JPS6272475A

JPS6272475A - 溶接制御装置

Info

Publication number: JPS6272475A
Application number: JP21306385A
Authority: JP
Inventors: Kazutoshi Iwata; 和敏岩田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1985-09-26
Filing date: 1985-09-26
Publication date: 1987-04-03
Anticipated expiration: 2009-06-22
Also published as: JPH0647171B2

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】（発明の技術分野）本発明は鋼材などの金屈をアーク溶接する際に、継手の
溶接線が作る開先断面の両端の位置を計測してオンライ
ンで溶接トーチを倣わせると同時に、溶接直後のビード
外観を検知して制御する溶接装置に関する。

〔発明の技術的背景〕

電気アーク溶接機において、溶接の目的に合致した計測
値に基づいて、溶接作業中に多数の溶接パラメータを操
作できる制御が望ましい。斯る溶接パラメータとしては
従来から、溶込み深さ溶接幅、溶接部の断面積及びビー
ド外観などが考えられている。

〔背景技術の問題点〕

しかしながら、アーク発生部付近ではアークの発する、
光、熱、音、或いはスパッタなどの妨害を受けるため、
一般の分野で適用可能な計測技術の適用が困難で、前記
各溶接パラメータの計測ができない。またアークの反対
側（裏面側）で計測操作しようとすると、アーク溶接で
は母材を固定してアークを移動させることが多いから、
検出器を溶接トーチと裏面で連動させるか、溶接線に沿
って予め取付けた長い検出プローブを用いなければなら
ないため極めて面倒である。また、裏当ての存在も裏面
側での計測を都合悪くする。

（発明の目的）本発明は、上記事情に鑑みて創案されたもので、その目
的とするところは、アーク発生部に近い位置の溶接線を
非接触で検知して倣い制御を行い、同時に溶接直後のビ
ード外観も非接触で検知して最短時間で希望の状態に達
する溶接制御装置を掟供することにある。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するため本発明は、溶接トーチの前後に
０．８〜２．ＯＭＨｚの範囲の使用周波数と焦点を持ち
送波と受渡をする例えば凹面圧電振動子による近接超音
波センサーを少なくとも１個ずつ設け、溶接線と直行す
る方向に前記センサーを移動させて、超音波が送波され
て溶接線や溶接ビードに当って反射されて受波されるま
での時間をカウントして距離を割出すことにより、溶接
線の位置と開先形状及び溶接ビード表面の形状を検知し
て溶接線の倣い制御溶接条件である溶接電流やアーク電
圧などの制御を行うようにした。

〔発明の実施例〕

以下に本発明の実施例を添付図面に基づいて説明する。

尚実施例にあっては非溶極式のＴＩＧ溶接を示すが、こ
れに限定されず溶極式のＭＩＧ溶。

接やＭＡＧ溶接にも適用し得るものである。

第１図は本発明の一実施例に係る溶接制御装置の主要部
の配置を示す側面図であり、母材１が作業台２上に置か
れている。母材１は第１図の左右方向に沿って図示しな
い溶接線が設けられ、矢印方向に進行する。そして母材
１上方に臨む溶接トーチ３に対しては、前方からワイヤ
リール４にコイル状に巻かれた溶加ワイヤ５を溶加ワイ
ヤ送給装置６によってコンジェットチューブ７を通して
送給するようにしている。また、溶接トーチ３の前方と
後方には２個ずつ対をなす凹面圧電振動子からなる近接
超音波センサー８を配設している。

これら超音波センサー８はトーチ３からそれぞれ３〜１
０ｃ−離れ、また１、１ＭＨ２では母材か′ら０．５〜
１６ｃｍ離れた位置に設けるとともに、前方センサー８
と溶接トーチ３との距離が後方センサー８と溶接トーチ
３との距離よりも大きくなるようにする。尚、超音波セ
ンサー８を前方及び後方に２個ずつ配設したのは溶接線
の９０°屈曲などが左右にある場合にチューブやケーブ
ル１６との干渉を避けるためであり、これ以外について
は前後台１麹ずつ配設してもよい。

そして、前後の各センサー８，８は支持アーム１１を介
してセンサー移動装Ｎ１０に取付けられ、このセンサー
移動装置１０は台車９に取付けたモータで９０°以上の
旋回と上下方向及び旋回アームと直交（水平方向に直交
する２軸でもよい）方向に動かされる。

また、後方の超音波センサー８には前方に向って温度セ
ンサー１２が設けられ、溶接トーチ３は支持アーム１１
を介してトーチ移動装置１３は図示しないモータにより
上下方向及び紙面垂直方向に移動する。溶加ワイヤ５は
その先端がトーチ３が作るアーク内に臨むようにコンジ
ェットチューブ７を負通し、このコンジェットチューブ
７は支持アーム１１を介して図示しないモータで駆動さ
れて上下方向に動くとともに、トーチ３の周囲を矢印の
進行方向から左右に９０’ずつ円弧を描いて動く移動装
置１４に連結されている。また、トーチ３は制御装置１
５にパワーケーブル、シールドガスホース、冷却水ホー
スを含む接続ケーブル１６によって接続され、！ｉｌｌ
　ｍ装置１５と台車９とは制御ケーブル１７によって接
続され、制御装置１５と作業台２とはパワーケーブル１
８で結ばれ、制御装置１５と溶接用電源１９とは制御用
ケーブル１７とパワーケーブル１８で結ばれ、更に前記
台車９はサイドビーム２０に沿って走行する。

