JPH0665437B2 - 適応溶接案内装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は一般に溶接ヘッドを溶接溝に沿って案内する
適応溶接装置に関し、特に溶接溝の断面形状に応じて溶
接ヘッドを溶接溝内の所定位置に案内する適応溶接装置
に関する。

背景技術 適応溶接の分野では、主に溶接溝の位置求め及び追跡に
関する膨大な技術的蓄積に示されるように、溶接プロセ
スを自動化するため多くの試みが成されてきた。当該分
野の範囲は、溝の位置について多量の情報を与えるが溝
の寸法や形状についてはほとんど情報を与えない単純な
触覚センサから、溶接トーチを溝に沿って案内する方法
で人のオペレータを真似するもっと高度な視覚型システ
ムにまで及んでいる。事実、人のオペレータはモデルと
見なされるか、あるいは少くとも全ての機械溶接を比較
すべき標準と見なされている。適応溶接機は長期間にわ
たり、人のオペレータでは達成し得ないと見なされてい
た一貫性で、何倍も速く溶接できる能力を示してきた。
適応溶接機が高い精度及び一貫性で人の溶接工の機能を
果すとすれば、機械による適応溶接が人のオペレータに
よって行なわれる溶接より高い品度で一貫すると考える
のは妥当である。しかし、溶接の品度と溶接溝内におけ
る溶接ヘッドの案内点との関連は、これまで何ら示唆さ
れていない。例えば、対称的な溶接溝の中心に対する案
内は優れた品度の溶接を与えるが、同じ案内方式を非対
称な断面形状を持つ溶接溝に実施すると、理想の物理的
特性より劣った溶接になる。同じく、溝エッジの一方か
ら一定の距離で溶接ヘッドを案内すると、溝巾の変化す
る領域では満足し得ないものとなり、最悪の場合には溝
の外側で実際の溶接が行なわれることが判明した。溝内
の最適位置では、溶接がせいぜい全く偶然に且つ瞬間的
にしか生じない。

本発明は、溶接ヘッドを最適の溶接位置に位置決めし、
この最適な位置決めを溶接のプロセス中適応維持するこ
とによって、上記した問題の１つまたはそれより多くを
解消するものである。

発明の開示 本発明の一態様によれば、溶接トーチを溶接溝に沿って
案内する適応溶接装置が、溶接溝を横切って延びた経路
に沿って検知要素を移動させる手段を有する。検知要素
が溶接溝の断面形状を検出し、溶接断面の位置及び形状
に応じた信号を出力する。第２手段がその信号を受取
り、溶接溝の所定点の相対的位置を求めて、溶接溝断面
領域の中心を計算する。さらに、第３の手段が上記断面
領域の中心に応じた案内点を計算し、案内点へ向かう方
向に沿った溶接ヘッドの横移動を制御する。

従来の適応溶接装置は主に、溶接ヘッドの溝内における
位置とその溶接品度に対する影響をほとんどあるいは全
く考慮せず、溶接溝の位置を求める溶接ヘッドを溝に沿
って案内することに関心が払われてきた。本発明は、溶
接溝の断面形状に基づき、溶接ヘッドを最適の溶接路に
沿って案内する装置に係わる。

図面の簡単な説明 第１図は発明を実施する適応溶接装置のブロック図； 第２図は第１図の装置における光学系の光スポット及び
ＴＶ両走査機能を表わす詳細図； 第２Ａ図は第２図において教示した走査モードで第１図
の装置を用いたデジタル的な溶接溝を表わす； 第３図は第１図の実施例における光学系とデータプロセ
ッサ間のインタフェースの詳細ブロック図； 第４、４ａ及び４ｂ図は発明の好ましい実施で使われる
ソフトウェアの一部のフローチャート； 第５図は第１図の実施例における幾つかの光学的及び機
械的構成部分用のキャリッジ装置の側面図； 第６ａ及び６ｂ図はＪ型溶接溝の断面図； 第７図は溶接溝の模式化した平面図で、溶接トーチ、光
学系及び溶接溝の間の角度関係を示す；及び 第８図は３軸溶接装置の斜視図である。

