JP3554830B2 - 電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法および制御装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法および制御装置に関する。さらに詳しくは、被溶接材の熱膨張による通電状態への影響を排除するとともに、溶接不良発生打点を自動検出する電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法および制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被溶接材を電極により加圧しつつ抵抗溶接を行うスポット溶接においては、サーボモータで電極を駆動することによって被溶接材を加圧する電動サーボ方式と、エア圧力によって被溶接材を加圧するエア方式とが行われている。電動サーボ方式はエア方式に較べて加圧力制御の精度および応答性に優れており、ロボットによるスポット溶接では電動サーボ方式が多用されている。
【０００３】
しかしながら、電動サーボ方式の抵抗溶接装置（電動サーボ式抵抗溶接装置）によるスポット溶接では、サーボモータが発生する回転駆動力を電極に伝達する駆動力伝達系統がエア方式の抵抗溶接装置（エア式抵抗溶接装置）のそれと比較して複雑であるため、以下のような問題が生じる。
【０００４】
すなわち、図１２に示すように、従来の電動サーボ式抵抗溶接装置１００では、上側電極１０１と下側電極１０２との間に一対の被溶接材（以下、ワークという）Ｗ１´、Ｗ２´を重ね合わせて配置し、サーボモータ１０３の回転駆動力により例えば上側電極１０１を上下方向に駆動し、ワークＷ１´、Ｗ２´を各電極１０１、１０２により所定の加圧力で加圧しつつ溶接するようにされている。サーボモータ１０３が発生する回転駆動力はタイミングベルト、ギア、チェーンおよびカップリングなどの部材からなる動力伝達機構１０４を介してボールネジ１０５に伝達され、このボールネジ１０５で上下方向の直線的駆動力に変換される。
【０００５】
ところが、このような従来の電動サーボ式抵抗溶接装置１００では、ボールネジ１０５の駆動力方向変換における損失や動力伝達機構１０４における摩擦などの原因によりサーボモータ１０３の回転駆動力が電極側に１００％伝達されることはなく、また逆に電極先端に働く反力がサーボモータ１０３側に１００％伝達されることもない。このため、サーボモータ１０３の回転駆動力を一定に保つことのみによっては、ワークＷ１´、Ｗ２´を各電極１０１，１０２が加圧する加圧力を一定化することはできない。
【０００６】
すなわち、図１３（ａ）に示すように、所定の加圧力Ｆｃ´で各ワークＷ１´、Ｗ２´を各電極１０１、１０２により加圧しつつ通電を開始すると、同図（ｂ）に示すように、各ワークＷ１´、Ｗ２´の通電部位が熱膨張し、この熱膨張が発生する反力Ｆｅ´が上側電極１０１を押し上げるように作用する。このとき、各電極１０１、１０２と対向する各ワークＷ１´、Ｗ２´との間に働く加圧力Ｆｊ´は下記式（７）で表される。
【０００７】
Ｆｊ´＝Ｆｃ´＋（１−η´）Ｆｅ´ （７）
【０００８】
ここで、η´は動力伝達機構１０４およびボールネジ１０５における駆動力の伝達効率（η´＜１）を表している。すなわち、サーボモータ１０３における回転駆動力を一定化すると、実際の加圧力Ｆｊ´は力（１−η´）Ｆｅ´だけ所定の加圧力Ｆｃ´よりも大きくなる。なお、動力伝達機構１０４の摩擦、特に静摩擦による損失はボールネジ１０５における損失に比して無視できる程度のものであるため、伝達効率η´は実質的にはボールネジ１０５における伝達効率であるものと考えてよい。
【０００９】
このように、実際の加圧力Ｆｊ´が所定の加圧力Ｆｃ´よりも大きくなった場合、各電極１０１、１０２先端と各ワークＷ１´、Ｗ２´との間の接触面積が広くなり、この結果、通電中の溶接電流密度は通電開始時点よりも低下する。したがって、従来の電動サーボ式抵抗溶接装置１００では、通電中の溶接電流密度の低下を考慮した溶接条件（通電時間など）を設定する必要がある。
【００１０】
一方、エア式抵抗溶接装置では、エア圧力の伝達系統が電動サーボ式に比較して簡単であり、エア圧力伝達系統における伝達効率η´は略値１とみなすことができる。このため、電極が被溶接材を加圧する加圧力は通電中も略一定であり、電極と被溶接材との接触面積にも大きな変化は生じないので、通電中の溶接電流密度も通電開始時点から略一定になるものと考えることができる。
【００１１】
したがって、電動サーボ式抵抗溶接装置とエア式抵抗溶接装置とでは加圧方式の違いから同じ原理の抵抗溶接装置でありながら、溶接電流密度が溶接条件に大きな影響を及ぼす要素であるため、全く別の溶接条件にしたがって溶接を行う必要がある。ところが、溶接条件は被溶接材の材質などの様々な要因を考慮して決定されるものであり、その導出には多大な時間を要するため、加圧方式の違いにより個別の溶接条件を導出することは、溶接工程の作業効率をあげる上での妨げとなるという問題がある。
【００１２】
さらに、従来、電動サーボ式抵抗溶接装置を用いたスポット溶接では、全ての打点において溶接電流値が一定とされ、通電時間も全ての打点において一定とされるので、以下のような問題が生じる。
【００１３】
すなわち、鋼板などの被溶接材は同一素材であっても溶接個所毎に表面状態に若干の相違があり、また、個々の被溶接材毎にその組成も若干相違するのが通常である。したがって、同一素材の被溶接材に一定の溶接電流を一定時間印加する場合にも、各溶接箇所の表面状態の相違の程度によっては印加されるエネルギ量、つまり熱量の各打点毎における過不足が生じ、所望のナゲットが形成されず、溶接不良を生じることがある。
【００１４】
このため、全ての打点で溶接が適正に行われたか否かを検知するためには、溶接工程の後工程で人が全ての打点を検査する必要があり、この場合、溶接品質を見極める経験的な技術が検査者に要求される上、打点数が多数に上る場合には検査に多大な時間を要するという問題がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、電極が被溶接材を加圧する加圧方式の相違に拘わらず、溶接を行う際の溶接条件を他の加圧方式のものと共通にすることができる電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法および制御装置を提供することを一つの目的とする。また、本発明は不良溶接箇所および不良溶接の種類を溶接実行時に自動的に検出することができる電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法および制御装置を提供することを他の目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法の第１形態は、サーボモータで駆動される電極により被溶接材を加圧しつつ通電してスポット溶接する電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法であって、前記電極による通電開始時点からの前記被溶接材の熱膨張による同電極の変位量を検出し、該検出された変位量が所定の変位量に達すると、前記被溶接材の熱膨張による加圧力の増大を除去するように前記サーボモータの駆動力を調節することを特徴とする。
【００１７】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法の第１形態においては、サーボモータの駆動力の調節が、例えば下記式に基づいてなされる。
【００１８】
Ｆｍｃ＝Ｆｍ・（１−η）／η２
【００１９】
ここに、
Ｆｍｃ：加圧力調節量
Ｆｍ：サーボモータの回転駆動力
η：駆動力の伝達効率
【００２０】
また、本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法の第２形態は、サーボモータで駆動される電極により被溶接材を加圧しつつ通電してスポット溶接する電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法であって、前記電極による通電開始時点からの前記被溶接材の熱膨張による同電極の変位量を検出し、該検出された通電中における変位量と溶接終了時点の変位量とに基づいて、溶接不良箇所および／または溶接不良の種類を検出することを特徴とする。
