JPH091335A - パイプ円周自動溶接装置の開先形状計測方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は溶接ワイヤを開先形状計測用センサ
とし、ワイヤとワークとの接触による通電状態を検出し
てワーク位置を検知する方法に関し、ワイヤによる開先
形状計測信号をトリガーとしフィードバックパルス位置
カウンタから位置データを読み出して、高精度な位置計
測をおこなうことゝ、この計測データを用いて溶接制御
プログラムを補正することを目的とする。 【構成】 そこで従来のサーボ系位置制御回路において
ハード的には位置フィードバックパルスの位置カウンタ
13から、サンプリングクロックによりレジスタラッチ14
とは別に、位置カウンタ13から、タッチセンサ入力をト
リガーにラッチする専用レジスタラッチ12を設けて、ワ
イヤが接触と同タイミングで位置カウンタ値をラッチし
て、その後のソフト処理により読み出し、位置データを
得ることゝ、ソフト的には位置データを用いて溶接制御
プログラムのトーチ軌跡とルートギャップ幅変化による
溶接条件の補正を行うことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は新規なパイプの自動溶接
装置に係り、特に対象とする配管などの溶接部の形状を
計測し、自動的に溶接制御プログラムを補正する、パイ
プ円周自動溶接装置による開先形状計測方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のパイプ溶接装置においてはプログ
ラム制御により自動溶接を行いつゝ、位置センサやアー
ク中溶接線倣いの検知により溶接条件を補正し最適条件
に溶接制御することが行われている。

【０００３】このうち従来の位置センサにより溶接部の
形状およびルートギャップを計測し、自動的にトーチ位
置および溶接条件を補正する方法としては、 (1) 溶接トーチに先端が球状のプローブを取付けて位置
センサとし開先面に沿って形状を測定する方法がある
が、倣い精度およびルートギャップ測定精度は悪い。 (2) 三次元形状について大枠の測定ポイントを教示し
て、その範囲内で自動計測する方法があるが開先への適
用は難しい。

【０００４】(3) 溶接アーク光を干渉フィルタに通しＣ
ＣＤカメラを用いた画像認識手法及び、レーザーセンサ
を用いた光切断法などにより開先部の形状を測定し、溶
接条件を補正する方法があるが、カメラ等の補助具を溶
接ヘッド部に取付るためのヘッドの重量増加や大きさ大
となり好ましくない。 (4) ワイヤを用いてルートギャップを検出するものとし
ては特開平５−329644があるがルートギャップのみで、
開先全域に対するものではない。

【０００５】したがって高速、高精度の測定がのぞまれ
るものに対しては不適当であり、現方法として用いられ
ている、ワイヤによる開先形状計測により位置を計測し
トーチ軌跡を補正するシステムとしては、ワイヤによる
開先形状計測の信号を割込み信号に用い、この割込み信
号をトリガーとしソフト処理( 溶接制御プログラム側で
割込み信号を受け位置カウンタを読出するまでの処理)
を経て、位置フィードパルスのカウント値を読み出し、
位置データを得る方法を用いているが、割込み応答時間
のバラツキや遅れが問題となる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したようにワイヤ
による開先形状計測により、開先部の位置を計測しトー
チ軌跡の補正を行うためには、割込み応答時間のバラツ
キや遅れによって生ずる計測位置の誤差を無くするた
め、割込み応答時間のバラツキや遅れを無くする必要が
ある。またルートギャップ幅の変化に応じて溶接条件を
補正するには、ワイヤによる開先形状計測によりルート
ギャップを計測して、溶接制御プログラムを補正すれば
良いが、割込み応答時間のバラツキや遅れを無くする必
要がある。いずれにしても応答時間のバラツキや遅れを
無くすることで対応出来、高精度な溶接が達成される。

【０００７】応答時間のバラツキや遅れについて詳しく
述べる。従来は図８に示すように位置データを得るため
には、位置カウンタの位置フィードバックパルスのカウ
ント値を、ワイヤによる開先形状計測の入力信号が入る
とその割込み処理( ソフト処理) により位置データを読
み出すことで得るのであるが、図９に示すようにワイヤ
による開先形状計測ＯＮにより割込み信号が入ると、コ
ンピュータ側の割込みマスク時間( 優先順位により別指
令が先に処理される場合で０〜６ｍsec の数ｍsec とな
る) とソフト側( 溶接制御プログラム側) への割込みソ
フト処理時間５〜６ｍsec の合計時間の５〜12ｍsec 遅
れで位置カウンタ値をラッチして読み出しを行い、位置
データを得ることになる。この遅れ時間中でもサーボ系
は動き続けるからカウンタ値は遅れ時間分大きくなる。
この分計測位置の誤差の一例は以下のとおり誤差値はお
およそ送り速度100mm ／sec の時、10ｍsec の遅れは１
mmとなる。

