(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス指令方式のサーボ制御を用い、溶接の進行方向に対して左右に溶接トーチをウィービングさせて行う溶接方法において、溶接トーチのウィービング位置に同期させて溶接データをサンプリングするに際し、溶接トーチの位置指令値から溶接トーチ実際位置を予測し、予測された溶接トーチ実際位置に基づいてデータサンプリングのタイミングを決定することを特徴とする溶接機におけるデータサンプリング方法。
【請求項２】
溶接トーチの位置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが一次遅れであるとして、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とする請求項１に記載の溶接機におけるデータサンプリング方法。
【請求項３】
溶接トーチの位置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが一次遅れと無駄時間であるとして、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とする請求項１に記載の溶接機におけるデータサンプリング方法。
【請求項４】
溶接トーチの位置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが二次遅れであるとして、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とする請求項１に記載の溶接機におけるデータサンプリング方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接機におけるデータサンプリング方法に関するものであり、特に、パルス指令方式のサーボ制御を用い、溶接の進行方向に対して左右に溶接トーチをウィービングさせて行う溶接方法において、溶接トーチのウィービング位置に同期させて溶接データをサンプリングする方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
パイプの円周方向のシームを自動で溶接する溶接機の構成の例を図２に示す。図２において、パーソナルコンピュータ２１は、自動溶接のためのＣＡＤデータを作成するためのものであり、作成されたデータはフレキシブルディスク２１ａに記録される。制御装置２２は、自動溶接の実質的な制御（電源及びトーチ位置等の制御）を行うためのものであり、フレキシブルディスク２１ａからＣＡＤデータを読み込む。そして、制御装置２２は、この読み込んだデータを用いて実際の溶接条件を設定し、設定された条件に対応して、ロジックテーブルに予め記録されたデータにより各種溶接パラメータを設定する。
【０００３】
さらに、この制御装置２２では、設定された溶接パラメータを実際の溶接の制御に用いるＮＣ言語に変換し、変換した言語を制御データとして制御テーブルの形で内部のメモリに記録する。そのメモリに記録された制御データを用いて、電源装置２３、及び溶接ヘッド２４を駆動制御すると共に、パルス電圧波形及びパルス電流波形の計測・解析値を用いてアーク倣い関連補正を行う構成となっている。なお、制御装置２２の主な制御項目は、溶接ヘッド２４の溶接の電圧、電流、及び溶接ヘッド２４に搭載された溶接トーチ２７の、パイプ開先３０に対するウィービング、溶接ヘッド２４の移動速度等である。
【０００４】
溶接ヘッド２４は、電源装置２３と送電ケーブル２８で接続され、パイプ外周に巻き付けられたガイドレール２９上に、円周方向に移動可能に装着される。溶接ヘッド２４には、溶接トーチ２７に対して溶接ワイヤを供給するワイヤ供給部２６が搭載されている。
【０００５】
図３に、制御装置２２、電源装置２３、溶接ヘッド２４、パイプ２５間の電気的な接続関係を示す。図から分かるように、電源装置２３からは、送電ケーブル２８を介して、溶接ヘッド２４のワイヤ３１とパイプ２５との間にパルス溶接電圧が印加されるようになっている。これにより、ワイヤ３１とパイプ２５表面との間にアークが発生する。ワイヤ３１は一定速度で送られ、アークにより溶かされて溶着金属となり、パイプ開先３０内で固まり、母材を構成する。
【０００６】
図４に、溶接ヘッド２４の詳細図を示す。溶接ヘッド２４は、パイプ外周上の位置（時分で示す）Ｘ軸、溶接トーチ２７のウィービングの開先部幅方向（パイプ軸方向）Ｙ軸、及び溶接高さ方向（パイプ半径方向）Ｚ軸、及び溶接トーチ旋回軸の各軸についてサーボ機構を備え、これら４軸は制御装置２２により制御されている。ウィービングは２次元ウィービングである。即ち、溶接トーチ２７を溶接進行方向（Ｘ軸）に対して直交するＹ軸方向及びＺ軸方向に、開先部に沿って移動させている。
【０００７】
溶接を自動で行うために、いろいろな自動制御が行われている。その代表的なものを以下に示す。
【０００８】
＜溶接速度制御＞
溶接ヘッド２４のパイプ円周方向（Ｘ軸方向）への進行速度が、プリセットされた値になるように制御を行う。具体的には、Ｘ軸方向駆動モータの速度を、プリセット値に制御する。
【０００９】
＜上下アーク倣い＞
上下アーク倣いは、指令電流値と計測した電流値が一致するように、溶接トーチ２７の上下方向位置を補正するものである。電流値が指令電流値よりも高くなったときは、溶接トーチ２７が低すぎてワイヤ突き出し長さが短くなっているものと判断し、溶接トーチ２７を上げる。逆に、電流値が指令電流値よりも低くなったときは、溶接トーチ２７が高すぎてワイヤ突き出し長さが長くなっているものと判断し、溶接トーチ２７を下げる。
【００１０】
＜アーク電圧調整（アーク長補正）＞
