JP2825708B2 - 抵抗溶接制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、溶接トランスの２次側
回路に一対の溶接電極を設け、この溶接電極間に被溶接
材を挟み、１次側回路に溶接電流を通電することによっ
て該被溶接材に抵抗発熱を生じさせて溶接を行う形式の
溶接機のための制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記溶接機の場合、溶接電流が小さすぎ
れば充分に溶接されず、また溶接電流が大きすぎるとチ
リ（またはスパッタ）が発生して溶接部の外観が低下す
る問題等が生じる。このため溶接電流を適値に調整する
必要がある。また繰返し溶接をすすめていくと、溶接電
極の形状が変化するため、それに追従して溶接電流の適
値も変化してゆく。従って溶接機の制御装置には、その
状態における溶接電流の適値を求め、求められた値に溶
接電流を調整する機能が求められる。

【０００３】上記制御を行なうためには、電極間抵抗を
測定することが有効であり、この電極間抵抗が所定の変
化をするように溶接電流を調整する技術が提案されてい
る。これは特公昭６２−１８２７３号公報に開示されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記した従来技術の場
合、１次側電流と電極間電圧を測定し、これから電極間
抵抗を算出する。そのために、従来の技術では電極間に
亘って電圧測定装置を付加する必要がある。しかしなが
ら、電極間に電圧測定装置を付加するためには電極を保
持するガンに特別加工を施してリード線を取付けなけれ
ばならない。またガンは溶接治具の奥深くに位置してい
る場合が多く、メインテナンスが困難である。さらにま
たリード線が、ガンやワークの移動で傷ついたり、ある
いは溶接中に発生するチリによって損傷することが多
い。このため、溶接機が多用される生産ラインの現場で
は電極間抵抗によって溶接機を制御する方法はほとんど
採用されていない。

【０００５】また従来の電極間抵抗を指標として制御す
る技術では、予め目標となる値やあるいはカーブを設定
しておいて、この目標と一致するように溶接電流を制御
する。しかしながら実際には、ワーク厚、ワークのメッ
キ層厚等がばらつき、目標と一致するように制御しても
必ずしも適正に溶接されないことがある。そこで本発明
では、電極間抵抗を算出するにあたって、信頼性、操作
性を損わないこと、ならびに電極間抵抗に基づいてより
確実に適正溶接が実行されるようにする制御装置を開発
しようとするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】そのために本発明では、
その概念が図１に模式的に示されている抵抗溶接制御装
置、すなわち、溶接トランスＢの１次側電流の時間変化
率が略零となるタイミングを検出する手段Ｄ、該タイミ
ング検出手段Ｄで該タイミングが検出された時の該溶接
トランスＢの１次側電流値と１次側電圧値を測定する手
段Ｅ、該測定手段Ｅで測定された１次側電流値と１次側
電圧値と該溶接トランスの特性値とから２次側回路の抵
抗値を演算する手段Ｆ、該演算手段Ｆで演算された２次
側回路の抵抗値の所定時間毎の変化量を演算する手段
Ｇ、該変化量演算手段Ｇで演算された変化量に関する量
を、チリ発生時の変化量に関する量とチリ非発生時の変
化量に関する量の中間量と比較してチリの発生の有無を
判別する手段Ｈ、該判別手段Ｈで判別されたチリの発生
回数と最適溶接時のチリ発生回数と比較し、前者が後者
よりも大きければ溶接電流を低下し、前者が後者よりも
小さければ溶接電流を増大させる溶接電流調整手段Ｉと
を有する抵抗溶接制御装置を創出した。

【０００７】

【作用】本発明によると、２次側抵抗値演算手段Ｆによ
って２次側抵抗値が演算される。ここで２次側抵抗値を
演算するために用いる値は１次側の電流値と１次側の電
圧値であり、２次側に測定装置を付加する必要はない。
このため信頼性・メインテナンス性等が改善される。ま
た操作性も損われない。

