JP6516290B2 - 正逆送給アーク溶接の倣い制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換えて溶接する正逆アーク溶接を使用し、溶接トーチを溶接線に倣わせる正逆送給アーク溶接の倣い制御方法に関するものである。

一般的な消耗電極式アーク溶接では、消耗電極である溶接ワイヤを一定速度で送給し、溶接ワイヤと母材との間にアークを発生させて溶接が行なわれる。消耗電極式アーク溶接では、溶接ワイヤと母材とが短絡期間とアーク期間とを交互に繰り返す溶接状態になることが多い。

溶接品質をさらに向上させるために、溶接ワイヤの正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接する方法が提案されている（例えば、特許文献１等参照）。

特許文献１の発明では、溶接電流設定値に応じた送給速度の平均値とし、溶接ワイヤの正送と逆送との周波数及び振幅を溶接電流設定値に応じた値とする。

また、従来から溶接トーチを溶接線に倣わせながら溶接する倣い制御が行われている。この倣い制御では、溶接中に溶接トーチの位置と溶接線との位置ズレ量と相関する値を算出し、算出された位置ズレ量相関値をフィードバック制御して溶接トーチの位置を溶接線に倣わせる。倣わせる方法としては、溶接トーチをウィービングし給電チップ・母材間距離を変化させ、この変化に伴う溶接電流又は溶接電圧の変化に基づいて上記の位置ズレ量相関値を算出するアークセンサが用いられている(特許文献２参照)。その他の方法としては、ＣＣＤカメラを用いて位置ズレ量相関値を算出する場合もある(特許文献３参照)。

特許第５２０１２６６号公報 特許第４５１５０１８号公報 特許第３７３３４８５号公報

従来から、溶接電流設定値(平均送給速度)、開先形状、溶接ワイヤの種類、シールドガスの種類、給電チップ・母材間距離、溶接電源の外部特性等の種々な溶接条件に応じて、倣い制御のフィードバック制御系のゲインを調整して、倣い制御の安定化を図っていた。これは、溶接条件が変化すると倣い制御の精度が大きく変化するために、高精度を保つためには溶接条件に応じて倣い制御のゲインを再調整する必要があるためである。また、正逆送給アーク溶接では、送給速度が１００Ｈｚ程度の周波数で正送期間と逆送期間とに常に変化しているために、倣い制御のゲインが変化して溶接トーチの動きが変化すると、溶接状態の安定性が変化するという問題があった。

そこで、本発明では、倣い制御のゲインが変化しても、溶接状態の安定性を維持することができる正逆送給アーク溶接の倣い制御方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するために、請求項１の発明は、
溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換えて溶接する正逆アーク溶接を使用し、溶接トーチを溶接線に倣わせる正逆送給アーク溶接の倣い制御方法において、
前記送給速度の周波数及び／又は振幅を、前記倣い制御のゲインを入力とする予め定めた波形設定関数によって設定し、
前記波形設定関数は、前記倣い制御の前記ゲインが大きくなるほど、前記周波数を低くし、前記振幅を小さくする関数である、
ことを特徴とする正逆送給アーク溶接の倣い制御方法である。

本発明によれば、倣い制御のゲインが変化しても、ゲインの変化に応じて送給速度の波形パラメータが自動的に適正化されるので、溶接状態を常に安定化することができる。

本発明の実施の形態１に係る正逆送給アーク溶接の倣い制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。 本発明の実施の形態１に係る正逆送給アーク溶接の倣い制御方法を示す、図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１に係る正逆送給アーク溶接の倣い制御方法を実施するための溶接装置のブロック図である。以下、同図を参照して各ブロックについて説明する。

電源主回路ＰＭは、３相２００Ｖ等の商用電源（図示は省略）を入力として、後述する駆動信号Ｄｖに従ってインバータ制御等による出力制御を行い、出力電圧Ｅを出力する。この電源主回路ＰＭは、図示は省略するが、商用電源を整流する１次整流器、整流された直流を平滑する平滑コンデンサ、平滑された直流を高周波交流に変換する上記の駆動信号Ｄｖによって駆動されるインバータ回路、高周波交流を溶接に適した電圧値に降圧する高周波変圧器、降圧された高周波交流を直流に整流する２次整流器を備えている。

リアクトルＷＬは、上記の出力電圧Ｅを平滑する。このリアクトルＷＬのインダクタンス値は、例えば２００μＨである。

送給モータＷＭは、後述する送給制御信号Ｆｃを入力として、正送と逆送とを周期的に繰り返して溶接ワイヤ１を送給速度Ｆｗで送給する。送給モータＷＭには、過渡応答性の速いモータが使用される。溶接ワイヤ１の送給速度Ｆｗの変化率及び送給方向の反転を速くするために、送給モータＷＭは溶接トーチ４の先端の近くに設置される場合がある。また、送給モータＷＭを２個使用して、プッシュプル方式の送給系とする場合もある。

