JPH09168867A - 抵抗溶接機の制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 抵抗溶接、特にスポット溶接において、溶接
電流、通電時間、電極加圧力を入力しなくても、常に所
定のナゲットを確実に生成することができる制御装置を
得ることを目的とする。 【解決手段】 ナゲット設定部１２と、現在ナゲット推
算手段１４と、ナゲット成長予測手段１５と、電流制御
判断手段１７と、制御部１８とを設けることにより、溶
接作業者が溶接電流や通電時間などの溶接条件を、溶接
条件表を参照して、またはそれを経験で修正して入力し
なくても、要求するナゲットを直接入力することで条件
設定が可能となり、溶接作業者への要求熟練度を軽減で
きるばかりでなく、溶接期間中ナゲットの成長経過を予
測してその順否を判断して溶接途中で溶接電流の制御が
実行されるので、常に所定の強度を持つナゲットを生成
することができる抵抗溶接機の制御装置が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、抵抗溶接機、特に
スポット溶接機の制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】鋼板などの重ね溶接に用いられる抵抗溶
接機において、品質の安定した溶接が要求されるときに
は、抵抗溶接における３大パラメータである溶接電流と
通電時間と電極加圧力を被溶接材に合わせて経験に基づ
く推奨条件にダイヤル設定して溶接することに代えて、
これらのパラメータを検出しフィドバック制御しながら
溶接することが一般的となっている。

【０００３】近年、一層の品質向上が要求されるように
なり、溶接結果であるナゲットを直接モニタリングしつ
つ制御することが試みられ、その技術が特開平４−１７
８２７５号公報によって開示されている。

【０００４】以下、この特開平４−１７８２７５号公報
によって開示された従来の抵抗溶接機の制御装置につい
て図面を参照しながら説明する。

【０００５】図４において、２１は抵抗溶接電源、２２
は溶接電源２１の制御部、２３は溶接電流検出部、２４
は二次導体、２５は下部ア−ム、２６は被溶接材、２７
は電極、２８は加圧シリンダ、２９は上部ア−ム、３０
は電空比例弁、３１は圧力センサ、３２は電空比例弁３
０の制御部、３３は電極間電圧の検出ケ−ブル、３４は
電極移動量の検出器、３５は電極加圧力、電極移動量、
電極間電圧および溶接電流のハ−ド的な信号処理部、３
６は通電径、ナゲットおよび入熱密度の推算部、３７は
溶接電流値と電極加圧力の制御信号の作成部である。

【０００６】以上のように構成された従来の抵抗溶接機
の制御装置について、以下、図５に示したフローチャー
トを用いてその動作を説明する。まず最初に、被溶接材
２６の板厚と重ね枚数および材質を入力する（１０
１）。つぎに溶接を開始する（１０２）が、通電に先立
ちまず電極２７を加圧して、総板厚の確認をするととも
に、実加圧力と電極２７の移動量との関係を計測して、
板の合いが充分確保できる電極加圧力値を設定する（１
０３）。この板厚と重ね枚数をもとに、あらかじめ数値
計算と実験によって決められている、好ましい標準入熱
密度パターンと標準通電径増大パターンを選定する（１
０４）。この標準パターンの選定は、実際の溶接時に入
熱密度の時間変化と通電径の増大が、この標準パターン
に一致するように制御するために選定するものである。

【０００７】ここで通電を開始する（１０５）。そして
後述する入熱密度制御を実行しながら、同時に時時刻刻
のナゲット径を数値計算シミュレータ中でモニタリング
し（１１２）、推定ナゲット径が要求ナゲット径より大
きくなったとき（１１３）、通電を終了する（１１４）
ことによって良好な溶接部を信頼性を持って実現できる
ようにしている。

【０００８】つぎに、ナゲット径の数値計算シミュレー
ションと入熱密度制御について説明する。通電開始から
溶接通電中、電極間電圧と溶接電流値を検出し（１０
６）、この検出値を（数１）に代入して通電径を算出す
る（１０７）。

【０００９】

【数１】

【００１０】このとき（数１）に必要な溶接部の平均固
有抵抗ρm は溶接部の平均温度によって決定するが、通
電開始時（ｔ＝０）には室温の固有抵抗値ρm0であり、
微小時間Δｔの間は温度は一定と考える。つぎに、今算
出した通電径と検出した溶接電流値を（数２）に代入し
てΔｔ秒後の温度分布を求める。

