JPS6068172A - 溶接用倣い検出方法 - 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】 本発明は溶接用倣い検出方法に係り、特にアーク溶接ロ
ボット、自動アーク溶接装置、アーク溶接応用各種機器
等に適用し得る溶接用倣い検出方法に関する。

自動アーク溶接装置或は教示・再生型アーク溶接ロボッ
トを用いてアーク溶接を行なう場合被溶接材の取付誤差
・寸法誤差或は溶接中の変形等が発生しても、これらの
変動量を検出し、自動的に補正して常に適正な溶接を行
なわしめる方法としては従来多数提案・実用化されてい
るが、特に溶接アークの電気的特性値の変化を検出し、
これを上記補正のだめの入力信号として利用する、いわ
ゆるアークセンサも度々利用される。従来、主として用
いられているアークセンサの作動原理を第１図、第２図
（８）、■）、（０について説明する。第１図は一般的
な消耗電極定速送給ガスシールドアーク溶接に於ける電
流・電圧特性と、一般的な溶接電源の外部特性例を示す
。同図にみる如く、溶接トーチ・被溶接材間距離りがり
、を中心に土Δｈだけ上下に変動することにより、特性
曲線は略相似のまま上下に移動する。一方、図示のよう
な外部特性（定電圧特性に近い）を有する溶接電源によ
り上記アークを負荷させる場合は、ｈ　＝　ｈｏではＰ
Ｎ、ｈ＝ｈ。

＋ΔｈではＰＬ、　ｈ＝ｈｏ−Δｈではｐｓの各交点で
それぞれ安定な通電が行なわれ、定常溶接状態が得られ
る。すなわち、溶接トーチ・被溶接材間距離りの変化に
対応して動作点がＰＮｔＰＩ、ｐＰＢ等と変化し、この
変動により電流、電圧が変動する。図から明らかな如く
、ｈ＝ｈｏからｈ−ｈｏ＋Δｈに変化すれば、電流工は
ＩｏからＩｏ−ΔＩに、電圧Ｅは烏からＥ０＋ΔＥにそ
れぞれ変化し、ｈ−ｈ、ｏからｈ＝ｈｏ−Δｈに変化す
ればＩ＝Ｉｏ＋ΔＩ−Ｅ＝Ｅｏ−ΔＥにそれぞれ変化す
ることが判る。このように、ｈの変化により工、Ｅが共
に変化するのであるが、図からも判るように、Ｅの変化
よ、９Ｉの変化が遥かに大幅なので、実際には工の変化
を利用して、ｈの目標値制御を行なうことが可能となる
わけで、いわゆるアークセンサはこの現象を利用してい
る０ 第２図（ト）、　（Ｂ）　、　（Ｃ）は第１図の現象を
利用して、溶接トーチを一定振幅でライビングさせ乍ら
溶接電流の変化により溶接継手位置を自動追従させるた
めの溶接トーチ位置制御を打力う現状の方法例である。

第２図（ロ）は開先のある突合せ溶接継手に対する溶接
トーチの位置関係、同図の）はすみ肉溶接継手に対する
溶接トーチの位置関係、同図（ｃ）は（４）（或はω）
も同様）に於いて、溶接トーチ高さくＺ軸）を一定に保
ちＹ軸方向に一定振幅でライピングさせ乍ら溶接電流を
制御用入力信号として溶接継手位置を自動追従させるた
めの制御装置のブロック構成例を示す。

上記の如く、第１図に示すような現象により、第２図＜
Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ’ｌのように電流工の変化を溶接ト
ーチの位置制御に巧みに利用しているのであるが、この
方式では次に述べる欠点を有する。

（１）ｈの変化に伴なう工の変化は、Ｅの変化に比して
遥かに大幅ではあるが、Ｚ軸方向或はＹ軸方向の微妙な
制御を行なう場合、■の変化による入力信号では安定な
比較弁別が困難となることがある。

