(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被溶接材を対向する挟持部にそれぞれ取り付けられた電極チップで加圧して抵抗加熱により溶着させるスポット溶接装置において、溶接中の電極チップの振動を検出する溶接振動検出手段と、溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンが予め定めた合格の判定パターンであるか否かを判定する溶接良否判定手段を備えたことを特徴とするスポット溶接装置。
【請求項２】
溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の振幅レベルが予め定めた合格の判定レベルであるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
【請求項３】
溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の包絡線の時間変化パターンが予め定めた合格の判定パターンであるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
【請求項４】
溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、溶接振動検出手段で検出した加圧側挟持部の質点の固有振動周波数が予め定めた合格の判定値であるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
【請求項５】
電極チップに対する溶接電流や通電時間、および加圧力のうち少なくとも１つを制御する溶接制御手段を備えており、溶接良否判定手段が、溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の振幅レベル、溶接振動波形の包絡線の時間変化パターン、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターン、加圧側挟持部の質点の固有振動周波数、および前記固有振動周波数の時系列変化のうちの少なくとも溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行うと共に、その判定結果に基づいて溶接制御手段による溶接電流、通電時間および加圧力のうちの少なくとも１つをフィードバック制御することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
【請求項６】
電極チップ整形交換判定手段を備えており、前記電極チップ整形交換判定手段が、加圧側挟持部の質点の固有振動周波数が溶接電流通電開始から所定の周波数に達するまでの時間に基づいて電極チップの整形あるいは交換時期の判定を行なうことを特徴とする請求項４または５に記載のスポット溶接装置。
【請求項７】
溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の包絡線を所定の期間内で定積分した結果が予め定めた合格の判定値であるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
【請求項８】
溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、加圧側挟持部の質点の固有振動周波数あるいは高次振動周波数の包絡線を所定の期間内で定積分した結果が予め定めた合格の判定値であるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
【請求項９】
定積分する期間がナゲット形成開始時刻からナゲット成長飽和時刻の間としたことを特徴とする請求項７または請求項８に記載のスポット溶接装置。
【請求項１０】
溶接電流の通電開始時刻から溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の振幅拡大開始時刻までの時間を計測する時間カウンタを備えており、溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、前記時間カウンタにより計測された時間が予め定めた合格の判定値であるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
【請求項１１】
電極チップ整形交換判定手段を備えており、前記電極チップ整形交換判定手段が、時間カウンタにより計測された時間に基づいて電極チップの整形あるいは交換時期の判定を行なうことを特徴とする請求項１０に記載のスポット溶接装置。
【請求項１２】
溶接電流の通電開始時刻から溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の振幅拡大開始時刻までの時間を計測する時間カウンタと、上記時間内に通電した溶接電流の電流量を算出する手段を備えており、溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、上記電流量が予め定めた合格の判定値であるか否かを判定することを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
【請求項１３】
溶接良否判定手段が、電極チップに対する溶接電流の通電を示す信号、若しくは電極チップへの加圧を示す信号のいずれか１つ以上の信号が有効である場合に溶接状態の良否判定を行なうことを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
【請求項１４】
溶接電流通電停止指令を出力する溶接電流停止指示回路を備えており、前記回路が、溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の振幅拡大開始時刻若しくは振幅飽和時刻から所定の時間経過後に溶接電流の通電停止を行なうことを特徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
【請求項１５】
溶接振動検出手段が、溶接中における電極チップの加速度を検出する加速度センサを備えていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のスポット溶接装置。
【請求項１６】
溶接振動検出手段が、溶接中における電極チップの変位を検出する変位センサを備えていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のスポット溶接装置。
【請求項１７】
溶接振動検出手段が、溶接中における電極チップの加圧力を検出する圧力センサを備えていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のスポット溶接装置。
【請求項１８】
溶接振動検出手段が、溶接中における電極チップと加圧源との間の歪を検出する歪ゲージを備えていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のスポット溶接装置。
【請求項１９】
溶接振動検出手段が、各々の電極チップの加速度を検出する２個の加速度センサを備えると共に、両加速度センサの出力の差から溶接中の振動を検出することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のスポット溶接装置。
【請求項２０】
溶接振動検出手段が、溶接中における電極チップ振動周波数を検出する振動センサを備えていることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のスポット溶接装置。
【請求項２１】
溶接振動検出手段が、検出対象周波数と共振する共振機構を備えたことを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のスポット溶接装置。
【請求項２２】
溶接振動検出手段が、共振周波数を可変にできる共振周波数可変機構を備えたことを特徴とする請求項２１に記載のスポット溶接装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接中において、その溶接状態の良否を判定する機能を備えたスポット溶接装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スポット溶接は、鋼板を使用した種々の製品の製造で実施されている。被溶接材として主に軟鋼板が使用されていたときには、溶接不良も少なく、溶接条件を一定に管理すれば良好な溶接品質を比較的安定して保つことができた。しかし、近年では、軟鋼板に代わって亜鉛メッキ鋼板や高張力鋼板あるいはアルミニウムなどの難溶接材を使用することが多くなり、これに伴って溶接の品質管理が難しくなってきていることから、単に溶接条件を一定に管理するだけではなく、溶接中におけるスポットナゲットの形成状況を直接的に監視して溶接状態の良否を判定する手段が研究開発されている。
