JPS5987978A - ア−ク溶接ロボツト - 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】 本発明はアーク溶接ロボットに関し、溶接トーチが溶接
線を自動的に倣うとともに隅肉溶接の端部である角部に
回り込む角巻き溶接も自動的になし得るようにしたもの
である。

各種構造物の溶接組立の自動化において、溶接品質を確
保するためには、溶接開先精度幅誤差に対し溶接トーチ
の連通を追従させることが重要であシ、この溶接品質の
確保のため従来では検出機構を用いることが提案されて
いた１、しかし、この検出機構は開先面にセンサを取付
けたυ開先幅を画像センサにて処理することによシ側熱
、耐ノイズ、取扱いの複雑さ、アーク光などのため、信
頼性に欠ける。

本発明は、上記従来技術に鑑み、消耗電極を使用するア
ーク溶接において消耗電極（以下ワイヤと呼称する）の
突出し長さを求めその変化から自動的に溶接線を倣うと
ともに隅肉溶接の端部である角部に回シ込む角巻き溶接
も自動的になし得るアーク溶接ロボッ１４提供すること
を目的とする。かかる目的を達成する本発明は、前記ワ
イヤによるアーク溶接において、溶接電流、ワイヤ送給
速度、ワイヤ突出し長さ等の間にはある関数関係があシ
、その関係式は理論的および実験的１導くことができる
ので、変数として溶接電流およびワイヤ送給速度を選び
、これを電気演算回路で処理することによって、ワイヤ
突出し長さを前記変数の関数として算出しこの長さの変
化パターンから溶接線に対する溶接トーチの相対位置を
検出し、この位置が設定位置からずれていれば修正して
常にアーク点と溶接線との相対関係を一定にしてアーク
点が溶接線を自動的に倣うようにするとともに、被溶接
物の角部を検出して自動的に角巻き溶接を行うようにし
た点をその技術思想の基礎とするものである。

本発明における溶接線倣いの演詩：および被溶接部の角
部検出の演算処理は、アナログ演算によっても勿論可能
であるが、実施例では、ディジタル電算イ幾による処理
の場合を示す６、以下本発明の実施例を図面に基づき詳
細に説明する。第１図は本実施例に係るアーク溶接ロボ
ットの全体を示す斜視図である、同図に示すように、溶
接トーチｌはトーチ傾斜軸２に保持されてその傾斜角を
変化せしめ得るとともにドーグ・傾斜軸２を保持する手
首旋回軸３によシ旋回ぜしめ得る。２方向移動軸４は千
盾旋回軸３を保持してこの手首旋回軸３及びトーチ傾斜
軸２を一体的に図中の２方向に移動せしめるものである
。また、Ｙ方向移動軸５はＺ方向移動軸４を保持してこ
れを図中のＹ方向に移動せしめるものであり、更にＸ方
向移動軸６はＹ方向移動軸５を保持してこれを図中のＸ
方向に移動せしめるものである。制御装置７は遠隔操作
盤］０からの制御指令で電動駆動装置８を介して前記ト
ーチ傾斜軸２２手首旋回軸３．Ｚ方向移動軸４、Ｙ方向
移動軸５．Ｘ方向移動軸６を夫々制御するとともに、遠
隔操作盤１０からの制御指令でアーク溶接機９に作用し
て溶接電流、溶接電圧、ワイヤ送給速度等の溶接条件を
制御するものである。このとき制御装置７は後述する検
出器からの信号を入力して所定の演算を行ないアーク点
が溶接線を自動的に倣うよう制御する制御“姓の演算機
能も有する。

第２図は本実施例の主要部、特に溶接トーチ１の制御系
を抽出して示すブロック線図である。

同図に示すように、溶接トーチｌは溶接用電源等を具え
るアーク溶接機９とターミナル１８にて接続されるとと
もに溶接トーチｌ先端部に′は中心にチップ１５が取付
けられ、その外周にシールドガス１７を噴出させるシー
ルドガスノ′ズル１６が取付けである。そして、溶接ｌ
・−チ１の基端部からリール１９に巻かれたワイヤ１１
がワイヤ送給モータ２１で駆動される送シローラ２０　
、２０　ａを介して溶接トーチ１の中心部を軸方向に挿
通されてチップ１５先端部から突き出している。このワ
イヤ１１はワイヤ送給モータ２１によってその送り速度
が調整制御される。かくて被溶接’Ｐ７１１２は、これ
によって構成される継手の交点に向かうワイヤｌ］の先
端部に発生するシールドガス１７にシールドされたアー
ク１３によシ溶接金属１４を介して溶接される。

