JP3362045B2 - 高速応答溶接ヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は抵抗溶接装置に関し、更に詳しくは、溶接ヘ
ッドもしくは接合ヘッドの速度、方向、力、および持続
時間を検知および制御するためのサーボ制御を備えた高
速応答溶接ヘッドに関する。

発明の背景 抵抗溶接においては、熱および圧力を用いて金属同士
を溶融凝固させる。電流に対する工作物の抵抗によって
発生した熱が、界面の材料を溶解するか、あるいは少な
くとも両方の材料の表面が塑性状態になるレベルにまで
材料の強度を低下させる。電流の流れが停止したとき
に、電極力は１秒より短時間維持されており、その間に
溶接部は急速に冷却して凝固する。

概して、抵抗溶接プロセスにおいて制御できるパラメ
ータは幾つかあり、これに該当するものとして、工作物
に対して負荷される電極力、溶接電流の大きさ、および
溶接電流の持続時間がある。溶接対象の材質が異なる
と、これらのパラメータの最適値も異なる。これらのパ
ラメータを厳密に制御しないと、溶接部の品質が変動す
る可能性がある。

集積回路パッケージおよびマイクロ回路部品の場合
は、溶接品質を維持することが特に重要になる。これら
極めて小さい製品の溶接には、精密溶接設備を用いる。
従来、精密溶接設備用の溶接ヘッドは大部分が、その駆
動をスプリング系（spring nest）を介して手動または
空気圧により行われている。これらの方式には制御の限
界があるため、望ましい制御項目のうち実現が非常に困
難か不可能なものが多い。

上記従来の溶接設備を用いた場合、種々の速度、力、
または位置をプログラムしておく方法は実際上存在しな
い。また、溶接電流の通電開始時に望みの溶接ヘッド速
度を達成する確実な方法もないし、溶接完了後に力が増
加し続けて溶接部や部材全体に損傷が発生するのを防止
する確実な方法もない。

従来技術の溶接設備を用いたのでは、力を制御できな
いという問題があるばかりでなく、溶接ヘッドもしくは
接合ヘッドの速度および接触持続時間を自動的に制御し
且つ接触中の力の大きさを変化させる手段もない。その
ため、集積回路パッケージやマイクロ回路部品等の広範
囲の精密用途での溶接を行うための精密溶接装置におい
て、溶接ヘッドの速度、応答時間、力、持続時間および
圧力の自動制御に対する要請がある。

発明の概要 本発明の基本的な目的は、最適な溶接に欠かせない溶
接パラメータを精密に制御する装置および方法を提供す
ることである。同じく重要な目的の一つは、自動化設備
と共に用いるためにコンピュータで生成した信号によ
り、またはマイクロプロセッサにより、容易に制御でき
ることである。

上記の目的を達成するために、本発明の装置および方
法は、溶接電流の持続時間の他、溶接電極の速度、位
置、力、および工作物との接触力の負荷速度を制御す
る。更に、本発明は、電極への溶接電流の供給前、供給
中および供給後の所定持続時間に種々のユーザ設定力を
負荷および制御する方法をも提供する。

これら非常に望ましい制御項目が、位置サーボループ
を含む制御システムによって駆動される機械的溶接ヘッ
ドに内蔵されている。このループはユーザ設定入力電圧
によって制御されるものであり、入力抵抗器、フィード
バック抵抗器、サーボ増幅器、磁力式線形アクチュエー
タ、および位置トランスジューサを含んで構成される。
アクチュエータは、工作物に近づけ又は遠ざけることが
できる線形出力シャフトを介して、溶接電極に取り付け
られている。この出力シャフトの線形運動が位置トラン
スジューサに結合してあり、これにより精密な位置測定
ができる。更に、シャフトが移動する速度がループへの
入力電圧の変化率に直接比例することにより、速度制御
ができる。これにより、線形アクチュエータの能力範囲
内であれば作動スパンのどの位置にも、またどのような
速度のときにも、出力シャフトの位置決め、したがって
溶接ヘッドの位置決めを行うことができる。

速度および位置の制御により、高速で精密な溶接が可
能になる。溶接サイクル開始のコマンドが与えられる
と、溶接電極は工作物最大高さの上方数千分の１インチ
の探査位置まで高速で駆動され得る。次に、電極が工作
物と接触したら出力シャフトの速度を大幅に減少させ、
特に脆い工作物の損傷発生を防止し、溶接治具内の部材
がショックで位置ずれするのを防止する。

本発明の力制御は磁力式線形アクチュエータによって
提供される。このアクチュエータの出力シャフトが溶接
電極に取り付けられていることで、電極をこのシャフト
で駆動できる。シャフトおよび電極が工作物に対して近
づけられていくと、電極は先ず剛性のある工作物と接触
し、力を第１所定強度まで負荷する。シャフトは一瞬停
止した後、溶接電流が通電開始する期間にシャフトは急
速に加速し、これにより溶接電流通電期間中に所定時間
工作物に付加的機械力を負荷し、溶接電流通電停止前に
最初の小さい所定強度の力まで戻す。

米国特許第3,889,139号に記載されているタイプの磁
力式線形アクチュエータは本発明による装置に用いるの
に適している。その他の例としては、米国特許第3,505,
544号、第3,666,977号および第3,576,454号がある。

