JP3734268B2 - 部品を加工片に結合するための溶接方法及びその方法を実施するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求の範囲第１項の前提条件部分に記載したような、部品を加工片に結合するための溶接方法と、その方法を実施するための装置に関する。
そのような方法は公知であり、溶接が使用され、アークにより迅速かつ正確に達成されてきた。使用される部品は、例えば、ボルトやスタッドである。公知の方法では、アーク電圧が部品高さに応じて機械的に設定されている。特に、部品高さは、アーク電圧と実質的に比例関係である。この場合には、経験に基づく値は永久に設定されたままである。アーク電圧は、溶接すべき部品の表面特性や材料製造における許容誤差に応じて溶接中に常時変化するものであり、使用する溶接ヘッドの接触圧力によっても変化するため、溶接の品質に変動を生じる。
ＥＰ−Ｂ−0241249特許明細書には、部品のアーク溶接のための回路配置が記載されており、ここでは、シーケンスコントローラが溶接アークの後方向及び前方向の移動のトリガモーメントを定め、溶接前電流アークからモニター電圧が導かれ、このモニター電圧が矯正電圧に変換され、制御電圧に重畳されて切り替えモード電力供給ユニットを制御し、該ユニットは、このようにして矯正された制御電圧を用いて、溶接工程中の出力電流を、モニター電圧から導かれる溶接前電流アークの抵抗に調節する。後方移動のトリガモーメント及び溶接アークのトリガモーメントは又、シーケンスコントローラにおいて、溶接前電流アークから導かれるモニター電流により矯正される。このようにして、すべての溶接工程において、出力電流と溶接時間が溶接前電流アーク電圧を基に調節される。部品の高さは、円筒コイル及びスプリングにより調節される。この場合にも、アーク電圧は溶接工程中に常時変化する可能性があり、上述した要因の喧嘩として、好ましくない品質低下を招くことになる。
公知の機械的な部品高さ調節と、挿入寸法がアーク電圧に影響することで、これらパラメータは溶接ごとに一回しか矯正できないことになる。さらに、公知の機械的な部品高さ調節と、挿入寸法がアーク電圧に影響することとは、不正確な調節の結果として欠陥ある品質を生成する危険を生む。実際には、作業者が各ケースで遭遇する時間の切迫により、不正確さや理想的な設定値からの変位を回避すること、ないしは矯正することは、常に可能とは限らない。このために、品質がその分だけ低下し、スクラップとなる。さらに、公知の溶接装置は、相当は厳しい要求に曝される。また、品質に対する要求が増大するに伴って、製造工程内自体で品質を直接的に確認し、必要があれば矯正することが望ましい。
本発明は、上述した欠点を回避でき、今日の品質保証要求に適応でき、しかも容易に実施できる、一般的な方法を提供する目的に基づいている。
本発明においては、上述の目的は、アーク電圧のための基準電圧形状が設定され、溶接工程中に制御ルーフ内で繰り返しアーク電圧が測定されて電流基準電圧と比較され、各時点で、矯正変数が、制御変数として、測定されたアーク電圧と電流基準電圧の差から求められ、この矯正変数により、各時点で、部品高さが操作変数として自動的に矯正されることにより達成される。したがって、所望のアーク電圧が全溶接工程にわたって精密に維持され、異なる加工片の表面特性に対して溶接特性に顕著な改善を確保することができる。さらに、加工片とスタッドの間の距離の時間を要する調整や矯正が不要になる。
この方法を実施するための装置は、スタッド溶接装置と、スタッドホルダーを有する溶接ヘッド制御ユニットと、マイクロプロセッサコントローラーから構成される。
本発明の有利な展開は、さらに従属請求項から得られる。
本発明の幾つかの実施例を図面について如何に詳細に説明する。
図１は、本発明による装置の実施例の概略図である。
図２は、他の実施例の概略図である。
図１は、本発明による装置の第１実施例の概略図である。以下の説明においては、説明を簡単にするために、加工片に溶接される部品をスタッドと呼ぶが、本発明は勿論このような部品に限定されるものではない。この装置は、スタッド溶接装置１からなり、この装置自体は公知であり、溶接時間中に調節可能な溶接電流を生成するのに適しており、溶接時間も又、同様に調節可能である。調節は、使用される材料や溶接直径の関数として行われる。溶接ヘッド制御ユニット２は、電子回路が組み込まれた、それ自体公知で、入力信号に応じて迅速かつ精密な位置制御を油圧的に行うことができる油圧制御バルブ３を備える。制御バルブ３は油圧シリンダ４に接続され、該油圧シリンダ４に、加工片７に溶接されるスタッド６を保持するのに適したスタッドホルダー５が取り付けられる。さらに、制御バルブ３は、油圧制御ライン９により、それ自体公知の油圧ユニット８に制御される。スタッドホルダー５は、溶接電流ライン１０を介してスタッド溶接装置１に接続される。このように、油圧シリンダ４は、スタッドホルダー５とともに溶接ヘッドとして使用される。スタッド溶接装置１は、アースライン１１を介して加工片７に接続される。マイクロプロセッサコントローラー１２が、制御ライン１３を介してスタッド溶接装置１に接続される。さらに、マイクロプロセッサコントローラー１２は、測定ライン１４を介して加工片７に、また測定ライン１５を介してスタッドホルダー５に接続される。最後に、マイクロプロセッサコントローラー１２は、制御ライン１６を介して油圧ユニット６に接続される。溶接ヘッド制御ユニット２は、スタッド６を精密に加工片７の上に位置させるための支持脚を備えることができる。しかし、溶接ヘッド制御ユニット２は、図示しないがそれ自体は公知の位置測定システムと組み合わせることか好ましい。
