(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）短絡とアークを繰返して開先溶接を行う消耗電極式アーク溶接の溶接トーチを開先幅方向にオシレートさせたときの溶接電流波形を検出する電流検出手段と、
（Ｂ）前記電流検出手段で検出された溶接電流波形から短絡期の溶接電流波形である短絡波形を除去する短絡波形除去手段と、
（Ｃ）短絡波形が除去された溶接電流波形の波形欠落部分を直線補間する補間手段と、
（Ｄ）前記直線補間された溶接電流波形を溶接トーチのオシレート周期に対応する複数区間に切出す切出し手段と、
（Ｅ）前記切出された溶接電流波形を最小二乗法又は最小二乗法と実質的に等価な方法で近似直線に置換する置換手段と、
（Ｆ）前記近似直線の傾斜方向と傾斜角度に対応させて開先中心位置を基準とする溶接トーチのオシレート幅方向の偏移方向と偏移量をそれぞれ表示するオシレート方向偏移表示手段とをそれぞれ具備することを特徴とする溶接線の倣い判定装置。
【請求項２】
前記直線補間された溶接電流波形を移動平均して滑らかな電流波形に変換する均し手段を具備することを特徴とする請求項１記載の溶接線の倣い判定装置。
【請求項３】
前記短絡波形除去手段が、
溶接電圧波形におけるアーク期と短絡期を区別する基準電圧を閾値として設定する閾値設定手段と、
溶接電圧波形の中の前記基準電圧に到達した到達点から所定時間前の時点に対応する溶接電流波形の位置を短絡波形除去開始点として演算する第１演算手段と溶接電圧波形の中の前記基準電圧から脱出した脱出点から所定時間後の時点に対応する溶接電流波形の位置を短絡波形除去終了点として演算する第２演算手段と、
前記第１演算手段と第２演算手段の演算結果に基づいて、短絡波形除去開始点と短絡波形除去終了点との間の電流波形を消去する波形消去手段を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の溶接線の倣い判定装置。
【請求項４】
前記切出し手段が直線補間された溶接電流波形を溶接トーチのオシレート１周期に対応する複数区間に切出すと共に、切出された溶接電流波形をオシレート半周期に対応する位置で折返して重合させる折返し重合手段を備え、この重合させた溶接電流波形を前記置換手段によって１本の近似直線に置換するようにしたことを特徴とする請求項１から３のいずれか記載の溶接線の倣い判定装置。
【請求項５】
溶接トーチのオシレート四分の一ないし四分の三周期に対応する前記近似直線上の定点の高さを設定電流値と比較して溶接トーチのトーチ軸線方向の偏移方向と偏移量をそれぞれ表示するトーチ軸線方向偏移表示手段を具備することを特徴とする請求項２から４のいずれか記載の溶接線の倣い判定装置。
【請求項６】
オシレート同期パルス信号と実際の溶接トーチオシレート端点との間の遅れ時間を予め検出しておき、この遅れ時間分だけオシレート同期パルス信号から遅延させて前記切出し手段による溶接電流波形の切出しタイミングを設定したことを特徴とする請求項１から５のいずれか記載の溶接線の倣い判定装置。
【請求項７】
（Ａ）短絡とアークを繰返して開先溶接を行う消耗電極式アーク溶接の溶接トーチを開先幅方向にオシレートさせたときの溶接電流波形を検出する電流検出手段と、
（Ｂ）前記電流検出手段で検出された溶接電流波形から短絡期の溶接電流波形である短絡波形を除去する短絡波形除去手段と、
（Ｃ）短絡波形が除去された溶接電流波形の波形欠落部分を直線補間する補間手段と、
（Ｄ）前記直線補間された溶接電流波形を溶接トーチのオシレート周期に対応する複数区間に切出す切出し手段と、
（Ｅ）前記切出された溶接電流波形を最小二乗法又は最小二乗法と実質的に等価な方法で近似直線に置換する置換手段と、
（Ｆ）前記近似直線の傾斜方向と傾斜角度に対応させて開先中心位置を基準とする溶接トーチのオシレート幅方向の偏移方向と偏移量をそれぞれ演算するオシレート方向偏移演算手段と、
（Ｇ）溶接トーチのオシレート四分の一ないし四分の三周期に対応する前記近似直線上の定点の高さを設定電流値と比較して溶接トーチのトーチ軸線方向の偏移方向と偏移量を演算するトーチ軸線方向偏移演算手段とを有し、
（Ｈ）前記オシレート方向偏移演算手段とトーチ軸線方向偏移演算手段の演算結果に基づき、前記オシレート方向偏移とトーチ軸線方向偏移を解消する方向に前記溶接トーチのオシレート中心とトーチ高さを移動制御するようにしたことを特徴とする溶接線の倣い制御装置。
【請求項８】
前記直線補間された溶接電流波形を移動平均して滑らかな電流波形に変換する均し手段を具備することを特徴とする請求項７記載の溶接線の倣い制御装置。
【請求項９】
前記短絡波形除去手段が、
溶接電圧波形におけるアーク期と短絡期を区別する基準電圧を閾値として設定する閾値設定手段と、