溶接ワイヤ１は、上記の送給モータＷＭに結合された送給ロール５の回転によって溶接トーチ４内を送給されて、母材２との間にアーク３が発生する。溶接トーチ４内の給電チップ（図示は省略）と母材２との間には溶接電圧Ｖｗが印加し、溶接電流Ｉｗが通電する。

位置ズレ量相関値算出回路ＤＬは、溶接線と溶接トーチ４の位置との位置ズレ量と相関する値を算出して、位置ズレ量相関値信号ΔＬを出力する。この位置ズレ量相関値を算出する方法は、従来技術であるアークセンサ、ＣＣＤカメラ等を使用して行われる(特許文献２、３等参照)。上記の位置ズレ量相関値信号ΔＬが正の値のときは溶接トーチ４の位置が溶接線から右側に位置ズレしていることを示し、０のときは位置ズレしていないことを示し、負の値のときは左側に位置ズレしていることを示している。

ゲイン設定回路ＧＲは、溶接条件に応じて適正化されたゲイン設定信号Ｇｒを出力する。ゲイン設定信号Ｇｒは正の値である。

シフト量算出回路ＤＤは、上記の位置ズレ量相関値信号ΔＬ及び上記のゲイン設定信号Ｇｒを入力として、シフト量信号ΔＤ＝ΔＬ・(−１)・Ｇｒを算出して出力する。これにより、位置ズレ量相関値信号ΔＬ＜０の溶接トーチ４が溶接線から左側に位置ズレしているときは、シフト量信号ΔＤ＞０となり、溶接トーチ４を右側方向にΔＤの絶対値だけシフトさせることになる。逆の場合も同様である。溶接トーチ４をシフトさせる量が、ゲイン設定信号Ｇｒによって変化する。したがって、ゲイン設定信号Ｇｒによって倣い制御のフィードバック制御系のゲインを可変させている。

溶接トーチ移動装置ＭＳは、上記のシフト量信号ΔＤを入力として、この信号に基づいて溶接トーチ４の位置を溶接線に直行する方向(左右方向)にシフトさせて溶接線に沿うようにする。溶接トーチ４がウィービングしているときは、ウィービング中心位置が上記の溶接トーチの位置に相当する。溶接トーチ移動装置ＭＳは、例えばロボットである。

平均送給速度設定回路ＦＡＲは、予め定めた平均送給速度設定信号Ｆarを出力する。

周波数設定回路ＳＦＲは、上記のゲイン設定信号Ｇｒを入力とする予め定めた周波数設定関数によって周波数設定信号Ｓfrを算出して出力する。周波数設定関数は、実験によって予め定義され、ゲイン設定信号Ｇｒの値が大きくなるほど周波数設定信号Ｓfrの値が小さくなる反比例関係にある関数である。

振幅設定回路ＷＦＲは、上記のゲイン設定信号Ｇｒを入力とする予め定めた振幅設定関数によって振幅設定信号Ｗfrを算出して出力する。振幅設定関数は、実験によって予め定義され、ゲイン設定信号Ｇｒの値が大きくなるほど振幅設定信号Ｗfrの値が小さくなる反比例関係にある関数である。上記の周波数設定関数及び振幅設定関数を波形設定関数と呼ぶことにする。

送給速度設定回路ＦＲは、上記の平均送給速度設定信号Ｆar、上記の周波数設定信号Ｓfr及び上記の振幅設定信号Ｗfrを入力として、振幅設定信号Ｗfrによって定まる振幅Ｗｆ及び周波数設定信号Ｓfrの逆数である周期設定値によって定まる周期Ｔｆで正負対称形状に変化する予め定めた台形波を、平均送給速度設定信号Ｆarの値だけ正送側にシフトした波形となる送給速度設定信号Ｆｒを出力する。この送給速度設定信号Ｆｒについては、図２で詳述する。送給速度設定信号Ｆｒの波形は、台形波以外に正弦波、三角波であっても良い。

送給制御回路ＦＣは、上記の送給速度設定信号Ｆｒを入力として、送給速度設定信号Ｆｒの値に相当する送給速度Ｆｗで溶接ワイヤ１を送給するための送給制御信号Ｆｃを上記の送給モータＷＭに出力する。