（２）溶滴移行を安定なスプレー移行とするため、溶接
電流に鋭いパルス状電流を重昼させる場合があシ、この
ような場合の１にもとずく制御用入力信号にも鋭いパル
ス状波形が重畳され、制御回路の動作が不安定となるこ
とがある０ なお第１図および第２図■、　（Ｂ）　、　（（１”）
において０１は被溶接材、０２は溶接トーチ、０３は電
流信号入力、θ４はローパスフィルタ、ｏ５はサンプル
ホールド回路、０６は補正値演算回路、０７は信号増幅
回路、θＢはサーボ増幅回路、０９はサーボモータ、０
１０はＹ軸サーボ駆動機構、０１１は同期パルス信号入
力、Ｏ１２は不感帯幅設定回路である。

本発明は上記の事情に鑑みて提案されたもので、その目
的とするところは前記の欠点を除去し、ノイズ妨害が少
なく、且つ微小変化にも確実に対応出来る高精度で低コ
ストの溶接用倣い検出方法を提供するにある。

本発明による溶接用倣い検出方法は消耗電極定速送給自
動アーク溶接装置あるいは消耗電極定速送給アーク溶接
ロボットにより開先のある突合わせ継手溶接あるいはす
み内継手溶接を行なう場合、溶接トーチ中心軸方向の高
さを一定にし、溶接進行方向と直角方向に一定振幅でラ
イビングさせながら溶接継手位置を自動追従させるため
の溶接用倣い検出方法において、溶接アークのコンダク
タンスを検出し、これを上記溶接継手位置自動追従のた
めの溶接トーチ位置自動制御用入力信号とすることを特
徴とし、制御入力信号として電流工を電圧Ｅで除して得
られる特性値であるコンダクタンスＧを利用することに
よ９次のような効果を得ようとするものである。

（１）溶接トーチ・被溶接材間距離りの変化に伴なうア
ーク特性値の変化率の大きさはＥ＜ＩくＧとなり、Ｇを
制御入力信号として利用すれば、従来の工を利用する場
合よりも大きな変化率が得られ、比較弁別に際しての精
度向上並びに誤動作防止に有効である。

（２）溶接電源に内蔵されたパルス発生器によるパルス
状電流が流れる場合、電源の外部特性とは余シ拘シなく
、アーク負荷の特性曲線に沿って電流の変化と同一符号
で電圧も変化するので、コンダクタンスとしてけ余シ変
化せず、従って鋭いパルス状電流によるノイズ妨害はそ
れだけ減少することとなり、制御精度の向上が図れる。

（３）　コンダクタンスＧは電流工を電圧Ｅで除して得
られるので回路構成も容易であり、低コストで実現出来
る。

本発明の一実施例を添付図面を参照して詳細に説明する
。

第３図（Ａ）、の）、（Ｑはそれぞれ本発明方法を実施
するために用いられる一実施例の構成を示す図、第４図
（４）、■）　、　（Ｃ）はそれぞれ第３図（０におけ
るコンダクタンス演算回路の具体的回路構成例を示す図
、第５図は本発明方法により得られる電流−コンダクタ
ンス特性ＦＭＪ線を示す図、第６図は本発明方法におい
て溶接トーチと被溶接材間距離の変化に伴う溶接電流、
電圧およびコンダクタンスの変化を示す図、第７図は本
発明方法において溶接電流が基準電流とパルス電流との
重畳によシ構成される場合のアーク電圧およびコンダク
タンスの変化を説明するための図である。

第３図（ロ）、　（Ｂ）　、　（Ｃ）はそれぞれ一般的
な消耗電極定速送給ガスシールドアーク溶接に於けるア
ークのコンダクタンス検出と、これによシ溶接トーチ２
軸高さを一定に保ちＹ軸方向に一定振幅でライビングさ
せ乍ら溶接継手位置を自動追従制御させるためのブロッ
ク構成例であり、同図（４）は開先のある突合せ溶接継
手に対する溶接トーチ位置関係、同図の）はすみ肉溶接
継手に対する溶接トーチ位置関係を示し、いずれも１は
被溶接材、２は溶接トーチ、ｈは溶接トーチ−被溶接材
間距離、Ｅはアーク電圧、■は溶接電流、＋、−は溶接
電源の極性、ｚ、ｙは溶接トーチ位置制御の対象となる
駆動軸をそれぞれ示す。第３図（Ｑは、同図囚（或は（
Ｂ）も同様）の位置関係に於ける制御装置のブロック構
成例であって、図中、３ａは電流入力信号、３ｂはアー
ク電圧入力信号、４はコンダクタンス演算回路、５はコ
ンダクタンス信号、６はローパスフィルタ、７はサンプ
ルホールド回路、８はサンプルホールド用同期パルス信
号入力、９は補正値演算回路、ＩＯは信号増幅回路、１
１は不感帯幅設定回路、１２はサーボ増幅回路、１３は
サーボモータ、１４はＹ軸サーボ駆動機構をそれぞれ示
す。

