JPH07284938A - 升目溶接ロボット - Google Patents
升目溶接ロボットInfo
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Abstract
の溶接台車の溶接線に対する粗倣い走行を制御する。 【構成】 溶接トーチ4のアークセンサによりX軸スラ
イド位置xp を検出し、そのxp を比較器31で基準値
x0 と比較し、またxp の微分値dxp /dtを微分器
32で求め、比較器及び微分器の偏差から演算器36で
走行速度修正量Δvを求め、Δvをそれぞれ溶接台車1
の内側車輪11及び外側車輪12の初期速度に加算し、
加算速度指令vin及びvout で内側・外側車輪の駆動モ
ータ13,14を制御することにより、溶接線2に対す
る粗倣い走行を行う。
Description
溶接する自走式溶接ロボットに関し、アークセンサ機能
を有する溶接ヘッドを搭載した自走式の升目溶接ロボッ
トに関する。
アークセンサ方式の高速回転アーク溶接トーチにより自
動隅肉溶接を行う升目溶接ロボットは特開昭64−15
286号、特開昭64−15287号、特開平4−31
9072号の各公報に記載されている。いずれも高速回
転アーク溶接トーチを備えており、周知のアークセンサ
方式の高速回転アーク溶接法により溶接線の倣い制御を
行いながら升目ブロックの自動隅肉溶接を行うものであ
る。しかし、自走式の溶接台車なので、ケーブルの状態
やワークの状態などの外乱により、溶接台車の進行方向
が必ずしも溶接線と平行とは限らない。そのため、アー
クセンサにより精密な倣い制御は行われるが、溶接線部
での溶接速度が変化したり、またアークセンサのストロ
ークリミットによりトーチ狙い位置を修正できる範囲に
限りがある。そこで、溶接台車の走行方向を台車の操舵
によって溶接線に対してほぼ平行になるように大まかに
倣わせる必要がある。
台車の粗倣い走行制御を以下のような方式で行ってい
た。
5286号 この公報に記載の溶接ロボットは、溶接台車の側面に2
個の倣い用のガイドローラを取り付け、これらのガイド
ローラを升目ブロックの立板面に接触させながら溶接線
の粗倣いを行うものである。しかしながら、この方式で
は立板面の状態に左右される。溶接ロボットの旋回動作
時にガイドローラが邪魔になるなどの問題点がある。
4−319072号 これは、上記のガイドローラに代えて2個の非接触式の
距離センサを使用した方式である。2個の距離センサに
より溶接台車と立板との距離を検出し、検出された2つ
の距離が等しくなるように溶接台車の内側・外側車輪の
速度を制御するものである。しかし、この方式ではレー
ザセンサを例にとるとヒュームに非常に弱いし、高価で
もある。
5287号 この方式は、アークセンサにより制御される溶接トーチ
の水平方向(X軸)のスライド位置の情報で立板と溶接
トーチとの距離がほぼ一定になるように溶接線の粗倣い
を行うものである。しかし、一点だけの距離情報だけで
は溶接台車の傾き状態がわからないので、溶接台車の走
行制御は困難であった。
式は、技術的には未解決の問題を含んでいるが、ガイド
ローラや距離センサ方式と異なり多くの利点を包含して
いる。従って、本発明はこのアークセンサ方式の未解決
の問題点を解決したものであり、アークセンサの情報だ
けで溶接台車の溶接線に対する粗倣い走行を制御するよ
うにした升目溶接ロボットを提供することを目的とす
る。
により検出された溶接トーチのX軸位置の情報とそのX
軸位置の時間微分値の情報を取り込むことによって上記
の課題を解決したものである。すなわち、本発明に係る
升目溶接ロボットは、溶接ヘッドと、自走式溶接台車
と、一連の自動溶接を行う制御装置により構成され、前
