JP6705173B2 - 溶接方法および溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶接方法および溶接装置に関し、さらに詳しくは、突き合わせ溶接を自動的に行うことができる溶接方法および溶接装置に関する。

多数の同種の対象物に対して溶接を行う際に、ロボットを用いて溶接を自動化する方法が用いられる場合がある。対象物の個体ごとに、溶接すべき部位の位置に誤差が生じる可能性があるが、その誤差を検出し、各個体に対して適切な位置に溶接を行うために、レーザセンサ等を使用して対象物の形状を調査し、その情報に基づいて溶接を行うべき位置を決定する方法が公知である。例えば、特許文献１に、予め設定された教示軌道および移動速度を入力としてロボットに取り付けられた溶接トーチ等の作業ツールを移動させるための計画補間点を算出する補間点算出手段と、作業ツールに搭載されて対象物の形状を認識する走査型レーザセンサ等のセンサからの入力に基づいて計画補間点を補正するための修正補間点を算出する補正手段と、作業ツールを修正補間点に順次移動させる駆動手段と、を備えたロボット制御装置が開示されている。

特開２０１１−６２７６３号公報

特許文献１のように、ロボットにレーザセンサと溶接トーチを取り付けておき、溶接トーチに先行して移動するレーザセンサで得られたワーク形状に関する情報を、リアルタイムで処理して、溶接トーチを移動させるべき軌道を決定する場合には、レーザセンサでの計測と計測結果に基づく溶接トーチの軌道の決定、溶接の実行を、全て同時に実行する必要があるため、演算・制御部の構成が複雑になりやすい。具体的には、センサによる形状の計測および計測結果の出力や、軌道を決定するための演算が行われる速度は、一般的には、溶接トーチにおける溶接速度と整合しない。そのため、溶接の途中で溶接速度が変更される点の前後等において、計測、演算、溶接のいずれかが一時的停止されてしまう空走領域が生じやすい。また、計測と演算をリアルタイムで行うため、演算による軌道の算出を高精度で行おうとすれば、ソフトウェアをはじめ、演算・制御部の構成が複雑になってしまう。演算部のメモリ容量も大きくなってしまう。特に、センサで先行計測する部位に仮付溶接痕等の不規則な形状がある場合に、その構造を無視して、あるいはその構造を考慮して、溶接トーチの軌道を明確に決定しようとすると、計測や演算の精度が低下しがちであり、その低下を補おうとすると、演算・制御部が複雑化する。また、溶接トーチのアーク切れ等によって溶接を中断した場合に、溶接を途中から再度開始できるようにすることは困難であり、これを可能にしようとすれば、やはり複雑な演算・制御部が必要となる。

さらに、構造上の問題として、センサによる対象物の形状の計測を溶接に先行させる必要により、センサと溶接トーチの位置関係が限定されてしまう。つまり、センサを溶接トーチの前方に並べて取り付ける必要があり、溶接時に発生するスパッタやヒュームからセンサを保護するのが困難である。

本発明が解決しようとする課題は、簡素な構成の装置を用いて、実際の対象物の構造に応じた位置に自動的に突き合わせ溶接を施すことができる溶接方法、およびそのような溶接装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明にかかる溶接方法は、対象物の線状の突き合わせ部に対して突き合わせ溶接を行う溶接方法において、空間内で指定された座標に運動できる運動装置と、前記運動装置に取り付けられた溶接トーチと、前記溶接トーチに対して位置関係を固定して前記運動装置に取り付けられ、直線状に設定された計測域において対象物との距離を計測可能な光学センサと、を用い、想定される前記突き合わせ部の上に設定した複数のセンシング点のそれぞれに対して、前記計測域が前記センシング点を含んで前記突き合わせ部の線と交差するように、運動装置を用いて前記光学センサを配置したうえで、前記計測域における前記対象物までの距離を計測し、該計測の結果をもとに、前記突き合わせ部が実際に存在する位置を検出点として認識するセンシング工程と、前記運動装置を用いて、前記センシング工程によって認識された複数の検出点を直線状に結んだ目標線に沿って前記溶接トーチを運動させ、前記目標線上に溶接を行う溶接工程と、をこの順に実行するものである。

