(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
消耗電極を送り出すワイヤプッシュ装置と、
上記消耗電極を保持する溶接トーチと、
上記消耗電極のうち、上記消耗電極の軸線方向における上記ワイヤプッシュ装置から上記溶接トーチに至る長さを変化させる送給経路長変化装置と、
上記消耗電極を挿通し、且つ、上記消耗電極を上記溶接トーチへ導くコンジットケーブルと、を備え、
上記コンジットケーブルは、上記消耗電極を囲むコイルライナと、上記コイルライナを囲む被覆チューブとを含み、上記送給経路長変化装置は、上記軸線方向に沿って、上記溶接トーチに対し上記コンジットケーブルを直線往復動させ、且つ、上記溶接トーチと上記コイルライナとに固定されている、アーク溶接装置。
【請求項２】
上記消耗電極のうち上記溶接トーチに囲まれた部位の、上記溶接トーチから母材へ向かう速度が正の値である前進送給期間と、上記速度が負の値である後退送給期間と、からなる単位期間を繰り返し発生させる電源装置を更に備え、
上記速度を一周期が上記単位期間である周期関数として、上記消耗電極は送給され、上記各前進送給期間において上記消耗電極が上記母材に短絡し、上記各後退送給期間のある時点で上記消耗電極と上記母材との短絡が開放される、請求項１に記載のアーク溶接装置。
【請求項３】
上記電源装置は、
上記短絡の開放が生じた第１短絡開放時刻に関する第１短絡開放時情報に基づき、上記第１短絡開放時刻の後における、上記短絡の開放が生じる第２短絡開放時刻に関する第２短絡開放時情報を求める処理と、
上記第２短絡開放時情報に基づき、上記第２短絡開放時刻より設定時間前において、上記消耗電極から上記母材へ流れる溶接電流の値を減少させる処理と、を行う、請求項２に記載のアーク溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アーク溶接装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、消耗電極を送給しながら、この消耗電極と母材の間にアークを発生させ溶接を行うアーク溶接方法が知られている（たとえば特許文献１参照）。このような溶接方法においては、ワイヤ送給装置の送給モータを正転させることにより、消耗電極を母材に向けて前進送給する。そして、消耗電極と母材とが短絡することにより短絡期間が開始する。消耗電極と母材とが短絡すると、送給モータを逆転させて消耗電極を後退送給する。そして、消耗電極と母材とが離間し、消耗電極と母材との間にアークが発生するアーク発生期間が開始する。アークが発生すると、再び送給モータを正転させる。このようにワイヤ送給装置の送給モータの正転および逆転を繰り返すことにより、溶接を行う。
【０００３】
当該溶接方法においては、短絡期間とアーク発生期間との繰り返しが比較的高速で行われる。この短絡期間とアーク発生期間との繰り返しが高速になると、送給モータの正転および逆転の繰り返しも高速とする必要がある。そのため、上記送給モータとして高速応答可能なものが必要となる。しかしながら、送給モータとして高速応答可能なものは一般的に普及していない。さらに、消耗電極を送給するための装置がプルトーチ単体である場合には、消耗電極の送給性は溶接ロボット動作時の外乱や、消耗電極を挿通するコンジットケーブル内における送給抵抗などの影響を受けるため、安定した溶接を行うことができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２４７７１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、安定した溶接を行うことができるアーク溶接装置を提供することをその課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明によって提供されるアーク溶接装置は、消耗電極を送り出すワイヤプッシュ装置と、上記消耗電極を保持する溶接トーチと、上記消耗電極のうち、上記消耗電極の軸線方向における上記ワイヤプッシュ装置から上記溶接トーチに至る長さを変化させる送給経路長変化装置と、上記消耗電極を挿通し、且つ、上記消耗電極を上記溶接トーチへ導くコンジットケーブルと、を備え、上記コンジットケーブルは、上記消耗電極を囲むコイルライナと、上記コイルライナを囲む被覆チューブとを含み、上記送給経路長変化装置は、上記軸線方向に沿って、上記溶接トーチに対し上記コンジットケーブルを直線往復動させ、且つ、上記溶接トーチと上記コイルライナとに固定されている。
