JPS6239076B2

JPS6239076B2 -

Info

Publication number: JPS6239076B2
Application number: JP13526680A
Authority: JP
Inventors: Shojiro Sakai; Hiroshi Shimoyama
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1980-09-30
Filing date: 1980-09-30
Publication date: 1987-08-20
Also published as: JPS5762867A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は管に他の管を交差させたときにできる
鞍形曲線状の継手部を自動溶接する方法に関す
る。

ボイラ、化工機等のドラムやヘツダ等には、給
水管、安全弁、検出計等を取付けるためのノズル
（管台）が多数溶接着けされる。ノズルはドラ
ム、ヘツダ等の母管に交差して取付けられるの
で、その交差部つまり継手部はいわゆる３次元の
鞍形曲線となる。作業能率の向上を図るため従来
より上記のような鞍形曲線部の自動溶接化が試み
られているが、溶接トーチの位置決め、開先幅変
動に対する溶接量調整等についての有効な制御方
法及び装置が得られず、いまだ実用の段階には至
つていない。つまり、現状では自動溶接機といつ
ても、１人以上のオペレータが常時つきつきりで
微調整操作を要する程度のものしか提供されてい
ず、省力化は図れず、逆に作業者に複雑な操作を
強いるなどの負担をかけるため敬遠されほとんど
使われていない。それゆえ、鞍形曲線に沿つてそ
の溶接は依然として手溶接にたよつている。しか
しながら手溶接では手溶接であるがゆえに当然に
伴う能率が悪く品質確保のために多数の高熟練作
業者を必要とするなどの問題がある。

本発明は鞍形曲線をなす被溶接部の完全自動溶
接化を可能として、省力化及び能率向上を図るこ
とを目的とする。

上記目的を達成する本発明の構成は、水平に置
かれた母管に垂直に枝管を交差させてその鞍形曲
線状の継手部を溶接するに際し、左右方向に走行
するＸ軸部とＸ軸部に取付けられ左右方向に直交
する前後方向に移動するＹ軸部とＹ軸部に取付け
られ上下方向に移動するＺ軸部とからなるマニピ
ユレータを母管の上方に設け、このマニピユレー
タのＺ軸部の下部に水平旋回運動する旋回アーム
を備えた旋回装置を設け、前記旋回アームに沿つ
て移動可能にスライド部を設け、スライド部にト
ーチ高さ調整装置を介して溶接トーチを支持し、
前記スライド部に母管を検出する母管センサと枝
管を検出する枝管センサとからなるセンサ装置を
設け、溶接前には前記旋回装置を枝管の直上にセ
ツトし、旋回装置の旋回アームで前記センサ装置
を枝管の周囲に旋回し、その際に前記各センサの
出力により母管と母管センサ、枝管と枝管センサ
との距離が一定になるように前記マニピユレータ
のＺ軸部及び前記スライド部を移動してそのとき
の枝管周囲の旋回位置データと前記スライド部の
位置データとから前記旋回装置の中心の位置ずれ
を求め、その位置ずれを前記マニピユレータのＸ
軸部とＹ軸部との移動により補正して枝管中心と
前記旋回装置の中心とを一致させると共に、母管
の最頂点に合わせて前記マニピユレータのＺ軸部
の位置決めをし、溶接時には前記溶接トーチから
のワイヤの突出し長の変化に伴い変化する溶接電
流値とワイヤの標準突出し長における溶接電流設
定値との比較結果に基づいて前記トーチ高さ調整
装置により前記溶接トーチの高さを制御して前記
鞍形曲線状の継手部に倣わせるようにしたことを
特徴とする。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して詳細
に説明する。

第１図及び第２図にはボイラドラムなどの母管
１にこれと直交させて他の管として多数の枝管
（以下、ノズル）２ａ〜２ｄを溶接着けする場合
について示す。ノズル２ａ〜２ｄとして例えば給
水管、上昇、下降管、圧力、水位検出管等が挙げ
られる。母管１は移動可能なサイドビームレール
３の下方の設置される。サイドビームレール３に
はマニピユレータ４が搭載され、その先端に、母
管１とノズル２との鞍形曲線状の継手部５を溶接
する自動溶接装置６が懸垂される。自動溶接装置
６にはコンピユータ内蔵の制御装置Ｑ及び溶接機
Ｓが接続される。前記マニピユレータ４はサイド
ビームレール３上をその長さ方向（左右方向）に
移動するＸ軸部４ｘと、Ｘ軸部４ｘに取付けられ
前後方向に移動するＹ軸部４ｙと、Ｙ軸部４ｙの
先端に取付けられ上下方向に移動するＺ軸部４ｚ
とからなり、このＺ軸部４ｚの先端に前記溶接装
置６を懸垂してあるのである。尚、７ｘ，７ｙ，
７ｚは前記各軸部４ｘ，４ｙ，４ｚを駆動させる
ためのモータである。

