JPS6051952B2 - 自動溶接方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶接ロボットを使用して、溶接トーチが時々
刻々変る形態の溶接線に対し自動的かつ連続的に溶接を
行うことができ、しかも制御が容易であつて加工精度を
高め得る如き新規な自動溶接方法を提供するものである
。

曲面状をなすワークの周縁に存する溶接線例えば母管か
ら小径の枝管を岐出して形成したノズル部の溶接線は３
次元的に変位する点が無端に連続してなるものであり、
溶接トーチの軸が一定でなく、位置が変るのに伴つてト
ーチ軸の指向方向は時々刻々変動する。

これは第１図および第２図に示したところから明らかで
あつて、大径の母管２の周面に対して、スカート部４を
有する小径の枝管３を溶接によつて組付ける場合を考え
ると、前記両管２，３の接合部を形成する溶接線５は恰
も鞍形をなして、上方から眺めると円ではなく略惰円状
になり、かつ高い位置と低い位置とでは可成りの上下差
が存している。

この溶接線５は普通、外側に向けて拡がる逆三角形状の
開先部となつていて、トーチ軸を正しく溶接線５に指向
しようとすれば、溶接トーチの軸を連続的に変化させる
必要があり、さらにトーチ自体を３次元的に移動しなけ
ればならなくて、溶接ロボットを用いて自動連続溶接し
ようとすれば記憶容量の大きい制御装置に依存せざるを
得ず、従つて制御系が非常に複雑なものとなり、取扱い
上の面倒なことを相俟つて装置コストが高騰する問題が
あつた。

さらに、この種の溶接は溶接個所の断面形状が外方に向
けて拡がる開先をなしていて、一周の間に溶接を行うこ
とはできず、何周かを径て多層盛溶接することによつて
完全な接合が可能となるものであり、一周毎に溶接トー
チの狙い位置および．トーチ角度を変える必要があるこ
とから、制御装置は、よソー層複雑化することを余儀な
くされていた。

本発明はか）る問題に着目して、上述せるような従来欠
陥を根本的に排除し得る新規な自動溶接．方法を提供し
ようとして成されたものであつて、特に溶接ロボットに
主軸系と補正軸系の２系を具備せしめて、主軸系には旋
回用Ｒ軸、横移動用Ｘ軸、縦移動用Ｚ軸および揺動用Ｓ
軸の４自由度を持たせる一方、補正軸系には溶接トーチ
の軸方向・に移動するための■軸、Ｘ−Ｚ両軸を含む面
に平行てかつ■軸と直交する方向に移動するためのＨ軸
の２自由度を持たせて、溶接ロボットの支柱を３次元的
変位点が無端に連続して形成された溶接線を有するワー
クの中央部分において略々直交した状態にて立設固定し
た後、この溶接線に対する溶接トーチの位置を前記支柱
に設けたＸ．Ｚ．Ｓ各軸用のカム板の機械的情報の形で
主軸系の各軸に教示し、次いで溶接線倣いセンサを溶接
トーチの先端部に取着し溶接線に一周トレースさせる間
に、前記補正軸系の■．Ｈ両軸に倣い教示させて、該倣
い教示の終了後クローズドループ制御方式によつて自動
溶接を行うことを特徴とする。

ノ 以下、本発明の態様を添付図面によつて詳細に説明
する。

本発明方法の実施の対象となる被溶接体は、第１図およ
び第２図に例示されるように、大径母管２と小径枝管３
，３との組付けになる圧力容器１；であつて、大径母管
２に穿設した孔と小径枝管３のスカート部４周縁とを突
合わせて、この部分即ち溶接線５をＭＩＧ（Ａｒ＋ＣＯ
２）溶接によつて多層盛り溶接して一体化されるもので
ある。

溶接線５は第３図に拡大断面示するように開先”を成し
ており、そして形態としては鞍形状をなして大径母管２
の頂面部が最高位置に、これと直交する方向の周面部が
最低位置になり、さらに水平面に対して溶接線５を投影
した場合の２次元的形状は対向する前記最高位置を結ん
だ線を長径、対向する前記最低位置を結んだ線を短形と
する略々惰円状となつて、３次元的変位点が無端に連続
する曲線を形成している。

