JPH03114670A - アークセンサによる開先自動倣い制御方法 - 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、開先を設けた溶接線が折れ曲りたり、ロボッ
トの教示点に対して実際の溶接線がずれているような被
溶接物に対し、高速回転アーク溶接トーチを備えた溶接
ロボットを用いて溶接する場合における開先自動倣い制
御方法に関するものである。

［従来の技術］ 消耗電極式アーク溶接における開先自動倣い制御として
、溶接アークの回転によるアークセンサ技術を利用する
ことは、例えば特開昭６０−１７４２７０号や特開昭６
２−２４８５７１号により知られている。

第６図（ａ）、（ｂ）は従来の回転アークセンサによる
開先倣い制御方法の説明図で、同時に制御方向の定義を
与えている。図において、１はモータ２により回転する
溶接トーチで、図示しない溶接ロボットアームの先端に
取り付げられている。

３はトーチ１のノズルに対し偏心状態に自動送給される
溶接ワイヤ、４はアーク、５は被溶接物６に形成された
開先で、図示の場合、溶接線１０は真直ぐな直線となっ
ている。７は溶接ビードである。また、以下において、
Ｘ軸は開先５の幅方向の倣い制御をいい、ｙ軸はトーチ
１の軸方向（高さ方向）の制御をいうものとする。２軸
は溶接ト（３） チ１の進行方向（溶接進行方向）を表している。

このような回転アークセンサ技術を用いれば、アーク４
の１回転ごとに溶接電流Ｉ　及びアーク電圧Ｅ　を検出
し、この検出された溶接電流■３と溶接電流の基準値Ｉ
　との差（Ｉ　　−Ｉ　　）のＯａ　　　　　　Ｏ 積分値が常に零になるように制御することにより、溶接
トーチ１をｙ軸方向に修正することができ（定アーク長
制御）、また、検出されたアーク電圧Ｅ　とアーク電圧
の基準値Ｅ　との差（Ｅａａ　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　ＯＥ　）を、Ｚ軸方向
の前方点Ｃｆを中心として左右同−の位相角φて囲まれ
る領域、すなわち左側と右側で積分した値の差（Ｓ　　
−８Ｒ）が常に零り になるように制御することにより、溶接トーチ１をＸ軸
方向に修正することができる。これにより自動的にトー
チ１を開先５に追従させながら溶接を行うことができる
。

しかして、従来の回転アークセンサでは、トーチ１をＸ
軸及びｙ軸方向に位置修正するだけであり、Ｚ軸方向に
はトーチ１を一定の速度で動かしている。

（４） ［発明が解決しようとする課題］ そのため、例えば第７図（ａ）、（ｂ）のように２軸と
溶接線１０のなす角度θ　、θ　が大きｙ い場合には、２軸方向の溶接速度は一定であるため、折
れ線部１０ａ、１０ｂにおける溶接速度は実質的に速く
なり、このため適正な溶接結果が得られない。したがっ
て、例えば多関節型の溶接ロボット等により第７図のよ
うな被溶接物を溶接する場合には、溶接開始点Ｐ　と終
了点Ｐ　以外に、Ｓ　　　　　　　　　　　　　　ｅ 溶接方向が変る点Ｐ　、Ｐ　、Ｐ３等を教示した２ す、それらの屈曲点で溶接速度を変更する必要があるな
ど、ティーチング作業に多くの時間がかかるという課題
もあった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされた
もので、溶接線が２軸方向に対し折れ曲っている場合で
あっても、高速回転アークセンサ技術を利用することに
より溶接トーチの進行方向を適正に修正しながら同一の
溶接速度で折れ線部を自動溶接することができるアーク
センサによる開先自動倣い制御方法を提供することを目
的としている。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するため、本発明に係るアークセンサ
による開先自動倣い制御方法は、高速回転アーク溶接ト
ーチを備えた溶接ロボットを用いて、溶接線が２軸に対
し折れ曲りだ被溶接物を溶接する場合において、次の手
順により溶接することとしたものである。すなわち、 （１）溶接アークを１秒間に１０〜２００回の高速で・
回転させる。

