JP2012526658A - スポット溶接ガンの電極における電圧を決定する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、溶接品質の指標として、スポット溶接プロセス中のスポット溶接ガン（１）の電極（３）における電圧（ｕ_ｅ（ｔ））の経時曲線を決定する方法及び装置であって、電極（３）は、互いに移動可能なガンアーム（２）に固定され、電極（３）の間の測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））を測定するデバイス（９）を含み、測定するデバイス（９）は、ガンアーム（２）に沿って延伸する測定リード（６）に接続され、さらに、測定リード（６）の測定誤差を補償するために補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））を測定する補償コイル（７）を含み、測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））を測定するデバイス（９）と、補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））を測定するデバイス（１０）は、別々の検出のための別々のユニットとして設計され、検出した値を処理するデバイス（１１）に接続されている方法及び装置に関する。

Description

本発明は、スポット溶接プロセスの間に、溶接品質の指標としてスポット溶接ガンの電極における電圧を決定する方法に関し、そこでは、電極が互いに相対移動できるガンアームに固定されており、測定電圧が測定リードを介して測定され、誘導された補償電圧が補償コイルによって測定される。

本発明は、また、スポット溶接プロセスの間に、溶接品質の指標としてスポット溶接ガンの電極における電圧を決定する装置であって、電極が互いに相対移動できるガンアームに固定されており、電極の間の測定電圧を測定するデバイスを含み、前記測定するデバイスがガンアームに沿って延伸する測定リードに接続されており、さらに、測定リードにおける測定誤差を補償するための補償電圧を測定する補償コイルを含む装置に関する。

スポット溶接ガンを使用する抵抗溶接プロセスでは、少なくとも２つの溶接される部材が接触し、溶接ガンの電極を介して溶接電流を印加することにより、部材が溶融し、それにより溶接接続が形成される。品質管理の目的で、また、溶接電流進行制御のためにも、スポット溶接の間の溶接電流及び電極電圧の連続的検出が必要である。

通常、部材のオーム抵抗Ｒ（ｔ）及び溶接電流ｉ（ｔ）の一時的変化によってもたらされる、品質に関連する電極電圧は、溶接電流の供給及び戻りラインと平行に配設した測定リードを介して有意に決定される。そのような測定の構成によれば、誘導ループは、供給ライン及び測定リードによって形成され、電圧がスポット溶接プロセスの間に存在する磁界によって誘導され、測定結果を歪める。しばしば、磁界の変化が大きく、誘導電圧が測定すべき電極電圧よりも大きくなる。

測定信号における誘導成分を抑制するために、しばしば、アナログ及びディジタルフィルタが使用される。それは、誘導成分だけでなく、電極電圧Ｒ（ｔ）＊ｉ（ｔ）の経時曲線も歪曲するという欠点がある。

誘導電圧を補償するために、補償コイルが採用され、それによって磁界の影響を低減又は除去する。例えば、ＤＥ３１２９１７０Ａ１に係る溶接装置では、補償コイルが測定リードと溶接電流供給ラインとで形成されるコイルに相互接続されており、誘導電圧による誤差をおおよそ補償できる。それは、磁束の変化を修正できないという欠点がある。そのような磁界の変化は、例えば、部材に対してガンを溶接スポットから溶接スポットに移動することによって発生し、或いは、ガンの磁界中に位置する部材の材料の飽和により溶接プロセスの間に生成される。よって、これらの変化は、事実上、常に発生し、誤差を不規則にする。

さらに、その電圧測定リードが電極の範囲に接触しない測定プロセスにおいて、測定した電圧は、ガンアーム並びに溶接電流の供給及び戻りラインにおける温度の存在によって影響を受ける。これは、温度が供給ラインのオーム抵抗に影響し、それにより電圧降下が生じ、測定結果が歪曲されるからである。

本発明の課題は、スポット溶接プロセスの間、スポット溶接ガンの電極における電圧の経時曲線を可能な限り正確に決定できることによって、上述の方法及び装置を提供することである。従来技術の欠点は、回避又は少なくとも低減される。

