JP5366578B2 - 溶接用ウィーバ及びこの溶接用ウィーバを搭載した溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、溶接用ウィーバ及びこの溶接用ウィーバを搭載した溶接装置に関する。

アーク溶接を行う自動溶接装置は、倣い制御により溶接ワイヤ先端の位置精度を確保する目的や、溶接品質の確保を目的として、従来より溶接ワイヤの先端部を揺動させる動作を行っている。このような溶接ワイヤ先端部を揺動させるものとしては、例えば「１５は回転径可変の溶接トーチ、１６は溶接ワイヤ、１７は電極ノズル、１８は電極ノズル１７の先端に取り付けられた偏心チップであり、この偏心チップ１８により電極ノズル１７の中心を通る溶接ワイヤ１６の先端１６ａの位置が軸芯より所定の距離だけ偏倚せしめられる。１９は電極ノズル１７の上端部を支持する自動調心ベアリングで、ギヤボックス２０に取り付けられている。２１は電極ノズル１７の中間部を支持する自動調心ベアリングで、偏心回転筒体２２の偏心位置に取り付けられており、偏心回転筒体２２はベアリング２３を介してギヤボックス２０に回転自在に支持されている。２４は上記回転径変更装置１４の一方を構成する回転機構で、モータＭ１によりギヤ２５，２６を介して電極ノズル１７を回転駆動する。２７は回転径変更装置１４の他方を構成する回転機構で、モータＭ２によりギヤ２８，２９を介して偏心回転筒体２２を回転駆動する。これによって電極ノズル１７は上部の自動調心ベアリング１９を支点とする歳差運動をする。」（例えば特許文献１参照）という溶接トーチが提案されている。また、例えば「トーチ基部１０の先端に取り付けられたワイヤ供給ノズル１４と、ワイヤ供給ノズル１４の対抗側面に配置された１対の永久磁石１５と、永久磁石１５の外側に配置された１対の電磁コイル１６と、電磁コイル１６に交番電圧を印加したときに、可どう部材１３を中心にワイヤ５の先端をオシレートする消耗電極溶接トーチ３と、体積膨張素子３３を用いた１対のヒンジ機構３１を具備し、前記１対のヒンジ機構３１は、ワイヤ５のオシレートする方向に、ワイヤ供給ノズル１４の対向側面に配設し、体積膨張素子３３に引加する電圧により、前記ワイヤ５の先端のオシレート幅を調整できることを特徴とする。」（例えば特許文献２参照）という溶接トーチが提案されている。また、溶接トーチ全体を揺動させて溶接ワイヤの先端部を揺動させるるものとしては、例えば「溶接トーチ１と、この溶接トーチ１を保持して溶接トーチ１を水平方向に移動する水平移動部９および溶接トーチ１を垂直方向に移動する垂直移動部８を有する駆動機構と、溶接トーチ１により溶接される溶接線の位置を検出する溶接線検出手段と、溶接トーチ１がオシレート運動を行うように水平移動部９および垂直移動部８をコントロールするとともに溶接線検出手段より検出した溶接線の位置ずれを補正するように水平移動部９および垂直移動部８をコントロールする制御装置とを備えている。」（例えば特許文献３参照）という溶接装置が提案されている。

特開平５−２３８５６号公報（段落００１０、図３，４） 特開平１０−６０１５号公報（要約、図１） 特開平９−１９２８３５号公報（要約、図１）

溶接トーチは、アーク溶接時に発生するスパッタ等が溶接トーチ内に侵入してしまう。このため、定期的に溶接トーチをメンテナンスする必要がある。しかしながら、溶接トーチ内のチップボディ（特許文献１における電極ノズル、特許文献２におけるワイヤ供給ノズル）を揺動させる溶接トーチ（例えば特許文献１及び特許文献２参照）は、その構造が複雑なため、メンテナンスしにくいという問題点があった。