第３図には自動溶接装置６の詳細を示す。前記
マニピユレータ４のＺ軸部４ｚの先端に旋回装置
８（Ａ軸）が取付けてあり、付属のモータ９によ
り垂直軸回りに回転するようになつている。旋回
装置８には水平方向を向く旋回アーム１０（Ｂ
軸）が一体に取付けてあり、該アーム１０にはそ
の長さ方向に沿つて移動可能にスライド部１１が
設けてある。１２はスライド部１１駆動用のモー
タである。スライド部１１には角度調整装置１３
（Ｃ軸）が設けてあり、その傾動アーム１４が付
属のモータ１５により傾動（首振り）するように
なつている。又、前記スライド部１１には当該溶
接装置６の位置決め用のセンサ装置１６が取付け
てある。センサ装置１６は、上下方向伸縮機構と
してのエアシリンダ１７のロツド先端に設けられ
近接スイツチ等を用いた母管センサ１８と、前記
旋回装置８の中心線の延長上に向けて水平となつ
ている水平方向伸縮機構としてのエアシリンダ１
９のロツド先端に設けられたノズルセンサ（枝管
センサ）２０とを備えている。前記傾動アーム１
４にはトーチ高さ調整装置２１（Ｄ軸）が設けて
ある。これは駆動モータ２２により上下動される
スライド部２３を備え、このスライド部２３に溶
接トーチ２４が取付けてある。２５は溶接トーチ
２４にワイヤを導くコンジツトケーブルで、前記
旋回装置８に取付けられたワイヤ送給装置２６に
接続されている。

以上の各機器と制御装置Ｑとの構成を第９図に
示す。

制御装置Ｑは、図中実線で示すように、自動溶
接装置の各軸、すなわちＸ軸部４ｘ、Ｙ軸部４
ｙ、Ｚ軸部４ｚ、Ａ軸８、Ｂ軸１０、Ｃ軸１３、
Ｂ軸１０に取付けられた上下方向伸縮機構として
のエアシリンダ１７、水平方向伸縮機構としての
エアシリンダ１９の駆動と動作位置フイードバツ
ク制御のための入出力、母管センサ１８とノズル
センサ２０からの入力、溶接機Ｓの動作の出力を
行なう。又、溶接機Ｓからは、図中破線で示すよ
うに、ワイヤ送給装置２６とコンジツトケーブル
２５から溶接トーチ２４に接続される。Ｄ軸２１
は、後述のように、第６図に示すトーチ高さ自動
倣い制御装置２７で駆動され、その位置データが
制御装置に入力される。

