JP3620463B2

JP3620463B2 - スポット溶接のモニタリング装置

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Publication number: JP3620463B2
Application number: JP2001120713A
Authority: JP
Inventors: 政信酒井; 伸木下; 修司鳥居
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2021-04-19
Also published as: JP2002316269A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種鋼板などの被溶接材を接合するスポット溶接において、その溶接状態の良否をインプロセスにて判定するのに用いるスポット溶接のモニタリング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、鋼板を使用する種々の製品において、鋼板の溶接にはスポット溶接が広く利用されている。これらの製品において、従来では、被溶接材として軟鋼板を用いていたため、溶接不良も少なく、所定の溶接条件を管理することにより溶接品質を比較的安定して保つことが可能であった。ところが、近年では、被溶接材として、防錆性能を高めた溶融合金化亜鉛めっき鋼板などの難溶接材が主に用いられるようになり、これに伴ってスポット溶接機の電極チップの摩耗などに起因する溶接不良が発生することから、溶接品質の管理が難しいという問題が生じている。そのため、スポット溶接に際しては、単に溶接条件を一定に管理するだけでなく、打点毎のナゲットの品質をも高精度で管理する必要が生じていた。
【０００３】
そこで、ナゲットの品質を管理するために様々なモニタリング装置が提案されており、例えば、とくに製造ラインにおいて要求の高い全溶接打点のインプロセスモニタリングに適応するものとして、溶接時の金属溶融状況に起因する振動現象に着目してスポット溶接の良否判定を行うモニタリング装置があった。（特開２００１−２５８８１号）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、溶接中に発生する振動に基づいてスポット溶接の良否判定を行うスポット溶接のモニタリング装置では、スポット溶接機の形式や構造によっては、金属溶融状況に起因する振動がスポット溶接機の機械振動に埋もれて良否判定が困難になることがある。例えば、一般にＣ型ガンと呼ばれる鉤状のアームを備えたスポット溶接機では、アーム剛性が低いことから、通電に伴ってアーム部や電極チップへ作用する電磁力により引き起こされる機械振動の振幅が大きくなる。この機械振動は通電電流周波数の２倍の周波数に同期した減衰を伴う断続的な振動となる。このため、良否判定の評価対象となる振動すなわち金属溶融状況に起因する振動がスポット溶接機の機械的な断続的振動に埋もれて良否判定が困難になることがあるという問題点があり、このような問題点を解決することが課題となっていた
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、溶接中に発生する振動に基づいてスポット溶接の良否判定を行うスポット溶接のモニタリング装置において、例えばＣ型ガンのような低剛性の交流スポット溶接機であっても、安定したスポット溶接の良否判定を行うことができるスポット溶接のモニタリング装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係わるスポット溶接のモニタリング装置は、溶接中に発生する振動に基づいてスポット溶接の良否判定を行うスポット溶接のモニタリング装置において、交流溶接電流を通電したときに電磁力を加振源として発生するスポット溶接機の電極部分の断続的機械減衰振動と交流溶接電流の位相差（遅れ時間）を検出する振動位相差検出手段と、良否判定の基準値を設定する良否判定基準値設定手段と、振動位相差検出手段で検出した振動位相差（遅れ時間）と良否判定基準値設定手段からの基準値を比較してスポット溶接の良否判定を行う溶接良否判定手段を備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
このスポット溶接のモニタリング装置は、重ね合わせた被溶接材（鋼板）同士を一対の電極チップで加圧しつつ両電極チップに交流溶接電流を通電し、抵抗加熱により両被溶接材同士を溶接するスポット溶接において、電極チップあるいはその近傍のガンアームに振動センサを備え、この振動センサにより溶接中に発生する断続的機械減衰振動を検出する。
【０００８】
本発明の請求項２に係わるスポット溶接のモニタリング装置は、振動位相差検出手段が、断続的機械減衰振動の位相差を一溶接当りに複数回検出する振動位相差標本化手段と、検出した振動位相差の標本データから散り発生時などの過大振動や予熱通電時などの過小振動に対応した異常データを削除する標本データ適正化手段と、最頻値（モード）、算術平均および幾何平均のいずれかを用いて適正化された標本データの代表値を求める判定パラメータ決定手段を備えていることを特徴としている。
【０００９】
このスポット溶接のモニタリング装置は、信頼性の高い良否判定を安定して行うために、振動位相差標本化手段において、一溶接当りに複数回の振動位相差の標本データを検出し、標本データ適正化手段において、先に検出した標本データから、偶発的な散り振動やその他の振動あるいは振動現象の『ゆらぎ』といったデータすなわち正しい良否判定の阻害要因となる異常データの排除を行って、標本データを適正化する。そして、判定パラメータ決定手段において、先に適正化した標本データから、良否判定基準値と比較するための代表値を算出する。
【００１０】
本発明の請求項３に係わるスポット溶接のモニタリング装置は、良否判定基準値設定手段が、複数の良否判定基準値を設定する手段であり、溶接良否判定手段が、振動位相差が基準値に対して以下、以上および所定範囲内のいずれかであるときに『溶接良好』と判定する手段であることを特徴としている。
【００１１】
このスポット溶接のモニタリング装置は、誤判定をすることなくスポット溶接の良否判定をするために良否判定基準値を複数設けており、溶接良否判定手段において、判定パラメータ決定手段で得た代表値が良否判定基準値の間にあるか否かを判定する。
【００１２】
本発明の請求項４に係わるスポット溶接のモニタリング装置は、良否判定基準値設定手段が、良否判定基準値の上限値として電極チップの加圧力不足および摩耗のいずれかによる溶接不良発生時に対応した振動位相差を設定し、且つ良否判定基準値の下限値として電流不足による溶接不良発生時に対応した振動位相差を設定する手段であり、溶接良否判定手段が、振動位相差が上限値と下限値の間にあるときに『溶接良好』と判定する手段であることを特徴としている。
【００１３】
このスポット溶接のモニタリング装置は、良否判定基準値設定手段において、例えば、想定される電極チップの加圧力不足により大きくなる振動位相差、および電極チップの摩耗により大きくなる振動位相差のうちの小さい方の値を上限値として設定すると共に、許容される溶接電流の下限値に相当する振動位相差を下限値として設定する。
【００１４】
本発明に係わるスポット溶接のモニタリング装置は、請求項５として、良否判定基準値設定手段が、溶接良好時の振動位相差の量に予め求めた所定の係数を乗じた値を良否判定基準値とする手段であることを特徴としており、請求項６として、良否判定基準値設定手段が、電極間電圧より算出した電流推定値に予め求めた所定の係数を乗じた値を良否判定基準値とする手段であることを特徴としており、請求項７として、良否判定基準値設定手段が、外部より入力される被溶接材の板厚信号に基づき予め設定した板厚対良否判定基準値マップを参照して良否判定基準値を選択設定する手段であることを特徴としている。
【００１５】
これらのスポット溶接のモニタリング装置は、操作性を向上させると共に、入力間違いを防止するために良否判定基準値の設定の簡素化を図ったものであり、請求項５のスポット溶接のモニタリング装置は、電極チップが新しい時などのように良好な溶接が行っている時の振動位相差をスイッチ操作により記憶し、記憶した振動位相差に予め求めておいた係数として例えば１．５を乗じ、これを良否判定基準値として出力する。なお、この係数例では、良好な溶接が行われているときの振動位相差が５０％大きくなった場合に溶接不良が発生すると判定されることになる。
【００１６】
また、請求項６のスポット溶接のモニタリング装置は、溶接電流と振動位相差との特性に着目し、予め溶接電流と良否判定基準値との比例乗数を求めておき、その比例定数を係数として設定する。そして、電極間電圧から算出した溶接電流値に比例定数を乗じ、これを良否判定基準値として出力する。
【００１７】
さらに、請求項７のスポット溶接のモニタリング装置は、被溶接材の板厚と振動位相差との特性に着目し、予め板厚と良否判定基準値との対応表を求め、この対応表を板厚対良否判定基準値マップとして設定する。そして、外部より入力される板厚信号で板厚対良否判定基準値マップを参照して対応する良否判定基準値を出力する。
【００１８】
本発明の請求項８に係わるスポット溶接のモニタリング装置は、振動位相差検出手段の検出結果と所定の電極整形時期判定基準値を比較して電極チップの整形時期を検出し且つ警報を出力する電極整形時期検出手段を備えたことを特徴としている。
【００１９】
このスポット溶接のモニタリング装置は、電極チップの摩耗が進んでその先端径が増大すると、その大きさに応じて振動位相差が大きくなる特性に着目し、溶接不良が発生する少し前の先端径になったときの振動位相差を予め求めておき、その値を電極整形時期判定基準値に設定する。そして、スポット溶接の良否判定と平行して振動位相差と電極整形時期判定基準値とを比較し、双方が一致したときに電極チップが整形時期に到達したことを知らせる警報を出力する。
【００２０】