【００２１】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法の第２形態においては、溶接不良箇所および／または溶接不良の種類の検出が、例えば電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による電極の変位量に基づく溶接状態判定パラメータによりなされ、溶接状態判定パラメータが所定範囲にあれば、適正なナゲットが形成されたとし、溶接状態判定パラメータが所定値を超えていれば、ナゲット内部にチリが発生したとし、溶接状態判定パラメータが所定値に達していなければ、ナゲットの溶け込みが浅いとする。
【００２２】
一方、本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の第１形態は、サーボモータの発生する駆動力を電極に伝達する駆動力伝達機構と、前記電極により被溶接材を所定の加圧力で加圧するように前記サーボモータに指令を発する加圧力指令手段と、溶接の開始を指令する溶接指令手段とを備えてなる電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置であって、前記電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による同電極の変位量を検出する変位量検出手段と、検出された変位量が所定の変位量に達すると、前記被溶接材の熱膨張による加圧力の増大を前記駆動力伝達機構における動力伝達特性を参照して除去するように、前記加圧力指令手段が発する加圧力指令を補正する加圧力指令補正手段とを備えてなることを特徴とする。
【００２３】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の第１形態においては、加圧力指令補正手段による補正が、例えば下記式に基づいてなされる。
【００２４】
Ｆｍｃ＝Ｆｍ・（１−η）／η２
【００２５】
ここに、
Ｆｍｃ：加圧力調節量
Ｆｍ：サーボモータの回転駆動力
η：駆動力の伝達効率
【００２６】
また、本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の第２形態は、サーボモータで駆動される電極により被溶接材を所定の加圧力により加圧しつつ通電してスポット溶接する電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置であって、電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による電極の変位量を検出する変位量検出手段と、該検出された通電中における変位量と溶接終了時点の変位量とに基づいて、溶接不良箇所および／または溶接不良の種類を検出する溶接状態検出手段を備えてなることを特徴とする。
【００２７】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の第２形態においては、溶接状態検出手段における溶接不良箇所および／または溶接不良の種類の検出が、例えば電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による電極の変位量に基づく溶接状態判定パラメータによりなされ、溶接状態判定パラメータが所定範囲にあれば、適正なナゲットが形成されたとし、溶接状態判定パラメータが所定値を超えていれば、ナゲット内部にチリが発生したとし、溶接状態判定パラメータが所定値に達していなければ、ナゲットの溶け込みが浅いとする。
【００２８】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の第２形態においては、溶接状態検出手段による検出結果を通知する通知手段を備えてなるのが好ましい。
【００２９】
しかして、本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置は電動サーボ式抵抗溶接装置に搭載され、またその電動サーボ式抵抗溶接装置はロボットに搭載される。
【００３０】
【作用】
本発明は前記のように構成されているので、通電中の加圧力を被溶接部位の熱膨張に拘わらず、通電開始時点から略一定とすることができ、この結果、溶接部の溶接電流を略一定とすることができる。
【００３１】
また、本発明によれば、溶接実行中に溶接不良箇所や溶接不良の種類を検出することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００３３】
本発明の一実施形態に係る電動サーボ式抵抗溶接装置（以下、溶接装置という）の概略構成を図１に示し、溶接装置１０は、一対の被溶接材（以下、ワークという）Ｗ１、Ｗ２をスポット溶接する、例えばロボットのハンドに取付けられるサーボガンＧと、溶接用の電力を供給する溶接電源２０と、サーボガンＧおよび溶接電源２０の動作を制御する制御装置３０とを備えてなる。
【００３４】
サーボガンＧは、ワークＷ１、Ｗ２を間に挟むようにワークＷ１、Ｗ２の上下にそれぞれ配される、ワークＷ１、Ｗ２を所定の加圧力により加圧しつつ通電する上側電極１１および下側電極１２と、上側電極１１を駆動するための回転駆動力を発生するサーボモータ１３と、サーボモータ１３が発生する回転駆動力を上下方向の直線的駆動力に変換して上側電極１１に伝達する駆動力伝達機構１４と、サーボモータ１３の回転角度位置、すなわち上側電極１１の上下方向の位置に応じた信号を出力するエンコーダ（変位量検出手段）１５とから構成される。
【００３５】
制御装置３０は、溶接電源２０にそのオン・オフを指令する溶接指令手段３１と、サーボモータ１３にその発生する回転駆動力を指令する加圧力指令手段３２と、エンコーダ１５の出力信号に基づいて各ワークＷ１、Ｗ２溶融部（通電部位）の熱膨張の状態を検出する溶融部状態検出手段（変位量検出手段）３３と、溶融部の熱膨張による各電極１１、１２の加圧力増大を排除するように加圧力指令手段３２が発する加圧力指令を補正するための加圧力調整量を演算する加圧力調整量演算手段（加圧力指令補正手段）３４と、溶融部状態検出手段３３により検出される、溶融部の熱膨張による上側電極１１の通電中の変位量および溶接終了時点の変位量に基づいてナゲットの形成状況を判定するナゲット形成状況判定手段（溶接状態検出手段）３５とから構成されている。
【００３６】
図２に、制御装置３０のハードウエア構成を示す。
【００３７】
制御装置３０は、前記各手段３１、３２、３３、３４および３５が各種処理を行うためのプログラムを格納するＲＯＭ（読み出し専用メモリ）４１と、ＲＯＭ４１から読み出されたプログラムにしたがって各種演算を実行するＣＰＵ（中央演算処理ユニット）４２と、ＣＰＵ４２における演算結果を一時的に記憶するＲＡＭ（随時書込み・読出し可能メモリ）４３と、サーボモータ１３、エンコーダ１５および溶接電源２０との間の信号のやり取りを媒介する入出力インタフェース４４と、入出力インタフェース４４を介してＣＰＵ４２に入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器４５と、ＣＰＵ４２から入出力インタフェース４４を介して出力されるディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器４６と、制御装置３０の各構成要素を同期して動作させる基本クロックを発生するクロック発生器４７とから構成されている。
【００３８】
図３に駆動力伝達機構１４の詳細な構成を示す。
【００３９】
駆動力伝達機構１４は、サーボモータ１３が発生する回転駆動力を回転数を変えて伝達する、図示省略するタイミングベルト、ギア、チェーンおよびカップリングなどの各部材から構成される回転駆動力伝達部１４ａと、回転駆動力伝達部１４ａにより伝達される回転駆動力を上側電極１１を上下方向に駆動する直線的駆動力に変換するボールネジ１４ｂとを備えてなる。
【００４０】
