JP2656507B2 - 距離検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波を用いて距離を検出する装置に係わ
り、例えば、消耗電極を用いたアーク溶接中にトーチと
被溶接物間の距離を一定に保つに好適な距離検出装置に
関する。

〔従来の技術〕

消耗電極を用いたアーク溶接の自動制御を進める上
で、溶接トーチと先置ビード表面との間隔を一定に保つ
ことは不可欠である。しかし、被溶接物（母材）表面を
倣つて溶接トーチの位置決めを行う、いわゆる上下倣い
についてはなかなか実用的な検出装置が無くて困つてい
るのが実状である。

第９図は実用されている代表的な上下倣いセンサとし
て、接触式のサンセを示した説明図である。同図に示す
ように、上下倣いセンサのボデイ１は溶接トーチ２と一
体に動くようにトーチ２に連結されている。母材表面３
に接触棒４の先端を接触させ、センサ・ボデイ１の内部
に接触棒４の支点５を設けて置き、てこの原理で接触棒
４の他端の移動量を２個のリミツトスイツチ6,7で検出
し、トーチ２と母材表面３間の距離が近すぎるとき、下
限リミツトスイツチ６がonとなり、トーチ２を上昇させ
る。逆にトーチ２と母材表面３間の距離が遠すぎると
き、上限リミツトスイツチ７がonとなり、トーチ２を下
降する。この様にしてトーチ２と母材表面３間の距離を
自動的に一定に保つようにしている。

しかし、通常、接触棒４の先端は、アーク８による加
熱・溶融を避け、またスパツタ付着を避けるために、溶
接進行方向に溶融池９から20mm以上離れた点を倣つてい
る。

この様に、実際にアーク８が発生している所とは違う
場所を倣つているので、たとえば、第10図に示すよう
に、厚肉管を回転しながら多層溶接している場合など
で、先置ビードのスタート部９に重ねてビードを置く時
には、接触棒４が先に重ね部に到達してそこでトーチ２
を上昇させる信号を形成するので、トーチ２は重ね部に
到達する前に上昇し、このためトーチ２と母材表面３間
の間隔を一定に保つ事ができなくなる。

この問題を解決するためには、接触棒４とアーク８間
の距離と溶接速度を勘案して時間遅れ信号を形成するこ
とが考えられるが、マイコンを用いた記憶・演算制御が
必要となり、またセンサボデイ１とトーチ２は別々に動
く構造としなければならず、複雑かつ高価な制御装置と
なるので、実用されることは希れであつた。又、接触棒
４は母材に急激な凹凸が有ると引掛りを生じてしばしば
損傷することがあつた。これらの事から、接触棒４を用
いた上下倣いは、主に大きなうねり的な変化に対応する
場合に有効な手段として使用されている。

他の実用的な上下倣いに、第11図で説明するアークセ
ンサ法が知られている。アーク用電源の出力電圧および
ワイヤ送給速度を一定に保つておき、ワイヤ10の突出し
長さｅが増すと、そこでの電圧降下が増すためにアーク
電流が減少することから、コンタクトチツプ11と母材３
間の距離が長くなつたことを検出する方法である。この
方法によると、アーク８発生部でのトーチ２と母材３間
の距離を一定に保つことが出来る。

しかし、実際にはコンタクトチツプ11におけるワイヤ
10への接触通電点12と母材３間の距離を一定に保とうと
するものであることから、ワイヤ10が通過するコンタク
トチツプ11の穴が摩耗で損傷したり、あるいはワイヤ10
の曲り癖が変化したりすると、接触通電点12の位置が安
定せず、それが距離の変化として検出されてしまい、結
局、上下倣いは非常に不安定になることがあつた。この
ことは、第12図に示すような波形の塑性変形をワイヤ10
に与えながら溶接することを特徴とした特公昭60−5054
4号の狭開先溶接法の場合には、より一層通電点12が安
定しないために、このアークセンサ法の適用は困難であ
つた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術では接触状態での距離検出を行っていたた
め、正確な距離の検出が困難であつた。

本発明の目的は、超音波を用いて簡単な構成でかつ正
確に距離が検出できる距離検出装置を提供することにあ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

前述の目的を達成するため、本発明は、超音波パルス
を送受信する送受信回路と、送信された超音波パルスを
測定面に案内する中空状の案内管と、その案内管出口端
部の内面に設けられた反射基準面部と、前記送受信回路
から送信された超音波パルスの一部が反射基準面部で反
射して送受信回路に到達する時間ならびに超音波パルス
の一部が測定面で反射して送受信回路に到達する時間の
差から反射基準面部と測定面との距離を求める信号処理
回路と、前記案内管にガスを供給して案内管出口端部か
ら案内管の内部とは温度の異なる測定面へガスを吹きつ
けるガス供給手段とを備えていることを特徴とするもの
である。

