電子ビームによる円周溶接位置の補正方法
【課題】溶接位置補正を高精度かつ短時間に実現可能な電子ビームによる円周溶接位置の補正方法を提供。
【解決手段】円周部を持つ固定されたワーク２５に、制御装置１２に記憶された円周溶接位置の入力位置データ２６ａに基づいて電子ビーム溶接する際の、電子ビーム１０による円周溶接位置の補正方法において、入力位置データ２６ａに基づいて、電子ビーム１０をワーク２５の円周部を横断するように少なくとも３箇所に放射し、ワーク２５の表面に電子ビーム１０が当たることで、反射される電子線等を、反射電子コレクタ２０にて検出し検出した電子線等の検出量の変化から、制御装置１２が円周部上の点である現位置データを取得し、制御装置１２が、現位置データから入力位置データ２６ａを補正した補正位置データである溶接中心Ｐ１及び溶接半径Ｒを算出し、補正位置データに基づいて、ワーク２５を電子ビーム溶接する。
【解決手段】円周部を持つ固定されたワーク２５に、制御装置１２に記憶された円周溶接位置の入力位置データ２６ａに基づいて電子ビーム溶接する際の、電子ビーム１０による円周溶接位置の補正方法において、入力位置データ２６ａに基づいて、電子ビーム１０をワーク２５の円周部を横断するように少なくとも３箇所に放射し、ワーク２５の表面に電子ビーム１０が当たることで、反射される電子線等を、反射電子コレクタ２０にて検出し検出した電子線等の検出量の変化から、制御装置１２が円周部上の点である現位置データを取得し、制御装置１２が、現位置データから入力位置データ２６ａを補正した補正位置データである溶接中心Ｐ１及び溶接半径Ｒを算出し、補正位置データに基づいて、ワーク２５を電子ビーム溶接する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円周部を持つ固定されたワークに、制御装置に記憶された円周溶接位置の入力位置データに基づいて電子ビーム溶接する際に、実際のワークが必要とする溶接位置と、入力位置データと間に発生するズレを補正する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム溶接機は、真空チャンバと、陰極部等からなる電子ビーム発生部、陽極等からなる電子ビーム加速部、電子ビームを収束又は偏向させる電子レンズ部等から構成されている。
溶接は真空チャンバ内で行い、陰極部から発生する電子ビームを、陽極部で加速し、電子レンズ部で電子ビームを収束させ、被加工物に局所的に電子ビームを当てることで、溶接部を溶かし、溶接可能とする。
被加工物は、真空チャンバ内に備えられた可動テーブルに乗せられているので、電子ビームの位置を固定で、被加工物を移動させることで、溶接を行う。
【０００３】
このように、電子ビーム溶接は溶接箇所にエネルギーを集中させることで溶接を行うため、他の溶接方法と比較して溶け込み幅が狭く、溶け込み深さが深い溶接ビードが形成される。よって、電子ビーム溶接は、被加工物に対しての不要な入熱が少なく、溶接歪が非常に小さいという特徴を有する。
そして、電子ビーム溶接を行うことにより、精度の高い溶接が実現でき、かつ、溶け込み幅が狭いことで、外観が美しく、溶け込み深さが深いことで、溶接強度の高い加工が可能となる。
しかしながら、このように溶接ビードの溶け込み幅が狭いので、電子ビームが被加工物の溶接部分にきちんと当たらなかった場合に、溶け込みが不十分となり必要な溶接強度が出ないなどの溶接不良を発生しやすいという問題点を抱えている。
【０００４】
したがって、現状では生産ラインに電子ビーム溶接を用いる場合、被加工物を実際に溶接して、溶接した被加工物の溶接断面を見るために、溶接後の被加工物をカットして溶接位置を確認している。溶接位置がずれていることが確認されれば、電子レンズを調整して位置を調整する作業を行う。このような確認作業は、３交代制で行われる生産ラインでは交代するごとに１回行われ、確認作業に数十分を要することから、加工効率の低下を招いていた。
【０００５】
このため、電子ビームによる直線溶接においては、例えば特許文献１のような方法が開示されている。
図７に特許文献１の、三次元倣いセンシング方法を適用した溶接形鋼管の電子ビーム溶接の場合のセンシング目合わせ要領を示す斜視図を示す。
三角錐タブ板１０１は溶接形鋼管１０２の両端面４箇所に取り付けられており、溶接形鋼管１０２は移動台車１０９上のターニングローラ１０８により支持回転できるようにしている。
三角錐タブ板１０１の長手方向で開先線１０３の延長方向にケガキ線１０４を引き、その途中にセンシング用微小ポンチ穴１０５ａ、１０５ｂを２個設けている。そのセンシング用微小ポンチ穴１０５ａ、１０５ｂを一定加工距離離れた電子ビームガン１０６より弱ビーム１０７を照射し、電子ビームガン１０６の照射位置を合わせることにより溶接開先倣い、電子ビームガンの姿勢制御を行う。
開先線１０３の延長線上にあるセンシング用微小ポンチ穴１０５ａに、弱ビーム１０７のスポットが合うように電子ビームガン１０６の姿勢制御を行い、その後センシング用微小ポンチ穴１０５ｂに、弱ビーム１０７のスポットが合うように電子ビームガン１０６の姿勢制御を行うので、開先線１０３の中心に電子ビーム軸が一致する。従って、溶接形鋼管１０２の中心と合致して目外れの無い溶接ができるようになる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の方法は、ワークに三角錐タブ板１０１を取り付ける必要があり、その後に開先線１０３に合わせてケガキ線１０４を引きセンシング用微小ポンチ穴１０５ａ、１０５ｂを設けるなどの手間がかかる他、三角錐タブ板１０１の取り付け精度によって溶接の精度が左右される。また、ワークの大きさに対する三角錐タブ板１０１の制限等のほか、原理的に直線溶接以外には適用が難しいという問題がある。
【０００７】
円周溶接に関する補正方法については、特許文献２及び特許文献３でアーク溶接の溶接位置の補正方法が開示されている。
このようなロボットを使ったアーク溶接の溶接位置補正方法に関しては、その他にも幾つか文献があるが、ここでは特許文献３について説明を行う。
図８は、特許文献３の、アーク溶接の溶接位置の補正方法に関する動作図である。
特許文献３の方法では、被加工物をロボットでアーク溶接する際に、実際の被加工物の位置を検出して、ロボットに教示された位置を補正して溶接する方法である。
被加工物である円筒部材１１６と平板部材１１７は、円弧状作業線１１８で溶接される。溶接作業はロボットで行い、ロボットには、円弧状作業線１１８上にあるセンシング位置ＳＰ３、ＳＰ８、ＳＰ１３を含む、点ＳＰ１〜ＳＰ１７が教示され記憶されている。なお、ＳＰ１８以降は円弧状作業線１１８が教示されている。
【０００８】
教示が行われたロボットを、再生動作させると、点ＳＰ１からロボットは点ＳＰ２に向かって移動する。点ＳＰ２において、センシング開始コードを認識することにより、ロボットはセンシング動作を開始し、ワイヤアース法により、円筒部材１１６の外周面を検知するまででセンシング動作を継続する。円筒部材１１６の外周面を検知した時点で、検知した位置情報（ＳＰ３’）をコンピュータ内の位置検出メモリに記憶する。これと同時に教示時の検出位置情報もコンピュータ内の教示位置情報メモリに記憶する。また、ＳＰ３’で検出した補正値についても所定メモリに記憶しておき、点ＳＰ３以降の再生点位置情報の補正を行う。
【０００９】
そして、ロボットは、退避位置ＳＰ４〜ＳＰ６を経由して、２点目のセンシング開始位置ＳＰ７に移動して、ＳＰ３と同様に位置情報（点ＳＰ８’）を検出位置情報メモリに、教示時の位置情報（点ＳＰ８）も教示位置情報メモリに記憶する。
さらに、ロボットは、退避位置ＳＰ９〜ＳＰ１１を経由して、３点目のセンシング開始位置ＳＰ１２に移動して、ＳＰ３、ＳＰ７と同様に位置情報（点ＳＰ１３’）を検出位置情報メモリに、教示時の検出点位置情報（ＳＰ１３）も教示位置情報メモリに記憶する。
そして、教示円弧補完位置情報の再生前に、以上のようにして検出され位置情報メモリに記憶されたＳＰ３’、ＳＰ８’、ＳＰ１３’の検出位置情報に基づいて、検出円弧中心演算回路により、これら３点ＳＰ３’、ＳＰ８’，ＳＰ１３’の検出位置を通る検出円弧の中心位置座標（ＸＤ、ＹＤ）を算出する。
【００１０】
また、３点ＳＰ３’、ＳＰ８’、ＳＰ１３’に対応して教示位置情情報メモリに記憶された３点ＳＰ３、ＳＰ８、ＳＰ１３の教示位置情報に基づいて、教示円弧中心演算回路により、これらの３点ＳＰ３、ＳＰ８，ＳＰ１３、の教示位置を通る検出円弧の中心位置座標（ＸＴ、ＹＴ）を算出する。
算出された円弧座標中心（ＸＤ、ＹＤ）と、（ＸＴ、ＹＴ）の差をとり、その差情報を以降の教示位置情報の補正値（ＸＭ、ＹＭ）とする。
以上のように、教示位置情報は、円弧センシング補正値（ＸＭ、ＹＭ）に基づき、補正手段によって補正されて、ロボットの円弧状作業線１１８に対する再生動作が行われる。
このように、ロボットの教示位置と、実際にセンシングによって得られる被加工物の位置にズレがあったとしても、溶接位置を補正して正確な溶接が行えるようになる。
【００１１】
電子ビームを用いた円周溶接においては、前述したように電子ビーム溶接の特徴である、溶け込み幅が狭く精度の高い溶接が可能であるために、ワークの設置精度によるワークの芯ズレによる溶接位置ズレや、ワークの公差範囲内での精度のバラつきによる溶接位置ズレなどが起こりやすい。その結果、適切な溶接位置に電子ビームを照射することができなくなり、溶け込み不足となり、溶け込み深さが深く高い溶接強度が得られるという電子ビーム溶接の特徴を生かすことができなくなってしまう。したがって、その溶接位置補正も高精度に行えなければならない。
また、前述したように、電子ビームの溶接工程では、例えば３交代制のラインにおいて、作業者が交代するたびに、溶接の終わった被加工物を切断し、その断面を見て直接溶接位置ズレを確認するような手間のかかる検査を行っている。しかし、このような検査作業は作業者に負担を強いるし、ワークの設置精度によるワークの芯ズレによる溶接位置ズレや、ワークの公差範囲内での精度のバラつきによる溶接位置ズレなどにより発生する、溶け込み不足などの溶接不良を防ぐためには、ワーク毎に溶接位置補正を行いたい。即ち、溶接位置補正を短時間で行わなければならない。
特に、車両の部品のように大量生産が必要なものの場合、製品の歩留まりが悪かったり、検査に時間がかかり加工時間を短縮できなかったりすると、完成品１個あたりの製造コストが高くなってしまう。低価格化が進む現在においては、このような事態は好ましくない。
従って、電子ビームを用いた円周溶接の溶接位置補正は、高精度かつ短時間で行う必要がある。
【特許文献１】特公平６−７９９５号公報
【特許文献２】特公平３−３４０８６号公報
【特許文献３】特開平４−３０２００２号公報
【特許文献４】特開２０００−１００３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
（１）しかしながら、特許文献２及び特許文献３のような、円弧溶接の位置を補正する方法は、何れも直接被加工物である円筒部材１１６に、溶接棒を接触させて被加工物の位置を検出し、その位置情報を基に溶接位置を補正する方法である。
従って、通常直径が数ｍｍ程度の太さを持つロボットハンドの先端に備えられた溶接棒を用い、その溶接棒を被加工物に接触させて検出を行う為、溶接棒と被加工物との接触位置を常に同じにすることはできず、検出位置と実際に溶接が必要な位置との誤差が大きくなる。
例えば、円筒部材１１６の筒側面に、溶接棒を接触させる場合には、円筒部材１１６の傾きや固定位置が常に一定とは限らないので、溶接棒を同じ角度で近接させたとしても、円筒部材１１６との接触位置が異なれば、接触角度は異なる可能性がある。それによって、検出精度が悪化してしまうと考えられる。また、溶接棒の接触部の形状も、検出精度に影響するであろう。
さらに、ロボットの速度とセンサの感度に依存し、ワークにロボットハンドに備えられた溶接棒を高速で接触させてしまうと、どちらかを破損する恐れがあるので、低速で移動させて接触させる必要があり、位置の検出には時間がかかる。
