(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
抵抗溶接中に溶接箇所の溶接エネルギーに関係する物理量を測定する物理量測定部と、
前記物理量測定部が測定した物理量を、所定の手順でリアルタイムにデジタル化されたサンプリングデータとする物理量デジタル化部と、
前記デジタル化されたサンプリングデータを、当該溶接の条件に応じて、所定の手順でリアルタイムに１次元データとするサンプリングデータ１次元化部と、
前記サンプリングデータ１次元化部により１次元データとされたサンプリングデータを、所定の手順でリアルタイムに１次元のサンプリングベクトルとして表現するベクトル表現部と、
前記ベクトル表現部により表現された１次元のサンプリングベクトルと評価基準となるベクトルとの差の大きさを求め、前記評価基準となるベクトルの標準偏差に対する前記差の大きさの割合に基づき、当該溶接の品質を判定する品質判定部と
を有しており、
前記品質判定部は、
前記１次元サンプリングベクトルをＲｔ、前記評価基準となるベクトルをＲｓ、前記標準偏差をＳｐとしたとき、
前記Ｒｔ、Ｒｓ、Ｓｐの各々を、１からｎまで時系列でｎ個に分け、
以下に示す式により得られるＤｎの総和Ｄを、予め定められている許容基準値と比較することにより、当該溶接の品質を判定する
ことを特徴とするリアルタイム溶接品質判定装置。
Ｄｎ＝｜（Ｒｔｎ−Ｒｓｎ）｜／Ｓｐｎ
（但し、Ｒｔｎ：１次元サンプリングベクトルＲｔのｎ番目のデータ
Ｒｓｎ：前記評価基準となるベクトルＲｓのｎ番目のデータ
Ｓｐｎ：標準偏差Ｓｐのｎ番目のデータ）
【請求項２】
前記品質判定部は、
前記１次元サンプリングベクトルＲｔのｎ番目のデータＲｔｎについて、溶接開始からの経過時間に応じた所定の分類を行い、
前記Ｄｎに対して前記分類に対応した重み付けの係数を掛けることにより得られる重み付けされたＤｎの総和Ｄを、予め定められている許容基準値と比較することにより、当該溶接の品質を判定する
ことを特徴とする請求項１に記載のリアルタイム溶接品質判定装置。
【請求項３】
抵抗溶接機の電極が新しく交換されたことを認知する新電極認知部と、
前記新電極認知部から電極が新しく交換された通知を受けると、前記物理量測定部、前記物理量デジタル化部、前記サンプリングデータ１次元化部および前記ベクトル表現部に合わせた処理を行って、通知を受けた後の所定回数の溶接の際の電流と電圧から当該所定回数の溶接ごとの１次元のサンプリングベクトルを作成し、さらに作成した各１次元のサンプリングベクトルを基に評価基準となるベクトルを作成する評価基準ベクトル作成部と
を有し、
前記品質判定部は、
前記所定回数以降の溶接の品質の判定に際して、前記評価基準ベクトル作成部が作成した評価基準となるベクトルを用いる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリアルタイム溶接品質判定装置。
【請求項４】
前記物理量測定部は、電圧と電流を測定し、
前記物理量デジタル化部は、測定した電圧と電流を、溶接毎に、リアルタイムにデジタル化されたサンプリングデータとし、
前記サンプリングデータ１次元化部は、デジタル化された電圧と電流についての２種類のサンプリングデータを、所定の手順でリアルタイムに抵抗に関する１次元データとする
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のリアルタイム溶接品質判定装置。
【請求項５】
スポット溶接中に溶接箇所の電極間電圧の時間的変化を物理量として測定する物理量測定部と、
前記物理量測定部が測定した前記電極間電圧の時間的変化を、所定の手順でリアルタイムにデジタル化されたサンプリングデータとする物理量デジタル化部と、
前記デジタル化されたサンプリングデータを用いて、所定の手順でリアルタイムにマハラノビス距離を計算するマハラノビス距離演算部と、
別途計算された評価基準となるスポット溶接におけるマハラノビス距離のデータから作成された下式に示す管理限界を閾値として、前記マハラノビス距離演算部により計算されたマハラノビス距離のデータを振り分け、前記閾値未満に含まれる前記マハラノビス距離のデータ量に基づき、当該溶接の品質を判定する品質判定部と
を有しており、
前記物理量デジタル化部は、前記物理量測定部が測定した電極間電圧の時間的変化を、所定の手順でリアルタイムにデジタル化された電極間電圧と時間の２次元のサンプリングデータとし、
前記マハラノビス距離演算部は、前記物理量デジタル化部においてデジタル化された電極間電圧と時間との２次元のサンプリングデータに対して、時間軸に平行な直線を等間隔に引き、前記サンプリングデータと各直線との交点の個数を求めて微分データとすると共に、各直線以上の領域にある前記電極間電圧のデータ量の和を求めて積分データとし、前記微分データと前記積分データとから、リアルタイムにマハラノビス距離を計算する
ことを特徴とするリアルタイム溶接品質判定装置。
μ＋３σ
μ：評価基準となるスポット溶接におけるマハラノビス距離のデータの平均値
σ：評価基準となるスポット溶接におけるマハラノビス距離のデータの標準偏差
【請求項６】
前記品質判定部は、前記閾値未満に含まれる前記マハラノビス距離のデータ量Ｎｕ、および全データ量Ｎａに基づき、下式により溶接品質を求めて品質判定を行う
ことを特徴とする請求項５に記載のリアルタイム溶接品質判定装置。
溶接品質（％）＝（Ｎｕ／Ｎａ）×１００
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のリアルタイム溶接品質判定装置を用いてリアルタイムに溶接の品質を判定することを特徴とするリアルタイム溶接品質判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はリアルタイム溶接品質判定装置及び判定方法に関し、特に溶接中の溶接エネルギーの測定値にデジタル信号処理を施して基準値と比較するリアルタイム溶接品質判定装置及び判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
化学反応、焼結、蒸着等の化学反応や物理化学的な反応（含む、加工）においては、良質の製品を得るために圧力、温度、雰囲気、電流、電圧等の反応に関係する各種の条件を適切に制御することが重要である。このため、近年のマイクロプロセッサ、パソコン等の発達の下、前記各種の条件を、デジタル的に処理して適切に制御する試みが広くなされつつある。
【０００３】
溶接においても、例えばアーク溶接であれば、検出した電流や電圧についてのアナログ信号をＡ／Ｄ変換してデジタル化し、デジタルフィルター等による処理を行ってインバータ等を、ひいては電流や電圧を適切に制御することがなされている（特許文献１、非特許文献１）。
【０００４】
また、抵抗溶接において、溶接時間と強度の関係についてのデータを基に適切な溶接時間を設定し、さらに設定された溶接時間でなされた溶接に対する抜取り検査の結果を反映させることにより、溶接の強度をリアルタイムで判断する発明もなされている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平７−１３６７７６号公報
【特許文献２】特開平７−１３６７７７号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】上園敏郎著「デジタル制御アーク溶接機器の進展」、日本溶接協会溶接データシステム研究委員会主催  溶接データシステム研究委員会１００回記念セミナー（平成１７年１月１４日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、近年の溶接の精度、効率、コストに対するユーザーの要求は益々厳しくなってきており、前記の技術ではユーザーの厳しい要求を充たすには必ずしも充分とは言えなくなりつつある。
