JP4854860B2 - 溶接線の倣い判定装置と倣い制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オシレート幅より開先幅が狭い突合せ溶接法において、溶接トーチを開先幅方向にオシレートさせた時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。
【従来の技術】
近年の消耗電極式アーク溶接に於いては、溶接トーチを溶接母材の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用いられている。
【０００２】
このアークセンシング制御は、溶接トーチを溶接母材の開先幅方向にオシレートさせた場合の消耗電極（溶接ワイヤ）突出し長の変化に伴う溶接電流の変化に基づいて、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）の位置を補正制御するものである。
【０００３】
しかし、アーク現象は非常に不安定且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低く、特に薄板の高速度溶接等の高精度な溶接品質が必要な分野では、信頼性向上が強く望まれている。このため、従来よりアークセンシング制御の信頼性を向上させる各種の方法が提案されているが、実用レベルで満足のいくものは未だ得られていないのが実状である。
【０００４】
そこで本出願人は、アークセンシング制御の外乱要因となる短絡期の溶接電流波形を完全に除去すると共に、その除去期間を直線で補間した溶接電流波形に均し処理及び半周期反転重合処理などを施してオシレート方向偏移とトーチ軸線方向偏移を演算する画期的手法を見出し、この手法に基づいてオシレート方向及びトーチ軸線方向のトーチ位置を補正するアークセンシング制御による溶接線の倣い判定装置と倣い制御装置を特願平１１―２３０８８１号で提案している。
【発明が解決しようとする課題】
この特願平１１―２３０８８１号のアークセンシング制御は、溶接電流値に外乱要因として作用する短絡やスパッタ等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であるため、アークセンシング制御の信頼性を飛躍的に向上させることができた。
【０００５】
しかしながら、前記のアークセンシング制御では、オシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅が狭い突合せ溶接等の場合には、開先位置のオシレート方向検出が難しいため、前記のアークセンシング制御をそのままでは適用することができないことが判明した。
【０００６】
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等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で、さらにオシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅が狭い突合せ溶接等にも適用可能で、且つ信頼性の高いアークセンシング制御による溶接線倣い判定装置と倣い制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
（A）短絡とアークを繰返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接の突合せ溶接に於いて、溶接トーチを溶接線直角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）前記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で補間する直線補間手段と、
（D）前記直線補間された溶接電流波形を移動平均により滑らかな波形に均し処理する均し手段と、
（E）前記滑らかな波形を微分波形に変換する微分変換手段と、
（F）前記微分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、
（G）前記切出し手段で切出された微分波形を半周期毎に互いに反転状態で重合させる重合手段と、
（H）前記重合手段で見出された前記微分波形の四分の一及び四分の三周期付近の各波形の交点を開先中心位置とし、溶接トーチのオシレート幅方向に対する溶接線中心位置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をそれぞれ具備することを特徴とする。
【０００７】
前記の発明によれば、前記電流検出手段により検出される溶接電流波形が、前記短絡波形除去手段により短絡期の波形が除去されてから、前記直線補間手段により波形欠落部分が直線補間され、均し手段にて均し処理され、その後前記微分変換手段により微分波形に変換される。
【０００８】
さらに、この微分波形は、前記切出し手段により溶接トーチのオシレート周期に対応する複数の区間に切出されると共に半周期毎に反転重合処理され、これにより見出された四分の一及び四分の三周期付近の前記微分波形の最大最小値間波形の交点に対応させて、溶接トーチのオシレート幅方向に対する溶接線中心位置の偏移方向と偏移量が、前記オシレート方向偏移表示手段により表示される。
【０００９】
オシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅が狭い突合せ溶接等の場合は、前述の特願平１１−２３０８８１号の技術によれば、図８に示すように、直線補間及び均し処理後の溶接電流波形Ｙ（図８（Ａ）中の曲線）を半周期毎に折返して重ねた曲線（図８（Ｂ）中の曲線）の最小二乗法による近似直線Ｌ（図８（Ｂ）中の水平線）の傾斜角度が、開先部分の左右両側での被溶接材表面の平坦性のためにごくわずかとなり、溶接線のオシレート幅方向の位置を判定することができなかった。
【００１０】
しかし、本発明によれば、溶接電流の微分波形を用いているため、図８（Ｃ）に示すように、直線補間及び均し処理後の同じ溶接電流波形であっても、溶接線中心位置で開先傾斜角度がＶ溝下端を境として大きく変化するので、溶接電流微分波形の微分値の変化が大きく、それにより溶接線の位置判定が可能となる。
【００１１】
前記の発明によれば、移動平均の毎回の前方サンプリング時間とサンプリング数を適宜設定することにより溶接の進行とほぼリアルタイムで滑らかな溶接電流波形を得ることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、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の演算手段と、
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の演算手段と、
前記第１の演算手段と第２の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。
短絡波形の開始点と終了点を明確に特定することは非常に困難であるが、前記の発明によれば、前記閾値設定手段により溶接電流のアーク期と短絡期を一応区別する基準電圧が閾値として設定され、この閾値に基づいて前記第１演算手段と第２演算手段により、外乱要因として消去すべき波形部分を前記閾値で判断した一応の短絡期を含めてその前後に所定幅だけ拡大するので、溶接トーチの倣い判定を行う上での大きな外乱要因となる短絡の影響が完全に除去される。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、溶接トーチをオシレート端点で反転移動させるために、ロボットトーチ位置制御装置から溶接ロボットシステムに対して出力されるオシレート同期パルス信号の出力時と、実際の溶接トーチオシレート端点到達時との間のタイムラグを予め検出しておき、このタイムラグ分だけ前記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。