【０００３】
従来のスポット溶接装置において、溶接状態の良否を判定する手段としては、例えば、（１）電極チップ間の溶接電流および溶接電圧を測定してチップ間の抵抗を求め、その変化パターンに基づいて溶接状態の良否を判定するもの、（２）溶接電流または溶接電圧を予め設定した基準電流または基準電圧の時間的変化と比較し、その差が許容値内か否かにより溶接状態の良否を判定するもの、（３）溶接電流とは別に電極チップ間に測定用電流を流してチップ間の抵抗を測定し、その抵抗の変化に基づいて溶接状態の良否を判定するもの、等があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述したような従来の溶接状態良否判定手段、つまり溶接電流や溶接電圧に基づいて溶接状態の良否を判定する手段を備えたスポット溶接装置にあっては、被溶接材の種類ごとに綿密な予備実験を行ない、溶接状態の良否の判定基準を予め求めておくという作業が不可欠となる。この際、単に被溶接材の種類のみならず、錆や汚れなどの表面状態および電極チップの摩耗や変形といった不確定要素によるチップ間抵抗の変化を考慮する必要がある。しかしながら、実際の予備実験では、これらの不確定要素によるチップ間の抵抗の変化まで予測するのが難しく、上記不確定要素を判定基準になるべく盛り込むために多くの手間と時間が費やされていた。また、予備実験によって得た判定手段にあっても、適用範囲が比較的狭くて実用性に乏しいため、実際の溶接現場においては、溶接不良を避けるために、多少のコストをかけてでも厳しい溶接条件を設定せざるを得ないのが現状であった。このため、従来にあっては、溶接状態の良否を判定するうえでの作業の簡略化や判定精度の向上などが要望されていた。
【０００５】
【発明の目的】
本発明は、上記従来の状況に鑑みて成されたもので、溶接中における溶接状態の良否判定を簡単且つ正確に行なうことができるスポット溶接装置を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係わるスポット溶接装置は、請求項１として、被溶接材を対向する挟持部にそれぞれ取り付けられた電極チップで加圧して抵抗加熱により溶着させるスポット溶接装置において、溶接中の電極チップの振動を検出する溶接振動検出手段と、溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンが予め定めた合格の判定パターンであるか否かを判定する溶接良否判定手段を備えた構成とし、請求項２として、溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の振幅レベルが予め定めた合格の判定レベルであるか否かを判定する構成とし、請求項３として、溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の包絡線の時間変化パターンが予め定めた合格の判定パターンであるか否かを判定する構成とし、請求項４として、溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、溶接振動検出手段で検出した加圧側挟持部の質点の固有振動周波数が予め定めた合格の判定値であるか否かを判定する構成とし、請求項５として、電極チップに対する溶接電流や通電時間、および加圧力のうち少なくとも１つを制御する溶接制御手段を備えており、溶接良否判定手段が、溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の振幅レベル、溶接振動波形の包絡線の時間変化パターン、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターン、加圧側挟持部の質点の固有振動周波数、および前記固有振動周波数の時系列変化のうちの少なくとも溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行うと共に、その判定結果に基づいて溶接制御手段による溶接電流、通電時間および加圧力のうちの少なくとも１つをフィードバック制御する構成とし、請求項６として、電極チップ整形交換判定手段を備えており、前記電極チップ整形交換判定手段が、加圧側挟持部の質点の固有振動周波数が溶接電流通電開始から所定の周波数に達するまでの時間に基づいて電極チップの整形あるいは交換時期の判定を行なう構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００７】
また、本発明に係わるスポット溶接装置は、請求項７として、溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の包絡線を所定の期間内で定積分した結果が予め定めた合格の判定値であるか否かを判定する構成とし、請求項８として、溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、加圧側挟持部の質点の固有振動周波数あるいは高次振動周波数の包絡線を所定の期間内で定積分した結果が予め定めた合格の判定値であるか否かを判定する構成とし、請求項９として、請求項７および請求項８に記載のスポット溶接装置において定積分する期間がナゲット形成開始時刻からナゲット成長飽和時刻の間とした
構成とし、請求項１０として、溶接電流の通電開始時刻から溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の振幅拡大開始時刻までの時間を計測する時間カウンタを備えており、溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、前記時間カウンタにより計測された時間が予め定めた合格の判定値であるか否かを判定する構成とし、請求項１１として、電極チップ整形交換判定手段が、請求項１０に記載のスポット溶接装置において時間カウンタにより計測された時間に基づいて電極チップの整形あるいは交換時期の判定を行なう構成とし、請求項１２として、溶接電流の通電開始時刻から溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の振幅拡大開始時刻までの時間を計測する時間カウンタと、上記時間内に通電した溶接電流の電流量を算出する手段を備えており、溶接良否判定手段が、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンに基づいて溶接状態の良否判定を行なうのに加えて、上記電流量が予め定めた合格の判定値であるか否かを判定する構成とし、請求項１３として、溶接良否判定手段が、電極チップに対する溶接電流の通電を示す信号、若しくは電極チップへの加圧を示す信号のいずれか１つ以上の信号が有効である場合に、溶接状態の良否判定を行なう構成とし、請求項１４として、溶接電流通電停止指令を出力する溶接電流停止指示回路が、溶接電流の通電開始時刻から溶接振動検出手段で検出した溶接振動波形の振幅拡大開始時刻若しくは振幅飽和時刻から所定の時間経過後に溶接電流の通電停止を行なう構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００８】
さらに、本発明に係わるスポット溶接装置は、請求項１５として、溶接振動検出手段が、溶接中における電極チップの加速度を検出する加速度センサを備えている構成とし、請求項１６として、溶接振動検出手段が、溶接中における電極チップの変位を検出する変位センサを備えている構成とし、請求項１７として、溶接振動検出手段が、溶接中における電極チップの加圧力を検出する圧力センサを備えている構成とし、請求項１８として、溶接振動検出手段が、溶接中における電極チップと加圧源との間の歪を検出する歪ゲージを備えている構成とし、請求項１９として、溶接振動検出手段が、各々の電極チップの加速度を検出する２個の加速度センサを備えると共に、両加速度センサの出力の差から溶接中の振動を検出する構成とし、請求項２０として、溶接振動検出手段が、溶接中における電極チップと振動周波数を検出する振動センサを備えている構成とし、請求項２１として、溶接振動検出手段が、検出対象周波数と共振する共振機構を備えた構成とし、請求項２２として、溶接振動検出手段が、共振周波数を可変にできる共振周波数可変機構を備えた構成としており、上記構成をもって従来の課題を解決するための手段としている。
