JPS5838672A - 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】 この発明は、アーク溶接ロボットに用いる溶接線、即ち
溶接ギャップ（溶接すべき部品間の空Ｗｌ）を検出する
装置１ｃ関するものである。

先づ、アーク溶接ロボットで、一般に使用が検討されて
ｂるセンサーを２例紹介する。

第１図は、市販されてｂ諷溶接線の磁界センサーの概略
構造を示したものである。この磁界センサーは、検出ヘ
ッド（２）とコントローラ（菫）で構成されてｂる。検
出ヘッド（２）は、内部にコイルを３ヶ並べた構造とな
ってお〕、真中の送信用のコイル（３）から両側の受信
用のコイル（４１へ低周波磁界＋１５１　ｆ発生させる
。もし、被検出物体（６）が送信用コイル（３１と受信
用コイル（４）との間で。

左右均一であると、低周波磁界缶）ハ左右で同一とな）
、バランス状態にあるが、溶接線（７）が送信用のコイ
ル（３１の真下から左右どちらかにずれると″ご渦電流
損、磁気抵抗に変化が生じ、上述のバランス状態がくず
れる。この低周波磁界（５）の左右の差信号をコントロ
ー５（１）で解析し、ＩＷ接１７１　（７１を検出しよ
うとするのがこの磁界センサーの原理である。しかしな
がら、この磁界センサーは、後述するような“溶接アー
クの自己磁界のため、センサーの倣い精度が著しく低下
することや、溶接線（７）が検出ヘッド部（２）の底面
寸法厳密に言えば、２つの受信用コイル（４）間距離の
約１／２よシ大きくずれると、溶接線＋７１の位置が検
出できなりなどの欠点がある。

次に、第２図は溶ｉｓを視覚的に検出しようとする。い
わゆる視覚センサーの代表例を示したものである。

通常、視覚センサーαＩは、光源０４．レンズａｅ。

面、走行ミラーａ９．検出器ｎなどで構成され。

１つの容器の中に納められてｂる。Ｍ理汀、光源０番か
ら放出された光をコリメーテイングレンズａｓで集光し
、光スポットを走行ミラー四によって、被溶接物＋６＋
　（Ｄ溶接線（７）を横断的に振り。

スポット化された光ビームの軌跡（１１を光学レンズ（
２）を通して、検出器部で愛社ようとするものである。

検出器−からの信号処理は、検出器−外で行なわれるの
が一般的である。このような視覚センサーは人間の作業
機能に近−という意味で非常に汎用性のあるものである
。実際、アーク溶接の母材の継ぎ手形状に適用した場合
、央き合せ９重ね合せ、隅肉、開先などの溶接線の検出
がきれ込に行なえることが分っている。しかしながら、
継ぎ手形状のパターン認識も含めたこの種の視覚センサ
ー＃ｉ、実用化に際して、センサーが大き過ぎそこと、
コストが高くなることなどの難点をもっている。例えば
、光源ａΦに発光ダイオードのような小形部品を使った
とじても、視覚センサー顛の大きさけ、−辺が約１０国
の箱形となり、実際の溶接アークトーチに比べるとはる
かに大きなものとなり、このような寸法の視覚センサー
をアーク溶接ロボットに装着すると作業性が損なわれる
欠点がある。

この発明は１以上のような従来のセンサーの欠点の解消
を目的としてなされたもので、アーク電流によシ生じる
磁界分布が溶接線の存在する位置で大きく変化する現象
を磁界検出センサーでとらえ、溶接線の位置を検出する
ようにしたものである。

普ず、溶接アークにおける磁界発生の現象につ騒て説明
する。

第３図に示すように、２枚の被溶接物（６）の突き合せ
溶接を例にとシ、溶接アークがＸ方向Ｋ。

溶接ビードロを形成しながら１点＠まで進んだ状態を考
える。この状態における溶接線σ）上におけるＸ方向の
磁界分布をガクメータで測定する。磁界分布の測定方法
として９例えば、溶接アークが点ａ４まで進んだ時、即
座に溶接アークを消し９点＠に電極（図示省略）を接触
して通電し、ガウスメータのプローブａｓを溶接線（７
）に沿ってすげやく走行することによって、実際の溶接
アークが点＠まて進んだ時とほぼ同じ状態での磁界分布
を求めることができる。