【０００８】また本発明によると２次側抵抗値の変化量
が手段Ｇによって演算される。ここで２次側抵抗値は、
溶接トランスの内部抵抗ＲＴ、溶接ケーブルの抵抗Ｒ
Ｃ、ガンの抵抗ＲＧと電極間抵抗（すなわちワーク抵
抗）ＲＷの総和となっており、必ずしもワーク抵抗でな
い。ただし前記のうちＲＴ，ＲＣ，ＲＧは溶接中あまり
変化せず、ＲＷのみがそれらに比して大きく変動する。
そのため手段Ｇで２次側抵抗値の変化量が演算される
と、演算された値はワーク抵抗ＲＷの変化量にほぼ相当
することになる。

【０００９】ワーク抵抗ＲＷは溶接中チリが発生すると
そのとき大きく低下することが知られている。これに対
してチリが発生しなければゆるかやに低下する。そこで
ワーク抵抗ＲＷの変化量を、チリ発生時の大変化量より
は小さくチリ非発生時の小変化量よりは大きい中間量と
比較することによって、チリが発生したか否かの推定が
正確になし得る。このために手段Ｈによってチリの発生
の有無が正確に判別される。

【００１０】最適溶接はチリが発生しない範囲内で最大
溶接電流を流したときに実現される。このようにすると
最短時間で溶接できる。しかしながら、適度にチリが発
生する程度の溶接電流を流しても溶接部外観は悪化せ
ず、適正に溶接することができる。本発明の手段Ｉで
は、かかる知見に基づき、最適チリ発生回数となるよう
に溶接電流を調整する。このため本装置によると、実際
のチリ発生回数が最適チリ発生回数となるように制御さ
れるため、確実に適正溶接が確保される。

【００１１】

【実施例】次に本発明の一実施例を図２以後を参照して
説明する。図２は本実施例に係わる制御装置を組込んだ
溶接機の全体構成を示している。図中２は商用電源であ
り、図中１０は溶接トランスである。溶接トランス１０
と電源２との間には、溶接電流を調整する機能と溶接電
流の通電と停止を切換える機能を有する調整機８が設け
られている。溶接トランスの２次側には溶接ケーブル１
６を介して一対の電極１２，１４が接続されており、該
一対の電極１２，１４間に被溶接物Ｗが狭持される。

【００１２】溶接トランス１０の１次側には、溶接電流
ｉの検出用空芯トランス４が付加されている。この空芯
トランス４からは溶接電流ｉの時間微分値ｄｉ／ｄｔに
相当する電圧が出力される。また溶接トランス１０の１
次側には降圧トランス６も付加されており、この降圧ト
ランス６は１次側電圧Ｖに相当する電圧を出力する。

【００１３】１次側電流（溶接電流）検出用トランス４
の信号は、積分回路１８と、１次側電流の時間変化率ｄ
ｉ／ｄｔがほぼゼロとなるタイミングを検出する回路２
４に入力される。積分回路１８は、１次側電流検出用ト
ランス４から出力される１次側電流の時間変化率ｄｉ／
ｄｔを積分することによって、１次側電流ｉに相当する
信号を出力する。タイミング検出回路２４は１次側電流
検出用トランス４から出力される値をゼロに近い小さな
値と比較し、前者が後者以下であるときにオン信号を出
力する。

【００１４】図８は１次側の電流と電圧の波形の典型例
を示しており、半サイクルに一度１次側電流の時間変化
率ｄｉ／ｄｔが略ゼロとなる。タイミング検出回路２４
はタイミングＴ１，Ｔ２を検出し、そのときにオン信号
を出力するのである。

【００１５】タイミング検出回路２４の信号はサンプル
ホールド回路２０に入力される。このサンプルホールト
回路２０は、タイミング検出回路２４からオン信号が送
られてきたときの積分回路１８の出力値をホールドす
る。このためサンプルホールド回路２０の出力値は、図
８に示すように、タイミングＴ１〜Ｔ２間はＩ１にな
り、タイミングＴ２以後はＩ２となる。この値はＡ／Ｄ
変換器２２でディジタル化され、マイクロコンピュータ
３２に入力される。

【００１６】一方、１次側電圧Ｖの検出用トランス６の
出力は増幅回路２６で増幅されたのち、サンプルホール
ド回路２８に入力される。このサンプルホールド回路２
８にもタイミング検出回路２４の信号が入力されてい
る。このためサンプルホールド回路２８の出力値は、図
８に示す例ではタイミングＴ１〜Ｔ２間ではＶ１とな
り、タイミングＴ２でＶ２に変化する。この値はＡ／Ｄ
変換器３０でディジタル化され、マイクロコンピュータ
３２に入力される。

