JP2767328B2 - 抵抗溶接制御装置及び抵抗溶接測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流式抵抗溶接機にお
いてスプラッシュ発生の有無を検出する機能を備えた抵
抗溶接制御装置および抵抗溶接測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】抵抗溶接時に被溶接材（ワーク）からス
プラッシュが飛ぶと、製品の品質を損ねるだけでなく、
作業環境の悪化、産業廃棄物等の環境問題を招くため、
スプラッシュを抑制することが今日の重要な要請となっ
ている。

【０００３】したがって、スプラッシュが発生したとき
は、その事態を検出し、溶接電流を低減する等の処置を
早めにとる必要がある。一般の抵抗溶接作業場において
は、作業員が目視でスプラッシュ発生の有無を検出し、
手操作で溶接電流等の調整を行っているが、生産性向上
・人手不足解消等の面から、自動化が急務とされてい
る。

【０００４】従来から、スプラッシュを検出ないし抑制
する機能を備えた抵抗溶接制御又は検出装置はいろいろ
ある。これら従来装置のいずれも、抵抗溶接機の二次回
路の電圧または電流、あるいは電極チップ間の抵抗をモ
ニタし、それらの時間特性に基づいてスプラッシュの有
無を検出するものであった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、抵抗溶接機に
おいては、二次回路を構成する二次導体、電極チップ等
が可動部になっていて、ロボットハンドリングや加圧動
作によって頻繁に運動・移動する。このため、従来の装
置では、二次回路に設けたトロイダルコイルの出力線
や、電極チップに接続される電圧検出器のセンス線等
が、それら可動部の運動・移動の際に捩じれたり何かに
引っ掛けて切断することがあり、安全性・信頼性の点で
問題があった。

【０００６】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、安全性・信頼性の高い簡易な回路構成でスプラ
ッシュ発生の有無を高い精度で自動的に検出するように
した抵抗溶接制御装置および抵抗溶接測定装置を提供す
ることを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の抵抗溶接制御装置は、交流式抵抗溶接機
の一次回路または二次回路に印加される交流電圧の極性
が変化する時点を検出するゼロ電圧検出手段と、前記交
流式抵抗溶接機の一次回路または二次回路に流れる交流
電流ｉの各導通終了時点を検出するゼロ電流検出手段
と、前記ゼロ電圧検出手段からのゼロ電圧検出信号に応
答して各半サイクルまたは各１サイクル毎の点弧角φを
規定する点弧角制御信号を発生する点弧角制御手段と、
前記ゼロ電圧検出手段からのゼロ電圧検出信号と前記ゼ
ロ電流検出手段からのゼロ電流検出信号とに基づいて各
半サイクルまたは各１サイクル毎に遅れ角δを検出する
遅れ角検出手段と、前記点弧角制御手段より与えられる
点弧角φと前記遅れ角検出手段より得られる遅れ角δと
に基づいて下記の式から力率角ψを求める力率角演算手
段と、 ｉ＝ｓｉｎ（ωｔ＋ψ−ψ）−ｓｉｎ（φ−ψ）・ｅｘｐ（−Ｒ／Ｌ）ｔ ［ωは交流電圧および電流の角周波数、Ｌは前記交流式
抵抗溶接機におけるインダクタンス、Ｒは前記交流式抵
抗溶接機における一次および二次導体の抵抗ならびに被
溶接材の抵抗を含む合成抵抗］前記力率角演算手段より
得られる力率角ψの変化に基づいてスプラッシュ発生の
有無を検出するスプラッシュ検出手段とを具備する構成
とした。