発明を実施するための最良の形態 溶接トーチ14を溶接溝に沿って案内する適応溶接装置８
が、第１図に示してある。レーザ投光器10とGeneral El
ectric社製がＴＮ２５００等のラスター走査型ＴＶカメ
ラ12が基本の光学系を構成し、ＭＩＧ型ワイヤ溶接トー
チ14と共に可動プラットフォーム16a、16b上に取り付け
られており、溶接トーチ14は固定支持体20上に位置した
加工物18に対して制御移動される。支持体20は３軸（デ
カルト）座標系内に位置し、そのＺ軸つまり垂直軸はト
ーチ14の中心線に沿って延びている。両プラットフォー
ム部分16a、16b間の分離が第４の自由度を与え、レーザ
投光器10とＴＶスキャナ12はＺ軸を中心に回転つまり
“動揺”可能で、光学系はトーチのＸ、Ｙ座標を乱さず
に溶接溝を追従可能である。

22で示してあるようにプラットフォーム16は軸駆動モー
タ24へ機械的に接続され、軸駆動モータ24がプラットフ
ォーム16を加工物18の溶接溝に従って所望の方向に、所
望の角度へ及び所望の速度で移動させる。エンコーダ26
が通常のサーボ位置決め方式でモータ24の回転の大きさ
と方向をモニターし、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸に沿った及びＺ軸を
中心としたプラットフォーム16の命令位置と実際位置間
の一連の関係を保つ。

第１手段27が溶接溝を横切って延びた所定の経路に沿っ
て検知要素29を移動し、溶接溝の断面形状を検知して、
溶接溝断面の位置及び形状に応じた信号を出力する。第
１手段27は例えば、デジタル／アナログ変換器30と増巾
器32を介してレーザ投光器10内のガルバノメータ型ミラ
ー駆動手段に接続されたIntel８０８５デジタルコンピ
ュータ28を含み、レーザ投光器10が単色光のビーム34を
ある角度で加工物18上に投射してレーザ光のスポットを
形成し、第２及び３図を参照して後で詳述するようにこ
のレーザ光スポットが溶接溝を横切り制御された速度で
直線状に移動する。同じく第２及び３図を参照して詳述
するように、加工物18の表面からのビーム34の反射がＴ
Ｖカメラスキャナ12によって受け取られ、インタフェー
ス36で動作されるデジタルデータ流を生じ、インタフェ
ース36がレーザビーム反射のピーク強度位置を表わすデ
ータを制御された時間間隔でIntel８０８５デジタルコ
ンピュータ28に与える。非接触式センサ設計の当業者で
あれば、誘導型、容量型、またはその他の光学型等上記
以外の検知要素29を発明の精神を逸脱せずに使用できる
ことが明らかであろう。

第２手段37がピーク強度の位置を表わす信号を受け取
り、溶接溝における所定点の相対的な位置を求め、溶接
溝断面領域の中心すなわち溶接溝断面の面積中心の相対
的な位置を計算する。該断面領域の中心は、溝領域につ
いて積分を行なうことによって計算される。断面領域の
中心の横方向位置だけが計算される。第２手段37は例え
ばIntelコンピュータ28で使われるソフトウェアの一部
を含み、これが一組１０種の信号を発生し、これらの信
号をＲＳ−２３２Ｃデータリンク40を介して第３手段41
に与える。１０種の信号は次の通り： (1)レーザ走査に沿った溝領域中心の位置； (2)溝の左側エッジの位置； (3)溝の右側エッジの位置； (4)左側エッジの高さ； (5)右側エッジの高さ； (6)溝の深さ； (7)溝の面積； (8)チェックサム（検査合計） (9)メッセージの終わり；及び (10)同期信号 第３手段41が、（第４図のフローチャートを参照して詳
しく説明するように）溝断面の面積中心の関数として案
内点のＸ及びＹ座標を計算し、必要な出力を軸ドライバ
46に沿って、案内点へ向かう方向における溶接トーチ14
の横方向運動を制御する。すなわち、コンピュータ38が
バス42を介してＤ／Ａ変換器44に接続され、信号をＸ、
Ｙ、Ｚ及びＣ（旋回）軸ドライバ46に与え、該軸ドライ
バ46がモータ24を作動し、トーチ14を溶接溝内で溝の断
面領域の中心及び／又は左右の溝エッジに関する特定路
に沿って案内する。ＴＶスキャナ12はトーチ14の前方所
定の距離を望み、例えば図示の実施例では、スキャナ12
がトーチ14より約４インチ（約10.2cm）の距離だけ先行
する。この結果、それぞれが４インチ区間の一部（例え
ば約0.2インチ（約0.51cm））を表わす約２０の位置命
令がコンピュータ38内のリングバッファ39に貯えられ、
ＦＩＦＯベースで軸ドライバ46に出力され所望の速度で
適切な方向にプラットフォーム16を移動する。溶接トー
チ14の横方向の位置決めを制御する他、左右溶接溝のエ
ッジのＺ座標の平均値は垂直方向の案内点を与え、トー
チ14はコンピュータ38によってこの案内点へ指し向けら
れる。カウンタ48が、トーチ14とプラットフォーム16の
座標系内における現在位置を表わすエンコーダ26からの
位置増分パルスの現カウント値を維持する。このデータ
がバス42を介してコンピュータ38にフィードバックさ
れ、通常のサーボ方式で位置命令と比較されてエラー信
号を発生する。

