JPH08257751A - 自動溶接トーチ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 精度の高い溶接を可能とした自動溶接トーチ
制御装置を提供する。 【構成】 電圧検出端子１には電圧増幅回路２が接続さ
れ、また、この電圧増幅回路２には変動分検出範囲自動
設定回路３が接続されている。さらに、前記変動分検出
範囲自動設定回路３には実効値変換回路４が接続され、
また、この実効値変換回路４には、基準値記憶回路５が
接続されている。また、前記実効値変換回路４及び前記
基準値記憶回路５の両方には、差分比較回路６が接続さ
れている。さらに、前記差分比較回路６はトーチ上下駆
動回路７に接続され、また、前記基準値記憶回路５に
は、システム制御回路８が接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接電流値や電圧値を
処理して発生させた信号に基づいて、機構部を動かし、
溶接線の高低に合わせて溶接トーチの高さを自動的に制
御する自動溶接トーチ制御装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、アーク溶接において、溶接心線
の母材への溶融移行を安定に保ち、また溶接部の冶金
的、機械的性質を良好なものとするためには、全溶接期
間にわたってアークの長さを一定に保つことが必要であ
る。このため、従来、アーク溶接に当たって、溶接電流
や溶接電圧を測定し、その値に基づいて溶接トーチの高
さを制御することにより、アークの長さを一定に保つ方
法が用いられている。

【０００３】ここで、消耗電極ワイヤを用いて行うアー
ク溶接では、定電圧特性の電源を用いるためにトーチ高
さが変わり、溶接電流が大きく変化するので、電流変化
を検出している。また、電源の出力特性は２〜３Ｖ／１
００Ａ程度の勾配を有しているため、アーク電圧の変化
を検出する方法も用いられている。一方、非消耗電極を
用いて行うアーク溶接では、垂下特性の電源を用いるの
で、アーク電圧の変化を検出する方法が用いられてい
る。

【０００４】この様なアーク電流やアーク電圧の変化を
検出する方法を用いる制御対象には、溶接線ならい、ト
ーチ高さ、溶着量や裏ビード形成なとがある。また、制
御方法としては、揚動、平均値、基準値比較、アーク短
絡回数の基準値比較などの手段が用いられる。さらに、
制御原理としては、積分値、周波数成分値、パターンマ
ッチング、基準値比較などがある。なお、上記アーク電
流やアーク電圧の変化を検出するセンサは、一般にアー
クセンサと呼ばれている。

【０００５】この様なアークセンサからの信号を利用し
て、溶接線の高低変化に対して、溶接電流値や電圧値を
直接制御して、アークの長さを変化させる方法が一般に
行われている。また、アークセンサからの信号を利用し
て、溶接トーチの保持部をスライド駆動させて、溶接線
の高低変化に追随させる方法が用いられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た様な従来のアークセンサを用いた溶接装置には、以下
に述べる様な問題点があった。すなわち、電流や電圧の
変化を検出する場合、実際の溶接では、ウイービングを
したり、パルス電流を加えたりすることによる電流や電
圧の変化が大きいので、溶接線の高低変化から生ずるわ
ずかな電流や電圧の変化を識別することは非常に困難で
ある。

【０００７】また、消耗電極を用いる自動溶接では定電
流特性の電源を用いており、溶接中に電極が母材に短絡
を繰返す鉄鋼系溶接ワイヤを用いるＣＯ₂ 溶接やＭＡＧ
溶接においては、短絡時の電流変化を検出することがで
きる。しかし、アルミニウムワイヤを用いるミグ溶接で
は、スプレイ移行となりアークの短絡が生じないため
に、電流も電圧も変化が少ないので、アークセンサが利
用できない。

【０００８】さらに、交流アーク溶接では、極性によっ
てアーク電圧波形が異なり、さらにインバータ式溶接機
では、アルミニウムの溶接に対してクリーニング作用を
効果的にするために、正極と逆極の時間比率を任意に設
定できるので、基準値の取り方やサンプリングのタイミ
ングが難しい。

