JP2004130357A - スポット溶接ガン及びスポット溶接ガンの加圧力制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】サーボモータで駆動されるスポット溶接ガンにおいて、熱の影響による加圧力の変動を抑制し、より均一な加圧力を得る。
【解決手段】位置制御中は、移動指令ｒ、位置フィードバック量ｙに基づいて位置制御を行いトルク指令（電流指令）τを求め、サーボモータを駆動して溶接チップを移動させる（Ｓ１，Ｓ６）。温度センサで検出した温度Ｔと初期温度Ｔ０との差に係数Ａを掛けて加圧力補正量αを求めておく（Ｓ３，Ｓ４）。加圧力制御に移行すると指令加圧力ｐから加圧力補正量αを減じて、温度補正された指令加圧力ｐ’を求める（Ｓ８，Ｓ９）。この指令加圧力ｐ’からオブザーバで推定された推定加圧力ｄを減じた値に定数Ｋ２を乗じてトルク指令（電流指令）τを求め、サーボモータを駆動して溶接チップにより溶接対象物を加圧する（Ｓ２，Ｓ１０，Ｓ７）。指令加圧力が温度補正されているから、温度変化の影響を受けず、安定した均一な加圧力を得る。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、サーボモータで駆動されるスポット溶接ガンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
スポット溶接は、金属板の溶接対象物をスポット溶接ガンの溶接チップで挟み加圧して、両チップ間に電流を流すことによって発生するジュール熱を利用して、金属板を溶着するものである。このスポット溶接ガンの溶接チップを駆動する駆動源にサーボモータを用いた、いわゆるサーボガンが公知である。
【０００３】
図４は、このような溶接チップをサーボモータで駆動するスポット溶接ガンの概要とその駆動制御系の要部ブロック図の一例である。
スポット溶接ガン１は、溶接チップ２ａ，２ｂがそれぞれ取り付けられたアーム３ａ，３ｂと、該アーム３ａ又は３ｂ若しくは両方を駆動するためのボールネジ／ナット機構４とこのボールネジ／ナット機構４を介してアーム３ａ又は３ｂ若しくは両方を駆動して溶接チップ２ａ又は２ｂ若しくは両方を開閉し、かつ該溶接チップ２ａ，２ｂで溶接対象物の金属板を挟み加圧力を与えるサーボモータ５等で構成されている。又、該サーボモータ５には、該サーボモータ５の回転位置を検出して溶接チップの開閉位置を検出する位置検出器６が設けられている。
【０００４】
符号１０は、このスポット溶接ガン（サーボガン）１を制御する制御装置で、通常、このスポット溶接ガン１が取り付けられるロボットの制御装置で構成される。すなわち、ロボット制御装置内にスポット溶接ガン１のサーボモータ５を制御するサーボＣＰＵ１２を設けるか、すでにロボットの各軸のサーボモータを制御するために設けられているサーボＣＰＵ１２によってスポット溶接ガン１のサーボモータ５をも制御するようにしたものである。
【０００５】
制御装置１０のメインＣＰＵ１１は、ロボットを駆動制御してスポット溶接ガン１を溶接点位置まで移動させた後、スポット溶接ガン１のサーボモータ５に対して、移動指令を出力する。サーボＣＰＵ１２は該移動指令と位置検出器６からの位置のフィードバック信号に基づいて位置のフィードバック処理を行い、サーボアンプ１３に対して電流指令（トルク指令）を出力する。サーボアンプ１３は、該指令を受けてサーボモータ５に駆動電流を流しサーボモータを駆動して溶接チップ２ａ又は２ｂ若しくは両方を閉じ方向に駆動する。
【０００６】
そして溶接チップ２ａ又は２ｂ若しくは両方が所定位置まで達すると、メインＣＰＵ１１は、制御切替指令と加圧力指令をサーボＣＰＵ１２に出力する。この信号を受けてサーボＣＰＵ１２は、位置のフィードバック制御から加圧力制御に切り替え、指令された加圧力になるよう電流指令（トルク指令）をサーボアンプ１３に出力してサーボモータ５を駆動し、溶接チップ２ａ，２ｂにより指令された加圧力で溶接対象の金属板を加圧する。その後、溶接電流を両溶接チップ２ａ，２ｂ間に流しスポット溶接を行い、溶接終了後は溶接チップ２ａ又は２ｂ若しくは両方を開き、次の溶接点へ移動する。
【０００７】