溶接電圧波形の中の前記基準電圧に到達した到達点から所定時間前の時点に対応する溶接電流波形の位置を短絡波形除去開始点として演算する第１演算手段と
溶接電圧波形の中の前記基準電圧から脱出した脱出点から所定時間後の時点に対応する溶接電流波形の位置を短絡波形除去終了点として演算する第２演算手段と、
前記第１演算手段と第２演算手段の演算結果に基づいて、短絡波形除去開始点と短絡波形除去終了点との間の電流波形を消去する波形消去手段を具備することを特徴とする請求項７又は８記載の溶接線の倣い制御装置。
【請求項１０】
前記切出し手段が直線補間された溶接電流波形を溶接トーチのオシレート１周期に対応する複数区間に切出すと共に、切出された溶接電流波形をオシレート半周期に対応する位置で折返して重合させる折返し重合手段を備え、この重合させた溶接電流波形を前記置換手段によって１本の近似直線に置換するようにしたことを特徴とする請求項７から９のいずれか記載の溶接線の倣い制御装置。
【請求項１１】
オシレート同期パルス信号と実際の溶接トーチオシレート端点との間の遅れ時間を予め検出しておき、この遅れ時間分だけオシレート同期パルス信号から遅延させて前記切出し手段による溶接電流波形の切出しタイミングを設定したことを特徴とする請求項７から１０のいずれか記載の溶接線の倣い制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、溶接トーチを開先幅方向にオシレートさせたときの溶接電流波形に基づき溶接トーチのオシレート中心を開先中心に沿った正しい溶接線に倣わせるアークセンシング制御での溶接線の倣い状況を判定する倣い判定装置と、この判定技術を利用した倣い制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術とその課題点】
近時のアーク溶接装置においては、溶接電源の出力制御がサイリスタ方式からインバータ方式に移行したことに伴い、制御速度が３００Hzから１５乃至６０kHz へと５０乃至２００倍に高速化され、しかも溶接電流及び溶接電圧の波形制御も可能となっている。これにより、アークスタート性能の向上、高速溶接時の溶接安定性向上、スパッタの発生量低減等が可能となり、アーク溶接時の溶接安定性も改善されつつある。
【０００３】
一方、溶接トーチを溶接線に沿って倣い制御する方法として、アークセンシング制御が一般に使用されている。このアークセンシング制御は、溶接トーチを開先幅方向にオシレートさせたときのワイヤ突出し長の変化に伴う溶接電流の変化を基に、溶接トーチの開先幅方向（以下、オシレート方向と言う）及び開先上下方向（以下、トーチ軸線方向と言う）の位置補正（振幅中心位置を左右上下方向に移動）制御するものである。
【０００４】
しかし、アーク現象は非常に不安定かつ超高速で進行する現象のため、現状のアークセンシング制御の信頼性は限定的であって、溶接品質の良否を判定する客観的手法も未開発であることと相俟って、溶接不良品が不測に流出する可能性を常に孕んでいる。このように現状でのアークセンシング制御は信頼性が低いため薄板の高速度溶接など高精度な溶接品質が必要な分野では、アークセンシング制御以外の、例えば溶接トーチの先端にレーザ変位センサ等を付設するなどした複雑で高価なアクティブ制御が不可避となっている。
【０００５】
そこで、より簡単かつ低コストなアークセンシング制御の信頼性を向上させる方法が色々と提案されているのであるが、実用レベルで満足のいくものは未だ提案されていないのが実状である。
【０００６】
例えば、特公昭５３−１１５０２号で提案された方法は、主に開先幅方向の位置ずれに対し、ウィービング（オシレート）両端で得られた一定時間幅における溶接電流積分値の大きさを比較し、その比較信号に基づいて溶接トーチを左右方向に修正し溶接線に倣わせるものである。
【０００７】
しかし、この方法ではウィービング両端における積分値を数回平均化しないと位置検出精度を向上させることができず、その回数に相当する時間分だけ位置ずれ修正信号の出力が遅れ、溶接トーチの追従精度が低下するという欠点を有している。この無駄な時間の間に進行する溶接線の長さを短くするため溶接速度を遅くすると、追従精度は向上するが生産効率が低下するという別の問題が発生するまた溶接速度を低下させることなく位置ずれ修正信号の出力を遅らせないためにはウィービング周波数を高くすることが考えられるが、ウィービング周波数を高くしてもウィービングの周期が短くなるから、外乱情報を多く含んだ溶接電流を積分して平均化しても外乱情報の除去率は向上せず、また平均化回数を多くすれば外乱情報による修正信号への悪影響を低減させることはできるが、平均化回数を多くした分だけ位置ずれ修正信号の出力遅れが生じ、結局倣い精度の向上は望めないのである。
