JP2005230860A - 画像センサーを使用した倣い方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 画像センサーで検出した開先形状に基づき、溶接トーチを制御して開先形状変化に対応した溶接を行える方法及び装置を提供する。
【解決手段】 水平軸周りに回転可能に支持された筒状ワーク(Ｗ)の少なくとも一端部に第２の溶接ワーク(Ｅ)を周面溶接するにあたり、同行回転している筒状ワーク(Ｗ)と第２の溶接ワーク(Ｅ)との溶接個所よりも、回転方向上手側部分での開先形状を画像センサー(８)で検出し、画像センサー(８)で検出した開先形状に基づき溶接トーチ(５)での溶接作業を制御するように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、溶接部の開先形状を倣いながら溶接する倣い溶接方法及び倣い溶接装置に関し、特に、画像センサーで検出した開先形状に基づき溶接する非消耗電極式の溶接方法及び装置に関する。

従来から、自動溶接を行う際に、溶接部の開先をセンサーで倣い、そのセンサーからの開先情報に基づいて、溶接トーチの作動や溶接電流を制御することが行われている。
この場合、開先情報を検出するセンサーとして、接触式のセンサーと、画像センサー等の非接触式のセンサーがよく使用されている。

そして、接触式のセンサーの場合、その情報伝達系の一部に機械部分が介在することから、摩擦等の影響で、検出精度を十分高く保持することが困難であるという問題点を有している。また、ワークが板厚１mm以下の薄板の場合には、接触式のセンサーを使用することができなかった。
一方、画像センサーは、ＣＣＤカメラ等の撮像手段で溶接部を撮影し、その画像を解析することで開先形状等の溶接に必要な情報を得るようにしてあることから、情報伝達を電気的に行うことができ、制御を高精度に行うことができることから近年多用されている。
特開２００３−３２６３６２号公報

ところが、溶接の場合、溶接ワークの接合部分に形成される開先の形状は、加工誤差や組付誤差等により、その形状が溶接線全長にわって均一になっていることは少ない。このため、一律な溶接条件で溶接作業を行うと余盛不足や余盛過多の部分が生じ、溶接線の外観が悪くなるという問題がある。したがって、開先形状を検出することが溶接精度に重要な影響を与えるのであるが、前記従来の画像センサーは、溶接トーチの狙い位置(溶融池)部分を撮像して解析することで開先形状等の溶接情報を得るようにしている。このため、実際溶接にあたっては開先形状の変化への対応を十分行うことが困難であるという問題がある。また、溶接トーチの狙い位置(溶融池)部分を撮像して解析する従来のものでは、溶融池部分には強烈なアーク光が存在することから、画像センサーの撮像部分にフィルター等の減光手段を施さなくてはならず、装置全体が複雑化するという問題もある。

また、非消耗電極式の溶接装置の場合、溶加棒を溶接部(溶融池)部分に挿入しなければならないことから、この溶加棒の存在により撮像した画像の一部が欠落し、正確な画像情報を得られないという問題もある。

本発明は、このような点に着目して、画像センサーで検出した開先形状に基づき、溶接トーチを制御して開先形状変化に対応した溶接を行える方法及び装置を提供することを目的としている。

上述の目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、水平軸周りに回転可能に支持された筒状ワークの少なくとも一端部に第２の溶接ワークを周面溶接するにあたり、同行回転している筒状ワークと第２ワークの溶接個所よりも、回転方向上手側部分での開先形状を画像センサーで検出し、画像センサーで検出した開先形状に基づき溶接トーチでの溶接作業を制御するように構成したことを特徴としている。

また、請求項４に記載した発明では、筒状ワークを水平軸周りに回転可能に支持するワーク支持装置と、このワーク支持装置の回転軸芯に沿って移動可能に構成した溶接トーチ保持手段とを有し、回転作動されているワークに周面溶接を行う溶接装置であって、筒状ワークの回転軸芯を通る垂線よりも回転方向上手側に所定寸法離れた位置を溶接する状態に溶接トーチを配設し、この溶接トーチでの溶接個所よりも回転方向上手側に設定寸法隔てた位置で開先形状を検出する状態に画像センサーを配置し、画像センサーで検出した画像情報を処理する処理手段からの情報信号に基づき、溶接トーチを作動制御して周面溶接するように構成したことを特徴としている。

