DE102009032860B4

DE102009032860B4 - Bestimmungsverfahren unter Verwendung von Ultraschallwellen

Info

Publication number: DE102009032860B4
Application number: DE102009032860A
Authority: DE
Inventors: Kaoru Shibata; Noriaki Shigematsu; Mitsutaka Igaue; Yushi Aoki; Noriko Kurimoto
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2008-08-04
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2013-03-21
Anticipated expiration: 2029-07-14
Also published as: US8302479B2; DE102009032860A1; US20100024558A1; DE102009061145B3

Abstract

Verfahren zum Bestimmen eines Kontaktflächenverhältnisses einer Elektrodenspitze (32, 34), nämlich das Verhältnis zwischen einer Gesamtfläche einer Region der Elektrodenspitze (32, 34), die bewirken kann, dass Ultraschallwellen auf ein Werkstück (W1, W2), das geschweißt werden soll, einfallen, und einer Kontaktfläche, an der die Region den Kontakt in Bezug auf das Werkstück (W1, W2) herstellt, wobei die Elektrodenspitze (32, 34) zum Durchführen von Widerstandsschweißen dient, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bestimmen einer korrelierenden Beziehung zwischen der Kontaktfläche und dem Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die in der Region in das Werkstück (W1, W2) eintreten; Senden von Ultraschallwellen von einem Ultraschalloszillator, der in die Elektrodenspitze (32, 34) eingebaut ist, in einem Zustand, in dem die Elektrodenspitze (32, 34) von dem Werkstück (W1, W2) getrennt ist, und Messen einer Intensität erster reflektierter Wellen, die von einem Ende der Elektrodenspitze (32, 34) reflektiert werden; und Senden von Ultraschallwellen von dem Ultraschalloszillator in...

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Kontaktflächenverhältnisses einer Elektrodenspitze, wenn unter Verwendung der Elektrodenspitzen Widerstandsschweißen durchgeführt wird.
Beschreibung der verwandten Technik:
Wenn Punktschweißen, das eine Art von Schweißtechnik bildet, durchgeführt wird, werden, wie wohlbekannt ist, Werkstücke, die wechselseitig aneinander anliegend angeordnet wurden, zwischen einem Paar von Elektrodenspitzen gegriffen und indem bewirkt wird, dass ein Strom zwischen den Elektroden fließt, wird Schweißen in der Form von Schweißpunkten auf den Werkstücken ausgeführt.
Punktschweißen wird typischerweise zum Beispiel durch eine Schweißpistole durchgeführt, die an einem Ende eines Roboterarms eines belehrbaren Roboters angeordnet ist. Insbesondere wird der Roboter, der im Voraus belehrt wurde, einleitend betrieben (bewegt), um zu ermöglichen, dass Werkstücke zwischen Elektrodenspitzen eingefügt werden, die auf einer öffenbaren/schließbaren Klammer der Schweißpistole angeordnet sind. Als nächstes werden die Werkstücke durch Schließen der Klammer zwischen den Elektrodenspitzen gegriffen. In diesem Zustand werden die Elektrodenspitzen unter Spannung gesetzt und bewirkt, dass Strom dazwischen fließt, wodurch ein geschmolzener Teil innerhalb der Werkstücke gebildet wird. Schließlich wird begleitend zu der Verfestigung des geschmolzenen Teils ein Schweißpunkt auf den Werkstücken ausgebildet.
Beim in der vorangehenden Weise implementierten Punktschweißen werden das Wachstum und die Verfestigung des geschmolzenen Teils, d. h. mit welchem Zeitablauf der geschmolzene Teil wachst und sich verfestigt, überprüft. Als ein derartiges Erfassungsverfahren ist die in der japanischen Patentveröffentlichung JP 59-014 189 B4 offenbarte Technik bekannt. Insbesondere ist in diesem Verfahren ein Ultraschalloszillator zum Senden und Empfangen von Ultraschallwellen in eine der Elektrodenspitzen eingebaut. Ultraschallwellen werden von dem Ultraschalloszillator gesendet, woraufhin die Ultraschallwellen von einer reflexionsinduzierenden Oberfläche, die auf der anderen verbleibenden Elektrodenspitze angeordnet ist, reflektiert werden und die reflektierten Ultraschallwellen von dem vorstehend erwähnten Ultraschalloszillator empfangen werden.
Wenn Widerstandsschweißen in Bezug auf eine Vielzahl von Werkstücken wiederholt durchgeführt wird, leiden die Elektrodenspitzen allmählich unter Abnutzung und Abrieb. Als ein Ergebnis erfahren die Kontaktflächen zwischen den Elektrodenspitzen und dem Werkzeug Änderungen und einhergehend damit ändert sich auch die Fläche der Elektrodenspitze, die fähig ist, Ultraschallwellen zu senden. In dem Fall, dass ein derartiger Zustand auftritt, wird in dem Verfahren der japanischen Patentveröffentlichung JP 59-014 189 B4 , das voraussetzt, dass die Kontaktfläche zwischen den Elektrodenspitzen und dem Werkstück konstant bleibt, die Erfassungsgenauigkeit der Grenzflächenposition des geschmolzenen Teils und folglich die Genauigkeit beim Berechnen der Geschwindigkeit, mit der der geschmolzene Teil sich entwickelt und wächst, verschlechtert.
Wenn das Verfahren der japanischen Patentveröffentlichung JP 59-014 189 B4 ferner implementiert wird, um zu bestimmt, mit welchem Zeitablauf der geschmolzene Teil wachst, wenn die Elektrodenspitzen in Bezug auf das Werkstück in einem geneigten Zustand anliegen, tritt aufgrund der unpassenden Belehrung des Roboters eine Nichtübereinstimmung zwischen der Wachstumsgeschwindigkeit, die geschätzt wurde, als der Roboter passend gelehrt wurde, und der gemessenen Wachstumsgeschwindigkeit auf. Da die Person, welche die Bestimmung ausführt, in einem derartigen Fall nicht darüber informiert wird, dass die Elektrodenspitzen in Bezug auf das Werkstück in einem geneigten Zustand anliegen, besteht das Problem, dass nicht bestimmt werden kann, ob die Wachstumsgeschwindigkeit des geschmolzenen Teils passend ist oder nicht.
Andererseits wurden in der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung JP 2007-248 457 A ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erfassen der Position einer Zeitablauf der geschmolzene Teil gewachsen ist und sich verfestigt hat. Insbesondere mit dem Erfassungsverfahren und der Vorrichtung der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung JP 2007-248 457 A werden Ultraschallwellen von einem in eine Schweißspitze eingebauten Sender-Empfänger in Richtung des geschmolzenen Teils geleitet, wobei reflektierte Wellen, die von dem geschmolzenen Teil reflektiert werden, oder durchgehende Wellen, die den geschmolzenen Teil durchlaufen haben, erfasst werden.
In dem herkömmlichen Verfahren der japanischen offengelegten Patentveröffentlichung JP 2007-248 457 A wird der geschmolzene Teil basierend auf der Hypothese erfasst, dass die Geschwindigkeit von Ultraschallwellen konstant ist. Jedoch wurde gemäß von den gegenwärtigen Erfindern ausgeführten eifrigen und sorgfältigen Untersuchungen herausgefunden, dass die Geschwindigkeit derartiger Ultraschallwellen einhergehend mit einem Temperaturanstieg des Werkstücks tatsächlich verzögert (d. h. langsamer) wird. Wenn folglich die Temperatur des Werkstücks sich anschließend an das Fortschreiten des Punktschweißens ändert, besteht eine Sorge, dass die Erfassungsgenauigkeit beim Erfassen der Position des geschmolzenen Teils unter Verwendung eines derartigen herkömmlichen Verfahrens, wenn auch nur etwas, verschlechtert werden kann.
DE 103 12 459 A1 bezieht sich auf ein Verfahren zur Bewertung einer sich während eines Schweißvorganges ausbildenden Schweißverbindung zwischen wenigstens zwei Fügepartnern unter Einsatz wenigstens eines den Bereich der sich ausbildenden Schweißverbindung mit Ultraschallwellen durchschallenden Ultraschallsenders sowie wenigstens eines Ultraschallempfängers, der Schalldurchlässigkeitssänderungen der den Bereich der sich ausbildenden Schweißverbindung durchdringenden Ultraschallwellen zur Beurteilung der Schweißverbindung registriert.
EP 0 581 315 A1 offenbart die Ermittlung der Ausgangsspannung einer Stromquelle einer Widerstandsschweißvorrichtung auf der Grundlage eines Schweißstromes. Der Durchmesser des Nuggets, das bei einer flächigen Schweißung gebildet wird, wird auf der Grundlage des Schweißstromes geschätzt.