本発明に係わるスポット溶接のモニタリング装置は、請求項９として、サイクル毎の振動位相差の変化と所定の変化パターンを比較して被溶接材に対する溶接設定条件の適合可否を判定する設定条件不適合検出手段を備えたことを特徴としており、請求項１０として、所定の振幅レベル以上の振動が電流波形の半周期にわたって継続していることを検出して散りと判定する散り検出手段と、散りを検出した通電サイクル値を出力する散り発生サイクル出力手段を備えたことを特徴としており、請求項１１として、電極間電圧より検出した通電角が適正値にあり且つ振動振幅が所定の振幅以下にあることを検出して電極チップ溶着と判定する電極チップ溶着検出手段を備えたことを特徴としており、請求項１２として、電極間電圧より検出した通電角を振動振幅で割った結果が所定の値以上となった場合に通電不良と判定して警報を出力する電流通電不良検出手段を備えたことを特徴としており、請求項１３として、電流通電不良検出手段により通電不良と判定されない場合に、検出した振動位相差とその移動平均値の差分が所定の値以上となった場合に分流電流と判定して警報を出力する分流検出手段を備えたことを特徴としている。
【００２１】
これらのスポット溶接のモニタリング装置は、スポット溶接の良否に関連した溶接不具合を知らせるための警報を出力するものであり、請求項９のスポット溶接のモニタリング装置は、溶接条件を共通化可能な不特定の被溶接材に対して、同一の溶接条件で溶接を行うような場合に、設定した溶接条件の適合範囲を逸脱する被溶接材を誤って溶接したことを検出し、それ以降の溶接不良の続発を防止するために、設定条件不適合検出手段において、良好な溶接時におけるサイクル毎の振動位相差の変化パターンを予め求めて適合判定基準値として設定し、標本データ適正化手段の出力データと適合判定基準値とをサイクル毎に比較し、所定の変動範囲より外れたことを検出した場合には、溶接設定条件が不適合であることを知らせる警報を出力する。
【００２２】
請求項１０のスポット溶接のモニタリング装置は、溶接の強度的な良否判定に加えて、仕上がり外観上の品質向上および省電力化のために散りの発生サイクルを出力するものであり、散り検出手段において、散りが発生したときの大振幅で且つ低減衰率の散り振動を予め設定した散り検出用のしきい値で検出し、散り振幅の検出が溶接電流の半周期の間継続した場合に『散り発生』を検出する。そして、散り発生サイクル出力手段において、散り発生タイミングを通電サイクルで測り、散りの発生を通電サイクル数で出力する。
【００２３】
請求項１１のスポット溶接のモニタリング装置は、電極チップが溶着したときに振動振幅が極端に小さくなることに着目し、予め電極チップ溶着時の振動振幅を元に電極チップ溶着検出用のしきい値を設定しておき、通電が適正値にありながら振動振幅がしきい値以下になった場合に『電極チップ溶着』と判定する。
【００２４】
請求項１２のスポット溶接のモニタリング装置は、溶接電流と振動振幅が比例関係にあることに着目し、予め正常に通電されている場合の溶接電流と振動振幅の平均値との比を設定しておき、溶接毎に電極間電圧から求めた電流推定値と振動振幅の平均値との比が設定値より大きい場合に『通電不良』と判定して警報信号を出力する。
【００２５】
請求項１３のスポット溶接のモニタリング装置は、電極間電圧より検出される電流推定値が適正範囲であり、且つ振動位相差の前回までの移動平均値が良否判定基準値あるいは電極チップ整形時期判定基準値に達していない条件を満たしているときに、検出された振動位相差と移動平均値の差分が予め設定した分流判定基準値を超す場合に『分流電流』を判定して警報信号を出力する。
【００２６】
本発明の請求項１４に係わるスポット溶接のモニタリング装置は、設定条件不適合検出手段、電極チップ溶着検出手段、電流通電不良検出手段および分流検出手段のいずれかにおいて不良が検出された場合に溶接良否判定手段へ溶接不良警報信号を出力する溶接不良警報手段を備え、溶接良否判定手段が、溶接不良警報を入力した場合に振動位相差による良否判定の結果によらず『溶接不良』を出力する手段であることを特徴としている。
【００２７】
このスポット溶接のモニタリング装置は、請求項９〜１３に記載のいずれかの溶接条件不良の警報が出力された場合には、溶接部分のナゲット形成に悪影響を及ぼしていることが考えられるため、請求項９〜１３に記載の警報出力の論理和を溶接不良警報信号として溶接良否判定手段に入力する。
【００２８】
本発明の請求項１５に係わるスポット溶接のモニタリング装置は、振動位相差検出手段が、判定パラメータ決定手段で求めた標本化データの代表値と、通電開始から予め定めた検出しきい値以上の振動を最初に検出した時刻までの時間とを切替えて出力する手段であり、良否判定基準値設定手段が、溶接良好時の振動位相差の量に予め求めた所定の係数を乗じた値である良否判定基準値と、電極間電圧より算出した電流推定値に予め求めた所定の係数を乗じた値である良否判定基準値と、外部より入力される被溶接材の板厚信号に基づき予め設定した板厚対良否判定基準値マップを参照して選択設定した良否判定基準値と、母材より低融点の表面コーティング層を有する鋼板における溶接不良判定時の良否判定基準値とを切替えて出力する手段であり、取付け対象のスポット溶接機および被溶接材のいずれかに応じて、振動位相差検出手段と良否判定基準値設定手段の出力の切り替えを選択する良否判定モード切替手段を備えたことを特徴としている。
【００２９】
このスポット溶接のモニタリング装置は、取付け対象のスポット溶接機または被溶接材の適合範囲を拡大するために上記構成を備えている。
【００３０】
【発明の効果】
本発明の請求項１に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、溶接中に発生する振動に基づいてスポット溶接の良否判定を行うスポット溶接のモニタリング装置において、例えば、低剛性の交流スポット溶接機などにおいてナゲット形成状況に対応した金属溶融振動がスポット溶接機の機械振動に埋もれて容易に検出できない場合であっても、通電時の電磁力を加振源とした大振幅の断続的機械減衰振動を検出対象としていることから、金属溶融振動を容易に信号検出することができ、スポット溶接の良否判定を確実に行うことができる。また、検出対象の振動振幅が大きいことから、信号検出に高度な信号抽出技術を用いる必要が無く、さらに、様々な被溶接材のスポット溶接に適合させることが可能であって、従来のモニタリング装置に比べてより広範囲の溶接条件に適合し得るとともに良否判定の信頼性をより一層向上させることができる。
【００３１】
本発明の請求項２に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項１と同様の効果を得ることができるうえに、良否判定パラメータを得るために、一溶接当り複数回の振動位相差の標本データを検出し、異常データを排除して最頻値（モード）屋平均値を求めることから、偶発的な散り振動やその他の振動あるいは振動現象の『ゆらぎ』などの影響を減少させて、信頼性の高い良否判定を安定して行うことができる。
【００３２】
本発明の請求項３に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項１および２と同様の効果を得ることができるうえに、良否判定基準値を複数設けることにより、振動を検出するセンサ類の故障や断線などによる信号検出不良、外乱ノイズによる振動位相差データのドリフト、あるいは溶接条件の変動による誤判定を防止することができる。
【００３３】
本発明の請求項４に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項３と同様の効果を得ることができるうえに、電極チップの加圧源や溶接電源の偶発的な変動によって加圧力や溶接電流が低下することによる誤判定を防止することができる。
【００３４】
本発明の請求項５に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項１および２と同様の効果を得ることができるうえに、良好な溶接が行われているときの振動位相差を記憶するように操作するだけで、簡単に良否判定基準値を設定することができ、操作性の向上や入力間違いを防止することができる。
【００３５】
本発明の請求項６に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項１および２と同様の効果を得ることができるうえに、予め溶接電流と良否判定基準値の比例定数を求めてその値を設定してくことにより、溶接電流に応じた良否判定基準値を自動的に設定し得るので、操作性をさらに向上させることができ、また、被溶接材に応じて溶接電流を加減する場合にも適応することができる。
【００３６】
本発明の請求項７に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項１および２と同様の効果を得ることができるうえに、予め被溶接材の板厚と良否判定基準値の対応マップを入力しておくことにより、板圧信号を入力するだけで良否判定基準値を自動的に設定することができ、異なる板厚の被溶接材を続けてスポット溶接する際の操作性を向上させることができる。
【００３７】
本発明の請求項８に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項１〜７と同様の効果を得ることができるうえに、振動位相差を所定の電極整形時期判定基準値と比較判定することにより、適切な電極チップ整形時期を検出することができ、また、電極チップの整形時期を知らせる警報信号を自動電極チップ整形装置（オートチップドレッサー）に入力することで、電極チップを効率良く自動整形することができる。
【００３８】
本発明の請求項９に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項１〜８と同様の効果を得ることができるうえに、とくに不特定の被溶接材に対して同一の溶接条件にてスポット溶接を行うような場合に、設定した溶接条件の適応範囲を超す被溶接材をスポット溶接したことを検出し得ることから、溶接不良の続発を防止することができると共に、作業者に対して溶接条件の再調整を促すことができる。
