JPS6234669A - 自動溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えば溶接ロボット等の自動溶接装置に関し
、特に超音波を用いて溶接線の位置、開先形状等の判別
を行ない、最適な溶接条件をもって溶接作業を行なわせ
るようにした自動溶接装置に関するものである。

〔従来技術〕

一般に、自動溶接装置は溶接線の位置をヰ食出しながら
溶接トーチを移動させ、開先溶接、突合せ溶接等を自動
的に行なわせるものである。このため、溶接線の検出手
段としては、従来から倣いローラ、磁気センサ、ワイヤ
電極センサ、アークセンサ等が用いられている。

しかし、倣いローラを用いた溶接線検出手段は、溶接ト
ーチを安定した状態に配置するためには、寸法の大きな
ローラを必要とすることから、全体形状が大型化すると
共に重量が大となる欠点があるばかりでなく、倣いロー
ラと溶接トーチを近接して配置することが困難なことか
ら、曲線部での倣いでは溶接トーチを所望の溶接線に沿
って倣わせるのが困難であるという欠点がある。

一方、磁気センサを用いた溶接線検出手段は、磁気セン
サを溶接対象物に近接して配置する必要があることから
、溶接作業に際して３２００℃にもなるアーク部の熱に
照射され、磁気センサとしての検出機能を失いやすいと
いう欠点がある。

また、ワイヤ電極センサは、電極を溶接対象物に接触す
ることにより溶接線の位置を検出する方法であり、一般
的には溶接作業前に検出するものであるため、溶接作業
を行ないながら溶接線を検出する他の検出手段と比較す
ると、効率が悪いという欠点がある。近時、一部にはワ
イヤを使用しない別置きの電極を用いる方法もあるが、
アーク部近傍で使用するため、耐久性に乏しい。

さらに、アークセンサを用いた溶接線検出手段は、ワイ
ヤの突出し長さくエクステンション）の変化がアーク電
流に比例的に影響する原理を用いたセンサであり、溶接
作業を行ないながら溶接線を正確に倣うことができると
いう利点を有する。

しかし、この方法はアークを出さない限り倣うことがで
きないため、溶接スタート位置は別途ワイヤ電極センサ
で検出する必要があるという欠点がある。

然るに、前述した各溶接線検出手段は、いずれも溶接線
の検出はできるが、開先形状に関しては例えばｒＶＪ形
なのか「し」形なのか判別することができない。この結
果、開先形状の変化に対応した溶接条件に基づく制御は
極めて困難であるという共通の欠点がある。

このような欠点を解決するため、ＴＶカメラ等の撮像装
置を用いた検出手段を採用し、溶接線の検出と開先形状
の判別とを同時に行ないうるようにした検出手段もある
。

しかし、撮像装置を用いる方法は、光学センサから構成
されるため溶接作業時に発生する粉塵、アーク光等の悪
影響を受けて信頬性に乏しいという欠点がある。また、
撮像装置の小型化が難しく、溶接対象物に大きな制限を
受けるため、特殊な分野しか使−用しえないという欠点
がある。さらに、装 二値化回路、形状判別Ｎ置等を含めると極めて高価とな
ってしまうという欠点がある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明は、前述した各従来技術の欠点に鑑みなされたも
ので、単に溶接線の位置を検出するのみではなく、開先
形状を判別しｔその形状に適合したワイヤ送給速度、溶
接電蒲等の溶接条件を演算し、しかも検出手段として超
音波を用いることにより、溶接作業時の粉塵、アーク光
、赤熱等、溶接に起因する悪影響下にあっても正確な検
出動作を行ないうるようにした自動溶接装置を提供する
、　ことにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記問題点を解決するために、本発明に係る自動溶接装
置が採用する構成は、アクチュエータにより作動する溶
接機本体と、該溶接機本体に設けられた溶接トーチと、
該溶接トーチに溶接ワイヤを送給する送給速度可変式の
ワイヤ送給装置と、前記溶接ワイヤに溶接電流を供給す
る溶接電源装置と、前記溶接トーチの近傍に位置して溶
接機本体に設けられた超音波センサと、該超音波センサ
から受信した信号に基づいて溶接部位の形状を判定する
形状判定手段と、該形状判定手段がらの信号に基づいて
前記ワイヤ送給装置のワイヤ送給速度を制御すると共に
、前記溶接電源装置の溶接電流を制御する制御手段とか
らなる。

