JP5975645B2 - ウィービング装置および自動アーク溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、アーク溶接の実行時に溶接トーチに対して振り動作であるウィービングを行わせるウィービング装置に関する。

従来、溶接時に、溶接トーチに対しウィービングを行わせるようにしたアーク溶接装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１に記載された従来のアーク溶接装置は、基台と、この基台に取り付けられたエアシリンダと、このエアシリンダの伸縮方向の直交方向に支持された溶接トーチとを備えたウィービング装置を有している。
そして、エアシリンダを伸縮させることにより、溶接トーチに対し、軸直交方向に平行に往復移動させて振るウィービングを行わせることができる。このウィービングによりアークが撹拌され、ビット、ブローホールの発生を抑えることができる。

特開２００２−３３６９６３号公報

上述のアーク溶接装置では、溶接トーチのウィービングを行わせるウィービング装置が搭載され、溶接品質を向上させることができるものの、さらなる溶接品質の向上が望まれていた。

本発明は、上述の問題を解決することを目的とするものであり、溶接品質の向上を図ることができるウィービング装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明のウィービング装置は、
溶接トーチをウィービングさせるウィービング装置であって、
基台と、
この基台に対して前記溶接トーチを回動可能に支持する回動支持部材と、
前記基台に支持され、回転駆動軸の外周にカム部材が偏心して装着されたモータと、
前記溶接トーチに連結され、前記カム部材の偏心回転を、前記溶接トーチの回動中心軸に直交する方向の往復動に変換して前記溶接トーチに伝達し、前記溶接トーチを揺動させる揺動伝達機構と、
を備え、
さらに前記揺動伝達機構は、前記カム部材の外径よりも大きな内径の駆動伝達穴が形成され、かつ、前記駆動伝達穴に前記カム部材が挿入されて前記回動中心軸の直交方向に変位する第１の駆動伝達部材を備えていることを特徴とするウィービング装置とした。

なお、前記揺動伝達機構は、前記溶接トーチに固定され、前記第１の駆動伝達部材に相対回動可能に連結された第２の駆動伝達部材を備えていることが好ましい。
また、前記回動支持部材は、前記溶接トーチの外周に装着された第１ホルダと、この第１ホルダを前記基台との間に挟んで配置され、前記基台に固定された支持部材と、この支持部材と前記基台とに対して前記第１ホルダを相対回動可能に支持する回動支持軸と、を備え、
前記揺動伝達機構の前記第２の駆動伝達部材は、前記溶接トーチの外周に装着された第２ホルダであることが好ましい。

また、本発明の自動アーク溶接装置は、
上記ウィービング装置と、
前記基台に連結され、前記基台を移動させる移送装置と、
を備えていることを特徴とする。
また、前記ウィービング装置のウィービングの方向は、前記移送装置により前記基台と共に前記溶接トーチを移送させる方向に沿う方向とするのが好ましい。
また、前記移送装置が、多軸ロボットであることが好ましい。

本発明のウィービング装置では、モータを駆動させると、カム部材が偏心回転し、この偏心回転が、揺動伝達機構の第１の駆動伝達部材を介して、溶接トーチに対して回動中心軸に直交する方向の往復動に変換して伝達される。
これにより、溶接トーチは、回動支持部材による回動可能に支持された支点を中心として揺動する。
このように、本発明では、溶接トーチをウィービング装置によりウィービングさせた際に溶接トーチが揺動し、アークに対する溶接トーチの照射角度が変化する。
この場合、従来のように溶接トーチが平行移動しアークに対する照射角度が一定のものと比較して、溶融池の撹拌効果が高まり、ビット、ブローホールの発生の抑制性能が向上し、溶接品質の向上を図ることができる。

さらに、揺動伝達機構が、前記溶接トーチに固定され、前記第１の駆動伝達部材に相対回動可能に連結された第２の駆動伝達部材を備えたものでは、回転駆動軸、カム部材、第１の駆動部材の力の伝達方向が外径方向に直列に並ぶ。
したがって、駆動力の伝達系で剪断応力が作用しにくく、強度、耐久性に優れる。
また、回動支持部材が、前記溶接トーチの外周に装着された第１ホルダと、この第１ホルダを前記基台との間に挟んで配置され、前記基台に固定された支持部材と、この支持部材と前記基台とに対して前記第１ホルダを相対回動可能に支持する回動支持軸と、を備え、前記揺動伝達機構の前記第２の駆動伝達部材が、前記溶接トーチの外周に装着された第２ホルダであるものでは、溶接トーチを揺動させるのにあたり、溶接トーチを加工する必要が無く、既存の溶接トーチを使用することが可能である。
よって、コストを低減可能であると共に、汎用性に優れる。