コンピュータ38はＤ／Ａ変換器44を介して溶接電力コン
トローラ50及びワイヤドライブユユニット52に溶接充填
制御信号も与え、所望の最終結果に応じて溶接パラメー
タを変化して、例えば前もって決められた一定の充填比
率を達成する。コントローラ50、ワイヤドライブユニッ
ト52及び溶接ガス制御ソレノイド54が全てプッシュボタ
ン等のオン−オフ制御器を有し、これらの制御器はＩ／
Ｏユニット56を介してバス42に接続され、上記各ユニッ
トがコンピュータ38によって制御される状態にあるかど
うかをコンピュータ38に通知する。図示例ではオン−オ
フプッシュボタンが各ユニット自体に設けられている
が、リモート操作パネル上に取り付けられるのが好まし
い。

ジョグ、テープ、ドライバ、及びキーボード入力等通常
の外部入力は、ユニット58とこれに付設されたインタフ
ェース60を介して入力できる。

追跡と溶接充填両機能の調整された同時制御は、溶接特
性の選択における多様性を与えるだけでなく、溝自体の
比較的広い変化も補償するため、本システムの重要な特
徴である。例えば、各部品は通常、多数の仮付溶接物を
溝に沿って手で配置することによって、最終溶接の前に
一体状に保持される。本システムは溶接領域の変化に伴
って、それら仮付溶接物における物質の堆積を検知し、
各仮付領域での溶着速度を変化させ、過剰の充填を防止
する。また、垂直方向の案内点は溶接溝の面積あるいは
深さの変化によって影響されず、左右溝エッジの平均高
さにトーチ14を維持する。この作用は“焼き抜き（バー
ニングスルー）”という追加の利点、つまり前の仮付溶
接を溶かして、既存の溝を過剰に埋めることなく優れた
溶接特性を与えるという利点をもたらす。溶接トーチ14
を溝の底上方一定の高さに維持するシステムは、トーチ
14を仮付溶接より高く上昇させ、理想より劣る溶接とな
る。

次に第２及び２Ａ図を参照して、両ユニット10、12で与
えられる光投射と走査両動作の空間及びタイミング特性
を説明する。レーザビームは加工物18上に、溝と平行な
面内で測定して垂直面から約２５〜３０度の角度で投射
される。レーザスポットは溝を横切る経路に沿って移動
される、すなわちビームは溶接溝を横切る別の面内で掃
引を行なう。上記のガルバノメータ型ミラー駆動手段33
により、スポットは高速で開始位置に戻され、溝を横切
って繰り返し走査される。通常プラットフォーム16は溝
に沿って移動しているので、得られるパターンは溝を横
切る一連の平行なストライプとなり、各ストライプはプ
ラットフォームの移動方向に沿って相互に離間してい
る。

一方ＴＶスキャナカメラ12は、実質上垂直の視軸と、レ
ーザスポットの走査と直角に交差するラスター走査セン
サーストローブ機能を有する。投射角度と視軸角度の間
には２５〜３０度の差があるので、ＴＶカメラキャナー
がレーザスポットと交差する任意の一定のラスター走査
に沿った点は、レーザ投光器10から反射面までの光路長
つまり溝の深さに関連している。この交差点は反射光強
度に基づいて決められる；すなわち交差点で反射光強度
が最大になる。この結果、全体として見れば、一定のレ
ーザ走査にわたるまたは所望なら一連の走査にわたる溝
の輪郭を表わす一連のデジタル信号が得られる。

