JP4108803B2

JP4108803B2 - 溶接トーチのパルス指令式位置制御装置

Info

Publication number: JP4108803B2
Application number: JP36599897A
Authority: JP
Inventors: 雄一萬來; 生男壬生; 謙一前田
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 1997-12-24
Filing date: 1997-12-24
Publication date: 2008-06-25
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JPH11179543A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接機における溶接トーチのパルス指令式位置制御装置に関するものであり、特に、２次元ウィービングを行うのに好適なパルス指令式位置制御装置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】
＜２次元ウィービング＞
前記ウィービングは、実際には、溶接トーチをＹ軸方向とＺ軸方向に動かすことにより、開先形状に合わせた動きとさせている。図５及び図６により、溶接トーチの２次元ウィービングの例を説明する。図５は、横軸を時間としてＹ軸及びＺ軸位置の変化を示したものである。図６は、Ｘ軸方向（パイプ円周方向）から見たウィービングの移動経路を示したものであり、横方向がＹ軸方向、縦方向がＺ軸方向に対応する。
【００１３】
ウィービング動作は、図のように、溶接トーチをＹ軸及びＺ軸方向に所定の幅・周期で往復運動させ、溶接トーチの軌跡を波状にするものである。溶接トーチは、図６において番号を付けた順番に往復運動を行う。この例では、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。Ｔは一周期を示す。
【００１４】
ウィービングの軌跡は、溶接トーチのＹ軸位置制御装置と、Ｚ軸位置制御装置を組み合わせて動作させることにより決定される。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、溶接トーチの位置制御装置にパルス制御式のものを用いた場合、溶接トーチの実際の動きが図５、図６に示されるようなものにならないという問題点がある。その理由を図７を用いて説明する。
【００１６】
パルス制御式の位置制御装置においては、図７(a)に示すように、移動すべき量が目標位置としてパルス発生ロジックに与えられた場合、パルス発生ロジックはこれに応じたパルスを発生して駆動装置を制御する。その際、出力されるパルス数の時間的変化は(b)に示すようになり、一定の増加率で所定周波数まで増加し、一定周波数である時間維持された後、一定の減少率で減少してゼロに至る。そして、(b)における台形の面積が移動量となる。溶接トーチの移動速度は図７(b)におけるパルス数（周波数）に比例するので、図７(b)のようなものになり、等速ではない。
【００１７】
Ｙ軸方向移動量と、Ｚ軸方向移動量が異なり、各軸の移動速度ｖ_Y、ｖ_Zが図７(c)のように与えられた場合、ｖ_Y／ｖ_Zの値が時間と共に変化するので、溶接トーチの軌跡は直線とはならず、複雑な軌跡をたどることになる。
よって、図６に示されるような、開先の形状に沿った２次元ウィービングができないという問題点がある。
【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、パルス指令式位置制御装置であっても、２次元ウィービングを正確に行うことのできるものを提供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、溶接トーチ移動量指令値が一定時間毎に与えられ、制御装置は、溶接トーチを当該一定時間内で、指令移動量だけ等速に移動させる溶接トーチのパルス指令式位置制御装置であって、一定周期で第１のクロックパルスを発生する第１のクロックパルス発生器と、第１のクロックパルスに同期し、かつ第１のクロックパルスの周波数の２ ^ｎ倍の周波数の第２のクロックパルスを発生する第２のクロックパルス発生器と、溶接トーチ移動量指令値を格納するｎビットの第１レジスタと、第１レジスタの値を第１の加算入力とするｎビットの加算器と、前記加算器の出力を格納し、第１のクロックパルスでリセットされるｎビットの第２レジスタを有してなり、第２レジスタの値は、前記加算器の第２の加算入力とされており、第１のクロックパルスに同期して第１レジスタに溶接トーチ移動量指令値が書き込まれ、第２のクロックパルスに同期して第１レジスタの値と第２レジスタの値との加算が前記加算器で行われ、前記加算器のオーバフロー信号が、溶接トーチを単位量移動させる信号として出力されることを特徴とする溶接トーチのパルス指令式位置制御装置（請求項１）である。
【００２０】
この手段においては、トーチの移動量は一定時間毎に制御装置に与えられる。そして、制御装置は、この一定時間内では与えられた移動量に応じた一定速度で溶接トーチを移動させることにより、当該一定時間内に指令移動量だけ溶接トーチを移動させる。よって、例えば、Ｙ軸とＺ軸に移動の指令を与えるタイミングを同一にすれば、当該時間内では溶接トーチの移動が直線的に行われることが保証される。従って、２次元ウィービングを正確に行うことができる。
【００２２】