数個の同様な工作物を均一に溶接するために望ましい
力を維持するために、溶接電流が実際に流れている期間
の前、最中および後に工作物に異なる力を負荷するよう
にアクチュエータを制御もしくはプログラムする。典型
的な溶接手順では、電極が工作物に接触し、力を第１レ
ベルに増加させ、一時的な付加力が負荷される前の所定
期間中そのレベルで維持する。力が第１レベルに達する
と、プログラムされた期間溶接エネルギーが供給され
る。一時的力が負荷される前に、アクチュエータへの入
力電流を一定に保ち、出力シャフトの位置と、電極から
工作物に負荷されている力とを維持する。場合によって
は、溶接電極へ溶接電流が供給される前に通電開始に遅
延があってよい。これは、溶接ヘッドに生じ得る機械振
動を、実際の溶接エネルギーが供給される前に、消滅さ
せるために望ましい。

ユーザ設定溶接電流が電極へ供給されると、工作物が
軟化し、前もってプログラムされた付加的な一時的強度
の力が、電極によって工作物に負荷される。溶接電流の
停止前に、力が減少し、溶接部が冷却する間にその低い
レベルの力を持続する。溶接電流は、溶接電極力が負荷
された後に通電開始し、電極力が除去される前に通電停
止する。最後に、制御システムからの合図（cue）で電
極が上昇する。これで、精密で再現性のある溶接が行わ
れる。

この概要から容易に推察できるように、本発明の特徴
によれば、従来技術の溶接システムでは達成できない、
重要な溶接パラメータを精密に制御できる。これら本発
明の特徴は、小さくて脆い部品およびチップから自動車
の車体の溶接に至る小さい工作物から大きい工作物ま
で、最適な溶接を行うのに極めて重要である。

図面の簡単な説明 以下、本発明を下記添付図面を参照してより詳細に説
明する。

図１は本発明の高速応答溶接ヘッドの電動式実施例を
示す側面図である。

図２は図１の溶接ヘッド装置のための制御システムの
ブロック図である。

図３は図１に示した溶接ヘッド装置のためのタイミン
グ図であり、典型的な溶接サイクル中の上記装置の種々
の操作の動作とタイミング期間とを示す。

図４は電動式溶接ヘッド装置とそのユーザ制御部品と
を示す側面図である。

図５は本発明の線形アクチュエータを用いた高速応答
溶接ヘッド装置の現時点で好ましい実施態様を示す側面
図である。

図６は図５の溶接ヘッド装置のための制御システムの
ブロック図である。

図７は図５に示した溶接ヘッド装置のためのタイミン
グダイヤグラムであり、典型的な溶接サイクル中の上記
装置の種々の操作の動作とタイミング期間とを示す。

本発明の詳細な説明 本発明の電動式溶接ヘッド装置は、ユーザがサーボ制
御動作を介して溶接サイクルの重要パラメータを制御で
きる制御装置を備えている。図１において、本発明の溶
接ヘッド装置の現時点で好ましい実施態様は、電極ｚ軸
方向に可変速度で精密な位置まで昇降する溶接電極を提
供する。位置および速度を制御することにより、電極が
工作物に負荷する力の負荷速度および大きさの両方を、
最適な溶接で必要とされるように変化させ制御すること
ができる。

電動式溶接ヘッド２の種々の部品を先ず説明する。図
１において、溶接ヘッドの支持構造は二脚基台３にハウ
ジング４を固定装着した構成である。ハウジング支持部
材は上部材６、中部材８および下部材10であり、各々が
ハウジングの長さ方向を横断して水平に延びている。こ
れら３つの支持部材が上室12と下室14を規定する。ハウ
ジング４は、溶接装置を移動させる駆動モータ16を支持
している。溶接装置は、後で説明するように、溶接電極
38と溶接ホルダ40を備えている。溶接装置制御部品は、
図４に示したキーボード54とフットペダル56を含めて、
ケーブル58を介して回路板42に接続されている。回路板
は制御システムのための増幅器を含んでおり、ハウジン
グの下室内にある支持部材に固定装着されている。制御
システムの他の部品は、後で説明するように、溶接ヘッ
ドの外部に装備されており、例えばキーボード制御盤54
（図４）内または外部電源（図示せず）内に装備されて
いる。トランスジューサ装置48、50は溶接電極から工作
物46に負荷される負荷力と工作物に対する電極の相対位
置とを測定するためのもので、やはりハウジング４に取
り付けられている。

溶接装置の駆動器は双方向直流サーボモータ16、ギア
ケース18、親ナット28内に係合しているモータ駆動式親
ネジ20、および出力シャフト36を含んで構成される。モ
ータ16とギアケース18は上支持部材６に固定装着されて
いる。モータによって親ネジを回転させることができる
ように、親ネジ20の上端は内側ネジ付自在継手22を介し
てギアケースに取り付けられている。自在継手および親
ネジの両方を支持するスラスト軸受26は、クランプ52に
よって中支持部材８の上面に固定装着されている。スラ
スト軸受は中支持部材を貫通して突き出させ、親ネジが
下室内で親ナット28と係合する際に直線運動しないよう
にしてある。

