JP2012091197A - アーク溶接の制御システムおよび制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができるアーク溶接の制御システムおよび制御方法を提供する。
【解決手段】ウィービング幅の操作量Δｗおよびトーチ高さの操作量Δｚは、それぞれ開先壁距離偏差ΔＰ_ｄに対してトーチ高さ偏差ΔＰ_ｈが各操作量に影響する影響比率δ_ｗ，δ_ｚがワーク５の開先角度θに応じて設定されており、演算器２１は、当該開先角度θが大きいほど影響比率δ_ｗ，δ_ｚが大きくなるようにアクチュエータ１３，１４のトーチ高さおよびウィービング幅に関する操作量Δｚ，Δｗを演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、アークの電流または電圧に応じて溶接トーチを位置制御するためのアーク溶接の制御システムおよび制御方法に関する。

溶接対象であるワークに対してワークの溶接線に沿って溶接トーチを自動的に倣わせながらアーク溶接を行う技術が知られている。このような自動アーク溶接装置において、溶接トーチをワークの開先の幅方向に所定のウィービング幅および所定のトーチ高さで周期的に移動させつつワークの溶接線方向に沿ってビードが形成されるように移動させる制御を行う必要がある。このような制御においては、溶接トーチとワークの溶接線との相対的な位置関係を把握する必要がある。例えば、溶接トーチにレーザセンサ等の位置センサを設けることも考えられるが、高価であるし、狭隘部を溶接する場合には位置センサが邪魔となる場合がある。

そこで、溶接アークの特性を利用して溶接トーチ周りに付加装置の不要なアークセンサを用いた溶接では、溶接トーチの先端に突出された電極とワークとの間で発生するアークの溶接電流やアーク電圧を検出し、電極の先端とワークとの距離を演算することにより溶接トーチの位置を把握している。具体的には、ウィービングの両端での溶接電流値またはアーク電圧値を比較することにより溶接線倣いを制御することができ、ウィービング中の溶接電流値またはアーク電圧値を目標値と比較することによりトーチ高さの制御を行うことができる。

さらに、ワークの開先幅に対して適切なウィービング幅を得るためにウィービング幅を制御する方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合、ウィービングの端部における溶接電流値またはアーク電圧値を目標値と比較してウィービング幅を増減する制御が行われる。

特公平４−７０１１７号公報

上記特許文献１の方法においては、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とは独立して行われている。しかしながら、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とは互いに影響しあうものであるため、それぞれの制御において最適化しようとすると、以下のような不都合が生じる。

図１１は従来のアークセンサウィービング幅制御における不都合を説明するための模式図である。図１１（ａ）に示されるような初期ウィービング幅ｗ_０およびトーチ高さｚ_０である場合に、ウィービング幅ｗの端部とワークとの水平距離（壁距離）が目標値ｄ_ｒｅｆとなるようにウィービング幅ｗを広げる制御を行うとともに、トーチ高さｚが目標値ｚ_ｒｅｆとなるようにトーチ高さｚを低くする制御を行うと、図１１（ｂ）に示されるように、トーチ高さが低くなることによりウィービング幅の端部とワークとの水平距離も短くなるため、ウィービング幅ｗが目標トーチ高さｚ_ｒｅｆにおける目標ウィービング幅ｗ_ｔより大きくなってしまう。一般に、ウィービング幅およびトーチ高さの制御は所定の制御サイクルごとに少しずつ変化させる。従って、ウィービング幅ｗに関して言えば、図１１（ｃ）の破線で示すように、初期ウィービング幅ｗ_０から制御サイクルを繰り返すほど目標ウィービング幅ｗ_ｔに漸近して行くのが望ましい。しかしながら、上記従来の構成においては、初期ウィービング幅ｗ_０に対して本来であれば目標ウィービング幅ｗ_ｔに近づけるためにウィービング幅ｗを狭める制御を行う必要があるにも拘らずウィービング幅ｗを広げる制御を行ってしまうため、図１１（ｃ）の実線で示すように、目標値に対し反対方向に動作したり、目標値で安定するまでに時間がかかることとなる。

このように、ウィービング幅の制御およびトーチ高さの制御のそれぞれの制御において個別に最適な制御を行うと、結果として溶接トーチとワークとの水平距離が近づき過ぎ、溶接欠陥になったり、溶接トーチとワークとが接触したりする問題が生じ得る。従って、このような従来の方法において、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを独立して行いつつ溶接欠陥等の問題を生じさせないためには、それぞれの制御においてゲインを下げる他なく、高性能な制御を行うことができない。

また、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とをウィービングの周期に応じて交互に行うことも可能である。すなわち、この方法においてはウィービング幅の制御を行う際にはトーチ高さの制御は行わず、トーチ高さの制御を行う際にはウィービング幅の制御は行わないことも可能である。このようにすれば、溶接欠陥等の問題は生じないが、それぞれの制御において当該制御を行わない期間が存在することとなるため、結果的にゲインが半減してしまい、高性能な制御を行うことができない。

本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができるアーク溶接の制御システムおよび制御方法を提供することを目的とする。

