JP3579237B2 - Data sampling method for welding machine - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接機におけるデータサンプリング方法に関するものであり、特に、パルス指令方式のサーボ制御を用い、溶接の進行方向に対して左右に溶接トーチをウィービングさせて行う溶接方法において、溶接トーチのウィービング位置に同期させて溶接データをサンプリングする方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
パイプの円周方向のシームを自動で溶接する溶接機の構成の例を図2に示す。図2において、パーソナルコンピュータ21は、自動溶接のためのCADデータを作成するためのものであり、作成されたデータはフレキシブルディスク21aに記録される。制御装置22は、自動溶接の実質的な制御(電源及びトーチ位置等の制御)を行うためのものであり、フレキシブルディスク21aからCADデータを読み込む。そして、制御装置22は、この読み込んだデータを用いて実際の溶接条件を設定し、設定された条件に対応して、ロジックテーブルに予め記録されたデータにより各種溶接パラメータを設定する。
【0003】
さらに、この制御装置22では、設定された溶接パラメータを実際の溶接の制御に用いるNC言語に変換し、変換した言語を制御データとして制御テーブルの形で内部のメモリに記録する。そのメモリに記録された制御データを用いて、電源装置23、及び溶接ヘッド24を駆動制御すると共に、パルス電圧波形及びパルス電流波形の計測・解析値を用いてアーク倣い関連補正を行う構成となっている。なお、制御装置22の主な制御項目は、溶接ヘッド24の溶接の電圧、電流、及び溶接ヘッド24に搭載された溶接トーチ27の、パイプ開先30に対するウィービング、溶接ヘッド24の移動速度等である。
【0004】
溶接ヘッド24は、電源装置23と送電ケーブル28で接続され、パイプ外周に巻き付けられたガイドレール29上に、円周方向に移動可能に装着される。溶接ヘッド24には、溶接トーチ27に対して溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部26が搭載されている。
【0005】
図3に、制御装置22、電源装置23、溶接ヘッド24、パイプ25間の電気的な接続関係を示す。図から分かるように、電源装置23からは、送電ケーブル28を介して、溶接ヘッド24のワイヤ31とパイプ25との間にパルス溶接電圧が印加されるようになっている。これにより、ワイヤ31とパイプ25表面との間にアークが発生する。ワイヤ31は一定速度で送られ、アークにより溶かされて溶着金属となり、パイプ開先30内で固まり、母材を構成する。
【0006】
図4に、溶接ヘッド24の詳細図を示す。溶接ヘッド24は、パイプ外周上の位置(時分で示す)X軸、溶接トーチ27のウィービングの開先部幅方向(パイプ軸方向)Y軸、及び溶接高さ方向(パイプ半径方向)Z軸、及び溶接トーチ旋回軸の各軸についてサーボ機構を備え、これら4軸は制御装置22により制御されている。ウィービングは2次元ウィービングである。即ち、溶接トーチ27を溶接進行方向(X軸)に対して直交するY軸方向及びZ軸方向に、開先部に沿って移動させている。
【0007】
溶接を自動で行うために、いろいろな自動制御が行われている。その代表的なものを以下に示す。
【0008】
<溶接速度制御>
溶接ヘッド24のパイプ円周方向(X軸方向)への進行速度が、プリセットされた値になるように制御を行う。具体的には、X軸方向駆動モータの速度を、プリセット値に制御する。
【0009】
<上下アーク倣い>
上下アーク倣いは、指令電流値と計測した電流値が一致するように、溶接トーチ27の上下方向位置を補正するものである。電流値が指令電流値よりも高くなったときは、溶接トーチ27が低すぎてワイヤ突き出し長さが短くなっているものと判断し、溶接トーチ27を上げる。逆に、電流値が指令電流値よりも低くなったときは、溶接トーチ27が高すぎてワイヤ突き出し長さが長くなっているものと判断し、溶接トーチ27を下げる。
【0010】
<アーク電圧調整(アーク長補正)>
アーク電圧調整は、溶接作業時の環境条件によるアーク電圧の変動を吸収するために、アーク電圧を自動調整するものである。具体的には、アークショート時間率が設定された値となるように電圧指令を調整する。アークショートとは、溶接ワイヤと母材や溶融金属との間隔が短くなりすぎて、両者の間に短絡(ショートが生じた状態のことである。
【0011】
<左右アーク倣い>
左右アーク倣いは、溶接トーチ27のウィービング中心が正確にパイプ開先30中心を通るようにするものであり、左右電流値が均等になるように溶接トーチ27中心位置をずらす制御を行うものである。ウィービングの中心がパイプ開先30中心に対してずれると、左右端で開先壁との間隔が異なり、これにより左右端での電流値が異なるようになる。よって、この電流値の差を検出することにより、ウィービングの中心のずれを検出することができる。従って、左右端での電流値の差を無くすようにウィービングの中心位置を調整する。
【0012】
これらの制御、特に左右アーク倣い制御を行うための溶接機データ(溶接電流、溶接電圧、アークショート時間、アークショート率等)のサンプリングは、溶接トーチの位置に同期して行っている。その例を図5に示す。
【0013】
