JP2006159292A - エネルギー供給部を備えた抵抗溶接装置および抵抗溶接装置を有しているロボット - Google Patents

Abstract

【課題】できるだけ構造嵩の小さな抵抗溶接装置８を可能にし、用途に応じて簡単に拡大できる抵抗溶接システム９に対するエネルギー供給部を備えた抵抗溶接装置８。
【解決手段】エネルギー供給部は主変換器１および副変換器２，３を用いて実現されており、すべての変換器１，２，３は相互に接続されており、この接続は交流電圧中間回路５を用いて実現されている。
【選択図】図１

Description

本発明は抵抗溶接技術の分野に関し、詳細にはエネルギー供給部を備えた抵抗溶接装置に係る。本発明は更に抵抗溶接装置を有しているロボットにも関する。

公開公報ＤＥ１０１１４３２３Ａ１（図３）に図示の、抵抗溶接装置のハイアラーキ構成は本発明の基礎としている従来技術である。整流された３相交流網を用いて、異なった相および周波数の交流電圧が溶接装置および駆動装置のエネルギー供給に対して生成される。その際溶接インバータが２相の出力電圧を供給しかつ駆動インバータが３相出力電圧を供給する。

この構想は唯一の装置内の構成要素の給電のためには有意味であるが、比較的大きな距離にわたってうまく作動しかつ複数のアウタクトな抵抗溶接システム、例えば自動車工場における製造ライン内の溶接ロボットに給電するには向いていない。更にここでは溶接電流を生成するために比較的複雑な回路装置を用いた新たな逆変換装置が必要である。これによりそれだけでも比較的大きなスペースが必要になってくる。
ＤＥ１０１１４３２３Ａ１

本発明の課題はまず第１に、できるだけ小さな構造の抵抗溶接装置の実現を可能にしかつそれぞれ用途例に応じて簡単な拡張を許容する構想を見つけ出すことである。

この課題は本発明によれば、エネルギー供給部は主変換器および少なくとも１つの副変換器を用いて実現されておりかつすべての変換器は相互に接続されており、ここで該接続は交流電圧中間回路を用いて実現されていることによって解決される。

別の言葉で言えば、中央の主変換器は複数の副変換器に通例は一定の周波数を有する交流電圧中間回路を用いてエネルギーを供給する。こうしてエネルギー供給部を収容するための所要スペースは局所的に別個にアロケートされる。これにより装置の個々の構成要素を従来のものより小さく作ることができる。

更に副変換器を分散的に計画配置しかつ主変換器を中央に計画配置することができる。というのは、変換器は交流電圧中間回路を用いて比較的大きな距離（約１００ｍまで）内でも相互に接続されているようにすることができるからだ。すなわちこのことも、副変換器を、例えば溶接トングまたは溶接トング駆動部のモータのような、副変換器に接続されている負荷の直接近傍に配置されるようにすることができることを意味している。これによりシステム設計の際の自由度が高められ、集積能力が高められているモジュラー構想が可能になりかつ抵抗溶接装置の拡張も簡単化される。上に説明した製造ラインが拡張されなければならない場合にはこのことを、主変換器に交流電圧中間回路を用いて別の副変換器を接続することだけで簡単に行うことができる。その際に主変換器は新たに付け加えられた抵抗溶接装置に同様にエネルギーを供給する。主変換器と副変換器との接続網（交流電圧中間回路）をスタートポロジーを用いて実現することができる。というのは、副変換器のすべての入力側は主変換器の１つの出力側に接続されているからだ。そのことから、副変換器のすべての入力側が自動的に相互に接続されているということにもなる。

有利には１つの副変換器は駆動変換器として電気的な駆動部、例えば溶接トング駆動部に配属されておりかつ１つの副変換器は溶接変換器として溶接トングに配属されている。また、本発明の原理は、ニューマチック／ハイドロリック溶接トング駆動部を用いて動作する抵抗溶接装置に使用するようになっている。その場合副変換器は溶接変換器にすぎず、駆動変換器ではない。混合形態、すなわち交流電圧中間回路で作動される、ニューマチック／ハイドロリックおよび／または電気的な溶接トング駆動部を備えた抵抗溶接装置も難なく実現可能である。従って実質的に、従来技術と比較して、溶接電流の生成のために必要である、機器内部にありかつ上位の直流電圧中間回路から受け取る電流の逆変換を行わないでもすむ。というのは溶接変圧器もしくは溶接変換器に直接、交流電圧中間回路から出てくる交流電圧を供給することができるからである。駆動変換器の課題は−駆動がニューマチック／ハイドロリックに行われる場合には−溶接トングを働かせる接続のサーボモータに対するエネルギー供給を保証することである。