【０００８】
また特公平２−４３９６号で提案された方法はウィービング溶接に於ける溶接線の偏移を修正するもので、詳しくはアーク電圧信号をもとに短絡状態かアーク発生中かを識別する比較器と、前記比較器からのアーク発生中の信号によりアーク発生中の溶接電流信号を抽出する選択回路と、前記選択回路の出力信号をウィービングの１周期間又は半周期間積分する積分器と、アーク継続期間を計る計数器と、前記積分器の出力をアーク継続時間で平均化した平均値信号を出力する平均値算出回路と、前記平均値信号をウィービング１周期又は半周期の終わりでホールドするホールド回路と、前記ホールド回路の出力と設定電流値との比較を行い溶接トーチの軸線方向である高さ方向の位置ずれを判別し、更に前記ホールド回路の出力の極性により、溶接トーチの軸線方向に直行する方向である左右方向の位置ずれを判別し、位置ずれ修正指令を修正モータに出力するものである。
【０００９】
しかし、この方法は溶接中に溶接電流の設定値を変えると、溶接開始前に設定しておいたチップ・母材間距離が変ってしまい、確実な溶接ができないという欠点がある。
【００１０】
また、特公昭５７−２４２８号で提案された方法は、ウィービング両端における溶接電流を検出し所定の基準値と比較することにより、溶接線からの位置ずれ修正信号を得るものである。
【００１１】
しかし、この方法は検出した溶接電流に位置情報以外の外乱情報を多く含み、短絡移行状態及びグロビュラー移行状態のような低電流状態では位置検出精度が極端に低下するという欠点を有しており、高電流のスプレーアーク状態でのみ限定的に適用可能なものである。
【００１２】
また、特公平７−４６６６号で提案された方法は、オシレート位置に拘らずアーク長を一定と仮定した上で、オシレート１サイクルの間のオシレート幅右半分と左半分のそれぞれの領域で行きと帰りの溶接電流の積分値の比（第１の比較信号と第２の比較信号）を演算し、これら比較信号の差を小さくする方向に溶接トーチのオシレート中心を移動させるものである。
【００１３】
しかし、この方法は短絡期溶接電流の極めて不安定な波形をそのまま積分値に取込んでいるため、溶接トーチが実際には（オシレート）偏移がなく正常に倣い作動し、かつ、スパッタも安定している状態であっても、第１及び第２の比較信号がランダムに大きく跳ねることが確認されている。従って、第１及び第２の比較信号の差を小さくする方向に溶接トーチを移動制御しても、却って溶接線を逸脱する可能性がある。さらに、この方法はアーク長が略一定であることが前提であるが、実際には溶接電源回路のインダクタンスの影響により溶接電流の時間的変化にワイヤ溶融速度が追従できない場合もあって、アーク長の変動により溶接トーチを精度よく移動制御することができないことがある。
【００１４】
本発明の目的は、溶接電流値に外乱要因として作用する短絡やスパッタなどの影響を受けにくく、高速オシレート周波数による溶接速度の高速化にも対応可能な溶接線の倣い判定装置と倣い制御装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本発明の溶接線の倣い判定装置は、
（Ａ）短絡とアークを繰返して開先溶接を行う消耗電極式アーク溶接の溶接トーチを開先幅方向にオシレートさせたときの溶接電流波形を検出する電流検出手段と、
（Ｂ）前記電流検出手段で検出された溶接電流波形から短絡期の溶接電流波形である短絡波形を除去する短絡波形除去手段と、
（Ｃ）短絡波形が除去された溶接電流波形の波形欠落部分を直線補間する補間手段と、
（Ｄ）前記直線補間された溶接電流波形を溶接トーチのオシレート周期に対応する複数区間に切出す切出し手段と、
（Ｅ）前記切出された溶接電流波形を最小二乗法又は最小二乗法と実質的に等価な方法で近似直線に置換する置換手段と、
（Ｆ）前記近似直線の傾斜方向と傾斜角度に対応させて開先中心位置を基準とする溶接トーチのオシレート幅方向の偏移方向と偏移量をそれぞれ表示するオシレート方向偏移表示手段とをそれぞれ具備することを特徴とする。
【００１６】
前記切出し手段が直線補間された溶接電流波形を溶接トーチのオシレート１周期に対応する複数区間に切出すと共に、切出された溶接電流波形をオシレート半周期に対応する位置で折返して重合させる折返し重合手段を備え、この重合させた溶接電流波形を前記置換手段によって近似直線に置換する場合、溶接トーチのトーチ軸線方向の偏移方向と偏移量もそれぞれ表示するために、近似直線の中央位置、すなわち溶接トーチのオシレート四分の一周期（９０°）ないし四分の三周期（２７０°）の位置に対応する定点の高さと、予め定めた設定電流値とを比較してその格差を溶接トーチのトーチ軸線方向の偏移方向と偏移量としてそれぞれ表示することができる。なお、まれではあるが、異板厚溶接等の場合で開先中心を特に教示しない場合においては、前記定点の位置をオシレート四分の一周期ないし四分の三周期の位置以外に設定することが必要になることもある。
