JP5133490B2 - リアル・タイムにおいて溶接条件を検知するためのスポット溶接装置および方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
発明の分野
本発明は、一般に抵抗スポット溶接に関し、より詳細には、溶接条件を検知し、エネルギ・バランスを計算し、溶着部の直径を予測し、スプラッシュをなくすための方法および装置に関する。
【０００２】
発明の背景
抵抗スポット溶接は、板金構成部品を接合するためのプロセスであり、２つ以上の部品を２つの電極の間で合わせてクランプし、一連の低電圧、高電流パルスを部品に通すことを必要とする。部品は、電極の間の領域で合わせて圧搾され、高電流パルスによって加熱される。電極間の材料が溶けて、ナゲットと呼ばれる溶解領域を形成する。電流を切ると、溶解した材料のナゲットが硬化して、溶着部と呼ばれる継手を形成する。抵抗スポット溶接中には、一般に溶接物、プレート、またはワークピースと呼ばれる溶接される部品が瞬間的に過熱したとき、溶解した材料の放出がたびたび発生する。溶解した材料の放出は、従来スプラッシュと呼ばれ、危険な環境を生じ、また、より弱い溶着部を生じるため、有害である。過熱によって引き起こされるスプラッシュは、密着表面の界面部（すなわち、接合される部品の接触表面）でコロナ・ボンド・ゾーンの一部分が突然溶解することに起因するとされている。温度上昇の動的挙動を含むナゲット温度の連続的な監視および予測が、過熱によって引き起こされるスプラッシュを予測するために重要である。
【０００３】
たとえば、溶着部の温度パターンは、ワークピース温度の数値シミュレーションに基づいて監視手順を実施するシステムによって連続的にシミュレーションすることができる。従来技術のシミュレーションは、電流分布、温度空間分布、時間に応じた温度プロフィルを含む一定の溶接現象を推定するために使用されている。そのようなシステムは、シミュレーションへの入力として、溶接電流データ、溶接電圧データ、ワークピースの物理特性に関する情報を必要とする。
【０００４】
しかし、これら従来技術のシミュレーションは、温度プロフィルを予測するために必要とされる計算時間が実際の溶接時間より数桁長いため、リアル・タイム予測ツールとして使用されていない。したがって、そのようなシステムは、溶着部直径および溶着部の温度プロフィルを決定するために有用ではあるが、これらのシステムはスプラッシュをなくすためにフィードバック制御システム内で使用されていなかった。
【０００５】
温度プロフィルを推定するために、熱伝導分布が使用される。いくつかの従来技術のシステムは、時間のかかる計算を必要とする微分方程式および有限要素解析法を使用して熱伝導分布を計算する。従来技術の方法は、正確な温度パターンと温度プロフィルを計算するために使用される連続体積の数学的な点近似である多数のメッシュ点を必要とする。有限差分法および有限境界法も同様に計算が集中的である。
【０００６】
いくつかの従来技術の抵抗スポット溶接システムは、電極チップの変位を使用して溶接プロセスを監視する。これらの技法は、電極チップ変位量を正確に測定するために溶接システムのさらなる計器と、ナゲット直径を推定するために複雑な統計モデルおよび回帰解析を必要とする。米国特許第６，０４３，４４９号は、電極間距離に基づいてナゲット直径を推定するための方法を開示する。電極変位測定を使用するシステムは、溶着部がワークピース縁部近くで形成されるとき、ワークピースの縁の典型的な変形により、溶着部直径を正しく決定することができない。
【０００７】
他の従来技術の抵抗スポット溶接システムは、有限要素温度解析を使用して、温度分布およびナゲットの成長を予測する。これら従来技術のシステムは、一般にリアル・タイムで動作せず、スポット溶接システムで一般に見られない処理能力を必要とする。たとえば、米国特許第５，８９２，１９７号は、エネルギ分布を推定するために３Ｄ微小格子モデルを使用するエネルギ分布計算に基づくナゲット成長予測手段を開示する。３Ｄ微小格子モデルをリアル・タイムで解くためには非常に高性能なワーク・ステーション、専用のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、または小型スーパーコンピュータが必要とされるであろうが、典型的な抵抗スポット溶接制御装置が有するのは、低速のパーソナル・コンピュータの処理力である。
【０００８】
１次元熱方程式およびニューラル・ネットワークのアナログ動的モデルに基づいて溶着部品質を監視するために他の技法が開発されている。しかし、これらの技法は、プレートまたは部品の厚さの重要性を考慮することなく熱方程式を使用する。これらの技法の一部は、Ｋｉｎ−ｉｃｈｉ Ｍａｔｓｕｙａｍａの「ニューラル・ネットワーク学習に基づくスポット溶接を検知するナゲット・サイズ（Ｎｕｇｇｅｔ Ｓｉｚｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ Ｓｐｏｔ Ｗｅｌｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌｅａｒｎｉｎｇ）」、溶接におけるコンピュータ技術の７回目の国際会議、ＩＩＷ Ｄｏｃ．ＩＩＩ−１０８１−９７の会報（７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＩＷ Ｄｏｃ．ＩＩＩ−１０８１−９７）、１９９７年７月、およびＭｏｎａｒｉらの「ニューラル・ネットワークを使用するスポット溶接直径の予測（Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｐｏｔ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｄｉａｍｅｔｅｒ Ｕｓｉｎｇ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）」、ｔｈｅ ＩＩＷ Ｄｏｃ．ＩＩＩ−１１０８−９８の会報、１９９８年に述べられている。スプラッシュを検出するためにいくつかのシステムもまた開発されているが、これらのシステムは、スプラッシュの将来の発生を予測することができない。
【０００９】
当技術分野で周知のように、「厚い鋼の抵抗スポット溶接（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｉｃｋ ｓｔｅｅｌｓ）」（Ｒｅｐｏｒｔ １）、Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９（１９７１），ｐｐ１０４−１０７に述べられている、Ｏｋｕｄａによって開発された熱類似性法則は、抵抗スポット溶接におけるナゲット形成の支配的なパラメータを説明することができる。この法則は、熱伝導方程式の無次元式から導出される。しかし、この法則は、電極チップの直径がプレート厚に正確に比例する特別な場合にだけ当てはまるため、普通の溶接条件と溶接結果の間の関係を説明することができない。実際の溶接条件下では、電極チップの直径が通常、抵抗スポット溶接に推奨されているようにプレート厚に正確に比例しない。したがって、上述の熱類似性規則は、典型的な動作条件下で温度プロフィルを予測するために使用することができない。
【００１０】
ＲＷＭＡ（抵抗溶接製造者協会（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｗｅｌｄｅｒｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ’ｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ））は、電極チップの直径をプレート厚の平方根の５倍にするべきであると推奨している。これは、電極チップの直径が経験データに由来することを示唆した。
【００１１】
１次元熱方程式およびニューラル・ネットワークのフィード・フォワード・モデルに基づいて溶着部品質を監視するために他の技法が開発されている。１次元熱方程式に基づくこの手順は、溶接品質を監視するために応用することに成功したが、システムは、リアル・タイム制御を実現するために高速ＤＳＰを必要とする。ニューラル・ネットワークによる解決策は、トレーニングのために大量のデータを必要とし、基礎となるモデルが理論的にではなく実験に基づいて決定されるため、トレーニングされたゾーンを外れた溶接条件にこの解決策は応用できない。その結果、ニューラル・ネットワークは、据付け済みベースの抵抗スポット溶接システムでは広く使用されていない。
【００１２】
数十万の抵抗スポット溶接システムが、限られた計算能力で運用されている。スポット溶接機の総数は、世界中で数百万を超える可能性がある。自動車会社の製造工場内に据え付けられている抵抗スポット溶接機のうち比較的少ない数をもリアル・タイム監視を有する制御装置に置き換えることは、設備投資、据付けコスト、新規制御装置を再プログラムするための労働力、工場のダウンタイムのため、非常にコストがかかることになろう。
【００１３】
発明の概要
本発明の目的は、溶着部直径を予測し、スプラッシュをなくし、健全な溶着部を確保するための方法を提供することである。本発明の他の目的は、著しい、またはどんな溶接機のハードウェア修正もしくは処理能力の追加をもすることなく、据付け済みベースの制御装置上でこの方法を実施することである。
【００１４】
さらに本発明の他の目的は、そのような方法を、溶接プロセス中に、および電極チップの直径がプレート厚に正確に比例しない応用分野でリアル・タイム使用することを可能にすることである。
【００１５】
本発明のこれらおよび他の目的は、少なくとも１つの溶接パラメータを監視するステップと、溶接パラメータおよびワークピース厚を含むエネルギ・バランスに基づいてワークピースの平均温度の推定値を計算するステップとを含む、抵抗スポット溶接プロセス条件を監視するための方法によって達成される。この方法は、スプラッシュの発生、溶着部直径、溶着部直径の成長、電極接触直径など、プロセス条件を予測する他のステップを含むことができる。この構成によれば、平均温度を推定するための効率的な技法が得られ、溶接プロセス条件を予測し、かつ適応可能に制御するために使用することができる。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、電極接触直径のリアル・タイム推定値を計算するための方法が、抵抗値、ワークピースの抵抗率、全ワークピース厚、電流密度補正係数に基づいてプレート・電極界面直径を計算することを含む。そのような構成は、１組の電極チップの寿命全体にわたって、必要とされる機械維持の指標、および溶接プロセス条件のより正確な推定値を提供する。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、抵抗スポット溶接制御装置が、積分エネルギ・バランス・プロセッサに結合された溶接データ・プロセッサを含む。この構成によれば、制御装置は、溶接パラメータをリアル・タイムで測定し、スポット溶接中にワークピース内の目標体積内でエネルギ・バランスを効率的に計算することができる。離散形態のエネルギ・バランス・モデルは、処理力の増大を付加することなく、大量の据付け済みスポット溶接システムの溶接機制御装置に組み込むことができる１組の計算値を提供する。
【００１８】
温度予測プロセッサ、ナゲット直径予測プロセッサ、スプラッシュ予測プロセッサの追加により、スプラッシュの発生可能性を予測し、溶着部直径を予測することが可能である。ナゲット直径予測プロセッサおよび温度予測プロセッサによって提供された情報に応答して溶接パラメータを調整することにより、適応制御プロセッサが、溶接電流、溶接時間、電極の圧力のうち少なくとも１つを修正して、スプラッシュを防止し、適切なナゲット直径の形成を確保する。プロセッサについて別個の区別可能なプロセッサとして述べているが、実際には、これらによって行われる機能を単一のプロセッサによって、または複数のプロセッサによって行うことができることを理解されたい。
【００１９】
本発明のさらに他の態様によれば、電力制御ユニットおよび力制御ユニットを伴うスポット溶接機を有する抵抗スポット溶接システムが、溶接機から入力データを受信し、エネルギ・バランス・モデルに基づいて平均温度推定値を計算して、抵抗スポット溶接システムのためのプロセス条件を予測できるように結合された溶接データ・プロセッサをさらに含む。この特定の構成によれば、溶接システムを、溶接条件のリアル・タイム検知、予測、制御のための機能と共に改善することができる。
【００２０】
他の実施形態では、離散方程式によってリアル・タイムで溶着部直径について予測することができる。さらに他の実施形態では、スプラッシュをなくし、スポット溶接のための総合品質保証システムを実現するために、離散方程式によってリアル・タイムでスプラッシュの発生を予測することができる。
【００２１】
この述べたエネルギ・バランス・モデルは、専用のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）または追加の高速な中央処理装置（ＣＰＵ）を追加することなく、据付け済みベースのスポット溶接制御装置、たとえば溶接制御装置またはロボット制御装置上で効率的に計算することができる式を提供するために使用する。その結果、溶接システムは、溶接条件のリアル・タイム検知および予測のために改善された能力を備える。
【００２２】
この述べたシステムおよび技法は、工場内で金属スパッタを効果的になくして作業環境を改善し、また、溶着部直径についての情報をリアル・タイムで提供する。溶着部直径情報を使用し、溶接プロセス中に溶接条件の適応調整を可能にすることにより、溶接品質を確保することができる。推定電極チップ接触直径に基づく電極チップの有効寿命の予測は、必要とされる機械維持の指標を提供する。
【００２３】
本発明の前述の特徴、ならびに本発明そのものは、以下、図面の詳細な説明からより完全に理解することができる。
好ましい実施形態の説明
必ずしも原寸に比例していないが、図面では、同様なまたは対応する部品を同様なまたは対応する参照名称によって表す。電極チップという用語は、電極内に嵌合され、溶接動作中にワークピースと接触している、または接触するようになる挿入物（一般に銅）を述べるために使用する。
【００２４】
図１を参照すると、溶接システム１０は、抵抗スポット溶接機１４（溶接機１４と称する）の電力制御ユニット１６に接続された電源１２を含む。溶接機１４は、力制御ユニット１８に結合された力アクチュエータ２２を有する溶接ガン２０を含む。溶接ガン２０は、電力制御ユニット１６に電気接続された第１電極２４および第２電極２８を含む。溶接物またはワークピース２６は、第１電極２４と第２電極２８の間で保持され、あるいはその他の方法で配置される。
【００２５】
溶接機制御装置３０は、制御およびデータ信号線２９によって溶接機１４に接続される。溶接機制御装置３０は、溶接機制御プロセッサ３２および積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４に結合された溶接データ・プロセッサ３６を含む。溶接機制御装置３０は、積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４に結合された温度予測プロセッサ３８をさらに含む。温度予測プロセッサ３８は、図のように、ナゲット直径予測プロセッサ４２およびスプラッシュ予測プロセッサ４０に結合され、さらに適応制御プロセッサ４４に結合される。溶接機制御装置３０は、プロセッサ３２〜４４に結合された状態および表示インジケータ４６をさらに含む。溶接機制御装置３０は、積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４に結合された任意選択のデータベース５０を含むことができる。
【００２６】
オペレーションにおいて、典型的には交流の形態をなす電力が電源１２から電力制御ユニット１６に配送され、低電圧、高電流電力を生成し、それが電極２４および２８を介してワークピース２６に配送される。溶接機制御装置３０は電力制御ユニット１６および力制御ユニット１８を制御し、溶接ガン２０内で力アクチュエータ２２により、溶接電極２４をワークピース２６に対して前進させる（図２により詳細に図示する）。エア・シリンダによる空気式、電気サーボ・ガンによる電気式、または液圧式で圧力を加えることができることは、当業者には理解されよう。
【００２７】
溶接機制御装置３０は、一連の溶接サイクルを制御する溶接機制御プロセッサ３２によって溶接プロセスを監視し、かつ制御する。溶接プロセスは一般に、ワークピース２６を通過する幾つかの溶接サイクルの交流を含む。合計溶接時間は一般に、ワークピース２６の厚さに応じて決まる。溶接データ・プロセッサ３６は、溶接機によって供給されるアナログ信号をデジタル化する。電極２４および２８ならびにワークピース２６を通過する電流と、電極２４および２８を横切る電圧とを含めて、溶接データ・プロセッサ３６からのデジタル化されたデータに応答して、溶接機制御プロセッサ３２は、電力制御ユニット１６および力制御ユニット１８に供給される制御信号およびデータ信号を調整することによって溶接プロセスを制御する。溶接機制御装置３０は、電極２４および２８に加えられた圧力と、電極２４および２８の移動によって測定されたワークピース２６の厚さとを追加的に監視することができる。データベース５０、製造制御システム、またはオペレータが、溶接機制御プロセッサ３２および積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４にデータを供給し、プレート厚、スタック条件（すなわち、ワークピースのプレートの数および構成）、溶接される材料のタイプを含む。
【００２８】