出力電圧設定回路ＥＲは、予め定めた出力電圧設定信号Ｅｒを出力する。出力電圧検出回路ＥＤは、上記の出力電圧Ｅを検出し平滑して、出力電圧検出信号Ｅｄを出力する。

電圧誤差増幅回路ＥＶは、上記の出力電圧設定信号Ｅｒ及び上記の出力電圧検出信号Ｅｄを入力として、出力電圧設定信号Ｅｒ（＋）と出力電圧検出信号Ｅｄ（−）との誤差を増幅して、電圧誤差増幅信号Ｅｖを出力する。この回路によって、溶接装置は定電圧制御される。

駆動回路ＤＶは、上記の電圧誤差増幅信号Ｅｖを入力として、電圧誤差増幅信号Ｅｖに基づいてＰＷＭ変調制御を行い、上記の電源主回路ＰＭ内のインバータ回路を駆動するための駆動信号Ｄｖを出力する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る正逆送給アーク溶接の倣い制御方法を示す、図１の溶接装置における各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は送給速度Ｆｗの時間変化を示し、同図（Ｂ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示し、同図（Ｃ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示す。以下、同図を参照して各信号の動作について説明する。

同図（Ａ）に示す送給速度Ｆｗは、図１の送給速度設定回路ＦＲから出力される送給速度設定信号Ｆｒの値に制御される。送給速度設定信号Ｆｒは、振幅設定信号Ｗfrによって定まる振幅Ｗｆ及び周波数設定信号Ｓfrによって定まる周波数Ｓｆの逆数となる周期Ｔｆ＝１／Ｓｆで正負対称形状に変化する予め定めた台形波を、平均送給速度設定信号Ｆarの値だけ正送側にシフトした波形となる。このために、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは、平均送給速度設定信号Ｆarによって定まる破線で示す平均送給速度Ｆａを基準線として、上下に対称となる振幅Ｗｆ及び周期Ｔｆで予め定めた台形波状の送給速度パターンとなる。すなわち、基準線から上側の振幅と下側の振幅とは同一値であり、基準線より上側の期間と下側の期間とは同一値となっている。

ここで、０を基準線として送給速度Ｆｗの台形波を見ると、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ５の逆送期間は、それぞれ所定の逆送加速期間、逆送ピーク期間、逆送ピーク値及び逆送減速期間から形成され、時刻ｔ５〜ｔ９の正送期間は、それぞれ所定の正送加速期間、正送ピーク期間、正送ピーク値及び正送減速期間から形成される。

［時刻ｔ１〜ｔ５の逆送期間の動作］
同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは時刻ｔ１〜ｔ２の逆送加速期間に入り、０から上記の逆送ピーク値まで加速する。この期間中は短絡状態が継続している。

時刻ｔ２において逆送加速期間が終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは時刻ｔ２〜ｔ４の逆送ピーク期間に入り、上記の逆送ピーク値になる。この期間中の時刻ｔ３において、逆送及び溶接電流Ｉｗの通電によるピンチ力によってアークが発生する。これに応動して、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数十Ｖのアーク電圧値に急増し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗはこれ以降のアーク期間中は次第に減少する。

時刻ｔ４において逆送ピーク期間が終了すると、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ４〜ｔ５の逆送減速期間に入り、上記の逆送ピーク値から０へと減速する。この期間中は、アーク期間が継続している。

［時刻ｔ５〜ｔ９の正送期間の動作］
同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは時刻ｔ５〜ｔ６の正送加速期間に入り、０から上記の正送ピーク値まで加速する。この期間中は、アーク期間のままである。

時刻ｔ６において正送加速期間が終了すると、同図（Ａ）に示すように、送給速度Ｆｗは時刻ｔ６〜ｔ８の正送ピーク期間に入り、上記の正送ピーク値になる。この期間中の時刻ｔ７において、正送によって短絡が発生する。これに応動して、同図（Ｃ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは数Ｖの短絡電圧値に急減し、同図（Ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗはこれ以降の短絡期間中は次第に増加する。

時刻ｔ８において正送ピーク期間が終了すると、同図（Ａ）に示すように、時刻ｔ８〜ｔ９の正送減速期間に入り、上記の正送ピーク値から０へと減速する。この期間中は、短絡期間が継続している。

