JPS5922881B2 - 歪検出用素子付き中心位置検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は歪検出用素子を設けた振動片を有し、二つの
非導電体対象物間の中心位置を検出する装置の構造に関
する。

発明者はさきに振動片を用いて対象物との相対位置を検
出する装置を提案しているが、まずその構造を図面によ
り説明する。

検出器の一部材たる固定ブロック１には振動系に振動を
与える振動付与装置例えば直流モータ２が固定される。
この直流モータ２には交流電源３から交流電圧が印加さ
れその周波数に応じてモータ軸４は往復回動する。この
モータ軸４によりほぼ共振して振動される振動系は中心
設定用振動片５、前記モータ軸４に固定される締付治具
６、振動片７よりなる。振動片Ｔはその形状、寸法に応
じて第３図に示す１次共振モード又は第４図に示す２次
共振モードで共振し、共振する振動片Ｔの自由端が一の
対象物Ｂａに近づきすぎると該対象物のみに接触し、他
の対象物８ｂに近づきすぎるとその対称物のみに接触し
、二つの対象物の中央に位置すると両者に均等に接触す
ることによる前記振動片が対象物に接触することにより
送出される電気信号により検出器と対象物との相対位置
を検出することにより、前対象物面又はその中心線に対
する直流モータの軸の中心ひいては固定ブロック１、こ
れに接続する溶接トーチの相対位置を検出するものであ
る。対象物を溶接開先に例をとわ説明すると、（以下二
つの対象物を「開先」として説明する。）この振動片の
接触は電路９、１０により電気的に検出され、その信号
により母材８の開先中心線１３に検出器ひいては溶接ト
ーチを倣い誘導変位させることを可能とするものである
。ここで、発明者等の提案する装置の作動原理につてい
考察してみる。

この装置においてセンサとして機能する振動片は、片持
で共振状態にある。この共振状態とは、振動に寄与する
外力を加振エネルギーとして振動片に加える場合におい
て、振動片の持つ固有振動数Ｆ。と同一の振動数で加振
エネルギーを加えることにより振動している状態をいう
。この状態では、ごく微量の加振エネルギーであつても
、その全てが振動エネルギーに変換されるため、時間と
共に振幅は増加し、無現大となる。

しかし実際の装置においては振動時の空気抵抗、振動片
の変形歪み等によるエネルギーのロスが存在するため、
或る一定の最大振幅Ｗ（第８図）で定常状態となわ、以
後振幅Ｗで振動することとなる。片持ちの振動片の共振
周波数Ｆ。

は下に示すｋ値の平方根に比例する。２＝振動片の長さ
（第６図Ａ，Ｂ参照） ｂ＝幅 ｈ＝厚み 片持ちの振動片が共振するときは振動片の受ける振動エ
ネルギーは小さいものであつても、その自由端は大きく
振れるが共振周波数から振動数が僅かでもずれると急速
に振幅はＯに近づいてしまう。

例えば約２０１１の共振振幅をもつていたものが共振周
波数からずれると僅か２７１ｔ１Ｌ程度のものとなつて
しまう。極く微少時間ではあるが、加振し始めてから最
大振幅ｗの定常状態に至るまでの過渡的現象をみると第
１０図のようになつている。

いま、振動の中心を原点０とし、更に或る時刻ｔにおけ
る振動片の位置は−Ｘ１ （速度ｖ＝０）であつたとす
る。

振動の周期をＴ（Ｓｅｃ）とした場合、１／ＦＯ＝Ｔで
あるから、時刻ｔよジ時間１／２×１／ＦＯ即ち、半周
期後の振動片はＸ１＋ＦＯＣ）＝Ｘ２の位置に来る。こ
こで、ｆ（ｘ）は振動エネルギーに変換される加振エネ
ルギーによる振動片の振幅増加量である。

前記の如く加振エネルギーは一定であつても空気抵抗等
が存在するためｆ（ｘ）は減少関数となつている。更に
１／２Ｆ０後の振動片は−Ｘ３＝一（Ｘ２＋ｆ・（Ｘ２
））の位置に来る。

同様にして振動片の振幅は、１周期につき往復分の加振
エネルギーを振動エネルギーとして受け２ｆ（Ｘｎ）の
振幅を増しつつ最大振幅ｗに至る。共振時における振動
片はモータ等より受ける加振エネルギーと空気抵抗等の
エネルギーロスとのバランスにより、その自由端は最大
振幅ｗで振動するが、第７図，第９図に示すようにその
振幅を制限する位置（−Ｘ，）に制限面（例えば左側開
先面８ａ）があるときは、これに軽く接触しながらＷ１
の振幅を保持しつつ共振様の振動をする。

これは以下のような理由による。振幅ｗで振動していた
振動片が制限面８ａに当つた瞬間、振動片の有していた
エネルギーは制限面．８ａを押すエネルギー、熱エネル
ギー等として消費される。そして、振動片が制限面８ａ
から離れると再び加振エネルギーを受けＸ２＝Ｘ１＋ｆ
（Ｘ１）の位置に来る。即ち定常状態として振幅Ｗで共
振していた振動片は制限面８ａに当つた瞬間から、共振
に至るまでの過渡的状態に移るのである。ところが一周
期の後には再度制限面８ａに当ｂ、一往復分の加振エネ
ルギーは再び熱エネルギー等として消費され、以下同様
な運動を繰う返すこととなる。