ここで、前記突き合わせ部が直線状であるとよい。

前記光学センサは、線状のビーム形状を有するレーザ光を用いて、前記計測域の全域における計測を同時に行うものであるとよい。

前記光学センサおよび前記溶接トーチは、相互に反対の方向に突出して前記運動装置に取り付けられているとよい。

前記センシング点を３点以上設定し、２つの隣接する前記検出点を結んでなる前記目標線の複数の区画のそれぞれにおいて、溶接条件を設定するとよい。

本発明にかかる溶接装置は、空間内で指定された座標に運動できる運動装置と、前記運動装置に取り付けられた溶接トーチと、前記溶接トーチに対して位置関係を固定して前記運動装置に取り付けられ、直線状に設定された計測域における対象物との距離を計測可能な光学センサと、を有し、上記のような溶接方法を実行するものである。

上記発明にかかる溶接方法においては、想定される突き合わせ部に沿って設定したセンシング点において、光学センサを用いて、対象物までの距離の分布を、突き合わせ部に交差する方向に沿って計測する。計測された距離の分布において、凹構造が観測される位置として、実際の突き合わせ部に対応する検出点を認識することができる。複数のセンシング点に対して認識した検出点を直線状に結んで目標線を作成することで、対象物の製造誤差等の要因により、想定される突き合わせ部の位置から実際の突き合わせ部がずれていたとしても、実際の突き合わせ部の位置を認識することができる。そして、目標線に沿って溶接トーチを運動させ、目標線上に溶接を行うことで、実際の突き合わせ部が存在する位置に、的確に溶接を行うことができる。このようにして、ロボット等の運動装置を用いて溶接を自動化しても、対象物の個体ごとに突き合わせ部上に正しく溶接を行うことができる。さらに、突き合わせ部に対してずれがない状態で溶接を行えることで、溶接における溶け込み率も高めやすくなる。

そして、光学センサと溶接トーチを相互の位置関係を固定して運動装置に取り付けておき、光学センサによって実際の突き合わせ部が存在する位置を検出するセンシング工程を完了した後に、その検出結果に基づいて、実際の溶接を行っていることで、センシングと溶接をリアルタイムで行う場合に比べて、制御プログラムを簡素なものとすることができる。大容量のメモリを使用することも必要ない。光学センサによる計測および計測結果に基づく演算の速度と、溶接トーチによる溶接の速度が異なっていても、また、溶接トーチのアーク切れ等、各工程に固有の問題が生じることがあったとしても、各工程を独立して実施するので、両工程の整合性の点において、特に問題は生じない。仮付溶接痕等の不規則な構造がある場合にも、それに対応した演算処理を高速で行う必要は生じない。さらに、光学センサと溶接トーチを相互に既知の位置関係に固定しさえすれば、両者の取り付け位置の関係が座標値により算出されるので、個々の具体的な取り付け位置は特に制約を受けず、用いる溶接装置の構造上の自由度を高めることができる。光学センサと溶接トーチの位置関係を固定しておくこと、特に、対象物において想定される突き合わせ部に沿った両者の位置を合わせておくことで、光学センサを用いたセンシングによって突き合わせ部の位置として検出される検出点の位置と、それらの検出点に対応させて溶接トーチで実際に溶接を行う位置との関係を固定し、検出点の間を結んだ直線に沿って正確に溶接を行うことができるようになる。

ここで、突き合わせ部が直線状である場合には、想定される突き合わせ部の上にセンシング点を離散的に設定し、それぞれのセンシング点に対応して認識された検出点を直線的に結んで目標線を得るという簡素な方法でも、実際の突き合わせ部を高精度に再現することができる。

光学センサが、線状のビーム形状を有するレーザ光を用いて、計測域の全域における計測を同時に行うものである場合には、センシング工程において、突き合わせ部に交差して設定された計測域における距離の計測、およびその結果に基づく実際の突き合わせ部の位置の認識を、簡便かつ高精度に行うことができる。

光学センサおよび溶接トーチが、相互に反対の方向に突出して運動装置に取り付けられている場合には、溶接トーチによって溶接を行っている間は、使用していない光学センサが、溶接を行っている部位と反対に向いていることになるので、溶接時に発生するスパッタやヒュームが光学センサに付着して光学センサに劣化等の影響を与えることが抑制される。

センシング点を３点以上設定し、２つの隣接する検出点を結んでなる目標線の複数の区画のそれぞれにおいて、溶接条件を設定する場合には、突き合わせ部上の各部位に応じた適切な溶接条件を適用しながら、連続的に各部位の溶接を行うことができる。上記のように、光学センサによる計測と溶接トーチによる溶接の間で速度を整合させる必要がないので、溶接途中における溶接条件の変更も、簡素な制御によって行うことができる。

