WO2012056614A1 - アーク溶接の制御システムおよび制御方法 - Google Patents

アーク溶接の制御システムおよび制御方法 Download PDF

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torch height
deviation
torch
operation amount
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篤人 青木
武市　正次
瀬渡　賢
行雄 池澤
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川崎重工業株式会社
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    • B23K9/127—Means for tracking lines during arc welding or cutting

Definitions

  • the present invention relates to an arc welding control system and control method for controlling the position of a welding torch in accordance with an arc current or voltage.
  • the welding current or arc of the arc generated between the electrode protruding from the tip of the welding torch and the workpiece The position of the welding torch is grasped by detecting the voltage and calculating the distance between the tip of the electrode and the workpiece.
  • the welding line scanning can be controlled by comparing the welding current value or arc voltage value at both ends of the weaving, and by comparing the welding current value or arc voltage value during weaving with the target value.
  • the torch height can be controlled.
  • control is performed to increase or decrease the weaving width by comparing the welding current value or arc voltage value at the end of the weaving with the target value.
  • FIG. 11A to 11C are schematic diagrams for explaining disadvantages in the conventional arc sensor weaving width control.
  • the weaving width is such that the horizontal distance (wall distance) between the end of the weaving width w and the workpiece becomes the target value d ref.
  • the control for widening w is performed and the control for decreasing the torch height z so that the torch height z becomes the target value z ref is performed, as shown in FIG. Since the horizontal distance between the end portion of the width and the workpiece is also shortened, the weaving width w becomes larger than the target weaving width w t at the target torch height z ref .
  • the control of the weaving width and the torch height is changed little by little every predetermined control cycle. Therefore, with regard to the weaving width w, as shown by the broken line in FIG. 11C, it is desirable to gradually approach the target weaving width w t as the control cycle is repeated from the initial weaving width w 0 .
  • the above conventional arrangement widening the initial weaving width w 0 weaving width w despite it is necessary to perform control for narrowing the weaving width w to approach the target weaving width w t would otherwise against Since control is performed, as shown by the solid line in FIG. 11C, it takes time to operate in the opposite direction to the target value or to stabilize at the target value.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an arc welding control system and control method capable of simultaneously controlling the weaving width and the torch height with high performance.
  • the purpose is to do.
  • An arc welding control system is configured to periodically move a welding torch in a width direction of a groove of a workpiece to be welded with a predetermined weaving width at a predetermined torch height in the weld line direction of the workpiece.
  • An arc for forming a good bead in the groove of the workpiece comprising an actuator for moving the welding torch to follow the welding line of the workpiece and a sensor for detecting a welding current or an arc voltage
  • An arc sensor control system for welding which corresponds to a groove wall distance indicating a horizontal distance between the welding torch and the workpiece at the end of the weaving from the welding current or arc voltage, and the torch height.
  • Each value is acquired, the difference from each target value is calculated, and the deviation of the value corresponding to the groove wall distance from the target value (hereinafter referred to as the opening value).
  • An operation amount related to the weaving width of the actuator is calculated from a deviation from a target value (hereinafter referred to as a torch height deviation) of a value corresponding to the torch height, and a distance corresponding to the torch height.
  • An arithmetic unit that calculates an operation amount related to the torch height of the actuator from a wall distance deviation and the torch height deviation, an operation amount related to the weaving width, and an operation amount related to the torch height, and the weaving width and the A controller for controlling the torch height, respectively, and the ratio of the groove wall distance deviation and the torch height deviation to the manipulation amount of the weaving width and the manipulation amount of the torch height, respectively (
  • the influence ratio is set according to the groove angle of the workpiece, and the groove wall distance deviation and the torque
  • the influence ratio of the torch height deviation is set such that the influence ratio of the torch height deviation is relatively larger than the influence ratio of the groove wall distance deviation as the groove angle is larger. ing.
  • the operation amount may be obtained by multiplying the influence ratio by an adjustment coefficient for adjusting the influence ratio. Thereby, even if it is the same groove angle, it can adjust to more suitable control performance according to the kind and use application of a workpiece
  • the operation amount ⁇ z of the torch height may be expressed by the following equation (1)
  • the operation amount ⁇ w of the weaving width may be expressed by the following equation (2).
  • K z, K w denotes the respective gains of the operation amount and the horizontal actuator operation amount of vertical actuators
  • [Delta] P d represents the groove wall distance deviation
  • [Delta] P h denotes the height of the torch deviation
  • K h represents an adjustment coefficient.
  • the computing unit calculates an average value of the welding current or arc voltage detected from the sensor for each of a plurality of sections obtained by dividing one period of weaving by a predetermined number, and the plurality of sections A value corresponding to the groove wall distance based on the average value of one or a plurality of sections corresponding to the end of the weaving, and the average value of the welding current or arc voltage for one cycle of weaving.
  • a value corresponding to the torch height may be obtained based on the above.
  • the arc sensor control method for arc welding includes a welding torch which is periodically moved in a width direction of a groove of a workpiece to be welded with a predetermined weaving width in a predetermined welding line direction of the workpiece.
  • Arc welding for forming a bead at the groove of the workpiece comprising: an actuator for moving the welding torch at a height of the torch to follow the welding line of the workpiece; and a sensor for detecting a welding current or an arc voltage. And a step of detecting the welding current or arc voltage, and a groove wall distance indicating a horizontal distance between the welding torch and the workpiece at the end of the weaving from the welding current or arc voltage.
  • Deviation of the value corresponding to the groove wall distance from the target value hereinafter referred to as groove wall distance deviation
  • deviation of the value corresponding to the torch height from the target value hereinafter referred to as torch height deviation.
  • the ratio that the groove wall distance deviation and the torch height deviation influence (hereinafter referred to as the influence ratio) is the workpiece.
  • the influence ratio of the groove wall distance deviation and the torch height deviation is set according to the groove angle. The larger the groove angle, the larger the groove angle, the more the groove wall distance deviation influence ratio, the torch height.
  • the influence ratio of the deviation is set to be relatively large.
  • the influence ratio (weighting factor) of the parameters relating to the groove wall distance deviation and torch height deviation at each operation amount is set according to the groove angle of the workpiece. Then, after earnest research, the inventors have made the influence ratio of the torch height deviation relatively larger than the influence ratio of the groove wall distance deviation as the groove angle of the workpiece is larger at any operation amount. As a result, it has been found that the weaving width and the torch height can be quickly and optimally controlled without lowering the gain. Therefore, by controlling using the above method, weaving width control and torch height control can be performed simultaneously and with high performance.
  • the present invention is configured as described above, and has an effect that the weaving width control and the torch height control can be performed simultaneously and with high performance.
  • FIG. 1 It is a block diagram showing a schematic structure of a control system of arc welding concerning one embodiment of the present invention. It is a figure which shows the geometric shape model which modeled the positional relationship of the welding torch and workpiece
  • FIG. It is a perspective view which shows the shape of the workpiece
  • FIG. It is a figure which shows the arc voltage detected in the arc sensor control in Example 1.
  • FIG. It is a figure which shows the deviation with respect to the target value of the weaving width
  • FIG. It is a figure which shows the horizontal position locus
  • FIG. It is a figure which shows the vertical position locus
  • FIG. It is a figure which shows the time change of the weaving width
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a welding system to which an arc welding arc sensor control system according to an embodiment of the present invention is applied.
  • a welding system to which an arc welding arc sensor control system of this embodiment is applied includes a welding apparatus 1, an arithmetic controller 2 that controls the welding apparatus 1, and an arc generated in the welding apparatus 1. And a sensor 4 for detecting the arc welding current and arc voltage.
  • the welding apparatus 1 has a welding torch 11 having a nozzle for supplying a shielding gas to the welded portion.
  • An electrode 12 is provided at the tip (lower end) of the welding torch 11.
  • a power line from the welding power source 3 is connected to the welding torch 11 and supplied with power.