また、溶接品質を確保するためには溶融池内を十分に撹拌する必要がある。しかしながら、溶接トーチ全体を揺動させる溶接装置（例えば特許文献３参照）では、重量のある溶接トーチを直線運動させることにより溶接ワイヤの先端を揺動させているため、高速で溶接ワイヤの先端部を揺動させることができないという問題点があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたものであり、溶接トーチのメンテナンスが容易で、高速で溶接ワイヤの先端部を揺動させることが可能な溶接用ウィーバ及びこの溶接用ウィーバを搭載した溶接装置を得ることを目的とする。

本発明に係る溶接用ウィーバは、溶接トーチが回動軸を介して回動自在に設けられる溶接用ウィーバ本体部と、一端が前記回動軸に接続されるリンクバーと、前記溶接トーチの本体部の軸線に沿って、前記溶接用ウィーバ本体部に設けられた直動アクチュエータと、前記直動アクチュエータを制御する制御装置と、を有し、前記リンクバーの他端又は前記直動アクチュエータの可動部の一方には、長穴が形成されており、前記リンクバーの他端又は前記直動アクチュエータの可動部の他方には、ピンが設けられており、前記長穴に前記ピンが回動自在かつ摺動自在に挿入されて、前記リンクバーの他端と前記直動アクチュエータの可動部とが接続されており、前記制御装置は、前記直動アクチュエータの可動部を前後方向に移動させることによって、前記リンクバーを介して、前記溶接トーチを前記回動軸を中心として回動させ、前記溶接トーチの先端を所定の波形で揺動させるものである。

また、本発明に係る溶接装置は、上記の溶接用ウィーバを搭載したものである。

本発明においては、従来からあるシンプルな構造の溶接トーチの先端部（溶接ワイヤの先端部）を、リンク機構により揺動させる。このため、溶接トーチのメンテナンスが容易となる。また、重量のある溶接トーチであっても、溶接トーチ先端部（溶接ワイヤの先端部）を高速で揺動させることができる。

実施の形態に係る溶接装置を示すシステム構成図である。 実施の形態に係る溶接用ウィーバを示す縦断面模式図である。 実施の形態に係る溶接トーチの揺動状態を示す概略図である。 実施の形態に係る溶接トーチ先端の揺動波形の一例を示す特性図である。 実施の形態に係る溶接装置の溶接姿勢の一例を示す説明図である。

実施の形態．
（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る溶接装置を示すシステム構成図である。
溶接装置１００は、溶接ロボット１、溶接ロボット制御盤２、送給装置３、溶接電源４、ウィーバ制御盤５及び溶接用ウィーバ２０等から構成されている。溶接ロボット１は例えばロボットアームであり、アームの先端部には、ウィーバ用ブラケット１ａを介して溶接用ウィーバ２０が設けられている。

この溶接ロボット１は、ロボット動力線６及びロボット信号線７を介して溶接ロボット制御盤２と接続されている。溶接ロボット制御盤２は、溶接ロボット１の姿勢制御等を行うものであり、ロボット動力線６を介して溶接ロボット１に動力を供給し、ロボット信号線７を介して溶接ロボットを所定の姿勢に制御する。溶接ロボット制御盤２は、その動力源として、例えば３相２００Ｖの商用電源に接続されている。

溶接用ウィーバ２０には、溶接トーチ２２、リニアモータ２６及びリニアスケール２９等が設けられている。溶接トーチ２２は、トーチケーブル８を介して送給装置３と接続されており、送給装置３から溶接ワイヤが供給される。リニアモータ２６は、ウィーバ動力線１０及びホールセンサ信号線１２を介してウィーバ制御盤５と接続されている。リニアスケール２９は、リニアスケール信号線１１を介してウィーバ制御盤５と接続されている。