溶接動作時の絶え間に、エネルギ・バランス・プロセッサ３４は、電極２４と２８の間の体積に供給されるエネルギ量を計算する。以下、図３Ａと共に述べるように、この体積を「目標体積」と称する。このエネルギは、電極２４および２８ならびにワークピース２６を流通するとき抵抗加熱を生じる溶接電流によって供給される。エネルギ・バランス・プロセッサ３４はまた、熱伝導によって目標体積からワークピース２６内に伝導するエネルギ量を計算する。これらの計算をエネルギ・バランスまたは溶接動作のエネルギ・バランス・モデルと称し、以下、図３Ａ、図３Ｂ、式１〜９と共に、より詳細に述べる。温度予測プロセッサ３８は、目標体積内のエネルギ・バランスを使用して推定溶着部温度を予測する。温度推定値は、スプラッシュ予測プロセッサ４０およびナゲット直径予測プロセッサ４２に送られる。スプラッシュの発生がプロセッサ４０によって予測される場合は、適応制御プロセッサ４４が１組の溶接パラメータ調整値を計算する。適応制御プロセッサ４４によって送られる調整済み溶接パラメータ、またはスプラッシュ予測プロセッサ４０からの信号に応答して、溶接機制御プロセッサ３２は、溶接電流を調整または停止して、あるいは電極力を修正して、スプラッシュを低減する、または場合によってスプラッシュを防止するように溶接機１４に命令する。
【００２９】
様々な機能的能力を得るために、溶接機制御装置３０を、上述したプロセッサのすべて、またはサブセットで構成することができることは、当業者には理解されよう。たとえば、品質監視システムは、温度予測プロセッサ３８、ナゲット直径予測プロセッサ４２、状態および表示インジケータ４６を含むであろう。スプラッシュ除去システムは、追加的にスプラッシュ予測プロセッサ４０を含むであろう。適応制御システムは、追加的に適応制御プロセッサ４４を含むであろう。
【００３０】
「プロセッサ」で表されたブロックは、コンピュータ・ソフトウェア命令または命令群を表すことができる。そのような処理は、たとえば、図５Ａ〜５Ｃのプロセッサの場合のように溶接制御システムの一部として設けることができる単一の処理装置によって行うことができる。あるいは、処理ブロックは、デジタル信号プロセッサまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など、機能的に等価な回路によって行われるステップを表す。
【００３１】
図２を参照すると、溶接機１４が、フレーム６２を有する溶接ガン２０を含む。要素は、図１の同様な要素を参照する同様な参照番号と共に略図で示されている。溶接ガン２０は、力制御ユニット１８に結合され、かつフレーム６２上に装着された力アクチュエータ２２を含む。取付けブラケット６０は、フレーム６２に取り付けて、溶接機１４をロボット・アーム（図示せず）または静止固定物（図示せず）に装着することを可能にすることができる。
【００３２】
力アクチュエータ２２は、シリンダ６５内で移動可能なピストン／ロッド６４を含む。電極２４は、ピストン／ロッド６４に取り付けられ、電力制御ユニット１６から電力を受け取る変圧器５２の第１端子５３ａに電気接続される。交換可能な電極チップ６６ａが電極２４上に装着され、電気接触している。フレーム６２は、下部フレーム・アーム７８を含む。第２電極チップ６６ｂを有する第２電極２８が、力アクチュエータ２２と反対のフレーム６２の側部上で下部フレーム・アーム７８に取り付けられる。電極チップ６６ａ、６６ｂは、溶接条件と、溶接される材料とに応じて、溶着部約５００から１０，０００個程度の有限使用可能寿命を有する。チップ寿命を越えると、チップ６６ａ、６６ｂの接触直径および電気特性が溶着部の数で変動する。フレーム６２は、変圧器５２の第２端子５３ｂに結合される。電流センサ７６が下部フレーム・アーム７８上に装着され、溶接中に溶接電流を測定する。任意選択のひずみゲージ７２をフレーム６２上に装着して、下部フレーム・アーム７８のたわみ、および電極力を測定することができる。
【００３３】
一定の溶接パラメータを測定するために、および溶接パラメータ・データを溶接データ・プロセッサ３６（図１）に送るために、溶接機１４の追加要素が設けられる。具体的には、電流センサ７６が積分器７４に結合される。電極移動センサ５４が増幅器５８に結合され、光学ひずみゲージ７２がひずみゲージ増幅器７０に結合される。溶接データ・プロセッサ３６は、チャネルが電極移動センサ増幅器５８、電流センサ積分器７４、ひずみゲージ増幅器７０、電極２４および２８に結合されている多重チャネルのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を含む。ＡＤＣ５６、積分器７４、増幅器５８、ひずみゲージ増幅器７０は、図のように溶接機１４または溶接制御装置３０に独立して配置することができることを理解されたい。
【００３４】
ＡＤＣ５６は、ワークピース２６と電気接触する電極ホルダ（図示せず）に接続された電圧ピックアップ・ケーブル６８で測定された電極２４および２８を横切る電圧を、測定された溶接電圧を表すデジタル信号８０に変換する。ＡＤＣ５６は、積分器７４の出力を測定された溶接電流を表すデジタル信号８２に、および電極移動センサ５４の出力を瞬間全ワークピース厚ｈtを表すデジタル信号８４にさらに変換する。電極移動センサが利用可能でない場合は、近似値を瞬間全ワークピース厚ｈtの代わりにすることができることが、当業者には理解されよう。光学ひずみゲージ７２、またはロード・セルもしくは光学回折デバイスなど他の圧力測定デバイスによって測定される電極力は、ワークピース２６に加えられる圧力を表すデジタル出力信号８６に変換することができる。ＡＤＣ５６の出力８０、８２、８４、８６は、溶接データ・プロセッサ３６（図１）に結合される。
【００３５】
溶接動作は、一般に、数サイクルの交流がワークピース２６を通過してナゲットまたは溶着部を形成する熱を生成する溶接サイクル数を含む（図３Ａと共に述べる）。電力制御ユニット１６および力制御ユニット１８を含めて、溶接機１４は一般に、溶接動作中に溶接機制御プロセッサ３２によって制御される。動作時には、力制御ユニット１８が電極力アクチュエータ２２に信号を供給し、ピストン／ロッド６４および電極２４を介してワークピース２６上で圧力をかける。より具体的には、力制御ユニット１８が力アクチュエータ２２に信号を供給し、第１電極２４が第２電極２８に向かって前進する。この電極移動により、ワークピース２６が力によって２つの電極２４と２８の間で保持される。数溶接サイクルのそれぞれの間に、電力制御ユニット１６は変圧器５２に信号を供給し、制御された電流が電極２４と２８の間で、およびワークピース２６を介して通過することを可能にする。溶接電流８２は、溶接動作中に電流センサ７６によって測定され、積分器７４によって積分され、ＡＤＣ５６によってデジタル化され、溶接データ・プロセッサ３６（図１）に送られる。溶接電流８２は、電流密度によって引き起こされるフリンジング効果のための、および溶接電圧８０測定を補正するために補正係数として使用される。溶接電圧８０はまた、ＡＤＣ５６によってデジタル化され、溶接機制御プロセッサ３２（図１）に送られ、積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４により目標体積へのエネルギ入力を計算するために使用される。
【００３６】
図３Ａを参照すると、溶接中のワークピースの横断面図が、エネルギ・バランス・モデルで使用されるパラメータを示す。ワークピース２６は、溶接動作中に、電極２４内に装着された電極チップ６６ａと、電極２８内に装着された電極チップ６６ｂとの間で保持される。一実施形態では、ワークピース２６が、溶着すべきプレート９０とプレート９２を含む。プレート９０およびプレート９２は、厚さの等しいものである必要はない。プレート９０は厚さｈbを有し、プレート９２は厚さｈaを有する。
【００３７】
プレート９０および９２の全厚はｈtである。幅ｄnを有するナゲット８８は、溶接中にプレート９０と９２の間の界面で形成される。任意の時点における溶着部の１組の物理特性を溶接状態と称し、ワークピース２６内の目標体積９４内の平均温度（平均溶着部温度とも称する）で表すことができる。目標体積９４は、ワークピース２６と接触する電極チップ６６ａおよび６６ｂ下の体積である。電極チップ６６ａおよび６６ｂが円形状であると仮定すると、目標体積９４はπｄc 2/４の体積を有し、ただし、ｄcは、それぞれの電極−ワークピース界面１０６ａ、１０６ｂ（プレート−電極界面とも称する）でワークピース２６と接触する各電極チップ６６ａ、６６ｂの面積である。好ましくはチップ接触領域が円形であり、したがって接触直径と称することができる。しかし、実際の接触領域は完全に円形ではなく、チップ６６ａおよび６６ｂの寿命全体にわたってサイズおよび形状に変化が発生することを理解されたい。したがって、電極の形状が円形状から変動したとき、上式は近似体積を計算する。
【００３８】
溶接電流ｉ１０２は、目標体積９４を流通する。プレート９０と９２の間の電圧ｕ１０４は、電極２４と電極２８の間で測定することが好ましい。電流の導通開始後、時間ｔでの目標体積９４内に含まれる熱Ｑの形態のエネルギは、次のように積分形態で表記される基本エネルギ・バランス方程式で表される。
【００３９】
【数３】
ただし、
Ｑは、目標体積９４内に含まれる熱量であり、
τおよびｔは、時間であり、
νは、プレート表面間の電圧であり、電極２４および２８の間の電圧（測定された電圧ｕから、大電流によるインダクタンスによって誘導される電圧であるチップ６６ａおよび６６ｂ内の電圧降下を引いたもの）に等しく、
ｉは、溶接電流であり、
Ｋeは、電極チップ６６ａ、６６ｂ内の熱伝導率であり、
Ｋは、ワークピース内の熱伝導率であり、
ｄは、時間τでのプレート−電極界面１０６ａ、１０６ｂ部の瞬間接触直径であり、
Ｔは、目標体積９４内の温度であり、目標体積９４から失われたエネルギ内の係数としてであり、
ｈtは、全プレート（ワークピース２６）厚であり、
ｆ（ｄ／ｈ）は、目標体積９４の縁部での電流フリンジング効果を補正するための電流密度補正係数であり、ただしｈは１枚のプレートのプレート厚であり（２枚のプレートの厚さが等しい場合はｈｔ＝２ｈであり、プレートが等しくない厚さｈaおよびｈbを有する場合、関数は平均値
ｆ（ｄ／ｈ）＝［ｈaｆ（ｄ／ｈa）＋ｈbｆ（ｄ／ｈb）］／ｈtで評価され、ｆ（ｄ／ｈ）＝Σｈiｆ（ｄ／ｈi）／Σｈi）、ただしｈiは個々のプレートの厚さであり、
ｒは、図３Ａで符号が付けられているように半径方向であり、
ｚは、図３Ａで符号が付けられているようにプレート厚方向である。
【００４０】
目標体積に供給されるエネルギは、式１のν・ｉ項によって表される。Ｋeを含む項は、ｚまたはプレート厚方向の熱損失を表し、Ｋを含む項は、ナゲット８８の中心を通り、図３Ａのワークピース２６の平面に垂直な軸から半径方向に延びるｒ方向の熱損失を表す。これらの項は、どちらの導関数も負であるため、熱損失を表す。
【００４１】
式１は、式２〜９と共に使用して、以下、図５Ｃの一実施形態と共に述べる１組の式１２ａおよび１２ｂを導出する。式１２ａおよび１２ｂは、溶接パラメータをサンプルする間隔である走査サイクル（間隔Ｉと称する）毎平均温度を推定するために使用される溶接機制御装置３０制御コードを表す。溶接パラメータは、典型的な６０Ｈｚ溶接サイクルで走査４０回に等しい２４００回毎秒でサンプルすることが好ましい。
【００４２】
ワークピース２６内の平均溶接温度￣Ｔ（￣ＴはＴの上に￣が付されている状態を表す、以下同じ）は、次式によって定義される。
【００４３】
【数４】
ただし、Ｃは比熱、σはワークピース２６の密度、ｄcはワークピース２６と接触する各電極チップ６６ａおよび６６ｂの領域の直径であり、これを電流が時間ｔで流通する。ｄcは、チップ６６ａおよび６６ｂがワークピース２６と接触する密着表面および電極−プレート界面部の実際の接触直径であり、これら接触直径は溶接中に増大することに留意されたい。
【００４４】
したがって、式１を式２のＱに代入することにより、次の式を導出することができる。
【００４５】
【数５】
式３を使用して、溶接時間およびエネルギ入力に応じて目標体積９４内の平均温度プロフィルを予測する。
【００４６】
次式を式３と組み合わせて、式３からフリンジング効果関数ｆ（ｄ／ｈ）を消去する。
【００４７】
【数６】
ρは、溶接物２６の抵抗率の平均値であり、
ｕは、電極チップ６６ａと６６ｂの間の電圧であり、
Ｒeは、各電極チップ内の抵抗低下であり、
Ｍは、溶接電流回路と電圧測定回路の間の相互インダクタンスである。
【００４８】
さらに、接触直径ｄcは、次式によって式４から予測する。
【００４９】
【数７】
ただし、電流密度補正係数、関数ｆ（ｄc／ｈ）は、ルックアップ・テーブルから得る。
【００５０】
次いで、目標体積９４内の平均温度のための次式は、式３および４から導出することができる。
【００５１】
【数８】
ただし、
ｄcは、時間ｔでの接触直径であり、
ｄ＝ｄ（τ）は、時間τに応じた実際の瞬間接触直径である。
【００５２】
熱損失項が式６ａの右側で第２および第３項を含むが、熱損失は主に、電極チップ６６ａおよび６６ｂからの熱損失に対応する第２項によって支配される。電極チップからの熱損失は、電極−プレート界面１０６ａ、１０６ｂ部の温度、および電極２４、２８、対応するチップ６６ａ、６６ｂの熱伝導率に比例する。
【００５３】
エネルギ・バランス・モデルが、２枚以上のプレートまたは材料シート（ｎ枚スタックと称する）を含むワークピース２６構成に応用できることは、当業者には理解されよう。たとえば、電極チップとプレートの間の界面部での温度、および界面付近の温度勾配が、全厚ｈ0を有する２枚スタックＸ0（基準スタック）と全厚ｈtの４枚スタックＸ1で同じ場合には、４枚スタックＸ1の平均温度を、基準スタックＸ0の平均温度と全プレート厚の比（ｈt／ｈ0）の積として計算する。
【００５４】
熱損失項は、基準２枚スタックについて定義し、多重枚スタックの平均温度は次式で計算する。
【００５５】
【数９】
ただし、厚さｈ0は、厚さの等しいプレート２枚（ｈ0＝２ｈ）を有するワークピースについてパラメータをセットアップするために、トレーニング時に使用された初期全プレート厚である。ｈt＝ｈ0の場合、式６ｂは式６ａと同値である。式６ｂは、様々な構成（たとえば、厚さの等しくないプレートを有する２枚スタック構成、基準厚と異なる全厚を有する２枚スタック構成、また、厚さの等しい、または等しくないプレートを有する多重スタック構成）で平均溶着部温度を計算するために使用する。
【００５６】
式６ｂは、実験に基づく決定では、第２および第３項が第１項に比例すると仮定することができるため、有限差分方程式７として離散形態で書き直すことができる。
【００５７】
【数１０】
ただし、
Δτは、計算の時間ステップであり、時間ステップΔτが非常に小さいため、近似ｄ2（ｔ）／ｄ2（ｔ＋Δτ）＝１．０を使用する。
Ａは、熱損失項であり、ただし
【００５８】
【数１１】
であり、
項α1およびα2は、次のように定義される。
【００５９】
【数１２】
式７を解くために、目標体積９４からの熱損失を表す熱損失項（Ａ）だけ決定する必要があり、熱損失項（Ａ）は、後述するように基準全プレート厚ｈ0を有する試験ワークピース２６を使用して実験測定によって決定することができる。他のパラメータＣ、σ、ρは、溶接データ・プロセッサ３６によって使用される物理特性を表す定数である。定数は物理特性表で調べ、またはワークピース２６を作製するために使用する材料の供給者から入手し、またはその他の方法で制御装置３０に入力する。
【００６０】
平均溶着部温度￣Ｔは電圧ｖの関数として表されるが、溶接電流波形もまた測定し、式５の測定電圧ｕに対するケーブル内の磁束効果を補正するべきである。換言すれば、式５に従って補正済み電圧ｖを決定するために、溶接電流Ｉを測定する。
【００６１】
図３Ｂを参照すると、曲線１０８が、溶接中の目標体積９４内の平均溶着部温度を表す。ピーク溶着部温度￣Ｔp（￣ＴpはＴpの頭に￣が付された状態を示す、以下同じ）は、溶接動作中の時間ｔp１１０で達する。以下、後述するように、溶着部直径は、溶着部内の最大溶解直径として定義されるナゲット直径がピーク溶着部温度￣Ｔpで発生するため、￣Ｔpの関数である。電流の流れは、時間ｔw１１２で終了する。
【００６２】
スプラッシュが発生するとき、平均溶着部温度￣Ｔpのピーク値￣Ｔpが一定であると仮定すると、電極チップ６６ａ、６６ｂとワークピース２６の間で異なる接触条件について温度は、１組の電極チップ上での溶接動作数に関わらず、同じはずである。熱損失項（Ａ）は、この仮定に基づいて実験で決定する。
【００６３】
実験で熱損失項（Ａ）を決定するための方法の一例は、常態の溶接条件下でスプラッシュが生じる溶接電流値より下および上で、電流値ｉについて溶接パラメータ・データを収集することを含む。データは、新しい１組の電極チップ６６ａ、６６ｂと、千回を超える溶接動作に使用された同じ電極チップ６６ａ、６６ｂとを使用して収集することが好ましい。各ワークピース２６を溶接した後で、ワークピース２６を分解することができ、各ワークピース２６内で実際の溶着部直径を物理的に測定することができる。このプロセスにより、新規および使用済み電極チップ６６ａ、６６ｂについて別々のデータ・セットが得られる。
【００６４】
データを収集した後で、反復計算プロセスによって、最初に熱損失項（Ａ）が０．０１に設定される。実験に基づいて収集されたデータと（Ａ）の初期値とを使用して、平均溶着部温度プロフィルを式７から計算し、それにより、クリティカルなスプラッシュ電流（ｉ）での平均溶着部温度￣Ｔpのピーク値￣Ｔpを各データ・セットについて決定する。新しい電極チップ６６ａ、６６ｂの推定ピーク値を使用済み電極チップ６６ａ、６６ｂのピーク値と比較する。両値が所定の閾値内にない場合は、熱損失項（Ａ）が０．００５ステップで増加し、プロセスを繰り返して熱損失項（Ａ）の十分正確な推定値を見つける。この手順は、データの両セットについて推定ピーク平均溶着部温度￣Ｔpの誤差の和を最小限に抑えることにより、所与の材料について熱損失項（Ａ）の値を決定する。
【００６５】
別法として、所与の材料の熱損失項（Ａ）の正確な値は、新しい電極チップ６６ａ、６６ｂで得られた測定溶着部直径と、使用済み電極チップ６６ａ、６６ｂで得られたものとの差の誤差の和を最小限に抑えることによって決定することができる。新規および使用済み両電極チップ６６ａ、６６ｂについて平均溶着部温度と測定溶着部直径との間の関係を示す曲線は、ワークピース２６材料について熱損失項（Ａ）が最適化された場合にほぼ重なり合う。
【００６６】
