JPH10244368A - 自動溶接機における開先検出方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】短時間で開先の３次元検出が行えるようにした
自動溶接機における開先検出方法を提供する。 【解決手段】ワークの溶接開始位置側で、レーザ変位計
をワークを構成する一方の母材に向け、レーザ変位計に
よる検出を行ないながら母材が検出されるまで移動さ
せ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、レー
ザ変位計を所定の角度回転させて他方の母材に向け、レ
ーザ変位計による検出を行ないながら母材が検出される
まで移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になった
とき、空間３軸におけるその位置の座標を記憶するとと
もに、レーザ変位計をワークの溶接終了位置側へ所定の
距離移動させ、レーザ変位計を前記一方の母材に向けて
所定の角度回転させるとともに、レーザ変位計を前記他
方の母材に沿って移動させ、レーザ変位計の出力が所定
の値になったとき、空間３軸におけるその位置の座標を
記憶して、記憶された各座標位置から開先の３次元位置
を算出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アーク溶接ロボッ
トを用い、予め定められた作業内容を再生動作するよう
にした自動溶接機における開先検出方法および装置にか
かり、特に、溶接線の３次元位置を検出し、予め教示さ
れた溶接線を補正するの好適な開先検出方法および装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】予め定められた作業内容を再生動作する
ようにした自動溶接機における溶接作業において、良好
な溶接結果を得るためには、溶接トーチをワークの開先
位置に正確に位置決めして溶接を行うことが必要であ
る。しかし、溶接するワークの寸法のバラツキ、あるい
は自動溶接機に対するワークの取付け位置のバラツキな
どにより、開先位置は必ずしも一定にはならない。

【０００３】そこで、特開平２−９２４５８号公報に開
示された開先位置検出方法が提案されている。この開先
検出方法においては、比較的大きな間隔でステッキセン
シングを行って開先位置を検出した後、開先内で比較的
小さな間隔でステッキセンシングを行い開先線の交点を
検出するようにしている。

【０００４】このような開先検出方法においては、多種
類の継ぎ手形式の開先の検出を行うことができ、しか
も、ワークの取付け状態にかかわらず開先内外の判断を
行うことができるので、開先の交点を正確に検出するこ
とができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ステッキセン
シングでは溶接トーチを、比較的粗い間隔で、突き合わ
された母材と平行な方向への移動と、垂直な方向への移
動を行い開先の位置を検出した後、開先内を比較的細か
い間隔で母材と平行な方向への移動と、垂直な方向への
移動を行い溶接開始位置を検出するように、検出操作を
繰返し行うため時間がかかり、作業能率を低下させるこ
とがある。

【０００６】上記の事情に鑑み、本発明の目的は、より
短時間で開先の３次元位置の検出が行えるようにした自
動溶接機における開先検出方法および装置を提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本願の第１の発明においては、ワークと溶接トーチ
との相対位置および姿勢を空間３軸で制御して溶接を行
なう自動溶接機で、溶接トーチにレーザ変位計を付設し
て開先位置を検出する開先検出方法であって、ワークの
溶接開始位置側で、ワークを構成する母材の表面もしく
は開先交線を前記空間３軸のうちの１軸に略直交させる
ように配置し、レーザ変位計を前記ワークを構成する一
方の母材に向け、レーザ変位計による検出を行ないなが
ら母材が検出されるまで移動させ、レーザ変位計の出力
が所定の値になったとき、空間３軸におけるその位置の
座標を記憶するとともに、母材に対するレーザ変位計の
姿勢を確認した後、レーザ変位計を所定の角度回転させ
て他方の母材に向け、レーザ変位計による検出を行ない
ながら母材が検出されるまで移動させ、レーザ変位計の
出力が所定の値になったとき、空間３軸におけるその位
置の座標を記憶するとともに、レーザ変位計と前記他方
の母材との距離を維持した状態で、レーザ変位計をワー
クの溶接終了位置側へ所定の距離移動させた後、レーザ
変位計を前記一方の母材に向けて所定の角度回転させる
とともに、レーザ変位計を前記他方の母材に沿って移動
させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、空
間３軸におけるその位置の座標を記憶して、記憶された
各座標位置から開先の３次元位置を算出するようにし
た。