しかして、図４（ａ）に示すように、加圧力指令手段３２の指令によりサーボモータ１３が回転駆動力を発生し、各電極１１、１２が所定の加圧力ＦｃでワークＷ１、Ｗ２を加圧すると、溶接指令手段３１が溶接電源２０に各電極１１、１２に所定電圧の電力供給を開始するように指令する。
【００４１】
溶接指令手段３１の指令により各電極１１、１２による通電が開始されると、図４（ｂ）に示すように、各ワークＷ１、Ｗ２の通電部位が発熱し、熱膨張を開始するとともに当該通電部位にナゲットＮが形成されていく。この熱膨張により上側電極１１には上方向の力Ｆｅが働くが、この間、サーボモータ１３が発生する回転駆動力（以下、符号Ｆｍで表す）は一定であるため、上側電極１１は押上げられる。
【００４２】
このような熱膨張による上側電極１１の上方への変位は、エンコーダ１５の出力信号を介して溶融部状態検出手段３３が監視しており、溶融部状態検出手段３３により検出される通電開始時点からの上側電極１１の変位量Ｍが所定の変位量Ｍｒ（図６参照）に達したときに、加圧力調整量演算手段３４が各電極１１、１２と各ワークＷ１、Ｗ２との間に働く実際の加圧力Ｆｊの増大を排除するように加圧力指令手段３２による指令を補正するための加圧力調整量Ｆｍｃを演算する。
【００４３】
すなわち、加圧力ＦｊをワークＷ１、Ｗ２の熱膨張に拘わらず略一定化するためには、駆動力伝達機構１４における駆動力の伝達効率η（η＜１）を考慮して、下記式（３）が成り立つような加圧力調整量Ｆｍｃを加圧力調整量演算手段３４で算出し、この加圧力調整量Ｆｍｃにより加圧指令手段３２の指令を補正する必要がある。
【００４４】
Ｆｊ＝η（Ｆｍ−Ｆｍｃ）＋（１−η）Ｆｅ＝ηＦｍ （１）
【００４５】
また、
Ｆｃ＝ηＦｍ （２）
であるから、式（１）をＦｍｃについて解くと、
【００４６】
Ｆｍｃ＝Ｆｍ・（１−η）／η２ （３）
なる関係が得られる。つまり、駆動力伝達機構１４における駆動力の伝達効率ηを参照することによって、ワークＷ１、Ｗ２の熱膨張による加圧力Ｆｊの増大を除去するようにサーボモータ１３の駆動力を調節することが可能となる。なお、回転駆動力Ｆｍおよび加圧調整量Ｆｍｃは、サーボモータ１３固有のトルク定数を参照してサーボモータ１３への供給電流値を指令する指令値を操作することで制御可能な要素である。
【００４７】
図５に制御装置３０における処理の流れを示す。この処理は所定時間毎にＣＰＵ４２により実行される。
【００４８】
先ず、エンコーダ１５の出力信号により検出される上側電極１１の通電開始時点からの変位量Ｍが所定の変位量Ｍｒを超えたか否かを判定する（ステップＳ１）。Ｍ値がＭｒ値を超えた場合は、ワークＷ１、Ｗ２の通電部位が熱膨張したものとして加圧調整量Ｆｍｃを算出する（ステップＳ２）。
【００４９】
次に、算出された加圧調整量Ｆｍｃに応じて加圧力指令手段３２が発する加圧力指令を補正し（ステップＳ３）、溶接が終了したか否かを判定する（ステップＳ４）。溶接が終了していない場合は前記ステップＳ１の処理に戻り、終了した場合は本処理を終了する。
【００５０】
また、前記ステップＳ１で変位量Ｍが所定の変位量Ｍｒを超えない場合は、通電部位が熱膨張していないものとしてステップＳ４の処理に移行する。
【００５１】
図６に以上説明した処理のタイムチャートを示す。同図では、上側電極１１の上下方向の位置はエンコーダ１５の出力信号値（以下、エンコーダ値ともいう）Ｅで示されている。
【００５２】
時刻ｔ０に上側電極１１の降下が開始される。時刻ｔ１に各電極１１、１２が各ワークＷ１、Ｗ２と接触し、各電極１１、１２による加圧が開始される。時刻ｔ２にサーボモータ１３の回転駆動力が所定の加圧力Ｆｃに対応する回転駆動力Ｆｍに達すると、上側電極１１の降下は停止する。このときのエンコーダ値をＥ１とする。
【００５３】
時刻ｔ３に各電極１１、１２を介する通電が開始され、エンコーダ値Ｅは上昇を開始する。時刻ｔ４にエンコーダ値ＥのＥ１値からの上昇量が所定の変位量Ｍｒに対応する上昇量を超えると、加圧力調整量Ｆｍｃによるサーボモータ１３の回転駆動力の調整が開始される。
【００５４】
時刻ｔ５に通電が終了すると、熱膨張した通電部位は収縮を開始する。時刻ｔ６にエンコーダ値ＥのＥ１値からの上昇量が所定の変位量Ｍｒに対応する上昇量を下回ると、加圧力調整量Ｆｍｃによるサーボモータ１３の回転駆動力の調整が終了される。時刻ｔ７には通電部位の収縮が止まり、ナゲットＮを形成する溶接の全工程が終了したものとして、上側電極１１の初期位置への退避が開始される。
【００５５】
以下に、ナゲット形成判定手段３５が溶接状態の良否を判定する処理について説明する。
【００５６】
図７、図８および図９に、溶接状態の良否に対応するナゲットＮの形成状態を示す。ナゲットＮの形成状態は、電極１１、１２を介してワークＷ１、Ｗ２に印加される溶接電流の電気的エネルギ量（もしくは、熱量）によってその良否が決定される。
【００５７】
すなわち、エネルギ量が適正であれば、図７に示すように、溶け込みの適正なナゲットＮ１が得られる。エネルギ量が不足した場合は、図８に示すように、溶け込みの浅い不良ナゲットＮ２が形成される。また、エネルギ量が過多な場合は、図９に示すように、ナゲットＮ３の内部に空洞Ｖが現れ、チリが発生する。
【００５８】
図１０にナゲットＮの各形成状態に対応するエンコーダ値Ｅの変化の様子を示す。
【００５９】
すなわち、エネルギ量が適正で適正なナゲットＮ１が形成されている場合（実線Ｌ１）は、通電開始時点ｔ３直後および通電中におけるエンコーダ値Ｅはエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が大きく、また溶接終了時点（電極退避開始時刻）ｔ７におけるエンコーダ値Ｅもエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が前記の半分程度となる。
【００６０】
これに対して、エネルギ量が不足し溶け込みの浅い不良ナゲットＮ２が形成された場合（一点鎖線Ｌ２）は、エネルギ量が適正で適正なナゲットＮ１が形成されている場合（実線Ｌ１）と比較して、通電開始時点ｔ３直後および通電中におけるエンコーダ値Ｅはエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が小さく、しかも溶接終了時点ｔ７におけるエンコーダ値Ｅもエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が小さくなる。
【００６１】
一方、エネルギ量が過多でチリが発生したナゲットＮ３が形成されている場合（点線Ｌ３）は、通電開始時点ｔ３直後および通電中におけるエンコーダ値Ｅはエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が大きいが、溶接終了時点ｔ７におけるエンコーダ値Ｅはエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が小さくなる。
【００６２】
したがって、エンコーダ値Ｅ１に対する通電中のエンコーダ値Ｅおよびエンコーダ値Ｅ１に対する溶接終了時点のエンコーダ値Ｅに基づいて、溶接不良の発生および溶接不良の種類を検出することが可能となる。以下具体的に説明する。
【００６３】
通電開始時点ｔ３のエンコーダ値Ｅ１を基準値としてＲＡＭ４３に記憶させる。通電中のエンコーダ値Ｅ２の基準値Ｅ１からの変化量ΔＥｗを下記式（４）により算出し、その最大値ΔＥｗｍａｘをＲＡＭ４３に記憶させる。
【００６４】
ΔＥｗ＝Ｅ２−Ｅ１ （４）
【００６５】
次に、電極退避開始時刻ｔ７におけるエンコーダ値Ｅ３の基準値Ｅ１からの変位量ΔＥｅを下記式（５）により算出する。
【００６６】
ΔＥｅ＝Ｅ３−Ｅ１ （５）
【００６７】
ΔＥｗｍａｘは通電中にナゲットＮに発生する熱膨張の度合いをエンコーダ値Ｅの変化量として捉えたものであり、ΔＥｅはナゲットＮの溶接終了時点における収縮の度合いをエンコーダ値Ｅの変化量として捉えたものである。
【００６８】
そして、下記式（６）により定義されるβをナゲットＮの形成状態を表すパラメータ（溶接状態判定パラメータ）として設定する。
【００６９】
β＝（ΔＥｗｍａｘ−ΔＥｅ）／ΔＥｗｍａｘ （６）
【００７０】