【０００９】
本発明に係わるスポット溶接装置は、周期的な溶接電流による被溶接材の溶融進行や被溶接材を加圧挟持した際の振動変化や、電磁作用による溶融池内部の攪拌振動、および熱膨張変化に起因する振動などのように、スポットナゲットの形成時における普遍的な現象により発生する振動を検出する。すなわち、加速度センサ等の溶接振動検出手段により、溶接中における電極チップの振動を直接的にまたは間接的に検出する。そして、溶接良否判定手段において、溶接振動波形の溶接振動パターン等に基づいて溶接状態の良否を判定する。また、電極チップの整形交換判定手段において、加圧挟持した際に検出される固有振動周波数が溶接電流通電開始から所定の周波数に達するまでの時間等に基づいて電極チップの整形あるいは交換時期の判定を行なう。したがって、予備実験において、例えば、溶接状態が良好である場合と不良である場合の溶接振動波形を求め、その波形に基づいて溶接振動パターンなどを取得し、これらを判定基準として用いることができる。
【００１０】
【発明の効果】
本発明の請求項１〜４、請求項７〜１０および請求項１２〜１４に係わるスポット溶接装置によると、電極チップの振動を検出して溶接状態の良否判定を行なうことから、被溶接材の表面における錆や汚れあるいは電極チップの摩耗や変形などの不確定要素の影響をほとんど受けることなく、簡単に且つ正確に溶接状態の良否を判定することができる。これにより、判定基準を定めるための予備実験を大幅に簡素化することができると共に、溶接コストの低減を実現することができ、溶接品質の向上にも貢献することができる。また、既存のスポット溶接装置に判定機能を付加することもきわめて容易に行なうことができ、設備費のさらなる節減なども実現し得る。
【００１１】
本発明の請求項５に係わるスポット溶接装置によると、溶接良否判定手段の判定結果に基づいて電極チップに対する溶接電流等をフィードバック制御することから、良好な溶接状態が得られるように自動制御が行なわれることとなり、溶接不良の発生を著しく低減することができ、さらなる低コストおよび溶接品質の向上が実現し得る。
【００１２】
本発明の請求項６および請求項１１に係わるスポット溶接装置によると、電極チップ先端の劣化判定を行なうことにより、効率の良い電極チップ先端の整形または電極チップの交換が実現し得る。
【００１３】
本発明の請求項１４に係わるスポット溶接装置によると、溶接良否判定において、良と判定された場合、それ以降の溶接電流制御は予備実験で求めた所定の制御量をもって通電停止させることにより、溶接不良を出さずに溶接電力の節約が実現し得る。
【００１４】
本発明の請求項１５〜２２に係わるスポット溶接装置によると、請求項１〜１４と同様の効果を得ることができるうえ、さらに各々の溶接振動検出手段により溶接中の電極チップの振動が正確に検出され、溶接状態の良否判定を高精度で行なうことが実現し得る。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係わるスポット溶接装置の一実施例を説明する図である。
【００１６】
図示のスポット溶接装置は、一対の溶接ガンアーム１，２に、対向する電極チップ３，４を備えており、重ね合わせた２枚の被溶接材Ｗ１，Ｗ２を両電極チップ３，４で挟んで加圧し、通電による抵抗加熱で両被溶接材Ｗ１，Ｗ２を溶着させるものである。一方の溶接ガンアーム１は、エアーシリンダ５により駆動されるようになっており、他方の溶接ガンアーム２は、少なくとも溶接時において固定状態となっている。
【００１７】
上記スポット溶接装置は、両電極チップ３，４に対する溶接電流、通電時間および通電タイミングを制御する溶接制御手段６と、溶接制御手段６で制御された１次電流を溶接に必要な電流まで増幅させる溶接トランス７と、溶接電流の制御を行なうために通電電流を検出する溶接電流検出トランス８を備えている。
【００１８】
また、上記スポット溶接装置は、溶接中の電極チップの振動を検出する溶接振動検出手段として、可動側の溶接ガンアーム２に加速度センサ９Ａが取り付けてあって、溶接ガンアーム１および電極チップ３の加速度を検出することで、電極チップ３の振動を検出するようになっており、さらに、加速度センサ９Ａで検出した溶接振動波形に基づいて溶接状態の良否を判定する溶接良否判定手段１０Ａを備えると共に、溶接良否判定手段１０Ａの判定結果に基づいて溶接制御手段６による溶接電流および通電時間をフィードバック制御するものとなっている。
【００１９】
すなわち、当該スポット溶接装置は、溶接中において、周期的な溶接電流による被溶接材の溶融進行や電磁作用による溶融池内部の攪拌振動、および熱膨張変化に起因する振動などのように、スポットナゲットの形成時における普遍的な現象により振動が発生することから、その振動を検出して溶接状態の良否を判定するものとなっている。したがって、溶接良否判定手段１０Ａには、振動に基づいて溶接状態の良否を判定し得る判定基準が設けられている。その判定基準を取得するための予備実験の結果を図２４〜図２８に示す。
【００２０】
図２４は、厚さ１．６ｍｍのＳＰＣＣ鋼板（冷延鋼板）に対して溶接電流を変化させて溶接を行ない、それぞれのスポットナゲットの形成状態と、溶接振動波形と、溶接振動波形の振幅スペクトルを示したものである。また、図２５は、図２４（ａ）に示す溶接不可の場合と、図２４（ｃ）に示す溶接合格の場合において、双方の溶接振動波形の振幅スペクトルを溶融開始期とスポットナゲット形成進行期とに分けて対比したものである。
【００２１】
図２４から明らかなように、溶接振動波形の特徴としては、溶接振動波形の振幅レベルとスポットナゲット形成との相関、溶接振動波形の包絡線の時間変化パターンとスポットナゲット形成との相関、溶接振動波形の周波数分布の時間変化とスポットナゲット形成との相関が挙げられる。
【００２２】
また、図２５から明らかなように、スポットナゲット形成状態が不可の場合には、溶融開始期（ａ）とスポットナゲット形成進行期（ｃ）の振幅スペクトルに大きな違いは見られないが、スポットナゲット形成状態が合格の場合には、溶融開始期（ｂ）に対してスポットナゲット形成進行期（ｄ）の振幅スペクトルに違いを確認できる。
【００２３】
さらに、図２６〜図２８は、厚さ０．８ｍｍのＳＰＣＣ鋼板、厚さ１．６ｍｍのＳＰＣＣ鋼板、および表面処理が施された厚さ１．６ｍｍのＳＰＦＨ４９０相当の高張力鋼板を被溶接材として、同様の溶接実験を行った結果を示すものである。このように、被溶接材の板厚や種類が変わっても、図２４に示した溶接振動波形と同様の振動の特徴が確認されている。つまり、溶接作用に起因する振動を判定対象とすることで、被溶接材の種類ごとに設定する判定基準のパラメータを少なくすることができる。
【００２４】
上記構成を備えたスポット溶接装置は、加速度センサ９Ａによって溶接中における電極チップ３の振動を検出し、溶接良否判定手段１０Ａにおいて、検出した溶接振動波形が予め定めた溶接強度の設計値を満足する溶接振動パターンであるか否かを判定する。あるいは、溶接振動波形の全域または任意のタイミングにおける振幅レベルが予備実験で求めた合格の判定レベルにあるか否かを判定する。あるいは、溶接振動波形の包絡線の時間変化パターンが予備実験で求めた合格の判定パターンを呈しているか否かを判定する。あるいは、溶接振動波形の周波数分布の時間変化パターンが予備実験で求めた合格の判定パターンを呈しているか否かを判定する。
【００２５】
なお、溶接振動波形の包絡線の時間変化パターンによる判定は、図２４（ｄ）〜（ｆ）の振幅スペクトルにおいて、溶接電流の２倍の周波数でありかつ溶接振動の主成分である振動周波数Ａ１〜Ａ３に対して、その包絡線変化の発生因子となる干渉周波数Ｂ１〜Ｂ３の振幅レベルあるいは周波数によっても認識することが可能である。また、溶接振動波形の周波数分布の時間変化による判定は、図２５（ｂ）（ｄ）に示す振幅スペクトルにおいて、任意の特徴的な周波数Ｃ３の振幅レベルの時間的変化を判定対象として選択し、この周波数Ｃ３が予備実験で求めた所定のタイミングにおいて合格の判定レベルにあるか否かで溶接状態の良否を判定することが可能である。
【００２６】