次に、本発明の一実施例である計測と制御に関する信号
の処理を第２図のブロック図に基づいて説明する。

本発明にあっては以下の信号をデータ収集ユニット２４
に入力する。■前方と後方の近距離゛超音波センサー８
からの信号、■温度センナー１２からの信号、■後述す
る電流Ｉと電圧Ｖの制御装置より負荷側に設置された溶
接電流の電流センサー２１からの信号、■アーク電圧の
電圧センサー２２からの信号、■トーチ３の前後の移動
装置１０とトーチ移動装置１３の上下方向と水平方向（
溶接線に垂直な方向）の位置を測定する磁気格子方式な
どのスケールからの信号、■センサー移動装置１０の旋
回角の位置を例えばアブソリュートエンコーダによりデ
ジタル的に検出する位置センサー２３からの信号、■溶
加ワイヤ５の先端位置を調節するための移動装Ｍ１４の
上下方向の位δを検出する磁気格子方式のスケールから
の信号、■トーチ３の周囲の旋回角（１８０°以内）の
位置をアブソリュートエンコーダでデジタル的に検出す
る位置センサー２３からの信号、■ビーム２０の方向と
これに垂直方向の２台の交流サーボモータからなる台車
走行用モータ２５と１台の交流サーボモータからなる溶
加ワイヤ５の送給用モータ２６にそれぞれ直結されたブ
ラシレスレゾルバ２７からの信号。

そして、このデータ収集ユニット２４はマルチプレクサ
回路、サンプル・アンド・ホールド回路、アナログ・デ
ジタル・コンバータ回路、３ステー１・・バッファ回路
、クロック・カウント回路などからなり、デジタル化さ
れた信号が３ステート・バッファ回路を通して１６ビツ
ト又は３２ビツトのマイクロブ０セツサとこの周辺回路
からなる回路２８に伝えられる。また、マイクロプロセ
ッサ回路２８とこれに接続されたメモリ２９（外部メモ
リも含む）とはデータの入力と出力の双方ができるよう
になっており、マイクロプロセッサ回路２８から台車走
行用モータ２５と溶加ワイヤ送給用モータ２６に出され
る指令値は、デジタル・アナログ・コンバータ３０によ
ってアナログ固に変換されてからモータドライブユニッ
ト３１に伝えられ、このモータドライブユニット３１で
モータ２５．２６を駆動するのに必要なパワーに変換し
た後、各モータ２５．２６に入力される。

更に、ビード外観の検知から溶接条件としての溶接電流
やアーク電圧を制御するためにパワーケーブルに接続さ
れたｆｆｉ流制御装置３２と電圧制御装置３３ヘマイク
ロプロセツサ回路２８から指令値を出力する。また、デ
ータ収集ユニット２４、マイクロプロセッサ回路２８、
メモリ２９、デジタル・アナログ・コンバータ３０、ド
ライブユニット３１、電流制御装置３２及び電圧制御装
置３３は制御装置１５内に納められている。

次に上記の如き構成からなる溶接制御装置の作用を述べ
る。

先ず第３図に示すように、溶接トーチ３の萌方に設置し
た溶接線の倣い制御のための検出器である超音波センサ
ー８がセンサー移動装置１０の旋回動作で開先の幅が最
小になる位置を探し、溶接線と直交するように移動して
開先の始点３４から終点３５までの全範囲を主として水
平方向の運動により網羅する。ここで超音波センサー８
は凹面型の圧電セラミック振動子を使用しているので、
超音波ビームの集束ができるように送波するため、直径
０．５ｍｍ程度までの微小物体の検出ができる。

また超音波センサー８は振動子の正面側に大きい音響イ
ンピーダンスと小さい音響インピーダンスを持つ２Ｎの
音響整合層を設け、送波する周波数、例えば１．１ＭＨ
２の挿入損失を３５ｄＢと小さくし、０．８ＭＨ２では
４６ｄＢと大きクシテ、送波周波数を中心とする反射超
音波信号を選択的に効率よく受波する。一方、空気の超
音波吸収ビームの拡散による減衰などを考慮しても、１
．１ＭＨ２では計測可能距離は約０．５〜１５ｃｍであ
るので、開先における母材１のルート部までの距離の測
定に十分使用できる。そして、距離の測定は、ｔ℃での
空気中の音速が３３１．７＋０．６ｔ　（ｍ／ｓ）であ
るから、第５図のメインプログラムＭに呼出されたサブ
プログラムＳ１により、送波してから反射波を受波する
までの時間（計測可能範囲は１ｍＳ以内となる）のクロ
ックパルスをデータ収集ユニット２４のカウンタ回路で
数えたパルス数の半分にパルス間隔時間と音速を掛けて
行う。ここで、パルスＴＩＧ溶接などで使う高周波パル
スの周波数は５０ＫＨｚ付近であるから、溶接アークが
発生する騒音の影響を受けにくい。

