(57)【要約】  【課題】  溶接トーチをウィービングさせながら溶接を行う際に、溶接電流の変化を検出して、溶接トーチを溶接線に沿って倣い制御を行う場合において、溶接ガスの成分や溶接ワイヤの材質によって、実際の溶接トーチに位置に対して、溶接電流の変化が遅れるという現象が発生する。この状態で、溶接トーチの位置に同期して溶接電流をサンプリングすると溶接電流変化のピークから外れた位置でサンプリングすることとなり、精度の良い倣い動作を実現できない。  【解決手段】  ウィービング位相に対して溶接電流変化位相に遅れが生じている場合でも、溶接電流変化のピーク値を検出してサンプリングタイミングを決定するため、溶接電流変化の差分から溶接トーチの狙い位置のシフト量を換算する際に、これまで以上に精度の良い倣い動作を実現することができる溶接制御装置を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ウィービング動作中に溶接用ワイヤと被溶接物との距離が変わる溶接において、溶接トーチをウィービングさせながら溶接を行う際に、ウィービング周期に同期して溶接電流をサンプリングすることにより溶接電流の変化を検出して溶接トーチを溶接線に沿って倣い制御を行う溶接制御方法であって、
溶接電流の変化から溶接電流のピーク値を検出し、溶接電流ピーク値検出タイミングに一致させるもしくは近づけるように溶接電流のサンプリングのタイミングを決定する溶接制御方法。
【請求項２】
溶接電流の変化から溶接電流のピーク値を検出し、溶接電流のサンプリングのタイミングを決定する際に、溶接電流ピーク値検出タイミングと溶接電流サンプリングタイミングとの差分時間が徐々に減少して前記２つのタイミングが一致もしくは近づくように溶接電流のサンプリングのタイミングを決定する請求項１に記載の溶接制御方法。
【請求項３】
ウィービング周期毎に溶接電流ピーク値検出タイミングと溶接電流サンプリングタイミングとの差分時間をフィードバックして前記差分時間が減少するように溶接電流サンプリングタイミングを決定することにより、ウィービング周期毎に前記差分時間を徐々に減少する請求項２記載の溶接制御方法。
【請求項４】
溶接電流の変化が、増加から減少に変わる際の溶接電流を上限側のピーク値として検出し、減少から増加に変わる際の溶接電流を下限側のピーク値として検出する請求項１から３のいずれか１項に記載の溶接制御方法。
【請求項５】
溶接電源装置と、前記溶接電源装置から給電される溶接用トーチを保持するロボットと、前記ロボットの動作を制御するロボット制御装置とを備え、請求項１から４のいずれか１項に記載の溶接制御方法を行う溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、溶接トーチをウィービングさせながら溶接を行う際に、溶接電流の変化を検出して、溶接トーチを溶接線に沿った倣い制御を行う溶接制御方法および溶接装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
溶接部材におけるＶ状開先や隅肉溶接において、金属溶着量を増やすことを目的として溶接トーチ、すなわち、消耗電極である溶接ワイヤを溶接線に対して左右方向に振りながら溶接するウィービング溶接が行われる。溶接トーチを左右方向に振るウィービング動作を行う機構としては、垂直多関節ロボットや、直交するスライド軸により構成される直交ロボットなどが使用される。
【０００３】
ウィービング溶接時の電流変化について図７を用いて説明する。７１は溶接ワイヤ、７２は溶接ワイヤ７１に給電する溶接トーチ、７３は溶接部材である。ウィービング溶接では、溶接トーチ７２の振り動作により、溶接トーチ７２に設けられた図示しない給電チップの先端部から溶接ワイヤ７１の先端までの溶接ワイヤ７１の突き出し長が変わるため、突き出し長の変化に応じて溶接電流も変化する。これは定電圧特性の溶接機において溶接ワイヤ７１のワイヤ突き出し部分が抵抗成分として働き、ワイヤ突き出し長が長くなる、すなわち、抵抗成分が大きくなると、電流値が小さくなり、ワイヤ突き出し長が短くなる、すなわち、抵抗成分が小さくなると電流値が大きくなるためである。そして、ウィービングの左右振り方向の中心が溶接部材のＶ状開先や隅肉溶接の溶接線中心を正確に倣って溶接している場合には、ウィービング周期の２倍の周期を持つ電流波形が観測される。