このように、上記スポット溶接装置は、溶接作用に起因する振動を判定対象とすることで、被溶接材の表面における錆や汚れあるいは電極チップの摩耗や変形などの不確定要素の影響をほとんど受けることなく、簡単且つ正確に溶接状態の良否を判定し得るものとなっている。また、溶接良否判定手段１０Ａにより、溶接振動波形の振幅レベル、溶接振動波形の包絡線の時間変化パターン、および溶接振動波形の振幅レベル、溶接振動波形の周波数分布の時間変化のうちの少なくとも１つに基づいて溶接状態の良否判定を行ったのち、その判定結果に基づいて溶接制御手段６による溶接電流および通電時間をフィードバック制御することにより、一旦溶接不良と判定した場合でも、その溶接が良好に行なわれるように自動制御が行なわれる。これにより、溶接不良の発生が著しく低減されることとなる。
【００２７】
図２〜４は、本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段の具体的な一実施例を説明する回路図である。
【００２８】
図２の溶接良否判定手段１０Ｂは、溶接振動波形の振幅レベルを判定対象とするものであって、溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から判定に必要な振動周波数成分を抽出するバンドパスフィルタ１１と、バンドパスフィルタ１１で抽出した振動信号の振幅レベルを得るための振幅検波回路１２と、予備実験で求めた良否判定の基準レベルを設定する判定レベル設定器１３と、振幅検波回路１２からの振幅レベルと判定レベルを比較する電圧コンパレータ１４と、溶接電流通電後の比較タイミングを設定するためのタイマー１５と、タイマー１５から比較タイミングを得て良否判定比較結果に基づいて溶接状態の良否判定を行なうレベル良否判定回路１６を備えている。この溶接良否判定手段１０Ｂは、溶接振動検出手段９Ｘにより検出した溶接振動波形を振幅レベル信号に変換し、振幅レベルと判定レベルと比較した結果を所定のタイミングにおいて評価することで、溶接状態の良否判定を行なう。
【００２９】
図３の溶接良否判定手段１０Ｃは、溶接振動波形の周波数分布の時間変化を判定対象とするものであって、回路構成を簡素化するために判定対象を特定の周波数に絞り、その代わりに周波数を選択し得るようにしてあり、図２に示す回路構成に、バンドパスフィルタ１１の通過周波数を調整するための周波数設定回路１７を付加した構成になっている。
【００３０】
ここで、包絡線による良否判定は、図２４に示す包絡線の時間軸の変化で捕らえる手段の他に周波数軸で捕らえる手段がある。包絡線の変化は、図２４の振幅スペクトルに示すところの主溶接振動周波数Ａ１（〜Ａ３）と別の溶接振動周波数Ｂ１（〜Ｂ３）の干渉により発生しているので、通常のスポット溶接の設定条件のように、溶接電流によって、主溶接振動周波数Ａ１（〜Ａ３）の周波数および振幅がほぼ一定となる条件下では、干渉溶接振動周波数Ｂ１（〜Ｂ３）の周波数および振幅は、包絡線の周波数および振幅に比例しているとみなすことができる。
【００３１】
したがって、バンドパスフィルタ１１で干渉溶接振動周波数Ｂ１（〜Ｂ３）を抽出するように周波数設定回路１７を設定することで、包絡線に比例した干渉周波数の振幅レベルによる溶接状態の良否判定が行なわれる。また、図２５の振幅スペクトルに示す任意の周波数Ｃ３を抽出するように周波数設定回路１７を設定すれば、抽出信号と判定レベルの比較結果から上記周波数Ｃ３の変化量から、溶接状態の良否判定を行なうことが可能になる。
【００３２】
図４の溶接良否判定手段１０Ｄは、溶接振動波形の包絡線の時間変化パターンを判定対象とするものであって、バンドパスフィルタ１１と、バンドパスフィルタ１１で抽出した振動信号の包絡線を得るための振幅検波回路１２と、溶接電流の通電開始から判定パターンの発信開始に至った際にトリガ信号を出力するトリガ発生回路２１と、トリガ信号を受けて予備実験で求めた判定パターンを発信する判定パターン発信器２２と、溶接振動信号の包絡線と判定パターンの差を得るための演算器２３と、演算器２３の出力から溶接状態の良否判定を行なうパターン良否判定回路２４を備えている。この溶接良否判定手段１０Ｄは、溶接振動検出手段９Ｘにより検出した溶接振動波形を周波数の包絡線信号に変換し、この包絡線の時間変化パターンと判定パターンとの比較においては、演算器２３による双方の差分が所定の変動幅以内にあるか否かを評価することで、溶接状態の良否判定を行なう。
【００３３】
図５は、本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段の他の実施例を説明する回路図である。
【００３４】
図示の溶接良否判定手段１０Ｅは、とくに、１つのスポット溶接装置で多種多様な被溶接材の溶接に適用し得るものであって、先の実施例の振幅レベルを判定対象とする振幅レベル判定型良否判定回路３１と、同じく先の実施例の包絡線の時間変化パターンを判定手段とする包絡線判定型良否判定回路３２と、同じく先の実施例の周波数分布の時間変化を判定対象とする周波数分布判定型良否判定回路３３を備えている。
【００３５】
また、溶接良否判定手段１０Ｅは、それぞれの良否判定回路３１〜３３による判定モードに応じた判定データを記憶する判定基準記憶回路３４と、被溶接材の材質、厚さ、および表面処理等に応じた判定モードおよび判定基準の選択を行なう判定モード制御回路３５と、判定モード制御回路３５からの指示モードにしたがって各良否判定回路３１〜３３の判定結果を評価すると共に最終的な溶接状態の良否判定を行なう総合判定回路３６を備えている。
【００３６】
上記の溶接良否判定手段１０Ｅは、被溶接材ごとに予備実験で求めた判定条件から、どの良否判定回路３１〜３３の判定結果が最適であるか、あるいはどの良否判定回路３１〜３３の組合わせの判定結果が最適であるかを吟味し、被溶接材に対応した最適な良否判定回路３１〜３３を選択することにより、多種多様な被溶接材を連続的に溶接する場合でも溶接状態の良否判定を実行し得るものとなっている。
【００３７】
図６は、本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段の他の実施例を説明する回路図である。
【００３８】
図示の溶接状態良否判定手段１０Ｆは、図２〜５に示すものがいずれもハードウエアによる構成であるのに対して、信号処理および溶接良否判定処理をソフトウエアにて行なう構成となっており、良否判定に必要な振動周波数成分の抽出ならびにアナログ／デジタル変換時のアリアス（ａｌｉａｓ）を防止するバンドパスフィルタ１１と、振動信号をデジタルデータに変換するためのＡ／Ｄ変換器４２と、デジタルフィルタリングまたは周波数分析とその結果に基づいて溶接状態の良否判定を行なうためのソフトウエアを有するデジタルシグナルプロセッサ４３を備えている。
【００３９】
上記溶接状態良否判定手段１０Ｆによる処理過程を図７に示すフローチャートにおいて説明する。
【００４０】
すなわち、ステップＳ１において溶接プロセスが開始されると、ステップＳ２において、アナログ・デジタル変換器で振動信号を離散数値化し、ステップＳ３において、デジタル処理を行って必要な周波数の振幅情報を抽出する。その後、ステップＳ４において、判定のタイミングに達したか否かを判定し、タイミングに達していない場合（Ｎｏ）にはステップＳ２に戻り、タイミングに達している場合（Ｙｅｓ）にはステップＳ５に進んで振幅が合格レベルであるか否かを判定する。このステップＳ５において振幅が合格レベルである場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ６に進んで合格判定をし、さらにステップＳ７に進んで次の溶接プロセスに移行する。
【００４１】
また、ステップＳ５において振幅が合格レベルではない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ８に進んで不合格判定をしたのち、ステップＳ９においてその不合格判定が始めてか否かを判定する。このステップＳ９において、その不合格判定が初めてである場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０に進んで修正溶接プロセスに移行する。つまり、溶接良否判定手段１０により溶接制御手段６をフィードバック制御し、良好な溶接が行なわれるように溶接電流および通電時間を変更する。そして、ステップＳ９において、不合格判定が初めてではない場合（Ｎｏ）には、先に修正溶接プロセスを経たにもかかわらず不合格判定を受けたことになるから、ステップＳ１１に進んで修正不可能と判断し、溶接不良時の処理を行なう。
【００４２】
なお、この実施例の溶接状態良否判定手段１０Ｆにおけるデジタルシグナルプロセッサ４３は、汎用の信号の処理ＩＣやパーソナルコンピュータに置換えることが可能であり、これにより、汎用性に富むと共に、リアルタイム処理を行なうことができる高速信号処理システムを安価に得ることが可能である。
