JPS5944144B2 - ならい溶接装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は倣いセンサを溶接作業に支障を及ぼさない離隔
位置に設けて作業性を改善すると共に、溶接トーチと倣
いセンサとの間の位相ずれを解消し正確かつ容易ななら
い制御を行うことができるならい溶接装置に関する。

ならい自動溶接を行う溶接装置で従来のものは殆んどが
溶接線の開先を倣いセンサが溶接トーチよりも先行する
形式であつて、これは接触方式、非接触方式の何れを問
わず行われていた。

このようなセンサ先行形ではトーチとセンサの間に生ず
る位相ずれがメモリー機能を要せざるを得ないなどの点
から制御回路の複雑化をもたらし、また、センサを近接
させた場合には、アークによる熱影響でセンサが損傷を
受けるなどの実用上の不都合な問題があつた。

さらにセンサ先行形のものは、前進・後退を反復する溶
接処理は行えず、溶接作業が一方向に規制されるので、
これを解決しようと丁れば溶接端部において溶接トーチ
をセンサの関係位置を反転させるなどの複雑な手順が必
要となり、また、対象の溶接線が無端状に連続する特殊
な場合を考えると、一方向への溶接繰返しを行つたので
は電気配線や溶接用ワイヤに捩れを生じて好ましくなく
、従つて溶接トーチとセンサの関係位置をどラしても反
転しなければならなくて、操作が面倒となり装置も複雑
化する欠点は免れ得なかつた。

本発明は上述する如き現状に対処してその改良をはかる
べく、種々検討を重ねた結果成されたものであつて、特
に長径円柱面と短径円柱面とが相互に直交的な貫挿関係
となつて形成された相貫体の接合部における三次元曲線
からなる溶接線をならい溶接する特定の溶接作業の場合
において倣いセンサを溶接トーチに対して離隔した個所
に配設しながらも位置検出を正確に行い得る如くした新
規な装置を提供し得るに至つたことを特徴とする。

しかしてかＸる特徴を有する本発明装置は、溶接トーチ
と倣いセンサを前記三次元曲線からなる溶接線の各点に
おける曲率半径の方向に所定の相対的関係位置が保持さ
れる如き配置構成となしたことを要旨とするものであり
、その態様の詳細な点については添付図面とともに示す
下記説明によつて明らかにされるところである。溶接装
置の溶接処理対象となるワーク１は第１図々示の如く長
径円柱面を有する長径母管２と、該母管２に比し径の小
さい短径円柱面を有する短径枝管３とを両管軸が相互に
直交叉する貫挿関係に接合されてなる相貫体であつて、
その接合部における溶接線′は、図示例においては長径
母管２が水平に、短径枝管３が垂直に配設されている関
係上、鳥徹形状が真円をなす鞍形の周縁に形成された三
次元曲線となることは明らかである。

前記溶接線′の部分にアーク溶接を行う溶接装置の構造
は、第１図に基本的骨格形態で示す如く、固定用基台４
上に立設して上下方向に自由度を持つたＺ軸、該Ｚ軸の
上端部において枢支さ瓢水平方向の左右（ワーク１の位
置に対する左右方向）に自由度を持つたＸ軸、該Ｘ軸に
枢支されて、水平方向の前後（ワーク１の位置に対する
接離方向）に自由度を持つたＹ軸、該Ｙ軸の先端におい
てｚ軸と平行を保持して垂設され、垂直方向の基準軸Ｖ
の周りで等距離の平行を保持した公転運動を行う回動軸
Ｆの４軸を有しており、立設固定したワーク１の短径枝
管３における母線に対して、Ｚ軸と基準軸Ｖが共に平行
を保持し、かつ、回動軸Ｆが短径枝管２の外側を回動し
得る如く設けている。そして回動軸Ｆの先端に溶接トー
チ６を垂直面内での揺動可能に枢着している。Ｚ軸は１
駆動源例えば電動機７によつて上下方向の寸法が調節さ
れるが、このときの上下変位はｚ用ポテンシヨメータ８
により電気変位として測長される。

