(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アーク溶接を自動的に行なう電極非消耗式溶接ロボットにおいて、溶接用のタングステン電極と被溶接物との間に電圧を印加する電源と、上記タングステン電極と上記被溶接物とが接触した時に流れる電流を検知する電流検知器とを備え、上記溶接ロボットの動作範囲内に、通電可能な基準ブロックと上記タングステン電極の自動交換装置とを設けたことを特徴とする電極非消耗式溶接ロボット。
【請求項２】
上記被溶接物へのアーク溶接に先立ち、上記タングステン電極により被溶接物へのタッチセンシングを行ない該被溶接物の位置を検知することを特徴とする請求項１に記載の電極非消耗式溶接ロボットによるアーク溶接方法。
【請求項３】
上記アーク溶接の前後において、上記基準ブロックに対して上記タングステン電極のタッチセンシングを行なうことにより上記タングステン電極の磨耗量を測定し、該磨耗量が一定値以上になった時には、上記タングステン電極の自動交換装置により上記タングステン電極を自動的に交換することを特徴とする請求項１に記載の電極非消耗式溶接ロボットによるアーク溶接方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アーク溶接を行なう溶接ロボットに係り、特に、アークを発生させる電極にタングステン電極を用いた電極非消耗式溶接ロボット及びそれを用いたアーク溶接方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
アーク溶接の実作業に先立って、予め、溶接ロボット本体に作動順序を記憶させ、その作動プログラムに基づいて溶接ロボットを制御し、被溶接物に溶接を行なう。このとき、まず、溶接ロボットの基準位置と被溶接物との相対位置関係を検知することが必要であり、その被溶接物の位置検出には、一般に、周知の技術であるタッチセンシングの方法が用いられている。このタッチセンシング方法とは、溶接ロボットの接触子と位置検出される被溶接物との間に電圧を印加しておき、接触子が被溶接物に接触した時に起きる両者間の通電を検知して接触を認識し、被溶接物の位置を検出する方法である。ところで、従来の技術では、図８に示すように、溶接ロボットに溶接トーチ３とタングステン電極８とは別に接触子１２を設けて、センシングの際には、図８（ａ）のように、この接触子１２をタングステン電極８よりも前方に突出させて被溶接物にタッチセンシングさせ、被溶接物の位置を検出している。そして、溶接の際には、図８（ｂ）のように、この接触子１２を後退させ、タングステン電極８によりアーク溶接を行なう。
【０００３】
ところで、電極非消耗式溶接、例えば、ＴＩＧ溶接法（タングステン  イナートガス  アーク溶接法）の場合には、研磨されたタングステン電極８の先端と被溶接物である母材との間にアークを発生させ、母材を溶融して金属を接合するのである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような溶接ロボットにおいては、接触子１２が溶接トーチ３とは別に設けられているので、溶接トーチ３回りが複雑になり、かつ、場所を占めるので、例えば、図９に示すように、ボイラの製造において、枝管３１と母管３０とを溶接する際に、枝管３１のピッチが狭いため枝管３１と接触子１２とが接触し、溶接トーチ３及びタングステン電極８が溶接部３２に届かない問題があった。また、溶接トーチ３と接触子１２との相対的な位置関係（図８（ａ）における寸法Ａ、Ｂ、Ｃ）を一定に保持するのが難しく、例えば、溶接トーチ３を損傷した場合の復旧には時間が掛かるばかりではなく、損傷前の溶接トーチ３と接触子１２との位置関係を正しく再現できない場合も発生し、それまでの制御用データがそのまま使用できず、データを変更しなければならない問題も発生していた。
【０００５】
さらに、従来の溶接ロボットでは、タングステン電極８の先端は時間と共に磨耗するが、その先端部の磨耗状態のチェックは人手により行なわれていた。しかし、なかには、磨耗量が特に激しく、それに気付くことなく先端部が磨耗した状態で溶接を続けると、図７（ａ）（ｂ）に示すように、アーク３３の集中性が低下し、また、アーク３３の長さが変化し、溶接欠陥が発生する原因にもなっていた。