従って、特許文献２及び特許文献３に開示されるアーク溶接における円周溶接位置の補正方法を電子ビーム溶接の溶接位置補正に適用できたとしても、溶接位置補正を高精度かつ短時間に行えないという問題がある。
【００１３】
（２）また、実際に特許文献１の電子ビーム溶接に、特許文献３のワーク検査方法を組み合わせて実施するとすれば、溶接位置検出用の接触式センサ、又は非接触式のセンサを別に用意してセンシングし、溶接位置を検出し溶接する必要がある。しかし、これらのセンサは、真空チャンバ内に設置する必要がある。真空に対応したセンサを用い、その設置や固定方法にも手間がかかるという理由もあり、その結果、装置のコストは高くなる。
接触式センサで精度よく検出しようとする場合、例えば、機械式の表面粗さ試験機のような方法が考えられる。
機械式の表面粗さ試験をするような場合には先端の細くなった針状のプローブで、ワーク表面に接触させてスクラッチすることで検査を行うが、接触式で検査する場合には精度を高める必要があればあるほど、プローブの先端は細く、検査速度を落として検査を行う必要がある。従って接触センサを用いることは、検出時間がかかり、かつワーク表面に傷をつけてしまう可能性もあるため、現実的ではない。
一方、被接触式センサを用いた場合は、レーザー等を用いればある程度の検出精度は期待できる。検出速度もデータを処理するコンピュータの能力に左右されるが、接触式センサのような制限は無いため、比較的早く処理することが期待できる。
【００１４】
しかし、これらのセンサを設けて溶接位置を検出できたとしても、電子ビーム溶接の溶接位置の補正には結びつかない恐れもある。
これは、電子ビーム溶接のズレは、ワーク側のズレと、電子レンズ側のズレが考えられるからである。
前述のように、電子ビームは電子レンズ部で収束、偏向を行っているが、この電子レンズ部分でズレが生じると、電子ビームの照射位置やスポット径にもズレが生じる。たとえ、特許文献３の方法でワークの位置を正確に検出できたとしても、それによって、電子レンズ側のズレの補正は行えない。
従って、せっかくワークの位置を検出できても、電子レンズ側にズレがあると、正確な位置に溶接をすることはできない。つまり、円周溶接の溶接位置補正を高精度に行うことが出来ないという問題は解決されない。
そもそも、特許文献３の方法は、溶接する溶接棒自身でワークの位置を検査する方法であり、その方法で位置検査を行うことで、溶接棒とワークとの相対的なズレを補正しうる。つまり、電子ビーム溶接においても、溶接を行う電子ビーム自身で検査する必要がある。
【００１５】
（３）電子ビームを用いてワークの位置を検査する方法としては、特許文献４のような方法が考えられる。特許文献４には、電子ビームによるワークの検査方法が紹介されている。
図１２は、特許文献４の荷電粒子ビーム走査式自動検査装置の概略図が示されている。
この荷電粒子ビーム走査式自動検査装置は、荷電粒子ビーム１２１を被検査物１２２に照射し、そのとき発生する２次電子及び反射電子を被検査物の情報として情報処理手段１２３に取り込み、前記情報を、パターン比較を行う処理をして、欠陥の有無及び分析などの検査を行う。
そして、検査台制御手段１２７によって制御される検査台１２８を移動することで、被検査物１２２上をビーム走査し、被検査物１２２の全面の検査を行い、被検査物１２２の欠陥を検出することが出来る。
このように、特許文献１の電子ビーム溶接に、特許文献４の方法で、溶接位置を検出し、検出した位置に電子ビームを当てて溶接することができれば、非常に高精度の溶接を行うことが期待できる。
ただし、ワークの表面全てを走査するために時間がかかり、溶接位置を特定するためワークの表面データ全てを処理しなければならないので、高精度の溶接をしようとした場合には、非常に多くのデータを処理しなければならなくなる。結果、多くのデータを短時間で処理できる高価な機械を用意する必要があり、かつ、検査精度を高めるためには時間がかかるため、検査時間も長くなってしまい、溶接位置補正を短時間に行うことができないという問題がある。
【００１６】
すなわち、従来の円周溶接に関連する、特許文献１乃至特許文献４に開示される発明を用いて、あるいは組み合わせたとしても、電子ビームを用いた円周溶接の溶接位置補正を、高精度かつ短時間で行うことができないという問題点がある。
【００１７】
そこで、本発明は以上のような課題を解消するためになされたものであり、溶接位置補正を高精度かつ短時間に行うことが可能で、かつ安価に実現可能な電子ビームによる円周溶接位置の補正方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記目的を達成するために、本発明による電子ビームによる円周溶接位置の補正方法は以下のような特徴を有する。
（１）円周部を持つ固定されたワークに、制御装置に記憶された円周溶接位置の入力位置データに基づいて電子ビーム溶接する際の、電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、前記入力位置データに基づいて、前記電子ビームを前記ワークの前記円周部を横断するように少なくとも３箇所に放射し、前記ワークの表面に前記電子ビームが当たることで、反射される電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つを、検出装置にて検出し、前記検出装置にて検出した前記電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つの検出量の変化から、前記制御装置が前記円周部上の点である現位置データを取得し、前記制御装置が、前記現位置データから前記入力位置データを補正した補正位置データを算出し、前記補正位置データに基づいて、前記ワークを電子ビーム溶接することを特徴とする。
【００１９】
ここでいう円周部とは、一続きの円である必要は無く、円周の１部であって円弧状の形状をしていればよい。例えば、一部が欠損した略円形状の溶接部位や、円周上に破線を描くようにスキップ溶接するなどの溶接の形態であっても、一部に円弧を含み、円周部に該当する。
また、ここでいう入力位置データとは、制御装置に予め入力され記憶された、円周部の円周溶接位置のデータを指す。このデータは、円周部の円周溶接位置を溶接しうるデータであれば良いので、どのような形態であっても構わない。
また、ここでいう現位置データとは、実際にワーク上の溶接位置上の点のデータである。たとえば、円周溶接位置上の３箇所を走査して得られる、３点の座標データである。
また、ここでいう補正位置データとは、現位置データから得られた座標から求まる円周部のデータであり、例えば切れ目の無い円からなる円周溶接位置データであれば、３点の現位置データを得ることで、溶接すべき円のデータを計算しうる。この円のデータに基づいた溶接を行うことができるように加工されたデータのことを言う。
【００２０】
（２）（１）に記載の電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、前記検出に用いる電子ビームの検出時スポット径が、前記電子ビーム溶接に用いる電子ビームの溶接時スポット径よりも小径であることを特徴とする。
【００２１】
このような特徴を有する本発明による電子ビームによる円周溶接位置の補正方法により、以下のような作用、効果が得られる。
（１）円周部を持つ固定されたワークに、制御装置に記憶された円周溶接位置の入力位置データに基づいて電子ビーム溶接する際の、電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、前記入力位置データに基づいて、前記電子ビームを前記ワークの前記円周部を横断するように少なくとも３箇所に放射し、前記ワークの表面に前記電子ビームが当たることで、反射される電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つを、検出装置にて検出し、前記検出装置にて検出した前記電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つの検出量の変化から、前記制御装置が前記円周部上の点である現位置データを取得し、前記制御装置が、前記現位置データから前記入力位置データを補正した補正位置データを算出し、前記補正位置データに基づいて、前記ワークを電子ビーム溶接することを特徴とするので、溶接位置補正を高精度かつ短時間に行うことが可能であり、精度よく最適な位置を溶接可能になるという優れた効果を奏する。
これによって、ワークの設置精度によるワークの芯ズレが原因となる溶接位置ズレや、ワークの公差範囲内での精度のバラつきによる溶接位置ズレなどにより発生する、溶け込み不足などの溶接不良を解消することが可能になる。
【００２２】
短時間で円周溶接位置を補正するという点について、固定されたワークの溶接部位は円周であり、平面状にある円は３点が決定すれば特定できるため、最低３箇所を電子ビームによって走査することで、現位置データが取得でき、円周溶接位置を求めることが可能である。
走査する３箇所は、入力位置データに基づいて行うので、適切な位置を走査でき、かつワーク全面を走査する必要が無いので、短時間で円周溶接位置を検出可能である。
【００２３】
次に高精度に円周溶接位置を補正するという点について、通常行う電子ビーム溶接の手法では、ワークをターンテーブル又はＸ−Ｙテーブル上に固定して、ワーク側を動かして溶接等を行うが、この場合、ターンテーブルの中心にワークの溶接位置の中心が合ってないとズレを生じるし、Ｘ−Ｙテーブルの機械誤差等によっても検出した位置はズレを生じる可能性がある。
しかし、本発明に係る方法では、ワークは固定して、電子ビームを偏向させて、現位置データを取得するので、このような機械的な誤差を含まない精度の良いデータが得られる。
【００２４】
（２）（１）に記載の電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、前記検出に用いる電子ビームの検出時スポット径が、前記電子ビーム溶接に用いる電子ビームの溶接時スポット径よりも小径であることを特徴とするので、検出時スポット径に絞り、ワーク上をセンシングすることで、溶接に必要な精度の位置検出を可能とするという優れた効果を奏する。
【００２５】
電子ビームを溶接に用いる場合、照射される部分は一定の面積を持っている必要がある。これは、電子ビームの照射位置が溶接位置からずれることを防ぐ目的もあるが、ワークを溶接するのに必要な熱エネルギーを確保する目的もある。
電子ビームを照射することでワークを加熱する際に、ワークの熱伝達によって熱が逃げるので、極小スポットで電子ビームを当てるよりも、一定の面積に電子ビームを照射したほうが、必要な部分を溶接するには効率が良いのである。
一方、電子ビームでセンシングをする場合には、ワークを溶かす必要は無く、逆に溶かしてしまうと正確な測定が行えないため、極小スポットで弱いエネルギーの電子ビームを当て、センシングを行うことで精度の良いデータを得ることができる。
【００２６】
また、溶接に用いる電子ビームの溶接時スポット径よりも、センシングに用いる電子ビームの検出時スポット径の方が十分小さいことで、例えば検出時に多少の誤差が出たとしても溶接時には、その誤差を吸収することが可能になる。
例えば、面取りをしたワークをつき合わせて、或いは溶接用の開先が設けられたワークをつき合わせて電子ビーム溶接する場合に、電子ビームを照射する必要のある場所は、ワーク同士を付き合わせた界面となる。
従って、この位置に検出時スポット径に絞った電子ビームでセンシングをするので、精度の良い現位置データが得られ、また、検出された現位置データと実際の界面の位置とに、多少の誤差があったとしても、電子ビームの溶接時スポット径の範囲内に収まるため、現位置データによって位置補正が行われることにより、溶接に必要な精度は十分確保できることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
