JPS62502110A

JPS62502110A - 適応溶接案内装置

Info

Publication number: JPS62502110A
Application number: JP60501706A
Authority: JP
Inventors: ブラウン　ロナルド　デイー; ウオーターズ　ジエイムズ　デイー　ジユニア
Original assignee: キヤタピラ−　インコ−ポレ−テツド
Priority date: 1985-02-25
Filing date: 1985-04-10
Publication date: 1987-08-20
Anticipated expiration: 2009-08-24
Also published as: EP0211836A1; WO1986004845A1; EP0211836B1; US4591689B1; DE3582245D1; JPH0665437B2; US4591689A

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】適応溶接案内装置技術分野この発明は一般に溶接ヘッドを溶接溝に沿って案内する適応溶接装置に関し、特に溶接溝の断面形状に応じて溶接ヘッドを溶接溝内の所定位置に案内する適応溶接装置に関する。

背景技術適応溶接の分野では、主に溶接溝の位置求め及び追跡に関する膨大な技術的蓄積に示されるように、溶接プロセスを自動化するため多くの試みが成されてきた。

当該分野の範囲は、溝の位置について多量の情報を与えるが溝の寸法や形状についてはほとんど情報を与えない単純な触覚センサから、溶接トーチを溝に沿って案内する方法で人のオペレータを真似するもっと高度な視覚型システムにまで及んでいる。事実、人のオペレータはモデルと見なされるか、あるいは少くとも全ての機械溶接を比較すべき１票準と見なされている。適応溶接機は長期間にわたり、人のオペレータでは達成し得ないと見なされていた一貫性で、何倍も速く溶接できる能力を示してきた。適応溶接機が高い精度及び一貫性で人の溶接工の機能を果すとすれば、機械による適応溶接が人のオペレータによって行なわれる溶接より高い８度で一貫すると考えるのは妥当である。しかし、溶接の８度と溶接溝内における溶接ヘッドの案内点との関連は、これまで何ら示唆されていない。

例えば、対称的な溶接溝の中心に対する案内は優れた８度の溶接を与えるが、同じ案内方式を非対称な断面形状を持つ溶接溝に実施すると、理想の物理的特性より劣った溶接になる。同じく、溝エツジの一方から一定の距離で溶接ヘッドを案内すると、溝巾の変化する領域では満足し得ないものとなり、最悪の場合には溝の外側で実際の溶接が行なわれることが判明した。溝内の最適位置では、溶接がせいぜい全く偶然に且つ瞬間的にしか生じない。

本発明は、溶接ヘッドを最適の溶接位置に位置決めし、この最適な位置決めを溶接のプロセス中適応維持することによって、上記した問題の１つまたはそれより多くを解消するものである。

発明の開示本発明の一態様によれば、溶接トーチを溶接溝に沿って案内する適応溶接装置が、溶接溝を横切って延びた経路に沿って検知要素を移動させる手段を有する。検知要素が溶接溝の断面形状を検出し、溶接断面の位置及び形状に応じた信号を出力する。第２手段がその信号を受取り、溶接溝の所定点の相対的位置をめて、溶接溝断面領域の中心を計算する。さらに、第３の手段が上記断面領域の中心に応じた案内点を計算し、案内点へ向かう方向に沿った溶接ヘッドの横移動を制御する。

従来の適応溶接装置は主に、溶接ヘッドの溝内における位置とその溶接８度に対する影響をほとんどあるいは全く考慮せず、溶接溝の位置をめ溶接ヘッドを溝に沿って案内することに関心が払われてきた。本発明は、溶接溝の断面形状に基づき、溶接ヘッドを最適の溶接路に沿って案内する装置に係わる。

図面の簡単な説明第１図は発明を実施する適応溶接装置のブロック図；第２図は第１図の装置における光学系の光スポット及びＴＶ両走査機能を表わす詳細図；第２Ａ図は第２図において教示した走査モードで第１図の装置を用いたデジタル的な溶接溝を表わす；第３図は第１図の実施例における光学系とデータプロセッサ間のインタフェースの詳細ブロック図；第４．４ａ及び４ｂ図は発明の好ましい実施で使われるソフトウェアの一部のフローチャート；第５図は第１図の実施例における幾つかの光学的及び機械的構成部分用のキャリンジ装置の側面図；第６ａ及び６ｂ図はＪ型溶接溝の断面図；第７図は溶接溝の模式化した平面口で、溶接トーチ、光学系及び溶接溝の間の角度関係を示す；及び第８図は３軸溶接装置の斜視図である。

■を　るための　の３＝溶接トーチ１４を溶接溝に沿って案内する適応溶接装置８が、第１図に示しである。レーザ投光器１０とＧｅｎｅｒａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社製ＴＮ２５００等のラスター走査型ＴＶカメラ１２が基本の光学系を構成し、ＭＩＧ型ワ型中イヤ溶接トーチ１４に可動ブラフ）フオーム１６ａ、１６ｂ上に取り付けられており、溶接トーチ１４は固定支持体２０上に位置した加工物１８に対して制御移動される。支持体２０は３軸（デカルト）座標系内に位置し、そのＺ軸つまり垂直軸はトーチ１４の中心線に沿って延びている。両プラントフオーム部分１６ａ、１６ｂ間の分離が第４の自由度を与え、レーザ投光器１０とＴＶスキャナ１２はＺ軸を中心に回転っまり°揺動”可能で、光学系はトーチのＸ、Ｙ座標を乱さずに溶接溝を追従可能である。