【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたもので、溶接トーチ回りを簡素にして被溶接物との相対位置関係を確実に検知できる電極非消耗式溶接ロボット、及びそれによるアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【０００７】
また、タングステン電極先端部の磨耗量を正確に計測でき、かつ、そのタングステン電極を簡単に交換できる電極非消耗式溶接ロボット、及びそれによるアーク溶接方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明においては、自動的にアーク溶接を行なう電極非消耗式溶接ロボットにおいて、アーク溶接用のタングステン電極と被溶接物との間に、電圧を印加する電源とタングステン電極と被溶接物とが接触した瞬間に流れる電流を検知する電流検知器とを設け、上記溶接ロボットの動作範囲内に、通電可能な基準ブロックとタングステン電極の自動交換装置とを設ける。そして、アーク溶接に先立って、上記タングステン電極をタッチセンシングによって被溶接物の位置を検出する接触子として作動させる。
【０００９】
また、タングステン電極でのアーク溶接の前と後で、固定されている上記基準ブロックをタングステン電極でタッチセンシングすることにより、該タングステン電極のアーク溶接による磨耗量を計測し、その磨耗量がある一定値を越えた場合には、前記タングステン自動交換装置によってタングステン電極を自動的に新品と交換する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る電極非消耗式溶接ロボットの一実施形態について図を用いて説明する。
【００１１】
まず、図１は、本発明に係るタングステン電極先端の磨耗量を測定することのできる溶接ロボットの全体図である。この溶接ロボットは、概略的には、ロボット本体１、ロボット制御装置２、溶接トーチ３、溶接電源４、タッチセンサ制御装置５、タングステン電極自動交換装置６等から構成されている。
【００１２】
そして、ロボット本体１は、３軸方向の手首軸７を備えており、手首軸７の先端部には溶接トーチ３が装着されている。また、タングステン電極８の先端を接触させる通電可能な基準ブロック９が、ロボットの動作範囲内に設置されている。溶接電源４の二次側は、溶接トーチ３と被溶接物とにケーブルで接続されており、更に、溶接トーチ３は、タッチセンサ制御装置５にも配線されている。このタッチセンサ制御装置５には、溶接トーチ３と被溶接物との間に電圧を印加するための電源と、溶接トーチ３の先端部に装着されているタングステン電極８と被溶接物とが接触した時に流れる電流を検知する電流検知器とが設けられている。また、ロボット制御装置２は、ロボット本体１、溶接電源４、タッチセンサ制御装置５、タングステン電極自動交換装置６等を制御する。
【００１３】
次に、図２（ａ）（ｂ）は、溶接トーチ３の断面図である。図２（ａ）に示すように、トーチ本体２１はトーチケース２２内に挿着され、トーチ本体２１の先端部外側には、アルミナノズル２３が取付けられている。トーチ本体２１は、トーチケース２２に固定され、トーチケース２２から突き出した部分のトーチ本体２１は、アルミナノズル２３でカバーされている。アルミナノズル２３は、トーチ本体２１に設けられたネジ２４でトーチ本体２１にネジ止めされている。また、タングステン電極８は、アルミナノズル２３からその一部が突き出すように、トーチ本体２１の中心軸線上の電極挿入孔２５に着脱可能に取り付けられている。そして、タングステン電極８は、図２（ｂ）に示されるように、トーチ本体２１の電極挿入孔２５の接線方向に設けられた貫通孔内にセットされているテーパーピン２７の押圧力により、トーチ本体２１に支持固定される。
【００１４】
また、トーチ本体２１には、アルゴンガス導入継手２８と冷却水出入用継手２９とが備えられている。そして、アーク溶接の際には、これによりアルゴンガスを導入し、ガスレンズ２６で拡散し、溶接アーク及び溶接個所を均等に不活性ガスで包み込む。また、冷却水は水冷路２０を流れ、トーチ本体２１を冷却する。
【００１５】
次に、上記実施形態の装置による溶接方法及び作用、効果等について述べる。
【００１６】