尚、第３図中、ｍ，ｎ，ｈ，α，ｗ_pは被溶接
部の諸元で、ｍは母管の外径、ｎはノズルの外
径、ｈは溶接開先深さ、αは開先角度、ｗ_pは開
先ルート幅である。

次に、溶接順序について、母管１に直交するノ
ズル２ａの自動溶接を行なう場合を例として示
す。

手動ボタン操作でマニピユレータ４のＸ軸部４
ｘを横移動し、被溶接ノズル２ａのほぼ中心に制
御装置６を目視で持つて来る。

手動ボタン操作でマニピユレータ４のＹ軸部４
ｙを前後動し、被溶接装置６をほぼノズル２ａの
中心の真上に目視で持つて来る。

手動ボタン操作でマニピユレータ４のＺ軸部４
ｚを始動させて溶接装置６を適当な位置へ下降す
る。

次に、自動溶接操作について、自動溶接操作を
フローチヤート化して示す第４図及び開先の様子
を示す第５図を参照して説明する。

制御装置Ｑをスタートさせる。

初期入力条件をインプツト１する。

位置決め用センサ装置１６のエアシリンダ１
７，１９を伸縮し、旋回アーム１０を旋回装置８
で駆動させながら母管センサ１８で母管１に対す
るＺ軸部４ｚの上下方向の自動センシングを行う
と共に、ノズルセンサ２０でノズル２ａに対し、
旋回アーム１０の自動センシングを行なう。その
具体例としては、センサとして高周波渦電流検出
変位計すなわちセンサと部材との距離に比例して
電圧出力のできるものを用い、一定距離Ｓ（第７
図、第８図参照）のしきい値を設定し、Ｚ軸部４
ｚでは高低の信号で、旋回アーム１０で半径方向
の内外の信号で倣わせる。この時、旋回装置８、
Ｚ軸部４ｚ、旋回アーム１０には位置検出用エン
コーダが取付けられており、ノズル２ａの周囲位
置での位置データが取込まれ、第７図に示すよう
に母管最頂点３０が求められ、これを基準にＺ軸
部４ｚの位置決め２をし、かつ、第８図に示すよ
うに、ノズル２ａの中心Ｎ_cと旋回装置８（Ａ
軸）の中心Ａ_cとのずれΔｘ，Δｙが求められ、
これをＸ軸部４ｘ，Ｙ軸部４ｙで補正し、位置決
め心出し３を完了し停止する。この後、各エアシ
リンダ１７，１９を後退させて各センサ１６，２
０を収納し、後の作業の邪魔とならないようにす
ると共にセンサ１６，２０の損傷を防止する。

ノズル外径ｎ、開先角度α、開先深さｈの初期
入力条件から次式で旋回半径ｂを演算４し、旋回
アーム１０の位置決めをする。

ｂ＝ｎ／２＋（Ｈ＋ｈ）tan α／２Ｈ：母管１からの基準高さトーチ角度ｃをｃ＝α／２より演算５し、角度調整装置１３の傾動アーム１４を位置決めする。

初期トーチ高さｄを次式より演算６を行ない、
トーチ高さ調整装置２１のスライド部２３を位置
決めする。

ｄ＝（Ｈ＋ｈ）CQO^-1α／２−ｄ_p ここで、ｄ_pはアーム１４の支点からトーチ２
４先端までの基準長さで、初期入力条件である。

この結果、溶接トーチ２４の先端（厳密にはト
ーチから出した基準ワイヤ突出し長を含む）が開
先深さｈの底部のｇ点に一致する。この時、開先
ルート幅ｗ_pがある場合には、そのｗ_p／２を演算
して、旋回アーム１０の位置決め量ｂに加えて補
正する。旋回装置８の中心軸は前記Ｚ軸位置決め
で、母管１の最頂部の点にあり、ここで旋回アー
ム１０の位置を旋回原点θ_pとし、溶接開始点決
定処理７をする。

ワイヤ送給装置２６より、コンジツトケーブル
２５を通してトーチ２４に予め初期入力した溶接
電流Ｉ、電圧Ｖでアークをスタート８する。

第１層ビードのオシレート幅w₁の演算９を次
式より行ない旋回アーム１０をオシレートする。

w₁＝ｗ_O−定数ここで、定数は溶接性から設定される初期入力
条件で、例えば４mm程度である。

旋回装置８を初期入力条件の溶接速度s₁で溶接
トーチ２４を旋回速度制御する。

トーチ高さ調整装置２１により母管１とノズル
２の鞍形軌跡の垂直成分であるトーチ高さ自動倣
い制御を行なう。即ち、ワイヤ突出し長EXTと
実溶接電流Ｉ_R並びにＩ_R定数／EXTなる逆比例
関係の法則を基に、第６図のトーチ高さ自動倣い
制御装置２７において溶接電流設定値（ワイヤ送
給モータ２８の入力電圧値）Ｉと鞍形軌跡に伴う
ワイヤ突出し長EXTの変化に伴う実溶接電流Ｉ_R
（溶接ケーブルに直列に取付けた分流器からの検
出電圧）との差ΔＩ（実際には差電圧）を比較器
Ｃで求め、これをトーチ高さ調整装置２１の駆動
モータ２２に入力する。尚、図面中のEXT₀はワ
イヤ突出し長設定器である。

このようにして設定した溶接電流Ｉ、電圧Ｖ、
溶接速度s₁、オシレート幅w₁で鞍形軌跡の第１
層目を自動倣い溶接する。この過程で鞍形軌跡の
自動倣いにおけるトーチ高さ調整装置２１のスラ
イド部２３の位置d₁をノズル２外周の各位置θ＝
０〜360゜で基準高さ記憶１２を行なう。

