JPS60191668A - アーク溶接ロボットによる溶接方法 - Google Patents

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′ＩＩｊ！ヲ使用し、オンシレート幅
自動制御法を適用したアーク溶接ロボットに関するもの
である。

消耗電極（ワイヤ）を使用するアーク溶接において、溶
接時のアーク長とワイヤ突出し長さとの７１１］（以下
、チングー被溶接物間距離と略記する。）のオンシレー
トによる変化から開先間隔の変化を検出し、そｉｔに応
じてオンシレート＆ｉ自動的に制御する方法は未だ見出
さｎていない。

本発明は上記実情に鑑み、ワイヤを使用するアーク溶接
において、溶接トーチの近傍に有形な検出子を装着する
ことなく溶接時の溶接条件を演算してオンシレート幅を
開先間隔の変化に応じて自動的に制御することのできる
アーク溶接ロボットを提供することを目的とする。かか
る目的を達成する本発明は、検出が容易で、かつ通常用
いる溶接条件を電気的な演算回路で処理することによシ
、ワイヤ突出し長さとアーク長との和（チップ−被溶接
物問丸Ｍ）をめ。

トーチをオンシレートすることによルこの和（チップ−
被溶接物間距離）の変化から開先間隔の変化を検出し、
開先間隔の大小に応じて開先幅方向および開先幅と直角
方向の二次元的制御でオンシレート幅を自動的に制御し
、溶接欠陥がない健全な溶接継手部を得ることをその要
旨とする。

以下本発明の実施例を図面に基づき詳細に説明する。な
お、本発明に係る実施例の演算処理はアナログ演算器に
よっても勿論可能であるが。

本実施例ではディジタル電算機による処理の場合を示す
。

まずはじめに構成を説明する。第１図及び第２図におい
て。

ｌは、消耗電極用溶接トーチ。

２．３は、溶接トーチ１に回動および回転運動を与える
回動機構部でトーチ傾斜軸２と手首旋回軸３である。

４は、トーチ傾斜軸２と手首旋回軸３とを保持してそれ
らにＺ方向に運動を与えるＺ方向移動軸である。

５は、Ｚ方向移動軸４を保持して、それにＹ方向に運動
を与えるＹ方向移動軸である。

６は、Ｙ方向移動軸５を保持して、そＴ′ＬＫＸ方向え
運動ヶ与えるＸ方向移動軸である。

７は、遠隔操作盤１０からの制御指令で電動駆動装置８
を介してトーチ傾斜軸２１手首部回軸３．Ｚ方向移動軸
４．Ｙ方向移動軸５．　Ｘ方向移動軸６の運動を制御す
る制御装置である。

また、制御装置７は遠隔操作盤１０からの制御指令でア
ーク溶接機９に作用して溶接電流（Ｉ　：　Ｉａ　、　
Ｉｅ）、溶接電圧（■）、ワイヤ送給速度（ｖ）等の溶
接条件を制御することができる。さらに、制御装置７の
なかにはトーチ位置を制御してオンシレート幅を溶接線
の開先間隔の変化に従って自動的に変化させる演算機能
および演算した開先間隔に応じて溶接速度を自動的に変
化させる演算機能も内蔵さｉ’している。上記の制御は
手動でも、またあらかじめプログラムさｎた手順いわゆ
る自動のどちらでも可能である。

９は、ワイヤ１３と被溶接材１６との間にアーク１４を
発生させ、溶接金用１７を得るのに４５は、溶接電圧又
は溶接電流などの溶接条件設定器。

１１は、シールドノズルでありシールドガス１５と共に
アーク１４雰囲気および溶接金Ｍ１７を大気からシール
ドする。

１２は、ワイヤに給電するためのチップ。

１８は、裏当金。

１９ａ、１９ｂはコイル状に巻かれたワイヤ１３を溶接
トーチｌ内に送給するためのローラで。

送給ローラ１９ａはモータ２１に機械的に給合されてお
シ、またモータ２１は駆動制御装置２２によって速度を
制御さｎており、こｎによシ溶接電流または溶接電圧を
、溶接条件設定器４５と共に調整する。