【００１４】
前記の発明によれば、前記切出し手段による溶接電流の切出しタイミングが、オシレート同期パルス信号出力時と実際の溶接トーチオシレート端点到達時のタイムラグだけ遅延して設定されるので、溶接線の倣い判定装置の正確性と信頼性が向上する。
また請求項４に記載の発明は、
（A）短絡とアークを繰返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接の突合せ溶接において、溶接トーチを溶接線直角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）前記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で補間する直線補間手段と、
（D）前記直線補間された溶接電流波形を移動平均により滑らかな波形に均し処理する均し手段と、
（E）前記滑らかな波形を微分波形に変換する微分変換手段と、
（F）前記微分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、
（G）前記切出し手段で切出された微分波形を半周期毎に互いに反転状態で重合させる重合手段と、
（H）前記重合手段で見出された前記微分波形の四分の一及び四分の三周期付近の各波形の交点を開先中心位置とし、溶接トーチのオシレート幅方向に対する溶接線中心位置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、
（I）前記微分波形の微分値ゼロに対応する溶接電流値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、（J）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フィードバック制御するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
前記の発明によれば、請求項１に記載の倣い判定装置の機能に加え、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を有しているため、この両手段により演算された偏移データに基づいて、溶接トーチのオシレート中心位置と溶接トーチ高さがフィードバック制御されるので、正確性と信頼性の高い溶接線の倣い制御が可能となる。
【００１６】
前記の発明によれば、移動平均の毎回の前方サンプリング時間とサンプリング数を適宜設定することにより溶接の進行とほぼリアルタイムで滑らかな溶接電流波形を得ることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、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の演算手段と、
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の演算手段と、
前記第１の演算手段と第２の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。
【００１８】
前記の発明によれば、溶接トーチの倣い判定を行う上での大きな外乱要因となる短絡の影響が完全に除去されるから、溶接線の倣い制御の正確性と信頼性が向上される。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、溶接トーチをオシレート端点で反転移動させるために、ロボットトーチ位置制御装置から溶接ロボットシステムに対して出力されるオシレート同期パルス信号の出力時と、実際の溶接トーチオシレート端点到達時との間のタイムラグを予め検出しておき、このタイムラグ分だけ前記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。
【００２０】
前記の発明によれば、前記切出し手段による溶接電流の切出しタイミングが、オシレート同期パルス信号出力時と実際の溶接トーチオシレート端点到達時のタイムラグだけ遅延して設定されるので、溶接線の倣い判定装置の正確性と信頼性が向上する。
【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。
【００２１】
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２１に至るフィードバックがない場合は、単なる倣い判定装置となる。
【００２２】
図１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言う）、２は溶接電源装置、３は突合せ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。
【００２３】
溶接ワイヤ４の供給側７はコイル状に巻回され、このコイル状の供給側７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。
【００２４】
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２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。
【００２５】
１２は短絡波形除去手段、１３は直線補間手段、１４は微分変換手段、１５は切出し手段、１６は折返し重合手段、１８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、２０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、２１はロボットトーチ位置制御装置、２２はオシレート方向端点検出手段である。以下、図１に示す各ブロックについてさらに説明する。
【００２６】
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はコンタクトチップ５ａと母材３間の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。
【００２７】
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２６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。
【００２８】
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号公報の比較器のように、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ないまま残存している。
【００２９】
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２４を設け、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２５を設けた。
【００３０】
これら第１演算手段２４と第２演算手段２５は、具体的には演算プログラムの中の時間ステップとして表される。そして第１演算手段２４と第２演算手段２５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２３で消去するのである。この波形消去手段２３は、具体的に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。
【００３１】
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。但し、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良い。
【００３２】
