JPH0446673B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明はＶ型、Ｌ型又はこれらに類似した開先
を溶接トーチを左右にウイービングさせながら溶
接線に沿つて進行させて溶接を行う消耗電極式ア
ーク溶接方法に係り、特に溶接トーチを溶接線に
正しく倣わせる溶接線自動倣い制御を用いた溶接
方法に関するものである。

「従来技術」 従来、溶接線倣いの手法として溶接現象を利用
する方法が多く用いられている。この方法は溶接
ワイヤの突出長さと溶接電流との相関特性を利用
して開先部の溶接線を検出するものであり、専用
の検出器を必要としない利点がある。

この種の溶接現象を利用した溶接線自動倣い方
法として特公昭52−107703号公報や特開昭52−
78654号公報の明細書に記載された方法が知られ
ている。この方法は周期的なウイービングの左右
両端位置における溶接電流値をそれぞれ検出して
比較し、両溶接電流値が等しくなるようにウイー
ビングの中心を移動制御するようにしたものであ
る。

また他の方法として特開昭58−5337号公報に記
載された消耗電極式アーク溶接方法が知られてい
る。この方法は要するに周期的なウイーピングの
各半周期における溶接電流値の最大値と最小値と
を半周期毎に比較し、その差を演算すると共に隣
合う半周期毎に前記最大、最小電流値の差を比較
し、この左右の差が小さくなる方向へウイービン
グの中心を移動制御することにより、溶接線に正
確に倣つた動きを行わせようとするものであり、
前記特公昭52−100773号公報や特開昭52−78654
号公報に記載された方法と較べて溶接線に対する
偏差の検出分解能が優れており、精密な溶接線倣
い制御を行うことができるという利点がある。

続いて上記特開昭58−53375号公報に記載され
た溶接方法を参考にして本発明の基礎となる溶接
線倣い方法の一例に付き説明する。

いま、例えば定電圧特性の溶接電流を使用して
第５図に示すように母材となる水平板１と垂直板
２に対して溶接トーチ３を溶接線S_Wに対して左
右方向にウイーピングさせながら溶接線S_W方向
（指面に垂直方向）に溶接を進行させて水平すみ
肉溶接を行なうものとする。溶接ワイヤ４を定速
送給するとワイヤ４の突出長さｌは開先形状に沿
つて変化する。

第５図は、溶接トーチ３のウイービング幅の中
心位置S₂が溶接線S_Wに一致して、溶接線を正し
く倣つている場合を示すものである。第６図は第
５図の場合において、トーチ３がウイービングの
左端位置S₁からウイービング中心S₂を経て右端位
置S₃に至るウイービングの往行程と、逆に右端S₃
から左端S₁に至るウイービングの復行程の溶接電
流の変化を示すグラフである。その詳細は、脚長
7.5mmの水平すみ肉溶接を行つた場合の溶接電流
を光学式電極オツシログラフを用いて測定記録
し、その結果を示した波形図であり、溶接条件は
シールドガス組成Ar＋20％CO₂、ワイヤ径２mm、
平均溶接電流305A、溶接電圧29V、溶接速度35
cm／分、ウイービングサイクル約150回／分、ウ
イービング幅Ｌ＝６mmである。なお、溶接電流の
測定に当たつては溶接電源の商用周波数に起因す
る高周波成分やアークの不規則な短絡などに基づ
く成分を除去するために遮断周波数fcが10Hzのロ
ーパスフイルタを使用している。

ウイービングの左右端位置はウイービング装置
に取付けた近接スイツチで位置検出している。

第６図にて明らかなように、溶接トーチ３のウ
イービング幅の中心S₂が溶接線S_Wに一致して溶
接線を正しく倣つている場合には、ワイヤ突出長
さｌと溶接電流との相関特性からウイービング左
端部電流値IL₁とウイービング右端部電流値IR₁と
は互いに等しく、さらにウイービングの往行程に
おける溶接電流最小値IL₂と復行程における溶接
電流最小値IR₂とは互いに等しくなる。