【０００８】また、上記の目的を達成するために、本発
明の抵抗溶接測定装置は、交流式抵抗溶接機の一次回路
または二次回路に印加される交流電圧の極性が変化する
時点を検出するゼロ電圧検出手段と、前記交流式抵抗溶
接機の一次回路または二次回路に流れる交流電流ｉの各
導通終了時点を検出するゼロ電流検出手段と、前記ゼロ
電圧検出手段からのゼロ電圧検出信号と前記ゼロ電流検
出手段からのゼロ電流検出信号とに基づいて各半サイク
ルまたは各１サイクル毎に点弧角４を検出する点弧角検
出手段と、前記ゼロ電圧検出手段からのゼロ電圧検出信
号と前記ゼロ電流検出手段からのゼロ電流検出信号とに
基づいて各半サイクルまたは各１サイクル毎に遅れ角δ
を検出する遅れ角検出手段と、前記点弧角検出手段より
得られる点弧角φと前記遅れ角検出手段より得られる遅
れ角δとに基づいて下記の式から力率角ψを求める力率
角演算手段と、 ｉ＝ｓｉｎ（ωｔ＋φ−ψ）−ｓｉｎ（φ−ψ）・ｅｘｐ（−Ｒ／Ｌ）ｔ ［ωは交流電圧および電流の角周波数、Ｌは前記交流式
抵抗溶接機におけるインダクタンス、Ｒは前記交流式抵
抗溶接機における一次および二次導体の抵抗ならびに被
溶接材の抵抗を含む合成抵抗］前記力率角演算手段より
得られる力率角ψの変化に基づいてスプラッシュ発生の
有無を検出するスプラッシュ検出手段とを具備する構成
とした。

【０００９】

【作用】交流式抵抗溶接機において、電圧の極性が変化
する時点（電圧ゼロクロス点）とその直後の点弧時点と
の間の位相差は点弧角であり、各点弧時点からほぼ半サ
イクル経過後において電圧ゼロクロス点と電流の導通終
了時点との間の位相差は遅れ角である。点弧角と遅れ角
とが与えられると、所定の演算式から、力率角を求める
ことができる。 本発明では、各半サイクルまたは各１サ
イクル毎に、ゼロ電圧検出手段が電圧ゼロクロス点を検
出するとともに、ゼロ電流検出手段が電流の導通終了時
点を検出し、点弧角制御手段（または点弧角検出手段）
および遅れ角検出手段がゼロ電圧検出手段からのゼロ電
圧検出信号とゼロ電流検出手段からのゼロ電流検出信号
とからそれぞれ点弧角および遅れ角を割り出し、力率角
演算手段がそれら点弧角および遅れ角を基に上記所定の
式から力率角を求める。

【００１０】ところで、スプラッシュが発生すると、被
溶接材の抵抗が急激に低下し、この抵抗の急激な低下に
伴って力率角は急激に増大する特性がある。しかして、
力率角検出手段より得られる力率角の値が急激に増大し
て、その変化率が所定値を超えると、スプラッシュ検出
手段は、スプラッシュが発生したものと判定する。

【００１１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例による抵抗溶接制
御装置を適用した単相交流式抵抗溶接機の回路構成を示
す。この抵抗溶接機において、入力端子１０，１２に入
力された商用周波数の交流電源電圧Ｅは、一対のサイリ
スタ１４，１６からなるコンタクタを介して溶接トラン
ス１８の一次コイルに供給される。溶接トランス１８の
二次コイルに発生した交流の誘導起電力（二次電圧）は
二次導体および一対の電極チップ２０，２２を介して被
溶接材２４，２６に印加され、二次回路に溶接電流ｉ２
が流れる。

【００１２】溶接電流ｉ２の大きさ（実効値）は、通電
角によって決まるが、点弧角と通電角との間にはほぼ一
定の関係があるので、点弧角によって決まるともいえ
る。しかして、マイクロプロセッサ２８が点弧回路３０
を介してサイリスタ１４，１６の点弧タイミングを制御
することによって、溶接電流ｉ２の実効値を制御する。

【００１３】二次回路で溶接電流ｉ２が流れている間、
一次回路ではｉ２と同相の小さな電流（一次電流）ｉ１
が流れる。本実施例では、ゼロ電流検出回路３２が一次
回路に設けられる。このゼロ電流検出回路３２は、サイ
リスタ間の電圧を検知し、電流が流れると電圧が下が
り、電流が止まると電圧が上がることで、各半サイクル
毎に一次電流ｉ１の導通終了時点を検出し、その導通終
了時点のタイミングを表すゼロ電流検出信号をマイクロ
プロセッサ２８に与える。

