KR20180121944A

KR20180121944A - 아크 트래킹 용접 방법 및 아크 트래킹 용접 장치

Info

Publication number: KR20180121944A
Application number: KR1020187028271A
Authority: KR
Inventors: 요시하루 니시다; 즈토무 오네; 도시히코 니시무라
Original assignee: 가부시키가이샤 고베 세이코쇼
Priority date: 2016-04-04
Filing date: 2017-03-10
Publication date: 2018-11-09
Also published as: EP3441176A4; EP3441176A1; WO2017175541A1; JP6720452B2; KR102090049B1; JP2017185513A; CN108883487A; US11065704B2; US20200198041A1; CN108883487B

Abstract

본 발명의 아크 트래킹 용접 방법은, 용접 방향에 대하여 토치를 요동시키는 위빙 기능을 구비한 소모 전극형 용접 장치에 있어서의 아크 트래킹 용접 방법이며, 소모 전극에 공급하는 용접 전류 및 용접 전압이 고주파 성분을 포함하도록 한다. 용접 중에 있어서의 용접 전류 및 용접 전압으로부터, 전극의 높이 변동에 수반하는 저항값 변화를 검출한다. 그리고 검출된 저항값과 위빙의 진폭 양단 위치에 관한 정보로부터 용접선의 어긋남을 검출한다.

Description

아크 트래킹 용접 방법 및 아크 트래킹 용접 장치

본 발명은 아크 트래킹 용접 방법 및 아크 트래킹 용접 장치에 관한 것이다.

아크 용접에 있어서는, 용접 전류나 용접 전압 등의 전기적 변화에 기초하여, 용접해야 할 조인트 위치와 와이어 선단 위치의 어긋남양을 검출하고, 이 어긋남을 보정함으로써 용접선을 자동 추종하는 「아크 트래킹」이 범용되고 있다. 이 아크 트래킹은, 대상 워크의 설치 오차, 가공 오차, 가공 중 변형 등에 의해 발생하는 가공 도구(용접 토치)의 목적 위치의 어긋남을 검출하여 보정함으로써, 용접 결함을 방지하고, 자동화율을 향상시키는 것을 목적으로 하고 있다.

이러한 아크 트래킹의 원리는, 용접 와이어의 돌출 길이(정확하게는, 토치 급전 개소로부터 모재까지 사이의 거리 La)의 변화에 따라, 용접 전류 혹은 용접 전압이 변화하는 것을 이용하고 있다. 즉, 위빙 동작 시의 아크 전류 파형 또는 아크 전압 파형의 비대칭성으로부터, 토치의 목적 위치의 어긋남을 검출한다. 검출된 어긋남을 자동 용접 장치 혹은 용접 로봇 시스템에 피드백하여, 토치 선단 위치의 어긋남이 없어지는 방향으로 수정한다. 이에 의해, 용접선을 자동 추종한다.

이러한 아크 트래킹 제어로서, 특허문헌 1에 개시된 「로봇용 아크 센서의 트래킹 파라미터의 설정 방법 및 로봇용 아크 센서의 트래킹 파라미터의 설정 장치」가 있다.

특허문헌 1은, 시프트양이 상이한 복수의 구간으로 구획된 교시선 상을 따라 용접 토치를 용접시키면서 이동시킬 때, 상기 구간마다 정해져 있는 시프트양에 따라서 상기 용접 토치를 시프트시켜서 이동시키는 이동 공정과, 상기 구간마다 이동 중인 용접 토치에 공급되어서 샘플링된 전기량을, 해당 샘플링 주기보다도 긴 소정 주기마다 평균화하는 평균화 공정과, 해당 평균화된 값과 기준값의 차분값을 산출하는 차분값 산출 공정과, 상기 구간마다의 상기 차분값의 평균 차분값을 산출하는 평균 차분값 산출 공정과, 상기 구간마다의 상기 차분값의 평균 차분값에 기초하여 회귀 직선 및 해당 회귀 직선과 상기 평균 차분값의 상관 계수를 구하는 회귀 직선 및 상관 계수 취득 공정과, 상기 회귀 직선의 기울기 및 절편에 관계되는 트래킹에 관한 파라미터를 상기 상관 계수에 기초하여 평가하여, 해당 파라미터를 트래킹 파라미터로서 설정하는 평가 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 로봇용 아크 센서의 트래킹 파라미터의 설정 방법을 개시한다.

일본 특허 공개 제2010-120042호 공보

상술한 바와 같이, 아크 트래킹은 용접 전류 또는 용접 전압의 변화량에 따라, 토치 선단 동작 궤적을 용접선에 대하여 직각으로 위치 수정하는 피드백 제어이다. 그러나, 이하에 설명하는 바와 같이, 실제의 용접 현장에 적용된 경우, 다양한 문제가 발생한다는 것이, 실적으로서 드러나고 있다.

