JPH11179542A - 溶接機におけるデータサンプリング方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接トーチ実際位置が測定不能なパルス指令
方式のサーボ制御を用いた場合でも、溶接トーチ実際位
置に同期したデータのサンプリングが可能な、溶接機に
おけるデータサンプリング方法を可能にする。 【解決手段】 コントローラ１からは指令軌跡の変化分
に対応する指令パルスがサーボアンプ２に与えられる。
サーボアンプ２は、この指令に応じてサーボモータ５を
駆動する。一方、指令パルスは指令値カウンタ７にも与
えられ、指令値が計算される。指令値カウンタ７の内容
は指令軌跡に対応している。実位置演算手段８は、指令
値カウンタ７の内容を基に、溶接トーチの実際位置を計
算する。計算された溶接トーチの位置はデータサンプリ
ング手段９に与えられる。データサンプリング手段９
は、与えられた溶接トーチ位置に同期して、従来技術と
同様の方法により、溶接電流、溶接電圧等のサンプリン
グを行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶接機におけるデ
ータサンプリング方法に関するものであり、特に、パル
ス指令方式のサーボ制御を用い、溶接の進行方向に対し
て左右に溶接トーチをウィービングさせて行う溶接方法
において、溶接トーチのウィービング位置に同期させて
溶接データをサンプリングする方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】パイプの円周方向のシームを自動で溶接
する溶接機の構成の例を図２に示す。図２において、パ
ーソナルコンピュータ２１は、自動溶接のためのＣＡＤ
データを作成するためのものであり、作成されたデータ
はフレキシブルディスク２１ａに記録される。制御装置
２２は、自動溶接の実質的な制御（電源及びトーチ位置
等の制御）を行うためのものであり、フレキシブルディ
スク２１ａからＣＡＤデータを読み込む。そして、制御
装置２２は、この読み込んだデータを用いて実際の溶接
条件を設定し、設定された条件に対応して、ロジックテ
ーブルに予め記録されたデータにより各種溶接パラメー
タを設定する。

【０００３】さらに、この制御装置２２では、設定され
た溶接パラメータを実際の溶接の制御に用いるＮＣ言語
に変換し、変換した言語を制御データとして制御テーブ
ルの形で内部のメモリに記録する。そのメモリに記録さ
れた制御データを用いて、電源装置２３、及び溶接ヘッ
ド２４を駆動制御すると共に、パルス電圧波形及びパル
ス電流波形の計測・解析値を用いてアーク倣い関連補正
を行う構成となっている。なお、制御装置２２の主な制
御項目は、溶接ヘッド２４の溶接の電圧、電流、及び溶
接ヘッド２４に搭載された溶接トーチ２７の、パイプ開
先３０に対するウィービング、溶接ヘッド２４の移動速
度等である。

【０００４】溶接ヘッド２４は、電源装置２３と送電ケ
ーブル２８で接続され、パイプ外周に巻き付けられたガ
イドレール２９上に、円周方向に移動可能に装着され
る。溶接ヘッド２４には、溶接トーチ２７に対して溶接
ワイヤを供給するワイヤ供給部２６が搭載されている。

【０００５】図３に、制御装置２２、電源装置２３、溶
接ヘッド２４、パイプ２５間の電気的な接続関係を示
す。図から分かるように、電源装置２３からは、送電ケ
ーブル２８を介して、溶接ヘッド２４のワイヤ３１とパ
イプ２５との間にパルス溶接電圧が印加されるようにな
っている。これにより、ワイヤ３１とパイプ２５表面と
の間にアークが発生する。ワイヤ３１は一定速度で送ら
れ、アークにより溶かされて溶着金属となり、パイプ開
先３０内で固まり、母材を構成する。

【０００６】図４に、溶接ヘッド２４の詳細図を示す。
溶接ヘッド２４は、パイプ外周上の位置（時分で示す）
Ｘ軸、溶接トーチ２７のウィービングの開先部幅方向
（パイプ軸方向）Ｙ軸、及び溶接高さ方向（パイプ半径
方向）Ｚ軸、及び溶接トーチ旋回軸の各軸についてサー
ボ機構を備え、これら４軸は制御装置２２により制御さ
れている。ウィービングは２次元ウィービングである。
即ち、溶接トーチ２７を溶接進行方向（Ｘ軸）に対して
直交するＹ軸方向及びＺ軸方向に、開先部に沿って移動
させている。

