JPH09271948A - 自動溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高精度な溶接線倣いのできる自動溶接装置を提
供する。 【解決手段】配管全周にわたって、開先部の一部に溶接
トーチ２１を位置決めし、溶接トーチ２１で位置決めし
た点をセンサで検出し、配管全周にわたって両者の差を
演算記憶しておき、溶接トーチ２１の制御時にセンシン
グ情報を記憶値を用いて補正する位置ずれ補正機能を備
える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は自動溶接装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】配管，圧力容器などの製作では、厚板の
溶接を実施する必要があり、多層多パス溶接を行う必要
がある。また、これらの圧力容器，配管等は高温高圧で
使用される場合が多く高い溶接品質レベルが要求され
る。これらの高品質の溶接は従来長い経験を積んだ熟練
した溶接士が割れなどの溶接欠陥の少ないＴＩＧ溶接で
施工することにより実施されている。

【０００３】従来の手動ＴＩＧ溶接では、３〜４人の溶
接士が一グループとなり、溶接ビードの状態や溶接熱に
よる開先の変形などをみて溶接電流などの溶接条件の監
視・変更やトーチを溶接線に倣うべく溶接トーチ位置を
溶接士が最適位置に動かしていた。このため、溶接品質
が溶接士の技量に負うところが多かった。また、放射能
の被爆量の低減のために、作業時間が１〜２時間／１日
・一人に制限されることがあり、溶接作業の効率が低か
った。これらの理由から、溶接品質の向上と共に、溶接
作業の高効率化が望まれている。

【０００４】従来、溶接品質を向上させると共に、溶接
作業の効率向上手段は、特開平5−138354号公報に開示
されている溶接自動倣い装置がある。

【０００５】従来例は、溶接トーチの進行方向前方の開
先内の光切断像を得てレーザスリット光発光部を設け、
レーザスリット光発光部より進行方向前方にあって溶接
トーチと光切断像及び溶融池を含む溶接情報を検出する
カメラにより、開先形状（溶接線）を計算し、溶接トー
チを溶接線に倣わせる。

【０００６】また、特開平5−138354 号公報の中で、溶
接トーチの進行方向前方にレーザ変位センサを設け、そ
のセンサにより開先形状（溶接線）を検出・記憶してお
き、そのセンシング位置に溶接トーチが達したなら先に
記憶しておいた溶接線の位置をフィードバックして溶接
トーチを溶接線に倣わせる制御方式が述べられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、第１の従来例
では、溶接トーチと開先内の光切断像を同時にカメラで
みる必要があるため、広いカメラ視野を必要とし、開先
情報（溶接線）を精度良く検出できないという問題と、
溶接アーク光と光切断像の切り分けが非常に難しいとい
う問題点がある。

【０００８】また、第２の従来例では、特開平5−13835
4 号公報の中でも述べているように、なんらかの理由に
よって生じた溶接トーチとセンサの間の位置ずれを補正
することができない。特に、配管を全周にわたって溶接
する場合には、センシング時の溶接ヘッドの角度（姿
勢）とセンシング情報に基づき溶接トーチ位置を制御す
るときの溶接ヘッドの角度（姿勢）が変わるため、セン
シング時と溶接トーチ位置の制御時で、センサと溶接ト
ーチの間の位置ずれが生じ、センサからの開先情報（溶
接線）をフィードバックして溶接トーチ位置を制御して
も、溶接倣い誤差が大きいという問題点があった。

【０００９】本発明の目的は、高精度な溶接線倣いので
きる自動溶接装置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、次に示す自動溶接装置を提案する。

【００１１】すなわち、溶接トーチと、溶接トーチを３
次元的に駆動する走行台車と、溶接トーチの進行方向前
方に設けられた溶接線検出センサと、溶接線検出センサ
のセンシング情報をフィードバックして溶接トーチ位置
を制御する統括制御装置を備える自動溶接装置で、配管
全周にわたって、開先部の一部に溶接トーチを位置決め
し、その溶接トーチで位置決めした点を前記センサで検
出し、配管全周にわたって両者の差を演算記憶してお
き、溶接トーチの制御時にセンシング情報を前記記憶値
を用いて補正する位置ずれ補正機能を具備したことを特
徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例について詳述する。