【０００８】本発明はこのような課題を解決しようとし
たもので、ワイヤによる開先形状計測による入力と同時
に位置カウンタのカウント値をラッチして、位置の読み
出しの割込み処理の遅れによる計測位置の誤差を生じな
いようにしたものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のパイプ円周自動溶接装置の開先計測法は、
溶接ワイヤを支持するトーチとワークの間に電圧を印加
し、溶接ワイヤとワークとの接触による通電状態を検出
してワーク位置を検知するセンシング手段をそなえた自
動溶接装置のサーボ制御システムにおいて、１軸あたり
１系統の位置フィードバックパルスの位置カウンタのカ
ウント値を、通常のサンプリングクロックによるラッチ
とは別に、ワイヤによる開先形状計測による入力をトリ
ガーにハード的にラッチする専用レジスタを追加して、
ワイヤによる開先形状計測がＯＮした同時タイミングで
の位置計測を可能としたものである。さらに以上の計測
データを用いて溶接制御プログラムの補正を行うことに
したものである。

【００１０】

【作用】上述した本発明のパイプ円周自動溶接装置の開
先形状計測方法では、従来の構成は１軸あたり１系統の
サーボモータ応用の位置制御を行うもので、各系統ごと
にエンコーダなどからの位置フィードバックパルスを位
置カウンタでカウントし、このカウント値をサンプリン
グクロックを割込み信号として、ラッチするレジスタを
設けてあり、このレジスタからの読み出しにより位置デ
ータを得ている。本発明はこの回路にワイヤによる開先
形状計測による入力をトリガーと位置カウンタのカウン
ト値をラッチする専用レジスタを追加（図４参照）する
ことにより、開先形状測定の場合は追加した専用レジス
タから位置を読み出すことが出来るので、ワイヤによる
開先形状計測がＯＮと同タイミングでの位置が計測でき
る。また本発明の位置の計測値を用いて、溶接制御プロ
グラムのトーチ軌跡の補正およびルートギャップ幅変化
に応ずる溶接条件の補正を自動的に行うことが出来る。

【００１１】

【実施例】本発明の実施例を図１ないし図７にもとつ゛
いて説明する。図１はパイプ円周自動溶接装置の構成図
である。図１により本発明による溶接装置のあらましに
ついて述べる。被溶接材パイプ１の接合部の開先２の部
位を、パルスＭＡＧ自動溶接を行うため、パイプ外周に
着脱可能なガイドレール３( ２分割構造) を取付け、溶
接トーチ４を保持する溶接ヘッド５をガイドレール３に
搭載し、ＮＣ制御により、パイプ１の開先部２を溶接ト
ーチ４をウィービングし乍ら、パイプ１の全周にわたり
走行し、溶接位置の補正は溶接ワイヤ６を開先形状計測
用とし、溶接アークの制御はアーク中溶接線倣いにて補
正を行い乍ら溶接を施行する。

【００１２】本溶接作業はガスパイプラインや原子力配
管などの現地作業などに適用するものであり、パイプの
外周を全周にわたり走行し乍ら自動溶接を施行するの
で、溶接姿勢は全姿勢溶接となるため刻々変化する溶接
姿勢に対応すると共に溶接欠陥のない均一なビードを得
るための最適な溶接条件で制御する必要がある。

【００１３】この最適な自動溶接条件の制御プログラム
を作るには、パイプの外径、板厚、材質、開先形状など
の設計値を入力することにより、ロジックテーブル（溶
接条件、パラメータ、アルゴリズムおよびプログラム編
成機能を格納している）により多層盛自動溶接制御プロ
グラムとして制御装置７により生成される。

【００１４】さらにこのプログラムは、本発明に関わる
ワイヤによる開先形状計測により検出された位置誤差お
よびルートギャップ幅変化による溶接条件の補正により
最適な溶接実行プログラムに修正され、ついでＮＣプロ
グラムに変換され、ＮＣ制御の溶接を施行する。

