JPS60191667A - アーク溶接ロボットによる溶接方法 - 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】 幅自販１制仰昧９適用するアーク溶接ロボットに関する
。

消耗電極（ワイヤ）を使用するアーク溶接において、溶
接時のアーク長とワイヤ突出し長とのｆＩＪ（以下、チ
ップ−被溶接物間距離と略記する。）のオツシレートに
よる変化から開先間隔の変化を検出し、それに応じてオ
ツシレート幅を自動的に制御する方法は未だ見出されて
いない、 本発明は、上記現情に鑑み、ワイヤを使用し且つオツシ
レートさせながら溶接するアーク溶接において、溶接ト
ーチの近傍に有形な検出子を装置することなく溶接時の
溶接条件を演舞してオツシレート幅を開先間隔の変化に
応じて自動的に制御することができ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の要旨は、検出が容易で、
かつ通常用いる溶接条件を電気的な演算回路で処理する
ことにより、ワイヤ突出し良心とアーク長との和（チッ
プ−被溶接物間距離）をめ、トーチをオッシｌ／−トす
ることによりこのチツゾー被溶接物間距離の変化から被
溶接物で構成される開先間隔を検出し開先間隔の大小に
応じてオツシレート幅を自動的に１ｈ１］御し溶接欠陥
かない健全な継手を得るようにア−り溶接ロボットを構
成した点にある。

本発明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、ディソタル電子計ｇ機により処理する実施例を
以下に図面を参照しつつ説明する。

第１図はアーク溶接ロボットの構成図である。

第２図は本発明に係る一実施例の溶接回路および演算処
理機構を示すブロック図、 第３図は本発明の原理をオツシレート・ヤターンとワイ
ヤ突出し長さＬＥ及びアーク長 さＬＡの和すなわちチップ−被溶接物 間距離Ｌ（＝ＬＥ十ＬＡ）とで示すグラフ、 第４図は被溶接物の開先間隔が変化［〜ている状態を示
す図、 第５図は第４図の■−Ｖ断面と開先内でオッシレートし
た時のオッシレート幅Ｗに対 するチップ−被溶接物間圧＠Ｌ（ミＬＥ十ＬＡ）の変化
ノ？ターンを示す説明図、第６図は第４図のＶｌ−Ｖｌ
断面図と開先幅が第５図のそれよりも広い開先内でオツ
シレ ートした時のオツシレート幅Ｗに対す るチップ−被溶接物間距離Ｌ　（＝　Ｌ＋＞＋ＬＡ）の
変化・Ｐターンを示す説明図、 第７図、第８図は本発明に基つく原理の説明図である、 まず第１図及び第２図において、 １は、消耗′鴎＠ｉ（ワイヤ）用の溶接トーチ。

２ば、溶接トーチ１に回動追・動を与える機構部のトー
チ傾斜軸。

３は、溶接トーチ１に回転連動を与える機構部の手首旋
回軸。

４は、１・−チ傾斜１１＋　２と手首旋回軸３を保持し
てそれらにＺ方向に運動を与えるＺ方向移動軸６． ５に、Ｚ方向移動軸４を保持し２てこれにＹ方向に運動
を与えるＹ方向移動軸。

６ば、Ｙ方向移動軸５を保持してこれにＸ方向に運動を
与えるＸ方向移動軸。

７は、制御装置であシ、遠隔操作盤１．０からの制御指
令により、電動駆動装置８を介してトーチ傾斜軸２１手
首飾回軸３．Ｚ方向移動軸４．Ｙ方向移動軸５及びＸ方
向移動軸６の運動を制御する。制仰ｊ装齢７はまた、遠
隔操作盤１０からの制御指令でアーク溶接機９に作用（
〜、ｊ答接電流（平均仙■ａ、笑効領Ｉｅ　）　、溶接
電圧Ｍ。

ワイヤ送給速度（ｖ）などの溶接条件を制御することが
できるようになっている。更に、制御装置７にはトーチ
位置を制御してオツシレート幅を溶接線の開先間隔の変
化に従って自動的に変化させる演初機能と、演算した開
先間隔に応じて溶接速度を自動的に変化させる演Ｗ機能
も内蔵されている。なお、上記の制御は手動でも、ある
いは予めプログラムされた手１１口（いわゆる自動）い
ずれも可能である。