【０００４】
次に、ウィービングの左右振り方向の中心が溶接中心から逸れている場合の電流変化について、図８を用いて説明する。溶接トーチ８２の位置が指令軌跡上のＡ位置に来たとき、溶接ワイヤ８１の突き出し長が短くなり溶接電流はＣ部分のように高くなる。一方、溶接トーチ８２の位置が指令軌跡上のＢ位置に来たときも溶接ワイヤ８１の突き出し長が短くなり溶接電流はＤ部分のように高くなる。しかし、Ａ位置の突き出し長と、Ｂ位置の突き出し長では、Ａ位置の突き出し長の方がＢ位置よりも短くなるので、溶接電流はＣ部分の方がＤ部分より高い電流値となる。このように、ウィービングの左右振り方向の中心が溶接部材のＶ状開先や隅肉溶接の溶接線中心から逸れた状態で溶接を行っている場合には、ウィービング周期の２倍の周期を持つ電流波形に対してウィービング周期と同一周期成分が重畳された電流波形が観測される。
【０００５】
このように、ウィービングの左右振り方向の中心が溶接中心から逸れている場合には、溶接トーチ８２がウィービングの左方向に動作している場合と右方向に動作している場合とで、例えば溶接電流のＣ部分、Ｄ部分のようなピーク値を比較することにより、そのピーク値の差分から溶接トーチ８２の狙い位置のシフト量を換算し、これにより溶接トーチ８２を溶接線中心にシフト動作させて倣い動作を実現している。あるいは、溶接電流のピーク値だけではなく、範囲Ｅの積分値、範囲Ｆの積分値を比較することにより、その積分値の差分から溶接トーチ８２の狙い位置のシフト量を換算することにより、溶接トーチ８２を溶接線中心にシフト動作させて倣い動作を実現している。
【０００６】
ここで、溶接電流のピーク値を検出して差分を計算する場合においても、溶接電流のピークからピークまでの積分値の差分を計算する場合においても、溶接電流変化のピーク値を検出してサンプリングのトリガとすることが倣い精度向上に必要な条件となる。
【０００７】
実際に計測される溶接電流は、溶接ワイヤ８１と溶接部材８３とが接触したときの短絡電流成分やノイズ成分、パルス溶接時にはパルス電流成分などが重畳された複雑な波形となっている。故に、必要な電流波形成分を取り出すため、電気回路的に実現されたアナログフィルタや、ソフトウェア処理で実現されたデジタルフィルタなどにより短絡成分やノイズ成分を除去した電流波形を計測して倣い動作が実現される。
【０００８】
従来の溶接線倣い制御方法では、検出された溶接電流の変化を、フーリエ関数変換器を用いて、ウィービング周期に等しい揺動周波数成分を取り出し、この周波数成分を減少させるようにウィービング動作の中心位置を制御するものが提案されている。これは溶接電流が複雑な変化をした場合でも周波数成分だけを取り出すことにより短絡成分などの影響を受けない溶接線倣い制御を目的としたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
また、溶接電流の変化をサンプリングするタイミングについては、溶接トーチ８２の位置に同期して行われることも一般的である。この溶接トーチ８２の位置に同期して溶接電流をサンプリングする際には、図８に示すように、溶接トーチ８２がウィービング端のＡ位置やＢ位置に到達したときに、電流変化のピークＣやピークＤが発生するのが理想的である。しかし、実際には溶接トーチ８２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、実際のサーボ軌跡が指令軌跡に遅れて追従する。このため、溶接トーチ８２の位置に同期してサンプリングすると溶接電流のピークから外れた位置でサンプリングすることとなり、精度の良い倣い動作を実現できない。この指令軌跡に対してサーボ軌跡が遅れて追従するという課題に対しては、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するデータサンプリング方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平２−５８０３１号公報