２２で示しであるようにプラントフオーム１６は軸駆動モータ２４へ機械的に接続され、軸駆動モータ２４がプラットフォーム１６を加工物１日の溶接溝に従って所望の方向に、所望の角度へ及び所望の速度で移動させる。エンコーダ２６が通常のサーボ位置決め方式でモータ２４の回転の大きさと方向をモニターし、Ｘ。

Ｙ、Ｚ軸に沿った及びＺ軸を中心としたプラントフオーム１６の命令位置と実際位置間の一連の関係を保つ。

第１手段２７が溶接溝を横切って延びた所定の経路に沿って検知要素２９を移動し、溶接溝の断面形状を検知して、溶接溝断面の位置及び形状に応じた信号を出力する。第１手段２７は例えば、デジタル／アナログ変換器３０と増巾器３２を介してレーザ投光器１０内のガルバノメータ型ミラー駆動手段に接続されたＩｎｔｅ１８０８５デジタルコンピュータ２８を含み、レーザ投光器１０が単色光のビーム３４をある角度で加工物１８上に投射してレーザ光のスポットを形成し、第２及び３図を参照して後で詳述するようにこのレーザ光スポットが溶接溝を横切り制御された速度で直線状に移動する。同じく第２及び３図を参照して詳述するように、加工物１８の表面からのビーム３４の反射がＴＶカメラスキャナ１２によって受け取られ、インタフェース３６で動作されるデジタルデータ流を生じ、インタフェース３６がレーザビーム反射のピーク強度位置を表わすデータを制御された時間間隔でＩｎｔｅ１８０８５コンピュータ２８に与える。非接触式センサ設計の当業者であれば、誘導型、容量型、またはその他の光学型等上記以外の検知要素２９を発明の精神を逸脱せずに使用できることが明らかであろう。

第２手段３７がピーク強度の位置を表わす信号を受け取り、溶接溝における所定点の相対的な位置をめ、溶接溝断面領域の中心の相対的な位置を計算する。該断面領域の中心は、溝領域について積分を行なうことによって計算される。断面領域の中心の横方向位置だけが計算される。第２手段３７は例えばＩｎｔｅｌコンピュータ２８で使われるソフトウェアの一部を含み、これが−組１０種の信号を発生し、これらの信号をＲ３−２３２Ｃデータリンク４０を介して第３手段４１に与える。１０種の信号は次の通り：（１１レーザ走査に沿った溝領域中心の位置；（２）溝の左側エツジの位置；（３）溝の右側エツジの位置；（４）左側エツジの高さ；（５）右側エツジの高さ；（６）　溝の深さ；（７）溝の面積；（８）　チェックサム（検査合計）＋９１　メツセージの終わり；及び００　同期信号第３手段４１が、（第４図のフローチャートを参照して詳しく説明するように）溝領域の中心を関数として案内点のＸ及びＹ座標を計算し、必要な出力を軸ドライバ４６に送って、案内点へ向かう方向における溶接トーチ１４の横方向運動を制御する。すなわち、コンピュータ３８がバス４２を介してＤ／Ａ変換器４４に接続され、信号をＸ、Ｙ、Ｚ及びＣ（旋回）軸ドライバ４６に与え、該軸ドライバ４６がモータ２４を作動し、トーチ１４を溶接溝内で溝の断面領域の中心及び／又は左右の溝エツジに関する特定路に沿って案内する。ＴＶスキャナ１２はトーチ１４の前方所定の距離を望み、例えば図示の実施例では、スキャナ１２がトーチ１４より約４インチ（約１０．２ｃｍ）の距離だけ先行する。この結果、それぞれが４イ・ンチ区間の一部（例えば約０．２インチ（約０．５１ｃｍ））を表わす約２０の位置命令がコンピュータ３８内のリングバッファ３９に貯えられ、ＦＩＦＯベースで軸ドライバ４６に出力され所望の速度で適切な方向にプラットフォ−ム１６を移動する。溶接トーチ１４の横方向の位置決めを制御する他、左右溶接溝エツジのＺ座標の平均値は垂直方向の案内点を与え、トーチ１４はコンピュータ３８によってこの案内点へ指し向けられる。カウンタ４８が、トーチ１４とプラントフオーム１６の座標系内における現在位置を表わすエンコーダ２６からの位置増分パルスの現カウント値を維持する。このデータがバス４２を介してコンピュータ３８にフィードバックされ、通常のサーボ方式で位置命令と比較されてエラー信号を発生する。

コンピュータ３８はＤ／Ａ変換器４４を介して溶接電力コントローラ５０及びワイヤドライブユニット５２に溶接−理め制御信号も与え、所望の最終結果に応じて溶接パラメータを変化して、例えば前もって決められた一定の埋め比率を達成する。コントローラ５０．ワイヤドライブユニット５２及び溶接ガス制御ソレノイド５４が全てブツシュボタン等のオン−オフ制御器を有し、これらの制御器はＩ１０ユニット５６を介してバス４２に接続され、上記各ユニットがコンピュータ３８によって制御される状態にあるかどうかをコンピュータ３８に通知する。

