JPH01237076A - アーク長検出装置，アーク長検出方法，トーチ高さ制御装置，トーチ高さ制御方法，自動溶接装置並びに自動溶接方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野〕 本発明はアーク長検出方法及び装置、トーチ高さ制御方
法及び装置、並びに自動溶接方法及び装置に係り、特に
定電圧特性或いは定電流特性等の溶接電源を用いて行う
自動溶接中においてトーチ高さ及び溶接条件（溶接電流
やアーク電圧等）の制御に好適なアーク長検出方法、ト
ーチ高さ制御方法及び溶接条件の制御方法並びにこれら
に対応する装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、トーチ−母材間距離（以下トーチ高さと称す）の
自動制御方法としては、例えば特開昭５１−６７２４２
号公報に記載のように、溶接トーチに一体となって設け
られた接触子を介してトーチ高さを検出する、いわゆる
機械的方法と、当該公報に記載のように溶接電流の変化
に対応して上下、各駆動用のリレーを制御してトーチ高
さを制御する電気的方法が提案されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記従来技術において５機械的方法は接触子等の複雑な
機構をトーチ近傍に取付ける必要があるため、作業性が
低下するとともにスパッタ、熱などの溶接環境の影響を
受は性能低下が生じ易いという問題があった。一方、電
気的方法は、例えば溶接現象を利用していることから、
前記機械的方法の欠点を除くことができる。しかし、溶
接現象は複雑な外乱を含み、溶接条件によっては溶滴移
行の形態が異なるので、信頼性の高いトナー高さの自動
制御方法を実現するためには電気的に複雑な回路となり
、その結果コストが高くなり、実用に供し得ないという
欠点がある。

一方、溶接条件（溶接電流やアーク電圧等）の制御方法
としては、例えば特開昭６１−１４０８３号公報に記載
のように、溶接部から発生する音（以下アーク音と称す
）が溶接現象と密接な関係にあることに着目し、アーク
柱の振動を例えばマイクロホンで検知して溶接部のシー
ルド状況をチエツクする溶接状況監視方法が提案されて
いる。

この方法は、シールドガスの乱れによって生ずる極端な
アーク音の変動を検知するのには好適であるが、溶接電
流やアーク電圧が何らかの原因で設定値よりわずか変動
した場合、これを検知することが困難であるという問題
がある。これはアーク柱自体がノイズを多く含み、撮動
していることから、溶接条件の適正判断がむずかしいた
めである。完全なる定電圧特性の電源を除き、一般の重
下特性の電源ではアーク長が変化するとこれに伴い溶接
電流及びアーク電圧が変動する。ＴＩＧ溶接法等で用い
る電源は定電流特性であるので溶接電流は一定であるが
アーク電圧が変動する。アーク電圧はアーク長にほぼ比
例するのでアーク長を検知できれば溶接条件の制御は可
能となる。さらに先の従来技術の例で示したトーチ高さ
の制御も可能となる。

本発明は上記の点に鑑みて成されたものでありその目的
とするところは、アーク音に基づき、実用性に優れたア
ーク長検出方法、トーチ高さ制御方法及び溶接条件の制
御方法並びにこれらに対応する装置を提供することにあ
る。

（１１題を解決するための手段〕 上記目的は、アークに重畳信号を印加し、この重畳信号
の周波数に対応したアークの音圧レベルを用いてアーク
長なりトーチ高さなりを検出或いは制御することにより
達せられる。

本発明に係るアーク長検出装置は、溶接アークに所定信
号を重畳する発振手段と、この発振手段にて発生する溶
接アーク音を検出する手段と、この溶接アーク音検出手
段からの出力信号に基づき所定信号の周波数に対応した
アーク音圧レベルを抽出する手段とを備え更にアーク音
圧レベル抽出手段から出力されるアーク音圧レベルと予
め記憶されたアーク長〜アーク音圧レベルの関係とから
アーク長を抽出する手段とを具備することを特徴とする
。

本発明に係るアーク長検出方法は、溶接アークに所定信
号を重畳して発生する溶接アーク音から所定信号の周波
数に対応するアーク音圧レベルを求め、この音圧レベル
とアーク長〜アーク音圧レベルの関係とに基づいてアー
ク長を抽出することを特徴とする。

本発明のトーチ高さ制御装置は、上記アーク長検出装置
から出力されるアーク長に対応した電気信号と基準アー
ク長設定器からの設定信号とを比較する比較器と、この
比較器から出力される偏差信号がゼロになるように溶接
トーチを上下方向に駆動してトーチ高さを一定に制御す
るトーチ駆動装置とを具備することを特徴とする。

