JPS61154773A - 溶接線検出装置 - 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】 （発明の技術分野〕 本発明は溶接線検出装置に係り、特に鋼材などの磁性材
をアーク溶接するときの継手の溶接線から溶接電流によ
って発生した磁束が漏れる現象に着目し、この漏れ磁束
を計測してオン・ラインで溶接トーチを倣せることので
きる溶接線検出装置に関する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

アーク溶接時の溶接電流によって発生した漏れ磁束は溶
接線と交叉して通過するので、溶接線付近でこの漏れ磁
束を計測することにより溶接線の検出が可能である。こ
の原理に基〈従来の溶接線検出装置は、中心から左右に
一定距離はなれた位置に垂直でかつ溶接線と平行な磁束
を受ける面をもったホール素子等の磁気センサを１個ず
つ配設した磁気センサヘッドを備え、このヘッドを回転
しながら左右の磁気センサの出力が等しくなる位置を探
し、その方向に磁気センサヘッドを駆動しながら溶接線
の検出を行なっていた。これは、開光中心に対して開先
形状が対象な場合、開先中心で漏れ磁束密度が最大とな
り、漏れ磁束分布も開先中心に対して対称となっている
ことを前提としているので、溶接線の両側で磁気センサ
の出力が等しい位置を探せば磁気センサヘッドの中心が
溶接線と一致するためである。

従って、重ね合わせ継手のように溶接継手のルートの位
置に対して継手が対称な形状でない場合には、漏れ磁束
分布も非対称となるから、溶接線上に磁気センサヘッド
の中心がくるように磁束密度を補正する必要がある。こ
の場合、予め磁束密度を計測して補正すべき磁束密度を
算定し、検出装置がアナログ方式の場合は磁束密度に相
当するアナログ量の補正値を保存し、ディジタル方式の
場合はマイコンシステムのメモリに補正値を記憶するな
どの必要があった。

このように、従来の溶接線検出装置では、磁束分布が対
称な場合を主たる対象としていたため、非対称の磁束分
布の場合には取扱いが面倒で、それぞれの場合に対応し
た事前の計測と補正量の決定および補正手段の設定が必
要で、簡単に高い精度を得ることができなかった。

一方、突合わせ継手でもし形、Ｋ形、Ｊ形、両面Ｊ形の
ように開先形状が対称でない場合も沢山あり、また溶接
物の使用される環境の関係などから磁気特性の違う材料
が溶接される場合もあるため、磁束密度分布が非対称の
場合でも容易に使える溶接線検出装置に対する要求が強
かった。

〔発明の目的〕

従って、本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解消
し、重ね継手やあて金継手などの溶接継手の形式や突合
わせ継手の開先形状の関係で幾何学的に磁束密度分布が
非対称になった場合や磁気特性の違う材料が溶接されて
漏れ磁束分布が非対称となった場合も、溶接線の位置を
容易にかつ確実に検出することを可能とした溶接線検出
装置を提供するにある。

（発明の概要） 上記目的を達成するために、本発明は溶接トーチの周辺
で磁束密度値を検出する３個以上の磁気センサを中心か
ら左右の等距離の位置に配設した磁気センサヘッドと、
磁気センサの計測値に基いて基準となる代表点の磁束密
度値と他の位置の磁束密度値の関係を演算して記憶する
手段と、磁気センサの計測値を演算記憶手段の出力値と
比較演算し、差が小さくなる位置の予測をする予測手段
と、予測手段の出力に基いて到達すべき目標位置を設定
し、溶接トーチを移動する手段とを備える溶接線検出装
置を提供するものである。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照しながら本発明の詳細な説明する。

第１図（ａ）、（ｂ）はそれでれ本発明の一実施例に係
る溶接線検出装置の主要部の配置を示す正面図と側面図
である。同図に示すように、互いに溶接される被溶接物
１の開先２がし形に形成されている場合を例示する。溶
接は開先２に沿って進行する図示しない台車に載置され
た溶接トーチ３と溶接電極指定方向、例えば溶接トーチ
３が垂直方向と角度φだけ傾けられているので角度φだ
け傾けた方向に所定ｍずつ送給される溶接電極４とによ
って被溶接物１上に溶接部５を形成しつつ実施され、矢
印イの方向に進行する。溶接トーチ３を角度φだけ傾け
るのは片側のトーチ回転軸６と直結されたパルスモータ
７によって行なわれる。