記溶接ヘッドは、トーチ先端の溶接ワイヤを高速回転さ
せる溶接トーチと、前記溶接トーチを水平方向に移動さ
せるX軸スライド機構と、トーチ高さを一定に保つよう
に前記溶接トーチをトーチ軸方向に移動させるY軸スラ
イド機構と、により構成され、前記溶接ヘッドを備えた
自走式の溶接台車は、前記溶接台車の走行および旋回を
行わせるために、各々独立に制御可能な一対の駆動車輪
と、被溶接材のコーナー部で旋回動作を行うために、コ
ーナー部を検出する近接スイッチおよび旋回角度検出エ
ンコーダと、前記溶接台車を溶接開始位置にセットする
ためのリミットスイッチと、を備え、前記制御装置は、
アークセンサによる前記溶接トーチのX軸方向制御手段
と、アークセンサによる前記溶接トーチのY軸方向制御
手段と、アークセンサにより前記溶接トーチを開先中心
に位置するように制御されたときの前記溶接トーチのX
軸方向スライド位置を検出し、このスライド位置とあら
かじめ設定した前記溶接トーチのX軸方向スライド位置
の基準値とを比較し、さらに検出した前記溶接トーチの
X軸方向スライド位置の微分値を演算し、これらの情報
から前記溶接台車の進行方向を溶接線方向に平行に合わ
せ、かつ前記溶接台車と溶接線との距離を一定にするよ
うに、すなわち前記溶接トーチのX軸方向スライド位置
を適正位置にするように演算した加算速度を前記溶接台
車の駆動車輪に独立に与えることにより、該溶接台車の
進行方向を制御する粗倣い走行制御手段と、を備えたこ
とを特徴とする。
の回転数は10Hz以上、一般には100Hz以上)で
はアークセンサにより溶接線の倣い制御を行っており、
このときアークセンサにより溶接トーチの水平方向のス
ライド位置であるX軸位置が検出される。本発明は、こ
のアークセンサのX軸位置xp の信号とその時間微分値
dxp /dtの信号を用いて、溶接台車の溶接線からの
距離及び溶接台車の溶接線との傾きを検知し、内側及び
外側車輪の速度を独立に制御して、溶接線に対する溶接
台車の粗倣い走行を制御するものである。
行の原理を示す。図1(a)はxpとdxp /dtの符
号により溶接台車1の溶接線2からの距離と傾きを模式
的にあらわしたものである。3は溶接台車1の粗倣い走
行線であり、また図示しない溶接トーチの基準点T0 の
位置と溶接線2との距離があらかじめ基準値x0 として
設定されている。図示のように、上記の2つのアークセ
ンサの情報に基づき、溶接台車1の状態を、例えばAか
らIの9つに分類したとき、図1(b)は溶接台車1の
各々の状態に対する進行方向の修正指令の内容を表記し
たものである。
溶接台車1は溶接線2のほうに接近しており、かつ溶接
線2に向かって接近する方向に傾いているので、xp を
接近、dxp /dtの符号をマイナスと定義する。従っ
て、溶接台車1に対して溶接線2からいちはやく離反す
るように離反大の走行速度指令を与える。Bの場合は、
溶接台車1は溶接線2に接近しているが、溶接線2と平
行なので、xp は接近、dxp /dtは0となる。走行
速度指令は離反小の指令でよい。まもなく良好な状態に
復帰するからである。Cの場合は、溶接台車1は溶接線
2に接近しているが、溶接線2から離れる方向に傾いて
いるので、xp は接近、dxp /dtの符号はプラスと
なる。このときは直進の指令を与える。Dの場合は、溶
接台車1は粗倣い走行線3上にあるが、溶接線2に向か
って接近する方向に傾いているので、xp は良好(xp
−x0 =0)、dxp /dtの符号はマイナスとなる。
このときは離反小の指令を与え、傾きを修正する。Eの
場合は、最も良好な状態であり、xp −x0 =0,dx
p /dt=0となる。そのまま直進させる。Fの場合
