JPS6321588B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は自動溶接機に使用される溶接線自動な
らい方法に関するものである。

従来のこの種溶接線自動ならい方法は溶接線の
ならい精度および開先形状の検出に問題があつ
た。すなわち接触式センサを用いたならい方法で
は、溶接板上のセンサ接触部の表面状態（仮付部
およびスパツタの有無など）の影響によりならい
動作が左右されるため、高精度のならいおよびな
らい動作の信頼性を確保することが困難であつ
た。

また非接触式で電気（静電容量）および光学な
どを利用した従来のセンサは装置の大形化により
操作性が悪く実用的でないばかりでなく、溶接時
のアーク光、熱、ヒユームおよびスパツタなどの
使用雰囲気の影響を受けて高信頼、高精度のなら
い動作および開先形状の検出が行われないため、
溶接条件制御も不確実なものとなり実用的でない
欠点があつた。

本発明は上記にかんがみ開先を有する溶接継手
の溶接線に溶接トーチを精度よくならわせると同
時に、開先形状に応じて溶接条件を制御する溶接
線自動ならい方法を提供することを目的とするも
のである。

上記目的を達成するために、本発明は一個の非
接触センサを溶接部開先を横切るように連続的に
往復動させると共に、各開先を横切つてセンサが
溶接板上に来たときに移動停止時間をとり、セン
サと溶接板との間の高さを一定とするように制御
した直後のセンサ検出々力信号よりさらにδだけ
低い値を予かじめ設定しておき、センサ移動時の
センサ開先方向の検出々力信号が前記設定値と一
致したときのセンサ位置を変位測定器で検出し、
かつセンサ移動停止直後の両溶接板上におけるセ
ンサ高さ方向の検出々力差から目違い量を算出す
る。ついでその検出々力差の信号により溶接トー
チ角度を制御してアンダカツトのない溶接部をう
ると共に、各移動周期を２回検出するセンサ開先
方向の検出々力信号と前記δ値が一致したときの
各センサ位置信号の差に応じて、ワイヤ送給量ま
たは溶接速度を制御することにより溶接開先部の
溶着金属量を制御するようにしたものである。

以下本発明の一実施例を図面について説明す
る。

第１図ないし第３図において、１は溶接を行う
金属板２，２′により形成された開先、ｔは金属
板２，２′の板厚、θは開先角度、δ₀は目違い量、
θ₀はトーチ角度、ｌは開先幅の変化量をそれぞれ
示す。

第１図はトーチ角度制御の説明図で、目違い量
δ₀＝０の場合、トーチ位置がAA′線上すなわち開
先中心位置にあると、両溶接板の開先１内の溶着
金属量は左右対称となつて良好な溶接となるか
ら、開先中心位置のならい動作のみでよいことに
なる。

δ₀≠０の場合、仮りに一層溶接でワイヤ先端か
ら発生するアークの形状を円錐形と考えると、ア
ンダーカツトを生じないビートを形成させるに
は、トーチ角度θ₀はCD＝C′DとなるＤ点を通り、
∠BDC＝∠BDC′となるBB′線とAA′線とのなす
角∠BDAとすればよい。同図よりトーチ角θ₀は
開先角度θ、目違い量δ₀、金属板々厚ｔの関数と
して次式で現わされる。

θ₀＝tan^-1（δ₀tanθ／2t） ……(1) 上記(1)式のｔ，θは予かじめ設定できる定数で
あるから、目違い量δ₀を検出し、この検出量の大
小に応じてトーチ角度θ₀を制御すれば、アンダー
カツトを生じない良好な溶接ビームを形成させる
ことができる。

第２図は開先幅が設定開先幅よりｌだけ増加し
た状態の開先断面形状を示したもので、設定開先
幅における開先断面積（ABCDで囲まれた面積）
Ｓは次式で現わされる。

Ｓ＝t²tan（90−θ） ……(2) 開先幅がｌだけ増加したときの開先断面積
（AB′C′Dで囲まれた面積）Slおよび増加断面積
ΔSは次式で現わされる。

Sl＝t²tan（90−θ）＋lt ……(3) ΔS＝Sl−Ｓ＝lt ……(4) 第３図は開先幅がｌだけ減少した場合の説明図
で、上記と同様に開先断面積の減少面積ΔS′は次
式で現わされる。

