JPS6234468B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は消耗電極定速送給型自動アーク溶接装
置或いは消耗電極定速送給型アーク溶接ロボツト
を用いて溶接電流信号に基づくアークセンサ方式
により溶接ウイビング幅自動制御，溶接開先幅自
動追従制御を行なわせるための溶接用倣い検出装
置に関する。

自動アーク溶接装置或は教示・再生型アーク溶
接ロボツ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
常に適正な溶接が行なえるようにする必要があ
る。従来、かかるアーク溶接に伴なう上記変動量
の検出方法としては種々提案・実用化されている
が、その中で特に溶接アークの電気的特性値の変
化を検出し、これを上記補正のための入力信号と
して利用する、いわゆる“アークセンサ”も屡々
利用されている。

ここで、現在主として用いられているアークセ
ンサの作動原理について第１図，第２図を参照し
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もので
ある。同図にみる如く、被溶接材１と溶接トーチ
２との間の距離ｈがh₀を中心に±Δｈだけ上下に
変動することにより、特性曲線は略々相似のまま
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＝h₀ではＰ_N，
ｈ＝h₀＋ΔｈではＰ_L，ｈ＝h₀−ΔｈではＰ_Sの各
交点でそれぞれ安定な通電が行なわれ、定常の溶
接状態が得られる。すなわち、被溶接材１と溶接
トーチ２との間の距離ｈの変化に対応して溶接電
源の動作点がＰ_N，Ｐ_L，Ｐ_S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
る如く、ｈ＝h₀からｈ＝h₀＋Δｈに変化すれば、
電流ＩはI₀からI₀−ΔＩに、電圧ＥはE₀からE₀＋
ΔＥにそれぞれ変化し、またｈ＝h₀からｈ＝h₀−
Δｈに変化すればＩ＝I₀＋ΔＩ，Ｅ＝E₀−ΔＥに
それぞれ変化することが分る。このように、ｈの
変化によりＩ，Ｅが共に変化するわけであるが、
図からも分るように、Ｅの変化よりＩの変化が遥
かに大幅なので、実際にはＩ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。

第２図は第１図の現象を利用して溶接トーチの
位置制御を行なう方法例の説明図である。第２図
ａは平板上での溶接に際しての被溶接材１と溶接
トーチ２との間の距離ｈ（すなわちＺ軸）の目標
値自動制御の例を示す。同図ｂは突合せ溶接時の
ｈの目標値自動制御の例を、ｃはすみ肉溶接時の
ｈに関する目標値自動制御の例をそれぞれ示す。
第２図ａ〜ｃにおいて、tiは電流Ｉ又はアーク電
圧Ｅが加えられる入力端子、LPFはローパスフイ
ルタ、COMはしきい値設定器SRの出力とローパ
スフイルタLPFの出力とを比較判別する比較判別
器、SAはサーボアンプ、SMはサーボモータ、
DMは溶接トーチ２の駆動機構で、この駆動機構
DMは紙面に対し垂直な方向をＸ軸としたとき図
示Ｚ軸，Ｙ軸方向に溶接トーチ２を駆動するもの
である。第２図ａの場合はＺ軸のみの駆動である
がｂ及びｃの場合は、Ｚ軸のみならず、Ｙ軸の変
化に対してもｈを変化させるので、両軸に係る自
動制御に利用できるようにしてある。すなわ
ち、、第２図ｂ，ｃにおいて、Ｙ軸を固定すれ
ば、ａと同様、Ｚ軸の制御のみとなる。次にＺ軸
を固定すれば、Ｙ軸方向の変化によりｈが変化す
るので、予め溶接トーチ２をＹ軸方向に振動（オ
シレーテイング或はウイービング）させ乍ら進行
（Ｘ軸方向）させる如く操作することにより、Ｙ
軸方向の変化に伴なうｈの変化を検出し、その検
出値をこれに対応する電気的しきい値と比較判別
器COMにより比較弁別してウイービング折返え
し点を決め、これを繰り返えして進行させること
により、溶接線の自動追従機能を具備させてい
る。次に、第２図ｂ，ｃに於いて、Ｚ軸，Ｙ軸と
もに制御対象とする場合はＺ軸制御をＹ軸中央付
近のｈに対して行ない、Ｙ軸制御は前記同様、Ｙ
軸方向ウイービング端部のｈに対して行なうこと
により両立させ得る。