  • the welding apparatus 1 includes a horizontal actuator 13 that moves the welding torch 11 in the horizontal axis direction, and a vertical actuator 14 that moves the welding torch 11 in the vertical direction.
  • the horizontal actuator 13 and the vertical actuator 14 operate based on a control signal from the arithmetic controller 2 to move the welding torch 11 in the horizontal direction and the vertical direction.
  • such a structure may be comprised by the articulated robot provided with the welding torch 11 in the front-end
  • the work 5 to be welded is placed below the welding torch 11.
  • the workpiece 5 is arranged in a state where two materials to be welded are in contact with each other, and a groove 51 is formed at a position to be welded.
  • the groove 51 is arranged so that each groove surface has a predetermined groove angle ⁇ in a state where two workpieces are abutted.
  • the groove angle ⁇ means an angle formed when the surfaces extending the groove surfaces intersect each other because the vicinity of the contact portion between the workpieces may be a curved surface. .
  • the welding power source 3 is configured such that the power line of the welding power source 3 is also connected to the workpiece 5. A voltage is applied between the welding torch 11 (electrode 12 thereof) and the workpiece 5 by the electric power supplied from the welding power source 3, and an arc is generated between the electrode 12 protruding from the tip of the welding torch 11 and the workpiece 5. appear. Thereby, the workpiece
  • work 5 is welded and a bead is formed.
  • a voltage sensor 41 for detecting an arc voltage of the welding current or the arc voltage is provided as the sensor 4. .
  • a current sensor 42 provided on any one of the power lines is also provided as the sensor 4.
  • the sensor 4 that detects the welding current or arc voltage includes both the voltage sensor 41 that detects the arc voltage value and the current sensor 42 that detects the welding current value. But you can.
  • the welding current or arc voltage may be detected directly or indirectly from the welding current or arc voltage between the power lines from the welding power source 3.
  • MIG welding, MAG welding, and CO2 welding are controlled by a current value
  • TIG welding is controlled by a voltage value. Therefore, the configuration may be rearranged or used properly according to the type of welding.
  • the arithmetic controller 2 corresponds to the groove wall distance indicating the horizontal distance between the welding torch 11 and the groove wall of the workpiece 5 at the end of the weaving from the arc voltage or the welding current when the welding torch follows the weld line. And a value corresponding to the torch height, respectively, and calculating a difference from each target value, a deviation of the value corresponding to the groove wall distance from the target value (groove wall distance deviation) and An operation amount related to the weaving width of the actuator (that is, an operation amount of the vertical actuator 14) is calculated from a deviation (torch height deviation) of a value corresponding to the torch height from the target value, and a groove wall distance deviation and It functions as a calculator 21 that calculates an operation amount related to the torch height of the actuator (ie, an operation amount of the horizontal actuator 13) from the torch height deviation.
  • the arithmetic controller 2 functions as a controller 22 that controls the actuators 13 and 14 of the welding apparatus 1 based on the operation amount relating to the weaving width and the operation amount relating to the torch height.
  • the arithmetic controller 2 that functions as the controller 22 of the present embodiment uses the welding torch 11 to be a groove 51 of the workpiece 5 to be welded based on the welding current or arc voltage detected by the sensor 4. Control is made so that a bead is formed in the groove 51 of the work 5 by moving it at a predetermined torch height in the welding line direction of the groove 51 of the work 5 while periodically moving in the width direction of the work 5 with a predetermined weaving width. To do.
  • the arithmetic controller 2 may have any configuration as long as it has a processing function, and includes, for example, a micro controller, a CPU, an MPU, a PLC (programmable logic controller), a logic circuit, and the like.
  • one arithmetic controller 2 is described as a configuration that functions as both the arithmetic unit 21 and the controller 22, but may be configured as a separate controller or arithmetic unit.
  • the arithmetic controller 2 acquires a value corresponding to the groove wall distance and a value corresponding to the torch height from the welding current or arc voltage detected by the sensor 4.
  • the horizontal distance between the welding torch 11 and the workpiece 5 at the end of the weaving and the average height of the welding torch 11 are calculated from the arc voltage.
  • FIG. 2 is a diagram showing a geometric shape model in which the positional relationship between the welding torch and the workpiece of the welding system shown in FIG. 1 is modeled.
  • the Y axis is taken in the horizontal direction and the Z axis is taken in the vertical direction with the lower end of the groove 51 as the origin.
  • the center coordinates of the weaving width w are (y, z), and these are used as control parameters.
  • the horizontal distance between the left end of the weaving width w and the left wall of the workpiece 5 (the workpiece to be welded on the left side) is defined as dl, and the distance between the right end of the weaving width and the right wall of the workpiece 5 (the workpiece to be welded on the right side). Is the horizontal distance of dr, and the average vertical distance from the weaving position to the workpiece 5 is the average torch height h.
  • the inventors of the present invention set the relationship between the above-mentioned parameters by the following equations after intensive research. That is, the weaving width w and the actual torch height z at the weaving center are set to be included at a predetermined ratio at any of the horizontal distances dl and dr and the average torch height h.
  • the relational expression of each parameter at this time was set to the following expression.
  • ⁇ y represents the operation amount for copying the welding line
  • ⁇ z represents the operation amount for the torch height
  • ⁇ w represents the operation amount for the weaving width
  • the ratio that the torch height deviation influences at any operation amount is the ratio that the groove wall distance deviation affects as the groove angle ⁇ of the workpiece 5 is larger from the above expression (6). It was found that the weaving width w and the torch height z can be optimally controlled with high performance without lowering the gain by setting it to be relatively larger.
  • V dref ⁇ (V dl + V dr ) / 2 indicates a groove wall distance deviation
  • V href ⁇ V h indicates a torch height deviation
  • K z, K w denotes the respective gains of the operation amount related to the torch height and weaving width
  • K h denotes an adjustment factor
  • FIG. 4 is a diagram showing the trajectory of the welding torch of the welding system shown in FIG. 1 and the corresponding arc voltage change.
  • the upper diagram in FIG. 4 shows a graph of the torch trajectory, and the lower diagram in FIG. 4 shows a graph of the arc voltage change corresponding to the torch trajectory.
  • the initial value is 0.
  • the computing unit 21 calculates an average value of arc voltages detected from the sensor 4 for each of a plurality of sections obtained by dividing one period of weaving by a predetermined number, Among them, a value (voltage value) corresponding to the groove wall distance is acquired based on the average value of one or a plurality of sections corresponding to the calculated weaving end, and the average value of the arc voltage for one cycle of the weaving is obtained. Based on the torch height, a value (voltage value) corresponding to the torch height is acquired. Specifically, as shown in the lower diagram of FIG. 4, for example, one period of weaving is equally divided into eight sections (in the example of FIG. 4, eight sections 0 to 7 are divided into eight sections).
  • the average arc voltage values in the sections 1 and 2 and sections 5 and 6) are used as the voltages V dl and V dr at the end of the weaving, and the entire average arc voltage value in one period of the weaving is a voltage V h indicating the torch height.
  • the arc voltage at each position of the welding torch can be easily calculated.
  • the arc voltage at the end of the weaving is detected by dividing one period of weaving into eight.
  • the number of divisions is larger than this. May be less or less.
  • the arc voltage at the end of the weaving may be a peak voltage value at the end of the weaving.
  • the voltage at the center position of the weaving may be detected as a voltage indicating the voltage of the torch height.
  • the distance between the tip of the wire serving as the electrode 12 and the workpiece falls within a predetermined distance, the arc is extinguished and short-circuiting time (short-circuiting time) is required. It becomes longer or the number of short circuits (number of short circuits) increases. Therefore, the distance between the tip of the wire and the workpiece may be estimated by measuring the short circuit time and the number of short circuits.
  • a value corresponding to the groove wall distance and a value corresponding to the torch height are acquired by detecting an arc voltage in a predetermined section, and the voltage value itself is set as a target value (voltage value).
