JP2002045976A - スポット溶接装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 溶接状態のモニタリング機能を備えた従来の
スポット溶接装置にあっては、適用が高価なサーボガン
に限られていると共に、例えば溶接時に発生する散りの
方向などのように高速で且つ微細な振動特徴を検出する
ことができないという問題点があった。 【解決手段】 溶接中における電極チップの少なくとも
２軸方向の振動を検出する多軸振動センサ３１０と、多
軸振動センサ３１０で検出した振動情報に基づいて電極
チップの挙動を検出するとともに電極チップの挙動に基
づいて溶接状態の良否および打点位置の良否を判定する
溶接状態検出手段３１３を備えたスポット溶接装置と
し、簡単な構造で溶接状態の良否判定を正確に行うこと
ができ、溶接品質の向上や設備費の低減などに貢献し得
るものとした。

Description

【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モニタリング機能を備えた
スポット溶接装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のスポット溶接装置としては、例
えば特開平１０−２６３８３９号公報に記載されている
ように、サーボガンを備えたスポット溶接装置におい
て、加圧軸に設けたロードセルあるいはサーボモータに
供給する電力量から電極チップ間の加圧力を検出し、そ
の加圧力に基づいて被溶接材の変形や被溶接材同士の合
わせ面における過大な隙間を検出し、これらの検出結果
に応じて加圧力を補正制御することで良好な溶接を行う
ようにしたものがある。このほか、特開平９−１５０２
７８号公報には、サーボガンを備えたスポット溶接装置
において、サーボモータの回転角度情報あるいは加圧軸
のストローク量を検出し、これらの検出値と所定の基準
値との比較により電極チップの摩耗量を求め、その結果
に応じて電極チップの整形あるいは交換を指示し、さら
に、溶接電流や電極チップ間の加圧力を補正制御するも
のが記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、スポット溶
接装置において、良好な溶接を阻害する要因としては、 被溶接材同士の合わせ面における過大な隙間（板
隙）、電極チップの加圧軸と被溶接材に対する垂直軸
との過大な角度ずれ（打角）、溶接ロボットの設定打
点と被溶接材との相対的な位置ずれによる被溶接材端部
の半欠け溶接（端打ち）、電極チップの偏摩耗あるい
は被溶接材の変形により定常的に発生する散り、電極
チップと被溶接材の境界面の溶着などが挙げられる。と
くに、〜の要因は、主に溶接電流密度を変化させる
ので、必要な溶接強度を得るための適正な抵抗発熱が得
られなくなり、スポットナゲット径の不足、異常加熱に
よる散りやブローホールの発生の原因となる。

【０００４】ところが、従来のスポット溶接装置にあっ
ては、サーボガンが有するセンサやサーボ機能を利用し
て被溶接材の状態や電極チップの摩耗状態を検出するこ
とから、適用が高価なサーボガンに限られており、しか
も、センサの仕様がサーボ機能を実行させるためのもの
であるため、例えば溶接時に発生する散りの方向などの
ように高速で且つ微細な振動特徴を検出することができ
ないという問題点があり、このような問題点を解決する
ことが課題であった。

【０００５】

【発明の目的】本発明は、上記従来の課題に着目して成
されたもので、簡単な構造で溶接状態の良否判定を正確
に行うことができ、溶接品質の向上や設備費の低減など
に貢献する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、被溶接材を相対向する電
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、溶接中における電極チップの少なく
とも２軸方向の振動を検出する多軸振動センサと、多軸
振動センサで検出した振動情報に基づいて電極チップの
挙動を検出するとともに電極チップの挙動に基づいて溶
接状態の良否および打点位置の良否を判定する溶接状態
検出手段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。

【０００７】なお、上記の構成において、良好な溶接を
阻害する要因である被溶接材間の過大な板隙、被溶接材
に対する加圧軸の過大な打角、端打ち、散りおよび電極
チップの溶着の全てを検出するには、直交する３軸方向
の振動を検出することが望ましいが、少なくとも直交す
る２軸方向の振動を検出し、溶接状態検出手段において
振動情報に基づいて電極チップの挙動を検出することで
良好な溶接を阻害する要因のいくつかを検出することが
可能になり、これにより溶接状態の良否および打点位置
の良否を判定する。

