JP4995698B2 - ステッチパルス溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、薄板の母材に与える熱影響を最小限に抑えながら溶接を行うステッチパルス溶接装置に関するものである。

ステッチパルス溶接法とは、溶接時の入熱と冷却をコントロールすることにより、母材に与える熱影響を最小限に抑える溶接法である。薄板溶接の自動化を目的とした溶接法であって、従来の薄板溶接に比べ、溶接外観を向上させ、溶接歪み量を低減させることができるとされている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、溶接トーチを停止させた状態で予め定めた時間だけアークを発生させて溶接母材を溶融させ、その設定時間が経過した後に、アークを停止させかつ溶接トーチを溶融部外周側のアーク再開始点に移動させる手段が開示されている。以下、この従来技術について説明する。

図５は、従来のステッチパルス溶接装置５１を示した図である。

マニピュレータＭは、ワークＷに対してアーク溶接を自動で行うものであり、上アーム５３、下アーム５４及び手首部５５と、これらを回転駆動するための複数のサーボモータ（図示せず）とによって構成されている。

アーク溶接トーチＴは、マニピュレータＭの上アーム５３の先端部分に取り付けられており、ワイヤリール５６に巻回された直径１ｍｍ程度の溶接ワイヤ５７をワークＷの教示された溶接位置に導くためのものである。溶接電源ＷＰは、アーク溶接トーチＴとワークＷとの間に溶接電圧を供給する。ワークＷに溶接を行う際は、溶接ワイヤ７をアーク溶接トーチＴの先端から所望の突き出し長Ｅｗだけ突き出した状態で行われる。突き出し長Ｅｗの長さは、一般的に１５ｍｍ前後にすることが多いが、溶接箇所の開先形状、溶接施工条件等に合わせて作業者が後述するティーチペンダントＴＰを用いて予め所望長に調整することが可能である。

コンジットケーブル５２は、内部に溶接ワイヤ５７を案内するためのコイルライナ（図示せず）を備えており、アーク溶接トーチＴに接続されている。さらにコンジットケーブル５２は、溶接電源ＷＰからの電力及びガスボンベ５８からのシールドガスをもアーク溶接トーチＴに供給する。

操作手段としてのティーチペンダントＴＰは、いわゆる可搬式操作盤であって、マニピュレータＭの動作、ステッチパルス溶接を行わせるために必要な条件（溶接電流、溶接電圧、移動速度、移動ピッチ、溶接時間および冷却時間）等を設定するためのものである。作業者は、このティーチペンダントＴＰを用いて、マニピュレータＭの動作とともに上記条件を設定した作業プログラムを作成する。

ロボット制御装置ＲＣは、マニピュレータＭに溶接動作の制御を実行させるためのものであり、内部に主制御部、動作制御部およびサーボドライバ（いずれも図示せず）等を備えている。そして、作業者がティーチペンダントＴＰによって教示した作業プログラムに基づき、サーボドライバからマニピュレータＭの各サーボモータに動作制御信号を出力し、マニピュレータＭの複数の軸をそれぞれ回転させる。ロボット制御装置ＲＣは、マニピュレータＭのサーボモータに備えられたエンコーダ（図示せず）からの出力によって現在位置を認識しているのでアーク溶接トーチＴの先端位置を制御することができる。そして溶接部においては、以下に説明する溶接、移動、冷却を繰り返しながらステッチパルス溶接を行う。

図６は、ステッチパルス溶接を行っているときの状態を説明するための図である。溶接ワイヤ５７はアーク溶接トーチＴの先端から突出している。シールドガスＧは、溶接開始時から溶接終了時まで常に一定の流量でアーク溶接トーチＴから吹き出される。以下、ステッチパルス溶接時の各状態について説明する。