【００３９】
本発明の請求項１０に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項１〜９と同様の効果を得ることができるうえに、散りの発生を検出することができるため、溶接品質の向上や省電力化を図る際の参照データを得ることができる。また、散りの発生サイクルが出力されることから、そのデータを溶接制御装置に入力し、高頻度の散り発生サイクルに対して通電を停止するクール制御を行うことにより散りの抑止を行わせることができる。
【００４０】
本発明の請求項１１に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項１〜１０と同様の効果を得ることができるうえに、被溶接材への電極チップの溶着を検出することができ、とくに自動溶接装置のように無人でスポット溶接を行う際に電極チップ溶着の即時発見を可能にし、電極チップ溶着に伴う不具合の発生を最小限に止めることができる。
【００４１】
本発明の請求項１２に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項１〜１１と同様の効果を得ることができるうえに、高価な電流センサを用いることなく溶接電流の通電不良を検出することができる。
【００４２】
本発明の請求項１３に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項１２と同様の効果を得ることができるうえに、溶接電流が加圧部以外の通電経路へ分流したことを推定して分流電流発生の警報を出力し得ることから、分流電流の発生に伴う溶接不良の見逃し防止を図ることができる。
【００４３】
本発明の請求項１４に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項９〜１３と同様の効果を得ることができるうえに、各手段の判定内容に基づいて多角的な溶接不良の判定が成されることとなり、より厳密な溶接不良の見逃し防止を図ることができる。
【００４４】
本発明の請求項１５に係わるスポット溶接のモニタリング装置によれば、請求項２〜１４と同様の効果を得ることができるうえに、取付け対象のスポット溶接機または被溶接材に応じて良否判定モードを切替えることにより、直流溶接機による表面コーティング層を有する鋼板の溶接のように金属溶融振動が相対的に大きい場合にも即座に対応することができる。
【００４５】
【実施例】
溶接中に発生する振動に基づいてスポット溶接の良否判定を行うスポット溶接のモニタリングとしては、図２や図３に示すものがある。
【００４６】
図２（ａ）は、通電開始時刻からの溶接振動中の特定周波数の振動信号Ａｎ（ｔ）ＳＩＮ２πｆｎ（ｔｇ）ｔを示すものであり、図２（ｂ）は、図２（ａ）における振動信号の振幅拡大開始時刻ｔｒまでの経過時間Ｔｒとナゲット径との関係を示すものである。図２（ｂ）に示すように、上記関係が指数曲線で近似できる実験結果を得たことに着目すると、溶接時に得られる振幅拡大開始時刻ｔｒと予備実験で得た合格ナゲット形成時の経過時間Ｔｒとを比較することでナゲット形成が完了するよりも前にナゲット形成状態の良否判定ができる。また、近似式を求めておくことで振幅拡大開始時刻ｔｒの時点においてナゲット径の推定ができる。
【００４７】
また、図３（ａ）は、母材より低融点の表面コーティング層を有する鋼板のスポット溶接において、通電開始時刻からの事件経過と振動信号との関係を示すものであり、図３（ｂ）は、通電開始後の溶接初期に電極チップ部分で検出される衝撃的振動発生時刻ｔｂまでの経過時間Ｔｂとナゲット径との関係を示すものである。図３（ｂ）に示すように、上記関係が指数曲線で近似できる実験結果を得たことに着目すると、溶接時に得られる衝撃的振動発生時刻ｔｂと予備実験で得た合格ナゲット形成時の経過時間Ｔｂとを比較することでナゲット形成が完了するより前にナゲット形成状態の良否判定ができる。また、近似式を求めておくことで振幅拡大開始時刻ｔｂの時点においてナゲット径の推定ができる。
【００４８】
これらの方法は、いずれもナゲットの形成が完了するよりも前に良否判定が行われるので、その即時性から、判定結果に基づいて溶接電流等を最適値に制御するインプロセス制御に好適な良否判定方法あるいはモニタリング方法である。
【００４９】
次に、本発明による良否判定の基本原理について説明する。図１（ａ）は、本発明に係わるスポット溶接のモニタリング装置の基本構成と、通電時に検出される電極チップ部分の振動波形の一例を示すものである。同図において、符号１０はスポット溶接機、１１は溶接制御装置、１２は溶接トランスである。溶接電流波形Ｉｗに対して検出される機械振動Ｖｓは、振動位相差（遅れ時間）ｄθを有していることがわかる。さらに、振動位相差ｄθを同一電極チップにて溶接不良が発生するまで連続溶接したときの推移で見てみると、図１（ｂ）に示すように、最小合格ナゲット径Ｄｎに初めて至る約１１００回までに単調増加する特性が観察された。
【００５０】
本発明は、この特性に着目したものであって、溶接電流波形Ｉｗに対する電極チップ部分の機械振動Ｖｓの振動位相差ｄθを監視することで、溶接不良が発生するタイミングを未然に検出するものである。なお、図１（ａ）の振動位相差ｄθの軸の指標は、振動位相差角（ｄｅｇ）を溶接電流の２乗波の一周期（３６０ｄｅｇ）で正規化したものである。
【００５１】
ここで、振動位相差ｄθのメカニズムについて考察すると、図４は溶接状態が『良』のときと『不良』のときの電極チップ部分の物理現象の変化を整理したものである。実際の物理現象を正確に表すことはかなり複雑になり、且つ不規則性要素が多分に含まれているため、ここでは理想的な単純なモデルにてマクロ的な物理現象を考える。
【００５２】
溶接時に電極チップ部分に作用する力学要素を簡単に説明すると、電極チップ１５には加圧シリンダによる加圧力Ｆｐが強く作用している。この電極チップ１５には、溶接電流Ｉｗの通電によって誘導される電磁力が加振源となって、電極チップ１５の軸線に直交するＸ軸方向（Ｆｍｘ）と軸線に沿うＺ軸方向（Ｆｍｚ）に溶接電流Ｉｗの２倍の周波数で脈動的な力が加わる。そして、抵抗加熱により被溶接材Ｗｐの内部にナゲット径（溶融径）Ｄｎの溶融池が形成される。また、電極チップ１５は、加圧力Ｆｐにより被溶接材Ｗｐ食い込み、被溶接材Ｗｐの剛性と溶融池の内圧の合成力と加圧力Ｆｐの釣り合う状態を継続する。
【００５３】
そこで、上記の釣り合い状態が溶接不良時にはどのように変化するかを電極チップ部分の代表的な機械力学パラメータで見てみると、まず、溶接不良時の形状変化は、電極チップ１５の摩耗によりその先端径Ｄｅが増大し、先端形状はドームの球面から平面になる。また、被溶接材Ｗｐの金属成分や付着物が焼結して、先端面が平滑になる（表面平滑度Ｓｅ）。その結果、被溶接材Ｗｐへの食い込み量である圧痕深さｉｅは、先端径Ｄｅが大きくなるのに対して加圧力Ｆｐが一定であることから浅くなる（減少）。また、加圧面の摩擦係数μｅも低下する。さらに、形成されるナゲット径Ｄｎ’は、電極チップ１５の先端径Ｄｅ’の増大に伴う電流密度の低下により、金属溶融が促進されずに小径となる。材料力学的には、ナゲット形成部の粘性摩擦係数ｃは、ナゲット径Ｄｎ’が小径で且つ発熱温度Ｔｗも低いために低下する。しかし、ナゲット形成部のばね定数ｋは逆に増加する。
【００５４】
以上、溶接の良否による物理現象の変化を説明したが、図４中の各パラメータの括弧内に記載したように、マクロ的に見ても各パラメータには多くの相互関係があり、これらが溶接良否判定の実現の大きな障害となっている。なお、図４中の各パラメータの括弧内は当該パラメータの主要変化因子であり、図４中において、Ｐａは空気圧、Ｐｅは溶接電源電圧、Ｌｚはスポット溶接機のＺ軸方向のアーム長（Ｚ軸）、Ｌｘはスポット溶接機のＸ軸方向のアーム長、ｃｍは被溶接材の標準粘性摩擦係数、ｋｍは被溶接材のばね定数、およびｔｐは被溶接材の総板厚である。
【００５５】
また、本発明では、個別監視や制御が可能な加圧力Ｆｐ、溶接電流Ｉｗ、および電磁力Ｆｍｘ，Ｆｍｚよりも、監視や制御ができていない被溶接材Ｗｐおよび電極チップ１５の経時変化の検出が解決課題であるため、加圧力Ｆｐ、溶接電流Ｉｗ、および電磁力Ｆｍｘ，Ｆｍｚが一定として説明したが、実際の溶接現場では偶発的な加圧源（空気圧）Ｐａや溶接電流Ｉｗの低下があり、その変動要素も無視できない。その影響の出力を図５に示す。
【００５６】
一般的には減圧する方向を考慮すれば良く、図５（ａ）に示すように、加圧源Ｐａが低下すると振動位相差ｄθが増加する傾向にある。また、図５（ｂ）に示すように、溶接電流Ｉｗが低下すると振動位相差ｄθが減少する傾向にある。さらに、図５（ｃ）に示すように、同一溶接条件にて異なる板厚の被溶接材をスポット溶接した場合も板厚に比例して振動位相差ｄθが増加する傾向にある。
【００５７】
したがって、単に振動位相差ｄθを所定の良否判定基準値と比較判定するだけでなく、先の変動要素を考慮した良否判定方法とする必要がある。本発明では、変動要素に対して良否判定基準値の設定の仕方を工夫することで誤判定を防止するようにしている。
【００５８】
これらの関係を踏まえて図６に基づいて溶接不良時の振動位相差の増加をメカニズムを考えると、電極チップ１５は、アームの固定端に対して加圧力Ｆｐの力で押し当てられ、その先端は先端径Ｄｅの円と摩擦係数μｅから成る固体摩擦力が作用している。加えて電極チップ１５の軸線に直交するＸ軸方向には電磁力Ｆｍｘの力が作用し、これに伴いナゲット形成部の粘性摩擦力が生じ、先の固体摩擦力とともに電磁力Ｆｍｘに対する抵抗力Ｒが作用する。また、ナット形成部のばね定数による復元力Ｓが作用するといったモデルが考えられる。
【００５９】
このモデルの運動方程式は次の式１となり、Ｘ軸方向の振動と外力（電磁力）との位相差は次の式２となる。
【００６０】
【数１】