次いで図４Ａを参照すると、電流設定を増大させる場合の溶着部直径と溶接時間の間の一般的な関係が示されている。曲線１２０は、合計溶接時間に応じた溶着部直径を表す。溶接時間は、電流がワークピース２６を流通している間の累積時間である。電流の流れは、連続した比較的短いサイクルで発生する。ｘ軸は、一連の連続サイクルにわたる累積溶接時間を秒で表す。これらの曲線は実験に基づいて決定することができ、値は溶接される材料のタイプに応じて決まることが、当業者には理解されよう。
【００６７】
曲線１２０上の点１２２は、所与の電流設定についてスプラッシュが発生する時間を示す。一般に、電極力は一定に保たれる。曲線１２４は、曲線１２０より高い電流設定で合計溶接時間に応じた溶着部直径を表す。曲線１２４上の点１２６は、より高い電流設定が使用されているとき、より早くスプラッシュが発生することを示す。電極チップ６６ａおよび６６ｂの寿命（溶接サイクル数）は、両曲線１２０および１２４についてほぼ一定である。
【００６８】
図４Ｂを参照すると、１組の電極チップで溶接サイクル数を増大させる場合の溶着部直径と溶接電流の間の一般的な関係が示されている。曲線１３０は、溶接時間に応じた有効溶着部直径を表す。有効溶接電流は、その連続する溶接サイクル中にワークピース２６を流通する電流である。これらの曲線は実験に基づいて決定することができ、値は溶接される材料のタイプに応じて決まる。
【００６９】
曲線１３０上の点１３２は、比較的新しい電極チップ条件についてスプラッシュが発生する電流設定を示す。曲線１３４は、溶接サイクル数を増大させて電極チップを使用した場合の有効溶接電流に応じた溶着部直径を表す。曲線１３４上の点１３６は、１組の摩耗した電極チップ６６ａおよび６６ｂで、スプラッシュがより高い電流設定で発生することを示す。一般に、電極力は、これらの測定について一定に保たれる。たとえば、曲線１３０は新しい電極チップの使用を示すことができ、曲線１３４は、被覆鋼板について溶着部２，０００から３，０００個、裸の無被覆鋼板について溶着部５，０００から１０，０００個後の電極チップを表すことができるであろう。
【００７０】
次いで図４Ｃを参照すると、溶着部直径と推定溶着部温度の間の関係が示されている。曲線１４０は、目標体積９４（図３Ａ）内の推定平均温度に応じた溶着部直径を表す。曲線１４０は、実験に基づく曲線１２０、１２４、１３０、１３４（図４Ａおよび４Ｂ）から、および目標体積９４内の平均温度を上述の式７から推定することによって導出される。ｈがワークピース２６を形成する、より薄いシートまたはプレートのプレート厚である場合に、５√ｈ（ルートｈ）の溶着部直径は、典型的な最小溶着部直径を示す。曲線１４０上で、点１４８は、スプラッシュが発生する推定平均温度を示す。実験に基づく決定では、双曲線関数またはＳ字関数により、平均溶着部温度に応じた溶着部直径を近似することができる。たとえば、曲線１４０は、図３Ａで定義された目標体積９４内の平均温度の双曲線関数として近似される。ワークピースのバルク特性は、曲線１４０によって、および示唆最小溶着部サイズが発生する平均温度によって説明される。スプラッシュ点は、ワークピースの表面条件に関連する。
【００７１】
目標温度範囲１５０は、スプラッシュが発生することなく最小サイズ基準を満たす溶着部直径を生じる推定目標体積平均温度の範囲を示す。目標温度範囲１５０は、最小溶着部直径が変化したとき変化する可能性がある。目標温度範囲１５０の下部点１４６は「Ｌ」の符号が付けられ、目標温度範囲１５０の上部点１４８は「Ｕ」の符号が付けられている。「Ｕ」より上の推定温度でスプラッシュが発生する可能性がある。溶接動作中は、目標範囲内で動作を確保するために、以下、式１２ａおよび１２ｂで述べる離散溶接制御装置コードに従って、溶着部の推定平均温度を計算することができる。両目標温度値「Ｌ」および「Ｕ」は、以下、図４Ｄと共に述べるように経験的に決定することができる。
【００７２】
次いで図４Ｄを参照すると、溶着部直径ｄと溶着部の推定温度Ｔの間の関係は、有機亜鉛被覆鋼について曲線１４０’によって表される。目標温度範囲１５０’は、スプラッシュが発生することなく５√ｈの示唆溶着部直径が生じる温度を指定する。データ点１７０〜１７４は、スプラッシュの発生がない１組の電極チップで示された溶着部数後の結果を示す。対応するデータ点１７０’〜１７４’は、スプラッシュの発生がある示された溶着部数後の結果を表す。
【００７３】
上部目標温度「Ｕ」１４８’は、試験される特定部品についての標準溶接時間を含む、溶接される部品の溶接条件を設定すること、下部目標温度「Ｌ」１４６’を決定して最小溶着部直径および上部目標温度「Ｕ」１４８’の初期値を生成すること、試験部品を溶接することによって経験的に決定される。溶接動作中にスプラッシュが発生した場合には、「Ｕ」１４８’をより低い値に調整する。スプラッシュが発生しない場合は、溶接電流を増大させてＵのより高い標的値を得て、試験を繰り返す。溶着部直径は、溶接された部品の検査によって測定する。
【００７４】
曲線１４０’は、エネルギ・バランス・モデルと、上述のように得られた実験標的データに基づく。図４Ｄから推定溶着部温度を得れば、溶接パラメータを制御して、以下、図５Ｃと共に述べる目標温度範囲１５０’内で実際の温度を保つことができる。
【００７５】
図４Ａ、４Ｂ、４Ｄに示す例示的なデータは、空気式ガンの装着されたＡＣスポット溶接機を用いて得た。有機亜鉛で片側が被覆された鋼を使用して、実験に基づくデータを得た。プレート厚は１ｍｍであり、２枚のプレートが積み重ねられていた。電極チップ６６ａ、６６ｂはドーム型タイプ（球状チップ）であり、直径１６ｍｍであった。実験では３００ｍｍ×３００ｍｍのサイズを有する大型試験プレート（クーポンと称する）を使用し、電極力は２００ｄａＮに設定され、溶接サイクル１０回を使用し、溶接電流は８．０ｋＡに設定された。溶接波形の形状および周波数が電力制御ユニット１６に応じて変動する可能性があることは、当業者には理解されよう。
【００７６】
熱損失項（Ａ）（式８ａ、８ｂ、８ｃ）を計算し、それにより、溶着部３００個後にスプラッシュが発生したクリティカル溶着部温度値は、溶着部３０００個後のものと同じであった。様々な被覆材料およびプレート厚について値を表すデータは、目標温度範囲１５０’を含む曲線１４０’に類似の曲線で説明することができ、このデータが、以下、図５Ａ〜５Ｃと共に述べるプロセス内で、ナゲット直径予測プロセッサ４２およびスプラッシュ予測プロセッサ４０によって使用される。
【００７７】
次いで、図５Ａに転じると、流れ図は、エネルギ・バランス・モデルに基づいて溶着部直径を予測することにより、溶着部の品質を監視するためのプロセスを示す。図５Ａ〜５Ｃの流れ図では、方形要素が本明細書で「処理ブロック」（図５Ａの要素２１０が典型）を示し、コンピュータ・ソフトウェア命令または命令群を表す。流れ図内の菱形要素は、本明細書で「判断ブロック」（図５Ａの要素２２０が典型）を示し、処理ブロックの動作に影響を与えるコンピュータ・ソフトウェア命令または命令群を表す。あるいは、処理ブロックは、デジタル信号プロセッサまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など、機能的に等価な回路によって行われるステップを表す。流れ図内で説明されているステップのいくつかがコンピュータ・ソフトウェアを介して実施することができる一方、別のステップが異なる方法（たとえば、経験的手順を介して）で実施することができることは、当業者には理解されよう。流れ図は、特定のプログラミング言語の構文を述べるものではない。流れ図はむしろ、コンピュータ・ソフトウェアを生成して必要とされる処理を行うために使用される機能情報を示す。ループおよび変数の初期化、ならびに一時変数の使用など、多数のルーチン・プログラム要素は図示されていないことに留意されたい。本明細書で別途示されていない限り、述べられているステップの特定シーケンスは例示のためだけであり、本発明の精神から逸脱することなく変えることができることは、当業者には理解されよう。
【００７８】
プロセスはステップ２００で始まり、それに続いて、ステップ２１０で、行うべき溶接動作についてのデータが溶接機制御装置３０（図１）に入力される。データは手動で入力することも、記憶媒体から入力することも、データベース５０（図１）から取り出すことも、製造システムに接続されたネットワークからダウンロードすることもできる。データは、全プレート厚ｈt、構成、ワークピース２６材料の物理特性（Ｃ、σ、ρ）を含む、ワークピース２６を説明する情報を含む。追加データは、電極チップ抵抗（Ｒe）、および溶接機の２次回路と測定リードの間の相互インダクタンス（Ｍ）を含む。溶接機制御装置３０のセットアップは、溶接機１４を動作させるために、ＡＣ電流の２乗平均値である溶接電流（Ｉeff）、電極力（Ｆ）、溶接時間（ｔw）など溶接パラメータを設定することを含む。
【００７９】
ステップ２１１では、溶接サイクルが、力制御ユニット１８に信号を送る溶接機制御装置３０（図１）によって開始され、力アクチュエータ２２を活動化させて電極２４によってワークピース２６に圧力を加える。また、溶接機制御装置３０に制御される電力制御ユニット１６は、溶接電流をワークピース２６に流通させ始める。
【００８０】
データ処理はステップ２１２で始まり、溶接パラメータが溶接データ・プロセッサ３６（図１）によって測定される。具体的には、溶接電流Ｉが電流センサ７２（図２）によって測定され、積分器７４によって積分され、ＡＤＣ５６によってデジタル化され、測定溶接電流８２（図２）が溶接機制御プロセッサ３２および積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４に送られる。溶接電圧ｕが電極２４および２８を横切って測定され、ＡＤＣ５６によってデジタル化され、測定溶接電圧８０がプロセッサ３２および３４に送られる。
【００８１】
測定溶接電圧８０は、任意選択で、溶接電流回路と電圧測定ケーブルの間の相互インダクタンスによって誘導される誤差について補正することができる。測定電圧ｖは、ステップ２１２で式（５）に従って、測定電圧ｕから、電極チップ６６ａおよび６６ｂ電圧降下内の電圧降下、ならびに溶接電流回路と電圧ピックアップ・ケーブル６８の間の相互インダクタンスによって引き起こされる電圧を引くことによって補正し、ワークピース２６の上面と下面の間の真の溶接電圧ｖを得る。電極チップ６６ａおよび６６ｂ内の抵抗低下、および溶接電流回路と電圧測定回路の間の相互インダクタンスは、オフラインで測定し、仕様から決定することができる。
【００８２】
測定電圧内の誤差を補償するための他の任意選択の補正をステップ２１２で適用し、数千溶接サイクルの有効寿命全体にわたって電極チップ６６ａおよび６６ｂが変形することによる誤差を低減することができる。熱損失項「Ａ」を任意選択で修正し、式７で説明されるｄ2（ｔ）／ｄ2（ｔ＋ｄｔ）の比の作用（すなわち、経時的に接触直径が増大変化すること）を補償する。動的抵抗Ｒ（溶接電圧を溶接電流で除したもの）は、接触面積に反比例する。比ｄ2（ｔ）／ｄ2（ｔ＋ｄｔ）は、比Ｒ（ｔ）／Ｒ（ｔ＋ｄｔ）で計算することができる。「Ａ」に対する補正は、スプラッシュのない低溶接電流および高溶接電流の条件下での接触直径変動をプロットし、これらの値を動的抵抗曲線の最大値に関連付けて補正係数を決定することによって、実験に基づいて決定する。たとえば、「Ａ」の修正された値は、チップが老化したとき（溶着部数増加）接触直径が増大した場合にわずかに増大する。この修正は、電極チップ６６ａ、６６ｂとワークピース２６の間の接触直径が変動したことにより電極チップ内の電圧降下が変化した場合に、平均温度計算の精度を改善するために有用である。
【００８３】
ステップ２１８では、溶着部の推定平均温度が、式７で表されるエネルギ・バランス・モデルに基づいて計算される。換言すれば、エネルギ・バランス方程式１を使用して、平均温度を推定する式７の離散反復を導出する。計算は、溶接機制御プロセッサ３２のアイドル・ループ（フォアグランド・タスク・ループ）内で実行することが好ましい。推定では、エネルギ入力を目標体積９４に積分し、式（８ａ）の熱損失項（Ａ）を使用してワークピース２６から熱損失を引く。式７内の熱損失項（Ａ）は、間隔が非常に短いため１つのサンプリング間隔から次にかけて接触直径（ｄ）があまり変化しないと仮定し、近似値ｄ（ｔ）／ｄ（ｔ＋Δτ）＝１．０を得ることによって単純化するのが好ましい。
【００８４】
ステップ２２０では、ステップ２１０で入力として設定された溶接時間を、経過した溶接時間と比較することにより、溶接動作が完了したかどうか判定される。経過した時間が設定時間を超えなかった場合は、ステップ２１２で溶接パラメータを再度検知することによって溶接プロセスが続行される。
【００８５】
一実施形態では、ステップ２１２〜２２０を組み合わせて、溶接機制御プロセッサ３２で実行される溶接制御装置コードにする。制御装置コードは、補正済み溶接電圧と、補正済み電圧に応じた目標体積９４の温度を反復して計算する。このプロセスにより、エネルギ入力が目標体積９４（図３Ａ）に効果的に積分される。この実施形態は、以下、近似値ｄ（ｔ）／ｄ（ｔ＋Δτ）＝１．０で修正された式７に基づく式１２ａおよび１２ｂでより詳細に述べる。目標体積９４内の推定温度の計算は単純化し、目標体積内の先の温度に応じた温度、および目標体積９４に供給されるエネルギを表す補正済み電圧の２乗を得る。熱損失は２つのパラメータによって表され、これらは熱損失項（Ａ）、およびワークピースの全プレート厚（ｈt）の関数である。
【００８６】
別法として、完全な溶接動作のためのデータは、ステップ２１２’（図示せず）で取り込まれ、記憶され、後で呼び戻される。次いで、エネルギ・バランスと、溶接中の目標体積の最大平均温度の推定値とが、単一のステップ２１８’（図示せず）で計算される。この手順は、ＣＰＵ処理力が制限された適用可能な溶接機制御装置である。代替手順では、ステップ２２０は必要とされない。
【００８７】
ステップ２２２では、溶接中の平均温度の最大値を使用し、トレーニング中に導出された図４Ｄの曲線１４０’に類似の曲線に基づく温度に応じて溶着部直径を近似して、溶着部直径を予測する。
【００８８】
一実施形態では、溶着部直径（Ｄｍｅｌｔ）が次式によって計算される。
Ｄｍｅｌｔ（Ｉ）＝ＤＮｍａｘ＊ＴａｎｈＰ（（ＭＴＭＰ（Ｉ）−ＴｅｍｐＢＳ）／ＣｏｅｆｆＴＷ）
ただし、
Ｄｍｅｌｔは、溶接物の推定溶着部直径であり、
ＤＮｍａｘは、推定のためのパラメータとして実験に基づいて決定された最大直径であり、
ＴａｎｈＰは、曲線１４０’（図４Ｄ）と共に上述した平均溶着部温度に応じて溶着部直径を推定するために使用される双曲線正接関数であり、
ＭＴＭＰは、目標体積９４内の平均温度であり、
ＴｅｍｐＢＳは、ＴａｎｈＰ関数を適合させるためのオフセット値であり、
ＣｏｅｆｆＴＷは、ＴａｎｈＰ関数を適合させるための係数である。
【００８９】
溶着部直径を予測するためのこのプロセスは、曲線１４０’（図４Ｄに図示する）に類似の曲線から目標体積９４内の平均温度に対応する溶着部直径を決定することによって溶着部直径を計算するためのソフトウェア実施である。この曲線は、実験に基づくデータを使用して計算されたオフセット値ＴｅｍｐＢＳおよび係数ＣｏｅｆｆＴＷを有する双曲線正接関数で推定される。双曲線正接関数は、類似の関数（たとえば、ニューラル・ネットワークのために使用されるＳ字関数）と置き換えることができる。ＤＮｍａｘは、示唆最低溶着部サイズ（ｄn,req）、製造者の推奨値、ｈがワークピースプレート厚である場合の５√ｈまたは４√ｈなど近似値に設定する。
【００９０】
ステップ２２４では、予測される溶着部直径、および推定平均温度を表す値が、状態および表示インジケータ４６に表示され、または後で使用するために記録される。セットアップ・パラメータとしてステップ２１０で温度閾値ＬおよびＵが入力されている場合は、推定溶着部直径に加えて、スプラッシュの発生、および溶着部のサイズ（溶着部のグレードとも称する）を表示することができる。プロセスはステップ２２６で終了する。溶接動作には、図５Ａ〜５Ｃの流れ図には示されていない、電流が流れる前に電極２４および２８がワークピース２６に圧力を加える初期期間（圧潰時間と称する）、ならびに電流の流れが停止した後で、電極２４および２８が依然としてワークピース２６に圧力を加えている期間（保持時間と称する）など追加段階があることは、当業者には理解されよう。
【００９１】
次いで、図５Ｂに転じると、流れ図が、エネルギ・バランス・モデルを使用して溶接動作中にスプラッシュの発生をなくすためのプロセスを示す。ステップ２００〜２１８は、図５Ａと共に述べた同様な番号のステップに類似である。ステップ２１０’は、目標温度範囲（図４Ｃ、４Ｄ）の上部終点Ｕが、図５Ｂのプロセスを使用してスプラッシュをなくすために追加入力として必要とされる点で、図５Ａ内の対応するステップ２１０と異なる。溶着部直径を近似するための係数は、図５Ｂのプロセス内で必要とされない。
【００９２】
ステップ２３０では、次のサイクルについての目標体積９４の推定平均温度が、目標温度範囲の上限Ｕと比較される。平均温度は、溶接電圧が次のサイクル全体にわたって一定であると仮定して、次の溶接サイクルについて予測される。一般に、ＡＣ溶接制御装置は、完全な１サイクル期間に溶接電流を制御することができるだけである。溶接制御装置によって支持される場合、制御は、２分の１サイクル間隔全体にわたって行うことができる。
【００９３】
ステップ２３２では、目標体積９４内の予測される平均溶着部温度が、目標温度範囲の上限Ｕより高いかどうか判定される。予測される平均溶着部温度が上限Ｕより高く、それによってスプラッシュの発生を予測する場合は、電流の流れがステップ２３３で停止され、プロセスがステップ２３６で終わる。
【００９４】
別法として、スプラッシュが予測されない場合は、ステップ２３４で試験を行い、設定された溶接時間を経過した溶接時間と比較することにより、溶接動作が完了したかどうか判定する。溶接動作が完了していない場合には、プロセスをステップ２１２で繰り返す。あるいは、プロセスがステップ２３６で終わる。
【００９５】
