JP4418892B2 - 電気アーク溶接機及び溶接機の溶接工程をコントロールする方法 - Google Patents

電気アーク溶接機及び溶接機の溶接工程をコントロールする方法 Download PDF

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Description

本発明は、電気アーク溶接の分野に関し、そしてさらに特に新規な電気アーク溶接機及び溶接機により実施される溶接工程をコントロールする方法に関する。
本発明は、電極と素材との間で溶接工程を実施する電気アーク溶接機に関し、その際溶接工程は、連続する電流波形を含む。これらの電流波形は、少なくとも18kHzの周波数で生ずる多数の個々の電流パルスにより生じ、電流パルスのそれぞれの大きさは波形成形器または波形発生器によりコントロールされる。このタイプの電気アーク溶接機では、波形発生器または波形形成器は、通常、コントローラDSPのプログラムで、デジタルパルス幅変調器をデジタル的にコントロールする。そして、パルス幅変調器は、高速スイッチングタイプ電源例えばインバータのスイッチングをコントロールする。電気アーク溶接機で実施されるこの波形コントロール技術は、Cleveland,OhioのThe Lincoln Companyにより開拓され、そして特許文献1にほぼ開示されている。特許文献1は、波形発生器または波形形成器の出力により決定される一連のコントロールされた波形を含む溶接工程をコントロールするための、高速スイッチング電源例えばインバータを説明する背景として、本明細書で参考として引用される。
本発明は、溶接電流または溶接電圧の何れか並びに平均電力の二乗平均を得るための組込まれたアルゴリズムを含む。本発明で使用されるタイプの組込まれたシステムプログラミングの概念は、非特許文献1にほぼ開示されている。1998年2月に発行されたこの非特許文献1は、電気アーク溶接機に伴う標準のコントローラのデジタル信号プログラマーで使用される背景技術を説明するものとして、本明細書で参考として引用される。また、非特許文献2が本明細書で参考として引用される。この非特許文献2は、本発明とは異なる技術を教示しており、そして電気アーク溶接が4.5kHz以下の遅いサンプル速度を使用して平均電流によりコントロールされねばならないことを示唆している。この非特許文献2は、従来の教示より本発明の使用が有利であることを説明するものとして、参考として引用される。
現在までに明らかになった特許文献及び非特許文献に説明されているように、電気アーク溶接は、従来、溶接機の電源の操作をコントロールする平均溶接電圧及び平均溶接電流を使用している。そして、デジタルコントローラは、通常のパルス幅変調器の操作を指示する波形発生器または波形成形器をコントロールするデジタル信号プロセッサ(DSP)を含む。この装置は、溶接機が連続して使用する波形を生成して溶接工程を実施する。溶接機は、出力電流または電圧をフィードバックループによって平均値例えば平均溶接電流に制御する。「スプレイ」領域の溶接である一定の電圧のプロセスでは、平均電流は、溶接工程の正確な基準である。しかし、パルス溶接では、平均の電流及び平均の電圧は、デポジション速度、加熱ゾーン及び浸透を含む溶接工程の結果を正確に反映しない。これは、例えば時間の25%について500アンペアの背景電流及び時間の75%について100アンペアの背景電流を使用するパルス溶接工程が200アンペアの出力電流を有する、理想的なパルス溶接工程の例により説明される。しかし、溶接工程の平均電流は、デポジション速度を単に示しているに過ぎず、溶接操作への真の熱入力を反映していない。その結果、溶接工程が一連の反復される波形例えば交流の溶接またはパルス溶接によりコントロールされるとき、平均の電流値は、熱入力をコントロールできない。最近、溶接工程は、全く複雑になり、そして多数の連続する波形例えば交流電流及びパルス電流をしばしば含み、溶接工程のフィードバックコントロールの従来の技術は、完全に正確でなく、そして溶接の知識を有する人、特に特許文献1に示されたような溶接機を使用する新しい波形溶接法の知識を有する人にとり、現場での操作が手がかかるものになる。波形発生器及び高速スイッチング電源例えばインバータを使用するパルス溶接の進歩により、得られた溶接熱は、トライアル・アンド・エラーにより調節されている。あまりに高い熱は、特に薄い金属の溶接では、金属を完全に燃焼してしまう。従って、溶接のエンジニアは、平均の電流及び平均の電圧を調節して、溶接工程への熱入力を、燃え尽きが理論上排除されるレベルにする。しかし、この方法は、純粋なスプレイタイプの溶接工程にのみ適用可能である。平均電流及び平均電圧により熱をコントロールするこの方法は、波形が変化して溶接工程をコントロールする新しい世代の電気アーク溶接機には適用できない。これは、本発明が関する新しい波形コントロール技術である。非波形溶接に使用される古い技術は、コントロールされた波形のタイプの溶接機の熱をコントロールするのには適用できない。すなわち、熱は、新しい波形タイプのアーク溶接機が使用されるとき、電圧及び電流を単に読みとることによっては知ることができない。その結果、溶接のエンジニアは、波形コントロール技術を使用するとき、一定のまたはセットした平均電圧を維持しつつパルス溶接中基本の周波数を変化させた。一定の電圧を維持しつつパルス溶接法の周波数を調節するこのアプローチを使用すると、熱の調節は、トライアル・アンド・エラーの技法により行われた。このトライアル・アンド・エラーの方法が新しい波形溶接機で波形を改変するのに使用されるとき、熱は事実コントロールされるが、それは精密ではなく、そしてトライアル・アンド・エラーの方法と組み合わされた実質的な技術上の知識を必要とする。
米国特許5278390 Jack W.Crinshaw「Embedded Systems Programming」(Integer Square Root)1998年2月 「Electrical Measurements and Heat Input Calculations for GMAW−P Process」2001年11月
パルス溶接には、明確な利点がある。この溶接法は、ワイヤ供給速度が「スプレイ」または「小球」の溶接工程と同じであっても、ジョイントで熱を低下させる。従って、低い熱の設定が工場で設定できる。溶接機は、上記で示された目的のために、名目の周波数を調節するノブを有していた。基本的な周波数におけるこの変化により、溶接操作で熱が調節された。これは、力率を乗じた平均電圧×平均電流が入力熱に等しいことを知っているとき、トライアル・アンド・エラーの方法により溶接工程の力率に僅かな変化を生じさせた。従って、基本の周波数を変化するためにノブを使用することにより、力率を変化させて熱を決定した。しかし、工場も溶接現場の溶接エンジニアも、力率を直接コントロールする能力を有することがなかった。フライ上の実際の力率の計算は、溶接工程の波形のコントロールに使用されるタイプであっても、電気アーク溶接機に使用される従来のコントロールシステム及び方法では実現されなかった。その結果、The Lincoln Companyにより開拓された新しい波形の溶接の導入により、熱量を正確に反映する値に溶接パラメータをコントロールする必要がある。この点においてのみ、溶接パラメータが閉じたループフィードバックシステムで使用でき、またはそれ以外に、発生した波形を使用して溶接工程で浸透及び熱を別々にコントロールできる。
電気アーク溶接について開発された新しい波形の進歩により、本発明は、トライアル・アンド・エラーの手順の使用なしに熱含量を正確に反映する溶接パラメータをコントロールするか、または現場の溶接エンジニアが溶接工程を調節しコントロールできるようにする。本発明は、一連の発生した波形、例えば交流溶接またはパルス溶接による溶接に使用される。
