JP2008200693A - ロボットアーク溶接のアークスタート制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ワイヤ先端に絶縁皮膜が形成されているときに、生産効率を低下させることなくアークスタートを行うことができるロボットアーク溶接のアークスタート制御方法を提供する。
【解決手段】本発明のロボットアーク溶接のアークスタート制御方法は、ワイヤ先端に絶縁皮膜が形成されているときに、ワイヤ送給モータの負荷トルクを検出して、短絡を検出する前に、ワイヤ送給モータの負荷トルクが予め定めた閾値を超えたときに、溶接ワイヤの先端に絶縁皮膜が形成されていると判別する。そして、絶縁皮膜を除去して、溶接ワイヤを被溶接物から引き離し、この引き離しによって初期アークを発生させた後に定常アークへと移行させる。この結果、良好なアークスタートを行うことができ、従来技術と比べて生産効率を著しく向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、溶接ワイヤを被溶接物へ近づけて一旦接触させた後に、溶接ワイヤを被溶接物から引き離して初期アークを発生させ、再び溶接ワイヤを被溶接物へ近づけて定常のアークへと移行させるロボットアーク溶接のアークスタート制御方法に関する。

従来、消耗電極式のロボットアーク溶接において、ワイヤ先端と被溶接物との間で確実にアークを発生させ、かつスパッタの発生を低減する方法として、以下のアークスタート制御方法が提案されていた。即ち、消耗電極式のロボットアーク溶接において、ワイヤ送給モータを正回転させて溶接ワイヤを被溶接物へ前進送給する。そして、溶接ワイヤが被溶接物に短絡したことを判別すると、ワイヤ送給モータを逆回転させて溶接ワイヤを後退送給し、同時に小電流値の初期電流を通電する。この後退送給によって初期アークが発生すると、溶接ワイヤを定常の送給速度で再び前進送給し、同時に定常の溶接電流を通電してアークスタートさせる方法である（例えば、特許文献１参照。）。以下、この従来技術のアークスタート制御方法について図３及び図４を参照して説明する。

図３は、従来技術のロボットアーク溶接のアークスタート制御方法を説明するための溶接ワイヤの送給系統を示す模式図である。同図において、溶接トーチ４とワイヤ送給モータＷＭとがマニピュレータ（図示を省略）に搭載されていて、溶接ワイヤ１が、ワイヤ送給モータＷＭと直結した送給ロール５によって、溶接トーチ４を通って送給される。ワイヤ送給モータＷＭが正回転すると溶接ワイヤ１は被溶接物２へ前進送給され、逆回転すると被溶接物２から後退送給される。溶接電源装置ＰＳからの溶接電圧Ｖｗが、溶接トーチ４の先端に取り付けられたコンタクトチップ６によって溶接ワイヤ１に給電される。

図４は、従来技術のロボットアーク溶接のアークスタート制御方法を説明するための図である。溶接開始信号が外部から溶接電源装置ＰＳに入力されると、同図（Ａ）に示すように、溶接ワイヤ１は被溶接物２へ初期送給速度で前進送給される。また、同時に、溶接ワイヤ１と被溶接物２との間に無負荷電圧が溶接電圧Ｖｗとして印加される。そして上記の前進送給によって、ワイヤ先端１ａと被溶接物２との間の距離が徐々に短くなる。

次に、同図（Ｂ）に示すように、前進送給によってワイヤ先端１ａが被溶接物２と短絡したことが判別されると、溶接ワイヤ１は被溶接物２から後退送給される。同時に、小電流値の初期電流が通電される。

次に、同図（Ｃ）に示すように、後退送給によってワイヤ先端１ａと被溶接物２とが離れると、上記の初期電流が通電される初期アーク３ａが発生する。この初期アーク３ａが発生したことを判別して、予め定めた時間中は、同図（Ｄ）に示すように、上記の初期アーク発生状態を維持したままで後退送給を継続する。従って、ワイヤ先端・被溶接物間距離Ｌｗは、徐々に長くなる。

次に、上記予め定めた時間経過後に、溶接ワイヤ１は定常の送給速度で被溶接物２へ再び前進送給される。同時に、上記の定常の送給速度に対応した大電流の定常の溶接電流が通電される。従って、同図（Ｄ）に示す初期アーク発生状態から同図（Ｅ）に示す定常アーク３ｂが発生する定常アーク発生状態へと移行する。
特開２００２−１７８１４５号公報