すなわち、パラメータβが所定範囲内にあれば、当該打点では適正なナゲットＮが形成されたものと判定され、パラメータβが前記所定範囲にない場合は当該打点では適正なナゲットＮが形成されず溶接不良であるものと判定される。
【００７１】
また、パラメータβが前記所定範囲のいずれの側に外れているかに応じて（図１１参照）溶接不良の種類、すなわちエネルギ量が過多であるのか不足しているのかを判定することも可能となる。
【００７２】
このように、本実施形態の溶接装置１０では、通電開始時点からの上側電極１１の変位量Ｍが所定の変位量Ｍｒに達したときにワークＷ１、Ｗ２の通電部位が熱膨張したものとして、加圧力指令手段３２が発する指令が加圧力調整量演算手段３４により算出される加圧力調整量Ｆｍｃに対応して補正されるので、通電部位の熱膨張による加圧力Ｆｊの増大を除去することができる。これにより、電動サーボ式溶接装置１０における加圧力Ｆｊを通電部位の熱膨張に拘わらず、溶接中略一定とすることができる。
【００７３】
また、通電中のエンコーダ値Ｅ２の通電開始時点ｔ３におけるエンコーダ値Ｅ１からの変化量ΔＥｗの最大値ΔＥｗｍａｘと、溶接終了時点ｔ７におけるエンコーダ値Ｅ３の基準値Ｅ１からの変化量ΔＥｅとに基づいてパラメータβを定義し、このパラメータβによりナゲットＮの形成状態を判定するので、溶接実行時に自動的に全打点の溶接状態を判定することができる。
【００７４】
【実施例】
以下、より具体的な実施例により本発明をより具体的に説明する。
【００７５】
図１１に、板厚２ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板を重ねあわせたものをワークＷ１、Ｗ２として用いた場合、および板厚１ｍｍの３０１Ｌ−ＭＴ鋼板を重ねあわせたものをワークＷ１、Ｗ２として用いた場合のそれぞれについて、加圧力Ｆｊを一定に保った状態で溶接電源２０から供給される溶接電流値Ｉを変化させたときの、パラメータβの変化の様子を示す。
【００７６】
同図によれば、いずれの場合においても溶接状態が良好であればパラメータβは所定範囲（０．５＜β＜０．７）内にあることが分かる。また、溶接電流値Ｉが小さくナゲットＮの形成状態が不十分であればパラメータβは所定範囲から小さい方向に外れる一方、溶接電流値Ｉが大きくチリが発生している場合はパラメータβは所定範囲から大きい方向に外れる。
【００７７】
このように、パラメータβに対して適当な溶接良好領域（所定範囲）を定めることで、ナゲットＮ形成状態の良否判定を自動的かつ適切に行うことが可能となる。また、溶接良好領域の設定は溶接条件に対してある程度の余裕度を有しており、被溶接材の材質や板厚に拘わらず略一定の範囲を用いることができるので、スポット溶接の施工条件毎に煩雑な設定作業を行う必要はない。
【００７８】
なお、このようにして判定されるナゲットＮの形成状態の判定結果を、溶接不良打点として装置の操作者や溶接品質の検査者に通知する通知手段を制御装置１０に設けてもよい。
【００７９】
以上、本発明を実施形態および実施例に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、本実施形態では溶接装置はサーボガンとされているが、本発明の適用はサーボガンに限定されるものではなく、各種の電動式スポット溶接装置に適用できる。
【００８０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、電極が被溶接材を加圧する加圧力を通電開始時点から溶接終了時点まで略一定とすることができ、これによって電動サーボ式抵抗溶接装置における溶接条件を他の加圧方式における溶接条件と共通化することができるという優れた効果を奏する。
【００８１】
また、スポット溶接の実行時に溶接状態を自動判定することができ、これによって溶接状態の検査工程における作業効率を向上させることができるという優れた効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】制御装置のハードウエアの構成を示すブロック図である。
【図３】上側電極を駆動する駆動系統の詳細を示す模式図である。
【図４】溶接実行時における通電部位の変化の様子を示す模式図である。
【図５】制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図である。
【図６】同処理のタイムチャートであり、同（ａ）はエンコーダ値の変化を示し、同（ｂ）は回転駆動力の変化を示す。
【図７】エネルギ量が適正な場合のナゲットＮの形成状態を示す模式図である。
【図８】エネルギ量が不足している場合のナゲットＮの形成状態を示す模式図である。
【図９】エネルギ量が過多である場合のナゲットＮの形成状態を示す模式図である。
【図１０】ナゲットＮの形成状態を判定する原理を説明するための説明図である。
【図１１】実施例を示すグラフ図である。
【図１２】従来の電動サーボ式抵抗溶接装置の駆動系統の詳細を示す模式図である。
【図１３】従来の電動サーボ式抵抗溶接装置の溶接実行時における通電部位の変化の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１０ 溶接装置
１１ 上側電極
１２ 下側電極
１３ サーボモータ
１５ エンコーダ
１４ 駆動力伝達機構
１４ｂ ボールネジ
２０ 溶接電源
３０ 制御装置
３１ 溶接指令手段
３２ 加圧力指令手段
３３ 溶融部状態検出装置
３４ 加圧力調整量演算手段
３５ ナゲット形成状況判定手段
Ｇ サーボガン
Ｎ ナゲット
Ｖ 空洞
Ｗ ワーク
【発明の属する技術分野】
本発明は電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法および制御装置に関する。さらに詳しくは、被溶接材の熱膨張による通電状態への影響を排除するとともに、溶接不良発生打点を自動検出する電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法および制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、被溶接材を電極により加圧しつつ抵抗溶接を行うスポット溶接においては、サーボモータで電極を駆動することによって被溶接材を加圧する電動サーボ方式と、エア圧力によって被溶接材を加圧するエア方式とが行われている。電動サーボ方式はエア方式に較べて加圧力制御の精度および応答性に優れており、ロボットによるスポット溶接では電動サーボ方式が多用されている。
【０００３】
しかしながら、電動サーボ方式の抵抗溶接装置（電動サーボ式抵抗溶接装置）によるスポット溶接では、サーボモータが発生する回転駆動力を電極に伝達する駆動力伝達系統がエア方式の抵抗溶接装置（エア式抵抗溶接装置）のそれと比較して複雑であるため、以下のような問題が生じる。
【０００４】
すなわち、図１２に示すように、従来の電動サーボ式抵抗溶接装置１００では、上側電極１０１と下側電極１０２との間に一対の被溶接材（以下、ワークという）Ｗ１´、Ｗ２´を重ね合わせて配置し、サーボモータ１０３の回転駆動力により例えば上側電極１０１を上下方向に駆動し、ワークＷ１´、Ｗ２´を各電極１０１、１０２により所定の加圧力で加圧しつつ溶接するようにされている。サーボモータ１０３が発生する回転駆動力はタイミングベルト、ギア、チェーンおよびカップリングなどの部材からなる動力伝達機構１０４を介してボールネジ１０５に伝達され、このボールネジ１０５で上下方向の直線的駆動力に変換される。
【０００５】
ところが、このような従来の電動サーボ式抵抗溶接装置１００では、ボールネジ１０５の駆動力方向変換における損失や動力伝達機構１０４における摩擦などの原因によりサーボモータ１０３の回転駆動力が電極側に１００％伝達されることはなく、また逆に電極先端に働く反力がサーボモータ１０３側に１００％伝達されることもない。このため、サーボモータ１０３の回転駆動力を一定に保つことのみによっては、ワークＷ１´、Ｗ２´を各電極１０１，１０２が加圧する加圧力を一定化することはできない。
【０００６】