また、左端部電流値IL₁はウイービング左端位
置S₁になつた時点から、右端部電流値IR₁はウイ
ービング右端位置S₃になつた時点から、ローパス
フイルタによる溶接電流信号の位相遅れ時間τだ
けそれぞれ遅延させた時点で検出するようにすれ
ば適切な対応が得られることがわかる。

さらに、溶接電流最小値IL₂は左端部電流値IL₁
を検出したのち、ウイービング右端位置S₃に至る
往工程における溶接電流を測定して、その間での
最小値を検出し、同様に、溶接電流最小値IR₂は
右端部電流値IR₁を検出したのち、ウイービング
左端位置S₁に至る復行程における溶接電流を測定
して、その間での最小値を検出すればよい。

次に第７図は、ウイービング幅の中心位置S₂が
溶接線S_Wに対して垂直板２側にずれた場合のウ
イービング状態を示し、第８図は、この場合のウ
イービングの往行程と復行程における溶接電流の
変化を示した具体例である。

第８図は第６図で説明した溶接条件で水平すみ
肉溶接を行い、溶接線S_WとのずれがＤ＝２mmと
なつた場合の溶接電流を光学式電磁オツシログラ
フを用いて測定記録した結果を示す波形図であ
る。

第８図から、垂直板２側にずれた場合には右端
部電流値IR₁と左端部電流値IL₁とに偏差が生じ、
IR₁＞IL₁となることがわかる。

ところで、第８図において注目すべきことは、
ウイービングの往行程における溶接電流の最小値
IL₂が、復行程における溶接電流の最小値IR₂に等
しくならずIR₂＜IL₂となることである。即ち、ワ
イヤ突出長さと溶接電流との相関特性を単純にあ
てはめて考えるとIR₂＝IL₂となるべきであるにも
拘わらず、等しくならないのである。このことの
理由は、必ずしも明らかではないが、実験中のア
ークの観察結果から推定すれば、上記のようにウ
イービング幅の中心S₂が溶接線S_Wからずれた場
合には、開先内の溶接線における溶融池の挙動が
ずれていない場合に対して異なるために溶融池に
対するアークの挙動が異なり、第８図に示すよう
な溶接電流の変化が起きるものと推定される。

さらに、実験では、上記往行程における最小値
IL₂に対して、復行程における最小値IR₂は、常に
小さく、しかも、両最小値の差（IL₂−IR₂）は、
ウイービング幅の中心位置S₂と溶接線S_Wとのず
れの大きさに比例した値となることが確認され
た。

また、逆にウイービング幅の中心位置S₂が水平
板１側にずれた場合には、第８図とは逆になり
IL₁＞IR₁及び往行程、復工程における溶接電流の
最小値の大小関係はIR₂＞IL₂となる。

以上の関係を要約すると、いま、ウイービング
の左端位置S₁からウイービング中心S₂を経て右端
位置S₃に至るウイービングの往行程におけるウイ
ービング左端部電流値をIL₁、溶接電流最小値を
IL₂、右端位置S₃から左端位置S₁に至る復工程に
おけるウイービング右端部電流値をIR₁、溶接電
流最小値をIR₂とすると、 （IL₁−IL₂）＝（IR₁−IR₂）の場合はウイービ
ングの中心S₂と溶接線S_Wとが一致していると
判断してよい。

（IL₁−IL₂）＞（IR₁−IR₂）の場合はウイービ
ングの中心S₂は溶接線S_Wに対して左側にずれ
ていると判断される。

（IL₁−IL₂）＜（IR₁−IR₂）の場合はウイービ
ングの中心S₂は溶接線S_Wに対して右側にずれ
ていると判断される。

というずれ方向の判断基準が得られる。

また、差電流値（IL₁−IL₂）、（IR₁−IR₂）及び
両差電流の偏差｜（IL₁−IL₂）−（IR₁−IR₂）｜はウ
イービング中心S₂の溶接線に対する偏向値に比例
する。