【０００８】また、本発明に係わるスポット溶接装置
は、請求項２として、スポット溶接装置を自動制御する
溶接自動制御手段に対して、溶接状態検出手段の検出結
果の履歴から打点位置毎の溶接状態の傾向を求めて制御
の修正情報を出力する溶接制御修正指示手段を備えた構
成とし、請求項３として、多軸振動センサで検出した振
動情報に基づいてスポットナゲットの形成状態の良否を
判定するナゲット良否判定手段と、溶接状態検出手段の
検出結果とナゲット良否判定手段の良否判定結果に基づ
いて被溶接材の仕上がり品質を監視する溶接品質監視手
段を備えた構成とし、請求項４として、溶接状態検出手
段が、被溶接材に対する電極チップの前進量が所定量に
達する時間を基準値と比較して被溶接材の板隙状態を検
出する板隙検出手段を備えている構成とし、請求項５と
して、溶接状態検出手段が、被溶接材に対する電極チッ
プの前進速度を基準値と比較して被溶接材の板隙状態を
検出する板隙検出手段を備えている構成とし、請求項６
として、溶接状態検出手段が、加圧軸に直角な方向の加
圧時の電極チップの挙動に基づいて加圧接触前の被溶接
材に対する加圧軸の傾きを検出する打角検出手段を備え
ている構成とし、請求項７として、溶接状態検出手段
が、多軸振動センサで検出した溶接振動の片振幅の包絡
線変化に基づいて被溶接材の端打ちの有無を検出する端
打ち検出手段を備えている構成とし、請求項８として、
溶接状態検出手段が、加圧軸に直角な方向の振動に基づ
いて散りの方向を検出し且つその検出結果と打角検出手
段の検出結果に基づいて不具合箇所が電極チップ側であ
るか被溶接材側であるかを推定する散り方向検出手段を
備えた構成とし、請求項９として、溶接状態検出手段
が、被溶接材に対する電極チップの後退量が所定量に達
する時間を基準値と比較して電極チップの被溶接材への
溶着を検出する電極チップ溶着検出手段を備えている構
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】

【発明の効果】本発明の請求項１に係わるスポット溶接
装置によれば、被溶接材を相対向する電極チップで加圧
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、多軸振動センサと溶接状態検出手段を採用したこと
により、比較的簡単な構造でありながら、良好な溶接を
阻害する要因である被溶接材間の過大な板隙、被溶接材
に対する加圧軸の過大な打角、端打ち、散りおよび電極
チップの溶着などを検出することが可能になり、溶接状
態の良否や打点位置の良否の判定を正確に行うことがで
きる。これにより、溶接品質や生産性の向上に貢献する
ことができ、また、既存のスポット溶接装置に適用する
こともきわめて容易であって、設備費の低減などにも貢
献することができる。

【００１０】本発明の請求項２に係わるスポット溶接装
置によれば、請求項１と同様の効果を得ることができる
うえに、スポット溶接装置の溶接自動制御手段に対して
溶接制御修正指示手段を採用したことにより、溶接不良
の発生要因を迅速に且つ自動的に解消することができ、
理想的な溶接条件を維持することが可能になる。さら
に、溶接制御修正指示手段が溶接状態検出手段の検出結
果の履歴から打点位置毎の溶接状態の傾向を求めて制御
の修正情報を出力することから、溶接制御の補正量を少
なくすることができ、これにより、省電力化、低コスト
化および生産性のさらなる向上を実現することができ
る。

【００１１】本発明の請求項３に係わるスポット溶接装
置によれば、請求項１および２と同様の効果を得ること
ができるうえに、ナゲット良否判定手段と溶接品質監視
手段を採用したことから、被溶接材の仕上がり品質を正
確に監視することができ、溶接品質のさらなる向上に貢
献することができる。

【００１２】本発明の請求項４に係わるスポット溶接装
置によれば、請求項１〜３と同様の効果を得ることがで
きるうえに、溶接状態検出手段が電極チップの前進量に
基づいて被溶接材の板隙を検出する板隙検出手段を備え
ていることから、簡単な構造で被溶接材の板隙を正確に
検出することができ、溶接不良の原因となる過大な板隙
の防止や溶接品質のさらなる向上に貢献することができ
る。

【００１３】本発明の請求項５に係わるスポット溶接装
置によれば、請求項１〜３と同様の効果を得ることがで
きるうえに、溶接状態検出手段が電極チップの前進速度
に基づいて被溶接材の板隙を検出する板隙検出手段を備
えていることから、請求項４と同様に、簡単な構造で被
溶接材の板隙を正確に検出することができ、溶接不良の
原因となる過大な板隙の防止や溶接品質のさらなる向上
に貢献することができる。

【００１４】本発明の請求項６に係わるスポット溶接装
置によれば、請求項１〜５と同様の効果を得ることがで
きるうえに、溶接状態検出手段が打角検出手段を備えて
いることから、簡単な構造で被溶接材に対する加圧軸の
傾き（打角）を正確に検出することができ、溶接不良の
原因となる過大な打角の防止や溶接品質のさらなる向上
に貢献することができる。

【００１５】本発明の請求項７に係わるスポット溶接装
置によれば、請求項１〜６と同様の効果を得ることがで
きるうえに、溶接状態検出手段が端打ち検出手段を備え
ていることから、簡単な構造で被溶接材の端打ちを正確
に検出することができ、溶接不良の原因となる端打ちの
防止や溶接品質のさらなる向上に貢献することができ
る。

【００１６】本発明の請求項８に係わるスポット溶接装
置によれば、請求項６および７と同様の効果を得ること
ができるうえに、溶接状態検出手段が散り方向検出手段
を備えていることから、簡単な構造で散りの方向、電極
チップの偏摩耗あるいは被溶接材の変形を検出すること
ができると共に、不具合箇所が電極チップ側であるか被
溶接材側であるかを正確に推定することができ、不具合
の迅速な解消が可能になると共に、溶接品質のさらなる
向上に貢献することができる。

【００１７】本発明の請求項９に係わるスポット溶接装
置によれば、請求項１〜８と同様の効果を得ることがで
きるうえに、溶接状態検出手段が電極チップ溶着検出手
段を備えていることから、簡単な構造で電極チップの被
溶接材への溶着を正確に検出することができ、電極チッ
プの溶着が発生した場合には迅速に対処することができ
る。