【００１１】

【数２】

【００１２】この温度分布からΔｔ秒後のρm1が定まる
から、このρm1をふたたび（数１）に代入してさらにΔ
ｔ秒後の通電径を算出することができる。このようにし
て通電開始から任意の時刻までの時時刻刻の通電径と温
度分布、入熱密度が求められる（１１０）。また、各半
径位置での加熱開始遅れ時間を考慮して正確なナゲット
径が推定できる。そしてここで求められた通電径と入熱
密度の値を、（１０４）で選定した好ましい標準入熱密
度パターンと標準通電径増大パターンに一致するように
溶接電流や電極加圧力を制御する（１１１）。

【００１３】電極移動量の検出（１０８）は、（１０
７）で算出する通電径の、特に通電初期に生じやすいエ
ラーを確認し修正する（１０９）ために実行するもの
で、検出した電極移動量を（数３）に代入して溶接部の
平均温度を算出し、さきに算出した当該時点での平均温
度分布を修正する。

【００１４】

【数３】

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記の従
来の構成では、溶接中の溶接部の平均温度、通電径を順
に同定し、この通電径とこれから求まる発熱密度とに対
比する標準通電径増大パターンおよび標準発熱密度パタ
ーンとを、あらかじめ定める煩わしさがあるという問題
点があった。また、この標準通電径増大パターンおよび
標準発熱密度パターンに対比した結果を用いて溶接電流
と電極加圧力をリアルタイムに適応制御するため、制御
装置が複雑で高価になるという問題点もあった。

【００１６】本発明は上記の従来の問題点を解決するも
ので、所定のナゲットを確実に得ることができる、簡単
で安価な抵抗溶接機の制御装置を提供することを目的と
する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の抵抗溶接機の制御装置は、設定ナゲット入力
手段と、現在ナゲット推算手段と、現在時刻以後のナゲ
ットの成長曲線と所要通電時間を予測するナゲット成長
予測手段と、この予測した所要通電時間が推奨通電時間
と等しくなるように溶接電流を制御する制御信号を発生
する電流制御判断手段と、溶接電流を制御する制御手段
とを備えた構成を有している。

【００１８】

【発明の実施の形態】上記構成において、溶接作業者は
溶接条件として溶接電流や通電時間に代えて設定ナゲッ
ト入力手段により要求ナゲットを入力する。通電が開始
されると現在ナゲット推算手段は、溶接によって成長し
つつある時時刻刻の現在ナゲットを推算する。ナゲット
成長予測手段は、現在ナゲット推算手段が推算した時時
刻刻の現在ナゲットをナゲットの成長履歴として記憶す
るとともに、その成長履歴から現在時刻以後のナゲット
の成長曲線を予測し、このナゲットの成長予測曲線と設
定ナゲットを比較して所要通電時間を予測する。電流制
御判断手段は、この予測された所要通電時間が推奨通電
時間と等しくなるように溶接電流を制御する制御信号を
発生する。制御手段は、この電流制御信号により溶接電
流を制御するとともに前記通電停止信号により溶接電流
の通電を停止するので、溶接作業者は要求ナゲットを入
力するだけで、所定の要求ナゲットを確実、かつ、簡単
に得ることができる。

【００１９】以下、本発明の実施の形態について図面を
参照しながら説明する。図１において、１は被溶接材、
２は被溶接材１を挟み加圧機構（図示せず）により加圧
される溶接電極、３は溶接電源、４は制御装置、５は溶
接電流を検出するトロイダルコイル、６は電極間電圧検
出線、７は溶接電極間距離を検出する距離検出器であ
る。８はトロイダルコイル５、電極間電圧検出線６、距
離検出器７の出力を演算可能なデータ信号に変換する検
出部、９は入力キー１０とあらかじめ各被溶接材につい
て推奨溶接条件を記憶してある推奨条件テーブル１１を
備えた条件設定部、１２はナゲット設定部、１３は現在
ナゲット推算手段１４とナゲット成長予測手段１５を備
えた演算部、１６は通電停止判断手段、１７は電流制御
判断手段、１８は制御部で、本実施例では電流制御はサ
イリスタによる位相制御を使用した。また、１９は現在
ナゲット推算手段１４が推算する現在ナゲット径を被溶
接材に関する情報によって補正するための補正テーブ
ル、２０は赤ランプとブザーを備えた異常警告手段であ
る。