〔実施例〕

以下、本発明の自動溶接装置を、開先溶接用ロボットを
例に挙げ述べる。

第１図は本実施例の全体構成図を示し、図中１゜２は溶
接対象物となる母材を示し、本実施例の場合該各母材１
．２としてはグループ溶接するためのＹ形間先継手が用
゛いられる。そして、これら母材１，２はそれぞれ平面
部ＩＡ、２Ａと、所定の開先角度を有する開先部ＩＢ、
２Ｂとからなり、開先部１８．２８間にはルートギャッ
プ３が形成されている。また、母材１．２の底面側には
必要に応じてルートギャップ３を閉塞するバッキング４
が設けられている。なお、母材１，２の開先形状は図示
のものに限ることなく、種々の形状を採用しうる。

次に、１１は本発明の溶接機本体をなす溶接用ロボット
で、該溶接用ロボッ）１１は支柱１２と、該支柱１２の
上部側に設けられ、先端にプラケット１２Ａを有するア
ーム１３と、該アーム１３を矢示Ａで示す前後方向、ま
たは矢示Ｂで示す揺動方向に駆動せしめるアクチュエー
タ１４とから大略構成されている。ここで、溶接用ロボ
ット１１は例えばＰＴＰ制′ａ（Ｐｏｉｎｔ　ｔｏ　Ｐ
ｏ１ｎｔ制御）によるティーチングプレイバック型の工
業用ロボットが用いられる。

１５は前記アーム１３のブラケット１３Ａに設けられた
溶接トーチで、該溶接トーチ１５内には溶接ワイヤ１６
が挿通され、該溶接ワイヤ１６の基端側はワイヤリール
１７に巻回され、先端側は溶接トーチ１５から若干突出
し、電極１６Ａとなっている。１８は溶接ワイヤ１６を
矢示Ｃ方向にり１８Ａによって回転する駆動ローラ１８
Ｂと従動ローラ１８Ｃとの間で溶接ワイヤ１６を挟持し
つつ送給するようになっており、このため前記送給モー
タ１８Ａは後述の制御回路２１によって回転速度の制御
が行なわれる。１９は前記溶接ワイヤ１６の電極１６Ａ
に所定の溶接電流と電圧を供給する溶接電源装置で、該
溶接電源装置１９は制御回路２１によって制御される。

２０はアーム３のブラケソｌ−１３Ａに溶接トーチ１５
と近接して設けられた超音波センサで、該超音波センサ
２０は例えば電磁超音波センサが用いられ、前述の母材
１，２に磁界を与えた状態で高周波パルスが印加される
ことによって超音波を発生する超音波発信器２０Ａと、
母材１，２からの反射波を受信する超音波受信器２０Ｂ
とから構成され、該超音波受信器２０Ｂからの受信信号
は後述する形状判定回路２３に入力され、母材１゜２の
形状判定に使用されるようになっている。

次に、２１は第２図に詳述する制御装置で、該制御装置
２１は超音波送受信回路２２、形状判定回路２３、溶接
制御回路２４、溶接用ロボット制御回路２５等を含んで
構成され、これらは必要に応じてマイクロコンピュータ
等によって実現される。

そこで、超音波送受信回路２２は超音波発信器２０Ａを
構成する＼信コイルに高周波パルスを印加するパルス発
生器、超音波受信器２０Ｂからの受信信号を増幅する増
幅器等を含んで構成される。

また、形状判定回路２３は前記超音波センサ２０からの
発信信号、受信信号に基づいて母材１゜２の具体的形状
を判定するものである。このため、該形状判定回路２３
は第３図に示す如く超音波発信器１９Ａの発信波形の振
幅ＷＨ，、平面部ＩＡ（２Ａ）からの反射波形について
の振幅ＷＨ，、到達時間ｔ１、開先部ＩＢ（２Ｂ）から
の反射波形についての振幅ＷＨ，、到達時間ｔ２、バッ
キング４からの反射波形についての振幅ＷＨ１、到達時
間ｔ４等に基づき、これらを予め設定した所定の基準振
幅、基準到達時間と比較し、母材１゜２の平面部ＩＡ、
２Ａ、開先部ＩＢ、２Ｂの形状、溶接線となるルートギ
ャップ３の形状等を演算するようになっている。

一方、溶接制御回路２４は前記形状判定回路給速度信号
をワイヤＩ）Ｋ装置１８に出力すると共に、溶接電流信
号、溶接電圧信号等を溶接電源袋：Ｗ１９に出力する機
能を有する。このため、該溶接制御回路２４は第４図に
示す処理動作に従って制御を行なうように構成されてい
る。

さらに、溶接用ロボット制御回路２５は溶接用ロボット
１１を所定の溶接速度で溶接トーチ１５を動かすように
、アクチュエータ１４を制御する機能を有する。このた
め、該制御回路２５内にはＦＴＰ制御によって予めティ
ーチングされたプログラムが格納され、プレイバック動
作に際してはアクチュエータ１４によってアーム１３を
矢示Ａ。

