JPH0518669B2

JPH0518669B2 -

Info

Publication number: JPH0518669B2
Application number: JP58154874A
Authority: JP
Inventors: Shinichi Sarugaku; Yukiro Tsuji
Original assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Keiyo Engineering Co Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi Keiyo Engineering Co Ltd
Priority date: 1983-08-26
Filing date: 1983-08-26
Publication date: 1993-03-12
Also published as: US4587398A; DE3477899D1; EP0139137A1; JPS6046870A; EP0139137B1

Description

【発明の詳細な説明】〔発明の利用分野〕本発明は開先きのある突合せ溶接、あるいは隅
肉溶接等に利用されるものであつて、とくに溶接
トーチに流れるアーク電流を検出し、その溶接ト
ーチの位置を制御する溶接線倣い制御装置に関す
る。

〔発明の背景〕

溶接トーチに流れるアーク電流を検出し、溶接
トーチの位置を所定の溶接線から外れないように
倣い制御することはすでに知られている。

ひとつの具体的な方法はアーク電流の検出値を
予め定めた一定量の基準値と比較し、その結果に
もとずいて溶接トーチの位置を制御するやり方で
ある。もしも、溶接トーチがウイービングするの
であれば、たとえばそのウイービングパターンの
中心におけるアーク電流の検出値を、これに対応
する一定量の基準値と比較し、その結果に基づい
て溶接トーチの位置を制御するやり方である。

別の具体的な方法は溶接トーチのウイービング
に着目したものであつて、ウイービングパターン
の両端におけるアーク電流の検出値を互いに一方
を基準値として相互に比較し、この結果にもとず
いて制御する方法である。これを例えば開先に沿
つた溶接線の右側（左側）に溶接トーチの進路が
逸れれば、ウイービングパターンにおける右端
（左端）のアーク電流が他端のそれよりも大きく
なるという現象を利用したものである。

第１図および第２図は溶接線に倣うよう予め設
定された溶接トーチの移動経路に対し、これをア
ーク電流の検出に基づいて当該溶接トーチの位置
ずれを修正制御する従来の制御系の特性図であ
る。これらの図において、横軸△は偏差であ
り、例えばアーク電流の検出値と予め定めた一定
量の基準値との差、あるいはウイービングパター
ンの中心におけるアーク電流の検出値とこれに対
する基準値との差、もしくはウイービングパター
ンの両端におけるアーク電流検出値との相互の差
がこれに当る。これらの差とは、値の差分である
場合もあるし、比である場合もある。縦軸Ｘは溶
接トーチの修正量である。第１図に示すものは、
偏差△が△０あるいは−△０を超えたとき
初めて溶接トーチに所定の修正を加えるようにし
たものである。この場合、修正量Ｘは常に一定量
ａである。このようなものにおいて、修正量Ｘが
零である偏差△０と偏差−△０との間の帯域
を一般には不感帯と称している。第２図に示すも
のは、偏差△に比例して所定の修正を加えるよ
うにしたものである。この図において、特性線の
傾きGoは制御系の性質により任意に決定可能で
ある。

ところで、シールドガスに炭酸ガスを使用した
ものは、安価であることからその需要も多い。し
かしながら、アーク切れが発生し易いという欠点
があつた。これは特に溶接電流が例えば200〔Ａ〕
以下、あるいは300〔Ａ〕以上といつたアークの安
定度の低い条件において著しい。そこで、このよ
うにアーク切れの発生し易い条件下において、溶
接トーチを第１図あるいは第２図に示すような制
御系で制御する場合について考えてみる。まず、
第２図に示す制御系について考える。第３図、第
４図、第５図はこのための説明図であり、第３図
はウイービング波形、第４図は溶接電流、第５図
は溶接トーチのウイービング中心位置の軌跡を示
す。なお、各々の図は時間軸ｔを同一にしてあ
る。第５図において、時間軸ｔは溶接線WLとみ
なすことができる。第４図においては時間t₁，
t₂，t₃，t₄，t₅でアーク切れが発生している様子
を示してある。また、この場合、ワークの溶接線
WLと、修正なしのときのウイービング中心位置
が一致するように予め設定してあつた。しかし、
第５図に示すように、アーク切れが起こるたびに
制御系は偏差△が生じたものと判断し、a₁，
a₂，a₃のような修正量を溶接トーチに加えてしま
う。この修正が不必要なものであることは、以上
の説明および第３図、第４図、第５図かも明らか
であろう。この現象は第１図に示す特性を有する
制御系を利用した場合も、修正量a₁，a₂，a₃が一
定量ａとなることを除けば同様である。

