WO2013089101A1 - 溶接ビード整形装置およびその整形方法 - Google Patents

溶接ビード整形装置およびその整形方法 Download PDF

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WO2013089101A1
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gouging
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torch
shaping
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崇史 濱田
加藤　剛
和夫 青山
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株式会社東芝
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Definitions

  • the present invention relates to a weld bead shaping device for shaping a weld bead formed along a weld line and a shaping method thereof.
  • a structure having a large and complicated structure such as a hydro turbine runner of a hydroelectric generator, is difficult to manufacture with an integral casting. For this reason, a structure is comprised from several components, and these components are mutually joined by welding. In the water turbine runner, the surface of the welded portion becomes a flow path, so that an eddy current is generated on the unshaped welded surface after joining, resulting in a large loss.
  • the weld surface is shaped by manual grinding.
  • this grinding work is a work in a bad environment due to the use of dust and vibration tools.
  • the complicated structure has a narrow part, and the worker is forced to put a lot of labor, such as a posture with poor workability.
  • a plasma gouging device has been proposed as a shaping method instead of grinding the welded portion (see Patent Document 1).
  • This plasma gouging apparatus uses gouging speed and voltage as parameters to be controlled.
  • an automatic gouging device has been proposed as an alternative to grinding a large complex structure (see Patent Document 2).
  • This automatic gouging device uses a device for measuring a shape to be a model with a surplus detection stylus and storing a reference shape, and an arithmetic device for calculating the surplus by comparing the reference shape with the shape of the workpiece. Calculate surplus removal. Further, this automatic gouging device controls and shapes the amount of surplus removal with an arc air gouging torch mounted on a multi-axis slider. Thus, the automatic gouging device automatically processes the workpiece into a target shape.
  • the plasma gouging device described in Patent Document 1 is a straight gouging device for the back chipping, there is a problem that it is not suitable for removing a wide surplus such as a thick plate weld bead.
  • the automatic gouging device described in Patent Document 2 uses a surplus thickness detection stylus for measuring the surplus shape, a surplus measurement error is large, and a fine uneven shape such as a weld bead cannot be measured.
  • it processed using arc air gouging there existed a subject that it was not suitable for the removal of the fine surplus.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide a weld bead shaping device and a shaping method thereof capable of shaping a weld bead with high accuracy.
  • the weld bead shaping device extracts shape data of the shaping object from a measurement result of a shape sensor that measures the shape of the shaping object on which the weld bead is formed.
  • the extra shape of the weld bead is calculated from the difference between the extraction unit, the shape data, and the preset designated shape of the shaping object, and gouging is performed using a gouging torch based on the extra shape.
  • An extra shape extraction / removal depth calculation unit for calculating a removal depth to be performed, and a target position / torch posture for calculating a target position and posture of the gouging torch based on the extra shape and the removal depth
  • the calculation unit, a gouging condition calculation unit that calculates a gouging condition based on the extra shape and the removal depth, and the target position / torch posture calculation unit calculates Based on the target position and posture of the browsing torch and the gouging condition calculated by the gouging condition calculation unit, the driving device for driving the gouging torch and the shaping object and the gouging torch are controlled. And a control device.
  • the welding bead shaping method includes a shape measurement step for measuring the shape of the shaping target, and a shape data extraction step for extracting shape data of the shaping target based on a measurement result of the shape measurement step. , Calculating an extra shape of the weld bead from a difference between the shape data and a preset shape of the shaping object, and extra shape extraction for calculating a removal depth for performing gouging from the extra shape; A removal depth calculation step, a target position / torch posture calculation step for calculating a target position and posture of the gouging torch based on the surplus shape and the removal depth, and the surplus shape and the removal depth A gouging condition calculation step for calculating a gouging condition based on the height, and the target position and the previous position of the gouging torch calculated by the target position / torch posture calculation unit. And a control step of controlling a gouging torch for performing the gouging and a driving device for driving the shaping object based on an attitude and the gouging condition calculated by the go
  • the weld bead can be shaped with high accuracy.
  • FIG. 1 It is a block diagram of the weld bead shaping apparatus in 1st Embodiment. It is a flowchart explaining the welding bead shaping pre-process implemented by the weld bead shaping apparatus of 1st Embodiment. It is explanatory drawing in case the weld bead shaping apparatus in 1st Embodiment performs the weld bead shaping of the blade weld part of a water turbine runner.
  • (A)-(e) is explanatory drawing explaining the relationship between the shape data of a weld bead, a designated shape, and a crown, a band, and a blade
  • FIG. 1 It is a block diagram of the weld bead shaping apparatus in 3rd Embodiment. It is a flowchart explaining the welding bead shaping pre-process implemented by the weld bead shaping apparatus of 3rd Embodiment. It is explanatory drawing explaining the relationship between the shape data of a weld bead, a designated shape, and a crown, a band, and a blade
  • Embodiments of a weld bead shaping device and a shaping method thereof according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
  • a weld bead shaping device and a shaping method thereof shape a weld bead formed on a blade weld portion of a turbine runner of a hydroelectric generator having a large and complicated structure will be described.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a weld bead shaping device 1 according to the first embodiment.
  • the weld bead shaping device 1 includes a slider device 11, an articulated robot 12, a plasma gouging torch 13, a shape sensor 14, an image processing device 16, and a robot control device 17.
  • the slider device 11 includes a pedestal 21, a support column 22, a lift slide 23, a side arm 24, and a base 25.
  • the pedestal 21 is installed on the installation surface 2 of the slider device 11 and supports the slider device 11.
  • the column 22 extends upward from the pedestal 21 and rotates about the vertical axis (in the direction of arrow A in FIG. 1).
  • the raising / lowering slide 23 is provided in the support
  • the side arm 24 is provided on the lifting slide 23 and moves in a horizontal uniaxial direction (the direction of arrow C in FIG. 1) with respect to the lifting slide 23.
  • the base 25 is provided at one end (tip) of the side arm 24.
  • the multi-joint robot 12 has an arm that is attached to a base 25 and rotates multi-axis with a multi-joint.
  • the articulated robot 12 has, for example, six joints and rotates around six axes.
  • the first to sixth links are arranged at the first to sixth joints, respectively.
  • the first joint is disposed on the base 25, and the tip of the sixth link corresponds to the tip of the arm.
  • the slider device 11 and the articulated robot 12 are drive devices that drive the plasma gouging torch 13 and the shape sensor 14.
  • the plasma gouging torch 13 is provided at the tip of the arm of the articulated robot 12 and performs gouging of the shaping object on which the weld bead is formed.
  • the position and posture of the plasma gouging torch 13 are adjusted by the multi-joint mechanism of the multi-joint robot 12 and the position adjustment by moving the slider device 11 in the vertical and horizontal directions and rotating around the vertical axis.
  • the plasma gouging torch 13 has a nozzle 29.
  • the nozzle 29 injects a plasma gas for gouging the weld bead and a cooling gas for removing the goro. The amount of removal is increased or decreased by changing the pressure of the cooling gas.
  • the shape sensor 14 is provided at the arm tip of the articulated robot 12.
  • the shape sensor 14 is a sensor that measures the three-dimensional shape of the object to be shaped using, for example, a laser or an ultrasonic wave.
  • These plasma gouging torch 13 and shape sensor 14 are attached to the tip of the arm of articulated robot 12 with their relative positions fixed.
  • the image processing device 16 receives and processes the measurement data measured and output by the shape sensor 14.
  • the image processing device 16 transmits gouging teaching data obtained based on the measurement data to the robot control device 17.
  • the robot control device 17 (control device) has an operation axis control device 31 and a teaching data storage device 32.
  • the motion axis control device 31 transmits a command signal to the slider device 11 and the articulated robot 12 to drive the slider device 11 and the articulated robot 12 by a predetermined amount.
  • the teaching data storage device 32 stores the measurement teaching data and transmits it to the image processing device 16.
  • the robot control device 17 has an operation device for operating the slider device 11 and the articulated robot 12 by an operator. Further, the robot control device 17 controls the gouging power source of the gouging torch 13.
  • FIG. 2 is a flowchart for explaining the welding bead shaping pre-process performed by the weld bead shaping device 1 of the first embodiment.
  • FIG. 3 is an explanatory diagram when the weld bead shaping device 1 according to the first embodiment performs the weld bead shaping of the blade welded portion of the water turbine runner 3.
  • the welding bead shaping pre-processing performed by the weld bead shaping device 1 includes processing steps (steps S1, S2 and S12) performed by the robot control device 17 and processing steps (steps S3 to S11) performed by the image processing device 16. ).
  • the welding bead shaping device 1 and the turbine runner 3 as the shaping target are installed.
  • the turbine runner 3 is lifted up by a crane and installed on the turning roller 4 as shown in FIG.
  • the turbine runner 3 rotates in conjunction with the rotation of the turning roller 4.
  • the turbine runner 3 is stopped at an angle at which the welded portion (the shaping target portion) between the crown 5 and the band 6 and the blade 7 is positioned in front of the weld bead shaping device 1.
