JP6794596B2 - 下向き溶接における溶接条件作成方法 - Google Patents
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Description
教示ペンダントは、可搬型の操作装置であり、主として、手動操作によって溶接ロボットを実際に動作させることによって、ワークに対するツールの移動経路及び位置などを教示する。加えて、溶接条件なども、この教示ペンダントを通じて教示される。
ところが、特許文献1に開示された技術は、このような状況を解決する技術とはなっておらず、この技術を適用したとしても、下向き溶接における溶接条件を適切に作成、決定できるか甚だ疑問が残る。
本発明にかかる下向き溶接における溶接条件作成方法は、溶接ロボットを用いて、V型開先、レ型開先、すみ肉開先を下向き溶接で溶接する際の溶接条件を決定する方法であって、前記溶接条件を決定するための計算に使用するパラメータとして、複数のパラメータを有する条件Aと、複数のパラメータを有する条件Bを用意しておき、前記条件Aは、継手形状、開先形状、開先角度、ギャップ幅、裏当ての有無の少なくとも1つ以上のパラメータを有し、前記条件Bは、溶接時におけるガス種類、溶接ワイヤ径、溶接ワイヤ種類、溶接ワイヤの突出長さ、溶接電源の種類、電源特性、トーチの種類の少なくとも1つ以上のパラメータを有していて、前記溶接条件として、層数およびパス数、各層およびパスでの溶接電流と溶接速度、並びに各層およびパスでのウィービング幅、ウィービング回数、ウィービング端停止時間を算出することを特徴とする。
好ましくは、前記条件Bが有するパラメータである溶接ワイヤ種類及び溶接電源に関して、前記溶接ワイヤ種類は、ワイヤ規格が同じであれば同一パラメータとして選定し、前記溶接電源は、電源特性が同じと見做せるのであれば同一パラメータとして選定するとよい。
好ましくは、前記溶接狙い位置の第2層目以降は、既に溶接された溶着高さxに対して、狙い位置高さy=x+b1なる傾き1となる1次式で決定するとよい。
好ましくは、上記した方法を行うに際しては、第1層目は予め決定された値を使用するとよい。
好ましくは、上記した方法を行うに際しては、「ウィービング振り幅=(底辺長+オフセット量+振分けラップ量×(振分け回数ー1))/振分け回数」の式より算出されるウィービング幅を使用するとよい。
好ましくは、前記溶接条件として溶接ビード上に形成される波形の波長を有し、前記波長が所定範囲を逸脱する場合は、前記波長が所定の範囲に入るように、ウィービング回数を所定の刻み幅で調整するとよい。
また、本発明に係る溶接条件作成方法の最も好ましい形態は、溶接ロボットを用いて、V型開先、レ型開先、すみ肉開先を下向き溶接で溶接する際の溶接条件を決定する方法であって、前記溶接条件を決定するための計算に使用するパラメータとして、複数のパラメータを有する条件Aと、複数のパラメータを有する条件Bを用意しておき、前記条件Aは、継手形状、開先形状、開先角度、ギャップ幅、裏当ての有無の少なくとも1つ以上のパラメータを有し、前記条件Bは、溶接時におけるガス種類、溶接ワイヤ径、溶接ワイヤ種類、溶接ワイヤの突出長さ、溶接電源の種類、電源特性、トーチの種類の少なくとも1つ以上のパラメータを有していて、前記溶接条件として、層数およびパス数、各層およびパスでの溶接電流と溶接速度、並びに各層およびパスでのウィービング幅、ウィービング回数、ウィービング端停止時間を算出し、前記層数およびパス数は、余盛りを含めた総溶着量を計算し、ルートギャップに相当するルート部の面積と、上辺をギャップ幅とし開先角度が同じとなる等価台形を計算し、上辺および高さを計算するとともに、前記算出した等価台形の高さと、1層あたりの最小溶着高さおよび最大溶着高さから、層数の取りうる範囲を計算し、前記等価台形の上辺が所定値を超えた場合にパス振り分けを行うことを特徴とする。
この場合、溶接の第2層目以降においては、第1層目における溶接電流に対して、所定量もしくは所定量範囲内で変更した電流値を共通電流とし、溶接速度は、Vi=Vi-1ーΔV(ΔVは決められた範囲)とし、V最大速度≧V2>…>Vn≧V最低速度となり、かつ速度差は広げないという制約V(i)-V(i+1)≧V(i+1)-V(i+2) (i=i0,…:i0は1もしくは2)により決定することが好ましい。