JP 59-014 189 B4 offenbart eine Punktschweißvorrichtung, die die Kalibrierung der Beziehung zwischen der Menge der übertragenen Ultraschallwelle und dem verschweißten Teil unnötig machen kann. Demgemäß reflektiert die Welle zweimal auf der Oberfläche der Elektrode mit einem Ultraschallvibrator, um die Fläche des zu schweißenden Werkteils gemäß der Veränderung der Spitzenwerte der reflektierten Wellen zu bestimmen.
JP 2007-248 457 A betrifft ein Verfahren und ein System für die Inspektion von Punktschweißungen, das genau das Volumen der Schmelzzone schätzen kann, ohne von den Schwankungen des Ultraschall-Einfallswinkels zum Werkstück oder der Temperatur des Werkstückes betroffen zu werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine allgemeine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen eines Kontaktflächenverhältnisses einer Elektrodenspitze bereitzustellen, das fähig ist, leicht zu beurteilen, dass Elektrodenspitzen abgenutzt worden sind oder dass eine unpassende Belehrung eines Roboters stattgefunden hat.
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Bestimmen eines Kontaktflächenverhältnisses einer Elektrodenspitze zu bestimmen, welches ermöglicht, dass Änderungen in dem Zustand von Werkstücken genau bestimmt werden.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Kontaktflächenverhältnisses einer Elektrodenspitze bereitgestellt, nämlich das Verhältnis zwischen einer Gesamtfläche einer Region der Elektrodenspitze, die bewirken kann, dass Ultraschallwellen auf ein Werkstück, das geschweißt werden soll, einfallen, und einer Kontaktfläche, an der die Region den Kontakt in Bezug auf das Werkstück herstellt, zu bestimmen, wobei die Elektrodenspitze zum Durchführen von Widerstandsschweißen dient, wobei das Verfahren die Schritte aufweist:
Bestimmen einer korrelierenden Beziehung zwischen der Kontaktfläche und dem Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die in der Region in das Werkstück eintreten;
Senden von Ultraschallwellen von einem Ultraschalloszillator, der in die Elektrodenspitze eingebaut ist, in einem Zustand, in dem die Elektrodenspitze von dem Werkstück getrennt ist, und Messen einer Intensität erster reflektierter Wellen, die von einem Ende der Elektrodenspitze reflektiert werden; und
Senden von Ultraschallwellen von dem Ultraschalloszillator in einem Zustand, in dem die Elektrodenspitze an dem Werkstück anliegt, und Bestimmen einer Intensität zweiter reflektierter Wellen, die von dem Ende der Elektrodenspitze reflektiert werden,
wobei, nachdem aus der folgenden Gleichung (1-1): Reflexionsgrad = (Intensität zweiter reflektierter Wellen)/(Intensität erster reflektierter Wellen) (1-1) ein Reflexionsgrad, der ein Intensitätsverhältnis zwischen den ersten reflektierten Wellen und den zweiten reflektierten Wellen darstellt, bestimmt wurde, aus der folgenden Gleichung (1-2): Bruchteil einfallender Wellen, die in das Werkstück eintreten = 1 – Reflexionsgrad (1-2) der Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen bestimmt wird, der in das Werkstück eintritt, und
die Kontaktfläche, in der die Region den Kontakt in Bezug auf das Werkstück herstellt, aus dem Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die in das Werkstück eintreten, und der korrelierenden Beziehung bestimmt wird und ein Kontaktflächenverhältnis aus der folgenden Gleichung (1-3) bestimmt wird. Kontaktflächenverhältnis = (Kontaktfläche der Elektrodenspitze)/(Gesamtfläche der Region der Elektrodenspitze, die bewirken kann, dass Ultraschallwellen auf das Werkstück einfallen) (1-3)
Durch Durchführen derartiger Berechnungen kann als Information erhalten werden, wie viele Ultraschallwellen, die von der Elektrodenspitze gesendet werden, in das Werkstück eintreten. Durch Ausführen von Korrekturen basierend auf dieser Information kann bestimmt werden, in welchem Ausmaß sich der Kontaktzustand zwischen den Werkstücken und der Elektrodenspitze geändert hat.
Wenn ferner das Intensitätsverhältnis und das Kontaktflächenverhältnis wiederholt direkt nach dem Beginn des Widerstandsschweißens bestimmt werden, steigt in dem Fall, dass die Elektrodenspitze abgenutzt wird, das Kontaktflächenverhältnis einhergehend mit der Abnahme des Intensitätsverhältnisses. Durch kontinuierliches Vergleichen des Intensitätsverhältnisses und des Kontaktflächenverhältnisses kann beurteilt werden, ob die Abnutzungsmenge der Elektrodenspitze innerhalb eines zulässigen Bereichs ist.
Was ferner die korrelierende Beziehung zwischen dem Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die in das Werkstück eintreten, und der Kontaktfläche anbetrifft, wird zum Beispiel, nachdem Ultraschallwellen von dem in die Elektrodenspitze eingebauten Ultraschalloszillator gesendet wurden und eine Ultraschallwellenintensitätsverteilung des Ultraschalloszillators bestimmt wurde, die Gesamtfläche der Region, die bewirken kann, dass die Ultraschallwellen auf das Werkstück einfallen, bestimmt, indem die Intensitätsverteilung über einen maximalen Bereich, in dem die Intensität der Ultraschallwellen beobachtet wird, integriert wird, während die korrelierende Beziehung bestimmt werden kann, indem die Intensitätsverteilung wiederholt über einen Bereich, in dem die Intensität der Ultraschallwellen beobachtet wird, integriert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann durch Untersuchen der zeitabhängigen Änderung der Verkleinerungsbreite des Intensitätsverhältnisses (des Reflexionsgrads) oder einer Differenz von einem passenden Wert in den Ultraschallwellen zur Zeit, wenn die Elektrodenspitze den Kontakt in Bezug auf die Werkstücke herstellt, beurteilt werden, ob die Belehrung in Bezug auf den Roboter, auf dem die Schweißpistole montiert ist, passend durchgeführt wurde oder nicht. Insbesondere in dem Fall, dass die Belehrung in Bezug auf den Roboter passend ist, wird die Kontaktfläche der Elektrodenspitzen in Bezug auf die Werkstücke größer, weil die Elektrodenspitzen in die Werkstücke eingebettet werden, während das Widerstandsschweißen fortschreitet. Da die Ultraschallwellen leicht in die Werkstücke eintreten, nimmt daher das Intensitätsverhältnis im Verlauf der Zeit stark ab.
Andererseits wird in dem Fall, dass die in Bezug auf den Roboter durchgeführte Belehrung nicht passend ist und folglich die Elektrodenspitzen in einem geneigten Zustand an den Werkstücken anliegen, selbst wenn die Elektrodenspitzen in die Werkstücke eingebettet werden, während das Widerstandsschweißen fortschreitet, nur ein Teil der Region, die bewirken kann, dass Ultraschallwellen auf das Werkstück einfallen, eingebettet, während auch eine Restregion in einem freiliegenden Zustand vorhanden ist. Daher bleibt die Verkleinerungsbreite des Intensitätsverhältnisses selbst mit dem Verlauf der Zeit klein.
Auf diese Weise kann durch Vergleichen der Verkleinerungsbreiten beurteilt werden, ob die Belehrung in Bezug auf den Roboter passend durchgeführt wurde oder nicht.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird zuerst der Grad berechnet, in dem die Ultraschallwellen, die von den Elektrodenspitzen gesendet werden, tatsächlich in die Werkstücke eintreten, und Korrekturen werden basierend auf dem Ergebnis davon ausgeführt. Wenn außerdem zum Beispiel die Belehrung an einem Roboter durchgeführt wird, auf dem eine mit den Elektrodenspitzen ausgestattete Schweißpistole montiert ist, kann durch Beurteilen, ob die Elektrodenspitzen geneigt sind, beurteilt werden, ob eine derartige Belehrung passend durchgeführt wurde.