以上のように、スポット溶接ガン１の溶接チップ２ａ，２ｂを駆動するサーボモータ５は、スポット溶接ガン１に設けられ、溶接チップ２ａ，２ｂの近傍に設けられている。このため、溶接チップ２ａ，２ｂに溶接電流を流し、金属板をスポット溶接するときに発生するジュール熱によりスポット溶接ガンは影響を受け、高温となる。これを冷却するため、スポット溶接ガンの溶接チップやアーム先端等を水冷している。さらにサーボモータも水冷する場合もある。
【０００８】
モータが高温になるとその出力トルクが低下する。一般に、モータから出力されるトルクは、
モータトルク＝トルク定数×電流値
の関係にあり、このトルク定数は温度に依存し、モータが高温になるとトルク定数が低下することが知られている（例えば、特許文献１）。
【０００９】
そのため、スポット溶接ガンのサーボモータは、溶接によって発生するジュール熱等の外的要因や、サーボモータ自身の発熱によって加熱され高温となり、その出力トルクが低下することに起因して加圧力が低下することになる。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−１６５４７８号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
モータの発熱による温度変化に伴うトルク定数の変化は、温度変化が特別大きいものではないことから、格別問題とならないが、スポット溶接ガン１のサーボモータ５では、溶接チップによるスポット溶接に伴い発生するジュール熱の影響を受けて高温となる。そのため、トルク定数が低下し、溶接チップ２ａ，２ｂを駆動するサーボモータ５から発生するトルクも変化することになる。
【００１２】
さらに、サーボモータ５で駆動されるスポット溶接ガン１ではサーボＣＰＵ１２からの電流指令に基づいてサーボアンプ１３が駆動電流をサーボモータ５に流し、この駆動電流により、図５に示すように、モータがトルクを出力し該トルクを、ボールネジ／ナット機構４等の回転運動から直線運動に変換する機構により直線運動力に変換し溶接チップ２ａ，２ｂを駆動し、該溶接チップ２ａ，２ｂにより溶接対象物の金属板に加圧力を加えるものである。
【００１３】
このようなモータの回転運動を直線運動に変換して力を発生させる場合、モータの出力トルクと、発生する力の関係は、理想的には、次の関係にある。
力（Ｎ）＝トルク（Ｎｍ）／（モータの１回転当たりの直線移動量＊２π）
しかし、実際には摩擦などの損失があることから、この関係が正確には成り立たない。しかも、摩擦損失は、相対移動する部材の温度にも依存することが知られている。
【００１４】
スポット溶接ガン１においては、溶接に伴い発生するジュール熱により大きな熱の影響を受け、該スポット溶接ガン１の溶接チップ２ａ，２ｂを駆動するサーボモータ５のトルク定数が変動し（温度上昇によってモータのトルク定数は低下）、さらに、スポット溶接ガン１のボールネジ／ナット等の回転運動を直線運動に変換する機構やその他の可動部分の摩擦損失もこの熱の影響を受ける（温度上昇によって摩擦損失は減少）。これらトルク定数の変動、摩擦損失の変動が重畳し、所定の指令加圧力を指令しても、溶接チップ２ａ，２ｂによる溶接対象物への加圧力は変動し、均一な加圧力によるスポット溶接ができないという問題がある。
【００１５】
そこで、本発明の目的は、熱の影響による加圧力の変動を抑制し、より均一な加圧力を得ることができるサーボモータで駆動されるスポット溶接ガン及び該スポット溶接ガンの加圧力制御方法を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、サーボモータにより溶接チップを駆動して溶接対象物を加圧しスポット溶接を行うスポット溶接ガンにおいて、サーボモータ又はスポット溶接ガン可動部の温度を検出するのに適した場所に温度センサを配置し、該センサで検出された温度に基づいて前記溶接チップによる加圧力が所定加圧力となるようサーボモータを制御する手段とを設けて、温度変化に伴う加圧力の変化を補正して均一な加圧力を得るようにした。温度変化に伴う加圧力の制御は、予め求めた温度変化に対する加圧力の変化の関係によって、指令加圧力を補正することにより所定加圧力となるよう制御するようにした。
【００１７】
【発明の実施の形態】
