JPS5987979A - 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
回シ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
確保のだめ従来では検出機構を用いることが提案されて
いた。

しかし、この検出機構は開先面にセンサを取付けたシ開
先幅を画像センサにて処理することによシ耐熱、剛ノイ
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
ーク溶接において溶接時のアーク長と消耗電極（以下ワ
イヤと呼称する）の突出し長さとの和を求めその変イヒ
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
溶接ロボットを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、チップ−溶接金属間
電圧、ワイヤ突出し長さ、アーク長等の間にはある関数
関係があり、その関係式は理論的および実験的に導くこ
とができるので、変数として溶接電流、チップ−溶接金
属間電圧および、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、ワイヤ突出し長さとア
ーク長との和、即ち′チップー溶接金属間距離を前記変
数の関数として算出し７との和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算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、ディジタル電算機による処理の場
合を示す。

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１・−チ傾斜軸２を保持する手首旋回軸３によシ
旋回せしめ得る。２方向移動軸４は手佇旋回Ｉｉ！ＩＩ
＋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Ｚ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シ、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１０
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手首飾回軸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争件を制御す
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量の演算機能も有す
る。

第２図は本実施例の主要部、特に溶接トーチ１０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１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、溶接トーチ
Ｊ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で駆動される送りローラ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１
１はワイヤ送給モータ２１によってその送シ速度が調整
制御される。かくて、被溶接ｎｊｈ２は、これによって
構成される継手の交点に向かうワイヤ１１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■、アーク電圧
ｖＡ、ワイヤ突出し長さＬＥ　。

アーク長ＬＡ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、
溶接電流工およびチップ−被溶接物間の電圧■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、ロータリエンコーダ等の回転
量検出器２４が送シローラ２０＆に取付けてあ勺、この
回転量検出器２４からの信号は変換増幅器２５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）２９を
介しディジ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、チップ１５
と被溶接物１２との間の電圧Ｖを検出するためポテンシ
ョメータ等の電圧値検出器２３がチップ３と被溶接物１
２との間に接続され、その出力信号が増幅器２６で適当
に増幅された後め変換器２６を介して制御装置７に入力
される。

さらに、溶接電流工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２７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りＡ／Ｄ変換器
３１を介して制御装置７に入力されるとともに、増幅器
２８によシ実効溶接電流１．に相当する適当な大きさの
信号とな、？Ａ／Ｄ変換器３２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１．トーチ傾斜軸２２手首飾
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ｌＯ等の他、図示はしないがワイヤ送給装置
及びガスボンベ等で構成されている。

かくて遠隔操作盤１０の指令によυ、溶接トーチ１は上
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ごとにトーチ
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
。まだ、制御装置７には溶接線自動倣いのだめの演ｎ機
能も含んでおシ、その演算結果化じた出力によシ溶接ト
ーチｌが運動すべき方向と太きさも、あらかじめ制御装
Ｎ７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
。

ＩＡ：平均溶接電流、 ＩＥ：実効溶接電流、 Ｖ：ワイヤ送給速度、 Ｖ二チップ１５と被溶接物１２間の電圧、ＬＥ：チツ７
”１５の先端からアーク１３までのワイヤ１１の長さ、
即ちワイヤ突出し長さ、 ＬＡ：ワイヤ１１の先端から溶接金属１４までの距離、
即ちアーク長、 Ｌ：チップ１５の先端から溶接金属１４までの距離、即
ちＬＥとＬＡとの和、 ＶＢ＝ワイヤ突出し部に溶接電流■によって生ずる電圧
降下、 ＶＡ：■からＶＥ　ｆ：差し引いた電圧、即ちアーク電
圧、 とすると、上記の諸量の間には近似的に次の関数関係が
ある。

Ｌ、＝　ｆ、　（Ｖ　、　ＩＡ　、　１．　）−−・−
・・−・−（１）■ｎ　＝　ｆ２（ｖ　＋　ＩＡ　＋　
Ｌｙ＝　）・・・・・・・・・（２）ＶＡ＝　Ｖ　−ｖ
Ｅ−＝　−−−−・・（３）ＬＡ＝　ｆｓ　（ＶＡ　、
　ＩＡ）　　　・・・・・・・・・（４）Ｌ　＝　ＬＦ
、　＋　ＬＡ　　　　　・・・・・・・・・（５）（１
）式と（４）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）および「溶
接アーク現象増補版」（産報、安藤公平他）のＰ　Ｉ　
Ｏ５第３−１−２７図Ｖａ　−Ｉ特性よシ得られ、また
（２）式の具体的な形は実験によって求められる。尚、
（３）式および（５）式は第１図から自明である。

