JP4903351B2 - 溶接装置のパラメータ算出装置および方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は独立請求項の要旨に基づく溶接装置のパラメータを算出する装置および方法に関する。
【０００２】
周知の抵抗溶接接続部の評価方法は、ドイツ公開公報ＤＥ−Ａ ４３ ２５ ８７８に記載されている。溶接動作をオンラインで評価するために、せん断波の印加時の溶接接続部の超音波透過率が求められる。これに加えて、溶接電流の各半波の間に、一定の超音波送信信号に対して所定の遅延時間分遅れる一期間内の超音波受信部の出力信号から平均超音波エネルギーが算出される。これは溶接接続部の品質の良さを示す量として参照される。溶接動作を調節するために、超音波透過率の推移を所定のモデル推移と比較して溶接パラメータにずれがある場合に例えば電流の強さを後続の超音波透過率を示す量が再びモデル推移に一致するように適切に変化させても良い。
【０００３】
本発明の目的は、溶接装置の状態を評価する溶接動作に関する別のパラメータを算出することにある。特に、溶接装置の電極の摩耗度を正確に推定してこれを通知したり、または自動的に電極のメンテナンス間隔を知らせることが好ましい。メンテナンスにおける溶接電極の老朽化を考慮することも可能となる。
【０００４】
これらの課題は、独立請求項に記載される特徴によって解決することができる。
【０００５】
本発明に係る溶接装置のパラメータの算出装置は超音波源の使用の下で超音波、好ましくはせん断波を溶接領域に印加する。信号処理によって最初の溶接動作時に受信した超音波信号から溶接領域の最初の超音波透過率を示す量が算出される。それに加えて、この信号処理によって別の溶接動作時に受信した超音波信号から溶接領域の別の超音波透過率を示す量が算出される。
【０００６】
表示器および／または診断機能を制御するために、および／または溶接装置の制御量を訂正するために、最初の超音波透過率を示す量と別の超音波透過率は記憶される。溶接動作の増加とともに超音波透過率を示す量が特徴的に変化することが判明した。この変化は電極乃至は電極端部の摩耗の結果として生じる。溶接回数が多くなると溶接領域の超音波透過率も上昇する。
【０００７】
この事実は、少なくとも２つの対応する超音波透過率を示す量とそれに続く評価を記憶することによって考慮される。このため、本発明によると、進行中の溶接動作時に、変化する超音波透過率に基づいて即時に電極乃至は電極端部の状態を推定することができる。拠って、慣例に従って行われる電極の状態の整備乃至は点検の必要がなくなる。
【０００８】
有効な実施形態として、溶接回数に関連する超音波透過率またはそれに関連する値と閾値とを比較し、その閾値を越えると電極乃至は電極端部の整備の必要があることを使用者に対して警報を出力する。そのため、例えば、電極端部を完全に新しく取り替えたり、またはフライス加工したりせねばならない。拠って、信号検知によって自動的に溶接装置の監視をすることができる。この装置は、もちろん、使用者の介入の必要がある場合に警報を出力する。
【０００９】
さらに、制御信号を自動的に発生して、この制御信号によって自動的な整備機能を作動させることもできる。このため、例えば、自動フライス加工装置は自動的に電極端部乃至は電極のフライス加工動作を始める。メンテナンスに要求される作動を可能にすることによって仕上げ動作をさらに最適化することができる。
【００１０】