溶接線検出用の磁気センサヘッド８はトーチ回転軸６と
パルスモータ７を乗せたリング状のヘッド支持器９内で
回転するリング１０に取付けられている。支持器９の一
端には立上りの早い直流モータ１１とこれに直結された
アブソリュートエンコーダ１２が配設されており、直流
モータ１１によって溶接トーチ３の下端近くの支持位置
を中心とする同心円状に回転リング１０が旋回すること
によって、磁気センサヘッド８とこの先端に装着された
磁気センサ１３は矢印口の方向に旋回する。

なお、磁気センサ１３は被溶接物１の表面から１Ｍ前後
上方でその表面と直角に、かつ回転リング１０の同心円
の接線方向に対して直角に磁束計測面を置き、磁気セン
サヘッド８の中心から等距離へだてて左右に２個ずつ計
４個配設され、溶接線をまたいで回転リング１０の同心
円の接線上の４点の磁束密度を計測する。

第２図は第１図の構成に適用される計測と制御に関する
信号を処理するブロック回路図である。

同図に示すように、磁気センサ１３で計測された信号は
データ収集ユニット１４に集められる。データ収集ユニ
ット１４はマルチプレクサ回路、サンプルアンドホール
ド回路、アナログディジタルコンバータ回路、３ステ一
トバツフア回路等からなり、ディジタル化された信号が
データ収集ユニット１４の３ステート出力バツフアを通
して例えばワンチップマイコンなどからなるマイクロブ
０セツサ回路１５（以下、ＭＰＵ回路と称する）に伝え
られる。ＭＰＵ回路１５にはデータをやりとりできるよ
うに入力と出力の双方ができるような双方向バスを介し
てメモリ１６が接続される。

ＭＰＵ回路１５から直流モータ１１への指令値が出され
ると、ディジタル・アナログ・コンバータ１７（以下、
ＤＡＣと称する）を介してアナログ倦に変換され、直流
モータドライブユニット１８に与えられる。この直流モ
ータドライブユニット１８は直流モータ１１を駆動する
のに必要なパワーを発生し、これを直流モータ１１に供
給する。

さて、溶接線上の磁束分布が第３図の磁束密度分布図に
示すように非対称の場合には、必ずしも溶接線ギャップ
のトーチ先端の狙い位置で漏れ磁束が最大値にはならな
い。そこで、始動に先立ってＬＥＤディスプレイとキー
ボードからなる入出カニニット１９のキーボードへ開先
形状と寸法から割り出した溶接トーチの傾斜角φを入力
する。

その結果、この情報は入出カニニット１９と接続された
ＣＰｔＪ、メモリ、インターフェースなどの周辺素子か
ら成るマイクロコンピュータユニット２０（以下、マイ
コンユニットと称する）に伝えられる。マイコンユニッ
ト２０で傾斜角φを得るのに必要なパルス数が算定され
ると、この情報はマイコンユニット２０内のメモリに記
憶されると同時にモータ制御ユニット２１に伝えられて
パルスに変換され、モータドライブユニット２２によっ
てパルスモータ７をドライブするパワーをもつたパルス
に変換されパルスモータ７に入力される。

このように、原点位置で溶接トーチ３をφだけ傾斜させ
てから、進行目標のトーチ先端の狙い位置に磁気センサ
ヘッド８の中心を一致させた後、入出カニニット１９の
キーボードを押して過去の実績から得た左右それぞれ１
個の代表点の磁束密度続いてセンサ位置割出しの指示を
入力する。磁束密度のデータがマイコンユニット２０と
接続されたバッファＲＡＭ　（ランダムアクセスメモリ
）２３を通してＭＰｔＪ回路１５に伝えられる。バッフ
ァＲＡＭを介在した場合、ハンドシェーク等によって個
々のマイクロプロセッサの動作と同期をとる必要がなく
なるので、非同期状態でも高速のデータ転送が可能とな
る。ＭＰＵ回路１５に到着した磁束密度のデータはメモ
リ１６にストアされて溶接線検出の基準値とされる。一
方、センサ位置割出し指示によってアブソリュートエン
コーダ１２０回転角θがマイコンユニット２０に読みと
られると、角度φとθから磁気センサヘッド８のＸ、Ｙ
平面上の位置（ｘ、ｙｌ）が篩出される。