は、溶接台車1は粗倣い走行線3上にあるが、溶接線2
から離れる方向に傾いているので、xp −x0 =0,d
xp /dtの符号はプラスとなる。接近小の指令を与
え、傾きを修正する。Gの場合は、溶接線2から大きく
離れているが、溶接線2に向かって接近する方向に傾い
ているので、xp は離反、dxp /dtの符号はマイナ
スとなる。直進の指令を与える。Hの場合は、溶接線2
から大きく離れており、かつ溶接線2と平行なので、x
p は離反、dxp /dt=0となる。接近小の指令を与
える。Iの場合は、溶接線2から大きく離れており、か
つ溶接線2から離れる方向に傾いているので、xp は離
反、dxp /dtの符号はプラスとなる。このときは接
近大の指令を与え、いちはやく良好な状態へ復帰させ
る。
xp −x0 と微分器の出力dxp /dtとの偏差から、
溶接台車の内側及び外側車輪の走行速度修正量を演算す
る。この速度修正量をそれぞれ加算器により内側及び外
側車輪の初期速度に加算して、両輪の速度差を制御し、
上記の制御則に基づく各状態ごとの走行速度指令を与え
ることとしている。これによって、アークセンサの情報
のみで溶接台車の粗倣い走行制御を実現している。
ットの平面図、図3は正面図である。また、図4はこの
溶接ロボットの粗倣い走行制御のブロック図である。
接線2に対し内側車輪11と外側車輪12を左右一対備
えており、それぞれ駆動モータ13,14により内側車
輪11及び外側車輪12を独立に回転駆動する。15は
フリーローラまたはボールキャスタである。16は溶接
台車1の先端に設けられた近接スイッチで、升目ブロッ
クのコーナー部において溶接台車1の旋回位置を決める
ときに使用される。溶接台車1の旋回角度は一方の駆動
車輪の車軸に取り付けられたエンコーダ(図示せず)に
よって検出される。18,19は溶接台車1の後端に設
けられたリミットスイッチで、溶接台車1の走行開始時
における平行を出すために使用される。
で、ギヤ機構の回転機構41により溶接トーチ4はトー
チ軸(Y軸)の回りに歳差運動をするよう高速回転駆動
するようになっている。そのため溶接ワイヤ42の先端
のアークが高速回転する。
びY軸方向にスライドさせるX軸スライド機構及びY軸
スライド機構で、ボールネジなどの送り機構で構成され
ている。アークセンサにより溶接線倣い制御を行うため
の位置修正機構である。
の立板22により升目型に構成され、方形状の溶接線2
を構成している。
サの原理について簡単に説明する。図5には回転アーク
の時間的なアーク発生位置とアーク電圧との関係が示さ
れている。図において、高速回転アーク溶接トーチ4が
開先のルートにあるとき(ΔX=0)は、アーク電圧波
形は破線で示すようにCf 点、Cr 点で極大、R点、L
点で極小となり、Cf 点に対して左右対称となる。他
方、高速回転アーク溶接トーチ4が立板側にずれると
(ΔX≠0)、波形は実線のようになり、Cf 点に対し
て左右非対称となる。そこで、Cf 点より左右の位相角
φで囲まれる波形の面積SL とSR を比較することによ
り、X軸方向のトーチ狙い位置を検出する。実際には、
後方Cr 側では溶融池の影響を受けて波形が歪むので、
φの値は90°以下としている。トーチの軸方向(Y
軸)の制御は、溶接電流を一定とする方法で行う。
6、図7に従って説明する。まず、溶接開始位置の設定
動作を図6により説明する。(a)のように升目ブロッ
ク20の内部の任意の位置に溶接ロボットを配置する。
次に、(b)のように溶接台車1を後退させ、リミット
スイッチ18,19によって立板(W1 面)と接触さ
せ、溶接台車1をその立板面と平行に設定する。その
後、(c)のように溶接台車1を一定距離だけ前進させ