また、開先中央近辺の深さを性格に知りたい場合には、
超音波ビームの焦点距離で反射する場合の受渡時間を計
測しておき、この時間に相当する上下方向位置まで超音
波センサー８をセンサー移動装置１０で上下移動させて
、マイクロプロセッサ回路２８にてプログラムＳ１によ
り位置センサー２３で検知した移動量とデータ収集ユニ
ット２４でカウントしたパルス数から得た距離を加えれ
ば求められる。

一方、開先の始点３４及び終点３５或はこれらの中央な
どにおける超音波センサー８に対する水平方向の位置は
センサー移動装置１０に接続された位置センサー２３に
より距離と方向のデジタル鑓として得られるからデータ
収集ユニット２４でサンプリングしてマイクロプロセッ
サ回路２８へ送られ、サブプログラムＳ２で開先の水平
方向のｘ、ｙ座標値とされ、この値と共に開先部（始点
３４と終点３５の間）にて母材１までの上下方向の距離
が上下方向の位置座標Ｚの基準点３６を基準にした数値
に変換されてメモリ２９にストアされる。ここで基準点
３６は後方の超音波センサー８及び溶接トーチ３と共に
溶接作業の出発位置における母材１の表側平面を選んで
いる。

また、溶接作業の進行につれ、メモリ２つから読出され
ナブプログラムＳ３により溶接１〜−チ３が接近すべき
場所の水平及び上下方向の座標値が順次設定されて、サ
ブプログラムＳ６．Ｓ１０によりマイクロプロセッサ回
路２８で溶接トーチ３を溶接に最適な位置に導く指令値
に変換されて、デジタル・アナログ・コンバータ３０を
通じて台車走行用モータ２５へ、同時にマイクロプロセ
ッサ回路２８からトーチ移動装置１３へも指令値が伝え
られ、２台のモータ２５がビーム２０に沿った方向及び
これと垂直な方向に駆動し、トーチ移動装置１３のモー
タが上下方向及び紙面垂直方向に駆動し、更に溶接トー
チ３の進行方向が変化する時には、移動装Ｅ１４にもマ
イクロプロセッサ回路２８から指令値が出されて、溶加
ワイヤ５がトーチ３の進行方向の前方に来るように移動
装置１４のモータが駆動し、溶接トーチ３が所定の位置
へ移動する。

また、超音波センサー８における超音波の反射位置が第
３図の母材１の水平な表側平面を移動して、開先始点３
４に達すると、母材１の水平面からの反射波３８が半減
し、斜面からの反射波３９が増加して、反射波３８の受
渡信号レベルが半分となり、反射波３９によって受信期
間が長くなる。

そして、反射位置が開先の斜面に完全に移ると、受波信
号レベルが反射波３９のレベルになり、受信期間が長く
なり、送波してから受波するまでの時間が長くなること
から開先始点３４の位置を正確に知ることができる。つ
まり、超音波センサー８からデータ収集ユニット２４に
受渡信号が伝えられると、マルチプレクサ回路によるチ
ャンネル切替で、ユニット２４に取込んでサンプル・ア
ンド・ホールド回路によってサンプリング後ホールドさ
れる。そしてホールド期間中にアナログ・デジタル変換
がなされ、デジタル農になってから３ステートバツフア
を通してマイクロプロセッサ回路２８に渡され、回路２
８で受波信号レベルとして取扱う。

また、受信１１１ｍ１１の測定はサブプログラムＳ１に
より、前述の距１ｌｌｉｌｌｌ定のためクロックパルス
をカウントして受渡時間を測定する方法が使用され、デ
ータ収集ユニット２４のカウンタ回路で行われる。

また開先のルート部と斜面の境界３７に超音波の反射位
置がある場合には、斜面からの反射波３９が届いてから
しばらくたって作業台２からの反射波４０が届き、反射
波３９の受波信号レベルは半減し、受信期間は斜面の反
射波３９よりも作業台２の反射波４０の方が短くなるか
ら、ルート部に超音波センサー８が位置していることが
分る。

以上の機能を超音波センサー８が持つからサブプログラ
ムＳ４により多！！盛溶接ではかなり自然冷却された状
態における前回溶接部分のピード外観を単純な形状認識
処理して観察できるため、出来栄えの良否をチェックし
、トーチ３のねらい位置を正確に定めたり、有効なウィ
ービングを行えるようにして更に良い溶接結果を得るよ
うに役立てられるばかりでなく、たとえ高温の状態から
低温の状態に移行する過程で発生する高温割れなどの発
見した溶接欠陥の中で、除去が必要な割れなど、本制御
装置では対処できないマイクロプロセッサ回路２８に組
込まれたサブプログラムＳ４が判断した場合には、入出
力ユニット４１へ伝達し、ユニット４１の音声合成装置
から発する欠陥内容のアナウンスにより、付近の監視者
が欠陥発生を早期に知り、適切な対策を取ることができ
る。

また、多層盛では、溶接時の熱が少しずつ蓄積されるの
で、後方の超音波センサー８の如く温度センサー１２を
取付けて、母材１の近くから前方の超音波センサー８ま
での複数点の温度計測値で補正された音速により、サブ
プログラムＳ１で距離の演算を行ってもよい。

