(57)【要約】      （修正有）【課題】  消耗電極式溶接方法が有するアーク発生シーケンスの無駄時間を溶接ワイヤの座屈やスパッタを発生させることなく消滅させる消耗電極式溶接方法を提供する。【解決手段】  ワイヤを送給しながらロボットマニュピレータによりトーチを母材７から引き離す方向に移動させることにより、ロボットマニピュレータを駆動するアクチュエータがトーチを引き離す一方向の動作でワイヤの被溶接物に対する速度を制御でき、トーチ速度反転による振動は発生しない。また、専用の引き離し制御系を用いることにより、通常動作時のオーバーシュートを大きくさせることなくトーチを移動するアクチュエータの速度追従性を高め、マニピュレータの加減速時間を短縮できる。【選択図】  図１
2006116565.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶接ワイヤを溶接トーチへ送給するワイヤ送給手段と、前記溶接トーチを保持し、かつ溶接トーチを移動するアクチュエータと、位置制御系を有しており前記アクチュエータを駆動制御する制御装置と、被溶接物と溶接ワイヤとの間に溶接出力を加える溶接電源装とを備えた溶接システムであって、前記アクチュエータにより溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動し、溶接ワイヤの被溶接物に対する速度を制御し、前記制御装置は、前記位置制御系とは別に、溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に前記アクチュエータを移動する専用の引き離し制御系を備える溶接システム。
【請求項２】
引き離し制御系は、フィードフォワード制御を行う請求項１記載の溶接システム。
【請求項３】
引き離し制御系は、溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動する際にのみ用いる請求項１または２記載の溶接システム。
【請求項４】
溶接ワイヤを溶接トーチへ送給するワイヤ送給手段と、前記溶接トーチを保持し、かつ溶接トーチを移動するアクチュエータと、位置制御系を有しており前記アクチュエータを駆動制御する制御装置と、被溶接物と溶接ワイヤとの間に溶接出力を加える溶接電源装置を備えた溶接システムを用いて、前記アクチュエータにより溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動し、溶接ワイヤの被溶接物に対する速度を制御する消耗電極式溶接方法であって、前記制御装置は、前記位置制御系とは別に、溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に前記アクチュエータを移動する専用の引き離し制御系を備える消耗電極式溶接方法。
【請求項５】
引き離し制御系は、フィードフォワード制御を行う請求項４記載の消耗電極式溶接方法。
【請求項６】
引き離し制御系は、溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動する際にのみ用いる請求項４または５記載の消耗電極式溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モータにより駆動される溶接用ロボットの位置制御における制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、溶接業界では国際的な競争力を確保するために更なる生産性向上の努力が日々続けられている。特に生産ラインを停止させる軽微なトラブルである所謂「チョコ停」の削減やタクトタイムの短縮に対する要求は以前にも増して高まってきている。
【０００３】
「チョコ停」の原因には様々な要因が考えられるが、最も大きな原因はアークスタートの不良に起因するトラブルである。
【０００４】
このため、従来の消耗電極式溶接方法におけるアークスタートでは、開始信号が外部から入力されると、ロボットマニュピュレータを移動させることによって溶接トーチを予め教示された溶接開始位置まで移動させた後に、ワイヤの送給は停止したままでロボットマニュピュレータによって溶接トーチを略溶接ワイヤの送給方向に移動させてワイヤ先端を前記被溶接物に近づけていき、ワイヤ先端が被溶接物に接触したことを判別すると予め定めた小電流値の初期電流を溶接電源装置から通電すると共に溶接トーチを略溶接ワイヤの送給方向とは逆方向に移動させて前記ワイヤ先端を前記被溶接物から遠ざける後退移動を行い、後退移動によってワイヤ先端と被溶接物とが離れると初期電流が通電するアークが発生して、初期アーク発生状態を維持したままで後退移動を継続し溶接トーチが溶接開始位置に復帰すると後退移動から予め教示された溶接方向への移動に切り換えて、同時に溶接ワイヤの送給を開始すると共に定常の溶接電流を通電することによって初期アーク発生状態から定常のアーク発生状態へと移行させるものが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
図４は上述した消耗電極式溶接方法を行うロボットを用いた溶接システムの概略全体構成図である。
【０００６】
図４において、１０１は消耗電極である溶接ワイヤであり、ワイヤースプール１０２からワイヤ送給モータ１０３により溶接トーチ１０４の方向に繰り出されるようになっている。
【０００７】