この手段においては、第１のクロックパルスにより、第１レジスタに溶接トーチ移動量がセットされると共に、第２レジスタの値がリセットされる。そして、第２のクロックパルスに同期して、加算器により第１レジスタの値と第２レジスタの値が加算され、その結果が第２レジスタに格納される。即ち、第１レジスタの値が、第２のクロックパルスに同期して累算される。そして、加算器がオーバフローしたタイミングで、出力パルスが、溶接トーチを単位量移動させる信号として出力される。
【００２３】
即ち、この手段においては、第１のクロックパルス周期中に出力される出力パルスの数は第１レジスタにセットされた溶接トーチ移動量指令値に等しく、かつ、パルス間隔は等分されたものとなる。よって、溶接トーチは、等速で指令量だけ移動する。従って、本手段によれば、簡単な構成で前記第１の手段を実現できる。
【００２４】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段をＹ軸制御用、Ｚ軸制御用にそれぞれ備え、前記各クロックパルスのタイミングを、両制御装置で一致させたことを特徴とするもの（請求項２）である。
【００２５】
この手段によれば、Ｙ軸、Ｚ軸ともに溶接トーチが等速運動を行うので、合成された溶接トーチの動きは直線となり、開先形状に合わせた２次元ウィービングを行わせることができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の一例である溶接トーチのパルス指令式位置制御装置の主要部を示すブロック図である。図１において、１は書き込みレジスタ、２は第１レジスタ、３は加算器、４は第２レジスタであり、それぞれｎビットから成り立っている。（加算器３はｎビットの数同士を加算するものである。）ＬＴ１、ＬＴ２はクロックパルスであり、ＬＴ２はＬＴ１の２ⁿ倍の周波数を有している。両クロックパルスは、図示しないクロックパルス発生器から供給されている。
【００２７】
上位ＣＰＵから、溶接トーチの移動量指令値が書き込みレジスタ１に入力され、書き込み指令が与えられると、その値が書き込みレジスタ１に保持される。そして、クロックパルスＬＴ１が立ち上がると、そのタイミングで書き込みレジスタ１の値が第１レジスタ２に書き込まれると共に、第２レジスタ４がリセットされる。第１レジスタの値は加算器３に入力され、第２レジスタ４の値と加算されて出力される。このタイミングでは第２レジスタ４の値は０であるので、第１レジスタ２の値そのものが加算器３の出力となる。
【００２８】
次にクロックパルスＬＴ２が立ち上がると、加算器３の値が第２レジスタ４に書き込まれる。この段階で、加算器３の出力は、第１レジスタ２の値の２倍の値となる。次のクロックパルスＬＴ２の立ち上がりで、加算器３の値が第２レジスタ４に書き込まれ、加算器３の出力は第１レジスタ２の値の３倍の値となる。このようにして、クロックパルスＬＴ２の１パルス毎に、第１レジスタ２の値が累算される。そして、加算器３がオーバフローすると、そのオーバフローパルスが、溶接トーチを単位量移動させる指令パルスとして出力される。
【００２９】
例として、レジスタ及び加算器が８ビットのものからなり、ＬＴ１の周波数が１０Ｈｚであるとすると、ＬＴ２の周波数は、2560Ｈｚであり、ＬＴ１の１パルスあたり256パルスのＬＴ２が発生する。上位ＣＰＵからの入力が４であったとすると、加算器のオーバフローは、64パルスのＬＴ２毎に発生するので、１パルスのＬＴ１に対し４回等間隔で発生する。上位ＣＰＵからの入力が16であったとすると、加算器のオーバフローは、16パルスのＬＴ２毎に発生するので、１パルスのＬＴ１に対し１６回等間隔で発生する。
【００３０】
このようにして、ＬＴ１の１周期毎に、上位ＣＰＵから書き込みレジスタ１に書き込まれた値と同じ数のパルスが等間隔に出力される。
【００３１】
この実施の形態において、書き込みレジスタ１を設けているのは、上位ＣＰＵからの書き込みをこの制御装置の動作と非同期で可能とするためである。もし、上位ＣＰＵからクロックＬＴ１に合わせて直接第１レジスタ２に移動指令量を書き込むことが可能であれば、書き込みレジスタ１は省略することができる。
【００３２】
この実施の形態により、溶接トーチ移動量指令値が一定時間毎（クロックＬＴ１毎）に（第１レジスタ２に）与えられ、制御装置は、溶接トーチを当該一定時間（クロックＬＴ１周期）内で、指令移動量だけ等速に移動させる溶接トーチのパルス指令式位置制御装置を実現することができる。
【００３３】
この実施の形態のような制御装置を、溶接トーチのＹ軸制御用、Ｚ軸制御用にそれぞれ設け、両制御装置に共通のクロックパルスＬＴ１、ＬＴ２を与えることにより、溶接トーチの軌跡を直線とすることができる。また、２軸以上の制御において溶接トーチの軌跡を直線としたい場合には、更に他軸用に同じ制御装置を設ければよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、溶接トーチ移動量指令値が一定時間毎に与えられ、制御装置は、溶接トーチを当該一定時間内で、指令移動量だけ等速に移動させるものであるので、パルス指令式位置制御装置であっても、２次元ウィービングを正確に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例の主要部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】２次元ウィービングにおけるＹ軸とＺ軸の動きの例を示す図である。
【図６】２次元ウィービングにおける溶接トーチの動きをＸ軸方向からみた図である。
【図７】パルス制御式位置制御装置を用いた場合の、溶接トーチの速度変化を示す図である。
【符号の説明】
１書き込みレジスタ
２第１レジスタ
３加算器
４第２レジスタ
ＬＴ１、ＬＴ２クロックパルス