次いで、図５Ｃに転じると、流れ図が、エネルギ・バランス・モデルを使用して溶接サイクル中に溶接パラメータを適応可能に修正することにより、総合品質保証システムを提供するためのプロセスを示す。ステップ２００〜２１８は、図５Ｂと共に述べた同様な番号のステップに類似である。ステップ２１０’’は、必要最小溶着部直径ｄn,reqによって決まる目標温度範囲（図４Ｃ、４Ｄ）の下部終点Ｌが、溶着部直径を補償するために追加入力として必要とされる点で、図５Ｂ内の対応するステップ２１０’と異なる。
【００９６】
ステップ２３８で２分の１溶接サイクルが完了していないと決定された場合は、引き続きステップ２１２で溶接パラメータを検知することによって溶接プロセスが続行する。このステップは、計算負荷を低減する。というのは、単相ＡＣ電源を有する溶接制御装置では電流の流れを一般に全サイクル境界で停止することができるだけであるため、一般にスプラッシュ制御が２分の１サイクル間隔で効果的なためである。次いで、目標体積９４（図３Ａ）内の推定平均溶着部温度が、次の溶接２分の１サイクルが完了するまで、ステップ２１２〜２１８で式７に従って反復して更新される。２分の１サイクルが完了した場合は、処理がステップ２４０で続行する。２分の１サイクル最適化は一般に、ＡＣ電源が使用される場合に適用される。制御装置が電流の流れをより迅速に制御できる場合は、ステップ２４０〜２５６をより頻繁に実行して、より応答のよい制御を実現することができる。
【００９７】
ステップ２４０で、目標体積９４（図３Ａ）内の予測される平均溶着部温度が目標温度範囲内にあるかどうか判定される。予測される平均溶着部温度値を使用して、目標体積内の平均温度プロフィルを予測し、かつ溶着部直径の対応する成長を予測することができる。予測される平均溶着部温度が、下限Ｌより高く、かつ上限Ｕより低い場合には、スプラッシュなく十分な溶着部直径が形成される。次のサイクルについて予測される平均溶着部温度が上限Ｕより高い場合は、スプラッシュの発生が予測される。予測される平均溶着部温度が下限Ｌより低い場合は、不十分な溶着部サイズが予測される。溶接電圧は次のサイクル全体にわたって一定であると仮定される。次のサイクルの終了時で予測される平均温度は、次の溶接サイクル全体にわたって式７を反復することによって計算される。目標温度範囲の上限Ｕを予測される平均温度と比較し、次のサイクル中のスプラッシュの発生を予測する。溶接制御装置によって支持される場合、制御は、２分の１サイクル間隔全体にわたって行うことができる。
【００９８】
ステップ２４２では、設定された溶接時間を経過した溶接時間と比較することにより、溶接動作が完了したかどうか判定される。経過した時間が設定時間を超えなかった場合は、ステップ２４４で溶接プロセスが続行される。あるいは、溶接が設定された時間を超えたと判断された場合は、溶接動作がステップ２６０で終了する。
【００９９】
ステップ２４４では、ステップ２４０の溶着部直径予測から、推定平均溶着部温度が目標温度範囲の下限Ｌより高いかどうか判定される。推定平均溶着部温度が下限Ｌより高く、それによって十分な溶着部サイズを予測する場合は、処理がステップ２６０で終了する。あるいは、ステップ２４４で不十分な溶着部直径が予測された場合は、適応制御を使用して溶接プロセスを修正する。処理はステップ２４６で再開し、スプラッシュの発生が予測されるかどうか判定する。ＡＣ電源を使用する多数の溶接制御装置では、電流を即座に停止させることができないこと、および電流がサイクルの終了まで引き続き流れることは、当業者には理解されよう。
【０１００】
ステップ２４６では、溶接サイクルについて予測される平均溶着部温度から、溶接パラメータを変更することなく、そのサイクル内でスプラッシュが発生するかどうか判定される。予測される平均溶着部温度が目標温度範囲の上限Ｕより高い場合は、スプラッシュが予測される。スプラッシュが予測される場合、処理がステップ２４８で続行し、そうでない場合は、処理がステップ２５４で続行する。
【０１０１】
ステップ２４８では、電極力がΔＦの量だけ増大され、スプラッシュの発生を防止する。電極力ΔＦの増分は、次式で計算される。
【０１０２】
【数１３】
ただし、
Ｉは、溶接電流であり、
Ｆは、電極力のためのセットアップ値であり、
σYは、ワークピースの応力／降伏応力である。式９は、プレートの厚さが同じであると仮定しているが、式を様々なプレート構成のために修正することができることは、当業者には理解されよう。
【０１０３】
式９は、所与の電極力条件下における時間ｔでの平均温度上昇を表し、電極力の関数として接触直径を説明することによって導出される。式９を上記の式４と組み合わせて、
【０１０４】
【数１４】
を得る。ただし、
Ｒは、電極チップ間の抵抗の基準値であり、
ΔＲは、基準値からの電極チップ間測定抵抗の偏差であり、
Ｆは、セットアップ電極力値であり、
β1は、制御安定性を改善するための係数である。
【０１０５】
適応制御プロセッサ４４（図１）は、上式に従って電極力を増大させる。スプラッシュを適応可能に制御することについて詳細は、ＭａｔｓｕｙａｍａおよびＣｈｕｎの「抵抗スポット溶接におけるスプラッシュのメカニズム（Ａ Ｓｔｕｄｙ Ｏｆ Ｓｐｌａｓｈｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｉｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｐｏｔ Ｗｅｌｄｉｎｇ）」、シートメタル溶接会議の会報（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｓｈｅｅｔ Ｍｅｔａｌ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ） ＩＸ、２０００年１０月に述べられている。
【０１０６】
ステップ２５２では、ステップ２４８で電極力を増大させた後、電極力の増大が、予測されるスプラッシュを制御するのに十分でないと決定された場合に、ピーク平均温度値が閾値より低いままとなるように電流を減少させる。溶接電圧は、電極力が変化した結果として変化する。プロセスはステップ２１２で続行する。
【０１０７】
ステップ２５４では、必要とされる場合に温度プロフィルに応答して電流および溶接時間を修正し、溶接動作が終了したとき十分な溶着部直径を確保する。溶接中に平均温度が上昇している場合は、溶接時間を増やし、溶接電流を修正することにより、予測される溶着部直径の偏差を補償することができる。飽和段階では、平均温度がピーク最大値に達したとき、電流だけ修正し、溶接時間は増やさない。２乗した電流の増分と、残りの溶接電流時間増分との積は、次式で計算することができる。
【０１０８】
【数１５】
ただし、
ΔＩは、溶接電流Ｉの増分であり、
Δｔwは、溶接電流がワークピース２６を流通する残り時間であり、
Δ￣Ｔは、推定平均溶着部温度の基準値からの偏差であり、
β2は、定数である。
【０１０９】
式１１は、上記の式９の第１項から導出される。平均溶着部温度が上昇している期間の間、電流ΔＩ2と時間Δｔwの積は、平均溶着部温度の飽和度に応じて決定することができる。電流および溶接時間の修正は、１サイクルの溶接電流の流れ毎に発生する。というのは、ＡＣまたは単一ＤＣ電源を制御するためにシリコン制御整流器（ＳＣＲ）デバイスを使用することにより、電流コンタクタ・スイッチがオンになった後で各２分の１サイクルの溶接電流導通を制御することができないためである。中間周波数ＤＣ電源は、スイッチング・レートがほぼ１ｋＨｚより高いため、細かい時間分解能で制御することができる。
【０１１０】
平均溶着部温度が上昇している期間の間、電流ΔＩ2と時間Δｔwの積は、平均溶着部温度の飽和度に応じて決定することができる。電流および溶接時間の修正は、１サイクルの溶接電流の流れ毎に発生する。というのは、ＡＣ電源を使用する場合、溶接電流の流れの開始時間を１サイクル未満の分解能で制御することができないためである。しかし、中間周波数ＤＣ電源を使用する場合は、サイクル制御の制約がない。
【０１１１】
これらの修正は、溶接機制御プロセッサ３２のアイドル・ループ（フォアグランド・タスク・ループ）内で実行することが好ましい。処理は、修正を行った後、ステップ２１２で続行する。
【０１１２】
ステップ２５４では、予測される平均温度が溶接動作の終了前に飽和し、飽和した平均温度値が最小溶着部直径に必要とされる閾値Ｌ（図４Ｄ）より低い場合は、電流だけが修正される。予測される平均温度が予め設定された溶接時間の終了までに飽和せず、飽和した温度が、予め設定された溶接時間後のある時点で閾値Ｌより大きく、したがって必要とされる溶着部直径にとって十分な場合は、溶接時間ｔwが増やされて、必要とされる溶着部直径を確保する。
【０１１３】
一実施形態では、積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４、温度予測プロセッサ３８が、溶接機制御プロセッサ３２上で実行される追加制御コードによって従来型抵抗スポット溶接システム上で実施される。改良された溶接制御装置コードは、溶接動作時に、各走査間隔Δτ（走査サイクル数Ｉ）で推定平均温度を計算する。式５および７に基づく以下の例示的ソフトウェア・コードは、溶接電圧、および溶着部の推定平均温度を反復して計算するように実施される。
【０１１４】
【数１６】
ただし、
Ｉは、走査サイクル数であり、
ｖｏｌｔｍ（Ｉ）は、測定溶接電圧であり、
ｃｕｒ（Ｉ）は、測定溶接電流であり、
Δτは、取り込むデータそれぞれの間の走査間隔（一般に１／２４００秒）であり、
ｖｏｌｔ（Ｉ）は、反復のための補正済み溶接電圧であり、
ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ（Ｉ）は、全プレート厚の測定済みまたは所与のデータであり、
Ｒｔｉｐは、両電極チップの組合せ抵抗低下であり、
Ｍは、電圧に対する誘導効果を低減するための相互インダクタンスであり
（電圧測定回路に応じて所定）、
Ｔｅｍｐ（Ｉ）は、式（７）に定義された修正済み溶着部温度である。
Ｃ１、Ｃ２は、溶接される材料およびサンプリング・レートに応じて決まる定数である。
【０１１５】
【数１７】
ただし、
ｔは、図５Ａ〜５Ｃのステップ２１８における各走査および積分ステップの時間である。
Δτは、走査間隔（一般に１／２４００秒）であり、
ｈ0は、試験データと共にトレーニングの際に使用された基準全プレート厚であり、
Ｃ１の計算は、上記で論じたようにｄ（ｔ）／ｄ（ｔ＋Δτ）＝１．０と仮定することによって単純化する。
【０１１６】
推定平均温度の計算ルーチンは、計算を単純化するために上述した仮定を有する積分形態のエネルギ・バランス・モデルに基づくため、単純である。検知および制御プログラムは、溶接データ・プロセッサ３６内のＡＤＣデータ取込みプログラムのためのループ内で、または溶接機制御プロセッサ３２の制御プログラム内のアイドル・ループ内で上記プログラム・コードを追加することによって実施することができる。
【０１１７】
次いで、図６を参照すると、曲線３１０が溶接電流を表し、曲線３１２が溶接電圧を表す。サンプリング時間３１４〜３１８を選択することにより、溶接プロセス内の半サイクル中に同時に取り込まれた溶接電流および電圧に応じて、ワークピース２６の正確な抵抗を近似するための代替技法が得られる。従来、多重入力チャネルのための同時サンプリング回路を有するコストのかかるアナログ−デジタル変換器を使用して、溶接電流および電圧を同時に取り込んでいる。
【０１１８】
本発明の一実施形態では、溶接電流および電圧の同時測定を正確に近似することを、電圧および電流監視データを取り込むために３チャネル入力マルチプレクサを有する、低コストの進歩したタイプのアナログ−デジタル変換器で実現することができる。図６は、時間ｔ３１６でサンプリングした溶接電圧の値ｖ、および時間ｔ−Δｔ３１４およびｔ＋Δｔ３１８でサンプリングした溶接電流を示す。電流測定値を平均して、平均値を得る。したがって、ワークピース（２６）の抵抗（ｒ）は、次式に従って計算される。
【０１１９】
【数１８】
ただし、
Δｔは、各チャネル間のサンプリング間隔（一般に１／３００００秒）である。
【０１２０】
電流曲線が、抵抗スポット溶接の高レートのサンプリング条件下で非常に短時間の間、ほぼ直線であるため、測定値は正確である。電圧値を取り込む前後に取り込まれた平均電流値を、電圧をサンプリングするのと同時に測定した電流値として使用する。上述のように２つの電流測定値と１つの電圧測定値を使用することによって近似された抵抗値は、従来の高レート・サンプリング回路を使用することによって行われる同時電圧および電流測定から計算された抵抗値の０．０５％以内である。この監視手順は、３つの値すべてをサンプリングした後で、式１２ａを用いて相互インダクタンスによる誘導効果を補正するために適用することができる。
【０１２１】
溶接電圧は、次式によって上述の抵抗近似を用いて近似することができる。
【０１２２】
【数１９】
ただし、ｃｕｒ（Ｉ，Ｊ）は、上述の近似を使用して測定された溶接電流であり、代替技法によって測定された２つのサンプル（ｃｕｒ（Ｉ＋１，１），ｃｕｒ（Ｉ＋１，２））にわたって平均された電流測定値になる。
【０１２３】
本明細書で引用する引例はすべて、参照によりそれら全体を本明細書に組み込む。
以上本発明の好ましい実施形態について述べたが、それらの概念を組み込む他の実施形態を使用することができることは、当業者には明らかになろう。したがって、これらの実施形態は開示された実施形態に限定するべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ制限するべきであると思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による溶接システムのブロック図である。
【図２】 図１の溶接機の図である。
【図３】 図３Ａは、エネルギ・バランス・モデル・パラメータを含む１組の電極、ワークピース、ナゲットの形成の概略断面図である。
図３Ｂは、溶接動作中の図３Ａの目標体積内平均溶着部温度のグラフである。
【図４】 図４Ａは、電流設定を増大させる場合の溶着部直径と溶接時間の間の関係を示すグラフである。
図４Ｂは、溶着部数を増やす場合の溶着部直径と溶接電流の間の関係を示すグラフである。
図４Ｃは、溶着部直径と、本発明のエネルギ・バランス・モデルによって予測される溶着部の推定平均温度との間の関係を示すグラフである。
図４Ｄは、本発明のエネルギ・バランス・モデルによって予測される溶着部の平均推定温度に応じた亜鉛被覆鋼のための溶着部直径を示すグラフである。
【図５】 図５Ａは、本発明のエネルギ・バランス・モデルを使用することにより、溶接動作の際に溶着部直径を監視するために使用されるステップを示す流れ図である。
図５Ｂは、本発明のエネルギ・バランス・モデルを使用することにより、スプラッシュの発生を予測し、かつなくすために使用されるステップを示す流れ図である。
図５Ｃは、本発明のエネルギ・バランス・モデルを使用することにより、溶接動作を適応可能に制御して、スプラッシュなく少なくとも最小溶着部直径を有する溶着部を作製するために使用されるステップを示す流れ図である。
【図６】 多重化されたアナログ−デジタル変換器を使用してワークピースの抵抗を近似するための手順を示すタイミング図である。
発明の分野
本発明は、一般に抵抗スポット溶接に関し、より詳細には、溶接条件を検知し、エネルギ・バランスを計算し、溶着部の直径を予測し、スプラッシュをなくすための方法および装置に関する。
【０００２】
発明の背景
抵抗スポット溶接は、板金構成部品を接合するためのプロセスであり、２つ以上の部品を２つの電極の間で合わせてクランプし、一連の低電圧、高電流パルスを部品に通すことを必要とする。部品は、電極の間の領域で合わせて圧搾され、高電流パルスによって加熱される。電極間の材料が溶けて、ナゲットと呼ばれる溶解領域を形成する。電流を切ると、溶解した材料のナゲットが硬化して、溶着部と呼ばれる継手を形成する。抵抗スポット溶接中には、一般に溶接物、プレート、またはワークピースと呼ばれる溶接される部品が瞬間的に過熱したとき、溶解した材料の放出がたびたび発生する。溶解した材料の放出は、従来スプラッシュと呼ばれ、危険な環境を生じ、また、より弱い溶着部を生じるため、有害である。過熱によって引き起こされるスプラッシュは、密着表面の界面部（すなわち、接合される部品の接触表面）でコロナ・ボンド・ゾーンの一部分が突然溶解することに起因するとされている。温度上昇の動的挙動を含むナゲット温度の連続的な監視および予測が、過熱によって引き起こされるスプラッシュを予測するために重要である。
【０００３】
たとえば、溶着部の温度パターンは、ワークピース温度の数値シミュレーションに基づいて監視手順を実施するシステムによって連続的にシミュレーションすることができる。従来技術のシミュレーションは、電流分布、温度空間分布、時間に応じた温度プロフィルを含む一定の溶接現象を推定するために使用されている。そのようなシステムは、シミュレーションへの入力として、溶接電流データ、溶接電圧データ、ワークピースの物理特性に関する情報を必要とする。
【０００４】
しかし、これら従来技術のシミュレーションは、温度プロフィルを予測するために必要とされる計算時間が実際の溶接時間より数桁長いため、リアル・タイム予測ツールとして使用されていない。したがって、そのようなシステムは、溶着部直径および溶着部の温度プロフィルを決定するために有用ではあるが、これらのシステムはスプラッシュをなくすためにフィードバック制御システム内で使用されていなかった。
【０００５】
温度プロフィルを推定するために、熱伝導分布が使用される。いくつかの従来技術のシステムは、時間のかかる計算を必要とする微分方程式および有限要素解析法を使用して熱伝導分布を計算する。従来技術の方法は、正確な温度パターンと温度プロフィルを計算するために使用される連続体積の数学的な点近似である多数のメッシュ点を必要とする。有限差分法および有限境界法も同様に計算が集中的である。
【０００６】
いくつかの従来技術の抵抗スポット溶接システムは、電極チップの変位を使用して溶接プロセスを監視する。これらの技法は、電極チップ変位量を正確に測定するために溶接システムのさらなる計器と、ナゲット直径を推定するために複雑な統計モデルおよび回帰解析を必要とする。米国特許第６，０４３，４４９号は、電極間距離に基づいてナゲット直径を推定するための方法を開示する。電極変位測定を使用するシステムは、溶着部がワークピース縁部近くで形成されるとき、ワークピースの縁の典型的な変形により、溶着部直径を正しく決定することができない。