즉, 종래부터 사용되고 있는 아크 트래킹 용접의 기술에 의하면,

·조인트 위치(개선)의 좌우 단부에 의한 용접 전류값의 차이를 보는 것만으로는 SN비가 나쁘고, 한층 더한 고정밀도화가 필요하다.

·용접 와이어의 다리 길이에 비하여 특히 위빙 진폭이 작은 경우, 또한 용접 대상의 판 두께가 얇은 경우 등에는 한층 더한 고정밀도화가 필요해진다.

·단순한 저항값 검출에 의한 아크 트래킹은, 제어 루프의 영향을 받는 등, 유의미한 저항값 변화를 파악할 수 없다.

본 발명은 상술한 문제를 감안하여 이루어진 것이며, 용접 현장에 있어서도 정확한 아크 트래킹 용접을 가능하게 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위해서, 본 발명의 아크 트래킹 용접 방법은, 이하의 기술적 수단을 강구하고 있다.

즉, 본 발명의 아크 트래킹 용접 방법은, 용접 방향에 대하여 토치를 요동시키는 위빙 기능을 구비한 소모 전극형의 용접 장치에 있어서의 아크 트래킹 용접 방법이며, 상기 소모 전극에 공급하는 용접 전류 및 용접 전압에, 상기 위빙의 주파수보다도 높은 주파수의 고주파 성분이 포함되도록 하고, 용접 중에 있어서의 상기 용접 전류 및 용접 전압을 검출하고, 검출된 상기 용접 전류 및 용접 전압으로부터 저항값을 구하고, 구해진 상기 저항값과 상기 위빙의 진폭 양단 위치에 관한 정보로부터, 상기 토치의 용접선으로부터의 어긋남을 검출한다.

바람직하게는, 상기 고주파 성분을 상기 소모 전극에 공급하는 용접 전류 또는 용접 전압의 직류 성분보다 크게 하면 된다. 바람직하게는, 상기 고주파 성분의 주파수가 100Hz 이상이다.

상기 소모 전극에 공급하는 상기 용접 전류 및 용접 전압을 펄스 파형으로 하여, 상기 펄스 파형에 포함되는 고주파 성분을 상기 고주파 성분으로서 사용할 수도 있다.

또한, 본 발명의 아크 트래킹 용접 장치는, 이하의 기술적 수단을 강구하고 있다.

즉, 본 발명의 아크 트래킹 용접 장치는, 용접 방향에 대하여 토치를 요동시키는 위빙 기능, 및 아크 트래킹 기능을 구비한 소모 전극형 아크 트래킹 용접 장치이며, 상기 소모 전극에 용접 전류 및 용접 전압을 공급하고, 상기 위빙의 주파수보다도 높은 주파수의 고주파 성분을 상기 용접 전류 및 용접 전압에 포함하는 것이 가능하게 구성되어 있는 용접 전원과, 용접 중에 있어서의 용접 전류를 검출하는 전류 검출기와, 용접 중에 있어서의 용접 전압을 검출하는 전압 검출기와, 상기 토치의 용접선으로부터의 어긋남을 검출하는 어긋남 검출기를 갖고, 상기 어긋남 검출기는, 상기 전류 검출기에 의해 검출된 전류와 상기 전압 검출기에 의해 검출된 전압으로부터 용접 중에 있어서의 용접 전류 및 용접 전압으로부터 저항값을 구하고, 구해진 상기 저항값과 상기 위빙의 진폭 양단 위치에 관한 정보로부터 상기 토치의 용접선으로부터의 어긋남을 검출한다.

본 발명의 아크 트래킹 용접 방법 및 용접 장치의 기술을 사용함으로써 용접 현장에 있어서도 정확한 아크 트래킹 용접이 가능하게 된다.

도 1은 용접 로봇의 시스템 구성을 모식적으로 도시한 도면이다.
도 2는 아크 트래킹 용접을 모식적으로 도시한 설명도이다.
도 3a는 아크 트래킹의 원리를 나타낸 설명도이다.
도 3b는 아크 트래킹의 원리를 나타낸 설명도이다.
도 4는 종래 기술에 있어서, 조인트 위치의 좌우 단부에서의 전류값 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 정전압을 갖는 용접 전원을 사용하는 종래 기술에 있어서, 전류·전압 파형에 있어서의 저항값의 추정 결과를 나타낸 그래프이다.
도 6은 용접 전원의 정전압 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 고주파를 중첩시킨 전류·전압 파형으로부터 저항값 R을 추정했을 때의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 있어서, 고주파를 중첩시킨 전류·전압 파형으로부터 저항값 R, 인덕턴스 L, 오프셋 전압 Vo를 추정했을 때의 결과를 나타낸 그래프이다.
도 9는 고주파에 의한 변동을 억제하기 위하여 고주파 제거 필터를 사용한 비교예에 있어서, 조인트 위치의 좌우 단부에서의 전류차를 나타낸 그래프이다.
도 10은 도 8을 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 11은 도 9를 확대하여 나타낸 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제2 실시예에 있어서, 펄스 전원의 전압값을 추정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 펄스 전원을 사용한 경우의 전류값을 나타낸 그래프와 그 일부를 확대한 그래프이다.
도 14는 펄스 전원을 사용한 경우의 전류값을 필터링한 파형을 나타낸 그래프이다.
도 15는 도 7을 확대한 그래프이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 따른 아크 트래킹 용접 방법 및 아크 트래킹 용접 장치에 대해서, 도면에 기초하여 상세하게 설명한다.