まず、溶接ロボットに溶接作業をティーチングするには、公知のティーチング方法によって、ロボット本体と被溶接物との相対位置を検出する、タッチセンシングプログラムを作成し、更に、被溶接物に溶接を行なう、溶接プログラムを作成する。そして、この溶接ロボットの動作は、操作パネルを有する操作箱１０を介してロボット制御装置２に記憶される。次に、プレイバック動作によって溶接ロボットに溶接作業を行なわせるには、予め操作箱１０で溶接電流、溶接電圧、溶接速度等の溶接条件を設定しておき、これをロボット制御装置２に入力しておく。
【００１７】
ところで、従来のティーチング方法では、ロボットと被溶接物との相対位置を検出するタッチセンシングは、溶接トーチ３とは別に設けた接触子１２を用いて行なっていた。しかし、この方法では、溶接トーチ３回りの構造が複雑となり、例えば、図９に示したように、枝管３１が林立しているような狭隘部の溶接には、接触子１２が障害となって溶接部３２に溶接トーチ３が届かない問題があった。また、溶接トーチ３と接触子１２との相対的な位置関係を一定に保持するのが難しく、例えば、トーチを損傷した際の復旧に時間がかかり、損傷前の溶接トーチ３と接触子１２との位置関係（図８（ａ）の寸法Ａ、Ｂ、Ｃ）に戻らないことも発生し、それまでのティーチングデータがそのまま使用できず、データを変更しなければならない問題が発生していた。しかし、本発明では、溶接トーチ３のタングステン電極８をそのまま接触子として兼用しているので、溶接トーチ３回りは簡素化され、このような問題は生じない。
【００１８】
次に、図８は、本発明に係るタングステン電極８による位置センシング方法を示す図である。このセンシングを行なう前に、タングステン電極自動交換装置６によって、先端が研磨されたタングステン電極８を溶接トーチ３に装着しておく。そして、タングステン電極８と被溶接物に電圧を印加しておき、タングステン電極８が被溶接物に接触することにより、タングステン電極８と被溶接物との間に電流が流れ、被溶接物の位置が検出される。次に、図４を用いて、タッチセンシングのステップを説明する。まず、図４（ａ）に示すように、タングステン電極８が母管３０の管表面３０ａに接触する。管表面３０ａに接触することにより、タングステン電極８と母管３０との間に電流が流れることが電流検知器により検知され、管表面３０ａの位置が検知される。この位置をＺ方向の位置として、ロボット制御装置２に記憶しておく。次にＺ方向に続いてＸ、Ｙ方向のセンシングを行なう。図４（ｂ）（ｃ）に示すように、タングステン電極８が枝管表面３１ｂ、３１ｃに接触することにより、Ｘ、Ｙ方向の位置が求められ、ロボット制御装置２に記憶される。以上のステップで求められた（Ｘ、Ｙ、Ｚ）は、ロボット１と枝管３１及び母管３０との相対位置を示し、ロボット１はこのデータ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に基づいて枝管３１と母管３０との溶接を行なう。
【００１９】
本発明では、溶接トーチ３回りに接触子を付けなくてすむので、溶接トーチ３が簡素になり、溶接を適用できる範囲が拡大し、これまでにできなかった、ボイラの製作過程の母管３０と枝管３１との溶接が可能となった。また、タングステン電極８と接触子とが同一物であるため、被溶接物の位置検出に誤差が発生することがない。万一、溶接トーチ３が損傷した場合でも、新しい溶接トーチ３を損傷前の基準位置に復旧すれば、これまでのティーチングデータを変更せずに使用することができる。
【００２０】
次に、タングステン電極８先端部のアーク溶接時に生じる磨耗量の測定について説明する。
【００２１】
ところで、従来のタングステン電極先端部の磨耗状態の確認は、溶接が終了する度にロボットの自動運転を停止してオペレータが確認しており、生産性が悪い問題、また、確認不足で、磨耗した状態のまま、つまり、アーク集中性が低下し、アーク長も変化した状態で、次の溶接を実行すると、溶接欠陥が発生する問題があった。
【００２２】
図５は、タングステン電極磨耗量測定のフローチャートを示す図である。
【００２３】
まず、溶接開始前に、先端が研磨されたタングステン電極８をタングステン電極自動交換装置６により、溶接ロボット１の作業腕に取り付けられている溶接トーチ３に装着する。そして、図６（ａ）に示すように、タングステン電極８を基準ブロック９に接触させる。この接触を予め印加した検出電圧の短絡信号として、タッチセンサ制御装置５内の電流検知器で検出し、ロボット制御装置２により作業腕の移動を停止すると共に、腕の停止位置からタングステン電極８の長さ（Ｌ１）を計測する。そして、この長さをロボット制御装置２に記憶させて溶接を実行する。