【０００８】また、本願の第２の発明においては、その
表面もしくは開先交線を空間３軸の内の１軸と略直交さ
せるように支持したワークを、空間３軸で位置制御する
ポジショナと、前記１軸方向に支持した溶接トーチを空
間３軸で位置制御するアーク溶接ロボットと、前記溶接
トーチに支持された駆動装置と、この駆動装置に、前記
ワークの表面もしくは開先交線に直交する平面内で回動
可能に支持され、開先を形成するワークの２つの面の位
置を検出するレーザ変位計と、前記レーザ変位計を溶接
開始位置側と溶接終了位置側で所定の検出経路に沿って
移動させ、レーザ変位計の検出結果に基づいて、溶接開
始位置と溶接終了位置における開先位置を算出し、前記
検出結果に基づいて予め教示されている溶接線全体の座
標位置を補正するとともに、溶接トーチを算出された開
先位置へ移動させるようにした制御手段とを設けた。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。図１および図２は、本発明におけ
る開先検出方法を示すフローチャート。図３は、アーク
溶接ロボットを用いた自動溶接機の構成図。図４は、図
３における溶接トーチ部の拡大図。図５は、開先検出の
ためのレーザ変位計の移動状態を示す図。図６は、レー
ザ変位計の出力特性図。図７は、ワークに対するレーザ
変位計の傾きを示す図である。

【００１０】図３において、４は多関節型のアーク溶接
ロボットで、その手首部５には、溶接ワイヤ３が供給さ
れる溶接トーチ６が取り付けられている。７はロボット
制御盤で、アーク溶接ロボット４を制御し、溶接トーチ
６の位置と姿勢を空間３軸で制御する。

【００１１】８はティーチングボックスで、予め定めら
れた作業内容をアーク溶接ロボット４に教示する際に、
溶接トーチ６の移動経路、姿勢などを指示したり、ある
いは手動で移動される溶接トーチ６の移動経路、姿勢を
検出してロボット制御盤７の記憶装置に登録する。

【００１２】１０はコントローラで、溶接トーチ６の付
設された検出装置への電源供給や、検出装置からの検出
信号の増幅を行なう。１１はコントロールユニットで、
検出装置の検出信号に基づいて、検出装置の位置、角度
などの設定、修正を行なう。

【００１３】１３はポジショナで、アーク溶接ロボット
４と対向するように配置され、ワーク１２を、その表面
もしくは開先交線が空間３軸の内の１軸と略直交するよ
うに支持し固定する。

【００１４】図４において、１４は取付治具で、溶接ト
ーチ６に固定されている。１５は駆動装置で、取付治具
１４に固定されている。１６は駆動軸で、駆動装置１５
から突出している。９は検出装置としてのレーザ変位計
で、その測定軸が溶接トーチ６の溶接方向と平行になる
ように駆動軸１６に固定されている。１７はシャッタ
で、レーザ変位計９の前面を覆い、溶接作業時にレーザ
変位計９をスパッタから保護するように、前記駆動装置
１５に回動可能に支持されている。

【００１５】上記の構成において、ワーク１２の開先を
検出する手順を、図１および図４ないし図７に基づいて
説明する。まず、ポジショナ１３にワーク１２を所定の
姿勢で固定し、溶接開始位置から終了位置まで、溶接線
に沿って通常の教示をおこなう。

【００１６】ついで、開先検出のために必要な諸データ
を教示する。

【００１７】（ａ）図５に示すように、溶接開始位置Ｐ
ｆにおいて、ワーク１２の予測されるずれを考慮して、
レーザ変位計９を、開先検出のための待機位置Ｐ０、検
出開始位置Ｐ１に移動させ、各位置の空間３軸における
座標ｘ、ｙ、ｚを設定する。

【００１８】（ｂ）検出開始位置Ｐ１から検出動作を行
う方向を設定する（ワーク１２を構成する一方の母材Ａ
に近接する方向と、他方の母材Ｂに近接する方向）。

【００１９】（ｃ）検出する継手の形状を設定する（レ
字形継手、Ｖ字形継手の場合には、その幅および深さも
設定する）。

【００２０】（ｄ）検出のためのトーチの移動距離ｌを
設定する。

【００２１】なお、前記座標ｘ、ｙ、ｘは、図５に示す
ように、たとえば、ｘ軸は直交する一方の母材Ｂと平行
な方向、ｙ軸は他方の母材Ａと平行な方向、ｚ軸は開先
線と平行な方向として設定している。

【００２２】ポジショナ１３にワーク１２を取り付けた
後、検出開始指令を与える。すると、アーク溶接ロボッ
ト４が作動して、図５に示すように、レーザ変位計を待
機位置Ｐ０へ位置決めする（ステップＳ１）。ついで、
レーザ変位計を検出開始位置Ｐ１へ移動させ、検出開始
位置Ｐ１でレーザ変位計の検出動作を開始させる（ステ
ップＳ２）。