１０５は溶接電源装置で、この溶接電源装置１０５は溶接トーチ１０４および溶接チップ１０６を経由して溶接ワイヤ１０１と被溶接物である母材１０７との間に所定の溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｖを印加し、アーク１０８を発生させるとともにワイヤ送給モータ１０３を制御して溶接施工を行うようにしている。
【０００８】
１０９はロボットマニピュレータで、このロボットマニピュレータ１０９は溶接トーチ１０４を保持し、溶接開始位置（図示せず）に位置決めを行うと共に溶接線（図示せず）に沿って溶接トーチ１０４を移動させるものである。
【０００９】
また、ロボットマニピュレータ１０９はロボット制御装置１１０により制御されるが、ロボット制御装置１１０は溶接電源装置１０５との間で双方向通信Ｓを行い、溶接電流Ｉや溶接電圧Ｖなどの溶接諸条件や、溶接の開始や終了指令を送信するものである。
【００１０】
以上のように構成された溶接システムにおける消耗電極式溶接方法について、図５のタイムチャートを用いて説明する。
【００１１】
図５は、縦方向に、溶接トーチの移動速度ＴＶ、溶接ワイヤの送給速度ＷＦ、短絡判定信号Ａ／Ｓ、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｖの各状況を表し、また、横軸は時間を表すものであり、タイミングとして、溶接開始信号がロボット制御装置１１０から溶接電源装置１０５に送信された時点をＴＳ０’としており、以後ＴＳ１’からＴＳ５’は後述するようなそれぞれのタイミングを表している。
【００１２】
まず、ロボット制御装置１１０は、溶接開始信号を溶接電源装置１０５に送信すると共に、ロボットマニピュレータ１０９を起動して溶接トーチ１０４を母材１０７に向かって加速し、溶接トーチ１０４の速度が初期トーチ速度ＴＶ０に達するとロボットマニピュレータ１０９の加速を停止し、一定速度で溶接トーチ１０４の降下を継続する。
【００１３】
また、溶接電源装置１０５はロボット制御装置１１０から溶接開始信号を受信すると、溶接ワイヤ１０１と母材１０７との間に無負荷電圧Ｖ０を印加する。
【００１４】
やがて時刻ＴＳ１’において、溶接ワイヤ１０１と母材１０７が接触すると溶接電源装置１０５の内部にある短絡判定手段（図示せず）により、短絡判定信号Ａ／Ｓが出力される。
【００１５】
この短絡判定信号Ａ／Ｓは双方向通信Ｓによってロボット制御装置１１０に伝達され、ロボット制御装置１１０は直ちにロボットマニピュレータ１０９を減速停止させ、時刻ＴＳ２’において、ロボットマニピュレータ１０９の動作、すなわち溶接トーチ１０４の速度がゼロとなる。
【００１６】
その後、ロボット制御装置１１０は直ちにロボットマニピュレータ１０９の動作を反転させ溶接トーチ１０４が母材１０７から離れる方向への動作を開始し、溶接トーチ１０４の引き上げ動作を行う。
【００１７】
この時刻ＴＳ１’からＴＳ３’の間は初期短絡期間であり、この間、ロボットマニピュレータ１０９が減速して速度がゼロとなる時刻ＴＳ２’までの間はワイヤ１０１を母材１０７に押しつけることになるが、時刻ＴＳ２’以降はロボットマニピュレータ１０９の動作が反転するので押しつけ量は減少して行き、やがて時刻ＴＳ３’の時点で短絡が解除される。
【００１８】
この短絡が解除される時刻ＴＳ３’のタイミングは、溶接トーチ１０４の速度を表すＴＶの線が示す溶接ワイヤ１０１の押し付け量となる三角形ａｂｃの面積よりも引き上げ量となる三角形ｃｄｅの面積が上回った時点で発生する。
【００１９】
なお、溶接電源装置１０５は、時刻ＴＳ１’において初期短絡が発生すると溶接電流ＩをＩ１’に制御し、所定の時間経過後に電流をＩ２’に増加して短絡開放を待つ。
【００２０】
この初期短絡期間の第１段階として、溶接電流を比較的低く設定されたＩ１’に制御するの理由は、初期短絡によって溶接ワイヤ１０１の先端部のジュール加熱により溶接ワイヤ１０１が溶融し、アークの発生と同時に溶融した溶接ワイヤ１０１が飛散してスパッタとなるのを防止するためである。
【００２１】
また、電流をＩ１’からＩ２’に変化させる理由は、時刻ＴＳ３’で短絡解放時にアークを発生させるのに十分なエネルギを与えるためである。
【００２２】
時刻ＴＳ３’において、アークが発生すると、溶接電源装置１０５はワイヤ送給モータ１０３を起動して溶接ワイヤ１０１を母材１０７に向かって加速し、溶接ワイヤ１０１の速度が本溶接用の溶接ワイヤ速度に達するまで加速を継続し、本溶接用の溶接ワイヤ速度に到達した後は、一定速度で溶接ワイヤ１０１の送給を継続する。
【００２３】
また、溶接電源装置１０５はワイヤ送給モータ１０３の起動と合わせてアーク電流Ｉをアーク初期電流Ｉ３’に一定時間制御した後、第２の初期電流Ｉ４へと制御し、その後、本溶接出力（図示せず）へと制御する。
【特許文献１】特開２００２−２０５１６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかし、従来の消耗電極式溶接方法は、ロボットマニピュレータ１０９の反転動作を必要とする。すなわち、溶接ワイヤ１０１の先端が母材１０７に接触したことを判別すると前進移動していたロボットマニピュレータ１０９の減速を開始し、一端停止した後に後進方向に反転加速するため、ロボットマニピュレータ１０９の応答時間および加減速時間が必要となる。
【００２５】
