JP6529232B2

JP6529232B2 - 溶接電流測定装置、抵抗溶接監視装置及び抵抗溶接制御装置

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Publication number: JP6529232B2
Application number: JP2014182277A
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Inventors: 三夫並木; 貴洋矢野
Original assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Current assignee: Amada Miyachi Co Ltd
Priority date: 2014-09-08
Filing date: 2014-09-08
Publication date: 2019-06-12
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Description

本発明は、抵抗溶接加工やヒュージング加工において溶接電流の測定、監視および制御に用いられる溶接電流測定装置、抵抗溶接監視装置および抵抗溶接制御装置に関する。

抵抗溶接加工やヒュージング加工において、溶接電流は最も重要な溶接条件であり、溶接電流の測定、監視または制御は正確でなければならない。従来より、抵抗溶接機またはヒュージング加工機において、溶接電流の測定、監視または制御を行う場合は、電流センサにトロイダルコイル（“ロゴスキーコイル”とも称される。）が多く用いられている。トロイダルコイルは、溶接トランスの２次側回路の一部（２次導体）に装着され、磁気飽和することなく通常１０ｋＡ以上の溶接電流を正確に検出することができる。

ただし、トロイダルコイルより出力される信号は、溶接電流の微分波形を表すものであり、そのままでは電流測定値の演算には適さない。そこで、演算増幅器（オペアンプ）からなる積分回路によりトロイダルコイルの出力信号を時間積分して、溶接電流の波形を表す積分値信号または電流復元波形信号を生成し、この電流復元波形信号を信号処理または演算回路に通して溶接電流の測定値（実効値、ピーク値等）を求めるようにしている。

特許第２５６２６９１号

上記のように、溶接電流の測定にトロイダルコイルを用いる場合は、トロイダルコイルより出力された電流微分波形信号を積分回路に通して、溶接電流の波形を復元するようにしている。しかしながら、実際には、積分回路を構成する演算増幅器におけるオフセット電圧の影響により、積分値信号（電流復元波形信号）の基準値またはゼロ点レベルが正方向もしくは負方向にオフセットし、時間の経過とともにオフセット量が増大する。その結果、電流復元波形信号に対してなされる後段のＡ／Ｄ変換や実効値演算等の信号処理にも誤差が生じて、溶接電流測定値の精度が低下し、ひいては溶接電流の監視や制御においても信頼性が低下し、このことが従来技術の問題となっている。

本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するものであり、溶接電流に関する電流測定値、監視機能、制御機能の精度および信頼性を向上させる溶接電流測定装置、抵抗溶接監視装置および抵抗溶接制御装置を提供する。

本発明の溶接電流測定装置は、溶接電源より溶接トランスを介して被溶接材に供給される溶接電流の電流値を測定する溶接電流測定装置であって、前記溶接トランスの１次側回路に設けられ、前記１次側回路を流れる１次電流の電流波形を表す出力信号を発生する１次電流センサを有し、前記一次電流センサの出力信号に基づいて前記１次電流の電流測定値を求める１次電流測定部と、前記溶接トランスの２次側回路に設けられ、前記２次側回路を流れる２次電流の電流微分波形を表す出力信号を発生する２次電流センサを有し、前記２次電流センサの出力信号に基づいて前記２次電流の電流測定値を求める２次電流測定部と、テスト通電において、前記１次電流測定部および前記２次電流測定部よりそれぞれ得られる前記１次電流および前記２次電流の電流測定値から前記溶接トランスの巻数比を算出する巻数比演算部と、前記被溶接材を抵抗溶接するための本通電において、前記１次電流測定部により得られる前記１次電流の電流測定値を前記巻数比演算部により算出された前記巻数比を用いて前記２次電流の電流測定値に換算し、換算した前記２次電流の電流測定値を前記溶接電流の電流測定値として出力する電流換算部とを具備し、前記１次電流測定部は、前記本通電において、前記２次電流センサの出力信号の立ち上がりに応動して、前記１次電流センサの出力信号に基づいた前記１次電流の電流測定値の演算を開始する。

上記構成の溶接電流測定装置においては、抵抗溶接の本通電とは別途にテスト通電を行い、溶接トランスの１次側回路で流れた１次電流を１次電流センサおよび１次電流測定部により測定すると同時に、２次側回路で流れた２次電流を２次電流センサおよび２次電流測定部により測定し、１次電流および２次電流の電流測定値から溶接トランスの巻数比を算出する。以後、抵抗溶接の本通電が行われるときは、２次電流測定部を使わずに、１次電流測定部より得られる１次電流の電流測定値を上記テスト通電で求めた巻数比を用いて２次電流の電流測定値に換算したものを溶接電流の電流測定値とする。

上記構成の溶接電流測定装置においては、１次電流の電流値は２次電流の電流値より桁違いに小さいため、１次電流センサには１次電流の電流波形を表す信号を出力する（つまり、波形復元のための積分回路を不要とする）タイプの１次電流センサを用いる。このことにより、本通電の通電時間を任意に長く設定しても、電流波形信号のゼロ点レベルが変動せずに一定に保たれるので、１次電流測定部より精度の高い電流測定値が得られる。しかも、テスト通電によって求めた溶接トランスの巻数比を用いて、１次電流の電流値を２次電流の電流値（溶接電流の電流測定値）に換算するので、現場作業員の誤った設定入力等の人為的なミスが入る可能性は絶対になく、溶接トランスの交換、変更またはタップ切換等があってもテスト通電によって自動的に対応できる。
さらに、１次電流センサの出力信号の波形が１次電流の電流波形そのものを直接表す波形であるために通電の開始時にその立ち上がりがはっきりしないのに対して、２次電流センサの出力信号の波形は１次電流の微分波形を表す波形であるために通電の開始時にその立ち上がりが急峻ではっきりしている。上記構成の溶接電流測定装置においては、２次電流測定部がテスト通電の際に２次電流センサの出力信号の立ち上がりに応動して２次電流センサの出力信号に基づいた２次電流の電流測定値の演算処理を開始し、１次電流測定部がテスト通電および本通電の際に２次電流センサの出力信号の立ち上がりに応動して１次電流の電流測定値の演算処理を開始するようにしている。これにより、１次電流測定部では、テスト通電のみならず本通電に際しても、起動のタイミングが判別しやすくなっている。

