JP2013252535A - アーク溶接用のワイヤ送給システム - Google Patents

Abstract

【課題】補助送給装置の送給トルクの調整は、手動でおこなわれているために、ロボットアームの姿勢変化により時々刻々と変化するワイヤ送給経路の負荷に応じて送給トルクを調整することができない。コンジットケーブル内におけるワイヤ送給経路に、ワイヤの削りカスが蓄積されて送給抵抗が増大した場合に、一定のトルクでしか送給できない補助送給装置ではトルクが不足する。
【解決手段】
ワイヤ送給システムは、主送給装置３０に含まれる送給モータ３６のトルクを監視するモニタ部７４を備え、補助ワイヤ送給制御装置８０（補助制御部）は、モニタ部７４のモニタ結果がトルク変動を意味するときは、そのトルク変動に応じた補助送給装置５０の送給モータ５６のトルク制御を行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、アーク溶接用のワイヤ送給システムに関するものである。

アーク溶接ロボットでは、溶接ワイヤをワイヤリールまたはペイルパック等から繰り出してロボット本体に設けられた溶接トーチへ送給し、電気エネルギーで溶かし連続して円滑に溶接できるようにするため、溶接ワイヤの送りを制御するワイヤ送給装置が使用される。近年のワイヤ送給装置では、ペイルパック、またはワイヤリール等の近傍である上流側に補助送給装置を設けるとともに、溶接トーチ近傍である下流側に主送給装置を配置して、溶接ワイヤをプッシュプルする方式のシステムが提案されている（特許文献１）。

そのようなワイヤ送給システムによれば主送給装置と補助送給装置とによる負荷の分担によってモータの小容量化が可能となり、溶接トーチの直近にでも搭載できるようになると、溶接ワイヤの送給速度の制御性が一段と高められる。

また、特許文献１では、補助送給装置には安価なモータであるインダクションモータ等を採用し、主送給装置には、速度制御可能なＡＣサーボモータを採用して、送給装置全体のシステムとして低廉化に大いに寄与するようにしている。

そして、特許文献１のワイヤ送給システムでは、補助送給装置に前記安価なモータを使用することにより、一定のトルクでワイヤを送給するという簡単な制御が行われている。
なお、特許文献２には、アーク溶接ロボットを使用するシステムにおいて、溶接トーチ近傍にエンコーダ付のサーボモータを使用したワイヤ送給装置が開示されている。

特許文献３には、エンコーダ付のサーボモータを使用したワイヤ送給装置が使用され、そのトルクモニタから、送給経路の抵抗を計算することが開示されている。

特開２００４−１６７５１４号公報 特開２００２−１７８１４５号公報 特開２００１−２３９５７４号公報

ところで、特許文献１で提案されているワイヤ送給システムでは、補助送給装置の送給トルクの調整は、手動でおこなわれている。このため、ロボットアームの姿勢の変化により、時々刻々と変化するワイヤ送給経路の負荷に応じてトルク調整ができない問題があった。また、コンジットケーブル内におけるワイヤ送給経路に、ワイヤの削りカスが蓄積されて送給抵抗が増大した場合に、一定のトルクでしか送給できない前記補助送給装置ではトルクが不足する問題があった。

なお、特許文献２は、エンコーダ付のサーボモータを使用したワイヤ送給装置が開示されているが、トルク制御については開示されていない。また、特許文献３は、送給抵抗の計算については開示されているが、トルク制御については開示されていない。

本発明の目的は、ロボットアームが溶接部位に対して変化する姿勢に応じて、適切なトルクでワイヤ送給を行うことができ、また、ワイヤ送給経路中に蓄積されるワイヤ削りカスなどに起因して送給抵抗が増大した場合にも、自動的に適切なトルクを付与してワイヤ送給ができるワイヤ送給システム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、溶接ワイヤの送りを行う主送給装置と、前記主送給装置に対して速度制御を行う主制御部と、前記溶接ワイヤを前記主送給装置に送出する補助送給装置と、前記補助送給装置に含まれるモータのモータ出力をトルク制御を行う補助制御部と、前記主送給装置に含まれるモータのトルクを監視するモニタ部を備え、前記補助制御部は、前記モニタ部のモニタ結果がトルク変動を意味するときは、そのトルク変動に応じた前記補助送給装置に含まれるモータのトルク制御を行うことを特徴とするワイヤ送給システムを要旨としている。