Ferner wird eine Schweißvorrichtung, die das oben genannte Verfahren zum Bestimmen eines Kontaktflächenverhältnisses einer Elektrodenspitze benutzt, die zum Durchführen von Widerstandsschweißen dient, gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung deutlicher, wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen genommen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Strukturansicht einer Messvorrichtung zum Messen einer Intensitätsverteilung von Ultraschallwellen;
2 ist ein Verteilungsdiagramm, das eine Intensitätsverteilung von durchgehenden Ultraschallwellen zeigt;
3 ist ein Diagramm, das eine korrelierende Beziehung zwischen dem Bruchteil an Ultraschallwellen, die in das Werkstück eintreten, und der Kontaktfläche zeigt, die durch Integrieren der Intensitätsverteilung von 2 bestimmt wird;
4 ist eine schematische Strukturansicht, die wesentliche Teile einer Punktschweißvorrichtung zeigt;
5 ist eine schematische Strukturansicht wesentlicher Teile, die einen Zustand zeigt, in dem Enden der Elektrodenspitzen während des fortschreitenden Punktschweißens in Werkstücke eingebettet werden;
6 ist eine schematische Strukturansicht wesentlicher Teile, die einen eingebetteten Zustand zeigt, in dem Enden der Elektrodenspitzen in Bezug auf die Werkstücke geneigt sind;
7 ist ein Diagramm, das einen Gesamtwiderstand vor der Korrektur und zeitabhängige Änderungen des Innenwiderstands von Werkstücken zeigt, die entsprechend Korrekturen bestimmt werden;
8 ist eine schematische Strukturansicht, die wesentliche Teile einer Vorrichtung zum Erfassen der Grenzflächenposition eines geschmolzenen Teils zeigt.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Zuerst sollen unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen detaillierte Erklärungen bevorzugter Ausführungsformen in Bezug auf ein Verfahren zum Bestimmen eines Kontaktflächenverhältnisses einer Elektrodenspitze.
Wenn die Elektrodenspitzen mit den Werkstücken in Kontakt kommen, hat die Elektrodenspitze Regionen (einfallsgeeignete Regionen), die bewirken können, dass Ultraschallwellen auf das Werkstück einfallen, und andere Regionen (einfallsungeeignete Regionen), die, wenngleich sie in Kontakt mit dem Werkstück sind, nicht bewirken können, dass Ultraschallwellen auf das Werkstück einfallen. Selbst wenn ferner die Gesamtheit der einfallsgeeigneten Regionen in Kontakt mit den Werkstücken ist, bedeutet dies nicht notwendigerweise, dass alle der einfallenden Ultraschallwellen tatsächlich in die Werkstücke eintreten. Folglich wird zunächst eine korrelierende Beziehung zwischen einer Kontaktfläche der einfallsgeeigneten Regionen in Bezug auf das Werkstück und dem Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die in das Werkstück eintreten, bestimmt. Die Bestimmung der korrelierenden Beziehung soll unter Bezug auf 1 bis 3 erklärt werden.
In 1 zeigt die Bezugsnummer 10 eine Elektrodenspitze an. Im Inneren der Elektrodenspitze 10 ist ein Sender-Empfänger 12 sowohl zum Senden als auch Empfangen von Ultraschallwellen darin eingebettet.
Die Elektrodenspitze 10 drückt mit einer Druckkraft, die so groß ist, wie realisierbar ist, gegen eine untere Endoberfläche eines Mediums 18, das von Haltekörpern 14, 16 gehalten wird. Ferner ist auf einer oberen Endoberfläche des Mediums 18 an einer Stelle entgegengesetzt zu der Elektrodenspitze 10 ein Sensor 20 in Kontakt mit dem Medium 18 angeordnet. In diesem Fall fallen die jeweiligen Mitten der Elektrodenspitze 10 und des Sensors 20 miteinander zusammen.
Die Elektrodenspitze 10 und der Sensor 20 sind elektrisch durch Zuleitungsdrähte 22, 24 mit einem Ultraschallprüfgerät 26 verbunden. Außerdem ist ein Vorverstärker 28 in dem Zuleitungsdraht 24 eingefügt.
In einer derartigen Struktur werden zuerst Ultraschallwellen von dem im Inneren der Elektrodenspitze 10 angeordneten Sender-Empfänger 12 gesendet. Derartige Ultraschallwellen werden dazu gebracht, auf das Medium 18 einzufallen und sich durch das Innere des Mediums 18 auszubreiten, um schließlich den Sensor 20 zu erreichen. Ein Ultraschallwellensignal, das den Sensor 20 erreicht hat, wird von dem Vorverstärker 28 verstärkt und als ein Signal an das Ultraschallprüfgerät 26 geleitet.
Das Ultraschallprüfgerät 26 erkennt die gesendeten Signale als eine Intensität von Ultraschallwellen. Insbesondere wird die Intensität von Ultraschallwellen an der Mittelposition der Elektrodenspitze 10 gemessen.
Als nächstes wird der Sensor 20 in die Richtung des Pfeils X1 bewegt (wobei jedoch der Sensor 20 an einer Position ist, um sich nicht weiter von der Elektrodenspitze 10 weg abzusondern). In dieser Position werden die vorstehend erwähnten Ultraschallwellentransmissions- und Intensitätsmessungen durchgeführt.
Danach wird der Sensor 20 wieder in die Richtung des Pfeils X1 bewegt, und an der betroffenen Position werden ebenfalls die vorstehend erwähnten Ultraschallwellentransmissions- und Intensitätsmessungen durchgeführt. Ähnlich werden in der Richtung des Pfeils X2 die Ultraschallwellentransmissions- und Intensitätsmessungen wiederholt.
Auf diese Weise wird eine Beziehung zwischen dem Abstand von der Mittelposition der Elektrodenspitze 10 und der Intensität der Ultraschallwellen untersucht und aufgezeichnet. Ein Beispiel dafür ist in 2 gezeigt. In 2 zeigt null auf der horizontalen Achse die Mittelposition der Elektrodenspitze 10 an, die positiven Zahlen zeigen den Abstand von der Mittelposition in der Richtung des Pfeils X1 an, und die negativen Zahlen zeigten den Abstand von der Mittelposition in der Richtung des Pfeils X2 an. Andererseits zeigt die vertikale Achse eine Echohöhe an, die der Intensität der Ultraschallwellen entspricht.
Auf 2 versteht sich, dass eine Region, über die der Abstand bis zu 8 mm von der Mitte reicht, die einfallsgeeignete Region darstellt, die bewirken kann, dass die Ultraschallwellen auf das Werkstück einfallen, während in den Ultraschallwellen eine Intensitätsverteilung an den Tag gelegt wird, in der die Intensität verringert wird, wenn die Trennung von der Mitte größer wird.
Hier wird die Fläche im Allgemeinen durch Integrieren der Entfernung zwischen zwei Punkten bestimmt. Ähnlich wird in der vorliegenden Ausführungsform die Integration von einem Endabschnitt zu dem anderen Endabschnitt der einfallsgeeigneten Region durchgeführt. Insbesondere wird in dem Fall des in 2 gezeigten Beispiels die Integration zwischen –8 mm und +8 mm durchgeführt. Auf diese Weise werden die Gesamtfläche der einfallsgeeigneten Region der Elektrodenspitze 10 in Bezug auf das Medium 18 und der Prozentsatz (der Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, der in das Medium eintritt) der Ultraschallwellen, die in das Medium 18 eintreten, in Bezug auf die Gesamtmenge von Ultraschallwellen bestimmt.
Wenn ferner zum Beispiel die Integration zwischen –0,5 mm und +0,5 mm durchgeführt wird, werden die Kontaktfläche und der Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die in das Medium 18 eintreten, innerhalb dieses Intervalls berechnet. Ähnlich wird die Integration über einen Bereich passender Intervalle, zum Beispiel von –1 mm bis +1 mm, –2 mm bis +2 mm und ähnliches durchgeführt, und die Kontaktfläche und der Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die innerhalb dieses Intervalls in das Medium 18 eintreten, werden berechnet.
Wenn die Kontaktfläche und der Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die in das Medium eintreten, die in der vorstehenden Weise bestimmt werden, aufgezeichnet werden, wird die in 3 gezeigte Kurve, insbesondere eine korrelierende Beziehung zwischen der Kontaktfläche der Elektrodenspitze 10 und dem Anteil der eintretenden Ultraschallwellen erhalten.
Als nächstes soll ein Verfahren zum Bestimmen der Kontaktfläche und ähnliches der Elektrodenspitzen in Bezug auf Werkstücke unter Verwendung der korrelierenden Beziehung, die in der vorangehenden Weise erhalten wird, erklärt werden.
4 ist eine schematische Strukturansicht, die wesentliche Teile einer Punktschweißvorrichtung 30 zeigt, die eine Widerstandsschweißvorrichtung bildet. Die Punktschweißvorrichtung 30 umfasst eine nicht dargestellte Schweißpistole, die fähig ist, sich zu öffnen und zu schließen, und die auf einem Ende eines nicht dargestellten Roboterarms angeordnet ist. Eine erste Elektrodenspitze 32 und eine zweite Elektrodenspitze 34, die in der gleichen Weise wie die vorstehend erwähnte Elektrodenspitze 10 aufgebaut sind, sind in einer wechselseitig gegenüberliegenden Beziehung auf einem Ende der Schweißpistole angeordnet. Wie in 4 gezeigt, greifen die erste Elektrodenspitze 32 und die zweite Elektrodenspitze 34 zwei Werkstücke W1, W2 dazwischen, so dass die Werkstücke W1, W2 wechselseitig in zwei Schichten zusammen gestapelt sind. Entsprechend liegt das Ende der ersten Elektrodenspitze 32 an dem oberen Werkstück W1 an, während die zweite Elektrodenspitze 34 an dem unteren Werkstück W2 anliegt.