【０００７】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記消耗電極のうち上記溶接トーチに囲まれた部位の、上記溶接トーチから母材へ向かう速度が正の値である前進送給期間と、上記速度が負の値である後退送給期間と、からなる単位期間を繰り返し発生させる電源装置を更に備え、上記速度を一周期が上記単位期間である周期関数として、上記消耗電極は送給され、上記各前進送給期間において上記消耗電極が上記母材に短絡し、上記各後退送給期間のある時点で上記消耗電極と上記母材との短絡が開放される。
【０００８】
本発明の好ましい実施の形態においては、上記電源装置は、上記短絡の開放が生じた第１短絡開放時刻に関する第１短絡開放時情報に基づき、上記第１短絡開放時刻の後における、上記短絡の開放が生じる第２短絡開放時刻に関する第２短絡開放時情報を求める処理と、上記第２短絡開放時情報に基づき、上記第２短絡開放時刻より設定時間前において、上記消耗電極から上記母材へ流れる溶接電流の値を減少させる処理と、を行う。
【０００９】
このような構成によれば、消耗電極の前進送給と後退送給とを高速で切り換える場合であっても、応答性よく、消耗電極を送給することができる。その結果、安定した溶接を行うことができる。
【００１０】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施形態にかかるアーク溶接システムの構成を示す図である。
【図２】図１に示すアーク溶接システムにおける送給経路長変化装置の近傍の要部拡大図（一部透視化）である。
【図３】図２の送給経路長変化装置のみを示す拡大図である。
【図４】図２の送給経路長変化装置のカム機構の変化状態を示す図である。
【図５】溶接トーチとコンジットケーブルとに送給経路長変化装置が固定された状態を模式的に示す要部拡大断面図である。
【図６】消耗電極の送給経路長を模式的に示す図である。
【図７】図１のアーク溶接システムにおけるロボット制御装置と電源装置との詳細を示すブロック図である。
【図８】本実施形態のアーク溶接方法の溶接定常状態における、各信号等を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して具体的に説明する。
【００１３】
［アーク溶接システムＡ１について］
図１に示すアーク溶接システムＡ１は、アーク溶接装置１と、ロボット制御装置２と、電源装置３とを備える。
【００１４】
アーク溶接装置１は、溶接ロボットであり、母材Ｗに対してたとえばアーク溶接を自動で行うものである。アーク溶接装置１は、ベース部材１１と、複数のアーム１２と、複数のモータ１３と、溶接トーチ１４と、ワイヤ送給装置１６と、送給経路長変化装置１７と、コンジットケーブル１９と、を含む。
【００１５】
ベース部材１１は、フロア等の適当な箇所に固定されている。各アーム１２は、ベース部材１１に軸を介して連結されている。
【００１６】
溶接トーチ１４は、アーク溶接装置１の最も先端側に設けられたアーム１２ａの先端部に設けられている。溶接トーチ１４は、消耗電極１５を母材Ｗの近傍の所定の位置に導くものである。図５に模式的に示すように、溶接トーチ１４は、コンタクトチップ１４１と、ノズル１４２とを有する。コンタクトチップ１４１は、たとえばＣｕまたはＣｕ合金製である。コンタクトチップ１４１には、消耗電極１５を挿通するための貫通孔が設けられている。この貫通孔は、内面が消耗電極１５に擦れ合う程度の寸法である。ノズル１４２は、たとえば、ＣｕまたはＣｕ合金製である。ノズル１４２は、適宜、水冷構造を有する。ノズル１４２には開口１４３が形成されている。ノズル１４２とコンタクトチップ１４１との間には、たとえばＡｒなどのシールドガスＳＧが供給される。供給されたシールドガスＳＧは開口１４３から噴出する。このシールドガスＳＧ内に消耗電極１５が送給される。
【００１７】
モータ１３は、アーム１２の両端または一端に設けられている（一部図示略）。モータ１３は、ロボット制御装置２により回転駆動する。この回転駆動により、複数のアーム１２の移動が制御され、溶接トーチ１４が上下前後左右に自在に移動できるようになっている。モータ１３には、図示しないエンコーダが設けられている。このエンコーダの出力は、ロボット制御装置２に与えられる。この出力値により、ロボット制御装置２では、溶接トーチ１４の現在位置を認識するようになっている。
【００１８】
ワイヤ送給装置１６は、アーク溶接装置１における上部に設けられている。ワイヤ送給装置１６は、溶接トーチ１４に対して、消耗電極１５を送り出すためのものである。ワイヤ送給装置１６は、送給モータ１６１（図１参照）と、およびワイヤプッシュ装置１６２（図６参照）とを有する。ワイヤプッシュ装置１６２は、送給モータ１６１を駆動源として、ワイヤリールＷＬ（図６参照）に巻かれた消耗電極１５を溶接トーチ１４へと送り出す。
【００１９】
