JPH0246977A - 溶接線追従装置 - 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、アーク溶接法において電極をウィービングさ
せならが溶接する場合の溶接線追従装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、実公昭５５−１３０２５や特公昭５７−２４２８
に提案されているように、ウィービング両端における溶
接電流を検出、比較することにより溶接トーチの位置ず
れ修正信号を得ている。この方法は、その溶接電流に位
置情報以外の外乱情報（ワイヤー送給むら、短絡現象、
電源リップル等）が多く含まれ、又溶接電流それ自体の
変動が大きいために、アークが不安定で、ショートアー
ク状態やグロビュラー状態のような小電流状態では位置
検出精度が低下するという欠点を有していた。

特公昭５７−２４２８では、ローパスフィルタを挿入し
て溶接電流の脈動を平滑化しているが、溶接電流に含ま
れている位置情報成分と外乱情報成分は分離されないの
で小電流域においては、依然として前述のような欠点を
有している。

また、特開昭５２−９６５７では、ウィービング両端で
の電流積分値を何回か平均した値を比較し、位置検出精
度を向上させることが提案されているが、その回数に相
当する時間だけ、位置ずれ修正信号の応答が遅れ、追従
精度が低下する。

更に、この追従遅れを少くするために、溶接速度はその
ままにしてウィービング周波数を高くした場合は、ウィ
ービングの周期が短くなり？外乱を多く含んだ溶接電流
をその間積分して平均化しても、積分区間それ自体が短
いために、１回の積分当りの外乱除去率は低下してしま
う。平均化回数をウィービング周波数に比例して多くす
れば、外乱除去率の低下は補正できるが、逆に検出遅れ
、すなわち追従遅れの補償にはならない、従って、ウィ
ービング周波数を高くしてもセンサ性能の向上は望めな
い。

また、以上の引用文献はすべて溶接トーチそのものをウ
ィービングさせる方式であり、その最大周波数は高々数
Ｈｚ程度であるため、ウィービング周波数を高くして小
電流域をカバーすることはできない。

一方、溶接トーチをウィービングさせる代わりに、磁界
によりアークそのものをウィービングさせる方式が特開
昭５２−１５４５７で提案されている。機械的なウィー
ビングでないためウィービング周波数は高くとれるが、
溶接トーチに磁界発生用の大きな巻線が必要となる。こ
のために、溶接線への接近性が悪くなり、重量を大とな
る。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、溶接線がウィービング中心に対して左
右方向（溶接トーチの軸線方向に直交する方向）にずれ
た場合でも溶接電流の大小や波形の影響を受けることな
く、高精度の溶接線追従制御が可能な溶接線追従装置を
提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の溶接線追従装置は、 溶接電流信号または溶接電圧信号のウィービング周波数
成分を抽出するバンドパスフィルタと、前記ウィービン
グ周波数成分とウィービング波形との位相を調整する位
相調整器と、 前記位相調整器の出力をウィービング半周期信号に同期
して整流する同期整流器と、 前記同期整流器の出力をウィービングの１周期間または
半周期間積分する積分器と、 ウィービングの１周期または半周期の終りで積分器の出
力をトラッキングし、そのトラッキング値をホールドす
るサンプル・ホールド回路と、サンプル・ホールド回路
の出力と０Ｖとの比較を微小不感帯幅以下か以上で行な
い、溶接トーチの軸線方向に直交する方向である左右方
向を判別し、左右方向の位置ずれ修正モータに対し位置
ずれ修正を行なわせるヒステリシス付き比較器を有する
ことを特徴とする。

〔作用〕

本発明は、溶接トーチをウィービングさせ、ウィービン
グ中心が溶接線からずれていない時には、溶接電流、電
圧にウィービング周波数の２倍の成分が多く含まれ、ず
れた時には、そのずれ量に比例してウィービング周波数
成分が増え、そのずれの方向によりウィービング周波数
成分の位相が１８０度異なるという現象に着目して、ウ
ィービングの両端における不規則に脈動する溶接電流又
は電圧から、位置ずれに関与する周波数成分のみ検出し
、それによりウィービング中心の溶接線に対する追従を
可能にしたものである。

