JPH0630812B2 - 高追従精度ア−クセンシングシステム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、アーク溶接におけるアークセンシングシステ
ムに関する。

〔従来の技術〕

溶接ロボットにおいては、トーチをオシレートしながら
溶接を行い、その際に生ずる溶接電流値の変化を捉え、
溶接線とアーク発生点のズレを判定して修正を行うアー
クセンシングシステムが採用されている。このアークセ
ンシングシステムにおいて、溶接電流を検出する方式と
しては、従来より、次の２種類が採用されていた。

すなわち、その一つは、オシレート両端の溶接電流の平
均値を用いる方式(以下これを「積分方式」と称する)で
ある。他の一つは、溶接電流値のオシレート周波数成分
を抽出して、その値の平均値を用いる方式(以下これを
「抽出方式」と称する)である。前記の積分方式による
システムの例は第５図に示すような構成となっている。

すなわち、第５図において、電流検出器10によって検出
された溶接電流は、ローパスフィルタ11により高周波ノ
イズ成分を除去され、さらにＡ／Ｄ変換器12によってデ
ィジタル化され積分回路13に送られる。積分回路13では
ロボットコントローラ16より出力されるサンプリングタ
イミング指令17を受け取って、そこから一定時間、ディ
ジタル化された検出電流値をサンプリングする。

このサンプリングデータを修正方向判定回路14へ転送す
る。修正方向判定回路14では第６図のフローチャートに
示すような処理を行い、修正信号15をロボットコントロ
ーラ16へ出力する。

次に、第６図のフローチャートに示した修正方向判定処
理について、第４図に示した鋼板２及び３を組み合わせ
た継手を溶接トーチ１を用いて溶接する場合を例に説明
する。以後、鋼板３側のオシレート端をａ、鋼板２側の
オシレート端をｂと称する。

第６図のステップ101で処理がスタートすると、ディジ
タル化された検出電流値を読み込み、ステップ102で
は、ロボットコントローラ16より与えられるサンプリン
グ指令17を始点として一定時間、検出電流値をサンプリ
ングする。このサンプリング指令17はオシレートａ及び
ｂ端のタイミングと一致するようになっているため、結
果的にはステップ103では、オシレートａ端の電流値を
サンプリングすることになる。

ステップ104でも同様に、今度はオシレートｂ端での電
流値をサンプリングする。ステップ105で、この両サン
プリング値の差を演算し、その結果をステップ106で
“０”かどうか判定する。

YESであれば、ステップ107において「溶接線に対するト
ーチ１の軌跡ズレはない」と判断し、軌跡修正は行わな
い。NOであれば、ステップ108で差が負の値かどうかを
判定する。YESであればステップ109でｂ側へズレが生じ
ているとみなし、ａ側へ修正するように信号を出力す
る。NOであれば逆にステップ110でｂ側へ修正をかける
ように、信号を出力する。

以上の処理を終了後、ステップ111でセンシング終了を
判定し、YESであればステップ112で処理を終了し、NOで
あれば再びステップ102により新たなる検出電流値に対
して処理を繰り返すのである。

実際の検出電流波形は、第８図及び第10図に示すように
なっている。

第７図，第９図は、第４図に示した継手を左側面から見
た図で、第７図ではトーチ１のオシレート中心ｃが鋼板
２側へずれた場合を、第９図は継手の角にある場合を示
している。

第８図及び第10図において、９は及び9′はトーチ１の
先端軌跡を示し、７及び7′は理想的な溶接状態での溶
接電流波形である。５は5′はａにおけるサンプリング
データ値に相当する部分、６及び6′はｂにおけるサン
プリングデータ値に相当する部分である。

この５と６及び5′と6′の大きさを比較することによ
り、溶接芯ズレが検出できるのはこの第８図，第10図よ
り明らかである。

次に「抽出方式」について述べる。第８図と第10図を見
比べてみると、第８図即ちオシレート中心ｃが鋼板２側
へズレている場合の検出電流値８の周波数がトーチ１の
先端軌跡９の周波数に等しく、第10図の場合、即ちオシ
レート中心ｃが継手の角に在る場合は、8′が9′の周波
数の２倍であることがわかる。この性質を利用している
のが「抽出方式」である。第11図にこの方式のシステム
構成を示す。

