JP3647255B2 - 溶接用ガンアームの駆動制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶接装置を構成するガンアームを駆動するモータを制御するための溶接用ガンアームの駆動制御方法に関するものであり、特に、ガンアームがワークに接近して接触するときの速度を好適に制御するための溶接用ガンアームの駆動制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ワークに対して電圧（電流）を印加して該ワークの溶接を行う抵抗溶接機は、前記ワークの被溶接部位を挟み、加圧する一対のガンアームを有して構成されている。そして、このガンアームは、溶接作業に伴って、ワークから離間した停止位置から前記ワークに接近する方向に変位し、前記ワークに接触して停止した後に該ガンアームの間に働く一定の加圧力によって前記ワークを加圧しながら該ワークに対する溶接を行い、次いで、この加圧を開放しながら前記ワークから離間する方向に変位して元の停止位置に戻る。
【０００３】
このガンアームを駆動するための駆動装置としては、従来、流体圧式のシリンダが用いられているが、この流体圧式のシリンダに代えて電動モータを用いることができる。この場合、この電動モータは、制御装置において前記ガンアームまたは電動モータの位置や速度に基づいて求められる電流値に応じたトルクを発生して回転する。即ち、ガンアームは、この電動モータの回転に伴って変位し、該電動モータに発生するトルクに伴う加圧力でワークを加圧する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ガンアームがワークに接触するとき、このガンアームおよびワークに衝撃が加わるため、この接触直前の前記ガンアームの速度（接近速度）は、一般に、該ガンアームを前記ワーク近傍まで変位させる場合よりも小さい値に設定されている。
【０００５】
しかしながら、前記接触の瞬間にガンアームに加わる加圧力が該ガンアームによるワークの加圧に要する所定の加圧力を上回る場合、このガンアームに加圧力の変動が生じて安定した溶接作業を行えないおそれがあるとともに、前記変動が治まるまでに時間的ロスが生じる懸念がある。一方、ワークへの接触直前のガンアームの速度があまりに小さい場合にも、時間的ロスが生じることとなる。
【０００６】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、ガンアームがワークに接触するときの該ガンアームの速度を好適に制御し、前記接触の際に該ガンアームに振動が発生することを回避することが可能な溶接用ガンアームの駆動制御方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る溶接用ガンアームの駆動制御方法においては、ガンアームがワークに接近して所定の接近速度で接触した後に停止して該ワークを所定の加圧力で加圧する一連の動作時における前記接近速度は、前記接触の際に前記ガンアームに加わる加圧力の最大値が前記所定の加圧力とほぼ同じか、或いは僅かに下回るような値に設定される。
【０００８】
具体的には、前記接近速度は、該接近速度で前記ガンアームが移動しているときに該ガンアーム及びモータが有する運動エネルギが、前記ガンアームに前記所定の加圧力が加わっているときに該ガンアームが有するポテンシャルエネルギとほぼ同じか、或いは僅かに下回る関係となるように構成されたエネルギ保存方程式に基づいて求められる。
【０００９】
