JPH06170540A - 溶接ロボットの溶着検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 溶接ロボットの制御装置で、常時溶接ワイヤ
とワークの溶着を検出する。 【構成】 アーク発生中は、外乱推定オブザーバの処理
で外乱推定値Ｔd2を求める（Ｓ３，Ｓ４）。現時点より
前の所定距離Ａにおける外乱推定値の平均Ｔa を求める
（Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７）。該平均Ｔa と求めた外乱推定値
Ｔd2の差δＴが設定基準値Ｔs 以上であると溶着発生信
号を出力する（Ｓ８，Ｓ９，Ｓ１０）。ロボット制御装
置によって常時溶着検出が実行される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、アーク溶接ロボットに
関し、特に、溶接中、溶接ワイヤとワークが溶着したこ
とを検出する溶着検出方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】アーク溶接ロボットでは、アークスター
ト時あるいはアークエンド時又は、溶接ワイヤの供給の
不具合等によってワイヤがワークに溶着するような場合
がある。すなわち、溶接ワイヤが一度溶融しワーク内に
溶け込んだ後、電流やワイヤの送り速度等に不具合があ
り溶融が停止したときなどワークとワイヤが溶着する。
この溶接ワイヤとワークの溶着を検出する方法として
は、従来、溶接開始前、若しくは、溶接終了後、微小電
流を溶接ワイヤとワーク間に流すように電圧を印加し
て、電流が流れなければ、溶着が生じていないとし、電
流が流れるようであれば、溶着が生じているとして検出
していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の方法で
は、溶接開始前、又は溶接終了後においてしか溶着を検
出できない。また、溶着が発生しロボットが停止する
と、その復旧作業が非常に煩わしく、作業効率を低下さ
せる原因になる。そこで、本発明の目的は、溶接用ロボ
ット自体が溶着を検出でき、且つ、溶接中においても検
出できる溶接ロボットの溶着検出方法に関する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明は、外乱推定オブ
ザーバによって、溶接ロボットの各軸を駆動する各サー
ボモータに加わる外乱トルクを所定周期毎推定し、当該
周期より直前の設定数の周期における外乱推定値、若し
くは当該周期の位置までサーボモータが所定移動量移動
する間の外乱推定値の平均値を求め、当該周期で求めら
れた外乱推定値と上記平均値との差が設定値以上のとき
溶着検出信号を出力するようにした。

【０００５】

【作用】外乱推定オブザーバによって、溶接ロボットの
各軸を駆動する各サーボモータに加わる外乱トルクを推
定する。この外乱推定値はモータにかかる外乱での推定
値であり、溶接ワイヤとワークが溶着し、ロボットの移
動に大きなトルクを必要とするような場合には、この推
定値も増大する。そのため、この外乱推定値を監視して
おれば、溶着は検出できるものとなる。しかし、モータ
にかかる力は、ロボットの位置、姿勢、移動方向等によ
って重力の影響が出てくるので、単に外乱推定値の大き
さのみを監視していても溶着を検出できない、若しく
は、誤検出を行う恐れがある。

【０００６】そこで、本発明は、外乱推定値を検出した
当該周期より、直前の所定数の周期における検出外乱推
定値の平均、若しくは、当該周期の位置までサーボモー
タが所定移動量移動する間の外乱推定値の平均を求め
る。この平均値は、当該周期におけるロボットの位置、
姿勢におけるモータにかかる重力の影響を考慮された外
乱の推定値であり、ワークと溶接ワイヤが溶着していな
ければ、当該周期で検出した外乱推定値はこの平均値と
大きく変らない。しかし、溶着が生じると、検出外乱推
定値と上記平均値との差は大きなものとなる。そこで、
この差が設定値以上になると溶着発生として溶着検出信
号を出力するようにする。

【０００７】

【実施例】図３は本発明の一実施例のアーク溶接ロボッ
トの制御系のブロック図である。１はロボットを制御す
る制御装置で、該制御装置１から移動指令，アーク溶接
中などの各種制御信号が共有メモリ２を介してディジタ
ルサーボ回路３に出力される。ディジタルサーボ回路３
は、プロセッサ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等で構成され、位置、
速度等のサーボ制御をディジタル的に制御し、トランジ
スタインバータ等で構成されるサーボアンプ４に電流指
令を出力し各軸のサーボモータ５を制御するものであ
る。さらに、本発明においては、このディジタルサーボ
回路３のプロセッサによってサーボモータにかかる外乱
を推定する外乱推定オブザーバの処理を実行する。ま
た、６は位置、速度を検出する位置速度検出器でサーボ
モータのモータ軸に取り付けられたパルスコーダ等で構
成され、ディジタルサーボ回路３に位置、速度フィード
バック信号を出力している。なお、図３には１軸のサー
ボ系のみを記載しているが、共有メモリ２以降のディジ
タルサーボ回路３、サーボアンプ４、サーボモータ５、
位置速度検出器６の構成は各軸毎に同様な構成を有して
おり、これらの構成は、従来から公知のディジタルサー
ボ回路の構成と同一である。