また、前記ウィービング幅は、上記方法で計算された近似台形の上辺長に対して、所定のオフセット量を加減算することが好ましい。
また、上記のいずれかに記載された方法を行うに際しては、以下の式より算出されるウィービング幅を使用することが好ましい。
ウィービング幅=(上辺長+オフセット量+振分けラップ量×(振分け回数ー1))/振分け回数
まず、図1を参照しながら、本実施形態によるロボットシステム1の全体構成を説明する。
図1に示すように、ロボットシステム1は、溶接ロボット2と、教示ペンダント3を有する制御装置4と、パソコン5とを含む。
制御装置4は、教示ペンダント3から出力された溶接ロボット2の動作方向を指示する操作指示情報を基に溶接ロボット2に対して動作指示を出力すると共に、溶接ロボット2に対する動作指示を予め教示されたプログラム(教示プログラム)に従って出力することで溶接ロボット2の動作を制御するものである。なお、操作指示情報は、教示ペンダント3に設けられた操作ボタンの操作によって設定される。
上述のとおり、本実施形態によるロボットシステム1では、教示ペンダント3やパソコン5を用いて教示プログラムが作成される。この教示プログラムの作成を教示作業というが、教示作業に限らず溶接ロボット2を操作する際には、教示ペンダント3を持つオペレータは、溶接ツール6の稼働範囲外に立って作業を行う。
以下、本発明では、教示ペンダント3を介して設定する溶接条件の適切な作成方法、特に、下向き溶接における溶接条件の作成方法をそれぞれの場合について、説明する。
[溶接条件の作成方法1]
まず、溶接条件の作成を行うにあたり、対象とする階層区分であるが、条件Aとして、対象とする継手及び開先形状パラメータとして、(1)下向きすみ肉、(2)下向きV開先、(3)下向きレ型の区分のいずれか、開先角度、ギャップ幅、裏当ての有無などを有するものとする。また、条件Bとして、溶接諸元に関するパラメータとして、ガス種、ワイヤ径、ワイヤ種類(銘柄/規格)、ワイヤ突出長さ、溶接電源(型番)、電源特性(パルス/定電圧)、トーチ(シングル/タンデム)などを有するものとする。
ギャップ幅は、梨割れの発生有無を考慮し、例えば3mm以下と3mm以上で条件を分岐するため、0mmと5mmの2条件を保有するなどとしておく。また、本明細書では、全て裏当て金属有での条件例を示している。
例えば、一致する溶接諸元が無い場合は、ワイヤ種類に関しては銘柄をワイヤ規格で置き換え、溶接電源に関しては電源特性など同種と見做せる項目が一致する条件を選択する。このことは、逆に言うと、ガス種、ワイヤ径、突出し長さ、トーチは一致させる必要があることを意味する。
すなわち、条件Bは、いわゆる溶融パラメータと呼ばれる条件を決定する必要十分な項目である。とはいえ、本明細書に示す条件Bのパラメータの項目は、アーク溶接における一例である。
(1)層数およびパス数
(2)各層およびパスでの溶接電流と溶接速度
(3)各層およびパスでの狙い位置
(4)各層およびパスでのウィービング条件(幅、回数、端停止時間)
また、数値の計算分解能としては本明細書では以下の刻みで計算する事例を示す。
ウィービング回数:5回/分、ウィービング端停止時間:0.1秒
このような自動計算において、本発明では、条件Aから得られるパラメータと、条件Bから得られるパラメータを組み合わせると共に、その組み合わせを切り替えることにより、その溶接条件を作成することとしている。
すなわち、継手及び開先形状「(1)下向きすみ肉、又は(2)下向きV開先、又は(3)下向きレ型」の種別に応じて、板厚、開先角度(左角度、右角度)、開先深さ、ルートフェース、脚長、ギャップなどの部材と溶着量の幾何的な形状が決定できるパラメータがあり、それらを図2のように定義する。
まず、溶接における層数とパス数の考え方であるが、最初に、余盛りを含めた総溶着量を計算し、ルートギャップに相当するルート部の面積と、底辺をギャップ幅とし開先角度が同じとなる等価台形を計算し、上辺および高さを計算する。
