JP2000135571A

JP2000135571A - 溶接制御装置

Info

Publication number: JP2000135571A
Application number: JP10308826A
Authority: JP
Inventors: Koichi Eguro; 晃一江黒
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1998-10-29
Filing date: 1998-10-29
Publication date: 2000-05-16

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】被溶接材の変態点を急激に通過しないように
被溶接材を事後加熱できる溶接制御装置の提供。【解決手段】溶接ガン１１の可動電極１２Ａの変位を
検出する変位検出手段１９と、当該変位検出手段１９に
よって検出される前記可動電極１２Ａの変位状況から溶
接完了後の通電タイミングを決定する通電タイミング決
定手段と、当該通電タイミング決定手段によって決定さ
れた通電タイミングで、前記被溶接材１０を事後加熱す
る事後加熱手段１５とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、たとえば、スポッ
ト溶接ガンの供給電力を制御する溶接制御装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年のスポット溶接は高精度、高品質が
要求されるため、スポット溶接用のガンは、サーボモー
タによって電極を駆動するタイプ、すなわちサーボガン
が主流になってきている。

【０００３】このサーボガンは、通常ロボットのアーム
の先端部に取り付けられ、溶接時には、サーボガンの可
動電極と固定電極とで被溶接材を加圧し、両電極間に一
定時間大電流を流す。これによって、被溶接材がスポッ
ト的に溶解され、スポット溶接されることになる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、従来の溶接
制御装置では、一定時間加熱した後、通電を完全に遮断
してしまうため、被溶接材が急冷され、このとき被溶接
材の変態点を急激に下回るので、被溶接材にいわゆる
「焼き」が入ってしまう。

【０００５】たとえば炭素鋼の被溶接材をスポット溶接
した場合には、炭素鋼の変態点、７２３℃を急激に通過
することになるので、「焼き」が入ってしまうことにな
る。溶接部位に局部的に「焼き」が入ると、その部位の
硬度が上がってしまうため、割れ易くなり、結果として
溶接強度に悪影響を及ぼすことになる。

【０００６】本発明は、このような従来の問題点に鑑み
てなされたものであり、変態点を急激に通過しないよう
に被溶接材を事後加熱できる溶接制御装置の提供を目的
とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、次のように構成される。請求項１に記載の
発明は、溶接ガンの可動電極の変位を検出する変位検出
手段と、当該変位検出手段によって検出される前記可動
電極の変位状況から溶接完了後の通電タイミングを決定
する通電タイミング決定手段と、当該通電タイミング決
定手段によって決定された通電タイミングで、前記被溶
接材を事後加熱する事後加熱手段とを有することを特徴
とするものである。

【０００８】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
溶接制御装置において、前記通電タイミング決定手段
は、前記被溶接材の板厚、材質、板組をパラメータとす
る前記可動電極の変位と変態点との関係データを記憶す
る記憶手段と、前記変位検出手段によって検出される前
記可動電極の変位状況と当該記憶手段に記憶されている
関係データとから通電タイミングを演算する通電タイミ
ング演算手段とから成ることを特徴とするものである。

【０００９】請求項３に記載の発明は、請求項１記載の
溶接制御装置において、前記事後加熱手段は、前記溶接
ガンに間欠的に通電を繰り返すことを特徴とするもので
ある。

【００１０】請求項４に記載の発明は、請求項１記載の
溶接制御装置において、前記事後加熱手段は、前記溶接
ガンに時間の経過と共に低減した電流を供給することを
特徴とするものである。

【００１１】

【発明の効果】以上のように構成された本発明によれ
ば、次のような効果を奏する。

【００１２】請求項１から請求項４に記載の発明によれ
ば、適切な通電タイミングで事後加熱するようにしたの
で、被溶接材の温度が変態点付近を通過する時間が長く
なり、被溶接材に「焼き」が入ることが防止される。し
たがって、溶接が施された部分と他の部分の材質がほぼ
均一になるので、溶接の品質が向上することになる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の溶接制御装置が
内蔵されたスポット溶接装置の全体図である。このスポ
ット溶接装置は、ワークである車体にスポット溶接を施
す装置である。

【００１４】スポット溶接をする溶接ガンとしてのサー
ボガン１１は、溶接ガン用ロボット３０のアームの先端
部分に取り付けられている。溶接ガン用ロボット３０
は、予め教示された位置に順次サーボガン１１を位置決
めし、サーボガンの電極（可動電極）を駆動して車体に
スポット溶接をする。サーボガン１１への溶接電流は、
事後加熱手段としても機能する電源回路１５から供給さ
れるようになっている。

