JP2011062730A - 抵抗溶接の監視装置及び監視方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電極間電圧を直接測定するリード線等は使用せず、安価に装置構成が可能で、かつ溶接の状態、即ち対となる電極で挟持されたワークの状態の監視が正確にできる抵抗溶接の監視装置及び監視方法を提供する。
【解決手段】商用交流電源を整流回路１１を介して直流とし、ＰＷＭ制御を行うスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を用いて直流を、負荷電流の定電流制御を行うインバータ回路１３によって交流とし、交流を溶接トランス１４に印加して、溶接トランス１４の二次側から抵抗溶接の溶接電流を得る抵抗溶接の監視装置及び監視方法であって、溶接時の溶接トランス１４の一次側又は二次側電圧に対応するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のゲートオン時間の比率Ｔｋと、整流回路１１の出力電圧Ｖ２との積（Ｔｋ・Ｖ２）＝Ｖｗを求め、この積（Ｔｋ・Ｖ２）が予め設定した上限レベルＶＨと下限レベルＶＬの範囲外である場合に、警告を発する。
【選択図】図１

Description

本発明は、対となる電極で挟まれたワーク（被溶接物)を加圧し、電極からワークに電流を流しワークに抵抗発熱を生じさせて溶接を行う抵抗溶接において、溶接の状態、即ち対となる電極で挟持されたワークの状態の監視及び判定を行う抵抗溶接の監視装置及び監視方法に関する。

抵抗溶接のシステムは、例えば、特許文献１、２に示すように、商用交流電源を整流して直流にし、インバータを用いて所定周波数の交流に変換する溶接電源制御装置、変換された交流の電圧を変える溶接トランス、溶接トランスの二次側に接続された対となる電極を有し、更に必要に応じて、溶接対象となるワークの搬送装置、及び所定位置にワークを拘束するワークの拘束装置、及び対となる電極を有する溶接ガンの位置や姿勢を制御する溶接ロボットを有している。

そして、自動化された溶接システムにおいては、以上の装置や機器のトラブル又は故障によって、ワークの搬送間違い、溶接位置のずれ等が生じるので、これらを見逃して溶接を継続すると、欠陥のある製品を生産することになる。そこで、これら欠陥のある製品が発生するのを防止するため、１）機械的又はレーザー光を用いてワークの搬入の有無を監視する方法Ａ、２）電極間の電圧を検出して溶接不良を検出する方法Ｂが一般に行われている（例えば、特許文献３、特許文献４）。

特開２００４−９００２７号公報 特開２００６−１８７７９１号公報 特開平０６−１０６３６３号公報 特許第３４２１３８７号公報

しかしながら、前記した方法Ａにおいては、１）専用の装置となってワークの種類が変わると装置も変更する必要がある、２）全体的に高価となる、３）鋼板（ワーク）が薄い場合、例えば一枚のワークの板厚が０．７ｍｍ以下になると加圧時にワークが反る又は歪む等して正確にワークの重ね枚数を検知できない等の問題がある。

また、前記した方法Ｂは、電極間電圧は抵抗溶接現象を反映しているので、電極間電圧を検出して監視することは、抵抗溶接の品質管理に有効であると認められ、実験室や試験的に使用されているが、生産現場では以下のような問題があるので、実用及び運用が困難な場合が多い。即ち、１）電極間の電圧を検出するためにリード線が必要となるが、溶接部から飛散する散り（高温の金属粒）によりリード線が損傷し、断線し易い。２）溶接時に、ワークを加圧するための溶接ガンは可動するので、これに伴いリード線も動き、繰り返し応力によって疲労し断線する恐れがある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、電極間電圧を直接測定するリード線等は使用せず、安価に装置構成が可能で、かつ溶接の状態、即ち、対となる電極で挟持されたワークの状態の監視が正確にできる抵抗溶接の監視装置及び監視方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る抵抗溶接の監視装置は、商用交流電源を整流回路を介して直流とし、ＰＷＭ制御を行うスイッチング素子を用いて前記直流を、負荷電流の定電流制御を行うインバータ回路によって交流とし、該交流を溶接トランスに印加して、該溶接トランスの二次側から溶接電流を得る抵抗溶接の監視装置であって、
溶接時の前記溶接トランスの一次側又は二次側電圧に対応する前記ＰＷＭ制御のスイッチング素子のゲート信号のオン時間（ゲートオン時間）の比率Ｔｋと、前記整流回路の出力電圧Ｖ２との積（Ｔｋ・Ｖ２）を求め、この積（Ｔｋ・Ｖ２）が予め設定した上限レベルＶＨと下限レベルＶＬの範囲外である場合に、警告を発する。

