JP6049449B2

JP6049449B2 - 倣い溶接装置

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Publication number: JP6049449B2
Application number: JP2012287700A
Authority: JP
Inventors: 尚美近藤
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2012-12-28
Publication date: 2016-12-21
Anticipated expiration: 2032-12-28
Also published as: JP2014128820A

Description

この発明は、変位計で測定した被溶接部材の形状に倣って溶接する倣い溶接装置に関するものである。

従来の倣い溶接装置において、ロボットにより溶接位置を教示する場合、溶接トーチを手動動作にて溶接位置に移動し、溶接位置と電極位置が適正な位置にあることを目視により確認することで、溶接位置を教示していた（例えば特許文献１，２参照）。溶接トーチ位置の教示がずれた場合は、不良品を作る可能性がある。

特願２０１１−２８３７４７号公報特願２０１１−２８３７５０号公報

上記の倣い溶接装置のうちＴＩＧ溶接装置では、±０．２ｍｍの範囲内で電極位置と溶接位置との位置合わせが必要となる。一方、ＴＩＧ溶接装置の溶接トーチの電極は、溶接に使用することで消耗するため、時々再研磨する必要がある。この際、電極を再セットする必要があるが、±０．２ｍｍ精度が確保できていない場合がある。そして、その状態のまま溶接を行うと不良品が発生する可能性が高いという課題がある。また、ＴＩＧ溶接は、製品組立の最終工程で行われるため、不良品が出ると損失が大きくなるため、不良品発生は皆無にする必要がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、倣い溶接装置の電極を再セットする必要がある場合にも所望の位置精度を確保することができ、溶接不良の発生を減少させることが可能な倣い溶接装置を提供することを目的としている。

この発明に係る倣い溶接装置は、外径の異なる２つの円形部材を同心円状に配置してなる被溶接部材を、当該被溶接部材の中心軸まわりに回転させる回転テーブルと、被溶接部材の最外周より内側であって２つの円形部材の境界付近を溶接する溶接トーチと、被溶接部材に対して径方向に移動しながら軸方向の変位量を測定し、当該変位量が所定の閾値以上となったときに検出信号を出力する変位計と、溶接トーチおよび変位計に対する被溶接部材の径方向の位置を変更する径方向移動部と、各部の動作を制御して倣い溶接を行う制御部と、ユーザからの指示を受けて径方向移動部により溶接トーチを被溶接部材に対して相対的に径方向に移動させるコントローラとを備え、制御部は、変位計から検出信号が出力されたときの径方向移動部の径方向の位置に基づいて被溶接部材に対する溶接トーチの軌道を計算するトーチ軌道計算部と、トーチ軌道計算部により計算された軌道上の溶接開始点に溶接トーチを移動させる溶接開始点移動部と、溶接開始点移動部により溶接トーチが溶接開始点に移動された後、コントローラにより当該溶接トーチの電極位置と当該溶接開始点とのズレを解消するように当該溶接トーチが径方向に移動された場合に、その移動量を計測するトーチ移動量計測部と、トーチ移動量計測部により計測された移動量に基づいて被溶接部材に対する溶接トーチの軌道を再計算するトーチ軌道再計算部と、トーチ軌道計算部およびトーチ軌道再計算部により最終的に決定された軌道に従い、回転テーブルを回転させながら径方向移動部の径方向の位置を制御して溶接を行う溶接実行部とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、倣い溶接装置の電極を再セットする必要がある場合にも所望の位置精度を確保することができ、溶接不良の発生を減少させることができる。