図示例ではオン−オフブツシュボタンが各ユニット自体に設けられているが、リモート操作パネル上に取り付けられるのが好ましい。

ジョグ、テープ、ドライバ、及びキーボード入力等通常の外部入力は、ユニット５８とこれに付設されたインタフェース６０を介して入力できる。

追跡と溶接−理め両機能の調整された同時制御は、溶接特性の選択における多様性を与えるだけでなく、溝目体の比較的広い変化も補償するため、本システムの重要な特徴である０例えば、各部品は通常、多数の仮付溶接物を溝に沿って手で配置することによって、最終溶接の前に一体状に保持される６本システムは溶接領域の変化に伴って、それら板付溶接物における物質の堆積を検知し、各仮付領域での溶着速度を変化させ、過剰の埋めを防止する、また、垂直方向の案内点は溶接溝の面積あるいは深さの変化によって影響されず、左右溝エツジの平均高さにトーチ１４を維持する。この作用は“焼き抜き（バーニングスルー）”という追加の利点、つまり前の仮付溶接を溶かして、既存の溝を過剰に埋めることなく優れた溶接特性を与えるという利点をもたらす。溶接トーチ１４を溝の底上方一定の高さに維持するシステムは、トーチ１４を仮付溶接より高く上昇させ、理想より劣る溶接となる。

次に第２及び２Ａ図を参照して、両ユニット１０．１２で与えられる光投射と走査画動作の空間及びタイミング特性を説明する。

レーザビームは加工物１日上に、溝と平行な面内で測定して垂直面から約２５〜３０度の角度で投射される。レーザスポットは溝を横切る経路に沿って移動される、すなわちビームは溶接溝を横切る別の面内で掃引を行なう。上記のガルバノメータ型ミラー駆動手段３３により、スポットは高速で開始位置に戻され、溝を横切って繰り返し走査される。通常プラットフォーム１６は溝に沿って移動しているので、得られるパターンは溝を横切る一連の平行なストライブとなり、各ストライプはプラントフオームの移動方向に沿って相互に離間している。

一方ＴＶスキャナカメラ１２は、実質上垂直の視軸と、レーザスポットの走査と直角に交差するラスター走査センサーストローブ機能を有する。投射角度と視軸角度の間には２５〜３０度の差があるので、ＴＶカメラスキャナーがレーザスポットと交差する任意の一定のラスクー走査に沿った点は、レーザ投光器１０から反射面までの光路長つまり溝の深さに関連している。この交差点は反射光強度に基づいて決められる；すなわち交差点で反射光強度が最大になる。この結果、全体として見れば、一定のレーザ走査にわたるまたは所望なら一連の走査にわたる溝の輪郭を表わす一連のデジタル信号が得られる。

勿論、ＴＶ左カメラ２の走査速度はレーザ投光器１０の走査速度よりはるかに問い；すなわちＴＶカメラの走査経路は、レーザスポット移動の各増分中にレーザスポットの経路を何回も横断する。実際の実施例では、ＴＶ左カメラ２が２４８Ｘ２４４のピクセルアレイを生じ、レーザスポットの各掃引毎に３回の完全なアレイ走査（１回の走査を以下“フレーム”と呼ぶ）が生じる。但し、各スポットの掃引毎の上記フレーム比は１：１から４：１またはそれ以上に変更でき、ＴＶ左カメラ２への入力信号の信号／ノイズ比を変えられる。この変化は、Ｉｎｔｅｌコンピュータ２８のプログラミングによって容易に達成される。

第３図はデジタルインタフェース３６を詳細に示している。このユニットが一連の信号をＩｎｔｅｌ　コンピュータ２８に与え、こ−からレーザスポットの走査経路に沿った離間地点における加工物表面の座標が得られる。この情報に基き、コンピュータ２８が数学的演算によって、最初の７個の出力量の値を決定する。

すなわち、インタフェースユニット３６は、第２図に示した走査経路の各通過中にカメラのラスター走査がレーザスポットと交差する地点におけるピクセルクロックのカウント値を表わすデジタル数（８ビツト）を与える。これらの交差、従って実際の溝深さを表わすカウント値を除く全てのピクセルカランＨａを取り除くことにより、インタフェース３６がコンピュータ２８のデータ処理機能を大巾に減少する。

ピクセルクロック６２がＴＶ左カメラ２のセンサアレイの各ピクセルを有効にストローブし、レーザ経路を横切って走査する。

各ピクセル出力は、そのピクセルで受け取られた反射レーザ光の強度の大きさを有効に表わし、比較器６４の一方の入力と８ビツトラツチ６６に加えられる。新しい各ピクセル信号（Ａ）が前の信号（Ｂ）より大きい限り、ライン６８上の出力が、新しい信号を受け取って次のカウント値用の基準として記憶するランチ６６をエネーブル状態に置く。またライン６８上の出力はライン７０を介し、カウンタ７４からラッチ７２にストアされるカウント値を進める。レーザスポットの反射がかなり広がることを考慮すれば、ＴＶカメラの走査が反射の中心へ近づいていく限り、ピクセルの出力強度は連続的に増大する。中心を通過すると、信号の強度は低下し始め、条件Ａ＞Ｂが満たされなくなり、ラッチ７２内のカウント値はそれ以上進まない。このため、記憶されたカウント値は、交差が生じた加工物表面のＺ座標を表わす数に留まる。

