IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」

▶ 富士電機株式会社の特許一覧

<>
  • 特許-自働アーク溶接装置 図1
  • 特許-自働アーク溶接装置 図2
  • 特許-自働アーク溶接装置 図3
  • 特許-自働アーク溶接装置 図4
  • 特許-自働アーク溶接装置 図5
< >
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-01-08
(45)【発行日】2025-01-17
(54)【発明の名称】自働アーク溶接装置
(51)【国際特許分類】
   B23K 9/127 20060101AFI20250109BHJP
   B23K 9/12 20060101ALI20250109BHJP
【FI】
B23K9/127 508A
B23K9/12 C
【請求項の数】 6
(21)【出願番号】P 2021049389
(22)【出願日】2021-03-24
(65)【公開番号】P2022147920
(43)【公開日】2022-10-06
【審査請求日】2024-02-14
(73)【特許権者】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】菅田 好信
(72)【発明者】
【氏名】成瀬 光洋
(72)【発明者】
【氏名】鴨志田 孝
【審査官】柏原 郁昭
(56)【参考文献】
【文献】特開平02-182376(JP,A)
【文献】特開平01-104475(JP,A)
【文献】特開昭59-087304(JP,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B23K 9/127
B23K 9/12
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
二つの金属部材同士の接合部近傍に位置検出光を出射する発光部と、
前記位置検出光が前記接合部近傍で反射した反射光を受光する受光部と、
前記受光部と一体的に移動可能な溶接トーチと、
前記受光部が受光した前記反射光から前記接合部の溶接するべき位置を検出し、その位置検出値に基づいて前記溶接トーチの移動位置を追従制御する制御部と、
前記接合部で発生したアーク光が前記受光部に入射することを防止する遮光部と、
を備え、
前記遮光部は、
前記反射光の光軸を包囲するように形成された筒状の遮光カバーと、
前記遮光カバーに前記反射光の光軸と交差するように設けられ、かつ、前記遮光カバーの断面積以下の断面積を持つ空間を保有した絞り部と、
を備え
前記絞り部の前記空間を通過する前記反射光の光軸と前記アーク光の光軸とが所定の角度で交差することを特徴とする自働アーク溶接装置。
【請求項2】
二つの金属部材同士の接合部近傍に位置検出光を出射する発光部と、
前記位置検出光が前記接合部近傍で反射した反射光を受光する受光部と、
前記受光部と一体的に移動可能な溶接トーチと、
前記受光部が受光した前記反射光から前記接合部の溶接するべき位置を検出し、その位置検出値に基づいて前記溶接トーチの移動位置を追従制御する制御部と、
前記接合部で発生したアーク光が前記受光部に入射することを防止する遮光部と、
を備え、
前記遮光部は、
前記反射光の光軸を包囲するように形成された筒状の遮光カバーと、
前記遮光カバーに前記反射光の光軸と交差するように設けられ、かつ、前記遮光カバーの断面積以下の断面積を持つ空間を保有した絞り部と、
を備え
前記遮光カバーの内面の少なくとも一部に、前記遮光カバー内に侵入した前記アーク光を吸収してその反射を防止する艶消し加工部を形成したことを特徴とする自働アーク溶接装置。
【請求項3】
請求項1または2に記載した自働アーク溶接装置において、
前記絞り部は、前記遮光カバーの前記接合部側端部に形成され、かつ、前記空間を形成するスリット部を備えたことを特徴とした自働アーク溶接装置。
【請求項4】
請求項に記載した自働アーク溶接装置において、
前記スリット部の開口面積を調節可能にしたことを特徴とした自働アーク溶接装置。
【請求項5】
請求項3または4に記載した自働アーク溶接装置において、
前記スリット部が、前記受光部に入射する前記反射光の光軸に沿って斜行した斜行型スリットを有することを特徴とした自働アーク溶接装置。
【請求項6】
請求項1~の何れか1項に記載した自働アーク溶接装置において、
