JP4986851B2 - 溶接クランプのアーム上の応力センサの構造および応力センサの取り付け方法 - Google Patents

Description

本発明は、溶接クランプのアーム上に取り付けられる応力センサの構造および応力センサの取り付け方法に関するものである。

現在の車両は、大部分が、電気溶接によって組み立てられている。現在、車体が組み立てられる際に、使用されているアセンブリの品質の検査は、製造ラインにおける手動溶接に係る検査、あるいは製造ライン外の統計的破壊検査を伴う、溶接手段の溶接パラメータの検査として行われている。

一般に金属部品のスタックの抵抗溶接である２つの電極を用いた、とりわけ電気溶接点の結果として生じる抵抗溶接は、溶接される部品のスタックと接触するように置かれる少なくとも１つの加熱電極を使用し、その電極棒によって溶接される部品に対して応力が加えられ、その電極内に電流が流され、その結果、溶接される部品に電流が流れるといった原理にしたがって実施される。選択される溶接のタイプにしたがって、溶接される部品上に押し当てられる可動電極が選択され、そのとき、他の電極は、可動電極からもっとも遠ざけられた金属部品の電極として構成される。他のタイプの溶接によれば、２つの可動電極が使用され、溶接される部品を電極間で締め付けるために、溶接される部品上に電極によって応力が加えられ、溶接される部品を通して電流が流される。

このような点溶接は、主に、溶接される部品の各タイプについて、溶接される部品の性質と厚みに応じて、溶接時間を最短にするために、特定の溶接パラメータが、時間に応じてどのように変化しなければならないかを事前に決定する。次に、決定されたパラメータに応じて溶接部所が制御される。

この方法では、１つの溶接点を溶接するために必要な時間は、同じタイプの任意の部品について常に同じになる。ところで、自動車工場の場合のように大規模な大量生産を実施する現場においては、１つの車両に数千の溶接点を有する場合がある。したがって、溶接の品質を恒常的に評価するために、選択された溶接パラメータのフォローが信頼性の高いものであること、とりわけ、溶接部位を形成する要素のいずれか一方によって生じる作用のために溶接パラメータが変動しないようにすることは確実な利点となる。

実際に、恒常的に観察され、時間に伴うその変化によって、溶接点の品質について結論を引き出すことができる溶接パラメータの１つは、溶接される部品に対して溶接クランプから加えられる締付け応力である。このようにして、たとえば、特許ＦＲ−Ａ−２ ６３１ ８６６内に説明されている各溶接作業時間の最適化方法によって、予備試験に基づく溶接される部品のタイプに応じた前記締付け応力の閾値が設定され、また溶接サイクル中の締付け応力が測定され、測定された応力が対応する閾値を超える場合には溶接作業が制御される。とりわけ、応力の増大段階における第１の閾値が設定され、測定された応力がこの第１の閾値を超えた場合には電極内に電流が流される。溶接の品質が、満足のゆくものであることを示す第２の閾値もまた設定され、締付け応力がこの第２の閾値を超えるかどうかは、電流が流れる間に確認する。最後に、応力が減少する段階の間は、第３の閾値が設定され、この段階において、溶接ロボットを移動させるという指令を与えることができ、その結果、その移動が電極の解放後にできるだけ早く行われるようになる。測定された応力が第３の閾値を超えると、この移動指令が与えられることになる。

溶接作業の進行中における溶接品質の監視に係る上述の例では、溶接時にクランプのアームに固定された応力センサによって発生する信号を正確に利用するために、リアルタイムで測定される値の信頼性が重要であることを示している。

溶接アームによって加えられる応力を評価するために、クランプのアーム上に固定される圧電センサによって発生する信号が利用される。ただし、溶接点の容積膨張現象は、クランプのアームに対して補足的な応力を付与する。言い換えれば、溶接される部品に対する溶接クランプの機構によって加えられる同一応力の下で、圧電センサによって発生する信号は、容積膨張現象に応じて変化する。

本発明の目的は、溶接作業時に応力センサによって発生する電気信号の信頼性を向上することができるような、溶接クランプのアームに対する応力センサの固定手段を提案することにある。

また本発明の目的は、クランプのアームに対する応力センサの構造とともに達成され、その構造によれば、クランプのアームと応力センサとの間に挿入部品が配置される。

この方法は、以下の考察に基づいている。

応力センサが取り付けられているクランプのアームの部分は、一般に銅でできており、したがって、比較的軟らかい。それに反して、応力センサボックスは、銅より硬い材料でできている。さらに、センサボックスは、一般に、複数のサポートブロックを備えている。センサは特定の応力を伴ってアームに押し付けられるので、アームが変形すると、センサは、アーム内に多少なりとも押し込まれ、それによって測定結果に誤差が出てしまう。