以下の詳細説明では、便宜上ＭＡＧ溶接を例に取り溶接
電流を位置修正用のアークパラメータとしているが、Ｔ
ＩＧ溶接の場合は溶接電流を溶接電圧と読み替えるだけ
でよいことをまず付記しておく。

なお、説明の都合上、溶接トーチの高さ方向（溶接トー
チの軸線方向）の制御についても説明する。

〔実施例］ 次に、本発明の実施例について図面を参照しながら説明
する。

第１図（ａ）、（ｂ）はウィービング運動と溶接電流と
の関係図で、１は■開先の溶接線、２はウィービング中
心が溶接線１に沿っている時のウィービング波形、３は
ウィービング中心が％振幅分だけ位置ずれしている時の
ウィービング波形、４はウィービング中心が％振幅分だ
け位置ずれしている時のウィービング波形、Ｓ、はウィ
ービング運動波形、Ｓｚ　、Ｓ５．Ｓ４．Ｓｓはウィー
ビング中心が各々２，３，４．５の時の溶接電流波形で
ある。これらの溶接電流波形は、溶接電流がチ・ンブと
母材間距離に反比例するというＭＡＧ溶接法の基本特性
から理解されよう。すなわち、Ｓ３と８４に示すように
ウィービング周波数成分は位置ずれに応じ増大腰Ｓ４と
Ｓ、に示すように位置ずれ方向が変わると電流波形の位
相が１８０度異むら。

なお、第１図に示す溶接電流波形Ｓｚ、Ｓｓ。

Ｓ４．Ｓｌは、位置ずれが溶接電流波形に及ぼす影響を
理想的に示しているに過ぎない。実際の直流ＭＡＧ溶接
の溶接電流波形は、溶融エネルギーを与える直流分、三
相交流電源リップル、短絡現象による１０〜１００Ｈｚ
成分、ワイヤ送給むらによる２〜１０Ｈｚ成分が第１図
（ｂ）の溶接電流波形に重畳され、複雑な波形となる０
位置ずれ検出にとっては外乱となるこれらの成分をバン
ドパスフィルタで除去し、第１図に示す成分、即ちウィ
ービング周波数成分のみに着目して制御しようとするの
が本発明の主冒である。

第２図はウィービング方向と左右方向及び高さ方向の関
係を示す図で、同図（ａ）は■開先の場合、同図（ｂ）
は水平隅肉の場合で、２１は給電チップ、２２は消耗電
極、２３は溶接トーチ、２４はウィービング方向と左右
方向、２５は２４と直交する溶接トーチの高さ方向、β
はチップと母材との距離である。ＭＡＧ溶接法では、溶
接品質を保証するために溶接電流を一定に、即ちβを一
定に制御する必要がある。

第３図は本発明の溶接線追従装置の一実施例を示す外観
図である。３１はウィービングモータを含むウィービン
グ装置、３２は左右方向修正モータ、３３は高さ修正モ
ータ、３４は溶接器、３５は溶接電流検出器（例えばシ
ャント）、３６は給電ケーブル、３７．３８は被溶接ワ
ーク、３９は溶接トーチ２３及びウィービング装置３１
等を支持するロボットアームの先端である。なお、第３
図ではウィビング装置３１に含まれるウィービングモー
タと左右方向修正モータ３２を別々に示しているが、１
つのモータで代行させることも可能であり、又ウィービ
ング専用の機構を設けずに溶接トーチを支持するロボッ
トの駆動軸で、前記モータ３１．３２．３３の機能を代
行させてもよい。第３図において、溶接線に沿って移動
する走行用モータは省略しである。

第４図（ａ）はウィービング装置３１の構成図で、４１
はウィービング周波数及び振幅設定器、４２はウィービ
ングモータ４３の駆動回路、４３はウィービングモータ
、４４はウィービングモータ４３に直結されたウィービ
ング中心位置の検出器、４５は論理回路でウィービング
運動に同期する信号Ｓ　１１　Ｓ　２Ｓ＋　Ｓ　ｓｓを
発生させる。

