JPH0647539A - 溶接開先形状の検知方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 片側壁面の溶接開先に対し、開先形状と位置
の効率的検知を可能ならしめる方法及び装置を提供す
る。 【構成】 溶接部材の一方が壁状の溶接開先を有する溶
接開先形状の検知装置であって溶接機移動台の支持枠１
３に縦距離計１と横距離計２，３とを設けたことを特徴
とする。又横距離計２，３で得る壁面４のの傾き情報と
縦距離計１で得る開先断面の位置情報により開先面の幅
及び深さを測定することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、開先溶接での溶接開先
形状の検知方法及び装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】溶接作業の自動化による省力化及び品質
向上の要請が高まるに従い、溶接開先形状に不整があっ
ても、溶接装置の側でその不整に応じて溶接条件及び溶
接トーチ位置等を調整し、良好な溶接を自動施工するこ
とが必要となってきており、その実現の上で、溶接開先
形状の検知技術が重要な技術的ポイントとなっている。
開先形状検知に関する技術を特公昭５９−６１５７４号
公報が開示している。これにおいては、第１０図に示す
ように、溶接開先上方に突合せ溶接部材３１の表面まで
の距離を検知する縦距離計１を配置し、パルスモータ８
及びボールねじ１０等により縦距離計１を溶接線に対
し、直角方向に横行駆動して、開先部に直接に距離計か
ら発するレーザー等のビームを照射し、横行各位置での
突合せ溶接部材３１の距離（高さ）を測定する。横向方
向の検出距離（高さ）分布が開先の断面形状を現わす。
すなわち、このように縦距離計１を溶接線（開先の長手
方向）に対し直角方向に移動させて開先形状を検知する
方法は、図１０に示すように、Ｖ，Ｘ開先などの突合せ
溶接部材３１の開先形状を検知する際には、溶接線方向
に直角な断面３２と溶接開先面および溶接部材上面の交
わる直線３３にたいして、溶接開先の距離（高さ）情報
がほぼ全線（３３）で得られる為、前記断面３２での開
先形状すなわち開先の横断面形状を精度よく測定するこ
とができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
開先形状検知の技術を、図１１に示すような、開先の片
側部材が壁状の溶接部材Ｍｖであるときの溶接開先、あ
るいは、図１２に示すような段差を有する溶接開先、に
適用した場合、以下のような問題がある。

【０００４】すなわち、壁状の溶接部材Ｍｖと突合せ溶
接部材Ｍｈで形成される溶接開先に適用した場合には、
図１１に示すように縦距離計１の移動の際に、縦距離計
１と壁状の溶接部材Ｍｖの壁面４とが干渉し、そのた
め、図中ａ部での溶接開先の位置・形状（深さと幅）を
測定することができない。また、壁面４と縦距離計１の
衝突についても、初めに縦距離計１と壁面４が衝突しな
い範囲で移動範囲を設定しておいても、溶接進行にとも
ない溶接部材の曲りなどにより壁面位置（横方向）がず
れる場合が多く、縦距離計１が壁面４に衝突し損傷する
ことに繋がる。

【０００５】また、大きな段差を有する溶接開先でも、
縦距離計１の計測可能範囲にたいし壁の高さが低い場合
には、図１２に示すように、開先の両側を跨ぐ範囲で縦
距離計１を移動させることが可能であるが、測長レンジ
の大きい距離計は高価である上に、サイズ，重量が大き
くなる為、開先検知装置がサイズ増，重量増となり、溶
接作業時の距離計のセッテング性（正確な位置決め）を
不良にする。また、測定精度においても、とくに壁面４
が傾斜していた場合には、壁面４側は壁状の溶接部材Ｍ
ｖの上端面３４の位置（高さ）しか精度良く検出できな
いため、縦距離計１の情報から推定される開先幅は誤差
が大きくなり、開先形状を正しくかつ精度良く測定する
ことができない。