その後、後述する初層(第1層)の電流と溶接速度により充填される溶着断面積をルート部および等価台形の底辺側から減じた残りの溶着すべき台形形状を算出する。
さらに、後述する方法で電流と溶接速度の組み合わせを決定し、電流より決定されるワイヤ供給速度から溶着量を計算し、等価台形形状より溶着断面積を減じた残りの等価台形形状をその都度計算する。
このようにすることで、最適な溶接条件(層数とパス数)を決定することができる。
まず、初層(第1層目、1パス目)は、条件A:「継手及び開先形状+開先角度+ギャップ幅+裏当て有無」によって梨割れの起きない溶接条件が決定される。この梨割れしない条件をパラメータとして保有しておき、初層の電流I1と溶接速度V1は一意に決める。ギャップ幅はこの観点から、3mm以下と3mm以上で条件を切り替え可能なように、ギャップ0の条件とギャップ5mmの条件を保有しておき、実際の対象ギャップに応じて、使用する条件を切り替える。ただし、開先角度や形状によっては、電流値および溶接速度に範囲指定を可能とし、その範囲での全ての組み合わせを探索することも可能である。
次に、2層目以降は、初層電流I1<共通電流Icとなる電流を、共通電流Icとする。共通電流Icは、Ic=I1+ΔI、ΔIは範囲指定されたパラメータであり、具体的には10〜30Aである。溶接速度は、Vi=Vi-1ーΔV (例:ΔV=2〜5cm/分)となるよう層が進むにつれ一定の範囲で遅くする。すなわち、
V最大速度≧V2>…>Vn≧V最低速度
その後、2層目以降の溶接速度については、速度差は広げないという制約を設ける。
i0=1 … 初層と2層目もこのルールに従う。
i0=2 … 2層目以降がこのルールに従う。
パス振分けが実行された後は、溶接速度はV2となる条件を満たす溶接速度から選択する。この際、パス振分けされた同層は、電流および溶接速度は同じとする。
このようにすることで、最適な溶接条件(電流と溶接速度)を決定することができる。
以上述べたように、「層数とパス数の考え方」と「電流と溶接速度の決定方法」に従い、各層およびパスに電流と溶接速度として取り得る可能な組み合わせを適用し、最大溶着量に対して、適用した場合の総溶着量が適正な範囲に入れば、条件候補として格納しておく。全ての組み合わせを探索し終わった後、複数の条件候補に対して、総パス数やタクトタイムなどの観点から優先順位をつけ、最善候補を選択・決定する。
まず、上下狙い位置に関してであるが、累積溶着高さに対して、上下狙い位置は、
初層 :Y=X+b0
2層目以降 :Y=X+b1
という直線式で上下シフト量をモデル化し、決定する。
ここで、b0,b1を各開先形状に応じて回帰計算で学習するなどして決定している。決定方法としては、1変数なので以下の式となる。
b1の導出式:b1=(ΣYi-ΣXi)/n (n個のデータがある場合)
また、左右狙い位置に関してであるが、位置はウィービング幅の中心とする。
次に、溶接におけるウィービング幅と左右狙い位置の考え方について述べる。
ウィービング幅と左右狙い位置の条件を決定する際のモデルは、以下のようにする。
振り幅=(底辺長+オフセット量+振分けラップ量×(振分け回数ー1))/振分け回数
上記の計算式で振り幅をモデル化し、決定する。
まず、初層の条件として、基本は、所定の固定条件(例:回数120回、端停止時間0秒)とする。ただし、波長=溶接速度/回数>所定閾値(例:0.33)を超える時、回数を+20ずつ増やして所定閾値以下となるように調整する。
次に、最終層を除く2層目も、所定の固定条件(例:回数60回、端停止時間0.2秒)とし、3層目以降は、波長が所定の範囲(例:0.325〜0.533)に入るように回数をある範囲(例:40〜80回)の間で調整する。
(振幅、回数)=(20、40)−(10、60)を通る直線とする。
また、60回を超えるウィービングは振幅に関係なく端停止0秒とする。これらの境界値の決定は、SVMなどの学習手法を用いて決定する。
具体的には、まず、
(1) 対象となる継手形状及び開先形状および寸法値を入力。すなわち、使用する計算パラメータを取得する。
(2) 適正な最大余盛り量を対象とする継手&開先形状に応じて計算する。この全溶着量と溶着断面積が等価な底辺および開先角度が等しい等価台形を考え、上辺と高さを算出する。