ΔS′＝−lt ……(5) 上記のように開先幅が±ｌだけ変化すると、開
先断面積の増加分は±ltとなるから開先幅の変化
量を検出し、この検出量に応じてワイヤ送給量ま
たは溶接速度を直線的に増減させて、開先断面積
の増減を溶着金属量の増減に置換して制御するこ
とにより、高品質の溶接ビードを形成させること
ができる。

本発明の一実施例である溶接線自動ならい装置
のセンサ駆動部の構成を第４図について説明する
に、１は溶接を行う金属板２，２′の開先、３は
溶接線とほゞ平行に設定されたレール４上を走行
するキヤリツジ、５，６はキヤリツジ３に搭載さ
れた横方向移動台および高さ方向移動台、７は移
動台５，６の移動部で、横方向移動台５に取付け
られたモータ８ａとねじ軸９ａおよび高さ方向移
動台６に取付けられたモータ８ｂとねじ軸９ｂに
より左右方向および上下方向にそれぞれ移動され
る。

１０は上記移動部７に取付けられた腕、１１は
腕１０に取付けられた開先検出用非接触センサ
で、このセンサ１１は磁気式で棒状コアに励磁巻
線および差動出力巻線を重ね巻きした耐熱構造か
らなり、金属板とコア先端間の距離に応じて差動
出力巻線に現われる出力電圧が変化する。上記セ
ンサ１１はキヤリツジ３の溶接線方向の移動に対
し駆動モータ８ａの正逆回転の繰返し動作によ
り、開先１の幅をカバーするように左右方向に移
動する。この移動は移動台５に取付けられた位置
検出器（図示せず）により常にその位置が検出さ
れる。その位置検出器としては例えばポテンシヨ
メータ、エンコーダおよび差動トランスなどが使
用される。

上記センサ１１の出力電圧と位置との関係は第
５図に示すとおりであり、この図から明らかなよ
うに一方の溶接板２から他方の溶接板２′にセン
サ１１を一定の高さで移動させる場合、センサ出
力はE₁からE₂まで開先形状に対応して変化する
ので、センサ出力のある電圧を設定すれば、その
電圧と一致するセンサ１１の位置を決定すること
ができる。

次に上記見地からトーチを溶接線に精度よくな
らわせると同時に、開先形状に応じて溶接条件を
制御する方法を第６図について説明する。この図
の横軸はセンサ１１の移動する時間経過を示し、
縦軸のＥはセンサ１１の出力電圧、Ｐは横方向の
位置を検出するためのポテンシヨメータの出力電
圧、CLは横方向移動台５の駆動モータ８ａの停
止区間を示すクロツクパルス、＋Xs，−Xsはその
駆動モータ８ａの回転している区間を示す電圧、
SHsはセンサ１１の移動停止時にセンサ出力電圧
をホールドするためのクロツクパルス、SH_1P，
SH_2Pは開先１１の中心位置を求めるためのポテ
ンシヨメータ出力電圧をホールドするタイミング
パルス、Psは開先１１の中心位置を示す出力電
圧、GYはセンサ１１が移動を停止したときの高
さ方向位置修正パルス、＋Ｙ，−Ｙはセンサ高さ方
向修正用駆動モータ印加電圧、＋X^* _Sは＋X_Sの符号
反転電圧、−X^* _Sは−X_Sの符号反転電圧、G^* _YはG_Y
のパルス幅を調整したパルス信号、SH_1S，SH_2S
はセンサ移動停止直後のセンサ高さ方向検出々力
電圧をホールドするタイミングパルスをそれぞれ
示す。同図でセンサ１１の１往復はE₁から次の
E₁までの間で示されている。