親ネジ20の角運動を親ナット28の直線運動に容易に変
換できるように、回転防止クランプ30の一端を親ナット
に固定装着してナットの角運動を防止してある。回転防
止クランプの他端は軸受34によって回転防止シャフト32
に可動取り付けしてある。回転防止シャフト32は中支持
部材８および下支持部材10の両方に固定装着されてい
て、下室内を駆動装置のｚ軸と平行に鉛直方向に横断し
ている。モータで駆動された親ネジの角運動によって親
ナットが変位させられると、回転防止クランプが回転防
止シャフトの長さ方向に鉛直に、ナットの変位に伴って
摺動する。これにより、親ナットは角運動はできず、直
線運動はできる。

親ネジおよび回転防止クランプの下方では、出力シャ
フト36が下支持部材10を貫通して突き出ていて、溶接ヘ
ッド装置の駆動部と溶接実行部とを機械的に接続してい
る。親ナットが変位した際、下支持部材10内にあるシャ
フト軸受（図示せず）によって出力シャフトは直線運動
できる。溶接実行部は電極38を電極ホルダ40に固定した
構成であり、圧縮可能なスプリングアセンブリ44を介し
て出力シャフトに取り付けてある。制御システムからの
合図（cue）でモータ16が溶接装置を下方に駆動する
と、工作テーブル47上の剛性工作物46に電極が接触す
る。工作物からｚ軸方向上向きの力がスプリングアセン
ブリ44に作用しこれを圧縮する。しかし、剛性出力シャ
フトはその下降運動を続け、更にスプリングアセンブリ
44をｚ軸方向下向きに圧縮する。駆動モータと工作物に
よる合成力の正味の効果は、モータによるトルクに比例
してスプリングアセンブリに作用する直線的な力であ
る。

溶接装置から工作物に負荷される力を測定するため
に、ロードセル48等の圧力トランスジューサが出力シャ
フトとスプリングアセンブリとの間に取り付けてある。
このロードセルは、溶接電極38から工作物に負荷される
力を正確に測定し、この力に比例した電圧出力信号を生
成し、これがプリント回路板42で増幅され制御システム
へ転送される。溶接装置のｚ軸方向の直線変位を測定す
るために、位置トランスジューサ50内部の円柱シャフト
43が、トランスジューサクランプ52を介して中支持部材
８に取り付けられた僅かに太い円柱トランスジューサ本
体45の内部を直線移動する。圧縮スプリング41がトラン
スジューサシャフトを取り巻いて同軸状に取り付けてあ
り、シャフトをその外方停止位置まで延びた状態に保っ
ている。回転防止クランプ30が上方へ移動するとスプリ
ングが圧縮して、位置トランスジューサシャフトの端部
を回転防止クランプに押し当てた状態に保つ。

ここまでに電動式溶接機の一形態を説明したが、勿
論、他のタイプの電動式溶接ヘッドをサーボ制御システ
ムと共に用いることができる。

次に、ユーザが重要な溶接パラメータを直接制御する
ことを可能にする機械的電動式溶接ヘッド装置を作動さ
せる制御システムを説明する。

制御システムを説明するためのブロックダイヤグラム
を図２に示す。ユーザ制御手段60により、ユーザは、デ
ィスプレー54付キーボードとフットペダル56（図４）の
ような制御装置を用いて直接に、またはコンピュータプ
ログラムを用いて自動的に、溶接ヘッドに指令できる。
いずれにせよ、溶接装置の速度、力、持続時間、および
位置を効果的に制御することができる。ユーザは駆動生
成器62を制御して、望みの制御に応じた形状および振幅
の電圧波形を生成させる。例えば、生成器がユーザ制御
手段から、望みの位置間で溶接装置の速度を増加させよ
という指令を受け取ると、生成器は比例増加した電圧ラ
ンプ信号を生成する。生成器が生成したこの電圧ランプ
が、サーボループ回路への入力電圧の１成分になる。

サーボループ回路はこの制御システムに必要な特徴の
一つであり、その構成は入力抵抗器64、サーボ増幅器6
6、双方向直流サーボモータ16、直線移動位置トランス
ジューサ50、およびフィードバック抵抗器70である。入
力電圧はサーボループに入ると、最初にサーボ増幅器66
に出会い、この増幅器は、モータに十分なパワーを付与
するために電圧信号を増幅する。サーボモータに伝達さ
れる電圧は生成器62からの電圧入力に比例している。モ
ータに伝達される電圧が高いほど、モータは高速で回転
する。角運動から直線運動への変換装置によって、モー
タは溶接装置をｚ軸方向に昇降させることができる。位
置トランスジューサは、独立にトランスジューサ駆動回
路系68から電力供給されていて、溶接装置の変位を正確
に測定し、この変位に比例した電圧信号を、フィードバ
ック抵抗器を含むフィードバックループに直接出力す
る。このフィードバック電圧信号が、前記生成器により
生成した成分に加えて、サーボ増幅器への入力電圧の第
２の成分を提供する。フィードバックループの効果は、
溶接装置の瞬間的な好ましい定常状態位置がサーボルー
プによって維持されることである。溶接装置がその瞬間
的定常状態位置から外れていることを位置トランスジュ
ーサが検知した場合、サーボループは基本的動作として
装置を正しい位置に戻すよう駆動する。