１ｇ４図は、被溶接物（６）としていずれも板厚がａｍ
ｓの鋼材を使用し、溶接線（７）の空隙が約１１ＩＩＢ
以下で、溶接電流が約３５０ムの条件で、被溶接物（６
）の上面からの距離が約３ｍ上方におけるｙ方向の磁界
強度をＸ軸に沿って測定した結果の１例を示したもので
ある。図で、Ｘ軸座標の原点は点＠にある。第４図から
、未溶接側での磁界が強すこと、更に、点（財）から溶
接アーク゛の進行方向（未溶接側）１０国曲方での磁界
強度が約３００ガウスもあることなどがわかる。

このような溶接線（））の上方における磁界の出現は、
被溶接物（６）の内Ｓ七溶接１！　（？）の空隙部の磁
気抵抗の違−によるものと考えられる。

ここで２次のような疑問が生じるかも知れない。即ち、
第３図ては、２軸方向（溶接室ＩＮを流しているので、
第４図の結果ｉｊｇ軸１わシの磁束を測定してｂるので
けないか、或Ｆｉ溶接ビード■で一応磁気回路ができて
ｂるのに、その上方で漏れ磁界があるのけ理解しかねる
などの疑問である。これに対して９発明者等は次の様な
実験を試みた。第３図で、被溶接物（６１ｔ−溶接１１
Ｂ　（７１という空隙のなし一枚の鋼材とし、同様の実
験、同様の磁界強度の測定を行なった。この磁界強度の
Ｘ方向の分布は館５図の破線のようになる。第５図で、
実線は第４図との差、即ち。

ｙ方向の正味の漏れ磁界強度のＸ方向の分布を。

多くの実験データの平均値として表わしたものである。

ちなみに、溶接電流は約３５０Ａである。

第５図の実！Ｉけ、はぼ予想通シ、即ち、溶接ビード（
２）側の漏れ磁界強度けはぼ０で、未溶接側にけはぼ一
定の漏れ磁界があるとけいえ、未溶接側に約９０〜１１
０ガウスのｙ方向の漏れ磁界があるとｂう事実は、当面
する溶接ａ（ハ）の検出法に、非常に有力な武器を提示
して゛いるとｂう意味において注目に値する。

さて、上述のような一連の磁界測定において。

発明者等は、また、第３図で２方向の磁界強度の１方向
の分布も測定した。第６図は溶接電流が約３５ＯＡの条
件で、被溶接物（６１の上面近傍の２方向の磁界強度の
１方向の分布を実測した結果を示したものである。！Ｓ
図で１点＠の近傍の磁界強ｆＫかなシのばらつきはある
が、いずれも検出が容Ｊ！な磁界強度であるということ
をここで指摘しておきたｂｏ このような未溶接側の磁界発生は、被溶接物（６）の溶
接線Ｃγ）を検出しようとする。正にその空隙の真上の
限られた狭し範囲に見られる現象である。このような磁
界発生の現象は、第３図のような２枚の被溶接物（６）
の突き合せの場合の他。

重ね合せや隅肉、或は開先などの場合忙おいても、磁界
強［Ｋ多少の差Ｆｉあれ、同様に生ずることを確認して
−る。

ここで１例として、第１図に２重ね合せ溶接の場合で、
−被溶接物の表面に対して４５＆の方向の漏れ磁界強度
のＸ方向の分布を示しておこう。

次に、溶接線の漏れ磁界を検出する具体的な実施例と、
これをアーク溶接ロボ□ットに適用した場合の制御方式
に関する実施例につ込て説明する。

第８図は、この発明に係わる漏れ磁界による溶接線（７
）の検出装鐙の一実施例の斜視図で、汎用の消耗電極式
溶接機のトーチｍに、トーチ（至）に対して回転自在の
結合機（至）を介して、磁界検出器（至）が＊、６付け
られてｂる。磁界検出器（至）の取シ付は位１１ｕ、）
−チのどの部分であってもよく、要は、トーチｃ１１Ｋ
対して回転自在であること、場合によってはトーチ（至
）との間隔が伸縮自在であることなどが必要条件である
。また。

第８図の実施例では、被溶接物（６）の突き合せ部分の
溶接ａ（７）上を、ワイヤ電極ａυと被溶接物（６）の
間にアーク（至）を発生させ、溶接ビードロを形成する
とともに、磁界検出器υで溶接ａ（至）上の漏れ磁界を
検出しながらＸ方向にノズル（至）が進行する＠この場
合、漏れ磁界の検出が出来なくなるのけ、溶接電流が零
か、まｆｃは、磁界検出器（至）が溶接線（７１上から
けずれた時であることを注意しておく。

