JP2006305598A - スポット溶接方法とスポット溶接システム - Google Patents

Abstract

【課題】サーボモータ駆動による溶接電極の加圧力を的確に制御するスポット溶接システムと方法を提供すること。
【解決手段】スポット溶接システムは、一対の溶接電極と、これら溶接電極を駆動し、被溶接物１２を挟んで加圧するサーボモータ２と、溶接電極およびサーボモータの作動を制御する制御装置１００とを有する。加圧力検出器３が設けられて、実際に被溶接物１２に加わる加圧力を測定する。制御装置１００は、この加圧力検出器３の測定値に基づいてサーボモータ２への駆動電流を調整して、被溶接物１２への加圧力を制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、スポット溶接に係り、特に、サーボモータ駆動による溶接電極の加圧力を的確に制御するスポット溶接方法とシステムに関する。

スポット溶接は、被溶接物（以下、ワーク）を一対の溶接電極で挟み込んで加圧しながら、大電流を流し、ワークを溶かして溶接するものである。中でも、溶接電極をサーボモータによって駆動する電動溶接ガンが、加圧力を自在に指定できる点や、開閉動作を自在に制御できることから普及している。
典型的には、このような電動溶接ガンを多関節ロボットと組み合わせて、溶接作業を自動化し、自動車車体の接合などに幅広く利用されている。

ところで、スポット溶接は、溶接品質を維持するために、ワークに対する挟持加圧力を所定値に維持する必要がある。
そのため、従来は、溶接電極を駆動するサーボモータの電流値を代替特性として用いて、挟持加圧力を調整していた。これは、事前にサーボモータの駆動電流と電極の加圧力との関係を測定し、例えば、図８に示すような相関関数を作成しておき、この関数より所望の加圧力に対応する電流値をもとめて、その電流をサーボモータへ通電するものである。

しかしながら、上述のような相関関数に基づいてサーボモータを駆動しても、実際に発生する加圧力が指定値に達しないことがある。
例えば、電動溶接ガンが多関節ロボットに取り付けられている場合である。この場合、溶接電極は重力方向に対して様々な向きを取り得るが、一般的に、同じ駆動電流に対して、重力に逆らって加圧する方が、重力方向に沿って加圧するよりも発生する加圧力が小さくなる。また、電極は溶接に伴い溶融して変形し、サーボモータや電動溶接ガンの電気的・機械的損失の経年変化も、挟持加圧力に影響する。さらに、溶接作業中に発生する熱や気温変化などの環境変化も、加圧力を変化させる。

このような問題を解決するために幾つかの提案がなされている。
一例として、駆動電流と加圧力の相関関数を加圧方向ごとに求めておいて、加圧を行う方向に応じて駆動電流を計算する方法がある（例えば、特許文献１参照）。また、一定時間毎に溶接電極に加圧力センサを挟持させて、相関関数を求め直す方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。さらに、ワークに加えている力を測定しながら、指定加圧力になるように電極駆動サーボモータの位置を動かす方法もある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００４−１９５５４５号公報 特開２００３−３２６３７０号公報 ＥＰ０２７８１８５Ｂ１

スポット溶接の効率向上を図るには、これまで以上に、ワークへの加圧力をすべての状況でより的確に制御することが望ましい。
例えば、上述した相関関数を一定時間毎に更新する方法は、実際の溶接位置にて指定加圧力となっているか否かが判らず、挟持加圧力の正確な制御ができない。また、駆動サーボモータの位置によって加圧力を調整する方法は、挟持するワークの材質や、電動溶接ガン、溶接電極の状態などによって加圧力の発生状態が大きくばらつくので、加圧力を安定させることが非常に困難である。

本発明は、サーボモータ駆動による溶接電極の加圧力を的確に制御するスポット溶接方法の提供を目的とする。
本発明の別の目的は、上記方法を簡単・安価な構成で確実に実施するスポット溶接システムを提供することである。

そのため、本発明は、一対の溶接電極をサーボモータにより駆動し、ワークを挟んで加圧しながら溶接するスポット溶接方法において、ワークを加圧する際に、実際に加わっている加圧力を測定し、この測定値に基づいてサーボモータへの駆動電流を調整してワークへの加圧力を制御する。