この発明の実施の形態１に係る倣い溶接装置の教示状態を示し、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は正面図である。この発明の実施の形態１における制御部の構成を示すブロック図である。この発明の実施の形態１に係る倣い溶接装置の測定動作を説明する図である。この発明の実施の形態１に係る倣い溶接装置の動作を示すフローチャートである。この発明の実施の形態１に係る倣い溶接装置の電極位置の修正を説明する図である。この発明の実施の形態１に係る倣い溶接装置のトーチ軌道再計算を説明する図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る倣い溶接装置を表す図であり、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は正面図である。図１は被溶接部材１００の溶接位置を教示している状態である。なお図１（ｂ）では制御部８およびリモコン９の図示を省略している。
この倣い溶接装置は、外径の異なる２つの円形部材を同心円状に配置してなる被溶接部材１００を載置して、この被溶接部材１００の中心軸であるＺ軸まわりをθ方向に回転する回転テーブル１と、被溶接部材１００の最外周より内側であって２つの円形部材の境界付近を溶接する溶接トーチ２と、被溶接部材１００のＺ軸方向の変位を検出する変位計３と、溶接トーチ２と変位計３に対して回転テーブル１をＲ軸方向（被溶接部材１００の径方向）に移動する径方向移動部４と、溶接トーチ２と変位計３をＺ軸方向（軸方向）に移動する軸方向移動部５と、溶接トーチ２の姿勢を変更するトーチ回転部６と、変位計３をＺ，Ｒ軸と直交するＸ軸方向に移動させ測定位置または退避位置に保持する変位計移動部７と、これら各部の動作を制御して倣い溶接を行う制御部８と、ユーザからの指示を受けて径方向移動部４・軸方向移動部５により溶接トーチ２を被溶接部材１００に対してＲ軸・Ｚ軸方向に移動させるリモコン（コントローラ）９とを備える。

図１に例示した被溶接部材１００は、円筒形状の大径部材１０１と、この大径部材１０１より外径の小さい円筒形状の小径部材１０２とから構成される。大径部材１０１の内部に小径部材１０２を入れ子にし、小径部材１０２と大径部材１０１との間を溶接して（端部（へり）溶接）、一体化することになる。
図示例の他にも、例えば、円筒形状の大径部材の上に、この大径部材より外径の小さい円板形状の小径部材を軸方向に重ね、当該小径部材の外周を大径部材の上端面に溶接する隅肉溶接を行うものであってもよい。

倣い溶接装置において、回転テーブル１は、大径部材１０１、小径部材１０２を位置決め保持して、これら部材の中心軸であるＺ軸を中心にしてθ方向に回転させる。また、この回転テーブル１は径方向移動部４上に設置されており、Ｒ軸方向に移動可能である。
径方向移動部４は、被溶接部材１００の形状を測定する場合には回転テーブル１を図１に示す変位計計測位置に移動させて、被溶接部材１００の溶接部を変位計３のセンシング領域に入るように配置し、一方、溶接する場合には回転テーブル１を溶接位置に移動させて、被溶接部材１００を溶接トーチ２から所定距離に配置する。

溶接トーチ２は、ＴＩＧ溶接などのアーク溶接用であり、先端側に溶接用の電極２ａを備える。もう一方の電極は図示を省略する。
トーチ回転部６は、溶接トーチ２の電極２ａの先端を中心にしてθ’角度回転させ、被溶接部材１００に対する溶接トーチ２の角度を調整可能である。図１の例では、端部溶接のために回転テーブル１の面に対して溶接トーチ２をθ’＝９０°としている。また、隅肉溶接の場合は、回転テーブル１の面に対して溶接トーチ２をθ’＝４５°傾斜させる。

変位計３は、レーザ光線等のスポット光を回転テーブル１上の被溶接部材１００へ向けて上側から照射して、反射光に基づいて被溶接部材１００のＺ軸方向の変位量を測定し、大径部材１０１または小径部材１０２の外周端を検出するセンサである。この変位計３は、Ｚ軸方向の変位量が所定の閾値を超えた場合に外周端を検出したことを示す信号を制御部８へ出力する。
変位計移動部７は、変位計３をＸ軸方向に移動可能であり、被溶接部材１００の形状を測定する場合には図１に示す測定位置に変位計３を保持し、溶接する場合には退避位置へ変位計３を退避させる。