有利には主変換器および駆動変換器はその入力電圧もしくは入力電流の変化を位相および／または周波数に関して行い、これに対して分散されている溶接変換器はまず第１に負荷電力調整作用を行う。これにより用途および使用されるシステム構成要素に応じてフレキシブルに、適用プロセスを実施するために必要である縁条件（溶接トングの数など）が決められる。すなわち例えば、本来の給電接続網が３相に実現されているのに、エネルギー分配のために２相の交流電圧中間回路を利用することができる。駆動変換器は通例、相数が決まっている場合可変の出力周波数を供給して、接続されているサーボモータの回転数を変えることができるようにしている。これに対して主変換器の出力電圧の周波数は相の数もそうだが通例は一定である。

特別有利には、溶接変換器の負荷電力調整は位相制御を用いて実現される。この位相制御は逆並列接続されたサイリスタ（またはトライアック）を用いて比較的僅かなコストで実現することができ、従ってコスト面で有利でありかつ収容のために僅かなスペースしか必要としない。こうして構造嵩も低減されることになる。択一的に公知の仕方において、Ｈブリッジ回路におけるＩＧＢＴを用いた形態も可能である。

特別有利には、溶接タングハウジングおよび／または溶接変換器ハウジングは分散型駆動および／または溶接変換器および／または溶接制御部を有している。主変換器は、駆動および／または溶接変換器がそのハウジング内または溶接トングハウジングによっても取り囲まれている溶接変換器ハウジング内に収容している複数の溶接トングに対する給電電圧を生成する。その際主変換器は中央ステーション、例えば製造ホール内に配置されており、一方駆動および／または溶接変換器は分散して、溶接装置の直接近傍に配置されている。溶接変換器を溶接変換器ハウジングに収容する場合、部分的に集積されたエネルギー供給部が実現される。これは変圧器の１次側の給電のために用いられかつ必要に応じて整流器と接続されて溶接電流を供給する。従って整流器付きのまたは整流器なしの水冷式変圧器と溶接変換器との組み合わせはコンパクトな、アウタクトなユニットを形成することになる。これらユニットは場合によっては別の用途に使用できるしまたは別のテクノロジーに転用されるようにすることもできる。

特段に有利には溶接トング駆動部は複数の駆動部を有しており、ここでそれぞれの駆動部は１つの別個の駆動変換器を有しているまたは溶接トング駆動部は複数の駆動部を有しており、ここでそれぞれの駆動部は別個の駆動変換器を有しており、しかし駆動変換器は１つの共通の直流電圧中間回路を利用する。後者の場合は構造嵩も低減されることになる。その理由はコンデンサの形の著しく僅かなバッファ容量しか必要にならないからである。

有利には、主変換器によって供給すべき、駆動および／または溶接変換器に接続されている負荷に対する和電力は中央の主変換器および／または溶接制御部において監視される。溶接制御部が分散配置されている（例えば溶接トングまたはロボット制御部において）場合、主変換器自体における和電力の監視が行われる。しかし中央の主変換器に接続されている複数の溶接トングのドライブ制御に対する中央の溶接制御部を主変換器に直接組み入れることも考えられる。この場合和電力を溶接制御部によって監視させると有意味であろう。というのは溶接制御部は必要な計算容量およびロジック解析を顕著な付加コストなしに使用することができるからである。しかし溶接制御部の、主変換器への組み込みは強制的なものではなく、制御部は主変換器とは完全に独立して収容されるようにすることもできる。

この種の監視に対して特別適しているのは和電力制限制御であり、その際負荷は管理規定に従って、主変換器に接続されているすべての負荷の要求される電力が合計で、主変換器が供給することができる許容和電力もしくはピーク負荷を実際に上回らないように作動中に管理される。

合目的には、負荷電力調整部（溶接電流調整器）から溶接変圧器に供給される電力だけが和電力監視部において検出される。その理由は、この電力が要求される電力の大部分であり（約９０％）、これに対して駆動部によって要求される電力は無視できる程度であるからである。また、溶接トングによって消費される電力はいつも、約１００ないし３００ｍｓの持続時間の間という短時間においてだけであり、一方トング駆動部は比較的長めにもしくは常時作動状態にありかつ固定の基本負荷を表している。

一様な電力の変圧器を一貫して使用することができるので、溶接場所毎の最大可能な電力Ｎを見積もることができかつ一緒に同時に活動するすべての溶接場所の和電力は−容易に分かるように−非常に簡単に計算することができる。例えば主変換器が５×Ｎに相応する電力用に設計されておりかつ例えば最大で１０×Ｎの全電力消費を有する１０個の溶接トングが使用されるとすれば、監視ロジックにより、５つより多くの負荷電力調整部が同時に活動されかつ電力を要求することが妨げられるようになっている。