アーク電圧調整は、溶接作業時の環境条件によるアーク電圧の変動を吸収するために、アーク電圧を自動調整するものである。具体的には、アークショート時間率が設定された値となるように電圧指令を調整する。アークショートとは、溶接ワイヤと母材や溶融金属との間隔が短くなりすぎて、両者の間に短絡（ショートが生じた状態のことである。
【００１１】
＜左右アーク倣い＞
左右アーク倣いは、溶接トーチ２７のウィービング中心が正確にパイプ開先３０中心を通るようにするものであり、左右電流値が均等になるように溶接トーチ２７中心位置をずらす制御を行うものである。ウィービングの中心がパイプ開先３０中心に対してずれると、左右端で開先壁との間隔が異なり、これにより左右端での電流値が異なるようになる。よって、この電流値の差を検出することにより、ウィービングの中心のずれを検出することができる。従って、左右端での電流値の差を無くすようにウィービングの中心位置を調整する。
【００１２】
これらの制御、特に左右アーク倣い制御を行うための溶接機データ（溶接電流、溶接電圧、アークショート時間、アークショート率等）のサンプリングは、溶接トーチの位置に同期して行っている。その例を図５に示す。
【００１３】
図５において、横軸は時間、縦軸はＹ軸、即ち開先幅方向の位置である。実線は溶接トーチ位置の指令値の軌跡である指令軌跡、破線は実際の溶接トーチ位置の軌跡であるサーボ軌跡である。図５の例では、ウィービング幅（Ｙ軸方向の移動範囲）を、右端、右、中心、左、左端の５区間に分けて、各区間毎に各種データのサンプリングを行っている。
【００１４】
図５にも示されているように、溶接トーチの移動指令に対するサーボ機構の応答の遅延に起因して、サーボ軌跡は指令軌跡に遅れて追従すると共に、振幅も指令軌跡より小さくなっている。よって、溶接トーチの実際位置が計測可能であるサーボ系においては、溶接トーチの実際位置を計測し、それを基準にして溶接トーチが前記区間のどこにあるかを判断し、データのサンプリングを行っている。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、パルス指令方式のサーボ制御機構においては、溶接トーチの実際位置の計測を行っていない。パルス指令方式のサーボ制御機構の制御ブロック図の例を図６に示す。コントローラ４１からは指令軌跡の変化分に対応する指令パルスがサーボアンプ４２に与えられる。サーボアンプ４２はカウンタ４３を有しておりこのパルスを計数する。カウンタ４３の値がＤ／Ａ変換器４４によりアナログ値とされてサーボモータ４５に与えられる。
【００１６】
サーボモータ４５の動きはパルス発信器４６により検出され、そのパルスはフィードバックパルスとしてカウンタ４３に入力される。指令パルスとフィードバックパルスのカウント方向は逆になっているので、指令パルスの数とフィードバックパルスの数が一致した時点、即ち指令パルス分だけサーボモータ４５が回転した時点でカウンタ４３の値がゼロとなってサーボモータ４５が停止する。
【００１７】
このようなサーボ制御系においては、サーボモータの回転量の絶対値、即ち溶接トーチのウィービング量の実際値を検出することができない。よって、前記のように、溶接トーチの実際の位置に同期してデータのサンプリングを行うことができないという問題点がある。指令軌跡はコントローラ４１で把握することが可能であるので、指令軌跡に同期させてデータのサンプリングを行うことも考えられるが、図６に示すように、指令軌跡とサーボ軌跡は一致していないので、サンプリングの誤差が発生することは避けられない。
【００１８】
本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、溶接トーチ実際位置が測定不能なパルス指令方式のサーボ制御を用いた場合でも、溶接トーチ実際位置に同期したデータのサンプリングが可能な、溶接機におけるデータサンプリング方法を可能にすることを課題とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、パルス指令方式のサーボ制御を用い、溶接の進行方向に対して左右に溶接トーチをウィービングさせて行う溶接方法において、溶接トーチのウィービング位置に同期させて溶接データをサンプリングするに際し、溶接トーチの位置指令値から溶接トーチ実際位置を予測し、予測された溶接トーチ実際位置に基づいてデータサンプリングのタイミングを決定することを特徴とする溶接機におけるデータサンプリング方法（請求項１）である。
【００２０】
本手段においては、溶接トーチの位置指令値から溶接トーチの実際位置を予測する。即ち、位置指令値の変化に対する溶接トーチ実際位置の追随性を、解析的又は実験的に求め、例えば伝達関数の形で両者の関係付けを行う。そして、実際の位置指令値（指令軌跡）に対して伝達関数演算を行う等により、溶接トーチの実際の位置の時間的変化（サーボ軌跡）を計算して予測する。そして、予測された溶接トーチ実際位置に基づいてデータサンプリングのタイミングを決定するので、溶接トーチの実際位置検出ができなくても、溶接トーチの実際位置に同期したデータサンプリングができる。
【００２１】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、溶接トーチの位置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが一次遅れであるとして、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とするもの（請求項２）である。
【００２２】