また、過去の実績がない場合には、始動してから始動位
置近辺の計測値をメモリ１６にストアして当面の基準磁
束密度とし、更に端部の影響の少ないと考えられる場所
に達してからその位置の計測値をもう一度メモリ１６に
ストアして最終の基準値とする。このためには、磁気セ
ンサー３で測定した磁束密度をデータ収集ユニット１４
でディジタル量に変えてからＭＰｔＪ回路１５に伝える
。その結果、このＭＰＬＪ回路１５により直流モータ１
１に対して指令値が出力されるとともに、バッファＲＡ
Ｍ２３とマイコンユニット２０を通して入出カニニット
１９から作業者へ伝えられる。

さて、溶接の出発点では磁気センサヘッド８の中心がト
ーチ先端の将来の狙い位ｆｆ（Ｘ、Ｖｌ）にあるから、
入出カニニット１９のキーボードから作業者が出発の指
示を入力すると、図示しない台車を動かしてトーチ３の
先端狙い位置が位置（Ｘｌ　、　’／１　）へ移るよう
に、マイコンユニット２０からモータ制御ユニット２１
に対して指令が出され、同時にバッファＲＡＭ２３を通
してＭＰＵ回路１５にも指令が伝えられる。その結果、
モータ制御ユニット２１はディジタル量の指令値をアナ
ログ量に変換した後これをモータドライブユニット２２
に与え、Ｘ軸とＹ軸の各直流モータ２４．２５を所定量
動かすのに必要なパワーに変換して直流モータ２４．２
５に与える。これら２つの直流モータ２４．２５の軸に
はそれぞれロータリエンコーダ２６．２７が直結されて
おり、回転数に比例したパルスを発する。このパルスは
パルスカウント方向判別ユニット２８に入力され、パル
ス数を４倍化してカウントし、２つのパルス列の位相関
係から方向判別をしてマイコンユニット２０に入力する
。マイコンユニット２０はパルス数の積算によってＸ、
Ｙ座標軸上の位置を算出し、同時にサンプリング周期τ
毎のパルス数の大きさからＸ軸、Ｙ軸の移動速度を算出
する。ロータリエンコーダ２６．２７からパルスカウン
ト方向判別ユニット２８を経てマイコンユニット２０に
至る経路はフィードバック経路を形成しているので、目
標位置、ここでは位！（ｘ、ｙｌ）をはずれようとする
とすぐにこの動きを抑制する制御ができる。更に、出発
前に指定したトーチ３の移動速度をはずれる動作に対し
ても、これを維持するように制御することができる。

一方、測定開始指令をマイコンユニット２０から受取っ
たＭＰｔＪ回路１５は、データ収集ユニット１４に動作
指令を出力する。その結果、データ収集ユニット１４は
磁気センサヘッド８の中心が位置（ｘｌ、ｙｌ　）にあ
る時の４点の磁気センサー３の信号をマルチプレクサに
よるチャンネル切替で１点ずつ取り込み、順次サンプリ
ングしてアナログディジタル変換が終わる迄の期間ホー
ルドすることによりディジタル量に変え、３ステート出
力バツフアを通してＭＰＬ１回路１５に送出する。

この４点の検出ディジタル信号は、第３図（ａ）、（ｂ
）において、磁気センサヘッド８の中心が距ｌｉｏの位
置にあるとき、ここから正方向に距＠Ｓ１、Ｂ２を隔て
た位置の磁束密度Ｂ１．Ｂ２と、負方向にもそれぞれ同
じ距離Ｓ−１，５−２（絶対値はＳ　、Ｂ２と等しく方
向が反対の吊）を隔てた位置の磁束密度Ｂ−１，８−２
に対応する。第３図のようなＬ形開先２の場合、被溶接
物１の表面近くでは磁束分布が対象ではないから、Ｂ１
＝ＦＢ−１゜Ｂ　−νＢ−である。従って、位置Ｓ１．
Ｓ−１を代表意としてこの磁束密度Ｂ　　、Ｂ−と２点
間の磁束密度比 ８２　　　Ｂ−２ □と□　（または磁束密度差でもよい）Ｂ、　　　　　
Ｂ−１ のデータを作り、これらを溶接開始前に基準値とと比較
し、これらの差が縮小する位置の予測と移動計測をくり
返しながらすべてが一致する場所を探す。その場所が見
当らない場合には、ある傾向、Ｂ−１、８−１ Ｂ−，２［３２ あって□〉□という大小関係が保持 Ｂ、　　　　Ｂ１ されているという傾向があって、その上に８１゜例えば
±５％内にあるというような条件を満たす場所をトーチ
３の移動とともに、回転リング１０を回転させながら探
す。その結果、開先２が組立時に発生したずれによって
設計値と多少変っている場所があったりしても、溶接線
に沿ってトーチ先端の狙い位置をはずさないようにする
ことができる。もちろん、磁束分布が対称な場合には、
て容易に溶接トーチ３の先端の狙い位置を探すことがで
きる。

