JP2015193020A - 抵抗溶接機の制御方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＩＤ制御の負帰還量の設定が不適切であったり、溶接条件の外乱などにより発生する溶接不良を予測して、負帰還回路におけるＰＩＤ制御要素（比例、積分、微分）の重み付けなどを的確に設定するなどの対応策をとれるようにする。
【解決手段】直流出力をインバータ４２によって交流に変換して溶接トランス２８の一次側に導き、この溶接トランス２８で降圧された二次側交流出力を全波整流器３０を介し溶接電極２４に導いて溶接を行う抵抗溶接機の制御方法において、
溶接電極２４の電流設定パターンを含む溶接条件を設定する一方、溶接電極２４の印加電圧および溶接電流をインバータ４２に負帰還させ溶接条件に適合するようにインバータ４２をＰＷＭ制御し、この溶接電流と電流設定パターンとの偏差Ｄがゼロクロスする回数Ｎを積算して設定値Ｎ₀と比較することによって制御の安定性を判別する。
【選択図】図４

Description

この発明は、交流電源出力を整流し、さらにインバータを介して溶接トランスに導くようにしたインバータ式の抵抗溶接機の制御方法および制御装置に関するものである。

従来より、直流をインバータを用いて高周波の交流にした後、溶接トランスの一次側に導き、この時に溶接トランスの二次側に誘起される交流低電圧を整流して溶接電極に導き溶接を行うインバータ方式の抵抗溶接機が公知である。この方式によれば、商用交流電源の周波数に比べて高い周波数の電流を溶接トランスに導くから、商用電源周波数の交流を溶接トランスに導く単相交流式抵抗溶接機に比べて溶接トランスを小型化できるという特徴がある。

このようなインバータ式のものにおいて、溶接電極に流れる電流を検出し、この電流（実効値）が一定になるようにインバータをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式などで電力制御（以下ＰＷＭ制御ともいう。）する定電流制御方式がある。この方式では、溶接電極に電流を流す時間が予めタイマーで設定した時間になるのを待って溶接を停止させる。また溶接電極に加わる電圧を検出して、この電圧が一定になるようにインバータをＰＷＭ制御する定電圧制御方式もある。この方式も溶接時間はタイマーで設定する。 さらに溶接電極の電流および電圧を同時に検出して、これらの積により電力を求め、この電力が一定になるようにインバータを制御する定電力制御方式も知られている（特許文献１）。

このように溶接電流、電圧、電力などをインバータに負帰還させる場合に、溶接電流などが予定した設定パターンとなるようにインバータをＰＷＭ制御するものも公知である。この場合には負帰還回路では、溶接電流、溶接電圧、溶接電力などの変動に対する比例値、積分値、微分値を求め、これらに所定の重み係数を積算した総和を負帰還量とすることも公知である（ＰＩＤ制御；特許文献２）。

特開２００１−３００８４号公報 特開２００２−１６００７１号公報

しかしＰＩＤ制御においては、次のような問題が有る。溶接電流などは所定設定パターンからの変動量すなわち偏差（絶対値を含む）が小さい時には、制御がスムーズで目標とする設定パターンに良く追従した制御が行われていると考えられるが、溶接部の異常などの外乱が発生するとこの偏差の変動量が大きくなることがあり、この時には制御が激しく暴れるような状態(例えば発振・共振しかかっている状態）が生じることがある。

このような状態は、実際の制御パターンを目標値（設定パターン）に早く近づかせるために比例値（Ｐ値）、積分値（Ｉ値）、微分値（Ｄ値）などを大きく設定した（負帰還量を大きくした）場合や、設定パターンに無理があるような場合（電源の追従能力を超える制御パターンの波形設定をしたような場合など）に生じ得る。

ここに外乱としては、溶接箇所でのワークの溶け易さのバラツキが大きく溶接部の抵抗値が想定外の変化を見せた時、ワークの酸化膜や汚れや表面状態（荒れ）などの変化で接触抵抗が不安定な時などに発生することが考えられる。このような溶接異常の発生は、従来は例えばスプラッシュ（スパーク、溶接飛沫）の発生を見てスプラッシュの発生頻度が高いことなどから気付くことができるが、これではスプラッシュ発生後の事後判断となり、溶接異常の発生を予測して予防することが困難であり、高精度な溶接に対応ができないという問題が有る。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ＰＩＤ制御の負帰還量の設定が不適切であったり、溶接条件の外乱などにより発生する溶接不良を予測して、負帰還回路におけるＰＩＤ制御要素（比例、積分、微分）の重み付けなどを的確に設定するなどの対応策をとれるようにした抵抗溶接機の制御方法を提供することを第１の目的とする。またこの抵抗溶接機を提供することを第２の目的とする。

