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このことから，溶接士の動きを機械に置き換えたのが機概械化溶接，それに溶接のプロセスを連続的に継続させるた

要めの制御機能を付加した物が自動溶接であると言える．ま
生産現場の生産性を上げて製品のコスト競争力を強化た，ロボット溶接は，自動溶接を発展させたものであり，すること，管理項目が多種に及ぶ溶接作業の品質を均一化「３軸以上の動作自由度を有し，その動作と溶接条件に関すること，および熟練溶接士が高齢化しつつ不足する中でする教示（ティーチングまたはプログラミング），記憶，再溶接作業の生産性を確保するためには，自動化・ロボット生（プレイバック）の機能を有する自動溶接装置」とする

溶接は不可欠な技術となっている．のが一般的である．

従って，溶接作業の自動化・ロボット化は，製造業が国際競争に打ち勝って生き残って行くには不可欠な技術とそこで，本講座では，自動溶接・溶接ロボットの基本的な構成と最近の動向と適用事例について取りまとめた．

なっている．
自動溶接という用語の定義として JISZ3001 に「操作者自動溶接・ロボット溶接の流れが常時操作しなくても連続的に溶接が進行する装置を用いて行う溶接の総称」と記載されている．また，類似な言

表１にわが国における溶接自動化技術の変遷を示す 1)．

葉としての機械化溶接は「部品供給，ワイヤ供給，クラン

1960 年代のサブマージアーク溶接やエレクトロスラグ溶プ，送り，回転，反転，排出などの操作を機械化，動力化接のような高能率な溶接法の導入に始まり，より自動化にした溶接」と定義している．溶接施工法での取り扱いとし適した MIG/MAG 溶接や狭開先の適用への転換と言う溶て ASME 規格 Boiler & Pressure Vessel Code Sec. IX で接プロセスへの移行があった．少し遅れて，自動化のため

は，Automatic，Machine，Semi-Auto，Manual との区分のセンサとロボットの採用があり，現在では複数のロボッを溶接施工法に記載するように規定されている．一方，トや専用機を生産ラインの中に組み込んだシステム溶接

JISZ3001 でのロボット溶接の定義は「産業用ロボットをまで発展している．

用いて行う自動溶接の一種．ロボットアーク溶接，ロボッ

わが国の最新の溶接材料の使用状況を調査した結果かトスポット溶接などがある」と定義されている．更に

ら推定した MAG/MIG 溶接における自動化率・ロボット

JISB0134 では，産業用ロボットとは「自動制御によるマニ化率の状況を図１に示す 2)．形状がほぼ特定できるパイプ

ピュレーション機能又は移動機能を持ち，各種の作業をプ

ラインや鉄鋼では専用機による自動化が 100％に近いが，ログラムによって実行でき，産業に使用される機械」と定形状が多種に及ぶ機械では自動化率が約 20％と低い．ま義されている．

た，大量生産形態を取っている輸送機では自動化率とロボット化率がほぼイコールとなっているが，少量受注品かつ製品が大型となる化学機械ではロボット適用が進んでいない．製品の生産形態や品種の数によって，自動化率とロボット化率に差が見られる．

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表１

図１

わが国における溶接自動化技術の変遷

MAG・MIG 溶接における自動化率，ロボット化率

図３可搬式自動溶接装置

やマグ用の溶接トーチを搭載している．容器の長手溶接の場合はマニプレータのブームが移動することで，周溶接の場合はターニングローラで容器を回転させながら，施工裕度が広い下向き姿勢での施工となる．また，より複雑なワ
図２

マニプレータ式自動溶接装置

ークを回転速度の精度を確保しつつ下向き姿勢で施工するために，ポジショナーを用いる場合も多い．
また，溶接ワークが大きく自動溶接装置周辺に移動できない場合には，可動式溶接装置を溶接線近傍に設置して施自動溶接装置の種類と概要工する場合がある．溶接方法（MIG，サブマジアーク溶接），継手形状（突合せ溶接，すみ肉溶接）や積層数（単層，多自動溶接装置および溶接ロボットをハード的な構成から大きく３つの範疇に区分して概要を紹介する．