Ｘ軸は５駆動源例えば電動機９によつて左右方向の寸法
が調節され、このときの匠右変位はＸ用ポテンシヨメー
タ１０により電気変位として測長される。

またＹ軸は電動機１１により、前後方向の寸法が調節さ
れ、このときの前後変位はＹ用ポテンシヨメータ１２に
よつて電気変位として測長される。

回動軸Ｆは電動機１３１ｔｃより公転運動が成され、こ
のときの回転変位はＦ用ポテンシヨメータ１４により、
Ｙ軸を基準とした時計方向の回転角度に対応する電気変
位として測長される。なお、回動軸Ｆは水平アーム１５
を介して基準軸Ｖに一体連結されていて、公転一回転に
対し自転一回転を行い、従つて回動軸Ｆ端に取り付けた
溶接トーチ６と、該トーチ６の指向線を含む垂直面内に
中立線を合致させて前記回動軸Ｆに取り付けたＸ−Ｙ−
Ｆ用倣いセンサ１７とが、常にワーク１側に指向し得る
ようになつている。

次に溶接トーチ６は前記基準軸Ｖの延長上に先端を常時
指向し得る如く揺動可能に回動軸Ｆ端に取着されている
。

一方、前記Ｘ−Ｙ−Ｆ用倣いセンサ１７は２つの触覚子
を先端に持つ構造であつて、触覚子が共に短径枝管３の
管壁に接当した中立状態で溶接トーチ６を溶接線′に所
定の狙い角度で指向させることができるようになつてい
て、前記中立状態をはずれた場合にはＸ軸成分とＹ軸成
分との両成分に解析した補正信号と回転信号とを制御系
に送ることにより、電動機９，１１，１３１ｆＣ夫々出
力を与え得るよう形成されている。

しかして５は本発明において特徴をなすところのｚ軸用
倣いセンサであり、該倣いセンサ５は溶接トーチ６が枢
支される回動軸Ｆの下端部に設けられて、Ｚ軸成分を検
出して制御系に送ることにより電動機７ｆ１Ｃ出力を与
えるよう形成されている。

以上の構成になる溶接装置はＺ用ポテンシヨメータ８の
電気変位によつて溶接トーチ６の高さが判断可能であり
、またＸ用ポテンシヨメータ１０とＹ用ポテンショメー
タ１２と、Ｆ用ポテンシヨメータ１４との３つの電気変
位の合成によつてワーク１ｆｆ−対する溶接トーチ６の
関係位置を判断することが可能であり、そして両倣いセ
ンサ５，１７からＺ軸、Ｘ軸、Ｙ軸およびＦ軸に対する
補正指令が出されることにより、溶接線′に対して溶接
トーチ６を所定狙い角度で指向することができる。前記
倣いセンサ５は、回動軸Ｆへの取付けに際して、次の条
件を満足し得るように特定の配置形態をとらせることが
本発明の要件である。即ち、第２図イ，口に示すように
、倣いセンサ５の指向線を溶接線′上の溶接トーチ６が
指向する交点Ａにおける曲率半径の延長線に常時交らせ
るようにすることと、この交つた点Ｂから溶接線′上の
前記交点Ａに至る線分ＢＡがＺ軸と直交するＸ軸．Ｙ軸
を含む水平面に投影した線長Ｓを常に一定長に保持し得
る如くすることの２点であつて、これをさらに理解しや
すく説明すると、短径枝管３の円柱面と同軸でそれより
も大径の円柱面と長径母管２の円柱面とが形成する相貫
線と、短径枝管３の軸および溶接トーチ６の先端を含む
面との交点を倣いセンサ５が常に検出し得るようにする
ことである。