溶接装置はモータによって下方へ駆動されている際
に、剛性工作物に係合し得る。力トランスジューサはロ
ードセル48を含んでいて、独立にトランスジューサ駆動
回路72によって電力供給される。ロードセルは、溶接装
置から工作物に、更に詳しくはスプリングアセンブリ44
に負荷された力を検知し、工作物に負荷された力の大き
さに比例する電圧信号を力増幅器74に出力する。力増幅
器で増幅された電圧信号は、力比較器76の２つの入力の
うちの１つになる。２つ目の入力は力プログラム78によ
って提供される。比較器の機能は、２つの入力を連続的
に比較して、両者が等しい場合には状態を変えることで
ある。

力プログラム、そしてサーボループと共同して力を検
知する手段全体は、この制御システムの重要な特徴であ
る。力プログラムは、溶接装置が工作物に負荷する最適
の力を表す電圧レベルを生成するために、予めプログラ
ムするかユーザが制御する手段である。力プログラム
は、単純な一定力溶接用にプログラムすることもできる
し、必要であれば複雑な可変力溶接用にプログラムする
こともできる。ロードセルが検知した力すなわちロード
セルの出力が力プログラムの出力電圧に等しいときに
は、比較器が状態を変えて２つの別個の電圧信号を同時
に瞬時生成（トリガ）する。瞬時生成された信号の一つ
は生成器62に対するホールド信号80であり、その時点で
のサーボループへの入力電圧を維持するように生成器に
指令する。ホールド信号の機能は、力プログラムの設定
した力を溶接装置と工作物との間に維持することであ
る。ホールド信号は、力を望みの時間維持するように、
手動またはコンピュータプログラムによって操作でき
る。比較器の瞬時生成した二つめの信号は、通電開始遅
延信号82であり、溶接電流制御回路内のスイッチ（図示
せず）によって溶接電極への電流の流れを一時的に遮断
する。通電開始遅延の目的は、溶接装置の機械的な振動
を、電極への溶接電流供給前に大幅に減少させることで
ある。通電開始遅延を行うことにより、ユーザは、工作
物に対する溶接装置の軸合わせを視覚的にチェックした
り、溶接電極から工作物に負荷される力を変えたり、適
当な溶接電流を計算したりすることができる。ホールド
信号の場合と同様に、通電開始遅延の長さをユーザまた
はコンピュータプログラムにより自由に変えることがで
きる。

通電開始遅延の終端が溶接通電開始信号84のトリガと
なって、溶接電流が溶接電流制御回路を介して電極まで
流れ、実際の溶接が開始する。この信号は、やはりプロ
グラム可能またはユーザ制御可能であり、工作物の溶接
に必要な条件に応じて長くも短くもできる溶接電流通電
開始信号の終端は、生成器62に対するユーザ制御をスイ
ッチ86、88によって断ち切る。最後に、サーボループの
直接制御下で、溶接装置は溶接済の工作物を離れて上昇
し、溶接サイクルが終了する。

更に、電動式溶接ヘッドに欠かせない特徴を説明する
ために、図３のタイミング図を参照して典型的な溶接サ
イクルの例を説明する。

典型的な溶接サイクルにおいて、初期時刻t0で、ユー
ザが溶接対象である工作物46を上電極38の真下に配置す
る。このとき、溶接装置は上停止位置100に位置してお
り、この位置は直流モータに対する駆動シャフトのｚ軸
方向最小変位を表す所定位置である。時刻t1では、フッ
トペダル等の溶接サイクル開始スイッチ88を押し下げて
スイッチ112の状態を変えることにより、ユーザは制御
システムを介して溶接電極38を上停止位置から下降さ
せ、工作物46の最大高さより僅かに（例えば１インチの
3000分の１）上方にある探査位置102まで下げる。

時刻t2では、上記フットペダルの第２レベル等の探査
位置降下スイッチ86を押し下げることにより、このスイ
ッチの状態114が変わる。溶接電極は探査位置から工作
物の方へ下降する（経路１で表示）。時刻t3では、工作
物が電極38と軸合わせ状態になったとすると、電極は工
作物に係合する。工作物の剛性のために電極はそれ以上
の下降を停止する。しかし、被駆動出力シャフト36は下
降を続け（経路２で表示）、両者がシャフトと電極との
間にあるスプリングアセンブリを圧縮し、電極から工作
物に負荷される力を増大させる。t3ではまた、スプリン
グアセンブリ44の圧縮を介してロードセル48が電極力11
0を検知すると、ロードセルは電圧信号を力比較器76へ
出力する。

時刻t4では、ロードセルが検知した電極力110が力プ
ログラム78の力と等しくなる。力比較器が状態116を変
えてホールド遅延22と通電遅延118をトリガする。ホー
ルド遅延によって、電極と工作物との間に力プログラム
で設定された一定力が維持される。時刻t5では、電極に
機械的振動があったらこれを十分に低減させた後に、通
電遅延118のスイッチを切る。同時に溶接実行信号120の
スイッチを入れ、電極先端へ電流が流れるようにする。
時刻t6では、溶接実行信号が終わり、電流が停止する。
しかし、ホールド信号は持続しており、溶融金属の冷却
中、工作物の一定の負荷力を維持する。時刻t8では、ホ
ールド信号が終わり、力比較が終わり、電極が上昇して
工作物への負荷力を解放する。時刻t9では、溶接装置は
サーボループの直接制御下に、上停止位置まで自動的に
戻る。最後に時刻t10で、全てのスイッチが各々初期位
置に戻り、溶接サイクルが終了する。