この現象を防ぐために、少なくともその衝撃を減少させるために、センサのボックスの硬度より小さく、しかも、溶接アームの銅の硬度よりは大きい硬度をもち、測定の安定性のために十分な幅をもつような挿入部品が使用される。この挿入部品は、センサのサポートとの間にいかなる機械的連結部ももたない。

有利には、挿入部品の硬度はおよそ３５０から４５０ＨＶ０．３であり、好ましくは、およそ４００ＨＶ０．３である。

本発明の実施形態の説明により詳細に示されるように、センサは、溶接アーム上に、ネジ止めによってではなく、あくまで締め付けによって固定されなければならない。締め付けは、溶接アームと共にセンサを取り囲むはめ環の一般的な形状を有するサポートを用いて実現される。

溶接アーム上のセンサの最良の可能な取り付けを実施するために、挿入部品は、主に、対向する２つの取り付け面を有する平らな要素であり、その第１の面は、溶接アームと接触するためのものであり、第２の面は、センサと接触するためのものである。取り付け用の２面は、それぞれ、場合によっては、溶接アームとセンサとの間において形状を適合させるために、溶接アームおよびセンサの形状に対する相補的な形状を有する。実際、センサのボックスは実質的に平坦な支承面を有し、また約０．５ｍｍであるサポートブロックの小さい厚みは、その形態に対してあまり影響を与えない。それと反対に、センサが取り付けられなければならないクランプのアームの部分には、円状になるように取り付けられ、それは、円形断面を有する溶接アームに対応する。あるいは、わずかに平坦になるように取り付けられなければならず、それは、平面部分を有する溶接アームに対応する。その結果、挿入部品の取り付けの第２の面は平坦になるか、あるいは、クランプのアームに等しい曲率半径を有する凹形状となる。

サポートの特別な実施形態によれば、サポートは、センサおよび挿入部品の取り付け時に、それらの配向を自在にするように形状が適合される。

挿入部品は、特にクランプのアームの直径について、あるいは、クランプのアームの複数の直径に適合できるように、その形状が適合される。

さらに、本発明の目的は、クランプのアームに対する応力センサの取り付け方法により達成される。本発明によれば、この方法は、少なくとも以下の段階を有する。
センサの設置場所においてクランプのアームの表面を整備する段階、取り付け場所に挿入部品を設置する段階、挿入部品上にセンサを設置する段階。
固定要素を用いてクランプのアーム上にセンサおよび挿入部品を固定する段階。この固定要素は、好適には、もっぱら支承によってクランプのアーム上に挿入部品およびセンサを制動固定できるように形状が適合したはめ環の形のサポートである。

本発明の他の特徴および利点は、以下の本発明の実施形態の説明によって明らかになるだろう。この説明は、添付図を参照して行われる。

抵抗溶接法において、溶接される金属部品は、それらの間にスタック１（図１）を形成し、２つの電極２ａ、２ｂ間で締め付けられ、ジャッキ４によって駆動されたクランプ３が、それら電極に締付け応力Ｆを加える。溶接クランプ３は、ヒンジポイント３３によって軸回転するように互いに接続される２つのアーム３１、３２を備えている。電圧計５を用いて測定可能であり、時間ｔに応じて変化可能な、電圧Ｖ（ｔ）を印加する、端子Ｂ１、Ｂ２によって示された電圧源が、電極２ａ、２ｂに接続される。

電圧Ｖ（ｔ）は、好適には、時間ｔに応じて変化可能であり、電流計７を用いて測定可能な、強さＩ（ｔ）の溶接電流を出現させる断続的な一連のインパルスの形で印加される。電圧Ｖ（ｔ）の印加は、溶接クランプ３のアーム３１、３２上に取り付けられた応力センサ８から受け取る入力信号に応じて、制御および調整装置によって制御される。図１に示された実施形態によれば、センサ８は、アーム３１上に固定される。

締付け応力Ｆの監視は、好ましくは電流を流す前、流す最中、さらに流す後に、締付け応力Ｆを示す応力パラメータＣ_ｆ（ｔ）、例えば、クランプ３のアーム３１に加えられる応力を測定しながら実施される。この応力パラメータＣ_ｆ（ｔ）は、電流Ｉ（ｔ）を流す間において、第１の閾値Ｃ_Ｆ１と比較される。この応力パラメータＣ_ｆ（ｔ）は、溶接作業の種々の段階にわたって変化する。「連結段階」と呼ばれる第１の周期ｔ１の間、すなわち電極２ａ、２ｂが、溶接される部品のスタック１を堅固に締め付けるまで移動する間において、パラメータＣ_ｆ（ｔ）は、迅速に増大する。