이하에 있어서는, 용접 동작을 행하는 기기를, 용접 토치(1)를 용접 방향에 대하여 요동 동작(위빙 동작)시키는 다관절의 용접 로봇으로서 설명하지만, 이것은 일례에 지나지 않고, 전용 자동 용접 장치여도 상관없다.

본 실시 형태에 따른 아크 트래킹 용접 방법은, 예를 들어 수직 다관절형 로봇 시스템에 적용된다. 로봇 시스템의 구성을 도 1에 모식적으로 도시한다. 수직 다관절형 로봇 시스템의 개요는 이하와 같다.

도 1은 용접 로봇(5)에 의한 트래킹 시스템 구성도이다.

수직 다관절형 로봇 시스템은, 용접 로봇(5)과, 교시 펜던트(도시 생략)를 구비한 제어 장치(6)를 포함한다. 용접 로봇(5)은 수직 다관절형 6축 산업용 로봇이며, 그 선단에 용접 토치(1) 등으로 구성되는 용접 툴이 마련되어 있다. 이 용접 로봇(5)은 그 자체를 이동시키는 슬라이더에 탑재되어 있어도 된다.

제어 장치(6)는 용접 로봇(5)을 미리 교시한 프로그램에 따라서 제어한다. 이 프로그램은, 제어 장치(6)에 접속된 교시 펜던트를 사용하여 작성하는 경우나, 퍼스널 컴퓨터를 이용한 오프라인 교시 시스템을 사용하여 작성하는 경우가 있다. 어느 쪽의 경우에도, 이 프로그램은, 실제의 동작 전에 미리 작성된다. 퍼스널 컴퓨터에 의해 작성된 프로그램은, 기억 매체 등을 통하여 제어 장치(6)에 수수되거나, 데이터 통신에 의해 제어 장치(6)에 전송되거나 한다.

본 실시 형태에 따른 아크 트래킹 용접 방법은, 제어 장치(6) 내에 마련된 프로그램으로서 실현되고 있다.

도 2에 아크 용접의 모식도를 나타낸다.

아크 용접은 용접 토치(1)로부터 공급되는 용접 와이어(3)(소모 전극)와 모재(4) 사이에 용접 전원(2)에서 전압을 인가하고, 용접 와이어(3)와 모재(4) 사이에 아크를 발생시킨다. 그 아크 열로 모재(4)와 용접 와이어(3)를 용융시키면서 용접한다. 아크 용접에 수반하여 용접 와이어(3)는 녹아 떨어져 가기 때문에, 용접 중은 송급 장치에 의해 용접 토치(1) 내를 경유하여 용접 와이어(3)가 공급되는 것을 계속한다. 즉, 이 아크 용접은, 소모 전극형 용접으로 되어 있다.

모재(4)와 용접 와이어(3)가 용융된 용접 금속이 응고되고, 용접 비드가 형성되어, 견고한 용접이 실현된다. 두꺼운 강판의 용접으로 대표되는 중후판 용접에서는 용접부의 강도를 유지하기 위하여 용접 비드의 폭을 넓게 하고, 용착량이나 용입 깊이를 확보할 필요가 있다. 그 때문에 중후판 용접에서는, 용접 토치(1)를 좌우로 요동시키는 위빙이라고 하는 동작을 행하면서 용접함으로써 용접 비드 폭을 넓혀 용접 강도를 확보하고 있다.

제어 장치(6)는 용접 토치(1)를 위빙 동작시키는 명령을 용접 로봇(5)(도 1 참조)에 대하여 출력한다.

용접 전원(2)은 미리 프로그램된 임의의 전압 파형을 출력하는 것이 가능하다. 예를 들어, 소정의 주파수가 중첩된 파형이나 소정의 주파수의 펄스 파형을 출력하는 것이 가능하다. 용접 전원(2)에는 전압 검출기 및 전류 검출기(모두 도시하지 않음)가 내장되어 있어서, 실제로 출력된 전압 및 전류(즉, 용접 전압 및 용접 전류)를 측정하는 것이 가능하다.