【０００９】また、溶接機の中には基準値回路を持たな
いものもあり、この様な溶接機においては、どの値を基
準にして電流や電圧の過不足の変化を算出し、どれだけ
補正が必要かを決めるのは簡単ではない。一方、基準値
比較回路と補正回路を内蔵する溶接機であっても、電流
や電圧の安定化には役立つが、溶接物の高さ変化に対し
て過敏に反応する場合には、アークが安定せず良い品質
の溶接ができない。また、変化に対応できる溶接物の高
さにも限界があり、目的とする溶接ができない場合があ
る。

【００１０】本発明は、上述した様な従来技術の問題点
を解消するために提案されたもので、その目的は、基準
電流や電圧の設定と変更を任意にすることができ、どの
様なアーク溶接機にも取り付け可能で、溶接線の高さ変
化に滑らかに対応して、精度の高い溶接を可能とした自
動溶接トーチ制御装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、アーク溶接中の電流又は電圧を基準値と比較し、そ
の差に基づいて、溶接トーチを上下に駆動するサーボモ
ータを制御する自動溶接トーチ制御装置において、溶接
電流あるいは溶接電圧を検出するための電圧検出端子
と、微小な電圧波形を拡大する電圧増幅回路と、電圧波
形の一部を基準値や変動分として拡大して取出し、その
サンプリングレベルを設定する変動分検出範囲自動設定
回路と、変動分を実効値に変換する実効値変換回路と、
溶接開始時の変動分の値を基準値として記憶すると共
に、必要なときにはこの基準値を可変にして、その都度
新しい基準値を記憶する基準値記憶回路と、基準値と読
取り値とを比較し、その差分を誤差信号として出力する
差分比較回路と、前記サーボモータの駆動信号に基づい
て、変動分と基準値との差をなくすように溶接トーチを
上下移動させるトーチ上下駆動回路と、基準値や変動分
のサンプリングのタイミング信号を発生させるシステム
制御回路とを備えたことを特徴とするものである。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
自動溶接トーチ制御装置において、前記電圧検出端子
が、溶接電流を検出する場合は、溶接機の電流計端子に
接点を設けて電圧降下を検出するように構成され、ま
た、溶接電圧を検出する場合は、溶接電極間に接点を設
けて電圧を検出するように構成されているものであるこ
とを特徴とするものである。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１又は請
求項２記載の自動溶接トーチ制御装置において、前記基
準値が、溶接中の電流又は電圧の波形から任意のタイミ
ングとレベルでサンプリングした値とされていることを
特徴とするものである。

【００１４】

【作用】本発明によれば、電流電圧の検出は、溶接機の
基本構成である電流計端子あるいはアーク電極間から溶
接中の電圧を検出するので、どの溶接機にも外部から検
出用電線コードを簡単に取付けることができる。また、
電圧増幅回路により、微小な電圧波形を拡大してサンプ
リングしやすくすることができる。さらに、変動分検出
範囲自動設定回路により、電圧波形の一部を基準値や変
動分として拡大して取出し、そのサンプリングレベルを
設定することができるので、電圧変化の少ない溶接方法
のときにも適用することができる。

【００１５】また、実効値変換回路で変動分を実効値に
変換することにより、安定化することができる。さら
に、基準値記憶回路では、溶接が安定している溶接開始
時の変動分の値を、基準値として記憶すると共に、必要
なときにはこの基準値を可変にして、その都度新しい基
準値を記憶することができるので、安定した精度の高い
溶接が可能となる。

【００１６】また、差分比較回路により、溶接中に検出
され、拡大されてさらに実効値化された電流あるいは電
圧の変動分と基準値とを比較し、その差分を誤差信号と
して出力することにより、この誤差信号の指令にもとず
いて、トーチ上下駆動回路からトーチ駆動サーボモータ
の駆動信号を出力し、変動分と基準値との差をなくすよ
うにトーチを上下移動させることができる。さらに、シ
ステム制御回路により、基準値や変動分のサンプリング
のタイミングやウィービングなどの装置全体の動作が同
期するようなタイミングの信号を発生させることができ
る。