この場合、前記接触の際にガンアームに加わる加圧力に変動が生じることがなく、安定した溶接作業を行うことができるとともに、溶接時間の短縮が実現される。
【００１０】
また、前記接近速度をＶ１、前記所定の加圧力をＰｍ、ガンアーム及びモータに等価な慣性質量をｍ、ガンアームに固有の弾性係数をｋとした場合、前記接近速度を、
Ｖ１＝Ｐｍ×（ｍ×ｋ）^-1/2
で求めるようにしてもよい。この場合、前記接近速度を容易且つ短時間に求めることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る溶接用ガンアームの駆動制御方法が適用される制御装置の実施の形態例（以下、単に実施の形態に係る制御装置と記す）を図１〜図４Ｂを参照しながら説明する。
【００１２】
本実施の形態に係る制御装置の説明に入る前に、該制御装置が適用される溶接装置の構成について簡単に説明する。
【００１３】
図１に示すように、溶接装置１０は、ワークＷ１、Ｗ２に対して溶接を行うための一対のガンアーム１２ａ、１２ｂを有し、該ガンアーム１２ａ、１２ｂの互いに対向する先端部には、溶接チップ１４ａ、１４ｂが設けられている。このガンアーム１２ａ、１２ｂはジョイント部材１６によって連結され、該ジョイント部材１６を介して先端部が互いに接近または離間する方向に変位自在である。そして、このガンアーム１２ａ、１２ｂには、溶接チップ１４ａ、１４ｂの間に溶接用の電圧（電流）を印加するための電源装置（図示せず）が接続されている。また、ガンアーム１２ｂは図示しないロボットアームに連結され、このロボットアームを変位させることによって、ガンアーム１２ａとともにワークＷ１、Ｗ２の被溶接部位に搬送される。
【００１４】
ガンアーム１２ａ、１２ｂには、該ガンアーム１２ａ、１２ｂの先端部を互いに接近または離間する方向に変位させるためのアクチュエータ１８が設けられており、このアクチュエータ１８は、モータ（ＡＣサーボモータ）２０によって駆動される。
【００１５】
モータ２０は、ケーブル２４ａ〜２４ｃ（特に区別して説明する必要がない場合は、ケーブル２４と記す）を介して後述するサーボアンプ１３０に配線接続され、該サーボアンプ１３０から供給される交流電流によって所定の速度および出力（トルク）で駆動される。
【００１６】
なお、モータ２０の回転方向は、前記ガンアーム１２ａ、１２ｂを互いに接近する方向に変位させる場合を正とし、互いに離間する方向に変位させる場合を負とする。また、モータ２０の磁極の回転に伴って発生する回転磁界と同位相の交流電流を正の交流電流と記し、前記回転磁界と逆位相の交流電流を負の交流電流と記すこととする。この場合、モータ２０は、正の交流電流を供給することによって正方向のトルクを発生し、負の交流電流を供給することによって負方向のトルクを発生する。
【００１７】
次に、本実施の形態に係る制御装置について図２〜図４Ｂを参照しながら説明する。
【００１８】
図２に示すように、制御装置１００は、モータ２０を駆動するためのドライバであるサーボコントローラ１０２と、このサーボコントローラ１０２を制御するメインコントローラ１０４とを有して構成されている。
【００１９】
