JPS6258826B2

JPS6258826B2 -

Info

Publication number: JPS6258826B2
Application number: JP14790178A
Authority: JP
Inventors: Norihisa Myake; Moritomo Ando; Akira Oonishi; Takasuke Tokuno
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1978-12-01
Filing date: 1978-12-01
Publication date: 1987-12-08
Also published as: JPS5575883A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は母管に枝管が交差する継手の自動溶接
法に関する。

母管に枝管が交差する継手の溶接線は複雑な鞍
型形状をなし、しかも溶接線円周方向の溶接部形
状が順次変化する。従つて従来この種の溶接を自
動化するのは困難であり、手動あるいは半自動溶
接法を用いて溶接作業を行つていた。

自動溶接装置として最も機能が高いと考えられ
ている溶接用ロボツトについて考えると、ロボツ
トの動作を何らかの手段により教示する必要があ
る。しかし、上記母管に枝管が交差する継手の溶
接線を複雑な鞍型形状をなしており、その溶接線
の軌跡、トーチの姿勢、動作速度などの教示を詳
細に行う必要があり、この教示作業に多大の時間
と労力を要していた。従つて自動化を行うことは
実際上困難であつた。

本発明は上記母管に枝管が交差する継手の溶接
を自動化するための溶接方法を提供することを目
的としている。

本発明は上記母管に枝管が交差する継手の形状
すなわち鞍型曲線の軌跡、トーチの姿勢、溶接速
度など、自動溶接に必要な情報を数式化し、マイ
クロコンピユータ等の計算機あるいは演算用電子
回路等を用いて上記数式の演算処理を行い、その
演算結果にもとづいて溶接ロボツト等の溶接装置
を駆動させ、もつて自動溶接を行うようにしたも
のである。

以下本発明の実施例について説明する。第１図
は母管に枝管が直交している場合の継手の一例を
示したもので、Ａは正面図、Ｂは側面図、Ｃは平
面図である。図において１は母管、２は枝管、３
は溶接部、４は座標のＺ軸、５はＲ軸、６はθ軸
をそれぞれ示す。

次に溶接法について説明する。溶接にあたつて
必要となる情報は溶接軌跡の位置、溶接トーチの
角度および溶接条件であるので、これら各々の制
御法について説明する。

第２図は溶接軌跡の数式化について示したもの
であつて、溶接トーチＴのねらい位置Ｐは、母管
１および枝管２の交線として、円周方向θ＝０゜
〜360゜において次式で与えられる。

Ｒ（θ）＝ｄ_０／２ ……(1) ここにD₀：母管１の外径 d₀：枝管２の内径第３図は溶接トーチ角度の制御法について示し
たもので、トーチ角度ω（θ）を、トーチねらい
位置Ｐおよび枝管主軸を含む平面内において母管
および枝管表面とのなす角度を２等分するように
制御する場合の例を示している。この場合、上記
平面内における母管の接線方向の傾きβ（θ）
は、ここにΔＲ：１パスの溶接ビード幅であるから、トーチ角度ω（θ）は、 ω（θ）＝45゜−β（θ）／２ ……(4) となる。

また、溶接条件としては電流、電圧、溶接速度
などの条件をいずれも一定であるとする。

以上説明した制御法にもとづいて溶接を行なう
場合の装置の構成および具体的な制御内容につい
て述べる。

第４図は本発明の実現手段としての自動溶接装
置の一つの例であつて、１０は被溶接物Ｗの枝管
外径または内径を利用して溶接装置９を固定する
固定装置、１１は前記固定装置１０の上にセツト
された回転装置であり、駆動モータ１１Ｍによつ
て前記枝管２と同一中心で回転する機構になつて
いる。１２は前記回転装置１１に固定されたアー
ム、１３は前記アーム１２にセツトされたスライ
ドユニツトであり駆動モータ１２Ｍによりアーム
１２に沿つてスライドする。１４は前記アーム１
２に直角に前記スライドユニツト１３にセツトさ
れているアームであり、駆動モータ１４Ｍによつ
て上下にスライドする。１５は前記アーム１４の
下端に固定されたトーチ固定ブロツクであり、駆
動モータ１５Ｍによつて溶接トーチＴのトーチ角
度ωが変化可能な機構になつている。１６は本溶
接装置９の制御装置であり、これらの出力信号に
より前記駆動モータ１１Ｍ，１２Ｍ，１３Ｍおよ
び１４Ｍを制御する。