電流検出器10で検出された電流値は、11で高周波ノイズ
を除去され12でディジタル値化される。「抽出方式」で
はこの検出電流値をさらにバンドパスフィルタ20を通
す。このバンドパスフィルタ20より出力されるデータは
オシレート周波数に一致したデータのみで、それ以外の
周波数のデータは全く出力されない。言い換えると、出
力されるデータは第８図の波形８のように、芯ズレのあ
る場合の溶接電流値のみである。

この抽出されたオシレート周波数に一致したデータを、
ロボットコントローラ16より出力される同期タイミング
指令25をもとに、同期整流器21によって同期整流し、そ
の後積分回路22でオシレート1/2同期にわたり積分を行
う。

こうして処理された検出電流値はズレの方向と量を持っ
たデータである。

このデータを修正方向判定回路23で処理し、修正方向の
判定を行い、ロボットコントローラ16へ修正信号24を出
力する。

抽出方式を用いたセンシングシステムのフローチャート
を第12図に示す。説明には、第４図の継手を溶接する場
合を用いる。ステップ201で処理がスタートする。次
に、ステップ202で検出電流値を読み込み、ステップ203
でローパスフィルタ11によって高周波ノイズ除去、ステ
ップ204ではバンドパスフィルタ20によってオシレート
周波数に一致したデータのみを抽出する。ステップ205
で抽出データが０かどうか判定し、YESであれば溶接線の
ずれはないと判断し、ステップ206で「軌道修正なし」
の信号を出力する。NOであれば、ステップ207で同期整
流を行い、ステップ208でオシレート1/2周期の間、デー
タを積分平均化処理する。その後、ステップ209で平均
化処理したデータの符号を調べる。正か否かの判定に対
し、YESであればステップ210でａ側への修正信号を、NOで
あればステップ211でｂ側への修正信号を出力する。ス
テップ212では、センシングの終了を判定し、YESならば
ステップ213で処理を終了し、NOならばステップ202へ戻
って新たな検出電流値の読み込みを行う。第13図，第14
図に各々の検出電流処理波形を示す。

第13図は、第７図に示したような、オシレート中心が鋼
板２側にずれている場合である。オシレート軌跡502中
の一周期501に検出される電流波形503は、502の周波数
に等しいため、バンドパスフィルタ20の通過後も、504に
示す出力波形をもっている。これをある周期タイミング
で同期整流を行った波形が505である。その後、積分平均
化処理を行って、負符号をもった最終的な処理データ506
が得られる。

第14図は、第９図に示したような、オシレート中心が継
手角部と一致している場合である。同様にオシレート軌
跡502′の一周期501′中に検出される電流波形503′
は、502′の２倍の周波数に等しいため、バンドパスフ
ィルタ20を通らず、したがって出力波形も504′のよう
に０のままである。以後の同期整流，積分平均化処理を
行った波形505′，506′も０のままである。

第８図，第10図に検出電流波形の例を示したが、ここに
示されているなめらかな曲線７及び7′は、理想的な溶
接状態を示したもので、実際のアーク溶接中の電流は非
常に不安定である。特に、自動車業界等の薄板を高速で
溶接する場合には、溶接ワイヤと母材が頻繁に短絡を繰
り返すショートアークの溶接条件でなければ、溶接品質
を満足できない。

これらの不安定要因により、実際にアークセンシングシ
ステムに読み込まれる電流値は、第８図の８及び第10図
の８′に示すような非常に多くのノイズ成分を含んだ波
形なる。この波形を、従来の電流検出方式で処理しよう
とすると、以下のような問題が生じる。