上述した従来技術のロボットアーク溶接のアークスタート制御方法においては、ワイヤ先端１ａと被溶接物２との短絡を判別するために、例えば、溶接ワイヤ１と被溶接物２との間に無負荷電圧を印加して、この電圧を検出して短絡を判別する回路を設け、ワイヤ先端１ａと被溶接物２とが短絡したことを判別している。又は、初期電流を検出して、この値が予め定めた閾値を超えたときに、ワイヤ先端１ａと被溶接物２とが短絡したと判別している。

消耗電極式のロボットアーク溶接においては、ワイヤ先端１ａが加熱されて冷却されることによって、酸化皮膜が形成される。この酸化皮膜は絶縁物であるために、溶接ワイヤ１と被溶接物２との間の通電を妨げる。また、ワイヤ先端１ａに抵抗値の高い皮膜が形成されることもある。通常、これらの酸化皮膜や抵抗値の高い皮膜（以下、絶縁皮膜という）は、ワイヤ先端１ａが被溶接物２に接触したときに破壊されて、溶接ワイヤ１と被溶接物２が通電し、ワイヤ先端１ａと被溶接物２の短絡が判別される。

しかし、絶縁皮膜が破壊されないときは、ワイヤ先端１ａと被溶接物２との短絡を判別できないので、ワイヤ送給モータＷＭは溶接ワイヤ１を前進送給し続けることになる。この場合、通常、一定期間アークが発生しないときに、エラー表示して、システムを停止し、作業者が絶縁皮膜を除去した後に、再度溶接作業を行っていた。そのために、生産効率を著しく低下させていた。

本発明は、ワイヤ先端に絶縁皮膜が形成されているときに、生産効率を低下させることなくアークスタートを行うことができるロボットアーク溶接のアークスタート制御方法を提供することを目的としている。

第１の発明は、
溶接開始に際して、溶接ロボットのマニュピュレータに取り付けられた溶接トーチからワイヤ送給モータによって溶接ワイヤを被溶接物へ前進送給し、前記溶接ワイヤを被溶接物に一旦接触させて短絡を検出した後に引き離し、この引き離しによって初期アークを発生させた後に定常アークへと移行させるロボットアーク溶接のアークスタート制御方法において、
前記溶接ワイヤを送給する前記ワイヤ送給モータの負荷トルクを検出して、前記短絡を検出する前に前記負荷トルクが予め定めた閾値を超えたときに、前記溶接ワイヤの先端に絶縁皮膜が形成されていると判別して前記溶接ワイヤの前記被溶接物への送給を停止し、
前記溶接ワイヤの先端を前記被溶接物にこすりつけるように前記溶接トーチを移動させて、その後前記短絡を検出したときに前記絶縁皮膜を除去したと判別して前記引き離しを行うことを特徴とするロボットアーク溶接のアークスタート制御方法である。

本発明のロボットアーク溶接のアークスタート制御方法は、ワイヤ先端に絶縁皮膜が形成されているときに、短絡／アーク判別回路とワイヤ送給モータ過負荷判別回路とによって、絶縁皮膜が形成されていることを判別することができる。そして、絶縁皮膜を除去して、溶接ワイヤを被溶接物から引き離し、この引き離しによって初期アークを発生させた後に定常アークへと移行させることによって、良好なアークスタートを行うことができる。この結果、従来技術と比べて生産効率を著しく向上させることができる。

本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。図１は、本発明のロボットアーク溶接のアークスタート制御方法を説明するためのブロック図である。ロボット制御装置ＲＣは、溶接開始信号Ｓｔが外部から入力されると、マニュピュレータＲＭの動作制御を行う動作制御信号Ｍｃを出力する。それと共に、電圧設定信号Ｖｓ、定常の送給速度設定信号Ｗｓ及び出力開始信号Ｏｎによって形成されるインターフェース信号Ｉｆを溶接電源装置ＰＳへ送信する。マニュピュレータＲＭは、ワイヤ送給モータＷＭ及び溶接トーチ４を搭載して、上記の動作制御信号Ｍｃに従って溶接トーチ４の先端位置（ＴＣＰ）を予め教示された動作軌跡に沿って移動させる。溶接ワイヤ１は、上記のワイヤ送給モータＷＭと上記の溶接トーチ４の本体との間をつなぐ長さ１．５ｍ程度のコイルライナの中を通って送給される。

