JP2008080343A - アークセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】安価な加速度センサをアドオンするだけで、従来の標準的なロボットやトーチを用いて、高速ウィービングに対応できるアークセンサを実現することができるアークセンサを提供する。
【解決手段】
アークセンサ４０は、ウィービングするトーチ１１に設けられた３軸加速度センサ４６と、３軸加速度センサ４６から出力された加速度信号に基づいてウィービング波形を算出するＣＰＵを備える。該ＣＰＵはウィービング波形とアーク電流に基づいて、溶接の狙い位置のＹ方向のずれ量を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接ロボットに使用されるアークセンサに関するものである。

溶接ロボットのアーク溶接において、母材の開先内でトーチを左右方向にウィービングさせると、ウィービング位置に応じて該トーチと母材間の距離が変化する。この距離の変化に応じて、溶接の電流や電圧が変化するため、アークセンサは、その挙動を解析することにより、トーチ１２０と母材１２２間の距離が最も長くなる箇所、すなわち、開先中心を検出するようにされている（図８（ｃ）、（ｄ）参照）。

従って、図８（ａ）に示すようにウィービング中心Ｏが開先中心からずれると、ずれた方にウィービングしたときのトーチ１２０から母材１２２までの距離Ｌｘは、反対側にウィービングしたときの距離Ｌｘよりも短くなる。この原理を利用して図８（ｂ）に示すように右側にウィービングしたときの電流積分値Ｓ_Rと左側にウィービングしたときの電流積分値Ｓ_Lとの差を取ることにより、ずれがどのくらい生じているかが推測できる。

従来のアークセンサの構成の概要を説明する。アークセンサは溶接電源から出力されるアーク電流を検出するホール素子等の電流検出器と、ロボット制御装置から出力される６軸のモータ軸の回転位置等の位置情報に基づいて前記アーク電流と同期して時間的に対応するウィービング位置を検出するウィービング位置検出回路と、中央処理装置（ＣＰＵ）を備えている。

そして、ウィービング一周期分のアーク電流が取得された後、例えば、図８（ｃ）に示すように、右側にウィービングしたときの電流積分値Ｓ_Rと左側にウィービングしたときの電流積分値Ｓ_Lを中央処理装置が演算し、それらの差を取得した後、予め付与された係数やオフセット値を加味して、ずれ量の推定値を求めるようにしている。そして、求められたずれ量の推定値は、ロボット制御装置に通知され、該ロボット制御装置は通知されたずれ量に応じて、溶接軌道を補正する。

このようにしてアークセンサでは、ずれ量の算出のためにウィービング位置とアーク電流のデータが精度良く対応している必要がある。そして、アークセンサの中央処理装置がアーク電流をサンプリングした時点で、同時に取得したウィービング位置情報が、その時点でのトーチ先端でのウィービング位置を正確に表わしていない場合、ずれ量の推定のためのアルゴリズムが成立しないことになる。

ところで、溶接ロボットでは、トーチをウィービングをさせながら溶接を行う場合、溶接速度が速くなるほど高速なウィービング周波数が要求されている。例えば、溶接速度１５０cm／分の場合、５Ｈｚでウィービングしたとすると、ウィービングのピッチが５mmとなり、溶接ビードが蛇行したような形状になってしまい、溶接品質上好ましくない。この場合、概ね１０Ｈｚ程度のウィービング周波数が望まれる。

生産性向上のために、溶接速度を向上させる新技術が日々開発されている現状において、アークセンサを高速溶接に対応させるために、高速ウィービングはその必要性が高まってきている。

しかしながら、６軸のロボットマニピュレータの動作によりウィービングを行う際、任意の方向に任意の振幅で動作させようとした場合、前記６軸全てが某かの反復動作を行うことになる。

ところが、ロボットマニピュレータの各軸は図９に示すようにモデル化できるが、減速機１０５を含む減速機構部分にバネ要素を含むため、ウィービング周波数が高くなると、モータ１００の回転位置と、アーム１１０の回転位置に位相差が生じる。

例えば、ロボットマニピュレータに良く用いられるＲＶ減速機の場合、図１０に例示するようなバネ特性を持っている。従って、アーム１１０の慣性と減速機１０５のバネ特性により、モータ１００の往復運動の周波数に応じて、アーム１１０の応答動作が変動する。図１１は、一般的に知られているモータからアームへの伝達特性のボード線図であり、同図に示すように、一般的なアーク溶接ロボットマニピュレータにおいて、アームの共振周波数は１０Ｈｚ前後であり、その周波数を境に、モータの往復動作に対するアームの応答動作の位相が大きく変化する。