まず、積分方式はａ及びｂでの電流値を一定時間サンプ
リングしたら、５又は６の積分平均値の大きさを比較す
ることにより、修正すべき方向の判定を行っている。こ
のため、第８図の８のように、サンプリング中に不安定
要因による電流の変動があっても、そのまま、サンプリ
ング→比較→判定を行い、誤検出が発生し易い。また、
第７図のようにトーチ１が完全にずれている場合は、ａ
及びｂでの電流値にかなりの差があるため、電流変動の
影響は小さいが、第９図のようにトーチ１がほぼ継手角
部にある場合は、ａ及びｂでの電流値にほとんど差がな
くなるため、この変動の影響を大きく受け、はなはだし
い場合には、再び角部より離れていったり、角部を越え
て行き過ぎたりするという現象が発生する。

また、抽出方式においても、同様の変動要因により、第
13図の507のように不規則な波形となり、その結果、検
出電流の見掛けの周波数が変化して、バンドパスフィル
タ20より出力されなかったり、同期整流とのタイミング
に狂いが生じ、誤判断を行うといったことが発生する。

以上述べたように、不安定な溶接電流をサンプリングし
て、修正すべく方向を判定するため、誤検出による判断
ミスによって軌跡精度が悪くなる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来の電流検出法を用いたアークセンシングシステムに
おいて、溶接線への追従精度を悪くしている原因は、前
に述べたように、不安定要因によって変動した、余り信
頼できない検出電流値による判定で、本来修正すべき方
向とは逆方向に軌跡修正を行ってしまうからである。本
発明者等が行った各種実験の結果、一溶接長当たりの修
正判定回数のうち、この誤修正が平均20〜30％にも達す
ることが分かっている。

また、次の表に示すように、この二つの電流検出法は、
電流のレベル変動、移送変動に対して互いの欠点、すな
わち影響を受け易さを補い合う特徴をもっている。

本発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされたも
のであり、溶接電流レベルの変動及び溶接電流位相の変
動に対して共に影響を受けにくく、高い追従精度を確保
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この目的を達成するため、本発明の高追従精度アークセ
ンシングシステムは、トーチをオシレートしながら溶接
し、その際に発生する電流値の変化を捉えてトーチを溶
接線に追従させるアークセンシングシステムにおいて、
電流検出中に発生する電流変動による影響を、方式の異
なる複数の電流検出方式を組み合わせることにより除去
することを特徴とする。

〔作用〕

本発明では、従来、個別に用いられていた二つの電流検
出法を組み合わせ、同じ検出データを処理し、各々によ
って判定される修正信号を比較して一致した信号のとき
のみを有効な修正信号、それ以外を無効とする機能を追
加することにより、不安定要因による電流値変動の影響
を受けて、少なくとも本来と逆方向へ修正をかけること
を防ぐことができる。

また、センシングシステムより出力される修正信号の信
頼性が向上するため、溶接線への追従精度が飛躍的に向
上する。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。

第１図に、本発明によるシステム構成の一例を示す。第
１図において、電流検出器10によって検出された溶接電
流は、ローパスフィルタ11によって高調波ノイズ成分を
除去され、Ａ／Ｄ変換器12によってディジタル信号に変
換される。次の積分回路13では、ロボットコントローラ
16よりサンプリングタイミング指令17を受け、その時点
を起点として一定時間の電流値を積分平均化処理する。
その信号は判定回路14に入力され、修正方向を判断し、
その結果として修正方向信号15を出力する。一方、ハン
ドパスフィルタ20では、Ａ／Ｄ変換器12によってディジ
タル化されたデータより特定周波数成分の信号だけを抽
出し、次の同期整流器21では、ハンドパスフィルタ20の
出力データを、ロボットコントローラ16から転送される
同期タイミング指令25によって同期整流する。積分回路
22は、同期整流されたデータを積分平均化し、修正方向
判定回路23により、修正方向の判定を行って修正方向信
号24を出力する。比較器18では、修正方向判定回路14と
23より出力された修正方向信号15と24とを比較し、これ
によって比較判定されて有効となった修正方向信号19を
ロボットコントローラ16に転送してその指令に基づいて
ロボットの軌跡を修正する。