【０００８】
前記の特許文献１と非特許文献１に開示されている技術は、測定された電圧や電流のデジタル化された値を処理し、処理結果を基にインバータ等を、ひいては電圧や電流等を制御する技術であるが、溶接品質の管理を直接の目的とする技術ではなく、リアルタイムに溶接品質を管理するために、短時間の溶接条件の変動が溶接品質に如何なる影響を与えているかについて評価するという視点からの記載はされていない。
【０００９】
また、溶接の良否に関係するパラメータには、溶接速度、シールドガスの組成、ＴＩＧ溶接であれば陰極の先端角やアーク長、その他溶接対象の板材や溶接棒の場所による不均一等多数あり、単に電圧や電流のみを制御するだけでは、溶接の良否を判定するためには不充分である。
【００１０】
また、特許文献２に開示されている技術は、抵抗溶接を対象として、溶接時間だけで溶接の強度を管理している。しかし、このような溶接時間だけによる管理は、スポット溶接等には適用することが困難であり、また、電極チップの劣化による欠陥等、溶接時間以外の要因による品質の欠陥を探知することも困難である。
【００１１】
そこで、実際の溶接施工現場での溶接の品質管理は、例えばアーク溶接の場合には電流や電圧が予め定められた範囲内にあれば施工は問題が無いものと一応見做し、溶接が終了した後にサンプリングした箇所の非破壊検査や破壊検査を行っている。このため、溶接に何らかの欠陥が発生したことが判明するのは溶接が一応終了した後となる。そして、溶接の欠陥が発生していることが判明すれば、その時点で改めて当該欠陥箇所を手直したり、欠陥を有する製品を篩い分けして手直したり、電極チップを研磨したり交換したりする等の処理が必要となり、溶接の精度、作業効率、生産コスト等の面から難がある。
【００１２】
さらに、無人溶接ライン等の溶接のシステムや規模の如何によっては、一旦欠陥が発生した後もそのまま溶接を続ければ、それ以降の全溶接箇所や全製品の調査や手直し等までが必要となることがある。この場合には、溶接の精度の維持、作業効率、生産コスト等に大きな悪影響を及ぼすこととなる。
【００１３】
このため、リアルタイムによる欠陥の発生の発見等、溶接中にリアルタイムで品質を判定することが可能な技術の開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明者は、上記課題の解決につき、特願２００９−６０７７１号（特開２０１０−２１４３８０号）において、各処理単位における溶接中の電流と電圧等の溶接エネルギーに関係する物理量を測定し、測定した物理量をデジタル値とし、さらに当該溶接の品質の良否を的確に反映するように信号処理をし、得られた結果を基準値と比較して当該処理単位における溶接の品質をリアルタイムで判定する以下のリアルタイム溶接品質判定装置を提案した。
【００１５】
即ち、
溶接中に溶接箇所の溶接エネルギーに関係する物理量を測定する物理量測定部と、
前記物理量測定部が測定した物理量を、連続溶接であれば単位処理時間毎に、スポット溶接であればスポット毎に、リアルタイムかつ所定の手順で、複数種類かつ多数のデジタル化されたサンプリングデータとする物理量デジタル化部と、
前記デジタル化された各種類のサンプリングデータを、当該溶接の種類、条件に応じてリアルタイムかつ正規化を含む所定の手順で、１次元データとするサンプリングデータ１次元化部と、
前記サンプリングデータ１次元化部により１次元データとされた前記各種類のサンプリングデータからなる多次元のサンプリングデータを、リアルタイムかつ次元縮退を含む所定の手順で１次元のサンプリングベクトルとして表現するベクトル表現部と、
前記ベクトル表現部により表現された１次元のサンプリングベクトルを評価基準となるベクトルとリアルタイムかつ所定の手順で比較し、当該単位処理時間あるいは当該スポットの溶接の品質を判定する品質判定部と、
を有していることを特徴とするリアルタイム溶接品質判定装置を提案した。
【００１６】
具体的には、まず、溶接中に溶接箇所の溶接エネルギーに関係する電流、電圧等の物理量を測定し、その後、この物理量を連続溶接であれば単位処理時間毎に、スポット溶接であればスポット毎に、複数種類、かつ多数のデジタル化されたサンプリングデータとする。次いで、デジタル化された各種類のサンプリングデータを、溶接の種類、条件に応じて正規化を含む手順で１次元データとし、さらに、各種類の１次元データからなる多次元のサンプリングデータを次元縮退を含む手順で１次元のサンプリングベクトルとする。その後、得られた１次元のサンプリングベクトルを評価基準となるベクトルと比較して、当該単位処理時間あるいは当該スポットの溶接の品質を判定する。
【００１７】
このように、上記に提案されたリアルタイム溶接品質判定装置は、リアルタイムに、溶接エネルギーに関係する物理量を測定してデジタル化し、変化やばらつきあるいは異常の発生を捉えやすくするために正規化を含む手順で１次元データとし、各物理量の１次元データからなる多次元のデータを次元縮退により１次元のベクトルとする処理を行っている。このため、多くの情報が、最終的に１次元のベクトルとされているため、予め作成されている評価基準のベクトルとの比較を極めて容易に行うことができる。
【００１８】
そして、上記の処理は、測定可能な物理量であれば、種類は限定されないため、多種多様な溶接に広く適用することができる。
【００１９】
従って、溶接中に欠陥が発生すればリアルタイムで容易に欠陥の発生を知ることができる等、溶接の種類を問わず、溶接中にリアルタイムで品質を高い精度で判定することが可能となる。そして、溶接の品質の管理が大きく改善され、溶接の精度、効率、コストが大きく向上する。
【００２０】
しかし、上記の提案においては、サンプリングデータからサンプリングベクトルを作成するに際して、正規化、多次元化、次元縮退等の複雑な処理を行っている。そこで、本発明者は、これらの複雑な処理を特別に行うことなく、より簡便に、リアルタイムで溶接の品質を判定することが可能な技術につき、さらに鋭意検討を行った結果、本発明を完成するに至った。以下、本発明に関連する第１〜第９の技術について説明する。
【００２１】
本発明に関連する第１の技術は、
抵抗溶接中に溶接箇所の溶接エネルギーに関係する物理量を測定する物理量測定部と、
前記物理量測定部が測定した物理量を、所定の手順でリアルタイムにデジタル化されたサンプリングデータとする物理量デジタル化部と、
前記デジタル化されたサンプリングデータを、当該溶接の条件に応じて、所定の手順でリアルタイムに１次元データとするサンプリングデータ１次元化部と、
前記サンプリングデータ１次元化部により１次元データとされたサンプリングデータを、所定の手順でリアルタイムに１次元のサンプリングベクトルとして表現するベクトル表現部と、
前記ベクトル表現部により表現された１次元のサンプリングベクトルと評価基準となるベクトルとの差の大きさを求め、前記評価基準となるベクトルの標準偏差に対する前記差の大きさの割合に基づき、当該溶接の品質を判定する品質判定部と
を有していることを特徴とするリアルタイム溶接品質判定装置である。
【００２２】
本技術も、基本的には前記提案の発明と同様に、電流、電圧等の溶接に重大な影響を及ぼす物理量を測定し、測定値について溶接の品質を特徴付けて抽出する為のデジタル信号処理を行い、処理された信号を評価することにより溶接の品質の判定を行うものである。
【００２３】