サーボコントローラ１０２は、メインコントローラ１０４からパルスデータＤｐとして供給されるパルス数Ｎｎおよびパルス周波数ｆｎに基づいてパルスｐを生成するとともに、同じくパルスデータＤｐとして供給される符号Ａｎに基づいて、＋または−の符号信号Ｓａを出力するインタフェイス１０６と、このインタフェイス１０６からのパルスｐとモータ２０に設けられた検出器１０８から供給される検出パルスｐｋとの偏差および前記インタフェイス１０６からの符号信号Ｓａに基づいて前記モータ２０の指令回転速度Ｖａを求める位置制御部１２０と、前記検出器１０８からの検出パルスｐｋを電圧信号に変換して検出速度Ｖｋとして出力するＦ／Ｖ変換回路１２２と、前記位置制御部１２０からの指令回転速度Ｖａと前記Ｆ／Ｖ変換回路１２２からの検出速度Ｖｋとの偏差に基づいて前記モータ２０に供給すべき電流値を求めるとともに、この電流値の上限を前記メインコントローラ１０４からデータとして供給される設定リミット値Ｄｉに基づいて制限して電流値Ｉｘを出力する速度制御部１２４と、この速度制御部１２４からの電流値Ｉｘをケーブル２４ａ、２４ｂに設けられた電流センサ５２ａ、５２ｂで検出された検出電流値Ｉａ、Ｉｂに基づいて制御して電流値Ｉｚを求める電流制御部１２８と、図示しない端子を介して供給される交流電流を前記電流制御部１２８からの電流値Ｉｚに基づくモータ駆動用電流に変換して前記モータ２０に供給するサーボアンプ１３０とを有して構成されている。
【００２０】
ここで、前記符号信号Ｓａが＋である場合には、モータ２０はガンアーム１２ａ、１２ｂを互いに接近させる方向に回転され、前記符号信号Ｓａが−である場合には、前記モータ２０は前記ガンアーム１２ａ、１２ｂを互いに離間させる方向に回転される。
【００２１】
また、ガンアーム１２ａ、１２ｂがワークＷ１、Ｗ２を加圧するときの加圧力Ｐｍ（即ち、モータ２０に発生するトルク）は、前記設定リミット値Ｄｉによって設定される。この設定リミット値Ｄｉは、後述する速度スケジュールに対応して設定することができる。
【００２２】
検出器１０８は、モータ２０が所定角度回転する度にパルス（前記検出パルスｐｋ）を出力する装置であり、具体的には、オプティカルエンコーダ、磁気エンコーダ等にて構成されている。
【００２３】
一方、メインコントローラ１０４には、モータ２０の回転角度を設定するパルス数Ｎｎ、該モータ２０の回転速度を設定するパルス周波数ｆｎおよび該モータ２０の回転方向を設定する符号Ａｎを求めるパルスデータ設定手段１５０が設けられている。
【００２４】
このパルスデータ設定手段１５０は、図３の機能ブロック図に示すように、ガンアーム１２ａ、１２ｂに加える加圧力Ｐｍを設定する前記設定リミット値Ｄｉに基づいて、このガンアーム１２ａ、１２ｂがワークＷ１、Ｗ２に接近するときのモータ２０の速度（接近速度）Ｖ１を所定の接近速度用ルックアップテーブルまたはエネルギ保存方程式から求めてデータとして出力する接近速度演算手段１５３と、この接近速度演算手段１５３からの接近速度Ｖ１並びに予め設定されている前記モータ２０の最大速度、最大加速度および回転角度（即ち、ガンアーム１２ａ、１２ｂの変位量）に基づいて、該モータ２０の設定回転速度Ｖｂのスケジュール（速度スケジュール）を設定する速度設定手段１５６と、この速度設定手段１５６からの速度スケジュール（設定回転速度Ｖｂ）を前記モータ２０の回転角度に対応した値に変換してパルス数Ｎｎ、パルス周波数ｆｎおよび符号Ａｎを求め、これらを所定期間のステップｎ毎に記録してテーブルを作成するテーブル作成手段１５８とを有して構成されている。
【００２５】
そして、このテーブルはメインコントローラ１０４の図示しない記憶装置に格納され、このテーブルからステップｎ毎に読み出された前記パルス数Ｎｎ、パルス周波数ｆｎおよび符号ＡｎがパルスデータＤｐとしてサーボコントローラ１０２に対して出力される。
【００２６】