上述したように、溶接チップがサーボモータで駆動されるスポット溶接ガンにおいては、熱の影響によってモータのトルク定数が変動し、かつ機構部の摩擦損失も変動することから、これらが複合して、溶接チップにより溶接対象物に加えられる加圧力は、サーボモータに流す駆動電流が同一でも（指令加圧力が同一でも）、そのときのスポット溶接ガン、サーボモータの温度によって変動する。そこで、スポット溶接ガンのサーボモータに所定一定電流を流し、かつ、溶接チップに溶接電流を流してスポット溶接を繰り返し行い、溶接ガンのサーボモータの温度と加圧力を測定したところ、図３に示すような実験結果を得た。
【００１８】
この図３に示すように、温度が上昇するにつれて加圧力も上昇している。これは、温度上昇に伴うトルク定数の低下の影響より摩擦力の低下による摩擦損失が減少し加圧力が増加しているものと判断される。
【００１９】
そこで、この実験結果から、温度変化と加圧力の変化の関係を１次で近似するものとして、本実施形態では温度変化量から加圧力変化量に変換する係数Ａを求めた。すなわち、単位温度変化に対する加圧量変化量Ａを求めた。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態のスポット溶接ガンの概要とその駆動制御系の要部ブロック図である。
図４に示す従来例と相違する点は、温度センサ７を設けた点及び後述する加圧力の温度補正処理を行うようにした点にある。なお、図４に示す従来例と同一要素には同一符号を付している。温度センサ７の配設位置は、スポット溶接ガン１のサーボモータ５内、又は、ボールネジ／ナット機構４部分などのスポット溶接ガン１の可動部分等に設ける。なおこの実施形態ではサーボモータ５内に設けている。他の部分は図４に示した従来例と同様である。また、制御装置１０をロボットの制御装置とは別の制御装置とする構成も考えられるが、本実施形態と実質的構成とは差違がないので、説明は省略する。
【００２１】
まず、実験によって求めた温度変化量から加圧力変化量に変換する係数Ａを予めサーボＣＰＵ１２にパラメータとして設定しておくと共に、溶接条件を設定する際の加圧力を設定した時に温度センサで検出される温度を初期温度Ｔ０としてパラメータとして設定しておく。
【００２２】
メインＣＰＵ１１は、教示プログラム等で指令された教示点（スポット溶接点）にロボットを駆動し、スポット溶接ガン１の溶接チップ２ａ，２ｂで溶接対象物の教示点を挟持できる位置に移動させた後、サーボＣＰＵ１２に移動指令及びその後制御切替信号、加圧力指令を出力する。
【００２３】
サーボＣＰＵ１２は、メインＣＰＵ１１からスポット溶接ガン１の駆動指令である溶接チップ２ａ，２ｂの移動指令、制御切替信号、加圧力指令が入力されることによって、温度補正処理をともなった図２にフローチャートで示す処理を所定周期毎行う。
【００２４】
サーボＣＰＵ１２は、メインＣＰＵ１１から指令される移動指令ｒを読み込み、かつ、位置検出器６からフィードバックされてくる位置フィードバック量ｙを読む（ステップＳ１）。さらに、該サーボＣＰＵ１２に組み込まれている周知の外乱推定オブザーバによって外乱トルクｄを推定する（ステップＳ２）。この外乱トルクｄは、加圧中は加圧力を示すものとなる。次に、温度センサ７から送られてくる温度Ｔを読み、次の１式の演算を行う。すなわち、パラメータ設定されている係数Ａに、検出した温度Ｔと初期温度Ｔ０との差を乗じて、加圧力補正量αを求める。
【００２５】
α＝Ａ×（Ｔ−Ｔ０）　　　…（１）
次に、制御切替信号が入力されているか判断し、入力されていなければ、ステップＳ１で読みとった移動指令ｒから位置のフィードバック量ｙを減じた値に比例定数Ｋ１を乗じて位置制御用のトルク指令（電流指令）τを求める。
τ＝Ｋ１×（ｒ−ｙ）　　　…（２）
このトルク指令（電流指令）τをサーボアンプ１３に出力し（ステップＳ７）、当該処理周期の処理を終了する。
【００２６】
以下、制御切替信号が入力されるまで、ステップＳ１からステップＳ７までの処理を所定周期毎実行する。そして、制御切替信号及び加圧力指令ｐが入力されると、ステップＳ５からステップＳ８に移行し、入力された加圧指令ｐを読み込み、該加圧指令ｐからステップＳ４で求めた加圧力補正量αを減じて補正された加圧指令ｐ’を求める（ステップＳ９）。
【００２７】
ｐ’＝ｐ−α　　　…（３）
求めた補正加圧指令ｐ’からステップＳ２で求めた推定トルク（推定加圧力）ｄを減じた値に加圧力フィードバック制御の比例係数Ｋ２を乗じてトルク指令（電流指令）τを求める（ステップＳ１０）。この求めたトルク指令（電流指令）τをサーボアンプ１３に出力し（ステップＳ７）、当該処理周期の処理を終了する。