従って、１０Ｈｚ近傍からそれ以上のウィービング周波数でロボットマニピュレータを動かした場合、従来技術のロボット制御装置から出力される６軸のモータ軸の回転位置等の位置情報をアークセンサに通知する方法では、実際のマニピュレータ先端のウィービング位置とは位相がずれてしまう。このため、図８（ａ）〜（ｄ）で示したずれ量推定のアルゴリズムは正常に機能しなくなる。

特許文献１では、ウィービング周波数を高速にする場合の位置ずれ情報を正確に把握するための技術が提案されている。又、特許文献２及び特許文献３では、５Ｈｚ以上の周波数でのウィービングは、ロボットでは行わず、ウィービング機能をもったトーチをロボットに装着することで、対応している。

これらの、トーチを用いることにより、高速（１０Ｈｚ〜５０Ｈｚ）のウィービング動作においても、実際ウィービング位置が制御上のウィービング位置から位相ずれすることなく、アークセンサを高精度に機能させることができる。
特許第３６０８０６０号 特開平８−２８１４４３号公報 特公平６-２３０８号公報

しかし、特許文献１では、従来技術のロボット制御装置から出力される６軸のモータ軸の回転位置等の位置情報をアークセンサに通知する方法であり、減速機を含む減速機構部分にバネ要素を含むため、ウィービング周波数が高くなると、モータ１００の回転位置と、アーム１１０の回転位置に位相差が生じる問題は解決されていない。

又、特許文献２、特許文献３では、トーチ自体が高価になるとともに消耗品の保守・補充にも経費がかり、さらに、トーチの外観が通常のトーチに比べて大きく、ワークや治具への干渉が発生しやすい問題がある。

本発明の目的は、安価な加速度センサをアドオンするだけで、従来の標準的なロボットやトーチを用いて、高速ウィービングに対応できるアークセンサを実現することができるアークセンサを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、トーチがウィービングして溶接する際に、アーク電流に基づいて溶接の狙い位置のずれ量を検出するアークセンサにおいて、前記ウィービングするトーチに設けられた３軸加速度センサと、前記３軸加速度センサから出力された加速度信号に基づいてウィービング波形を算出するウィービング波形算出手段とを備え、該ウィービング波形と前記アーク電流に基づいて、前記ずれ量を検出することを特徴とするアークセンサを要旨とするものである。

請求項２の発明は、請求項１において、前記ウィービング波形算出手段は、前記各軸における加速度信号に基づいて各軸の加速度波形を求め、３軸の加速度波形のうち、最大値と最小値の差が最も大きい軸の加速度波形に基づいて各軸のウィービング波形を算出することを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項２において、前記ウィービング波形算出手段は、前記最大値と最小値の差が最も大きい軸の加速度波形を元にさらに積分して速度波形を算出し、該速度波形を元にさらに積分して位置波形を算出し、該位置波形に基づいてウィービング波形を算出することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項２において、前記ウィービング波形算出手段は、前記最大値と最小値の差が最も大きい軸における加速度波形のマイナスピークのタイミングが、ウィービング周期のプラス振幅のピーク位置になるように、ウィービング波形を生成する波形生成手段を含むことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１において、前記ウィービング波形算出手段は、各軸の加速度波形を元にさらに積分して各軸の速度波形を算出し、該各軸の速度波形を元にさらに積分して各軸の位置波形を算出し、前記各軸の加速度波形の最大値と最小値の差が最も大きい軸に関して、前記各軸の位置波形の振幅に基づいてウィービング波形を算出することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項３又は請求項５において、三角関数波形を生成する三角関数波形生成手段と、前記ウィービング波形算出手段が算出したウィービング波形と、前記三角関数波形生成手段が生成した三角関数波形とを比較し、ウィービング波形の歪みを算出する歪み算出手段を備えたことを特徴とする。

以上詳述したように、請求項１の発明によれば、安価な加速度センサをアドオンするだけで、従来の標準的なロボットやトーチを用いて、高速ウィービングに対応できるアークセンサを実現することができる。又、ロボット制御装置からモータ軸の回転位置等の位置情報を取得することがないため、ウィービング周波数が高くなっても、ロボットのモータの回転位置と、アームの回転位置に位相差が生じることはない。