一方、溶接トーチ３の後方の近接超音波センサー８は、
前方の超音波センサー８と同様に、反射波を受波するま
での受波時間と受信期間をデータ収集ユニット２４のカ
ウンタ回路で計測するが、人聞の入熱のある溶接直後の
位置で計測しているから、後方の超音波センサー８の近
傍に取付けられた温度センサー１２によって、母材１の
すぐ上から超音波センサー８までの複数の位置の温度計
測が行われて、デジタル信号に変換された後、回路２８
に伝達され、サブプログラムＳ１によりこれらの温度で
補正された音速によって反射位置までの距離の演ｎが行
われる。従って、焦点距離にある絞ったビームがビード
表面に連結されるように当てられると、例えば直径Ｑ、
５＋ｕ＋毎の位置情報のつながりが得られるので、これ
からビード断面の外側形状を知ることができる。通常焦
点が作る円周が外接するような間隔で調べるが、上端部
付近などを特に精度良く調べるには、前の焦点が作った
円弧の中心に次の焦点が作る円周が来るように重ねて行
く。サブプログラムＳ４により溶接直後の一断面のビー
ド外観情報から第４図のように左右の止端部の座標（Ｘ
ｌ、　ｙｌ、Ｚｌ）（ｘｙｚ）と余盛がビード側に延長
しｒ’　　　　　ｒ’　　　　　ｒた母材１の表側平面となす左右の接線角度θ１、θ　及
びビード中央部の余盛りを抽出し、メモリ２９にストア
する。これよりアンダカットやオーバラップ、余盛過大
、余盛不足、溶落ち、分離ビードなどが発見できる。更
にメモリ２９にストアされた複数の隣接断面の情報を読
出して現在位置の断面情報と溶接線の方向に接続してビ
ード幅全体について調査すれば、融合不良、ハンピング
ビードや割れなどの欠陥を発見できる。

溶接欠陥の除去と再溶接が必要とマイクロプロセッサ回
路２８のサブプログラムＳ４で判断された場合には入出
力ユニット４１へ伝達され、ユニット４１の音声合成装
置から発する欠陥内容のアナウンスにより、付近の監視
者へ連絡すると同時に溶接作業を停止し、再溶接の準備
が終るまで待機する。しかし、正常な場合や、作業中止
再溶接の必要がないとマイクロプロセッサ回路２８のプ
ログラムＳ４で判断した場合には、アーク電圧■、溶接
電流■、溶接速度ｖ１溶加ワイヤ送送速度Ｗなどの溶接
条件が制御されて正常なビードが形成され溶接欠陥のな
い作業が行われる。

すなわち、この中で、溶加ワイヤ送給装置６はオーブン
ループ回路で構成されて、アーク始動時から溶接終了間
際のクレータ処理に移るまで溶接姿勢などを通常電流Ｉ
などの入熱条件とワイヤサイズできめたワイヤ送給速度
Ｗ＝３ｍ／１ｎ以下のほぼ一定速度で送給して、クレー
タ処理に移ると電流制御装置３２によるフレータフィラ
ミ流調整が行われてから溶加ワイヤ５を幾分多めに送給
してから送給停止するというシーケンスｌ１１１１１が
マイクロプロセッサ回路２８のサブプログラムＳ５で行
われる。

溶接トーチ３の下端から突出した電極４２の先端から母
材１の表面までの間には溶接アークが形成され、この距
離、すなわち、アーク長しは、電極４２と溶接池との短
絡がなく、かつ充分な溶込みが得られるような最適の長
さがマイクロプロセッサ回路２８のサブプログラムＳ６
により選定されて、電極４２の直径やシールドガスの種
類なども考慮しアーク長しに対する基準アーク電圧Ｖ。

が電圧ａｉｌＪ　ＩＩＩ装置３３よりも負荷側に設けら
れたパワーケーブルの電圧センサー２２の位置にて設定
される。

そこで、溶接電源１９を電圧■と電流Ｉが垂下特性をも
つように構成して、マイクロプロセッサ回路２８とトー
チ移動装Ｍ１３、電圧１ＩＩＪ御装置３°３と電圧セン
サー２２、データ収集ユニット２４、トーチ移動装ｒ！
１１３の位置センサニ２３によって閉ループ系を形成さ
せ、時刻ｔにおける入力変数をアーク電圧Ｖ　（ｔ）　
、出力変数をアーク長Ｌ（ｔ）、状態変数をトーチ移動
装置１３の上下方向に駆動する図示されないモータのエ
ネルギに関する諸元などを選び、これを状態ベクトルｘ
　　（ｔ）、Ａ　　をアーク長しのシステム行列、ＢａＢ、をυ制御行列、Ｃ３′１を出力行列として、対（Ａ
３．Ｂａ）を可ｉｔ、ＩＩ御に構成できる。ここに、フ
ィードバックゲインをｆ　１スカラの定数をｑ　とする
と、Ｖ（ｔ）−ｆ８”ｘ、（ｔ）＋Ｇ、Ｖ、（ｔ）とい
う制御則により状態フィードバックを施した連続系から
安定性を考慮した離散値系に変換してマイクロプロセッ
サ回路２８をサンプリング周＋１　Ｔ　８で動作させる
と希望する補記δをしたデジタル制御系が構成できるか
ら、入力が未飽和の範囲で有限時間整定応答制御を行わ
せることができる。また、サブプログラム８１１でサブ
プログラムＳ６を置換して予想される条件の範囲でアー
ク長りの誤差を評価関数Ｊａに組込んでＪａを最小にす
るようなサンプリング周］１１１Ｔａをもつ最適レギュ
レータを構成できる。