【０００８】また、ロボツト制御装置１はアーク溶接機
の制御装置に接続され溶接機もロボット制御装置で制御
されるようになっている。なお、上記構成は、ディジタ
ルサーボ回路によってサーボモータを駆動制御する従来
の溶接用ロボットの構成と同一である。

【０００９】図４は、上記ディジタルサーボ回路３で制
御するサーボ制御系の１実施例のブロック線図であり、
この実施例では、位置に対し比例（Ｐ）制御を行い、速
度に対し比例，積分（ＰＩ）制御を行う例を示してい
る。伝達関数１０のＫP は位置ループにおける比例ゲイ
ン、伝達関数１１は速度ループにおける前置補償器の伝
達関数で、Ｋ1 は積分定数、Ｋ2 は比例定数である。ま
た、伝達関数１２，１３はモータの伝達関数で、Ｋｔは
トルク定数、Ｊはイナーシャであり、伝達関数１４は速
度ｖを積分して位置θを算出する伝達関数である。ま
た、ＴL は外乱トルクである。

【００１０】位置指令値θｒから位置速度検出器６で検
出される現在位置θのフィードバック値を減算し、その
差の位置偏差ε（＝θｒ−θ）に比例定数ＫP を乗じ、
速度指令値ｖｒを求め、該速度指令値ｖｒと位置速度検
出器６で検出される実速度ｖとの差（速度偏差）によっ
てＰＩ制御を行ってトルク指令値としての電流指令値ｕ
を求め、該電流指令値ｕによって電流を制御してモータ
を駆動する。モータは速度ｖで回転し、この速度ｖを積
分して位置θが求められる。

【００１１】この図４に示すサーボモータの制御系に対
し、外乱推定オブザーバを組むと、図５に符号５０で示
すようなブロック図となる。図５において、記号１２は
図４に示すサーボモータのトルク定数Ｋｔの伝達関数、
１３ａ，１３ｂは図４における伝達関数１３を分割し、
イナーシャＪの伝達関数１３ａと積分項１３ｂに分けた
ものである。図５において、ｕは入力としてのトルク指
令、ｖ，ＴL は状態変数としての速度，外乱トルクを意
味する。

【００１２】外乱推定オブザーバ５０の項５２，５３の
Ｋ3 ，Ｋ4 は外乱推定オブザーバのパラメータであり、
項５１は実際にサーボモータに出力されるトルク指令と
しての電流指令ｕに乗じるパラメータの値で、モータの
トルク定数ＫｔをイナーシャＪで除した値に対応する値
である。５４は積分項である。

【００１３】この図５のブロック図を解析すると、 {ｕ・Ｋt ＋ＴL }（１／Ｊ・Ｓ）＝ｖ …（１） {ｕ・ (Ｋt ／Ｊ) ＋ (ｖ−ｖａ) Ｋ3 ＋ (ｖ−ｖａ)(Ｋ4 ／Ｓ)} (１／Ｓ) ＝ｖａ …（２） （なお、ｖａは積分項５４の出力で推定速度）第（１）
式より ｕ＝（ｖ・Ｊ・Ｓ−ＴL ）／Ｋｔ …（３） 第（２）式に第（３）式を代入し整理すると、 （ｖ・Ｊ・Ｓ−ＴL ）／Ｊ＋（ｖ−ｖａ）Ｋ3 ＋（ｖ−ｖａ）（Ｋ4 ／Ｓ）＝ｖａ・Ｓ …（４） Ｓ（ｖ−ｖａ）＋（ｖ−ｖａ）・Ｋ3 ＋（ｖ−ｖａ）（Ｋ4 ／Ｓ）＝ＴL ／Ｊ …（５） 第（５）式より ｖ−ｖa ＝（ＴL ／Ｊ）（１／［Ｓ＋Ｋ3 ＋（Ｋ4 ／Ｓ）］ …（６） 上記第（６）式より項５３の出力Ｔd1は次の第（７）式
で示される。