このような装置を用いるガスシールド消耗電極式アーク
溶接では、溶接電流工、ワイヤ送給速度Ｖ、ワイヤ突出
し長さしＥ−Ｌ＝ム益−等の間には一定の関数関係があ
ることが実験的に得られている。

そこで、制御に必要な変数として、ワイヤ送給速度Ｖ及
び溶接電流■を検出する機構が上記装置に備えられてい
る。ワイヤ送給速度Ｖを検出する機構としては、ローク
リエンコーダ等の回転量検出器２３が送りローラ２０ａ
に取付けてあシ、この回転量検出器２３からの信号は変
換増幅器２４で直流電圧に変換され更に適当な大きさに
増幅された後アナログ・ディジタル変換器（以下Ａ／Ｄ
変換器とする）２７を介しデイノタル化されて演算処理
を行なうディジタル電算機である制御装置７に入力され
る。また、溶接電流■を検出するためアーク溶接機９と
被溶接物１２との間にシャント等の電流値検出器２２が
設けられ、その出力信号が増幅器２５によシ平均溶接電
流ＩＡに相当する適当な大きさの信号となυＡ／Ｄ変換
器２８を介して制御装置７に入力されるとともに、増幅
器２６によシ実効溶接電流ＩＥに相当する適昌な大きさ
の信号となりＡ／Ｄ変換器２９を介して制御装置７に入
力される。

本実施例に係るアーク溶接ロボットは、第１図に基づき
既述したように溶接トーチｉ　、　トーチ傾斜軸２１手
首旋回軸３．Ｚ方向移動軸４゜Ｙ方向移動軸５．Ｘ方向
移動軸６．制御装置７゜電動駆動装置８．アーク溶接機
９．遠隔操作盤ｉｏ等の他、図示はし力°いがワイヤ送
給装置及びガスボンベ等で構成されていう。

かくて遠隔操作盤ｌＯの指令によシ溶接トーチ１に上記
５軸の組合わせにより任意の溶接姿勢を三次元的に採る
ことが可能であシ、しかも溶接教示位置ととにトーチ姿
勢および溶接条件をあらかじめ記憶することができる。

また、制御装置７は溶接線自動倣いのだめの演算機能も
含んでおり、その演算の結果化じた出力により溶接トー
チ１が運動すべき方向と大きさも、あらかじめ制御装置
７にプログラム化されている。

ここで溶接線自動倣いの演算方法について説明しておく
、。

■Ａ：平均溶接電流、 ＩＥ：実効溶接電流、 Ｖ：ワイヤ送給速度、 ＬＦｌｉ：チップ１５の先端からアーク１３４でのワイ
ヤ１１の長さ、即ちワイヤ突出し長さ、 とすると、上記の諸量の間には次の関９１′ｉ関係があ
る。

ＬＥ　＝　ｆｌ　（ｖ　、　ＩＡ　、　ＩＦ　）　　　
−−・−（１）（１）式は、「電流制御アーク溶接に関
する研究」（溶接学会溶接法委員会１９８０年７月）よ
シ得られたものである。

したがって、（１１式の関係を制御装置７にプログジム
しておき、ワイヤ送給速度Ｖ、平均溶接電流ＩＡ及び実
効溶接電流１．を与えると、ワイヤ突出し長さＬＥが求
められる。

一方、遠隔操作盤１（）から指令してあらかじめ、ワイ
ヤ突出し長さの指令値ＬＯを制御装置７の記憶部に記憶
しておく。そして、この距離ＬＯを先に求めたワイヤ突
出し長さＬ］ｌ！８と制御装置７のプログラムによって
比較する。この結果、ＬＢ　＞　１，０ならば溶接トー
チｌを子の大きさの程度に応じてＬＥ＝　ＬＯになるま
で第１図の任意の軸を使用してあらかじめプログラムさ
れている制御装置７の指令に従って移動する。また、Ｉ
、Ｅ　＜　ＬＣの場合も同様である。このようにして、
遠隔操作盤１０の指令によってワイヤ突出し長さり、を
任意の値に制御する。

一方、溶接トーチｌは、第１図のトーチ傾斜軸２９手首
旋回軸３．Ｚ方向移動軸４．Ｙ方向移動軸５．Ｘ方向移
動軸６の任意の、＋１４合せＫ　、ＩＪ、＝ｌシレート
させることができる。溶接トーチｌをオシレートしない
とき、ワイヤ１１の延長上に被溶接物１２によって形成
される継手の交点（溶接線）がある場合、溶接トーチｌ
は、第３図に示す如く、オシレートの中心と前記交点と
を結ぶ軸を中心にしてオシレートされる。溶接トーチ１
のオシレートが紙面に平行に単振Ｍ’：、’１（振子運
動）またはこれに近い運動を行なうとすれは、オシレー
ト相対角度θ％（最大振幅に形となる。これは溶接トー
チ１のオシレート角度θが０のとき、トーチ軸が水平面
に対して４５゜の場合を示［７たものである。