電極が工作物に出会わない場合は、時刻t7に出力シャ
フトおよび電極が所定の下停止位置106に移動する（経
路３で表示）。この下停止位置は、モータに対する駆動
シャフトのｚ軸方向下向きの所定変位点を表す。サイク
ルの完了を始動させる力の蓄積がないので、溶接サイク
ルスイッチ88が溶接サイクルを終わらせる状態114に変
わるまで、電極は下停止位置に留まっている。以上のよ
うにして、制御システムは各溶接パラメータを精密に制
御する手段を提供する。

もう一つ現時点で好ましい本発明の実施態様では、本
発明の高速応答溶接ヘッド装置が、溶接サイクルの重要
なパラメータをユーザが制御できるようにする線形アク
チュエータを備えている。図５において、本発明の溶接
ヘッド装置の現時点で好ましい実施態様は、線形アクチ
ュエータの制御下で、可変速度でそのｚ軸方向に精密な
位置まで昇降する溶接電極を提供する。マイクロプロセ
ッサ制御を用いた結果、電極が工作物に負荷する力の速
度および大きさの両方を、最適な溶接のための必要に応
じて変え且つ制御することができる。

先ず溶接ヘッド130の種々の部品を説明する。図５に
おいて、溶接ヘッドの支持部材は、基台132上にハウジ
ング134をスペーサブロック133で固定装着して構成して
ある。ハウジング134は、溶接装置137を動かす磁力式線
形アクチュエータ136を支持している。溶接装置は溶接
電極138および電極ホルダー140を備えている。キーボー
ドおよびフットペダルを含む溶接装置制御部品を図４と
同様に用い、各部品はマルチピンコネクタ142に接続さ
れている。工作物に対する電極の位置を測定するための
位置トランスジューサ144もハウジング134に取り付けら
れている。

回転しない出力シャフト148がアクチュエータ136の下
から延びてアクチュエータ駆動装置と溶接ヘッド装置の
溶接実行部とを機械的に接続している。シャフトが変位
するとき、シャフト軸受（図示せず）により出力シャフ
ト148は直線移動できる。制御システムからの合図でア
クチュエータ136が溶接装置を下降させると、電極が工
作テーブル158上の剛性工作物156に接触する。電極は工
作物にｚ軸方向下向きの力を負荷する。

電動式溶接ヘッドとは異なり、被駆動シャフトと電極
シャフトは経路が同じである。この実施態様において
は、溶接シャフト内のスプリングコンプライアンスの代
わりにプログラム可能な一時的な力を用いる。追従スプ
リングは用いず、軟化した工作物への一定圧力保持に必
要な力は短い力のパルスによって供給し、比較的質量の
大きい溶接ヘッドを短時間で加速する。

磁力式線形アクチュエータの重要な固有の特徴は、ア
クチュエータへ供給される電流の増減に対して線形の力
応答を持つ点であり、したがってアクチュエータへ供給
される電流の制御により、またアクチュエータの所定電
流プロファイルを設定することにより、負荷力が直接制
御される点である。これにより、溶接実行前の電極速度
の制御および溶接実行中の電極力の制御が可能になる。
電極速度を制御することで、工作物に接触したときの電
極による衝撃を小さくして、工作物の損傷発生を防止で
きるし、溶接治具内で工作物が動くことも無い。電極力
を制御することで、電極による負荷力を制御された速度
で増加させて工作物同士の位置を制御し溶接品質を向上
させることができる。電極力は電子的処理で決定される
ので、所定の力の値およびプロファイルを溶接スケジュ
ール全体の一部としてマイクロプロセッサにより蓄積す
ることができる。したがって、溶接スケジュールの変更
に応じて、望みの力プロファイルを自動的に選択でき
る。

既述のように磁力式線形アクチュエータの特徴は応答
時間が高速であることである。アクチュエータへの電流
を増加させることによって１〜３ミリ秒という極めて短
い期間で負荷荷重を高速応答させることができ、電極を
高速で加速できるので、溶接実行中に、塑性状態または
溶融状態になった工作物に対する電極の接触を維持でき
る。工作物に対する電極の接触を制御することで、工作
物の溶融または塑性状態になった部分が溶接部から流出
する傾向を無くすることができる。

本発明のその他の利点は、溶接の効率および速度が向
上することである。磁力式線形アクチュエータを用いた
ことで、望みの力を増加・減少させるのに要する時間が
従来技術の溶接機に比べて短縮した。一つの工作物に多
数回繰り返して溶接する必要がある溶接用途において
は、線形アクチュエータおよび溶接ヘッドが高速応答す
ることにより、段取りと実際の溶接が迅速化し、また単
位時間内の溶接回数が増加するので、生産性が向上す
る。