溶接パドル中にワイヤを連続的に供給しつつ安定な溶接物を製造するために、バランスをとらねばならない2つのファクターが主に存在する。第一に、溶接金属ワイヤの量及びその物質の性質は、どんな量の電流がワイヤを溶融するのに必要であるかを決定する。第二に、熱の量は、溶接工程の熱に影響されるゾーンまたは浸透を決定する。過去において、電圧及びワイヤ供給速度をダイアルで回していれ、そして溶接物中への熱の量をコントロールするために電気的な異常値を手動で調節した。溶接に関する文献は、パルス溶接工程が「スプレイ」法の同じデポジション速度では電流を低下させると述べている。これは技術的に正確である。平均電流は、事実、「パルス」溶接を使用するとき、同様な「スプレイ」工程の平均電流よりはるかに低い。しかし、両方の方法のrms電流は、ほとんど同じである。本発明は、溶接工程のフィードバックループコントロールについてrms電流を使用する。従って、本発明は、特に例えば特許文献1に記載された技術を使用する交流溶接及び「パルス」溶接におけるような一連の発生したパルス波を使用するとき、溶接工程をコントロールするrms電流及びrms電圧の使用を含む。rms電流及びrms電圧を使用することにより、波形タイプの溶接工程はさらに正確にコントロールされる。本発明によれば、rms値及び電流及び電圧の平均値は、フィードバックコントロールに使用できる。本発明のこの態様では、第一の定数は、rms値に掛けられ、そして第二の定数はパラメータの平均値に掛けられる。これらの2つの定数は合計が1になり、フィードバックコントロールの二乗平均の要素は、フィードバックコントロールの平均に関連して調節される。これらの定数は、好ましくは合計が1になる。実際には、rms定数は、平均値の定数より実質的に大きくて、通常rms値は平均値よりはるかに大きい。rms値は、溶接工程の熱の値をさらに正確に反映していることが分かった。
本発明の主な態様によれば、電気アーク溶接機のフィードバックコントロールは、rms電圧及びrms電流の定数を維持し、一方計算されたリアルタイム力率を調節する。力率を調節するこの方法は、溶接工程において熱入力を望ましいレベルに調節する。
電流及び電圧のrms値が本発明を使用することにより得られるため、力率は、電気アーク溶接機のデジタル信号プロセッサ内に組み込まれたアルゴリズムの計算により得ることができる。力率の定数を維持することにより、電気アーク溶接機は、溶接部位におけるケーブルインピーダンスで経験する許容範囲に自動的に調節される。本発明の使用により力率定数を維持することによって、電気アーク溶接機の溶接工程のコントロールは、所定の値に力率をセットしそして所定の値にrms電流をセットすることによって、製造の現場でセットできる。溶接機が次に製造現場に設置されるとき、rms電流は、工場でセットされた望ましい定数に維持され、そして力率はセット値に維持される。従って、力率は、現場で正確にコントロールされる。本発明を使用することにより、ケーブルインピーダンスの変化にかかわらず、溶接工程は同じものになる。
本発明では、用語「力率」は、溶接工程の力率に関する。これは、電流及び電圧の両者の二乗平均を計算するために組み込まれたアルゴリズムを有する溶接機のデジタル信号プロセッサ(DSP)によって本発明を使用することにより得られるパラメータである。本発明を使用することにより、力率は、閉じたループフィードバックによって一定に保持される。このフィードバックシステムは、溶接工程の熱を所定の選択かつ所望のレベルに保つ。
本発明が電流及び/または電圧についてリアルタイムrms値の決定を含むため、閉じたループフィードバックは、一定の所望のレベルにrms電流を維持する。実際の力率は、また閉じたループフィードバックシステムについて発生して、溶接の力率は平均の電力従って溶接操作の熱を変化させるように調節される。その結果、本発明の他の態様は、力率を溶接工程の熱を変化させるように調節しつつ、rms電流を一定に維持する。これが波形タイプの溶接機(波形は、少なくとも18kHzの周波数で生ずる多数の電流パルスにより生じ、各パルスの大きさは波形形成器によりコントロールされる)でなされるとき、溶接工程の波形の形状は、改変されて力率を調節する。本発明のこの態様では、電流は一定に維持される。これは、本発明の使用なしに、他のタイプの溶接機で達成されないし、または波形コントロール溶接機でも達成されない。
本発明は、通常DSPにおけるパルス幅変調器が溶接工程を構成している電流波形を制御するタイプの電気アーク溶接機のコントロールに関する。本発明を使用することにより、rms電流及びrms電圧は、平均の電流と平均の電圧とを組み合わせて平均の電力ばかりでなく実際のリアルタイム力率を求める目的で得られる。その結果、実際の力率が調節されるか、実際のrms電流が調節されるか、または実際のrms電圧が調節される。これらの態様のすべてにおいて、構成されたまたは計算されたパラメータの調節は、波形を改変して浸透及び熱入力の領域で正確に溶接工程をコントロールする。本発明の可能な範囲で、力率の調節は、溶接工程の熱入力を調節する。本発明の態様によれば、電流及び電圧のフィードバックは、rms値が支配する方法またはシステムにおいて、rms値及び平均値の組み合わせである。
パルス溶接において、rms電流及び/または平均電流は、一定のrms電圧を維持するように調節される。交流溶接で本発明を使用するとき、溶接機の出力は、制御されて一定のrmsまたは一定のrms電流をもたらす。MIG溶接工程に関して、機械の出力は、一定のrms電流を維持するように制御される。本発明の基本的な態様は、リアルタイムのベースでのrms電流値及び/またはリアルタイムのベースでのrms電圧値を得ることである。これらのパラメータは、標準の閉じたフィードバックシステムまたは方法を利用して溶接工程の波形を変化させることにより制御される。rms電流を発生する能力を有することにより、力率は、一定の力率を維持することまたはパルス溶接工程における熱をコントロールするための力率を調節することの何れかで使用されるアーク溶接機のデジタル信号プロセッサにより計算される。
本発明は、溶接工程の波形の形状をコントロールするためのパルス形成器または波形発生器を有するタイプの電気アーク溶接機で主として使用可能である。このタイプの溶接機は、電流波形が一連の電流パルスとして波形発生器または波形形成器によりコントロールされるパルス幅変調器として機能するデジタル化内部プログラムを有する。これらの高速パルスのデューティサイクルは、溶接工程の構成された波形の任意の所定の位置で電流の大きさを決定する。このタイプの溶接機は、高速スイッチング電源例えばインバータを有する。本発明は、この特別なタイプの電源と上記の機能を形成するプログラム及びアルゴリズムの実行との組み合わせを含む。
本発明によれば、電極と素材との間で発生する選択された波形により所定の溶接工程を実施する電気アーク溶接機が提供される。このタイプの溶接機は、波形を発生し、そしてデジタル信号プロセッサを備えたコントローラを含む。センサは、瞬時の溶接電流を読み取り、そして回路は瞬時の電流を瞬時の電流のデジタル表現のレベルに変換する。デジタルプロセッサは、プログラム回路または他のプログラムルーチンを有して、所定の速度でデジタル表現を周期的に読みとりそして二乗する。プロセッサ中のレジスタは、多数の二乗したデジタル表現を加算して加算した値を生ずる。プロセッサの組み込まれたアルゴリズムは、数N(波形のサンプリングプロセス中で得られるサンプルの数)により加算した値を周期的に除する。サンプルの数により加算された値を除することにより得られる商を次に商の二乗平均を得るアルゴリズムにかけ、それにより溶接電流の二乗平均を表すrms信号をデジタル的に構成する。この同じやり方は、溶接電圧を表す二乗平均すなわちrmsを得るのに使用される。その結果、本発明の最初の態様は、主として溶接電流であるがまた溶接電圧の二乗平均を示すリアルタイム信号を波形溶接機で使用することである。これらの信号は、それゆえ、本発明が関するタイプのアーク溶接機で得ることができなかった。