しかして本発明方法の実施に係る溶接ロボット６は第４
図に全体構造を略示しているが、支柱７と、水平アーム
８（Ｘ軸）および垂直アーム９（Ｚ軸）からなるアーム
と、垂直アーム９端に係着したブラケット１０と、該ブ
ラケット１０に支持された溶接トーチ１１により構成さ
れるロボット本体、溶接機１２、制御盤１３、テイーチ
ングコンソール１牡溶接線倣いセンサ１５を各要素とな
している。

前記ロボット本体は支柱７の基部にスクロールチャック
の如き掴持機構１６を備えていて、該機構１６によつて
ワークとしての小径ノズル管３に固定させ、図示のよう
に小径ノズル管３の上端フランジに固定することにより
、支柱７の軸が溶接線５に対して、その中心部原点位置
で、前記ワークに略々直交した状態で立設固定される。

このロボット本体は具体的構造を第５図および第６図に
示しているが、旋回体１７を支柱７の上部に回動可能に
嵌合して有しており、該旋回体１７を支柱７の周りに旋
回動するＲ軸に形成している。上記旋回体１７は図示し
ないが支柱７に固定した減速モータに連絡されて、設定
した回転速度（角度）て旋回動される。

水平アーム８は旋回体１７に対して水平方向の摺動可能
でかつアーム軸の周りへの回転が規制されて横設されて
いて、Ｘ軸に形成している。

この水平アーム８の先端部には垂下する筒体１８を有し
ていて、該筒体１８の中空部に垂直アーム９を上下方向
の摺動可能で、かつ該垂直アーム９の軸周への回転が規
制されて貫挿していて、ｚ軸に形成されている。前記垂
直アーム９の先端部を形成する下部には、前記ブラケッ
ト１０が揺動可能に係着されているが、このブラケット
１０の揺動運動はＸ−Ｚ両軸を含む垂直面に平行な面で
行われるものであつて、この揺動軸をＳ軸に形成してい
る。

しかして、水平アーム８即ちｘ軸と、垂直アーム９即ち
Ｚ軸の直線運動と、ブラケット１０即ちＳ軸の揺動運動
とは、後述する如く、カム板２６，２７，２８と、カム
係合子２９，３０，３１と、各機械伝導要素との組合わ
せによつて機械的に行われるが、この３軸と旋回（Ｒ）
軸との４軸がロボット本体の主軸系を構成して、溶接ト
ーチ１１に対して４自由度を与え、該トーチ１１を支柱
７の周りで多次元的に移動させることが可能である。

図示の溶接ロボットは上記主軸系に加えて補正軸系を別
途有しているが、この補正軸系の構造を次に第６図によ
つて説明すると、該補正軸系は前記ブラケット１０の部
分に備わつていて、主軸系とは無関係に溶接トーチ１１
のみを単独に運動させ得るよう構成している。

しかして上記補正軸系は、溶接トーチ１１の軸方向に直
線運動を行わせる■軸と、Ｘ−Ｚ両軸を含む面即ちブラ
ケット１０を揺動させる面に平行て、かつ前記■軸と直
交する方向に直線運動を行わせるＨ軸の２自由度を備え
ており、その具体的構造の１１例は第６図々示の如く、
ブラケット１０の横コ字状本体１９における懐部内で溶
接トーチ１１の軸と直交する左右方向への移動可能に設
げたコア２０と、該コア２０に対しトーチ軸方向の上下
への移動可能に設けたトーチ支持体２１とを要部として
いて、コア２０は、これに掛止したコントロールワイヤ
２２を圧縮ばね２３の圧縮力に抗して引張することによ
つて右移動を、緩めることによつて左移動を行わせるこ
とが可能となり、一方、トーチ支持体２１はこれに掛止
したコントロールワイヤ２４を引張ばね２５の引張力に
抗して引張することによつて上移動を、緩めることによ
つて下移動を行わせることが可能てあり、そして、両コ
ントロールワイヤ２２，２４の引張変位はロボット本体
の旋回体１７側に設けた回転形あるいは直動形のモータ
を制御指令に対応して作動することにより所定変位置に
制御することがてきる。