具体的には、まず、スポット溶接、シーム溶接、突き合わせ溶接などの抵抗溶接中に溶接箇所の溶接エネルギーに関係する電流、電圧等の物理量を測定し、その後、この物理量を当該溶接毎、例えば、スポット溶接であればスポット毎に、リアルタイムにデジタル化されたサンプリングデータとする。次いで、デジタル化されたサンプリングデータを、当該溶接の条件に応じて、所定の手順でリアルタイムに１次元データとし、さらに、この１次元データとされたサンプリングデータを、所定の手順でリアルタイムに１次元のサンプリングベクトルとする。その後、得られた１次元のサンプリングベクトルと評価基準となるベクトルとの差の大きさを求め、評価基準となるベクトルの標準偏差に対する前記差の大きさの割合に基づき、当該溶接の品質を判定する。
【００２４】
このように、本技術に係るリアルタイム溶接品質判定装置は、リアルタイムに、溶接エネルギーに関係する物理量を測定してデジタル化し、所定の手順で１次元データとし、さらに１次元のベクトルとする処理を行っている。この１次元のベクトルには、溶接品質に関する多くの情報が含まれているため、予め作成されている評価基準となるベクトルとの間で求められた差の大きさの、評価基準となるベクトルの標準偏差に対する割合を求めることにより、極めて容易にリアルタイムで溶接の品質を判定することができる。この結果、溶接の品質の管理が大きく改善され、溶接の精度、効率、コスト管理が大きく向上する。
【００２５】
そして、本技術においては、品質判定に際して、前記１次元サンプリングベクトルと評価基準となるベクトルとの差の大きさ（絶対値）を求め、その差の大きさの評価基準となるベクトルの標準偏差に対する割合に基づいて品質の判定を行っているため、上記提案の発明のように、正規化、多次元化、次元縮退等の複雑な処理を行う必要がない。
【００２６】
即ち、この評価基準となるベクトルの標準偏差に対する１次元サンプリングベクトルと評価基準となるベクトルとの差の大きさの割合を求める処理は、当該溶接における溶接品質の評価基準からのズレを求める処理に他ならず、実質的に前記した正規化と同等の結果をもたらす処理である。このため、本技術においては、途中の処理段階で正規化処理を行わず、最終の品質判定処理段階で、簡便な方法を用いて実質的な正規化同様の処理を行うことにより、正確な品質判定を行うことができる。
【００２７】
同様に、多次元化、次元縮退等の複雑な処理ステップを特別に設ける必要もないため、全体の処理を簡略化することができ、より簡便に溶接品質の判定を行うことができる。
【００２８】
なお、詳細は後記の「発明を実施するための形態」において説明するが、本技術に用いられている主要な用語について予め説明する。
【００２９】
まず、本技術に言う「リアルタイム」には、実用上リアルタイムとされる場合も含まれ、計算機における他の処理の都合、例えば多数の溶接が同時並行でなされている場合における他の溶接箇所のチェック、単位処理時間の長さ等から定まる制限、その他工場や溶接設備全体における他の機械設備や工程の都合から定まる制約等から、装置の応答に２、３秒程度の遅れがある場合も含まれる。
【００３０】
次に、「溶接エネルギーに関係する物理量」および「１次元データ」としては、例えば、後述する電極間電圧および電流（物理量）と抵抗値（１次元データ）の組合せを挙げることができるが、これ以外に、電極加圧力の変化（物理量）と抵抗値（１次元データ）の組合せや、電流および電圧（物理量）と熱量（１次元データ）の組合せなども挙げることができる。また、電極変位（移動量）や抵抗の傾斜などを物理量として採用することもできる。
【００３１】
次に、「物理量の測定」は、連続的かつアナログ的に行われるのが通常であり、物理量デジタル化部によりアナログ値がデジタル化される。可能であれば、直接デジタル値で物理量を取得しても良い。
【００３２】
次に、「デジタル化されたサンプリングデータ」とは、測定値を単にデジタル値としたデータだけでなく、交流電源の電圧の様にプラスマイナスがある測定値の絶対値を取ったり、特定のノイズを除去したりする処理が施されたデータも含まれる。
【００３３】
次に、「サンプリングデータ１次元化部により１次元データとされた」とは、物理量デジタル化部で作成された複数種類の物理量についての多数のデジタル化された各種類のサンプリングデータが、各種類の物理量について１次元化されていることを指す。
【００３４】
次に、「１次元のサンプリングベクトルとして表現する」とは、多次元のサンプリングデータで示されている各サンプリング点が、ベクトル表現部により溶接の品質の良否を表す１種類の数値として示される（表現される）ことを指す。
【００３５】
そして、「差の大きさ」とは、１次元のサンプリングベクトルと評価基準となるベクトルとの差についての絶対値を示す。
【００３６】
なお、本技術のリアルタイム溶接品質判定装置には、所定の判定基準の記録部、入力部等も備えられている。
【００３７】
本発明に関連する第２の技術は、
前記品質判定部は、
前記１次元サンプリングベクトルをＲｔ、前記評価基準となるベクトルをＲｓ、前記標準偏差をＳｐとしたとき、
前記Ｒｔ、Ｒｓ、Ｓｐの各々を、１からｎまで時系列でｎ個に分け、
以下に示す式により得られるＤｎの総和Ｄを、予め定められている許容基準値と比較することにより、当該溶接の品質を判定する
ことを特徴とする第１の技術に記載のリアルタイム溶接品質判定装置である。
Ｄｎ＝｜（Ｒｔｎ−Ｒｓｎ）｜／Ｓｐｎ
（但し、Ｒｔｎ：１次元サンプリングベクトルＲｔのｎ番目のデータ
Ｒｓｎ：前記評価基準となるベクトルＲｓのｎ番目のデータ
Ｓｐｎ：標準偏差Ｓｐのｎ番目のデータ）
【００３８】
本技術は、前記した第１の技術に記載の品質判定部における処理を具体的に規定するものであって、時系列でｎ個に分けられた１次元サンプリングベクトルＲｔ、評価基準となるベクトルＲｓおよびその標準偏差Ｓｐのそれぞれのｎ番目のデータに基づいて、評価基準からのズレの程度を示すＤのｎ番目のデータＤｎを求めている。
【００３９】
このため、Ｄ１からＤｎまでのｎ個のデータの総和Ｄは、当該溶接における評価基準からのズレの大きさの総和となり、このＤ（溶接品質距離）が大きいほど、溶接品質が悪いということができ、予め定められている許容基準値を超えた場合、不良と判定される。
【００４０】
なお、評価基準となるベクトルＲｓは、予め、模範となる打点を適宜サンプリングして、そのデータからベクトルを形成する。この模範となる打点は単打点である必要はなく、複数打点におけるデータから形成されたベクトルであってもよい。打点数が多くなるほど、判定の精度は上昇する。しかし、このとき、Ｒｓｎは、各打点におけるｎ番目のデータを平均（単純平均）して作成され、またＳｐｎは、各打点におけるｎ番目のデータの標準偏差として作成されるため、処理に時間が掛かる。このため、実用上支障のない程度として、通常は、３〜４打点程度のデータから、評価基準となるベクトルＲｓが作成される。
【００４１】
「予め定められている許容基準値」としては、例えば、先行する実験、経験等により適宜設定することができる。
【００４２】
本発明に関連する第３の技術は、
前記品質判定部は、
前記１次元サンプリングベクトルＲｔのｎ番目のデータＲｔｎについて、溶接開始からの経過時間に応じた所定の分類を行い、
前記Ｄｎに対して前記分類に対応した重み付けの係数を掛けることにより得られる重み付けされたＤｎの総和Ｄを、予め定められている許容基準値と比較することにより、当該溶接の品質を判定する
ことを特徴とする第２の技術に記載のリアルタイム溶接品質判定装置である。
【００４３】
抵抗溶接を行う際、例えば、通電初期においては母材の表面の粗さにより大きな抵抗値（初期抵抗）が示され、ある程度溶接が進んだ時点からは、前記の表面粗さが解消されて安定した抵抗値が示される。また、溶接途中における電力供給の変動などによる抵抗値のばらつきもある。