手続的表現において、本発明の課題は、測定電圧及び補償電圧が別々に検出され、測定電圧と補償電圧との関係が決定されることによって解決される。従来技術に対して、本方法は、電圧測定と電圧補償との分離した実行を可能にし、それにより誘導電圧を磁束変化から独立して補償でき、電極電圧を正確に測定できる。そして、正確に測定された電極電圧は、改善された結果の溶接品質を可能にする。本方法は、スポット溶接プロセス全体の間、測定電圧及び補償電圧が決定でき、それにより、誘導電圧によって生じた測定誤差の連続的補正が可能になる。

本発明の他の特徴によれば、スポット溶接プロセスの間の測定電圧と補償電圧との間の関係が連続的に決定され、正確な測定が提供されることが企図される。

本方法の有利な変形によれば、電圧に不規則な変化が生じたときに、前記測定電圧と補償電圧との間の関係が決定される。それらの補償コイル内で急な電圧変化が生じたとき、測定電圧信号にも急な電圧変化が生じるはずであるから、誘導電圧の大きさは特に測定電圧と補償電圧とを比較することによってよく判断できる。

本発明のさらなる特徴によれば、電極電圧を決定するために、補償電圧に所定の関係にが乗じられ、測定電圧から差し引かれる。これにより、電極電圧は、誘導電圧の除去によって、溶接及び溶接スポットから溶接スポットまでの間、フィルタリング及び磁束変化によって生じた歪みがなく、非常に正確に決定され得る。

加えて、電極電圧を決定するために、供給ラインのオーム抵抗における電圧降下を、誘導電圧によって調整した測定電圧から差し引くことができる。このように、さらに影響を与える要因を除去でき、電極電圧をより正確に測定できる。

供給ラインのオーム抵抗における電圧降下は、溶接される部材を使用しないスポット溶接プロセスの間の供給ラインのオーム抵抗によって測定できる。よって、溶接される部材を使用しないスポット溶接プロセスが実際のスポット溶接プロセスの前に実行され、誘導電圧によって調節された測定電圧が測定した溶接電流で除され、それにより、供給ラインのオーム抵抗が決定される。したがって、温度によって変化するガン本体における供給ライン抵抗の正確な補正を実行できる。

有利には、測定電圧及び補償電圧は、ディジタル化され処理ユニット、特にマイクロプロセッサに提供される。

有利には、測定電圧を測定するための測定リードによって確定される領域の一部が、補償電圧を測定するための補償コイルによって覆われる。有利には、補償コイルは、好ましくは溶接される部材へのアクセスし易さが阻害されないように配設される。このように、測定リード内及び補償コイル内の誘導電圧が、スポット溶接プロセスの間の隣接する溶接ガンの溶接電流によるような外部磁界によるそれらの形状において互いに一致することも保証され、それにより、測定電圧の中の誘導成分の補償が実行される。

特に、品質管理の目的で、決定された測定電圧及び補償電圧及び／又はそれらから導出された大きさを記憶することが有利である。

本願発明の課題は、測定電圧を測定するデバイスと補償電圧を測定するデバイスとが別々に測定するために別のユニットとして設計され、測定値を処理するデバイスに接続されており、上述のスポット溶接ガンの電極における電圧の経時曲線を決定するための装置によっても解決される。既に上述したように、測定電圧及び補償電圧の別々の検出と処理とによって、電極電圧を、連続的に更新された測定電圧の中の誘導電圧の正確な補償による磁束変化のフィルタリングにより、経時曲線を歪ませることなく、好ましく正確に決定できる。他の利点は、処理デバイス及び測定デバイスが、溶接ガンの近くに、例えばガン本体に設置した測定装置の中に収容されていることである。有利にも、測定データは、処理ユニットにおいて編集され、バスシステムを介して他のシステムの部分が使用可能になる。

利点として、補償コイルは測定リードによって確定される領域の一部を覆うが、溶接される部材へのアクセスし易さを大きく損なわない。

外部磁界の一時的変化の存在を除外できるなら、補償コイルとしてロゴスキーコイルを使用することもできる。ロゴスキーコイルは、フェライトコアのない空気コアコイルであり、溶接電流を導くガン要素の周囲に配設され、それにより、もはやフェライトコアの非線形効果が生じない。有利にも、ロゴスキーコイルは、溶接電流の決定と、補償のための誘導電圧の決定とに、同時に使用され得る。