次に、溶接電流Ｉは板厚や母材の種類、開先形状と寸法
などの溶接条件に最も適した値がマイクＯブロセッナ回
路２８のサブプログラムＳ６により選定され、多少の影
響をアーク電圧Ｖに与える。

同様に予知されている溶接電流Ｉに対する正常ビード形
成範囲にあって希望する溶込み深さの得られる溶接速度
■が選定される。

時刻ｔにおけるアーク電圧をＶ（ｔ）、溶接電流をＩ（
ｔ）、溶接速度をｖ（ｔ）、入熱条件をＮ（ｔ）、比例
定数をＣＮとすればＮ（ｔ）−ＣＮＶ　（ｔ）Ｉ　（ｔ
）ｖ　（ｔ）の関係があり、■（１）は電流制御装Ｅ３
２よりも負荷側のパワーケーブル位置で電流センサー２
１により測定された値である。ここで溶接速度ｖ　（ｔ
）は２つの台車走行用モータ２５につけられたブラシレ
スレゾルバ２７のアナログ信号をユニット２４でデジタ
ル信号してカウント後マイクロプロセッサ回路２８へ送
ると共に、トーチ移動装Ｗ１１３の位置センサー２３か
らのデジタル信号をデータ収集ユニット２４でカウント
して伝えられたマイクロプロセッサ回路２８にてサブプ
ログラムＳ８により毎秒当りの移動距離として計算すれ
ば得られる。

この他に、入熱条件Ｎ（ｔ）から理論値を実験値で補正
した推定サブプログラムＳ９により溶込み深さＤ（ｔ）
、溶込み断面ＭＡ（ｔ）を推定し、可否をチェック後、
否の場合はＩ（ｔ）ｈｌＶ（ｔ）または双方を修正する
。そこで、マイクロプロセッサ回路２８と、２台のモー
タ２５とブラシレスレゾルバ２７、トーチ移動装置１３
とその位置センサー２３、電流と電圧の制御装置３２と
３３、電流セン’Ｊ−−２１と電圧センサー２２、コン
バータ３０とモータドライブユニット３１、近接超音波
センサー８、データ収集ユニット２４で閉ループシステ
ムを構成させる。

サンプリング周期■をＴＮＴ、に選び、１（ｔ）Ｖ（ｔ
）、ｖ（ｔ）を入力変数とし、ビード幅Ｂ（ｔ）、余盛
ｈ（ｔ）、接線角度θ（１）の３つを出力変数とし、台
車走行用モータ２５とトーチ移動装置１３の水平・上下
方向の駆動する図示されないモータのエネルギに関する
諸元、並びに装置３２と３３による入熱と熱伝導に関す
る諸元などを状態変数ベクトルｘ（ｔ）、Ｃ’＝［ＣＣ・・・Ｃ］を出力行列、八をシ１ｎ−１ステム行列、ｂを１１．ｌＪ御行列、トーチ２の位置と
後側超音波センサー８の間の距離に相当する計測のむだ
時間ｔをもち、サンプリング周期で動作し、可制御のた
め状態フィードバックにより希望する極配置をして７７
−−１ｎ　（ｊＩＣ−Ａ　　　ｂ≠０）によりＩ［Ｃ・
Ａ″ｉ−’ｂ］ｌ≠Ｏという条件か儂ら非干渉化をしたデジタルａｉｌＪ　ＩＩＩ系を構成し
てマイクロプロセッサ回路２８のサブプログラムＳ１０
により制御させる。そのため、入力が未飽和の範囲内で
のＩ（ｔ＞、Ｖ（ｔ）及びｖ（ｔ）による有限時間整定
応答が行われ、ビード幅Ｂ（ｔ）は前記座標値（Ｘ　　
、　ｙｌ、ＺＪ　）と（ｘ、、ｙ、。

２　）から、接線角度θ（１）は前記θ、とθ、から得
られる。

また、入力変数をＩ　（ｔ＞、ｖ　（ｔ）、Ｖ　（ｔ）
とし、出力変数をＢ　（ｔ）、ｈ　（ｔ）、θ（１＞、
Ｌ（ｔ）、溶込み深さＤ（ｔ）、溶込み断面積Ａ、（ｔ
＞とし、直接測定できるＬ（ｔ）を除くずべての出力を
状態変数ベクトルｘ、（ｔ）へ含めて、可ｔＩＩＪｗＪ
でかつ可Ｉ２＋１１１なシステムとして、入力と測定出
力Ｌ（ｔ）とからＢ（ｔ）、ｈ（ｔ）、θ（ｔ）、Ｄ（
ｔ）、Ａ（ｔ）などのそのまま又はむだ時間なしには直
接測定できない状態変数を再現するオブザーバ及び直接
測定できる状態変数とオブザーバを利用した状態推定ベ
クトルＸ。

