JP2802301B2

JP2802301B2 - アーク溶接装置

Info

Publication number: JP2802301B2
Application number: JP28149496A
Authority: JP
Inventors: 宜明中土; 博明北辻
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 1996-10-01
Filing date: 1996-10-01
Publication date: 1998-09-24
Anticipated expiration: 2016-10-01
Also published as: JPH10109168A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、溶接線を倣いな
がら溶接を行うアーク溶接装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は、この発明の一実施形態のアーク
溶接装置を示す概略構成図であるが、この図を用いて上
記のようなアーク溶接装置の従来例を説明する。同図に
おいて４は溶接トーチであり、また３は、この溶接トー
チ４内のコンタクトチップ（図示せず）を通過し、ワイ
ヤ送給装置（図示せず）により母材１に向けて送給され
る溶接ワイヤである。また同図において８は、溶接トー
チ４を移動させるロボットアーム（トーチ移動手段）８
ａ、溶接トーチ４の位置を検知するためのエンコーダ
（トーチ位置検知手段）８ｂ、溶接電源及び溶接ワイヤ
送給装置等を備えて成る溶接制御部である。一方、同図
に示す５は溶接線を検知するためのレーザセンサ（溶接
線検知手段）であり、上記溶接トーチ４に取り付けて設
けられている。そしてこのレーザセンサ５による検知結
果は、マイクロコンピュータの機能を含む集積回路を用
いて構成されたセンサコントローラ６に送られて加工さ
れ、ＲＳ２３２Ｃの通信線を介してコントローラ７に送
信される。このコントローラ７も、上記センサコントロ
ーラ６と同様にマイクロコンピュータの機能を含む集積
回路を用いて構成され、溶接制御部８の制御を行うよう
になっている。

【０００３】上記従来のアーク溶接装置では、溶接電源
から供給された電力により、溶接トーチ４の先端部にお
いて溶接ワイヤ３と母材１との間にアークを発生させ、
これによって母材１の溶接を行う。そしてレーザセンサ
５で検知した溶接線の位置に基づいてロボットアーム８
ａを制御することにより、自動的に溶接線を倣いながら
溶接ができるようになっている。そこで次に、この倣い
制御について説明する。

【０００４】図１は、この発明のアーク溶接装置の制御
を示すシステムブロック図であるが、この図を用いて上
記従来のアーク溶接装置における倣い制御を説明する。
まずレーザセンサ５から溶接線前方の所要の一点（目標
点）近傍に向けて、溶接線を横断するようにレーザ光を
出射する。レーザセンサ５は再びその反射光を受光し、
これに基づく出力信号をセンサコントローラ６に出力す
る。上記レーザセンサ５からの出射光は例えば帯状のも
のであり、その反射光からはレーザセンサ５と目標点と
の相対位置を読み取ることができる。そして上記レーザ
センサ５は溶接トーチ４に取り付けて設けられているか
ら、上記センサコントローラ６ではセンサ座標上の上記
目標点の位置、すなわち溶接トーチ４先端部と目標点と
の相対位置を把握することができる。このようにセンサ
コントローラ６は、相対位置把握手段としての機能を有
するものである。

【０００５】一方エンコーダ８ｂからは、溶接トーチ４
を移動させるロボットアーム８ａが備える各アームの回
転角度が出力される。この出力からは、ロボット座標上
における溶接トーチ４先端部の位置を知ることができ
る。ここでロボット座標とは、ロボットアーム８ａの基
点を原点とする座標系のことである。従ってロボット座
標上の溶接トーチ４先端部の位置と、センサコントロー
ラ６で把握した溶接トーチ４先端部と目標点との相対位
置とから、ロボット座標上における上記目標点の位置を
算出して把握することができる。

【０００６】ところで上述のように、レーザセンサ５か
らは溶接線前方にレーザ光を出射している。従って直後
にアークを発生させて溶接すべき位置（溶接点）と把握
した目標点の位置とは、溶接線に沿って所定距離だけ離
れている。そこで上記溶接装置では、算出した目標点の
位置を順次にメモリに蓄積すると共に、このメモリから
所定距離分だけ前に蓄積した目標点の位置を読み出すよ
うにしている。この所定距離は、上記装置では約４ｃｍ
である。そしてこのようにして読み出した目標点上に、
上記溶接トーチ４の先端部が位置するようロボットアー
ム８ａを制御するのである。また上記においてロボット
座標上の目標点の位置を把握する溶接位置把握手段７ａ
と、ロボットアーム８ａを制御する制御手段７ｂとは、
コントローラ７によって構成している。

