JP3147603B2

JP3147603B2 - スポット溶接ガンの加圧制御方法およびその装置

Info

Publication number: JP3147603B2
Application number: JP21075393A
Authority: JP
Inventors: 浩久酒井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1993-08-25
Publication date: 2001-03-19
Anticipated expiration: 2016-03-19
Also published as: JPH0764615A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電極チップをサーボモ
ータの回転によって移動（開閉）させるスポット溶接ガ
ンの技術に関し、とくに電極チップの位置とサーボモー
タのモータ電流とに基づき、対象打点の総板厚に対応す
るエンコーダ値の近傍位置までの電極チップ移動中の、
電極チップの障害物との当接による過負荷発生を検知す
るようにしたスポット溶接ガンの加圧制御方法およびそ
の装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車の生産工場では、車両ボデーの溶
接作業の多くは溶接ロボットによって行なわれる。図７
は、溶接ロボットによるスポット溶接作業の一例を示し
ている。図７に示すように、溶接ロボット１には、溶接
ガン２が取付けられている。溶接ガン２は、溶接ロボッ
ト１によって予め教示された車両ボデー６の溶接位置
（打点位置）に逐次位置決めされるようになっている。

【０００３】溶接ガン２は、電極チップ３と電極チップ
４とを有しており、電極チップ３が空気圧によって作動
する加圧シリンダ５によって昇降される。溶接ロボット
１によって溶接ガン２が位置決めされた状態では、車両
ボデー６の溶接部位は電極チップ３と電極チップ４とに
よって加圧され、両電極間に溶接電流が流され、スポッ
ト溶接が行なわれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
加圧シリンダによるスポット溶接の場合は、誤って障害
物を挾み込んで加圧した場合でもそのまま溶接を行うの
で、溶接不良が発生する。ここでいう障害物を挾み込ん
で加圧するとは、たとえば被溶接物の位置ずれによって
所定の板厚と異なる部位を溶接したり、または誤って板
厚の異なる別部品を取付けた場合にその部品をそのまま
溶接してしまうことをいう。部品を誤って取付けた場合
は、車両ボデーが完成してからでないとその発見が難し
く、手直し作業に多大の時間を必要とする問題がある。

【０００５】従来の加圧シリンダの代りにモータを用い
て電極チップを進退させる技術が存在する（特開昭６１
−１８６１７７号公報）。また、未公開ではあるが、サ
ーボモータを用いて電極チップを進退させるとともに、
サーボモータと連動するエンコーダによって電極チップ
の位置を検出するスポット溶接装置が、本出願人により
提案されている（特願平４−９４９１６号）。

【０００６】上述の特願平４−９４９１６号のスポット
溶接装置においては、加圧制御のパラメータとしてモー
タ電流のみを用いているので、障害物を挾み込んで加圧
した場合でも、そのまま溶接することになり、従来の加
圧シリンダによる加圧の場合と同様の問題が生じる。

