JP5732161B2 - 電源装置及び電源制御方法 - Google Patents

Description

この発明は、主に抵抗溶接用の電源装置、及び当該電源を使用した抵抗溶接装置、並びに電源制御方法に関する。

抵抗溶接の一種であるシーム溶接は、重ね合わせた母材の溶接継手に沿って連続的に行う抵抗溶接のことであり、２つの円盤状の溶接電極を使用し、ワークを挟んで連続的に回転させながら電流を断続させ、溶接を行う溶接方法である。
従来、シーム溶接機は重くかつ大型で、２次元的溶接しかできなかったものであり、溶接ロボットに搭載し３次元的溶接をすることは困難であった。

しかしながら、本願発明者は、小型化したシーム溶接機を多軸ロボットに搭載し、ワークに対し３次元的なシーム溶接を可能とする技術を開示している（特許文献１）。これにより、大型かつ３次元的曲線を有するワークに対しての溶接効率を大幅に向上することができたものである。

さらには、本願発明者は、溶接トランスコア冷却ケースを発明し開示している（特許文献２）。これは、トランスコアの冷却を効率的に可能としたもので、トランスの大容量化と軽量・小型化を実現し、ロボットの溶接ヘッドに設置することも可能としたものである。

一方、溶接速度につき、現在シーム溶接機で実現できる溶接速度は、直線状のワークで、早いものでも鋼板厚１mmで３〜５m/分、曲線部を含む実際の溶接ワークではこれより更に遅いものとなっている。
これらは、アーク溶接（鋼板厚１mmで30〜40cm/分）に比べれば圧倒的に早いものの、近年の製造業における低コスト化及び効率性向上の必要性により、溶接速度についてさらなる速度向上の要求が高まっている。

そこで、溶接速度を高速化するには、より高周波とし溶接電流や溶接電圧の応答性を良くし、電源の性能を上げる必要がある。現在、主として使用されている電源装置は、インバータ直流式のものである。これら電源は、高いもので１０００Ｈｚ程度の周波数を用い、周波数一定で点呼バランスの変化をさせる方式であるため、特に立ち上がりにおいて電流波形が乱れ、かつ無駄が多いものであった。
具体的には、従来電源（１０００ＨＺ一定時）の電流変化の概念を示すと（図１参照。）、目標電流値（平均電流値）が高い場合に比べ目標電流値が少ない場合には、高い周波数を維持するために有効に電流を流す時間を減らすことになり、また各時間単位では不必要に大きな電流が流れ無駄が多いものであり、高周波化に一定の限界が生じていたものである。

実用新案登録第３１２４０３３号公報 特開２００８−１１２７７５号公報

したがって、本発明の目的は、より高周波で溶接電流や溶接電圧の応答性を向上した抵抗溶接用電源装置、特にシーム溶接に使用されるインバータ式抵抗溶接電源装置を提供し、さらには当該電源を使用して、溶接速度の高速化を実現したシーム溶接機を提供することにある。

前述した課題を解決するために、本発明の電源装置は、２つの円盤状の溶接電極を使用し、ワークを挟んで連続的に回転させながら電流を断続させ、溶接を行うシーム溶接装置において、現実の（実際に流れている）電流値に応じて周波数を可変としたインバータ式抵抗溶接電源装置を用い、８ｍ／分〜３０ｍ／分でシーム溶接を行うことからなる。
具体的には、インバータ式抵抗溶接電源装置であって、所定の目標電流値を設定する手段、所定の時間単位で現実の電流値（１次電流及び／又は２次電流）を検出する手段と、現実の電流値と所定の目標電流値とを比較する手段と、比較した結果現実の電流値が目標電流値を超えた場合スイッチング制御して電流を止め、次の電流を立ち上げる手段とを備え、周波数を可変とすることからなる。したがって、例えば1000〜10000Ｈｚ、又はそれ以上の高周波に至る範囲で周波数が可変される。目標電流値は、時間の経過に応じて理想の立ち上がりを有する電流値とすべく適宜設定される。

すなわち、溶接電流の立ち上がりや立ち下がりにおいては、必要とされる目標電流が低く、目標電流値に達すると電流がオフされすぐにまた立ち上がるため、周波数は高周波化されて高速応答性が確保される。一方、溶接中の定電流溶接時には周波数が下がり無駄な電力分を減少させることとなる。これにより、高周波化が実現し、かつ高速応答性が確保され、鋼板厚１ｍｍで８ｍ／分〜３０ｍ／分の高速でのシーム溶接が可能となったものである。
さらに、上記電源を使用した上で、本発明者の発明した前述の溶接トランスコア冷却ケースを使用した場合、さらに大容量の溶接トランスを使用しても、トランスの発熱を十分に抑制することが出来、８ｍ／分〜３０ｍ／分又はそれ以上に至るまでの高速でのシーム溶接が可能となったものである。