これ以降は、上記の逆送期間及び上記の正送期間の動作を繰り返す。

送給速度Ｆｗの台形波の数値例を以下に示す。
周波数Ｓｆ＝１００Ｈｚ（周期Ｔｆ＝１０ms）、振幅Ｗｆ＝６０m/min、平均送給速度Ｆａ＝５m/min、半周期の各傾斜期間＝１．２ms、ピーク期間＝２．６ms、ピーク値＝３０m/minの台形波に設定すると、この台形波を平均送給速度Ｆａ＝５m/minだけ正送側にシフトした波形となる。平均溶接電流は約２５０Ａとなる。この場合の各波形パラメータは、以下のようになる。
逆送期間＝４．６ms、逆送加速期間＝１．０ms、逆送ピーク期間＝２．６ms、逆送ピーク値＝−２５m/min、逆送減速期間＝１．０ms
正送期間＝５．４ms、正送加速期間＝１．４ms、正送ピーク期間＝２．６ms、正送ピーク値＝３５m/min、正送減速期間＝１．４ms

図２(Ａ)に示すように、送給速度Ｆｗの波形パラメータは周波数Ｓｆ、振幅Ｗｆ等となる。溶接条件に応じて適正値に調整されるゲイン設定信号Ｇｒが変化すると、図１の周波数設定回路ＳＦＲによって周波数設定信号Ｓfrが算出され、図１の振幅設定回路ＷＦＲによって振幅設定信号Ｗfrが算出される。そして、これらの信号に基づいて送給速度Ｆｗの周波数Ｓｆ及び振幅ｗｆが自動設定される。このために、ゲイン設定信号Ｇｒの値が変化しても、溶接状態が安定化するように送給速度Ｆｗの周波数Ｓｆ及び振幅Ｗｆが自動的に適正化される。

溶接中は、図１の位置ずれ量相関値算出回路ＤＬによって溶接トーチ４と溶接線との位置ずれ量と相関する値(位置ズレ量相関値信号ΔＬ)が刻々と算出される。そして、図１のシフト量算出回路ＤＤによって、位置ズレ量相関値信号ΔＬ及びゲイン設定信号Ｇｒに基づいて溶接トーチ４をシフトさせるためのシフト量信号ΔＤが算出される。この信号によって溶接トーチ４は溶接線に沿うように左右方向にシフトされる。この結果、倣い制御が高精度を維持したままで、溶接状態を安定に保つことができる。

実施の形態１はゲイン設定信号Ｇｒによって周波数設定信号Ｓfr及び振幅設定信号Ｗfrを共に変化させる場合であるが、どちらか一方だけ変化させるようにしても良い。

上述した実施の形態１によれば、送給速度の波形パラメータ(周波数及び／又は振幅)を倣い制御のゲインを入力とする予め定めた波形設定関数によって設定する。これにより、本実施の形態では、倣い制御のゲインが変化しても、ゲインの変化に応じて送給速度の波形パラメータが自動的に適正化されるので、溶接状態を常に安定化することができる。

１ 溶接ワイヤ
２ 母材
３ アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
ＤＤ シフト量算出回路
ＤＬ 位置ズレ量相関値算出回路
ＤＶ 駆動回路
Ｄｖ 駆動信号
Ｅ 出力電圧
ＥＤ 出力電圧検出回路
Ｅｄ 出力電圧検出信号
ＥＲ 出力電圧設定回路
Ｅｒ 出力電圧設定信号
ＥＶ 電圧誤差増幅回路
Ｅｖ 電圧誤差増幅信号
Ｆａ 平均送給速度
ＦＡＲ 平均送給速度設定回路
Ｆar 平均送給速度設定信号
ＦＣ 送給制御回路
Ｆｃ 送給制御信号
ＦＲ 送給速度設定回路
Ｆｒ 送給速度設定信号
Ｆｗ 送給速度
ＧＲ ゲイン設定回路
Ｇｒ ゲイン設定信号
Ｉｗ 溶接電流
ＭＳ 溶接トーチ移動装置
ＰＭ 電源主回路
Ｓｆ 周波数
ＳＦＲ 周波数設定回路
Ｓfr 周波数設定信号
Ｔｆ 周期
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗｆ 振幅
ＷＦＲ 振幅設定回路
Ｗfr 振幅設定信号
ＷＬ リアクトル
ＷＭ 送給モータ
ΔＤ シフト量信号
ΔＬ 位置ズレ量相関値信号

Claims (1)

1. 溶接ワイヤの送給速度を正送期間と逆送期間とに交互に切り換えて溶接する正逆アーク溶接を使用し、溶接トーチを溶接線に倣わせる正逆送給アーク溶接の倣い制御方法において、
   前記送給速度の周波数及び／又は振幅を、前記倣い制御のゲインを入力とする予め定めた波形設定関数によって設定し、
   前記波形設定関数は、前記倣い制御の前記ゲインが大きくなるほど、前記周波数を低くし、前記振幅を小さくする関数である、
   ことを特徴とする正逆送給アーク溶接の倣い制御方法。

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