！l辮禦ユー翻羅蹴ネットワーク対応溶接システム（株汐イヘン溶接機事業部技術部

0緒言
近年、I松浦卓治・上山智之T（情報技術）は、広く社会に浸透しつつあり、溶接技術についてもその成果を取り入れることは、必然の流れと言える。
溶接技術において、「高品質」「生産効率」「品質管理」等の二一ズは自動化、ロボット化によって推進されてきた。この中で溶接電源には高性能化・高機能化が求められ、その要求に対応するためにインバータ制御式溶接電源が開発された。さらに最近では、高速なマイクロブロセッサを制御回路に搭載することによって複雑なアーク現象をより精密に制御することができる、デジタル制御式溶接電源も開発され一段と溶接性能の向上が図られてきた。デジタル制御式溶接電源は、データや制御がソフト化されているので、パソコンとの親和性も高く、パソコンと接続することで新しい溶接技術が開発されている。
また、溶接工程では溶接電源の他に柔）ロボット、センサ、搬送装置など、数多くの機器により構成されているので溶接電源単体の高性能化・高機能化のみでは解決しない問題も多い。このような問題の解決には、溶接工程全体を考えたシステムの構築が必要であり、またそのためには溶接電源のデジタル制御化を行いネットワークに対応させることが必要である，、本稿ではIT時代における溶接電源システムとして、デジタル制御式溶接電源、パソコン対応溶接システム、ネットワーク対応溶接システムについて、適用事例と合わせて述べる、、

1

デジタル制御式溶接電源

パルスミグ溶接電源の制御回路の構成
をFig．1に示す。制御回路は主にそのアークプロセス制御機能により3つに分類できる，まず、溶制接電源の起動、停止やワイヤ送給開始、御停止などのシーケンス制御を行う部分

デジタル制御インバータ制御

アナログ制御溶接波形制御デジタル制御による奉『回シーケンス回路路があり、従来電源からすでにデジタ／レバラメータのソフトアーク畏制御制御化されている。次に、インバータウェア化

Fig．1制御回路のデジタルσ）PWM制御部である、この部分をデジタル制御化するには処理速度が非常に速いマイクロプロセッサを使用する必要がある。しかし、PWM制御部は安価な専用ICを使ったアナログ回路でも溶接性能を十分に保証できる。またF

Aネットワークを使用する時も、この部分がデジタル制御である必要はないために、現時点で無理にデジタル制御化するメリットはない，，

それに対して3つ目の溶接波形制御部とアーク長制御部は、デジタル制御化することで、溶接性能の大幅な向上や脱技能化のための新しい機能の付加が簡単にできるようになり、
77

雛3髄醗蕪
そのメリットは大きい。また、この部分がデジタル制御になり、設定パラメータや監視パラメータがソフトウェア化されていると、通信インターフェイスと接続することにより、パソコン、FAネットワークからの溶接波形制御パラメータの設定や、溶接状態の監視を行なうことができる。

2

パソコン制御式溶接電源
溶接波形制御やアーク長制御は、lO

OμS単位で高速に電流・電圧をフィードバックしながらマイクロプロセッサが演算し制御を行っている。

バソコンと溶接電源を組み合わせる場合、（1）パソコンが溶接波形制御とアーク長制御を行い溶接電源には電源の役割しか持たさない方法、（2）溶接電源が溶接波形制御とアーク長制御を行いパソコンは制御パラメータ通信のみを行う方法、が考えられる。溶接技術研究開発、実溶接施工と目的によって適する方法が異なる。
2・1