かくの如く、第１図に示すような現象を巧みに
利用することにより、第２図のように電流Ｉの変
化を検出しながら溶接トーチの位置制御が可能と
なるが、ここで、上記各種制御方式のうち、Ｚ軸
方向の位置を固定し、Ｙ軸方向にウイビングさせ
乍ら進行（Ｘ軸方向）させる如く溶接トーチを操
作することにより、Ｙ軸方向の位置の変化に伴う
ｈの変化を検出し、その検出値をこれに対応する
電気的しきい値と比較判別器COMにより比較弁
別してウイビング折返えし点を決め、これをくり
返えして進行させることにより、ウイビング幅自
動制御機能と溶接開先幅自動追従機能並びに溶接
線自動追従機能を具備させる場合について詳細に
述べる。

第３図は、第１図に於ける基準電流レベルI₀に
代つて、電流レベルI₁，I₂，及びI₃の３段階に変
化させた場合の動作点の変化の状況例を説明する
ものである。すなわち、ｈ＝h₀で一定とし、電流
ＩをI₁，I₂，I₃と変化させる場合、アーク長さを
一定に保つためには動作点をＰ_1N，Ｐ_2N，Ｐ_3Nに
移動させなければならず、然るときは電源の外部
特性を例えばw₁，w₂，w₃の如く変化させること
により、それぞれの動作点に於いて安定なアーク
通電が行なわれる。このように、電流Ｉの変化
と、これに伴う動作点の変動があつても、ｈ＝h₀
からｈ＝h₀＋Δｈ或はｈ＝h₀−Δｈに変化する場
合は、第１図と全く同様の原理により、例えば第
３図に示すようにＷ＝W₁，ｈ＝h₀，Ｉ＝I₁，動作
点Ｐ＝Ｐ_1Nの状態から、ｈ＝h₀＋Δｈに変化する
とＰはＰ_1Lに移り、ＩはI₁より小さく、ＥはE₁よ
りやや大きくなる。反対に、ｈ＝h₀−Δｈに変化
すると、ＰはＰ_1SとなりＩはI₁より大きく、Ｅは
E₁よりやや小さくなる。同様にしてＷ＝W₂，ｈ
＝h₀，Ｉ＝I₂，Ｐ＝Ｐ_2Nからｈ＝h₀±Δｈに変化
した場合、また、Ｗ＝W₃，ｈ＝h₀，Ｉ＝I₃，Ｐ＝
Ｐ_3Nからｈ＝h₀±Δｈに変化した場合も、それぞ
れ動作点Ｐ，電流Ｉ，電圧Ｅのすべてが変化する
ことが分る。

第４図は、第３図の動作原理を応用して、突合
わせ溶接及びすみ肉溶接で溶接トーチ１のＺ軸方
向の位置を一定し、Ｙ軸方向にウイビングさせ乍
ら進行させるように操作することにより、Ｙ軸方
向の位置の変化に伴うｈの変化を電流の変化によ
り検出し、その検出値とこれに対応する電気的し
きい値とを比較弁別器COMにより弁別してウイ
ビング折返えし点を決め、これをくり返えして進
行させることにより、ウイビング幅自動制御と溶
接開先幅自動追従機能並びに溶接線自動追従機能
を具備させる場合の、機器の構成例と、作動例で
ある。すなわち、第４図ａは突合わせ溶接時の機
器構成例、ｂはすみ肉溶接時の機器構成例、ｃは
ａ或はｂに於けるＹ軸方向ウイビング幅自動制御
による溶接開先幅自動追従装置の機能構成例、ｄ
は溶接トーチウイビング時の電流値の変化の状況
例と、ウイビング折返えし点（電流ピーク点）を
決めるための電気的しきい値設定例をそれぞれ示
す。

第４図ｃにおいて、tiは電流信号が入力される
入力端子、LPFはローパスフイルタ、COMはピ
ーク値弁別用しきい値設定器SRの出力とローパ
スフイルタLPFの出力とを比較弁別するピーク値
弁別器、HDは左右進行弁別・ホールド回路、SA
はこの左右進行弁別・ホールド回路とサーボモー
タ速度設定器SMRの出力とを比較増幅するサー
ボアンプ、DMはその出力により溶接トーチ２を
Ｙ軸駆動する駆動機構である。

第４図から分るように、電流ＩをI₁，I₂，I₃等
と変化させれば、ウイビング折返えし点決定のた
めの電流ピーク点弁別用しきい値もS₁，S₂，S₃等
と変化させなければならない。溶接電流の大きさ
は溶接結果に最大の影響を及ぼす要素であるか
ら、その調整は可及的に高精度が得られるように
配慮され、また、溶接開始後の区別なく任意に調
整出来る機能を有する場合が多いが、これに伴な
つて弁別用しきい値をも精度良く設定し直す必要
があり、本方式を適用する場合の欠点であつた。