【００１８】

【実施例】以下、図面に基づいて、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。

【００１９】図１および図２に示すスポット溶接装置
は、一対の溶接ガンアーム１，２に対向する電極チップ
３０３，３０４を備えており、重ね合わせた２枚の被溶
接材Ｗ１，Ｗ２を挟んで加圧し、通電による抵抗加熱で
被溶接材Ｗ１，Ｗ２を溶着させるものである。各電極チ
ップ３０３，３０４は、溶接ガンアーム１，２に、電極
ホルダ３０１，３０５および電極アダプタ３０２，３０
６を介して取付けてある。図１中で上側に示す一方の溶
接ガンアーム１は、エアシリンダ５により他方の溶接ガ
ンアーム２に対して進退駆動される。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る。
なお、溶接ガンアーム１，２は、例えば多軸制御式の溶
接ロボットに取付けてある。

【００２０】上記スポット溶接装置は、図３に示す溶接
自動制御手段３１５により、両電極チップ３０３，３０
４に対する溶接電流、通電時間および通電タイミングが
制御されると共に、溶接トランス７により一次電流を溶
接に必要な電流Ｉｗまで増幅させる。この溶接電流Ｉｗ
に対して、スポット溶接装置は、溶接ガンアーム１，
２、電極ホルダ３０１，３０５、電極アダプタ３０２，
３０６、電極チップ３０３，３０４および被溶接材Ｗ
１，Ｗ２で溶接電流回路を形成している。なお、図１中
の矢印Ｆｍは、溶接電流Ｉｗの通電により溶接ガンアー
ム１，２の並行線路に働く電磁力を示している。また、
溶接自動制御手段３１５は、電極チップ３０３，３０４
に対する通電の制御だけでなく、溶接ガンアーム１，２
の姿勢等を決定する溶接ロボットの制御も行うものであ
る。

【００２１】上記のスポット溶接装置は、図３に示すよ
うに、溶接中に一方の溶接ガンアーム１における電極チ
ップ３０３の直交する３軸方向の振動を検出する多軸振
動センサ３１０と、この多軸振動センサ３１０を入力源
とする処理手段３１１を備えている。さらに、処理手段
３１１は、多軸振動センサ３１０で検出した振動情報に
基づいてスポットナゲットの形成状態の良否を判定する
ナゲット良否判定手段３１２と、多軸振動センサ３１０
で検出した振動情報に基づいて電極チップ３０３，３０
４の挙動を検出するとともに電極チップの挙動に基づい
て溶接状態の良否および打点位置の良否を判定する溶接
状態検出手段３１３と、溶接状態検出手段３１３の検出
結果の履歴および溶接自動制御手段３１５により検出さ
れる打点位置情報から打点位置毎の溶接状態の傾向を求
めて溶接自動制御手段３１５に制御の修正情報を出力す
る溶接制御修正指示手段３１４と、溶接状態検出手段３
１３の検出結果とナゲット良否判定手段３１２の良否判
定結果に基づいて被溶接材の仕上がり品質を監視する溶
接品質監視手段３２２を備えている。

【００２２】前記多軸振動センサ３１０は、３軸加速度
センサであって、図２に示すように、電極アダプタ３０
２にねじ３０７で固定したブラケット３０８に取付けて
あり、図２（ａ）の左右方向であるＸ軸方向の振動と、
図２（ａ）の面に垂直なＹ軸方向の振動と、図２（ａ）
の上下方向であるＺ軸方向（加圧軸方向）の振動を検出
する。なお、多軸振動センサ３１０に加速度センサを用
いたのは、加速度は変位に対してω^２倍の感度が得ら
れるので特に高周波振動を検出しやすく、広い検出ダ
イナミックレンジを必要とする熱膨張変位のある用途に
おいても対応が容易であり、小型であることから取付
けスペースの制約が大きい溶接ガンにも適用しやすいか
らである。

【００２３】処理手段３１１における溶接状態検出手段
３１３は、図４に示すように、多軸振動センサ３１０の
３軸方向の振動情報から電極チップ３０３の３軸方向の
挙動を検出する電極挙動検出手段３１６を備えると共
に、この電極挙動検出手段３１６を入力源として、板隙
検出手段３１７と、打角検出手段３１８と、端打ち検出
手段３１９と、散り方向検出手段３２０と、電極チップ
溶着検出手段３２１を備えている。

【００２４】電極挙動検出手段３１６は、多軸振動セン
サ３１０で得た３軸方向の振動信号を二重積分処理し、
電極チップ３０３の挙動である３軸方向の変位Ｘｄ，Ｙ
ｄ，Ｚｄを算出する。ここで、図５は、溶接時における
電極チップの挙動の基準パターンと、溶接時において電
極挙動検出手段３１６で検出される電極チップ３０３の
実際の挙動パターンを示す図である。

【００２５】スポット溶接装置は、図５に示すように、
電極チップ３０３を降下（被溶接材に対して前進）させ
たのち、所定の加圧期間を経て通電を行い、その後、所
定の保持期間を経て電極チップ３０３を上昇（後退）さ
せることで１回の溶接動作を終了する。