アーク安定度が低い溶接条件の下においては、
非定常時なアーク切れが発生する。この現象が発
生すると、従来の制御系は、溶接トーチが溶接線
から外れていないにもかかわらず、これによるア
ーク電流の変化により、溶接トーチと溶接線との
相対位置を修正してしまう。したがつて、このよ
うなアーク切れが多く発生する条件下において、
特にこの条件が長時間連続する場合、溶接トーチ
が溶接線WLから大きく外れ、最悪の場合にはこ
れが完全に外れ、溶接線WLの追従が困難になつ
てしまう場合がある。第４図からも明らかなよう
に、アーク切れが生ずると、溶接トーチのアーク
長に対するアーク電流は定常時のそれに比べ大き
く変化する。したがつて、特に第２図に示すよう
な、偏差△に比例した所定量の修正量Ｘを出力
する制御系を利用した場合、溶接トーチと溶接線
WLとは大きく修正され、そのため溶接線WLか
ら溶接トーチが外れる割り合いはかなり高くな
る。

〔発明の目的〕

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の安定度が低
い条件下においても、追従性の良好な溶接線倣い
制御装置を得ることにある。

〔発明の概要〕

上記したように、アーク切れが発生すると、溶
接トーチのアーク状態に対応する電流は、定常溶
接時のそれに比べ大きく変化する。本発明はこの
点に着目して成されたものであり、その特徴とす
るところは、溶接線に倣つて溶接トーチとワーク
をウイービング動作しながら相対的に移動制御す
る移動制御手段と、前記溶接トーチに溶接電力を
供給する電力供給手段と、前記電力供給手段から
前記溶接トーチに供給されるアーク電流をウイー
ビング動作の両端において検出し、これらアーク
電流相互の偏差に対応した所定の修正量を前記移
動制御手段に印加して溶接線倣い位置を修正する
修正制御手段を備えた溶接線倣い制御装置におい
て、前記偏差が予定値を越えることにより、前記
修正量を当該予定値に対応して予め定めた量より
も小さい量に制限する制限手段を備えるようにし
たことにある。

〔発明の実施例〕

以下本発明の一実施例を図を用いて説明する。
第７図は本発明を実施する自動溶接装置の全体図
である。１は制御装置であり、可動部２の各サー
ボモータの制御、及び本発明による制御を実現す
る。可動部２は上下スライド部５、左右移動部
６、前後移動部３、前後移動用レール４とを備
え、各移動部は各々サーボモータによつて駆動さ
れる。溶接系統は電力供給手段としての電源装置
１２、ワイヤ送給装置８、溶接トーチ７とを備え
ている。９はワークであり、１０はこのワーク９
を位置決めするワーク固定台である。前後移動部
３はレール４に沿つて矢印Ｚで示す前後方向に移
動可能であり、左右移動部６は上下スライド部５
に対し矢印ｙで示す上下方向に移動可能で、しか
も矢印Ｘで示す左右方向に移動可能である。可動
部２はこれら各部分を当該部分の駆動源をなす適
当なサーボモータの駆動により、左右移動部６の
先端に取り付けた溶接トーチ７に、その運行、な
いしはウイービングに必要な動きを与える。制御
装置１と電源装置１２とは、信号線１１によつて
接続し、溶接作業中のアーク電流値を制御装置１
に入力し得るように構成してある。ワーク９はそ
の溶接線WLがレール４にほぼ平行になるようワ
ーク固定台１０上に配置する。以上の構成によれ
ば、ワーク９の溶接速度は、前後移動部３の移動
速度により決定される。当該実施例においては、
上下スライド部５、左右移動部６を制御して精度
の良好な溶接を行う。以後説明の便宜上、前記し
た上下方向ｙをＹ軸、左右方向ｘをＸ軸、前後方
向ｚをＺ軸と呼ぶ。