【００１７】その結果、溶接線が上下に変化していて
も、溶接トーチ自体の位置も上下方向に適切に制御され
るので、基準値に合わせて安定した電流あるいは電圧で
溶接することができる。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図を参照して具体
的に説明する。

【００１９】本実施例の自動溶接トーチ制御装置は、図
１に示した様に構成されている。すなわち、溶接電流あ
るいは溶接電圧を検出するための電圧検出端子１には、
微小な電圧波形を拡大してサンプリングしやすくする電
圧増幅回路２が接続され、また、この電圧増幅回路２に
は、電圧波形の一部を基準値や変動分として拡大して取
出し、そのサンプリングレベルを設定する変動分検出範
囲自動設定回路３が接続されている。なお、前記電圧検
出端子１は、溶接電流を検出する場合は、溶接機の電流
計端子に接点を設けて電圧降下を検出するように構成さ
れ、また、溶接電圧を検出する場合は、溶接電極間に接
点を設けて電圧を検出するように構成されている。

【００２０】さらに、前記変動分検出範囲自動設定回路
３には、変動分を実効値に変換して安定化する実効値変
換回路４が接続され、また、この実効値変換回路４に
は、基準値記憶回路５が接続されている。この基準値記
憶回路５は、溶接が安定している溶接開始時の変動分の
値を基準値として記憶すると共に、必要なときにはこの
基準値を可変にして、その都度新しい基準値を記憶する
ものである。また、前記実効値変換回路４及び前記基準
値記憶回路５の両方には、差分比較回路６が接続されて
いる。なお、この差分比較回路６は、基準値と読取り値
とを比較し、その差分を誤差信号として出力するもので
ある。

【００２１】また、前記差分比較回路６は、トーチ上下
駆動回路７に接続されている。そして、このトーチ上下
駆動回路７から出力されるトーチ駆動サーボモータの駆
動信号に基づいて、変動分と基準値との差をなくすよう
にトーチを上下させるように構成されている。さらに、
前記基準値記憶回路５には、システム制御回路８が接続
されている。なお、このシステム制御回路８は、基準値
や変動分のサンプリングのタイミングや、ウィービング
などの装置全体の動作が同期するように、タイミング信
号を発生させるものである。

【００２２】この様な構成を有する本実施例の自動溶接
トーチ制御装置は、以下に述べる様に作用する。すなわ
ち、電圧検出端子１により検出された電圧波形が電圧増
幅回路２に送られ、この電圧増幅回路２により、サンプ
リングしやすいように微小な電圧波形が拡大される。続
いて、変動分検出範囲自動設定回路３において、変動分
検出レベルが自動的に設定され、また、実効値変換回路
４により、変動分が実効値に変換される。

【００２３】さらに、基準値記憶回路５では、溶接が安
定している溶接開始時の変動分の値が基準値として記憶
されると共に、必要なときにはこの基準値を可変にし
て、その都度新しい基準値が記憶される。次に、差分比
較回路６により、サンプリングされた変動分と前記基準
値とが比較され、その差分が誤差信号として出力され
る。そして、この誤差信号の指令にもとずいて、トーチ
上下駆動回路７からトーチ駆動サーボモータを駆動する
信号が出力され、前記変動分と基準値との差をなくすよ
うにトーチが上下移動される。一方、システム制御回路
８からは、基準値や変動分のサンプリングのタイミング
や、ウィービングなどの装置全体の動作が同期するよう
なタイミング信号が発せられる。

【００２４】この様に、本実施例によれば、電流電圧の
検出接点は、溶接機の基本構成である電流計端子に接点
を設けて電圧降下を検出するか、あるいはアーク電極間
に接点を設けて溶接中の電圧を検出するように構成され
ているので、電流制御回路を持たない旧いタイプのアー
ク溶接機からインバータ式の新型のアーク溶接機など、
どのような溶接機にも外部から簡単に取付けることがで
きる。また、電圧増幅回路２により、微小な電圧波形を
拡大することができるので、サンプリングしやすくな
る。これにより、ワークの上下差が少しではあるが、従
来の方式では感度が悪くて対応できない場合でも、感度
を良くして使うことができる。また、ワークの上下差が
大きく、電気的な制御だけでは変化幅に限界があり対応
できない場合でも、本発明によれば、スライドストロー
クを確保しておけば対応することができる。