速度設定手段１５６に供給される最大速度および最大加速度は、モータ２０の性能等を考慮して所定の値に設定される。また、回転角度は、ガンアーム１２ａ、１２ｂの移動距離｛ガンアーム１２ａ、１２ｂの先端部（溶接チップ１４ａ、１４ｂ）が互いに離間して停止している位置（停止位置）から前記溶接チップ１４ａ、１４ｂがワークＷ１、Ｗ２に接触する位置（接触位置）までの該ガンアーム１２ａ、１２ｂの移動距離｝をモータ２０の回転角度に換算して求められる。この場合、前記停止位置からガンアーム１２ａ、１２ｂの先端部（溶接チップ１４ａ、１４ｂ）が互いに接触する位置（０点位置）までの前記溶接チップ１４ａ、１４ｂ間の距離（または、ガンアーム１２ａ、１２ｂの移動距離）はメインコントローラ１０４に記憶されており、この距離とワークＷ１、Ｗ２の厚さとから前記回転角度が求められる。
【００２７】
接近速度用ルックアップテーブルは、ガンアーム１２ａ、１２ｂがワークＷ１、Ｗ２に接触する瞬間に該ガンアーム１２ａ、１２ｂに加わる加圧力Ｐの最大値が、設定リミット値Ｄｉに基づく加圧力Ｐｍとほぼ同じか、或いは僅かに小さくなるようなモータ２０の速度（接近速度）Ｖ１を記録したものであり、任意の設定リミット値Ｄｉに対応して設定されている。
【００２８】
一方、エネルギ保存方程式は、ガンアーム１２ａ、１２ｂが任意の速度で変位しているときに該ガンアーム１２ａ、１２ｂおよびモータ２０が有するエネルギ（運動エネルギ）が、前記設定リミット値Ｄｉに基づく加圧力Ｐｍがガンアーム１２ａ、１２ｂに加わっているときに該ガンアーム１２ａ、１２ｂが有するエネルギ（ポテンシャルエネルギ）とほぼ同じか、或いは僅かに小さくなるような関係に基づいて構成されている。具体的には、前記ガンアーム１２ａ、１２ｂがワークＷ１、Ｗ２に接触する瞬間に該ガンアーム１２ａ、１２ｂに加わる加圧力Ｐの最大値が、前記設定リミット値Ｄｉに基づく加圧力Ｐｍとほぼ同じか、或いは僅かに小さくなるようなモータ２０の速度（接近速度）Ｖ１を求められるように構成されている。
【００２９】
実際には、計算を容易化するために、前記エネルギ保存方程式として単純な近似式が用いられているが、この近似式として次の（１）式を用いるようにしてもよい。
【００３０】
Ｖ１＝Ｐｍ×（ｍ×ｋ）^-1/2 ……（１）
ここで、Ｖ１は接近速度であり、Ｐｍは設定リミット値Ｄｉに基づく加圧力であり、ｍはガンアーム１２ａ、１２ｂ及びモータ２０に等価な慣性質量であり、ｋはガンアーム１２ａ、１２ｂに固有の弾性係数である。
【００３１】
前記接近速度用ルックアップテーブルまたは前記エネルギ保存方程式は、ガンアーム１２ａ、１２ｂの種類毎に複数のデータ群としてメインコントローラ１０４の図示しない記憶手段に格納されている。
【００３２】
次に、本実施の形態に係る制御装置１００の処理動作について説明する。
【００３３】
図３に示す接近速度演算手段１５３は、ガンアーム１２ａ、１２ｂに加える加圧力Ｐｍを設定する設定リミット値Ｄｉに基づいて、このガンアーム１２ａ、１２ｂがワークＷ１、Ｗ２に接近するときのモータ２０の速度（接近速度）Ｖ１を所定の接近速度用ルックアップテーブルまたはエネルギ保存方程式から求める。
【００３４】
速度設定手段１５６は、前記接近速度演算手段１５３からの接近速度Ｖ１並びに前記モータ２０の最大速度、最大加速度および回転角度に基づいて、該モータ２０の設定回転速度Ｖｂのスケジュール（速度スケジュール）を設定する。
【００３５】
テーブル作成手段１５８は、前記速度設定手段１５６からの速度スケジュールに基づいて各時間におけるパルス数Ｎｎ、パルス周波数ｆｎおよび符号Ａｎを求め、これらを所定期間のステップｎ毎に記録してテーブルを作成する。そして、このテーブルは、図２に示すメインコントローラ１０４の図示しない記憶装置に格納される。
【００３６】