図5において、横軸は時間、縦軸はY軸、即ち開先幅方向の位置である。実線は溶接トーチ位置の指令値の軌跡である指令軌跡、破線は実際の溶接トーチ位置の軌跡であるサーボ軌跡である。図5の例では、ウィービング幅(Y軸方向の移動範囲)を、右端、右、中心、左、左端の5区間に分けて、各区間毎に各種データのサンプリングを行っている。
【0014】
図5にも示されているように、溶接トーチの移動指令に対するサーボ機構の応答の遅延に起因して、サーボ軌跡は指令軌跡に遅れて追従すると共に、振幅も指令軌跡より小さくなっている。よって、溶接トーチの実際位置が計測可能であるサーボ系においては、溶接トーチの実際位置を計測し、それを基準にして溶接トーチが前記区間のどこにあるかを判断し、データのサンプリングを行っている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パルス指令方式のサーボ制御機構においては、溶接トーチの実際位置の計測を行っていない。パルス指令方式のサーボ制御機構の制御ブロック図の例を図6に示す。コントローラ41からは指令軌跡の変化分に対応する指令パルスがサーボアンプ42に与えられる。サーボアンプ42はカウンタ43を有しておりこのパルスを計数する。カウンタ43の値がD/A変換器44によりアナログ値とされてサーボモータ45に与えられる。
【0016】
サーボモータ45の動きはパルス発信器46により検出され、そのパルスはフィードバックパルスとしてカウンタ43に入力される。指令パルスとフィードバックパルスのカウント方向は逆になっているので、指令パルスの数とフィードバックパルスの数が一致した時点、即ち指令パルス分だけサーボモータ45が回転した時点でカウンタ43の値がゼロとなってサーボモータ45が停止する。
【0017】
このようなサーボ制御系においては、サーボモータの回転量の絶対値、即ち溶接トーチのウィービング量の実際値を検出することができない。よって、前記のように、溶接トーチの実際の位置に同期してデータのサンプリングを行うことができないという問題点がある。指令軌跡はコントローラ41で把握することが可能であるので、指令軌跡に同期させてデータのサンプリングを行うことも考えられるが、図6に示すように、指令軌跡とサーボ軌跡は一致していないので、サンプリングの誤差が発生することは避けられない。
【0018】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、溶接トーチ実際位置が測定不能なパルス指令方式のサーボ制御を用いた場合でも、溶接トーチ実際位置に同期したデータのサンプリングが可能な、溶接機におけるデータサンプリング方法を可能にすることを課題とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第1の手段は、パルス指令方式のサーボ制御を用い、溶接の進行方向に対して左右に溶接トーチをウィービングさせて行う溶接方法において、溶接トーチのウィービング位置に同期させて溶接データをサンプリングするに際し、溶接トーチの位置指令値から溶接トーチ実際位置を予測し、予測された溶接トーチ実際位置に基づいてデータサンプリングのタイミングを決定することを特徴とする溶接機におけるデータサンプリング方法(請求項1)である。
【0020】
本手段においては、溶接トーチの位置指令値から溶接トーチの実際位置を予測する。即ち、位置指令値の変化に対する溶接トーチ実際位置の追随性を、解析的又は実験的に求め、例えば伝達関数の形で両者の関係付けを行う。そして、実際の位置指令値(指令軌跡)に対して伝達関数演算を行う等により、溶接トーチの実際の位置の時間的変化(サーボ軌跡)を計算して予測する。そして、予測された溶接トーチ実際位置に基づいてデータサンプリングのタイミングを決定するので、溶接トーチの実際位置検出ができなくても、溶接トーチの実際位置に同期したデータサンプリングができる。
【0021】
前記課題を解決するための第2の手段は、前記第1の手段であって、溶接トーチの位置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが一次遅れであるとして、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とするもの(請求項2)である。
【0022】
一般に、指令軌跡に対するサーボ軌跡の遅れは、一次遅れで近似できる。よって、溶接トーチの位置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが一次遅れであるとして溶接トーチ実際位置を予測すると、演算が簡単になり、かつ正確に溶接トーチ実際位置を予測することができる。
【0023】
前記課題を解決するための第3の手段は、前記第1の手段であって、溶接トーチの位置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが一次遅れと無駄時間であるとして、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とするもの(請求項2)である。
【0024】
指令軌跡に対するサーボ軌跡の応答遅れを一次遅れと無駄時間が結合したものとして、これに基づいて溶接トーチ実際位置を予測すると、それほど演算を複雑にすることなく、前記第2の手段に比べて、溶接トーチ実際位置をより正確に予測することができる。
【0025】