各カメラ走査ラインの終了時に、“ＥＯＬ”信号がラッチ７２のカウント値をピーク位置のカウント値としてコンピュータ２８内にストローブし、短い遅延時間の後、カウンタ７４をリセットしてラフチロ６をクリアする。ＴＶ左カメラ２からのフレーム終わり　（ＥＯＦ）信号がコンピュータ２８に入力され、レーザスポット経路のうち検査されデジタル化された部分（好ましい実施例では１／３）を決める。

ソフトウェアは２つの主要部分を含む、つまりＩｎｔｅｌ　８０８５で実行されるカメラデータ解析ルーチンＶＩＺと、ＬＳＩ−１１で実行される追跡及び埋め制御機能である。ＬＳＩ−１１のソフトウェア制御機能はさらに幾つかのサブルーチンに細分割され、その中で最も重要なのは例えばＴＲＡＣＫ、５ＷＩＮＧ及びＦＩＬＣＴＬ（埋め制御）である。

カメラ用のマイクロコンピュータ２８は実質上フリーランニングで、ＬＳＩ−１１コンピユータからの指令なしでそのソフトウェアを周期的に繰り返す。画像の解析を終了し得られたデータを制御コンピュータ３８に送ると、マイクロコンピュータ２８は別の画像を取り入れてサイクルを繰り返す。キャリッジリターン文字が制御コンピュータ３８に送られ、新しい画像が取り入れられつ＼あることを知らせる。制御コンピュータ３８内の文字キャッチルーチンがキャリッジリターンを同期文字としてＨＢ７．ａ（、、全ての軸の現在位置をその後の使用のために保管する。現画像からのデータが全て文字キャッチルーチンによって受け取られると、制御コンピュータ３６は第４図にフローチャートの形で代表例を示したルーチン“ＴＲＡＣＫ″を開始する。

追跡がエネーブル状態にない場合、ＴＲＡＣＫはカメラの視野内に溝が入っていると“真”のソフトウェアフラグをセットし、そうでないと“誤”のフラグをセットする。追跡がエネーブル状態になれば、画像の撮影時に保管されたセンサデータと軸位置が溶接溝の位置をめるのに使われる。

まず、次式を用いてカメラユニット内の案内点がめられる＝１．２　案内点＝所望エツジ（１）−（偏り比率×（所望エツジ（１）−所望エツジ（２））十定数所望エツジ変数は、溶接プロセスの開始前プログラマ−によって、３つの値つまり左方溝エツジ、右方溝エツジまたは領域の中心のうち任意なものが選ばれる。

変数の選択は、溝の種類、サイズ及び断面、裏当てが存在するかどうか、裏当ての厚さはどれ位か、及びその他溶接の専門家が溶接の８度に影響を及ぼすと見なした多くの変数によって決まる。例えば、第６ａ図に示した溶接溝の断面は、比較的薄いプレート断面７６と厚いロール断面７８とを有する。この種の溶接溝は、溶接トーチが領域の中心に沿って案内されるとき、最高の８度となる。従って、第６ａ図の溝を溶接するための式１．１における所望エツジ変数の１つの選択は、例えば所望エツジＴｌ）　−ｆ＋Ｉ域の中心、所望エツジ（２１＝　ｔｌｉ域の中心である。

両変数を同じに選べば、第２項が式から消去され、定数−０とすると式１．１は次のようになる：１．２　案内点＝領域の中心偏り比率をゼロと選んでも、同様の結果が得られる。第６ａ図に示したような非対称的な溝の場合、領域の中心は溝の中心と一致しないので、非対称的な溶接溝の中心に沿って案内する従来のシステムはより低い高度の溶接を生じる点に留意することが重要である。

第６ｂ図に示した溶接溝の断面図は、プレート断面７６がより厚く、ロール断面７８がより薄い点で第６ａ図の溝と異っている。

この種の断面に適切な案内点はもっとプレート断面７６に近く、所望エツジ＋１１−領域の中心、所望エツジ（２）−左方溝エッジ、及び定数−０と選んで決められる。偏り比率は領域の中心と左方溝エツジ間における溶接トーチの位置決めを調整するもので、各種の偏り値を選んでテストする実験段階で経験的に最も有効な値が選択される。これらの変数を式１．１に代入すると：１．３案内点−領域の中心−偏り比率（ｗ！域の中心−左方溝エッジ）両式１．２及び１．３は、プレート７６とロール７８の間の距離が大きく、プレート７６と裏当て８０の間にギャップを生じる場合に通常発生する嵌め合いの劣下を補償する。つまり上記のような条件では、溶接トーチを左方溝エツジから離して案内し、溶接トーチがギャップを焼き抜き溶融金属がその穿孔を通って流出するのを防ぐ必要がある０両式は領域に対して案内するもので、領域の中心は溝が広がるにつれプレート７６から遠去かるから、両式による案内点はプレート７６から離れる適切な方向にシフトされる。