主軸系および補正軸系の概要的な構造は上述の通りであ
るが、主軸系の駆動機構について以下説明する。

先ずＸ軸の駆動機構については、支柱７に直交させて固
設したカム板２６と、該カム板２６に係合させたカム係
合子２９とを要素としていて、カム板２６は平板の下面
周縁に突設した輪状凸部２６″がＸ軸の変位を決定する
ための部分となつており、一方、カム係合子２９は前記
凸部２６″を左右両側から挾持するコロ２９ａ，２９ｂ
を有していて、両コロ２９ａ，２９ｂを前記筒体１８か
ら横に張り出したアームに軸支させている。

Ｘ軸駆動機構は、か）る構造と成したことによつて、前
記輪状凸部２６″の支柱７中心に対する離隔距離が、そ
のま）水平アーム８の伸縮方向の変位に変換されること
は明らかであり、従つて前記溶接線５を支柱７の軸線に
直交する平面上に投影したときに得られる輪形に対して
輪状凸部２６″の輪形を合致させればよいことが容易に
理解５されるであろう。次にＺ軸の駆動機構は、支柱７
に直交させて例えばＸ軸用カム板２６に背面合わせで合
体した配置となして支柱７に固設したカム板２７と、該
カム板２７の上面周縁に突設した輪状凸部２７″に″Ｏ
係合させたカム係合子３０と、該カム係合子３０と垂直
アーム９との間に形成した直線運動方向転換機構とを要
素となしている。

カム係合子３０は前記カム係合子２９と同要領で前記凸
部２７″を左右両側から挾持するコロ３０ａ，３０ｂを
有していて、旋回体１７から水平アーム８と平行させて
横設された案内棒３２に対し摺動可能となしたＬ字状ア
ーム３３に前記３０ａ，３００ｂを軸支させている。

一方、前記直線運動方向転換機構は、Ｌ字状アーム３３
の水平部分に刻設したラック３４と、垂直アーム９の中
間部周面に刻設したラック３５と、ラック３４と噛合関
係に存する小ギヤ３６、ラック３５と噛合関係に存する
大ギヤ３７を前記筒体１７に設けた水平軸に同軸結合し
てなる回転増幅部材とから構成されていて、ラック３４
の水平方向の移動量は小ギヤ３６、大ギヤ３７を介して
回転運動に増幅変換された後、ラック３５に対し垂直方
向の直線運動に転換されるようになつている。

Ｚ軸駆動機構は、上述する如き構造となしたことにより
、前記輪状凸部２７″の水平方向の変位が垂直アーム９
に対して上下方向の移動量として転換されることとなる
。

こ）で重要なことは、ｚ軸の移動量がＸ軸の移動量とは
無関係な独立した動きをとる必要がある点である。

前述せる直線運動方向転換機構は、筒体１８を基準とし
てラック３４の水平方向偏位置がＺ軸に増幅して伝達さ
れる動きをとるものであることは明らかであり、従つて
輪状凸部２７″が輪状凸部２６″を基準として支柱７の
中心方向に偏移する量に比例してＺ軸は上下方向に移動
するようになるのである。

そこで、溶接線５の各点のうちで位置的に一番．高い位
置を基準として、該位置において、前記両カム板２６，
２７の凸部２６″，２７″を、水平方向の偏差が存しな
いようにさせておき、溶接線５が下るにつれて前記凸部
２丁を支柱７の中心側に接近するよう両凸部２６″，２
７″間に水平方向．偏差を持たせるようにすれば、溶接
トーチ１１が溶接線５との離隔距離を一定値に保持した
状態で上下に運動するものであることは容易に理解され
るであろう。