１回転検出１３で１周溶接が完了したかどうか
を判断し、もし完了していなければ微小角Δθだ
け増加し、溶接開始点ビードb₁上にトーチ２４が
乗り上げ前記スライド部２３の急速な上昇を示す
点まで溶接継続制御１４する。

１回転検出１３が完了したら、第２層目のカウ
ントを行ない溶接条件を以下の通り設定して連続
的に自動溶接する。

第ｎ層目のビードｂ_oの溶接条件は、溶接電流Ｉ（一定）溶接電圧Ｖ（一定）溶接速度ｓ_o（θ）＝定数×１／｛（ｎΔｄ）−（ｄ_Ｒ（θ）−ｄ_１（θ））｝（ｗ_ｐ＋ｄ_Ｒｔａｎα）オシレート幅ｗ_o＝（ｗ_p＋ｄ_Rtanα）−定数尚、Δｄは１ビート当りの標準厚さ、ｄ_Rはト
ーチ高さ調整装置２１のスライド部２３の位置
で、前記トーチ高さ自動倣い制御１１で得られる
ものである。

ここで、上式の溶接速度ｓ_oは前記d₁の記憶位
置θ＝０〜360゜で演算するもので、これによつ
て溶接量演算制御１５を行なう。又、オシレート
幅ｗ_o演算制御１６を行なう。

これより回転数の検出１７を行ない、ｄ_R＝ｈ
＋ｙなる条件を満足した位置で全溶接が完了１８
する。ここでｙは余盛量で初期入力条件である。

以上、一実施例に基づき詳細に説明したよう
に、本発明によれば、従来自動的に溶接すること
ができなかつた管と管とが交差する部分つまり鞍
形曲線部を連続的に全自動溶接することが可能と
なり、全自動化により省力化が図れ、品質も向上
する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施例方法により鞍形
曲線部を溶接している状態を示す概略正面図、第
２図はその側面図、第３図は自動溶接装置の詳細
を示す正面図、第４図は溶接手順のフローチヤー
ト、第５図は溶接開先を示す断面図、第６図はト
ーチ高さ自動倣い制御装置のブロツク図、第７図
は母管の最頂点検出の説明図、第８図は心出し補
正の説明図、第９図は制御装置の構成図である。図面中、１は母管、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは
ノズル（枝管）、４はマニピユレータ、５は鞍形
曲線状の継手部、６は自動溶接装置、８は旋回装
置、１０は旋回アーム、１３は角度調整装置、１
４は傾動アーム、１６はセンサ装置、２１はトー
チ高さ調整装置、２４は溶接トーチ、２７は自動
倣い制御装置である。

Claims

【特許請求の範囲】

１水平に置かれた母管に垂直に枝管を交差させ
てその鞍形曲線状の継手部を溶接するに際し、左
右方向に走行するＸ軸部とＸ軸部に取付けられ左
右方向に直交する前後方向に移動するＹ軸部とＹ
軸部に取付けられ上下方向に移動するＺ軸部とか
らなるマニピユレータを母管の上方に設け、この
マニピユレータのＺ軸部の下部に水平旋回運動す
る旋回アームを備えた旋回装置を設け、前記旋回
アームに沿つて移動可能にスライド部を設け、ス
ライド部にトーチ高さ調整装置を介して溶接トー
チを支持し、前記スライド部に母管を検出する母
管センサと枝管を検出する枝管センサとからなる
センサ装置を設け、溶接前には前記旋回装置を枝
管の直上にセツトし、旋回装置の旋回アームで前
記センサ装置を枝管の周囲に旋回し、その際に前
記各センサの出力により母管と母管センサ、枝管
と枝管センサとの距離が一定になるように前記マ
ニピユレータのＺ軸部及び前記スライド部を移動
してそのときの枝管周囲の旋回位置データと前記
スライド部の位置データとから前記旋回装置の中
心の位置ずれを求め、その位置ずれを前記マニピ
ユレータのＸ軸部とＹ軸部との移動により補正し
て枝管中心と前記旋回装置の中心とを一致させる
と共に、母管の最頂点に合わせて前記マニピユレ
ータのＺ軸部の位置決めをし、溶接時には前記溶
接トーチからのワイヤの突出し長の変化に伴い変
化する溶接電流値とワイヤの標準突出し長におけ
る溶接電流設定値との比較結果に基づいて前記ト
ーチ高さ調整装置により前記溶接トーチの高さを
制御して前記鞍形曲線状の継手部に倣わせるよう
にしたことを特徴とする鞍形曲線部の自動溶接方
法。