【０００６】かかる問題により、開先の片側部材が壁
状，大きな段差，傾斜している等の溶接部材Ｍｖの溶接
施工において、開先形状にバラツキがある（開先長手方
向で開先断面形状が不均一）場合に、前記特公昭５９−
６１５７４号公報に開示された従来の開先センサーで開
先形状（とくに開先幅寸法）を検知し、それをもとに溶
接条件および溶接トーチ位置を適正値にコントロールし
て溶接施工することができなくなり、溶接品質・効率の
確保に大きな支障をきたす。

【０００７】本発明は、横断幅方向の全長に渡って上述
の如き開先形状検出が困難な、一方が壁状の溶接部材で
形成される開先の形状を、正しく計測することを目的と
する

【０００８】。

【課題を解決する為の手段】本願発明では、一方が壁状
の溶接部材(Mv)で形成される溶接開先の側方に配設した
横距離計(2,3)により、前記壁状の溶接部材(Mv)の傾き
情報と、横距離計(2,3)から該壁状の溶接部材(Mv)まで
の位置情報を得、該壁状の溶接部材(Mv)までの位置情報
に基づいて、開先の上方に配設した縦距離計(1)を、該
壁状の溶接部材(4Mvに干渉することなく横行させて開先
断面の位置情報を得て、前記壁状の溶接部材(Mv)の傾き
情報と、前記開先断面の位置情報により、開先面の幅及
び深さを得る。なお、カッコ内の記号は、図面に示す本
発明を実施する装置の対応要素を示す。

【０００９】

【作用】横距離計(2,3)で壁状の溶接部材(Mv)の縦方向
複数箇所の横方向距離を検知することにより、壁面(4)
の位置および傾きが分かる。特に、溶接部材(Mv)の壁面
(4)は鋼板の圧延面である場合がおおく、非常に良好な
信号が得られ、高い精度と信頼性での推定が可能であ
る。

【００１０】上記での壁面(4)の位置および傾き情報よ
り、縦距離計(1)の横行移動面での最新の開先壁面位置
を推定できるので、縦距離計(1)を横行移動させる際に
適正な横行移動位置あるいは範囲を逐次設定して、縦距
離計(1)と開先壁面(4)の干渉衝突を回避しつつ縦距離計
(1)で開先内空間を規定する面(4〜7)の位置すなわち開
先横断面形状を測定することができる。しかして、縦距
離計(1)の該干渉衝突回避のため縦距離計(1)で位置情報
を得ることができない開先底(7)のある範囲は、縦距離
計(1)で得られた位置情報と横距離計(2,3)で得た壁面位
置情報を用いて、推定(外挿)演算により得ることができ
るので、開先内空間を規定する全面(4〜7)の位置すなわ
ち開先横断面全形状を容易に得ることができる。

【００１１】

【実施例】図１から図３に、本発明を実施する装置の一
実施例を示す。図１において、突合せ溶接部材Ｍｈの上
面６と実質上平行に、紙面と垂直な方向に移動しうる図
示しない溶接移動機構本体（溶接移動台）に、姿勢調整
機構を介して支持された支持枠１３に、ボ−ルねじ１０
が回転自在に支持されている。このボ−ルねじ１０はパ
ルスモ−タ８で正，逆転駆動される。ボ−ルねじ１０に
は距離計支持部材１１がねじ結合しており、パルスモ−
タ８の正転によりボ−ルねじ１０が正転すると支持部材
１１は、壁状の溶接部材Ｍｖの壁面４に近づく方向（左
方）に移動し、パルスモ−タ８の逆転によりボ−ルねじ
１０が逆転すると支持部材１１は、壁状の溶接部材Ｍｖ
の壁面４より離れる方向（右方）に移動する。この支持
部材１１に縦距離計１が装着されており、縦距離計１
が、それからその下方の物体（突合せ溶接部材Ｍｈ又は
裏当部材Ｍｒ）までの距離すなわち物体の高さを検出す
る。横距離計２および３は距離計支持部材１２に装着さ
れており、この支持部材１２は支持枠１３に固着されて
いる。横距離計２および３は、それからその左方の物体
（壁状の溶接部材Ｍｖの壁面４）までの距離すなわち物
体の水平方向位置を検出する。これらの距離計１〜３
は、例えば半導体レーザー方式の光変位計を用いる。