連結段階ｔ_１の後に、応力パラメータＣ_ｆ（ｔ）が一定となるような多少なりとも長い締め付け段階ｔ_２が実施される。締め付け段階の時間は、連結段階と締め付け段階の合計が、安定化した締め付けを得るために、連結閾値Ｃ_Ｆ０に対応する応力を加えるように最もゆっくりジャッキ４を駆動させる時間間隔に少なくとも等しくなる。締付け応力Ｆが安定化するとすぐに、電圧Ｖ（ｔ）が電極２ａ、２ｂの間に印加される。このとき、電流Ｉ（ｔ）が、ジュール効果によってスタック１の金属部品を加熱させ始める。

電流Ｉ（ｔ）は、任意の瞬間に、溶接される部品のスタック１が有する電気抵抗の合計Ｒ_０（ｔ）によってその大きさが決定される。この電気抵抗の合計は、主に、スタック１の部品の不完全な相互接触に起因する抵抗を示す成分Ｒ_ｃ（ｔ）と、溶接される部品を構成する材料の固有抵抗を示す成分Ｒ_ｔ（ｔ）とを有する。成分Ｒ_ｔ（ｔ）は、スタック１の温度によってその大きさが決定される。それは、部品の温度とともに増大する。すなわち、電圧Ｖ（ｔ）の最初の印加時から経過した時間に応じて増大する。この成分は、電圧Ｖ（ｔ）の印加終了後に初めて減少する。

抵抗合計Ｒ_０（ｔ）の減少は、電流Ｉ（ｔ）の増大を引き起こし、それはまた、溶接される部品のスタック１の温度の急激な上昇を導く電気エネルギーを増大させる。金属部品のスタック１の容積膨張段階と呼ばれる、電極２ａ、２ｂに電圧Ｖ（ｔ）が印加される工程は、金属部品のスタックの急激な膨張によって特徴付けられ、それが、締付け応力Ｆの増大、すなわち、応力パラメータＣ_ｆ（ｔ）の増大を引き起こす。一般に、電圧Ｖ（ｔ）は、応力パラメータＣ_ｆ（ｔ）が、連結応力に対応する閾値Ｃ_Ｆ０より高い最小閾値Ｃ_Ｆ１を超えるとすぐに切断される。

その結果生じる固形化段階ｔ_４を特徴付ける溶接点の冷却は、金属部品のスタック１の収縮を引き起こし、それが今度は、締付け応力Ｆの減少、すなわち、応力パラメータＣ_ｆ（ｔ）の減少を生じさせる。

固形化段階ｔ_４が終了すると、すなわち、溶接される部品のスタック１の完全な固形化の後に、溶接される部品のスタック上の別の場所に向かって電極２ａ、２ｂが移動することを可能にするように締付け応力が緩められる。

溶接クランプ３のアーム３１上に取り付けられる応力センサ８が、応力の最低限の変化を示す電気信号を忠実に生じさせることができるようにするために、ここに示された実施例において２つのサポートブロック９を備えているセンサ８は、図２に示されているように、クランプのアーム３１上にそれ自体が取り付けられる挿入部品１０の上に設置される。

センサが取り付けられる部位におけるクランプのアーム３１の特殊な形状を考慮に入れると、挿入部品１０は、２つの取り付け面を有し、参照番号１１が付された第１の面は、センサ８と接触し、それぞれ参照番号１２または１３が付された第２の面は、溶接アーム３１と接触するための面として与えられる。図３に示されるように、参照番号１２は、円形の横断面を有するクランプのアーム３１上へのセンサ８の固定に専用に使用される挿入部品１０の変形実施形態である、挿入部品１０１の第２の取り付け面を示している。

参照番号１０２が付された挿入部品１０の他の変形実施形態は、少なくともその長さの一部にわたって平面部分３３を備えている溶接アーム３１と接触するための第２の取り付け面１３を有する。この変形実施形態は、図４に示されており、さらに以下に説明する図５によって理解されるであろう。