  • the weld bead shaping device 1 is installed beside the opening of the water turbine runner 3. Thereafter, the slider device 11 and the articulated robot 12 are operated by the motion axis control device 31 of the robot control device 17.
  • the shaping target portion which is the welded portion between the crown 5 and the band 6 and the blade 7 of the water turbine runner 3 is a flow path, it must be finished in a smooth r shape.
  • the r shape which is an ideal shape when the shaping object is finished, is given as a preset shape designated for the shaping object.
  • the teaching data storage device 32 stores teaching data.
  • the teaching data is stored in the teaching data storage device 32 by an operation of an operator, for example.
  • the operator drives the slider device 11 and the articulated robot 12 using the operation device of the robot control device 17.
  • the shape sensor 14 (or the plasma gouging torch 13) moves to the teaching point on the scheduled gouging locus.
  • the position of the slider device 11 and the posture of the articulated robot 12 are stored in the teaching data storage device 32 as teaching data.
  • the teaching data is an operation command including position / posture data indicating the target position and torch posture of the shape sensor 14 and the plasma gouging torch 13 and the gouging conditions.
  • the gouging condition is given for each teaching point, and includes a gouging speed, a weaving frequency, a current, and the like.
  • the teaching data is divided into measurement teaching data used for shape measurement by the shape sensor 14 and gouging teaching data used for gouging by the plasma gouging torch 13.
  • the motion axis control device 31 controls the motion axes of the slider device 11 and the articulated robot 12 based on the measured teaching data stored in the teaching data storage step S1.
  • the shape sensor 14 measures the shape of the weld bead after the operation of the slider device 11 and the articulated robot 12.
  • the shape of the welded part is measured by the shape sensor 14 attached to the arm tip of the articulated robot 12.
  • the image processing device 16 (shape data extraction unit) binarizes and removes noise from the measurement data output from the shape sensor 14, and extracts the shape data of the weld bead.
  • the image processing device 16 (inflection point / intersection extraction unit) superimposes the shape data extracted in the shape data extraction step S3 on the image.
  • the image processing device 16 extracts a point where the shape data and the specified shape intersect as an intersection.
  • the image processing device 16 extracts, as an inflection point, the vertex of the valley portion of the weld bead that is centered with respect to the specified shape in the shape data, that is, with respect to the specified shape.
  • the image processing device 16 sets the apex of the weld bead facing the center point of the specified shape as a peak, and sets the apex of the weld bead facing the direction opposite to the center point of the specified shape as a valley.
  • 4 (a) to 4 (e) are explanatory diagrams for explaining the relationship between the shape data B of the weld bead, the designated shape R, the crown 5, the band 6, and the blade 7 surface.
  • the shape data B (weld bead) extracted in the shape data extraction step S3, the surface of the crown 5, the surface of the band 6 and the surface of the blade 7 are indicated by solid lines, the surface of the crown 5;
  • a virtual line E that is an extension of the surface of the band 6 and the surface of the blade 7 is indicated by a dotted line, and the designated shape R is indicated by a one-dot chain line.
  • the left-right direction in FIG. 4 is defined as the X-axis and the up-down direction is defined as the Y-axis.
  • the designated shape R is defined by a circle (arc) having a predetermined radius in contact with the extension line E between the crown 5 surface or the band 6 surface and the blade 7 surface.
  • the image processing device 16 extracts an intersection point i1 and an intersection point iN that are intersection points between the shape data B extracted in the shape data extraction step S3 and the designated shape R.
  • the image processing device 16 extracts the inflection points i2 to i (N ⁇ 1) that are on the center point O side with respect to the designated shape R in the shape data B and are the vertices of the valleys.
  • intersections and inflection points extracted at this time are i1, i2, i3... I (N-1), iN (N: extracted inflection points) in the shape data B having the smallest X-axis value. And the total number of intersections).
  • the image processing device 16 compares the shape data with the designated shape, and there is a portion where the weld bead is insufficient (the weld bead is smaller than the designated shape). If the distance of the portion with insufficient margin is larger than the predetermined value, the trajectory (pass sequence) of the gouging performed continuously is divided. As a result, it is possible to prevent further gouging of the portion with insufficient surplus. When the obtained number of intersection points is greater than 2, the image processing device 16 determines that there is a portion with insufficient surplus. In addition, the image processing device 16 can calculate the distance of the portion where the surplus is insufficient by calculating the distance between the adjacent intersections.
  • the image processing device 16 selects to perform gouging collectively between the intersections i1 to iN.
  • the image processing device 16 calculates the distance d between adjacent intersections other than the intersections i1 and iN. For example, as shown in FIG. 4 (b), the image processing apparatus 16, if the intersection point i1, the intersection other than the intersection iN i2, the distance d between the intersection i3 is equal to or less than the predetermined value D 1, gouging at the intersection i1 ⁇ intersection iN Select to perform all at once. That is, the image processing apparatus 16 sets the intersection points i1 to iN as one pass sequence.
  • the image processing apparatus 16 sets the intersection point i1 to the intersection point i2 as the path sequence 1, and sets the intersection point i3 to the intersection point iN as the path sequence 2.
  • the image processing device 16 calculates the difference between the shape data and the specified shape as the extra shape.
  • the image processing device 16 calculates the maximum extra scale in the extra form between adjacent intersections or inflection points, and sets the value obtained by subtracting the extra quantity to be shaved by hand finishing later from the average value.
  • the image processing device 16 calculates a difference between the shape data and the designated shape R to obtain an extra shape.
  • the image processing device 16 obtains the maximum value of the difference between the shape data B and the specified shape R as the surplus between adjacent intersections or inflection points extracted in the inflection point / intersection extraction step S4.
  • the image processing device 16 obtains the extra shape between the intersection point i1 and the intersection point i2 at a plurality of points (points 1 to M).
  • the image processing device 16 calculates the extra shape of the point 3 as the maximum extra scale.
  • the image processing device 16 obtains an average value of each maximum extravagance obtained between the adjacent intersections i to N, and uses the value obtained by subtracting the extra embossing amount by hand finishing from this average value.
  • the image processing apparatus 16 uses the distance of the intersections of both ends in the one pass sequence (gouging range) obtained in the pass sequence selection step S5 as the weaving width of the plasma gouging torch 13. . Further, an angle formed by two straight lines connecting the center point of the designated shape and the intersections of both ends is defined as a weaving angle.
  • the image processing apparatus 16 sets the distance between the intersection point i1 and the intersection point iN extracted in the inflection point / intersection extraction step S4 as the weaving width W of the plasma gouging torch 13. .
  • the image processing apparatus 16 the swing angle formed by the two straight lines connecting the specified shape R of the center point O and across the intersection i1 the intersection iN and respectively the weaving angle theta 1.
  • the image processing device 16 determines the midpoint M of the weaving width obtained in the weaving width / angle calculation step S7 (middle point M in FIG. 4E). ) Is calculated as the target position.
  • Target position is a teaching position of a point from the torch 13 tip for plasma gouging releases a predetermined tip-base distance D 2.
  • the image processing device 16 calculates a torch posture in which the front and rear angles of the torch are always constant with respect to the processing surface, and the plasma gouging torch 13 is always perpendicular to the specified shape when the torch inclination angle is weaving. To do.
  • FIG. 5 is an explanatory view showing a torch front-rear angle and a torch inclination angle.
  • FIG. 6 is an explanatory diagram showing the gouging direction, the weaving width W, and the like.
  • the torch front-rear angle ⁇ 2 is an angle formed by the lower plate 8 (for example, the crown 5 and the band 6) and the axis of the plasma gouging torch 13.
  • the torch inclination angle ⁇ 3 is an angle formed by the axis of the upright plate 9 (for example, the blade 7) substantially orthogonal to the lower plate 8 and the plasma gouging torch 13. Further, the front and rear of the torch are in the gouging direction, and the weaving width W is a width corresponding to a direction orthogonal to the gouging direction.
  • the image processing device 16 calculates the gouging speed, the weaving frequency, and the current as the gouging condition by using the gouging removal depth formula.
  • the weaving speed is a speed in a direction perpendicular to the gouging direction
  • the gouging speed is a speed in the gouging direction.
  • the weaving speed is Vw
  • the gouging speed is V
  • the heat input is Q
  • the gouging removal depth y is expressed by the following equation (1).
  • C1, C2, and C3 are constants obtained from experiments.
  • the image processing device 16 obtains the weaving frequency from the weaving width obtained in the weaving width / angle calculating step S7 and the weaving speed obtained from the equation (1).
  • the image processing device 16 teaches the gouging conditions formed by the above-described gouging speed, weaving frequency / width, and current, and the position / posture data calculated in the target position / torch posture calculation step S8 as gouging teaching data. Store in the data storage device 32.
  • the image processing device 16 proceeds to the gouging condition calculation step S9. Go and set the gouging condition to minimize the removal depth.