その後は、数ｍｓ以下のサンプリング周期でで溶接トー
チ３の進行に伴って磁気レンサ１３で探した将来のトー
チ先端の狙い位置（Ｘ・、　Ｖｉ　）ｉ＝１．２．３．
・・・を順次マイコン」ニット２０のメモリにストアし
て行き、一方ではこの位置情報をメモリから順番に取出
して、位置（×ｊ”１ｙｊ）ｊ＝１．２，３．・・・を
進むべき目標としてトーチ先端の狙い位置になるように
溶接トーチ３を倣わせる。

また、直流モータ１１の立上がりがそれ程早くなくても
よく、磁気センサヘッド８が図示しない基準点を通過す
る度毎に回転角をセットし直せば十分に角度の精度を保
てるような場合には、直流モー９１１をパルスモータに
置換えれば、アブソリュートエンコーダ１２を用いるこ
となく回転角の設定が可能となる。また、これまでの説
明では、磁束密度Ｂを計測する場合を例にとって説明し
てきたが、磁気センサは磁束の通過面積が同じに作られ
ているため、磁束中を計測すると考えても同じ作用を得
ることができる。また、上記実施例は台車に載置された
溶接トーチ３と磁気センサヘッド８を例示したが、ロボ
ットのアーム先端などにこの装置を取付けて同様の検出
動作を行ないながら溶接トーチ３を倣い動作させても同
じ作用を得ることができることはもちろんである。

第４図（ａ）、（ｂ）は本発明の他の実施例に係る溶接
線検出装置の部分側面図と磁束密度分布図である。同図
に示すように、磁気センサヘッド８には３個の磁気セン
サ１３が溶接線をまたぐように交互して配される。この
ような構成において、溶接トーチ３の先端の狙い位置を
探す場合、３点の磁束密度　Ｂ、Ｂｏ、Ｂ　　を基準値
Ｂ、１．８８゜、”Ｓ−１と比較する。この場合、磁気
センサ１３は被溶接物１の表面と直角に、かつ回転リン
グ１０の同心円の接線方向に対して直角に磁束計測面を
置き、磁気センサヘッド８の中心に１個、他の２個は中
心から等距離へだてて左右に１個ずつ配設される。

このため、第１図の構成に比べて磁気センサが１個減り
、それだけ計測部分が小形化される。さらに、アナログ
ディジタル変換時間も減るから、サンプリング周期τを
短くすることもできる。また、磁束密度の計測について
も、先の実施例のＢ１とＢ−１がＢ。に、Ｂ２と８−２
が８１と８−１に変ったと見なせば、磁束密度の処理と
その後の−の動作は全く同様にできる。このため、安価
でサンプリング周期τの短縮により溶接の品質をより高
くすることのできる装置を実現することが可能である。

第５図は本発明のさらに他の実施例に係る溶接線検出装
置の部分側面図を示すものである。同図の構成において
は、垂直かつ回転リング１０の同心円の接線方向に直角
に磁束計測面を置いた磁気センサ素子を多数個密着して
アレイ状にした磁気センサアレイ２９が用いられる。こ
の磁気センサアレイ２９は開先２側の端末に取付けた非
磁性体の可動バー３０に取り伺けられる。可動バー３０
は３〜５ｍの移動距離をもつ小形のリニアパルスモータ
３１の可動部に連なっていて、矢印ハで示す上下方向に
動かされ、パルス数により上下位置が算出される。この
リニアパルスモータ３１は回転リング１０の裏側に取付
けられている。