軸方向移動部５には、溶接トーチ２を保持するトーチ回転部６と、変位計３を保持する変位計移動部７とが固定されており、これら溶接トーチ２、トーチ回転部６、変位計３および変位計移動部７をＺ軸方向に移動可能である。

制御部８は、予め与えられたプログラムに従って倣い溶接装置全体を制御するものであり、回転手段（回転テーブル１およびトーチ回転部６）の回転量、移動手段（径方向移動部４、軸方向移動部５および変位計移動部７）の移動量をそれぞれ制御する。また、制御部８には、変位計３から外周端検出信号が入力される。この制御部８の内部構成については後述する。

リモコン９は、制御部８により最初に溶接トーチ２に溶接位置を教示した後、溶接トーチ２の電極位置と溶接位置とにズレが生じている場合に、このズレを解消するように溶接トーチ２を移動させるものである。この際、リモコン９は、径方向移動部４により被溶接部材１００が載置された回転テーブル１をＲ軸方向に移動させることで溶接トーチ２を被溶接部材１００に対して相対的に移動させ、また、軸方向移動部５を制御することで、溶接トーチ２をＺ軸方向に移動させる。

次に、制御部８の構成について、図２を参照しながら説明する。
図２はこの発明の実施の形態１における制御部の構成を示すブロック図である。
制御部は、図２に示すように、トーチ軌道計算部８１、溶接開始点移動部８２、トーチ移動量計測部８３、トーチ軌道再計算部８４および溶接実行部８５から構成されている。

トーチ軌道計算部８１は、変位計３から検出信号が出力されたときの径方向移動部４の径方向の位置に基づいて被溶接部材１００に対する溶接トーチ２の軌道を計算するものである。

溶接開始点移動部８２は、トーチ軌道計算部８１により計算された軌道上の溶接開始点に溶接トーチ２を移動させるものである。この際、溶接開始点移動部８２は、径方向移動部４により被溶接部材１００が載置された回転テーブル１をＲ軸方向に移動させることで溶接トーチ２を被溶接部材１００に対して相対的に移動させ、また、軸方向移動部５を制御することで、溶接トーチ２をＺ軸方向に移動させる。

トーチ移動量計測部８３は、溶接開始点移動部８２により溶接トーチ２が溶接開始点に移動された後、リモコン９により当該溶接トーチ２の電極位置と溶接開始点（溶接位置）とのズレを解消するように当該溶接トーチ２がＲ軸方向・Ｚ軸方向に移動された場合に、その移動量を計測し、記憶するものである。

トーチ軌道再計算部８４は、トーチ移動量計測部８３により計測された移動量に基づいて被溶接部材１００に対する溶接トーチ２の軌道を再計算するものである。

溶接実行部８５は、トーチ軌道計算部８１およびトーチ軌道再計算部８４により最終的に決定された溶接トーチ２の軌道に従い、回転テーブル１を回転させながら径方向移動部４の径方向の位置を制御して、溶接トーチ２から被溶接部材１００の溶接位置までの距離を一定に保って溶接を行うものである。

ここで、倣い溶接装置としてＴＩＧ溶接装置を用いた場合、被溶接部材１００の溶接位置に対して溶接トーチ２を±０．２ｍｍ程度で位置決めする必要がある。この際、被溶接部材１００の形状のばらつき、被溶接部材１００を回転テーブル１に設置する際の位置決め誤差等があるため、新たに被溶接部材１００を溶接する都度、溶接位置を測定して、溶接時に溶接トーチ２の軌道の計算を行う必要がある。
この溶接トーチ２の溶接位置Ｒは、図３に示すように、被溶接部材１００の外周端検出位置Ｒ’からのオフセット値Ｒ０を使って計算することで、精度良く計算できる。