さらにＳ軸の駆動機構について説明すれば、支・柱７に
直交させて固設したカム板２８と、該カム板２８に係合
させたカム係合子３１、該カム係合子３１とブラケット
１０の軸３８との間に形成した直線一回転変換機構とを
要素となしている。

カム板２８は平板の上面周縁に突設した輪状凸部２『が
Ｓ軸の変位を決定するための部分となつており、一方、
カム係合子３１は前記凸部２８″を左右両側から挾持す
るコロ３１ａ，３１ｂを有していて、両コロ３１ａ，３
１ｂを、前記案内棒３２に対し摺動可能となした垂下ア
ーム３９に軸支させている。一方、直線一回転交換機構
は軸３８に嵌着したプーリ４０と、該プー１Ｊ４０に係
架したコントロノールワイヤ４１とからなり、該コント
ロールワイヤ４１は、その可撓外筒を支柱７から突設し
た支持部材４２に固着すると共に、可撓外筒内に貫挿し
た線心の両端を前記垂下アーム３９に固着させている。

か）る構造となしたＳ軸駆動機構は、前記輪状凸部２『
の支柱７中心に対する離隔距離の変位差量が、コントロ
ールワイヤ４１、プーリ４０を介して軸２８に回転運動
量として伝達されることは明らかであり、従つて前記溶
接線５に溶接トーチ１１を指向させる場合における各位
置でのＳ軸の角度に対応して、前記輪状凸部２『の水平
方向量を予め設定しておけば溶接トーチ１１は所定の位
置で適正な方向に自動的に指向することが容易に理解さ
れるであろう。

前記ロボット本体における機械的要素の構造は以上、説
明した通りであるが、次に制御盤１３の基本構造につい
て述べれば、８ビットマイクロプロセッサ、ＲＡＭ，．
ＲＯＭおよびコアメモリで構成されるマイクロコントロ
ーラと、各種溶接条件を指示するピンボード・マトリッ
クスと、各種インターフェースと、Ｒ軸および前記Ｈ・
■両軸に専用のサーボモータ駆動回路とを公知の接続系
統と成して具備せしめている。

そしてワーク形状による溶接線５の基本的形態の教示は
、前述する如く各カム板２６，２７，２８におけるトー
チ位置情報としての輪状凸部２６″，２７″，２『の形
状を予め解析により求めて適正な形に設定することによ
り、Ｘ．Ｚ．Ｓ軸に対して機械的に教示させるとともに
Ｒ軸の位置は前記コアメモリーに記憶させ、一方、同種
のワークにおける個々の溶接線５の変化は倣いセンサ１
５ａ，１５ｂによるトレースで補正軸系（Ｖ．Ｈ２軸）
の位置をＲＡＭに記憶させる。

記憶されたＶ．Ｈ両軸に対応する位置指令は、サーポイ
ンタフェイスを介し、アナログ指令でサーボモータ駆動
回路のサーボアンプに入力する。

この入力によつて、両軸位置指令はサーボアンプで検出
器からのフィードバック信号と比較されて各モータに駆
動指令を与え、入力指令とフィードバック信号の一致で
モータは停止し、指令値通りにＨ軸、Ｖ軸を作動するこ
とができる。なお、ピンボードマトリックスは分割され
た溶接円周信号で溶接直流、溶接速度等を指令するよう
形成している。