【００４４】
このため、溶接の品質の判定に際しては、これらのばらつきを考慮して判定を行う必要がある。
【００４５】
本技術においては、作成された１次元サンプリングベクトルのそれぞれに、溶接開始からの経過時間に応じた重み付けを施した後に溶接品質の判定を行っているため、より正確に溶接の品質を判定することができる。
【００４６】
なお、具体的な重み付けについては、溶接開始からの時間経過を、異なる状況が特徴的に現れる部分、例えば、初期部分、中間期部分、後期部分に分け、各部分に対応して適宜重み付けをすることにより行われる。
【００４７】
また、本技術における「予め定められている許容基準値」としては、前記Ｄｎに対して行った重み付けと同一の重み付けを行った許容基準値が採用される。
【００４８】
本発明に関連する第４の技術は、
抵抗溶接機の電極が新しく交換されたことを認知する新電極認知部と、
前記新電極認知部から電極が新しく交換された通知を受けると、前記物理量測定部、前記物理量デジタル化部、前記サンプリングデータ１次元化部および前記ベクトル表現部に合わせた処理を行って、通知を受けた後の所定回数の溶接の際の電流と電圧から当該所定回数の溶接ごとの１次元のサンプリングベクトルを作成し、さらに作成した各１次元のサンプリングベクトルを基に評価基準となるベクトルを作成する評価基準ベクトル作成部と
を有し、
前記品質判定部は、
前記所定回数以降の溶接の品質の判定に際して、前記評価基準ベクトル作成部が作成した評価基準となるベクトルを用いる
ことを特徴とする第１の技術ないし第３の技術のいずれかに記載のリアルタイム溶接品質判定装置である。
【００４９】
自動車製造工場等の大規模工場における抵抗溶接には、母材の板厚や種類および組合せ、溶接の仕様、電極や溶接機の仕様など、多種多様な条件が存在する。このため、これらの条件全てに対して評価基準となるベクトルを予め作成しておくことは、事実上困難である。
【００５０】
本技術においては、電極を交換した直後に行われた溶接から所定数の１次元のサンプリングベクトルを作成し、この１次元のサンプリングベクトルを基に評価基準となるベクトルを作成している。
【００５１】
これは、電極を交換した直後の溶接の品質は良好であることが分かっており、これらの１次元のサンプリングベクトルを評価基準作成用の模範として採用することに何ら問題がないことによる。
【００５２】
本発明に関連する第５の技術は、
前記物理量測定部は、電圧と電流を測定し、
前記物理量デジタル化部は、測定した電圧と電流を、溶接毎に、リアルタイムにデジタル化されたサンプリングデータとし、
前記サンプリングデータ１次元化部は、デジタル化された電圧と電流についての２種類のサンプリングデータを、所定の手順でリアルタイムに抵抗に関する１次元データとする
ことを特徴とする第１の技術ないし第４の技術のいずれかに記載のリアルタイム溶接品質判定装置である。
【００５３】
本技術においては、具体的な物理量として、電極間電圧Ｖおよび電流Ｉを採用し、得られたそれぞれの値に基づいて、Ｒ＝Ｖ／Ｉの式により算出された抵抗Ｒについて１次元サンプリングベクトルを作成している。
【００５４】
これは、抵抗溶接における発熱原理が溶接時の電気抵抗で説明することができると共に、抵抗溶接において電気抵抗の役割が非常に大きく、溶接品質の不良の発生が、電気抵抗値に反映されるためである。
【００５５】
本発明に関連する第６の技術は、
スポット溶接中に溶接箇所の電極間電圧の時間的変化を物理量として測定する物理量測定部と、
前記物理量測定部が測定した前記電極間電圧の時間的変化を、所定の手順でリアルタイムにデジタル化されたサンプリングデータとする物理量デジタル化部と、
前記デジタル化されたサンプリングデータを用いて、所定の手順でリアルタイムにマハラノビス距離を計算するマハラノビス距離演算部と、
別途計算された評価基準となるスポット溶接におけるマハラノビス距離のデータから作成された下式に示す管理限界を閾値として、前記マハラノビス距離演算部により計算されたマハラノビス距離のデータを振り分け、前記閾値未満に含まれる前記マハラノビス距離のデータ量に基づき、当該溶接の品質を判定する品質判定部と
を有していることを特徴とするリアルタイム溶接品質判定装置である。
μ＋３σ
μ：評価基準となるスポット溶接におけるマハラノビス距離のデータの平均値
σ：評価基準となるスポット溶接におけるマハラノビス距離のデータの標準偏差
【００５６】
相関がある特性値をパラメータとした統計処理において、マハラノビス距離を用いて評価する手法が知られている。このマハラノビス距離による評価は、２次元空間に配置した各点の距離を、相関を考慮した距離空間で求めて評価するものである。
【００５７】
具体的には、まず、第１の技術と同様に、溶接中の１打点における物理量を測定単位時間毎に測定して、リアルタイムにデジタル化してサンプリングデータとし、その後、各サンプリングデータについてマハラノビス距離を計算する。別途、評価基準となる溶接についても、同様に、マハラノビス距離を計算し（参照データ）、平均値μおよび標準偏差σを求める。その後、各種の統計手法で妥当な管理限界とされている３σ限界、即ち、μ＋３σを閾値にして（マハラノビス距離は０以上の値であるため、μ＋３σのみを使用する）、上記で得られた各サンプリングデータのマハラノビス距離を振り分ける。
【００５８】
しかしながら、例えば、電圧と電流を物理量として測定し、マハラノビス距離を用いて品質判定を行ったところ、アーク溶接やＴＩＧ溶接の場合には、マハラノビス距離のサンプリングデータから溶接品質を適切に判定することができるものの、スポット溶接の場合には、求められたマハラノビス距離では電極消耗やナゲット形成状況を判定することができず、溶接品質を充分には判定することができないことが分かった。
【００５９】
そこで、本発明者は、スポット溶接においてマハラノビス距離を用いて適切に品質判定を行うことができる新たな物理量について検討を行った。その結果、電極間電圧の時間的変化が溶接品質とより直接的に関連しており、この電極間電圧の時間的変化を物理量として測定し、測定された電極間電圧の時間的変化に対してマハラノビス距離を用いて適切な処理を行うことにより、電極消耗やナゲット形成状況を判定することができ、溶接品質を適切に判定できることを見出した。
【００６０】
本発明に関連する第７の技術は、
前記品質判定部は、前記閾値未満に含まれる前記マハラノビス距離のデータ量Ｎｕ、および全データ量Ｎａに基づき、下式により溶接品質を求めて品質判定を行う
ことを特徴とする第６の技術に記載のリアルタイム溶接品質判定装置である。
溶接品質（％）＝（Ｎｕ／Ｎａ）×１００
【００６１】
前記した通り、閾値未満に含まれるマハラノビス距離のデータ量（個数）が多ければ、良質の溶接が行われていると判定することができるため、全データ量に対する比率を溶接品質と定義することにより、定量的に品質判定を行うことができる。
【００６２】
本発明に関連する第８の技術は、
前記物理量デジタル化部は、前記物理量測定部が測定した電極間電圧の時間的変化を、所定の手順でリアルタイムにデジタル化された電極間電圧と時間の２次元のサンプリングデータとし、
前記マハラノビス距離演算部は、前記物理量デジタル化部においてデジタル化された電極間電圧と時間との２次元のサンプリングデータに対して、時間軸に平行な直線を等間隔に引き、前記サンプリングデータと各直線との交点の個数を求めて微分データとすると共に、各直線以上の領域にある前記電極間電圧のデータ量の和を求めて積分データとし、前記微分データと前記積分データとから、リアルタイムにマハラノビス距離を計算する
