JP2015089554A - 溶接電源装置、および、溶接システム - Google Patents

Abstract

【課題】パワーケーブルに重畳されるノイズを除去することができ、かつ、通信信号を減衰させない溶接電源装置を提供する。【解決手段】電源部１１が生成した直流電力を、パワーケーブル４１，４２を介して出力する溶接電源装置１において、パワーケーブル４１，４２を介して通信を行う通信部１３と、出力端に並列接続されたバイパスコンデンサ１５と、バイパスコンデンサ１５に直列接続された、所定電圧以上で導通するシリコンスイッチ１６とを備えるようにした。所定電圧を無負荷電圧に通信信号の電圧を加えた電圧より高く、溶接電源装置１に悪影響を与えるノイズの電圧より低い電圧とすれば、問題になるノイズはバイパスコンデンサ１５によってバイパスされ、通信信号はバイパスコンデンサ１５によってバイパスされない。【選択図】図１

Description

本発明は、パワーケーブルを介して通信を行う溶接電源装置、および、当該溶接電源装置を備えている溶接システムに関する。

消耗電極式の溶接システムは、通常、重量があるために移動させない溶接電源装置と、溶接個所の変更に伴って溶接作業者が持ち運びするワイヤ送給装置とに分離されている。溶接電源装置とワイヤ送給装置とは、パワーケーブルで接続されている。

図５は、従来の溶接電源装置１００を説明するための図であり、溶接システムＡ１００の全体構成を示している。ワイヤ送給装置２００の送給機構２３は、ワイヤ電極を溶接トーチ３００に送り出して、ワイヤ電極の先端を溶接トーチ３００の先端から突出させる。溶接電源装置１００は、ワイヤ電極の先端と被加工物Ｗとの間に発生させたアークに、パワーケーブル４１，４２を介して電力を供給する。溶接システムＡ１００は、当該アークの熱で被加工物Ｗの溶接を行う。

溶接現場では他の溶接システムも稼働している。例えば、溶接システムＡ１００の近くに配置された溶接電源装置がアークスタート時に高電圧高周波を発生させた場合、パワーケーブル４１，４２にノイズが重畳される場合がある。このノイズによる故障や誤動作を防止するために、溶接電源装置１００の出力端には、バイパスコンデンサ１５が並列接続されている。ノイズはバイパスコンデンサ１５によってバイパスされるため、溶接電源装置１００の内部に侵入せず、ノイズによる故障や誤動作が抑制される。

また、パワーケーブルを介してワイヤ送給装置と通信を行う溶接電源装置が開発されている。例えば、特許文献１には、直接スペクトル拡散（Direct Sequence Spread Spectrum:DSSS）通信方式を用いて、パワーケーブルを介して、溶接電源装置とワイヤ送給装置とで通信信号の送受信を行う溶接システムが記載されている。

特開２００３−１９１０７５号公報

図５に示す従来の溶接電源装置１００において、パワーケーブル４１，４２を介してワイヤ送給装置２００と通信を行うようにした場合、高周波のキャリア信号を用いる通信信号もバイパスコンデンサ１５によってバイパスされてしまうので、通信信号が著しく減衰して、正しく通信を行うことができない。

本発明は上記した事情のもとで考え出されたものであって、パワーケーブルに重畳されるノイズを除去することができ、かつ、通信信号を減衰させない溶接電源装置を提供することをその目的としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面によって提供される溶接電源装置は、電源手段が生成した直流電力を、電力伝送線を介して出力する溶接電源装置であって、前記電力伝送線を介して通信を行う通信部と、出力端に並列接続されたバイパスコンデンサと、前記バイパスコンデンサに直列接続された、所定電圧以上で導通する双方向性電圧スイッチとを備えていることを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記双方向性電圧スイッチは、シリコンサージアブソーバである。

本発明の第２の側面によって提供される溶接電源装置は、電源手段が生成した直流電力を、電力伝送線を介して出力する溶接電源装置であって、前記電力伝送線を介して通信を行う通信手段と、出力端に並列接続された、所定電圧以上を通過させる双方向性電圧クランプ機能を有する素子とを備えていることを特徴とする。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記素子は、シリコンサージクランパである。

本発明の好ましい実施の形態においては、前記所定電圧は、無負荷電圧に通信信号の電圧を加えた電圧より高く、前記溶接電源装置に悪影響を与えるノイズの電圧より低い電圧である。

本発明の第３の側面によって提供される溶接システムは、本発明の第１または第２の側面によって提供される溶接電源装置と、前記溶接電源装置から電力を供給される溶接トーチとを備えていることを特徴とする。