この状態は、振幅Ｗ１＝Ｘ１＋Ｘ２なる共振状態と同様
な振動ということができる。この様な共振様の振動にお
いては、数学的な正確さで振幅ｗの中心に原点０が存在
せず、加振エネルギー分（即ちＸ２−Ｘ１）だけ移動し
、これが測定誤差として表われるが、加振エネルギー自
体が極く微少量であるため、この誤差は測定上無視でき
る程度の微少量である。

また、面８ａと振動片の接触も、一往復分の加振エネル
ギーを消費するだけの接触であるため、ほとんど無接触
に近い状態での接触となつている。

つぎに第７図を用いて相対向する対象物面間の中心線の
検出を、例を開先にとｂ、その仕方を具体的に説明する
。第７図のごとく自由端が左側開先面８ａに接触して共
振しているとき図示他の自由端位置７０は右側開先面（
他の対象物）８ｂに接触することはない。

従つて左側開先面８ａのみに接触しているということを
検知して電気的信号として取り出すことができる。同様
にして右側開先面８ｂに固定点４が近づきすぎると右側
開先面に近づきすぎるということを電気信号として取わ
出すことができる。固定点が開先の中央面（ＣＬ面）に
復帰するとその自由端７０の振幅は共振していることか
らＷＯと大きいものとなｂ両開先面８ａ，８ｂにその共
振する振動数で交互に接触し、これを電気信号として取
）出し固定点４が常に開先の中央面内にあることを検知
できる。

このことを第１表としてまとめて表示する。このような
共振する振動片の特性を利用することによシこの振動片
をセンサとして使用し開先面の中心線に対する直流モー
タの軸の中心ひいては固定プロツク１、これに接続する
溶接トーチの開先中心位置を検出するものである。

この振動片の接触は電路９，１０により電気的に検出さ
れ、その信号により母材８の開先中心線１３に検出器ひ
いては溶接トーチを倣い誘導立位させることを可能とす
るものである。また振動片は５０サイクル（又は６０サ
イクル）で振動しているので振動片の振動状態を通して
の溶接ノズル又はアークの視認が容易にできるものとな
る。この発明は前記のような振動片と開先部との接触に
よる電流の流れに代火絶縁皮膜をもつ対象物等非導電体
の対象物の検出に好適なように振動片の側面に貼着した
歪検出用素子の電気抵抗の変化により接触の有無を検出
する装置の構造を提案することを目的とする。

要するにこの発明は振動片の接触による形状変化の大な
る部分、通常その変形の大なる部分の側面に歪検出用素
子を貼着して、その歪検出素子の電気抵抗の変化により
開先部との接触の有無を検出し開先部の中心位置を検出
することを特徴とする。

この発明にかかる検出装置を説明すると、検出装置構造
は第１図、第２図に示すものと同様であり、たと振動片
について第５図に示すごとく歪検出用素子１４を振動片
７に密着（通常貼着する）取付けしたものを使用するも
のである。

この歪検出用素子１４からの信号はリード線１５で取り
出され、制御箱（図示せず）に送られ記憶数値との対比
により接触状態を知ることができる。信号の処理にはや
＼手間がかかるが、振動片端部と開先部との接触による
電流流れが、開先部の表面清浄度即ち絶縁皮膜の存在に
よ）影響されることに比較し、そのような必配もなく安
定した電気信号が得られるという特徴がある。この場合
において振動片が開先の一側面にのみ接触しているとき
、換言すれば直流モータ２の軸心（支点）が開先中心に
位置していないとき、歪検出用素子が振動片の振動と接
触にもとづき出す電気信号の単位時間あたりの数は、振
動片が開先両面に当つているとき、即ち直流モータの軸
心が開先中心にあるときに出す単位時間あたｂに出す電
気信号の数の１／２であることにより、直流モータ軸心
が開先中心に位置するか否かの判断は容易にすることが
できる。

この電気信号はオツシロスコープのブラウン管に容易に
表示させることができる。

この発明を実施するときは、対象部が導電体である場合
はもちろん、非導電体であつても、また開先部表面に絶
縁皮膜が存在する場合に｝いても電流流れの阻害の問題
を生ずることもなく安定した電気的信号が取り出され、
対象部と振動片取付部との相対位置の検出を精度高くで
きるという効果を奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は検出装置の正面図、第２図はその側面図、第３
図は振動片の１次モード振動を示す図面、第４図は振動
片の２次モード振動を示す図面、第５図はこの発明にか
かる歪検出用素子を貼着した振動片、第６図Ａは片持梁
の側面図、第６図Ｂは第６図Ａ（７）Ｉ−１断面図、第
７図は振動片と対象物の面間の中心位置検出の説明図、
第８図、第９図は本発明の作動原理の説明図である。 １・・・固定プロツク、２・・・直流モータ、４・・・
モータ軸、７・・・振動片、１４・・・歪検出用素子、
１５・・・リード線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 最大共振振幅が、相対向する対象物間隔より大とな
   る振動片を備なえた検出器を二つの対象物間に配置し、
   前記振動片をその振動片の共振周波数で加振し、前記振
   動片の自由端が前記二つの対象物のいずれか又は双方と
   接触することによる信号により前記振動片の支点が前記
   二つの対象物間の中心にあるか否かを検出する検出器の
   振動片の側面に歪検出用素子を貼着して設け、該歪検出
   用素子から送出される電気信号により前記二つの対象物
   間の中心を検出する歪検出用素子付き中心位置検出装置
   。