【００１４】また、ゼロ電圧検出回路３４も一次回路に
設けられる。このゼロ電圧検出回路３４は、各半サイク
ル毎に電源電圧Ｅの極性が変わる時点（ゼロクロス点）
を検出し、そのゼロクロス点のタイミングを表すゼロ電
圧検出信号をマイクロプロセッサ２８に与える。

【００１５】マイクロプロセッサ２８は、ゼロ電圧検出
回路３４からのゼロ電圧検出信号とゼロ電流検出回路３
２からのゼロ電流検出信号とから力率角を算出する。図
４〜図６を参照して、以下に本実施例による力率角の算
出方法を説明する。

【００１６】図４は、交流式抵抗溶接機の等価回路を示
す。この回路において、インダクタンスＬは主として溶
接トランス（１８）の漏れリアクタンスであり、抵抗Ｒ
は一次および二次導体の抵抗、および被溶接材（２４，
２６）の抵抗等を含む合成抵抗である。スイッチＳＷは
サイリスタ・コンタクタ（１４，１６）に対応し、交流
電源電圧ｅは入力電圧Ｅに対応する。

【００１７】かかるＬＲ回路において、ある時刻［０］
にスイッチＳＷを閉成すると、図５に示すような波形の
電流ｉが流れる。図５において、ｉｓは定常電流、ｉｔ
は過渡電流で、これらの電流ｉｓ、ｉｔを合成したもの
が、実際に流れる電流ｉである。また、時刻［０］と直
前の電圧ゼロクロス点ＴＺ間の位相角φは初期点弧角で
あり、定常電流ｉｓが時刻［０］前に流れた場合の直前
の仮想電流ゼロクロス点ＴＰと電圧ゼロクロス点ＴＺ間
の位相角φは力率角である。そうすると、電流ｉは次式
のように表される。 ｉ＝ｉｓ＋ｉｔ ＝ｓｉｎ（ωｔ＋φ−ψ）−ｓｉｎ（φ−ψ）・ｅｘｐ（−Ｒ／Ｌ）ｔ ……（１） ω、（−Ｒ／Ｌ）は定数で、φはマイクロプロセッサ２
８の制御下にあるから各半サイクルまたは各１サイクル
の期間中に電流ｉの瞬時値が零になった時間ｔを検出し
て、その時間ｔを上式（１）に代入することにより、各
半サイクルまたは各１サイクルにおける力率角ψを求め
ることができる。

【００１８】本実施例では、図６に示すような電圧・電
流波形から各半サイクルまたは各１サイクルにおける力
率角ψｉ，ψｉ＋１，…を求める。図６において、φ
ｉ，φｉ＋１，…は各１サイクルにおける点弧角で、δ
ｉ，δｉ＋１，…は各１サイクルにおける遅れ角であ
る。各点弧角φｉ，φｉ＋１，…は、電圧ｅの極性が変
わる各電圧ゼロクロス点からサイリスタ１２，１４が点
弧されるまでの時間である。したがって、ゼロ電圧検出
回路３４が電圧ゼロクロス点を検出した時刻を知ること
で、マイクロプロセッサ２８は各点弧角φｉ，φｉ＋
１，…の値を管理・把握することができる。

【００１９】また、各遅れ角δｉ，δｉ＋１…と電流ｉ
との間には、位相角が（π＋δｉ），（π＋δｉ＋
１）、…の時に各半サイクルにおける電流ｉの導通時間
が終了するという関係がある。そして、各遅れ角δｉ，
δｉ＋１…は、点弧タイミングから半サイクル後におけ
る電圧ゼロクロス点とその直後に電流ｉの瞬時値が零に
なる時点との間の時間として測定できる。

【００２０】したがって、本実施例では、ゼロ電圧検出
回路３４からのゼロ電圧検出信号とゼロ電流検出回路３
２からのゼロ電流検出信号とに基づいて、各半サイクル
または各１サイクルにおける点弧角φｉ，φｉ＋１，…
および遅れ角δｉ，δｉ＋１…を検出して、それらのパ
ラメータから上式（１）により各半サイクルまたは１サ
イクルにおける力率角ψｉ，ψｉ＋１，…を求める。