特表昭６２−５０２１１０　（５）溶接工学の分野で通常の技術を有する者であれば、多種多様の溶接溝断面が存在し、各断面が最高８度の溶接を生じる特定の案内点を持つことが理解されよう。

従って、本当の適応溶接機は溶接溝内の任意の一連の点に沿って溶接可能であるべきで、このようなシステムは当該分野における著しい進歩である。

式１．１と等しい第２の案内式が、溶接トーチの垂直位置を制御するため“ＴＲＡＣＫ″ルーチンによって使われる。所望エツジ変数は前記と同じく溶接プロセスの開始前に、左方または右方溝エツジどちらの垂直座標にするかがプログラマによって選ばれる。

溶接溝の種類とサイズの変化が、どちらのエツジを案内式中の変数として使うかというプログラマの決定に影響を及ぼす０通常、垂直方向の案内点は、左方エツジプラス左方溝エツジ間の距離の比率で与えられる。但し、一方のエツジの高さは無視されるべきものという条件が存在する。例えば、右方エツジの高さが左方エツジの高さより著しく大きい場合は、左方エツジのみプラス定数値が溶接トーチを案内するのに使われる。この関数は、所望エツジ（１１と所望エツジ（２）を両方共左方エツジの高さに選び、第２項が消去されるようにしてして得られる。

第４図のフローチャートを再び参照すると、ＴＲＡＣＫプログラムの次のステップはセンサ距離のズレの演算である。この距離のズレは、第７図の模式図を参照して最も分り昌く説明される。

第７図は曲線状の溶接溝８１を示しており、案内溝８１を横切ってレーザ光を走査しその反射光を視ることによって溶接の前方で同時に溶接溝８１を検知しながら、案内溝８１がマシン位置８２で溶接される。溝８１をレーザの走査経路内に保つように、光学系は角度８３だけ回転している。しかし、溶接溝８１が曲線状であるため、前にめられた案内点８４はレーザ走査経路の中心点８５と必ずしも一致しない、従って、光学系のセンサ角度８３は、案内点８４の標準面８６からの実際の角度変位と一致しない、また、センサ距離はマシン位置８２とレーザ走査経路の中心点８５間の既知の所定距離に対応しているので、案内点８４は標準点（中心点８５）から案内点８４までの距離で与えられ、対応する両線分は直角を成すため、センサ距離のズレは両線分距離の平方の和の平方根として計算される。つまり、センサ距離のズレはマシン位置８２と真内点８４の間の距離となる。

溝角度８７は、先に計算したセンサ距離のズレで割った案内点８４の逆タンジェントを取ることで計算される。センサ及び溝両角度８３．８７とセンサ距離のズレを知ったところで、案内点のｘ、ｙ座標が計算される。現在のマシン位置座標である先に計算した案内点のｘ、ｙ座標が、センサ距離と溝及びセンサ両角度の和のコサインとの積、さらにセンサ距離と溝及びセンサ両角度の和のサインとの積にそれぞれ加えられる。そして、これらのｘ１ｙ座標がリングバッファ３９内に記憶され、必要に応じ案内点として使われる。

次に、現案内点から先に使われた案内点までの距離がチェックされ、この距離がある任意の最小値より小さいと、その現案内点が放棄され、トラックルーチンが停止される。上記距離が最小許容値より大きければ、先に用いた案内点が現在のプログラム案内点に対し可能な最も近い案内点であるかどうかをめるテストが行なわれる。もし最も近ければ、その案内点がプログラム案内点として標識され、センサ用のインタプリタ（解釈プログラム）が呼び出される。最も一般的なケースでは、次の指令が溶接の停止プログラムを解釈する。このプログラム中の第１指令は一般に゛追跡オフ゛指令で、追跡プロセス全体を停止させる。

しかし、先の案内点がプログラム案内点に最も近くないと、現在の案内点が先入れ／先出しバッファ（Ｆ　Ｉ　ＦＯ）内に入れられる。またこの案内点における溝の面積もＦＩＦＯ内に入れられ、溶接トーチが対応するｘ、ｙ、ｚ座標点に近づいたとき埋め制御ルーチンによって使われる。

”５ＷＩＮＧ″ルーチンも呼び出され、センサをトーチの前方で溝に対してはゾ中心合わせされた状態に保つ、スイングルーチンは、ＦＩＦＯに入れられた最も最近の案内点の一部に基づき、これからやってくる溝の経路を近似するラインの式を計算する。半径がトーチと案内点との間の距離である円上で、レーザビームが加工物にぶつかる交差点が計算される０円の中心は現在トーチがそこへ向かって移動しつ＼ある案内点に置かれている。適切な交差点が選ばれ、センサをその交差点の上方に置くため正しいセンサヘッドの角度が計算される。この角度が現在のサーボ命令の一部とされ、トーチが現在の命令点に近づくにつれ、センサも所望の角度へ近づくようにする。

上記のプロセスは、プログラム中の“追跡オフ”指令か、停止ボタンからの指令信号か、または所定数の連続したセンサエラーが発生するまで続けられる。

案内点が必要に応じてＦＩＦＯから取り出され、コンピュータのサーボソフトウェアに命令を与えてマシン軸を移動させる。システムが溶接中で埋め制御がオンの場合には、面積もＦＩＦＯから取り出され、“ＰＩＬＣＴＬ”と呼ばれるサブルーチンで使われる。