第８図は本発明の主要部を示す制御回路図であ
り、定常状態においては第２図に示す特性を備え
たものについて示してある。以下、この図につい
て説明する。２０は修正手段であり、以下のよう
に構成する。２１はシヤント抵抗であり、これは
第７図における溶接電源１２の内部に組み込まれ
ており、溶接中のアーク電流を制御装置１に適し
た小電圧に変換し、これを当該制御装置１に送
る。２２はローパスフイルタであつて、シヤント
抵抗２１により検出されたアーク電流検出値の中
から、アーク特有の高周波成分をノイズとして除
去する。２３はウイービング信号発生器であり、
一般的には10〔Hz〕以下の低周波発振器が使用さ
れる。このウイービング信号発生器２３は２系統
の出力を持つ。その１つは、出力波形をそのまま
Ｘ軸サーボモータXSに送り、溶接トーチ７にウ
イービング動作を生じさせる。他の１つは、スイ
ツチングロジツク２４に送り、後述する各積分器
の入出力の同期をとる等の用途に使用する。スイ
ツチングロジツク２４はウイービング信号発生器
２３からのウイービツグ信号WSを入力し、これ
を基準にして、第９図に示す所定のタイミング信
号T₁，T₂，T₃，T₄を発生する。２５は基準値設
定器であり、図示しない設定手段と、その設定値
を記憶する記憶装置とを備え、適正な溶接電流値
等に見合つた値を出力する。積分器２６，２７，
２８はスイツチングロジツク２４によつて同期が
とられる。Ｙ軸積分器２６はタイミング信号T₁
が入力されている間、すなわちウイービング波形
WSのほぼ１周期全体に渡つて、検出されたアー
ク電流値の積分を行う。右積分器２７はタイミン
グ信号T₂を入力し、ウイービング波形WSの右端
付近で、一定時間TSだけ積分を行う。左積分器
２８はタイミング信号T₃を入力し、ウイービン
グ左端付近で、同様に一定時間TSだけ積分を行
う。比較器２９及び３０は、基準値設定器２５と
Ｙ軸積分器２６、及び右積分器２７と左積分器２
８の各々の出力値の引き算を行ないこれを偏差△
として出力する。３１，３２はゲート回路であ
り、各々はスイツチングロジツク２４からのタイ
ミング信号T₄を入力し、この信号T₄が入力され
ている間、そのゲートを開き、比較器２９，３０
からの出力信号を通す。３３，３４は増幅器であ
り、各々は倍率GY，GXを有する乗算器で構成
してある。

３５，３６は本発明の主要部である制限手段を
構成するリミツタ回路であり、各々のリミツタ回
路３５，３６は第１０図に示すように構成してあ
る。以下、この図について説明する。４０は基準
値設定器であり、構成は第８図に示す基準値設定
器２５と同様であるが、設定手段にて設定する設
定値に差異がある。すなわち、この場合の設定値
は、定常状態におけるアーク電流値とアーク切れ
が生じた場合におけるアーク電流値とを区別でき
る予定値とする。これは、予め実験等で決定する
ことができる。４１，４２は比較器であり、４
３，４４はダイオードである。前記の説明から理
解できることであるが、増幅器３３，３４からの
出力信号は正負方向に振れる。そこで、増幅器４
１，４２のそれぞれに対し、ダイオード４３，４
４を逆並列に接続し、ダイオード４１によつて正
方向成分を、そしてダイオード４４によつて負方
向成分を抽出する。更に、負方向成分はインバー
タ４５によつて方向を反転する。そして、正方向
成分はゲート回路４６を介して出力し、負方向成
分はゲート回路４７およびインバータ４８を介し
て出力する。比較器４１はダイオード４３の出
力、すなわちアーク電流値の正方向成分が基準値
設定器４０に設定した予定値を越えたか否かを判
定し、越えた場合にはそれに応じた信号を出力
し、ゲート回路４６を閉じる。また、比較器４２
はダイオード４４の出力をインバータ４５で反転
した値が前記予定値を越えたか否かを判定し、越
えた場合にはそれに応じた信号を出力し、ゲート
回路４７を閉じる。ゲート回路４６からの出力は
そのまま、またゲート回路４７の出力はインバー
タ４８を介しリミツタ回路３５，３６の出力とし
て送出される。