図５に示されている構造によれば、上述の制御および調整装置に接続されるために使用される導線８Ａを備えているセンサ８は、サポート２０を用いて、その長さの一部にわたって平面部分３３を有するクランプのアーム３１上に取り付けられている。サポート２０は、２つの部材からなるＬ形のはめ環の一般的形状を有し、センサ８と挿入部品１０２とを収容する上方部材２１は、その縦軸に対してアームの片側でクランプのアーム３１上に支持されるように適合された形状を有し、下方部材２２は、その縦軸に対して他方の側でクランプのアーム３１上に支持される。サポート２０の２つの部材２１、２２は、ネジ２３が、対応するネジ孔２４内に入り込むことで互いに接続され、部材２２から部材２１の方向に挿入されるネジ２３によってクランプのアーム３１上に締め付けられる。部材２１、２２の円周の寸法は、２つの部材が、クランプのアーム３１の周囲でともにネジ止めされると、それら２つの部材の対向する面の間で距離ｅが保持され、２つの部材２１、２２の互いの取り付けに起因する不十分な締め付けを防ぐことができるように選択される。

サポート２０のＬ形の設計は、以下の理由から選択される。センサおよびサポートの近傍において、アームは、サポートの２つの部分間の接触ゾーンに支承された梁のような挙動をとる。本発明による構造のように、唯１つのはめ込み部位しか有さない場合には、変形は相対的に大きなものとなり、容易に測定可能となる。

反対にＴ形の設計を選択した場合には、２つのはめ込み部位を有することとなり、アームの変形もはるかに小さくなる。なぜなら、それによって、センサの２つの先端間にブリッジがつくりだされるからである。そのとき、応力の一部が取り付け部に並行して受容され、その分、装置の感受性が減少するであろう。

さらに、サポート２０は、サポート２０の上方部材２１内に設けられるネジ孔２６内に入り込む、あるいはそのネジ孔と協働するネジ切りを有する締め付け用ロッド２５を有する。締め付け用ロッド２５は、２つの対向する先端を備え、一方の先端は、好適には、適切な工具を用いてネジ止めによって軸方向の移動を調整するために六角形のヘッド２７を備え、クランプのアーム３１上で、挿入部品１０２を介して、センサ８を支持するためにセンサ８のボックス上で支持される。

とりわけ、図６に示されているように、締め付けロッド２５には、サポート２０の上方部材２１の内側に位置する片方の先端に、締め付けロッド２５がクランプのアーム３１上に取り付けられた際にセンサ８上において支持されるように止めピン２９またはリングが備えられている。センサ８が最終的に取り付けられると、ロッド２５の位置は、サポート２０の上方部材２１上で支持される止めナット２８によって固定される。ロッド２５が、例えば堅固な平頭あるいは球形先端の代わりに止めピンまたはリング２９を備えることによって、その取り付けの際にセンサ８を所定の向きに配置し、その結果、クランプのアーム３１上におけるセンサ８の位置決めをする際に生じる万一の支障を、その支障の理由がいかなるものであれ、補償することができる。したがって、部品２９は、ロッド２５とセンサ８との間の万一の不整合の影響を補償するための中間部品となる。

さらに、固定部品の代わりに止めピン２９を使用することによって、センサの取り付け時のロッド２５の回転運動部と、センサ８と直接的に接触するロッド２５の先端との間の動作分離が行われる。この動作分離は、同時に、センサ８上でロッド２５を回転させながら押し込むことに起因する損傷から、センサのボックス８を保護する一種の方法である。

図７および図８は、それぞれ、図３に示され、その図を参照して説明された挿入部品１０１を使用する取り付けサポートの軸方向図（図７）と斜視図（図８）である。

サポート２０Ａは、主に挿入部品１０２の代わりに挿入部品１０１が存在することによって、図５および図６に示されている取り付け用サポート２０と区別される。実際に、取り付け用サポート２０Ａは、挿入部品がとりわけ適合した形状を有するような、円形断面を有するクランプのアーム３１上にセンサ８を取り付けるためのものである。

サポート２０Ａの他の要素はサポート２０の要素に対応することから、図７には、図６の対応する部品と同じ参照番号が付されている。

図９および図１０は、それぞれ図８および図５のサポート２０Ａおよび２０が、クランプのアーム３１上に取り付けられた状態の斜視図として示されている。それぞれの図面では、当該サポートの同じ要素については同じ参照番号が付されている。とりわけ、図１０では、操作のときにセンサが失われないようにするためのフランジが取り付けられている。

クランプのアーム上の応力センサを伴う溶接箇所を示す概略図である。 クランプのアーム上の応力センサの構造を概略的に示す図である。 溶接アームのための図２の構造を示す縦断面図である。 別種の溶接アームのための図２の構造を示す縦断面図である。 クランプのアーム上のセンサの固定のためのサポートの側面図であり、クランプのアームは平面部分を備えている。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った横断面図である。 円形断面を有するクランプのアーム上のセンサの固定のためのサポートを示す縦断面である。 円形断面を有するクランプのアーム上のセンサの固定のためのサポートを示す斜視図である。 クランプのアーム上に取り付けられた、図６のサポートを示す図である。 クランプのアーム上に取り付けられた、図７のサポートを示す図である。

