JPS635878A - 自動溶接装置における溶接開始点検出方式 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は産業用ロボットを含む自動溶接装置の溶接開始
点検出方式に関する。

〔従来の技術とその問題点〕

従来、産業用ロボットの溶接開始点検出方式の代表例に
ワイヤ・アース法がある。即ち、ワイヤ・アース法は、
溶接トーチ先端のワイヤ電極と被溶接物との間に電圧を
加えておき、ワイヤ電極と被溶接物との間の接触、非接
触状態を電圧変化で検出し、所定の動作を行なわしめる
ことによって開始点を検出しようとする方法で、溶接ト
ーチ回りに特別のセンサを装着する必要がないため、被
溶接物や被溶接物を保持する治具と溶接トーチとの干渉
がなく、比較的有用とみなされてきた。

しかしながら、溶接終了後のワイヤ長はバラついている
ため、ワイヤ長を一定に調整する動作、ワイヤ曲りやワ
イヤ突き出し方向と逆方向にワイヤが引っ込むことを防
止する動作など、開始点検出のための動作に高速探索動
作を疎外する動作を多く含んでいる。このため生産性を
重視する分野ではネックになっている。

また、ワイヤ・アース法では、被溶接物の表面状態によ
って検出精度が左右されやす（、とくに黒皮状もしくは
酸化皮膜をかぶった被溶接物や、クレータ処理後にワイ
ヤ先端に生成される絶縁被膜は天敵であって、特別に高
周波高圧をワイヤ電極と被溶接物の間にかける手段をも
うけなければならない。

更に、アーク熱、ジュール熱によって加熱された状態で
直ちに前記探索動作を行うと、ワイヤがとくに曲りやす
いという欠点を有する。

これに対し、アーク・パラメタの特徴値によって開始点
検出を行なう方法であれば、前記の問題の大半を克服で
きる。

このような方法として、特開昭５８−７７７７５号公報
に示される方式がある。この方式は特別に設定した溶接
条件でウィービング運動しながら溶接パラメータの特徴
値によって軌跡修正を行なう方式であって、水平隅肉溶
接などに有効である。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は前記方式の溶接中の溶接パラメータを検出対象
にするという共通点を有するものであるが、ウィービン
グ運動、ウィービング周期毎の軌跡修正を行なわせない
という点で、前記方式とは異なる特徴を有するものであ
る。

即ち、本発明はラップ・ジヨイントの溶接において、本
来溶接さるべき溶接線に交叉する方向に溶接電流の低電
流域で溶接を実施するとともに、ジヨイント・エツジ面
を通過する際に生じる溶接電圧又は電流の変化の特徴よ
り溶接開始点を検出し、前記開始点に溶接トーチ先端の
制御点を到達せしめることを特徴とする溶接開始点検出
方式であって、高速動作が可能、被溶接物の表面形状や
表面性状に無関係に安定精度が確保できるだけでなく、
特別のハードウェアの追加なく、通常のアーク・センシ
ングの機能をそなえた自動溶接装置にて実現できるとい
う利点がある。

〔発明の原理〕

第１図は本発明の原理を示す図で、上板Ｘ、下板Ｙの重
ね継手に対し、上板側から下板側に溶接を行なう場合を
示したものである。

図において、１，２．３は、溶接各時点の溶接トーチ先
端に取りつけた給電チップを、また４゜５．６は同様に
ワイヤ、？、８．９はアーク長を示すものである。

本発明は、Ｃｏ２ガス溶接、Ａｔ−Ｃｏ、混合ガス溶接
を問わず、溶接低電流、低電圧領域で探索動作を行なわ
せる。前記領域では第２図に示す如く、ワイヤ送給速度
に比し、ワイヤ溶融速度が遅いため、ワイヤ溶滴は母板
側へ短絡移行する。

ワイヤの母板側への短絡と、短絡大電流による溶滴の母
板側への移行、アーク再点火によるアーク電圧の急上昇
、という短絡区間アーク区間が交互にくりかえされてい
る。

前記短絡移行現象を伴なう溶接低電流域では、第１図に
おける上板ＸのＡ点から上板エツジポイントＣ点までは
、給電チップ先端と母板との間の距離、即ち、チップ−
母板間距離は一定であるため、溶接電圧又は電流は第２
図の如く、脈動しつつも、その平滑値ははり一定である
。

ところが、０点に達すると、チップ−母板間距離は上板
Ｘの板厚分つまりＢＣだけ長くなる。ワイヤの送給速度
は一定であるため、瞬間的にアーク長が伸びるとともに
通常のアーク区間より十分長い時間を経て、再たび短絡
に至る。