【００６１】
【数２】

【００６２】
また、抵抗力Ｒと復元力Ｓは、次の式３および式４となる。
【００６３】
【数３】

【００６４】
【数４】

【００６５】
したがって、運動方程式の等価粘性摩擦係数Ｃと等価ばね定数Ｋは、先の式３および式４から、次の式５および式６に示すパラメータの関数であることが予想される。
【００６６】
【数５】

【００６７】
【数６】

【００６８】
そして、先の式５および式６の各パラメータを溶接良否を想定して増減を評価すると、以下の表１のようになる。
【００６９】
【表１】

【００７０】
この検討から、溶接不良が発生する場合に、電極チップ先端での等価粘性摩擦係数および等価ばね定数は、いずれも良好な溶接時よりも大きくなることが理解できる。これが先の図１（ａ）に示した振動位相差ｄθの増加の理由である。なお、表１において、評価項目から被溶接材の標準粘性摩擦係数ｃｍ、被溶接材のばね定数ｋｍ、および圧痕深さｉｅを外している理由は、標準粘性摩擦係数ｃｍおよびばね定数ｋｍは溶接良否で変化しないパラメータであるからであり、圧痕深さｉｅは加圧力Ｆｐおよび先端径Ｄｅと重複しているからである。
【００７１】
図７に示すスポット溶接機は、シリンダロッドに加圧軸１７を一体的に設けたエアシリンダ１９と、溶接ガンアーム１８が電機絶縁体１４を介して結合され、加圧軸１７と溶接ガンアーム１８には、対向する電極チップ１５，１６を備えており、図示しない重ね合わせた２枚の被溶接材を前記電極チップ１５，１６で挟んで加圧し、通電による抵抗加熱で両被溶接材を溶着させるものである。加圧軸１７はエアシリンダ１９により空気圧で加圧駆動されるようになっており、他方のガンアーム１８は、少なくとも溶接時において固定状態となっている。
【００７２】
上記スポット溶接機は、両電極チップ１５，１６に対する溶接電流、通電時間（サイクル数）および通電角が、溶接制御装置１１で制御され、その出力である１次電流を溶接トランス１２において溶接胃必要な電流Ｉｗまで増幅させる。この溶接電流Ｉｗは、加圧軸１７と溶接ガンアーム１８、両電極チップ１５，１６および図示しない被溶接材で溶接電流回路が構成される。なお、電極チップ１５，１６の断続的機械減衰振動を検出するための振動センサ２０は、例えば圧電素子を用いた加速度センサを適用し、溶接する際に被溶接材と干渉せず、且つ電極チップ部分の振動を適切な感度で検出可能な位置にブラケットを用いるか、または直接接着して取付ける。
【００７３】
上記のスポット溶接機を用いて行うスポット溶接のモニタリング装置２１は、概略として、通電角検出回路（通電角検出手段）２１１、電流値推定回路（電流値推定手段）２１２、振動検出回路（振動検出手段）２１３、振動位相差検出回路（振動位相差検出手段）２１４、良否判定基準値設定回路（良否判定基準値設定手段）２１５、溶接不良警報回路（溶接不良警報手段）２１６、溶接良否判定回路（溶接良否判定手段）２１７、電極チップ整形時期検出回路（電極チップ整形時期検出手段）２１８、および散り検出回路（散り検出手段）２１９を備えている。
【００７４】
通電角検出回路２１１は、電極間電圧Ｖｅを入力して通電電流を推定するために用いる通電角信号φｉと、電流波形と検出振動波との位相差を計測するために用いる通電タイミング信号φｃを生成する。電流値推定回路２１２は、通電角信号φｉから通電電流推定値Ｉｅを算出する。振動検出回路２１３は、スポット溶接機に取付けた振動センサ２０の検出信号Ｖｓを入力し、この検出信号Ｖｓから不必要な周波数成分の除去を行うと共に、同検出信号Ｖｓを後段の回路に適正な信号レベルまで増幅させ、検出振動信号Ｖｍを出力する。
【００７５】
振動位相差検出回路２１４は、通電タイミング信号φｃと振動検出回路２１３の検出振動信号Ｖｍとを入力し、両信号φｃ，Ｖｍの位相差ｄθを計測し、振動位相差信号（判定パラメータ）Ｊｐとして出力する。良否判定基準値設定回路２１５は、スポット溶接の良否判定の際に用いる良否判定基準値Ｊｒを設定出力する。溶接不良警報回路２１６は、電流値推定回路２１２が出力する電流推定値Ｉｅと、検出振動信号Ｖｍと、振動位相差検出回路２１４が出力する振動位相差信号Ｊｐとを入力し、各種溶接不良警報Ｗｏ，Ｗｅ，Ｗｉ，Ｗｂを出力する。
【００７６】
溶接良否判定回路２１７は、振動位相差信号Ｊｐと、良否判定基準値設定回路２１５が出力する良否判定基準値Ｊｒとを比較し、溶接良否を判定し、さらに溶接不良警報回路２１６が出力する警報信号Ｓｗが全て警報無しの場合には良否判定結果を出力し、警報有りの場合には良否判定に関係なく『溶接不良』の判定信号Ｓｊを出力する。電極チップ整形時期検出回路２１８は、振動位相差信号Ｊｐと、外部より入力される電極チップ整形時期判定基準値Ｓｅとを比較して、電極チップ１５，１６が整形時期に到達したことを判定して電極チップ整形信号Ｓｄを出力する。散り検出回路２１９は、検出振動信号Ｖｍと通電タイミング信号φｃを入力し、検出振動信号Ｖｍが通電タイミングφｃの１周期間にわたって継続して入力された場合に散り発生を検出し、そのときの通電サイクル数を散りの発生サイクル信号Ｓｓとして出力する。
【００７７】
上記モニタリング装置２１の基本処理手順を図１３のフローチャートに基づいて説明する。
【００７８】
ステップＳ１において、良否判定モードに応じて良否判定基準の形態および値Ｊｒを選択設定し、ステップＳ２において、通電タイミング信号φｃを読み込んで通電電流推定値Ｉｅ〔ｎ〕を測定し、ステップＳ３において、通電タイミング信号φｃと検出振動信号Ｖｍを読み込んで双方の振動位相差ｄθ〔ｎ〕を測定する。なお、配列変数ｎは、通電サイクル指標を示す。
【００７９】
次に、ステップＳ４において、通電電流推定値Ｉｅ〔ｎ〕と検出振動信号Ｖｍと振動位相差ｄθ〔ｎ〕の情報から、『設定条件不適合』の合否、『電極チップ溶着』の有無、『電流通電不良』の有無、および『分流電流』の有無を検出し、これらの結果に応じて溶接不良警報の判定を行なう。そして、ステップＳ５において、良否判定基準値Ｊｒと振動位相差ｄθ〔ｎ〕を比較して良否判定を開始する。このステップＳ５では、良否判定基準の形態および値Ｊｒに対応した判定処理が施される。
【００８０】
次に、ステップＳ６において、ステップＳ４の溶接不良警報の判定で警報項目が検出されたか否かを判定し、いずれも不良警報無しと判定した場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ７において、スポット溶接が良好であるか否かを判定し、良好であると判定した場合（Ｙｅｓ）は、ステップＳ８において、溶接良好の判定結果を出力する。また、ステップＳ６において不良警報有りと判定した場合（Ｎｏ）あるいはステップＳ７において溶接良好でないと判定した場合（Ｎｏ）には、ステップＳ９において、溶接不良の判定結果を出力し、該当する警報項目の警報を出力する。
【００８１】
次に、ステップＳ１０において、振動位相差ｄθ〔ｎ〕と電極チップ整形時期判定基準値Ｓｅとを比較する電極チップ整形時期の判定を開始し、ステップＳ１１において、電極チップ整形時期か否かすなわち振動位相差ｄθ〔ｎ〕が電極チップ整形時期判定基準値Ｓｅに達しているか否かを判定し、整形時期に達していると判定した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１２において、電極チップ整形の警報を出力する。また、ステップＳ１１で整形時期に達していないと判定した場合（Ｎｏ）およびステップＳ１２の警報出力後には、ステップＳ１３において、検出振動信号Ｖｍの振幅レベルから散りの有無を検出すると共に、通電タイミング信号φｃから散りの発生サイクルを検出して出力する。
【００８２】
以上で一回の溶接における良否判定処理を完了する。なお、続けて次の溶接に備えるために、ステップＳ１３からステップＳ２に戻って待機状態となる。それ以降は、ソフトウエアが停止されるまで処理を継続する。
【００８３】
ここで、通電角検出回路２１１と電流値推定回路２１２について説明する。電極間電圧Ｖｅは、図１９のタイミングチャートにおける（２）に示すように、スポット溶接機１０の通電経路のインダクタンスにより溶接電流Ｉｗ（１）を微分した波形として検出される。本実施例では、時間分解能に優れた電極間電圧Ｖｅを検出し、その急峻な電圧変化点のみで細いパルス信号が出力されるように処理して通電タイミング信号φｃを出力している。なお、細いパルス信号の発生にはハイパスフィルタが適用できる。
【００８４】
このようにして得られた細いパルス信号は、始めの信号Ｐｏが通電開始時期（以下『点弧』とする）に対応し、次の信号Ｐｃが通電停止信号（以下『消弧』とする）に対応し、後段の処理回路の動作タイミング信号として用いられる。
【００８５】
次に、通電角φｉには通電タイミング信号φｃを用い、最初の信号Ｐｏでハイレベル、次の信号Ｐｃでローレベルとなるように交互にレベル変化させることで通電角φｉに相当するパルス幅を有する信号（４）としている。なお、このパルス信号の生成には、フリップフロップ素子が適用できる。このようにして、通電角信号φｉと通電タイミング信号φｃが通電角検出回路２１１から出力される。
【００８６】
次に、電流値推定回路２１２では、通電電流の半周期毎に更新される通電角信号φｉを受けてそのパルス幅を測定し、順次溶接電流推定値Ｉｅを更新して出力する（５）。なお、この処理では、パルス幅の測定にミラー積分回路（時間積分）が用いられ、溶接電流推定値信号Ｉｅの生成には、消弧のタイミングで動作するサンプル・アンド・ホールド回路が用いられる。
【００８７】
また、ソフトウエアでは、図１６に示すように、ステップＳ２１において、点弧時刻の信号Ｐｏを検出し、ステップＳ２２において、消弧時刻の信号Ｐｃを検出し、ステップＳ２３において、消弧時刻から点弧時刻を減算することで溶接電流推定値Ｉｅに対応した情報を得ることができる。さらに、検出した減算値に溶接電流変換係数Ｉｆを乗じることで物理値に変換した溶接電流推定値Ｉｅを出力できる。このときの変換係数は以下の式７により求める。
【００８８】
【数７】