次に本溶接装置９を制御する場合の制御装置１
６について詳細に述べる。第５図は本発明に係る
制御装置１６の実施例の一つを示すものであつ
て、２０は総括制御装置、２１は定数値セツト用
レジスタであつて、２１Ａは母管外径D₀、２１
Ｂは枝管外径d₀、２１Ｃは１パス溶接ビード幅Δ
Ｒの値をそれぞれセツトする。２２は溶接装置各
軸の指令値を出力するためのレジスタであり、２
２Ａはθ軸、２２ＢはＲ軸、２２ＣはＺ軸、２２
Ｄはトーチ角度制御用のω軸のそれぞれの指令値
をセツトし、出力する。２３はθ軸の指令更新回
路、２４Ａは(1)式によつてＲ軸の指令位置を、ま
た２４Ｂは(2)式にもとづいてＺ軸の指令位置を演
算する演算回路、２４は(3)式にもとづいて母管の
傾きβ（θ）を演算する回路、２６は(4)式にもと
づいてトーチ角度ω（θ）を演算する回路であ
る。また、２７は指令更新回路２３の更新時間間
隔を制御するための回路、２８は１回転検出回路
である。

次に第５図に示す制御装置を用いて自動溶接装
置９を制御する場合の方法について説明する。

まず、時間間隔制御回路２７によつて指定され
た時間間隔ごとに指令更新回路２３が働き、θ軸
の指令値が更新される。このθの値およびレジス
タ２１の各値にもとづいて、演算回路２４，２
５，２６が作動し、Ｒ、Ｚおよびω各軸の指令値
が算出されてレジスタ２２に各々セツトされ、溶
接装置９の各軸を駆動する。これを繰り返すこと
により枝管のまわりに溶接を行い、最後に回転検
出回路２８により１周分の溶接が終了したことを
判定する。

本実施例によれば、θ軸を駆動し、その値に応
じて計算式にもとづいて他の軸を駆動制御するた
め、自動的にしかも正確に枝管および母管の交差
部分の溶接が可能である。

次に第６図以降に本発明の別の実施例として、
多層溶接の例を示す。

第６図は母管に枝管が直交し、枝管側を開先加
工した場合の継手の１例を示したもので、Ａは正
面図、Ｂは側面図、Ｃは平面図、Ｄは継手部の拡
大図である。図において母管１、枝管２、溶接部
３、Ｚ軸４、Ｒ軸５、θ軸６は第１図と同じであ
るが、７は脚長止り、８は枝管開先止りである。
いま、開先角度α（θ）は、枝管開先止り８から
母管１へ垂した法線の高さＨが、θ軸の回り０゜
〜360゜において一定となる角度になつている。
すなわちα（θ）はθ＝０゜においてα_０とする
と、次のように表わされる。

ただしD₀：母管１の外径 d₁：枝管２の内径ｔ：枝管２の肉厚この様に開先形状を形成すれば、溶接部を母管
および枝管の同心円筒同志で分割することにより
多層溶接の各パスを定めることができる。

次に積層法について述べる。

第７図は開先部の断面拡大図であつて、積層法
としては開先奥部から外側に向つてS₁₁，S₁₂，
S₁₃………の順に各々１周ずつ溶接し、この１層
分の溶接が終つたら次にS₂₁，S₂₂………の順に２
層目の溶接を行い、以下３層、４層と同様に積上
げて行く方法とする。

次に溶接部の任意の溶接パス部分を溶接してい
る場合を示す。第７図Ａは母管の主軸方向すなわ
ちθ＝０゜における断面、Ｂはθ＝90゜における
断面の詳細を示す。同図においてハツチング部を
第ｎ層ｍパス目の溶接部分であるとすれば、この
部分を溶接する場合の溶接トーチＴのねらい位置
Ｐは、θ＝０゜において、Ｒ＝ｄ_１／２＋ｔ／Ｈ×Ｚ＋ΔＲ×（ｍ−１）……(5
) Ｚ＝ΔＺ×（ｎ−１） ……(6) ただし、ΔＲ：１パス溶接ビード幅 ΔＺ：１パス溶接ビード高さｔ：枝管２の肉厚Ｈ：枝管２の開先高さとなる。従つて、第ｎ層ｍパス目の溶接軌跡は、
θ＝０゜〜360゜において、上記(5)(6)式を考慮し
て(1)(2)式を修正することにより、次式で与えられ
る。