２０は、アーク溶接機９の溶接トーチｌ−＼の給電部。

２３は、シャント等の溶接電流値検出器。

２４はチップ１２と被溶接材１６との間の電圧値を検出
する分圧器等の電圧値検出器。

２５は、ローラ１９ｂと機械的に給合さｎていて、エン
コーダ等のワイヤ送給速度（ｖ）を検出するための９回
転量検出器。

２６ｔｒｉ、溶接ロボットの制御装置７からトーチｌの
オンシレート位置信号（Ｘ方向の（Ｗ）とＹ方向の（ｗ
ｙ））ｔ−受は取る増幅器。

２７は回転量検出器２５からの信号を適当なレベルにす
るための増幅器。

２８は、電圧値検出器２４からの信号を適当なレベルに
するための増幅器。

２９は、電流値検出器２３の信号から溶接電流の平均値
に比例する信号全発生するための増幅器。

３０は、電流値検出器２３の信号から溶接電流の実効値
に比例する信号全発生するための増幅器。

３１は、溶接トーチｌの被溶接物１６からの距離、即ち
チップ−被溶接物間距離１．（＝ｌ、Ｂ＋ＬＡ）ｋ設定
するための設定器。

３２．３３，３４，３５，３６，３７は、２６゜２７．
２８，２９．３０．３１のアナログ信号をディジタル信
号に変換し、ディジタル電算機３８に入力するためのＡ
／Ｄ　（アナログ／ディジタル）変換器。

３９は、電算機３８からのディジタル信号をアナログ信
号に変換するＤ／Ａ　（ディジタル／アナログ）変換器
であシ、溶接ロボットのオンシレートＶ制御する制御装
置７へ増幅器４２を通じて出力する。その信号はオンシ
レート幅制御信号およびオンシレート速度制御信号であ
る。

４０は、電算機３８からのディジタル信号をアナログ信
号に変換するＤ／Ａであり、溶接線倣いを制御する制御
装置７へ増幅器４３を通じて出力する。その信号ｆｉ溶
接線の倣い信号である。

４１は、電算機３８からのディジタル信号をアナログ信
号に変換するＤ／Ａであり、トーチ高さを制御する制御
装Ｍ７へ増幅器４４を通じて出力する。その信号はトー
チ高さ制御信号である。

次に動作を説明する。

０）電流検出器２３と増幅器２９とによって。

溶接電流の平均値Ｉａが、また電流検出器２３と増幅器
３０とによって溶接電流の実効値Ｉｅがめら九る。また
、電圧値検出器２４と増幅器２８とによってチップ１２
と被溶接物１６との間の電圧Ｖがめらｎる。さらに１回
転量検出器２５と増幅器２７とによってワイヤ送給速度
Ｖが検出さｎる。

（ロ）　こｎらのアナログ量はＡ／Ｄ変換器３５゜３６
．３４．３３によってディジタル量に変換さｎてディジ
タル電算機３８に加えらｎる。

ｆ→　ここで記号を次のように定義する。

■ａ：溶接電流の平均値。

ＩｅＨ溶接電流の実効値。

Ｖ：ワイヤ送給速度。

■：チツノ１２と被溶接材１６との間の電圧。

ＬＥ：チップ１２の先端からアーク１４までのワイヤ１
３の長さ、いわゆるワイヤ突出し長さ。

ＬＡ：ワイヤ１３の先端から溶接金属１７までの距離、
いわゆるアーク長。

Ｌ：ＬＢとＬＡとの和、即ちチップ１２の先端から溶接
金Ｅ３１７までの圧熱。

ｖＥ：ワイヤ突出部に？￥−；接電流１ａ　、　Ｉｅに
よって生ずる電圧降下。

ｖＡ：ｖからｖＥを差引いた電圧、即ちアーク電圧、と
すると、上記諸最の間には近似的に次の関係がおる。

Ｌｐ２＝ｆｌ　（Ｉａ　Ｉ　Ｉｅ　、　ｖ）　ａ　＠１
１第１式ＶＢ＝ｆ２（Ｉａ、Ｉｅ、ｖ、ＬＨ）　＠・−
第２式Ｖ　”＝Ｖ　ＶＢ　ｓｅｅ、　ｆｉｔ、　３　式
ＬＡ＝　ｆ３　（Ｉａ、　ＶＡ）　””　ｍ　４式り二
ＬＦ、十１．．Ａ　・・・第５式 第１式は参考文献ｌから、また第４式は参考文献２から
められる。第２式の具体的な形は実験によってめること
ができる。第３式および第５式は第２図から自明である
。

