JP2017170472A - 多層盛溶接における溶接条件設定支援装置 - Google Patents

Abstract

【課題】教示ペンダントに備えられた入力キーを使用して入力した溶接条件を基に、溶接後のビード積層図を計算し、計算されたビード積層図のみならず、母材の形状、継手形状、溶接姿勢、溶接狙い位置などのあらゆる条件をグラフィカルに同時に表示することを可能とし、オペレータの確認に資する多層盛溶接における溶接条件設定支援装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明の多層盛溶接における溶接条件設定支援装置は、アーク溶接の溶接条件を設定するに当たり、オペレータにより教示ペンダント３にて、被溶接材の形状、溶接施工する諸元、溶接条件を設定し、設定した溶接条件に基づいて、ビードの層数、パス数、積層方向の少なくとも１つ以上を含むビード積層断面の状況を自動的に計算し、計算により得られた、ビードの層数、パス数、積層方向の少なくとも１つ以上を含むビード積層断面の状況を、表示部８に表示する。【選択図】図２

Description

本発明は、多層盛溶接における溶接条件の設定支援装置に関するものである。

ワークに対して自動的に溶接を行う溶接ロボットにおいては、溶接ロボット（例えば多関節ロボット）の先端部分に、溶接トーチ等を備えたツールが取り付けられている。このような溶接ロボットの動作を制御するコントローラには、溶接ロボットを操作するための教示ペンダント（操作装置）が接続されているのが一般的である。
教示ペンダントは、可搬型の操作装置であり、主として、手動操作によって溶接ロボットを実際に動作させることによって、ワークに対するツールの移動経路及び位置などを教示する。加えて、溶接条件なども、この教示ペンダントを通じて教示される。この教示ペンダントには、表示部が備えられており、この表示部には様々な情報が表示されるものとなっている。

例えば、特許文献１には、教示ペンダントの表示部に、溶接施工条件、入熱、ビード形状などを表示する技術が開示されている。
すなわち、特許文献１は、アーク溶接の溶接条件を選定するに当り、オペレータの指令により操作部から溶接条件を選定して必要な情報である被溶接材、開先形状、溶接姿勢、溶接法、及び溶材を設定し、溶接データや処理結果を一時記憶する記憶部の情報と上記設定した条件とによりオペレータの指令に基づき演算処理を制御部にて行ない、表示部又は記録部に溶接施工条件、入熱、ビード形状、アーク現象、ビード積層図を必要に応じて出力する、ようにした溶接条件自動選定方法を開示することを特徴としている。

特開平６−１２６４５３号公報

ところで、教示ペンダントを介して設定する溶接条件は、多岐にわたり、例えば、母材の形状、継手形状、溶接姿勢（母材の角度）、溶接狙い位置（トーチ狙い位置）などを教示ペンダントに備えられた入力キーを使用して、入力することとなる。特に、多層盛溶接の場合、入力・設定する項目が多岐にわたるため、入力ミスも否めない。
しかしながら、入力した数値を確認するための表示部には、従来、入力した数字そのものが表示されるに過ぎず、従来の表示法では、入力ミスを発見するには困難を伴うものとなっていた。