【００２１】もっとも、上式（１）を演算して力率角ψ
ｉ，ψｉ＋１，…を算出するには、相当な演算ビット数
と演算時間を要するので、マイクロプロセッサ２８の負
担が大きくなる。そこで、別個の計算機により、種々の
点弧角φおよび遅れ角δの値に対する力率角の値を予め
演算して、図３に示すようなルック・アップ・テーブル
をメモリ３６に格納し、各半サイクルにおいて検出され
た点弧角φｉおよび遅れ角δｉを引数として、それらに
対応する力率角ψｉｊをメモリ３６から引き出す（読み
出す）ことで、マイクロプロセッサ２８が複雑な演算処
理を行わなくとも、各半サイクル毎に力率角ψを割り出
すことができる。

【００２２】マイクロプロセッサ２８は、このようにし
て半サイクルまたは各１サイクル毎に力率角ψを検出
し、その時間的な変化から、スプラッシュが発生したか
否かを判定する。すなわち、スプラッシュは被溶接物か
ら溶融金属が爆飛するものであって、スプラッシュが発
生すると被溶接物の抵抗が急激に減少するが、その抵抗
の急激な減少につれて力率は逆に急激に増大するという
関係がある。

【００２３】そこで、マイクロプロセッサ２８は各半サ
イクルまたは各１サイクル毎に力率角ψを検出すると同
時に、その変化を監視し、正方向の変化率（上昇率）が
所定値を超えたときは、被溶接材２４，２６からスプラ
ッシュが発生したものと判定し、表示器３８等を通じて
警報を出す。さらに、次回以降の溶接ではスプラッシュ
を発生させないよう、サイリスタ１４，１６に対する点
弧制御を補正したり、加圧機構４０を通じて被溶接材２
４，２６に対する加圧力を補正する等の処置を行う。

【００２４】図２は、被溶接材２０，２２がそれぞれ
０．８ｍｍ厚のＳＰＣ（冷間圧延鋼板）であって、これ
らを２枚重ねにして２４０Ｋｇ重の加圧力を印加し、約
１０ＫＡの溶接電流ｉ２を流した場合の力率角の時間特
性例を示す。特性曲線ＮＬはスプラッシュが発生しなか
った場合で、通電時間を通じて力率角ψに急激な変化は
見られない。これに対し、特性曲線ＡＬはスプラッシュ
が発生した場合である。この場合、第３サイクルから第
４サイクルにかけて力率角ψが急激に変化し、実際、こ
の時にスプラッシュが発生している。なお、この図２の
データは、１サイクル毎に力率角を検出した場合であ
る。半サイクル毎に力率角を検出する場合はより精細で
滑らかな特性曲線が得られる。

【００２５】上述したように、本実施例の抵抗溶接制御
装置は、スプラッシュ発生の有無を自動的に検出し、ス
プラッシュが発生したときは自動的に所要の処置・補正
を行うので、スプラッシュ監視のための作業員が不要と
なる。

【００２６】また、上述した実施例では、ゼロ電圧検出
回路３４およびゼロ電流検出回路３２をそれぞれ一次回
路に設け、一次側の電圧、電流を監視して力率角を求
め、力率角の変化に基づいてスプラッシュ発生の有無を
検出するようにした。これにより、二次導体にトロイダ
ルコイル等を設けたり、電極チップ２０，２２に電圧セ
ンス線を接続する必要がないので、ロボット（図示せ
ず）や加圧機構４０の駆動によって二次導体や電極チッ
プ２０，２２が運動・移動する際に、ケーブルや電圧セ
ンス線等の断線事故を起こす問題はない。したがって、
安心して自動化・省力化を推進することができる。

【００２７】なお、上述した実施例は、抵抗溶接制御装
置に係るものであったが、抵抗溶接測定装置にも本発明
は適用可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
交流式抵抗溶接機において、電圧ゼロクロス点と電流導
通終了時点とから点弧角および遅れ角を検出し、検出し
た点弧角および遅れ角に基づいて所定の式から力率角を
高い精度で求めるようにしたので、トロイダルコイルや
電圧検出回路等の高価なセンサを用いることなくスプラ
ッシュの有無を通電開始直後から精細に検出することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による抵抗溶接制御装置を適
用した単相交流式抵抗溶接機の回路構成を示す回路図で
ある。

