JP7285041B2 - パルスアーク溶接制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接電流のフィードバック制御のゲインを自動調整するパルスアーク溶接制御方法に関するものである。

消耗電極式パルスアーク溶接（以下、パルスアーク溶接という）は、鉄鋼、ステンレス鋼、アルミニウム等の種々の金属の溶接に広く使用されている。このパルスアーク溶接では、立上り期間中はベース電流値からピーク電流値へと上昇し、ピーク期間中はピーク電流値となり、立下り期間中はピーク電流値からベース電流値へと下降し、ベース期間中はベース電流値となる溶接電流を通電し、これらの通電を１パルス周期として繰り返して溶接が行われる。パルスアーク溶接では、１パルス周期１溶滴移行状態となるので、溶滴移行状態が安定しているために、スパッタの発生が少なく、美しいビード外観を得ることができる。

パルスアーク溶接に使用される溶接電源は定電流特性を有しており、溶接電流は電流設定信号に基づいてフィードバック制御される。パルスアーク溶接の溶接状態を安定にするためには、溶接電流の波形と電流設定信号の波形とが正確に一致することが重要である。このためには、溶接電流のフィードバック制御のゲインを適正値に設定する必要がある。

特許文献１の発明では、溶接電圧を溶接電流で除算した溶接インピーダンス情報に基づいて制御ゲインを変更する。すなわち、溶接負荷状態がアーク状態にあるか短絡状態にあるかを溶接インピーダンス情報によって判別し、フィードバック制御のゲインをそれぞれの溶接負荷状態に適した値に切り換えるものである。

特許第５０４７７０７号公報

溶接負荷状態は、種々の溶接条件によって変化する。溶接条件としては、母材の材質、シールドガスの種類、溶接ワイヤの直径、溶接ケーブルの長さ、ワイヤ突き出し長さ、溶接ワイヤの送給速度等の複数の組み合わせ条件がある。これらの種々の溶接条件に応じて、溶接電流のフィードバック制御のゲインを適正値に調整するためには、多くの作業時間が必要となる。この結果、種々の溶接条件において、フィードバック制御のゲインが適正値に設定されていない状態となることも多い。

そこで、本発明では、種々の溶接条件において、溶接電流のフィードバック制御のゲインを適正値に自動調整することができるパルスアーク溶接制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
溶接ワイヤを送給し、立上り期間中はベース電流値からピーク電流値へと上昇し、ピーク期間中は前記ピーク電流値となり、立下り期間中は前記ピーク電流値から前記ベース電流値へと下降し、ベース期間中は前記ベース電流値となる溶接電流を１パルス周期として繰り返して通電し、前記溶接電流は電流設定値に基づいてフィードバック制御されるパルスアーク溶接制御方法において、
前記溶接電流の電流検出値と前記電流設定値との差分値を検出し、前記パルス周期中の所定期間にわたって前記差分値を積分して差分積分値を検出し、
前記所定期間は、前記パルス周期の全期間、又は、前記立上り期間から前記立下り期間にわたる期間であり、
前記差分積分値は前記電流設定値の波形と前記溶接電流の波形との一致度を示す指標であり、
前記フィードバック制御のゲインを複数の値に設定してテスト溶接を行い、前記設定ごとの前記差分積分値を検出し、
前記設定ごとの前記差分積分値が最少となる前記一致度が高いゲインを選択して実溶接を行う、
ことを特徴とするパルスアーク溶接制御方法である。

本発明によれば、種々の溶接条件において、溶接電流のフィードバック制御のゲインを適正値に自動調整することができる。

本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接制御方法を示す電流波形図である。 本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接制御方法を示す電流波形図である。同図（Ａ）は電流設定信号Ｉｒの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して動作について説明する。