電極摩耗曲線に基づいて、抵抗溶接動作の電流値を調整することもできる。好ましくは、溶接動作の回数の増加とともに、電流値を超音波透過率の増加と同様に増加させる。そのため、溶接領域中で電流密度が一定に保たれ、これは溶接の質を一定にするのに貢献する。この電流値調整は常に行われても良く、それによって電極乃至は電極端部の摩耗が大きくなった時にでも、溶接およびその結果としての溶接部の質を自動的に一定に高くすることができる。
【００１１】
有効な実施形態では、算出された超音波透過率の値を所定のスムージング法を用いて特徴曲線を算出する。このため、個々の測定値が大きくずれた場合にも整備表示の間違った作動に繋がらない。
【００１２】
別の有効な実施形態はその他の従属請求項および説明の項から明確となる。
【００１３】
本発明の一実施例を図面に示し、以下詳細に説明する。
【００１４】
電流Ｉが第１溶接電極１１に印加される。第１溶接電極１１には超音波送信部１４が備わっており、第２溶接電極１２の外壁には超音波受信部１６が取付けられている。第１溶接電極１１の端には第１電極端部１９が位置し、第２溶接電極１２の端には第２電極端部２０が位置する。両電極端部１９、２０の間には溶接部１８によって接続される第１金属板２１と第２金属板２２とが存在する。
【００１５】
送信信号ＵＳが超音波送信部１４に印加され、この信号ＵＳは溶接制御部２８のトリガー信号に基づいて送信制御部２４から供給される。送信信号ＵＳは、第１電極１１、第１電極端部１９、第１および第２金属板２１、２２、溶接部１８、第２電極端部２０および第２電極１２を介して超音波受信部１６へと導かれる。
【００１６】
超音波受信部１６は測定信号ＵＥを信号検知部２６に出力する。信号検知部２６はこの検知測定信号ＵＥを更に信号処理部３０へ伝送する。
【００１７】
図２（ａ）は、測定信号ＵＥの時間的な推移を示す。ｔ０の時点で、超音波送信部１４は正弦振動を含む送信信号ＵＳを発生する（図２（ｂ））。期間ｔｌ経過後、超音波受信部１６は測定信号ＵＥを検知し、この信号の正弦振動の振幅は最初増加するが、その後一定量づつ減少しそして「０」となる。パラメータｔｍ１とｔｍ２で定められる測定期間内の測定信号ＵＥが評価される。
【００１８】
通常運転において、抵抗溶接装置には間欠的な正弦半波で示される電流Ｉが印加される（図３（ｂ））。電流の強さＩは、破線で示されるように、印加の大きさの変化に影響される。図３（ｂ）に示す電流の推移に依存してトリガー信号Trigは推移する。ここで、トリガー信号Trigは、電流が流れない時に送信信号ＵＳが送出されることによって測定が開始されるように選ばれる。図３（ｃ）では超音波透過率Ｄは時間に関連するように示される。良い溶接の場合、超音波透過率曲線Ｄは一点鎖線で示す推移をする。そのようなｔｍ１、ｔｍ２間の測定期間にある測定値のみが超音波透過率Ｄの算出に使用される。送信信号ＵＳの送出はトリガー信号Trigによって作動される。
【００１９】
図３（ｃ）に示す超音波透過率曲線Ｄｎは溶接点数乃至は溶接回数ｎの増加とともに変化する。図４に示すように、超音波透過率Ｄは溶接回数ｎの増加とともに上昇する。
【００２０】
図５（ａ）では、超音波透過率を示す量Ｄと溶接回数乃至は溶接点数ｎとの関係が示される。数学的なスムージング法によって、これらの測定値から特徴曲線４０が決定される。図５（ｂ）に示すように、溶接点数乃至は溶接の回数ｎに関連する電流Ｉの推移は実質的に特徴曲線４０に一致する。
【００２１】
本発明によると、電極１１、１２または電極端部１９、２０の磨耗を算出するために、異なる溶接動作において超音波透過率Ｄが評価される。電極端部１９、２０の平坦化によって溶接点数乃至は溶接回数ｎの増加とともに超音波透過率Ｄは上昇する。
【００２２】