本発明の他の特徴によれば、処理デバイスが、測定電圧及び補償電圧を決定し、測定電圧と補償電圧との間の関係を決定するように設計されること、並びに、その関係が、不規則な電圧変化が生じたときに、その都度、検出値から決定されることが提供される。前記関係は、不規則な電圧変化が生じたときに、その都度、検出値から決定される。したがって、不規則な電圧変化が生じたときに、その都度、測定電圧と補償電圧とを比較して、全ての溶接期間の間の測定電圧中の誘導電圧の成分を除去できる。

有利には、処理デバイスは、補償電圧に決定した関係を掛け合わせ、関係を掛け合わせた測定電圧を補償電圧から差し引くように設計される。

また、検出した測定電圧、補償電圧及び／又はそれらから導出された大きさを記憶するためのメモリを設けることもできる。

最後に、装置の有利な変形によれば、測定リードは、有利にも、電極の前部に固定され、それにより、電極において生じる電圧降下が温度の変化から独立する。通常、電極は水冷され、それにより、供給ラインの前記冷却部分の温度が単に目立って変化し、このため、運転中に、予め定めた供給ライン抵抗を適切に考慮に入れられる。さらに、運転中連続的に考慮される電極変化は、それにより損なわれない。

電極における電圧の経時曲線を決定するデバイスを含むスポット溶接ガンの概略ブロック図である。 スポット溶接プロセスの間に決定された溶接電流、測定電圧、補償電圧及び電極電圧の経時曲線である。 スポット溶接ガンの電極電圧の経時曲線を決定するデバイスの可能な実施形態のブロック図である。

本願発明は、添付の図面の助けによって、より詳細に説明される。

図１は、互いに相対移動可能なガンアーム２とそれに固定された電極３とを含むスポット溶接ガン１を概略的に示す。適当な供給ライン４を介して、ガンアーム２も介して、電流源５において生成された溶接電流ｉ（ｔ）は、電極３に伝導される。スポット溶接プロセスの間、溶接される部材１３は、電極３によって圧接され、溶接電流ｉ（ｔ）によって溶融されて、溶接スポットが形成される。スポット溶接プロセスの間の溶接ガン１の電極３の間の電圧ｕ_ｅ（ｔ）の経時曲線を決定するために、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）が測定リード６を介して測定される。前記測定リード６は、好ましくはガンアーム２全体に沿って案内され、スポット溶接ガン１の上に配置された測定デバイス８に接続される。しかし、特に流れている溶接電流ｉ（ｔ）によって、電圧ｕ_ｉ（ｔ）が測定リード６内に誘導され、測定結果が歪められる。加えて、誘導電圧ｕ_ｉ（ｔ）が部材１３により影響を受ける。前記誘導電圧ｕ_ｉ（ｔ）を補償するために、補償コイル７が、コイルの磁気結合を提供するために、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）に重ねて、好ましくは、測定リード６及び電極３で形成したコイルの一部の上に配設される。補償コイル７の中に、電圧は、スポット溶接プロセスの間流れている溶接電流ｉ（ｔ）によって誘導されるのみであり、補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）として測定される。好ましくは、補償コイル７は、ガンアーム２及び旋回アーム１４の一部の上に案内され、スポット溶接ガン１のアクセスし易さを損なわない。適当な測定デバイス８の中で、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）及び補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）が検出されて互いに独立して処理されることが重要である。このため、補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）に基づいて、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）の中に誘導された電圧ｕ_ｉ（ｔ）を決定でき、電極電圧ｕ_ｅ（ｔ）を正確に決定できる。

図２は、中程度の周波数のシステムにおけるスポット溶接プロセスの間の電極電圧ｕ_ｅ（ｔ）の経時曲線を決定するための本発明の方法における、直流の装置の溶接電流ｉ（ｔ）の経時曲線、中程度の周波数の測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）及び補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）を示す。溶接電流ｉ（ｔ）は、電流源５から電極３まで、供給ライン４及びガンアーム２を介して、オーム誘導回路の中に流れ、このため、不規則ではない。正負の立ち上がりを有する溶接電流ｉ（ｔ）の部分は、電流源５の中の溶接トランスの適切な動作によって生成される。図では、電位の形態の現実的曲線の替わりに、溶接電流ｉ（ｔ）の正負の立ち上がりが直線によって近似されている。さらに、不規則な信号部分の有限の立ち上がりは、垂直に近似されている。