増幅器３３，３４からリミツタ回路３５，３６
を介して出力された修正量ｘは、Ｙ軸サーボモー
タYS、Ｘ軸サーボモータXSに各々入力する。Ｙ
軸サーボモータYSは第７図に示す上下スライド
部５内に組み込まれており、指令信号等に応じた
高さに溶接トーチ７を移動駆動する。Ｘ軸サーボ
モータXSは第７図に示す左右移動部６を駆動し、
溶接トーチ７をウイービング操作、およびＸ軸方
向に移動駆動する。なお、図示しないが、サーボ
モータとしては他に前記移動部３を制御装置１か
らの指令信号に基づいて、Ｚ軸方向に移動駆動す
るＺ軸サーボモータを備えている。これらＸ，
Ｙ，Ｚ軸サーボモータは、溶接トーチ７を溶接線
WLに沿つて移動制御する主駆動源を成す。ま
た、第８図においては移動制御手段として、サー
ボモータYS，XSおよびウイービング信号発生器
２３のみしか示していないが、移動制御手段とし
ては従来と同様、溶接トーチ７の移動経路を予め
設定する設定部としての例えば記憶部、当該記憶
部の記憶内容に基づいて各サーボモータを駆動制
御する制御部等が含まれている。更に、第８図に
おいてはリミツタ回路３５，３６の出力を直接サ
ーボモータYS，XSに加えるようにしているが、
これは本来、制御回路を介して各サーボモータ
YS，XSに加わるものであり、これも説明の簡単
化の為、省略して示してあることを理解された
い。

第１０図の説明から明らかなように、リミツタ
回路３５，３６は入力信号をゲート回路４６，４
７を介して出力するようにしている。そして、当
該ゲート回路４６，４７は比較器４１，４２の出
力によつて開閉制御される。したがつて、入力信
号の値が設定器４０に設定した値以内であればゲ
ート回路４６，４７は開かれ、入力信号はそのま
ま出力される。しかしながら、入力信号の値が設
定器４０に設定した値を越えるとゲート回路４
６，４７は閉じられ、入出信号は遮断され、当該
リミツタ回路４６，４７の出力が零となる。第１
１図は当該リミツタ回路３５，３６を組み込んだ
第８図に示す制御回路の制御特性図であり、設定
器４０に設定値₁を設定した場合について示し
てある。設定値₁は前記したように、定常状態
におけるアーク電流値と、アーク切れが生じた場
合におけるアーク電流値とを区別できる予定値で
あり、これは予め実験等で決定可能な値である。
すなわち、本実施例のものによる制御系は、偏差
△が△₁から−△₁までの範囲内においては
第２図のものと同様、偏差△に比例して修正量
ｘは増大する。しかしながら、この範囲を越える
と、すなわちアーク切れが発生すると、修正量ｘ
を強性的に零とする。なお、リミツタ回路３５の
設定器４０の設定値と、リミツタ回路３６の設定
器４０の設定値とは具体的には異なつているが、
これは説明の簡単化のため、以後は同一であると
して説明する。

