JP2010172953A - アークスタート制御方法および溶接ロボットシステム - Google Patents

Abstract

【課題】アークスタート時にワークの位置ズレやワイヤ先端に形成されているスラグ（絶縁物）の影響を受けてアークスタートが不安定になる場合が発生する。この場合、スタート部の溶接ビードの形成が不十分でありビード長が不足する。その不良品の手直し工程が余分に必要となる。さらに、手直ししても修復できない場合はそのワークを廃棄することになり、生産性が著しく低下する。
【解決手段】アークスタート時に溶接電流を検出してその検出結果に基づいて溶接ロボットに取り付けられた溶接用トーチを移動させる溶接ロボットのアークスタート制御方法であって、溶接電流が所定時間連続して流れない場合には溶接ロボットの動作による溶接線方向への溶接用トーチの移動を停止したままとし、溶接電流が所定時間連続して流れた場合には溶接ロボットの動作による溶接線方向への溶接用トーチの移動を開始する。
【選択図】図２

Description

本発明は、消耗電極である溶接ワイヤと被溶接物である母材との間にアークを発生させてアーク溶接を行う溶接ロボットシステムのアークスタート制御に関するものである。

近年、溶接業界では溶接作業の生産性向上や溶接品質向上の要求が高まっている。特に自動車や自動二輪業界では、短時間にこれまでよりも多くの溶接物（以下、ワークという）を生産することで生産効率を高め、１ワーク当たりの生産コストを低減し、また、溶接ビードの欠落や穴あき等による不良品の発生を低減させて良品率を向上したいという要求が高まっている。

しかし、生産効率を高めるために溶接速度をこれまでより高めると、１ワーク当たりの生産時間は短くなるが、ワークへ熱が入り難くなり溶融プールが形成され難くなること等から、アークスタート時にワークの位置ズレやワイヤ先端に形成されているスラグ（絶縁物）の影響を受けて、アークスタートが不安定になる場合が発生する。

アークスタートが不安定になると、ワークの溶接スタート部の溶接ビードの形成が不十分となり、良好な幅のビード長が不足する。そして、その不良品の手直し工程が余分に必要となる。さらに、手直ししても修復できない場合はそのワークを廃棄することになり、生産性が著しく低下する。

なお、ワークの溶接には溶接ロボットが使用されることが多く、溶接ロボットによるアークスタート方法として、溶接ワイヤとワーク（母材）とを一端接触させてそれを引き離すことによりアークを発生させるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６−０２１２２８号公報

溶接ロボットのアークスタート制御方法として、溶接電流を検出してからの所定時間経過時（動作開始遅延時間Ｔ２）に溶接ロボットが溶接用トーチを移動させる方法が考えられる。

図４に、アークスタート制御方法に関する溶接電流波形と溶接ロボット動作信号の時間変化を示す。図４では、アークスタート期間の初期にアークの不安定状態が発生した例を示しており、溶接電流が流れない状態であるアーク切れが繰り返し発生している状態の一例を示している。

図４に示すアークスタート制御方法では、アークスタート時に電流検出時点Ｔ１で溶接電流を検出し、この電流検出時点Ｔ１から動作開始遅延時間Ｔ２が経過した時点で溶接ロボットを動作させてロボットに取り付けた溶接用トーチを溶接線方向に移動させる例を示している。

なお、アーク切れ等溶接電流が流れない状態が生じることをアーク不安定とし、また、溶接動作を開始してワイヤとワーク（母材）が接触することにより電流が流れてから約１秒間経過するまでをアークスタート期間とする。

このように、電流検出時点Ｔ１から動作開始遅延時間Ｔ２が経過した時点で溶接ロボットを動作させる方法では、アークスタート期間の当初にアークの不安定状態が発生し、アークスタート時からアークが安定するまでにしばらく時間がかかる場合であっても（０．１〜１．０秒程度）、アークスタート当初からアークが安定する場合であっても、溶接ロボットの動作の開始は同じとなる。そして、アーク不安定な状態で溶接ロボットが動作を開始すると、図５のＤ１に示すようにビードの欠落が生じてしまう場合がある。

