協働ロボット導入時の接地（アース）設計：溶接電源の高周波が及ぼす誤作動への対策

協働ロボット溶接における「高周波ノイズ対策」：接地（アース）設計の完全技術指針

協働ロボット（Cobot）を溶接セルに統合する際、最も多く直面するトラブルが「高周波ノイズによる制御系の誤作動」である。TIG溶接機などの高周波スタート（HFスタート）は、数kV〜数10kVの電圧を瞬間的に発生させる。この高周波ノイズがロボットのエンコーダ信号や通信線に混入すると、サーボエラー、通信遮断、最悪の場合はCPUの破壊を招く。

本稿では、現場施工レベルでの接地設計とノイズ対策を技術的根拠に基づき解説する。

1. 高周波ノイズの発生メカニズムと伝播経路

TIG溶接機の高周波発生器は、アークを安定させるために高周波・高電圧を印加する。この際、以下の3つの経路でノイズが制御系へ侵入する。

1. 伝導ノイズ（Conducted Noise）: 電源ラインや接地線を通って直接制御盤へ侵入する。
2. 誘導ノイズ（Inductive Noise）: 溶接ケーブル（トーチケーブル）から発生する磁界が、ロボットの信号ケーブルに起電力を誘起させる。
3. 放射ノイズ（Radiated Noise）: 溶接電流が流れる経路（電磁波のアンテナとなる）から空間へ放射され、制御基板へ直接干渉する。

2. 接地設計の現場施工ノウハウ：一点集約と等電位化

現場で最も避けるべきは「接地ループ（グラウンドループ）」の形成である。以下の設計指針を遵守せよ。

2.1 接地回路の構成要件

• 一点接地（Single Point Grounding）の徹底: ロボット制御盤、溶接電源、周辺機器の接地線は、個別に接地棒へ繋ぐのではなく、「共通接地母線（銅バー）」へ最短距離で接続し、そこから一点で接地極へ落とす。
• 接地線の太さとインピーダンス: 高周波は導体の「表皮効果」により表面を流れる。細い線ではインピーダンスが高くなるため、22mm²以上の太い編組銅線（平編線）を使用する。丸線よりも表面積が大きい平編線が、高周波の逃げ道として最適である。

2.2 溶接電流の帰路（リターンパス）の最適化

• ワークへの直接接続: 溶接電源のマイナス（接地）側は、必ず溶接箇所から最短距離のワーク（治具）へ直接クランプする。ロボットの本体や治具の構造体を介して電流を戻すと、ロボットのベアリングやエンコーダへ電流が流れ、アークによる電食や信号ノイズを誘発する。
• アイソレーション: ロボットのフランジ部や治具の固定部には、必要に応じて絶縁材（ベークライトや高耐熱樹脂プレート）を挟み、ロボット本体を電気的にフローティングさせる構成を検討する。

3. 現場施工におけるノイズ低減対策のチェックリスト

4. 規格・評価方法と許容値の考え方

JIS規格および国際規格に基づくノイズ耐性評価の指針を示す。

4.1 適用規格

• JIS C 61000-6-2 (IEC 61000-6-2): 工業環境における電磁両立性（EMC）のイミュニティ規格。ロボット制御盤は、この規格の静電気放電、放射電磁界、ファストトランジェント（EFT/B）試験に適合している必要がある。
• ISO 10218-1/2: ロボットの安全規格。溶接環境下での動作には、EMC対策が不可欠であると定義されている。

4.2 ノイズ評価方法

現場でのノイズ評価には、オシロスコープによる波形観測が必須である。
1. 測定点: ロボットの通信ラインまたはI/O信号線。
2. 観測内容: 高周波スタート時の電圧スパイク（オーバーシュート）を確認する。
3. 判定基準: 制御信号電圧に対して、スパイクノイズが±10%以内に収まっていることが望ましい。これを超える場合は、ノイズフィルタ（ラインフィルタ）の追加や、配線経路の見直しが必要である。

5. トラブルシューティング：誤作動発生時の診断フロー

1. 現象の切り分け: 「溶接スタート直後に発生」か「連続溶接中に発生」か。前者は高周波ノイズ、後者は熱によるエンコーダのドリフトまたはケーブルの断線を疑う。
2. 強制ノイズ確認: 溶接電源の「高周波スタート」をOFFにして溶接（タッチスタート）を行い、エラーが発生するか確認する。これでエラーが消える場合、確実に高周波ノイズが原因である。
3. 接地抵抗値の測定: 接地極の接地抵抗値が10Ω以下であることを確認する。高周波においては、抵抗値よりもインダクタンス成分が支配的になるため、接地線の「長さ」を可能な限り短くすることが最も効果的である。
4. 電位差測定: 溶接電源の筐体とロボット制御盤の筐体間で電位差がないか、交流電圧計で測定する。電位差がある場合は、等電位ボンディング（太い電線での短絡）を行う。