또한, 용접 토치(1)로부터는 실드 가스도 함께 공급되어, 아크 기둥을 대기로부터 보호하고 있다. 용융 후의 용융 금속도 용접 와이어(3)에 포함되는 플럭스의 분해에 의해 발생하는 가스에 의해 대기로부터 보호되어, 블로우홀 등의 용접 결함을 억제하고 있다.

한편, 중후판의 용접 분야에서는, 용접 워크의 가스 절단이나 굽힘에 의한 가공 정밀도가 나쁜 경우가 있고, 용접 워크를 지그 교정하지 못하여 설치 정밀도가 나쁜 경우가 있고, 용접 워크가 용접 중에 지그 구속할 수 없고 열변형으로 변형되는 경우가 있는 등의 원인에 의해, 용접해야 할 위치인 용접선이 항상 결정된 위치에 있다고만은 할 수 없다. 용접선의 어긋남은 대체로 수 mm 내지 cm 오더로 발생한다.

그러나, 용접 품질의 관점에서 후판 분야에서 아크 용접 로봇에 허용되는 용접선과의 어긋남은 일반적으로 1mm 미만으로, 사전에 정해진 위치에서 동작하는 플레이백 방식의 로봇으로는 용접할 수 없다. 즉, 중후판 대상 용접 로봇에서는, 미리 교시된 용접 위치와 실제 워크의 용접 위치의 어긋남을 어긋남 검출기에 의해 실시간으로 검출하면서, 그 때마다 이것에 적응하여 서브 mm 오더의 정밀도로 용접선을 「트래킹하는」 것이 필수 조건이며, 빼놓을 수 없는 매우 중요한 기능 중 하나이다.

도 3a, 도 3b는 아크 트래킹의 원리를 모식적으로 도시하는 설명도이다.

도 3a에 도시되는 바와 같이, 위빙 동작을 행하면, 위빙 위치에 따라서 용접 토치(1)와 모재(4)까지의 거리(이하, 「토치 높이」라고 칭함)가 변화한다. 용접 전원(2)(도 2 참조)에 대하여 정전압 제어를 행한 경우, 토치 높이의 변화에 수반하여, 위빙 위치에 의해 용접 전류도 변화한다. 혹은, 용접 전원(2)에 대하여 정전류 제어를 행한 경우, 토치 높이의 변화에 수반하여, 위빙 위치에 따라 용접 전압도 변화한다. 위빙 중심(B)과 용접선이 일치하는 경우, 용접 전류는 위빙 중심(B)을 중심으로 도면 중 좌우 대칭으로 변화하고, 위빙의 진폭 양단 위치(위빙 단부점)(A, C)에서의 용접 전류는 일치한다. 이렇게 위빙 단부점(A, C)에서의 용접 전류가 일치하는 상태는, 정상 상태이다.

한편, 도 3b에 도시되는 바와 같이, 위빙 중심(B)이 용접선으로부터 어긋나 있을 경우, 위빙 단부점(A, C)에서의 토치 높이의 차이로부터 용접 전류에 차가 발생한다. 이 단부점에서의 전류차를 검지하고, 미리 교시된 위빙 중심을 보정하면서, 용접선에 추종하는 기능이 아크 트래킹이다.

본 실시 형태에 있어서는, 상기 어긋남의 양을 추정 연산하는 프로그램이 도 1에 도시되는 제어 장치(6)에 탑재되어 있다. 그 어긋남양을 구하는 방법에 대해서, 이하에서 설명한다.

도 4에는, 아크 용접에 사용되는 정전압의 용접 전원(2)을 사용한 경우의 전류 파형을 나타낸다.

도 4는, 위빙 중심을 용접선으로부터 고의로 2mm 어긋나게 하고, 1초 주기, 2mm 진폭으로 위빙 동작을 시킨 경우의 용접 전류의 파형이다. 위빙 중심이 항상 2mm 어긋나있기 때문에, 이론적으로는, 좌우 단부에서의 용접 전류차는 일정할 것이다. 그러나, 도 4에 도시되는 바와 같이, 좌우 단부에서의 전류차에 비해, 전류 파형 전체에서의 전류 변동이 크고, 조금 좌우 단부의 위상이 어긋나기만 해도, 크게 전류값이 변화하고, SN비(신호와 노이즈의 비)가 매우 나쁜 것을 알 수 있다.

한편, 토치 높이는 전류값 변화 이외에 저항값 등의 변화로 되어 나타나기 때문에, 저항값을 검출하고, 좌우에서의 토치 높이의 차이로부터 용접선으로부터의 어긋남을 추정하는 것도 생각된다.