  • the image processing device 16 sets a gouging condition that lowers the current to a predetermined value and raises the gouging speed to a predetermined value. By setting such gouging conditions, in the subsequent gouging operation, the plasma gouging torch 13 does not gouging (performs the minimum gouging) and operates under the condition that the arc is not cut.
  • the image processing device 16 determines whether or not the pass sequence has been divided in the pass sequence selection step S5. If the image processing device 16 determines that the pass sequence has been divided (NO in step S10), the process returns to the extra shape extraction / removal depth calculation step S6, and the extra shape extraction / removal depth calculation step S6 to gouging condition calculation. Steps S6 to S9 are performed on the pass sequence in which step S9 is not performed.
  • the image processing device 16 determines whether there is another teaching point in the teaching point determination step S11. If the image processing device 16 determines that another teaching point exists (NO in step S11), the image processing device 16 returns to the operation axis control step S2 and performs steps S2 to S10 for all the teaching points.
  • the robot control device 17 in the robot control step S12 the gouging teaching data stored in the teaching data storage device 32, etc. Accordingly, the axes of the articulated robot 12 and the slider device 11 and the gouging power supply are controlled to perform gouging automatically.
  • FIG. 8A shows the cross-sectional shape (solid line) and the designated shape (dotted line) before gouging of the blade welded portion
  • FIG. 8B shows the cross-sectional shape (solid line) and the designated shape (dotted line) after gouging. It is a graph.
  • Plasma gouging was performed on the weld bead shown in FIG. 8 (a) using the fixing conditions shown in FIG. 7 and the gouging conditions obtained by equation (1). As a result, as shown in FIG.8 (b), the surplus part was shape
  • Such a weld bead shaping device 1 and a weld bead shaping method in the first embodiment can automatically and accurately form a weld bead regardless of the size of the object to be shaped and the complexity of the structure.
  • the weld bead shaping device 1 can accurately measure the shape of the shaping object by the shape sensor 14 and acquire gouging teaching data such as the gouging conditions and the target position / torch posture. Further, the weld bead shaping device 1 can automatically gouge within a certain range automatically by the operation axis control device 31.
  • the weld bead shaping device 1 and the shaping method thereof calculate the maximum surplus between adjacent intersections and inflection points from the shape of the weld bead, and the average is taken as the removal depth, so that the surplus is shaved excessively. And can be suitably shaped. Moreover, since the welding bead shaping apparatus 1 and its shaping method can be continuously shaped under the calculated preferred gouging conditions, the work process and work time can be reduced.
  • the weld bead shaping device 1 and the shaping method thereof calculate the distance of the portion where the surplus is insufficient, and divide the gouging range when the distance is equal to or greater than a predetermined value.
  • the weld bead shaping apparatus 1 and the shaping method thereof can be suitably shaped without excessive removal in a portion where there is insufficient surplus.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of the weld bead shaping device 41 in the second embodiment.
  • the weld bead shaping device 41 in the second embodiment is different from the first embodiment in that the teaching data stored in the teaching data storage device 32 in the teaching data storage step is acquired from the offline teaching system 42. .
  • Components and parts corresponding to those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the weld bead shaping device 41 includes a slider device 11, an articulated robot 12, a plasma gouging torch 13, a shape sensor 14, an image processing device 16, a robot control device 17, a product design three-dimensional CAD 43, and an offline teaching system 42. Have.
  • the product design 3D CAD 43 creates 3D shape data of a shaping object such as the turbine runner 3.
  • the offline teaching system 42 is a system (numericalization device) that performs teaching to the slider device 11 and the articulated robot 12 in a virtual space on a computer screen.
  • FIG. 10 is a flowchart for explaining the welding bead shaping pre-processing performed by the weld bead shaping device 41 of the second embodiment.
  • the welding bead shaping pretreatment performed by the weld bead shaping device 41 includes a processing step (step S21) performed by the offline teaching system 42 and a processing step (steps S22, S23, and S33) performed by the robot controller 17. And processing steps (steps S24 to S32) performed by the image processing apparatus 16.
  • the offline teaching system 42 creates measurement teaching data for the shaping object based on the three-dimensional shape data of the shaping object.
  • the three-dimensional shape data is created using the product design three-dimensional CAD 43 and input to the off-line teaching system 42.
  • the input three-dimensional shape data of the object to be shaped is created in advance by the weld bead shaping device 41 (slider device 11, articulated robot 12, shape sensor 14, plasma gouging torch 13). Along with the 3D model, it is placed in a virtual space on the computer.
  • the off-line teaching system 42 is a position and direction passing through the center of the angle between the surface of the crown 5 or the band 6 and the surface of the blade 7 on the vertical plane of the gouging line of the weld of the shaping object represented by the three-dimensional shape data.
  • the measurement teaching data is calculated so that the shape sensor 14 (and the plasma gouging torch 13) is arranged in (posture).
  • the off-line teaching system 42 adds teaching data for approaching and retracting the calculated position and posture. In this way, the offline teaching system 42 creates measurement teaching data by adding an operation command to each teaching point.
  • the teaching data storage device 32 stores the teaching data created in the measurement teaching step S21. Since the operation axis control step S23 to the robot control step S33 are substantially the same as the operation axis control step S2 to the robot control step S12 of the welding bead shaping pre-process (FIG. 2) in the first embodiment, a detailed description will be given here. Omitted.
  • the operator operates the articulated robot 12 and the slider device 11 using the operation device provided in the robot control device 17 to teach data.
  • the welding bead shaping device 41 and the welding shaping method in the second embodiment use a digitized data as teaching data using a three-dimensional CAD 43 for product design and an off-line teaching system 42. Input to the joint robot 12.
  • the weld bead shaping device 41 and the shaping method thereof eliminate the need for teaching work using the actual shaping object and device in addition to the effects of the first embodiment, and the work amount and work for welding bead shaping. Time can be reduced.
  • FIG. 11 is a configuration diagram of a weld bead shaping device 51 in the third embodiment.
  • the welding bead shaping device 51 in the third embodiment is different from the first embodiment in that it further includes a welding torch 52 and performs not only gouging but also welding.
  • Components and parts corresponding to those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
  • the weld bead shaping device 51 includes a slider device 11, an articulated robot 12, a plasma gouging torch 13, a shape sensor 14, an image processing device 16, a robot control device 17, and a welding torch 52.
  • the position and orientation of the welding torch 52 are adjusted by the multi-joint mechanism of the multi-joint robot 12 and the position adjustment by moving the slider device 11 in the vertical and horizontal directions and rotating around the vertical axis.
  • the plasma gouging torch 13 and the welding torch 52 are appropriately selected and used according to the work performed by the weld bead shaping device 51.
  • FIG. 12 is a flowchart for explaining the welding bead shaping pre-processing performed by the weld bead shaping device 51 of the third embodiment.
  • the welding bead shaping pre-processing performed by the weld bead shaping device 51 includes processing steps (steps S41, S42, S48, S49, S55, and S56) performed by the robot control device 17, and processing performed by the image processing device 16. It is divided into steps (steps S43 to S47 and S50 to S54).
  • teaching data storage step S41 to the shape data extraction step S43 are substantially the same as the teaching data step S1 to the shape data extraction step S3 of the welding bead shaping pre-process (FIG. 2) in the first embodiment, detailed description will be given here. Is omitted.
  • the image processing device 16 In the inflection point / intersection extraction step S44, the image processing device 16 superimposes the shape data extracted in the shape data extraction step S43 on the image. The image processing device 16 extracts a point where the shape data and the specified shape intersect as an intersection. Further, the image processing device 16 extracts the apex of the valley portion of the weld bead in the shape data as an inflection point.
  • FIG. 13 is an explanatory view for explaining the relationship between the shape data B of the weld bead, the specified shape R, the crown 5, the band 6, and the blade 7 surface.
  • the image processing device 16 extracts the intersection point i1, the intersection point i2, the intersection point i6, and the intersection point iN that are intersection points between the shape data B extracted in the shape data extraction step S43 and the designated shape R.
  • the image processing device 16 uses the inflection points i3 to i5 and the inflection point i (N ⁇ ) as the apexes of the valleys of the weld beads in the shape data B (convex in the direction opposite to the center point O of the designated shape R). Extract as 1).
  • the image processing device 16 extracts the apex of the valley as an inflection point regardless of whether it is inside or outside the specified shape R.
  • intersections and inflection points extracted at this time are i1, i2, i3... I (N-1), iN (N: extracted inflection points from the smallest X-axis value in the shape data B. And the total number of intersections).
  • the image processing device 16 determines whether to perform gouging or welding. Specifically, the image processing device 16 compares the specified shape with the shape data extracted in the shape data extraction step S43. The image processing device 16 determines that welding is performed when the inflection point is outside the specified shape, that is, when the weld bead is less than the specified shape. The image processing device 16 determines that gouging is performed when the inflection point is on the inner side of the specified shape, that is, when the extra amount is sufficient.
