JPS5987977A

JPS5987977A - ア−ク溶接ロボツト

Info

Publication number: JPS5987977A
Application number: JP19607582A
Authority: JP
Inventors: Eizo Ide; 栄三井手; Hiroshi Fujimura; 藤村　浩史; Masayoshi Kobayashi; 正義小林
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1982-11-10
Filing date: 1982-11-10
Publication date: 1984-05-21

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は消耗電極を使用するガスシールドアーク溶接に
おけるアーク溶接ロボットに関する。

各種構造物の溶接組立の自動化において、溶接品質を確
保するためには、溶接開先請度幅誤差に対し溶接トーチ
の連通を追従させることが重要であシ、この溶接品質の
確保のため従来では検出機構を用いることが提案されて
いた。

しかし、この検出機構は開先面にセンサを取付けたり開
先幅を画像センサにて処理することにより耐熱、耐ノイ
ズ、取扱いの複雑さ、アーク元などの広め、信頼性に欠
ける。

このため、本発明は上述の欠点に鑑み、尚信頼性を有し
て溶接線を自動的に倣うアーク溶接ロボットを提供する
ことを目的とする。

かかる目的を達成するため本発明としては、三次元空間
の任意な点へ溶接トーチを移動することができ、必要な
任意のトーチ姿勢を採ることが可１１目で、しかも溶接
に必要な諸元を制御できるアーク溶接ロボットを用いて
、消耗電極を供給しつつ溶接トーチをオンレートさせな
がら行なうアーク溶接において、平均電流及び実効電流
からなる溶接電流、消耗電極送給速度、およびデツプと
被溶接物との間の電圧を検出しこれらを演算処理してア
ーク長と消耗電画の突出長さとの和であるチップ・溶接
金属間距離を求め、所定のオシレート位置における上記
チップ・溶接金属間距離の値から求めた任意の少なくと
も２点のオシレート位置におけるチップ・溶接金属間距
離の相対差分により上記溶接トーチのオシレート中心位
置と被溶接物によって構成される継手の中心位置とのず
れを検出し、このオシＬ／　−ト中心位置と継手の中心
位置との相対位置関係が設定どおりになるように常に溶
接トーチ位置：を制御してアーク点が溶接線を自動的に
倣う機能を具備したことを特徴とする。

ここで、本発明によるアーク溶接ロボットの実施例を図
を参照して詳細に説明する。

第１図はアーク溶接口・ｊ、゛ットの一実施例の構成図
を表わしており、溶接トーチ１は回転が力えらね得る回
転機構部に連結され、この回転機ｒｔｔｔ部は１・−チ
傾斜軸２と手首旋回軸：３とからなる。このトーチ傾斜
軸２と手首旋回軸３とはＺ方向運動を与える２方向移動
軸４により保持され−Ｃいる。この２方向移動１１！ｌ
ｌＩ４ヲ保持してこれにＹ方向運動を与えるＸ方向移動
軸５が存在し、さらにこのＹ方向移動軸５を採石してこ
れにＸ方向運動を与えるＸ方向移動軸６を有する。

上述のトーチ傾斜軸２、手首旋回軸３．２方向移動軸４
、Ｙ方向移動軸５、Ｘ方向移動軸６は制御装置７によっ
て電動駆動装置８を介してその運動が制御される。また
、この１ｌｔｌＪ御装置７はアーク溶接機９に作用して
溶接電流、浴接′１１′Ｌ圧、消耗電極送給速度などの
浴接条件金：１ｉｌｌ側１することができる。そして、
制御装ｆｆ　７は遠隔操作盤１０からの制御指令下に僅
かれ得る。更に、制御装置７の内部には溶接トーチ位置
を制御してアーク点が溶接線を自動的に倣う　演算機能
も内蔵されている。うっとも、この制御は手動でも又は
予めプログラムされた手順にて自動操作としてもいずれ
でもよい。