（２）溶接電流Ｉ　、アーク電圧Ｅ　及び溶接進行ａ　
　　　　　　　　　　　　　　　　　ａ方向の前方Ｃｆ
点を基準位置とするアークの回転位置をそれぞれ検出す
る。

（３）前記検出された溶接電流■　と溶接電流の基準値
ＩＤ　との差（Ｉ　　−１）を、アークの１０　　　　
　　　　　　　　　　ａ　　　　　　０回転ごとに積分
した値をΔＹとし、 （４）さらに前記検出されたアーク電圧Ｅ　とアーク電
圧の基準値Ｅ　との差（Ｅ”　　−Ｅ　　）を、Ｏａ　
　　　　　Ｏ 前記Ｃｆ点を中心に左右同一の位相角φ（ただし、５゜
＜φ＜９０°）で囲まれる領域、すなわちＬ側（左側）
及びＲ側（右側）で積分した値の差（Ｓ、−３Ｒ）をΔ
Ｘとする。

（５）そして、あらかじめ溶接ロボットに教示されてい
る溶接進行方向を、アークの１回転または溶接ロボット
の制御ピッチごとに前記ΔＹの値によって決定される量
だけ溶接トーチの軸方向に修正し、同時に前記ΔＸの値
によって決定される量だけ溶接進行方向及び溶接トーチ
の軸方向の両方に垂直な方向（開先幅方向）に修正する
。

（６）かつ、溶接進行方向の溶接速度の大きさは常に所
定値に保つ。

［作　用コ 第１図に示すように、溶接ロボットの軌道制御はＰ　Ｔ
　Ｐ　　（Ｐｏｉｎｔ　Ｔｏ　Ｐｏ１ｎｔ）教示のＣＰ
　（Ｃｏｎｔｉｎ−ｕｏｕｓ　Ｐａ５ｓ）制御であり、
２つの教示点Ｐ　とＰＳ　　　　　　　ｅ 間においてあらかじめ同一ピッチで制御点Ｇｌ。

Ｇ２．・・・、Ｇ　が定められている。この制御ピッチ
は通常アークの回転周期であり、アークの回転速度Ｎは
１０〜２００Ｈ２の範囲で高速に保つ。

また、溶接速度の大きさは各制御点間の距離を一定にす
ることにより、あらかじめ設定された値に保持すること
ができる。

いま、溶接線が２つの教示点Ｐ　　、Ｐ　　間におＳ　
　　　　　　ｅ いて折れ曲っている場合、アークの１回転ごとに、ある
いは上記の溶接ロボットの制御ピッチごとに、溶接速度
を一定に保ちながら溶接進行方向のみを少しずつ変える
ように溶接方向ベクトルの修正を行うのである。この溶
接方向ベクトルの修正を行うのに高速回転アークセンサ
の技術を利用する。

溶接方向ベクトルの修正は次のようにして行う。

アークの１回転ごとに溶接電流■　とアーク電圧Ｅ　並
びに前記Ｃｆ点を基準位置とするアークの回転位置が検
出されているので、検出値■　と基単価ｌ　との差（Ｉ
　　−Ｉ　　）をアークの１回転Ｏａ　　　　　　Ｏ ごとに積分した値（Ｓｌ）をΔＹとし、また検出値Ｅ　
と基準値Ｅ　との差（Ｅ　　−Ｅ　　）をＣｆａ　　　
　　　　　　　　　　　ｏ　　　　　　　　　　　　　
　ａ　　　　　　　。

点を中心とする左右の同−移送角φ（５゜＜φ＜９０°
）の領域についてアークの１回転ごとに積分した値（Ｓ
、−８Ｒ）をΔＸとすると、第３図（ｌλ を参照して制御点ｉにおけるＸ軸及びｙ軸方向の修正量
は、それぞれ Ｘ軸方向修正量＝ｋ　・ΔＸ、・マ Ｘ　　　　　　　　　　１　　　　　　　　ｅｙ軸方向
修正量＝ｋ　・ΔＹ、・ｙ ｙ　　　　　　　　１　　　　　　ｅ で与えられる。ここに、ｋ　　、ｋ　　は制御定数ｘ　
　　　　　ｙ （ゲイン）、３ｉ’　　、７　　はそれぞれＸ軸及びｙ
軸ｅ　　　　　　　ｅ 方向の単位ベクトルである。