【００１２】ボールねじ１０には、回転方向検知回路を
備えるロ−タリエンコーダ９が連結されており、このエ
ンコ−ダ９が、回転方向を示す信号と、ねじ１０の所定
小角度の回転につき１パルスの回転同期パルスをカウン
タＰＣ１に与える。図示しないホ−ムポジションセンサ
が支持部材１１の移動経路上の待避位置（移動範囲の右
端）にあり、支持部材１１が該待避位置に到達するとホ
−ムポシジョンセンサがカウンタＰＣ１にクリア指示信
号を与える。カウンタＰＣ１は、ロ−タリエンコ−ダ９
が正転を示す信号を与えているときには回転同期パルス
をカウントアップし、逆転を示す信号を与えているとき
にはカウントアップする。支持部材１１が待避位置にあ
るときとホ−ムポシジョンセンサのクリア指示信号でカ
ウント値がクリア（カウント値＝０）されるので、カウ
ンタＰＣ１のカウント値は、支持部材１１が待避位置か
ら左方にどれだけ進んだ位置にあるかを示す。すなわ
ち、カウンタＰＣ１のカウントデ−タが、縦距離計１
の、開先を横切る方向の位置を表わす。

【００１３】なお、図１０に示すＶ開先などにも適用し
うるように、縦距離計１は支持部材１１よりも左方に突
出されており、縦距離計１は、ボ−ルねじ１０の左端よ
りも更に左方に移動しうる。また、縦距離計１は、図示
しない２組の角度調節機構を介して支持部材１１に支持
され、紙面に平行で壁面４に垂直な軸を中心とする回転
角、また紙面に垂直な軸を中心とする回転角を調整しう
る。これらの調整により、縦距離計１の検出方向を、突
合せ溶接部材Ｍｈの上面６に垂直に、あるいは壁面４に
平行に設定しうる。

【００１４】同様に、横距離計２，３も、図示しない２
組の角度調節機構を介して支持部材１２で支持され、紙
面に平行で上面６に垂直な軸を中心とする回転角、また
紙面に垂直な軸を中心とする回転角を調整しうる。これ
らの調整により、横距離計２，３の検出方向を、突合せ
溶接部材Ｍｈの上面６に平行に、あるいは壁面４に垂直
に設定しうる。

【００１５】横距離計２，３は、図２に示すように、縦
距離計１の、待避位置から左方限界位置までの移動を妨
げない位置にあり、しかも、少くとも、ボ−ルねじ１０
の左端から縦距離計１の左方限界位置の間の距離を正確
に測定する設定となっている。

【００１６】以上示した構成のもと、マイクロプロセッ
サ（ＣＰＵ）を主体とするデ−タ処理装置（コンピュ−
タ）ＤＰＤが、横距離計２，３で測定した開先壁面４の
横方向距離（位置）情報および、縦距離計１をこの横方
向距離情報に従って待避位置（支持部材１１の待避位置
対応）から壁面４に当る直前まで横行移動させた際の縦
距離計１の距離（高さ；溶接開先深さ）情報を収集す
る。すなわち、距離計１〜３の信号を、Ａ／Ｄ変換器Ａ
Ｄ１〜ＡＤ３やカウンタＰＣ１等インターフェーイスを
介して、ＣＰＵに取り込む。縦距離計１の横行駆動は、
ＣＰＵよりモータドライバＭＤ１にパルス駆動信号を送
ることにより行なう。

【００１７】以上示した装置を用いた溶接開先の位置・
形状の測定を、次に説明する。まず、片壁を有する溶接
開先１４に対し、ボールねじ１０および縦距離計１が壁
面４から余裕のある横方向位置にセットし、次にボ−ル
ねじ１０が開先壁面４とほぼ垂直（突合わせ溶接部材Ｍ
ｈの上面６とほぼ平行）になる方向に傾き、そして縦距
離計１の計測可能範囲（高さ方向）が突き合わせ部材上
面６と開先底７を十分におおう高さとなるように、図示
しない溶接移動台に支持された支持枠１３の姿勢を調整
する（図１に示す、突合せ溶接部材Ｍｈの上面６が実質
上水平の場合には、調整レンジの中心位置（０目盛）
で、ボ−ルねじ１０が水平、支持部材１１，１２が垂直
となる）。そして上述の距離計の角度調節機構により、
横距離計２，３の検出方向を上面６に平行に、縦距離計
１の検出方向を上面６に垂直に、微調整する（図１に示
す、突合せ溶接部材Ｍｈの上面６が実質上水平の場合に
は、調整レンジの中心位置（０目盛）で、縦距離計１の
検出方向が垂直、横距離計２，３の検出方向が水平にな
る）。