【０００７】本発明の目的は、スポット溶接における障
害物に起因する過負荷を検知する加圧制御方法およびそ
の装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
の本発明に係るスポット溶接ガンの加圧制御方法および
その装置は、つぎのように構成されている。（１）サーボモータによって電極チップの開閉を制御
するスポット溶接ガンの加圧制御方法であって、対象打
点の総板厚に対応するエンコーダ値、モータ電流しきい
値を読出し、電極チップの閉側への移動を開始し、電極
チップの前記エンコーダ値の近傍位置までの移動中に、
モータ電流を監視し、該モータ電流と前記モータ電流し
きい値とを比較し、前記モータ電流が前記モータ電流し
きい値を越えた場合は電極チップの障害物との当接によ
る過負荷発生と判定して異常表示と溶接動作停止を行
い、前記モータ電流が前記モータ電流しきい値を越えな
い場合は電極チップをさらに前記エンコーダ値まで移動
させモータ電流を制御することにより加圧力を制御し溶
接電流を流して溶接を実行する、スポット溶接ガンの加
圧制御方法。（２）電極チップを開閉するサーボモータと、前記電
極チップの位置を検出する電極位置検出手段と、前記サ
ーボモータのモータ電流を検知するモータ電流検知手段
と、対象打点の総板厚に対応するエンコーダ値、モータ
電流しきい値に対し、電極チップの前記エンコーダ値の
近傍位置までの移動中にモータ電流を監視し、該モータ
電流と前記モータ電流しきい値とを比較する過負荷判定
手段と、前記モータ電流が前記モータ電流しきい値を越
えた場合、電極チップの障害物との当接による過負荷発
生と判定して異常表示と溶接動作停止を行う表示手段
と、前記モータ電流が前記モータ電流しきい値を越えな
い場合、電極チップをさらに前記エンコーダ値まで移動
させモータ電流を制御することにより加圧力を制御し溶
接電流を流して溶接を実行する、制御手段と、を備えた
ことを特徴とするスポット溶接ガンの加圧制御装置。

【０００９】

【作用】このように構成されたスポット溶接ガンの加圧
制御方法およびその装置においては、電極チップの加圧
位置までの移動段階では、サーボモータのモータ電流と
電極チップの位置がそれぞれ監視される。障害物がない
場合は、電極チップを小さな力で移動させることがで
き、サーボモータのモータ電流が規定値を越えることは
ない。

【００１０】被溶接物の位置ずれや、間違って板厚の異
なる別の部品を取付けた場合は、電極チップの加圧位置
までの移動段階でモータ電流が規定値を越え、障害物が
存在することがわかる。打点位置に障害物がない場合
は、電極チップの加圧位置までの移動段階で、サーボモ
ータのモータ電流が著しく上昇するはずはない。したが
って、電極チップの位置とモータ電流という２つのパラ
メータに基づき、障害物に起因する過負荷の判定が可能
となる。

【００１１】

【実施例】以下に、本発明に係るスポット溶接ガンの加
圧制御方法およびその装置の望ましい実施例を、図面を
参照して説明する。図１ないし図６は、本発明の一実施
例を示しており、とくに自動車のボデーのスポット溶接
に適用した例を示している。まず、本発明の加圧制御方
法が適用されるスポット溶接装置について説明する。

【００１２】図５は、スポット溶接装置の全体構成を示
している。図５に示すように、スポット溶接装置１１
は、溶接ガン２１、溶接ロボット６１、制御手段７１等
から構成されている。溶接ガン２１は、溶接ロボット６
１の手首部65に取付けられている。溶接ガン２１の開
放、加圧動作および溶接ロボット６１の動きは、制御手
段７１によって制御されるようになっている。

【００１３】図５に示すように、溶接ガン２１は、つぎ
のように構成されている。溶接ガン２１は、Ｃ形フレー
ム２２を有しており、Ｃ形フレーム２２の下部にはホル
ダ２３を介して電極チップ２４が装着されている。Ｃ形
フレーム２２の上部には、サーボモータ２６が取付けら
れている。サーボモータ２６の出力軸には、軸継手２７
を介してボールネジ２８が連結されている。ボールネジ
２８は、軸受部２９ｂを介してＣ形フレーム２２に回転
可能に保持されている。ボールネジ２８には、ナット３
０が螺合されている。ナット３０は、ボールネジ２８の
回転に伴ってボールネジ２８の軸方向に移動するように
なっている。

【００１４】ナット３０の外周部には、連結部材３１が
取付けられている。連結部材３１の一端には、ホルダ３
２を介して電極チップ３３が装着されている。電極チッ
プ３３は、サーボモータ２６の回転によって軸方向に移
動するようになっている。電極チップ３３の位置は、サ
ーボモータ２６の後部に設けられた電極位置検出手段と
してのエンコーダ３４により検出可能となっている。本
実施例では、サーボモータ２６の回転量によって間接的
に電極チップ３３の位置を検出しているが、電極チップ
３３の進退距離を直接検出する電極位置検出手段であっ
てもよい。