〔発明の実施例〕

第１図は、本発明の機器の動作原理を説明する為の構
成図である。本発明に使用する超音波回路は、超音波パ
ルスを形成するための信号発生回路13、超音波を送受信
する圧電素子14、受信信号から距離を検知する信号処理
回路15およびこれらをつなぐ送受信線16から構成されて
いる。圧電素子14から空中に発信された超音波パルス
は、ホーン部17を介して案内管18に入つて案内管18の端
部に到達し、超音波パルスの一部はそこに設けられた反
射基準面部となる突起部19に当たつて反射し、案内管18
にそつて圧電素子14に戻つてくる。残りの超音波パルス
は案内管18の端部から外に出て、突起部19の反射面から
距離ｇ離れた所にある測定面20に当たつて反射し、再び
案内管18に戻つてきて、圧電素子14に戻つてくる。これ
等の戻つてきた超音波パルスは圧電素子14で受信し、信
号処理回路15にて、その到達時間差から距離ｇを求めて
いる。

第２図は、圧電素子14で検出した超音波パルス信号の
測定例を示している。信号の各ピークは送信パルス21、
ホーン部でのエコー22、突起部19からのエコー23および
測定面20からのエコー24を示している。これ等のうち、
送信パルス21およびホーン部エコー22はタイミング的に
ゲートを掛けて除外し、突起部19からのエコー23が到達
してから測定面エコー24が到達するまでの時間Δｔを検
出することは容易である。この様にして、超音波パルス
発生部から相当に離れた場所であつても、端部に突起部
19を設けた案内管18を用いることによつて、突起部19か
ら測定面20までの距離ｇが、空気中の音速をもとに、確
度よく求められる。

第３図に狭開先溶接トーチに組込んだ実施例を示す。
超音波パルス発生回路13は100kHzで５波の超音波パルス
を100ms毎に発生し、圧電素子14に印加している。ホー
ン部17を介して出来るだけ案内管18内に強い音波を入れ
るようにと、外径30mmの圧電素子14は凹面を形成してい
る。そして案内管18の側面からシールドガスを入れ、内
径8mm、長さ約300mmのビニールホースを第一案内管25と
して用いて、狭開先溶接トーチ26の長さ約20mmの先行シ
ールドガス管27を第２の案内管としてつないでいる。先
行シールドガス管27は内断面積が約25mm²でトーチ26の
厚さを6mm以下にするために楕円形をしているが、その
アーク側の出口近傍に高さ1mmの突起部28を設けてい
る。

その他は通常用いている特公昭60−50544号等にある
狭開先溶接用のトーチと変りなく、先行シールドガス管
27の他、ワイヤ12を案内するガイドチユーブ29、その先
端に取付けたコンタクトチツプ30、水冷管31、および後
方シールドガス管32等の銅管を一体にして、トーチ26を
構成している。

圧電素子14から発射された超音波パルスは実際には軟
らかく、そして超音波に対しては剛体的であるビニール
ホースを超音波の第１案内管25として用いているので、
圧電素子14は溶接トーチ26から少し離れた所に置くこと
が出来る。そして先行シールド管27を第２案内管として
用いているので、超音波はアーク８のごく近い所にまで
案内され、そこでシールド管27出口と母材33管の距離ｇ
を検知することができる。

狭開先溶接するときには、距離ｇは例えば15mm±2mm
に保つことが要求される。このとき、第２図に示した突
起部エコー23と母材33からのエコー24との到達時間間隔
は80μｓ程度となつている。実際には、トーチ26の上下
位置をいちいち距離に換算してｇの大小として考えるの
ではなく、溶接士は基準となる到達時間間隔を指定し、
その値との大小で、溶接トーチ26が母材33に近付き過ぎ
ているか、離れ過ぎているかを検知し、溶接トーチ26を
自動的に上下して、所定到達時間間隔になるように制御
している。

超音波の気体中での音速は、温度の影響を大きく受け
る。しかし、２つのパルスの到達時間間隔は極めて短い
ので、案内管25,27内部での温度変化の影響はほとんど
受けない。一方、シールドノズル27の外部に出て母材33
から反射してくる途中では、温度変化の影響を受ける可
能性が有る。実際には前方シールドノズル27から母材33
に向けて6m/sec程度の流速でシールドガスを吹付けてい
て、その中を超音波パルスが通過するので、これによつ
ても温度変化の影響は少なくなつている。尚、シールド
ガスの流れの中を超音波パルスが往復するので、ドツプ
ラー効果に基づく音の伝ぱん速度の変化は、往路と復路
とで、相殺されてしまう。第３図の装置を用いたとき、
実際の上下倣いの精度は±2mmの範囲に収まつており、
十分に実用することができた。