参考文献 （１）溶接学会　溶接法委員会　１９８０年７月電流制
御アーク溶接に関す る研究 （２）溶接アーク現象　増補版　産報 安藤公平他 に）従って、第１式の関係をディジタル電算機３８にプ
ログラムしておき、溶接電流Ｉａ　、　Ｉｅとワイヤ送
給速度Ｖとを与えると、ワイヤ突出し長さＬＥがめらｎ
る。

ｆｌ−Ｊ　第２式の関係をディジタル＠算機３８にプロ
クラムしておき、溶接電流１ａ、　ｒｅ、ワイヤ送Ｉ＆
速度Ｖおよび上記（→で得らｎたワイヤ突Ｗし長さＬｒ
ｇｋ与えるとワイヤ突出し部の電圧降下ＶＥがめらｎる
。

（へ）第３式の関係をディジタル電算機３８にプログラ
ムしておきチップ１２と被溶接物１６との間の電圧、お
よび上記に）で得らｎたワイヤ突出し部の電圧降下ｖＥ
を与えるとアーク電圧ｖ人がめらｎる。

（ト）第４式の関係金ディジタル電算機３８にプログラ
ムしておき溶接電流Ｉａ　、　Ｉｅと上記（へ）で得ら
れたアーク電圧ＶＡ　（！：　′ｆ！：与えるとアーク
長ＬＡがめらｎる。

（ト）第５式の関係をディジタル電算機３８にプログラ
ムしておくと上記に）で得らＪ“したワイヤ突出し長さ
ＬＢと上記（ト）で得らｎたアーク長ＬＡとの和からチ
ップ１２と被溶接物１６との距離りがめらｎる。

（男　上述のように、説明変数として溶接電流Ｉａ。

Ｉｅ、ワイヤ送給速Ｂｙ　ｖ　＊よびテップ１２と被溶
接物１６との間の電圧Ｖを与えると第１式〜第５式から
テップ１２と被溶接物１６との間の距離りが目的変数と
してめらｉする。

０）第３回灯溶接ロボット制御装置７からのオンシレー
ト位ｍ　ＫｔＪ号（振幅が最大になるタイミングおよび
振幅が零になるタイミング）を基に、即ちオンシレート
振幅がゼロを横切るタイばングを・基準にして、−’ｆ
：ｆＬから一定時間△を毎に、溶接電流１ａ、Ｉｅ、ワ
イヤ送給速度Ｖ。

チップ−被溶接物量電圧■をサンプリングして前述のし
ｆｔ演算した時のタイばングにｎは等測的にオンシレー
ト振幅となる。伺故ならばオンシレート速度は一定であ
シ、かつサンプリング間隔も一定である。）とチッ７−
被溶接物間距離１．との関係を、第２図に示したような
被溶接物１６で形成さｎる■型突合せ開先内で溶接した
場合の１ｆｌｌｋ示す。本例ではデータＩａ　、　Ｉｅ
、　ｖ、　Ｖのサンプリングは振幅のゼロクロス時から
最大の往路のみで行いイリ路では行わない響合金示す。

このようにｖｉ］先内でオンシレート溶接を行うとオン
シレート位置とそｎに対応するチップ−被溶接物間距離
りとのグラフが得らｎる。

（へ）第４図は、被溶接物１６で形成さｎる開先が変化
している状態を示すが、第５図および第６図は開先間隔
が異なる２つの開先でオンシレート溶接を行った時のオ
ンシレート＠Ｗとチップ−被溶接物間距離りとの関係を
模式％式％ に）第４図は被溶接物１６で形成される継手の開先ｒＦ
ｔ５隔が変化している状態を示すが、第５図および第６
図ｉｊ：第４図で示した開先の位置が異なる２つの断面
で、オンシレートを２次元に行いつつ溶接を行った時に
、Ｘ方向のオンシレート幅Ｗとチップ−被溶接物間距離
りの関係およびトーチ先端の軌跡５０．５１ｉ示す。第
５図は開先間隔が小さく、第６図は開先間隔が大きい場
合を示しているがいず庇も、２次元のオンシレート軌跡
（５０，５１に相当する）を開先の断面形状に近く選ぶ
とオンシレート幅Ｗとチップ−被溶接物間距離りとの関
係においてチップ−被溶接物間距離りは平坦になる。