クロツクパルスSHsによりセンサ１１が溶接板
２側で停止しているときのセンサ出力電圧E₁を
サンプルホールドし、その値が予かじめ任意に設
定できる基準電圧δを差引いた値、すなわち電圧
E₁−δの値を設定する（またセンサの出力電圧
が反転している場合には、電圧E₁＋δの値を設
定する）。この値を設定した後に往復動のうちの
往復作に移り、センサ１１が開先１を横方向に移
動すると、電圧E₁−δと交差する個所が存在す
る。この交差点でポテンシヨメータ出力電圧をホ
ールドするタイミングパルスSH_1Pを発生させ、
ポテンシヨメータ出力電圧をホールドする。

ついでセンサ１１が開先１を横切つて溶接板
２′に達したときのセンサ出力電圧をE₂とすれ
ば、溶接板２と同様にその電圧E₂をサンプルホ
ールドパルスSHsのタイミングパルスでホールド
して電圧E₂−δを設定し、この電圧E₂−δと交
差する位置におけるポテンシヨメータ出力電圧を
タイミングパルスSH_2Pでホールドする。

上記のように２回のサンプルホールドしたポテ
ンシヨメータ出力電圧の和を1/2倍して同電圧Ps
を求める。この場合、Ps出力は必ず前にサンプ
ルホールドしたポテンシヨメータ出力電圧を利用
して算出するように回路構成すると、センサ１１
の１往復動作でPs出力を２回修正することがで
きる。

実際の構造物では、組立時に溶接部開先に目違
い量を生ずるが、１往復動作の両端部でセンサ１
１の検出高さを一定にするように高さ調整をすれ
ば、開先中心位置の検出誤差は小さくなるからな
らい精度が向上する。

一方、開先の目違い量の増減に応じて溶接トー
チのトーチ角度を自動的に制御する溶接条件制御
は次のようにして行われる。すなわちセンサ１１
が移動停止し、高さ方向修正をするためのタイミ
ングパルスG_Yの立上りおよびセンサの横方向移
動台駆動モータ８ａの停止を示す＋X^* _S，−X^* _Sの
各パルスの立上りにより、G^* _Yパルスを発生させ
る。G^* _Yパルスで各溶接金属板２，２′上にセンサ
１１が来て停止直後のセンサ高さ方向検出々力
（アナログ量）をサンプルホールドするセンサ出
力サンプルホールドタイミングパルスSH_1S，
SH_2Sを作成し、このパルスSH_1S，SH_2Sによりセ
ンサ高さ方向検出々力を各溶接金属板上ごとに取
出す。その差のセンサ高さ方向検出々力変化量
は、開先の両側金属板の目違い量に比例した値と
なるので、その変化量をトーチ角度制御装置の制
御信号としてトーチ角度を自動的に変化させる方
式を取ればよいことになる。

さらに開先幅の増減に応じてワイヤ送給量（送
給速度）または溶接速度を自動的に変化させる溶
接条件制御は次のようにして行われる。すなわち
ポテンシヨメータ出力電圧Ｐをホールドするタイ
ミングパルスSH_1P，SH_2Pによりホールドした各
ポテンシヨメータ出力電圧の差電圧を作成すれ
ば、この差電圧は開先幅に比例した電圧となるの
で、この差電圧をワイヤ送給装置または溶接速度
制御装置の制御信号として、ワイヤ送給量（送給
速度）または溶接速度を自動的に変化させる方式
を取ればよいことになる。

上述した動作を行うセンサ駆動部のアナログ方
式による制御回路は第７図に示すとおりで、Ａ
（二点鎖線部分）は溶接条件制御回路部、Ｂは制
御回路部Ａ以外の部分、すなわちならい制御回路
部である。

まずそのならい制御回路部Ｂについて説明する
に、Ｐはポテンシヨメータ出力、Ｓはセンサ出
力、Psはトーチ用ならい制御出力、RSTはリセ
ツト端子、１３は比較器基準電圧設定器、１４，
４１はスイツチ回路、１５，２２〜２９は比較
器、１６はセンサ高さ方向修正用モータ１７の駆
動回路、１８は極性切換回路、１９はセンサ出力
サンプルホールド回路、２１，３７，３９は増幅
器、２３はポテンシヨ電圧ホールドタイミング回
路、２４，２５はセンサ横方向駆動モータ３２，
８ａの初期振幅設定用可変抵抗器、３０は回転方
向決定回路、３１はセンサ横方向駆動モータ３２
の駆動回路、３３，３４はポテンシヨ出力サンプ
ルホールド回路、３５は1/2倍増幅器、３６は振
幅設定用可変抵抗器、３８は符号反転増幅器、４
０は固定抵抗器、４２はタイマ回路である。