すなわち、図１３（ａ）に示すように、所定の加圧力Ｆｃ´で各ワークＷ１´、Ｗ２´を各電極１０１、１０２により加圧しつつ通電を開始すると、同図（ｂ）に示すように、各ワークＷ１´、Ｗ２´の通電部位が熱膨張し、この熱膨張が発生する反力Ｆｅ´が上側電極１０１を押し上げるように作用する。このとき、各電極１０１、１０２と対向する各ワークＷ１´、Ｗ２´との間に働く加圧力Ｆｊ´は下記式（７）で表される。
【０００７】
Ｆｊ´＝Ｆｃ´＋（１−η´）Ｆｅ´ （７）
【０００８】
ここで、η´は動力伝達機構１０４およびボールネジ１０５における駆動力の伝達効率（η´＜１）を表している。すなわち、サーボモータ１０３における回転駆動力を一定化すると、実際の加圧力Ｆｊ´は力（１−η´）Ｆｅ´だけ所定の加圧力Ｆｃ´よりも大きくなる。なお、動力伝達機構１０４の摩擦、特に静摩擦による損失はボールネジ１０５における損失に比して無視できる程度のものであるため、伝達効率η´は実質的にはボールネジ１０５における伝達効率であるものと考えてよい。
【０００９】
このように、実際の加圧力Ｆｊ´が所定の加圧力Ｆｃ´よりも大きくなった場合、各電極１０１、１０２先端と各ワークＷ１´、Ｗ２´との間の接触面積が広くなり、この結果、通電中の溶接電流密度は通電開始時点よりも低下する。したがって、従来の電動サーボ式抵抗溶接装置１００では、通電中の溶接電流密度の低下を考慮した溶接条件（通電時間など）を設定する必要がある。
【００１０】
一方、エア式抵抗溶接装置では、エア圧力の伝達系統が電動サーボ式に比較して簡単であり、エア圧力伝達系統における伝達効率η´は略値１とみなすことができる。このため、電極が被溶接材を加圧する加圧力は通電中も略一定であり、電極と被溶接材との接触面積にも大きな変化は生じないので、通電中の溶接電流密度も通電開始時点から略一定になるものと考えることができる。
【００１１】
したがって、電動サーボ式抵抗溶接装置とエア式抵抗溶接装置とでは加圧方式の違いから同じ原理の抵抗溶接装置でありながら、溶接電流密度が溶接条件に大きな影響を及ぼす要素であるため、全く別の溶接条件にしたがって溶接を行う必要がある。ところが、溶接条件は被溶接材の材質などの様々な要因を考慮して決定されるものであり、その導出には多大な時間を要するため、加圧方式の違いにより個別の溶接条件を導出することは、溶接工程の作業効率をあげる上での妨げとなるという問題がある。
【００１２】
さらに、従来、電動サーボ式抵抗溶接装置を用いたスポット溶接では、全ての打点において溶接電流値が一定とされ、通電時間も全ての打点において一定とされるので、以下のような問題が生じる。
【００１３】
すなわち、鋼板などの被溶接材は同一素材であっても溶接個所毎に表面状態に若干の相違があり、また、個々の被溶接材毎にその組成も若干相違するのが通常である。したがって、同一素材の被溶接材に一定の溶接電流を一定時間印加する場合にも、各溶接箇所の表面状態の相違の程度によっては印加されるエネルギ量、つまり熱量の各打点毎における過不足が生じ、所望のナゲットが形成されず、溶接不良を生じることがある。
【００１４】
このため、全ての打点で溶接が適正に行われたか否かを検知するためには、溶接工程の後工程で人が全ての打点を検査する必要があり、この場合、溶接品質を見極める経験的な技術が検査者に要求される上、打点数が多数に上る場合には検査に多大な時間を要するという問題がある。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる従来技術の課題に鑑みなされたものであって、電極が被溶接材を加圧する加圧方式の相違に拘わらず、溶接を行う際の溶接条件を他の加圧方式のものと共通にすることができる電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法および制御装置を提供することを一つの目的とする。また、本発明は不良溶接箇所および不良溶接の種類を溶接実行時に自動的に検出することができる電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法および制御装置を提供することを他の目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法の第１形態は、サーボモータで駆動される電極により被溶接材を加圧しつつ通電してスポット溶接する電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法であって、前記電極による通電開始時点からの前記被溶接材の熱膨張による同電極の変位量を検出し、該検出された変位量が所定の変位量に達すると、前記被溶接材の熱膨張による加圧力の増大を除去するように前記サーボモータの駆動力を調節することを特徴とする。
【００１７】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法の第１形態においては、サーボモータの駆動力の調節が、例えば下記式に基づいてなされる。
【００１８】
Ｆｍｃ＝Ｆｍ・（１−η）／η２
【００１９】
ここに、
Ｆｍｃ：加圧力調節量
Ｆｍ：サーボモータの回転駆動力
η：駆動力の伝達効率
【００２０】
また、本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法の第２形態は、サーボモータで駆動される電極により被溶接材を加圧しつつ通電してスポット溶接する電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法であって、前記電極による通電開始時点からの前記被溶接材の熱膨張による同電極の変位量を検出し、該検出された通電中における変位量と溶接終了時点の変位量とに基づいて、溶接不良箇所および／または溶接不良の種類を検出することを特徴とする。
【００２１】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法の第２形態においては、溶接不良箇所および／または溶接不良の種類の検出が、例えば電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による電極の変位量に基づく溶接状態判定パラメータによりなされ、溶接状態判定パラメータが所定範囲にあれば、適正なナゲットが形成されたとし、溶接状態判定パラメータが所定値を超えていれば、ナゲット内部にチリが発生したとし、溶接状態判定パラメータが所定値に達していなければ、ナゲットの溶け込みが浅いとする。
【００２２】
一方、本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の第１形態は、サーボモータの発生する駆動力を電極に伝達する駆動力伝達機構と、前記電極により被溶接材を所定の加圧力で加圧するように前記サーボモータに指令を発する加圧力指令手段と、溶接の開始を指令する溶接指令手段とを備えてなる電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置であって、前記電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による同電極の変位量を検出する変位量検出手段と、検出された変位量が所定の変位量に達すると、前記被溶接材の熱膨張による加圧力の増大を前記駆動力伝達機構における動力伝達特性を参照して除去するように、前記加圧力指令手段が発する加圧力指令を補正する加圧力指令補正手段とを備えてなることを特徴とする。
【００２３】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の第１形態においては、加圧力指令補正手段による補正が、例えば下記式に基づいてなされる。
【００２４】
Ｆｍｃ＝Ｆｍ・（１−η）／η２
【００２５】
ここに、
Ｆｍｃ：加圧力調節量
Ｆｍ：サーボモータの回転駆動力
η：駆動力の伝達効率
【００２６】