  • the ratio of the groove wall deviation ⁇ P d and the torch height deviation ⁇ P h to the torch height manipulation amount ⁇ z and the weaving width manipulation amount ⁇ w (hereinafter referred to as influence).
  • Ratio) is set according to the groove angle ⁇ of the workpiece 5. Specifically, the impact ratio is shown as the absolute value of the coefficient representing the weight of the groove wall distance deviation [Delta] P d and the torch height deviation [Delta] P h in the above equation (7) and (8).
  • the calculator 21 increases the influence ratios ⁇ wh and ⁇ zh of the torch height deviation relative to the influence ratios ⁇ wd and ⁇ zd of the groove wall distance deviation as the groove angle ⁇ increases. Then, the operation amount ⁇ z of the torch height and the operation amount ⁇ w of the weaving width are calculated (so that the ratios ⁇ w and ⁇ z of the influence ratio are increased).
  • the larger the groove angle ⁇ the greater the influence of the torch height deviation ⁇ P h than the influence of the groove wall distance deviation ⁇ P d at any operation amount ⁇ z, ⁇ w (the ratio of influence ratios ⁇ w , ⁇ z Will increase in size).
  • the controller 22 controls the horizontal and vertical actuators 13 and 14 to move the welding torch 11 based on the operation amounts calculated by the calculator 21.
  • An operation amount ⁇ w related to the width is calculated.
  • the influence ratio (weighting factor) multiplied by the parameters related to the groove wall distance deviation ⁇ P d and the torch height deviation ⁇ P h at each operation amount is set according to the groove angle ⁇ of the workpiece 5.
  • the gain is lowered by setting the influence ratio of the torch height deviation ⁇ P h to be larger than the influence ratio of the groove wall distance deviation ⁇ P d as the groove angle ⁇ of the work 5 is larger at any operation amount.
  • the weaving width w and the torch height z can be controlled quickly and optimally. Therefore, by introducing such a control model, weaving width control and torch height control can be performed simultaneously and with high performance.
  • FIGS. 11A and 11C are schematic diagrams conceptually showing the welding torch control of the welding system shown in FIG. 5A and 5B are diagrams corresponding to FIGS. 11A and 11C showing a conventional example.
  • the welding torch 11 and the workpiece 5 can be prevented from abnormally approaching each other.
  • the initial weaving width w 0 can be made asymptotic from the target weaving width w t in a short control cycle.
  • each operation amount adjustment factor K h to adjust the effect ratio influences the ratio is multiplied. Thereby, even if it is the same groove angle (theta), according to the kind and use application of the workpiece
  • arc sensor control is generally performed using a welding current, and therefore, a detection value for calculating an operation amount is preferably set to a welding current value, for example, TIG welding.
  • arc sensor control is generally performed using an arc voltage, and it is preferable that the detected value for calculating the manipulated variable is also the arc voltage value.
  • FIG. 6A and 6B are diagrams showing the shape of the workpiece used in the first embodiment.
  • 6A is a side view
  • FIG. 6B is a perspective view.
  • the side surface perpendicular to the short axis of the steel plate 5A having a shape in which the plate surface is curved around the short direction axis at the center in the longitudinal direction as the work 5 is inclined by 45 °.
  • the welding line L turns to the left in the traveling direction while the welding torch 11 goes up, and turns to the right in the moving direction while going down the center part. Go.
  • 7A, 7B, 8A and 8B show the results of actual welding operations performed under the above conditions.
  • 7A, 7B, 8A, and 8B are diagrams illustrating the results of arc sensor control in the first embodiment.
  • 7A is a diagram showing the detected arc voltage
  • FIG. 7B is a diagram showing a deviation of the weaving width with respect to the target value
  • FIG. 8A is a diagram showing a horizontal position trajectory of the welding torch
  • FIG. 8B is a welding torch.
  • FIG. 8A and 8B the initial value is set to 0 in both figures.
  • the curve of the weld line could be copied with high performance in both the horizontal position related to the weld line copy and the vertical position related to the torch height control.
  • the welding line L rises in the first half of welding, and the welding torch tends to move horizontally, so that the relative distance between the welding torch 11 and the workpiece 5 approaches,
  • the weaving width is relatively small. This can also be confirmed by the horizontal position and amplitude in the first half of FIG. 8A.
  • the welding line L goes down and the welding torch tries to move horizontally, so that the relative distance between the welding torch 11 and the workpiece 5 is increased, so that the weaving width is as shown in FIG. 7B. It is relatively large. This can also be confirmed by the horizontal position and amplitude in the latter half of FIG. 8B. Thus, it was shown that arc welding was performed faithfully according to the shape of the workpiece 5.
  • FIG. 9A, 9B, 10A, and 10B show the results of actual welding operations performed under the above conditions.
  • 9A, 9B, 10A, and 10B are diagrams showing the results of arc sensor control in Example 2 and the comparative example.
  • FIG. 9A is a diagram showing the time change of the weaving width
  • FIG. 9B is a diagram showing the time change of the horizontal distance between the weaving end and the workpiece
  • FIG. 10A is a diagram showing the time change of the central torch height.
  • FIG. 10B is a diagram showing the change over time of the average torch height.
  • the weaving width overshoots immediately after the start of control. That is, as shown in FIG. 9B, the horizontal distance between the welding torch 11 and the workpiece 5 is abnormally close. Such an abnormal approach causes a welding defect such as an undercut.
  • the weaving width is controlled smoothly without overshoot, there is no fear of welding defects as in the comparative example, and the weaving width is stable after a predetermined time. ing.
  • the torch height as shown in FIGS. 10A and 10B, in the comparative example, the torch height overshoots immediately after the start of control, whereas in the embodiment, smooth and stable control is performed. Yes.
  • the convergence of the weaving width and the torch height to the target values can be quickly performed without overshooting.
  • control system and control method for arc welding according to the present invention are useful for performing the weaving width control and the torch height control simultaneously and with high performance.