請求項２の発明は、請求項１において、前記モニタ部によりモニタされたトルクが制御周期毎の目標トルクから変動している場合に、または、前記モニタ部によりモニタされたトルクの変化率が、判定閾値を超えたトルク変動の場合に、前記補助制御部は、そのトルク変動に応じて前記補助送給装置に含まれるモータのトルク制御を行うことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２において、前記トルク変動が、トルクの増加による変動の場合は、制御周期毎に行う前記トルク制御の目標トルクを増加させて前記補助送給装置に含まれるモータのトルク制御を行うことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記トルク変動が、トルクの減少による変動の場合は、制御周期毎に行う前記トルク制御の目標トルクを減少させて前記補助送給装置に含まれるモータのトルク制御を行うことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項において、前記モニタ部は、前記主制御部に設けられていることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、ロボットアームが溶接部位に対して変化する姿勢に応じて、適切なトルクでワイヤ送給を行うことができ、また、ワイヤ送給経路中に蓄積されるワイヤ削りカスなどに起因して送給抵抗が増大した場合にも、自動的に適切なトルクを付与することにより安定したワイヤ送給ができる。

請求項２の発明によれば、モニタ部によりモニタされたトルクが制御周期毎の目標トルクから変動している場合に、または、前記モニタ部によりモニタされたトルクが、閾値のトルク変化率を超えたトルク変動の場合に、前記補助制御部は、前記目標トルクとなるように前記補助送給装置に含まれるモータのトルク制御を行うようにした。こうすることにより、ワイヤ送給トルクの不足による溶接不良を起こすことがない。また、従来と異なり、ワイヤ送給経路の抵抗の増減によって、補助送給装置のトルク調整をする必要がないため、ワイヤ送給経路のメンテナンスを最小限とすることができる。

請求項３の発明によれば、トルクの増加によるトルク変動の場合において、請求項２の効果を奏することができる。
請求項４の発明によれば、トルクの減少によるトルク変動の場合において、請求項２の効果を奏することができる。

請求項５の発明によれば、モニタ部を主制御部に設けることにより、主制御部から主送給装置に含まれるモータの制御のための信号ラインとモニタの為の信号ラインをまとめることも可能となる。

一実施形態のワイヤ送給システムを組み込みしたアーク溶接装置の概略図。 補助ワイヤ送給制御装置のドライバのトルク制御のフローチャート。 他の実施形態の補助ワイヤ送給制御装置のドライバのトルク制御のフローチャート。

本発明のワイヤ送給システムを具体化して、アーク溶接ロボットに組み込みしたアーク溶接装置の一実施形態を、図１を参照して説明する。
図１に示すように、アーク溶接装置は、溶接トーチ１０を備えたマニピュレータ２０、該マニピュレータ２０の動きを予め教示するなどのために使用されるティーチペンダント、教示データをもとにしてマニピュレータ２０の再現動作などを制御するロボット制御装置ＲＣ、溶接機ＰＳ、主ワイヤ送給制御装置７０及び補助ワイヤ送給制御装置８０等を備える。

溶接ワイヤ４０の送給系はプッシュプル方式が適用されている。送給系は、マニピュレータ２０の、例えば、上腕部等の溶接トーチ１０に近いアームに装着されたプル側送給装置としての主送給装置３０と、溶接ワイヤ４０を巻回する図示しないワイヤリールまたはペールパックのワイヤ供給源９０近傍に設けられ、プッシュ側送給装置としての補助送給装置５０からなる。前記ワイヤ供給源９０から繰り出された溶接ワイヤ４０は、補助送給装置５０からマニピュレータ２０に至るコンジット６０を経て、溶接トーチ１０に送給される。

