JP2002160071A - 溶接機およびその制御方法 - Google Patents

溶接機およびその制御方法

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JP2002160071A JP2000361045A JP2000361045A JP2002160071A JP 2002160071 A JP2002160071 A JP 2002160071A JP 2000361045 A JP2000361045 A JP 2000361045A JP 2000361045 A JP2000361045 A JP 2000361045A JP 2002160071 A JP2002160071 A JP 2002160071A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接条件の変更に対してフィードバック制御
系の定数の変更を容易にし、PID動作やP、PD、P
I動作などの選択も可能にし、異なる溶接方式による溶
接に簡単に変更でき、制御回路も極めて簡単にする。 【解決手段】 制御方式が異なる複数の溶接モードを選
択可能とし、選択した溶接モードに従って溶接電流およ
び溶接電圧の少くとも一方を検出し、この検出値を目標
値に一致させるように制御出力をフィードバック制御す
る溶接機の制御方法において、目標値と検出値との差分
に基づいて制御出力を求めるためのデジタル演算式を各
溶接モードに対して共通な式として予め記憶すると共
に、異なる複数の溶接モードに対してデジタル演算式で
用いる定数を予め記憶しておき、選択した溶接モードに
対する定数を読出してデジタル演算式によってデジタル
演算を行い制御出力を求める。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明が属する技術分野】この発明は、溶接電流や溶接
電圧などをフィードバック制御することによって溶接対
象に応じた適切な溶接を行えるようにした溶接機と、そ
の制御方法とに関するものである。
【0002】
【従来の技術】抵抗溶接機などの溶接機において、制御
対象である溶接電流や溶接電圧などを目標値に一致させ
るためにフィードバック制御するものが公知である。
【0003】例えば、直流をインバータを用いて高周波
の交流にした後、溶接トランスの一次側に導き、この時
に溶接トランスの二次側に誘起される交流低電圧を整流
して溶接電極に導き溶接を行うインバータ方式の抵抗溶
接機がある。この方式によれば、商用交流電源の周波数
に比べて高い周波数の電流を溶接トランスに導くから、
商用電源周波数の交流を溶接トランスに導く単相交流式
抵抗溶接機に比べて溶接トランスを小型化できるという
特徴がある。
【0004】このようなインバータ式のものにおいて、
溶接電極に流れる電流を検出してフィードバックし、こ
の電流(実効値)が一定の目標値になるようにインバー
タを位相制御する定電流制御方式がある。この方式で
は、溶接電極に電流を流す時間が予めタイマーで設定し
た時間になるのを待って溶接を停止させる。また溶接電
極に加わる電圧を検出してフィードバックし、この電圧
が一定になるようにインバータを位相制御する定電圧制
御方式もある。この方式も溶接時間はタイマーで設定す
る。
【0005】さらに溶接電極の電流および電圧を同時に
検出して、これらの積により電力を求めてフィードバッ
クし、この電力が一定になるようにインバータを制御す
る定電力制御方式も知られている。
【0006】フィードバック制御するものでは、入力と
出力の関係である伝達係数Gをどのように設定するか
が、制御系の性能(安定性、応答性など)に多く影響す
る。ここに伝達関数G(s)は、入力x(t)と出力y
(t)のラプラス変換X(s)、Y(s)の比X(s)
/Y(s)である。ここにs=d/dtである。
【0007】この伝達関数G(s)による制御動作は次
の4種類が知られている。比例動作(P動作、Proporti
onal action)、比例+微分動作(PD動作、Proportio
nal+integral action)、比例+積分+微分(PID動
作、Proportional+Integral+Differential action)
の4種類である。
【0008】図9は従来のPID動作の制御ブロック図
であり、アナログ回路により構成したものである。この
図において符号2は比例制御部であり、伝達関数G