本発明によると、双方向性電圧スイッチは、所定電圧以上で導通し、所定電圧未満では導通しない。したがって、所定電圧を適切に設定することで、所定電圧以上になる高電圧高周波であるノイズをバイパスコンデンサがバイパスして溶接電源装置内部に侵入させず、電圧の低い通信信号をバイパスしないようにすることができる。これにより、電力伝送線に重畳されるノイズを除去し、かつ、通信信号を減衰させずに通信部に入力することができる。

本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

第１実施形態に係る溶接電源装置を説明するための図である。 第１実施形態に係る溶接電源装置の効果を確認するための実験結果を示す図である。 第１実施形態に係る溶接電源装置の他の実施例を説明するための図である。 第２実施形態に係る溶接電源装置を説明するための図である。 従来の溶接システムを説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

図１は、第１実施形態に係る溶接電源装置１を説明するための図であり、溶接システムＡの全体構成を示している。

図１に示すように、溶接システムＡは、溶接電源装置１、ワイヤ送給装置２、溶接トーチ３、および、パワーケーブル４１,４２を備えている。溶接電源装置１の一方の出力端子ａは、パワーケーブル４１を介して、ワイヤ送給装置２に接続されている。ワイヤ送給装置２は、ワイヤ電極を溶接トーチ３に送り出して、ワイヤ電極の先端を溶接トーチ３の先端から突出させる。溶接トーチ３の先端に配置されているコンタクトチップにおいて、パワーケーブル４１とワイヤ電極とは電気的に接続されている。溶接電源装置１の他方の出力端子ｂは、パワーケーブル４２を介して、被加工物Ｗに接続される。溶接電源装置１は、溶接トーチ３の先端から突出するワイヤ電極の先端と、被加工物Ｗとの間に発生させたアークに電力を供給する。溶接システムＡは、当該アークの熱で被加工物Ｗの溶接を行う。

溶接電源装置１は、アーク溶接のための直流電力を溶接トーチ３に供給するものである。溶接電源装置１は、電源部１１、制御部１２、通信部１３、直流リアクトル１４、バイパスコンデンサ１５、および、シリコンスイッチ１６を備えている。

電源部１１は、電力系統から入力される三相交流電力をアーク溶接に適した直流電力に変換して出力するものである。電源部１１に入力される三相交流電力は、整流回路によって直流電力に変換され、インバータ回路によって交流電力に変換される。そして、トランスによって降圧（または昇圧）され、整流回路によって直流電力に変換されて出力される。なお、電源部１１の構成は、上記したものに限定されない。

制御部１２は、溶接電源装置１の制御を行うものであり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。制御部１２は、溶接電源装置１から出力される溶接電圧や溶接電流が設定電圧や設定電流になるように、制御を行う。また、制御部１２は、溶接条件の変更や電源部１１の起動、異常の検出などを行う。また、制御部１２は、ワイヤ送給装置２に対する送給指令などのための信号を通信部１３に出力させる。

通信部１３は、パワーケーブル４１，４２を介して、ワイヤ送給装置２との間で通信を行うためのものである。通信部１３は、ワイヤ送給装置２から受信した通信信号を復調して、制御部１２に出力する。ワイヤ送給装置２から受信する通信信号には、例えば、溶接条件を設定するための信号や、電源部１１の起動を指示する起動信号などがある。また、通信部１３は、制御部１２から入力される信号を変調して、ワイヤ送給装置２に送信する。ワイヤ送給装置２に送信する通信信号には、例えば、検出された溶接電圧または溶接電流の検出信号や、異常発生を示す信号、送給指令のための信号などがある。なお、ワイヤ送給装置２との間で送受信される通信信号は、上記したものに限定されない。

通信部１３は、直接スペクトル拡散（Direct Sequence Spread Spectrum:DSSS）通信方式を用いて通信を行う。直接スペクトル拡散通信方式では、送信側は、送信する通信信号に対して拡散符号による演算を行い、元の信号のスペクトルをより広い帯域に拡散して送信する。受信側は、受信した通信信号を共通する拡散符号を用いて逆拡散することで、元の信号に戻す。溶接システム毎に異なる拡散符号を用いていれば、別の溶接システムで送受信される通信信号を誤って受信したとしても、当該通信信号は異なる拡散符号で逆拡散されて、ノイズとして除去される。したがって、高い通信品質で通信を行うことができる。