【００１８】突合せ溶接部材Ｍｈの上面６が実質上水平
の場合の、支持枠姿勢がその調整レンジの中心位置（０
目盛）であって、距離計１〜３の角度調節がその調節レ
ンジの中心位置（０目盛）であることが基準であり、オ
ペレ−タは、これらの値を０とは異なる値に調整した場
合には、操作ボ−ドよりデ−タ処理装置ＤＰＤに調整値
を入力する。

【００１９】デ−タ処理装置ＤＰＤは、次の通り開先形
状の計測および算出を行う。まず、開先壁面４に対向す
る横距離計２，３の信号をＡ／Ｄ変換器ＡＤ２，ＡＤ３
をかいしＣＰＵに取り込み、図３に示すように、２個の
横距離計２，３の位置と検知距離信号から全体座標系の
なかでの検知点ａ，ｂを推定し、計測断面でこれらａ，
ｂを通る開先壁面の直線式を求める。次に、該直線式を
もとに縦距離計１の高さでの開先壁面４の横位置を算出
し、壁面４と縦距離計１が干渉しない条件のもとで想定
される開先上面幅寸法を考慮し、縦距離計１の適正な横
行移動範囲（左行限界位置）を設定し、そこまで縦距離
計１を左行駆動する。

【００２０】縦距離計１が所定短距離左行する毎に、縦
距離計１の、開先深さ方向の距離信号をＡ／Ｄ変換器Ａ
Ｄ１を介して、また縦距離計１の横方向の位置信号すな
わちカウンタＰＣ１のカウントデ−タを、逐次ＣＰＵに
取り込む。

【００２１】これらの信号群に対しＣＰＵで、最小２乗
法の手法を用い、全体座標系のなかでの、突合せ溶接部
材Ｍｈの上面６の直線近似式，突合せ溶接部材Ｍｈの開
先面５の直線近似式、および、開先底７すなわち裏当て
部材Ｍｒの上面の直線近似式を求める。

【００２２】以上算出した、壁状の溶接部材Ｍｖの開先
壁面４，突合せ溶接部材Ｍｈの上面６，突合せ溶接部材
Ｍｈの開先面５、および開先底７の、全体座標系のなか
での直線式をもとに、図３に示すように、開先の形状特
徴をしめす４点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの座標を算出して、溶接
開先１４の位置と形状（幅・深さ）を算出する。以上
が、距離計１〜３を、溶接開先１４の長手方向（図１紙
面に垂直な方向）のある位置においた開先形状の測定で
ある。

【００２３】溶接移動台に支持された支持枠１３および
それに装備された上述の距離測定機器２４を、該溶接移
動台を溶接開先１４の長手方向（図１紙面に垂直な方
向）に低速で連続移動させつつ、あるいは所定距離の移
動と停止を繰返しつつ、溶接開先１４の長手方向ほぼ全
長に渡って行なう。

【００２４】尚、上述の実施例において、縦距離計１の
下方に配置した横距離計２，３は、垂直方向に２段配設
したが、別の方法として１段配設し、該１段の横距離計
を縦方向に移動させて、縦方向各位置で横距離を測定し
てもよい。

【００２５】図４から図８に、本発明を実施する装置の
もう１つの実施例を示す。図４において、縦距離計１は
図１に示す態様と同様に、支持部材１１に装備されてい
る。図１に示す態様とは異って横距離計２，３は、縦距
離計１と同じく、角度調節機構を介して支持部材１１に
装備され、しかも縦方向で縦距離計１の上側と下側に配
置されている。図５にこの位置関係を示す。したがっ
て、横距離計２，３は縦距離計１と一体で横行移動す
る。ここで、縦距離計１には、例えば計測レンジの大き
い（±４０ｍｍ〜±１０ｍｍ）半導体レーザー方式の光
変位計を用い、横距離計２，３には、計測レンジは短い
が（２０ｍｍ以下）小型で、かつ面の検知には最適の磁
気センサーを用いる。測定機構のその他の構成は、図１
に示す上述のものと同様である。