＠　第７図、および第８図は第５図および第６図に於け
るＷとＬとの関係とチップ先端の軌跡４６．４７とに注
目し、Ｙ方向のオンシレート高さを■アとする時に、Ｘ
方向のオンシレート幅Ｗに対する（Ｌ−Ｗｙ）をめたも
のである。ここＫ　、Ｗｌおよびｗ３はＸ方向のオンシ
レート幅、Ｗ２およびＷ４はｖｒｙ　＝　Ｏである時Ｗ
の幅であり　、　Ｗｙは軸ｖｉｙ　＝　０に対して左右
対称とする。

＆）　第９図、および第１θ図は、被溶接物１６で形成
されるＶ型突合せ継手において、２次元オンジレートに
よる溶接で前記←うで述べたＷとＬ’　（（Ｌ’　＝　
Ｌ　−Ｗｙ　）とする）に注目す扛ば。

オンシレート幅Ｗが制御できることの説明図である。

ここでＬｏｌはＸ方向のオンシレート幅Ｗが小さい時の
、即ち開先中央付近でのＬｌの値である。ｒは演算によ
ってめたＬｌの値が外乱による誤差のためバラツキを生
ずるので、この影響を除くために設けたパラメータす力
わちバラツキ除去パラメータである。Ｕはオンジレート
振幅を制御するために設けたパラメータすなわちオンジ
レート振幅制御パラメータである。

（ロ）ｉ９図は、開先形状が不変の時にオンジレート振
幅制御パラメータＵの設定値の大小によって適正なＸ方
向のオンシレート幅Ｗが変化することの説明図である。

ここで、バラツキ除去パラメータγおよびオンジレート
振幅制御パラメータＵはあらかじめ実験によってめた適
正な値をディジタル電ｎ機３８にパラメータとして設定
しておく。

０）溶接が開始さｎると、Ｘ方向のオンジレート振幅の
苓タイミングを検出し％検出したらデータＩａ、Ｉｅ、
Ｖ、ｖｉサンプリングしてＬｉ第１式〜第５式に従って
演算する。次のザンブリングタイムが来たら又データを
取込みＬを計算するこの過程を数回繰返してその平均値
をめておく。サンプリングの間隔ハ第３図で示した△ｔ
でるる。

（ｌ→　その後は、△を毎にその時のデータｌａ　、　
Ｉｅ　。

Ｖ、ｖＫ基づ＜１４演算しＬ’と（Ｌｏ’　−（ｒ＋Ｕ
））との大小関係に注目する。もし、Ｉ：（Ｌ’）≧（
Ｌｏ’　（ｒ＋Ｕ））　〕ならば、さらに同じ方向にオ
ンジレート振幅う。しかし、（（Ｌ’）＜（Ｌｏ’　−
（ｒ＋Ｕ））　）の条件が数回連続して成立すｎば、オ
ンジレート振幅を反転させる。

し）次はまた。（ロ）で述べたオンジレート振幅と反対
方向でのＸ方向のオンジレート振幅が苓のタイばングを
検出し、以後０）、（ロ）で述べたシーケンスを繰返す
。

０　このようにすｎば、γ、Ｕで設定さｎたノくラメー
タ条件に従い適当な大きさでオンジレートが繰返し行わ
ｎる。

０９　ところで、第９図は開先形状が不変の場合に、Ｕ
をＵｌ、　Ｕｚ　（、Ｕｓ　＜　０２　）とした場合を
示しているが、　（（Ｌｌ）＜（ＬＯ’−（γ＋Ｕ））
〕の条件を成立させるためには、Ｕｚの方がＵｌの場合
よりも大きくＸ方向にオンジレートさせなけオむばなら
ないことは第９図から自明である。

