Q&A溶接入門講座

溶接ロボットの基礎知識 第1回

入門教室/Q&A

溶接ロボットの基礎知識 第1回

溶接ロボットに関する基本的知識

 

 わが国において溶接(アーク溶接・抵抗溶接)ロボットが製造工程の一端に定着して四半世紀が経過しました。この間,溶接ロボットは自動車産業を中心に溶接作業には欠くことのできない生産手段として活躍しています。また,生産拠点の海外へのシフトにともない,ロボットの適用の場も世界各地へとグローバル化しています。

一方,溶接技術者・技能者の中には,いまだに「ロボットアレルギー」の人も多く,溶接ロボットに対する理解が十分で無いところも残っているようです。さらに,ロボットに対する認識の間違いからロボットで溶接を行ったにもかかわらず,溶接欠陥を発生させたケースも発生しております。

ここで,今一度ロボットに対する正しい理解と疑問点を無くしていただくために「溶接ロボットに関する基本的な知識」を2回にわたりQ&A形式で紹介したいと思います。1回目は,溶接ロボットについてわかりやすくその概要を説明します。

 
Q1 溶接作業にロボットを用いると,どのような効果が期待できますか?
 
A1

 ロボットでの作業は次のような特徴が上げられます。
 ・繰り返し同じ作業が出来る。
 ・スピードが速い。
 ・疲れない。
 ・作業環境を選ばない。
など。このようなロボットを溶接作業に用いることによって生産活動に必要なQ・C・D・Sに関するメリットを得ることができます。

Q(品質):溶接品質の安定
 ・誰が作業を行っても同じ品質のものができ上がる。
 ・うっかりミス(溶接忘れ)が無くなる。

 

C(コスト):生産コストの低減
 ・人件費を削減できる。
 ・ロボットは専用機ではなく汎用性があるので,生産設備へのトータル投資を削減できる。
 ・無駄な溶接がなく,シールドガスや溶接ワイヤなどの消耗品費を削減できる。

 

➂D(納期):納期管理の徹底
 ・生産計画が立てやすく生産管理がやりやすい。
 ・タクトタイムが早くなり設備稼働率も向上する。

 

➃S(安全):作業環境の改善
 ・溶接作業者を3K(危険,きつい,汚い)作業から解放できる。
 ・作業現場の換気など,環境改善設備が機械化し易い。

 
Q2 アークロボット溶接と半自動溶接の違いおよびそれぞれの特徴を教えてください。
 
A2

アーク溶接ロボットと半自動溶接の一般的な比較を表1にまとめてみました。

 

 
Q3 溶接ロボットの仕組みを簡単に説明してください。
 
A3

 溶接を行う産業用ロボットは,鉄腕アトムのようにロボット自身で溶接工程のすべてができるわけではないので,溶接ロボットを使用するための前提条件として,作業者が自分自身で溶接を行う時のように溶接の順序・姿勢・条件などをロボットに教え込むことが必要です。

教え込ませる方法は,後で述べるティーチペンダントを用いてロボットの腕を遠隔操作で動かして行います。そしてその教え込んだデータを呼び出し(プレイバック)て,ロボットに自動運転を行わせるものです。このようなロボットをティーチングプレイバックのロボットと言います。ロボットに作業を教え込むことを教示作業またはティーチング作業といいますが,この作業は作業者のテクニックがそのままロボットの動きに反映されるため,溶接作業を熟知したベテランの作業者の技量を生かしたティーチングが望まれます。

 
Q4 どんなものでもロボットで溶接できるのですか?溶接物に関して,ロボット化を行うために必要な条件を教えて下さい。
 
A4

 ロボットで溶接を行うためには,次の二つの条件を満足させる必要があります。

一つは,ロボットは作業者が教えた(教示作業)通りの動きしかできないので,作業者が教示作業を充分にできるかということです。教示作業は実際に溶接を行う時間の数十倍の時間を必要とします。例えば(物にもよりますが),約5箇所の溶接部位があるとしたら教示作業時間だけで10〜30分ぐらいを必要とします。そしてその後それぞれの部位の溶接条件を決めていく作業が必要です。したがって一品一様の物は教示作業など前準備に多くの時間を要し,ロボットを用いた溶接には適しません。一方,最低10〜20個以上の同じ物(量産品)を溶接するときには教示作業に多少時間をとられてもその後の効果が大きくロボット使用のメリットが出てきます。