本発明の他の態様によれば、特定のタイプの上記の波形溶接機のコントローラは、2つの信号の関係に基づいて電流コントロール信号を発生するエラー検出器を備えたフィードバックコントロールループを含む。これは、標準の閉じたループシステムまたは方法である。このシステムまたは方法を実施するには、2つの信号の第一のものは、本発明の第一の態様で得られる根平均信号を含む。用語「含む」は、本発明の改変が、電流または電圧の根平均値プラス平均の電流及び電圧のコンポーネントの組み合わせを使用するフィードバックを有するため、本発明のこの態様で使用される。しかし、本発明の態様によれば、rms値が好ましいコントロール特性を有するため、rms値を主とする。平均の電流または電圧のコンポーネントとともにフィードバックを使用することは、本発明のさらに制限された態様である。本発明の態様では、二乗平均の付与(contributing)コンポーネント及び平均の付与コンポーネントは、1に等しい。二乗平均の付与が本発明の態様によれば主なものである。既に述べたように、本発明は、波形が波形発生器または波形形成器により発生する特定のタイプの電気アーク溶接機に関する。その結果、本発明の他の態様は、少なくとも18kHzの周波数で生ずる多数の電流パルスにより波形が生じ、それぞれのパルスの大きさが波形形成器または波形発生器によりコントロールされる上記の電気アーク溶接機を提供することである。「スイッチング周波数」は、電源のスイッチング周波数をコントロールするパルス幅変調器の周波数である。この周波数は、通常、実質的に18kHzより大きくそして好ましくは40kHzの範囲にある。
上記の本発明は、感知された電流及び/または電圧についてサンプリング速度を有する。本発明の他の態様では、このサンプリング速度は、40kHzより遅く、または他の態様では、それは5−100kHzの一般的な範囲にある。実際には、サンプリング速度は、サンプルにとりそれぞれ0.10msである。この速度は約0.025msの時間を有しなければならないことが予想される。
本発明の態様によれば、電流または電圧の何れかの二乗されたデジタル表現を加算するための第一及び第二のレジスタまたはバッファが存在する。回路は、波形によりコントロールされて、波形の所定の位置で事象信号Tを発生する。この事象信号Tは、サンプリングを停止させ、そして得られるサンプルの数Nを決定する。この数Nは、平均電流またはrms電流の何れかを処理するのに使用される。2つのレジスタまたはバッファを使用することにより、二乗された値は、波形の終わりを決定する回路が事象信号Tをもたらすために活性化されるまで、波形の各サンプル中ロードされる。従って、本発明は、サンプルNの数及び事象信号Tを利用して、所定の電流の波形のパラメータを決定する。これらの波形は反復されそして連続的に分析される。事象信号Tの存在により明らかにされるように、波形の終わりで、デジタル信号プロセッサは、デジタル信号プロセッサが溶接機の通常の溶接コントロール特性を実施しているとき、その背景時間を利用してrms値及び本発明の他の態様を計算する。アルゴリズムの計算は、事象信号Tの存在または発生により開始される。サンプル数Nは、サンプル速度をカウントしそして信号Tでリセットし読みとるデジタルカウンタにより得られる。
本発明のなお他の態様によれば、電極と素材との間で発生する選択された電流波形により所定の溶接工程を実施する電気アーク溶接機が提供される。この溶接機は、デジタル信号プロセッサを備えたコントローラを含む。標準の技術によれば、コントローラは、各パルスの大きさがコントロールされる、少なくとも18kHzの周波数で生ずる多数の異なる電流パルスを発生する波形発生器、並びに2つの入力信号の関係に基づいて電流コントロール信号を発生するエラー検出器プログラムを備えたフィードバック電流コントロールループを有する。これは、本質的に、The Lincoln Electric Companyにより開拓された波形技術である。本発明によれば、第一の入力信号は、デジタルプロセッサにより処理されるアルゴリズムにより発生するrms電流信号を含む。第二の信号は、望ましい電流またはrms信号を表す信号である。その結果、溶接機の製造者により選択されたまたは溶接エンジニアにより調節された望ましいrms信号は、溶接機の実際のrms電流信号により追跡される。この方法では、rms電流は一定に保持される。それが生ずるとき、環境の特性に影響する現場のケーブル及び他の工程の許容範囲は、溶接機コントロールスキームで無視される。この概念は、力率の計算に最も良く使用される。本発明の他の態様を使用して、本発明を使用することにより生ずる力率及びrms電流は、ともに一定に維持される。従って、溶接機が、セットされたrms電流及びセットされた力率で製造設備でプログラムされるとき、これらのパラメータは溶接操作で維持される。その結果、溶接操作における溶接工程は、溶接機の製造で溶接エンジニアにより溶接機にセットされた溶接工程を繰り返す。
本発明の他の態様は、電極と素材との間で発生する選択された電流の波形により所定の溶接工程を実施する電気アーク溶接機を操作する方法の提供である。この方法は、電流が感知されそして電気アーク溶接機のフィードバックコントロールに使用されるべき信号として二乗平均電流値が計算される上記の方法を含む。この同じ方法は、本発明の電気アーク溶接機をコントロールするのに使用されるrms電圧信号を得るのに使用される。本発明のさらに他の態様は、上記の所定の溶接工程を実施する電気アーク溶接機の提供である。溶接機は、所定の速度で波形の溶接電流をサンプリングする回路、波形の所定の位置で事象信号を発生する検出器、連続する事象信号のサンプルの数Nをカウントするカウンタ、採取されたサンプル及びカウントされた数Nに基づいて溶接電流に関するrms値を計算するアルゴリズムを備えたデジタルプロセッサを含む。数N及び事象信号Tは、本発明の他の態様に関して記述された。本発明は、サンプルの概念及び事象信号の概念で使用されて特定のタイプの電気アーク溶接機のコントローラのアルゴリズムで使用される値を生ずる。この方法では、rms値は、波形溶接機の操作を調節するために波形を変化させるのに使用される。波形を生ずるスイッチング電源の周波数は、18kHzを超える周波数を発する発振器による。本発明の他の態様は、本発明のこの態様で規定された電気アーク溶接機を操作する方法である。
本発明の他の基本的な態様は、上記のような、選択された波形を有する所定の溶接工程を実施するための電気アーク溶接機の提供である。本発明のこの態様では、溶接機は、溶接電流及び溶接電圧のリアルタイム力率を計算するプログラムを含むデジタルプロセッサを有するコントローラを備えた電源を含む。本発明のこの態様のプログラムは、rms溶接電圧、rms溶接電流及び電源の平均電力を計算するアルゴリズムを含む。平均電力は、平均電流及び平均電圧の計算された値を使用することにより得られる。これらの平均の値は、本発明のrmsの部分に関して記載された同じサンプリング配置により得られる。サンプリング及びサンプルの数は、事象信号Tで停止する。次に、電流及び/または電圧のデジタル化値は加えられそしてサンプルの数で除される。これは、平均電流及び平均電圧をもたらす。この値をともに掛けることにより、「平均電力」が得られる。電気アーク溶接機に関して平均電力を得る概念は、新規ではない。しかし、サンプリングの概念及び事象信号Tを利用して平均電力を得る方法は、溶接工程を構成する波形を使用するタイプの溶接機では新規である。
本発明の態様では、平均電力は、rms電流及びrms電圧とともに得られる。回路は、rms電力により平均電力を除して電源の実際のリアルタイム力率を表す信号またはレベルを生ずる。この力率は、望ましい力率と比較されて波形形成器について補正値を生じ、それにより実際のリアルタイム力率は望ましい力率に保持される。これは、一定の力率を維持する。既に説明したように、一定のrms電流により一定の力率を維持することにより、溶接工程の任意の許容範囲が克服されて、溶接機は、製造者によりセットされるとき、それが使用される現場で同様に操作する。本発明のこの態様は、パルス溶接に主として使用され、そしてパルスの形状を変化して溶接工程の二乗平均電流を変化させることなく望ましい一定の力率を得る。
得られる力率のレベルに関する本発明の他の態様によれば、力率は、特にパルス溶接に本発明を使用するとき、溶接工程の熱を変化させるのに調節可能にする。波形発生器または波形形成器は、波形の形状をコントロールして力率を調節してそれを一定に維持するか、または熱をコントロールする目的でそれを調節する。この調節が使用されるとき、rms電流は一定に維持される。従って、力率は、実際の電流を調節または変化させることなく、調節される。rms電流は、金属の溶融速度を決定する。