スタッド６を加工片７に溶接するためには、スタッド６を加工片７の溶接点の上に置くことにより、スタッド端と加工片７の溶接点の間に信頼性ある電気接触を最初に形成する。このヌル位置は、位置測定システムにより測定され、基準としてマイクロプロセッサコントローラー１２内に記憶される。溶接時間と溶接電流、及び望ましいアーク電圧（すなわち、溶接工程中に変化するアーク電圧制御のための基準電圧形状）、アーク電圧とスタッド・加工片間距離との比がマイクロプロセッサコントローラー１２に設定され、制御ライン１３を経てスタッド溶接装置１に送られる。さらに、溶融スタッド端を加工片７上の溶融状態の溶接点に挿入することに関する追加の要因が、以下に説明するように調節される。
実際の溶接工程は、スタッド６を加工片７から持ち上げ、スタッド端と加工片７上の溶接点の間にアークを形成して、後者を溶融させることにより実行される。電流アーク電圧は、測定ライン１４、１５により測定され、溶接工程全体にわたって、マイクロプロセッサコントローラー１２の制御ループ内の制御変数としての設定基準電圧形状の電流基準電圧と、繰り返し比較され、各時点で、測定されたアーク電圧と電流基準電圧の差から矯正変数が求められる。各時点でのこの矯正変数は、制御ライン１６を介して油圧ユニット８に送られ、該ユニットは、各時点で、スタッドと加工片の間の距離を、油圧回路と制御ライン９を介して制御バルブ３により矯正する。スタッドと加工片の間の距離は、各時点で、求められた矯正変数を油圧ユニット８と油圧制御バルブ３により変換することにより、制御ループ内の操作変数として自動的に矯正される。アーク電圧は溶接作業中、常時モニターされ、スタッドと加工片の間の距離は、毎秒数百回にわたり調節される。
溶融したスタッド端の加工片７上の溶融した溶接点への再設定、すなわち挿入も又検出され、マイクロプロセッサコントローラー１２により制御される。アーク形成の完了のとき、スタッドと加工片の間の距離の自動的な矯正が又、完了する。スタッドと加工片の間の距離の最終的な設定は、位置測定システムにより測定され、マイクロプロセッサコントローラー１２に記憶され、記憶されたヌル位置が基準値として使用される。スタッドと加工片の間の距離の制御された再設定がなされ、挿入が行われる。挿入深さ（挿入寸法とも呼ばれる）と挿入速度は、マイクロプロセッサコントローラー１２内に設定でき、記憶されたヌル位置が各時点での基準値となる。設定値は、位置設定システムと組み合わされた油圧制御バルブ３によって挿入寸法と挿入速度に変換される。これは、制御ループによって行われ、この場合、挿入寸法が測定され、所定の設定値を基に位置測定システムにより繰り返し制御された変数として使用される。このようにして、再設定及び挿入中も高い精度が完全に自動的に達成され、溶接品質の改善につながる。設定された最大挿入深さを達成した後、再設定時間の後で、ヌル位置への戻りの動きが再び行われるが、このときの再設定時間も又、調節可能である。
ここに説明した油圧の実施例は、溶接ヘッド制御ユニット２を永久的に取り付けることができる比較的大きな装置に適したものである。
図２は、他の実施例を示す概略図である。この例では、溶接ヘッド制御ユニット２は、制御マグネット１７と、これに結合され加工片７に溶接されるスタッド６を保持するのに適しているスタッドホルダー１８を備え、該スタッドホルダーは溶接電流ライン１０を介してスタッド溶接装置１に接続されるもので、制御マグネット１７は、スタッドホルダー１８とともに、溶接ヘッドとして使用されることになる。制御マグネット１７は、例えば、油圧回路に使用されている公知の電子回路組み込み型の制御バルブを改造して作ることができる。油圧回路に使用される制御バルブは、迅速で精密な位置制御を油圧的に行うのに適しているので、その制御バルブから油圧関連部品を外し、磁気的に制御される軸を残し、その軸をスタッドホルダー１８に直接的に結合する。これによって、制御マグネット１７は、簡単な手法で精度よく組み込まれ、既にある位置測定システムと一体にできる。制御マグネット１７は制御ライン１９を介してマイクロプロセッサコントローラー１２に接続される。