同図において、時刻ｔ１～ｔ２の期間が立上り期間Ｔｕとなり、時刻ｔ２～ｔ３の期間がピーク期間Ｔｐとなり、時刻ｔ３～ｔ４の期間が立下り期間Ｔｄとなり、時刻ｔ４～ｔ５の期間がベース期間Ｔｂとなる。時刻ｔ１～ｔ５の期間が１パルス周期Ｔｆとなる。立上り期間Ｔｕ、ピーク期間Ｔｐ及び立下り期間Ｔｄは所定値に設定される。ベース期間Ｔｂは後述するアーク長制御によって刻々と変化する。この結果、パルス周期Ｔｆも刻々と変化することになる。溶接電流Ｉｗは電流設定信号Ｉｒに基づいてフィードバック制御される。

時刻ｔ１～ｔ２の立上り期間Ｔｕ中は、同図（Ａ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは予め定めたベース電流設定値から予め定めたピーク電流設定値まで直線状に上昇する。同図(Ｂ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、ベース電流値Ｉｂから電流設定信号Ｉｒよりも遅れて上昇し、オーバーシュートした後にピーク電流値Ｉｐに収束する。

時刻ｔ２～ｔ３のピーク期間Ｔｐ中は、同図（Ａ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは上記のピーク電流設定値となる。同図(Ｂ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、オーバーシュートの後にピーク電流値Ｉｐとなる。

時刻ｔ３～ｔ４の立下り期間Ｔｄ中は、同図（Ａ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは上記のピーク電流設定値から上記のベース電流設定値まで直線状に下降する。同図(Ｂ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、ピーク電流値Ｉｐから電流設定信号Ｉｒよりも遅れて下降し、アンダーシュートした後にベース電流値Ｉｂとなる。

時刻ｔ４～ｔ５のベース期間Ｔｂ中は、同図（Ａ）に示すように、電流設定信号Ｉｒは上記のベース電流設定値となる。同図(Ｂ)に示すように、溶接電流Ｉｗは、アンダーシュートの後にベース電流値Ｉｂとなる。

溶接電流Ｉｗの電流検出信号をＩｄとして、差分値Ｅｉを以下のように定義する。
Ｅｉ＝｜Ｉｄ－Ｉｒ｜ …（１）式
さらに、差分積分値Ｓｅを以下のように定義する。
Ｓｅ＝∫Ｅｉ・ｄｔ …（２）式
但し、積分期間は、パルス周期Ｔｆ中の所定期間である。所定期間は、
（１）パルス周期Ｔｆの全期間（時刻ｔ１～ｔ５の期間）、
（２）立上り期間Ｔｕ、ピーク期間Ｔｐ及び立下り期間Ｔｄにわたる期間（時刻ｔ１～ｔ４の期間）
である。

上記の差分積分値Ｓｅが、電流設定信号Ｉｒの波形と溶接電流Ｉｗの波形との一致度を示す指標となる。差分積分値Ｓｅは０以上の実数であり、その値が小さいほど一致度は高いことになる。Ｓｅ＝０のときは、両波形が完全に一致していることを示す。したがって、差分積分値Ｓｅを指標としてフィードバック制御のゲインを適正化することができる。適正化の方法の一例を以下に示す。

溶接電流のフィードバック制御回路がＰＩＤ制御回路である場合とする。比例Ｐの比例ゲインをＧｐとし、積分Ｉの積分ゲインをＧｉとし、微分Ｄの微分ゲインをＧｄとする。すなわち、フィードバック制御のゲインは、比例ゲインＧｐ、積分ゲインＧｉ及び微分ゲインＧｄから構成されている。それぞれのゲインに対して、複数の値を設定する。例えば、複数の値が５である場合、Ｇp1～Ｇp5、Ｇi1～Ｇi5、Ｇd1～Ｇd5を予め設定する。したがって、ゲインの組み合わせ数は、５×５×５＝１２５となる。次に、特定の溶接条件において溶接を行う。溶接中に、１２５のゲインの組み合わせを自動的に順次切り替えて、そのときの差分積分値Ｓｅを検出する。溶接終了後に、差分積分値Ｓｅが最も小さな値となったゲインの組み合わせを、最適なゲインとして選択する。以後、この選択されたゲインによって溶接を行う。各ゲインの最小値、最大値及び複数値は、予め実験によって十分な範囲と範囲内における刻みとなるように設定しておく。フィードバック制御回路がＰＩＤ制御回路以外の回路であっても、複数のゲインを上記のように適正化することができる。