前記制御部により制御されるロボット機構を介して、前記受光部,前記遮光カバー及び前記溶接トーチを含むセンサ・溶接ユニットを一体的に移動させることを特徴とした自働アーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、レーザセンサ等の位置センサを用いて二つの金属部材の接合部の位置や形状を認識し、これらの情報に基づいて溶接トーチの移動位置(移動経路)を追従制御する自働アーク溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
二つの金属部材同士を溶接する場合、金属部材間の接合部の隙間や段差の存在、溶接中の熱変形等により、予め設定された溶接位置と実際に溶接するべき位置との間にずれが生じることがある。
上記問題への対策として、レーザセンサから上記接合部に向けて出射した位置検出用のレーザ光の反射光から接合部の形状や位置を検出し、これらの情報に基づいて溶接トーチの送り(移動経路)を制御する追従制御が従来から知られている。
【0003】
しかし、溶接部位から発生するアーク光の一部が位置検出用のレーザ反射光に混入してレーザセンサにより受光されると、接合部の形状や位置を正確に把握することができず、追従制御が不安定になるという問題がある。
その対策として、バンドパスフィルタ等によりアーク光の波長を除去してレーザ反射光のみを抽出することが考えられるが、放射強度が高いアーク光の波長領域がレーザ反射光の波長領域と重なる場合には、このような対策を採ることも困難である。
【0004】
なお、溶接部位の撮像画像を用いて溶融状態の監視や溶接装置の制御を行う先行技術として、例えば特許文献1,2に開示された技術が知られている。
すなわち、特許文献1には、溶接ワイヤの直下の溶接部位を撮像装置により撮像し、その画像から特定帯域の波長を検出して溶融状態の適否を判別する技術が記載されている。
また、特許文献2には、ルートギャップ(開先隙間)を有する開先の溶接部位を撮像した画像から、溶接部位の先端位置とルートギャップを規定する被溶接部材の端部位置とを検出し、上記先端位置と端部位置との位置関係(距離)に基づいて溶接速度や溶接電流等の溶接条件を制御する技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【文献】特開2020-171967号公報([0011]~[0033],[0039]~[0042]、図1等)
【文献】特開2020-28889号公報([0026]~[0037]、図3図8等)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
特許文献1では、撮像装置に入射するアーク光の光量に過不足があると撮像画像が不鮮明になって溶融状態の正確な認識が困難であり、撮像装置の前段に実装される光学フィルタの中心透過波長等を厳密に選択する必要がある。
また、特許文献2では、溶融部位の先端位置と被溶接部材の端部位置との位置ずれを検出して溶接速度や溶接電流等を補正することにより、良好な裏波ビードを得ることを目的としているが、撮像画像に映り込むアーク光の影響によって溶融部位の先端位置が不鮮明になり、位置ずれを正確に測定することができない場合がある。
【0007】
そこで、本発明の解決課題は、溶接部位から発生するアーク光がレーザ反射光などの位置検出光に干渉するのを防ぎ、溶接するべき二つの金属部材同士の接合部の位置を正確に検出すると共に、その検出位置に倣って溶接トーチを移動させることで高精度な軌跡追従制御を可能にした自働アーク溶接装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、
二つの金属部材同士の接合部近傍に位置検出光を出射する発光部と、
前記位置検出光が前記接合部近傍で反射した反射光を受光する受光部と、
前記受光部と一体的に移動可能な溶接トーチと、
前記受光部が受光した前記反射光から前記接合部の溶接するべき位置を検出し、その位置検出値に基づいて前記溶接トーチの移動位置を追従制御する制御部と、
前記接合部で発生したアーク光が前記受光部に入射することを防止する遮光部と、
を備え、
前記遮光部は、
前記反射光の光軸を包囲するように形成された筒状の遮光カバーと、
前記遮光カバーに前記反射光の光軸と交差するように設けられ、かつ、前記遮光カバーの断面積以下の断面積を持つ空間を保有した絞り部と、
を備え
前記絞り部の前記空間を通過する前記反射光の光軸と前記アーク光の光軸とが所定の角度で交差することを特徴とする。
【0010】
請求項に係る発明は、
二つの金属部材同士の接合部近傍に位置検出光を出射する発光部と、
前記位置検出光が前記接合部近傍で反射した反射光を受光する受光部と、
前記受光部と一体的に移動可能な溶接トーチと、
前記受光部が受光した前記反射光から前記接合部の溶接するべき位置を検出し、その位置検出値に基づいて前記溶接トーチの移動位置を追従制御する制御部と、