【００１７】
溶接電流波形を置換手段で近似直線に置換する場合、予め溶接電流波形を移動平均法などの均し手段によって滑らかな電流波形に変換しておくことが可能であり、これにより溶接電流波形のスパッタ等によるギザギザ波を解消できて、溶接トーチ位置情報以外の外乱情報を可及的に除去することができると共に、近似直線に置換する際の波形サンプリング周期を比較的長めに設定することにより演算速度の高速化を図っても、実用上十分な倣い精度を維持することができる。
【００１８】
前記短絡波形除去手段は、具体的には溶接電圧波形におけるアーク期と短絡期を区別する基準電圧を閾値として設定する閾値設定手段を備える。しかし、この閾値ないし基準電圧よりも高い電圧区間であっても、短絡期の開始直前部分とアーク期開始直後部分では時間的には僅かではあるが溶接トーチの位置情報以外の大きな外乱要因が残存している。そこで、第１演算手段と第２演算手段によって短絡期として消去する波形部分を前後に拡大し、前記短絡期開始直前部分とアーク期開始直後部分を含めて溶接電流波形を消去するのが望ましい。これにより溶接トーチの倣い判定を行なう上での大きな外乱要因としての短絡の影響をほぼ完全に除去することができる。
【００１９】
また、本発明の溶接線の倣い制御装置は、
（Ａ）短絡とアークを繰返して開先溶接を行う消耗電極式アーク溶接の溶接トーチを開先幅方向にオシレートさせたときの溶接電流波形を検出する電流検出手段と、
（Ｂ）前記電流検出手段で検出された溶接電流波形から短絡期の溶接電流波形である短絡波形を除去する短絡波形除去手段と、
（Ｃ）短絡波形が除去された溶接電流波形の波形欠落部分を直線補間する補間手段と、
（Ｄ）前記直線補間された溶接電流波形を溶接トーチのオシレート周期に対応する複数区間に切出す切出し手段と、
（Ｅ）前記切出された溶接電流波形を最小二乗法又は最小二乗法と実質的に等価な方法で近似直線に置換する置換手段と、
（Ｆ）前記近似直線の傾斜方向と傾斜角度に対応させて開先中心位置を基準とする溶接トーチのオシレート幅方向の偏移方向と偏移量をそれぞれ演算するオシレート方向偏移演算手段と、
（Ｇ）溶接トーチのオシレート四分の一ないし四分の三周期に対応する前記近似直線上の定点の高さを設定電流値と比較して溶接トーチのトーチ軸線方向の偏移方向と偏移量を演算するトーチ軸線方向偏移演算手段とを有し、
（Ｈ）前記オシレート方向偏移演算手段とトーチ軸線方向偏移演算手段の演算結果に基づき、前記オシレート方向偏移とトーチ軸線方向偏移を解消する方向に前記溶接トーチのオシレート中心とトーチ高さを移動制御するようにしたことを特徴とする。この倣い制御装置に、前述の倣い判定装置と同様に、均し手段や折返し重合手段を適用することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の望ましい実施の形態を図を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る溶接線の倣い判定装置を含む倣い制御装置の概略を示すブロック図である。オシレート方向偏移演算手段１７とトーチ軸線方向偏移演算手段１９からロボットトーチ位置制御装置２０に至るフィードバックがない場合が単なる倣い判定装置となる。同図で１は溶接ロボット１ａを含む消耗電極式ガスシールドアーク溶接装置（以下、単にアーク溶接装置という）、２は溶接電源装置、３は開先溶接部を有する母材、４は溶接電極たる溶接ワイヤである。溶接ワイヤ４の供給側はコイル状に巻回され、このコイル状の供給側から送給ローラ６を介して所定の速度で繰出された溶接ワイヤ４の先端部が、溶接トーチ５のコンタクトチップ５ａによって保持された状態で母材３方向に送給されるようになっている。
【００２１】
また１０は溶接電流検出手段、１１は溶接電圧検出手段であって、これら検出手段１０，１１によって溶接電源装置１から母材３及び溶接ワイヤ４に供給される溶接電流及び溶接電圧がそれぞれ検出されるようになっている。１２は短絡波形除去手段、１３は補間手段、１４は切出し手段、１５は近似直線置換手段、１６はオシレート方向偏移表示手段、１７はオシレート方向偏移演算手段、１８はトーチ軸線方向偏移表示手段、１９はトーチ軸線方向偏移演算手段、２０はロボットトーチ位置制御装置、２２はオシレート方向検出手段である。以下各ブロックについてさらに説明する。
【００２２】
溶接電源装置２はインバータ方式で出力制御する高速制御型であって、溶接電流と溶接電圧の波形制御が可能なものである。電流検出手段１０は母材３に接続されて溶接電流を検出し、また電圧検出手段１１は溶接ワイヤ４と母材３に接続されて溶接電圧を検出する。図２はこれら検出手段によって検出された電圧電流波形の例を図示する。