前記課題を解決するための第4の手段は、前記第1の手段であって、溶接トーチの位置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが二次遅れであるとして、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とするもの(請求項4)である。
【0026】
指令軌跡に対するサーボ軌跡の応答遅れを二次遅れとして、これに基づいて溶接トーチ実際位置を予測すると、それほど演算を複雑にすることなく、前記第2の手段に比べて、溶接トーチ実際位置をより正確に予測することができる。
【0027】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。図1は、本発明の実施の形態の例を示すブロック図である。図1において、1はコントローラ、2はサーボアンプ、3はカウンタ、4はD/A変換器、5はサーボモータ、6はパルス発信器、7は指令値カウンタ、8は実位置演算手段、9はデータサンプリング手段である。
【0028】
コントローラ1からは指令軌跡の変化分に対応する指令パルスがサーボアンプ2に与えられる。サーボアンプ2はカウンタ3を有しており、カウンタ3の値がD/A変換器4によりアナログ値とされてサーボモータ5に与えられる(実際には、D/A変換器の後に速度制御装置、電力増幅器が設置されているが、これらの図示及び説明は省略する)。
【0029】
サーボモータ5の動きはパルス発信器6により検出され、そのパルスはフィードバックパルスとしてカウンタ3に入力される。指令パルスとフィードバックパルスのカウント方向は逆になっているので、指令パルスの数とフィードバックパルスの数が一致した時点、即ち指令パルス分だけサーボモータ5が回転した時点でカウンタ3の値がゼロとなってサーボモータ5が停止する。
【0030】
一方、指令パルスは指令値カウンタ7にも与えられ、指令値が計算される。指令値カウンタ7の内容は指令軌跡に対応している。実位置演算手段8は、指令値カウンタ7の内容を基に、溶接トーチの実際位置を計算する。この実施の形態においては、実位置演算手段8は一次遅れ要素からなり、溶接トーチがその位置指令に対して一次遅れを持って追随しているものとして溶接トーチの現在位置を予測している。
【0031】
予測された溶接トーチの位置はデータサンプリング手段9に与えられる。データサンプリング手段9は、与えられた溶接トーチ位置に同期して、従来技術と同様の方法により、溶接電流、溶接電圧等のサンプリングを行う。
このような方式とすることにより、溶接トーチの現在位置を検出する手段がなくても、その位置を予測し、それに同期したデータのサンプリングを行うことができる。
【0032】
本発明の別の実施の形態においては、実位置演算手段8が一次遅れと無駄時間の結合した要素からなっている他は前記実施の形態と同じである。この演算は、入力を実位置演算手段8内の記憶手段中で一定時間遅延させ、それを一次遅れ要素に入力することで簡単に実現できる。この方法によれば、実位置演算手段を単なる一次遅れとしたときよりも、高精度で溶接トーチの現在位置を予測することができる。
【0033】
本発明のさらに別の実施の形態においては、実位置演算手段8が二次遅れ要素からなっている他は前記実施の形態と同じである。二次遅れ要素も、マイクロコンピュータを使用することによって簡単に実現できる。この方法によっても、実位置演算手段を単なる一次遅れとしたときよりも、高精度で溶接トーチの現在位置を予測することができる。
【0034】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、溶接トーチの位置指令値から溶接トーチ実際位置を予測し、予測された溶接トーチ実際位置に基づいてデータサンプリングのタイミングを決定しているので、溶接トーチ実際位置が測定不能なパルス指令方式のサーボ制御を用いた場合でも、溶接トーチ実際位置に同期したデータのサンプリングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態の例を示すブロック図である。
【図2】自動溶接機の構成の例を示す図である。
【図3】自動溶接機の電気的な接続関係を示す図である。
【図4】溶接ヘッドの詳細を示す図である。
【図5】溶接機データをサンプリングする区間を示す図である。
【図6】パルス指令方式のサーボ制御機構の制御ブロックの例を示す図である。
【符号の説明】
1 コントローラ
2 サーボアンプ
3 カウンタ
4 D/A変換器
5 サーボモータ
6 パルス発信器
7 指令値カウンタ
8 実位置演算手段
9 データサンプリング手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a data sampling method in a welding machine, and particularly to a welding method in which a welding torch is weaved to the left and right with respect to the direction of welding by using a pulse command type servo control. The present invention relates to a method of sampling welding data in synchronization with a position.