ロボットマニピュレータ１０９は、一般的には減速機を介してモータによって駆動されるので、ＴＳ２’で速度が反転する際に、減速機のガタ（噛み合わせの遊び）やバネ成分、摩擦の不連続性等により振動が発生する。
【００２６】
そして、この振動により、溶接ワイヤ１０１が母材１０７に必要以上に押しつけられる可能性があり、溶接ワイヤ１０１が挫屈する危険性がある。
【００２７】
また、ロボットマニピュレータ１０９の応答性が悪く、溶接トーチ１０４の速度指令と実速度間に遅れが発生する場合においても、ＴＳ１’で短絡検出してからＴＳ２’で速度が減速して反転するまでの時間が延び、溶接ワイヤ１０１が母材１０７に必要以上に押しつけられる可能性があり、溶接ワイヤ１０１が挫屈する危険性がある。
【００２８】
ここで、ロボットマニピュレータ１０９の応答性を決めるのが、ロボット制御装置１１０内に構成される位置制御ループであり、この構成を図６に示す。
【００２９】
図６において、溶接トーチ１０４に所望の軌跡を動作させる時、逆キネマ演算により、ロボットマニピュレータ１０９を構成する各軸のモータ位置の軌跡を求め、その速度成分を速度ループ指令ＴＶＣ２０１として、制御ループに入力する。
【００３０】
なお、制御ループへの入力を、位置成分ではなく速度成分としている理由は、位置成分ではロボットの動作範囲を全て含む大きな有効桁数が必要となり、データ処理の負荷が重くなるためである。
【００３１】
このトーチ速度指令ＴＶＣ２０１を積分要素２０２で積分したトーチ位置指令ＴＰＣ２０３を位置ループ２１６に入力する。
【００３２】
ロボットマニピュレータ１０９に軌跡をティーチングする場合は、始点と終点の位置を指定することが一般的であり、位置ループ２１６が必要な理由は、速度ループ２１８のみでは、位置決めが正確にできないためである。
【００３３】
そこで、一般的なフィードバック制御（以後、ＦＢ制御と示す）では、トーチ位置指令ＴＰＣ２０３とモータ２１４に備えられた回転位置検出装置２１５から出力されるトーチ位置フィードバック（以下ＦＢと省略して示す）信号ＴＰＦ２０４との差に、位置ループゲインＫＰＰ２０５を乗じて、速度ループ指令ＴＶＣＡ２００を生成し、速度制御ループ２１８に入力する。
【００３４】
【数１】
2006116565.tif 000003
速度制御ブロック２１８は、速度ループ指令ＴＶＣＡ２００とトーチ位置ＦＢ信号ＴＰＦ２０４を微分したトーチ速度ＦＢ信号ＴＶＦ２０８との差と、速度ループ比例ゲインＫＰＳ２０９と、積分要素２１０と、速度ループ積分ゲインＫＩＳ２１１とから、電流指令ＴＣＣ２１２を生成する。この電流指令ＴＣＣ２１２を受けた電流アンプ２１３が実際の電流をモータ２１４に流すことにより、マニピュレータ１０９を駆動する。
【００３５】
この状態では、一般的に、この位置ループ２１６により演算される速度ループ指令ＴＶＣＡ２００は、モータ位置指令ＴＰＣ２０３の速度成分であるトーチ速度指令ＴＶＣ２０１から位相が遅れた信号となる。このことが主因となり、トーチ速度ＦＢ信号ＴＶＦ２０８はトーチ速度指令ＴＶＣ２０１に十分追従できずに位相が遅れる。これを示したものが図７（ａ）である。
【００３６】
図７（ａ）では、トーチ速度指令ＴＶＣ２０１として、一般的な台形状に加速、一定速、減速を与えた例を示している。トーチ速度指令ＴＶＣ２０１に対し、トーチ速度ＦＢ信号ＴＶＦ２０８は十分追従できず、位相が遅れ、最大速度比で最大３５．３％の誤差が発生している。
【００３７】
そこで、ロボットマニピュレータ１０９の応答性を良くするために、一般的に用いられる方式として、図９に示すフィードフォワード制御（以後、ＦＦ制御と示す）を追加する方式がある。
【００３８】
図９においては、図６の制御ブロックの位置制御ループ２１６内に、トーチ速度指令ＴＶＣ２０１に、速度ＦＦゲインＫＦＦ２１９で乗じて、（数１）で求めた速度ループ指令ＴＶＣＡ２００に加算するＦＦ制御ブロック２１７を追加することにより、速度ループ指令をＴＶＣＢ２０６とする。
【００３９】
【数２】
2006116565.tif 000004
（数２）で計算されたＴＶＣＢ２０６を速度指令として速度制御ループ２１８に入力することで、後述するように、速度追従性が向上することが知られている。
【００４０】
なお、速度ＦＦゲインＫＦＦ２１９の範囲は、下記（数３）に示す通りである。
【００４１】
【数３】
2006116565.tif 000005
なお、図９において、ＫＦＦ＝０とすれば図６と等価である。
【００４２】
速度ＦＦゲインＫＦＦ２１９を大きくすれば、すなわち１に近づければ、速度追従性は改善するが、その反面オーバーシュートが大きくなる。これを示したものが、図７（ｂ）、図７（ｃ）である。
【００４３】
図７（ｂ）はＫＦＦ＝０．５、図７（ｃ）はＫＦＦ＝１．０とした時のもので、トーチ速度指令ＴＶＣ２０１としては、図７（ａ）と同じ波形を与えた場合を示している。
【００４４】
マニピュレータ１０９の通常動作では、トーチ速度指令ＴＶＣ２０１の波形形状は、マニピュレータ１０９の負荷パラメータやモータ２１４の最大回転数、最大トルク等から予め決められており、追従遅れを加味した補正をリアルタイムには行わないことが一般的である。
【００４５】
図８（ａ）から（ｃ）は、図７（ａ）から（ｃ）の縦軸をトーチ速度からトーチ位置へと変更したもので、終点位置を１００％としている。ここでも、速度と同様、速度ＦＦゲインＫＦＦ２１９を大きくして１に近づければ、位置のオーバーシュートが増大していることがわかる。
