JP2009106986A - スポット溶接ガン制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】個体差に依存することなしに、目標加圧力と検出加圧力との差を小さくする。
【解決手段】スポット溶接ガン(20)の制御装置(30)が、ガン軸に取付けられた第一電極チップ(22)と第一電極チップに対向する第二電極チップ(21)との間に作用する加圧力の目標加圧力波形に基づいてスポット溶接ガンを動作させたときに、実際の加圧力波形を検出する検出手段(27)と、検出加圧力波形と目標加圧力波形との間の偏差を求める偏差算出手段(33)と、偏差と閾値とを比較する比較手段(34)と、偏差が閾値よりも大きいと判定された場合に、目標加圧力波形に応じて定まるガン軸の動作指令値を補正する補正量を偏差に基づいて算出する補正量算出手段(35)と、を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、スポット溶接ガンを制御するスポット溶接ガン制御装置に関する。特に、本発明は、ロボットの先端に備えられたスポット溶接ガンを制御するスポット溶接ガン制御装置に関する。
従来から、金属製品の製造工場では、スポット溶接ガンを備えたロボットが広く用いられている。そのようなロボットは、予め設定された複数の溶接箇所に溶接ガンを順次移動させながら、各溶接箇所毎にワークを溶接ガンの電極間にて挟持し、加圧した状態で通電して溶接を行う。溶接箇所の信頼性を向上するためには、所望の加圧力を作用する必要がある。
特許文献1には、スポット溶接ガンの電極がワークの表面に接触するまでは所定の低速度で移動させ、電極がワークの表面に接触した後において、加圧力を得るための行き過ぎ位置に高速で移動させることが開示されている。このような制御により、所望の加圧力をワークに作用することができる。
特許第3668325号明細書
ところで、スポット溶接ガンを使用する際には、ガン軸の調整作業が予め行われ、それにより、スポット溶接ガンに組込まれたバネのバネ定数などの特性値が把握されると共に、ガン軸の動作時定数などのパラメータが決定される。さらに、スポット溶接ガンを使用する前には、ガン軸に対するトルク指令とそのトルク指令により発生する加圧力との間の関係をキャリブレーションにより求めることも行われている。
しかしながら、スポット溶接ガンには個体差が存在するので、スポット溶接ガンのバネのバネ定数およびガン軸の摩擦係数はスポット溶接ガン毎にわずかながら異なっている。そして、このような個体差は、ガン軸の調整作業およびキャリブレーションを行った場合であっても排除することはできない。
図7は従来技術における加圧力と時間との間の関係を示す図である。スポット溶接ガンにて生じる目標加圧力の目標加圧力波形Ucが図7に示されるように設定されている。これに対し、スポット溶接ガンのバネ定数が比較的小さい場合には、実際の加圧力応答は、破線U1にて示されるようにオーバーシュートが発生してから目標加圧力波形Ucを一旦上回ってから目標加圧力波形Ucに漸近する。また、スポット溶接ガンのバネ定数が比較的大きい場合には、実際の加圧力応答は破線U2にて示されるようにアンダーシュートが発生してから目標加圧力波形Ucに漸近する。
そして、図7から分かるように、目標加圧力波形Ucと実際の加圧力波形U1、U2との間の差は、所望の加圧力が目標加圧力波形Ucにて示されるように多段階に変化するほど増加する。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、スポット溶接ガン自体に個体差が存在する場合であっても目標加圧力と実際の加圧力との間の差を小さくすることのできるスポット溶接ガン制御装置を提供することを目的とする。