ことを特徴とする第６の技術または第７の技術に記載のリアルタイム溶接品質判定装置である。
【００６３】
前記したように、電極間電圧の時間的変化は溶接品質とより直接的に関連しており、測定された電極間電圧の時間的変化に基づき作成された電極間電圧と時間との２次元データ（電極間電圧波形）から得られた上記の微分データや積分データには、溶接品質を左右する波形の周波数に関する情報と振幅に関する情報およびこれらの分布に関する情報が含まれているため、これらのデータを用いて計算されたマハラノビス距離のデータを評価基準となるマハラノビス距離のデータと比較することにより、電極消耗やナゲット形成状況を判定することができ、高速にリアルタイムで溶接の品質を適切に判定することができる。
【００６４】
即ち、前記した相関を考慮した微分−積分の２次空間に、溶接品質を左右する情報が含まれたデータを配置して、マハラノビス距離を計算し、その結果を、前記したように、μ＋３σを閾値にして振り分けることにより、高速にリアルタイムで溶接の品質を適切に判定することができる。
【００６５】
なお、上記において、２次元データと各直線との交点の個数を微分データと表現しているのは、各直線との交点を時間軸との交点と解釈することができ、微分的特性を有するデータと見なすことができることによる。同様に、各直線以上の領域にある電極間電圧のデータ量の和を積分データと表現しているのは、電極間電圧のデータ量の和は面積と解釈することができ、時間に対する積分的特性を有するデータと見なすことができることによる。
【００６６】
そして、「時間軸に平行な直線」の本数は、一般的には５００〜１５００本程度が好ましい。
【００６７】
また、評価基準となるマハラノビス距離のデータは、予め、模範となる打点を適宜サンプリングして作成すればよいが、スポット溶接は足踏スイッチを押すだけで一連の溶接工程が自動的に行われる自動溶接であるため、打点数を増加しても溶接品質の判定結果には殆ど差異はない。
【００６８】
本発明に関連する第９の技術は、
第１の技術ないし第８の技術のいずれかに記載のリアルタイム溶接品質判定装置を用いてリアルタイムに溶接の品質を判定することを特徴とするリアルタイム溶接品質判定方法である。
【００６９】
本技術は、装置の発明である第１の技術ないし第８の技術のいずれかに記載の技術を、方法の技術として捉えたものである。
【００７０】
本発明は上記の各技術に基づいてなされたものであり、請求項１に記載の発明は、
抵抗溶接中に溶接箇所の溶接エネルギーに関係する物理量を測定する物理量測定部と、
前記物理量測定部が測定した物理量を、所定の手順でリアルタイムにデジタル化されたサンプリングデータとする物理量デジタル化部と、
前記デジタル化されたサンプリングデータを、当該溶接の条件に応じて、所定の手順でリアルタイムに１次元データとするサンプリングデータ１次元化部と、
前記サンプリングデータ１次元化部により１次元データとされたサンプリングデータを、所定の手順でリアルタイムに１次元のサンプリングベクトルとして表現するベクトル表現部と、
前記ベクトル表現部により表現された１次元のサンプリングベクトルと評価基準となるベクトルとの差の大きさを求め、前記評価基準となるベクトルの標準偏差に対する前記差の大きさの割合に基づき、当該溶接の品質を判定する品質判定部と
を有しており、
前記品質判定部は、
前記１次元サンプリングベクトルをＲｔ、前記評価基準となるベクトルをＲｓ、前記標準偏差をＳｐとしたとき、
前記Ｒｔ、Ｒｓ、Ｓｐの各々を、１からｎまで時系列でｎ個に分け、
以下に示す式により得られるＤｎの総和Ｄを、予め定められている許容基準値と比較することにより、当該溶接の品質を判定する
ことを特徴とするリアルタイム溶接品質判定装置である。
Ｄｎ＝｜（Ｒｔｎ−Ｒｓｎ）｜／Ｓｐｎ
（但し、Ｒｔｎ：１次元サンプリングベクトルＲｔのｎ番目のデータ
Ｒｓｎ：前記評価基準となるベクトルＲｓのｎ番目のデータ
Ｓｐｎ：標準偏差Ｓｐのｎ番目のデータ）
【００７１】
また、請求項２に記載の発明は、
前記品質判定部は、
前記１次元サンプリングベクトルＲｔのｎ番目のデータＲｔｎについて、溶接開始からの経過時間に応じた所定の分類を行い、
前記Ｄｎに対して前記分類に対応した重み付けの係数を掛けることにより得られる重み付けされたＤｎの総和Ｄを、予め定められている許容基準値と比較することにより、当該溶接の品質を判定する
ことを特徴とする請求項１に記載のリアルタイム溶接品質判定装置である。
【００７２】
また請求項３に記載の発明は、
抵抗溶接機の電極が新しく交換されたことを認知する新電極認知部と、
前記新電極認知部から電極が新しく交換された通知を受けると、前記物理量測定部、前記物理量デジタル化部、前記サンプリングデータ１次元化部および前記ベクトル表現部に合わせた処理を行って、通知を受けた後の所定回数の溶接の際の電流と電圧から当該所定回数の溶接ごとの１次元のサンプリングベクトルを作成し、さらに作成した各１次元のサンプリングベクトルを基に評価基準となるベクトルを作成する評価基準ベクトル作成部と
を有し、
前記品質判定部は、
前記所定回数以降の溶接の品質の判定に際して、前記評価基準ベクトル作成部が作成した評価基準となるベクトルを用いる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のリアルタイム溶接品質判定装置である。
【００７３】
また、請求項４に記載の発明は、
前記物理量測定部は、電圧と電流を測定し、
前記物理量デジタル化部は、測定した電圧と電流を、溶接毎に、リアルタイムにデジタル化されたサンプリングデータとし、
前記サンプリングデータ１次元化部は、デジタル化された電圧と電流についての２種類のサンプリングデータを、所定の手順でリアルタイムに抵抗に関する１次元データとする
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のリアルタイム溶接品質判定装置である。
【００７４】
また、請求項５に記載の発明は、
スポット溶接中に溶接箇所の電極間電圧の時間的変化を物理量として測定する物理量測定部と、
前記物理量測定部が測定した前記電極間電圧の時間的変化を、所定の手順でリアルタイムにデジタル化されたサンプリングデータとする物理量デジタル化部と、
前記デジタル化されたサンプリングデータを用いて、所定の手順でリアルタイムにマハラノビス距離を計算するマハラノビス距離演算部と、
別途計算された評価基準となるスポット溶接におけるマハラノビス距離のデータから作成された下式に示す管理限界を閾値として、前記マハラノビス距離演算部により計算されたマハラノビス距離のデータを振り分け、前記閾値未満に含まれる前記マハラノビス距離のデータ量に基づき、当該溶接の品質を判定する品質判定部と
を有しており、
前記物理量デジタル化部は、前記物理量測定部が測定した電極間電圧の時間的変化を、所定の手順でリアルタイムにデジタル化された電極間電圧と時間の２次元のサンプリングデータとし、
前記マハラノビス距離演算部は、前記物理量デジタル化部においてデジタル化された電極間電圧と時間との２次元のサンプリングデータに対して、時間軸に平行な直線を等間隔に引き、前記サンプリングデータと各直線との交点の個数を求めて微分データとすると共に、各直線以上の領域にある前記電極間電圧のデータ量の和を求めて積分データとし、前記微分データと前記積分データとから、リアルタイムにマハラノビス距離を計算する
ことを特徴とするリアルタイム溶接品質判定装置である。
μ＋３σ
μ：評価基準となるスポット溶接におけるマハラノビス距離のデータの平均値
σ：評価基準となるスポット溶接におけるマハラノビス距離のデータの標準偏差