【００１５】Ｃ形フレーム２２には、薄板鋼板からなる
被溶接物（車両ボデー）９０の位置ずれを吸収するため
のイコライザ（位置ずれ補正機構部）４１が取付けられ
ている。イコライザ４１は、後述する溶接ロボット６１
の手首に連結されている。Ｃ形フレーム２２は、イコラ
イザ４１を介して後述する溶接ロボット６１の手首部６
５にフローティングされた状態で保持されている。

【００１６】電極チップ３３は、図示されないケーブル
を介してキックレスケーブル５５の一方に電気的に接続
されている。電極チップ２４は、Ｃ形フレーム２２を介
してキックレスケーブル５５の一方に電気的に接続され
ている。キックレスケーブル５５の他方は、溶接ロボッ
ト６１に固定された溶接トランス５６に接続されてい
る。溶接トランス５６は、タイマ機能を有するコントロ
ーラ５７を介して溶接電源（図示略）に接続されてい
る。コントローラ５７は、後述する制御手段７１と接続
されている。

【００１７】溶接ロボット６１は、制御軸が６軸であり
各制御軸毎に設けられたサーボモータ６２によって駆動
されるようになっている。溶接ロボット６１は、周知の
技術であるので、これに関する詳細な説明は省略する。

【００１８】溶接ロボット６１の動きは、制御手段７１
によって制御されるようになっている。制御手段７１に
は、複数の溶接位置が教示されており、溶接ロボット６
１は教示された溶接位置に溶接ガン２１を位置決めする
ようになっている。制御手段７１には、溶接ロボット６
１の各制御軸の位置情報が入力されており、これに基づ
いて溶接ロボット６１によって移動される溶接ガン２１
の位置情報が把握される。また、制御手段７１には、電
極チップ３３の位置情報が電極位置検出手段としてのエ
ンコーダ３４から入力される。

【００１９】図６は、制御手段７１の概略構成を示して
いる。制御手段７１は、メインＣＰＵ７２、サーボＣＰ
Ｕ７３、インタフェース７４、サーボアンプ７５から構
成されている。メインＣＰＵ７２の第１の軌道計算部７
２ａは、溶接ロボット６１自体の軌道計算をする機能を
有しており、第２の軌道計算部７２ｂは、溶接ロボット
６１の軌道を加味した溶接ガン２１の電極チップ３３の
軌道計算を行う機能を有している。また、メインＣＰＵ
７２の加圧力設定部７２ｃは、各溶接打点毎に設定され
る加圧力に対応する負荷電流を指令する機能を有してい
る。

【００２０】サーボＣＰＵ７３は、第１の軌道計算部７
２ａからの計算値とフィードバックされる速度、位置の
値との差を算出し、溶接ロボット６１を予め教示された
溶接位置へ所定の速度で移動する指令機能を有してい
る。図５における溶接ロボット６１は、各制御軸毎にサ
ーボモータ６２の速度を検出するタコジェネレータ６３
と、位置検出用のセンサ６４とを有している。

【００２１】サーボＣＰＵ７３は、第２の軌道計算部７
２ｂからの計算値とフィードバックされる速度、位置の
値との差を算出し、電極３３を所定の位置へ所定の速度
で移動する指令機能を有している。図６における溶接ガ
ン２１は、サーボモータ２６による電極チップ３３の移
動速度を検出するタコジェネレータ３５と、位置検出用
のエンコーダ３４を有している。また、サーボＣＰＵ７
３は、メインＣＰＵ７２における加圧力設定部７２ｃか
らの指令情報とフィードバックされた負荷電流値との差
により、加圧力に対応した負荷電流を求める機能を有し
ている。