【特許文献２】特開平１１−１７９５４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の溶接線倣い制御方法では、溶接電流が複雑な変化をした場合でも、周波数成分だけを取り出すために、フーリエ関数変換器などの仕組みを必要とし、フーリエ変換を実現するためには高速な計算を行うためのＣＰＵ(Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ)やメモリなどのハードウェアを必要とし、機器の価格も高価になるという課題がある。
【００１１】
また、溶接ガスの成分や溶接ワイヤの材質、あるいはパルス溶接か短絡溶接かといった溶接法の違いによっても、実際の溶接トーチの位置に対して、溶接電流の変化が遅れるという現象が発生する。この状況を、図９を用いて説明する。溶接トーチ９２の位置がサーボ軌跡、つまり溶接ワイヤ９１の実際位置が図９のＧ位置に来たとき、溶接ワイヤ９１の突き出し長が最も短くなり、理想的には溶接電流値は最も高くなるはずである。しかし、溶接電流はＩ部分のように遅れて最も高くなっている。そのため、Ｋ部分に示すようにタイムラグが発生しており、溶接トーチ９２のウィービング周期動作を位相と考えると、ウィービング位相に対して電流変化位相が遅れている状態となる。
【００１２】
この状態で、溶接トーチの位置に同期して溶接電流をサンプリングすると溶接電流変化のピークから外れた位置でサンプリングすることとなり、精度の良い倣い動作を実現できない。また、ウィービング位相と電流変化位相とが大きくずれている場合には、サンプリングする溶接電流変化のピーク位置が本来のピーク位置とは反転した位置となり、本来シフト動作すべき方向とは全く反対方向にシフト動作を行うこととなる。
【００１３】
このように、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たとしても、もしくは予測ではなく、実際のトーチ位置が検出できたとしても、溶接トーチ位置に基づいてデータサンプリングするだけでは、溶接電流変化のピークを正しくサンプリングすることができないという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明の溶接制御方法は、ウィービング動作中に溶接用ワイヤと被溶接物との距離が変わる溶接において、溶接トーチをウィービングさせながら溶接を行う際に、ウィービング周期に同期して溶接電流をサンプリングすることにより溶接電流の変化を検出して溶接トーチを溶接線に沿って倣い制御を行う溶接制御方法であって、溶接電流の変化から溶接電流のピーク値を検出し、溶接電流ピーク値検出タイミングに一致させるもしくは近づけるように溶接電流のサンプリングのタイミングを決定するものである。
【００１５】
そして、溶接電流変化のピークをサンプリングすることが可能となり、溶接電流ピーク値を比較することや、あるいはピークからピークまでの積分値を比較し、その差分から溶接ワイヤの狙い位置のシフト量を換算することが可能となる。
【００１６】
また、本発明の溶接制御方法は、上記に加えて、溶接電流の変化から溶接電流のピーク値を検出し、溶接電流のサンプリングのタイミングを決定する際に、溶接電流ピーク値検出タイミングと溶接電流サンプリングタイミングとの差分時間が徐々に減少して前記２つのタイミングが一致もしくは近づくように溶接電流のサンプリングのタイミングを決定するものである。
【００１７】
そして、倣い動作に急な変化を与えることなく、溶接電流のサンプリングのタイミングを決定することができる。
【００１８】
また、本発明の溶接制御方法は、上記に加えて、ウィービング周期毎に溶接電流ピーク値検出タイミングと溶接電流サンプリングタイミングとの差分時間をフィードバックして前記差分時間が減少するように溶接電流サンプリングタイミングを決定することにより、ウィービング周期毎に前記差分時間を徐々に減少するものである。