Ｂ方向に所定の溶接速度で駆動するようになっている。

本実施例は前述のように構成されるが、次にこの作動に
ついて第４図に示すフローチャートを参照しつつ述べる
。

まず、ステップ１では既知のデータを初期値として溶接
制御回路２４に入力する。ここで、初期値として入力さ
れるデータは、母材１，２の板厚Ｔ、溶接すべきビード
高さＨ，溶接すべき溶接長さｌ、溶接ワイヤ１６のワイ
ヤ径Ｄ、該溶接ワイヤ１６の突出し長さＥｌおよび溶接
用ロボット１１ないし溶接トーチ１５による溶接速度Ｖ
である（第５図参照）。なお、溶接速度Ｖはアクチュエ
ータ１４による矢示Ａ方向への移動速度であり、当該溶
接速度■は溶接用ロボット制御回路２５から出力される
。

次に、溶接台に載置されている母材１．２についての形
状を判別し、この形状データを入力する（ステップ２）
。このため、溶接トーチ１５を溶接開始位置に配置し、
溶接用ロボット制御回路２５によってアクチュエータ１
４の駆動を開始し、溶接用ロボット１１のプレイバンク
動作を行なわせる。これと共に、超音波送受信回路２２
の作動を開始し、超音波発信器２０Ａから超音波を発信
し、その反射波を超音波受信器２０Ｂによって受信し、
この受信信号を形状判定回路２３に入力する。この際、
アクチュエータ１４によってアーム１３が矢示Ｂ方向に
揺動することにより、超音波センサ２０は開先部ＩＢ、
２Ｂ近傍をスキャンニングすることになり、当該開先部
ＩＢ、２Ｂ、ルートキャップ３等の形状が検出される。

この結果、形状判定回路２３には第３図に示す如き信号
波形が入力され、振幅ＷＨ，〜ＷＨｓ、到達時間ｔ。

〜ｔ１等から、開先部ＩＢ、２Ｂ、ルートギャップ３等
の形状、特にルートギャップ３のギャップＧ、ルート面
の高さし、開先角度θ（第５図参照）等を演算し、この
演算結果を溶接制御回路２３に出力する。

次に、溶接制御回路２４は、前述したステップ基づきス
テップ３〜７＼演算処理し、この演算結果に基づきステ
テップ９でワイヤ送給装置１８にワイヤ送給速度信号を
、溶接電源装置１９に溶接電流信号、溶接電圧信号を出
力する。

このため、ステップ３では、溶接すべき部位の断面積Ａ
を、 Ａ＝ＨＸＧ＋　（Ｈ−Ｌ）”　ｔａｎθ　　−（１）と
して断面積計算する。

また、次のステップ４では上記（１）式による断面積Ａ
に基づき、溶着金属ＩＭを、 Ｍ＝に、ＸＡＸｆｆｉＸρ　　　　　　・ｒ２）ただし
、Ｋ１　；鉄の比重を含む定数 ρ　；溶着効率 として溶着金属量計算する。

また、次のステップ５では上記（２）式にょる溶着金属
量Ｍに基づき、溶着速度■、を、溶接長さｌ、溶接速度
Ｖから、 Ｖ、＝ＭｘＶ／　ｌ　　　　　　　　　・（３）として
溶着速度計算を行なう。

かくして、次のステップ６では上記（３）式にょる溶着
速度Ｖｌ）と、ワイヤ径りに基づき、ワイヤ送給速度Ｖ
。を、 ｖｗ　＝　Ｋｔ　ｘ　ｖｏ　／　Ｄｚ−（４）ただし、
Ｋ、ｉ定数 としてワイヤ送給速度計算する。

さらに、次のステップ７では前述した（３）式による溶
着速度ｖＩｌｌに基づき、溶接電流Ｗ、を、ｗｔ　＝　
Ｋ、　ＸＷＩｌ”（５） ただし、Ｋ３ｉ単位電流当りの溶着速度を含む定数 として溶接電流計算する。

なお、溶接電流Ｗ、はワイヤー６の突出し長さＥによっ
て影響を受けるため、当該溶接電流ｗ８を、 Ｗ＝　＝　ｆ　（Ｅ、　ＷＩ、）　　　　　　・・・（
５）′として、溶着速度ＷＤ、突出し長さＥの関数とし
て演算してもよい。

一方、溶接電圧Ｗｖは、上記（５）式または（５）′式
による溶接電流Ｗｉから、 Ｗｖ＝Ｋａ　ＸＶ／、　　　　　　　　　・・・（６）
ただし、Ｋ４　；定数 として溶接電圧計算することができる。