請求項２の発明によれば、３軸の加速度波形のうち、最大値と最小値の差が最も大きい軸の加速度波形に基づいて各軸のウィービング波形が算出されることにより容易に請求項１のアークセンサを実現できる。

請求項３の発明によれば、最大値と最小値の差が最も大きい軸の加速度波形に基づいて最終的に位置波形が算出されて、この位置波形に基づいてウィービング波形を容易に得ることができる。

請求項４の発明によれば、請求項３の発明よりも計算量が少なく演算が速くできる効果があり、高速ウィービング動作に適することができる。
請求項５の発明によれば、各軸の加速度波形の最大値と最小値の差が最も大きい軸に関して、前記各軸の位置波形の振幅に基づいてウィービング波形を算出することにより、容易に請求項１のアークセンサを実現できる。

請求項６に発明によれば、歪み算出手段を備えることにより算出された歪みに応じて、ロボット制御装置２０の制御に役立てることができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態のアークセンサを図１〜７を参照して説明する。図１には、溶接ロボットシステムの概要が示されている。溶接ロボットシステムはトーチ１１を備えた６軸の溶接ロボットマニピュレータ１０、溶接ロボットマニピュレータ１０を制御するロボット制御装置２０、トーチ１１に電力を供給する溶接機３０、及びアーク電流に基づいて溶接の狙い位置のずれ量を検出するアークセンサ４０からなる。

溶接機３０は、溶接電源であり、溶接ロボットマニピュレータ１０のアーム１２の先端にブラケット１３を介して取付されたトーチ１１に対してトーチ側溶接ケーブルＬ１を介してアーク電流を供給する。又、ワークＷは、ワーク側溶接ケーブルＬ２及び溶接機３０を介して電気的に接地されている。

溶接機３０は溶接機通信ケーブルＬ３を介してロボット制御装置２０に接続され、ロボット制御装置２０と制御情報の交信が可能である。又、ロボット制御装置２０は、アークセンサ４０とセンサ通信ケーブルＬ４を介して接続され、アークセンサ４０が算出した溶接の狙い位置のずれ量をアークセンサ４０から受信可能である。又、ロボット制御装置２０は、通信ケーブルＬ５を介して、溶接ロボットマニピュレータ１０と各種の制御データの交信が可能である。

次に、アークセンサ４０を図１、図２を参照して説明する。アークセンサ４０は、トーチ側溶接ケーブルＬ１に取付された電流検出手段としての電流検出器４２、ＲＡＭからなる主記憶回路４３、フラッシュメモリ等からなる補助記憶回路４４、中央処理装置（ＣＰＵ４５）、及びトーチ１１を支持するブラケット１３に取着された３軸加速度センサ４６を主に備えている。３軸加速度センサ４６は、トーチ１１に印加される３軸方向の加速度を検出する。３軸加速度センサ４６の各軸の検出信号は、加速度センサケーブルＬ６を介してアンプ４７にて増幅されるとともにＡ／Ｄコンバータ４８にてデジタル信号に変換されてＣＰＵ４５に入力される。又、電流検出器４２は、ホール素子等からなり、その検出信号（すなわち、アーク電流）はアンプ４９にて増幅されるとともにＡ／Ｄコンバータ４８にてデジタル信号に変換されてＣＰＵ４５に入力される。

ＣＰＵ４５は、アーク電流及び３軸加速度センサ４６の各軸の加速度に基づいて溶接の狙い位置のずれ量を算出し、送信回路５０及びセンサ通信ケーブルＬ４を介してロボット制御装置２０に通知する。

補助記憶回路４４は、例えば、電流検出器４２や、３軸加速度センサ４６から入力された各種信号や、ロボット制御装置２０から通知された各種情報（例えば、ウィービング周期、振幅情報、センシング開始命令）を一時格納する。

さて、上記のように構成されたシステムにおいて、ロボット制御装置２０とアークセンサ４０の動作を図３、図４を参照して説明する。
なお、ロボット制御装置２０には図示しないティーチペンダントにより溶接開始点等の教示位置や、溶接条件指令（アーク電流値）、溶接開始指令（シールドガス放流、トーチスイッチＯＮ等の処理シーケンス）等からなるプログラムが登録されているものとする。又、これらの教示されたプログラムは教示データとしてロボット制御装置２０内のＣＰＵがＲＯＭ（ともに図示しない）に格納されているアルゴリズムに従ってＲＡＭ（図示しない）へ格納され、この既ティーチングされた教示データであるプログラムにより、システムが自動運転される。