【００２４】
次に、溶接が終了すると、タングステン電極８を再び基準ブロック９に接触させて（図６（ｂ））印加した検出電圧の短絡信号により作業腕の移動を停止し、この停止位置から溶接後のタングステン電極８の長さ（Ｌ２）を検出する。この長さをロボット制御装置２に記憶させ、溶接前の長さ（Ｌ１）から溶接後の長さ（Ｌ２）を引き算（Ｌ１−Ｌ２＝ΔＬ）する。そして、このΔＬの値が予め定められた一定値を越えた場合には、そのタングステン電極８をタングステン電極自動交換装置６により、溶接ロボットが自動的に交換する。
【００２５】
このΔＬを判別する一定値は、オペレータが予め入力するが、０．０１ｍｍの精度で入力することができる。
【００２６】
以上のように、タングステン電極先端の磨耗量を自動的に測定することにより、溶接ロボットの稼働を停止させてオペレータがチェックするステップを入れることなく、溶接ロボットにタングステン電極８の交換か、あるいは引き続いてそのまま溶接を続けるかを判断させて溶接を行なうため、常に安定した状態での溶接が可能となり、アーク集中性の低下やアーク長の変化による溶接欠陥を防止できると同時に、生産性を向上することもできる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る電極非消耗式溶接ロボット及びそれを用いたアーク溶接方法においては、溶接用のタングステン電極にタッチセンシングの接触子としての機能を持たせることにより、溶接トーチ回りの構造を簡素化することができ、被溶接物の位置を確実に検知できると共に、被溶接物の狭隘部の溶接も可能となる。
【００２８】
また、上記溶接ロボットの動作範囲内に通電可能な基準ブロックとタングステン電極の自動交換装置とを設けることにより、タングステン電極の磨耗量を自動的に測定することができ、かつ、その磨耗量が一定値を越えた場合には自動的にそのタングステン電極を新品と交換することができるので、タングステン電極の磨耗によって発生する溶接欠陥を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るタングステン電極の磨耗量の自動測定を可能にした溶接ロボットの構成図である。
【図２】本発明に係る溶接ロボットの溶接トーチの断面図である。
【図３】本発明に係るタングステン電極によるタッチセンシングを説明する図である。
【図４】本発明に係る溶接ロボットにおけるタッチセンシングの方法を説明する図である。
【図５】本発明に係る溶接ロボットにおけるタングステン電極の磨耗量測定のフローチャートである。
【図６】本発明に係る溶接ロボットのタングステン電極の磨耗量の測定を説明する図である。
【図７】タングステン電極の先端部に磨耗が生じた場合の溶接アークの変化を示す図である。
【図８】従来技術のタッチセンシング用接触子の構成を示す図である。
【図９】従来技術の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１    ロボット本体
２    ロボット制御装置
３    溶接トーチ
４    溶接電源
５    タッチセンサ制御装置
６    タングステン電極自動交換装置
７    手首軸
８    タングステン電極
９    基準ブロック
１０    操作箱
１２    接触子
２０    水冷路
２１    トーチ本体
２２    トーチケース
２３    アルミナノズル
２４    ネジ
２５    電極挿入孔
２６    ガスレンズ
２７    テーパーピン
２８    アルゴンガス導入継手
２９    冷却水出入用継手
３０    母管
３０ａ    母管表面（Ｚ方向）
３１    枝管
３１ｂ    枝管表面（Ｙ方向）
３１ｃ    枝管表面（Ｘ方向）
３２    溶接部
３３    アーク
【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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