JPS6216883A

JPS6216883A - 自動溶接方法

Info

Publication number: JPS6216883A
Application number: JP15523785A
Authority: JP
Inventors: Naoyuki Harada; 尚幸原田; Koji Oshitani; 孝治忍谷; Hiroshi Miyahara; 洋宮原
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 1985-07-16
Filing date: 1985-07-16
Publication date: 1987-01-26
Also published as: JPH0379107B2

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】（イ）産業上の利用分野本発明は、自動溶接方法に関するものである。

（ロ）従来の技術溶接部の形状に沿って溶接トーチを自動的に走行させて
溶接を行なう場合、溶接部を検出するために、機械的な
接触を利用する方法、テレビカメラ等の視覚装置を利用
する方法、溶接中の電圧、電流、音、磁気等の物理現象
の変化を利用する方法等が使用される。物理現象の変化
を利用する方法の内で溶接中の電圧又は電流の変化を利
用する方法には、溶接トーチの周囲に特別の装置を設置
する必要がないという利点がある。第９図に溶接電流の
変化を利用して溶接部の検出を行なう場合の溶接トーチ
及び溶接部を示す。被溶接物１０及び１２の接触面端部
がアーク溶接すべき溶接部１４である。溶接トーチ１６
は、溶接部１４の上方に配置され、紙面に直交する方向
へ移動して溶接部１４の溶接を行なう。その際、溶接ト
ーチ１６は溶接トーチ１６の移動方向に対して直交する
面（紙面に平行な面）内で揺動させられる。溶接中の溶
接電流の測定を行ない、揺動終点Ａ及びＢにおける電流
値が常に等しくなるように溶接トーチ１６をＸ方向又は
Ｙ方向に移動する。こうすることによって溶接トーチ１
６の揺動中心位置Ｃは溶接部１４の真上の位置に保持さ
れる。この方法は、被溶接物１０及び１２が溶接部１４
を通る垂直面に関して幾何学的に対称であるため、溶接
トーチ１６の揺動中心位置Ｃが上記垂直面内にあれば揺
動終点Ａ及びＢにおける溶接電流は等しくなるはずであ
るという考え方に基づいている。

（ハ）発明が解決しようとする問題点しかし、上記のような従来の方法では、あらゆる溶接条
件において溶接部を確実に検出し、これに沿って精度よ
く自動的に溶接を行なうことは困難であフた。なぜなら
ば、アーク溶接は不安定な放電現象を利用したものであ
り、溶接中は溶滴の落下、ワイヤの曲り、ワイヤ送給速
度の変動、仮付部の存在等の種々の条件が変化し、実際
には溶接電流は例えば第１０図に示すように極めて複雑
に変化し、揺動終点における溶接電流の差異と溶接トー
チ１６の溶接部１４からのずれとの間の関連が常に明確
であるわけでないからである。更にこのような方法は、
トーチ１６の上下方向位置に関しては何ら位置ずれを解
消する手段を有していない。従って、第９図に示すよう
な溶接トーチ１６を真下に向けるいわゆる下向き溶接法
など、溶接電流の変化と溶接トーチ１６のずれとの間の
関連が比較的明確な溶接条件下、しかもトーチ１６と溶
接部１４との上下方向の相対位置が溶接中に変化しない
という条件下においては、上記のような従来の方法によ
っても自動溶接を行なうことができるが、上記特定の溶
接条件以外の場合には溶接トーチ１６を確実に溶接部１
４に沿わせて移動させることが困難であった。

本発明は、上記のような問題点を解決し、溶滴の落下、
ワイヤの曲り、ワイヤ送給速度の変動、仮付部の有無等
の条件の変化に起因して例えば水平方向及び上下方向に
位置ずれを発生することなく確実に溶接部を自動的に溶
接することができる自動溶接方法を得ることを目的とし
ている。

（ニ）問題点を解決するための手段本発明は、溶接トーチを所定周波数で揺動させたときの
溶接電流の所定周波数の成分（所定周波数のスペクトル
）の変化及び平均溶接電流値の変化に基づいて溶接トー
チと溶接部との間の位置ずれを検知することにより上記
問題点を解決する。