第６図は１０個ｑ〕磁気センサ素子からなる磁気センサ
アレイ２９を用いた場合の計測と制御に関する信号を処
理するブロック回路図である。同図に示す如く、磁気セ
ンサアレイ２９の出力端はデータ収集ユニット１４に接
続されていて、検出値はディジタル値に変換されて、Ｍ
ＰＵ回路１５に入力される。ＭＰＵ回路１５では、指令
値を演算してこの指令値をリニアパルスモータ制御ユニ
ット３２に送出する。指令値はリニアパルスモータ制御
ユニット３２でリニアパルスモータを駆動するのに必要
なパルス数に変換されて、次のリニアパルスモータドラ
イブユニット３３でモータ駆動に必要なパワーをもつパ
ルスに変換されリニアパルスモータ３１に送出される。

その結果、第１図に示した実施例と同じく、当初は磁気
センサアレイ２９が被溶接物１の表面から１〜２Ｍ程離
れた位置にあるため、始動前に入力された最大磁束密度
Ｂ、の位置と溶接トーチ３の先端の狙い位置との相互関
係から最大磁束密度ＢＩＩｌの位置を目印にしてその前
後の磁束分布を調べることにより、素早く溶接トーチ３
の狙い位置の見当をつけることができる。この場合、同
時に１０点の磁束密度を測定しているため、精度の高い
磁束分布を得ることが可能である。次に、ＭＰＵ回路１
５からの指令によって制御ユニット３２が指示されただ
けのパルスを発生し、ドライブユニット３３を通してリ
ニアパルスモータ３１が１１ｎＩＲ＃後下向きに駆動さ
れる。その結果、可動バー３０が磁気センサアレイ２９
を被溶接物１の表面すれすればかりでなく、磁気センサ
アレイ２９を開先２の中へ突込むこともできる。これは
、磁気センサアレイ２９が矢印Ｏの方向については長さ
１０Ｍ前後以下に作れることから多くの場合磁気センサ
アレイ２９を開先２より小さくすることができるためで
ある。

従って、磁束密度の大きい位置での計測が可能となり、
磁束分布が協調されることになり、溶接トーチ３の先端
の狙い位置を精密に知ることができ、高品質の溶接を実
施することができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、磁性材が溶接され
る場合に、溶接線周辺で溶接電流により発生する漏れ磁
束の磁束分布が使用する磁性材の関係で非対称の場合で
も、わずられしい事前準備なしに簡単なキーボード入力
だけで正確に溶接線の検出を行なうことができる。この
１＝め、溶接トーチの狙い位置を正確に決められるため
品質の高い溶接を実施することができる。しかも、測定
に関係する装置をマイクロコンプレッサやディジタル回
路で構成できるため、高機能化と低価格化が可能であり
、さらに磁気センサを含む装置をコンパクトに収納する
ことができるので場所をとらないという利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ本発明の一実施例に係
る溶接線検出装置の主要部の配置を示す正面図と側面図
、 第２図は第１図の装置の計測制御信号に関するブロック
図、 第３図（ａ）、（ｂ）は第１図の開先周辺の磁束分布の
１例を示す゛磁束密度分布図、および、主要部の断面図
、第４図は本発明の他の実施例に係る溶接線検出装置の
部分側面図と磁束密度分布図、第５図は本発明のさらに
他の実施例に係る溶接線検出装置の部分側面図、 第６図は第５図の装置の計測制御信号に関するブロック
回路図である。 １・・・被溶接物、２・・・開先、３・・・溶接トーチ
、８・・・磁気センサヘッド、１０・・・回転リング、
１１・・・直流モータ、１２・・・アブソリュートエン
コーダ、１３・・・磁気センサ、１４・・・データ収集
ユニット、１５・・・マイクロプロセッサ回路、２９・
・・磁気センサアレイ、３１・・・リニアパルスモータ
。 出願人代理人　　猪　　股　　　　清 第５図 第６図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶接トーチの周辺で磁束密度値を検出する３個以上
   の磁気センサを中心から左右の等距離の位置に配設した
   磁気センサヘッドと、磁気センサの計測値に基いて基準
   となる代表点の磁束密度値と他の位置の磁束密度値の関
   係を演算して記憶する手段と、磁気センサの計測値を演
   算記憶手段の出力値と比較演算し、差が小さくなる位置
   の予測をする予測手段と、予測手段の出力に基いて到達
   すべき目標位置を設定し、溶接トーチを移動する手段と
   を備えることを特徴とする溶接線検出装置。 ２、磁気センサヘッドが磁気センサを狭い範囲にアレイ
   状に配置して非磁性体の可動部材の末端に取付けたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の溶接線検出
   装置。