JP3603808B2

JP3603808B2 - 抵抗溶接におけるナゲット径の推定方法

Info

Publication number: JP3603808B2
Application number: JP2001119638A
Authority: JP
Inventors: 晋一渡辺
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-18
Filing date: 2001-04-18
Publication date: 2004-12-22
Anticipated expiration: 2021-04-18
Also published as: JP2002316268A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スポット溶接に代表される抵抗溶接において、溶接後に形成されるナゲット径の推定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から抵抗溶接、特にスポット溶接における品質管理、品質向上を目的とするナゲット径の推定方法としては、溶接電流通電中（ナゲット生成過程）における溶接部材の熱膨張を利用した様々な方法が開発されている。
【０００３】
なかでも、特開２０００−７９４８２号公報に開示された技術では、溶接中における電極間変位量からナゲット形を推定することができる非常に有用な発明である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記公報に記載の技術では、通電開始から電極間変位量が飽和するまでの間の変位量しか用いていないため、溶接ガンの打角の傾きが大きくなったり、あるいは板隙が大きい被溶接部材を溶接した場合などには、実際のナゲット径と推定値とが一致しなくなるといった問題がある。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、スポット溶接に代表される抵抗溶接において、形成されるナゲット径を極めて正確に推定することが可能なナゲット径の推定方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、下記する手段により達成される。
【０００７】
（１）溶接ガンによる被溶接部材のホールド開始からホールド解除までの間における電極間変位量を測定し、ホールド開始から変位量が飽和した点までの回帰直線を求め、当該回帰直線と、前記飽和した点と接する傾き０の直線との交点を求め、前記交点から前記ホールド解除までの間の変位量からこの間の変位量を近似する近似式を求め、前記通電開始から前記交点までの時間、前記回帰直線の傾き、前記回帰直線の切片の値、および前記近似式から、重回帰式を作成し、当該重回帰式によりナゲット径を算出することを特徴とする抵抗溶接におけるナゲット径の推定方法。
【０００８】
（２）溶接ガンによる被溶接部材のホールド開始からホールド解除までの間に計測された電極間変位量から、一定時間間隔ごとに、横軸を時間軸Ｔ、縦軸を変位量ｈとしたときの回帰直線を求める段階と、当該回帰直線の傾きが０となった時点で、当該傾き０の回帰直線と、それまでに求めた回帰直線のうち傾きが最大の回帰直線との交点を求める段階と、当該交点の前記時間軸Ｔ上における通電開始からの時間を仮想飽和時間Ｔ１として求める段階と、前記交点から前記ホールド解除までの間における前記電極間変位量ｈを時間Ｔの関数として表す下記（１）式に示される近似式を求める段階と、前記仮想飽和時間Ｔ１、前記傾き最大の回帰直線の傾きθ１、時間軸０における傾き最大の回帰直線の切片の値ＨＴ０、および（１）式における係数ａ、ｂ、ｃを用いて下記（２）式に示す重回帰式を求める段階と、を有し、溶接中に測定される電極間変位量から得られる仮想飽和時間Ｔ１、傾き最大の回帰直線の傾きθ１、時間軸０における傾き最大の回帰直線の切片の値ＨＴ０、および（１）式に示される近似式の各係数ａ、ｂ、ｃから、（２）式に示される前記重回帰式を用いて、溶接中におけるナゲット径ｙを算出することを特徴とする抵抗溶接におけるナゲット径の推定方法。
【０００９】
ｈ＝ａ×Ｔ２＋ｂ×Ｔ＋ｃ …（１）
ｙ＝ｒ０＋ｒ１×ａ＋ｒ２×ｂ＋ｒ３×ｃ＋ｒ４×Ｔ１＋ｒ５×θ１＋ｒ６×ＨＴ０ …（２）
ただし、（２）式中、ｙはナゲット径、ｒ０〜ｒ６は偏回帰係数である。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、請求項ごとに以下のような効果を奏する。
【００１１】