また、本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の第２形態は、サーボモータで駆動される電極により被溶接材を所定の加圧力により加圧しつつ通電してスポット溶接する電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置であって、電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による電極の変位量を検出する変位量検出手段と、該検出された通電中における変位量と溶接終了時点の変位量とに基づいて、溶接不良箇所および／または溶接不良の種類を検出する溶接状態検出手段を備えてなることを特徴とする。
【００２７】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の第２形態においては、溶接状態検出手段における溶接不良箇所および／または溶接不良の種類の検出が、例えば電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による電極の変位量に基づく溶接状態判定パラメータによりなされ、溶接状態判定パラメータが所定範囲にあれば、適正なナゲットが形成されたとし、溶接状態判定パラメータが所定値を超えていれば、ナゲット内部にチリが発生したとし、溶接状態判定パラメータが所定値に達していなければ、ナゲットの溶け込みが浅いとする。
【００２８】
本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の第２形態においては、溶接状態検出手段による検出結果を通知する通知手段を備えてなるのが好ましい。
【００２９】
しかして、本発明の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置は電動サーボ式抵抗溶接装置に搭載され、またその電動サーボ式抵抗溶接装置はロボットに搭載される。
【００３０】
【作用】
本発明は前記のように構成されているので、通電中の加圧力を被溶接部位の熱膨張に拘わらず、通電開始時点から略一定とすることができ、この結果、溶接部の溶接電流を略一定とすることができる。
【００３１】
また、本発明によれば、溶接実行中に溶接不良箇所や溶接不良の種類を検出することができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
【００３３】
本発明の一実施形態に係る電動サーボ式抵抗溶接装置（以下、溶接装置という）の概略構成を図１に示し、溶接装置１０は、一対の被溶接材（以下、ワークという）Ｗ１、Ｗ２をスポット溶接する、例えばロボットのハンドに取付けられるサーボガンＧと、溶接用の電力を供給する溶接電源２０と、サーボガンＧおよび溶接電源２０の動作を制御する制御装置３０とを備えてなる。
【００３４】
サーボガンＧは、ワークＷ１、Ｗ２を間に挟むようにワークＷ１、Ｗ２の上下にそれぞれ配される、ワークＷ１、Ｗ２を所定の加圧力により加圧しつつ通電する上側電極１１および下側電極１２と、上側電極１１を駆動するための回転駆動力を発生するサーボモータ１３と、サーボモータ１３が発生する回転駆動力を上下方向の直線的駆動力に変換して上側電極１１に伝達する駆動力伝達機構１４と、サーボモータ１３の回転角度位置、すなわち上側電極１１の上下方向の位置に応じた信号を出力するエンコーダ（変位量検出手段）１５とから構成される。
【００３５】
制御装置３０は、溶接電源２０にそのオン・オフを指令する溶接指令手段３１と、サーボモータ１３にその発生する回転駆動力を指令する加圧力指令手段３２と、エンコーダ１５の出力信号に基づいて各ワークＷ１、Ｗ２溶融部（通電部位）の熱膨張の状態を検出する溶融部状態検出手段（変位量検出手段）３３と、溶融部の熱膨張による各電極１１、１２の加圧力増大を排除するように加圧力指令手段３２が発する加圧力指令を補正するための加圧力調整量を演算する加圧力調整量演算手段（加圧力指令補正手段）３４と、溶融部状態検出手段３３により検出される、溶融部の熱膨張による上側電極１１の通電中の変位量および溶接終了時点の変位量に基づいてナゲットの形成状況を判定するナゲット形成状況判定手段（溶接状態検出手段）３５とから構成されている。
【００３６】
図２に、制御装置３０のハードウエア構成を示す。
【００３７】
制御装置３０は、前記各手段３１、３２、３３、３４および３５が各種処理を行うためのプログラムを格納するＲＯＭ（読み出し専用メモリ）４１と、ＲＯＭ４１から読み出されたプログラムにしたがって各種演算を実行するＣＰＵ（中央演算処理ユニット）４２と、ＣＰＵ４２における演算結果を一時的に記憶するＲＡＭ（随時書込み・読出し可能メモリ）４３と、サーボモータ１３、エンコーダ１５および溶接電源２０との間の信号のやり取りを媒介する入出力インタフェース４４と、入出力インタフェース４４を介してＣＰＵ４２に入力されるアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器４５と、ＣＰＵ４２から入出力インタフェース４４を介して出力されるディジタル信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器４６と、制御装置３０の各構成要素を同期して動作させる基本クロックを発生するクロック発生器４７とから構成されている。
【００３８】
図３に駆動力伝達機構１４の詳細な構成を示す。
【００３９】
駆動力伝達機構１４は、サーボモータ１３が発生する回転駆動力を回転数を変えて伝達する、図示省略するタイミングベルト、ギア、チェーンおよびカップリングなどの各部材から構成される回転駆動力伝達部１４ａと、回転駆動力伝達部１４ａにより伝達される回転駆動力を上側電極１１を上下方向に駆動する直線的駆動力に変換するボールネジ１４ｂとを備えてなる。
【００４０】
しかして、図４（ａ）に示すように、加圧力指令手段３２の指令によりサーボモータ１３が回転駆動力を発生し、各電極１１、１２が所定の加圧力ＦｃでワークＷ１、Ｗ２を加圧すると、溶接指令手段３１が溶接電源２０に各電極１１、１２に所定電圧の電力供給を開始するように指令する。
【００４１】
溶接指令手段３１の指令により各電極１１、１２による通電が開始されると、図４（ｂ）に示すように、各ワークＷ１、Ｗ２の通電部位が発熱し、熱膨張を開始するとともに当該通電部位にナゲットＮが形成されていく。この熱膨張により上側電極１１には上方向の力Ｆｅが働くが、この間、サーボモータ１３が発生する回転駆動力（以下、符号Ｆｍで表す）は一定であるため、上側電極１１は押上げられる。
【００４２】
このような熱膨張による上側電極１１の上方への変位は、エンコーダ１５の出力信号を介して溶融部状態検出手段３３が監視しており、溶融部状態検出手段３３により検出される通電開始時点からの上側電極１１の変位量Ｍが所定の変位量Ｍｒ（図６参照）に達したときに、加圧力調整量演算手段３４が各電極１１、１２と各ワークＷ１、Ｗ２との間に働く実際の加圧力Ｆｊの増大を排除するように加圧力指令手段３２による指令を補正するための加圧力調整量Ｆｍｃを演算する。
【００４３】
すなわち、加圧力ＦｊをワークＷ１、Ｗ２の熱膨張に拘わらず略一定化するためには、駆動力伝達機構１４における駆動力の伝達効率η（η＜１）を考慮して、下記式（３）が成り立つような加圧力調整量Ｆｍｃを加圧力調整量演算手段３４で算出し、この加圧力調整量Ｆｍｃにより加圧指令手段３２の指令を補正する必要がある。
【００４４】
Ｆｊ＝η（Ｆｍ−Ｆｍｃ）＋（１−η）Ｆｅ＝ηＦｍ （１）
【００４５】
また、
Ｆｃ＝ηＦｍ （２）
であるから、式（１）をＦｍｃについて解くと、
【００４６】
Ｆｍｃ＝Ｆｍ・（１−η）／η２ （３）
なる関係が得られる。つまり、駆動力伝達機構１４における駆動力の伝達効率ηを参照することによって、ワークＷ１、Ｗ２の熱膨張による加圧力Ｆｊの増大を除去するようにサーボモータ１３の駆動力を調節することが可能となる。なお、回転駆動力Ｆｍおよび加圧調整量Ｆｍｃは、サーボモータ１３固有のトルク定数を参照してサーボモータ１３への供給電流値を指令する指令値を操作することで制御可能な要素である。
【００４７】
図５に制御装置３０における処理の流れを示す。この処理は所定時間毎にＣＰＵ４２により実行される。
【００４８】
先ず、エンコーダ１５の出力信号により検出される上側電極１１の通電開始時点からの変位量Ｍが所定の変位量Ｍｒを超えたか否かを判定する（ステップＳ１）。Ｍ値がＭｒ値を超えた場合は、ワークＷ１、Ｗ２の通電部位が熱膨張したものとして加圧調整量Ｆｍｃを算出する（ステップＳ２）。