従つて、各ウイービング半周期における電流値
IL₁，IL₂及びIR₁，IR₂を検出し、次にこらの検出
値を用いてそれぞれ差電流値（IL₁−IL₂）、（IR₁
−IR₂）を演算して両差電流値を互いに比較し、
その比較結果から、上記のずれ方向判断基準に基
づいて両差電流値が互いに等しくなる、あるいは
一定値になる方向に両差電流値の偏差に応じてウ
イービング幅中心位置を移動制御するようにすれ
ば、溶接線の自動倣いが可能となる。

「従来技術の問題点」 ところでアーク溶接においては、一般にアーク
長が長く溶接電流の大きい領域ではピンチ効果が
溶接棒の表面張力よりも大となつて溶滴が小粒子
として棒端から離脱し、高速度で溶融池に突入す
るスプレー移行と呼ばれる現象が発生する。一方
アーク長が短いと小電流において棒端に垂れ下が
つた溶滴は当然母材と接触し、溶接棒と母材とが
溶滴によつて橋絡される。小電流のアーク溶接で
はこのような短絡時に大電流が流れるような特性
の電源が使用されており、この大電流により生じ
るピンチ力によつて上記橋絡が破れてアークが発
生する。このように溶滴が大塊となつて移行する
現象は短絡移行と呼ばれ、その短絡周期は例えば
60〜100回／秒程度である。このような短絡の間
隔は溶接電流の変動を検出することによつて知り
うるが変動が大きいのが一般的で、短絡周期は上
記短絡の間隔の平均値として一般にとらえられ
る。

しかしながら短絡移行領域において、上記のよ
うに短絡とアークとがかなり大きい変動をもつた
周期として繰り返され、且つ移行する溶滴の大き
さも変動するため検出される溶接電流Ｉは第２図
ｅに波形図として示す如く急激に変動することを
避けることができない。この点スプレー移行領域
での溶接電流が概ね第８図に示される如くなめら
かに変化するのと対称的である。

従来のアーク倣いによる溶接線自動倣い制御は
前述の通り溶接電流のピーク値又はボトム値を検
出し、その差によつて正確な倣い演算を行うもの
であるからスプレー移行領域のように溶接電流の
変動がゆるやかな場合には高精度を得ることがで
きるが、短絡移行領域のように溶接電流が急激に
変動する領域では、溶接ワイヤの溶接線からの偏
りのみに伴う溶接電流の変化を検出することが困
難で、倣い制御の制度が大幅に低下するという問
題点があつた。特に薄板溶接においてはこのよう
な短絡移行領域による溶接条件がほとんどで、し
かもワーク形状が複雑で、歪、ワークの取付誤差
等が大きく精度のよい倣い制御が要求される。

「発明の目的」 従つて本発明の目的とするところは、短絡移行
領域における溶接電流の変化を平滑化して短絡移
行領域特有の理由による溶接電流の変化を吸収
し、溶接ワイヤの偏りによる電流変動の検出精度
を向上させることである。

「発明の構成」 上記目的を達成するために、本発明が採用する
主たる手段は、検出した溶接電流に基づいて溶接
線の修正を一定周期毎に行ないつつ溶接トーチを
周期的にウイービングさせながら修正された溶接
線に倣つて短絡移行領域における溶接を行う消耗
電極式アーク溶接方法において、上記溶接電流を
短絡周期の２倍以上で且つウイービング周期の
１／４以下の所定時間毎に積分して得られた値の
ウイービング周期での最大値及び最小値に基づい
て溶接線の修正が行われるようになした点であ
り、その適用範囲は前記特開昭58−53375号公報
に記載されたアーク溶接方法のみでなく、特公昭
52−10773号公報や特開昭52−78654号公報に記載
の溶接線自動倣い方法、その他の消耗電極式のあ
らゆるアーク溶接方法に適用可能で、特に薄板の
アーク溶接に適用して好適である。