実際の溶接時には、溶接電極は探査位置に移動し、次
に工作物の高さに移動する。工作物と接触したとき、マ
イクロプロセッサからの電極力信号が、プログラムされ
た速度で、プログラムされた力になるまで、増大する。
磁力式アクチュエータは電流対出力力曲線の線形性が非
常に良いので、トランスジューサによる力のモニタは行
わない。磁力式アクチュエータは正しい電流プロファイ
ルでプログラムして、望みの力プロファイルを生成する
ようにしてある。プログラムされた力に達したら、溶接
実行信号を溶接電源に送って、溶接電流を溶接電極およ
び工作物に供給させる。１〜10ミリ秒という僅かな遅延
をプログラムしておき、工作物が軟化する時間を確保
し、次に電極機構を溶接部のつぶれに追従できるように
加速するのに丁度十分な時間一時的力を生成する。

次に、以降の溶接部については、溶接電極から負荷さ
れる力を通常に戻し、溶接部は溶接電流の減少に伴って
冷える。ホールド時間が終了した後、溶接力が除去さ
れ、電極は上停止位置に戻り次の溶接に備える。次の溶
接は、スイッチ186および188が解放され再度入れられた
時にのみ開始できる。

以下に、重要な溶接パラメータをユーザが制御できる
ようにした、磁力式線形アクチュエータ溶接ヘッド装置
を操作するための制御システムを説明する。

この制御システムを示すブロック図を図６に示す。こ
のユーザ制御手段によって、ユーザがディスプレー付キ
ーボードおよびフットペダルのような制御装置で直接
に、またはコンピュータプログラムで自動的に、溶接ヘ
ッドの動作を指令できる。どの手段を用いるかにかかわ
らず、溶接装置の速度、力、持続時間、および位置を効
果的に制御できる。マイクロプロセッサ159が電極力信
号を制御する。例えば、溶接装置の速度を望みの位置間
で増加させよ、というユーザ制御手段からの指令を生成
器が受け取ると、生成器は比例増加した電圧ランプ信号
を生成する。生成器が生成したこの電圧ランプは、サー
ボループの入力電圧の１成分となる。

サーボループ回路はこの制御システムの欠かせない特
徴であり、その構成には、位置ディジタル／アナログ変
換器155、力ディジタル／アナログ変換器157、入力抵抗
器160、サーボ増幅器162、磁力式線形アクチュエータ16
4、運動位置線形変換器166、およびフィードバック抵抗
器168を含む。入力電圧がサーボループに入ると先ず、
アクチュエータ164に十分な電力を供給するために、こ
の電圧信号がサーボ増幅器162で増幅される。アクチュ
エータに転送される電圧はマイクロプロセッサ159によ
って制御される。アクチュエータは溶接装置を駆動して
ｚ軸方向に昇降させる。位置トランスジューサ161は独
立にトランスジューサ駆動回路170から電極供給されて
いて、溶接装置の変位を精密に測定し、この変位に比例
した電圧信号をフィードバック抵抗器168を介してフィ
ードバックループに直接出力する。フィードバック電圧
信号は、前記マイクロプロセッサで生成された成分に加
えて、サーボ増幅器の入力電圧の第２の成分となる。

フィードバックループの効果は、溶接装置の瞬間的な
好ましい定常状態位置をサーボループによって維持され
ることである。溶接装置がその瞬間的な好ましい定常状
態位置から変位したことを位置トランスジューサが検知
すると、サーボループは基本的な動作として、装置を正
しい位置に戻す。

位置トランスジューサおよび付随する回路はアクチュ
エータと共同して、電極が工作物に接触したときに下停
止位置を検知する。溶接電極の長さが変化すると自動的
に新たな下停止位置になる。電極が予期した位置で力を
負荷できなかった場合、あるいは予期した位置よりも前
で早すぎる接触が生じたりした場合には、磁力式線形ア
クチュエータおよびトランスジューサのプログラム能力
および検知能力によって、アクチュエータが溶接動作を
自動的に停止させる。いずれの場合にも、工作物に損傷
が発生する前にアクチュエータが溶接動作を中止させる
ので、操作員が問題の原因を調査することができる。力
プログラムは、そして力を検知する手段全体は、サーボ
ループと組み合わせて、この制御システムの重要な特徴
である。力プログラムは、溶接装置が工作物に負荷する
最適の力を表す電流レベルを生成するための手段であ
り、予めプログラムしておくか、あるいはユーザが制御
する。力プログラムは単純な一定力溶接用にプログラム
することもできるし、あるいは必要なら、もっと複雑な
可変力溶接用にプログラムすることもできる。線形アク
チュエータ溶接ヘッドの不可欠な特徴を更に説明するた
めに、図７のタイミング図を参照して典型的な溶接サイ
クルの一例を以下に説明する。

典型的な溶接サイクルでは、初期時刻t0においてユー
ザが溶接対象である工作物156を溶接電極の直下に配置
する。この時点では、溶接装置は上停止位置200に位置
しており、この位置は線形アクチュエータに対する駆動
シャフトのｚ軸方向最小変位を表す所定位置である。時
刻t1では、ユーザは、溶接サイクル開始スイッチを押し
下げてスイッチ212の状態を変えることにより、制御シ
ステムを介して、溶接電極138を駆動して上停止位置か
ら下降させ、工作物156の最大高さよりも僅かに（例え
ば１インチの3000分の１）高い幾つかから選択した一つ
の探査位置202にまで下げる。