次に、このテーブルからパルス数Ｎｎ、パルス周波数ｆｎおよび符号Ａｎが読み出されてパルスデータＤｐとして出力される。
【００３７】
サーボコントローラ１０２を構成するインタフェイス１０６は、前記メインコントローラ１０４からパルスデータＤｐとして供給されるパルス数Ｎｎおよびパルス周波数ｆｎに基づいてパルスｐを生成するとともに、同じくパルスデータＤｐとして供給される符号Ａｎに基づいて、＋または−の符号信号Ｓａを出力する。
【００３８】
位置制御部１２０は、前記インタフェイス１０６からのパルスｐおよび符号信号Ｓａ並びにモータ２０に設けられた検出器１０８からの検出パルスｐｋに基づいて前記モータ２０の指令回転速度Ｖａを求める。
【００３９】
Ｆ／Ｖ変換回路１２２は、前記検出器１０８からの検出パルスｐｋを電圧信号に変換して検出速度Ｖｋとして出力する。そして、速度制御部１２４は、前記位置制御部１２０からの指令回転速度Ｖａと前記Ｆ／Ｖ変換回路１２２からの検出速度Ｖｋとに基づいて前記モータ２０に供給すべき電流値を求めるとともに、この電流値の上限を前記メインコントローラ１０４からの設定リミット値Ｄｉに基づいて制限して電流値Ｉｘを出力する。
【００４０】
電流制御部１２８は、前記速度制御部１２４からの電流値Ｉｘをケーブル２４ａ、２４ｂに設けられた電流センサ５２ａ、５２ｂで検出された検出電流値Ｉａ、Ｉｂに基づいて制御して電流値Ｉｚを求める。そして、サーボアンプ１３０は、図示しない端子を介して供給される交流電流を前記電流制御部１２８からの電流値Ｉｚに基づくモータ駆動用電流に変換して前記モータ２０に供給する。
【００４１】
モータ２０は、前記モータ駆動用電流によって駆動され、このモータ２０の回転に伴って、ガンアーム１２ａ、１２ｂが互いに接近または離間する方向に変位する。
【００４２】
次に、本実施の形態に係る制御装置１００の実施例について説明する。
【００４３】
本実施例において、接近速度Ｖ１は、前記接近速度演算手段１５３において前記（１）式に基づく計算を行うことによって求められる。
【００４４】
また、速度スケジュールは、図４Ａに鎖線で示すように、設定回転速度Ｖｂが時点ｕ〜ｖの期間（加速期間）では加速度α１で０から最高速度Ｖｍまで増加し、時点ｖ〜ｗの期間（高速移動期間）では前記最高速度Ｖｍに維持され、時点ｗ〜ｘの期間（減速期間）では減速度α２で接近速度Ｖ１まで減少し、時点ｘ〜ｙの期間（ランディング期間）及び前記時点ｙ以降の期間では前記接近速度Ｖ１に維持され、かつ、前記時点ｙにガンアーム１２ａ、１２ｂの先端部がワークＷ１、Ｗ２に接触するように設定されている。
【００４５】
そして、パルス数Ｎｎ、パルス周波数ｆｎおよび符号Ａｎは、前記速度スケジュールに基づいて求められ、ステップｎ毎にテーブルに記録されている。
【００４６】
なお、図４Ａは、モータ２０の回転速度（Ｖ）の特性を示し、図４Ｂは、ガンアーム１２ａ、１２ｂの間に生じる加圧力（Ｐ）の特性を示している。
【００４７】
図４Ａに実線で示すように、モータ２０の回転速度（検出速度Ｖｋ）は、時点ｕ〜ｖの期間（加速期間）では０から最高速度Ｖｍまで増加され、時点ｖ〜ｗの期間（高速移動期間）では前記最高速度Ｖｍに維持され、時点ｗ〜ｘの期間（減速期間）では減速度α２で接近速度Ｖ１まで減少され、時点ｘ〜ｙの期間（ランディング期間）では前記接近速度Ｖ１に維持される。
【００４８】