このような問題点を解決するにあたって、特許文献１は有益な解決方法を開示するものとはなっていない。せいぜい「・・・表示部又は記録部に溶接施工条件、入熱、ビード形状、アーク現象、ビード積層図を必要に応じて出力する」ということを記してるのみであり、具体的な表示の仕方などを明確に開示するものとはなっていない。
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、教示ペンダントに備えられた入力キーを使用して入力した溶接条件を基に、溶接後のビード積層図を計算し、計算されたビード積層図のみならず、母材の形状、継手形状、溶接姿勢、溶接狙い位置などの与えられた全ての条件をグラフィカルに表示することを可能とし、オペレータの確認に資する多層盛溶接における溶接条件設定支援装置を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
本発明に係る多層盛溶接における溶接条件設定支援装置は、多層盛溶接を行う溶接ロボットを制御する制御部と、前記制御部につながれ、且つ、先端に溶接用ツールが取り付けられた溶接ロボットへの操作指示情報を設定する複数のボタンが配置されたボタン配置部を備え、前記ボタンによって操作指示情報が設定されることで前記溶接ロボットへの動作指示を行う教示ペンダントを備えた溶接条件設定支援装置において、アーク溶接の溶接条件を設定するに当たり、オペレータにより前記教示ペンダントにて、被溶接材の形状、溶接施工する諸元、溶接条件の少なくとも１つ以上を設定し、前記設定した溶接条件に基づいて、ビードの層数、パス数、積層方向の少なくとも１つ以上を含むビード積層断面の状況を自動的に計算し、前記計算により得られた、前記ビードの層数、パス数、積層方向の少なくとも１つ以上を含むビード積層断面の状況を、前記被溶接材および前記被溶接材の開先形状と共に、前記教示ペンダントに設けられた表示部に表示することを特徴とする。

好ましくは、前記表示部に、ウィービング幅、ウィービング基準面、トーチ狙い位置、トーチ角度の１つ以上を表示するとよい。
好ましくは、前記表示部に表示されたビード積層断面に重ねて、ウィービング幅、ウィービング基準面、トーチ狙い位置、トーチ角度の少なくとも１つ以上を同時又は異時に表示するとよい。

好ましくは、前記表示部に表示されたビード積層断面の状況を基に、前記教示ペンダントにて設定された被溶接材の形状、溶接施工する諸元、溶接条件の内容を確認するように構成されているとよい。

本発明の技術によれば、教示ペンダントの表示部に、計算されたビード積層図のみならず、母材の形状、継手形状、溶接姿勢、溶接狙い位置などの複数の条件をグラフィカルに表示することを可能とし、オペレータの確認に資することが可能となる。

教示ペンダントを含む溶接ロボットシステムの概略構成図である。 教示ペンダントの操作面を示す図である。 教示ペンダントに表示されるビード積層図の例を示したものである。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態による溶接ロボット１（以下、単にロボットシステム１という）を説明する。
まず、図１を参照しながら、本実施形態によるロボットシステム１の全体構成を説明する。
図１に示すように、ロボットシステム１は、溶接ロボット２と、教示ペンダント３を有する制御装置４と、パソコン５とを含む。

溶接ロボット２は、例えば垂直多関節型の６軸の産業用ロボットであり、その先端に設けられたフランジ部に溶接トーチなどから構成される溶接ツール６が取り付けられている。この溶接ロボット２は、溶接ロボット２自体を搭載し移動させるスライダ（図示せず）に搭載されていてもよい。
制御装置４は、教示ペンダント３から出力された溶接ロボット２の動作方向を指示する操作指示情報を基に溶接ロボット２に対して動作指示を出力すると共に、溶接ロボット２に対する動作指示を予め教示されたプログラム（教示プログラム）に従って出力することで溶接ロボット２の動作を制御するものである。なお、操作指示情報は、教示ペンダント３に設けられた操作ボタンの操作によって設定される。

教示プログラムは、制御装置４に接続された教示ペンダント３を使用して作成する場合や、パソコン５を利用したオフライン教示システムを使用して作成する場合がある。いずれの場合であっても、教示プログラムは、溶接ロボット２が実際に溶接作業を行う前に予め作成されて、溶接作業中の溶接ロボット２の動作を指示するものである。パソコン５によりオフラインで作成された教示プログラムは、磁気的又は電気的にデータを記憶した媒体等を介して制御装置４に受渡しされたり、データ通信により制御装置４に転送されたりする。

パソコン５、すなわちオフライン教示システムは、表示装置としてグラフィック表示可能なディスプレイを備え、入力装置としてキーボードやマウスを備える。また、ワークのＣＡＤ情報を取込むために、読取装置又は通信装置が設けられている。
上述のとおり、本実施形態によるロボットシステム１では、教示ペンダント３やパソコン５を用いて教示プログラムが作成される。この教示プログラムの作成を教示作業というが、教示作業に限らず溶接ロボット２を操作する際には、教示ペンダント３を持つオペレータＭは、溶接ツール６の稼働範囲外に立って作業を行う。