以上の構成になる溶接装置を用いて、自動溶接を行う方
法を次に説明する。

先ず前記ロボット本体を前記掴持機構１６によつて小径
ノズル管３の上端フランジに固定することにより、支柱
７の軸を溶接線５の略々中点位置に合わせて固定する。

上記支柱７に横設した各カム板２６，２７，２８には前
述せる如く予め定められた軌跡を有する輪状凸部２６″
，２７″，２『が形成されているが、主軸系の全軸中Ｘ
．Ｚ．Ｓ各軸毎に対応して溶接線５の３次元的変位を解
析することにより、Ｘ軸およびＳ軸に対応するカム板２
６，２８には、溶接トーチ１１の対応各軸変位置を支柱
７の中心からの距離の差に換算した変位置て位置情報を
設定し、一方、Ｚ軸に対応するカム板２７には、溶接ト
ーチ１１のＺ軸変位置をＸ軸用のカム板２６の変位置か
ら支柱７の中心方向に偏移する偏差量として位置情報を
設定することにより行われる。このようなりム板２６，
２７，２８の固設手段によつてＸ．Ｚ．Ｓ３軸に対し溶
接トーチ１１の位置の教示が成され、一方、主軸系のＲ
軸については適宜の手法により位置情報の教示を行う。
主軸系の教示が終了すると、前記倣いセンサ１５を溶接
トーチ１１の先端に取付けた後、緩速下でＲ軸を旋回さ
せながら、対象の溶接線５に沿つて倣いセンサ１５を一
周トレースさせて、このときの倣いセンサ１５の位置修
正情報でＶ．Ｈ軸を駆動させＶ．Ｈ軸の位置情報をＲＡ
Ｍに記憶させて倣い教示が終る。なお、この倣い教示の
間は■軸・Ｈ軸は倣いセンサ１５の指令によつて動く。

一方、電圧、電流、速度等の溶接条件の指示は、溶接線
５周りを分割して、ピンボードマトリックス上のピンで
指令する。

以上のカム板による機械的教示および倣い教示が終了す
ると、次いで教示した指令値に基づき、主軸系のＲ軸と
補正軸系各軸とを作動させクローズドループ制御方式に
より自動連続溶接を開始し、１バス毎に予め指令した指
令通りに溶接トーチ１１の狙い位置を変え順次自動溶接
を行つて、数バスで溶接を終了する。

かくして、溶接線５の開先に対して所定の多層肉盛り溶
接を行わせることができる。

本発明は以上説明したことから明らかなように、曲面状
をなすワークの周縁に存し、３次元的変位点が無端に連
続して延在する溶接線５を支柱７から延びるアームの先
端に溶接トーチ１１が枢着されてなる溶接ロボット６に
より自動溶接するに際して、Ｒ軸、Ｘ軸、Ｚ軸およびＳ
軸の４自由度からなる主軸系と■軸・Ｈ軸の２自由度か
らなる補正軸系とを前記溶接ロボット６に具備させて、
支柱７を前記ワークに対しその中央部において略々直交
させて立設固定する一方、トーチにおけるＸ軸Ｚ軸およ
びＳ軸の位置は支柱７に固設したカム板２６，２７，２
８によつて教示させて、カム板２６，２７，２８に夫々
係合するカム係合子２９，３０，３１の動きをそのま）
機械的に対応各軸に伝えるようにしたから、溶接ロボッ
ト６はＲ軸のみを旋回動すれば、主軸系の４自由度を設
定値通りに動かすことができて正確なトーチ位置決めを
行い得るので、制御系の構造は頗る簡素化される。

さらにワーク毎の溶接線５における若干の位置変動は主
軸系とは無関係に、■・出釉の補正軸系によつて溶接ト
ーチ１１のみの位置修正を行わせているので、操作は極
めて簡単であり、かつ制御系も単純化されるにもか）わ
らず、３次元的に変化する溶接線５に対して溶接トーチ
１１を正確５に位置決めすることができる。

さらに多層盛り溶接の場合には、２層目以降の溶接狙い
位置を■・Ｈ軸のみの制御によつて行うことができるの
で、制御装置における記憶容量は非常に小さくて良い利
点もある。