かくして、前述した（１）〜（６）式による演算処理が
終了したら、溶接制御回路２４は次のステップ８でワイ
ヤ送給装置１８にワイヤ送給速度信号を出力すると共に
、溶接電源装置１９に溶接電流信号、溶接電圧信号を出
力する。即ち、（４）式により計算されたワイヤ送給速
度■。は、ワイヤ送給速度信号としてワイヤ送給装置１
８に出力され、これの駆動源となる送給モータ１８Ａを
この信号に対応した回転速度で回転せしめる。これによ
り、溶接ワイヤ１６は駆動ローラ１８Ｂと従動ローラ１
８Ｃ間に挟持されつつ所定の送給速度で繰出されていく
。

一方、（５）式または（５）′式により計算された溶接
電流Ｗ、　、（６）式により計算された溶接電圧Ｗｖは
、溶接電流信号、溶接電圧信号として溶接電源装置１９
に出力され、該溶接電源装置１９からはこれらに対応し
た溶接電流、溶接電圧を溶接ワイヤ１６に印加する。か
くして、溶接ワイヤ１６の電極１６Ａは発生するアーク
によって溶融し、開先部ＩＢ、２Ｂ間に溶着することに
なる。

そこで、溶接制御回路２４はステップ２ないしステップ
８により処理動作を所定のプログラムサイクル毎に繰返
し、一方溶接用ロボット１１は溶接用ロボット制御回路
２５によってプレイバック動作している（ステップ９）
。そして、プレイバック動作終了信号が出力されること
により、−の母材１，２間の開先溶接作業が完了したこ
とになる。

なお、本発明の実施例ではＹ形開先継手を用いたグルー
プ溶接を例に挙げたが、重ね継手、Ｔ継手等を用いたす
み肉溶接等の他溶接にも適用しうろことは勿論である。

また、溶接用ロボットの制御方式としてはＦＴＰ制御に
限ることなく連続軌跡側？１ｌ（ＣＰ制御）方式として
もよい。一方超音波センサ２０による検出形状に基づく
倣い制御方式としてもよく、このような倣い制御方式と
すれば、ティーチング作業が不要となる。さらに、実施
例では溶接制御回路２４から溶接電源装置１９に対して
溶接電流信号と溶接電圧信号を出力するものとして述べ
たが、溶接電流信号のみを出力するようにしてもよく、
定電圧特性等によって適宜設定されるものである。

〔発明の効果〕

本発明に係る自動溶接装置は以上詳細に述べた如くであ
って、溶接対象物の形状を超音波センサによって検出し
、この検出結果に基づいてワイヤ送給速度、溶接電流等
の溶接条件を設定し、最適な溶接条件のもとて自動溶接
しうるように構成したから、アーク光、熱、粉塵等の周
囲の環境に影響されることなく、正確な溶接作業を行な
うことができ、かつ溶接対象物の形状に制限されること
なく高品質な溶接物を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本実施例による自動溶接装置の全体構成図、第
２図は制御装置の具体的構成を示すブロック回路図、第
３図は超音波センサによる信号波形を示す波形線図、第
４図は溶接制御のための処理動作を示す流れ図、第５図
は溶接部位の寸法、角度の関係を示す説明図である。 １．２・・・母材（溶接対象物）、１１・・・溶接用ロ
ボット、１２・・・支柱、１３・・・アーム、１４・・
・アクチュエータ、１５・・・溶接トーチ、１６・・・
溶接ワイヤ、１８・・・ワイヤ送給装置、１９・・・溶
接電源装置、２０・・・超音波センサ、２１・・・制御
装置、２２・・・超音波送受信回路、２３・・・形状判
定回路、２４・・・溶接制御回路、２５・・・溶接用ロ
ボット制御回路。 第３図 ２Ｂ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. アクチュエータにより作動する溶接機本体と、該溶接機
   本体に設けられた溶接トーチと、該溶接トーチに溶接ワ
   イヤを送給する送給速度可変式のワイヤ送給装置と、前
   記溶接ワイヤに溶接電流を供給する溶接電源装置と、前
   記溶接トーチの近傍に位置して溶接機本体に設けられた
   超音波センサと、該超音波センサから受信した信号に基
   づいて溶接部位の形状を判定する形状判定手段と、該形
   状判定手段からの信号に基づいて前記ワイヤ送給装置の
   ワイヤ送給速度を制御すると共に、前記溶接電源装置の
   溶接電流を制御する溶接制御手段とから構成してなる自
   動溶接装置。