  • the image processing device 16 determines to perform welding because there exist inflection points i3 to i5 whose welding beads (shape data B) are less than the specified shape.
  • the image processing apparatus 16 determines to perform welding, in the inflection point extracted in the inflection point / intersection extraction step S44 in the aim position calculation step S46, the inflection point outside the specified shape is determined as the target position. To do. If there are a plurality of inflection points outside the specified shape, the image processing device 16 performs the target position calculation step S46 to the robot control step S49 for each inflection point.
  • the image processing device 16 performs welding conditions including a welding current, a welding voltage, a welding speed, and a weaving frequency / amplitude selected so as not to have an overlapping shape that causes a poor penetration into the target position. Determine the target position and torch posture.
  • the image processing device 16 stores the calculated welding condition, target position, and torch posture in the teaching data storage device 32 as welding teaching data.
  • the robot controller 17 selects and switches the welding torch 52 as a torch attached to the tip of the articulated robot 12.
  • the robot control device 17 performs welding by controlling the operation of the articulated robot 12 and the welding power source based on the welding teaching data stored in the teaching data storage device 32. After welding is performed based on the calculated welding teaching data, the process returns to the teaching data storage step S41 again, and the operation axis control step S42 to the mode switching step S45 are performed again.
  • the image processing device 16 determines to go go in the mode switching step S45, the image processing device 16 proceeds to the pass sequence selection step S50.
  • the pass sequence selection step S50 to the gouging condition calculation step S54 are substantially the same as the pass casing selection step S5 to the gouging condition calculation step S9 of the weld bead shaping pre-process (FIG. 2) in the first embodiment, and therefore detailed here. Description is omitted.
  • the robot controller 17 selects and switches the plasma gouging torch 13 as a torch attached to the tip of the articulated robot 12.
  • the robot control device 17 performs gouging by controlling the operation of the articulated robot 12 and the gouging power source based on the gouging teaching data stored in the teaching data storage device 32.
  • Such a weld bead shaping device 51 and its shaping method in the third embodiment can perform not only gouging but also welding at a place where the surplus is insufficient, in addition to the effects exhibited by the first embodiment. For this reason, the weld bead shaping device 51 and the shaping method thereof can automatically and highly accurately shape the weld bead regardless of the size of the object to be shaped and the complexity of the structure.

Abstract

　整形対象物のガウジングを行うガウジング用トーチ（１３）と、整形対象物の形状を計測する形状センサ（１４）と、ガウジング用トーチ（１３）および形状センサ（１４）を駆動するスライダ装置（１１）および多関節ロボット（１２）と、画像処理装置（６）と、ロボット制御装置（１７）とを有する。画像処理装置（１６）は、形状センサ（１４）の計測結果から整形対象物の形状データを抽出する形状データ抽出部と、形状データと予め設定された整形対象物の指定形状との差から溶接ビードの余盛形状を算出し、余盛形状に基づいてガウジングを行う除去深さを算出する余盛形状抽出・除去深さ算出部とを有する。ロボット制御装置（１７）は、余盛形状および除去深さに基づいて、スライダ装置（１１）および多関節ロボット（１２）およびガウジング用トーチ（１３）を制御する。上記構成によれば、溶接ビードを高精度に整形することができる溶接ビード整形装置が提供される。

Description

溶接ビード整形装置およびその整形方法
　本発明は、溶接線に沿って形成された溶接ビードを整形する溶接ビード整形装置およびその整形方法に関する。
　水力発電装置の水車ランナなどの大型で複雑な構造を有する構造物は、一体の鋳物での製造が困難である。このため、構造物は複数の部品から構成され、これら部品は互いに溶接により接合される。水車ランナにおいては、溶接部表面は流路となるため、接合後の未整形の溶接面では渦流が発生してロスが大きくなる。
　溶接面を滑らかな形状にするため、手作業による研削で溶接面は整形される。しかし、この研削作業は、粉塵や振動工具の使用による悪環境下での作業である。また、複雑構造物には狭隘部があり、作業性の悪い姿勢が続くなど作業者に多くの労力を強いることになる。
　そこで、溶接部の研削に代わる整形方法として、プラズマガウジング装置が提案されている（特許文献１参照）。このプラズマガウジング装置は、制御するパラメータとしてガウジング速度、電圧を使用する。
　また、大型複雑構造物の研削に代わる方法として、自動ガウジング装置が提案されている（特許文献２参照）。この自動ガウジング装置は、手本となる形状を余肉検出スタイラスで測定して基準形状を記憶する装置と、基準形状と加工物の形状を比較して余肉を算出する演算装置とを用いて余肉除去量を算出する。また、この自動ガウジング装置は、多軸スライダに搭載したアークエアガウジングトーチで余肉除去量を制御して整形する。これにより、自動ガウジング装置は、加工物を目標とする形状に自動加工する。