【００１５】溶接タイマ２５は、主に、サーボガン１１
の電極の駆動に関する制御と、電源回路１５の溶接電流
の制御をする。したがって、通電タイミング決定手段、
通電タイミング演算手段、事後加熱手段として機能する
ことになる。なお、ペンダント３５は、溶接ガン用ロボ
ット３０やサーボガン１１をマニュアル操作したり、溶
接位置の教示をしたりする場合に用いられる。溶接ガン
用ロボット３０とサーボガン１１の動作は、ロボット制
御装置４０によって総括的に制御される。

【００１６】図２は、本発明にかかる溶接制御装置の全
体構成を示すブロック図である。この図では、発明の内
容の理解を容易にするために、サーボガン１１の形状を
図１の場合と異なり簡略化して図示し、車体１０はその
一部を構成する被溶接材のみを図示している。

【００１７】車体１０には、その上下方向からサーボガ
ン１１に取り付けられた可動電極１２Ａ、固定電極１２
Ｂが圧接される。この圧接された状態で電源回路１５か
ら両電極１２Ａ，１２Ｂに溶接電流が供給される。この
溶接電流の電流値や通電時間（溶接時間）、さらには溶
接完了後の事後加熱は、中央演算装置２０の指令に基づ
いて動作する事後加熱手段としての電流制御回路１６に
よって制御される。

【００１８】可動電極１２Ａは、サーボモータ１８によ
って昇降される。このサーボモータ１８には、位置検出
器としてエンコーダ１９が取り付けられ、このエンコー
ダ１９によって可動電極１２Ａの先端位置が検出され
る。なお、サーボモータ１８の動作は、中央演算装置２
０の指令に基づいて動作するサーボ制御回路２２によっ
て制御される。また、エンコーダ１９で検出された可動
電極１２Ａの変位量は、サーボモータ１８の位置制御の
ため、サーボ制御回路２２にフィードバックされる。

【００１９】位置検出器であるエンコーダ１９は、可動
電極１２Ａの極めて微小な変動をも検出することができ
る高精度なものであり、変位検出手段として機能するも
のである。車体１０を可動電極１２Ａと固定電極１２Ｂ
とで挟持加圧し、両電極間に溶接電流を流すと、図７お
よび図８にも示されているように通電部分が膨張し、溶
接電流が流れなくなると収縮するが、エンコーダ１９
は、このような膨張、収縮の微小な可動電極１２Ａの変
位も見逃さずに正確に検出することができる。可動電極
１２Ａがどの程度動いたのか、換言すれば車体１０の被
溶接材が膨張状態にあるのか、収縮状態にあるのかは、
電極間変位判定回路２４によって検出される。

【００２０】電極間変位判定回路２４は、可動電極１２
Ａの動きから可動電極１２Ａの変位状況を判定する回路
であり、変位検出手段として機能する。サーボ制御回路
２２は、通常の溶接時には、エンコーダ１９で検出され
た可動電極１２Ａの変位量に応じてサーボモータ１８を
駆動させる。つまり、サーボ制御回路２２は、中央演算
装置２０から出力される可動電極１２Ａの目標位置に基
づいて可動電極１２Ａの位置を制御する。

【００２１】記憶回路２６は、溶接ガンアームの形状、
その剛性、通電周波数、電極チップの形状や磨耗量、被
溶接材の板厚、材質（炭素含有量）、板組、可動電極の
変位と通電タイミングとの関係データ（どの材質のどの
板厚のどの板組のときには可動電極がどの位置にきた時
に通電タイミングとするかを示すデータ）を記憶してい
るものであり、記憶手段として機能する。また、この記
憶回路２６は、溶接中に検出される電極間変位量、その
電極チップの溶接回数も記憶されるようになっている。
なお、電極チップの溶接回数も記憶するのは、電極チッ
プは溶接の度に少しずつ磨耗するが、この磨耗分の補正
をするためである。

【００２２】中央演算装置２０は、中央演算装置２０
は、通電タイミング決定手段、通電タイミング演算手段
として機能するものであって、サーボ制御回路２２に目
標位置の情報を出力したり、溶接間変位判定回路２４の
判定結果から通電タイミングを演算するものである。通
電タイミングは、次のようにして演算する。