ＦＩＬＣＴＬは溝面積を使って、前述の溶接金属溶着速度を毎時ボンドの単位でめる。溝面積が大きいほど、溶着速度は制限内で大きくなる。溶着速度とワイヤの既知の物理的データから、所望のワイヤ送り速度が計算される。ワイヤ送り速度がめられたら、プラットフオームの移動速度を計算することによって所望の溝埋め比率が達成される。計算された移動速度とワイヤ送り速度に基づき、アーク電圧が計算され、コントローラ５０を介して調整される。

第５図は、単一トーチＭＧ溶接機に組み込まれた第１及び３図のシステムの好ましい実際の実施例を示す図である。プラントフオーム１６は横桁から垂下されたサーボ位置決め可能な構造を有し、加工物１８に対し垂直にＺ軸に沿って移動可能である。プレート８０が垂下アーム８２．８４を有し、ガルバノメータ駆動ミラーを含む走査投光器１０へと横方向にミラーを介して出力ビームを投射する通常の低電力へリウムーネオンレーザ８６を支持しており、ガルバノメータ駆動ミラーが出力ビームを加工物１８の溝８８へ向かって下方に指し向ける。

ＴＶカメラ１２のカメラレンズ９０が加工物１Ｂの上方約１０インチ（約２５．４ｃ１１）の地点に位置し、溶接トーチ１４の前方約４インチ（約１０．２ｃｍ）の地点にスポットを収束させる。カメラ１２のレンズ端に装着されたフィルタ９１が６３２．８ナノメータ（ｎ１１）、つまりレーザ出力の波長の光だけを通し、プレート９４の底部に支持されたシールド９２の下側から洩れる溶接トーチ！４からのギラギラする輝きを除去する。１本以上のホース９６から成る真空系が、溶接領域からの煙を取り除く。

Ｚ軸を中心とした旋回動がモータ１１Ｇによって与えられる。

Ｚ軸はトーチの中心を通っているので、この旋回動はトーチ自体のＸ％Ｙ、、ｚ座標に影響を及ぼさない、一方、かかる旋回動で走査領域のＸ、Ｙ座標は変更され、光学系１Ｏ１１２が溶接座標の前方で溝８８の曲線を追従するのを可能とする。

第８図は、案内システムの物理的構成をもっと詳しく示している。Ｘ軸方向の変位は、床から上昇され加工物の搬入出を許容するように端部の解放された平行な離間レール１００によって与えられる。またＹ軸方向の支持体１０２が２本のレール１００間に架橋され、車輪を介してその上に装着されることで変位を可能としている。直線状のギヤ歯軌道がレールの一方に沿って走り、ベルト結合モータ及びギヤボックスの組み合せで駆動されるピニオンギヤと係合している。モータ上方のエンコーダが変化を表わすパルスを発生する。Ｙ軸方向のキャリッジ１０４が同様に支持体１０２上に取り付けられ、ワイヤリール１０６とワイヤ送りモータ１０２を支持している。Ｘ軸方向のドライバ１０８がプラントフオーム１６を支持体１０２及びキャリッジ１０４に対して上下動し、高さの制御を行なう、旋回軸系は前述した通りである。

上の１　可適応溶接装置ＦＢの好ましい実施例の全体的動作では、コンピュータのプログラマが事前に溶接トーチ１４を溶接溝内の最適径路に沿って案内するため、次の変数を選択しているものとする：１）　所望エツジ（１）ｋ）　所望エツジ（２）３）　偏り比率４）定数次いで、＠ＴＲＡＣＫ”プログラムがエネーブル状態とされ、良好なデータ点がＩｎｔｅｌコンビエータ２８から受け取られ、適切な信号が軸ドライバ４６へ出力され、溶接トーチ１４を溶接溝内の所望位置に保つ、同じく“５ＷＩＮＧ”ルーチンがエネーブル状態とされ、レーザの走査経路が案内点８４に対しては一′ 中心合せされるように作用してレーザ光源８６を位置決めする。

溶接トーチ１４は最終的に、溶接溝が終端するかあるいは少（とも断面形状が著しく変る加工物１８上の地点に達する。コンビエータのプログラマは、その変化が生じる近似位置をプログラミングすることによって、溶接装置８へ事前に溶接溝断面の変化を憶え込ませておく、さらに、断面溝の変化に応じて新しい案内点の式が必要になったら、プロ°グラマがそれらの新しい値を入力し、溶接装置８はほとんどまたは全く遅滞なく新しい溝を溶接し続ける。加工物１８の複雑さに応じ、任意の数の変化をプログラム可能である。