【図２】実施例の作用を説明するための力率角の時間特
性例を示す図である。

【図３】各サイクル毎に検出された点弧角φおよび遅れ
角δから力率角φを瞬時に引き出すためのルック・アッ
プ・テーブルを概念的に示す図である。

【図４】交流式抵抗溶接機の等価回路を示す回路図であ
る。

【図５】図４の等価回路における電圧および電流の波形
を示す図である。

【図６】実施例による簡易な力率角算出方法を説明する
ための電圧および電流の波形を示す図である。

【符号の説明】

１８ 溶接トランス ２８ マイクロプロセッサ ３０ 点弧回路 ３２ ゼロ電流検出回路 ３４ ゼロ電圧検出回路 ３６ メモリ ３８ 表示器

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流式抵抗溶接機の一次回路または二次
   回路に印加される交流電圧の極性が変化する時点を検出
   するゼロ電圧検出手段と、 前記交流式抵抗溶接機の一次回路または二次回路に流れ
   る交流電流ｉの各導通終了時点を検出するゼロ電流検出
   手段と、前記ゼロ電圧検出手段からのゼロ電圧検出信号に応答し
   て各半サイクルまたは各１サイクル毎の点弧角φを規定
   する点弧角制御信号を発生する点弧角制御手段と、 前記ゼロ電圧検出手段からのゼロ電圧検出信号と前記ゼ
   ロ電流検出手段からのゼロ電流検出信号とに基づいて各
   半サイクルまたは各１サイクル毎に遅れ角δを検出する
   遅れ角検出手段と、 前記点弧角制御手段より与えられる点弧角φと前記遅れ
   角検出手段より得られる遅れ角δとに基づいて下記の式
   から力率角ψを求める力率角演算手段と、 ｉ＝ｓｉｎ（ωｔ＋φ−ψ）−ｓｉｎ（φ−ψ）・ｅｘｐ（−Ｒ／Ｌ）ｔ ［ωは交流電圧および電流の角周波数、Ｌは前記交流式
   抵抗溶接機におけるインダクタンス、Ｒは前記交流式抵
   抗溶接機における一次および二次導体の抵抗ならびに被
   溶接材の抵抗を含む合成抵抗］ 前記力率角演算手段より
   得られる力率角ψの変化に基づいてスプラッシュ発生の
   有無を検出するスプラッシュ検出手段とを具備すること
   を特徴とする抵抗溶接制御装置。
2. 【請求項２】 交流式抵抗溶接機の一次回路または二次
   回路に印加される交流電圧の極性が変化する時点を検出
   するゼロ電圧検出手段と、 前記交流式抵抗溶接機の一次回路または二次回路に流れ
   る交流電流ｉの各導通終了時点を検出するゼロ電流検出
   手段と、 前記ゼロ電圧検出手段からのゼロ電圧検出信号と前記ゼ
   ロ電流検出手段からのゼロ電流検出信号とに基づいて各
   半サイクルまたは各１サイクル毎に点弧角φを検出する
   点弧角検出手段と、 前記ゼロ電圧検出手段からのゼロ電圧検出信号と前記ゼ
   ロ電流検出手段からのゼロ電流検出信号とに其づいて各
   半サイクルまたは各１サイクル毎に遅れ角δを 検出する
   遅れ角検出手段と、 前記点弧角検出手段より得られる点弧角φと前記遅れ角
   検出手段より得られる遅れ角δとに基づいて下記の式か
   ら力率角ψを求める力率角演算手段と、 ｉ＝ｓｉｎ（ωｔ＋φ−ψ）−ｓｉｎ（φ−ψ）・ｅｘｐ（−Ｒ／Ｌ）ｔ ［ωは交流電圧および電流の角周波数、Ｌは前記交流式
   抵抗溶接機におけるインダクタンス、Ｒは前記交流式抵
   抗溶接機における一次および二次導体の抵抗ならびに被
   溶接材の抵抗を含む合成抵抗］ 前記力率角演算手段より
   得られる力率角ψの変化に基づいてスプラッシュ発生の
   有無を検出するスプラッシュ検出手段とを具備すること
   を特徴とする抵抗溶接測定装置。