本発明の他の態様によれば、上記で規定されたタイプの電気アーク溶接機をコントロールする方法が提供され、その方法は、rms電流及びrms電圧を使用する電源の実際の力率を計算することを含む。望ましい力率は、次に電源について選択され、そしてエラー信号が、電源の実際の力率を電源の望ましい力率と比較することにより得られる。これは、エラー信号により波形を調節することにより達成され、それにより実際の力率は望ましい力率に保持される。
本発明の主な目的は、波形発生器または波形形成器を使用しそれによりrms電流及び/またはrms電圧が溶接工程をコントロールするために得られるタイプの電気アーク溶接機の提供である。
本発明のなお他の目的は、溶接機が、rms電流及び/またはrms電圧を計算しそしてこの計算から溶接工程で実際の力率を得る方法に従って操作される、上記の溶接機の提供である。力率値は、熱をコントロールするか、または溶接工程について一定の力率を維持する。
本発明の他の目的は、溶接機及び方法が現在の波形技術及び溶接機の普通のデジタル信号プロセッサを利用してrms値を計算しそしてこれらの値を使用して溶接工程の力率を決定し、これらのパラメータが電気アーク溶接機のフィードバックコントロールシステムに使用される電気アーク溶接機及びそれを操作する方法の提供である。
これらの目的及び他の目的並びに利点は、以下の記述から明らかになるだろう。
図1に関し、電気アーク溶接機1は、ブロックダイアグラムの形で示される。3相整流器12は、入力導線16、18の形でDCリンクにより高速スイッチングタイプの電源14に電力を供給する。好ましい態様では、高速スイッチングタイプの電源14は、インバータ、例えばOhio,ClevelandのLincoln Electric Companyから入手できるPower Wave溶接電源である。しかし、高速スイッチングチョッパまたは他の高速スイッチングタイプの電源も使用できる。高速スイッチングタイプの電源14は、予め選択された溶接工程を実施する。本発明の溶接技術によれば、高速スイッチングタイプの電源14は、好ましくは、約18kHz以上でスイッチし、そしてさらに好ましくは40kHz以上でスイッチングする。高速スイッチングタイプの電源14は、溶接操作の実行中素材26とアークギャップを形成する電極24及びインダクタ22を含む溶接回路20にエネルギーを与える。代表的には、電極24は、供給スプールから前進する溶接ワイヤである。溶接ワイヤは、溶接操作の実行中選択されたワイヤ速度で素材26に向かって駆動される。
コントローラ30は、溶接操作中高速スイッチングタイプの電源14をコントロールする。本発明の溶接技術によれば、コントローラ30は、パルス幅変調器36への入力である線により表示される電力レベル波形34を出力する波形発生器32を含むデジタル装置である。パルス幅変調器36は、波形の電力レベルに相当するパルス幅を有するパルスのパルス列38(線により表示される)を生成する。言い換えれば、波形34は、パルス幅変調器36によりパルス幅変調されたパルス列信号38に変換される。パルス幅変調器36は、好ましくは18kHz以上そしてさらに好ましくは約40kHz以上の周波数でコントロールされた幅のパルスを生成し、それは高速スイッチングタイプの電源14への入力である。電源のスイッチングは、パルス幅変調されたパルス列38によりコントロールされて電力レベルの波形34に従って溶接回路20にエネルギーを与える。
波形34は、所望の溶接工程を実施する。代表的には、溶接工程は、反復された波形の波形列からなる。パルス溶接では、電力レベルの波形34は、溶接工程のパルスを発生する予め選択された波形を有する。時間の間隔[T、T]の波形34により実施される溶接工程で生成される平均の電力または真の熱は、
Figure 0004418892
(式中、Pavgは平均の電力であり、v(t)は瞬時の電圧であり、i(t)は瞬時の溶接電流であり、v(t)・i(t)は瞬時の電力であり、そしてT及びTはそれぞれ集積の時間間隔の始点及び終点である)
より示される。実質的に周期的な波形の場合には、平均電力は、
Figure 0004418892
(式中、rms電圧Vrms及びrms電流Vrmsは、それぞれ
Figure 0004418892
により与えられ、そしてPFは力率である)
に従って二乗平均(rms)電圧及びrms電流により表示できる。パルス溶接を実行する波形34に関するrms電流及び電圧の値及び平均電力を計算するには、時間間隔[T、T]は、好ましくは、1つのパルスまたは複数のパルスに相当する。波形をコントロールする溶接では、パルスの時間間隔は、連続的なパルスについて変化できる。従って、記載された好ましい態様では、開始時間及び停止時間T及びTは、事象信号Tが波形34の特徴的な特性から決定したとき、波形34から抽出される。
(2)は、
Figure 0004418892
に従って力率PFを規定するために書き換えることができる。rms電圧及び電流値と平均電力との間に実質的に任意の波形34について一般に密接な関係が存在する。
逆に、
Figure 0004418892
により与えられる平均電圧Vavg及び平均電流Iavgは、例えば一定の電圧「スプレイ」タイプ溶接に使用されるように、或る波形についてのみ平均の電力に関して密接な関係を有する。もし、例えば、波形が時間の25%について500アンペアそして時間の75%について100アンペアである階段状のパルスを含むならば、rms値は265アンペアであり、一方平均値は200アンペアである。この場合、rms値はさらに正確な真の熱の値をもたらす。
さらに図1に関して、電気アーク溶接機10のコントローラ30は、パルス溶接工程の1例を実行し、その場合波形34の大きさは、シャント44で測定された瞬時の溶接電流I42から計算されるrms電流40を使用してコントロールされる。図1に示される一定の電流溶接工程では、rms電流40は、デジタルエラー増幅器48によりセットされたrms電流46と比較されて、一定のrms電流を維持する波形34の大きさをコントロールするエラー信号50を生成する。同様に、一定の電圧溶接工程では、コントロールは、好適には、電圧計54により溶接で測定される瞬時の溶接電圧V52から計算されたrms電圧に基づく。
図2に関して、瞬時の溶接電流I42からのrms電流の計算は、アナログ・デジタル変換器56による処理を含み、それはデジタル信号処理ブロック60への入力であるデジタル化瞬時電流58を生成する。デジタル信号処理ブロック60は、リーマン和としてデジタル的に式(3)の電流の二乗した集積を行い、加算のために発振器62により規定される時間間隔Δtに分割する。リーマン和のためのデジタル化間隔△tは、好適には約0.1ミリ秒であって、波形34の反復または各パルスについて適切なサンプルをもたらす。サンプル・保持回路64は、周期△tのデジタル化電流を保持し、そして二乗するプロセッサ66は、保持された電流値の二乗を計算する。
例えば式(3)の平方根の操作の計算のような関連する処理と平行してrms電流の連続的な加算を可能にするために、加算は、好ましくは、2つの交替する記憶バッファ、すなわち第一のバッファ70(バッファAとされる)及び第二のバッファ72(バッファBとされる)を使用する。値は、好ましくは約0.025−0.100ミリ秒の範囲である間隔76、78で活性なバッファに記憶される。第一のバッファがアクチブであるとき、スイッチ80は、値を時間間隔△tで第一のバッファ70に送られ、それは電流二乗値を累算しそしてまた多数の累算された電流サンプルのサンプルカウントNを維持する。第一のバッファ70の累算中背景プロセスとして、第二のバッファ72の内容は、除算プロセッサ82により処理されてサンプルNの数により除され、そして平方根プロセッサ84により式(3)の二乗平均の計算を完了する。