「実施例」 続いて第１図乃至第４図の添付図面を参照して
本発明を具体化した実施例に付き説明し、本発明
の理解に供する。ここに第１図は本発明の一実施
例にかかる溶接方法を実施した場合の溶接電流の
変化を示す線図、第２図ａ〜ｄは同溶接方法の制
御手順を示すフローチヤート、第２図ｅは溶接電
流の原波形を示す線図、第３図は同実施例に係る
溶接方法を実施するためのロボツト装置全体の側
面図、第４図は同ロボツト装置における信号の流
れを示すブロツク図である。なおこの実施例にお
いては前記従来例と共通の要素には同一の符合を
使用して説明する。

第３図は溶接用ロボツトＲによつて母材ＭのＶ
形開先部５に溶接トーチ３によりアーク溶接を行
つている状態を示し、溶接ワイヤ４に流れる電流
はシヤント６に検出されてロボツト制御盤７に伝
達される。ロボツト制御盤７は溶接用ロボツトＲ
を駆動して溶接トーチ３を所定の溶接線に沿つて
誘導するための制御部で、溶接用ロボツトＲの姿
勢及び位置、更にはウイービング波形を指定する
ためのロボツト本体制御部８と、シヤント６から
入力された溶接電流をサンプリングして溶接トー
チ３を適正な溶接線Swの方向へ修正移動させる
ために修正指令信号をロボツト本体制御部８に送
信する倣い制御部９とより構成されている（第４
図）。

溶接用ロボツトＲはロボツト本体制御部８のサ
ーボ制御部１０（第４図）によつて駆動され、サ
ーボ制御部１０からの信号により駆動され、基礎
１１に取り付けられ、垂直軸のまわりに矢印θ₁の
方向に旋回運動を行う旋回台１２と、この旋回台
１２上に取付られ垂直面内において矢印θ₂内の方
向に駆動運動を行う垂直アーム１３と、この垂直
アーム１３の先端に取付られ同じ駆動垂直面内に
矢印θ₃の方向に揺動駆動される水平アーム１４
と、この水平アーム１４の先端に取付けられ、前
記溶接トーチ３を保持する手首部１５とを有して
構成され、上記手首部１５は矢印θ₄で示す垂直面
内における揺動運動と、矢印θ₅で示す手首部１５
の軸芯まわりの旋回運動とを行うことができ、結
局溶接用ロボツトＲとしては５つの自由度を有し
て構成されている。

続いて第１図、第２図及び第４図を参照してマ
イクロコンピユータを用いて行うアーク溶接方法
の制御手順につき詳しく説明する。第１図は本発
明をウイービング半周期毎に溶接線の修正を行う
制御方法に適用した場合の溶接電流の変化を示す
線図、第２図ａはロボツト本体制御部８における
制御手順を示し、同図ｂは倣い制御部９における
処理手順、また同図ｃ及びｄは第２図ｂに示した
IL_nsx、IL_nio及びIR_nsx，IR_nioのサンプリングを行
うサブルーチンを示すフローチヤートである。

まず制御にあたつて既にロボツトには溶接線の
教示が、例えばPTP方式により完了しており、
教示データがロボツト本体制御部８内の図示せぬ
記憶装置に収納されているのとする。また溶接条
件は短絡移行領域におけるアーク溶接が行われる
ように設定されているものとする。

まず溶接作業の開始にあたつて第２図ａに示し
たロボツト本体制御部８側の処理手順と、第２図
ｂに示した倣い制御部９側の処理手順とが同期を
とつて並列的に処理される。第２図ａに示したプ
ログラムではマイクロプロセツサは、まず図示せ
ぬ記憶装置から教示データを取り出し、これに補
間演算処理を行つて教示データに基づく溶接線の
位置を計算する。この計算はロボツト本体制御部
８の位置計算部１６において行われる。またマイ
クロプロセツサには予めウイービングパターン
（例えばウイービング幅、ウイービング周期等）
が指定されており、このウイービングパターンに
基づいてウイービング波形計算部１７においてウ
イービング波形計算、即ちウイービングの軌跡の
計算が行われる。ここでステツプａにおいて倣い
制御部９から修正指令信号がロボツト本体制御部
８の倣い入力部１８に伝えられたか否かを判断す
る。