【００１７】マイクロコンピュータ３２は後述の処理を
実行し、その信号に基づいて調整機８に制御信号を送
る。この結果、調整機８はマイクロコンピュータ３２の
指示に基づいて溶接電流ｉのオン・オフとその電流値を
調整する。

【００１８】図３は初期設定モードにおける実行処理を
示している。まずステップＳ２では標準溶接電流をセッ
トしこれをＩ０として記憶する。ここで標準溶接電流Ｉ
０は、溶接用電極の形状が標準形を保っており、被溶接
物Ｗが標準品であるときに最適溶接が行なわれる電流値
であり、オペレータが過去のデータ等に基づいて入力す
る。次にステップＳ４で通電サイクル数を入力しこれを
Ｓ０として記憶する。ここで通電サイクル数は溶接電流
を通電する時間であり、商用電源のサイクル数で入力さ
れる。後述の図６，７は１４サイクルがセットされた場
合を例示している。

【００１９】次にステップＳ６で標準変化量ΔＳＲＳを
入力する。図６は、溶接中に生じる電極間抵抗（ワーク
抵抗）の変化の様子を示している。ワーク抵抗は溶接の
開始時にはワーク温度の上昇に起因して上昇し、溶接の
進行とともに減少する傾向にある。図６(A) は溶接中チ
リ（ないしはスパッタ）が発生するときのワーク抵抗を
示しており、ワーク抵抗は急激に低下する。これに対し
図６(B) はチリが発生しないときのワーク抵抗を示して
おり、ワーク抵抗は緩やかに低下する。そこで同一時間
間隔でワーク抵抗の変化量ΔＳＲを求めると、チリ発生
時の変化量ΔＳＲは大きく、チリ非発生時の変化量ΔＳ
Ｒは小さい。図３のステップＳ６では、チリ発生時の変
化量ΔＳＲよりは小さく、チリ非発生時の変化量ΔＳＲ
よりは大きい関係にある中間量を標準変化量ΔＳＲＳと
して入力するのである。

【００２０】次にステップＳ８では、修正時考慮スポッ
ト数を入力しこれをＰ０として記憶する。１つのワーク
の１カ所の溶接において後述するようにして溶接電流の
過大・過小が判別されても、それはワークのばらつきに
起因することもあり得る。そこで過去のデータから平均
的に過大や過小であるか否かを判別し、平均的傾向に基
づいて溶接電流を修正することが好ましい。ステップＳ
８はこの平均的傾向を把握するための期間を入力するも
のであり、スポット数（すなわち溶接回数）で指定され
る。ワーク毎のばらつきが大きい場合には長い期間を指
定し、ワーク毎のばらつきが小さい場合には短い期間を
指定する。

【００２１】次にステップＳ１０でチリの最適発生回数
を入力し、これをＣＮＮＴＳとしてセットする。ここで
最適発生回数とは、前記のようにして指定されたＰ０回
の溶接中に発生することが好ましいチリ発生回数であ
る。一度もチリが発生しなければそれは溶接電流が小さ
すぎるのに相当する。一方チリ発生回数が多すぎるのは
溶接電流が大きすぎるのに相当する。すなわちチリ発生
回数には最適値が存在するのであり、これがステップＳ
１０で入力される。なおチリ発生回数は１回の溶接当り
の回数で入力してもよい。

【００２２】図４は溶接作業時にマイクロコンピュータ
３２で実行される処理手順図を示している。まずステッ
プＳ１２では、１回の溶接当りのチリ発生回数をカウン
トするカウンタＣＮの値をゼロに初期化する。次にステ
ップＳ１４で通電開始条件が成立したことがわかると、
ステップＳ１６で通電が開始される。

【００２３】次にステップＳ１８でサンプリングタイミ
ングか否か判定される。ここではマイクロコンピュータ
３２によってタイミング検出回路２４からオン信号が出
力されているかどうかが比較される。図８に例示したよ
うに、このステップＳ１８では半サイクル毎に１回イエ
スとなる。そこで半サイクル毎に１回ステップＳ２０以
後の処理が実行される。