本発明に係るアーク溶接の制御システムは、溶接トーチを溶接対象であるワークの開先の幅方向に所定のウィービング幅で周期的に移動させつつ前記ワークの溶接線方向に所定のトーチ高さで前記溶接トーチを移動させて前記ワークの溶接線を倣わせるアクチュエータと、溶接電流またはアーク電圧を検出するセンサとを備え、前記ワークの開先に良好なビードを形成するためのアーク溶接のアークセンサ制御システムであって、前記溶接電流またはアーク電圧からウィービングの端部における前記溶接トーチと前記ワークとの水平距離を示す開先壁距離に相当する値および前記トーチ高さに相当する値をそれぞれ取得し、それぞれの目標値との差をそれぞれ演算し、前記開先壁距離に相当する値のその目標値からの偏差（以下、開先壁距離偏差という）と前記トーチ高さに相当する値のその目標値からの偏差（以下、トーチ高さ偏差という）とから前記アクチュエータの前記ウィービング幅に関する操作量を演算するとともに、前記開先壁距離偏差と前記トーチ高さ偏差とから前記アクチュエータの前記トーチ高さに関する操作量を演算する演算器と、前記ウィービング幅に関する操作量および前記トーチ高さに関する操作量に基づいて前記ウィービング幅および前記トーチ高さをそれぞれ制御する制御器と、を有し、前記ウィービング幅の操作量および前記トーチ高さの操作量に対し、それぞれ前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差が影響する比率（以下、影響比率という）が前記ワークの開先角度に応じて設定されており、前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差の影響比率は、前記開先角度が大きいほど前記開先壁距離偏差の影響比率に対し前記トーチ高さ偏差の影響比率が相対的に大きくなるように設定されているよう構成されている。

上記構成によれば、溶接トーチを溶接線に倣わせる際に、センサで検出された溶接電流またはアーク電圧の値から取得された開先壁距離に相当する値およびトーチ高さに相当する値の両方を用いてウィービング幅に関する水平アクチュエータの操作量およびトーチ高さに関する鉛直アクチュエータの操作量がそれぞれ演算される。しかも、各操作量における開先壁距離偏差およびトーチ高さ偏差に関するパラメータに掛けられた影響比率（重み係数）がワークの開先角度に応じて設定されている。そして、発明者らは鋭意研究の末、いずれの操作量においてもワークの開先角度が大きいほどトーチ高さ偏差の影響比率が開先壁距離偏差の影響比率より相対的に大きくなるように設定することでゲインを下げることなくウィービング幅とトーチ高さとを迅速かつ最適に制御することができるという知見を得たものである。従って、上記構成を有することによりウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができる。

前記操作量は、前記影響比率に当該影響比率を調整する調整係数が掛けられていてもよい。これにより、同じ開先角度であってもワークの種類や使用用途に応じてより好適な制御性能に調整することができる。

さらに、前記トーチ高さの操作量Δｚは、次式（１）で表され、前記ウィービング幅の操作量Δｗは、次式（２）で表されるものでもよい。

ここで、Ｋ_ｚ，Ｋ_ｗは、鉛直アクチュエータの操作量および水平アクチュエータの操作量の各ゲインを示し、ΔＰ_ｄは、開先壁距離偏差を示し、ΔＰ_ｈは、トーチ高さ偏差を示し、ｔは、開先角度θを用いてｔ＝ｔａｎ（θ／２）で表される値を示し、Ｋ_ｈは、調整係数を示す。

これによれば、トーチ高さの操作量におけるトーチ高さ偏差による影響比率がウィービング幅の操作量におけるよりも大きくなるため、トーチ高さ偏差をより反映させて制御することができる。

また、前記演算器は、ウィービングの１周期が予め定められた数で分割された複数の区間ごとに、前記センサから検出される前記溶接電流またはアーク電圧の平均値を算出し、前記複数の区間のうち、ウィービングの端部に対応する１または複数の区間の平均値に基づいて前記開先壁距離に相当する値を取得し、ウィービングの１周期分の前記溶接電流またはアーク電圧の平均値に基づいて前記トーチ高さに相当する値を取得することとしてもよい。このように、溶接電流またはアーク電圧をウィービング周期に応じて区分けすることによって溶接トーチの各位置におけるアークの電流または電圧を簡便に演算することができる。