上記発明にかかる溶接装置においては、簡素な構成により、突き合わせ部の実際の位置を認識したうえで溶接を自動的に行う制御を実行することができる。

本発明の一実施形態にかかる溶接装置と、対象物の例としてのアクスルハウジングを示す斜視図である。 センシング工程を実行している状態を示す斜視図である。 センシング工程を説明する図である。（ａ）は突き合わせ部を拡大して示す断面斜視図であり、（ｂ）はその突き合わせ部に対する計測結果を示している。 溶接工程を説明する図である。 各工程における制御を説明する図であり、（ａ）はセンシング工程、（ｂ）は溶接工程、（ｃ）はセンシング線を更新する工程を示している。

以下、本発明の一実施形態にかかる溶接方法および溶接装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

［溶接装置の構成］
図１に、本発明の一実施形態にかかる溶接装置１の概略を示す。

溶接装置１は、運動装置として、ロボット１０を備えている。ロボット１０は、６つの駆動軸を有し、それぞれの駆動軸の運動が、サーボモータ（１１等）によって駆動される。これにより、ロボット１０は、先端に設けられた取り付け面１２を、空間内で指定された座標に運動させることができる。ロボット１０は、ティーチングによって運動（位置および姿勢の変化）に関する指令を記憶し、その指令を順次呼び出すことで、取り付け面１２において、所定の運動を順次自動的に行うことができる。

ロボット１０の取り付け面１２には、溶接トーチ２０と、光学センサ３０とが固定されている。溶接トーチ２０は、溶接材料よりなる芯線２１を先端に備える公知のアーク溶接用のトーチである。溶接トーチ２０は、基端をロボット１０の取り付け面１２の一方面に固定されており、先端が取り付け面１２から外側に突出している。

光学センサ３０は、公知の形状測定レーザセンサよりなる。光学センサ３０には、先端部から計測対象物に線状（ライン状）のビーム形状を有するレーザビームＢを照射し、反射光を検出することで、計測対象物の表面までの距離を計測するものである（図２参照）。距離の計測は、レーザビームＢが当たっている直線状の計測域Ｒｓの各部において同時に行われる。光学センサ３０は、ロボット１０の取り付け面１２において、溶接トーチ２０が固定されているのと反対側の面に基端を固定されている。そして、先端が取り付け面１２から外側に突出している。光学センサ３０の突出方向は、溶接トーチ２０の突出方向と約１８０°異なる反対方向に向いており、レーザビームＢの出射方向が、溶接トーチ２０の芯線２１の突出方向と反対になっている。

ロボット１０の取り付け面１２における溶接トーチ２０と光学センサ３０の間の位置関係（取り付け面１２上でどの方向にどれだけ離れているか）は、固定されており、その位置関係は既知となっている。両者の位置関係の精度確認を行うための方法として、例えば、十字図形を刻印した板よりなる原点合わせ用治具を利用することができる。溶接トーチ２０の芯線２１の先端を十字の交点の真上に配置した時のロボット１０の各駆動軸の座標値と、光学センサ３０から出射されるレーザビームＢの中心が十字の交点に一致する時のロボット１０の各駆動軸の座標値とを比較し、両座標値の差を基準として、座標０（ゼロ）を設定する。位置関係の確認は、溶接トーチ２０を交換するたびに行う必要がある。

溶接トーチ２０と光学センサ３０の位置関係を固定することで、例えば、次に詳しく説明するアクスルハウジング５０を対象物とした例に対して図５に示すように、光学センサ３０を用いたセンシングによって突き合わせ部５４の位置として検出される検出点（Ｄ１〜Ｄ３）の位置と、それらの検出点（Ｄ１〜Ｄ３）に対応させて溶接トーチ２０で実際に溶接を行う位置との関係を固定し、検出点（Ｄ１〜Ｄ３）の間を結んだ直線に沿って正確に溶接を行うことができる。特に、溶接トーチ２０と光学センサ３０のｘ方向（想定される突き合わせ部５４に沿う方向）の位置を同じにすることで、光学センサ３０で検出された検出点（Ｄ１〜Ｄ３）を結んだ目標線Ｌｔの傾きと、溶接トーチ２０で実際に溶接を行う直線の傾きとの間にずれが発生するのを防止することができる。

溶接装置１には、さらに、コンピュータ等よりなる制御部（不図示）が設けられている。制御部は、溶接トーチ２０の電源を制御し、溶接時の電流および電圧を設定することができる。また、制御部は、光学センサ３０を制御して、距離の計測を実行させるとともに、光学センサ３０から計測結果を入力され、計測結果に対して、処理、演算を行うことができる。さらに、制御部は、光学センサ３０における計測結果等に基いて、ロボット１０の位置および姿勢の変化を指令するティーチングのプログラムを設定することや変更することができる。