以下、第３図、第４図、第６図を参照して実施
例のものの動作を説明する。第３図は前記した通
り、ウイービング信号波形であり第８図のウイー
ビング信号発生器２３の出力に対応する。第４図
は溶接電流、すなわちアーク電流波形であり、第
８図におけるローパスフイルタ２２の出力に対応
する。第６は本実施例のものにおける溶接トーチ
７のウイービング中心位置の軌跡を示す。まず、
定常状態において、溶接トーチ７は制御装置１に
予め設定した移動経路情報に基づき、当該制御装
置１によつて移動制御される可動部２により移動
駆動される。ここで、第９図のta時点においてス
イツチングロジツク２４からタイミング信号T₁
が出力されると、Ｙ軸積分器２６はこの信号T₁
により、このta時点からtf時点までの期間、ロー
パルフイルタ２２からのアーク電流を積分する。
右積分器２７はtb時点においてスイツチングロジ
ツク２４からタイミング信号T₂が出力されるこ
とにより、tc時点までの期間Tsの間、ローパス
フイルタ２２からのアーク電流を積分する。同様
に、左積分器２８はtd時点においてスイツチング
ロジツク２４からタイミング信号T₃が出力され
ることにより、teまでの期間Tsの間、ローパル
フイルタ２２からのアーク電流を積分する。以上
のようにして積分されたＹ軸積分器２６の積分値
と基準値設定器２５の設定値、および右積分器２
７の積分値と左積分器２８の積分値とは、常時比
較器２９，３０により比較され、その偏差は常時
出力される。しかしながら、この偏差はゲート回
路３１，３２によつて遮断され増幅器３３，３４
には入力されない。Ｙ軸積分器２６、右積分器２
７、左積分器２８がそれぞれ所定期間におけるア
ーク電流の積分が終了した後のtg時点において、
スイツチングロジツク２４からタイミング信号
T₄が出力されると、ゲート回路３１，３２が共
に開かれ、比較器２９，３０からの出力は増幅器
３３，３４に入力される。そして、増幅された偏
差はリミツタ３５，３６を介してそれぞれＹ軸サ
ーボモータYS、Ｘ軸サーボモータXSに入力さ
れ、偏差に対応した修正量だけ溶接トーチ７が修
正駆動される。ここで、溶接線WLに対し溶接ト
ーチ７がＹ軸方向に所望の距離よりも接近、ある
いは離間すると、設定器２５の設定値とＹ軸積分
器２６の積分値との間に差が生じ、比較器２９は
両者の偏差を検出する。そうすると、この偏差に
基づきＹ軸サーボモータYSが溶接トーチ７のＹ
軸方向の距離を調整し、この調整は偏差が零にな
るよう働らく。また、溶接線WLに対しウイービ
ングパターンの中心位置が右側あるいは左側のい
ずれか一方にずれたとすると、右積分器２７と左
積分器２８との間の積分値に差が生じる。そうす
ると、比較器３０はこの両者の偏差を検出し、こ
の検出値によつてＸ軸サーボモータXSが駆動制
御される。そして、この制御は溶接線WLとウイ
ービングパターンの中心位置とが一致するまで続
けられる。このようにして、溶接トーチ７は溶接
線WLに沿つて倣い制御される。なお、説明にお
いて省略したが、各積分器２６，２７，２８はタ
イミング信号T₄が消失してから、タイミング信
号T₁が立上るまでの間にクリアされることは勿
論である。

以上は、アーク切れが生じない一般的な場合、
すなわち偏差△が第１１図における△₁から
−△₁の範囲内について示した。この場合、増
幅器３３，３４の出力は、設定器４０の設定値
_１を越えないため、ゲート回路４６，４７は共に
開き、当該増幅器３３，３４の出力はリミツタ回
路３５，３６を通り、サーボモータYS，XSにそ
のまま加わる。ここで、第４図のt₁，t₂，t₃，t₄，
t₅時点で示すように、アーク切れが生じたとす
る。そうすると、まず、t₁時点におけるアーク切
れの影響は、第６図に示すようにタイミング信号
t₄が発生するt₄₁時点以後に表われる。t₁時点での
アーク切れにより、設定器２５の設定値とＹ軸積
分器２６の積分値、および右積分器２７の積分値
と左積分器２８の積分値との間には差異が生じ
る。本来ならば、この差に応じ、サーボモータ
YS，XSが制御される。しかしながら、この差は
アーク切れにより発生したものであり、この差は
かなり大きな値となる。すなわち、第１０図にお
ける設定値₁を越えてしまう。比較器４１，４
２はこれを検出し、ゲート回路４６，４７を閉じ
る。したがつて、この偏差に基づく信号はリミツ
タ回路からは出力されず、サーボモータYS，XS
は何ら移動制御されず、過去の状態を推持する。
以下同様に、t₂，t₃，t₄，t₅時点におけるアーク
切れに対しても、リミツタ回路３５，３６が出力
を制限するように働き、これによる偏差は無視さ
れる。すなわち、第６図に示すように、ウイービ
ングパターンの中心位置の軌跡はアーク切れに影
響されず溶接線WLに倣つて運行される。