【０００７】
他の従来技術の抵抗スポット溶接システムは、有限要素温度解析を使用して、温度分布およびナゲットの成長を予測する。これら従来技術のシステムは、一般にリアル・タイムで動作せず、スポット溶接システムで一般に見られない処理能力を必要とする。たとえば、米国特許第５，８９２，１９７号は、エネルギ分布を推定するために３Ｄ微小格子モデルを使用するエネルギ分布計算に基づくナゲット成長予測手段を開示する。３Ｄ微小格子モデルをリアル・タイムで解くためには非常に高性能なワーク・ステーション、専用のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、または小型スーパーコンピュータが必要とされるであろうが、典型的な抵抗スポット溶接制御装置が有するのは、低速のパーソナル・コンピュータの処理力である。
【０００８】
１次元熱方程式およびニューラル・ネットワークのアナログ動的モデルに基づいて溶着部品質を監視するために他の技法が開発されている。しかし、これらの技法は、プレートまたは部品の厚さの重要性を考慮することなく熱方程式を使用する。これらの技法の一部は、Ｋｉｎ−ｉｃｈｉ Ｍａｔｓｕｙａｍａの「ニューラル・ネットワーク学習に基づくスポット溶接を検知するナゲット・サイズ（Ｎｕｇｇｅｔ Ｓｉｚｅ Ｓｅｎｓｉｎｇ ｏｆ Ｓｐｏｔ Ｗｅｌｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋ Ｌｅａｒｎｉｎｇ）」、溶接におけるコンピュータ技術の７回目の国際会議、ＩＩＷ Ｄｏｃ．ＩＩＩ−１０８１−９７の会報（７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ Ｗｅｌｄｉｎｇ，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＩＷ Ｄｏｃ．ＩＩＩ−１０８１−９７）、１９９７年７月、およびＭｏｎａｒｉらの「ニューラル・ネットワークを使用するスポット溶接直径の予測（Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｐｏｔ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｄｉａｍｅｔｅｒ Ｕｓｉｎｇ Ｎｅｕｒａｌ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ）」、ｔｈｅ ＩＩＷ Ｄｏｃ．ＩＩＩ−１１０８−９８の会報、１９９８年に述べられている。スプラッシュを検出するためにいくつかのシステムもまた開発されているが、これらのシステムは、スプラッシュの将来の発生を予測することができない。
【０００９】
当技術分野で周知のように、「厚い鋼の抵抗スポット溶接（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｐｏｔ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｉｃｋ ｓｔｅｅｌｓ）」（Ｒｅｐｏｒｔ １）、Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９（１９７１），ｐｐ１０４−１０７に述べられている、Ｏｋｕｄａによって開発された熱類似性法則は、抵抗スポット溶接におけるナゲット形成の支配的なパラメータを説明することができる。この法則は、熱伝導方程式の無次元式から導出される。しかし、この法則は、電極チップの直径がプレート厚に正確に比例する特別な場合にだけ当てはまるため、普通の溶接条件と溶接結果の間の関係を説明することができない。実際の溶接条件下では、電極チップの直径が通常、抵抗スポット溶接に推奨されているようにプレート厚に正確に比例しない。したがって、上述の熱類似性規則は、典型的な動作条件下で温度プロフィルを予測するために使用することができない。
【００１０】
ＲＷＭＡ（抵抗溶接製造者協会（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｗｅｌｄｅｒｓ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｒ’ｓ Ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ））は、電極チップの直径をプレート厚の平方根の５倍にするべきであると推奨している。これは、電極チップの直径が経験データに由来することを示唆した。
【００１１】
１次元熱方程式およびニューラル・ネットワークのフィード・フォワード・モデルに基づいて溶着部品質を監視するために他の技法が開発されている。１次元熱方程式に基づくこの手順は、溶接品質を監視するために応用することに成功したが、システムは、リアル・タイム制御を実現するために高速ＤＳＰを必要とする。ニューラル・ネットワークによる解決策は、トレーニングのために大量のデータを必要とし、基礎となるモデルが理論的にではなく実験に基づいて決定されるため、トレーニングされたゾーンを外れた溶接条件にこの解決策は応用できない。その結果、ニューラル・ネットワークは、据付け済みベースの抵抗スポット溶接システムでは広く使用されていない。
【００１２】
数十万の抵抗スポット溶接システムが、限られた計算能力で運用されている。スポット溶接機の総数は、世界中で数百万を超える可能性がある。自動車会社の製造工場内に据え付けられている抵抗スポット溶接機のうち比較的少ない数をもリアル・タイム監視を有する制御装置に置き換えることは、設備投資、据付けコスト、新規制御装置を再プログラムするための労働力、工場のダウンタイムのため、非常にコストがかかることになろう。
【００１３】
発明の概要
本発明の目的は、溶着部直径を予測し、スプラッシュをなくし、健全な溶着部を確保するための方法を提供することである。本発明の他の目的は、著しい、またはどんな溶接機のハードウェア修正もしくは処理能力の追加をもすることなく、据付け済みベースの制御装置上でこの方法を実施することである。
【００１４】
さらに本発明の他の目的は、そのような方法を、溶接プロセス中に、および電極チップの直径がプレート厚に正確に比例しない応用分野でリアル・タイム使用することを可能にすることである。
【００１５】
本発明のこれらおよび他の目的は、少なくとも１つの溶接パラメータを監視するステップと、溶接パラメータおよびワークピース厚を含むエネルギ・バランスに基づいてワークピースの平均温度の推定値を計算するステップとを含む、抵抗スポット溶接プロセス条件を監視するための方法によって達成される。この方法は、スプラッシュの発生、溶着部直径、溶着部直径の成長、電極接触直径など、プロセス条件を予測する他のステップを含むことができる。この構成によれば、平均温度を推定するための効率的な技法が得られ、溶接プロセス条件を予測し、かつ適応可能に制御するために使用することができる。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、電極接触直径のリアル・タイム推定値を計算するための方法が、抵抗値、ワークピースの抵抗率、全ワークピース厚、電流密度補正係数に基づいてプレート・電極界面直径を計算することを含む。そのような構成は、１組の電極チップの寿命全体にわたって、必要とされる機械維持の指標、および溶接プロセス条件のより正確な推定値を提供する。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、抵抗スポット溶接制御装置が、積分エネルギ・バランス・プロセッサに結合された溶接データ・プロセッサを含む。この構成によれば、制御装置は、溶接パラメータをリアル・タイムで測定し、スポット溶接中にワークピース内の目標体積内でエネルギ・バランスを効率的に計算することができる。離散形態のエネルギ・バランス・モデルは、処理力の増大を付加することなく、大量の据付け済みスポット溶接システムの溶接機制御装置に組み込むことができる１組の計算値を提供する。
【００１８】
温度予測プロセッサ、ナゲット直径予測プロセッサ、スプラッシュ予測プロセッサの追加により、スプラッシュの発生可能性を予測し、溶着部直径を予測することが可能である。ナゲット直径予測プロセッサおよび温度予測プロセッサによって提供された情報に応答して溶接パラメータを調整することにより、適応制御プロセッサが、溶接電流、溶接時間、電極の圧力のうち少なくとも１つを修正して、スプラッシュを防止し、適切なナゲット直径の形成を確保する。プロセッサについて別個の区別可能なプロセッサとして述べているが、実際には、これらによって行われる機能を単一のプロセッサによって、または複数のプロセッサによって行うことができることを理解されたい。
【００１９】
本発明のさらに他の態様によれば、電力制御ユニットおよび力制御ユニットを伴うスポット溶接機を有する抵抗スポット溶接システムが、溶接機から入力データを受信し、エネルギ・バランス・モデルに基づいて平均温度推定値を計算して、抵抗スポット溶接システムのためのプロセス条件を予測できるように結合された溶接データ・プロセッサをさらに含む。この特定の構成によれば、溶接システムを、溶接条件のリアル・タイム検知、予測、制御のための機能と共に改善することができる。
【００２０】
他の実施形態では、離散方程式によってリアル・タイムで溶着部直径について予測することができる。さらに他の実施形態では、スプラッシュをなくし、スポット溶接のための総合品質保証システムを実現するために、離散方程式によってリアル・タイムでスプラッシュの発生を予測することができる。
【００２１】
この述べたエネルギ・バランス・モデルは、専用のデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）または追加の高速な中央処理装置（ＣＰＵ）を追加することなく、据付け済みベースのスポット溶接制御装置、たとえば溶接制御装置またはロボット制御装置上で効率的に計算することができる式を提供するために使用する。その結果、溶接システムは、溶接条件のリアル・タイム検知および予測のために改善された能力を備える。
【００２２】
この述べたシステムおよび技法は、工場内で金属スパッタを効果的になくして作業環境を改善し、また、溶着部直径についての情報をリアル・タイムで提供する。溶着部直径情報を使用し、溶接プロセス中に溶接条件の適応調整を可能にすることにより、溶接品質を確保することができる。推定電極チップ接触直径に基づく電極チップの有効寿命の予測は、必要とされる機械維持の指標を提供する。
【００２３】
本発明の前述の特徴、ならびに本発明そのものは、以下、図面の詳細な説明からより完全に理解することができる。
好ましい実施形態の説明
必ずしも原寸に比例していないが、図面では、同様なまたは対応する部品を同様なまたは対応する参照名称によって表す。電極チップという用語は、電極内に嵌合され、溶接動作中にワークピースと接触している、または接触するようになる挿入物（一般に銅）を述べるために使用する。
【００２４】
図１を参照すると、溶接システム１０は、抵抗スポット溶接機１４（溶接機１４と称する）の電力制御ユニット１６に接続された電源１２を含む。溶接機１４は、力制御ユニット１８に結合された力アクチュエータ２２を有する溶接ガン２０を含む。溶接ガン２０は、電力制御ユニット１６に電気接続された第１電極２４および第２電極２８を含む。溶接物またはワークピース２６は、第１電極２４と第２電極２８の間で保持され、あるいはその他の方法で配置される。
【００２５】
溶接機制御装置３０は、制御およびデータ信号線２９によって溶接機１４に接続される。溶接機制御装置３０は、溶接機制御プロセッサ３２および積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４に結合された溶接データ・プロセッサ３６を含む。溶接機制御装置３０は、積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４に結合された温度予測プロセッサ３８をさらに含む。温度予測プロセッサ３８は、図のように、ナゲット直径予測プロセッサ４２およびスプラッシュ予測プロセッサ４０に結合され、さらに適応制御プロセッサ４４に結合される。溶接機制御装置３０は、プロセッサ３２〜４４に結合された状態および表示インジケータ４６をさらに含む。溶接機制御装置３０は、積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４に結合された任意選択のデータベース５０を含むことができる。
【００２６】
オペレーションにおいて、典型的には交流の形態をなす電力が電源１２から電力制御ユニット１６に配送され、低電圧、高電流電力を生成し、それが電極２４および２８を介してワークピース２６に配送される。溶接機制御装置３０は電力制御ユニット１６および力制御ユニット１８を制御し、溶接ガン２０内で力アクチュエータ２２により、溶接電極２４をワークピース２６に対して前進させる（図２により詳細に図示する）。エア・シリンダによる空気式、電気サーボ・ガンによる電気式、または液圧式で圧力を加えることができることは、当業者には理解されよう。
【００２７】
溶接機制御装置３０は、一連の溶接サイクルを制御する溶接機制御プロセッサ３２によって溶接プロセスを監視し、かつ制御する。溶接プロセスは一般に、ワークピース２６を通過する幾つかの溶接サイクルの交流を含む。合計溶接時間は一般に、ワークピース２６の厚さに応じて決まる。溶接データ・プロセッサ３６は、溶接機によって供給されるアナログ信号をデジタル化する。電極２４および２８ならびにワークピース２６を通過する電流と、電極２４および２８を横切る電圧とを含めて、溶接データ・プロセッサ３６からのデジタル化されたデータに応答して、溶接機制御プロセッサ３２は、電力制御ユニット１６および力制御ユニット１８に供給される制御信号およびデータ信号を調整することによって溶接プロセスを制御する。溶接機制御装置３０は、電極２４および２８に加えられた圧力と、電極２４および２８の移動によって測定されたワークピース２６の厚さとを追加的に監視することができる。データベース５０、製造制御システム、またはオペレータが、溶接機制御プロセッサ３２および積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４にデータを供給し、プレート厚、スタック条件（すなわち、ワークピースのプレートの数および構成）、溶接される材料のタイプを含む。
【００２８】
溶接動作時の絶え間に、エネルギ・バランス・プロセッサ３４は、電極２４と２８の間の体積に供給されるエネルギ量を計算する。以下、図３Ａと共に述べるように、この体積を「目標体積」と称する。このエネルギは、電極２４および２８ならびにワークピース２６を流通するとき抵抗加熱を生じる溶接電流によって供給される。エネルギ・バランス・プロセッサ３４はまた、熱伝導によって目標体積からワークピース２６内に伝導するエネルギ量を計算する。これらの計算をエネルギ・バランスまたは溶接動作のエネルギ・バランス・モデルと称し、以下、図３Ａ、図３Ｂ、式１〜９と共に、より詳細に述べる。温度予測プロセッサ３８は、目標体積内のエネルギ・バランスを使用して推定溶着部温度を予測する。温度推定値は、スプラッシュ予測プロセッサ４０およびナゲット直径予測プロセッサ４２に送られる。スプラッシュの発生がプロセッサ４０によって予測される場合は、適応制御プロセッサ４４が１組の溶接パラメータ調整値を計算する。適応制御プロセッサ４４によって送られる調整済み溶接パラメータ、またはスプラッシュ予測プロセッサ４０からの信号に応答して、溶接機制御プロセッサ３２は、溶接電流を調整または停止して、あるいは電極力を修正して、スプラッシュを低減する、または場合によってスプラッシュを防止するように溶接機１４に命令する。
【００２９】
様々な機能的能力を得るために、溶接機制御装置３０を、上述したプロセッサのすべて、またはサブセットで構成することができることは、当業者には理解されよう。たとえば、品質監視システムは、温度予測プロセッサ３８、ナゲット直径予測プロセッサ４２、状態および表示インジケータ４６を含むであろう。スプラッシュ除去システムは、追加的にスプラッシュ予測プロセッサ４０を含むであろう。適応制御システムは、追加的に適応制御プロセッサ４４を含むであろう。
【００３０】
「プロセッサ」で表されたブロックは、コンピュータ・ソフトウェア命令または命令群を表すことができる。そのような処理は、たとえば、図５Ａ〜５Ｃのプロセッサの場合のように溶接制御システムの一部として設けることができる単一の処理装置によって行うことができる。あるいは、処理ブロックは、デジタル信号プロセッサまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など、機能的に等価な回路によって行われるステップを表す。
【００３１】
図２を参照すると、溶接機１４が、フレーム６２を有する溶接ガン２０を含む。要素は、図１の同様な要素を参照する同様な参照番号と共に略図で示されている。溶接ガン２０は、力制御ユニット１８に結合され、かつフレーム６２上に装着された力アクチュエータ２２を含む。取付けブラケット６０は、フレーム６２に取り付けて、溶接機１４をロボット・アーム（図示せず）または静止固定物（図示せず）に装着することを可能にすることができる。
【００３２】
力アクチュエータ２２は、シリンダ６５内で移動可能なピストン／ロッド６４を含む。電極２４は、ピストン／ロッド６４に取り付けられ、電力制御ユニット１６から電力を受け取る変圧器５２の第１端子５３ａに電気接続される。交換可能な電極チップ６６ａが電極２４上に装着され、電気接触している。フレーム６２は、下部フレーム・アーム７８を含む。第２電極チップ６６ｂを有する第２電極２８が、力アクチュエータ２２と反対のフレーム６２の側部上で下部フレーム・アーム７８に取り付けられる。電極チップ６６ａ、６６ｂは、溶接条件と、溶接される材料とに応じて、溶着部約５００から１０，０００個程度の有限使用可能寿命を有する。チップ寿命を越えると、チップ６６ａ、６６ｂの接触直径および電気特性が溶着部の数で変動する。フレーム６２は、変圧器５２の第２端子５３ｂに結合される。電流センサ７６が下部フレーム・アーム７８上に装着され、溶接中に溶接電流を測定する。任意選択のひずみゲージ７２をフレーム６２上に装着して、下部フレーム・アーム７８のたわみ、および電極力を測定することができる。