上記のように溶接トーチ２の軌道は、被溶接部材１００の外周端検出点からのオフセット量をキャリブレーションで設定しているが、電極再研磨した場合は、電極位置が溶接位置から０．２ｍｍ以上ずれる場合がある。この状態で溶接すると、本来あるべき溶接位置に対して、電極の位置ズレが発生する。そして、ＴＩＧ溶接では、０．２ｍｍ以上電極位置がずれると、溶接ビード形状が溶接中心に対し不均一となり、ボイド等が発生する場合がある。
また、電極の溶接位置に対するＺ軸方向の距離が適正でない場合、アークが不安定になり、溶接不具合が発生する。すなわち、溶接トーチ２が溶接位置からＺ軸方向に離れすぎると、アークの接地点が安定せず迷走状態となるため、アークが不安定になる。また、溶接トーチ２が溶接位置にＺ軸方向に近づきすぎると、アークが集中するため、穴開き等が発生する。
そこで、下記の手順で溶接トーチ２の軌道の修正を行う。

図４はこの発明の実施の形態１に係る倣い溶接装置の動作を示すフローチャートである。
倣い溶接装置の動作では、図４に示すように、まず、トーチ軌道計算部８１は、変位計３から検出信号が出力されたときの径方向移動部４の径方向の位置に基づいて被溶接部材１００に対する溶接トーチ２の軌道を計算する（ステップＳＴ１）。

次いで、溶接開始点移動部８２は、トーチ軌道計算部８１により計算された軌道上の溶接開始点（Ｒ，Ｚ）に溶接トーチ２を移動させる（ステップＳＴ２）。
また、トーチ移動量計測部８３は、記憶している移動量ΔＲ，ΔＺをリセットする（ステップＳＴ３）。

次いで、溶接トーチ２を溶接開始点に移動した後装置を止め、ユーザは、溶接トーチ２の電極位置が溶接開始点の溶接中心（溶接位置）にあるかを確認し、そのズレ量を目視で確認する（ステップＳＴ４）。

このステップＳＴ４においてＲ軸方向にズレがある場合には、リモコン９は、ユーザからの指示を受けて径方向移動部４により溶接トーチ２をＲ軸方向に移動させ、溶接中心に誘導する（ステップＳＴ５〜８）。この際、図５（ａ）に示すように、溶接トーチ２の電極が溶接中心に対してＲ軸の−側にずれている場合には、リモコン９により溶接トーチ２を＋ΔＲ移動させる。また、図５（ｂ）に示すように、溶接トーチ２の電極が溶接中心に対してＲ軸の＋側にずれている場合には、リモコン９により溶接トーチ２を−ΔＲ移動させる。これにより図５（ｃ）に示すように、溶接トーチ２の電極位置を溶接中心に移動させる。

次いで、トーチ移動量計測部８３は、ステップＳＴ５〜８における溶接トーチ２のＲ軸方向の移動量±ΔＲを計測し、溶接開始点ＲをＲ±ΔＲに再設定する（ステップＳＴ９）。

一方、ステップＳＴ４においてＺ軸方向にズレがある場合には、リモコン９は、ユーザからの指示を受けて軸方向移動部５により溶接トーチ２をＺ軸方向に移動させる（ステップＳＴ１０〜１３）。

次いで、トーチ移動量計測部８３は、ステップＳＴ１０〜１３における溶接トーチ２のＺ軸方向の移動量±ΔＺを計測し、溶接開始点ＺをＺ±ΔＺに再設定する（ステップＳＴ１４）。

次いで、トーチ軌道再計算部８４は、トーチ移動量計測部８３により計測された移動量（ΔＲ，ΔＺ）に基づいて被溶接部材１００に対する溶接トーチ２の軌道を再計算する（ステップＳＴ１５）。

次いで、溶接実行部８５は、トーチ軌道計算部８１およびトーチ軌道再計算部８４により最終的に決定された溶接トーチ２の軌道に従い、回転テーブル１を回転させながら径方向移動部４の径方向の位置を制御して、溶接トーチ２から被溶接部材１００の溶接位置までの距離を一定に保って溶接を行う（ステップＳＴ１６）。
このように、溶接トーチ２の電極をＲ軸において溶接位置に精度良く安定して倣わせることができため、溶接ビード形状が溶接中心に対して均一となり、ボイド等の発生を減少させることができる。また、電極の溶接位置に対するＺ軸方向の距離を適正化できるため、アークが安定し、溶接不具合の発生を抑制することができる。