波形34による特性によって発生する選択された事象信号Tでは、バッファ70、72の操作はスイッチする。第二の累算器72がクリアされ、そしてスイッチ80は、次に電流二乗サンプルを第二の累算器72へ送られる。第二のバッファ72の累算中背景プロセスとして、第一のバッファ70の内容は、除算プロセッサ86により処理されてサンプルNの数により除され、そして平方根プロセッサ88により式(3)の二乗平均の計算を完了する。
図7は、デジタル信号処理ブロック60の単純化ブロックダイアグラムを示し、それは交替する加算バッファ70、72並びに図2に詳細に示される関連するスイッチング回路の詳細を省略している。図7では、電流二乗ブロック66、スイッチ80及び交替する加算ブロック70、72は、波形34の特性により引き起こされる事象信号Tの出現間の電流二乗サンプルを加算しそしてまた累算されたサンプルの数のカウントNを維持する単一の加算ブロック100によって表示される。図2の除算背景プロセス82、86は、図7の単一の正規化背景プロセス102により表示される。図2の平方根背景プロセス84、88は、図7の単一の平方根背景プロセス104により表示される。
図8に関し、図2で示されそして図7で単純な形で表示されるデジタル信号処理ブロック60が、測定された瞬時の電流Iを図1の電圧計54により測定される瞬時の電圧V52により置換することにより、rms電圧の計算を行うように容易に適合されることは、理解されるだろう。図8は、図7の単純化された形に類似の単純化された形のrms電圧デジタル信号処理ブロック60´を示す。デジタル化電圧は、周期△tについてデジタル化電圧を保持するサンプルホールド回路64´により処理される。電圧二乗加算ブロック100´は、電圧二乗サンプルを加算しそして累算された電圧サンプルの数のカウントNを維持する。好ましくは、加算ブロック100´は、図2の電流二乗和について示されたバッファ70、72に類似した交替する加算バッファを使用する。正規化背景プロセス102´は、サンプルNの数により電圧二乗サンプルの和を除する。平方根背景プロセス104´は、平方根を使用して式(3)で算術的に示されるrms電圧Vrmsの実行を完了する。
図9に関して、図2に示されそして図7で単純化した形で表示されるデジタル信号処理ブロック60が、測定された瞬時の電流Ia42及び測定された瞬時の電圧Va52の両者を入力することにより、平均電力の計算を実施するように同様に容易に適合される。図9は、図7の単純化された形に類似の単純化された形で平均電力デジタル処理ブロック60´´を示す。サンプルホールド回路64、64´は、周期△tについてそれぞれデジタル化した電流及び電圧を保持するが、電流×電圧のサンプルを加算しそして累算された電流×電圧のサンプルの数のカウントNを維持する電流×電圧加算ブロック100´´によりアクセスされる。好ましくは、加算ブロック100´´は、図2の電流二乗和について示されたバッファ70、72に類似の交替する加算バッファを使用する。正規化背景プロセス102´´は、サンプルNの数により電流×電圧のサンプルの和を除して、式(1)において算術的に示される平均電力Pavgを得る。
デジタル信号処理ブロック60、60´、60´´は、リーマン和としてrms電流、rms電圧及び平均電力を計算する。図4は、デジタル的にサンプリングされた電流波形120の例を示す。各デジタルサンプルは、時間間隔△tでサンプルホールド回路64により保持される電流波形120のデジタル化値に相当する時間の期間△tと高さとの方形のサンプルバー122により表示される。
デジタル信号処理ブロック60、60´、60´´は、平行で実行される別々の処理経路として、所望により実施される。しかし、好ましい態様では、デジタル信号処理ブロック60、60´、60´´は、それらの中にサンプリングされた電圧及び電流の信号がタイムドメイン多重化されるいくつかの共通のデジタル信号処理ブロックを使用する。これらの多重化アプローチは、必要な回路の量を減らす。各加算(電圧二乗、電流二乗及び電圧×電流)は、その自身の交替する加算バッファのセット(例えば、図2に示されるような電流二乗値に関する加算バッファのセット70、72)を有する。
図2Aに関して、タイムドメイン多重化のための好適なプロセスサイクルが示される。プロセスサイクルは、サンプリング周期△tの4分の1をそれぞれ占める4つのサイクル130、132、134、136を用いる。例えば、0.1ミリ秒に等しい△tの例では、4つのサイクル130、132、134、136のそれぞれは、0.025ミリ秒を占める。第一のサイクル130中、電圧V及び電流Iは、デジタル化されそしてサンプルホールドされる。第二のサイクル132中、電流二乗は計算されそして電流二乗の和に加えられる。サイクル134中、電圧二乗は計算されそして電圧二乗の和に加えられる。第四のサイクル136中、検査が実施されて事象信号Tが検出されるかどうかを決定し、そしてサンプルのカウントを増分する。その上、非活性加算バッファに記憶された値の平方根の計算のような他の処理の全サイクリングは、背景プロセスとして実施できる。同様に、デジタル信号処理溶接コントロール操作、例えば特許文献1に記載された波形成形は、サイクリング中背景コントロールプロセスとして実施できる。
図2及び2Aに関して、そして図3A及び図6にさらに関して、電流二乗の計算に適用されるサイクリングが記述される。図3Aは、第一の事象信号Tと第二の事象信号Tとの間に延在する電流波形34を画いている。事象信号T、Tは、好適には、波形34によりコントロールされる回路によって発生される。図3Aでは、回路は、電流パルス140の上昇端の始点に応じて事象信号Tを発生し、そして回路は、電流パルス142の上昇端の始点に応じて事象信号Tを発生する。従って、2つの連続する事象信号Tのそれぞれの間に電流パルスが存在する。上昇端を検出することよりも、事象信号は、その代わり、パルスの他の特性例えば電流パルスの下降端を検出することにより発生できる。
事象信号Tと事象信号Tとの間の時間間隔中、電流二乗サンプルは、図3Aに示されているように、加算バッファ70で累算される。図2Aの第二のサイクル132のそれぞれの成員は、バッファ70へ他の電流二乗サンプルを加える。図2、3Aまたは6に示されていないが、電圧二乗サンプル及び平均電力サンプルは、好ましくは、図2Aの4つのサイクルのプロセスの他のサイクル中それらのそれぞれのバッファで累算される。事象信号Tの検出は、図6の検出ブロック150により指示される。検出150に応じて、バッファ70、72はスイッチされて、バッファ72が波形34の次のパルス142の電流二乗サンプルを累算するのに使用され、一方パルス140の電流二乗サンプルが累算されるバッファ70が152で背景にシフトされる。背景処理では、電流二乗の和は、サンプルNの数により154で除され、そして平方根が156で得られてrmsアルゴリズムを完了する。パルス140に関する計算されたrms電流値は、158で溶接工程のコントロールで使用されるレジスタに書き込まれる。
図5に関して、事象信号Tを発生する好適な方法が記述される。利用者書き込み可能グリッド・アレイ(FPGA)は、2ビットカウンタ172をアップデートするサイクルカウンタ状態機械170を含む。状態機械170は、状態が変化するそれぞれの時間、2ビットカウンタ172を増分するように構築される。状態のそれぞれの変化は、事象信号Tの発生に対応する。デジタル信号処理(DSP)では、2ビットのコンパレータ174は、図2Aの第四のサイクル136中、2ビットのカウンタ172の値をその前のカウンタ値のレジスタ176と比較する。比較により示される2ビットのカウンタの値における変化は、事象信号Tの発生に対応する。事象信号Tに応じて、デジタルゲート178は、2ビットのカウンタ172の新しい値を前のカウンタ値のレジスタ176に加える。この配置では、2ビットのカウンタ172に記憶された値は顕著ではなく、むしろカウンタ中の変化が検出される。
図5に関しそして図5Aにさらに関し、補助「Misc2」信号とともに波形34の極性は、「OR」ゲート174を経る状態機械170への入力である。この配置は、FPGAがパルス溶接及び交流溶接に関して事象信号Tを発生するのを可能にする。交流溶接の場合、Misc2は、アークが短いとき1にセットされ、そしてアークが短くないとき零にセットされる。図5Aは、パルス溶接が交流溶接の代わりに使用されるとき、パルス電流180及びMisc2の値のグラフを示す。