c(s)は定数Kpとなる。すなわちGc(s)=Kpであ
る。ここに比例定数Kpは(目標値−フィードバック入
力値)の差分に対する比例ゲインである。
【0009】符号4は積分制御部、6は微分制御部であ
り、これらを図9のように組合せて加算部8で加算した
時の伝達関数Gc(s)は、Gc(s)=Kp(1+1/
(sTI)+sTD)となる。ここにTIは積分定数(積
分時間)、TDは微分定数(微分時間)である。
【0010】微分動作は、制御対象が遅れを持っている
時に制御系の動特性の改善に効果がある。積分動作は定
常状態における誤差を小さくする効果があるが、制御が
遅くなる傾向を持つ。そこでこれらの動作を組合せて制
御を速くし適切な制御特性をえるようにするのがPID
動作である。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】この図9に示す従来の
ものは、アナログ回路で形成されるため、各定数
(Kp、TI、TD)が予め設定されたものである。この
ため、溶接条件の変化に対してこれらの定数を変更する
ことができないという問題がある。特にPID動作だけ
でなくP動作、PD動作、PI動作なども選択したいこ
とがあるが、従来のものではこのような選択は不可能で
あった。
【0012】また溶接機においては溶接対象によって溶
接方式を変更できることが望ましい。そこで従来は制御
回路の中に定電流制御回路、定電圧制御回路、定電力制
御回路などを別々に設けていた。このため制御回路が複
雑で大きくなるという問題もあった。
【0013】この発明はこのような事情に鑑みなされた
ものであり、溶接条件の変更に対してフィードバック制
御系の定数を容易に変更でき、PID動作やP、PD、
PI動作などの選択も可能になり、また異なる溶接方式
による溶接に簡単に変更することができ、制御回路も極
めて簡単にすることが可能になる溶接機の制御方法を提
供することを第1の目的とする。またこの方法の実施に
直接使用する溶接機を提供することを第2の目的とす
る。
【0014】
【発明の構成】本発明によれば第1の目的は、制御方式
が異なる複数の溶接モードを選択可能とし、選択した溶
接モードに従って溶接電流および溶接電圧の少くとも一
方を検出し、この検出値を目標値に一致させるように制
御出力をフィードバック制御する溶接機の制御方法にお
いて、前記目標値と検出値との差分に基づいて制御出力
を求めるためのデジタル演算式を各溶接モードに対して
共通な式として予め記憶すると共に、異なる複数の溶接
モードに対して前記デジタル演算式で用いる定数を予め
記憶しておき、選択した溶接モードに対する定数を読出
して前記デジタル演算式によってデジタル演算を行い制
御出力を求めることを特徴とする溶接機の制御方法、に
より達成される。
【0015】ここで用いるデジタル演算式は、PID制
御のアナログ一般式をラプラス変換することによって求
める差分式とするが、この導出方法については後記す
る。定数は各溶接モードごとに複数の組合せをメモリし
ておけば、同じ溶接モードであっても溶接対象によって
定数の組合せを変更でき、一層適切な溶接が可能にな
る。溶接モードは定電流モード、定電圧モード、定電力
モードのうち2以上のモードを選択可能にするのがよ
い。
【0016】第2の目的は、制御方式が異なる複数の溶
接モードを選択可能とし、選択した溶接モードに従って
溶接電流および溶接電圧の少くとも一方を検出し、この
検出値を目標値に一致させるように制御出力をフィード
バック制御する溶接機において、溶接電流および溶接電
圧の検出部と、検出部の検出値と目標値の差分を求める
減算器と、前記差分に基づいて制御出力を求めるために
各溶接モードに対して共通に用いるデジタル演算式の演
算を行うデジタル信号処理部と、デジタル演算式の演算
に用いる定数と前記目標値とを各溶接モードに対して予
め記憶するメモリ手段と、選択する溶接モードと目標値
と定数とを入力する入力手段と、選択された溶接モード
に対する定数をメモリ手段から読出して前記デジタル信
号処理部で実行した演算結果に基づいて制御出力を制御
する出力制御手段と、を備えることを特徴とする溶接
機、により達成される。
【0017】ここに出力制御回路はPWM(Pulse Widt
h Modulation)回路とするのがよく、減算器はデジタル
信号処理部にその機能を持たせることができる。全体の
動作を管理するためのCPUを設けて、このCPUに減