直線補間手段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の直線補間部分参照）。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号公報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（図３（Ｂ）中の曲線が移動平均曲線）や微分波形変換が初めて有効となるのである。
【００３３】
微分変換手段１４は、前述の短絡波形除去後、その欠落部分の直線補間した溶接電流波形を移動平均により変換した後（図３では図示省略）、この波形を微分変換し表示するものである。この微分変換によりオシレート幅より狭い開先幅であっても、溶接線中心位置で開先角度が急変するため微分波形もマイナス側からプラス側へと大きく変化する。この微分変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溶接の進行とほぼリアルタイムに抽出可能となる。
【００３４】
切出し手段１５は、微分変換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（Ｃ）の波形Ｚをオシレート１周期毎に区分して切出すものである。ここで「ほぼ等分」と言うのは、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ないことによる。この切出し手段１５は、具体的には溶接ロボットシステムにおけるオシレート端点を表すオシレート同期パルス信号出力により制御される。
【００３５】
切出しのタイミングは、オシレート方向端点検出手段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も良いが、オシレート同期パルス信号出力時と実際の溶接トーチオシレート端点到達時との間のタイムラグ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１５による電流微分変換波形の切出しタイミングを設定するのが望ましい。尚、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等を取付けて実測し、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また溶接施工状態によっても微妙に異なるので、溶接作業に先立って遅延時間を検出しておく。
【００３６】
折返し重合手段１６は、図３（Ｄ）のように、移動平均法で滑らかにされ、かつ、微分変換されたオシレート一周期分の波形を半周期（１８０度）に対応する位置で折返（反転）して重合するものである。この折返し重合手段１６により、溶接電流微分波形の四分の一及び四分の三周期付近の各波形の交点を表現することが可能となる。
【００３７】
すなわち、従来のように短絡期間の電流波形を完全に除いた溶接電流波形のオシレート周期毎の近似直線傾斜角度による方法では、オシレート幅より開先幅が狭い突合せ溶接の場合、溶接電流の変化する範囲がオシレート範囲に対し部分的であるため、オシレート方向、トーチ軸線方向の両偏移量の表示及び偏移補正制御を行うことがほとんど不可能であった。
【００３８】
これに対して本発明は、トーチ位置情報に於いて外乱情報となる短絡期の溶接電流を消去し、その間を直線補間し、さらに平均化した電流波形を微分変換し、オシレート１周期分の電流微分波形の交差する位置でオシレート方向偏移情報を導き、微分ゼロ位置（溶接電流の変化がない位置）における溶接電流値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。
【００３９】
オシレート方向偏移表示手段１８とトーチ軸線方向偏移表示手段２０は、典型的には図７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δｈとトーチ軸線方向偏移量δｖ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。
【００４０】
両演算手段１７と１９の演算内容は、図４〜図７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。尚、各図右側の波形はオシレート１周期分の溶接電流微分波形を半周期で折返し重合させたもので、オシレート中心と表記してある垂直線がオシレート四分の一（９０°）ないし四分の三周期（２７０°）に相当する。但し、波形自体は図３（Ｃ）の波形と異なり現実の電流微分波形ではなく、溶接トーチ５と母材３間の垂直距離の長短で溶接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。
【００４１】
先ず、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。この時、微分波形の交点Ｐはオシレート中心位置に一致しており、且つ、電流微分値ゼロ位置の溶接電流値が基準高さＫに一致している。図４の正常溶接状態からやや左方にオシレート方向偏移δｈが生じた状態が図５に示される。この時、オシレート中心から左側の溶接トーチ５と母材３間の垂直距離一定の区間が増大するから、溶接電流微分曲線Ｚの左側ゼロ区間が増大し、微分曲線Ｚの最大最小値を結ぶ直線の交点Ｐがオシレート中心から右側に移動する。図６は開先中心から大きく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の溶接トーチ５と母材３間の垂直距離一定の区間がさらに増大するから、溶接電流微分曲線Ｚの左側ゼロ区間がさらに増大し、微分曲線Ｚの交点Ｐがオシレート中心から大きく右側に移動する。尚、オシレート方向偏移が右方に生じた状態は、図５及び図６を左右対称に変化させただけであるので省略する。
【００４２】
図４の正常溶接状態から下方にトーチ軸線方向偏移δｖが生じた状態が図７に示される。この時、溶接トーチ５と母材３間の垂直距離減少と反比例して溶接電流が増大するから、微分波形の交差位置はそのままにして、微分波形ゼロ位置の溶接電流値が上方に移動する。従って、基準高さＫから電流微分値ゼロ位置における高さ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）。尚、トーチ軸線方向偏移が上方に生じた状態は、図７の溶接電流値の基準高さＫを中心に下方へ偏移するだけであるので省略する。
【００４３】
次に倣い制御装置の作動について図１に基づき説明する。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等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２１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う。
【００４４】
ロボットトーチ位置制御装置２１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、適正溶接電流にてオシレート中心が溶接線（開先中心）を正しく倣っている間は、図４のように電流微分波形Ｚの交点Ｐがオシレート中心からのオシレート方向偏移量δｈ＝ゼロの状態を表示し、電流微分値ゼロ位置の電流値によりトーチ軸線方向偏移量δｖ＝ゼロの状態を表示する。
【００４５】
またオシレート中心が溶接線から左右方向にずれた時、図５及び図６に示すように微分波形Ｚの交点Ｐがオシレート中心から偏移し、偏移量δｈがゼロとなるように、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２１に入力される。
【００４６】
またトーチ位置が溶接線から上下方向にずれた時、図７に示すように微分波形ゼロ位置の電流値によりトーチ軸線方向偏移量δｖが演算され、偏移量δｖがゼロとなるように、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２１に入力される。
【００４７】
