JPH05119085A - 抵抗溶接機における二次ケーブル劣化検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ［目的］抵抗溶接機の二次回路に用いられる二次ケーブ
ルの劣化具合を自動的かつ安全確実に検出する。 ［構成］マイクロプロセッサ３０は、ゼロ電圧検出回路
３６からのゼロ電圧検出信号とゼロ電流検出回路３４か
らのゼロ電流検出信号とに基づいて任意の半サイクルま
たは１サイクルにおける点弧角φおよび遅れ角δを検出
し、それらのパラメータφ，δを基に所定の演算式から
またはルック・アップ・テーブルから力率角ψを求め
る。溶接通電が何度も繰り返されるうち、二次ケーブル
２０，２２の導体が次第に金属疲労を起こし、その抵抗
値が増大し、力率角ψの値は小さくなる。マイクロプロ
セッサ３０は、各溶接通電毎に求めた力率角ψの値、あ
るいは力率角ψの移動平均値が設定値ψs まで減少した
ならば、二次ケーブル２０，２２の抵抗値が限界値まで
増大したもの、つまり二次ケーブル２０，２２の劣化具
合が限界レベルに達したものと判定して、表示器４０等
を通じて警報を出す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、二次ケーブルを使用す
る抵抗溶接機において二次ケーブルの劣化具合を検出す
る方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、抵抗溶接分野においてもロボット
が普及している。一般に、この種の溶接ロボットは、溶
接ヘッドだけをロボットに搭載し、比較的重量のある溶
接トランスはロボットとは別個な場所に設置し、溶接ト
ランスと溶接ヘッドを二次ケーブルで接続する形態をと
っている。

【０００３】図７は、交流式の抵抗溶接を行う典型的な
溶接ロボットを示す。ロボット１００は、溶接ヘッド
（または溶接ガン）１０２を担持し、ティーチング通り
に所定のシーケンスで所定位置の溶接ポイントに溶接ヘ
ッド１０２を移送する。

【０００４】溶接ヘッド１０２にはシリンダ１０４が取
付され、このシリンダ１０４のピストン１０４ａが前進
すると、一対の導体アーム１０６，１０８が回転軸１１
０を中心として矢印の方向に回動し、両導体アーム１０
６，１０８の先端にそれぞれ取付された溶接電極１１
２，１１４が被溶接材１１６，１１８を挟み込み、それ
ら被溶接材１１６，１１８に所定の加圧力を加える。両
導体アーム１０６，１０８の基端部は、二次ケーブル１
２０，１２２を介して溶接トランス１２４の出力端子
（二次コイル端子）１２４ｂ、１２４ｂに接続されてい
る。これらの二次ケーブル１２０，１２２のケーブル長
は、溶接ヘッド１０２の移動範囲に合わせて余裕のある
長さに選ばれる。

【０００５】溶接時には、上記のようにして溶接電極１
１２，１１４が被溶接材１１６，１１８を挟み込んだ加
圧状態の下で、溶接トランス１２４より溶接電力が二次
ケーブル１２０，１２２を介して溶接ヘッド１０２に供
給され、被溶接材１１６，１１８に溶接電流が流され
る。

【０００６】溶接トランス１２４は、たとえば図示のよ
うに天井１２６に支持棒１２８で吊されるようにして、
溶接ロボット１００から分離して配置される。溶接トラ
ンス１２４の入力端子（一次コイル端子）１２４ａ，１
２４ａは、一次ケーブル１３０，１３２を介してコンタ
クタ等の電流制御部（図示せず）に接続される。

【０００７】交流式抵抗溶接機に用いられる溶接トラン
ス１２４は、サイズだけでなく重量的にも相当大きなユ
ニットである。このような溶接トランス１２４を搭載し
ないことで、ロボット１００は軽量小型化される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
な溶接ロボットにおいて、抵抗溶接機の二次回路に溶接
電流が流れると、二次ケーブル１２０，１２２は磁界と
電流との相互作用によって互いに反発し合い、矢印の方
向へ跳ねる。溶接電流が止まると、反発力が解除され、
両ケーブル１２０，１２２は反動で振れながら元の位置
に戻る。溶接通電の度に、このような急激な跳上げ・跳
返しを行うことで、両ケーブル１２０，１２２に強い応
力が発生する。この結果、両ケーブル１２０，１２２の
導体は金属疲労を起こして次第に導電率が低下し、遂に
は断線することもある。