図３に示すように、ロボット制御装置２０は、前記プログラムによりＳ１０〜Ｓ６０の処理を実行して、溶接ロボットマニピュレータ１０（以下、単にロボットという）を駆動制御する。この結果、Ｓ１０において、トーチ１１が溶接開始点に到着される。なお、このとき、ロボット制御装置２０のＣＰＵ（図示しない）はアークセンサ４０のＣＰＵ４５にウィービング周期、ウィービングの振幅情報や、センシング開始命令を通知する。そして、Ｓ２０では溶接が開始され、Ｓ３０では、ウィービングが開始される。この場合、進行方向座標系のＹ＋から振り出される。

ここで、進行方向座標系とは、図１に示すように溶接の進行方向を軸Ｚ＋とし、この軸Ｚ＋に垂直な平面にトーチ１１を投影した軸をＸ＋とし、右手座標系で軸Ｘ＋とＺ＋に垂直な軸をＹ＋とするものである。

そして、Ｓ４０では、教示された溶接線に沿ってトーチ１１が進行され、Ｓ５０では、溶接のＹ方向狙い位置が、アークセンサ４０から通知された溶接の狙い位置のＹ方向のずれ量に基づいて補正される。このＳ４０，Ｓ５０の処理は溶接終了点まで繰り返される。そして、Ｓ６０では、ロボット（すなわち、トーチ１１）が溶接終了点に達すると、ロボット制御装置２０はセンシング終了命令をアークセンサ４０に通知し、ロボットの制御を終了する。

次に、アークセンサ４０のＣＰＵ４５が実行する処理を説明する。
Ｓ１００では、ＣＰＵ４５はロボット制御装置２０から通知された前記ウィービング周期及びウィービングの振幅情報を補助記憶回路４４から読み込む。Ｓ１１０では、ＣＰＵ４５はロボット制御装置２０から前記センシング開始命令を補助記憶回路４４から読み込む。Ｓ１２０では、ＣＰＵ４５は現時点からウィービング一周期分の期間において、電流検出器４２からその時々のアーク電流を、３軸加速度センサ４６からの３軸分のその時々の加速度信号を、各々サンプリングする。

Ｓ１３０では、ＣＰＵ４５はサンプリングされた加速度信号が、１回目か否かを判定し、１回目の場合は、Ｓ１９０において、最初に加速度発生した方向をＹ＋と判断し、Ｓ１５０に移行する。又、ＣＰＵ４５はサンプリングされた加速度信号が、１回目でなければ、Ｓ１４０において３軸の加速度信号からウィービング波形を算出する。

（ウィービング波形の算出）
ここで図４を参照して、ＣＰＵ４５が行うウィービング波形の算出処理について説明する。

１） ＣＰＵ４５はＳ１２０で取得したウィービング一周期分の３軸分の加速度センサのデータ（加速度信号）のそれぞれに対して、該各データの最初と最後の値が一致するように傾斜補正を行う。図４（ａ１）は、取得した加速度信号の波形、すなわち、傾斜補正する前の加速度波形が示されている。ここで、傾斜補正は、一周期の最初と最後のデータを結ぶ直線を引き（図４（ａ２）参照）、前記加速度波形から直線データを引き算することにより行われる（図４（ａ３）参照）。

２） ３軸分の加速度波形に対して傾斜補正が終了した後、ＣＰＵ４５は、傾斜補正後の３軸の加速度波形のうち、最大値と最小値の差が最も大きい軸を選択する。
３） そして、ＣＰＵ４５は選択した１つの軸の傾斜補正後の加速度波形が±対称になるようにオフセット補正を行う。図４（ｂ１）は図４（ａ３）と同じ傾斜補正後の加速度波形を示し、図４（ｂ２）はオフセット補正後の加速度波形を示している。

４） 次に、ＣＰＵ４５はオフセット補正後の加速度波形を積分し、速度波形を算出する。図４（ｃ１）は、図４（ｂ２）と同じオフセット補正後の加速度波形を示し、図４（ｃ２）は積分後の速度波形を示している。

５） 前記１）と同じ方法でＣＰＵ４５は、前記積分で算出された速度波形に対して傾斜補正するとともに、前記２）と同じ方法でオフセット補正する。
６） 次に、ＣＰＵ４５は、さらに、オフセット補正後の速度波形を積分し、位置波形を算出する。図４（ｄ１）は、図４（ｄ１）は、オフセット補正後の速度波形を示し、図４（ｄ２）は積分後の位置波形を示している。