さて、この教示ペンダント３を介して設定する溶接条件は、多岐にわたり、例えば、母材の形状、継手形状、溶接姿勢（母材の角度）、溶接狙い位置（トーチ狙い位置）などを教示ペンダント３に備えられた入力キーを使用して、入力することとなる。
詳しくは、オペレータは、教示ペンダント３を介して「部材、母材、開先形状、溶接姿勢」などの被溶接材の形状、「溶接方法、溶材」などの溶接施工する諸元、「溶接電流、速度、ウィビング情報（幅・基準面・周期）、トーチ狙い位置・角度」などの溶接条件などを入力することとなる。特に、多層盛溶接の場合、その層数分だけ溶接条件の入力が必要でありかつ入力・設定する項目は多岐にわたる。そのため、経験の浅いオペレータにとっては、入力ミスを犯しやすい。

しかしながら、本発明の多層盛溶接における溶接条件設定支援装置では、教示ペンダント３を介して入力された溶接条件を基に、溶接後のビード積層図を制御装置４において計算する。計算されたビード積層図は、教示ペンダント３の表示部８に即座に表示される。更に、表示部８には、ビード積層状態のみならず、母材の形状、継手形状、溶接姿勢、トーチ狙い位置などのあらゆる条件が視覚的に同時に表示される。これにより、オペレータは、目視により入力した溶接条件が正しいか否かを直感的に判断でき、入力した溶接条件の確認に大きく資することができるようになる。

以上の技術を、詳しく説明する。
まず、図２に示すように、教示ペンダント３は、溶接ロボット２の動作や教示操作に関する情報などが表示される表示部８が設けられており、図面に向かって表示部８の下方、つまり、溶接ロボット２への操作指示情報の設定や教示動作の設定を行うため操作ボタン９や、数値を入力するためのテンキー７などが配置されている。

操作ボタン９としては、溶接ツール６のワイヤの先端にアークを発生させるためのスイッチである「アークＯＮ／ＯＦＦ」ボタン、溶接ツール６へワイヤを供給させるための「ワイヤ送給」ボタン、及び、教示操作などにおいて溶接ロボット２の姿勢を記憶させるための「位置記憶」ボタンなどが設けられている。各種数値を入力するテンキー７も設けられている。

教示ペンダント３の筐体において、操作面が設けられた側の左右の側方には、オペレータが教示ペンダント３を保持するための取手（把持部１０）が設けられており、オペレータは、操作面と対向しつつ、右の把持部１０に右手を添え、左の把持部１０に左手を添えて教示ペンダント３を保持する。
さて、中厚板（中厚鋼板）の溶接では、薄板溶接と比較し、以下の点が大きく異なる。

すなわち、溶接において、（１）多層盛溶接となること、（２）開先の角度が多種多様であり、正確な開先形状・角度に基づく積層表示が必要となる、（３）溶接姿勢や開先状態に応じた積層方向の表示が必要、（４）溶接途中で積層方向を変える必要性がしばしば生じる、などである。
通常、溶接指導書などで書かれている開先・継ぎ手形状は典型的なものであり、実際の厚板の溶接を考えると、部材と母材の交差角が直角以外の角度をとるケース、全体が傾斜しているケースなどが多数を占めており、継ぎ手・開先形状は多岐にわたる。

これらの形状を効率よく表示する必要があるが、一般的な母材形状および部材形状を組み合わせることにより意味のある中厚板の継ぎ手・開先形状の代表的なパターン３０通り以上を表現しつつ、母材に対して部材の交差角度を指定することにより斜めに配置されるケースも全て表現できることなどにより、本発明ではよりリアルなワーク形状を効率よく表現している。これらの表示（視覚的な表示）は、教示ペンダント３の表示部８に映し出されることとなる。