送給系の主送給装置３０は、溶接ワイヤ４０を挟圧するために送給ロール３２と加圧ロール３４とを備えている。送給ロール３２は、送給モータ３６により正逆回転可能に駆動される。前記送給モータ３６は、制御精度が高く応答性に優れたＡＣサーボモータからなり、コンタクトチップ１０ａからの出代分を保つべく一定の速度で溶接ワイヤ４０を引き出すように、それに装着された送給ロール３２を駆動する。又、加圧ロール３４は、送給ロール３２の回転により移行する溶接ワイヤ４０に伴われて従動回転するとともに、図示しない弾性部材により送給ロール３２側に付勢されている。

前記送給モータ３６は、図示しないロータリエンコーダ付きのモータである。前記送給モータ３６は、主ワイヤ送給制御装置７０が有するドライバ７２により駆動制御される。すなわち、ドライバ７２は、送給モータ３６の前記ロータリエンコーダが検出したモータの回転速度と、溶接機ＰＳから送信される目標速度との偏差を０に収束する速度フィードバック制御ループで溶接ワイヤ４０の送りを速度制御する。

また、主ワイヤ送給制御装置７０は、前記送給モータ３６のモータ電流に基づくトルク検出を行うことによってトルクを監視するモニタ部７４を備える。
又、補助送給装置５０は、送給ロール５２と、前記送給ロール５２と協働して溶接ワイヤ４０を挟圧するための加圧ロール５４を備えている。送給ロール５２は、送給モータ５６により駆動される。送給モータ５６のトルクは、送給ロール５２を介して、コンジット６０内を移行している溶接ワイヤ４０に摩擦抵抗に抗した力を与えるもので、ワイヤ送給に必要な力の大部分を加担する。送給モータ５６は本実施形態では、送給モータ３６と同様にＡＣサーボモータにて構成されている。

ただし、補助送給装置５０に使用される送給モータ５６はＡＣサーボモータに限られるものではなく、トルク制御が可能であれば、インダクションモータ、直流モータ、同期モータ、ステップモータ等、上記したＡＣサーボモータよりは安価なモータにて構成してもよい（本発明においては、これらのモータを「インダクションモータ等」という）。

又、加圧ロール５４は、送給ロール５２の回転により移行する溶接ワイヤ４０に伴われて従動回転するとともに、図示しない弾性部材により送給ロール３２側に付勢されている。

また、プッシュ側の補助送給装置５０のドライバ８２は、主ワイヤ送給制御装置７０のモニタ部７４と電気的に接続されていて、モニタ部７４が監視結果のトルク（データ）を入力する。そして、ドライバ８２は、そのトルク（データ）の変動に応じたトルク制御を行う。

本実施形態のワイヤ送給システムは、主送給装置３０、補助送給装置５０、溶接機ＰＳ、主ワイヤ送給制御装置７０、及び補助ワイヤ送給制御装置８０等により構成されている。主ワイヤ送給制御装置７０は、主制御部の一例であり、補助ワイヤ送給制御装置８０は、補助制御部の一例である。

（実施形態の作用）
次に本実施形態の作用を、図２のフローチャートを参照して説明する。図２は、補助ワイヤ送給制御装置８０のドライバ８２が行う送給モータ５６のトルク制御のフローチャートであり、所定の制御周期で実行する。

Ｓ１０において、ドライバ８２は、モニタ部７４からのトルクを読込みする。なお、モニタ部７４がモータ電流を監視する周期（検出周期）は、ドライバ８２の制御周期と同期しているものとする。

Ｓ１２では、ドライバ８２は、今回のトルク（今回値）と、前回制御周期のトルク（前回値）と比較して、「前回値−今回値」の差分Δｓを算出する。
そして、差分Δｓと、トルク変動があったか否かを判定するためのトルク変動判定閾値Ｒｔとを比較する。すなわち、｜Δｓ｜≦｜Ｒｔ｜の場合は、ドライバ８２はトルク変動がないと判定し、Ｓ１４に移行する。