また、本発明のウィービング装置と、基台に連結され、基台を移動させる移送装置と、を備えた本発明の自動アーク溶接装置では、溶接トーチを移送装置により移動させて溶接を行いながら、溶接トーチを揺動させるウィービングを行うことができる。
したがって、溶接品質に優れる自動溶接装置を提供することができる。
加えて、ウィービング装置のウィービング方向を移送装置による基台及び溶接トーチの移送方向に沿う方向としたものでは、ウィービング方向を移送方向の直交方向に行うものと比較して、溶融池が凝固する時間が長くなる。これにより、ビットの原因となる溶融池内部の泡が排出され易くなり、その分、ビットが発生しにくくなり、溶接品質の向上を図ることができる。
さらに、移送装置が、多軸ロボットであるものでは、溶接トーチを任意の方向に移動させることが可能であり、溶接の全自動化が可能となる。

図１は、本発明の実施の形態のウィービング装置及びこれを備えた自動アーク溶接装置を示す斜視図である。 図２は、自動アーク溶接装置の概略説明図である。 図３は、実施の形態のウィービング装置を示す側面図である。 図４は、実施の形態のウィービング装置を示す断面図であり、図３のＳ４−Ｓ４線における断面を示している。 図５は、実施の形態のウィービング装置を示す断面図であり、図３のＳ５−Ｓ５線における断面を示している。 図６は、実施の形態のウィービング装置の一部を示す拡大側面図である。 図７は、実施の形態のウィービング装置の一部を示す拡大側面図である。 図８は、実施の形態のウィービング装置のウィービング実行時の動作を示す側面図である。 図９は、自動アーク溶接装置による溶接動作の説明図であり、（ａ）は上方から見た状態を示し、（ｂ）は側方から見た状態を示す。 図１０は、他の実施の形態のウィービング装置及びこれを備えた自動アーク溶接装置を示す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
図１〜図９に基づいて本発明の実施の形態１のウィービング装置３０及びこれを備えた自動アーク溶接装置の構成について説明する。
ここで、自動アーク溶接装置の説明の前に、その被溶接対象物について説明する。本実施の形態では、図１に示す、第１母材１１と第２母材１２とを被溶接対象物とし、図において矢印ＹＳに示すように、両母材１１，１２を、両母材１１，１２の間に形成されるコーナ部１０ｃ（図９参照）に沿って溶接するのに用いる。なお、図１において、矢印Ｘ及び矢印Ｙが、水平方向の直交する２方向を示し、矢印Ｚが上下方向を示している。

自動アーク溶接装置は、移送装置２０、ウィービング装置３０、溶接トーチ４０、コントローラ１００を備えている。
ここで、まず、溶接トーチ４０により両母材１１，１２を溶接するための構成を図２に基づいて簡単に説明する。
溶接トーチ４０には、ワイヤ・ガス供給装置４１及び電力供給装置４２が接続されている。ワイヤ・ガス供給装置４１により、溶接ワイヤ４３及びボンベ４４のシールドガスが溶接トーチ４０に供給される。

また、電力供給装置４２により、母材１１，１２及び溶接トーチ４０に、電力が供給され、この電力により溶接ワイヤ４３にアークが形成される。
以上のように、溶接トーチ４０は、既存のものを特に加工することなく用いている。

図１に戻り、溶接トーチ４０を、被溶接対象物である両母材１１，１２沿って移動させる移送装置２０について説明する。この移送装置２０は、いわゆる産業ロボットである。すなわち、移送装置２０は、３軸以上の多軸の回動軸２１ａ（本実施の形態では、産業ロボットして一般的な６軸のものを用いており、その１軸のみ図示している）を有したアーム機構２１、並びに各回動軸を中心とした回転力を与える駆動装置（図示省略）を備え、アーム機構２１の先端部を、任意に移動可能となっている。
この移送装置２０の駆動はコントローラ１００により制御され、後述するように、溶接時には、溶接トーチ４０の先端を、両母材１１，１２のコーナ部１０ｃに沿って、矢印ＹＳに沿って移動させるように駆動する。