Ein Sender-Empfänger 36, der fähig ist, Ultraschallwellen sowohl zu senden als auch zu empfangen, ist innen in der ersten Elektrodenspitze 32 installiert (in diese eingebaut). Abgesehen davon ist ein Empfänger 38, der fähig ist, Ultraschallwellen zu empfangen, innen in der zweiten Elektrodenspitze 34 installiert (in diese eingebaut).
Der Sender-Empfänger 36 und der Empfänger 38 sind mit einer nicht dargestellten Echomessvorrichtung verbunden. Die Echomessvorrichtung ist fähig, die Intensität von Ultraschallwellen (reflektierten Wellen), die an den Sender-Empfänger 36 zurück gesendet werden, oder die Intensität der Ultraschallwellen (durchgehenden Wellen), die an dem Empfänger 38 ankommen, zu messen.
In der vorstehend erwähnten Struktur wird zuerst auf die folgende Weise eine Bestimmung des Kontaktflächenverhältnisses der Elektrodenspitzen implementiert.
Zunächst werden Ultraschallwellen von dem Sender-Empfänger 36 im Inneren der ersten Elektrodenspitze 32 gesendet. Zu diesem Zeitpunkt liegt die erste Elektrodenspitze 32 nicht an dem Werkstück W1 an. Folglich werden alle Ultraschallwellen, die an dem Ende der ersten Elektrodenspitze 32 angekommen sind, aufgrund des Mediums der Atmosphäre oder des Vakuums, das eine große Differenz der akustischen Impedanz zeigt, reflektiert und werden als erste reflektierte Wellen an den Sender-Empfänger 36 zurück gesendet. Die Intensität der ersten reflektierten Wellen wird von der Echomessvorrichtung gemessen.
Als nächstes werden die wechselseitig gestapelten Werkstücke W1, W2 durch Bewegen des Roboters zwischen der ersten Elektrodenspitze 32 und der zweiten Elektrodenspitze 34 der Schweißpistole eingefügt. Natürlich ist die Schweißpistole zu dieser Zeit in einem geöffneten Zustand, und folglich sind die erste Elektrodenspitze 32 und die zweite Elektrodenspitze 34 maximal getrennt.
Anschließend wird die Schweißpistole geschlossen, und das Ende der ersten Elektrodenspitze 32 wird zum Anliegen an dem oberen Werkstück W1 gebracht, während das Ende der zweiten Elektrodenspitze 34 zum Anliegen an dem unteren Werkstück W2 gebracht wird. Insbesondere werden die Werkstücke W1, W2 zwischen der ersten Elektrodenspitze 32 und der zweiten Elektrodenspitze 34 eingelegt und gegriffen.
Als nächstes wird eine Spannung an die erste Elektrodenspitze 32 und die zweite Elektrodenspitze 34 angelegt, woraufhin die erste Elektrodenspitze 32 und die zweite Elektrodenspitze 34 mit Spannung versorgt werden. Natürlich fließt zusammen damit Strom durch das Innere der Werkstücke W1, W2, und als ein Ergebnis wird am Rand der Grenzflächen W1 und W2 ein geschmolzener Teil 40 ausgebildet.
Ferner werden gleichzeitig mit dem Unter-Spannung-Setzen erneut Ultraschallwellen von dem Sender-Empfänger 36 gesendet. Zu dieser Zeit tritt ein Teil der Ultraschallwellen aus der Region auf dem Ende der ersten Elektrodenspitze 32, die in Bezug auf das Werkstück W1 anliegt, in das Werkstück W1 ein. Selbst, wenn es andererseits eine Region auf der ersten Elektrodenspitze 32 (auf die nachstehend auch als eine Ultraschallwellen-einfallsgeeignete Region Bezug genommen wird) gibt, die bewirken könnte, dass Ultraschallwellen auf das Werkstück W1 einfallen, werden an einer derartigen Region die Ultraschallwellen reflektiert, wenn eine derartige Region nicht in Bezug auf das Werkstück W1 anliegt. Auch wenn ferner Ultraschallwellen eine Region errecht haben, die in Bezug auf das Werkstück W1 anliegt, tritt ein Teil davon tatsächlich nicht in das Werkstück ein, sondern wird reflektiert. Zweite reflektierte Wellen werden als ein Ergebnis derartiger Reflexionen erzeugt, und die zweiten reflektierten Wellen werden an den Sender-Empfänger 36 zurück gesendet.
Die zweiten reflektierten Wellen werden von dem Sender-Empfänger 36 empfangen. Die vorstehend erwähnte Echomessvorrichtung misst dann zu dieser Zeit die Intensität der zweiten reflektierten Wellen.
Aus den Intensitäten der ersten reflektierten Wellen und der zweiten reflektierten Wellen, die in der vorangehenden Weise gemessen werden, wird ein Intensitätsverhältnis bestimmt, wie durch die folgende Gleichung (1-14) angezeigt. Intensitätsverhältnis = (Intensität zweiter reflektierter Wellen)/(Intensität erster reflektierter Wellen) (1-14)
Durch Bestimmen des Intensitätsverhältnisses wird schließlich der Reflexionsgrad der Ultraschallwellen zu der Zeit, wenn die erste Elektrodenspitze 32 an dem Werkstück W1 anliegt, bestimmt.
Zum Beispiel in dem Fall eines Betriebsfehlers (Bewegungsfehlers) der Schweißpistole, so dass die erste Elektrodenspitze 32 nicht zum Anliegen an das Werkstück W1 kommt, obwohl die Schweißpistole geschlossen ist, werden alle Ultraschallwellen an dem Ende der ersten Elektrodenspitze 32 reflektiert. Folglich ist die Intensität der zweiten reflektierten Wellen gleich der Intensität der ersten reflektierten Wellen, und das durch die vorstehend erwähnten Gleichungen (1-14) bestimmte Intensitätsverhältnis oder anders ausgedrückt der Reflexionsgrad wird 1.
Im Gegensatz dazu treten in dem Fall, dass die erste Elektrodenspitze 32 an dem Werkstück W1 anliegt, Ultraschallwellen in das Werkstück W1 ein. Wenn in diesem Fall die Intensität der zweiten reflektierten Wellen null wäre, dann würde das Intensitätsverhältnis (der Reflexionsgrad) ebenfalls null werden, und es könnte angenommen werden, dass alle Ultraschallwellen in das Werkstück W1 eintreten. In einem derartigen Fall ist in der vorliegenden Ausführungsform die Ultraschallwellen-einfallsgeeignete Region auf der ersten Elektrodenspitze 32 über deren Gesamtheit in Kontakt mit dem Werkstück W1, und es wird bestimmt, dass die Gesamtfläche der Ultraschallwellen-einfallsgeeigneten Region gleich der Kontaktfläche ist.
Tatsächlich steigt direkt, nachdem die erste Elektrodenspitze 32 und die zweite Elektrodenspitze 34 zum Anliegen an den Werkstücken W1, W2 gekommen sind und unter Spannung gesetzt wurden, die Temperatur der Werkstücke W1, W2 nicht wesentlich an. Infolgedessen werden die Werkstücke W1, W2 zu dieser Zeit nicht erweicht, und folglich liegt nur das äußerste Ende der ersten Elektrodenspitze 23 daran an. Insbesondere liegt nicht notwendigerweise die gesamte Fläche der Ultraschallwellen-einfallsgeeigneten Region auf der ersten Elektrodenspitze 32 an den Werkstücken an. Wie aus dieser Tatsache eingeschätzt werden kann, ist insbesondere direkt, nachdem das Punktschweißen eingeleitet wird, nicht notwendigerweise die gesamte Fläche der Ultraschallwellen-einfallsgeeigneten Region äquivalent zu der Kontaktfläche.
Folglich wird basierend auf dem Intensitätsverhältnis (dem Reflexionsgrad) der Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die in das Werkstück W1 eintreten, durch die folgende Gleichung (1-15) bestimmt. (Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die in das Werkstück eintreten) = 1 – (Intensitätsverhältnis) = 1 – (Intensität zweiter reflektierter Wellen)/(Intensität erster reflektierter Wellen) (1-15)
Zum Beispiel in dem Fall, dass die Intensität der ersten reflektierten Wellen und die Intensität der zweiten reflektierten Wellen jeweils 100 und 20 sind, ist das Intensitätsverhältnis, wie gemäß der vorstehenden Gleichung (1-14) berechnet, 0,2. Dies bedeutet, dass 20% der von dem Sender-Empfänger 36 emittierten Ultraschallwellen als zweite reflektierte Wellen reflektiert werden.