【００２０】以上のように構成された抵抗溶接機の制御
装置について、図２を用いてその動作を説明する（括弧
内の数字は図２中の番号を示す）。まず、条件設定部９
の入力キー１０により設計書で与えられた被溶接材１に
関する情報（材質、板厚、重ね枚数など）および、使用
する溶接電極２に関する情報（材質、先端形状など）を
入力する（１）、（２）。条件設定部９は推奨条件テー
ブル１１を参照して初期溶接条件を設定する（３）。つ
ぎに、品質を確保するための所望のナゲット径をナゲッ
ト設定部１２により入力して設定する（４）。以上の準
備作業の後、上下の溶接電極２の間に被溶接材１を挟み
加圧した後に溶接を開始する（５）。この溶接開始直後
の溶接電流は先に設定した初期溶接条件で与えられる
（６）。溶接電流が通電され始めると、時時刻刻の溶接
電流、電極間電圧および電極間距離がトロイダルコイル
５、電極間電圧検出線６および距離検出器７を経て検出
部８によりデータ信号に変換され演算部１３に入力され
る（７）。

【００２１】演算部１３では、まず、現在ナゲット推算
手段１４が公知の方法で時時刻刻の現在ナゲット径を推
算する（８）。本実施例では、図５の（１０６）から
（１１０）で説明した従来例と同様の方法で通電径と温
度分布および入熱密度を求めて、ナゲット径を推算して
いる。このナゲット径の推算にあたっては、入力された
被溶接材１に関する情報により、補正テ−ブル１９を参
照して補正する（９）。この現在ナゲット推算手段１４
が推算した時時刻刻の現在ナゲット径寸法は、通電停止
判断手段１６と電流制御判断手段１７に伝えられる。

【００２２】通電停止判断手段１６は、この時時刻刻の
現在ナゲット径寸法を最初に設定した所望のナゲット径
と比較し、現在ナゲット径が所望のナゲット径と等しく
なったときに通電停止信号を発して制御部１８に伝える
（１２）。制御部１８はこの通電停止信号を受けてサイ
リスタの導通を停止しこれにより溶接電流が遮断され溶
接が完了する（１７）。

【００２３】異常警告手段２０は、通電開始時から通電
停止信号が発生するまでの全通電時間を、当初条件設定
部９が設定した推奨条件である初期溶接条件の通電時間
と比較して、所定の許容範囲内にないときには、被溶接
材の溶接部分の状態が極端に悪い、あるいは、溶接電極
の損耗が著しいなどの異常があったと判断してブザーと
赤ランプにより警告する（１８）。

【００２４】一方、ナゲット成長予測手段１５は、通電
開始直後からの現在ナゲット寸法を記憶してナゲットの
成長履歴曲線を得るとともに、その成長履歴曲線を外挿
して現在時刻以後のナゲットの成長を予測したナゲット
の成長予測曲線を得る（１４）。このナゲット成長曲線
の例を図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した。図３
（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の横軸は通電経過時間で、縦軸
はナゲット径および溶接電流である。tnは予測を実行し
ている現在時刻で、通電開始直後からtnまでのナゲット
の成長履歴曲線を実線で、tn以後の成長予測曲線を破線
で示した。

【００２５】電流制御判断手段１７は、このナゲット成
長予測曲線に、最初に設定した所望のナゲット径の値
を、横軸に平行な直線で示すように重ねることにより溶
接完了時刻を推定し、これにより予測できる全通電時間
teを、当初条件設定部９が設定した推奨条件である初期
溶接条件の通電時間tsと比較して、現在のナゲット成長
経過が順調であるか否かを判断する。図３（ａ）に示し
たように、この予測した全通電時間teと設定した推奨通
電時間tsの比がほぼ１で所定の範囲内にあれば、このま
ま溶接を続行して完了する。もし図３（ｂ）に示したよ
うにこの比が１より小さいときは溶接電流が適正値より
大きいと判断し、図３（ｃ）に示したようにこの比が１
より大きいときは溶接電流が適正値より小さいと判断す
る。さらに電流制御判断手段１７は、現在時刻tnが所定
の制御時刻tcに至った時点で、前記判断結果に基づい
て、以後のナゲットの成長曲線が一点鎖線で示した曲線
となるように溶接電流を増大または減少するような制御
信号を制御部１８に出力する。制御部１８はこの電流制
御信号を受けてサイリスタの導通位相を制御して、溶接
電流の減少制御（第１制御（図３（ｂ）））または増大
制御（第２制御（図３（ｃ）））を実施する（１６）。
これによりナゲットの成長経過は順調になり、高品質の
溶接が得られる。