勿論、ＴＶカメラ12の走査速度はレーザ投光器10の走査
速度よりはるかに高い；すなわちＴＶカメラの走査経路
は、レーザスポット移動の各増分中にレーザスポットの
経路を何回も横断する。実際の実施例では、ＴＶカメラ
12が２４８×２４４のピクセルアレイを生じ、レーザス
ポットの各掃引毎に３回の完全なアレイ走査（１回の走
査を以下“フレーム”と呼ぶ）が生じる。但し、各スポ
ットの掃引毎の上記フレーム比は１：１から４：１また
はそれ以上に変更でき、ＴＶカメラ12への入力信号の信
号／ノイズ比を変えられる。この変比は、Intelコンピ
ュータ28のプログラミングによって容易に達成される。

第３図はデジタルインタフェース36を詳細に示してい
る。このユニットが一連の信号をIntelコンピュータ28
に与え、こゝからレーザスポットの走査経路に沿った離
間地点における加工物表面の座標が得られる。この情報
に基き、コンピュータ28が数学的演算によって、最初の
７個の出力量の値を決定する。

すなわち、インタフェースユニット36は、第２図に示し
た走査経路の各通過中にカメラのラスター走査がレーザ
スポットと交差する地点におけるピクセルクロックのカ
ウント値を表わすデジタル数（８ビット）を与える。こ
れらの交差、従って実際の溝深さを表わすカウント値を
除く全てのピクセルカウント値を取り除くことにより、
インタフェース36がコンピュータ28のデータ処理機能を
大巾に減少する。

ピクセルクロック62がＴＶカメラ12のセンサアレイの各
ピクセルを有効にストローブし、レーザ経路を横切って
走査する。各ピクセル出力は、そのピクセルで受け取ら
れた反射レーザ光の強度の大きさを有効に表わし、比較
器64の一方の入力と８ビットラッチ66に加えられる。新
しい各ピクセル信号（Ａ）が前の信号（Ｂ）より大きい
限り、ライン68上の出力が、新しい信号を受け取って次
のカウント値用の基準として記憶するラッチ66をエネー
ブル状態に置く。またライン68上の出力はライン70を介
し、カウンタ74からラッチ72にストアされるカウント値
を進める。レーザスポットの反射がかなり広がることを
考慮すれば、ＴＶカメラの走査が反射の中心へ近づいて
いく限り、ピクセルの出力強度は連続的に増大する。中
心を通過すると、信号の強度は低下し始め、条件Ａ＞Ｂ
が満たされなくなり、ラッチ72内のカウント値はそれ以
上進まない。このため、記憶されたカウント値は、交差
が生じた加工物表面のＺ座標を表わす数に留まる。各カ
メラ走査ラインの終了時に、“ＥＯＬ”信号がラッチ72
のカウント値をピーク位置のカウント値としてコンピュ
ータ28内にストローブし、短い遅延時間の後、カウンタ
74をリセットしてラッチ66をクリアする。ＴＶカメラ12
からのフレーム終わり（ＥＯＦ）信号がコンピュータ28
に入力され、レーザスポット経路のうち検査されデジタ
ル化された部分（好ましい実施例では１／３）を決め
る。

ソフトウェアは２つの主要部分を含む、つまりIntel８
０８５で実行されるカメラデータ解析ルーチンＶＩＺ
と、ＬＳＩ−１１で実行される追跡及び埋め制御機能で
ある。ＬＳＩ−１１のソフトウェア制御機能はさらに幾
つかのサブルーチンに細分割され、その中で最も重要な
のは例えばＴＲＡＣＫ、ＳＷＩＮＧ及びＦＩＬＣＴＬ
（埋め制御）である。

カメラ用のマイクロコンピュータ28は実質上フリーラン
ニングで、ＬＳＩ−１１コンピュータからの指令なしで
そのソフトウェアを周期的に繰り返す。画像の解析を終
了し得られたデータを制御コンピュータ38に送ると、マ
イクロコンピュータ28は別の画像を取り入れてサイクル
を繰り返す。キャリッジリターン文字が制御コンピュー
タ38に送られ、新しい画像が取り入れられつゝあること
を知らせる。制御コンピュータ38内の文字キャッチルー
チンがキャリッジリターンを同期文字として認識し、全
ての軸の現在位置をその後の使用のために保管する。現
画像からのデータが全て文字キャッチルーチンによって
受け取られると、制御コンピュータ36は第４図にフロー
チャートの形で代表例を示したルーチン“ＴＲＡＣＫ”
を開始する。