【００２２】インタフェース７４は、サーボＣＰＵ７３
からのデジタル信号をアナログ信号に変換する機能を有
している。サーボアンプ７５は、溶接ロボット６１の各
制御軸のサーボモータ６２に流れる電流を検出し、フィ
ードバックされた電流値と指令値との差に基づいてサー
ボモータ６２の負荷電流を制御するようになっている。
同様に、サーボアンプ７５は、溶接ガン２１の電極チッ
プ３３を移動させるサーボモータ２６に流れるモータ電
流を検出するモータ電極検知手段として機能しており、
フィードバックされた電流値と指令値との差に基づいて
サーボモータ２６のモータ電流を制御するようになって
いる。

【００２３】制御手段７１のメインＣＰＵ７２には、図
４に示す過負荷判定手段７６が形成されている。過負荷
判定手段７６には、サーボモータ６２に流れるモータ電
流を検知するサーボアンプ７５からの信号と、エンコー
ダ３４からの電極位置信号が入力されている。過負荷判
定手段７６は、電極位置検出手段であるエンコーダ３４
からの電極チップ３３の位置情報と、モータ電流検知手
段であるサーボアンプ７５からのモータ電流値とに基づ
き過負荷を判定し、表示手段７７に異常表示を指令する
とともに、溶接ロボット６１、コントローラ５７に溶接
動作停止を指令する機能を有している。過負荷判定手段
７６は、メインＣＰＵ７２に格納されたプログラムから
構成されている。

【００２４】メインＣＰＵ７２には、被溶接物９０の各
打点位置毎の溶接条件および加圧異常判定条件が予め入
力されている。この条件入力は、図２の処理手順に基づ
いて行われる。図２のステップ１０１で処理が開始さ
れ、ステップ１０２では、製品設計データからの各打点
情報により打点位置毎の総板厚、加圧完了時における電
極チップ３３の理論位置（エンコーダ値）が演算され
る。ステップ１０２の処理が終了すると、ステップ１０
３に進み、各打点位置毎に溶接条件データおよび過負荷
判定条件が登録され、ステップ１０４で処理は終了す
る。

【００２５】表１は、図２の処理手順によって求められ
たものであり、被溶接物９０における各打点位置Ｗ₁〜
Ｗ₈における溶接条件および過負荷判定のためのモータ
電流のしきい値（規定値）を示している。エンコーダ値
Ｓは、電極チップ２４、３３の間の距離Ｈが打点位置に
おける被溶接物９０の重ね合わせ枚数の総板厚と一致す
る場合の電極チップ３３の位置を示すものである。した
がって、エンゴーダ値Ｓは、打点位置の総板厚によって
異なる値となる。過負荷判定のためのサーボモータ２６
のモータ電流のしきい値（規定値）Ｋは、各打点位置で
全て同じ値となっている。表１のデータは、メインＣＰ
Ｕ７２に格納されている。

【００２６】

【表１】

【００２７】つぎに、本発明のスポット溶接ガンの加圧
制御方法および溶接順序について説明する。自動車の組
立ラインではコンベアによって車両ボデーが間欠的に移
動され、車両ボデーの停止時にスポット溶接作業が行わ
れる。車両ボデーが所定の位置に位置決めされると、待
期状態にあった溶接ロボット６１によって溶接ガン２１
が溶接位置に向って移動される。

【００２８】被溶接物９０の各打点位置における加圧制
御は、図３の処理手順に基づいて行われる。図３のステ
ップ１１１で加圧制御が開始され、ステップ１１２に進
んでメインＣＰＵ７２に格納されている表１の打点デー
タの読み出しが行われる。たとえば、打点位置Ｗ₁で
は、溶接電流値Ｉ₁、溶接時間Ｔ₁、加圧力Ｆ₁、重ね
枚数Ｚ、エンコーダ値（総板厚）Ｓ、異常加圧判定のた
めのモータ電流のしきい値（規格値）Ｋがそれぞれ読み
出される。