て、W1 面から離し、ついで180°左方に旋回させ
る。旋回後は、(d)のように再び溶接台車1を前進さ
せ、近接スイッチ16によりW4 面から所定距離だけ離
れた旋回位置を検出し、溶接台車1を停止させた後、右
方に90°旋回させて溶接開始位置に設定する。旋回角
度はエンコーダ(図示せず)により検出する。
に粗倣い走行させながら高速回転アーク溶接を開始す
る。まず、(a)のようにW1 面の溶接線2に沿ってア
ークセンサによる溶接線倣い制御を行いながら直線的な
溶接を行い、溶接台車1が(b)のように所定の位置に
達したとき一旦停止させる。この停止位置はW2 面から
の所定の距離を近接スイッチ16で検出することにより
決められる。次に、(c)のように溶接台車1をその停
止位置で旋回させながらコーナー部C1 を溶接する。こ
の旋回動作中、駆動モータ13,14をそれぞれ逆方向
に同一速度で回転駆動し、かつX軸スライド機構5によ
り高速回転アーク溶接トーチ4を旋回角度に応じて送り
出し、溶接線2上での溶接速度を一定に保ちながらコー
ナー部C1 を溶接する。
されている。図において、溶接線2に沿った実際の溶接
速度をVw ,高速回転アーク溶接トーチ4の旋回角度を
α,旋回半径をr,旋回速度をVR ,溶接速度Vw の旋
回弧の接線方向の速度成分をVR1とすると、 VR1=r×VR /rcos α =VR /cos α …(1) Vw =VR1/cos α …(2) という2つの式が成り立つ。従って、上記(1)、
(2)式より、0≦α<π/4の範囲においては、 VR =Vw ×cos 2 α …(3) π/4≦α<π/2の範囲においては、 VR =Vw ×sin 2 α …(4) という(3)、(4)式の2つの式より、コーナー部の
溶接速度Vw が一定になるように、旋回角度αをエンコ
ーダ(図示せず)によって検出し安定した溶接を行って
いる。
様な動作によって升目ブロック20の溶接線2を全周溶
接する。
ける直線部の溶接において、溶接台車1の粗倣い走行機
構及びその制御について述べる。
2の取付状態は必ずしも良好とは限らず、反りや曲りな
どがある場合も多く、またケーブルの引きまわしやワー
クの表面状況によって溶接台車の進行方向が変化してし
まう。そのため、アークセンサによる精密な溶接線倣い
制御は行われるが、溶接線部での溶接速度が変化した
り、アークセンサのストロークリミットによりトーチ狙
い位置を修正できる範囲も限られているので、アークセ
ンサによる溶接線倣いを正確に追従させるためには、あ
る程度、溶接台車1の走行を溶接線2に対し粗倣いさせ
る必要がある。そのため、本実施例では、図4に示すよ
うな制御系によって粗倣い走行を行うこととしている。
位置xp をアークセンサにより検出する。xp はアーク
電圧または溶接電流の波形で検出される。その検出信号
は比較器31と微分器32に送られる。比較器31で
は、あらかじめ設定されているX軸スライド位置基準値
x0 と比較し、差信号(xp −x0 )をゲインk1 の増
幅器33で増幅し、k1 (xp −x0 )の信号を差動増
幅器35に送る。一方、微分器32ではこれに入力され
たアークセンサ信号xp の時間微分値dxp /dtを求
め、その信号をk2 の増幅器34で増幅し、k2 ×dx
p /dtを差動増幅器35の他方の入力とする。
p −x0 )とk2 ×dxp /dtの偏差をとり、溶接台
車1の進行方向の位置修正量Δθを次式より求める。 Δθ=k1 (xp −x0 )+k2 ×dxp /dt …(5) このΔθを演算器36に送り、Δθから進行方向の修正
量Δvを算出する。
れぞれゲインk3 の増幅器37とゲインk4 の増幅器3
8を通して加算器39,40に与えられる。加算器3