パソコン波形制御＋溶接電源

パソコン

Fig．2にパソコンが溶接波形制御

デジタル信号とアーク長制御を行う方法について

溶接電源
AD変換ボード

しエ構成を示す。溶接電源からは、電流・電圧のアナログ値を出力させ、パソ

屠ぴグ
DA変換

ボード

コンにAD変換ボードを通じて取り

⇔

パラメータ

⇒インバータ回路

十PWM回路込み、パソコン内部で制御の演算を行い、DA変換ボードを通じてアナFig．2

パソコン波形制御＋溶接電源

ログ信号を溶接電源に出力する。溶

接電源はパソコンかCPUさせ、溶接を行うので、デジタル制御電源を使用する必要はない。

パノコンのCPU

パラメータ

ジタル
信

⇒

…沁

Fig．3

アナログ電流・AD変換

電圧検出回路

CPU

インバータ

麗回路

DA変換

十一てインバータを駆動⇔

通信インターフエイス

デジタル信号

通信インタ1フエイス

PWM回路に出力し＜一﹇らのアナログ信号を溶接電源

パソコン

PWM回路

パソコン＋デジタル制御溶接電源

は一般的に溶接電源のマイクロプロセッサより性能が格段に上であり、またメモリ容量やハードウェアの拡張性においても優れている。そのため研究・開発用として使用する場合、非常に自由度の高いシステム構築が可能となる。しかし、パソコンからの波形制御では、AD・DA変換ボードが必要となることや、パソコンと溶接電源間に制御信号が通るためにノイズに弱くなるといった制約がある。このことから研究開発用途として用いられることが多い。

フ8

1裏縦コ羅ユー聯灘蘇2．2

パソコン＋デジタル制御溶接電源

Fig．3に溶接電源が溶接波形制御とア000

F八コンビユータロ

ーク長制御を行い、パソコンはパラメー0□ ホストコンビニータ

タの通信のみを行う方法について構成を示す。通信インターフェイスを溶接電源

中継器

中継囎

A社PしC

B仕PLC

ヨに内臓し、パノコンから送受信できるよ

ローカrレネットワーク

1／Q

獅ll

うになっている。この方法の場合、溶接oo波形制御やアーク長制御などを変更する

搬送装置
養ノ〆

憾モータ

溶接電源を使用する，腰がある．

⇒幽幽ぎ幽鎧一

パソコンと溶接電源間の通信方法として、R

s−232cなどのシリアル通信

Fig．4

現状のFAネットワーク環境を使用する方法とデバイスネットなどのFAネットワークを使用する方法がある。
F

Aネットワークを使用した場合、1台のパソコンで複数の溶接電源のパラメータ設定、溶接状態監視が可能になる。

3

FAネットワーク3．1

溶接工程でのFAネットワーク…ンー□

溶接工程での現状のFAネットワー

課．＿臣、タ、卿

ク環境をFig．4に示す。溶接工程では生産口情報、生産プログラム等が上位レベルのA社PLCネットワークから指示されて稼動している。溶接工程は、溶接電源、ロボットの抑1嚇翻廟礁器により構成されているが、それらの機

コントロ・一ラo0、』器への接続方法、通信方法はメーカ専用
溶接電源のネットワークで接続しなければならな

搬迭装置

溶凄蹴酌

源

パソコン

賜＝7小

獣占一、ラ

他にも、センサ、搬送装置など多くの機品質監視、・灘残LS

センサいことが多い。そのために現状では、異ロボットメーカ間の接続や異機種の接続を行うときは、PLCなどの中継器を介して機器⇒しを接続するか、アナログ信号やビットのオン／オフ信号で接続しなければならな理が行なえないために、溶接工程全体に79

モータ翻 一 幽 講
賦

Fig．5

い，このような環境ではデータの一元管光電管

繍

理想的なF

叢議

Aネットワーク環境磁鋤訟罷関係する問題を解決するのは困難である。

溶接工程での理想的なネットワーク環境をFig．5に示す。F

AネットワークがPL

Cメーカ間の専用ネットワークから、異メーカ間接続や異機種接続というオープン性を持たせたネットワークになれば一本のケーブルに中継器なしで接続することができる。また通信ケーブルをインフラとして整備することで、機器の移動時にケーブルの変更が不要になる。