【０００９】このように、二次ケーブル１２０，１２２
は、溶接通電が繰り返されるにつれて次第に劣化するた
め、その劣化具合が溶接品質上または安全上危険な段階
まで進行する以前に、新しいケーブルと交換しなければ
ならない。

【００１０】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
もので、抵抗溶接機に用いられる二次ケーブルの劣化具
合を自動的かつ安全確実に検出することができる方法を
提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の方法は、抵抗溶接機の二次回路に設けられ
た二次ケーブルの劣化具合を検出する方法において、抵
抗溶接機の一次回路または二次回路に印加される交流電
圧の極性が変化する時点を検出する第１のステップと、
抵抗溶接機の一次回路または二次回路に流れる交流電流
の導通終了時点を検出する第２のステップと、第１のス
テップで得られたゼロ電圧検出信号と第２のステップで
得られたゼロ電流検出信号とに基づいて力率角を求める
第３のステップと、この第３のステップで得られた力率
角に基づいて二次ケーブルの劣化具合を検出する第４の
ステップとを含む方法とした。

【００１２】

【作用】抵抗溶接機において、電圧の極性が変化する時
点（電圧ゼロクロス点）とその直後の点弧時点との間の
位相差は点弧角であり、各点弧時点からほぼ半サイクル
経過後において電圧ゼロクロス点と電流の導通終了時点
（電流ゼロクロス点）との間の位相差は遅れ角である。
点弧角と遅れ角が与えられると、所定の演算式から、力
率角を求めることができる。電圧ゼロクロス点および電
流ゼロクロス点を一次回路において得るようにした場合
は、二次回路の溶接ヘッドが移動・運動するものであっ
ても、溶接ヘッドにセンス線等が懸架されないため、断
線事故等が発生するおそれはない。

【００１３】ところで、二次ケーブルが劣化すると、ケ
ーブル導体の抵抗値が増大し、二次回路の抵抗値が増大
する。二次回路の抵抗値が増大するにつれて、力率角は
逆に減少する。したがって、たとえば、溶接通電毎に力
率角を求め、力率角の現時値または移動平均値から二次
ケーブルの劣化具合を検出することができる。また、そ
のような力率角の現時値または移動平均値が設定値（限
界値）まで減少したときは、二次ケーブルの劣化具合が
限界点に達したものと判定して、警報を発してよい。

【００１４】

【実施例】図１は、本発明の一実施例による二次ケーブ
ル劣化検出方法を実施する単相交流式抵抗溶接機の回路
構成を示す。抵抗溶接が行われる時、入力端子１０，１
２に入力された商用周波数の交流電源電圧Ｅは、一対の
サイリスタ１４，１６からなるコンタクタを介して溶接
トランス１８の一次コイルに供給される。溶接トランス
１８の二次コイルに発生した交流の誘導起電力（二次電
圧）は二次ケーブル２０，２２および溶接ヘッド２４を
介して被溶接材２６，２８に印加され、二次回路に溶接
電流ｉ2 が流れる。この抵抗溶接機においても、図７の
溶接ロボットと同様に、溶接ヘッド２２はロボット（図
示せず）に搭載され、溶接トランス１８はロボットとは
別個の場所に設置されてよい。

【００１５】この抵抗溶接機において、二次回路を流れ
る溶接電流ｉ2 の大きさ（実効値）は、点弧角によって
決まる。そこで、マイクロプロセッサ３０により点弧回
路３２を介してサイリスタ１４，１６の点弧タイミング
を制御することで、溶接電流ｉ2 の実効値を制御するよ
うにしている。

【００１６】二次回路で溶接電流ｉ2 が流れている間、
一次回路ではｉ2 と同相の小さな電流（一次電流）ｉ1
が流れる。本実施例では、この一次電流ｉ1 の導通終了
時点を検出するためのゼロ電流検出回路３４がサイリス
タ１４，１６のアノード・カソード間に接続される。こ
のゼロ電流検出回路３４は、電流ｉが流れるとサイリス
タ電圧が下がり、電流ｉが止まるとサイリスタ電圧が上
がるという現象に基づき、逆にサイリスタ電圧の変化か
ら各半サイクル毎または各１サイクル毎の一次電流ｉ1
の導通終了時点を検出する。そして、その導通終了時点
のタイミングを表すゼロ電流検出信号をマイクロプロセ
ッサ３０に与える。

【００１７】また、ゼロ電圧検出回路３６が入力端子１
０，１２間に接続される。このゼロ電圧検出回路３６
は、各半サイクル毎または各１サイクル毎に電源電圧Ｅ
の極性が変わる時点（ゼロクロス点）を検出し、そのゼ
ロクロス点のタイミングを表すゼロ電圧検出信号をマイ
クロプロセッサ３０に与える。