同図（ａ）は、アーク発生時の様子を示している。設定された溶接電流および溶接電圧に基づいて、溶接ワイヤ５７の先端とワークＷとの間にアークＡが発生し、溶接ワイヤ５７が溶融してワークＷに溶融池Ｙが形成される。アークＡが発生してから、教示された溶接時間が経過した後に、アークＡを停止する。

同図（ｂ）は、アーク停止後の様子を示している。アーク停止後は、設定された冷却時間が経過するまで溶接後の状態を維持させる。すなわち、マニピュレータＭおよびアーク溶接トーチＴは溶接時の状態と同様に停止した状態で、アーク溶接トーチＴからシールドガスＧが吹き出されるだけとなるので、溶融池ＹがシールドガスＧによって実質的に冷却されて凝固する。

同図（ｃ）は、アーク溶接トーチＴを次の溶接位置に移動させる様子を示している。冷却時間の経過後は、アーク溶接トーチＴを溶接進行方向に予め設定された移動ピッチＭｐだけ離間した位置であるアーク再開始点に移動させる。このときの移動速度は、設定された移動速度である。上記移動ピッチは、同図（ｃ）で示すように溶融池Ｙが凝固した後の溶接痕Ｙ’の外周側に溶接ワイヤ５７を位置づけるように調整された距離である。

同図（ｄ）は、アーク再開始点においてアークＡを再発生する様子を示している。溶接痕Ｙ’の前端部に新たに溶融池Ｙが形成されて溶接が行われるようになる。このように、ステッチパルス溶接装置１では、アークを発生させて溶接を行っている状態と、冷却、移動を行っている状態とが交互に繰り返されることになる。そして、溶接痕であるウロコが重ね合わさるように溶接ビードが形成される。

図７は、溶接施工後に形成される溶接ビードを説明するための図である。同図に示すように、最初のアーク開始点Ｐ１において溶接痕Ｓｃが形成され、溶接進行方向Ｄｒに向けて移動ピッチＭｐだけ離間した再アーク開始点Ｐ２においても同様の溶接痕Ｓｃが形成される。再アーク開始点Ｐ３以降においてもさらなる溶接痕Ｓｃが順次形成されていく。このように、溶接痕であるウロコが重なり合うように形成された結果、ウロコ状の溶接ビードＢが形成されるのである。

特開平６−５５２６８号公報

ウロコ状の溶接ビードを形成する理由の１つは、接合部の外観を向上させることによって製品の付加価値を高めることである。しかしながら、上述した従来技術では、溶接施工後の溶接ビードの形状が予測できなかったため、教示後に実際に溶接を行ってから溶接ビードの形状を確認し、外観が芳しくなければ溶接条件を修正する、といった所謂トライアンドエラーを繰り返していた。すなわち、溶接ビードを意図どおりの形状にするには、多大な教示工数を要するという課題があった。

そこで、本発明は、作業者の教示結果に従い、溶接を行わなくても溶接ビードの形状を事前に確認でき、意図通りの溶接ビード形状を形成することのできるステッチパルス溶接装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、第１の発明は、
操作手段によって予め設定された溶接電流、溶接電圧および溶接時間を含む溶接条件に基づき、溶接トーチを停止した状態でアークを発生させ、前記溶接時間の経過後にアークを停止した後、前記溶接トーチを溶接進行方向に所定の移動ピッチだけ離間したアーク再開始点に移動させてアークを再発生することを繰り返しながら、１回のアーク発生で形成される溶接痕であるウロコを重ね合わせてワーク上に溶接ビードを形成するステッチパルス溶接装置において、
前記溶接条件と前記ウロコの直径値との対応関係を予め記憶した溶接条件データベース部と、
前記溶接条件を入力として前記溶接条件データベース部から前記直径値を算出するウロコ直径算出部と、
少なくとも前記直径値を含む前記溶接ビードの形状情報を前記操作手段に表示する表示処理部と、
を備えたことを特徴とするステッチパルス溶接装置である。