【００１３】図１乃至図２は本発明の自動溶接装置の実
施例の構成を示す図であり、図１は本発明の自動溶接装
置の実施例の構成を示す斜視図であり、図２は本発明の
自動溶接装置の実施例の溶接ヘッドの構成を示す説明図
である。

【００１４】図１で、１は被溶接材（配管）であり、多
層盛溶接により接合される。２は被溶接材２に設置され
たレール、３はレールに取り付けられた溶接ヘッドであ
り、溶接トーチ及び溶接トーチ駆動機構などから構成さ
れている。溶接ヘッドの詳細については後述する。４は
溶接線の位置を検出するための視覚センサヘッドであ
り、例えば、光切断式の非接触センサのレーザ投光器と
カメラから成っている。５は溶接ワイヤであり、図示し
ないワイヤ駆動装置により、溶接トーチの近傍に供給さ
れる。６は画像処理装置であり、視覚センサヘッド４内
のカメラ画像を取り込み処理して、溶接線の位置を検出
する。７は溶接電源、８は溶接制御装置であり、溶接ト
ーチ駆動機構及び溶接電源７を制御し、被溶接材１の溶
接を行う。９は統括制御装置で、パーソナルコンピュー
タ等で構成されており、多層盛溶接を行うための溶接ト
ーチの左右位置を予め演算しておく機能，その溶接トー
チの左右位置の指令値と画像処理装置６から得られる溶
接線の位置の差から溶接トーチの移動量を溶接制御装置
８へ出力する溶接線倣い制御機能，溶接線倣い誤差を補
正する位置ずれ補正機能等を備えている。なお、溶接線
倣い制御は、溶接トーチより一定距離だけ先行したセン
サ位置（図２参照）で得た溶接線の位置情報を基に、溶
接トーチがセンシング位置に達したときにその溶接線の
位置をフィードバックする遅延倣い制御である。そし
て、１０〜１３はそれぞれの装置を結ぶ配線である。

【００１５】図２は溶接ヘッドの構成を示したものであ
る。図２で、２０はレール２に取り付けられた走行台
車、２１は溶接トーチ、２２は走行台車２０に設置され
た上下軸駆動機構であり、溶接トーチ２１と視覚センサ
ヘッド４を上下方向（配管の半径方向）に駆動する。２
３は左右軸駆動機構であり、溶接トーチを左右方向（配
管の長手方向）に駆動する。次に、位置ずれ補正機能に
ついて説明する。

【００１６】図３は本発明の位置ずれ補正機能の処理内
容を示すフローチャートである。なお、位置ずれ補正機
能は統括制御装置９の内部に有している。

【００１７】まず、手順３０で走行台車２０を駆動し、
溶接ヘッド３をある位置に位置決めする。次に、手順３
１で溶接トーチ２１の先端を溶接線、例えば、図２のイ
ンサートリング２４の中心に合わせる。なお、手順３
０，３１は統括制御装置９のキーボードや図示しないペ
ンダント式入力装置などを用いて作業者が行う。次に、
手順３２で溶接トーチ２１の左右方向の位置と走行台車
の走行位置のデータを取り込み、メモリに記憶する。そ
して、手順３３でデータの取り込みがすべて完了したか
を判定するが、最初は当然ながら完了していないので、
処理は再び手順３０に戻る。そして、手順３０〜３３を
繰返し、走行位置０度以下から３６０度以上の範囲で、
例えば２０点位の走行位置と溶接トーチ位置のデータ群
（１）を取得し、処理は手順３４に移る。