［対象物の例］
本発明の一実施形態において溶接の対象とする対象物（ワーク）は、突き合わせ溶接を行うべき突き合わせ部を有するものであれば、どのようなものであっても構わない。以下では、対象物の例として、図１中に示したようなアクスルハウジング５０を扱う。

アクスルハウジング５０は、トラック等の大型車両の後車軸部等に用いられ、車軸およびディファレンシャルギア等を収容する。図１に示すように、アクスルハウジング５０は、胴部５１と筒状部５２を本体部としてなっている。胴部５１は、鋼板が半筒形（断面略Ｕ字形又は断面略コの字形）に曲げられ、略円環状に膨出形成されたものであり、ディファレンシャルギアを収容する。そして、胴部５１の両端部に、車軸が挿通される中空の筒状部５２が形成されている。筒状部５２は、角筒形状を基本としてなるが、端部は、後の工程でチューブエンドを取り付けられるように、円筒状となっている。胴部５１と筒状部５２の間に形成されている空隙部には、略三角形の三角板５３が取り付けられている。

アクスルハウジング５０の本体部は、２つの分割部材６０，６０から製造される。つまり、胴部５１の円環形状および筒状部５２の筒形状を半分に分割した形状を有する２つの分割部材６０，６０を製造し、それらの端縁６１，６１を突き合わせてなる直線状の突き合わせ部５４に対して、本発明の一実施形態にかかる溶接方法を用いて突き合わせ溶接を行うことで、本体部が形成される。また、胴部５１と筒状部５２の間の部位に、三角板５３が配置され、本体部と三角板５３の間の部位が溶接される。

突き合わせ溶接を行う直前の状態において、アクスルハウジング５０は、２つの分割部材６０，６０を端縁６１，６１において突き合わせて相互に押し付け、仮付溶接した状態にある。仮付溶接により、突き合わせ部５４上には、左右１箇所ずつ、点状に盛り上がった仮付溶接痕５５，５５が形成されている。仮付溶接により、２つの分割部材６０，６０は、相互に離れることがなくなり、相互に対して押し付ける外力を解放しても、端縁６１，６１によって突き合わせ部５４が形成された状態が維持される。

２つの分割部材６０，６０は、プレス成形の後、プラズマ切断により、周縁部の余肉を除去する工程を経て製造されている。よって、突き合わせ部５４を構成することになる端縁６１，６１において、切断時のプラズマアークによるダレ（上縁の溶融）が発生している。その結果、図３（ａ）に示すように、端縁６１，６１に、上面（外側の表面）側がわずかに短くなった傾斜が形成されている。そのため、２つの端縁６１，６１を突き合わせた突き合わせ部５４において、谷状の凹構造が形成されている。

［溶接方法］
次に、本発明の一実施形態にかかる溶接方法について説明する。ここでは、上記で説明した溶接装置１を用い、アクスルハウジング５０を対象物として、突き合わせ部５４に対して溶接を行う。

本実施形態にかかる溶接方法においては、（１）センシング工程と、（２）溶接工程とを、この順に実行する。溶接工程は、センシング工程において得られた情報に基づいて、実行する。以下、各工程について詳細に説明する。以下において、アクスルハウジング５０の長手方向をｘ方向、幅方向をｙ方向とする。

（１）センシング工程
図２に、センシング工程を実行している状態の溶接装置１およびアクスルハウジング５０を示している。図示は省略しているが、センシング工程に先立って、アクスルハウジング５０は、固定治具によって、作業台上の所定の位置に据え付けられている。

センシング工程においては、ロボット１０に取り付けられた光学センサ３０が下方に向けられ、アクスルハウジング５０の表面の上方に配置されている。この状態で、ロボット１０は、予め設定された直線状のセンシング線Ｌｓ（図５（ａ）参照）に沿って光学センサ３０を移動させるように、ティーチングによって運動を駆動される。センシング線Ｌｓは、想定される突き合わせ部の位置として設定されたものである。ここで、「想定される」突き合わせ部５４の位置とは、プラズマ切断等、前工程における製造誤差や、作業台への据え付け位置の誤差、ロボット１０の原点位置のずれ等、種々の要因によるばらつきの影響がない、設計通りの理想的な状態にあるとして、突き合わせ部５４が存在すると想定される位置のことを指す。