移送装置２０のアーム機構２１の先端部に、ウィービング装置３０が取り付けられている。ウィービング装置３０は、本実施の形態では、図１に示すように、矢印ＹＳ方向である溶接方向進行方向に沿う方向に揺動させる。
このウィービング装置３０は、図３に示す、基台３１と、回動支持部材３３と、揺動伝達機構３４と、図５に示す、偏心駆動部３５と、を備えている。

基台３１は、図３及び図４に示すように長方形の板状に形成されており、図１に示すアーム機構２１の先端に取り付けられて、移送装置２０の制御に基づいて任意の位置に移動可能に支持されている。なお、基台３１は、その表裏面が、溶接進行方向に沿うようにアーム機構２１に支持されている。

回動支持部材３３は、溶接トーチ４０の基端部を構成する棒状のトーチ支持ロッド４０ａを、基台３１に対し、支点Ｏｔを中心として溶接進行方向に直交する方向の軸を中心に回動可能に支持するもので、図４に示すように、支持片（支持部材）３３ａ、支持パネル（支持部材）３３ｂ、ホルダ３３ｃ，３３ｃ、回動支持軸３３ｄ，３３ｄを備えている。

すなわち、支持パネル３３ｂは、基台３１から立設された支持片３３ａにより、基台３１との間にトーチ支持ロッド４０ａを配置可能に離間して基台３１と略平行な状態で支持されている。

ホルダ３３ｃ，３３ｃは、それぞれ、トーチ支持ロッド４０ａの外周を囲む半円状の凹部３３ｅを備え、これら凹部３３ｅ，３３ｅを対向させてトーチ支持ロッド４０ａの外周に装着し、トーチ支持ロッド４０ａの軸直交方向の移動を規制した状態で支持している。なお、両ホルダ３３ｃ，３３ｃは、図示を省略したネジやボルト・ナットなどの締結具により、トーチ支持ロッド４０ａの軸方向への相対移動を規制している。

したがって、トーチ支持ロッド４０ａは、溶接進行方向に略直交する方向に延在された回動支持軸３３ｄを中心として、前述の支点Ｏｔを中心に基台３１に対して上下に回動可能に支持される。

偏心駆動部３５は、モータ３５ｍとカム（カム部材）３５ｃとを備えている。
モータ３５ｍは、図５に示すように、基台３１においてトーチ支持ロッド４０ａが設けられているのとは反対側の側面に配置され、その回転駆動軸３５ａが基台３１を貫通して取り付けられている。なお、モータ３５ｍの駆動は、コントローラ１００（図１参照）により制御される。
さらに、回転駆動軸３５ａの外周にカム３５ｃが取り付けられている。すなわち、カム３５ｃは、図７にも示すように円盤状に形成され、回転駆動軸３５ａに対して偏心して取り付けられている。

揺動伝達機構３４は、カム３５ｃの偏心回転を、溶接トーチ４０の支点Ｏｔの軸方向に直交する方向の往復動に変換して溶接トーチ４０に伝達して、溶接トーチ４０を揺動させるものであり、図５に示すように、ホルダ（第２の駆動伝達部材：第２ホルダ）３４ａ，３４ｂとカム装着プレート（第１の駆動伝達部材）３４ｃとを備えている。

ホルダ３４ａ，３４ｂは、それぞれ、前述のホルダ３３ｃと同様に、トーチ支持ロッド４０ａの外周に装着される凹部３４ｅが形成されている。そして、両ホルダ３４ａ，３４ｂは、凹部３４ｅを対向させた状態でトーチ支持ロッド４０ａの外周に装着され、図示を省略したネジやボルト・ナットなどの締結具により、トーチ支持ロッド４０ａの外周に固定されている。また、基台３１に近い側に配置されたホルダ３４ａは、図において上方に延びる連結アーム３４ｆを備えている。