通信部１３は、パワーケーブル４１,４２が接続される出力線に並列接続されているコイルに磁気結合したコイルを備えている。通信部１３は、当該コイルを介して、通信信号をパワーケーブル４１,４２で送信し、また、パワーケーブル４１,４２で送られる通信信号を当該コイルによって検出する。通信部１３は、制御部１２より入力される信号に応じてキャリア信号をＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）変調し、変調信号にスペクトル拡散を行い、アナログ信号に変換して送信する。なお、変調方法はＢＰＳＫ変調に限られず、ＡＳＫ変調やＦＳＫ変調を行うようにしてもよい。また、スペクトル拡散は直接拡散方式に限られず、周波数ホッピング方式を用いてもよい。なお、本実施形態では、スペクトル拡散を行っているが、これに限定されず、スペクトル拡散を行わないようにしてもよい。また、通信部１３は、パワーケーブル４１,４２で送られる通信信号をコイルによって検出し、デジタル信号に変換して、逆拡散およびフィルタリングを行い、復調を行って、制御部１２に出力する。なお、溶接電源装置１からワイヤ送給装置２に送信する通信信号と、ワイヤ送給装置２から溶接電源装置１に送信する通信信号とでは、異なる周波数帯域を利用している。また、通信信号は数ボルト程度の低電圧に設定されている。

直流リアクトル１４は、電源部１１の正極側の出力線に直列に接続されている直流リアクトルであり、溶接電源装置１が出力する溶接電流を安定させるためのものである。また、直流リアクトル１４は、高周波に対して高インピーダンスになるので、高周波が電源部１１に入力されることを抑制する。なお、出力線のインダクタンスで代用できる場合は、直流リアクトル１４を設けなくてもよい。

バイパスコンデンサ１５は、出力端子ａおよび出力端子ｂに並列接続されているコンデンサであり、パワーケーブル４１，４２に重畳されたノイズをバイパスするものである。

シリコンスイッチ１６は、バイパスコンデンサ１５に直列に接続されている双方向性の電圧スイッチである。シリコンスイッチ１６は、端子間に係る電圧が所定電圧未満の場合には高インピーダンスであり、ほとんど電流が流れず、所定電圧を超えると電流が急激に増加する。この所定電圧を以下では、ブレークダウン電圧と記載する。つまり、シリコンスイッチ１６は、端子間に係る電圧がブレークダウン電圧未満の場合には導通せず、ブレークダウン電圧をこえた場合にのみ導通する。本実施形態では、シリコンスイッチ１６として、シリコンサージアブソーバを用いている。シリコンスイッチ１６は、ブレークダウン電圧が溶接電源装置１の無負荷電圧に通信信号の電圧を加えた電圧より高く、溶接電源装置１に悪影響を与えるノイズの電圧より低いものが用いられる。本実施形態では、ブレークダウン電圧が、例えば百数十ボルト程度のものを用いている。

ワイヤ送給装置２は、ワイヤ電極を溶接トーチ３に送り出すものである。ワイヤ送給装置２は、制御部２１、通信部２２、および、送給機構２３を備えている。なお、ワイヤ送給装置２は、ガスタンクのシールドガスを溶接トーチ３の先端に供給するためのガス電磁弁などを備えているが、記載を省略している。

制御部２１は、ワイヤ送給装置２の制御を行うものであり、例えばマイクロコンピュータなどによって実現されている。制御部２１は、通信部２２との間で各種信号の入出力を行う。

制御部２１は、トーチ３に設けられている図示しないトーチスイッチより入力される起動のための操作信号に応じて、溶接電源装置１の電源部１１を起動するための起動信号を通信部２２に出力する。また、図示しない操作部より入力される溶接条件を変更するための操作信号に応じて、図示しない記憶部に記憶されている溶接条件を変更する。制御部２１は、あらかじめ設定された送信周期ごとに、記憶部に記憶されている溶接条件を読み出して、通信部２２に出力する。また、制御部２１は、通信部２２より入力される溶接電圧または溶接電流の検出値を、図示しない表示部に出力して表示させたり、通信部２２より入力される異常発生を示す信号に基づいて、図示しない報知部に異常の報知（例えば、スピーカによる警告音や振動による報知）をさせたりする。また、制御部２１は、通信部２２から送給指令を入力されている間、送給機構２３にワイヤ電極の送給を行わせて、溶接トーチ３にワイヤ電極を送り出す。