【００２３】
短絡波形除去手段１２は、図２の電流波形から短絡期の波形であるＳ１とＳ２を除去するものである。具体的には電圧波形中にアーク期と短絡期を区別する基準電圧を閾値設定手段によって閾値として設定し、この閾値よりも低い電圧部分に対応する電流波形を基本的に短絡期として除去する。このように短絡期電流波形を除去する技術は、従来技術においても例えば特公平２−４３９６号の比較器のように、一部で提案されてはいた。但し、このように閾値を境とした区別の仕方では、短絡期の開始直前部分とアーク期開始直後部分では時間的には僅かではあるが溶接トーチの位置情報以外の大きな外乱要因が除去されずに残存している。そこで、本発明では図２に示すように閾値で区別された短絡期電流波形に加えて、この電流波形の前後に所定時間Ｔ１，Ｔ２だけ広げた波形部分も短絡波形として除去するようにした。詳しくは、溶接電圧波形の中の閾値に到達した到達点Ｂ１から所定時間Ｔ１だけ前の時点に対応する溶接電流波形の位置を短絡波形除去開始点Ｃ１として演算する第１演算手段２７を設け（図１参照）、また溶接電圧波形の中の閾値から脱出した脱出点Ｂ２から所定時間Ｔ２だけ後の時点に対応する溶接電流波形の位置を短絡波形除去終了点Ｃ２として演算する第２演算手段２８を設けた（図１参照）。これら第１演算手段２７と第２演算手段２８は、具体的には演算プログラム中の時間ステップとして表される。そして第１演算手段２７と第２演算手段２８の演算結果に基づいて、短絡波形除去開始点Ｃ１と短絡波形除去終了点Ｃ２との間の電流波形を波形消去手段で消去するのである。この波形消去手段は、演算プログラム中の波形メモリクリアステップで表される。
【００２４】
前時間Ｔ１と後時間Ｔ２は、例えば前時間Ｔ１を１ｍｓｅｃ、後時間Ｔ２を５ｍｓｅｃに設定する。ただし、この時間の最適値は溶接条件ないし閾値の大きさによって異なるものであり、具体的な条件を考慮して設定する。一般的にアーク開始直後の電流波形は短絡開始直前の波形より不安定であるため、通常は前時間Ｔ１よりも後時間Ｔ２の方を長めに設定するとよい。
【００２５】
補間手段１３は、前述の短絡波形除去によって生じた波形欠落部分を直線補間するもので、図２の短絡波形除去開始点Ｃ１と短絡波形除去終了点Ｃ２とを直線で結ぶものである（図３（Ａ）下側波形Ｘの直線部分参照）。この直線補間は、後工程でオシレート方向偏移やトーチ軸線方向偏移を演算する際の演算精度を向上させるための措置であって、従来の特公平２−４３９６号のように選択回路でアーク発生中の溶接電流信号のみを抽出する技術において完全に捨象されていた短絡期溶接電流を、ノイズなしの直線電流波形で代替させることにより、現実のアーク溶接の挙動を可及的にオシレート方向偏移やトーチ軸線方向偏移の演算に反映させようとするものである。そしてこの直線補間によって後工程の移動平均や近似直線置換が初めて有効となるのである。
【００２６】
切出し手段１４は、直線補間した電流波形を溶接トーチのオシレート周期に対応する複数区間にほぼ等分して切出すもので、図３（Ｂ）の波形Ｘを例えばオシレート１周期毎に区分して切出すものである。ここで「ほぼ等分」というのは、オシレート端点間の時間的インターバルが厳密な意味では必ずしも一定ではないことによる。この切出し手段１４は、具体的には溶接ロボットシステムに於けるオシレート端点を表すオシレート同期パルス出力により制御される。本実施形態では、図３（Ｂ）の波形Ｘを均し手段としての移動平均により同図波形Ｙに変換した後、この波形Ｙをオシレート１周期毎に区分している。なお、波形Ｘをオシレート１周期毎に区分した後、これを移動平均して区分された波形Ｙを得ることも可能である。切出しのスパンは、オシレート１周期毎とするのが次に述べる折返し重合手段との関係では好都合であるが、折返し重合手段を用いずに、オシレート半周期毎に切出すことも可能である。
【００２７】
切出しのタイミングは、オシレート方向検出手段２２からの切出しトリガー信号によって与えられる。この切出しトリガー信号は、基本的にはオシレート同期パルス信号をそのまま利用してよいが、オシレート同期パルス信号と実際の溶接トーチオシレート端点との間の遅れ時間がある程度大きい場合は、この遅延時間を予め検出しておき、この遅れ時間分だけオシレート同期パルス信号から遅延させて切出し手段による溶接電流波形の切出しタイミングを設定するのが望ましい。なお、実際の溶接トーチのオシレート端点は、例えば溶接トーチにレーザ変位センサなどを取付けて実測し、前記遅延時間はオシレート同期パルス信号と変位センサ出力による端点を同時計測し算出する。前記遅延時間は溶接ロボット毎に微妙に異なるので、溶接作業に先立ってロボット毎に遅延時間を検出しておく。