【００２３】レーザ変位計を母材Ａ側（−ｘ方向）に比
較的早い速度（Ｓｈ）で近接させる（ステップＳ３）。
レーザ変位計が移動している間、レーザ変位計が母材Ａ
を検出可能な位置に到達したか否かを判定する（ステッ
プＳ４）。

【００２４】レーザ変位計が母材Ａの検出可能な距離に
到達し、レーザ変位計の出力が図６のＶ１からＶ２に変
化したら、レーザ変位計を停止させる。この時、レーザ
変位計が比較的早い速度（Ｓｈ）で作動しているため、
ロボット制御盤内の信号処理の遅れ、アーク溶接ロボッ
トの慣性などにより、レーザ変位計が出力Ｖ２を検出し
た位置Ｐ２より位置ｐ２側に行き過ぎて停止する。

【００２５】この行き過ぎ量を、母材Ａが検出可能で、
母材Ａから最も離れた位置での出力（Ｖ２）と、レーザ
変位計が停止したときの出力とを比較することにより算
出し、算出された距離だけ、レーザ変位計を比較的遅い
速度（Ｓｌ）で戻す（ステップＳ５）。そして、レーザ
変位計の出力がＶ２になったことを確認して、レーザ変
位計を停止させる（ステップ６）。

【００２６】レーザ変位計の出力がＶ２になった位置Ｐ
２（母材Ａからの距離ｌ１）の座標ｘ、ｙ、ｚを検出、
記憶する（ステップＳ７）。

【００２７】レーザ変位計の検出動作している状態で、
レーザ変位計をワークを構成する母材Ａと母材Ｂに直交
する面内で所定角度（たとえば、現在の位置を中心とし
て９０度）回動させる（ステップＳ８）。そして、レー
ザ変位計の回動角度とともに、レーザ変位計の出力の変
化を検出し、位置Ｐ２でレーザ変位計の出力がＶ２にな
る点ｐ２が２点あるか否かを判定する（ステップＳ
９）。

【００２８】もし、位置Ｐ２でレーザ変位計を回動させ
たとき、出力がＶ２になる点ｐ２が２点あれば、図７に
示すように、母材Ａの表面に対してレーザ変位計が傾斜
した状態で検出していることを示すことになる。

【００２９】出力がＶ２になる点ｐ２が２点ある場合に
は、アーク溶接ロボットにより、レーザ変位計の角度を
調整する（ステップＳ１０）。そして、レーザ変位計を
スタートポイントに戻し（ステップＳ１１）、検出をや
りなおす。

【００３０】レーザ変位計の出力がＶ２になる点ｐ２が
１点のみの場合、駆動装置によって、レーザ変位計を母
材Ｂ側に向けて（母材Ｂと直交するように、母材Ａと母
材Ｂが直交する場合には、９０度）回動させ、母材Ａと
の間隔を一定に保ちながら、レーザ変位計を母材Ｂ側
（−ｙ方向）に比較的早い速度（Ｓｈ）で近接させる
（ステップＳ１２）。レーザ変位計が移動している間、
レーザ変位計が母材Ｂを検出可能な位置に到達したか否
かを判定する（ステップＳ１３）。

【００３１】レーザ変位計が母材Ｂの検出可能な距離に
到達し、レーザ変位計の出力が、図６のＶ１からＶ２に
変化したら、レーザ変位計を停止させる。この時、レー
ザ変位計が比較的早い速度（Ｓｈ）で作動しているた
め、ロボット制御盤内の信号処理の遅れ、アーク溶接ロ
ボットの慣性などにより、レーザ変位計が出力Ｖ２を検
出した位置Ｐ３より位置ｐ３側に行き過ぎて停止する。

【００３２】この行き過ぎ量を、母材Ｂが検出可能で、
母材Ｂから最も離れた位置での出力（Ｖ２）と、レーザ
変位計が停止したときの出力とを比較することにより算
出する。算出された距離だけ、レーザ変位計を比較的遅
い速度（Ｓｌ）で戻す（ステップＳ１４）。そして、レ
ーザ変位計の出力がＶ２になった位置Ｐ３でレーザ変位
計を止める（ステップＳ１５）。