最初に本実施例の構成について説明する。図１には、電子ビーム溶接装置の模式図を示している。
電子銃として、電子ビーム１０を発生する陰極１４と、電子ビーム１０を加速する陽極１５と、電子ビーム１０を収束させる集束レンズ１３と、電子ビーム１０を偏向させる第１偏向レンズ１８ａ、第２偏向レンズ１８ｂが備えられ、真空チャンバ１６内には、反射電子を検出するための反射電子コレクタ２０と、ワーク２５、及びワーク固定台２７等が備えられている。
電子ビーム１０を偏向するための偏向レンズ１８が第１偏向レンズ１８ａと、第２偏向レンズ１９ｂの２つ設けられているが、これは偏向角度を広くする目的である。本発明の電子ビーム溶接装置では、ワーク２５は固定したままであるので、走査範囲を広くするためにこのような工夫がなされている。ただし、偏向レンズ１８の偏向角度が、ワーク２５の要求する加工範囲を十分満たすことが出来れば、偏向レンズ１８は１つでもよい。
また、集束レンズ１３は、第１集束レンズ、第２集束レンズ４極子レンズなどを含むが、本実施例の説明には無関係であるので、省略して記載してある。
なお、真空チャンバ１６外部に、これらを制御する制御装置１２と、陰極１４及び陽極１５等に電流を供給する電源１１が備えられて、電子ビーム溶接装置の制御を行っている。
【００２８】
ワーク２５は、自動車の駆動部品であり、例えば直径７０ｍｍ程度のプレス成形された円筒状のボスと、内部に直径３０ｍｍ程度のシャフトが組み合わされたもので、この組み合わせた部分の継ぎ目が円周溶接部２６となる。
本実施例では、その円周溶接部２６を溶接していくものとする。ワーク２５の材質は、鉄系部品であり、シャフト側は浸炭させ、硬くなっている。ただし、これらは実施例に過ぎないので、大きさや材質は、電子ビーム溶接を行う一般的な大きさ、材質であれば問題ない。電子ビーム溶接では一般的に行われるように、異種材料の溶接であっても可能である。
ワーク２５上にある円周溶接部２６は、シャフトとボスを組み合わせる際にできる溝である。
シャフトとボスを組み合わせる際には必ず両方の部品は面取りされているので、シャフトの面とボスの面が付き合わされる部分は、溝の底の部分となる。
従って円周溶接部２６は、溝の底の部分に当たる部品の突合せ面となり、電子ビーム１０を照射して溶接する場合には、前述のように溶接ビードの幅は狭くなるので、許容される溶接時に電子ビーム１０を当てる幅は狭いものとなる。
【００２９】
このワーク２５を固定するのがワーク固定台２７であり、ワーク固定台２７は駆動機構を持たないただの固定台である。
本実施例においては、溶接位置検出を行った後にワーク２５が動いてしまうような自体を避けるため、偏向レンズ１８の偏向範囲を広くして、ワーク２５全域のどのポイントでも溶接できるようにカバーし、そのかわりにワーク固定台２７には駆動機構などは設けず、ワーク２５を位置決めできる機構のみを備えている。
ワーク２５の固定については、高度な位置決め精度を必要としないため、ワーク固定台２７は複雑な固定機構よりも、容易にワーク２５が取り付け、取り外しできるような機能が求められる。例えば、ワーク２５のシャフトの部分を穴に差し込むような位置決め方法でも、ワーク毎に位置補正を行うことが可能であるので、質の高い溶接が可能となる。
【００３０】
反射電子コレクタ２０については、ワーク２５表面に照射した電子ビーム１０が反射した、反射電子を検出する機能を備えているが、反射電子のみではなく、２次電子や、Ｘ線を検出できるようにしても良い。反射電子センシング法については後述するが、反射電子コレクタ２０によって検出する対象は、反射電子でも、２次電子でも、Ｘ線でも、溶接位置が特定できるようなものであれば、何でも構わない。
ただし、反射電子のほうが直進性は高いので、溶接位置のピークを検出するには、反射電子を用いるのが望ましいと考えられる。
【００３１】
次に、溶接位置の補正手順について説明を行う。図２は溶接手順についてのフローチャートを示している。
溶接開始すると、Ｓ１にて作業者が真空チャンバ１６にワーク２５を投入し、ワーク固定台２７に固定する。Ｓ２では、真空チャンバ１６内の真空引きを行い、真空チャンバ１６内を電子ビーム溶接に必要な真空度にする。
Ｓ３で、位置検査をするために、制御装置１２に予め入力されている溶接位置を入力位置データに基づき、弱い電子ビームにてワーク２５表面を走査する。走査に用いる弱い電子ビームは、３〜５Ａ程度としている。
Ｓ４で、実際のワークの溶接位置である現位置データを検出したかどうかを判断し、現位置データが検出されなければ（Ｓ４：Ｎｏ）、Ｓ７で検出エラーとしてフローを終了する。現位置データが検出され取得できれば（Ｓ４：Ｙｅｓ）、Ｓ５で現位置データに基づいて、補正位置データを算出する。走査して計算処理にかかる時間は４箇所で３〜４秒程度となる。
そして、Ｓ６にて、補正位置データに基づいて溶接を行う。
【００３２】
次に、図２のＳ３で行っている溶接位置のセンシングの方法について説明する。
図３はセンシング方法を示した模式図であり、図４はセンシングの制御について説明した模式図である。
図３の円周溶接部２６は、実際のワーク２５が溶接を必要とする、円周溶接位置であり、制御装置１２が備える記憶装置に記憶されている入力位置データ２６ａから、走査させる位置を決定して、センシングを行う。
本実施例では、円周溶接位置は円形であり、第１走査位置３１、第２走査位置３２、第３走査位置３３、第４走査位置３４の４箇所を９０度ピッチでセンシングしている。
なお、本実施例では４箇所をセンシングしているが、円を求めるには、最低３箇所のセンシングが必要であり、センシングの箇所が増えるほど、溶接位置の誤差が少なくなる。
図４は、図３の１箇所について、模式的に見ており、第４走査位置３４を横から見た図である。
【００３３】
電子ビーム１０は、第４走査位置３４上を、数ｍｍの幅で走査する。この際のセンシング周波数は１００Ｈｚ程度であり、電子ビーム１０は第４走査位置３４上を往復することで、正確に円周溶接部２６上の点である現位置を特定する。走査する幅については、対象ワークやシステムによって適宜偏向しうるものとする。
例えば、ワーク固定台２７のワーク２５固定方法が、単純にワーク２５のシャフト部分を差し込むだけの穴であり、ボス部分を面で受けるような構造であれば、ワーク固定台２７の穴とワーク２５のシャフトの差込み代とワークの精度公差を考慮してやれば良いので、±１ｍｍ程度の走査する幅を持っていれば、十分であろう。
電子ビーム１０をワーク２５に当てると、反射電子、２次電子、Ｘ線等の情報を、反射電子コレクタ２０によって、検出する。具体的には後述するが、反射電子コレクタ２０を通過したときに発生する電力のピークを検出し、３４ａの位置を現位置データとする。位置データはシーケンサに渡され、法線制御によってデータが加工されて、偏向レンズ１８に対して偏向制御を行う。これにより電子ビーム１０は必要なだけ偏向されて、正確な溶接位置を溶接できるように調整される。
【００３４】
この際センシングに使われるのが、反射電子センシング法と呼ばれる方法である。図５に、反射電子センシング法の概略に関する模式図を示す。
電子ビーム１０をワーク２５表面に照射すると、ワーク２５の表面に当たった一部の電子がエネルギーをあまり失わずに反射される。この反射する電子には指向性があり、面に対して直角に電子ビーム１０を照射した場合は、大部分が面に反射されて入射した方向に反射する。
従って、ポイントａに電子ビーム１０があたった場合、図５に示すように大部分が入射した方向に反射するが、ワーク２５の面取り部分にあたるポイントｂに電子ビーム１０が入射すれば、入射角に対しワーク２５の面は直角でないので、電子は斜めの方向に多く反射される。本実施例ではワーク２５の円周溶接部２６部分は、ボスとシャフトが組み合わされた部分であるので、組み立てるために面取りがなされており、組み立てられた状態で円周溶接部２６に図５に示すような凹みが必ず出来る。もちろん、これは段差であったり、異種材料であったりしても構わない。
【００３５】
反射電子コレクタ２０はワーク２５の上空に設置されており、ポイントｂに当たった電子ビーム１０による反射電子の数よりも、ポイントａに当たった電子ビーム１０による反射電子のほうが、多く検出される。これは、前述のように反射電子の反射される面の角度が異なるため、ポイントｂからの反射電子は、ポイントａからの反射電子よりも反射電子コレクタ２０に到達する絶対数が少なくなるためである。
なお、検出するものが、反射電子であっても、２次電子であっても、あるいはＸ線であっても、検出方法については大きな変化が無いので、これらの素子を検出対象とした検出方法を採用することを妨げない。
【００３６】
このセンシングの結果は、図５の下側に記載のグラフのようになる。縦軸はセンサ検出電圧であり、反射電子コレクタ２０によって検出される電圧の量を示している。横軸は電子ビーム走査位置であり、図５のワーク２５の位置に対応している。
これによれば、円周溶接部２６の幅ｃの間は反射電子コレクタ２０に検出される電圧が低下し、平面部よりもｄＶだけ検出電圧が低下し、最も検出電圧が低くなるのが円周溶接部２６の最も高さの低い部分、つまりワーク２５のボスとシャフトがつき合わされている場所である。この位置を検出して現位置とし、座標データを保存する。
このようにして、反射電子コレクタ２０でピークを検出し、制御装置１２に伝えられるので、ピークの位置を座標データとし、第１走査位置３１であれば、第１ポイント３１ａの座標（Ｘ１，Ｙ１）、第２走査位置３２であれば、第２ポイント３２ａの座標（Ｘ２、Ｙ２）、第３走査位置３３であれば、第３ポイント３３ａの座標（Ｘ３，Ｙ３）、第４走査位置３４であれば、第４ポイント３４ａの座標（Ｘ４、Ｙ４）として、現位置の座標データが格納される。
【００３７】
この各座標データに基づき、溶接中心座標（Ｘ、Ｙ）と、溶接半径Ｒを求める。溶接中心座標（Ｘ、Ｙ）及び溶接半径Ｒは、（Ｘ１−Ｘ）２＋（Ｙ１−Ｙ）２＝Ｒ２、（Ｘ２−Ｘ）２＋（Ｙ２−Ｙ）２＝Ｒ２、（Ｘ３−Ｘ）２＋（Ｙ３−Ｙ）２＝Ｒ２、（Ｘ４−Ｘ）２＋（Ｙ４−Ｙ）２＝Ｒ２の４つの式によって求めることが可能である。
これらによって求められた溶接中心Ｐ１である座標（Ｘ、Ｙ）と溶接半径Ｒによって、補正溶接位置が決定される。
この位置は、検出装置の検出精度によって溶接精度が左右されるが、前述の反射電子センシング法等の方法であれば、かなり高精度に位置の検出が可能である。
このように、個々のワーク２５対してセンシングを行い、溶接中心Ｐ１である座標（Ｘ、Ｙ）及び溶接半径Ｒを求めることが出来るので、個々のワーク２５に対して正確に溶接を行うことが可能となる。
【００３８】
以上の構成を有するので、本実施例では以下の作用、効果を示す。
図６に、本実施例の溶接位置補正方法を用いて、溶接をする際の模式図を示す。
位置検査の際、円周溶接部２６より第１走査位置３１、第２走査位置３２、第３走査位置３３、第４走査位置３４に電子ビーム１０を走査することで、円周溶接部２６上の第１ポイント３１ａ、第２ポイント３２ａ、第３ポイント３３ａ、第４ポイント３４ａを得ることができる。
そして、第１ポイント３１ａ、第２ポイント３２ａ、第３ポイント３３ａ、第４ポイント３４ａより、上述の式から溶接中心Ｐ１と溶接半径Ｒを求め、円周溶接部２６を短時間かつ高精度に特定することができる。
このようにして特定した円周溶接部２６上に電子ビーム１０を照射することで、精度よい溶接を実現することができる。
【００３９】
図６において、円周溶接部２６と入力位置データ２６ａはズレており、溶接中心Ｐ１も溶接半径Ｒも、入力位置データ２６ａと異なる。少々極端な例ではあるが、この状態で入力位置データ２６ａの円周溶接位置で溶接した場合、円周溶接部２６と入力位置データ２６ａは２点で交わっているのみであり、溶接不良になる。
従って、本実施例の方法を用いて毎回位置検出し、毎回溶接位置補正を行うことは、製品の溶接品質を向上させ、歩留まりを少なくすることに繋がる。