サーボモータの駆動電流の調整は、ワークへの所望加圧力と実際の加圧力とを比較して、その差を無くすように行うことが好適である。
若しくは、上記差分による電流に、予め設定した加圧力とサーボモータ電流との関係から求める駆動電流を加えてもよい。

上記方法を実施するために、本発明によるスポット溶接システムは、対向配置した溶接電極と、これら溶接電極を駆動するサーボモータと、サーボモータの作動を制御する制御装置とを含む。さらに、加圧力検出器を設けて、ワークに実際に加わる加圧力を測定する。制御装置は、この検出器の測定値を受けて、サーボモータの駆動電流を調整してワークへの加圧力を制御する加圧力制御回路を有する。

加圧力制御回路は、加圧力検出器の測定値をワークへの所望加圧力と比較し、その差に応じてサーボモータへ送る駆動電流を算出することが好適である。
或いは、さらに、予め設定した加圧力とサーボモータ駆動電流との関係データを備えた公称加圧電流計算回路を設け、このデータから所望加圧力に応じたサーボモータの駆動電流を算出して、上記差分に応じた電流に加えてもよい。

上記した本発明の構成によると、ワークに実際に働いている加圧力をリアルタイムでモニタし、これをフィードバックしてサーボモータの駆動電流を直接調整するので、所望の加圧力が的確に得られる。その為、良好な溶接品質を確保し、作業効率の向上を達成することができる。
このフィードバック制御に、上述した、予め設定したデータから求めた公称加圧電流を加えるフィードフォワード制御を併用することで、定常偏差もなく、良好な応答特性をもって挟持加圧力の制御を行うことができる。
また、ワークのすべての溶接点において挟持加圧力を測定するので、電動溶接ガンに何らかの電気的・機械的な故障が発生した場合に、加圧力未達異常として検出することも可能となる。
また、指令加圧力を達成したときの電流値をモニタし、公称電流計算に利用することで、フィードフォワード制御の影響を大きくすることができ、より良好な応答性を期待できる。
さらに、加圧力制御回路の出力をモニタすることで、フィードバック制御の出力が急激かつ過度に大きくなった場合、急激な環境の変化あるいは溶接ガンの特性の急変により、公称電流値と実際の電流値の差異が大きくなったと判断できる。これによって、電動加圧ガンのなんらかの故障が発生したと診断できる。

次に、本発明を、図面に示す実施形態に基づいて説明する。
図１を参照すると、本発明の第１実施形態によるスポット溶接システムは、電動溶接ガン１を備えている。電動溶接ガン１は、多関節ロボット４の先端に取り付けて、位置や向きを自在に変え得るようにしている。溶接ガン１には、対向配置した一対の溶接電極１ａを互いに接近させ、あるいは遠ざけるように駆動するサーボモータ２が搭載されている。さらに、溶接ガン１と多関節ロボット４の作動を制御するための制御装置１００を接続している。

本例のスポット溶接システムは、ワークへの加圧力制御に関連する部分を除いて従来と同様の構成でよく、本文では、電動溶接ガン１や、多関節ロボット４、それらに付随する部品についてこれ以上説明しない。

図２は、ワークの加圧力を制御するための関連部分を示している。
図２には、図１の電動溶接ガン１と多関節ロボット４も簡略化して示しており、電動溶接ガン１には加圧力検出器３が取付けられている。この加圧力検出器３は、溶接電極の挟持加圧動作中に、ワーク１２に加わる加圧力を測定可能な圧力センサである。加圧力検出器３の出力は、加圧力インターフェース回路５を通じて、制御装置内の制御演算ＣＰＵ６に取り込まれる。