【０００７】溶接を自動で行うために、いろいろな自動
制御が行われている。その代表的なものを以下に示す。

【０００８】＜溶接速度制御＞溶接ヘッド２４のパイプ
円周方向（Ｘ軸方向）への進行速度が、プリセットされ
た値になるように制御を行う。具体的には、Ｘ軸方向駆
動モータの速度を、プリセット値に制御する。

【０００９】＜上下アーク倣い＞上下アーク倣いは、指
令電流値と計測した電流値が一致するように、溶接トー
チ２７の上下方向位置を補正するものである。電流値が
指令電流値よりも高くなったときは、溶接トーチ２７が
低すぎてワイヤ突き出し長さが短くなっているものと判
断し、溶接トーチ２７を上げる。逆に、電流値が指令電
流値よりも低くなったときは、溶接トーチ２７が高すぎ
てワイヤ突き出し長さが長くなっているものと判断し、
溶接トーチ２７を下げる。

【００１０】＜アーク電圧調整（アーク長補正）＞アー
ク電圧調整は、溶接作業時の環境条件によるアーク電圧
の変動を吸収するために、アーク電圧を自動調整するも
のである。具体的には、アークショート時間率が設定さ
れた値となるように電圧指令を調整する。アークショー
トとは、溶接ワイヤと母材や溶融金属との間隔が短くな
りすぎて、両者の間に短絡（ショートが生じた状態のこ
とである。

【００１１】＜左右アーク倣い＞左右アーク倣いは、溶
接トーチ２７のウィービング中心が正確にパイプ開先３
０中心を通るようにするものであり、左右電流値が均等
になるように溶接トーチ２７中心位置をずらす制御を行
うものである。ウィービングの中心がパイプ開先３０中
心に対してずれると、左右端で開先壁との間隔が異な
り、これにより左右端での電流値が異なるようになる。
よって、この電流値の差を検出することにより、ウィー
ビングの中心のずれを検出することができる。従って、
左右端での電流値の差を無くすようにウィービングの中
心位置を調整する。

【００１２】これらの制御、特に左右アーク倣い制御を
行うための溶接機データ（溶接電流、溶接電圧、アーク
ショート時間、アークショート率等）のサンプリング
は、溶接トーチの位置に同期して行っている。その例を
図５に示す。

【００１３】図５において、横軸は時間、縦軸はＹ軸、
即ち開先幅方向の位置である。実線は溶接トーチ位置の
指令値の軌跡である指令軌跡、破線は実際の溶接トーチ
位置の軌跡であるサーボ軌跡である。図５の例では、ウ
ィービング幅（Ｙ軸方向の移動範囲）を、右端、右、中
心、左、左端の５区間に分けて、各区間毎に各種データ
のサンプリングを行っている。

【００１４】図５にも示されているように、溶接トーチ
の移動指令に対するサーボ機構の応答の遅延に起因し
て、サーボ軌跡は指令軌跡に遅れて追従すると共に、振
幅も指令軌跡より小さくなっている。よって、溶接トー
チの実際位置が計測可能であるサーボ系においては、溶
接トーチの実際位置を計測し、それを基準にして溶接ト
ーチが前記区間のどこにあるかを判断し、データのサン
プリングを行っている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、パルス
指令方式のサーボ制御機構においては、溶接トーチの実
際位置の計測を行っていない。パルス指令方式のサーボ
制御機構の制御ブロック図の例を図６に示す。コントロ
ーラ４１からは指令軌跡の変化分に対応する指令パルス
がサーボアンプ４２に与えられる。サーボアンプ４２は
カウンタ４３を有しておりこのパルスを計数する。カウ
ンタ４３の値がＤ／Ａ変換器４４によりアナログ値とさ
れてサーボモータ４５に与えられる。

【００１６】サーボモータ４５の動きはパルス発信器４
６により検出され、そのパルスはフィードバックパルス
としてカウンタ４３に入力される。指令パルスとフィー
ドバックパルスのカウント方向は逆になっているので、
指令パルスの数とフィードバックパルスの数が一致した
時点、即ち指令パルス分だけサーボモータ４５が回転し
た時点でカウンタ４３の値がゼロとなってサーボモータ
４５が停止する。