特開平５－３８５８１号公報 特開昭５７－１７３７２号公報
　しかし、特許文献１記載のプラズマガウジング装置は、裏ハツリ用の直線のガウジング装置であるため、厚板の溶接ビードのような広い余肉の除去には適さないという課題があった。また、特許文献２記載の自動ガウジング装置は、余肉形状の測定に余肉検出スタイラスを使用しているため、余肉計測の誤差が大きく、溶接ビードのような細かい凹凸形状を測定できない。また、アークエアガウジングを使用して加工しているため、細かい余肉除去に適していないという課題があった。
　本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、溶接ビードを高精度に整形することができる溶接ビード整形装置およびその整形方法を提供することを目的とする。
　本発明に係る溶接ビード整形装置は、上述した課題を解決するため、溶接ビードが形成された整形対象物の形状を計測する形状センサの計測結果から前記整形対象物の形状データを抽出する形状データ抽出部と、前記形状データと予め設定された前記整形対象物の指定形状との差から前記溶接ビードの余盛形状を算出し、前記余盛形状に基づいて、ガウジング用トーチを用いてガウジングを行う除去深さを算出する余盛形状抽出・除去深さ算出部と、前記余盛形状および前記除去深さに基づいて、前記ガウジング用トーチのねらい位置と姿勢とを算出するねらい位置・トーチ姿勢算出部と、前記余盛形状および前記除去深さに基づいて、ガウジング条件を算出するガウジング条件算出部と、前記ねらい位置・トーチ姿勢算出部が算出する前記ガウジング用トーチの前記ねらい位置および前記姿勢と、前記ガウジング条件算出部が算出する前記ガウジング条件とに基づいて、前記ガウジング用トーチおよび前記整形対象物を駆動する駆動装置、並びに前記ガウジング用トーチを制御する制御装置と、を具備したことを特徴とする。
　また、本発明に係る溶接ビード整形方法は、整形対象物の形状を計測する形状計測工程と、前記形状計測工程の計測結果に基づいて前記整形対象物の形状データを抽出する形状データ抽出工程と、前記形状データと予め設定された前記整形対象物の指定形状との差から前記溶接ビードの余盛形状を算出し、前記余盛形状からガウジングを行う除去深さを算出する余盛形状抽出・除去深さ算出工程と、前記余盛形状および前記除去深さに基づいて、前記ガウジング用トーチのねらい位置と姿勢とを算出するねらい位置・トーチ姿勢算出工程と、前記余盛形状および前記除去深さに基づいて、ガウジング条件を算出するガウジング条件算出工程と、前記ねらい位置・トーチ姿勢算出部が算出する前記ガウジング用トーチの前記ねらい位置および前記姿勢と、前記ガウジング条件算出部が算出する前記ガウジング条件とに基づいて、前記ガウジングを行うガウジング用トーチおよび前記整形対象物を駆動する駆動装置を制御する制御工程とを備えたことを特徴とする。
　本発明に係る溶接ビード整形装置およびその整形方法においては、溶接ビードを高精度に整形することができる。
第１実施形態における溶接ビード整形装置の構成図である。 第１実施形態の溶接ビード整形装置により実施される溶接ビード整形前処理を説明するフローチャートである。 第１実施形態における溶接ビード整形装置が、水車ランナの羽根溶接部の溶接ビード整形を行う場合の説明図である。 （ａ）～（ｅ）は溶接ビードの形状データ、指定形状およびクラウン、バンド、羽根表面の関係を説明する説明図である。 トーチ前後角およびトーチ傾斜角を示す説明図である。 ガウジング方向およびウィービング幅などを示す説明図である。 水車ランナの羽根溶接部に対するビード整形に用いる一実施例としての条件を示す表である。 （ａ）は羽根溶接部のガウジング前の断面形状（実線）および指定形状（点線）を示し、（ｂ）はガウジング後の断面形状（実線）および指定形状（点線）を示すグラフである。 第２実施形態における溶接ビード整形装置の構成図である。 第２実施形態の溶接ビード整形装置により実施される溶接ビード整形前処理を説明するフローチャートである。 第３実施形態における溶接ビード整形装置の構成図である。 第３実施形態の溶接ビード整形装置により実施される溶接ビード整形前処理を説明するフローチャートである。 溶接ビードの形状データ、指定形状およびクラウン、バンド、羽根表面の関係を説明する説明図である。
　本発明に係る溶接ビード整形装置およびその整形方法の各実施形態を添付図面に基づいて説明する。以下に説明する各実施形態においては、溶接ビード整形装置およびその整形方法は、大型かつ複雑な構造を有する水力発電装置の水車ランナの羽根溶接部に形成された溶接ビードを整形する例を説明する。
　［第１実施形態］
　本発明に係る溶接ビード整形装置およびその整形方法の第１実施形態を添付図面に基づいて説明する。
　図１は、第１実施形態における溶接ビード整形装置１の構成図である。
　溶接ビード整形装置１は、スライダ装置１１、多関節ロボット１２、プラズマガウジング用トーチ１３、形状センサ１４、画像処理装置１６およびロボット制御装置１７を有する。
　スライダ装置１１は、台座２１、支柱２２、昇降スライド２３、サイドアーム２４およびベース２５を有する。台座２１は、スライダ装置１１の設置面２上に設置され、スライダ装置１１を支持する。支柱２２は、台座２１上から上方向に伸び、上下方向軸を中心に回転する（図１における矢印Ａ方向）。昇降スライド２３は、支柱２２に設けられ、支柱２２に対して上下方向（図１における矢印Ｂ方向）にスライドする。サイドアーム２４は、昇降スライド２３に設けられ、昇降スライド２３に対して水平一軸方向（図１における矢印Ｃ方向）に移動する。ベース２５は、サイドアーム２４の一端（先端）に設けられる。
　多関節ロボット１２は、ベース２５に取り付けられ、多関節で多軸回転するアームを有する。多関節ロボット１２は、例えば６個の関節を有し、６軸周りに回転する。多関節ロボット１２が６個の関節を有する場合、第１～６の関節にそれぞれ第１～６のリンクが配置される。また、第１の関節はベース２５に配置され、第６のリンクの先端はアームの先端に対応する。
　スライダ装置１１および多関節ロボット１２は、プラズマガウジング用トーチ１３および形状センサ１４を駆動する駆動装置である。
　プラズマガウジング用トーチ１３は、多関節ロボット１２のアーム先端に設けられ、溶接ビードが形成された整形対象物のガウジングを行う。プラズマガウジング用トーチ１３は、多関節ロボット１２の多関節機構と、スライダ装置１１の上下・水平方向の移動および上下方向軸周りの回転による位置調整により、位置・姿勢が調整される。プラズマガウジング用トーチ１３は、ノズル２９を有する。ノズル２９は、溶接ビードをガウジングするためのプラズマ用ガスと、ガウジングしたノロを除去するためのクーリングガスを噴射する。クーリングガスの圧力の変更により、ノロの除去量は増減する。
　形状センサ１４は、多関節ロボット１２のアーム先端に設けられる。形状センサ１４は、例えばレーザや超音波により整形対象物の３次元形状を計測するセンサである。
　これらプラズマガウジング用トーチ１３および形状センサ１４は、多関節ロボット１２のアーム先端に互いの相対的位置が固定されて取り付けられる。
　画像処理装置１６は、形状センサ１４で計測され出力された計測データを受信し、処理する。画像処理装置１６は、計測データに基づいて得られるガウジング教示データをロボット制御装置１７に送信する。
　ロボット制御装置１７（制御装置）は、動作軸制御装置３１および教示データ記憶装置３２を有する。動作軸制御装置３１は、スライダ装置１１および多関節ロボット１２へ指令信号を送信し、スライダ装置１１および多関節ロボット１２を所定量を駆動する。教示データ記憶装置３２は、計測教示データを記憶し、画像処理装置１６へ送信する。また、ロボット制御装置１７は、操作員によりスライダ装置１１および多関節ロボット１２を操作するための操作装置を有する。また、ロボット制御装置１７は、ガウジング用トーチ１３のガウジング電源などを制御する。
　次に、第１実施形態における溶接ビード整形装置１の作用および溶接ビード整形方法について説明する。
　図２は、第１実施形態の溶接ビード整形装置１により実施される溶接ビード整形前処理を説明するフローチャートである。
　図３は、第１実施形態における溶接ビード整形装置１が、水車ランナ３の羽根溶接部の溶接ビード整形を行う場合の説明図である。
　溶接ビード整形装置１により行われる溶接ビード整形前処理は、ロボット制御装置１７により実施される処理工程（工程Ｓ１、Ｓ２およびＳ１２）と、画像処理装置１６により実施される処理工程（工程Ｓ３～Ｓ１１）とに区分される。
　溶接ビード整形前処理が行われる前に、溶接ビード整形装置１および整形対象物となる水車ランナ３の設置作業が行われる。水車ランナ３はクレーンで起立状態に吊り上げられ、図３に示すようにターニングローラ４上に設置される。水車ランナ３は、ターニングローラ４の回転に連動して回転する。水車ランナ３は、クラウン５およびバンド６と羽根７との溶接部（整形対象箇所）が溶接ビード整形装置１の前方に位置する角度で停止される。
　溶接ビード整形装置１は、水車ランナ３の開口の横に設置される。その後、ロボット制御装置１７の動作軸制御装置３１によってスライダ装置１１および多関節ロボット１２が操作される。
　ここで、水車ランナ３のクラウン５およびバンド６と羽根７との溶接部である整形対象箇所は流路となるため、滑らかなｒ形状に仕上げなければならない。この整形対象物の仕上がり時の理想的な形状であるｒ形状は、予め設定された整形対象物の指定形状として与えられる。