第２の発明は、前記直径値および前記移動ピッチに基づいて前記溶接ビードを前記溶接トーチ側の鉛直方向から見たときの予測ビード形状を二次元平面上に生成するビード形状生成部を備え、前記表示処理部は前記予測ビード形状を含む前記形状情報を前記操作手段に表示することを特徴とする第１の発明に記載のステッチパルス溶接装置である。

第３の発明は、前記移動ピッチに代えて前記ウロコの重ね率を設定する設定部と、前記重ね率が設定された場合に前記重ね率および前記直径値を入力として前記移動ピッチを自動的に算出する移動ピッチ算出部と、を備えたことを特徴とする第１または第２の発明に記載のステッチパルス溶接装置である。

第４の発明は、前記直径値および前記移動ピッチに基づいて前記溶接ビードにおける前記ウロコの総数を算出するウロコ総数算出部を備え、前記表示処理部は前記総数を含む前記形状情報を前記操作手段に表示することを特徴とする第１〜３のいずれか１の発明に記載のステッチパルス溶接装置である。

第５の発明は、前記表示処理部は、前記直径値、前記総数、前記重ね率、前記移動ピッチおよび前記予測ビード形状のうち、いずれか複数または全部を前記形状情報として前記操作手段に表示することを特徴とする第１〜４のいずれか１の発明に記載のステッチパルス溶接装置である。

第１の発明によれば、溶接ビードの形状を溶接施工前に予測できるので、理想の溶接ビードを形成するための試行作業が不要である。すなわち教示工数を低減できる。

第２の発明によれば、予測される溶接ビードの形状が視覚的に表示されるので、第１の発明が奏する効果に加えて、溶接ビードの形状認識を簡略化することができる。

第３の発明によれば、移動ピッチに代えてウロコの重ね率を教示するようにしたことによって、理想の溶接ビード外観をイメージした教示を可能にしたので、第１および第２の発明が奏する効果に加えて、より一層教示工数を低減することができる。

第４の発明によれば、溶接ビードを形成するウロコの総数を算出するようにしたので、第１〜３の発明が奏する効果に加えて、溶接施工後の溶接ビードの外観を簡単にイメージすることができる。

第５の発明によれば、溶接ビードの形状情報として、直径値、総数、重ね率、移動ピッチおよび予測ビード形状のうち、いずれか複数または全部を表示するようにしたので、第１〜４の発明が奏する効果に加えて、溶接施工後の溶接ビードの外観をより一層簡単にイメージすることができる。

以下、発明の実施形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係るステッチパルス溶接装置１のブロック図である。同図において、従来技術の図５との相違は、ロボット制御装置ＲＣ、操作手段としてのティーチペンダントＴＰである。その他、図４で説明したマニピュレータＭ、溶接電源ＷＰ、ワイヤリール５６、ガスボンベ５８等は、図示せずに省略している。以下、本発明の主要部分を構成するロボット制御装置ＲＣおよびティーチペンダントＴＰについて、説明する。

ロボット制御装置ＲＣは、マニピュレータＭに溶接動作の制御を実行させるためのものであり、その中枢となる主制御部３、マニピュレータＭの軌跡演算等を行って演算結果を駆動信号として駆動指令部１２に出力する動作制御部１１、マニピュレータＭの各サーボモータを回転制御するためのサーボ制御信号を出力する駆動指令部１２、作業プログラムおよび各種パラメータ等を記憶するためのハードディスク４、一時的な計算領域であるＲＡＭ５、中央演算処理装置であるＣＰＵ６、溶接の制御を司る溶接制御部１３および図示しないサーボドライバを備えており、これらはバス（図示せず）を介して接続されている。

操作手段であるティーチペンダントＴＰは、各種情報を表示する表示部４１と、マニピュレータＭの移動目標位置、溶接条件等の各種条件を設定する設定部４２とを備えている。設定部４２によって設定された各種条件等はロボット制御装置ＲＣに入力される。