【００２８】
折返し重合手段は、図３（Ｃ）のように、移動平均法で滑らかにされたオシレート１周期分の波形を半周期（１８０度）に対応する位置で折返して重合させるものである。この折返し重合手段は、半周期位置を中心としてオシレート１周期分の波形を互いに重ね合わせることにより、次工程の近似直線置換で、オシレート１周期分の電流波形の特性を１本の直線の傾斜と高さで表現可能とするものである。なお、前述のように電流波形をオシレート半周期毎に切出した場合はこの折返し重合手段は不要であり、図３（Ｃ）の曲線Ｚの行き（右行き）と帰り（左行き）部分が各単独に次工程で近似直線置換されることになる。
【００２９】
近似直線置換手段１５は、切出された溶接電流波形を最小二乗法又は最小二乗法と実質的に等価な方法で近似直線に置換するもので、この近似直線置換によりオシレート方向偏移とトーチ軸線方向偏移に関する情報をほぼリアルタイムに抽出可能となる。
【００３０】
すなわち、従来のように溶接電流波形の積分値を平均化する方法では、平均化のためにある程度の長さのサンプリング時間を要するから、アーク溶接の挙動に関する情報をリアルタイムで抽出することが殆ど不可能であった。また、積分値平均化法ではその平均値の中にオシレート方向偏移情報とトーチ軸線方向偏移情報の２つの情報が渾然一体に含まれるため、両方の偏移情報を峻別してそれに基づいて両偏移の表示ないし偏移修正制御を行なうことが不可能であった。
【００３１】
これに対して本発明は、オシレート１周期分の電流波形を１本の近似直線の傾斜と高さで表現し、近似直線の傾斜角度と傾斜方向からオシレート方向偏移情報を導き、近似直線の高さからトーチ軸線方向偏移情報を導くことができるのである。なお、本実施形態では移動平均処理にて滑らかにされた電流波形から近似直線を導き出しているが、移動平均処理をしない生の電流波形から直接的に近似直線を導き出しても倣い判定精度及び制御精度が低下することはない。
【００３２】
オシレート方向偏移表示手段１６とトーチ軸線方向偏移表示手段１８は、典型的には図４〜図９の各左側に示すような画像を表示するＣＲＴ画面ないし液晶画面であるが、オシレート方向偏移量とトーチ軸線方向偏移量又はそれらの時間的推移をアナログ又はデジタル的に表示する表示手段であってもよい。この画像は、オシレート方向偏移演算手段１７とトーチ軸線方向偏移演算手段１９の演算結果に基づき表示される。両演算手段１７，１９の演算内容は、図４〜図９の各右側に示す波形を使用して説明すると以下のようになる。なお、各図右側の波形はオシレート１周期分の溶接電流波形を半周期で折返し重合させたもので、垂直線がオシレート四分の一ないし四分の三周期に相当する。また図４〜図６の太い水平直線Ｌと図７〜図９の太い傾斜直線Ｌは、いずれも同図の波形の最小二乗法による近似直線Ｌを表す。但し、波形自体は図３（Ｃ）の波形と異なり現実の電流波形ではなく、溶接トーチ５と母材３間の垂直距離の長短で電流値が減増する現象を考慮して便宜的に創作した波形である。
【００３３】
まず、図４の波形はオシレート方向偏移とトーチ軸線方向偏移が両方ともゼロの正常溶接状態を示すものとする。このとき近似直線Ｌの傾斜はゼロ（水平）であり、かつ、近似直線Ｌの中央高さは基準高さ（設定電流値）に一致している。図４の正常溶接状態からやや下方にトーチ軸線方向偏移が生じた状態が図５に示される。この時、溶接トーチ５と母材３間の垂直距離の減少と反比例して溶接電流が増大するから、近似直線Ｌは傾斜ゼロのまま上方に移動する。従って、基準高さＫからの近似直線Ｌのオシレート四分の一ないし四分の三周期に対応する位置に於ける高さＨ（演算電流値）でトーチ軸線方向偏移量δｖ＝−αＨを表す
ことができる（αは比例定数で実験データにより設定）。
【００３４】
図４の正常溶接状態からやや上方にトーチ軸線方向偏移が生じた状態が図６に示される。この時、溶接トーチ５と母材３間の垂直距離の増大と反比例して溶接電流が減少するから、近似直線Ｌは傾斜ゼロのまま下方に移動し、同様に基準高さＫからの近似直線Ｌのオシレート四分の一ないし四分の三周期に対応する高さ（−Ｈ）でトーチ軸線方向偏移量δｖ＝αＨを表すことができる。
【００３５】
図７は開先中心からやや左方にオシレート方向偏移が生じた状態を示しているこの時、オシレート中心から左側で溶接トーチ５と母材３間の垂直距離が減少するから、波形Ｚが左側で電流大の左右非対称となって近似直線が左上がり傾斜する。図８は開先中心からやや右方にオシレート方向偏移が生じた状態を示している。この時、オシレート中心から右側で溶接トーチ５と母材３間の垂直距離が減少するから、波形Ｚが右側で電流大の左右非対称となって近似直線が右上がり傾斜する。図９は開先中心から大きく右方にオシレート方向偏移が生じた状態を示している。この時、オシレート中心から右側で溶接トーチ５と母材３間の垂直距離が大きく減少するから、波形Ｚが右側で電流大の左右非対称となって近似直線が大きく右上がり傾斜する。このように、オシレート方向偏移の方向及び量が近似直線の傾斜方向と傾斜角度に反映されるから、オシレート方向偏移量δｈ＝