制御装置１００には、サーボモータ２のエンコーダ７からの位置情報と、サーボモータ２の駆動電流を検出する検出器８からの電流情報も取り込まれる。制御装置の制御演算ＣＰＵ６は、通常、位置制御回路９によって、サーボモータ２の位置が指令位置１６に追従するように電流指令を作成し、電流制御回路１０および電流アンプ１１を通じてサーボモータ２に駆動電流を流すことで、位置制御のフィードバックループを構成する。この位置制御によって、電動溶接ガン１の電極はワーク１２を挟持する位置へ移動し、ワーク１２を挟持して加圧力を発生する。

このとき、加圧力検出器３の検出出力が指定された加圧力を越えると、制御演算ＣＰＵ６は、図２中の参照符号１３で示すように、位置制御回路９を加圧力制御回路１４へ切替える。次に、加圧力制御回路１４は、加圧力検出器３からの出力と加圧力指令１５に基づいて、挟持加圧力が指令加圧力になるように指令電流を計算し、電流制御回路１０よりサーボモータ２へこの電流を流すことで、指令加圧力を達成する。
加圧力制御回路１４は、図３に示す、指令加圧力と挟持加圧力の偏差のＰＩＤ補償器による構成である。

このように、上述のスポット溶接システムは、ワーク１２に実際に働いている加圧力を検出し、その検出値を指令値と比較して必要な場合にはサーボモータ２への駆動電流を調整する。このような制御により、ワーク１２に実際に加わる挟持加圧力は指令加圧力と一致し、図４に示すように、定常偏差もなく、良好な応答特性をもって所望の挟持加圧力を達成できる。

次に、本発明の第２実施形態によるスポット溶接システムを説明する。
第２実施態様のシステムは、図２の例のフィードバック制御に加えてフィードフォワード制御を取り入れたものである。このシステムは、制御装置の加圧力制御回路が図２の実施形態と異なり、その他の構成は同一であるので、相違部分のみを説明する。

より詳細に云うと、図２の例は、リアルタイムで加圧力情報をフィードバックするもので、加圧電流の制御は、図３に示したように、実際の加圧力と指令加圧力との差を計算し、偏差を減少させる比例制御（ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ）、定常偏差を０にする積分制御（ｉｎｔｅｇｒａｌ）、偏差の減少速度を加速させる微分制御（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ）により加圧電流を求めてサーボモータを駆動する方法であり、フィードバックの手法である。
これによって、実際にワークに働く加圧力を指令加圧力に一致させることができ、被溶接ワークの特性変化などの外乱の影響を抑制し、経年変化などシステムの特性変動の影響を減少させることが可能である。

一方、第２実施態様のスポット溶接システムは、フィードバック制御による加圧力偏差の過渡応答を改善するために、指令加圧力より求める公称加圧電流を加圧力偏差のフィードバック量に加えることで、フィードフォワードの機能を持たすことが可能となる２自由度制御構造を、加圧力のリアルタイムフィードバック制御に適用する。
そのため、このシステムの加圧力制御回路２４は、図５に示すように、図２の加圧力制御回路１４と同じ構成のＰＩＤ制御回路２５に加えて、公称加圧電流計算回路２６を備えている。

公称加圧電流計算回路２６は、加圧力指令（図２の１５を参照）に基づいて、指令加圧力に対応する加圧電流を計算する。
この時の公称加圧電流計算は、事前に種々の大きさの加圧力に対応するサーボモータの駆動電流を計測して、図６のグラフのような加圧電流―加圧力テーブルを用意し記憶しておき、加圧力指令に相当する加圧電流値をこのテーブルから読み取る方法で行う。加圧力制御回路２４は、算出した公称加圧電流をＰＩＤ制御回路２５による電流指令に加えて、電動溶接ガンのサーボモータへ送る。その結果ワークに実際に働く加圧力を加圧力検出器（図２の３を参照）が測定し、測定値を加圧力制御回路２４へフィードバックし、指令加圧力との偏差をＰＩＤ制御回路２５が計算する。

こうして、第２実施態様のスポット溶接システムは、通常の状態では、指定加圧力に対応する所定の公称加圧電流を選択して、良好な応答特性で指令値までの加圧力を発生させる。
一方、何らかの要因、例えば、溶接環境の変化や溶接機器の経年変化により、実際に発生した加圧力が図６の加圧電流−加圧力特性グラフの値より外れた場合には、フィードバックによりＰＩＤ制御回路２５が指令加圧力を発生させるように加圧電流を自動的に調整する。