主制御部３は、設定部４２から入力された溶接条件を記憶処理する教示処理部２０を備えている。教示処理部２０は、ステッチパルス溶接時に必要な条件である溶接電流、溶接電圧、移動速度、移動ピッチ、溶接時間および冷却時間が設定部４２から入力されると、溶接条件Ｔｃ（溶接電流、溶接電圧および溶接時間）、移動速度Ｓｐ、移動ピッチＭｐおよび冷却時間Ｃｔを、ハードディスク４に記憶する。

主制御部３は、さらにウロコ直径算出部２２、移動ピッチ算出部２５、ビード形状生成部２３、ウロコ総数算出部２６および表示処理部２４を備えている。一方、ハードディスク４には、溶接条件（溶接電流、溶接電圧および溶接時間）と、この溶接条件下で形成されるウロコ（溶接痕）の直径値との関係が関連づけられた溶接条件データベース２１が記憶されている。この溶接条件データベース２１は、事前の実験等により予め定められたものである。

図２は、溶接条件データベースの一例を示す図である。溶接条件データベース２１は、使用するワークの板厚、溶接ワイヤの材質や直径値等、実際の溶接環境下において、溶接電流および溶接電圧を変化させながらウロコの直径値を記録するという手法で蓄積したデータを、データベース化したものである。より具体的には、例えばワークの板厚が１ｍｍ、溶接ワイヤが鉄の０．６ｍｍという溶接環境下において、溶接時間を０．２秒に固定し、溶接電流および溶接電圧を変化させながら１回のステッチパルス溶接を行ったときに形成されるウロコの直径値を記録する。次に、溶接時間を例えば０．３秒にし、再度溶接電流および溶接電圧を変化させながらウロコの直径値を記録する。この一連の作業を繰り返して蓄積したデータを、溶接条件データベース２１としてハードディスク４に予め記憶している。当然のことではあるが、例えばワークの板厚が１ｍｍ、溶接ワイヤが鉄の０．８ｍｍという上記とは異なる溶接環境が存在する場合は、各々の溶接環境に応じた溶接条件データベースを作成しておくことが必要となる。

次に、動作を説明する。ステッチパルス溶接時に必要な条件である溶接電流、溶接電圧、移動速度、移動ピッチ、溶接時間および冷却時間が、ティーチペンダントＴＰの設定部４２から入力されると、これらの条件に基づいて、ウロコ直径値Ｓｒ、予測ビード形状Ｂｄおよびウロコ総数Ｂｎが算出される。

まず、ウロコ直径値Ｓｒの算出方法について説明する。ウロコ直径算出部２２は、入力された溶接条件Ｔｃの溶接電流、溶接電圧および溶接時間に基づいて、溶接条件データベース２１から、ウロコ直径値Ｓｒを算出する。図２で示しているように、溶接条件データベース２１は代表する溶接電流値および溶接電圧値を選択した状態で取得されたデータベースとなっているが、これらは内部的に近似曲線で展開されるので、例えば溶接時間０．３秒、溶接電流値３５Ａ、溶接電圧値１５Ｖ等の中間の値が溶接条件Ｔｃとして入力されても、近似曲線に基づき、ウロコ直径値Ｓｒを算出することが可能である。算出したウロコ直径値Ｓｒは、ハードディスク４に記憶しておく。

次に、ビード形状の算出方法について説明する。ビード形状生成部２３は、ウロコ直径値Ｓｒおよび移動ピッチＭｐに基づいて、溶接ビードを溶接トーチ側であって且つ鉛直方向から見たときに予測される予測ビード形状を二次元平面上に生成する。