ここで、漏れ磁界の有効な検出センサーに関する２つの
実施例Ｋ　−）　Ｉｙて説明する。

実施例の１つは、漏れ磁界の検出器（至）として。

ホール効果を利用した通常のガウスメータのプローブを
取シ付けたもので返る。周知のように。

ガウスメータはホール素子の面に直角に入る磁界を検出
する。従って、２方向の漏れ磁界を検出する場合は、検
出器（支）の先端部（財）を直角に折り曲げて実施した
。

漏れ磁界の検出センサの第２の実施例を第９図に示す。

図は、ｂわゆるマグネットゲートメータと呼ばれている
磁界センサーを、ｉ！接線（７）の漏れ磁束の検出用と
して２円筒状のプローブ＠に構成したものである。プロ
ーブーの磁界検出部＋４１１け、第９図（ｂ）の拡大図
に示すように２例えば円筒状のパーマロイなどのコア（
財）のまわシ＆Ｃ，１次コイル四と２次コイル−の２つ
のコイルをコア（財）とほぼ同軸状に配鐙した構造とな
っている。この動作原理は９例えば、１次コイル１２　
Ｋ周波数ｆの交流電流を流し、外部磁界−が無い時にコ
アーの磁束変化によって誘起される２次コイル−の出力
が零となるように１次コイル−の巻線を定めておき、こ
の状態で、もし外部磁界−がコア（財）に入るとほぼ２
ｆのＲ１１ｌ数の出力が２次コイル−に発生するという
ことを利用して外部磁界−を検出しようとするものであ
る。なお、このマグネットゲートメーターは。

地球磁界のような微小磁界を検出できる他、小形で且つ
堅牢に構成できるので、この発明に係わる漏れ磁界の検
出には非常に有効であることが、具体的な実施によって
判明している。

次に、上述した磁界センサーからの出力信号は、アーク
溶接ロボットのトーチの仁愛制御に使われるわけである
が、この出力信号の処理方式に関する実施例につｂで説
明する。

第８図で、磁界検出器ａ￥？７方向に、溶接線（７）を
跨いで、掃引した時、磁界検出器（至）が愛社る漏れ磁
界の強さは第１０図のようになる。即ち、８１０図は溶
接線＋７１近傍のｙ方向の漏れ磁界分布を示している。

この漏れ磁界の強さは。

磁界検出ａ（至）の検出端（財）と被溶接物（６）との
距離や溶接電流の値などによって変わることは言うまで
亀な帆。

さて、第８図に示した一実施例では、磁界検出器０をト
ーチのシールドガスノズル圓に対して１回転自在の結合
器Ｃ（１を介して、ｙ軸方向に一定の振巾で振らせてし
る。この時、振巾の中心とシールドガスノズル（至）、
（よ〕厳密に言えば、アークを出しているワイヤ電極ａ
Ｄ）とを結ぶ直線の方向にトーチを進行させると上記振
巾の中心とワイヤ電極ｔｓｎとが共に同一の溶接線（２
）上を進めば、磁界検出器（至）からの漏れ磁界の検出
信号は、第１１図（ａ）　Ｋ示すように、一定間隔１、
）のパルス信号となる。

ところが、溶接トーチの進行とともに、ワイヤ電極（２
）、従って磁界検出器（至）が、＊接線（７）からけず
れてくると、このパルス信号の間隔は。

第１１図の）、　（Ｃ）のように変化する。第１１図（
Ｃ）は、溶接！！（７）からのずれの巾が１丁度振巾と
一致した状態で、パルス信号の間隔は第１１図（ａ）の
ときの２倍９２ｔｏとなる。ずれの巾が磁界検出器（至
）の振巾よりも大きくなると、このパルス信号は出なく
なる◎ ここで注意しておきた員ことは、＃！４５！Ｊ〜第１図
に示す漏れ串界強度にはかな）のばらつきがあることを
考慮して、成る一定の磁界強度以上のものと、以下のも
のとの２値で信号を処理しているということである。