【００２５】さらに、変動分検出範囲自動設定回路３で
は、変動分検出レベルを自動的に設定することができる
ので、変動分のみ拡大することができ、倍率を高く設定
することにより、電圧変化の少ない溶接方法のときにも
適用することができる。

【００２６】また、溶接電流や電圧変動部分には脈流分
が相当含まれているが、実効値変換回路４により、変動
分を実効値に変換して安定化することができる。さら
に、基準値記憶回路５では、溶接が安定している溶接開
始時の変動分の値を基準値として記憶すると共に、必要
なときにはこの基準値を可変にして、その都度新しい基
準値を記憶することができる。この結果、溶接線がたと
え上下方向に変化していても、溶接トーチ自体の位置も
上下方向に適切に制御されるので、常に基準値に合わせ
て安定した電流あるいは電圧で溶接することができる。

【００２７】さらに、溶接アークに対して適度の応答速
度なため、小電流から大電流の全領域にわたって、優れ
たアーク安定性を有し、良好なビード外観で高速高能率
の溶接が可能となる。

【００２８】なお、図２は、本発明の自動溶接トーチ制
御装置を溶接装置に適用した場合の概略構成図である。
すなわち、図２に示した様に、アルミニウム材料からな
る高さ変化のあるＶ開先のワーク９の溶接を多層溶接す
るに当たり、溶接トーチ１０を円形軌跡上を移動するよ
うに駆動する移動機構（図示せず）、ウィービング機構
（図示せず）及びトーチ上下駆動機構１１に、溶接トー
チ１０が取付けられている。また、溶接電源１２として
は、インバータ方式のパルスミグ溶接機を使用した。さ
らに、溶接機の電流計の端子には、自動溶接トーチ制御
装置１４から導出された電圧測定用のケーブル１３が接
続されている。また、自動溶接トーチ制御装置１４に
は、上記電圧増幅回路２、変動分検出範囲自動設定回路
３、実効値変換回路４、基準値記憶回路５、差分比較回
路６、トーチ上下駆動回路７及びシステム制御回路８の
各回路板が接続されている。

【００２９】なお、この自動溶接トーチ制御装置１４で
は、溶接開始からアークが安定化する約３秒後の電圧波
形からのサンプリング値を最初の基準値とし、さらにサ
ンプリングした基準値Ｖｓはサンプリング電圧Ｖ×αと
して、αの値を変えて変動分の適正な拡大倍率とした。

【００３０】図２に示した様な溶接装置において、溶接
トーチは、予め設定されたトーチ高さと溶接条件で溶接
を開始する。そして、溶接線に沿ってトーチが円軌道上
を移動すると、溶接線が低くなるので、ワイヤの突き出
し長さが長くなると共に溶接電流が低下する。ここで、
本実施例の自動溶接トーチ制御装置１４においては、こ
の溶接電流の低下を検知して、上述した様にサンプリン
グされた変動分と基準値とを比較し、この誤差信号の指
令に基づいてトーチ駆動部でトーチを降下させて、溶接
電流を設定された値に保つようにする。そして、溶接機
の最下端を越えると溶接線が上昇するので、これまでと
は逆に溶接トーチを上昇させる。また、２層目の溶接を
行う場合でも、１層目の溶接ビードがある分だけ溶接位
置が高くなるが、自動溶接トーチ制御装置１４により自
動的に溶接トーチの高さが調整される。

【００３１】なお、２層目の溶接で、溶接条件とウィー
ビング幅を変更するよう基準値とサンプリング時間の変
更を外部から行うこともできる。さらに、溶接を続けて
いるとワークの温度が上昇し、同じ電流では溶け込みが
深くなり、ビード幅も広くなるが、溶接条件によっては
溶融金属面が上昇してくる。これを補正するために、一
定サンプリング回数ごとに、予め設定記憶した新しい基
準値でトーチ高さを制御できるようになっている。その
結果、図２に示した様な溶接線が上下に変化しているワ
ークに対しても、滑らかな外観をした品質の良い溶接を
することができる。