図5に関しそして図3にさらに関し、事象信号Tの発生により開始される事象が記載される。図2Aの第四のサイクル136では、デジタル信号処理は、検査190を実施して事象信号Tの発生が検出されるかどうかを調べる。これは、2ビットのコンパレータ174を使用して、2ビットのカウンタ172の電流値を記憶されたカウンタ値176と比較することによりなされる。もしカウンタ値における変化が生じていないならば、デジタル信号処理は、図2Aの4つの状態130、132、134及び136を接続して閉回路にする。しかし、もし検査190が事象信号Tの発生を検出するならば、rms値は、式(3)に示されるようにそして図2及び7に従って、192でセットされる。計算192は、背景デジタル信号プロセスである。さらに、バッファスイッチ194は、どちらかのバッファ(バッファA70またはバッファB72)が実行中であったかどうかが背景にスイッチされ、そしてどちらかのバッファ(バッファB72またはバッファA70)が背景バッファであるかどうかが実行中の累算バッファを作るように実施される。
rms電圧Vrms、rms電流Irms及び平均Pavgの実質的にリアルタイムの計算に関するデジタル信号処理回路及びそれに伴うFPGA回路の例は、図1−9に関して記載されている。記載されたデジタル信号処理回路は、リーマン和を使用して式(1)及び(3)を実行し、それは例示に過ぎない。当業者は、説明されたデジタル回路を容易に改変するかまたは他のデジタル回路で置換してこれらの計算またはその実質的に等しいものを実施することができる。説明された回路は、所望により省略されるかまたは改変できる或る特徴をもたらす。例えば、別のそして独立したデジタル信号処理経路は、rms電圧Vrms、rms電流Irms及び平均電力Pavgのそれぞれを計算するために設けることができる。この配置では、回路のタイムドメイン多重化の態様は省略できる。2つの交替する累算器を有することよりむしろ、単一の累算器が、背景正規化/平方根の処理のための前の和を記憶する記憶レジスタと関連して使用できる。その上、もしデジタル信号処理が十分に早いかまたはもしパラレル処理が使用されるならば、一時的な記憶が完全に省略でき、そして正規化/平方根の処理が、連続する事象信号Tの間の間隔で実質的にリアルタイムで実施された。なお、台形積分またはそれ以外の形状の積分の要素が、図4に画かれるリーマン和の方形サンプルバー122により置換される。当業者は、デジタル回路として式(1)及び(3)を実行するために本明細書で示された例示のデジタル信号処理及びFPGA回路に他の改変をすることができる。
図10に関し、デジタル信号処理ブロック200は、
rms電圧Vrms、rms電流Irms及び平均電力Pavgから式(4)に従って力率(PF)を計算する。式(4)の分母は、それぞれ図7及び8のデジタル信号処理ブロック60、60´によりrms電圧Vrms及びrms電流Irmsの出力に作用する乗算器を使用して計算される。図9のデジタル信号処理ブロック60´´による平均電力Pavgの出力は、除算ブロック204を使用してこの分母で除して力率PFを計算する。
図10そしてさらに図11に関し、図1の電気アーク溶接機10は、パルス溶接における溶接工程の一定の力率コントロールを実行するように容易に適合される。コントローラ30´は、図1のコントローラ30の改変されたバージョンである。デジタルエラー増幅器48´は、力率PFに基づいてエラー信号50´を生成する。デジタルエラー増幅器48´は、デジタル信号処理ブロック200(図10において詳細に示される)による力率PF出力をPFセット値46´と比較する。波形発生器32´は、特許文献1(本明細書において参考として引用される)に記載されたようにエラー信号50´に基づいて、選択された波形の形状210を改変する。
図10そしてさらに図12に関して、図1の電気アーク溶接機10は、一定の電流溶接工程を実行できるように同様に容易に適合され、その場合溶接物への熱の入力は力率PFを調節することによりコントロールされる。コントローラ30´´は、図1のコントローラ30の改変したバージョンである。rms電流40は、デジタルエラー増幅器48によりセットrms電流46と比較されて、図1におけるように電流エラー信号50を生ずる。さらに、第二のデジタルエラー増幅器220は、デジタル信号処理ブロック200(図10において詳細に示されている)による力率PF出力を調節可能な溶接熱セット値224と比較することにより力率エラー信号222を生ずる。波形発生器32´´は、特許文献1に記載したように、エラー信号50、222に基づいて選択された波形の形状210を改変する。
図11そしてさらに図13に関し、デジタルエラー増幅器48´では、力率信号は、所望によりデジタルフィルタリングを含む。図13に示されるように、デジタルエラー増幅器48´は、計算された力率と力率セット値46´との間の差に比例する差分信号234を計算する差分オペレータ232を含む。差分値234は、デジタルフィルタ236に入力され、それは、特許文献1に記載された方法に従って波形の形状を調節するためにコントロール信号50´を発生する。1つの好適な態様では、デジタルフィルタ236は、無限インパルスレスポンスフィルタである。デジタルフィルタは、信号を増幅し、信号を平滑にし、高周波信号コンポーネントを除き、またはこれら以外にコントロール信号を調節するのに使用できる。
図14に関し、一定の電圧コントロール用のデジタルエラー増幅器240が示される。デジタルエラー増幅器240は、
Figure 0004418892
(式中、Vsetはセット電圧値であり、Vavgは式(5)に従って計算された平均電圧値であり、aは乗算器250により実行された平均電圧加重ファクタであり、Vrmsは図8のデジタル信号処理ブロック60´による出力である式(3)のrms電圧であり、そしてbは乗算器252により実行されるrms電圧加重ファクタである)
により与えられる差分信号E(n)246を計算する差分オペレータ242を含む。差分信号E(n)246が、平均電圧コントロール、rms電圧コントロールまたは平均電圧及びrms電圧コントロールの選択された加重組み合わせに対して加重ファクタa及びbを調節することによりバイアスされる。rms電圧は代表的には溶接工程による溶接物への真の熱入力のより良い目安であるため、rms加重bは好ましくは平均加重より大きく、すなわちb>aである。その上、加重ファクタの和は、好ましくは、1、すなわちa+b=1である。所望により、差分信号E(n)246は、デジタルフィルタ254例えば無限インパルスレスポンスフィルタにより処理されて、差分信号E(n)246を増幅、平滑またはこれら以外に処理して、特許文献1に記載された方法に従って波形の形状を調節するためにコントロール信号256を生ずる。
図15に関し、一定の電流コントロールのためのデジタルエラー増幅器260が示される。デジタルエラー増幅器260は、
Figure 0004418892
(式中、Isetはセット電流値であり、Iavgは式(5)に従って計算された平均電流値であり、aは乗算器270により実行され平均電流加重ファクタであり、Irmsは図7のデジタル信号処理ブロック60による出力である式(3)のrms電流であり、そしてbは乗算器272により実行されrms電流加重ファクタである)により与えられる差分信号E(n)266を計算する差分オペレータ262を含む。差分信号E(n)266、平均電流コントロール、rms電流コントロールまたは平均電流及びrms電流コントロールの選択された加重組み合わせに対して加重ファクタa及びbを調節することによりバイアスされる。rms電流は代表的には溶接工程による溶接物への真の熱入力のより良い目安であるため、rms加重bは好ましくは平均加重より大きく、すなわちb>aである。その上、加重ファクタの和は、好ましくは、1、すなわちa+b=1である。所望により、差分信号E(n)266は、デジタルフィルタ274、例えば無限インパルスレスポンスフィルタにより処理されて、差分信号E(n)266を増幅、平滑またはこれら以外に処理して、特許文献1に記載された方法に従って波形の形状を調節するためにコントロール信号276を生ずる。
