JP3668325B2 - 溶接ガンの加圧制御方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属製品の製造工場でスポット溶接などに用いられる溶接ガンの加圧制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、金属製品の製造工場では、自動的にスポット溶接を行うための溶接ロボットが広く用いられている。溶接ロボットは、予め設定される複数の溶接箇所に順次溶接ガンを移動させながら、各溶接箇所毎にワークを溶接ガンの電極先端間で挟持し、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、適切な加圧力を印加する必要がある。しかしながら、溶接ガンの電極先端がワークの表面に接触を開始する時点では、できるだけ衝撃を避けることが好ましい。衝撃が大きいと、電極先端の損耗が激しくなったり、ワークの表面の変形が大きくなったりしてしまい、溶接品質の低下をもたらすからである。
【０００３】
溶接ガンの電極をワークの表面に接触させるための制御に関連する先行技術は、たとえば特開平６−３１２２７３、特開平６−３１２２７４あるいは特開平７−６４６１５などに開示されている。このうち特開平６−３１２２７３には、電極の移動を行うサーボモータの電流と加圧力との関係を求めておいて、ワークの厚みと溶接ガンのアームのたわみとを考慮した動作目標位置に電極の先端を移動させ、さらに所定の加圧力に対応するモータ電流となるように電極先端位置を制御している。特開平６−３１２２７４では、溶接ガンの電極間の間隔を、電極の平均的な摩耗を考慮して補正し、溶接の繰返しによって電極が摩耗しても摩耗量がない状態と同様な電極間隔を保つように制御する。特開平７−６４６１５では、電極先端の位置を検知しながら電極を移動させるサーボモータのモータ電流を監視し、電極先端がワークの厚みを考慮して設定される位置に達する前にモータ電流が増大すると、障害物等が存在する過負荷であると判定する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特開平６−３１２２７３の先行技術では、加圧時にワークの厚みや溶接ガンのアームのたわみなどを考慮して電極の動作目標位置を設定し、モータ電流に対応する加圧力と設定加圧力との差から電極の突出量を補正している。しかし、実際に加圧を行う前に加圧によって生じるアームのたわみを考慮することとなり、加圧前にはたわみを生じていないので、その加圧位置は電極がワークに接触する位置よりさらに押し進んだ位置になっている。このため実際に電極がワーク表面に接触するときの速度は大きく、ワークに接触時の衝撃も大きいはずである。その一方で、電極先端がワーク表面に衝撃的に接触しないように、接触する充分手前から減速し、低速で接触するように制御しようとしているけれども、その具体的な構成は不明である。また、その後の加圧力を得るための制御において、実加圧力のフィードバックにより位置補正をかける等、複雑な制御が必要となってくる。特開平６−３１２２７４の先行技術では、電極の平均摩耗量で補正して設定電極間隔を保つようにしているけれども、電極先端をワーク表面に静かに接触させたり、所定の加圧力で制御するための構成は開示されていない。特開平７−６４６１５の先行技術では、ワークの厚みより大きな電極間間隔で電極の移動を行う段階でサーボモータのモータ電流が増大するときに、障害物として検出することができるけれども、電極先端をワーク表面に静かに接触させたり、所定の加圧力で制御するための構成は開示されていない。
【０００５】
したがって、これらの先行技術を用いて溶接ガンの加圧制御を行うと、ワークの厚みのばらつきやワーク間のギャップの変動などを考慮して、大きな衝撃力を与えず、電極をワーク表面に安定接触させることができない。また、加圧力を得るための制御で、突出量の補正が必要となる等、複雑な制御を行う必要も生じる。
【０００６】
本発明の目的は、電極先端がワーク表面に接触するときに大きな衝撃力を発生しないで、しかもワークや電極の形状的な変動に対しても安定な加圧を行うことが容易にできる溶接ガンの加圧制御方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、予めティーチングによって複数の溶接位置が教示され、各溶接位置と、各溶接位置でのワークの厚みとを含む溶接データに基づいて、通電して溶接を行うワークを、モータで駆動される電極先端間で挟持する溶接ガンの加圧制御方法において、
予めワークが存在しない状態で、電極先端間が接触する接触位置を求めておき、
電極先端間の間隔をあけてワークを挿入し、
各溶接位置毎に、電極先端を移動させる目標位置として、接触位置にワークの厚さを見込んで設定される厚み補正位置まで、位置制御によって電極先端を移動させ、
さらに、加圧力を得るために設定される行き過ぎ位置まで、モータ電流を予め設定される加圧力に対応する電流値となるように制限しながら、
まず、予め設定される速度以下で電極先端を移動させ、
モータ電流の変化状態から、電極先端がワークに接触しているか否かを判断し、