本発明はこのような欠点を緩和し、任意の溶接
電流レベルの変化に対しても常に安定した比較弁
別作用が自動的に得られるとともに高精度、低コ
ストの溶接用倣い検出装置を提供することを目的
としている。

本発明はかかる目的を達成するため、溶接電流
信号に基づくアークセンサ方式に立脚した溶接ウ
イビング幅自動制御，溶接開先幅自動追従，溶接
線自動追従制御を行なわせるための溶接用倣い検
出装置において、溶接電流値が随時任意のレベル
に変化しても、常に一定レベルの電流パターンが
得られる等化増幅回路を設けてウイビング端部の
折返えし点決定のための電流ピーク値比較弁別器
への入力信号とすることにより、溶接電流が変化
しても常に安定に同一パターンのウイビング幅制
御を可能としたことを特徴とするものである。

以下本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。

第５図は本発明による溶接用倣い検出装置のブ
ロツク構成例を、また第６図は電流信号等化増幅
回路の具体的な構成例をそれぞれ示すものであ
る。

第５図は、一般的な消耗電極定速送給ガスシー
ルド溶接法による突合わせ溶接或はすみ肉溶接に
於いて、溶接電流信号による溶接ウイビング幅自
動制御と溶接開先幅自動追従制御機能を、本発明
にもとづく電流信号等化増幅回路を適用して構成
した場合のブロツク構成例である。第５図ａは突
合わせ溶接に於ける機器構成例であつて、図中、
１は被溶接材、２は溶接トーチ、はアーク電
圧、は溶接電流、は溶接電源の極性、Ｚ，
Ｙは溶接トーチを基準に設定せる駆動軸の名称を
示し、この場合はＺ軸方向は固定、Ｙ軸方向には
ウイビングさせている状況を表わす。第５図ｂ
は、すみ肉溶接における構成例を示すもので、そ
の各構成要素は同図ａにおけるそれらと同一機能
を有する構成要素である。次に、第５図ｃは、同
図ａ突合わせ溶接に於いて、溶接電流信号による
溶接ウイビング幅自動制御と溶接開先幅自動追従
制御を、本発明に基づく電流信号の等化増幅回路
を適用して構成した例を示し、同図中、１及び２
は同図ａ或はｂの同一符号と同じ機能要素、３は
電流入力信号Ｉが加えられる入力端子、４はロー
パスフイルタ、５は電流信号Ｉ、６は等化増幅回
路、７は等化電流出力信号EQ.I、８は比較弁別
回路、９は比較弁別用しきい値設定回路、１０は
設定されたしきい値出力信号、１１は右左進行弁
別並びにホールド回路、１２はサーボ増幅器、１
３はサーボ増幅器用入力レベル設定（サーボモー
タ速度設定）回路、１４はＹ軸駆動サーボモー
タ、１５はＹ軸駆動装置をそれぞれ示す。なお、
第５図ｂすみ肉溶接に係る構成も上記突合わせ溶
接に係る構成と全く同一である。

次に、第６図は、第５図に於ける機能構成要素
のうち、本発明の基本となる電流信号等化増幅回
路の具体例である。第６図ａは電流入力信号Ｉ
を、掛算器、割算器及び演算増幅器により演算さ
せ、等化電流信号EQ.Iとして出力させる場合の
回路構成例を示し、同図中、５，６及び７は第５
図に於ける同一符号のものと同じである。上記電
流信号等化増幅回路６はその詳細構成要素として
線形増幅器６Ａ、演算要素６Ｂとして割算器Ｄ、
割算器６Ｂの出力に係るピークホールド６Ｃ、演
算要素６Ｄとして掛算器Ｍ、入力レベル調整用可
変抵抗器VR１、基準増幅度設定用可変抵抗器VR
２、共通基線COMから構成されている。第６図
ｂは、電流入力信号Ｉを、掛算器Ｍ及び演算増幅
器により演算させ、等化電流信号EQ.Iとして出
力させる場合の回路構成例であつて、演算要素６
Ｂとして掛算器Ｍ１、演算増幅器OP２により構
成したもので他の要素については同図ａと同一符
号のものは同一要素である。第６図ｃは、電流入
力信号Ｉを、掛算器Ｍ、演算増幅器、トランジス
タにより演算させ、等化電流信号EQ.Iとして出
力させる場合の回路構成例であつて、同図演算要
素６Ｂとして演算増幅器OP２〜OP４、、トラン
ジスタTR１，TR２により構成したもので、他の
要素については同図ａ或はｂと同一符号のものは
同一要素である。