第６図〜第８図はワイヤ突出し長さＬＥと角度θとが描
くパターンから継手の中心位置と浴接トーチＪのオシレ
ート中心位置とのずれを求めるだめのパターンである。

ここでは、オシレート位置がθ＝２５％とθ；７５％の
時のワイヤ突出し長さＬＥの平均点とおしを直線で結び
、θ＝１００％での外挿値ＬＲを得ると共に、同様にオ
シレート位置がθ＝−２５％とθ＝−７５’％の時のワ
イヤ突出し長さり、の平均点どおしを直線で結び、θ＝
−１００％での外挿値ＬＬを得る。

そして、この外挿値ＬＲ、ＬＬとを比較する。この場合
、オシレート位置はθ＝±２５％、±７５係、±１００
％を決めたが別にこの数値に限るものではない。

第６図において、θ＝−７５％、θ＝−２５チ、θ＝２
５％、０３７５％の時のワイヤ突出し長さＬＦｌ！の平
均値をｔ−７５１ｔ−２５１＋２５１　＋７５とする。

この場合、角度θとワイヤ突出し長さり、のサンプリン
グをオシレートの１周期とするとθ＝±２５チ、θ−±
７５％におけるｔの値は２個ずつあるので平均値をとる
ものとする。さらに、第６図をθ−Ｌ、座標面として（
−７５゜’−７５　）と（−２５、ｔ−２６）とを直線
で結びθ＝−１００％におけるワイヤ突出し長さＬＥの
値をＬＬとする。同様に（２５，＋２５）と（７５＋　
１７．）とを直線で結びθ＝１００％におけるワイヤ突
出し長さＬＥの値をＬＲとする。

実験の結果、ＬＬ　−ＬＲ＝−０であれば、溶接トーチ
ｌがオシレートしない時、ワイヤ１１の先端は継手の交
点の近くに存在する。すなわち、溶接トーチｌをオシレ
ートしない場合にワイヤ１１の延長上に継手の交点があ
る状態でオシレートさせたい時第６図におけるワイヤ突
出し長さＩ、Ｅの角度θに対する軌跡でｉ、Ｌ−ＬＲ＝
＝　０になるように溶接トーチ１の左右位置を第１図の
５軸の任意の組合せにょシ制御すればよい。

第４図は溶接トーチｌをオシレートしない時にワイヤ１
１の延長上に被溶接物１２によって形成される継手の交
点がない場合を示すもので、溶接トーチ１が下板に近い
場合を示すものである。この場合、溶接トーチｌのメシ
レート面が紙面に平行に単振動又はこれに近い運動を行
なうとすれば、オシレート角度θに対するワイヤ突出し
長さＬＫ（ｌ−ｉ第７図に示す形となる。

第７図において、角度θの１周期におけるθ＝−７５％
、θ＝−２５％、θ＝２５％、０３７５％の時のワイヤ
突出し長さＬＦ、の平均値を各々ｔ−７５１ｔ−２５１
＋２５１　＋７５　とする。ついで、第６図と同様、第
７図をもθ−ＬＥ座標面として（−７５、／！、、、５
）と（−２５，ｔ−２５）とを直線で結びθ−−１００
％におけるワイヤ突出し長さり、の値をＬＬとする。ま
た、（２５，Ａ２５）と（７５，Ａ、５）　　とを直線
で結びθ＝１００％におけるワイヤ突出し長さり、の値
をＬＲとする。

実験の結果、第４図のように溶接トーチｌが被溶接物１
２の下板に近づくと角度θと距離りとの関係は第７図の
ようになシその結果ＬＩ、　＞　ＬＲとなる。よって、
ＬＬ　＞　Ｌ：Ｒのとき溶接トーチ１を上板に近づくよ
うに第１図の５軸の任意の組合せを用いて溶接トーチ１
０位Ｍを制御しＬＬ−ＬＲ＝　＋１になるようにすれば
、オシレート中心線が常に継手の交点に位置することに
なる。

第５図は第４図の場合とは逆に溶接トーチｌが上板に近
づいた場合を示し、第８図は第５図の時に角度θとワイ
ヤ突出し長さＬＥ２とが描くパターンを示す。溶接トー
チ１が被溶接物１２の上板に近づくと第８図に示すよう
に＋４．とＬＲとの関係ｒｘ　ＬＲ＞　ＬＩ、となる。