時点ｙにガンアーム１２ａ、１２ｂの先端部がワークＷ１、Ｗ２に接触すると、該ガンアーム１２ａ、１２ｂの進路が遮られるため、モータ２０の回転速度（検出速度Ｖｋ）が接近速度Ｖ１から徐々に減少して時点ｚ以降では０となる（この時点ｙ〜ｚの期間を接触期間と記し、時点ｚ以降の期間を加圧期間と記す）。これに伴って、ガンアーム１２ａ、１２ｂに加わる加圧力Ｐは、図４Ｂに示すように、前記時点ｙ〜ｚの期間（接触期間）では０から加圧力Ｐｍまで徐々に増加し、時点ｚ以降の期間（加圧期間）では一定の加圧力Ｐｍとなり、この加圧力Ｐｍで前記ガンアーム１２ａ、１２ｂがワークＷ１、Ｗ２を加圧する。
【００４９】
この場合、本実施例においては、ガンアーム１２ａ、１２ｂの先端部がワークＷ１、Ｗ２に接触する際のモータ２０の回転速度（接近速度Ｖ１）を、この接触の瞬間に前記ガンアーム１２ａ、１２ｂに加わる加圧力Ｐの最大値が、設定リミット値Ｄｉに基づく加圧力Ｐｍとほぼ同じか、または僅かに小さくなるような値に設定している。このため、前記接触の際にガンアーム１２ａ、１２ｂに加わる加圧力Ｐに変動が生じることがなく、安定した溶接作業を行うことができるとともに、溶接時間の短縮が実現される。
【００５０】
また、接近速度Ｖ１を前記（１）式に基づいて求めることによって、この接近速度Ｖ１が容易且つ短時間に得られる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明に係る溶接用ガンアームの駆動制御方法によれば、ガンアームがワークに接触して該ワークを加圧する動作時において、前記接触の際に前記ガンアームに加わる加圧力に変動が生じることを回避することによって、安定した溶接作業を行うことができるとともに、溶接時間の短縮が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る制御装置が適用される溶接装置の平面図である。
【図２】本実施の形態に係る制御装置を示すブロック図である。
【図３】モータの速度スケジュールを求めるためのパルスデータ設定手段を示す機能ブロック図である。
【図４】図４Ａは、本実施例におけるモータの速度スケジュール及び実際の回転速度の特性を示すグラフであり、
図４Ｂは、ガンアームに加わる加圧力の特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…溶接装置 １２ａ、１２ｂ…ガンアーム
２０…モータ １００…制御装置
１０２…サーボコントローラ １０４…メインコントローラ
１０６…インタフェイス １０８…検出器
１２０…位置制御部 １２２…Ｆ／Ｖ変換回路
１２４…速度制御部 １２８…電流制御部
１３０…サーボアンプ １５０…パルスデータ設定手段
１５３…接近速度演算手段 １５６…速度設定手段
１５８…テーブル作成手段

Claims (2)

1. ワークに対して溶接を行うためのガンアームを駆動するモータの動作を制御する方法であって、
   前記ガンアームが前記ワークに接近して所定の接近速度で接触した後に停止して該ワークを所定の加圧力で加圧する一連の動作時において、
   前記接近速度は、該接近速度で前記ガンアームが移動しているときに該ガンアーム及び前記モータが有する運動エネルギが、前記ガンアームに前記所定の加圧力が加わっているときに該ガンアームが有するポテンシャルエネルギとほぼ同じか、或いは僅かに下回る関係となるように構成されたエネルギ保存方程式に基づいて求められることを特徴とする溶接用ガンアームの駆動制御方法。
2. 請求項１記載の溶接用ガンアームの駆動制御方法において、
   前記接近速度は、該接近速度をＶ１、前記所定の加圧力をＰｍ、ガンアーム及びモータに等価な慣性質量をｍ、ガンアームに固有の弾性係数をｋとした場合、
   Ｖ１＝Ｐｍ×（ｍ×ｋ）^-1/2
   で求められることを特徴とする溶接用ガンアームの駆動制御方法。

Images