以下、図１乃至３に基づいて、溶接用の超音波透過率曲線Ｄｎがどのように算出されるかについて説明する。時点ｔ０において溶接動作の測定プロセスが始まる。溶接制御部２８は時点ｔ０にトリガー信号Trigを送信制御部２４に送出し、送信制御部２４はその後超音波送信部１４に図２（ｂ）に示される送信信号ＵＳを送出する。超音波送信部１４はせん断波、好ましくは横方向の超音波またはねじり振動波を発生する。送信部１４から送出された信号ＵＳは、溶接領域１８、２１、２２、電極１１、１２並びに電極端部１９、２０を介して超音波受信部１６に到達し、この超音波受信部１６は測定信号ＵＥを受信し、さらに信号処理部２６へと伝送する。
【００２３】
測定信号ＵＥの推移を図２（ａ）に示す。信号検知部２６および信号処理部３０は（トリガー）時点ｔ０において測定信号ＵＥから超音波透過率Ｄを算出する。溶接電流の各半波の間に溶接領域の超音波透過率Ｄを求めるために、ｔｍ１とｔｍ２間の所定期間内の測定信号ＵＥの平均超音波エネルギーを求める。
【００２４】
超音波エネルギー量は図２（ａ）にハッチングで示される測定信号ＵＥで囲まれる面積である。このため、例えば、有効値またはｔｍ１とｔｍ２間の所定期間内での測定信号ＵＥの曲線の推移の算術的平均を時点ｔ０での超音波透過率を示す量Ｄとして算定することができる。図３（ｃ）に示す曲線の推移を得るために、これを一つだけの溶接に関して適切に何度も繰り返す。
【００２５】
溶接領域１８、２１、２２には図３（ｂ）にその推移を示す電流Ｉを印加する。この一溶接動作の間に、上述の方法によって時点ｔ１、ｔ２、ｔ３…における超音波透過率Ｄが更新的に算出される。トリガー信号が発生されると送信信号ＵＳが図２（ｂ）に示されるように更新的に送出され、それに引き続いて図２（ａ）に関連して説明された超音波透過率Ｄの算出が行われる。
【００２６】
従って、所定の点溶接用に図３（ｃ）に示される超音波透過率Ｄの特徴的推移が結果として生じる。溶接領域の溶融が増大するとともに超音波透過率Ｄは最大値へと上昇する。溶接領域が流動的になると、せん断波が弱められ、そして超音波透過率Ｄはまた減少する。より詳細な説明は、ドイツ公開特許公報ＤＥ−Ａ ４３ ２５ ８７８を参照のこと。
【００２７】
図4には超音波透過率曲線Ｄｎ０、Ｄｎ１、Ｄｎ２、Ｄｎ３と溶接回数ｎとの関係を示す。溶接回数ｎ（ｎ０＜ｎ１＜ｎ２＜ｎ３）が増えると、同一の、磨耗を免れない電極端部１９、２０乃至は電極１１、１２を用いて溶接をｎ回行った場合、同一の時点ｔ０、ｔ１において超音波透過率Ｄの対応する振幅が大きくなる。実質的に、溶接回数ｎの増加とともに、超音波透過率曲線Ｄｎの振幅の増大並びに超音波透過率曲線Ｄｎが最大値に到達する時点の遅延が確認される。
【００２８】
このため、溶接回数ｎの増加とともに見られる超音波透過率曲線Ｄｎの変化は電極１１、１２または電極端部１９、２０の磨耗を示す量である。電極端部１９、２０の磨耗は溶接回数ｎが増えるごとにさらに拡がり、そのため超音波は容易に溶接領域を通過することができる。この現象を利用して、溶接装置の磨耗を判定し、適応な対策を講じる。
【００２９】
次に、同一の電極１１、２２と対応の電極端部１９、２０を使用して、溶接、好ましくは点溶接を所定回数ｎ行うと想定する。最初に、超音波透過率Ｄを示す量を決定する。ここで、例えば、最初の溶接ｎ０から始めると、先に決めた一時点ｔ０またはｔ１において、対応の超音波透過率Ｄ０（ｔ０）またはＤ１（ｔ１）が上述のように算出される。同一の電極１１、１２乃至は同一の電極端部１９、２０を使用して後続の溶接ｎ１、ｎ２、ｎ３においてもこの算出を行う。ただし、先に行った測定と同じ時点ｔ０、ｔ１において行う。その結果として図５（ａ）に示されるような超音波透過率Ｄｎの測定値が得られる。