したがって、（１）式の関係を制御装置７にプログラム
しておき、ワイヤ送給速度■、平均溶接電流ＩＡ及び実
効溶接電流ＩＥを力えると、ワイヤ突出し長さＬＥが求
められる。

（２）式の関係を制御装置７にプログラムしておき、ワ
イヤ送給速度Ｖ、平均溶接’＋５　Ｍｔ、　Ｉ　Ａおよ
び上記演算によシ得られたワイヤ突出し長さＬＥを与え
ると、ワイヤ突出し部の電圧ｖＥが求められる。

（３）式の関係を制御装置７にプログラムしておき、チ
ップ１５．被溶接物１２間の電圧Ｖおよび上記演算で得
られたワイヤ突出し部の電圧Ｖ＝を与えると、アーク電
圧■Ａが求められる。

（４）式の関係を制御装置７にプログラムしておき、平
均溶接電流ＩＡと上記演算で得られたアーク電圧ｖＡを
与えると、アーク長ＬＡが求められる。

（５）式の関係を制御装置７にプログラムしておき、上
記演算で得られたワイヤ突出し長さり、とアーク長ＬＡ
との和からチップ１５、溶接金属１４間の距離りが求め
られる。

上述のように、変数として平均溶接電流工ｌＡ。

実効溶接電流ＩＥ＋ワイヤ送給速度Ｖおよびチップ１５
と被溶接物１２との間の電圧Ｖを与えると、（１）〜（
５）式から、チップ３と溶接金属１４との距離りが求め
られる。

一方、遠隔操作盤１０から指令してあらかじめ、チップ
１５と溶接金ｉ１４との間の距離ＬＱ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
たチップ１５と溶接金属１４との間の距離りと制御装置
７のプログラムによって比較する。この結果、Ｌ　）　
Ｌａ　　ならば溶接ト・−チｌをその大きさの程度に応
じてＬ＝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。まだ、Ｌ　＜　Ｌｏ　　の場合も同様であ
る。このようにして、遠隔操作盤１００指令によって、
チップ１５と溶接金属１４との間の距離を任意の値に制
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
飾回軸３．Ｚ方向移動軸４．Ｙ方向移動軸５．Ｘ方向移
動軸６の任意の組合せによｐオシレ・−トさせることが
できる。溶接トーチ１をオシレートしないとき、ワイヤ
１１の延長上の被溶接物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１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動（振子運動）またはこれに近い運
動を行なうとすれば、オシレート相対角度θ係（最大振
幅に対する任意の振幅を百分率で示したもの）に対する
チップ・溶接金属間距離りは第６図に示す形となる。こ
れは溶接トーチ１のオシレート角度θが００とき、トー
チ軸が水平面に対して４５゜の場合を示したものである
。

第６図〜第８図はチップ・溶接金属間距離りと角度θと
が描くパターンから継手の中心位置と溶接トーチ１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０２２５％とθ＝７５
％の時のチップ・溶接金属間距離りの平均点どおしを直
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
時のチップ・溶接金属間距離りの平均点どおしを直線で
結び、θ＝−１００％での外挿値ＬＬｆ：得る。そして
、この外挿値ＬＲ。

１□工１とを比較するっこの場合、オフレート位置はθ
−±２５係、±７５係、±１００係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ニー７５係、θニー２＝２
５％、θ＝７５装の時のチップ・溶接金属間距離りの平
均値をｔ−７５１ｔ−２５１’２□、ｔ７５とする。こ
の場合、角度θと距離りのサンプリングをオシレートの
１周期とするとθ＝±２５係、θ＝±７５チにおけるＬ
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（−７５ｒ　Ｌ−ｔｓ
　）と（−２５１ｔ、５）とを直線で結ひθ＝−１００
チにおける距離りの値をＬＬとする。同様に（２５゜ｔ
２５）と（７５、ｔ７５）とを直線で結びθ−１００％
における距離りの値ｋＬＲとする１、実験の結果、Ｉ、
Ｌ−Ｉ、Ｒ＋Ｏであわば、溶接トーチ１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−
トさせたい時第６図における距離りの角度θに対する軌
跡でＬＬ　−ＬＲ＊　Ｏになるように溶接トーチ］の左
右位置を第１図の５軸の任意の組合せによυ制御すれば
よい。