【００２４】ステップＳ２０では、サンプルホールド回
路２０，２８にホールドされている１次側電流値ｉと１
次側電圧値Ｖと溶接トランス１０の巻数比Ｎとから２次
側抵抗値が演算されＳＲとして記憶される。ここでは１
次側電流値の時間変化率がゼロのタイミングの値を用い
るため、誘導成分を考慮する必要がない。そのためＳＲ
←（Ｖ／Ｎ）／（ｉ×Ｎ）の式に基づいて２次側抵抗値
ＳＲが演算される。

【００２５】このようにして２次側抵抗値ＳＲが演算さ
れると、次に抵抗値ＳＲの平均値を求めるためにとりあ
えず総和を求めておく（Ｓ２２）。またそれまでの最大
抵抗値ＳＲＭＡＸと比較し（Ｓ２４）、今回演算された
抵抗値ＳＲがそれまでの最大抵抗値より大きければ最大
抵抗値ＳＲＭＡＸを更新する（ステップＳ２６）。これ
を溶接中繰返すことにより、図７に示すように、１回の
溶接中の最大の抵抗値がＳＲＭＡＸに記憶される。

【００２６】さて図４のステップＳ２８では、半サイク
ル前の抵抗値ＳＲ０と今回の抵抗値ＳＲの差を演算し、
これをΔＳＲとして記憶する。この結果ΔＳＲには図６
(A)(B)に例示する変化量ΔＳＲが記憶されることにな
る。以上の処理の終了後ステップＳ３０で前回の抵抗値
ＳＲ０として今回の値ＳＲを記憶させる。

【００２７】次にステップＳ３２で、ステップＳ２８で
演算された変化量ΔＳＲがステップＳ６で入力されてい
る標準変化量ΔＳＲＳと比較される。前者が後者よりも
大きければ、チリが発生している。そこでステップＳ３
４でチリ発生カウンタＣＮに１を加える。一方前者が後
者よりも小さければチリが発生していない。そこでこの
ときはステップＳ３４を実行させない。

【００２８】ステップＳ３６は通常停止条件が成立した
か否かを判別するものであり、成立しない間はステップ
Ｓ１８以後の処理を繰返す。成立したときはステップＳ
３８で通電を停止する。ステップＳ４で入力したサイク
ル数が経過したときにステップＳ３６はイエスとなる。

【００２９】さてこのようにして一回の溶接が終了する
と、次にステップＳ４０が実行される。これは過去Ｐ０
回（これはステップＳ８で入力されている）の溶接にお
いて、それぞれカウントされたチリ発生回数ＣＮＮ
（１）〜ＣＮＮ（Ｐ０）を更新するものであり、最新の
チリ発生回数ＣＮＮ（Ｐ０）にステップＳ３４でカウン
トされたＣＮの値を代入する。ＣＮＮ（１）〜ＣＮＮ
（Ｐ０−１）にはそれまでのＣＮＮ（２）〜ＣＮＮ（Ｐ
０）の値を代入してそれぞれ更新する。これによって現
在の溶接の直前Ｐ０回のチリ発生回数がＣＮＮ（１）〜
ＣＮＮ（Ｐ０）に記憶される。

【００３０】ステップＳ４２は最大抵抗値ＳＲＭＡＸと
溶接終了時の抵抗値ＳＲとの差を求め、これをΔＲＳと
比較する。ここでΔＲＳは図７に示すように通常に溶接
が行なわれたときの抵抗変化量ΔＲの下限値がセットさ
れている。そこでステップＳ４２がイエスとなるのは、
空打ち（すなわちワークＷを介装しないで電極が直接接
触したまま溶接電流を流すこと）の場合である。そこで
ステップＳ４４ではその旨の異常を表示し、一旦処理を
終了する（ステップＳ４６）。