そのため、アークが不安定になりアークが安定するまでに時間がかかることを想定し、アーク不安定発生時の良好な幅のビード長さの不足を抑制するために動作開始遅延時間Ｔ２を長く設定すると（例えば０．８秒）、アーク不安定となっている場合には有効であるが、アークスタート期間当初からアークが安定となっている場合には、溶接ビードが大きくなり過ぎたり溶け落ちたりする場合があり、さらに、１溶接ビード（１溶接線）当たりの溶接時間が長くなるので、生産性が低下するといった課題がある。

一方、アークがアークスタート期間の当初から安定になることを想定し、動作開始遅延時間を短く設定すると（例えば０．１秒あるいはこれよりも短い時間）、アークが安定となっている場合には問題ないが、アークが不安定となってしまっている場合には、図５のＤ１に示すようにビードの欠落が生じてしまうといった課題がある。

上記課題を解決するために、本発明のアークスタート制御方法は、アークスタート時に溶接電流を検出してその検出結果に基づいて溶接ロボットに取り付けられた溶接用トーチを移動させる溶接ロボットのアークスタート制御方法であって溶接電流が所定時間連続して流れない場合には前記溶接ロボットの動作による前記溶接用トーチの溶接線方向への移動を停止したままとし、溶接電流が所定時間連続して流れた場合には前記溶接ロボットの動作による前記溶接用トーチの溶接線方向への移動を開始するものである。

また、本発明の溶接ロボットシステムは、溶接用トーチを保持したロボット本体と、前記ロボット本体を制御するロボット制御装置と、溶接電流を検出する溶接電流検出部と、前記溶接電流検出部の検出結果に基づいてアークスタート時に溶接電流が連続して流れている時間を計時する計時部と、溶接電流が流れている時間の閾値を記憶する記憶部と、前記計時部が計時した時間と前記記憶部に記憶された閾値とを比較する比較部を備え、前記計時部が計時した時間が前記記憶部に記憶された閾値よりも短い場合には前記ロボット本体の動作を停止したままとして前記ロボット本体に保持された溶接用トーチの溶接線方向への移動を停止したままとし、前記計時部が計時した時間が前記記憶部に記憶された閾値以上になった場合には前記ロボット本体の動作を開始させて前記ロボット本体に保持された溶接用トーチの溶接線方向への移動を開始するものである。

以上のように、本発明によれば、アークスタート期間においてアークが不安定な状態が発生しても、連続して所定時間溶接電流が流れたことを検出してから溶接用トーチの溶接線方向への移動を開始させるので、アークスタート当初にアーク不安定が発生したとしても、アークが安定してから溶接トーチを移動させることとなり、母材の溶接スタート部においても良好な幅を有するビードの長さを確保でき、良好な溶接結果を得ることができる。

そして、アーク不安定発生時にはアークが安定するまでの時間溶接用トーチの溶接線方向への移動を停止するが、この停止時間は溶接不良による手直し等の後処理を行うための時間と比べると著しく短く、後処理を行う場合に比べて生産性を向上することができる。

（実施の形態１）
以下、本実施の形態について、図１から図３を用いて説明する。

図１は、本実施の形態における溶接ロボットシステムの概略構成を示す図である。

図１において、ロボット制御装置１はロボット本体２を制御するものである。そして、ロボット本体２には、溶接用トーチ３と、溶接用の消耗電極であるワイヤ４をワークである母材５に向けて送給するためのワイヤ送給部６が取り付けられている。