【００２３】前述のように、記憶回路２６には被溶接材
の板厚、材質（炭素含有量）、板組、可動電極の変位と
通電タイミングとの関係データが記憶されている。中央
演算装置２０には被溶接材の板厚、材質（炭素含有
量）、板組に関する情報が入力されているので、これら
の組み合わせに対応する通電タイミングを選択し、この
通電タイミングとなる可動電極の変位を演算する。な
お、可動電極１２Ａの変位が変態点に達してから通電し
ても遅いので、変態点に達する前に事後加熱が開始され
るように、通電タイミングは予め実験などによって求め
ておく。

【００２４】中央演算装置２０は、電極間変位判定回路
２４から出力される可動電極１２Ａの変位状況に基づい
て、可動電極の変位が通電タイミングとなる変位に達し
たかどうかを監視し、通電タイミングになったら、電流
制御回１６に事後加熱の指令をする。

【００２５】つぎに、本発明にかかる溶接制御装置の動
作の一態様を図３のフローチャートに基づいて詳細に説
明する。このフローチャートは、溶接が完了した時、つ
まり、電源回路１５からの通電が遮断された時から開始
されるものであるが、発明の内容をより理解しやすくす
るために、ここでは溶接が開始される時から説明する。

【００２６】まず、溶接開始の指令がロボット制御装置
４０に入力されると、溶接制御装置４０は予め教示され
ている教示データに基づいて溶接ガン用ロボット３０を
動作させ、サーボガン１１を車体１０の溶接位置に設定
する。次に、溶接タイマ２５内の中央演算装置２０は、
サーボガン１１が溶接位置に設定された信号を受けて、
可動電極１２Ａの電極先端位置と記憶回路２６に記憶さ
れている被溶接部材の板厚（電極チップの磨耗の補正値
も含む）等から可動電極１２Ａが被溶接材に接触するま
での目標移動距離を演算し、この目標移動距離をサーボ
制御回路２２に指令する。

【００２７】サーボ制御回路２２は、この指令を受け
て、エンコーダ１９からのパルス信号をフィードバック
しながらサーボモータ１８を駆動し、可動電極１２Ａを
演算された目標移動距離だけ動かして被溶接材に接触さ
せて停止する。次に、中央演算装置２０は、記憶回路２
６に記憶されている被溶接材の材質や板厚等に基づい
て、溶接条件を演算する。この溶接条件とは、可動電極
１２Ａと固定電極１２Ｂとによって被溶接材をどの程度
加圧しながら溶接するか（可動電極１２Ａの加圧のため
の移動量）、電極間にどの程度の電流をどの程度の時間
流すか（溶接電流、通電時間）、溶接後の事後加熱はど
のようにして行なうか（事後加熱パターン）等である。

【００２８】ここで、事後加熱パターンとは、具体的に
は次のようなことである。記憶回路２６には、予め被溶
接材の材質、板厚、板組をパラメータとして可動電極の
変位状況と動作タイミングとの関係を示したデータが記
憶されている。つまり、その板厚、材質、板組の被溶接
材は、可動電極１２Ａの変位が何ｍｍとなったときに、
その被溶接材の動作タイミングになるかというデータが
予め記憶されている。したがって、被溶接材の材質、板
厚、板組がわかれば、可動電極の位置で動作タイミング
がわかる。

【００２９】このようにして動作タイミングが決定でき
るのは、溶接完了後の母材の変位曲線は、図７および図
８にも示したように、材質、板厚によらずにほぼ一定で
あるし、また、被溶接材（ナゲット）の温度と可動電極
の変位の相関もわかってるためである。

【００３０】なお、この可動電極１２Ａの位置が、事後
加熱パターンの１つである。また、動作タイミングに達
した後ににどの程度のＯＮ−ＯＦＦ時間でどの程度の電
流で間欠的な電流を流すか、または、どの程度の時間ど
の程度の電流からどの程度の低減率の電流を流すかとい
うことも、事後加熱パターンの１つである。

【００３１】中央演算装置２０は、被溶接材の加圧をす
るために必要な可動電極１２Ａの移動量をサーボ制御回
路２２に出力する。サーボ制御回路２２は、エンコーダ
１９からのパルス信号をフィードバックしながらサーボ
モータ１８を駆動し、指示された移動量だけ可動電極１
２Ａを下げて被溶接材を加圧する。