実際の制御はオシレート方向制御とトーチ軸線方向制御を組み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が上下左右に移動し、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、当該偏移量をゼロにすべくロボットトーチ位置制御装置２１に対して補正指令が出力され、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）がフィードバック補正される。
【００４８】
尚、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の演算値に基づきロボットトーチ位置制御装置２１に補正指令を出力し、その出力値と補正後の演算手段１７、１９の演算値を保存蓄積し、両者の相関関係を学習させることで、それ以後、最適な補正指令を瞬時に出力するような使用法も可能である。
【００４９】
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良い。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、用途に応じて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。
【発明の効果】
本発明の溶接線倣い判定装置及び倣い制御装置は、次の効果を奏する。
【００５０】
請求項１に記載の発明によれば、オシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅が広い場合は勿論のこと、この反対にオシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅が狭い突合せ溶接等においても、アークセンシング制御による信頼性の高い溶接線の倣い判定が可能となり、溶接線の倣いずれの程度を溶接の進行とリアルタイムで正確に監視することができるので、溶接品質不良に対する高精度の検出と溶接後の手直し工数の低減が図られる。
【００５１】
また、請求項１に記載の発明によれば、移動平均の毎回の前方サンプリング時間とサンプリング数を適宜設定することにより溶接の進行とほぼリアルタイムで滑らかな溶接電流波形を得ることができる。
【００５２】
請求項２に記載の発明によれば、大きな外乱要因である短絡の影響が完全に除去されるので、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・開先形状及びルートギャップ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良く検出でき、溶接線の倣い判定の信頼性が大幅に向上する。
【００５３】
請求項３に記載の発明によれば、切出しタイミングを遅れ時間だけ予め遅延させているので、同じく判定の信頼性が向上する。
【００５４】
請求項４に記載の発明によれば、オシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅の狭い突合せ溶接等に対しても、アークセンシング制御による信頼性の高い溶接線の倣い制御が可能となり、溶接線の倣いずれが瞬時に修正されるので、溶接品質不良の発生自体を防止できる。
【００５５】
請求項５〜６に記載の発明によれば、前記の請求項２〜３に記載の発明と同様な効果が、溶接線の倣い制御に対しても得られる。
【００５６】
また、アークセンシング制御の本来的特徴として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治具とのばらつきが発生しても、溶接トーチの制御には全く影響がないため、部品精度管理水準引き下げによる歩留まり向上と、保持治具の簡素化によるコスト低減を図ることができる。
【００５７】
さらに、アークセンシング制御の本来的特徴として溶接部から直接的に位置ずれを検出するため、従来の開先倣い装置が不要となり、溶接トーチに対して開先倣い装置に必須の各種センサ等溶接上邪魔になるもの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向上、ならびに検出精度低下と耐久性低下を防止できる。
【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）は移動平均曲線を微分変換した溶接電流微分曲線を示す図、（Ｄ）はオシレート１周期の溶接電流微分曲線を半周期で折返し重合した図。
【図４】 倣いずれが無いときの倣い表示装置のモデル画面図。
【図５】 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６】 オシレート方向左大偏移時の倣い表示装置のモデル画面図。
【図７】 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８】 （Ａ）は短絡期間除去後、直線補間した溶接電流波形の移動平均曲線を示す図、（Ｂ）はオシレート１周期の溶接電流曲線を半周期で折返し近似直線を示す図、（Ｃ）はオシレート１周期の溶接電流微分曲線を半周期で折返し重合した図。
【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
５ａ コンタクトチップ
６ 送給ローラ
７ 供給側
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 直線補間手段
１４ 微分変換手段
１５ 切出し手段
１６ 折返し重合手段
１７ オシレート方向偏移演算手段
１８ オシレート方向偏移表示手段
１９ トーチ軸線方向偏移演算手段
２０ トーチ軸線方向偏移表示手段
２１ ロボットトーチ位置制御装置
２２ オシレート方向端点検出手段
２３ 波形消去手段
２４ 第１演算手段
２５ 第２演算手段
２６ 閾値設定手段
２７ 均し手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、オシレート幅より開先幅が狭い突合せ溶接法において、溶接トーチを開先幅方向にオシレートさせた時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。
【従来の技術】
近年の消耗電極式アーク溶接に於いては、溶接トーチを溶接母材の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用いられている。
【０００２】
このアークセンシング制御は、溶接トーチを溶接母材の開先幅方向にオシレートさせた場合の消耗電極（溶接ワイヤ）突出し長の変化に伴う溶接電流の変化に基づいて、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）の位置を補正制御するものである。
【０００３】
しかし、アーク現象は非常に不安定且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低く、特に薄板の高速度溶接等の高精度な溶接品質が必要な分野では、信頼性向上が強く望まれている。このため、従来よりアークセンシング制御の信頼性を向上させる各種の方法が提案されているが、実用レベルで満足のいくものは未だ得られていないのが実状である。
【０００４】
そこで本出願人は、アークセンシング制御の外乱要因となる短絡期の溶接電流波形を完全に除去すると共に、その除去期間を直線で補間した溶接電流波形に均し処理及び半周期反転重合処理などを施してオシレート方向偏移とトーチ軸線方向偏移を演算する画期的手法を見出し、この手法に基づいてオシレート方向及びトーチ軸線方向のトーチ位置を補正するアークセンシング制御による溶接線の倣い判定装置と倣い制御装置を特願平１１―２３０８８１号で提案している。
【発明が解決しようとする課題】
この特願平１１―２３０８８１号のアークセンシング制御は、溶接電流値に外乱要因として作用する短絡やスパッタ等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であるため、アークセンシング制御の信頼性を飛躍的に向上させることができた。
【０００５】