追跡がエネーブル状態にない場合、ＴＲＡＣＫはカメラ
の視野内に溝が入っていると“真”のソフトウェアフラ
グをセットし、そうでないと“誤”のフラグをセットす
る。追跡がエネーブル状態になれば、画像の撮影時に保
管されたセンサデータと軸位置が溶接溝の位置を求める
のに使われる。

まず、次式を用いてカメラユニット内の案内点が求めら
れる： 1.2 案内点＝所望エッジ(1)−（偏り比率×（所望エッ
ジ(1)−所望エッジ(2)）＋定数 所望エッジ変数は、溶接プロセスの開始前プログラマー
によって、３つの値つまり左方溝エッジ、右方溝エッジ
または領域の中心のうち任意なものが選ばれる。変数の
選択は、溝の種類、サイズ及び断面、裏当てが存在する
かどうか、裏当ての厚さはどれ位か、及びその他溶接の
専門家が溶接の品度に影響を及ぼすと見なした多くの変
数によって決まる。例えば、第６ａ図に示した溶接溝の
断面は、比較的薄いプレート断面76と厚いロール断面78
とを有する。この種の溶接溝は、溶接トーチが領域の中
心に沿って案内されるとき、最高の品度となる。従っ
て、第６ａ図の溝を溶接するための式1.1における所望
エッジ変数の１つの選択は、例えば所望エッジ(1)＝領
域の中心、所望エッジ(2)＝領域の中心である。両変数
を同じに選べば、第２項が式から消去され、定数＝０と
すると式1.1は次のようになる： 1.2 案内点＝領域の中心 偏り比率をゼロと選んでも、同様の結果が得られる。第
６ａ図に示したような非対称的な溝の場合、領域の中心
の溝の中心と一致しないので、非対称的な溶接溝の中心
に沿って案内する従来のシステムはより低い品度の溶接
を生じる点に留意することが重要である。

第６ｂ図に示した溶接溝の断面図は、プレート断面76が
より厚く、ロール断面78がより薄い点で第６ａ図の溝と
異っている。この種の断面に適切な案内点はもっとプレ
ート断面76に近く、所望エッジ(1)＝領域の中心、所望
エッジ(2)＝左方溝エッジ、及び定数＝０と選んで決め
られる。偏り比率は領域の中心と左方溝エッジ間におけ
る溶接トーチの位置決めを調整するもので、各種の偏り
値を選んでテストする実験段階で経験的に最も有効な値
が選択される。これらの変数を式1.1に代入すると： 1.3 案内点＝領域の中心−偏り比率（領域の中心−左
方溝エッジ） 両式1.2及び1.3は、プレート76とロール78の間の距離が
大きく、プレート76と裏当て80の間にギャップを生じる
場合に通常発生する嵌め合いの劣下を補償する。つまり
上記のような条件では、溶接トーチを左方溝エッジから
離して案内し、溶接トーチがギャップを焼き抜き溶融金
属がその穿孔を通って流出するのを防ぐ必要がある。両
式は領域に対して案内するもので、領域の中心は溝が広
がるにつれプレート76から遠去かるから、両式による案
内点はプレート76から離れる適切な方向にシフトされ
る。溶接工学の分野で通常の技術を有する者であれば、
多種多様の溶接溝断面が存在し、各断面が最高品度の溶
接を生じる特定の案内点を持つことが理解されよう。従
って、本当の適応溶接機は溶接溝内の任意の一連の点に
沿って溶接可能であるべきで、このようなシステムは当
該分野における著しい進歩である。

式1.1と等しい第２の案内式が、溶接トーチの垂直位置
を制御するため“ＴＲＡＣＫ”ルーチンによって使われ
る。所望エッジ変数は前記と同じく溶接プロセスの開始
前に、左方または右方溝エッジどちらの垂直座標にする
かがプログラマによって選ばれる。溶接溝の種類とサイ
ズの変化が、どちらのエッジを案内式中の変数として使
うかというプログラマの決定に影響を及ぼす。通常、垂
直方向の案内点は、左方エッジプラス左右両エッジ間の
距離の比率で与えられる。但し、一方のエッジの高さは
無視されるべきものという条件が存在する。例えば、右
方エッジの高さが左方エッジの高さより著しく大きい場
合は、左方エッジのみプラス定数値が溶接トーチを案内
するのに使われる。この関数は、所望エッジ(1)と所望
エッジ(2)を両方共左方エッジの高さに選び、第２項が
消去されるようにしてして得られる。