【００３２】次に、中央演算装置２０は、演算された溶
接電流、通電時間を電流制御回路１６に設定し、電流制
御回路１６は電源回路１５に溶接電流を流すべき指令を
して、電極間に溶接電流を流す。

【００３３】被溶接材に溶接電流が流れると、図７およ
び図８に示すように、被溶接材は通電開始から膨張し初
め、飽和状態に達した後に収縮する。通常、溶接電流の
通電時間はちょうど飽和点に達した頃に遮断されるよう
に演算される。なお、このときの可動電極１２Ａの変位
は、エンコーダ１９からのパルス信号に基づいて電極間
変位判定回路２４によって監視されている。

【００３４】なお、図７は、溶接チップの先端径が６ｍ
ｍのもので２ｍｍの板厚の被溶接材同士（板組は２）を
スポット溶接した時の可動電極１２Ａの変位状況を示し
たものであり、溶接時に形成されるナゲット径がそれぞ
れ９．０４ｍｍ、８．５７ｍｍ、８．９５ｍｍの場合に
ついて示している。

【００３５】また、図８は、溶接チップの先端径が６ｍ
ｍのもので２ｍｍと１．６ｍｍの板厚の被溶接材同士
（板組は２）をスポット溶接した時の可動電極１２Ａの
変位状況を示したものであり、溶接時に形成されるナゲ
ット径がそれぞれ７．００ｍｍ、７．１９ｍｍ、７．２
３ｍｍの場合について示している。

【００３６】これらのグラフを見れば明らかであるが、
いずれの場合にも、被溶接材が通電開始から膨張し初
め、飽和状態に達した後に収縮するという現象は共通で
あることが分かる。

【００３７】このようにして、演算された通電時間だけ
溶接電流が流されて溶接が完了すると、電極間変位判定
回路２４は可動電極１２Ａの変位を一定時間ごとにサン
プリングし（Ｓ１）、可動電極１２Ａの変位状況から事
後加熱をすべき通電タイミングとなったかどうかを判断
する。なお、通電タイミングは、中央演算装置２０によ
って演算されるのは前述の通りである。

【００３８】被溶接材の収縮により可動電極１２Ａが図
５に示すＬ２の位置まで、すなわち通電タイミングに相
当する位置まで下降すると（Ｓ２）、予め設定されてい
る事後加熱パターンに基づいて、電流制御回路１６が一
定の周期で一定の電流を一定の繰り返し回数だけ電流を
流すように電源回路１５に指示し、電流回路１５は、こ
の指示に基づいて、図５に示すように間欠的な電流を流
して被溶接材を事後的に加熱し、被溶接材の材質の変態
点を急激に通過しないように、すなわち急冷されないよ
うにする（Ｓ３）。

【００３９】この事後加熱によって、被溶接材の材質は
溶接箇所とそれ以外の部分とでほとんど変わらなくする
ことができ、溶接品質を向上させることができるように
なる。

【００４０】以上の動作をまとめると、図５に示すよう
に、予め設定された電流でスポット溶接が行なわれ、被
溶接材の変態点に近付くと、予め実験などで求めた動作
タイミングを可動電極１２Ａの変位Ｌ２から検出し、こ
の材料の変態点をゆっくりと通過しながら冷却されるよ
うに、溶接電流よりも小さな事後加熱電流を間欠的に流
して事後加熱する。図５の例では、２回だけ通電してい
るが、この回数はこれに限られない。また、通電のパタ
ーンも図５のように一定間隔で行なうものには限られ
ず、通電電流は一定で通電間隔を徐々に広げても良い
し、通電間隔を一定にして徐々に電流を減少させるよう
にしても良い。さらに、図６に示すように、時間の経過
と共に段階的に低減した電流を供給するようにしても良
いし、連続的に低減する電流を供給するようにしても良
い。なお、上記の事後加熱パターンは、各溶接打点単位
で最適の条件を設定している。

【００４１】次に、本発明にかかる溶接制御装置の他の
動作を、図４のフローチャートに基づいて説明する。前
に示した態様では、可動電極１２Ａの位置から一意に動
作タイミングを認識したが、この態様では、可動電極１
２Ａの下降速度から動作タイミングを認識している。溶
接が完了するまでの動作は、前の態様と全く同一の動作
となるのでその説明は省略し、溶接完了後から説明す
る。