カム装着プレート３４ｃは、図３に示すように、長方形の板状に形成され、図において下側の端部に、連結アーム３４ｆの先端部が回動軸３４ｇにより相対回動可能に連結されている。また、カム装着プレート３４ｃの図において上方側の端部には、カム３５ｃの外径よりも僅かに大きな内径の円形状の駆動伝達穴３４ｈが貫通して形成され、この駆動伝達穴３４ｈに、カム３５ｃが挿入されるように配置されている。なお、図示は省略するが、カム装着プレート３４ｃが、カム３５ｃから脱落しないようにカム装着プレート３４ｃの軸方向への移動を規制するカバーを基台３１に設けるのが好ましい。

揺動伝達機構３４では、カム３５ｃが偏心回転すると、カム装着プレート３４ｃ及びこれに連結されたホルダ３４ａが図３において上下方向に変位し、これにより溶接トーチ４０が、支点Ｏｔを中心に図８において矢印Ｗｉに示すように上下に往復揺動する。このときの溶接トーチ４０の矢印Ｗｉ方向の動きを、溶接時のウィービングとして用いる。

次に、自動アーク溶接装置による溶接動作を説明する。
溶接時には、コントローラ１００の制御に基づいて、移送装置２０により溶接トーチ４０を、図１に示す矢印ＹＳに沿って移動させながら溶接を行う。すなわち、溶接トーチ４０は、上方から見ると図９（ａ）に示すように、両母材１１，１２により形成されるコーナ部１０ｃに対し、水平方向で４５度程度の角度に傾けた上で、横方向から見て図９（ｂ）に示すように、溶接トーチ４０を略水平に配置し、コーナ部１０ｃに沿って、矢印ＹＳに示すように、上部から下部に移動させながら溶接を行なう。

この溶接時に、上記のように溶接トーチ４０を移送装置２０により移動させるのと同時に、ウィービング装置３０により溶接トーチ４０を、図において上下方向に揺動させるウィービングを行なう。
このウィービングは、モータ３５ｍを駆動させることで行なう。すなわち、モータ３５ｍを駆動させると、回転駆動軸３５ａに対してカム３５ｃが、図７に示す偏心回転を行う。これにより、カム３５ｃの外周に駆動伝達穴３４ｈを装着したカム装着プレート３４ｃが、図６に示す矢印ＵＤ方向である上下方向に変位する。
したがって、トーチ支持ロッド４０ａが上下に振られ、トーチ支持ロッド４０ａは、支点Ｏｔを中心に揺動し、その先端の溶接トーチ４０がウィービング動作を行なう。

また、このようなウィービング動作を行うのにあたり、その周波数は、モータ３５ｍの回転数により任意に調整することができる。
そして、その振幅は、カム３５ｃの偏芯率で調整することができる。具体的には、カム３５ｃとして、同径で、駆動軸を挿入する穴の位置を異ならせたものを複数種類設定することで、振幅を変えることができる。あるいは、駆動伝達穴３４ｈとして、想定される最大の形のものを設定し、かつ、カム３５ｃとして、駆動伝達穴３４ｈ内に納まる範囲内で複数種類の外径のもの、ならびに上記偏芯率を異ならせたものを設定することにより、振幅の設定自由度がより高まる。

また、本実施の形態では、ウィービングは、モータ３５ｍの駆動に行っているため、ウィービングの実行及び非実行の切換が容易であり、本実施の形態では、コントローラ１００は、溶接の開始点及び溶接終了点では、ウィービングを実行しないようにしている。
すなわち、アークが点弧する時期にウィービングを行っていると、アーク切れを起こす可能性がある。また、溶融池が少ない状態でウィービングを行うと溶接金属が足りなくなるおそれがある。このため、本実施の形態では、溶接開始点において、ウィービングを行わないことにより、このような不具合の発生を抑制している。

同様に、溶接終了点においてウィービングを実行していると、溶接池を吹き飛ばし、溶接金属が足りなくなるおそれがある。このため、本実施の形態では、溶接終了点においてウィービングを停止させ、このような不具合の発生を抑制している。