【００４３】
図８に、本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段の他の実施例を説明する。
【００４４】
図８は、図１に示すスポット溶接機の溶接振動検出手段が振動センサ９Ｂとなっているものであり、他の記号は図１と同じである。図２９（ａ）は図８に示すスポット溶接装置において、被溶接材Ｗ１，Ｗ２を加圧挟持したときの溶接機全体を簡略化した振動モデルとして表したものである。ここでｋａは加圧用エアーシリンダ５の空気ばね定数を、ｍｕは加圧側挟持部の総質量を、ｋｎは被溶接材Ｗ１，Ｗ２の弾性率から換算したナゲット部１０８のバネ定数を示す。また、図２９（ｂ）はナゲット部１０８のばね定数ｋｎの模式図を示す。この図２９（ｂ）から、ばね定数ｋｎはナゲット形成状態に応じて値が動的に変化する可変ばね要素と見ることができる。次に加圧側挟持部質量ｍｕとばね定数ｋｎとの振動周波数分布のモデル図を図３０に示す。ここでｆｎは加圧側挟持部質量ｍｕとばね定数ｋｎの１次の固有振動周波数を示し、その周波数は図２９（ａ）において空気ばね定数ｋａが小さい場合、概略以下の式で求めることができる。
【００４５】
【数１】
0003796746.tif 000002
【００４６】
つまり加圧側挟持部質量ｍｕが一定である溶接機では固有振動周波数ｆｎはナゲット形成状態を表す信号と言える。
【００４７】
また電極チップ３，４と被溶接材Ｗ１，Ｗ２は圧接しているためナゲット部のばね定数ｋｎの復元力は接触点を原点とする非対称非線形と考えられる。このためｆｎの整数高次の振動周波数が発生する。なお実際の振動周波数分布にはさらに電磁振動や溶接機の他の固有振動周波数が混在しているが、ここでは説明を容易にするために省略してある。
【００４８】
ここで、前記ばね定数ｋｎがナゲット形成状態に応じて変化し、その変化が前記加圧側挟持部の質点の１次の固有振動周波数ｆｎの変化、つまり溶接が開始されナゲット形成部の金属が溶融するとばね定数ｋｎが低下することに着目して、予備実験で求めた合格ナゲット形成時と同等か否かを前記固有振動周波数ｆｎを比較することで溶接状態の良否判定を行なう。
【００４９】
ここで、加圧側挟持部の質点とは加圧側挟持部の振動を考えるうえで加圧側挟持部の形、大きさを無視し、その１点のみで代表させ、加圧側挟持部の質量ｍｕという力学的性質だけで持たせた仮想の点をいう。
【００５０】
図９は、上記発明をスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【００５１】
この実施例ではナゲット形成状態を反映して振動するスポット溶接装置の加圧側挟持部の固有振動周波数ｆｎを判定対象とするものである。図示の溶接良否判定手段１０Ｇは、前記加圧側挟持部に取り付けた溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から判定に必要な固有振動周波数ｆｎを抽出する加圧電極振動検出回路２００と、抽出された振動信号を電圧レベルに変換するための周波数／電圧変換回路２０１と、予備実験で求めた良否判定の基準レベルを設定する判定レベル設定器１３と、検出された振動信号の振幅レベルと合格判定レベルを比較する電圧コンパレータ１４と、溶接電流通電後の比較タイミングを設定するためのタイマー１５と、タイマー１５から比較タイミングを得て良否判定比較結果に基づいて溶接状態の良否判定を行なうレベル良否判定回路１６を備えている。この溶接振動検出手段９Ｘにより検出された振動波形は加圧電極振動検出回路２００、周波数／電圧変換回路２０１により固有振動周波数ｆｎに対応した電圧レベル信号へ変換され、合否判定基準レベルと比較した結果が所定のタイミングにおいて評価されて溶接状態の良否判定を行なう。
【００５２】
図１０は前記加圧電極振動検出回路２００の一実施例を示すものである。ナゲット形成状態によって変化する前記固有振動周波数ｆｎのみを検出して出力するために、前記固有振動周波数ｆｎの下限周波数以下の振動信号を除去するハイパスフィルタ２０２と、上限周波数以上の振動信号を除去するためのローパスフィルタ２０３との縦続構成となっている。つまり固有振動周波数ｆｎのみがフィルタを通過して出力される。これは前記固有振動周波数ｆｎの変化範囲内において他の振動成分とのＳＮ比が確保できている場合に有効なもっとも簡単な構成である。
【００５３】
図１１は前記加圧電極振動検出回路２００の他の実施例を示すものである。振動信号を周波数分布データへ変換するためのＦＦＴ回路２０４と、前記振動信号中の定常振動成分の周波数分布データを設定する定常振動周波数分布設定器２０５と、ＦＦＴ回路２０４の出力する周波数分布データから定常振動成分を除去するための
周波数分布減算器２０６と、減算結果の分布データを振動信号に戻すための逆ＦＦＴ回路２０７とから構成される。したがってナゲット形成状態によって変化する前記固有振動周波数ｆｎ以外の振動は、定常的に発生している振動であることから、たとえ定常振動成分が大きくても、また周波数が重なることがっても周波数分布減算器２０６で差し引かれる。この結果、変動分である前記固有振動周波数ｆｎがＳＮ比を高めて出力される。
【００５４】
図３１に前記固有振動周波数ｆｎとばね定数ｋｎの時系列変化の関係を示す。この図より前記固有振動周波数ｆｎの時系列変化ｆｎ（ｔ）を監視することでナゲット形成状況をリアルタイムで判定できることがわかり、よって、合格ナゲットの形成に導くための溶接インプロセス制御が実現できる。
【００５５】
図１２は、上記発明をスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【００５６】
この実施例では固有振動周波数ｆｎの時系列変化パターンを合格判定対象とするもので、さらに合格ナゲットの形成に導くための溶接補正制御指令機能を有するものである。図示の溶接良否判定手段１０Ｈは、前記加圧側挟持部に取り付けた溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から判定に必要な固有振動周波数ｆｎを抽出する加圧電極振動検出回路２００と、抽出された振動信号を電圧レベルに変換するための周波数／電圧変換回路２０１と、溶接電流通電開始から合格パターン発生の開始を指示するトリガ発生回路２１と、再生トリガを受けて合格ナゲット形成時の固有振動周波数ｆｎの時系列変化を電圧信号として再生する合格パターン発生器２０９と、その合格パターンに対する固有振動周波数ｆｎの時系列変化のずれ量を検出する減算器２３と、そのずれ量からリアルタイムで良否判定を行なうリアルタイム良否判定回路２１１と、良否判定結果を受けて、予め設定した補正制御論理に基づいた溶接電流、通電時間、加圧力の補正制御指令を出すインプロセス補正制御回路２１２を備えている。この溶接振動検出手段９Ｘにより検出された振動波形は加圧電極振動検出回路２００、周波数／電圧変換回路２０１により固有振動周波数ｆｎに応じた電圧レベル信号へ変換され、この電圧信号レベルの時系列変化と合格パターンのずれ量が減算器２３で逐次算出され、リアルタイム良否判定回路２１１にてそのずれ量が所定の許容判定以内にあるか否かでナゲット形成過程の良否判定を行なう。
【００５７】
したがって溶接振動検出手段９Ｘにより検出された振動波形は加圧電極振動検出回路２００、周波数／電圧変換回路２０１により固有振動周波数ｆｎに応じた電圧レベル信号へ変換され、この電圧信号レベルの時系列変化と合格パターンのずれ量が減算器２３で逐次算出され、リアルタイム良否判定回路２１１にてそのずれ量が所定の許容範囲以内にあるか否かでナゲット形成過程の良否判定が行なえる。また不良判定が出た場合は即座にインプロセス補正制御回路２１２にて不良分析が行なわれる。例えば合格パターンとのずれ量がマイナス方向へ拡大している場合はナゲット形成速度が遅いと判断できるので、この場合は溶接電流を高める補正制御指令を出すことでナゲット形成を促進させることができる。このようにして積極的に合格ナゲットの形成へ導くためのフィードバック制御が可能となる。
【００５８】
図３２は、電極チップ先端の劣化とナゲット部の溶融開始時刻ｔｍ（ｎ）の関係を示す。図示のように、電極チップ先端の劣化に伴って溶融開始時刻ｔｍ（ｎ）が遅れることに着目すると、前記固有振動周波数ｆｎ（ｔ）が溶融開始時の固有振動周波数ｆｎ（ｔｍ）に達する時刻ｔｍ（ｎ）が、予備実験で求めた電極チップ使用限界時刻ｔｌに達したか否かにより電極チップ先端の劣化判定ができる。
【００５９】
図１３は、上記発明をスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【００６０】