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Abstract

　ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができるアーク溶接の制御システムおよび制御方法を提供する。ウィービング幅の操作量(Δｗ)およびトーチ高さの操作量(Δｚ)は、それぞれ開先壁距離偏差(ΔＰｄ)に対してトーチ高さ偏差(ΔＰｈ)が各操作量に影響する影響比率(δｗ，δｚ)がワーク(5)の開先角度(θ)に応じて設定されており、演算器(21)は、当該開先角度(θ)が大きいほど影響比率(δｗ，δｚ)が大きくなるようにアクチュエータ(13,14)のトーチ高さおよびウィービング幅に関する操作量(Δｚ，Δｗ)を演算する。

Description

アーク溶接の制御システムおよび制御方法
　本発明は、アーク(arc)の電流または電圧に応じて溶接トーチ(torch)を位置制御するためのアーク溶接の制御システムおよび制御方法に関する。
　溶接対象であるワーク(workpiece)に対してワークの溶接線に沿って溶接トーチを自動的に倣わせながらアーク溶接を行う技術が知られている。このような自動アーク溶接装置において、溶接トーチをワークの開先の幅方向に所定のウィービング幅(weaving width)および所定のトーチ高さで周期的に移動させつつワークの溶接線方向に沿ってビード(bead)が形成されるように移動させる制御を行う必要がある。このような制御においては、溶接トーチとワークの溶接線との相対的な位置関係を把握する必要がある。例えば、溶接トーチにレーザセンサ等の位置センサ(position sensor)を設けることも考えられるが、高価であるし、狭隘部を溶接する場合には位置センサが邪魔となる場合がある。
　そこで、溶接アークの特性を利用して溶接トーチ周りに付加装置の不要なアークセンサを用いた溶接では、溶接トーチの先端に突出された電極とワークとの間で発生するアークの溶接電流やアーク電圧を検出し、電極の先端とワークとの距離を演算することにより溶接トーチの位置を把握している。具体的には、ウィービングの両端での溶接電流値またはアーク電圧値を比較することにより溶接線倣いを制御することができ、ウィービング中の溶接電流値またはアーク電圧値を目標値と比較することによりトーチ高さの制御を行うことができる。
　さらに、ワークの開先幅に対して適切なウィービング幅を得るためにウィービング幅を制御する方法も知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合、ウィービングの端部における溶接電流値またはアーク電圧値を目標値と比較してウィービング幅を増減する制御が行われる。
特公平４－７０１１７号公報
　上記特許文献１の方法においては、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とは独立して行われている。しかしながら、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とは互いに影響しあうものであるため、それぞれの制御において最適化しようとすると、以下のような不都合が生じる。
　図１１Ａ～図１１Ｃは従来のアークセンサウィービング幅制御における不都合を説明するための模式図である。図１１Ａに示されるような初期ウィービング幅ｗ０およびトーチ高さｚ０である場合に、ウィービング幅ｗの端部とワークとの水平距離（壁距離）が目標値ｄｒｅｆとなるようにウィービング幅ｗを広げる制御を行うとともに、トーチ高さｚが目標値ｚｒｅｆとなるようにトーチ高さｚを低くする制御を行うと、図１１Ｂに示されるように、トーチ高さが低くなることによりウィービング幅の端部とワークとの水平距離も短くなるため、ウィービング幅ｗが目標トーチ高さｚｒｅｆにおける目標ウィービング幅ｗｔより大きくなってしまう。一般に、ウィービング幅およびトーチ高さの制御は所定の制御サイクルごとに少しずつ変化させる。従って、ウィービング幅ｗに関して言えば、図１１Ｃの破線で示すように、初期ウィービング幅ｗ０から制御サイクルを繰り返すほど目標ウィービング幅ｗｔに漸近して行くのが望ましい。しかしながら、上記従来の構成においては、初期ウィービング幅ｗ０に対して本来であれば目標ウィービング幅ｗｔに近づけるためにウィービング幅ｗを狭める制御を行う必要があるにも拘らずウィービング幅ｗを広げる制御を行ってしまうため、図１１Ｃの実線で示すように、目標値に対し反対方向に動作したり、目標値で安定するまでに時間がかかることとなる。
　このように、ウィービング幅の制御およびトーチ高さの制御のそれぞれの制御において個別に最適な制御を行うと、結果として溶接トーチとワークとの水平距離が近づき過ぎ、溶接欠陥になったり、溶接トーチとワークとが接触したりする問題が生じ得る。従って、このような従来の方法において、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを独立して行いつつ溶接欠陥等の問題を生じさせないためには、それぞれの制御においてゲインを下げる他なく、高性能な制御を行うことができない。
　また、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とをウィービングの周期に応じて交互に行うことも可能である。すなわち、この方法においてはウィービング幅の制御を行う際にはトーチ高さの制御は行わず、トーチ高さの制御を行う際にはウィービング幅の制御は行わないことも可能である。このようにすれば、溶接欠陥等の問題は生じないが、それぞれの制御において当該制御を行わない期間が存在することとなるため、結果的にゲインが半減してしまい、高性能な制御を行うことができない。
　本発明は、以上のような課題を解決すべくなされたものであり、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができるアーク溶接の制御システムおよび制御方法を提供することを目的とする。
　本発明に係るアーク溶接の制御システムは、溶接トーチを溶接対象であるワークの開先の幅方向に所定のウィービング幅で周期的に移動させつつ前記ワークの溶接線方向に所定のトーチ高さで前記溶接トーチを移動させて前記ワークの溶接線を倣わせるアクチュエータ(actuator)と、溶接電流またはアーク電圧を検出するセンサとを備え、前記ワークの開先に良好なビードを形成するためのアーク溶接のアークセンサ制御システムであって、前記溶接電流またはアーク電圧からウィービングの端部における前記溶接トーチと前記ワークとの水平距離を示す開先壁距離に相当する値および前記トーチ高さに相当する値をそれぞれ取得し、それぞれの目標値との差をそれぞれ演算し、前記開先壁距離に相当する値のその目標値からの偏差（以下、開先壁距離偏差という）と前記トーチ高さに相当する値のその目標値からの偏差（以下、トーチ高さ偏差という）とから前記アクチュエータの前記ウィービング幅に関する操作量を演算するとともに、前記開先壁距離偏差と前記トーチ高さ偏差とから前記アクチュエータの前記トーチ高さに関する操作量を演算する演算器と、前記ウィービング幅に関する操作量および前記トーチ高さに関する操作量に基づいて前記ウィービング幅および前記トーチ高さをそれぞれ制御する制御器と、を有し、前記ウィービング幅の操作量および前記トーチ高さの操作量に対し、それぞれ前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差が影響する比率（以下、影響比率という）が前記ワークの開先角度に応じて設定されており、前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差の影響比率は、前記開先角度が大きいほど前記開先壁距離偏差の影響比率に対し前記トーチ高さ偏差の影響比率が相対的に大きくなるように設定されているよう構成されている。
　上記構成によれば、溶接トーチを溶接線に倣わせる際に、センサで検出された溶接電流またはアーク電圧の値から取得された開先壁距離に相当する値およびトーチ高さに相当する値の両方を用いてウィービング幅に関する水平アクチュエータの操作量およびトーチ高さに関する鉛直アクチュエータの操作量がそれぞれ演算される。しかも、各操作量における開先壁距離偏差およびトーチ高さ偏差に関するパラメータに掛けられた影響比率（重み係数）がワークの開先角度に応じて設定されている。そして、発明者らは鋭意研究の末、いずれの操作量においてもワークの開先角度が大きいほどトーチ高さ偏差の影響比率が開先壁距離偏差の影響比率より相対的に大きくなるように設定することでゲインを下げることなくウィービング幅とトーチ高さとを迅速かつ最適に制御することができるという知見を得たものである。従って、上記構成を有することによりウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができる。