９は、ワイヤ１３と被溶接物■６との間にアーク１４を
発生させ溶接金４１７１７を得るのに必要な電気エネル
ギを供給するための浴接電源を有するアーク溶接機であ
る。

１１は、シールドノズルでシールドガス１５と共にアー
ク１４雰囲気および溶接金属１７を大気からシールドす
る。

１２は、ワイヤ１３に給電するだめのチップ。

１８は、裏旨金。

】９と１９′ハ、コイル状に巻かれたワイヤ１３を浴接
トーチ１内に送給するためのローラーで、送給ローラ１
９はモーター２１に機棹的に結合爆れており、壕だモー
ター２１は駆動制御装置２２によって速度を制御されて
いる。こ九により溶接電流又は電圧を溶接条件設定器４
５と共に調整する。

２０は、浴接電源９の溶接トーチｌに対する給電部て゛
ある。

２：うは、例えばシャント■−の電流値検出の二であり
、溶接電流値を検出する。

２４は、チップ１２と被溶接物１６との間の電圧値を検
出する、例えば分圧器等の電圧値検出器。

２５は、ローラ１９′と機械的に結合されていて、ワイ
ヤ送給速度を検出する例えばロータリエンコーダ等の回
転量検出器。

２６は、溶接ロボットの制御装置７からオンジレート位
置信号を受ける増幅器である。

、７は、回転オ°検出器２５からの信号を適当なレベル
にするための増幅器。

２８は、電圧値検出器２４からの信号を適当なレベルに
するための増幅器。

２９は、′電流値検出器２３の信号から溶接電流の平均
値に比例する信号を発生するための増幅器。

３０は、電流値検出器２３の信号から溶接電流の実効値
に比例する信号を発生するための増幅器。

３１は、溶接トーチ１の被溶接物１６からの距離即ち、
チップ−被溶接物間距離Ｌ（＝Ｌｐ＋ＬＡ）ｅ設定する
ための設定器。

３２．３３，３４，３５，３６．３７は、増幅器２６，
２７，２８，２９，３０及び設定器３Ｊからのアナログ
信号をディソタル信号に変換しディソタル電子計算機 （１９Ｊ下、電算機と称す）３８に入力するためのＡ／
Ｄ変換器（アナログ−ディジタル変換器）。

３つは、Ｄ　／　Ａ変換器（ディツタルーアナログ変換
器であり、電算機３８からのティソタル信号をアナログ
信号に変換し、溶接ロボットのオンジレートｆ　１ｉｌ
）　ｆｉＥＩする制御装置７へ増１ｂ′ａ器４２を通じ
て出力する。

その信号は、オツシレート幅制ヲ４ｊ個号及びオンジレ
ート速度制御信号である。

４０け、Ｄ／Ａ変換器であり、電算機３８がらのディノ
タル化号をアナログ信号に変換し、浴接線倣いを割部Ｉ
する匍］御装置７へ増幅４３を通じて出力する。その信
号は浴接線倣い信号である１、 ４Ｉは、Ｄ／Ａ変換器であり、電卿機３８からのデイソ
タル信号をアナログ信号に変換し、トーチ高言を制４４
１する制御装置７へ増幅器４４を通じて出力する。その
信号はトーチ高さ制御信号である。

４５は、浴接電圧や溶接′眠淀などの溶接条件設定器で
ある。

次に、第３図においては、△ｔはアーク（、Ｉ　ａ　。

’Ｌｅ、Ｖ、ｖ）のサンｌ１ノング曲隔、ｉとｊＵｙ’
−タのザンブリング数である。

更に第５図〜第８図において、Ｗはオツシレート幅であ
る。

更に第７図及び第８図において、ＬＯはチッン°−被溶
接物間距離りに関するパラメータ、Ｕとγは各々オツ〉
レート幅制御、バラツキ除去のパラメータである。

次に第２図〜紀８図にて開先幅制御の実施例の作用を説
明する。

（イ）市、流検出器２３と増幅器２９によって溶接電流
の平均値Ｉａが、また電流検出器２３と増幅器３０とに
よって溶接電流の実効値ｒｅがめられる。また、電圧検
出器２４と増幅器２８とによってチップ１２と被溶接物
１６との間の電圧Ｖがめられる。さらに、回転量検出器
２５と増幅器２７とによってワイヤ送給速／ｉｖが検出
される。