また本発明のトーチ高さ制御装置の別構成のものは、溶
接アークに所定信号を重畳する発振手段と、該発振手段
にて発生する溶接アーク音を検出する手段と、この溶接
アーク音検出手段からの出力信号に基づき所定信号の周
波数に対応したアーク音圧レベルを抽出する手段と、こ
のアーク音圧レベル抽出手段から出力されるアーク音圧
レベルと予めて記憶されたアーク高圧レベル〜トーチ高
さの関係とからトーチ−母林間距離を調整する手段とを
具備することを特徴とする。

本発明のトーチ高さ制御方法は、上記アーク長検出方法
における抽出アーク長に対応した電気信号と基準アーク
長設定撮からの設定信号とを比較し、この出力偏差信号
がゼロとなるように溶接トーチを上下方向に駆動させる
ことを特徴とする。

本発明のトーチ高さ制御方法の他の案は、溶接アーク所
定信号を重畳して発生する溶接アーク音から前記信号の
周波数に対応するアーク高圧レベルを求め、この高圧レ
ベルとこの高圧レベル−トーチ高さの関係とに基づいて
トーチ−母材間距離を調整することを特徴とする。

本発明の自動溶接装置は、上記のアーク長検出装置から
出力されるアーク長に対応した電気信号と基準アーク長
設定器からの設定信号とを比較する比較器と、この比較
器から出力される偏差信号がゼロになるように溶接条件
を制御する条件制御装置とを具備することを特徴とする
。

本発明の自動溶接方法は、上記の抽出アーク長に対応し
た電気信号と基準アーク長設定器からの設定信号とを比
較し、この出力偏差信号がゼロとなるように溶接条件を
制御することを特徴とする。

電源としては定電圧または定電流特性のものが適する。

重畳すべき所定信号は特に限定されないが、実用的には
交流信号が好ましくその波形は所謂サインカーブ様に限
らず三角波、矩形波でも良い、また振幅・周波数を途中
変化させてもよい。

記憶手段には、予めアーク長或いはトーチ高さとそれに
対応したアーク高圧レベルとを記憶しである。

尚、溶接アーク音検出手段は内部または外部に短絡・ア
ークの判別手段を備え、アーク発生時のみ溶接アーク音
を抽出することが好ましい。

〔作用〕

例えば、定電圧特性（一般にはわずか垂下特性）の電源
を用いて自動溶接を行う場合、アーク長はトーチ高さ、
ワイヤの送給変動或いは溶接条件により変動する。また
アーク音そのものも非常に多くの脈動を含むことが実験
で知られている。従ってアーク音自体を利用してトーチ
高さを検出する方法はＳＮ比が低く信頼性に劣る。しか
しアーク音は溶接アーク現象と密接な関係があるため、
溶接の自動制御のための重要な検出要因として従来から
検討されてきている０本発明では、外部よりアークに重
畳信号を印加することにより、ＳＮ比を高くでき、この
畳重信号の周波数に対応した音圧レベルがアーク長の変
化に対応することを実験で明らかにしたものである。こ
れによって前記重畳信号の周波数音圧レベルに基づいて
アーク長を求め、得られたアーク長からトーチ高さ或い
は溶接条件の制御を実行することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に従って説明する。

本発明の一実施例に係るアーク長検出装置のブロック図
を第１図に示す。

母材３にトーチ２のワイヤ４が対向し、ワイヤ４の先端
からアーク５が発生するよう、夫々に電源供給する溶接
電源１が電気的に接続されている。

Ωはアーク長を示す、溶接電源１には発振器６を接続す
る。一方、トーチ２にはマイクロホン７を付設する。マ
イクロホン７の出力端子に増幅ｓ８を接続し、更にバン
ドパスフィルタ９、整流器１０、アーク長抽出器１１を
順次接続する。アーク長抽出器１１の入力側にはアーク
長・音圧レベルテーブルも接続しておく、増幅８８．バ
ンドパスフィルタ９、整流器１０．アーク長抽出器１１
及びアーク長・音圧レベルテーブル１２、更には発振器
６及びマイクロホン７によってアーク長検出装置が構成
される。

溶接電１ＩＸ１はトーチ２及び母材３に１を源を供給し
、ワイヤ４と母材３間にアーク長菖のアークＳを発生さ
せる６発振器６の取付位置は本例に限定されないが、要
するに一定周波数（例えば１ＫＨｚ）の交流信号を発振
しアーク５に重畳させる。

ところでマイクロホン７により抽出された音に応じた電
気信号は、増幅器８で増幅された後にバンドパスフィル
タ９に入力される。前記バンドバイフィルタ９では、発
振器６で設定した発振周波数に応じた周波数の電気信号
のみが通過し、整流Ｉｆ）１０を介してアーク長抽出器
１１に出力される。

アーク長抽出器１１は、前記電気信号、具体的には音圧
レベルと、予め設けられたアーク長・音圧レベルテーブ
ル１２とからアーク長ａに対応した電気信号Ω３を出力
する。