【００１８】データ群（１）＝(θ₁₀，ｘ₀)，(θ₁₁，ｘ
₁)，(θ₁₂，ｘ₂），… 次に、手順３４でデータ群（１）を多項式近似し、近似
式を得た後、処理は手順３５に移り、統括制御装置９の
モニタ部に走行位置に対する溶接トーチ位置及び多項式
近似した近似値を表示する。図４（ａ）にその一例を示
す。その表示されたデータを作業者が調査して、データ
の修正がないか否かを手順３６で判定する。これは、多
項式近似によって得られた値から大きく外れているデー
タは、手順３１での溶接トーチ２１の位置合わせ誤差が
大きかったものであり、その誤差により、真の多項近似
式を得ることができないために行うものである。この判
定により、修正データありと判断されたならば、処理は
手順３７に移り、データ群（１）の中から溶接トーチ２
１の位置合わせ誤差が大きいデータを削除する。次に、
手順３０〜３２と同様の手順３８〜４０によって、新た
なデータを取得する。そして、手順４１でデータの修正
が完了したかどうか調べ、修正が完了していなければ、
処理は手順３７に戻り、再度データの修正を行う。そし
て、手順４１で修正が完了したと判断されたならば処理
は手順３４に移り、再度走行位置に対する溶接トーチ位
置のデータ群を多項式近似し、手順３５でデータの表示
を行い、手順３６で再度データの修正があるかどうか判
定する。もし、データの修正がないと判断されたなら処
理は手順４２に移る。

【００１９】手順４２で溶接ヘッド３を一定速度で駆動
させる。そして、手順４３で画像処理装置６へ溶接線位
置、例えば、図２のインサートリング２４の中心の検出
指令を出力する。次いで、手順４４で走行位置のデータ
と画像処理装置６から溶接線の位置データを取り込み、
メモリに記憶する。

【００２０】なお、走行位置のデータは溶接トーチと視
覚センサ間の距離を補正してメモリに記憶している。

【００２１】そして、手順４５で溶接ヘッド３が配管を
一周したかどうかを判定するが、最初は当然ながら完了
していないので、処理は再び手順４３に戻る。そして、
手順４３〜４５を繰返し、配管一周にわたって走行位置
と溶接線位置のデータ群（２）を取得し、処理は手順４
６に移り、溶接ヘッドを停止させる。

【００２２】データ群（２）＝(θ₂₀，ｙ₀)，(θ₂₁，ｙ
₁)，(θ₂₂，ｙ₂），… 次に、手順４７でデータ群（２）を多項式近似し、近似
式を得た後、処理は手順４８に移り、統括制御装置９の
モニタ部に走行位置に対する溶接トーチ位置及び多項式
近似した近似値を表示する。図４（ｂ）にその一例を示
す。その表示されたデータを作業者が調査して、削除す
べきデータがないか否かを手順４９で判定する。これ
は、多項式近似によって得られた値から大きく外れてい
るデータは、手順４３での画像処理装置６による溶接線
位置の検出誤差が大きかったものであり、その誤差によ
り、真の多項近似式を得ることができないために行うも
のである。この判定により、修正データありと判断され
たならば、処理は手順５０に移り、データ群（２）の中
から検出誤差が大きいデータを削除する。そして、手順
５１でデータの削除が完了したかどうか調べ、削除が完
了していなければ、処理は手順５０に戻り、再度データ
の削除を行う。そして、手順５１で修正が完了したと判
断されたならば処理は手順４７に移り、再度走行位置に
対する溶接トーチ位置のデータ群を多項式近似し、手順
４８でデータの表示を行い、手順４９で再度データの削
除の必要があるかどうか判定する。もし、データ削除の
必要がないと判断されたなら処理は手順５２に移る。

【００２３】手順５２では、溶接ヘッド３の走行位置の
一定間隔、例えば、２度間隔で、手順３４及び手順４７
で求めた走行位置に対する近似溶接トーチ位置と近似溶
接線位置の差を計算し、走行位置０〜３６０度について
の位置ずれ補正用データをファイルへ記録する。位置ず
れ補正用データの一例を図４（ｃ）に示す。