【００３２】この様に、本実施例によれば、これまで困
難とされていたインバータ溶接機を用いたアルミニウム
のパルスミグ溶接の自動電流コントロールが可能とな
る。また、前上がりや前下がりの様に溶接線が上下に変
化しているワークにおいても自動倣いができる。さら
に、基準値や変動分を一定時間記憶するためのサンプリ
ングのタイミングパルスは、内部と外部とから切替えて
与えることができるので、ウィービングと併用でき、よ
り良い溶接ができる。また、多層盛り溶接の条件変更
も、基準値を自動変更することにより可能となり、トー
チの上下シフトも自動追従することができる。

【００３３】なお、本発明は、上述した実施例に限定さ
れるものではなく、インバータ式交流アーク溶接機に本
発明の自動溶接トーチ制御装置を接続して、アルミニウ
ムの溶接を行うこともできる。この場合、正極性と逆極
性に極性が変わるタイミングに合わせて、電圧のサンプ
リングができるように条件を設定することにより、ワー
クの上下変化に対応してトーチを上下移動することがで
きるので、安定した精度の高い溶接が可能となる。ま
た、二軸スライドを制御し、トーチ取付方向を変えるこ
とにより、隅肉溶接にも対応することができる。さら
に、クレータの存在時には制御を止めることにより対応
できるので、クレータの有無は問題とはならない。

【００３４】

【発明の効果】以上述べた様に、本発明によれば、基準
電流や電圧の設定と変更を任意にすることができ、どの
様なアーク溶接機にも取り付け可能で、溶接線の高さ変
化に滑らかに対応して、精度の高い溶接を可能とした自
動溶接トーチ制御装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動溶接トーチ制御装置の一実施例の
構成を示すブロック図

【図２】本発明の自動溶接トーチ制御装置を適用した溶
接機の一例を示す概略図

【符号の説明】

１…電圧検出端子 ２…電圧増幅回路 ３…変動分検出範囲自動設定回路 ４…実効値変換回路 ５…基準値記憶回路 ６…差分比較回路 ７…トーチ上下駆動回路 ８…システム制御回路 ９…ワーク １０…溶接トーチ １１…トーチ上下駆動機構 １２…溶接電源 １３…電圧測定用ケーブル １４…自動トーチ制御装置

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 アーク溶接中の電流又は電圧を基準値と
   比較し、その差に基づいて、溶接トーチを上下に駆動す
   るサーボモータを制御する自動溶接トーチ制御装置にお
   いて、 溶接電流あるいは溶接電圧を検出するための電圧検出端
   子と、 微小な電圧波形を拡大する電圧増幅回路と、 電圧波形の一部を基準値や変動分として拡大して取出
   し、そのサンプリングレベルを設定する変動分検出範囲
   自動設定回路と、 変動分を実効値に変換する実効値変換回路と、 溶接開始時の変動分の値を基準値として記憶すると共
   に、必要なときにはこの基準値を可変にして、その都度
   新しい基準値を記憶する基準値記憶回路と、 基準値と読取り値とを比較し、その差分を誤差信号とし
   て出力する差分比較回路と、 前記サーボモータの駆動信号に基づいて、変動分と基準
   値との差をなくすように溶接トーチを上下移動させるト
   ーチ上下駆動回路と、 基準値や変動分のサンプリングのタイミング信号を発生
   させるシステム制御回路とを備えたことを特徴とする自
   動溶接トーチ制御装置。
2. 【請求項２】 前記電圧検出端子が、溶接電流を検出す
   る場合は、溶接機の電流計端子に接点を設けて電圧降下
   を検出するように構成され、また、溶接電圧を検出する
   場合は、溶接電極間に接点を設けて電圧を検出するよう
   に構成されているものであることを特徴とする請求項１
   記載の自動溶接トーチ制御装置。
3. 【請求項３】 前記基準値が、溶接中の電流又は電圧の
   波形から任意のタイミングとレベルでサンプリングした
   値とされていることを特徴とする請求項１又は請求項２
   記載の自動溶接トーチ制御装置。