(57)【要約】【課題】溶接方向に対する配置が限定されるセンサを備えたセンサ付溶接トーチにおいて、溶接方向による制約を無くす。【解決手段】溶接方向に合わせて、溶接トーチ１０の中心軸１０Ｃを中心として、センサ（センサヘッド２０）を回転させる機構（センサヘッド回転ブロック３０）を備える。ここで、前記センサの溶接トーチ１０に対する設置位置を可変としたり、前記溶接トーチ１０の溶接方向側において開先上空の左右両側に投光器２４Ａ、２４Ｂを備えることができる。【選択図】図６
2011079002.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接方向に対する配置が限定されるセンサを備えたセンサ付溶接トーチにおいて、
溶接方向に合わせて、溶接トーチの軸を中心として、前記センサを回転させる機構を備えたことを特徴とするセンサ付溶接トーチ。
【請求項２】
前記センサの溶接トーチに対する設置位置が可変とされていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ付溶接トーチ。
【請求項３】
前記溶接トーチの溶接方向側において開先上空の左右両側に投光器を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載のセンサ付溶接トーチ。
【請求項４】
前記センサが、レーザ・視覚複合センサであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセンサ付溶接トーチ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ付溶接トーチに係り、特に、管の円周継手の振分け溶接のように、一台の装置で双方向の溶接を共に行える必要がある場合に用いるのに好適な、溶接方向に対する配置が限定されるセンサを備えたセンサ付溶接トーチの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
現地溶接継手の開先ギャップ、目違いなどの変動は比較的大きい。特に大径管溶接継手の場合に仮付けビードもある。このような溶接継手を自動溶接するために、開先形状を計測できるセンサが必要不可欠である。これに最も適するのはレーザセンサ等の光センサである。
【０００３】
一方、センサを溶接トーチに取付ける技術が、例えば特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３０１３３９号公報
【特許文献２】特開２００９−１６６１０７号公報
【特許文献３】特開２００９−１９５９７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このセンサを取付けた溶接トーチは、溶接方向が固定されてしまう。なぜなら、溶接方向に対するセンサの配置に最適な位置が存在し、たとえば溶融池をトーチ前方の斜め上から撮影することが望ましい場合では、センサヘッドを常にトーチ前方に配置する必要があるからである。そうすると、装置一台で双方向の溶接を共に行える必要がある場合、たとえば管の円周継手の振分け溶接が必要な場合に、問題が生じる。これは、出願人が先に特許文献２、３で提案したレーザ・視覚複合センサにおいても、同じである。
【０００６】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、光センサ等の、溶接方向に対する配置が限定されるセンサを備えたセンサ付溶接トーチにおいて、溶接方向による制約を無くすことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、溶接方向に対する配置が限定されるセンサを備えたセンサ付溶接トーチにおいて、溶接方向に合わせて、溶接トーチの軸を中心として、前記センサを回転させる機構を備えることにより、前記課題を解決したものである。
【０００８】
ここで、前記センサの溶接トーチに対する設置位置を可変とすることができる。
【０００９】
また、前記溶接トーチの溶接方向側において開先上空の左右両側に投光器を備えることができる。
【００１０】
また、前記センサを、レーザ・視覚複合センサとすることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、溶接トーチに取付けたセンサを、溶接方向に合わせて回転させることができるので、溶接方向による制約を解消することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るレーザ・視覚複合センサ付自動溶接トーチの実施形態で、複合センサをレーザセンサとして使用する時の状況を示す（Ａ）正面図及び（Ｂ）側面図
【図２】溶接時のセンサヘッドと溶接トーチとの関係の溶接方向による変化を示す正面図
