JP3812914B2 - パイプ円周自動溶接装置の左右ウィービング幅補正方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パイプ円周自動溶接装置に係り、特に、パルス溶接電流波形及びパルス溶接電圧波形を計測・解析し、これに基づいてアーク倣い関連補正を行うパイプ円周自動溶接装置の左右ウィービング補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスパイプライン敷設工事の際には、突き合わせて固定されている２本のパイプの端面を全周溶接により接続する。この溶接を自動溶接により行う場合は、パイプにベルト状のガイドレールを巻き、このガイドレール上に溶接ヘッドを走らせＭＡＧ（メタル・アクティブ・ガス）法等により溶接している。アーク倣い関連補正の「アーク倣い」とは、溶接中の電流や電圧を監視して、トーチをワークに対して位置的に倣わせるものである。
【０００３】
従来のパイプの突き合せアーク溶接においては、ウィービング等の駆動は、比較的低速のものはパルスモータにより、また、高速なものはサーボモータにより行われるのが一般的である。そして、その溶接の際にトーチをワークに対して最適な位置に保つために、溶接中の電流や電圧を監視して、それらの値が適正になるようトーチの位置をフィーバック制御することも行われている。そのための電流／電圧計測方法は、パルス溶接電流／電圧信号を、低域通過型フィルタを通して平滑化し、Ａ／Ｄコンバータにより、ディジタルの電流／電圧信号として計測している。ただし、低域通過型フィルタのカットオフ周波数は、パルス溶接電流／電圧の繰り返し周波数よりもはるかに低く設定されていた（例えば、パルス周波数１００〜４００Ｈｚに対してカットオフ周波数１０Ｈｚ）。
【０００４】
従来のパイプ円周溶接に関する技術として、特開昭６３−１８３７７６号公報及び特開平４−２８４９７３号公報に記載されたものがある。特開昭６３−１８３７７６号公報に記載の技術は、アーク回転式の全姿勢溶接装置に関するものである。同方式では開先形状が狭開先で高精度加工が必要であり、開先幅の広いワークに対しての適用は難しい。特開平４−２８４９７３号公報に記載の技術は、開先部の溶接をリアルタイム制御にする自動アーク溶接法に関するものであるが、パルス溶接電流／電圧の個々のパルス波形の計測の点については解決されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
パイプ円周溶接、高速ウィービング等における最適な溶接を行うためには、高精度なウィービングの制御が必要となる。
【０００６】
溶接作業前に開先の形状を計測してそのデータを保持しておくことにより、ある程度の誤差補正は可能であるが、形状計測の実際の計測位置以外の位置についてはデータの補間により対処されるので、開先形状計測のデータのみでは十分な補正が行えないという問題があった。
【０００７】
また、従来のパルス溶接電流／電圧の計測では、高速、高精度の電流／電圧波形の計測が困難で、せいぜいパルス溶接電流／電圧の繰り返し周期の１０倍程度の応答時間での計測であった。そのため、アーク倣い関連補正のための電流、電圧、ウィービング指令等のタイミングが遅れ、きめ細かな補正が行えないという問題があった。
【０００８】
本発明は、高速ウィービングを行いながら鋼管の円周自動溶接を行うパイプ円周自動溶接装置の制御を高精度に行うことを可能にする、アーク倣い関連補正、特に左右ウィービング幅補正方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるパイプ円周自動溶接装置の左右ウィービング幅補正方法は、突き合わせて固定されている２本のパイプの端面をパルスＭＡＧ溶接法により全周溶接する際、パイプの開先に沿ってパイプ円周の接線に直交する左右方向および上下方向にトーチの２次元ウィービングを行う自動溶接装置の左右ウィービング幅補正方法であって、計測したパルス溶接電流に基づいて、１ウィービング周期内の、開先のスロープ部に対応するウィービングの左端および右端における電流パルス周期を求め、計測したパルス溶接電圧に基づいて、１ウィービング周期内の、開先のスロープ部に対応するウィービングの左端および右端におけるアークショート時間を求め、該求められた左端および右端のアークショート時間により前記左端および右端の電流パルス周期をそれぞれ補正し、該補正された左端および右端の電流パルス周期の大きい方を補正電流パルス周期とし、該補正電流パルス周期をその上限値および下限値と比較し、上限値より大きい場合、左右のウィービング幅を広くし、下限値より小さい場合、左右のウィービング幅を狭くするよう、ウィービング幅を補正することを特徴とする。
【００１０】
左ウィービング幅は、好ましくは、開先のスロープ部に対応するウィービングの左右端以外の水平移動部分の左側の区間の幅である。右ウィービング幅も同様である。
【００１１】
本発明のこの構成によれば、左右端電流パルス周期をそれぞれ左右端アークショート時間で補正したものに基づいて左右のウィービング幅を補正するので、極めて高精度の補正を行うことができる。また、電流電圧波形の測定値をリアルタイムに用いて補正を行うので、極めて応答性の高いウィービング制御を行うことが可能となる。
【００１２】
前記アークショート時間による電流パルス周期の補正の一例としては、電流パルス周期からアークショート時間を減算した結果を補正後の電流パルス周期とする。
【００１３】
前記ウィービング幅の補正は、例えば、前記補正電流パルス周期と前記上限値または下限値の差に予め定めた係数値を掛けて得られた量を補正量とする。
【００１４】
好ましくは、ウィービング周期毎の前記補正量を積算しておき、前回までの積算値と今回の補正量との和が予め定めた限界値を超える場合には、当該限界値と前記積算値との差分を今回の補正量とする。
【００１５】
また、好ましくは、前記左右ウィービング幅の補正により、全体のウィービング幅が変わった場合、ウィービング周期を一定とするために、全体のウィービング幅の変化量に応じてウィービング速度を変更する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。ここでは、本発明を高周波パルスＭＡＧ溶接に適用した例を説明する。パルスＭＡＧ溶接については、例えば、「溶接技術」１９８９年２月号第６７〜７６頁に記載されている。
【００１７】
図１により本発明の溶接装置の概略構成について述べる。パーソナルコンピュータ１は、自動溶接制御のためのＣＡＤデータ（パイプの外径、板厚、材質、開先形状などの設計値）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（フロッピーディスク）１ａに記録される。制御装置２は、自動溶接の実質的な制御（電源およびトーチ位置等の制御）を行うためのものであり、ＣＡＤデータの格納されたフレキシブルディスク１ａからそのＣＡＤデータを読み込む。勿論、フレキシブルディスクによらず、周知のデータ通信によってデータ転送を行うようにしてもよい。制御装置２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、後述する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。このようなロジックテーブルの詳細およびこれを用いた溶接データの作成については、本願出願人が先に提案した特願平７−１７３９２１号に開示されている。
【００１８】
さらに、この制御装置２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（数値制御用言語）に変換し、変換した言語を制御データとして制御データテーブルの形で内部のメモリに記録する。このメモリに記録された制御データを用いて、電源装置３、及び溶接ヘッド４を駆動制御するとともに、後述する、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２の主な制御項目は、溶接ヘッド４の溶接の電圧、電流、及びヘッド４に搭載された溶接トーチ８のパイプ開先９３に対するウィービング、溶接ヘッド４の移動速度等である。ヘッド４は、パイプ外周に巻き付けられたガイドレール１２上に、円周方向に移動可能に装着される。ヘッド４には、溶接トーチ８に対して溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部６が搭載されている。
【００１９】
図２に、制御装置２、電源３、ヘッド４、パイプ５の間の電気的な接続関係を示す。図から分かるように、電源３からは、送電ケーブル９を介して、ヘッド４のワイヤ７とパイプ５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７とパイプ５表面との間にアーク９１（図１２）が発生する。溶接用ワイヤ７は一定速度で送られ、アーク９１により溶かされて溶着金属９２（図１２）となり、開先９３（図１２）内で固まり母材５を接合する。
【００２０】
図３に示すように、溶接ヘッド４のパイプ外周上の位置（時分で表す）Ｘ軸、トーチ８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、トーチ旋回軸Ａの各軸についてサーボ機構を備え、計４軸は制御装置２により制御されている。なお、二次元ウィービングとは、トーチ８を溶接進行方向（Ｘ軸）に対して直交するＹ軸方向およびＺ軸方向に、開先部に沿って移動させる動作をいう。
【００２１】
図４により、本実施の形態において溶接ヘッド４に付属する部品について説明する。溶接ヘッド４には、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸毎にヘッドの位置変化を検出するためのエンコーダ４２ｘ，４２ｙ，４２ｚ（総称して４２で示す）および各軸毎に設けられた機械原点（図示せず）を検出する原点センサ４１ｘ，４１ｙ，４１ｚ（総称して４１で示す）が取り付けられている。各軸エンコーダ４２は、その軸方向のヘッド移動量に応じた個数のパルスを発生するデバイスであり、このパルス数を計数することにより移動量を求めることができる。但し、Ｘ軸エンコーダ４２ｘについては、絶対値エンコーダにより構成し、モータへの電源オフ期間中にもその絶対的な位置を保持することができるようにしてある。Ｙ軸およびＺ軸については、現在位置情報が失われたとしても、移動のストロークが小さく、新たに機械原点を検出・設定する手間および時間は問題にならないので、より簡易なインクリメンタル（相対置）エンコーダを採用している。各軸の原点センサ４１は、各軸における機械的な原点を示す機械原点を検出するためのセンサであり、例えば、光学的なセンサを用いることができる。Ｘ軸の機械原点は、ガイドレール１２の円周上の予め定めた１カ所に設けられた指標であり、この例では、ガイドレール１２の頂部において設けた光遮断部材（図示せず）である。Ｙ軸の機械原点はトーチのＹ軸方向の後退位置に設けた光遮断部材（図示せず）である。同様に、Ｚ軸の機械原点はトーチのＺ軸方向のほぼ最上位位置に設けた光遮断部材（図示せず）である。勿論、センサは光学的なものに限るものではなく、例えば、近接センサのようなものを利用することもできる。これらの各軸の原点を基準として、トーチの目標位置を指定することができる。これらの原点の検出・設定は、溶接作業の初期作業として行われる。
【００２２】
図５により、制御装置２の内部構成を説明する。
【００２３】
制御装置２は、制御部２２３、記憶部（メモリ）２２１、ハードディスク２２２、溶接ヘッド制御部２３０、ＣＲＴ・キーボード２２５、パルス波形計測部２１１を有する。
【００２４】
なお、図５の制御装置２内に破線で示すように、コンピュータ１を内蔵する構成としてもよい。制御部２２３はマイクロプロセッサにより構成することができ、記憶部２２１はその制御プログラムおよび各種データの格納領域、作業領域を提供するものである。ハードディスク２２２は、制御プログラムや各種データ等を不揮発的に保存する大容量の記憶装置である。具体的には、ハードディスク２２２には、予め定められた溶接条件および溶接パラメータが、ロジックテーブル（後述）としてテーブル形式で格納される。制御部２２３は、記憶部２２１に記憶されたＣＡＤデータを読み出して溶接条件を判定し、この溶接条件に適合する溶接パラメータをロジックテーブルから読み出す。さらに、この読み出した溶接パラメータを、溶接ヘッド４及び電源装置３を制御するための言語に変換して制御データとして制御データテーブル（図示せず）の形で記憶部２２１に記憶する。この制御データは後述する溶接ヘッド制御部２３０に送られる。ＣＲＴ・キーボード２２５は、制御部２２３と操作者との間のユーザインタフェースを提供するための表示部および入力部である。溶接ヘッド制御部２３０は、制御部２２３からの信号の送受信や、リモート操作装置２３４との信号の送受信を行うための送受信部２３１、溶接ヘッド４およびトーチ８の動作を制御するためのサーボモータの駆動指令を出力するヘッド駆動部２３３、及び電源装置３の制御を行う電源制御部２３２を有する。パルス波形計測部２１１は、電源装置３からのパルス溶接電圧およびパルス溶接電流を計測するためのハードウエア回路である。このハードウエア回路の構成例については、図１２により後述する。
【００２５】
図６に、本実施の形態におけるパイプ円周自動溶接装置の処理のフローチャートを示す。
【００２６】
図６において、まず、制御装置２において、ＣＡＤデータから、パイプの口径、板厚、材質、開先形状等を読み出す（６１）。この読み出されたデータを用いて、ロジックテーブルから、溶接条件（積層計画、層，番地毎の電流、電圧、回転速度など）に対応した溶接パラメータを決定する（６２、６３）。この決定された溶接パラメータをＮＣ言語に変換する（６４）。これにより得られたＮＣデータは、制御データとして制御テーブル（図示せず）に記憶される。また、このＮＣデータを用いて、電源装置や溶接ヘッドを動作させる（６５〜６８）。この動作時に、パルス溶接電流・電圧の検出手段を用いてヘッドの位置間隔等を検出し、動作状態が最適状態にセットされているか否かを判定し、正規の動作位置になっていなければ、トーチの軌跡データを補正し、ルートギャップ幅の変化による溶接条件等も補正し、ロジックテーブルのデータにより溶接パラメータを再設定する。この再設定後に運転が継続され、アークの状態を検出し設計値と比較して、随時、アーク電圧等を制御しながら自動溶接を実行する（６９〜７２）。
【００２７】