정전압 용접 전원(2)을 사용한 도 4와 동일한 전류 정보 I에 첨가하고, 전압 정보 V도 사용하여, 하기 식 (1)에서 얻어지는 저항값 R을 추정한 결과를 도 5에 도시한다.

도 5는, 종래의 정전압 전원에 있어서의 전류·전압 파형에 있어서의 저항값의 추정 결과를 나타낸 그래프이다. 동도면에 의하면, 저항값이 크게 변동하고, 유의미한 정보가 포함되어 있지 않다. 어긋남의 크기가 일정하면 이론적으로는 좌우 단부에서의 저항값의 차는 일정할 터이지만, 도 5에서는 좌우 단부에서의 저항값의 차의 변동이 크다. 이와 같이, 도 5로부터는 완전혀 용접선의 어긋남을 검출할 수 없음을 알 수 있다.

또한 양의 값을 취할 저항값의 평균이 마이너스로 되어 있다. 이것은 용접 전원(2)이 용접의 안정성을 증가하기 위해서, 도 6과 같이 전류값이 커지면 전압값을 작게 하는 네거티브 피드백 제어가 행하여지고 있기 때문이다. 이 네거티브 피드백에 의해, 저항 값으로 환산하면 부로 작용하기 때문에, 저항값이 부로되어 있다. 이렇게 통상의 용접 전원(2)의 전류 파형에 대하여 식 (1)에 기초하여 저항값을 단순하게 추정해도, 제어 루프의 영향이 검출될 뿐, 좌우 단부에서의 저항값의 차를 유의미하게 검출할 수 없다.

이상 통합하면, 종래부터 사용되고 있는 아크 트래킹 용접 기술에 의하면, 이하의 문제가 발생하게 된다.

·조인트 위치의 좌우 단부에 의한 용접 전류값의 차이를 보는 것만으로는 SN비가 나빠, 한층 더한 고정밀도화가 필요하다.

·용접 와이어(3)의 다리 길이에 비하여 특히 위빙 진폭이 작은 경우, 판 두께가 얇은 경우, 등에는 한층 더한 고정밀도화가 필요해진다.

그래서, 본 실시 형태에 있어서는, 이하의 방법을 사용한 어긋남양 검출 방법을 채용하고, 용접 현장에 있어서도 정확한 아크 트래킹 용접을 가능하게 하고 있다.

그 기술의 근간은, 소모 전극에 공급하는 용접 전류 및 용접 전압이 고주파 성분을 포함하도록 해 두고, 용접 중에 있어서의 용접 전류 및 용접 전압으로부터, 전극의 높이 변동에 수반하는 저항값 변화를 검출하고, 검출된 저항값의 변화량과 위빙의 좌우 위치로부터 용접선의 어긋남을 검출하는 것이다.

여기서, 용접 전류 또는 용접 전압에, 위빙의 주기보다도 높은 주파수 성분을 포함하도록 용접 전원(2)을 제어한다. 나아가, 그 높은 주파수 성분을 용접 전류 또는 용접 전압의 직류 성분보다 높게 함으로써, 저항값 변화의 검출 정밀도를 향상시키도록 하고 있다.

고주파수 성분을 포함하도록 용접 전원(2)을 제어하기 위해서는, 용접 전원(2)에의 전압 또는 전류 명령값이 그 고주파수 성분을 포함하도록 하면 된다. 혹은, 소모 전극에 공급하는 용접 전류 및 용접 전압으로서, 펄스 파형을 채용하고, 고주파 성분으로서 펄스 파형에 포함되는 고주파 성분을 사용해도 된다.

고주파 성분의 주파수로서는, 100Hz 이상으로 하는 것이 바람직하다.

상기와 같이 용접 전류 혹은 용접 전압에 고주파 파형을 포함하는 기술을 채용함으로써, 도 6의 정전압 특성에 있어서의 네거티브 피드백 제어의 영향을 받을 일 없이, 고주파 영역에서 저항값 추정을 실시하는 것이 가능하게 된다.

이하, 실시예(제1 실시예 내지 제3 실시예)를 기초로, 본원의 기술을 정설 한다.

실시예

[제1 실시예]

제1 실시예에서는, 용접 전원(2)에 300Hz의 고주파 파형을 전류값에 중첩시켜, 식 (1)에 기초하여 저항값을 추정하였다. 그 때의 결과를 도 7에 나타내었다.

도 7에 있어서의 파형은, 식 (1)에서 산출되는 저항값을 나타낸 것이며, 도 7중 동그라미 표시는, 전극 선단이 용접선의 좌측 단부(도 3a, 도 3b에 있어서의 좌측(A))에 위치하고 있는 상황이며, 도 7 중 사각 표시는, 전극 선단이 개선의 우측 단부(도 3a, 도 3b에 있어서의 우측(C))에 위치하고 있는 상황이다. 동그라미 표시, 사각 표시의 의미는, 이하 등장하는 도면에서도 동일하다.