　前記操作量は、前記影響比率に当該影響比率を調整する調整係数が掛けられていてもよい。これにより、同じ開先角度であってもワークの種類や使用用途に応じてより好適な制御性能に調整することができる。
　さらに、前記トーチ高さの操作量Δｚは、次式（１）で表され、前記ウィービング幅の操作量Δｗは、次式（２）で表されるものでもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　ここで、Ｋｚ，Ｋｗは、鉛直アクチュエータの操作量および水平アクチュエータの操作量の各ゲインを示し、ΔＰｄは、開先壁距離偏差を示し、ΔＰｈは、トーチ高さ偏差を示し、ｔは、開先角度θを用いてｔ＝ｔａｎ（θ／２）で表される値を示し、Ｋｈは、調整係数を示す。
　これによれば、トーチ高さの操作量におけるトーチ高さ偏差による影響比率がウィービング幅の操作量におけるよりも大きくなるため、トーチ高さ偏差をより反映させて制御することができる。
　また、前記演算器は、ウィービングの１周期が予め定められた数で分割された複数の区間ごとに、前記センサから検出される前記溶接電流またはアーク電圧の平均値を算出し、前記複数の区間のうち、ウィービングの端部に対応する１または複数の区間の平均値に基づいて前記開先壁距離に相当する値を取得し、ウィービングの１周期分の前記溶接電流またはアーク電圧の平均値に基づいて前記トーチ高さに相当する値を取得することとしてもよい。このように、溶接電流またはアーク電圧をウィービング周期に応じて区分けすることによって溶接トーチの各位置におけるアークの電流または電圧を簡便に演算することができる。
　また、本発明に係るアーク溶接のアークセンサ制御方法は、溶接トーチを溶接対象であるワークの開先の幅方向に所定のウィービング幅で周期的に移動させつつ前記ワークの溶接線方向に所定のトーチ高さで前記溶接トーチを移動させて前記ワークの溶接線を倣わせるアクチュエータと、溶接電流またはアーク電圧を検出するセンサとを備え、前記ワークの開先にビードを形成するためのアーク溶接のアークセンサ制御方法であって、前記溶接電流またはアーク電圧を検出するステップと、前記溶接電流またはアーク電圧からウィービングの端部における前記溶接トーチと前記ワークとの水平距離を示す開先壁距離に相当する値および前記トーチ高さに相当する値をそれぞれ取得し、それぞれの目標値との差をそれぞれ演算するステップと、前記開先壁距離に相当する値のその目標値からの偏差（以下、開先壁距離偏差という）と前記トーチ高さに相当する値のその目標値からの偏差（以下、トーチ高さ偏差という）とから前記アクチュエータの前記ウィービング幅に関する操作量を演算するとともに、前記開先壁距離偏差と前記トーチ高さ偏差とから前記アクチュエータの前記トーチ高さに関する操作量を演算するステップと、前記ウィービング幅に関する操作量および前記トーチ高さに関する操作量に基づいて前記ウィービング幅および前記トーチ高さをそれぞれ制御するステップと、を含み、前記ウィービング幅の操作量および前記トーチ高さの操作量に対し、それぞれ前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差が影響する比率（以下、影響比率という）が前記ワークの開先角度に応じて設定されており、前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差の影響比率は、前記開先角度が大きいほど前記開先壁距離偏差の影響比率に対し前記トーチ高さ偏差の影響比率が相対的に大きくなるように設定されているものである。
　上記方法によれば、溶接トーチを溶接線に倣わせる際に、センサで検出された溶接電流またはアーク電圧の値から取得された開先壁距離に相当する値およびトーチ高さに相当する値の両方を用いてウィービング幅の操作量およびトーチ高さの操作量がそれぞれ演算される。しかも、各操作量における開先壁距離偏差およびトーチ高さ偏差に関するパラメータの影響比率（重み係数）がワークの開先角度に応じて設定されている。そして、発明者らは鋭意研究の末、いずれの操作量においてもワークの開先角度が大きいほどトーチ高さ偏差の影響比率が開先壁距離偏差の影響比率に対し相対的に大きくなるように設定することでゲインを下げることなくウィービング幅とトーチ高さとを迅速かつ最適に制御することができるという知見を得たものである。従って、上記方法を用いて制御することによりウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができる。
　本発明の上記目的、他の目的、特徴、及び利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
　本発明は以上に説明したように構成され、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができるという効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るアーク溶接の制御システムの概略構成を示すブロック図である。 図１に示す溶接システムの溶接トーチとワークとの位置関係をモデル化した幾何形状モデルを示す図である。 図１に示す溶接システムの制御モデルを示すブロック線図である。 図１に示す溶接システムの溶接トーチの軌跡およびそれに対応するアーク電圧変化を示す図である。 図１に示す溶接システムの溶接トーチ制御を概念的に示す模式図である。 図１に示す溶接システムの溶接トーチ制御を概念的に示す模式図である。 本実施例１において用いたワークの形状を示す側面図である。 本実施例１において用いたワークの形状を示す斜視図である。 実施例１におけるアークセンサ制御において検出されたアーク電圧を示す図である。 実施例１におけるアークセンサ制御におけるウィービング幅の目標値に対する偏差を示す図である。 実施例１におけるアークセンサ制御における溶接トーチの水平位置軌跡を示す図である。 実施例１におけるアークセンサ制御における溶接トーチの鉛直位置軌跡を示す図である。 実施例２および比較例におけるアークセンサ制御におけるウィービング幅の時間変化を示す図である。 実施例２および比較例におけるアークセンサ制御におけるウィービング端とワークとの間の水平距離の時間変化を示す図である。 実施例２および比較例におけるアークセンサ制御における中央トーチ高さの時間変化を示す図である。 実施例２および比較例におけるアークセンサ制御における平均トーチ高さの時間変化を示す図である。 従来のアークセンサウィービング幅制御における不都合を説明するための模式図である。 従来のアークセンサウィービング幅制御における不都合を説明するための模式図である。 従来のアークセンサウィービング幅制御における不都合を説明するための模式図である。
　以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一または相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
　図１は本発明の一実施形態に係るアーク溶接のアークセンサ制御システムが適用される溶接システムの概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態のアーク溶接のアークセンサ制御システムが適用される溶接システムは、溶接装置１と、溶接装置１を制御する演算制御器２と、溶接装置１においてアークを発生させるための溶接電源３と、アークの溶接電流およびアーク電圧を検出するセンサ４とを備えている。
　溶接装置１は、シールドガスを溶接部に供給するノズルを有する溶接トーチ１１を有している。溶接トーチ１１の先端（下端）には電極１２が設けられている。溶接トーチ１１には、溶接電源３からの電力線が接続され、電力が供給される。また、溶接装置１は、溶接トーチ１１を水平軸方向に移動させる水平アクチュエータ１３と、溶接トーチ１１を鉛直方向に移動させる鉛直アクチュエータ１４とを有している。水平アクチュエータ１３および鉛直アクチュエータ１４は、演算制御器２からの制御信号に基づいて作動し、溶接トーチ１１を水平方向および鉛直方向に移動させる。なお、このような構成は、先端部に溶接トーチ１１が備えられた多関節のロボットにより構成されてもよい。