Außerdem wird in diesem Fall der Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, der in das Werkstück eintritt, gemäß Gleichung (1-15) zu 0,8 bestimmt. Das heißt, in diesem Fall treten 80% der emittierten Ultraschallwellen in das Werkstück W1 ein.
Basierend auf dem Bruchteil der Ultraschallwellen, die in das Werkstück eintreten, von 80% wird aus der in 3 gezeigten korrelierenden Beziehung die Kontaktfläche auf dem Ende der ersten Elektrodenspitze 32 in Bezug auf das Werkstück W1 bestimmt. Insbesondere wird von der 80%-Position auf der vertikalen Achse von 3 eine horizontale Linie L gezogen, und danach wird von dem Schnitt zwischen der horizontalen Linie L und der Kurve eine vertikale Linie M zu der horizontalen Achse gezogen. Der Schnitt zwischen der horizontalen Achse und der vertikalen Linie M wird als die Kontaktfläche genommen.
Andererseits wird die Gesamtfläche der einfallsgeeigneten Region der ersten Elektrodenspitze 32, wie vorstehend beschrieben, unter Verwendung der Elektrodenspitze 10, die den gleichen Aufbau wie die erste Elektrodenspitze 32 hat, vorab bestimmt. Folglich wird ein Kontaktflächenverhältnis aus der folgenden Gleichung (1-16) bestimmt. Kontaktflächenverhältnis = (Kontaktfläche der Elektrodenspitze)/(Gesamtfläche der Region, die bewirken kann, dass Ultraschallwellen auf das Werkstück einfallen) (1-16)
Wie aus Gleichung (1-16) zu verstehen, ist das Kontaktflächenverhältnis durch ein Verhältnis zwischen der Gesamtfläche der Ultraschallwellen-einfallsgeeigneten Region auf der ersten Elektrodenspitze 32 und der Kontaktfläche, auf der die erste Elektrodenspitze 32 in Bezug auf das Werkstück W1 in Kontakt ist, definiert.
Auf diese Weise wird in der vorliegenden Ausführungsform in dem Fall, dass ein Teil der Ultraschallwellen in das Werkstück W1 eintritt, während ein Restteil davon an dem Ende der ersten Elektrodenspitze 32 reflektiert wird, ein Teil der einfallsgeeigneten Region auf der ersten Elektrodenspitze 32 als von dem Werkstück W1 getrennt bestimmt, und eine Bestimmung wird unter der Prämisse durchgeführt, dass das Unter-Spannung-Setzen nur von der Region ausgeführt wird, die in Kontakt mit dem Werkstück W1 ist.
Durch Ausführen einer derartigen Bestimmung kann bestimmt werden, ob die erste Elektrodenspitze 32 abgenutzt wurde. Wenn die erste Elektrodenspitze 32 abgenutzt ist, nimmt das Intensitätsverhältnis ab und zusammen damit wird das Kontaktflächenverhältnis größer. Zum Beispiel kann durch Vergleichen sowohl des Intensitätsverhältnisses als auch des Kontaktflächenverhältnisses direkt nach dem Einleiten des Punktschweißens beurteilt werden, ob die Abnutzungsmenge der ersten Elektrodenspitze 32 innerhalb eines zulässigen Bereichs ist.
Natürlich können das Intensitätsverhältnis und das Kontaktflächenverhältnis während des Punktschweißens kontinuierlich berechnet werden, und in dem Fall, dass das Intensitätsverhältnis größer als ein vorbestimmter Wert wird, oder wenn das Kontaktflächenverhältnis kleiner als ein vorbestimmter Wert wird, kann ebenfalls bestimmt werden, dass die Abnutzungsmenge der ersten Elektrodenspitze 32 den zulässigen Bereich überschritten hat.
Ferner kann durch Ausführen einer derartigen Bestimmung bestimmt werden, ob die passende Belehrung in Bezug auf den Roboter durchgeführt wurde oder nicht. Insbesondere in dem Fall, dass der Roboter richtig belehrt wurde, liegen die erste Elektrodenspitze 32 und die zweite Elektrodenspitze 34, wie in 4 gezeigt, an den Werkstücken W1, W2 an, während sie sich in einer senkrechten Richtung in Bezug auf die Werkstücke W1, W2 erstrecken.
Wenn die das Unter-Spannung-Setzen fortschreitet und die Temperatur der Werkstücke W1, W2 ausreichend gestiegen ist, werden die Werkstücke W1, W2 erweicht. Als ein Ergebnis werden die Enden der ersten Elektrodenspitze 32 und der zweiten Elektrodenspitze 34, wie in 5 gezeigt, etwas in die Werkstücke W1, W2 eingebettet und damit einhergehend vergrößert sich die Ultraschall-einfallsgeeignete Region in Bezug auf das Werkstück W1. Folglich wird der durch die vorstehende Gleichung (1-14) bestimmte Reflexionsgrad mit dem Verlauf der Zeit kleiner.
Wenn andererseits in Bezug auf den Roboter keine passende Belehrung durchgeführt wurde, ist die Ultraschallwellen-einfallsgeeignete Region als ein Ergebnis davon in dem Fall, dass die erste Elektrodenspitze 32 und die zweite Elektrodenspitze 34 in einem geneigten Zustand in Bezug auf die Werkstücke W1, W2 sind, nicht vollständig eingebettet, obwohl die Enden der ersten Elektrodenspitze 32 und der zweiten Elektrodenspitze 34, wie in 6 gezeigt, in die Werkstücke W1, W2 eingebettet werden. Folglich wird die Verkleinerungsbreite des Reflexionsgrads mit dem Verlauf der Zeit klein.
Eine derartige Tendenz wird hervorstechend, wenn der Neigungswinkel der ersten Elektrodenspitze 32 in Bezug auf das Werkstück W1 groß wird. Folglich wird unter einer vorher bekannten Bedingung für den Neigungswinkel der ersten Elektrodenspitze 32 in Bezug auf das Werkstück W1 eine Beziehung zwischen dem Neigungswinkel und einer zeitabhängigen Änderung der Verkleinerungsbreite des Reflexionsgrads registriert (aufgezeichnet), und unter Bezugnahme auf eine derartige Aufzeichnung und die zweitabhängige Änderung der Verkleinerungsbreite des Reflexionsgrads kann während des Punkschweißens, bei dem der Neigungswinkel noch nicht bekannt ist, der unbekannte Neigungswinkel bestimmt werden. Infolgedessen kann auf diese Weise bestimmt werden, ob die in Bezug auf den Roboter durchgeführte Belehrung korrigiert werden sollte.
Ferner kann der momentane Innenwiderstand der Werkstücke W1, W2 auf die folgende Weise bewertet werden.
Der Widerstand während des Punktschweißens ist die Summe des Kontaktwiderstands zwischen der ersten Elektrodenspitze 32 und dem Werkstück W1, des momentanen Innenwiderstands der Werkstücke W1, W2 und des Kontaktwiderstands zwischen der zweiten Elektrodenspitze 34 und dem Werkstück W2. Während der Kontaktwiderstand der Ultraschallwellen-einfallsgeeigneten Region einhergehend mit dem Fortschreiten des Punktschweißens größer wird (siehe 5), werden der Kontaktwiderstand zwischen der ersten Elektrodenspitze 32 und dem Werkstück W1 ebenso wie der Kontaktwiderstand zwischen der zweiten Elektrodenspitze 34 und dem Werkstück W2 beide kleiner.
Folglich kann basierend auf dem Kontaktflächenverhältnis, wie aus den vorstehenden Gleichungen (1-14) bis (1-16) bestimmt, der momentane Innenwiderstand der Werkstücke W1, W2 aus der folgenden Gleichung (1-17) bestimmt werden. Momentaner Innenwiderstand der Werkstücke W1, W2 = (Gesamtwiderstand zwischen der ersten Elektrodenspitze 32 und der zweiten Elektrodenspitze 34) × (Kontaktflächenverhältnis) (1-17)
7 ist ein Diagramm, das den Gesamtwiderstand zwischen der ersten Elektrodenspitze 32 und der zweiten Elektrodenspitze 34 und die zeitabhängige Änderung des Innenwiderstands der Werkstücke W1, W2, wie gemäß Gleichung (1-17) bestimmt, zeigt. Auf diese Weise kann der momentane Innenwiderstand der Werkstücke W1, W2 durch Durchführen der Korrekturen, die das Kontaktflächenverhältnis der Ultraschallwellen-einfallsgeeigneten Region auf der ersten Elektrodenspitze 32 berücksichtigen, mit hoher Genauigkeit bewertet werden.
