JPH0196507A - 距離検出装置 - Google Patents

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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波を用いて距離を検出する装置に係わり、
例えば、消耗電極を用いたアーク溶接中にトーチと被溶
接物間の距離を一定に保つに好適な距離検出装置に関す
る。

〔従来の技術〕

消耗電極を用いたアーク溶接の自動制御を進める上で、
溶接トーチと装置ビード表面との間隔を一定に保つこと
は不可欠である。しかし、被溶接物（母材）表面を倣っ
て溶接トーチの位置決めを行う、いわゆる上下倣いにつ
いてはなかなか実用的な検出装置が無くて困っているの
が実状である。

第９図は実用されている代表的な上下倣いセンサとして
、接触式のセンサを示した説明図である。

同図に示すように、上下倣いセンサのボディ１は溶接ト
ーチ２と一体に動くようにトーチ２に連結されている。

母材表面３に接触棒４の先端を接触させ、センサ・ボデ
ィ１の内部に接触棒４の支点５を設けて置き、てこの原
理で接触棒４の他端の移動量を２個のリミットスイッチ
６．７で検出し、トーチ２と母材表面３間の距離が近す
ぎるとき、下限リミットスイッチ６がｏｎとなり、トー
チ２を上昇させる。逆にトーチ２と母材表面３間の距離
が遠すぎるとき、上限リミットスイッチ７がＯｎとなり
、トーチ２を下降する。この様にしてトーチ２と母材表
面３間の距離を自動的に一定に保つようにしている。

しかし、通常、接触棒４の先端は、アーク８による加熱
・溶融を避け、またスパッタ付着を避けるために、溶接
進行方向に溶融池９から２０ｇＩｒ５以上離れた点を倣
っている。

この様に、実際にアーク８が発生している所とは違う場
所を倣っているので、たとえば、第１０図に示すように
、厚肉管を回転しながら多層溶接している場合などで、
装置ビードのスタート部９に重ねてビードを置く時には
、接触棒４が先に重ね部に到達してそこでトーチ２を上
昇させる信号を形成するので、トーチ２は重ね部に到達
する前に上昇し、このためトーチ２と母材表面３間の間
隔を一定に保つ事ができなくなる。

この問題を解決するためには、接触棒４とアーク８間の
距離と溶接速度を勘案して時間遅れ信号を形成すること
が考えられるが、マイコンを用いた記憶・演算制御が必
要となり、またセンサボディ１とトーチ２は別々に動く
構造としなければならず、複雑かつ高価な制御装置とな
るので、実用されることは希れであった。又、接触棒４
は母材忙急激な凹凸が有ると引掛りを生じてしばしば損
傷することがあった。これらの事から、接触棒４を用い
た上下倣いは、主に大きなうねり的な変化に対応する場
合に有効な手段として使用されている。

他の実用的な上下倣いに、第１１図で説明するアークセ
ンサ法が知られている。アーク用電源の出力電圧および
ワイヤ送給速度を一定に保っておき、ワイヤ１０の突出
し長さｅが増すと、そこでの電圧降下が増すためにアー
ク電流が減少することから。

コンタクトチップ１１と母材３間の距離が長くなったこ
とを検出する方法である。この方法によると。

アーク８発生部でのトーチ２と母材３間の距離を一定に
保つことが出来る。

しかし、実際にはコンタクトチップ１１におけるワイヤ
１０への接触通電点１２と母材３間δ距離を一定に保と
うとするものであることから、ワイヤ１０が通過スるコ
ンタクトチップ１１の穴が摩耗で損傷したり、あるいは
ワイヤ１００曲り癖が変化したりすると、接触通電点１
２の位置が安定せず、それが距離の変化として検出され
てしまい、結局、上下倣いは非常に不安定になることが
あった。このことは、第１２図に示すような波形の塑性
変形をワイヤ１０に与えながら溶接することを特徴とす
る特公昭６０−５０５４４号の狭開先溶接法の場合には
、より一層通電点１２が安定しないために、このアーク
センサ法の適用は困難であった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の従来技術の一つはアーク８発生部から相当に離れ
た点でのトーチ２と母材３間の距離を検出していると言
う問題、そして他の一つはコンタクトチップ１１におけ
るワイヤ１０への通電点１２が始終変化するような波形
に塑性変形したワイヤ１０を用いた狭開先溶接等の場合
には使用出来ないと言う問題があった。