この装置のその他の特徴、目的、利点及び用途は、図面、以上の開示、及び添付の請求の範囲から明らかになろう。

特許庁長官　黒　１）明　雄　殿１、特許出願の表示　ＰＣＴ／ＵＳ８５１００６２７２、発明の名称　適応溶接案内装置３、特許出願人名　称　キャタピラ−インコーホレーテッド６、添付書類の目録（１）　補正書の翻訳文　１　通苅−慮二の一粒」■ １．溶接トーチ（１４）を溶接溝に沿って案内する適応溶接装置（８）であって：検知要素（２９）を上記溶接溝を横切って延びた所定の経路に沿って移動し、溶接溝の断面形状を検知し、さらに溶接溝断面の位置及び形状に応じた信号を出力する第１手段（２７）ｉ上記信号を受け取り、溶接溝における所定点の相対的な位置をめ、さらに溶接溝断面の領域中心の相対的な位置を計算する第２手段（３７）？及び上記溶接溝の断面形状にかかわりなく、上記領域中心の関数として案内点を計算し、該案内点へ向かう方向に沿った溶接トーチ（１４）の横方向移動を制御する第３手段（４−１）；を備えて成る適応溶接装置（８）。

２、前記所定点が溶接溝の左右エツジを含む請求の範囲第１項記載の適応溶接装置（８）。

３、前記関数が前記両溝エツジ及び領域中心のうち１つの横方向座標から成る第１項を含む請求の範囲第２項記載の適応溶接装置（８）。

４、　前記関数が前記両溝エツジ及び領域中心のうち任意の２つの横方向座標間の差の所定偏り比率から成る第２、特許請求の範囲第３項記載の適応溶接装置（８）。

５、前記関数が所定の定数を含む請求の範囲第４項記載の適応溶接装置（８）。

６、前記第２手段（３７）が溝エツジの相対的な高さをめ、前記第３手段（４１）が両溝エツジの高さの関数として垂直方向の真内点を計算し、該垂直方向の案内点へ向かう方向に沿った溶接ヘッドの垂直移動を制御する請求の範囲第１項記載の適応溶接装置（８）。

７、前記垂直方向の案内点関数が、両溝エツジの一方の垂直座標から成る第１項と、任意の２つの溝エツジの垂直座標間の差の所定偏り比率から成る第２、特許請求の範囲第６項記載の適応溶接装置（８）。

８、溶接トーチ（１４）を溶接溝に沿って案内する適応溶接装置（８）であって：検知要素（２９）を上記溶接溝を横切って延びた所定の経路に沿って移動し、溶接溝の断面形状を検知し、さらに溶接溝断面の位置及び形状に応じた信号を出力する第１手段（２７）ｉ上記信号を受け取り、左右溝エツジの横方向座標をめ、上記溶接溝断面の領域中心を算出する第２手段（３７）；次式によって、上記溶接溝の断面形状とは係わりなく最適案内点を計算する第３手段（４１）：案内点＝Ａ−Ｂ”　（Ｃ−Ｄ）　＋ｘ但し、Ａ−左エツジ、右エツジおよび領域中心Ｂ−偏り比率Ｃ＝左エツジ、右エツジおよび領域中心り一方エツジ、右エツジおよび領域中心Ｘ＝定数ここに、変数Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ及びＸは実際の溶接前にプログラム可能で、溶接溝に沿った所定の点で変更可能である；を備えて成る適応溶接装置（８）。

９、溶接トーチ（１４）を溶接溝に沿って案内する方法であって：検知要素（２９）を上記溶接溝を横切って延びた経路に沿って移動すること；溶接溝断面の位置及び形状を検知すること；溶接溝における所定点の相対的な位置をめること；溶接溝断面の領域中心の相対的な位置を計算すること：上記溶接溝の断面形状にかかわりなく、上記領域中心の関数として案内点を計算すること；及び上記案内点へ向かう方向に沿った溶接ヘッドの横方向移動を制御すること；を含んで成る方法。

１０、前記所定点が溶接溝の左右エツジを含む請求の範囲第９項記載の方法。

１１、前記案内点を計算するステップが、前記左右溝エツジ及び領域中心のうち１つの横方向座標から成る第１項を含む請求の範囲第１０項記載の方法。

１２、前記案内点を計算するステップが、前記左右溝エツジ及び領域中心のうち任意の２つの座標間の差の所定偏り比率を計算することを含む請求の範囲第１１項記載の方法。

１３、前記案内点を計算するステップが所定の定数を加えることを含む請求の範囲第１２項記載の方法。

１４、溶接トーチ（１４）を溶接溝に沿って案内する適応溶接装置（８）であって：レーザ光源（８６）；上記溶接溝を横切って延び第１光軸を限定する経路に沿ってレーザ光を走査する手段；上記第１光軸から周方向に離れた第２光軸上に位置され、上記レーザ光の経路を光学的に視て、溶接断面の位置及び形状に応じた信号を出力するラスター走査型ＴＶカメラ（１２）；上記信号を受け取り、左右溝エツジの座標をめ、さらに溶接溝断面の領域中心を計算する第２手段（３７）；及び次式によって、上記溶接溝の断面形状にかかわりなく、最適案内点を計算する第３手段（４１）：案内点−Ａ−Ｂ”　（Ｃ−Ｄ）＋Ｘ但し、Ａ＝左エツジ、右エツジおよび領域中心Ｂ−偏り比率Ｃ＝左エツジ、右エツジおよび領域中心り一方エツジ、右エツジおよび領域中心Ｘ一定数上記変数Ａ、Ｂ、Ｃ，Ｄ及びＸは実際の溶接前に所望の値にプログラム可能で、溶接溝に沿った所定点で溶接プロセスを中断せずに変更可能である；を備えて成る適応溶接装置（８）。