ところで、多層盛溶接では、同じ積層方向の高さの溶接を層、実際に溶接する回数をパスという。
多層盛溶接では、溶接パス毎に狙い位置を変化させて溶接するが、教示ペンダント３の表示部８における、ビードの積層表示においては、オペレータに対して、わかりやすく表示する必要があり、同層の溶接パスとそれ以外を区別して表示するために狙い位置が積層方向高さに対してある範囲内に入っていれば、同じ層と判断している。

また、段差があるケースやＴ継ぎ手、レ型溶接などでは、開先部分を埋める溶接は水平に積層し、その後、仕上げ形状に沿って傾斜をつけた積層をする場合がある。ウィービング基準面の切替などの溶接条件の変更に応じて、積層方向を自動的に切り替えるようにしている。このことがわかるように、教示ペンダント３の表示部８においても、ビードの積層表示を行うことにしている。

すなわち、まとめれば、溶接ロボット２のオペレータは、溶接条件として様々な指令値を教示ペンダント３を介して入力するが、オペレータが知りたいのは、入力した条件で溶接した際の溶接結果である。
そこで、本発明では、溶接ロボット２のオペレータが、
（１）溶接電流、電圧、速度等 を設定・変更した際に、その結果、溶接継手の断面図上での「溶込み」や「溶着金属(ビード)形状」を２次元乃至は３次元でグラフィカルに表示し、
（２）トーチ狙い位置やトーチ角度を設定・変更した際にも、溶接継手の断面図上での「狙い位置・トーチ角度」をグラフィカルに２次元乃至は３次元で表示することで操作者の条件設定・変更作業をより簡単で確実に行えるように支援する、
ものである。

例えば、トーチ狙い位置は、左右と上下方向に値を設定する必要があるが、溶接姿勢が変化すれば、同じ形状の継手・開先でも、適切な狙い位置シフトの設定値が異なり条件設定には非常に慎重に行う必要がある。思った通りの狙い位置になっているかどうかの確認はもちろんのこと、入力ミス等も数値のみの確認・チェックでは無くグラフィカルな表示による確認・チェックを行うことでわかりやすくすることでミスを未然に防止することができる。

図３には、教示ペンダント３の表示部８に表示される画面の例（例１〜例３）が示されている。
多層盛溶接では、同じ高さのパスを層と呼ぶ。例えば、図３の例１に示す２〜３パスは２層目、４〜６パスは３層目と呼ばれる。同層は狙い位置や壁でのトーチ角度以外はほぼ同じ条件を設定することが多く、操作者への設定支援のためにも、層とパスの判定を行い、わかりやすく表示する必要がある。

層とパスの関係を計算するには、溶接継ぎ手の溶接姿勢の傾きなどを考慮したうえで、実際に積層される方向を積層高さと定義し、狙い位置の左右・上下から算出できる積層高さを計算し、積層高さがある範囲内に入っているパスを同層としてグループ化する。
本実施例では、計算能力の低い表示装置でも対応できることを考慮し、同層の溶着量を合計し、層として積層するとともに、層内の各パスの溶着量に応じて狙い位置から振り分けて簡易な形状で表示している。
［例１］
図３の左上の例１の表示は、Ｔ継手の水平すみ肉溶接の条件を設定した例である。

この図３左上から明らかなように、１パス目で１層目を溶接し、２パス及び３パス目で２層目を溶接し、４パス〜６パス目で３層目を溶接することとなる。トーチ傾斜角度および積層方向は斜め４５°となり、図３にて示される●は、各パスでのトーチの狙い位置である。
このように、ビード断面に様々な情報が合わせて表示されるため、オペレータは、自分が教示ペンダント３を通じて入力した溶接条件が正しいものであるか否かの確認を直感的に且つ正確に判断することが可能となる。
［例２］
図３の右上の例２の表示は、Ｔ継手の下向きすみ肉溶接の条件を設定した例である。母材が例１と比べて４５°傾いており、溶接姿勢は下向きとなっている。