すなわち、本発明による自動溶接方法は、溶接トーチの
移動方向に直交する面内において溶接トーチを一定周期
で揺動させること、溶接電流の周波数成分のうち溶接ト
ーチの揺動周期と同一の周波数成分及びその２倍周波数
成分を検出すること、１揺動期間中の平均溶接電流値を
検出すること、検出した上記揺動周期と同一の周波数成
分が小さくなる方向に溶接トーチの揺動中心位置を揺動
中心線（通常は垂直方向）に直交する方向（上記通常の
場合には水平方向）に移動させること、検出した上記２
倍周波数成分及び平均溶接電流値とこれらのそれぞれの
初期値との差が小さくなる方向に溶接トーチの揺動中心
位置を揺動中心線軸方向に移動させること、の各段階か
ら成ることを特徴としている。

（ホ）作用上記のような構成によって、溶接トーチの位置　　、　
　（ずれが検出可能であるのは次のような原理による。

すなわち、溶接電流の周波数成分のうち溶″−ｆ（７）
＄１″″′１１′″Ｉ″］−ｏｍｍａｇ＋ｏ＊ｓ　　　
　；。

さは、溶接トーチの溶接部からの揺動中心線に直交する
方向の位置ずれの大きさに応じて一変化する。一方、溶
滴の落下、ワイヤの曲り、ワイヤ送給速度の変動、仮付
部の有無等の条件の変化による影響は、これらの周波数
成分が溶接トーチの揺動周波数と異なるため、溶接トー
チの揺動周波数と同一の周波数成分の大きさにほとんど
影響を　　　　　）与えない。従って、溶接トーチの揺
動周波数と同一の周波数成分を検出し、その大きさが小
さくなるように溶接トーチを揺動中心線に直交する方向
にを移動すれば、上記のような溶接条件の変動によって
影響されることなく溶接トーチの揺動中心線直交方向の
位置を溶接部に一致させることができる。なお、溶接ト
ーチの移動方向は溶接トーチの揺動に対する周波数成分
の位相の正逆を利用して決定する。

一方、溶接電流の周波数成分のうち２倍周波数成分及び
１揺動期間中の平均溶接電流値は、共に溶接トーチと溶
接部との揺動中心線軸方向の距離の大きさに応じて変化
する。従って、２倍周波数成分及び平均溶接電流のそれ
ぞれ初期値（適正条件下で溶接開始直後のそれぞれの値
）との変化分を小さくするように溶接トーチを揺動中心
線軸方向に移動すれば、前記のような溶接条件の変動に
よフて影響されることなく溶接トーチの揺動中心線軸方
向の位置を一定にさせることができる。