【００２８】
以下、所定周期毎ステップＳ１〜Ｓ５、ステップＳ８〜Ｓ１０、ステップＳ７の処理を繰り返し実行し、設定加圧力が得られるように、指令加圧力を温度補正し、オブザーバで求められた推定加圧力が補正された指令加圧力に一致するようにトルク指令（電流指令）τを求めサーボモータ５を駆動する。
指令加圧力ｐを検出温度によって補正し、この補正された補正加圧指令ｐ’によりトルク指令（電流指令）τを求めることから、トルク指令（電流指令）τは温度によって補正されたことになり、所定の加圧力を溶接チップ２ａ，２ｂは発生することになる。
【００２９】
そして、図示していないが、従来と同様に、溶接チップ２ａ，２ｂ間に設定溶接電流を流し、設定時間が経過する溶接チップ２ａ，２ｂを開き次の溶接点に移動する。
なお、加圧力補正量αは、制御切替信号を得て加圧力制御に切り替わって必要になるものであるから、ステップＳ２からステップＳ４までの処理は、ステップＳ８の前又は後に移動させてもよい。この場合、ステップＳ１からステップＳ５に移行することになる。
【００３０】
上述した実施形態では、温度変化と加圧力の変化の関係を１次で近似したが、２次又は他の関数で近似してもよい。さらには、温度変化量（Ｔ−Ｔ０）の帯域毎に前述した係数Ａを求め設定してもよい。さらには、温度変化量に対して加圧力の変化量（加圧力補正量α）をテーブル等に記憶して、該テーブルから加圧力補正量αを求めてもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明は、スポット溶接ガンの温度変化に伴う、サーボモータのトルク定数の変化や摩擦力の変動に伴う加圧力の変動を抑制し、安定した加圧力を保持することができ、スポット溶接の溶接品質を向上させることができる。
特にスポット溶接ガンに用いるサーボモータを非水冷のものを使用したとき、本発明は特にその効果を顕著に達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の要部ブロック図である。
【図２】同実施形態における動作処理フローチャートである。
【図３】温度と加圧力の関係を求めるための実験結果を示す図である。
【図４】従来のスポット溶接ガンのサーボモータを駆動する制御系のブロック図である。
【図５】モータに入力される駆動電流により回転運動を直線運動に変換する伝動機構を介して発生する力（加圧力）の説明図である。
【符号の説明】
１　スポット溶接ガン
２ａ，２ｂ　溶接チップ
３ａ，３ｂ　アーム
４　ボールネジ／ナット機構
５　サーボモータ
６　位置検出器
７　温度センサ
１０　制御装置
１１　メインＣＰＵ
１２　サーボＣＰＵ
１３　サーボアンプ

Claims (4)

1. サーボモータにより溶接チップを駆動し、溶接対象物を加圧しスポット溶接を行うスポット溶接ガンにおいて、
   前記サーボモータ又は前記スポット溶接ガン可動部の温度を検出するのに適した場所に配置された温度センサと、
   該温度センサで検出された温度に基づいて前記溶接チップによる加圧力が所定加圧力となるよう前記サーボモータを制御する手段と、
   を備えることを特徴とするスポット溶接ガン。
2. 前記が所定加圧力となるよう前記サーボモータを制御する手段は、予め求めた温度変化に対する加圧力の変化の関係によって、指令加圧力を補正することにより所定加圧力となるよう制御する請求項１に記載のスポット溶接ガン。
3. サーボモータにより溶接チップを駆動し、溶接対象物を加圧しスポット溶接を行うスポット溶接ガンの加圧力制御方法において、
   前記サーボモータ又は前記スポット溶接ガン可動部の温度を検出し、
   検出された温度に基づいて前記溶接チップにより所定加圧力が得られるように前記サーボモータを制御することを特徴とするスポット溶接ガンの加圧力制御方法。
4. 予め温度変化に対する加圧力の変化の関係を求めておき、該温度変化に対する加圧力の変化の関係に基づいて指令加圧力を補正することによって、所定加圧力が得られるように前記サーボモータを制御する請求項３に記載のスポット溶接ガンの加圧力制御方法。

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