測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）は、誘導電圧ｕ_ｉ（ｔ）及び電極電圧ｕ_ｅ（ｔ）からなる。溶接される部材１３が測定リード６が形成したコイルの中に移動して、コイルの磁束を変化させるので、誘導電圧ｕ_ｉ（ｔ）は部材１３により影響を受ける。図１に矢印で示すように、部材１３の位置は、溶接スポット毎に変化することに注意が必要である。

測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）に対し、補償コイル７における電圧曲線ｕ_ｋ（ｔ）は、部材１３が補償コイル７の中の磁束には影響しないので、溶接電流ｉ（ｔ）の放出に比例する。補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）及び測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）の曲線の不規則な変化は、溶接電流ｉ（ｔ）の曲線の傾斜の変わり目に関係する。

電圧が不規則に変化する範囲で、例えば、時点ｔ１において、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）と補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）とを比較することによって、測定デバイス８は、電圧変化のステップの大きさに基づいて関係ｖ（ｔ）を決定できる。前記関係ｖ（ｔ）は、測定コイル及び補償コイル７の不規則な領域を平衡させ、誘導電圧ｕ_ｉ（ｔ）を補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）から結論づける必要がある。もしも補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）に前記決定された関係Ｖ（ｔ）が乗じられて、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）から差し引かれれば、電極電圧ｕ_ｅ（ｔ）が非常に正確に得られる。このため、誘導電圧ｕ_ｉ（ｔ）は、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）から取り除かれる。加えて、供給ライン４の抵抗のために、電圧降下ｕ_Ｌ（ｔ）がさらに前記電極電圧ｕ_ｅ（ｔ）から差し引かれる。これは、測定リード６が電極のそれらの溶接スポットを生成する位置に案内され得ないので必要である。したがって、電極は、定期的に交換されなければならない。このために、測定リード６は、重要なことに、それぞれ１つの電極を受け入れるいわゆる電極ソケット１５に固定される。つまり、この場合、抵抗である電極３及び供給ライン４における電圧降下ｕ_Ｌ（ｔ）も測定される。前記電圧降下ｕ_Ｌ（ｔ）を差し引くために、溶接される部材なしに、スポット溶接プロセスの間のオーム抵抗の値を決定する必要がある。このために、部材なしに電極３が互いに接触したスポット溶接プロセスが意義深く実行される。したがって、電圧降下ｕ_Ｌ（ｔ）は、補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）を測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）から差し引くことで得られる。前記電圧降下ｕ_Ｌ（ｔ）は、測定リード６が水冷された電極３の前部である電極ソケット１５に固定されているので、それ以上は有意に変化しない。それ故、電極３の温度は、実質的に安定して保持され、電圧降下ｕ_Ｌ（ｔ）に影響を与えない。このため、最終的に電極電圧ｕ_ｅ（ｔ）にそれでも含まれる僅かな電圧降下ｕ_Ｌ（ｔ）が正確に決定される。これにより、溶接スポット品質は、電極電圧ｕ_ｅ（ｔ）に基づいて非常に正確に評価される。

電極電圧ｕ_ｅ（ｔ）を連続的に決定するために、不規則な電圧変化の度に、関係ｖ（ｔ）を更新又は再決定する必要がある。例えば、不規則な電圧変化は、１０ｋＨｚまでの範囲の周波数、例えば２ｋＨｚで起こる。不規則な変化の間に、電極電圧ｕ_ｅ（ｔ）は、前の不規則な電圧変化の際に決定した関係ｖ（ｔ）によって決定される。このため、電極電圧ｕ_ｅ（ｔ）の概算は、有意にも、不規則な電圧変化の間に行われる。よって、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）の中に誘導された電圧ｕ_ｉ（ｔ）の恒久的な除去が保証される。本方法は、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）と補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）とが同様に変化するので、スポット溶接ガン１を取り囲む外部磁界によって阻害されない。

最後に、図３は、スポット溶接ガンの電極における電圧ｕ_ｅ（ｔ）の経時曲線を決定するための可能な、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）を測定するデバイス９と補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）とを測定するデバイス１０とを含んだ測定デバイス８のブロック図を示す。両方の測定デバイス９，１０は、好ましくは、アナログ−ディジタル変換器によって形成される。よって、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）及び補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）のディジタル化された値が、測定信号の処理と電極電圧ｕ_ｅ（ｔ）の決定とが本発明にしたがって実行される処理デバイス１１、具体的には、マイクロプロセッサ又はフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）に提供される。加えて、処理デバイス１１は、検出した測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）及び補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）、又は、測定電圧ｕ_ｍ（ｔ）及び補償電圧ｕ_ｋ（ｔ）を処理した大きさを記憶するためのメモリ１２を備え得る。好ましくは、測定デバイス８も、ガン本体（図１）に固定され、バスシステムを介してスポット溶接ガン１のさらなるシステム部品に接続される。このため、アナログ電圧のディジタル化は、測定デバイス８内でガン本体において直接実行される。品質の確実性を改善するために、リアルタイムバスシステムを採用することが好ましい。