【００２６】この間、スポット溶接装置では、電極チッ
プ３０３の降下過程において、板隙検出手段３１７によ
り、被溶接材Ｗ１，Ｗ２に対する電極チップ３０３の降
下量（前進量）Ｂ１が所定量に達する時間Ｔｄ、あるい
は電極チップ３０３の降下速度（降下の傾き角度Ａ１）
を基準値と比較して被溶接材Ｗ１，Ｗ２の板隙状態を検
出する。この板隙の検出にはＺ軸方向の変位Ｚｄが用い
られる。加圧期間においては、打角検出手段３１８によ
り、加圧軸に直角な方向の加圧時の電極チップ３０３の
挙動すなわちＸ，Ｙ軸方向の変位Ｘｄ，Ｙｄに基づいて
加圧接触前の被溶接材Ｗ１，Ｗ２に対する加圧軸の傾き
Ｂ２（図２中のα）を検出する。

【００２７】その後、通電期間において、端打ち検出手
段３１９により、多軸振動センサ３１６で検出したＺ軸
方向の溶接振動における片振幅の包絡線Ｂ３の変化に基
づいて被溶接材Ｗ１，Ｗ２の端打ちの有無を検出し、ま
た、散り方向検出手段３２０により、加圧軸に直角な
Ｘ，Ｙ軸方向の振動に基づいて散りＢ４の方向を検出す
る。そして、電極チップ３０３の上昇過程において、電
極チップ溶着検出手段３２１により、被溶接材Ｗ１，Ｗ
２に対する電極チップ３０３の上昇量（後退量）Ｂ５が
所定量に達する時間Ｔｕを基準値と比較して電極チップ
３０３の被溶接材Ｗ１への溶着を検出する。

【００２８】図６は上記各手段３１７〜３２１を用いた
基本的な検出工程を説明するフローチャートである。す
なわち、溶接状態検出のステップＳ１では、ステップＳ
１００において板隙を検出し、ステップＳ１１０におい
て板隙があると判定した場合にはステップＳ１２０にお
いて板隙の警報を出力する。その後、ステップＳ２００
において被溶接材Ｗ１，Ｗ２に対する加圧軸の角度であ
る打角を検出し、ステップＳ２１０において打角が過大
であると判定した場合にはステップＳ２２０において打
角の警報を出力する。

【００２９】続いて、ステップＳ３００において端打ち
を検出し、ステップＳ３１０において端打ちがあると判
定した場合にはステップＳ３２０において端打ちの警報
を出力する。次に、ステップＳ４００において散りの方
向を検出し、ステップＳ４１０において定常的な散りが
あると判定した場合にはステップＳ４２０において散り
の警報を出力する。その後、ステップＳ５００において
電極チップ３０３の溶着状態を検出し、ステップＳ５１
０において溶着が発生していると判定した場合にはステ
ップＳ５２０において溶着の警報を出力する。

【００３０】そして、溶接制御修正指示手段３１４での
処理工程として、ステップＳ６００において、板隙、打
角、端打ち、散りおよび電極チップ溶着の各溶接状態の
履歴を蓄積し、ステップＳ７００において溶接状態の履
歴に基づいて溶接自動制御手段３１５に対する制御修正
量を検出する。

【００３１】次に、図５および図９〜図１４のフローチ
ャートを用いて各手段３１７〜３２１による検出要領を
詳しく説明する。

【００３２】板隙検出手段３１７は、電極チップ３０３
の降下過程において、電極挙動検出手段３１６で検出し
たＺ軸方向の変位Ｚｄを用いて板隙を検出する。この板
隙検出手段３１７は、図５に示す基準パターンすなわち
板隙の無い正常な被溶接材Ｗ１，Ｗ２を加圧したときの
電極チップ３０３の降下量Ｂ１と、その降下量Ｂ１に達
するまでの時間Ｔｄを判定の基準値として記憶してい
る。

【００３３】そして、実際の溶接を開始すると、図９に
示すフローチャートのステップＳ１０１において、電極
チップ３０３が所定の降下量Ｂ１に達するまでの時間Ｔ
ｄの計測を開始し、ステップＳ１０２において所定の降
下量Ｂ１に達したか否かを繰り返し判定し、所定の降下
量Ｂ１に達するとステップＳ１０３において時間Ｔｄの
計測を終了する。

【００３４】ここで、被溶接材Ｗ１，Ｗ２の間に板隙が
ある場合には、降下する電極チップ３０３で板隙を押し
潰すことになり、その分時間がかかるので、所定の降下
量Ｂ１に達するまでに余計な追加時間Ｔ１を要すること
になる。そこで、板隙検出手段３１７は、ステップＳ１
０４において計測時間Ｔｄと基準時間Ｔｄとの差から追
加時間Ｔ１を算出し、ステップＳ１０５において追加時
間Ｔ１が許容値以内であるか否かを判定し、追加時間Ｔ
１が許容値を越えている場合にはステップＳ１０６にお
いて板隙有りと判定し、追加時間Ｔ１が許容値以内であ
る場合にはステップＳ１０７において板隙無しと判定す
る。