電極先端がワークに接触していると判断された後では、行き過ぎ位置まで、該予め設定される速度よりも高速で電極先端を移動させる指令値を与えて制御し、
電極先端が該厚み補正位置からワークに接触するまでに要する移動量を、次のワークで厚み補正位置を設定する際に反映させて移動量を減少させることを特徴とする溶接ガンの加圧制御方法である。
本発明に従えば、ワークが存在しない状態で、電極先端間が接触する接触位置を予め求めておき、電極先端間に挿入したワークに対して、各溶接位置毎に、溶接データに基づき、接触位置にワークの厚みを見込んで設定される厚み補正位置まで、位置制御によって電極先端を移動させる。厚み補正位置では、ワークの厚さの変動も考慮して、ワークの表面には接触しない位置に設定しておくことによって、ワークの表面への衝撃を考慮することなく、電極の移動を迅速に行うことができる。そしてさらに、厚み補正位置から、電極先端を行き過ぎ位置まで再度位置制御する。その際にモータ電流の変化状態を監視しながら、電極先端を予め設定される速度以下で移動させて、モータ電流の変化によって接触状態を検出するまで移動させる。移動速度が小さいので、接触時の衝撃力を小さくすることができ、厚み補正位置がワーク表面に充分に近い位置であれば、接触までに要する時間を短くして、低速でも短時間で接触するように設定することができる。また、加圧力については、行き過ぎ目標位置によりオーバロード状態を発生させ、モータ電流を予め設定される加圧力に対応する電流値に規制するので、適切な加圧力でワークを電極間に挟持することができる。また、板厚の変動が小さい場合等、実際の状況に応じて、厚み補正位置をワーク表面に接触する位置とすることにより、途中の低速での接触を除くこともでき、厚み補正位置から一気に、行き過ぎ位置への高速での位置制御を実施することも可能である。こうすることにより、溶接サイクルタイムの短縮も図れる。
また、厚み補正位置から電極先端がワークに接触するまでに要する移動量は、長すぎるとこの間で電極の移動速度が小さいので溶接のサイクルタイムが長くなってしまい、短すぎるとワークの厚みなどのばらつきによって、電極先端を厚み補正位置まで移動させただけでもワークの表面に接触し、大きな衝撃力を発生してしまう可能性がある。実際の移動量に基づいて、次のワークでの厚み補正位置を設定する際の移動量を変更させるので、適切な移動量となるように学習させながら厚み補正位置の設定を行うことができる。
【０００８】
また本発明で前記ワークの存在しない状態での接触位置を求める動作は、ロボットの１つの動作として選択可能に備えられていることを特徴とする。
本発明に従えば、ワークの存在しない状態での接触位置を求める動作は、ロボットの１つの動作として選択可能であるので、電極先端の摩耗量を考慮して、たとえばある回数の溶接を行ったら接触位置を改めて求め、電極の消耗等を補償させることができる。
【００１０】
また本発明は、前記電極先端を移動させる駆動系に、コンプライアンス要素を含ませることを特徴とする。
本発明に従えば、コンプライアンス要素が電極先端を移動させる駆動系に含まれているので、ワークの厚みのばらつきやギャップの変動を吸収し、電極先端のワーク表面への接触時の衝撃を緩和させることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態による溶接ガンの加圧制御方法に関連するハードウェアの構成を示す。溶接ガン１の先端にはスポット溶接用の電極２が設けられ、溶接用の電源３からの電流を溶接電流コントローラ４によって制御し、ワークに対するスポット溶接を行うことができる。溶接ガン１の移動は、駆動機構５をサーボモータ６で回転駆動することによって行われる。サーボモータ６の回転量は、エンコーダ７によって検出され、サーボモータ６に流れる電流は電流検出器８によって検出される。溶接ガン１、駆動機構５、サーボモータ６、エンコーダ７および電流検出器８は、溶接ロボットの構成要素の一部としてそれぞれ設けられている。
【００１２】
ロボット全体の制御のため、ロボットＣＰＵ１０が設けられる。ロボットＣＰＵ１０には、システムバス１１を介して、溶接ガン１の制御のためのサーボＣＰＵ１２が接続される。サーボＣＰＵ１２は、加圧力コントローラ１３に対して溶接ガン１の電極２を位置制御するための指令値や、力制御するための指令値を与える。加圧力コントローラ１３は、与えられた指令に従ってドライバ１４を介してサーボモータ６を制御する。加圧力コントローラ１３には、サーボモータ６の回転量に対応するエンコーダ７からの出力と、サーボモータ６に流れる電流を検出する電流検出器８からの出力とが入力され、フィードバック制御が行われる。
【００１３】
ロボットＣＰＵ１０には、システムバス１１を介して、溶接データ記憶装置１５からの溶接データに基づいて溶接条件を算出する溶接条件計算装置１６や、溶接ロボットとしてのティーチングモードへの切換え等の入力装置１７なども接続される。溶接データ記憶装置１５には、ティーチングによって教示された溶接位置や、各溶接位置におけるワークの厚みなどのデータが記憶される。
【００１４】