次に上記のような構成からなるならい制御回路
部の作用について説明する。

リセツト端子（RST）からならい動作開始信
号を与えると、回転方向決定回路（横方向移動
用）３０はセンサ横方向駆動モータ３２を一方向
にのみモータ駆動回路３１を介して回転させる。
この回転によりセンサ１１は一方向に移動する
が、その限界は開先を十分カバーする振幅とする
ため、前記駆動モータ３２の初期振幅設定用可変
抵抗器２４，２５により上、下限移動振幅を設定
し、比較器２６，２７を用いてポテンシヨメータ
出力と常に比較して回転方向を決定するように構
成する。

この状態でセンサ１１が移動開始後に半サイク
ル移動すると、回転方向決定回路３０の内蔵タイ
マ出力からセンサ出力サンプルホールドタイミン
グパルスSH_Sがセンサ出力サンプルホールド回路
に与えられ、センサ出力は極性切換回路１８を介
して駆動モータ３２の停止点でサンプルホールド
される。このサンプルホールドされたセンサ出力
電圧から予かじめ電源E₀よりδ₀設定用可変抵抗器
２０で設定された値δを引き、この値E₀−δを
増幅器２１を介してセンサ１１が開先１を横切つ
たときの出力電圧と比較して一致したとき、ポテ
ンシヨ出力サンプルホールド回路３３，３４にホ
ールドタイミングパルスをセンサ１１の往動作と
復動作により各１回交互に発生させる。

ポテンシヨ電圧ホールド用タイミング回路２３
の出力パルスがセンサ１１の往復動により各１回
発生しているときには、タイマ回路４２は作動し
ないで、スイツチ回路４１が1/2倍増幅器３５の
出力を出すようにしておくと、サンプルホールド
回路３３，３４を介してポテンシヨ出力Ｐから出
力P_Sを取出すことが可能である。この出力P_Sが取
出せると、この値を中心に振幅設定用可変抵抗器
３６によりセンサ１１の移動幅を設定し、増幅器
３７、符号反転増幅器３８および増幅器３９を介
して比較器２８，２９の基準電圧となし、ポテン
シヨ出力と比較することにより正常な移動振幅に
切換える。この状態では比較器２６，２７は作動
していないので、ならい動作時にはサンプルホー
ルド回路３３，３４の出力が1/2倍増幅器３５を
経て出力P_Sを算出していることになる。

溶接線上に仮付部を有する場合には、ポテンシ
ヨ電圧ホールド用タイミング回路２３によりポテ
ンシヨ出力サンプルホールド回路３３，３４にタ
イミングパルスが与えられないので、ポテンシヨ
出力はサンプルホールドされなくなるから、セン
サが仮付部を通過する直前のサンプルホールド値
で出力P_Sは保持される。この場合、ポテンシヨ電
圧ホールドタイミング回路２３よりタイマ回路４
２へ信号が与えられ、所定時間経過するとスイツ
チ回路４１が作動して1/2倍増幅器３５の出力は
取出せなくなり、電源E₀から固定抵抗４０を介
して出力P_Sが供給される。そしてセンサの移動振
幅は自動的に再スタートの状態に戻ることにな
る。これを回避するためには、仮付部の長さと溶
接速度から適当な時間をタイマ回路４２にセツト
すればよい。