【００１５】また溶接ヘッド５はＮＣ制御により、図２
に示すように、Ｘ軸（パイプ外周上の位置、正／逆）、
Ｙ軸（パイプ軸心方向左／右）、Ｚ軸（パイプ半径方
向、上／下）、Ａ軸（溶接トーチの旋回、旋回角）、の
各軸は制御され、また各軸共サーボ機構を具え、エンコ
ーダからのフィードバックパルスの位置カウンタにより
位置データを読み出しを行い、位置の制御を行ってい
る。

【００１６】なお図１の８はリモート操作ボックス、９
は溶接電源、１０はケーブル、１１は溶接ワイヤ供給装
置である。

【００１７】次に図３により開先形状計測について説明
する。設計値入力により生成された全自動溶接制御プロ
グラムの位置データは設計値を基準としている。一方被
溶接材であるパイプの外径は楕円や変形があり、パイプ
の接合部は両側のパイプの芯ずれ、またガイドレールの
取付け位置の誤差やルートギャップ幅変化( ｇ) などに
より設計値との変差があるので、溶接前に開先形状を測
定し変差を補正する必要がある。計測は溶接ワイヤ６を
開先形状測定用センサとし、トーチと被溶接材パイプと
の間に電圧を印加しタッチした時の通電をＯＮ信号とし
て用いる。

【００１８】計測は最初にＸ軸１２時の位置でパイプ１
の開先２の開先壁をワイヤによる開先形状計測でパイプ
の両側について対象位置で数ケ所、つゞいてパイプ周方
向で数ケ所について遂次タッチさせ、後述の方法で得ら
れる位置データを、ロジックテーブルに格納されている
演算処理により変位置を求め全自動溶接制御プログラム
の位置データの補正によるトーチ軌跡の補正およびルー
トギャップ幅変化による溶接条件の補正を行い、最適な
全自動溶接制御プログラムに修正するこれのフローチャ
ートを図６に示す。

【００１９】次に、パイプ円周自動溶接装置の開先形状
計測技術の詳細について図４、図５により説明する。図
４は本発明の開先計測技術の構成図である。本発明は図
４に示す専用レジスタラッチ１２（一点鎖線で囲った範
囲）を、従来の構成回路に追加したもので、ワイヤによ
る開先形状計測ＯＮにより瞬時に位置カウンタのカウン
タ値を専用レジスタにラッチし、ラッチしたカウンタ値
により位置データを読み出すようにしたものである。

【００２０】前にも述べたように溶接ワイヤ６（開先形
状計測用センサ）を保持する溶接トーチ４はＸ軸、Ｙ
軸、Ｚ軸、Ａ軸、について各軸ごとに１軸あたり１系統
サーボ制御システムで制御されている。サーボ制御のた
めの位置データはエンコーダからの位置フィードバック
パルスを位置カウンタ１３でカウントし、そのカウント
値を、サンプリングクロックを割込みクロックとして、
レジスタ１４にラッチし、位置の読み出しを行ってい
る。今回追加した専用レジスタ１２にワイヤによる開先
形状計測により入力を割込み信号とし、この割込み信号
が入力した瞬間に位置カウンタ１３のカウンタ値を専用
レジスタ１２にラッチし、ラッチしたパルスのカウント
値より位置データの読み出しを行う。したがってワイヤ
による開先形状計測がＯＮした瞬間の位置が読み出され
ることになる。この動作の流れを図５に示す。

【００２１】以上により図８、図９に示した従来方法の
問題点である割込みマスク時間０〜６ｍsec と割込みソ
フト処理時間５〜６ｍsec の合計５〜12ｍsec の処理時
間による応答時間のバラツキや遅れを無くし位置計測の
誤差を無くすることが出来る。位置計測の誤差値につい
て一例をあげると送り速度100mm /secの時10ｍsec の遅
れは１ｍｍとなる。したがってワイヤによる開先形状計
測により、本発明の計測法を用いることにより全自動溶
接制御プログラムのトーチ軌跡補正を正確に行うことが
出来る。

【００２２】次にルートギャップ幅変化による溶接条件
補正について述べる。これは開先ルート部の裏波溶接の
高さを、一定にするために行うもので、ルートギャップ
幅の変化に応じて溶接速度( 具体的にはＸ軸の回転速
度) を制御することで行う。ワイヤによる開先形状計測
による本発明の計測法を用いることにより正確なルート
ギヤップを計測し得るので全自動溶接制御プログラムに
ついて、ルートギャップ幅変化に応ずる溶接条件の補正
即ちＸ軸の回転速度を補正することで達成出来る。