算器の機能を持たせてもよい。また定電力モードでは溶
接電流と溶接電圧とを積算することによって溶接電力を
求めるので、この積算器の機能もデジタル信号処理部や
CPUに持たせることができる。
【0018】
【実施態様】図1は本発明の一実施態様である抵抗溶接
機の全体外観図、図2はその全体回路構成の概念図、図
3は制御装置の内部構造を示す図、図4は制御装置の動
作流れ図、図5はデジタル信号処理部の制御ブロック
図、図6はその信号の時間的な流れを示す図、図7は定
数を記憶するメモリテーブルの内容を示す図、図8は定
数の変化による出力波形の変化を示す図、である。
【0019】図1において符号10はコントローラ、1
2は溶接トランスケース、14は溶接ヘッドである。コ
ントローラ10は電源スイッチ16、モード選択スイッ
チ18、表示パネル20を持つ。溶接ヘッド14は、上
下動可能な上のクランプ部22aと、所定高さに固定さ
れた下のクランプ部22bを持ち、これらのクランプ部
22a、22bにそれぞれ溶接電極24a、24bが固
定されている。
【0020】各電極24a、24bはウェルドケーブル
26によって溶接トランスケース12に収容された溶接
トランス60(図2)の二次側に整流器62(図2、
3)を介して接続されている。この溶接トランス60の
一次側はパワーケーブル28によってコントローラ10
に接続されている。
【0021】溶接ヘッド14の可動クランプ部22a
は、ばね(図示せず)を介してエアシリンダ(共に図示
せず)により上下に駆動される。また両電極24a、2
4bの間にはワークの溶接部(図示せず)が置かれる。
【0022】足踏みスイッチ(図示せず)から送られる
オン信号はアクチュエータケーブル30を介してコント
ローラ10に送られ、この信号(押圧信号)によってエ
アシリンダは作動する。そして電極24a、24bの溶
接部に対する押圧力が一定値になるとリミットスイッチ
(図示せず)がオンとなり、このオン信号がアクチュエ
ータケーブル30を介してコントローラ10に送られ
る。コントローラ10はこのオン信号に基づいて溶接動
作を開始させる。すなわちこのオン信号がスタート信号
となる。
【0023】図1で32はウェルドセンスケーブルであ
り、溶接トランス60の二次側電流を示す信号をコント
ローラ10に導く。この信号は後記するように電流検出
器76(図2参照)で検出した電流値を示す信号であ
る。34は電圧検出用ケーブルであり、クランプ部22
a、22bに接続されている。このケーブル34は電極
24a、24b間の電圧を検出してコントローラ10に
導く。
【0024】次にコントローラ10の主回路を図2に基
づいて説明する。これらの図で、50は交流200Vの
商用3相交流電源である。この電源50から3つの相が
それぞれスタートスイッチ52を介して整流回路54に
導かれる。この整流回路54は、スイッチング素子とし
てSCRを用いた3相全波混合ブリッジで構成される。
56はこの整流回路54の出力端間に並列接続されたコ
ンデンサである。
【0025】58はインバータであり、4個のNPNト
ランジスタからなるブリッジで構成される。このインバ
ータ58はコンデンサ56の充電電圧を交流に変換し
て、溶接トランス60の一次側に供給する。この溶接ト
ランス60の二次側出力は整流器(ダイオード)62、
62で全波整流されて溶接電極24a、24bに導かれ
る。
【0026】次に制御装置68を図2に基づいて説明す
る。制御装置68は、インバータ58をPWM(Pulse
Width Modulation)方式によって位相制御する。なおこ
の制御装置68は、3種の異なる制御方式を選択可能で
ある。図2ではこれらの制御方式を実行する回路を別々
に分けて示しているが、実際には後記するようにデジタ
ル信号処理部88やCPU104などを持つデジタルコ
ンピュータで形成される。
【0027】70は定電流制御部、72は定電圧制御
部、74は定電力制御部である。制御方式は、前記コン
トローラ10に設けたモード選択スイッチ18(図1)
によって選択できるようにしてもよいし、後記するよう
にキーボードなどの入力手段94で入力してもよい。
【0028】定電流制御方式は、前記トランスケース1
2に設けた電流検出器76の出力から電流検出部78で
溶接電流を求め、この溶接電流を一定値に保つようにイ
ンバータ58を位相制御する。定電圧制御方式は、前記
電圧検出用ケーブル34で導かれた信号に基づいて電圧