【００３５】また、板隙検出手段３１７は、電極チップ
３０３の降下速度に基づいて板隙を検出することもでき
る。降下速度は、図５に電極チップ３０３の降下の傾き
角度Ａ１で表される。つまり、板隙がある場合には、所
定の降下量Ｂ１に達するまでに時間がかかるので、板隙
の無い場合に比べて傾き角度Ａ１が小さくなる。

【００３６】この場合、板隙検出手段３１７は、図１０
に示すフローチャートのステップＳ１３１において所定
期間ΔｔにおけるＺ軸方向変位Ｚｄの変化量ΔＺｄの計
測を開始し、ステップＳ１３２において所定期間Δｔが
経過したか否かを繰り返し判定し、所定期間Δｔが経過
するとステップＳ１３３において変化量ΔＺｄの計測を
終了する。そして、ステップＳ１３４において降下速度
（傾き角度Ａ１）を算出する。この傾き角度Ａ１は次式
（１）により求められる。

【００３７】

【数式１】

【００３８】その後、ステップＳ１３５において傾き角
度Ａ１が許容値以内であるか否かを判定し、傾き角度Ａ
１が許容値を越えている場合にはステップＳ１３６にお
いて板隙有りと判定し、傾き角度Ａ１が許容値以内であ
る場合にはステップＳ１３７において板隙無しと判定す
る。打角検出手段３１８は、図５に示すように、電極チ
ップ３０３が所定の降下量Ｂ１に達するまでの時間Ｔ２
が経過した後の加圧期間において、打角の検出を行う。
すなわち、図１１に示すフローチャートのステップＳ２
０１において上記時間Ｔ２が経過したか否かを繰り返し
判定し、時間Ｔ２が経過した後、ステップＳ２０２にお
いて加圧軸に直交する方向の電極チップ３０３の挙動で
あるＸ，Ｙ軸方向の変位Ｘｄ，Ｙｄを入力し、ステップ
Ｓ２０３において図２（ａ）に示す打角αを算出する。
この打角αは、被溶接材Ｗ１，Ｗ２に接触する前の加圧
軸に対する被溶接材Ｗ１の垂直線の傾きであり、次式
（２）で求められる。

【００３９】

【数式２】

【００４０】その後、打角検出手段３１８は、ステップ
Ｓ２０４において打角αが許容値を越えているか否かを
判定し、打角αが許容値を越えていない場合にはステッ
プＳ２０５において打角無しと判定し、打角αが許容値
を越えている場合にはステップＳ２０５において打角有
り（打角過大）と判定する。端打ち検出手段３１９は、
図５に示す通電期間中にＺ軸方向の変位Ｚｄを用いて端
打ちの有無を検出する。すなわち、電極チップ３０３の
Ｚ軸方向変位Ｚｄは電磁振動と溶接振動と熱膨張による
変位が合成されたものであり、溶接が正常な位置で行わ
れた場合には、図５の基準パターンに示すように、合成
波の包絡線は単調増加となる。ところが、端打ちの場合
には、通電時の発熱によって被溶接材Ｗ１，Ｗ２の潰れ
が急激に進行し、図５の挙動パターンに示すように、Ｚ
軸方向変位Ｚｄが急激に変化するのに伴って合成波の包
絡線も急激に変化する。そこで、端打ち検出手段３１９
は、図１２に示すフローチャートのステップＳ３０１に
おいて振幅検波回路等により合成波の包絡線を検出し、
ステップＳ３０２において包絡線の急激な変化として現
れる端打ちの有無を判定し、端打ちが無い場合にはステ
ップＳ３０３において通電を終了したか否かを判定し、
通電を終了した場合にはステップＳ３０４において端打
ち無しと判定する。また、ステップＳ３０３において通
電を終了していないと判定した場合にはステップＳ３０
２に戻り、ステップＳ３０２において端打ちが有る場合
にはステップＳ３０５において端打ち有りと判定する。
散り方向検出手段３２０は、電極チップ３０３の偏摩耗
などにより毎回同じ方向へ発生している散りを検出す
る。この散りの検出は、図５に示す通電期間中に電極チ
ップ３０３の加圧軸に直交する方向であるＸ，Ｙ軸方向
の変位Ｘｄ，Ｙｄを用いて行う。すなわち、図１３に示
すフローチャートのステップＳ４０１においてＸ，Ｙ軸
方向の変位Ｘｄ，Ｙｄに基づいて散り振動を検出し、ス
テップＳ４０２において図２（ｂ）に示す散りの方向α
ｓを検出する。この散りの方向αｓは次式（３）で求め
られる。