Ｒ（θ）＝Ｒ＝ｄ_１／２＋ｔ／Ｈ×ΔＺ×（ｎ−１）＋ΔＲ×（ｍ−１） ……(7) 次に、第８図に溶接トーチ角度の制御法につい
て示す。多層溶接の場合、溶接部に開先がとられ
ていることから前記の例のごとく母管１と枝管２
とのなす角度の２等分にトーチ角度をとることが
できない。このため、母管表面からの仰角を一定
とし、溶接条件の均一化を図るものとする。この
とき、母管表面の接線方向の傾きβ（θ）は、(3)
式においてd₀を(5)式のＲを用いて修正し、として与えられるから、トーチ角度ω（θ）は、 ω（θ）＝ω_０−β（θ） ……(10) ただしω_０：θ＝０゜におけるトーチ角度なる式により制御することになる。

次に第９図に溶接条件の制御法について示す。
１パスで溶接すべき部分の断面積ΔＳ（θ）は(7)
(8)式および同式においてｍおよびｎをｍ＋１、ｎ
＋１とそれぞれ変更して求めたＲ、Ｚの値から、
近似的に ΔＳ（θ）＝ΔＲ×ΔＺ×１／ｃｏｓ｛β（θ）｝……
(11) としと与えられる。

ところで、溶接条件制御の一例として、溶接電
流、溶接電圧を一定とすれば、溶接断面積は溶接
速度に反比例する。従つて、溶接条件を溶接速度
ｖ（θ）だけによつて制御し、ｖ（θ）＝v₀×cos｛β（θ）｝ ……(12) ただし、v₀：θ＝０゜における溶接速度とすればよいことになる。

以上に述べた制御法により、前記した溶接装置
９によつて多層溶接を行う場合の制御装置２９に
ついて説明する。第１０図は本発明に係る制御装
置２９の実施例の一つを示すもので、３０は総括
制御装置、３１は定数値セツト用レジスタであつ
て、３１Ａは母管外径D₀、３１Ｂは枝管内径
d₁、３１Ｃは枝管肉厚ｔ、３１Ｄは枝管開先高さ
Ｈ、３１Ｅは１パス溶接ビード幅ΔＲ、３１Ｆは
１パス溶接ビード高さΔＺ、３１Ｇは基準トーチ
角度ω_０、３１Ｈは基準溶接速度v₀、を各々セツ
トする。３２は溶接装置９の各軸に指令値を出力
するためのレジスタであり、３２Ａはθ軸、３２
ＢはＲ軸、３２ＣはＺ軸、３２Ｄはω軸それぞれ
の指令値がセツトされる。また、40はカウンタで
あつて、４０Ａは溶接実行パス数、４０Ｂは溶接
実行層数をカウントし、更新する。３３はθ軸の
指令更新回路、３４は(7)式によりＲの値を演算す
る回路、３５は(8)式によりＺの値を演算する回
路、３６は母管の傾きβ（θ）の演算回路、３７
は(10)式によりωの値を演算する回路、３８は(12)式
により動作速度を制御する回路である。なお、(8)
式よりであるから、(12)、（13）式よりとなり、（14）式に応じて指令更新回路３３で更
新するθの値あるいは動作速度制御回路３８で指
令更新の時間間隔を制御することにより動作速度
の制御が可能である。また３９は回転量検出回路
である。