溶接工程を構成する機器がすべてFAネットワークに接続できるようになると、お互いのデータ通信や情報の一元化が可能になるので溶接工程全体を考えなければならない問題解決にも対応できる。

現在各種団体が普及をめざして、オーブンなFAネットワークを提唱している。新開発のFAネットワーク対応溶接電源は、この中で特に米国で普及が進み、国内においてもその適用範囲が広がりつつあるデバイスネットを使用している。
3．2

デバイスネットとその概要

デバイスネットは下位レベルのFAオープンネットワークの一つで、機器のインテリジェント化を促進することにより、自動化システムの生産性を向上させるためのネットワー
クである。デバイスネットは以下に示す特長を持っている。
（1）

マルチベンダ対応

デバイスネットはオーブンで世界統一規格のネットワークであり、マルチベンダによる相互接続でユーザの必要に応じた最適なシステム構築ができる。
（2）

デバイスプロファイルによって機器の交換性を実現

デバイスプロファイルとは、機器の動作とデータ交換の方法を規定する仕様である。例
えば、1／0接続では、光電スイッチの入力とリミットスイッチの入力は、1ビットのオン／オフという同じ電気的な信号にすぎないのでコントローラー側から誤結線を発見することは難しい。デバイスネットでは、光電匝1

スイツチは光電スイッチのプ・トコル1團、裂。野、を持ち、リミットスイッチとはネットワーク上で明確に区別されるために誤結線を検知できる。また、デバイスネ

胤一0ットでは、機器の種類だけではなくリモートでその機種がサポートしている、すべての情報（メーカー名、型式、シ塵轟副

リアル番号、設定用パラメータの種類

蹴匿］・蜘占一i

センサ

しs1など）を照会することができる。
ロポット現在、溶接電源のデバイスプロファ

トヲ

イルは存在しないが、溶接電源においてもデバイスプロファイルを定義すれ

ドヨ

⇒塗麟

幽畿診

臼g・6開発システムの構成

ば、メーカーや型式を考えることなしに、溶接条件の設定や溶接状態の監視を行うことが可能になる。

蓉0韻ll醗雪シどユー轍羅獅（3）

多様な接続方式

デバイスネットは、スター結線、丁分岐、支線分岐等の多様な接続方式が可能であるので設置が容易であり、柔軟なシステムを構築することができる。また、接続用コネクタの形状やピン配列、導線の被覆の色まで標準化されているので保守が容易になる。

（4）CANプロトコル（ISO規格11898，PartA）採用

デバイスネットではその核となるプロトコルに、自動車の車載用ネットワークであるCAN（ControlAreaNetwork）を利用している。そのため廉価でノイズに強く高性能で信頼性の高いネットワークを構築することができる。

4

溶接品質監視システム
Fig．6に溶接品質開発システ

ムの構成を示す。本システムは、

1．溶接品質監視ソフト

溶接品質監視インバータ

ソフ
Windows95

ドライバ2．Windows98パソコン3．ネッ

ドライバ

トワークマスターボード4．ネ

ネットワークマスターボードットワークケーブル5．FAネ

デジタル制御ボード

設定ζ＞

通信インターフェイ
スボード

デバイスネット

ットワーク対応溶接電源から構成されている。

回路！一一1盟目＜：コ監視

溶接品質監視装置

なおデバイスネットでは、1台溶接電源

Fig．7デバイスネットの通信手法のネットワークマスターボードに対応機器を63台まで接続できる。
4．1

デバイスネットの通信手法

Fig．7にデバイスネットでの通信手法を示す。溶接品質監視ソフトからの溶接パラメー
タ設定で溶接電源が動作する手順について説明する。溶接状態の監視を行なうときは逆の手順で動作する。

①ネットワークマスターボードは、PL・溶接電流設定
C機能とデバイスネット通信機能を合わ・アーク電圧設定せ持ったI SAバスのボードであり、溶 ・パルス時間
・パルス電流接品質監視ソフトから、マスターボード・ベース電流のデータメモリエリアにドライバを通じて、溶接パラメータが書き込まれる。