【００２６】この溶接電流の制御を、１回の溶接期間中
に繰り返し実施すればナゲットの成長経過は一層順調に
なるが、ナゲット成長予測曲線は成長履歴曲線を外挿し
て予測するから、通電開始から予測時間tnまでの間に溶
接電流の値が変動すると外挿演算が複雑になり、ナゲッ
トの成長の予測精度が低下する。発明者らの検証結果に
よれば、１回の溶接期間中の電流制御は１回ないし２回
が適当で通常は１回で充分の品質が得られている。本実
施例では、１回の溶接につき、この電流制御を１回実施
した。

【００２７】また、ナゲット成長予測曲線は溶接の進行
とともに修正され予測精度が向上するから、ナゲット成
長経過の順否の判断を全通電時間のあまりに早い時点で
実施することは好ましくないが、溶接電流の制御は早い
ほど優れた溶接品質をもたらすことが容易に考えられ
る。発明者らの検証結果によれば、制御時刻tcは推奨通
電時間tsの１／３以上１／２以下の時点とするのがもっ
とも適切であった。

【００２８】さきに動作を説明した異常警告手段２０
は、予測した全通電時間teと設定した推奨通電時間tsの
比が１から極端に離れているときにも、同様に被溶接材
の溶接部分の状態が極端に悪い、あるいは、溶接電極の
損耗が著しいなどの異常があると判断してブザーと赤ラ
ンプにより警告する。

【００２９】以上のように本実施例によれば、入力キー
１０と推奨条件テーブル１１を備えた条件設定部と、ナ
ゲット設定部１２と、現在ナゲット推算手段１４と、ナ
ゲット成長予測手段１５と、通電停止判断手段１６と、
電流制御判断手段１７と、制御部１８と、補正テーブル
１９と、異常警告手段２０を設けることにより、溶接作
業者が溶接電流や通電時間などの溶接条件を、溶接条件
表を参照して、またはそれを経験で修正して入力しなく
ても、要求するナゲットを直接入力することで条件設定
が可能となり、溶接作業者への要求熟練度を軽減できる
ばかりでなく、溶接期間中ナゲットの成長経過を予測し
てその順否を判断して溶接途中で溶接電流の制御が実行
され、かつ、ナゲットが要求ナゲットに達したときに通
電が停止されるので、常に所定の強度を持つナゲットを
生成することができる。

【００３０】なお、図１において、溶接電流の検出はト
ロイダルコイル５によるとしたが、電流シャントを使用
してもよく、また、溶接電源トランスの１次側電流を測
定して溶接電流を検出してもよい。

【００３１】また、本実施例では初期溶接条件は、推奨
条件テーブル１１を参照して、条件設定部９が自動的に
設定するとしたが、操作者が手動で直接入力して設定し
てもよい。

【００３２】また、溶接電流は、基本的には定電流方式
としたが、通電開始時のアップスロープや、ナゲットの
成長が安定した後の電流増加など公知のパターン制御方
式とすることを妨げるものではない。

【００３３】なおまた、本実施例では１回の溶接期間中
の電流制御は１回ないし２回が適当としたが、電流制御
の回数を制限するものではない。また、溶接中の電流制
御は行わず、次の溶接点以後の設定溶接電流を変更制御
してもよい。

【００３４】また、制御時刻tcは推奨通電時間tsの１／
３以上１／２以下とするのがもっとも適切としたが、１
／３以上１／２以下に制限するものではなく、また、制
御時刻tcを、ナゲットの生成が最初に確認できた時点
（図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のt0）からカウントして
所定の値に達した時点とするなどの他の決め方によるこ
ともできる。

【００３５】なお、本実施例では通電の停止は、通電停
止判断手段１６が現在ナゲットを設定ナゲットと比較し
て通電停止信号を発して行うとしているが、溶接電流の
増大または減少制御をしているから、推奬条件である通
電時間tsで一様に停止しても同様の効果が期待できる。

【００３６】なおまた、本実施例では現在ナゲット径の
推算は図５の（１０６）から（１１０）で説明した従来
例と同様の方法で通電径と温度分布および入熱密度を求
めて実行しているが、溶接中の溶接電流、電極間電圧お
よび電極間距離のうち少なくとも１つを検出して、その
値の、またはその組み合わせの値の（例えば、電圧を電
流で除算して求めた抵抗値の）経時変化とナゲットの成
長との相関関係によりナゲット径を推定する他の方法で
推算することを妨げるものではない。