つぎに、第２図においで、チップ・溶接金属開用ｎ［ｔ
を演算するための、溶接条件検出系および演算処理機構
を説明する。溶接トーチ１は溶接用電源等を具えるアー
ク溶接機９とターミナル２Ａにて接続されるとともに溶
接トーチ１先端部には中心にチッ７”１１が取付けられ
、その外周に被溶接物を大気から保護するシールドガス
ｌ　２　ｆ噴出させるシールドガスノズル１３が取付け
である。そして、溶接１・−チ１の基端部からリール１
４に巻かれたワイヤ１５（消耗電極）がワイヤ送給モー
タ１６で駆動さノする送ジローラ１７を介して溶接トー
チ１の中心部を軸方向に押通されてチップ１１先端部か
ら突き出している。このワイヤ１５はワイヤ送＋Ｐモー
タ１６の駆動制御電源（図示省略）によってその送り速
度が調整制御される。また、浴接トーチ１の基端部は回
転機構部のトーチ傾斜軸２にて支持され、オシレートは
トーチ傾斜軸２、手動旋回軸３．２方向移動軸４、Ｙ方
向移動軸５、およびＸ方向移動軸６のうちの任滴の組合
せによって行なわれる。この溶接トーチ１のオシレート
によって被溶接物１８に対するチップ１１先端の位置を
変えることができる。図中、１９はワイヤ１５の先端に
発生するアーク、２０は溶接金属である。

このような装置を用いるガスシールド消耗電極式アーク
溶接では、溶接電流■（平均電流ＩＡ。

実効電流Ｉ、　）、ワイヤ送給速度Ｖ、アーク電圧ＶＡ
、ワイヤ突出部の電圧降下Ｖ８、ワイヤ突出し長さＬＥ
ｌ、アーク長ＬＡ等の間には一定の関数関係があること
が実験的に得られている。

そこで、制御に必要な変Ｖとして、ワイヤ送給速度Ｖ、
溶接電流Ｉ（平均電流■Ａ、実効電流ＩＥｉ）およびチ
ップ・被溶接物間のｔ藏圧Ｖ全検出する機構が上記装置
に備えられている。ワイヤ送給速度Ｖを検出する機構と
しては、Ｉｊ　−タリエンコーグ等の回転量検出器２１
が送夛ロー２１７に取付けてあり、この検出器２１から
の信号を直流電圧にして適当な大きさとする変換増幅器
２２およびアナログ・ディジタル変換器（以下Ａ４変換
器とする）２３を介してディジタル化して演算処理を行
なう制御装置７に内蔵されるデイノタル電算機（以下、
電算機とする）７Ａに入力される。また、チップ１１と
被溶接物１８との間の電圧Ｖを検出するため４？テンン
ヨメータ等の電圧値検出器２４がチップ１１と被溶接物
１８とに接続され、その出力信号が増幅器２５、Ａろ変
換器２６を介して電算機７Ａに人力される。さらに、溶
接電流■を検出するためアーク溶接機９と被溶接物１８
との間にシャント等の電流値検出器２７が設けられ、つ
いで平均電流ＩＡに相当する信号と適当な大きさにする
ための増幅器２８ａ及び％変換器２９ａと実効電流ＩＩ
ｉ！に相当する信号と適当な大きさにするための増幅器
２８ｂ及びＡ／Ｄ　　変換器２９ｂとが接続される。電
ｎｍ７ｈ内には、上記入力要素群をもとに溶接トーチ１
の位置制御量を算出する回路が組込まれている。

制御装置７では遠隔操作盤１００指令により溶接トーチ
１を上述した丸軸の可！４／Ｉ範囲内でその組合せによ
り任意の溶接姿勢を三次元的にとることが可能である。

貰た、制御量ｆｉ′−７では遠隔操作盤１００指令によ
り溶接教示位置ごとに溶接トーチ姿勢および溶接条件を
予め記憶できる。

更に、制御量Ｒ７の内部には後述の溶接線自動倣いのた
めの演算機能も含んでお９、その演算結果で生じた出力
により溶接トーチ１が運動すべき方向と太きさも予めこ
の制御装置７にプログラムされている。

溶接に際し、回転量検出器２１によってワイヤ送給速度
Ｖが、また電圧値検出器２４によってチップ・被溶接材
間の電圧Ｖが、さらに、電流値検出器２７によって溶接
電流Ｉが検出される。