【００１８】マイクロプロセッサ３０は、ゼロ電圧検出
回路３６からのゼロ電圧検出信号とゼロ電流検出回路３
４からのゼロ電流検出信号とを基に力率角を算出する。
図２〜図４を参照して、以下に本実施例における力率角
の算出方法を説明する。

【００１９】図２は、交流式抵抗溶接機の等価回路を示
す。この回路において、インダクタンスＬは主として溶
接トランス（１８）の漏れリアクタンスであり、抵抗Ｒ
は一次および二次導体の抵抗、および被溶接材（２６，
２８）の抵抗等を含む合成抵抗である。スイッチＳＷは
サイリスタ・コンタクタ（１４，１６）に対応し、交流
電源電圧ｅは入力電圧Ｅに対応する。

【００２０】かかるＬＲ回路において、ある時刻［０］
にスイッチＳＷを閉成すると、図３に示すような波形の
電流ｉが流れる。図３において、ｉs は定常電流、ｉt
は過渡電流で、これらの電流ｉs 、ｉt を合成したもの
が、実際に流れる電流ｉである。また、時刻［０］と直
前の電圧ゼロクロス点ＴZ 間の位相角φは初期点弧角で
あり、定常電流ｉs が時刻［０］前に流れた場合の直前
の仮想電流ゼロクロス点ＴP と電圧ゼロクロス点ＴZ 間
の位相角ψは力率角である。そうすると、電流ｉは次式
のように表される。 ｉ＝ｉs ＋ｉt ＝ｓｉｎ（ωｔ＋φ−ψ）−ｓｉｎ（φ−ψ）・ｅｘｐ（−Ｒ／Ｌ）ｔ …… (1) ω、（−Ｒ／Ｌ）は定数で、φはマイクロプロセッサ３
０の制御下にあるから任意の半サイクルまたは任意の１
サイクルの期間中に電流ｉの瞬時値が零になった時間ｔ
を検出して、その時間ｔを上式(1) に代入することによ
り、任意の半サイクルまたは１サイクルにおける力率角
ψを求めることができる。

【００２１】しかし、本実施例では、より簡単でより高
速な演算方法を用いる。すなわち、図４に示すような電
圧・電流の波形に基づき、以下に述べるようにして任意
の半サイクルまたは１サイクルにおける力率角ψを求め
る。

【００２２】図４において、φi,φi+1,…は各１サイク
ルにおける点弧角で、δi,δi+1,…は各１サイクルにお
ける遅れ角である。各点弧角φi,φi+1,…は、電圧ｅの
極性が変わる電圧ゼロクロス点からサイリスタ１２，１
４が点弧されるまでの時間である。したがって、マイク
ロプロセッサ３０は、ゼロ電圧検出回路３６の検出した
電圧ゼロクロス点の時刻を知ることで、各点弧角φi,φ
i+1,…の値を管理・把握することができる。

【００２３】また、各遅れ角δi,δi+1 …と電流ｉとの
間には、位相角が（π＋δi),(π＋δi+1)、…の時に各
半サイクルにおける電流ｉの導通時間が終了するという
関係がある。そして、各遅れ角δi,δi+1 …は、点弧タ
イミングから半サイクル後における電圧ゼロクロス点と
その直後に電流ｉの瞬時値が零になる時点との間の時間
として測定できる。

【００２４】したがって、ゼロ電圧検出回路３６からの
ゼロ電圧検出信号とゼロ電流検出回路３４からのゼロ電
流検出信号とに基づいて、任意の半サイクルまたは１サ
イクルにおける点弧角φおよび遅れ角δを検出し、それ
らのパラメータφ，δから上式(1) を演算して任意の半
サイクルまたは１サイクルにおける力率角ψを求めるこ
とができる。

【００２５】もっとも、上式(1) を演算して力率角ψを
算出するには、相当な演算ビット数と演算時間を要する
ので、マイクロプロセッサ３０の負担が大きくなる。こ
の問題を解決するには、たとえば、種々の点弧角φおよ
び遅れ角δの値に対応する力率角ψの値を予め別個の計
算機によって演算し、その演算した力率角の値を図５に
示すようなルック・アップ・テーブルの形式でメモリ３
８に格納しておき、任意の半サイクルまたは１サイクル
で点弧角φi および遅れ角δi を検出したならそれらの
パラメータφi,δi を引数（アドレス）として、該ルッ
ク・アップ・テーブルからφi,δiに対応する力率角ψi
jを引き出す（読み出す）ようにすればよい。これによ
って、マイクロプロセッサ３０は、複雑な演算処理を行
わずに力率角ψを求めることができる。