コンジットケーブル１９は、消耗電極１５を挿通し、且つ、消耗電極１５をワイヤ送給装置１６から溶接トーチ１４へと導くものである。図１によく表れているように、コンジットケーブル１９は、ワイヤ送給装置１６から溶接トーチ１４に至るまでの中途部分において、湾曲した部位を有する。図５に模式的に示すように、コンジットケーブル１９は、コイルライナ１９１と、被覆チューブ１９２とを有する。
【００２０】
コイルライナ１９１は、たとえば金属線材をコイル状に形成したものである。コイルライナ１９１には、消耗電極１５が挿通される。上述のようにコンジットケーブル１９は湾曲した部位を有する。そのためこの湾曲した部位において、消耗電極１５がコイルライナ１９１の内壁に擦れながら送給される。被覆チューブ１９２は、チューブ状を呈する。被覆チューブ１９２は、たとえば、塩素化ポリエチレン（ＣＰＥ：ｃｈｌｏｒｉｎａｔｅｄ  ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ）よりなる。被覆チューブ１９２はコイルライナ１９１を囲んでいる。上述のようにコンジットケーブル１９は湾曲した部位を有するため、この湾曲した部位において、被覆チューブ１９２はコイルライナ１９１と擦れ合う。
【００２１】
図１〜図３に示す送給経路長変化装置１７は、送給経路長Ｌａ（図６参照）を変化させるものである。送給経路長Ｌａは、消耗電極１５のうち、消耗電極１５の軸線方向における、ワイヤプッシュ装置１６２から溶接トーチ１４に至るまでの長さのことを言う。本実施形態においては、送給経路長変化装置１７は、モータ１７１と、偏芯シャフト１７２と、カム機構１７３と、ベアリング１７４ａ，１７４ｂと、マウント１７５と、ブッシュ１７６と、シャフト１７７とを有する。
【００２２】
図２に示すように、モータ１７１は、溶接トーチ１４に対し固定されている。すなわちモータ１７１は溶接トーチ１４に対し相対移動しない。モータ１７１は、図３の左右方向に延びる軸を回転軸としている。モータ１７１には図示しないエンコーダが取り付けられている。偏芯シャフト１７２は、モータ１７１の回転軸に固定されている。偏芯シャフト１７２は、モータ１７１の回転軸に対して偏芯した位置にボルトが設けられている。カム機構１７３は、ドライブカムであり、カム機構１７３には２つの孔が形成されている（図４参照）。カム機構１７３は、これらの２つの孔の一方に設けられたベアリング１７４ａを介して、偏芯シャフト１７２の上記ボルトに連結されている。マウント１７５は、上記２つの孔の他方に設けられたベアリング１７４ｂを介してカム機構１７３に連結されている。マウント１７５は、ブッシュ１７６を介して、シャフト１７７に連結されている。シャフト１７７は、モータ１７１の本体に対して固定されている。マウント１７５は、シャフト１７７に沿って、図２の上下方向に移動できる。図５に示すように、マウント１７５は、コンジットケーブル１９のコイルライナ１９１に固定されている。
【００２３】
モータ１７１が回転すると、偏芯シャフト１７２のボルトが偏芯回転する。すると、この偏芯回転に従って、図４に示すように、カム機構１７３が（Ｋ１）から（Ｋ４）まで一連の動作をする。そして図３に示すように、マウント１７５は、シャフト１７７に沿って往復運動をする。これにより、コンジットケーブル１９（本実施形態においてはコイルライナ１９１）が溶接トーチ１４に対し図５の上下に微小に往復運動をする。コイルライナ１９１の往復運動に伴い、コイルライナ１９１と擦れ合う消耗電極１５が往復運動をする。コイルライナ１９１の往復運動によって、送給経路長Ｌａが変化することとなる。なお、送給経路長変化装置１７からは、モータ１７１の回転角θ（ｔ）に関する回転角信号Ｓθが後述の電流制御回路３２に送られる。カム機構１７３が図４の（Ｋ１）に示す状態である場合、回転角θ（ｔ）＝０（ｒａｄ）である。カム機構１７３が同図（Ｋ２）に示す状態である場合、回転角θ（ｔ）＝π／２（ｒａｄ）である。カム機構１７３が同図（Ｋ３）に示す状態である場合、回転角θ（ｔ）＝π（ｒａｄ）である。カム機構１７３が同図（Ｋ４）に示す状態である場合、回転角θ（ｔ）＝３π／２（ｒａｄ）である。
【００２４】
図７は、図１のアーク溶接システムにおけるロボット制御装置と電源装置との詳細を示すブロック図である。
【００２５】
ロボット制御装置２は、動作制御回路２１と、ティーチペンダント２３とを含む。ロボット制御装置２は、アーク溶接装置１の動作を制御するためのものである。
【００２６】
動作制御回路２１は、図示しないマイクロコンピュータおよびメモリを有している。このメモリには、アーク溶接装置１の各種の動作が設定された作業プログラムが記憶されている。また、動作制御回路２１は、後述のロボット移動速度ＶＲを設定する。動作制御回路２１は、上記作業プログラム、上記エンコーダからの座標情報、およびロボット移動速度ＶＲ等に基づき、アーク溶接装置１に対して動作制御信号Ｍｓを送る。アーク溶接装置１は動作制御信号Ｍｓを受け、各モータ１３が回転駆動させる。これにより、溶接トーチ１４が、母材Ｗにおける所定の溶接開始位置に移動したり、母材Ｗの面内方向に沿って移動したりする。