　溶接トーチ１１の下方には、溶接対象であるワーク５が載置される。ワーク５は２つの被溶接材が突き合わされた状態で配置されており、溶接すべき箇所に開先５１が形成されている。開先５１は、２つの被溶接材が突き合わされた状態で各々の開先面が所定の開先角度θを有するように配置されている。なお、この開先角度θは、被溶接材同士の当接部近傍が曲面となっている場合もあるため、開先面同士を延長した面同士が交差した際のなす角を意味している。
　溶接電源３は、ワーク５にも溶接電源３の電力線が接続されるよう構成されている。溶接電源３から供給される電力により、溶接トーチ１１（の電極１２）とワーク５との間に電圧が印加され、溶接トーチ１１の先端から突出された電極１２とワーク５との間にアークが発生する。これにより、ワーク５が溶接され、ビードが形成される。溶接電源３および溶接トーチ１１の間の電力線と溶接電源３およびワーク５の間の電力線との間には溶接電流またはアーク電圧のうちアーク電圧を検出する電圧センサ４１がセンサ４として設けられている。さらに、本実施形態においては、電力線の何れかに設けられた電流センサ４２もセンサ４として設けられている。なお、本実施形態においては溶接電流またはアーク電圧を検出するセンサ４としてアーク電圧値を検出する電圧センサ４１および溶接電流値を検出する電流センサ４２の双方を有しているが、いずれか一方のみでもよい。また、溶接電流またはアーク電圧は溶接電源３からの電源線間の溶接電流またはアーク電圧を直接的に検出してもよいし、間接的に検出してもよい。一般的にＭＩＧ溶接、ＭＡＧ溶接、ＣＯ２溶接では電流値で制御し、ＴＩＧ溶接では電圧値で制御するため、溶接の種類に応じて構成を組み替えたり、使い分けたりすればよい。
　演算制御器２は、溶接トーチを溶接線に倣わせる際におけるアーク電圧または溶接電流からウィービングの端部における溶接トーチ１１とワーク５の開先壁との水平距離を示す開先壁距離に相当する値およびトーチ高さに相当する値をそれぞれ取得し、それぞれの目標値との差をそれぞれ演算し、開先壁距離に相当する値のその目標値からの偏差（開先壁距離偏差）とトーチ高さに相当する値のその目標値からの偏差（トーチ高さ偏差）とからアクチュエータのウィービング幅に関する操作量（すなわち、鉛直アクチュエータ１４の操作量）を演算するとともに、開先壁距離偏差とトーチ高さ偏差とからアクチュエータのトーチ高さに関する操作量（すなわち、水平アクチュエータ１３の操作量）を演算する演算器２１として機能する。さらに、演算制御器２は、ウィービング幅に関する操作量およびトーチ高さに関する操作量に基づいて溶接装置１の各アクチュエータ１３，１４を制御する制御器２２として機能する。具体的には、本実施形態の制御器２２として機能する演算制御器２は、センサ４で検出された溶接電流又はアーク電圧に基づいて、溶接トーチ１１を溶接対象であるワーク５の開先５１の幅方向に所定のウィービング幅で周期的に移動させつつワーク５の開先５１の溶接線方向に所定のトーチ高さで移動させて、ワーク５の開先５１にビードを形成するように制御する。演算制御器２は、処理機能を有する限りどのような構成でもよく、例えばマイクロコントローラ(micro controller)、ＣＰＵ、ＭＰＵ、ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）、論理回路等で構成されている。また、本実施形態においては１つの演算制御器２が演算器２１および制御器２２の何れとしても機能する構成として説明しているが、別個の制御器または演算器で構成されてもよい。
　以下、具体的な制御態様について説明する。まず、演算制御器２は、センサ４で検出された溶接電流またはアーク電圧から開先壁距離に相当する値およびトーチ高さに相当する値を取得する。このために、本実施形態においては、アーク電圧からウィービングの端部における溶接トーチ１１とワーク５との水平距離と、溶接トーチ１１の平均高さとを演算する。図２は図１に示す溶接システムの溶接トーチとワークとの位置関係をモデル化した幾何形状モデルを示す図である。
　図２に示すように、開先５１の下端を原点として水平方向にＹ軸および鉛直方向にＺ軸を取っている。また、ウィービング幅ｗの中心座標を（ｙ，ｚ）とし、これらを制御パラメータとして用いる。また、ウィービング幅ｗの左端とワーク５の左壁（左側の被溶接材）との間の水平距離をｄｌとし、ウィービング幅の右端とワーク５の右壁（右側の被溶接材）との間の水平距離をｄｒとし、ウィービング位置からワーク５までの鉛直距離の平均値を平均トーチ高さｈとしている。
　ここで、本発明の発明者らは、鋭意研究の末、上記各パラメータの関係を以下の式で設定した。すなわち、水平距離ｄｌ，ｄｒおよび平均トーチ高さｈのいずれにおいてもウィービング幅ｗとウィービング中心における実際のトーチ高さｚとが所定の割合で含まれるように設定している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　そして、本実施形態においては、上記式（３）を用いた制御モデルが適用され、制御器２２は、適用された制御モデルに基づいて制御する。図３は図１に示す溶接システムの制御モデルを示すブロック線図である。図３に示されるブロック線図より、上記式（３）は、出力ベクトルをｘとし、入力ベクトルをｕとしたとき、ｘ＝Ｍｕとして表されるものである。このときの操作量Δｕは、目標値をｘｒｅｆとし、ゲインをＫ１，Ｋ２として、Δｕ＝Ｋ２Ｍ－１Ｋ１（ｘｒｅｆ－ｘ）で表される。このときの各パラメータの関係式を以下の式に設定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　式（４）を展開すると、以下の式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　ここで、距離ｄと電圧Ｖとは一次式の関係（ｄ＝ｍＶ＋ｂ、ただしｍ，ｂは定数）を有することが知られているため、これを用いて式（５）を変換すると、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　以上より、Δｙが溶接線倣いの操作量を示し、Δｚがトーチ高さの操作量を示し、Δｗがウィービング幅の操作量を示すものとなる。
　このような式の導出の結果、上記式（６）よりこのワーク５の開先角度θが大きいほどいずれの操作量においてもトーチ高さ偏差が影響する比率が開先壁距離偏差が影響する比率より相対的に大きくなるように設定することでゲインを下げることなく高性能にウィービング幅ｗとトーチ高さｚとを最適に制御することができるという知見を得ることができた。
　なお、Ｖｄｒｅｆ－（Ｖｄｌ＋Ｖｄｒ）／２は、開先壁距離偏差を示し、Ｖｈｒｅｆ－Ｖｈは、トーチ高さ偏差を示すものであるため、それぞれΔＰｄ，ΔＰｈとおくと、トーチ高さの操作量Δｚは、次式（７）で表され、ウィービング幅ｗの操作量Δｗは、次式（８）で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　ここで、Ｋｚ，Ｋｗは、トーチ高さおよびウィービング幅に関する操作量の各ゲインを示し、Ｋｈは、調整係数を示す。
　次に、上記で得られた式（６）の入力パラメータであるＶｄｌ，Ｖｄｒ，Ｖｈの検出方法について説明する。図４は図１に示す溶接システムの溶接トーチの軌跡およびそれに対応するアーク電圧変化を示す図である。図４の上側の図はトーチ軌跡のグラフを示し、図４の下側の図はトーチ軌跡に対応するアーク電圧変化のグラフを示している。トーチ軌跡のグラフにおいては、初期値を０としている。
　本実施形態においては、演算器２１は、ウィービングの１周期が予め定められた数で分割された複数の区間ごとに、センサ４から検出されるアーク電圧の平均値を算出し、複数の区間のうち、算出されるウィービング端部に対応する１または複数の区分の平均値に基づいて開先壁距離に相当する値（電圧値）を取得し、ウィービングの１周期分のアーク電圧の平均値に基づいてトーチ高さに相当する値（電圧値）を取得するよう構成されている。具体的には、図４の下側の図に示されるように、例えばウィービングの１周期を８等分し、ウィービング端部に対応する区間（図４の例においては８つの区間０～７のうち区間１，２および区間５，６）の平均アーク電圧値をウィービング端部における電圧Ｖｄｌ，Ｖｄｒとして用い、ウィービングの１周期の全体の平均アーク電圧値をトーチ高さを示す電圧Ｖｈとして用いる。