さらに請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の発明で、溶接個所と画像センサーでの開先形状検出個所との間に遮光手段が配置してあることを特徴とし、請求項６に記載の発明では、請求項４または請求項５に記載の発明で画像センサーでの開先形状検出個所を照射する状態に照明手段を配置したことを特徴としている。

請求項１に記載した発明では、水平軸周りに回転可能な状態で支持した溶接ワークの溶接部よりも回転方向上手側部分での開先形状を画像センサーで検出し、この検出データに基づき溶接制御するように構成しているので、開先形状の変化に対応しやすい。また、アーク光の影響を受けることなくその開先形状を高精度に検出することができる。

請求項４に記載されている溶接装置では、水平軸周りに回転する溶接ワークでの水平軸を通る垂線位置よりも回転方向上流側の部分を狙う状態に溶接トーチを配置していることから、溶接個所で溶湯が回転方向上手側(未溶接部分側)に流れ、回転方向下手側(溶接済み側)には流れにくいことから、溶接部の溶接ビードを美しく整えることができる。

また、溶接トーチでの溶接個所よりもワーク回転方向上手側に予め設定した寸法隔てた位置での開先形状を画像センサーで検出し、その検出データに基づいて溶接制御するように構成していることから、開先形状の変化を予め知ることになり、確実に対応することができる。しかも、溶接個所と開先形状認識個所とが僅かな寸法でも隔たっていることから、溶加棒等を挿入する場合でも、挿入する溶加棒が開先形状認識の邪魔になることはない。

さらに、請求項５の発明のように、溶接個所と画像センサーでの開先掲示用検出個所との間に遮光手段を設けておくと、強烈なアーク光の影響を受けにくく、微妙な明度差での形状認識が可能となることから、形状認識精度を高めることができる。

さらにまた、請求項６の発明のように、開先形状検出個所を照明手段で照明するようにしておくと、天井照明や窓からの入射光等による照明作業環境に変化があっても、常時一定の光量を検出個所に付与することができることから安定した開先形状認識を行うことができる。

図は、本発明装置の一実施形態を示す自動溶接装置であり、図１は本発明の概念を示す概略斜視図、図２は要部を取り出した概略構成図、図３はワークの回転軸芯方向での概略側面図、図４は要部平面図である。
この自動溶接装置は、薄板製パイプの両端部に薄板製の鏡板を溶着するタンク溶接装置に適用した場合を示しており、基台(１)に配置したローラ式ワーク支持装置(２)と、このローラ式ワーク支持装置(２)を挟んで対向する状態に配置した一対の回転式ワークホルダー(３)と、基台(１)に立設したフレーム(４)に配置された一対の溶接トーチ(５)を有している。

ローラ式ワーク支持装置(２)は、薄肉製の円筒パイプからなる溶接ワーク(Ｗ)がその円筒中心軸を水平にして回転するように支持してあり、各回転式ワークホルダー(３)は、鏡板からなる第２溶接ワーク(Ｅ)を保持するとともに、溶接ワーク(Ｗ)の両端部に第２溶接ワーク(Ｅ)をそれぞれ圧着して、両第２溶接ワーク(Ｅ)と溶接ワーク(Ｗ)とを一体にして水平軸周りに回転させるように構成してある。

溶接ワーク(Ｗ)と第２溶接ワーク(Ｅ)の接合部を溶着する溶接トーチ(５)は、平面視で溶接ワーク(Ｗ)の管軸心(回転軸芯)と直交する方向に移動可能に構成したアーム(６)の先端部分に昇降移動可能に取り付けてある。そして、このアーム(６)は溶接ワーク(Ｗ)の管軸心(回転軸芯)に沿う状態で前記フレーム(４)に調整移動可能に組み付けたブーム(７)に取り付けてある。