本発明の抵抗溶接監視装置は、上記溶接電流測定装置と、前記溶接電流の電流値について所望の監視値を設定する監視値設定部と、前記本通電において、前記電流換算部より得られた前記溶接電流の電流測定値を前記監視値と比較して、監視結果の情報を出力する判定部とを有する。

上記構成の抵抗溶接監視装置においては、上記溶接電流測定装置より得られる電流測定値に基づいて溶接電流の監視を行うので、監視機能の精度、安定性および品質管理の信頼性を向上させることができる。

また、本発明の抵抗溶接制御装置は、上記溶接電流測定装置と、前記溶接トランスの１次側回路または２次側回路に設けられる電流制御素子と、前記溶接電流の電流値について所望の基準値を設定する基準値設定部と、前記本通電において、前記電流換算部より所定のサイクル毎に得られる前記溶接電流の電流測定値が前記基準値に一致または近似するように、前記電流制御素子を制御する制御部とを有する。

上記構成の抵抗溶接制御装置においては、上記溶接電流測定装置より得られる電流測定値に基づいて溶接電流に対するフィードバック制御を行うので、定電流制御の精度、安定性および信頼性を向上させることができる。

本発明の溶接電流測定装置、抵抗溶接監視装置および抵抗溶接制御装置によれば、上記のような構成および作用により、溶接電流測定値の精度、安定性および信頼性を向上させることができる。

単相交流式抵抗溶接機に適用した本発明の一実施例における溶接電流監視装置の構成を示すブロック図である。上記抵抗溶接監視装置における主演算処理部の機能的な構成を示すブロック図である。図１Ａの抵抗溶接監視装置における第１および第２の電流センサおよび波形復元回路の出力の波形を示す波形図である。直流インバータ式抵抗溶接機に適用した本発明の一実施例における抵抗溶接監視装置の構成を示すブロック図である。図３の抵抗溶接監視装置における第１および第２の電流センサおよび波形復元回路の出力の波形を示す波形図である。図４Ａの一部を拡大して示す部分拡大波形図である。交流インバータ式抵抗溶接機に適用した本発明の一実施例における抵抗溶接制御装置の構成を示すブロック図である。図５の抵抗溶接制御装置における第１および第２の電流センサおよび波形復元回路の出力の波形を示す波形図である。図６Ａの一部を拡大して示す部分拡大波形図である。

以下、添付図を参照して本発明の好適な実施形態を説明する。

〔単相交流式抵抗溶接機における抵抗溶接監視装置の実施例〕

図１Ａ、図１Ｂおよび図２を参照して、単相交流式抵抗溶接機に使用可能な抵抗溶接監視装置に本発明を適用した一実施例（第１の実施例）について説明する。

図１Ａにおいて、単相交流式抵抗溶接機１０の入力端子Ｐ，Ｑには、たとえば工場内の主電源装置（図示せず）より電源ラインを介して商用周波数の交流電源電圧Ｅ₀が入力される。抵抗溶接が行われるときは、この交流電源電圧Ｅ₀が一対のサイリスタ１２，１４からなるコンタクタを介して溶接トランス１６の１次コイルに印加され、電磁誘導により２次コイルの両端間に得られる２次電圧が加圧機構付きの溶接ヘッド（図示せず）に取り付けられた一対の溶接電極１８，２０を介して被溶接材Ｗ（２２，２４）に印加される。これにより、溶接トランス１６の２次側回路を溶接電流Ｉw が流れ、被溶接材Ｗ（２２，２４）の溶接継手部がジュール熱により溶けて冶金的に接合する。溶接電流制御部２６は、商用周波数の各半サイクル毎に溶接電流Ｉw の電流値（実効値）が溶接電流設定部２８より与えられる設定値に一致または近似するように、点弧パルス発生回路３０を通じてサイリスタ１２，１４の点弧角を制御する。

この単相交流式抵抗溶接機１０では、抵抗溶接の品質管理を図るために抵抗溶接監視装置３２を用いる。この抵抗溶接監視装置３２は、溶接通電において溶接トランス１６の２次側回路を流れた溶接電流Ｉwの電流値を測定して溶接電流測定値を表示出力するとともに、溶接電流測定値が予め設定した監視値の範囲内に収まっているか否かを監視して監視結果を表示出力するように構成されている。

図１Ａに示すように、抵抗溶接監視装置３２は、溶接トランス１６の１次側回路に設けられる１次電流センサ３４と、２次側回路に設けられる２次電流センサ３６とを有している。

１次電流センサ３４は、溶接トランス１６の１次側回路を流れる１次電流Ｉ₁の電流波形を表す信号（電流波形信号）ＳＩ₁を出力するタイプの電流センサたとえばホールＣＴで構成される。ホールＣＴの場合、１次電流センサ３４は、１次側回路の一部（１次導体）を取り囲むリング状の磁気コアと、この磁気コアのギャップに取り付けられるホール素子とを有している。このホール素子により、１次電流Ｉ₁によって発生した磁界を検出して電圧信号ＳＩ₁に変換するようになっている。