この発明による一実施例では、第１１図（ａ）の基準と
なるｔＱを設定し、同ｖ！Ｊ（ｂ）のｔｏ＋’Ｈを検出
する回路を作夛、これがｔ（１を越えると、トーチ（至
）を左右のどちらかｋゆりく夛と振り、　ｔＱ−１−ｔ
ｌ　　の増減を判定してトーチ（至）の左右の振りを逆
にしたカ、或は更に進めたシするという制御方式を採用
した。この実施例では、トーチ（至）の１行装置や左右
の振シ速度、或は磁界検出器（至）の振巾の大きさやそ
の周波数、更にはｔＯ−４−ｔｌ　　の大きさを判定す
る基準中のとシ方などの条件によって、トーチＩ）Ｆｉ
ｙ方向に微小振動しながら溶接線け）上を進行するとい
う場合もあるが、実際０溶接ＫｌｌとＺど影響がないと
いう条件範囲も存在することが判明している。即ち。

実用的な面ての倣い精ＫＦｉ十分あるとｂえる。

また、溶接線−が曲線である場合も、トーチ■及びこれ
に回転自在に結合されてｂる磁界検出器−を数値制御す
ることＫよって９曲線上を倣って行くことができる。こ
の場合、　ＩＩ！ｉＫ、テイチンクプレイバック方式の
アーク溶接寵ボットでは、この−着の倣い精度が良くな
る。

つ帆でながら、上述の１実施例で、トーチ（至）と磁界
検出器（至）とを剛体的に結合し、トーチ（至）を反覆
自転させることＫよって、磁界検出器（至）が溶接線け
）を横切るようにしても、第１１図のような信号が得ら
れることを付言しておこう。

この方法は、結合器（至）の構造が簡単であること。

更に、トーチ−が反覆自転しても溶接に何らの悪影響も
与えないことなどの理由て非常に有効である。また、テ
イチングプレイパック方式のナーク溶接ロボッ）Ｋ適用
して２曲率半径が５０ｗ以上のゆるやかな曲線の溶接線
を精度よく倣うことを確かめてｂる。

次に、アーク溶接ロボットのトーチの位置制御に関する
もう一つの実施例に−）いて説明する。

これは、第１２図に示すように、溶接１ｉ　（７１を跨
Ｌｎで、２つの磁界検出器（５２ａ）、（３２ｂ）をト
ーチ（至）に固定して配電し、これらの磁界検出器（ｉ
５２ａ）、（３２ｂ）が受ける漏れ磁界の信号の差によ
って、ワイヤ電極ａ１１の溶接ＩＩ（７１からのずれを
補正しようとすする奄のである。一実施例では、２つの
磁界検出器（５２ａ）、（３２ｂ）の間隔を溶接線（７
）の空隙中の約２倍に設定することによって、溶接アー
ク＠は、溶接線ａ）上を精度よく倣って進むことが判明
している。

この方式は、磁界検出器−の作り方にもよるが、一般的
Ｋｕ隅肉などの溶接形状の溶接線を倣うのはむりかしｂ
ものとｂえる。また１重ね合せなどの溶接形状では、溶
接線からの漏れ磁界のｙ方向の分布が、第１０図のよう
な対称形が得られｆｋｂため、２つの磁界検出器（３２
ａ）。