かＸる条件を満足するためには、例えば倣いセンサ５の
指向線を垂直下向きとなし、かつ溶接トーチ６の揺動面
内に含まれるように倣いセンサ５を配設することによつ
て簡単に行うことができる。

次に前記溶接装置を自動ならい溶接するための制御回路
のうちのｚ軸系を第３図によつて説明する。Ｚ軸系制御
回路は倣いセンサ５としてのポテンシヨメータ５′と、
制御装置側に設けた原点合わせ用ポテンシヨメータ３０
と、両ポテンシヨメータ５′，３０の電気信号差に応じ
た出力を発する比較増幅器３２と、Ｚ用ポテンシヨメー
タ８と、制御装置側に設けたメモリー３１と、記憶操作
・制御操作の間の切換えを行わせる切換えスイツチ３３
と、出力増幅器３４と、Ｚ軸駆動電動機７とから構成さ
れており、その作動態様については後述する溶接装置の
ならい運転の動作説明において詳述する。

叙上の構成になるならい溶接装置は、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸
および回動軸Ｆならびに溶接トーチ６の揺動軸の５軸調
整により、溶接トーチ６が溶接線′上の基準となる原点
に正しく指向し、かつ、そのときの狙い角度が適正にな
るように原点合わせを行う。

このように原点合わせを行わせる初期状態即ちスタート
位置においては、第３図々示のように切換えスイツチ３
３は接点Ｃが閉成し、かっ接点Ａ，Ｂが開放した状態に
ある。

なお、Ｚ軸以外の各軸の制御については、前記倣いセン
サ１７と、回動軸用ポテンシヨメータ１４と、Ｘ軸・Ｙ
軸の制御を行わせるための正弦・余弦ポテンシヨメータ
２１と、Ｘ用ポテンシヨメータ１０と、Ｙ用ポテンシヨ
メータ１２を要素とした制御系（図示せず）によつて所
定の速度でならい制御が行われるものであつて、以下Ｚ
軸の制御について順次説明を進める。

前記スタート位置の決定を行うには、先ず原点合わせ用
ポテンシヨメータ３０によつて、電動機７を回動させて
、センサ５をスタート位置に設定する。

そして位置が決まると、そのときのｚ軸用ポテンシヨメ
ータ８の値を前記メモリー３１に読み込ませる。

次いでならい作動に入らせるが、作動の前に、切換えス
イツチ３３を接点Ａ，Ｂが閉成、接点Ｃが開放する側に
切換える。

センサ５の任意の状態では各ポテンシヨメータ５′，８
，３０の値Ｓ２，Ｐ２，ＳＺＯと、メモリー３１の記憶
値ＺＭとの間には、の条件が成立する。

Ｓ２の変換定数をＡＶ／糟，Ｐ２の変換定数をｂ？７！
１１比較増幅器３２のゲインをＫと設定し、今センサ５
の値Ｓ２がＶボルト変化した結果、Ｘ絹高さが変化して
再び停止したとすると、第３図の回路から明らかなよう
に、となる。

但し、ポテンシヨメータ８の値Ｐｚが増加することはセ
ンサ５がＺ軸によつて移動させられるため、その値Ｓ２
が減少することは言う迄もない。

１および２式よりＫ（−ＡＸ）＝ＢＸとなるから上式を
変形すると、 あるいは 但し 上式から明らかなように倣いセンサ５の変化は、これに
比例した関係でＺ軸を上下動させることとなる。

従つて倣いセンサ５が長径母管２の所定位置に接触しな
がら移動するときに生じた変位は、ｚ軸に比例的に出力
されて、溶接トーチ６をその変位に応じて垂直方向にな
らい移動させることができる。