即ち、予めロジックテーブル６２に格納された溶接条件パラメータとして、溶接の各層毎に、各姿勢毎の溶接電流、溶接電圧、ヘッドの移動速度、トーチの回転速度、アークのスタート、エンド位置等を読み出し、これらの溶接条件パラメータに対して、ワイヤによる開先形状計測６６の結果に基づいてトーチ軌跡補正６７およびルートギャップ幅変化による溶接条件補正６８を行う。その後、自動運転を開始し（６９）、アークセンス（溶接線倣い）、電流・電圧サンプリング、トーチ位置（上下、左右）制御を行う（７０）。また、パルス訛り防止制御、アーク電圧制御を行う（７１）。アークセンスに基づいて行われるアーク倣い関連補正の詳細については、後述する。自動溶接の現在の溶接電流、電圧、各軸位置等の各種パラメータおよび各種補正量等は、現在の状態（ステータス）として、ＣＲＴにおけるリアルタイム表示により監視することができる（７２）。
【００２８】
図７に、ロジックテーブルの一例を示す。これは、ウィービング停止時間の設定を定めるファイルの例である。この他にも、各種のファイルが存在するが、ここではこの一例のみを示す。このロジックテーブルには、条件項目として、「溶接姿勢」、「層間」、「回転速度」、「ウィーブ幅」の４つの条件について、等しい：「＝」、等しくない：「！＝」、大きい：「＞」、小さい：「＜」、以上：「＞＝」、以下：「＜＝」のそれぞれの条件に適合するようにデータが収納されている。
【００２９】
例えば、次のような条件が与えられたとする。すなわち、溶接条件が上向き、層間が仕上げ、回転速度が１００、ウィーブ幅が１０．０、とする。この条件に適合するテーブル内容を検索して、テーブルの項目Ｎｏ．５を選択する。これにより、回転速度が１２０以下、ウィーブ幅が１１．０以下、左停止０．１５、中停止０．００、右停止０．１５の各データが選択される。これらの溶接のためのパラメータが選択されると、次に実際のＮＣ実行制御プログラムにデータが渡される。
【００３０】
図８に、ＣＡＤのプログラム項目とＮＣ制御のプログラムの項目の対応関係を示す。初期値設定時は、ＣＡＤ情報として、口径、開先情報、サーボパラメータ、アーク倣い補正パラメータ、手直し溶接パラメータが設定される。これらのパラメータは、ＮＣ制御用に、口径についてはガイドレール周回パルス数（エンコーダパルス数）に変換され、開先情報についてはタッチセンスの情報に変換される。その他の項目も、図８に示す対応関係でＮＣ制御用に変換される。本システムは、このようして得られたＮＣ制御データに基づいて仮の動作を実行し、それぞれの動作に関して、その検出結果を基に、補正が必要なものは補正を行い、実際の溶接動作に移行する。
【００３１】
このように構成することにより、人はＣＡＤデータを作成し、溶接ヘッドをパイプにセットすれば、システムが自動的に溶接条件等を決定して自動的に溶接を実行する。その結果、溶接実行時に人が溶接条件等を教示する必要がなくなり、しかも溶接のバラツキが少なくなる。また、殆どの条件をロジックテーブルという形式で記憶しているため、従来用いられている知識処理等の表現形式のＩＦ〜ＴＨＥＮを用いた場合に比べ条件の変更、選択理由等も簡単に修正ができる。
【００３２】
図９及び図１０により、本溶接装置で行う、トーチの２次元ウィービングの例を説明する。図９は、横軸を時間としてＹ軸位置およびＺ軸位置の変化を示したものであり、図１０は、Ｘ軸方向に沿ってウィービング動作の移動経路を示したものである。ウィービング動作は、図のように、トーチをＹ軸およびＺ軸方向に所定の幅・周期で往復運動させ、トーチの軌跡を波状にするものである。この例では、前述のように、ウィービングの左端（Ｌ）、中央（Ｃ）、右端（Ｒ）で一時的に停止させている。図１０の左右での斜めの移動時の速度と、水平移動時の速度とは別個に指定可能である。速度は、ワイヤ先端の移動軌跡に沿った速度（接線速度）で指定される。
【００３３】
図１１は、ウィービングの指令軌跡と実際のトーチの移動の軌跡（サーボ軌跡）とを対比して示したものである。図の横軸は時間、縦軸はＹ軸方向位置を示す。図から分かるように、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より遅れて追従している。図の例では、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、後述する各種データのサンプリングを行っている。各区間の判定は、Ｙ軸エンコーダの出力に応じて、実際の機械的なトーチ位置を示すサーボ軌跡を基に行われる。各区間の境界には、誤差低減のために不感帯を設けてもよい。
【００３４】
後述するアーク倣い関連補正では、ウィービングの位置に応じて、次のようなデータを求める。
【００３５】
平滑電流値、
平均電流パルス周期、
左端・右端電流パルス周期、
左端・右端アークショート時間
平均アークショート時間、
左・右電流パルス周期、
左・右アークショート時間
なお、アークショートとは、溶接ワイヤ（電極）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。
【００３６】
図１２に、計測用回路２１１のハードウエア構成例を示す。
【００３７】
溶接用電源装置３は、溶接トーチ８に大きなパルス電流を供給する。パルス溶接電流／電圧計測用回路２１１は、電源装置３からパルス溶接電流信号１３およびパルス溶接電圧信号３２を得て、それぞれフィルター１４および３３に入力する。なお、本明細書でいう「電圧信号」および「電流信号」は、それらの信号がそれぞれ溶接電圧を表わす信号および溶接電流を表す信号という意味であり、信号が電圧レベルおよび電流レベルで表されるという意味ではない。通常、これらの電圧信号および電流信号は電圧レベルで表される。
【００３８】
図１３にパルス溶接電流／電圧信号の一例（フィルター入力）を示す。同図において（ａ）は電圧信号３２、（ｂ）は電流信号１３を示す。電圧信号３２は、所定周期のパルス波形であり、高周波のノイズ成分１５が重畳している。また、このパルス波形のベース電圧部分５１には、アークショートの発生を示す電圧低下波形部分５０が示されている。この電圧信号３２に対応する電流信号１３も、電圧信号３２と同様に高周波ノイズ成分１５を含んでいる。パルス溶接電流信号１３には、高周波のノイズ成分１５が重畳しており、電圧信号３２の波形部分５０に対応した波形部分５２が示されている。フィルター１４および３３は、前述したようにパルス電源のパルス周波数よりも高いカットオフ周波数（例えば４ＫＨｚ）を有するものであり、高周波のノイズ成分１５を取り除き、パルス溶接電流信号１６およびパルス溶接電圧信号３４を出力する。これにより、高周波ノイズによる電気的特性計測の誤動作を防止することができる。また、このようなカットオフ周波数のフィルターを用いることにより、電流信号１３および電圧信号３２のパルス波形を維持することができ、後述する方法によりパルス単位の電気的特性の計測を可能とする。
【００３９】
図１４に、フィルター１４および３３により出力されるパルス溶接電流／電圧信号の一例を示す。同図において（ａ）は電圧信号、（ｂ）は電流信号を示す。フィルター１４、３３により電圧信号３２および電流信号１３からそれぞれの高周波のノイズ成分１５を取り除いたものがパルス溶接電流信号１６、パルス溶接電圧信号３４である。同図中、Ｉ１は電流信号のピーク値、Ｅ２は電圧信号のベース電圧、Ｔ１は電流信号（および電圧信号）のパルス幅、Ｔ２は電流信号（および電圧信号）のベース幅、Ｔ３は電圧信号（および電流信号）のアークショート幅（アークショート時間）、Ｔ４は電流信号（および電圧信号）の繰り返し周期、Ｈ１は電流信号１６に対するパルス幅及びベース幅計測用スレショルドレベル信号２２のレベル、Ｈ２は電圧信号３４に対するアークショート幅計測用スレショルドレベル信号３８のレベルである。
【００４０】
アークショート幅を電圧波形から求めるのは、アークショート波形が電圧信号の方に明確に現れやすいからである。また、パルス幅等を電流波形から求めるのは、電圧波形の方がベースレベルとピークレベルの差が大きくかつ明確だからである。但し、本発明はこれらに限られるものではない。
【００４１】
図１２の計測用回路２１１中のピークホールド回路１７は、タイミング信号２０で決まる時間間隔毎に、フィルター１４から出力されるパルス溶接電流信号１６のピーク値を検出、保持する。このピーク値は、タイミング信号２０にしたがってＡ／Ｄ変換回路１８によりディジタル信号１９に変換される。タイミング信号２０は、後述する割込回路２４による制御装置２への割込に応じて制御装置２が出力する。
【００４２】
コンパレータ２１は、制御装置２から与えられるスレショルドレベル信号２２とパルス溶接電流信号１６とを比較し（図１４（ｂ）参照）、パルス溶接電流信号１６がスレショルドレベル信号２２を越えた時に、その出力信号２３を低レベルとし、パルス溶接電流信号１６がスレショルドレベル信号２２より小さくなった時に、出力信号２３を高レベルとする。割込回路２４は、出力信号２３の立ち下がりエッジで制御装置２へ割込信号を出力する。これにより、制御装置２は、溶接電流信号１３のパルス波形の立ち上がりを認識し、前述したタイミング信号２０を発生する。後述するように、これを高速ウィービング時におけるアーク中溶接線倣い制御等の処理のためのタイミングとして利用することができる。出力信号２３はカウンタ２５に入力され、反転回路２７による出力信号２３の反転信号はカウンタ３０に入力される。カウンタ２５は、出力信号２３が高レベルの期間（すなわち、電流信号１６がスレショルド信号２２より低レベルの期間）、イネーブルされ、制御装置２からのクロック信号４３を計数する。これによって、電流信号１６の時間Ｔ２が求められ、ベース幅２６として出力される。一方、カウンタ２５は、出力信号２３が低レベルの期間（すなわち、電流信号１６がスレショルド信号２２より高レベルの期間）、イネーブルされ、制御装置２からのクロック信号４４を計数する。これによって、電流信号１６の時間Ｔ１がもとまり、パルス幅３１として出力される。このパルス幅３１に基づいて、パルス訛りを防止することができる。パルス周期Ｔ４は、時間Ｔ１と時間Ｔ２の加算処理により求められる。あるいは指令値からパルス周期を求めることもできる。後述するように、パルス周期は、アークショート幅とともに、アーク中溶接線倣い制御等に利用することができる。
【００４３】
コンパレータ３７は、制御装置２から与えられるアークショート用スレショルドレベル信号３８と電圧信号３４とを比較し（図１４（ａ）参照）、電圧信号３４がアークショート用スレショルドレベル信号３８より小さくなった時に、その出力信号３９を高レベルとし、電圧信号３４がスレショルドレベル信号３８を越えた時に、出力信号３９を低レベルとする。カウンタ４１は出力信号３９が高レベルの期間、制御装置２からのクロック信号４５を計数する。これによって、電圧信号３４の時間Ｔ３が求められ、アークショート幅４２として出力される。なお、スレショルドレベル信号２２、アークショート用スレショルドレベル信号３８は、溶接作業条件の変化（パイプ径、鋼種等）に応じて、制御装置２により可変制御できる。なお、４６はパルス電流／電圧計測用回路２１１と制御装置２との間の信号であり、前述した各種の信号を含む。
【００４４】
なお、高精度な計測を行うためには当然ながら、クロック信号４３、４４、４５としては、被計測対象の時間幅に比べて十分短い周期を有するものを用いる。
【００４５】
図１５は、図１２に示した計測用回路２１１の各信号に関するタイミングの概要を示したものである。１６、３４はフィルター１４、３３の出力で、図１４に示したものと同じである。このフィルター１４から出力される電流信号１６の立ち上がりエッジでコンパレータ２１の出力信号２３が立ち下がり、これにより前述した割込回路２４が制御装置２に割込をかける。制御装置２はこれに応答してタイミング信号２０を発生する。このタイミング信号２０により、ピークホールド回路１７の出力がリセットされ、続いて、次のタイミング信号２０発生までの間、信号１６のピーク値を検出し保持する。この例では、ピーク値は信号１６のパルスの高レベルの値であり、これが次のタイミングパルス信号２０の発生まで保持される。コンパレータ２１の出力信号２３は、電流信号１６のベース幅時間Ｔ２の期間高レベルとなり、この期間が前述のようにカウンタ２５により計測される。反転回路２７の出力信号２８は出力信号２３を反転した波形であり、その高レベル期間が電流信号１６のパルス幅時間Ｔ１に相当する。この時間Ｔ１は、前述のようにカウンタ３０により計測される。コンパレータ３７の出力信号３９は、電圧信号３４のアークショート時間Ｔ３の間、高レベルとなり、この時間Ｔ３が前述したカウンタ４１により計測される。
【００４６】
なお、図示の例では、アークショート幅と、パルス幅・パルス周期の計測を同じ低域通過フィルターの出力で行ったが、パルス幅・周期の方を若干低いカットオフ周波数（例えば１ｋＨｚ）の別のフィルターを用いて、ノイズによる誤動作を低減するようにしてもよい。
【００４７】
また、図示しないが平滑電流、平滑電圧を計測するためには、従来と同様、低いカットオフ周波数（例えば１０Ｈｚ）の低域通過フィルターを用いて、計測することができる。アーク出力指令による実際のアーク出力電流・電圧値と、波形計測から得られる電流・電圧値には、溶接電源の出力波形の特性によって、差が存在する。そのため、次式に示すように、各種サンプリング処理にて算出したデータに、予め求めた電流・電圧差を考慮して補正を加えた値を、電流・電圧フィードバック値として用いる。
【００４８】
Ｉｆｂ＝Ｉａｄ＋ＩＯＦＳｍｏｄ
Ｖｆｂ＝Ｖａｄ＋ＶＯＦＳｍｏｄ
ここに、Ｉｆｂは、電流フィードバック値、Ｖｆｂは電圧フィードバック値、Ｉａｄは計測電流値、Ｖａｄは計測電圧値、ＩＯＦＳｍｏｄは電源モードによって変わる電流誤差、ＶＯＦＳｍｏｄは電源モードによって変わる電圧誤差である。
【００４９】
後述するアーク倣い補正、アーク電圧調整等の制御は、この補正後の電流・電圧フィードバック値を用いて行う。以下の説明における電流値および電圧値は、特に言及しなくても、この補正後のものである。
【００５０】