一方倣い制御部９側においては、第２図ｂに示
す如くステツプｂにおいて溶接トーチが第５図に
示す左端位置S₁から右端位置S₃へのトーチ３の移
動状態（右行き工程）であるか否かを判断する。
この時、トーチが左端位置S₁から右端位置に向か
つて移動しているものとすれば、その時の溶接電
流は第１図に示す如く曲線Ｐの最初の半周期期間
C_1lの部分で表される。ロボツト本体制御部８の
ウイービング波形計算部１７から倣い制御部９の
倣い計算部１９へは第４図に示す如くウイービン
グ左端信号とウイービング右端信号とが出力さ
れ、倣い計算部１９においてウイービング動作の
右半周期と左半周期の各始点及び終点、即ち、左
端部S₁の位置と右端部S₃の位置が知らされる。

最初の左半周期C_1lにおいては、左側(L)から右
側(R)へ溶接トーチ３が移動する区間であるから、
ステツプｂにおいてイエスの方向へ処理が進み、
左半周期C_1lにおける溶接電流Ｐの溶接電流最大
値IL_nsxと最小値IL_nioとがサンプリングされる。

IL_nsx，IL_nioのサンプリングは、第２図ｃのサ
ブルーチンに従つて処理される。ここでは第２図
ｅに示すように一定のサンプリング周期SC毎に
ウイービング周期を分割し、このサンプリング周
期SC分の溶接電流Ｉを積分する。積分値を順番
にS₁，S₂，S₃，…とする（左行き工程においては
S₁′，S₂′，S₃′，S₄′，…である）。次にこうして得
られた積分値の中で最大のものIL_nsx（溶接電流最
大値）と最小のものIL_nio（溶接電流最小値）をサ
ンプリングする。上記のようなサンプリング周期
SCは短絡周期の２倍以上で且つウイービング周
期の１／４以下の時間に設定される。短絡周期の
２倍以上に設定する理由は、１倍では原波形その
もので積分による平滑化の効果がまつたくなく、
また1.5倍程度ではサンプリング周期SC内に短絡
波形が１つ入る場合と２つ入る場合とが生じ中途
半端な積分となるからで、積分の効果を出すため
には、少なくとも１サンプリング周期内に２以上
の短絡波形が入ることが望ましいからである。ま
た溶接電流の最大値と最小値は１つのウイービン
グ周期中に各２個（合計４個のデータ）含まれる
と共に、これらほぼ等間隔に発生するため、１個
の積分時間の長さは１ウイービング周期の１／４
以下でなければならない。

ステツプｃにおいてウイービング動作の半周期
分の溶接処理が終了したか否かを判断する。これ
は前記したウイービング右端信号がウイービング
波形計算部１７から倣い計算部１９に入力された
か否かにより判断され、この時ノーと判断された
時にはステツプｂに戻る。イエスと判断された場
合、これは溶接トーチ３が右端位置S₃に到着した
ことを示し、処理はイエスの方向に進んでステツ
プｄにおける判断に移る。ステツプｄではステツ
プｃにおいて判断された半周期が溶接開始時の最
初の半周期、即ち第１図における左半周期c_1lで
あるか否かを判断し、イエスであればステツプｂ
へ戻る。この時、溶接行程は既に右端位置S₃から
左端位置S₁への処理に移つているため、ステツプ
ｂではノーの判断が行われ、左行き行程における
溶接電流Ｐの最大値IR_nsx及び最小値IR_nioが第２
図ｄに示すサブルーチンに従つてサンプリングさ
れる。続いて前記ステツプｃにおいて半周期分、
即ちこの場合、右半周期c_1rの終了を待つたのち
ステツプｄを経てステツプｅに至る。これで最初
の１ウイービング周期分が経過し、前記特開昭58
−53375号公報に記載された差電流値の算出が可
能となる。ここでステツプｅにおいて左半周期に
おける電流値の差△ILをIL_nsx−IL_nioによつて算
出すると共に、右半周期における溶接電流値の差
ΔILをIR_nsx−IR_nioによつて算出し、更にウイー
ビング中心S₂の溶接線S_Wに対する偏向値に比例
した差電流値ΔO＝ΔIL−ΔIRを算出する（ステ
ツプｎ）。その後、ステツプｈにおいて前記差電
流値ΔOの絶対値が許容範囲（デツドゾーン）に
入つているか否かを判断し、デツドゾーンから離
れている場合には、修正指令信号を倣い入力部１
８に送出する。差電流値ΔOの絶対値が許容範囲
内であれば、溶接軌跡の修正を行うことなくプロ
グラムを最初に戻す。