【００２４】次に、位置ずれ補正用データを用いた溶接
線倣い制御について説明する。図５に溶接線倣い制御の
ブロック線図を示す。

【００２５】図５で、６０は多層盛溶接を行うための各
層における溶接トーチ位置の指令値、６１は減算器、６
２は加算器、６３は視覚センサヘッド４と画像処理装置
６によって得られた溶接線検出値を一時記憶するメモリ
であり、視覚センサヘッド４の走行位置で得た検出値
を、溶接トーチがセンシング位置に達したときにその検
出値を加算器に出力する。６４は位置ずれ補正用データ
であり、溶接ヘッドの走行位置に応じて、図４（ｃ）の
補正値を加算器６２へ出力する。６５は、減算器６１の
出力値を指令位置として溶接トーチ位置を制御する溶接
トーチ位置制御ブロックである。なお、６０〜６４は、
統括制御装置９内のソフトウエアで構成されている。次
に、溶接線倣いの動作を説明する。

【００２６】インサートリング２４の中心等溶接線位置
の検出値と位置ずれ補正用データ６４を加算器６３で加
算する。そして、溶接トーチ位置指令値６０と加算器６
２の出力との差を減算器６１で演算し、その偏差により
溶接トーチの位置を制御する。

【００２７】以上説明したように、位置ずれ補正データ
を作成し、そのデータを用いて溶接線倣い制御を行うこ
とにより、視覚センサヘッドと溶接トーチの取り付け部
の位置関係が変化しても、高精度な溶接線倣いを実現で
きる。

【００２８】なお、位置ずれ補正データは、溶接ヘッ
ド，視覚センサヘッドを組み上げたときに一度作成すれ
ば、その後は配管が変わっても作成しなくてもよい。但
し、配管の角度（水平からの角度）が変化すると、溶接
ヘッド，視覚センサヘッドに加わる重力の方向が変わる
ので、配管の角度が大きく変わるときは、配管ごとに位
置ずれ補正データを作成することが望ましい。

【００２９】また、図３の実施例における説明では、溶
接線の例としてインサートリング２４の中心を用いて説
明したが、開先の肩でも良いことは明らかである。

【００３０】さらに、一旦データを取得した後、データ
の修正，削除を行っているが、トーチの位置決めや溶接
線の検出精度が高精度で行えれば、修正，削除の手順は
必要がないことは明らかである。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、配管を一周するときの
視覚センサヘッドと溶接トーチの取り付け部の位置関係
のずれに起因する溶接線倣い誤差をなくすことができる
ので、高精度な溶接線倣いを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動溶接装置の実施例の構成を示す斜
視図。

【図２】本発明の自動溶接装置の実施例の溶接ヘッドの
説明図。

【図３】本発明の位置ずれ補正機能の処理内容を示すフ
ローチャート。

【図４】本発明の位置ずれ補正機能を動作させたときの
特性図。

【図５】本発明の溶接線倣い制御のブロック図。

【符号の説明】

１…被溶接材、３…溶接ヘッド、４…視覚センサヘッ
ド、６…画像処理装置、８…溶接制御装置、９…統括制
御装置、２０…走行台車、２１…溶接トーチ、２２…上
下軸駆動機構、２３…左右軸駆動機構、３０〜５２…手
順、６０…溶接トーチ位置指令値、６３…メモリ、６４
…位置ずれ補正用データ、６５…溶接トーチ位置制御ブ
ロック。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 羽田 光明 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 小林 正宏 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 上原 壮夫 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内 (72)発明者 日野 英司 茨城県日立市幸町三丁目１番１号 株式会 社日立製作所日立工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】溶接トーチと、上記溶接トーチを３次元的
   に駆動する走行台車と、上記溶接トーチの進行方向前方
   に設けられた溶接線検出センサと、上記溶接線検出セン
   サのセンシング情報をフィードバックして上記溶接トー
   チの位置を制御する統括制御装置を備える自動溶接装置
   において、配管全周にわたって、開先部の一部に溶接ト
   ーチを位置決めし、上記溶接トーチで位置決めした点を
   上記センサで検出し、配管全周にわたって両者の差を演
   算記憶しておき、溶接トーチの制御時にセンシング情報
   を上記記憶値を用いて補正する位置ずれ補正機能を具備
   したことを特徴とする自動溶接装置。