この実施例ではナゲット部の溶融開始時刻における固有振動周波数ｆｎ（ｔｍ）を判定対象とするものである。図示の溶接良否判定手段１０Ｉは、前記加圧側挟持部に取り付けた溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から判定に必要な固有振動周波数ｆｎを抽出する加圧電極振動検出回路２００と、抽出された振動信号を電圧レベルに変換するための周波数／電圧変換回路２０１と、前記固有振動周波数ｆｎ（ｔｍ）に対応した電圧レベルＶｍを設定する溶融開始時刻判定レベル設定器２１３と、抽出した電圧レベルと溶融開始時刻判定レベルＶｍを比較して溶融開始時刻ｔｍを判定する電圧コンパレータ１４と、溶接電流通電開始から溶融開始時刻ｔｍまでの時間を計る時間カウンタ２１４と、時間カウンタの値が電極チップ使用限界時刻ｔｌに達したか否かで電極チップの整形または交換時期の判定を行なう電極チップ整形交換判定回路２１５と、チップ整形判定履歴を保存するメモリ２１６を備えている。
【００６１】
したがって溶接振動検出手段９Ｘにより検出された振動波形は加圧電極振動検出回路２００、周波数／電圧変換回路２０１により固有振動周波数ｆｎに応じた電圧レベル信号へ変換され、この電圧信号レベルと溶融開始時刻判定レベルを比較して溶融開始時刻ｔｍが検出され続いて通電開始からの時間が求められる。この時間長さが予め設定してある電極チップ使用限界ｔｌに達した場合、電極チップ先端が劣化したと判断し電極チップの整形時期と判定する。またこの整形時期の判定累積回数は履歴としてメモリ２１６へ保存され、判定累積が所定の回数に達した場合は電極チップ消耗と判断し交換時期と判定をする。この判定結果によって効率の良い電極チップの整形または交換が行なえる。
【００６２】
図３３は、ナゲット形成と相関のある振動の振幅包絡線を所定期間で定積分した結果と、そのときのナゲット径の実測値の関係を示す。図示のように、上記関係が比例することに着目すると、振幅包絡線を所定の期間で定積分した結果と比較して溶接状態の良否判定を行なうことができる。ここで、前記ナゲット形成と相関のある振動周波数として図３０に示す前記固有振動周波数ｆｎを選択することを提案し、定積分する所定期間として、図３１に示す溶融開始時刻ｔｍからナゲット飽和時刻ｔｇを選択することを提案することができる。
【００６３】
ここで、前記固有振動周波数ｆｎを選択するにはバンドパスフィルタを使用し、その通過周波数設定を図３１に示すナゲット飽和時刻ｔｇにおける固有振動周波数ｆｎ（ｔｇ）に合わせる。これにより不要な振動周波数を除去すると共に、図３４（ａ）に示すようにフィルタの通過利得作用により、固有振動周波数の変化ｆｎ（ｔ）は振動振幅の変化Ａｎ（ｔ）に置き換わる。この結果図３４（ｂ）に示すように溶融開始時刻ｔｍからナゲット飽和時刻ｔｇにかけて振幅が変化する振動信号Ａｎ（ｔ）ＳＩＮ２πｆｎ（ｔｇ）ｔが得られる。なおナゲット飽和時刻ｔｇ経過後、ナゲットが凝固に転じる領域では固有振動周波数が再びｆｎ（ｔｍ）側へ移動するために振動振幅が低下することになる。次に振動信号Ａｎ（ｔ）ＳＩＮ２πｆｎ（ｔｇ）ｔから包絡線Ａｎ（ｔ）を抽出し定積分することになるが、このとき、ナゲット形成の良否が明確に現れる期間を定積分期間に選定することが望ましい。実験の結果、図３５に示すように、形成されるナゲット径と平均振動振幅の大きさ、および振動振幅が飽和（最大振幅点）するまでの早さは互いに比例し、かつ連動することがわかった。この特徴に着目して定積分期間を溶融開始時刻ｔｍからナゲット飽和時刻ｔｇに設定することで定積分結果とナゲット径の良好な相関特性を得ることができる。
【００６４】
図１４は、上記発明をスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。この実施例ではナゲット形成と相関のある振動包絡線の定積分値を判定対象とするものである。図示の溶接良否判定手段１０Ｊは、前記加圧側挟持部に取り付けた溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から判定に必要な振動信号を抽出するバンドパスフィルタ１１と、抽出された振動信号の包絡線を得るための振幅検波回路１２と、包絡線を所定の期間で積分する定積分回路２１７と、合格ナゲット形成時の定積分レベルを設定する合格判定レベル設定器１３と、定積分結果と合格判定レベルを比較する電圧コンパレータ１４と、溶接電流通電後の比較タイミングを決定するためのタイマー１５と、比較タイミングを得て、合格判定比較結果に基づいて溶接状態の良否判定を行なうレベル良否判定回路１６を備えている。ここでバンドパスフィルタ１１の通過周波数にはナゲット飽和時期固有振動周波数ｆｎ（ｔｇ）を設定し、また定積分回路２１７の積分期間にはナゲット溶融開始時刻ｔｍからナゲット飽和時刻ｔｇまでの期間を設定する。なお定積分回路２１７の具体的回路例としては積分リセットスイッチと静電容量素子を用いた電荷蓄積によるアナログ積分回路などが挙げられる。
【００６５】
したがって、溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から、バンドパスフィルタ１１のサ用により図３４（ｂ）に示すようなナゲット形成に応じて振幅変化する固有振動周波数信号Ａｎ（ｔ）ｓｉｎ２πｆｎ（ｔｇ）ｔが抽出され、続いてその包絡線Ａｎ（ｔ）の定積分値がナゲット溶融開始時刻ｔｍからナゲット飽和時刻ｔｇの期間で計算されて、予備実験にて求めた合格ナゲット形成時の定積分値と比較される。その比較結果が所定のタイミングにおいて評価されて溶接状態の良否判定が行なわれる。なお定積分結果とナゲット径の近似式を求めておけばナゲット径の推定値を出力することもできる。
【００６６】
図３６（ａ）は通電開始時刻からの振動信号Ａｎ（ｔ）ＳＩＮ２πｆｎ（ｔｇ）ｔを示し、図３６（ｂ）は、図３６（ａ）における前記振動信号Ａｎ（ｔ）ＳＩＮ２πｆｎ（ｔｇ）ｔの振幅拡大開始時刻ｔｒまでの時間Ｔｒとナゲット径との関係を示す。図３６（ｂ）に示すように、上記関係が指数曲線で近似できる実験結果を得たことに着目すると、溶接時に得られる振幅拡大開始時間Ｔｒを予備実験で得た合格ナゲット形成時の振幅拡大開始時間Ｔｒと比較することでナゲット形成が完了するより前にナゲット形成状態の良否判定ができる。また近似式を求めておくことで振幅拡大開始時刻ｔｒ時点においてナゲット径の推定ができる。
【００６７】
図１５は、上記発明をスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【００６８】
この実施例ではナゲット形成と相関のある振動信号の振幅拡大開始時間を判定対象とするものである。図示の溶接良否判定手段１０Ｋは、前記加圧側挟持部に取り付けた溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から判定に必要な振動信号を抽出するバンドパスフィルタ１１と、抽出された振動信号の包絡線を得るための振幅検波回路１２と、包絡線の立ち上がり開始を検出する振幅拡大開始検出回路２１８と、溶接電流通電開始から前記振幅拡大開始の検出までの時間を計る時間カウンタ２１４と、溶接電流通電後の比較タイミングを決定するためのタイマー１５と、比較タイミングを得て、拡大開始時間の計測結果に基づいた溶接状態の良否判定を行なう良否判定回路２１０を備えている。ここで振幅拡大開始検出回路２１８の具体的回路例としては検出閾値を設定した電圧コンパレータや、変化点検出に良く用いられる微分回路が挙げられる。
【００６９】
したがって、前記同様に溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から、ナゲット形成に応じて振幅変化する包絡線Ａｎ（ｔ）が抽出され、続いて溶接電流通電開始から包絡線の立ち上がり検出までの時間が計測され、その計算結果が予備実験で求めた合格ナゲット形成時の拡大開始時間にあるか否かを所定のタイミングにおいて評価して溶接状態の良否判定を行なう。なお拡大開始時間の計測結果とナゲット径の近似式を求めておけばナゲット径の推定値を出力することもできる。
【００７０】
また、図３６（ｂ）に示すようにナゲット径が不合格の領域では前記振幅拡大開始時間Ｔｒが長くなることに着目すると、電極チップ先端の劣化によるところのナゲット径不合格の場合には前記振幅拡大開始時刻ｔｒが予備実験で求めた図３２の電極チップ使用限界時刻ｔｌに達したか否かにより電極チップ先端の劣化判定ができる。この判定結果から効率の良い電極チップ先端の整形または電極チップの交換が実現できる。