【００３３】
一定の溶接パラメータを測定するために、および溶接パラメータ・データを溶接データ・プロセッサ３６（図１）に送るために、溶接機１４の追加要素が設けられる。具体的には、電流センサ７６が積分器７４に結合される。電極移動センサ５４が増幅器５８に結合され、光学ひずみゲージ７２がひずみゲージ増幅器７０に結合される。溶接データ・プロセッサ３６は、チャネルが電極移動センサ増幅器５８、電流センサ積分器７４、ひずみゲージ増幅器７０、電極２４および２８に結合されている多重チャネルのアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）を含む。ＡＤＣ５６、積分器７４、増幅器５８、ひずみゲージ増幅器７０は、図のように溶接機１４または溶接制御装置３０に独立して配置することができることを理解されたい。
【００３４】
ＡＤＣ５６は、ワークピース２６と電気接触する電極ホルダ（図示せず）に接続された電圧ピックアップ・ケーブル６８で測定された電極２４および２８を横切る電圧を、測定された溶接電圧を表すデジタル信号８０に変換する。ＡＤＣ５６は、積分器７４の出力を測定された溶接電流を表すデジタル信号８２に、および電極移動センサ５４の出力を瞬間全ワークピース厚ｈtを表すデジタル信号８４にさらに変換する。電極移動センサが利用可能でない場合は、近似値を瞬間全ワークピース厚ｈtの代わりにすることができることが、当業者には理解されよう。光学ひずみゲージ７２、またはロード・セルもしくは光学回折デバイスなど他の圧力測定デバイスによって測定される電極力は、ワークピース２６に加えられる圧力を表すデジタル出力信号８６に変換することができる。ＡＤＣ５６の出力８０、８２、８４、８６は、溶接データ・プロセッサ３６（図１）に結合される。
【００３５】
溶接動作は、一般に、数サイクルの交流がワークピース２６を通過してナゲットまたは溶着部を形成する熱を生成する溶接サイクル数を含む（図３Ａと共に述べる）。電力制御ユニット１６および力制御ユニット１８を含めて、溶接機１４は一般に、溶接動作中に溶接機制御プロセッサ３２によって制御される。動作時には、力制御ユニット１８が電極力アクチュエータ２２に信号を供給し、ピストン／ロッド６４および電極２４を介してワークピース２６上で圧力をかける。より具体的には、力制御ユニット１８が力アクチュエータ２２に信号を供給し、第１電極２４が第２電極２８に向かって前進する。この電極移動により、ワークピース２６が力によって２つの電極２４と２８の間で保持される。数溶接サイクルのそれぞれの間に、電力制御ユニット１６は変圧器５２に信号を供給し、制御された電流が電極２４と２８の間で、およびワークピース２６を介して通過することを可能にする。溶接電流８２は、溶接動作中に電流センサ７６によって測定され、積分器７４によって積分され、ＡＤＣ５６によってデジタル化され、溶接データ・プロセッサ３６（図１）に送られる。溶接電流８２は、電流密度によって引き起こされるフリンジング効果のための、および溶接電圧８０測定を補正するために補正係数として使用される。溶接電圧８０はまた、ＡＤＣ５６によってデジタル化され、溶接機制御プロセッサ３２（図１）に送られ、積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４により目標体積へのエネルギ入力を計算するために使用される。
【００３６】
図３Ａを参照すると、溶接中のワークピースの横断面図が、エネルギ・バランス・モデルで使用されるパラメータを示す。ワークピース２６は、溶接動作中に、電極２４内に装着された電極チップ６６ａと、電極２８内に装着された電極チップ６６ｂとの間で保持される。一実施形態では、ワークピース２６が、溶着すべきプレート９０とプレート９２を含む。プレート９０およびプレート９２は、厚さの等しいものである必要はない。プレート９０は厚さｈbを有し、プレート９２は厚さｈaを有する。
【００３７】
プレート９０および９２の全厚はｈtである。幅ｄnを有するナゲット８８は、溶接中にプレート９０と９２の間の界面で形成される。任意の時点における溶着部の１組の物理特性を溶接状態と称し、ワークピース２６内の目標体積９４内の平均温度（平均溶着部温度とも称する）で表すことができる。目標体積９４は、ワークピース２６と接触する電極チップ６６ａおよび６６ｂ下の体積である。電極チップ６６ａおよび６６ｂが円形状であると仮定すると、目標体積９４はπｄc 2/４の体積を有し、ただし、ｄcは、それぞれの電極−ワークピース界面１０６ａ、１０６ｂ（プレート−電極界面とも称する）でワークピース２６と接触する各電極チップ６６ａ、６６ｂの面積である。好ましくはチップ接触領域が円形であり、したがって接触直径と称することができる。しかし、実際の接触領域は完全に円形ではなく、チップ６６ａおよび６６ｂの寿命全体にわたってサイズおよび形状に変化が発生することを理解されたい。したがって、電極の形状が円形状から変動したとき、上式は近似体積を計算する。
【００３８】
溶接電流ｉ１０２は、目標体積９４を流通する。プレート９０と９２の間の電圧ｕ１０４は、電極２４と電極２８の間で測定することが好ましい。電流の導通開始後、時間ｔでの目標体積９４内に含まれる熱Ｑの形態のエネルギは、次のように積分形態で表記される基本エネルギ・バランス方程式で表される。
【００３９】
【数３】
ただし、
Ｑは、目標体積９４内に含まれる熱量であり、
τおよびｔは、時間であり、
νは、プレート表面間の電圧であり、電極２４および２８の間の電圧（測定された電圧ｕから、大電流によるインダクタンスによって誘導される電圧であるチップ６６ａおよび６６ｂ内の電圧降下を引いたもの）に等しく、
ｉは、溶接電流であり、
Ｋeは、電極チップ６６ａ、６６ｂ内の熱伝導率であり、
Ｋは、ワークピース内の熱伝導率であり、
ｄは、時間τでのプレート−電極界面１０６ａ、１０６ｂ部の瞬間接触直径であり、
Ｔは、目標体積９４内の温度であり、目標体積９４から失われたエネルギ内の係数としてであり、
ｈtは、全プレート（ワークピース２６）厚であり、
ｆ（ｄ／ｈ）は、目標体積９４の縁部での電流フリンジング効果を補正するための電流密度補正係数であり、ただしｈは１枚のプレートのプレート厚であり（２枚のプレートの厚さが等しい場合はｈｔ＝２ｈであり、プレートが等しくない厚さｈaおよびｈbを有する場合、関数は平均値
ｆ（ｄ／ｈ）＝［ｈaｆ（ｄ／ｈa）＋ｈbｆ（ｄ／ｈb）］／ｈtで評価され、ｆ（ｄ／ｈ）＝Σｈiｆ（ｄ／ｈi）／Σｈi）、ただしｈiは個々のプレートの厚さであり、
ｒは、図３Ａで符号が付けられているように半径方向であり、
ｚは、図３Ａで符号が付けられているようにプレート厚方向である。
【００４０】
目標体積に供給されるエネルギは、式１のν・ｉ項によって表される。Ｋeを含む項は、ｚまたはプレート厚方向の熱損失を表し、Ｋを含む項は、ナゲット８８の中心を通り、図３Ａのワークピース２６の平面に垂直な軸から半径方向に延びるｒ方向の熱損失を表す。これらの項は、どちらの導関数も負であるため、熱損失を表す。
【００４１】
式１は、式２〜９と共に使用して、以下、図５Ｃの一実施形態と共に述べる１組の式１２ａおよび１２ｂを導出する。式１２ａおよび１２ｂは、溶接パラメータをサンプルする間隔である走査サイクル（間隔Ｉと称する）毎平均温度を推定するために使用される溶接機制御装置３０制御コードを表す。溶接パラメータは、典型的な６０Ｈｚ溶接サイクルで走査４０回に等しい２４００回毎秒でサンプルすることが好ましい。
【００４２】
ワークピース２６内の平均溶接温度￣Ｔ（￣ＴはＴの上に￣が付されている状態を表す、以下同じ）は、次式によって定義される。
【００４３】
【数４】
ただし、Ｃは比熱、σはワークピース２６の密度、ｄcはワークピース２６と接触する各電極チップ６６ａおよび６６ｂの領域の直径であり、これを電流が時間ｔで流通する。ｄcは、チップ６６ａおよび６６ｂがワークピース２６と接触する密着表面および電極−プレート界面部の実際の接触直径であり、これら接触直径は溶接中に増大することに留意されたい。
【００４４】
したがって、式１を式２のＱに代入することにより、次の式を導出することができる。
【００４５】
【数５】
式３を使用して、溶接時間およびエネルギ入力に応じて目標体積９４内の平均温度プロフィルを予測する。
【００４６】
次式を式３と組み合わせて、式３からフリンジング効果関数ｆ（ｄ／ｈ）を消去する。
【００４７】
【数６】
ρは、溶接物２６の抵抗率の平均値であり、
ｕは、電極チップ６６ａと６６ｂの間の電圧であり、
Ｒeは、各電極チップ内の抵抗低下であり、
Ｍは、溶接電流回路と電圧測定回路の間の相互インダクタンスである。
【００４８】
さらに、接触直径ｄcは、次式によって式４から予測する。
【００４９】
【数７】
ただし、電流密度補正係数、関数ｆ（ｄc／ｈ）は、ルックアップ・テーブルから得る。
【００５０】
次いで、目標体積９４内の平均温度のための次式は、式３および４から導出することができる。
【００５１】
【数８】
ただし、
ｄcは、時間ｔでの接触直径であり、
ｄ＝ｄ（τ）は、時間τに応じた実際の瞬間接触直径である。
【００５２】
熱損失項が式６ａの右側で第２および第３項を含むが、熱損失は主に、電極チップ６６ａおよび６６ｂからの熱損失に対応する第２項によって支配される。電極チップからの熱損失は、電極−プレート界面１０６ａ、１０６ｂ部の温度、および電極２４、２８、対応するチップ６６ａ、６６ｂの熱伝導率に比例する。
【００５３】
エネルギ・バランス・モデルが、２枚以上のプレートまたは材料シート（ｎ枚スタックと称する）を含むワークピース２６構成に応用できることは、当業者には理解されよう。たとえば、電極チップとプレートの間の界面部での温度、および界面付近の温度勾配が、全厚ｈ0を有する２枚スタックＸ0（基準スタック）と全厚ｈtの４枚スタックＸ1で同じ場合には、４枚スタックＸ1の平均温度を、基準スタックＸ0の平均温度と全プレート厚の比（ｈt／ｈ0）の積として計算する。
【００５４】
熱損失項は、基準２枚スタックについて定義し、多重枚スタックの平均温度は次式で計算する。
【００５５】
【数９】
ただし、厚さｈ0は、厚さの等しいプレート２枚（ｈ0＝２ｈ）を有するワークピースについてパラメータをセットアップするために、トレーニング時に使用された初期全プレート厚である。ｈt＝ｈ0の場合、式６ｂは式６ａと同値である。式６ｂは、様々な構成（たとえば、厚さの等しくないプレートを有する２枚スタック構成、基準厚と異なる全厚を有する２枚スタック構成、また、厚さの等しい、または等しくないプレートを有する多重スタック構成）で平均溶着部温度を計算するために使用する。
【００５６】
式６ｂは、実験に基づく決定では、第２および第３項が第１項に比例すると仮定することができるため、有限差分方程式７として離散形態で書き直すことができる。
【００５７】
【数１０】
ただし、
Δτは、計算の時間ステップであり、時間ステップΔτが非常に小さいため、近似ｄ2（ｔ）／ｄ2（ｔ＋Δτ）＝１．０を使用する。
Ａは、熱損失項であり、ただし
【００５８】
【数１１】
であり、
項α1およびα2は、次のように定義される。
【００５９】
【数１２】
式７を解くために、目標体積９４からの熱損失を表す熱損失項（Ａ）だけ決定する必要があり、熱損失項（Ａ）は、後述するように基準全プレート厚ｈ0を有する試験ワークピース２６を使用して実験測定によって決定することができる。他のパラメータＣ、σ、ρは、溶接データ・プロセッサ３６によって使用される物理特性を表す定数である。定数は物理特性表で調べ、またはワークピース２６を作製するために使用する材料の供給者から入手し、またはその他の方法で制御装置３０に入力する。
【００６０】
平均溶着部温度￣Ｔは電圧ｖの関数として表されるが、溶接電流波形もまた測定し、式５の測定電圧ｕに対するケーブル内の磁束効果を補正するべきである。換言すれば、式５に従って補正済み電圧ｖを決定するために、溶接電流Ｉを測定する。
【００６１】
図３Ｂを参照すると、曲線１０８が、溶接中の目標体積９４内の平均溶着部温度を表す。ピーク溶着部温度￣Ｔp（￣ＴpはＴpの頭に￣が付された状態を示す、以下同じ）は、溶接動作中の時間ｔp１１０で達する。以下、後述するように、溶着部直径は、溶着部内の最大溶解直径として定義されるナゲット直径がピーク溶着部温度￣Ｔpで発生するため、￣Ｔpの関数である。電流の流れは、時間ｔw１１２で終了する。
【００６２】
スプラッシュが発生するとき、平均溶着部温度￣Ｔpのピーク値￣Ｔpが一定であると仮定すると、電極チップ６６ａ、６６ｂとワークピース２６の間で異なる接触条件について温度は、１組の電極チップ上での溶接動作数に関わらず、同じはずである。熱損失項（Ａ）は、この仮定に基づいて実験で決定する。
【００６３】
実験で熱損失項（Ａ）を決定するための方法の一例は、常態の溶接条件下でスプラッシュが生じる溶接電流値より下および上で、電流値ｉについて溶接パラメータ・データを収集することを含む。データは、新しい１組の電極チップ６６ａ、６６ｂと、千回を超える溶接動作に使用された同じ電極チップ６６ａ、６６ｂとを使用して収集することが好ましい。各ワークピース２６を溶接した後で、ワークピース２６を分解することができ、各ワークピース２６内で実際の溶着部直径を物理的に測定することができる。このプロセスにより、新規および使用済み電極チップ６６ａ、６６ｂについて別々のデータ・セットが得られる。
【００６４】
データを収集した後で、反復計算プロセスによって、最初に熱損失項（Ａ）が０．０１に設定される。実験に基づいて収集されたデータと（Ａ）の初期値とを使用して、平均溶着部温度プロフィルを式７から計算し、それにより、クリティカルなスプラッシュ電流（ｉ）での平均溶着部温度￣Ｔpのピーク値￣Ｔpを各データ・セットについて決定する。新しい電極チップ６６ａ、６６ｂの推定ピーク値を使用済み電極チップ６６ａ、６６ｂのピーク値と比較する。両値が所定の閾値内にない場合は、熱損失項（Ａ）が０．００５ステップで増加し、プロセスを繰り返して熱損失項（Ａ）の十分正確な推定値を見つける。この手順は、データの両セットについて推定ピーク平均溶着部温度￣Ｔpの誤差の和を最小限に抑えることにより、所与の材料について熱損失項（Ａ）の値を決定する。
【００６５】
別法として、所与の材料の熱損失項（Ａ）の正確な値は、新しい電極チップ６６ａ、６６ｂで得られた測定溶着部直径と、使用済み電極チップ６６ａ、６６ｂで得られたものとの差の誤差の和を最小限に抑えることによって決定することができる。新規および使用済み両電極チップ６６ａ、６６ｂについて平均溶着部温度と測定溶着部直径との間の関係を示す曲線は、ワークピース２６材料について熱損失項（Ａ）が最適化された場合にほぼ重なり合う。
【００６６】
次いで図４Ａを参照すると、電流設定を増大させる場合の溶着部直径と溶接時間の間の一般的な関係が示されている。曲線１２０は、合計溶接時間に応じた溶着部直径を表す。溶接時間は、電流がワークピース２６を流通している間の累積時間である。電流の流れは、連続した比較的短いサイクルで発生する。ｘ軸は、一連の連続サイクルにわたる累積溶接時間を秒で表す。これらの曲線は実験に基づいて決定することができ、値は溶接される材料のタイプに応じて決まることが、当業者には理解されよう。
【００６７】
曲線１２０上の点１２２は、所与の電流設定についてスプラッシュが発生する時間を示す。一般に、電極力は一定に保たれる。曲線１２４は、曲線１２０より高い電流設定で合計溶接時間に応じた溶着部直径を表す。曲線１２４上の点１２６は、より高い電流設定が使用されているとき、より早くスプラッシュが発生することを示す。電極チップ６６ａおよび６６ｂの寿命（溶接サイクル数）は、両曲線１２０および１２４についてほぼ一定である。
【００６８】
図４Ｂを参照すると、１組の電極チップで溶接サイクル数を増大させる場合の溶着部直径と溶接電流の間の一般的な関係が示されている。曲線１３０は、溶接時間に応じた有効溶着部直径を表す。有効溶接電流は、その連続する溶接サイクル中にワークピース２６を流通する電流である。これらの曲線は実験に基づいて決定することができ、値は溶接される材料のタイプに応じて決まる。
【００６９】
曲線１３０上の点１３２は、比較的新しい電極チップ条件についてスプラッシュが発生する電流設定を示す。曲線１３４は、溶接サイクル数を増大させて電極チップを使用した場合の有効溶接電流に応じた溶着部直径を表す。曲線１３４上の点１３６は、１組の摩耗した電極チップ６６ａおよび６６ｂで、スプラッシュがより高い電流設定で発生することを示す。一般に、電極力は、これらの測定について一定に保たれる。たとえば、曲線１３０は新しい電極チップの使用を示すことができ、曲線１３４は、被覆鋼板について溶着部２，０００から３，０００個、裸の無被覆鋼板について溶着部５，０００から１０，０００個後の電極チップを表すことができるであろう。
【００７０】
次いで図４Ｃを参照すると、溶着部直径と推定溶着部温度の間の関係が示されている。曲線１４０は、目標体積９４（図３Ａ）内の推定平均温度に応じた溶着部直径を表す。曲線１４０は、実験に基づく曲線１２０、１２４、１３０、１３４（図４Ａおよび４Ｂ）から、および目標体積９４内の平均温度を上述の式７から推定することによって導出される。ｈがワークピース２６を形成する、より薄いシートまたはプレートのプレート厚である場合に、５√ｈ（ルートｈ）の溶着部直径は、典型的な最小溶着部直径を示す。曲線１４０上で、点１４８は、スプラッシュが発生する推定平均温度を示す。実験に基づく決定では、双曲線関数またはＳ字関数により、平均溶着部温度に応じた溶着部直径を近似することができる。たとえば、曲線１４０は、図３Ａで定義された目標体積９４内の平均温度の双曲線関数として近似される。ワークピースのバルク特性は、曲線１４０によって、および示唆最小溶着部サイズが発生する平均温度によって説明される。スプラッシュ点は、ワークピースの表面条件に関連する。