時刻t2では、フットペダルの第２レベルのような探査
位置降下スイッチ186を押し下げることにより、スイッ
チの状態214が変わる。溶接電極は探査位置から工作物
の方へ下降する（経路１で表示）。時刻t3では、工作物
が電極138と軸合わせ状態にあれば、電極は工作物に係
合する。工作物に剛性があるため、電極はそれ以上の下
降を停止する。t3で電極力は増加を開始し、t4で、プロ
グラムされた力に達する。

時刻t4で、溶接実行信号216が印加されホールド時間2
18が開始する。プログラムされた一時的力遅延220も開
始し、t5まで続く。t5で一時的力増加が１〜10ミリ秒間
という短時間負荷され、t6で一時的力が終わる。次に、
電極力は通常に戻ってt7に至り、t7で電極は再び上昇し
て上停止位置に至る。

以上説明した本発明の実施態様は、単に好ましいもの
であり、また本発明の考え方を説明するためのみのもの
である。本発明の範囲は上記実施態様に限定されない。
上記以外の多種多様な構成が当業者によって考えられ得
る。例えば、ユーザ制御を全てコンピュータプログラム
の形にして、多数の複雑な溶接動作を自動的に生成でき
るようにしてもよい。マイクロプロセッサに代えて、ア
ナログ電流を用いて制御信号とすることもできる。更
に、装置に下側電極を設けて工作物の種々の面を同時に
溶接するようにしてもよい。また、磁力式線形アクチュ
エータに代えて駆動機構として用いることができるもの
として圧電モーターがある。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−245981（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−279280（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−176479（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−118747（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−293669（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−90383（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−281779（ＪＰ，Ａ) 特開 昭50−80943（ＪＰ，Ａ) 実公 平２−24547（ＪＰ，Ｙ２) 米国特許5138127（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23K 11/24