７） 次に、前記１）と同じ方法でＣＰＵ４５は、前記積分で算出された位置波形に対して傾斜補正するとともに、前記２）と同じ方法でオフセット補正する。
８） そして、ＣＰＵ４５はオフセット補正後の位置波形のスケールをＳ１００で取得したウィービングの振幅（振幅情報）と合わせ、ウィービング波形を算出する。図４（ｅ１）はオフセット補正後の位置波形を示し、図４（ｅ２）は、ウィービング波形を示している。

ここで算出されたウィービング波形は、その時々のウィービング位置を示しており、該ウィービング位置とアーク電流のデータが精度良く対応することになる。このため、アークセンサ４０のＣＰＵ４５がアーク電流をサンプリングした時点でのトーチ先端でのウィービング位置は正しく表わされていることになる。

ＣＰＵ４５は、このようにウィービング波形算出手段に相当する。
続いて、図３のフローチャートの説明に戻る。
Ｓ１５０では、ＣＰＵ４５は、ウィービング波形の右側（Ｙ＋側）の電流積分値Ｓ_Rと、左側（Ｙ−側）の電流積分値Ｓ_Lを算出する。

なお、Ｓ１９０からＳ１４０に移行した場合は、ＣＰＵ４５は、初期値としてのウィービング波形を使用して、ウィービング波形の右側（Ｙ＋側）の電流積分値Ｓ_Rと、左側（Ｙ−側）の電流積分値Ｓ_Lを算出する（図８（ｂ）、図８（ｄ）参照）。

続く、Ｓ１６０では、ＣＰＵ４５は、電流積分値Ｓ_R−電流積分値Ｓ_Lを演算し、その差に基づいて予め与えられた係数や、オフセット値を加味して、溶接の狙い位置のＹ方向のずれ量の推定値を公知の方法で算出する。

続く、Ｓ１７０では、ＣＰＵ４５は、溶接の狙い位置のＹ方向のずれ量の推定値をロボット制御装置２０に対して通知する。Ｓ１８０ではＣＰＵ４５はロボット制御装置２０からセンシング終了命令が入力されているか否かを判定し、センシング終了命令が入力されていない場合には、Ｓ１２０に移行して、センシングを継続する。又、センシング終了命令が入力されている場合には、ＣＰＵ４５は、このフローチャートを終了する。

さて、本実施形態によれば、以下のような特徴がある。
（１） 本実施形態のアークセンサ４０は、ウィービングするトーチ１１に設けられた３軸加速度センサ４６と、３軸加速度センサ４６から出力された加速度信号に基づいてウィービング波形を算出するウィービング波形算出手段としてのＣＰＵ４５を備える。そして、ＣＰＵ４５は該ウィービング波形とアーク電流に基づいて、溶接の狙い位置のＹ方向のずれ量を検出するようにした。この結果、本実施形態によれば、安価な３軸加速度センサ４６をアドオンするだけで、従来の標準的なロボットやトーチを用いて、高速ウィービングに対応できるアークセンサを実現できる。又、ロボット制御装置２０からモータ軸の回転位置等の位置情報を取得することがないため、ウィービング周波数が高くなっても、ロボットのモータの回転位置と、アームの回転位置に位相差が生じることはない。

（２） 本実施形態では、ＣＰＵ４５が、３軸の加速度波形のうち、最大値と最小値の差が最も大きい軸の加速度波形に基づいて各軸のウィービング波形を算出することにより上記（１）のアークセンサを容易に実現できる。

（３） 本実施形態では、ＣＰＵ４５は、最大値と最小値の差が最も大きい軸の加速度波形を元にさらに積分して速度波形を算出し、該速度波形を元にさらに積分して位置波形を算出し、該位置波形に基づいてウィービング波形を算出するようにした。この結果、本実施形態のアークセンサ４０は最大値と最小値の差が最も大きい軸の加速度波形に基づいて最終的に位置波形を算出することによりこの位置波形に基づいてウィービング波形を容易に得ることができる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図３、及び図５を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一構成については同一符号を付してその詳細な説明を省略し、異なる構成について説明する（第２実施形態を含めた他の実施形態についても同様）。

第２実施形態では、第１実施形態のＳ１４０におけるウィービング波形の算出の方法が異なっており、他の構成及び作用は同一である。
ここでまず、第２実施形態におけるウィービング位置とウィービング加速度との関係を説明する。