ここで、ＰＷＭ制御のスイッチング素子のゲートオン時間の比率Ｔｋ［＝オン時間／（オン時間＋オフ時間）］及び整流回路の出力電圧Ｖ２はアナログ処理で行う場合の他、比率Ｔｋ及び整流回路の出力電圧Ｖ２を一旦Ａ／Ｄ変換して、デジタル処理で行う場合も本発明は適用される（以下の方法発明も同様）。

なお、第１の発明に係る抵抗溶接の監視装置において、前記上限レベルＶＨと前記下限レベルＶＬは、外部から独立に設定可能であるのが好ましい。これによって、溶接状態を監視して適正位置に上限レベルＶＨと下限レベルＶＬを設定できる。

また、第１の発明に係る抵抗溶接の監視装置において、各溶接時において、前記積（Ｔｋ・Ｖ２）をモニター表示するのがよい。これによって、溶接状態を監視して適正位置に上限レベルＶＨと下限レベルＶＬの設定を行うのに役立てることができる。

第１の発明に係る抵抗溶接の監視装置において、前記比率Ｔｋ、前記出力電圧Ｖ２及び前記積（Ｔｋ・Ｖ２）のいずれか１又は２以上を周辺機器に通信で伝送する手段を備えるのが好ましい。これによって、各抵抗溶接の状態を外部から監視できる。
第１の発明に係る抵抗溶接の監視装置において、前記インバータ回路によって変換された交流は、例えば１００〜２００００Ｈｚの間にある。これによって、溶接トランスの鉄心量を減らすことができる。

前記目的に沿う第２の発明に係る抵抗溶接の監視方法は、商用交流電源を整流回路を介して直流とし、ＰＷＭ制御を行うスイッチング素子を用いて前記直流を負荷電流の定電流制御を行うインバータ回路によってより周波数の高い交流とし、該交流を溶接トランスに印加して、該溶接トランスの二次側から溶接電流を得る抵抗溶接の監視方法において、
溶接時の前記溶接トランスの一次側又は二次側電圧に対応する前記ＰＷＭ制御のスイッチング素子のゲート信号のオン時間（ゲートオン時間）の比率Ｔｋと、前記整流回路の出力電圧Ｖ２との積（Ｔｋ・Ｖ２）を求め、この積（Ｔｋ・Ｖ２）が予め設定した上限レベルＶＨと下限レベルＶＬの範囲外である場合に、警告を発する。

本発明に係る抵抗溶接の監視装置及び監視方法においては、ＰＷＭ制御のスイッチング素子のゲートオン時間の比率Ｔｋと、整流回路の出力電圧Ｖ２との積（Ｔｋ・Ｖ２）を求めているが、この積が溶接トランスの二次側電圧に比例する。そして、二次側電圧は溶接トランスの二次側に接続された対となる電極で挟持されたワークの状態（即ち、ワークの重ね枚数の増加又は不足、溶接の位置ずれ、及び電極の消耗状況）によって変化するので、この積（Ｔｋ・Ｖ２）が予め設定した上限レベルＶＨと下限レベルＶＬの範囲内であることを溶接中に常時確認することによって、溶接状態を把握できる。