Ｐ口ち、ＩＪｔ−１４整することによって、Ｘ方向のオ
ンシレート幅Ｗ全制御できる。Ｕｌ＜Ｕ、ならばＷ５　
（ｗｓとなる。ここに、　Ｗ５はＵｌに対応するＸ方向
のオンシレート幅、Ｗ６はＵｚに対応するＸ方向のオン
シレート幅である。

オンジレートパターンの制御は、第７図および第８図に
於いて、Ｘ方向のオンシレート幅Ｗ２およびＷ４を制御
するものとし、ｗｙｍａｘおよび（ｗ２−Ｗｌ　）、　
（ｗ４−Ｗｌ　）は一定とする。ここにＷｙｍａｘ　は
Ｗｙの最大値である。

に）第１θ図は、溶接途中で開先間隔が変化した時に、
Ｕ全一定にしておけば、Ｘ方向のオンシレート幅が適正
値に制御できることの説明図である。

（ロ）動作の原理は、前記し）〜ぐ→と同一であるが。

第１０図の場合ＦｉＵを一定の値Ｕ３に設定したことで
ある。開先間隔が異なっている時に。

Ｕが一定であると、開先間隔が大きい場合（実線で示す
）のオンシレート幅Ｗ７は開先間隔が小さい場合（点線
で示す）のオンシレート幅Ｗ８よすも大きくなることは
第１０図から自明なことである。即ち、ＵＫｉ正な値を
選んでぼくと、開先間隔の変化によって自動的にＸ方向
のオンシレート幅Ｗが制御さ２する。

に）以上、第９図から開先間隔が不変の場合Ｘ方向のオ
ンシレート幅ＷはＵの設定値によって制御できること。

また、第１θ図に示した開先間隔が変化している時適正
なＵ（（設定す−ることによってＸ方向のオンシレート
幅Ｗが変化し、開先間隔の変化に適応する制御ができる
ことを説明した。

（ロ）次に、第７図および第８図における（Ｌ１＝Ｌ　
−ｗｙ）の第３図に示したＸ方向オンシレートの１サイ
クルの平均値Ｌｍ’は次のように演算することができる
。

←）　したがって、設定器３１の設定値Ｌｄと上述役）
のＬｍ’とを比較して、もしＬｍ　’　＞　Ｌ’ならば
溶接ロボットのトーチ高さを制御する制御装置７へ（Ｌ
ｍ’　ｉ、ｄ）に比例する信号を出力しＬｍｌ　：　Ｌ
ｄ　になるまで溶接ロボットの各軸２゜３．４，５，６
を制御する。逆にＬｍＩ　（Ｌｄならば、前述と同様に
しい、Ｉ　冨ｔ、ｃｔ　になるまで溶接ロボットの各軸
２，３．４，５，６を制御する。

０　前述■、＠によってＬｍｌ　ｅＩ・ｄの値に常に保
持することができる。

（２）　また、第７図および第８図における（Ｌｌ（＝
Ｌ　−Ｗｙ　）　）の第３図に示したオンシレートパタ
であるが、△ＤＮＯの時は、オンシレート中心軸と被溶
接物１６で形成さ几る開先の中心軸が不一致でちること
を示している。即ち。

△Ｄ）０であｎば、メツシレート中心軸は開先の中心軸
よりも右側に存在し、逆に△Ｄ（０ならばオンシレート
中心軸は開先の中心軸よりも左側に存在している。

（ロ）　従ってΔＤ）Ｑならば溶接ロボットの溶接線倣
いを制鶴する制御装置７へΔＤに比例する信号を出力し
、△Ｄ＝ＯＫなるまで浴接ロボットの各軸２，３，４，
５．６’に制御する。

逆に、ΔＤ（０ならば前述と同様にΔＤ＝０になるまで
溶接ロボットの各軸２，３，４゜５．６１１ｒ、制御す
る。

（至）上記に）、（ロ）によって、オンシレート中心位
置を常に開先の中心位置に保持することができる。

（ハ）以上で、本実施例によｎば開先間隔が変動した場
合に、オンシレート幅がそれに適応することまた。トー
チｌと被溶接物１６との距離が変化しても常にトーチ高
さＬを設定値Ｌｄに保持できること。さらに、溶接線が
設定位置からずｎても七ｎに自動追随できることを述べ
たが、開先間隔が変動した場合ワイヤ送給速度Ｖが一定
で（通常はこの状態である）。