Ferner erfahren die Ultraschallwellen im Inneren der Werkstücke W1, W2 eine Dämpfung. In diesem Fall kann ohne Berücksichtigung einer derartigen Dämpfung nicht leicht eine genaue Bewertung durchgeführt werden. Folglich wird die Dämpfung der Ultraschallwellen im Inneren der Werkstücke W1, W2 auf die folgende Weise bestimmt.
Zunächst wird der Reflexionsgrad aus der vorstehenden Gleichung (1-14) bestimmt. Der auf diese Weise bestimmte Reflexionsgrad wird von 1 subtrahiert. Anders ausgedrückt wird, wenn die Berechnung gemäß der Gleichung (1-15) durchgeführt wird, der Bruchteil der Ultraschallwellen, der in das Werkstück W1 eintritt, erhalten.
Als nächstes wird eine korrigierte eintretende Wellenintensität der Ultraschallwellen, die in das Werkstück W1 eintreten, aus der folgenden Gleichung (1-18) bestimmt. Korrigierte eintretende Wellenintensität = (Intensität erster reflektierter Wellen) × (Bruchteil der Wellen, die in das Werkstück eintreten) (1-18)
Außerdem wird eine korrigierte durchgehende Wellenintensität aus der folgenden Gleichung (1-19) bestimmt. Korrigierte durchgehende Wellenintensität = (durchgehende Wellenintensität)/(Bruchteil der Wellen, die in das Werkstück eintreten) (1-19)
Hier sind durchgehende Wellen als Ultraschallwellen definiert, die von dem Sender-Empfänger 36 gesendet werden, durch das Werkstück W1, W2 hindurch gehen und von dem Empfänger 38 empfangen werden.
Basierend auf der korrigierten eintretenden Wellenintensität und der korrigierten durchgehenden Wellenintensität, die wie vorstehend beschrieben bestimmt wurden, wird aus der folgenden Gleichung (1-20) die Dämpfungsrate bestimmt. Dampfungsrate = 1 – (korrigierte durchgehende Wellenintensität)/(korrigierte eintretende Wellenintensität) (1-20)
Zum Beispiel ist die Intensität der zweiten reflektierten Wellen in dem Fall, dass die Intensität der ersten reflektierten Wellen 300 ist, 60, und die Intensität der durchgehenden Wellen ist 160, da die Intensität der durchgehenden Wellen im Gegensatz zu der Intensität von 300 der einfallenden Wellen 160 ist, ist die ersichtliche Dämpfungsrate 1 – 160/300 = 0,47. Eine derartige Dämpfungsrate berücksichtigt jedoch nicht, in welchem Grad die Ultraschallwellen aus den einfallenden Ultraschallwellen tatsächlich in das Werkstück W1 eintreten.
Andererseits und zum Beispiel werden gemäß den vorstehend erwähnen Gleichungen (1-14), (1-15) und (1-18) bis (1-20) die folgenden Werte bestimmt:
Reflexionsgrad = 60/300 = 0,2
Bruchteil einfallender Wellen, der in das Werkstück eintritt = 1 – 0,2 = 0,8
korrigierte eintretende Wellenintensität = 300 × 0,8 = 240
korrigierte durchgehende Wellenintensität = 160/0,8 = 200
Dämpfungsrate = 1 – 200/240 = 0,17
Auf diese Weise kann die Dämpfungsrate genauer bestimmt werden, indem die Dämpfungsrate bestimmt wird, während berücksichtigt wird, in welchem Grad die Ultraschallwellen aus den emittieren Ultraschallwellen tatsächlich in das Werkstück W1 eintreten. Ferner kann durch Ausführen von Bewertungen basierend auf den Ultraschallwellen, während ihre Dämpfungsrate berücksichtigt wird, die Änderung des Innenwiderstands der Werkstücke W1, W2 oder die Änderung der Grenzflächenposition des geschmolzenen Teils 40 präziser bewertet werden.
Als nächstes soll ein Verfahren zum Erfassen einer Grenzflächenposition eines geschmolzenen Teils im Detail in Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben werden, während ferner eine Erfassungsvorrichtung zum Ausführen eines derartigen Verfahrens vorgestellt wird.
8 ist eine schematische Ansicht wesentlicher Teile einer Vorrichtung 110 zum Erfassen der Grenzflächenposition eines geschmolzenen Teils (worauf hier nachstehend einfacher als eine Erfassungsvorrichtung Bezug genommen wird). Die Erfassungsvorrichtung ist an einer Punktschweißvorrichtung angebracht.
Die Punktschweißvorrichtung umfasst eine (nicht gezeigte) Schweißpistole, die fähig ist, sich zu öffnen und zu schließen und die auf einem Ende eines nicht dargestellten Roboterarms angeordnet ist. Eine erste Schweißspitze 112 und eine zweite Schweißspitze 114 sind an einem distalen Ende der Schweißpistole bereitgestellt. Wie in 8 gezeigt, schieben die erste Schweißspitze 112 und die zweite Schweißspitze 114 zwei wechselseitig gestapelte Werkstücke W11 und W12 zwischen sich ein und greifen sie. Dementsprechend liegt ein Ende der ersten Schweißspitze 112 an dem oberen Werkstück W11 an, während die zweite Schweißspitze 114 an dem unteren Werkstück W12 anliegt.
Ein erster Sender-Empfänger 116 und ein zweiter Sender-Empfänger 118 sind jeweils innen innerhalb der ersten Schweißspitze 112 und der zweiten Schweißspitze 114 montiert. Der erste Sender-Empfänger 116 und der zweite Sender-Empfänger 118 sind fähig, Ultraschallwellen zu senden und zu empfangen. In den folgenden Beschreibungen werden Ultraschallwellen, die von dem ersten Sender-Empfänger 116 gesendet werden, als erste Ultraschallwellen bezeichnet, und Ultraschallwellen, die von dem zweiten Sender-Empfänger 118 gesendet werden, werden als zweite Ultraschallwellen bezeichnet.
In der Schweißpistole ist ein nicht dargestellter Messgeber bereitgestellt, um den Abstand zwischen dem Ende der ersten Schweißspitze 112 und dem Ende der zweiten Schweißspitze 114 oder anders ausgedrückt den Spitzenzwischenraumabstand zu messen. Der Spitzenzwischenraumabstand wird von dem Messgeber kontinuierlich gemessen. Der Messgeber bildet zusammen mit dem ersten Sender-Empfänger 116 und dem zweiten Sender-Empfänger 118 die Erfassungsvorrichtung 110.
Wie vorstehend beschrieben, liegt das Ende der ersten Schweißspitze 112 an dem oberen Werkstück W11 an und das Ende der zweiten Schweißspitze 114 liegt an dem unteren Werkstück W12 an. Folglich ist der Spitzenzwischenraumabstand in der Dickenrichtung im Wesentlichen gleich der Summe der Breitenabmessungen der Arbeitsstücke W11 und W12.
Das Verfahren zum Erfassen der Grenzflächenposition des geschmolzenen Teils wird in der folgenden Weise unter Verwendung der Erfassungsvorrichtung, die wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist, implementiert.
Zuerst werden die wechselseitig gestapelten Werkstücke W11, W12 zwischen der ersten Schweißspitze 112 und der zweiten Schweißspitze 114 der Schweißpistole eingefügt. Natürlich ist die Schweißpistole zu diesem Zeitpunkt geöffnet und entsprechend sind die erste Schweißspitze 112 und die zweite Schweißspitze 114 maximal voneinander getrennt.
Danach wird die Schweißpistole geschlossen und das Ende der ersten Schweißspitze 112 liegt an dem oberen Werkstück W11 an, einhergehend damit, dass das Ende der zweiten Schweißspitze 114 an dem unteren Werkstück W12 anliegt. Das heißt, die Werkstücke W11, W12 werden zwischen der ersten Schweißspitze 112 und der zweiten Schweißspitze 114 gegriffen.
Als nächstes wird eine Spannung an die erste Schweißspitze 112 und die zweite Schweißspitze 114 angelegt, wodurch bewirkt wird, dass Strom zwischen der ersten Schweißspitze 112 und der zweiten Schweißspitze 114 fließt. Natürlich geht einhergehend mit dem Anlegen der Spannung daran Strom durch das Innere der Werkstücke W11, W12, und die Grenzfläche zwischen den Werkstücken W11, W12 wird dann geschmolzen. Insbesondere beginnt sich ein geschmolzener Teil 120 auszubilden. Wie nachstehend beschrieben, wird eine Entfernung F von der oberen Endoberfläche des oberen Werkstücks W11 zu der Grenzfläche des geschmolzenen Teils 120 bestimmt.