ここで、溶接電源制御装置の出力電圧又は溶接トランスの一次側の電圧を直接測定し、その値を上限レベルと下限レベルで監視する方法もあるが、インバータ回路で溶接トランスの一次側に供給する一次電流Ｉ１をＰＷＭ制御でオン又はオフした時に溶接電源制御装置の出力側又は溶接トランスの一次側にノイズを発生し、ノイズ除去対策が必要である。一方、ＰＷＭ制御のスイッチング素子のゲートオン時間の比率Ｔｋと、整流回路の出力電圧Ｖ２においてはノイズがなく、積（Ｔｋ・Ｖ２）は二次電圧に対応するので、信頼性が高い。

本発明の一実施の形態に係る抵抗溶接の監視装置を適用した抵抗溶接装置のブロック回路図である。 同抵抗溶接の監視装置の各部の動作説明図である。 同抵抗溶接の監視装置のフロー図である。 本発明に係る抵抗溶接の監視方法を適用した実施例１の説明図である。 実施例１において、ワークの重ね枚数による出力演算電圧の実測値と監視判定値の設定例を示すグラフである。 （Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は実施例２の説明図である。

続いて、添付した図面を参照し、本発明を具体化した実施の形態について説明し、本発明の理解に供する。
まず、図１を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る抵抗溶接の監視装置を適用した抵抗溶接装置１０について説明する。

抵抗溶接装置１０は、三相（又は単相）の商用交流電源に接続される整流回路１１と、整流回路１１の出力側に接続される平滑用コンデンサ１２と、所定のゲート信号を受けて、整流回路１１によって変換された直流を交流に変換するインバータ回路１３と、インバータ回路１３の負荷となる溶接トランス１４と、溶接トランス１４の二次側に接続される整流器１５と、整流器１５に二次導体１６、１７を介して接続される対となる電極１８、１９を有している。以下、これらについて詳しく説明する。

整流回路１１は三相のブリッジ回路からなって、平滑用のコンデンサ１２が並列に接続されて略電圧一定の直流になっている。インバータ回路１３はスイッチング素子の一例であるパワートランジスタＱ１〜Ｑ４を有し、パワートランジスタＱ１、Ｑ４とパワートランジスタＱ２、Ｑ３をゲート信号１、２（図２のｂ、ｃ参照）によって交互にオン、オフして、ＰＷＭ制御を行い、溶接トランス１４の一次側に交流電圧（例えば、１００〜２００００Ｈｚ）を印加している。

溶接トランス１４の一次側には、ＣＴ（電流変成器）２０が設けられ、溶接トランス１４の一次電流を検出し、Ａ／Ｄ変換回路２１を通じて測定電流Ｉｓがマイクロコンピュータ２２に入力されている。マイクロコンピュータ２２では、予め外部から決められた基準電流に対応する値Ｉｗが入力され、測定電流Ｉｓと基準電流Ｉｗとを比較し、溶接中はその差が常時小さくなるように、ＰＷＭ制御部２３を介してゲート信号１、２が制御されている。

なお、このパワートランジスタＱ１〜Ｑ４のゲート信号でのＰＷＭ制御は周知であり、溶接の負荷、即ち電極で挟持されたワークの状態、商用電源電圧の変動にも影響されず、溶接中は常時一定の電流（Ｉ１）を溶接トランス１４の一次側に流すように制御している。
溶接トランス１４では二次側に整流器１５を通して溶接電流が二次導体１６、１７を介して電極１８、１９間に流れている。なお、この溶接電流Ｉ２ｗは溶接トランス１４の一次電流Ｉ１に比例して、溶接中は常時一定である。

整流回路１１の出力電圧Ｖ２は、出力電圧測定回路２５及びＡ／Ｄ変換回路２７を介してマイクロコンピュータ２２に入力されている。このマイクロコンピュータ２２には、内部にＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭを有し、前記した溶接トランス１４の一次電流を一定にするプログラムの他に、図３に示すフローを実現化するプログラムが組み込まれている。