和電力監視部を用いて、どのくらいの電力が既に要求されもしくはいくつの負荷が既に同時に活動しておりかつ別の消費装置による付加的な電力消費がまだ可能であるかどうかが求められる。可能であれば、ロジックは当該溶接トングに溶接電流を供給するための電流時間のスタートもしくは別の消費装置を起動させることができる。可能でなければ、スタートは、別の構成要素が電流時間終了を通報するまでの間遅延される。

和電力の監視を実施するために判断基準として、唯一の溶接点を生成するために必要である瞬時電力を使用することも考えられる。この場合１つの溶接トングの理論的な最大電力消費が和電力の管理に対して総合的に見積もられるのではなく、溶接変換器は次に行われようとしている溶接過程に対して必要である、それぞれの溶接過程に対する溶接電流を別個に主変換器に通報する。和電力監視部は引き続いて、起動もしくはイネーブル化が瞬時の負荷状況に基づいて可能であるか否かを求める。電流時間のイネーブル化は問い合わせの順序においてかまたは優先順位付与を用いて行われる。従って、抵抗溶接システムに対するエネルギー供給部と関連付けられて簡単だが、効果的な和電力制限制御部が生じる。

こうして、和電力が、主変換器によって供給可能な最大電力も著しく高くなる可能性がある多数の溶接変換器を使用した場合にとりわけ意図的に、溶接トングの、溶接過程にとって必要な電流時間がイネーブルロジックもしくはイネーブル制御部を用いて影響を及ぼされるもしくは制御される。

特別有利には主変換器は高調波を回避するための障害防止手段を有している。こうして障害防止は中央で行うことができかつそれぞれ個々の副変換器に対する障害防止手段を省略することができる。こうしておけば最良の場合には、唯一の障害防止手段だけが必要である。この措置により構造嵩およびコストが節約される。障害防止手段は例えばチョークおよび／またはコンデンサおよび／または抵抗を用いて実現することができる。

有利にはロボットは本発明の抵抗溶接装置を有している。抵抗溶接装置は溶接課題に必要な、溶接変換器、駆動変換器などのすべての構成要素を有している。従って抵抗溶接装置はその機能が完結しているユニットを形成し、該ユニットは最良の場合には１つのエネルギー供給接続部および１つの制御接続部を有しているだけで、その場合構造嵩が僅かであるおよび重量が低減されるという利点が生じる。結果的に、分散配置構成された溶接ロボットはより僅かな重さを扱えばよくなり、このためにロボットアームの機械的な慣性を低減できしかもロボット作動に対して数多くの別のポジティブな作用効果が得られることになる。

次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説明する。

図１には、主変換器１、駆動変換器２、整流器４を有する溶接変換器３、交流電圧中間回路５、溶接トングモータ６、溶接トング７、構成要素３，４，７，２，６によって形成されている２つの抵抗溶接装置８もしくはモジュラー形エネルギー供給部を備えたすべてを含んでいる抵抗溶接システム９が示されている。それぞれの抵抗溶接装置８は通例、独自の分散配置された溶接制御部を有している。しかしこれらは分かり易くする理由から図示されていない。

主変換器１はこの例において入力側に加わる５０／６０Ｈｚ（ＤＥ／ＵＳＡ）の３相交流電圧によって動作する。主変換器はこの３相交流電圧を１ｋＨｚ周辺の中間回路電源周波数を有する２相交流電圧に変換する。しかしこの１ｋＨｚ周辺の中間回路電源周波数は必ずもそうである必要はない。通例は主変換器１の出力側に現れる中間回路電源周波数は１ｋＨｚと１０ｋＨｚの間にあり、従って主変換器の入力側における電源周波数より著しく高いことになる。主変換器１の出力側は交流電圧中間回路５に接続されているので、ここでは交流電圧周波数が１ｋＨｚである２相の交流電圧中間回路５の使用が提供される。

入力側が同じく交流電圧中間回路５に接続されている駆動変換器２は１ｋＨｚの中間回路電源周波数を有する２相の交流電流を可変の周波数を有する３相交流電圧に変換する。可変の周波数を有するこの３相交流電圧は駆動変換器２の出力側に現れてサーボモータ６の給電のために使用される。この可変の周波数を用いてモータはその回転数が変化される。

ここに交流電流調整器として構想されている溶接変換器３は、溶接電流の調整のための交流電流装置における抵抗溶接技術（電力調整器としての調光器の原理）において通例であるように、位相制御のための２つの逆並列接続されているサイリスタを用いて動作する。溶接変換器３の入力側も交流電圧中間回路５に接続されている。溶接変換器３の出力側は位相が変化しない２相の交流電流を供給する。交流電流は溶接変換器３における位相制御に従って溶接トング７への、調整可能な電力供給を実現するものである。溶接電流が溶接トング７に供給される前に、効果的にこの溶接変圧器／整流器組み合わせ４を用いた整流が行われる。溶接変圧器３を溶接変圧器／整流器組み合わせ４に直接集積することも可能で、その場合には組み合わせ構成要素４に更に構成要素３が包含されている。