【００７５】
また、請求項６に記載の発明は、
前記品質判定部は、前記閾値未満に含まれる前記マハラノビス距離のデータ量Ｎｕ、および全データ量Ｎａに基づき、下式により溶接品質を求めて品質判定を行う
ことを特徴とする請求項５に記載のリアルタイム溶接品質判定装置である。
溶接品質（％）＝（Ｎｕ／Ｎａ）×１００
【００７６】
請求項７に記載の発明は、
請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のリアルタイム溶接品質判定装置を用いてリアルタイムに溶接の品質を判定することを特徴とするリアルタイム溶接品質判定方法である。
【発明の効果】
【００７７】
本発明においては、溶接中に欠陥が発生すればリアルタイムで欠陥の発生を発見する等、溶接中にリアルタイムで、簡便に品質を判定することが可能な技術を提供することができるため、溶接の品質の管理が大きく改善され、溶接の精度、作業効率、生産コスト等が大きく向上する。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の第１の実施の形態における処理の概略を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態において、評価基準となるベクトルＲｓを準備する過程を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態において、溶接品質距離を求める過程を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態において、溶接箇所の破断検査結果と対応する溶接品質距離との関係を示す図である。
【図５】スポット溶接時の電気の流れの推移を模式的に示す図である。
【図６】スポット溶接において、ナゲットが形成される様子を示す図である。
【図７】スポット溶接における抵抗値の時間的変化と、変化そのものがケースにより相違することを示す図である。
【図８】本発明の第３の実施の形態における溶接箇所の破断検査結果と対応する溶接品質距離との関係を示す図である。
【図９】本発明の第４の実施の形態で用いたスポット溶接機とその品質判定装置の構成を概念的に示す図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態における平均電圧の測定結果と捻り破断試験における結果を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態において電圧と電流をパラメータとして溶接品質を求めた結果を示す図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態において電圧と電流をパラメータとしてマハラノビス距離の分布を求めた結果を示す図である。
【図１３】軟鋼材のスポット溶接における電極間電圧の時間的な変化を概念的に示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施の形態において、５１打点目と４５１打点目における電極間電圧の時間的な変化を概念的に示す図である。
【図１５】本発明の第４の実施の形態において、電極間電圧の時間的な変化をパラメータとする溶接品質の判定方法を説明する図である。
【図１６】本発明の第４の実施の形態において、電極間電圧の時間的な変化をパラメータとして、５１打点目と４５１打点目におけるマハラノビス距離の分布を求めた結果を示す図である。
【図１７】本発明の第４の実施の形態において、電極間電圧の時間的変化を用いたマハラノビス距離に基づき溶接品質を求めた結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７９】
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００８０】
以下に示す第１〜第３の実施の形態は、自動車の製造ライン等で行なわれている抵抗溶接を用いたスポット溶接において、複数の物理量として電流と電圧の２種を測定し、測定した２種の物理量のデータをリアルタイムで処理して１次元のサンプリングベクトル（抵抗）を作成し、作成したベクトルと評価基準となるベクトルを、評価基準となるベクトルの標準偏差を用いた演算を含む所定の手順で比較し、リアルタイムの品質判定を行うものである。
【００８１】
（第１の実施の形態）
図１に、本第１の実施の形態における処理の概略を示す。図１において、１０は物理量測定部であり、２０は物理量デジタル化部であり、３０はサンプリングデータ１次元化部およびベクトル表現部であり、４０は品質判定部である。
【００８２】
１．１次元サンプリングベクトルの作成
最初に、物理量測定部１０において、スポット溶接中の１打点について所定の時系列間隔で、電流と電圧をアナログデータとして測定し、その後、物理量デジタル化部２０において、物理量測定部１０が測定した電流Ａと電圧Ｖの連続したデータをデジタル化する。
【００８３】
次に、サンプリングデータ１次元化部およびベクトル表現部３０において、デジタル化された電流Ａと電圧Ｖを用いて抵抗Ｒを、Ｒ＝Ｖ／Ａの式により算出して、各時系列の１次元サンプリングデータとした後、スポット溶接中の１打点における抵抗について１次元のサンプリングベクトルＲｔを作成する。
【００８４】
２．溶接品質の判定
次に、品質判定部４０において、作成された１次元のサンプリングベクトルＲｔと、予め作成された評価基準となるベクトルＲｓ（標準偏差Ｓｐ）との差（Ｒｔ−Ｒｓ）の大きさ｜（Ｒｔ−Ｒｓ）｜のＳｐに対する比率Ｄ（溶接品質距離）を求め、その大きさを予め定められた許容値と比較して、溶接品質の判定を行う。
【００８５】
図２は、評価基準となるベクトルＲｓを準備する過程を示す図である。図２においては、模範となる打点として４つの打点を選択し、各打点に対応するベクトルＲｓ（１）〜Ｒｓ（４）を得ている。そして、各ベクトルは、時系列で、１、２、・・・、ｎ、・・、１０と１０個のデータに分けられている。
【００８６】
そして、標準偏差Ｓｐは、Ｒｓ（１）ｎ〜Ｒｓ（４）ｎ各々のｎ番目のデータから得られた標準偏差Ｓｐｎ、即ちＳｐ＝Ｓｐｎで示すことができる。また、Ｒｓは、Ｒｓ（１）ｎ〜Ｒｓ（４）ｎ各々のｎ番目のデータを単純平均したＲｓｎ、即ちＲｓ＝Ｒｓｎで示すことができる。
【００８７】
以上により準備されたＲｓおよびＳｐと、同様に１からｎまで時系列でｎ個に分けられたＲｔとを用いて（図３参照）、以下の手順により、溶接品質の判定が行われる。
【００８８】
まず、Ｒｔ、Ｒｓ、Ｓｐ各々のｎ番目のデータに基づいて、溶接品質距離Ｄのｎ番目のデータの大きさＤｎを以下の式を用いて求める。
Ｄｎ＝｜（Ｒｔｎ−Ｒｓｎ）｜／Ｓｐｎ
【００８９】
得られたＤｎの総和が溶接品質距離Ｄであり（Ｄ＝ΣＤｎ）、予め定められている許容基準値と比較することにより、溶接の品質が判定される。
【００９０】
上記の処理は、前記したように、実質的に正規化と同等の結果をもたらす処理であるため、本実施の形態においては、途中の処理段階で正規化処理を行う必要がない。また、多次元化、次元縮退等の複雑な処理も不要であるため、より簡便でありながら、溶接品質についての正確な判定を行うことができる。
【００９１】
図４に、多数のスポット溶接を行った後、当該溶接箇所の破断検査を行い、対応する溶接品質距離Ｄとの関係を調べた結果を示す。なお、このときの溶接条件は、ドーム型φ６Ｒ４０の電極を使用し、電流８．５ｋＡの直流電源で１分当たり５秒の通電、即ち、１／１２秒の溶接時間で行った。また、母材としては、ＪＡＣ２７０Ｄの鋼板（厚さ０．７ｍｍ）を用いた。
【００９２】