【００７１】
目標温度範囲１５０は、スプラッシュが発生することなく最小サイズ基準を満たす溶着部直径を生じる推定目標体積平均温度の範囲を示す。目標温度範囲１５０は、最小溶着部直径が変化したとき変化する可能性がある。目標温度範囲１５０の下部点１４６は「Ｌ」の符号が付けられ、目標温度範囲１５０の上部点１４８は「Ｕ」の符号が付けられている。「Ｕ」より上の推定温度でスプラッシュが発生する可能性がある。溶接動作中は、目標範囲内で動作を確保するために、以下、式１２ａおよび１２ｂで述べる離散溶接制御装置コードに従って、溶着部の推定平均温度を計算することができる。両目標温度値「Ｌ」および「Ｕ」は、以下、図４Ｄと共に述べるように経験的に決定することができる。
【００７２】
次いで図４Ｄを参照すると、溶着部直径ｄと溶着部の推定温度Ｔの間の関係は、有機亜鉛被覆鋼について曲線１４０’によって表される。目標温度範囲１５０’は、スプラッシュが発生することなく５√ｈの示唆溶着部直径が生じる温度を指定する。データ点１７０〜１７４は、スプラッシュの発生がない１組の電極チップで示された溶着部数後の結果を示す。対応するデータ点１７０’〜１７４’は、スプラッシュの発生がある示された溶着部数後の結果を表す。
【００７３】
上部目標温度「Ｕ」１４８’は、試験される特定部品についての標準溶接時間を含む、溶接される部品の溶接条件を設定すること、下部目標温度「Ｌ」１４６’を決定して最小溶着部直径および上部目標温度「Ｕ」１４８’の初期値を生成すること、試験部品を溶接することによって経験的に決定される。溶接動作中にスプラッシュが発生した場合には、「Ｕ」１４８’をより低い値に調整する。スプラッシュが発生しない場合は、溶接電流を増大させてＵのより高い標的値を得て、試験を繰り返す。溶着部直径は、溶接された部品の検査によって測定する。
【００７４】
曲線１４０’は、エネルギ・バランス・モデルと、上述のように得られた実験標的データに基づく。図４Ｄから推定溶着部温度を得れば、溶接パラメータを制御して、以下、図５Ｃと共に述べる目標温度範囲１５０’内で実際の温度を保つことができる。
【００７５】
図４Ａ、４Ｂ、４Ｄに示す例示的なデータは、空気式ガンの装着されたＡＣスポット溶接機を用いて得た。有機亜鉛で片側が被覆された鋼を使用して、実験に基づくデータを得た。プレート厚は１ｍｍであり、２枚のプレートが積み重ねられていた。電極チップ６６ａ、６６ｂはドーム型タイプ（球状チップ）であり、直径１６ｍｍであった。実験では３００ｍｍ×３００ｍｍのサイズを有する大型試験プレート（クーポンと称する）を使用し、電極力は２００ｄａＮに設定され、溶接サイクル１０回を使用し、溶接電流は８．０ｋＡに設定された。溶接波形の形状および周波数が電力制御ユニット１６に応じて変動する可能性があることは、当業者には理解されよう。
【００７６】
熱損失項（Ａ）（式８ａ、８ｂ、８ｃ）を計算し、それにより、溶着部３００個後にスプラッシュが発生したクリティカル溶着部温度値は、溶着部３０００個後のものと同じであった。様々な被覆材料およびプレート厚について値を表すデータは、目標温度範囲１５０’を含む曲線１４０’に類似の曲線で説明することができ、このデータが、以下、図５Ａ〜５Ｃと共に述べるプロセス内で、ナゲット直径予測プロセッサ４２およびスプラッシュ予測プロセッサ４０によって使用される。
【００７７】
次いで、図５Ａに転じると、流れ図は、エネルギ・バランス・モデルに基づいて溶着部直径を予測することにより、溶着部の品質を監視するためのプロセスを示す。図５Ａ〜５Ｃの流れ図では、方形要素が本明細書で「処理ブロック」（図５Ａの要素２１０が典型）を示し、コンピュータ・ソフトウェア命令または命令群を表す。流れ図内の菱形要素は、本明細書で「判断ブロック」（図５Ａの要素２２０が典型）を示し、処理ブロックの動作に影響を与えるコンピュータ・ソフトウェア命令または命令群を表す。あるいは、処理ブロックは、デジタル信号プロセッサまたは特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）など、機能的に等価な回路によって行われるステップを表す。流れ図内で説明されているステップのいくつかがコンピュータ・ソフトウェアを介して実施することができる一方、別のステップが異なる方法（たとえば、経験的手順を介して）で実施することができることは、当業者には理解されよう。流れ図は、特定のプログラミング言語の構文を述べるものではない。流れ図はむしろ、コンピュータ・ソフトウェアを生成して必要とされる処理を行うために使用される機能情報を示す。ループおよび変数の初期化、ならびに一時変数の使用など、多数のルーチン・プログラム要素は図示されていないことに留意されたい。本明細書で別途示されていない限り、述べられているステップの特定シーケンスは例示のためだけであり、本発明の精神から逸脱することなく変えることができることは、当業者には理解されよう。
【００７８】
プロセスはステップ２００で始まり、それに続いて、ステップ２１０で、行うべき溶接動作についてのデータが溶接機制御装置３０（図１）に入力される。データは手動で入力することも、記憶媒体から入力することも、データベース５０（図１）から取り出すことも、製造システムに接続されたネットワークからダウンロードすることもできる。データは、全プレート厚ｈt、構成、ワークピース２６材料の物理特性（Ｃ、σ、ρ）を含む、ワークピース２６を説明する情報を含む。追加データは、電極チップ抵抗（Ｒe）、および溶接機の２次回路と測定リードの間の相互インダクタンス（Ｍ）を含む。溶接機制御装置３０のセットアップは、溶接機１４を動作させるために、ＡＣ電流の２乗平均値である溶接電流（Ｉeff）、電極力（Ｆ）、溶接時間（ｔw）など溶接パラメータを設定することを含む。
【００７９】
ステップ２１１では、溶接サイクルが、力制御ユニット１８に信号を送る溶接機制御装置３０（図１）によって開始され、力アクチュエータ２２を活動化させて電極２４によってワークピース２６に圧力を加える。また、溶接機制御装置３０に制御される電力制御ユニット１６は、溶接電流をワークピース２６に流通させ始める。
【００８０】
データ処理はステップ２１２で始まり、溶接パラメータが溶接データ・プロセッサ３６（図１）によって測定される。具体的には、溶接電流Ｉが電流センサ７２（図２）によって測定され、積分器７４によって積分され、ＡＤＣ５６によってデジタル化され、測定溶接電流８２（図２）が溶接機制御プロセッサ３２および積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４に送られる。溶接電圧ｕが電極２４および２８を横切って測定され、ＡＤＣ５６によってデジタル化され、測定溶接電圧８０がプロセッサ３２および３４に送られる。
【００８１】
測定溶接電圧８０は、任意選択で、溶接電流回路と電圧測定ケーブルの間の相互インダクタンスによって誘導される誤差について補正することができる。測定電圧ｖは、ステップ２１２で式（５）に従って、測定電圧ｕから、電極チップ６６ａおよび６６ｂ電圧降下内の電圧降下、ならびに溶接電流回路と電圧ピックアップ・ケーブル６８の間の相互インダクタンスによって引き起こされる電圧を引くことによって補正し、ワークピース２６の上面と下面の間の真の溶接電圧ｖを得る。電極チップ６６ａおよび６６ｂ内の抵抗低下、および溶接電流回路と電圧測定回路の間の相互インダクタンスは、オフラインで測定し、仕様から決定することができる。
【００８２】
測定電圧内の誤差を補償するための他の任意選択の補正をステップ２１２で適用し、数千溶接サイクルの有効寿命全体にわたって電極チップ６６ａおよび６６ｂが変形することによる誤差を低減することができる。熱損失項「Ａ」を任意選択で修正し、式７で説明されるｄ2（ｔ）／ｄ2（ｔ＋ｄｔ）の比の作用（すなわち、経時的に接触直径が増大変化すること）を補償する。動的抵抗Ｒ（溶接電圧を溶接電流で除したもの）は、接触面積に反比例する。比ｄ2（ｔ）／ｄ2（ｔ＋ｄｔ）は、比Ｒ（ｔ）／Ｒ（ｔ＋ｄｔ）で計算することができる。「Ａ」に対する補正は、スプラッシュのない低溶接電流および高溶接電流の条件下での接触直径変動をプロットし、これらの値を動的抵抗曲線の最大値に関連付けて補正係数を決定することによって、実験に基づいて決定する。たとえば、「Ａ」の修正された値は、チップが老化したとき（溶着部数増加）接触直径が増大した場合にわずかに増大する。この修正は、電極チップ６６ａ、６６ｂとワークピース２６の間の接触直径が変動したことにより電極チップ内の電圧降下が変化した場合に、平均温度計算の精度を改善するために有用である。
【００８３】
ステップ２１８では、溶着部の推定平均温度が、式７で表されるエネルギ・バランス・モデルに基づいて計算される。換言すれば、エネルギ・バランス方程式１を使用して、平均温度を推定する式７の離散反復を導出する。計算は、溶接機制御プロセッサ３２のアイドル・ループ（フォアグランド・タスク・ループ）内で実行することが好ましい。推定では、エネルギ入力を目標体積９４に積分し、式（８ａ）の熱損失項（Ａ）を使用してワークピース２６から熱損失を引く。式７内の熱損失項（Ａ）は、間隔が非常に短いため１つのサンプリング間隔から次にかけて接触直径（ｄ）があまり変化しないと仮定し、近似値ｄ（ｔ）／ｄ（ｔ＋Δτ）＝１．０を得ることによって単純化するのが好ましい。
【００８４】
ステップ２２０では、ステップ２１０で入力として設定された溶接時間を、経過した溶接時間と比較することにより、溶接動作が完了したかどうか判定される。経過した時間が設定時間を超えなかった場合は、ステップ２１２で溶接パラメータを再度検知することによって溶接プロセスが続行される。
【００８５】
一実施形態では、ステップ２１２〜２２０を組み合わせて、溶接機制御プロセッサ３２で実行される溶接制御装置コードにする。制御装置コードは、補正済み溶接電圧と、補正済み電圧に応じた目標体積９４の温度を反復して計算する。このプロセスにより、エネルギ入力が目標体積９４（図３Ａ）に効果的に積分される。この実施形態は、以下、近似値ｄ（ｔ）／ｄ（ｔ＋Δτ）＝１．０で修正された式７に基づく式１２ａおよび１２ｂでより詳細に述べる。目標体積９４内の推定温度の計算は単純化し、目標体積内の先の温度に応じた温度、および目標体積９４に供給されるエネルギを表す補正済み電圧の２乗を得る。熱損失は２つのパラメータによって表され、これらは熱損失項（Ａ）、およびワークピースの全プレート厚（ｈt）の関数である。
【００８６】
別法として、完全な溶接動作のためのデータは、ステップ２１２’（図示せず）で取り込まれ、記憶され、後で呼び戻される。次いで、エネルギ・バランスと、溶接中の目標体積の最大平均温度の推定値とが、単一のステップ２１８’（図示せず）で計算される。この手順は、ＣＰＵ処理力が制限された適用可能な溶接機制御装置である。代替手順では、ステップ２２０は必要とされない。
【００８７】
ステップ２２２では、溶接中の平均温度の最大値を使用し、トレーニング中に導出された図４Ｄの曲線１４０’に類似の曲線に基づく温度に応じて溶着部直径を近似して、溶着部直径を予測する。
【００８８】
一実施形態では、溶着部直径（Ｄｍｅｌｔ）が次式によって計算される。
Ｄｍｅｌｔ（Ｉ）＝ＤＮｍａｘ＊ＴａｎｈＰ（（ＭＴＭＰ（Ｉ）−ＴｅｍｐＢＳ）／ＣｏｅｆｆＴＷ）
ただし、
Ｄｍｅｌｔは、溶接物の推定溶着部直径であり、
ＤＮｍａｘは、推定のためのパラメータとして実験に基づいて決定された最大直径であり、
ＴａｎｈＰは、曲線１４０’（図４Ｄ）と共に上述した平均溶着部温度に応じて溶着部直径を推定するために使用される双曲線正接関数であり、
ＭＴＭＰは、目標体積９４内の平均温度であり、
ＴｅｍｐＢＳは、ＴａｎｈＰ関数を適合させるためのオフセット値であり、
ＣｏｅｆｆＴＷは、ＴａｎｈＰ関数を適合させるための係数である。
【００８９】
溶着部直径を予測するためのこのプロセスは、曲線１４０’（図４Ｄに図示する）に類似の曲線から目標体積９４内の平均温度に対応する溶着部直径を決定することによって溶着部直径を計算するためのソフトウェア実施である。この曲線は、実験に基づくデータを使用して計算されたオフセット値ＴｅｍｐＢＳおよび係数ＣｏｅｆｆＴＷを有する双曲線正接関数で推定される。双曲線正接関数は、類似の関数（たとえば、ニューラル・ネットワークのために使用されるＳ字関数）と置き換えることができる。ＤＮｍａｘは、示唆最低溶着部サイズ（ｄn,req）、製造者の推奨値、ｈがワークピースプレート厚である場合の５√ｈまたは４√ｈなど近似値に設定する。
【００９０】
ステップ２２４では、予測される溶着部直径、および推定平均温度を表す値が、状態および表示インジケータ４６に表示され、または後で使用するために記録される。セットアップ・パラメータとしてステップ２１０で温度閾値ＬおよびＵが入力されている場合は、推定溶着部直径に加えて、スプラッシュの発生、および溶着部のサイズ（溶着部のグレードとも称する）を表示することができる。プロセスはステップ２２６で終了する。溶接動作には、図５Ａ〜５Ｃの流れ図には示されていない、電流が流れる前に電極２４および２８がワークピース２６に圧力を加える初期期間（圧潰時間と称する）、ならびに電流の流れが停止した後で、電極２４および２８が依然としてワークピース２６に圧力を加えている期間（保持時間と称する）など追加段階があることは、当業者には理解されよう。
【００９１】
次いで、図５Ｂに転じると、流れ図が、エネルギ・バランス・モデルを使用して溶接動作中にスプラッシュの発生をなくすためのプロセスを示す。ステップ２００〜２１８は、図５Ａと共に述べた同様な番号のステップに類似である。ステップ２１０’は、目標温度範囲（図４Ｃ、４Ｄ）の上部終点Ｕが、図５Ｂのプロセスを使用してスプラッシュをなくすために追加入力として必要とされる点で、図５Ａ内の対応するステップ２１０と異なる。溶着部直径を近似するための係数は、図５Ｂのプロセス内で必要とされない。
【００９２】
ステップ２３０では、次のサイクルについての目標体積９４の推定平均温度が、目標温度範囲の上限Ｕと比較される。平均温度は、溶接電圧が次のサイクル全体にわたって一定であると仮定して、次の溶接サイクルについて予測される。一般に、ＡＣ溶接制御装置は、完全な１サイクル期間に溶接電流を制御することができるだけである。溶接制御装置によって支持される場合、制御は、２分の１サイクル間隔全体にわたって行うことができる。
【００９３】
ステップ２３２では、目標体積９４内の予測される平均溶着部温度が、目標温度範囲の上限Ｕより高いかどうか判定される。予測される平均溶着部温度が上限Ｕより高く、それによってスプラッシュの発生を予測する場合は、電流の流れがステップ２３３で停止され、プロセスがステップ２３６で終わる。
【００９４】
別法として、スプラッシュが予測されない場合は、ステップ２３４で試験を行い、設定された溶接時間を経過した溶接時間と比較することにより、溶接動作が完了したかどうか判定する。溶接動作が完了していない場合には、プロセスをステップ２１２で繰り返す。あるいは、プロセスがステップ２３６で終わる。
【００９５】
次いで、図５Ｃに転じると、流れ図が、エネルギ・バランス・モデルを使用して溶接サイクル中に溶接パラメータを適応可能に修正することにより、総合品質保証システムを提供するためのプロセスを示す。ステップ２００〜２１８は、図５Ｂと共に述べた同様な番号のステップに類似である。ステップ２１０’’は、必要最小溶着部直径ｄn,reqによって決まる目標温度範囲（図４Ｃ、４Ｄ）の下部終点Ｌが、溶着部直径を補償するために追加入力として必要とされる点で、図５Ｂ内の対応するステップ２１０’と異なる。
【００９６】
ステップ２３８で２分の１溶接サイクルが完了していないと決定された場合は、引き続きステップ２１２で溶接パラメータを検知することによって溶接プロセスが続行する。このステップは、計算負荷を低減する。というのは、単相ＡＣ電源を有する溶接制御装置では電流の流れを一般に全サイクル境界で停止することができるだけであるため、一般にスプラッシュ制御が２分の１サイクル間隔で効果的なためである。次いで、目標体積９４（図３Ａ）内の推定平均溶着部温度が、次の溶接２分の１サイクルが完了するまで、ステップ２１２〜２１８で式７に従って反復して更新される。２分の１サイクルが完了した場合は、処理がステップ２４０で続行する。２分の１サイクル最適化は一般に、ＡＣ電源が使用される場合に適用される。制御装置が電流の流れをより迅速に制御できる場合は、ステップ２４０〜２５６をより頻繁に実行して、より応答のよい制御を実現することができる。
【００９７】
ステップ２４０で、目標体積９４（図３Ａ）内の予測される平均溶着部温度が目標温度範囲内にあるかどうか判定される。予測される平均溶着部温度値を使用して、目標体積内の平均温度プロフィルを予測し、かつ溶着部直径の対応する成長を予測することができる。予測される平均溶着部温度が、下限Ｌより高く、かつ上限Ｕより低い場合には、スプラッシュなく十分な溶着部直径が形成される。次のサイクルについて予測される平均溶着部温度が上限Ｕより高い場合は、スプラッシュの発生が予測される。予測される平均溶着部温度が下限Ｌより低い場合は、不十分な溶着部サイズが予測される。溶接電圧は次のサイクル全体にわたって一定であると仮定される。次のサイクルの終了時で予測される平均温度は、次の溶接サイクル全体にわたって式７を反復することによって計算される。目標温度範囲の上限Ｕを予測される平均温度と比較し、次のサイクル中のスプラッシュの発生を予測する。溶接制御装置によって支持される場合、制御は、２分の１サイクル間隔全体にわたって行うことができる。
【００９８】
ステップ２４２では、設定された溶接時間を経過した溶接時間と比較することにより、溶接動作が完了したかどうか判定される。経過した時間が設定時間を超えなかった場合は、ステップ２４４で溶接プロセスが続行される。あるいは、溶接が設定された時間を超えたと判断された場合は、溶接動作がステップ２６０で終了する。
【００９９】