図15Aに関して、特許文献1の波形の形状の調節方法に従う波形の形状の調節の例が示される。2つの波形280、282が、それぞれ実線と点線とで示される。式(6)または式(7)においてb=1及びa=0(それぞれ電圧コントロールまたは電流コントロール)では、波形280、282は、等しいrms値を有する。しかし、平均値は、一般に、波形280、282とは異なる。波形280と比較して、波形282は、低下した電圧または電流の背景の大きさ、及びパルスにおける増大した電圧または電流の大きさを有する。
その上、波形280、282のパルスの反復周期が異なることを理解するだろう。反復周期におけるこの差は、固定した長さの時間間隔にわたってリーマン和を実施する代わりに、連続する事象信号T間の間隔にわたって式(1)、(3)及び(5)のリーマン和を実施することによるデジタル信号処理に理由がある。波形の上昇するパルスの端または他の同定可能な特性で事象信号Tが発生することは、反復周期が波形の形状により調節されるとき、波形の反復周期を加算間隔がたどることを可能にする。
図16に関し、2つのデジタルエラー増幅器300、302は、一定の電流一定の電圧の溶接工程のコントロールに使用される電流及び電圧のエラー信号を計算する。デジタルエラー増幅器300は、差分オペレータ310、加重ファクタa312及びb314及びデジタルフィルタ316を含む。デジタルエラー増幅器300は、図14の増幅器240と同じ電圧入力及び一般的な回路のトポロジーを有するが、しかし、デジタルエラー増幅器300は、溶接工程中のワイヤ供給速度をコントロールするためのコントロール信号318を生ずる。増幅器300の増大する出力により、ワイヤ供給速度は遅くすべきであり、一方増幅器300の低下する出力により、ワイヤ供給速度は早くなければならない。デジタル増幅器302は、差分オペレータ330、加重ファクタc332及びd334、並びにデジタルフィルタ336を含む。デジタルエラー増幅器302は、図15の増幅器260と同じ電流入力及び一般的な回路のトポロジーを有し、そして特許文献1に記載された方法に従って波形の形状を調節するためのコントロール出力338を生ずる。従って、波形の形状及びワイヤ供給速度は、デジタルエラー増幅器300、302を使用して同時にコントロールされて電圧及び電流の両者を一定に保つ。
本発明は、本明細書において好ましい態様について記述された。明らかに、前記の詳細な記述を読みそして理解すると、改変及び変化は他のものについても、なされるだろう。本発明は、特許請求の範囲またはそれらの同等物の範囲内にある限り、すべてのこれらの改変及び変化を含むものと考えることを目的としている。
波形発生器をコントロールするために本発明を利用する電気アーク溶接機を説明するブロックダイアグラムである。 本発明の好ましい態様を実施するために利用されるデジタル信号プロセッサのコンピュータプログラムを説明するフローチャート及びブロックダイアグラムである。 デジタル信号プロセッサのタイミング機能を示す図2に示された本発明の好ましい態様を実施するのに利用されるデジタル信号プロセッサのサイクルチャートである。 事象信号Tの発生後図2Aのサイクルの態様を実行するためのプログラムのフローチャートである。 図3の状態テーブルに適用される論理のための波形グラフである。 rms値を得るのに使用される電流信号を発生するための本発明で使用されるサンプリング概念を説明する電流波形グラフである。 コントローラに組み込まれた利用者書き込み可能ゲートアレイのサイクルカウンタのブロックダイアグラム及びフローチャート、並びに事象信号Tを得るためにデジタル信号プロセッサ(DSP)におけるこのサイクルカウンタ情報のブロックダイアグラムである。 パルス溶接が交流溶接の代わりに使用されるとき、図5に示されるフローチャートの1つの端末におけるパルス電流及び論理のグラフである。 図2Aで示されるサイクル中のデジタル信号プロセッサで実施される本発明の好ましい態様のフローチャートである。 本発明を使用してrms電流信号を発生するのに使用されるプログラムのブロックダイアグラムである。 rms電圧信号を発生するための図7に類似したブロックダイアグラムである。 平均電力信号を発生するための本発明の態様を示すブロックダイアグラムである。 本発明で使用される溶接工程の実際の力率を発生するための本発明の態様を示すブロックダイアグラムである。 パルス溶接の溶接工程のために一定の力率を維持する図10の力率値を利用する溶接機のブロックダイアグラムである。 図10からの力率値が手動により調節されて、rms電流を一定に維持しつつ溶接工程の力率をコントロールする、図11に示されるようなブロックダイアグラムである。 一定の力率を維持するために波形発生器の入力を調節することにより溶接電流の形状を調節するためにセット力率への実際の力率の関係によりコントロールされる標準のデジタルフィルタを示すブロックダイアグラムである。 セット電圧を維持するために波形の形状を調節するためにセット電圧信号と比較された平均電圧及びrms電圧の関係によって溶接機のコントロールを示すブロックダイアグラムである。 セット電流を維持するために波形の形状を調節するためにセット電流信号と比較された平均電流及びrms電流の関係により溶接機のコントロールを示すブロックダイアグラムである。 それが電流、電圧または力率であるにせよ、いかに波形が調節されてセット値を維持するように調節されるかを示す電流グラフである。 セット電流を平均及びrms電流のコンポーネントを含む信号と比較して波形を調節するための、平均及びrms電圧のコンポーネントそしてデジタルフィルタを含む信号とセット電圧との比較に基づいてワイヤ供給速度を調節するデジタルフィルタを示すブロックダイアグラムである。
符号の説明
10 電気アーク溶接機
12 3相整流器
14 スイッチングタイプ電源
16 導線
18 導線
20 溶接回路
22 インダクタ
24 電極
26 素材
30 コントローラ
30´ コントローラ
30´´ コントローラ
32 波形発生器
32´ 波形発生器
34 波形
36 パルス幅変調器
38 パルス列
40 rms電流
42 瞬時の溶接電流
44 シャント
46 rms電流
46´ PFセット値
48 デジタルエラー増幅器
48´ デジタルエラー増幅器
50 エラー信号
50´ エラー信号
52 瞬時の溶接電圧
54 電圧計
56 アナログ・デジタル変換器
58 デジタル化瞬時電流
60 デジタル信号処理ブロック
60´ rms電圧デジタル信号処理ブロック
60´´ デジタル信号処理ブロック
62 発振器
64 サンプル・ホールド回路
64´ サンプル・ホールド回路
66 二乗プロセッサ
70 バッファ
72 バッファ
76 間隔
78 間隔
80 スイッチ
82 除算プロセッサ
84 平方根プロセッサ
86 除算プロセッサ
88 平方根プロセッサ
100 加算プロセッサ
100´ 加算ブロック
100´´ 電流×電圧加算ブロック
102 正規化背景プロセス
102´ 正規化背景プロセス
102´´ 正規化背景プロセス
104 平方根背景プロセス
104´ 平方根背景プロセス
120 電流波形
122 方形サンプルバー
130 サイクル
132 サイクル
134 サイクル
136 サイクル
140 電流パルス
142 電流パルス
150 検出ブロック
152 背景へのバッファのシフト
154 除算
156 rmsアルゴリズム
158 レジスタへの書き込み
170 状態機械
172 2ビットカウンタ
174 2ビットコンパレータ
176 カウンタ値レジスタ
178 デジタルゲート
180 パルス電流
182 Misc2
190 チェック
192 計算
200 デジタル信号処理ブロック
202 乗算器
204 除算ブロック
210 波形の形状
220 デジタルエラー増幅器
222 エラー信号
224 溶接熱セット値
232 差分オペレータ
234 差分信号
236 デジタルフィルタ