また、「前回値−今回値」の差分Δｓが、Δｓ（＞０）であって、トルク変動判定閾値Ｒｔ（＞０）よりも、大きい場合は、ドライバ８２はトルク変動がありトルクが増加していると判定してＳ１６に移行する。

また、「前回値−今回値」の差分Δｓが、Δｓ（＜０）であって、トルク変動判定閾値Ｒｔ（＜０）よりも、小さい場合は、ドライバ８２はトルク変動がありトルクが減少していると判定してＳ１８に移行する。

Ｓ１４では、トルク変動がないと判定したため、ドライバ８２は前回制御周期の目標トルクで送給ロール５２をトルク制御する。なお、初回に制御を行う場合は、初期値の目標トルクを使用する。なお、ドライバ８２が行うトルク制御は、送給モータ５６の実モータ電流に基づく実トルクと、目標トルクとの偏差を０に収束させるトルクフィードバック制御ループで行うものである。

また、Ｓ１６では、トルクが増加する変動であるため、ドライバ８２は、前回制御周期の目標トルクにΔＴ（＞０）分のトルクを加算した値を今回制御周期の目標トルクとして、この目標トルクとなるように送給ロール５２をトルク制御する。また、加算した結果、今回目標トルクが予め設定されたトルク上限値を超える場合は、ドライバ８２は、その上限値を今回制御周期の目標トルクとする。トルク上限値が設けられているのは、送給モータ５６の仕様条件等により制限するためのものである。

なお、ΔＴは、テーブルを参照することにより得られる。前記テーブルは、増加（または後述する減少）した複数のトルク量と、その増加（または後述する減少）したトルク量毎に加算（または減算）すべき値ΔＴとが記述されたテーブルであり、試験等により得られたものである。

また、Ｓ１８では、トルクが減少する変動であるため、ドライバ８２は今回減少したトルクに対応するΔＴを、前記テーブルを参照して得る。そして、ドライバ８２は、前回制御周期の目標トルクからそのΔＴ分のトルクを減算した値を今回制御周期の目標トルクとする。なお、減算した結果、今回目標トルクが予め設定されたトルク下限値を超える場合は、ドライバ８２は、その下限値を今回制御周期の目標トルクとする。トルク下限値が設けられているのは、送給モータ５６による溶接ワイヤ４０の送給不良が生じないために制限するためのものである。

そして、ドライバ８２はこの目標トルクとなるように送給ロール５２をトルク制御する。Ｓ１４、Ｓ１６又はＳ１８の処理が終了すると、一旦のこのフローチャートを終了する。

このため、主送給装置３０側の送給モータ３６のトルク変動がない場合は、Ｓ１４の処理が行われるため、トルク変動がない期間中は、一定のトルク制御で、溶接ワイヤ４０を補助送給装置５０から送り出すことができる。

また、ロボットアームがワークの溶接部位に対する姿勢変化により、コンジット６０内のワイヤ送給経路中の抵送給抵抗の増加があり、主送給装置３０側の送給モータ３６のトルクの増加による変動がある場合は、Ｓ１６の処理が行われるため、増加のトルク変動がある期間中は、前回制御周期よりも補助送給装置５０の送給モータ５６のトルクを増加させて、溶接ワイヤ４０を補助送給装置５０から送り出すことができる。また、ワイヤ送給経路中に蓄積されるワイヤ削りカスなどに起因して送給抵抗が増大した場合にも、補助送給装置５０の送給モータ５６に自動的に適切なトルクを付与してワイヤ送給ができる。

また、ロボットアームがワークの溶接部位に対する姿勢変化により、コンジット６０内のワイヤ送給経路中の抵送給抵抗の減少があり、主送給装置３０側の送給モータ３６のトルクの減少による変動がある場合は、Ｓ１８の処理が行われるため、減少のトルク変動がある期間中は、前回制御周期よりも補助送給装置５０の送給モータ５６のトルクを減少させて、溶接ワイヤ４０を補助送給装置５０から送り出すことができる。