溶接電源装置ＰＳは、上記のインターフェース信号Ｉｆを受信して、溶接トーチ４の先端に装着されたコンタクトチップを介して、溶接ワイヤ１に溶接電圧Ｖｗを給電する。そして、溶接ワイヤ１と被溶接物２との間にアーク３を発生させて、溶接電流Ｉｗを通電する。同様に、この溶接電源装置ＰＳは、上記のワイヤ送給モータＷＭに送給制御信号Ｆｃを出力して、ワイヤ送給モータＷＭの回転方向及び回転速度を制御する。ワイヤ先端１ａと被溶接物２との距離がワイヤ先端・被溶接物間距離Ｌｗであり、このワイヤ先端・被溶接物間距離Ｌｗは、アーク発生中はアーク長と同一になる。

電圧検出回路ＶＤは、溶接電圧Ｖｗを検出して、電圧検出信号Ｖｄを出力する。短絡／
アーク判別回路ＳＡは、上記の電圧検出信号Ｖｄを入力として、ワイヤ先端１ａと被溶接物２との間が短絡状態のときは短絡信号（Ｈｉｇｈレベル）を、アーク発生状態のときはアーク発生信号（Ｌｏｗレベル）を、短絡／アーク判別信号Ｓａとして出力する。遅延回路ＤＴは、初期アーク発生後に再び前進送給へと切り換えるタイミングを遅延するために、上記の短絡／アーク判別信号Ｓａが、短絡信号からアーク発生信号に変化した時点から予め定めた遅延時間Ｔｄの間だけＨｉｇｈレベルとなる遅延信号Ｄｔを出力する。

電機子電流検出回路ＩＤは、ワイヤ送給モータＷＭの負荷トルク値として電機子電流を検出し、電機子電流検出信号Ｉｄを出力する。ワイヤ送給モータ過負荷判別回路ＴＭは、上記の電機子電流検出信号Ｉｄを入力として、この値が予め定めた閾値を超えたときに、ワイヤ先端１ａが被溶接物２に接触したと判別して、ワイヤ送給モータ過負荷判別信号Ｔｍ（Ｈｉｇｈレベル）を出力する。

図２は、図１に示したロボットアーク溶接のアークスタート制御方法の各信号のタイミングチャートである。同図（Ａ）は溶接開始信号Ｓｔの時間変化を示しており、同図（Ｂ）は動作制御信号Ｍｃの時間変化を示しており、同図（Ｃ）は出力開始信号Ｏｎの時間変化を示しており、同図（Ｄ）は溶接電圧Ｖｗの時間変化を示しており、同図（Ｅ）は送給制御信号Ｆｃの時間変化を示しており、同図（Ｆ）は電機子電流検出信号Ｉｄの時間変化を示しており、同図（Ｇ）はワイヤ送給モータ過負荷判別信号Ｔｍの時間変化を示しており、同図（Ｈ）はワイヤ先端・被溶接物間距離Ｌｗの時間変化を示しており、同図（Ｉ）は短絡／アーク判別信号Ｓａの時間変化を示しており、同図（Ｊ）は溶接電流Ｉｗの時間変化を示しており、同図（Ｋ）は遅延信号Ｄｔの時間変化を示しており、同図（Ｌ１）〜（Ｌ６）は各時刻における溶接ワイヤ１の送給状態を示している。以下、同図を参照して説明する。

［時刻ｔ１〜ｔ２の期間］
時刻ｔ１において、図２（Ａ）に示すように、溶接開始信号Ｓｔが外部からロボット制御装置ＲＣに入力（Ｈｉｇｈレベル）されると、同図（Ｂ）に示すように、ロボット制御装置ＲＣは、マニュピュレータＲＭに取り付けられた溶接トーチ４を移動させる動作制御信号ＭｃをマニュピュレータＲＭへ出力する。そして、時刻ｔ２において、溶接トーチ４は予め教示された溶接開始位置に到着して停止する。