・パルス立上り時間
パルス立下り時間

・クレータ電流②ネットワークの接続情報は、ネットワ
一クマスターボードに登録されている。
登録されている情報に従って・マスター
ボードから溶接電源内部の通信インター

・クレータ電圧・プリフロー時間

・溶接電流・アーク電圧・パルス時間・パルス電流・ベース電流・パルス立上り時間・パルス立下り時間
・異常信号

・EPROM管理番号
・ワイヤ送給速度

・アフタフロー時間 ・アークスタート状態，インチンゲ速度・アンチステック時間

・溶接モードフェイスボードのメモリエリアに書き込まれる。

・短絡回数
・短絡時間率・アークエンド状態

Fig．8設定パラメータと監視パラメータ③溶接電源の制御を行っている、溶接電源内のデジタル制御ボードが通信インターフェイスボードのメモリエリアを一定周期で読81

議魎齢蕪、み取り、溶接パラメータが設定される。

4．2

溶接品質監視ソフトの構成

溶接品質監視ソフトは現在、直流炭酸ガス／マグ溶接、直流ミグ溶接、パルスマグ溶接、パルスミグ溶接に対応している。FAネットワーク対応溶接電源と組み合せて使用することでシステムの構築が行える。一例として、パルスマグ溶接における設定、監視パラメー
タをFig．8に示し、設定画面をFig。9に示す。
4．3

溶接品質監視項目

溶接品質監視画面をFig．10に示寸
溶接品質を自動的に判定するために、以下に示す項目についてアークスタ・ト、定常アーク、アークエンドの監1を行っている。
（1）

アークスタートの監視

Table1にアークスタートの評価ヨ準を示す。溶接起動信号が入り正常1
アーク発生しスタートに成功したとミをO、アークが発生したが、長期短絡臼g．9設定画面が発生してワイヤが跳ねてからスタートした時を△、アークスタートしなか難讐簿

灘撫．叢雛覇講蕪麹墜…

った時を×とした。この判定を溶接電源内部のデジタル制御ボードが行ない、その結果をデバイスネットを通じて溶接品質監視ソフトが記録する。
（2）

定常アークの監視

定常アークの監視として、溶接電流、アーク電圧、短絡時間率、短絡回数を監視する。各項目の計算は溶接電源内部のデジタル制御ボードが行ない、そFig．10監視画面の結果をリアルタイムで溶接監視ソフトによりモニタする。 溶接監視ソフトでは各項目に関して、正常範囲とみなす、上限値、下限値を設定することができる、正常範囲を超えると異常発生時として記録され、警告を発生する。
（3）