【００４９】
次に、算出された加圧調整量Ｆｍｃに応じて加圧力指令手段３２が発する加圧力指令を補正し（ステップＳ３）、溶接が終了したか否かを判定する（ステップＳ４）。溶接が終了していない場合は前記ステップＳ１の処理に戻り、終了した場合は本処理を終了する。
【００５０】
また、前記ステップＳ１で変位量Ｍが所定の変位量Ｍｒを超えない場合は、通電部位が熱膨張していないものとしてステップＳ４の処理に移行する。
【００５１】
図６に以上説明した処理のタイムチャートを示す。同図では、上側電極１１の上下方向の位置はエンコーダ１５の出力信号値（以下、エンコーダ値ともいう）Ｅで示されている。
【００５２】
時刻ｔ０に上側電極１１の降下が開始される。時刻ｔ１に各電極１１、１２が各ワークＷ１、Ｗ２と接触し、各電極１１、１２による加圧が開始される。時刻ｔ２にサーボモータ１３の回転駆動力が所定の加圧力Ｆｃに対応する回転駆動力Ｆｍに達すると、上側電極１１の降下は停止する。このときのエンコーダ値をＥ１とする。
【００５３】
時刻ｔ３に各電極１１、１２を介する通電が開始され、エンコーダ値Ｅは上昇を開始する。時刻ｔ４にエンコーダ値ＥのＥ１値からの上昇量が所定の変位量Ｍｒに対応する上昇量を超えると、加圧力調整量Ｆｍｃによるサーボモータ１３の回転駆動力の調整が開始される。
【００５４】
時刻ｔ５に通電が終了すると、熱膨張した通電部位は収縮を開始する。時刻ｔ６にエンコーダ値ＥのＥ１値からの上昇量が所定の変位量Ｍｒに対応する上昇量を下回ると、加圧力調整量Ｆｍｃによるサーボモータ１３の回転駆動力の調整が終了される。時刻ｔ７には通電部位の収縮が止まり、ナゲットＮを形成する溶接の全工程が終了したものとして、上側電極１１の初期位置への退避が開始される。
【００５５】
以下に、ナゲット形成判定手段３５が溶接状態の良否を判定する処理について説明する。
【００５６】
図７、図８および図９に、溶接状態の良否に対応するナゲットＮの形成状態を示す。ナゲットＮの形成状態は、電極１１、１２を介してワークＷ１、Ｗ２に印加される溶接電流の電気的エネルギ量（もしくは、熱量）によってその良否が決定される。
【００５７】
すなわち、エネルギ量が適正であれば、図７に示すように、溶け込みの適正なナゲットＮ１が得られる。エネルギ量が不足した場合は、図８に示すように、溶け込みの浅い不良ナゲットＮ２が形成される。また、エネルギ量が過多な場合は、図９に示すように、ナゲットＮ３の内部に空洞Ｖが現れ、チリが発生する。
【００５８】
図１０にナゲットＮの各形成状態に対応するエンコーダ値Ｅの変化の様子を示す。
【００５９】
すなわち、エネルギ量が適正で適正なナゲットＮ１が形成されている場合（実線Ｌ１）は、通電開始時点ｔ３直後および通電中におけるエンコーダ値Ｅはエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が大きく、また溶接終了時点（電極退避開始時刻）ｔ７におけるエンコーダ値Ｅもエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が前記の半分程度となる。
【００６０】
これに対して、エネルギ量が不足し溶け込みの浅い不良ナゲットＮ２が形成された場合（一点鎖線Ｌ２）は、エネルギ量が適正で適正なナゲットＮ１が形成されている場合（実線Ｌ１）と比較して、通電開始時点ｔ３直後および通電中におけるエンコーダ値Ｅはエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が小さく、しかも溶接終了時点ｔ７におけるエンコーダ値Ｅもエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が小さくなる。
【００６１】
一方、エネルギ量が過多でチリが発生したナゲットＮ３が形成されている場合（点線Ｌ３）は、通電開始時点ｔ３直後および通電中におけるエンコーダ値Ｅはエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が大きいが、溶接終了時点ｔ７におけるエンコーダ値Ｅはエンコーダ値Ｅ１に対して変化量が小さくなる。
【００６２】
したがって、エンコーダ値Ｅ１に対する通電中のエンコーダ値Ｅおよびエンコーダ値Ｅ１に対する溶接終了時点のエンコーダ値Ｅに基づいて、溶接不良の発生および溶接不良の種類を検出することが可能となる。以下具体的に説明する。
【００６３】
通電開始時点ｔ３のエンコーダ値Ｅ１を基準値としてＲＡＭ４３に記憶させる。通電中のエンコーダ値Ｅ２の基準値Ｅ１からの変化量ΔＥｗを下記式（４）により算出し、その最大値ΔＥｗｍａｘをＲＡＭ４３に記憶させる。
【００６４】
ΔＥｗ＝Ｅ２−Ｅ１ （４）
【００６５】
次に、電極退避開始時刻ｔ７におけるエンコーダ値Ｅ３の基準値Ｅ１からの変位量ΔＥｅを下記式（５）により算出する。
【００６６】
ΔＥｅ＝Ｅ３−Ｅ１ （５）
【００６７】
ΔＥｗｍａｘは通電中にナゲットＮに発生する熱膨張の度合いをエンコーダ値Ｅの変化量として捉えたものであり、ΔＥｅはナゲットＮの溶接終了時点における収縮の度合いをエンコーダ値Ｅの変化量として捉えたものである。
【００６８】
そして、下記式（６）により定義されるβをナゲットＮの形成状態を表すパラメータ（溶接状態判定パラメータ）として設定する。
【００６９】
β＝（ΔＥｗｍａｘ−ΔＥｅ）／ΔＥｗｍａｘ （６）
【００７０】
すなわち、パラメータβが所定範囲内にあれば、当該打点では適正なナゲットＮが形成されたものと判定され、パラメータβが前記所定範囲にない場合は当該打点では適正なナゲットＮが形成されず溶接不良であるものと判定される。
【００７１】
また、パラメータβが前記所定範囲のいずれの側に外れているかに応じて（図１１参照）溶接不良の種類、すなわちエネルギ量が過多であるのか不足しているのかを判定することも可能となる。
【００７２】
このように、本実施形態の溶接装置１０では、通電開始時点からの上側電極１１の変位量Ｍが所定の変位量Ｍｒに達したときにワークＷ１、Ｗ２の通電部位が熱膨張したものとして、加圧力指令手段３２が発する指令が加圧力調整量演算手段３４により算出される加圧力調整量Ｆｍｃに対応して補正されるので、通電部位の熱膨張による加圧力Ｆｊの増大を除去することができる。これにより、電動サーボ式溶接装置１０における加圧力Ｆｊを通電部位の熱膨張に拘わらず、溶接中略一定とすることができる。
【００７３】
また、通電中のエンコーダ値Ｅ２の通電開始時点ｔ３におけるエンコーダ値Ｅ１からの変化量ΔＥｗの最大値ΔＥｗｍａｘと、溶接終了時点ｔ７におけるエンコーダ値Ｅ３の基準値Ｅ１からの変化量ΔＥｅとに基づいてパラメータβを定義し、このパラメータβによりナゲットＮの形成状態を判定するので、溶接実行時に自動的に全打点の溶接状態を判定することができる。
【００７４】
【実施例】
以下、より具体的な実施例により本発明をより具体的に説明する。
【００７５】
図１１に、板厚２ｍｍのＳＵＳ３０４鋼板を重ねあわせたものをワークＷ１、Ｗ２として用いた場合、および板厚１ｍｍの３０１Ｌ−ＭＴ鋼板を重ねあわせたものをワークＷ１、Ｗ２として用いた場合のそれぞれについて、加圧力Ｆｊを一定に保った状態で溶接電源２０から供給される溶接電流値Ｉを変化させたときの、パラメータβの変化の様子を示す。
【００７６】
同図によれば、いずれの場合においても溶接状態が良好であればパラメータβは所定範囲（０．５＜β＜０．７）内にあることが分かる。また、溶接電流値Ｉが小さくナゲットＮの形成状態が不十分であればパラメータβは所定範囲から小さい方向に外れる一方、溶接電流値Ｉが大きくチリが発生している場合はパラメータβは所定範囲から大きい方向に外れる。
【００７７】
このように、パラメータβに対して適当な溶接良好領域（所定範囲）を定めることで、ナゲットＮ形成状態の良否判定を自動的かつ適切に行うことが可能となる。また、溶接良好領域の設定は溶接条件に対してある程度の余裕度を有しており、被溶接材の材質や板厚に拘わらず略一定の範囲を用いることができるので、スポット溶接の施工条件毎に煩雑な設定作業を行う必要はない。
【００７８】