第４図のフローチャートを再び参照すると、ＴＲＡＣＫ
プログラムの次のステップはセンサ距離のズレの演算で
ある。この距離のズレは、第７図の模式図を参照して最
も分り易く説明される。第７図は曲線状の溶接溝81を示
しており、案内溝81を横切ってレーザ光を走査しその反
射光を視ることによって溶接の前方で同時に溶接溝81を
検知しながら、案内溝81がマシン位置82で溶接される。
溝81をレーザの走査経路内に保つように、光学系は角度
83だけ回転している。しかし、溶接溝81が曲線状である
ため、前に求められた案内点84はレーザ走査経路の中心
点85と必ずしも一致しない。従って、光学系のセンサ角
度83は、案内点84の標準面86からの実際の角度変位と一
致しない。また、センサ距離はマシン位置82とレーザ走
査経路の中心点85間の既知の所定距離に対応しているの
で、案内点84は標準点（中心点85）から案内点84までの
距離で与えられ、対応する両線分は直角を成すため、セ
ンサ距離のズレは両線分距離の平方の和の平方根として
計算される。つまり、センサ距離のズレはマシン位置82
と案内点84の間の距離となる。

溝角度87は、先に計算したセンサ距離のズレで割った案
内点84の逆タンジェントを取ることで計算される。セン
サ及び溝両角度83、87とセンサ距離のズレを知ったとこ
ろで、案内点のｘ、ｙ座標が計算される。現在のマシン
位置座標である先に計算した案内点のｘ、ｙ座標が、セ
ンサ距離と溝及びセンサ両角度の和のコサインとの積、
さらにセンサ距離と溝及びセンサ両角度の和のサインと
の積にそれぞれ加えられる。そして、これらのｘ、ｙ座
標がリングバッファ39内に記憶され、必要に応じ案内点
として使われる。

次に、現案内点から先に使われた案内点までの距離がチ
ェックされ、この距離がある任意の最小値より小さい
と、その現案内点が放棄され、トラックルーチンが停止
される。上記距離が最小許容値より大きければ、先に用
いた案内点が現在のプログラム案内点に対し可能な最も
近い案内点であるかどうかを求めるテストが行なわれ
る。もし最も近ければ、その案内点がプログラム案内点
として標識され、センサ用のインタプリタ（解釈プログ
ラム）が呼び出される。最も一般的なケースでは、次の
指令が溶接の停止プログラムを解釈する。このプログラ
ム中の第１指令は一般に“追跡オフ”指令で、追跡プロ
セス全体を停止させる。

しかし、先の案内点がプログラム案内点に最も近くない
と、現在の案内点が先入れ／先出しバッファ（ＦＩＦ
Ｏ）内に入れられる。またこの案内点における溝の面積
もＦＩＦＯ内に入れられ、溶接トーチが対応するＸ、
Ｙ、Ｚ座標点に近づいたとき埋め制御ルーチンによって
使われる。

“ＳＷＩＮＧ”ルーチンも呼び出され、センサをトーチ
の前方で溝に対してほゞ中心合わせされた状態に保つ。
スイングルーチンは、ＦＩＦＯに入れられた最も最近の
案内点の一部に基づき、これからやってくる溝の経路を
近似するラインの式を計算する。半径がトーチと案内点
との間の距離である円上で、レーザビームが加工物にぶ
つかる交差点が計算される。円の中心は現在トーチがそ
こへ向かって移動しつゝある案内点に置かれている。適
切な交差点が選ばれ、センサをその交差点の上方に置く
ため正しいセンサヘッドの角度が計算される。この角度
が現在のサーボ命令の一部とされ、トーチが現在の命令
に近づくにつれ、センサも所望の角度へ近づくようにす
る。

上記のプロセスは、プログラム中の“追跡オフ”指令
か、停止ボタンからの指令信号か、または所定数の連続
したセンサエラーが発生するまで続けられる。

案内点が必要に応じてＦＩＦＯから取り出され、コンピ
ュータのサーボソフトウェアに命令を与えてマシン軸を
移動させる。システムが溶接中で埋め制御がオンの場合
には、面積もＦＩＦＯから取り出され、“FILCTL”と呼
ばれるサブルーチンで使われる。FILCTLは溝面積を使っ
て、前述の溶接金属溶着速度を毎時ポンドの単位で求め
る。溝面積が大きいほど、溶着速度は制限内で大きくな
る。溶着速度とワイヤの既知の物理的データから、所望
のワイヤ送り速度が計算される。ワイヤ送り速度が求め
られたら、プラットフォームの移動速度を計算すること
によって所望の溝埋め比率が達成される。計算された移
動速度とワイヤ送り速度に基づき、アーク電圧が計算さ
れ、コントローラ50を介して調整される。