次に、第４図（４）、■Ｌ（Ｃ）はそれぞれ第３図（０
に於ける機能構成、要素のうち、本発明の基本となるア
ークのコンダクタンス検出・演算回路の具体例である。

同図（５）は、アーク電圧、電流から割算器と演算増幅
器によシコンダクタンスを演算する場合の回路構成例を
示し、同図中１は被溶接材、２は溶接トーチ、３ａは電
流入力信号、３ｂはアーク電圧入力信号、４はコンダク
タンス演算回路、５はコンダクタンス信号、ＳＨは電流
分流器、ＶＲは可変抵抗器、ＯＰは演算増幅器、Ｄは割
算器、ｃｏｘｒは共通基線をそれぞれ示す。第４図（Ｂ
）は、アーク電圧、電流から掛算器と演算増幅器により
コンダクタンスを演算する場合の回路構成例であって、
同図中の機能要素中ＭＦ！、掛算器を示し、他の要素に
ついては同図囚と同一符号のものは同一要素であること
を意味する。第４図（０は、アーク電圧、電流から演算
増幅器とトランジスタによりコンダクタンスを演算する
場合の回路構成例であって、同図中、ＴＲはトランジス
タを示し、他の要素については同図（ト）、ω）と同一
符号のものは同一要素であることを意味する。

上記本発明の一実施例の方法について説明する。

（１）　アークのコンダクタンス検出に係る作用第３図
（４）、■）　、　（Ｃ）に於ける各機能要素１，２゜
３ａｒ３ｂｙ４．５及び第４図（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）
に於ける同一符号の各機能要素によりアークのコンダク
タンスが検出される。先ず、アークのコンダクタンスＧ
を次の通シ定義する。

以下、第４図（Ａ）、　（Ｂ）　、　（Ｃ）の各具体的
回路例によシ作用を説明する。

第４図（７０・・・・・・・・割算器りの基本的演算機
能ｔ を利用して、ｚ′には■成−分、Ｘ′にはＥ成分を入力
し、■ｏ′としてＧを算出する如く回路を構成したもの
で、図中ＯＰは線形増幅或は符号反転作用、ＶＲは■成
分及びＥ成分のレベル調整器として作用する。

第４図の）・・・・・・・・・掛算器Ｍの基本的演算機
能Ｖｏ＝−Ｘ＠Ｙ・・・・・・・・・・・・（３）０ を利用して、これを演算増幅器の負ｒ）仝遠回路に挿入
し、総合的に割算器を構成せしめてＧ−工を算出する如
く回路を構成したもので、図中、ＯＰは線形増幅或は符
号反転作用、ＶＲは工成分及びＥ成分のレベル調整器と
して作用する。

第４図（Ｃ）・・・・・・・・・演算増幅器とトランジ
スタによる対数変換・逆計数変換・機・能を利用して、
４を算出する如く回路を構成したものである。

Ｇ＝　ｕ　、、　８（ｌｏｇｅ”　−Ｉｏｇｅ　Ｅ）　
−−−（４）〔ｅ：自然対数の底〕 図中、ＯＰは線形増幅、符号及転成はトランジスタＴ’
Ｒとともに対数・逆対数変換作用、ＶＲは■成分及びＥ
成分のレベル調整器として作用する。

（２）　アークのコンダクタンスＧの制御入力としての
作用 アークの特性値としてのコンダクタンスを、溶接トーチ
・被溶接材間距離すの制御用入力信号として利用する場
合の作用を説明する。