層），溶接姿勢，製品形状によってさまざまな装置が市販されている．図３に可動式自動溶接装置の例を示す．軌道上(1) 汎用自動溶接装置

を走行し，かつ多層盛り対応のため走行・上下・左右（ウ

図２に代表的な汎用自動溶接装置をマニプレータで構ィービング兼用）の３軸が NC＋プログラム制御できるも成した例を示す ．２軸可動なマニプレータの先端に，溶接の 4)，箱型内部のすみ肉溶接に特化したマグネット車輪で士のよる狙い位置の微調整を可能にするための上下・左

床面と壁面に貼り付いて軌道無しで走行するもの 3)，溶接

右可動軸やウィービング装置を介してサブマージアーク

士が寄り付きできない狭隘場所にアクセス可能なコンパ

3)

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図４

配管用全姿勢自動溶接装置

図５

図６

溶接ロボットの構成例

タッチセンシング手順の例

図７

突き出し長さの制御

チセンシングを用いる 8)．これは溶接ワイヤと溶接ワーク

クトなもの 5) がある．
図４に配管に特化した汎用自動溶接装置を示す ．配管間に高電圧を印加し，ティーチングデータに従い溶接ワイに抱かせたガイドレール上を溶接ヘッドが走行して，あるヤを溶接ワーク表面にゆっくり近づけて行き，両者間の電いは馬蹄形ギアの回転により溶接ヘッドが走行して，周溶圧が一定値以下になった点を溶接ワーク表面位置とし，複接の施工を実施する．初層の裏波溶接からの施工となるた数のセンシング検出点から溶接開始点や終了点，開先中め TIG 溶接が主体であり，全姿勢における姿勢の変化に央，開先ルート幅を割り出す方法である．この場合，ワイ伴って溶接条件をプログラム制御する溶接条件制御機能ヤがセンサとなるため，突き出し長さや曲がりに留意するを有する物が多い．

必要があり，ワイヤカットにより突き出し長さを揃えるこ(2) 溶接ロボットともある．また，溶接ワイヤではなく剛性と精度を有する

溶接ロボットはティーチングプレイバック＋多関節型触針を用いることもある．

6)をとる場合が多い．空間位置と方向の６つの自由度を確保

タッチセンシングでは溶接線の代表点は検知できるが，するために，６軸の多関節で構成されることが普通であ

溶接線全点を検知するには時間がかかりすぎることから，る．

長い溶接線の位置ずれに関しては，次項で述べるアークセ

図５に溶接ロボットの構成例を示す ．溶接トーチを搭

ンサを用いで開先左右位置の倣いを行うことが多い．ま載した本体，ワイヤ供給系を含む溶接電源，ペンダントをた，開先線の位置ずれは左右方向だけでなく溶接トーチの含む制御装置が主な構成品であるが，無人連続運転を前提上下方向にも生じるため，あるいは熱ひずみによる溶接ワにしているため，トーチクリーナーやトーチチェンジャーークの溶接中に変形に対応するため，図７に示すようなワなどの付属装置を配置する場合が多い．また，施工裕度がイヤ突き出し長さの一定化の制御にも実用化されつつあ

広く溶接ビード形状が良好な下向き姿勢を優先して選択

る 9)．

7)

するために，ポジショナーを外部軸として用いる場合も多溶接ロボットには連続稼動が求められるが，アークスタい．多関節ロボットの稼動範囲は有限のため，多関節ロボートの失敗によるチョコ停の発生が連続稼動の阻害となットを別な移動軸に搭載して大型構造物への適用を図っる．そこで，アークスタートミスの防止のため，図８に示ている．

すようなリフトアップによるアークスタート方式が採用

ティーチングプレイバックデータでロボット溶接するされ始めている 9)．これは，ワイヤが溶接ワークに接触した

際，溶接ワークの設置誤差や組み立て誤差をキャンセルすことを検知し，溶接ロボットが溶接トーチをワイヤ送給よる手法として，図６に示すような溶接ワイヤを用いたタッり早く引き上げることでワイヤと溶接ワーク間に空隙を50