図４において、左の縦軸は破断径（ｍｍ）であり、右の縦軸は溶接品質距離Ｄであり、横軸は打点数（時系列で並べたスポット溶接箇所の順番）である。上部に示す□、●、■からなる線は破断径を示す。この内、□は溶接箇所の母材（ベースメタル）が破断したこと（Ｂ破断）を示している。そして、●は溶接箇所がせん断破壊したこと（Ｓ破断）を示し、■はリングナゲット（ナゲットの中心部は溶け込んでいない）であることを示している。
【００９３】
また、下部に示す線は溶接品質距離を示す。
【００９４】
図４より、この場合には、打点数が７０００を少し超えた辺りから、溶接品質距離が大きくばらついて乱れが生じていることが分かり、この時点で溶接作業を停止して、電極を取り換えるなどの対応をする必要があることが分かる。
【００９５】
このように、リアルタイムに適切な基準で、溶接品質を正確にチェックすることができるため、従来のように、タガネによる打音で電極交換のタイミングを図るという個人のスキルに頼ることなく、リアルタイムに、簡便かつ確実に電極交換のタイミングを図ることができる。
【００９６】
なお、本発明のリアルタイム溶接品質判定装置を用いた溶接のリアルタイムでの品質の判定を行う最中に得られたデータや、あるいは実際の使用において新たに得られたデータをデータベースとして蓄積し、それ以降の溶接のリアルタイムでの品質の判定に利用するようにしても良い。
【００９７】
（第２の実施の形態）
本第２の実施の形態は、溶接品質の評価に際して、溶接開始からの時間について重み付けを行う点が、前記第１の実施の形態と異なる。
【００９８】
図５〜７を参照しつつ、本第２の実施の形態における着目点を説明する。
【００９９】
図５は、スポット溶接時の電気の流れの推移を模式的に示す図であり、上段はスポット溶接の構成の概略を示す図であり、８０は電極、９０は母材を示しており、９８はスポット溶接部を示している。そして、図５の下段はスポット溶接部９８を拡大して、スポット溶接時における電気の流れを示す図であり、左図はスポット溶接を開始した時、右図は定常状態となった時の状態を示しており、９９は母材９０表面の粗さを示す空洞である。
【０１００】
図５の下段左図に示すように、スポット溶接を開始した時点では、上下の母材９０表面には粗さが残っており、空洞９９があるため、相互の接触が不均一となり、電気の流れが大きく乱れて大きな抵抗値を示す。一方、定常状態になれば、下段右図に示すように、相互の接触が均一となるため、電気の流れが安定し小さな抵抗値を示す。
【０１０１】
このとき、母材９０は、図６に示すように、上下の電極８０に挟まれた箇所９５から９６、９７と、順に外周側に溶けていき、当該箇所の通電終了と共に固化してナゲットが形成される。
【０１０２】
図７は、スポット溶接における抵抗値の時間的変化と、変化そのものがケースにより相違することを示す図である。図７において、縦軸は抵抗を示し、横軸は経過時間を示す。図７より、スポット溶接開始時の抵抗は極めて大きく、またケースによるばらつきも比較的大きく、定常状態に入った後では略一定となることが分かる。また、定常状態に入った後でも、場合によっては例えば終了近くに変化があることが分かる。
【０１０３】
このため、スポット溶接の良否を判定するに際しては、当該溶接全体にわたって均等に採取したデータをそのままに評価に用いるのではなく、例えば、溶接開始直後のグループ、その後の定常時の前半のグループ、同じく後半のグループに３分割するなど、溶接全体をその経過時間に応じてグループ分けを行い、さらに各グループのデータに重み付けを行うことにより、より正確な判定を得ることができる。
【０１０４】
（第３の実施の形態）
本第３の実施の形態は、評価基準となるベクトルをリアルタイム溶接品質判定装置自らが作り出す形態に関する。
【０１０５】
スポット溶接における品質不良の原因の多くは、電極の消耗であるため、電極交換直後の溶接が不良となる確率は少ない。
【０１０６】
また、電極交換直後の溶接開始時には、作業者は、交換が適切になされたか否かを確認すると共に、交換後の溶接機全体の作動をも監視して、異常を認めれば即座に溶接装置を停止して、必要な整備を行うことが通常行われており、この面からも、電極交換直後の溶接が不良となる確率は少ない。
【０１０７】
そこで、本第３の実施の形態では、最初の３箇所のスポット溶接の品質は良好なものとし、その３箇所についてのベクトル表現部により表現された１次元のサンプリングベクトルを算術平均して評価基準となるベクトルとし、その後のスポット溶接の品質の評価に用いる。
【０１０８】
本第３の実施の形態のリアルタイム溶接品質判定装置においては、新たに、電極の交換を認知する新電極認知部と、最初の３箇所のスポット溶接における１次元のサンプリングベクトルを基に評価基準となるベクトルを作成する評価基準ベクトル作成部とを有している。
【０１０９】
新電極認知部が電極の交換を認知すると、評価基準ベクトル作成部が、最初の３箇所のスポット溶接について、物理量測定部、物理量デジタル化部、サンプリングデータ１次元化部およびベクトル表現部に合わせた処理を行って、新たな評価基準ベクトルを作成する。
【０１１０】
新たな評価基準ベクトルを作成した後は、この評価基準ベクトルに従って溶接品質の判定を行う。
【０１１１】
図８に、多数のスポット溶接を行った後、本第３の実施の形態に基づき、当該溶接箇所の破断検査を行い、対応する溶接品質距離との関係を調べた結果を示す。このときの溶接条件は、ドーム型φ６Ｒ４０の電極を使用し、電流６．２ｋＡの交流電源で１３ｃｙｃｌｅ＠６０Ｈｚの通電時間、１５０ｋｇｆの加圧で行った。
【０１１２】
図８より、本実施例の場合、打点数が２００以下では溶接品質距離が小さく、打点数が１６００を超えた辺りから溶接品質距離が急激に上昇していることが分かる。
【０１１３】
（第４の実施の形態）
本第４の実施の形態は、マハラノビス距離を用いてスポット溶接の品質を判定することに関する。なお、以下においては、スポット溶接の具体的な実験例として、ＧＡ材の２枚重ね溶接を挙げて説明する。
【０１１４】
最初に、電圧と電流を物理量としてマハラノビス距離を用いて品質判定を行った場合、溶接品質を充分には判定することができないことについて説明する。
【０１１５】
図９に、本実験に用いたスポット溶接機とその品質判定装置の構成を概念的に示す。図９において、１は電源の加圧方式がサーボ式の直流定置型スポット溶接機、２はトロイダルコイル、３は電極間電圧および溶接電流を測定するウエルドモニター（ミヤチテクノス製、ＭＧ３）、４はウエルドモニター３において測定された電極間電圧および溶接電流に基づき処理を行うＰＣ（パーソナルコンピュータ）である。なお、ウエルドモニター３による電極間電圧の測定は被溶接材を挟む両電極チップを用いて、また、溶接電流の測定はトロイダルコイル２を用いて、サンプリング間隔０．３８ｍｓで行った。
【０１１６】
そして、ＧＡ材としては厚さ０．７ｍｍのＪＡＣ２７０Ｄ材２枚を用い、２．５ｋＮの押圧力でスポット溶接を行った。このとき、電極チップ先端の形状はＤＲ形（６ｍｍφ、４０Ｒ）、各スポットの通電時間は２５サイクル、通電電流は１０．０ｋＡとした。また、サンプリング頻度は５０打点毎に２打点とした。
【０１１７】
別途、溶接部材の捻り破断試験を行い、破断径（ｍｍ）を測定すると共に、破断状況を確認した。なお、破断径の測定は溶接部に対して短径と長径の２箇所で測定を行い、その平均値を破断径とした。
【０１１８】
図１０に、スポット溶接における平均電圧の測定結果と捻り破断試験における結果を示す。図１０において、横軸は打点（最初のスポット溶接から数えた打点数）であり、○印と●印は破断径（ｍｍ）、■印は平均電圧（Ｖ）を示している。また、破断状況は、○印が母材の破断を、●印が溶接箇所の破断を示している。