【００４６】
そして、位置のオーバーシュートの増加は、以下の問題を招く。
【００４７】
溶接終了後、ロボットマニピュレータ１０９は、溶接を完了した母材１０７の取り出しと新たな母材１０７の設置とを妨げない待避位置へ移動し、新たな母材１０７の設置後、母材１０７に近づく溶接開始点であるＴＳ０’時の位置へ溶接トーチ１０４を移動させることが一般的である。この場合、溶接ワイヤ１０１の先端が母材１０７側へオーバーシュートすることなく停止することが好ましい。オーバーシュートすると、意図しない時点で溶接ワイヤ１０１の先端が母材７に接触し、溶接ワイヤ１０１の挫屈やスパッタ発生の可能性が発生する。
【００４８】
つまり、待避位置から溶接開始点ＴＳ０’への移動を考えれば、意図しない時点で溶接ワイヤ１０１の先端が母材７に接触しないように、母材１０７側へのオーバーシュートに関係する速度ＦＦゲインＫＦＦ２１９はそれほど大きくできないことがわかる。
【００４９】
一方、図５で示す、従来のアークスタート処理におけるＴＳ０’からＴＳ２’の間では、後述するように、溶接ワイヤ１０１が母材１０７に接するＴＳ１’で示される減速位置を予め教示することはできない。
【００５０】
すなわち、溶接トーチ１０４からの溶接ワイヤ１０１の突き出し量や、母材１０７の形状誤差等によって、短絡する位置が一定では無いので、短絡判定信号Ａ／Ｓにより短絡検出をしてから減速することになる。
【００５１】
ただし、以下では、説明を簡単にするために、溶接ワイヤ１０１の突き出し量や、母材１０７の形状に誤差が無いと仮定して説明する。
【００５２】
図１０（ａ）は、従来のアークスタート処理におけるＴＳ０’〜ＴＳ２’間で、速度ＦＢ信号ＴＶＦ２０８は追従遅れがなく、完全にトーチ速度指令ＴＶＣ２０１に追従した場合を示している。図１０（ｂ）は縦軸を位置成分としたものである。
【００５３】
図１０（ａ）、図１０（ｂ）において、時刻ＴＳ１’（＝０．４）で、トーチは母材１０７に接触し、短絡が検出され、減速を開始し、時刻ＴＳ２’（＝０．６）で停止するものとする。
【００５４】
図１０（ｂ）の縦軸は、時刻ＴＳ２’までの移動量を１００％としており、時刻ＴＳ１’の短絡した時点での移動量は７５％である。
【００５５】
しかし、実際には、図７（ａ）から（ｃ）で示したように、速度ＦＢ信号ＴＶＦ２０８はトーチ速度指令ＴＶＣ２０１に対し追従遅れが発生するので、速度ＦＢ信号ＴＶＦ２０８が短絡する時刻、つまり図１０（ｂ）の７５％に到達する時刻ＴＳ１’は遅れることになる。
【００５６】
図１１（ａ）は、ＫＦＦ＝０の時のトーチ速度指令ＴＶＣ２０１と速度ＦＢ信号ＴＶＦ２０８の関係を示したものである。
【００５７】
図１１（ａ）において、トーチ速度指令ＴＶＣ２０１は、時刻０．２迄は加速し、その後一定速になる。この間、速度ＦＢ信号ＴＶＦ２０８は追従遅れによる誤差が蓄積し、トーチ速度指令ＴＶＣ２０１が短絡位置に到達する時刻０．４になっても、短絡位置には到達しない。短絡が発生しないので、トーチ速度指令ＴＶＣ２０１は減速せず、一定値を保持する。その後、ようやく時刻０．４７（ＴＳ１’で図示）に達して、速度ＦＢ信号ＴＶＦ２０８は短絡位置に達するので、トーチ速度指令ＴＶＣ２０１は減速に転じて０まで減速する。
【００５８】
しかし、この後も追従遅れが発生し、速度ＦＢ信号ＴＶＦ２０８が０に減速するまでトーチは下降する。
【００５９】
図１２（ａ）は図１１（ａ）の縦軸をトーチ位置で表したものであり、縦軸は追従遅れがない場合を示した図１０（ｂ）の時刻ＴＳ２’までの移動量を１００％としている。
【００６０】
図１２（ａ）において、位置ＦＢ信号ＴＰＦ２０４はトーチ位置指令ＴＰＣ２０３に対してのオーバーシュートは少ないが、追従遅れが原因して短絡時刻ＴＳ１’が遅れたことにより、時刻ＴＳ２’での移動量は、図１０（ｂ）の移動量（１００％）に対して１７．６％増加している。つまり、下降の移動量が大きくなり、ワイヤ１０１が母材１０７へ余分に突っ込むことになるため、ワイヤ１０１が挫屈する可能性が発生する。
【００６１】
図１１（ｃ）、図１２（ｃ）はＫＦＦ＝１．０の時の波形を示したものである。
【００６２】
図１１（ｃ）において、速度オーバーシュートが１３．３％であり、ＫＦＦ＝０の時と比べてオーバーシュートが増加しているが、追従遅れは少なくなり、最大誤差は１３．３％に減少している。
【００６３】
図１２（ｃ）は、図１１（ａ）の縦軸をトーチ位置で表したものであり、縦軸は追従遅れがない場合を示した図１０（ｂ）の時刻ＴＳ２’までの移動量を１００％としている。
【００６４】
図１２（ｃ）においては、位置ＦＢ信号ＴＰＦ２０４はトーチ位置指令ＴＰＣ２０３に対してのオーバーシュートはＫＦＦ＝０の時と比べ増加しているが、追従遅れが少ないため短絡時刻ＴＳ１’はほとんど遅延せず、時刻ＴＳ２’での移動量は、図１０（ｂ）の移動量（１００％）に対してのオーバーシュートは３．１％に減少している。
【００６５】
以上の結果より、従来のアークスタート処理におけるＴＳ０’からＴＳ２’の間では、ＴＳ１’で短絡を検出してから減速を始めるため、速度オーバーシュートが大きくても、追従遅れが小さい方、つまりＫＦＦ＝１．０と設定した時の方が、ＴＳ１’の短絡検出後の移動量を小さくでき、溶接ワイヤ１０１の挫屈の危険性が少なくなることがわかる。
【００６６】