【００２６】マイクロプロセッサ３０は、定期的に、た
とえば各溶接通電毎に、所定の半サイクルまたは１サイ
クルのサンプル値として、あるいは複数の半サイクルま
たは１サイクルの平均値として、力率角ψを求める。そ
して、その求めた力率角ψの値をメモリ３８に逐次書き
込む。

【００２７】溶接通電が何度も繰り返されるうち、二次
ケーブル２０，２２の導体が次第に金属疲労を起こし、
その抵抗値が増大する。したがって、図６に示すよう
に、溶接通電回数（累積値）が増すにつれて力率角ψの
値が小さくなる。マイクロプロセッサ３０は、各溶接通
電毎に求めた力率角ψの値、あるいは力率角ψの移動平
均値が設定値ψs まで減少したならば、二次ケーブル２
０，２２の抵抗値が限界値まで増大したもの、つまり二
次ケーブル２０，２２の劣化具合が限界レベルに達した
ものと判定して、表示器４０等を通じて警報を出し、作
業員等に二次ケーブル２０，２２の修理・交換を促す。

【００２８】本実施例の二次ケーブル劣化検出方法によ
れば、二次ケーブル２０，２２の劣化具合を自動的に検
出するので、作業員の定期点検が不要であり、自動化・
省力化に寄与することができる。

【００２９】また、本実施例では、ゼロ電圧検出回路３
６およびゼロ電流検出回路３４をそれぞれ一次回路に設
け、一次側の電圧、電流を監視して力率角を求め、力率
角の変化に基づいて二次ケーブル２０，２２の劣化具合
を検出するようにした。これにより、二次ケーブル２
０，２２や溶接ヘッド２４にトロイダルコイル等を設け
たり、電圧センス線を接続したりする必要がない。した
がって、ロボットや加圧機構の駆動によって溶接ヘッド
２４が運動・移動しても、センス線断線等の事故は起こ
らない。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の二次ケー
ブル劣化検出方法は、電圧ゼロクロス点と電流導通終了
時点とから力率角を求め、力率角に基づいて二次ケーブ
ルの劣化具合を自動的に検出するようにしたので、二次
ケーブルの劣化による溶接品質の低下やケーブル断線事
故等を未然に防止することができる。また、一次回路の
電圧と電流から力率角を求めることで、溶接ロボット等
によって溶接ヘッドを移動・運動させても、センス線の
断線事故等のおそれはなく、安全確実に二次ケーブルの
劣化具合を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例による二次ケーブル劣化検出
方法を実施する単相交流式抵抗溶接機の回路構成を示す
ブロック図である。

【図２】交流式抵抗溶接機の等価回路を示す回路図であ
る。

【図３】図２の等価回路における電圧および電流の波形
を示す図である。

【図４】実施例による簡易な力率算出方法を説明するた
めの電圧および電流の波形を示す図である。

【図５】任意のサイクルで検出された点弧角φおよび遅
れ角δから力率角ψを瞬時に求めるためのルック・アッ
プ・テーブルを概念的に示す図である。

【図６】溶接通電回数（累積値）の増大につれて力率角
の値が小さくなる様子を示す図である。

【図７】二次ケーブルを用いる抵抗溶接機の典型例とし
て溶接ロボットを示す斜視図である。

【符号の説明】

１８ 溶接トランス ２０ 二次ケーブル ２２ 二次ケーブル ２４ 溶接ヘッド ３０ マイクロプロセッサ ３４ ゼロ電流検出回路 ３６ ゼロ電圧検出回路 ３８ メモリ ４０ 表示器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 抵抗溶接機の二次回路に設けられた二次
   ケーブルの劣化具合を検出する方法において、 前記抵抗溶接機の一次回路または二次回路に印加される
   交流電圧の極性が変化する時点を検出する第１のステッ
   プと、 前記抵抗溶接機の一次回路または二次回路に流れる交流
   電流の導通終了時点を検出する第２のステップと、 前記第１のステップで得られたゼロ電圧検出信号と前記
   第２のステップで得られたゼロ電流検出信号とに基づい
   て力率角を求める第３のステップと、 前記第３のステップで得られた力率角に基づいて前記二
   次ケーブルの劣化具合を検出する第４のステップと、を
   含むことを特徴とする二次ケーブル劣化検出方法。