[0002]
[Prior art]
FIG. 2 shows an example of a configuration of a welding machine that automatically welds a circumferential seam of a pipe. In FIG. 2, a
[0003]
Further, the
[0004]
The
[0005]
FIG. 3 shows an electrical connection relationship between the
[0006]
FIG. 4 shows a detailed view of the
[0007]
In order to perform welding automatically, various automatic controls are performed. Representative examples are shown below.
[0008]
<Welding speed control>
Control is performed so that the traveling speed of the
[0009]
<Vertical arc copying>
The vertical arc copying corrects the vertical position of the
[0010]
<Arc voltage adjustment (arc length correction)>
The arc voltage adjustment is for automatically adjusting the arc voltage in order to absorb fluctuations in the arc voltage due to environmental conditions during the welding operation. Specifically, the voltage command is adjusted so that the arc short time ratio becomes a set value. The arc short is a state in which the distance between the welding wire and the base material or the molten metal is too short, and a short circuit occurs between the two (a short circuit occurs).
[0011]
<Left and right arc copying>
The left and right arc copying is to control the weaving center of the
[0012]
Sampling of these controls, particularly welding machine data (welding current, welding voltage, arc short time, arc short rate, etc.) for performing right and left arc copying control is performed in synchronization with the position of the welding torch. An example is shown in FIG.
[0013]
In FIG. 5, the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the Y axis, that is, the position in the groove width direction. A solid line is a command locus which is a locus of the command value of the welding torch position, and a broken line is a servo locus which is a locus of the actual welding torch position. In the example of FIG. 5, the weaving width (moving range in the Y-axis direction) is divided into five sections of a right end, a right, a center, a left, and a left end, and various data are sampled for each section.
[0014]
As shown in FIG. 5, due to the delay of the response of the servo mechanism to the movement command of the welding torch, the servo trajectory follows the command trajectory with a delay, and the amplitude is smaller than the command trajectory. Therefore, in a servo system in which the actual position of the welding torch can be measured, the actual position of the welding torch is measured, the position of the welding torch in the section is determined based on the measured position, and data is sampled. I have.
[0015]
[Problems to be solved by the invention]
However, the pulse command type servo control mechanism does not measure the actual position of the welding torch. FIG. 6 shows an example of a control block diagram of a pulse command type servo control mechanism. A command pulse corresponding to a change in the command trajectory is given from the
[0016]
The movement of the
[0017]
In such a servo control system, the absolute value of the rotation amount of the servomotor, that is, the actual value of the weaving amount of the welding torch cannot be detected. Therefore, as described above, there is a problem that data sampling cannot be performed in synchronization with the actual position of the welding torch. Since the command trajectory can be grasped by the
[0018]
The present invention has been made to solve such a problem, and even when using a pulse command type servo control in which the actual position of the welding torch cannot be measured, sampling of data synchronized with the actual position of the welding torch is possible. It is an object to enable a data sampling method in a welding machine.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
A first means for solving the above-mentioned problem is that, in a welding method in which a pulse torch type servo control is used and a welding torch is weaved to the right and left with respect to a welding progress direction, the welding torch is synchronized with a weaving position. Data sampling in a welding machine, wherein when welding data is sampled, a welding torch actual position is predicted from a welding torch position command value, and data sampling timing is determined based on the predicted welding torch actual position. A method (claim 1).