ステップ２４４では、ステップ２４０の溶着部直径予測から、推定平均溶着部温度が目標温度範囲の下限Ｌより高いかどうか判定される。推定平均溶着部温度が下限Ｌより高く、それによって十分な溶着部サイズを予測する場合は、処理がステップ２６０で終了する。あるいは、ステップ２４４で不十分な溶着部直径が予測された場合は、適応制御を使用して溶接プロセスを修正する。処理はステップ２４６で再開し、スプラッシュの発生が予測されるかどうか判定する。ＡＣ電源を使用する多数の溶接制御装置では、電流を即座に停止させることができないこと、および電流がサイクルの終了まで引き続き流れることは、当業者には理解されよう。
【０１００】
ステップ２４６では、溶接サイクルについて予測される平均溶着部温度から、溶接パラメータを変更することなく、そのサイクル内でスプラッシュが発生するかどうか判定される。予測される平均溶着部温度が目標温度範囲の上限Ｕより高い場合は、スプラッシュが予測される。スプラッシュが予測される場合、処理がステップ２４８で続行し、そうでない場合は、処理がステップ２５４で続行する。
【０１０１】
ステップ２４８では、電極力がΔＦの量だけ増大され、スプラッシュの発生を防止する。電極力ΔＦの増分は、次式で計算される。
【０１０２】
【数１３】
ただし、
Ｉは、溶接電流であり、
Ｆは、電極力のためのセットアップ値であり、
σYは、ワークピースの応力／降伏応力である。式９は、プレートの厚さが同じであると仮定しているが、式を様々なプレート構成のために修正することができることは、当業者には理解されよう。
【０１０３】
式９は、所与の電極力条件下における時間ｔでの平均温度上昇を表し、電極力の関数として接触直径を説明することによって導出される。式９を上記の式４と組み合わせて、
【０１０４】
【数１４】
を得る。ただし、
Ｒは、電極チップ間の抵抗の基準値であり、
ΔＲは、基準値からの電極チップ間測定抵抗の偏差であり、
Ｆは、セットアップ電極力値であり、
β1は、制御安定性を改善するための係数である。
【０１０５】
適応制御プロセッサ４４（図１）は、上式に従って電極力を増大させる。スプラッシュを適応可能に制御することについて詳細は、ＭａｔｓｕｙａｍａおよびＣｈｕｎの「抵抗スポット溶接におけるスプラッシュのメカニズム（Ａ Ｓｔｕｄｙ Ｏｆ Ｓｐｌａｓｈｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ Ｉｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ Ｓｐｏｔ Ｗｅｌｄｉｎｇ）」、シートメタル溶接会議の会報（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ Ｓｈｅｅｔ Ｍｅｔａｌ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ） ＩＸ、２０００年１０月に述べられている。
【０１０６】
ステップ２５２では、ステップ２４８で電極力を増大させた後、電極力の増大が、予測されるスプラッシュを制御するのに十分でないと決定された場合に、ピーク平均温度値が閾値より低いままとなるように電流を減少させる。溶接電圧は、電極力が変化した結果として変化する。プロセスはステップ２１２で続行する。
【０１０７】
ステップ２５４では、必要とされる場合に温度プロフィルに応答して電流および溶接時間を修正し、溶接動作が終了したとき十分な溶着部直径を確保する。溶接中に平均温度が上昇している場合は、溶接時間を増やし、溶接電流を修正することにより、予測される溶着部直径の偏差を補償することができる。飽和段階では、平均温度がピーク最大値に達したとき、電流だけ修正し、溶接時間は増やさない。２乗した電流の増分と、残りの溶接電流時間増分との積は、次式で計算することができる。
【０１０８】
【数１５】
ただし、
ΔＩは、溶接電流Ｉの増分であり、
Δｔwは、溶接電流がワークピース２６を流通する残り時間であり、
Δ￣Ｔは、推定平均溶着部温度の基準値からの偏差であり、
β2は、定数である。
【０１０９】
式１１は、上記の式９の第１項から導出される。平均溶着部温度が上昇している期間の間、電流ΔＩ2と時間Δｔwの積は、平均溶着部温度の飽和度に応じて決定することができる。電流および溶接時間の修正は、１サイクルの溶接電流の流れ毎に発生する。というのは、ＡＣまたは単一ＤＣ電源を制御するためにシリコン制御整流器（ＳＣＲ）デバイスを使用することにより、電流コンタクタ・スイッチがオンになった後で各２分の１サイクルの溶接電流導通を制御することができないためである。中間周波数ＤＣ電源は、スイッチング・レートがほぼ１ｋＨｚより高いため、細かい時間分解能で制御することができる。
【０１１０】
平均溶着部温度が上昇している期間の間、電流ΔＩ2と時間Δｔwの積は、平均溶着部温度の飽和度に応じて決定することができる。電流および溶接時間の修正は、１サイクルの溶接電流の流れ毎に発生する。というのは、ＡＣ電源を使用する場合、溶接電流の流れの開始時間を１サイクル未満の分解能で制御することができないためである。しかし、中間周波数ＤＣ電源を使用する場合は、サイクル制御の制約がない。
【０１１１】
これらの修正は、溶接機制御プロセッサ３２のアイドル・ループ（フォアグランド・タスク・ループ）内で実行することが好ましい。処理は、修正を行った後、ステップ２１２で続行する。
【０１１２】
ステップ２５４では、予測される平均温度が溶接動作の終了前に飽和し、飽和した平均温度値が最小溶着部直径に必要とされる閾値Ｌ（図４Ｄ）より低い場合は、電流だけが修正される。予測される平均温度が予め設定された溶接時間の終了までに飽和せず、飽和した温度が、予め設定された溶接時間後のある時点で閾値Ｌより大きく、したがって必要とされる溶着部直径にとって十分な場合は、溶接時間ｔwが増やされて、必要とされる溶着部直径を確保する。
【０１１３】
一実施形態では、積分エネルギ・バランス・プロセッサ３４、温度予測プロセッサ３８が、溶接機制御プロセッサ３２上で実行される追加制御コードによって従来型抵抗スポット溶接システム上で実施される。改良された溶接制御装置コードは、溶接動作時に、各走査間隔Δτ（走査サイクル数Ｉ）で推定平均温度を計算する。式５および７に基づく以下の例示的ソフトウェア・コードは、溶接電圧、および溶着部の推定平均温度を反復して計算するように実施される。
【０１１４】
【数１６】
ただし、
Ｉは、走査サイクル数であり、
ｖｏｌｔｍ（Ｉ）は、測定溶接電圧であり、
ｃｕｒ（Ｉ）は、測定溶接電流であり、
Δτは、取り込むデータそれぞれの間の走査間隔（一般に１／２４００秒）であり、
ｖｏｌｔ（Ｉ）は、反復のための補正済み溶接電圧であり、
ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ（Ｉ）は、全プレート厚の測定済みまたは所与のデータであり、
Ｒｔｉｐは、両電極チップの組合せ抵抗低下であり、
Ｍは、電圧に対する誘導効果を低減するための相互インダクタンスであり
（電圧測定回路に応じて所定）、
Ｔｅｍｐ（Ｉ）は、式（７）に定義された修正済み溶着部温度である。
Ｃ１、Ｃ２は、溶接される材料およびサンプリング・レートに応じて決まる定数である。
【０１１５】
【数１７】
ただし、
ｔは、図５Ａ〜５Ｃのステップ２１８における各走査および積分ステップの時間である。
Δτは、走査間隔（一般に１／２４００秒）であり、
ｈ0は、試験データと共にトレーニングの際に使用された基準全プレート厚であり、
Ｃ１の計算は、上記で論じたようにｄ（ｔ）／ｄ（ｔ＋Δτ）＝１．０と仮定することによって単純化する。
【０１１６】
推定平均温度の計算ルーチンは、計算を単純化するために上述した仮定を有する積分形態のエネルギ・バランス・モデルに基づくため、単純である。検知および制御プログラムは、溶接データ・プロセッサ３６内のＡＤＣデータ取込みプログラムのためのループ内で、または溶接機制御プロセッサ３２の制御プログラム内のアイドル・ループ内で上記プログラム・コードを追加することによって実施することができる。
【０１１７】
次いで、図６を参照すると、曲線３１０が溶接電流を表し、曲線３１２が溶接電圧を表す。サンプリング時間３１４〜３１８を選択することにより、溶接プロセス内の半サイクル中に同時に取り込まれた溶接電流および電圧に応じて、ワークピース２６の正確な抵抗を近似するための代替技法が得られる。従来、多重入力チャネルのための同時サンプリング回路を有するコストのかかるアナログ−デジタル変換器を使用して、溶接電流および電圧を同時に取り込んでいる。
【０１１８】
本発明の一実施形態では、溶接電流および電圧の同時測定を正確に近似することを、電圧および電流監視データを取り込むために３チャネル入力マルチプレクサを有する、低コストの進歩したタイプのアナログ−デジタル変換器で実現することができる。図６は、時間ｔ３１６でサンプリングした溶接電圧の値ｖ、および時間ｔ−Δｔ３１４およびｔ＋Δｔ３１８でサンプリングした溶接電流を示す。電流測定値を平均して、平均値を得る。したがって、ワークピース（２６）の抵抗（ｒ）は、次式に従って計算される。
【０１１９】
【数１８】
ただし、
Δｔは、各チャネル間のサンプリング間隔（一般に１／３００００秒）である。
【０１２０】
電流曲線が、抵抗スポット溶接の高レートのサンプリング条件下で非常に短時間の間、ほぼ直線であるため、測定値は正確である。電圧値を取り込む前後に取り込まれた平均電流値を、電圧をサンプリングするのと同時に測定した電流値として使用する。上述のように２つの電流測定値と１つの電圧測定値を使用することによって近似された抵抗値は、従来の高レート・サンプリング回路を使用することによって行われる同時電圧および電流測定から計算された抵抗値の０．０５％以内である。この監視手順は、３つの値すべてをサンプリングした後で、式１２ａを用いて相互インダクタンスによる誘導効果を補正するために適用することができる。
【０１２１】
溶接電圧は、次式によって上述の抵抗近似を用いて近似することができる。
【０１２２】
【数１９】
ただし、ｃｕｒ（Ｉ，Ｊ）は、上述の近似を使用して測定された溶接電流であり、代替技法によって測定された２つのサンプル（ｃｕｒ（Ｉ＋１，１），ｃｕｒ（Ｉ＋１，２））にわたって平均された電流測定値になる。
【０１２３】
本明細書で引用する引例はすべて、参照によりそれら全体を本明細書に組み込む。
以上本発明の好ましい実施形態について述べたが、それらの概念を組み込む他の実施形態を使用することができることは、当業者には明らかになろう。したがって、これらの実施形態は開示された実施形態に限定するべきではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の精神および範囲によってのみ制限するべきであると思われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による溶接システムのブロック図である。
【図２】 図１の溶接機の図である。
【図３】 図３Ａは、エネルギ・バランス・モデル・パラメータを含む１組の電極、ワークピース、ナゲットの形成の概略断面図である。
図３Ｂは、溶接動作中の図３Ａの目標体積内平均溶着部温度のグラフである。
【図４】 図４Ａは、電流設定を増大させる場合の溶着部直径と溶接時間の間の関係を示すグラフである。
図４Ｂは、溶着部数を増やす場合の溶着部直径と溶接電流の間の関係を示すグラフである。
図４Ｃは、溶着部直径と、本発明のエネルギ・バランス・モデルによって予測される溶着部の推定平均温度との間の関係を示すグラフである。
図４Ｄは、本発明のエネルギ・バランス・モデルによって予測される溶着部の平均推定温度に応じた亜鉛被覆鋼のための溶着部直径を示すグラフである。
【図５】 図５Ａは、本発明のエネルギ・バランス・モデルを使用することにより、溶接動作の際に溶着部直径を監視するために使用されるステップを示す流れ図である。
図５Ｂは、本発明のエネルギ・バランス・モデルを使用することにより、スプラッシュの発生を予測し、かつなくすために使用されるステップを示す流れ図である。
図５Ｃは、本発明のエネルギ・バランス・モデルを使用することにより、溶接動作を適応可能に制御して、スプラッシュなく少なくとも最小溶着部直径を有する溶着部を作製するために使用されるステップを示す流れ図である。
【図６】 多重化されたアナログ−デジタル変換器を使用してワークピースの抵抗を近似するための手順を示すタイミング図である。
Claims (22)
- 目標体積を有するワークピース上で行われる抵抗スポット溶接プロセスを監視するための方法であって、
少なくとも１つの溶接パラメータを監視するステップと、
前記目標体積を、前記ワークピースと接触する第１電極の表面と、前記ワークピースと接触する第２電極の表面とによって境界決めされると定義するステップと、
前記少なくとも１つの溶接パラメータ、および前記ワークピースの厚さを含むエネルギ・バランス・モデルに基づいて前記目標体積における平均温度推定値を計算するステップと、を含み、
前記エネルギ・バランス・モデルは、次式
方法。 - 前記平均温度推定値に基づいて前記抵抗スポット溶接プロセスに関連するプロセス条件を予測するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- プロセス条件を予測するステップは、
スプラッシュの発生を予測するステップ、
溶着部直径を予測するステップ、
溶着部直径の成長を予測するステップおよび
電極接触直径を予測するステップの少なくとも１つを含む、請求項２に記載の方法。 - 前記スプラッシュ予測ステップは、
前記平均温度推定値を閾値温度値と比較するステップ、および
前記閾値温度値を超える前記平均温度推定値に応答してスプラッシュの発生を予測するステップを含む、請求項３に記載の方法。 - 前記溶着部直径予測ステップは、
溶着部直径を前記目標体積内の平均温度に関連させる関数を実験に基づいて生成するステップ、および
前記平均温度推定値に応答して、前記関数を使用して前記溶着部直径を決定するステップを含む、請求項３に記載の方法。 - 前記予測されるプロセス条件に応答して、少なくとも１つの溶接パラメータをリアル・タイムで制御するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
- 前記エネルギ・バランス・モデルは目標体積熱損失項をさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記熱損失項の近似値が実験に基づいて決定される、請求項７に記載の方法。
- 前記熱損失項が前記ワークピースの厚さの関数である、請求項７に記載の方法。
- プレート−電極界面部の前記接触直径のリアル・タイム測定値を、溶接電圧ｖおよび溶接電流ｉから計算される抵抗値、ワークピースの抵抗率、全ワークピース厚、電流密度補正係数に基づいて計算するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 前記平均温度推定値は、前記目標体積内の熱（Ｑ）、ワークピースの比熱（Ｃ）、ワークピースの密度（σ）、ワークピースの抵抗率（ρ）の関数である、請求項１に記載の方法。
- 前記平均温度推定値は、
- 前記監視ステップは、溶接電圧および溶接電流の少なくとも１つを監視することを含む、請求項１に記載の方法。
- 少なくとも３つのチャネルを有する入力マルチプレクサを含むアナログ−デジタル変換器を提供するステップと、
溶接電流をサンプリングして第１溶接電流値を得るステップと、
溶接電圧をサンプリングするステップと、
溶接電流をサンプリングして第２溶接電流を得るステップと、および
第１および第２溶接電流値を平均して第１電極チップと第２電極チップの間の抵抗成分値を近似するステップとをさらに含む、請求項１に記載の方法。 - 電力制御ユニットおよび力制御ユニットと、目標体積を有するワークピース内に溶着部が形成される溶接動作中に溶接データ・プロセッサに溶接パラメータを供給するスポット溶接機とを具備する抵抗スポット溶接システムであって、
少なくとも１つの溶接パラメータおよび前記ワークピースの厚さを使用して、前記ワークピースと接触する第１電極の表面と、前記ワークピースと接触する第２電極の表面とによって境界決めされると定義される前記目標体積内の平均温度を予測するように動作可能な溶接温度予測プロセッサを含み、
前記エネルギ・バランス・モデルは、次式
前記溶接動作に関連する少なくとも１つの条件が前記平均温度予測に応答して溶接動作中に予測される、
システム。 - 前記少なくとも１つのプロセス条件は、スプラッシュの発生、溶着部直径、溶着部直径の成長、接触直径のうちの１つである、請求項１５に記載のシステム。
- ワークピース上で行われる溶接プロセスを制御するために溶接機に結合された溶接制御装置を具備する抵抗スポット溶接システムであって、
前記溶接機に結合された出力ポートおよび入力ポートを有する溶接データ・プロセッサと、
溶接プロセスデータを受信するために前記溶接データ・プロセッサ出力ポートに結合された入力ポートを有し、前記溶接プロセスデータに応答して、前記ワークピースと接触する第１電極の表面と、前記ワークピースと接触する第２電極の表面とによって境界決めされる目標体積内のエネルギ量の推定値を計算するように動作可能なエネルギ・バランス・プロセッサと、
前記エネルギ・バランス・モデルは、次式
前記ワークピースの目標体積内の平均温度を予測するために前記溶接データ・プロセッサに結合された溶着部温度予測プロセッサと、
を具備するシステム。 - 積分エネルギ・バランス・プロセッサは、前記推定値を計算するために前記ワークピースの厚さに応答する、請求項１７に記載の制御装置。
- 前記温度予測に応答して前記ワークピース内のナゲット直径を予測するために前記溶着部温度予測プロセッサに結合されたナゲット直径予測プロセッサをさらに具備する、請求項１７に記載の制御装置。
- 前記平均温度予測に応答して前記溶接プロセスを適応可能に制御するために前記溶着部温度予測プロセッサに結合された適応制御プロセッサをさらに具備する、請求項１７に記載の制御装置。
- 前記適応制御プロセッサが、溶接電流、溶接時間、電極力のうち少なくとも１つを修正する、請求項２０に記載の制御装置。
- 前記平均温度予測に応答してスプラッシュの発生を予測するために前記溶着部温度予測プロセッサに結合されたスプラッシュ予測プロセッサをさらに具備する、請求項１７に記載の制御装置。
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