【００２３】ルートギャップ幅変化に対する裏波溶接の
高さを一定にするためのＸ軸の回転速度について一例を
あげると、ルートギャップ幅２. ５mm( 標準) が３. ０
mmの場合、つまり０. ５mmギャップ幅が広くなった場合
にはＸ軸の回転速度を250mm／分( 標準) から234mm ／
分に速度を落す。逆にルートギャップ幅が２. ０mmの場
合、つまり０. ５mmギャップ幅が狭いときはＸ軸の回転
速度を２５０mm／分から280mm ／分の速度に上げる。以
上により溶接制御プログラムのトーチ軌跡の補正および
ルートギャップ幅変化による溶接条件の補正を開先の形
状に合わせて正確に行い得る。

【００２４】つぎにワイヤによる開先形状計測につい
て、図７に応用した例を示す。 図７の丸１〜丸１４は
サーボ機構によるトーチの高さを示している。（ＳＥＮ
ＣＥ）は、本発明のセンシング動作である。（ＰＴＰ)
は、単なる位置決め動作である。パイプの１周に対し
て、45゜又は90゜おもに８点又は４点について、開先形
状計測を行うものとする。各ポイントでの計測動作の流
れを図７丸Ｂに示す。丸１〜丸１４の一連の動きで、丸
１の管面高さ及びＰ, Ｑ, Ｒ, Ｓ点の実際の位置を本発
明により正確に計測する。この動きの中で、パラメータ
Ｐ₃,Ｐ₆,Ｐ₉,Ｐ₁₁,Ｐ₁₂については、パイプ種により異
なるので、パイプ種に応じて自動的に設定されるよう構
成している。丸１の管面高さにより、パイプの歪やガイ
ドレールの取付上のＺ軸方向の誤作を正確に測定でき
る。また、Ｐ, Ｑ, Ｒ, Ｓの座標値から、開先形状が正
確に認識できる。計測精度は±0.2mm であり、片側開先
分で19ポイント、両側で２倍、さらに円周方向８点を計
測する時に約６分で終了する。さらに、開先ギャップ計
測を実施しない時は 1/3の２分で終了する。したがって
開先形状を高精度かつ高速に計測出来る。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のパイプ円
周自動溶接装置の開先形状計測方法によれば以下の効果
が得られる。 ワイヤによる開先形状計測が作動したタイミングで遅
れなしに位置の計測が可能となり、従って高速に動作さ
せても高精度に測定できる。 複数の位置を連続的に計測する処理において、高速動
作させることにより、短時間で処理が完了する。 またこの計測値を用いて溶接制御プログラムについて
トーチ軌跡とルートギャップ幅変化による溶接条件の補
正を行い得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のパイプ円周自動溶接装置の全体シス
テム図である。

【図２】 本発明の溶接ヘッド駆動の動作である。

【図３】 本発明のワイヤによる開先壁の測定である。

【図４】 本発明の開先計測の構成図である。

【図５】 本発明のワイヤによる開先形状計測による入
力のラッチ動作の流れである。

【図６】 本発明の全自動溶接制御プログラムのフロー
チャート図である。

【図７】 本発明の開先形状計測図である。

【図８】 従来の開先計測の構成図である。

【図９】 従来のワイヤによる開先形状計測による入力
のラッチ動作の流れである。

【符号の説明】

１・・・ パイプ ２・・・ 開先 ３・・・ ガイドレール ４・・・ 溶接トーチ ５・・・ 溶接ヘッド ６・・・ 溶接ワイヤ ７・・・ 制御装置 ８・・・ リモート操作
ボックス ９・・・ 溶接電源 10・・・ 送電ケーブル 11・・・ ワイヤ供給装置 12・・・ 専用レジスタ 13・・・ 位置カウンタ 14・・・ レジスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 前田 謙一 茨城県常陸太田市天神林町1225−47

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接ワイヤを支持するトーチとワーク間
   に電圧を印加し、溶接ワイヤとワークとの接触による通
   電状態を検出してワーク位置を検知するセンシング手段
   をそなえた自動溶接装置のサーボ制御システムにおい
   て、位置フィードバックパルスの位置カウンタのカウン
   ト値を、ワイヤによる開先形状計測による入力をトリガ
   ーにハード的にラッチする専用レジスタを設けたパイプ
   円周自動溶接装置の開先形状計測方法。
2. 【請求項２】 請求項１の方法を用いて開先形状を計測
   しつつ、溶接制御プログラムを自動的に補正する開先形
   状計測方法。