[0020]
In this means, the actual position of the welding torch is predicted from the position command value of the welding torch. That is, the followability of the actual position of the welding torch to a change in the position command value is obtained analytically or experimentally, and the two are related in the form of, for example, a transfer function. Then, a time-dependent change (servo trajectory) of the actual position of the welding torch is calculated and predicted by, for example, performing a transfer function calculation on the actual position command value (command trajectory). Since the data sampling timing is determined based on the predicted actual position of the welding torch, even if the actual position of the welding torch cannot be detected, data sampling synchronized with the actual position of the welding torch can be performed.
[0021]
A second means for solving the above-mentioned problem is the first means, wherein the response delay of the welding torch actual position to the welding torch position command is a first-order delay, and the welding torch actual position is predicted. (Claim 2).
[0022]
Generally, the delay of the servo trajectory from the command trajectory can be approximated by a first-order lag. Therefore, when the actual position of the welding torch is predicted assuming that the response delay of the actual position of the welding torch to the position command of the welding torch is a first-order delay, the calculation can be simplified and the actual position of the welding torch can be accurately predicted.
[0023]
A third means for solving the above-mentioned problem is the first means, wherein a response delay of the welding torch actual position to the welding torch position command is a primary delay and a dead time, and the welding torch actual position is determined. The present invention is characterized in that it is predicted (claim 2).
[0024]
Assuming that the response delay of the servo trajectory with respect to the command trajectory is a combination of the primary delay and the dead time, and predicting the actual position of the welding torch based on the result, the calculation is not so complicated, and compared to the second means, The actual position of the welding torch can be more accurately predicted.
[0025]
A fourth means for solving the above problem is the first means, wherein a response delay of the welding torch actual position to the welding torch position command is a secondary delay, and the welding torch actual position is predicted. (Claim 4).
[0026]
Assuming the response delay of the servo trajectory to the command trajectory as a secondary delay and predicting the actual position of the welding torch based on the secondary delay, the actual position of the welding torch can be more easily compared to the second means without significantly complicating the calculation. Can be accurately predicted.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 1 is a controller, 2 is a servo amplifier, 3 is a counter, 4 is a D / A converter, 5 is a servomotor, 6 is a pulse transmitter, 7 is a command value counter, 8 is actual position calculation means, 9 Is a data sampling means.
[0028]
A command pulse corresponding to a change in the command trajectory is given from the
[0029]
The movement of the
[0030]
On the other hand, the command pulse is also given to the
[0031]
The predicted position of the welding torch is provided to the data sampling means 9. The data sampling means 9 samples the welding current, welding voltage, and the like in synchronization with the given welding torch position by the same method as in the related art.
By adopting such a method, even if there is no means for detecting the current position of the welding torch, the position can be predicted and data sampling synchronized with the position can be performed.
[0032]
Another embodiment of the present invention is the same as the above embodiment, except that the actual position calculating means 8 is composed of an element in which the primary delay and the dead time are combined. This calculation can be easily realized by delaying the input in the storage means in the actual position calculation means 8 for a fixed time and inputting it to the primary delay element. According to this method, the current position of the welding torch can be predicted with higher accuracy than when the actual position calculation means is simply a first-order delay.
[0033]
Another embodiment of the present invention is the same as the above embodiment, except that the actual position calculating means 8 comprises a second-order lag element. The second-order lag element can be easily realized by using a microcomputer. According to this method as well, the current position of the welding torch can be predicted with higher accuracy than when the actual position calculation means is simply a first-order delay.
[0034]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the welding torch actual position is predicted from the welding torch position command value, and the data sampling timing is determined based on the predicted welding torch actual position. Even when using the pulse command type servo control whose position cannot be measured, data sampling synchronized with the actual welding torch position can be performed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating an example of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a configuration of an automatic welding machine.
FIG. 3 is a diagram showing an electrical connection relationship of the automatic welding machine.
FIG. 4 is a diagram showing details of a welding head.
FIG. 5 is a diagram showing a section in which welding machine data is sampled.
FIG. 6 is a diagram illustrating an example of a control block of a servo control mechanism of a pulse command system.
[Explanation of symbols]
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