前述した目的を達成するために1番目の発明によれば、ガン軸に取付けられた第一電極チップと、該第一電極チップに対向する第二電極チップと、前記ガン軸を駆動する駆動部とを備えており、前記第一電極チップと前記第二電極チップとによりワークを加圧しつつ通電するスポット溶接ガンを制御するスポット溶接ガン制御装置において、前記第一電極チップと前記第二電極チップとの間に作用する加圧力の目標加圧力波形に基づいて前記スポット溶接ガンを動作させたときに、実際に作用する加圧力の加圧力波形を検出する検出手段と、前記検出手段により検出された検出加圧力波形と前記目標加圧力波形との間の偏差を求める偏差算出手段と、前記偏差算出手段により算出された前記偏差と閾値とを比較する比較手段と、前記比較手段により前記偏差が前記閾値よりも大きいと判定された場合に、前記目標加圧力波形に応じて定まる前記ガン軸の動作指令値を補正する補正量を前記偏差に基づいて算出する補正量算出手段と、を具備するスポット溶接ガン制御装置が提供される。
2番目の発明によれば、ガン軸に取付けられた第一電極チップと、該第一電極チップに対向する第二電極チップと、前記ガン軸を駆動する駆動部とを備えており、前記第一電極チップと前記第二電極チップとによりワークを加圧しつつ通電するスポット溶接ガンを制御するスポット溶接ガン制御装置において、前記第一電極チップと前記第二電極チップとの間に作用する加圧力の目標加圧力波形に基づいて前記スポット溶接ガンを動作させたときに実際に作用する加圧力の加圧力波形を推定する推定手段と、前記推定手段により推定された推定加圧力波形と前記目標加圧力波形との間の偏差を求める偏差算出手段と、前記偏差算出手段により算出された前記偏差と閾値とを比較する比較手段と、前記比較手段により前記偏差が前記閾値よりも大きいと判定された場合に、前記目標加圧力波形に応じて定まる前記ガン軸の動作指令値を補正する補正量を前記偏差に基づいて算出する補正量算出手段と、を具備するスポット溶接ガン制御装置が提供される。
すなわち1番目または2番目の発明においては、補正量により動作指令値を補正するようにしている。これにより、スポット溶接ガン自体に個体差が存在する場合であっても、目標加圧力波形と検出加圧力波形または推定加圧力波形との間の偏差を小さくすることができる。
3番目の発明によれば、1番目または2番目の発明において、前記偏差算出手段では所定の単位時間毎の周期的な偏差と、その偏差の絶対値の積算値とを算出する。前記比較手段は、前記所定の単位時間毎の前記偏差の絶対値の積算値を前記閾値と比較するようにした。
すなわち3番目の発明においては、所定の単位時間毎の偏差に基づいた所定の単位時間毎の補正量を算出し、前記偏差の絶対値の積算値によって補正完了を判別することを特徴とする。
4番目の発明によれば、3番目の発明において、前記積算値は、前記偏差が所定の微小範囲に在るときからの前記所定の単位時間毎の前記偏差を合計して算出されるようにした。
すなわち4番目の発明においては、偏差が少ない状態で動作を開始しているので、より正確な補正量を算出することが可能になる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の図面において同様の部材には同様の参照符号が付けられている。理解を容易にするために、これら図面は縮尺を適宜変更している。
図1は本発明に基づくスポット溶接ガン制御装置を備えたロボットシステムの略図である。図1においては、スポット溶接ガン20を先端に備えた多関節ロボット15が示されている。スポット溶接ガン20は、ガン軸に取付けられた可動電極チップ22と、これに対向して配置された可動または固定電極チップ21とを主に含んでいる。可動電極チップ22は、該可動電極チップ22に接続されたサーボモータ25により、ガン軸(図示しない)に沿って可動または固定電極チップ21に向かって前進すると共に可動または固定電極チップ21から後退する。
スポット溶接ガン20は多関節ロボット15を動作させることにより所望の位置まで移動される。次いで、スポット溶接ガン20は、可動または固定電極チップ21をガン軸に沿って移動させて二つの被溶接ワーク(図示しない)を可動または固定電極チップ21と可動電極チップ22との間に挟んで加圧する。その状態で可動または固定電極チップ21および可動電極チップ22を通電することによりスポット溶接が行われる。