【００１９】
また、本発明の溶接制御方法は、上記に加えて、溶接電流の変化が、増加から減少に変わる際の溶接電流を上限側のピーク値として検出し、減少から増加に変わる際の溶接電流を下限側のピーク値として検出するものである。
【００２０】
本願発明の溶接装置は、溶接電源装置と、前記溶接電源装置から給電される溶接用トーチを保持するロボットと、前記ロボットの動作を制御するロボット制御装置とを備え、上記溶接制御方法を行うものである。
【発明の効果】
【００２１】
高速な計算を行うためのＣＰＵやメモリなどのハードウェアを必要とせず、またウィービング位相に対して溶接電流変化位相に遅れが生じている場合でも、溶接電流変化のピーク値を検出してサンプリングタイミングを決定することができ、溶接電流変化の差分から溶接トーチの狙い位置のシフト量を換算する際に、これまで以上に精度の良い倣い動作を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図１から図６を用いて説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１の１１は溶接トーチ、１２は前記溶接トーチを保持／運搬するロボット、１３は溶接ワイヤ、１４は溶接ワイヤ１４を送給するワイヤ送給装置、１５は溶接部材である。１６は溶接制御装置であり、その内部構成として、１７はロボット１２を制御するロボット制御部、１８は溶接電流を検出する溶接電流検出部、１９は溶接波形制御を行う溶接制御部である。ロボット制御部１７および溶接制御部１９は、ロボット制御または溶接制御に必要なＣＰＵ、メモリ等を備えている。
【００２４】
ウィービング溶接時の動作について、図２を用いて説明する。ウィービング溶接は、ロボット制御部１７がロボット１２に対して軌跡指令を行い、溶接トーチ１１は図２の指令軌跡のような軌跡を描きながら、ウィービング溶接を行う。このときロボット制御部１７は、ウィービングの振り動作を行いながら、図２のウィービング信号に示される信号をＣＰＵ内部に生成する。このウィービング信号の変化タイミングを基に、図２のサンプリングトリガに示される溶接電流サンプリング用のトリガ信号をＣＰＵ内部に生成する。
【００２５】
ここで、ロボット制御部は１７、前記サンプリングトリガを遅延させる仕組みをＣＰＵ内部に持ち、図２の遅延サンプリングトリガに示すように、ウィービング信号の変化タイミングに対して、Ｔ−ｄｅｌａｙ時間の遅延を持ってサンプリングトリガを生成することができる。このサンプリングトリガを遅延させる仕組みについては、ＣＰＵに一般的に備わっているタイマ機能を使用すれば実現は容易であり、高性能なＣＰＵやメモリ等は必要としない。
【００２６】
次に、図１における溶接電流検出部１８の構成について、図３と図４を用いて説明する。図３（ａ）は、溶接電流検出部１８によって溶接電流をサンプリング周期１ｍｓで検出した波形の例である。これは、溶接ワイヤ１３と溶接部材１５とが接触したときの短絡電流成分やノイズ成分、パルス溶接時にはパルス電流成分などが重畳された複雑な波形となっている。故に、このままでは溶接電流の変化を検出して、溶接トーチ１１を溶接線に沿っての倣い制御もできない。また、溶接電流変化のピークを検出することもできない。そこで、電気回路的に実現されたアナログフィルタや、ソフトウェア処理で実現されたデジタルフィルタなどにより短絡成分やノイズ成分を除去した電流波形を計測し、倣い動作や、電流変化のピーク検出を行う。このフィルタ処理を行った溶接電流波形の例を図３（ｂ）に示す。なお、アナログ回路でのフィルタの例を図４（ａ）に示す。このときステップ入力に対する時定数Ｔは、Ｔ＝Ｒ×Ｃで決定される。
【００２７】
次に、ＣＰＵ上で動作するソフトウェア処理によるデジタルフィルタ処理については、図４（ｂ）に示す、Ｙ［ｋ］＝（１−Ｇ）×Ｘ［ｋ］＋Ｇ×Ｙ［ｋ−１］で表され、Ｇ＝Ｔ／（Ｔ＋ｔ）、Ｔは時定数、ｔはサンプリング周期、Ｘ［ｋ］は時刻ｋのフィルタ入力、Ｙ［ｋ］は時刻ｋのフィルタ出力を表す。
【００２８】