２次電流センサ３６は、溶接トランス１６の２次側回路を流れる２次電流Ｉ₂（溶接電流Ｉ_W）の電流波形を微分した波形を表す信号（電流微分波形信号）ＤＩ₂を出力するタイプの電流センサたとえばトロイダルコイルで構成される。トロイダルコイルの場合、２次電流センサ３６は、２次側回路の一部（２次導体）を取り囲むように巻架される。２次電流Ｉ₂によって発生した磁界がトロイダルコイルのコイルに鎖交すると、電磁誘導により２次電流Ｉ₂の時間変化率（微分）に比例した電圧がコイルに生成される。この電圧を出力信号ＤＩ₂として取り出すようにしている。

抵抗溶接監視装置３２は、上記１次および２次電流センサ３４，３６の他に、１次電流測定回路３８、波形復元回路４０、２次電流測定回路４２、主演算処理部４４、入力部４６および表示部４８を備えている。

溶接トランス１６の１次側において、１次電流測定回路３８は、１次電流センサ３４より出力されるアナログの電流波形信号ＳＩ₁をＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換して、１次電流Ｉ₁の電流測定値（各半サイクル毎の実効値、通電時間の一部または全期間にわたる相加平均実効値、ピーク値等）ＭＩ₁をディジタル演算処理によって求めるように構成されている。なお、１次電流測定回路３８は、２次電流センサ３６の出力信号（電流微分波形信号）を演算開始のタイミングに用いるようにしている。

溶接トランス１６の２次側において、波形復元回路４０は、演算増幅器（オペアンプ）を含む積分回路からなり、２次電流センサ３６より出力されるアナログの電流微分波形信号ＤＩ₂を時間積分して、２次電流Ｉ₂（溶接電流Ｉ_W）の電流波形を表す電流復元波形信号ＳＩ₂を出力する。２次電流測定回路４２は、波形復元回路４０より出力されるアナログの電流復元波形信号ＳＩ₂をＡ／Ｄ変換器によりディジタル信号に変換して、２次電流Ｉ₂の電流測定値（各半サイクル毎の実効値、通電時間の一部または全期間にわたる相加平均実効値、ピーク値、通電時間等）ＭＩ₂をディジタル演算処理によって求めるように構成されている。

主演算処理部４４は、１次電流測定回路３８、２次電流測定回路４２および入力部４６よりそれぞれ１次電流測定値、２次電流測定値および各種設定値（あるいは制御信号、指令等）を入力し、入力信号または入力データについて所要の演算処理を行い、演算結果を表示部４８の画面上に表示出力するように構成されている。

この抵抗溶接監視装置３２は、当該抵抗溶接機１０において被溶接材Ｗに対する抵抗溶接が行われるときは、上記のようにその抵抗溶接のための通電（本通電）で２次側回路を流れた溶接電流Ｉ_Wの電流値を測定および監視して、測定結果および監視結果を表示部４８の画面上に出力するようになっている。さらに、この実施形態では、抵抗溶接の本通電とは別に、溶接トランス１６の巻数比を求めるための後述するテスト通電が随時または定期的に行われるようになっている。抵抗溶接監視装置３２は、テスト通電においても動作し、溶接トランス１６の巻数比ｎを求めるための所要の信号処理および演算処理を行うようになっている。

図１Ｂに、この実施形態の抵抗溶接監視装置３２における主演算処理部４４の機能的な構成を示す。主演算処理部４４は、マイクロコンピュータを含み、機能的な構成として、巻数比演算部５０、巻数比記憶部５２、電流換算部５４、監視値設定部５６および判定部５８を有している。

巻数比演算部５０は、テスト通電が行われるときに機能し、１次電流測定回路３８および２次電流測定回路４２でそれぞれ得られた１次電流測定値ＭＩ₁および２次電流測定値ＭＩ₂を取り込んで、両電流測定値の比ＭＩ₂／ＭＩ₁を溶接トランス１６の巻数比ｎとして算出する。巻数比演算部５０で得られた巻数比ｎの値（データ）は、巻数比記憶部５２に格納（保存）される。

なお、巻数比ｎの演算に用いられる１次電流測定値ＭＩ₁および２次電流測定値ＭＩ₂は、交流周波数の半サイクル毎に得られる１次電流Ｉ₁および２次電流Ｉ₂の実効値を通電時間の一部の期間または全期間にわたって平均した値（相加平均実効値）である。また、巻数比ｎは、整数の値に限らず、小数点以下の詳しい値まで算出される。

電流換算部５４は、抵抗溶接のための本通電が行われるときに機能し、１次電流測定回路３８で得られた１次電流測定値（相加平均実効値、ピーク値）ＭＩ_１を取り込むとともに、巻数比記憶部５２より巻数比ｎの値（データ）を読み出し、１次電流測定値ＭＩ_１に巻数比ｎを乗じて２次電流測定値（相加平均実効値、ピーク値）［ＭＩ _２］を求める。この２次電流測定値［ＭＩ _２］は、溶接電流Ｉ_Ｗの電流測定値［ＭＩ _Ｗ］として判定部５８および表示部４８に与えられる。