βＲと表すことができる（βは比例定数で実験データにより設定、Ｒは傾斜角度）。そして右下がりの傾斜角度をマイナス、右上がりをプラスとし、比例定数βを正に設定すれば、マイナスが左寄り偏移、プラスが右寄り偏移となる。オシレート方向偏移演算手段１７とトーチ軸線方向偏移演算手段１９は、以上のように近似直線の傾斜角度とオシレート四分の一ないし四分の三周期に対応する高さに基づいてオシレート方向偏移量δｈとトーチ軸線方向偏移量δｖを演算する
のである。
【００３６】
オシレート方向検出手段２２は、ロボットトーチ位置制御装置２０からのオシレート方向指令用同期パルス信号を原則としてそのまま利用する。しかし、実際は上記同期パルス信号と溶接ロボットの動作との間に微妙な応答遅れ特性があるため、この応答遅れ特性を切出し手段１４の切出しタイミングに反映させるために、溶接トーチ５の先端に暫定的に変位センサを取付け、オシレート方向指令用同期パルス信号の立上がり時からこの変位センサが実際にオシレート端点を検出するまでの遅れ時間を測定し、この遅れ時間分だけオシレート方向指令用同期パルス信号から遅延させた別のパルス信号を切出し手段１４用の切出しトリガー信号とする。
切出しトリガー信号は、前述の切出し手段１４がオシレート周期に対応する溶接電流波形を切出す際のタイミングを与えるもので、オシレート方向検出手段２２の同期パルス信号を基準としてｎ回目の同期パルス信号（ＯＮ）を検出した時に切出しを開始し、ｎ＋１回目の同期パルス信号（ＯＮ）を検出した時に１周期分の切出しを完了し、同時に次の１周期分の切出しサイクルを開始する。なお、同期パルス信号がＯＮになった時に溶接トーチ５が一端から他端へオシレートのストロークを開始し、 同期パルス信号がＯＦＦになった時に溶接トーチ５が他端から一端へと反対方向にオシレートのストロークを開始するようになっている。
【００３７】
次に倣い制御装置の作動について説明する。最初にオシレート周波数、オシレート振幅幅及び溶接トーチ高さ位置など溶接の基本的条件が溶接ロボット１ａのロボットトーチ位置制御装置２０に入力される。溶接ロボット１ａはスタート信号を受けて溶接動作を開始し、溶接トーチ５を母材３の開先溶接線に沿って設けられた複数箇所の既定教示ポイントを狙いながらアーク溶接を行なう。
【００３８】
ロボットトーチ位置制御装置２０は、溶接トーチ５のオシレート中心を溶接線に倣わせるように溶接ロボット１ａのトーチ位置を制御する。すなわち、適正溶接電流にて溶接線が正しく倣われている間は、図４のように適正高さで水平な近似直線を表示する。しかし、溶接トーチ５が例えばトーチ軸線方向にずれたとき、図５及び図６に示すように近似直線のオシレート四分の一ないし四分の三周期に対応する位置が上下に偏移し、この偏移量を解消して近似直線を元の高さに戻すように、トーチ軸線方向偏移演算手段１９からの信号がロボットトーチ位置制御装置２０に入力される。すなわち、ロボットトーチ位置制御装置２０では、オシレート四分の一周期ないし四分の三周期に対応する位置での近似直線の電流値（図４〜図９の近似直線Ｌの中央位置高さ）が当初設定の電流値よりも高いときはその差を小さくするように溶接トーチが上昇制御され、この反対に電流値が当初設定の電流値よりも低いときは溶接トーチが下降制御されるのである。
【００３９】
また、オシレート中心が溶接線から左右方向にずれたとき、図７〜図９に示すように近似直線が左上がり又は右上がりに傾斜し、この傾斜を解消して近似直線を元の水平状態に戻すように、オシレート方向偏移演算手段１７からの信号がロボットトーチ位置制御装置２０に入力される。
【００４０】
実際の制御はトーチ軸線方向制御とオシレート方向制御を組合わせたものとなり溶接ロボット１ａにより溶接トーチ５が上下左右に移動されて、溶接ワイヤ４のオシレート中心が溶接線に沿うように、また溶接電流が所定値となるように制御される。このように、オシレート方向偏移演算手段１７及びトーチ軸線方向偏移演算手段１９で演算された偏移量データに基づいて、当該偏移をゼロにすべくロボットトーチ位置制御装置２０に対して補正指令が出され、これによって溶接トーチ５の位置（オシレート中心位置と溶接トーチ高さ）が補正される。
【００４１】
なお、オシレート方向偏移演算手段１７及びトーチ軸方向偏移演算手段１９の演算値に基づきロボットトーチ位置制御装置２０に修正指令を出力し、その出力値と修正後の演算手段１７．１９の演算値を保存蓄積し、両者の相関関係を人工知能学習させることで、以後、最適な修正指令値を瞬時に出力するような使用法も可能である。