【００３３】レーザ変位計の出力がＶ２になった位置Ｐ
３（母材Ｂからの距離ｌ２＝母材Ａからの距離ｌ１）の
座標ｘ、ｙ、ｚを検出、記憶する（ステップＳ１６）。

【００３４】ここで、前記ステップ８、ステップ９と同
じ操作を繰返す（ステップＳ１７）。そして、出力がＶ
２になる点が２点ある場合には、各点におけるレーザ変
位計の回動角を検出し、その中間位置でレーザ変位計の
回動を止め、出力がＶ２になるようにレーザ変位計を移
動させて、その座標ｘ、ｙ、ｚを検出して、前記記憶を
書き替える（ステップＳ１８）。

【００３５】母材Ｂに対するレーザ変位計の距離ｌ２を
維持した状態で、レーザ変位計を溶接終了位置Ｐｅ方向
へ位置Ｐ４まで距離ｌ３だけ移動させる（ステップＳ１
９）。位置Ｐ４で、母材Ａ側に向けてレーザ変位計を所
定角度だけ回動させ、レーザ変位計と母材Ａとの距離ｌ
１´を検出する（ステップ２０）。

【００３６】検出した距離ｌ１´を、溶接開始位置Ｐｆ
側で検出した距離ｌ１と比較し（ステップＳ２１）、距
離ｌ１と距離ｌ１´が等しくないときには、レーザ変位
計をＸ方向に、距離ｌ１´が距離ｌ１と等しくなる位置
Ｐ５まで移動させる（ステップＳ２２）。

【００３７】距離ｌ１と距離ｌ１´が等しいとき、レー
ザ変位計の位置Ｐ５の座標ｘ、ｙ、ｚを記憶する（ステ
ップ２３）。

【００３８】前記位置Ｐ３における母材Ａからの距離ｌ
１と母材Ｂからの距離ｌ２からワークの溶接開始位置Ｐ
ｆにおける開先位置の座標を算出する。同様に、前記位
置Ｐ５における母材Ａからの距離ｌ１と母材Ｂからの距
離ｌ２からワークの溶接終了位置Ｐｅにおける開先位置
の座標を算出することができる。そして、溶接開始位置
Ｐｆと終了位置Ｐｅの開先の座標位置から、予め教示し
た溶接線全体の座標位置を補正して、ワークに対する溶
接経路を設定する。

【００３９】溶接トーチとレーザ変位計の位置関係に基
づいて、溶接トーチをワークの開先位置Ｐｆへ位置決め
する（ステップＳ２４）。

【００４０】このようにして、溶接トーチ６をワーク１
２の開先の溶接開始位置に位置決めしたら、溶接トーチ
６の先端から溶接ワイヤ３を所定量突出させるととも
に、溶接電源を作動させ、ワーク１２の溶接を開始す
る。

【００４１】なお、上記の実施の形態においては、溶接
継ぎ手が下向きすみ肉の場合について説明したが、開先
形状がＶ型あるいはレ型であっても、同様に開先検出を
行なうことができる。

【００４２】また、上記の実施の形態においては、アー
ク溶接ロボット４側を動かして開先を検出する場合につ
いて説明したが、ポジショナ１３側を動かして開先を検
出する場合にも、同様に適用することができる。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたごとく、本願の第１の発明に
よれば、ワークと溶接トーチとの相対位置および姿勢を
空間３軸で制御して溶接を行なう自動溶接機で、溶接ト
ーチにレーザ変位計を付設して開先位置を検出する開先
検出方法であって、ワークの溶接開始位置側で、ワーク
を構成する母材の表面もしくは開先交線を前記空間３軸
のうちの１軸に略直交させるように配置し、レーザ変位
計を前記ワークを構成する一方の母材に向け、レーザ変
位計による検出を行ないながら母材が検出されるまで移
動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったとき、
空間３軸におけるその位置の座標を記憶するとともに、
母材に対するレーザ変位計の姿勢を確認した後、レーザ
変位計を所定の角度回転させて他方の母材に向け、レー
ザ変位計による検出を行ないながら母材が検出されるま
で移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったと
き、空間３軸におけるその位置の座標を記憶するととも
に、レーザ変位計と前記他方の母材との距離を維持した
状態で、レーザ変位計をワークの溶接終了位置側へ所定
の距離移動させた後、レーザ変位計を前記一方の母材に
向けて所定の角度回転させるとともに、レーザ変位計を
前記他方の母材に沿って移動させ、レーザ変位計の出力
が所定の値になったとき、空間３軸におけるその位置の
座標を記憶して、記憶された各座標位置から、予め教示
された溶接線の３次元位置を補正するようにしたので、
自動溶接機における開先位置のずれによる溶接の不具合
を無くすことができる。また、開先検出時間を短縮し、
作業能率を向上させることができる。