(3) 開始パスの電流、速度の候補数をすべて抽出する。
(4) 初層条件候補の中から初層条件を選択する。(V1,I1)
(5) 初層条件で溶接した時の、1パス目の溶着量、溶着形状などを計算し、残りの溶着断面積となる等価台形を算出し、最小溶着高さおよび最大溶着高さから、積層される層数の最小数〜最大数を算出する。
(6) 共通電流Icの候補をI1より作成する。(例:Ic=I1+10〜30)
(7) 共通電流Icを電流候補より1つ選択し、最大溶着量とIcより最低溶接速度Vlowを計算する。
(8) 溶接速度の候補を制約条件から、1つ選択し、溶着量、溶着形状などを計算し、残りの溶着断面積となる等価台形を算出する。
(9) 溶着量が、総溶着量に対する目標範囲内となれば計算を抜け、次の候補条件(溶接速度候補、共通電流、初層条件)で探索計算を続ける。
(9)’探索する最大層数に達したにもかかわらず溶着量が目標範囲外ならば終了し、次の候補条件で探索計算を続ける。
(10) 探索終了後、複数の候補の中から、推奨値やパス数、作業速度の観点から作成された評価関数のスコアが最大値のものを結果として提示する。
[溶接条件の作成方法2]
次に、下向き溶接における溶接条件の作成方法を、学習により決定することについて説明を行う。
まず、溶接における最終層にてルールを逸脱して調整している事例を学習データとして使用しないなど、学習されたパラメータに対して、適正な値範囲に設定しなおすなどの必要があるケースがあるが、ほぼルール通りに作られている場合はあまり気にする必要はない。なお、速度差範囲などが大きくなると、探索空間が無駄に大きくなり、計算時間が長大化するので、機械的に最小〜最大を設定せず、ヒストグラムなどを確認しながら、例外を抜きつつ、最適な値を設定する必要性がある。
パラメータ学習を行うにあたってのウィービング幅であるが、
(1)初層(1層)は、指定値とする。
ギャップありの時は、ギャップ幅〜ギャップ幅−1程度、
ギャップ無しの時は、2(開先角度45以下)〜4(開先角度90)
(2)2層目は、「振り幅=下面長+オフセット量」とする。
(3)3層目以降は、オフセット量を共通化するため、以下のような式にする。
2層目〜3層目は、上記のモデル式に従い既存データから簡単な回帰計算でパラメータを求める。
次に、パラメータ学習を行うにあたっての上下シフト位置であるが、溶着高さXとすると、以下の計算値の四捨五入した整数値とする。なお、a0やa1は固定値で不要であるが拡張性を考え、変更できるようにしておく。
3層以降 :Y=a1・X+b1
ここで、b0、b1は回帰計算(最小二乗)にて求める。1変数なので以下の式となる。
b0の導出式:b0=(ΣYi-ΣXi)/n
b1の導出式:b1=(ΣYi-ΣXi)/n (n個のデータがある場合)
これらも既存データから回帰計算などにより簡単にパラメータを求める事が出来る。
2層目の波長≧3層目の波長≧…≧ と徐々に細かくなるように調整する。凸凹させない。
以上のような条件のもと、条件A及び条件Bが有するパラメータを、過去の溶接実績により学習することで決定乃至は更新し、より最適な溶接条件を求めるようにすると、より適切な溶接条件を作成し決定することが可能となる。
2 溶接ロボット
3 教示ペンダント
4 制御装置
5 パソコン
6 溶接ツール
Claims (13)
- 溶接ロボットを用いて、V型開先、レ型開先、すみ肉開先を下向き溶接で溶接する際の溶接条件を決定する方法であって、
前記溶接条件を決定するための計算に使用するパラメータとして、複数のパラメータを有する条件Aと、複数のパラメータを有する条件Bを用意しておき、
前記条件Aは、継手形状、開先形状、開先角度、ギャップ幅、裏当ての有無の少なくとも1つ以上のパラメータを有し、
前記条件Bは、溶接時におけるガス種類、溶接ワイヤ径、溶接ワイヤ種類、溶接ワイヤの突出長さ、溶接電源の種類、電源特性、トーチの種類の少なくとも1つ以上のパラメータを有していて、
前記溶接条件として、層数およびパス数、各層およびパスでの溶接電流と溶接速度、並びに各層およびパスでのウィービング幅、ウィービング回数、ウィービング端停止時間を算出し、