ロボット制御装置１には、ロボット本体２を制御するためのロボット制御部７と、ロボット本体２を動作させる動作プログラムを記憶するための記憶部８と、ワイヤ４と母材５との間に電力を供給してアーク９を発生させるための溶接電源部１０が設けられている。そして、溶接電源部１０には、ワイヤ４と母材５との間に供給する電力を制御するための電源部１１と、ワイヤ４と母材５との間に流れる溶接電流を検出するための溶接電流検出部１２が設けられている。また、ロボット制御装置１には、溶接電流が流れている時間を計時する計時部１３も設けられている。また、記憶部８には、後述する動作開始遅延時間Ｔ２も記憶されている。そして、ロボット制御部７は、計時部１３で計時した時間と動作開始遅延時間Ｔ２とを比較し、計時した時間が動作開始遅延時間Ｔ２以上の場合には、ロボット本体２に対して後述する溶接ロボット動作信号を送り、ロボット本体２を動作させて設定された溶接速度で溶接用トーチ３を溶接方向に移動させるものである。

なお、図１ではロボット制御装置１内に溶接電源部１０を設ける例を示しているが、溶接電源部１０はロボット制御装置１の外部に設けるようにしても良い。また、ロボット制御装置１とロボット本体２とを総称して溶接ロボットという。

図２は、本実施の形態の溶接ロボットのアークスタート制御方法に関する溶接電流波形と溶接ロボット動作信号の時間変化を示す図である。そして、アークスタート時にアークの不安定状態が発生した例を示しており、溶接電流が流れない状態であるアーク切れが繰り返し発生している状態の一例を示している。

ロボット制御装置１の記憶部８に記憶された教示プログラムに基づき、溶接トーチ３を保持しているロボット本体２が溶接線方向への溶接用トーチ３の移動を停止した状態で溶接開始信号がＯＮされ、この信号に基づいてワイヤ送給部６が駆動し、ワイヤ４を母材５の方向へ送給し始める。そして、ワイヤ４が母材５に接触し、電流検出時点Ｔ１で電流が流れ、この電流が溶接電流検出部１２で検出される。

しかし、溶接電流が時間ｔ１の期間流れた後アーク切れが発生し、溶接電流が流れなくなっている。この場合、連続して溶接電流が流れた期間は時間ｔ１であり、予め設定された動作開始遅延時間Ｔ２よりも短いため、溶接ロボットは溶接用トーチ３の移動を停止したままである。なお、動作開始遅延時間Ｔ２は、溶接条件等に基づいて実験等により決定されるものである。

その後、ワイヤ４の送給は継続されており、ワイヤ４と母材５が再度接触して溶接電流が流れ、時間ｔ２の期間溶接電流が流れた後、再びアーク切れが発生して溶接電流が流れなくなっている。この場合も、時間ｔ２は動作開始遅延時間Ｔ２より短いため、溶接ロボットは溶接用トーチ３の移動を停止したままである。

また、時間ｔ３に関しても時間ｔ１や時間ｔ２と同様であり、溶接ロボットは溶接用トーチ３の移動を停止したままである。

その後、ワイヤ４と母材５が再度接触して溶接電流が流れ始め、溶接電流が連続して動作開始遅延時間Ｔ２と同じ期間流れたため、ロボット本体２は動作を開始して教示された方向へ溶接用トーチ３を移動する。なお、動作開始遅延時間Ｔ２以上連続して溶接電流が検出された場合には、アークが安定であるとする。

これにより、アークが不安定な期間では溶接ロボットによる溶接用トーチ３の溶接線方向への移動を停止し、アークが安定してから溶接ロボットによる溶接用トーチ３の溶接線方向への移動を開始するので、図３に示すように、母材５の溶接スタート部において良好な幅のビード長さを確保でき、良好な溶接結果を得ることができる。

なお、アークが安定しているか否かの判断基準となる図２に示す動作開始遅延時間Ｔ２は、０．１〜０．５秒程度の時間であり、溶接条件等に基づき実験等により決められるものである。そして、動作開始遅延時間Ｔ２を０．１〜０．５秒程度に設定することで、アークスタート当初からアークが安定する場合でも、アークスタート期間でアークが不安定となる状態が生じる場合でも、両立して良好なビードを得ることができる。