検出部80で溶接電圧を求め、この電圧を一定値に保つ
ようにインバータ58を位相制御する。定電力制御方式
は、電流検出部78および電圧検出部80の出力を電力
検出部82で積算することにより溶接電力を求め、この
電力が一定になるようにインバータ58を位相制御す
る。なお各方式の設定値や定数などの溶接条件は定数入
力部84により設定される。定数入力部84は後記する
ようにキーボードなどの入力手段94であってもよい。
【0029】制御装置68は図3に示すように、デジタ
ルコンピュータで構成される。この図3において、86
はバスであり、デジタル信号はこのバス86を介して各
部との間で送受される。88はデジタル信号処理部(Di
gital Signal Processor、DSP)であり、後記するよ
うに図5、6に示すデジタル演算処理を高速で行う専用
のコンピュータである。このDSP88には後記する減
算器88Aの機能を持たせておく。90は後記する図7
に示す定数や目標値などを記憶するメモリ手段である。
【0030】92(92a、92b、92c)はアナロ
グ・デジタル(A/D)変換器であり、前記電流検出部
78、電圧検出部80、電力検出部82のアナログ出力
をデジタル信号に変換し、バス86を通して各部に送出
する。94はキーボードなどの入力手段であり、インタ
ーフェース96を介してバス86に接続される。この入
力手段94はメモリ手段90に記憶する定数や目標値、
その他の設定値を入力するために用いられると共に、後
記するCPU108に対する指令信号を入力するためな
どに用いられる。従って前記図2に示したモード選択ス
イッチ18や定数入力部84はこの入力手段94で構成
することができる。
【0031】98は出力制御部としてのPWM制御部で
あり、DSPによる演算結果に基づいて制御出力を制御
する。すなわちインバータ58を位相制御する。100
は液晶板(LCD)などの表示手段であり、インターフ
ェース102を介してバス86に接続される。この表示
手段100には、制御方式の選択画面や、目標値の設定
画面や、定数などの設定画面などが表示される。この表
示手段100は図1に示した表示パネル20であっても
よいし、別に設けてもよい。104はCPU(中央演算
器)であり、バス86に接続されて各部の制御を行う。
なおこのCPU104の動作プログラムなどは前記メモ
リ手段90に記憶させておいたり、他のメモリに記憶さ
せておく。
【0032】DSP88は図3に示す演算を行う。この
演算は前記した差分式u(n)の演算である。一般にP
ID動作による制御出力u(t)は、目標値に対する制
御対象量の誤差(エラー量、すなわち差分e(t))に
比例する量Kpe(t)と、積分量KI∫e(t)dt
と、微分量Kd・de/dtとの和で示すことができ
る。すなわち、 u(t)=Kp・e(t)+Ki∫e(t)dt+Kd
de/dt ただしe(t):制御入力(エラー量、差分) u(t):制御出力 Kp、Ki、Kd:定数
【0033】この式をラプラス変換し、双一次変換によ
り離散系へ変換すれば、次に示す差分式u(n)に置き
換えることができる。 u(n)=u(n−2)+K0・e(n)+K1・e
(n−1)+K2・e(n−2) u(n):出力 e(n):入力 K0、K1、K2は以下の式による。 K0=Kp+T・Ki/2+2Kd/T K1=T・Ki−4Kd/T K2=2Kd/T−Kp+Ki・T/2 Kp:比例定数 Ki:積分定数 Kd:微分定数 T:サンプリング周期。
【0034】この差分式の演算は専用のデジタル信号処
理素子(DSP)で行うことができが、図5に示すデジ
タル回路により行うこともできる。図6はこのデジタル
回路でシグナルの時間的流れを示している。
【0035】図5で110は減算器であり、制御出力で
あるフィードバック出力と設定目標値との誤差(エラー
量、差分)e(t)を求める。或るサンプリング周期n
における誤差e(n)を遅延回路112に、その直前の
サンプリング周期(n−1)における誤差e(n−1)
を遅延回路114に、さらにその前のサンプリング周期
(n−2)における誤差e(n−2)を遅延回路116
にそれぞれ記憶する。これらの遅延回路112、11
4、116の内容を次のサンプリング周期(n+1)の
間でシリアル/パラレル変換器118に並列入力する
と、この変換器118はこれら遅延回路112、11
4、116の内容を直列にして順に乗算器120に出力
する。