図３は、予測ビード形状を生成する様子を説明するための図である。同図に示すように、まず仮想的な二次元平面Ｈｒを生成し、この二次元平面Ｈｒの適当な座標位置に開始位置Ｐ１を定義する。そして、この開始点から適当な方向を決定し、溶接進行方向Ｄｒとする。そして、開始位置から移動ピッチＭｐ分だけ等間隔に溶接線を分割する。そして、全ての分割点Ｐ１〜Ｐｎに直径値Ｓｒの真円Ｃｒを生成することにより、予測ビード形状Ｂｄが生成される。分割点の数は、作業者が予測ビード形状Ｂｄのイメージが湧く程度の数で良く、例えば４〜５個程度でも１０個以上としても良い。算出した予測ビード形状Ｂｄの二次元平面データは、ハードディスク４に記憶しておく。

上記では、移動ピッチＭｐを設定部４２から入力するようにしているが、移動ピッチＭｐに代えてウロコ重ね率Ｌｒを入力するようにし、このウロコ重ね率Ｌｒおよびウロコ直径値Ｓｒに基づいて移動ピッチＭｐを算出するようにしても良い。以下、ウロコの重ね率が入力された場合の移動ピッチの算出方法について説明する。

図４は、ウロコ重ね率を説明するための図である。ウロコ重ね率Ｌｒとは、ウロコと次のウロコとが重なっている率のことである。移動ピッチ算出部２５は、次式によって移動ピッチＭｐを算出する。

移動ピッチＭｐ＝ウロコ直径値Ｓｒ−（ウロコ直径値Ｓｒ×ウロコ重ね率Ｌｒ）

算出した移動ピッチＭｐは、ハードディスク４に記憶しておく。

また、ウロコの総数を算出するようにしても良い。以下、ウロコの総数を算出する方法について説明する。
ウロコ総数算出部２６は、まず溶接長を算出する。溶接開始位置および溶接終了位置は予め教示されている。この間の距離が溶接長であり、容易に算出できる。そして、次式によってウロコ総数Ｂｎを算出する。

ウロコ総数Ｂｎ＝溶接長／移動ピッチ＋１

上記の「＋１」の意味は、演算によって剰余が発生した場合は、溶接終了位置において移動ピッチに到達していなくても溶接終了点で溶接を行うためである。ウロコ総数Ｂｎは、ハードディスク４に記憶する。

次に表示処理部２４について説明する。設定部４２からの指示入力がなされると、表示処理部２４は、ハードディスク４に記憶されているウロコ直径値Ｓｒ、ウロコ総数Ｂｎ、ウロコ重ね率Ｌｒ、移動ピッチＭｐおよび予測ビード形状Ｂｄを、形状情報として表示部４１に表示する。形状情報は、上記全てのデータが表示されるのが好ましいが、いずれか１つまたは複数であっても良い。また、設定部４２からの指示入力は、ステッチパルス時の溶接条件を設定しているときに実行可能なように構成しておくことが望ましい。

上述したように、溶接ビードの形状を溶接施工前に予測できるので、理想の溶接ビードを形成するための試行作業が不要である。すなわち教示工数を低減できる。

また、予測される溶接ビードの形状が視覚的に表示されるので、上記効果に加えて、溶接ビードの形状認識を簡略化することができる。

また、移動ピッチに代えてウロコの重ね率を教示するようにしたことによって、理想の溶接ビード外観をイメージした教示を可能にしたので、上記効果に加えて、より一層教示工数を低減することができる。

また、溶接ビードを形成するウロコの総数を算出するようにしたので、上記効果に加えて、溶接施工後の溶接ビードの外観を簡単にイメージすることができる。

また、溶接ビードの形状情報として、直径値、総数、重ね率、移動ピッチおよび予測ビード形状のうち、いずれか１つまたは複数または全部を表示するようにしたので、上記効果に加えて、溶接施工後の溶接ビードの外観をより一層簡単にイメージすることができる。

本発明に係るステッチパルス溶接装置のブロック図である。 溶接条件データベースの一例を示す図である。 予測ビード形状を生成する様子を説明するための図である。 ウロコ重ね率を説明するための図である。 従来のステッチパルス溶接装置を示した図である。 ステッチパルス溶接を行っているときの状態を説明するための図である。 溶接施工後に形成される溶接ビードを説明するための図である。