溶接電流検出部１８によって実行されるこれら簡単なフィルタ処理により、ウィービング動作および溶接線に対する狙いずれに関する成分のみ抽出した溶接電流波形が得られ、溶接電流変化のピークを検出することが可能となる。
【００２９】
次に、溶接電流検出部１８における溶接電流変化のピーク検出方法について説明する。このピーク検出方法については、特別な方法ではなく、計測データの前後値の比較や、波形接線傾きの前後比較等の簡単な処理で可能である。
【００３０】
ここでは、図５を用いて、区間平均値の前後比較でのピーク検出方法について説明する。計測した溶接電流波形に対してフィルタ処理を行っても、図５（ａ）に示す波形のようにミクロ的には滑らかな曲線にはなっていない。そこで、ある一定時間ごとに溶接電流計測値の平均値を算出し、前後の平均値を比較してピーク検出を行う。図５（ｂ）に示すフローのフロー１において、Ｔａ［ｋ］区間の平均値Ａｖｅ［ｋ］を算出する。例えば、Ｔａ［ｋ−２］区間の平均値Ａｖｅ［ｋ−２］＝２３０Ａであるとし、現在時刻が［ｋ−１］とすると、図５のフロー１においてＴａ［ｋ−１］区間の平均値Ａｖｅ［ｋ−１］＝２４０Ａを算出する。次に、フロー２において、Ａｖｅ［ｋ−２］とＡｖｅ［ｋ−１］の大小比較が行われ、Ａｖｅ［ｋ−１］の方がＡｖｅ［ｋ−２］より大きいため判定結果はＮＯと判定され、フロー１に戻り、Ｔａ［ｋ］区間の平均値Ａｖｅ［ｋ］＝２４２Ａが算出される。同様にフロー２においてＮＯと判定され、フロー１に戻りＴａ［ｋ＋１］区間の平均値Ａｖｅ［ｋ＋１］＝２３５Ａが算出される。このときフロー２において、Ａｖｅ［ｋ＋１］の方がＡｖｅ［ｋ］より小さいためＹＥＳと判定され、溶接電流波形の上限側ピークに到達したとして、フロー３において上限側ピーク値検出信号が発生される。この上限側ピーク値検出信号をサンプリングトリガとする。下限側のピーク値検出についても、フロー４、フロー５、フロー６において、電流平均値の比較が行われ、下限側ピーク値検出信号が発生される。この下限側ピーク値検出信号をサンプリングトリガとする。
【００３１】
これらの処理により、実際に検出している溶接電流の変化から溶接電流のピーク値を検出し、溶接電流のサンプリングのタイミングを決定することにより、溶接電流変化のピークをサンプリングすることが可能となる。そして、溶接電流のピーク値を比較することや、あるいは、溶接電流のピークからピークまでの積分値を比較し、その差分から溶接ワイヤの狙い位置のシフト量を換算することが可能となり、精度の良い倣い動作を実現することができる。
【００３２】
（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、実施の形態１と同様の箇所には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００３３】
溶接電流波形のピーク値を検出し、溶接電流ピーク値を比較することや、あるいは、溶接電流のピークからピークまでの積分値を比較し、その差分から溶接ワイヤの狙い位置のシフト量を換算する溶接制御装置においては、図７や図８に示したように、溶接電流の変化がウィービング周期に同期していることを前提としている。しかし、実際の溶接においては、溶接ワイヤ１３と溶接部材１５が接触したときの短絡電流成分やノイズ成分、パルス溶接時にはパルス電流成分などが重畳された複雑な波形となっており、例えば、図９で示したように溶接電流の変化がウィービング周期に同期していない場合が発生する。この対策として、サンプリング間隔はウィービング周期に同期した一定の周期とするが、溶接電流変化ピーク値検出タイミングを参照しながら、サンプリングトリガの遅延時間Ｔ−ｄｅｌａｙ時間を制御して、溶接電流変化ピーク値のタイミングとサンプリングトリガのタイミングを一致もしくは近づけさせる仕組みが有効である。この方法について図６を用いて説明する。
【００３４】