図示されるようにサーボモータ25にはエンコーダ26が取付けられている。このエンコーダ26の値はスポット溶接ガン制御部30に供給される。スポット溶接ガン制御部30は、トルク指令をサーボモータ25に入力してスポット溶接ガン20を制御する。また、スポット溶接ガン制御部30を含むロボット制御装置10は、多関節ロボット15を制御する。図1においては、ロボット制御装置10はCRTなどの表示手段41およびキーボード、マウスなどの入力手段42も含んでいる。
また、図1に示されるように、可動または固定電極チップ21と可動電極チップ22との間に作用する加圧力を検出する加圧力センサ27が可動または固定電極チップ21に載置されている。この加圧力センサ27は加圧力センサアンプ28に接続されている。このため、加圧力センサ27により検出された加圧力の検出信号は加圧力センサアンプ28により増幅されてスポット溶接ガン制御部30に入力される。
スポット溶接ガン制御部30はデジタルコンピュータであり、CPU31と記憶部32とを主に含んでいる。記憶部32は、各種の閾値およびプログラムなどを記憶する。CPU31は、図1に示されるように、加圧力センサ27により検出された検出加圧力波形と目標加圧力波形との間の偏差を求める偏差算出手段33と、偏差と閾値とを比較する比較手段34と、偏差が閾値よりも大きい場合に偏差に基づいてガン軸の動作指令値を補正する補正量を算出する補正量算出手段35としての役目を果たす。さらに、CPU31は、スポット溶接ガン20の故障または経年劣化あるいは外乱の発生を判別する外乱判別手段37としての役目も果たしうる。
図2は本発明に基づくスポット溶接ガン制御部30の動作を示すフローチャートである。以下、図2を参照して、本発明に基づくスポット溶接ガン制御部30の動作について説明する。なお、図2および後述する図3に示される動作プログラム100、109はスポット溶接ガン制御部30の記憶部32に記憶されているものとする。
図2のステップ101に示されるように、初期設定をはじめに行う。具体的には、ガン軸の調整、ガン軸のトルクと電極チップ21、22における加圧力との間の関係についてのキャリブレーションを行う。これらは公知であるので、説明を省略する。
さらに、ステップ101においては、所定の単位時間毎に加圧力の目標値を設定し、これら加圧力の目標値からなる目標加圧力波形Ucを作成する。さらに、目標加圧力波形Ucに基づいてガン軸の動作指令値Cが所定の単位時間毎に作成される。また、スポット溶接ガン制御部30の図示しないカウンタのカウンタ値nを零に設定する(n=0)。
次いで、ステップ102において、ガン軸を駆動して、可動電極チップ22を所定の学習開始位置に移動させる。次いで、単位時間毎の動作指令値Cに従って、ガン軸を動作開始させる。ガン軸を動作開始するときには、カウンタ値nに「1」を追加する(n←n+1)。
ガン軸の動作時には、加圧力センサ27により検出された実際の加圧力Fが加圧力センサアンプ28により増幅されてスポット溶接ガン制御部30に所定の単位時間毎に入力される。これら単位時間毎の加圧力Fは検出加圧力波形Udとしてスポット溶接ガン制御部30の記憶部32に記憶される(ステップ104)。
ガン軸の動作が完了すると(ステップ105)、スポット溶接ガン制御部30の偏差算出手段33が目標加圧力波形Ucと検出加圧力波形Udとの間の偏差ΔUを所定の単位時間毎に算出する(ステップ106)。そして、偏差ΔUの絶対値|ΔU|が単位時間毎に算出される。さらに、これら絶対値|ΔU|が積算されて積算値Σ|ΔU|が算出される。
次いで、ステップ107においては、スポット溶接ガン制御部30の比較手段34によって、積算値Σ|ΔU|と所定の閾値X0とが比較される。積算値Σ|ΔU|が所定の閾値X0以下である場合には、目標加圧力波形Ucと検出加圧力波形Udとの間の偏差が十分に小さいと判断できる。そのような場合には、ステップ108に進んで、そのときの動作指令値Cが記憶部32に記憶され、学習を完了する。