【００１７】このようなサーボ制御系においては、サー
ボモータの回転量の絶対値、即ち溶接トーチのウィービ
ング量の実際値を検出することができない。よって、前
記のように、溶接トーチの実際の位置に同期してデータ
のサンプリングを行うことができないという問題点があ
る。指令軌跡はコントローラ４１で把握することが可能
であるので、指令軌跡に同期させてデータのサンプリン
グを行うことも考えられるが、図６に示すように、指令
軌跡とサーボ軌跡は一致していないので、サンプリング
の誤差が発生することは避けられない。

【００１８】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、溶接トーチ実際位置が測定不能なパ
ルス指令方式のサーボ制御を用いた場合でも、溶接トー
チ実際位置に同期したデータのサンプリングが可能な、
溶接機におけるデータサンプリング方法を可能にするこ
とを課題とする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、パルス指令方式のサーボ制御を用い、
溶接の進行方向に対して左右に溶接トーチをウィービン
グさせて行う溶接方法において、溶接トーチのウィービ
ング位置に同期させて溶接データをサンプリングするに
際し、溶接トーチの位置指令値から溶接トーチ実際位置
を予測し、予測された溶接トーチ実際位置に基づいてデ
ータサンプリングのタイミングを決定することを特徴と
する溶接機におけるデータサンプリング方法（請求項
１）である。

【００２０】本手段においては、溶接トーチの位置指令
値から溶接トーチの実際位置を予測する。即ち、位置指
令値の変化に対する溶接トーチ実際位置の追随性を、解
析的又は実験的に求め、例えば伝達関数の形で両者の関
係付けを行う。そして、実際の位置指令値（指令軌跡）
に対して伝達関数演算を行う等により、溶接トーチの実
際の位置の時間的変化（サーボ軌跡）を計算して予測す
る。そして、予測された溶接トーチ実際位置に基づいて
データサンプリングのタイミングを決定するので、溶接
トーチの実際位置検出ができなくても、溶接トーチの実
際位置に同期したデータサンプリングができる。

【００２１】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、溶接トーチの位置指令に対す
る溶接トーチ実際位置の応答遅れが一次遅れであるとし
て、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とするも
の（請求項２）である。

【００２２】一般に、指令軌跡に対するサーボ軌跡の遅
れは、一次遅れで近似できる。よって、溶接トーチの位
置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが一次遅
れであるとして溶接トーチ実際位置を予測すると、演算
が簡単になり、かつ正確に溶接トーチ実際位置を予測す
ることができる。

【００２３】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段であって、溶接トーチの位置指令に対す
る溶接トーチ実際位置の応答遅れが一次遅れと無駄時間
であるとして、溶接トーチ実際位置を予測することを特
徴とするもの（請求項２）である。

【００２４】指令軌跡に対するサーボ軌跡の応答遅れを
一次遅れと無駄時間が結合したものとして、これに基づ
いて溶接トーチ実際位置を予測すると、それほど演算を
複雑にすることなく、前記第２の手段に比べて、溶接ト
ーチ実際位置をより正確に予測することができる。

【００２５】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第１の手段であって、溶接トーチの位置指令に対す
る溶接トーチ実際位置の応答遅れが二次遅れであるとし
て、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とするも
の（請求項４）である。

【００２６】指令軌跡に対するサーボ軌跡の応答遅れを
二次遅れとして、これに基づいて溶接トーチ実際位置を
予測すると、それほど演算を複雑にすることなく、前記
第２の手段に比べて、溶接トーチ実際位置をより正確に
予測することができる。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の例を示
すブロック図である。図１において、１はコントロー
ラ、２はサーボアンプ、３はカウンタ、４はＤ／Ａ変換
器、５はサーボモータ、６はパルス発信器、７は指令値
カウンタ、８は実位置演算手段、９はデータサンプリン
グ手段である。

【００２８】コントローラ１からは指令軌跡の変化分に
対応する指令パルスがサーボアンプ２に与えられる。サ
ーボアンプ２はカウンタ３を有しており、カウンタ３の
値がＤ／Ａ変換器４によりアナログ値とされてサーボモ
ータ５に与えられる（実際には、Ｄ／Ａ変換器の後に速
度制御装置、電力増幅器が設置されているが、これらの
図示及び説明は省略する）。