センシング線Ｌｓの上には、仮付溶接痕５５，５５が形成された位置を避けて、複数のセンシング点（図２の例では点Ｐ１〜Ｐ３）が予め設定されている。図２の例では、おおむね、点Ｐ１が筒状部５２の端部５２ａの位置、点Ｐ２が円筒状の部位と角筒状の部位の境界部、点Ｐ３が直線状の突き合わせ部５４の終点部に設定されている。ロボット１０によって、光学センサ３０が、アクスルハウジング５０の一方端５２ａから内側に向かってセンシング線Ｌｓに沿って移動され、その際に通過する各センシング点において（Ｐ１→Ｐ２→Ｐ３）、光学センサ３０がアクスルハウジング５０の表面までの距離の計測を行う。計測中、ロボット１０は、必要に応じて光学センサ３０の移動を停止させる。

各センシング点Ｐ１〜Ｐ３において計測を行うに際し、レーザビームＢは、直線状の計測域Ｒｓがセンシング線Ｌｓに略直交するように、また、センシング点Ｐ１〜Ｐ３が計測域Ｒｓの略中央に位置するように、配置される。また、種々の要因によるばらつきのために突き合わせ部５４の位置が想定される位置からｙ方向にずれる可能性のある最大範囲が、計測域Ｒｓに含まれるように、光学センサ３０とアクスルハウジング５０の間の距離が定められる。

図３（ａ）に示すような谷状の凹構造を有する突き合わせ部５４に対して、光学センサ３０によって距離の計測を行った結果を、図３（ｂ）に示す。図では、横軸をｙ方向の座標、縦軸を光学センサ３０からアクスルハウジング５０の表面までの距離としている。図のように、突き合わせ部５４の凹構造に対応して、下に凸のピーク構造が観測される。このピーク構造の頂点のｙ座標を、突き合わせ部５４の谷底に相当する検出点Ｄの位置として認識する。

図５（ａ）に、センシング点Ｐ１〜Ｐ３における計測の結果の一例を示す。ここでは、点Ｐ１における計測によって検出された検出点Ｄ１は、センシング線Ｌｓの上にあり、センシング点Ｐ１と一致している。一方、点Ｐ２における計測によって検出された検出点Ｄ２は、センシング線Ｌｓから＋ｙ方向にずれている。また、点Ｐ３における計測によって検出された検出点Ｄ３は、さらに大きくセンシング線Ｌｓから＋ｙ方向にずれている。検出点Ｄ１とＤ２の間、検出点Ｄ２とＤ３の間をそれぞれ直線で結んで目標線Ｌｔを作成すると、目標線Ｌｔは１本の直線状になっている。

得られた目標線Ｌｔは、実際のアクスルハウジング５０の突き合わせ部５４が存在する位置を示すものである。図５（ａ）の例では、目標線Ｌｔによって表現される実際の突き合わせ部５４のｙ方向における位置は、センシング点Ｐ１の位置においては、想定される位置からずれていないが、それよりも＋ｘ側の領域で、直線性を保ったまま、想定される突き合わせ部の位置よりも＋ｙ方向に斜行していることになる。想定される突き合わせ部からのこのような直線性を保ったずれは、分割部材６０，６０の端縁６１，６１のプラズマ切断工程や、作業台への据え付け工程において発生しやすい。

本実施形態においては、線状のビーム形状を有する光学センサ３０を用いて、計測域Ｒｓの全域の計測を同時に行っているため、各センシング点Ｐ１〜Ｐ３における計測域Ｒｓ内の計測を短時間で正確に行うことが可能となっている。ただし、使用する光学センサ３０は、直線状の計測域Ｒｓの全域で距離の計測を行えるものであれば、このようなもの限られず、例えば、スポット状のビーム形状を有する光学センサ３０を使用し、ビームスポットを走査することで計測域Ｒｓの全域における距離の計測を順次行うように構成することもできる。

（２）溶接工程
図４に、溶接工程を実行している状態の溶接装置１およびアクスルハウジング５０を示している。アクスルハウジング５０は、センシング工程の前に作業台上の所定の位置に据え付けられたままの状態にあり、センシング工程の実行中と、同じ座標を維持している。

溶接工程においては、ロボット１０の取り付け面１２がセンシング工程の時とは逆向きにされており、溶接トーチ２０が下方に向けられ、アクスルハウジング５０の表面の上方に配置されている。この状態で、ロボット１０は、センシング工程で得られた目標線Ｌｔに沿って溶接トーチ２０を移動させるように、運動を駆動される。運動に際して、ロボット１０の座標は、既知のパラメータである取り付け面１２における光学センサ３０と溶接トーチ２０の位置関係を目標線Ｌｔの座標に加味して設定される。