以上説明した実施の形態のウィービング装置及びこれを備えた自動アーク溶接装置は、以下に列挙する効果を奏する。
１）ウィービング装置３０は、ウィービングの際に、溶接トーチ４０を支点Ｏｔを中心に揺動させるようにした。溶接トーチ４０を揺動させることにより、アークに対する照射角度が変化するため、従来のようにアークに対する照射角度を一定にして溶接トーチ４０を平行移動させるウィービングを行うものと比較して、溶接池の撹拌効果が大きくなり、ビット、ブローホールなどの発生を抑制し、溶接品質の向上を図ることができる。
しかも、ウィービング装置３０は、ウィービングの方向（Ｗｉ）を矢印ＹＳで示した溶接の方向（溶接トーチ４０の移送方向）と同一の方向とした。このため、ウィービングの方向（Ｗｉ）を溶接方向の直交方向に行う場合と比較して、溶融池が凝固する時間が長くなり、ビットの原因となる溶融池内部の泡が排出され易くなり、その分、ビットが発生しにくくなり、溶接品質の向上を図ることができる。

２）ウィービング装置３０は、基台３１と、基台３１に対して溶接トーチ４０を回動可能に支持する回動支持部材３３と、基台３１に支持され、回転駆動軸３５ａの外周にカム３５ｃが偏心して装着されたモータ３５ｍと、溶接トーチ４０に連結され、カム３５ｃの偏心回転を、溶接トーチ４０の回動中心軸に直交する方向の往復動に変換して溶接トーチ４０に伝達し、溶接トーチ４０を揺動させる揺動伝達機構３４と、を備えた構成とした。
したがって、従来のようにエアシリンダによりウィービングさせるものと比較して、軽量化を図ることが可能となる。
そして、このように軽量化を図ることにより、多軸ロボットからなる移送装置２０を用いた全自動化が容易となる。

３）揺動伝達機構３４は、カム３５ｃの外周に装着され、基台３１に沿って軸直交方向に変位するカム装着プレート（第１の駆動伝達部材）３４ｃと、溶接トーチ４０に固定され、カム装着プレート３４ｃに相対回動可能に連結されたホルダ（第２の駆動伝達部材）３４ａ，３４ｂと、を備えた構成とした。
したがって、回転運動から往復運動への変換を２部材で行うことができ、軽量化を図ることができる。
加えて、本実施の形態では、カム装着プレート３４ｃがカム３５ｃの外周に装着され、駆動力の伝達の際に、駆動伝達を行う部材に剪断応力が作用しにくく、強度及び耐久性に優れる。

４）回動支持部材３３は、溶接トーチ４０の外周に装着されたホルダ３３ｃ，３３ｃと、ホルダ３３ｃ，３３ｃを基台３１との間に挟んで配置され、基台３１に固定された支持パネル３３ｂと、支持パネル３３ｂと基台３１とに対してホルダ３３ｃ，３３ｃを相対回動可能に支持する回動支持軸３３ｄ，３３ｄと、を備えている構成とした。
このように、上記３）と併せて、溶接トーチ４０は、その外周に装着したホルダ３３ｃ，３４ａ，３４ｂにより保持するようにしたため、溶接トーチ４０を揺動させるのにあたり、溶接トーチ４０及びトーチ支持ロッド４０ａに加工を行う必要が無く、既存の溶接トーチ４０をそのまま使用できる。したがって、ウィービングを行うために専用に加工を行うものと比較して、汎用性に優れ、かつ、安価に製造可能である。

５）コントローラ１００は、ウィービング時には、溶接の開始点及び溶接終了点では、ウィービングを実行しないようにした。
したがって、溶接開始点において、アークの点弧時期にウィービングを行うことによるアーク切れの発生や、溶融池不足状態でのウィービングによる溶接金属不足を抑制し、溶接品質を向上できる。
同様に、溶接終了点におけるウィービングによる溶接池の吹き飛ばしや、溶接金属不足を抑制し、溶接品質を向上できる。

６）本実施の形態では、ウィービング装置３０を溶接方向に移動させる移送装置２０として、多軸ロボットを用いた。
したがって、溶接の全自動化が可能となり、作業性が向上する。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこうした実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形および置換を加えることができる。