【００２７】
ティーチペンダント２３は、動作制御回路２１に接続されている。ティーチペンダント２３は、各種動作をアーク溶接システムＡ１のユーザが設定するためのものである。
【００２８】
電源装置３は、電源回路３１と、電流制御回路３２と、アーク発生電流値記憶回路３３と、設定時間記憶回路３４と、電圧制御回路３５と、アーク状態検出回路３６と、送給経路長制御回路３７と、送給制御回路３８とを含む。電源装置３は、消耗電極１５と母材Ｗとの間に、溶接電圧Ｖｗを印加し、溶接電流Ｉｗを流すための装置であるとともに、消耗電極１５の送給を行うための装置である。
【００２９】
電源回路３１は、電力発生回路ＭＣと、電源特性切替回路ＳＷと、電流誤差計算回路ＥＩと、電圧誤差計算回路ＥＶと、電流検出回路ＩＤと、電圧検出回路ＶＤとを有する。電源回路３１は、消耗電極１５と母材Ｗとの間に指示された値で溶接電圧Ｖｗを印加し、もしくは、消耗電極１５から母材Ｗに指示された値で溶接電流Ｉｗを流すためのものである。
【００３０】
電力発生回路ＭＣは、たとえば３相２００Ｖ等の商用電源を入力として、後述の誤差信号Ｅａに従ってインバータ制御、サイリスタ位相制御等の出力制御を行い、溶接電圧Ｖｗおよび溶接電流Ｉｗを出力する。
【００３１】
電流検出回路ＩＤは、消耗電極１５と母材Ｗとの間に流れる溶接電流Ｉｗの値を検出するためのものである。電流検出回路ＩＤは、溶接電流Ｉｗに対応する電流検出信号Ｉｄを送る。電流誤差計算回路ＥＩは、実際に流れている溶接電流Ｉｗの値と、設定された溶接電流の値との差ΔＩｗを計算するためのものである。具体的には、電流誤差計算回路ＥＩは、電流検出信号Ｉｄと、設定された溶接電流の値に対応する後述の電流設定信号Ｉｒとを受け、差ΔＩｗに対応する電流誤差信号Ｅｉを送る。なお、電流誤差計算回路ＥＩは、電流誤差信号Ｅｉとして、差ΔＩを増幅した値に対応するものを送ってもよい。
【００３２】
電圧検出回路ＶＤは、消耗電極１５と母材Ｗとの間に印加される溶接電圧Ｖｗの値を検出するためのものである。電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗに対応する電圧検出信号Ｖｄを送る。電圧誤差計算回路ＥＶは、実際に印加されている溶接電圧Ｖｗの値と、設定された溶接電圧の値との差ΔＶｗを計算するためのものである。具体的には、電圧誤差計算回路ＥＶは、電圧検出信号Ｖｄと、設定された溶接電圧の値に対応する後述の電圧設定信号Ｖｒとを受け、差ΔＶｗに対応する電圧誤差信号Ｅｖを送る。なお、電圧誤差計算回路ＥＶは、電圧誤差信号Ｅｖとして、差ΔＶｗを増幅した値に対応するものを送ってもよい。
【００３３】
電源特性切替回路ＳＷは、電源回路３１の電源特性（定電流特性もしくは定電圧特性）を切り替えるものである。電源回路３１の電源特性が定電流特性である場合には、溶接電流Ｉｗの値が設定された値となるように、電源回路３１において出力が制御される。一方、電源回路３１の電源特性が定電圧特性である場合には、電源回路３１は溶接電圧Ｖｗの値が設定された値となるように、電源回路３１において出力が制御される。より具体的には、電源特性切替回路ＳＷは、後述の電源特性切替信号Ｓｗと、電流誤差信号Ｅｉと、電圧誤差信号Ｅｖとを受ける。電源特性切替回路ＳＷの受ける電源特性切替信号ＳｗがＨｉｇｈレベルである場合には、電源特性切替回路ＳＷにおけるスイッチは、図７のａ側に接続される。この場合、電源回路３１の電源特性は定電圧特性であり、電源特性切替回路ＳＷは、電圧誤差信号Ｅｖを誤差信号Ｅａとして電力発生回路ＭＣに送る。このとき、電力発生回路ＭＣは、溶接電圧Ｖｗの値が設定された値となる（すなわち上述の差ΔＶｗがゼロとなる）ような制御を行う。一方、電源特性切替回路ＳＷの受けた電源特性切替信号ＳｗがＬｏｗレベルである場合には、電源特性切替回路ＳＷにおけるスイッチは、図７のｂ側に接続される。この場合、電源回路３１の電源特性は定電流特性であり、電源特性切替回路ＳＷは、電流誤差信号Ｅｉを誤差信号Ｅａとして電力発生回路ＭＣに送る。このとき、電力発生回路ＭＣは、溶接電流Ｉｗの値が設定された値となる（すなわち上述の差ΔＩｗがゼロとなる）ような制御を行う。
【００３４】
アーク発生電流値記憶回路３３は、アーク発生電流値ｉｒ１の値を記憶する。設定時間記憶回路３４は、設定時間Ｔｄの値を記憶する。アーク発生電流値ｉｒ１および設定時間Ｔｄの各値は、たとえばティーチペンダント２３から入力され動作制御回路２１を経由して、各記憶回路に記憶される。
【００３５】