監視値設定部５６には、溶接電流Ｉ_Ｗの電流値について入力部４６より入力された監視値たとえば上限値および／または下限値が設定される。判定部５８は、抵抗溶接の本通電が行われるときに機能し、電流換算部５４で１次電流測定値ＭＩ_１から換算された２次電流測定値［ＭＩ _２］つまり溶接電流測定値［ＭＩ _Ｗ］が監視値の範囲内に収まっているか否かを検査して、判定（監視）結果を表示部４８に与える。表示部４８は、抵抗溶接の本通電では溶接電流測定値［ＭＩ _Ｗ］および判定結果を表示するとともに、テスト通電では巻数比演算部５０で得られたトランス巻数比ｎの値を表示する。

この実施例におけるテスト通電は、当該抵抗溶接機１０に組み込まれている溶接トランス１６の巻数比を抵抗溶接監視装置３２における信号処理および演算処理により求めるために、抵抗溶接時の通電とは別途に随時または定期的に行われる。たとえば、当該抵抗溶接機１０において、溶接トランス１６の取付または交換が行われたときや、二次側コイルのタップが切り替えられたとき、あるいは抵抗溶接監視装置３２の使用を開始するときに、テスト通電を実施してよい。

テスト通電では、抵抗溶接の本通電と同様に、溶接電流制御部２６によりサイリスタ１２，１４の点弧制御が行われ、当該抵抗溶接機１０の１次側回路および２次側回路で１次電流Ｉ₁および２次電流Ｉ₂がそれぞれ流れる。ただし、テスト通電の通電時間は、１次電流Ｉ₁および２次電流Ｉ₂について信頼できる電流測定値を得るのに必要な最小限の時間よりは長く、波形復元回路４０内の信号処理（時間積分）において演算増幅器のオフセットの影響が出始める時間よりも短い時間（たとえば０．５〜１．５秒）に設定される。また、フィードバック方式の定電流制御を行わない場合、サイリスタ１２，１４の点弧角または点弧位相は通電時間を通じて一定値に保持される。好ましくは、当該抵抗溶接機１０において２次電流Ｉ₂の電流値が最大になる点弧位相が設定される。

図２に、テスト通電において得られる１次および２次電流センサ３４、３６の出力波形および波形復元回路４０の出力波形の一例を示す。１次および２次電流センサ３４、３６の出力信号ＳＩ₁，ＤＩ₂の波形は本通電のときと同じである。１次電流センサ（ホールＣＴ）３４の出力信号ＳＩ₁は１次電流Ｉ₁の電流波形を表し、２次電流センサ（トロイダルコイル）３６の出力信号ＤＩ₂は２次電流Ｉ₂の電流微分波形を表し、波形復元回路４０の出力信号ＳＩ₂は２次電流センサ３６の出力ＤＩ₂を時間積分した波形、つまり２次電流Ｉ₂の電流波形を表す。

図示のように、１次電流Ｉ₁の通電角と２次電流Ｉ₁の通電角とは一致している。商用交流周波数の各半サイクルにおいて、通電（点弧）を開始する際に、１次電流Ｉ₁および２次電流Ｉ₂の立ち上がりが正弦波のように比較的緩やかである（このため起動のタイミングが判別しにくい）のに対して、２次電流センサ３６の出力信号ＤＩ₂の立ち上がりはパルスのように急峻である（このため起動のタイミングが判別しやすい）。また、波形復元回路４０は時間積分の信号処理に演算増幅器を有しているため、通電時間がある臨界点（通常２秒前後）を超えると、波形復元回路４０の出力信号ＳＩ₂においてはゼロ点レベルＺＬ₀が図中の点線ＺＬ₊もしくはＺＬ_-のように正方向もしくは負方向にオフセットし、時間の経過とともにオフセット量が増大する。

この実施形態では、このように商用周波数の各半サイクルにおいて通電（点弧）開始時に２次電流センサ３６の出力信号（電流微分波形信号）ＤＩ₂がパルス状に急峻に立ち上がる特性を、２次電流測定回路４２のみならず１次電流測定回路３８も実効値演算処理の開始のタイミングに利用する。具体的には、１次電流測定回路３８は、テスト通電開始直後の最初の半サイクルにおいてのみ、２次電流センサ３６の出力信号ＤＩ₂が立ち上がるタイミングを実効値演算処理の開始のタイミングに用いる。後続の各半サイクルでは、商用周波数に応じたクロックまたはタイマによる一定周期のタイミングで実効値演算処理を繰り返し行う。

上記のように、１次電流測定回路３８は、１次電流センサ３４の出力信号ＳＩ₁に基づいて、各半サイクル毎に１次電流Ｉ₁の実効値を演算するとともに、テスト通電の通電時間の一部の期間または全期間にわたる１次電流Ｉ₁の相加平均実効値ＭＩ₁を演算する。一方、２次電流測定回路４２は、波形復元回路４０の出力信号（電流復元波形信号）ＳＩ₂に基づいて、各半サイクル毎に２次電流Ｉ₂の実効値を演算するとともに、テスト通電の通電時間の一部の期間または全期間にわたる２次電流Ｉの相加平均実効値ＭＩ₂を演算する。たとえば、テスト通電の通電時間を１秒に設定し、通電時間の全期間を測定時間とする場合は、各半サイクル分の実効値を１００個算術平均した値つまり相加平均実効値ＭＩ₁，ＭＩ₂が演算される。

テスト通電によって得られた溶接トランス１６の巻数比ｎの値は、表示部４８の画面上に表示されるとともに、巻数比記憶部５２に保存される。この場合、今回のテスト通電で取得された巻数比ｎの値がそれまで保存されていた巻数比ｎの値と異なる場合は、巻数比記憶部５２において巻数比ｎの更新（新旧交代）を行ってよい。表示部４８上で表示された巻数比ｎの値は、ユーザを通じて溶接電流制御部２６における１次側および２次側間の設定値や制御値等の換算に用いられる。