ウィーバ制御盤５は、その動力源として、例えば３相２００Ｖの商用電源に接続されている。また、ウィーバ制御盤５は、ホールセンサ信号線１２を介して、リニアモータ２６のコイル部２６ａを流れる電流の値を受信する。また、ウィーバ制御盤５は、リニアスケール信号線１１を介してリニアモータ２６のロッド部２６ｂの位置情報を受信する。ウィーバ制御盤５は、これら電流値及び位置情報に基づいてリニアモータ２６を駆動させ、溶接トーチ２２の先端部を所定の波形で揺動させる。また、ウィーバ制御盤５は、溶接トーチ２２先端（ロッド部２６ｂ）の位置情報を溶接ロボット制御盤２に送信するため、アークセンシングタイミング信号線１３を介して溶接ロボット制御盤２と接続されている。ここで、ウィーバ制御盤５が本発明の制御装置に相当する。なお、溶接用ウィーバ２０の詳細構造については後述する。

送給装置３は溶接電源４と接続されており、溶接電源４は溶接電源制御信号線９を介して溶接ロボット制御盤２と接続されている。また、溶接電源４は、その動力源として、例えば３相２００Ｖの商用電源に接続されている。この溶接電源４は、タッチセンサユニットを内蔵している。タッチセンサユニットは、溶接トーチ２２の先端又は溶接ワイヤの先端を被溶接物に数点接触させたときに生じる印加電圧変化から溶接線等を検出する。また、溶接電源４は、アーク溶接時のアーク電流やアーク電圧を検出する。アーク溶接時のアーク電流やアーク電圧は、溶接電源制御信号線９を介して溶接ロボット制御盤２に送信される。溶接ロボット制御盤２は、アーク溶接時のアーク電流やアーク電圧に基づき、溶接トーチ２２の先端（溶接ワイヤの先端）の位置精度を確保するための倣い制御を行う。

（溶接用ウィーバ）
次に、本実施の形態に係る溶接用ウィーバ２０の構造について説明する。
図２は本発明の実施の形態に係る溶接用ウィーバを示す縦断面模式図である。なお、以下の説明では、図２における右側を前側、図２における上側を上側、図２における紙面直交方向手前側を手前側として説明する。

溶接用ウィーバ２０は、本体部２１、溶接トーチ２２、回動軸２３、リンクバー２４、連結部材２５、リニアモータ２６、リニアセンサヘッド２８及びリニアスケール２９等から構成されている。本体部は、ベースプレート２１ａと、このベースプレート２１ａの手前側及び奥側の側縁部に立設された一対のサイドプレート２１ｂから構成されている。ベースプレート２１ａの下面部にウィーバ用ブラケット１ａが接続されることにより、溶接用ウィーバ２０は溶接ロボット１のアーム先端部に設けられている。

サイドプレート２１ｂのそれぞれには、回動軸２３の一端が回動自在に接続されている。回動軸２３のそれぞれの他端は、溶接トーチ２２に接続されている。この溶接トーチ２２は、本体部２２ａ、及びチップボディ等が内蔵されたトーチボディ２２ｂ等から構成されている。回動軸２３のそれぞれの他端は、本体部２２ａと接続されている。つまり、溶接トーチ２２は、回動軸２３を介して本体部２１（より詳しくはサイドプレート２１ｂ）に回動自在に設けられている。このとき、溶接トーチ２２（トーチボディ２２ｂ）の先端部が前方を向くように、溶接トーチ２２は本体部２１に回動自在に設けられている。また、手前側の回動軸２３（つまり、溶接トーチ２２の手前側）には、リンクバー２４の一端が接続されている。このリンクバー２４の他端には、後述のピン２５ａが挿入される長穴２４ａが形成されている。なお、本実施の形態では各回動軸２３の他端を直接溶接トーチ２２に接続したが、各回動軸２３の他端をホルダに接続し、このホルダに溶接トーチ２２を着脱自在に設けてもよい。このように構成することにより、溶接用ウィーバ２０からの溶接トーチ２２の着脱が容易となる。