本実施形態によれば、下記の特徴がある。
（１） 本実施形態のワイヤ送給システムは、溶接ワイヤ４０の送りを行う主送給装置３０と、主送給装置３０に対して速度制御を行う主ワイヤ送給制御装置７０（主制御部）と、溶接ワイヤ４０を主送給装置３０に送出する補助送給装置５０と、補助送給装置５０に含まれる送給モータ５６のモータ出力を、トルク制御を行う補助ワイヤ送給制御装置８０（補助制御部）を備えている。また、ワイヤ送給システムは、主送給装置３０に含まれる送給モータ３６のトルクを監視するモニタ部７４を備え、補助ワイヤ送給制御装置８０（補助制御部）は、モニタ部７４のモニタ結果がトルク変動を意味するときは、そのトルク変動に応じた補助送給装置５０の送給モータ５６のトルク制御を行う。この結果、本実施形態によれば、ロボットアームが溶接部位に対して変化する姿勢に応じて、適切なトルクでワイヤ送給を行うことができ、また、ワイヤ送給経路中に蓄積されるワイヤ削りカスなどに起因して送給抵抗が増大した場合にも、自動的に適切なトルクを付与することにより安定したワイヤ送給ができる。

また、本実施形態によれば、マニピュレータ２０に搭載しているプル側の送給モータ３６を小型化でき、その結果、送給モータ３６を搭載するマニピュレータ２０の負荷を軽減できるとともに、プル側の送給モータ３６を小型化すると、マニピュレータ２０の作業領域の制約を軽減して作業量域の拡大ができる。

（２） 本実施形態のワイヤ送給システムは、モニタ部７４によりモニタされたトルクが制御周期毎の目標トルクから変動している場合に、補助ワイヤ送給制御装置８０（補助制御部）は、そのトルク変動に応じて補助送給装置５０の送給モータ５６のトルク制御を行う。本実施形態によれば、ワイヤ送給トルクの不足による溶接不良を起こすことがない。また、従来と異なり、ワイヤ送給経路の抵抗の増減によって、補助送給装置５０のトルク調整をする必要がないため、ワイヤ送給経路のメンテナンスを最小限とすることができる。

（３） 本実施形態のワイヤ送給システムは、トルク変動が、トルクの増加による変動の場合は、制御周期毎に行う前記トルク制御の目標トルクを増加させて補助送給装置５０の送給モータ５６のトルク制御を行う。この結果、トルクの増加によるトルク変動の場合において、上記（２）の効果を奏することができる。

（４） 本実施形態のワイヤ送給システムは、トルク変動が、トルクの減少による変動の場合は、制御周期毎に行う前記トルク制御の目標トルクを減少させて補助送給装置５０に含まれる送給モータ５６のトルク制御を行う。この結果、トルクの増加によるトルク変動の場合において、上記（２）の効果を奏することができる。

（５） 本実施形態のワイヤ送給システムは、モニタ部７４は、主ワイヤ送給制御装置７０（主制御部）に設けられている。この結果、本実施形態によれば、主ワイヤ送給制御装置７０（主制御部）から主送給装置３０に含まれるモータの制御のための信号ラインとモニタの為の信号ラインをまとめることも可能となる。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態を図３のフローチャートを参照して説明する。なお、第２実施形態のアーク溶接ロボットに組み込みしたアーク溶接装置、及びワイヤ送給システム等のハード構成は、第１実施形態と同一構成のため、説明を省略する。

本実施形態のフローチャートは、図３に示すように第１実施形態のＳ１２の代わりにＳ１２Ａのステップが補助ワイヤ送給制御装置８０のドライバ８２により実行されるところが第１実施形態と異なっている。

Ｓ１２Ａでは、ドライバ８２は、トルク変化率Ｔｈを算出し、｜Ｔｈ｜≦｜Ｈｒ｜であるか否か、すなわち、そのトルク変化率Ｔｈが判定閾値Ｈｒ（１）範囲内にあるか否か、及びトルク変化率Ｔｈが判定閾値Ｈｒを超えている場合には、トルク変化率Ｔｈが正（すなわち、増加）か、負（すなわち、減少）を判定する。