図２は、本発明の実施の形態１に係るパルスアーク溶接制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。溶接装置は、主に破線で囲まれた溶接電源ＰＳ、ロボット制御装置ＲＣ、ロボット（図示は省略）等から構成されている。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

溶接電源ＰＳは、以下の各ブロックから構成されている。電源主回路ＭＣは、３相２００Ｖ等の交流商用電源（図示は省略）を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御等の出力制御を行い、溶接に適した溶接電圧Ｖｗ及び溶接電流Ｉｗを出力する。この電源主回路ＭＣは、図示は省略するが、交流商用電源を整流する１次整流回路、整流された直流を平滑するコンデンサ、平滑された直流を駆動信号Ｄｖに従って高周波交流に変換するインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧するインバータトランス、降圧された高周波交流を整流する２次整流回路を備えている。リアクトルＷＬは、上記の電源主回路ＭＣの＋側出力と溶接トーチ４との間に挿入されており、電源主回路ＭＣの出力を平滑する。

溶接ワイヤ１は、送給モータＷＭに結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。送給モータＷＭ及び溶接トーチ４は、ロボットに搭載されている。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間に溶接電圧Ｖｗが印加され、溶接電流Ｉｗが通電する。

電圧検出回路ＶＤは、上記の溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。電圧平均化回路ＶＡＶは、この電圧検出信号Ｖｄを平均化（ローパスフィルタを通す）して、電圧平均信号Ｖavを出力する。電圧設定回路ＶＲは、所望値の電圧設定信号Ｖｒを出力する。電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の電圧設定信号Ｖｒ（＋）と上記の電圧平均信号Ｖav（－）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。

Ｖ／ＦコンバータＶＦは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖに応じた周波数で短時間Ｈｉｇｈレベルになるトリガ信号であるパルス周期信号Ｔｆを出力する。このパルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルになる周期が１パルス周期となる。

立上り期間設定回路ＴＵＲは、予め定めた立上り期間設定信号Ｔurを出力する。ピーク期間設定回路ＴＰＲは、予め定めたピーク期間設定信号Ｔprを出力する。立下り期間設定回路ＴＤＲは、予め定めた立下り期間設定信号Ｔdrを出力する。

ピーク電流設定回路ＩＰＲは、予め定めたピーク電流設定信号Ｉprを出力する。ベース電流設定回路ＩＢＲは、予め定めたベース電流設定信号Ｉbrを出力する。

電流設定回路ＩＲは、上記のパルス周期信号Ｔｆ、上記の立上り期間設定信号Ｔur、上記のピーク期間設定信号Ｔpr、上記の立下り期間設定信号Ｔdr、上記のピーク電流設定信号Ｉpr及び上記のベース電流設定信号Ｉbrを入力として、パルス周期信号Ｔｆが短時間Ｈｉｇｈレベルに変化するごとに、以下の処理を行ない、電流設定信号Ｉｒ及び期間信号Ｔｎを出力する。
１）パルス周期信号ＴｆがＨｉｇｈレベルに変化すると、立上り期間設定信号Ｔurによって定まる立上り期間Ｔｕ中は、ベース電流設定信号Ｉbrの値からピーク電流設定信号Ｉprの値まで、直線状に上昇する電流設定信号Ｉｒを出力し、期間信号Ｔｎ＝１を出力する。
２）続けて、ピーク期間設定信号Ｔprによって定まるピーク期間Ｔｐ中は、ピーク電流設定信号Ｉprを電流設定信号Ｉｒとして出力し、期間信号Ｔｎ＝２を出力する。
３）続けて、立下り期間設定信号Ｔdrによって定まる立下り期間Ｔｄ中は、ピーク電流設定信号Ｉprの値からベース電流設定信号Ｉbrの値まで直線状に下降する電流設定信号Ｉｒを出力し、期間信号Ｔｎ＝３を出力する。
４））続けて、パルス周期信号Ｔｆが再び短時間Ｈｉｇｈレベルになるまでのベース期間Ｔｂ中は、ベース電流設定信号Ｉbrを電流設定信号Ｉｒとして出力し、期間信号Ｔｎ＝４を出力する。