電流制御回路３２は、消耗電極１５と母材Ｗとの間に流れる溶接電流Ｉｗの値を設定するためのものである。電流制御回路３２は、各記憶回路に記憶された、アーク発生電流値ｉｒ１および設定時間Ｔｄの少なくともいずれかに基づき、溶接電流Ｉｗの値を指示するための電流設定信号Ｉｒを生成する。そして電流制御回路３２は、生成した電流設定信号Ｉｒを電源回路３１に送る。また電流制御回路３２は、アーク状態信号Ａｓｄと、回転角信号Ｓθとを受ける。電流制御回路３２は、電源特性切替回路ＳＷに電源特性切替信号Ｓｗを送る。
【００３６】
電圧制御回路３５は、消耗電極１５と母材Ｗとの間に印加する溶接電圧Ｖｗの値を設定するためのものである。電圧制御回路３５は、図示しない記憶部に記憶された設定電圧値に基づき、溶接電圧Ｖｗの値を指示するための電圧設定信号Ｖｒを電源回路３１に送る。
【００３７】
アーク状態検出回路３６は、消耗電極１５と母材Ｗとの間のアークａ１が発生しているか消滅しているかを検出する。本実施形態においては、アーク状態検出回路３６は、電圧検出信号Ｖｄを受ける。アーク状態検出回路３６は、溶接電圧Ｖｗの値に基づき、アークａ１の発生の有無を判断する。アーク状態検出回路３６は、溶接電圧Ｖｗがあるしきい値を下回っているときは、アークａ１が消滅していると判断する。またアーク状態検出回路３６は、溶接電圧Ｖｗが当該しきい値を上回っているときは、アークａ１が発生していると判断する。アーク状態検出回路３６は、アークａ１の発生の有無に関するアーク状態検出信号Ａｓｄを、電流制御回路３２に送る。
【００３８】
送給経路長制御回路３７は、上述の送給経路長Ｌａの値を制御するためのものである。本実施形態においては、送給経路長制御回路３７は、回転速度信号Ｗｃを送給経路長変化装置１７に送る。回転速度信号Ｗｃは、送給経路長変化装置１７におけるモータ１７１の回転速度ｄθ（ｔ）／ｄｔを指示するものである。
【００３９】
送給制御回路３８は、ワイヤ送給装置１６が消耗電極１５を送り出す速度（送給速度Ｖｆ）を制御するためのものである。送給制御回路３８は、送給速度Ｖｆを指示するための送給速度制御信号Ｆｃをワイヤ送給装置１６に送る。
【００４０】
［アーク溶接システムＡ１を用いたアーク溶接方法について］
次に、図８をさらに用いて、アーク溶接システムＡ１を用いたアーク溶接方法について説明する。図８は、本実施形態のアーク溶接方法の溶接定常状態における、各信号等を示すタイミングチャートである。
【００４１】
図８（ａ）はモータ１７１の回転角θ（ｔ）、（ｂ）は送給経路長Ｌａの変化量Ｖ１（ｔ）、（ｃ）は溶接トーチ１４に囲まれた部位（図５のＲａ）の消耗電極１５の溶接トーチ１４から母材Ｗへ向かう速度Ｖ２（ｔ）、（ｄ）は溶接電圧Ｖｗ、（ｅ）は電流設定信号Ｉｒ、（ｆ）は溶接電流Ｉｗ、（ｇ）は電流特性切替信号Ｓｗ、の変化状態をそれぞれ示す。なお、変化量Ｖ１（ｔ）、速度Ｖ２（ｔ）、および送給速度Ｖｆなどは、溶接トーチ１４から母材Ｗへ向かう方向を正とする。なお、速度Ｖ２（ｔ）は、消耗電極１５のうち溶接トーチ１４の先端における部位の速度と同一である。
【００４２】
本実施形態の溶接定常状態では、送給経路長制御回路３７は、モータ１７１の回転速度ｄθ（ｔ）／ｄｔを一定の値２π／ＴWに指示する回転速度信号Ｗｃを、送給経路長変化装置１７に送る（なお、ＴWはたとえば、１０〜２０ｍｓである）。これにより、モータ１７１は、値２π／ＴWの回転速度ｄθ（ｔ）／ｄｔで回転する。そして、図８（ａ）に示すモータ１７１の回転角θ（ｔ）は、下記（１）式により表わされる。
θ（ｔ）＝（２π／Ｔw）・（ｔ−ｎＴw）
（（ｎ−１）Ｔw≦ｔ＜ｎＴw）  （ｎは整数）    ・・・・（１）
【００４３】
図８（ａ）に示すように、モータ１７１が回転すると、図８（ｂ）に示すように、送給経路長Ｌａの変化量Ｖ１（ｔ）が変化する。変化量Ｖ１（ｔ）は、下記（２）式により表わされる。
Ｖ１（ｔ）＝Ｖａ・ｃｏｓ（θ（ｔ））・・・・（２）
（２）式においてＶａは振幅であり、一定の値である。このように、変化量Ｖ１（ｔ）は周期的に変化する。
【００４４】
一方、本実施形態の溶接定常状態では、送給制御回路３８が、送給速度Ｖｆを指示するための送給速度制御信号Ｆｃをワイヤ送給装置１６に送っている。そのため、消耗電極１５は、ワイヤ送給装置１６からは送給速度Ｖｆで溶接トーチ１４に向かって送り出されている。よって、図８（ｃ）に示すように、溶接トーチ１４に囲まれた部位（図５のＲａ）の速度Ｖ２（ｔ）は、上述のＶ１（ｔ）と送給速度Ｖｆとを加算したものとなる。すなわち、速度Ｖ２（ｔ）は、下記（３）式により表わされる。
Ｖ２（ｔ）＝Ｖｆ＋Ｖａ・ｃｏｓ（θ（ｔ））・・・・（３）
【００４５】