　教示データ記憶工程Ｓ１において、教示データ記憶装置３２は、教示データを記憶する。教示データは、例えば操作員の操作により教示データ記憶装置３２に記憶される。操作員は、ロボット制御装置１７の操作装置を用いてスライダ装置１１および多関節ロボット１２を駆動させる。形状センサ１４（またはプラズマガウジング用トーチ１３）は、ガウジング予定軌跡上の教示点に移動する。操作員により教示操作が選択されると、スライダ装置１１の位置と多関節ロボット１２の姿勢とが教示データとして教示データ記憶装置３２に記憶される。
　教示データは、形状センサ１４およびプラズマガウジング用トーチ１３のねらい位置およびトーチ姿勢を示す位置・姿勢データと、ガウジング条件とを含む動作命令である。ガウジング条件は、教示点間毎に与えられ、ガウジング速度、ウィービング周波数、電流などである。また、教示データは、形状センサ１４による形状計測に用いられる計測教示データと、プラズマガウジング用トーチ１３によるガウジングに用いられるガウジング教示データとに区分される。
　動作軸制御工程Ｓ２において、動作軸制御装置３１は、教示データ記憶工程Ｓ１で記憶された計測教示データに基づいて、スライダ装置１１および多関節ロボット１２の動作軸を制御する。形状センサ１４は、スライダ装置１１および多関節ロボット１２の動作後、溶接ビードの形状を計測する。多関節ロボット１２のアーム先端に取り付けられた形状センサ１４で溶接部の形状が計測される。
　形状データ抽出工程Ｓ３において、画像処理装置１６（形状データ抽出部）は、形状センサ１４から出力される計測データを２値化・ノイズ除去し、溶接ビードの形状データを抽出する。
　変曲点・交点抽出工程Ｓ４において、画像処理装置１６（変曲点・交点抽出部）は、形状データ抽出工程Ｓ３で抽出された形状データと指定形状とを画像上で重ね合わせる。画像処理装置１６は、形状データと指定形状とが交わる点を交点として抽出する。また、画像処理装置１６は、形状データにおける指定形状より中心点側、すなわち指定形状に対して余盛りされた溶接ビードの谷部の頂点を変曲点として抽出する。なお、画像処理装置１６は、指定形状の中心点に向く溶接ビードの頂点を山部とし、指定形状の中心点とは逆方向に向く溶接ビードの頂点を谷部とする。
　図４（ａ）～（ｅ）は、溶接ビードの形状データＢ、指定形状Ｒおよびクラウン５、バンド６、羽根７表面の関係を説明する説明図である。
　図４（後述する図１３においても同様）においては、形状データ抽出工程Ｓ３で抽出された形状データＢ（溶接ビード）、クラウン５表面、バンド６表面および羽根７表面を実線で、クラウン５表面、バンド６表面および羽根７表面の延長線である仮想線Ｅを点線で、指定形状Ｒを一点鎖線で示す。また、図４の左右方向をＸ軸、上下方向をＹ軸と定義する。
　図４（ａ）に示すように、指定形状Ｒは、クラウン５表面またはバンド６表面と羽根７表面との延長線Ｅに接する、所定半径を有する円（弧）で定義される。画像処理装置１６は、形状データ抽出工程Ｓ３で抽出した形状データＢと、指定形状Ｒとの交点である、交点ｉ１および交点ｉＮを抽出する。画像処理装置１６は、形状データＢで指定形状Ｒより中心点Ｏ側であり、かつ谷部の頂点である変曲点ｉ２～ｉ（Ｎ－１）を抽出する。
　このとき抽出した交点および変曲点には、形状データＢ内でＸ軸の値が最も小さいものからｉ１、ｉ２、ｉ３・・・ｉ（Ｎ－１）、ｉＮ（Ｎ：抽出した変曲点および交点の総数）の番号が振り分けられる。
　パスシーケンス選択工程Ｓ５において、画像処理装置１６（パスシーケンス選択部）は、形状データと指定形状とを比較し、溶接ビードの余盛が足りない部分があり（溶接ビードが指定形状よりも小さく）、かつ余盛が足りない部分の距離が所定値より大きい場合、連続して行われるガウジングの軌跡（パスシーケンス）を分割する。これにより、余盛が足りない部分をさらにガウジングしてしまうことを防止する。画像処理装置１６は、求めた交点の数が２より大きい場合、余盛が足りない部分があると判断する。また、画像処理装置１６は、隣接する交点間の距離を算出することにより、余盛が足りない部分の距離を算出することができる。
　例えば、図４（ａ）に示すように、形状データＢにおける交点の数が２である場合、画像処理装置１６は交点ｉ１～交点ｉＮ間においてガウジングを一括で行うことを選択する。
　一方、画像処理装置１６は、交点の数が２より多い場合、交点ｉ１、交点ｉＮ以外で隣り合う交点の距離ｄを算出する。例えば図４（ｂ）に示すように、画像処理装置１６は、交点ｉ１、交点ｉＮ以外の交点ｉ２、交点ｉ３間の距離ｄが所定値Ｄ１以下である場合、交点ｉ１～交点ｉＮにおけるガウジングを一括で行うことを選択する。すなわち、画像処理装置１６は、交点ｉ１～交点ｉＮを一のパスシーケンスとする。
　例えば図４（ｃ）に示すように、画像処理装置１６は、交点ｉ１、交点ｉＮ以外の交点ｉ２、交点ｉ３間の距離ｄが所定値Ｄ１より大きい場合、交点ｉ２、交点ｉ３間の前後でガウジングを分割することを選択する。すなわち、画像処理装置１６は、交点ｉ１～交点ｉ２をパスシーケンス１とし、交点ｉ３～交点ｉＮをパスシーケンス２とする。
　余盛形状抽出・除去深さ算出工程Ｓ６において、画像処理装置１６（余盛形状抽出・除去深さ算出部）は、形状データと指定形状との差を余盛形状として算出する。画像処理装置１６は、隣り合う交点または変曲点間の余盛形状における最大余盛を算出し、その平均値から後に手仕上げで削る余盛量を差し引いた値を除去深さとする。
　例えば図４（ｄ）に示すように、画像処理装置１６は、形状データと指定形状Ｒとの差を算出して、余盛形状を求める。画像処理装置１６は、変曲点・交点抽出工程Ｓ４で抽出した隣り合う交点または変曲点間における、形状データＢと指定形状Ｒとの差の最大値を余盛として求める。例えば、画像処理装置１６は、交点ｉ１と交点ｉ２との間における余盛形状を複数点（点１～点Ｍ）で求める。画像処理装置１６は、点３の余盛形状を最大余盛として算出する。画像処理装置１６は、隣接する交点ｉ～交点Ｎ間で求めた各最大余盛の平均値を求め、この平均値から手仕上げで削る余盛量を差し引いた値を除去深さとする。
　図４（ｃ）に示すようにパスシーケンスが分割された場合には、パスシーケンス毎に余盛形状の抽出および除去深さの算出が行われる。
　ウィービング幅・角度算出工程Ｓ７において、画像処理装置１６は、パスシーケンスの選択工程Ｓ５で求めた一のパスシーケンス（ガウジング範囲）内の両端の交点の距離をプラズマガウジング用トーチ１３のウィービング幅とする。また、指定形状の中心点と両端の交点とをそれぞれ結ぶ２直線の成す角をウィービング角とする。
　例えば図４（ｅ）に示すように、画像処理装置１６は、変曲点・交点抽出工程Ｓ４で抽出した交点ｉ１と交点ｉＮとの間の距離をプラズマガウジング用トーチ１３のウィービング幅Ｗとする。また、画像処理装置１６は、指定形状Ｒの中心点Ｏと両端の交点ｉ１と交点ｉＮとをそれぞれ結ぶ２直線の成す振り角をウィービング角θ１とする。
　ねらい位置・トーチ姿勢算出工程Ｓ８において、画像処理装置１６（ねらい位置・トーチ姿勢算出部）は、ウィービング幅・角度算出工程Ｓ７で求めたウィービング幅の中点（図４（ｅ）における中点Ｍ）をねらい位置として算出する。ねらい位置は、プラズマガウジング用トーチ１３先端から所定のチップ・母材間距離Ｄ２を離した点の教示位置である。また、画像処理装置１６は、トーチ前後角が加工面に対して常に一定であり、トーチ傾斜角がウィービング時においてプラズマガウジング用トーチ１３が指定形状に対して常に鉛直となるようなトーチ姿勢を算出する。
　ここで、図５は、トーチ前後角およびトーチ傾斜角を示す説明図である。図６は、ガウジング方向およびウィービング幅Ｗなどを示す説明図である。
　トーチ前後角θ２は、下板８（例えばクラウン５、バンド６）とプラズマガウジング用トーチ１３の軸とが成す角である。トーチ傾斜角θ３は、下板８に対して略直交する立板９（例えば羽根７）とプラズマガウジング用トーチ１３との軸とが成す角である。また、トーチの前後はガウジング方向であり、ウィービング幅Ｗはガウジング方向に直交する方向に対応する幅である。
　ガウジング条件算出工程Ｓ９において、画像処理装置１６（ガウジング条件算出部）は、ガウジングの除去深さの式を用いてガウジング条件としてのガウジング速度、ウィービング周波数、電流を算出する。
　図６に示すように、ウィービング速度はガウジング方向に対して鉛直方向の速度であり、ガウジング速度はガウジング方向の速度である。ウィービング速度をＶｗ、ガウジング速度をＶ、入熱量をＱとすると、ガウジング除去深さｙは以下の式（１）で表される。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、実験から求められた定数である。
　　［数１］
　　　　ｙ＝Ｃ１＋Ｃ２＊Ｖｗ／Ｖ＋Ｃ３＊Ｑ・・・・・・式（１）
　次に、画像処理装置１６は、ウィービング幅・角度算出工程Ｓ７で求めたウィービング幅と、式（１）から求めたウィービング速度からウィービング周波数を求める。
　画像処理装置１６は、上記で求めたガウジング速度、ウィービング周波数・幅、電流で構成されるガウジング条件と、ねらい位置・トーチ姿勢算出工程Ｓ８で算出した位置・姿勢データとを、ガウジング教示データとして教示データ記憶装置３２に記憶する。
　なお、余盛形状抽出・除去深さ算出工程Ｓ６において、算出された除去深さが一定の値以下である場合、すなわちガウジングを行う必要がない場合、画像処理装置１６はガウジング条件算出工程Ｓ９に進み、除去深さを最小にするためのガウジング条件を設定する。画像処理装置１６は、電流を所定値まで下げ、ガウジング速度を所定値まで上げるガウジング条件を設定する。このようなガウジング条件を設定することにより、後のガウジング作業においては、プラズマガウジング用トーチ１３はガウジングを行わず（最小限のガウジングを行い）、かつアークを切らさない条件で動作する。