（へ）実施例以下、本発明の実施例を添付図面の第１〜８図に基づい
て説明する。

第１図に本発明による自動溶接装置を示す。これは下向
き隅肉溶接に本発明を適用した実施例である。溶接トー
チ２０は揺動装置２２によって揺動可能に支持されてい
る。揺動装置２２は溶接トーチ２０を一定周期で揺動さ
せることができる。溶接トーチ２０にはワイヤ送給装置
２４からワイヤ２６が送給可能である。揺動装置２２は
上下方向移動装置２９と支持部材３１を介して連結され
ている。上下方向移動装置２９はモータ２９ａを有して
おり、このモータ２９ａを作動させることにより、支持
部材３１を第１図中で上下方向に移動させることができ
る。すなわち、モータ２９ａを駆動させることにより、
揺動装置２２及びこれに支持された溶接トーチ２０を上
下方向に移動させることができる。上下方向移動装置２
９は横方向移動装置２８と支持部材３０を介して連結さ
れている。横方向移動装置２８はモータ２８ａを有して
おり、このモータ２８ａを作動させることにより支持部
材３０を第１図中で水平方向に移動させることができる
。すなわち、モータ２８ａを駆動することにより、揺動
装置２２及びこれに支持された溶接トーチ２０を水平方
向に移動させることができる。モータ２８ａ及び２９ａ
はパルスモータであり、入力される正転用又は逆転用パ
ルスに応じて正転又は逆転する。横方向移動装置２８は
、フレーム３２上に軸受３４及び３６を介して水平方向
（紙面に直交する方向）に移動可能に支持された走行台
３８上に設けられている。なお、走行台３８を駆動する
駆動装置は図示を省略しである。この走行台３８及び駆
動装置が縦方向移動装置を構成する。走行台３８を移動
させることにより、溶接トーチ２０を紙面に直交する方
向に移動させることができる。被溶接物４０及び４２は
台４４上に設置される。被溶接物４０及び４２の接触面
端部が溶接すべき溶接部４６である。ワイヤ送給装置２
４及び台４４はそれぞれ給電線４７及び４８によって溶
接電源５０と接続されている。溶接電源５０には電流検
出器５２が設けられており、電流検出器５２からの信号
５４は制御装置５６に人力される。電流検出器５２は例
えばホール素子を利用した磁気的電流検出器又はシャン
ト抵抗器であり、溶接電流に比例した信号５４を発生す
る。制御装置５６には揺動装置２２に設けられた揺動位
置検出器６０からの信号６４も人力される。揺動位置検
出器６０は溶接トーチ２０が揺動中心位置を１方向から
通過するときに（すなわち、１揺動周期に付き１回）、
パルス状の信号６４を発生するものであり、例えば溶接
トーチ２０と連動するスリット機構及び光電スイッチに
よって構成することができる。−制御装置５６は、モー
タ２８ａへ回転量及び回転方向を指令する信号６６、及
びモータ２９ａへ回転量及び回転方向を指令する信号６
７を出力することができる。制御装置ら６の構成を第２
図にブロック図として示す。制御装置５６には、電流検
出器５２からの信号５４及び揺動位置検出器６０からの
信号６４が入力される。制御装置５６は、ＡＤ変換器７
０、マイクロプロセッサ７２、記憶器７４、及び駆動信
号出力部７６及び７７を有している。ＡＤ変換器７０は
、電流検出器５２からのアナログ信号５４をデジタル信
号８０に変換する。マイクロ、プロセッサ（中央処理装
置ＣＰＵ）７２は、記憶器７４に格納しであるプログラ
ムに基づいて、信号の読み込み、演算、信号の出力等の
制御を行ない、後述のような機能を達成する。記憶器７
４にはマイクロプロセッサ７２を作動させるプログラム
及び演算に必要なデータが格納してあり、また演算中の
数値データ等も一時的に格納される。駆動信号出力部７
６及び７７は、マイクロプロセッサ７２からの信号８２
及び８３に応じてそれぞれモータ２８ａ及び２９ａを所
定量だけ所定方向に駆動するパルス信号６６及び６７を
出力する。

次にこの実施例の作用について説明する。第１及び２図
に示す装置により次のようにして溶接が行なわれる。溶
接トーチ２０は、揺動装置２２によって紙面に平行な平
面内で揺動中心線（この場合、垂直線）を中心として揺
動しつつ走行台３８によって紙面に直交する方向に移動
し、第３図に示す溶接部４６をアーク溶接する。溶接ト
ーチ２０が溶接部４６の真上の一定高さ位置を通過する
ように、制御装置５６からの信号６６及び６７によって
モータ２８ａ′ＢＬび２９ａが回転し、溶接トーチ２０
は水平方向及び上下方向に移動される。制御装置５６は
、揺動位置検出器６０からのパルス状の信号６４及び電
流検出器５２からの信号５４に基づいて、第８図に示す
フローチャートの手順に従ってモータ２８ａに出力する
信号６６及びモータ２９ａに出力する信号６７を決定す
る。まず、揺動位置検出器６０からの信号６４がオンと
なることを検出することにより、溶接トーチ２０が最初
に揺動中心位置を１方向から通過することを検出しくス
テップ１−０２　）　、これを検出すると同時にＡＤ変
換器７０からの信号８０を読み込み、記憶器７４に記憶
さ−せる（ステップ１０４）。次いで、微小時間△Ｔ（
例えば、揺動周期の１／１００の時間）のアイドル時間
を置いて（ステップ１０６）、溶接トーチ２０が揺動中
心位置にあるかどうかを判断しくステップ１０Ｂ）、揺
動中心位置に復帰していない場合にはステップ１０４に
もどって微小時間Δτ後の信号８０を読み込み、記憶器
７４に記憶させる。この信号８０の読み込み及び記憶は
溶接トーチ２０が揺動中心位置に復帰するまで（すなわ
ち、揺動位置検出器６０からの信号６４がオンとなるま
で）繰り返される。すなわち、１揺動周期間に信号８０
が６１時間毎に１００回測定され、データＡ１、Ａｚ・
・・Ａ１゜。として記憶される。１揺動周期が終了して
トーチ２０が揺動中心位置にもどると、ステップ１１０
に進み、次式に示す演算を行なう。