前記接合部で発生したアーク光が前記受光部に入射することを防止する遮光部と、
を備え、
前記遮光部は、
前記反射光の光軸を包囲するように形成された筒状の遮光カバーと、
前記遮光カバーに前記反射光の光軸と交差するように設けられ、かつ、前記遮光カバーの断面積以下の断面積を持つ空間を保有した絞り部と、
を備え、
前記遮光カバーの内面の少なくとも一部に、前記遮光カバー内に侵入した前記アーク光を吸収してその反射を防止する艶消し加工部を形成したことを特徴とする。
【0011】
請求項に係る発明は、請求項1または2に記載した自働アーク溶接装置において、前記絞り部は、前記遮光カバーの前記接合部側端部に形成され、かつ、前記空間を形成するスリット部を備えたことを特徴とする。
【0012】
請求項に係る発明は、請求項に記載した自働アーク溶接装置において、前記スリット部の開口面積を調節可能にしたことを特徴とする。
【0013】
請求項に係る発明は、請求項3または4に記載した自働アーク溶接装置において、前記スリット部が、前記受光部に入射する前記反射光の光軸に沿って斜行した斜行型スリットを有することを特徴とする。
【0014】
請求項に係る発明は、請求項1~の何れか1項に記載した自働アーク溶接装置において、前記制御部により制御されるロボット機構を介して、前記受光部,前記遮光カバー及び前記溶接トーチを含むセンサ・溶接ユニットを一体的に移動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【0015】
本発明においては、遮光カバーと絞り部とを備えた遮光部により、二つの金属部材の接合部からの位置検出光と溶接部位から発生するアーク光との干渉を防止して受光部にアーク光が入射するのを防いでいる。これにより、受光部に位置検出光のみを入射させて上記接合部の位置を正確に認識し、アーク溶接を行う溶接トーチの移動経路を高精度に設定して追従制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
図1】本発明の実施形態に係る自働アーク溶接装置の主要部の構成図であり、(a)は正面図、(b)は側面図である。
図2図1におけるスリット部の構成例を模式的に示した拡大断面図である。
図3】本発明の実施形態において追従制御を行う場合の測定位置、溶接位置等を説明する図であり、(a)は正面図、(b)は側面図である。
図4図3(a)の各測定位置S,S,S,…における検出位置A~D及び溶接基準位置Pの説明図である。
図5図3(a)のx方向に沿った測定範囲についてアーク溶接を行った時の検出位置A~Dの測定データを示す図であり、(a)は遮光カバーがない場合、(b)は本実施形態による遮光カバーがある場合である。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は本実施形態に係る自働アーク溶接装置の主要部の構成図であり、(a)は正面図、(b)は側面図である。
【0018】
これらの図において、センサヘッド10には、被溶接部材の接合部近傍の位置や形状を検出する位置センサとしてのレーザセンサが内蔵されている。このレーザセンサは、所定波長のレーザ光である出射光Lを被溶接部材に向けて垂直方向に出射する発光部11と、被溶接部材からの反射光Lを受光する受光部12とを備えている。この受光部12は、センサヘッド10の下端部後方に配置されている。
なお、発光部11と受光部12とをセンサヘッド10によって必ずしも一体化する必要はなく、例えば、発光部11を受光部12と分離し、発光部11を独立して稼働させても良い。
【0019】
,Mは被溶接部材としての金属板であり、本実施形態の自働アーク溶接装置は、金属板M,M同士を溶接して例えば箱型タンクの底部を製造するために使用される。ここで、金属板Mはタンクの側板を構成し、金属板Mはタンクの底板を構成する。これらの金属板M,M同士の接合部近傍が、レーザセンサの出射光L及び反射光Lを用いた測定位置Sとなる。この測定位置Sにおける出射光L及び反射光Lは、図1(a)におけるy方向に所定の幅を有している。
また、反射光Lは、例えば25[°]の角度αで反射して受光部12に入射するように構成されている。
【0020】
センサヘッド10の受光部12の下方には、ほぼ四角筒状の遮光カバー14が固定されている。この遮光カバー14は、中心軸が前記反射光Lと平行になるように、垂直方向に対して傾けて配置される。遮光カバー14は、ほぼ円筒状であっても良い。
反射光Lは、遮光カバー14の下端部の絞り部15に設けられたスリット部16を介して遮光カバー14の内部に導入され、受光部12の受光面12aに入射する。