　このように、溶接電流またはアーク電圧をウィービング周期に応じて区分けすることによって溶接トーチの各位置におけるアーク電圧を簡便に演算することができる。なお、本実施形態においてはウィービングの１周期を８分割することによりウィービングの端部におけるアーク電圧を検出するとしたが、ウィービングの端部におけるアーク電圧を検出可能である限り、分割数をこれより多くしてもよいし、少なくしてもよい。また、ウィービングの端部のアーク電圧は、ウィービングの端部におけるピーク電圧値を用いることとしてもよい。また、トーチ高さの電圧を示す電圧として、ウィービングの中央位置における電圧を検出することとしてもよい。さらに、ＭＩＧ，ＭＡＧ，ＣＯ２溶接等の消耗電極式溶接においては、電極１２であるワイヤの先端とワークの距離とが所定距離以内に近づくとアークが消弧して短絡する時間（短絡時間）が長くなったり、短絡する回数（短絡回数）が増加する。従って、このような短絡時間や短絡回数を計測することで、ワイヤの先端とワークとの距離を推定することとしてもよい。
　また、本実施形態においては、開先壁距離に相当する値およびトーチ高さに相当する値を所定区間におけるアーク電圧を検出することで取得し、その電圧値自体を目標値（電圧値）と比較することとしているが、検出したアーク電圧または溶接電流から実際に開先壁距離およびトーチ高さを演算により求めた上で、開先壁距離およびトーチ高さのそれぞれの目標値（距離値）と比較することとしてもよい。
　以上のように、本実施形態において、トーチ高さの操作量Δｚおよびウィービング幅の操作量Δｗに対し、それぞれ開先壁距離偏差ΔＰｄおよびトーチ高さ偏差ΔＰｈが影響する比率（以下、影響比率という）がワーク５の開先角度θに応じて設定されている。具体的には、影響比率は、上記式（７）および（８）における開先壁距離偏差ΔＰｄおよびトーチ高さ偏差ΔＰｈの重みを示す係数の絶対値として示される。ウィービング幅の操作量Δｗにおける開先壁距離偏差ΔＰｄの影響比率は、δｗｄ＝４であり、トーチ高さ偏差ΔＰｈの影響比率は、δｗｈ＝８ｔＫｈであり、その比（ΔＰｈ／ΔＰｄ）はδｗ＝２ｔＫｈとなる。また、トーチ高さの操作量Δｚにおける開先壁距離偏差ΔＰｄの影響比率は、δｚｄ＝１／ｔであり、トーチ高さ偏差ΔＰｈの影響比率は、δｚｈ＝Ｋｈであり、その比（ΔＰｈ／ΔＰｄ）はδｚ＝ｔＫｈとなる。その結果、演算器２１は、当該開先角度θが大きいほど開先壁距離偏差の影響比率δｗｄ，δｚｄに対しトーチ高さ偏差の影響比率δｗｈ，δｚｈが相対的に大きくなるように（影響比率の比δｗ，δｚが大きくなるように）トーチ高さの操作量Δｚおよびウィービング幅の操作量Δｗを演算する。
　例えば、開先角度θが９０°（すなわちｔ＝１）かつ後述する調整係数Ｋｈ＝１とすると、トーチ高さの操作量Δｚにおける開先壁距離偏差ΔＰｄとトーチ高さ偏差ΔＰｈとの影響比率の比δｚはδｚ＝２（ΔＰｄ：ΔＰｈ＝１：２）となり、同じくウィービング幅の操作量Δｗにおける上記影響比率の比δｗはδｗ＝１（ΔＰｄ：ΔＰｈ＝１：１）となる。また、開先角度θが１２０°（すなわちｔ＝１．７３）かつ調整係数Ｋｈ＝１とすると、トーチ高さの操作量Δｚにおける上記影響比率δｚはδｚ＝３．４６（ΔＰｄ：ΔＰｈ＝１：３．４６）となり、同じくウィービング幅の操作量Δｗにおける上記影響比率δｗはδｗ＝１．７３（ΔＰｄ：ΔＰｈ＝１：１．７３）となる。このように開先角度θが大きいほどいずれの操作量Δｚ，Δｗにおいてもトーチ高さ偏差ΔＰｈによる影響が開先壁距離偏差ΔＰｄによる影響より大きくなる（影響比率の比δｗ，δｚの大きさが大きくなる）。
　制御器２２は、演算器２１で演算された各操作量に基づいて水平および鉛直アクチュエータ１３，１４を駆動して溶接トーチ１１を移動させる制御を行う。
　上記構成によれば、センサ４で検出されたウィービング１周期の平均アーク電圧値およびウィービング端部区間の平均アーク電圧値の両方を用いて各アクチュエータ１３，１４のトーチ高さに関する操作量Δｚおよびウィービング幅に関する操作量Δｗがそれぞれ演算される。しかも、各操作量における開先壁距離偏差ΔＰｄおよびトーチ高さ偏差ΔＰｈに関するパラメータに掛けられた影響比率（重み係数）がワーク５の開先角度θに応じて設定されている。そして、いずれの操作量においてもワーク５の開先角度θが大きいほどトーチ高さ偏差ΔＰｈの影響比率が開先壁距離偏差ΔＰｄの影響比率より大きくなるように設定することでゲインを下げることなくウィービング幅ｗとトーチ高さｚとを迅速かつ最適に制御することができる。従って、このような制御モデルを導入することにより、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うことができる。
　図５Ａおよび図５Ｂは図１に示す溶接システムの溶接トーチ制御を概念的に示す模式図である。図５Ａおよび図５Ｂは従来例を示す図１１Ａおよび図１１Ｃに対応した図である。本実施形態によれば、図５Ａに示すように、ウィービング幅の制御と同時にトーチ高さの制御が行われるため、溶接トーチ１１とワーク５とが異常接近することを防止することができ、図５Ｂに示すように、初期ウィービング幅ｗ０から目標ウィービング幅ｗｔに短い制御サイクルで漸近させることができる。
　また、上記式（７）および（８）に示すように、各操作量は、影響比率に当該影響比率を調整する調整係数Ｋｈが掛けられている。これにより、同じ開先角度θであってもワーク５の種類や使用用途に応じてより好適な制御性能に調整することができる。なお、調整係数Ｋｈは、必ずしも必要ではなく、Ｋｈ＝１で固定されていてもよい。
　なお、本実施形態においてはアーク電圧を検出する構成について説明したが、溶接電流を検出する構成としてもよい。この場合、電流の距離との関係が電圧における距離との関係とは逆（距離が大きくなると電圧は大きくなるが電流は小さくなる）となるため、式（６）（すなわち式（７）および（８））のそれぞれの式においてマイナス（－）の符号が付加されたものとなる。また、例えばＭＩＧ，ＭＡＧ，ＣＯ２溶接においては、溶接電流を用いてアークセンサ制御することが一般的であるため、操作量演算のための検出値も溶接電流値とすることが好ましく、例えばＴＩＧ溶接においては、アーク電圧を用いてアークセンサ制御することが一般的であるため、操作量演算のための検出値もアーク電圧値とすることが好ましい。
　上記実施形態の溶接システムにおいて実際にワークをＴＩＧ溶接する実験を行った。図６Ａおよび図６Ｂは本実施例１において用いたワークの形状を示す図である。図６Ａは側面図であり、図６Ｂは斜視図である。図６Ａおよび図６Ｂに示すように本実施例においてはワーク５として板面が長手方向中央部で短手方向軸回りに湾曲した形状を有する鋼板５Ａの短手軸に垂直な側面を４５°傾けた鋼板５Ｂに溶接する場合（開先角度θ＝９０°）の溶接線倣いを検証した。このようなワーク５に図６Ａにおける左側から右側へ溶接を施す場合、溶接線Ｌは、溶接トーチ１１が上りながら進行方向左に曲がっていき、中央部を超えると下りながら進行方向右に曲がっていく。
　また、本実施例の溶接条件は、以下のように設定した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　そして、本実施例における式（６）の各制御パラメータを以下のように設定した上で、溶接線倣いを行いながら、検出されたアーク電圧値に基づいて式（６）を用いてウィービング幅およびトーチ高さの操作量を演算し、溶接トーチ１１の制御を行った。なお、アークが安定するまでの開始から数秒間はアークセンサ制御を行わないこととした。また、溶接装置１には溶接開始位置および終了位置の２点のみを教示し、制御を行わない場合には溶接トーチ１１がこの２点間を結ぶ直線上を移動するように設定されている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　上記の条件で実際に溶接動作を行った結果を図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａおよび図８Ｂに示す。図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａおよび図８Ｂは実施例１におけるアークセンサ制御の結果を示す図である。図７Ａは検出されたアーク電圧を示す図であり、図７Ｂはウィービング幅の目標値に対する偏差を示す図であり、図８Ａは溶接トーチの水平位置軌跡を示す図であり、図８Ｂは溶接トーチの鉛直位置軌跡を示す図である。なお、図８Ａおよび図８Ｂにおいてはいずれの図も初期値を０にとっている。
　図８Ａおよび図８Ｂに示すように、本実施例においては、溶接線倣いに関する水平位置およびトーチ高さ制御に関する鉛直位置ともに、溶接線の曲線を高性能に倣うことができた。特に、本実施例のワーク５の形状により、溶接の前半は、溶接線Ｌが上りとなり、溶接トーチは水平に動こうとするため、溶接トーチ１１とワーク５との相対距離が近づくことにより、図７Ｂに示すように、ウィービング幅が比較的小さくなっている。このことは図８Ａの前半部分における水平位置および振幅でも確認することができる。一方、溶接の後半は、溶接線Ｌが下りとなり、溶接トーチが水平に動こうとするため、溶接トーチ１１とワーク５との相対距離が離れることにより、図７Ｂに示すように、ウィービング幅が比較的大きくなっている。このことは図８Ｂの後半部分における水平位置および振幅でも確認することができる。このように、ワーク５の形状に応じてアーク溶接が忠実に行われていることが示された。