　パス分割判定工程Ｓ１０において、画像処理装置１６は、パスシーケンス選択工程Ｓ５においてパスシーケンスの分割がされたか否かの判定を行う。画像処理装置１６はパスシーケンスが分割されたと判定した場合（工程Ｓ１０のＮＯ）、余盛形状抽出・除去深さ算出工程Ｓ６に戻り、余盛形状抽出・除去深さ算出工程Ｓ６～ガウジング条件算出工程Ｓ９が行われていないパスシーケンスに対し、工程Ｓ６～工程Ｓ９を行う。
　一方、画像処理装置１６はパスシーケンスの分割がされていないと判定した場合（工程１０のＹＥＳ）、教示点判定工程Ｓ１１において、他の教示点が存在するか否かの判定を行う。画像処理装置１６は、他の教示点が存在すると判定した場合（工程Ｓ１１のＮＯ）、動作軸制御工程Ｓ２に戻り、全ての教示点に対し工程Ｓ２～工程Ｓ１０を行う。
　一方、画像処理装置１６は他の教示点が存在しないと判定した場合（工程１１のＹＥＳ）、ロボット制御工程Ｓ１２において、ロボット制御装置１７は、教示データ記憶装置３２に記憶されたガウジング教示データなどに従って多関節ロボット１２およびスライダ装置１１の各軸動作と、ガウジング電源を制御して自動でガウジングを行う。
　一実施例として、図７に示す条件を用いて水車ランナ３の羽根溶接部に対してビード整形を行った。また、図８（ａ）は、羽根溶接部のガウジング前の断面形状（実線）および指定形状（点線）を示し、（ｂ）はガウジング後の断面形状（実線）および指定形状（点線）を示すグラフである。
　図７に示す固定条件と、式（１）で求められたガウジング条件とを用いて図８（ａ）に示す溶接ビードにプラズマガウジングを行った。この結果、図８（ｂ）に示すように、余盛部分が好適に整形された。
　このような第１実施形態における溶接ビード整形装置１および溶接ビード整形方法は、整形対象物の大きさや構造の複雑さによらず、自動で高精度な溶接ビードの整形を実現することができる。すなわち、溶接ビード整形装置１は、形状センサ１４により精度よく整形対象物の形状を測定し、ガウジング条件やねらい位置・トーチ姿勢などのガウジング教示データを取得することができる。また、溶接ビード整形装置１は、動作軸制御装置３１により、自動で一定範囲内を連続的にガウジングすることができる。
　また、溶接ビード整形装置１およびその整形方法は、溶接ビードの形状から隣接する交点・変曲点間の最大余盛を算出し、その平均を除去深さとするため、余盛を過度に削ることなく好適に整形することができる。また、溶接ビード整形装置１およびその整形方法は、算出された好適なガウジング条件で連続して整形することができるため、作業工程や作業時間を低減させることができる。
　さらに、溶接ビード整形装置１およびその整形方法は、余盛が足りない部分については、その部分の距離を算出し、距離が所定値以上である場合にはガウジング範囲を分割する。これにより、溶接ビード整形装置１およびその整形方法は、余盛が足りない部分においては除去し過ぎることなく、好適に整形することができる。
　［第２実施形態］
　本発明に係る溶接ビード整形装置およびその整形方法の第２実施形態を添付図面に基づいて説明する。
　図９は、第２実施形態における溶接ビード整形装置４１の構成図である。
　第２実施形態における溶接ビード整形装置４１が第１実施形態と異なる点は、教示データ記憶工程で教示データ記憶装置３２に記憶される教示データを、オフライン・ティーチング・システム４２から取得する点である。第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　溶接ビード整形装置４１は、スライダ装置１１、多関節ロボット１２、プラズマガウジング用トーチ１３、形状センサ１４、画像処理装置１６、ロボット制御装置１７、製品設計用３次元ＣＡＤ４３およびオフライン・ティーチング・システム４２を有する。
　製品設計用３次元ＣＡＤ４３は、水車ランナ３などの整形対象物の３次元形状データを作成する。オフライン・ティーチング・システム４２は、スライダ装置１１および多関節ロボット１２への教示をコンピュータ画面上の仮想空間で行うシステム（数値化装置）である。
　次に、第２実施形態における溶接ビード整形装置４１の作用および溶接ビード整形方法について説明する。
　図１０は、第２実施形態の溶接ビード整形装置４１により実施される溶接ビード整形前処理を説明するフローチャートである。
　溶接ビード整形装置４１により行われる溶接ビード整形前処理は、オフライン・ティーチング・システム４２により実施される処理工程（工程Ｓ２１）、ロボット制御装置１７により実施される処理工程（工程Ｓ２２、Ｓ２３およびＳ３３）と、画像処理装置１６により実施される処理工程（工程Ｓ２４～Ｓ３２）とに区分される。
　計測教示工程Ｓ２１において、オフライン・ティーチング・システム４２は、整形対象物の３次元形状データに基づいて整形対象物の計測教示データを作成する。３次元形状データは、製品設計用３次元ＣＡＤ４３を用いて作成され、オフライン・ティーチング・システム４２に入力される。
　オフライン・ティーチング・システム４２は、入力された整形対象物の３次元形状データを、溶接ビード整形装置４１（スライダ装置１１、多関節ロボット１２、形状センサ１４、プラズマガウジング用トーチ１３）の予め作成された３次元モデルとともに、コンピュータ上の仮想空間に配置する。オフライン・ティーチング・システム４２は、３次元形状データで表される整形対象物の溶接部のガウジング線の鉛直面上、クラウン５またはバンド６表面と羽根７表面との角度の中心を通る位置および方向（姿勢）に形状センサ１４（およびプラズマガウジング用トーチ１３）が配置されるように、計測教示データを算出する。
　また、オフライン・ティーチング・システム４２は、算出された位置および姿勢へのアプローチ動作および退避動作の教示データを追加する。このように、オフライン・ティーチング・システム４２は、各々の教示点に動作命令を付加することで、計測教示データを作成する。
　教示データ記憶工程Ｓ２２において、教示データ記憶装置３２は、計測教示工程Ｓ２１において作成された教示データを記憶する。動作軸制御工程Ｓ２３～ロボット制御工程Ｓ３３は、第１実施形態における溶接ビード整形前処理（図２）の動作軸制御工程Ｓ２～ロボット制御工程Ｓ１２とほぼ同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
　上述した第１実施形態における溶接ビード整形装置１および溶接その整形方法においては、ロボット制御装置１７に設けられた操作装置を用いて操作員が多関節ロボット１２およびスライダ装置１１を操作して教示データを入力した。これに対し、第２実施形態における溶接ビード整形装置４１および溶接その整形方法は、製品設計用３次元ＣＡＤ４３、オフライン・ティーチング・システム４２を用いて、数値化されたデータを教示データとして用い、多関節ロボット１２に入力する。
　この結果、溶接ビード整形装置４１およびその整形方法は、第１実施形態が奏する効果に加え、実際の整形対象物および装置を用いた教示作業を不要とし、溶接ビード整形のための作業量や作業時間を軽減できる。
［第３実施形態］
　本発明に係る溶接ビード整形装置およびその整形方法の第３実施形態を添付図面に基づいて説明する。
　図１１は、第３実施形態における溶接ビード整形装置５１の構成図である。
　第３実施形態における溶接ビード整形装置５１が第１実施形態と異なる点は、溶接用トーチ５２をさらに備え、ガウジングのみならず溶接をも行う点である。第１実施形態と対応する構成および部分については同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
　溶接ビード整形装置５１は、スライダ装置１１、多関節ロボット１２、プラズマガウジング用トーチ１３、形状センサ１４、画像処理装置１６、ロボット制御装置１７および溶接用トーチ５２を有する。
　溶接用トーチ５２は、多関節ロボット１２の多関節機構と、スライダ装置１１の上下・水平方向の移動および上下方向軸周りの回転による位置調整により、位置・姿勢が調整される。プラズマガウジング用トーチ１３と溶接用トーチ５２とは、溶接ビード整形装置５１が実施する作業に応じて適宜選択され、使用される。
　次に、第３実施形態における溶接ビード整形装置５１の作用および溶接ビード整形方法について説明する。
　図１２は、第３実施形態の溶接ビード整形装置５１により実施される溶接ビード整形前処理を説明するフローチャートである。
　溶接ビード整形装置５１により行われる溶接ビード整形前処理は、ロボット制御装置１７により実施される処理工程（工程Ｓ４１、Ｓ４２、Ｓ４８、Ｓ４９、Ｓ５５およびＳ５６）と、画像処理装置１６により実施される処理工程（工程Ｓ４３～Ｓ４７およびＳ５０～Ｓ５４）とに区分される。
　教示データ記憶工程Ｓ４１～形状データ抽出工程Ｓ４３は、第１実施形態における溶接ビード整形前処理（図２）の教示データ工程Ｓ１～形状データ抽出工程Ｓ３とほぼ同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
　変曲点・交点抽出工程Ｓ４４において、画像処理装置１６は、形状データ抽出工程Ｓ４３で抽出された形状データと指定形状とを画像上で重ね合わせる。画像処理装置１６は、形状データと指定形状とが交わる点を交点として抽出する。また、画像処理装置１６は、形状データにおける溶接ビードの谷部の頂点を変曲点として抽出する。