次に第１０図に示す制御装置を用いて自動溶接
装置９を制御する場合の方法について説明する。

まず、動作を開始すると、カウンタ４０はイニ
シヤライズされ各々１にセツトされる。次にレジ
スタ３１の各データをもとにＲ軸演算回路３４で
Ｒの値が求められ、一方θ軸指令更新回路３３に
よりθの初期値がセツトされ、これにもとづいて
Ｚ軸演算回路３５、ω軸演算回路３７によりＺ、
ωの値が求められ、レジスタ３２にそれぞれ送ら
れて溶接装置９を溶接開始点に位置決めする。次
にθ軸指令更新回路３３によりθ軸の指令値が更
新されると、その値およびＲ軸の値にもとづいて
Ｚ軸演算回路３５およびβ演算回路３６が作動
し、Ｚ軸の指令値および母管表面の傾斜β（θ）
が計算される。β（θ）の値が求められるとω軸
演算回路３７によりトーチ角度ωの指令値が求め
られ、以上の各結果から動作速度演算回路３８に
よつて動作速度ｖが与えられる。このうちθ、
Ｒ、Ｚ、ωのデータはレジスタ３２を経て溶接装
置９の各軸を駆動し、また動作速度ｖの値はθ軸
指令更新回路３３へ再び入つて次のθ軸指令更新
までの時間間隔あるいはθ軸の指令更新量を制御
する。以上を繰返すことにより溶接を継続し、１
周分の動作を終了すると回転量検出回路３９によ
り１パス分の溶接が終了したことを判定し、パス
数カウンタ４０Ａを１つカウントアツプする。次
いで２パス目の溶接に入り、これを繰返し、１層
目がすべて終了すれば層数カウンタ４０Ｂを１つ
カウントアツブし、同時にパス数カウンタ４０Ａ
を１に再セツトする。以上の操作を繰返し、全層
全パスの溶接が終るまで継続することにより、連
続自動多層溶接が実現できることになる。

なお、この場合層数および各層パス数の判定に
は、第６図からも明らかなように(6)式のＺを用い
て、Ｒ_nax＝ｄ_０／２＋Ｌ−Ｌ／Ｈ×Ｚ（15）ここにＬ：脚長 d₀：枝管２の外径なるＲ_naxを求め、(7)式のＲの値とＲ_naxとを比較
してＲの最大値を判定することにより各層のパス
数を、また(6)式のＺと開先高さＨとを比較するこ
とにより最大層数を判定することが可能である。
この実現手段としては第１０図に示した制御装置
において、カウンタ４０に判定機能を付加してお
けばよい。

本実施例によれば、母管と枝管の交差部分の多
層溶接を自動的に行なうことが可能となる効果を
有する。

なお、上記実施例においては第４図に示す円筒
座標系構成の溶接装置について説明してきたが、
別の実施例として第１１図に示す直交座標系のロ
ボツトを用いることも可能である。

第１１図に示すロボツトは、本発明の一つの実
現手段にかかる実施例であつて、公知の直交座標
系ロボツトの手首を変更し、枝管溶接用に構成し
たものである。ロボツト５０はシリンダ５１によ
り第１のコラム５２上をＸ軸方向へ往復移動する
鞍５３と、この鞍５３上に直立に設けられた第２
のコラム５４に沿つてシリンダ５５により上下動
する十字軸受箱５６と、この十字軸受箱５６に取
付けられ、シリンダ５７によつてＹ軸方向に往復
動されるコラム５８とを有している。このコラム
５８上には本発明の一実施例としての枝管溶接用
手首６０が取付けられている。枝管溶接用手首６
０は、前記コラム５８の先端に固定された鉛直軸
線まわりに１回転以上の回転動をしうる手首機構
６１を中心に構成される。手首機構６１はコの字
形ないしはＬ字形をなすアーム６２を有し、さら
に該アーム６２の先端にはアーム６２の垂直な対
称中心面に対して垂直方向の軸線まわりに回転動
しうる曲げ装置６３があつて、曲げ装置６３には
溶接トーチＴが取付けられ、前記アーム６２の垂
直な対称中心面内において回転動し、水平面から
の角度を変化できるようになつている。また、手
首機構６１の駆動は駆動モータ６１Ｍにより、ま
た曲げ装置６３の駆動は駆動モータ６３Ｍにより
行う。