したがって、溶接ワーク(Ｗ)と第２溶接ワーク(Ｅ)とが一体となって回転している間に溶接トーチ(５)によってその接合部分を溶接する。このとき、溶接トーチ(５)は溶接ワーク(Ｗ)の管軸芯(回転軸芯)を通る垂線よりも、溶接ワーク(Ｗ)の回転方向上手側に僅かに変位した位置に対応して配置してある。

さらに、溶接ワーク(Ｗ)と第２溶接ワーク(Ｅ)との接合部の開先形状情報を検出するために、溶接トーチ(５)での溶接部よりも所定距離だけ回転方向上手側部分での開先部分を撮像するための画像センサー(８)が配置してあリ、画像センサー(８)の狙い位置を照明手段(９)で照射するように構成してある。

また、溶接トーチ(５)での溶接部と照明手段(９)で照射している画像センサー(８)の狙い位置との間に遮光幕等の遮光手段(10)が配置してあり、溶接部でのアーク光が画像センサーでの検知作動に影響を与えないようにしている。また、図中符号(11)は溶接部の酸化焼けを防止するために、溶接部を取り囲む状態で配置したシールド板である。

この場合、照明手段(10)は、接合部を溶接ワーク(Ｗ)側の斜め上方から照射するようにしてあり、接合部での開先縁部に起因する影のある部分と開先縁部の影響を受けない部分との明度差で開先形状を検出するようにしている。

画像センサー(８)で検出した開先形状情報は、図示を省略した処理装置で処理され、その検出開先情報に応じて、溶接制御装置からの制御信号に基づき、溶接トーチ(５)のウィービング幅や溶接電流値を調整制御するようにしてある。

なお、上記の実施態様では、溶接方式としてＴＩＧ溶接等の非消耗電極式溶接法を採用しており、溶接部に溶加棒(12)が挿入されるようになっているが、この溶加棒(12)を挿入する位置と、開先形状を検出する位置とがずれていることから、溶加棒(12)の存在が開先形状の検出に影響を及ぼすことはない。また、溶接方法は、ＭＩＧ溶接やＭＡＧ溶接等の消耗電極式溶接方法であってもよい。

さらに、上記実施形態では、筒状溶接ワーク(Ｗ)の両端部に、鏡板等の第２溶接ワーク(Ｅ)を配置し、両溶接部を２つの電極で同時に溶接するようにしているが、１電極で片側づつ溶接するようにしてもよいが、溶接歪み等の観点から、２電極で同時に溶接するほうが望ましい。

上記のように構成した溶接装置では、肉厚１mm程度のステンレス薄板製円筒ワーク(Ｗ)の両端部分に、同じく肉厚１mm程度のステンレス薄板製鏡板(第２溶接ワーク)(Ｅ)を装着して一体化させ、その一体化した溶接ワーク(Ｗ)と第２溶接ワーク(Ｅ)とを適当なスピードで回転させながら、溶接ワーク(Ｗ)と第２溶接ワーク(Ｅ)との両接合部分をＴＩＧ溶接による下向き溶接で両側同時に周面溶接する。このとき、溶接トーチ(５)での溶接部を回転軸芯を通る垂線の位置よりも僅かに回転方向上手側に形成してあることから、溶融池での溶湯が重力の影響で回転方向上手側に流れようとし、回転方向下手側(既溶接側)には移動しなことから、既溶接側でのビードを綺麗に保つことができることになる。

また、溶接部よりも所定距離だけ回転方向上手側の位置を画像センサー(８)で検出し、その部分での開先形状を撮像し、その撮像した開先形状画像を処理装置で処理することにより、開先形状の変動を読み取り、その変動した開先形状に応じて、溶接制御装置から溶接制御信号を発するようにしてあることから、いわゆる先行検出になり、実溶接部の正確な形状に応じた溶接制御を行うことができ、溶接部を高い信頼性で溶着することができることになる。