抵抗溶接のための本通電では、被溶接材Ｗの材質や溶接継手の形態等に応じて任意の通電時間が設定される。したがって、通電時間が数秒以上に及ぶことがある。

本通電においても、１次電流センサ（ホールＣＴ）３４は、溶接トランス１６の１次側回路を流れる１次電流Ｉ₁の電流波形を表す信号ＳＩ₁を出力する。そして、１次電流測定回路３８は、１次電流センサ３４の出力信号ＳＩ₁に基づいて、各半サイクル毎に１次電流Ｉ₁の実効値を演算するとともに、本通電の通電時間の一部の期間または全期間にわたる１次電流Ｉ₁の相加平均実効値ＭＩ₁を演算する。また、電流測定値ＭＩ₁の他の態様として１次電流Ｉ₁のピーク値や通電時間等を求めることもある。その際、１次電流測定回路３８は、本通電の開始直後に、２次電流センサ（トロイダルコイル）３６の出力信号ＤＩ₂の立ち上がりに応動して実効値演算処理を開始する。

一方、波形復元回路４０および２次電流測定回路４２は、本通電では機能せずに休止状態に保持される。主演算処理部４４においては、電流換算部５４が、１次電流測定回路３８より１次電流測定値ＭＩ₁を取り込むとともに、巻数比記憶部５２より巻数比ｎの値を読み出し、１次電流測定値ＭＩ₁に巻数比ｎを乗じて１次電流測定値ＭＩ₁を２次電流測定値［ＭＩ₂］に換算する。そして、判定部５８が、電流換算部５４からの２次電流測定値［ＭＩ₂］つまり溶接電流測定値ＭＩ_Wを監視値と比較して、判定（監視）結果を出力する。表示部４８は、２次電流測定値［ＭＩ₂］および判定（監視）結果を表示出力する。

このように、抵抗溶接のための本通電では、２次側の波形復元回路４０および２次電流測定回路４２を休止状態に保ち、積分回路（演算増幅器）を含まない１次電流測定部（３４，３８）より得られる１次電流測定値ＭＩ₁をトランス巻数比ｎを用いて２次電流測定値［ＭＩ₂］に換算し、換算によって得られた２次電流測定値［ＭＩ₂］を溶接電流測定値ＭＩ_Wとして出力するので、本通電の通電時間が任意に長くても、１次電流測定値ＭＩ₁は安定しており、溶接電流測定値ＭＩ_Wも安定している。

また、電流換算部５４で１次電流測定値ＭＩ₁から２次電流測定値［ＭＩ₂］への換算に用いられる巻数比ｎは、現在使用されている溶接トランス１６について上記のようなテスト通電により求められたものであり、現場作業員の勘違いや誤入力等の人為的なミスが入る可能性は絶対になく、溶接トランスの交換、変更またはタップ切換等があっても自動的に更新されている。このため、この抵抗溶接監視装置３２がユーザに提供する溶接電流測定値ＭＩ_Wおよび監視結果情報の精度および信頼性が大きく向上する。

なお、この実施例では、１次電流測定回路３８および２次電流測定回路４２が、１次電流Ｉ₁および２次電流Ｉ₂について各半サイクル毎の実効値を演算するだけでなく、相加平均実効値の演算も行うようになっている。一変形例として、１次電流測定回路３８および２次電流測定回路４２は各半サイクル毎の電流実効値のみを演算し、主演算処理部４４において相加平均実効値の演算を行う構成とすることも可能である。

〔直流インバータ式抵抗溶接機における抵抗溶接監視装置の実施例〕

図３および図４に、直流インバータ式抵抗溶接機に使用可能な抵抗溶接監視装置に本発明を適用した一実施例（第２の実施例）について説明する。図中、上述した第１の実施例（図１Ａ、図１Ｂ）のものと同一または同様の構成または機能を有する部分には同一または同様の参照符合を付している。

図３に示す直流インバータ式抵抗溶接機６０において、三相の商用交流電源端子（Ｒ，Ｓ，Ｔ）より商用周波数の三相交流電源電圧を入力する整流回路６２の出力端子には直流の電圧が得られる。この直流電圧は、コイル６４とコンデンサ６６とからなる平滑回路６８で平滑されてからインバータ回路７０に入力される。インバータ回路７０は、たとえば４個のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）ＴＲ₁，ＴＲ₂，ＴＲ₃，ＴＲ₄をスイッチング素子とし、入力した直流を高周波のスイッチング動作によってパルス状（矩形波）の高周波交流（たとえば１〜１０ｋＨｚ）に変換する。インバータ回路７０のスイッチング動作ひいてはその高周波交流出力のパルス幅は、溶接電流制御部２６'からの制御信号ｆ_a、ｆ_bによって制御される。より詳細には、溶接電流制御部２６'は、インバータ駆動回路７２を介して、第１組のスイッチング素子（ＴＲ₁，ＴＲ₃）には第１相の制御信号ｆ_aを供給し、第２組のスイッチング素子（ＴＲ₂，ＴＲ₄）には第２相（第１相とは逆相）の制御信号ｆ_bを供給する。