【００１４】 Ｔd1＝（ｖ−ｖa ）・（Ｋ4 ／Ｓ） ＝（ＴL ／Ｊ）・Ｋ4 ／（Ｓ² ＋Ｋ3 ・Ｓ＋Ｋ4 ） …（７） 第（７）式において、パラメータＫ3 ，Ｋ4 を極が安定
するように選択すると、Ｔd1＝ＴL ／Ｊと近似すること
ができ、該値Ｔd1（＝ＴL ／Ｊ）に項５６のパラメータ
Ｊ・Ｂ（Ｊはイナーシャ，Ｂは単位系を合わせるための
定数）を乗じれば外乱トルクＴL に略等しい外乱推定値
Ｔd2が推定される。本発明では、上記外乱推定値Ｔd2に
よって溶接ワイヤとワークの溶着を判断するようにす
る。

【００１５】図１は上記ディジタルサーボ回路３のプロ
セッサが位置速度ループ処理周期毎に位置、速度ループ
処理を実行すると共に、上記外乱推定オブザーバの処理
を実行し溶着を検出する処理のフローチャートである。

【００１６】ディジタルサーボ回路３のプロセッサはロ
ボット制御装置１から共有メモリ２を介して出力される
移動指令より位置・速度ループ処理周期毎の移動指令θ
ｒを求め（ステップＳ１）、サーボモータに取付けられ
た位置速度検出器６によって検出される現在位置（位置
のフィードバック値）より、従来と同様に位置ループ処
理を行って速度指令ｖｒを算出する（ステップＳ２）。
次に、ロボット制御装置１からアーク溶接中の信号が送
られているか否か判断する（ステップＳ３）。ロボット
制御装置１は溶接機の制御装置７に溶接指令を出したと
きには、同時に共有メモリ２にアーク溶接中を示す信号
を書き込み、溶接が終了すると、この信号を消す。ディ
ジタルサーボ回路３のプロセッサはこのアーク溶接中信
号が共有メモリ２に書き込まれているか否かによってア
ーク中か否か判断する。

【００１７】アーク中でなければ、外乱推定トルクの過
去の値を記憶するレジスタＴ0 〜Ｔn の値をクリアし
（ステップＳ１３）、ステップＳ２で求めた速度指令Ｖ
r と位置速度検出器６で検出される実速度より速度ルー
プ処理を実行しトルク指令ｕを求め電流ループに引き渡
すと共に、該トルク指令ｕをレジスタＲ（ｕ）に記憶し
（ステップＳ１１，Ｓ１２）、当該位置、速度ループ処
理周期の処理を終了する。

【００１８】一方、ステップＳ３でアーク中であること
が検出されると、プロセッサは、後述する外乱推定オブ
ザーバの処理を実行し外乱推定値Ｔd2を求める（ステッ
プＳ４）。そして、レジスタＴ0 〜Ｔn に記憶する外乱
トルクの推定値をシフトする。すなわち、レジスタＴn-
1 に記憶する値をレジスタＴn に格納し、レジスタＴn-
2 に記憶する値をレジスタＴn-1 に格納する。以下同様
に、順次レジスタの値をシフトし、レジスタＴ0 に記憶
する値をレジスタＴ1 に格納する。さらに、レジスタＴ
0 には、ステップＳ４で求めた外乱推定値Ｔd2を格納す
る（ステップＳ５）。

【００１９】そして、設定値Ａを位置速度検出器６で検
出された実速度ｖで除した値の整数値ｍを求め、レジス
タＴ1 からこの整数値ｍの数に等しいレジスタの数ま
で、各レジスタが記憶する値を加算し（Ｔ1 ＋Ｔ2 …＋
Ｔm ）、この加算値を上記整数値ｍで除して平均値Ｔa
を求める（ステップＳ６，Ｓ７）。すなわち、ステップ
Ｓ６，Ｓ７で使用するＡの値は、サーボモータの当該時
点における位置よりＡの距離だけ前の距離にあり、この
距離Ａを速度ｖで移動し、その間で得られた外乱推定値
の値がレジスタＴ1 〜Ｔm に記憶されていることになる
から、これらの値を加算し、整数値ｍで割って求められ
る値Ｔa は、現時点より過去の距離Ａを当該時点におけ
る速度ｖで移動したとき、生じた外乱推定値の平均値を
表すことになる。次に、求められた当該周期の外乱推定
値Ｔd2から外乱推定値の過去の移動距離Ａの区間におけ
る外乱推定値の平均値Ｔa を減じた値の絶対値δＴを求
め（ステップＳ８）、この値δＴが設定されている基準
値Ｔs 以上か否かによって溶着発生か否か判断する（ス
テップＳ９）。