第２図に示す如く、アーク区間が十分長いと溶接電圧の
平滑値は短絡電圧又は電流を含まないため、通常の平滑
値より、顕著に上ることは容易に推察できる。事実、第
３図又は第４図の（イ）に示すように溶接電圧又は電流
の平滑値は、セルフ・レギュレーシッンの応答遅れによ
り、Ｂ点通過の際、上り出し又は下り出し、短絡が再発
生した瞬間をピーク又は底にして再たび下降又は上昇す
るという特徴を有する。

この特徴的変化をとらえ、開始点検出に供しようという
のが本発明の着目点である。

前記の如き変化する特徴を検出する方法としては （１）溶接電圧又は電流（平滑値）のピーク値又はボト
ム値の瞬間を検出する。

（２）闇値を設け、溶接電圧平滑値がそれ以上又は以下
となった瞬間を検出する。

（３）溶接電圧又は電流平滑値の単調増加又は減少が所
定の時間を越えた瞬間を検出する。

（４）溶接電圧又は電流平滑値の単調増加又は減少の傾
きより検出する。

等がある。

これらの１つまたは複数の組み合せにより・溶接工フジ
部の検出を行なうことができる。

同様に第３図（ロ）は第２図において下板Ｙ側から上板
Ｘ側に、即ち、３→２→１と溶接する場合の溶接電圧又
は電流の平滑値の波形を示している。

一般にアーク長は、板厚分ＢＣより短かく、ＢＣ線通過
の際通常とは異なる十分長い短絡区間を経て、通常のア
ーク、短絡をくりかえすようになる。このため溶接電圧
又は電流の平滑値は第３図（ロ）の如く、ボトム値又は
ピーク値を経て、通常値にもどる。

溶接エツジ部検出の方法としては、 （１）　　溶接電圧又は電流の平滑値がボトム値又はピ
ーク値となる瞬間を検出する。

（２）閾値を設け、溶接電圧又は電流の平滑値がそれ以
下となった瞬間を検出する。

（３）溶接電圧又は電流の平滑値の単調減少又は増加が
所定の時間を越えた瞬間を検出する。

（４）　　溶接電圧又は電流の平滑値の単調減少又は増
加の傾きより検出する。

等がある。これら１つ、または複数の組合せにより下板
から上板へ溶接しつつ、溶接工フジ部の検出を行なうこ
とができる。

以上、アーク現象により溶接エツジ部を検出する原理的
方法について説明したが、次に、アーク現象上の特性値
の変化より、いかにして実際の溶接開始点を算出するか
について説明する。

第３図又は第４図（イ）に示す如く、時刻ｔｎ点は、溶
接電圧又は電流の平滑値がピーク値又はボトム値をとる
瞬間である。

この瞬間の溶接トーチを駆動する空間基本３軸の現在値
を（Ｘｎ、Ｙｎ、Ｚｎ）とする、この前記現在値は第１
図Ｃ点の座標値ではなく、Ｄ点の座標値である。即ちＣ
点通過の際、溶接電圧又は電流の平滑値が変化し出し、
長時間のアーク区間を経て、短絡を開始する時刻がｔｎ
であると考えられる。

従ってＣ点通過はｔｎ点よりｔｍ時刻先立っている。そ
の時の現在値を（ｘＲ−＠　＋　Ｙａ−＊　＋Ｚ、、）
と表現する。

０点の座標（Ｘ、、、Ｙ、、−、、Ｚ、、）を求める方
法には次の２つがある。

（１）空間基本３軸を制御すコントローラが一定サンプ
リング周期毎に現在値を読み取り、メモリに貯えておく
、ｔｎの瞬間に、それよりｔｍ時刻前の現在値（Ｘ＋ｓ
−ｓ　＊　Ｙａ−ｓ　＋Ｚ□、〕を抽出する。

（２）溶接方向の単位ベクトルを（ａ＋　　ｂｒ　　Ｃ
）＋溶接速度をＶとすると Ｘｎ−ｖａ　−ＸＲａ　Ｖｔ　ｍ Ｙｈ−ｗａ　＝Ｙ１１−　ｂＶ　ｔ　ｍＺＦＩ−１１＝
Ｚｎ　−ｃｆｔｍ として算出する。

前記いずれかの方法で第１図Ｃ点の座標は特定すること
ができる。

実際の検出すべき溶接開始点は第１図Ｂ点である。

ＢＣベクトルを（ｅ、ｆ、ｇ）とし、Ｂ点座標を（Ｘｓ
、Ｙｓ、Ｚｓ）とすると Ｘ　Ｓ−Ｘ　１１−ａ　　−６ Ｙ　ｓ　＝Ｙ、−、−ｆ Ｚｓ謂Ｚ＊−ａ−ｇ である。前記単位ベクトル（ａ、ｂ、ｃ）、ＢＣベクト
ル（ｅ、ｆ、ｇ）は、あらかじめ、等価的な教示が為さ
れているものとする。