第４図は溶接トーチ１をオシレートしない時にワイヤＩ
Ｊ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１のオシ
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に対するチップ・溶接
金属間距離りは第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チ、θ＝７５％の時の距離り
の平均値を各々ｔ−７５１ｔ−２５１ｔ２５１　ｔ７５
とする。ついで、第６図と同様、第７図をもθ−り座標
面として（−７５，ｔ、、）と（−２５、Ｌ２．）とを
直線で結びθ＝−１００係における距離りの値をＬＬと
する。また、（２５゜ｔ２．）と（７５１ｔ７５）とを
直線で結びθ＝１００係における距離りの値をＬＲとす
る。

実験の結果、第４図のように溶接トーチ１が被溶接物１
２の下仮に近づくと角度θと距ＩＷｔ、　Ｌとの関係は
第７図のようになりその結果ＬＬ　＞　ＬＲとなる。よ
って、ＬＬ　＞　ＬＲ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の位置を制御しＬＬ−Ｌｌ（＝　０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１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と距離
りとが描くパターンを示す。

溶接トーチ１が被溶接物１２の上板に近つくと第８図に
示すようにＬＬとＩ、Ｒとの関係はＬＲ＞　ＬＬとなる
。よって、ＬＲ＞　ＬＬの場合、溶接トーチ１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・−チ１の位置を制御しＬＲ−ＬＬ＝Ｏ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Ｍ７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、チップ・溶接金属間距離りは溶接中一定に保
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
れた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Ｌの変化
を示す。第１０図に示すように隅肉溶接部に角部３３が
ある時、その角部３３で距離りが大きくなる。即ち、通
常の隅肉部での距離りの平均をＬａとする時、観測時の
距離りの平均Ｌ′とＬａとの差△Ｌ、　（−Ｌ’−Ｌａ
　）　　がある値よシ大きくなった時、溶接は角部３３
を通過したと判断できる。これによって角部３３を通過
したことが判断できるので、あらかじめ角部３３の通過
後のルーチンを制御装置７に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せることが
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、チップと被溶接物との距
離を自動的に制御するとともに、オシレート角度を溶接
線を中心として猟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
体を示す舶視図、第２図はその主要部、特に溶接トーチ
の制御系を抽出して示すブロック線図、第３図は溶接線
を向く軸な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
シレートによるチップ・溶接金属間距離の変化ノ＋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
チップ・溶接金属間距離の変化パターンを示す線図、第
８図は第５図に示すオシレートによるチップ・溶接金属
間距離の変化パターンを示す線図、第９図は角部溶接の
態様を示す斜視図、第１０図はチップ・溶接金属間距離
の時間的な変化を示しこれによυ角部を検出するための
特性図である。 図面中、 ■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は電圧値検出器、 ２４は回転量検出器、 ３３は角部、 Ｌはチップ−溶接金属間距離、 ＩＡは平均溶接電流、 ＩＦ、は実効溶接電流、 ■はチップ０−溶接金属間電圧、 ■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） 第６図 旬鴇良０（％） 第７図！ Ｌ（ 第８図 −１００−７５−，２５０２５７５１００徊里喰θ（％
） 第１０図 苛程−一一

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、溶接トーチのチップ−溶
   接金属間電圧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、アーク長
   と前記チップからのワイヤ突出し長さとの和である、チ
   ップ−溶接金属間距離を求め、所定のオッシシ・−ト位
   置における上記チップ−溶接金属間距離の値から求めた
   任意の少なくとも２個のオツシレート位ＩＮ木おけるチ
   ップ−溶接金属間距離の相対差から溶接トーチのオッシ
   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関係が設定とおシになるよ
   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、前記チップ−溶接金
   属間距離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。