【００２０】ロボットの位置や姿勢、及び走行方向によ
って重力の影響でモータにかかる負荷である外乱は変動
するが、直前ｍ個の外乱推定値の平均値Ｔa と当該周期
で求めた外乱推定値Ｔd2との差δＴによって溶着発生か
否かを判断するので、上記差δＴは重力の影響を少なく
するように補正したものとなるから、重力の影響を少な
くして溶着をより正確に検出することができる。そし
て、ステップＳ９で上記差δＴが基準値Ｔs より小さ
く、外乱は大きく変化していない場合、溶着は発生して
いないとしてステップＳ１１に移行する。しかし、上記
差δＴが基準値Ｔs 以上であると溶着発生として検出
し、溶着検出信号をロボット制御装置１に共有メモリ２
を介して出力し（ステップＳ１０）、ステップＳ１１に
移行する。

【００２１】溶着検出信号を受信したロボット制御装置
１は、例えば溶接器の制御装置７にに溶着発生時におけ
る電流指令を出力し、短い時間大電流を流し、溶着を解
除させるようにする。

【００２２】図２は、上記ステップＳ４で実行する外乱
推定オブザーバの処理である。この外乱推定オザーバの
処理は、まず、位置速度検出器６からの実速度ｖを読み
とり（ステップＳＢ１）、該実速度ｖから前周期で求め
レジスタに記憶する推定速度ｖa を減じた値に、位置、
速度ループ処理周期ｔ0 及びオブザーバの積分ゲインと
して設定されているパラメータＫ４を乗じた値を、前周
期までに求められアキュムレータに記憶するＴd1の値に
加算してアキュムレータに記憶する。すなわち、図５に
おける要素５３の処理を実行する（ステップＳＢ２）。

【００２３】次に、レジスタＲ（ｕ）に記憶するトルク
指令ｕの値にトルク定数をイナーシャで除した値（Ｋｔ
／Ｊ）に対応するパラメータ値を乗じた値に、上記ステ
ップＳＢ２で求めたＴd1の値、さらに、実速度ｖからレ
ジスタに記憶する推定速度ｖa を減じた値にオブザーバ
の比例ゲインとして設定されているパラメータＫ３の値
を乗じた値を、速度推定値ｖa に加算し、新しい速度推
定値ｖa としてレジスタに格納する（ステップＳＢ
３）。すなわち、図５における要素５１，５２の処理
と、これらの処理によって得られた値、及び要素５３の
処理によって得られた値を加算して要素５４の処理によ
り累積し（積分し）、推定速度ｖa を求める処理を行う
ものである。そして、ステップＳＢ２で求めた値Ｔd1に
設定されイナーシャＪに定数Ｂを乗じた値を乗じて当該
周期における外乱推定値Ｔd2を求めて（図５の要素５６
の処理）（ステップＳＢ４）、図１のメインルーチンに
復帰する。

【００２４】以上が、位置、速度ループ処理周期毎、デ
ィジタルサーボ回路３のプロセッサが実施するオブザー
バ処理をも含めた位置、速度ループ処理である。

【００２５】なお、上記実施例では、外乱推定値の平均
値を現時点より過去の設定距離Ａにおける外乱推定値の
平均としたが、単に現時点より前の所定数の外乱推定値
の平均として平均値を求めてもよい。この場合は、速度
を考慮しないことになるから、精度が低下する恐れがあ
る。

【００２６】

【発明の効果】本発明においては、アーク溶接中、常時
溶着発生を監視しているので、溶着が発生した場合、そ
の溶着を解除させるための処理を直ちに実行することが
でき、ロボットによる溶接作業の非常停止を極力防止す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の位置、速度ループ処理のフ
ローチャートである。

【図２】同実施例における外乱推定オブザーバ処理のフ
ローチャートである。

【図３】同一実施例の制御系のブロック図である。

【図４】同実施例における位置・速度ループのブロック
線図である。

【図５】同実施例のおける外乱推定オブザーバのブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１ ロボット制御装置 ２ 共有メモリ ３ ディジタルサーボ回路 ４ サーボアンプ ５ サーボモータ ６ 位置、速度検出器 ７ 溶接器の制御装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定周期毎外乱推定オブザーバによっ
   て、溶接ロボットの各軸を駆動する各サーボモータに加
   わる外乱トルクを推定し、当該周期より直前の設定数の
   周期における外乱推定値の平均値を求め、当該周期で求
   められた外乱推定値と上記平均値との差が設定値以上の
   とき溶着検出信号を出力するようにした溶接ロボットの
   溶着検出方法。
2. 【請求項２】 所定周期毎外乱推定オブザーバによっ
   て、溶接ロボットの各軸を駆動する各サーボモータに加
   わる外乱トルクを推定し、当該周期の位置までサーボモ
   ータが所定移動量移動する間の外乱推定値の平均値を求
   め、当該周期で求められた外乱推定値と上記平均値との
   差が設定値以上のとき溶着検出信号を出力するようにし
   た溶接ロボットの溶着検出方法。