なお、母材表面での超音波の反射を利用しているの
で、母材表面の凹凸が激しいときには、反射波が戻つて
来ない場合がある。その時には、次に反射波を検知する
まで、図示していないトーチ駆動制御回路で、トーチを
一定に保持する様に制御している。

また、案内管出口の面積は、反射して戻つてきた超音
波パルスの受入れ口ともなるので、案内管出口の面積が
狭いと、反射パルスの検出能力が小さくなる。また、測
定する距離ｇが遠すぎても検出できなくなる。上記の実
施例の場合には、検出できる距離は50mm程度までで有つ
た。

第４図は、本発明を通常の消耗電極アーク用トーチ34
に組合わせて上下倣い出来る様にした実施例である。第
１図に示した案内管18をトーチの直ぐ脇に配置してい
る。この場合には、案内管18にはガスを流す必要はな
い。この様にして、一般のアーク溶接用の上下倣いセン
サとして使用できる。

また、第１図の構成の装置を50mm以下の非接触方式距
離検出センサとして使用することも出来る。第５図は２
組の案内管35,36の先端をトーチ34を挾んで直角に配置
して直交する２壁面を倣うことにより、隅肉溶接線の倣
いに適用した例である。

第６図ないし第８図は、反射基準面部の変形例を説明
するための図である。前記実施例に係る反射基準面部
（突起部19）は案内管18の開口部付近の内側に環状に設
けたが、第６図の変形例の場合、案内管18の開口部付近
の内側にほぼ半月状の突起19を設けた。

第７図の変形例の場合、案内管18の一部を内側に切起
こして突起部19を形成した。第８図の変形例の場合、案
内管18の開口部から若干外側に連結部材19bを介して突
起部19aを設けた。

〔発明の効果〕

本発明は前述のような構成になつており、非接触状態
で距離を求めることができ、また反射基準面部が案内管
出口端部の内面に設けられているため、超音波パルスの
発信部（例えば圧電素子）と反射基準面部の距離がどの
ような使用状態においても常に一定であるから、距離検
出の基準到達時間に変動がない。しかも反射基準面部が
案内管で保護されているため反射基準面にゴミや水分な
どが付着するようなことがなく、従って反射基準面での
超音波パルスの反射が適正であり、よって反射基準面の
エコーがシャープであることから、信頼性の高い距離検
出装置が得られ、しかも構成が簡単である。

また、ガス供給手段から案内管にガスを供給して案内
管出口端部より測定面へガスを吹きつけるため、測定面
が例えば溶接などによって温度が高くなっていても案内
管から測定面までの温度変化の影響が少なくなり、検出
精度が上がる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る距離検出装置の概略構成
図、第２図はその装置の信号波形図、第３図はその装置
の応用例を示す概略構成図、第４図ならびに第５図は他
の応用例を示す説明図、第６図、第７図ならびに第８図
はその装置の反射基準面部の変形例を示す断面図であ
る。第９図、第10図ならびに第11図は従来の上下倣いセ
ンサの説明図、第12図は波形ワイヤの平面図である。 13……信号発生回路、14……圧電素子、15……信号処理
回路、16……送受信線、17……ホーン部、18……案内
管、19……突起部、20……測定面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮中 英司 神奈川県横浜市磯子区磯子１丁目２番10 号 バブコック日立株式会社横浜研究所 内 (56)参考文献 特開 昭48−100166（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−41322（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−154007（ＪＰ，Ａ)

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】超音波パルスを送受信する送受信回路と、
   送信された超音波パルスを測定面に案内する中空状の案
   内管と、案内管出口端部の内面に設けられた反射基準面
   部と、前記送受信回路から送信された超音波パルスの一
   部が反射基準面部で反射して送受信回路に到達する時間
   ならびに超音波パルスの一部が測定面で反射して送受信
   回路に到達する時間の差から反射基準面部と測定面との
   距離を求める信号処理回路と、前記案内管にガスを供給
   して案内管出口端部から案内管の内部とは温度の異なる
   測定面へガスを吹きつけるガス供給手段とを備えたこと
   を特徴とする距離検出装置。
2. 【請求項２】特許請求の範囲第（１）項記載において、
   前記中空状の案内管の途中がフレキシブルなチューブで
   構成されていることを特徴とする距離検出装置。
3. 【請求項３】特許請求の範囲第（１）項記載において、
   前記反射基準面部を有する案内管出口端部が溶接用トー
   チに隣接して配置されていることを特徴とする距離検出
   装置。
4. 【請求項４】特許請求の範囲第（１）項記載において、
   前記ガスが溶接用のシールドガスであることを特徴とす
   る距離検出装置。