【００４１】

【数式３】

【００４２】そして、ステップＳ４０３において散りの
方向αｓの所定回数分の履歴を蓄積しておき、統計的に
毎回ほぼ同じ方向に散りを検出した場合には、電極チッ
プ３０３の偏摩耗あるいは被溶接材Ｗ１，Ｗ２の変形が
慢性的に発生していると判定することができる。なお、
散りの検出は、微分回路やハイパスフィルタなどを使用
し、短時間で大きい振幅となる振動を抽出することで行
う。また、散り方向検出手段３２０は、ステップＳ４０
４において先の打角検出手段３１８で検出した打角αと
散りの方向αｓとを比較し、打角αと散りの方向αｓと
が一致しない場合にはステップＳ４０５において被溶接
材Ｗ１，Ｗ２側に変形等の不具合が発生していると推定
し、打角αと散りの方向αｓとが一致した場合にはステ
ップＳ４０６において電極チップ３０３側に偏摩耗等の
不具合が発生していると推定する。上記の如く不具合を
推定する理由は次の通りである。被溶接材Ｗ１，Ｗ２側
の不具合は、例えば溶接面の変形、汚れおよび傷などで
あって、打角とは無関係である。したがって、打角αと
散りの方向αｓとが不一致である場合には、被溶接材Ｗ
１，Ｗ２側に不具合がある可能性がきわめて高いと言え
る。また、電極チップ３０３の偏摩耗により被溶接材Ｗ
１，Ｗ２に対して加圧軸の打角αが生じた場合には、そ
の打角方向（図２中のＰ）の側で電極チップ３０３によ
る過圧力が不充分となり、これにより散り放出口が形成
されやすくなり、打角方向Ｐと散りの方向αｓとが一致
する。したがって、打角αと散りの方向αｓとが一致し
た場合には、電極チップ３０３側に不具合がある可能性
がきわめて高いと言える。電極チップ溶着検出手段３２
１は、電極チップ３０３の上昇過程において、Ｚ軸方向
の変位Ｚｄに基づいて電極チップ３０３が被溶接材Ｗ１
に溶着しているか否かを検出する。この電極チップ溶着
検出手段３２１は、図５に示す基準パターンにおける電
極チップの所定の上昇量Ｂ５と、その上昇量Ｂ５に達す
るまでの時間Ｔｕを判定の基準値して記憶している。そ
して、図１４に示すフローチャートのステップＳ５０１
において上記時間Ｔｕの計測を開始し、ステップＳ５０
２において所定の上昇量Ｂ５に達したかを繰り返し判定
し、所定の上昇量Ｂ５に達した場合にはステップＳ５０
３で時間Ｔｕの計測を終了する。ここで、被溶接材Ｗ１
に電極チップ３０３が溶着している場合には、その溶着
による抵抗を受けて所定の上昇量Ｂ５に達するまでに余
計な追加時間Ｔ５を要することになる。そこで、電極チ
ップ溶着検出手段３２１は、ステップＳ５０４において
計測時間Ｔｄと基準時間Ｔｄとの差から追加時間Ｔ５を
算出し、ステップＳ５０５において追加時間Ｔ５が許容
値以内であるか否かを判定し、追加時間Ｔ５が許容値を
越えている場合にはステップＳ５０６において溶着有り
と判定し、追加時間Ｔ５が許容値以内である場合にはス
テップＳ５０７において溶着無しと判定する。上記の如
く板隙、打角、端打ち、散りおよび電極チップの溶着を
検出判定が行われると、溶接制御修正指示手段３１４に
は、各手段３１７〜３２１からの検出結果と、溶接自動
制御手段３１５からの溶接打点位置情報が入力される。
溶接制御修正指示手段３１４は、各検出結果の履歴を記
録してその履歴から被溶接材Ｗ１，Ｗ２における打点位
置毎の溶接状態の統計を求める。そして、例えば特定の
打点位置において板隙や打角のずれ、端打ちの発生有無
などの溶接状態の不良判定を行い、表１に示すように予
め定めた判定マップに基づいて制御の修正有無や修正内
容を修正情報として出力する。