マイクロコンピュータ２２からの信号を受けて作動するＰＷＭ制御部２３からパワートランジスタＱ１〜Ｑ４に送られるゲート信号１、２は、ゲートＯＮ／ＯＦＦ時間測定部２８に出力される。ゲート信号１、２のオン時間は、パワートランジスタＱ１〜Ｑ４のオンしている時間となるので、これを測定し、出力電圧演算部２９で半サイクル（又は１サイクル又は複数サイクル）の平均化処理を行う。パワートランジスタＱ１〜Ｑ４のオン時間をＴon、オフ時間をＴoffとし、ゲートオン時間の比率Ｔｋ＝［Ｔon／（Ｔon＋Ｔoff）］となる。この比率ＴｋはパワートランジスタＱ１〜Ｑ４のオン時間の平均値に対応する。

出力電圧測定回路２５、Ａ／Ｄ変換回路２７、及びマイクロコンピュータ２２を介して得られた整流回路１１の出力電圧Ｖ２と、出力電圧演算部２９で演算された比率Ｔｋとの積（Ｔｋ・Ｖ２）に対応する信号を、出力電圧演算部２９から比較回路３０に出力している。なお、整流回路１１の出力電圧Ｖ２も一定の周期（即ち、比率Ｔｋを測定している時間）に対応する半サイクル又は１サイクル単位で平均化処理を行って求める。この積（Ｔｋ・Ｖ２）からなる出力電圧演算平均値Ｖｗは、表示器３１にモニター表示される。

比較回路３０では監視電圧の上限レベルＶＨと監視電圧の下限レベルＶＬが入力され、出力電圧演算平均値Ｖｗの値が上限レベルＶＨより大きい場合、警報回路３２に信号出力して、警報出力が発せられる。また、出力電圧演算平均値Ｖｗの値が下限レベルＶＬより小さい場合には、警報回路３２から警報が出力される。なお、上限レベルＶＨ及び下限レベルＶＬは、監視電圧上限設定部３３及び監視電圧下限設定部３４のスイッチ手段（又はボリューム）を用いて外部から任意に設定できる。

この場合、上限レベルＶＨ及び下限レベルＶＬの設定は、通電開始後、任意の時間を任意回数設定できる（例えば、４サイクル目と８サイクル目）。
マイクロコンピュータ２２には、別に入出力回路３５が接続されて、ゲートオン時間の比率Ｔｋ、出力電圧Ｖ２及び積（Ｔｋ・Ｖ２）のいずれか１又は２以上を周辺機器（例えば、パソコン３６）に通信で伝送する。

続いて、図２、図３を参照しながら、本発明の一実施の形態に係る抵抗溶接の監視装置及び抵抗溶接の監視方法について更に詳細に説明する。
抵抗溶接装置１０は、溶接中は、常に溶接トランス１４の一次電流Ｉ１が一定となるように、パワートランジスタＱ１〜Ｑ４のゲート信号１、２を周知の技術で制御している。
図２のａ）には、パワートランジスタＱ１〜Ｑ４のゲートオンオフ時間を、ｂ）にはゲート信号１及びこれによるパワートランジスタＱ１、Ｑ４のスイッチ動作、ｃ）にはゲート信号２及びパワートランジスタＱ２、Ｑ３のスイッチ動作をそれぞれ示す。これによるインバータ回路１３の出力電圧Ｖｏ（即ち、図１に破線で示す溶接電源制御装置１０ａの出力電圧Ｖｏ）を図２のｄ）に示す。なお、Ｔｃはインバータのサイクルタイムである。

図２のｄ）から明らかなように、出力電圧ＶｏはパワートランジスタＱ１〜Ｑ４のオン時間、即ちゲート信号１、２の「オン時間／（オン時間＋オフ時間）」に比例することになる。従って、ゲートＯＮ／ＯＦＦ時間測定部２８でオン時間とオフ時間を測定し、出力電圧演算部２９でゲート信号１、２のオン時間の比率Ｔｋ［＝オン時間／（オン時間＋オフ時間）］を算出する（以上、ステップＳ１）。