Ｓ＝　　＝　　（Ａｉ　　−ｓ　ｉ　ｎ　　（２πｉ／
Ｎ））Ｐ＝　ｔ　　（Ａ　ｉ　−ｓ　ｉ　ｎ　（４πｉ
／Ｎ）　）１冨ＩＡｉ・・・信号８０の測定データＮ・・・・Ａｉのデータ数（上側ではＮ＝１００）この演算結果Ｓ及びＰは、それぞれ電流検出器５２から
の信号５４に含まれる周波数成分のうち溶接トーチ２０
の揺動周期と一致する周波数成分及びその２倍周波数成
分を抽出したものとなっている。ここでＳ及びＰの値の
大きさはそれぞわ溶接トーチ２０の揺動周波数の周波数
成分及びその２倍周波数成分の大きさに略比例し、また
Ｓ及びＰの値の正負は揺動に対する周波数成分の位相の
正逆に一致している。一方、Ｑは電流検出器５２からの
信号５４の平均値、すなわち平均溶接電流値となってい
る。この関係を図面によって示すと第３〜７図に示すよ
うになる。すなわち、第３図に示すように、溶接トーチ
２０の溶接部４６からの水平方向への位置ずれをＸとし
、上下方向の位置をｙとする。また溶接電流の周波数成
分のうち溶接トーチ２０の揺動周波数と同一の周波数成
分の大きさをｚ、とじ、２倍周波数成分の大きさを７２
とする。また平均溶接電流値を２３とする。

このようにすれば、Ｘと２１との関係は第４図に示すよ
うになる。すなわち、Ｘの絶対値の増大に伴なってＺ、
の値も増大する。また、第５図に示すように、溶接トー
チ２０の水平方向の位置ずれの方向（すなわち、Ｘの値
の正負）に応じてｚｌの位相が逆転する。これによって
溶接トーチ２０の位置ずれの方向を検知することができ
る。更にｙと２２との関係は第６図のようになり、また
ｙと２３との関係は第７図のようになる。すなわち、ｙ
の増大に伴ってＺ２は増大する（この理由は、ｙの増大
に伴って揺動中心位置から溶接部４６までの距離が大と
なることによって、揺動振幅が増大するからである）。

また、ｙの増大に伴ってＺ３は減少する（この理由は、
ｙの増大に伴って、いわゆるワイヤ突出長（第３図のｅ
）が大となることから、この部分のジュール発熱特性が
変化し、溶接電源の電圧電流特性に基づいて溶接電流値
が減少するからである）。上記のようなｓ、ｐ及びＱの
値に基づいて、作動指令信号り及びＥが演算される（ス
テップ１１２）。すなわち、Ｓの値に比例してＤが演算
され、またＰｏ−Ｐ及びＱ−ＱＯに比例して適当な重み
係数α及びβを用いて例えば次式のようにＥが演算され
る。