【００７１】
図１６は、上記発明をスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【００７２】
図示の溶接良否判定手段１０Ｌは、図１５の構成に、図１３の電極チップ整形交換判定回路２１５と、判定履歴保存用のメモリ２１６が追加された構成となっている。
【００７３】
したがって、前記図１５の実施例と同様の作用により溶融開始時間を計測し、その計測時間が前記図１３の実施例と同様の作用により電極チップの整形または交換時期が判定できる。
【００７４】
図３７は、図３６（ａ）に示す前記振動信号Ａｎ（ｔ）ＳＩＮ２πｆｎ（ｔｇ）ｔの振幅拡大開始時刻ｔｒから振幅飽和時刻ｔｓまでに流れた電流量∫Ｉｗ2ｄｔとナゲット径との関係を示す。図３７にて示されるように前記関係は指数曲線で近似できる実験結果を得たことに着目すると溶接時に得られる電流量∫Ｉｗ2ｄｔを予備実験で得た合格ナゲット形成時の電流量∫Ｉｗ2ｄｔと比較することでナゲット形成が完了するより前にナゲット形成状態の良否判定ができる。また近似式を求めておくことで振幅拡大飽和時刻ｔｓ時点においてナゲット径の推定ができる。
【００７５】
図１７は、上記発明をスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【００７６】
この実施例では所定の期間に通電した溶接電流の電流量を判定対象とするものである。図示の溶接良否判定手段１０Ｍは、前記加圧側挟持部に取り付けた溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から判定に必要な振動信号を抽出するバンドパスフィルタ１１と、抽出された振動信号の包絡線を得るための振幅検波回路１２と、得られた包絡線の立ち上がり開始を検出する振幅拡大開始検出回路２１８と、包絡線の飽和を検出する振幅飽和検出回路２１９と、溶接電流のモニタ信号を検出する溶接電流検出トランス５と、得られた溶接電流モニタ信号を絶対値信号に変換する２乗演算回路２２０と、その電流絶対値信号から所定期間の電流量を算出する定積分回路２１７と、合格ナゲット形成時の電流量を設定する合格判定レベル設定器１３と、算出された電流量と合格判定レベルを比較する電圧コンパレータ１４と、比較タイミングを決定するためのタイマー１５と、比較タイミングを得て、電圧コンパレータ１４の比較結果に基づいた溶接状態の良否判定を行なう良否判定回路１６を備えている。
【００７７】
したがって前記同様に溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から、ナゲット形成に応じて振幅変化する包絡線Ａｎ（ｔ）が抽出され、続いて図３６（ａ）に示す包絡線の立ち上がり開始時刻ｔｒと飽和時刻ｔｓが検出され、前記開始時刻ｔｒから飽和時刻ｔｓまでに通電された電流量が算出される。その電流量が合格ナゲット形成時の電流量より大きいか否かを所定のタイミングにおいて評価して溶接状態の良否判定を行なうことができる。なお電流量の算出結果とナゲット径の近似式を求めておけばナゲット径の推定値を出力することもできる。
【００７８】
溶接良否判定の誤動作防止の実施例としては、図９、図１４、図１５、図１７に示すタイマー１５に溶接電流検出トランスやエアーシリンダ圧センサからの信号を入力する方法が挙げられる。したがってこれらセンサからの通電中あるいは加圧中を示す信号により溶接良否判定を実行させることで外乱振動による誤判定を防止できる。
【００７９】
図１８は、溶接電流通電停止指令出力を有する溶接良否判定手段の一の実施例である。この実施例では振動振幅拡大開始時刻ｔｒまたは振幅飽和時刻ｔｓのいずれかを切り換えて良否の判定対象とするものである。図示の溶接良否判定手段１０Ｎは、前記加圧側挟持部に取り付けた溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から判定に必要な振動信号を抽出するバンドパスフィルタ１１と、抽出された振動信号の包絡線を得るための振幅検波回路１２と、得られた包絡線の立ち上がり開始を検出する振幅拡大開始検出回路２１８と、包絡線の飽和を検出する振幅飽和検出回路２１９と、溶接電流通電開始から前記振幅拡大開始時刻または前記振幅飽和時刻の検出までの時間を計る時間カウンタ２１４と、その計測時間に基づいた溶接状態の良否判定を行なう良否判定回路２１０、その良否判定回路からの良判定を得て所定の経過時間の後に溶接電流通電停止指令を出力する通電停止指示回路２２１を備えている。
【００８０】
したがって前記同様に溶接振動検出手段９Ｘの検出信号から、ナゲット形成に応じて振幅変化する包絡線Ａｎ（ｔ）が抽出され、続いて図３６（ａ）に示す包絡線の立ち上がり開始時刻ｔｒまたは飽和時刻ｔｓが検出され、溶接電流通電開始からの時間が計測される。その計算結果が予備実験で求めた合格ナゲット形成時の拡大開始時間または振幅飽和時間にあるか否かを評価して溶接状態の良否判定を行ない、続いて判定結果が良の場合は、通電停止指示回路２２１により所定の経過時間の後に溶接電流通電停止指令を出力する。これにより過剰な溶接電流を節約して合格ナゲットを形成させることができる。
【００８１】
図１９は、本発明に係わるスポット溶接装置の溶接振動検出手段の他の実施例を説明する図である。なお、溶接ガンアーム１，２、電極チップ３，４およびエアーシリンダ５については、図１に示す実施例のものと同一である。
【００８２】
この実施例では、溶接振動検出手段として、両溶接ガンアーム１，２の間に高分解能変位センサ９Ｂが取り付けてあって、この高分解能変位センサ９Ｂで溶接中における両電極チップ３，４間の変位を検出することにより、溶接中における電極チップ３の振動を検出するものとなっている。
【００８３】
図２０は、本発明に係わるスポット溶接装置の溶接振動検出手段のさらに他の実施例を説明する図である。
【００８４】
この実施例では、溶接振動検出手段として、可動側の溶接ガンアーム１に対するエアーシリンダ５の加圧力（荷重）または、反力の伝達経路に例えばロードセル等の圧力センサ９Ｃが取り付けてあって、この圧力センサ９Ｃで溶接中における電極チップ３の加圧力を検出することにより、溶接中における電極チップ３の振動を検出するものとなっている。
【００８５】
図２１は、本発明に係わるスポット溶接装置の溶接振動検出手段のさらに他の実施例を説明する図である。
【００８６】
この実施例では、溶接振動検出手段として、エアーシリンダ５に圧力センサ９Ｄが取り付けてあって、この圧力センサ９Ｄでエアーシリンダ５の内圧Ｐを検出して溶接中における電極チップ３の加圧力を間接的に検出することにより、溶接中における電極チップ３の振動を検出するものとなっている。
【００８７】
図２２は、本発明に係わるスポット溶接装置の溶接振動検出手段のさらに他の実施例を説明する図である。
【００８８】
この実施例では、溶接振動検出手段として、可動側の溶接ガンアーム１において、電極チップ３と加圧源であるエアーシリンダ５の間に歪ゲージ９Ｅが取り付けてあって、この歪ゲージ９Ｅで溶接中における溶接ガンアーム１に生じる歪を検出することにより、溶接中における電極チップ３の振動を検出するものとなっている。
【００８９】
なお、歪ゲージ９Ｅは、例えば、溶接振動で発生した溶接ガンアーム１の曲げによる歪および垂直荷重による歪のいずれか大きい方を検出し得るように取り付け方を決定する。
【００９０】
図２３は、本発明に係わるスポット溶接装置の溶接振動検出手段のさらに他の実施例を説明する図である。
【００９１】
この実施例では、溶接振動検出手段として、両溶接ガンアーム１，２に、加速度センサ９Ａ，９Ａがそれぞれの感度極性を一致させた状態で取り付けてあると共に、両加速度センサ９Ａ，９Ａの出力の差を得る差動増幅器９Ｆを備えており、差動増幅器９Ｆからの出力によって溶接中における電極チップ３，４の振動を検出するものとなっている。
【００９２】
上記溶接振動検出手段を備えたスポット溶接装置は、溶接ロボットにより取回しが成される溶接ガンあるいはハンドガンのように、装置全体が可動するものに適用される。つまり、この種の装置では、装置全体の振動ＶＧが溶接状態の良否判定の障害となるので、差動増幅器９Ｆにおいて両加速度センサ９Ａ，９Ａの出力の差を得ることで装置全体の振動ＶＧをキャンセルし、溶接振動Ｖｗのみを検出するようにしている。
【００９３】