また、本発明に係るアーク溶接のアークセンサ制御方法は、溶接トーチを溶接対象であるワークの開先の幅方向に所定のウィービング幅で周期的に移動させつつ前記ワークの溶接線方向に所定のトーチ高さで前記溶接トーチを移動させて前記ワークの溶接線を倣わせるアクチュエータと、溶接電流またはアーク電圧を検出するセンサとを備え、前記ワークの開先にビードを形成するためのアーク溶接のアークセンサ制御方法であって、前記溶接電流またはアーク電圧を検出するステップと、前記溶接電流またはアーク電圧からウィービングの端部における前記溶接トーチと前記ワークとの水平距離を示す開先壁距離に相当する値および前記トーチ高さに相当する値をそれぞれ取得し、それぞれの目標値との差をそれぞれ演算するステップと、前記開先壁距離に相当する値のその目標値からの偏差（以下、開先壁距離偏差という）と前記トーチ高さに相当する値のその目標値からの偏差（以下、トーチ高さ偏差という）とから前記アクチュエータの前記ウィービング幅に関する操作量を演算するとともに、前記開先壁距離偏差と前記トーチ高さ偏差とから前記アクチュエータの前記トーチ高さに関する操作量を演算するステップと、前記ウィービング幅に関する操作量および前記トーチ高さに関する操作量に基づいて前記ウィービング幅および前記トーチ高さをそれぞれ制御するステップと、を含み、前記ウィービング幅の操作量および前記トーチ高さの操作量に対し、それぞれ前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差が影響する比率（以下、影響比率という）が前記ワークの開先角度に応じて設定されており、前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差の影響比率は、前記開先角度が大きいほど前記開先壁距離偏差の影響比率に対し前記トーチ高さ偏差の影響比率が相対的に大きくなるように設定されているものである。

上記方法によれば、溶接トーチを溶接線に倣わせる際に、センサで検出された溶接電流またはアーク電圧の値から取得された開先壁距離に相当する値およびトーチ高さに相当する値の両方を用いてウィービング幅の操作量およびトーチ高さの操作量がそれぞれ演算される。しかも、各操作量における開先壁距離偏差およびトーチ高さ偏差に関するパラメータの影響比率（重み係数）がワークの開先角度に応じて設定されている。そして、発明者らは鋭意研究の末、いずれの操作量においてもワークの開先角度が大きいほどトーチ高さ偏差の影響比率が開先壁距離偏差の影響比率に対し相対的に大きくなるように設定することでゲインを下げることなくウィービング幅とトーチ高さとを迅速かつ最適に制御することができるという知見を得たものである。従って、上記方法を用いて制御することによりウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができる。

本発明は以上に説明したように構成され、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができるという効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るアーク溶接の制御システムの概略構成を示すブロック図である。 図１に示す溶接システムの溶接トーチとワークとの位置関係をモデル化した幾何形状モデルを示す図である。 図１に示す溶接システムの制御モデルを示すブロック線図である。 図１に示す溶接システムの溶接トーチの軌跡およびそれに対応するアーク電圧変化を示す図である。 図１に示す溶接システムの溶接トーチ制御を概念的に示す模式図である。 本実施例１において用いたワークの形状を示す図である。 実施例１におけるアークセンサ制御の結果を示す図である。 実施例１におけるアークセンサ制御の結果を示す図である。 実施例２および比較例におけるアークセンサ制御の結果を示す図である。 実施例２および比較例におけるアークセンサ制御の結果を示す図である。 従来のアークセンサウィービング幅制御における不都合を説明するための模式図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態に係るアーク溶接のアークセンサ制御システムが適用される溶接システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態のアーク溶接のアークセンサ制御システムが適用される溶接システムは、溶接装置１と、溶接装置１を制御する演算制御器２と、溶接装置１においてアークを発生させるための溶接電源３と、アークの溶接電流およびアーク電圧を検出するセンサ４とを備えている。

溶接装置１は、シールドガスを溶接部に供給するノズルを有する溶接トーチ１１を有している。溶接トーチ１１の先端（下端）には電極１２が設けられている。溶接トーチ１１には、溶接電源３からの電力線が接続され、電力が供給される。また、溶接装置１は、溶接トーチ１１を水平軸方向に移動させる水平アクチュエータ１３と、溶接トーチ１１を鉛直方向に移動させる鉛直アクチュエータ１４とを有している。水平アクチュエータ１３および鉛直アクチュエータ１４は、演算制御器２からの制御信号に基づいて作動し、溶接トーチ１１を水平方向および鉛直方向に移動させる。なお、このような構成は、先端部に溶接トーチ１１が備えられた多関節のロボットにより構成されてもよい。

溶接トーチ１１の下方には、溶接対象であるワーク５が載置される。ワーク５は２つの被溶接材が突き合わされた状態で配置されており、溶接すべき箇所に開先５１が形成されている。開先５１は、２つの被溶接材が突き合わされた状態で各々の開先面が所定の開先角度θを有するように配置されている。なお、この開先角度θは、被溶接材同士の当接部近傍が曲面となっている場合もあるため、開先面同士を延長した面同士が交差した際のなす角を意味している。

溶接電源３は、ワーク５にも溶接電源３の電力線が接続されるよう構成されている。溶接電源３から供給される電力により、溶接トーチ１１（の電極１２）とワーク５との間に電圧が印加され、溶接トーチ１１の先端から突出された電極１２とワーク５との間にアークが発生する。これにより、ワーク５が溶接され、ビードが形成される。溶接電源３および溶接トーチ１１の間の電力線と溶接電源３およびワーク５の間の電力線との間には溶接電流またはアーク電圧のうちアーク電圧を検出する電圧センサ４１がセンサ４として設けられている。さらに、本実施形態においては、電力線の何れかに設けられた電流センサ４２もセンサ４として設けられている。なお、本実施形態においては溶接電流またはアーク電圧を検出するセンサ４としてアーク電圧値を検出する電圧センサ４１および溶接電流値を検出する電流センサ４２の双方を有しているが、いずれか一方のみでもよい。また、溶接電流またはアーク電圧は溶接電源３からの電源線間の溶接電流またはアーク電圧を直接的に検出してもよいし、間接的に検出してもよい。一般的にＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＣＯ２溶接では電流値で制御し、ＴＩＧ溶接では電圧値で制御するため、溶接の種類に応じて構成を組み替えたり、使い分けたりすればよい。