【００３０】
このように算出された溶接回数ｎに関連する超音波透過率Ｄｎの測定値にスムージング法を適用する。ここで、例えば、最小２乗法が使用されても良く、特徴曲線４０は式ｙ＝ｃｘ^bの結果として得られる（ｙは特徴曲線で、ｘは超音波透過率Ｄ、ｃおよびｂは所定のパラメータ）。この特徴曲線４０は同様に図５（ａ）に示される。特徴曲線４０に基づくと、溶接回数ｎの増加に伴って超音波透過率Ｄが増大していくのがわかる。常に新しく加わる超音波透過率Ｄの測定値に基づいて常に最新の特徴曲線４０が算出される。
【００３１】
超音波透過率Ｄの変化に基づく特徴曲線４０の算出の他に、特徴曲線４０の算出のために超音波透過率Ｄの最大値を記憶してもよい。所定の数学的方法によって算出される各透過率曲線に囲まれた面積も超音波透過率Ｄを示す量として使うことができる。例えば、加算したりまたは算術的に算出される、図３（ｃ）に示す超音波透過率Ｄ０（ｔ０）、Ｄ１（ｔ１）、Ｄ２（ｔ２）、Ｄ３（ｔ３）の４つの振幅も、例えば、超音波透過率Ｄを示す量として使うことができる。溶接回数ｎに関連する超音波透過率Ｄを示す量が比較可能であることを確保するために、超音波透過率Ｄを示す量の算出方法はそれぞれの溶接時に変えるべきでない。
【００３２】
この特徴曲線４０は常に所定の閾値Ｇと比較される。特徴曲線４０が閾値Ｇを越えると、電極１１、１２乃至は電極端部１９、２０が使用者の介入が必要となるくらいに相当に磨耗をしていることを示す。信号処理部３０は、超音波透過率Ｄの評価を行い、特徴曲線４０を生成する。信号処理部３０は表示器３２を適切に制御する。特徴曲線４０が閾値Ｇを越えると、警報の出力が作動される。
【００３３】
このため、使用者は電極端部１９、２０または電極１１、１２が交換または何らかの方法で加工されねばならないことに気づく。拠って、例えば、電極端部１９、２０を別の溶接動作で使用するために、また新たにフライス加工することができる。
【００３４】
特徴曲線４０が閾値Ｇを越えると、信号処理部３０は制御信号を発生する。この制御信号は、例えば、自動整備機能を作動させるのに使うことができる。それによって、自動フライス装置が使い古された電極端部乃至は電極のフライス加工動作を始める。電極または電極端部の自動的な交換を作動させることもできる。拠って、そのような機能の需要に即した制御が可能となる。
【００３５】
溶接の質を一定にするためには、溶接領域１８、２１、２２中の電流密度を一定にするべきである。溶接回数ｎが増えるとともに電極端部１９、２０の先が拡がるので、電流Ｉの値が一定である場合には電流密度が減少する。しかしながら、電極端部１９、２０の磨耗のデータが特徴曲線４０の形状であるので、電流Ｉの値をこの特徴曲線４０に基づいて変化させることができる。溶接領域１８、２１、２２中の電流密度を一定にするためには、電流Ｉの値は特徴曲線４０に略平行に推移すべきである。
【００３６】
ここで、電流Ｉの値は適切に調整される。
【００３７】
例えば、ｎ２回の溶接用に電流値Ｉｎ２を新しく設定する場合、次の式に基づいて行うことができる：Ｉｎ２＝Ｆ×Ｄ２／Ｄ１×Ｉｎ１。ここで、Ｄ１、Ｄ２はそれぞれｎ１、ｎ２回の溶接の特徴曲線４０に対応する超音波透過率Ｄの値、Ｉｎ１はｎ１回の溶接時に装置に印加される電流値、およびＦは比例係数である。このように、新しく設定された電流値を徐々に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る装置のブロック図。
【図２】 超音波送信乃至は受信信号。
【図３】 トリガーおよび対応する電流の推移および対応する超音波透過率の推移。