【００８９】
また、上記の処理は、一回の溶接におて通電の半サイクル毎に繰り返され、ステップＳ２４において、次の点弧までの待ち時間Ｐｈを測定し、ステップＳ２５において、通電終了か否かを判定する。このステップＳ２５では、例えば通電が３サイクル以上時となった場合に通電終了と判定するようにし、通電終了と判定した場合（Ｙｅｓ）には、計測した点弧時刻および消弧時刻と通電量情報をもって図１３のメインルーチンに戻る。なお、通電終了ではないと判定した場合（Ｎｏ）にはステップＳ２１に戻る。なお、点弧時刻までの待ち時間Ｐｈは、設定されるクールサイクル値の最大値以上に設定すれば、クールサイクルのある溶接時でも途中でメインルーチンへ戻ることがない。
【００９０】
次に、先の図１９および図１７のフローチャートに基づいて振動位相差検出回路２１４を説明する。図１７のステップＳ３１において、振動位相差測定の前に良否判定モードＳｍに応じて処理手順を選択する。これが良否判定モード切替手段に相当する。
【００９１】
検出振動対象が断続的機械減衰振動Ｖｍである場合には、処理手順はステップＳ３１から振動位相差検出手順へ進み、ステップＳ３２において、通電タイミング信号φｃの点弧時刻Ｐｏを検出し、ステップＳ３３において、断続的機械減衰振動Ｖｍの振幅が検出しきい値Ａｔｈ以上であるか否かを判定する。このとき、断続的機械減衰振動Ｖｍが検出しきい値Ａｔｈよりも大きいと判定した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ３４において、その検出時刻Ｔｖを検出する。そして、ステップＳ３５において、振動検出時刻Ｔｖから点弧時刻Ｐｏを減算して振動位相差ｄθ〔ｎ〕を求める。このときの検出タイミングの一例を図１９の（７）のｄθ〔１．５〕に示す。図１９（７）では振幅が位相差に対応しており、その大きさは通電電流半周期を一周期として正規化してある。
【００９２】
これに対して、先のステップＳ３３において、断続的機械減衰振動Ｖｍが検出しきい値Ａｔｈよりも小さいと判定した場合（Ｎｏ）には、ステップＳ３６において、点弧時刻Ｐｏの検出からの経過時間が通電電流半周期に達したか否かを判定し、通電電流半周期に達していないと判定した場合（Ｎｏ）には、ステップＳ３３に戻って振動の検出待ちとなり、通電電流半周期に達したと判定した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ３７において、検出サイクルは振動検出不可能として、振動位相差ｄθ〔ｎ〕に正規化の最大値１を代入する。
【００９３】
以上の処理は、一回の溶接において、通電終了を検出するまで通電の半サイクル毎に繰り返される。この振動位相差ｄθ〔ｎ〕の配列変数は半サイクル毎に更新され、通電終了時には通電サイクル総数の２倍の数の位相差データが検出される。これが振動位相差標本化手段である。
【００９４】
そして、ステップＳ３８において、点弧時刻Ｐｏの待ち時間Ｐｈを測定し、ステップＳ３９において、通電終了か否かを判定し、通電終了と判定した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ３１０に進んで異常データの排除を行い、通電終了ではないと判定した場合（Ｎｏ）には、ステップＳ３２へ戻る。
【００９５】
ここで、異常データとは、図１９（７）の振動位相差ｄθ〔０．５〕やｄθ〔１．０〕に示すように、断続的機械減衰振動Ｖｍの振幅が小さくて振動検出不能となったときにｄθ〔ｎ〕に代入されたデータ〔１〕や、図２０（４）の振動位相差ｄθ〔３．５〕やｄθ〔４．０〕に示すように、散りなどにより点弧後に直ちに振動が検出されてｄθ〔ｎ〕が〔０〕に近い値となったデータであり、平均的な検出位相差に対して大きく乖離したデータを示す。そこで、ステップＳ３１０において、異常データを標本データ（母集団）から取り除く処理を行う。これが標本データ適正化手段である。
【００９６】
そして、ステップＳ３１１において、最後に残った標本データから代表値を算出して判定パラメータＪｐとする。このとき、判定パラメータＪｐを求める手段としては、計算時間で有利な算術平均のほかに、低頻度で大偏差のノイズ的な標本データの影響を受けずに実行値的な代表値が得られる幾何平均または最頻値（モード）が有効である。これが判定パラメータ決定手段である。
【００９７】
次に、検出振動対象が図３（ａ）に示す如き金属溶融振動である場合には、処理手順はステップＳ３１から金属溶融時間処理手順に進み、ステップＳ３１２において、通電タイミング信号φｃの点弧時刻Ｐｏを検出し、ステップＳ３１３において、金属溶融振動の振幅値が検出しきい値Ａｔｈ以上になった時刻Ｔｖを検出し、ステップＳ３１４において、金属溶融検出時刻Ｔｖから点弧時刻Ｐｏを減算して通電開始から振動第１波検出までの時間Ｔｂを求め、これを判定パラメータとする。このようにして得た判定パラメータをもって図１３のメインルーチンへ戻る。
【００９８】
次に、図８および図９には、振動位相差検出回路２１４の他の実施例としてハードウエアで構成した場合のブロック図を示す。
図８に示す実施例において、振動位相差標本化回路２１４ａは、図１７中のステップＳ３２〜Ｓ３８に相当し、通電タイミング信号φｃの点弧時刻Ｐｏカウントを開始し、断続的機械減衰振動Ｖｍが検出しきい値Ａｔｈ以上になった時刻でカウントを停止する時間カウンタである。また、この時間カウンタは、通電電流の半サイクル毎に実行して振動位相差の標本データを得る。それ以降、標本データ適正化回路２１４ｂは、図１７のステップＳ３１０と同等の論理にて判定パラメータを求め、判定パラメータ決定回路２１４ｃは、図１７のステップＳ３１１と同等の論理にて判定パラメータを求める。
【００９９】
また、検出振動対象を金属溶融振動とした時の判定パラメータを求めるバースト波検出時刻検出回路２１４ｄは、図１７のステップＳ３１２〜Ｓ３１４に相当し、最初の通電タイミング信号φｃの点弧時刻Ｐｏでカウントを開始し、金属溶融振動が検出しきい値Ａｔｈ以上になった時点でカウントを停止する時間カウンタであり、これにより振動第１波検出までの時間Ｔｂを得る。最後に、良否判定モードＳｍに応じて、断続的機械減衰振動よる判定パラメータか金属溶融振動による判定パラメータかを判定し、判定モード切替えスイッチ２１４ｅにて切替えて出力する。
【０１００】
図９に示す実施例において、相互相関演算回路２１４ｆは、通電タイミング信号φｃと断続的機械減衰振動Ｖｍの相互相関の時間軸推移（Ｒｘｙ（ｔ））を算出し、最初に相関係数が最大ピークとなる時間ｔｃを求め、その時間ｔｃＷ振動位相差ｄθ〔ｎ〕ｒとする。この処理を通電電流の半サイクル毎に実行し、振動位相差の標本データを得る。なお、相互相関の計算時間幅τは、通電電流の半サイクルとし、基準時刻は点弧時刻Ｐｏにとり、断続的機械減衰振動Ｖｍは包絡線波形とすると明瞭な相関係数のピークが得やすい。
【０１０１】
また、金属溶融振動による判定パラメータｔｂは、バースト波検出時刻検出回路２１４ｇにおいて、相互相関演算回路２１４ｆで得た標本データの中から最初に１以下になった振動位相差ｄθ〔ｎ〕を抽出し、その振動位相差ｄθ〔ｎ〕が抽出される以前のサイクル数分の周期時間を加算して求める。
【０１０２】
次に、図１４のフローチャートに基づいて良否判定基準値設定手段の実施例を説明する。
【０１０３】
ステップＳ１１０において、基準値の設定モードを選択する。ここでは、良否判定基準値を固定的に設定する固定モードと、検出量に予め設定しておいた調整係数Ｓｋを乗じて良否判定基準値を自動設定する自動設定モードと、外部からの入力信号に応じて予め設定しておいた基準値マップから良否判定基準値を検索して設定する外部入力モードとを用途に合わせて選択し得るものとなっている。
【０１０４】
固定モードでは、ステップＳ１１１において、良否判定モードＳｍに応じて処理手順を選択する。これは振動位相差検出回路２１４の良否判定モード選択と連動して切替えるもので、良否判定モード切替え手段に相当する。そして、良否判定対象を断続的機械減衰振動Ｖｍの位相差Ｊｐとした場合では、ステップＳ１１２において、良否判定基準値の下限の良否判定基準値Ｊｒ（Ｌ）を読み込む。このときの下限値の設定には、溶接電流の許容下限値の時の振動位相差ｄθを目安にする。また、図５（ｂ）に基づいて既に説明したように、溶接電流値が不足すると、その時に検出される振動位相差ｄθも小さくなる。したがって、電流不足の許容下限値電流において良好な溶接が行われる時の振動位相差ｄθが『溶接良好』と判定するための下限値となる。この時の振動位相差ｄθを予め求めておき、良否判定基準の下限値に設定する。
【０１０５】
次に、ステップＳ１１３において、上限の良否判定基準値を読み込む。この時の上限値の設定には、電極チップの加圧力の許容下限力時の振動位相差ｄθ、およびお電極チップ連続使用限界時の振動位相差ｄθのうちの小さい方を目安にする。これは図５（ａ）に基づいて既に説明した通り、加圧力が不足すると振動位相差ｄθが大きくなる関係にあり、また、電極チップの摩耗による連続使用限界時にも振動位相差ｄθが大きくなる。したがって、加圧力の許容下限または電極チップの連続使用限界時の振動位相差ｄθが『溶接良好』と判定するための上限値となる。この時の振動位相差ｄθを予め求めておき、良否判定基準の上限値に設定する。これにより、図２２に示すように上限値Ｊｒ（Ｕ）と下限値Ｊｒ（Ｌ）
の二つの良否判定基準値が設定される。
【０１０６】
また、良否判定モードＳｍで金属溶融振動を良否判定対象とした場合には、電流不足によっても振動位相差ｄθが大きくなって下限値設定が不要に成るため、下限値の読み込みを省略している。これにより図２１に示すように、１つの良否判定基準値が設定される。
【０１０７】
自動設定モードでは、用途に応じて良否判定基準値算出の参照パラメータを位相差と電流値とで選択できるようしている。まず、位相差を参照パラメータに選択した場合では、ステップＳ１１５において、予め求めておいた調整係数Ｓｋを読み込む。この調整係数Ｓｋは、良好な溶接が行われている時の振動位相差と、不良判定にしたい振動位相差との比で次の式８を目安に設定する。
【０１０８】
【数８】