したがって、制御点ｉにおける修正された溶接方向ベク
トルＶ、は、前回の制御点（ｉ−１）で修正された溶接
方向ベクトルｖ１−１とこれに垂直なＸ軸及びｙ軸方向
の軌道修正ベクトル、すなわち上記のｋ　・ΔＸ　−父
　と、ｋ　・ΔＹ。

ｘ　　　　ｉ　　　ｅ　　　　ｙ　　　　１ｙ　の３つ
のベクトルを合成した方向ＡＣに向くことになる。そし
て、溶接方向ベクトルｖ１の向きは同じで大きさを最初
に設定された溶接速度の大きさと同一にする必要がある
。したがって、溶接方向ベクトルｖ１は次式で表される
。

（６） ｘ　（ｖｌ−１＋ｋｘ・ΔＸ１　・父。＋に、・ΔＹｉ
−ｙ８）・・・（１） ここに、１ｖｏ　１はあらがじめ設定されたＺ軸方向の
溶接速度である。

しかし、（１）式はあくまで基本式であって、実用上は
、溶接方向ベクトルの修正は直前の数回の溶接方向ベク
トルを加重平均などの処理をして行うこともある。この
場合、実用式は次のようになる。

１− １ｖｏ１＋ｋｘ・ΔＸ１　・マ。十に、・ΔＹ１　・ｙ
８×（ｖｏｉ＋ｋｘ・Δｘ、−’ｒ。＋に、・ΔＹ、−
３’８１・・・（２） （１０） ただし、 （２）式に従ってアーク１回転ごとまたは制御点ごとに
溶接方向ベクトルを修正すれば、その方向の溶接速度の
大きさはあらかじめ設定された２軸方向の溶接速度の大
きさに等しく、かつ各制御点間の距離では前記アークセ
ンサによりＸ軸及びｙ軸方向の倣い制御を自動的に行っ
ているので、溶接線が折れ曲っていても各制御点におい
て少しずつ溶接トーチの進行方向を変えていく。そのた
め、溶接線の屈曲点の位置を改めてティーチングしなく
ても、Ｚ軸方向の一定の溶接方向ベクトルと、その溶接
方向ベクトルに垂直で、かつ高速回転アークセンサによ
り検出されたＸ軸及びｙ軸方向の各検出値から決定され
る軌道修正ベクトルとから大きさ一定で溶接方向のみを
修正することにより、屈曲点の位置から自動的にトーチ
進行方向を変えていく。

（１１） ［実施例］ 以下、本発明の制御方法を図によりさらに具体的に説明
する。

第１図は各制御点における溶接方向ベクトルの修正方法
を示す説明図である。図において、２つの教示点Ｐ　と
Ｐ　はそれぞれ溶接開始点及び終Ｓ　　　　　　　ｅ １点て、溶接ロボットによりあらかじめ教示されている
。この２つの教示点Ｐ　　、Ｐ　　間を、アーＳ　　　
　　　　ｅ り回転速度Ｎを例えば５０Ｈｚとして溶接するものとす
れば、制御ピッチが２０ｍ５の制御点Ｇ１゜Ｇ２．・・
・、Ｇ　が定まる。

第２図は溶接ロボットに取り付けられた溶接トーチの説
明図であり、ロボットアーム２１の先端にＸ軸移動機構
１５を取り付け、さらにＸ軸移動機構１５上にＸ軸移動
機構１１を取り付け、このＸ軸移動機構１１のＸ軸スラ
イドブロック１２に溶接トーチ１を回転可能に支持させ
たものである。

トーチ１の回転はＸ軸スライドブロック１２上に取り付
けられたモータ２により歯車機構８を介して行われる。

アークの回転位置検出器９は、第６図（ｂ）に示すＣ点
を基準にり、Ｃ，Ｒの４ｆ　　　　　　　　　ｒ 点を検出するようになっている。図中、１３はＸ軸ボー
ルネジ、１４はＸ軸モータ、１６はｙ軸ポルネジ、１７
はｙ輔モータである。なお、ｙ軸スライドブロックは図
示されていない。

また、溶接ワイヤ３と被溶接物６の間には給電チップ（
図示せず）を介して溶接回路３０が構成され、溶接電源
３１．溶接電流検出器３２及びアク電圧検出器３３が組
み込まれている。検出器３２により溶接電流Ｉ　を検出
し、検出器３３によりアーク電圧Ｅ　を検出する。