一方、第２図ａに示したロボツト本体制御部８
側のプログラムのステツプａにおいて上記修正指
令信号を受けて修正指令ありと判断された場合に
は、位置計算部１６に修正指令信号を与え、これ
を受けて位置計算部１６は一定シフト分を元の目
標位置データに加算する。その後マイクロプロセ
ツサはウイービング波形計算部１７より送出され
るウイービング波形に応じたデータと、修正され
た溶接線軌跡に対応した計算位置データとを垂畳
し、修正タイミング発生部２０からの信号に応じ
て修正された目標位置信号をサーボ制御部１０に
送り、溶接用ロボツトＲをサーボ制御する。

「発明の効果」 本発明は以上述べたように、検出した溶接電流
に基づいて溶接線の修正を一定周期毎に行ないつ
つ溶接トーチを周期的にウイービングさせながら
修正された溶接線に倣つて短絡移行領域における
溶接を行う消耗電極式アーク溶接方法において、
上記溶接電流を短絡周期の２倍以上で且つウイー
ビング周期の１／４以下の所定時間毎に積分して
得られた値のウイービング周期での最大値及び最
小値に基づいて溶接線の修正が行われることを特
徴とする消耗電極式アーク溶接方法であるから、
短絡移行領域であるために溶接電流の原波形が急
激な変動を含むものであつても、これが積分によ
つて平滑化されるので溶接トーチの偏りによる溶
接電流値の変動が正確に検出され、更にウイービ
ング全工程についてサンプリングされるので正確
にピーク値をとらえることができ、高精度の追従
性を発揮し、ビードの蛇行が少なくなり、溶接部
の外観が改良された。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るアーク溶接方
法を実施した場合の平滑化された溶接電流の変化
を示す線図、第２図ａ〜ｄは同実施例の処理手順
を示すフローチヤート、第２図ｅは短絡移行領域
における溶接電流の原波形を示す線図、第３図は
同実施例に係るアーク溶接方法の実施に直接使用
することのできるロボツト装置全体の側面図、第
４図は同実施例における信号の流れを示すブロツ
ク図、第５図はウイービング中心と溶接線とが一
致した状態における溶接作業状態を示す溶接部の
側面図、第６図は第５図に示した状態における溶
接電流の変化を示す線図、第７図はウイービング
中心が溶接線に対して変位している状態を示す第
５図相当図、第８図は第７図の状態における溶接
電流の変化と従来の修正処理手順を示す線図であ
る。 （符合の説明） ３…溶接トーチ、４…溶接ワ
イヤ、７…ロボツト制御盤、８…ロボツト本体制
御部、９…倣い制御部、１０…サーボ制御部、１
６…位置計算部、１７…ウイービング波形計算
部、１８…倣い入力部、１９…倣い計算部、２０
…修正タイミング発生部、Ｉ，IL，IR…溶接電
流、ΔO…差電流値、Ｐ…溶接電流曲線、S_W…溶
接線、Ｒ…溶接用ロボツト、C_l，C_r…半周期。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 検出した溶接電流に基づいて溶接線の修正を
   一定周期毎に行ないつつ溶接トーチを周期的にウ
   イービングさせながら修正された溶接線を倣つて
   短絡移行領域における溶接を行う消耗電極式アー
   ク溶接方法において、上記溶接電流を短絡周期の
   ２倍以上で且つウイービング周期の１／４以下の
   所定時間毎に積分して得られた値のウイーピング
   周期での最大値及び最小値に基づいて溶接線の修
   正が行われることを特徴とする消耗電極式アーク
   溶接方法。