実際に電子ビーム溶接で許容される芯ズレ量は、ワーク２５をワーク固定台２７にどのように固定するか、あるいは、ワーク２５の製作精度そのもの等によっても異なるが、電子ビーム溶接を必要とするワーク２５であれば、数ｍｍ程度の芯ズレ量であろう。
本実施例に係る補正方法では、電子ビーム溶接の際に用いられる電子ビームのスポット径に対し、電子ビームのセンシングに用いられる電子ビームのスポット径は小さく、溶接の際の１／５程度以下の電子ビームのスポット径でセンシングを行っている。
【００４０】
従って、電子ビームのセンシングで得られる検出精度は、電子ビーム溶接の際に用いられる電子ビームの径よりも小さい幅で得られ、溶接に必要な精度で円周溶接位置を検出し、補正しうる。
さらに、円の半径を補正することも必要となる。ワーク２５は、嵌め合い精度で加工されたシャフトをボスと組み合わせ、円周溶接部２６はシャフトとボスの突合せ面となることから、精度公差内での溶接半径Ｒのバラつきが発生する。ただし、嵌め合い精度公差内でのズレであるので、電子ビーム溶接時にこのバラつきのみが影響することは少ない。むしろ、ワーク２５の芯ズレと合わせて溶接半径Ｒのバラつきがあると、ズレが大きくなってしまい、結局溶接に影響する。
従って、溶接半径Ｒと溶接中心Ｐ１の位置を補正することで、必要な円周溶接位置を求めることが可能となる。
【００４１】
このように、本実施例については円周の溶接について説明したが、自動車用部品において、電子ビーム溶接が必要な部品は円周溶接部を持つものが多いため、検査時間を短縮できることは非常に有用である。
短時間で円周溶接位置の溶接中心Ｐ１及び溶接半径Ｒを把握が出来ることで、ワーク２５を全数検査して、個々のワーク２５の設置精度によるワーク２５の芯ズレが原因で起こる溶接位置ズレや、ワーク２５の公差範囲内での精度のバラつきによる溶接位置ズレなどに対応して、最適な溶接位置に電子ビーム溶接を行うことが可能となる。
また、電子ビーム溶接の特徴である溶け込み深さが深く溶接強度の強い溶接が行え、ワーク２５の溶接品質が向上し、ひいては溶接部品の歩留まり向上が期待できるからである。
【００４２】
したがって、短時間にワーク毎の溶接位置補正が可能であるので、これまで生産ラインで行ってきたような作業者が交代する度に行う、溶接の終わった被加工物を切断し、その断面を見て直接溶接位置ズレを確認するような手間のかかる検査を、省略することが可能となる。
さらに、走査する対象が少なくて済むことで、第１ポイント３１ａ、第２ポイント３２ａ、第３ポイント３３ａ、第４ポイント３４ａの４点だけという少ないデータでの溶接位置の補正が可能であるので、大容量データを高速に処理できるような高価な制御装置を必要とせず、安価にシステムの構築が出来る。
したがって、生産コストを削減し、かつ短時間に電子ビームによる円周溶接位置の補正が可能となる。
【００４３】
また、実際に溶接に使用する陰極１４から、検査に必要な電子ビーム１０を発生させ、陽極１５や、集束レンズ１３及び偏向レンズ１８も同じものを使用するため、安価に高い検査精度で現位置データが得られ、溶接に反映させることが出来る。
したがって、安価に、高精度な電子ビームによる円周溶接位置の補正が可能となる。
このように、本発明に係る電子ビームを用いた円周溶接位置の補正方法によって、短時間で円周溶接の溶接位置補正が可能となるので、ワーク２５の全数に対して溶接位置の補正ができ、安価にシステム構築が可能で、かつ精度の良いデータが得られるので、高精度な円周溶接の溶接位置補正が可能となり、ワークの溶接品質の向上とコストダウンを図ることができる。すなわち、電子ビームを用いた円周溶接の溶接位置補正を、高精度かつ短時間で行うことが出来るので、製品の生産コストの削減が見込める。
【００４４】
また、本実施例では、ワーク２５はボスとシャフトを組み合わせたものであるが、ボスはプレス成形されたものであるので、製作時の設定公差はシビアでなく、ボスを把持するようにワーク固定台２７にワーク２５を固定した場合、入力位置データ２６ａの位置に円周溶接部２６がくるように合わせ込むことは難しい。
これは切削加工等によって作成されるシャフト側を固定する方法であっても、治具との間に隙間を持たせなければならないため、ボスを把持する場合よりも精度は良いが、ズレが生じることは避けられない。もちろん、三つ爪チャック等、中心を出して固定する方法もあるが、精度の良いものは固定に時間がかかる等の問題がある上、精度公差を吸収することは出来ないので、どうしてもズレは避けられない。
従って、溶接位置を短時間かつ高精度に補正して溶接が行えれば、このようなワーク２５であっても、ある程度ラフにワーク２５の固定を行ったとしても、溶接位置を最適な場所に補正して、溶接することが可能となる。
【００４５】
このように、各ワークに対して高精度に溶接位置が検出できれば、ワークの固定の設置精度を高める必要が無いので、ワークの投入時間を短縮することができる。
また、ワークを位置決めするためには、例えば鋳造やプレス品に溶接を行う場合、寸法のばらつきを無くすために、位置決め用に機械切削部分を設けたりする場合もあったが、高精度に溶接位置を検出できるようになることでこのような手間をかける必要も無くなる。
【００４６】
以上に説明した、本発明の電子ビームによる円周溶接位置の補正方法によれば、以下のような優れた作用、効果が得られる。
（１）円周部を持つ固定されたワーク２５に、制御装置１２に記憶された円周溶接位置の入力位置データ２６ａに基づいて電子ビーム溶接する際の、電子ビーム１０による円周溶接位置の補正方法において、入力位置データ２６ａに基づいて、電子ビーム１０をワーク２５の円周部を横断するように少なくとも３箇所、本実施例においては４箇所に放射し、ワーク２５の表面に電子ビーム１０が当たることで、反射される電子線、又は放出される二次電子、又はＸ線のうち少なくとも１つを、反射電子コレクタ２０にて検出し、反射電子コレクタ２０にて検出した電子線、又は二次電子、又はＸ線のうち少なくとも１つの検出量の変化から、制御装置１２が円周部上の点である現位置データの第１ポイント３１ａ、第２ポイント３２ａ、第３ポイント３３ａ、及び第４ポイント３４ａを取得し、制御装置１２が、現位置データから入力位置データ２６ａを補正した補正位置データである溶接中心Ｐ１及び溶接半径Ｒを算出し、補正位置データに基づいて、ワーク２５を電子ビーム溶接することを特徴とする。従って、溶接位置補正を高精度かつ短時間に行うことが可能であり、精度よく最適な位置を溶接可能になるという優れた効果を奏する。
これによって、ワーク２５の設置精度によるワーク２５の芯ズレによる溶接位置ズレや、ワーク２５の公差範囲内での精度のバラつきによる溶接位置ズレなどにより発生する、溶け込み不足などの溶接不良を解消することが可能になる。
【００４７】
短時間で円周溶接位置を補正するという点について、走査する４箇所は、入力位置データ２６ａに基づいて行うので、適当な位置である第１走査位置３１、第２走査位置３２、第３走査位置３３、第４走査位置３４を走査でき、かつワーク全面を走査する必要が無いので、短時間で円周溶接位置を検出可能である。
次に高精度に円周溶接位置を補正するという点について、ワーク２５をワーク固定台２７に固定して、電子ビーム１０を偏向させて、第１ポイント３１ａ、第２ポイント３２ａ、第３ポイント３３ａ、第４ポイント３４ａの４点の現位置データを、反射電子法を用いて取得するので、機械的な誤差を含まない精度の良いデータが得られる。
【００４８】
（２）（１）に記載の電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、前記検出に用いる電子ビーム１０の検出時スポット径が、前記電子ビーム溶接に用いる電子ビーム１０の溶接時スポット径よりも小径であることを特徴とするので、検出時スポット径に絞り、ワーク２５上をセンシングすることで、溶接に必要な精度の位置検出を可能とするという優れた効果を奏する。
【００４９】
溶接に用いる電子ビーム１０の溶接時スポット径よりも、センシングに用いる電子ビーム１０の検出時スポット径の方が十分小さいことで、例えば検出時に多少の誤差が出たとしても溶接時には、その誤差を吸収することが可能になる。
例えば、面取りをしたワーク２５をつき合わせて、或いは溶接用の開先が設けられたワーク２５をつき合わせて電子ビーム溶接する場合に、電子ビーム１０を照射する必要のある場所は、ワーク同士を付き合わせた界面となる。
従って、この位置に検出時スポット径に絞った電子ビームでセンシングをするので、精度の良い現位置データが得られ、また、検出された現位置データと実際の界面の位置とに、多少の誤差があったとしても、電子ビーム１０の溶接時スポット径の範囲内に収まるため、現位置データによって位置補正が行われることにより、溶接に必要な精度は十分確保できることとなる。
【００５０】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、円周溶接部２６は連続的に溶接するのではなく、円周上を不連続にステップ溶接しても良いし、一部が欠けた円であっても、センシングするポイントを増やすことでその形状が確定できるならば、適用することを妨げない。例えば、半円状の形状であったとしても、直線部分に２箇所、円弧部分に３箇所センシングすれば、その形状、傾き等が特定される。このように、形状が複数点のセンシングによって確定できれば、本発明は適用しうる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本実施例の、電子ビーム溶接装置の模式図を示している。
【図２】本実施例の、溶接手順についてのフローチャートを示している。
【図３】本実施例の、センシング方法を示した模式図である。
【図４】本実施例の、センシングの制御について説明した模式図である。
【図５】本実施例の、第４走査位置３４を電子ビームによってセンシングしている場所を横から見た模式図を示している。
【図６】本実施例の、円周溶接部を検出し、入力位置データを補正して溶接をする際の模式図を示す。
【図７】特許文献１の、三次元倣いセンシング方法を適用した溶接形鋼管の電子ビーム溶接の場合のセンシング目合わせ要領を示す斜視図を示している。
【図８】特許文献３の、アーク溶接の溶接位置の補正方法に関する動作図である。
【図９】特許文献４の、電子ビームによるワークの検査方法を示している。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 電子ビーム
１１ 電源
１２ 制御装置
１３ 集束レンズ
１４ 陰極
１５ 陽極
１６ 真空チャンバ
１８ 偏向レンズ
２０ 反射電子コレクタ
２５ ワーク
２６ 円周溶接部
２６ａ 入力位置データ
２７ ワーク固定台
３１ 第１走査位置
３１ａ 第１ポイント
３２ 第２走査位置
３２ａ 第２ポイント
３３ 第３走査位置
３３ａ 第３ポイント
３４ 第４走査位置
３４ａ 第４ポイント
Ｐ１ 溶接中心
Ｒ 溶接半径
【技術分野】
【０００１】
本発明は、円周部を持つ固定されたワークに、制御装置に記憶された円周溶接位置の入力位置データに基づいて電子ビーム溶接する際に、実際のワークが必要とする溶接位置と、入力位置データと間に発生するズレを補正する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電子ビーム溶接機は、真空チャンバと、陰極部等からなる電子ビーム発生部、陽極等からなる電子ビーム加速部、電子ビームを収束又は偏向させる電子レンズ部等から構成されている。
溶接は真空チャンバ内で行い、陰極部から発生する電子ビームを、陽極部で加速し、電子レンズ部で電子ビームを収束させ、被加工物に局所的に電子ビームを当てることで、溶接部を溶かし、溶接可能とする。
被加工物は、真空チャンバ内に備えられた可動テーブルに乗せられているので、電子ビームの位置を固定で、被加工物を移動させることで、溶接を行う。