演算制御器２は、溶接トーチを溶接線に倣わせる際におけるアーク電圧または溶接電流からウィービングの端部における溶接トーチ１１とワーク５の開先壁との水平距離を示す開先壁距離に相当する値およびトーチ高さに相当する値をそれぞれ取得し、それぞれの目標値との差をそれぞれ演算し、開先壁距離に相当する値のその目標値からの偏差（開先壁距離偏差）とトーチ高さに相当する値のその目標値からの偏差（トーチ高さ偏差）とからアクチュエータのウィービング幅に関する操作量（すなわち、鉛直アクチュエータ１４の操作量）を演算するとともに、開先壁距離偏差とトーチ高さ偏差とからアクチュエータのトーチ高さに関する操作量（すなわち、水平アクチュエータ１３の操作量）を演算する演算器２１として機能する。さらに、演算制御器２は、ウィービング幅に関する操作量およびトーチ高さに関する操作量に基づいて溶接装置１の各アクチュエータ１３，１４を制御する制御器２２として機能する。具体的には、本実施形態の制御器２２として機能する演算制御器２は、センサ４で検出された溶接電流又はアーク電圧に基づいて、溶接トーチ１１を溶接対象であるワーク５の開先５１の幅方向に所定のウィービング幅で周期的に移動させつつワーク５の開先５１の溶接線方向に所定のトーチ高さで移動させて、ワーク５の開先５１にビードを形成するように制御する。演算制御器２は、処理機能を有する限りどのような構成でもよく、例えばマイクロコントローラ、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）、論理回路等で構成されている。また、本実施形態においては１つの演算制御器２が演算器２１および制御器２２の何れとしても機能する構成として説明しているが、別個の制御器または演算器で構成されてもよい。

以下、具体的な制御態様について説明する。まず、演算制御器２は、センサ４で検出された溶接電流またはアーク電圧から開先壁距離に相当する値およびトーチ高さに相当する値を取得する。このために、本実施形態においては、アーク電圧からウィービングの端部における溶接トーチ１１とワーク５との水平距離と、溶接トーチ１１の平均高さとを演算する。図２は図１に示す溶接システムの溶接トーチとワークとの位置関係をモデル化した幾何形状モデルを示す図である。

図２に示すように、開先５１の下端を原点として水平方向にＹ軸および鉛直方向にＺ軸を取っている。また、ウィービング幅ｗの中心座標を（ｙ，ｚ）とし、これらを制御パラメータとして用いる。また、ウィービング幅ｗの左端とワーク５の左壁（左側の被溶接材）との間の水平距離をｄｌとし、ウィービング幅の右端とワーク５の右壁（右側の被溶接材）との間の水平距離をｄｒとし、ウィービング位置からワーク５までの鉛直距離の平均値を平均トーチ高さｈとしている。

ここで、本発明の発明者らは、鋭意研究の末、上記各パラメータの関係を以下の式で設定した。すなわち、水平距離ｄｌ，ｄｒおよび平均トーチ高さｈのいずれにおいてもウィービング幅ｗとウィービング中心における実際のトーチ高さｚとが所定の割合で含まれるように設定している。

そして、本実施形態においては、上記式（３）を用いた制御モデルが適用され、制御器２２は、適用された制御モデルに基づいて制御する。図３は図１に示す溶接システムの制御モデルを示すブロック線図である。図３に示されるブロック線図より、上記式（３）は、出力ベクトルをｘとし、入力ベクトルをｕとしたとき、ｘ＝Ｍｕとして表されるものである。このときの操作量Δｕは、目標値をｘ_ｒｅｆとし、ゲインをＫ_１，Ｋ_２として、Δｕ＝Ｋ_２Ｍ^−１Ｋ_１（ｘ_ｒｅｆ−ｘ）で表される。このときの各パラメータの関係式を以下の式に設定した。

式（４）を展開すると、以下の式のようになる。

ここで、距離ｄと電圧Ｖとは一次式の関係（ｄ＝ｍＶ＋ｂ、ただしｍ，ｂは定数）を有することが知られているため、これを用いて式（５）を変換すると、以下の式で表される。

以上より、Δｙが溶接線倣いの操作量を示し、Δｚがトーチ高さの操作量を示し、Δｗがウィービング幅の操作量を示すものとなる。

このような式の導出の結果、上記式（６）よりこのワーク５の開先角度θが大きいほどいずれの操作量においてもトーチ高さ偏差が影響する比率が開先壁距離偏差が影響する比率より相対的に大きくなるように設定することでゲインを下げることなく高性能にウィービング幅ｗとトーチ高さｚとを最適に制御することができるという知見を得ることができた。