【０１１９】
図１０より、４００〜９００打点付近においては、充分なナゲットが形成されず、破断径が低下すると共に、破断状況が母材の破断から溶接箇所の破断に変化していることが分かる。これは、４００打点付近で電極先端の一部が軟化、変質して電極先端が円状からリング状に変形しているためと考えられる。
【０１２０】
また、９００打点以降においては、ナゲットの形成が回復して、破断径が上昇すると共に、破断状況も母材の破断となり、良好な溶接が得られていることが分かる。このように９００打点以降において良好な溶接が得られたのは、溶接を繰返すことにより電極先端の形状が再形成されて電極の状態がやや回復して、ナゲットが形成されやすくなったためと考えられる。
【０１２１】
次に、第１の実施の形態と同様に測定された物理量（電圧と電流）をパラメータとしてマハラノビス距離を求め、評価基準となる参照データの平均値μと標準偏差σとから作成された閾値μ＋３σとの比較から当該溶接における溶接品質を算出した。結果を図１１に示す。図１１に示すように、電圧と電流をパラメータとした場合、３００打点付近でやや低下しているものの、その他の打点では９８％前後で推移しており、図１０に示す破断径の変化とは対応していない。この結果より、パラメータが電圧と電流の場合には、マハラノビス距離を用いてナゲット形成の差異を判定することができず、溶接箇所の溶接の品質を充分には判定できていないことが分かる。
【０１２２】
これは、ナゲットの形成状況が明らかに異なる、例えば、良好な破断径が得られた５１打点目（図１０左側の矢印）と、電極消耗による破断径の減少が生じた４５１打点目（図１０右側の矢印）におけるマハラノビス距離を見た場合、図１２に示すように、上段（１）の５１打点目と下段（２）の４５１打点目で殆ど差異がないためである。
【０１２３】
次に、電極間電圧の時間的変化を物理量としてマハラノビス距離を用いて品質判定を行った場合、溶接品質を適切に判定できることについて説明する。
【０１２４】
本発明者は、前記したように、電圧と電流に替わる物理量として、溶接品質とより直接的に関連している電極間電圧の時間的変化に着目した。図１３は、前記したＪＡＣ２７０Ｄなどの軟鋼板のスポット溶接において測定された電極間電圧の時間的変化を概念的に示す図であり、縦軸は電極間電圧（Ｖ）であり、横軸は時間（ｍｓ）である。
【０１２５】
図１３において、ＡＢ間は接触抵抗発熱によって接触抵抗が増大したことを示している。そして、ＢＣ間は接触面の微小凸部が接触抵抗発熱により溶融して接触抵抗が消滅したことを示している。また、ＣＤ間は通電部分の抵抗発熱による温度上昇で抵抗が増大しているが、ナゲットが形成され始めていることを示している。ナゲットが形成され始めると、電流通路が広くなる一方、溶接部の温度上昇は飽和するため、Ｄ点からは抵抗が減少し始め、電極間電圧が低下し始める。ナゲットはＤＥ間で急速に拡大し、ＦＧ間でナゲットの成長が飽和する。そして、Ｇ点以降はコロナボンドの面積拡大により、電流密度が低下し、通電中にも拘わらず溶接部の温度はむしろ下降気味になることを示している。
【０１２６】
そして、上記電極間電圧の時間的な変化（電極間電圧波形）は、例えば、図１４に示すように、５１打点目（前記したように、良好な破断径が得られ溶接品質は良）と４５１打点目（前記したように、破断径の減少が生じ溶接品質は不良）とにおける電極間電圧波形に明らかに差異が認められるため、電極間電圧の時間的な変化を物理量として測定することにより、溶接箇所の溶接の品質を適切に判定できることが分かる。
【０１２７】
次に、上記で測定された電極間電圧の時間的な変化に基づき、マハラノビス距離を用いて溶接品質を判定する具体的な方法につき、図１５を用いて説明する。なお、図１５は、ある打点における電極間電圧の時間的な変化を示す電極間電圧波形である。
【０１２８】
まず、この電極間電圧波形に対して、時間軸に平行なｐ本の直線を等間隔に引く。次に、各直線が電極間電圧波形と交わる交点の個数を求め、微分データとする。また、各直線以上の領域にある電極間電圧のデータ量の和を求めて積分データとする。
【０１２９】
次に、得られた微分データおよび積分データに基づき、当該溶接におけるマハラノビス距離を求める。そして、予め溶接品質が良と判定された打点（例えば、５１打点）におけるマハラノビス距離との関係から溶接品質を算出する。具体的には、５１打点におけるマハラノビス距離の全データから平均値μおよび標準偏差σを求め、μ＋３σを閾値にして上記で得られた各マハラノビス距離を振り分ける。そして、下式に示すように、閾値未満に含まれるマハラノビス距離のデータ量（個数）Ｎｕの５１打点におけるマハラノビス距離の全データ量（個数）Ｎａに対する比率を求めて溶接品質とする。
溶接品質（％）＝（Ｎｕ／Ｎａ）×１００
【０１３０】
図１６に、図１２と同様に、５１打点（溶接品質：良）および４５１打点目（溶接品質：不良）において得られたマハラノビス距離を示す。なお、図１６においては、各打点における電極間電圧波形に対して１０００本の直線を引いてマハラノビス距離を求めた。図１６に示すように、電極間電圧の時間的変化を用いた場合には、図１２と異なり、上段（１）の５１打点目と下段の（２）４５１打点目とでは大きな差異が認められる。そして、この結果から、電極間電圧の時間的変化に基づくマハラノビス距離を用いることにより、溶接品質の良、不良を適切に判定できることが分かる。
【０１３１】
各打点における溶接品質を、電極間電圧の時間的変化を用いたマハラノビス距離に基づき算出した結果を図１７に示す。そして、図１７と図１０を対比させると、４５１打点目での破断径の減少に対し溶接品質が６０％付近まで低下する一方、８５１打点目以降での破断径の増加に対して溶接品質が８０〜９０％程度まで増加しており、破断状況の変化と溶接品質の変化とが良く対応していることが分かる。また、ナゲットが形成されなかった１３５１、１５５１打点目においては、溶接品質が５０％付近まで低下しており、判定結果がナゲット形成の差異を表していることが分かる。
【０１３２】
以上のように、電極間電圧の時間的変化を用いてマハラノビス距離を求めることにより、スポット溶接であっても、電極消耗やナゲット形成状況を判定することができ、溶接品質を適切に判定することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明は、溶接の品質管理を大きく改善し、これにより溶接の精度、効率、コストが大幅に改善されるため、極めて大きな産業上の利用可能性を有することとなる。
【符号の説明】
【０１３４】
１                    直流定置型スポット溶接機
２                    トロイダルコイル
３                    ウエルドモニター
４                    ＰＣ
１０                  物理量測定部
２０                  物理量デジタル化部
３０                  サンプリングデータ１次元化部およびベクトル表現部
４０                  品質判定部
８０                  電極
９０                  母材
９５、９６、９７      溶接により溶けていく箇所
９８                  スポット溶接部
９９                  空洞
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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