240 デジタルエラー増幅器
242 差分オペレータ
246 差分信号E(n)
250 乗算器
252 乗算器
254 デジタルフィルタ
256 コントロール信号
260 デジタルエラー増幅器
262 差分オペレータ
266 差分信号E(n)
270 乗算器
272 乗算器
274 デジタルフィルタ
276 コントロール信号
280 波形
282 波形
300 増幅器
302 増幅器
310 差分オペレータ
312 加重ファクタa
314 加重ファクタb
316 デジタルフィルタ
318 コントロール信号
330 差分オペレータ
332 加重ファクタc
334 加重ファクタd
336 デジタルフィルタ
338 コントロール出力

Claims (22)

  1. 電極と加工物との間で発生する選択された電流の波形により所定の溶接工程を実施する電気アーク溶接機であって、該溶接機は、デジタルプロセッサを備えたコントローラ、該波形の瞬時の溶接電流を読みとるセンサ、並びに該瞬時の溶接電流を該瞬時の溶接電流のデジタル表現のレベルに変換する回路を含み、該デジタルプロセッサは、所定の速度で該デジタル表現を周期的に読みとるプログラム回路、並びに該デジタル表現を電流信号に処理するアルゴリズムを有する電気アーク溶接機であって、
    該コントローラが、2つの信号の関係に基づいて電流コントロール信号を発生するエラー検出器を備えたフィードバックコントロールループを含み、該2つの信号の内の第一の信号はrms信号を含み、
    更に、平均溶接電流を表す平均電流信号を発生する回路、並びに該rms信号に比例する値と該平均電流信号に比例する値を加えることにより該第一の信号を生ずる加算回路を含むことを特徴とする電気アーク溶接機。
  2. 該第一の信号が、平均電流信号のa倍及び該rms信号のb倍に等しい第一の付与コンポーネントを含むことを特徴とする請求項記載の電気アーク溶接機。
  3. a+b=1であることを特徴とする請求項記載の電気アーク溶接機。
  4. 該波形が、少なくとも18kHzの周波数で生ずる多数の電流パルスにより生じ、各パルスの大きさは波形形成器によりコントロールされることを特徴とする請求項の何れか1項記載の電気アーク溶接機。
  5. 該所定の速度が約40kHz以下であることを特徴とする請求項または記載の電気アーク溶接機。
  6. 該所定の速度が100−5kHzの範囲にあることを特徴とする請求項または記載の電気アーク溶接機。
  7. 該デジタルプロセッサが、該波形によりコントロールされて該波形の所定の位置で事象信号を生ずる回路、並びに該事象信号の発生により該アルゴリズムを開始するプログラムを含むことを特徴とする請求項の何れか1項記載の電気アーク溶接機。
  8. 電極と加工物との間で発生する選択された電流の波形により所定の溶接工程を実施する電気アーク溶接機を操作する方法であって、該溶接機は、デジタルプロセッサを備えたコントローラを含み、該方法は、
    (a)瞬時の溶接電流を読み取り;
    (b)該瞬時の電流を該瞬時の溶接電流のデジタル表現のレベルに変換し、
    (c)所定の速度で該デジタル表現を周期的に読み取りそして二乗し、
    (d)該デジタル表現の二乗の数をN個加算して加算した値を得、
    (e)該数Nにより加算した値を周期的に除して商が得られ、
    (f)次に該商の平方根を得て、それにより該溶接電流の二乗平均を表す信号をデジタル的に構築する電気アーク溶接機を操作する方法において、
    該コントローラが、エラー検出器を備えたフィードバックコントロールループを含み、そして2つの信号の関係に基づいて該エラー検出器により電流コントロール信号を発生し、該2つの信号の内の第一の信号はrms信号を含み、
    該方法が、更に、
    (g)平均溶接電流を表す平均電流信号を生成し、そして
    (h)該rms信号に比例する値と該平均電流信号に比例する値を加えることによって該第一の信号を生成することを特徴とする電気アーク溶接機を操作する方法。
  9. 該波形が、少なくとも18kHzの周波数で生ずる多数の電流パルスによって生じ、各パルスの大きさは波形成型器によりコントロールされることを特徴とする請求項記載の方法。
  10. 該所定の速度が約40kHz以下であることを特徴とする請求項記載の方法。
  11. 該所定の速度が100−5kHzの範囲にあることを特徴とする請求項記載の方法。
  12. 電極と加工物との間で発生する選択された波形により所定の溶接工程を実施する電気アーク溶接機であって、該溶接機は、溶接電流及び溶接電圧のリアルタイムの力率を計算するプログラム(該プログラムは、rms溶接電圧、rms溶接電流及び該電源の平均電力を計算するアルゴリズムを含む)を含むデジタルプロセッサを有するコントローラを備えた電源、該mrs電流を該rms電圧で乗じてrms電力レベルを得る回路、並びに該平均電力を該rms電力により除して該電源の実際のリアルタイム力率を表す値を得る回路を含むことを特徴とする電気アーク溶接機。
  13. 該コントローラが、該波形の形状を決定する値を入力する波形形成器、並びに該実際のリアルタイム力率を望ましい力率と比較して補正値を与えるエラー回路、並びに該補正値を該波形形成器の入力に導く回路を含み、該実際のリアルタイム力率が該所望の力率に保持されることを特徴とする請求項12記載の電気アーク溶接機。
  14. 該波形が、少なくとも18kHzの周波数で生ずる多数の電流パルスによって生じ、各パルスの大きさは該波形形成器によりコントロールされることを特徴とする請求項13記載の電気アーク溶接機。
  15. 電極と加工物との間で発生する選択された波形により所定の溶接工程を実施する電気アーク溶接機であって、該溶接機は、
    該波形の形状を決定する値を入力するためのコントロール信号入力を有する波形発生器を備えた電源、並びに
    該電源の実際の力率を表す第一の入力と望ましい力率を表す第二の入力とを有し、更に該波形発生器の該コントロール入力に向けられる出力信号とを有するエラー増幅器プログラムを備えたコントローラを含み、
    該実際の力率が、該波形を調節することによって該望ましい力率に保持されることを特徴とする電気アーク溶接機。
  16. 該溶接工程の熱を調節するために該望ましい力率を手動で調節する装置を含むことを特徴とする請求項15記載の電気アーク溶接機。
  17. 該電源のrms電流を所望のセット値に保持するコントロール回路を含むことを特徴とする請求項16記載の電気アーク溶接機。
  18. 電極と加工物との間で選択された波形により所定の溶接工程を実施する電源を具備する電気アーク溶接機をコントロールする方法であって、該方法は、
    (a)rms電流及びrms電圧を使用して該電源の実際の力率を計算し、
    (b)該電源について望ましい力率を選択し、
    (c)電源の該実際の力率を電源の該望ましい力率と比較することによりエラー信号が得られ、そして
    (d)該エラー信号により該波形を調節し、それにより該実際の力率が該望ましい力率に維持されることを特徴とする電気アーク溶接機をコントロールする方法。
  19. 該望ましい力率を手動で調節して該溶接工程の熱をコントロールすることを特徴とする請求項18記載の方法。
  20. 該望ましい力率が調節されるとき該rms電流を一定に保持することを特徴とする請求項18記載の方法。
  21. 該波形が、少なくとも18kHzの周波数で生ずる多数の電流パルスによって生じ、各パルスの大きさは波形形成器によりコントロールされることを特徴とする請求項1820の何れか1項記載の方法。
  22. 電極と加工物との間で発生する選択された波形により所定の溶接工程を実施する電気アーク溶接機であって、該溶接機は、電源、該電源のrms電流を計算する回路、該電源の平均電流を測定する回路、並びに該rms電流と該平均電流との組み合わせに応じてフィードバックするように構成した閉ループ電流フィードバック回路を備えたコントローラを含むことを特徴とする電気アーク溶接機。
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