アークエンドの監視

E2

11磁礫ヨシどユ磁援磁撒
TabIe2にアークエンドの評価

τabIe1

基準を示す。溶接起動信号オフに溶接竃居

溶接電流が流れ出すと同時に○アーク発生状態になる．

発生する溶着防止機能が働いて溶酵接電流着が解除された時を△、溶着が発生して溶着防止機能が働いたが溶判定基準

電流・電圧波形なり正常にアークが終了した時を0、ワイヤが再タッチして溶着がアークスタート時の評価基準

溶接電圧

アークスタートするがワイヤ△が跳ねる。

着が解除されなかった時を×とし溶接電酸た。この判定を溶接電源内部のデジタル制御ボードが行ない、その溶接電匠

×

アークスタートしない。

結果をデバイスネットを通じて溶酸接電流接監視ノフトが記録する。

Tabie25適用事例
5．1溶接姿勢によるパルス波形の最適設定

アークエンド時の評価基準
判定基準

電流・電圧波形
溶接副」O

溶接が正常に終了する。
藩接電流

パルス溶接において、上向き溶溶着防止電圧

接、下向き溶接などの溶接姿勢によって移行形態が変わるので最適

溶接電rピ溶着が発生して溶着防止機能△が働いて溶着が解除される。
溶接電説なパルス条件が変わる。しかし今までの溶接電源では、パルス条件溶着防止電圧
溶接電圧

は、プログラムの書き換えやディ溶着が発生して、溶着防止機能がはたらいても溶着が解除×されない。

ップスイッチで変更することが多溶接電流かったために、溶接姿勢に同期してパルス条件を変化させることは困

パルス波形設定ソフト「コ晦

難であった。Fig．11に示すシステム
では、ロボットからの姿勢情報によって溶接品質監視システム内のデータベースから最適なパルス条件を選爵
Windows95
ノ｛ソコン択して溶接電源に設定することができる。

Fig．12は上向き溶接において標準パルス電源

パノレス

剰鐸定

、テバィスネットのパルス条件で溶接を行った場合と、上向き溶接に最適な条件で溶接を行

下向き溶接

一1

上向き、下向き0

ロボット

ビードになり、なじみが悪い。それに対して上向き溶接に最適なパルス

訓

上向き溶接

1／O機器

った場合とのビード外観の比較表である。標準のパルス条件の場合、凸夕￠ラー

コントローラFig．11パルス波形設定システムの構成図

さ3

第3肺3セ献一
条件の場合、ビードがフラットになり良好なビード外観が得られる．このように、溶接姿勢に最適なパルス条件を設定することで、より高品質な溶接を行うことができる。，
5．2任意外部特性設定電源シ醸法・・『・ゴワイヤー ノしトガス：20％C（〕21，・

ステム

溶圭妾電i瓶、200A

パソコンから溶接電源の外部特性を任意に設定し、瞬時に切り替えていくことによってアーク入熱密度分布の制御を行うことを目的とした、任意外部特性設定型溶接電源システムの開発を行い、そのシステムの構成図をFig．13に示す。

Fig．12パルス条件によるビード外観の変化

任意外部特性モードでは、①外部特性の折れ曲がり点の電流値、電圧値、②EP外部特性とEN外部特性の選択、③外部特性切り替え周期、④ワイヤ送給速度、を設定することができる，バソコンにより設定させたパラメータはF
Aネットワークを通じて溶接電源制御回路のRAM領域に書き込まれる。外部特性生成回路は設定条件にしたがって、外部特匹

鮎lv

キ八し圏覇

ぐライ

トラ・Tフ回量各〆【璽路ワイヤ

母材性の生成と切り替えを瞬時に行luっていき、一次側と二次側のイ︳︑麟逼 ←塵…垂轟ンバータをドライブ回路を通じloて制御する。

外部特r生制榔

パノコン

Fig．14に外部特性を任意に設定して生成した交流σ）溶接電流電圧波形の一例を示す。外部特性Aとアーク負荷曲線の交点で

Fig．13

任意外部特性設定システムの構成図

曳V）一（V）

1，。．，琴1誓』欝．、

安定していた動作点から、外部特性Bに切り替わると、動作点が外部特性Bとアーク負荷曲線の交点に移動していくので、電流電圧値の絶対値が上昇していくことがわかる。

、1脂触レ燭㍉一Fig．15は、本開発システムを用いて、ワイヤ送給量および見かけのアーク長（＝約5mm）を一定とFig．14

舅

外部特性変化時の溶接電流電圧波形

1τ雛コシどユー搬磁繍
した条件下で、外部特性を任意に設定して交流一周期におけるEN極性の時間比率（EN比率）を10％、50％および90％とした溶接電流波形をそれぞれ生成してビード溶接を実施した場合の溶け込み形状を示したものである。EN比率の増加とともに溶け込み深さは減少し、ビード幅が狭く、余盛高さが高いビード形状を顕著に示している。

このように、外部特性を任意に設定して所望の溶接電流・電圧波形を生成できるため、安定したアークを得ながら溶接継手の開先内の溶着量、溶け込みおよび熱影響部の制御が可能となる．