次に、本発明によるアーク倣い補正について、以下に説明する。溶接電流、溶接電圧の計測に基づく各種データのサンプリングは、平均電流・電圧値計測処理／パルス波形計測処理と、インターバルタイマ処理の２段階で行う。平均電流・電圧計測処理は、一定周期（例えば１ｍｓ）毎に起動される処理であり、前述した低いカットオフ周波数にて平滑化された電流電圧フィードバック値を読み出し、前記誤差を加味した値を求める。パルス波形計測処理は、フィードバックパルス周期（計測されたパルス周期）毎に起動され、前述した溶接電流電圧波形に基づいて検出されたピーク電流・電圧値、パルス周期、ピークパルス幅、アークショート時間を読み出す。インターバルタイマ処理は、一定周期（例えば４ｍｓ）毎に起動され、パルス波形計測処理より出力される電流・電圧・アークショート時間値を平均化する。このインターバルタイマ周期は、サーボ制御周期とも呼ぶ。また、ウィービング動作中は、ウィービング位置に応じて、右端、右、中、左、左端の各区間の各種平均値を求める。ウィービング動作中でない場合は、３２ｍｓ分（８個）のデータの平均化を行う。
【００５１】
図１６は、パルス溶接電流１３およびパルス溶接電圧３２の計測結果に基づいて左右アーク倣い補正量、上下アーク倣い補正量を得るための手順およびそのために用いる信号を示すものである。
【００５２】
＜左右アーク倣い＞
左右アーク倣いは、開先内での単一パス（１層を１回のパスで溶接）にて、トーチのウィービング中心が正確に開先中心を通るようにするため、左右電流値が均等になるように、トーチ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開先に対してずれると、左右端でトーチと開先壁との間隔が異なり、両者の電流値が異なる。この電流値の差を確認することによりウィービング中心のずれを検出することができる。しかし、平滑電流１２２は前述のように低いカットオフ周波数で平滑したものであり、この信号からは左右端の電流値を精度よく求めることができない。そこで、本例では、電流パルス周期と電流値とは比例することに着目し、パルス周期に基づいて電流値を推測するようにしたものである。ただし、本発明者等の実験により、左右端においてアークショートが発生した場合には、その程度に応じて電流パルス周期が増加することが判明した。そこで、電流パルス周期をアークショート時間で補正することとした。なお、この前提条件として、本例では、ウィービング周期５０ｍｓ以上（周波数２０Ｈｚ以下）、ウィービングＹ軸速度５ｍ／分以下、電流パルス周期１ｍｓ以下を想定している。
【００５３】
具体的には、より高精度に左右電流値を求めるために、まず、前記平滑電流１２２からウィービング１周期内の水平移動部分（左端右端を除く）の全サンプリングポイントの平滑電流値を平均した平均電流値１３５を求める。水平部分としたのは、この部分で比較的にアークが安定だからである。一方、パルス電流１３の電流波形からピーク電流値、パルス周期、パルス幅、アークショート時間を求める（１２３）。さらに、ウィービング１周期内の水平移動部分の全パルス周期を平均した平均パルス周期１５０を求める。この平均パルス周期１５０と、前記平均電流値１３５とから、パルス周期−電流値変換係数１２６を次式により求める。
【００５４】
周期−電流値変換係数ＴＡＲ＝Ｉａｖ／Ｔａｖ （Ａ／ｍｓ）
ここに、Ｉａｖは平均電流値（Ａ）、Ｔａｖは平均周期（ｍｓ）を示す。
【００５５】
電流波形（１２３）から、左端電流パルス周期および右端電流パルス周期１６１を求める。この際、全体的な傾向にて制御を行うため、左右とも最左端、最右端を含む数ポイントの電流パルス周期を平均化する。平均化するポイント数は、ウィービング周期により可変とする。例えば、ウィービング周期（Ｈｚ）が１Ｈｚ未満なら３２ポイント、２Ｈｚ未満なら１６ポイント、４Ｈｚ未満なら８ポイント、１６Ｈｚ未満なら２ポイント、１６Ｈｚ以上ならば１ポイントというように可変とする。
【００５６】
一方、パルス溶接電圧３２の電圧波形測定から、そのピーク電圧、パルス周期パルス幅およびアークショート時間を求める（１２５）。さらにこの測定結果に基づいて、左端および右端アークショート時間を求める（１４３）。この際、すべての有意情報を考慮して制御するために、左右とも最左点および最右点を含む数ポイントのアークショート時間を平均化する。平均化するポイント数は、前述と同様にウィービング周期により可変とする。
【００５７】
上記左右端電流パルス周期と左右端アークショート時間に基づいて、左右端制御電流パルス周期を求める（１６３）。すなわち、次式のように、左右端の電流パルス周期からアークショート時間を引いた時間を、制御電流パルス周期とする。
【００５８】
Ｔｌ＝Ｔｌｓ−Ｓｌ
Ｔｒ＝Ｔｒｓ−Ｓｒ
ここに、Ｔｌｓは左端電流パルス周期（μｓ）、Ｔｒｓは右端電流パルス周期（μｓ）、Ｔｌは左端制御電流パルス周期（μｓ）、Ｔｒは左端制御電流パルス周期（μｓ）、Ｓｌは左端アークショート時間（μｓ）、Ｓｒは右端アークショート時間を表わす。このように、パルス周期からアークショート時間を引くのは、次の理由による。すなわち、アークショートが生じた場合に、アークショートが生じない場合に比べて、電流パルス周期が伸びると考えられ、これを補償するため電流パルス周期からアークショート時間を引くのである。
【００５９】
そこで、次式により、左電流値および右電流値１２８を求める。
【００６０】
Ｅｌ＝Ｔｌ・ＴＡＲ
Ｅｒ＝Ｔｒ・ＴＡＲ
ここに、Ｅｌ，Ｅｒはそれぞれ左電流値右電流値（Ａ）、ＴｌおよびＴｒは、それぞれ右端制御電流パルス周期および左端制御電流パルス周期（μｓ）を表す。この左右電流値１２８は前述したステータス情報として表示される。
【００６１】
このようにして求められた前回のウィービングの左右電流値１２８を用いて、両電流値が均等になるように、今回のウィービングの中心位置をずらすようトーチの位置制御を行う（１２９，１３０）。この補正量分の移動は、１ウィービング周期全体にかけて、サーボ制御周期毎に徐々に行う。すなわち、一度に補正量分の移動を行うのではなく、１ウィービング周期内に分散させて小刻みに移動させる。分散した個々の移動量は、１ウィービング周期内に何回のサーボ制御周期があるかが分かるので、その回数で全補正量を分割した量とする。このように一度に一括して全補正量分の移動を行わないのは、一度に大きな左右方向の移動を行うとアークに大きな影響が現れ、左右アーク倣い補正に起因して左右のアークのバランスが崩れてしまうという事態が生じるからである。例えば、中央から左側へ移動を始めるウィービングの開始時に一括して移動を行うと、左側のみがその影響を受け、右側との間でアンバランスとなるからである。
【００６２】
なお、溶接条件によって左右電流値１２８が不均一になることを考慮して、左右電流差の評価時には後述するようにオフセットＡｏを加味する。また、電流波形の信頼性を考慮して微小の左右電流差に対して反応しないようにする不感帯を設ける。この不感帯幅は、ウィービング幅に応じて変化させることが好ましい。また、左右アーク倣い補正の誤動作が発生している状態で、無制限にアーク倣い補正が作動するのを防ぐため、左右アーク倣い補正量の左右補正リミットＬＭＴｌ，ＬＭＴｒ（μｍ）を設ける。左右電流差Ａｄおよび今回補正量ΔＹｎは、次式で求められる。
【００６３】
Ａｄ＝Ｅｌ−Ｅｒ
｜Ａｄ＋Ａｏ｜＞＝ＮＳＢｌｒの場合、
ΔＹｎ＝（Ａｄ＋Ａｏ）・Ｇｌｒ
ΔＹｎ＞０かつ｜Σ（ΔＹ）＋ΔＹｎ｜＞＝ＬＭＴｒの場合、
ΔＹｎ＝ＬＭＴｒ−Σ（ΔＹ）
ΔＹｎ＜０かつ｜Σ（ΔＹ）＋ΔＹｎ｜＞＝ＬＭＴｌの場合、
ΔＹｎ＝ＬＭＴｌ−Σ（ΔＹ）
ここに、ＮＳＢｌｒは不感帯幅（Ａ）、Ｇｌｒは左右アーク倣いゲイン（μｍ／Ａ）、Σ（ΔＹ）は前回までの補正量の積算値（μｍ）を表す。左右電流オフセット、不感帯幅、左右アーク倣いゲイン、左右補正リミットの各値は、予め指定された値である。
【００６４】
図１７は、パルス溶接電流１３の計測結果に基づいて上下アーク倣い補正量を得るための手順およびそのために用いる信号を示すものである。
【００６５】
＜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とが一致するように、トーチの上下方向位置を補正するものである。前述のように、トーチと開先壁との間隔が異なると電流値が変わるので、これを利用する。原則的には、電流値が指令電流値よりも高くなったときはトーチ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、トーチを上げる。逆に、電流値が指令電流値よりも低くなったときはトーチ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、トーチを下げる。
【００６６】
具体的には、前述と同様の平滑電流１２２から求めた平均電流１３５から上下アーク倣い補正を指示する（１３６）。この場合も、指令電流差に対する不感帯を設ける。また、上下アーク倣い補正の誤動作が発生している状態で無制限にアーク倣い補正が作動するのを防止するため、上下アーク倣い補正量の補正リミットを設ける。
【００６７】
今回補正量ΔＺｎは次のようにして求められる。
【００６８】
｜Ａｄ｜＞＝ＮＳＢｕｄの場合、
ΔＺｎ＝Ａｄ・Ｇｕｄ
ΔＺｎ＞０かつ｜Σ（ΔＺ）＋ΔＺ｜＞＝ＬＭＴｕの場合、
ΔＺｎ＝ＬＭＴｕ−Σ（ΔＺ）
ΔＺｎ＜０かつ｜Σ（ΔＺ）＋ΔＺ｜＞＝ＬＭＴｄの場合、
ΔＺｎ＝ＬＭＴｄ−Σ（ΔＺ）
ここに、Ａｄは指令電流差（Ａ）、ＮＳＢｕｄは不感帯幅（Ａ）、Ｇｕｄは上下アーク倣いゲイン（μｍ／Ａ）、Σ（ΔＺ）は前回までの補正量の積算値（μｍ）、ＬＭＴｕ，ＬＭＴｄは上下補正量リミット（μｍ）を表す。不感帯幅、上下アーク倣いゲイン、及び上下補正量リミットは、予め指定された値である。
【００６９】
このようにしてあるウィービング周期期間に上下アーク倣い補正量ΔＺｎを求め、次のウィービングの開始点で、一度にその補正量だけトーチを上下移動させる（１３７）。このように一度に補正を行うのは、上下方向へのトーチの補正を左右アーク倣いのように分散させて異なるＹ軸位置で補正を行うと却って左右のアンバランスが生じるからである。
【００７０】
一方、電流波形からアーク鈍り検出１３３を行う（１２３）。アーク鈍りとは、抵抗値等の影響により電流のパルス波形が鈍る（立ち上がり立ち下がり速度が低下してパルス幅が広がる）ことをいう。アーク鈍りの一因は、ワイヤの突き出し長さが大となりアーク長が長くなることである。これによってシールドガスが溶融池まで届かない等の理由により正常なパルス溶接ができなくなる。そこで、サーボ制御周期毎に、パルス幅またはパルスピーク値に基づいてアーク鈍りが発生しているか否かをチェックする。すなわち、補正電流パルス幅が、予め定められた許容値より大きくなったときにアーク鈍りが発生したと判定する。許容値は、指令パルス幅に対する割合（％）で指定することもできる。
【００７１】
具体的には、今回のパルス幅ＰＷｎが次式を満たすことで検出する。
【００７２】
ＰＷｎ＞＝ＰＷｌｉｍ または、
ＰＷｎ／ｔｐ＞＝ＰＲａｔ
ここに、ＰＷｌｉｍは予め指定されたパルス幅上限値、ｔｐは指令パルス幅、ＰＲａｔは予め指定されたパルス幅比上限値（０．１％）を示す。パルス幅の単位は０．０１ｍｓである。
【００７３】
アーク鈍りの検出時に、予め指定された速度Ｖｓでトーチを下げていくよう指示する（１３４）。これにより、ワイヤの突き出し長さが減少し、抵抗が減少して鈍りが収まる。アーク鈍り補正は、補正電流パルス幅が鈍り検出値以下である状態が一定時間続いたときに終了する。
【００７４】
なお、アーク鈍り補正を行っているときには、上下アーク倣い補正１３６は無効とする（１４９）。
【００７５】
また、アークスタート時の異常電流値が計測されることによる悪影響を回避するため、アークスタート時は指定された時間だけアーク鈍り補正を無効とする。トーチの補正幅はプログラム／パラメータにより指定する。
【００７６】
平均電流１３５は、ステータスデータとして表示される（１４８）。
【００７７】
なお、上下アーク倣いとは関係ないが、電流波形１２３のアークショート時間が予め定められた許容時間以上になることでアーク切れを検出する（１３１）。ただし、アークスタート時のアーク切れは無視する。このアーク切れ発生位置（Ｘ軸位置）はアーク切れ発生位置テーブルに記録する（１３２）。
【００７８】
次に、図１８に、パルス溶接電圧３２およびパルス溶接電流１３の計測結果に基づくアーク電圧の調整の手順およびそのために用いる信号を示す。
【００７９】
＜アーク電圧調整＞
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、パルス電圧３２を低いカットオフ周波数でフィルタリングした平滑電圧１２４をサンプリングし、ウィービングの半周期の間にサンプリングしたすべてのデータを平均化して平均電圧１３８を求める。
【００８０】
また、パルス電圧３２の電圧波形からアークショート時間を求める（１２５）。さらに、ウィービング１周期の水平移動部分で検出されたすべてのアークショート時間を平均化して平均アークショート時間１８１を求める。
【００８１】
一方、パルス電流１３の電流波形１２３から平均電流パルス周期１５０を求める。これは、ウィービング１周期の水平部分で検出されたすべての電流パルス周期を平均化して求める。
【００８２】
このようにして得られた平均電流パルス周期に対する平均アークショート時間の割合を、次式のように、平均アークショート時間率として求める（１８３）。
【００８３】
ＡＳｎ＝ＡＳａｖ／Ｔａｖ・１０００
ここに、ＡＳｎは今回アークショート時間率（０．１％）、ＡＳａｖは平均アークショート時間（μｓ）、Ｔａｖは平均電流パルス周期（μｓ）を表わす。なお、平均アークショート時間率はステータス表示される。
【００８４】
このようにして求められた平均アークショート時間率が適正な値になるように電圧指令を調整する（１４０）。すなわち、
ＡＳｎ＞ＡＳＶｕｐの場合、
ＡＳｄ＝ＡＳｎ−ＡＳＶｕｐ
ＡＳｎ＜ＡＳＶｌｏの場合、
ＡＳｄ＝ＡＳｎ−ＡＳＶｌｏ
ここにＡＳｎは今回アークショート時間率（０．１％）、ＡＳＶｕｐは許容アークショート時間率上限値（０．１％）、ＡＳｄは今回アークショート時間率差（０．１％）、ＡＳＶｌｏは許容アークショート時間率下限値（０．１％）である。
【００８５】
これらより、今回電圧調整量ΔＶｎ（単位は０．１Ｖ）は、次式で求められる。
【００８６】
ΔＶｎ＝ＡＳｄ・Ｇａｓ
ここに、Ｇａｓは電圧計算係数（単位は０．１Ｖ／１００％）である。
【００８７】
本願出願人が先に提案した特願平８−７４０３５号においては、平均アークショート時間そのものに基づいてアーク長補正を行った。この先行例では、電流パルス周期の大きさ、すなわち指令電流値に応じて平均アークショート時間がばらつくため、高電流から低電流までの広範囲をカバーするために、複数の電流領域ごとに補正係数（平均アークショート時間を補正電圧に変換するための係数）を切り替える必要があった。本実施の形態では、平均アークショート時間そのものではなく、それの平均電流パルス周期に対する割合である平均アークショート時間率を導入したので、１つの電圧計算係数（Ｇａｓ）で広い電流範囲をカバーすることが可能になった。