第４図（ｂ）は同期信号Ｓ　ＩＩＩ＋　Ｓ　２１　Ｓ　
３ｇとウィービング運動波形Ｓ、の関係を示す図である
。

第５図は左右方向及び高さ制御を行なう制御回路のブロ
ック図である。５１は溶接電流検出器３５で検出された
溶接電流の増幅器、Ｓｓ＋はその出力、５２はウィービ
ング周波数を通過中心周波数とするバンドパスフィルタ
、５３は位相調整器、Ｓ８３はその出力、５４はウィー
ビング運動の同期信号Ｓｋｉにより、ＳＳＳを正、負と
切替えて整流する同期整流器、Ｓｓ４はその出力、５５
は５１１４を同期信号Ｓｘｓにより、ウィービングの１
周期間積分後、リセット指令Ｓｚｓによりリセットする
第１積分器、Ｓａｓはその出力、５６はウィービングの
１周期の終りで同期信号３３ｇのサンプル指令によりＳ
８８をトラッキングした後、Ｓｓｓのホールド指令によ
りそのトラッキング値をホールドする第１サンプル・ホ
ールド回路、ＳＳａはその出力、５７はｓｓｅとＯｖと
の比較を微小不感帯幅以下か以上で行ない、第１図で説
明した左右方向を判別する第１ヒステリシス付き比較器
、３２は前記の左右方向の位置ずれ修正モータ、５８は
アーク電圧Ｖａｒｃより短絡状態かアーク発生中かを識
別する制御信号ＳＳａを発生する比較器、５９は５ｌｌ
ａが短絡状態を示す時はリセットされ、アーク発生中の
み溶接電流信号Ｓｓ＋を通す選択回路、Ｓ＠ｓ＋はその
出力、６０は同期信号Ｓｉｓにより、ウィービングの１
周期間槽分後、リセット指令５ａｌｔによりリセットす
る第２積分器、Ｓｓ。はその出力、ＣＰはクロックパル
ス、６１はＳＳａがアーク発生中を示す時のみＣＰを通
すアンド回路、６２はウィービングの１周期中の実行ア
ーク時間を計数し、計数後は同期信号Ｓ、によりリセッ
トされるタイマーカウンタ、６３は実行アーク電流の積
分値Ｓ６゜を実行アーク時間で除算し、実行アーク電流
のウィービングの１周期間の平均値を算出する平均値算
出回路、Ｓ６３はその出力、６４はウィービングの１周
期の終りで同期信号Ｓｓｓのサンプル指令により、Ｓ６
３をトラッキングした後、３３ｇのホールド指令により
そのトラッキング値をホールドする、第２サンプル・ホ
ールド回路、Ｓ６４はその出力、Ｓｏは所望の実行アー
ク電流の設定値、６５はＳ６４とＳｏとの比較を微小不
感帯幅以下か以上で行い、第２図で説明した高さ方向を
判別する第２ヒステリシス付き比較器、３３は前記の高
さ修正モータである。