ここで、遮光カバー14、絞り部15、及びスリット部16は、遮光部14Sを構成している。
【0021】
なお、後述する溶接位置Pから発生するアーク光Aの一部も、スリット部16を通過して遮光カバー14内に侵入する可能性がある。しかし、アーク光Aと反射光Lとの光軸が平行にならないように遮光カバー14の傾斜角度やスリット部16の開口面積等を調整することにより、遮光カバー14内に侵入したアーク光Aが受光部12に到達しないように考慮されている。
特に、遮光カバー14の内面に、アーク光Aを吸収してその反射を防止する艶消し加工部14aを形成すれば、受光部12に入射するアーク光Aの光量をほぼゼロにすることができる。この艶消し加工部14aは、遮光カバー14の内面全域に形成する必要はなく、少なくとも、スリット部16から遮光カバー14内に侵入したアーク光Aが直接当たる範囲に形成すれば足りる。
【0022】
図2は、絞り部15及びスリット部16の構成例を模式的に示した拡大断面図である。
図2(a)において、スリット部16Aは、スリット板16a,16bの対向面を反射光Lの光軸に沿って斜行させた斜行型スリット16xを備えている。また、図2(b)のスリット部16Bは、スリット板16c,16dの対向面を垂直に形成した垂直型スリット16yを備えている。
なお、斜行型スリット16x、垂直型スリット16yは、絞り部15の内部にも連続している。
これらの斜行型スリット16x及び垂直型スリット16yは、上方(図1(a)におけるz方向)から見て、反射光Lの幅(奥行)に対応させた長方形、正方形、または円形に形成されており、スリット板16a~16dを適宜な機構により図2(a),(b)の矢印方向に移動させて開口面積を調節可能であることが望ましい。
ここで、絞り部15が保有する空間としての斜行型スリット16x及び垂直型スリット16yのz方向から見た断面積は、遮光カバー14の断面積以下となっている。
【0023】
図2(b)の垂直型スリット16yは構造がシンプルで製造も容易である。
これに対し、図2(a)の斜行型スリット16xのように反射光Lの光軸に沿って斜行したスリットは、その上下の開口面積が垂直型スリット16yと同じであったとしても、斜行型スリット16xを通過して遮光カバー14内に侵入するアーク光Aの光束の断面積、言い換えればアーク光Aの光量を垂直型スリット16yよりも減少させることができる。従って、受光部12に入射するアーク光Aを一層減少させることが可能である。
【0024】
図1に戻って、17は溶接トーチである。この溶接トーチ17は、図示されていない保持部材を用いて、ヘッド固定部13、センサヘッド10、遮光カバー14、絞り部15及びスリット部16等と共に一体的に形成され、これらの全体がセンサ・溶接ユニットUを構成している。このセンサ・溶接ユニットUは、CPU、メモリ等のハードウェアと所定のプログラムを実装した制御部によってロボット機構の動作を制御することにより、三方向(x,y,z方向)に移動可能である。
【0025】
図1(a)に示すように、金属板M,M同士の接合部の溶接位置Pは、前記測定位置Sよりもx方向に沿って後方にあり、測定位置Sと溶接位置Pとの間隔dは、好適には100[mm]以下であり、本実施形態では40[mm]程度に設定されている。
また、図1(a)に示すように、溶接トーチ17は、鉛直軸に対して0[°]~70[°]の範囲、好ましくは0[°]~50[°]以下の範囲であって、反射光Lを妨げることなく、かつ溶接作業に支障のない角度βに傾けて配置することが必要である。図1(a)に示す傾斜角度βは、例えば40[°]である。
【0026】
図1(a)において、Nは金属板Mから突設されたパイプ等の障害物である。
センサ・溶接ユニットUは水平方向(x,y方向)に移動可能であるため、障害物Nが存在する場合には、遮光カバー14の絞り部15及びスリット部16(16A,16B)が障害物Nに衝突しないように、センサ・溶接ユニットUのz方向の高さを調整しつつ駆動する必要がある。
【0027】
なお、上記構成において、センサヘッド10や遮光カバー14、絞り部15、スリット部16(16A,16B)等の形状、構造は図示例に何ら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において任意に変更可能である。例えば、スリット部16の平面形状は、正円形状、楕円形状、長方形状、正多角形状など、特に限定されるものではない。
【0028】