Claims (10)

1. クランプのアーム（３）上の応力センサ（８）の配置であって、
   クランプのアーム（３）と応力センサ（８）の間に挿入部品（１０）が置かれ、
   応力センサ（８）が取り付け用サポート（２０）を用いて、クランプのアーム（３１）上に固定され、
   取り付け用サポート（２０）が、クランプのアーム（３１）を閉じ囲む上方部分（２１）と下方部分（２２）からなるＬ型のはめ環の一般的形状を有し、
   取り付け用サポート（２０）は、クランプのアーム（３１）の長手軸方向の第１の位置で、クランプのアーム（３１）を閉じ囲んでおり、
   取り付け用サポート（２０）の上方部分（２１）は、クランプのアーム（３１）の長手軸方向に延び、長手軸に対してアームの片側でクランプのアーム（３１）上に支持されるために適合した形状を有し、
   取り付け用サポート（２０）の下方部分（２２）は、長手軸に対して他方の側でクランプのアーム（３１）に支持され、
   応力センサ（８）は、クランプのアーム（３１）の長手軸方向の第１の位置とは異なる第２の位置で、取り付け用サポート（２０）の上方部分（２１）に位置づけられていて、
   取り付け用サポート（２０）の上方部分（２１）は、挿入部品（１０）を介して応力センサ（８）をクランプのアーム（３）に対して押し付けるネジ切りされた締め付けロッド（２５）が係合するネジ孔（２６）を有しており、
   取り付け用サポート（２０）の上方部分（２１）は、クランプアーム（３）の長手軸に沿って、応力センサ（８）の唯１つのはめ込み点を制定していることを特徴とする配置。
2. 挿入部品（１０）が、硬度が、クランプのアーム（３）の硬度とセンサ（８）の硬度の中間であるような材料で製作されることを特徴とする請求項１に記載の配置。
3. 挿入部品（１０）が、およそ３５０から４５０ＨＶ０．３の硬度をもつ材料で製作されることを特徴とする請求項１または２に記載の配置。
4. 挿入部品（１０）が、向き合った２つの取り付け面（１１、１２または１３）を有する本質的に平坦な要素であり、その第１の面（１１）はセンサ（８）と接触するためのものであり、第２の面（１２または１３）は溶接アーム（３１）と接触するためのものであり、２つの取り付け面（１１、１２または１３）の各々は、アーム（３１）とセンサ（８）間の形状の適合を得るために、それぞれ、溶接アーム（３１）とセンサ（８）の形状に対して相補的な形状を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の配置。
5. 挿入部品（１０）が、およそ４００ＨＶ０．３の硬度をもつ材料で製作されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の配置。
6. 取り付け用サポート（２０）が、その取り付け時にセンサ（８）の配向を得ることができるように形状が適合されることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の配置。
7. 締め付けロッド（２５）が、止めナット（２８）によって位置を固定されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の配置。
8. 挿入部品（１０）が、クランプのアームの各直径について固有に適合した形状を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の配置。
9. 挿入部品（１０）が、クランプのアームの複数の直径に適合可能であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の配置。
10. クランプのアーム上に応力センサを取り付ける方法であって、
    センサの設置場所でクランプのアームの表面を準備する段階と、
    取り付け場所に挿入部品を設置する段階と、
    挿入部品上にセンサを設置する段階と、
    固定要素を用いてクランプのアーム上にセンサおよび挿入部品を固定する段階と
    を有し、
    取り付け用サポートが、クランプのアームを閉じ囲む上方部分と下方部分からなるＬ型のはめ環の一般的形状を有し、
    取り付け用サポートは、クランプのアームの長手軸方向の第１の位置で、クランプのアームを閉じ囲んでおり、
    取り付け用サポートの上方部分は、クランプのアームの長手軸方向に延び、長手軸に対してアームの片側でクランプのアーム上に支持されるために適合した形状を有し、
    取り付け用サポートの下方部分は、長手軸に対して他方の側でクランプのアームに支持され、
    応力センサは、クランプのアームの長手軸方向の第２の位置で、取り付け用サポートの上方部分に位置づけられていて、
    取り付け用サポートの上方部分は、クランプアームの長手軸に沿って、応力センサの唯１つのはめ込み点を制定していることを特徴とする方法。

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