一方、溶接電源制御装置１０ａのパワートランジスタＱ１〜Ｑ４がオンしている時間の出力電圧Ｖｏの波高値は図２のｅ）に示すように、整流回路１１の出力電圧Ｖ２に比例することは明らかであるので、整流回路１１の出力電圧の平均値の演算を行う（ステップＳ２）。そして、ゲートのオン時間の比率Ｔｋと出力電圧Ｖ２の積が溶接電源制御装置１０ａ（溶接トランス１４の一次側）に対応する出力電圧Ｖｏになり、図２のｆ）に示すように、この積（Ｔｋ・Ｖ２）の演算電圧Ｖｗが表示器３１に表示される（ステップＳ３）。

一方、抵抗溶接装置１０は定電流制御をしているので、電極１８、１９の間に挟持されるワーク（被溶接物）３７の状態によって、溶接トランス１４の一次側の電圧Ｖｏは変わる。そして、電圧Ｖｏ∝（Ｔｋ・Ｖ２）＝Ｖｗの関係が成立するので、Ｖｗの値を監視すれば、溶接状態を把握できる。即ち、溶接トランス１４及び二次導体１６、１７、整流器１５の抵抗（インピーダンス）は、同一であるので、固定した溶接状態で複数回溶接を行っても、一次側の電圧Ｖｏは変化がなく一定であるが、例えば、電極１８、１９間のワーク３７の抵抗が小さくなる場合には、一次側の電圧Ｖｏは下がることになり、電極１８、１９間のワーク３７の抵抗が大きくなる場合には、一次側の電圧Ｖｏは上がることになる。

この一次側の電圧ＶｏはＶｗの値に比例するので、出力電圧演算平均値Ｖｗを監視することになり、出力電圧演算平均値Ｖｗが上限レベル（監視上限設定値）ＶＨより高い場合は（ステップＳ４）、警報回路３２から警報出力を発する（ステップＳ６）。そして、出力電圧演算平均値Ｖｗが下限レベル（監視下限設定値）ＶＬより低い場合は（ステップＳ５）は、警報回路３２から警報出力を発する（ステップＳ６）。

続いて、図４、図５を参照しながら、本発明の実施例１について説明する。
図４に示すように、電極１８、１９の間に、１）ワークを挿入しない場合、２）ワークの挿入１枚の場合、３）目標のワーク重ね２枚の場合、４）ワーク重ね３枚の場合の溶接実験を行った。この場合、ワークは０．８ｍｍの軟鋼板、溶接電流７ｋＡ、通電時間１０サイクル、加圧力は２．４５ｋＮであった。

この場合の出力電圧演算平均値Ｖｗと時間（通電サイクル）の関係を図５に示す。なお、この場合の１サイクルは、１／６０秒（６０Ｈｚでの１周期）である。そして、出力電圧演算平均値Ｖｗは表示器３１に表示され、パソコン３６で得ることもできる。

図５において、４サイクル目の１１６Ｖを下限レベルＶＬに、１２８Ｖを上限レベルＶＨに設定し、更に８サイクル目の１１２Ｖを下限レベルＶＬに、１２３Ｖを上限レベルＶＨに設定した。この設定は、監視電圧上限設定部３３と監視電圧下限設定部３４で行われる。この設定によって、溶接開始後、４サイクル目と８サイクル目が上限レベルＶＨ及び下限レベルＶＬの間を外れた場合に警報を発する。

以上の実施例１によって設定した上限レベルＶＨ及び下限レベルＶＬを使用して、実施例２として図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すようにワークの挟持が異なる状態について実験を行った。
図６（Ａ）に示す例では、ワークの端を溶接すると、重ねた上側のワークの端が潰れて溶接部の抵抗が減少することによって、電極間電圧とそれに比例した出力電圧Ｖｏ及び演算電圧Ｖｗが下がり、ＶＬ＞Ｖｗとなって警報を発した。図６（Ｂ）に示す例では、電極を使いすぎて、電極先端の断面積が増加し、電極先端とワークの接触抵抗が減少し、ＶＬ＞Ｖｗとなって警報を発した。また、図６（Ｃ）に示す例では、上電極が傾斜した場合には、溶接電流でワークが発熱すると電極がワークの上を滑り、重ねた上側のワークが電極で削られて厚みが薄くなり、溶接部の抵抗が減少し、ＶＬ＞Ｖｗとなって警報を発した。