一方、積算値Σ|ΔU|が所定の閾値X0以下でない場合には、ステップ110に進む。ステップ110においては、カウンタ値nが所定の閾値n0以上であるか否かが判定される。所定の閾値n0は、学習作業、つまり後述する補正量Aを算出するのに許可された時間などに応じて定められる。カウンタ値nが所定の閾値n0以上である場合には、学習作業に要する時間が長すぎると判断される。この場合には、ステップ112に進んで、処理を終了する。
一方、カウンタ値nが所定の閾値n0以上でない場合には、ステップ111に進む。ステップ111においては、スポット溶接ガン制御部30の補正量算出手段35が動作指令値Cのための補正量Aを所定の短時間毎に算出する。
補正量Aは、例えば所定のゲインGを偏差ΔUに乗算することにより以下の式(1)より得られる。
A=G×ΔU (1)
そして、この場合には、動作指令値Cは以下の式(2)により補正される。
C←C+A (2)
なお、他の方式により補正量Aを算出してもよい。その後、ステップ102に戻り、積算値Σ|ΔU|が所定の閾値X0以下になるまで、補正後の動作指令値Cに基づいて処理を繰返す。
このように本発明においては、補正量Aを算出して、動作指令値Cを補正するという学習作業を行うようにしている。これにより、補正後の動作指令値Cに基づいてスポット溶接ガン20を動作させた場合には、目標加圧力波形Ucと検出加圧力波形Udとの間の偏差ΔUを所望される程度にまで小さくすることが可能となる。それゆえ、実際の動作時には目標加圧力波形Ucにより近い動作を行うことが可能である。
このため、本発明においては、個体差のあるスポット溶接ガン20に同一の動作指令値Cを入力した場合であっても、同様な検出加圧力波形Udを得ることが可能となる。従って、目標加圧力波形Ucが多段階に変化する場合であっても、偏差が大幅に増大するのを抑えることが可能である。
ところで、ステップ108において学習を完了した後は、ステップ109に進む。ステップ109においては、スポット溶接ガン制御部30の外乱判定手段37が、スポット溶接ガン20の故障または経年劣化あるいは外乱の発生を判定する。なお、このステップ109を省略することも可能である。
図3はスポット溶接ガン制御装置の外乱判定動作を示すフローチャートである。以下、図3を参照しつつ、ステップ109の詳細について説明する。はじめに、図3のステップ201において、単位時間毎の補正量Aの絶対値|A|を算出し、次いで、それらを積算して積算値Σ|A|を算出する。
次いで、ステップ202において、積算値Σ|A|と所定の基準値A0との偏差(=Σ|A|−A0)が所定の閾値X1以上であるか否かが判定される。そして、偏差(=Σ|A|−A0)が所定の閾値X1以上である場合には、ステップ203に進む。そのような場合には、補正量Aが大きすぎるので、スポット溶接ガン20が故障または経年劣化しているか、あるいは外乱が発生しているものと判断することができる(ステップ203)。
この場合には、表示手段41にその旨の警告を表示し、操作者に対して注意を促す。操作者は、警告に応じて、スポット溶接ガン20の点検または交換を実際の動作の前に行うことができる(ステップ204)。なお、偏差(=Σ|A|−A0)が所定の閾値X1以上でない場合には、そのような警告を表示することなしに、処理を終了する。
ところで、図4は本発明において加圧力と時間との関係の一つの例を示す図である。図4においては縦軸は電極チップ21、22の間に作用する加圧力Fを表し、横軸は時間を表している。また、図4においては、目標加圧力波形Ucと、スポット溶接ガン20のバネ定数が比較的小さい場合における検出加圧力波形Udとが示されている。
図4から分かるように、時刻T0における目標加圧力波形Ucの初期加圧力はF1である。一方、検出加圧力波形Udは時刻T1において初期加圧力F1を越え、時刻T2において初期加圧力F1を下回る。その後、時刻T3において検出加圧力波形Udは初期加圧力F1に概ね収束するようになる。
本発明においては、図2のステップ103におけるガン軸の動作は図4における時刻T3にて開始するか、または時刻T3を含む所定の微小範囲において開始するのが好ましい。この場合には、加圧力が概ね初期加圧力F1に収束しているので、目標加圧力波形Ucと検出加圧力波形Udとの間に偏差ΔUが存在しないようになり、より正確な補正量Aを算出することが可能となる。