【図３】図１に示すレーザ・視覚複合センサ付自動溶接トーチを備えたポータブル溶接ロボットの溶接ヘッドで、複合センサを視覚センサとして使用するときの状況を示す（Ａ）正面図及び（Ｂ）側面図
【図４】前記実施形態に用いられているレーザ投光器の分解斜視図
【図５】同じくセンサスライダーの分解斜視図
【図６】同じくセンサヘッド回転ブロックの分解斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１（Ａ）（正面図）及び（Ｂ）（側面図）は、双方向共に溶接できる、本発明に係るレーザ・視覚複合センサ付自動溶接トーチ（単に溶接トーチとも称する）の実施形態で、複合センサをレーザセンサとして使用する時の状況を示すものである。
【００１５】
この溶接トーチ１０には、出願人が特許文献２、３で提案したようなレーザ・視覚複合センサの撮影カメラを含むセンサヘッド２０が取付けられている。このセンサヘッド２０は、図１（Ａ）に示すように、溶接方向前方側（図１（Ａ）の右側）で溶接トーチ１０の前方上方に設置されている。またこの溶接トーチ１０には、トーチの中心軸１０Ｃを中心に回転できるセンサヘッド回転ブロック３０を設けている。センサヘッド２０は、センサヘッド回転ブロック３０を介して溶接トーチ１０と一体化している。したがって、もし溶接方向が反対側に変わったとすると、図２に示す如く、センサヘッド２０をトーチの中心軸１０Ｃを中心に１８０度回せば、センサヘッド２０がまた溶接方向前方側（図２の左側）で溶接トーチ１０の前方上方に設置される。この回転動作は、モーターなどを利用して自動制御することもできるし、手動で実施してもよい。
【００１６】
図において、８は溶接対象パイプ、１２はトーチホルダー、２２は、センサヘッド２０をレーザセンサとして用いる時と視覚センサとして用いる時で、カメラのフィルタを交換するためのフィルタ交換レバー、２４Ａ、２４Ｂは、溶接トーチ１０の溶接方向側において開先上空の左右両側に配設されたレーザセンサ用の投光器、２７Ａ、２７Ｂは、それぞれ投光器２４Ａ、２４Ｂから照射される光切断像形成用のレーザスリット光、２８Ａ、２８Ｂは、投光しない時に投光器２４Ａ、２４Ｂの投光窓口を閉じるための投光窓口保護板、４０は、開先光切断像をカメラ視野の中央部に置くためのスライダー、４２は、前記センサヘッド回転ブロック３０に固定された、該スライダー４０の摺動ガイド、４４は、該摺動ガイド４２に対してスライダー４０の位置を固定するためのスライダー固定ボルトである。
【００１７】
図３（Ａ）（正面図）及び（Ｂ）（側面図）は、前記実施形態を搭載するポータブル溶接ロボットの溶接ヘッドで、複合センサを視覚センサとして使用する時の状況を示すものである。この溶接ヘッドは、ガイドレール５０を走行する走行台車５２と、トーチ高さを調整するＹ軸機構５４と、トーチ揺動を制御するＸ軸機構５６と、ケーブルやガスホースなどの出入りを集約するコネクタボックス５８のほかに、本発明によるレーザ・視覚複合センサヘッド２０付自動溶接トーチ１０などにより構成されている。図において、６０は、ガイドレール５０上の走行台車５２の位置から溶接位置を検知するための位置センサである。
【００１８】
ここに使用した自動溶接トーチは、図１に示したように、主に溶接トーチ１０と、レーザ・視覚複合センサヘッド２０と、センサヘッド２０を溶接トーチ１０の中心軸１０Ｃを中心に回転するためのセンサヘッド回転ブロック３０により構成される。
【００１９】
図１は、複合センサのレーザセンサを使って、開先形状を計測する状況を示すものである。この計測は、溶接前かあるいは溶接後に行うことを前提としている。複合センサのレーザセンサを使用する時には、まず図１（Ａ）に示すように、センサヘッド２０のスライダー４０を右側に移動して、開先のレーザ切断画像をカメラの撮影視野の中央部に置く。ただし、開先のレーザ光切断画像が常にカメラの視野の中央部にあれば、わざわざセンサヘッド２０のスライダー４０を設けて、センサヘッドを移動する必要はない。
【００２０】
またこの自動溶接トーチ１０では、投光窓口保護板２８Ａ、２８Ｂが、センサヘッドスライダー４０に取付けられているため、スライダー４０の移動動作に伴って、投光窓口保護板２８Ａ、２８Ｂが、自動的にレーザ投光器２４Ａ、２４Ｂの投光窓口を被ったり、開けたりする。従って、溶接中に複合センサを視覚センサとして使用するとき（レーザ光が必要ないとき）に、この保護板２８Ａ、２８Ｂが、ちょうどレーザ光の出口を自動的に塞いで、溶接時のヒュームやスパッタなどの侵入を防止することができるのである。
【００２１】