【００３１】次にステップＳ４８ではステップＳ２２で
演算された抵抗値の総和ＴＳＲを所定値ＴＳＲＳと比較
する。ここで抵抗値の総和ＴＳＲは溶接中の平均抵抗値
に相当する値であり、また所定値ＴＳＲＳは正常に溶接
が行なわれているときにあり得る最大の平均抵抗値に相
当する値がとられている。そこでステップＳ４８でイエ
スとなれば、それは溶接ケーブルの断線等によって２次
側抵抗値が異常に大きいことに相当する。そこでこの場
合はステップＳ５０で異常を表示し、一旦処理を終了す
る（ステップＳ５２）。なおステップＳ４８では平均値
に相当する総和によって比較しているが、サンプル回数
で除した平均抵抗値で比較してもよい。

【００３２】以上の処理の終了後、すなわち溶接が正常
に行なわれている場合には、ステップＳ５４が実行され
る。ステップＳ５４では過去のＰ０回の溶接で発生した
チリ発生回数ＣＮＮ（１）〜ＣＮＮ（Ｐ０）の総和を求
め、これをＣＮＮＴとして記憶する。次にステップＳ５
６で、得られたチリ発生総回数ＣＮＮＴとステップＳ１
０で指定されている最適チリ発生回数ＣＮＮＴＳを比較
する。前者が後者よりも大きければ、ステップＳ５８で
溶接電流を１％減少する。一方前者が後者よりも小さけ
れば（Ｓ６０でイエスならば）、ステップＳ６２で溶接
電流を１％増大させる。前者と後者が等しければステッ
プＳ５８とＳ６２をスキップして溶接電流を維持する。
このようにして次回の溶接電流が調整される。次回のス
テップＳ１６ではこのようにして調整される溶接電流が
流される。

【００３３】この結果、次回以後の溶接では最適チリ発
生回数となるように溶接電流が調整される。このため次
回以後適切溶接が確保される。なお溶接の進行とともに
溶接電極の形状が変化しても、チリ発生回数が最適値に
保たれるため、適切溶接が確保され続ける。

【００３４】なお溶接電極を交換した直後は、上記のよ
うにして学習された溶接電流では不適当なため、ステッ
プＳ２で入力されている標準溶接電流に戻し、その後再
学習させる。また最適チリ発生回数ＣＮＮＴＳが１回の
溶接当りの回数で与えられていれば、ステップＳ５６の
左辺の値を１回当りの平均チリ発生回数に換算したうえ
で比較に用いる。

【００３５】この実施例では、２次側抵抗値を求めるに
必要なデータが全部１次側で測定される。このため溶接
ケーブルよりも先端側になにかを付加する必要がなく、
操作性・信頼性を損なわない。またステップＳ４２の処
理によって空打ちが検出され、異常が確実に検出され
る。さらにステップＳ４８によって断線異常等も確実に
検出される。このためにも２次側回路に測定手段を必要
としない。

【００３６】さらにまたステップＳ５６〜Ｓ６２の処理
によって、溶接中チリが発生しすぎるようであれば溶接
電流が低下し、溶接中チリが発生しすぎなければ溶接電
流が増大する制御がなされる。これによって溶接電流は
実際に最適値に調整される。この実施例では実際のチリ
発生回数に基づいて制御するため、ワーク抵抗を目標値
に調整する技術に比してより確実に適切溶接が行なわれ
るようになる。

【００３７】さてこの実施例では、タイミング検出回路
２４によって１次側電流値ｉの時間変化率ｄｉ／ｄｔが
略ゼロとなるタイミングを検出する手段Ｄが構成されて
いる。ただしこれは一例にすぎず、マイクロコンピュー
タ３２のプログラムによってｄｉ／ｄｔが略ゼロとなる
タイミングを検出するようにしてもよい。またこの実施
例ではサンプルホールド回路２０，２８の値をマイクロ
コンピュータ３２で読み出すことで、１次側の電流値と
電圧値を検出する手段が構成されている。これも一実施
例にすぎず、サンプルホールド機能をマイクロコンピュ
ータ３２によって実現してもよい。

【００３８】またこの実施例では、ステップＳ２０とそ
れを実行するマイクロコンピュータ３２によって、２次
側抵抗値を演算する手段Ｆが構成されているが、これは
ハードウェアに置換えることもできる。なお２次側抵抗
値変化量演算手段ＧはステップＳ２８で、チリ発生有無
判別手段ＨはステップＳ３２で、溶接電流調整手段Ｉは
ステップＳ５６〜Ｓ６２でそれぞれ構成されているが、
他の同種処理手順によることも当然に可能である。本実
施例では、チリ発生回数の大小によって１％ずつ溶接電
流を増減する。これにかわってチリ発生回数と最適チリ
発生回数の差を求め、この差に応じた比率で溶接電流を
増減修正するようにしてもよい。