図5は本発明の第二の実施形態に基づくスポット溶接ガン制御装置を備えたロボットシステムの略図である。図5に示される構成のうち、既に説明したものについては、重複を避けるために、再度の説明を省略する。図5においては加圧力センサ27および加圧力センサアンプ28が排除されている。その代わりに、CPU31は、外乱トルク推定オブザーバ36aを備えた推定手段36を含んでいる。
外乱トルク推定オブザーバ36aは動作指令値Cとエンコーダ26からのガン軸の速度検出値Dvとに基づいて公知の手法で外乱トルクEtを推定する。図6は外乱トルク推定オブザーバの例示の構成を示すブロック図である。次いで、図6を参照して、外乱負荷トルク推定オブザーバ36aの構成の一例を説明する。動作指令値Cは通常電流値として入力される。入力された動作指令値Cは、演算要素210で定数Kt/Jを乗じられ、その結果が演算要素212に出力される。ここで、Ktはサーボモータ25のトルク定数、Jはサーボモータ25のイナーシャである。
演算要素212では、演算要素210からの出力に、後述する比例要素216からの帰還が加算され、その結果が演算要素214に出力される。演算要素214では、演算要素212からの出力に、後述する積分要素218からの帰還が加算され、その結果が積分要素220に出力される。なお、演算要素210、演算要素212及び演算要素214からの出力の単位は何れも加速度である。積分要素220では、演算要素214からの出力を積分することによりサーボモータ25の推定回転速度Evが求められ、演算要素222に出力される。
演算要素222では、積分要素220からの出力とエンコーダ21によって検出されたサーボモータ25の速度検出値Dvとの間の差が演算され、その差が比例要素216及び積分要素218に帰還させられる。比例要素216では、演算要素222からの帰還に比例定数K1が乗じられ、その結果が演算要素212に帰還させられる。
なお、比例定数K1の単位はsec-1であり、比例要素216の出力の単位は加速度となる。また、積分要素218では、演算要素222からの帰還を積分したものに積分定数K2が乗じられ、その結果が演算要素214及び比例要素224に帰還又は出力される。なお、積分定数K2の単位はsec-2であり、積分要素218の出力の単位は加速度となる。
積分要素218の出力は、外乱負荷トルク推定値Etをサーボモータ25のイナーシャJで除した推定加速度となる。そこで、比例要素224では、積分要素218からの出力にJ・P/Ktを乗じて電流値に変換して、外乱負荷トルク推定値Etとして出力する。ここで、Pは推定加速度を補正するための係数であり、1以下の値である。
このような構成の外乱負荷トルク推定オブザーバ36aは公知であるので、ここではこれ以上詳しく説明しない。また、外乱負荷トルク推定オブザーバ36aはこのような構成に限定されるものではなく、サーボモータ25に関する電流情報やトルク情報(電流情報)に基づいてサーボモータ25に掛かる外乱トルクを推定できる適宜の外乱負荷トルク推定手段を外乱負荷トルク推定オブザーバ36aとして使用することができる。サーボモータ25に加わる外乱は、スポット溶接ガン20の可動または固定電極チップ21と可動電極チップ22との間に生じる加圧力Fを主として含んでいる。したがって、外乱負荷トルク推定オブザーバ36aが推定する外乱トルクEtの波形(すなわち時系列データ)は、可動または固定電極チップ21と可動電極チップ22との間に生じる加圧力Fの応答波形(すなわち時系列データ)の相似形となる。次いで、外乱負荷トルク推定オブザーバ36aが推定した外乱トルクの時系列データを、推定加圧力波形Ueとして取得する。
第二の実施形態においては、検出加圧力波形Udの代わりに、推定加圧力波形Ueを使用し、それにより、補正量Aを前述したのと同様に算出する。このような場合には、前述した実施形態と同様に、目標加圧力波形Ucと推定加圧力波形Ueとの間の偏差ΔUを所望される程度にまで小さくし、実際の動作時には目標加圧力波形Ucにより近い動作を行うことができるのが分かるであろう。