전극 선단이 단부에 위치하고 있는 타이밍은, 제어 장치가 로봇에 출력하는 위빙 명령에 있어서, 전극 선단이 단부에 위치하는 것을 명령한 타이밍에 로봇의 동작 지연을 가미하여 인식한다.

도 7의 결과로부터, 용접 전원(2)으로부터 공급되는 전류 또는 전압에 고주파 파형을 중첩함으로써, 종래 검출할 수 없었던 저항값 R의 변화(예를 들어, 도 5 참조)를 파악할 수 있는 것을 알았다.

추가로, 용접 시에는 저항값 R 이외에, 오프셋 전압 Vo나, 인덕턴스 L이 작용하는 것이 상정되기 때문에, 식 (1) 대신에, 하기 식 (2)에 기초하여 저항값 R을 추정한 결과를 도 8에 나타내었다.

도 8 쪽이, 도 7에 비하여, 저항값 R의 추정 결과에 관한 노이즈가 저감되어 있음을 알 수 있다. 이것은 주로 인덕턴스 L을 고려한 결과라고 상정된다.

또한, R, L, Vo를 추정하기 위해서는, 예를 들어 하기 (3) 식으로 되는 관계로부터, 하기 (4) 식으로 R, L, Vo를 추정할 수 있다.

단, 이때, 추정된 R, L, Vo는 t₁ 내지 t_n의 구간에 있어서의 평균된 추정값으로 되어 있어, 평균 구간 1 내지 n을 변경함으로써, 평활화나 통과시키는 주파 영역을 변경할 수 있다. 여기에서는 고주파 파형을 통과시키고 싶기 때문에, 중첩된 고주파 파형이 통과할 수 있도록 n을 선택하면 된다.

또한, 상기는 1 샷형 최소 제곱 추정을 매회 행하는 방법이지만, 순차 최소 제곱법을 사용할 수 있다. 1 샷형인 경우, t₁ 이전의 과거의 영향을 받지 않고 추정할 수 있지만, 계산량이 커진다. 한편, 최소 제곱법은 과거의 영향을 약간 끌고 가지만, 계산량이 매우 작아도 된다는 장점이 있다. 순차 최소 제곱법에 의한 추정은 하기 (5) 식으로 부여된다.

여기서, P_i가 i회째의 축차 계산에 있어서의 [R, L, Vo]^T의 추정값이다. 또한, A(i,:)은 A행렬의 i행째의 벡터, 마찬가지로 B(i,:)은 B행렬의 i행째의 벡터이다. 또한 λ는 망각 계수이다.

상기 축차 최소 제곱법으로(망각 계수를 거의 0.1초 정도로 되도록 부여했다) 추정된 결과가 도 8이다.

도 7(R만 추정)과 도 8(R, L, Vo를 추정)을 비교해도, 노이즈 레벨의 차이가 명확하게는 표현되어 있지 않다. 그래서, 도 8의 확대도를 도 10에, 도 7의 확대도를 도 15에 도시한다. 도 15(R만 추정)와 도 10(R, L, Vo를 추정)을 비교하면, 명백하게 도 10 쪽이 노이즈가 적은 것을 알 수 있다.

이와 같이, 제1 실시예에 있어서는, 고주파를 중첩시킨 후에, 중첩된 고주파 성분을 제거하는 필터를 적용하지 않고, 전류·전압 파형으로부터 저항값 R을 추정하고 있다. 이렇게 추정된 저항값을 사용하여, 좌우 단부에서의 저항값의 차로부터 용접선으로부터의 어긋남을 검출함으로써, SN비의 향상을 실현하는 것이 가능하게 되었다.

또한, 좌우 단부에서의 저항값의 차와 용접선으로부터의 어긋남양의 관계는, 미리 실험적으로 구해 두면 된다.

한편, 비교예로서, 용접선의 좌우 단부점에서의 전류차를 본 결과를 도 9에 나타내었다.

도 9에 나타내는 전류 파형은, 도 8의 저항값을 구하는 데 사용한 것과 동일한 전류 파형에 대하여, 고주파 성분을 커트하는 필터 처리를 실시한 것이다. 이것은, 고주파 성분은 노이즈로 밖에 작용하지 않기 때문이다. 추가로, 필터에 의한 단부점의 위상 어긋남은 보정한 후에, 단부점에서의 전류차를 비교하고 있다.