ベースプレート２１ａの上面部には、リニアモータ２６が設けられている。このリニアモータ２６は、溶接トーチ２２の本体部２２ａの軸線に沿って設けられている。このようにリニアモータ２６を配置することにより、溶接用ウィーバ２０を小型化することができる。溶接用ウィーバ２０を小型化することにより、被溶接物に溶接用ウィーバ２０が接触することを防止できる。リニアモータ２６は、コイル部２６ａ、及びこのコイル部２６ａに摺動自在に挿入されたロッド部２６ｂ等から構成されている。コイル部２６ａがベースプレート２１ａの上面部に固定され、ロッド部２６ｂが前後方向に移動可能となっている。ここで、リニアモータ２６が本発明の直動アクチュエータに相当する。また、ロッド部２６ｂが本発明の可動部に相当する。なお、リニアモータ２６は、本実施の形態に示す形状のものに限らず、種々の形状のリニアモータを使用することができる。

ロッド部２６ｂの前側端部には、連結部材２５が取り付けられている。この連結部材２５にはピン２５ａが立設されている。このピン２５ａがリンクバー２４の長穴２４ａに挿入されることにより、溶接トーチ２２とリニアモータ２６（より詳しくはロッド部２６ｂ）がリンク接続されている。ピン２５ａが長穴２４ａに挿入された状態において、ピン２５ａは、回動自在となっており、長穴２４ａ内を摺動自在となっている。

ベースプレート２１ａの上面部後方には凹部２１ｃが形成されており、この凹部２１ｃにはリニアセンサヘッド２８及びリニアスケール２９が収納されている。リニアセンサヘッド２８は、ロッド部２６ｂの後側端部に設けられたセンサヘッド用ブラケット２７に取り付けられており、前後方向に移動可能となっている。これらリニアセンサヘッド２８及びリニアスケール２９によって、ロッド部２６ｂの位置を検出する。つまり、これらリニアセンサヘッド２８及びリニアスケール２９によって、溶接トーチ２２の先端の位置を検出する。このようにリニアセンサヘッド２８及びリニアスケール２９を設けることにより、溶接用ウィーバ２０をさらに小型化することができる。なお、リニアセンサヘッド２８及びリニアスケール２９の設置位置は凹部２１ｃ内に限らず、例えば、サイドプレート２１ｂにリニアセンサヘッド２８及びリニアスケール２９を設けてもよい。

（動作）
続いて、本実施の形態に係る溶接トーチ２２の揺動動作について説明する。
図３は、本発明の実施の形態にかかる溶接トーチ先端の揺動状態を示す概略図である。図３に示すように、ロッド部２６ｂが後方へ移動すると、連結部材２５のピン２５ａもリンクバー２４の長穴２４ａ内を摺動して後方へ移動する。そして、溶接トーチ２２が回動軸２３を中心として回転し、溶接トーチ２２の先端が下方向へ移動する。また、ロッド部２６ｂが前方へ移動すると、連結部材２５のピン２５ａもリンクバー２４の長穴２４ａ内を摺動して前方へ移動する。そして、溶接トーチ２２が回動軸２３を中心として回転し、溶接トーチ２２の先端が上方向へ移動する。したがって、ロッド部２６ｂを前後方向に移動させることにより、溶接トーチ２２の先端が上下方向に揺動する。このように溶接トーチ２２を回動させて溶接トーチ２２先端を揺動させることにより、溶接トーチ２２先端を高速で揺動させることが可能となる。このため、溶融池を十分に撹拌することができ、良好な溶接品質を確保することができる。本実施の形態では、溶接トーチ２２先端を１０［Ｈｚ］で揺動させている。