（ロ）　これらのアナログ量はＡ／Ｄ　変換器３５゜３
６．３４．３３によってディジタル蓋に俊換婆れて、電
算機３８に加えられる。

ヒｊ　ここで記号を次のように定６する。

■ａ：　溶接電流の平均蝕 ■ｅ：　溶接電流の実効値 Ｖ　：　ワイヤ送給速度 Ｖ　：　チップ１２と被溶接物１６との間の電圧 り、、　：　チップ１２の先端からアーク１４までのワ
イヤ１３の長さ、いわゆるワイヤ 突出し長さ ＬＡ：　ワイヤ１３の先端から溶接金８４１７４での距
離、いわゆるアーク長 Ｌ　：　Ｌ、、とＬＡとの和、即ちチップ１２の先端か
ら溶接金属１７までの距離 ＶＦ、　：　ワイヤ突出部に溶接電流（Ｉａ　、　Ｉｅ
　）によって生ずる電圧降下 ＶＡ：ＶからＶＥを差し引いた電１圧、即ちアーク電圧 このようにすると上記の諸量の間には近似的に次のｂ慰
１係がある。

Ｉ、ｇ　＝　ｆ＋　（Ｉａ、Ｉｅ、ｖ　）　−−−−−
−−−−第１式ＶＦ−ｈ　（Ｉａ＋Ｉｅ、ｖ、Ｌｐ：）
　”’　”’　””　２式ＶＡ＝Ｖ−ＶＥ　・・・・・
・・・・第３式ＬＡ　＝　ｆｓ　（Ｉ　、　ＶＡ）　・
・・・・・・・・第４式Ｌ　＝　ＬＥ＋ＬＡ　・・・・
・・・・・第５式第１式は参考文献１から、また第４式
は参考文献２からめら゛れる。第２式の具体的な形は実
艷によってめることができる。泥３式および第５式は第
２図から自明である。

参考文献１：社団法人溶接学会、溶接法研究委員会 １９８０年７月 「電流制御アーク溶接に関する研 究」 参考文献２：［溶接アーク現象〈増補版〉」株式会社　
産　報 著者　安藤弘平（他〕 に）従って、第１式の関係ｆ：電算機３８にプログラム
しておき、ワイヤ送給速度Ｖと浴接電流Ｉａ　、’、Ｉ
ｅを与えるとワイヤ突出し長ハＬＥがめられる。

（ホ）第２式の関係を電算機３８にプログラムしておき
、溶接電流Ｉａ、Ｉｅ、ワイヤ送給速囲Ｖおよび上記に
）で得られたワイヤ突出し長さＬＦ、を与えるとワイヤ
突出し部の′ば圧降下ｖＦ。

がめられる。

（へ）第３式の関係を電算機３８にプログラム（７てお
きチップ１２と被溶接物１６との間の定圧ｖ１および上
記（ホ）で得られたワイヤ突出し部の定圧降下ＶＦ、を
与えるとアーク電圧ｖＡがめられる。

（ト）　第４式の関係を′電算機３８にプログラムＩ７
て訃き、溶接電流Ｉａ　、　Ｉｅと上記（へ）で得られ
た゛アーク電圧ｖＡとを与えるとアーク長ＬＡがめられ
る。

（イ）第５式の関係を電算機３８にプログラムしておく
と上記に）で得られたワイヤ突出し長さＬＦ：と上記（
ト）で得られたアーク長ＬＡとの和からチップ１２と被
溶接物１６との距離りがめられる。

（す〕　上述のように、説明変数と１７で溶接電流Ｉａ
、Ｉｅ、ワイヤ送給速度Ｖおよびチップ１２と被溶接物
１６との間の電圧Ｖを与えると第１式〜第５式からチッ
プ４と被溶接物１６との間の距離りが目的変数としてめ
られる。