【0036】乗算器120は、順に入力される誤差e
(n)、e(n−1)、e(n−2)にそれぞれ所定の
定数K0、K1、K2を乗算して、順に加算器122に
送る。ここに用いる定数K0、K1、K2は前記メモリ
手段90の一部であるPIDテーブル90A(図7)に
予め記憶しておく。従って加算器122には、K0・e
(n)、K1・e(n−1)、K3・e(n−2)が順
に直列に(シリアルに)入力される。加算器122はこ
れらを加算する。なおこの時の出力u(n)の2サンプ
リング周期前の出力u(n−2)は遅延回路124に記
憶され、その内容u(n−2)が前記加算器122で加
算され、前記差分式u(n)の演算結果が求められる。
【0037】以上の演算を行う際の信号の時間的流れは
図6に示す。この図でZ-1は単位遅延回路である。すな
わち入力e(n)は定数K0と乗算されて加算器122
Aに入力される一方、単位サンプリング周期前の入力e
(n−1)および2単位サンプリング周期前の入力e
(n−2)に定数K1、K2がそれぞれ乗算されて、加
算器122Bに入力され、ここでこれらが加算される。
この加算値K1・e(n−1)+K2・e(n−2)は
加算器122Aに送られ、ここでK0・e(n)に加算
される。
【0038】またこの加算器112Aの出力は2つの単
位遅延回路124A、124Bで2単位サンプリング周
期遅延され、加算器122Cで前記加算器122Aの加
算値に加算される。この結果出力u(n)が求められ
る。このようにして求めた制御出力u(n)は、PWM
制御部98に送られ、インバータ58を位相制御す
る。。
【0039】次に図4に基づいて、全体の制御動作を説
明する。まずオペレータは入力手段94から溶接モード
を指定する(図4、ステップS200)。CPU104
は、この指定された制御方式に基づいて電流、電圧、電
力のいずれかを読込み可能な状態にする。CPU104
は定電流制御モードの時には一定電流値である設定目標
値をメモリ手段90から読出す。同様に定電圧、定電力
制御モードなら、一定電圧値、一定電力値を設定目標値
として読出す(ステップS202)。またオペレータ
は、図7に示すPIDテーブル90Aから、溶接対象に
適した定数の組合せを設定し、入力手段94から設定す
る(ステップS204)。
【0040】CPU104は、これらの条件を基にして
DSP88に前記した差分式u(n)の演算を行わせ
る。すなわちDSP88ではまず誤差(差分)e(n)
を求め(ステップS206)。この誤差e(n)から制
御出力u(n)を求める(ステップS208)。CPU
104は、その結果をPWM制御部98に送る(ステッ
プS210)。PWM制御部98はこの演算結果に基づ
いて位相制御信号をインバータ58に送り、溶接電流な
どを制御するものである(ステップS212)。すなわ
ち溶接トランス60の1次電流などを制御する(ステッ
プS214)。
【0041】図8は、この実施態様においてPID定数
を変化させた時の出力波形の変化を求めたものである。
図8はPID定数が大きい場合であり、微分動作の影
響が大きい。図8はPID定数が小さめの場合であ
り、積分動作の影響が大きい。図8はPID定数が小
さすぎる場合であり目標値まで到達できない状態を示
す。
【0042】図7に示すPID定数のテーブル90Aに
おいては、定数K0、K1、K2の組合せを3つの制御
モードに対してそれぞれ9種類(テーブル番号1〜9)
用意している。これら定数K0、K1、K2は前記した
ように、比例定数Kp、積分定数(積分時間)Ki、微分
定数(微分時間)Kdを含む。従って定数Kiを0にすれ
ばPD動作が、定数Kdを0にすればPI動作が、これ
ら定数Ki、Kdを共に0にすればP動作が得られる。こ
のように一部の定数Ki、Kdを0にした組合せをテーブ
ルに記憶しておけば、PID動作以外の動作も選択可能
になる。
【0043】前記の実施態様では、誤差(差分)e
(n)を求める減算器88AをDSP88に設けたが、
CPU104にこの減算器88Aの動作を行わせてもよ
い。また電力検出部82はCPU104において電流と
電圧を積算して求めてもよい。この発明は抵抗溶接機以
外の溶接機であっても、溶接電流や電圧などを制御でき
るものであれば適用可能である。
【0044】
【発明の効果】請求項1〜4の発明によれば、定数や目
標値などの組合せを変えることにより、溶接条件に対応
して制御系の定数を容易に変えることができ、PID、