Claims

溶接トーチ移動量指令値が一定時間毎に与えられ、制御装置は、溶接トーチを当該一定時間内で、指令移動量だけ等速に移動させる溶接トーチのパルス指令式位置制御装置であって、一定周期で第１のクロックパルスを発生する第１のクロックパルス発生器と、第１のクロックパルスに同期し、かつ第１のクロックパルスの周波数の２ ^ｎ倍の周波数の第２のクロックパルスを発生する第２のクロックパルス発生器と、溶接トーチ移動量指令値を格納するｎビットの第１レジスタと、第１レジスタの値を第１の加算入力とするｎビットの加算器と、前記加算器の出力を格納し、第１のクロックパルスでリセットされるｎビットの第２レジスタを有してなり、第２レジスタの値は、前記加算器の第２の加算入力とされており、第１のクロックパルスに同期して第１レジスタに溶接トーチ移動量指令値が書き込まれ、第２のクロックパルスに同期して第１レジスタの値と第２レジスタの値との加算が前記加算器で行われ、前記加算器のオーバフロー信号が、溶接トーチを単位量移動させる信号として出力されることを特徴とする溶接トーチのパルス指令式位置制御装置。
請求項１に記載の溶接トーチの位置制御装置を、Ｙ軸制御用、Ｚ軸制御用にそれぞれ備え、前記各クロックパルスのタイミングを、両制御装置で一致させたことを特徴とする溶接トーチのパルス指令式位置制御装置。