符号の説明

１ ステッチパルス溶接装置
３ 主制御部
４ ハードディスク
５ ＲＡＭ
６ ＣＰＵ
７ 溶接ワイヤ
１１ 動作制御部
１２ 駆動指令部
１３ 溶接制御部
２０ 教示処理部
２１ 溶接条件データベース
２２ ウロコ直径算出部
２３ ビード形状生成部
２４ 表示処理部
２５ 移動ピッチ算出部
２６ ウロコ総数算出部
４１ 表示部
４２ 設定部
５１ 従来のステッチパルス溶接装置
５２ コンジットケーブル
５３ 上アーム
５４ 下アーム
５５ 手首部
５６ ワイヤリール
５７ 溶接ワイヤ
５８ ガスボンベ
Ａ アーク
Ｂｄ 予測ビード形状
Ｂｎ ウロコ総数
Ｃｒ 真円
Ｃｔ 冷却時間
Ｄｂ 溶接条件データベース
Ｄｒ 溶接進行方向
Ｅｗ 突き出し長
Ｇ シールドガス
Ｈｒ 二次元平面
Ｌｒ ウロコ重ね率
Ｍ マニピュレータ
Ｍｐ 移動ピッチ
Ｐ１ アーク開始点
ＲＣ ロボット制御装置
Ｓｃ 溶接痕
Ｓｒ ウロコ直径値
Ｓｐ 移動速度
Ｔ アーク溶接トーチ
Ｔｃ 溶接条件
ＴＰ ティーチペンダント
Ｗ ワーク
ＷＰ 溶接電源
Ｙ 溶融池
Ｙ’ 溶接痕

Claims (5)

1. 操作手段によって予め設定された溶接電流、溶接電圧および溶接時間を含む溶接条件に基づき、溶接トーチを停止した状態でアークを発生させ、前記溶接時間の経過後にアークを停止した後、前記溶接トーチを溶接進行方向に所定の移動ピッチだけ離間したアーク再開始点に移動させてアークを再発生することを繰り返しながら、１回のアーク発生で形成される溶接痕であるウロコを重ね合わせてワーク上に溶接ビードを形成するステッチパルス溶接装置において、
   前記溶接条件と前記ウロコの直径値との対応関係を予め記憶した溶接条件データベース部と、
   前記溶接条件を入力として前記溶接条件データベース部から前記直径値を算出するウロコ直径算出部と、
   少なくとも前記直径値を含む前記溶接ビードの形状情報を前記操作手段に表示する表示処理部と、
   を備えたことを特徴とするステッチパルス溶接装置。
2. 前記直径値および前記移動ピッチに基づいて前記溶接ビードを前記溶接トーチ側の鉛直方向から見たときの予測ビード形状を二次元平面上に生成するビード形状生成部を備え、前記表示処理部は前記予測ビード形状を含む前記形状情報を前記操作手段に表示することを特徴とする請求項１記載のステッチパルス溶接装置。
3. 前記移動ピッチに代えて前記ウロコの重ね率を設定する設定部と、前記重ね率が設定された場合に前記重ね率および前記直径値を入力として前記移動ピッチを自動的に算出する移動ピッチ算出部と、を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のステッチパルス溶接装置。
4. 前記直径値および前記移動ピッチに基づいて前記溶接ビードにおける前記ウロコの総数を算出するウロコ総数算出部を備え、前記表示処理部は前記総数を含む前記形状情報を前記操作手段に表示することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のステッチパルス溶接装置。
5. 前記表示処理部は、前記直径値、前記総数、前記重ね率、前記移動ピッチおよび前記予測ビード形状のうち、いずれか複数または全部を前記形状情報として前記操作手段に表示することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のステッチパルス溶接装置。

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