【０００７】上記のようなアーク溶接装置では、レーザ
センサ５を溶接トーチ４に取り付けて設けているので、
レーザセンサ５用としての特別の駆動機構は不要とな
り、簡素な構成によってアーク溶接の倣い制御を行うこ
とができるようになっていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで上記のような
アーク溶接においては、広い溶接ギャップに対しても安
定したビードを形成することが望まれる。そしてこのよ
うな要望に応えるため、溶接線に対して直交する方向に
一定の振動成分を有して溶接トーチ４を揺動させるウィ
ービングという手法が採用される。ところが上記のよう
に溶接トーチ４にレーザセンサ５を取り付けることで構
成の簡素化を図ったアーク溶接装置では、ウィービング
を行うと却って溶接品質が低下してしまうという問題が
生じていた。そこで発明者らは、この問題について詳細
な解析、検討を重ねた結果、その原因について次のよう
な知見を得たのである。

【０００９】すなわち、上記アーク溶接装置では、溶接
トーチ４先端部の位置をエンコーダ８ｂによって検知す
る一方、センサ座標上の目標点の位置をレーザセンサ５
によって検知しているが、この両者の検知時の間には時
間差が生じている。この時間差は、コントローラ７にお
ける制御アルゴリズム、コントローラ７とセンサコント
ローラ６との間のデータ授受の方式、あるいはレーザセ
ンサ５の検出処理方式等によって異なるが、およそ数ｍ
ｓｅｃから数十ｍｓｅｃ程度である。そしてこの時間差
によって、レーザセンサ５が検知したセンサ座標上の目
標点の位置に誤差を含むこととなるのである。そこで次
に、具体例を挙げてこの誤差について説明する。

【００１０】いま、ウィービング周波数を４Ｈｚ（従っ
てウィービング周期は２５０ｍｓｅｃ）、ウィービング
振幅を４ｍｍ、溶接速度を１００ｃｍ／ｍｉｎとする。
このような場合に溶接トーチ４の先端部が形成するウィ
ービング波形（揺動波形）は、およそ図４に示すような
ものである。そして上記時間差が３０ｍｓｅｃ、すなわ
ちエンコーダ８ｂで溶接トーチ４先端部の位置を検知し
てから３０ｍｓｅｃ後に、レーザセンサ５によって目標
点が検知されるものとする。すると図５に示すようにＡ
点で溶接トーチ４先端部の位置をエンコーダ８ｂで検知
しているのに対し、レーザセンサ５で検知した目標点の
相対位置は、Ｂ点に位置する溶接トーチ４先端部に対す
るものとなっている。従ってこの目標点の相対位置に
は、溶接線方向に約０．５ｍｍの誤差が、またこれと直
交する方向に約１ｍｍの誤差が、それぞれ含まれること
になるのである。この場合、溶接線方向の誤差は小さ
く、この程度であれば溶接品質に影響することはない。
しかし振幅方向の誤差はウィービング幅の約１／４にも
なり、これは十分に溶接品質を低下させる原因となる。
しかもこの誤差は、ウィービング周波数、ウィービング
振幅がそれぞれ大きいほど大きくなる。つまり、溶接品
質を向上させようとすると却って溶接品質が低下する方
向に向かうという、極めて困難な問題に直面することに
なるのである。