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作り，大粒のスパッタを発生させることなく確実なアークスタートを実現する方法である．

また，最新のデジタル制御技術の向上に伴い，溶接ロボ
ットの制御も大きく進歩している．図 11 に最新のロボッ

溶接トーチにワイヤ，電力，シールドガスを供給するケト制御のハードウェア構成を示す 9)．ロボット制御内のーブル・ホース類は，従来はロボット本体の外側に別経路CPU を搭載した溶接制御カードが，ロボット軸制御，ワイで這わせられていた．このため，ロボットの手首軸を大きヤ供給制御，溶接電源制御を一括で統括管理しており，フくひねるとケーブル・ホース類が損傷したり，溶接ワイヤルデジタル溶接電源とのデータ転送速度も従来に比べてに曲がり癖が発生して溶接の安定性を損なうなどの問題250 倍に高速化されている．この高速なデータのやり取りがあった．そこで，図９に示すようなケーブル・ホース類を活用し，低スパッタ溶接や前述のリストアップアークスをロボットの内部に配置し，物理的な制約を回避する溶接タート方法を実現している．また，従来のマルチ溶接ロボロボットが普及しつつある ．

ットシステムでは，数台の溶接ロボットの上位に別途制御

9)

多関節形溶接ロボットには稼動範囲に制限があり，６つ装置が必要であった．しかし，溶接ロボットの制御能力のの自由度を確保できる範囲はそう広くなく，溶接ロボット向上に伴い，上位の制御装置を必要とせず，任意の溶接ロに対して溶接ワークをどの位置に配置するかが苦慮する

ボットをマスター指定することで他の複数台の溶接ロボポイントとなる．それを解消するため，自由度を１つ上げットが制御可能となっている．

た７軸溶接ロボットが実用化されている．これにより，溶接ロボットの足元に溶接ワークを配置できることになり，(3)設置スペースの削減とマルチロボット対応が容易にでき専用自動溶接装置の厳密な定義は無いが，溶接ワークの専用自動溶接装置るメリットがある．
また，溶接ロボットは MAG・CO2 溶接の適用が多く，TIG 溶接の適用は限定されていた．これは，タングステン電極とは別に溶接ワイヤの送給が必要であり，溶接施工性と溶接ワークとの干渉回避から溶接進行に対して前方から送給するのが望ましく，MAG・CO2 溶接に比べてロボットの自由度が劣ることが大きな阻害原因となっていた．
そこで，図 10 に示すようなワイヤ挿入位置を手首軸の中軸に配置したコンパクトな TIG 溶接トーチを搭載した溶接ロボットが実用化されている 10)．

図９

図８

アークスタート方式の改善

図 11ケーブルの埋め込み化

図 10 TIG 溶接への適用性向上

溶接ロボットハードウェア構成
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図 12

LNG ボンベ円周自動溶接装置

図 13

図 14

鉄骨柱大組立２アーク溶接ロボット

センサ使用の目的と種類

形状や生産ラインへ組み込んだ時のタクトタイムを最適化した，溶接ワークの搬入・搬出機構と，必要に応じた複数台数の自動溶接装置もしくは溶接ロボットを組み合わせた溶接装置と定義できる．種類は千差万別であるが，数例をここでは紹介する．
図 12 に LPG ボンベ製作向けの専用自動溶接装置を示す．この装置では，ボンベの構成部品である胴と上下鏡の供給・合わせ・溶接（２溶接トーチ同時施工）
・搬出の全

図 15

アークセンサの原理ての作業が自動的に施工される 3)．
図 13 に建築鉄骨向けの溶接ロボット装置を示す 11)．阪
神大震災のビル損傷の対策として溶接入熱とパス間温度リングが含まれている．また合わせてセンサの種類のアンの管理が求められており，両者の管理が容易な溶接ロボッケート結果を示す．プローブや電極接触によるタッチセント装置の導入が活発に実施されている．この例では，角柱サがもっとも多く，次にアークセンサ，光センサが続いてのルーとギャップやコーナー半径のばらつきを溶接条件いる．

