JP2013123716A - 溶接ビード整形装置およびその整形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】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を提供する。
【解決手段】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。
【選択図】 図１

Description

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ガウジングを行うガウジング用トーチと、前記整形対象物の形状を計測する形状センサと、前記ガウジング用トーチおよび前記形状センサを駆動する駆動装置と、前記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、前記駆動装置および前記ガウジング用トーチを制御する制御装置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。 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。 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。 （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。 トーチ前後角およびトーチ傾斜角を示す説明図。 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。 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。 （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。 第２実施形態における溶接ビード整形装置の構成図。 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。 第３実施形態における溶接ビード整形装置の構成図。 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。 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。

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Ｄ_１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Ｄ_１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θ_１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Ｄ_２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θ_２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θ_３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 (12)

1. 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ガウジング用トーチと、
   前記整形対象物の形状を計測する形状センサと、
   前記ガウジング用トーチおよび前記形状センサを駆動する駆動装置と、
   前記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、前記駆動装置および前記ガウジング用トーチを制御する制御装置とを備えたことを特徴とする溶接ビード整形装置。
2. 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をさらに備え、
   前記制御装置は、前記ねらい位置、前記姿勢および前記ガウジング条件に基づいて、前記駆動装置および前記ガウジング用トーチを制御する請求項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または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３記載の溶接ビード整形装置。
5. 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１〜４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、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１〜５のいずれか一項記載の溶接ビード整形装置。
7. 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１〜６のいずれか一項記載の溶接ビード整形装置。
8. 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１〜７のいずれか一項記載の溶接ビード整形装置。
9. 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。
10. 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１〜９のいずれか一項記載の溶接ビード整形装置。
11. 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。
12. 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、ガウジング用トーチ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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