【０００３】
このように、電子ビーム溶接は溶接箇所にエネルギーを集中させることで溶接を行うため、他の溶接方法と比較して溶け込み幅が狭く、溶け込み深さが深い溶接ビードが形成される。よって、電子ビーム溶接は、被加工物に対しての不要な入熱が少なく、溶接歪が非常に小さいという特徴を有する。
そして、電子ビーム溶接を行うことにより、精度の高い溶接が実現でき、かつ、溶け込み幅が狭いことで、外観が美しく、溶け込み深さが深いことで、溶接強度の高い加工が可能となる。
しかしながら、このように溶接ビードの溶け込み幅が狭いので、電子ビームが被加工物の溶接部分にきちんと当たらなかった場合に、溶け込みが不十分となり必要な溶接強度が出ないなどの溶接不良を発生しやすいという問題点を抱えている。
【０００４】
したがって、現状では生産ラインに電子ビーム溶接を用いる場合、被加工物を実際に溶接して、溶接した被加工物の溶接断面を見るために、溶接後の被加工物をカットして溶接位置を確認している。溶接位置がずれていることが確認されれば、電子レンズを調整して位置を調整する作業を行う。このような確認作業は、３交代制で行われる生産ラインでは交代するごとに１回行われ、確認作業に数十分を要することから、加工効率の低下を招いていた。
【０００５】
このため、電子ビームによる直線溶接においては、例えば特許文献１のような方法が開示されている。
図７に特許文献１の、三次元倣いセンシング方法を適用した溶接形鋼管の電子ビーム溶接の場合のセンシング目合わせ要領を示す斜視図を示す。
三角錐タブ板１０１は溶接形鋼管１０２の両端面４箇所に取り付けられており、溶接形鋼管１０２は移動台車１０９上のターニングローラ１０８により支持回転できるようにしている。
三角錐タブ板１０１の長手方向で開先線１０３の延長方向にケガキ線１０４を引き、その途中にセンシング用微小ポンチ穴１０５ａ、１０５ｂを２個設けている。そのセンシング用微小ポンチ穴１０５ａ、１０５ｂを一定加工距離離れた電子ビームガン１０６より弱ビーム１０７を照射し、電子ビームガン１０６の照射位置を合わせることにより溶接開先倣い、電子ビームガンの姿勢制御を行う。
開先線１０３の延長線上にあるセンシング用微小ポンチ穴１０５ａに、弱ビーム１０７のスポットが合うように電子ビームガン１０６の姿勢制御を行い、その後センシング用微小ポンチ穴１０５ｂに、弱ビーム１０７のスポットが合うように電子ビームガン１０６の姿勢制御を行うので、開先線１０３の中心に電子ビーム軸が一致する。従って、溶接形鋼管１０２の中心と合致して目外れの無い溶接ができるようになる。
【０００６】
しかしながら、特許文献１の方法は、ワークに三角錐タブ板１０１を取り付ける必要があり、その後に開先線１０３に合わせてケガキ線１０４を引きセンシング用微小ポンチ穴１０５ａ、１０５ｂを設けるなどの手間がかかる他、三角錐タブ板１０１の取り付け精度によって溶接の精度が左右される。また、ワークの大きさに対する三角錐タブ板１０１の制限等のほか、原理的に直線溶接以外には適用が難しいという問題がある。
【０００７】
円周溶接に関する補正方法については、特許文献２及び特許文献３でアーク溶接の溶接位置の補正方法が開示されている。
このようなロボットを使ったアーク溶接の溶接位置補正方法に関しては、その他にも幾つか文献があるが、ここでは特許文献３について説明を行う。
図８は、特許文献３の、アーク溶接の溶接位置の補正方法に関する動作図である。
特許文献３の方法では、被加工物をロボットでアーク溶接する際に、実際の被加工物の位置を検出して、ロボットに教示された位置を補正して溶接する方法である。
被加工物である円筒部材１１６と平板部材１１７は、円弧状作業線１１８で溶接される。溶接作業はロボットで行い、ロボットには、円弧状作業線１１８上にあるセンシング位置ＳＰ３、ＳＰ８、ＳＰ１３を含む、点ＳＰ１〜ＳＰ１７が教示され記憶されている。なお、ＳＰ１８以降は円弧状作業線１１８が教示されている。
【０００８】
教示が行われたロボットを、再生動作させると、点ＳＰ１からロボットは点ＳＰ２に向かって移動する。点ＳＰ２において、センシング開始コードを認識することにより、ロボットはセンシング動作を開始し、ワイヤアース法により、円筒部材１１６の外周面を検知するまででセンシング動作を継続する。円筒部材１１６の外周面を検知した時点で、検知した位置情報（ＳＰ３’）をコンピュータ内の位置検出メモリに記憶する。これと同時に教示時の検出位置情報もコンピュータ内の教示位置情報メモリに記憶する。また、ＳＰ３’で検出した補正値についても所定メモリに記憶しておき、点ＳＰ３以降の再生点位置情報の補正を行う。
【０００９】
そして、ロボットは、退避位置ＳＰ４〜ＳＰ６を経由して、２点目のセンシング開始位置ＳＰ７に移動して、ＳＰ３と同様に位置情報（点ＳＰ８’）を検出位置情報メモリに、教示時の位置情報（点ＳＰ８）も教示位置情報メモリに記憶する。
さらに、ロボットは、退避位置ＳＰ９〜ＳＰ１１を経由して、３点目のセンシング開始位置ＳＰ１２に移動して、ＳＰ３、ＳＰ７と同様に位置情報（点ＳＰ１３’）を検出位置情報メモリに、教示時の検出点位置情報（ＳＰ１３）も教示位置情報メモリに記憶する。
そして、教示円弧補完位置情報の再生前に、以上のようにして検出され位置情報メモリに記憶されたＳＰ３’、ＳＰ８’、ＳＰ１３’の検出位置情報に基づいて、検出円弧中心演算回路により、これら３点ＳＰ３’、ＳＰ８’，ＳＰ１３’の検出位置を通る検出円弧の中心位置座標（ＸＤ、ＹＤ）を算出する。
【００１０】
また、３点ＳＰ３’、ＳＰ８’、ＳＰ１３’に対応して教示位置情情報メモリに記憶された３点ＳＰ３、ＳＰ８、ＳＰ１３の教示位置情報に基づいて、教示円弧中心演算回路により、これらの３点ＳＰ３、ＳＰ８，ＳＰ１３、の教示位置を通る検出円弧の中心位置座標（ＸＴ、ＹＴ）を算出する。
算出された円弧座標中心（ＸＤ、ＹＤ）と、（ＸＴ、ＹＴ）の差をとり、その差情報を以降の教示位置情報の補正値（ＸＭ、ＹＭ）とする。
以上のように、教示位置情報は、円弧センシング補正値（ＸＭ、ＹＭ）に基づき、補正手段によって補正されて、ロボットの円弧状作業線１１８に対する再生動作が行われる。
このように、ロボットの教示位置と、実際にセンシングによって得られる被加工物の位置にズレがあったとしても、溶接位置を補正して正確な溶接が行えるようになる。
【００１１】
電子ビームを用いた円周溶接においては、前述したように電子ビーム溶接の特徴である、溶け込み幅が狭く精度の高い溶接が可能であるために、ワークの設置精度によるワークの芯ズレによる溶接位置ズレや、ワークの公差範囲内での精度のバラつきによる溶接位置ズレなどが起こりやすい。その結果、適切な溶接位置に電子ビームを照射することができなくなり、溶け込み不足となり、溶け込み深さが深く高い溶接強度が得られるという電子ビーム溶接の特徴を生かすことができなくなってしまう。したがって、その溶接位置補正も高精度に行えなければならない。
また、前述したように、電子ビームの溶接工程では、例えば３交代制のラインにおいて、作業者が交代するたびに、溶接の終わった被加工物を切断し、その断面を見て直接溶接位置ズレを確認するような手間のかかる検査を行っている。しかし、このような検査作業は作業者に負担を強いるし、ワークの設置精度によるワークの芯ズレによる溶接位置ズレや、ワークの公差範囲内での精度のバラつきによる溶接位置ズレなどにより発生する、溶け込み不足などの溶接不良を防ぐためには、ワーク毎に溶接位置補正を行いたい。即ち、溶接位置補正を短時間で行わなければならない。
特に、車両の部品のように大量生産が必要なものの場合、製品の歩留まりが悪かったり、検査に時間がかかり加工時間を短縮できなかったりすると、完成品１個あたりの製造コストが高くなってしまう。低価格化が進む現在においては、このような事態は好ましくない。
従って、電子ビームを用いた円周溶接の溶接位置補正は、高精度かつ短時間で行う必要がある。
【特許文献１】特公平６−７９９５号公報
【特許文献２】特公平３−３４０８６号公報
【特許文献３】特開平４−３０２００２号公報
【特許文献４】特開２０００−１００３６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
（１）しかしながら、特許文献２及び特許文献３のような、円弧溶接の位置を補正する方法は、何れも直接被加工物である円筒部材１１６に、溶接棒を接触させて被加工物の位置を検出し、その位置情報を基に溶接位置を補正する方法である。
従って、通常直径が数ｍｍ程度の太さを持つロボットハンドの先端に備えられた溶接棒を用い、その溶接棒を被加工物に接触させて検出を行う為、溶接棒と被加工物との接触位置を常に同じにすることはできず、検出位置と実際に溶接が必要な位置との誤差が大きくなる。
例えば、円筒部材１１６の筒側面に、溶接棒を接触させる場合には、円筒部材１１６の傾きや固定位置が常に一定とは限らないので、溶接棒を同じ角度で近接させたとしても、円筒部材１１６との接触位置が異なれば、接触角度は異なる可能性がある。それによって、検出精度が悪化してしまうと考えられる。また、溶接棒の接触部の形状も、検出精度に影響するであろう。
さらに、ロボットの速度とセンサの感度に依存し、ワークにロボットハンドに備えられた溶接棒を高速で接触させてしまうと、どちらかを破損する恐れがあるので、低速で移動させて接触させる必要があり、位置の検出には時間がかかる。
従って、特許文献２及び特許文献３に開示されるアーク溶接における円周溶接位置の補正方法を電子ビーム溶接の溶接位置補正に適用できたとしても、溶接位置補正を高精度かつ短時間に行えないという問題がある。
【００１３】
（２）また、実際に特許文献１の電子ビーム溶接に、特許文献３のワーク検査方法を組み合わせて実施するとすれば、溶接位置検出用の接触式センサ、又は非接触式のセンサを別に用意してセンシングし、溶接位置を検出し溶接する必要がある。しかし、これらのセンサは、真空チャンバ内に設置する必要がある。真空に対応したセンサを用い、その設置や固定方法にも手間がかかるという理由もあり、その結果、装置のコストは高くなる。
接触式センサで精度よく検出しようとする場合、例えば、機械式の表面粗さ試験機のような方法が考えられる。
機械式の表面粗さ試験をするような場合には先端の細くなった針状のプローブで、ワーク表面に接触させてスクラッチすることで検査を行うが、接触式で検査する場合には精度を高める必要があればあるほど、プローブの先端は細く、検査速度を落として検査を行う必要がある。従って接触センサを用いることは、検出時間がかかり、かつワーク表面に傷をつけてしまう可能性もあるため、現実的ではない。
一方、被接触式センサを用いた場合は、レーザー等を用いればある程度の検出精度は期待できる。検出速度もデータを処理するコンピュータの能力に左右されるが、接触式センサのような制限は無いため、比較的早く処理することが期待できる。
【００１４】
しかし、これらのセンサを設けて溶接位置を検出できたとしても、電子ビーム溶接の溶接位置の補正には結びつかない恐れもある。
これは、電子ビーム溶接のズレは、ワーク側のズレと、電子レンズ側のズレが考えられるからである。
前述のように、電子ビームは電子レンズ部で収束、偏向を行っているが、この電子レンズ部分でズレが生じると、電子ビームの照射位置やスポット径にもズレが生じる。たとえ、特許文献３の方法でワークの位置を正確に検出できたとしても、それによって、電子レンズ側のズレの補正は行えない。
従って、せっかくワークの位置を検出できても、電子レンズ側にズレがあると、正確な位置に溶接をすることはできない。つまり、円周溶接の溶接位置補正を高精度に行うことが出来ないという問題は解決されない。
そもそも、特許文献３の方法は、溶接する溶接棒自身でワークの位置を検査する方法であり、その方法で位置検査を行うことで、溶接棒とワークとの相対的なズレを補正しうる。つまり、電子ビーム溶接においても、溶接を行う電子ビーム自身で検査する必要がある。
【００１５】