なお、Ｖ_ｄｒｅｆ−（Ｖ_ｄｌ＋Ｖ_ｄｒ）／２は、開先壁距離偏差を示し、Ｖ_ｈｒｅｆ−Ｖ_ｈは、トーチ高さ偏差を示すものであるため、それぞれΔＰ_ｄ，ΔＰ_ｈとおくと、トーチ高さの操作量Δｚは、次式（７）で表され、ウィービング幅ｗの操作量Δｗは、次式（８）で表される。

ここで、Ｋ_ｚ，Ｋ_ｗは、トーチ高さおよびウィービング幅に関する操作量の各ゲインを示し、Ｋ_ｈは、調整係数を示す。

次に、上記で得られた式（６）の入力パラメータであるＶ_ｄｌ，Ｖ_ｄｒ，Ｖ_ｈの検出方法について説明する。図４は図１に示す溶接システムの溶接トーチの軌跡およびそれに対応するアーク電圧変化を示す図である。図４の上側の図はトーチ軌跡のグラフを示し、図４の下側の図はトーチ軌跡に対応するアーク電圧変化のグラフを示している。トーチ軌跡のグラフにおいては、初期値を０としている。

本実施形態においては、演算器２１は、ウィービングの１周期が予め定められた数で分割された複数の区間ごとに、センサ４から検出されるアーク電圧の平均値を算出し、複数の区間のうち、算出されるウィービング端部に対応する１または複数の区分の平均値に基づいて開先壁距離に相当する値（電圧値）を取得し、ウィービングの１周期分のアーク電圧の平均値に基づいてトーチ高さに相当する値（電圧値）を取得するよう構成されている。具体的には、図４の下側の図に示されるように、例えばウィービングの１周期を８等分し、ウィービング端部に対応する区間（図４の例においては８つの区間０〜７のうち区間１，２および区間５，６）の平均アーク電圧値をウィービング端部における電圧Ｖ_ｄｌ，Ｖ_ｄｒとして用い、ウィービングの１周期の全体の平均アーク電圧値をトーチ高さを示す電圧Ｖ_ｈとして用いる。

このように、溶接電流またはアーク電圧をウィービング周期に応じて区分けすることによって溶接トーチの各位置におけるアーク電圧を簡便に演算することができる。なお、本実施形態においてはウィービングの１周期を８分割することによりウィービングの端部におけるアーク電圧を検出するとしたが、ウィービングの端部におけるアーク電圧を検出可能である限り、分割数をこれより多くしてもよいし、少なくしてもよい。また、ウィービングの端部のアーク電圧は、ウィービングの端部におけるピーク電圧値を用いることとしてもよい。また、トーチ高さの電圧を示す電圧として、ウィービングの中央位置における電圧を検出することとしてもよい。さらに、ＭＩＧ，ＭＡＧ，ＣＯ２溶接等の消耗電極式溶接においては、電極１２であるワイヤの先端とワークの距離とが所定距離以内に近づくとアークが消弧して短絡する時間（短絡時間）が長くなったり、短絡する回数（短絡回数）が増加する。従って、このような短絡時間や短絡回数を計測することで、ワイヤの先端とワークとの距離を推定することとしてもよい。

また、本実施形態においては、開先壁距離に相当する値およびトーチ高さに相当する値を所定区間におけるアーク電圧を検出することで取得し、その電圧値自体を目標値（電圧値）と比較することとしているが、検出したアーク電圧または溶接電流から実際に開先壁距離およびトーチ高さを演算により求めた上で、開先壁距離およびトーチ高さのそれぞれの目標値（距離値）と比較することとしてもよい。

以上のように、本実施形態において、トーチ高さの操作量Δｚおよびウィービング幅の操作量Δｗに対し、それぞれ開先壁距離偏差ΔＰ_ｄおよびトーチ高さ偏差ΔＰ_ｈが影響する比率（以下、影響比率という）がワーク５の開先角度θに応じて設定されている。具体的には、影響比率は、上記式（７）および（８）における開先壁距離偏差ΔＰ_ｄおよびトーチ高さ偏差ΔＰ_ｈの重みを示す係数の絶対値として示される。ウィービング幅の操作量Δｗにおける開先壁距離偏差ΔＰ_ｄの影響比率は、δ_ｗｄ＝４であり、トーチ高さ偏差ΔＰ_ｈの影響比率は、δ_ｗｈ＝８ｔＫ_ｈであり、その比（ΔＰ_ｈ／ΔＰ_ｄ）はδ_ｗ＝２ｔＫ_ｈとなる。また、トーチ高さの操作量Δｚにおける開先壁距離偏差ΔＰ_ｄの影響比率は、δ_ｚｄ＝１／ｔであり、トーチ高さ偏差ΔＰ_ｈの影響比率は、δ_ｚｈ＝Ｋ_ｈであり、その比（ΔＰ_ｈ／ΔＰ_ｄ）はδ_ｚ＝ｔＫ_ｈとなる。その結果、演算器２１は、当該開先角度θが大きいほど開先壁距離偏差の影響比率δ_ｗｄ，δ_ｚｄに対しトーチ高さ偏差の影響比率δ_ｗｈ，δ_ｚｈが相対的に大きくなるように（影響比率の比δ_ｗ，δ_ｚが大きくなるように）トーチ高さの操作量Δｚおよびウィービング幅の操作量Δｗを演算する。