一般に、ウィービング位置をＹ、ウィービング加速度をαとすると、
α＝ｄ^２Ｙ／ｄｔ^２ ……（１）
で表せる。ここで、ｄｔは微少時間を示す。つまり、位置を２階微分すると、加速度になる。ウィービング波形が三角関数である場合、周波数をωとすると、
Ｙ＝sinωｔ ……（２）
で表されるため、
α＝ｄ^２sinωｔ／ｄｔ^２＝−ω^２sinωｔ＝−ω^２Ｙ……（３）
で与えられる。

従って、ウィービング振幅のＹ＋のピークは加速度のＹ−のピーク、振幅のＹ−のピークは加速度のＹ＋のピークと時間が一致する。
そこで、第２実施形態では、ＣＰＵ４５は以下のようにウィービング波形を成形する。

１） ＣＰＵ４５は３軸加速度センサ４６の加速度信号を、第１実施形態のＳ１４０で説明した２）まで処理する。すなわち、３軸分の加速度波形に対して傾斜補正が終了した後、ＣＰＵ４５は、傾斜補正後の３軸の加速度波形のうち、最大値と最小値の差が最も大きい軸を選択するところまでは同じ処理が行われる。

そして、最大値と最小値の差が最も大きい軸についての加速度波形（図５（ａ）参照）のマイナスピークのタイミングがウィービング波形のプラス振幅のピーク位置になるように、自らウィービングのサイン波形を生成する（図５（ｂ）参照）。ここで、第２実施形態のＣＰＵ４５は、波形生成手段に相当する。

以上のようにして、第２実施形態では、下記の特徴を有する。
○ 第２実施形態では、ＣＰＵ４５は、最大値と最小値の差が最も大きい軸における加速度波形のマイナスピークのタイミングが、ウィービング周期のプラス振幅のピーク位置になるように、ウィービング波形を生成するようにした。この結果、第２実施形態では、第１実施形態よりも、ＣＰＵ４５によるウィービング波形を取得するための計算量が少なくてすみ、演算が速くできる効果があり、高速ウィービング動作に適することができる。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態を図４を参照して説明する。第３実施形態においても、第１実施形態のＳ１４０におけるウィービング波形の算出の方法が異なっており、他の構成及び作用は同一である。第３実施形態では、３軸加速度センサ４６が十分な定量的性能を持っていることに着目して、３軸加速度センサ４６の加速時信号から実際のウィービング波形を算出するようにしている。

なお、第３実施形態は第１、第２実施形態と同様に、ロボットによるウィービングは必ずＹ＋方向から振り出されるものとし、アークセンサ４０はその振り出し動作のタイミングにおける３軸加速度センサ４６からの信号をＹ＋方向の動作と判断する。なお、Ｙ方向の符号に関しては、この逆であってもよい。そして、どちらから振り出すかを予めロボット制御装置２０がアークセンサに通知しておいてもよい。

そして、Ｓ１４０においては、ＣＰＵ４５は第１実施形態で説明した１）の処理をした後、３）〜７）の処理を３軸すべての波形に対して行い、下記の式（４ａ）、式（４ｂ）、式（５ａ）、式（５ｂ）のいずれかの式でウィービング波形の算出を行う。

なお、該式中、加速度センサの３軸をａ，ｂ，ｃ軸と表すことにし、７）の処理が終わった後の各センサ軸の振幅波形をｆａ，ｆｂ，ｆｃとする。
ここでの式は、第１実施形態で説明した２）の判定で、仮にａ軸の加速度の最大値と最小値の差が最も大きかった場合の式である。

１） ウィービングの最初の振り出しのタイミングにおいて、ａ軸の加速度がプラス側であった場合

２） ウィービングの最初の振り出しのタイミングにおいて、ａ軸の加速度がマイナス側であった場合

ここで、算出された値に対して、係数（mm／ｓ^２）を掛けて実際の振幅Ｙの値を算出する。なお、係数（mm／ｓ^２）を掛ける理由は、式（４ａ）、式（４ｂ）、式（５ａ）、式（５ｂ）は理論式であり、ａ，ｂ，ｃ軸の加速度はアンプによって電圧レベルで与えられて、さらにＡ／Ｄコンバータ４８によりＣＰＵ４５の読み出し値として得られる。このため、式（４ａ）、式（４ｂ）、式（５ａ）、式（５ｂ）で算出された値に対し加速度の物理量、例えばmm／ｓ^２等の値に変換する係数を掛ける等の処理を行うのである。この係数は、予め試験等により、得られた数値である。