ロボット１０による運動中、溶接トーチ２０は、図５（ｂ）に示したように、目標線Ｌｔの上、つまりセンシング工程で検出した実際の突き合わせ部５４の上に、連続的に溶接を行う。この際の溶接条件は、検出点Ｄ１とＤ２を結んでなる区画における条件Ａと、検出点Ｄ２とＤ３を結んでなる区画における条件Ｂとして、それぞれ設定されており、検出点Ｄ１からＤ３に向かう連続的な溶接の途中で、検出点Ｄ２を境に溶接条件が変更される。ここで、溶接条件には、電流、電圧、速度（溶接トーチ２０の移動速度）、溶接トーチ２０から表面までの距離の各パラメータが含まれる。なお、溶接に際しては、仮付溶接痕５５，５５の存在は特に考慮せず、前後の部位と同じ溶接条件で、仮付溶接痕５５，５５の上にも直線的に溶接を施す。

なお、本実施形態においては、センシング線Ｌｓおよび目標線Ｌｔを筒状部５２における端縁６１，６１の突き合わせ部５４にのみ設定しているが、三角板５３の面にまでセンシング線Ｌｓを直線的に延長してセンシング点を設定してもよい。この場合には、突き合わせ部５４から三角板５３の上の領域にまで目標線Ｌｔが設定され、溶接が施される。

（３）他の工程
本溶接方法においては、アクスルハウジング５０を同じ位置に固定したままセンシング工程と溶接工程をこの順に行うのであれば、適宜他の工程を前後あるいは途中に実行してもかまわない。

例えば、溶接工程の後に、センシング線Ｌｓを更新する工程を実行することができる。これは、多数の同種のアクスルハウジング５０に対して順次自動的に溶接を実施する場合に、図５（ｃ）に示すように、ある個体に対して設定された目標線Ｌｔを、次以降の個体のセンシング工程に利用するセンシング線Ｌｓ’として再設定するものである。これにより、次以降の個体のセンシング工程においては、従前のセンシング線Ｌｓではなく、新しいセンシング線Ｌｓ’に沿って設定される、新しいセンシング点Ｐ１’〜Ｐ３’において、距離の検出が行われることになる。計測域Ｒｓの方向も、新しいセンシング線Ｌｓ’に略直交するように設定される。多数のアクスルハウジング５０をロットで製造する際に、目標線Ｌｔで表される実際の突き合わせ部５４の位置の設計値からのずれは、系統的なものである場合があり、その場合には、同じロットの個体間でずれが共通したものとなりやすい。すると、ある個体に対してセンシング工程で計測に基づいて設定された目標線Ｌｔは、次以降の個体においても、実際の突き合わせ部５４の位置に合致している可能性が高くなる。そこで、そのような目標線Ｌｔを新しいセンシング線Ｌｓ’として採用することで、次以降の個体においては、センシング線Ｌｓ’から目標線までの位置のずれ、つまり想定される突き合わせ部の位置から実際に溶接を行う突き合わせ部５４の位置までのずれを小さくすることができる。

（４）溶接方法の特性
本溶接方法においては、センシング工程において実際の突き合わせ部５４の位置を検出してから、溶接工程を実施することで、実際の突き合わせ部５４の上に的確に溶接を行うことができる。これにより、突き合わせ部５４に対して溶接ビードの位置がｙ方向にずれてしまう事態が防止される。また、突き合わせ部５４の位置と溶接トーチの位置がずれた状態で溶接を行うと、局所的な溶接条件が変化してしまい、所望される一定の条件で溶接を行えなくなる。特に、アクスルハウジング５０の突き合わせ溶接においては、強度を確保する観点から、１００％以上の溶け込み率を達成することが好ましいが、突き合わせ部５４の凹構造の底の位置と溶接トーチ２０の芯線２１の位置がｙ方向にずれていると、そのような高い溶け込み率は達成しにくい。本溶接方法においては、センシング工程を経ることで、突き合わせ部５４の凹構造の底と溶接トーチ２０の芯線２１の位置をずれのない状態に合わせて溶接を行えるので、高い溶け込み率を達成することができる。