（１）のフィードバックによりかつ非干渉化をはかった
入力の未飽和範囲内での有限時間整定応答をサンプリン
グ周期Ｔのデジタル制御系となるように、サブプログラ
ム８１２をマイクロプロセッサ回路２８に組込んで、サ
ブプログラムＳ７と８１０を置換して制御でき、後方の
超音波センサー８を除去しても可能である。勿論、後方
センサー８を取付けていれば計測時点ｋＴで状態推定値
ｘｓＨ（ｋＴ）の修正もできる。

以上に説明した実施例によれば、アーク発生部からそれ
程へだでていない場所の溶接前後の開先とビード外観の
様子をＩＭＨｚ前後の超音波センサーで調査するから、
アークの妨害を排除することができる。また、超音波の
焦点を絞るから、溶接前の開先の位置とその周辺及び開
先内の状況を正確につかんだ上で溶接トーチ３を誘導で
きるため、熱ひずみなどによる溶接線の変位を適確に把
握した上での溶接ができる。また多層盛では前回パス時
の出来具合とその後発生した溶接欠陥を検出して不良の
程度を判断して改善するように処置することができる。

次に、溶接直後のビード外観ｓ、ｈ、θを調査するから
、多層盛では前回バスとの関係を明らかにした上での結
果を把握し、次回のパスに活用することができる。また
、１バスの場合を含め（、ビード外観の少しの変化が生
じても最短時間で対処できる。また、アーク長りを一定
に保つのにも、僅かの変化に対して最短時間で修正させ
るか、またはＬの時間的変化母などの２乗を最小に出来
る。

更に、ビード外観ばかりでなく、溶込み深さＤと断面積
Ａをオンラインで推定して変化して最短時間で対処する
こともできる。したがって良好な溶接結果を比較的安価
な溶接制御装置で得られる。

更に同じハード構成のまま、状況に応じて前述以外の方
法例えば適応制御なども含めて複数の制御方法のプログ
ラムを用意すればその中で最適のプログラムを選択して
使える。

尚、第１図の実施例ではサイドビーム２０の例を示した
が、図示しないレール上を走行する台車を使用しても全
く同様の作用効果が得られ、配管溶接機にも全く同様に
適用できる。また、第２図では１個のマイクロプロセッ
サ回路２８を１６ビツト以上と説明したが、複数個の８
ビツトマイクロプロセッサ回路で構成しても同様の効果
が得られる。更に、第１図では同じ焦点をもつ近接超音
波センサー８を前後でそれぞれ１ないし２個としたが、
３個以上にして開先周辺の調査をスピードアップするこ
ともできる。

第６図は他の一実施例の正面から見た部分図である。こ
の実施例では第１図の溶接制御装置の台車９の側面に内
部調査用センサーの水平方向移動装置４３を設けて、こ
こから支持アーム１１を伸ばしその先端に内部調査用セ
ンサーの上下方向移動装置４４を取りつけ、前記支持ア
ーム１１を紙面に向って前後及び左右に移動させる。内
部調査用センサーの上下方向移動装置４４から下向きに
支持アーム１１を伸ばし母材１と接触する位置に内部調
査用超音波センサーユニット４５を取付ける。焦点距離
が第１図の実施例の超音波センサー８よりもやや大きく
、空気の代りに母材１の金Ｅによる音響インピーダンス
で設計された１ｍ又はそれ以上の使用周波数１〜１０Ｍ
Ｈｚの近接超音波センサー４６及びセンサー４６と母材
１の間にあってセンサー４６に向っては円弧からなる曲
面を持ち母材１に向っては平面を盛ってｍ音波の伝達を
助ける素子４７とセンサー４６、母４４１との間の接触
面に揮発性の液体を供給して伝達効率を向上させる図示
されない液体供給装置、母材１の表面に接触して計測す
る温度センサー１２、第７図に示すモータドライブユニ
ット３１と接続され、かつ伝達素子４７の曲面上でセン
サー４６を移動させるモータ４８と、これに用途が限定
される場合センサー４６を素子４７上に固定し、モータ
４８とエンコーダ４９は不用となる。これに機械的に直
結されたアブソリュートエンコーダ４９とからなる。こ
のエンコーダ４９と温度センサー１２、近接超音波セン
サー４６はデータ収集ユニット２４に接続される。

第７図は第２図のメインシステムに追加するものと位置
を示すようにした制御に関する信号処理のブロック図で
ある。水平方向移動装置４３は互いに直交する水平方向
移動用の２台のモータ５０と２台の磁気格子方式スケー
ル５１とからなり、ドライブユニット３１とモータ５０
、モータ５０とスケール５１、スケール５１とデータ収
集ユニット２４が夫々接続される。上下方向移動装置４
４は１台のモータ５２と１台の磁気格子方式スケール５
１とからなり、ドライブユニット３１とモータ５０、ス
ケール５１、収集ユニット２４の罰が＠続されている。