【００２６】以上示した構成のもと、横距離計２，３の
開先壁面４までの距離情報および、縦距離計１を開先情
報で横行移動させた際の縦距離計からの溶接開先深さ方
向の距離情報と縦距離計の位置情報を収集する。これら
の信号は、Ａ／Ｄ変換器やパルスカウンター等のインタ
ーフェイスを介して、ＣＰＵに取り込む。また、縦距離
計の移動はＣＰＵよりモーターコントロール装置に信号
を送り、移動量をコントロールする。

【００２７】この実施例では、デ−タ処理装置ＤＰＤ
は、ＣＰＵよりモータドライバに指令を出し、待避位置
（右限界位置）から開先壁面４方向に向って、縦・横距
離計１，２，３を移動させる。縦距離計１を横行させる
際に得られる開先深さ方向の距離信号をＡ／Ｄ変換器Ａ
Ｄ１を介し、そして縦距離計１の横方向位置を表わすカ
ウンタＰＣ１のカウント値を、逐次ＣＰＵに取り込む。
図７に、その情報のプロット図を示す。

【００２８】デ−タ処理装置ＤＰＤには、縦・横距離計
１〜３の開先壁面４への接近限界、つまり、横距離計
２，３の検知する距離信号のリミット値が設定されてお
り、上記動作の中で、同時に横距離計２，３の距離信号
をＡ／Ｄ変換器ＡＤ２，ＡＤ３を介してモニターし、検
知距離がリミット値に達っした際にＣＰＵに割り込み信
号を与える。ＣＰＵは、この信号（距離計２，３が壁面
接近限界に到達した）に応答して、モータドライバＭＤ
１に停止指令を送りモータを停止させる。次に、図６に
示すように、カウンタＰＣ１のカウント値（横位置：横
軸）と、横距離計２，３の信号（各検知距離ａ，ｂ）を
ＣＰＵに取り込んでラッチ（メモリに保持）しモータド
ライバＭＤ１に戻り駆動指令を送り、距離計１〜３を退
避位置に戻す。

【００２９】開先形状の算出では、図８に示すように、
２個の横距離計２，３の位置と検知距離信号からの全体
座標系のなかでの検知点ａ，ｂを推定し、計測断面でこ
れらａ，ｂを通る開先壁面の直線式を求める。次に、横
行移動時に縦距離計１が検知した信号群（図７）に対し
ＣＰＵで、最小２乗法の手法を用い、図８に示すよう
に、全体座標系のなかでの、突合せ溶接部材Ｍｈの上面
６の直線近似式，突合せ溶接部材Ｍｈの開先面５の直線
近似式、および開先底７の直線近似式を求める。以上算
出した、壁状の溶接部材Ｍｖの開先壁面４，突合せ溶接
部材Ｍｈの上面６，突合せ溶接部材Ｍｈの開先面５およ
び開先底７の全体座標系のなかでの直線式をもとに、開
先の形状特徴をしめす４点Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの座標を算出
して、溶接開先の位置と形状（幅・深さ）を算出する。

【００３０】以上が、距離計１〜３を、溶接開先１４の
長手方向（図１紙面に垂直な方向）のある位置においた
開先形状の測定である。

【００３１】溶接移動台に支持された支持枠１３および
それに装備された上述の距離測定機器２４を、該溶接移
動台を溶接開先１４の長手方向（図１紙面に垂直な方
向）に低速で連続移動させつつ、あるいは所定距離の移
動と停止を繰返しつつ、溶接開先１４の長手方向ほぼ全
長に渡って行なう。