ワイヤ送給速度122m／min

母材

アーク長：5mm

ワイヤ：YGW12φ0．9mm

ENArcrati）

10％

EN

Welding（〕urrent230A
N／oltage

32V：SS4006mmt

シールドガス

ratio

198％Ar＋2％0。

ENratio90％

WeldingCurrent

l80A

50％

WeldlngCurrent200A

Arc〜7〔）1tage

31V

ArcVoltage

30V

Fig．15マクロ断面図
5．3

条件設定収集溶接電源システム

溶接作業の自動化の進展と共に、熟練溶接作業者σ）減少が問題となっている，アルミニウムは熱伝導率が高く準定常状態になるまでび）時間が母材：A5052

ガス：Ar10血in

板厚：2．軸mt

速度120c／h

n

ギ秒フ

長：2mm
＿

電流調整器でオペレータが任意に電流調整した時の電流波形長いので、溶接速度、溶接電流一定
I

作業者がアークを観察しながら、電＿1

激オペレータが任意に調整した電流をトレース制御した時の電流波形

昂Fig．16

浮撒購

黙糞

協蝋鵬1鷺撚…瀞

難辮難警灘・，篭購一・卜溺w瓶1誤辮麟堀・麗（一鮒酬雌

柵疫26m

おゑ でオペレ タが任意に電翻整した時のビード外観

オペレ タがにカゑした蝋をトレ＿ス繍
した時のピード外観

溶接電源内部のRAMに記録してする。記録したデータはネットワ

Fig．17 ビード外観の比較

ークを通じでパソコンのハードデ

ヨ51一一「溶接電流波形の比較

熟練溶接作業者の電流調整のアナログ値をデジタル値に変換して、一〜｝

轍講勲』》・・麟簸・・
艸よ糊晦
藤轡累評

一タベース化することができるシ溶接開始から溶接終了までσ）、

｝

一薄顎

岬

作業者び）減少が問題となってくる

ホ㎜

川

難続㌘㌶欝
﹄︑義鰹

溶接工程がある，今後、熟練溶接ステムを開発した。

帆rl
μべ、∴

瀧購難鷲羅薫ll
一ゴ』

流の微調整を行わなければならない

ので、その電流調整ノウハウをデ冊

w

G溶接では溶接ビードが変化する、そのため熟練＿辞i讐胆噌『、の場合、自動機のT

影㎜叢勉醗勲一イスクに溶接ワーク毎にデータベースとして保存することができる。パソコンから溶接電源に溶接ワークに対応した電流調整データを送信することで、熟練作業者の電流調整で溶接施工を行うことができる。Fig．16に電流調整器でオペレータが任意に電流調整した時の電流波形と、その調整電流をトレース制御したときの溶接電流波形の比較を示し、Fig．17にそのときのビード外観の比較を示す。溶接電流波形とビード外観の両方で相違はなく、オペレータが電流調整した溶接ビードが再現することができた。

6

おわりにI

T時代における溶接機器メーカとしての取り組みをについて、簡単に紹介した。I

T技術の成果を溶接分野に取り組んでいくことで、今まで到達できなかった課題を達成することができる可能性を秘めている。今後も、IT技術の開発状況を念頭にいれつつ、溶接工程現場、新溶接法研究開発の二一ズにさらに応えられるよう、溶接機器メーカとして一層の努力を続けたい。

［参考文献］

1）澤近：DeviceNetによるFA用ネットワークの標準化とその動向、エレクトロニクスオーム社編（1996−11）p．45−47

2）笠上、中俣、松浦：F

Aオーブンネットワーク対応型溶接品質監視システムの開発と適用事例について、溶接アーク物理委員会

ア物98−1035

3）中俣、上園、全：デジ夘制御パ畝マグ溶接機における安定化技術と溶接性能の向上、溶接技術

1996年10月号

4）笠上、中俣、松浦：FAネットワーク対応溶接電源の開発、

季講演概要集2148ら

溶接学会平成11年度春