これらのアナログ量はＡ７．変換器２３，２６゜２９ａ
、２９ｂによってデジタル昇：に変換され、電ｐ−機７
Ａに加えられる。

ところで、 ■Ａ：平均電流、 ■が実効霜、流、 ■：ワイヤ送給速度、 ■：チチッ１１と被溶接材１８間の電圧、Ｌｏ：チップ
１１の先端からアーク１９壕でのワイヤ１５の長さ即ち
ワイヤ突出し長さ、ＬＡ；ワイヤ１５の先端から溶接金
属２０までの距離即ちアーク長、Ｌ＝チップ１１の先端から溶接金属２０までの距離、 ■＝ワイヤ突出し部に溶接・亀流工によって生する電圧
降下、ｖ　’　ｖ　−Ｖ、（７）電圧すなわちアーク電圧Ａ′ とすると、上記の諸量の間には近似的に次の］列数関係
がある。

ＬＨ＝　１ＩＤＩ　ＩＡ’ｌ　ＩＢ）　　　　−−ｆｌ
、］・・・・・・（２）ＶＩＩｌ＝ｆ、！（ｖ、ＩＡ、ＬＩ、）ＶＡ＝＝＝Ｖ　
−Ｖ、　　　　　　　　・＝　＝−（３１”Ａ＝ｆ３　
（ｖＡＩ　Ｉ　Ａ）　　　　　’・・−（４＋Ｌ　＝Ｌ
、＋ＬＡ　　　　　　　　・・・・・・（５）（１）式
と（４）式は、「電流制御アーク溶接に（火する研究」
（溶接学会溶接法委員会１９８０年７月）および「溶接
アーク現象増補版」（産１４、安ｉＪ＋　公平他）のＰ
１０５第３−１−２７１図Ｖａ−Ｘ！特性より得られ、
また（２）式の具体的なり杉は実験によ゛りて求められ
る。尚、（３）式および（５）式は第２図から自明であ
る。

したがって、（１１式の関係を電算機７Ａにプログラム
しておき、ワイヤ送給速度Ｖと′″′Ｖ−１句１ｂ；湧
ＬＩ　実効電流エラを与えると、ワイヤ突ＩＪｊ　ｌ、
長１１さＬＢが求められる。

（２）式の関係を電算機７Ａにプログラムしておき、ワ
イヤ送給速度Ｖ、平均電流Ｉ、および上記演嘗により得
られたワイヤ突出し長さし、Ｂを与えると、ワイヤ突出
し部の′重圧■８〃３求められる。

（３）式の関係を？［、算機７Ａにプログラムしておき
、チップ１１、被溶接物１８間の出、圧■および上記演
算で得られたワイヤ突出し部の電圧■。

を与えると、アーク電圧ＶＡが求めら九る。

（４）式の関係を電算機７Ａにプログラムしておき、平
均電流ＩＡ　と上記演算で得られたアーク電圧ＶＡを与
えると、アーク長ＬＡが求められる。

（５）式の関係を’ｒｉｇ機７Ａにプログラムしておき
、上記演算で得られたワイヤ突出し長さＬＦ。

とアーク長ＬＡ　との和からチップ１１、溶接金属２０
間の距離りが求められる。

上述のように、変数として平均電流工□、実効電流■。

、ワイヤ送給速度Ｖおよびチップ１１と被溶接物１８と
の間の電圧Ｖを与えると、（１）〜（５）式から、チツ
７′１１と溶接金属２０との距１ｉｉ１［１ｉ　Ｌが求
められる。

つぎに、遠隔操作盤１０から指令して予めチップ１１と
溶接金属２０との間の距離り。を制御装置７の記憶部に
記憶しておく。そして、ル１１述の如く先に求めたチッ
プ１１と溶接金属２０との間の距離■、と金プログラム
によって比較する。この比較の結果、Ｌ＞Ｌｏ　の場合
溶接トーチ１をＬ　＝　Ｌｏ　になるまで第１図に示す
任意の軸を使用して予めプログラムされている′亀ｇ磯
７Ａの指令に従って移動させる。Ｌ＜Ｌｏの場合も同様
である。