（３）電子ビームを用いてワークの位置を検査する方法としては、特許文献４のような方法が考えられる。特許文献４には、電子ビームによるワークの検査方法が紹介されている。
図１２は、特許文献４の荷電粒子ビーム走査式自動検査装置の概略図が示されている。
この荷電粒子ビーム走査式自動検査装置は、荷電粒子ビーム１２１を被検査物１２２に照射し、そのとき発生する２次電子及び反射電子を被検査物の情報として情報処理手段１２３に取り込み、前記情報を、パターン比較を行う処理をして、欠陥の有無及び分析などの検査を行う。
そして、検査台制御手段１２７によって制御される検査台１２８を移動することで、被検査物１２２上をビーム走査し、被検査物１２２の全面の検査を行い、被検査物１２２の欠陥を検出することが出来る。
このように、特許文献１の電子ビーム溶接に、特許文献４の方法で、溶接位置を検出し、検出した位置に電子ビームを当てて溶接することができれば、非常に高精度の溶接を行うことが期待できる。
ただし、ワークの表面全てを走査するために時間がかかり、溶接位置を特定するためワークの表面データ全てを処理しなければならないので、高精度の溶接をしようとした場合には、非常に多くのデータを処理しなければならなくなる。結果、多くのデータを短時間で処理できる高価な機械を用意する必要があり、かつ、検査精度を高めるためには時間がかかるため、検査時間も長くなってしまい、溶接位置補正を短時間に行うことができないという問題がある。
【００１６】
すなわち、従来の円周溶接に関連する、特許文献１乃至特許文献４に開示される発明を用いて、あるいは組み合わせたとしても、電子ビームを用いた円周溶接の溶接位置補正を、高精度かつ短時間で行うことができないという問題点がある。
【００１７】
そこで、本発明は以上のような課題を解消するためになされたものであり、溶接位置補正を高精度かつ短時間に行うことが可能で、かつ安価に実現可能な電子ビームによる円周溶接位置の補正方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記目的を達成するために、本発明による電子ビームによる円周溶接位置の補正方法は以下のような特徴を有する。
（１）円周部を持つ固定されたワークに、制御装置に記憶された円周溶接位置の入力位置データに基づいて電子ビーム溶接する際の、電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、前記入力位置データに基づいて、前記電子ビームを前記ワークの前記円周部を横断するように少なくとも３箇所に放射し、前記ワークの表面に前記電子ビームが当たることで、反射される電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つを、検出装置にて検出し、前記検出装置にて検出した前記電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つの検出量の変化から、前記制御装置が前記円周部上の点である現位置データを取得し、前記制御装置が、前記現位置データから前記入力位置データを補正した補正位置データを算出し、前記補正位置データに基づいて、前記ワークを電子ビーム溶接することを特徴とする。
【００１９】
ここでいう円周部とは、一続きの円である必要は無く、円周の１部であって円弧状の形状をしていればよい。例えば、一部が欠損した略円形状の溶接部位や、円周上に破線を描くようにスキップ溶接するなどの溶接の形態であっても、一部に円弧を含み、円周部に該当する。
また、ここでいう入力位置データとは、制御装置に予め入力され記憶された、円周部の円周溶接位置のデータを指す。このデータは、円周部の円周溶接位置を溶接しうるデータであれば良いので、どのような形態であっても構わない。
また、ここでいう現位置データとは、実際にワーク上の溶接位置上の点のデータである。たとえば、円周溶接位置上の３箇所を走査して得られる、３点の座標データである。
また、ここでいう補正位置データとは、現位置データから得られた座標から求まる円周部のデータであり、例えば切れ目の無い円からなる円周溶接位置データであれば、３点の現位置データを得ることで、溶接すべき円のデータを計算しうる。この円のデータに基づいた溶接を行うことができるように加工されたデータのことを言う。
【００２０】
（２）（１）に記載の電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、前記検出に用いる電子ビームの検出時スポット径が、前記電子ビーム溶接に用いる電子ビームの溶接時スポット径よりも小径であることを特徴とする。
【００２１】
このような特徴を有する本発明による電子ビームによる円周溶接位置の補正方法により、以下のような作用、効果が得られる。
（１）円周部を持つ固定されたワークに、制御装置に記憶された円周溶接位置の入力位置データに基づいて電子ビーム溶接する際の、電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、前記入力位置データに基づいて、前記電子ビームを前記ワークの前記円周部を横断するように少なくとも３箇所に放射し、前記ワークの表面に前記電子ビームが当たることで、反射される電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つを、検出装置にて検出し、前記検出装置にて検出した前記電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つの検出量の変化から、前記制御装置が前記円周部上の点である現位置データを取得し、前記制御装置が、前記現位置データから前記入力位置データを補正した補正位置データを算出し、前記補正位置データに基づいて、前記ワークを電子ビーム溶接することを特徴とするので、溶接位置補正を高精度かつ短時間に行うことが可能であり、精度よく最適な位置を溶接可能になるという優れた効果を奏する。
これによって、ワークの設置精度によるワークの芯ズレが原因となる溶接位置ズレや、ワークの公差範囲内での精度のバラつきによる溶接位置ズレなどにより発生する、溶け込み不足などの溶接不良を解消することが可能になる。
【００２２】
短時間で円周溶接位置を補正するという点について、固定されたワークの溶接部位は円周であり、平面状にある円は３点が決定すれば特定できるため、最低３箇所を電子ビームによって走査することで、現位置データが取得でき、円周溶接位置を求めることが可能である。
走査する３箇所は、入力位置データに基づいて行うので、適切な位置を走査でき、かつワーク全面を走査する必要が無いので、短時間で円周溶接位置を検出可能である。
【００２３】
次に高精度に円周溶接位置を補正するという点について、通常行う電子ビーム溶接の手法では、ワークをターンテーブル又はＸ−Ｙテーブル上に固定して、ワーク側を動かして溶接等を行うが、この場合、ターンテーブルの中心にワークの溶接位置の中心が合ってないとズレを生じるし、Ｘ−Ｙテーブルの機械誤差等によっても検出した位置はズレを生じる可能性がある。
しかし、本発明に係る方法では、ワークは固定して、電子ビームを偏向させて、現位置データを取得するので、このような機械的な誤差を含まない精度の良いデータが得られる。
【００２４】
（２）（１）に記載の電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、前記検出に用いる電子ビームの検出時スポット径が、前記電子ビーム溶接に用いる電子ビームの溶接時スポット径よりも小径であることを特徴とするので、検出時スポット径に絞り、ワーク上をセンシングすることで、溶接に必要な精度の位置検出を可能とするという優れた効果を奏する。
【００２５】
電子ビームを溶接に用いる場合、照射される部分は一定の面積を持っている必要がある。これは、電子ビームの照射位置が溶接位置からずれることを防ぐ目的もあるが、ワークを溶接するのに必要な熱エネルギーを確保する目的もある。
電子ビームを照射することでワークを加熱する際に、ワークの熱伝達によって熱が逃げるので、極小スポットで電子ビームを当てるよりも、一定の面積に電子ビームを照射したほうが、必要な部分を溶接するには効率が良いのである。
一方、電子ビームでセンシングをする場合には、ワークを溶かす必要は無く、逆に溶かしてしまうと正確な測定が行えないため、極小スポットで弱いエネルギーの電子ビームを当て、センシングを行うことで精度の良いデータを得ることができる。
【００２６】
また、溶接に用いる電子ビームの溶接時スポット径よりも、センシングに用いる電子ビームの検出時スポット径の方が十分小さいことで、例えば検出時に多少の誤差が出たとしても溶接時には、その誤差を吸収することが可能になる。
例えば、面取りをしたワークをつき合わせて、或いは溶接用の開先が設けられたワークをつき合わせて電子ビーム溶接する場合に、電子ビームを照射する必要のある場所は、ワーク同士を付き合わせた界面となる。
従って、この位置に検出時スポット径に絞った電子ビームでセンシングをするので、精度の良い現位置データが得られ、また、検出された現位置データと実際の界面の位置とに、多少の誤差があったとしても、電子ビームの溶接時スポット径の範囲内に収まるため、現位置データによって位置補正が行われることにより、溶接に必要な精度は十分確保できることとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
最初に本実施例の構成について説明する。図１には、電子ビーム溶接装置の模式図を示している。
電子銃として、電子ビーム１０を発生する陰極１４と、電子ビーム１０を加速する陽極１５と、電子ビーム１０を収束させる集束レンズ１３と、電子ビーム１０を偏向させる第１偏向レンズ１８ａ、第２偏向レンズ１８ｂが備えられ、真空チャンバ１６内には、反射電子を検出するための反射電子コレクタ２０と、ワーク２５、及びワーク固定台２７等が備えられている。
電子ビーム１０を偏向するための偏向レンズ１８が第１偏向レンズ１８ａと、第２偏向レンズ１９ｂの２つ設けられているが、これは偏向角度を広くする目的である。本発明の電子ビーム溶接装置では、ワーク２５は固定したままであるので、走査範囲を広くするためにこのような工夫がなされている。ただし、偏向レンズ１８の偏向角度が、ワーク２５の要求する加工範囲を十分満たすことが出来れば、偏向レンズ１８は１つでもよい。
また、集束レンズ１３は、第１集束レンズ、第２集束レンズ４極子レンズなどを含むが、本実施例の説明には無関係であるので、省略して記載してある。
なお、真空チャンバ１６外部に、これらを制御する制御装置１２と、陰極１４及び陽極１５等に電流を供給する電源１１が備えられて、電子ビーム溶接装置の制御を行っている。
【００２８】
ワーク２５は、自動車の駆動部品であり、例えば直径７０ｍｍ程度のプレス成形された円筒状のボスと、内部に直径３０ｍｍ程度のシャフトが組み合わされたもので、この組み合わせた部分の継ぎ目が円周溶接部２６となる。
本実施例では、その円周溶接部２６を溶接していくものとする。ワーク２５の材質は、鉄系部品であり、シャフト側は浸炭させ、硬くなっている。ただし、これらは実施例に過ぎないので、大きさや材質は、電子ビーム溶接を行う一般的な大きさ、材質であれば問題ない。電子ビーム溶接では一般的に行われるように、異種材料の溶接であっても可能である。
ワーク２５上にある円周溶接部２６は、シャフトとボスを組み合わせる際にできる溝である。
シャフトとボスを組み合わせる際には必ず両方の部品は面取りされているので、シャフトの面とボスの面が付き合わされる部分は、溝の底の部分となる。
従って円周溶接部２６は、溝の底の部分に当たる部品の突合せ面となり、電子ビーム１０を照射して溶接する場合には、前述のように溶接ビードの幅は狭くなるので、許容される溶接時に電子ビーム１０を当てる幅は狭いものとなる。
【００２９】
このワーク２５を固定するのがワーク固定台２７であり、ワーク固定台２７は駆動機構を持たないただの固定台である。