【００３７】また、本実施例ではナゲットの大きさをナ
ゲットの直径で表して設定、推算または予測などを行っ
たが、厚さまたは体積や、温度分布範囲を用いて行って
もよい。

【００３８】なおまた、本実施例ではサイリスタによる
制御方式を用いたが、インバ−タ方式など。その他の制
御方式を用いても良い。

【００３９】

【発明の効果】以上のように本発明は、設定ナゲット入
力手段と、現在ナゲット推算手段と、現在時刻以後のナ
ゲットの成長曲線と所要通電時間を予測するナゲット成
長予測手段と、この予測した所要通電時間が推奨通電時
間と等しくなるように溶接電流を制御する制御信号を発
生する電流制御判断手段と、溶接電流を制御する制御手
段を備えることにより、溶接作業者が溶接電流や通電時
間などの溶接条件を、溶接条件表を参照して、またはそ
れを経験で修正して入力しなくても、要求するナゲット
を直接入力することで条件設定が可能となり、溶接作業
者への要求熟練度を軽減できるばかりでなく、被溶接材
の加工精度や溶接電極の損耗などがあっても、常に所定
の強度を持つナゲットを生成することができる優れた抵
抗溶接機の制御装置を提供できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例における抵抗溶接機の制御装置
の構成を示すブロック図

【図２】同実施例における制御手順を示すフロ−チャ−
ト

【図３】（ａ）同実施例におけるナゲット成長曲線と溶
接電流を示す、制御を行わない場合の特性図 （ｂ）同実施例におけるナゲット成長曲線と溶接電流を
示す第１制御特性図 （ｃ）同実施例におけるナゲット成長曲線と溶接電流を
示す第２制御特性図

【図４】従来の溶接機の制御装置の構成を示すブロック
図

【図５】従来の溶接機の制御装置の制御手順を示すフロ
ーチャート

【符号の説明】

５ トロイダルコイル（検出手段） ６ 電極間電圧検出線（検出手段） ７ 距離検出器（検出手段） ９ 条件設定部（溶接条件設定手段） １０ 入力キ−（条件入力手段） １１ 推奨条件テ−ブル（推奨条件記憶手段） １２ ナゲット設定部（設定ナゲット入力手段） １４ 現在ナゲット推算手段 １５ ナゲット成長予測手段 １６ 通電停止判断手段 １７ 電流制御判断手段 １８ 制御部（制御手段） １９ 補正テーブル ２０ 異常警告手段

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 設定ナゲット入力手段と、現在ナゲット
   推算手段と、現在時刻以後のナゲットの成長曲線と所要
   通電時間を予測するナゲット成長予測手段と、この予測
   した所要通電時間が推奨通電時間と等しくなるように溶
   接電流を制御する制御信号を発生する電流制御判断手段
   と、溶接電流を制御する制御手段とを備えた抵抗溶接機
   の制御装置。
2. 【請求項２】 現在ナゲット推算手段が推算した現在ナ
   ゲットが、設定ナゲット入力手段により設定した設定ナ
   ゲットと等しくなったときに通電停止信号を発生する通
   電停止判断手段を備えた請求項１記載の抵抗溶接機の制
   御装置。
3. 【請求項３】 溶接中の溶接電流、電極間電圧および電
   極間距離の少なくとも一つを検出する検出手段を備え
   て、現在ナゲット推算手段が前記検出手段が検出した溶
   接中の溶接電流、電極間電圧および電極間距離の少なく
   とも一つの経時変化から溶接によって成長しつつある現
   在ナゲットを推算する請求項１または２のいずれかに記
   載の抵抗溶接機の制御装置。
4. 【請求項４】 被溶接材に関する情報を入力する条件入
   力手段と推奨条件記憶手段とを有し、被溶接材に適した
   初期溶接条件を自動的に設定する溶接条件設定手段を備
   えた請求項１、２または３のいずれかに記載の抵抗溶接
   機の制御装置。
5. 【請求項５】 現在ナゲット推算手段が、被溶接材に関
   する情報によって推算する現在ナゲットを補正する補正
   テーブルを有している請求項４記載の抵抗溶接機の制御
   装置。
6. 【請求項６】 ナゲット成長予測手段が予測した所要通
   電時間、もしくは、通電開始時から通電停止信号が発生
   するまでの時間と推奨通電時間の差または比の値が所定
   の範囲内にないときには、異常と判断して警告を発する
   異常警告手段を備えた請求項１、２、３または４のいず
   れかに記載の抵抗溶接機の制御装置。