以上説明したように、本実施形態では、センサヘッド10の下端部に固定した遮光カバー14により、測定位置Sから斜めに反射した反射光Lをスリット部16から受光部12に入射させる一方、スリット部16から侵入したアーク光Aは受光部12に入射させない構造とした。また、遮光カバー14の内面のアーク光Aが直接当たる範囲に艶消し加工部14aを形成することで、アーク光Aを吸収してその反射を防止し、受光部12に入射するアーク光Aを極力減少させている。
以上のような構成により、レーザセンサは反射光Lのみに基づいて測定位置Sにおける金属部材M,M同士の接合部の高さや幅、形状等を正確に認識し、これらの情報に基づいて溶接トーチ17による溶接位置Pの移動位置を決定することができる。
【0029】
次に、図3は、本実施形態において追従制御を行う場合の測定位置、溶接位置等の説明図であり、(a)は正面図、(b)は側面図である。また、図4(a),(b)は、図3(a)の測定位置S,S,S,…における検出位置A~D及び溶接基準位置Pを説明するための、金属板M,M同士の接合部の断面図である。
なお、図3(a)では、煩雑化を防ぐために溶接トーチ17の位置を図1(a)より後方にずらすと共に、全体を簡略化している。
【0030】
図3(a)に示すように、センサ・溶接ユニットUの移動方向(溶接方向)がx方向である場合、レーザセンサによる測定位置はS→S→S→…と移っていく。例えば測定位置Sでは、レーザセンサにより、図4(a)または(b)における位置A~Dの座標を取得し、これらをメモリに記憶する。ここで、図4(a)は金属板M,M同士の接合部が密着していて高さが揃っている場合であり、図4(b)は接合部に隙間があって金属板M,Mの高さがずれている場合である。
【0031】
センサ・溶接ユニットUの制御部では、例えば測定位置Sにおける接合部の状態が図4(a),(b)の何れの場合でも、検出位置A,Bのx方向座標から接合部の中心位置を算出し、検出位置C,Dのz方向座標から接合部の最大高さを算出する。そして、上記中心位置と最大高さとの交点を算出し、これを測定位置Sの溶接基準位置Pとしてメモリに記憶する、
上記の動作を、測定位置がS,S…へと移っていくたびに繰り返し、各測定位置S,S…における検出位置A~Dを用いて溶接基準位置P,P…をそれぞれ算出し、記憶する。
このようにして順次算出した溶接基準位置P(n=1,2,3,…)に対して、溶接トーチ17の電極先端による実際の溶接位置Pが常に倣うように制御部がロボット機構の動作を制御することで、図4(a),(b)のような接合部の状態にかかわらず、金属板M,M同士を確実に溶接することができる。
【0032】
次いで、図5は、図3のx方向に沿った所定の測定範囲についてアーク溶接を行った場合の、図4(b)における検出位置A~Dの測定データであり、図5(a)は遮光カバー14がない場合、同(b)は本実施形態における遮光カバー14がある場合を示している。
一般に、金属板M,Mの表面には微細な凹凸や変形があるため、レーザセンサを用いて測定した検出位置A~Dの測定値は直線にはならない。
【0033】
特に、遮光カバー14がない状態で溶接すると、レーザセンサの受光部12にレーザ光の反射光Lと共にアーク光Aの一部が入射するため、このアーク光A図5(a)における多数の矢印(→)で示すようにノイズとして現れる。その結果、検出位置A~Dに基づいて前述の溶接基準位置Pを正確に算出することができなくなり、溶接トーチ17の追従制御が困難になる。
【0034】
これに対し、センサヘッド10に遮光カバー14を取り付けて溶接すると、アーク光Aはほとんど受光部12に入射しなくなり、図5(b)に示すように、若干のノイズを除いて検出位置A~Dをほぼ正確に取得することができる。従って、検出位置A~Dに基づく溶接基準位置Pを用いた高精度な追従制御が可能になる。
なお、図5(a),(b)におけるd,dは、位置の誤検出動作が複数連続して存在する最大領域を示しており、d>dによって本実施形態の信頼性が明らかである。
【0035】
以上説明したように本実施形態によれば、アーク光を除去したレーザ反射光のみを用いて金属部材の溶接するべき位置を正確に検出し、追従制御の精度を高めて溶接製品の歩留まりを向上させることができる。
【符号の説明】
【0036】
10:センサヘッド
11:発光部
12:受光部
12a:受光面
14:遮光カバー
14a:艶消し加工部
14S:遮光部
15:絞り部
16,16A,16B:スリット部
16a,16b,16c,16d:スリット板
16x:斜行型スリット
16y:垂直型スリット
17:溶接トーチ
18:保持部材
:出射光
:反射光
:アーク光
A,B,C,D:検出位置
S,S,S,S:測定位置
P:溶接位置
:溶接基準位置
,M:金属板
N:障害物
U:センサ・溶接ユニット
図1
図2
図3
図4
図5