−＾■−＾ｏｕｔ−ｍｎＮ−，ＰＣＴ／ＵＳ　８５１００６２７

Claims

【特許請求の範囲】

１．溶接トーチ（１４）を溶接溝に沿って案内する適応溶接装置（８）であって：検知要素（２９）を上記溶接溝を横切って延びた所定の経路に沿って移動し、溶接溝の断面形状を検知し、さらに溶接溝断面の位置及び形状に応じた信号を出力する第１手段（２７）；上記信号を受け取り、溶接溝における所定点の相対的な位置を求め、さらに溶接溝断面の領域中心の相対的な位置を計算する第２手段（３７）；及び上記領域中心の関数として案内点を計算し、該案内点へ向かう方向に沿った溶接トーチ（１４）の横方向移動を制御する第３手段（４１）；を備えて成る適応溶接装置（８）。
２．前記所定点が溶接溝の左右エッジを含む請求の範囲第１項記載の適応溶接装置（８）。
３．前記関数が前記両溝エッジ及び領域中心のうち１つの横方向座標から成る第１項を含む請求の範囲第２項記載の適応溶接装置（８）。
４．前記関数が前記両溝エッジ及び領域中心のうち任意の２つの横方向座標間の差の所定偏り比率から成る第２項を含む請求の範囲第３項記載の適応溶接装置（８）。
５．前記関数が所定の定数を含む請求の範囲第４項記載の適応溶接装置（８）。
６．前記第２手段（３７）が溝エッジの相対的な高さを求め、前記第３手段（４１）が両溝エッジの高さの関数として垂直方向の案内点を計算し、該垂直方向の案内点へ向かう方向に沿った溶接ヘッドの垂直移動を制御する請求の範囲第１項記載の適応溶接装置（８）。
７．前記垂直方向の案内点関数が、両溝エッジの一方の垂直座標から成る第１項と、任意の２つの溝エッジの垂直座標間の差の所定偏り比率から成る第２項を含む請求の範囲第６項記載の適応溶接装置（８）。
８．溶接トーチ（１４）を溶接溝に沿って案内する適応溶接装置（８）であって：検知要素（２９）を上記溶接溝を横切って延びた所定の経路に沿って移動し、溶接溝の断面形状を検知し、さらに溶接溝断面の位置及び形状に応じた信号を出力する第１手段（２７）；上記信号を受け取り、左右溝エッジの横方向座標を求め、上記溶接溝断面の領域中心を算出する第２手段（３７）；次式によって最適案内点を計算する第３手段（４１）：案内点＝Ａ−Ｂ（Ｃ−Ｄ）＋Ｘ但し、Ａ＝左エッジ、右エッジまたは領域中心Ｂ＝偏り比率Ｃ＝左エッジ、右エッジまたは領域中心Ｄ＝左エッジ、右エッジまたは領域中心Ｘ＝定数ここに変数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＸは実際の溶接前にプログラム可能で、溶接溝に沿った所定の点で変更可能である；を備えて成る適応溶接装置（８）。
９．溶接トーチ（１４）を溶接溝に沿って案内する方法であって：検知要素（２９）を上記溶接溝を横切って延びた経路に沿って移動すること；溶接溝断面の位置及び形状を検知すること；溶接溝における所定点の相対的な位置を求めること；溶接溝断面の領域中心の相対的な位置を計算すること；上記領域中心の関数として案内点を計算すること；及び上記案内点へ向かう方向に沿った溶接ヘッドの横方向移動を制御すること；を含んで成る方法。
１０．前記所定点が溶接溝の左右エッジを含む請求の範囲第９項記載の方法。
１１．前記案内点を計算するステップが、前記左右溝エッジ及び領域中心のうち１つの横方向座標から成る第１項を含む請求の範囲第１０項記載の方法。
１２．前記案内点を計算するステップが、前記左右溝エッジ及び領域中心のうち任意の２つの座標間の差の所定偏り比率を計算することを含む請求の範囲第１１項記載の方法。
１３．前記案内点を計算するステップが所定の定数を加えることを含む請求の範囲第１２項記載の方法。
１４．溶接トーチ（１４）を溶接溝に沿って案内する適応溶接装置（８）であって：レーザ光源（８６）；上記溶接溝を横切って延び第１光軸を限定する径路に沿ってレーザ光を走査する手段；上記第１光軸から周方向に離れた第２光軸上に位置され、上記レーザ光の径路を光学的に視て、溶接断面の位置及び形状に応じた信号を出力するラスター走査型ＴＶカメラ（１２）；上記信号を受け取り、左右溝エッジの座標を求め、さらに溶接溝断面の領域中心を計算する第２手段（３７）；及び次式によって最適案内点を計算する第３手段（４１）：案内点＝Ａ−Ｂ（Ｃ−Ｄ）＋Ｘ但し、Ａ＝左エッジ、右エッジまたは領域中心Ｂ＝偏り比率Ｃ＝左エッジ、右エッジまたは領域中心Ｄ＝左エッジ、右エッジまたは領域中心Ｘ＝定数上記変数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＸは実際の溶接前に所望の値にプログラム可能で、溶接溝に沿った所定点で溶接プロセスを中断せずに変更可能である；を備えて成る適応溶接装置（８）。