一方、本願発明の電源装置／方法は、シーム溶接以外の抵抗溶接についても広く適用が可能である。例えばスポット溶接で薄板を溶接する際においても、無駄が無く高速応答性を確保できるため、スパッタの少ない良好な溶接を行うことが可能となる。このように、本願発明の電源装置／方法は、単にシーム溶接のスピードの向上だけでなく、様々な抵抗溶接の品質向上等に利するものである。

ここで、溶接トランスコア冷却ケースとは、特開２００８−１１２７７５に記載の溶接トランスコア冷却ケースであり、固定手段を有する絶縁性の通熱ケース（好ましくは絶縁コーティングされたアルミケース）であって、一端が冷却媒体（好ましくは水）導入部となり他の一端が冷却媒体排出部となる冷却用パイプを当該ケース内部に備えたことを特徴とするものである。

これにより、軽量・小型かつ低コストで大容量の溶接トランスを使用することができ、より高速での溶接に耐えることができるので、上記電源との相乗効果が非常に高いものとなる。
さらには、シーム溶接用ロボットに溶接トランスを搭載し、上記電源又は上記電源と溶接トランスコア冷却ケースを使用した場合、様々なワークに対して高速でシーム溶接を可能としたものである。

本発明の以上の構成により、周波数が高周波に至る範囲で変化し、高周波化及び高速応答性が確保された抵抗溶接用電源を提供することが可能になったものである。これにより、シーム溶接の高速化を実現したものである。さらに、電流波形が滑らかなものとなり、２次電流のリップルも少なくなり、加圧力を低くしてチリ発生が少ないなど溶接不良が減少することも可能としたものである。
さらに、大容量の溶接トランスと組み合わせて使用することが可能で、８ｍ／分〜３０ｍ／分、又はそれ以上に至る高速化が可能になったものである。
さらには、溶接ロボットと組み合わせて使用することにより、ワーク形状を問わずに高速シーム溶接を可能としたものである。

従来電源の周波数変化の概念図 本発明に係る電源の周波数変化の概念図 本願発明の電源の構成図 従来の電源を使用した電流波形 従来の電源を使用した電流波形 本発明に係る電源を使用した電流波形 本発明に係る電源を使用した電流波形 トランスコア冷却ケースの構成を示す図 トランスコア冷却ケースの構成を示す図

本発明の実施の形態の一例を、図を参照して説明する。
図２は、本発明の電源装置を使用した場合の電流と周波数出力変化を示す概念図である。図２中左のグラフは、目標電流値が高い場合である。これに対し、中央及び右のグラフは、目標電流値が左に比して低い場合である。
すなわち、本発明では、所定の目標電流値を設定する手段と、所定の時間単位で現実の電流値（１次電流値及び／又は２次電流値）を検出する手段と、現実の電流値と所定の目標電流値とを比較する手段と、比較した結果現実の電流値が目標電流値を超えた場合スイッチング制御（電流オフ）する手段と、からなるため、目標電流値が低い場合は、電流が立ち上がり後すぐに目標値に達する。そして目標電流値を超えた場合スイッチング制御され出力オフの後すぐに次の出力が立ち上がる。結果として、目標電流値及び現実の電流値に応じて、周波数が変化していることになるものである。
このように、図１に見られるような従来の制御に比して、無駄が少なく、より高周波化が可能であることが明らかである。

ここで、具体的な電源構成の一例を図３に示す。
三相の商用交流電源端子１に整流回路２の入力端子が接続され、整流回路２の出力端子に直流が得られる。この直流は、コンデンサ３等からなる平滑回路で平滑されてからインバータ制御回路４に入力される。インバータ制御回路４は、ＧＴＲ(Giant Transistor)またはＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)等からなるスイッチング素子５を有し、入力した直流を高周波のスイッチング動作によってパルス状の高周波交流に変換する。スイッチング制御は、ＰＷＭ制御等を行う制御回路６を介して行われる。

インバータ制御回路４より出力された高周波交流は溶接トランス７の一次側コイルに供給され（１次電流）、その二次側コイルには降圧された高周波交流が得られる。この高周波交流は一対のダイオード８からなる整流回路により直流に変換され、直流（２次電流）がシーム溶接用溶接電極９に供給される。
１次電流のセンサ位置は、適宜の位置で設置可能だが、インバータ制御回路４の前で直流値として検出可能である。電流センサ１０は、１次電流を検出し、その電流値を制御回路６に送る。一方、電流センサ１１は、２次電流を検出し、その電流値を制御回路６に送る。この際、必要であれば積分回路１５やＡ−Ｄ変換器１６が用いられ、また電圧の検出１７を行っても良い。

制御回路６には、ディスプレイ１２及びパネルスイッチ１３等からなる入力部が接続され、また目標とされる電流値変化が時間変化とともに記録されている。また、インターフェース回路１４を介して外部と相互に各種データ送達が行われる。

制御回路６は、検出された１次電流値及び／又は２次電流値が、目標電流値に達すると即座にスイッチング制御し次の電流を立ち上げる。この作業の繰り返しにより、出力周波数が１次電流値及び／又は２次電流値に応じて可変される。