しかし、溶接開始点であるＴＳ０’の以後に必要な速度追従性を重視し、ＫＦＦ＝１．０と設定すると、待避位置から溶接開始点ＴＳ０’への移動動作におけるオーバーシュート量が増加することになり、意図しない時点で溶接ワイヤ１０１の先端が母材１０７に接触し、溶接ワイヤ１０１の挫屈やスパッタ発生の可能性が生じてしまい、速度追従性の向上とオーバーシュートの抑制の両方を満たすようにＦＦゲインＫＦＦの調整を行うことは困難である。
【００６７】
以上説明したように、従来の方式では、方向反転時の振動とトーチ速度の追従遅れが原因となり、溶接ワイヤ１０１が母材１０７に必要以上に押しつけられる可能性があるため、ＴＳ０’からＴＳ４’間のトーチの加減速を落とさざるを得ない。このため、アーク発生シーケンスによる無駄時間が長くなる可能性が大きい。
【００６８】
本発明は、従来の消耗電極式溶接方法が有していたアーク発生シーケンスの無駄時間を、溶接ワイヤの挫屈やスパッタを発生させることなく削減することができる消耗電極式溶接方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００６９】
上記目的を達成するために、本発明の溶接システムは、溶接ワイヤを溶接トーチへ送給するワイヤ送給手段と、前記溶接トーチを保持し、かつ溶接トーチを移動するアクチュエータと、位置制御系を有しており前記アクチュエータを駆動制御する制御装置と、被溶接物と溶接ワイヤとの間に溶接出力を加える溶接電源装とを備えた溶接システムであって、前記アクチュエータにより溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動し、溶接ワイヤの被溶接物に対する速度を制御し、前記制御装置は、前記位置制御系とは別に、溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に前記アクチュエータを移動する専用の引き離し制御系を備えるものである。
【００７０】
また、本発明の消耗電極式溶接方法は、溶接ワイヤを溶接トーチへ送給するワイヤ送給手段と、前記溶接トーチを保持し、かつ溶接トーチを移動するアクチュエータと、位置制御系を有しており前記アクチュエータを制御する制御装置と、被溶接物と溶接ワイヤとの間に溶接出力を加える溶接電源装置を備えた溶接システムを用いて、溶接ワイヤを送給しながら前記アクチュエータにより溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動し、溶接ワイヤの被溶接物に対する速度を制御する消耗電極式溶接方法であって、前記制御装置は、前記位置制御系とは別に、溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に前記アクチュエータを制御するための専用の引き離し制御系を備えることを特徴とする。
【００７１】
この方法によれば、溶接開始時は、アクチュエータがトーチを引き離す一方向の動作で溶接ワイヤの被溶接物に対する速度を制御できるので、トーチ速度の反転による振動は発生せず、また、専用の引き離し制御系を用いて溶接トーチを移動するアクチュエータの速度追従性を高めることにより、応答時間および加減速時間が従来のものに比べて短縮できる。そして、通常の位置決めにおいては、専用の引き離し制御系による制御を行わないことにより、引き離し制御系によるオーバーシュートの発生を防止する。
【発明の効果】
【００７２】
以上のように、本発明は、溶接開始時に専用の引き離し制御系を用いて制御されるアクチュエータにより溶接トーチを被溶接物から引き離す方向に移動させることにより、従来の消耗電極式溶接方法が有していたアーク発生シーケンスの無駄時間を削減してタクトタイムを短縮することや、溶接始端部での溶接ワイヤの挫屈やスパッタの発生を防止し、所謂「チョコ停」を効果的に削減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７３】
（実施の形態１）
以下、本発明の一実施の形態について、図１から図３および図７と図８を用いて説明する。
【００７４】
まず、図２と図３を用いて本実施の形態における溶接システムの構成とアークスタートの過程について説明し、次いで、図１と図７、図８を用いて、本実施の形態におけるロボット制御装置１０の位置制御ループについて説明する。
【００７５】
図２は本実施の形態における溶接システムの概要を示す構成図で、１は消耗電極である溶接ワイヤであり、ワイヤースプール２からワイヤ送給モータ３により溶接トーチ４の方向に繰り出されるようになっている。
【００７６】
５は溶接電源装置であり、この溶接電源装置５は、溶接トーチ４および溶接チップ６を経由して溶接ワイヤ１と被溶接物である母材７との間に所定の溶接電流Ｉ及び溶接電圧Ｖを印加してアーク８を発生させるとともに、ワイヤ送給モータ３を制御して溶接施工を行うものである。
【００７７】
９はロボットマニピュレータであり、このロボットマニピュレータ９は、溶接トーチ４を保持し、溶接開始位置（図示せず）に位置決めを行うと共に溶接線（図示せず）に沿って溶接トーチ４を移動させるものである。
【００７８】
また、ロボットマニピュレータ９はロボット制御装置１０により制御されており、このロボット制御装置１０は、溶接電源装置５との間で双方向通信Ｓを行い、溶接電流Ｉや溶接電圧Ｖなどの溶接諸条件や、溶接の開始や終了指令を送信するものである。
【００７９】