溶接工程の順序は、油圧を使用する前述の実施例におけると同様である。しかし、必要な位置測定のすべては、制御マグネット１７に一体化された位置測定システムを使用することによって直接的に行われる。スタッドと加工片の間の距離についての矯正変数は、各時点でマイクロプロセッサコントローラー１２により求められ、制御ライン１９を経て電子的に制御される制御マグネット１７に直接送られ、該制御マグネットが、各時点で、スタッドと加工片の間の距離についての対応する矯正を行う。このように、スタッドと加工片の間の距離は、求められた矯正変数を制御マグネット１７により変換することによって、制御ループ内における操作変数として、各時点で自動的に矯正される。
簡単なアナログコントローラーでも十分であり、例えば、この場合には、アーク電圧が測定され、比較器内で電流基準電圧と常時比較され、その差がフィルターおよびＰＤ又はＰＩＤレギュレーターにより処理され、矯正信号として制御マグネット１７に送られる。この場合には、制御マグネット１７の慣性は低いが、この慣性が電圧スパイクをフィルターするのに寄与することになり、共鳴を回避するのに役立つ。
再設定と挿入も又、図１を参照し前述したのと同様にして行うことができる。この場合には、挿入速度と挿入寸法についてマイクロプロセッサコントローラー１２に設定した値が、制御マグネット１７により所望の動きに変換される。
ここで説明した電子磁気的な実施例は、制御マグネット１７をスタッドホルダーを有する溶接ガンとして形成することにより、手で容易に操作できるものとなる。
図示しないさらに別の実施例では、スタッドと加工片の間の距離と挿入寸法の設定の自動的な矯正が、求められた矯正変数を電動モーター及びスピンドルにより変換することにより実行される。
スタッドと加工片の間の距離と挿入寸法の設定の自動的な矯正を行うための本発明の方法及び装置は、リフト・オフ点火又は短サイクル法を使用する市販のスタッド溶接装置に直接的に組み合わせることができる。マイクロプロセッサコントローラーを有するスタッド溶接装置の場合には、マイクロプロセッサコントローラー１２は一体化できる。

Claims (10)

1. 部品(6)を前記加工片(7)の溶接点に当て、
   該部品を加工片(7)から持ち上げて、該部品の端と前記加工片(7)の前記溶接点の間にアークを生成させ、該溶接点を溶融させ、
   溶融した前記部品の端を溶融した前記加工片の前記溶接点に再設定および挿入する、
   ことからなる部品(6)を加工片(7)に結合するための溶接方法であって、
   アーク電圧について基準電圧形状が設定され、溶接工程中に、アーク電圧が測定され、制御ループ内で繰り返し電流基準電圧と比較され、各時点で、測定されたアーク電圧と電流基準電圧の差から矯正変数が制御可能な変数として求められ、この矯正変数により、各時点での部品の高さが操作変数として自動的に矯正されることを特徴とする方法。
2. 請求の範囲第１項に記載した方法であって、再設定と挿入が速度と挿入深さを調節可能に行われることを特徴とする方法。
3. 請求の範囲第１項又は第２項のいずれか１項に記載した方法であって、部品高さの自動的な矯正は、求められた矯正変数を油圧ユニット(8)及び油圧制御バルブ(3)により変換することにより行われることを特徴とする方法。
4. 請求の範囲第１項又は第２項のいずれか１項に記載した方法であって、部品高さの自動的な矯正は、求められた矯正変数を制御マグネット(17)により変換することにより行われることを特徴とする方法。
5. 請求の範囲第１項又は第２項のいずれか１項に記載した方法であって、部品高さの自動的な矯正は、求められた矯正変数を電動モーターとスピンドルにより変換することにより行われることを特徴とする方法。
6. 請求の範囲第１項から第５項までのいずれか１項に記載した方法であって、アーク電圧が測定され、溶接工程中に連続的に比較器により電流アーク電圧と比較され、測定されたアーク電圧と電流アーク電圧の差がフィルターとＰＤ又は、ＰＩＤレギュレーターにより処理され、部品高さの矯正信号として請求の範囲マグネット(17)に送られることを特徴とする方法。
7. 請求の範囲第１項から第６項までのいずれか１項に記載した方法を実施するための装置であって、スタッド溶接装置(1)と、スタッドホルダー(5、16）を有する溶接ヘッド制御ユニット(2)と、マイクロプロセッサコントローラー(12)とを備えることを特徴とする装置。
8. 請求の範囲第７項に記載した装置であって、溶接ヘッド制御ユニット(2)は、油圧シリンダ(4)を有する油圧制御バルブ(3)を備え、装置にはさらに油圧ユニット(8)が設けられたことを特徴とする装置。
9. 請求の範囲第８項に記載した装置であって、溶接ヘッド制御ユニット(2)が位置測定システムに組み合わされたことを特徴とする装置。
10. 請求の範囲第７項に記載した装置であって、前記溶接ヘッド制御ユニットが位置測定システムを一体に備えた制御マグネットからなることを特徴とする装置。

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