次に、第２図から第７図を用い゛Ｃ１第１図で示したア
ーク長検出装置の動作原理について説明する。

第２図はアークに重畳信号を印加しない時のアークの発
生状況を示した図である。同図に示すように一般にはア
ーク変動部１４が生じる。第３図は、トーチと一体に設
けたマイクロホン７で測定したアーク音の音圧変化を時
間Ｔに対する音圧レベルＰの関係として示すもので、ア
ークの音圧レベルＰＡはΔＰＡの変動部分を有する。従
ってこの変動部分がノイズとなり、トーチ高さに対応し
たアークの音圧レベルの変化を正確に求めることはでき
ない。

第４図は、発振器６によりアークに一定周波数の交流信
号（例えば正弦波）を重畳した場合のアークの発生状況
をモデル的に示した図であり、同図中（ａ）はアーク長
が設定値よりも長い場合、（ｂ）は設定値よりも短かい
場合を示す。第４図の点線で示すように、アーク５は印
加した重畳信号に同期して振動する。Ｐａ、Ｐ−はいず
れもアークの音圧レベルを示し、Ｑ＆、Ｑｂはいずれも
アーク長を示す。

この時の音圧レベルｐａ（アーク長Ω＝Ｑ＆）及びｐｂ
（アーク長（１＝Ｑｂ）の変化を第５図に示す。

第５図に示すように、音圧レベルＰはアーク長が長いほ
ど大なる傾向を示している。これはアーク長の伸びによ
ってアークの拡がりが大きくなり。

これに伴って空中を伝播する音圧のレベルが増加するた
めである。

第６図はアークに重畳信号を印加した場合のアーク音の
周波数分布を示すものであり、ｆｓは重畳信号の周波数
、Ｐｉｓはこの周波数の音圧レベルを示す。第６図に示
すように重畳信号の周波数に対応して高い音圧レベルの
ピークが見られ、第３図の変動部分ΔＰＡにするノイズ
成分（ｆｐｈ）を無視できる。

第７図はアーク長意と前記重畳信号の周波数ｆｓに対応
した音圧レベルＰｆｓの関係を示す。

Ω０はアーク長Ωの初期設定値であり、ＰＯはこの時の
重畳信号の周波数に対応した音圧レベルを示す。すなわ
ち第７図の関係を第１図、アーク長・音圧テーブル１２
に記憶させておくことにより、アーク長の検出が可能と
なる。

第８図は、第１図の本発明のアーク長検出装置を用いて
トーチ高さを制御する一実施例のブロック図である。１
３はアーク長検出装置であり、求めたアーク長に対応す
る電気信号ΩＳは比較器１４に入力される。比較器１４
は基準アーク長設定塁１５より出力された電気信号１１
ｏｓと前記電気信号ＱＢより偏差信号ｅを算出し、モー
タ制御回路１６は前記偏差信号ｅが零になるようモータ
１７を上方向または下方向に駆動し、アーク長ａが設定
長ｎｏになるようにトーチ高さＥｘを制御することによ
ってトーチ高さを一定に制御することができる。

さらに遠示はしないが、本発明の他の実施例として同様
にアーク長偏差信号θが零になるように溶接電流または
アーク電圧等を制御する溶接条件の制御装置がある。

また、溶接電源は、定電圧特性の電源の他に、定電流特
性の電源等も含まれ同様の制御が実行できる。更にアー
クに重畳する交流信号は、第６図に示したように十分な
るアーク音圧レベルのピー゛りが得られれば正弦波、短
形波、三角波等いずれの波形でも構わない。

また前記第１実施例では発振器を用いてアークに重畳信
号を印加する場合について説明したがパルス溶接電源な
ど電源自体が具備している場合は特に電源の外部に設け
る必要はない、更に前記重畳信号は任意の時間のみ印加
される、いわゆる間欠的な重畳信号であっても構わない
。

また本発明の更に別の実施例（図示せず）としては１例
えばワイヤの短絡を伴う溶接電流域において短絡時及び
アーク発生時のノイズの影響を防止するため、第８図に
おいて短絡・アーク検出回路を外部に設け、アーク発生
中にのみアーク音を検出する実施例がある。更に第８図
において溶接トーチの駆動に溶接ロボットを用いる場合
、モータ制御回路１６はロボット制御回路に置き換える
ことができる。

更に他の実施例を第９図に示す、符号１８は基準アーク
音圧レベル設定器であり、トーチ・母材間距離（設定値
）に対応した基準アーク音圧レベル信号を比較器１４に
入れである。Ｓａはアーク音圧レベル信号であって比較
器１４にてＳｏとＳａとを比較することになり、後の動
作は第８図の例と同様である。第１０図は音圧レベル（
基準値）とトーチ−母林間距離との関係を示す特性図で
ある。従って本例はアーク長の検出を要せず、所定の音
圧レベルによって直接に自動溶接を行うことが可能とな
る。