図３は、縦方向に、溶接トーチ４の移動速度ＴＶ、溶接ワイヤ１の送給速度ＷＦ、短絡判定信号Ａ／Ｓ、溶接電流Ｉ、溶接電圧Ｖの各状況を表し、また、横軸に時間を表すものであり、タイミングとして、溶接開始信号がロボット制御装置１０から溶接電源装置５に送信された時刻をＴＳ０としており、以後ＴＳ１からＴＳ５は、それぞれのタイミングを表している。なお、時刻ＴＳ０において、溶接トーチ４は溶接開始位置に位置する。また、後述するように、ＴＳ１は溶接ワイヤ１と母材７が接触する時刻を示し、ＴＳ２は溶接ワイヤ１を母材７に押しつける方に加わる力がゼロとなる、すなわち溶接トーチ４の引き上げ速度と溶接ワイヤ１の送給速度が釣り合う時刻を示し、ＴＳ３は溶接ワイヤ１と母材７との短絡が解除される時刻を示し、ＴＳ４は溶接トーチ４の高さが所定の高さとなり溶接トーチ４の引き上げが完了した時刻を示し、ＴＳ５はワイヤの速度ＷＦが所定の速度になった時刻を示している。
【００８０】
図３において、本実施の形態では、溶接開始信号がロボット制御装置１０から溶接電源装置５に送信される（ＴＳ０）と、溶接電源装置５は溶接ワイヤ１と母材７の間に無負荷電圧Ｖ０を印加すると共にワイヤ送給モータ３を起動して溶接ワイヤ１を母材７に向かって加速する。
【００８１】
溶接ワイヤ１の送給速度が初期ワイヤ速度Ｗ０に達するとワイヤ送給モータ３の加速を停止し、一定速度でワイヤ送給を継続する。
【００８２】
やがてＴＳ１の時刻において、溶接ワイヤ１と母材７が接触すると、溶接電源装置５の内部にある短絡判定手段（図示せず）により、短絡判定信号Ａ／Ｓが出力される。
【００８３】
この短絡判定信号Ａ／Ｓは、双方向通信Ｓによってロボット制御装置１０に伝達され、ロボット制御装置１０は直ちにロボットマニピュレータ９を溶接トーチ４が母材７から概ね離れる方向への動作を開始し、溶接トーチ４の引き上げ動作を行う。
【００８４】
ＴＳ１からＴＳ３の間は初期短絡期間であり、この間、溶接ワイヤ１は初期ワイヤ速度Ｗ０での送給が継続され、ロボットマニピュレータ９は溶接トーチ４の引き上げ動作を継続するので、溶接ワイヤ１の先端部の速度は、図中の波線で示すように、ワイヤ速度ＷＦとトーチ速度ＴＶとが合成された速度となる。
【００８５】
よって、ＴＳ１以降の溶接ワイヤ１の先端は、図中の波線が示す合成速度がゼロとなるＴＳ２までの間は母材７に押しつけられることとなるが、ＴＳ２以降は合成速度が負に転じるので押しつけ量は減少して行き、やがてＴＳ３の時点で短絡が解除される。ＴＳ３は、溶接ワイヤ１の押し付け量である三角形ｆｇｈの面積よりも引き上げ量である三角形ｈｊｉの面積が上回った時刻である。
【００８６】
なお、溶接電源装置５は、時刻ＴＳ１において、初期短絡が発生すると溶接電流ＩをＩ１に制御し、所定の時間経過後に電流をＩ２に増加して短絡開放を待つ。
【００８７】
初期短絡期間の第１段階として、溶接電流Ｉを比較的低く設定されたＩ１に制御する理由は、初期短絡によって溶接ワイヤ１の先端部のジュール加熱により溶接ワイヤ１が溶融し、アークの発生と同時に溶融した溶接ワイヤ１が飛散してスパッタとなるのを防止するためである。
【００８８】
また、電流をＩ１からＩ２に変化させる理由は、時刻ＴＳ３で短絡解放時にアークを発生させるのに十分なエネルギを与えるためである。
【００８９】
なお、ＴＳ１で短絡検出し、その後の溶接トーチ４の引き上げ動作において、溶接トーチ４の速度ＴＶに追従遅れが生じ、溶接トート４の引き上げ速度ＴＶが溶接ワイヤ１の速度ＷＦを上回る時間、つまり合成速度が負に転じる時間が余分にかかった場合、その間も溶接ワイヤ１は供給され続けるので、溶接ワイヤ１の押しつけ量が過大となり、溶接ワイヤ１が挫屈する可能性がある。
【００９０】
また、発明が解決しようとする課題で説明した従来例でＴＳ１’の減速位置が前もってわからないことと同様、ＴＳ１の短絡検出時刻を予め教示することはできないので、追従遅れを見越して前もって引き上げ動作をすることは出来ない。
【００９１】
そこで、溶接ワイヤ１の押しつけ量を少なくするため、トーチ速度ＴＶの追従遅れを少なくすることが必要となる。なお、本実施の形態の溶接方法は、図５を用いて説明した時刻ＴＳ０’における位置から溶接トーチ１０４が母材１０７側にも移動する従来例とは異なり、時刻ＴＳ０における位置からの溶接トーチ４の動作方向は、母材７から離れる方向のみであるので、従来例で示したような速度方向が変わることによる振動が原因となる挫屈の心配はない。
【００９２】
また、溶接トーチ４と溶接ワイヤ１の合成速度は一定である方が好ましいので、速度追従誤差を最小にするように調整すれば良い。
【００９３】
一方、ロボットマニピュレータ９の通常動作や位置決めにおいて、ＴＳ０の時刻で、母材７を供給するために待避位置にあった溶接トーチ４は、ロボット制御装置１０がロボットマニピュレータ９を駆動することにより溶接開始位置へ移動してくる。
【００９４】
この時は、溶接ワイヤ１の先端が母材７側へオーバーシュートすることなく停止することが好ましい。それは、溶接ワイヤ１の先端がオーバーシュートすると、意図しない時点で溶接ワイヤ１の先端が母材７に接触する恐れがあるからである。
【００９５】
ただし、ＴＳ４以後の溶接方向への移動に関しては、軌跡精度つまり追従特性が求められるので、オーバーシュートが許容値内に収まる範囲でＦＦゲインを大きくすることが好ましい。
【００９６】