アクスルハウジング５０を多数製造する際に、溶接を行うまでの工程を各個体に対して同様に実行したとしても、種々の要因により、溶接を行うために作業台に固定された状態のアクスルハウジング５０における突き合わせ部５４の位置および方向には、不可避的に誤差が生じる。そのような誤差を与える要因としては、分割部材６０，６０のプレス成形時や端縁６１，６１における余肉切断時の位置ずれや、ロット変更による製造条件の変化、作業台への据え付け時の位置ずれや傾き等を挙げることができる。しかし、アクスルハウジング５０の各個体に対して、溶接工程の前にセンシング工程を実施し、その個体における実際の突き合わせ部５４の位置を確認することで、個体ごとの突き合わせ部５４の位置のばらつきによらず、各個体の突き合わせ部５４に対して、的確に溶接を行うことができる。また、従来は、所定の条件で溶接が行えているかを確認するために、アクスルハウジング５０の筒状部５２の中空形状の内側から突き合わせ部５４を目視し、溶け込み率が１００％を超えることで溶接ビードが突き合わせ部５４の裏側にまで達しているかを検査したり、筒状部５２を切断して断面の溶接ビードを確認したりという抜き取り検査を頻繁に行っていたが、本溶接方法において、１個体ごとに突き合わせ部５４の位置を検出したうえで確実に溶接を行うことで、抜き取り検査の頻度を減らすことができる。なお、溶接トーチ２０における芯線２１の取り付け位置や角度の変化も溶接位置のずれの原因となるが、本実施形態においては、上記のように、芯線２１を交換するたびに、光学センサ３０との位置関係を確認することで、センシング工程において設定した目標線Ｌｔと実際に溶接トーチ２０で溶接を行う位置にずれが生じないようにすることができる。

さらに、本溶接方法においては、光学センサ３０による計測と溶接トーチ２０による溶接をリアルタイムで同時に進めるのではなく、それぞれ独立した工程として、センシング工程を完了してから、その結果に基づいて溶接工程を実施していることにより、リアルタイムでの両工程の実行を可能にするために必要とされる複雑なプログラムや大容量のメモリ等を排し、溶接装置１の構成、特に制御部の構成を簡素なものとすることができる。また、光学センサ３０による計測と溶接トーチ２０による溶接の間で、実行速度等の整合を図る必要がないため、それぞれの工程を、それぞれに適した簡素な方法で実行することができる。例えば、速度を含む溶接条件の変更や、仮付溶接痕５５，５５の存在を考慮しない溶接、アーク切れ等による溶接の中断と再開等を行っても、光学センサ３０による計測には何の影響も与えない。

さらに、光学センサ３０による計測と溶接トーチ２０による溶接をリアルタイムで実施する場合には、光学センサ３０を溶接トーチ２０の前方に並べて取り付けることが要求されるが、両工程を独立に実施する場合には、光学センサ３０と溶接トーチ２０の位置に特に制約は設けられない。本実施形態のように、取り付け面１２を挟んで光学センサ３０と溶接トーチ２０を反対側に取り付けることで、溶接時のヒュームやスパッタが光学センサ３０に影響を与えるのを抑制することができる。

本実施形態のように、センシング工程と溶接工程を独立して実行する場合に、センシングおよび溶接を行う位置に関して、両工程の間の整合性を担保することが必要である。本実施形態においては、光学センサ３０と溶接トーチ２０の位置関係を固定し、その位置関係を把握したうえで、共通の座標系を基準として設定したセンシング線Ｌｓ、センシング点Ｐ１〜Ｐ３、目標線Ｌｔに従って、センシング工程と溶接工程の両方を実施することで、両工程における位置の整合性を担保している。本実施形態では、座標系として、ロボット１０の座標を基準としているが、センシング点の１つ（例えば点Ｐ１）を基準とした座標、アクスルハウジング５０の特定の部位（例えば胴部５１の中心）を基準とした座標、光学センサ３０または溶接トーチ２０を基準とした座標等、任意の座標系を採用しうる。

本実施形態においては、センシング工程において、離散的に設定したセンシング点Ｐ１〜Ｐ３にて距離の計測を行い、突き合わせ部５４の位置に対応する検出点Ｄ１〜Ｄ３を認識している。そして、離散的な検出点Ｄ１〜Ｄ３を直線で結んで目標線Ｌｔとすることで、実際の突き合わせ部５４が存在する位置とみなしている。このように、離散的に突き合わせ部５４の検出を行うことで、センシング工程を高速で完了することができる。また、仮付溶接痕５５，５５のような不規則な構造を避けてセンシング点Ｐ１〜Ｐ３を設定することで、そのような構造の影響を排除して、突き合わせ部５４の位置を検出することができる。上記のように、アクスルハウジング５０の製造工程において、プラズマ切断や作業台への据え付けの誤差に起因して、突き合わせ部５４の位置にずれが生じやすいが、突き合わせ部５４の直線性が損なわれるようなずれは、ほとんど生じない。よって、図５に示したように、想定される突き合わせ部（センシング線Ｌｓ）を基準とした実際の突き合わせ部５４（目標線Ｌｔ）のずれは、直線性を保ったままで検出される。突き合わせ部５４の直線性により、センシング点Ｐ１〜Ｐ３を離散的に設定し、離散的に得られる検出点Ｄ１〜Ｄ３の間を直線で補間して目標線Ｌｔを作成するという簡素な方法でも、高精度に実際の突き合わせ部５４を再現することができる。