Ｅｃｆ−（α（Ｐｏ−Ｐ）　　＋β　（Ｑ−ＱＯ）　　
）／（α＋β）ただし、ここでＰｏ及びＱＯは、溶接開始直後の適正条
件下でのくすなわち、第６及び７図のｙ＝ｙＯにおりる
）Ｐ及びＱの値である。ここで比例係数は、使用するモ
ータ２８ａＥＬび２９ａの回転特性によって異なるが、
大きくすればトーチ位置修正の応答性か良くなり、逆に
小さくすれば安定性が増す傾向を考慮して適宜決定され
る。この作動指令信号り及びＥが信号８２及び８３とし
て駆動信号出力部７６及び７７に入力される。駆動信号
出力部７６は、人力された信号８２の大きさ及び正負に
応じて所定数の正転用又は逆転用パルスを信号６６とし
てモータ２８ａに出力する。

同様に駆動信号出力部７７はモータ２９ａに信号６７を
出力する（ステップ１１４）。次いでリターンし、上記
と同様のルーチンが繰り返し実行される。従って、溶接
トーチ２０の揺動周期毎に溶接トーチ２０の水平方向位
置及び上下方向位置が調節されることとなる。なお、本
実施例のフローチャート（第８図）は、ステップ１１０
→１１４が、ステップ１０４→１０８における信号８０
の定期的な読み込みに影響を及ぼさないように十分に高
速に実行されることを前提にしているものであるが、ス
テップ１０４→１０８の実行と、ステップ１１０→１１
４の実行とを同時に並行して行なういわゆる並列処理を
行なえば上記前提は不要である。

上記のような制御装置５６の作用によって溶接トーチ２
０は、常に溶接部４６の真上で、しかも一定高さに位置
するように制御される。例えば、溶接トーチ２０の位置
が溶接部４６の真上位置から水平方向にずれた場合、溶
接電流中に含まれる周波数成分のうち溶接トーチ２０の
揺動周期と同一の周波数成分は大きくなる（第４図参照
）が、駆動信号出力部７６からの信号６６はこれを小さ
くする方向にモータ２８ａを回転させる。

モータ２８ａの回転方向は信号８２の正負に応じて決定
され、溶接トーチ２０は溶接部４６の真上位置に水平移
動される。溶接トーチ２０が溶接部４６の真上に位置し
ている場合には、溶接電流中に含まれる周波数成分のう
ち溶接トーチ２０の揺動周期と同一の周波数成分は極め
て小さくなるので、モータ２８ａはほとんど回転せず溶
接トーチ２０も水平移動しない。

一方、溶接トーチ２０の位置が溶接部４６の真上位置の
初期位置（溶接開始直後の位置であり、第６図及び第７
図のｙｏに該当）から更に上方向にずれた場合（すなわ
ち、ｙの値が大きくなった場合）、溶接電流中に含まれ
る周波数成分のうち溶接トーチ２０の揺動周期の２倍周
波数酸分は大きくなり（第６図参照）、また平均溶接電
流値は小ざくなる（第７図参照）。従って、作動指令信
号Ｅは負の値をとり、その絶対値は大きくなるが、駆動
信号出力部７７からの信号６７は、この絶対値を小さく
する方向にモータ２９ａを回転させる。逆にトーチ２０
の位置が下方向にずれた場合は、作動指令信号Ｅは正の
値をとり、その絶対値は大きくなるが、同様に信号６７
はこの絶対値を小さくする方向にモータ２９ａを回転さ
せる。

モータ２９ａの回転方向は信号８３の正負に応じて決定
され、溶接トーチ２０は溶接部４６の真上位置の初期位
置に一致するように上下移動される。溶接トーチ２０が
溶接部４６の真上位置の初期位置にある場合には、作動
指令信号Ｅは極めて小さくなるので、モータ２９ａは、
はとんど回転せず、溶接トーチ２０も上下移動しない。