本発明によれば第１の目的は、直流出力をインバータによって交流に変換して溶接トランスの一次側に導き、この溶接トランスで降圧された二次側交流出力を全波整流器を介し溶接電極に導いて溶接を行う抵抗溶接機の制御方法において、
前記溶接電極の電流設定パターンを含む溶接条件を設定する一方、前記溶接電極の印加電圧および溶接電流を前記インバータに負帰還させ前記溶接条件に適合するように前記インバータをＰＷＭ制御し、この溶接電流と電流設定パターンとの偏差がゼロクロスする回数Ｎを積算して設定値Ｎ₀と比較することによって制御の安定性を判別することを特徴とする抵抗溶接機の制御方法、により達成される。

また第２の目的は、直流出力をインバータによって交流に変換して溶接トランスの一次側に導き、この溶接トランスで降圧された二次側交流出力を全波整流器を介し溶接電極に導いて溶接を行う抵抗溶接機の制御装置において、
前記インバータの出力を制御するＰＷＭ制御部と、溶接電極の印加電圧および電流を検出して前記ＰＷＭ制御部に負帰還する増幅乗算部と、制御モードに対応する制御プログラムを選択するためのプログラム選択入力部と、選択された前記制御プログラムに基づいて溶接電流の電流設定パターンを求め前記ＰＷＭ制御部に送出する溶接条件設定部と、ゼロクロス回数の設定値Ｎ₀を入力するモニタリング条件入力部と、前記増幅乗算部で検出した溶接電流を前記電流設定パターンと比較してゼロクロスの検出回数を積算するゼロクロス検出部と、ゼロクロスの積算値Ｎを前記ゼロクロス設定値Ｎ₀と比較して制御の安定性を判定する比較判定部と、を備えることを特徴とする抵抗溶接機の制御装置、により達成される。

第１の発明によれば、溶接電極の電流設定パターンを含む溶接条件を設定する一方、溶接電極の印加電圧および溶接電流をインバータに負帰還させ前記溶接条件に適合するように前記インバータをＰＷＭ制御し、この溶接電流と電流設定パターンとの偏差がゼロクロスする回数Ｎを積算して設定値Ｎ₀と比較することによって制御の安定性を判別するから、例えばＮ＞Ｎ₀の時に制御系が不安定であると判定し、ＰＷＭ制御の負帰還量を変更することなどにより制御系を安定させることができる。また電流などの設定パターンに制御が無理なパターンを含んでいる時にはこのパターンを変更することにより制御系を安定させることもできる。
第２の発明によれば、この制御方法の実施に直接使用する抵抗溶接機が得られる。

本発明の実施例である抵抗溶接機の外観図 その回路構成ブロック図 同じくその動作を示す流れ図 溶接電流の変動と電流設定パターンとを示す図

溶接の良否は、Ｎ＞Ｎ₀の時に前記溶接条件の変更を促すための警告を出力するように構成することができる（請求項２）。溶接機の操作者は、この警告（アラーム）により溶接条件変更の必要性を知ることができるので、その後の溶接不良の発生を事前に防ぐことが可能になる。なおゼロクロス回数Ｎを積算する監視範囲と前記設定値Ｎ₀とを設定可能にすることにより、例えば溶接初期や溶接末期の電流不安定時を監視範囲から除外することにより、制御精度を向上させることができる（請求項３）。

ゼロクロス回数の積算値Ｎと共に、溶接電流の電流設定パターからの偏差Ｄを求め、この偏差Ｄの絶対値を設定値Ｄ₀と比較することにより制御の安定性を判別してもよい（請求項４）。この場合には、ゼロクロス回数Ｎが設定値Ｎ₀以上になった時だけだけでなく、偏差Ｄの変動幅が過大（設定値±Ｄ₀の範囲外）になった時にも警告を出して溶接条件変更の必要性を知らせることができるので、制御不安定性の検出精度が一層向上する。前記インバータは、溶接電圧および溶接電流の負帰還量をＰＩＤ制御すると共に、前記溶接条件の変更はこれらＰＩＤ制御の重み係数を変化させることにより行うことができる（請求項５）。