一方、センサの検出高さ位置修正は回転方向決
定回路３０内に設けたタイマにより、駆動モータ
３２の停止時に高さ修正をするタイミングパルス
を回転方向決定回路３０よりスイツチ回路１４に
与え、センサ出力と不感帯設定回路１３の電圧値
を比較器１５で比較し、高さ修正を要する場合に
は、センサ高さ方向修正用モータ駆動回路１６を
介してセンサ高さ方向修正用モータ１７で修正す
る。この高さ修正はセンサの移動１往復に１回行
うことも、２回（開先両端モータ停止時で各１
回）行うこともタイミングパルスの発生時期を制
御することにより可能となる。しかし本発明で
は、両端で修正するのが最もならい精度を向上さ
せることができるので、１往復で２回センサの高
さ位置修正を行う方式にした。

次に前記溶接条件制御回路Ａ、すなわち開先目
違い量を検出してトーチ角度を制御する制御信号
を発生するまでの回路はパルス幅調整回路４３、
符号反転増幅回路４４，４５，５０、NANDゲ
ート４６，４７、センサ出力サンプルホールド回
路４８，４９、差動増幅器５１およびトーチ角度
設定抵抗器５４により構成されている。

上記のような構成からなる溶接条件制御回路の
作用について詳述するに、前記制御回路の説明か
ら明らかなようにセンサ１１はパルス信号G_Yに
より高さ修正動作を行うので、そのパルス信号
G_Yで開先両側金属板２，２′の目違い量を検出し
ようとする場合には、パルス信号G_Yの立上りの
短時間で目違い量の検出精度は向上する。このた
めパルス幅調整回路４３でパルス幅を約0.5mSに
変換したパルス信号と、回転方向決定回路３０よ
り発生した＋Xs，−Xs信号を一たん符号反転増
幅器４４，４５に入力してえられた反転信号とを
それぞれNANDゲート４６，４７の入力信号と
すれば、その両ゲート４６，４７の出力信号はパ
ルス幅調整回路４３の出力信号が正で、かつ符号
反転増幅器４４，４５の出力信号が正のときにの
み負のパルスを出力することになる。

従つてセンサ出力サンプルホールド回路４８，
４９が負の制御パルス信号を入力したときにのみ
センサ出力をホールドするようにしておけば、セ
ンサ出力サンプルホールド回路４８，４９の出力
信号はセンサが開先両側の金属板上に来たときに
センサと金属板との間の高さに相当した出力信号
を示している。仮りにセンサ出力サンプルホール
ド回路４８の出力信号を一たん符号反転増幅器５
０で符号反転を行い、センサ出力サンプルホール
ド回路４９の出力信号に加算すると、この加算信
号は開先両側の金属板面間の距離すなわち目違い
量相当出力信号となる。

上記目違い量相当出力信号をトーチ角度制御回
路５７のトーチ角度制御信号とすればよいが、溶
接施行法により予かじめトーチ角度を設定する必
要がある。そこでトーチ角度設定用抵抗器５４で
設定した設定トーチ角度相当の出力信号と前記目
違い量相当出力信号とを差動増幅器５１に入力
し、この差動増幅器５１の出力信号をトーチ角度
制御回路５７の入力信号とすると、設定トーチ角
度を基準として目違い量に比例したトーチ角度制
御が可能となる。第７図にはトーチ角度制御回路
およびトーチ保持機構の詳細は図示されていない
が、制御入力信号レベルに対して直線的にトーチ
角度が変化するものであれば、どのような回路お
よび機構でも可能である。

次に開先幅を検出してワイヤ送給量（ワイヤ送
給速度）または溶接速度を制御する制御信号を発
生するまでの回路は符号反転増幅器５２、差動増
幅器５３、開先幅設定用抵抗器５５およびワイヤ
送給速度制御回路または溶接速度制御回路５６に
より構成されている。このような構成からなる回
路の作用は下記のとおりである。

ポテンシヨ電圧ホールドタイミング回路２３の
ホールド信号により、ポテンシヨ出力サンプルホ
ールド回路３３，３４を作動させてポテンシヨ出
力Ｐをホールドし、ポテンシヨ出力サンプルホー
ルド回路３３の出力信号を一たん符号反転増幅器
５２で符号反転した反転信号と、ポテンシヨ出力
サンプルホールド回路３４の出力信号とを加算す
ると、この加算出力信号は開先幅に比例した出力
信号となる。この開先変化幅に比例した出力信号
でワイヤ送給速度制御回路または溶接速度制御回
路５６を制御すればよい。