例えば、開先角度θが９０°（すなわちｔ＝１）かつ後述する調整係数Ｋ_ｈ＝１とすると、トーチ高さの操作量Δｚにおける開先壁距離偏差ΔＰ_ｄとトーチ高さ偏差ΔＰ_ｈとの影響比率の比δ_ｚはδ_ｚ＝２（ΔＰ_ｄ：ΔＰ_ｈ＝１：２）となり、同じくウィービング幅の操作量Δｗにおける上記影響比率の比δ_ｗはδ_ｗ＝１（ΔＰ_ｄ：ΔＰ_ｈ＝１：１）となる。また、開先角度θが１２０°（すなわちｔ＝１．７３）かつ調整係数Ｋ_ｈ＝１とすると、トーチ高さの操作量Δｚにおける上記影響比率δ_ｚはδ_ｚ＝３．４６（ΔＰ_ｄ：ΔＰ_ｈ＝１：３．４６）となり、同じくウィービング幅の操作量Δｗにおける上記影響比率δ_ｗはδ_ｗ＝１．７３（ΔＰ_ｄ：ΔＰ_ｈ＝１：１．７３）となる。このように開先角度θが大きいほどいずれの操作量Δｚ，Δｗにおいてもトーチ高さ偏差ΔＰ_ｈによる影響が開先壁距離偏差ΔＰ_ｄによる影響より大きくなる（影響比率の比δ_ｗ，δ_ｚの大きさが大きくなる）。

制御器２２は、演算器２１で演算された各操作量に基づいて水平および鉛直アクチュエータ１３，１４を駆動して溶接トーチ１１を移動させる制御を行う。

上記構成によれば、センサ４で検出されたウィービング１周期の平均アーク電圧値およびウィービング端部区間の平均アーク電圧値の両方を用いて各アクチュエータ１３，１４のトーチ高さに関する操作量Δｚおよびウィービング幅に関する操作量Δｗがそれぞれ演算される。しかも、各操作量における開先壁距離偏差ΔＰ_ｄおよびトーチ高さ偏差ΔＰ_ｈに関するパラメータに掛けられた影響比率（重み係数）がワーク５の開先角度θに応じて設定されている。そして、いずれの操作量においてもワーク５の開先角度θが大きいほどトーチ高さ偏差ΔＰ_ｈの影響比率が開先壁距離偏差ΔＰ_ｄの影響比率より大きくなるように設定することでゲインを下げることなくウィービング幅ｗとトーチ高さｚとを迅速かつ最適に制御することができる。従って、このような制御モデルを導入することにより、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができる。

図５は図１に示す溶接システムの溶接トーチ制御を概念的に示す模式図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は従来例を示す図１１（ａ）および図１１（ｃ）に対応した図である。本実施形態によれば、図５（ａ）に示すように、ウィービング幅の制御と同時にトーチ高さの制御が行われるため、溶接トーチ１１とワーク５とが異常接近することを防止することができ、図５（ｂ）に示すように、初期ウィービング幅ｗ_０から目標ウィービング幅ｗ_ｔに短い制御サイクルで漸近させることができる。

また、上記式（７）および（８）に示すように、各操作量は、影響比率に当該影響比率を調整する調整係数Ｋ_ｈが掛けられている。これにより、同じ開先角度θであってもワーク５の種類や使用用途に応じてより好適な制御性能に調整することができる。なお、調整係数Ｋ_ｈは、必ずしも必要ではなく、Ｋ_ｈ＝１で固定されていてもよい。

なお、本実施形態においてはアーク電圧を検出する構成について説明したが、溶接電流を検出する構成としてもよい。この場合、電流の距離との関係が電圧における距離との関係とは逆（距離が大きくなると電圧は大きくなるが電流は小さくなる）となるため、式（６）（すなわち式（７）および（８））のそれぞれの式においてマイナス（−）の符号が付加されたものとなる。また、例えばＭＩＧ，ＭＡＧ，ＣＯ２溶接においては、溶接電流を用いてアークセンサ制御することが一般的であるため、操作量演算のための検出値も溶接電流値とすることが好ましく、例えばＴＩＧ溶接においては、アーク電圧を用いてアークセンサ制御することが一般的であるため、操作量演算のための検出値もアーク電圧値とすることが好ましい。