第５図は、単一トーチＭＧ溶接機に組み込まれた第１及
び第３図のシステムの好ましい実際の実施例を示す図で
ある。プラットフォーム16は横桁から垂下されたサーボ
位置決め可能な構造を有し、加工物18対し垂直にＺ軸に
沿って移動可能である。プレート80が垂下アーム82、84
を有し、ガルバノメータ駆動ミラーを含む走査投光器10
へと横方向にミラーを介して出力ビームを投射する通常
の低電力ヘリウム−ネオンレーザ86を支持しており、ガ
ルバノメータ駆動ミラーが出力ビームを加工物18の溝88
へ向かって下方に指し向ける。

ＴＶカメラ12のカメラレンズ90が加工物18の上方約１０
インチ（約25.4cm）の地点に位置し、溶接トーチ14の前
方約４インチ（約10.2cm）の地点にスポットを収束させ
る。カメラ12のレンズ端に装着されたフィルタ91が632.
8ナノメータ（mm）、つまりレーザ出力の波長の光だけ
を通し、プレート94の底部に支持されたシールド92の下
側から洩れる溶接トーチ14からのギラギラする輝きを除
去する。１本以上のホース96から成る真空系が、溶接領
域からの煙を取り除く。

Ｚ軸を中心とした旋回動がモータ110によって与えられ
る。Ｚ軸はトーチの中心を通っているので、この旋回動
はトーチ自体のＸ、Ｙ、Ｚ座標に影響を及ぼさない。一
方、かかる旋回動で走査領域のＸ、Ｙ座標は変更され、
光学系10、12が溶接座標の前方で溝88の曲線を追従する
のを可能とする。

第８図は、案内システムの物理的構成をもっと詳しく示
している。Ｘ軸方向の変位は、床から上昇され加工物の
搬入出を許容するように端部の解放された平行な離間レ
ール100によって与えられる。またＹ軸方向の支持体102
が２本のレール100間に架橋され、車輪を介してその上
に装着されることで変位を可能としている。直線状のギ
ヤ歯軌道がレールの一方に沿って走り、ベルト結合モー
タ及びギヤボックスの組み合せで駆動されるピニオンギ
ヤと係合している。モータ上方のエンコーダが変化を表
わすパルスを発生する。Ｙ軸方向のキャリッジ104が同
様に支持体102上に取り付けられ、ワイヤリール106とワ
イヤ送りモータ102を支持している。Ｘ軸方向のドライ
バ108がプラットフォーム16を支持体102及びキャリッジ
104に対して上下動し、高さの制御を行なう。旋回軸系
は前述した通りである。

産業上の利用可能性 適用溶接装置８の好ましい実施例の全体的動作では、コ
ンピュータのプログラマが事前に溶接トーチ14を溶接溝
内の最適経路に沿って案内するため、次の変数を選択し
ているものとする： １）所望エッジ(1) ２）所望エッジ(2) ３）偏り比率 ４）定数 次いで、“ＴＲＡＣＫ”プログラムがエネーブル状態と
され、良好なデータ点がIntelコンピュータ28から受け
取られ、適切な信号が軸ドライバ46へ出力され、溶接ト
ーチ14を溶接溝内の所望位置に保つ。同じく“ＳＷＩＮ
Ｇ”ルーチンがエネーブル状態とされ、レーザの走行経
路が案内点84に対してほゞ中心合せされるように作用し
てレーザ光源86を位置決めする。

溶接トーチ14は最終的に、溶接溝が終端するかあるいは
少くとも断面形状が著しく変る加工物18上の地点に達す
る。コンピュータのプログラマは、その変化が生じる近
似位置をプログラミングすることによって、溶接装置８
へ事前に溶接溝断面の変化を憶え込ませておく。さら
に、断面溝の変化に応じて新しい案内点の式が必要にな
ったら、プログラマがそれらの新しい値を入力し、溶接
装置８はほとんどまたは全く遅滞なく新しい溝を溶接し
続ける。加工物18の複雑さに応じ、任意の数の変化をプ
ログラム可能である。