例２では、例１と異なり、１パス目で１層目を溶接し、２パスで２層目を溶接し、３パス目で３層目を溶接し、４パスで４層目を溶接することとなる。●の各パスでのトーチの狙い位置も例１とは大きく異なる。
このように、同じＴ継手のすみ肉溶接であっても、母材の角度が異なれば適切な溶接条件は大きく異なるものとなり、このような場合における溶接条件の確認に、本発明は非常に有効である。
［例３］
図３の下の例３の表示は、Ｔ継手のレ形溶接の条件を設定した例である。加えて、例３では、ビードの積層方向が切り替わるものとなっている。

本例では、７パス目までは、トーチは下向きで、ビードは水平方向に積層される。８パス目以降は、トーチ角度は斜め４５°となる。
この表示を行うに際しては、溶接条件のウィービング方向の基準面が水平⇒トーチ方向に途中で切り替わる点を考慮し、この情報をもとにビード積層方向の表示を切り替えている。表１は、例３で実際に設定した溶接条件を表の形で示したものであり、参考までに記することとする。

なお、ウィービングしない場合は、トーチ傾斜角度が途中で変化することに着目し、これをもとに積層表示を切り替えるようにしている。
以上のように、本発明にかかる多層盛溶接における溶接条件設定支援装置を用いることで、教示ペンダント３の表示部８に、計算されたビード積層図のみならず、母材の形状、継手形状、溶接姿勢（母材の角度）、溶接狙い位置などのあらゆる条件をグラフィカルに表示することを可能とし、オペレータの確認に資することが可能となる。

ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

例えば、教示ペンダント３の表示部８に、ビード１層毎に画像センサなどでビード形状を計測して、計測した形状と予定していたビード形状との差異を、表示部８に表示するようにすることは、本発明をもとにすれば容易に推定できる事項である。また、本願の表示機は、教示ペンダントとしているが、これをモバイルパソコンやタッチパネル等の可搬型装置にて実施することも同様である。

１ ロボットシステム
２ 溶接ロボット
３ 教示ペンダント
４ 制御装置
５ パソコン
６ 溶接ツール
７ テンキー
８ 表示部
９ 操作ボタン
１０ 把持部

Claims (4)

1. 多層盛溶接を行う溶接ロボットを制御する制御部と、前記制御部につながれ、且つ、先端に溶接用ツールが取り付けられた溶接ロボットへの操作指示情報を設定する複数のボタンが配置されたボタン配置部を備え、前記ボタンによって操作指示情報が設定されることで前記溶接ロボットへの動作指示を行う教示ペンダントを備えた溶接条件設定支援装置において、
   アーク溶接の溶接条件を設定するに当たり、オペレータにより前記教示ペンダントにて、被溶接材の形状、溶接施工する諸元、溶接条件の少なくとも１つ以上を設定し、
   前記設定した溶接条件に基づいて、ビードの層数、パス数、積層方向の少なくとも１つ以上を含むビード積層断面の状況を自動的に計算し、
   前記計算により得られた、前記ビードの層数、パス数、積層方向の少なくとも１つ以上を含むビード積層断面の状況を、前記被溶接材および前記被溶接材の開先形状と共に、前記教示ペンダントに設けられた表示部に表示する
   ことを特徴とする多層盛溶接における溶接条件設定支援装置。
2. 前記表示部に、ウィービング幅、ウィービング基準面、トーチ狙い位置、トーチ角度の１つ以上を表示することを特徴とする請求項１に記載の多層盛溶接における溶接条件設定支援装置。
3. 前記表示部に表示されたビード積層断面に重ねて、ウィービング幅、ウィービング基準面、トーチ狙い位置、トーチ角度の少なくとも１つ以上を同時又は異時に表示することを特徴とする請求項２に記載の多層盛溶接における溶接条件設定支援装置。
4. 前記表示部に表示されたビード積層断面の状況を基に、前記教示ペンダントにて設定された被溶接材の形状、溶接施工する諸元、溶接条件の内容を確認するように構成されている請求項１〜３のいずれかに記載の多層盛溶接における溶接条件設定支援装置。