（ヌ）　第３図は、溶接ロボットの制御装置７からのオ
ンシレート位置信号（振幅が最大になるタイミング及び
振幅が零になるタイミング）を基に、ν１ｊちオンシレ
ート振幅がゼロを横切るタイミングを基準にして、それ
から一定時間△を毎に、溶接電流Ｉａ　、　Ｉｅ、ワイ
ヤ送給速度Ｖ、チップ−被溶接物量電圧Ｖをサンプリン
グして前述のチップ−被溶接物間距離りを演算した時の
タイミング（これは等測的にオンシレート振幅となる。

何故ならばオンシレート速度は一定でありかつ、サンプ
リング間隔も一定である。）とチップ−被溶接物間距離
りとの関係を、第２図に示したような■型突合せ開先内
で浴接した場合の１例金示す。

但（７、本例ではデーターＩａ　、　Ｉｅ　、　ｖ　、
　Ｖのサンプリングは振幅のゼロクロス時から最大まで
の往路のみで行い復路では行わない場合を示す。

このように開先内でオンシレート溶接を行うと、オンシ
レート位置とそれに対応するチップ−被溶接物間距離り
とのグラフが得られる。

に）第４図は、被溶接物１６で形成される開先が変化し
ている状態を示すが、第５図および第６図は、開先間隔
が異なる２つの開先でオンシレート溶接を行った時のオ
ンシレート幅Ｗとチップ−被溶接物ｒｌｉ１距＊、Ｌと
の関係を模式図に示したものである。

第５図は第６図に比べて開先ｉｔｌ隔が小さい場合を示
しているが、開先間隔が小さい場合は大きい場合に比較
し、小さいオンシレート振幅でチップ−被溶接物間距離
りが急速に減少するのが截継される。

し）第７図、第８図は、第５図と第６図の関係を定量的
に明ら力・にするために示した図である。

ここで、ＬＯはオンシレート振幅か小さい時の納ｊちｎ
ト１先中央付近でのチップ−被溶接物間距離りの飴であ
イ）。γは、演ｎによってめたＬの値にバラツキがある
ので、これを除くために計；りたパラメータ即ちバラツ
キ除去パラメータである。Ｕはオンシレート振幅を制御
するために設けた・母うメータ即ちオンシレート振幅制
徊ｊパラメータである。

（ワ　第７図は、開先形状が一定の時にオンシレート幅
制御ｉ＋ラメータＵの設定値によってオンシレート幅が
変化することを説明する図である。

ここで、バラツキ除去パラメータγおよびオンシレート
幅制御パラメータＵはあらかじめ実験によってめた適正
な値を電算機３８にパラメータとして設定しておく。以
下％　Ｌ　ＩＩＪＯ＋γ、Ｕなどに符号のみで略記する
。

（ソ１）溶接が開始されると、オンシレート振幅の零タ
イミンクを待ち検出したら、データＪａ。

Ｔｅ、Ｖ、ｖをサンプリングしＬを第１式〜第５式に従
って演ｑする。次に、又データをサンプリングし２Ｔ、
を計′はする。この過程を数回繰返１．て、その平均値
ＬＯをめてふ−〈。→六ンプリングの間隔は第：う図で
示したΔｔである。

（ヨ）　その後は、△を毎のサンシリングデータＩａ　
、　Ｉｅ　＋’　Ｖ　、　ｖに基づくＬを演算１２、Ｌ
とＬｏ　（γ十Ｕ）との大小関係に注目する。

も腰Ｌ　≧Ｌｏ　（γ十Ｕ　’）ならば、さらに同じ方
向にオンシレートを行う。しかし、Ｌ〈Ｌｏ　（γ十Ｕ
）の条件が数回連続して成立すれば、オンシレート方向
を反転させる。