【００４４】また、本願の第２の発明によれば、その表
面もしくは開先交線を空間３軸の内の１軸と略直交させ
るように支持したワークを、空間３軸で位置制御するポ
ジショナと、前記１軸方向に支持した溶接トーチを空間
３軸で位置制御するアーク溶接ロボットと、前記溶接ト
ーチに支持された駆動装置と、この駆動装置に、前記ワ
ークの表面もしくは開先交線に直交する平面内で回動可
能に支持され、開先を形成するワークの２つの面の位置
を検出するレーザ変位計と、前記レーザ変位計を溶接開
始位置側と溶接終了位置側で所定の検出経路に沿って移
動させ、レーザ変位計の検出結果に基づいて、溶接開始
位置と溶接終了位置における開先位置を算出し、前記検
出結果に基づいて予め教示されている溶接線全体の座標
位置を補正するとともに、溶接トーチを算出された開先
位置へ移動させるようにした制御手段とを設けたので、
ワークを構成する母材寸法のバラツキやポジショナに対
する取付け位置のバラツキに関係なく、溶接トーチを開
先位置に正確に位置決めすることができ、良好な溶接を
行なうことができる。また、開先検出時間を短縮し、作
業能率を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による開先検出手順を示すフローチャー
ト。

【図２】本発明による開先検出手順を示すフローチャー
ト。

【図３】アーク溶接ロボットを用いた自動溶接機の構成
図。

【図４】自動溶接機における溶接トーチとレーザ変位計
の関係を示す拡大平面図。

【図５】開先検出のためのレーザ変位計と母材の相対移
動の状態を示す図。

【図６】レーザ変位計の出力特性図。

【図７】ワークに対するレーザ変位計の傾きを示す説明
図。

【符号の説明】

４ アーク溶接ロボット ６ 溶接トーチ ９ レーザ変位計 １１ 制御手段 １２ ワーク Ａ、Ｂ 母材 １３ ポジショナ １５ 駆動装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ワークと溶接トーチとの相対位置および姿
   勢を空間３軸で制御して溶接を行なう自動溶接機で、溶
   接トーチにレーザ変位計を付設して開先位置を検出する
   開先検出方法であって、ワークの溶接開始位置側で、ワ
   ークを構成する母材の表面もしくは開先交線を前記空間
   ３軸のうちの１軸に略直交させるように配置し、レーザ
   変位計を前記ワークを構成する一方の母材に向け、レー
   ザ変位計による検出を行ないながら母材が検出されるま
   で移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になったと
   き、空間３軸におけるその位置の座標を記憶するととも
   に、母材に対するレーザ変位計の姿勢を確認した後、レ
   ーザ変位計を所定の角度回転させて他方の母材に向け、
   レーザ変位計による検出を行ないながら母材が検出され
   るまで移動させ、レーザ変位計の出力が所定の値になっ
   たとき、空間３軸におけるその位置の座標を記憶すると
   ともに、レーザ変位計と前記他方の母材との距離を維持
   した状態で、レーザ変位計をワークの溶接終了位置側へ
   所定の距離移動させた後、レーザ変位計を前記一方の母
   材に向けて所定の角度回転させるとともに、レーザ変位
   計を前記他方の母材に沿って移動させ、レーザ変位計の
   出力が所定の値になったとき、空間３軸におけるその位
   置の座標を記憶して、記憶された各座標位置から、予め
   教示された溶接線の３次元位置を補正することを特徴と
   する自動溶接機における開先検出方法。
2. 【請求項２】その表面もしくは開先交線を空間３軸の内
   の１軸と略直交させるように支持したワークを、空間３
   軸で位置制御するポジショナと、前記１軸方向に支持し
   た溶接トーチを空間３軸で位置制御するアーク溶接ロボ
   ットと、前記溶接トーチに支持された駆動装置と、この
   駆動装置に、前記ワークの表面もしくは開先交線に直交
   する平面内で回動可能に支持され、開先を形成するワー
   クの２つの面の位置を検出するレーザ変位計と、前記レ
   ーザ変位計を溶接開始位置側と溶接終了位置側で所定の
   検出経路に沿って移動させ、レーザ変位計の検出結果に
   基づいて、溶接開始位置と溶接終了位置における開先位
   置を算出し、前記検出結果に基づいて予め教示されてい
   る溶接線全体の座標位置を補正するとともに、溶接トー
   チを算出された開先位置へ移動させるようにした制御手
   段とを設けたことを特徴とする自動溶接機における開先
   検出装置。