P、PD、PI動作などの選択が可能であり、溶接方式
の変更も簡単に行うことができる。すなわち異なる溶接
方式ごとに異なる制御回路を備える必要が無いので制御
回路の構成が簡単になる。
【0045】請求項5〜7の発明によれば、この方法の
実施に直接使用する溶接機が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施態様である抵抗溶接機の全体外
観図
【図2】その全体回路構成の概念図
【図3】制御装置の内部構造を示す図
【図4】制御装置の動作流れ図
【図5】デジタル信号処理部の制御ブロック図
【図6】その信号の時間的な流れを示す図
【図7】定数を記憶するメモリテーブルの内容を示す図
【図8】定数の変化による出力波形の変化を示す図
【図9】従来のPID制御のブロック図
【符号の説明】
10 コントローラ 14 溶接ヘッド 58 インバータ 68 制御回路 88 デジタル信号処理部(DSP) 90 メモリ手段 94 入力手段(キーボード) 98 PWM制御部(出力制御部) 100 表示手段 108 CPU
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高崎 浩幸 東京都港区西新橋三丁目20番1号 日本ア ビオニクス株式会社内 Fターム(参考) 5H790 BA03 CC02 CC06 DD06 EA01 EA02 EA15 EB03

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 制御方式が異なる複数の溶接モードを選
    択可能とし、選択した溶接モードに従って溶接電流およ
    び溶接電圧の少くとも一方を検出し、この検出値を目標
    値に一致させるように制御出力をフィードバック制御す
    る溶接機の制御方法において、 前記目標値と検出値との差分に基づいて制御出力を求め
    るためのデジタル演算式を各溶接モードに対して共通な
    式として予め記憶すると共に、異なる複数の溶接モード
    に対して前記デジタル演算式で用いる定数を予め記憶し
    ておき、選択した溶接モードに対する定数を読出して前
    記デジタル演算式によってデジタル演算を行い制御出力
    を求めることを特徴とする溶接機の制御方法。
  2. 【請求項2】 デジタル演算式は次の差分式: u(n)=u(n−2)+K0・e(n)+K1・e
    (n−1)+K2・e(n−2) ただしK0=Kp+T・Ki/2+2Kd/T K1=T・Ki−4Kd/T K2=2Kd/T−Kp+Ki・T/2 Kp、Ki、Kd:定数 である請求項1の溶接機の制御方法。
  3. 【請求項3】 定数は各溶接モードに対して複数の組合
    せをメモリしておき、溶接条件によっていずれかの組合
    せを選択可能にした請求項1または2の溶接機の制御方
    法。
  4. 【請求項4】 溶接モードは定電流モード、定電圧モー
    ド、定電力モードのうちの2以上の溶接モードを含む請
    求項1〜3のいずれかの溶接機の制御方法。
  5. 【請求項5】 制御方式が異なる複数の溶接モードを選
    択可能とし、選択した溶接モードに従って溶接電流およ
    び溶接電圧の少くとも一方を検出し、この検出値を目標
    値に一致させるように制御出力をフィードバック制御す
    る溶接機において、 溶接電流および溶接電圧の検出部と、検出部の検出値と
    目標値の差分を求める減算器と、前記差分に基づいて制
    御出力を求めるために各溶接モードに対して共通に用い
    るデジタル演算式の演算を行うデジタル信号処理部と、
    デジタル演算式の演算に用いる定数と前記目標値とを各
    溶接モードに対して予め記憶するメモリ手段と、選択す
    る溶接モードと目標値と定数とを入力する入力手段と、
    選択された溶接モードに対する定数をメモリ手段から読
    出して前記デジタル信号処理部で実行した演算結果に基
    づいて制御出力を制御する出力制御手段と、を備えるこ
    とを特徴とする溶接機。
  6. 【請求項6】 出力制御部はPWM回路である請求項5
    の溶接機。
  7. 【請求項7】 減算器はデジタル信号処理部が持つ1つ
    の機能で構成される請求項5または6の溶接機。
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