このようにして、遠隔操作盤１０の指令によってチップ
１１と溶接金属２０との間の距〜１ｆ；、を任意の値に
制御できる。

つぎに、第３図ないし第５図において説１男する。溶接
トーチ１をオシレートしないとぎ、ワイヤ１５の延長上
に被溶接物１８によって形成される継手の交点（溶接線
）がある場合、溶接トーチ１は、第３図に示す如く、オ
シレートの中心と前記交点とを結ぶ軸を中心にしてオシ
レートされる。溶接トーチ１のオシレートが紙面に平行
に単振動（振子運動）よたけこれに近い運動を行なうと
すれば、オシレート相対角度θ％（最大振幅に対する任
意の振幅を正分率で示したもの）に対するチップ・溶接
金属用］距離りは第６図に示す形となる。これは溶接ト
ーチ１のオシレート角度θが０のとき、トーチ軸が水平
面に対して４５°の場合を示したものである。

第６図〜第８図はオシレート１周期にチップ・溶接金属
間距離りと角度θとが描くパターンから継手の中心位置
と溶接トーチ１のオシレート中心位置とのずれを求める
場合の例を示すものである。ここでは、オシレート位置
がθ＝２５チと０２７５％の時のチップ・溶接金屑間距
離りの平均値とおしを直線で結び、θ＝１００％での外
挿値ＬＲを得ると共に、同様にオシレート位置がθ＝−
２５％とθ＝−７５％の時のチップ・溶接金属間距離り
の平均値どおしを直線で結び、θ＝−１００％での外挿
値ＬＬを得る。

そして、この外挿値ＬＲ，ＬＬとを比較する。この場合
、オシレート位置はθ；土２５％、±７５チ、±１００
％を決めたが別にこの数値に限るものではない。

第６図において、θ＝−７５チ、θ＝−２５係、θ＝２
５％、０２７５％の時のチップ・溶接金属間距離りの平
均値をｇ−７５＋　’−２５、ｌｔａ　＋ｅ？、とする
。この場合、角度θと距離りのサンプリングをオンレー
トの１周期とするとθ２士２５％、θ−±７５襲におけ
るｅの値は２個ずつあるので平均値をとるものとする。

さらに、第６図を０−Ｌ座標面として（’　５＋　ｌ−
７５）と（−２５，’４ｓ）とを直線で結びθ＝　−１
００％における距離りの値をＬＬ　とする。同様に（２
５＋　ｅｘｎ　）と（７５、１７５）トを直線で結びθ
＝１００係における距離りの値をＬＲとする。

実験の結果、ＬＬ−ＬＲ＋０であれば、＃接ト〜チ１が
オシレートしない時、ワイーｖｌ　５の先端は継手の交
点の近くに存在する。すなわち、溶接トーチ１をオシし
・−トしない場合にツイヤ１５の延長上に継手の交点を
至らしめる状態でオシレートさぜたい時第６図における
距１ＩｉｌＩ−Ｌの角度θに対する軌跡でＬＬ−ＬＲ＋
Ｏになるように溶接トーチ１にかかる第１図のｒｉ軸を
１ｂυイ卸すれげよい。

第４図は溶接１・−チ１をオシレートしない時にワイヤ
１５の延長上に被溶接物１８によって形成される継手の
交点がない場合を示すもので、溶接］・−チ１が下板に
近い場合を示すものである。この場合、溶接トーチ１の
オシレート面が紙面に平行に単振動又はこれに近い運動
を行なうとすれば、オシレート角度θに対するチップ・
溶接金属間圧πａＬは第７図に示す形となる。

第７図において、角度θの１周期におけるθ＝−７５チ
、θ＝−２５％、０２２５％、θ＝７５％の時の距ｆｉ
Ｌの平均値を各々ｅ−７５１ｇ−。

ｇｚｓ＋６１ｍとする。ついで、第６図と同様、第７図
をもθ−Ｌ座標面としテ（−７’５　、１．、．７５）
と（２５，１−ｚ５）　トラ直線で結びθ＝−１００チ
における距離りの値をＬＬ　とする。兼だ、（２５、ｇ
ｚ６）ト（７５，４ｙＬ！：を直線で結び０＝１００％
における距離りの値をＬＲとする。