例えば第１図のＡ点、Ｂ点に相当するＢ′点。

０点に相当するＣ′点があらかじめ教示されているなら
ば、前記各ベクトルは容易に算出することができる。

さて、センサの時間遅れｔｍはワイヤ送給速度。

上板の板厚ＢＣ，平滑手段の時間遅れ、空間基本３軸駆
動、サーボ・コントローラの遅延時間などの変数要因か
ら成り立っているが、特定の板厚。

は一義的に規定される。

Ｃ実施例〕 第５図は、本発明を実現するハードウェアのブロック図
で、第２図に示す如き脈動する溶接電圧２０又は電流２
０’は、検出手段１１によって検出され、平滑手段１２
に導びかれる。

平滑手段１２は前記第２図のような短絡とアークを交互
にくりかえして脈動する信号を平滑化し、第３図に示す
ような平滑溶接電圧２１を生成する。

この信号２１は変換手段１３によって物理的連続量から
ディジタル量に変換され、センサ・コントロール手段１
４によって読み取られる。

センサ・コントロール手段１４は、手段１１゜手段１２
２手段１３をコントロールするとともに、自動溶接装置
を構成する例えばロボット・コントローラ１５と交信し
、所望の情報のやりとりを行なう。例えば第３図又は第
４図（イ）に示す如く、変換手段１３のデータをあるサ
ンプリング周期でＲＥＡＤして、その値が前回のリード
値を越えたと判断した瞬間、リアルタイムにこの情報を
ロボット・コントローラに伝達するが如きである。

センサ・コントロール手段１４はマイクロプロセッサ、
メモリ等の要素より成り立っているが、容易に類推可能
であるため、その詳細は図示しない。

ロボット・コントローラは、自動溶接装置を構成する一
例であって、例えばティーチング・プレイバック型コン
トローラである。

ティーチングされた通りに、溶接トーチ先端の制御点を
コントロールしつつプレイバンク動作を行なわしめる機
能を有し、当然のことながら空間基本３軸を駆動、制御
することができるとともに、駆動源を駆動するパルス数
を管理し、パルス現在値を認識する手段を有するため、
現在値（Ｘ　ｎ。

Ｙｎ、Ｘｎ）を取得でき、メモリ上のテ〒プルサーチに
よって（Ｘ□１６　＋　Ｙｎ−ｍ　ｌ　　Ｚｌｌ−１１
）を取得できる。

溶接開始点（Ｘ　ｓ　＊　Ｙ　ｓ　＊　　Ｚ　ｓ　）を
算出する一連の演算を行なう手段は、ロボット・コント
ローラのマイクロプロセッサに付随する機能であって特
別の説明はしない。

ブロック１６は自動溶接装置を構成する例えば産業用ロ
ボットであって、基本軸３を最小限有し、溶接トーチが
装着されている。溶接機は図示しない。

以上が本発明を実現するシステムの概要であって、手段
１１〜手段１４を除き特別のハードウェアはない。手段
１１〜手段１４はアークセンサの構成と基本的に同一で
あって、特別の構成ではない。

〔発明の効果〕

本発明は、従来のワイヤ・アース法に比し、精度の安定
性、探索動作の高速性に有位性を発揮し、ハードウェア
の簡略化もあいまって、今後産業界に寄与する所大であ
ると考える。また本発明は探索動作によるビード外観よ
りも生産性、高安定性を優先する分野で活躍するものと
考える。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は溶接電流、溶接
電圧の波形図、第３図は平滑された溶接電圧波形図、第
４図は平滑された溶接電流波形図、第５図は本発明の実
施例の要部のブロック図である。 １１・・・溶接電圧検出手段 １２・・・平滑手段 １３・・・変換手段 １４・・・センサ・コントロール手段 １５・・・ロボット・コントローラ １６・・・ロボット ２０・・・溶接電圧 ２０’・・・溶接電流 ２１・・・平滑された溶接電圧又は平滑された溶接電流 第１図 Ｙ 第２図 第３図 （イ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ロ）
第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被溶接物と溶接トーチとの相対位置を位置制御されるべ
   くした自動溶接装置における重ね隅肉溶接において、溶
   接線に交叉する方向への溶接によって、継手端面で生じ
   る溶接電圧又は電流の変化の特徴を検出するとともに、
   前記特徴を検出した瞬間を基準に所望の開始点を算出し
   、前記開始点に溶接トーチ先端の制御点を到達せしめる
   ことを特徴とする自動溶接装置における溶接開始点検出
   方式。