図１において符号１０はコントローラ、１２は溶接トランスケース、１４は溶接ヘッドである。コントローラ１０は電源スイッチ１６、プログラム選択入力部１８、表示パネル２０を持つ。プログラム選択入力部１８では、例えば定電流制御、低電圧制御、定電力制御、固定パルス幅制御などのいずれかの制御モードを選択する。

溶接ヘッド１４は、上下動可能な上のクランプ部２２ａと、所定高さに固定された下のクランプ部２２ｂを持ち、これらのクランプ部２２ａ，２２ｂにそれぞれ溶接電極２４ａ，２４ｂが固定されている。各電極２４ａ，２４ｂはウェルドケーブル２６によって溶接トランスケース１２に収容された溶接トランス２８（図２）の二次側に整流器であるダイオード３０、３０（図２）を介して接続されている。この溶接トランス２８の一次側はパワーケーブル３２（図１）によってコントローラ１０に接続されている。

溶接ヘッド１４の可動クランプ部２２ａは、ばね（図示せず）を介してエアシリンダ（共に図示せず）により上下に駆動される。また両電極２４ａ，２４ｂの間にはワークの溶接部（図示せず）が置かれる。

足踏みスイッチ（図示せず）から送られるオン信号はアクチュエータケーブル３４を介してコントローラ１０に送られ、この信号（押圧信号）によってエアシリンダは作動する。そして電極２４ａ，２４ｂの溶接部に対する押圧力が一定値になるとリミットスイッチ（図示せず）がオンとなり、このオン信号がアクチュエータケーブル３４を介してコントローラ１０に送られる（図３のステップＳ１００）。コントローラ１０はこのオン信号に基づいて溶接動作を開始させる。すなわちこのオン信号がスタート信号となる。

図１で３６はウェルドセンスケーブルであり、溶接トランス２８の二次側電流を示す信号をコントローラ１０に導く。この信号は溶接電流値を示す信号である。３８は電圧検出用ケーブルであり、クランプ部２２ａ，２２ｂに接続されている。このケーブル３８は電極２４ａ，２４ｂ間の電圧を検出してコントローラ１０に導く。

次にコントローラ１０の主回路を図２に基づいて説明する。この図で４０は３相交流電源などの電源である。この電源４０から３つの相がそれぞれ電源スイッチ１６（図１）を介してインバータ４２に導かれる。

インバータ４２は、４個のＮＰＮトランジスタからなるブリッジで構成される。このインバータ４２は電源４０の三相交流をダイオード（図示せず）にて整流し、ダイオード(図示せず)で平滑した直流電源をＰＷＭ制御して高周波数の電流に変換し、溶接トランス２８の一次側に供給する。この溶接トランス２８の二次側出力は整流器のダイオード３０、３０で全波整流され、溶接電極２４ａ，２４ｂに導かれる。

４４はＰＷＭ制御部であり、インバータ４２をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式によって電力制御する。なおこのＰＷＭ制御部４４は、例えば定電流、定電圧、定電力、固定パルス幅などの４種の異なる制御方式を選択可能である。この選択は前記したプログラム選択入力部１８（図１、２）で行う。これらの制御方式については、特許文献１に詳細に説明されているのでここでは説明しない。

ＰＷＭ制御部４４は、選択された方式に対応するプログラムで設定される溶接条件に基づいてインバータ４２のトランジスタをオン／オフ制御する。この溶接条件は、電流設定パターンＡ（図４に点線で示す）を含み、溶接条件設定部４６で設定される。図２で４８は増幅乗算部であり、前記溶接電極２４ａ、２４ｂに流れる溶接電流Ｉと両電極間の溶接電圧Ｖを示す信号ｉ、vを増幅し、またこれらの乗算により電力Ｗを算出する。これら電流Ｉ、電圧Ｖ、電力ＷはＰＷＭ制御部４４に導かれ、ここで前記したように選択されたプログラムに従ってＰＩＤ制御の比例成分Ｐ、積分成分Ｉ、微分成分Ｄの各成分を重み付けし、負帰還量が算出される。