Claims (23)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対象物の高速精密溶接方法であって、下記
   の工程： （ａ）可動電極を準備する工程、 （ｂ）該電極を取り付けた高速応答溶接ヘッドを用い
   て、該電極を移動させて該対象物に接触させる工程、 （ｃ）該電極によって負荷される力を第１所定レベルに
   増加させる工程、 （ｄ）該電極から電気溶接エネルギーを該対象物に所定
   時間供給する工程、 （ｅ）該負荷された力を該第１レベルに、該対象物が軟
   化する第１長さの時間保持する工程、 該負荷された力を第２所定レベルに、短い第２長さの時
   間増加させる工程、および （ｆ）溶接エネルギー供給期間の残部分では該電極力を
   該第１所定レベルに戻し、溶接実行中は常に電極と該対
   象物との接触を維持して材料の流出を防止する工程、 を含む方法。
2. 【請求項２】更に下記の工程： 該電極を探査位置に移動させる工程、 その後、該電極を移動させて該対象物に接触させる工
   程、 該対象物に負荷されている力を、プログラムされた速度
   で、第１の所定レベルの力まで増加させる工程、 溶接実行信号を溶接電源に送って溶接エネルギーを該対
   象物に供給させる工程、および その後、プログラムされた長さの時間の後に、該対象物
   に負荷されている力を解放する工程、 を含む請求項１の方法。
3. 【請求項３】該対象物へのエネルギー供給中に、高い第
   ２所定レベルの力を該対象物に負荷する工程を更に含む
   請求項２の方法。
4. 【請求項４】該高速応答溶接ヘッドを磁力式線形アクチ
   ュエータで駆動する請求項３の方法。
5. 【請求項５】力、位置、速度、および持続時間制御を得
   る工程を、マイクロプロセッサ、アナログ回路、または
   コンピュータ制御系により生成させる請求項１の方法。
6. 【請求項６】高速応答溶接ヘッドにおいて、制御手段
   が、 衝撃の少ない接触ができるように、電極から対象物に負
   荷する力を選択する手段、 該対象物に対する該電極の移動速度を変える手段、 磁力式線形アクチュエータを備え、該電極から該対象物
   に負荷する力のレベルを上記高速応答溶接ヘッドの許容
   上限まで変える手段、 溶接エネルギーの開始前に、該電極から該対象物に負荷
   する力を所定速度で増加させる手段、および 溶接サイクル中に、該電極から該対象物に負荷する力の
   レベルを上記高速応答溶接ヘッドの許容上限まで変える
   手段、 を含み、電極の速度の制御によって対象物との接触の衝
   撃を少なくして該対象物の移動および損傷を低減するこ
   とができる高速応答溶接ヘッド。
7. 【請求項７】該電極の力、位置、速度を、マイクロプロ
   セッサ、アナログ回路またはコンピュータ制御系により
   制御させる請求項６の高速応答溶接ヘッド。
8. 【請求項８】該電極の変位を測定する位置トランスジュ
   ーサを含む請求項７の高速応答溶接ヘッド。
9. 【請求項９】該電極の移動速度を変える手段が磁力式線
   形アクチュエータである請求項８の高速応答溶接ヘッ
   ド。
10. 【請求項１０】該制御手段へのインプットの１つが力制
    御信号を含む請求項９の高速応答溶接ヘッド。
11. 【請求項１１】該制御手段へのインプットのもう１つが
    位置制御信号を含む請求項９の高速応答溶接ヘッド。
12. 【請求項１２】ユーザ制御パラメータを持つ電極による
    対象物の高速精密溶接方法であって、 （ａ）可動電極を準備する工程、 （ｂ）該電極の移動速度を規定する速度制御信号を生成
    する工程、 （ｃ）該電極から該対象物に負荷される第１の力を規定
    する所定力制御信号を生成する工程、 （ｄ）該対象物に対する該電極の変位を規定する位置制
    御信号を生成する工程、 （ｅ）該電極が該対象物と接触している時間の長さを規
    定する持続時間制御信号を生成する工程、 （ｆ）該電極を該対象物の方へ移動させ該対象物と接触
    させる工程、 （ｇ）接触後に、該電極から負荷される力を急速に増加
    させる工程、 （ｈ）該電極を介して該対象物に溶接エネルギーを所定
    時間供給する工程、 （ｉ）溶接エネルギー期間中の短期間、該電極が該対象
    物と接触している期間の終わる前に、該第１の力よりも
    大きい一時的な力を生成する工程、および （ｊ）溶接処理一回当たりの全期間を短縮するように、
    溶接エネルギー期間の後に該電極から負荷される力を急
    速に減少させる工程、 を含む方法。
13. 【請求項１３】高速応答溶接ヘッドにおいて、力制御手
    段が、 溶接サイクルの第１所定期間中に電極から対象物へ負荷
    される第１力を表す所定力制御信号をプログラムする手
    段、 開放ループ式制御回路を備え、該溶接サイクルの第２所
    定期間中に該電極から該対象物へ負荷される、上記第１
    力より大きい一時的第２力を表す所定力制御信号をプロ
    グラムする手段、および 該電極から該対象物へ負荷される該第１力および該一時
    的第２力をそれぞれ該第１および第２の所定期間維持す
    る手段、 を含む高速応答溶接ヘッド。
14. 【請求項１４】該電極から該対象物へ負荷される力をプ
    ログラムする手段が、マイクロプロセッサ、アナログ回
    路またはコンピュータ制御系を含む請求項13の高速応答
    溶接ヘッド。
15. 【請求項１５】該マイクロプロセッサに複数の溶接スケ
    ジュールとそれに対応したカプロファイルとをプログラ
    ムすることによって、各溶接スケジュールの選択により
    必要なプロファイルを自動的に設定するようにした請求
    項14の高速応答溶接ヘッド。
16. 【請求項１６】支持手段、 該支持手段に対して移動可能な状態で該支持手段に可動
    シャフトを装着しておく手段、 磁力式線形アクチュエータを備え、該シャフトを該支持
    手段に対して直線状に移動させる駆動手段、 該溶接ヘッドから負荷する力を制御する、操作員による
    制御手段、 該操作員に制御された力を該電極と該工作物との間に溶
    接サイクルの所定期間維持する手段、および 該溶接サイクルの該力維持期間中に、上記操作員に制御
    された力より大きい一時的な力を負荷する手段、 を含む高速応答溶接ヘッド。
17. 【請求項１７】該駆動手段が、電極に接続された磁力式
    線形アクチュエータを含む請求項16の高速応答溶接ヘッ
    ド。
18. 【請求項１８】該操作員による制御手段が、望みの力の
    値を示す信号を生成する装置を含む請求項17の高速応答
    溶接ヘッド。
19. 【請求項１９】もう１つの操作員による制御手段によっ
    て、溶接電流を該電極に流せるようにした請求項18の高
    速応答溶接ヘッド。
20. 【請求項２０】磁力式線形アクチュエータ手段に取り付
    けた制御手段であって、溶接サイクルの所定期間中に電
    極から対象物へ負荷される溶接力を可変に制御するか、
    または該対象物に対する該電極の相対位置を可変に制御
    する制御手段と、該アクチュエータ手段に取り付けた駆
    動手段と、該駆動手段に取り付けた、電極および電極ホ
    ルダを備えた溶接手段との組み合わせを含む高速応答溶
    接ヘッド。
21. 【請求項２１】該溶接手段が、溶接電極と、該溶接電極
    の装着手段と、該電極に電流を供給できるようにする手
    段とを含む請求項20の高速応答溶接ヘッド。
22. 【請求項２２】該電流を供給できるようにする手段が、
    該電極に供給される電流の量を制御する手段を含む請求
    項21の高速応答溶接ヘッド。
23. 【請求項２３】高速応答溶接ヘッドであって、 対象物に対する電極の位置を制御するサーボ制御手段、 該サーボ制御手段に結合されていて、該電極と該対象物
    との接触を検出する検出手段、 電流に応答して該電極から負荷される力を制御する開放
    ループ式制御手段であって、溶接サイクルの第１所定期
    間中に該電極から該対象物へ負荷される第１溶接力と、
    該溶接サイクルの第２所定期間中に該電極から該対象物
    へ負荷される、上記第１溶接力より大きい第２溶接力と
    を表す可変力制御信号を生成する開放ループ式制御手段
    および 該検出手段に結合されていて、該電極と該対象物との接
    触を検出した際に該電極の制御を該サーボ制御手段から
    該開放ループ制御手段へ切り換える制御切り換え手段、 を含む高速応答溶接ヘッド。