インバータ回路７０より生成される高周波の交流電圧は溶接トランス１６の一次コイルに印加され、溶接トランス１６の二次コイルには１／ｎ倍（ｎは巻数比）に降圧された高周波の交流電圧が得られる。この高周波の交流は一対のダイオードＤ₁，Ｄ₂からなる整流回路により直流に変換され、直流の２次電流Ｉ₂（溶接電流Ｉ_W）が溶接電極１８，２０を介して被溶接材Ｗ（２２，２４）に供給される。この時、１次側回路では、つまりインバータ回路７０と溶接トランス１６の一次コイルとの間では、２次電流Ｉ₂と同位相で１／ｎ倍の電流値を有する１次電流Ｉ₁が流れる。

この直流インバータ式抵抗溶接機６０に用いられる抵抗溶接監視装置３２は、１次電流センサ３４、２次電流センサ３６、波形復元回路４０、１次電流測定回路３８'、２次電流測定回路４２'、主演算処理部４４'、入力部４６および表示部４８を有している。

１次電流センサ（ホールＣＴ）３４は、１次側回路においてインバータ回路７０の出力端子ＯＵＴ₀、ＯＵＴ₁と溶接トランス１６の一次コイルとの間の１次導体に取り付けられ、インバータ回路７０より出力される高周波の１次電流Ｉ₁の電流波形を表す信号（電流波形信号）ＳＩ₁を出力する。一方、２次電流センサ３６（トロイダルコイル）は、２次側回路において整流回路（Ｄ₁，Ｄ₂）と溶接電極（１８，２０）との間の２次導体に取り付けられ、２次電流Ｉ₂（溶接電流Ｉ_W）の電流波形を微分した波形を表す信号（電流微分波形信号）ＤＩ₂を出力する。

１次電流測定回路３８'および２次電流測定回路４２'は、インバータ回路７０のスイッチング周波数に同期したクロックに基づいて動作する点を除いては、上記単相交流式抵抗溶接機（図１Ａ）用の１次電流測定回路３８および２次電流測定回路４２とそれぞれ同様の構成および機能を有する。

この実施例においても、当該抵抗溶接機６０に組み込まれている溶接トランス１６の巻数比を抵抗溶接監視装置３２における信号処理および演算処理により求めるために、抵抗溶接時の通電とは別途にテスト通電が随時または定期的に行われる。１次側回路および２次側回路をそれぞれ流れる１次電流Ｉ_１および２次電流Ｉ_２の周波数および波形が異なる点を除いて、テスト通電における抵抗溶接監視装置３２内の各部の動作は上記単相交流式抵抗溶接機（図１Ａ）の場合と同じである。

図４Ａおよび図４Ｂに、テスト通電において得られる１次および２次電流センサ３４、３６の出力波形および波形復元回路４０の出力波形の一例を示す。１次および２次電流センサ３４、３６の出力信号ＳＩ₁，ＤＩ₂の波形は本通電のときと同じである。１次電流センサ（ホールＣＴ）３４の出力信号ＳＩ₁は１次電流Ｉ₁の電流波形を表し、２次電流センサ（トロイダルコイル）３６の出力信号ＤＩ₂は２次電流Ｉ₂の電流微分波形を表し、波形復元回路４０の出力信号ＳＩ₂は２次電流センサ３６の出力ＤＩ₂を時間積分した波形、つまり２次電流Ｉ₂の電流波形を表す。各信号ＳＩ₁，ＤＩ₂，ＳＩ₂の周期Ｔ_Hは、インバータ周波数の１サイクルに相当する。

図示のように、通電の開始時に、波形復元回路４０の出力信号ＳＩ₂のみならず１次電流センサ（ホールＣＴ）３４の出力信号ＳＩ₁の立ち上がりもはっきりしない（このため起動のタイミングが判別しにくい）のに対して、２次電流センサ（トロイダルコイル）３６の出力信号ＤＩ₂の立ち上がりは急峻ではっきりしている（このため起動のタイミングが判別しやすい）。また、波形復元回路４０は時間積分の信号処理に演算増幅器を有しているため、通電時間がある臨界点（通常２秒前後）を超えると、波形復元回路４０の出力信号ＤＩ₂においてはゼロ点レベルＺＬ₀が図４Ａの点線ＺＬ₊もしくはＺＬ_-のように正方向もしくは負方向にオフセットし、時間の経過とともにオフセット量が増大する。

このことから、この実施例においても、１次電流測定回路３８'は、通電開始時または直後に２次電流センサ３６の出力信号ＤＩ₂が立ち上がるタイミングを実効値演算処理の開始のタイミングに用いる。また、テスト通電の通電時間は、１次電流Ｉ₁および２次電流Ｉ₂について信頼できる電流測定値を得るのに必要な最小限の時間よりは長く、波形復元回路４０内の信号処理（時間積分）において演算増幅器のオフセットの影響が出始める時間よりも短い時間（たとえば０．５〜１．５秒）に設定される。そして、抵抗溶接のための本通電では、２次側の波形復元回路４０および２次電流測定回路４２'を休止させて、積分回路（演算増幅器）を含まない１次電流測定部（３４，３８'）より得られる１次電流測定値ＭＩ₁をトランス巻数比ｎを用いて２次電流測定値［ＭＩ₂］に換算したものを溶接電流測定値ＭＩ_Wとする。

これにより、本通電の通電時間が任意に長くても、あるいは現場作業員が溶接トランス１６の巻数比については何も知らず何の設定もしなくても、抵抗溶接監視装置３２は信頼性の高い溶接電流測定値ＭＩ_Wおよび監視情報を提供することができる。

［交流インバータ式抵抗溶接機における抵抗溶接制御装置の実施例］

図５および図６に、交流インバータ式抵抗溶接機に使用可能な抵抗溶接制御装置に本発明を適用した一実施例（第３の実施例）について説明する。図中、上述した第１または第２の実施例（図１Ａ，図１Ｂ，図３）のものと同一または同様の構成または機能を有する部分には同一または同様の参照符合を付してある。