図８（ｃ）に示すように、本実施形態の溶接定常状態では、消耗電極１５が、速度Ｖ２（ｔ）が単位期間ＴWを一周期とする周期関数となるように、送給される。実際、（１）式および（３）式によると、Ｖ２（ｔ＋Ｔw）＝Ｖ２（ｔ）の関係が満たされている。単位期間Ｔwは、速度Ｖ２（ｔ）が正の値である前進送給期間ＴW１と、速度Ｖ２（ｔ）が負の値である後退送給期間ＴW２とからなる。前進送給期間ＴW１においては、速度Ｖ２（ｔ）が正の値であるから、消耗電極１５は溶接トーチ１４から送り出されている状態（前進送給されている状態）にある。一方、後退送給期間ＴW２においては、速度Ｖ２（ｔ）が負の値であるから、消耗電極１５は溶接トーチ１４から引き上げられている状態（後退送給されている状態）にある。
【００４６】
以上のように、本実施形態の溶接定常状態では、溶接電流Ｉｗや溶接電圧Ｖｗの値の変化に依らず、速度Ｖ２（ｔ）が一定の周期の周期関数となるように消耗電極１５が送給される。そして、このように消耗電極１５を送給した状態で、消耗電極１５と母材Ｗとが短絡している短絡期間Ｔｓと、消耗電極１５と母材Ｗとの間にアークａ１が発生しているアーク発生期間Ｔａとを繰り返す。各前進送給期間ＴW１において、消耗電極１５を母材Ｗに短絡させる。これにより、短絡期間Ｔｓが開始する。また、各後退送給期間ＴW２において、消耗電極１５を母材Ｗから離間させ、消耗電極１５と母材Ｗとの短絡状態を開放する。これにより、アーク発生期間Ｔａが開始する。以下、溶接開始時からの工程について具体的に説明する。
【００４７】
まず、溶接開始時において、溶接トーチ１４と母材Ｗとがある程度離間した状態で、溶接を開始するための溶接開始信号Ｓｔがティーチペンダント２３に入力される。入力された溶接開始信号Ｓｔが、ティーチペンダント２３から動作制御回路２１を経由して、送給経路長制御回路３７と、送給制御回路３８と、電流制御回路３２とに送られる。すると、送給制御回路３８は送給制御信号Ｆｃをワイヤ送給装置１６に送り、また、送給経路長制御回路３７は送給経路長変化装置１７に回転速度信号Ｗｃを送り、消耗電極１５が図８（ｃ）に示す速度Ｖ２（ｔ）で送給される。次に、溶接トーチ１４を母材Ｗに接近させてゆき、短絡期間Ｔｓとアーク発生期間Ｔａとが繰り返し発生する溶接定常状態に移行させる。溶接定常状態においては、溶接トーチ１４は、母材Ｗとの距離を一定に保ちつつ、母材Ｗの面内方向における溶接進行方向に沿って、ロボット移動速度ＶＲで移動している。
【００４８】
（１）アーク発生期間Ｔａ（時刻ｔ０〜時刻ｔ３）
アーク発生期間Ｔａは、アークａ１を発生させ母材Ｗを加熱するための期間である。図８（ｇ）に示すように、アーク発生期間Ｔａのほぼ全期間（時刻ｔ１〜時刻ｔ３）において、電源特性切替信号ＳｗはＨｉｇｈレベルとなっている。そのため、時刻ｔ１〜時刻ｔ３において、電源回路３１の電源特性は定電圧特性となっている。また、同図（ｃ）に示すように、時刻ｔ２において、消耗電極１５が後退送給される状態から前進送給される状態に変化する。
【００４９】
（２）短絡期間Ｔｓ（時刻ｔ３〜時刻ｔ６）
＜時刻ｔ３〜時刻ｔ４＞
短絡期間Ｔｓは、消耗電極１５の先端を母材Ｗに接触させ消耗電極１５の一部を母材Ｗに移行させるための期間である。消耗電極１５が前進送給されることにより、時刻ｔ３において、消耗電極１５と母材Ｗとが接触し消耗電極１５と母材Ｗとが短絡する。これにより、図８（ｄ）に示すように、時刻ｔ３において、溶接電圧Ｖｗの値が急激に低下する。この溶接電圧Ｖｗの値の低下に基づき、アーク状態検出回路３６は、アークａ１が消滅したと判断する。そしてアーク状態検出回路３６は、アークａ１が消滅していることを示すアーク状態信号Ａｓｄを、電流制御回路３２に送る。一方、時刻ｔ３〜時刻ｔ４において、ジュール熱により消耗電極１５が溶融し、消耗電極１５と母材Ｗとの接触面積が徐々に大きくなる。これにより、消耗電極１５から母材Ｗに流れる溶接電流Ｉｗの抵抗値が小さくなり、溶接電流Ｉｗの値が徐々に上昇する。図８（ｃ）に示すように、時刻ｔ３〜時刻４においては、消耗電極１５は前進送給されている。しかし、時刻ｔ３〜時刻ｔ４においては、消耗電極１５は、上述のように溶融し軟化しているため座屈しにくくなっている。
【００５０】
＜時刻ｔ４〜時刻ｔ６＞
図８（ｇ）に示すように、電流制御回路３２は、時刻ｔ４において、電源特性切替信号ＳｗをＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変化させる。これにより、電源回路３１の電源特性が定電流特性に変化する。一方、同図（ｅ）に示すように、電流制御回路３２は、溶接電流Ｉｗを比較的小さなアーク発生電流値ｉｒ１で通電させるための電流制御信号Ｉｒを電源回路３１（本実施形態においては、電流誤差計算回路ＥＩ）に送っている。そのため、同図（ｆ）に示すように、時刻ｔ４からは、溶接電流Ｉｗがアーク発生電流値ｉｒ１で流れる。アーク発生電流値ｉｒ１は、たとえば３０〜６０Ａであり比較的小さい。なお、時刻ｔ４の決定方法は後述する。また、同図（ｃ）に示すように、時刻ｔ５において、消耗電極１５が前進送給される状態から後退送給される状態に変化する。
【００５１】
（３）アーク発生期間Ｔａ（時刻ｔ６〜）