【００２９】ステップ１１２の処理が終了すると、ステ
ップ１１３に進み、サーボモータ２６の起動により電極
チップ３３が被溶接物９０に向って移動する。ステップ
１１４では、電極チップ３３がエンコーダ値（総板厚）
Ｓの近傍位置に到達するまで、サーボモータ２６のモー
タ電流が監視される。すなわち、電極チップ３３の移動
により、電極チップ２４と電極チップ３３との間の距離
Ｈが打点位置における総板厚の近傍位置になるまで、モ
ータ電流がサーボアンプ７５によって監視される。

【００３０】ステップ１１５では、サーボモータ２６の
モータ電流がしきい値（規格値）Ｋを越えているか否か
が判断される。電極チップ２４、３３間に障害物９１が
ない場合は、電極チップ３３がエンコーダ値Ｓの近傍位
置まで到達するまでは、電極チップ３３を小さな力で移
動させることができ、サーボモータ２６のモータ電流の
しきい値（規格値）Ｋを越えることはない。被溶接物９
０の位置ずれや、間違って板厚の異なる別の部品を取付
けた場合は、所定の打点位置に障害物９１が存在するこ
とと同じことになる。したがって、この状態では電極チ
ップ３３がエンコーダ値Ｓの近傍位置に到着する前に、
電極チップ３３が障害物９１と当接し、サーボモータ２
６のモータ電流がしきい値（規格値）Ｋを越えることに
なり、過負荷と判定される。

【００３１】ステップ１１５において、サーボモータ２
６の電流値がしきい値を越えたことによって加圧異常と
判定された場合は、ステップ１１９に進み、オーバロー
ド（過負荷）の異常表示、及び溶接動作停止の指令が出
力される。表示手段７７の点灯によって過負荷の発生が
作業者に知らされると、作業者によって過負荷の原因が
追求され、たとえば被溶接物９０の単なる位置ずれであ
るか、又は部品の取付けの間違いかが判断される。

【００３２】ステップ１１５において、サーボモータ２
６のモータ電流が規定値Ｋを越えていないと判断された
場合は、ステップ１１６に進む。ステップ１１６では、
障害物９１がないものとして電極チップ３３をエンコー
ダ値（総板厚）Ｓまで移動させ、ステップ１１７でサー
ボモータ２６のモータ電流を制御することにより、加圧
力Ｆが制御される。これにより、打点位置Ｗ₁の被溶接
物９０は電極チップ２４と電極チップ３３により所定の
加圧力Ｆ₁で加圧される。

【００３３】打点位置Ｗ₁が電極チップ２４、３３によ
って加圧されると、両電極チップ２４、３３の間に溶接
電流Ｉ₁が時間Ｔ₁だけ流され、打点位置Ｗ₁の溶接が
行われる。打点位置Ｗ₁の溶接が完了すると、サーボモ
ータ２６が逆転し、電極チップ３３の後退により加圧開
放動作が行われる。電極チップ３３による加圧開放が行
われると、溶接ガン２１は溶接ロボット６１によって次
の打点位置Ｗ₂まで移動される。ここでは、図３のステ
ップ１１２に戻り、打点位置Ｗ₂における溶接条件等の
データの読み出しが行われる。以下、上述と同様の処理
手順により打点位置Ｗ₂における加圧制御が実施され
る。

【００３４】本実施例では、表１に示すように打点位置
Ｗ₁〜Ｗ₈までの各条件を示したが、１つの溶接ガン２
１による打点位置はさらに多く設定することができ、そ
の各打点位置における溶接条件等は、被溶接物９０の総
板厚、材質等によってそれぞれ変化する。なお、本実施
例では電極チップ３３がエンコーダ値の近傍位置に到達
するまで、モータ電流を監視する構成としているが、モ
ータ電流が規定値Ｋを越えた時に、電極チップ３３の位
置がエンコーダ値に達しているか否かをチェックして過
負荷の判定を行う構成としてもよい。

