場合は、上板側には一定のアーク光幅が存在する
が、下板側には小さなアーク光幅しか存在しない。

ワークの隙間が終了すると、上板側のアーク光幅は隙間
埋め動作により一定であるが下板側のアーク光幅は隙間
がない状態、すなわちアーク光幅が元の大きさに戻るた
め、下板側のアーク光幅を監視することにより、隙間終
了検出が可能である。隙間終了を検出すると、教示動作
に戻る。

隙間終了検出ルーチンの実例を第９図に示す。パラメー
タ測定時に得られたLb（下板側のアーク光幅の平均）
と、下板側のアーク光幅ｌb とを比較し、ｌbが大きい
場合がＭb回以上連続した場合、隙間終了を検出する。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明においては、アーク光を
直接観察し、そのアーク光が特異な形状を呈した個所を
解析することにより、開先隙間を検出して開先隙間を埋
める溶接を行うようにしている。これにより、隙間の溶
接中の熱歪によるリアルタイムの変動に対しても、適応
制御が可能となる。したがって、ワーク精度，治具精度
の許容度が飛躍的に大きくなり、ロボット溶接の適用範
囲を広げることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による制御の全体の流れを示すフローチ
ャート、第２図及び第３図は本発明による隙間検出の原
理を示す説明図、第４図は隙間がある場合のワークのア
ーク光を示す図、第５図は本発明の隙間検出ルーチンの
フローチャート、第６図は隙間がある場合の溶融金属の
溶け込み現象の説明図、第７図は溶融金属が隙間に入る
現象の説明図、第８図は隙間埋め動作ルーチンのフロー
チャート、第９図は隙間終了検出ルーチングのフローチ
ャートである。 １：下板、２：上板 ３：テレビカメラ、４：溶接トーチ ５：ワイヤー、Ａ：アーク

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】アーク溶接の溶接開先隙間を検出して隙間
   に対する適応制御溶接をする方法において、溶接部分の
   上方からアーク光の形状を撮像し、開先隙間によりアー
   ク光が特異な形状を呈した個所を解析することにより開
   先隙間を検出し、開先隙間に応じて溶接速度，ワイヤー
   のネライ位置の修正を行い、隙間の変動に対しては、上
   板側のアーク光の形状を解析し、上板側のアーク光幅が
   予め設定された幅より小さければ上方へ、大きければ下
   方へ、ワイヤーのネライ位置を修正することを特徴とす
   る溶接開先隙間に対する適応制御方法。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項の方法において、上
   板側のアーク光の形状を解析することによりワイヤーの
   ネライ位置を修正した後、下板側のアーク光幅が所定の
   幅より大きい状態が継続したことにより開先隙間終了を
   検知することを特徴とする溶接開先隙間に対する適応制
   御方法。