次に上記のように構成された溶接用倣い検出装
置の作用を述べる。

第５図の機能構成に係る一般的作用については
公知と認められるので、ここでは本発明の中心と
なる第６図の構成に係る等化増幅作用について説
明する。

先ず、第７図により等化増幅作用の原理を説明
する。第７図ａは従来用いられている自動利得制
御（Automatic Gain Control：AGC）回路構成
例であつて、可変利得素子VG、直流変換器RE、
比較器COM、ピークホールドPHの機能要素が出
力・入力間で閉ループ饋還回路を構成しているの
が特徴であるが、広い範囲の入力信号レベルに対
する定出力レベル化機能並びに線形度保持に難点
がある。これに対し、同図ｂは本発明に係る等化
増幅作用の原理を示すもので、割算器Ｄ、直流変
換器RE、ピークホールドPH、掛算器Ｍの機能要
素が開ループ演算回路を構成することにより、割
算器Ｄ、掛算器Ｍの許容入出力範囲での全レベル
について高精度な定出力レベル化機能並びに線形
度を得ることが出来る特徴を有する。このよう
に、本発明に係る等化増幅回路は、従来の自動利
得制御回路とは構成、作動原理、作用が根本的に
異なることに注意を要する。

第８図は第６図の構成に係る等化増幅作用の具
体的説明図である。第８図ａは突合わせ溶接に於
いて、溶接トーチをＹ軸方向にウイビングさせ乍
ら進行する場合の概念図であつて、すみ肉溶接も
全く同じ相対構成となる。同図ｂは、第６図
（ａ，ｂ，ｃ共通）に於ける入力信号すなわち電
流信号Ｉ５を示し、図示のように溶接トーチのＹ
軸ウイビングに伴ない、中央付近に比しウイビン
グ端部では電流が増加する。図中、I₁，I₂，I₃は
溶接電流レベルを変化させた場合の状況を表わ
す。第８図ｃは第６図のVR２出力すなわち基本
増幅度信号を示し、定数ａである。同図ｄは第６
図（演算要素６Ｂ）の出力信号すなわちｃに示す
定数ａを電流信号で除して得られる逆電流信号
ａ／Ｉを示し、I₁，I₂，I₃の変化に対応して変化
する。第８図ｅは、第６図のピークホールド６ｃ
の出力信号、すなわちｄに示す逆電流信号ａ／Ｉ
peakを示し、I₁，I₂，I₃の変化に対応して変化
する。同図ｆは第６図の演算要素６Ｄ（掛算器）
の出力すなわち等化電流信号EQ.I＝Ｉ・（ａ／
Ｉ）peakを示し、I₁，I₂，I₃の変化に拘らず出力
レベルは一定となる。以上基本的な作用について
説明したが、更にローパスフイルタ４を経た電流
信号５は等化増幅回路６を構成する入力レベル調
整用可変抵抗器VR―１にてレベル調整され、線
形増幅器６Ａで線形増幅あるいは符号反転されて
割算器６Ｂに入力し、ここで基準増幅度設定抵抗
器VR―２からの信号と基本的演算としてV₃′＝
Z′／X′の演算を行なつて逆電流信号を得る。この
逆電流信号をピークホールド６Ｃにてそのピーク
値を得、このピーク値と前記線形増幅器６Ａから
の電流信号とが掛算器６Ｄに加えられ、ここで基
本演算としてV₀＝Ｘ・Ｙの演算がなされて等化
電流信号７として出力され、比較弁別回路８でし
きい値設定回路９からのしきい値信号１０と比較
弁別される。

上記の作用説明は第６図ａについてであるが、
第６図ｂ，ｃの場合も基本的には同じであり、割
算器６Ｂの割算機能をさせるための具体的回路構
成が異なるのみで逆電流信号を得る点では同じな
ので、ここではその説明を省略する。以上の説明
で分るように、本発明による等化増幅回路の作用
により、溶接電流レベルが変動しても、これを定
出力レベルに等化し、後続の比較弁別回路構成と
その機能を単純且つ高精度化するのに極めて有効
である。

なお、第６図ａ，ｂ，ｃは、演算要素６Ｂの構
成が相違することにより、細部作用が異る。すな
わち、同図ａは６Ｂとして割算器Ｄを適用し、そ
の基本的演算機能V₀＝Ｚ′／Ｘ′により逆電流信号ａ／ Ｉを得る。ｂは６Ｂとして掛算器Ｍ１（基本的演
算機能V₀＝Ｘ・Ｙ）を演算増幅器OP２の負饋還
回路に挿入する回路構成とすることにより、総合
的に逆電流信号ａ／Ｉを得る。ｃは６Ｂとして演
算増幅器とトランジスタによる対数変換・逆対数
変換機能を利用することにより、総合的に逆電流
信号ａ／Ｉを得ている。