上記ロボツト５０を用いて枝管溶接を行う場合
には、第一の実施例における(1)式、第２の実施例
における(7)式をそれぞれパラメータθによつてＸ＝Rcosθ、Ｙ＝Rsinθ ……（16）とふりわけ、ロボツト５０のＸ、Ｙ軸の位置をこ
れにもとづいて求めることにより容易に対応でき
る。本ロボツト５０において手首機構６１の形状
をコ字形ないしＬ字形とした理由は、動作中に枝
管の上方との衝突を防ぎ、手首機構６１の回転中
心をなるべく枝管の主軸と近ずけることによりト
ーチねらい位置の精度を向上させることを目的と
したものである。

本実施例によれば、従来のロボツトの手首を変
更するだけで枝管溶接を実現できるため、新たな
専用溶接装置を導入することなく安価に自動化を
実現できる効果を有する。

さらに第１２図に多層溶接時における溶接方向
と溶接開始点および終了点の位置の制御方法を示
す。すなわち、枝管の周囲を多層溶接する場合に
は、溶接装置制御用のケーブル、各軸駆動モータ
等のケーブル類の処理上１パスないしは数パスご
とに溶接方向を反転させる必要が生ずる。しか
し、この場合方向反転時には一旦溶接を中断し、
アークを切らなくてはならないため、溶接ビード
に継ぎ目ができる。しかしながらこの継ぎ目部の
位置が一個所に集中すると溶接欠陥が生じやすか
つたり、あるいは強度的に不均一になるなどの欠
点を有する。このため、第１２図に示すように、
１パスごとに溶接の開始点の位置を変化させるこ
とが有効となる。第１２図に示す例はその一例で
あつて、溶接開始点を１つの線上ｌを中心とし
て、１パスごとにこの線ｌの前後に偏差ｅをとつ
て開始点をふり分ける方法であつて、さらに１層
ごと、すなわち上下方向の積層に対して、上記偏
差ｅの値を変化させることにより継目部位置を分
散させるようにしたものである。ここで、１つの
溶接パスはいずれも枝管の周囲を１周して終了す
るのは明らかであり、従つて一つのパスの溶接終
了点はそのパスの溶接開始点と一致し、この点が
ビードの継目となることは言うまでもない。

上記溶接開始点制御を実現するためには枝管外
周を旋回動する溶接装置の旋回駆動可能範囲とし
て、溶接開始点のふり分け中心線からの偏差分だ
け余裕を持たせておくことが必要となる。前記ロ
ボツト５０の手首６０において旋回動範囲を１回
転以上と述べたのはこのためである。

更に、前記第二の実施例において、溶着量制御
を(12)式により溶接速度により制御する方法を示し
たが、これについては溶接速度を変化せずに、溶
接電圧、溶接電流によつて溶着量制御することが
可能な場合も考えられる。この場合（13）式、
（14）式の演算は不要となる効果がある。

また、第５図、第１０図の実施例において、総
括制御装置にデイジタル計算機等を用い、第５
図、第１０図中の各演算回路の機能の一部あるい
は全部をプログラムによつておきかえることによ
り実現させる変形例も可能であることは言うまで
もない。

以上本発明について２つの主な実施例と、これ
に付随した各種の変形例・応用例をとりあげて説
明したが、本発明によれば、母管と枝管の交差す
る継手部の溶接において、溶接軌跡、トーチ姿
勢、動作速度等を数式化し、これらの数式にもと
づいて演算により上記軌跡、トーチ姿勢等を動作
制御することにより、上記軌跡、トーチ姿勢等の
詳細な教示作業を行なわずして自動溶接を容易に
実現しうるという効果を有する。

更に本発明によれば、数式にもとづいて演算に
より継手部の軌跡、トーチ姿勢、動作速度の制御
を行うため、理論的に最適かつ実現可能な制御方
法を数式化しておけば、望みうる最良の溶接品質
を常に得ることが可能であるという効果を持つ。