この再調整によって指令加圧力が得られた場合、その時の加圧電流値をモニタして、公称電流計算用の加圧電流−加圧力特性グラフを図７のように修正する。これによって、次回以降は公称加圧電流の通電のみで指令値の加圧力を発生させることが可能となり、フィードバック制御に頼ることなく、フィードフォワード制御のみの良好な応答性で必要な加圧力を達成することができる。
なお、予め設定した加圧電流−加圧力特性は、溶接機器の経年変化や溶接環境の変化によって変化していくが、上述のように、指令加圧力を達成した際のサーボモータへの指令電流値を利用して、加圧電流−加圧力テーブルを順次更新していくことにより、的確なフィードフォワードを常に行うことができ、また、制御装置に一種の学習機能を持たせることが可能となり、良好な過渡応答を期待できる。

以上、本発明を図示の実施態様に基づいて説明したが、本発明はこれら特定の形態のみに限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲による定義内で、説明した形態に種々の変更を加えることが可能であり、或いは本発明を別の形態で実施することもできる。

本発明の実施態様によるスポット溶接システムの電動溶接ガンの斜視図である。 図１のシステムにおけるワーク加圧力制御の関連構成を示すブロック図である。 図２の加圧力制御回路の構成を示すブロック図である。 図１のシステムによる加圧力制御の応答特性を示すグラフである。 本発明の別の実施態様によるスポット溶接システムの加圧力制御回路を示すブロック図である。 図５の加圧力制御回路に用いる加圧電流−加圧力特性を例示するグラフである。 加圧力制御の結果による図６のグラフの修正を示すグラフである。 従来のスポット溶接システムにおいて加圧力制御に用いた加圧力とサーボモータ駆動電流との相関関数のグラフである。

符号の説明

１ 電動溶接ガン
１ａ 溶接電極
２ サーボモータ
３ 加圧力検出器
４ 多関節ロボット
８ 電流検出器
１４，２４ 加圧力制御回路
１５ 加圧力指令
１６ 電流指令
２６ 公称加圧電流計算回路
１００ 制御装置

Claims (6)

1. 一対の溶接電極をサーボモータにより駆動し、被溶接物を挟んで加圧しながら通電して溶接するスポット溶接方法において、被溶接物へ実際に加わっている加圧力を測定し、この測定値に基づいてサーボモータへの駆動電流を調整して被溶接物への加圧力を制御することを特徴とするスポット溶接方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記サーボモータの駆動電流の調整は、被溶接物への所望の加圧力と前記測定値とを比較してその差分に応じて行うスポット溶接方法。
3. 請求項２に記載の方法において、前記サーボモータの駆動電流の調整は、さらに、予め設定した加圧力とサーボモータ電流との関係から駆動電流を算出して、この算出した駆動電流を前記差分による電流に加えてサーボモータに通電して行うスポット溶接方法。
4. 対向配置した一対の溶接電極と、これら溶接電極を駆動し、被溶接物を挟んで加圧するサーボモータと、前記サーボモータの作動を制御する制御装置とを含むスポット溶接システムにおいて、被溶接物に実際に加わる加圧力を測定する加圧力検出器を設け、前記制御装置がこの加圧力検出器の測定値に基づいてサーボモータへの駆動電流を調整して被溶接物への加圧力を制御する加圧力制御回路を有することを特徴とするスポット溶接システム。
5. 請求項４に記載のシステムにおいて、前記加圧力制御回路は、被溶接物への所望の加圧力と前記測定値とを比較し、その差分に応じてサーボモータへ送る電流値を算出するスポット溶接システム。
6. 請求項５に記載のシステムにおいて、前記制御装置がさらに、予め設定した加圧力とサーボモータ電流との関係データを備えて、所望の加圧力に応じたサーボモータの駆動電流を算出して、この算出した駆動電流を前記加圧力制御回路の算出電流値に加える公称加圧電流計算回路を有するスポット溶接システム。