第６図（ａ）はバンドパスフィルタ５２の減衰率を大き
くとり、ウィービング運動と溶接電流のウィービング周
波数成分との位相関係が第１図の関係にあり、しかも定
常状態を考えた場合の、第１図に示す溶接電流波形Ｓａ
　、　Ｓ３　、　Ｓ４　、　Ｓｓに対する同期整流器５
４の出力ＳＳ４を示す図で、対比上ウィービング運動波
形Ｓ１とその同期信号Ｓ’ｓを描いである。同様に、第
６図（ｂ）及び（ｃ）は各々同じ条件下における第１積
分器５５の出力３８！及び第１サンプル・ホールド回路
５６の出力ＳＳａを示す図である。しかし第６図に示す
各出力信号は、実際には、バンドパスフィルタ５２の減
衰率をそれ程大きくとれず、ウィービング周波数近傍の
外乱ノイズの影響を受けると同時に、溶接電流のウィー
ビング周波数成分とウィービング運動との位相が、溶接
すべき継手形状や溶接姿勢により変化する等の問題があ
るために、歪み波形となる。そのために位相調整器５３
と第１積分器５５が必要になる。ウィービング周波数近
傍の外乱ノイズによりバンドパスフィルタ５２の出力波
形は歪波となり、その歪波を構成する種々の周波数成分
ごとにウィービング運動に対する位相のずれが異なるた
め、位相調整を最大公約数的に行なってもその歪波成分
の振幅次第では、そのノイズとしての出力が同期整流器
出力Ｓｓａに含まれる。例えば、第６図（ａ）のＡで示
される同期整流器出力ＳＳ４は、実際の溶接では第７図
に示すような歪波となる。しかし、ウィービングの１周
期間の平均的な位置ずれを第１積分器５５で検出し、そ
の１周期の終りで第１ザンブル・ホールド回路５６でト
ラッキング及びホールドすることにより、第７図に示す
ように、外乱の除去が可能となり、正確な位置ずれ検出
ができる。この第１サンプル・ホールド回路５６の出力
Ｓ６８の極性で左右の方向が決まり（第６図（ｃ）参照
）、左右方向修正モータ３２がサーボ制御され、溶接線
に、対する倣い制御が可能となる。また、微小位置ずれ
時の位置ずれ量と第１サンプル・ホールド回路５６の出
力Ｓｓａとの間の線形性は外乱ノイズ等の影響により必
ずしも良好でないため、出力Ｓｓｓを直接、サーボ指令
とする連続サーボ制御よりも、微小不感帯幅とヒステリ
シス特性を有する第１ヒステリシス付き比較器５７を設
け、位置ずれ情報がＳＳ８に顕著に表われない微小位置
ずれ時の位置修正を不要にし、第１ヒステリシス付き比
較器５７のオン指令によりあらかじめ決められた位置修
正量だけ、サンプル後の左右方向（Ｓ＋＋ｅの正負の極
性）に１サンプル当り１回修正動作を行わせる断続サー
ボ制御の方がより実際的であろう。

次に、高さ制御の動作について説明する。第８図はアー
ク電圧Ｖａｒｃ、比較器５８の出力ＳＳＳ、増幅器５１
の出力である溶接電流信号Ｓｌｌ＋及び選択回路５９の
出力５８１１の関係を示す図である。

ウィービングの１周期間に数回から数１０回光発生る短
絡現象時の電流を除いた実行アーク電流Ｓ　’１９が第
２積分器６０により、ウィービングの１周期間積分され
、同時に、タイマーカウンタ６２はアンド回路６１を経
由したクロックパルスＣＰにより、ウィービングの１周
期間の実行アーク発生時間を計数する。平均値算出回路
６３は、ウィービングの１周期の終りで第２積分器６０
の出力Ｓ６゜を実行アーク発生時間で除算し、平均電流
値５ｌ１３を算出する。出力ＳＳＳは第２サンプル・ホ
ールド回路６４でトラッキング及びホールドされ、その
ホールド値Ｓ８４と設定値Ｓ０との大小を第２ヒステリ
シス付き比較器６５で判別することにより高さ修正モー
タ３３がサーボ制御され、溶接電流の一定維持が可能と
なる。前述の左右方向制御と同様に、高さ制御において
も、断続サーボ制御の方が連続サーボ制御よりも望まし
い。

一方、第７図で明らかなように同期整流器出力ＳＳ４の
積分区間を長くすればする程、位置ずれ検出精度は良く
なる。ウィービング周波数を２倍に上げ、ウィービング
の２周期間の積分を行えば、センサ応答は不変のままで
位置検出精度は２倍になる。すなわち、本発明に記載の
「ウィービングの１周期」という語句な「ウィービング
の２周期」と読み替えるだけでよいため、本発明の位置
ずれ検出及び高さ検出のためのウィービング周期は、１
周期に限定されないことは明らかである。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明は次のような効果を有する。