【０１０９】
続いて、ステップＳ１１６において、良好な溶接が行われている時の振動位相差（判定パラメータＪｐ）を読み込む。この読み込みには予め記憶しておいた振動位相差を呼び出しても良いが、溶接ガンにスイッチを設けておき、電極チップの交換後等で溶接条件が良好な状態にある時に、そのスイッチを押すことで読み込まれるようにしておけば、電極チップ交換毎に変動する振動位相差におういて良否判定基準値を適応させることができるようになる。そして、ステップＳ１１７において、読み込まれた調整係数Ｓｋと振動位相差を乗じて良否判定基準値Ｊｒを次の式９で算出して出力する。この設定の様子として図２３に溶接回数と位相差の関係を示す。
【０１１０】
【数９】

【０１１１】
また、溶接電流を参照パラメータに選択した場合には、ステップＳ１１８において、予め求めておいた調整係数Ｓｋ’を読み込む。この調整係数Ｓｋ’は、設定した溶接電流値と不良判定したい振動位相差との比で、次の式１０を目安にして設定する。
【０１１２】
【数１０】

【０１１３】
そして、ステップＳ１１９において、良好な溶接が行われている時の振動位相差（判定パラメータＪｐ）を読み込む。この読み込みは、予め記憶しておいた振動位相差を呼び出しても良いが、溶接良否判定の度に検出される溶接電流Ｉｅを用いれば、電流変動による振動位相差ｄθ（ｉ）に応じて良否判定基準値Ｊｒ（ｉ）を適応させることができる。そして、ステップＳ１２０において、読み込まれた調整係数Ｓｋ’と振動位相差Ｊｐ（ｉ）を乗じて良否判定基準値Ｊｒ（ｉ）を次の式１１で算出して出力する。この設定の様子として図２４に溶接回数および通電電流と位相差との関係を示す。
【０１１４】
【数１１】