例えば、実施の形態では、移送装置として、産業ロボットを示したが、これに限定されず、例えば、従来技術のように、ウィービング装置を一方向あるいは二方向に移動させる装置を用いてもよい。
その一例を示すと、図１０に示すように、シリンダを備えた第１移送装置２０１を用いて第１の方向ｄ１方向へ移動させるようにしてもよい。さらに、この第１移送装置２０１を、第２のシリンダ２０２ａを用いてガイドレール２０２ｂに沿って、第１の方向ｄ１に直交する第２の方向ｄ２に移動させる第２移送装置２０２を組み合わせ、第１の方向ｄ１と第２の方向ｄ２との両方向へ任意に移動させるようにしてもよい。

また、実施の形態では、ウィービングは、溶接方向に沿う方向に揺動させる例を示したが、この揺動方向は、これに限定されず、溶接方向（矢印ＹＳ方向）に対して、直交方向などの交差方向に揺動させるようにしてもよい。

また、揺動伝達機構において、カム部材の偏心回転を伝達する部材として、カム部材の外周に装着するカム装着プレートを示したが、この伝達部材は、カム部材の外周に装着されるものに限定されない。例えば、カム部材に軸状の部材を立設し、この軸状の部材から駆動を伝達するようにした。

また、実施の形態では、回動支持部材及び揺動伝達機構は、溶接トーチのトーチ支持ロッドの外周に装着するホルダを有し、トーチ支持ロッドに加工が不要なものを示したが、これに限定されず、回動支持部材において回動中心となる軸や、第１の駆動伝達部材に連結する第２の駆動伝達部材に相当する構成を、トーチ支持ロッドに一体に設ける加工を行うようにしてもよい。

２０ 移送装置
３０ ウィービング装置
３１ 基台
３３ 回動支持部材
３３ａ 支持片（支持部材）
３３ｂ 支持パネル（支持部材）
３３ｃ ホルダ（第１ホルダ）
３３ｄ 回動支持軸
３４ 揺動伝達機構
３４ａ，３４ｂ ホルダ（第２の駆動伝達部材：第２ホルダ）
３４ｃ カム装着プレート（第１の駆動伝達部材）
３５ 偏心駆動部
３５ａ 回転駆動軸
３５ｃ カム（カム部材）
３５ｍ モータ
４０ 溶接トーチ
４０ａ トーチ支持ロッド
Ｏｔ 支点

Claims (6)

1. 溶接トーチをウィービングさせるウィービング装置であって、
   基台と、
   この基台に対して前記溶接トーチを回動可能に支持する回動支持部材と、
   前記基台に支持され、回転駆動軸の外周にカム部材が偏心して装着されたモータと、
   前記溶接トーチに連結され、前記カム部材の偏心回転を、前記溶接トーチの回動中心軸に直交する方向の往復動に変換して前記溶接トーチに伝達し、前記溶接トーチを揺動させる揺動伝達機構と、
   を備え、
   さらに前記揺動伝達機構は、前記カム部材の外径よりも大きな内径の駆動伝達穴が形成され、かつ、前記駆動伝達穴に前記カム部材が挿入されて前記回動中心軸の直交方向に変位する第１の駆動伝達部材を備えていることを特徴とするウィービング装置。
2. 前記揺動伝達機構は、前記溶接トーチに固定され、前記第１の駆動伝達部材に相対回動可能に連結された第２の駆動伝達部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載のウィービング装置。
3. 前記回動支持部材は、前記溶接トーチの外周に装着された第１ホルダと、この第１ホルダを前記基台との間に挟んで配置され、前記基台に固定された支持部材と、この支持部材と前記基台とに対して前記第１ホルダを相対回動可能に支持する回動支持軸と、を備え、
   前記揺動伝達機構の前記第２の駆動伝達部材は、前記溶接トーチの外周に装着された第２ホルダであることを特徴とする請求項２に記載のウィービング装置。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のウィービング装置と、
   前記基台に連結され、前記基台を移動させる移送装置と、
   を備えていることを特徴とする自動アーク溶接装置。
5. 前記ウィービング装置のウィービングの方向を、前記移送装置により前記基台と共に前記溶接トーチを移送させる方向に沿う方向としたことを特徴とする請求項４に記載の自動アーク溶接装置。
6. 前記移送装置が、多軸ロボットであることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の自動アーク溶接装置。