時刻ｔ６において、消耗電極１５と母材Ｗとが離間し、アークａ１が発生する。時刻ｔ６において溶接電流Ｉｗは、比較的小さいアーク発生電流値ｉｒ１で流れているから、アークａ１の発生時に生じうるスパッタの発生を抑制できる。図８（ｄ）に示すように、時刻ｔ６において、アークａ１の発生により溶接電圧Ｖｗの値が急激に上昇する。この溶接電圧Ｖｗの上昇に基づき、アーク状態検出回路３６は、アークａ１が発生したと判断する。そしてアーク状態検出回路３６は、アークａ１が発生していることを示すアーク状態信号Ａｓｄを、電流制御回路３２に送る。電流制御回路３２は、アークａ１が発生していることを示すアーク状態信号Ａｓｄを受けた時刻からある一定時間が経過した時刻ｔ７において、電源特性切替信号ＳｗをＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化させる。これにより、電源回路３１の電源特性が定電圧特性へと変化する。すると、同図（ｆ）に示すように、溶接電流Ｉｗが母材Ｗを熱するのに十分な値にまで上昇し、上述と同様の工程が再び行われる。
【００５２】
以上の工程において、時刻ｔ４は、電流制御回路３２において決定される。時刻ｔ４の決定方法の一例は次のとおりである。
【００５３】
まず、電流制御回路３２は、短絡の開放が生じた第１短絡開放時刻（本実施形態では時刻ｔ０）に関する第１短絡開放時情報に基づき、時刻ｔ０の後における、短絡の開放が生じる第２短絡開放時刻（本実施形態では時刻ｔ６）に関する第２短絡開放時情報を求める。第１短絡開放時情報は、たとえば、短絡の開放が生じた時刻ｔ０や、時刻ｔ０における回転角θ（ｔ）や、時刻ｔ０における変化量Ｖ１（ｔ）や、時刻ｔ０における速度Ｖ２（ｔ）の値などである。本実施形態においては、第１短絡解放時情報は時刻ｔ０における回転角θ（ｔ）である。同様に、第２短絡開放時情報は、たとえば、短絡の開放が生じる時刻ｔ６や、時刻ｔ６における回転角θ（ｔ）や、時刻ｔ６における変化量Ｖ１（ｔ）や、時刻ｔ６における速度Ｖ２（ｔ）の値などである。本実施形態においては、第２短絡解放時情報は時刻ｔ６における回転角θ（ｔ）である。すなわち、電流制御回路３２は、時刻ｔ０において短絡が解消しアークａ１が生じると、アークａ１が発生していることを示すアーク状態信号Ａｓｄをアーク状態検出回路３６から受ける。すると、電流制御回路３２は、送給経路長変化装置１７から送られている回転角信号Ｓθに基づき、第１短絡開放時情報たる、時刻ｔ０における回転角θ（ｔ）がθ３であると認識する。本実施形態では、速度Ｖ２（ｔ）が周期的に変化する。そのため、電流制御回路３２は、再び短絡が開放しアークａ１が発生する時刻における回転角θ（ｔ）（第２短絡開放時情報）がθ３であると予測する。
【００５４】
次に、電流制御回路３２は、第２短絡開放時情報たる回転角θ（ｔ）がθ３であると予測したことに基づき、時刻ｔ０の後における、短絡の開放が生じアークａ１が発生する時刻が時刻ｔ６であると予測する。そして、電流制御回路３２は、時刻ｔ６より設定時間Ｔｄ前の時刻を、時刻ｔ４として決定する。
【００５５】
次に、本実施形態の作用効果について説明する。
【００５６】
アーク溶接装置１においては、図６に示す送給経路長Ｌａを変化させている。送給経路長Ｌａの変化量Ｖ１（ｔ）は、カム機構１７３を有する送給経路長変化装置１７によって変化させている。そのため、変化量Ｖ１（ｔ）は、モータ１７１を正転させることのみによって、変化させることができる。これにより、ワイヤ送給装置１６による消耗電極１５の送給速度Ｆｗを一定にしたまま、図８（ｃ）に示すように、消耗電極１５の前進送給および後退送給を周期的に繰り返すことができる。そのため、ワイヤ送給装置１６の送給モータ１６１を正転および逆転させることによって消耗電極１５を前進送給および後退送給させる場合に比べ、より応答性よく、消耗電極１５を送給することができる。したがって、消耗電極１５の前進送給と後退送給とを高速で切り換える場合であっても、応答性よく、消耗電極１５を送給することができる。その結果、安定した溶接を行うことができる。
【００５７】
また、アーク溶接装置１においては、送給経路長変化装置１７は、溶接トーチ１４に対しコンジットケーブル１９を直線往復動させている。そのため、アーク溶接装置１においては、溶接定常状態において溶接トーチ１４と母材Ｗとの距離を一定にしたまま、消耗電極１５を前進送給および後退送給させることができる。溶接トーチ１４と母材Ｗとの距離を一定に保つことができると、ノズル１４２における開口１４３と母材Ｗとの距離も一定であるため、溶接定常状態において、シールドガスＳＧの供給状態が変化しにくい。このことは、安定した溶接を行うのに有利である。
【００５８】