【０１１５】
外部入力モードでは、ステップＳ１２１において、外部より入力される板圧信号を読み込み、ステップＳ１２２において、予め設定しておいた板厚対良否判定基準値マップを参照して読み込んだ板厚を検索し、ステップＳ１２３において、対応する良否判定基準値を読み出す。この際、マップには、図１５に示すような板厚対良否判定基準値マップが設定してあり、例えば外部より入力された板厚が２．０ｍｍであったとすると、これに対応した良否判定基準値Ｊｒ＝０．５が設定される。
【０１１６】
なお、図１４のフローチャートには記載していないが、被溶接材の板厚と振動位相差は図４（ｃ）に示すように比例関係にあることから、板厚対良否判定基準値マップの代わりに調整係数Ｓｋ’’を用い、溶接電流による自動設定モードと同様に良否判定基準値を設定しても良い。この設定の様子として図２５に溶接回数および板厚と位相差との関係を示す。
【０１１７】
次に、図１２に基づいて溶接不良警報手段の実施例を説明する。まず、溶接不良警報手段に関わる設定条件不適合手段の実施例を説明すると、図２６のｄθ〔ｎ〕は、設定条件に適合した溶接時における振動位相差の通電サイクル推移を示す。そして、Ｌｎ〔ｎ〕とＬｌ〔ｎ〕はそれぞれ適合判定基準値の上限位相差および下限位相差を示す。したがって、検出される振動位相差ｄθ〔ｎ〕が夫々の通電サイクルにおいてＬｎ〔ｎ〕とＬｌ〔ｎ〕の範囲内にある場合は、その時の被溶接材は設定条件に適合していると判定する。これに対して、検出される振動位相差ｄθ〔ｎ〕が夫々の通電サイクルにおいてＬｎ〔ｎ〕とＬｌ〔ｎ〕の範囲外にある場合は、不適合と判定して設定条件不適合警報Ｗｏを出力する。
【０１１８】
この実施例では、適合判定基準値を通電サイクル進行に合わせて比較器２１６ｂへ順次送り出すためにシフトレジスタ２１６ａを用いている。予め通電サイクル毎の適合判定基準値を設定しておき、これを通電開始の信号ｔ０によりそれぞれシフトレジスタ２１６ａにセットする。比較時には通電タイミング信号φｃの点弧時刻Ｐｏをシフトロックとして用い、振動位相差ｄθ〔ｎ〕に対応した通電サイクルの適合判定基準値Ｌｎ〔ｎ〕とＬｌ〔ｎ〕が比較器２１６ｂに送られ、振動ｄθ〔ｎ〕が適合判定基準値Ｌｎ〔ｎ〕とＬｌ〔ｎ〕の範囲外にないかを比較判定する。
【０１１９】
次に、電極チップ溶着検出手段の実施例を説明する。電極チップ溶着時は、適正な通電が成されているにもかかわらず、断続的機械減衰振動Ｖｍの振幅が極端に小さくなる。したがって、断続的機械減衰振動Ｖｍをダイオード２１６ｃに通して整流した後、ローパスフィルタ２１６ｄにより振幅平均値を抽出し、電圧比較器２１６ｅにおいて電極チップ溶着検出しきい値Ａｔｈと比較する。また、通電電流値も電極間電圧から求めた電流推定値Ｉｅと適正通電値Ｖｉを電圧比較器２１６ｆで比較し、論理積素子２１６ｇにおいて、振幅平均値が電極チップ溶着検出しきい値Ａｔｈよりも小さく且つ通電電流が適正値以上の場合を抽出して電極チップ溶着警報Ｗｅを出力させる。
【０１２０】
次に、電流通電不良検出手段の実施例を説明する。図２７は通電電流と比例関係にある通電角を振動振幅の平均値で割った値の溶接回数における推移を示している。通常、通電電流値は溶接制御装置１１において一定に制御されるが、振動振幅は溶接回数の増加に伴って大きくなる。そのため図２７では右下がりの推移を示している。ところが、電源電圧の低下や被溶接材の電気抵抗の増加が生じると、予定の通電量が得られなくなるので、溶接制御装置１１は通電角を増大させる。その結果、通電不良の場合は、図２７に示すように、通電角の増大と通電不足による振動振幅の減衰により、通電角を振動振幅で割った値は大きくなる。この通電不良を検出するために、除算器２１６ｈにおいて電極間電圧より求めた電流推定値Ｉｅを振動振幅の平均値で割り、電圧比較器２１６ｆにて予め設定した比較電圧Ｖｉと比較し、大きい場合には『通電不良』と判定して警報信号Ｗｉを出力する。
【０１２１】
次に、分流検出手段の実施例について説明する。図２８は振動位相差から振動位相差の過去の平均値を差し引いた値の溶接回数における推移を示している。通常、電極チップ先端の劣化に伴い溶接回数の増加に応じて振動位相角は右上がりの推移を示す。ところが、既に溶接した箇所への通電電流の分流が発生した場合、溶接制御装置１１から見た通電電流値は適正範囲にあるが、加圧部の通電電流は近傍への溶接点への分流により減少する。その結果、分流発生時には加圧部のナゲット形成が促進されないため、図２８に示すように振動位相差が急に大きくなる。
【０１２２】
したがって、この分流を検出するために、まず過去の振動位相差の移動平均値を移動平均回路２１６ｉにて求め、減算器２１６ｊにて現在の振動位相差（判定パラメータＪｒ）から移動平均値を差し引き、今回の振動位相差の変化量の絶対値を算出する。次に、その変化量が予め設定しておいた分流判定基準値Ｖｂより大きいか否かを電圧比較器１６ｋにて判定する。そして、他の変動要因との区別をつけるために、通電量が適正値にあることと良否判定基準値あるいは電極チップ整形時期判定基準値に達していないことを論理積素子２１６ｍで総合判断して、今回の振動位相差が分流判定基準値Ｖｂより大きい場合に、分流電流発生と判定して警報信号Ｗｂを出力する。
【０１２３】
また、溶接不良警報手段の実施例では、論理和素子２１６ｎを用い、設定条件不適合検出手段、電極チップ溶着検出手段、電流通電不良検出手段および分流検出手段の各警報出力の論理和を溶接不良警報Ｓｗとして出力する。さらに、この溶接不良警報Ｓｗは、図１３に示すように、溶接良否判定（ステップＳ５）の前に実行されるようになっており、溶接不良警報Ｓｗが出力された時には、溶接良否判定を実行しないものとしている。したがって、この時の溶接良否判定は、強制的に溶接不良と判定して警報と共に出力する（ステップＳ９）。
【０１２４】
次に、電極チップ整形時期検出手段の実施例について説明する。既に説明したように、図１３のフローチャートにおいて、振動位相差ｄθ〔ｎ〕の代表値である判定パラメータＪｐが電極チップ整形時期判定基準値Ｓｅに達したか否かを比較判定し、電極チップ整形時期に達している場合は電極チップ整形警報を出力する。また、この手段をハードウエアで構成した場合の実施例を図１０に示す。ここで、移動平均回路２１８ａは、電極チップ整形時期の判定パラメータの大きな変動を少なくし、比較器２１８ｂにおける電極チップ整形時期判定基準値Ｓｅとの比較を安定させるために設けてある。なお、自動電極チップ整形装置（オートチップドレッサー）を使用している場合は、この電極チップ整形警報出力を整形実行のイベント信号として入力することで効率の良い電極チップ整形が実施できる。
【０１２５】
次に、図１８および図２０に基づいて、散りサイクル出力手段の実施例について説明する。まず、ステップＳ１３０において、通電タイミング信号φｃの点弧時刻Ｐｏを検出し、ステップＳ１３１において、散り発生サイクル検出用のカウンタに０．５を加算ｓする。これは散りの発生を溶接電流サイクルの半周期毎に行っているためである。次に、ステップＳ１３２において、断続的機械減衰振動Ｖｍの振幅が検出しきい値Ａｔｈ以上であるか否かを判定し、この際、断続的機械減衰振動Ｖｍの振幅が検出しきい値Ａｔｈよりも大きいと判定した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１３３において振動検出時刻Ｔｖを検出する。
【０１２６】
続いて、ステップＳ１３４において、記憶した振動検出時刻Ｔｖから点弧時刻Ｐｏを減算した結果が０であるか否かを判定し、結果が０であると判定した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１３５において、その時の散り発生サイクルカウンタの値を記憶する。この散りの検出タイミングの一例を図２０（４）のｄθ〔３．５〕に示す。また、図２０（３）は、断続的機械減衰振動Ｖｍを整流した後に検出しきい値Ａｔｈと比較した結果を示し、ハイレベルがＶｍ＞Ａｔｈの状態を示す。したがって、点弧時刻Ｐｏの検出時点でハイレベルとなっている期間３．５〜４．５サイクルでは、点弧時刻Ｐｏと振動検出時刻Ｔｖの差はｄθ〔ｎ〕は０となる。
【０１２７】
これに対して、ハイレベルがＶｍ＜Ａｔｈである場合は、ステップＳ１３６において、点弧時刻Ｐｏの検出からの経過時間が通電電流半周期に達したか否かを判定する。ここで、達していないと判定した場合（Ｎｏ）には、ステップＳ１３２に戻って振動の検出待ちとなる。また、通電電流半周期に達したと判定した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１３７において、検出サイクルは振動検出不可能として、振動位相差ｄθ〔ｎ〕に正規化の最大値１を代入する。以上の処理は、一回の溶接において通電終了を検出するまで通電の半サイクル毎に繰り返される。これは図１６で説明した通電電流推定回路２１２のフローチャートと同様の手順で処理を行っている。
【０１２８】
そして、ステップＳ１３８において、点弧待ち時間Ｐｈを測定し、ステップＳ１３９において、通電終了か否かを判定し、この際，通電終了ではないと判定した場合（Ｎｏ）には、ステップｓ１３０に戻り、通電終了と判断した場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１４０において、散りを検出したか否かを判定し、散りが発生した場合にはステップＳ１４１において散り発生サイクルカウンタの値を出力し、その後、図１３に示すメインルーチンへ戻る。
【０１２９】
また、散り検出回路２１９をハードウエアで構成した場合の実施例を図１１に示す。ここでは、散り検出回路２１９ａにて図１８中のステップＳ１３０〜Ｓ１３９と同等の論理により散りの検出を行ない、カウンタ２１９ｂにて散り発生サイクルのカウントを行っている。なお、カウンタ２１９ｂは、通電開始ｔ０から通電タイミング信号φｃの点弧時刻Ｐｏをカウントし、散り検出回路２１９ａの散り検出信号にてカウントを停止するようにしてある。つまり、カウントが停止したサイクルが散り発生サイクルＳｓとして出力される。
【０１３０】
なお、本発明に係わるスポット溶接のモニタリング装置は、その構成が上記各実施例のみに限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるスポット溶接の原理を示す説明図（ａ）および溶接回数と振動位相差との関係を示すグラフ（ｂ）である
【図２】振動振幅の拡大開始時期に基づく溶接不良判定方法を説明する図である。
【図３】低融点めっき鋼板にいて観測される初期振動に基づく溶接不良判定方法を説明する図である。
【図４】溶接部分における物理現象を説明する図である。
【図５】変動要因の特性として加圧力と振動位相差との関係を示すグラフ（ａ）、溶接電流と振動位相差との関係を示すグラフ（ｂ）および板厚と振動位相差との関係を示すグラフ（ｃ）である。
【図６】本発明の原理検証を説明する図である。
【図７】本発明に係わるスポット溶接のモニタリング装置の一実施例を説明する基本ブロック図である。
【図８】振動位相差検出手段の実施例を説明するブロック図である。
【図９】振動位相差検出手段の他の実施例を説明するブロック図である。
【図１０】電極チップ整形時期検出手段の実施例を説明するブロック図である。
【図１１】散り検出手段の実施例を説明するブロック図である。
【図１２】溶接不良警報手段の実施例を説明するブロック図である。
【図１３】本発明に係わるスポット溶接のモニタリング装置による基本的な処理手順を説明するフローチャートである。
【図１４】良否判定基準値を設定する際の処理手順を説明するフローチャートである。
【図１５】板厚対良否判定基準値マップの一例を示す図である。
【図１６】通電量測定の処理手順を説明するフローチャートである。
【図１７】振動位相差を測定する処理手順を説明するフローチャートである。
【図１８】散りサイクル出力の処理手順を説明するフローチャートである。
【図１９】電流推定値と振動位相差の検出手順を説明するタイミングチャートである。
【図２０】電極チップ溶着と散りの検出手順を説明するタイミングチャートである。
【図２１】良否判定基準値の設定として溶接回数と振動位相差との関係を示すグラフである。
【図２２】良否判定基準値の上下限値の設定として溶接回数と位相差との関係を示すグラフである。
【図２３】振動位相差から良否判定基準値を設定する方法を説明する図として、溶接回数と振動位相差との関係を示すグラフである。
【図２４】通電電流から良否判定基準値を設定する方法を説明する図として、溶接回数および通電電流と振動位相差との関係を示すグラフである。
【図２５】板厚から良否判定基準値を設定する方法を説明する図として、溶接回数および板厚と振動位相差との関係を示すグラフである。
【図２６】設定条件不適合の検出方法を説明する図として、通電サイクルと振動位相差との関係を示すグラフである。
【図２７】通電不良の検出方法を説明する図として、溶接回数と通電角／振動振幅との関係を示すグラフである。
【図２８】分流の検出方法を説明する図として、溶接回数と振動位相差−平均位相差との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０スポット溶接機
２１モニタリング装置
２１４振動位相差検出回路（振動位相差検出手段）
２１４ａ振動位相差標本化回路（振動位相差標本化手段）
２１４ｂ標本データ適正化回路（標本データ適正化手段）
２１４ｃ判定パラメータ決定回路（判定パラメータ決定手段）
２１４ｅ良否判定モード切替スイッチ（良否判定モード切替手段）
２１５良否判定基準値設定回路（良否判定基準値設定手段）
２１７溶接良否判定回路（溶接良否判定手段）
２１８電極チップ整形時期検出回路（電極チップ整形時期検出手段）
２１９散り検出回路（散り検出手段）