この装置のその他の特徴、目的、利点及び用途は、図
面、以上の開示、及び添付の請求の範囲から明らかにな
ろう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−113981（ＪＰ，Ａ) 米国特許4493968（ＵＳ，Ａ)

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接トーチ(14)を溶接溝に沿って案内する
   適応溶接装置(8)であって、 検知要素(29)を上記溶接溝を横切って延びた所定の経路
   に沿って移動させ、前記溶接溝の断面形状を検知し、前
   記溶接溝断面の位置及び形状に応じた信号を出力する第
   １手段(27)と、 上記信号を受け取り、前記溶接溝のエッジを含む前記溶
   接溝における複数の所定点の相対的な位置を求め、前記
   溶接溝断面の面積中心の相対的な位置を計算する第２手
   段(37)と、 上記溶接溝の断面形状にかかわりなく、前記溶接溝のエ
   ッジと前記面積中心の一方の横方向座標からなる第１の
   項と前記溶接溝の横方向座標と前記面積中心の横方向座
   標の間の偏り比率とからなる第２項を含む、上記面積中
   心の関数として案内点を計算し、該案内点へ向かう方向
   に前記溶接トーチ(14)の横方向移動を制御する第３手段
   (41)と、 を備えて成る適応溶接装置(8)。
2. 【請求項２】請求の範囲第１項に記載した溶接装置(8)
   において、前記関数が所定の定数を含む溶接装置(8)。
3. 【請求項３】請求の範囲第１項に記載した溶接装置(8)
   において、前記第２手段(37)が溝エッジの相対的な高さ
   を求め、前記第３手段(41)が両方の溝エッジの高さの関
   数として垂直方向の案内点を計算し、該垂直方向の案内
   点へ向かう方向に沿った前記溶接トーチの垂直移動を制
   御する溶接装置(8)。
4. 【請求項４】請求の範囲第３項に記載した溶接装置(8)
   において、前記垂直方向の案内点関数が、両方の溝エッ
   ジの一方の垂直座標から成る第１項と、任意の２つの溝
   エッジ間の垂直座標間の差の所定の偏り比率から成る第
   ２項とを含む溶接装置。
5. 【請求項５】溶接トーチ(14)を溶接溝に沿って案内する
   適応溶接装置(8)であって、 検知要素(29)を上記溶接溝に横切って延びた所定の経路
   に沿って移動させ、前記溶接溝の断面形状を検知し、前
   記溶接溝断面の位置及び形状に応じた信号を出力する第
   １手段(27)と、 上記信号を受け取り、左右溝エッジの横方向座標を求
   め、上記溶接溝断面の面積中心を算出する第２手段(37)
   と、 次式 案内点＝Ａ−Ｂ（Ｃ−Ｄ）＋Ｘ 但し、Ａ＝左エッジ、右エッジ、面積中心のいずれか一
   つ Ｂ＝偏り比率 Ｃ＝左エッジ、右エッジ、面積中心のいずれか一つ Ｄ＝左エッジ、右エッジ、面積中心のいずれか一つ Ｘ＝定数 （ここに、変数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｘは実際の溶接前にプ
   ログラム可能で、溶接溝に沿った所定の点で変更可能で
   ある） によって、上記溶接溝の断面形状とは係わりなく最適案
   内点を計算する第３手段(41)と、 を備えて成る適応溶接装置(8)。
6. 【請求項６】溶接トーチ(14)を溶接溝に沿って案内する
   方法であって、 検知要素(29)を上記溶接溝を横切って延びた経路に沿っ
   て移動させること、 前記溶接溝断面の位置及び形状を検知すること、 前記溶接溝の左右のエッジを含む、前記溶接溝における
   複数の所定点の相対的な位置を求めること、 前記溶接溝断面の面積中心の相対的な位置を計算するこ
   と、 上記溶接溝の断面形状にかかわりなく、左右エッジ及び
   前記面積中心の一つの横座標からなる第１項と前記左右
   エッジと前記面積中心のいずれか２つの座標の差の所定
   の偏り率である第２項とを含む前記面積中心の関数とし
   て案内点を求め、 上記案内点に向かう方向に前記溶接トーチの横方向移動
   を制御すること、 から成る方法。