【００８８】
図１８のアーク電圧調整（１４１）では、指令電圧（アーク長補正量ΔＶｎを含む）と、測定した平均電圧１３８が一致するように電圧指令を調整する。ここでアーク電圧調整の誤動作が発生している状態で無制限にアーク電圧調整が動作するのを防ぐため、電圧調整量のリミットを設ける。
【００８９】
ΔＶｎ＝（Ｖｃ＋Ｖａｌ）−Ｖｆｂ
ここに、Ｖｃは指令電圧値（０．１Ｖ）、Ｖａｌはアーク長補正量（０．１Ｖ）、Ｖｆｂは出力電圧（フィードバック）値（０．１Ｖ）である。
【００９０】
但し、ΔＶｎ＞ΔＶｍａｘの場合、
ΔＶｎ＝ΔＶｍａｘ
ここに、ΔＶｍａｘは許容される１回の最大電圧調整量（０．１Ｖ）である。
【００９１】
また、Ｖｌｏ＜＝ΔＶｎ＜＝Ｖｕｐの場合、
ΔＶｎ＝０
とする。
【００９２】
ΔＶｎ＞０かつ｜Σ（ΔＶ）＋ΔＶｎ｜＞＝ＶＬＭｕの場合、
ΔＶｎ＝ＶＬＭｕ−Σ（ΔＶ）
ΔＶｎ＜０かつ｜Σ（ΔＶ）＋ΔＶｎ｜＞＝ＶＬＭｄの場合、
ΔＶｎ＝ＶＬＭｄ−Σ（ΔＶ）
ここに、Σ（ΔＶ）は前回までの電圧調整量の積算値（０．１Ｖ）、ＶＬＭｕは最大電圧調整量（増）（０．１Ｖ）、ＶＬＭｄ最大電圧調整量（減）（０．１Ｖ）を示す。
【００９３】
このようにしてアーク電圧調整量ΔＶｎを求め、ウィービング半周期毎に、ウィービングの中央の位置で電圧を修正する（１４２）。
【００９４】
次に、図１９に、パルス電流１３およびパルス溶接電圧３２の計測結果に基づくウィービング幅の補正の手順およびそのために用いる信号を示す。
【００９５】
＜ウィービング幅補正＞
ウィービング幅補正は、開先幅に対してウィービング幅を適切なものとするためのものであり、ウィービングの水平移動部分の幅を左右同時に変更する。なお、前記左右アーク倣いもウィービングを左右方向の移動量を補正するものであるが、左右アーク倣いは前述したようにウィービングにおけるトーチ中心位置をずらすものであるのに対し、ウィービング幅補正は、ウィービングの左右の幅を増減するものであり、両補正は別個独立に機能する。
【００９６】
ウィービング幅補正は、図１６において説明したと同様、左端・右端電流パルス周期１６１を左端・右端アークショート時間１４３で補正して得た左端・右端制御電流パルス周期１６３に基づいて、次の手順により行う（１４４）。
【００９７】
まず、左端制御電流パルス周期Ｔｌと右端制御電流パルス周期Ｔｒを比較して、
１）左端制御電流パルス周期＞右端制御電流パルス周期の場合、
左端制御電流パルス周期を今回制御電流パルス周期Ｔｎとする。すなわち、
Ｔｌ＞Ｔｒの場合、Ｔｎ＝Ｔｌ
２）左端制御電流パルス周期＜右端制御電流パルス周期の場合、
左端電流パルス周期を今回制御電流パルス周期Ｔｎとする。すなわち、
Ｔｌ＜Ｔｒの場合、Ｔｎ＝Ｔｒ
次に、
１）今回制御電流パルス周期＞上限値の場合、左右両側のウィービング幅を広くする。
【００９８】
２）下限値＜＝今回制御電流パルス周期＜＝上限値の場合、何もしない。
【００９９】
３）今回制御電流パルス周期＜下限値の場合、左右両側のウィービング幅を狭くする。
【０１００】
ウィービング幅補正の誤動作が発生している状態で無制限にウィービング幅補正が作動するのを防ぐため、補正量のリミットを設ける。
【０１０１】
ウィービング幅変更時の今回の変更量ΔＷｎ（μｍ）は、以下のとおりである。
【０１０２】
i) 今回制御電流パルス周期Ｔｎ＞上限値Ｔｕｐの場合、
ΔＷｎ＝（Ｔｕｐ−Ｔｎ）／１０００・Ｇｗｍｓ
但し、｜Σ（ΔＷ）＋ΔＷｎ）｜＞＝ＷＬＭｓの場合、
ΔＷｎ＝ＷＬＭｓ−Σ（ΔＷ）
ii) 今回制御電流パルス周期Ｔｎ＜下限値Ｔｄｎの場合、
ΔＷｎ＝（Ｔｄｎ−Ｔｎ）／１０００・Ｇｗｍｅ
但し、｜Σ（ΔＷ）＋ΔＷｎ）｜＞＝ＷＬＭｅの場合、
ΔＷｎ＝ＷＬＭｅ−Σ（ΔＷ）
ここに、Ｇｗｍｓはウィービング幅変更係数（μｍ／ｍｓ）（狭）、Ｇｗｍｅはウィービング幅変更係数（広）（μｍ／ｍｓ）、Σ（ΔＷ）は前回までのウィービング幅変更量の積算値（μｍ）、ＷＬＭｓは最大ウィービング幅変更量（狭）（μｍ）、ＷＬＭｅは最大ウィービング幅変更量（広）（μｍ）である。
【０１０３】
なお、Ｔｕｐ，Ｔｄｎ，Ｇｗｍｅ，Ｇｗｍｓ，ＷＬＭｅ，ＷＬＭｓは予め指定される値である。
【０１０４】
このようにウィービング幅の調整を行った結果、全体のウィービング幅が変わった場合、ウィービング周期を一定にするため、次式に従ってウィービング速度を変更する。
【０１０５】
ＫＦ＝（Ｗ＋ΔＷ）／Ｗ
ＮＦｗ＝ＫＦ・Ｆｗ
ここに、ＫＦはウィービング速度変更係数、Ｗはウィービングの水平部分の幅（μｍ）、ΔＷはウィービング幅変更量、Ｆｗはウィービングの水平部分の速度、ＮＦｗは変更後のウィービングの水平部分の速度（μｍ／ｓｅｃ）である。
【０１０６】
次に、図２０に、ウィービング軌跡補正の手順およびそのために用いる信号を示す。
【０１０７】
＜ウィービング軌跡補正＞
ウィービング軌跡補正は、溶接面、特に不規則なビード形状に対して、トーチのウィービング軌跡（ここではＺ軸位置）を適切なものとするためのものであり、ウィービング軌跡の補正は、ウィービング水平移動部分の左・右のＺ軸高さをそれぞれ独立して変更可能とすることにより行う。なお、前述した上下アーク倣いもトーチのＺ軸位置を制御するものであったが、上下アーク倣いが用いる信号は平滑電流１２２の平均電流値１３５であるためその補正はウィービング幅全域に対するものであるのに対し、ウィービング軌跡補正は、ウィービング幅内での左・右の各区間での微調整を行うことを可能とするものである。
【０１０８】
ウィービング軌跡補正は、原理的には、パルス電流１３に基づく電流波形１２５から左および右（ウィービングの水平移動部分の左および右の区間）の各電流パルス周期を求め（１４６）、これらの上限および下限許容値との比較結果により、左・右の各ウィービング高さ（トーチ高さ）を調整するものである。ただし、左右の電流パルス周期には、それぞれ左右のアークショート時間（１４５）を加味する。これは、前述したように電流パルス周期はアークショートの発生により変化するため、このアークショートの時間で電流パルス周期を補正するものである。
【０１０９】
左右の電流パルス周期１４６は、ウィービングの水平移動部分で検出された電流パルス周期を、各区間毎にその数ポイントのパルス周期を平均化したものである。その平均化数は、前述したようにウィービング周期に応じて可変である。左右のアークショート時間１４５としては、各区間内の数ポイントのアークショート時間を平均化したものを用いる。この場合も、平均化数はウィービング周期に応じて可変とする。
【０１１０】
左右の電流パルス周期１４６と左右のアークショート時間１４５とに基づいて、左右の制御電流パルス周期２０１を次のように求める。
【０１１１】
すなわち、次式のように、左右端の電流パルス周期からアークショート時間を引いた時間を、制御電流パルス周期とする。
【０１１２】
Ｔｌ＝Ｔｌｓ−Ｓｌ
Ｔｒ＝Ｔｒｓ−Ｓｒ
前述したように、Ｔｌｓは左端電流パルス周期（μｓ）、Ｔｒｓは右端電流パルス周期（μｓ）、Ｔｌは左端制御電流パルス周期（μｓ）、Ｔｒは左端制御電流パルス周期（μｓ）、Ｓｌは左端アークショート時間（μｓ）、Ｓｒは右端アークショート時間（μｓ）を表わす。
【０１１３】
さて、ウィービング軌跡補正１４７では、左・右の各制御電流パルス周期２０１に応じて、以下のようにウィービング高さを補正する。これによって、ワイヤ突き出し長さが一定になるようにする。
【０１１４】
i) 左制御電流パルス周期が上限値を超える場合には、ウィービング左高さを低くし、
ii) 左制御電流パルス周期が上限値以下、かつ下限値以上であれば、ウィービング左の高さを変更せず、
iii) 左制御電流パルス周期が下限値より小さい場合、ウィービング左高さを高くし、
iv) 右制御電流パルス周期が上限値を超える場合には、ウィービング右高さを低くし、
v)右制御電流パルス周期が上限値以下、かつ下限値以上であれば、ウィービング右の高さを変更せず、
vi) 右制御電流パルス周期が下限値より小さい場合、ウィービング右高さを高くする。
【０１１５】
ウィービング軌跡補正の誤動作が発生している状態で、無制限にウィービング軌跡補正が動作するのを防ぐために補正量のリミットを設けている。
【０１１６】
ウィービングの左・右の高さ変更時の今回変更量ΔＺは以下のように決定される。なお、
i) 制御電流パルス周期＞上限値（すなわちＴｎ＞Ｔｕｐ）の場合、
ΔＺｎ＝（Ｔｕｐ−Ｔｎ）／１０００・Ｇｕｐ
但し、｜Σ（ΔＺｎ）＋ΔＺｎ｜＜＝ＺＬＭｄの場合、
ΔＺｎ＝ＺＬＭｄ−Σ（ΔＺｎ）
ここに、ΔＺｎはΔＺｌまたはΔＺｒ（μｍ）、Ｔｕｐは制御電流パルス周期上限値（μｓ）、ＴｎはＴｌまたはＴｒ、Ｇｕｐは上方向ウィービング高さ変更係数（μｍ／ｍｓ）、Σ（ΔＺｎ）は前回までのウィービング高さ変更量（μｍ）、ＺＬＭｕは上方向最大ウィービング高さ変更量（μｍ）である。
【０１１７】
ii) 制御電流パルス周期＜下限値（すなわちＴｎ＜Ｔｄｎ）の場合、
ΔＺｎ＝（Ｔｄｎ−Ｔｎ）／１０００・Ｇｄｎ
但し、｜Σ（ΔＺｎ）＋ΔＺｎ｜＜＝ＺＬＭｕの場合、
ΔＺｎ＝ＺＬＭｕ−Σ（ΔＺｎ）
ここに、Ｔｄｎは制御電流パルス周期下限値（μｓ）、Ｇｄｎは下方向ウィービング高さ変更係数（μｍ／ｍｓ）、ＺＬＭｄは下方向最大ウィービング高さ変更量（μｍ）である。
【０１１８】
このようなウィービング軌跡補正を行った結果、全体のウィービング軌跡が変わった場合、ウィービング周期を一定にするために、次のように、ウィービング速度を変更する。
【０１１９】
ここに、ＷＬｎは軌跡補正後のウィービング水平部分の移動距離（μｍ）、ＷＬは指令されたウィービングの水平部分の移動距離（μｍ）、ΔＺｌは左ウィービング差高（μｍ）、ΔＺｒは右ウィービング差高（μｍ）、ＫＦはウィービング速度変更係数、Ｆｗはウィービングの水平部分の速度（μｍ／ｓｅｃ）、ＮＦｗは変更後のウィービングの水平部分の速度（μｍ／ｓｅｃ）である。Ｔｕｐ、Ｔｄｎ，Ｇｕｐ，Ｇｄｎ，ＺＬＭｕ，ＺＬＭｄは、予め指定された値である。
【０１２０】
なお、左・右アークショート時間１４５はステータス表示される。
【０１２１】
以上のように、各層毎の上下左右アーク倣い補正、ウィービング幅・軌道補正等を行うことにより、開先幅変動、特に開先幅の広いものについても十分アークを追従させ、溶着量を増加させ、ビードの形状を平坦にでき、また、ブローホール、アンダーカット等も防止できる効果がある。
【０１２２】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、システム構成および処理の具体的内容は例示であり、請求の範囲を逸脱することなく種々の変形・変更が可能である。例えば、上記説明中で挙げた具体的な各種数値は単なる例示であり、本発明を限定するものではない。
【０１２３】
【発明の効果】
本発明によれば、高速ウィービングを行いながら鋼管の円周自動溶接を行うパイプ円周自動溶接装置の制御を高精度に行うことができる。すなわち、１ウィービング周期内のウィービングの左右端電流パルス周期を左右端アークショート時間で補正し、この補正値に基づいて左右電流値を求め、さらにこの左右電流値の誤差を次のウィービング周期の左右ウィービング幅に反映させるので、極めて高精度でかつ応答性の高い補正を行うことができ、ひいては、自動溶接の信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパイプ円周自動溶接装置の概略構成を示す構成図である。
【図２】図１の溶接装置の各部の電器的接続関係の説明図である。
【図３】図１の溶接装置におけるヘッドおよびトーチの動作の説明図である
【図４】図１の溶接装置におけるヘッドの付属部品の説明図である。
【図５】図１の溶接装置の制御装置の内部構成を示すブロック図である。
【図６】図１の溶接装置の処理のフローチャートを示す。
【図７】図６に示した処理で用いられるロジックテーブルの一例の説明図である。
【図８】図６に示した処理で用いられるＣＡＤとＮＣの制御項目の対応関係の説明図である。
【図９】図１の溶接装置で行われるウィービング動作におけるトーチ位置の時間的変化を示すタイミング図である。
【図１０】図９のウィービング動作におけるトーチの軌跡の説明図である。
【図１１】ウィービング動作における指令軌跡とサーボ軌跡の関係を示すタイミング図である。
【図１２】図５に示したパルス波形計測部２１１の構成例を示すブロック図である。
【図１３】図１２の電圧信号及び電流信号を示す波形図である。
【図１４】図１２のフィルタリング後の電圧信号及び電流信号を示す波形図である。
【図１５】図１２のパルス波形計測部の動作を説明するためのタイミング図である。
【図１６】本発明による左右アーク倣い補正の説明図である。
【図１７】本発明による上下アーク倣い補正の説明図である。
【図１８】本発明によるアーク長補正およびアーク電圧調整の説明図である。
【図１９】本発明によるウィービング幅補正の説明図である。
【図２０】本発明によるウィービング軌跡補正の説明図である。
【符号の説明】
１…コンピュータ、２…制御装置、３…電源装置、４…ヘッド、５…パイプ、６…ワイヤ供給部、７…ワイヤ、８…溶接トーチ、１２…ガイドレール、１６…電流信号、３２…電圧信号、９１…アーク、９２…溶着金属、９３…開先、４１…センサ、４２…エンコーダ、２１１…パルス波形計装部、２２１…記憶部、２２２…ハードディスク、２２３…制御部、２２５…ＣＲＴ，キーボード、２３０…溶接ヘッド制御部、２３１…送受信部、２３２…電源制御部、２３３…ヘッド駆動部、２３４…リモート操作装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、パイプ円周自動溶接装置に係り、特に、パルス溶接電流波形及びパルス溶接電圧波形を計測・解析し、これに基づいてアーク倣い関連補正を行うパイプ円周自動溶接装置の左右ウィービング補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスパイプライン敷設工事の際には、突き合わせて固定されている２本のパイプの端面を全周溶接により接続する。この溶接を自動溶接により行う場合は、パイプにベルト状のガイドレールを巻き、このガイドレール上に溶接ヘッドを走らせＭＡＧ（メタル・アクティブ・ガス）法等により溶接している。アーク倣い関連補正の「アーク倣い」とは、溶接中の電流や電圧を監視して、トーチをワークに対して位置的に倣わせるものである。
【０００３】