二つ目は,「ロボットは目を持っていない」ということです。同じ動作を精密な軌跡で繰り返すことは得意ですが,自ら溶接位置を探すことはできません。したがって,溶接材料を同じ位置へセットする事が大前提となります。溶接位置がズレていたら溶接線狙いズレとなり溶接欠陥・溶接不良を作ってしまいます。ワーク位置決めのバラツキの限界は使用する溶接ワイヤ径の2分の1以内といわれています。

 
Q5 どのような作業にロボットは用いられていますか?
 
A5

 ロボットは一般的に工場内に設置して使用されますので,工場で加工する溶接作業に多く用いられています。その最たるものが自動車産業です。自動車は,溶接個所が多く,同じ物が繰り返し生産されるので,ロボット化が容易に行えています。自動車部品の溶接個所に関して品質の安定と大量生産が可能になったことは,ロボットで溶接を行っていることが大きな要因です。

他には事務機器・農機具・家電・車両など工場内溶接で量産品がある場合は,溶接物の材質(鋼材・ステンレス材・アルミニウム材)や板厚(1mmt以下から50mmt超)に関係なく,また企業の規模に関係なくロボット化が進んでいます。

一方,造船や橋梁・建設も溶接は多いのですが,現場溶接が多いことと溶接部位が多種多様にわたるため一部を除いてロボット化は進んでおりません。

 
Q6 溶接ロボットはどのような製品構成ですか?
 
A6

アーク溶接ロボットの標準的な構成は図1のようになります。溶接方法(炭酸ガスアーク溶接やティグ溶接)によって,溶接機・溶接トーチ・送給装置などを目的にあった溶接機器に変更して使用します。つまり,ロボットはマニピュレータ・制御装置・ティーチペンダントなどから成り,溶接を行うツール(溶接トーチ)をロボットの先端に固定して溶接の自動運転を行うものです。


図1 アーク溶接ロボットの構成図

ロボット関連構成品の機能(役割)は次のとおりです。
➀マニピュレータ(ロボット本体)
作業を行う腕があり,その腕は溶接のトーチ角度が自由に取れるように5軸または6軸の多関節構造となっています。この構造は,ロボットの設置面積が狭い割には動作範囲を広くとれるという特徴があります。腕の動きはフィードバック制御が行われる「サーボモータ」と精密で精度の良い「減速機」でコントロールされます。ロボットのトーチ先端が自動運転時に同じ位置に来る位置再現精度は±0.1mm程度です。

➁制御装置(コントローラ)
ロボット全体を制御するもので,ティーチングデータなどを記憶するコンピュータ部やモータの制御を行うサーボ制御部,溶接機との通信を行うインターフェース回路などからなっています。制御装置は完全密閉構造でその電気容量は,サーボモータの制御を含めて三相200V入力で3〜8.5KVA程度です。

➂ティーチペンダント
ロボットの動きを入力する時(教示作業)に使用する遠隔操作盤で,制御装置から5〜8mのケーブルで接続されています。教示作業をやりやすくするために,構造や機能には可搬性・操作性が配慮されており,最近は表示窓に大きな液晶を用いて,漢字表示やカラー表示が用いられ操作性が良くなっています(写真)。教示作業は,このティーチペンダントを用いてマニピュレータに接近した作業が多いので,安全のために必ず「赤い非常停止ボタン」が付いています。


写真 ティーチペンダント

➃操作ボックス
教示モードや自動運転モードなどのロボットの基本状態を設定するもので,サーボ電源投入ボタン・自動運転スタートボタン・一時停止ボタン・非常停止ボタン等があります。自動運転はこのスタートボタンを押して始まります。

 
Q7 ロボットで溶接を行うためにはどのような作業が必要ですか?作業の流れをわかりやすく説明して下さい。
 
A7

 ロボットに係わる作業は,
➀ティーチング作業
➁溶接条件作りこみ作業
➂自動運転時の作業
がありますので,それぞれの作業のフローを図2に示します。


図2 ロボット作業のフロー(1)


図3 ロボット作業のフロー(2)