以上のようにして、第３実施形態では、下記の特徴を有する。
○ 本実施形態ではＣＰＵ４５は各軸の加速度波形を元にさらに積分して各軸の速度波形を算出し、該各軸の速度波形を元にさらに積分して各軸の位置波形を算出し、前記各軸の加速度波形の最大値と最小値の差が最も大きい軸に関して、前記各軸の位置波形の振幅に基づいてウィービング波形を算出するようにした。この結果、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第４実施形態）
次に、第４実施形態を図６及び図７を参照して説明する。第４実施形態は、第１実施形態の構成にさらにＣＰＵ４５は、ウィービング波形の歪み検出を行うところが異なっている。

この歪み検出について説明する。
第１実施形態の場合、３軸加速度センサ４６の各軸の加速度信号に基づいてウィービング波形の算出を行っているため、実際にトーチ１１の先端でのウィービング波形に歪みが生じる場合がある。この理由は、ロボットにウィービング動作を行わせる場合、いかにモータ軸を正確に制御しても、図１０に示す減速機のバネ特性や、図１１に示すように一般的なロボットマニピュレータにおいて、アームの共振周波数を境に、モータの往復動作に対するアームの応答動作の位相が大きく変化するためである。

さらに、多関節ロボットでは動作時に重力、遠心力、コリオリ力等の力や、軸間の干渉力（作用反作用の力）が働くため、非線形な要素を多分に含み、特に高速でウィービングを行った場合に、トーチ１１先端が描く波形が、三角関数（正弦波等）にならず、図６に示すような歪みをもった波形となる場合がある。なお、図６は、トーチ１１先端のウィービング位置を、該部に設置したレーザ変位センサで測定したものである。

ウィービングがこのように歪んだ波形になった場合、図８（ａ）〜（ｄ）で示したアークセンサの基本原理によるずれ推定の誤差発生要因になり、倣い精度が悪化したり、歪みがひどい場合には、溶接線から倣いが脱線してしまう可能性がある。

このため、第４実施形態では、アークセンサ４０のＣＰＵ４５は３軸加速度センサ４６の加速信号に基づいてウィービング波形が算出されているため、この波形と三角関数波形との比較を行う。このことにより、波形の歪みを定量的に捉えることができる。

図７には波形比較の一例が示されている。同図中、計測波形Ｙｍは、第１実施形態のＳ１４０の８）で得られた最終波形、すなわちウィービング波形である。又、同図中、理想波形Ｙｉは、ＣＰＵ４５により、前記計測波形Ｙｍのプラスマイナスのピークにそのピークが一致するように生成された三角関数の波形である。ここで、ＣＰＵ４５は、三角関数波形生成手段及び歪み算出手段に相当する。

そして、具体的には、ＣＰＵ４５は、計測波形Ｙｍの歪みＤは、例えば、振幅Ｙに対する平均誤差ｙｅの比率で表わす。
Ｄ＝ｙｅ/Ｙ ……（６）
なお、平均誤差ｙｅはデシタル処理の場合、一般的には２乗平均を演算する下記の式で得られる。

ここで、Ｎはウィービング一周期分を計測したデータ数を示し、ｎは１〜Ｎまでを示す。このように得られた歪みＤの値が予め設定された閾値Ｄｃを越えた場合に、ＣＰＵ４５は、ウィービング波形の歪みが大きいと判定し、送信回路５０及びセンサ通信ケーブルＬ４を介してロボット制御装置２０にその旨を通知する。ロボット制御装置２０は、この旨の通知を受けた場合、アークセンサ４０から得たずれ量の推定値による動作経路の補正を停止する。

このように、アークセンサ４０が機能しないために生じる溶接不良やライン停止を未然に防止することができる。
なお、本発明の実施形態は以下のように変更してもよい。

○ 前記第４実施形態は、第１実施形態の構成に付加する構成としたが、第４実施形態の構成を第３実施形態の構成に付加するようにしてもよい。なお、この場合、図７に示される計測波形Ｙｍは、第３実施形態の式（４ａ）、式（４ｂ）、式（５ａ）、式（５ｂ）を使用して得られた波形である。