도 11은, 도 9의 확대도이다. 이 도면으로부터 명백해진 바와 같이, 좌우 단부점의 전류차에 비하여 다른 개소에서의 전류값 변동이 크고, 유의미하게 단부점에서의 전류차가 얻어지지 않는 개소가 있다. 도 10은, 본 실시예를 도시하는 도 8의 확대도이다. 도 11과 비교하여, 도 10에서는 단부점에서의 저항값의 변화가 크고, 감도 좋게 용접선의 어긋남이 검출될 수 있음을 알 수 있다.

또한, 고주파 성분을 남긴 채, 전류값을 검출하면, 도 13과 같이 고주파의 영향으로, 단부점의 전류가 크게 변동한다. 조금 시간 위치가 어긋나기만 해도, 전류값이 변동한다. 따라서, 좌우 단부에서의 전류값을 정확하게 인식할 수 없다.

그 때문에, 종래 기술에 있어서 전류값을 사용하는 경우에는, 도 14와 같이 고주파 성분을 대폭으로 커트하는 필터 처리를 행한 전류 파형을 사용함으로써, 도 9와 같은 단부점에서의 전류차를 검출할 수 있다.

바꿔 말하면, 종래 기술에서는, 고주파 성분은 노이즈에서 밖에는 없고, 제거할 수 밖에 없는 것이었지만, 본 실시 형태의 방법에서는, 적극적으로 고주파 성분을 활용함으로써, 저항값 R의 추정을 실현하는 것을 가능하게 하였다.

또한, 종래의 전류값에서는 토치 높이가 낮으면 전류값이 높아지지만, 저항값의 경우에는 반대여서, 토치 높이가 낮으면 저항값이 작아진다. 좌우 단부에서 저항값이 작은 쪽으로 용접선이 어긋나게 되고, 그것과는 역 방향으로 토치의 위치를 수정하면 아크 트래킹이 가능하게 된다.

[제2 실시예]

제1 실시예에서는, 일정 전류에 고주파 성분을 중첩시켰지만, 제2 실시예에서는 용접 전원(2)으로부터의 출력 전류 파형으로서 펄스 파형을 채용하고, 고주파 성분을 추가적으로 중첩시키는 대신, 펄스 파형의 고주파 성분을 사용하는 것으로 하였다.

이러한 상황 하에 있어서, 식 (5)의 축차 추정으로 추정된 [R, L, Vo]^T의 추정값으로, V를 역산 추정한 결과를 도 12에 나타내었다. 전류값을 펄스 형상으로 변화시키기 위해서, 실제 전압도 높은 주파수 성분을 포함하면서 크게 변화하고, 그 실제 전압을 [R, L, Vo]^T로 추정함으로써, 고정밀도로 전압이 추정될 수 있음을 알 수 있다. 한편, 저항값만을 사용한 (1) 식에 기초하는 추정에서도, [R, L, Vo]^T의 추정값과 마찬가지로 R의 추정이 가능함을 알 수 있다.

[제3 실시예]

제1, 2 실시예에서는 추정된 저항값 R의 좌우 단부에서의 차이에만 착안했지만, 좌우 단부 근방에서의 평균값을 취하는 등, 저항값 R의 좌우 단부에서의 값 이외의 정보를 사용함으로써, 더욱 노이즈에 강하고, 높은 SN비를 실현할 수 있다.

용접선의 좌우 단부 근방에서의 평균값 이외에는, 예를 들어 용접 전류를 대상으로 한 종래 기술을 적용하는 것도 가능하다. 그 일례로서는, 종래 기술(일본 특허 공개 평5-177353호 공보)에는, 용접 전류 파형을 입력으로 하는 신경망에 의한 트래킹 방법이 나타나 있지만, 예를 들어 용접 전류 파형 대신에 저항값 R의 파형에 기초하는 신경망을 구성함으로써 용접 전류보다도 고정밀도 트래킹을 실현할 수 있다.

이상 설명한 아크 트래킹 용접 방법은, 용접 로봇에 의한 트래킹 용접 등에 적합하다.

이하에 유의점을 기재한다.

먼저, 식 (1)에 의한 추정(R만) 및 식 (2)에 의한 추정(R, L, Vo)의 양쪽 모두, 용접 전원(2)의 제어 대역 이상의 고주파 성분이 필요하다. 펄스 파형을 사용한 경우에 있어서도, 로봇 컨트롤러에 도입되는 전류·전압값이 저역 통과 필터에 의해 노이즈 제거(고주파 성분이 제거)되어 있으면, 도 6의 정전압 특성으로 되도록 제어되고 있는 상황에서는, R의 추정은 어렵다.

이어서, 용접 로봇(5)에 의한 트래킹 시스템은, 로봇의 제어 장치(6)가 용접 전원(2)으로부터 용접 전류와 전압을 샘플링하고 있다. 그러나, 그 샘플링 주기는, 수 ms 내지 수십 ms로 낮고, 용접 전원(2)이 출력하는 펄스 파형의 주파수에 비여 충분히 짧은 샘플링 주기를 요하지 않는다.