なお、このようにして判定されるナゲットＮの形成状態の判定結果を、溶接不良打点として装置の操作者や溶接品質の検査者に通知する通知手段を制御装置１０に設けてもよい。
【００７９】
以上、本発明を実施形態および実施例に基づいて説明してきたが、本発明はかかる実施形態および実施例に限定されるものではなく、種々改変が可能である。例えば、本実施形態では溶接装置はサーボガンとされているが、本発明の適用はサーボガンに限定されるものではなく、各種の電動式スポット溶接装置に適用できる。
【００８０】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、電極が被溶接材を加圧する加圧力を通電開始時点から溶接終了時点まで略一定とすることができ、これによって電動サーボ式抵抗溶接装置における溶接条件を他の加圧方式における溶接条件と共通化することができるという優れた効果を奏する。
【００８１】
また、スポット溶接の実行時に溶接状態を自動判定することができ、これによって溶接状態の検査工程における作業効率を向上させることができるという優れた効果も奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図２】制御装置のハードウエアの構成を示すブロック図である。
【図３】上側電極を駆動する駆動系統の詳細を示す模式図である。
【図４】溶接実行時における通電部位の変化の様子を示す模式図である。
【図５】制御装置が実行する処理の手順を示す流れ図である。
【図６】同処理のタイムチャートであり、同（ａ）はエンコーダ値の変化を示し、同（ｂ）は回転駆動力の変化を示す。
【図７】エネルギ量が適正な場合のナゲットＮの形成状態を示す模式図である。
【図８】エネルギ量が不足している場合のナゲットＮの形成状態を示す模式図である。
【図９】エネルギ量が過多である場合のナゲットＮの形成状態を示す模式図である。
【図１０】ナゲットＮの形成状態を判定する原理を説明するための説明図である。
【図１１】実施例を示すグラフ図である。
【図１２】従来の電動サーボ式抵抗溶接装置の駆動系統の詳細を示す模式図である。
【図１３】従来の電動サーボ式抵抗溶接装置の溶接実行時における通電部位の変化の様子を示す模式図である。
【符号の説明】
１０ 溶接装置
１１ 上側電極
１２ 下側電極
１３ サーボモータ
１５ エンコーダ
１４ 駆動力伝達機構
１４ｂ ボールネジ
２０ 溶接電源
３０ 制御装置
３１ 溶接指令手段
３２ 加圧力指令手段
３３ 溶融部状態検出装置
３４ 加圧力調整量演算手段
３５ ナゲット形成状況判定手段
Ｇ サーボガン
Ｎ ナゲット
Ｖ 空洞
Ｗ ワーク
Claims (11)
- サーボモータで駆動される電極により被溶接材を加圧しつつ通電してスポット溶接する電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法であって、
前記電極による通電開始時点からの前記被溶接材の熱膨張による同電極の変位量を検出し、該検出された変位量が所定の変位量に達すると、前記被溶接材の熱膨張による加圧力の増大を除去するように前記サーボモータの駆動力を調節することを特徴とする電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法。 - サーボモータの駆動力の調節が下記式に基づいてなされることを特徴とする請求項１記載の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法。
Ｆｍｃ＝Ｆｍ・（１−η）／η２
ここに、
Ｆｍｃ：加圧力調節量
Ｆｍ：サーボモータの回転駆動力
η：駆動力の伝達効率 - サーボモータで駆動される電極により被溶接材を加圧しつつ通電してスポット溶接する電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法であって、
前記電極による通電開始時点からの前記被溶接材の熱膨張による同電極の変位量を検出し、該検出された通電中における変位量と溶接終了時点の変位量とに基づいて、溶接不良箇所および／または溶接不良の種類を検出することを特徴とする電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法。 - 溶接不良箇所および／または溶接不良の種類の検出が、電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による電極の変位量に基づく溶接状態判定パラメータによりなされ、
溶接状態判定パラメータが所定範囲にあれば、適正なナゲットが形成されたとし、溶接状態判定パラメータが所定値を超えていれば、ナゲット内部にチリが発生したとし、溶接状態判定パラメータが所定値に達していなければ、ナゲットの溶け込みが浅いとする
ことを特徴とする請求項３記載の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御方法。 - サーボモータの発生する駆動力を電極に伝達する駆動力伝達機構と、前記電極により被溶接材を所定の加圧力で加圧するように前記サーボモータに指令を発する加圧力指令手段と、溶接の開始を指令する溶接指令手段とを備えてなる電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置であって、
前記電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による同電極の変位量を検出する変位量検出手段と、
検出された変位量が所定の変位量に達すると、前記被溶接材の熱膨張による加圧力の増大を前記駆動力伝達機構における動力伝達特性を参照して除去するように、前記加圧力指令手段が発する加圧力指令を補正する加圧力指令補正手段
とを備えてなることを特徴とする電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置。 - 加圧力指令補正手段による補正が下記式に基づいてなされることを特徴とする請求項５記載の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置。
Ｆｍｃ＝Ｆｍ・（１−η）／η２
ここに、
Ｆｍｃ：加圧力調節量
Ｆｍ：サーボモータの回転駆動力
η：駆動力の伝達効率 - サーボモータで駆動される電極により被溶接材を所定の加圧力により加圧しつつ通電してスポット溶接する電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置であって、
電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による電極の変位量を検出する変位量検出手段と、
該検出された通電中における変位量と溶接終了時点の変位量とに基づいて、溶接不良箇所および／または溶接不良の種類を検出する溶接状態検出手段
とを備えてなることを特徴とする電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置。 - 溶接状態検出手段における溶接不良箇所および／または溶接不良の種類の検出が、電極による通電開始時点からの被溶接材の熱膨張による電極の変位量に基づく溶接状態判定パラメータによりなされ、
溶接状態判定パラメータが所定範囲にあれば、適正なナゲットが形成されたとし、溶接状態判定パラメータが所定値を超えていれば、ナゲット内部にチリが発生したとし、溶接状態判定パラメータが所定値に達していなければ、ナゲットの溶け込みが浅いとする
ことを特徴とする請求項７記載の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置。 - 溶接状態検出手段による検出結果を通知する通知手段を備えてなることを特徴とする請求項７記載の電動サーボ式抵抗溶接装置の制御装置。
- 請求項５ないし請求項６記載の制御装置を備えてなることを特徴とする電動サーボ式抵抗溶接装置。
- 請求項１０記載の電動サーボ式抵抗溶接装置を備えてなることを特徴とするロボット。
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