なお、レーザセンサ使用時のレーザスリット光２７Ａ、２７Ｂの照射位置は、できるだけ溶接トーチ１０の中心軸１０Ｃに近づけることが望まれる。なぜならば、図１に見るように、この自動溶接トーチセットをパイプ８の円周継手に使用した場合、レーザスリット光が開先を垂直に切断することができない。したがって、カメラが撮影したレーザスリット光の開先切断画像は、真の開先断面を反映できない。ただし、レーザスリット光の照射位置を溶接トーチ１０の中心軸１０Ｃに近づければ近づけるほど、この誤差は小さくなる。図１に示すように、レーザスリット光の照射位置が、溶接トーチ１０の中心軸１０Ｃに最も近づける位置は、溶接トーチ１０の中心軸１０Ｃからトーチノズルの半径だけ離れた場所にあることがわかる。
【００２２】
この理由から、本自動溶接トーチでは、図１（Ｂ）に示すように、レーザ投光器２４Ａ、２４Ｂをセンサヘッド回転ブロック３０の左右両側にそれぞれ１個設置し、開先上空の両側の斜め方向から同時に照射して、その照射位置を溶接トーチ１０の中心軸１０Ｃに最も近づけるようにしている。
【００２３】
ここで、２本のレーザ投光器を使用する理由を説明する。
【００２４】
できるだけ真の開先断面を反映するために、図１（Ｂ）に示すようにレーザ投光器２４Ａ、２４Ｂを溶接トーチ１０の両側に設置した。ただし、レーザ投光器を溶接トーチの脇に設置したため、照射は開先の上空斜め角度からしか行えなくなり、１個のレーザ投光器を使用した場合に、照射は開先からみると非対称になる。この場合、得たレーザ光の開先切断画像が不均一になりやすく、場合によっては光の影により、たとえば厚板の開先底の画像が欠落することがある。よって、このように２本のレーザ投光器を使用して、開先に対称性のあるレーザ照射を提供することが望ましい。ここで使用するレーザ照射光は、レーザスリット光かレーザスポットフライング光とすることができる。
【００２５】
一方、図４はレーザ投光器（図では２４Ａ）の分解斜視図を示すものである。ここでレーザ投光器２４Ａを保護ケース２５Ａに内蔵して、センサヘッド回転ブロック３０に取付ける。レーザ投光器２４Ａを保護ケース２５Ａに設置するのは、溶接時発生したヒュームやスパッタによる損傷や汚れなどを防ぐためである。またレーザ光出口（スリット窓）にヒュームやスパッタなどの侵入を防止するために、防塵透明板２６Ａを設けることができる。
【００２６】
図５は、センサヘッドのスライダー４０の分解斜視図を示すものである。センサヘッドスライダー４０は、センサヘッド２０を溶接方向に沿って平行に移動させるためのものである。たとえば、溶接中に複合センサを視覚センサとして使用する場合に、図３に示したように、溶融池をちょうどセンサの撮影視野の中心に置くことが望まれる。そうすると、センサヘッドを図１の配置から図３のような配置に変更することが必要である。これを実現するために、センサヘッドスライダーを設けたのである。
【００２７】
もちろん、もし撮影視野が十分に大きく、かつ解像度も満足できれば、このようなセンサ機能の切替えに伴うセンサヘッド２０のシフト作業は必要ない。
【００２８】
この複合センサの画像処理方法については、特許文献２、３を参照されたい。
【００２９】
図６は、センサヘッド２０の回転に使うセンサヘッド回転ブロック３０の分解斜視図を示すものである。このセンサヘッド回転ブロック３０は、主に回転ケース３２と回転軸３４により構成される。まず回転軸３４の内側に溶接トーチ１０を差込み、そして半割り形状の絶縁部品３６を溶接トーチ１０と回転軸３４との間に差込んで、溶接トーチと回転軸間を電気的に絶縁させる。また押さえ３８で回転軸３４を溶接トーチ１０に固定する。そうすると、溶接トーチ１０の中心軸１０Ｃは回転軸の中心軸と一致する。
【００３０】
一方、センサヘッド回転ブロック３０には、センサヘッド２０のスライダー４０を介してセンサヘッド２０が取付けられ、レーザ投光器２４Ａと２４Ｂも取付けられている。これらが溶接方向の変更に伴って、溶接トーチ１０の中心軸１０Ｃを中心に回転できるようにされている。
【００３１】
図２は、複合センサを視覚センサとして使用する状況を示すものである。この複合センサヘッドが溶接トーチの軸を中心に簡単に１８０度回転できるため、溶接方向が変更されても、センサヘッドと溶接トーチとの位置関係を簡単に保て、この光センサ付自動溶接トーチは双方向の溶接が行えるのである。
【００３２】
なお前記実施形態においては、センサとしてレーザ・視覚複合センサが用いられていたが、センサの種類はこれに限定されず、レーザセンサ以外の光センサや、複合センサでなく単体センサであってもよい。
【符号の説明】
【００３３】
８…溶接対象パイプ
１０…溶接トーチ
２０…センサヘッド
２４Ａ、２４Ｂ…レーザ投光器
２７Ａ、２７Ｂ…レーザスリット光
３０…センサヘッド回転ブロック
４０…スライダー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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