Außerdem werden im Wesentlichen gleichzeitig mit dem Betrieb der Schweißpistole erste Ultraschallwellen und zweite Ultraschallwellen jeweils sowohl von dem ersten Sender-Empfänger 116 als auch dem zweiten Sender-Empfänger 118 gesendet.
In den ersten Ultraschallwellen sind sowohl Transversalwellen als auch Longitudinalwellen enthalten. Unter derartigen Wellen, wird ein Teil der Transversalwellen an dem Ende der ersten Schweißspitze 112 reflektiert und wird zu reflektierten Wellen 122. Die Zeit, die benötigt wird, damit derartige erste reflektierte Wellen 122 von dem ersten Sender-Empfänger 116 emittiert (gesendet) werden und dann zu dem ersten Sender-Empfänger 116 zurückkehren, ist als eine Zeit A definiert.
Ferner sind durchgehende Wellen 124 Longitudinalwellen, die fähig sind, in den geschmolzenen Teil 120, der in einer flüssigen Phase ist, einzudringen und durch ihn hindurch zu gehen, wobei derartige durchgehende Wellen 124 schließlich den zweiten Sender-Empfänger 118 erreichen. Die Zeit, die benötigt wird, damit die durchgehenden Wellen 124 von dem ersten Sender-Empfänger 116 emittiert werden, bis sie den zweiten Sender-Empfänger 118 erreichen, ist als eine Zeit B definiert.
Wenn es andererseits Transversalwellen gibt, die in das Innere des Werkstücks W11 eintreten, ohne an dem Ende der ersten Schweißspitze 112 reflektiert zu werden, dringen derartige Transversalwellen nicht durch den geschmolzenen Teil 120, der in der flüssigen Phase ist, ein. Insbesondere werden derartige Transversalwellen an der Grenzfläche des geschmolzenen Teils 120 reflektiert, wobei sie zweite reflektierte Wellen 126 werden. Die Zeit, die insgesamt benötigt wird, damit die zweiten reflektierten Wellen 126 von dem ersten Sender-Empfänger 116 emittiert (gesendet) werden, an der Grenzfläche des geschmolzenen Teils 120 reflektiert werden und dann zu dem ersten Sender-Empfänger 116 zurückkehren, ist als eine Zeit C definiert.
In einer ähnlichen Weise wird ein Teil der Transversalwellen der zweiten Ultraschallwellen ebenfalls an dem Ende der zweiten Schweißspitze 114 reflektiert, wobei dritte reflektierte Wellen 128 erzeugt werden. Die Zeit, die benötigt wird, damit die dritten reflektierten Wellen 128 von dem zweiten Sender-Empfänger 118 gesendet werden und dann zu dem zweiten Sender-Empfänger 118 zurückkehren, ist als eine Zeit D definiert.
Die Bezugsnummer 130 in 8 zeigt durchgehende Wellen im Werkstückinneren an, die durch die Werkstücke W11, W12 durchgelassen werden. Die Zeit, die benötigt wird, dass derartige durchgehende Wellen 130 im Werkstückinneren aus der oberen Endoberfläche des Werkstücks W11 beginnen, bis sie die untere Endoberfläche des Werkstücks W12 erreichen, ist als eine Zeit T definiert.
Hier bedeutet der Buchstabe E die Summe der Abmessungen in der Dickenrichtung der Werkstücke W11, W12 oder anders ausgedrückt den Spitzenzwischenraumabstand, α bedeutet die momentane Transmissionsgeschwindigkeit der durchgehenden Wellen 124, β bedeutet die Zeit von der Emission der durchgehenden Wellen 124 von dem Ende der ersten Schweißspitze 112 bis zum Erreichen der Grenzfläche des geschmolzenen Teils 120, und F bedeutet die Entfernung von der oberen Oberfläche des oberen Werkstücks W11 zu der Grenzfläche des geschmolzenen Teils 120. Unter diesen Werten wird die Entfernung F durch Multiplizieren der momentanen Geschwindigkeit der durchgehenden Wellen 124 mal der Zeit β bestimmt. Das heißt, die folgende Gleichung (2-4) ist erfüllt. F = α × β (2-4)
Als nächstes werden die Werte α und β in Gleichung (2-4) bestimmt.
Die momentane Geschwindigkeit α der durchgehenden Wellen 130 im Werkstückinneren wird basierend auf dem Spitzenzwischenraumabstand E und der Zeit T, die wie vorstehend beschrieben definiert sind, aus der folgenden Gleichung (2-5) berechnet. α = E/T (2-5)
Die Zeit T wird bestimmt, indem sowohl die Zeit, bis die ersten Ultraschallwellen das Ende der ersten Schweißspitze 112 erreichen, als auch die Zeit, die die durchgehenden Wellen 124 von dem Ende der zweiten Schweißspitze 114 bis zum Erreichen des zweiten Sender-Empfängers 118 laufen, von der Zeit B subtrahiert werden, die benötigt wird, dass die in den von dem ersten Sender-Empfänger 116 emittierten ersten Ultraschallwellen enthaltenen Longitudinalwellen (durchgehenden Wellen 124) durch die Werkstücke W11, W12 gehen und den zweiten Sender-Empfänger 118 erreichen.
Die Zeit bis die ersten Ultraschallwellen das Ende der ersten Schweißspitze 112 erreichen, ist eine Hälfte der Zeit, die benötigt wird, damit die ersten reflektierten Wellen 122 von dem ersten Sender-Empfänger 116 emittiert werden und dann zu dem ersten Sender-Empfänger 116 zurückkehren, oder ist anders ausgedrückt durch A/2 definiert. Ferner ist die Zeit für die durchgehenden Wellen 124, um von dem Ende der zweiten Schweißspitze 114 zu laufen, bis sie den zweiten Sender-Empfänger 118 erreichen, die gleiche wie die Zeit, in der die zweiten Ultraschallwellen das Ende der zweiten Schweißspitze 114 erreichen, oder ist anders ausgedrückt gleich einer Hälfte (D/2) der Zeit, die benötigt wird, damit die dritten reflektierten Wellen 128 von dem zweiten Sender-Empfänger 118 gesendet werden und dann zu dem zweiten Sender-Empfänger 118 zurückkehren. Das heißt, die folgende Gleichung (2-6) ist erfüllt. T = B – (A/2 + D/2) (2-6)
Die vorstehende Gleichung (2-6) wird in die vorstehende Gleichung (2-5) substituiert, um die folgende Gleichung (2-7) zu erhalten. α = E/[B – (A/2 + D/2)] (2-7)
Ferner wird β bestimmt, indem die Zeit, die benötigt wird, so dass die ersten reflektierten Wellen 122 von dem ersten Sender-Empfänger 116 gesendet werden, bis sie zu dem ersten Sender-Empfänger 116 zurückkehren, von der Zeit, die benötigt wird, o dass die zweiten reflektierten Wellen 126 von dem ersten Sender-Empfänger gesendet werden und danach von dem geschmolzenen Teil 120 reflektiert werden, bis sie zu ersten Sender-Empfänger 116 zurückkehren, subtrahiert wird und ferner die Hälfte einer solchen Differenz genommen wird. Anders ausgedrückt ist die folgende Gleichung (2-8) erfüllt. β = (C – A)/2 (2-8)
Wenn die Gleichungen (2-7) und (2-8) in die Gleichung (2-4) substituiert sind, wird die folgende Gleichung (2-9) erhalten. F = {E/[B – (A/2 + D/2]} × (C – A)/2 (2-9)
Da sich ferner die jeweiligen Geschwindigkeiten der Longitudinalwellen (durchgehenden Wellen) und der Transversalwellen (reflektierten Wellen) voneinander unterscheiden, muss eine der Geschwindigkeiten umgewandelt werden, wenn jede der vorstehenden Berechnungen durchgeführt wird.
Begleitend zu dem Fortschreiten des Punktschweißens wachst der geschmolzene Teil 120. In dem Fall, dass es nötig ist, die Grenzflächenposition des wachsenden geschmolzenen Teils 120 erneut zu erfassen, werden die vorstehenden Berechnungen noch einmal angewendet. Insbesondere werden die Berechnungen von den Gleichungen (2-4) bis (2-9) jedes Mal, wenn die Grenzflächenposition des geschmolzenen Teils 120 erfasst wird, wiederholt angewendet. Dies liegt daran, dass einhergehend mit dem Wachstum des geschmolzenen Teils 120, wenn die Temperatur der Werkstücke W11, W12 steigt, sich die momentane Geschwindigkeit der Ultraschallwellen ebenfalls ändert.