次に、ロボット制御装置１０内に構成される本実施の形態における位置制御ループについて説明する。
【００９７】
図１はロボット制御装置１０内に構成される位置制御ループを示すブロック図である。なお、この図１において、図６や図９と同様の構成については同一の符号を付している。
【００９８】
この図１に示す位置制御ループは、図９を用いて説明した従来例の位置制御ループに、アークスタート時のトーチ引き上げ動作のみの応答性を改善するためのトーチ引き離し制御ブロック２２４を設けた構成となっている。
【００９９】
また、図１では、速度指令を、溶接開始における図３で示す時刻ＴＳ１からＴＳ４迄の溶接トーチ引き上げ動作に関するトーチ引き上げ速度指令ＴＵＶＣ２２２と、それ以外の通常動作における通常動作速度指令ＴＮＶＣ２２３としている。
【０１００】
そして、このトーチ引き離し制御ブロック２２４は、トーチ引き上げ速度指令ＴＵＶＣ２２２に基づいて、溶接開始における溶接トーチ４を母材７から引き離す方向に移動させる動作の応答性を改善するためにＦＦ（フィードフォワード）制御を行うものである。なお、このトーチ引き上げ速度指令ＴＵＶＣ２２２は、溶接開始において、ロボット制御装置１０が溶接トーチ４を母材７から引き離す方向に移動させる制御を行うときに出力される指令であり、通常動作時には出力されないものである。
【０１０１】
図１の制御ループにおいて、位置制御ループ２１６から速度ループ２１８に出力される速度ループ指令ＴＶＣＢ２０６について説明すると、速度ＦＦゲインＫＦＦＢ２２１が乗じられたトーチ引き上げ速度指令ＴＵＶＣ２２２と、速度ＦＦゲインＫＦＦＡ２２０が乗じられた通常動作速度指令ＴＮＶＣ２２３とを加算し、この加算したものを（数１）で計算した速度ループ指令ＴＣＶＡ２００に加算することにより、速度ループ指令ＴＶＣＢ２０６が演算される。このＴＶＣＢを数式で表すと以下の（数４）となる。
【０１０２】
【数４】
2006116565.tif 000006
また、位置制御ループ２１６に出力される位置指令ＴＰＣ２０３について説明すると、位置指令ＴＰＣ２０３は、トーチ引き上げ速度指令ＴＵＶＣ２２２と通常動作速度指令ＴＮＶＣ２２３の和を積分したものである。この位置指令ＴＰＣを数式で表すと下記の（数５）となる。
【０１０３】
【数５】
2006116565.tif 000007
なお、ＫＦＦＡ＝ＫＦＦＢ＝０の時は、従来例として図６で示したＦＦ制御が無い制御ループと同じになる。
【０１０４】
ここで、先にも述べたように、ＴＳ０以前とＴＳ４以後の通常動作においては、オーバーシュートが許容値内に収まる範囲でＦＦゲインを大きくして追従性を改善することが好ましい。
【０１０５】
そこで、通常動作速度指令ＴＮＶＣ２２３に乗算するための速度ＦＦゲインＫＦＦＡ２２０を例えばＫＦＦＡ＝０．５とすると、図７（ｂ）、図８（ｂ）で示す追従特性となり、位置のオーバーシュートは１％以下でありながら、追従特性は改善され位置最大誤差は９．２％に減少する。
【０１０６】
一方、溶接開始における図３に示す時刻ＴＳ１から時刻ＴＳ４迄のトーチ引き上げ動作では、トーチ速度ＴＶの追従遅れを少なくし、速度追従誤差を最小にすることが必要である。そこで、トーチ引き上げ速度指令ＴＵＶＣ２２２に乗算するための速度ＦＦゲインＫＦＦＢを例えばＫＦＦＢ＝１．０とすると、図７（ｃ）、図８（ｃ）で示す追従特性となり、速度の追従遅れと最大誤差を最小化出来る。
【０１０７】
以上のように、ロボット制御装置１０の位置制御ループを図１に示すトーチ引き離し制御ブロック２２４を設けた構成とし、トーチ引き上げ速度指令ＴＵＶＣ２２２と通常動作速度指令ＴＮＶＣ２２３とを別個に入力するものとし、トーチ引き上げ速度指令ＴＵＶＣ２２２は溶接開始においてロボット制御装置１０が溶接トーチ４を母材７から引き離す方向に移動させる制御を行うときにのみ出力され通常動作時には出力されないものとすることで、溶接開始時に、トーチ引き離し制御ブロック２２４により溶接トーチ４の移動の速度追従性を高めることができるので、アーク発生シーケンスの無駄時間を削減することができ、溶接ワイヤ４の挫屈やスパッタの発生を防ぐことができる。
【０１０８】
また、通常動作時にはトーチ引き上げ速度指令ＴＵＶＣ２２２が出力されないので、通常動作時にトーチ引き離し制御ブロック２２４によるオーバーシュートが発生することなく通常動作を行うことができる。
【０１０９】
すなわち、図１に示す位置制御ループを構成することにより、溶接開始におけるＴＳ１からＴＳ４迄のトーチ引き上げ動作と、それ以外の通常動作における速度追従特性を最適に調整することが出来る。
【０１１０】
なお、本実施の形態の制御方法では、上述したように、溶接開始時の時刻ＴＳ０における位置からの溶接トーチ４の動作方向は、母材７から離れる方向のみであるので、従来例のように溶接トート４の速度方向が反転することにより溶接トーチ４の振動が発生して溶接ワイヤ１が挫屈する心配はない。
【０１１１】