しかしながら、前記のアークセンシング制御では、オシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅が狭い突合せ溶接等の場合には、開先位置のオシレート方向検出が難しいため、前記のアークセンシング制御をそのままでは適用することができないことが判明した。
【０００６】
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等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で、さらにオシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅が狭い突合せ溶接等にも適用可能で、且つ信頼性の高いアークセンシング制御による溶接線倣い判定装置と倣い制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、
（A）短絡とアークを繰返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接の突合せ溶接に於いて、溶接トーチを溶接線直角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）前記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で補間する直線補間手段と、
（D）前記直線補間された溶接電流波形を移動平均により滑らかな波形に均し処理する均し手段と、
（E）前記滑らかな波形を微分波形に変換する微分変換手段と、
（F）前記微分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、
（G）前記切出し手段で切出された微分波形を半周期毎に互いに反転状態で重合させる重合手段と、
（H）前記重合手段で見出された前記微分波形の四分の一及び四分の三周期付近の各波形の交点を開先中心位置とし、溶接トーチのオシレート幅方向に対する溶接線中心位置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をそれぞれ具備することを特徴とする。
【０００７】
前記の発明によれば、前記電流検出手段により検出される溶接電流波形が、前記短絡波形除去手段により短絡期の波形が除去されてから、前記直線補間手段により波形欠落部分が直線補間され、均し手段にて均し処理され、その後前記微分変換手段により微分波形に変換される。
【０００８】
さらに、この微分波形は、前記切出し手段により溶接トーチのオシレート周期に対応する複数の区間に切出されると共に半周期毎に反転重合処理され、これにより見出された四分の一及び四分の三周期付近の前記微分波形の最大最小値間波形の交点に対応させて、溶接トーチのオシレート幅方向に対する溶接線中心位置の偏移方向と偏移量が、前記オシレート方向偏移表示手段により表示される。
【０００９】
オシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅が狭い突合せ溶接等の場合は、前述の特願平１１−２３０８８１号の技術によれば、図８に示すように、直線補間及び均し処理後の溶接電流波形Ｙ（図８（Ａ）中の曲線）を半周期毎に折返して重ねた曲線（図８（Ｂ）中の曲線）の最小二乗法による近似直線Ｌ（図８（Ｂ）中の水平線）の傾斜角度が、開先部分の左右両側での被溶接材表面の平坦性のためにごくわずかとなり、溶接線のオシレート幅方向の位置を判定することができなかった。
【００１０】
しかし、本発明によれば、溶接電流の微分波形を用いているため、図８（Ｃ）に示すように、直線補間及び均し処理後の同じ溶接電流波形であっても、溶接線中心位置で開先傾斜角度がＶ溝下端を境として大きく変化するので、溶接電流微分波形の微分値の変化が大きく、それにより溶接線の位置判定が可能となる。
【００１１】
前記の発明によれば、移動平均の毎回の前方サンプリング時間とサンプリング数を適宜設定することにより溶接の進行とほぼリアルタイムで滑らかな溶接電流波形を得ることができる。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、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の演算手段と、
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の演算手段と、
前記第１の演算手段と第２の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。
短絡波形の開始点と終了点を明確に特定することは非常に困難であるが、前記の発明によれば、前記閾値設定手段により溶接電流のアーク期と短絡期を一応区別する基準電圧が閾値として設定され、この閾値に基づいて前記第１演算手段と第２演算手段により、外乱要因として消去すべき波形部分を前記閾値で判断した一応の短絡期を含めてその前後に所定幅だけ拡大するので、溶接トーチの倣い判定を行う上での大きな外乱要因となる短絡の影響が完全に除去される。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、溶接トーチをオシレート端点で反転移動させるために、ロボットトーチ位置制御装置から溶接ロボットシステムに対して出力されるオシレート同期パルス信号の出力時と、実際の溶接トーチオシレート端点到達時との間のタイムラグを予め検出しておき、このタイムラグ分だけ前記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。
【００１４】
前記の発明によれば、前記切出し手段による溶接電流の切出しタイミングが、オシレート同期パルス信号出力時と実際の溶接トーチオシレート端点到達時のタイムラグだけ遅延して設定されるので、溶接線の倣い判定装置の正確性と信頼性が向上する。
また請求項４に記載の発明は、
（A）短絡とアークを繰返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接の突合せ溶接において、溶接トーチを溶接線直角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）前記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で補間する直線補間手段と、
（D）前記直線補間された溶接電流波形を移動平均により滑らかな波形に均し処理する均し手段と、
（E）前記滑らかな波形を微分波形に変換する微分変換手段と、
（F）前記微分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、
（G）前記切出し手段で切出された微分波形を半周期毎に互いに反転状態で重合させる重合手段と、
（H）前記重合手段で見出された前記微分波形の四分の一及び四分の三周期付近の各波形の交点を開先中心位置とし、溶接トーチのオシレート幅方向に対する溶接線中心位置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、
（I）前記微分波形の微分値ゼロに対応する溶接電流値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、（J）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フィードバック制御するようにしたことを特徴とする。
【００１５】
前記の発明によれば、請求項１に記載の倣い判定装置の機能に加え、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を有しているため、この両手段により演算された偏移データに基づいて、溶接トーチのオシレート中心位置と溶接トーチ高さがフィードバック制御されるので、正確性と信頼性の高い溶接線の倣い制御が可能となる。
【００１６】