この場合倣いセンサ５の接触位置は、溶接線′から若干
寸法離れた位置にあつて、当該位置の変化は溶接線′の
上下変位とは厳密に一致しない。

即ち、第２図イ，町ハにおいて示したことから明らかな
ように、溶接線′と倣いセンサ５の接触点軌跡との間に
は、水平面に投影したイ図では一定離隔距離Ｓを有する
同心円関係となり、一方、曲率半径を含む垂直面上で比
較すると、口図のように母管２の頂面部ではＺ軸方向の
差は零であるが、この頂面部と直交する方向の垂直面上
ではＺ軸方向のあるレベル差を存していて、さらにその
間の各点、すなわち、第２図イにおいて０くθ〈１８０
点の範囲における各点では同図ハで展開示するように、
線対称的にレベル差値が増減変化することは明らかであ
る。このように、倣いセンサ５が検出したＺ軸方向の値
は頂面部における値を除いて溶接線′のｚ方向値とは完
全に一致し得ないものであるが、前記離隔距離ＳＧ２図
イ参照）を４５闘程度の値とした場合には、このレベル
差による最大誤差は誤差階級が１０−２程度であつて実
用上何等問題にならないことが実測した結果判明した。

以下、その計算方法を第４図及び第５図を参照しながら
１例にもとづいて説明する。

第５図において、母管２の頂面部母線を基準として、溶
接線′上の任意の点における曲率半径と前記頂而部母線
とがなす水平面上での交叉角をθとしたとき、この溶接
線′上の点と母管２の頂面部母線とのｚ軸方向のレベル
差Ｚｄは、Ｚｄ＝兄−／（Ｐ）２−（庄）２！ＪＪ７ｒ
！？θとなる。

同様に、この溶接線′から水平投影面上で４５ｕ程度離
隔した倣いセンサ５接触位置におけるレベル差Ｚｄ′は
、Ｚｄ′｛−／（苦）２−（苦′）２ｄｎ２θ となる
。

ところでＺｄが最大となる値（Ｚｄｍａｘ）を示す位置
は、当然θ＝９０な、すなわちＤｎθ二１であるから、
Ｚｄｍａｘ＝譬．〆＾）２−（？）２となる。

同様に、Ｚｄ′Ｍａｘ＝署〆？）２−（知２となる。

１−かして、溶接トーチをＺｄ／に比例して変化したと
するとこのときの溶接トーチの位置ムは、Ｚｄ＝（ＦＺ
ｄ／である。

但し、ＩＯ：リ一Ｚｄｍａｘ／Ｚｄ′Ｍａｘ従つて、真
の高さＺｄと近似値Ｚｄとの間の誤差Δ（θ）は、△（
θ）：（ｌ／・Ｚｄ′（θ）−Ｚｄ（θ）であつて、４
ｎθを函数とする式となるから、この△（θ）のうちの
最大値ΔＭａｘを求めれば、溶接トーチをＺｄ／に比例
させて制御したときのＺ方向最大誤差値となることは言
うまでもない。

すなわち、△Ｍａｘは、母管の頂面部母線を基準とした
水平投影移動角（θ）を９００まで変化させるように、
前式△（θ）＝φ７・Ｚｄ′（θ）−Ｚｄ（θ）により
時時刻々計算したときの中での最大値を示すものであつ
て、第４図においては直径１０００關の母管２に対して
、枝管３の直径を２５０〜３５０闘の範囲で１０ｍｍず
つ変更したときについての値を絶対値で表示している。

なお、第４図において△Ｍａｘの数値の後に示した括弧
内の数値＆ちこの最大誤差△Ｍａｘのときの水平投影移
動角である。次に実際の計算例を下記に示すが、この例
は母管２の直径Ｄが１０００Ｕ１枝管３の直径ｄが２０
０Ｕ１倣いセンサ５の検出位置の直径ｄ′が２９０ｎ肩
の場合である。．゜．φ７＝Ｚｄｍａｘ／Ｚｄ／Ｍａｘ
＝１０．１０１８／２１．４８６３前記式△（の＝φ５
・Ｚｄ′（θ）−Ｚｄ（θ）においてθに００から５＝
間隔で９０′までの各値を代人した結果は下記表に示し
た通りとなる。