また、溶接トーチ４を溶接方向に動作させながらアークスタートをさせるような場合には、溶接方向動作とトーチ引き上げ動作とが同時に行われるが、このような場合でも、速度指令を、溶接開始における図３で示す時刻ＴＳ１からＴＳ４迄の溶接トーチ引き上げ動作に関するトーチ引き上げ速度指令ＴＵＶＣ２２２と、それ以外の通常動作における通常動作速度指令ＴＮＶＣ２２３と別個にしているので、溶接方向動作とトーチ引き上げ動作との速度追従特性を各々最適に調整することが出来る。なお、トーチ引き上げ速度指令ＴＵＶＣ２２２と通常動作速度指令ＴＮＶＣ２２３とを別個にせず、一つの速度指令としＦＦゲインを変化させる方式では、ＦＦゲインの適切な変化が困難であり、溶接方向に動作させながらアークスタートをさせることは難しい。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明の消耗電極式溶接方法は、従来の消耗電極式溶接方法が有していたアーク発生シーケンスの無駄時間を削減してタクトタイムを短縮すると共に、溶接始端部でのワイヤ挫屈やスパッタの発生を防止し、所謂「チョコ停」を効果的に削減することができるので、例えば生産設備や建設用途などに用いられる消耗電極式溶接方法として産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の実施の形態における位置制御ループを示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態に用いる溶接システムの概略構成図
【図３】本発明の実施の形態におけるアークスタート時のタイミングチャート
【図４】従来技術に用いる溶接システムの概略構成図
【図５】従来技術におけるアークスタート時のタイミングチャート
【図６】従来技術における位置制御ループを示すブロック図
【図７】（ａ）通常動作におけるフィードフォワードゲインが０である時のトーチの速度指令とフィードバックの関係を示すグラフ（ｂ）通常動作におけるフィードフォワードゲインが０．５である時のトーチの速度指令とフィードバックの関係を示すグラフ（ｃ）通常動作におけるフィードフォワードゲインが１である時のトーチの速度指令とフィードバックの関係を示すグラフ
【図８】（ａ）通常動作におけるフィードフォワードゲインが０である時のトーチの位置指令とフィードバックの関係を示すグラフ（ｂ）通常動作におけるフィードフォワードゲインが０．５である時のトーチの位置指令とフィードバックの関係を示すグラフ（ｃ）通常動作におけるフィードフォワードゲインが１である時のトーチの位置指令とフィードバックの関係を示すグラフ
【図９】従来技術におけるフィードフォワード制御を加えた位置制御ループを示すブロック図
【図１０】（ａ）トーチ引き上げ動作における追従遅れがない場合のトーチの速度指令とフィードバックの関係を時間とトーチ速度で表したグラフ（ｂ）トーチ引き上げ動作における追従遅れがない場合のトーチの速度指令とフィードバックの関係を時間とトーチ位置で表したグラフ
【図１１】（ａ）フィードフォワードゲインが０である時のトーチ引き上げ動作におけるトーチの速度指令とフィードバックの関係を時間とトーチ速度で表したグラフ（ｂ）フィードフォワードゲインが０．５である時のトーチ引き上げ動作におけるトーチの速度指令とフィードバックの関係を時間とトーチ速度で表したグラフ（ｃ）フィードフォワードゲインが１である時のトーチ引き上げ動作におけるトーチの速度指令とフィードバックの関係を時間とトーチ速度で表したグラフ
【図１２】（ａ）フィードフォワードゲインが０である時のトーチ引き上げ動作におけるトーチの速度指令とフィードバックの関係を時間とトーチ位置で表したグラフ（ｂ）フィードフォワードゲインが０．５である時のトーチ引き上げ動作におけるトーチの速度指令とフィードバックの関係を時間とトーチ位置で表したグラフ（ｃ）フィードフォワードゲインが１である時のトーチ引き上げ動作におけるトーチの速度指令とフィードバックの関係を時間とトーチ位置で表したグラフ
【符号の説明】
【０１１４】
１  溶接ワイヤ
３  ワイヤ送給モータ
４  溶接トーチ
５  溶接電源装置
７  母材
８  アーク
９  ロボットマニュピレータ
１０  ロボット制御装置
２００  速度ループ指令  ＴＶＣＡ
２０１  トーチ速度指令  ＴＶＣ
２０２  積分要素
２０３  トーチ位置指令  ＴＰＣ
２０４  微分要素
２０５  位置ループゲイン  ＫＰＰ
２０６  速度ループ指令  ＴＶＣＢ
２０７  微分要素
２０８  トーチ速度ＦＢ信号  ＴＶＦ
２０９  速度ループ比例ゲイン  ＫＰＳ
２１０  積分要素
２１１  速度ループ積分ゲイン  ＫＩＳ
２１２  電流指令  ＴＣＣ
２１３  電流アンプ
２１４  モータ
２１５  回転位置検出装置
２１６  位置制御ループ
２１７  ＦＦ制御ブロック
２１８  速度ループ
２１９  速度ＦＦゲイン  ＫＦＦ
２２０  速度ＦＦゲイン  ＫＦＦＡ
２２１  速度ＦＦゲイン  ＫＦＦＢ
２２２  トーチ引き上げ速度指令  ＴＵＶＣ
２２３  通常動作速度指令  ＴＮＶＣ
２２４  トーチ引き離し制御ブロック
【図１】
2006116565.tif 000008
【図２】
2006116565.tif 000009
【図３】
2006116565.tif 000010
【図４】
2006116565.tif 000011
【図５】
2006116565.tif 000012
【図６】
2006116565.tif 000013
【図７】
2006116565.tif 000014
【図８】
2006116565.tif 000015
【図９】
2006116565.tif 000016
【図１０】
2006116565.tif 000017
【図１１】
2006116565.tif 000018
【図１２】
2006116565.tif 000019