前記層数およびパス数は、余盛りを含めた総溶着量を計算し、ルートギャップに相当するルート部の面積と、上辺をギャップ幅とし開先角度が同じとなる等価台形を計算し、上辺および高さを計算するとともに、前記算出した等価台形の高さと、1層あたりの最小溶着高さおよび最大溶着高さから、層数の取りうる範囲を計算し、前記等価台形の上辺が所定値を超えた場合にパス振り分けを行う
ことを特徴とする下向き溶接における溶接条件作成方法。 - 溶接の第2層目以降においては、
第1層目における溶接電流に対して、所定量もしくは所定量範囲内で変更した電流値を共通電流とし、
溶接速度は、Vi=Vi-1ーΔV(ΔVは決められた範囲)とし、
V最大速度≧V2>…>Vn≧V最低速度
となり、かつ速度差は広げないという制約
V(i)-V(i+1)≧V(i+1)-V(i+2) (i=i0,…:i0は1もしくは2)
により決定する
ことを特徴とする請求項1に記載の下向き溶接における溶接条件作成方法。 - 前記条件Aが有するパラメータであるギャップ幅は、0mm以上所定閾値以下の範囲と、所定閾値以上最大ギャップ幅以下の範囲との2つの範囲の間で切り替えるようにしている
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の下向き溶接における溶接条件作成方法。 - 前記条件Bが有するパラメータである溶接ワイヤ種類及び溶接電源に関して、
前記溶接ワイヤ種類は、ワイヤ規格が同じであれば同一パラメータとして選定し、前記溶接電源は、電源特性が同じと見做せるのであれば同一パラメータとして選定する
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の下向き溶接における溶接条件作成方法。 - 前記溶接条件として溶接狙い位置を有し、前記溶接狙い位置の第1層目は、底部のルート原点位置高さxに対して、狙い位置高さy=x+b0なる1次式で決定する
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の下向き溶接における溶接条件作成方法。 - 前記溶接狙い位置の第2層目以降は、既に溶接された溶着高さxに対して、狙い位置高さy=x+b1なる傾き1となる1次式で決定する
ことを特徴とする請求項5に記載の下向き溶接における溶接条件作成方法。 - 前記ウィービング幅は、請求項5又は6で計算された近似台形の上辺長に対して、所定のオフセット量を加減算することを特徴とする下向き溶接における溶接条件作成方法。
- 請求項7に記載された方法を行うに際しては、第1層目は予め決定された値を使用する
ことを特徴とする下向き溶接における溶接条件作成方法。 - 請求項7又は8に記載された方法を行うに際しては、第2層目と第3層目以降で所定のオフセット量を異なる
ことを特徴とする下向き溶接における溶接条件作成方法。 - 請求項7〜9のいずれかに記載された方法を行うに際しては、以下の式より算出されるウィービング幅を使用することを特徴とする下向き溶接における溶接条件作成方法。
ウィービング幅=(上辺長+オフセット量+振分けラップ量×(振分け回数ー1))/振分け回数 - 前記溶接狙い位置の第1層目および2第層目は、前記ウィービング回数と前記ウィービング端停止時間に関して、予め決められた値を採用する
ことを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の下向き溶接における溶接条件作成方法。 - 前記溶接条件として溶接ビード上に形成される波形の波長を有し、前記波長が所定範囲を逸脱する場合は、前記波長が所定の範囲に入るように、ウィービング回数を所定の刻み幅で調整する
ことを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の下向き溶接における溶接条件作成方法。 - 前記ウィービング幅と前記ウィービング回数とをもとに、前記ウィービング端停止時間を決定する
ことを特徴とする請求項11又は12に記載の下向き溶接における溶接条件作成方法。
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