Claims

溶接中に発生する振動に基づいてスポット溶接の良否判定を行うスポット溶接のモニタリング装置において、交流溶接電流を通電したときに電磁力を加振源として発生するスポット溶接機の電極部分の断続的機械減衰振動と交流溶接電流の位相差を検出する振動位相差検出手段と、良否判定の基準値を設定する良否判定基準値設定手段と、振動位相差検出手段で検出した振動位相差と良否判定基準値設定手段からの基準値を比較してスポット溶接の良否判定を行う溶接良否判定手段を備えたことを特徴とするスポット溶接のモニタリング装置。
振動位相差検出手段が、断続的機械減衰振動の位相差を一溶接当りに複数回検出する振動位相差標本化手段と、検出した振動位相差の標本データから散り発生時などの過大振動や予熱通電時などの過小振動に対応した異常データを削除する標本データ適正化手段と、最頻値、算術平均および幾何平均のいずれかを用いて適正化された標本データの代表値を求める判定パラメータ決定手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接のモニタリング装置。
良否判定基準値設定手段が、複数の良否判定基準値を設定する手段であり、溶接良否判定手段が、振動位相差が基準値に対して以下、以上および所定範囲内のいずれかであるときに『溶接良好』と判定する手段であることを特徴とする請求項１または２に記載のスポット溶接のモニタリング装置。
良否判定基準値設定手段が、良否判定基準値の上限値として電極チップの加圧力不足および摩耗のいずれかによる溶接不良発生時に対応した振動位相差を設定し、且つ良否判定基準値の下限値として電流不足による溶接不良発生時に対応した振動位相差を設定する手段であり、溶接良否判定手段が、振動位相差が上限値と下限値の間にあるときに『溶接良好』と判定する手段であることを特徴とする請求項３に記載のスポット溶接のモニタリング装置。
良否判定基準値設定手段が、溶接良好時の振動位相差の量に予め求めた所定の係数を乗じた値を良否判定基準値とする手段であることを特徴とする請求項１または２に記載のスポット溶接のモニタリング装置。
良否判定基準値設定手段が、電極間電圧より算出した電流推定値に予め求めた所定の係数を乗じた値を良否判定基準値とする手段であることを特徴とする請求項１または２に記載のスポット溶接のモニタリング装置。
良否判定基準値設定手段が、外部より入力される被溶接材の板厚信号に基づき予め設定した板厚対良否判定基準値マップを参照して良否判定基準値を選択設定する手段であることを特徴とする１または２に記載のスポット溶接のモニタリング装置。
振動位相差検出手段の検出結果と所定の電極整形時期判定基準値を比較して電極チップの整形時期を検出し且つ警報を出力する電極整形時期検出手段を備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のスポット溶接のモニタリング装置。
サイクル毎の振動位相差の変化と所定の変化パターンを比較して被溶接材に対する溶接設定条件の適合可否を判定する設定条件不適合検出手段を備えたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のスポット溶接のモニタリング装置。
所定の振幅レベル以上の振動が電流波形の半周期にわたって継続していることを検出して散りと判定する散り検出手段と、散りを検出した通電サイクル値を出力する散り発生サイクル出力手段を備えたことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載のスポット溶接のモニタリング装置。
電極間電圧より検出した通電角が適正値にあり且つ振動振幅が所定の振幅以下にあることを検出して電極チップ溶着と判定する電極チップ溶着検出手段を備えたことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のスポット溶接のモニタリング装置。
電極間電圧より検出した通電角を振動振幅で割った結果が所定の値以上となった場合に通電不良と判定して警報を出力する電流通電不良検出手段を備えたことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のスポット溶接のモニタリング装置。
電流通電不良検出手段により通電不良と判定されない場合に、検出した振動位相差とその移動平均値の差分が所定の値以上となった場合に分流電流と判定して警報を出力する分流検出手段を備えたことを特徴とする請求項１２に記載のスポット溶接のモニタリング装置。
設定条件不適合検出手段、電極チップ溶着検出手段、電流通電不良検出手段および分流検出手段のいずれかにおいて不良が検出された場合に溶接良否判定手段へ溶接不良警報信号を出力する溶接不良警報手段を備え、溶接良否判定手段が、溶接不良警報を入力した場合に振動位相差による良否判定の結果によらず『溶接不良』を出力する手段であることを特徴とする請求項９〜１３のいずれかに記載のスポット溶接のモニタリング装置。
振動位相差検出手段が、判定パラメータ決定手段で求めた標本化データの代表値と、通電開始から予め定めた検出しきい値以上の振動を最初に検出した時刻までの時間とを切替えて出力する手段であり、
良否判定基準値設定手段が、溶接良好時の振動位相差の量に予め求めた所定の係数を乗じた値である良否判定基準値と、電極間電圧より算出した電流推定値に予め求めた所定の係数を乗じた値である良否判定基準値と、外部より入力される被溶接材の板厚信号に基づき予め設定した板厚対良否判定基準値マップを参照して選択設定した良否判定基準値と、母材より低融点の表面コーティング層を有する鋼板における溶接不良判定時の良否判定基準値とを切替えて出力する手段であり、
取付け対象のスポット溶接機および被溶接材のいずれかに応じて、振動位相差検出手段と良否判定基準値設定手段の出力の切り替えを選択する良否判定モード切替手段を備えたことを特徴とする請求項２〜１４のいずれかに記載のスポット溶接のモニタリング装置。