一般に、指令軌跡に対するサーボ軌跡の遅れは、一次遅れで近似できる。よって、溶接トーチの位置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが一次遅れであるとして溶接トーチ実際位置を予測すると、演算が簡単になり、かつ正確に溶接トーチ実際位置を予測することができる。
【００２３】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、溶接トーチの位置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが一次遅れと無駄時間であるとして、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とするもの（請求項２）である。
【００２４】
指令軌跡に対するサーボ軌跡の応答遅れを一次遅れと無駄時間が結合したものとして、これに基づいて溶接トーチ実際位置を予測すると、それほど演算を複雑にすることなく、前記第２の手段に比べて、溶接トーチ実際位置をより正確に予測することができる。
【００２５】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段であって、溶接トーチの位置指令に対する溶接トーチ実際位置の応答遅れが二次遅れであるとして、溶接トーチ実際位置を予測することを特徴とするもの（請求項４）である。
【００２６】
指令軌跡に対するサーボ軌跡の応答遅れを二次遅れとして、これに基づいて溶接トーチ実際位置を予測すると、それほど演算を複雑にすることなく、前記第２の手段に比べて、溶接トーチ実際位置をより正確に予測することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の例を示すブロック図である。図１において、１はコントローラ、２はサーボアンプ、３はカウンタ、４はＤ／Ａ変換器、５はサーボモータ、６はパルス発信器、７は指令値カウンタ、８は実位置演算手段、９はデータサンプリング手段である。
【００２８】
コントローラ１からは指令軌跡の変化分に対応する指令パルスがサーボアンプ２に与えられる。サーボアンプ２はカウンタ３を有しており、カウンタ３の値がＤ／Ａ変換器４によりアナログ値とされてサーボモータ５に与えられる（実際には、Ｄ／Ａ変換器の後に速度制御装置、電力増幅器が設置されているが、これらの図示及び説明は省略する）。
【００２９】
サーボモータ５の動きはパルス発信器６により検出され、そのパルスはフィードバックパルスとしてカウンタ３に入力される。指令パルスとフィードバックパルスのカウント方向は逆になっているので、指令パルスの数とフィードバックパルスの数が一致した時点、即ち指令パルス分だけサーボモータ５が回転した時点でカウンタ３の値がゼロとなってサーボモータ５が停止する。
【００３０】
一方、指令パルスは指令値カウンタ７にも与えられ、指令値が計算される。指令値カウンタ７の内容は指令軌跡に対応している。実位置演算手段８は、指令値カウンタ７の内容を基に、溶接トーチの実際位置を計算する。この実施の形態においては、実位置演算手段８は一次遅れ要素からなり、溶接トーチがその位置指令に対して一次遅れを持って追随しているものとして溶接トーチの現在位置を予測している。
【００３１】
予測された溶接トーチの位置はデータサンプリング手段９に与えられる。データサンプリング手段９は、与えられた溶接トーチ位置に同期して、従来技術と同様の方法により、溶接電流、溶接電圧等のサンプリングを行う。
このような方式とすることにより、溶接トーチの現在位置を検出する手段がなくても、その位置を予測し、それに同期したデータのサンプリングを行うことができる。
【００３２】
本発明の別の実施の形態においては、実位置演算手段８が一次遅れと無駄時間の結合した要素からなっている他は前記実施の形態と同じである。この演算は、入力を実位置演算手段８内の記憶手段中で一定時間遅延させ、それを一次遅れ要素に入力することで簡単に実現できる。この方法によれば、実位置演算手段を単なる一次遅れとしたときよりも、高精度で溶接トーチの現在位置を予測することができる。
【００３３】
本発明のさらに別の実施の形態においては、実位置演算手段８が二次遅れ要素からなっている他は前記実施の形態と同じである。二次遅れ要素も、マイクロコンピュータを使用することによって簡単に実現できる。この方法によっても、実位置演算手段を単なる一次遅れとしたときよりも、高精度で溶接トーチの現在位置を予測することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、溶接トーチの位置指令値から溶接トーチ実際位置を予測し、予測された溶接トーチ実際位置に基づいてデータサンプリングのタイミングを決定しているので、溶接トーチ実際位置が測定不能なパルス指令方式のサーボ制御を用いた場合でも、溶接トーチ実際位置に同期したデータのサンプリングが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の例を示すブロック図である。
【図２】自動溶接機の構成の例を示す図である。
【図３】自動溶接機の電気的な接続関係を示す図である。
【図４】溶接ヘッドの詳細を示す図である。
【図５】溶接機データをサンプリングする区間を示す図である。
【図６】パルス指令方式のサーボ制御機構の制御ブロックの例を示す図である。
【符号の説明】
１  コントローラ
２  サーボアンプ
３  カウンタ
４  Ｄ／Ａ変換器
５  サーボモータ
６  パルス発信器
７  指令値カウンタ
８  実位置演算手段
９  データサンプリング手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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