Ｔ−ｄｅｌａｙ時間を制御する例として、一般的なフィードバック制御方式であるＰＩ制御（比例動作と積分動作を組み合わせた制御）を行う。図６にデジタル処理系のＰＩ制御ブロック図を示す。Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、１／Ｚはサンプリングの１周期だけの信号遅延を示す。溶接電流変化ピーク値検出タイミングとウィービング周期に同期したタイミングとの差分を偏差ｅ１［ｋ］としたとき、この偏差ｅ１［ｋ］が０となるように制御を行うため、目標値ｘ［ｋ］は０となる。ＣＳは制御対象であり、ロボット１２に相当する。制御対象ＣＳへの入力は、溶接電流変化ピーク値検出タイミングとウィービング周期に同期したタイミングとの差分である偏差を０にするためのＴ−ｄｅｌａｙ［ｋ］であり、制御対象ＣＳからの出力は、時刻［ｋ］における溶接電流変化ピーク値検出タイミングとウィービング周期に同期したタイミングとの差分である偏差ｅ１［ｋ］である。
【００３５】
このフィードバック制御の仕組みにより、ウィービング位相と電流変化位相にズレが生じている場合には、偏差ｅ１［ｋ］が０以外の値となり、偏差ｅ１［ｋ］を０にするための操作入力Ｔ−ｄｅｌａｙが決定される。実施の形態１で説明したように、ウィービング信号の変化タイミングに対して、遅延時間Ｔ−ｄｅｌａｙを持ってサンプリングトリガを生成することにより、ウィービング位相と電流変化位相のズレをなくすことが可能となる。なお、ウィービング周期毎にフィードバック制御を行って溶接電流ピーク値検出タイミングと溶接電流サンプリングタイミングとの差分時間を徐々に減少させる制御を行うことにより、倣い動作に急な変化を与えることなく溶接電流のサンプリングのタイミングを決定することができる。そして、倣い動作に急な変化を与えないことにより、滑らかなビードを形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、溶接トーチをウィービングさせながら溶接を行う際に、溶接電流の変化を検出して、溶接トーチを溶接線に沿って倣い制御を行う場合において、溶接電流の変化から溶接電流のピーク値を検知し、溶接電流のサンプリングのタイミングを決定することにより、高速な計算を行うためのＣＰＵやメモリなどのハードウェアを必要とせず、またウィービング位相に対して溶接電流変化位相に遅れが生じている場合でも、溶接電流変化のピーク値を検出してサンプリングタイミングを決定するので、溶接電流変化の差分から溶接トーチの狙い位置のシフト量を換算する際に、これまで以上に精度の良い倣い動作を実現することができ、ウィービングさせながら溶接を行う溶接制御装置として産業上有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態１における溶接を行う装置の概略構成を示す図
【図２】本発明の実施の形態１におけるウィービング信号を示す図
【図３】（ａ）本発明の実施の形態１におけるフィルタ処理前の波形例を示す図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるフィルタ処理後の波形例を示す図
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１におけるアナログフィルタの例を示す図（ｂ）本発明の実施の形態１におけるデジタルフィルタの例を示す図
【図５】本発明の実施の形態１における電流変化のピーク値検出方法を示す図
【図６】本発明の実施の形態２におけるＰＩ制御ブロック図
【図７】ウィービング指令軌跡と溶接電流変化の関係図
【図８】狙いズレ発生時の溶接電流変化の図
【図９】溶接電流変化の遅れを示す図
【符号の説明】
【００３８】
１１  溶接トーチ
１２  ロボット
１３  溶接ワイヤ
１４  ワイヤ送給装置
１５  溶接部材
１６  溶接制御装置
１７  ロボット制御部
１８  溶接電流検出部
１９  溶接制御部
【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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【図９】
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