（１）雑多な情報を含む溶接電流または電圧からウィー
ビング中心と溶接線との位置ずれに関与する周波数成分
のみ検出するので、溶接電流の大小、シールドガスの成
分によるアーク移行形態で決まる溶接電流波形、電圧波
形の脈動による影響を受けず、ショートアーク、グロビ
ュラーアークにおいてもスプレーアークと同様に、高精
度の位置すれ検出が可能となる。

（２）ウィービング半サイクルまたはｌサイクル毎に位
置ずれ修正信号が発生されるので、センサむだ時間が少
なく倣い精度が向上し、溶接速度をおとさなくてもよい
から倣い制御をすることによる生産効率の低下がない。

（３）センサむだ時間が少ないため、位置ずれ検出精度
を低下させずに、ウィービング周波数に比例してセンサ
応答性をよくできる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）、（ｂｌはウィービング運動と溶接電流と
の関係図、第２図はウィービング方向と左右方向及び高
さ方向の関係図、第３図は本発明の溶接線追従装置の一
実施例の外観図、第４図はウィービング装置の構成図、
第５図は左右方向及び高さ制御を行なう制御回路のブロ
ック図、第６図（ａ）。 （ｂ）　、　（ｃ）は各々、同期整流器５４、第１積分
器５５、第１サンプル・ホールド回路５６の出力信号Ｓ
　５４１　Ｓ　ａｓ、　Ｓ　ｓａの波形図、第７図は第
６図に示す波形の１つ、Ａの実際上の波形図、第８図は
アーク電圧Ｖａｒｃ、比較器５８、増幅器５１および選
択回路５９の出力Ｓｓａ、　５ｉｌｌ　Ｓ５９の関係図
である。 １・・・溶接線、 ２．３，４．５・・・ウィービング波形、ｌ・・・給電
チップ、　　２２・・・消耗電極、３・・・溶接トーチ
、 １・・・ウィービング装置、 ２・・・左右方向の位置ずれ修正モータ、３・・・高さ
修正モータ、 ４・・・溶接機、 ５・・・溶接電流検出器、 ６・・・給電ケーブル、 ７．３８・・・被溶接ワーク、 ９・・・ロツボトアームの先端、 １・・・周波数・振幅設定器、 ２・・・駆動回路、 ３・・・ウィービングモータ、 ４・・・ウィービング中心位置検出器、５・・・論理回
路、　　５１・・・増幅器、５２・・・バンドパスフィ
ルタ、 ５３・・・位相調整器、　５４・・・同期整流器、５５
・・・第１積分器、 ５６・・・第１サンプル・ホールド回路、５７・・・第
１ヒステリシス付き比較器、５８・・・比較器、　　　
５９・・・選択回路、６０・・・第２積分器、　６１・
・・アンド回路、６２・・・タイマーカウンタ、 ６３・・・平均値算出回路、 ６４・・・第２サンプル・ホールド回路、６５・・・第
２ヒステリシス付き比較器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、アーク溶接法を用いて電極をウィービングさせなが
   ら溶接線を追従する溶接線追従装置において、 溶接電流信号または溶接電圧信号のウィービング周波数
   成分を抽出するバンドパスフィルタと、前記ウィービン
   グ周波数成分とウィービング波形との位相を調整する位
   相調整器と、 前記位相調整器の出力をウィービング半周期信号に同期
   して整流する同期整流器と、 前記同期整流器の出力をウィービングの１周期間または
   半周期間積分する積分器と、 ウィービングの１周期または半周期の終りで積分器の出
   力をトラッキングし、そのトラッキング値をホールドす
   るサンプル・ホールド回路と、サンプル・ホールド回路
   の出力と０Ｖとの比較を微小不感帯幅以下か以上で行な
   い、溶接トーチの軸線方向に直交する方向である左右方
   向を判別し、左右方向の位置ずれ修正モータに対し位置
   ずれ修正を行なわせるヒステリシス付き比較器を有する
   ことを特徴とする溶接線追従装置。