以上の結果から明らかなように、枝管３から同心円上の
４５Ｒ１！ｌ離れたｚ軸位置を検出する倣いセンサによ
つて溶接トーチを比例制御したとしても、水平投影移動
角が４５チ近辺で誤差は最大となるが、誤差階級は１０
−２程度であつて実用上問題にはならない。

本発明は以上の説明によつて明らかにしたように長径円
柱面と、短径円柱面とが相互に直交的な貫挿関係になつ
て形成された相貫体の接合部における三次元的相貫曲線
からなる溶接線′を、前記短径円柱面の母線と平行した
ｚ軸を含む多次元自由度を持つ溶接トーチ６によつてな
らい溶接する装置において、溶接トーチ６の三次元位置
のうちのｚ軸成分を検出するための倣いセンサ５を溶接
トーチ６が枢支される支軸部に設けると共に、短径円柱
面と同軸でそれより大きい径の円柱面と前記長径円柱面
とが形成する相貫線と、短径円柱面・の軸および溶接ト
ーチ６先端を含む面との交点を倣いセンサ５が検出する
如き相対的位置関係を溶接トーチ６と倣いセンサ５との
間に有せしめてなり、躊接線′に対して外側寄りとなる
前記長径円柱面上の所定位置において倣いセンサ５が検
出したＺ軸方向レベルによつて、前記ｚ軸成分を間接的
に検出し得る如くしたことを特徴とするものであるから
、倣いセンサを溶接処理位置に対して離隔した個所に設
けることができて、アークによる熱影響を解消させ、長
期間に亘つて安定した検出性能を発揮することが可能と
なる。

しかも、倣いセンサ５は常に曲率半径の延長線上に指向
しているので、溶接トーチ６に対して先行あるいは後退
することは全くなくなり、従つて、センサ５、トーチ６
間の位相ずれが全く生じず制御系が簡素化されるばかり
でなく可逆転方式による反復溶接を簡単に行える利点も
ある。

また、倣いセンサ５が直接溶接線′に接触する従来装置
に比較し多層盛り溶接が極めて各易に行えるすぐれた効
果も奏し、本発明は誠に有用なならい溶接装置である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置例の基本構造を略示する骨格図、第
２図イ，口，ハは本発明装置に係るワーク上における溶
接線と倣いセンサ検出点軌跡との関係を示す平面図、正
面図、展開図、第３図は第１図々示装置に係る要部制御
回路図、第４図は本発明装置に係る溶接線と倣いセンサ
検出点軌跡との関係を数値的に表示した説明図、第５図
は本発明装置に係るｚ軸方向の誤差を求めるための説明
図である。 ５・・・・・・倣いセンサ、６・・・・・・溶接トーチ
、′・・・・・・溶接線。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 長径円柱面と、短径円柱面とが相互に直交的な貫挿
   関係となつて形成された相貫体の接合部における三次元
   的相貫曲線からなる溶接線ｌを、前記短径円柱面の母線
   と平行したＺ軸を含む多次元自由度を持つ溶接トーチ６
   によつてならい溶接する装置において、溶接トーチ６の
   三次元位置のうちのＺ軸成分を検出するための倣いセン
   サ５を溶接トーチ６が枢支される支軸部に設けると共に
   、短径円柱面と同軸でそれより大きい径の円柱面と前記
   長径円柱面とが形成する相貫線と、短径円柱面の軸およ
   び溶接トーチ６先端を含む面との交点を倣いセンサ５が
   検出する如き相対的位置関係を溶接トーチ６と倣いセン
   サ５との間に有せしめてなり、溶接線ｌに対して外側寄
   りとなる前記長径円柱面上の所定位置において倣いセン
   サ５が検出したＺ軸方向レベルによつて、前記Ｚ軸成分
   を間接的に検出し得る如くしたことを特徴とするならい
   溶接装置。