【００４２】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態以外にも種々の変形が可能であり、例えば前記実施形態では溶接電流を滑らかな波形に変換するために移動平均法を用いたが、この移動平均法以外の方法又は移動平均法と実質的に同じ方法で滑らかな波形に変換する方法を採用してもよい。また前記実施形態では最小二乗法により近似直線を求めたが、最小二乗法と実質的に同じ方法により同様の近似直線を求めてもよい。また本発明の倣い判定装置は、オシレート方向偏移表示手段とトーチ軸線方向偏移表示手段を共に有する実施形態の他、トーチ軸線方向偏移表示手段を省略した実施形態も可能である。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の倣い判定装置及び倣い制御装置は、溶接トーチのオシレート１周期毎のオシレート方向偏移量とトーチ軸線方向偏移量を近似直線の傾斜角度と高さによって実質的にリアルタイムで把握することが可能であり、従来のような溶接電流波形の積分値の平均化による倣い判定ないし倣い制御に比べると、アークセンシング制御の時間的遅れが非常に少ないため、倣い判定精度ないし溶接トーチの倣い制御精度をオシレート周波数に比例して格段に向上させることができる。従って、倣い判定装置にあっては倣いずれの程度をリアルタイムで正確に監視することができ、倣いずれによる溶接品質不良品の流出を確実に阻止することができるし、倣い制御装置にあっては倣いずれの瞬時修正により溶接品質不良品の発生自体を防止できる。
【００４４】
また、アーク期のみの安定した溶接電流とオシレート位置を同時に検出し、かつ、第１演算手段と第２演算手段によって、短絡期の開始直前部分とアーク期開始直後部分を含む外乱情報を含んだ溶接電流を除き、さらにアーク切れ等の溶接不安定時の溶接電流も除くことにより、電流検出中に発生する溶接トーチ位置情報以外の外乱情報を可及的に除去することができる。これにより、溶接条件に依存することなく溶接線からのアークの位置ずれを精度よく検出することができて、溶接品質の向上及び溶接後の手直し工数の低減を実現できる。
【００４５】
また、アークセンシング制御により溶接トーチの狙い角度が変動した場合でも高精度な溶接線倣い制御が可能であり、その分ロボットへの教示作業工数の低減を図ることができ、また多少の部品精度のばらつきや冶具とのばらつきが発生しても溶接トーチの制御にはまったく影響がないため、部品精度管理水準引下げによる歩留まり向上、保持冶具の簡素化によるコスト低減を図ることができる。
【００４６】
さらに、アークセンシング制御により溶接部から直接的に位置ずれを検出するため、従来周知の開先倣い装置が不要となり、溶接トーチに各種センサなど溶接上邪魔になる物が付加されないので、ワーク姿勢の自由度向上、スパッタ、ヒューム、アーク熱等の悪環境下での信頼性に優れ、検出精度低下及び耐久性低下が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施形態に係る溶接線の倣い制御装置の概略を示すブロック図。
【図２】  溶接トーチの溶接電圧・電流波形図
【図３】  （Ａ）は溶接電流波形を直線補間した溶接電圧・電流波形図、  （Ｂ）は直線補間した溶接電流波形とその移動平均曲線を示す図、（Ｃ）はオシレート１周期の移動平均曲線を半周期で折返して重合した図。
【図４】  倣いずれがない時の倣い表示装置のモデル画面図。
【図５】  トーチ軸線方向下偏移時の倣い表示装置のモデル画面図。
【図６】  トーチ軸線方向上偏移時の倣い表示装置のモデル画面図。
【図７】  オシレート方向左小偏移時の倣い表示装置のモデル画面図。
【図８】  オシレート方向右小偏移時の倣い表示装置のモデル画面図。
【図９】  オシレート方向右大偏移時の倣い表示装置のモデル画面図。
【符号の説明】
１  消耗電極式ガスシールドアーク溶接装置
１ａ  溶接ロボット
２  溶接電源装置
３  母材
４  溶接ワイヤ
５  溶接トーチ
１０  溶接電流検出手段
１１  溶接電圧検出手段
１２  短絡波形除去手段
１３  補間手段
１４  切出し手段
１５  近似直線置換手段
１６  オシレート方向偏移表示手段
１７  オシレート方向偏移演算手段
１８  トーチ軸線方向偏移表示手段
１９  トーチ軸線方向偏移演算手段
２０  ロボットトーチ位置制御装置
２２  オシレート方向検出手段
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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