５０はゼロクロス検出部であり、前記溶接条件設定部４６で求めた電流設定パターンＡと、増幅乗算部４８で求めた実際の溶接電流波形Ｉ（図４の実線）とを比較して、両者の偏差を取り、この偏差のゼロクロスを検出し、予め設定した監視範囲ａ（図４）内での交差回数（ゼロクロス回数）を積算する。この積算値Ｎは、比較判定部５２で基準値Ｎ₀と比較され、Ｎ＞Ｎ₀であれば制御が不適切であるとしてその結果を比較判定結果出力部５４に出力すると共に警告表示部５６により警告音などで警告する。

この警告を受けて操作者はＰＷＭ制御部４４に負帰還する前記ＰＩＤ制御の各成分の重み付けを修正し、ゼロクロス回数の積算値Ｎが設定値Ｎ₀を超えないように設定する。なおこの設定値Ｎ₀は、モニタリング条件入力部５８で入力され、設定値メモリ６０に記憶しておく。

なおこのモニタリング条件入力部５８では偏差の変動幅の許容範囲を決める基準値±Ｄ₀も設定しておき、この基準値Ｄ₀は前記ゼロクロス検出部５０に送られて、ここで溶接電流の偏差Ｄがこの基準値の幅すなわち±Ｄ₀の幅内にあるか否かを検出する。この場合基準値Ｄ₀は、偏差Ｄの変動幅が過大であるか否かを求めるためのしきい値である。この偏差Ｄの絶対値|Ｄ|が基準値±Ｄ₀の幅より大なら偏差Ｄは過大で制御不安定であり、基準値±Ｄ₀の幅内にあれば制御安定と判定する。

次に動作を図２、３、４を用いて説明する。前記したように電極２４ａ，２４ｂの溶接部に対する押圧力が一定値になるとリミットスイッチ（図示せず）がオンとなり、このオン信号がアクチュエータケーブル３４を介してコントローラ１０に送られる（図３、ステップＳ１００）。コントローラ１０はこのオン信号に基づいて電源４０に通電を開始し（ステップＳ１０２）、溶接動作を開始させる。

コントローラ１０は、予めプログラム選択入力部１８で選択された制御モードに対応する制御プログラムなどに対応して、溶接条件設定部４６で溶接条件を設定する。この溶接条件は制御モードにより異なり、例えば定電流制御の場合には制御の目標となる電流設定パターンＡを含む（ステップＳ１０４）。

ＰＷＭ制御部４４は、この溶接条件に従ってインバータ４２の各トランジスタをオン・オフ制御し、高周波の所定電圧、電流を溶接トランス２８の一次側に導く。溶接トランス２８の二次側に誘起される交流は、ダイオード３０、３０によって全波整流され電極２４ａ、２４ｂに導かれ、溶接が始まる。

溶接電流ｉと溶接電圧ｖとが検出されて、増幅乗算部４８に入力される。ここでこれら電流ｉと電圧ｖの信号が増幅されて電流Ｉ、電圧Ｖが求められ、またこれらの積である電力Ｗが算出される。ＰＷＭ制御部４４ではこれら電流Ｉ、電圧Ｖ、電力Ｗを用いて、ＰＩＤ制御の負帰還量を演算し、インバータ４２をＰＷＭ制御する（ステップＳ１０６）。

増幅乗算部４８で求めた電流Ｉと、溶接条件設定部４６で設定した目標制御パターン（例えば定電流制御の場合には電流設定パターンＡ）とは、ゼロクロス検出部５０に送られ、ここでこれらの偏差Ｄが検出される（ステップＳ１０８）。この偏差Ｄは、溶接時間に比べて十分に短い周期でサンプリングされる。この偏差Ｄは図４（Ａ）に示すように、制御がスムーズ（安定）で適切である時には小さいが、同図（Ｂ）に示すように、制御が非スムーズ（不安定）であるときには正負に激しく変化する。

ゼロクロス検出部５０では所定の監視範囲ａにおいてこの偏差Ｄが正負に変化するゼロクロスを検出し（ステップＳ１１０）、その正負変化回数Ｎ、すなわちゼロクロス回数Ｎを積算する（ステップＳ１１２）。比較判定部５２ではこのゼロクロス回数Ｎをメモリ６０に記憶した設定値Ｎ₀と比較し（ステップＳ１１４）、Ｎ＞Ｎ₀なら比較判定結果出力部５４にブザーなどの音を出力すると共に、警告表示部５６にアラーム表示する（ステップＳ１１６）。