トルク変化率Ｔｈは、（今回制御周期でのトルク−前回制御周期でのトルク）／前回制御周期でのトルクにより、算出される。また、判定閾値Ｈｒは、トルクの増加及び減少を判定するための値であり、実験により予め求められている。

そして、トルク変化率Ｔｈが、｜Ｔｈ｜≦｜Ｈｒ｜の場合は、ドライバ８２はトルク変動がないと判定し、Ｓ１４に移行する。
また、トルク変化率Ｔｈが、Ｔｈ（＞０）であって、判定閾値Ｈｒ（＞０）よりも、大きい場合は、ドライバ８２はトルク変動がありトルクが増加していると判定してＳ１６に移行する。

また、トルク変化率Ｔｈが、Ｔｈ（＜０）であって、判定閾値Ｈｒ（＜０）よりも、小さい場合は、ドライバ８２はトルク変動がありトルクが減少していると判定してＳ１８に移行する。

他のステップは、第１実施形態と同様であるため、説明を省略する。
第２実施形態では、下記の特徴がある。
（１） 本実施形態のワイヤ送給システムでは、モニタ部７４によりモニタされたトルク変化率Ｔｈが、判定閾値Ｈｒを超えたトルク変動の場合に、補助ワイヤ送給制御装置８０（補助制御部）は、そのトルク変動に応じて補助送給装置５０に含まれる送給モータ５６のトルク制御を行う。この結果、本実施形態によれば、第１実施形態の（２）と同様の効果を奏することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、下記のように構成してもよい。
・ 前記実施形態では主送給装置３０の目標速度の付与は溶接機ＰＳが行うようにしているが、ロボット制御装置ＲＣから行うようにしてもよい。

・ 前記実施形態では、主ワイヤ送給制御装置７０、及び補助ワイヤ送給制御装置８０を溶接機ＰＳと分離して設けたが、主ワイヤ送給制御装置７０及び補助ワイヤ送給制御装置８０を、溶接機ＰＳ又はロボット制御装置ＲＣに含めるように設けてもよい。

・ 前記実施形態では、モニタ部７４は主ワイヤ送給制御装置７０に設けたが、補助ワイヤ送給制御装置８０に設けてもよい。

３０…主送給装置、３６…送給モータ、４０…溶接ワイヤ、
５０…補助送給装置、５６…送給モータ、７４…モニタ部。

Claims (5)

1. 溶接ワイヤの送りを行う主送給装置と、
   前記主送給装置に対して速度制御を行う主制御部と、
   前記溶接ワイヤを前記主送給装置に送出する補助送給装置と、
   前記補助送給装置に含まれるモータのモータ出力をトルク制御を行う補助制御部と、
   前記主送給装置に含まれるモータのトルクを監視するモニタ部を備え、
   前記補助制御部は、前記モニタ部のモニタ結果がトルク変動を意味するときは、そのトルク変動に応じた前記補助送給装置に含まれるモータのトルク制御を行うことを特徴とするワイヤ送給システム。
2. 前記モニタ部によりモニタされたトルクが制御周期毎の目標トルクから変動している場合に、または、前記モニタ部によりモニタされたトルクの変化率が、判定閾値を超えたトルク変動の場合に、前記補助制御部は、そのトルク変動に応じて前記補助送給装置に含まれるモータのトルク制御を行うことを特徴とする請求項１に記載のワイヤ送給システム。
3. 前記トルク変動が、トルクの増加による変動の場合は、制御周期毎に行う前記トルク制御の目標トルクを増加させて前記補助送給装置に含まれるモータのトルク制御を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のワイヤ送給システム。
4. 前記トルク変動が、トルクの減少による変動の場合は、制御周期毎に行う前記トルク制御の目標トルクを減少させて前記補助送給装置に含まれるモータのトルク制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のワイヤ送給システム。
5. 前記モニタ部は、前記主制御部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のうちいずれか１項に記載のワイヤ送給システム。