通信部２２は、パワーケーブル４１，４２を介して、溶接電源装置１との間で通信を行うためのものである。通信部２２は、溶接電源装置１から受信した通信信号を復調して、制御部２１に出力する。溶接電源装置１から受信する通信信号には、例えば、溶接電源装置１においてセンサで検出された溶接電圧または溶接電流の検出信号や、異常発生を示す信号、送給指令のための信号などがある。また、通信部２２は、制御部２１から入力される信号を変調して、溶接電源装置１に送信する。溶接電源装置１に送信する通信信号には、例えば、溶接条件を設定するための信号や、電源部１１の起動を指示する起動信号などがある。なお、溶接電源装置１との間で送受信される通信信号は、上記したものに限定されない。

通信部２２は、パワーケーブル４１,４２に並列接続されているコイルに磁気結合したコイルを備えている。通信部２２は、当該コイルを介して、通信信号をパワーケーブル４１,４２で送信し、また、パワーケーブル４１,４２で送られる通信信号を当該コイルによって検出する。通信部２２は、制御部２１より入力される信号に応じてキャリア信号をＢＰＳＫ（Binary Phase Shift Keying）変調し、変調信号にスペクトル拡散を行い、アナログ信号に変換して送信する。なお、変調方法はＢＰＳＫ変調に限られず、ＡＳＫ変調やＦＳＫ変調を行うようにしてもよい。また、スペクトル拡散は直接拡散方式に限られず、周波数ホッピング方式を用いてもよい。なお、本実施形態では、スペクトル拡散を行っているが、これに限定されず、スペクトル拡散を行わないようにしてもよい。また、通信部２２は、パワーケーブル４１,４２で送られる通信信号をコイルによって検出し、デジタル信号に変換して、逆拡散およびフィルタリングを行い、復調を行って、制御部２１に出力する。

送給機構２３は、溶接トーチ３にワイヤ電極の送給を行うものである。送給機構２３は、制御部２１からの送給指令に基づいて、モータによって送給ローラを回転させて、ワイヤ電極を溶接トーチ３に送り出す。

本実施形態によると、溶接電源装置１とワイヤ送給装置２とは、パワーケーブル４１,４２に重畳することで通信信号を送信し、パワーケーブル４１,４２に重畳された通信信号を検出することで受信する。溶接時の溶接電圧より無負荷時の無負荷電圧の方が高い電圧になるが、通信信号の電圧は数ボルト程度なので、無負荷時に通信を行った場合でも通信信号重畳後の電圧はブレークダウン電圧を超えない。シリコンスイッチ１６の端子間に係る電圧がブレークダウン電圧未満の場合、シリコンスイッチ１６は導通しないので、シリコンスイッチ１６に直列に接続されているバイパスコンデンサ１５は機能しない。したがって、通信信号がバイパスコンデンサ１５によってバイパスされることはなく、通信信号は減衰しない。よって、ワイヤ送給装置２が送信した通信信号は通信部１３で適切に受信され、通信部１３が送信した通信信号はワイヤ送給装置２で適切に受信される。

一方、溶接電源装置１に悪影響を与えるノイズの電圧は数百ボルト以上になるので、シリコンスイッチ１６の端子間に係る電圧がブレークダウン電圧を超えて、シリコンスイッチ１６が導通する。したがって、ノイズがバイパスコンデンサ１５によってバイパスされ、溶接電源装置１の内部に侵入することを防ぐ。

図２は、本実施形態に係る溶接電源装置１の効果を確認するための実験結果を示す図である。

本実験では、通信信号として数ボルトで８ＭＨｚの信号を入力した場合の周波数毎の減衰量を、実機において測定した。図２（ａ）はシリコンスイッチ１６を設けなかった場合（図５の溶接電源装置１００参照）の信号スペクトルを示し、図２（ｂ）はシリコンスイッチ１６を設けた場合（図１の溶接電源装置１参照）の信号スペクトルを示している。

図２（ａ）に示す信号スペクトルでは、８ＭＨｚの信号が他の周波数の信号と同様に減衰しているので、バックグランドに対して分離が困難である。一方、図２（ｂ）に示す信号スペクトルでは、８ＭＨｚの信号の減衰量が小さいので、バックグランドとの分離が容易である。つまり、シリコンスイッチ１６を設けなかった場合と比べて、通信性能が大幅に改善されている。

また、ノイズを入力した場合の実験も行った。シリコンスイッチ１６を設けた場合も、設けなかった場合と同様に、ノイズを抑制することができており、耐ノイズ性を維持していることが確認できた。つまり、溶接電源装置１は、従来の溶接電源装置１００に対して、耐ノイズ性を維持したまま、信号伝達性を改善したものであることが確認できた。

なお、本実施形態においては、通信部１３が、コイルによる磁気結合を利用する場合について説明したが、これに限られない。例えば、コンデンサによる電界結合を利用して通信信号をパワーケーブル４１,４２に重畳するようにしてもよい。また、パワーケーブル４１,４２に並列に通信信号を入力するのではなく、パワーケーブル４１または４２に直列に通信信号を入力するようにしてもよい。