図５に示す交流インバータ式抵抗溶接機８０においては、溶接トランス１６の２次側に整流回路（Ｄ₁，Ｄ₂）は設けられず、２次コイルと溶接電極（１８，２０）とは２次導体によって短絡的に接続される。これにより、被溶接材Ｗには交流の溶接電流Ｉ_Wが供給される。

この実施例において、溶接電流制御部２６"は、インバータ駆動回路７２を介して、第１組のスイッチング素子（ＴＲ₁，ＴＲ₃）には第１相の制御信号ｆａ、第２組のスイッチング素子（ＴＲ₂，ＴＲ₄）には第２相の制御信号ｆｂをそれぞれ供給して、２次側の交流溶接電流Ｉ_Wについて設定される周期Ｔ_Wの半周期Ｔ_W ／２に相当する通電期間Ｔ_A 毎に交互に選択的に高周波スイッチングする。つまり、交流溶接電流Ｉ_Wの正極の半周期に対応する通電期間Ｔ_Aでは第２組のスイッチング素子（ＴＲ₂，ＴＲ₄）をオフ状態に保持して第１組のスイッチング素子（ＴＲ₁，ＴＲ₃）を高周波数たとえば１〜１０ｋＨｚでスイッチングし、交流溶接電流の負極の半周期に対応する通電期間Ｔ_Aでは第１組のスイッチング素子（ＴＲ₁，ＴＲ₃）をオフ状態に保持して第２組のスイッチング素子（ＴＲ₂，ＴＲ₄）を同じ高周波数でスイッチングする。

この実施例において、１次電流センサ３４、２次電流センサ３６、波形復元回路４０、１次電流測定回路３８"、２次電流測定回路４２"および主演算処理部４４"は、抵抗溶接の本通電において電流フィードバック制御に用いられる溶接電流測定部８２を構成する。

この溶接電流測定部８２において、１次電流センサ（ホールＣＴ）３４は、インバータ回路７０より出力される高周波の１次電流Ｉ₁の電流波形を表す信号（電流波形信号）ＳＩ₁を出力する。一方、２次電流センサ３６（トロイダルコイル）は、２次電流Ｉ₂（溶接電流Ｉ_W）の電流波形を微分した波形を表す信号（電流微分波形信号）ＤＩ₂を出力する。１次電流測定回路３８"および２次電流測定回路４２"は、インバータ回路７０のスイッチング周波数に同期したクロックに基づいて動作し、インバータ周波数の各サイクル毎に１次電流Ｉ₁および２次電流Ｉ₂の実効値をそれぞれ演算する。この実施例における１次電流測定回路３８"および２次電流測定回路４２"は、テスト通電では通電時間の一部または全期間にわたる相加平均実効値まで演算するが、抵抗溶接の本通電では通電時間を通じて各サイクル毎に実効値をリアルタイムに出力する。

主演算処理部４４"は、機能的には上記第１の実施例における主演算処理部４４（図１Ｂ）と同様の構成および機能を有する。より詳細には、巻数比演算部５０は、テスト通電が行われるときに機能し、１次電流測定回路３８"および２次電流測定回路４２"でそれぞれ得られた１次電流測定値ＭＩ₁および２次電流測定値ＭＩ₂を取り込んで、両電流測定値の比ＭＩ₂／ＭＩ₁を溶接トランス１６の巻数比ｎとして算出する。巻数比演算部５０で得られた巻数比ｎの値（データ）は、巻数比記憶部５２に格納（保存）される。しかし、電流換算部５４は、抵抗溶接のための本通電において、インバータ周波数の各サイクル毎に１次電流測定回路３８"で得られた１次電流測定値（実効値）を巻数比ｎを用いて１次電流測定値（実効値）に換算したものをフィードバック信号として出力する。この主演算処理部４４"は監視値設定部（５６）および判定部（５８）を含まない。

図６Ａおよび図６Ｂに、テスト通電において得られる１次および２次電流センサ３４、３６の出力波形および波形復元回路４０の出力波形の一例を示す。１次および２次電流センサ３４、３６の出力波形ＳＩ₁，ＤＩ₂は本通電のときと同じである。１次電流センサ（ホールＣＴ）３４の出力信号ＳＩ₁は１次電流Ｉ₁の電流波形を表し、２次電流センサ（トロイダルコイル）３６の出力信号ＤＩ₂は２次電流Ｉ₂の電流微分波形を表し、波形復元回路４０の出力信号ＳＩ₂は２次電流センサ３６の出力ＤＩ₂を時間積分した波形、つまり２次電流Ｉ₂の電流波形を表す。各信号ＳＩ₁，ＤＩ₂，ＳＩ₂の周期Ｔ_Hは、インバータ周波数の１サイクルに相当する。

図示のように、通電の開始時に、波形復元回路４０の出力信号ＳＩ₂のみならず１次電流センサ（ホールＣＴ）３４の出力信号ＳＩ₁の立ち上がりもはっきりしない（このため起動のタイミングが判別しにくい）のに対して、２次電流センサ（トロイダルコイル）３６の出力信号ＤＩ₂の立ち上がりは急峻ではっきりしている（このため起動のタイミングが判別しやすい）。また、波形復元回路４０は時間積分の信号処理に演算増幅器を有しているため、通電時間がある臨界点（通常２秒前後）を超えると、波形復元回路４０の出力信号ＤＩ₂においてはゼロ点レベルＺＬ₀が図６Ａの点線ＺＬ₊もしくはＺＬ_-のように正方向もしくは負方向にオフセットし、時間の経過とともにオフセット量が増大する。