電流検出回路ＩＤは、上記の溶接電流Ｉｗを検出して、電流検出信号Ｉｄを出力する。

差分値検出回路ＥＩは、上記の電流検出信号Ｉｄ及び上記の電流設定信号Ｉｒを入力として、上述した（１）式に基づいて差分値信号Ｅｉ＝｜Ｉｄ－Ｉｒ｜を出力する。

差分積分値検出回路ＳＥは、上記の期間信号Ｔｎ及び上記の差分値信号Ｅｉを入力として、パルス周期ごとに上述した（２）式に基づいて、期間信号Ｔｎによってパルス周期の所定期間を特定して差分積分値信号Ｓｅ＝∫Ｅｉ・ｄｔを出力する。
積分期間は、パルス周期中の所定期間であり、例えば、以下の（１）又は（２）の期間である。
（１）期間信号Ｔｎが１～４となるパルス周期Ｔｆの全期間
（２）期間信号Ｔｎが１～３となる立上り期間Ｔｕ、ピーク期間Ｔｐ及び立下り期間Ｔｄにわたる期間

ＰＩＤ制御回路ＥＡは、上記の差分値信号Ｅｉ及び後述するゲイン設定信号Ｇｒを入力として、差分値信号Ｅｉをゲイン設定信号Ｇｒによって定まるゲインによって増幅して、電流フィードバック信号Ｅａを出力する。

駆動回路ＤＶは、上記の電流フィードバック信号Ｅａ及び後述するロボット制御装置ＲＣからの起動信号Ｏｎを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始）のときは電流フィードバック信号Ｅａに基いて上記の電源主回路ＭＣ内のインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力し、起動信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接停止）のときは駆動信号Ｄｖを出力しない。

ゲイン適正化開始スイッチＳＷは、溶接電源ＰＳのフロントパネルに設けられており、スイッチがオン状態になるとＨｉｇｈレベルとなり、オフ状態になるとＬｏｗレベルとなるゲイン適正化開始信号Ｓｗを出力する。このゲイン適正化開始信号Ｓｗをロボット制御装置ＲＣから出力するようにしても良い。

ゲイン設定回路ＧＲは、上記のゲイン適正化開始信号Ｓｗ及び上記の差分積分値信号Ｓｅを入力として、以下の処理を行い、ゲイン設定信号Ｇｒを出力する。ここで、フィードバック制御回路がＰＩＤ制御回路ＥＩの場合であるので、ゲイン設定信号Ｇｒは、上述したように、比例ゲインＧｐ、積分ゲインＧｉ及び微分ゲインＧｄから構成されている。
１）Ｇp1～Ｇp5、Ｇi1～Ｇi5及びＧd1～Ｇd5を予め設定する。したがって、それぞれのゲインの組み合わせは１２５とおりとなる。
２）溶接中にゲイン適正化開始信号ＳｗがＨｉｇｈレベルになると、１２５のゲインの組み合わせを自動的に順次切り替えてゲイン設定信号Ｇｒとして出力する。同時に、各ゲインの組み合わせにおける差分積分値信号Ｓｅの値を記憶する。
３）１２５とおりのゲインの組み合わせの中から差分積分値信号Ｓｅが最も小さな値となったゲインの組み合わせを、最適なゲインの組み合わせとして記憶してゲイン設定信号Ｇｒとして出力する。