上記実施形態の溶接システムにおいて実際にワークをＴＩＧ溶接する実験を行った。図６は本実施例１において用いたワークの形状を示す図である。図６（ａ）は側面図であり、図６（ｂ）は斜視図である。図６に示すように本実施例においてはワーク５として板面が長手方向中央部で短手方向軸回りに湾曲した形状を有する鋼板５Ａの短手軸に垂直な側面を４５°傾けた鋼板５Ｂに溶接する場合（開先角度θ＝９０°）の溶接線倣いを検証した。このようなワーク５に図６（ａ）における左側から右側へ溶接を施す場合、溶接線Ｌは、溶接トーチ１１が上りながら進行方向左に曲がっていき、中央部を超えると下りながら進行方向右に曲がっていく。

また、本実施例の溶接条件は、以下のように設定した。

そして、本実施例における式（６）の各制御パラメータを以下のように設定した上で、溶接線倣いを行いながら、検出されたアーク電圧値に基づいて式（６）を用いてウィービング幅およびトーチ高さの操作量を演算し、溶接トーチ１１の制御を行った。なお、アークが安定するまでの開始から数秒間はアークセンサ制御を行わないこととした。また、溶接装置１には溶接開始位置および終了位置の２点のみを教示し、制御を行わない場合には溶接トーチ１１がこの２点間を結ぶ直線上を移動するように設定されている。

上記の条件で実際に溶接動作を行った結果を図７および図８に示す。図７および図８は実施例１におけるアークセンサ制御の結果を示す図である。図７（ａ）は検出されたアーク電圧を示す図であり、図７（ｂ）はウィービング幅の目標値に対する偏差を示す図であり、図８（ａ）は溶接トーチの水平位置軌跡を示す図であり、図８（ｂ）は溶接トーチの鉛直位置軌跡を示す図である。なお、図８においてはいずれの図も初期値を０にとっている。

図８に示すように、本実施例においては、溶接線倣いに関する水平位置およびトーチ高さ制御に関する鉛直位置ともに、溶接線の曲線を高性能に倣うことができた。特に、本実施例のワーク５の形状により、溶接の前半は、溶接線Ｌが上りとなり、溶接トーチは水平に動こうとするため、溶接トーチ１１とワーク５との相対距離が近づくことにより、図７（ｂ）に示すように、ウィービング幅が比較的小さくなっている。このことは図８（ａ）の前半部分における水平位置および振幅でも確認することができる。一方、溶接の後半は、溶接線Ｌが下りとなり、溶接トーチが水平に動こうとするため、溶接トーチ１１とワーク５との相対距離が離れることにより、図７（ｂ）に示すように、ウィービング幅が比較的大きくなっている。このことは図８（ｂ）の後半部分における水平位置および振幅でも確認することができる。このように、ワーク５の形状に応じてアーク溶接が忠実に行われていることが示された。

さらに、本実施形態の制御態様を比較例と比較する実験を行った。本実施例においても、上記実施例１と同様に、下記のような溶接条件に基づいて、式（６）を用いて制御を行った。

また、比較例において、トーチ高さの操作量Δｚについては、式（６）のΔｚの式のうちＶ_ｄｒｅｆ−（Ｖ_ｄｌ＋Ｖ_ｄｒ）／２の項がない式を用いるとともに、ウィービング幅の操作量Δｗについては、式（６）のΔｗの式のうちＶ_ｈｒｅｆ−Ｖ_ｈの項がない式を用いて各操作量を演算することとした。すなわち、比較例においては、トーチ高さの操作量Δｚの演算において開先壁距離方向の値は寄与せず、ウィービング幅の操作量Δｗの演算においてトーチ高さの値は寄与しない制御とした。なお、比較し易いように本実施例と比較例とにおいては各ゲインの値を異ならせている。また、アークが安定するまでの開始から数秒間はアークセンサ制御を行わないこととした。

上記の条件で実際に溶接動作を行った結果を図９および図１０に示す。図９および図１０は実施例２および比較例におけるアークセンサ制御の結果を示す図である。図９（ａ）はウィービング幅の時間変化を示す図であり、図９（ｂ）はウィービング端とワークとの間の水平距離の時間変化を示す図であり、図１０（ａ）は中央トーチ高さの時間変化を示す図であり、図１０（ｂ）は平均トーチ高さの時間変化を示す図である。

図９（ａ）に示すように、比較例においてはウィービング幅が制御開始直後にオーバーシュートしている。すなわち、図９（ｂ）に示すように、溶接トーチ１１とワーク５との間の水平距離が異常接近している。このような異常接近はアンダーカット等の溶接欠陥の要因となる。これに対し、本実施例においてはウィービング幅の制御がオーバーシュートすることなく滑らかに行われており、比較例のような溶接欠陥のおそれはなく、しかも、所定時間経過後はウィービング幅が安定している。トーチ高さに関しても、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、比較例においてはトーチ高さが制御開始直後にオーバーシュートしているのに対し、実施例においては滑らか且つ安定した制御が行われている。このことからも明らかなように、本実施形態の制御方法を用いることにより、ウィービング幅およびトーチ高さの目標値への収束をオーバーシュートさせることなく迅速に行うことができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。

本発明のアーク溶接の制御システムおよび制御方法は、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うために有用である。