以上、実施例においては、溶接線WLを有する
ワークを固定とし、この溶接線WLに対し溶接ト
ーチ７を移動制御する場合について説明したが、
これは逆に溶接トーチ７を固定し、溶接線WLを
移動制御するようにしてもよい。又、実施例に示
したものは、偏差△が予定量△₁を越えるこ
とにより、修正量ｘを零とする場合について説明
したが、これは零でなく、偏差に対応する修正量
よりも小さい値であれば充分本発明の効果は達成
可能である。第１２図はその一例を示したもので
あり、偏差△が予定量△₁を越えることによ
り修正量ｘを修正量a₁としたものである。更に、
制限された修正量ｘは常に一定の値でなく、第１
３図に示すように漸減するようにしてもよい。
又、第１４図は修正制御手段の制御特性が不感帯
を備えたものであり、修正制御手段がどのような
特性を有していても本発明の適用は可能である。
この制限された修正量をどのような値、あるいは
特性に選定するかは、本発明を適用する自動溶接
装置あるいはワークの性質等によつて決定される
ものであるが、一般的には零であることが望まし
い。

また、実施例においては、偏差△の絶対値が
予定値₁以下の場合においては偏差△にほぼ
比例して修正量ｘが増大するものについて説明し
たが、これは偏差△の大きさによつて一定の修
正量ｘを出力する第１図のものにもその適用は可
能である。第１５図はこの場合の特性図を示す。
なお、この場合においても、偏差△が予定値
_１を越えたことにより、修正量ｘを零でなく、前
記したような値に選定してもよい。例えば、第１
６図は修正量をa₁に制限する場合について示して
ある。更に、第１７図は修正量ｘを漸減する場合
について示してある。

更に、実施例においては、検出されたアーク電
流と予め定めた基準量との偏差が、予定値を越え
たか否かを、修正制御手段２０の出力位置におけ
る偏差によつて判定するようにした場合について
示したが、これは他の位置、例えばゲート回路３
１，３２の出力部分における偏差を利用してもよ
く、又本発明はそれらの位置に限定されるもので
はない。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ばアーク切れが生じ、これによる偏差が予定値を
越えても溶接トーチの位置修正量は当該予定値に
対応して予め定めた量よりも小さな値に制限され
るため、アークの安定度が低い条件下において
も、追従性の良好な溶接線倣い制御装置を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は従来装置の制御特性図、第３
図はウイービング信号波形図、第４図はアーク電
流波形図、第５図は従来装置のものにおけるウイ
ービング中心位置の軌跡を示す図、第６図は実施
例のものにおけるウイービング中心位置の軌跡を
示す図、第７図は本発明を適用する自動溶接装置
の全体の概略図、第８図は本発明の一実施例を示
すブロツク図、第９図は第８図を説明するための
各部の信号を示すタイムチヤート、第１０図は制
限手段の一例を示すブロツク図、第１１図は実施
例の制御特性図、第１２図、第１３図、第１４
図、第１５図、第１６図、第１７図は本発明の他
の実施例を示す制御特性図である。 WL……溶接線、７……溶接トーチ、１２……
電力供給手段、２０……修正制御手段、２３，
YS，XS……移動制御手段を構成するウイービン
グ信号発生器、Ｙ軸サーボモータ、Ｘ軸サーボモ
ータ、３５，３６……制限手段。

Claims

【特許請求の範囲】１溶接線に倣つて溶接トーチとワークをウイー
ビング動作しながら相対的に移動制御する移動制
御手段と、前記溶接トーチに溶接電力を供給する電力供給
手段と、前記電力供給手段から前記溶接トーチに供給さ
れるアーク電流をウイービング動作の両端におい
て検出し、これらアーク電流相互の偏差に対応し
た所定の修正量を前記移動制御手段に印加して溶
接線倣い位置を修正する修正制御手段を備えた溶
接線倣い制御装置において、前記偏差が予定値を越えることにより、前記修
正量を当該予定値に対応して予め定めた量よりも
小さい量に制限する制限手段を備えたことを特徴
とする溶接線倣い制御装置。２前記制御手段は、前記偏差値が前記予定値を越えることにより、
前記修正量を零に制限することを特徴とする特許
請求の範囲第１項記載の溶接線倣い制御装置。