前記の発明によれば、移動平均の毎回の前方サンプリング時間とサンプリング数を適宜設定することにより溶接の進行とほぼリアルタイムで滑らかな溶接電流波形を得ることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、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の演算手段と、
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の演算手段と、
前記第１の演算手段と第２の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。
【００１８】
前記の発明によれば、溶接トーチの倣い判定を行う上での大きな外乱要因となる短絡の影響が完全に除去されるから、溶接線の倣い制御の正確性と信頼性が向上される。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、溶接トーチをオシレート端点で反転移動させるために、ロボットトーチ位置制御装置から溶接ロボットシステムに対して出力されるオシレート同期パルス信号の出力時と、実際の溶接トーチオシレート端点到達時との間のタイムラグを予め検出しておき、このタイムラグ分だけ前記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。
【００２０】
前記の発明によれば、前記切出し手段による溶接電流の切出しタイミングが、オシレート同期パルス信号出力時と実際の溶接トーチオシレート端点到達時のタイムラグだけ遅延して設定されるので、溶接線の倣い判定装置の正確性と信頼性が向上する。
【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。
【００２１】
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２１に至るフィードバックがない場合は、単なる倣い判定装置となる。
【００２２】
図１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言う）、２は溶接電源装置、３は突合せ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。
【００２３】
溶接ワイヤ４の供給側７はコイル状に巻回され、このコイル状の供給側７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。
【００２４】
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２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。
【００２５】
１２は短絡波形除去手段、１３は直線補間手段、１４は微分変換手段、１５は切出し手段、１６は折返し重合手段、１８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、２０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、２１はロボットトーチ位置制御装置、２２はオシレート方向端点検出手段である。以下、図１に示す各ブロックについてさらに説明する。
【００２６】
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はコンタクトチップ５ａと母材３間の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。
【００２７】
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２６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。
【００２８】
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号公報の比較器のように、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ないまま残存している。
【００２９】
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２４を設け、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２５を設けた。
【００３０】
これら第１演算手段２４と第２演算手段２５は、具体的には演算プログラムの中の時間ステップとして表される。そして第１演算手段２４と第２演算手段２５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２３で消去するのである。この波形消去手段２３は、具体的に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。
【００３１】
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。但し、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良い。
【００３２】
直線補間手段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の直線補間部分参照）。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号公報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（図３（Ｂ）中の曲線が移動平均曲線）や微分波形変換が初めて有効となるのである。
【００３３】
微分変換手段１４は、前述の短絡波形除去後、その欠落部分の直線補間した溶接電流波形を移動平均により変換した後（図３では図示省略）、この波形を微分変換し表示するものである。この微分変換によりオシレート幅より狭い開先幅であっても、溶接線中心位置で開先角度が急変するため微分波形もマイナス側からプラス側へと大きく変化する。この微分変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溶接の進行とほぼリアルタイムに抽出可能となる。
【００３４】
切出し手段１５は、微分変換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（Ｃ）の波形Ｚをオシレート１周期毎に区分して切出すものである。ここで「ほぼ等分」と言うのは、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ないことによる。この切出し手段１５は、具体的には溶接ロボットシステムにおけるオシレート端点を表すオシレート同期パルス信号出力により制御される。
【００３５】
切出しのタイミングは、オシレート方向端点検出手段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も良いが、オシレート同期パルス信号出力時と実際の溶接トーチオシレート端点到達時との間のタイムラグ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１５による電流微分変換波形の切出しタイミングを設定するのが望ましい。尚、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等を取付けて実測し、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また溶接施工状態によっても微妙に異なるので、溶接作業に先立って遅延時間を検出しておく。
【００３６】