前述した実施例からも明らかなように本発明で
は溶接ロボツト或は自動アーク溶接装置を用いて
溶接電流信号に基づくアークセンサ方式に立脚せ
る溶接ウイビング幅自動制御と溶接開先幅自動追
従並びに溶接線自動追従制御を行なわせるための
溶接用倣い検出装置において、溶接電流が入力さ
れ且つそのレベルが随時任意のレベルに変化して
も、常に一定レベルの等化電流信号を出力する等
化増幅回路を設けて等化電流信号をウイビング端
折返し点決定に必要な比較弁別器への入力信号と
することにより、後続の比較弁別回路構成とその
機能を単純且つ高精度化するのに極めて有効であ
る。また既存溶接ロボツト或は自動アーク溶接装
置に容易に付加適用出来、しかも主要部分は簡単
なアナログ回路で構成しているので、低コストで
実現できる。さらに溶接関連設備自動化、ロボツ
ト化による省人化の実現に有用な手掛りを与える
ばかりでなく、溶接ロボツ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。

以上述べたように本発明によれば、任意の溶接
電流のレベルの変化に対しても常に一定レベルの
電流信号パターンを得て、これをウイビング端部
の折返えし点決定のための電流ピーク値比較弁別
器への入力信号としたので、常に安定した比較弁
別作用が自動的に得られるとともに高精度、低コ
ストの溶接倣い検出装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は一般的な消耗電極定速送給ガスシール
ドアーク溶接における電流・電圧特性及び溶接電
源の外部特性例を示す図、第２図は第１図の特性
を利用して溶接トーチの位置制御を行う場合を説
明するための構成図、第３図は第１図における基
準電流ベクトルに代えて３段階の電流レベルに変
化させた場合の動作点の変化の状況例を示す説明
図、第４図は第３図の動作原理を応用して突き合
せ溶接及びすみ肉溶接を行なう場合の機器の構成
例と動作例の説明図、第５図は本発明による溶接
用倣い検出装置の一実施例を示す構成図、第６図
は同実施例における電流信号等化増幅回路の具体
的な構成図、第７図は等化増幅作用の原理説明
図、第８図は第６図の構成に係る等化増幅作用を
具体的に説明するための図である。 １……被溶接材、２……溶接トーチ、３……入
力端子、４……ローパスフイルタ、５……電流信
号、６……等化増幅回路、７……等化電流出力信
号、８……比較弁別回路、９……比較弁別用しき
い値設定回路、１０……しきい値出力信号、１１
……左右進行弁別・ホールド回路、１２……サー
ボ増幅器、１３……サーボ増幅器用入力レベル設
定回路、１４……サーボモータ、１５……駆動装
置。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 溶接電流信号が入力されしきい値設定器に設
   定されたしきい値と比較弁別する比較弁別器、こ
   の比較弁別器で比較弁別された出力をホールドす
   る左右進行弁別・ホールド回路、この左右進行弁
   別・ホールド回路の出力とサーボモータ速度設定
   器に設定された速度設定値との偏差に応動するサ
   ーボモータ、このサーボモータにより駆動され溶
   接トーチをウイビングさせながら進行操作する軸
   駆動機構を備えてアークセンサ方式による溶接ウ
   イビング幅自動制御，溶接開先幅自動追従制御を
   行なう溶接用倣い検出装置において、前記比較弁
   別器の入力側に、溶接電流信号の入力レベルを調
   整する入力レベル調整用可変抵抗器、この可変抵
   抗器の出力を線形増幅する線形増幅器，この線形
   増幅器の出力と基準増幅度設定用可変抵抗器の設
   定値とに基いて逆電流信号を演算する割算器，前
   記線形増幅器の出力のピーク値をホールドするピ
   ークホールドおよびこのピークホールドの出力と
   前記割算器の出力とに基いて等化電流信号を演算
   する掛算器から構成され前記逆電流信号から求め
   られた等化電流信号を前記溶接トーチウイビング
   幅自動制御，溶接開先幅自動追従制御のための溶
   接トーチウイビング端折返し点の決定に必要な前
   記比較弁別器への入力信号として出力する電流信
   号等化増幅回路を設けて溶接電流レベルが変化し
   ても常に一定出力レベルの等化電流信号が得られ
   るようにしたことを特徴とする溶接用倣い検出装
   置。