【００２９】サーボモータ５の動きはパルス発信器６に
より検出され、そのパルスはフィードバックパルスとし
てカウンタ３に入力される。指令パルスとフィードバッ
クパルスのカウント方向は逆になっているので、指令パ
ルスの数とフィードバックパルスの数が一致した時点、
即ち指令パルス分だけサーボモータ５が回転した時点で
カウンタ３の値がゼロとなってサーボモータ５が停止す
る。

【００３０】一方、指令パルスは指令値カウンタ７にも
与えられ、指令値が計算される。指令値カウンタ７の内
容は指令軌跡に対応している。実位置演算手段８は、指
令値カウンタ７の内容を基に、溶接トーチの実際位置を
計算する。この実施の形態においては、実位置演算手段
８は一次遅れ要素からなり、溶接トーチがその位置指令
に対して一次遅れを持って追随しているものとして溶接
トーチの現在位置を予測している。

【００３１】予測された溶接トーチの位置はデータサン
プリング手段９に与えられる。データサンプリング手段
９は、与えられた溶接トーチ位置に同期して、従来技術
と同様の方法により、溶接電流、溶接電圧等のサンプリ
ングを行う。このような方式とすることにより、溶接ト
ーチの現在位置を検出する手段がなくても、その位置を
予測し、それに同期したデータのサンプリングを行うこ
とができる。

【００３２】本発明の別の実施の形態においては、実位
置演算手段８が一次遅れと無駄時間の結合した要素から
なっている他は前記実施の形態と同じである。この演算
は、入力を実位置演算手段８内の記憶手段中で一定時間
遅延させ、それを一次遅れ要素に入力することで簡単に
実現できる。この方法によれば、実位置演算手段を単な
る一次遅れとしたときよりも、高精度で溶接トーチの現
在位置を予測することができる。

【００３３】本発明のさらに別の実施の形態において
は、実位置演算手段８が二次遅れ要素からなっている他
は前記実施の形態と同じである。二次遅れ要素も、マイ
クロコンピュータを使用することによって簡単に実現で
きる。この方法によっても、実位置演算手段を単なる一
次遅れとしたときよりも、高精度で溶接トーチの現在位
置を予測することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明において
は、溶接トーチの位置指令値から溶接トーチ実際位置を
予測し、予測された溶接トーチ実際位置に基づいてデー
タサンプリングのタイミングを決定しているので、溶接
トーチ実際位置が測定不能なパルス指令方式のサーボ制
御を用いた場合でも、溶接トーチ実際位置に同期したデ
ータのサンプリングが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態の例を示すブロック図であ
る。

【図２】自動溶接機の構成の例を示す図である。

【図３】自動溶接機の電気的な接続関係を示す図であ
る。

【図４】溶接ヘッドの詳細を示す図である。

【図５】溶接機データをサンプリングする区間を示す図
である。

【図６】パルス指令方式のサーボ制御機構の制御ブロッ
クの例を示す図である。

【符号の説明】

１ コントローラ ２ サーボアンプ ３ カウンタ ４ Ｄ／Ａ変換器 ５ サーボモータ ６ パルス発信器 ７ 指令値カウンタ ８ 実位置演算手段 ９ データサンプリング手段

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 パルス指令方式のサーボ制御を用い、溶
   接の進行方向に対して左右に溶接トーチをウィービング
   させて行う溶接方法において、溶接トーチのウィービン
   グ位置に同期させて溶接データをサンプリングするに際
   し、溶接トーチの位置指令値から溶接トーチ実際位置を
   予測し、予測された溶接トーチ実際位置に基づいてデー
   タサンプリングのタイミングを決定することを特徴とす
   る溶接機におけるデータサンプリング方法。
2. 【請求項２】 溶接トーチの位置指令に対する溶接トー
   チ実際位置の応答遅れが一次遅れであるとして、溶接ト
   ーチ実際位置を予測することを特徴とする請求項１に記
   載の溶接機におけるデータサンプリング方法。
3. 【請求項３】 溶接トーチの位置指令に対する溶接トー
   チ実際位置の応答遅れが一次遅れと無駄時間であるとし
   て、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とする請
   求項１に記載の溶接機におけるデータサンプリング方
   法。
4. 【請求項４】 溶接トーチの位置指令に対する溶接トー
   チ実際位置の応答遅れが二次遅れであるとして、溶接ト
   ーチ実際位置を予測することを特徴とする請求項１に記
   載の溶接機におけるデータサンプリング方法。