超音波センサー４６の焦点距離は一定であるから、母材
１の底面で反射した超音波が溶接作業中の溶融池５３の
底面で、焦点を結び、ここで反射して戻るように受波時
間から距離を求めて移動装置４３と４４による位置の調
整とモータ４８による超音波センサー４６の角度の調整
をマイクロプロセッサ回路２８にメインプログラムＭに
よって呼出されたサブプログラム８１３によって行われ
る。溶融池５３との境界面に焦点が結ばれていない場合
には前記受波時間の他に反射点の各位置で距離が少しず
つずれるから、受波信号レベルが低く、かつ受信時間が
長いので、受波信号レベルが最も高くなり、受信期間が
最も短い位置をサブプログラムＳ１３によって探しても
よい。

境界面で焦点を結ばせるようにセンサーユニット４５の
位δが定められ、更にセンサーの水平方向移動装置４３
のスケール５１及びセンサーの上下方向移動装置４４の
スケール５１によりセンサーユニット４５の座標が求め
られ、これとセンサー４６の角度及び温度センサー１２
による母材１中の音速の温度補正から超音波を反射して
いる境界面の座標値が得られ、境界面の座標の中で２座
標値が最小の場合を探せば溶融池５３の底面の座標（ｘ
ｍ　、　ｙＩＩｌ、　ｚｍ　）と溶込み深さＤが得られ
る。従って、第５図のサブプログラム８１０を動作させ
るのに関係した第２図の素子に第７図の素子を加えてｍ
ループシステムをハード的に構成し、１　（ｔ）、Ｖ　
（ｔ）、ｖ　（ｔ）を入力変数とし、Ｂ　（ｔ）、　ｈ
　（ｔ）、θ（ｔ）、溶込み深さＤ（ｔ）の４つを出力
変数、移動に寄与するモータのエネルギーに関する諸元
や入熱と熱伝導に関する諸元などを状態変数ベクトルｘ
、（ｔ）とし、Ｂ　（ｔ）、ｈ　（ｔ）、θ（１）はむ
だ時間Ｔをもつ、非干渉化をはかった上で可制御にでき
るから入力の未飽和範囲内で有限時間整定応答をするよ
うな極配置をした状態フィードバックを設け、Ｔ＞Ｔ、
なるサンプリング周期Ｔにより離散値化したデジタル制
御系をソフト的に構成し、第５図のサブプログラムＳ９
と８１０に代ってサブプログラム３１４によって制御す
る。

第６．７及び８図による実施例では溶接場所の溶融池５
３の底面から溶込み深さＤを作業中に直接測定してビー
ド形勢直後の外観情報と共に状態フィードバック制御に
利用しているので、即時に溶接の品質が低下しようとす
るのを防止できるため、非常に良い溶接結果を比較的安
価な溶接制御装置で得られる。

（発明の効果〕以上の説明から明らかなように本発明によれば、アーク
発生部に近い場所の溶接前後の開先及びビード外観の様
子をＩＭＨ２前後の周波数の超音波センサーで選択的に
調査するから、溶接アークの妨害を排除でき、しかも超
音波の焦点を絞ってφ５前後にできるから、安価な装置
で正確な外観の情報が得られることになる。また、溶接
直前の開先の情況調査と可否判断と改善処置をしながら
溶接を実施し、一方では、ビード形成直後の外観調査、
または溶接作業中の溶融池の状態とビード形成状態を定
囲的に推定（後者の場合、後方の超音波センサーを取り
はずしてもよい）して、または母材の内部を走行し底面
で反射してから目標物の位置で焦点を結ば「るようにし
た超音波センサーを中心とする付加ユニットを取付けて
溶接作業中の溶融池の深さの実測とビード形成直後の外
観調査のどれかの方法により非干渉系として入力の飽和
しない範囲で有限時間整定応答制御ができるから、たと
え欠陥発生の徴候が現れても最短時間で対処できるので
、良好な溶接結果が得られる。しかも、光による視覚セ
ンサーのように、アーク光の影響排除や、画像情報など
のように大量のデータ処理を必要としない点で安価に溶
接制御装置を製作できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る溶接制御装置の側面図
、第２図は同装置における計測と制御関係の信号処理の
ブロック図、第３図は同装置における超音波の反射と受
波動作に関する作用説明図、第４図は溶接金属部分の断
面図、第５図は同装置で使用されるソフトウェアのブロ
ック図、第６図は本発明の他の実施例に係る溶接制御装
置の溶込み深さ計測サブシステムの正面図、第７図は前
記溶込み深さ計測ザブシステムの計測と制御に関係する
信号処理のブロック図、第８図は前記溶込み深さ計測り
゛ブシステムに関係するソフトウェアのブロック図であ
る。１・・・母材、３・・・溶接トーチ、５・・・溶加ワイ
ヤ、６・・・溶加ワイヤ送給装置、７・・・コンジェッ
トチューブ、８．４６・・・近接音波センナ−１９・・
・台車、１０．４３．４４・・・超音波センサー移動装
置、１１・・・支持アーム、１２・・・温度センサー、
１３・・・トーチ移動装置、１４・・・コンジエン１〜
チユーブ移動装置、１５・・・制御装置、１６，１７．
１８・・・ケーブル類、１９・・・溶接用電源、２０・
・・サイドビーム、２１・・・電流センサー、２２・・
・電圧センサー、２３・・・位置センサー、２４・・・
データ収集ユニット、２５・・・台車走行用モータ、２
６・・・溶加ワイヤ送給用モータ、２７・・・ブラシレ
スレゾルバ、２８・・・マイクロプロセッサ回路、２９
・・・メモリ、３０・・・デジタル・アナログ・コンバ
ータ、３１・・・モータドライブユニット、３２・・・
電流制御装置、３３・・・電圧制御装置、３４．３５・
・・開先始点、終点、３６・・・出発位置上下方向基準
点、３８，３９゜４０・・・超音波の反射波、４１・・
・入出力ユニット、４２・・・電極、４５・・・内部調
査用超音波センサーユニット、４７・・・超音波伝達素
子、４８・・・超音波センサー曲面移動用モータ、４９
・・・アブソリューｉ・エンコーダ、５０．５２・・・
移動装置用モータ類、５１・・・磁気格子方式スケール
、５３・・・溶融池。Ａ、・・・溶込み断面積、Ｂ・・・ビード幅、Ｄ・・・
溶込み深さ、ｈ−・・余盛、Ｘ　　、ＸＮ、　ｘＩＩ’
　ｙ、。ｙ、、ｙ　　、ｚ　　、ｚ　　、ｚｌ・・座標値、Ｍ・
・・メｒｆＪインプログラム、Ｓｌ、３２．３３，８４．８５゜Ｓ６
，８７，８８．８９．８１０，８１　１゜８１２．８１
３．８１４・・・サブプログラム。出願人代理人　　佐　　藤　　−雄第１図第２図第３図第４図第５図第８図