なお、図面には示さないものの、ロボット15がスポット溶接ガン20の代わりに被溶接ワークを把持する構成であってもよい。この場合には、ロボット15は、所定の固定位置に固定されたスポット溶接ガン20に対して被溶接ワークを位置決めする。このような場合であっても、本発明の範囲に含まれるものとする。
本発明の第一の実施形態に基づくスポット溶接ガン制御装置を備えたロボットシステムの略図である。 スポット溶接ガン制御装置の動作を示すフローチャートである。 スポット溶接ガン制御装置の外乱判定動作を示すフローチャートである。 本発明において加圧力と時間との関係の一つの例を示す図である。 本発明の第二の実施形態に基づくスポット溶接ガン制御装置を備えたロボットシステムの略図である。 外乱トルク推定オブザーバの例示の構成を示すブロック図である。 従来技術における加圧力と時間との間の関係を示す図である。
符号の説明
10 ロボット制御装置
15 多関節ロボット
20 スポット溶接ガン
21 可動または固定電極チップ
22 可動電極チップ
25 サーボモータ(駆動部)
26 エンコーダ
27 加圧力センサ(検出手段)
28 加圧力センサアンプ
30 スポット溶接ガン制御部
31 CPU
32 記憶部
33 偏差算出手段
34 比較手段
35 補正量算出手段
36 推定手段
36a 外乱トルク推定オブザーバ
37 外乱判別手段
Uc 目標加圧力波形
Ud 検出加圧力波形
Ue 推定加圧力波形

Claims (4)

  1. ガン軸に取付けられた第一電極チップと、該第一電極チップに対向する第二電極チップと、前記ガン軸を駆動する駆動部とを備えており、前記第一電極チップと前記第二電極チップとによりワークを加圧しつつ通電するスポット溶接ガンを制御するスポット溶接ガン制御装置において、
    前記第一電極チップと前記第二電極チップとの間に作用する加圧力の目標加圧力波形に基づいて前記スポット溶接ガンを動作させたときに、実際に作用する加圧力の加圧力波形を検出する検出手段と、
    前記検出手段により検出された検出加圧力波形と前記目標加圧力波形との間の偏差を求める偏差算出手段と、
    前記偏差算出手段により算出された前記偏差と閾値とを比較する比較手段と、
    前記比較手段により前記偏差が前記閾値よりも大きいと判定された場合に、前記目標加圧力波形に応じて定まる前記ガン軸の動作指令値を補正する補正量を前記偏差に基づいて算出する補正量算出手段と、を具備するスポット溶接ガン制御装置。
  2. ガン軸に取付けられた第一電極チップと、該第一電極チップに対向する第二電極チップと、前記ガン軸を駆動する駆動部とを備えており、前記第一電極チップと前記第二電極チップとによりワークを加圧しつつ通電するスポット溶接ガンを制御するスポット溶接ガン制御装置において、
    前記第一電極チップと前記第二電極チップとの間に作用する加圧力の目標加圧力波形に基づいて前記スポット溶接ガンを動作させたときに実際に作用する加圧力の加圧力波形を推定する推定手段と、
    前記推定手段により推定された推定加圧力波形と前記目標加圧力波形との間の偏差を求める偏差算出手段と、
    前記偏差算出手段により算出された前記偏差と閾値とを比較する比較手段と、
    前記比較手段により前記偏差が前記閾値よりも大きいと判定された場合に、前記目標加圧力波形に応じて定まる前記ガン軸の動作指令値を補正する補正量を前記偏差に基づいて算出する補正量算出手段と、を具備するスポット溶接ガン制御装置。
  3. 前記偏差算出手段は前記偏差を所定の単位時間毎に周期的に算出するようになっており、
    前記比較手段は、前記所定の単位時間毎の前記偏差の絶対値の積算値を前記閾値と比較するようにした請求項1または2に記載のスポット溶接ガン制御装置。
  4. 前記積算値は、前記偏差が所定の微小範囲に在るときからの前記所定の単位時間毎の前記偏差を合計して算出されるようにした請求項3に記載のスポット溶接ガン制御装置。
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