ところが溶接施行法により設定開先幅は一定で
ないので、本実施例の方式を採用するに際しては
予かじめ使用開先幅を設定する必要がある。そこ
で開先幅設定用抵抗器５５で設定した設定開先幅
相当の出力信号および上記開先変化幅に比例した
信号を差動増幅器５３に入力し、この差動増幅器
５３の出力信号をワイヤ送給速度制御回路または
溶接速度制御回路５６の入力信号とすれば、設定
開先幅に対応したワイヤ送給速度または溶接速度
を基準として、開先幅変化に比例したワイヤ送給
速度制御または溶接速度制御が可能となる。

以上説明したように、本発明は非接触センサを
開先を横切つて移動させたとき、開先両端部でセ
ンサの高さ修正を行い、開先両端部のセンサ出力
電圧から一定値を差引き、１往復で２回開先中心
位置を求めるようにしたので、目違いおよび開先
寸法精度が比較的悪いものでも高ならい精度をう
ることができる。

また本発明は目違い量を検出してトーチ角度制
御および開先幅変化を検出してワイヤ送給速度制
御または溶接速度制御などの溶接条件制御を行う
ようにしたので、目違いおよび開先寸法精度の比
較的に悪いものでもアンダーカツトのない高品質
の自動溶接が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図はトーチ角度制御説明図、第２図および
第３図は開先幅変化によるワイヤ送給速度制御ま
たは溶接速度制御説明図、第４図は本発明の溶接
線自動ならい装置の一実施例におけるセンサ駆動
部の構成図、第５図は同実施例におけるセンサ位
置と出力信号電圧との関係を示す図、第６図は本
発明の溶接線自動ならい方法の説明図、第７図は
本発明の溶接線自動ならい装置の制御回路図であ
る。 １……開先、２，２′……溶接板、４……横方
向移動台、５……高さ方向移動台、８ａ，３２，
８ｂ……駆動モータ、１１……非接触センサ、２
３……ポテンシヨ電圧ホールドタイミング回路、
３１……センサ横方向モータ駆動回路、５６……
ワイヤ送給速度または溶接速度制御回路、５７…
…トーチ角度制御回路、Ａ……溶接条件制御回路
部、Ｂ……ならい制御回路部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 非接触センサを溶接線にならわせつつ該溶接
   線を横切る方向に往復動させ、この往復動の際の
   非接触センサの位置を位置検出器にて検出してこ
   れを電圧として出力させ、一方前記往復動におけ
   る非接触センサの出力電圧から開先両端部におけ
   る非接触センサと溶接板との距離を検出し、これ
   を一定高さとするように修正動作を行わせ、かつ
   開先両端部の両出力電圧E₁，E₂に基準電圧δを
   加えて電圧E₁−δ，E₂−δを設定し、この設定
   電圧E₁−δ，E₂−δに対応する前記位置検出器
   の２つの出力電圧の平均値から開先中心位置に相
   当する出力電圧Psを求め、予め設定されたセン
   サ移動中心位置を示す電圧と前記出力電圧Psと
   の偏差を求め、この偏差を信号として出力する
   か、またはその偏差をなくするように修正しなが
   ら開先をならう溶接線自動ならい方法において、
   前記開先両端部の両出力電圧E₁，E₂、溶接板の
   板厚ｔ及び開先角度θを入力信号とする溶接トー
   チ角度制御装置で開先の目違い量δ₀を前記開先両
   端部の両出力電圧E₁，E₂の差として求め、この
   開先の目違い量δ₀を用いて溶接トーチの制御角θ₀
   がθ₀＝tan^-1（δ₀／2t・tanθ）となるように溶接トー チを制御し、前記電圧E₁−δ，E₂−δから開先
   幅に相当する出力電圧を求め、この出力電圧と予
   かじめ設定された開先幅相当の電圧との偏差を求
   め、この偏差を信号としてワイヤ送給速度制御装
   置のワイヤ送給速度または溶接速度制御装置の溶
   接速度を制御することを特徴とする溶接線自動な
   らい方法。