送給速度設定回路ＦＲは、予め定めた送給速度設定信号Ｆｒを出力する。送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒ及び後述するロボット制御装置ＲＣからの起動信号Ｏｎを入力として、起動信号ＯｎがＨｉｇｈレベル（溶接開始）のときは送給速度設定信号Ｆｒによって定まる送給速度で溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力し、起動信号ＯｎがＬｏｗレベル（溶接停止）のときは送給を停止するための送給制御信号Ｆｃを出力する。

ロボット制御装置ＲＣは、予め教示された作業プログラムに従ってロボット（図示は省略）を移動させると共に、溶接開始又は溶接停止を指令する起動信号Ｏｎを出力する。

上述した実施の形態１によれば、溶接電流の電流検出値と電流設定値との差分値を検出し、パルス周期中の所定期間にわたって差分値を積分して差分積分値を検出し、差分積分値に基づいてフィードバック制御のゲインを自動調整する。上記の所定期間は、パルス周期の全期間、又は、立上り期間及びピーク期間及び立下り期間にわたる期間である。本実施の形態では、種々の溶接条件において、溶接電流のフィードバック制御のゲインを適正値に自動調整することができる。このために、種々の溶接条件において、常に安定した溶接状態を得ることができる。

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
ＥＡ ＰＩＤ制御回路
Ｅａ 電流フィードバック信号
ＥＩ 差分値検出回路
Ｅｉ 差分値信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
ＧＲ ゲイン設定回路
Ｇｒ ゲイン設定信号
Ｉｂ ベース電流値
ＩＢＲ ベース電流設定回路
Ｉbr ベース電流設定信号
ＩＤ 電流検出回路
Ｉｄ 電流検出信号
Ｉｐ ピーク電流値
ＩＰＲ ピーク電流設定回路
Ｉpr ピーク電流設定信号
ＩＲ 電流設定回路
Ｉｒ 電流設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＭＣ 電源主回路
Ｏｎ 起動信号
ＰＳ 溶接電源
ＲＣ ロボット制御装置
ＳＥ 差分積分値検出回路
Ｓｅ 差分積分値（信号）
ＳＷ ゲイン適正化開始スイッチ
Ｓｗ ゲイン適正化開始信号
Ｔｂ ベース期間
Ｔｄ 立下り期間
ＴＤＲ 立下り期間設定回路
Ｔdr 立下り期間設定信号
Ｔｆ パルス周期(信号)
Ｔｎ 期間信号
Ｔｐ ピーク期間
ＴＰＲ ピーク期間設定回路
Ｔpr ピーク期間設定信号
Ｔｕ 立上り期間
ＴＵＲ 立上り期間設定回路
Ｔur 立上り期間設定信号
ＶＡＶ 電圧平均化回路
Ｖav 電圧平均信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
ＶＦ Ｖ／Ｆコンバータ
ＶＲ 電圧設定回路
Ｖｒ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ

Claims (1)

1. 溶接ワイヤを送給し、立上り期間中はベース電流値からピーク電流値へと上昇し、ピーク期間中は前記ピーク電流値となり、立下り期間中は前記ピーク電流値から前記ベース電流値へと下降し、ベース期間中は前記ベース電流値となる溶接電流を１パルス周期として繰り返して通電し、前記溶接電流は電流設定値に基づいてフィードバック制御されるパルスアーク溶接制御方法において、
   前記溶接電流の電流検出値と前記電流設定値との差分値を検出し、前記パルス周期中の所定期間にわたって前記差分値を積分して差分積分値を検出し、
   前記所定期間は、前記パルス周期の全期間、又は、前記立上り期間から前記立下り期間にわたる期間であり、
   前記差分積分値は前記電流設定値の波形と前記溶接電流の波形との一致度を示す指標であり、
   前記フィードバック制御のゲインを複数の値に設定してテスト溶接を行い、前記設定ごとの前記差分積分値を検出し、
   前記設定ごとの前記差分積分値が最少となる前記一致度が高いゲインを選択して実溶接を行う、
   ことを特徴とするパルスアーク溶接制御方法。

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