［時刻ｔ２〜ｔ３の期間］
時刻ｔ２において、溶接トーチ４が溶接開始位置に到着すると、図２（Ｃ）に示すように、ロボット制御装置ＲＣから出力開始信号Ｏｎが出力（Ｈｉｇｈレベル）される。これに応じて、同図（Ｅ）に示すように、送給制御信号Ｆｃは正の値の初期送給速度設定値Ｗｉとなり、溶接ワイヤ１が被溶接物２へ初期送給速度Ｗfiで前進送給される。なお、送給制御信号Ｆｃが正の値のときは前進送給となり、負の値のときは後退送給となる。

同時に、図１で上述したように、溶接電源装置ＰＳ内の出力制御回路は定電流特性又は垂下特性を形成して出力している。しかし、時刻ｔ２〜ｔ３の期間中は溶接ワイヤ１と被溶接物２とは離れており無負荷状態にあるために、図２（Ｄ）に示すように、無負荷電圧が溶接電圧Ｖｗとし印加される。また、この期間中は、上記の前進送給によって、同図（Ｈ）に示すように、ワイヤ先端・被溶接物間距離Ｌｗは徐々に短くなる。また、同図（Ｆ）に示すように、電機子電流検出回路から電機子電流検出信号Ｉｄが出力（Ｈｉｇｈレベル）されて、ワイヤ送給モータ過負荷判別回路ＴＭへ入力される。

［時刻ｔ３〜ｔ４の期間］
時刻ｔ３において、図２（Ｌ２）に示すように、前進送給によって溶接ワイヤ１が被溶接物２に接触する。このとき、絶縁皮膜が形成されている場合、短絡／アーク判別回路ＳＡではワイヤ先端１ａと被溶接物２との接触を検出できない。そのために、ワイヤ送給モータＷＭは溶接ワイヤ１を前進送給し続ける。このとき、ワイヤ先端１ａと被溶接物２とは既に接触しているために、同図（Ｆ）に示すように、電機子電流検出信号Ｉｄが増加する。そして、この信号Ｉｄが予め定めた閾値を超えたときに、ワイヤ送給モータ過負荷判別回路ＴＭは、ワイヤ先端１ａが被溶接物２に接触したと判別して、同図（Ｇ）に示すように、ワイヤ送給モータ過負荷判別信号Ｔｍ（Ｈｉｇｈレベル）を出力する。この結果、同図（Ｅ）に示すように、送給制御信号Ｆｃは零となり、溶接ワイヤの送給を停止する。

［時刻ｔ４〜ｔ５の期間］
時刻ｔ４において、ワイヤ送給モータ過負荷判別回路ＴＭが、ワイヤ送給モータ過負荷判別信号Ｔｍ（Ｈｉｇｈレベル）を出力すると、ロボット制御装置ＲＣは、絶縁皮膜を除去する動作制御信号ＭｃをマニュピュレータＲＭへ出力する。そして、同図（Ｌ３）に示すように、ワイヤ先端１ａが被溶接物２に接触した状態で、溶接トーチ４の先端を、例えば左右に振動させてワイヤ先端１ａを被溶接物２にこすり付け、絶縁皮膜を除去する。

［時刻ｔ５〜ｔ６の期間］
時刻ｔ５において、同図（Ｉ）に示すように、短絡／アーク判別信号Ｓａが短絡信号（Ｈｉｇｈレベル）に変化すると、ワイヤ先端１ａの絶縁皮膜が除去されたと判別される。これに応じて、同図（Ｅ）に示すように、送給制御信号Ｆｃは、予め定めた負の値の後退送給速度設定値Ｗｒとなり、溶接ワイヤ１は被溶接物２から後退送給速度Ｗfrで後退送給される。

同時に、同図（Ｊ）に示すように、上述した溶接電源装置ＰＳ内の出力制御回路から定電流特性又は垂下特性によって小電流値の初期電流Ｉｓが通電される。この初期電流Ｉｓの値を数Ａ〜数十Ａ程度の小電流値に設定している。その理由は、溶接ワイヤ１が初期電流Ｉｓによって溶融して、被溶接物２に溶着しないようにするためである。