従来のパイプの突き合せアーク溶接においては、ウィービング等の駆動は、比較的低速のものはパルスモータにより、また、高速なものはサーボモータにより行われるのが一般的である。そして、その溶接の際にトーチをワークに対して最適な位置に保つために、溶接中の電流や電圧を監視して、それらの値が適正になるようトーチの位置をフィーバック制御することも行われている。そのための電流／電圧計測方法は、パルス溶接電流／電圧信号を、低域通過型フィルタを通して平滑化し、Ａ／Ｄコンバータにより、ディジタルの電流／電圧信号として計測している。ただし、低域通過型フィルタのカットオフ周波数は、パルス溶接電流／電圧の繰り返し周波数よりもはるかに低く設定されていた（例えば、パルス周波数１００〜４００Ｈｚに対してカットオフ周波数１０Ｈｚ）。
【０００４】
従来のパイプ円周溶接に関する技術として、特開昭６３−１８３７７６号公報及び特開平４−２８４９７３号公報に記載されたものがある。特開昭６３−１８３７７６号公報に記載の技術は、アーク回転式の全姿勢溶接装置に関するものである。同方式では開先形状が狭開先で高精度加工が必要であり、開先幅の広いワークに対しての適用は難しい。特開平４−２８４９７３号公報に記載の技術は、開先部の溶接をリアルタイム制御にする自動アーク溶接法に関するものであるが、パルス溶接電流／電圧の個々のパルス波形の計測の点については解決されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
パイプ円周溶接、高速ウィービング等における最適な溶接を行うためには、高精度なウィービングの制御が必要となる。
【０００６】
溶接作業前に開先の形状を計測してそのデータを保持しておくことにより、ある程度の誤差補正は可能であるが、形状計測の実際の計測位置以外の位置についてはデータの補間により対処されるので、開先形状計測のデータのみでは十分な補正が行えないという問題があった。
【０００７】
また、従来のパルス溶接電流／電圧の計測では、高速、高精度の電流／電圧波形の計測が困難で、せいぜいパルス溶接電流／電圧の繰り返し周期の１０倍程度の応答時間での計測であった。そのため、アーク倣い関連補正のための電流、電圧、ウィービング指令等のタイミングが遅れ、きめ細かな補正が行えないという問題があった。
【０００８】
本発明は、高速ウィービングを行いながら鋼管の円周自動溶接を行うパイプ円周自動溶接装置の制御を高精度に行うことを可能にする、アーク倣い関連補正、特に左右ウィービング幅補正方法を提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によるパイプ円周自動溶接装置の左右ウィービング幅補正方法は、突き合わせて固定されている２本のパイプの端面をパルスＭＡＧ溶接法により全周溶接する際、パイプの開先に沿ってパイプ円周の接線に直交する左右方向および上下方向にトーチの２次元ウィービングを行う自動溶接装置の左右ウィービング幅補正方法であって、計測したパルス溶接電流に基づいて、１ウィービング周期内の、開先のスロープ部に対応するウィービングの左端および右端における電流パルス周期を求め、計測したパルス溶接電圧に基づいて、１ウィービング周期内の、開先のスロープ部に対応するウィービングの左端および右端におけるアークショート時間を求め、該求められた左端および右端のアークショート時間により前記左端および右端の電流パルス周期をそれぞれ補正し、該補正された左端および右端の電流パルス周期の大きい方を補正電流パルス周期とし、該補正電流パルス周期をその上限値および下限値と比較し、上限値より大きい場合、左右のウィービング幅を広くし、下限値より小さい場合、左右のウィービング幅を狭くするよう、ウィービング幅を補正することを特徴とする。
【００１０】
左ウィービング幅は、好ましくは、開先のスロープ部に対応するウィービングの左右端以外の水平移動部分の左側の区間の幅である。右ウィービング幅も同様である。
【００１１】
本発明のこの構成によれば、左右端電流パルス周期をそれぞれ左右端アークショート時間で補正したものに基づいて左右のウィービング幅を補正するので、極めて高精度の補正を行うことができる。また、電流電圧波形の測定値をリアルタイムに用いて補正を行うので、極めて応答性の高いウィービング制御を行うことが可能となる。
【００１２】
前記アークショート時間による電流パルス周期の補正の一例としては、電流パルス周期からアークショート時間を減算した結果を補正後の電流パルス周期とする。
【００１３】
前記ウィービング幅の補正は、例えば、前記補正電流パルス周期と前記上限値または下限値の差に予め定めた係数値を掛けて得られた量を補正量とする。
【００１４】
好ましくは、ウィービング周期毎の前記補正量を積算しておき、前回までの積算値と今回の補正量との和が予め定めた限界値を超える場合には、当該限界値と前記積算値との差分を今回の補正量とする。
【００１５】
また、好ましくは、前記左右ウィービング幅の補正により、全体のウィービング幅が変わった場合、ウィービング周期を一定とするために、全体のウィービング幅の変化量に応じてウィービング速度を変更する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。ここでは、本発明を高周波パルスＭＡＧ溶接に適用した例を説明する。パルスＭＡＧ溶接については、例えば、「溶接技術」１９８９年２月号第６７〜７６頁に記載されている。
【００１７】
図１により本発明の溶接装置の概略構成について述べる。パーソナルコンピュータ１は、自動溶接制御のためのＣＡＤデータ（パイプの外径、板厚、材質、開先形状などの設計値）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（フロッピーディスク）１ａに記録される。制御装置２は、自動溶接の実質的な制御（電源およびトーチ位置等の制御）を行うためのものであり、ＣＡＤデータの格納されたフレキシブルディスク１ａからそのＣＡＤデータを読み込む。勿論、フレキシブルディスクによらず、周知のデータ通信によってデータ転送を行うようにしてもよい。制御装置２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、後述する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。このようなロジックテーブルの詳細およびこれを用いた溶接データの作成については、本願出願人が先に提案した特願平７−１７３９２１号に開示されている。
【００１８】
さらに、この制御装置２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（数値制御用言語）に変換し、変換した言語を制御データとして制御データテーブルの形で内部のメモリに記録する。このメモリに記録された制御データを用いて、電源装置３、及び溶接ヘッド４を駆動制御するとともに、後述する、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２の主な制御項目は、溶接ヘッド４の溶接の電圧、電流、及びヘッド４に搭載された溶接トーチ８のパイプ開先９３に対するウィービング、溶接ヘッド４の移動速度等である。ヘッド４は、パイプ外周に巻き付けられたガイドレール１２上に、円周方向に移動可能に装着される。ヘッド４には、溶接トーチ８に対して溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部６が搭載されている。
【００１９】
図２に、制御装置２、電源３、ヘッド４、パイプ５の間の電気的な接続関係を示す。図から分かるように、電源３からは、送電ケーブル９を介して、ヘッド４のワイヤ７とパイプ５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７とパイプ５表面との間にアーク９１（図１２）が発生する。溶接用ワイヤ７は一定速度で送られ、アーク９１により溶かされて溶着金属９２（図１２）となり、開先９３（図１２）内で固まり母材５を接合する。
【００２０】
図３に示すように、溶接ヘッド４のパイプ外周上の位置（時分で表す）Ｘ軸、トーチ８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、トーチ旋回軸Ａの各軸についてサーボ機構を備え、計４軸は制御装置２により制御されている。なお、二次元ウィービングとは、トーチ８を溶接進行方向（Ｘ軸）に対して直交するＹ軸方向およびＺ軸方向に、開先部に沿って移動させる動作をいう。
【００２１】
図４により、本実施の形態において溶接ヘッド４に付属する部品について説明する。溶接ヘッド４には、Ｘ，Ｙ，Ｚの各軸毎にヘッドの位置変化を検出するためのエンコーダ４２ｘ，４２ｙ，４２ｚ（総称して４２で示す）および各軸毎に設けられた機械原点（図示せず）を検出する原点センサ４１ｘ，４１ｙ，４１ｚ（総称して４１で示す）が取り付けられている。各軸エンコーダ４２は、その軸方向のヘッド移動量に応じた個数のパルスを発生するデバイスであり、このパルス数を計数することにより移動量を求めることができる。但し、Ｘ軸エンコーダ４２ｘについては、絶対値エンコーダにより構成し、モータへの電源オフ期間中にもその絶対的な位置を保持することができるようにしてある。Ｙ軸およびＺ軸については、現在位置情報が失われたとしても、移動のストロークが小さく、新たに機械原点を検出・設定する手間および時間は問題にならないので、より簡易なインクリメンタル（相対置）エンコーダを採用している。各軸の原点センサ４１は、各軸における機械的な原点を示す機械原点を検出するためのセンサであり、例えば、光学的なセンサを用いることができる。Ｘ軸の機械原点は、ガイドレール１２の円周上の予め定めた１カ所に設けられた指標であり、この例では、ガイドレール１２の頂部において設けた光遮断部材（図示せず）である。Ｙ軸の機械原点はトーチのＹ軸方向の後退位置に設けた光遮断部材（図示せず）である。同様に、Ｚ軸の機械原点はトーチのＺ軸方向のほぼ最上位位置に設けた光遮断部材（図示せず）である。勿論、センサは光学的なものに限るものではなく、例えば、近接センサのようなものを利用することもできる。これらの各軸の原点を基準として、トーチの目標位置を指定することができる。これらの原点の検出・設定は、溶接作業の初期作業として行われる。
【００２２】
図５により、制御装置２の内部構成を説明する。
【００２３】
制御装置２は、制御部２２３、記憶部（メモリ）２２１、ハードディスク２２２、溶接ヘッド制御部２３０、ＣＲＴ・キーボード２２５、パルス波形計測部２１１を有する。
【００２４】
なお、図５の制御装置２内に破線で示すように、コンピュータ１を内蔵する構成としてもよい。制御部２２３はマイクロプロセッサにより構成することができ、記憶部２２１はその制御プログラムおよび各種データの格納領域、作業領域を提供するものである。ハードディスク２２２は、制御プログラムや各種データ等を不揮発的に保存する大容量の記憶装置である。具体的には、ハードディスク２２２には、予め定められた溶接条件および溶接パラメータが、ロジックテーブル（後述）としてテーブル形式で格納される。制御部２２３は、記憶部２２１に記憶されたＣＡＤデータを読み出して溶接条件を判定し、この溶接条件に適合する溶接パラメータをロジックテーブルから読み出す。さらに、この読み出した溶接パラメータを、溶接ヘッド４及び電源装置３を制御するための言語に変換して制御データとして制御データテーブル（図示せず）の形で記憶部２２１に記憶する。この制御データは後述する溶接ヘッド制御部２３０に送られる。ＣＲＴ・キーボード２２５は、制御部２２３と操作者との間のユーザインタフェースを提供するための表示部および入力部である。溶接ヘッド制御部２３０は、制御部２２３からの信号の送受信や、リモート操作装置２３４との信号の送受信を行うための送受信部２３１、溶接ヘッド４およびトーチ８の動作を制御するためのサーボモータの駆動指令を出力するヘッド駆動部２３３、及び電源装置３の制御を行う電源制御部２３２を有する。パルス波形計測部２１１は、電源装置３からのパルス溶接電圧およびパルス溶接電流を計測するためのハードウエア回路である。このハードウエア回路の構成例については、図１２により後述する。
【００２５】
図６に、本実施の形態におけるパイプ円周自動溶接装置の処理のフローチャートを示す。
【００２６】
図６において、まず、制御装置２において、ＣＡＤデータから、パイプの口径、板厚、材質、開先形状等を読み出す（６１）。この読み出されたデータを用いて、ロジックテーブルから、溶接条件（積層計画、層，番地毎の電流、電圧、回転速度など）に対応した溶接パラメータを決定する（６２、６３）。この決定された溶接パラメータをＮＣ言語に変換する（６４）。これにより得られたＮＣデータは、制御データとして制御テーブル（図示せず）に記憶される。また、このＮＣデータを用いて、電源装置や溶接ヘッドを動作させる（６５〜６８）。この動作時に、パルス溶接電流・電圧の検出手段を用いてヘッドの位置間隔等を検出し、動作状態が最適状態にセットされているか否かを判定し、正規の動作位置になっていなければ、トーチの軌跡データを補正し、ルートギャップ幅の変化による溶接条件等も補正し、ロジックテーブルのデータにより溶接パラメータを再設定する。この再設定後に運転が継続され、アークの状態を検出し設計値と比較して、随時、アーク電圧等を制御しながら自動溶接を実行する（６９〜７２）。
【００２７】
即ち、予めロジックテーブル６２に格納された溶接条件パラメータとして、溶接の各層毎に、各姿勢毎の溶接電流、溶接電圧、ヘッドの移動速度、トーチの回転速度、アークのスタート、エンド位置等を読み出し、これらの溶接条件パラメータに対して、ワイヤによる開先形状計測６６の結果に基づいてトーチ軌跡補正６７およびルートギャップ幅変化による溶接条件補正６８を行う。その後、自動運転を開始し（６９）、アークセンス（溶接線倣い）、電流・電圧サンプリング、トーチ位置（上下、左右）制御を行う（７０）。また、パルス訛り防止制御、アーク電圧制御を行う（７１）。アークセンスに基づいて行われるアーク倣い関連補正の詳細については、後述する。自動溶接の現在の溶接電流、電圧、各軸位置等の各種パラメータおよび各種補正量等は、現在の状態（ステータス）として、ＣＲＴにおけるリアルタイム表示により監視することができる（７２）。
【００２８】