（り）　次の１サイクルはデータのサンプリングは行わ
ず、オンシレート振幅の零タイミングを待ち検出できた
ら、前述ψ）、（ヨ）で述べたシーケンスを繰返す。

（財）　このようにしておけば、γ、Ｕで設冗されたノ
ソラメータ条件に従い、適当な太ささてオンシレート溶
接が繰返し行われる。

（ン）　ところで、第７図は同一開先形状の場合に、・
２ラメータＵをＩＪｌ、　Ｕ２　（Ｕｌ　＜　Ｕ２　）
　とした場合の例を示しているが、Ｌ＜Ｌｏ（γ＋Ｕ）
の条件を成立するためにＩｒ、Ｔ、　Ｕ２の方がＵｌの
場合よりも、犬きくオンシレートしなければならないこ
とは第７図から自明である。

即ち、’（Ｊ　ｆ、ｒ調整することによってオンシレー
トＩｌｌ吊Ｗを市１１償１１できる。（Ｕｌ　＜　Ｕ２
ならばＷｌ＜Ｗ２となる。） （Ｍ　第８図は、開先間隔が変化した時にＵを調整する
ことによってＷを制御できることを説明した図である。

に）　動作の原理は、前記（力）、（ヨ）、（夕）、（
りと全く同一であるが、第８図の場合はＵを一定値Ｕ３
に設定したことであり、この条件を満足させるだめには
、開先間隔が大きい時のオンシレート幅Ｗ３は開先間隔
が小さい時のオンシレート幅Ｗ４よシも大きくなること
は第８図から自明である。

（ホ）　以上述べてきたように、第７図から開先間隔が
同一の場合にオンシレート幅Ｗｌ″ｔＵによって制御で
きること、また開先間隔が変化している時は適正なＵを
設定することによって開先間隔の変動に適応してオンシ
レート幅Ｗが変化することを説明した。

（う９　次に、第３図において、Ｌの１サイクルサンプ
リング総和の平均しｍはｌサイクルのＬの平均値であり
、次のように演算することができる。

（看　したがって、設定器３１の設定値Ｌｄと上述（う
）のＬｍとを比較してもし、Ｌｍ＞Ｌｄならば、溶接ロ
ボットのトーチ高さを制御する制御装置７へＬｍＬｄＫ
比例する信号を出方しＬｍ＝Ｌｄになるまで溶接ロボッ
トの各軸２゜３．４，５．６を制御する。逆に、Ｌｍ＜
Ｌｄならば前述と同様にＬｍ＝Ｌｄになるまで′ｆ８接
ロボロボット軸２，３，４，５．６を制御する。

（つ）上記（う）、に）によってＬ　ｉ　Ｌｄの値に常
に保持することができる。

（ハ）　また、第３図において、縦＠ＩＬの左側のＬ差
を△Ｄとすると、 であるが、△Ｄ４０　の時はオンシレート中心軸と被溶
接物１６で形成される開先の中心軸とか不一致であるこ
とを示している。即ち、△Ｄ＞０　であれば、オンシレ
ート中心軸は開先の中心軸よυも右側に存在し、逆Ｋ、
△Ｄ＜０　ならばオンシレート中心軸は開先の中心軸よ
りも左側に存在している。

（１）　従って、△Ｄ＞Ｏならば溶接ロボットの溶接線
倣いを制御する制御装置７へΔＤに比例する信号を出力
し、△Ｄ＝Ｏになるまで、溶接ロボットの各軸２，３，
４，５．６制御する。逆に、△Ｄ＜０　ならば前述と同
様に△Ｄ＝０になるまで溶接ロボットの各軸２，３゜４
．５．６を制御する。

（３）　上記ｈ）　、　（１）によって、オンシレート
中心位置を常に開先の中心位置に保つことができる。

（２以上で、本実施例によれば、開先間隔が変動した場
合にオンシレート幅Ｗがそれに適応すること、また、ト
ーチ１と被溶接物１６との距離が変化しても常にトーチ
高さを設定値に保持できること、さらに、溶接線が変化
してもそれに自動追随できることを述べた。しかし開先
間隔が変動した場合、ワイヤ送給速度■が一定で（通常
この条件である）、かつ溶接速度Ｓが一定であれば、ビ
ード高さか変化する。

（至）　そこで、第７図、第８図に示すように電算機３
８はオンシレート幅Ｗを演η、することができるので、
Ｗの値に応じてトーチの移動速度を制御ｌ−て常にピー
ド高ざか均一になるようにする。