第５図は一般的な消耗電極定速送給ガスシールドアーク
溶接に於ける電流・電圧特性と、一般的な溶接電源の外
部特性例を示し、同図にみる如く、溶接トーチ・被溶接
材間距離りがｈｏを中心にΔｈだけ上下に変動すること
により、アーク電圧特性曲線は略々相似形のまま上下に
移動する。一方、図示のような外部特性（定電圧特性に
近い〕を有する溶接電源により上記アークを負荷させる
場合は、ｈ＝ｈ。

ではｐＮ、ｈ＝ｈｏ＋ΔｈではＰＬＮ　ｈ＝ｈｏ−Δｈ
ではＰｓの各交点でそれぞれ安定な通電が行なわれ、定
常溶接状態が得られる。すなわち、溶接トーチ・被溶接
材間距離りの変化に対応して動作点がＰＮ　ｐ　Ｐ　Ｌ
ｔ　Ｐ　Ｂ等と変動し、この変動によシミ流、電圧が変
動する。図からも明らかなる如く、ｈ−ｈ、からｈ＝ｈ
ｏ＋Δｈに変化すれば電流ＩはＩＯからＩｏ−Δ■に、
電圧Ｅは島から烏＋ΔＥにそれぞれ変化し、ｈ＝ｈ、か
らり、−Δｈに変化すれば■はＩｏ＋Δ工に、ＥはＥＯ
−ΔＥにそれぞれ変化することが判る。このようにｈの
変化によシ１、Ｅが共に変化するのであるが、図から判
るように、Ｅの変化よυ工の変化が遥かに大幅であるの
で、工の変化を利用してｈの目標値制御が従来から行な
われておシ、いわゆるアークセンサはこの原理に立脚し
たものである。

これに対し、本発明では、アークのコンダクタンスＧの
変化を利用してｈの目標値制御を行なうものであシ、例
えば第５図に於いて、破線で示す曲線が、実線で示す電
流・電圧特性曲線に対応する電流・コンダクタンス特性
曲線であって、ｈ＝ｈｏ　（Ｉ”Ｉｏ　、Ｅ＝Ｂｏ　）
に於ける動作点をＰＮ２、これに対応するコンダクタン
スＧをＧ”Ｇｏ、ｈ＝ｈｏ十ΔｈｃＩ−Ｉｏ−ΔＩ、Ｅ
＝ＥＯ＋ΔＥ）に於ける動作点をＰＬ’＃　ＧをＧｏ−
ΔＧ　ｅ　ｈ　＝ｈＯ−Δｈ（Ｉ−Ｉｏ＋ΔＩ、Ｅ＝Ｅ
、−ΔＥ）ではＰ３’、　Ｇ　−Ｇｏ＋ΔＧとしてそれ
ぞれ表わされている。このようなコンダクタンスＧをｈ
制御入力信号として利用する場合の特性につき第６図に
よシ説明する。第６１はｈの変化に伴うＩ、Ｅ、Ｇの変
化の様子を比較した結果を示すものであるが、同図から
判る如く、ｈがｈａからｈｏ＋Δｈ或はｈＯ−４Δｈに
変化した場合、電流変化率Ｉ／１．或は電圧変化率Ｅ７
’Ｆ２６のいずれよりもコンダクタンス変化率Ｇ／Ｇｏ
が大であり、このことはｈ制御用入力信号としてはＥや
工よシもＧの方が高い識別度を有すること、すなわちＧ
を入力信号とすることにより、制御の安定化並びに高精
度化を図り得ることが判る。

次に、溶滴移行の安定化（スプレー化）のため、溶接電
流にパルス状電流を重畳することがある。このような場
合、電流１１電圧Ｅ１コンダクタンスＧの何れを制御信
号として利用するかにより、入力信号中に含まれるパル
ス波比率が異る。その状況が第７図に示されている。第
７図は溶接電流Ｉが、基準電流Ｉ。