しかし、突き合わせ部５４が直線状ではなく、中途部で折れ曲がっていたとしても、光学センサ３０の計測域Ｒｓが突き合わせ部５４に交差することを担保したうえで、突き合わせ部５４を構成する直線的な部位の長さに対して十分細かくセンシング点の間隔を設定することで、そのような折れ曲がりを有する突き合わせ部５４も、同様の方法で検出することができる。図示した例では、センシング点Ｐ２を、筒状部５２の円筒形の部位と角筒状の部位の境界部分に設定している。突き合わせ部５４の形状に直線からのずれが生じるとすれば、点Ｐ２のように分割部材６０，６０の形状に変化がある領域に生じることが多いので、そのような領域にセンシング点を設定することで、突き合わせ部５４の直線からのずれにも対応しやすくなる。また、そのように形状に変化がある領域において、最適な溶接条件が変化する場合も多く、目標線Ｌｔの区画ごとに溶接条件を適切に切り換える観点からも、図５（ｃ）の条件Ａ，Ｂのように、そのような領域にセンシング点を設定することが好ましい。実際のセンシング点の数および間隔は、対象物の形状に応じて適宜定めればよい。当然ながら、センシング点を等間隔に配置する必要はなく、また、目標線Ｌｔの区画１つ１つに対して溶接条件を変更する必要もない。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

１ 溶接装置
１０ ロボット
１２ 取り付け面
２０ 溶接トーチ
２１ 芯線
３０ 光学センサ
５０ アクスルハウジング
５１ 胴部
５２ 筒状部
５３ 三角板
５４ 突き合わせ部
５５ 仮付溶接痕
６０ 分割部材
６１ 端縁
Ｂ レーザビーム
Ｄ，Ｄ１〜Ｄ３ 検出点
Ｌｓ センシング線
Ｌｔ 目標線
Ｐ１〜Ｐ３ センシング点
Ｒｓ 計測域

Claims (7)

1. 対象物である２つの分割部材の端縁を相互に突き合わせて谷状の凹構造として形成された、線状の突き合わせ部に対して、突き合わせ溶接を行う溶接方法において、
   空間内で指定された座標に運動できる運動装置と、前記運動装置に取り付けられた溶接トーチと、前記溶接トーチに対して位置関係を固定して前記運動装置に取り付けられ、直線状に設定された計測域において対象物との距離を計測可能な光学センサと、を用い、
   想定される前記突き合わせ部の上に設定した複数のセンシング点のそれぞれに対して、前記計測域が前記センシング点を含んで前記突き合わせ部の線と交差するように、運動装置を用いて前記光学センサを配置したうえで、前記計測域における前記対象物までの距離を計測し、該計測の結果をもとに、前記突き合わせ部が実際に存在する位置を検出点として認識するセンシング工程と、
   前記運動装置を用いて、前記センシング工程によって認識された複数の検出点を直線状に結んだ目標線に沿って前記溶接トーチを運動させ、前記目標線上に溶接を行う溶接工程と、をこの順に実行することを特徴とする溶接方法。
2. 前記突き合わせ部が直線状であることを特徴とする請求項１に記載の溶接方法。
3. 前記光学センサは、線状のビーム形状を有するレーザ光を用いて、前記計測域の全域における計測を同時に行うことを特徴とする請求項１または２に記載の溶接方法。
4. 前記光学センサおよび前記溶接トーチは、相互に反対の方向に突出して前記運動装置に取り付けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の溶接方法。
5. 前記センシング点を３点以上設定し、２つの隣接する前記検出点を結んでなる前記目標線の複数の区画のそれぞれにおいて、溶接条件を設定することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の溶接方法。
6. 前記２つの分割部材を前記端縁で相互に突き合わせた前記対象物は、円筒状の部位と角筒状の部位とを有し、前記突き合わせ部は、前記円筒状の部位と前記角筒状の部位にまたがって形成されており、
   前記センシング工程による計測および前記溶接工程による溶接は、前記円筒状の部位と前記角筒状の部位にまたがって行われることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の溶接方法。
7. 空間内で指定された座標に運動できる運動装置と、前記運動装置に取り付けられた溶接トーチと、前記溶接トーチに対して位置関係を固定して前記運動装置に取り付けられ、直線状に設定された計測域において対象物との距離を計測可能な光学センサと、を有し、請求項１から６のいずれか１項に記載の溶接方法を実行することを特徴とする溶接装置。

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