なお、本実施の形態では、溶接トーチ２２先端の上下方向の振幅Ｓｔ２がロッド部２６ｂの前後方向の移動量Ｓｔ１の５倍となるように、リンクバー２４の形状等（より詳しくは、回動軸２３中心と長穴２４ａとの距離等）を設定している。これらＳｔ１とＳｔ２のストローク比、溶接トーチ２２先端の揺動速度、及び溶接トーチ２２の重量等を考慮して直動アクチュエータを選定した結果、本実施の形態ではリニアモータ２６が最も溶接用ウィーバ２０を小型化できるという結論に達した。このため、直動アクチュエータとしてリニアモータ２６を使用している。しかしながら、直動アクチュエータの選定条件によっては、種々の直動アクチュエータの使用が可能である。例えば、ボールネジをサーボモータ等で駆動させる直動アクチュエータを用いてもよい。

この溶接トーチ２２の先端の揺動は、ウィーバ制御盤５によって任意の波形とすることができる。
図４は、本発明の実施の形態に係る溶接トーチ先端の揺動波形の一例を示す特性図である。この図４は、横軸が時間を表し、縦軸が溶接トーチ先端の振幅を表している。

例えば波形Ａに示すように、溶接トーチ２２先端の揺動波形を三角波形とすることができる。このように溶接トーチ２２の先端を揺動させることにより、溶接トーチ２２先端を、溶接トーチ全体を揺動させる従来の溶接装置（例えば特許文献３参照）と同様の揺動波形とすることができる。
また、例えば波形Ｂに示すように、振幅の両端で溶接トーチ２２先端の揺動を停止させ、溶接トーチ２２先端の揺動波形を台形波形とすることもできる。このように溶接トーチ２２の先端を揺動させることにより、例えばオーバーラップのような溶接不良を防止することができる。

また、例えば波形Ｃに示すように、溶接トーチ２２先端の揺動波形を正弦波形とすることもできる。このように溶接トーチ２２の先端を揺動させることにより、溶接トーチ２２先端を、従来の溶接トーチ内のチップボディを揺動させる溶接トーチ（特許文献１及び特許文献２参照）と同様の揺動波形とすることができる。
また、例えば波形Ｄに示すように、溶接トーチ２２先端の揺動波形を５次波形とすることもできる。このように溶接トーチ２２の先端を揺動させることにより、溶接トーチ２２や溶接用ウィーバ２０の振動を抑制することができる。

また、ウィーバ制御盤５への簡単な入力操作により、溶接トーチ２２先端の振幅を容易に変更することもできる。例えば開先幅が途中で変化する被溶接物の場合、溶接途中で溶接トーチ２２先端の振幅を変化させるような溶接をすることも可能である。また、溶接トーチ２２先端の上方向の振幅と下方向の振幅とを異ならせることも可能である。

また、本実施の形態に係る溶接用ウィーバ２０は、溶接トーチ２２先端の揺動中心を変更することも可能である。つまり、リニアモータ２６のロッド部２６ｂの振幅中心を変更することにより、溶接トーチ２２先端の揺動中心を変更することができる。
例えば、図５に示すような狭隘部においては、溶接用ウィーバ２０が溶接トーチ２２先端の揺動中心を変更することができなければ、図５（ａ）に示すように本体部２１の後端部等がワークに接触してしまい、隅肉溶接等を行うことができない。しかしながら、本実施の形態に係る溶接用ウィーバ２０は、溶接トーチ２２先端の揺動中心を変更することができる。このため、溶接部に対する溶接トーチ２２の角度を良好に保ちつつ、本体部２１がワークに接触することを防止できる。

このように構成された溶接用ウィーバにおいては、溶接トーチ２２とリニアモータ２６がリンク接続され、リンク機構により溶接トーチ２２の先端を揺動させる。このため、従来より存在するシンプルな構造の溶接トーチ２２（つまり、溶接トーチ内でチップボディを揺動させない溶接トーチ）を用いることができる。したがって、アーク溶接時に発生するスパッタ等が溶接トーチ２２内に侵入した場合でも、溶接トーチ２２のメンテナンスが容易となる。また、溶接トーチ２２先端を高速で揺動させることができる。