9,40に対しては標準溶接速度設定器41より溶接台
車1の初期速度v0 が与えられているので、加算器39
ではこのv0 と増幅器37からの入力信号k3 Δvを加
えて、vin=v0 +k3 Δvなる加算速度指令を内側車
輪の駆動モータ13に出し速度制御するとともに、加算
器40ではv0 と増幅器38からの入力信号k4Δvを
加えて、vout =v0 +k4 Δvなる加算速度指令を外
側車輪の駆動モータ14に出し速度制御する。
溶接台車1の各状態ごとに、内側車輪11の速度を加算
速度指令vinで、かつ、外側車輪12の速度を加算速度
指令vout で制御するので、この両輪の速度差vin−v
out により溶接台車1の溶接線2に対する走行の粗倣い
を制御することができる。例えば図1のAの状態の場合
には、内側車輪11をvinの加算速度指令で増速し、外
側車輪12をvout の加算速度指令で減速することによ
り、溶接台車1に離反大の走行指令を与え、すみやかに
溶接線2から離反させる。
進行方向の位置修正量Δθを前記(5)式より演算する
ものとしているが、このΔθを Δθ=f(xp ,dxp /dt) …(6) という関数でも制御することができる。この場合、ファ
ジイ制御や表1のように場合わけにより、加算する度合
いを決める方式をとることもできる。
ロボットは、高速回転アーク溶接トーチのアークセンサ
のX軸スライド位置及びそのX軸スライド位置の時間微
分値あるいは単位時間あたりの変化量の信号だけで溶接
台車の溶接線に対する位置及び傾きを検知することがで
きるので、他のいかなるセンサや倣い用のガイドローラ
などを用いることなく、溶接線の粗倣い走行を実現する
ことができる。そのため、升目ブロックの立板の状態に
左右されることなく、安価にかつ高精度に自動隅肉溶接
ができる。
車の粗倣い走行の制御則を示す原理図である。
面図である。
系のブロック図である。
ある。
Claims (1)
- 【請求項1】 溶接ヘッドと、自走式溶接台車と、一連
の自動溶接を行う制御装置により構成され、 前記溶接ヘッドは、 トーチ先端の溶接ワイヤを高速回転させる溶接トーチ
と、 前記溶接トーチを水平方向に移動させるX軸スライド機
構と、 トーチ高さを一定に保つように前記溶接トーチをトーチ
軸方向に移動させるY軸スライド機構と、により構成さ
れ、 前記溶接ヘッドを備えた自走式の溶接台車は、 前記溶接台車の走行および旋回を行わせるために、各々
独立に制御可能な一対の駆動車輪と、 被溶接材のコーナー部で旋回動作を行うために、コーナ
ー部を検出する近接スイッチおよび旋回角度検出エンコ
ーダと、 前記溶接台車を溶接開始位置にセットするためのリミッ
トスイッチと、を備え、 前記制御装置は、 アークセンサによる前記溶接トーチのX軸方向制御手段
と、 アークセンサによる前記溶接トーチのY軸方向制御手段
と、 アークセンサにより前記溶接トーチを開先中心に位置す
るように制御されたときの前記溶接トーチのX軸方向ス
ライド位置を検出し、 このスライド位置とあらかじめ設定した前記溶接トーチ
のX軸方向スライド位置の基準値とを比較し、 さらに検出した前記溶接トーチのX軸方向スライド位置
の微分値を演算し、 これらの情報から前記溶接台車の進行方向を溶接線方向
に平行に合わせ、かつ前記溶接台車と溶接線との距離を
一定にするように、すなわち前記溶接トーチのX軸方向
スライド位置を適正位置にするように演算した加算速度
を前記溶接台車の駆動車輪に独立に与えることにより、
該溶接台車の進行方向を制御する粗倣い走行制御手段
と、を備えたことを特徴とする升目溶接ロボット。
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