溶接方法は、上記のように構成された高速回転アーク溶
接トーチ１によるアーク溶接であり、アクの１回転ごと
に前述のように溶接電流Ｉ　及びアーク電圧Ｅ　を検出
し、これらの検出値からＸ軸及びｙ軸方向のトーチ位置
の修正量を演算しなから溶接を行う。なお、アーク回転
速度Ｎ＝１０−２００　Ｈｚ　、アーク回転直径Ｄ＝１
〜６ｍｍ。

ワイヤ径は０．８〜１．６ｍｍが適当である。

そこで、再び第１図に戻って説明すると、任意の制御点
ｉにおける溶接方向ベクトルｖ１は、前記（２）式を簡
略化すると次のように表すことができる。

ここに、 Ｖ　：あらかじめ設定された溶接方向ペクトル 冒、二制御点ｉにおけるＣＰ制御ベクトル！、：ｃＰ制
御ベクトルｄ、に垂直な軌道修１　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　１正ベクトル すなわち、軌道修正ベクトル首、は、アークの１回転ご
とに前記ΔＸ　（−８，、−８Ｒ）　、　ΔＹ（−８，
）に基づき決定される値に、それぞれある定数に、ｋ（
ゲイン）を乗じたものであり、ｙ ＣＰ制御ベクトル８１に垂直にＸ軸方向及びｙ軸方向に
与える。そして、溶接方向ベクトルｖ１の方向のみをＣ
Ｐ制御ベクトル官、と軌道修正ベクトル宮、との和（π
　、！、）の方向に修正する１　　　　　　　　　　　
　　　１　　　　　　１＼ ことにより、同一の溶接速度で溶接トーチ１の進行方向
のみを少しずつ変えるようにしている。このような方法
でもって、実際に折れ曲っている溶接線１０の開先を正
確に追従していくことができる。

次に、第４図及び第５図はそれぞれＸ軸及びｙ軸方向の
制御ブロック図である。

第４図において、４１はアークの回転位置検出器で、溶
接１・−チ１の回転角度９０°ごとのアーク回転位置Ｃ
，Ｒ，Ｃ，Ｌの４点（第６図ｆ　　　　　ｒ （ｂ）参照）を検出するようになっている。４２はアー
ク電圧検出器３３によりアーク１回転ごとに検出された
アーク電圧Ｅ　、４３はあらかじめ設定された基準電圧
Ｅ　で、それぞれ差動アンプ４４に入力される。４５は
回転位置検出器４１及び積分領域設定回路４６からの信
号の入力により積分領域を決めるためのスイッチング論
理回路、４７は第６図（ｂ）においてＬ領域３５を積分
するときのスイッチで、スイッチング論理回路４５のＬ
領域指令により動作し、差動アンプ４４にょ（１５） り増幅されたアーク電圧の差信号（Ｅ　　−Ｅ　　）ａ
　　　　　　Ｏ をプラスとして積分器５０に送る。４８は第６図（ｂ）
においてＲ領域３６を積分するときのスイッチで、スイ
ッチング論理回路４５のＲ領域指令により動作し、差動
アンプ４４により増幅されたアーク電圧の差信号（Ｅ　
　−Ｅ　　）を反転器４９ａ　　　　　　Ｏ によりマイナスにして積分器５０に送る。

積分器５０はスイッチング論理回路４５の積分領域指令
によって動作し、両スイッチ４７．４８を通じて入力さ
れる信号をそれぞれ積分し、積分値差（Ｓ　　−５Ｒ）
としてＸ軸修正演算器５１に送る。５２はＸ軸ゲイン設
定器で、あらかじめ設定されたＸ軸ゲインｋ　を演算器
５１に入力し、Ｘ軸方向の修正量ｋ　・ΔＸを算出する
。そして、この値が正のときは溶接トーチをＬ側へ修正
し、負のときにはＲ側へ修正する。５３は溶接トーチ位
置をＸ軸方向に修正するためのＸ軸コントローラである
。

第５図において、５４は溶接電流検出器３２によりアー
ク１回転ごとに検出された溶接電流■　。

／Ｉ　Ａｓ ５５はあらかじめ設定された基準溶接電流■　。

５６は差動アンプ、５７はアーク１回転ごとに溶接電流
の差信号（１−Ｉ　　）を積分する積分器、ａ　　　　
　　Ｏ ５８はスイッチング論理回路で、回転位置検出器４１か
らの信号を受け、その１回転信号ごとに積分器５７を動
作させる。５９はｙ軸修正演算器で、積分器５７による
積分値Ｓ１とｙ軸ゲイン設定器６０によりあらかじめ設
定されたｙ軸ゲインｋ。