実験の結果、第４図のように浴接トーチ１が被溶接物１
８の下板に近づくと角度θと距離りとの関係は第７図の
ようになりその結果ＬＬ〉ＬＲとなる。よって、ＬＬ＞
Ｌ８　のとき溶接トーチ１を上板に近づくように第１図
の丸軸の任意組合せを用いて溶接トーチ１の位置を制御
し、ＬＬ−ＬＲ＋ｏ　　になるようにすれば、オシレー
ト中心線が常に継手の交点に位置することになる。

第５図は第４図の場合と（ｒ」：逆に溶接トーチ１が上
板に近づいた場合を示し、第８図は第５図の時に角度θ
と距１ｌＪｌ＃Ｌとが描くパターンを示す。

浴接トーチｌが被溶接物１８の上板に近づくと第８図に
示すようにＬＬとＬＲとの関係はＬＲ〉ＬＬ　となる。

よって、ＬＲンＬＬの場合、浴接トーチ１を下仮に近づ
けるように第１図の丸軸の任意組合せを用いて溶接トー
チ１の位置を制御しＬＲ−ＬＬ＋０となるようにすれば
オシレート中心線が常に被溶接物１８で構成される交点
に至ることになる。

以上の操作手順はディジタル電ｐ−機７Ａに予めプログ
ラムされているのでアーク点は常に被溶接物１８の支点
を追従する。こうして、チップ・溶接金属間距離りは溶
接中一定に保持されると共に何らかの原因てアーク点が
（在接線からずれた場合でも自分自身で軌道修正が可能
となる。な粋、電」Ｖ、機７Ａによる演算処理Ｉ３（ア
ナログ演纜によっても可能である。

上述のＲｏ　＜、本発明によるアーク溶接ロピットによ
れば６チツプと被溶接物との距離を自動的に制御すると
ともに、オシレート角度を浴接線を中心として常に対称
に制御す７；ように機能させたので、溶接線を自動的に
倣うことができ、峡初はラフな溶接線の合せでも溶接が
精度よく行なえる。したがって、精度の商い無人化溶接
も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るアーク浴接凹設ットの一例の全体
構成図、第２図は溶接部と溶接条件検出系の原理図、第
３図は溶接線を向く軸を中心として溶接トーチがオシレ
ートする状態を示す説明図、第４図および第５図はｍ接
線からすれた位置を向く軸を中心として溶接トーチがオ
シレートする状態の二つの例を示す説明図、第６図は第
３図に示すオシレートによるチップ・溶接金属間距離の
変化ノｅターンを示す線区、第７図は第４図に示すオシ
レートによるチップ・溶接金属間距離の変化・ぐターン
を示す線図、第８図は第５図に示すオシレートによるチ
ップ・溶接金属間距離の変化パターンを示す線図である
。図面中１は浴接トーチ、７は制御装置、７Ａは電算機、１１はチップ、１５はワイヤ、１８は被溶接物、２１は回転量検出器、２４は電圧値検出器１．２７は電流値検出器である。２０第７第６図、ｊ図

Claims

【特許請求の範囲】

三次元空間の任意な点へ溶接トーチを移動することがで
き、必要な任意のトーチ姿勢を採ることが可能で、しか
も溶接に必要な諸元を制御できるアーク溶接ロボットを
用いて、消耗電極を供給しつつ溶接トーチをオシレート
させながら行なう゛アーク溶接において、平均電流及び
実効電流からなる溶接電流、消耗電極送給速度、および
チップと被溶接物との間の電圧を検出しこれらを演算処
理してアーク長と消耗電極の突出長さとの和であるチッ
プ、溶接金属間距離を求め、所定のオシレート位置にお
ける上記チップ・溶接金属間距離の値から求めた任意の
少なくとも２点のオシレート位置におけるチップ・溶接
金属間距離の相対差分によシ上記溶接トーチのオンレー
ト中心位置と被溶接物によって構成される継手の中心位
置とのずれを検出し、このオシレート中心位置と継手の
中心位置との相対位Ｒ関係が設定どおりになるように常
に溶接トーチ位置を制御してアーク点が溶接線を自動的
に倣う機ｆｊｌＦ、を具備したことを特徴とするアーク
溶接ロボット。