シンプルな構造の溶接トーチ２２を高速揺動できる溶接用ウィーバ２０、及びこの溶接用ウィーバ２０を搭載した溶接装置１００は、コスト面でも非常に有効である。溶接トーチ内でチップボディを揺動させる溶接トーチは、その構造が複雑なため価格が高い。このため、溶接トーチを交換する際（設備を維持するため）にコストがかかってしまう。しかしながら、本実施の形態に係る溶接用ウィーバ２０及び溶接装置１００は、低価格であるシンプルな構造の溶接トーチ２２を使用することができるので、設備を維持するためのコストを低減することができる。

また、リニアモータ２６は溶接トーチ２２の本体部２２ａの軸線に沿って設けられている。このため、溶接用ウィーバ２０を小型化することができる。

また、直動アクチュエータとしてリニアモータ２６を用いているので、溶接用ウィーバ２０をさらに小型化することができる。

なお、本実施の形態では、連結部材２５のピン２５ａがリンクバー２４の長穴２４ａに挿入された状態において、ピン２５ａは、回動自在となっており、長穴２４ａ内を摺動自在となっている。しかしながら、溶接トーチ２２とリニアモータ２６がリンク接続されていれば、その接続方法は任意である。例えば、リンクバー２４にピン２５ａを形成し、連結部材２５に長穴２４ａを形成してもよい。また、例えば、ピン２５ａを長穴２４ａ内で摺動自在とする必要はない。リニアモータ２６のコイル部２６ａを本体部２１に回動自在に取り付けることにより、溶接トーチ２２の先端を揺動させることは可能である。

１ 溶接ロボット、１ａ ウィーバ用ブラケット、２ 溶接ロボット制御盤、３ 送給装置、４ 溶接電源、５ ウィーバ制御盤、６ ロボット動力線、７ ロボット信号線、８ トーチケーブル、９ 溶接電源制御信号線、１０ ウィーバ動力線、１１ リニアスケール信号線、１２ ホールセンサ信号線、１３ アークセンシングタイミング信号線、２０ 溶接用ウィーバ、２１ 本体部、２１ａ ベースプレート、２１ｂ サイドプレート、２１ｃ 凹部、２２ 溶接トーチ、２２ａ 本体部、２２ｂ トーチボディ、２３ 回動軸、２４ リンクバー、２４ａ 長穴、２５ 連結部材、２５ａ ピン、２６ リニアモータ、２６ａ コイル部、２６ｂ ロッド部、２７ センサヘッド用ブラケット、２８ リニアセンサヘッド、２９ リニアスケール、１００ 溶接装置。

Claims (4)

1. 溶接トーチが回動軸を介して回動自在に設けられる溶接用ウィーバ本体部と、
   一端が前記回動軸に接続されるリンクバーと、
   前記溶接トーチの本体部の軸線に沿って、前記溶接用ウィーバ本体部に設けられた直動アクチュエータと、
   前記直動アクチュエータを制御する制御装置と、
   を有し、
   前記リンクバーの他端又は前記直動アクチュエータの可動部の一方には、長穴が形成されており、
   前記リンクバーの他端又は前記直動アクチュエータの可動部の他方には、ピンが設けられており、
   前記長穴に前記ピンが回動自在かつ摺動自在に挿入されて、前記リンクバーの他端と前記直動アクチュエータの可動部とが接続されており、
   前記制御装置は、
   前記直動アクチュエータの可動部を前後方向に移動させることによって、前記リンクバーを介して、前記溶接トーチを前記回動軸を中心として回動させ、前記溶接トーチの先端を所定の波形で揺動させることを特徴とする溶接用ウィーバ。
2. 前記直動アクチュエータは、リニアモータであることを特徴とする請求項１に記載の溶接用ウィーバ。
3. 前記溶接トーチの先端の揺動中心は変更可能であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の溶接用ウィーバ。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の溶接用ウィーバを搭載したことを特徴とする溶接装置。

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