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

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_１、Ｔ_２］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、

（式中、Ｐ_ａｖｇ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_１及びＴ_２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、

（式中、ｒｍｓ電圧Ｖ_ｒｍｓ及びｒｍｓ電流Ｖ_ｒｍｓは、それぞれ

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_１、Ｔ_２］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_１及びＴ_２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。

式（２）は、

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、

により与えられる平均電圧Ｖ_ａｖｇ及び平均電流Ｉ_ａｖｇ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Ｉ_ａ４２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Ｖ_ａ５２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Ｉ_ａ４２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_ａを図１の電圧計５４により測定される瞬時の電圧Ｖ_ａ５２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Ｖ_ｒｍｓ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_ａ及び電流Ｉ_ａ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_１と第二の事象信号Ｔ_２との間に延在する電流波形３４を画いている。事象信号Ｔ_１、Ｔ_２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_１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_２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_１と事象信号Ｔ_２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_２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Ｖ_ｒｍｓ、ｒｍｓ電流Ｉ_ｒｍｓ及び平均Ｐ_ａｖｇ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Ｖ_ｒｍｓ、ｒｍｓ電流Ｉ_ｒｍｓ及び平均電力Ｐ_ａｖｇ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、

（式中、Ｖ_ｓｅｔはセット電圧値であり、Ｖ_ａｖｇ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、Ｖ_ｒｍｓ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、

（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により実行される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により実行される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は、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１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２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１−３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１または２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１または２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１−６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８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８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８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１８−２０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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