本実施形態においては、図８（ｃ）に示したように、本実施形態の溶接定常状態では、溶接電流Ｉｗや溶接電圧Ｖｗの値の変化に依らず、速度Ｖ２（ｔ）が一定の周期の周期関数となるように消耗電極１５を送給している。そして、速度Ｖ２（ｔ）に追従するように、短絡期間Ｔａとアーク発生期間Ｔｓとが繰り返されている。このような構成においては、溶接電流Ｉｗや溶接電圧Ｖｗの変化に基づき速度Ｖ２（ｔ）を変化させるのではないから、そもそも、消耗電極１５の送給の応答遅れといった問題が生じないといったメリットがある。また、速度Ｖ２（ｔ）が一定の周期の周期関数であると、略一定周期で短絡期間Ｔａとアーク発生期間Ｔｓとを繰り返すことも可能となる。そのため、安定した溶接を行うことができる。
【００５９】
本実施形態においては、速度Ｖ２（ｔ）が一定の周期の周期関数であることを利用して、時刻ｔ０の後における、短絡の開放が生じアークａ１が発生する時刻が時刻ｔ６であると予測している。そして、時刻ｔ６より設定時間Ｔｄ前の時刻ｔ４において、溶接電流Ｉｗを減少させている。溶接電流Ｉｗを減少させる時刻をこのように決定することは、時刻ｔ６において短絡の解放が生じる前に、確実に溶接電流Ｉｗの値を低下させることができる。これは、アークａ１の発生時におけるスパッタの発生を抑制するのに適する。
【００６０】
なお、上述のように時刻ｔ４を決定して溶接電流Ｉｗの値を低下させなくてもよい。消耗電極１５と母材Ｗとが短絡した後、且つ、時刻ｔ５（消耗電極１５が前進送給する状態から後退送給する状態に変化する時刻）以前に、溶接電流Ｉｗを低下させてもよい。短絡の解放は、消耗電極１５の後退送給が始まってからある程度の時間が経過した後に起こると考えられる。そうすると、時刻ｔ５以前に溶接電流Ｉｗを低下させることによっても、短絡の解放前に、確実に溶接電流Ｉｗの値を低下させることができる。
【００６１】
送給経路長変化装置１７のマウント１７５は、コイルライナ１９１ではなく、被覆チューブ１９２に固定されていてもよい。
【００６２】
本発明の範囲は、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。
【符号の説明】
【００６３】
Ａ１  アーク溶接システム
１  アーク溶接装置
１１  ベース部材
１２  アーム
１３  モータ
１４  溶接トーチ
１４１  コンタクトチップ
１４２  ノズル
１５  消耗電極
１６  ワイヤ送給装置
１６１  送給モータ
１７  送給経路長変化装置
１７１  モータ
１７２  偏芯シャフト
１７３  カム機構
１７４ａ，１７４ｂ  ベアリング
１７５  マウント
１７６  ブッシュ
１７７  シャフト
１９  コンジットケーブル
１９１  コイルライナ
１９２  被覆チューブ
２  ロボット制御装置
２１  動作制御回路
２３  ティーチペンダント
３  電源装置
３１  電源回路
３２  電流制御回路
３３  アーク発生電流値記憶回路
３４  設定時間記憶回路
３５  電圧制御回路
３６  アーク状態検出回路
３７  送給経路長制御回路
３８  送給制御回路
Ａｓｄ  アーク状態信号
Ｅａ  誤差信号
ＥＩ  電流誤差計算回路
Ｅｉ  電流誤差信号
ＥＶ  電圧誤差計算回路
Ｅｖ  電圧誤差信号
Ｆｃ  送給速度制御信号
Ｆｗ  送給速度
ＩＤ  電流検出回路
Ｉｄ  電流検出信号
Ｉｒ  電流設定信号
Ｉｗ  溶接電流
Ｌａ  送給経路長
ＭＣ  電力発生回路
Ｍｓ  動作制御信号
Ｓｗ  電源特性切替信号
Ｓθ  回転角信号
Ｓｔ  溶接開始信号
Ｖ１（ｔ）  変化量
Ｖ２（ｔ）  速度
ＶＤ  電圧検出回路
Ｖｄ  電圧検出信号
Ｖｒ  電圧設定信号
ＶＲ  ロボット移動速度
Ｖｗ  溶接電圧
Ｗ  母材
Ｗｃ  回転速度信号
θ（ｔ）  回転角
【要約】
【課題】  安定した溶接を行うことができるアーク溶接装置を提供すること。
【解決手段】  消耗電極１５を送り出すワイヤプッシュ装置１６２と、消耗電極１５を保持する溶接トーチ１４と、消耗電極１５のうち、消耗電極１５の軸線方向におけるワイヤプッシュ装置１６２から溶接トーチ１４に至る長さ（送給経路長Ｌａ）を変化させる送給経路長変化装置１７と、を備える。このような構成によれば、消耗電極１５の前進送給と後退送給とを高速で切り換える場合であっても、応答性よく、消耗電極１５を送給することができる。その結果、安定した溶接を行うことができる。
【選択図】  図６【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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【図７】
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【図８】
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