図７に、ロジックテーブルの一例を示す。これは、ウィービング停止時間の設定を定めるファイルの例である。この他にも、各種のファイルが存在するが、ここではこの一例のみを示す。このロジックテーブルには、条件項目として、「溶接姿勢」、「層間」、「回転速度」、「ウィーブ幅」の４つの条件について、等しい：「＝」、等しくない：「！＝」、大きい：「＞」、小さい：「＜」、以上：「＞＝」、以下：「＜＝」のそれぞれの条件に適合するようにデータが収納されている。
【００２９】
例えば、次のような条件が与えられたとする。すなわち、溶接条件が上向き、層間が仕上げ、回転速度が１００、ウィーブ幅が１０．０、とする。この条件に適合するテーブル内容を検索して、テーブルの項目Ｎｏ．５を選択する。これにより、回転速度が１２０以下、ウィーブ幅が１１．０以下、左停止０．１５、中停止０．００、右停止０．１５の各データが選択される。これらの溶接のためのパラメータが選択されると、次に実際のＮＣ実行制御プログラムにデータが渡される。
【００３０】
図８に、ＣＡＤのプログラム項目とＮＣ制御のプログラムの項目の対応関係を示す。初期値設定時は、ＣＡＤ情報として、口径、開先情報、サーボパラメータ、アーク倣い補正パラメータ、手直し溶接パラメータが設定される。これらのパラメータは、ＮＣ制御用に、口径についてはガイドレール周回パルス数（エンコーダパルス数）に変換され、開先情報についてはタッチセンスの情報に変換される。その他の項目も、図８に示す対応関係でＮＣ制御用に変換される。本システムは、このようして得られたＮＣ制御データに基づいて仮の動作を実行し、それぞれの動作に関して、その検出結果を基に、補正が必要なものは補正を行い、実際の溶接動作に移行する。
【００３１】
このように構成することにより、人はＣＡＤデータを作成し、溶接ヘッドをパイプにセットすれば、システムが自動的に溶接条件等を決定して自動的に溶接を実行する。その結果、溶接実行時に人が溶接条件等を教示する必要がなくなり、しかも溶接のバラツキが少なくなる。また、殆どの条件をロジックテーブルという形式で記憶しているため、従来用いられている知識処理等の表現形式のＩＦ〜ＴＨＥＮを用いた場合に比べ条件の変更、選択理由等も簡単に修正ができる。
【００３２】
図９及び図１０により、本溶接装置で行う、トーチの２次元ウィービングの例を説明する。図９は、横軸を時間としてＹ軸位置およびＺ軸位置の変化を示したものであり、図１０は、Ｘ軸方向に沿ってウィービング動作の移動経路を示したものである。ウィービング動作は、図のように、トーチをＹ軸およびＺ軸方向に所定の幅・周期で往復運動させ、トーチの軌跡を波状にするものである。この例では、前述のように、ウィービングの左端（Ｌ）、中央（Ｃ）、右端（Ｒ）で一時的に停止させている。図１０の左右での斜めの移動時の速度と、水平移動時の速度とは別個に指定可能である。速度は、ワイヤ先端の移動軌跡に沿った速度（接線速度）で指定される。
【００３３】
図１１は、ウィービングの指令軌跡と実際のトーチの移動の軌跡（サーボ軌跡）とを対比して示したものである。図の横軸は時間、縦軸はＹ軸方向位置を示す。図から分かるように、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より遅れて追従している。図の例では、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、後述する各種データのサンプリングを行っている。各区間の判定は、Ｙ軸エンコーダの出力に応じて、実際の機械的なトーチ位置を示すサーボ軌跡を基に行われる。各区間の境界には、誤差低減のために不感帯を設けてもよい。
【００３４】
後述するアーク倣い関連補正では、ウィービングの位置に応じて、次のようなデータを求める。
【００３５】
平滑電流値、
平均電流パルス周期、
左端・右端電流パルス周期、
左端・右端アークショート時間
平均アークショート時間、
左・右電流パルス周期、
左・右アークショート時間
なお、アークショートとは、溶接ワイヤ（電極）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。
【００３６】
図１２に、計測用回路２１１のハードウエア構成例を示す。
【００３７】
溶接用電源装置３は、溶接トーチ８に大きなパルス電流を供給する。パルス溶接電流／電圧計測用回路２１１は、電源装置３からパルス溶接電流信号１３およびパルス溶接電圧信号３２を得て、それぞれフィルター１４および３３に入力する。なお、本明細書でいう「電圧信号」および「電流信号」は、それらの信号がそれぞれ溶接電圧を表わす信号および溶接電流を表す信号という意味であり、信号が電圧レベルおよび電流レベルで表されるという意味ではない。通常、これらの電圧信号および電流信号は電圧レベルで表される。
【００３８】
図１３にパルス溶接電流／電圧信号の一例（フィルター入力）を示す。同図において（ａ）は電圧信号３２、（ｂ）は電流信号１３を示す。電圧信号３２は、所定周期のパルス波形であり、高周波のノイズ成分１５が重畳している。また、このパルス波形のベース電圧部分５１には、アークショートの発生を示す電圧低下波形部分５０が示されている。この電圧信号３２に対応する電流信号１３も、電圧信号３２と同様に高周波ノイズ成分１５を含んでいる。パルス溶接電流信号１３には、高周波のノイズ成分１５が重畳しており、電圧信号３２の波形部分５０に対応した波形部分５２が示されている。フィルター１４および３３は、前述したようにパルス電源のパルス周波数よりも高いカットオフ周波数（例えば４ＫＨｚ）を有するものであり、高周波のノイズ成分１５を取り除き、パルス溶接電流信号１６およびパルス溶接電圧信号３４を出力する。これにより、高周波ノイズによる電気的特性計測の誤動作を防止することができる。また、このようなカットオフ周波数のフィルターを用いることにより、電流信号１３および電圧信号３２のパルス波形を維持することができ、後述する方法によりパルス単位の電気的特性の計測を可能とする。
【００３９】
図１４に、フィルター１４および３３により出力されるパルス溶接電流／電圧信号の一例を示す。同図において（ａ）は電圧信号、（ｂ）は電流信号を示す。フィルター１４、３３により電圧信号３２および電流信号１３からそれぞれの高周波のノイズ成分１５を取り除いたものがパルス溶接電流信号１６、パルス溶接電圧信号３４である。同図中、Ｉ１は電流信号のピーク値、Ｅ２は電圧信号のベース電圧、Ｔ１は電流信号（および電圧信号）のパルス幅、Ｔ２は電流信号（および電圧信号）のベース幅、Ｔ３は電圧信号（および電流信号）のアークショート幅（アークショート時間）、Ｔ４は電流信号（および電圧信号）の繰り返し周期、Ｈ１は電流信号１６に対するパルス幅及びベース幅計測用スレショルドレベル信号２２のレベル、Ｈ２は電圧信号３４に対するアークショート幅計測用スレショルドレベル信号３８のレベルである。
【００４０】
アークショート幅を電圧波形から求めるのは、アークショート波形が電圧信号の方に明確に現れやすいからである。また、パルス幅等を電流波形から求めるのは、電圧波形の方がベースレベルとピークレベルの差が大きくかつ明確だからである。但し、本発明はこれらに限られるものではない。
【００４１】
図１２の計測用回路２１１中のピークホールド回路１７は、タイミング信号２０で決まる時間間隔毎に、フィルター１４から出力されるパルス溶接電流信号１６のピーク値を検出、保持する。このピーク値は、タイミング信号２０にしたがってＡ／Ｄ変換回路１８によりディジタル信号１９に変換される。タイミング信号２０は、後述する割込回路２４による制御装置２への割込に応じて制御装置２が出力する。
【００４２】
コンパレータ２１は、制御装置２から与えられるスレショルドレベル信号２２とパルス溶接電流信号１６とを比較し（図１４（ｂ）参照）、パルス溶接電流信号１６がスレショルドレベル信号２２を越えた時に、その出力信号２３を低レベルとし、パルス溶接電流信号１６がスレショルドレベル信号２２より小さくなった時に、出力信号２３を高レベルとする。割込回路２４は、出力信号２３の立ち下がりエッジで制御装置２へ割込信号を出力する。これにより、制御装置２は、溶接電流信号１３のパルス波形の立ち上がりを認識し、前述したタイミング信号２０を発生する。後述するように、これを高速ウィービング時におけるアーク中溶接線倣い制御等の処理のためのタイミングとして利用することができる。出力信号２３はカウンタ２５に入力され、反転回路２７による出力信号２３の反転信号はカウンタ３０に入力される。カウンタ２５は、出力信号２３が高レベルの期間（すなわち、電流信号１６がスレショルド信号２２より低レベルの期間）、イネーブルされ、制御装置２からのクロック信号４３を計数する。これによって、電流信号１６の時間Ｔ２が求められ、ベース幅２６として出力される。一方、カウンタ２５は、出力信号２３が低レベルの期間（すなわち、電流信号１６がスレショルド信号２２より高レベルの期間）、イネーブルされ、制御装置２からのクロック信号４４を計数する。これによって、電流信号１６の時間Ｔ１がもとまり、パルス幅３１として出力される。このパルス幅３１に基づいて、パルス訛りを防止することができる。パルス周期Ｔ４は、時間Ｔ１と時間Ｔ２の加算処理により求められる。あるいは指令値からパルス周期を求めることもできる。後述するように、パルス周期は、アークショート幅とともに、アーク中溶接線倣い制御等に利用することができる。
【００４３】
コンパレータ３７は、制御装置２から与えられるアークショート用スレショルドレベル信号３８と電圧信号３４とを比較し（図１４（ａ）参照）、電圧信号３４がアークショート用スレショルドレベル信号３８より小さくなった時に、その出力信号３９を高レベルとし、電圧信号３４がスレショルドレベル信号３８を越えた時に、出力信号３９を低レベルとする。カウンタ４１は出力信号３９が高レベルの期間、制御装置２からのクロック信号４５を計数する。これによって、電圧信号３４の時間Ｔ３が求められ、アークショート幅４２として出力される。なお、スレショルドレベル信号２２、アークショート用スレショルドレベル信号３８は、溶接作業条件の変化（パイプ径、鋼種等）に応じて、制御装置２により可変制御できる。なお、４６はパルス電流／電圧計測用回路２１１と制御装置２との間の信号であり、前述した各種の信号を含む。
【００４４】
なお、高精度な計測を行うためには当然ながら、クロック信号４３、４４、４５としては、被計測対象の時間幅に比べて十分短い周期を有するものを用いる。
【００４５】
図１５は、図１２に示した計測用回路２１１の各信号に関するタイミングの概要を示したものである。１６、３４はフィルター１４、３３の出力で、図１４に示したものと同じである。このフィルター１４から出力される電流信号１６の立ち上がりエッジでコンパレータ２１の出力信号２３が立ち下がり、これにより前述した割込回路２４が制御装置２に割込をかける。制御装置２はこれに応答してタイミング信号２０を発生する。このタイミング信号２０により、ピークホールド回路１７の出力がリセットされ、続いて、次のタイミング信号２０発生までの間、信号１６のピーク値を検出し保持する。この例では、ピーク値は信号１６のパルスの高レベルの値であり、これが次のタイミングパルス信号２０の発生まで保持される。コンパレータ２１の出力信号２３は、電流信号１６のベース幅時間Ｔ２の期間高レベルとなり、この期間が前述のようにカウンタ２５により計測される。反転回路２７の出力信号２８は出力信号２３を反転した波形であり、その高レベル期間が電流信号１６のパルス幅時間Ｔ１に相当する。この時間Ｔ１は、前述のようにカウンタ３０により計測される。コンパレータ３７の出力信号３９は、電圧信号３４のアークショート時間Ｔ３の間、高レベルとなり、この時間Ｔ３が前述したカウンタ４１により計測される。
【００４６】
なお、図示の例では、アークショート幅と、パルス幅・パルス周期の計測を同じ低域通過フィルターの出力で行ったが、パルス幅・周期の方を若干低いカットオフ周波数（例えば１ｋＨｚ）の別のフィルターを用いて、ノイズによる誤動作を低減するようにしてもよい。
【００４７】
また、図示しないが平滑電流、平滑電圧を計測するためには、従来と同様、低いカットオフ周波数（例えば１０Ｈｚ）の低域通過フィルターを用いて、計測することができる。アーク出力指令による実際のアーク出力電流・電圧値と、波形計測から得られる電流・電圧値には、溶接電源の出力波形の特性によって、差が存在する。そのため、次式に示すように、各種サンプリング処理にて算出したデータに、予め求めた電流・電圧差を考慮して補正を加えた値を、電流・電圧フィードバック値として用いる。
【００４８】
Ｉｆｂ＝Ｉａｄ＋ＩＯＦＳｍｏｄ
Ｖｆｂ＝Ｖａｄ＋ＶＯＦＳｍｏｄ
ここに、Ｉｆｂは、電流フィードバック値、Ｖｆｂは電圧フィードバック値、Ｉａｄは計測電流値、Ｖａｄは計測電圧値、ＩＯＦＳｍｏｄは電源モードによって変わる電流誤差、ＶＯＦＳｍｏｄは電源モードによって変わる電圧誤差である。
【００４９】
後述するアーク倣い補正、アーク電圧調整等の制御は、この補正後の電流・電圧フィードバック値を用いて行う。以下の説明における電流値および電圧値は、特に言及しなくても、この補正後のものである。
【００５０】
次に、本発明によるアーク倣い補正について、以下に説明する。溶接電流、溶接電圧の計測に基づく各種データのサンプリングは、平均電流・電圧値計測処理／パルス波形計測処理と、インターバルタイマ処理の２段階で行う。平均電流・電圧計測処理は、一定周期（例えば１ｍｓ）毎に起動される処理であり、前述した低いカットオフ周波数にて平滑化された電流電圧フィードバック値を読み出し、前記誤差を加味した値を求める。パルス波形計測処理は、フィードバックパルス周期（計測されたパルス周期）毎に起動され、前述した溶接電流電圧波形に基づいて検出されたピーク電流・電圧値、パルス周期、ピークパルス幅、アークショート時間を読み出す。インターバルタイマ処理は、一定周期（例えば４ｍｓ）毎に起動され、パルス波形計測処理より出力される電流・電圧・アークショート時間値を平均化する。このインターバルタイマ周期は、サーボ制御周期とも呼ぶ。また、ウィービング動作中は、ウィービング位置に応じて、右端、右、中、左、左端の各区間の各種平均値を求める。ウィービング動作中でない場合は、３２ｍｓ分（８個）のデータの平均化を行う。
【００５１】
図１６は、パルス溶接電流１３およびパルス溶接電圧３２の計測結果に基づいて左右アーク倣い補正量、上下アーク倣い補正量を得るための手順およびそのために用いる信号を示すものである。
【００５２】
＜左右アーク倣い＞