　図１３は、溶接ビードの形状データＢ、指定形状Ｒおよびクラウン５、バンド６、羽根７表面の関係を説明する説明図である。
　画像処理装置１６は、形状データ抽出工程Ｓ４３で抽出した形状データＢと、指定形状Ｒとの交点である、交点ｉ１、交点ｉ２、交点ｉ６および交点ｉＮを抽出する。画像処理装置１６は、形状データＢにおける溶接ビードの谷部の頂点（指定形状Ｒの中心点Ｏとは逆方向に凸）を変曲点ｉ３～変曲点ｉ５、変曲点ｉ（Ｎ－１）として抽出する。画像処理装置１６は、指定形状Ｒに対して内側であるか、外側であるかに関わらず谷部の頂点を変曲点として抽出する。
　このとき抽出した交点および変曲点には、形状データＢ内でＸ軸の値が最も小さいものからｉ１、ｉ２、ｉ３・・・ｉ（Ｎ－１）、ｉＮ(Ｎ：抽出した変曲点および交点の総数)の番号が振り分けられる。
　モード切替工程Ｓ４５において、画像処理装置１６（モード切替部）は、ガウジングを行うか、溶接を行うかを決定する。具体的には、画像処理装置１６は、指定形状と形状データ抽出工程Ｓ４３で抽出した形状データとを比べる。画像処理装置１６は、変曲点が指定形状より外側にある場合、すなわち溶接ビードが指定形状に満たない場合、溶接を行うと決定する。画像処理装置１６は、変曲点が指定形状より内側にある場合、すなわち余盛量が十分である場合、ガウジングを行うと決定する。
　例えば図１３に示す場合、画像処理装置１６は、溶接ビード（形状データＢ）が指定形状に満たない変曲点ｉ３～変曲点ｉ５が存在するため、溶接を行うと決定する。
　画像処理装置１６は溶接を行うと決定した場合、ねらい位置算出工程Ｓ４６において、変曲点・交点抽出工程Ｓ４４で抽出した変曲点の中で、指定形状の外側の変曲点をねらい位置とする。指定形状の外側に変曲点が複数存在する場合、画像処理装置１６は、ねらい位置算出工程Ｓ４６～ロボット制御工程Ｓ４９の工程を各変曲点に対して行う。
　溶接条件算出工程Ｓ４７において、画像処理装置１６は、ねらい位置に溶け込み不良の原因となるオーバーラップ形状にならないように選択された溶接電流、溶接電圧、溶接速度、ウィービング周波数・振幅を含む溶接条件、ねらい位置およびトーチ姿勢を決定する。画像処理装置１６は、算出した溶接条件、ねらい位置、およびトーチ姿勢を溶接教示データとして教示データ記憶装置３２に記憶する。
　溶接用トーチ選択工程Ｓ４８において、ロボット制御装置１７は、多関節ロボット１２の先端に取り付けるトーチとして、溶接用トーチ５２を選択し切り替える。ロボット制御工程Ｓ４９において、ロボット制御装置１７は、教示データ記憶装置３２に記憶された溶接教示データに基づき、多関節ロボット１２などの動作および溶接電源を制御して溶接を行う。算出された溶接教示データに基づき溶接が行われた後、再び教示データ記憶工程Ｓ４１に戻り、再度動作軸制御工程Ｓ４２～モード切替工程Ｓ４５を行う。
　画像処理装置１６は、モード切替工程Ｓ４５においてガウジングを行うと決定した場合、パスシーケンス選択工程Ｓ５０へ進む。パスシーケンス選択工程Ｓ５０～ガウジング条件算出工程Ｓ５４は、第１実施形態における溶接ビード整形前処理（図２）のパスケーシング選択工程Ｓ５～ガウジング条件算出工程Ｓ９とほぼ同様であるため、ここでは詳細な説明を省略する。
　ガウジング用トーチ選択工程Ｓ５５において、ロボット制御装置１７は、多関節ロボット１２の先端に取り付けるトーチとして、プラズマガウジング用トーチ１３を選択し切り替える。ロボット制御工程Ｓ５６において、ロボット制御装置１７は、教示データ記憶装置３２に記憶されたガウジング教示データに基づき、多関節ロボット１２などの動作およびガウジング電源を制御してガウジングを行う。
　このような第３実施形態における溶接ビード整形装置５１およびその整形方法は、第１実施形態が奏する効果に加え、ガウジングのみならず余盛が不十分な箇所においては溶接をも行うことができる。このため、溶接ビード整形装置５１およびその整形方法は、整形対象物の大きさや構造の複雑さによらずに、自動で高精度な溶接ビードの整形を実現することができる。
　なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１、４１、５１　溶接ビード整形装置
１１　スライダ装置
１２　多関節ロボット
１３　プラズマガウジング用トーチ
１４　形状センサ
１６　画像処理装置
１７　ロボット制御装置
２９　ノズル
３１　動作軸制御装置
３２　教示データ記憶装置
４２　オフライン・ティーチング・システム
４３　製品設計用３次元ＣＡＤ
５２　溶接用トーチ

Claims (11)

  1. 溶接ビードが形成された整形対象物の形状を計測する形状センサの計測結果から前記整形対象物の形状データを抽出する形状データ抽出部と、
    　前記形状データと予め設定された前記整形対象物の指定形状との差から前記溶接ビードの余盛形状を算出し、前記余盛形状に基づいて、ガウジング用トーチを用いてガウジングを行う除去深さを算出する余盛形状抽出・除去深さ算出部と、
    　前記余盛形状および前記除去深さに基づいて、前記ガウジング用トーチのねらい位置と姿勢とを算出するねらい位置・トーチ姿勢算出部と、
    　前記余盛形状および前記除去深さに基づいて、ガウジング条件を算出するガウジング条件算出部と、
    　前記ねらい位置・トーチ姿勢算出部が算出する前記ガウジング用トーチの前記ねらい位置および前記姿勢と、前記ガウジング条件算出部が算出する前記ガウジング条件とに基づいて、前記ガウジング用トーチおよび前記整形対象物を駆動する駆動装置、並びに前記ガウジング用トーチを制御する制御装置と、を具備したことを特徴とする溶接ビード整形装置。
  2. 　前記形状データと前記指定形状とを比較し、前記指定形状に対して前記溶接ビードの余盛が足りない部分がある場合、ガウジングの軌跡を分割するパスシーケンス選択部をさらに備えた請求項１記載の溶接ビード整形装置。
  3. 　前記形状データと前記指定形状とが交わる点を交点として抽出し、前記形状データにおける前記指定形状に対して余盛りされた前記溶接ビードの谷部の頂点を変曲点として抽出する変曲点・交点抽出部をさらに備え、
    　前記パスシーケンス選択部は、前記交点の数が２より大きい場合隣接する交点間の距離を算出し、前記距離が所定値より大きい場合前記ガウジングの軌跡を分割し、前記距離が所定値以下である場合前記ガウジングの軌跡を分割しない請求項２記載の溶接ビード整形装置。
  4. 　前記形状データと前記指定形状とが交わる点を交点として抽出し、前記形状データにおける前記指定形状に対して余盛りされた前記溶接ビードの谷部の頂点を変曲点として抽出する変曲点・交点抽出部をさらに備え、
    　前記余盛形状抽出・除去深さ算出部は、隣り合う前記交点または前記変曲点間における前記形状データと前記指定形状との差に基づいて前記余盛形状を算出し、各前記余盛形状における最大余盛を算出し、各前記最大余盛の平均値を少なくとも用いて前記除去深さを算出する請求項１～３のいずれか一項記載の溶接ビード整形装置。
  5. 　前記駆動装置は、多関節ロボットを有し、
    　前記ガウジング用トーチおよび前記形状センサは、相対的位置が固定されて前記多関節ロボットに取り付けられた請求項１～４のいずれか一項記載の溶接ビード整形装置。
  6. 　前記駆動装置は、複数の軸を有するスライダ装置を有し、
    　前記多関節ロボットは、前記スライダ装置のいずれかの軸に設けられた請求項１～５のいずれか一項記載の溶接ビード整形装置。
  7. 　前記溶接ビードが形成された前記整形対象物を溶接する溶接用トーチと、
    　前記溶接ビードが前記指定形状に満たない場合、前記溶接用トーチを用いて溶接を行うモード切替部とをさらに備えた請求項１～６のいずれか一項記載の溶接ビード整形装置。
  8. 　前記制御装置は、前記駆動装置に対する教示データをオフライン・ティーチング・システムより取得する請求項１記載の溶接ビード整形装置。
  9. 　前記ガウジング用トーチは、プラズマガウジング用トーチである請求項１～８のいずれか一項記載の溶接ビード整形装置。
  10. 　前記ガウジング用トーチは、前記溶接ビードをガウジングするプラズマ用ガスと、ガウジングにより発生するノロを除去するクーリングガスとを噴射するノズルを有する請求項１記載の溶接ビード整形装置。
  11. 　整形対象物の形状を計測する形状計測工程と、
    　前記形状計測工程の計測結果に基づいて前記整形対象物の形状データを抽出する形状データ抽出工程と、
    　前記形状データと予め設定された前記整形対象物の指定形状との差から前記溶接ビードの余盛形状を算出し、前記余盛形状からガウジングを行う除去深さを算出する余盛形状抽出・除去深さ算出工程と、
    　前記余盛形状および前記除去深さに基づいて、前記ガウジング用トーチのねらい位置と姿勢とを算出するねらい位置・トーチ姿勢算出工程と、
    　前記余盛形状および前記除去深さに基づいて、ガウジング条件を算出するガウジング条件算出工程と、
    　前記ねらい位置・トーチ姿勢算出部が算出する前記ガウジング用トーチの前記ねらい位置および前記姿勢と、前記ガウジング条件算出部が算出する前記ガウジング条件とに基づいて、前記ガウジングを行うガウジング用トーチおよび前記整形対象物を駆動する駆動装置を制御する制御工程とを備えたことを特徴とする溶接ビード整形方法。
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