上記のようにして、溶接トーチ２０の位置は揺動の１周
期毎に溶接部４６の真上の一定位置にくるように制御さ
れ、溶接トーチ２０は溶接中学に溶接部４６の真上の一
定位置に保持され、走行台３８の移動によって溶接が行
なわれる。溶接中には、溶滴の落下、ワイヤの曲り、ワ
イヤ送給速度の変動、ワイヤの溶は方の不均一、仮付部
の有無等の条件の変動を生ずるが、これらの変動の周波
数成分は溶接トーチ２０の揺動周波数の周波数成分とは
相違しており、溶接トーチの揺動周期と同一の周波数成
分に対してはほとんど影響を与えない。従って、上記の
ような溶接条件の変動にもかかわらず、溶接トーチ２０
は確実に溶接部４６の真上の一定位置に保持される。

なお、上記実施例では、揺動装置２２の位置はパルスモ
ータによって制御するようにしたが、例えばポテンショ
メータを用いて揺動装置２２の移動量を検出し、このフ
ィードバック信号とマイクロプロセッサ７２からの信号
８２及び８３とを駆動信号出力部（例えばサーボアンプ
）に人力し、これによってモータ（サーボモータ）を駆
動するようにしてもよい。

（ト）発明の詳細な説明してきたように、本発明による自動溶接方法は、
溶接トーチの揺動周期と同一の周波数成分、その２倍周
波教戒分、及び１揺動期間中の平均溶接電流値に基づい
て溶接トーチの揺動中心位置を揺動中心線軸方向（実施
例では垂直方向）及びこれに直交する方向（水平方向）
に修正するようにしたので、溶接中の溶滴の落下、ワイ
ヤの曲り、ワイヤ送給速度の変動、ワイヤの溶は方の不
均一、仮付部の有無等に影響されることなく、溶接部か
ら一定距離に保ったままこれに沿って溶接トーチを移動
させることができ、下向き隅肉溶接法のみならずその他
の溶接法であっても所望どおり確実にアーク溶接を行な
うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を適用する溶接機を示す図、第２図
は制御装置をブロック図として示す図、第３図は位置ず
れしだ状態の溶接トーチを示す図、第４図は水平方向の
位置ずれ量と周波数成分電流値との関係を示す線図、第
５図は水平方向の位置すれと位相との関係を示す線図、
第６図はトーチの上下方向位置と２倍周波教戒分との関
係を示す図、第７図はトーチの上下方向位置と平均溶接
電流値との関係を示す図、第８図は制御方法のフローチ
ャートを示す図、第９図は従来の溶接機における溶接ト
ーチ及び溶接部を示す図、第１０図は揺動位置に対する
溶接電流の変化を示す線図である。２０・・・溶接トーチ、２２・・・揺動装置、２４・・
・ワイヤ送給装置、２６・・・ワイヤ、２日・・・横方
向移動装置、２９・・・上下方向移動装置、２８ａ、２
９ａ・・・モータ、３０゜３１・・・支持部材、３２・
・・フレーム、３４．３６・・・軸受、３８・・・走行
台、４０．４２・・・被溶接部材、４４・・・台、４６
・・・溶接部、４７．４８・・・給電線、５０・・・溶
接電源、５２・・・電流検出器、５４．６４，６６．６
７・・・信号、５６・・・制御装置、６０・・・揺動位
置検出器、７０・・・ＡＤ変換器、７２・・・マイクロ
プロセッサ、７４・・・記憶器、７６．７７・・・駆動
信号出力部、８０，８２．８３・・・信号。

Claims

【特許請求の範囲】溶接部に沿って自動的に溶接トーチを移動させてアーク
溶接を行なう自動溶接方法において、溶接トーチの移動
方向に直交する面内において溶接トーチを一定周期で揺
動させること、溶接電流の周波数成分のうち溶接トーチの揺動周期と同
一の周波数成分及びその２倍周波数成分を検出すること
、１揺動期間中の平均溶接電流値を検出すること、検出した上記揺動周期と同一の周波数成分が小さくなる
方向に溶接トーチの揺動中心位置を揺動中心線に直交す
る方向に移動させること、検出した上記２倍周波数成分及び平均溶接電流値とこれ
らのそれぞれの初期値との差が小さくなる方向に溶接ト
ーチの揺動中心位置を揺動中心線軸方向に移動させるこ
と、を特徴とする自動溶接方法。