Ｏ 以上のように本発明方法によれば６軸を有する溶接
ロボットであるにもか）わらずＲ．Ｖ．Ｈ？をクローズ
ドループ制御方式により自動制御すればよいので構造が
簡単となり、かつ取扱い操作も至便である上に、応答精
度の高い溶接ロボットを提供し得るすぐれた効果を奏す
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法の実施の対象であるワークの正面図
、第２図は同右側面図、第３図は前記ワークにおける溶
接線部の拡大断面図、第４図は本発明の実施に係る自動
溶接ロボットの概要図、第５図は第４図におけるロボッ
ト本体の骨格構造図、第６図は第４図の溶接トーチ部の
斜視図である。 ５・・・・・・溶接線、６・・・・・・溶接ロボット、
７・・・・・・支柱、９・・・・・・アーム、１１・・
・・・・溶接トーチ、２６・・・・・Ｘ軸用カム板、２
７・・・・・・Ｚ軸用カム板、２８・・・・・Ｓ軸用カ
ム板、２９・・・・・・Ｘ軸用カム係合子、３０・・・
・・・Ｚ軸用カム係合子、３１・・・・・・Ｓ軸用カム
係合子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 曲面状をなすワークの周縁に存し、３次元的変位点
   が無端に連続して延在する溶接線５を、支柱７から延び
   るアーム９の先端に溶接トーチ１１が枢着されてなる溶
   接ロボット６により自動溶接するに際して、支柱７の周
   りに旋回するＲ軸、支柱７に直交する方向に直線運動す
   るＸ軸、支柱７に平行な方向に直線運動するＺ軸ならび
   に前記Ｘ・Ｚ両軸を含む面に平行な平面で揺動運動する
   Ｓ軸の４自由度をアーム９側から溶接トーチ１１に与え
   る主軸系と、溶接トーチ１１の軸方向に直線運動するＶ
   軸、Ｘ・Ｚ両軸を含む面に平行でかつＶ軸と直交する方
   向に直線運動するＨ軸の２自由度を溶接トーチ１１に対
   し単独に与える補正軸系とを前記溶接ロボット６に具備
   させて、前記支柱７を前記ワークに対しその中央部にお
   いて略々直交させ立設固定する一方、前記溶接線５の３
   次元的変位を主軸系の各軸のうちのＸ．Ｚ．Ｓ各軸毎に
   分析して、その結果値を機械的変位量としてＸ．Ｚ．Ｓ
   軸個別に平板上に夫々形成してなる３枚のカム板２６、
   ２７、２８をワークに対し同軸的関係となして前記支柱
   ７に直交させて夫々固設するとともに、前記各カム板２
   ６、２７、２８に夫々係合された１次元的に変位する各
   カム係合子２９、３０、３１を前記Ｒ軸に関連して設け
   て、各カム係合子２９、３０、３１の動きを機械伝導要
   素を夫々介して対応各軸に伝達させることにより、溶接
   線５に対する溶接トーチ１１の位置を主軸系のＸ．Ｚ．
   Ｓ各軸については、その動作軌跡を前記各カム板２６、
   ２７、２８で教示し、次いで溶接線倣いセンサを溶接ト
   ーチ１１の先端部に取り付けて、溶接線５に沿い一周ト
   レースさせる間に、溶接トーチ１１の位置を補正軸系の
   Ｖ、Ｈ両軸に倣い教示させ、該倣い教示の終了後、クロ
   ーズドループ制御方式により自動溶接を行うことを特徴
   とする自動溶接方法。 ２ Ｘ軸およびＳ軸に対するカム板２６、２８には、溶
   接トーチ１１の各軸変位量を支柱７の中心からの距離の
   差に換算した変位量で備えたカム板を夫々用い、Ｚ軸に
   対応するカム板２７には、溶接トーチ１１のＺ軸変位量
   をＸ軸用のカム板２６の変位量から支柱７の中心方向に
   偏移する偏差量として備えたカム板を用いる一方、Ｚ軸
   およびＳ軸に対応するカム板２７、２８に夫々係合する
   カム係合子３０、３１は前記Ｘ軸に夫々摺動可能に取付
   けると共に、それ等の動きを直線運動方向転換機構およ
   び直線−回転変換機構からなる各機械伝導要素を介して
   対応各軸に伝達し、さらにＸ軸に対応するカム板２６に
   係合するカム係合子２９はＸ軸に対して一体的に取付け
   ている特許請求の範囲第１項記載の自動溶接方法。