とパルス、電流エアとが重畳して構成される場合（Ｉ＝
Ｉｏ＋Ｉｐ）の、アーク電圧Ｅ及びコンダクタンスＧの
変化状況並びにそれらの変化率を説明するものである。

同図から判る如く、電流工がＩｏからＩ。＋ＩＰに変化
すれば、動作点ＰｏはＰｐに移動し、電圧ＥはＥ。から
Ｅ、＋Ｅｐに変化する。この場合の電流変化率Ｉ／ＩＯ
，電圧変化率し侶０及びコンダクタンス変化率Ｇ／Ｇｏ
を比較してみると、Ｇ／Ｇｏが最も１に近いことが分る
。

すなわち、Ｇを制御用入力信号として利用すれば、たと
え電流中に鋭いパルス電流が重畳されていても、他の特
性値を利用するのに比して入力信号中のパルス比率が小
さく、制御精度の向上・安定化を図ることが出来る。

以上により本発明方法によれば以下の如き優れた効果が
奏せられるものである。

（１）消耗電極定速送給自動アーク溶接装置或は消耗電
極定速送給アーク溶接ロボットにより開先のある突合せ
継手溶接或はすみ内継手溶接を行なう場合であって、溶
接トーチのＺ軸方内高さを一定にし、Ｙ軸方向に一定振
幅でライビングさせ乍ら溶接継手位置（溶接線）を自動
追従させる方法に於いて、従来制御入力として主として
溶接電流９電圧を用いていたのを、本発明によるアーク
のコンダクタンス信号Ｇに切替えることにより溶接電流
工或はアーク電圧Ｅによる制御に比して、信号識別能力
が大で、高い制御精度と安定度が得られるとともに、さ
らに溶接電流中にノくルス状電流が重畳される場合には
、Ｇを制御用入力信号として採用することにより、信号
中のノくルス波比率を最小にすることが出来、制御安定
度が向上する。

（２）既存自動アーク溶接装置酸（叶溶接ロボットに殆
んど改造・修正を加えることなく本発明方法を適用出来
る。

（３）主要部分は簡単なアナログ回路によシ構成してい
るので、低コストで実現出来る。

（４）溶接関連設備自動化、ロボット化による省人化の
実現に有力な手掛シを与える０ （５）溶接ロボット或は自動溶接装置の機能向上、コス
ト低減により市場競争力が強化される。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のアーク溶接における電流・電圧４性と外
部特性例を示す図、第２図（Ａ）　、　（Ｂ）　、　（
Ｃ）はそれぞれ従来例の構成を示す図、第３図（５）。 ■）、（０はそれぞれ本発明方法を実施するために用い
られる一実施例の構成を示す図、第４図囚。 （Ｂ）　、　（Ｏはそれぞれ第３図（０におけるコンダ
クタンス演算回路の具体的回路構成例を示す図、第５図
は本発明方法によシ得られる電流−コンダクタンス特性
曲線を示す図、第６図は本発明方法において溶接トーチ
と被溶接材間距離の変化に伴う溶接電流９電圧およびコ
ンダクタンスの変化を示す図、第７図は本発明方法にお
いて溶接電流が基準電流とパルス電流との重畳により構
成される場合のアーク電圧およびコンダクタンスの変化
を説明するだめの図である。 １・・・被溶接材、２・・・溶接トーチ、３ａ・・・電
流入力信号、３ｂ・・・アーク電圧入力信号、４・・コ
ンダクタンス演算回路、５・・・コンダクタンス信号、
６・・・ローパスフィルタ、７・・・サンプルホールド
回路、８・・・同期パルス信号入力、９・・・補正鴫演
算回路、１０・・・信号増幅回路、ｌｌ・・・不感帯幅
設定回路、１２・・・サーボ増幅回路、１３・・・サー
ボモータ、１４・・・Ｙ軸サーボ駆動機構。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 消耗電極定速送給自動アーク溶接装置あるいけ消耗電極
   定速送給アーク溶接ロボットによシ開先のある突合わせ
   継手溶接あるいはすみ内継手溶接を行なう場合、溶接ト
   ーチ中心軸方向の高さを一定にし、溶接進行方向と直角
   方向に一定据幅でライビングさせながら溶接継手位置を
   自動追従させるための溶接用倣い検出方法において、溶
   接アークのコンダクタンスを検出し、これを上記溶接継
   手位置自動追従のだめの溶接トーチ位置自動制御用入力
   信号とすることを特徴とする溶接用倣い検出方法。