しかも、溶接部と画像センサー(８)での開先形状検出部との間に、遮光手段(10)を配置していることから、画像センサー(８)が強烈なアーク光の影響を受けることを抑制しているので、画像センサー(８)での撮像画像を高精度に解析することができ、検出画像に基づく溶接トーチの制御を高精度に行うことができる。

さらに、開先形状検出部を照明手段で照明するようにしていることから、天井照明や窓からの入射光等の外光に影響されることなく、一定の照度を維持することができるから、画像センサーでの検出画像の明度が安定し、画像解析を高精度に行うことができる。

上記の実施形態では、溶接ワーク(Ｗ)及び第２溶接ワーク(Ｅ)として肉厚１mm程度のステンレス薄板のものを使用したが、溶接ワーク(Ｗ)及び第２溶接ワーク(Ｅ)としては、ステンレス製の厚板や、他の材質の可溶接材料で会ってもよい。

本発明は、製罐溶接や配管用パイプなどの筒状ワークの自動溶接に適用することができる。

本発明の概念を示す概略斜視図である。 要部を取り出した概略構成図である ワークの回転軸芯方向での概略側面図である 平面図である

符号の説明

Ｗ…筒状ワーク、Ｅ…第２の溶接ワーク、２…ワーク支持装置、５…溶接トーチ、８…画像センサー、９…照明手段、10…遮光手段。

Claims (8)

1. 水平軸周りに回転可能に支持された筒状ワーク(Ｗ)の少なくとも一端部に第２の溶接ワーク(Ｅ)を周面溶接するにあたり、同行回転している筒状ワーク(Ｗ)と第２の溶接ワーク(Ｅ)の溶接個所よりも、回転方向上手側部分での開先形状を画像センサー(８)で検出し、画像センサー(８)で検出した開先形状に基づき溶接トーチ(５)での溶接作業を制御するように構成した画像センサーを使用した倣い溶接方法。
2. 筒状ワーク(Ｗ)の両端部に第２の溶接ワーク(Ｅ)を配置し、２電極同時に溶接するようにした請求項１に記載の画像センサーを使用した倣い溶接方法。
3. 溶接方法が非消耗電極式溶接方法である請求項１または２に記載の画像センサーを使用した倣い溶接方法。
4. 筒状ワーク(Ｗ)を水平軸周りに回転可能に支持するワーク支持装置(２)と、このワーク支持装置(２)の回転軸芯に沿って移動可能に構成した溶接トーチ保持手段とを有し、回転作動されているワークに周面溶接を行う溶接装置において、
   筒状ワーク(Ｗ)の回転軸芯を通る垂線よりも回転方向上手側に所定寸法離れた位置を溶接する状態に溶接トーチ(５)を配設し、この溶接トーチ(５)での溶接個所よりも回転方向上手側に設定寸法隔てた位置で開先形状を検出する状態に画像センサー(８)を配置し、画像センサー(８)で検出した画像情報を処理する処理手段からの情報信号に基づき、溶接トーチ(５)を作動制御して周面溶接するように構成したことを特徴とする画像センサーを使用した倣い溶接装置。
5. 溶接個所と画像センサー(８)での開先形状検出個所との間に遮光手段(10)が配置してある請求項４に記載の画像センサーを使用した倣い溶接装置。
6. 画像センサー(８)での開先形状検出個所を照射する状態に照明手段(９)が設けてある請求項４または５に記載の画像センサーを使用した倣い溶接装置。
7. 水平回転軸周りに支持されたワーク(Ｗ)の両端部に溶接トーチ(５)及び画像センサー(８)を配置し、２電極同時に周面溶接するように構成した請求項４から６のいずれか１項に記載の画像センサーを使用した倣い溶接装置。
8. 溶接装置が非消耗電極式溶接装置である請求項４または７のいずれか一項に記載の画像センサーを使用した倣い溶接装置。
   
   
   

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