以上のように、この実施の形態１によれば、計算した軌道上の溶接開始点に溶接トーチ２を移動させた後、当該溶接トーチ２の電極位置と溶接開始点とにズレが生じている場合にリモコン９により当該溶接トーチ２をＲ軸方向・Ｚ軸方向に移動させ、その移動量に基づいて溶接トーチ２の軌道を再計算するように構成したので、倣い溶接装置の電極を再セットする必要がある場合にも所望の位置精度を確保することができ、溶接不良の発生を減少させることができる。

なお上記では、ＴＩＧ溶接装置を用いて位置補正を行う場合について説明を行った。しかしながら、これに限るものではなく、例えば、半田ごてによる電子部品の自動半田付け作業のように、ツールとワークの位置関係が微妙に変化する場合や、電子部品分の実装機で、基準マークを自動認識できない場合（目視で基準マークを読み取り、修正量を実装機プログラムに反映する搭載システム）等に対しても同様に適用可能である。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。

１回転テーブル
２溶接トーチ
２ａ電極
３変位計
４径方向移動部
５軸方向移動部
６トーチ回転部
７変位計移動部
８制御部
９リモコン（コントローラ）
８１トーチ軌道計算部
８２溶接開始点移動部
８３トーチ移動量計測部
８４トーチ軌道再計算部
８５溶接実行部
１００被溶接部材
１０１大径部材
１０２小径部材

Claims

外径の異なる２つの円形部材を同心円状に配置してなる被溶接部材を、当該被溶接部材の中心軸まわりに回転させる回転テーブルと、
前記被溶接部材の最外周より内側であって前記２つの円形部材の境界付近を溶接する溶接トーチと、
前記被溶接部材に対して径方向に移動しながら軸方向の変位量を測定し、当該変位量が所定の閾値以上となったときに検出信号を出力する変位計と、
前記溶接トーチおよび前記変位計に対する前記被溶接部材の径方向の位置を変更する径方向移動部と、
各部の動作を制御して倣い溶接を行う制御部と、
ユーザからの指示を受けて前記径方向移動部により前記溶接トーチを前記被溶接部材に対して相対的に径方向に移動させるコントローラとを備え、
前記制御部は、
前記変位計から検出信号が出力されたときの前記径方向移動部の径方向の位置に基づいて前記被溶接部材に対する前記溶接トーチの軌道を計算するトーチ軌道計算部と、
前記トーチ軌道計算部により計算された軌道上の所定の溶接開始点に前記溶接トーチを移動させる溶接開始点移動部と、
前記溶接開始点移動部により前記溶接トーチが前記溶接開始点に移動された後、前記コントローラにより当該溶接トーチの電極位置と当該溶接開始点とのズレを解消するように当該溶接トーチが径方向に移動された場合に、その移動量を計測するトーチ移動量計測部と、
前記トーチ移動量計測部により計測された移動量に基づいて前記被溶接部材に対する前記溶接トーチの軌道を再計算するトーチ軌道再計算部と、
前記トーチ軌道計算部および前記トーチ軌道再計算部により最終的に決定された軌道に従い、前記回転テーブルを回転させながら前記径方向移動部の径方向の位置を制御して溶接を行う溶接実行部とを備えた
ことを特徴とする倣い溶接装置。
前記溶接トーチの軸方向の位置を変更する軸方向移動部を備え、
前記コントローラは、ユーザからの指示を受けて前記軸方向移動部により前記溶接トーチを軸方向に移動させ、
前記トーチ移動量計測部は、前記溶接開始点移動部により前記溶接トーチが前記溶接開始点に移動された後、前記コントローラにより当該溶接トーチの電極位置と当該溶接開始点とのズレを解消するように当該溶接トーチが軸方向に移動された場合に、その移動量を計測する
ことを特徴とする請求項１記載の倣い溶接装置。