【００４２】溶接が完了し、電源回路１５からの溶接電
流の供給が終了すると、電極間変位判定回路２４は、そ
の直後から可動電極１２Ａの位置を監視し（Ｓ１１）、
図５および図６に示すような変位曲線の傾きを演算す
る。この演算は、サンプリング周期間の可動電極１２Ａ
の変位の変化分をサンプリング周期（時間）で割ること
によって行なう。結果的には可動電極１２Ａの下降速
度、冷却速度あるいはナゲットの収縮速度に等しい（Ｓ
１２）。この変位曲線の傾きが、予め設定されている傾
きよりも大きくなる（通電タイミング）と（Ｓ１３）、
予め設定されている電流値で事後加熱が行なわれ（Ｓ１
４）、予め設定されている傾きよりも小さくなると通電
を終了する（Ｓ１５，Ｓ１６）。このように、被溶接材
の温度が急激に冷えているかどうかを変位曲線の傾きに
よって間接的に認識し、冷え方が余りにも急であれば、
変態点を急激に通過することにならないように、事後加
熱をしている。

【００４３】以上のように動作させる場合には、記憶回
路２６には、変位曲線の傾きを予め記憶させておく必要
がある。許容される変位曲線の傾きは、予め実験によっ
て求めておく。

【００４４】このように、変位曲線の傾きを監視するこ
とによって事後加熱の通電をさせるようにすると、前記
の態様のように限られたパターンで通電する場合に比較
して必要最低限の通電で「焼きなまし」をすることがで
きるようになる。事後加熱時の電流値、通電サイクル
は、事前の実験によって最適値を選定しておく。なお、
電極チップの磨耗などの要因を考慮して、事後加熱時の
電流値、通電サイクルにはある程度の幅を持たせておく
のが良い。

【００４５】以上のように、本発明では、溶接が完了し
た後に事後加熱をしているので、被溶接材の温度が変態
点付近を通過する時間が長くなり、被溶接材に「焼き」
が入ることが防止される。したがって、溶接が施された
部分と他の部分の溶接強度ががほぼ均一になるので、溶
接の品質が向上することになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の溶接制御装置が内蔵されたスポット
溶接装置の全体図である。

【図２】本発明にかかる溶接制御装置の全体構成を示
すブロック図である。

【図３】本発明にかかる溶接制御装置の動作を示すフ
ローチャートである。

【図４】本発明にかかる溶接制御装置の他の動作を示
すフローチャートである。

【図５】図３に示したフローチャートの動作説明に供
する図である。

【図６】図４に示したフローチャートの動作説明に供
する図である。

【図７】溶接時における可動電極の変位状況を示す図
である。

【図８】溶接時における可動電極の変位状況を示す図
である。

【符号の説明】

１０…車体（被溶接材）１１…サーボガン（溶接ガン）１２Ａ…可動電極１２Ｂ…固定電極１５…電源回路（事後加熱手段）１８…サーボモータ１９…位置検出器（エンコーダ）（変位検出手段）２５…溶接タイマ（変位検出手段、通電タイミング決定
手段、通電タイミング演算手段、事後加熱手段）２６…記憶回路（記憶手段）３０…溶接ガン用ロボット３５…ペンダント

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】溶接ガンの可動電極の変位を検出する変
位検出手段と、当該変位検出手段によって検出される前記可動電極の変
位状況から溶接完了後の通電タイミングを決定する通電
タイミング決定手段と、当該通電タイミング決定手段によって決定された通電タ
イミングで、前記被溶接材を事後加熱する事後加熱手段
とを有することを特徴とする溶接制御装置。
【請求項２】前記通電タイミング決定手段は、前記被溶接材の板厚、材質、板組をパラメータとする前
記可動電極の変位と通電タイミングとの関係データを記
憶する記憶手段と、前記変位検出手段によって検出される前記可動電極の変
位状況と当該記憶手段に記憶されている関係データとか
ら通電タイミングを演算する通電タイミング演算手段と
から成ることを特徴とする請求項１に記載の溶接制御装
置。
【請求項３】前記事後加熱手段は、前記溶接ガンに間
欠的に通電を繰り返すことを特徴とする請求項１に記載
の溶接制御装置。
【請求項４】前記事後加熱手段は、前記溶接ガンに時
間の経過と共に低減した電流を供給することを特徴とす
る請求項１に記載の溶接制御装置。