以上の例で共通しているのは、溶接アークに例えば所定
の周波数の交流信号を重畳し、この周波数に対応したア
ーク音圧レベルのみを抽出していること、並びに短縮及
びアークの判別手段を備え、アーク発生時のみアーク音
圧レベルを抽出している。更に本発明の上記各実施例で
は、通常のアーク柱の振動より大きな振動を有する交流
信号をアークに重畳させ、その重畳信号の周波数に対応
したアーク音圧レベルのみを抽出することでノイズ分の
影響を低減しているから、各制御は高Ｍ変に実現できる
。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、アーク現象のノイ
ズの影響を受けにくく、簡便な方法でかつ高精度でアー
ク長検出トーチ高さ及び溶接条件の制御が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るアーク長検出装置のブ
ロック図、第２図、第４図は夫々第１図の装置例におけ
るトーチ近傍の部分拡大図、第３図は第２図の装置例に
おける時間〜音圧レベル特性図、第５図は第４図の装置
例における時間〜音圧レベル特性図、第６図は第１図の
装置例における周波数〜音圧レベル特性図、第７図は同
じくアーク長に対する音圧レベル特性図、第８図、第９
図は夫々本発明の実施例に係るトーチ高さ制御装置のブ
ロック図、第１０図は、第９図の装置例における高圧レ
ベル−トーチ高さの関係を示す特性図である。 ６・・・発振器、７・・・マイクロホン、８・・・増幅
器、９・・・バンドパスフィルタ、１０・・・整流器、
１１・・・アーク長抽出器、１２・・・アーク長・音圧
レベルテーブル、１３・・・アーク長検出装置、１４・
・・比較器、１５・・・基準アーク長設定器、１６・・
・モータ制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、溶接アークに所定信号を重畳する発振手段と、該発
   振手段にて発生する溶接アーク音を検出する手段と、該
   溶接アーク音検出手段からの出力信号に基づき前記所定
   信号の周波数に対応したアーク音圧レベルを抽出する手
   段と、該アーク音圧レベル抽出手段から出力されるアー
   ク音圧レベルと予め記憶されたアーク長〜アーク音圧レ
   ベルの関係とからアーク長を抽出する手段とを具備する
   ことを特徴とするアーク長検出装置。 ２、溶接アークに所定信号を重畳して発生する溶接アー
   ク音から前記信号の周波数に対応するアーク音圧レベル
   を求め、該レベルとアーク長〜アーク音圧レベルの関係
   とに基づいてアーク長を抽出することを特徴とするアー
   ク長検出方法。 ３、請求項１のアーク長検出装置から出力されるアーク
   長に対応した電気信号と基準アーク長設定器からの設定
   信号とを比較する比較器と、該比較器から出力される偏
   差信号がゼロになるように溶接トーチを上下方向に駆動
   してトーチ高さを一定に制御するトーチ駆動装置とを具
   備することを特徴とするトーチ高さ制御装置。 ４、請求項２の抽出アーク長に対応した電気信号と基準
   アーク長設定器からの設定信号とを比較し、この出力偏
   差信号がゼロとなるように溶接トーチを上下方向に駆動
   させることを特徴とするトーチ高さ制御方法。 ５、請求項１のアーク長検出装置から出力されるアーク
   長に対応した電気信号と基準アーク長設定器からの設定
   信号とを比較する比較器と、該比較器から出力される偏
   差信号がゼロになるように溶接条件を制御する条件制御
   装置とを具備することを特徴とする自動溶接装置。 ６、請求項２の抽出アーク長に対応した電気信号と基準
   アーク長設定器からの設定信号とを比較し、この出力偏
   差信号がゼロとなるように溶接条件を制御することを特
   徴とする自動溶接方法。 ７、溶接アークに所定信号を重畳する発振手段と、該発
   振手段にて発生する溶接アーク音を検出する手段と、該
   溶接アーク音検出手段からの出力信号に基づき前記所定
   信号の周波数に対応したアーク音圧レベルを抽出すると
   、該アーク音圧レベル抽出手段から出力されるアーク音
   圧レベル〜トーチ高さの関係とからトーチ〜母材間距離
   を調整する手段とを具備することを特徴とするトーチ高
   さ制御装置。 ８、溶接アークに所定信号を重畳して発生する溶接アー
   ク音から前記信号の周波数に対応するアーク高圧レベル
   を求め、該レベルと該レベル〜トーチ高さの関係とに基
   づいてトーチ〜母材間距離を調整することを特徴とする
   トーチ高さ制御方法。