【００４３】

【表１】

【００４４】溶接制御修正指示手段３１４の処理工程を
図１５のフローチャートに示す。すなわち、ステップＳ
７０１において例えばＺ軸方向の振動情報から得られる
溶接部分の溶け具合に基づいて溶接の良否を判定し、溶
接不良である場合にはステップＳ７０２において電極チ
ップ３０３に対する電流や加圧力といった溶接条件修正
を設定し、溶接良好である場合にはステップＳ７０３に
おいて修正無しと設定する。また、ステップＳ７０４に
おいて板隙の有無を判定し、板隙が有る場合にはステッ
プＳ７０５において被溶接材Ｗ１，Ｗ２の位置決め修正
を設定し、板隙が無い場合はステップＳ７０６において
修正無しと設定する。さらに、ステップＳ７０７におい
て打角を判定し、打角が許容値よりも大きい場合にはス
テップＳ７０８において溶接ロボットの位置決め修正を
設定し、打角が許容値よりも小さい場合にはステップＳ
７０９において修正無しと設定する。次に、ステップＳ
７１０において端打ちの有無を判定し、端打ちが有る場
合にはステップＳ７１１において溶接ロボットの位置決
め修正を設定し、端打ちが無い場合にはステップＳ７１
２において修正無しと設定する。また、ステップＳ７１
３において電極チップ３０３の溶着の有無を判定し、溶
着が有る場合にはステップＳ７１４において電極チップ
３０３の交換を設定し、溶着が無い場合にはステップＳ
７５において修正無しと設定する。そして、ステップＳ
７１６において先の表１に示す判定マップに基づいて各
修正情報を出力する。この修正情報は溶接自動制御手段
３１５に入力され、溶接制御の停止あるいは修正作業の
ためのプロセスを実行する。なお、図６に基本的構成を
示す以上の処理工程では、溶接中において振動を検出し
ながらリアルタイムで逐次判定を行う場合を説明した
が、このほか、図７に示すように、ステップＳ８００に
おいて溶接中の振動信号を一旦記憶した後、ステップＳ
１において溶接状態を一括して判定する方式や、また、
図８に示すように、ステップＳ８００において溶接中の
振動信号を一旦記憶し、さらにステップＳ８０１におい
て平均の振動を検出した後、ステップＳ１において溶接
状態を一括して判定する方式とすることもできる。つま
り、インプロセス制御等のようにリアルタイムでの判定
が必要な場合には図６に示す逐次判定方式を採用するの
が良く、判定のばらつきを少なくし且つ品質管理データ
を単純化する場合には、図７や図８に示す一括判定方式
を採用するのが良く、用途に応じてこれらの方式を使い
分ける。次に、図３に示す処理手段３１１におけるナゲ
ット良否判定手段３１２は、多軸振動センサ３１０で検
出したＺ軸方向の振動情報に基づいてスポットナゲット
の形成状態の良否を判定する。ここで、図１７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１８は、図１
７（ａ）に示す溶接不可の場合と、図１７（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進行期とに分
けて対比したものである。図１７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パターンとス
ポットナゲット形成との相関が挙げられる。また、図１
８から明らかなように、スポットナゲットの形成状態が
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、スポットナゲットの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大きな違いを確認でき
る。したがって、ナゲット良否判定手段３１２では、Ｚ
軸方向の振動情報として、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等に基づいてスポットナゲッ
トの良否を判定することができる。さらに、処理手段３
１１における溶接品質監視手段３２２は、溶接状態検出
手段３１３の検出結果とナゲット良否判定手段３１２の
良否判定結果に基づいて被溶接材の仕上がり品質を監視
する。溶接品質監視手段３２２には、表２に示すよう
に、溶接状態検出手段３１３の各警報出力とスポットナ
ゲットの良否とに基づいて設定した判定マップが記憶さ
せてある。そして、スポットナゲットの良否判定結果と
各警報が出力される度に表１の判定マップを参照し、溶
接品質を判定して出力する。

【００４５】

【表２】

【００４６】溶接品質監視手段３２２の処理工程を図１
６のフローチャートに示す。すなわち、ステップＳ９０
１において例えばＺ軸方向の振動情報から得た溶接部分
の溶け具合に基づいて溶接の良否を判定し、溶接不良で
ある場合にはステップＳ９０２において溶接品質を不良
レベルと設定する。また、溶接が良好である場合にはス
テップＳ９０３において電極チップ３０３の溶着の有無
を判定し、溶着が有る場合にはステップＳ９０４におい
て溶接品質を不良レベルと設定する。さらに、溶着が無
い場合にはステップＳ９０５において端打ちの有無を判
定し、端打ちが有る場合にはステップＳＳ９０６におい
て溶接品質を不良レベルと設定する。次に、端打ちが無
い場合にはステップＳ９０７において板隙の有無を判定
し、板隙が有る場合にはステップＳ９０８において溶接
品質を軽度不良レベルと設定する。また、板隙が無い場
合にはステップＳ９０９において打角を判定し、打角が
許容値よりも大きい場合にはステップＳ９１０において
溶接品質を準合格レベルと設定し、打角が許容値よりも
小さい場合にはステップＳ９１１において溶接品質を合
格レベルと設定する。そして、ステップＳ９１２におい
て全体の溶接品質レベルを出力する。ここで、表２に示
した判定マップについて説明する。スポットナゲットの
良否が合格と判定したときに板隙有りの警報を出力した
場合には、溶接強度としての品質は合格であるが、板隙
のために溶接箇所に波打ち変形が発生している可能性が
高く、その変形が顕著である場合には外観品質が良好で
あるとは言えない。また、補正制御が作用しているので
不必要な電力を消費していることになる。このことから
検査を要する旨の情報を出力するように判定マップを設
定している。そして、警報に基づいて板隙発生の原因の
除去を行うことにより、溶接品質と生産性を良好に管理
維持できる。また、スポットナゲットの良否が合格と判
定したときに打角が小の判定を出力した場合には、溶接
箇所の品質が許容値以内であると判定して溶接品質が良
好であることを出力するように判定マップを設定してい
る。さらに、スポットナゲットの良否が合格と判定した
ときに端打ち有りの警報を出力した場合には、溶接強度
も外観品質も合格であるとは言えない。したがって、溶
接品質が不良であることを出力するように判定マップを
設定している。そしてさらに、スポットナゲットの良否
が不合格と判定した場合には、溶接強度不足の被溶接材
が流出するのを防止するために、全ての警報出力との組
合わせにおいて溶接品質が不良であることを出力するよ
うに判定マップを設定している。なお、以上説明した各
手段からの警報出力は、ランプやブザー等の警報手段お
よびコンピュータに接続し、溶接モニタリング結果情報
として作業者の認知や生産管理システムでの認知に利用
する。また、本発明に係わるスポット溶接装置は、詳細
な構成が上記実施例のみに限定されることはなく、本発
明の要旨を変えない範囲で種々の変更実施が可能である
ことは言うまでもない。さらに、各手段は、目的に応じ
て分離して単独機能として活用することも当然可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】スポット溶接装置の溶接ガンを示す概略説明図
である。