かつ溶接速度Ｓが一定であ扛ばビード高でが変化する。

（支）従って、第９図、および第１０図に示すようにデ
ィジタル電算機３８はオンシレート幅ＷＳ　、　Ｗ６　
、　Ｖｌ’７　、　Ｗｙ　を演算することができるので
。

オンシレート幅Ｗの変化をフィートノ（ツクしてトーチ
１の移動速度を制御してビード高さが均一になるように
する。

０　以上述べた操作鉱すべて電算機３８の７°ロダラム
で制御するものとする。

以上実施例とともに具体的に説明したように本発明によ
庇ば、開先間隔の変動に対して自動的にオンシレート幅
を適応させ、かつ溶接線を自動的に追随することができ
るので欠陥のない溶接が実現でき、溶接ロボットの信頼
性全向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るアーク溶接ロポツ）１示す構成図
、第２図は本発明に係る実施例の溶接回路及び演算処理
機構を示すブロック図、第３図はオンシレートパターン
とテラツー被溶接物間距離りの関係を示す特性図、第４
図は被溶接物を示す斜視図、第５図は第４図の■−■断
面における開先内でオンシレートした時のオンシレート
幅Ｗに対するテップ−被溶接物間距離りの変化パターン
を示す説明図、第６図は第４図の■−■断面における開
先内でオンシレートした時のオンシレート幅Ｗに対する
テップ−被溶接物間距離りの変化パターンを示す説明図
。 第７図および第８図は２次元にオンシレートした時に、
板厚方向のオンシレート高さＷｙｆ加味したテップ−被
溶接物間距離りとオンシレート幅Ｗの関係を示す説明図
、第９図および第１Ｏ図は第７図および第８図のグラフ
と開先断面図との関係を示すｔｌ明図である。 図　面　中。 ｌは溶接トーチ。 ２はビード傾斜軸。 ３は手首旋回軸。 ４．５．６は移動軸。 ７は制御装置。 ８は電動駆動装置。 ９はアーク溶接機。 １３はワイヤ。 １６は被溶接物。 ２３は溶接電流検出器。 ２４れ電圧値検出器。 ２５は回転量検出器。 ３１はテップ−液浴接物間距離設定器。 ３８はディジクル電算機。 ４５は溶接条件設定器である。 特許出願人 三菱重工業株式会社 復代理人 弁耶士光石士部 （他１名）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 任意のトーチ姿勢をとりながら任意の三次元空間に移動
   さ九る浴接トーチをオンシレートさせながら、消耗電極
   （ワイヤ）を使用してアーク溶接を行うアーク溶接ロボ
   ットにおいて、溶接電流（Ｉａ、：平均電流、Ｉｅ：実
   効電流）、ワイヤ送絽速度（ｖ）及びチップと被溶接物
   との間の電圧（Ｖ）’！ｒ検出する検出手段と、上記溶
   接電流（Ｉａ、ｌｅ）、上記ワイヤ送給速度（Ｖ）およ
   び上記電圧（Ｖ）を演算することによってワイヤ突出し
   長さくＬＥ）とアーク長（ＬＡ）との和（ＬＥ　＋　Ｌ
   Ａ　）をめる鼠算手段と、溶接トーチのオンシレートに
   よる上記（ＬＥ＋ＬＡ）の変化パターンから上記溶接ト
   ーチのオンシレート中心位俗と被溶接材で構成されるＷ
   手の中心位置との偏差および開先面全認知し、上記オン
   シレート中心位置と継手の中心位置との相対放置が設定
   どおりになるように常に上記溶接トーチの位置を開先幅
   方向および開先幅と直角方向の二次元的制御によって制
   御してアーク点が溶接線を自動的に倣うようにし、更に
   開先間隔の変化に応じてオンシレート幅を自動内積する
   と共に溶接速度（Ｓ）を制御して開先間隔が変化しても
   常に一定のピード高さが得られるようにする制御装貿と
   と備えたことを特徴とするアーク溶接ロボット。