折返し重合手段１６は、図３（Ｄ）のように、移動平均法で滑らかにされ、かつ、微分変換されたオシレート一周期分の波形を半周期（１８０度）に対応する位置で折返（反転）して重合するものである。この折返し重合手段１６により、溶接電流微分波形の四分の一及び四分の三周期付近の各波形の交点を表現することが可能となる。
【００３７】
すなわち、従来のように短絡期間の電流波形を完全に除いた溶接電流波形のオシレート周期毎の近似直線傾斜角度による方法では、オシレート幅より開先幅が狭い突合せ溶接の場合、溶接電流の変化する範囲がオシレート範囲に対し部分的であるため、オシレート方向、トーチ軸線方向の両偏移量の表示及び偏移補正制御を行うことがほとんど不可能であった。
【００３８】
これに対して本発明は、トーチ位置情報に於いて外乱情報となる短絡期の溶接電流を消去し、その間を直線補間し、さらに平均化した電流波形を微分変換し、オシレート１周期分の電流微分波形の交差する位置でオシレート方向偏移情報を導き、微分ゼロ位置（溶接電流の変化がない位置）における溶接電流値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。
【００３９】
オシレート方向偏移表示手段１８とトーチ軸線方向偏移表示手段２０は、典型的には図７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δｈとトーチ軸線方向偏移量δｖ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。
【００４０】
両演算手段１７と１９の演算内容は、図４〜図７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。尚、各図右側の波形はオシレート１周期分の溶接電流微分波形を半周期で折返し重合させたもので、オシレート中心と表記してある垂直線がオシレート四分の一（９０°）ないし四分の三周期（２７０°）に相当する。但し、波形自体は図３（Ｃ）の波形と異なり現実の電流微分波形ではなく、溶接トーチ５と母材３間の垂直距離の長短で溶接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。
【００４１】
先ず、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。この時、微分波形の交点Ｐはオシレート中心位置に一致しており、且つ、電流微分値ゼロ位置の溶接電流値が基準高さＫに一致している。図４の正常溶接状態からやや左方にオシレート方向偏移δｈが生じた状態が図５に示される。この時、オシレート中心から左側の溶接トーチ５と母材３間の垂直距離一定の区間が増大するから、溶接電流微分曲線Ｚの左側ゼロ区間が増大し、微分曲線Ｚの最大最小値を結ぶ直線の交点Ｐがオシレート中心から右側に移動する。図６は開先中心から大きく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の溶接トーチ５と母材３間の垂直距離一定の区間がさらに増大するから、溶接電流微分曲線Ｚの左側ゼロ区間がさらに増大し、微分曲線Ｚの交点Ｐがオシレート中心から大きく右側に移動する。尚、オシレート方向偏移が右方に生じた状態は、図５及び図６を左右対称に変化させただけであるので省略する。
【００４２】
図４の正常溶接状態から下方にトーチ軸線方向偏移δｖが生じた状態が図７に示される。この時、溶接トーチ５と母材３間の垂直距離減少と反比例して溶接電流が増大するから、微分波形の交差位置はそのままにして、微分波形ゼロ位置の溶接電流値が上方に移動する。従って、基準高さＫから電流微分値ゼロ位置における高さ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）。尚、トーチ軸線方向偏移が上方に生じた状態は、図７の溶接電流値の基準高さＫを中心に下方へ偏移するだけであるので省略する。
【００４３】
次に倣い制御装置の作動について図１に基づき説明する。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等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２１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う。
【００４４】
ロボットトーチ位置制御装置２１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、適正溶接電流にてオシレート中心が溶接線（開先中心）を正しく倣っている間は、図４のように電流微分波形Ｚの交点Ｐがオシレート中心からのオシレート方向偏移量δｈ＝ゼロの状態を表示し、電流微分値ゼロ位置の電流値によりトーチ軸線方向偏移量δｖ＝ゼロの状態を表示する。
【００４５】
またオシレート中心が溶接線から左右方向にずれた時、図５及び図６に示すように微分波形Ｚの交点Ｐがオシレート中心から偏移し、偏移量δｈがゼロとなるように、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２１に入力される。
【００４６】
またトーチ位置が溶接線から上下方向にずれた時、図７に示すように微分波形ゼロ位置の電流値によりトーチ軸線方向偏移量δｖが演算され、偏移量δｖがゼロとなるように、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２１に入力される。
【００４７】
実際の制御はオシレート方向制御とトーチ軸線方向制御を組み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が上下左右に移動し、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、当該偏移量をゼロにすべくロボットトーチ位置制御装置２１に対して補正指令が出力され、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）がフィードバック補正される。
【００４８】
尚、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の演算値に基づきロボットトーチ位置制御装置２１に補正指令を出力し、その出力値と補正後の演算手段１７、１９の演算値を保存蓄積し、両者の相関関係を学習させることで、それ以後、最適な補正指令を瞬時に出力するような使用法も可能である。
【００４９】
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良い。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、用途に応じて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。
【発明の効果】
本発明の溶接線倣い判定装置及び倣い制御装置は、次の効果を奏する。
【００５０】
請求項１に記載の発明によれば、オシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅が広い場合は勿論のこと、この反対にオシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅が狭い突合せ溶接等においても、アークセンシング制御による信頼性の高い溶接線の倣い判定が可能となり、溶接線の倣いずれの程度を溶接の進行とリアルタイムで正確に監視することができるので、溶接品質不良に対する高精度の検出と溶接後の手直し工数の低減が図られる。
【００５１】
また、請求項１に記載の発明によれば、移動平均の毎回の前方サンプリング時間とサンプリング数を適宜設定することにより溶接の進行とほぼリアルタイムで滑らかな溶接電流波形を得ることができる。
【００５２】
請求項２に記載の発明によれば、大きな外乱要因である短絡の影響が完全に除去されるので、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・開先形状及びルートギャップ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良く検出でき、溶接線の倣い判定の信頼性が大幅に向上する。