【００３２】

【発明の効果】本発明は、以下に記載するような効果を
奏する。

【００３３】(1) 片壁形状あるいは大きな段差、特に壁
面が逆傾斜を有する溶接開先に対し、溶接開先位置・形
状（幅・深さ寸法）を効率的に正確に測定できる。

【００３４】(2) 本発明の開先形状測定装置の実現によ
り、溶接進行中に溶接条件および溶接トーチ位置を制御
して施工する自動溶接システムに正確な開先位置・形状
情報をインプットすることが可能になり、特に開先形状
にバラツキを有するワークに対して溶接作業を効率的に
高品質にすることが可能となる。

【００３５】このように実用的効果は、非常に大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を実施する装置の一実施例を示すブロ
ック図である。

【図２】 図１に示す距離測定機構２４の側面図であ
る。

【図３】 図１に示す縦距離計１と横距離計２，３で得
た距離デ−タで表わされる開先形状を示すグラフであ
る。

【図４】 本発明を実施する装置のもう１つの実施例を
示すブロック図である。

【図５】 図４に示す距離測定機構２４の側面図であ
る。

【図６】 図４に示す横距離計２，３で得た距離情報を
示すグラフである。

【図７】 図４に示す縦距離計１で得た距離情報を示す
グラフである。

【図８】 図６および図７に示す距離情報から得られる
開先形状を示すグラフである。

【図９】 片側壁面の開先形状を有する溶接部材の斜視
図であり、（ａ）は壁状の溶接部材が円筒材で突合せ溶
接部材がフランジ材である場合を、（ｂ）は壁状の溶接
部材および突合せ溶接部材が共に鋼板である場合を示
す。

【図１０】 従来の、Ｖ開先形状検出態様を示す斜視図
である。

【図１１】 従来の開先形状測定を片壁開先に適用した
場合の横断面図である。

【図１２】 従来の開先形状測定を段差の大きい開先に
適用した場合の横断面図である。

【符号の説明】

Ｍｈ：突合せ溶接部材 Ｍｖ：壁状の溶接
部材 Ｍｒ：裏当て部材 １：縦距離計 ２：横距離計（上
側） ３：横距離計（下側） ４：壁面 ５：突合せ溶接部材の開先面 ６：突合せ溶接部
材の上面 ７：開先底面 ８：パルスモータ ９：ロ−タリエンコーダ １０：ボールねじ １１：距離計支持部材 １２：距離計支持
部材 １３：支持枠 １４：溶接開先 ２１：横距離計２，３の検知情報 ２２：縦距離計１
の検知情報 ２３：壁面４への接近限界位置 ２４：距離測定機
構 ３１：溶接部材 ３２：溶接方向に
直角な断面 ３３：断面３２と溶接開先の交わる直線 ３４：壁状の溶接部材の上面

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一方が壁状の溶接部材で形成される溶接開
   先の側方に配設した横距離計により、前記壁状の溶接部
   材の傾き情報と、横距離計から該壁状の溶接部材までの
   位置情報を得、 該壁状の溶接部材までの位置情報に基づいて、開先の上
   方に配設した縦距離計を、該壁状の溶接部材に干渉する
   ことなく横行させて開先断面の位置情報を得て、 前記
   壁状の溶接部材の傾き情報と、前記開先断面の位置情報
   により、開先面の幅及び深さを得る、溶接開先形状の検
   知方法。
2. 【請求項２】壁状の溶接部材で形成される溶接開先の長
   手方向に移動しうる移動機構本体で支持され溶接開先を
   横切る方向に移動しうる縦距離計，前記移動機構本体で
   支持され前記壁状の溶接部材の距離を検出する横距離
   計、および、前記縦距離計および横距離計の検出値に基
   づき溶接開先の横断面情報を生成するデ−タ処理装置、
   を備える溶接開先形状の検知装置。
3. 【請求項３】壁状の溶接部材で形成される溶接開先の長
   手方向に移動しうる移動機構本体で支持され溶接開先を
   横切る方向に移動しうる支持部材，該支持部材で支持さ
   れた縦距離計，前記支持部材で支持され前記壁状の溶接
   部材の距離を検出する横距離計、および、前記縦距離計
   および横距離計の検出値に基づき溶接開先の横断面情報
   を生成するデ−タ処理装置、を備える溶接開先形状の検
   知装置。