Durch Durchführen der vorstehenden Berechnungen in dieser Weise kann jedes Mal, wenn die Grenzflächenposition des geschmolzenen Teils 120 erfasst wird, selbst unter einer Bedingung, in der die Geschwindigkeit der durchgehenden Wellen 124 sich einhergehend mit einer Änderung der Temperatur der Schweißregion ändert, die Grenzflächenposition des geschmolzenen Teils 120 (die Entfernung F von der oberen Endoberfläche des oberen Werkstücks W11 bis zu der Grenzfläche des geschmolzenen Teils 120) basierend auf der momentanen Geschwindigkeit α abhängig von der Temperatur erfasst werden.
Insbesondere wird zu einem Zeitpunkt, wenn die Erfassung der Grenzflächenposition des geschmolzenen Teils 120 ausgeführt wird, die tatsächliche Geschwindigkeit oder ein Wert äußerst nahe daran als eine momentane Geschwindigkeit α der durchgehenden Wellen 124 bestimmt und basierend auf einer derartigen momentanen Geschwindigkeit α wird die Grenzflächenposition des geschmolzenen Teils 120 erfasst. Folglich kann die Grenzflächenposition mit höherer Genauigkeit erfasst werden.
Natürlich kann in der gleichen Weise wie der vorstehenden auch die Entfernung von der unteren Endoberfläche des Werkstücks W12 zu der Grenzfläche des geschmolzenen Teils 120 bestimmt werden.
Ferner können die Entfernung von dem ersten Sender-Empfänger 116 zu dem Ende der ersten Schweißspitze 112 und die Entfernung von dem zweiten Sender-Empfänger 118 zu dem Ende der zweiten Schweißspitze 114 unterschiedlich voneinander sein. Wenn H die Entfernung von dem ersten Sender-Empfänger 116 zu dem Ende der ersten Schweißspitze 112 darstellt, während I die Entfernung von dem zweiten Sender-Empfänger 118 zu dem Ende der zweiten Schweißspitze 114 darstellt, wird, da H und I beide entlang einer geraden Linie (geradlinig) liegen, eine proportionale Beziehung dazwischen festgelegt. Das heißt, wenn γ genommen wird, um die proportionale Beziehung zu definieren, ist die folgende Gleichung erfüllt. H = γI (2-10)
Folglich wird durch Umformen der vorstehenden Gleichung (2-10) die folgende Gleichung (2-11) abgeleitet. F = [E/B – (1 + γ)A/2] × (C – A)/2 (2-11)
Auf diese Weise kann die Position des geschmolzenen Teils 120 durch Berücksichtigen der proportionalen Beziehung in den Berechnungen leicht erfasst werden.
Obwohl außerdem, wie zuvor beschrieben, Sender-Empfänger jeweils sowohl in die erste Schweißspitze 112 als auch die zweite Schweißspitze 114 eingebaut sind, kann zum Beispiel der zweite Sender-Empfänger 118 der zweiten Schweißspitze 114 durch einen innen montierten Empfänger ersetzt werden. In diesem Fall ist zum Beispiel unter der Annahme, dass die Entfernung zwischen dem Ende der ersten Schweißspitze 112 und dem ersten Sender-Empfänger 116 und die Entfernung zwischen dem Ende der zweiten Schweißspitze 114 und dem Empfänger einander gleich festgelegt werden, die Zeit, die benötigt wird, dass die durchgehenden Wellen 124 von dem Ende der zweiten Schweißspitze 114 den Empfänger erreichen, gleich der Zeit, die benötigt wird, dass die ersten reflektierten Wellen 122 von dem Ende der ersten Schweißspitze 112 den ersten Sender-Empfänger 116 erreichen. Folglich wird die Entfernung F in diesem Fall aus der folgenden Gleichung (2-12) bestimmt, die durch eine Umformung der vorstehenden Gleichung (2-9) erhalten wird. F = [E/B – A] × (C – A)/2 (2-12)
Natürlich können sich die Entfernung von dem ersten Sender-Empfänger 116 zu dem Ende der ersten Schweißspitze 112 und die Entfernung von dem vorstehend erwähnten innen montierten Empfänger zu dem Ende der zweiten Schweißspitze 114 auch voneinander unterscheiden. In diesem Fall wird das Verhältnis zwischen beiden Entfernungen entsprechend den vorstehenden Gleichungen (2-10) und (2-11) bestimmt, wobei ein derartiges Verhältnis in den Berechnungen berücksichtigt wird.
In beiden Fällen kann die Grenzflächenposition zu dem Zeitpunkt, zu dem die Erfassung der Grenzflächenposition des geschmolzenen Teils 120 durchgeführt wird, mit höherer Genauigkeit erfasst werden, da die Grenzflächenposition des geschmolzenen Teils 120 basierend auf der momentanen Transmissionswellengeschwindigkeit α der durchgehenden Wellen 124 erfasst wird.
Außerdem kann auch eine Erfassungsvorrichtung aufgebaut werden, in der der erste Sender-Empfänger 116 durch einen innen montierten Empfänger ersetzt wird, während der zweite Sender-Empfänger 118 in der zweiten Schweißspitze 114 eingebaut bleibt.

Claims

Verfahren zum Bestimmen eines Kontaktflächenverhältnisses einer Elektrodenspitze (32, 34), nämlich das Verhältnis zwischen einer Gesamtfläche einer Region der Elektrodenspitze (32, 34), die bewirken kann, dass Ultraschallwellen auf ein Werkstück (W1, W2), das geschweißt werden soll, einfallen, und einer Kontaktfläche, an der die Region den Kontakt in Bezug auf das Werkstück (W1, W2) herstellt, wobei die Elektrodenspitze (32, 34) zum Durchführen von Widerstandsschweißen dient, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Bestimmen einer korrelierenden Beziehung zwischen der Kontaktfläche und dem Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die in der Region in das Werkstück (W1, W2) eintreten; Senden von Ultraschallwellen von einem Ultraschalloszillator, der in die Elektrodenspitze (32, 34) eingebaut ist, in einem Zustand, in dem die Elektrodenspitze (32, 34) von dem Werkstück (W1, W2) getrennt ist, und Messen einer Intensität erster reflektierter Wellen, die von einem Ende der Elektrodenspitze (32, 34) reflektiert werden; und Senden von Ultraschallwellen von dem Ultraschalloszillator in einem Zustand, in dem die Elektrodenspitze (32, 34) an dem Werkstück (W1, W2) anliegt, und Bestimmen einer Intensität zweiter reflektierter Wellen, die von dem Ende der Elektrodenspitze (32, 34) reflektiert werden, wobei, nachdem aus der folgenden Gleichung (1-1) Reflexionsgrad = (Intensität zweiter reflektierter Wellen)/(Intensität erster reflektierter Wellen) (1-1) ein Reflexionsgrad, der ein Intensitätsverhältnis zwischen den ersten reflektierten Wellen und den zweiten reflektierten Wellen darstellt, bestimmt wurde, aus der folgenden Gleichung (1-2) Bruchteil einfallender Wellen, die in das Werkstück eintreten = 1 – Reflexionsgrad (1-2) der Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen bestimmt wird, der in das Werkstück (W1, W2) eintritt, und die Kontaktfläche, in der die Region den Kontakt in Bezug auf das Werkstück (W1, W2) herstellt, aus dem Bruchteil der einfallenden Ultraschallwellen, die in das Werkstück (W1, W2) eintreten, und der korrelierenden Beziehung bestimmt wird und ein Kontaktflächenverhältnis aus der folgenden Gleichung (1-3) bestimmt wird Kontaktflächenverhältnis = (Kontaktfläche, in der die Region der Elektrodenspitze (32, 34) den Kontakt in Bezug auf das Werkstück (W1, W2) herstellt)/(Gesamtfläche der Region der Elektrodenspitze (32, 34), die bewirken kann, dass Ultraschallwellen auf das Werkstück (W1, W2) einfallen) (1-3).
Verfahren zum Bestimmen eines Kontaktflächenverhältnisses einer Elektrodenspitze (32, 34) gemäß Anspruch 1, wobei, nachdem Ultraschallwellen von dem in die Elektrodenspitze (32, 34) eingebauten Ultraschalloszillator gesendet wurden und eine Ultraschallwellenintensitätsverteilung des Ultraschalloszillators bestimmt wurde, die Gesamtfläche der Region bestimmt wird, indem die Intensitätsverteilung über einen maximalen Bereich, in dem die Intensität der Ultraschallwellen beobachtet wird, integriert wird, während die korrelierende Beziehung bestimmt wird, indem die Intensitätsverteilung wiederholt über einen Bereich, in dem die Intensität der Ultraschallwellen beobachtet wird, integriert wird.
Schweißvorrichtung, die das Verfahren zum Bestimmen gemäß Anspruch 1 oder 2 benutzt.