図３８は、本発明に係わるスポット溶接装置の共振溶接振動検出手段の一実施例を説明する図である。図３８（ａ）は本実施例における機械共振機構をモデル化した図である。図示のように溶接振動検出手段９Ｇと弾性支持材１０２からなる機械共振機構を設ける。ここで、溶接振動検出手段９Ｇはケース１０１内に波板状の弾性支持材１０２にて上下自由に振動するように固定されている。その共振周波数が検出対象の振動周波数に一致するように溶接振動検出手段９Ｇの質量ｍｓまたは弾性支持材１０２のばね定数ｋｓを設計する。図３８（ｂ）にこの構成による周波数検出感度特性の例を示す。したがって、電磁振動などナゲット形成とは無関係な振動が混在する溶接振動の中から、検出対象の振動周波数を選択的に検出し出力することができる。また、図３８（ｃ）は他の実施例を示すもので、溶接振動検出手段９Ｇを弾性支持材１０９を介し振動検出部位（例えば電極４）に直接貼り付ける構成としている。この場合も溶接振動検出振動９Ｇの質量ｍｓと弾性支持材１０９のばね定数ｋｓを検出対象の振動周波数に一致するように設計する。
【００９４】
図３９は、本発明に係わるスポット溶接装置の可変共振型共振溶接振動検出手段の一実施例をモデル化して説明する図である。図３９（ａ）は前記図３８（ａ）と同様の構成に加え、溶接振動検出手段９Ｈに付加質量ｍａを取り付けることで共振周波数ｆｒを変更させる。また、図３９（ｂ）では溶接振動検出手段９Ｈを梁状の弾性支持材１０５にて横方向自由に振動するように支持し、さらに共振周波数設定ピン１０６を梁状の弾性支持材の長手方向にスライドさせることによりばね定数ｋｎを変化させて共振周波数ｆｒを変更する実施例である。このように質量またはばね定数の可変機構を設けることにより、その可変機構を使って用途に応じて検出対象周波数を変更できる。
【００９５】
なお、本発明に係わるスポット溶接装置は、その詳細な構成が上記各実施例のみに限定されるものではなく、例えば、溶接振動手段として圧電フィルムセンサ等を用いることもでき、さらには、上記各実施例を組み合わせた構成とすることも可能であって、本発明の要旨を変えない範囲で様々の実施形態が可能となることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるスポット溶接装置の一実施例を示す説明図である。
【図２】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段の具体的な一実施例を説明する回路図である。
【図３】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段の他の実施例を説明する回路図である。
【図４】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段のさらに他の実施例を説明する回路図である。
【図５】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段のさらに他の実施例を説明する回路図である。
【図６】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段のさらに他の実施例を説明する回路図である。
【図７】図６に示す溶接良否判定手段の処理過程を説明するフローチャートである。
【図８】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段のさらに他の実施例を説明する図である。
【図９】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する図である。
【図１０】加圧電極振動検出回路の一実施例を示す図である。
【図１１】加圧電極振動検出回路の他の実施例を示す図である。
【図１２】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【図１３】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【図１４】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【図１５】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【図１６】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【図１７】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接良否判定手段に実施した例を説明する回路図である。
【図１８】溶接電流通電停止指令出力を有する溶接良否判定手段の一の実施例である。
【図１９】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接振動検出手段の他の実施例を説明する図である。
【図２０】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接振動検出手段のさらに他の実施例を説明する回路図である。
【図２１】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接振動検出手段のさらに他の実施例を説明する回路図である。
【図２２】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接振動検出手段のさらに他の実施例を説明する回路図である。
【図２３】本発明に係わるスポット溶接装置の溶接振動検出手段のさらに他の実施例を説明する回路図である。
【図２４】予備実験の結果として、異なる溶接電流でのスポットナゲットの形成状態、溶接振動波形および振幅スペクトルを示す説明図である。
【図２５】図２４（ａ）の溶接不可の場合と図２４（ｃ）の溶接合格の場合における溶融開始期およびスポットナゲット形成進行期のそれぞれの溶接振動波形の振幅スペクトルを示す説明図である。
【図２６】厚さ０．８ｍｍのＳＰＣＣ鋼板を溶接した際の各種振動振幅とスポットナゲット径の成長率との関係を示すグラフである。
【図２７】厚さ１．６ｍｍのＳＰＣＣ鋼板を溶接した際の各種振動振幅とスポットナゲット径の成長率との関係を示すグラフである。
【図２８】表面処理が施された厚さ１．６ｍｍのＳＰＦＨ４９０相当の高張力鋼板を溶接した際の各種振動振幅とスポットナゲット径の成長率との関係を示すグラフである。
【図２９】（ａ）は図８に示すスポット溶接装置において、被溶接材Ｗ１，Ｗ２を加圧挟持したときの溶接機全体を簡略化した振動モデルとして表した図であり、（ｂ）はナゲット部１０８のばね定数ｋｎの模式図を示した図である。
【図３０】加圧側挟持部質量とばね定数との振動周波数分布のモデル図である。
【図３１】固有振動周波数とばね定数の時系列変化の関係を示す図である。
【図３２】電極チップ先端の劣化とナゲット部の熔融開始時刻の関係を示す図である。
【図３３】ナゲット形成と相関のある振動の振幅包括線を所定期間で定積分した結果と、そのときのナゲット径の実測値の関係を示す図である。
【図３４】（ａ）は固有振動周波数と振動振幅の関係を示す図であり、（ｂ）は溶融開始時刻からナゲット飽和時刻にかけての振動信号の振幅の変化を示す図である。
【図３５】平均振動振幅と振幅飽和タイミングの関係を示す図である。
【図３６】（ａ）は通電開始時刻からの振動信号Ａｎ（ｔ）ＳＩＮ２πｆｎ（ｔｇ）ｔを示す図であり、（ｂ）は（ａ）における前記振動信号Ａｎ（ｔ）ＳＩＮ２πｆｎ（ｔｇ）ｔの振幅拡大開始時刻ｔｒまでの時間Ｔｒとナゲット径との関係を示す図である。
【図３７】図３６（ａ）に示す前記振動信号Ａｎ（ｔ）ＳＩＮ２πｆｎ（ｔｇ）ｔの振幅拡大開始時刻ｔｒから振幅飽和時刻ｔｓまでに流れた電流量∫Ｉｗ2ｄｔとナゲット径との関係を示す図である。
【図３８】本発明に係わるスポット溶接装置の共振溶接振動検出手段の一実施例を説明する図である。
【図３９】本発明に係わるスポット溶接装置の可変共振型共振溶接振動検出手段の一実施例をモデル化して説明する図である。
【符号の説明】
１，２    溶接ガンアーム
３，４    電極チップ
５    エアシリンダ（駆動源）
６    溶接制御手段
９Ａ    加速度センサ（溶接振動検出手段）
９Ｂ    高分解能変位センサ（溶接振動検出手段）
９Ｃ，９Ｄ    圧力センサ（溶接振動検出手段）
９Ｅ    歪ゲージ（溶接振動検出手段）
９Ｆ    差動増幅器（溶接振動検出手段）
９Ｘ    溶接振動検出手段
１０Ａ〜１０Ｆ    溶接良否判定手段
Ｗ１，Ｗ２    被溶接材
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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