（５２ｂ）からの信号をあらかじめ補正しておく必要が
ある。

なお上記実施例では、ＴＩＧ溶接機を例に説明したが大
きな溶接電流が流れる他の溶接機。

例えばＭ工Ｇ溶接機、溶接棒を用いるアーク溶接機、更
には抵抗溶接機にも同様に適用できることはいうまでも
ない。

以上に説明したようＫこの発明は、溶接点よ〕先行する
所定の位置に配電され、溶接電流によって生じる漏れ磁
界を検出する磁界センサー。

及び上記磁界センサーの検出信号の変化から上記溶接線
からの変位量を検出する検出装置を備えたもので、単（
小形で、堅牢で、且つ取シ扱すや信号処理が簡便な磁界
センサーを用いうるので溶接トーチに装着しても作業性
が損なわれることがな−という実用上大きな効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の磁気センサーの一例を示す図。 第２図は従来の視覚センサーの一例を示す図。 第３図はこの発明の動作原理を、説明するための図、第
４図はアーク電流によるｙ方向のもれ磁束のＸ軸方向の
分布図、第５図はアーク電流によるｙ方向６もれ磁束の
Ｘ軸方向の分布の溶接ビードの有無による磁界分布の異
いを説明するための分布図、第６図は２軸方向のもれ磁
界の強さのＸ軸方向の分布図、第１図は重ね合せ接手に
おける４５°の方向のもれ磁界の強さのＸ軸方向の分布
図、第ｓ！ｌ！Ｏはこの発明の一実施例の斜視図、第９
図（ａ）　ｉｔこの発明で用いる磁気センサーの一例で
あるマグネットゲートメータを示す図、同図（ｂ）はそ
の一部拡大破断図、第１０図はもれ磁界のｙ軸方向の分
布図、館１１図（ａ）〜（（り　＃ｉ磁界七ンサーと溶
接線との位置による検出信号波形図、第１２図はこの発
明の他の実施例の斜視図である。 図［オＬｎ　テ（６１／ｆｉ被溶接物、イア１　Ｆｉ溶
接線、　ａＦｉ溶接ビード、　　ａｓｔ′ｉガウスメー
タのプローブ、■はアーク溶接トーチ、ａ２は界磁検出
器、　ｏｌｌはワイヤ電極、（至）は給金機、（！９は
アークである。 なお図中同一符号はそれぞれ同一または相当部分を示す
。 代理人　葛　野　信　− 第８図 ４ｔ？ とｂ） ｖａｒｏｖｎ Ｉ！１２図 ψ 手続補正書（白に２ 特許庁長官殿 １、事件の表示　　　　特願昭　ｌｌ−１８１１２１号
２、発明の名称 Ｓ＊線検出装置 ３、補正をする者 代表者片由仁へ部 ４、代理人 住　所　　　　　↑；誓↓Ｆ丸の内二丁目２番３号社内 ＋ｘｔａａｑｃ＋ｓ　　　　ｉｄ＋　　　　　　　ｑ子
　　　ｔ−ｔ　　　　−４Ａｉ　補正の対象 明ａ４１Ｆの特許請求の範囲１発明の詳細な説明および
図面の簡単な説明の欄 １　補正の内容 １）明細書の特許請求の範囲の欄を別紙のとお９訂正す
る。 ２）明細書をつぎのとおシ訂正する。 に　　　　　　　　　　　　　　　　　　　以上訂正後
の特許請求の範囲 （１）溶接点よル先行する所定の位置に配置され。 溶接電流によって生ずる漏れ磁界を検出する磁界センサ
ー、及び上記磁界センサーの検出信号によって溶接線か
らの変位量を検出する検出装置を備え九溶接線検出装置
。 （２）　　磁界センサーを溶接線を横切るようにオッシ
レートさせる機構を備えた特許請求範囲第１項記載の溶
接線検出装置。 （３）　　磁界センサーとアーク溶接トーチとを結合し
、上記アーク溶接トーチを反覆自転させる機構を備え、
上記磁界センサーが上記溶接線を横切るようにオツシレ
ートするようにした特許請求範囲第２項記載の溶接線検
出装置。 （４）浴接＊を挾むように配置された複数の磁界センサ
ーと、これらの磁界センサーの検出信号の差から上記溶
接線からの変位数を検出する検出装置とを備えた％ｉ請
求範囲第１項記載の溶接線検出装置。 （５）　　磁界センサーがホール素子である特許請求範
囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の溶接線検出装
置◎ （６）　　磁界センサーがマグネットゲートメータであ
る特許請求範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の
溶接線検出装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）　　溶接点よ〕先行する所定の位置に配置され。 溶接電流によって生ずる漏れ磁界を検出する磁界センサ
   ー、及び上記磁界センサーの検出信号によって溶接線か
   らの変位量を検出する検出装置を備えた溶接線検出装着
   。 （２１磁界センサーを溶接線を横切るようにオッシレー
   トさせる機構を備えた特許請求範囲第１項記載の溶接線
   検出装置。 （３）　　磁界センサーとアーク溶接トーチとを結合し
   、上記アーク溶接トーチを反覆自転させる機構を備え、
   上記磁界センサーが上記溶接線を横切るようにオツシレ
   ートするようにした特許請求岐囲第２項記載の溶接線検
   出装置。 （４）　　溶接線を挾むように配着された複数の磁界セ
   ンサーと、これらの磁界センサーの検出信号の差から上
   記溶接線からの変位量を検出する検出装置とを備えｆｃ
   ％許請求範囲第１項記載の溶接線検出装置。 （６）　磁界センサーがホール素子である特許請求範囲
   第１項なりし第４項の込ずれかに記載の溶接線検出装置
   。 （６）　磁界センサーがマグネットメータである特許請
   求範囲第１項ないし第４項のｂずれかに記載の溶接線検
   出装置。