見、上実施ｆ／！１とどもに具体的に説明［〜たように
本発明のアーク溶接ロボットによれば、開先間隔の変動
に対して自動的にオンシレート幅を適応させ、かつ溶接
線を自動的に追随することができる。従って溶接ロボッ
トの信頼性を向上ζせることが出来るっ

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る一実施イχ１１のアーク溶接ロボ
ットの余（視構成図、第２図は同実施例の溶接回路およ
び演算処理機構を示すブロック図である。第３図は本発
明の原理を示すデータザンプリングのグラフ、第４図は
被浴接物を示す斜視図、第５図は第４図の■−■断面の
開先内でオンシレートした時のオンシレート幅Ｗに対す
るＬ（＝Ｌｇ＋ＬＡ）の変化パターンを示す説明図、第
６図は第４図のｖ＋−ｙｖｔ断面の開先内でオツシレー
トした時のオランレート幅Ｗに対するＬ　（−ＬＢ　＋
　ＬＡ　）の変化パターンを示す説明図、第７図及び第
８図は本発明に基づく原理を示す説明図である。 図面中、 ＩＵ　浴１き〔ト　−　チ、 ２はトーチ傾斜軸、 ３は手首旋回軸、 ４はＺ方向移動軸、 ５はＹ方向移動鞠ｊ１ ６はＸ方向移動軸、 ７は制御装置、 ８は電動駆動軸、 ９はアーク溶接機、 １０は遠隔操作盤、 １２はチップ、 １３は消耗電極（ワイヤ）、 １６は被溶接物、 １７は溶接金属 ２３は溶接電流値検出器、 ２４は溶接電圧値検出器、 ２５は回転量検出器、 ２９は溶接電流の平均値を出力する増幅器、３０は溶接
電流の実効値を用刀するハ４幅器、３１はチップ−被溶
接物間距離の設足器、３８は′Ｒ算扮、 ４５は溶接炎＋１設定器でめる。 喘°許出願人 三菱乃工業株式会社 復代理人 弁理士光　石　士　部（他１名） 第５図 第６図 ｌ 第７図 第８図 ｔａ　ＩＱ　１７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 三次元空間の所望な点に溶接トーチを移動させることが
   できる移動機構と、溶接トーチにハｒ望の姿をとらせる
   姿勢制御機構と、ｎ［要の溶接条件晶元を制御する制御
   装置とを備え、消耗電極即ちワイヤを使用しで、Ｊ：記
   溶接トーチをオランレートさせながら行うアーク溶接ロ
   ボットにおいて、 溶接電流の平均植１ａ及び実効値Ｉｅをめる検出手段と
   、ワイヤ送給速度Ｖの検出手段と、チップと被溶接物と
   （１）間の電圧Ｖの検出手段とを備え、且つ上ｉピＩ＠
   接電流の平均飴１ａ、夾効値Ｉｅ、Ｊ−記ワイヤ送給速
   度Ｖおよび上記電圧Ｖを電気的に演ｑ−処丹することに
   よって、ワイヤ突出し長さＬＦ、とアーク長ＬＡとの和
   ＬＦ：十ＬＡνＩＪちチッチ−被溶接物間距離をめ、更
   に上記溶接トーチのオランレートによる上記チップ−被
   溶接物［ｍ距離ＬＡ　＋ｒ、、、のりゝ化パターンから
   上記溶接トーチのオツシレート中心位ｈコｉと被溶接物
   によって構成される継手の中心位１６との偏差および開
   先面を認知し、上記オフ／レート中心缶Ｕイと上記継手
   の中心位ＩＶｆとの相対位色−関係か設定どおりになる
   ように常に上記溶接トーチを開先幅方向に位ｆ［＜ｆ制
   御してアーク点が浴接線を自■ｆｌＪ的に倣うようにし
   、開先間隔の変化に応じてオツシレート幅を自重）１調
   棺すると共に浴接法ｌ相Ｓを７　ｆｌｉ制御して開先間
   隔が変化しても一定のビード高さがイ仔られるようにし
   たオンシレート東ｊｉｉ自動制御手段を（Ｉｉｉｉえる
   ことを特徴とずイ１ア−り溶接ロボット。