請求項１記載の本発明によれば、溶接中に電極間変位量を測定して、測定した変位量から回帰直線を求め、この回帰直線と飽和点を通る傾き０の直線との交点を求め、さらに交点からホールド解除までの電極間変位量を近似する式を求めて、交点に達するまでの時間、回帰直線の傾き、回帰直線の切片、および近似式に基づいて重回帰式を立て、この重回帰式によりナゲット径を算出することにより、通電開始から飽和点までのデータに加えて、通電終了後の収縮域における電極間変位量をあらわす近似式を用いて重回帰式を立てたことで、電極チップの打角や隙間などの影響による推定誤差を少なくし、高精度でナゲット径を推定することができる。
【００１２】
請求項２記載の本発明によれば、溶接中に電極間変位量を測定して、測定した変位量から一定時間間隔ごとに回帰直線を求め、回帰直線の傾きが０のときの直線と、傾き最大の回帰直線との交点を仮想飽和点として、この仮想飽和点に達するまでの時間を仮想飽和時間として求め、さらに、仮想飽和点からホールド解除までの間の電極間変位量を近似する２次多項近似式を求めて、傾き最大の回帰直線の傾き、切片の値、仮想飽和時間、および近似式の係数に基づき重回帰式を立てて、この重回帰式によりナゲット径を算出することにより、通電開始から飽和点までのデータに加えて、通電終了後の収縮域における電極間変位量をあらわす近似式を用いて重回帰式を立てたことで、電極チップの打角や隙間などの影響によらず、高精度でナゲット径を推定することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して、本発明の一実施の形態を説明する。
【００１４】
《装置構成》
図１は、本発明にかかるスポット溶接を実行する溶接装置の概略構成を示すブロック図である。
【００１５】
たとえば複数の板材などを重ね合わせた溶接部材１０は、その上下方向から溶接ガン１１に取り付けられた電極チップ１２ａ，１２ｂによって挟持、圧接される。
【００１６】
電極チップ１２ａおよび１２ｂはその一方、ここでは１２ａが図示上下に可動自在であり、サーボモータなどから構成される閉圧装置１８によって昇降され、この電極チップ１２ａの昇降動作によって溶接部材１０を所定の圧力で圧接する。
【００１７】
そして、電極チップ１２ａおよび１２ｂには、溶接部材１０を圧接した状態で電源回路１５から両電極チップ１２ａ，１２ｂに溶接電流が供給される。
【００１８】
この溶接電流の電流量や通電時間（溶接時間）は、中央演算装置２０の指令に基づいて動作する電流制御回路１６によって制御される。
【００１９】
電極チップ１２ａの位置は、たとえばエンコーダなどからなる電極位置検出装置１９によって検出される。
【００２０】
この電極位置検出装置１９によって溶接中における電極チップ１２ａの微少な上下動が検出され、これが固定された電極チップ１２ｂとの間における溶接中の熱膨張による電極間変位量として測定される。測定された電極間変位量は記憶回路２６に記憶され、後述するナゲット径の推定や制御に用いられる。
【００２１】
なお、この記憶回路２６には、溶接を行うときの溶接条件、および後述するようにして求められる重回帰式なども記憶されている。
【００２２】
閉圧装置１８の動作は、中央演算装置２０の指令に基づいて動作する閉圧制御回路２２によって制御される。
【００２３】
また、電極位置検出装置１９で検出された電極チップ１２ａの変位量は、電極位置検出回路２４を介し閉圧装置１８の位置制御のため、閉圧制御回路２２にフィードバックされて、電極チップ１２ａ，１２ｂによる加圧力の制御にも用いられている。
【００２４】
中央演算装置２０は、電極位置検出装置１９によって検出された電極チップ１２ａの位置情報から電極間変位量を求め、後述するように、求めた電極間変位量を元にして、ナゲット径を推定し、さらに、その推定結果に基づいて溶接中における通電電流量や通電時間といった通電条件の変更などを行う。
【００２５】
また、中央演算装置２０には、図示しないディスプレイなどが設けられておりナゲット径の推定結果や通電条件を表示する。
【００２６】
なお、図１に示した溶接装置は、あくまでも本実施形態を説明するために溶接装置の概略構成を説明するためのものであり、実際の溶接装置にあっては、たとえば作業者が手持ちするものやロボットのエンドエフェクタとして使用するものなど様々であるが、基本的な構成は上述したものと同様であり、本発明は上述したような溶接装置に限定して用いられるものではなく、様々な溶接装置に適用できるものである。
【００２７】
《ナゲット径の推定》
以上のように構成された装置によって行われる抵抗溶接におけるナゲット径の推定方法について詳細に説明する。
【００２８】