またこの実施例では、このゼロクロス検出部５０で検出した偏差Ｄを、メモリ６０から入力される基準値Ｄ₀と比較し、偏差Ｄの絶対値|Ｄ|がこの基準値Ｄ₀の幅より大となったこと（偏差Ｄの変動幅が基準値Ｄ₀の正負の幅よりも過大になったこと）を検出して（ステップＳ１１８）、警告を発する（ステップＳ１１６）ようにしている。このようにゼロクロス回数Ｎを監視するだけでなく、偏差Ｄの変動幅（振幅）も監視しているので、制御が不安定になったことを高精度に検出することができる。

以上のようにして比較判定部５２で制御不安定と判定しなければ、溶接箇所の溶接に必要な溶接電流の通電が終了したか否かを判定し（ステップＳ１２０）、終了していなければさらにステップ１０６に戻って以上の動作を繰り返す。その途中で比較判定部５２が制御不安定と判定すれば、たとえばコントローラ１０の警告表示部５６に溶接不良であることを表示し、溶接途中で制御安定と判定すれば溶接良好と表示して（ステップＳ１２２）、溶接動作を終了する（ステップＳ１２４）。

１０ コントローラ
１８ プログラム選択入力部
２８ 溶接トランス
２４ａ、２４ｂ 溶接電極
４０ ３相交流電源
４２ インバータ
４４ ＰＷＭ制御部
４６ 溶接条件設定部
４８ 増幅乗算部
５０ ゼロクロス検出部
５２ 比較判定部
５４ 比較判定結果出力部
５６ 警告表示部
５８ モニタリング条件入力部
Ａ 電流設定パターン（目標値パターン）
Ｉ 溶接電流波形
Ｄ 偏差
ａ 監視範囲

Claims (6)

1. 直流出力をインバータによって交流に変換して溶接トランスの一次側に導き、この溶接トランスで降圧された二次側交流出力を全波整流器を介し溶接電極に導いて溶接を行う抵抗溶接機の制御方法において、
   前記溶接電極の電流設定パターンを含む溶接条件を設定する一方、前記溶接電極の印加電圧および溶接電流を前記インバータに負帰還させ前記溶接条件に適合するように前記インバータをＰＷＭ制御し、この溶接電流と電流設定パターンとの偏差がゼロクロスする回数Ｎを積算して設定値Ｎ₀と比較することによって制御の安定性を判別することを特徴とする抵抗溶接機の制御方法。
2. 溶接の良否は、Ｎ＞Ｎ₀の時に前記溶接条件の変更を促すための警告を出力することを特徴とする請求項１の抵抗溶接機の制御方法。
3. 前記ゼロクロス回数Ｎを積算する監視範囲と前記設定値Ｎ₀とを設定可能にした請求項１の抵抗溶接機の制御方法。
4. ゼロクロス回数の積算値Ｎと共に、溶接電流の電流設定パターンからの偏差Ｄを求め、この偏差Ｄが設定値±Ｄ₀の範囲内にあることから制御の安定性を判別することを特徴とする請求項１の抵抗溶接機の制御方法。
5. 前記インバータは、溶接電圧および溶接電流の負帰還量をＰＩＤ制御すると共に、前記溶接条件の変更はこれらＰＩＤ制御の重み係数を変化させることにより行う請求項１の抵抗溶接機の制御方法。
6. 直流出力をインバータによって交流に変換して溶接トランスの一次側に導き、この溶接トランスで降圧された二次側交流出力を全波整流器を介し溶接電極に導いて溶接を行う抵抗溶接機の制御装置において、
   前記インバータの出力を制御するＰＷＭ制御部と、
   溶接電極の印加電圧および電流を検出して前記ＰＷＭ制御部に負帰還する増幅乗算部と、
   制御モードに対応する制御プログラムを選択するためのプログラム選択入力部と、
   選択された前記制御プログラムに基づいて溶接電流の電流設定パターンを求め前記ＰＷＭ制御部に送出する溶接条件設定部と、
   ゼロクロス回数の設定値Ｎ₀を入力するモニタリング条件入力部と、
   前記増幅乗算部で検出した溶接電流を前記電流設定パターンと比較してゼロクロスの検出回数を積算するゼロクロス検出部と、
   ゼロクロスの積算値Ｎを前記ゼロクロス設定値Ｎ₀と比較して制御の安定性を判定する比較判定部と、
   を備えることを特徴とする抵抗溶接機の制御装置。

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