本実施例においては、溶接位置検出を行った後にワーク２５が動いてしまうような自体を避けるため、偏向レンズ１８の偏向範囲を広くして、ワーク２５全域のどのポイントでも溶接できるようにカバーし、そのかわりにワーク固定台２７には駆動機構などは設けず、ワーク２５を位置決めできる機構のみを備えている。
ワーク２５の固定については、高度な位置決め精度を必要としないため、ワーク固定台２７は複雑な固定機構よりも、容易にワーク２５が取り付け、取り外しできるような機能が求められる。例えば、ワーク２５のシャフトの部分を穴に差し込むような位置決め方法でも、ワーク毎に位置補正を行うことが可能であるので、質の高い溶接が可能となる。
【００３０】
反射電子コレクタ２０については、ワーク２５表面に照射した電子ビーム１０が反射した、反射電子を検出する機能を備えているが、反射電子のみではなく、２次電子や、Ｘ線を検出できるようにしても良い。反射電子センシング法については後述するが、反射電子コレクタ２０によって検出する対象は、反射電子でも、２次電子でも、Ｘ線でも、溶接位置が特定できるようなものであれば、何でも構わない。
ただし、反射電子のほうが直進性は高いので、溶接位置のピークを検出するには、反射電子を用いるのが望ましいと考えられる。
【００３１】
次に、溶接位置の補正手順について説明を行う。図２は溶接手順についてのフローチャートを示している。
溶接開始すると、Ｓ１にて作業者が真空チャンバ１６にワーク２５を投入し、ワーク固定台２７に固定する。Ｓ２では、真空チャンバ１６内の真空引きを行い、真空チャンバ１６内を電子ビーム溶接に必要な真空度にする。
Ｓ３で、位置検査をするために、制御装置１２に予め入力されている溶接位置を入力位置データに基づき、弱い電子ビームにてワーク２５表面を走査する。走査に用いる弱い電子ビームは、３〜５Ａ程度としている。
Ｓ４で、実際のワークの溶接位置である現位置データを検出したかどうかを判断し、現位置データが検出されなければ（Ｓ４：Ｎｏ）、Ｓ７で検出エラーとしてフローを終了する。現位置データが検出され取得できれば（Ｓ４：Ｙｅｓ）、Ｓ５で現位置データに基づいて、補正位置データを算出する。走査して計算処理にかかる時間は４箇所で３〜４秒程度となる。
そして、Ｓ６にて、補正位置データに基づいて溶接を行う。
【００３２】
次に、図２のＳ３で行っている溶接位置のセンシングの方法について説明する。
図３はセンシング方法を示した模式図であり、図４はセンシングの制御について説明した模式図である。
図３の円周溶接部２６は、実際のワーク２５が溶接を必要とする、円周溶接位置であり、制御装置１２が備える記憶装置に記憶されている入力位置データ２６ａから、走査させる位置を決定して、センシングを行う。
本実施例では、円周溶接位置は円形であり、第１走査位置３１、第２走査位置３２、第３走査位置３３、第４走査位置３４の４箇所を９０度ピッチでセンシングしている。
なお、本実施例では４箇所をセンシングしているが、円を求めるには、最低３箇所のセンシングが必要であり、センシングの箇所が増えるほど、溶接位置の誤差が少なくなる。
図４は、図３の１箇所について、模式的に見ており、第４走査位置３４を横から見た図である。
【００３３】
電子ビーム１０は、第４走査位置３４上を、数ｍｍの幅で走査する。この際のセンシング周波数は１００Ｈｚ程度であり、電子ビーム１０は第４走査位置３４上を往復することで、正確に円周溶接部２６上の点である現位置を特定する。走査する幅については、対象ワークやシステムによって適宜偏向しうるものとする。
例えば、ワーク固定台２７のワーク２５固定方法が、単純にワーク２５のシャフト部分を差し込むだけの穴であり、ボス部分を面で受けるような構造であれば、ワーク固定台２７の穴とワーク２５のシャフトの差込み代とワークの精度公差を考慮してやれば良いので、±１ｍｍ程度の走査する幅を持っていれば、十分であろう。
電子ビーム１０をワーク２５に当てると、反射電子、２次電子、Ｘ線等の情報を、反射電子コレクタ２０によって、検出する。具体的には後述するが、反射電子コレクタ２０を通過したときに発生する電力のピークを検出し、３４ａの位置を現位置データとする。位置データはシーケンサに渡され、法線制御によってデータが加工されて、偏向レンズ１８に対して偏向制御を行う。これにより電子ビーム１０は必要なだけ偏向されて、正確な溶接位置を溶接できるように調整される。
【００３４】
この際センシングに使われるのが、反射電子センシング法と呼ばれる方法である。図５に、反射電子センシング法の概略に関する模式図を示す。
電子ビーム１０をワーク２５表面に照射すると、ワーク２５の表面に当たった一部の電子がエネルギーをあまり失わずに反射される。この反射する電子には指向性があり、面に対して直角に電子ビーム１０を照射した場合は、大部分が面に反射されて入射した方向に反射する。
従って、ポイントａに電子ビーム１０があたった場合、図５に示すように大部分が入射した方向に反射するが、ワーク２５の面取り部分にあたるポイントｂに電子ビーム１０が入射すれば、入射角に対しワーク２５の面は直角でないので、電子は斜めの方向に多く反射される。本実施例ではワーク２５の円周溶接部２６部分は、ボスとシャフトが組み合わされた部分であるので、組み立てるために面取りがなされており、組み立てられた状態で円周溶接部２６に図５に示すような凹みが必ず出来る。もちろん、これは段差であったり、異種材料であったりしても構わない。
【００３５】
反射電子コレクタ２０はワーク２５の上空に設置されており、ポイントｂに当たった電子ビーム１０による反射電子の数よりも、ポイントａに当たった電子ビーム１０による反射電子のほうが、多く検出される。これは、前述のように反射電子の反射される面の角度が異なるため、ポイントｂからの反射電子は、ポイントａからの反射電子よりも反射電子コレクタ２０に到達する絶対数が少なくなるためである。
なお、検出するものが、反射電子であっても、２次電子であっても、あるいはＸ線であっても、検出方法については大きな変化が無いので、これらの素子を検出対象とした検出方法を採用することを妨げない。
【００３６】
このセンシングの結果は、図５の下側に記載のグラフのようになる。縦軸はセンサ検出電圧であり、反射電子コレクタ２０によって検出される電圧の量を示している。横軸は電子ビーム走査位置であり、図５のワーク２５の位置に対応している。
これによれば、円周溶接部２６の幅ｃの間は反射電子コレクタ２０に検出される電圧が低下し、平面部よりもｄＶだけ検出電圧が低下し、最も検出電圧が低くなるのが円周溶接部２６の最も高さの低い部分、つまりワーク２５のボスとシャフトがつき合わされている場所である。この位置を検出して現位置とし、座標データを保存する。
このようにして、反射電子コレクタ２０でピークを検出し、制御装置１２に伝えられるので、ピークの位置を座標データとし、第１走査位置３１であれば、第１ポイント３１ａの座標（Ｘ１，Ｙ１）、第２走査位置３２であれば、第２ポイント３２ａの座標（Ｘ２、Ｙ２）、第３走査位置３３であれば、第３ポイント３３ａの座標（Ｘ３，Ｙ３）、第４走査位置３４であれば、第４ポイント３４ａの座標（Ｘ４、Ｙ４）として、現位置の座標データが格納される。
【００３７】
この各座標データに基づき、溶接中心座標（Ｘ、Ｙ）と、溶接半径Ｒを求める。溶接中心座標（Ｘ、Ｙ）及び溶接半径Ｒは、（Ｘ１−Ｘ）２＋（Ｙ１−Ｙ）２＝Ｒ２、（Ｘ２−Ｘ）２＋（Ｙ２−Ｙ）２＝Ｒ２、（Ｘ３−Ｘ）２＋（Ｙ３−Ｙ）２＝Ｒ２、（Ｘ４−Ｘ）２＋（Ｙ４−Ｙ）２＝Ｒ２の４つの式によって求めることが可能である。
これらによって求められた溶接中心Ｐ１である座標（Ｘ、Ｙ）と溶接半径Ｒによって、補正溶接位置が決定される。
この位置は、検出装置の検出精度によって溶接精度が左右されるが、前述の反射電子センシング法等の方法であれば、かなり高精度に位置の検出が可能である。
このように、個々のワーク２５対してセンシングを行い、溶接中心Ｐ１である座標（Ｘ、Ｙ）及び溶接半径Ｒを求めることが出来るので、個々のワーク２５に対して正確に溶接を行うことが可能となる。
【００３８】
以上の構成を有するので、本実施例では以下の作用、効果を示す。
図６に、本実施例の溶接位置補正方法を用いて、溶接をする際の模式図を示す。
位置検査の際、円周溶接部２６より第１走査位置３１、第２走査位置３２、第３走査位置３３、第４走査位置３４に電子ビーム１０を走査することで、円周溶接部２６上の第１ポイント３１ａ、第２ポイント３２ａ、第３ポイント３３ａ、第４ポイント３４ａを得ることができる。
そして、第１ポイント３１ａ、第２ポイント３２ａ、第３ポイント３３ａ、第４ポイント３４ａより、上述の式から溶接中心Ｐ１と溶接半径Ｒを求め、円周溶接部２６を短時間かつ高精度に特定することができる。
このようにして特定した円周溶接部２６上に電子ビーム１０を照射することで、精度よい溶接を実現することができる。
【００３９】
図６において、円周溶接部２６と入力位置データ２６ａはズレており、溶接中心Ｐ１も溶接半径Ｒも、入力位置データ２６ａと異なる。少々極端な例ではあるが、この状態で入力位置データ２６ａの円周溶接位置で溶接した場合、円周溶接部２６と入力位置データ２６ａは２点で交わっているのみであり、溶接不良になる。
従って、本実施例の方法を用いて毎回位置検出し、毎回溶接位置補正を行うことは、製品の溶接品質を向上させ、歩留まりを少なくすることに繋がる。
実際に電子ビーム溶接で許容される芯ズレ量は、ワーク２５をワーク固定台２７にどのように固定するか、あるいは、ワーク２５の製作精度そのもの等によっても異なるが、電子ビーム溶接を必要とするワーク２５であれば、数ｍｍ程度の芯ズレ量であろう。
本実施例に係る補正方法では、電子ビーム溶接の際に用いられる電子ビームのスポット径に対し、電子ビームのセンシングに用いられる電子ビームのスポット径は小さく、溶接の際の１／５程度以下の電子ビームのスポット径でセンシングを行っている。
【００４０】
従って、電子ビームのセンシングで得られる検出精度は、電子ビーム溶接の際に用いられる電子ビームの径よりも小さい幅で得られ、溶接に必要な精度で円周溶接位置を検出し、補正しうる。
さらに、円の半径を補正することも必要となる。ワーク２５は、嵌め合い精度で加工されたシャフトをボスと組み合わせ、円周溶接部２６はシャフトとボスの突合せ面となることから、精度公差内での溶接半径Ｒのバラつきが発生する。ただし、嵌め合い精度公差内でのズレであるので、電子ビーム溶接時にこのバラつきのみが影響することは少ない。むしろ、ワーク２５の芯ズレと合わせて溶接半径Ｒのバラつきがあると、ズレが大きくなってしまい、結局溶接に影響する。
従って、溶接半径Ｒと溶接中心Ｐ１の位置を補正することで、必要な円周溶接位置を求めることが可能となる。
【００４１】
このように、本実施例については円周の溶接について説明したが、自動車用部品において、電子ビーム溶接が必要な部品は円周溶接部を持つものが多いため、検査時間を短縮できることは非常に有用である。
短時間で円周溶接位置の溶接中心Ｐ１及び溶接半径Ｒを把握が出来ることで、ワーク２５を全数検査して、個々のワーク２５の設置精度によるワーク２５の芯ズレが原因で起こる溶接位置ズレや、ワーク２５の公差範囲内での精度のバラつきによる溶接位置ズレなどに対応して、最適な溶接位置に電子ビーム溶接を行うことが可能となる。
また、電子ビーム溶接の特徴である溶け込み深さが深く溶接強度の強い溶接が行え、ワーク２５の溶接品質が向上し、ひいては溶接部品の歩留まり向上が期待できるからである。
【００４２】
したがって、短時間にワーク毎の溶接位置補正が可能であるので、これまで生産ラインで行ってきたような作業者が交代する度に行う、溶接の終わった被加工物を切断し、その断面を見て直接溶接位置ズレを確認するような手間のかかる検査を、省略することが可能となる。
さらに、走査する対象が少なくて済むことで、第１ポイント３１ａ、第２ポイント３２ａ、第３ポイント３３ａ、第４ポイント３４ａの４点だけという少ないデータでの溶接位置の補正が可能であるので、大容量データを高速に処理できるような高価な制御装置を必要とせず、安価にシステムの構築が出来る。