【００１１】この発明は、上記従来の欠点を解決するた
めになされたものであって、その目的は、簡素な構成で
ありながら、溶接トーチを揺動させても正確な倣い制御
を行うことが可能で溶接品質を低下させることのないア
ーク溶接装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで請求項１のアーク
溶接装置は、図１に示すように、溶接トーチ４と、この
溶接トーチ４を移動させるトーチ移動手段８ａと、上記
溶接トーチ４に取り付けられた溶接線検知手段５と、こ
の溶接線検知手段５の検知結果に基づいて溶接トーチ４
の先端部と溶接線上の所要の一点との相対位置を把握す
る相対位置把握手段６と、溶接トーチ４先端部のロボッ
ト座標上の位置を検知するトーチ位置検知手段８ｂと、
このトーチ位置検知手段８ｂの検知結果と上記相対位置
とに基づいて溶接線上の上記一点のロボット座標上の位
置を把握する溶接位置把握手段７ａと、この溶接位置把
握手段７ａで把握した溶接線上の点の位置に基づいて溶
接トーチ４を相対移動させるよう上記トーチ移動手段８
ａを制御する制御手段７ｂとを備え、溶接線を倣いなが
ら溶接を行うアーク溶接装置であって、上記制御手段７
ｂは、溶接線に対して直交する方向の一定の振動成分を
有して溶接トーチ４を揺動させるようトーチ移動手段８
ａを制御する一方、溶接線検知手段５による溶接線の検
知時とトーチ位置検知手段８ｂによる溶接トーチ４位置
の検知時との間には所定の時間差が存し、上記溶接位置
把握手段７ａは、この所定の時間差と上記揺動とによっ
て溶接線と直交する方向に生じる誤差を補正するように
したことを特徴としている。

【００１３】上記請求項１のアーク溶接装置では、溶接
トーチ４の揺動と検知時間差とによって溶接線と直交す
る方向に生じる誤差を、溶接位置把握手段７ａで補正す
るようにしている。従って溶接線検知手段５を溶接トー
チ４に取り付けて設けた簡素な構成であっても、溶接ト
ーチ４を揺動させながら正確な倣い制御を行うことが可
能で、良好な溶接品質を安定に維持することが可能とな
る。

【００１４】また請求項２のアーク溶接装置は、上記補
正は、溶接トーチ４の揺動波形と上記所定の時間差とに
基づいて、溶接線の検知時における溶接トーチ４先端部
のロボット座標上の位置を推定することによって行うよ
うにしたことを特徴としている。

【００１５】上記請求項２のアーク溶接装置では、溶接
線と直交する方向に生じる誤差を、確実に補正すること
が可能となる。またこのような補正はソフトウェアで行
うことができるので、構成を複雑とすることがなく、し
かも揺動波形の変化等にも容易に対応することが可能と
なる。

【００１６】

【発明の実施の形態】次にこの発明のアーク溶接装置の
具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に
説明する。

【００１７】図２は、上記アーク溶接装置の概略構成図
である。このアーク溶接装置の概略構成は上述した従来
例と同様であって、ロボットアーム８ａによって移動さ
れる溶接トーチ４、溶接トーチ４の先端部において母材
１に向け送給される溶接ワイヤ３、溶接トーチ４に取り
付けて設けられたレーザセンサ５、上記ロボットアーム
８ａやエンコーダ８ｂ等を備えた溶接制御部８、レーザ
センサ５の検知結果を加工して出力するセンサコントロ
ーラ６、及び上記溶接制御部８を制御するコントローラ
７等を備えて構成されている。

【００１８】上記アーク溶接装置も従来例のものと同様
に、溶接電源から供給された電力により、溶接トーチ４
の先端部において溶接ワイヤ３と母材１との間にアーク
を発生させ、これによって母材１の溶接を行う。そして
レーザセンサ５で検知した溶接線の位置に基づいてロボ
ットアーム８ａを制御することにより、自動的に溶接線
を倣いながら溶接を行い、また検知した溶接ギャップが
所定の基準値以上であったときは、溶接トーチ４のウィ
ービングを行うようになっている。このような制御は主
として上記コントローラ７で行われるが、この制御動作
を図１のシステムブロック図を用いて次に説明する。

【００１９】コントローラ７は、まずエンコーダ８ｂか
らデータを読み込む。このデータはロボットアーム８ａ
を構成する各アームの回転角度を示すものであり、コン
トローラ７は、このデータからロボット座標上における
溶接トーチ４先端部の位置を計算する。計算が終了して
上記位置を把握すると、次にセンサコントローラ６に対
して目標点情報要求指令をＲＳ２３２Ｃの通信線を介し
て出力する。センサコントローラ６がこの目標点情報要
求指令を受け取ると、レーザセンサ５から反射光データ
を読み込み、この反射光データから目標点、すなわち溶
接線前方の所要の一点における溶接ギャップの大きさ、
及びそのセンサ座標上の位置を計算し把握する。そして
このセンサ座標上の位置と溶接ギャップの大きさとを再
びＲＳ２３２Ｃの通信線を介してコントローラ７に出力
する。