【図４】 溶接点数乃至は溶接回数に関連する特徴的な超音波透過率の推移。
【図５】 溶接回数に関連する超音波透過率、超音波透過率特性曲線および電流の推移。
【符号の説明】
１１ 第１溶接電極
１２ 第２溶接電極
１４ 超音波送信部
１６ 超音波受信部
１８ 溶接部
１９ 第１電極端部
２０ 第２電極端部
２１ 第１金属板
２２ 第２金属板
２４ 送信制御部
２６ 信号検知部
２８ 溶接制御部
３０ 信号処理部
３２ 表示器

Claims (8)

1. 溶接領域（１８、２１、２２）に超音波を印加する超音波源（１４）の使用の下に溶接装置のパラメータを算出する装置であって、
   最初の溶接動作（ｎ１）時に、受信した超音波信号（ＵＥ）から溶接領域（１８、２１、２２）の第１の超音波透過率を示す量（Ｄｎ１）を算出する信号処理部（３０）を備え、
   少なくとも一つのその後の溶接動作（ｎ２）において新しく超音波を溶接領域（１８、２１、２２）に通すときに、信号処理部（３０）は、前記その後の溶接動作（ｎ２）内で受信した超音波信号（ＵＥ）から第２の超音波透過率を示す量（Ｄｎ２）を算出し、前記第１の超音波透過率を示す量（Ｄｎ１）と前記第２の超音波透過率を示す量（Ｄｎ２）とから溶接回数に応じた特徴曲線（４０）を算出し、算出した特徴曲線（４０）に基づいて、表示器（３２）を制御し、および／または、診断機能および整備機能のうち少なくとも一方を作動させ、および／または、溶接装置の制御値（Ｉｎ１、Ｉｎ２）を訂正する
   ことを特徴とする装置。
2. 信号処理部（３０）は、前記特徴曲線（４０）を、最小２乗法によって算出する
   ことを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 制御信号を発生するために前記特徴曲線（４０）を所定の閾値（Ｇ）と比較する比較手段（３０）を備える
   ことを特徴とする請求項１または２記載の装置。
4. 信号処理部（３０）は、溶接装置の制御のために、前記特徴曲線（４０）に基づいて訂正された制御値として電流値（Ｉｎ２）を生成する
   ことを特徴とする請求項１乃至３記載の装置。
5. 溶接領域（１８、２１、２２）に超音波、好ましくはせん断波を印加する超音波源（１４）の使用の下に溶接装置のパラメータを算出する方法であって、
   超音波受信部（１６）を介して受信した超音波信号（ＵＥ）を検知し、その信号から第１の超音波透過率を示す量（Ｄｎ１）を算出し、
   その後の一溶接動作（ｎ２）時に、異なる溶接領域（１８、２１、２２）に超音波をあらためて印加し、受信した超音波信号（ＵＥ）から第２の超音波透過率を示す量（Ｄｎ２）を算出し、そして前記最初の超音波透過率を示す量（Ｄｎ１）と第２の超音波透過率を示す量（Ｄｎ２）とに基づいて溶接回数に応じた特徴曲線（４０）を算出し、算出した特徴曲線（４０）に基づいて少なくとも溶接装置の制御値（Ｉｎ２）を変化させる
   ことを特徴とする方法。
6. 前記特徴曲線（４０）は、最小２乗法によって算出される
   ことを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 前記特徴曲線（４０）を所定の閾値（Ｇ）と比較し、この閾値（Ｇ）を超えた場合、警報の出力および整備機能のうち少なくとも一方が作動される
   ことを特徴とする請求項５または６記載の方法。
8. 溶接装置の制御のために、前記特徴曲線（４０）に基づいて訂正された制御値として電流（Ｉｎ２）を発生する
   ことを特徴とする請求項５乃至７記載の方法。

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