【００３９】以上に説明した実施例では、チリ発生有無
判別手段（具体的には図４のステップＳ３２）で、２次
側回路の抵抗値の変化量ΔＳＲをそのまま比較の対象と
している。しかし必ずしも変化量ΔＳＲをそのまま比較
の対象とする必要はない。

【００４０】次にその実施例を説明する。この実施例で
は２次側抵抗値の変化量ΔＳＲに関する量としてΔＳＲ
／ΔＲという量、すなわち変化率を用いる。ここでΔＲ
は図５のステップＳ４２の左辺の量であり、最大抵抗値
ＳＲＭＡＸと溶接終了時の抵抗値ＳＲの差である。この
実施例では図４のステップＳ３２で比較される量がΔＳ
Ｒ／ΔＲであることに対応して、右辺の量もΔＳＲＳ／
ΔＲが用いられる。

【００４１】この実施例によると、溶接電極の形状が変
化してΔＲが変化する場合にも、正確にチリ発生回数を
カウントすることができる。なお図４，図５の処理で
は、ステップＳ３２の実行時にはまだΔＲが算出されて
いない。そこでこの実施例ではステップＳ３８以前では
ΔＳＲの値を次々に記憶しておき、ステップＳ３８の実
行後にそれまでに記憶されているΔＳＲの値を用いて、
チリ発生回数をカウントする。

【００４２】以上から理解されるように、本発明は、Δ
ＳＲを直接用いるもののみならず、ΔＳＲを修正した値
を用いる技術をも含むのである。

【００４３】

【発明の効果】本発明によると、１次側回路に測定手段
を設けるだけでよく、２次側回路には測定手段を付加し
なくてもよいことから、取扱性や信頼性が大幅に向上す
る。また本発明によると２次側抵抗値自体でなく、その
変化量を指標とすることから、１次側のデータのみで有
意義なデータを算出することが可能となっている。さら
に本発明によると、実際のチリ発生回数が最適回数とな
るように調整することから、確実に適切溶接が行なわれ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の概念を模式的に示す図

【図２】一実施例のシステム図

【図３】初期設定モードの処理手順図

【図４】運転モードの処理手順図

【図５】運転モードの処理手順図

【図６】ワーク抵抗の変化をチリ発生時と非発生時と比
較して示す図

【図７】ワーク抵抗の変化を正常時と空打ち時と比較し
て示す図

【図８】１次側の電流・電圧の波形を示す図

【符号の説明】

Ｂ 溶接トランス Ｄ 時間変化率ｄｉ／ｄｔが略ゼロとなるタイミングを
検出する手段 Ｅ １次側の電流値と１次側の電圧値測定手段 Ｆ ２次側抵抗値演算手段 Ｇ ２次側抵抗値変化量演算手段 Ｈ チリ発生有無判別手段 Ｉ 溶接電流調整手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B23K 11/24

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 溶接トランスの１次側電流の時間変化率
   が略零となるタイミングを検出する手段、 該タイミング検出手段で該タイミングが検出された時の
   該溶接トランスの１次側電流値と１次側電圧値を測定す
   る手段、 該測定手段で測定された１次側電流値と１次側電圧値と
   該溶接トランスの特性値とから２次側回路の抵抗値を演
   算する手段、 該演算手段で演算された２次側回路の抵抗値の所定時間
   毎の変化量を演算する手段、 該変化量演算手段で演算された変化量に関する量を、チ
   リ発生時の変化量に関する量とチリ非発生時の変化量に
   関する量の中間量と比較してチリの発生の有無を判別す
   る手段、 該判別手段で判別されたチリの発生回数と最適溶接時の
   チリ発生回数と比較し、前者が後者よりも大きければ溶
   接電流を低下し、前者が後者よりも小さければ溶接電流
   を増大させる溶接電流調整手段、とを有する抵抗溶接制
   御装置。