【００５３】
請求項３に記載の発明によれば、切出しタイミングを遅れ時間だけ予め遅延させているので、同じく判定の信頼性が向上する。
【００５４】
請求項４に記載の発明によれば、オシレート振幅範囲よりも溶接母材の開先幅の狭い突合せ溶接等に対しても、アークセンシング制御による信頼性の高い溶接線の倣い制御が可能となり、溶接線の倣いずれが瞬時に修正されるので、溶接品質不良の発生自体を防止できる。
【００５５】
請求項５〜６に記載の発明によれば、前記の請求項２〜３に記載の発明と同様な効果が、溶接線の倣い制御に対しても得られる。
【００５６】
また、アークセンシング制御の本来的特徴として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治具とのばらつきが発生しても、溶接トーチの制御には全く影響がないため、部品精度管理水準引き下げによる歩留まり向上と、保持治具の簡素化によるコスト低減を図ることができる。
【００５７】
さらに、アークセンシング制御の本来的特徴として溶接部から直接的に位置ずれを検出するため、従来の開先倣い装置が不要となり、溶接トーチに対して開先倣い装置に必須の各種センサ等溶接上邪魔になるもの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向上、ならびに検出精度低下と耐久性低下を防止できる。
【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）は移動平均曲線を微分変換した溶接電流微分曲線を示す図、（Ｄ）はオシレート１周期の溶接電流微分曲線を半周期で折返し重合した図。
【図４】 倣いずれが無いときの倣い表示装置のモデル画面図。
【図５】 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６】 オシレート方向左大偏移時の倣い表示装置のモデル画面図。
【図７】 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８】 （Ａ）は短絡期間除去後、直線補間した溶接電流波形の移動平均曲線を示す図、（Ｂ）はオシレート１周期の溶接電流曲線を半周期で折返し近似直線を示す図、（Ｃ）はオシレート１周期の溶接電流微分曲線を半周期で折返し重合した図。
【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
５ａ コンタクトチップ
６ 送給ローラ
７ 供給側
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 直線補間手段
１４ 微分変換手段
１５ 切出し手段
１６ 折返し重合手段
１７ オシレート方向偏移演算手段
１８ オシレート方向偏移表示手段
１９ トーチ軸線方向偏移演算手段
２０ トーチ軸線方向偏移表示手段
２１ ロボットトーチ位置制御装置
２２ オシレート方向端点検出手段
２３ 波形消去手段
２４ 第１演算手段
２５ 第２演算手段
２６ 閾値設定手段
２７ 均し手段
Claims (6)
- （A）短絡とアークを繰返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接の突合せ溶接に於いて、溶接トーチを溶接線直角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）前記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で補間する直線補間手段と、
（D）前記直線補間された溶接電流波形を移動平均により滑らかな波形に均し処理する均し手段と、
（E）前記滑らかな波形を微分波形に変換する微分変換手段と、
（F）前記微分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、
（G）前記切出し手段で切出された微分波形を半周期毎に互いに反転状態で重合させる重合手段と、
（H）前記重合手段で見出された前記微分波形の四分の一及び四分の三周期付近の各波形の交点を開先中心位置とし、溶接トーチのオシレート幅方向に対する溶接線中心位置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。 - 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の演算手段と、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の演算手段と、前記第１の演算手段と第２の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記載の溶接線の倣い判定装置。
- 溶接トーチをオシレート端点で反転移動させるために、ロボットトーチ位置制御装置から溶接ロボットシステムに対して出力されるオシレート同期パルス信号の出力時と、実際の溶接トーチオシレート端点到達時との間のタイムラグを予め検出しておき、このタイムラグ分だけ前記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又は２記載の溶接線の倣い判定装置。
- （A）短絡とアークを繰返して溶接を行う消耗電極式アーク溶接の突合せ溶接において、溶接トーチを溶接線直角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）前記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で補間する直線補間手段と、
（D）前記直線補間された溶接電流波形を移動平均により滑らかな波形に均し処理する均し手段と、
（E）前記滑らかな波形を微分波形に変換する微分変換手段と、
（F）前記微分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、
（G）前記切出し手段で切出された微分波形を半周期毎に互いに反転状態で重合させる重合手段と、
（H）前記重合手段で見出された前記微分波形の四分の一及び四分の三周期付近の各波形の交点を開先中心位置とし、溶接トーチのオシレート幅方向に対する溶接線中心位置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、
（I）前記微分波形の微分値ゼロに対応する溶接電流値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、（J）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フィードバック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。 - 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の演算手段と、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の演算手段と、前記第１の演算手段と第２の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４記載の溶接線の倣い制御装置。
- 溶接トーチをオシレート端点で反転移動させるために、ロボットトーチ位置制御装置から溶接ロボットシステムに対して出力されるオシレート同期パルス信号の出力時と、実際の溶接トーチオシレート端点到達時との間のタイムラグを予め検出しておき、このタイムラグ分だけ前記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４又は５記載の溶接線の倣い制御装置。
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