交流電圧中間回路５では理論的には任意の数の溶接装置８を作動させることができる。更に交流電圧中間回路５は比較的大きな距離をつなぐ役目をすることができるので、多かれ少なかれ相互に大幅に距離がある溶接装置８も１つの主変換器１を用いて作動することができる。実際には勿論殊に、最大許容電源負荷もしくは主変換器１によって供給可能な最大電力が制限ファクターとなる。それ故に複数の溶接装置８が１つの主変換器１において作動されるようにしたければ、この主変換器は相応の強さの電力仕様に設計されかつ場合によっては合計負荷制限制御部（図１には図示されていない）を備えていなければならない。

抵抗溶接装置８の構成要素３，４，２，６および７は有利には溶接トングハウジングに完全にまたは部分的に収容されており、その結果必要でありかつ本発明の原理に基づいて今やモジュラーかつフレキシブルに構成されているエネルギー供給部１，５，３，２の部分は負荷のある場所に直接配置することができる。

有利にはトングサーボモータ６に対する駆動変換器２は共通の直流電圧中間回路を利用するので、２つのモータ６に対して交流電圧中間回路５に対して１つだけのタップが必要であり、その際交流電圧中間回路５の２相の交流電圧から、バッファ容量を用いて安定化された直流電圧が生成され、かつこの直流電圧はというとそれぞれのモータ６に対して別個の、可変周波数を有する３相交流電圧に変換される。従ってそうでなければ必要である冗長的な直流電圧中間回路に対する空間節約および材料削減が可能になる。

本発明の実施例の概略図

符号の説明

１ 主変換器、 ２ 駆動変換器、 ３ 溶接変換器、 ４ 整流器、 ５ 交流電圧中間回路、 ６ 溶接トングモータ、 ７ 溶接トング、 ８ 抵抗溶接装置、 ９ 抵抗溶接システム

Claims (11)

1. エネルギー供給部は主変換器（１）および少なくとも１つの副変換器（２，３）を用いて実現されておりかつ
   すべての変換器（１，２，３）は相互に接続されており、ここで該接続は交流電圧中間回路（５）を用いて実現されている
   ことを特徴とする抵抗溶接装置。
2. １つの副変換器（２）は駆動変換器として電気的な駆動部に配属されておりかつ１つの副変換器（３）は溶接変換器として溶接トングに配属されている
   請求項１記載の抵抗溶接装置。
3. 主変換器（１）および駆動変換器（２）は位相および／または周波数に関する入力電圧の変換部を有しておりかつ溶接変換器は負荷電力調整部を有している
   請求項２記載の抵抗溶接装置。
4. 負荷電力調整は位相制御を用いて実現されるようになっている
   請求項３記載の抵抗溶接装置。
5. 溶接タングハウジングおよび／または溶接変換器ハウジング（４）は駆動および／または溶接変換器（２，３）および／または溶接制御部を有している
   請求項２から４までのいずれか１項記載の抵抗溶接装置。
6. 溶接トング駆動部は少なくとも２つの電気的な駆動部（６）を有しており、ここでそれぞれの駆動部（６）は別個の駆動変換器を有しているまたは
   溶接トング駆動部は少なくとも２つの電気的な駆動部（６）を有しており、ここでそれぞれの駆動部は別個の駆動変換器を有しており、
   前記駆動変換器は１つの共通の直流電圧中間回路を利用する
   請求項２から５までのいずれか１項記載の抵抗溶接装置。
7. 主変換器（１）によって供給すべき、駆動および／または溶接変換器（２，３）に接続されている負荷に対する和電力は中央の主変換器（１）および／または溶接制御部において監視される
   請求項２から６までのいずれか１項記載の抵抗溶接装置。
8. 監視は和電力制限制御部を用いて行われ、ここで負荷は管理規定に従って、主変換器（１）に接続されているすべての負荷の要求される電力が合計でピーク負荷を実際に上回らないように作動中に監視される
   請求項７記載の抵抗溶接装置。
9. 主変換器（１）は高調波に影響を及ぼすための手段を有している
   請求項１から８までのいずれか１項記載の抵抗溶接装置。
10. 溶接トングのニューマチックおよび／またはハイドロリック操作のための手段が設けられている
    請求項１から９までのいずれか１項記載の抵抗溶接装置。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載の抵抗溶接装置を有している
    ことを特徴とするロボット。

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