次に、本発明のシステムの動作を第２図のフローチャー
トを用いて説明する。例として、第４図に示す鋼板２及
び３をＴ字形に組み合わせた継手をトーチ１を用いて溶
接，センシングする場合について述べる。オシレート軌
跡９のうち、鋼板３側の端をａ，鋼板２側の端をｂと呼
ぶことにする。

第４図に示した継手において、溶接，センシング開始点
が、第７図に示すようにａ側にずれていたとする。

第２図のステップ301 よりセンシング処理がスタートす
る。このとき、アーク溶接も同時にスタートする。その
時点より、ステップ302によって溶接電流を検出する。
ステップ303で、その検出データの高周波ノイズ成分を
除去する。そのときの電流波形は、第８図の８に示すよ
うになる。この検出データを、２種類の処理回路に同時
に送り出す。まず片側の処理回路について説明する。送
られてきたデータをステップ304で、オシレート周波数
成分を抽出する。この場合、波形８は波形９の周波数と
一致しているため、第13図の504のような出力が得られ
る。ステップ305で、出力信号が０かどうか判定してい
るが、出力があるので、判定結果はNOである。そこで、
ステップ307で出力を同期整流する。このとき得られる
データは、第13図の505のようになる。次に、ステップ3
08で積分平均化処理を行う。このときの出力データは、
第13図の506に示すようになる。この506の出力データ
は、負の符号をもったデータである。ステップ309にお
いて正か否かの判定を行う。この例では負のデータであ
るため、判定はNOである。このため、ステップ311で、
「ｂ側へ修正をかける」という指令が出力される。

次にもう一方の処理回路について述べる。ステップ303
で処理されたデータを、ステップ312により、第１図の
ロボットコントローラ16より転送される指令17より一定
時間、積分平均化する。ステップ313も同様に、再度転
送される指令17より一定時間の積分平均化が行われる。
このときのデータを概念的に示すと、第８図の５及び６
で表されるデータとなる。ステップ314で、積分平均化
データの差を演算する。積分平均化しているため、第８
図における５と６の面積の差に相当する演算となる。そ
の結果に対し、ステップ315で０か否かの判定を行う。
今回の場合、データ５の方が６の方よりも大きいため、
差は正符号をもっているため、NOとなり、ステップ317
で、さらに負のデータがあるか否かの判定が行われる。
その結果をNOとなり、ステップ319で「ｂ側へ修正をか
ける」という指令が出力される。

両方の処理回路での判定が終了したら、ステップ340
で、修正方向指令が一致しているかどうかの判断を行
う。この場合、一致しているためYESとなり、ステップ3
41で「ｂ側へ修正をかける」という指令が出力される。
ステップ343では、センシング処理が終了しているかど
うかの判定を行い、引き続きセンシング処理を行う場合
は、NOということになり、再び302に戻り、電流の検出
を行う。続けてセンシング処理を行っていき、徐々に軌
跡が修正され、遂に第９図に示すようにオシレート中心
が継手の角に一致したとする。しかし、この場合も、セ
ンシングが続行されれば、検出→処理→判定→修正を繰
り返すこととなる。安定した溶接条件であれば、ステッ
プ302及び303処理後の波形は、第10図の7′のような波
形となるが、不安定要因により8′のような波形が得ら
れたと仮定する。ステップ304〜311の処理で構成される
処理回路、すなわち抽出方式センサにおいては、ステッ
プ304でオシレート周波数成分の抽出を行っても、8′の
波形では、オシレート１周期中に二つのピークを持つ。
すなわちオシレート周波数の２倍となるため抽出され
ず、出力は０である。ステップ305の判定によってYESと
なり、ステップ306で「修正なし」と判断される。一
方、ステップ312〜319で構成される処理回路、すなわち
積分方式センサでは、ステップ312，313により電流値を
積分平均化したデータ(第10図の5′，6′に相当)には不
安定要因の影響で、本来等しいはずの電流値に若干の差
が生ずる。このため、ステップ314で演算した際にＯと
はならず、ステップ315の判定でNOとなり、ステップ317
での判定によりａ又はｂ側への修正信号が出力される。
この例の場合は、見掛け上、データ5′の方が6′より大
きいため、「ｂ側へ修正をかける」という判断になる。
このため、積分方式センサのみの修正方向指令を有効と
すれば、溶接継手の角部を狙っているにも拘らず、ｂ側
へ修正がかかってしまう訳である。