【００３５】

【発明の効果】本発明によれば、つぎの効果が得られ
る。（１）対象打点のエンコーダ値、モータ電流しきい値を
読出し、電極チップの閉側への移動を開始し、電極チッ
プのエンコーダ値の近傍位置までの移動中に、モータ電
流を監視し、該モータ電流と前記モータ電流しきい値と
の比較し、前記モータ電流が前記モータ電流しきい値を
越えた時に過負荷と判定して異常表示するとともに溶接
動作を停止するので、障害物を挾み込んだ状態で電極チ
ップが閉側に移動することを防止でき、安全性を向上で
きるとともに、溶接不良の発生を防止することができ
る。（２）作業ミスによって板厚の異なる別部品を打点位置
に取付けた場合は、打点位置における総板厚が正規の場
合と異なるので、過負荷と判定でき、部品の取付けミス
を溶接前に発見することができる。したがって、製品が
完成した後の手直し作業を解消することができると共
に、不良製品の発生を確実に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係るスポット溶接ガンの加
圧制御方法が適用される溶接ガンの概略構成図である。

【図２】図１の溶接ガンによって溶接される被溶接物の
各打点位置における溶接データ等の登録処理手順を示す
フローチャートである。

【図３】図１の溶接ガンによる被溶接物の加圧制御の処
理手順を示すフローチャートである。

【図４】図１の溶接ガンにおける加圧制御のブロック図
である。

【図５】図１の溶接ガンを用いたスポット溶接装置の概
略構成図である。

【図６】図５における制御手段の制御系統図である。

【図７】従来のスポット溶接作業の一例を示す斜視図で
ある。

【符号の説明】

２１溶接ガン２６サーボモータ２８ボールネジ３３電極チップ３４電極位置検出手段（エンコーダ）６１溶接ロボット７１制御手段７５モータ電流検知手段７６過負荷判定手段９０被溶接物９１障害物Ｓエンコーダ値Ｋ過負荷判定のためのモータ電流の規定値

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】サーボモータによって電極チップの開閉
を制御するスポット溶接ガンの加圧制御方法であって、対象打点の総板厚に対応するエンコーダ値、モータ電流
しきい値を読出し、電極チップの閉側への移動を開始し、電極チップの前記エンコーダ値の近傍位置までの移動中
に、モータ電流を監視し、該モータ電流と前記モータ電
流しきい値とを比較し、前記モータ電流が前記モータ電流しきい値を越えた場合
は電極チップの障害物との当接による過負荷発生と判定
して異常表示と溶接動作停止を行い、前記モータ電流が前記モータ電流しきい値を越えない場
合は電極チップをさらに前記エンコーダ値まで移動させ
モータ電流を制御することにより加圧力を制御し溶接電
流を流して溶接を実行する、スポット溶接ガンの加圧制御方法。
【請求項２】電極チップを開閉するサーボモータと、前記電極チップの位置を検出する電極位置検出手段と、前記サーボモータのモータ電流を検知するモータ電流検
知手段と、対象打点の総板厚に対応するエンコーダ値、モータ電流
しきい値に対し、電極チップの前記エンコーダ値の近傍
位置までの移動中にモータ電流を監視し、該モータ電流
と前記モータ電流しきい値とを比較する過負荷判定手段
と、前記モータ電流が前記モータ電流しきい値を越えた場
合、電極チップの障害物との当接による過負荷発生と判
定して異常表示と溶接動作停止を行う表示手段と、前記モータ電流が前記モータ電流しきい値を越えない場
合、電極チップをさらに前記エンコーダ値まで移動させ
モータ電流を制御することにより加圧力を制御し溶接電
流を流して溶接を実行する、制御手段と、を備えたことを特徴とするスポット溶接ガンの加圧制御
装置。