よって、ＬＲ＞　ＬＬの場合、溶接ｌ・−チｌを下板に
近づけるように第１図の５軸の任意の組合せを用いて溶
接トーチｌの位置を制御しＬＲ−ＬＬ　＝　０となるよ
うにすればオシレート中心線が常に被溶接物１２で構成
される交点に至ることになる。

以上の操作手順は制御装置７に予めプログラムされてい
るのでアーク点は常に被溶接物１２の支点を追従する。

こうして、ワイヤ突出し長さＬＥは溶接中一定に保持さ
れると共に伺らかの原因でアーク点が溶接線からずれだ
場合でも自分自身で軌道修正が可能となる。

さらに、第９図、第１０図は角（コーナ）部を持つ隅肉
溶接の状況および角部を溶接部が通過した時のワイヤ突
出し長さの変化を示す。第１０図に示すように隅肉溶接
部に角部３０がある時、その角部３０でワイヤ突出し長
さＬＦ、が大きくなる。、即ち、通常の隅肉部でのワイ
ヤ突出し長さＬｙ２の平均をＬａとする時、観測時のワ
イヤ突出し長さＬ已の平均り右とＬａとの差△ＬＥ（”
　Ｌ’Ｅ；　−Ｌａ　）がある値より犬きくなった時、
溶接は角部３０を通過したと判断できる。これによって
角部３０を通過したことが判断できるので、あらかじめ
角部３０の通過後のルーチンを制御装置７餡′プログラ
ムしておくことによって、新しい隅肉部に向って溶接を
進行さぜることかできる。即ち、隅肉溶接の角巻き溶接
を行うことができる。

上述の如く、本発明によれば、ワイヤ突出し長さを自動
的に制御するとともに、オシレート角度を溶接線を中心
として常に対称に制御するようにしたので、溶接線を自
動的に倣うことができ、しかも隅肉溶接の角部を検出で
きるので、それに対応するルーチンでアーク溶接ロボッ
トの腕を制御することによって角巻き溶接を行うことも
でき、ロボットを無人化できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るアーク溶接ロボットの全
体を示す斜視図、第２図はその主要部、府に溶接トーチ
の制御系を抽出して示すブロック線図、第３図は溶接線
を向く軸を中心として溶接トーチがオシレートする状態
を示す説明図、第４図および第５図は溶接線からずれた
位置を向く軸を中心として溶接トーチがオシレートする
状態の二つの例を示す説明図、第６図は第３図に示すオ
シレートによるワイヤ突出し長さの変化パターンを示す
線図、第７図は第４図に示すオシレートによるワイヤ突
出し長さの変化ノやターンを示す線図、第８図は第５図
に示すオシレートによるワイヤ突出し長さの変化ノＰタ
ーンを示す線図、第９図は角部溶接の態様を示す斜視図
、第１０図はワイヤ突出し長さの時間的な変化を示しこ
れにより角部を検出するだめの特性図である。 図面中、 ｌは溶接トーチ、 ７は制御装置、 ９はアーク溶接機、 １１はワイヤ、 １２は被溶接物、 １３はアーク、 １４は溶接金属、 １５はチップ、 ２２は電流値検出器、 ２３は回転量検出器、 ３０は角部、 ＬＦ、はワイヤ突出し長さ、 ＩＡは平均溶接電流、 Ｉ［は実効溶接電流、 ■はワイヤ送給速度である。 特許出願人 三菱重工業株式会社 復代理人 弁理士　光　石　士　部　（他１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 三次元空間の任意な点へ溶接トーチを移動することがで
   き、かつ必要な任意の溶接トーチ姿勢を採ることが可能
   で、さらに、溶接に必要な諸元を制御し乍ら消耗電極を
   使用し溶接トーチをオツシレートさせながらアーク溶接
   を行なうアーク溶接ロボットにおいて、 平均溶接電流実効溶接電流および消耗電極送給速度を検
   出しかつ、それらを電気的演算機で処理することによっ
   て、前記チップからのワイヤ突出し長さを求め、所定の
   オツシレート位置における上記ワイヤ突出し長さの値か
   ら求めた任意の少なくとも２個のオッシレート位置にお
   けるワイヤ突出し長さの相対差から溶接トーチのオツシ
   レート中心位置と被溶接物によって構成される継手の中
   心位置とのズレを検出し、上記オツシレート中心位置と
   継手の中心位置との相対位置１夕４係が設定どおシにな
   るように常に溶接トーチ位置を制御してアーク点が溶接
   線を自動的に倣うようにするとともに、前記ワイヤ突出
   し、長さの変化によシ被溶接物の角部を検出し、自動的
   に角巻溶接を行う制御装置を具備したことを特徴とする
   アーク溶接ロボット。