本発明の目的は、前述したような従来技術の欠点を解消
し、簡単な構成でかつ正確に距離が検出できる距離検出
装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の目的を達成するため、本発明は、超音波パルスを
送受信する送受信回路と、送信された超音波パルスを測
定面に案内する中空状の案内管と、その案内管と一体く
設けられた反射基準面部と、前記送受信回路から送信さ
れた超音波パルスの一部が反射基準面部で反射して送受
信回路に到達する時間ならびに超音波パルスの一部が測
定面で反射して送受信回路に到達する時間の差から反射
基準面部と測定面との距離を検出する検出部とを備えて
いることを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

第１図は、本発明の機器の動作原理を説明する為の構成
図である。本発明に使用する超音波回路は、超音波パル
スを形成するための信号発生回路１３、超音波を送受信
する圧電素子１４、受信信号から距離を検知する信号処
理回路１５およびこれらをつなぐ送受信線１６から構成
されている。圧電素子１４がら空中に発信された超音波
パルスは、ホーン部１７を介して案内管１８に入って案
内管１８の端部に到達し、超音波パルスの一部はそと忙
設けられた反射基準面部となる突起部１９に当たって反
射し、案内管１８にそって圧電素子１４に戻ってくる。

残りの超音波パルスは案内管１８の端部から外に出て、
突起部１９の反射面から距離ｇ離れた所にある測定面２
０に当たって反射し、再び案内管１８に戻ってきて、圧
電素子１４に戻ってくる。これ等の戻ってきた超音波パ
ルスは圧電素子１４で受信し、信号処理回路１５にて、
その到達時間差から距離ｇを求めている。

第２図は、圧電素子１４で検出した超音波パルス信号の
測定例を示している。信号の各ピークは送信パルス２１
、ホーン部でのエコー２２、突起部１９カらのエコー２
３および測定面２０からのエコー２４を示している。こ
れ等のうち、送信パルス２１およびホーン部エコー２２
はタイミング的にゲートを掛けて除外し、突起部１９か
らのエコー２３が到達してから測定面エコー２４が到達
するまでの時間Δｔを検出することは容易である。この
様にして、超音波パルス発生部から相当に離れた場所で
あっても、端部に突起部１９を設けた案内管１８を用い
ることによって、突起部１９か、ら測定面２０までの距
離ｇが、空気中の音速をもとに、確度よく求められる。

第３図に狭開先溶接トーチに組込んだ実施例を示す。超
音波パルス発生回路１３は１００ｋＨｚで５波の超音波
パルスを１００ｍ５毎に発生し、圧電素子１４に印加し
ている。ホーン部１７を介して出来るだけ案内管１８内
に強い音波を入れるようにと、外径３０■の圧電素子１
４は凹面を形成している。そしてホーン部１７の側面か
らシールドガスな入れ、内径８−１長さ約３００１１１
１のビニールホースを第一案内管２５として用いて、狭
開先溶接トーチ２６の長さ約２００　ｆｉの先行シール
ドガス管２７を第２の案内管としてつないでいる。先行
シールドガス管２７は内断面積が約２５−でトーチ２６
の厚さを６Ｗ以下にするために楕円形をしているが、そ
のアーク側の出口近傍に高さＩＩＩＩｍの突起部２８を
設けている。

その他は通常用いている特公昭６０−５０５４４号等に
ある狭開先溶接用のトーチと変りなく、先行シールドガ
ス管２７の他、ワイヤ１２を案内するガイドチューブ２
９、その先端に取付けたコンタクトチップ３０．水冷管
３１、および後方シールドガス管３２等の鋼管を一体に
して、トーチ２６を構成している。

圧電素子１４から発射された超音波パルスは実際には軟
らかく、そして超音波に対しては剛体的であるビニール
ホースな超音波の第１案内管２５として用いているので
、圧電素子１４は溶接トーチ２６から少し離れた所に置
くことが出来る。そして先行シールド管２７を第２案内
管として用いているので、超音波はアーク８のごく近い
所にまで案内され、そこでシールド管２７出口と母材３
３間の距離ｇを検知することができる。

狭開先溶接するときには、距離ｇは例えば１５鵡±２１
１１に保つことが要求される。このとき、第２図に示し
た突起部エコー２３と母材３３からのエコー２４との到
達時間間隔は８０ｐｓ程度となっている。実際には、ト
ーチ２６の上下位置をいちいち距離に換算してｇの大小
として考えるのではなく、溶接士は基準となる到達時間
間隔を指定し、その値との大小で、溶接トーチ２６が母
材３３に近付き過ぎているか、離れ過ぎているかを検知
し、溶接トーチ２６を自動的に上下して、所定到達時間
間隔になるように制御している。