また、時刻ｔ５〜ｔ６の期間中は、溶接ワイヤ１は後退送給されているが、図１で上述したワイヤ送給モータＷＭの正逆反転の応答遅れ時間及び溶接ワイヤ１の溶接トーチ４内での曲がりによる遊び分の後退送給にかかる時間によって、溶接ワイヤ１と被溶接物２とは接触状態のままである。従って、この期間中は同図（Ｈ）に示すように、ワイヤ先端・被溶接物間距離Ｌｗは、０［ｍｍ］のままである。

［時刻ｔ６〜ｔ７の期間］
時刻ｔ６において、同図（Ｌ４）に示すように、後退送給によってワイヤ先端１ａと被溶接物２とが離れると、上記の初期電流Ｉｓが通電される初期アーク３ａが発生する。このとき、短絡／アーク判別回路ＳＡがこの初期アーク３ａが発生したことを判別して、同図（Ｉ）に示すように、短絡／アーク判別信号Ｓａが短絡信号（Ｈｉｇｈレベル）からアーク発生信号（Ｌｏｗレベル）へと変化する。この変化をトリガとして、同図（Ｋ）に示すように、遅延回路ＤＴは、遅延信号Ｄｔを予め定めた遅延時間Ｔｄ（時刻ｔ６〜ｔ７）の間、出力（Ｈｉｇｈレベル）する。この遅延信号Ｄｔが出力されている時刻ｔ６〜ｔ７の期間中は、同図（Ｌ５）に示すように、上記の初期アーク３ａを維持したままで後退送給を継続する。従って、同図（Ｈ）に示すように、ワイヤ先端・被溶接物間距離Ｌｗは、徐々に長くなる。

［時刻ｔ７〜ｔ８の期間］
時刻ｔ７において、同図（Ｋ）に示すように、遅延信号ＤｔがＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルへ変化すると、同図（Ｅ）に示すように、送給制御信号Ｆｃは正の値の定常送給速度設定信号Ｗｓとなり、溶接ワイヤ１は定常送給速度Ｗfsで被溶接物２へ再び前進送給される。同時に、上述した溶接電源装置ＰＳ内の出力制御回路は電圧設定信号Ｖｓに対応する定電圧特性を形成するので、同図（Ｄ）に示すように、溶接電圧Ｖｗは上記の電圧設定信号Ｖｓに相当する値となると共に、同図（Ｊ）に示すように、上記の定常の送給速度Ｗfsに対応した大電流の定常溶接電流Ｉｃを通電する。同時に、同図（Ｂ）に示すように、ロボット制御装置ＲＣは、溶接トーチ４を移動させる動作制御信号ＭｃをマニュピュレータＲＭへ出力して、溶接トーチ４を停止状態から予め教示された溶接方向へ移動させる。

この時刻ｔ７においても、前述した時刻ｔ５〜ｔ６期間中と同様に、モータの応答遅れ時間及び遊び分の応答遅れ時間（時刻ｔ７〜ｔ８）が発生する。従って、同図（Ｈ）に示すように、ワイヤ先端・被溶接物間距離Ｌｗは、時刻ｔ７のときの再前進送給時のワイヤ先端・被溶接物間距離Ｌwtから、上記の定常溶接電流Ｉｃの通電によって収束時間Ｔc1経過後の時刻ｔ８において、定常のアーク長（定常のワイヤ先端・被溶接物間距離）Ｌwcへと収束する。従って、この期間中において、同図（Ｌ５）に示す初期アーク３ａを発生する初期アーク発生状態から同図（Ｌ６）に示す定常アーク３ｂを発生する定常アーク発生状態へと移行する。

この結果、本発明のロボットアーク溶接のアークスタート制御方法は、ワイヤ先端１ａに絶縁皮膜が形成されているときに、短絡／アーク判別回路ＳＡとワイヤ送給モータ過負荷判別回路ＴＭとによって、絶縁皮膜が形成されていることを判別することができる。そして、絶縁皮膜を除去して、ワイヤ先端１ａを被溶接物２から引き離し、この引き離しによって初期アーク３ａを発生させた後に定常アーク３ｂへと移行させることによって、良好なアークスタートを行うことができる。この結果、従来技術と比べて生産効率を著しく向上させることができる。