샘플링 주기가 불충분할 경우, 에일리어싱 등에 의해 잘못된 신호 처리가 이루어질 가능성이 있다.

특히, 식 (1)의 R만 추정하는 것에 비해, L분의 미분 값을 요하는 식 (2)에 의한 추정에서는, 펄스 주파수(혹은 중첩된 고주파) 성분에 대하여 충분한 샘플링 주기를 취할 필요가 있다. 예를 들어, 펄스 주파수가 에일리어싱 주파수에 관련되지 않는 샘플링 주기를 사용할 필요가 있다.

또한, 식(2)에 의한 추정에서는, 용접 전원(2)으로부터 전류·전압에 더하여, 전류의 미분 값도 함께 샘플링하면 된다.

또한, 통상, 트래킹에 필요한 계산(저항값 추정을 포함함)은 로봇의 제어 장치(6)로 행하는데, 본 실시 형태에 의한 저항값 추정을 용접 전원(2)에 마련된 연산 장치로 실시한다고 하는 대응을 취하면 된다. 이것은, 식 (1), 즉 R만 추정하는 것으로 행해도 되고, 식 (2) 즉 L이 들어가는 때에는 특히 중요한 사항이다.

본 출원은 2016년 4월 4일 출원된 일본 특허 출원(일본 특허 출원 제2016-75181호)에 기초하는 것이고, 그 내용은 여기에 참조로서 도입된다.

1: 용접 토치
2: 용접 전원
3: 용접 와이어
4: 모재
5: 용접 로봇
6: 제어 장치

Claims

용접 방향에 대하여 토치를 요동시키는 위빙 기능을 구비한 소모 전극형 용접 장치에 있어서의 아크 트래킹 용접 방법이며,
상기 소모 전극에 공급하는 용접 전류 및 용접 전압에, 상기 위빙의 주파수보다도 높은 주파수의 고주파 성분이 포함되도록 하고,
용접 중에 있어서의 상기 용접 전류 및 용접 전압을 검출하고,
검출된 상기 용접 전류 및 용접 전압으로부터 저항값을 구하고,
구해진 상기 저항값과 상기 위빙의 진폭 양단 위치에 관한 정보로부터, 상기 토치의 용접선으로부터의 어긋남을 검출하는 아크 트래킹 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 고주파 성분을 상기 소모 전극에 공급하는 용접 전류 또는 용접 전압의 직류 성분보다 크게 하는 아크 트래킹 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 소모 전극에 공급하는 상기 용접 전류 및 용접 전압을 펄스 파형으로 하여, 상기 펄스 파형에 포함되는 고주파 성분을 상기 고주파 성분으로서 사용하는 아크 트래킹 용접 방법.
제1항에 있어서,
상기 고주파 성분의 주파수가 100Hz 이상인 아크 트래킹 용접 방법.
용접 방향에 대하여 토치를 요동시키는 위빙 기능, 및 아크 트래킹 기능을 구비한 소모 전극형 아크 트래킹 용접 장치이며,
상기 소모 전극에 용접 전류 및 용접 전압을 공급하고, 상기 위빙의 주파수보다도 높은 주파수의 고주파 성분을 상기 용접 전류 및 용접 전압에 포함하는 것이 가능하게 구성되어 있는 용접 전원과,
용접 중에 있어서의 용접 전류를 검출하는 전류 검출기와,
용접 중에 있어서의 용접 전압을 검출하는 전압 검출기와,
상기 토치의 용접선으로부터의 어긋남을 검출하는 어긋남 검출기를 갖고,
상기 어긋남 검출기는, 상기 전류 검출기에 의해 검출된 전류와 상기 전압 검출기에 의해 검출된 전압으로부터 용접 중에 있어서의 용접 전류 및 용접 전압으로부터 저항값을 구하고, 구해진 상기 저항값과 상기 위빙의 진폭 양단 위치에 관한 정보로부터 상기 토치의 용접선으로부터의 어긋남을 검출하는 아크 트래킹 용접 장치.
제5항에 있어서,
상기 고주파 성분을 상기 소모 전극에 공급하는 용접 전류 또는 용접 전압의 직류 성분보다 크게 하는 것이 가능하게 구성되어 있는 아크 트래킹 용접 장치.
제5항에 있어서,
상기 소모 전극에 공급하는 상기 용접 전류 및 용접 전압을 펄스 파형으로서 출력하는 것이 가능하게 구성되어 있는 아크 트래킹 용접 장치.
제5항에 있어서,
상기 고주파 성분의 주파수를 100Hz 이상으로 하는 것이 가능하게 구성되어 있는 아크 트래킹 용접 장치.