➀ティーチング作業とは,ロボットに動きを入力していく作業なのでロボット操作を十分に知っておくことが必要です。この作業は,実際に溶接を行う時間に比べると多大な時間を要するということを念頭においておかなければなりません。またこの作業は,ロボット本体の可動範囲内での作業になるため,ロボットの不意の誤動作や作業者の誤操作による危険を考えて,作業時の安全への配慮と対策が必要です。

➁溶接条件作りこみ作業は,溶接物に最適な溶接条件を求めていくもので,アーク溶接の場合は基本的には半自動溶接時の溶接条件と同じですが,ロボット化することで溶接速度などの条件の微調整が必要です。まず電流と電圧値は半自動溶接時のメータ値を入力し,溶接速度はストップウォッチなどで測定した値を数字キーで暫定入力します。そして一度溶接を行い,結果を見ながら電流や速度を変更して最適化していきます。この場合のロボットの動きは安全のために自動運転時よりもエアカット速度を遅くした再生動作で運転します。

➂自動運転はワークをセットしてボタンを押すだけなので誰にでもできる作業です。しかし,ワークのばらつきやセットミスなどで溶接不良が発生し,次工程へ送られないとも限りませんので,でき上がり製品の溶接結果に対し良否の判断が出来る人が望まれます。また,ロボットの動きが早いので安全に対する注意も必要です。

 
Q8 ティーチング作業は簡単ですか?誰にでもできますか?資格は必要ですか?
 
A8

 作業者は,ティーチペンダントを持ってマニピュレータを遠隔操作で動かし,自動運転時の溶接に必要な位置やスピード・溶接順序・溶接条件などを制御装置へ入力していきます。したがって,車の運転免許証を取得する程度の技量と知識を持つ人で,溶接経験のある人であればロボットのティーチング操作は充分にできると思われます。

一般にはロボットメーカーで2日間程度の講習会を受講して操作技能を修得できます。とくに,パソコンや携帯電話の操作に慣れている人は修得が早いようです。ただ,ティーチング作業ができることと,溶接がうまくいくことは別の問題です。溶接をうまく行うには溶接のノウハウを生かしたティーチングを行うことが必要です。そのためには,溶接を十分に理解している溶接経験のある人がティーチングを行うことが理想です。

溶接熟練者のトーチ角度・スピード・狙い位置をティーチングに生かしたいものです。

また,ロボット作業に従事する人は,労働安全衛生法で「産業用ロボットに関する安全衛生特別教育」の受講が義務づけられています。講習時間は法令で表2の通りです。この資格はロボットメーカーで行われる操作講習会に参加すればほとんど得られます。

表2 産業用ロボットの安全特別教育時間

 
Q9 鉄鋼材料のFSWにおける問題点は何ですか。
 
A9

 ロボットを使用するときに,安全について注意することはどのようなことですか?

溶接ロボットは,一般の産業用機械に比べ次の様な危険な因子をもっています。

➀溶接ロボットの機構・制御が複雑・高度化しているので,これを取り扱う人は十分な知識と技量を持つ必要がある。取扱者の知識不足は誤操作の要因になる。

➁ロボットの動作が機械外部の空間を静かに非常に早く動き,また次の動作がどの方向かわからない三次元的であるため注意が必要である。

➂ロボットの制御部は多くの電子部品からなり,その制御は非常に複雑で,ハードおよびソフトの不具合や電磁ノイズでの誤動作の可能性を持っている。

➃ティーチング作業はロボットの稼動範囲の内で行うことが多く,ロボットの誤動作・誤操作は作業者の危険性に大きく影響する。

これらのために労働安全衛生規則では,次のような内容を「ロボットを使用する作業」に対して義務付けています。
.ロボットの仕事に係わる人は「産業用ロボット安全衛生特別教育」の講習を修了した人でなければならない。
.ロボットを自動運転で使用するときには,安全柵などを設置し作業者とロボットが接触しないようにしなければならない。
.各種作業規定を作って,それに基づいて作業を行わなければならない。
その他にも「作業前点検」などいろいろな決まりが設けられていますので,使用する前には「労働安全衛生規則」を確認してください。

次回はもう少し具体的なロボットの話(ロボット用溶接電源・ロボット設置時の注意事項・ワーク固定ジグなど)をします。

 

黒田 進
(株)ダイヘンテクノス

出典:【溶接技術2006年1月号】

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