左右アーク倣いは、開先内での単一パス（１層を１回のパスで溶接）にて、トーチのウィービング中心が正確に開先中心を通るようにするため、左右電流値が均等になるように、トーチ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開先に対してずれると、左右端でトーチと開先壁との間隔が異なり、両者の電流値が異なる。この電流値の差を確認することによりウィービング中心のずれを検出することができる。しかし、平滑電流１２２は前述のように低いカットオフ周波数で平滑したものであり、この信号からは左右端の電流値を精度よく求めることができない。そこで、本例では、電流パルス周期と電流値とは比例することに着目し、パルス周期に基づいて電流値を推測するようにしたものである。ただし、本発明者等の実験により、左右端においてアークショートが発生した場合には、その程度に応じて電流パルス周期が増加することが判明した。そこで、電流パルス周期をアークショート時間で補正することとした。なお、この前提条件として、本例では、ウィービング周期５０ｍｓ以上（周波数２０Ｈｚ以下）、ウィービングＹ軸速度５ｍ／分以下、電流パルス周期１ｍｓ以下を想定している。
【００５３】
具体的には、より高精度に左右電流値を求めるために、まず、前記平滑電流１２２からウィービング１周期内の水平移動部分（左端右端を除く）の全サンプリングポイントの平滑電流値を平均した平均電流値１３５を求める。水平部分としたのは、この部分で比較的にアークが安定だからである。一方、パルス電流１３の電流波形からピーク電流値、パルス周期、パルス幅、アークショート時間を求める（１２３）。さらに、ウィービング１周期内の水平移動部分の全パルス周期を平均した平均パルス周期１５０を求める。この平均パルス周期１５０と、前記平均電流値１３５とから、パルス周期−電流値変換係数１２６を次式により求める。
【００５４】
周期−電流値変換係数ＴＡＲ＝Ｉａｖ／Ｔａｖ （Ａ／ｍｓ）
ここに、Ｉａｖは平均電流値（Ａ）、Ｔａｖは平均周期（ｍｓ）を示す。
【００５５】
電流波形（１２３）から、左端電流パルス周期および右端電流パルス周期１６１を求める。この際、全体的な傾向にて制御を行うため、左右とも最左端、最右端を含む数ポイントの電流パルス周期を平均化する。平均化するポイント数は、ウィービング周期により可変とする。例えば、ウィービング周期（Ｈｚ）が１Ｈｚ未満なら３２ポイント、２Ｈｚ未満なら１６ポイント、４Ｈｚ未満なら８ポイント、１６Ｈｚ未満なら２ポイント、１６Ｈｚ以上ならば１ポイントというように可変とする。
【００５６】
一方、パルス溶接電圧３２の電圧波形測定から、そのピーク電圧、パルス周期パルス幅およびアークショート時間を求める（１２５）。さらにこの測定結果に基づいて、左端および右端アークショート時間を求める（１４３）。この際、すべての有意情報を考慮して制御するために、左右とも最左点および最右点を含む数ポイントのアークショート時間を平均化する。平均化するポイント数は、前述と同様にウィービング周期により可変とする。
【００５７】
上記左右端電流パルス周期と左右端アークショート時間に基づいて、左右端制御電流パルス周期を求める（１６３）。すなわち、次式のように、左右端の電流パルス周期からアークショート時間を引いた時間を、制御電流パルス周期とする。
【００５８】
Ｔｌ＝Ｔｌｓ−Ｓｌ
Ｔｒ＝Ｔｒｓ−Ｓｒ
ここに、Ｔｌｓは左端電流パルス周期（μｓ）、Ｔｒｓは右端電流パルス周期（μｓ）、Ｔｌは左端制御電流パルス周期（μｓ）、Ｔｒは左端制御電流パルス周期（μｓ）、Ｓｌは左端アークショート時間（μｓ）、Ｓｒは右端アークショート時間を表わす。このように、パルス周期からアークショート時間を引くのは、次の理由による。すなわち、アークショートが生じた場合に、アークショートが生じない場合に比べて、電流パルス周期が伸びると考えられ、これを補償するため電流パルス周期からアークショート時間を引くのである。
【００５９】
そこで、次式により、左電流値および右電流値１２８を求める。
【００６０】
Ｅｌ＝Ｔｌ・ＴＡＲ
Ｅｒ＝Ｔｒ・ＴＡＲ
ここに、Ｅｌ，Ｅｒはそれぞれ左電流値右電流値（Ａ）、ＴｌおよびＴｒは、それぞれ右端制御電流パルス周期および左端制御電流パルス周期（μｓ）を表す。この左右電流値１２８は前述したステータス情報として表示される。
【００６１】
このようにして求められた前回のウィービングの左右電流値１２８を用いて、両電流値が均等になるように、今回のウィービングの中心位置をずらすようトーチの位置制御を行う（１２９，１３０）。この補正量分の移動は、１ウィービング周期全体にかけて、サーボ制御周期毎に徐々に行う。すなわち、一度に補正量分の移動を行うのではなく、１ウィービング周期内に分散させて小刻みに移動させる。分散した個々の移動量は、１ウィービング周期内に何回のサーボ制御周期があるかが分かるので、その回数で全補正量を分割した量とする。このように一度に一括して全補正量分の移動を行わないのは、一度に大きな左右方向の移動を行うとアークに大きな影響が現れ、左右アーク倣い補正に起因して左右のアークのバランスが崩れてしまうという事態が生じるからである。例えば、中央から左側へ移動を始めるウィービングの開始時に一括して移動を行うと、左側のみがその影響を受け、右側との間でアンバランスとなるからである。
【００６２】
なお、溶接条件によって左右電流値１２８が不均一になることを考慮して、左右電流差の評価時には後述するようにオフセットＡｏを加味する。また、電流波形の信頼性を考慮して微小の左右電流差に対して反応しないようにする不感帯を設ける。この不感帯幅は、ウィービング幅に応じて変化させることが好ましい。また、左右アーク倣い補正の誤動作が発生している状態で、無制限にアーク倣い補正が作動するのを防ぐため、左右アーク倣い補正量の左右補正リミットＬＭＴｌ，ＬＭＴｒ（μｍ）を設ける。左右電流差Ａｄおよび今回補正量ΔＹｎは、次式で求められる。
【００６３】
Ａｄ＝Ｅｌ−Ｅｒ
｜Ａｄ＋Ａｏ｜＞＝ＮＳＢｌｒの場合、
ΔＹｎ＝（Ａｄ＋Ａｏ）・Ｇｌｒ
ΔＹｎ＞０かつ｜Σ（ΔＹ）＋ΔＹｎ｜＞＝ＬＭＴｒの場合、
ΔＹｎ＝ＬＭＴｒ−Σ（ΔＹ）
ΔＹｎ＜０かつ｜Σ（ΔＹ）＋ΔＹｎ｜＞＝ＬＭＴｌの場合、
ΔＹｎ＝ＬＭＴｌ−Σ（ΔＹ）
ここに、ＮＳＢｌｒは不感帯幅（Ａ）、Ｇｌｒは左右アーク倣いゲイン（μｍ／Ａ）、Σ（ΔＹ）は前回までの補正量の積算値（μｍ）を表す。左右電流オフセット、不感帯幅、左右アーク倣いゲイン、左右補正リミットの各値は、予め指定された値である。
【００６４】
図１７は、パルス溶接電流１３の計測結果に基づいて上下アーク倣い補正量を得るための手順およびそのために用いる信号を示すものである。
【００６５】
＜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とが一致するように、トーチの上下方向位置を補正するものである。前述のように、トーチと開先壁との間隔が異なると電流値が変わるので、これを利用する。原則的には、電流値が指令電流値よりも高くなったときはトーチ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、トーチを上げる。逆に、電流値が指令電流値よりも低くなったときはトーチ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、トーチを下げる。
【００６６】
具体的には、前述と同様の平滑電流１２２から求めた平均電流１３５から上下アーク倣い補正を指示する（１３６）。この場合も、指令電流差に対する不感帯を設ける。また、上下アーク倣い補正の誤動作が発生している状態で無制限にアーク倣い補正が作動するのを防止するため、上下アーク倣い補正量の補正リミットを設ける。
【００６７】
今回補正量ΔＺｎは次のようにして求められる。
【００６８】
｜Ａｄ｜＞＝ＮＳＢｕｄの場合、
ΔＺｎ＝Ａｄ・Ｇｕｄ
ΔＺｎ＞０かつ｜Σ（ΔＺ）＋ΔＺ｜＞＝ＬＭＴｕの場合、
ΔＺｎ＝ＬＭＴｕ−Σ（ΔＺ）
ΔＺｎ＜０かつ｜Σ（ΔＺ）＋ΔＺ｜＞＝ＬＭＴｄの場合、
ΔＺｎ＝ＬＭＴｄ−Σ（ΔＺ）
ここに、Ａｄは指令電流差（Ａ）、ＮＳＢｕｄは不感帯幅（Ａ）、Ｇｕｄは上下アーク倣いゲイン（μｍ／Ａ）、Σ（ΔＺ）は前回までの補正量の積算値（μｍ）、ＬＭＴｕ，ＬＭＴｄは上下補正量リミット（μｍ）を表す。不感帯幅、上下アーク倣いゲイン、及び上下補正量リミットは、予め指定された値である。
【００６９】
このようにしてあるウィービング周期期間に上下アーク倣い補正量ΔＺｎを求め、次のウィービングの開始点で、一度にその補正量だけトーチを上下移動させる（１３７）。このように一度に補正を行うのは、上下方向へのトーチの補正を左右アーク倣いのように分散させて異なるＹ軸位置で補正を行うと却って左右のアンバランスが生じるからである。
【００７０】
一方、電流波形からアーク鈍り検出１３３を行う（１２３）。アーク鈍りとは、抵抗値等の影響により電流のパルス波形が鈍る（立ち上がり立ち下がり速度が低下してパルス幅が広がる）ことをいう。アーク鈍りの一因は、ワイヤの突き出し長さが大となりアーク長が長くなることである。これによってシールドガスが溶融池まで届かない等の理由により正常なパルス溶接ができなくなる。そこで、サーボ制御周期毎に、パルス幅またはパルスピーク値に基づいてアーク鈍りが発生しているか否かをチェックする。すなわち、補正電流パルス幅が、予め定められた許容値より大きくなったときにアーク鈍りが発生したと判定する。許容値は、指令パルス幅に対する割合（％）で指定することもできる。
【００７１】
具体的には、今回のパルス幅ＰＷｎが次式を満たすことで検出する。
【００７２】
ＰＷｎ＞＝ＰＷｌｉｍ または、
ＰＷｎ／ｔｐ＞＝ＰＲａｔ
ここに、ＰＷｌｉｍは予め指定されたパルス幅上限値、ｔｐは指令パルス幅、ＰＲａｔは予め指定されたパルス幅比上限値（０．１％）を示す。パルス幅の単位は０．０１ｍｓである。
【００７３】
アーク鈍りの検出時に、予め指定された速度Ｖｓでトーチを下げていくよう指示する（１３４）。これにより、ワイヤの突き出し長さが減少し、抵抗が減少して鈍りが収まる。アーク鈍り補正は、補正電流パルス幅が鈍り検出値以下である状態が一定時間続いたときに終了する。
【００７４】
なお、アーク鈍り補正を行っているときには、上下アーク倣い補正１３６は無効とする（１４９）。
【００７５】
また、アークスタート時の異常電流値が計測されることによる悪影響を回避するため、アークスタート時は指定された時間だけアーク鈍り補正を無効とする。トーチの補正幅はプログラム／パラメータにより指定する。
【００７６】
平均電流１３５は、ステータスデータとして表示される（１４８）。
【００７７】
なお、上下アーク倣いとは関係ないが、電流波形１２３のアークショート時間が予め定められた許容時間以上になることでアーク切れを検出する（１３１）。ただし、アークスタート時のアーク切れは無視する。このアーク切れ発生位置（Ｘ軸位置）はアーク切れ発生位置テーブルに記録する（１３２）。
【００７８】
次に、図１８に、パルス溶接電圧３２およびパルス溶接電流１３の計測結果に基づくアーク電圧の調整の手順およびそのために用いる信号を示す。
【００７９】
＜アーク電圧調整＞
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、パルス電圧３２を低いカットオフ周波数でフィルタリングした平滑電圧１２４をサンプリングし、ウィービングの半周期の間にサンプリングしたすべてのデータを平均化して平均電圧１３８を求める。
【００８０】
また、パルス電圧３２の電圧波形からアークショート時間を求める（１２５）。さらに、ウィービング１周期の水平移動部分で検出されたすべてのアークショート時間を平均化して平均アークショート時間１８１を求める。
【００８１】
一方、パルス電流１３の電流波形１２３から平均電流パルス周期１５０を求める。これは、ウィービング１周期の水平部分で検出されたすべての電流パルス周期を平均化して求める。
【００８２】
このようにして得られた平均電流パルス周期に対する平均アークショート時間の割合を、次式のように、平均アークショート時間率として求める（１８３）。
【００８３】
ＡＳｎ＝ＡＳａｖ／Ｔａｖ・１０００
ここに、ＡＳｎは今回アークショート時間率（０．１％）、ＡＳａｖは平均アークショート時間（μｓ）、Ｔａｖは平均電流パルス周期（μｓ）を表わす。なお、平均アークショート時間率はステータス表示される。
【００８４】
このようにして求められた平均アークショート時間率が適正な値になるように電圧指令を調整する（１４０）。すなわち、
ＡＳｎ＞ＡＳＶｕｐの場合、
ＡＳｄ＝ＡＳｎ−ＡＳＶｕｐ
ＡＳｎ＜ＡＳＶｌｏの場合、
ＡＳｄ＝ＡＳｎ−ＡＳＶｌｏ
ここにＡＳｎは今回アークショート時間率（０．１％）、ＡＳＶｕｐは許容アークショート時間率上限値（０．１％）、ＡＳｄは今回アークショート時間率差（０．１％）、ＡＳＶｌｏは許容アークショート時間率下限値（０．１％）である。
【００８５】
これらより、今回電圧調整量ΔＶｎ（単位は０．１Ｖ）は、次式で求められる。
【００８６】
ΔＶｎ＝ＡＳｄ・Ｇａｓ
ここに、Ｇａｓは電圧計算係数（単位は０．１Ｖ／１００％）である。
【００８７】
本願出願人が先に提案した特願平８−７４０３５号においては、平均アークショート時間そのものに基づいてアーク長補正を行った。この先行例では、電流パルス周期の大きさ、すなわち指令電流値に応じて平均アークショート時間がばらつくため、高電流から低電流までの広範囲をカバーするために、複数の電流領域ごとに補正係数（平均アークショート時間を補正電圧に変換するための係数）を切り替える必要があった。本実施の形態では、平均アークショート時間そのものではなく、それの平均電流パルス周期に対する割合である平均アークショート時間率を導入したので、１つの電圧計算係数（Ｇａｓ）で広い電流範囲をカバーすることが可能になった。
【００８８】
図１８のアーク電圧調整（１４１）では、指令電圧（アーク長補正量ΔＶｎを含む）と、測定した平均電圧１３８が一致するように電圧指令を調整する。ここでアーク電圧調整の誤動作が発生している状態で無制限にアーク電圧調整が動作するのを防ぐため、電圧調整量のリミットを設ける。
【００８９】
ΔＶｎ＝（Ｖｃ＋Ｖａｌ）−Ｖｆｂ
ここに、Ｖｃは指令電圧値（０．１Ｖ）、Ｖａｌはアーク長補正量（０．１Ｖ）、Ｖｆｂは出力電圧（フィードバック）値（０．１Ｖ）である。
【００９０】
但し、ΔＶｎ＞ΔＶｍａｘの場合、
ΔＶｎ＝ΔＶｍａｘ
ここに、ΔＶｍａｘは許容される１回の最大電圧調整量（０．１Ｖ）である。
【００９１】
また、Ｖｌｏ＜＝ΔＶｎ＜＝Ｖｕｐの場合、
ΔＶｎ＝０
とする。
【００９２】
ΔＶｎ＞０かつ｜Σ（ΔＶ）＋ΔＶｎ｜＞＝ＶＬＭｕの場合、
ΔＶｎ＝ＶＬＭｕ−Σ（ΔＶ）