図２はナゲット径の推定方法の手順を示すフローチャートであり、図３はこの方法を説明するための電極間変位量のモデルを示す概略図である。
【００２９】
上記装置による溶接動作は、まず、溶接ガン１１によって溶接部材１０を所定の圧力によりホールドするとともに、電極チップ１２ａ，１２ｂに、あらかじめ決められた通電条件により通電を開始する。
【００３０】
ホールドおよび通電開始と同時に電極チップ１２ａの位置測定を開始し、その位置変化量から電極チップ１２ａと１２ｂとの間隔の変化量、すなわち、電極間変位量を測定する。
【００３１】
このとき、測定頻度は、連続的に、または０．５ｍｓｅｃ、あるいは１〜５ｍｓｅｃ程度のごく僅かな時間間隔ごとにサンプリングして記憶する（Ｓ２）。
【００３２】
なお、サンプリング間隔はこのような時間間隔に限定されるものではなく、後述する回帰直線の算出時間間隔に合わせて適宜設定するとよい。
【００３３】
測定した電極間変位量から、一定の時間間隔ｔｗｉｄｔｈごとに回帰直線を求め、求めた回帰直線の傾きと切片を記憶する（Ｓ３）。
【００３４】
ここで求める回帰直線は、横軸を時間軸Ｔ、縦軸を変位量ｈとした２次元における直線である（図３参照）。また、回帰直線の切片とは、回帰直線の時間軸上０の切片である。また、回帰直線の傾きθ１は、熱膨張速度ｄｈ／ｄｔを表すものである。
【００３５】
これにより得られる回帰直線は、ｈ＝θ１×Ｔ＋ＨＴ０となる。ここで、式中、ｈは変位量、Ｔは時間、θ１は傾き、ＨＴ０は切片の値である。
【００３６】
なお、前記時間間隔ｔｗｉｄｔｈは、実験の結果、後述する重回帰式を求めるために、好ましくは５０〜１２０ｍｓｅｃ程度、より好ましくは６０〜１００ｍｓｅｃ、さらには６０ｍｓｅｃ程度がよい。
【００３７】
ここで回帰直線を一定時間間隔ごとに算出しているのは、得られた回帰直線の傾きから時々刻々と変化する熱膨脹の飽和点を知るためで、得られた回帰直線の傾きが０となった時点で熱膨張が飽和したと判断している。
【００３８】
そして、得られた回帰直線の傾きが０となった時点で（Ｓ４）、その回帰直線とその時点までに得られている回帰直線のうち傾きが最大となっている回帰直線との交点を求め、さらに、この交点の時間軸上での値を求める。ここで、この交点を仮想飽和点と称する。
【００３９】
そして、時間軸上での通電開始から交点までの到達時間（仮想飽和時間Ｔ１）、傾き最大の回帰直線の傾きθ１、切片の値ＨＴ０を求める（図３参照）（Ｓ６）。
【００４０】
その後さらに変位量のサンプリングを上記と同じ条件でホールドが解除（溶接終了）されるまで行う（Ｓ７、Ｓ８）。
【００４１】
そして、前記交点からホールド解除までの間の変位量から、この間の変位量の値を近似する下記（１）式に示す２次多項近似式を求める（Ｓ９）。
【００４２】
ｈ＝ａ×Ｔ２＋ｂ×Ｔ＋ｃ …（１）
なお（１）式において、ｈは変位量、Ｔは時間である。
【００４３】
続いて、仮想飽和時間Ｔ１、傾き最大の回帰直線の傾きθ１、切片の値ＨＴ０、および（１）式における各係数ａ、ｂ、ｃを用いた下記（２）式に示す重回帰式を求める（Ｓ１０）。
【００４４】
ｙ＝ｒ０＋ｒ１×ａ＋ｒ２×ｂ＋ｒ３×ｃ＋ｒ４×Ｔ１＋ｒ５×θ１＋ｒ６×ＨＴ０ …（２）
ただし、（２）式中、ｙはナゲット径であり、ｒ０〜ｒ６は偏回帰係数である。なお、この重回帰式における偏回帰係数ｒ０〜ｒ６は、通常の数学的手法と数々の実験結果などから得られる値で、溶接する溶接部材の厚さや電極チップの径、あるいは通電条件などにより異なる。
【００４５】
以上の手順により実際に溶接を行った複数のサンプルから重回帰式を求めることになる。このようにして求めた重回帰式は、あらかじめ記憶回路２６に記憶しておく。
【００４６】
そして、溶接時においては、上記ステップＳ１からＳ９までの手順と同様にして、溶接を行いながら電極間変位量を測定するとともに、仮想飽和時間Ｔ１、傾き最大の回帰直線の傾きθ１、切片の値ＨＴ０、および（１）式における各係数ａ、ｂ、ｃを求め、これらの値を前記の各手順により求めておいた（２）式で示される重回帰式に入れて、ナゲット径を算出する。
【００４７】
次に、実際に溶接を行い、そのときのナゲット径の実測値と推定値との比較結果について説明する。
【００４８】
被溶接部材は、板厚１．６ｍｍの冷延鋼板を２枚用いて、重回帰式を求めるために、図４に示すように、２枚の冷延鋼板５１および５２を張り合わせて、被溶接部材の間にスペーサ５３を入れて、隙間Ｓ＝２ｍｍ、間隔Ｋ＝２０ｍｍとなる板隙を設定したものと、板隙を設定しないもの（スペーサ無し）、および打角０〜１０度の間で様々に変えてスポット溶接を行い、前述した手順により（２）式で示される重回帰式を作成した。
【００４９】