【００２０】センサ座標上の目標点の位置データを受け
取ったコントローラ７は、次にこれをロボット座標上の
位置に変換する。しかしこのとき、ロボット座標上の溶
接トーチ４先端部の位置をエンコーダ８ｂが検知した時
点と、センサ座標上の目標点の位置をレーザセンサ５が
検知した時点との間には、約３０ｍｓｅｃの時間差が生
じている。従って上述したように、エンコーダ８ｂから
入力した溶接トーチ４先端部の位置データが図５に示す
Ａ点のものであるのに対し、センサ座標上の目標点を検
知した時点では、溶接トーチ４先端部は同図に示すＢ点
に位置していることになる。このままで上記座標変換を
行うと誤差を生じることになるが、上記コントローラ７
では、次のようなソフトウェア処理を行い、上記誤差を
補正するようにしている。

【００２１】まずコントローラ７にとって、ウィービン
グ平面及び溶接トーチ４の進行線（現時点の進行方向を
直線で延長して形成した線）は既知である。従って上記
Ａ点から図３に示すＡ’点を求めることができる。つま
りＡ点からウィービング平面上で進行線に対して垂線を
引くと、その交点がＡ’点である。また上記時間差をＤ
ｓｅｃ、溶接速度をＶｍｍ／ｓｅｃとすると、図３の
Ｂ’点は、Ｂ’＝Ｖ×Ｄ＋Ａ’ として求めることができる。

【００２２】一方、ウィービング平面におけるウィービ
ング波形は、式ｙ＝ａ×ｓｉｎ（２πｆｔ）ａ：ウィービング振幅（ｍｍ）ｆ：ウィービング周波数（Ｈｚ）ｔ：ウィービング開始後経過時間（ｓｅｃ）で表され、これもコントローラ７にとっては既知であ
る。またコントローラ７はタイマの機能を備えているの
で、上記Ａ点におけるウィービング開始後の経過時間を
ｔ_Aとして把握している。従ってｔ_B＝ｔ_A＋Ｄを上式に代入することにより、図３のＢ点における振
幅、すなわち（Ｂ−Ｂ’）を求めることができる。そし
てこの振幅（Ｂ−Ｂ’）にＢ’を加えることにより、Ｂ
点の位置が求められる。そこで上記コントローラ７は、
ロボット座標上の上記Ｂ点の位置と、センサ座標上の目
標点の位置、すなわち上記Ｂ点に対する目標点の相対位
置とから、ロボット座標上における誤差のない目標点の
位置を算出し把握するのである。また以上のようにセン
サ座標上の目標点の位置をロボット座標上の位置に変換
するコントローラ７の機能が、図１に示す溶接位置把握
手段７ａに相当し、これらはすべてソフトウェアで構成
されている。

【００２３】次にコントローラ７は、溶接制御部８の制
御を行う。これは、図１に示す制御手段７ｂに相当する
機能である。上記のようにして算出された目標点は、直
後に溶接が必要とされる溶接点よりも一定距離Ｌだけ進
行方向前方に位置するものである。そこで算出された目
標点の位置を順次にメモリに蓄積すると共に、上記一定
距離Ｌ分だけ前に蓄積した目標点の位置を、同じメモリ
から読み出すようにしている。またこの一定距離Ｌは、
上記アーク溶接装置においても従来例と同様に約４ｃｍ
である。一方、溶接ギャップの大きさについても上記と
同様にメモリ内に順次に蓄積すると共に、一定距離Ｌ分
だけ前に蓄積した溶接ギャップの大きさをメモリから読
み出し、読み出した溶接ギャップの大きさに従って溶接
トーチ４のウィービングを行う。そしてこのウィービン
グの揺動中心が上記目標点の位置となるように、ロボッ
トアーム８ａを制御する。