　さらに、本実施形態の制御態様を比較例と比較する実験を行った。本実施例においても、上記実施例１と同様に、下記のような溶接条件に基づいて、式（６）を用いて制御を行った。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 　また、比較例において、トーチ高さの操作量Δｚについては、式（６）のΔｚの式のうちＶｄｒｅｆ－（Ｖｄｌ＋Ｖｄｒ）／２の項がない式を用いるとともに、ウィービング幅の操作量Δｗについては、式（６）のΔｗの式のうちＶｈｒｅｆ－Ｖｈの項がない式を用いて各操作量を演算することとした。すなわち、比較例においては、トーチ高さの操作量Δｚの演算において開先壁距離方向の値は寄与せず、ウィービング幅の操作量Δｗの演算においてトーチ高さの値は寄与しない制御とした。なお、比較し易いように本実施例と比較例とにおいては各ゲインの値を異ならせている。また、アークが安定するまでの開始から数秒間はアークセンサ制御を行わないこととした。
　上記の条件で実際に溶接動作を行った結果を図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａおよび図１０Ｂに示す。図９Ａ、図９Ｂ、図１０Ａおよび図１０Ｂは実施例２および比較例におけるアークセンサ制御の結果を示す図である。図９Ａはウィービング幅の時間変化を示す図であり、図９Ｂはウィービング端とワークとの間の水平距離の時間変化を示す図であり、図１０Ａは中央トーチ高さの時間変化を示す図であり、図１０Ｂは平均トーチ高さの時間変化を示す図である。
　図９Ａに示すように、比較例においてはウィービング幅が制御開始直後にオーバーシュートしている。すなわち、図９Ｂに示すように、溶接トーチ１１とワーク５との間の水平距離が異常接近している。このような異常接近はアンダーカット等の溶接欠陥の要因となる。これに対し、本実施例においてはウィービング幅の制御がオーバーシュートすることなく滑らかに行われており、比較例のような溶接欠陥のおそれはなく、しかも、所定時間経過後はウィービング幅が安定している。トーチ高さに関しても、図１０Ａおよび図１０Ｂに示すように、比較例においてはトーチ高さが制御開始直後にオーバーシュートしているのに対し、実施例においては滑らか且つ安定した制御が行われている。このことからも明らかなように、本実施形態の制御方法を用いることにより、ウィービング幅およびトーチ高さの目標値への収束をオーバーシュートさせることなく迅速に行うことができる。
　上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。
　本発明のアーク溶接の制御システムおよび制御方法は、ウィービング幅の制御とトーチ高さの制御とを同時且つ高性能に行うために有用である。
１　溶接装置
２　演算制御器
３　溶接電源
４　センサ
５　ワーク
１１　溶接トーチ
１２　電極
１３　水平アクチュエータ
１４　鉛直アクチュエータ
２１　演算器
２２　制御器
４１　電圧センサ
４２　電流センサ
５１　開先
θ　開先角度

Claims (5)

  1. 　溶接トーチを溶接対象であるワークの開先の幅方向に所定のウィービング幅で周期的に移動させつつ前記ワークの溶接線方向に所定のトーチ高さで前記溶接トーチを移動させて前記ワークの溶接線を倣わせるアクチュエータと、溶接電流またはアーク電圧を検出するセンサとを備え、前記ワークの開先に良好なビードを形成するためのアーク溶接のアークセンサ制御システムであって、
    　前記溶接電流またはアーク電圧からウィービングの端部における前記溶接トーチと前記ワークとの水平距離を示す開先壁距離に相当する値および前記トーチ高さに相当する値をそれぞれ取得し、それぞれの目標値との差をそれぞれ演算し、前記開先壁距離に相当する値のその目標値からの偏差（以下、開先壁距離偏差という）と前記トーチ高さに相当する値のその目標値からの偏差（以下、トーチ高さ偏差という）とから前記アクチュエータの前記ウィービング幅に関する操作量を演算するとともに、前記開先壁距離偏差と前記トーチ高さ偏差とから前記アクチュエータの前記トーチ高さに関する操作量を演算する演算器と、
    　前記ウィービング幅に関する操作量および前記トーチ高さに関する操作量に基づいて前記ウィービング幅および前記トーチ高さをそれぞれ制御する制御器と、を有し、
    　前記ウィービング幅の操作量および前記トーチ高さの操作量に対し、それぞれ前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差が影響する比率（以下、影響比率という）が前記ワークの開先角度に応じて設定されており、
    　前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差の影響比率は、前記開先角度が大きいほど前記開先壁距離偏差の影響比率に対し前記トーチ高さ偏差の影響比率が相対的に大きくなるように設定されている、アーク溶接のアークセンサ制御システム。
  2. 　前記操作量は、前記影響比率に当該影響比率を調整する調整係数が掛けられている、請求項１に記載のアーク溶接の制御システム。
  3. 　前記トーチ高さの操作量Δｚは、次式（１）で表され、前記ウィービング幅の操作量Δｗは、次式（２）で表される、請求項２に記載のアーク溶接の制御システム。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
     　ここで、Ｋｚ，Ｋｗは、トーチ高さに関する操作量およびウィービング幅に関する操作量の各ゲインを示し、ΔＰｄは、開先壁距離偏差を示し、ΔＰｈは、トーチ高さ偏差を示し、ｔは、開先角度θを用いてｔ＝ｔａｎ（θ／２）で表される値を示し、Ｋｈは、調整係数を示す。
  4. 　前記演算器は、ウィービングの１周期が予め定められた数で分割された複数の区間ごとに、前記センサから検出される前記溶接電流またはアーク電圧の平均値を算出し、前記複数の区間のうち、ウィービングの端部に対応する１または複数の区間の平均値に基づいて前記開先壁距離に相当する値を取得し、ウィービングの１周期分の前記溶接電流またはアーク電圧の平均値に基づいて前記トーチ高さに相当する値を取得する、請求項１に記載のアーク溶接の制御システム。
  5. 　溶接トーチを溶接対象であるワークの開先の幅方向に所定のウィービング幅で周期的に移動させつつ前記ワークの溶接線方向に所定のトーチ高さで前記溶接トーチを移動させて前記ワークの溶接線を倣わせるアクチュエータと、溶接電流またはアーク電圧を検出するセンサとを備え、前記ワークの開先にビードを形成するためのアーク溶接のアークセンサ制御方法であって、
    　前記溶接電流またはアーク電圧を検出するステップと、
    　前記溶接電流またはアーク電圧からウィービングの端部における前記溶接トーチと前記ワークとの水平距離を示す開先壁距離に相当する値および前記トーチ高さに相当する値をそれぞれ取得し、それぞれの目標値との差をそれぞれ演算するステップと、
    　前記開先壁距離に相当する値のその目標値からの偏差（以下、開先壁距離偏差という）と前記トーチ高さに相当する値のその目標値からの偏差（以下、トーチ高さ偏差という）とから前記アクチュエータの前記ウィービング幅に関する操作量を演算するとともに、前記開先壁距離偏差と前記トーチ高さ偏差とから前記アクチュエータの前記トーチ高さに関する操作量を演算するステップと、
    　前記ウィービング幅に関する操作量および前記トーチ高さに関する操作量に基づいて前記ウィービング幅および前記トーチ高さをそれぞれ制御するステップと、を含み、
    　前記ウィービング幅の操作量および前記トーチ高さの操作量に対し、それぞれ前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差が影響する比率（以下、影響比率という）が前記ワークの開先角度に応じて設定されており、
    　前記開先壁距離偏差および前記トーチ高さ偏差の影響比率は、前記開先角度が大きいほど前記開先壁距離偏差の影響比率に対し前記トーチ高さ偏差の影響比率が相対的に大きくなるように設定されている、アーク溶接の制御方法。
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