ΔＶｎ＜０かつ｜Σ（ΔＶ）＋ΔＶｎ｜＞＝ＶＬＭｄの場合、
ΔＶｎ＝ＶＬＭｄ−Σ（ΔＶ）
ここに、Σ（ΔＶ）は前回までの電圧調整量の積算値（０．１Ｖ）、ＶＬＭｕは最大電圧調整量（増）（０．１Ｖ）、ＶＬＭｄ最大電圧調整量（減）（０．１Ｖ）を示す。
【００９３】
このようにしてアーク電圧調整量ΔＶｎを求め、ウィービング半周期毎に、ウィービングの中央の位置で電圧を修正する（１４２）。
【００９４】
次に、図１９に、パルス電流１３およびパルス溶接電圧３２の計測結果に基づくウィービング幅の補正の手順およびそのために用いる信号を示す。
【００９５】
＜ウィービング幅補正＞
ウィービング幅補正は、開先幅に対してウィービング幅を適切なものとするためのものであり、ウィービングの水平移動部分の幅を左右同時に変更する。なお、前記左右アーク倣いもウィービングを左右方向の移動量を補正するものであるが、左右アーク倣いは前述したようにウィービングにおけるトーチ中心位置をずらすものであるのに対し、ウィービング幅補正は、ウィービングの左右の幅を増減するものであり、両補正は別個独立に機能する。
【００９６】
ウィービング幅補正は、図１６において説明したと同様、左端・右端電流パルス周期１６１を左端・右端アークショート時間１４３で補正して得た左端・右端制御電流パルス周期１６３に基づいて、次の手順により行う（１４４）。
【００９７】
まず、左端制御電流パルス周期Ｔｌと右端制御電流パルス周期Ｔｒを比較して、
１）左端制御電流パルス周期＞右端制御電流パルス周期の場合、
左端制御電流パルス周期を今回制御電流パルス周期Ｔｎとする。すなわち、
Ｔｌ＞Ｔｒの場合、Ｔｎ＝Ｔｌ
２）左端制御電流パルス周期＜右端制御電流パルス周期の場合、
左端電流パルス周期を今回制御電流パルス周期Ｔｎとする。すなわち、
Ｔｌ＜Ｔｒの場合、Ｔｎ＝Ｔｒ
次に、
１）今回制御電流パルス周期＞上限値の場合、左右両側のウィービング幅を広くする。
【００９８】
２）下限値＜＝今回制御電流パルス周期＜＝上限値の場合、何もしない。
【００９９】
３）今回制御電流パルス周期＜下限値の場合、左右両側のウィービング幅を狭くする。
【０１００】
ウィービング幅補正の誤動作が発生している状態で無制限にウィービング幅補正が作動するのを防ぐため、補正量のリミットを設ける。
【０１０１】
ウィービング幅変更時の今回の変更量ΔＷｎ（μｍ）は、以下のとおりである。
【０１０２】
i) 今回制御電流パルス周期Ｔｎ＞上限値Ｔｕｐの場合、
ΔＷｎ＝（Ｔｕｐ−Ｔｎ）／１０００・Ｇｗｍｓ
但し、｜Σ（ΔＷ）＋ΔＷｎ）｜＞＝ＷＬＭｓの場合、
ΔＷｎ＝ＷＬＭｓ−Σ（ΔＷ）
ii) 今回制御電流パルス周期Ｔｎ＜下限値Ｔｄｎの場合、
ΔＷｎ＝（Ｔｄｎ−Ｔｎ）／１０００・Ｇｗｍｅ
但し、｜Σ（ΔＷ）＋ΔＷｎ）｜＞＝ＷＬＭｅの場合、
ΔＷｎ＝ＷＬＭｅ−Σ（ΔＷ）
ここに、Ｇｗｍｓはウィービング幅変更係数（μｍ／ｍｓ）（狭）、Ｇｗｍｅはウィービング幅変更係数（広）（μｍ／ｍｓ）、Σ（ΔＷ）は前回までのウィービング幅変更量の積算値（μｍ）、ＷＬＭｓは最大ウィービング幅変更量（狭）（μｍ）、ＷＬＭｅは最大ウィービング幅変更量（広）（μｍ）である。
【０１０３】
なお、Ｔｕｐ，Ｔｄｎ，Ｇｗｍｅ，Ｇｗｍｓ，ＷＬＭｅ，ＷＬＭｓは予め指定される値である。
【０１０４】
このようにウィービング幅の調整を行った結果、全体のウィービング幅が変わった場合、ウィービング周期を一定にするため、次式に従ってウィービング速度を変更する。
【０１０５】
ＫＦ＝（Ｗ＋ΔＷ）／Ｗ
ＮＦｗ＝ＫＦ・Ｆｗ
ここに、ＫＦはウィービング速度変更係数、Ｗはウィービングの水平部分の幅（μｍ）、ΔＷはウィービング幅変更量、Ｆｗはウィービングの水平部分の速度、ＮＦｗは変更後のウィービングの水平部分の速度（μｍ／ｓｅｃ）である。
【０１０６】
次に、図２０に、ウィービング軌跡補正の手順およびそのために用いる信号を示す。
【０１０７】
＜ウィービング軌跡補正＞
ウィービング軌跡補正は、溶接面、特に不規則なビード形状に対して、トーチのウィービング軌跡（ここではＺ軸位置）を適切なものとするためのものであり、ウィービング軌跡の補正は、ウィービング水平移動部分の左・右のＺ軸高さをそれぞれ独立して変更可能とすることにより行う。なお、前述した上下アーク倣いもトーチのＺ軸位置を制御するものであったが、上下アーク倣いが用いる信号は平滑電流１２２の平均電流値１３５であるためその補正はウィービング幅全域に対するものであるのに対し、ウィービング軌跡補正は、ウィービング幅内での左・右の各区間での微調整を行うことを可能とするものである。
【０１０８】
ウィービング軌跡補正は、原理的には、パルス電流１３に基づく電流波形１２５から左および右（ウィービングの水平移動部分の左および右の区間）の各電流パルス周期を求め（１４６）、これらの上限および下限許容値との比較結果により、左・右の各ウィービング高さ（トーチ高さ）を調整するものである。ただし、左右の電流パルス周期には、それぞれ左右のアークショート時間（１４５）を加味する。これは、前述したように電流パルス周期はアークショートの発生により変化するため、このアークショートの時間で電流パルス周期を補正するものである。
【０１０９】
左右の電流パルス周期１４６は、ウィービングの水平移動部分で検出された電流パルス周期を、各区間毎にその数ポイントのパルス周期を平均化したものである。その平均化数は、前述したようにウィービング周期に応じて可変である。左右のアークショート時間１４５としては、各区間内の数ポイントのアークショート時間を平均化したものを用いる。この場合も、平均化数はウィービング周期に応じて可変とする。
【０１１０】
左右の電流パルス周期１４６と左右のアークショート時間１４５とに基づいて、左右の制御電流パルス周期２０１を次のように求める。
【０１１１】
すなわち、次式のように、左右端の電流パルス周期からアークショート時間を引いた時間を、制御電流パルス周期とする。
【０１１２】
Ｔｌ＝Ｔｌｓ−Ｓｌ
Ｔｒ＝Ｔｒｓ−Ｓｒ
前述したように、Ｔｌｓは左端電流パルス周期（μｓ）、Ｔｒｓは右端電流パルス周期（μｓ）、Ｔｌは左端制御電流パルス周期（μｓ）、Ｔｒは左端制御電流パルス周期（μｓ）、Ｓｌは左端アークショート時間（μｓ）、Ｓｒは右端アークショート時間（μｓ）を表わす。
【０１１３】
さて、ウィービング軌跡補正１４７では、左・右の各制御電流パルス周期２０１に応じて、以下のようにウィービング高さを補正する。これによって、ワイヤ突き出し長さが一定になるようにする。
【０１１４】
i) 左制御電流パルス周期が上限値を超える場合には、ウィービング左高さを低くし、
ii) 左制御電流パルス周期が上限値以下、かつ下限値以上であれば、ウィービング左の高さを変更せず、
iii) 左制御電流パルス周期が下限値より小さい場合、ウィービング左高さを高くし、
iv) 右制御電流パルス周期が上限値を超える場合には、ウィービング右高さを低くし、
v)右制御電流パルス周期が上限値以下、かつ下限値以上であれば、ウィービング右の高さを変更せず、
vi) 右制御電流パルス周期が下限値より小さい場合、ウィービング右高さを高くする。
【０１１５】
ウィービング軌跡補正の誤動作が発生している状態で、無制限にウィービング軌跡補正が動作するのを防ぐために補正量のリミットを設けている。
【０１１６】
ウィービングの左・右の高さ変更時の今回変更量ΔＺは以下のように決定される。なお、
i) 制御電流パルス周期＞上限値（すなわちＴｎ＞Ｔｕｐ）の場合、
ΔＺｎ＝（Ｔｕｐ−Ｔｎ）／１０００・Ｇｕｐ
但し、｜Σ（ΔＺｎ）＋ΔＺｎ｜＜＝ＺＬＭｄの場合、
ΔＺｎ＝ＺＬＭｄ−Σ（ΔＺｎ）
ここに、ΔＺｎはΔＺｌまたはΔＺｒ（μｍ）、Ｔｕｐは制御電流パルス周期上限値（μｓ）、ＴｎはＴｌまたはＴｒ、Ｇｕｐは上方向ウィービング高さ変更係数（μｍ／ｍｓ）、Σ（ΔＺｎ）は前回までのウィービング高さ変更量（μｍ）、ＺＬＭｕは上方向最大ウィービング高さ変更量（μｍ）である。
【０１１７】
ii) 制御電流パルス周期＜下限値（すなわちＴｎ＜Ｔｄｎ）の場合、
ΔＺｎ＝（Ｔｄｎ−Ｔｎ）／１０００・Ｇｄｎ
但し、｜Σ（ΔＺｎ）＋ΔＺｎ｜＜＝ＺＬＭｕの場合、
ΔＺｎ＝ＺＬＭｕ−Σ（ΔＺｎ）
ここに、Ｔｄｎは制御電流パルス周期下限値（μｓ）、Ｇｄｎは下方向ウィービング高さ変更係数（μｍ／ｍｓ）、ＺＬＭｄは下方向最大ウィービング高さ変更量（μｍ）である。
【０１１８】
このようなウィービング軌跡補正を行った結果、全体のウィービング軌跡が変わった場合、ウィービング周期を一定にするために、次のように、ウィービング速度を変更する。
【０１１９】
【０１２０】
なお、左・右アークショート時間１４５はステータス表示される。
【０１２１】
以上のように、各層毎の上下左右アーク倣い補正、ウィービング幅・軌道補正等を行うことにより、開先幅変動、特に開先幅の広いものについても十分アークを追従させ、溶着量を増加させ、ビードの形状を平坦にでき、また、ブローホール、アンダーカット等も防止できる効果がある。
【０１２２】
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、システム構成および処理の具体的内容は例示であり、請求の範囲を逸脱することなく種々の変形・変更が可能である。例えば、上記説明中で挙げた具体的な各種数値は単なる例示であり、本発明を限定するものではない。
【０１２３】
【発明の効果】
本発明によれば、高速ウィービングを行いながら鋼管の円周自動溶接を行うパイプ円周自動溶接装置の制御を高精度に行うことができる。すなわち、１ウィービング周期内のウィービングの左右端電流パルス周期を左右端アークショート時間で補正し、この補正値に基づいて左右電流値を求め、さらにこの左右電流値の誤差を次のウィービング周期の左右ウィービング幅に反映させるので、極めて高精度でかつ応答性の高い補正を行うことができ、ひいては、自動溶接の信頼性を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るパイプ円周自動溶接装置の概略構成を示す構成図である。
【図２】図１の溶接装置の各部の電器的接続関係の説明図である。
【図３】図１の溶接装置におけるヘッドおよびトーチの動作の説明図である
【図４】図１の溶接装置におけるヘッドの付属部品の説明図である。
【図５】図１の溶接装置の制御装置の内部構成を示すブロック図である。
【図６】図１の溶接装置の処理のフローチャートを示す。
【図７】図６に示した処理で用いられるロジックテーブルの一例の説明図である。
【図８】図６に示した処理で用いられるＣＡＤとＮＣの制御項目の対応関係の説明図である。
【図９】図１の溶接装置で行われるウィービング動作におけるトーチ位置の時間的変化を示すタイミング図である。
【図１０】図９のウィービング動作におけるトーチの軌跡の説明図である。
【図１１】ウィービング動作における指令軌跡とサーボ軌跡の関係を示すタイミング図である。
【図１２】図５に示したパルス波形計測部２１１の構成例を示すブロック図である。
【図１３】図１２の電圧信号及び電流信号を示す波形図である。
【図１４】図１２のフィルタリング後の電圧信号及び電流信号を示す波形図である。
【図１５】図１２のパルス波形計測部の動作を説明するためのタイミング図である。
【図１６】本発明による左右アーク倣い補正の説明図である。
【図１７】本発明による上下アーク倣い補正の説明図である。
【図１８】本発明によるアーク長補正およびアーク電圧調整の説明図である。
【図１９】本発明によるウィービング幅補正の説明図である。
【図２０】本発明によるウィービング軌跡補正の説明図である。
【符号の説明】
１…コンピュータ、２…制御装置、３…電源装置、４…ヘッド、５…パイプ、６…ワイヤ供給部、７…ワイヤ、８…溶接トーチ、１２…ガイドレール、１６…電流信号、３２…電圧信号、９１…アーク、９２…溶着金属、９３…開先、４１…センサ、４２…エンコーダ、２１１…パルス波形計装部、２２１…記憶部、２２２…ハードディスク、２２３…制御部、２２５…ＣＲＴ，キーボード、２３０…溶接ヘッド制御部、２３１…送受信部、２３２…電源制御部、２３３…ヘッド駆動部、２３４…リモート操作装置。
Claims (5)
- 突き合わせて固定されている２本のパイプの端面をパルスＭＡＧ溶接法により全周溶接する際、パイプの開先に沿ってパイプ円周の接線に直交する左右方向および上下方向にトーチの２次元ウィービングを行う自動溶接装置の左右ウィービング幅補正方法であって、
計測したパルス溶接電流に基づいて、１ウィービング周期内の、開先のスロープ部に対応するウィービングの左端および右端における電流パルス周期を求め、計測したパルス溶接電圧に基づいて、１ウィービング周期内の、開先のスロープ部に対応するウィービングの左端および右端におけるアークショート時間を求め、
該求められた左端および右端のアークショート時間により前記左端および右端の電流パルス周期をそれぞれ補正し、
該補正された左端および右端の電流パルス周期の大きい方を補正電流パルス周期とし、
該補正電流パルス周期をその上限値および下限値と比較し、
上限値より大きい場合、左右のウィービング幅を広くし、下限値より小さい場合、左右のウィービング幅を狭くするよう、ウィービング幅を補正することを特徴とするパイプ円周自動溶接装置の左右ウィービング幅補正方法。 - 前記アークショート時間による電流パルス周期の補正においては、電流パルス周期からアークショート時間を減算した結果を補正後の電流パルス周期とすることを特徴とする請求項１記載のパイプ円周自動溶接装置の左右ウィービング幅補正方法。
- 前記ウィービング幅の補正は、前記補正電流パルス周期と前記上限値または下限値の差に予め定めた係数値を掛けて得られた量を補正量とすることを特徴とする請求項１または２記載のパイプ円周自動溶接装置の左右ウィービング幅補正方法。
- ウィービング周期毎の前記補正量を積算しておき、前回までの積算値と今回の補正量との和が予め定めた限界値を超える場合には、当該限界値と前記積算値との差分を今回の補正量とする請求項１、２または３記載のパイプ円周自動溶接装置の左右ウィービング幅補正方法。
- 前記左右ウィービング幅の補正により、全体のウィービング幅が変わった場合、ウィービング周期を一定とするために、全体のウィービング幅の変化量に応じてウィービング速度を変更することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のパイプ円周自動溶接装置の左右ウィービング幅補正方法。
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