また、絶縁皮膜が形成されていることを判別することができるので、ワイヤ先端１ａが被溶接物２に接触した後に、ワイヤ送給モータＷＭが溶接ワイヤ１を前進送給し続けることがないので、ワイヤ送給モータＷＭが過負荷になることがない。さらに、溶接ワイヤ１が座屈を起こし、ワイヤ先端１ａでない箇所が被溶接物２と接触することによる溶接開始不良が起こることもない。

なお、上述した本発明のロボットアーク溶接のアークスタート制御方法において、ワイヤ先端１ａが被溶接物２と短絡したことを判別した後、ワイヤ送給モータＷＭを逆回転させて溶接ワイヤ１を後退送給した。このワイヤ送給モータＷＭを逆回転させる代わりに、マニピュレータＲＭを後退移動させて溶接トーチ４を溶接ワイヤ１の送給方向とは逆方向に移動させることによって、ワイヤ先端１ａを被溶接物２から後退移動しても良い。

本発明のロボットアーク溶接のアークスタート制御方法を説明するためのブロック図である。 図１に示したロボットアーク溶接のアークスタート制御方法の各信号のタイミングチャートである。 従来技術のロボットアーク溶接のアークスタート制御方法を説明するための溶接ワイヤの送給系統を示す模式図である。 従来技術のロボットアーク溶接のアークスタート制御方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 溶接ワイヤ
１ａ ワイヤ先端
２ 被溶接物
３ アーク
３ａ 初期アーク
３ｂ 定常アーク
４ 溶接トーチ
５ 送給ロール
６ コンタクトチップ
ＤＴ 遅延回路
Ｄｔ 遅延信号
Ｆｃ 送給制御信号
Ｉｃ 定常溶接電流
ＩＤ 電機子電流検出回路
Ｉｄ 電機子電流検出信号
Ｉｆ インターフェース信号
Ｉｓ 初期電流
Ｉｗ 溶接電流
Ｌｗ ワイヤ先端・被溶接物間距離
Ｌwc 定常のワイヤ先端・被溶接物間距離
Ｌwt 再前進送給時のワイヤ先端・被溶接物間距離
Ｍｃ 動作制御信号
Ｏｎ 出力開始信号
ＰＳ 溶接電源装置
ＲＣ ロボット制御装置
ＲＭ マニュピュレータ
ＳＡ 短絡／アーク判別回路
Ｓａ 短絡／アーク判別信号
Ｓｔ 溶接開始信号
Ｔc1 収束時間
Ｔｄ 遅延時間
ＴＭ ワイヤ送給モータ過負荷判別回路
Ｔｍ ワイヤ送給モータ過負荷判別信号
ＶＤ 電圧検出回路
Ｖｄ 電圧検出信号
Ｖｓ 電圧設定信号
Ｖｗ 溶接電圧
Ｗfi 初期送給速度
Ｗfr 後退送給速度
Ｗfs 定常送給速度
Ｗｉ 初期送給速度設定値
ＷＭ ワイヤ送給モータ
Ｗｒ 後退送給速度設定値
Ｗｓ 定常送給速度設定信号

Claims (1)

1. 溶接開始に際して、溶接ロボットのマニュピュレータに取り付けられた溶接トーチからワイヤ送給モータによって溶接ワイヤを被溶接物へ前進送給し、前記溶接ワイヤを被溶接物に一旦接触させて短絡を検出した後に引き離し、この引き離しによって初期アークを発生させた後に定常アークへと移行させるロボットアーク溶接のアークスタート制御方法において、
   前記溶接ワイヤを送給する前記ワイヤ送給モータの負荷トルクを検出して、前記短絡を検出する前に前記負荷トルクが予め定めた閾値を超えたときに、前記溶接ワイヤの先端に絶縁皮膜が形成されていると判別して前記溶接ワイヤの前記被溶接物への送給を停止し、
   前記溶接ワイヤの先端を前記被溶接物にこすりつけるように前記溶接トーチを移動させて、その後前記短絡を検出したときに前記絶縁皮膜を除去したと判別して前記引き離しを行うことを特徴とするロボットアーク溶接のアークスタート制御方法。

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