Claims (16)

1. 溶接品質の指標として、スポット溶接プロセス中のスポット溶接ガン（１）の電極（３）における電極電圧（ｕ_ｅ（ｔ））の経時曲線を決定する方法であって、前記電極（３）は、互いに対して移動可能なガンアーム（２）に固定され、測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））が測定リード（６）を介して測定され、誘導された補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））が補償コイル（７）を使用して測定され、前記測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））及び前記補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））は、別々に検出され、前記測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））と前記補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））との関係（ｖ（ｔ））が決定されることを特徴とする方法。
2. 前記関係（ｖ（ｔ））は、前記スポット溶接プロセスの間、連続的に決定されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記関係（ｖ（ｔ））は、不規則な電圧変化が生じたときに、その度に決定されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））は、決定された前記関係（ｖ（ｔ））が乗じられ、前記測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））から差し引かれて前記電極電圧（ｕ_ｅ（ｔ））を決定することを特徴とする請求項２に記載の方法。
5. 前記供給ライン（４）の抵抗における電圧降下（ｕ_Ｌ（ｔ））が、誘導電圧（ｕ_ｉ（ｔ））によって調整した前記測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））から差し引かれて、前記電極電圧（ｕ_ｅ（ｔ））を決定することを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記スポット溶接プロセスの間の前記電圧降下（ｕ_Ｌ（ｔ））を決定するための前記供給ライン（４）のオーム抵抗が、溶接される部材（１３）なしに予め決定されることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））及び前記補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））は、ディジタル化されて処理デバイス（１１）に送られることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記測定リード（６）によって確定された領域の一部が、前記補償コイル（７）によって覆われていることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 検出した前記測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））及び前記補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））、並びに／或いは、両者から導出した大きさが記憶されることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 溶接品質の指標として、スポット溶接プロセスの間のスポット溶接ガン（１）の電極（３）における電極電圧（ｕ_ｅ（ｔ））の経時曲線を決定するための装置であって、前記電極（３）は、互いに対して移動可能なガンアーム（２）に固定され、前記電極（３）の間の測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））を測定するデバイス（９）を含み、前記する測定デバイス（９）は、前記ガンアーム（２）に沿って延伸する測定リード（６）に接続され、さらに、前記測定リード（６）の測定誤差を補償するために補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））を測定する補償コイル（７）を含み、前記測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））を測定するデバイス（９）と、前記補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））を測定するデバイス（１０）とは、別々の検出のための別々のユニットとして設計され、検出した値を処理するデバイス（１１）に接続されていることを特徴とする装置。
11. 前記補償コイルは、前記測定リードによって確定される領域の一部を覆うことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記補償コイルは、ロゴスキーコイルからなることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の装置。
13. 前記処理するデバイス（１１）は、前記測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））及び前記補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））を検出し、前記測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））と前記補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））との間の関係（ｖ（ｔ））を決定するように設計されており、前記関係（ｖ（ｔ））は、不規則な電圧変化が生じたときに、その都度検出された値から決定され得ることを特徴とする請求項１０から１２のいずれかに記載の装置。
14. 前記処理するデバイス（１１）は、前記補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））に決定された前記関係（ｖ（ｔ））を乗じ、前記関係（ｖ（ｔ））を乗じた前記補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））を前記測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））から減じて、前記電極電圧（ｕ_ｅ（ｔ））を決定するように設計されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
15. 検出した前記測定電圧（ｕ_ｍ（ｔ））、前記補償電圧（ｕ_ｋ（ｔ））及び／又はそれらから導出した大きさを記憶するメモリを備えることを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載の装置。
16. 前記測定リード（６）は、前記電極（３）の前部に有意に固定されていることを特徴とする請求項１０から１５にいずれかに記載の装置。

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