【図面の簡単な説明】

第１図は母管に枝管が直交する場合の継手の一
例、第２図は第１図の溶接部軌跡の幾何学的関係
を示す図、第３図は本発明の一実施例におけるト
ーチ角度の制御法を説明するための図（但し、第
３図Ｃは第３図Ａの一部Ａ−Ａ断面図）、第４図
は本発明の実現手段としての自動溶接装置の一例
を示す図、第５図は本発明による制御法の実現手
段としての制御装置の一実施例を示す図、第６図
は母管に枝管が直交し、枝管側に開先加工した場
合の継手の一例を示す図、第７図は第６図におけ
る開先部の断面拡大図、第８図は本発明の他の実
施例におけるトーチ角度の制御法を示す図、第９
図は第８図と同じ実施例での溶接条件の制御法を
示す図（但し第９図Ｃは１パスで溶接すべき部分
の拡大図）、第１０図は本発明による制御装置の
他の実施例を示す図、第１１図は本発明の実現手
段としての自動溶接装置の他の例を示す図、第１
２図は本発明の多層溶接時における溶接継目位置
の制御方法を示す図である。１……母管、２……枝管、３……溶接部、Ｔ…
…溶接トーチ、ω……トーチ角度、Ｐ……トーチ
ねらい位置。

Claims

【特許請求の範囲】１母管に枝管が交差する継手部の溶接におい
て、該継手部の鞍型曲線の方程式により溶接トー
チの位置を演算制御し、溶接トーチ主軸の上記母
管への投影曲線における該溶接トーチ主軸を含む
鉛直平面内での該溶接トーチ先端ねらい位置での
接線の傾き演算式に基づき前記溶接トーチの仰角
度を演算制御することによつて自動的に溶接トー
チの位置及び角度を制御することを特徴とする管
継手部の自動溶接方法。２母管に枝管が交差する継手部の溶接におい
て、該継手部の鞍型曲線の方程式により溶接トー
チの位置を演算制御し溶接トーチ主軸の上記母管
への投影曲線における該溶接トーチ主軸を含む鉛
直平面内での該溶接トーチ先端ねらい位置での接
線の傾き演算式に基づき前記溶接トーチの仰角度
を演算制御すると共に前記溶接トーチ先端ねらい
位置での接線の傾き演算式にもとづき該溶接トー
チの鞍型曲線に沿つた方向の動作速度を演算制御
することによつて自動的に溶接トーチの位置、角
度及び動作速度を制御することを特徴とする管継
手部の自動溶接方法。３特許請求の範囲第２項において、前記溶接ト
ーチの角度を、前記溶接トーチ主軸の母管への投
影曲線における前記溶接トーチ先端ねらい位置で
の接線と該溶接トーチ主軸の枝管への投影曲線に
おける該溶接トーチ先端ねらい位置での接線との
なす角が、枝管の周囲全周にわたつて常に同一の
比に分割されるように制御することを特徴とする
管継手部の自動溶接方法。４特許請求の範囲第２項において、前記溶接ト
ーチの角度を、前記溶接トーチ主軸の母管への投
影曲線における該溶接トーチ先端ねらい位置での
接線からの仰角が枝管の周囲全周にわたつて常に
一定となるように制御することを特徴とする管継
手部の自動溶接方法。５特許請求の範囲第２項において、枝管の周囲
全周にわたつて前記溶接トーチ先端ねらい位置で
の接線の傾きの余弦値に比例するように動作速度
を演算制御することを特徴とする管継手部の自動
溶接方法。６母管にて枝管が交差する継手部の溶接におい
て、該継手部の鞍型曲線の方程式により溶接トー
チの位置を演算制御し、溶接トーチ主軸の上記母
管への投影曲線における該溶接トーチ主軸を含む
鉛直平面内での該溶接トーチ先端ねらい位置での
接線の傾き演算式に基づき前記溶接トーチの仰角
度を演算制御することによつて自動的に溶接トー
チの位置及び角度を制御し、かつ水平平板上に１
パス溶接した溶接ビードの幅の整数倍だけの枝管
の半径を大きくとり、また水平平板上に１パス溶
接した溶接ビードの高さの整数倍だけ母管の半径
を大きくとつた場合に形成される鞍型曲線をもつ
て各パスの前記溶接トーチの動作軌跡とすること
によつて多層溶接を自動的に演算制御しうるよう
にしたことを特徴とする管継手部の自動溶接方
法。７特許請求の範囲第６項において、溶接方向を
反転するごとに、溶接開始点および終了点の位置
を枝管の円周方向に変化させ、もつて溶接ビード
継目の位置を枝管の円周方向に分散させることに
より多層溶接することを特徴とする管継手部の自
動溶接方法。