本発明のシステムでは、この後、ステップ304 で、抽出
方式センサの修正方向指令との一致を判定している。こ
の例の場合は、抽出方式センサの処理では「修正しな
い」という指令である。これに対し、積分方式センサで
は「ｂ側へ修正する」という指令であるため、不一致と
みなし、ステップ342で「軌跡修正なし」と出力し、不
適切な修正を行うことを防止できるのである。

第３図は、本発明によるシステムと、従来方式のシステ
ムを用いて、それぞれアークセンシングを実施した場合
の追従精度データの一例である。601は従来システム、6
02は本発明のシステムでの追従精度を示している。

この結果では、本発明のシステムは従来システムより約
40％の性能向上が見られる。

なお、本実施例では、検出電流波形をディジタル化して
処理する例を示したが、波形をそのままアナログ処理す
ることも可能である。また、各検出データ及び途中の処
理データに適切な閾値を設定し、それを越えるデータの
みを有効なデータ、他を無効として追従精度の向上を図
ることも可能である。さらに、電流検出方法として上に
挙げた例以外の方法も採ることが可能である。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明においては、方式の異な
る複数の電流検出方式を組み合わせることにより、電流
検出中に発生する電流変動を除去するようにしている。
これにより、溶接線追従精度の向上を図ることができる
ため、結果として溶接品質の向上、溶接後の手直し工数
の低減に効果がある。

また、信頼性の高い溶接線センシングシステムとしてロ
ボットと組み合わせて使用した場合、ロボットへの教示
作業工数の低減や、軌跡修正工数の低減を図ることがで
きる。さらに、多少の部品精度のバラツキや治具でと保
持位置バラツキがあっても構わないため、部品精度管理
水準引き下げによる歩留まり向上、保持治具の簡素化に
よるコスト低減を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるシステムの構成を示すブロック
図、第２図は本発明のシステムの動作を示すフローチャ
ート、第３図は本発明による効果を従来システムと比較
したグラフ、第４図はＴ字形継手の溶接の例を示す説明
図、第５図は積分方式による電流検出システムのブロッ
ク図、第６図はその動作を示すフローチャート、第７図
はトーチのオシレート中心が一方にずれた場合の説明
図、第８図はそのときの検出電流の様子を示す波形図、
第９図はトーチが継手の角にある場合の説明図、第10図
はそのときの検出電流の様子を示す波形図、第11図は抽
出方式による電流検出システムの構成を示すブロック
図、第12図はそのフローチャート、第13図及び第14図
は、それぞれ第７図及び第９図に示す溶接を行った場合
における検出電流処理を示す波形図である。 １：トーチ、2,3:鋼板

フロントページの続き (72)発明者 粟野 芳朗 愛知県豊田市トヨタ町１番地 トヨタ自動 車株式会社内 (72)発明者 八木 喬 福岡県北九州市小倉北区大手町12番１号 株式会社安川電機製作所小倉工場内 (72)発明者 奥村 信治 福岡県北九州市小倉北区大手町12番１号 株式会社安川電機製作所小倉工場内 (72)発明者 榑林 敏之 福岡県北九州市小倉北区大手町12番１号 株式会社安川電機製作所小倉工場内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トーチをオシレートしながら溶接し、その
   際に発生する電流値の変化を捉えてトーチを溶接線に追
   従させるアークセンシングシステムにおいて、電流検出
   中に発生する電流変動による影響を、方式の異なる複数
   の電流検出方式を組み合わせることにより除去すること
   を特徴とする高追従精度アークセンシングシステム。