とを演算器５９に入力し、ｙ軸方向の修正量ｋ。

・ΔＹを算出する。６１はこの修正量の正負の判定回路
で、その値が正のときは溶接トーチ位置が低いためトー
チを上昇側へ修正する。逆に負のときはトーチをトーチ
位置が高いため下降側へ修正する。６２は溶接トーチ位
置をｙ軸方向に修正するためのＸ軸コントローラである
。

以上の第４図、第５図の回路によりそれぞれＸ軸及びｙ
軸方向の修正量を求め、その修正量を図示しない溶接速
度制御回路に送り、前記（３）式に従って溶接速度が一
定となるようにベクトル制御するのである。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、開先を有する溶接線が折
れ曲っているような被溶接物に対しても、高速回転アー
ク溶接トーチを有する溶接ロボットを用いて、溶接速度
を所定値に保ちつつ溶接進行方向のみを少しずつ変えな
がら、しかもその開先を正確に追従して溶接していくこ
とができるため、溶接品質やビード形状の優れた溶接が
可能になるとともに、ロボットによるティーチング作業
が大いに簡素化できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による開先倣い制御方法の説明図、第２
図は溶接ロボットのアームに取り付けられた溶接トーチ
の構成図、第３図は溶接方向ベクトルの修正方法を示す
原理図、第４図及び第５図はそれぞれ本発明の開先自動
倣い制御方法に用いるＸ軸倣い制御ブロック図及びＸ軸
倣い制御ブロック図、第６図（ａ）、（ｂ）は従来の回
転アークセンサによる開先自動倣い制御方法の説明図、
第７７　（ａ）、（ｂ）は本発明の対象とする折れ曲っ
た溶接線を示す説明図である。 １・・・溶接トーチ　　　３・・・溶接ワイヤ４・・・
アーク　　　　　５・・・開先６・・・被溶接物　　　
１０・・・溶接線Ｐ　・・・溶接開始点（教示点） Ｐ　・・・溶接終了点（教示点） Ｇ　　、Ｇ　　、・・・、Ｇ　・・・制御点Ｌ　　　２
　　　　　ｎ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 高速回転アーク溶接トーチを有する溶接ロボットにより
   、開先を有する被溶接物を溶接する場合において、 （１）溶接アークを１秒間に１０〜２００回の高速で回
   転させながら溶接を行い、 （２）溶接電流Ｉ＿ａ、アーク電圧Ｅ＿ａ　及び溶接進
   行方向前方Ｃ＿ｆ点を基準位置とするアークの回転位置
   をそれぞれ検出し、 （３）前記検出された溶接電流Ｉ＿ａと溶接電流の基準
   値Ｉ＿Ｄとの差（Ｉ＿ａ−Ｉ＿ｏ）を、アークの１回転
   ごとに積分した値をΔＹとし、 （４）さらに前記検出されたアーク電圧Ｅ＿ａとアーク
   電圧の基準値Ｅ＿ｏとの差（Ｅ＿ａ−Ｅ＿ｏ）を、前記
   Ｃ＿ｆ点を中心に左右同一の位相角φ（ただし、５゜＜
   φ＜９０゜）で囲まれる領域、すなわちＬ側（左側）及
   びＲ側（右側）で積分した値の差（Ｓ＿Ｌ−Ｓ＿Ｒ）を
   ΔＸとし、 （５）あらかじめ溶接ロボットに教示されている溶接進
   行方向を、アークの１回転または溶接ロボットの制御ピ
   ッチごとに前記ΔＹの値によって決定される量だけ溶接
   トーチの軸方向に修正するとともに、同時に前記ΔＸの
   値によって決定される量だけ溶接進行方向及び溶接トー
   チの軸方向の両方に垂直な方向（以下、開先幅方向と呼
   ぶ）に修正し、 （６）かつ、溶接速度の大きさを常に所定値に保つこと
   により、 前記開先を自動的に追従しながら溶接を行うことを特徴
   とするアークセンサによる開先自動倣い制御方法。