このことから、この実施例においても、１次電流測定回路３８"は、通電開始時または直後に２次電流センサ３６の出力信号ＤＩ₂が立ち上がるタイミングを実効値演算処理の開始のタイミングに用いる。また、テスト通電の通電時間は、１次電流Ｉ₁および２次電流Ｉ₂について信頼できる電流測定値を得るのに必要な最小限の時間よりは長く、波形復元回路４０内の信号処理（時間積分）において演算増幅器のオフセットの影響が出始める時間よりも短い時間（たとえば０．５〜１．５秒）に設定される。

そして、抵抗溶接のための本通電では、２次側の波形復元回路４０および２次電流測定回路４２"を休止させて、積分回路（演算増幅器）を含まない１次電流測定部（３４，３８"）よりインバータ周波数の各サイクル毎に得られる１次電流測定値（実効値）ＭＩ₁をトランス巻数比ｎを用いて２次電流測定値［ＭＩ₂］に換算したものを溶接電流測定値ＭＩ_Wとする。

これにより、本通電の通電時間が任意に長くても、あるいは現場作業員が溶接トランス１６の巻数比については何も知らず何の設定もしなくても、溶接電流測定部８２および溶接電流制御部２８の働きにより、誤差や変動の少ない安定した電流フィードバック制御を行い、信頼性の高い溶接品質を得ることができる。

［他の実施形態又は変形例］

本発明は、交流インバータ式抵抗溶接機に使用される溶接電流測定装置ないし抵抗溶接監視装置にも適用可能であり、単相交流式抵抗溶接機または直流インバータ式抵抗溶接機に使用される溶接電流測定装置ないし抵抗溶接制御装置にも適用可能である。

また、本発明の溶接電流測定装置、抵抗溶接監視装置および抵抗溶接制御装置は、ヒュージング（熱かしめ）加工機にも上述した実施形態と同様に適用可能である。

１０単相交流式抵抗溶接機
１６溶接トランス
２６，２６'，２６" 溶接電流制御部
３４１次電流センサ（ホールＣＴ）
３６２次電流センサ（トロイダルコイル）
３８，３８'，３８" １次電流測定回路
４０波形復元回路
４２，４２'，４２" ２次電流測定回路
４４，４４'，４４" 主演算処理部
５０巻数比演算部
５４電流換算部
６０直流インバータ式抵抗溶接機
７０インバータ回路

Claims

溶接電源より溶接トランスを介して被溶接材に供給される溶接電流の電流値を測定する溶接電流測定装置であって、
前記溶接トランスの１次側回路に設けられ、前記１次側回路を流れる１次電流の電流波形を表す出力信号を発生する１次電流センサを有し、前記１次電流センサの出力信号に基づいて前記１次電流の電流測定値を求める１次電流測定部と、
前記溶接トランスの２次側回路に設けられ、前記２次側回路を流れる２次電流の電流微分波形を表す出力信号を発生する２次電流センサを有し、前記２次電流センサの出力信号に基づいて前記２次電流の電流測定値を求める２次電流測定部と、
テスト通電において、前記１次電流測定部および前記２次電流測定部よりそれぞれ得られる前記１次電流および前記２次電流の電流測定値から前記溶接トランスの巻数比を算出する巻数比演算部と、
前記被溶接材を抵抗溶接するための本通電において、前記１次電流測定部により得られる前記１次電流の電流測定値を前記巻数比演算部により算出された前記巻数比を用いて前記２次電流の電流測定値に換算し、換算した前記２次電流の電流測定値を前記溶接電流の電流測定値として出力する電流換算部と
を具備し、
前記１次電流測定部は、前記テスト通電および前記本通電において、前記２次電流センサの出力信号の立ち上がりに応動して、前記１次電流センサの出力信号に基づいた前記１次電流の電流測定値の演算を開始する、
溶接電流測定装置。
前記１次電流および前記２次電流は一定周波数の交流波形を有し、
前記１次電流測定部および前記２次電流測定部は、前記一定周波数の各半サイクル毎に前記１次電流および前記２次電流の電流測定値をそれぞれ演算する
請求項１に記載の溶接電流測定装置。
前記２次電流測定部は、前記２次電流センサの出力信号を時間積分して、前記２次電流の電流波形を表す信号を出力する積分回路を有する、請求項１または請求項２に記載の溶接電流測定装置。
前記テスト通電において、通電時間は０．５〜１．５秒であり、前記１次電流測定部および前記２次電流測定部よりそれぞれ得られる前記１次電流および前記２次電流の電流測定値は前記通電時間の一部または全部の期間にわたる前記１次電流および前記２次電流の相加平均実効値である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の溶接電流測定装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶接電流測定装置と、
前記溶接電流の電流値について所望の監視値を設定する監視値設定部と、
前記本通電において、前記電流換算部より得られた前記溶接電流の電流測定値を前記監視値と比較して、監視結果を出力する判定部と
を有する抵抗溶接監視装置。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の溶接電流測定装置と、
前記溶接トランスの１次側回路または２次側回路に設けられる電流制御素子と、
前記溶接電流の電流値について所望の基準値を設定する基準値設定部と、
前記本通電において、前記電流換算部より所定のサイクル毎に得られる前記溶接電流の電流測定値が前記基準値に一致または近似するように、前記電流制御素子を制御する制御部と
を有する抵抗溶接制御装置。