１ 溶接装置
２ 演算制御器
３ 溶接電源
４ センサ
５ ワーク
１１ 溶接トーチ
１２ 電極
１３ 水平アクチュエータ
１４ 鉛直アクチュエータ
２１ 演算器
２２ 制御器
４１ 電圧センサ
４２ 電流センサ
５１ 開先
θ 開先角度

Claims (5)

1. 溶接トーチを溶接対象であるワークの開先の幅方向に所定のウィービング幅で周期的に移動させつつ前記ワークの溶接線方向に所定のトーチ高さで前記溶接トーチを移動させて前記ワークの溶接線を倣わせるアクチュエータと、溶接電流またはアーク電圧を検出するセンサとを備え、前記ワークの開先に良好なビードを形成するためのアーク溶接のアークセンサ制御システムであって、
   前記溶接電流またはアーク電圧からウィービングの端部における前記溶接トーチと前記ワークとの水平距離を示す開先壁距離に相当する値および前記トーチ高さに相当する値をそれぞれ取得し、それぞれの目標値との差をそれぞれ演算し、前記開先壁距離に相当する値のその目標値からの偏差（以下、開先壁距離偏差という）と前記トーチ高さに相当する値のその目標値からの偏差（以下、トーチ高さ偏差という）とから前記アクチュエータの前記ウィービング幅に関する操作量を演算するとともに、前記開先壁距離偏差と前記トーチ高さ偏差とから前記アクチュエータの前記トーチ高さに関する操作量を演算する演算器と、
   前記ウィービング幅に関する操作量および前記トーチ高さに関する操作量に基づいて前記ウィービング幅および前記トーチ高さをそれぞれ制御する制御器と、を有し、
   前記ウィービング幅の操作量および前記トーチ高さの操作量に対し、それぞれ前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差が影響する比率（以下、影響比率という）が前記ワークの開先角度に応じて設定されており、
   前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差の影響比率は、前記開先角度が大きいほど前記開先壁距離偏差の影響比率に対し前記トーチ高さ偏差の影響比率が相対的に大きくなるように設定されている、アーク溶接のアークセンサ制御システム。
2. 前記操作量は、前記影響比率に当該影響比率を調整する調整係数が掛けられている、請求項１に記載のアーク溶接の制御システム。
3. 前記トーチ高さの操作量Δｚは、次式（１）で表され、前記ウィービング幅の操作量Δｗは、次式（２）で表される、請求項２に記載のアーク溶接の制御システム。
   ここで、Ｋ_ｚ，Ｋ_ｗは、トーチ高さに関する操作量およびウィービング幅に関する操作量の各ゲインを示し、ΔＰ_ｄは、開先壁距離偏差を示し、ΔＰ_ｈは、トーチ高さ偏差を示し、ｔは、開先角度θを用いてｔ＝ｔａｎ（θ／２）で表される値を示し、Ｋ_ｈは、調整係数を示す。
4. 前記演算器は、ウィービングの１周期が予め定められた数で分割された複数の区間ごとに、前記センサから検出される前記溶接電流またはアーク電圧の平均値を算出し、前記複数の区間のうち、ウィービングの端部に対応する１または複数の区間の平均値に基づいて前記開先壁距離に相当する値を取得し、ウィービングの１周期分の前記溶接電流またはアーク電圧の平均値に基づいて前記トーチ高さに相当する値を取得する、請求項１に記載のアーク溶接の制御システム。
5. 溶接トーチを溶接対象であるワークの開先の幅方向に所定のウィービング幅で周期的に移動させつつ前記ワークの溶接線方向に所定のトーチ高さで前記溶接トーチを移動させて前記ワークの溶接線を倣わせるアクチュエータと、溶接電流またはアーク電圧を検出するセンサとを備え、前記ワークの開先にビードを形成するためのアーク溶接のアークセンサ制御方法であって、
   前記溶接電流またはアーク電圧を検出するステップと、
   前記溶接電流またはアーク電圧からウィービングの端部における前記溶接トーチと前記ワークとの水平距離を示す開先壁距離に相当する値および前記トーチ高さに相当する値をそれぞれ取得し、それぞれの目標値との差をそれぞれ演算するステップと、
   前記開先壁距離に相当する値のその目標値からの偏差（以下、開先壁距離偏差という）と前記トーチ高さに相当する値のその目標値からの偏差（以下、トーチ高さ偏差という）とから前記アクチュエータの前記ウィービング幅に関する操作量を演算するとともに、前記開先壁距離偏差と前記トーチ高さ偏差とから前記アクチュエータの前記トーチ高さに関する操作量を演算するステップと、
   前記ウィービング幅に関する操作量および前記トーチ高さに関する操作量に基づいて前記ウィービング幅および前記トーチ高さをそれぞれ制御するステップと、を含み、
   前記ウィービング幅の操作量および前記トーチ高さの操作量に対し、それぞれ前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差が影響する比率（以下、影響比率という）が前記ワークの開先角度に応じて設定されており、
   前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差の影響比率は、前記開先角度が大きいほど前記開先壁距離偏差の影響比率に対し前記トーチ高さ偏差の影響比率が相対的に大きくなるように設定されている、アーク溶接の制御方法。