したがって、生産コストを削減し、かつ短時間に電子ビームによる円周溶接位置の補正が可能となる。
【００４３】
また、実際に溶接に使用する陰極１４から、検査に必要な電子ビーム１０を発生させ、陽極１５や、集束レンズ１３及び偏向レンズ１８も同じものを使用するため、安価に高い検査精度で現位置データが得られ、溶接に反映させることが出来る。
したがって、安価に、高精度な電子ビームによる円周溶接位置の補正が可能となる。
このように、本発明に係る電子ビームを用いた円周溶接位置の補正方法によって、短時間で円周溶接の溶接位置補正が可能となるので、ワーク２５の全数に対して溶接位置の補正ができ、安価にシステム構築が可能で、かつ精度の良いデータが得られるので、高精度な円周溶接の溶接位置補正が可能となり、ワークの溶接品質の向上とコストダウンを図ることができる。すなわち、電子ビームを用いた円周溶接の溶接位置補正を、高精度かつ短時間で行うことが出来るので、製品の生産コストの削減が見込める。
【００４４】
また、本実施例では、ワーク２５はボスとシャフトを組み合わせたものであるが、ボスはプレス成形されたものであるので、製作時の設定公差はシビアでなく、ボスを把持するようにワーク固定台２７にワーク２５を固定した場合、入力位置データ２６ａの位置に円周溶接部２６がくるように合わせ込むことは難しい。
これは切削加工等によって作成されるシャフト側を固定する方法であっても、治具との間に隙間を持たせなければならないため、ボスを把持する場合よりも精度は良いが、ズレが生じることは避けられない。もちろん、三つ爪チャック等、中心を出して固定する方法もあるが、精度の良いものは固定に時間がかかる等の問題がある上、精度公差を吸収することは出来ないので、どうしてもズレは避けられない。
従って、溶接位置を短時間かつ高精度に補正して溶接が行えれば、このようなワーク２５であっても、ある程度ラフにワーク２５の固定を行ったとしても、溶接位置を最適な場所に補正して、溶接することが可能となる。
【００４５】
このように、各ワークに対して高精度に溶接位置が検出できれば、ワークの固定の設置精度を高める必要が無いので、ワークの投入時間を短縮することができる。
また、ワークを位置決めするためには、例えば鋳造やプレス品に溶接を行う場合、寸法のばらつきを無くすために、位置決め用に機械切削部分を設けたりする場合もあったが、高精度に溶接位置を検出できるようになることでこのような手間をかける必要も無くなる。
【００４６】
以上に説明した、本発明の電子ビームによる円周溶接位置の補正方法によれば、以下のような優れた作用、効果が得られる。
（１）円周部を持つ固定されたワーク２５に、制御装置１２に記憶された円周溶接位置の入力位置データ２６ａに基づいて電子ビーム溶接する際の、電子ビーム１０による円周溶接位置の補正方法において、入力位置データ２６ａに基づいて、電子ビーム１０をワーク２５の円周部を横断するように少なくとも３箇所、本実施例においては４箇所に放射し、ワーク２５の表面に電子ビーム１０が当たることで、反射される電子線、又は放出される二次電子、又はＸ線のうち少なくとも１つを、反射電子コレクタ２０にて検出し、反射電子コレクタ２０にて検出した電子線、又は二次電子、又はＸ線のうち少なくとも１つの検出量の変化から、制御装置１２が円周部上の点である現位置データの第１ポイント３１ａ、第２ポイント３２ａ、第３ポイント３３ａ、及び第４ポイント３４ａを取得し、制御装置１２が、現位置データから入力位置データ２６ａを補正した補正位置データである溶接中心Ｐ１及び溶接半径Ｒを算出し、補正位置データに基づいて、ワーク２５を電子ビーム溶接することを特徴とする。従って、溶接位置補正を高精度かつ短時間に行うことが可能であり、精度よく最適な位置を溶接可能になるという優れた効果を奏する。
これによって、ワーク２５の設置精度によるワーク２５の芯ズレによる溶接位置ズレや、ワーク２５の公差範囲内での精度のバラつきによる溶接位置ズレなどにより発生する、溶け込み不足などの溶接不良を解消することが可能になる。
【００４７】
短時間で円周溶接位置を補正するという点について、走査する４箇所は、入力位置データ２６ａに基づいて行うので、適当な位置である第１走査位置３１、第２走査位置３２、第３走査位置３３、第４走査位置３４を走査でき、かつワーク全面を走査する必要が無いので、短時間で円周溶接位置を検出可能である。
次に高精度に円周溶接位置を補正するという点について、ワーク２５をワーク固定台２７に固定して、電子ビーム１０を偏向させて、第１ポイント３１ａ、第２ポイント３２ａ、第３ポイント３３ａ、第４ポイント３４ａの４点の現位置データを、反射電子法を用いて取得するので、機械的な誤差を含まない精度の良いデータが得られる。
【００４８】
（２）（１）に記載の電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、前記検出に用いる電子ビーム１０の検出時スポット径が、前記電子ビーム溶接に用いる電子ビーム１０の溶接時スポット径よりも小径であることを特徴とするので、検出時スポット径に絞り、ワーク２５上をセンシングすることで、溶接に必要な精度の位置検出を可能とするという優れた効果を奏する。
【００４９】
溶接に用いる電子ビーム１０の溶接時スポット径よりも、センシングに用いる電子ビーム１０の検出時スポット径の方が十分小さいことで、例えば検出時に多少の誤差が出たとしても溶接時には、その誤差を吸収することが可能になる。
例えば、面取りをしたワーク２５をつき合わせて、或いは溶接用の開先が設けられたワーク２５をつき合わせて電子ビーム溶接する場合に、電子ビーム１０を照射する必要のある場所は、ワーク同士を付き合わせた界面となる。
従って、この位置に検出時スポット径に絞った電子ビームでセンシングをするので、精度の良い現位置データが得られ、また、検出された現位置データと実際の界面の位置とに、多少の誤差があったとしても、電子ビーム１０の溶接時スポット径の範囲内に収まるため、現位置データによって位置補正が行われることにより、溶接に必要な精度は十分確保できることとなる。
【００５０】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、円周溶接部２６は連続的に溶接するのではなく、円周上を不連続にステップ溶接しても良いし、一部が欠けた円であっても、センシングするポイントを増やすことでその形状が確定できるならば、適用することを妨げない。例えば、半円状の形状であったとしても、直線部分に２箇所、円弧部分に３箇所センシングすれば、その形状、傾き等が特定される。このように、形状が複数点のセンシングによって確定できれば、本発明は適用しうる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本実施例の、電子ビーム溶接装置の模式図を示している。
【図２】本実施例の、溶接手順についてのフローチャートを示している。
【図３】本実施例の、センシング方法を示した模式図である。
【図４】本実施例の、センシングの制御について説明した模式図である。
【図５】本実施例の、第４走査位置３４を電子ビームによってセンシングしている場所を横から見た模式図を示している。
【図６】本実施例の、円周溶接部を検出し、入力位置データを補正して溶接をする際の模式図を示す。
【図７】特許文献１の、三次元倣いセンシング方法を適用した溶接形鋼管の電子ビーム溶接の場合のセンシング目合わせ要領を示す斜視図を示している。
【図８】特許文献３の、アーク溶接の溶接位置の補正方法に関する動作図である。
【図９】特許文献４の、電子ビームによるワークの検査方法を示している。
【符号の説明】
【００５２】
１０ 電子ビーム
１１ 電源
１２ 制御装置
１３ 集束レンズ
１４ 陰極
１５ 陽極
１６ 真空チャンバ
１８ 偏向レンズ
２０ 反射電子コレクタ
２５ ワーク
２６ 円周溶接部
２６ａ 入力位置データ
２７ ワーク固定台
３１ 第１走査位置
３１ａ 第１ポイント
３２ 第２走査位置
３２ａ 第２ポイント
３３ 第３走査位置
３３ａ 第３ポイント
３４ 第４走査位置
３４ａ 第４ポイント
Ｐ１ 溶接中心
Ｒ 溶接半径
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円周部を持つ固定されたワークに、制御装置に記憶された円周溶接位置の入力位置データに基づいて電子ビーム溶接する際の、電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、
前記入力位置データに基づいて、前記電子ビームを前記ワークの前記円周部を横断するように少なくとも３箇所に放射し、
前記ワークの表面に前記電子ビームが当たることで、反射される電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つを、検出装置にて検出し、
前記検出装置にて検出した前記電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つの検出量の変化から、前記制御装置が前記円周部上の点である現位置データを取得し、
前記制御装置が、前記現位置データから前記入力位置データを補正した補正位置データを算出し、
前記補正位置データに基づいて、前記ワークを電子ビーム溶接することを特徴とする電子ビームによる円周溶接位置の補正方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、
前記検出に用いる電子ビームの検出時スポット径が、前記電子ビーム溶接に用いる電子ビームの溶接時スポット径よりも小径であることを特徴とする電子ビームによる円周溶接位置の補正方法。
【請求項１】
円周部を持つ固定されたワークに、制御装置に記憶された円周溶接位置の入力位置データに基づいて電子ビーム溶接する際の、電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、
前記入力位置データに基づいて、前記電子ビームを前記ワークの前記円周部を横断するように少なくとも３箇所に放射し、
前記ワークの表面に前記電子ビームが当たることで、反射される電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つを、検出装置にて検出し、
前記検出装置にて検出した前記電子線、二次電子、Ｘ線のうち少なくとも１つの検出量の変化から、前記制御装置が前記円周部上の点である現位置データを取得し、
前記制御装置が、前記現位置データから前記入力位置データを補正した補正位置データを算出し、
前記補正位置データに基づいて、前記ワークを電子ビーム溶接することを特徴とする電子ビームによる円周溶接位置の補正方法。
【請求項２】
請求項１に記載の電子ビームによる円周溶接位置の補正方法において、
前記検出に用いる電子ビームの検出時スポット径が、前記電子ビーム溶接に用いる電子ビームの溶接時スポット径よりも小径であることを特徴とする電子ビームによる円周溶接位置の補正方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００７−１６７８６８（Ｐ２００７−１６７８６８Ａ）
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３６５２８３（Ｐ２００５−３６５２８３）
【出願日】平成１７年１２月１９日（２００５．１２．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年７月５日（２００７．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１２月１９日（２００５．１２．１９）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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