Claims

【特許請求の範囲】１、溶接トーチの前方及び後方に配置され、その使用周
波数の範囲を０．８〜２．０ＭＨｚとし、この使用周波
数から離れる程挿入損失を増加させ且つ計測可能距離内
に焦点をもつ超音波センサーと、この超音波センサーを
水平及び上下方向に移動する移動装置と、少なくとも後
方の超音波センサーと測定対象物との間に設けられる温
度センサーと、前記溶接トーチ及びコンジェットチュー
ブの移動装置と、これらの位置センサー、電流センサー
、電圧センサー、台車走行用モータ、溶加ワイヤ送給用
モータ及びこれらに連結されたブラシレスレゾルバから
の信号を受信するデータ収集ユニットと、マイクロプロ
セッサ回路、メモリ、入出力ユニット、デジタル・アナ
ログコンバータ、モータドライブユニット、電流及び電
圧制御装置とから構成され、前記マイクロプロセッサ回
路に常駐するメインプログラムの随時呼出しに応じて複
数のサブプログラムの中から１つのサブプログラムを呼
出すようにし、開先情報から溶接トーチの進路を決定し
、入力された情報などで決定された値で溶加ワイヤ送給
速度をシーケンス制御し、アーク長をアーク電圧を測定
して一定値に保つシステムにて状態フィードバックを施
されたサンプリング周期（Ｔａ）なる離散値系にて入力
が未飽和範囲内で有限時間整定応答制御又は最適レギュ
レータ制御を行い、溶接電流、アーク電圧及び溶接速度
を入力とし、ビード幅、余盛及び接線角度を出力とする
システムにて非干渉化され状態フィードバックを施され
た周期（Ｔ）が（Ｔ）＞（Ｔａ）である離散値系にて入
力の未飽和範囲内にて有限時間整定応答制御を行うこと
を特徴とする溶接制御装置。２、前記後方の超音波センサーによる計測サブシステム
を除去して、溶接電流、アーク電圧及び溶接速度を入力
とし、ビード幅、余盛、接線角度、アーク長、溶込み深
さ、溶込み断面積を出力とするシステムで、直接測定で
きるアーク長を除いた出力をオブザーバによる状態推定
フィードバックを施された周期（Ｔ）なる離散値系にて
非干渉化された入力の未飽和範囲内で有限時間整定応答
制御を行うか、又は後方の超音波センサーによる計測サ
ブシステムを省略せず、無駄時間後に状態推定値を実測
値で修正するようにしたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の溶接制御装置。３、母材の金属又はこれに近い音響インピーダンスで設
計した前記超音波センサーより若干長い焦点距離をもち
使用周波数が１〜１０ＭＨｚの１個以上の超音波センサ
ーと、曲面と平面からなる伝達素子と、センサーの水平
及び上下方向移動装置と、これの位置センサーと、支持
アームと、曲面移動用モータと、アプソリュートエンコ
ーダと、温度センサーとからなるサブシステムを台車の
側面に取付け、超音波が母材の裏面で反射してから溶融
池底面で焦点を結ぶように溶込み深さ計測系を構成し、
溶接電流、アーク電圧及び溶接速度を入力し、ビード幅
、余盛、接線角度及び溶込み深さを出力とし、この出力
のうちビード幅、余盛及び接線角度が無駄時間をもつシ
ステムにて、非干渉化され状態フィードバックを施され
た前記（Ｔ）＞（Ｔａ）なるサンプリング期間（Ｔ）で
ある離散値系にて入力が未飽和範囲内で有限時間整定応
答制御を行うようにしたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の溶接制御装置。