【図２】図１に示す溶接ガンの電極チップ付近を示す側
面図（ａ）および加圧軸の傾きを示す底面図（ｂ）であ
る。

【図３】本発明に係わるスポット溶接装置の一実施例に
おける回路構成を示す説明図である。

【図４】図３に示す溶接状態検出手段の内部構成を示す
説明図である。

【図５】電極チップの挙動の基準パターンと実際に溶接
をした際の電極チップの挙動パターンを示す説明図であ
る。

【図６】溶接状態検出手段の逐次判定方式による基本的
な検出工程を説明するフローチャートである

【図７】一括判定方式による検出工程を説明するフロー
チャートである。

【図８】一括判定方式による他の検出工程を説明するフ
ローチャートである。

【図９】板隙検出手段の電極チップの降下量に基づく検
出工程を説明するフローチャートである。

【図１０】板隙検出手段の電極チップの降下速度に基づ
く検出工程を説明するフローチャートである。

【図１１】打角検出手段の検出工程を説明するフローチ
ャートである。

【図１２】端打ち検出手段の検出工程を説明するフロー
チャートである。

【図１３】散り方向検出手段の検出工程を説明するフロ
ーチャートである。

【図１４】電極チップ溶着検出手段の検出工程を説明す
るフローチャートである。

【図１５】溶接制御修正指示手段の検出工程を説明する
フローチャートである。

【図１６】溶接品質監視手段の検出工程を説明するフロ
ーチャートである。

【図１７】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１８】図１７（ａ）の溶接不可の場合と図１７
（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。

【符号の説明】

Ｗ１ Ｗ２ 被溶接材 ３０３ ３０４ 電極チップ ３１０ 多軸振動センサ ３１２ ナゲット良否判定手段 ３１３ 溶接状態検出手段 ３１４ 溶接制御修正指示手段 ３１５ 溶接自動制御手段 ３１７ 板隙検出手段 ３１８ 打角検出手段 ３１９ 端打ち検出手段 ３２０ 散り方向検出手段 ３２１ 電極チップ溶着検出手段 ３２２ 溶接品質監視手段

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０１Ｈ 17/00 Ｇ０１Ｈ 17/00 Ｚ

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被溶接材を相対向する電極チップで加圧
   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、溶接中における電極チップの少なくとも２軸方向の
   振動を検出する多軸振動センサと、多軸振動センサで検
   出した振動情報に基づいて電極チップの挙動を検出する
   とともに電極チップの挙動に基づいて溶接状態の良否お
   よび打点位置の良否を判定する溶接状態検出手段を備え
   たことを特徴とするスポット溶接装置。
2. 【請求項２】 スポット溶接装置を自動制御する溶接自
   動制御手段に対して、溶接状態検出手段の検出結果の履
   歴から打点位置毎の溶接状態の傾向を求めて制御の修正
   情報を出力する溶接制御修正指示手段を備えたことを特
   徴とする請求項１に記載のスポット溶接装置。
3. 【請求項３】 多軸振動センサで検出した振動情報に基
   づいてスポットナゲットの形成状態の良否を判定するナ
   ゲット良否判定手段と、溶接状態検出手段の検出結果と
   ナゲット良否判定手段の良否判定結果に基づいて被溶接
   材の仕上がり品質を監視する溶接品質監視手段を備えた
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のスポット溶
   接装置。
4. 【請求項４】 溶接状態検出手段が、被溶接材に対する
   電極チップの前進量が所定量に達する時間を基準値と比
   較して被溶接材の板隙状態を検出する板隙検出手段を備
   えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記
   載のスポット溶接装置。
5. 【請求項５】 溶接状態検出手段が、被溶接材に対する
   電極チップの前進速度を基準値と比較して被溶接材の板
   隙状態を検出する板隙検出手段を備えていることを特徴
   とする請求項１〜４のいずれかに記載のスポット溶接装
   置。
6. 【請求項６】 溶接状態検出手段が、加圧軸に直角な方
   向の加圧時の電極チップの挙動に基づいて加圧接触前の
   被溶接材に対する加圧軸の傾きを検出する打角検出手段
   を備えていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか
   に記載のスポット溶接装置。
7. 【請求項７】 溶接状態検出手段が、多軸振動センサで
   検出した溶接振動の片振幅の包絡線変化に基づいて被溶
   接材の端打ちの有無を検出する端打ち検出手段を備えて
   いることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の
   スポット溶接装置。
8. 【請求項８】 溶接状態検出手段が、加圧軸に直角な方
   向の振動に基づいて散りの方向を検出し且つその検出結
   果と打角検出手段の検出結果に基づいて不具合箇所が電
   極チップ側であるか被溶接材側であるかを推定する散り
   方向検出手段を備えたことを特徴とする請求項６または
   ７に記載のスポット溶接装置。
9. 【請求項９】 溶接状態検出手段が、被溶接材に対する
   電極チップの後退量が所定量に達する時間を基準値と比
   較して電極チップの被溶接材への溶着を検出する電極チ
   ップ溶着検出手段を備えていることを特徴とする請求項
   １〜８のいずれかに記載のスポット溶接装置。