そして、上記と同じ板材を用いて、板隙有と板隙無のそれぞれについて、打角０（打角無）と１０度（打角有）のサンプルを溶接し、このときのナゲット径の実測値と、本発明による推定値（実施例）、および特開２０００−７９４８２に開示された技術による推定値（比較例）を比較した。
【００５０】
溶接サンプルは、（１）板隙無・打角無、（２）板隙無・打角有、（３）板隙有・打角無、（４）板隙有・打角有の４個であり、各サンプルの溶接条件は、溶接電流は、（１）が７．５ｋＡ、（２）が８．３ｋＡ、（３）が７．８ｋＡ、（４）が７．３ｋＡである。通電時間はすべてアップスロープ３サイクル、本通電１４サイクルである。加圧力はすべて３５２８Ｎ（３６０ｋｇｆ）である。
【００５１】
図５は、各サンプルの変位量を示す図面であり、図６は、各サンプルのナゲット径の実測値、本発明による推定値（実施例）、および特開２０００−７９４８２に開示された技術による推定値（比較例）を示す図表である。なお、図５において変位量は、エンコーダのパルス数で示し、１パルス１．２２μｍである。また、図６において「残差」とは実測値―推定値である。
【００５２】
図５からわかるように、板隙の有無、および打角の有無により、電極間変位量の変化傾向が異なる。特に、飽和点に達するまでの傾向が大きく異なっている。一方、飽和点以降の部分（これを収縮域と称する）では、どれもほぼ同じような収縮傾向を示している。本発明では、この収縮域の傾向を２次多項近似式により表し、その係数を重回帰式に取り入れることで、ナゲットの推定精度をあげているものである。
【００５３】
その結果は、図６から明らかなように、板隙の有無や打角の有無によらず、いずれのサンプルでも本発明による実施例の方が、比較例よりも残差が少なく、ナゲット径の推定精度が高いことがわかる。
【００５４】
以上のように本実施の形態によれば、板隙の有無や打角によらず、高精度でナゲット径を推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スポット溶接装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】ナゲット径の推定方法の手順を示すフローチャートである。
【図３】電極間変位量のモデルを示す概略図である。
【図４】サンプルの測定を説明するための図面である。
【図５】電極間変位量を示す図面である。
【図６】ナゲット径の推定値と実測値を比較した図面である。
【符号の説明】
１０…溶接部材、
１１…溶接ガン、
１２ａ，１２ｂ…電極チップ、
２０…中央演算装置、
２６…記憶回路。

Claims

溶接ガンによる被溶接部材のホールド開始からホールド解除までの間における電極間変位量を測定し、
ホールド開始から変位量が飽和した点までの回帰直線を求め、
当該回帰直線と、前記飽和した点と接する傾き０の直線との交点を求め、
前記交点から前記ホールド解除までの間の変位量からこの間の変位量を近似する近似式を求め、
前記通電開始から前記交点までの時間、前記回帰直線の傾き、前記回帰直線の切片の値、および前記近似式から、重回帰式を作成し、
当該重回帰式によりナゲット径を算出することを特徴とする抵抗溶接におけるナゲット径の推定方法。
溶接ガンによる被溶接部材のホールド開始からホールド解除までの間に計測された電極間変位量から、
一定時間間隔ごとに、横軸を時間軸Ｔ、縦軸を変位量ｈとしたときの回帰直線を求める段階と、
当該回帰直線の傾きが０となった時点で、当該傾き０の回帰直線と、それまでに求めた回帰直線のうち傾きが最大の回帰直線との交点を求める段階と、
当該交点の前記時間軸Ｔ上における通電開始からの時間を仮想飽和時間Ｔ１として求める段階と、
前記交点から前記ホールド解除までの間における前記電極間変位量ｈを時間Ｔの関数として表される下記（１）式の近似式を求める段階と、
前記仮想飽和時間Ｔ１、前記傾き最大の回帰直線の傾きθ１、時間軸０における傾き最大の回帰直線の切片の値ＨＴ０、および（１）式における係数ａ、ｂ、ｃを用いて下記（２）式に示す重回帰式を求める段階と、を有し、
溶接中に測定される電極間変位量から得られる仮想飽和時間Ｔ１、傾き最大の回帰直線の傾きθ１、時間軸０における傾き最大の回帰直線の切片の値ＨＴ０、および（１）式に示される近似式の各係数ａ、ｂ、ｃから、（２）式に示された前記重回帰式を用いて、溶接中におけるナゲット径ｙを算出することを特徴とする抵抗溶接におけるナゲット径の推定方法。
ｈ＝ａ×Ｔ２＋ｂ×Ｔ＋ｃ …（１）
ｙ＝ｒ０＋ｒ１×ａ＋ｒ２×ｂ＋ｒ３×ｃ＋ｒ４×Ｔ１＋ｒ５×θ１＋ｒ６×ＨＴ０ …（２）
（ただし、（２）式中、ｙはナゲット径、ｒ０〜ｒ６は偏回帰係数である。）