前記実施の形態及び実施例においては、溶接トランスの二次側に整流器を配置し、溶接トランスの二次電流を整流して直流の溶接電流を用いてワークの溶接を行っていたが、溶接トランスの二次側に整流器を設けないで、インバータ回路によって変換された交流（周波数は商用交流より高い場合と低い場合がある）の溶接電流を用いて抵抗溶接する場合において、インバータ回路から出力される負荷電流を定電流制御する場合にも、本発明は適用される。

１０：抵抗溶接装置、１０ａ：溶接電源制御装置、１１：整流回路、１２：平滑用コンデンサ、１３：インバータ回路、１４：溶接トランス、１５：整流器、１６、１７：二次導体、１８、１９：電極、２０：ＣＴ、２１：Ａ／Ｄ変換回路、２２：マイクロコンピュータ、２３：ＰＷＭ制御部、２５：出力電圧測定回路、２７：Ａ／Ｄ変換回路、２８：ゲートＯＮ／ＯＦＦ時間測定部、２９：出力電圧演算部、３０：比較回路、３１：表示器、３２：警報回路、３３：監視電圧上限設定部、３４：監視電圧下限設定部、３５：入出力回路、３６：パソコン、３７：ワーク

Claims (6)

1. 商用交流電源を整流回路を介して直流とし、ＰＷＭ制御を行うスイッチング素子を用いて前記直流を、負荷電流の定電流制御を行うインバータ回路によって交流とし、該交流を溶接トランスに印加して、該溶接トランスの二次側から溶接電流を得る抵抗溶接の監視装置であって、
   溶接時の前記溶接トランスの一次側又は二次側電圧に対応する前記ＰＷＭ制御のスイッチング素子のゲート信号のオン時間の比率Ｔｋと、前記整流回路の出力電圧Ｖ２との積（Ｔｋ・Ｖ２）を求め、この積（Ｔｋ・Ｖ２）が予め設定した上限レベルＶＨと下限レベルＶＬの範囲外である場合に、警告を発することを特徴とする抵抗溶接の監視装置。
2. 請求項１記載の抵抗溶接の監視装置において、前記上限レベルＶＨと前記下限レベルＶＬは、外部から独立に設定可能であることを特徴とする抵抗溶接の監視装置。
3. 請求項１又は２記載の抵抗溶接の監視装置において、各溶接時において、前記積（Ｔｋ・Ｖ２）の値をモニター表示することを特徴とする抵抗溶接の監視装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１記載の抵抗溶接の監視装置において、前記積（Ｔｋ・Ｖ２）の値を周辺機器に通信で伝送する手段を備えることを特徴とする抵抗溶接の監視装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１記載の抵抗溶接の監視装置において、前記インバータ回路によって変換された交流は、１００〜２００００Ｈｚの間にあることを特徴とする抵抗溶接の監視装置。
6. 商用交流電源を整流回路を介して直流とし、ＰＷＭ制御を行うスイッチング素子を用いて前記直流を負荷電流の定電流制御を行うインバータ回路によってより周波数の高い交流とし、該交流を溶接トランスに印加して、該溶接トランスの二次側から溶接電流を得る抵抗溶接の監視方法において、
   溶接時の前記溶接トランスの一次側又は二次側電圧に対応する前記ＰＷＭ制御のスイッチング素子のゲート信号のオン時間の比率Ｔｋと、前記整流回路の出力電圧Ｖ２との積（Ｔｋ・Ｖ２）を求め、この積（Ｔｋ・Ｖ２）が予め設定した上限レベルＶＨと下限レベルＶＬの範囲外である場合に、警告を発することを特徴とする抵抗溶接の監視方法。

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