で調整しつつ多層盛り溶接を２台の溶接ロボットで同時施工する装置である．

タッチセンシングについてはすでに述べたので，アークセンサの原理を図 15 に示す 12)．ウィービングに伴う溶接ワイヤの突き出し長に相関する溶接電流の変化から開先自動化・ロボット化のための要素技術中心を検出する方法である．ウィービングの位置信号と溶接電流値を読み取るだけで新たなセンサを必要としない

自動化・ロボット化を進めて行くためにはハード的な簡便な方法のため，ウィービングにより突き出し長さが大アプローチだけでは限界があり，非溶接対象物に対する溶きく変化するすみ肉１パス溶接時に多く用いられている．

接トーチ位置の制御や，溶接条件の制御を含めたソフト的

一方，より多くの情報を得る方法としては，図 16 に示すな技術も不可欠である．

光センサがある 12)．スポット光源の輝度や距離を認識する

そこで，溶接状況の情報を得るセンサと，採取した情報を点の検知から，レーザスリットの形状を認識するエリアセ制御に用いる制御方法について述べる．

ンサや溶接周辺の画像をそのまま取り扱うエリアセンサ(1)

センサまで幅広い種類がある．

図 14 にセンサの使用目的のアンケート調査を示す ．開図 17 にレーザラインを用いた開先位置と形状のセンシ

先倣い，部材の検出と障害物の検出と形状や位置の検知がングシステムの例を示す 13)．溶接前の開先形状の判定，溶大部分を占め，一部に溶接条件の制御と溶接条件のモニタ

接中にリアルタイムで開先の形状と位置を認識して，溶接2)52

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図 18
図 16

図 17

ファジイ制御の原理

光センサの原理

開先検出センサの例

条件制御や開先倣い制御に用いられている．

図 19

ニューラルネットワーク制御の原理

すますオフラインティーチングを有効活用する環境が整

また，レーザラインを用いずにカメラで取り込んだ画像えられつつある．溶接ワークが複雑な形状の場合，実際のを処理することで，開先形状や位置の自動認識エリアセン

ティーチング作業では溶接ワークと溶接ロボットの干渉サも汎用センサとして市販されている．

をいかに回避しつつ，最適な溶接トーチ角度を確保するか(2)制御が苦心するところである．このセンスを必要とする作業

センサで検知した情報を元に溶接条件制御を実施するも，オフラインティーチングシステム中に干渉回避プログことになる．制御方式には検出した外乱を元に制御量を調ラムを組み込むことで，自動的に干渉を回避した教示でき整するフィードフォワード系と，制御量を検出して目標値つつある．になるように制御量を調整するフィードバック制御系がある．インプロセスで適用制御するためには，後者が必要となる．
単純な溶接線の倣い制御であれば，制御理論に基づいてフィードバック制御が可能であるが，溶け込み深さや溶融池幅を制御しようとした場合，溶接電流，溶接速度，溶接電圧等操作対象が多数表われ，定量的なロジックを作成するのが困難である．それを解決するため，図 18 に示すようなファジー理論や図 19 に示すようなニューラルネットワークモデルを用いる 14，15)．
(3)

コンピュータシミュレーション

溶接ロボットを多品種小ロット生産に適用する場合には，小品種量産品へ適用する際には大きく問題とならなかったティーチング作業時間が阻害要因となってくる．その打ち手として，オフラインティーチングシステムが有効となってくる．パソコン能力の向上に伴い，3D-CAD データもパソコンで取り扱いが可能となっており，パソコン上で溶接ロボットへの教示データを作成することができる．現在，設計が 2D-CAD から 3D-CAD へ移行しつつあり，ま

参考文献
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8) 溶接・接合便覧第２版，丸善，1112.
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14) 溶接・接合便覧第２版，丸善，1125.
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