図４，５は、従来の電源（M社電源）を使用した電流波形（5KA, 12KA）であり、図６，７は、本発明に係る電源を使用した電流波形（5KA,12KA）の図である。
従来の電源を使用した場合、明らかに波形が荒く応答性が悪く、リップルが多く、立ち上がりに大きな１次電流が流れてしまい、無駄が多いものとなっている。これに対し、本発明の電源では、１次電流波形が理想的に滑らかになっている結果、２次電流波形も理想的に滑らかでリップルの少ない波形となっている。また、溶接中の抵抗変化に対するフィードバックも、周波数が高い分早く、従来に比べ３倍から１０倍早いレスポンスで行われるため、チリ発生なども少なくすることが出来たものである。

図８は、トランスコア冷却ケース１０２，１０３を溶接用トランス１０１に装着させた状態を示す図である。本願発明の電源装置／方法と併用することにより、最大の相乗効果を発揮することが出来、３０ｍ／分又はそれ以上の高速化を可能としたものである。
図８に従い具体的な一例を述べると、溶接用トランス１０１の二次側コイル１０２は、コイル冷却用パイプ１３に冷却媒体を流すことにより冷却される。２つのトランスコア冷却ケース１０２，１０３が一対として使用される。即ち、トランスコア１０４を挟むようにトランスコア冷却ケース１０２、１０３が設置されている。一対のトランスコア冷却ケース１０２，１０３はネジ又はボルト１０５を利用して互いに接近するように力を加えることで、トランスコア４に押しつけられ固着されている。

図９はトランスコア冷却ケース１０２，１０３を正面から見た図である。トランスコア冷却ケース１０２，１０３内には冷却用パイプ１０６が内蔵されている。冷却用パイプ１０６の端部は、一方の端が冷却媒体導入部１０７となり、他方の端が冷却媒体排出部１０８となる。また接続・流量調節用に端部にバルブ１０９が設けられている。

この冷却用パイプ１０６に水等の冷却媒体が流れることにより、トランスコア冷却ケース１０２，１０３はトランスコア４より低い温度に保たれる。そのトランスコア冷却ケース１０２，１０３がトランスコア１０４に接触していることによりトランスコア１０４の冷却をすることができるもので、この構造により、トランスの大容量化と小型・軽量化を達することが出来、本願発明の電源と併用することで、シーム溶接機の高周波化・応答性の高速化・大電流化・小型化及び軽量化を全て実現することができ、高速シーム溶接を可能としたものである。

また、例えば溶接ヘッドに溶接トランスが装着された多軸のロボットシーム溶接機に本願発明の電源及び溶接トランスコア冷却ケースを使用することにより、高速でありながら多様なワークに対応することができるものである。なお、本願発明の電源装置／方法は、シーム溶接に限らず様々な抵抗溶接装置として使用することが可能である。

１ 商用交流電源端子
２ 整流回路
３ コンデンサ
４ インバータ制御回路
５ スイッチング素子
６ 制御回路
７ 溶接トランス
８ ダイオード
９ 溶接電極
１０ 電流センサ
１１ 電流センサ
１２ ディスプレイ
１３ パネルスイッチ
１４ インターフェース回路
１５ 積分回路
１６ Ａ−Ｄ変換器
１７ 電圧の検出
１０１ 溶接用トランス
１０２，１０３ トランスコア冷却ケース
１０４ トランスコア
１０５ ネジ又はボルト
１０６ 冷却用パイプ
１０７ 冷却媒体導入部
１０８ 冷却媒体排出部
１０９ バルブ

Claims (4)

1. 現実の電流値に応じて周波数を可変としたインバータ直流式電源装置であって、
   所定の目標電流値を設定する手段と、所定の時間単位で現実の電流値を検出する手段と、現実の電流値と所定の目標電流値とを比較する手段と、比較した結果現実の電流値が目標電流値を超えた場合スイッチング制御し、次の電流を立ち上げる手段と、現実の電流値を検出する手段として１次電流の検出手段及び２次電流を検出する手段を備えたインバータ直流式電源装置。
2. 所定の目標電流値を設定する手段と、所定の時間単位で現実の電流値を検出する手段と、現実の電流値と所定の目標電流値とを比較する手段と、比較した結果現実の電流値が目標電流値を超えた場合スイッチング制御し、次の電流を立ち上げる手段と、１次電流の検出手段及び２次電流を検出する手段を備えたインバータ直流式電源装置を使用して、
   所定の目標電流値を設定し、
   所定の時間単位で現実の電流値を検出し、
   現実の電流値と所定の目標電流値とを比較し、比較した結果現実の電流値が目標電流値を超えた場合スイッチング制御し、次の電流を立ち上げることを特徴とする電源制御方法。
3. １次電流の検出手段がインバータ前に設けられ、２次電流の検出手段トランス−溶接電極間に設けられた、抵抗加熱機器用の電源装置であることを特徴とする請求項１に記載のインバータ直流式電源装置。
4. 請求項１に記載のインバータ直流式電源装置を備え、トランスコアに冷却ケースが備えられ、トランスがロボットの溶接ヘッドに備えられた抵抗溶接装置。

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