以上のように、本実施の形態のアークスタート制御方法では、ワーク（母材５）の位置ズレやワイヤ先端に形成されているスラグ（絶縁物）の影響を受けてアークスタート期間にアークが不安定な状態が発生しても、溶接電流が連続して所定時間流れたことを検出してからロボット本体２の動作を開始させ、溶接用トーチ３の溶接線方向への移動させる開始させることにより、アークが安定してから溶接トーチ３を移動させるので、図３に示すように母材５の溶接スタート部においても良好な幅のビード長さを確保でき、良好な溶接結果を得ることができる。

なお、本実施の形態では、所定時間連続して溶接電流が検出されることを溶接ロボット動作開始の条件としたが、例えば数ｍｓといった非常に短い時間溶接電流が流れないことが生じた場合には、これを考慮せずに無視し、連続して溶接電流が流れているとして時間を計時し、所定時間溶接電流が検出された時点で溶接ロボットの動作を開始させるようにしても良い。

本発明のアークスタート制御方法は、アークスタート時にアーク不安定が発生した場合、溶接電流が連続して所定時間流れたことを検出してからロボット本体の動作を開始させて溶接用トーチの溶接線方向への移動を開始させることにより、ワークの位置ズレやワイヤ先端に形成されているスラグ（絶縁物）の影響を受けてアーク不安定が発生してもアークが安定してから溶接トーチを動作させるので、ワークの溶接スタート部において良好な幅のビード長さを確保して良好な溶接結果を得ることができるので、例えば消耗電極を用いて溶接を行う溶接ロボットのアークスタート制御方法として産業上有用である。

本発明の実施の形態における溶接ロボットシステムの概略構成を示す図 本発明の実施の形態におけるアークスタート時の溶接電流波形と溶接ロボット動作信号の時間変化を示す図 本発明の実施の形態におけるビードの状態を示す母材の平面図 従来のアークスタート時の溶接電流波形と溶接ロボット動作信号の時間変化を示す図 従来の制御方法によるビードの状態を示す母材の平面図

１ ロボット制御装置
２ ロボット本体
３ 溶接用トーチ
４ ワイヤ
５ 母材
６ ワイヤ送給部
７ ロボット制御部
８ 記憶部
９ アーク
１０ 溶接電源部
１１ 電源部
１２ 溶接電流検出部
１３ 計時部
Ｔ１ 電流検出時点
Ｔ２ 動作開始遅延時間

Claims (2)

1. アークスタート時に溶接電流を検出してその検出結果に基づいて溶接ロボットに取り付けられた溶接用トーチを移動させる溶接ロボットのアークスタート制御方法であって、
   溶接電流が所定時間連続して流れない場合には前記溶接ロボットの動作による前記溶接用トーチの溶接線方向への移動を停止したままとし、
   溶接電流が所定時間連続して流れた場合には前記溶接ロボットの動作による前記溶接用トーチの溶接線方向への移動を開始するアークスタート制御方法。
2. 溶接用トーチを保持したロボット本体と、
   前記ロボット本体を制御するロボット制御装置と、
   溶接電流を検出する溶接電流検出部と、
   前記溶接電流検出部の検出結果に基づいてアークスタート時に溶接電流が連続して流れている時間を計時する計時部と、
   溶接電流が流れている時間の閾値を記憶する記憶部と、
   前記計時部が計時した時間と前記記憶部に記憶された閾値とを比較する比較部を備え、
   前記計時部が計時した時間が前記記憶部に記憶された閾値よりも短い場合には前記ロボット本体の動作を停止したままとして前記ロボット本体に保持された溶接用トーチの溶接線方向への移動を停止したままとし、
   前記計時部が計時した時間が前記記憶部に記憶された閾値以上になった場合には前記ロボット本体の動作を開始させて前記ロボット本体に保持された溶接用トーチの溶接線方向への移動を開始する溶接ロボットシステム。

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