○ 第４実施形態では、ＣＰＵ４５は、ウィービング波形の歪みが大きいと判定し、送信回路５０及びセンサ通信ケーブルＬ４を介してロボット制御装置２０にその旨を通知するようにしたが、ロボット制御装置２０以外の外部装置に対して送信回路５０及び外部装置に接続された通信ケーブルを介して通知するようにしてもよい（図２参照）。

この場合、外部装置としては、溶接ロボットマニピュレータ１０に設けられた図示しない表示装置や、警告装置があり、前記通知があった場合、表示装置や、警告装置は、ウィービングが歪んでいる旨の表示又は警告を表示する。このように構成されることによりアークセンサ４０が機能しないために生じる溶接不良やライン停止を未然に防止することができる。

○ 前記実施形態では、６軸の溶接ロボットマニピュレータは６軸としたが、６軸に限定されるものではなく、６軸以外のマニピュレータであっても本発明のアークセンサは適用できるものである。

本発明を具体化した一実施形態のアークセンサを含む溶接ロボットシステムの概略構成図。 同じくアークセンサの電気ブロック図。 同じくアークセンサ及びロボット制御装置が実行するプログラムのフローチャート。 （ａ１）〜（ａ３）、（ｂ１）〜（ｂ２）、（ｃ１）〜（ｃ２）、（ｄ１）〜（ｄ２）、（ｅ１）〜（ｅ２）はウィービング波形を算出するまでの各ステップの波形図。 （ａ）は他の実施形態の加速度波形図、（ｂ）は同じくウィービング波形図。 波形歪みの例を示す波形図。 計測波形と理想波形の波形図。 （ａ）はウィービングの説明図、（ｂ）はトーチ位置がずれた場合のアーク電流の積分領域を示す説明図、（ｃ）はトーチ位置の説明図、（ｄ）はトーチ位置がずれない場合のアーク電流の積分領域を示す説明図。 ロボットマニピュレータの１つの軸のモデル図。 ＲＶ減速機の静的剛性を示す特性図。 一般的に知られているモータからアームへの伝達特性のボード線図。

符号の説明

１０…溶接ロボットマニピュレータ、１１…トーチ、
２０…ロボット制御装置、３０…溶接機、４０…アークセンサ、
４５…ＣＰＵ（波形生成手段、ウィービング波形算出手段、三角関数波形生成手段、歪み算出手段）、４６…３軸加速度センサ。

Claims (6)

1. トーチがウィービングして溶接する際に、アーク電流に基づいて溶接の狙い位置のずれ量を検出するアークセンサにおいて、
   前記ウィービングするトーチに設けられた３軸加速度センサと、
   前記３軸加速度センサから出力された加速度信号に基づいてウィービング波形を算出するウィービング波形算出手段とを備え、
   該ウィービング波形と前記アーク電流に基づいて、前記ずれ量を検出することを特徴とするアークセンサ。
2. 前記ウィービング波形算出手段は、前記各軸における加速度信号に基づいて各軸の加速度波形を求め、３軸の加速度波形のうち、最大値と最小値の差が最も大きい軸の加速度波形に基づいて各軸のウィービング波形を算出することを特徴とする請求項１に記載のアークセンサ。
3. 前記ウィービング波形算出手段は、前記最大値と最小値の差が最も大きい軸の加速度波形を元にさらに積分して速度波形を算出し、該速度波形を元にさらに積分して位置波形を算出し、該位置波形に基づいてウィービング波形を算出することを特徴とする請求項２に記載のアークセンサ。
4. 前記ウィービング波形算出手段は、前記最大値と最小値の差が最も大きい軸における加速度波形のマイナスピークのタイミングが、ウィービング周期のプラス振幅のピーク位置になるように、ウィービング波形を生成する波形生成手段を含むことを特徴とする請求項２に記載のアークセンサ。
5. 前記ウィービング波形算出手段は、各軸の加速度波形を元にさらに積分して各軸の速度波形を算出し、該各軸の速度波形を元にさらに積分して各軸の位置波形を算出し、前記各軸の加速度波形の最大値と最小値の差が最も大きい軸に関して、前記各軸の位置波形の振幅に基づいてウィービング波形を算出することを特徴とする請求項１に記載のアークセンサ。
6. 三角関数波形を生成する三角関数波形生成手段と、
   前記ウィービング波形算出手段が算出したウィービング波形と、前記三角関数波形生成手段が生成した三角関数波形とを比較し、ウィービング波形の歪みを算出する歪み算出手段を備えたことを特徴とする請求項３又は請求項５に記載のアークセンサ。

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