超音波の気体中での音速は、温度の影響を大きく受ける
。しかし、２つのパルスの到達時間間隔は極めて短いの
で、案内管２５　、２７内部での温度変化の影響はほと
んど受けない。一方、シールドノズル２７の外部に出て
母材３３から反射してくる途中では、温度変化の影響を
受ける可能性が有る。実際には前方シールドノズル２７
から母材３３に向けて６ｍ１ｓｅｃ程度の流速でシール
ドガスを吹付けていて、その中を超音波パルスが通過す
るので、これＫよっても温度変化の影糧は少なくなって
いる。

尚、シールドガスの流れの中を超音波パルスが往復する
ので、ドツプラー効果に基づく音の伝ばん速度の変化は
、往路と復路とで、相殺されてしまう。第３図の装置を
用いたとき、実際の上下倣いの精度は±２園の範囲に収
まっており、十分に実用することができた。

なお、母材表面での超音波の反射を利用しているので、
母材表面の凹凸が激しいときには、反射波が戻って来な
い場合がある。その時には、次に反射波を検知するまで
、図示していないトーチ駆動制御回路で、トーチを一定
に保持する様に制御している。

また、案内管出口の面積は、反射して戻ってきた超音波
パルスの受入れ口ともなるので、案内管出口の面積が狭
いと、反射パルスの検出能力が小さ（なる。また、測定
する距離ｇが遠すぎても検出できなくなる。上記の実施
例の場合には、検出できる距離は５０１１１１１程度ま
でで有った。

第４図は、本発明を通常の消耗電他アーク用トーチ３４
に組合わせて上下倣い出来る様にした実施例である。第
１図に示した案内管１８をトーチの直ぐ脇に配置してい
る。この場合には、案内管１８にはガスを流す必要はな
い。この様にして、一般のアーク溶接用の上下倣いセン
サとして使用できる。

また、第１図の構成の装置を５０１１１１以下の非接触
方式距離検出センサとして使用することも出来る。

第５図は２組の案内管３５　、３６の先端をトーチ３４
を挾んで直角に配置して直交する２壁面を倣うことＫよ
り、隅肉溶接線の倣いに適用した例である。

第６図ないし第８図は、反射基準面部の変形例を説明す
るための図である。前記実施例に係る反射基準面部（突
起部１９）は案内管１８の開口部付近の内側に環状に設
けたが、第６図の変形例の場合、案内管１８の開口部付
近の内側にほぼ三日月状の突起１９を設けた。

第７図の変形例の場合、案内管１８の一部を内側に切起
こして突起部１９を形成した。第８図の変形例の場合、
案内管１８の開口部から若干外側に連結部材１９ｂを介
して突起部１９ａを設けた。

〔発明の効果〕

本発明は前述のような構成になっており、非接触状態で
距離の検出ができ、しかも構成が簡単でかつ正確に距離
の検出が可能である。特に、前記実施例で示したように
シールドガスノズルを案内管として兼用できるので、狭
開先溶接の上下倣いセンサとして有効である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る距離検出装置の概略構成
図、第２図はその装置の信号波形図、第３図はその装置
の応用例を示す概略構成図、第４図ならびに第５図は例
の応用例を示す説明図、第６図、第７図ならびに＠８図
はその装置の反射基準面部の変形例を示す断面図である
。第９図、第１０図ならびに第１１図は従来の上下倣い
センサの説明図、第１２図は波形ワイヤの平面図である
。 １３・・・・・・信号発生回路、１４・・・・・・圧電
素子、１５・・・・・・信号処理回路、１６・・・・・
・送受信線、１７・・・・・・ホーン部。 １８・・・・・・案内管、１９・・・・・・突起部、２
０・・・・・・測定面。 第１図 第２図 第３図 一名刊糺まｉテ万４司 第４図 第５図 第６図 第７図 〕９ 第８図 ９ａ 第９図 第１０図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）超音波パルスを送受信する送受信回路と、送信さ
   れた超音波パルスを測定面に案内する中空状の案内管と
   、その案内管と一体に設けられた反射基準面部と、前記
   送受信回路から送信された超音波パルスの一部が反射基
   準面部で反射して送受信回路に到達する時間ならびに超
   音波パルスの一部が測定面で反射して送受信回路に到達
   する時間の差から反射基準面部と測定面との距離を検出
   する検出部とを備えていることを特徴とする距離検出装
   置。
2. （２）特許請求の範囲第（１）項記載において、前記反
   射基準面部が案内管の内側に設けられていることを特徴
   とする距離検出装置。
3. （３）特許請求の範囲第（１）項記載において、前記反
   射基準面部が案内管の開口付近に設けられていることを
   特徴とする距離検出装置。
4. （４）特許請求の範囲第（１）項記載において、前記案
   内管内を冷却流体が流通するように構成されていること
   を特徴とする距離検出装置。