本実施形態においては、溶接電源装置１がワイヤ送給装置２と通信を行う場合について説明したが、これに限られない。例えば、溶接電源装置１が、溶接トーチ３やパワーケーブル４１の途中に設けられた中継装置を介して、遠隔操作装置と通信を行う場合にも、本発明を用いることができる。本発明は、通信相手に関係なく、パワーケーブル４１を介して通信を行う場合に、効果を奏することができる。

本実施形態においては、シリコンスイッチ１６としてシリコンサージアブソーバを用いた場合について説明したが、これに限られない。シリコンスイッチ１６は、所定電圧以上で導通するものであればよく、例えば、双方向２端子サイリスタ（サイダック（登録商標））等であってもよく、ツェナーダイオードを逆直列接続したものであってもよい。また、応答が早ければ、バリスタを用いることもできる。また、シリコンスイッチに限定されず、放電を利用したマイクロギャップ式のサージアブソーバを用いてもよい。

また、シリコンスイッチ１６に代えて、電圧クランプ機能を有するシリコンスイッチ１６’（例えば、シリコンサージクランパ）を用いるようにしてもよい。この場合、端子間に係る電圧がブレークオーバー電圧を超えて、シリコンスイッチ１６’が導通しても、ブレークオーバー電圧が維持されるので、電源部１１の出力が短絡することがない。したがって、バイパスコンデンサ１５を省略することができる（図３参照）。

上記第１実施形態においては、パワーケーブル４２が接続される端子ｂが接地されている場合について説明したが、これに限られない。例えば、パワーケーブル４１が接続される端子ａが正電位となり、パワーケーブル４２が接続される端子ｂが負電位となる場合でも、本発明を適用することができる。この場合を第２実施形態として、以下に説明する。

図４は、第２実施形態に係る溶接電源装置１’を説明するための図である。図４において、第１実施形態に係る溶接電源装置１(図１参照）と同一または類似の要素には、同一の符号を付している。

図４に示す溶接電源装置１’は、バイパスコンデンサ１５とシリコンスイッチ１６に、バイパスコンデンサ１５とシリコンスイッチ１６とがさらに直列接続されており、２つのシリコンスイッチ１６の間で接地されている点で、第１実施形態に係る溶接電源装置１と異なる。第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

本発明に係る溶接電源装置および溶接システムは、上述した実施形態に限定されるものではない。本発明に係る溶接電源装置および溶接システムの各部の具体的な構成は、種々に設計変更自在である。

Ａ 溶接システム
１，１’ 溶接電源装置
１１ 電源部
１２ 制御部
１３ 通信部
１４ 直流リアクトル
１５ バイパスコンデンサ
１６ シリコンスイッチ（双方向性電圧スイッチ、シリコンサージアブソーバ）
１６’ シリコンスイッチ（双方向性電圧クランプ機能を有する素子、シリコンサージクランパ）
２ ワイヤ送給装置
２１ 制御部
２２ 通信部
２３ 送給機構
３ 溶接トーチ
４１，４２ パワーケーブル（電力伝送線）
Ｗ 被加工物

Claims (6)

1. 電源手段が生成した直流電力を、電力伝送線を介して出力する溶接電源装置であって、
   前記電力伝送線を介して通信を行う通信手段と、
   出力端に並列接続されたバイパスコンデンサと、
   前記バイパスコンデンサに直列接続された、所定電圧以上で導通する双方向性電圧スイッチと、
   を備えていることを特徴とする溶接電源装置。
2. 前記双方向性電圧スイッチは、シリコンサージアブソーバである、
   請求項１に記載の溶接電源装置。
3. 電源手段が生成した直流電力を、電力伝送線を介して出力する溶接電源装置であって、
   前記電力伝送線を介して通信を行う通信手段と、
   出力端に並列接続された、所定電圧以上を通過させる双方向性電圧クランプ機能を有する素子と、
   を備えていることを特徴とする溶接電源装置。
4. 前記素子は、シリコンサージクランパである、
   請求項３に記載の溶接電源装置。
5. 前記所定電圧は、無負荷電圧に通信信号の電圧を加えた電圧より高く、前記溶接電源装置に悪影響を与えるノイズの電圧より低い電圧である、
   請求項１ないし４のいずれかに記載の溶接電源装置。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の溶接電源装置と、前記溶接電源装置から電力を供給される溶接トーチと、
   を備えていることを特徴とする溶接システム。

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