【００２４】以上のように構成され動作するアーク溶接
装置では、レーザセンサ５を溶接トーチ４に取り付けて
設けているので、レーザセンサ５に対する特別な駆動機
構は不要であり、その構成を簡素なものとできる。また
このような簡素な構成であっても、ウィービングによっ
て溶接線と直交する方向に生じる誤差を補正しているの
で、ウィービングしながら正確な倣い制御を行うことが
でき、良好な溶接品質を安定に維持することができる。
さらにその補正は、溶接線検知時におけるロボット座標
上の溶接トーチ４先端部の位置を推定することによって
行っているので、正確な補正ができる。しかもソフトウ
ェア処理によって補正をしているから構成を複雑とする
ことはなく、ウィービング振幅やウィービング周波数を
溶接ギャップの大きさ等の溶接条件に従って適応的に制
御するような場合にも、常に正確な倣い制御を容易に行
うことができる。

【００２５】以上にこの発明の具体的な実施の形態につ
いて説明したが、この発明は上記形態に限定されるもの
ではなく、この発明の範囲内で種々変更して実施するこ
とができる。例えば上記アーク溶接装置では、静止する
母材１に対して溶接トーチ４を移動させる構成としてい
るが、これは、溶接トーチ４を静止させ、これに対して
母材１を移動させる方式としてもよい。また上記では、
溶接位置把握手段７ａにおいて演算により溶接トーチ４
先端部の位置を算出しているが、これは、予め作成した
テーブルから読み出すようにしてもよい。

【００２６】

【発明の効果】上記請求項１のアーク溶接装置では、溶
接トーチの揺動と検知時間差とによって溶接線と直交す
る方向に生じる誤差を、溶接位置把握手段で補正するよ
うにしている。従って溶接線検知手段を溶接トーチに取
り付けて設けた簡素な構成であっても、溶接トーチを揺
動させながら正確な倣い制御を行うことが可能で、良好
な溶接品質を安定に維持することが可能となる。

【００２７】また上記請求項２のアーク溶接装置では、
溶接線と直交する方向に生じる誤差を、確実に補正する
ことが可能となる。またこのような補正はソフトウェア
で行うことができるので、構成を複雑とすることがな
く、しかも揺動波形の変化等にも容易に対応することが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態のアーク溶接装置のシス
テムブロック図である。

【図２】上記アーク溶接装置の概略構成図である。

【図３】上記アーク溶接装置における目標点位置の補正
を説明する図である。

【図４】上記アーク溶接装置におけるウィービング波形
を示す図である。

【図５】上記アーク溶接装置における誤差の発生原理を
説明する図である。

【符号の説明】

４溶接トーチ５レーザセンサ６センサコントローラ８ａロボットアーム８ｂエンコーダ７ａ溶接位置把握手段７ｂ制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 9/127 B23K 9/12 331 B23K 9/12 350

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】溶接トーチと、この溶接トーチを移動さ
せるトーチ移動手段と、上記溶接トーチに取り付けられ
た溶接線検知手段と、この溶接線検知手段の検知結果に
基づいて溶接トーチの先端部と溶接線上の所要の一点と
の相対位置を把握する相対位置把握手段と、溶接トーチ
先端部のロボット座標上の位置を検知するトーチ位置検
知手段と、このトーチ位置検知手段の検知結果と上記相
対位置とに基づいて溶接線上の上記一点のロボット座標
上の位置を把握する溶接位置把握手段と、この溶接位置
把握手段で把握した溶接線上の点の位置に基づいて溶接
トーチを相対移動させるよう上記トーチ移動手段を制御
する制御手段とを備え、溶接線を倣いながら溶接を行う
アーク溶接装置であって、上記制御手段は、溶接線に対
して直交する方向の一定の振動成分を有して溶接トーチ
を揺動させるようトーチ移動手段を制御する一方、溶接
線検知手段による溶接線の検知時とトーチ位置検知手段
による溶接トーチ位置の検知時との間には所定の時間差
が存し、上記溶接位置把握手段は、この所定の時間差と
上記揺動とによって溶接線と直交する方向に生じる誤差
を補正するようにしたことを特徴とするアーク溶接装
置。
【請求項２】上記補正は、溶接トーチの揺動波形と上
記所定の時間差とに基づいて、溶接線の検知時における
溶接トーチ先端部のロボット座標上の位置を推定するこ
とによって行うようにしたことを特徴とする請求項１の
アーク溶接装置。