図２は、図１の溶接ロボットによって行われる本発明の実施の一形態の基本的な考え方を示す。図２（１）は、電極間の接触位置を計測する動作を示す。図１の溶接ガン１は、２つの電極２ａ，２ｂ間で直接接触する。このとき、サーボモータ６に取付けてあるエンコーダ７の指示値は、接触開始位置まで急激に変化し、その後の変化は少なくなる。そしてサーボモータ７のモータ電流も接触位置で急激に変化する。モータ電流に対応する設定トルクを、この際はアームのたわみが生じてくるため、このときの加圧力は低加圧が望ましいので、たとえば５０ｋｇｆに設定しておく。加圧力とたわみとの関係を前もって求めておき、モータ電流がこの設定トルクに対応するモータ電流に到達した位置から、このときの加圧力に対するたわみ分を考慮し、接触位置Ｘとして設定する。電極２ａ，２ｂの先端が摩耗しているときは、接触位置Ｘは、摩耗分も補償されて設定されることとなる。
【００１５】
図２（２）は、板厚補正による安定高速接触についての考え方を示す。図２（１）で求められる接触位置Ｘにワーク２０の板厚ｄを考慮した位置目標値Ｘ−ｄを設定し、位置目標値Ｘ−ｄまでは電極２ａ，２ｂを位置制御によって移動させる。板厚ｄは、ワーク２０を構成する金属板２１，２２の板厚の和と、金属板２１，２２間のギャップと、変形や板厚のばらつきを考慮して設定する。位置目標値Ｘ−ｄへは、電極２ａ，２ｂをできるだけ迅速に移動させるため、途中まで最大速度で移動させることが好ましく、最大の減速で位置目標値Ｘ−ｄで停止するような制御を行う。次に、行き過ぎ位置への位置制御を行い、まず電極２ａ，２ｂをワーク２０の表面に近付ける微速前進を行う。電極チップ先端速度が０に近い非常に小さな速度となるように制御しながら、モータ電流を監視し、接触位置でモータ電流が増大するのを検出する。
【００１６】
図２（３）では、電極２ａ，２ｂがワーク２０の表面に接触した後、その行き過ぎ位置へ高速で移動させる指令値を与え、設定圧力によるモータ電流の規制を行うことによって加圧力を得る。
【００１７】
図２（２）および図２（３）の動作では、モータ電流の監視と電極２ａ，２ｂの先端位置の監視とを行うことによって、ワーク２０の状態、たとえばワークの有無やギャップの程度などが予想よりも大きい場合などには、状況に対応して、図２（２）の位置目標値の設定の際にフィードバック補正するようにすることもできる。また、ワークやギャップの厚みのバラツキが小さい等、実際の状況に合わせ、厚み補正位置をチップとワークの接触面とし、図２（２）での微速前進をカットすることも可能である。
【００１８】
図３は、図２に示す考え方に従って行われる図１のロボットＣＰＵ１０の動作を示す。ステップａ１から動作を開始し、ステップａ２では接触位置Ｘの計測を行う。ステップａ３では次に溶接する作業が空打ちモード（ワークなしのテスト起動）で行う作業であるか否かを判断する。空打ちモードであればステップａ４に移る。ステップａ４では、板厚を０に設定する。
【００１９】
ステップａ３で空打ちモードではないと判断されるときには、ステップａ５で溶接データ記憶装置１５から溶接データを読出し、ステップａ６で接触位置に板厚ｄを見込んだ厚み補正位置を設定する。接触時の安定性をより以上に得るため、ワーク表面に接触しない位置とすることが好ましいが、状況に合わせ厚み補正位置はワーク表面でもよい。次にステップａ７で、板厚のばらつきや母材板間のギャップなどに対する位置補正を行う。ステップａ８では、厚み補正位置まで電極を移動する位置制御を行う。次にステップａ９では、電極の移動目標位置として、ワークの表面よりも深い位置にある行き過ぎ位置を設定し、位置制御を行う。厚み補正位置から実際に電極がワーク表面に接触するまでは、微速移動を行う。モータ電流を監視しながら接触検出を行い、接触が検出された後は、行き過ぎ位置へ高速で移動させる指令値を与える位置制御を行う。
【００２０】
ステップａ１０では、電極に対する位置制御を行いながら、モータ電流を予め設定される加圧力に対応する電流値に規制して、加圧力規制を行う。次にステップａ１１で、電極間に通電して溶接を行い、ステップａ１２で終了でないと判断されるときには、ステップａ３に戻って次の溶接動作に移る。溶接箇所がなくなればステップａ１３で、１つのワークについての溶接を終了する。なお、チップがワークに接触するまでの移動量は、次のワークに対するステップａ７の補正量としてフィードバックされる。また、空打ちモードでは、ステップａ１１の通電の際に電流は流さない。
【００２１】
さらに、図４では、より一層の安定接触を図るための本発明の実施の他の形態による溶接ガンの加圧制御方法を示す。本実施形態で、図１の実施形態に対応する部分には同一の参照符を付し、重複した説明を省略する。本実施形態では、溶接ガンの先端の電極２ａ側に、機械的コンプライアンス３０を加え、斜線を施して示す接触時に、ワーク２０の板厚のばらつきや、金属板２１，２２間のギャップの変動に対応させることができる。すなわち、図４（１）に示すように、たとえば上側の電極２ａは機械的コンプライアンス３０によってｄｕの変位を吸収可能に構成される。下側の電極２ｂにもｄｌの変位を吸収可能な図示しない機械的コンプライアンスが設けられていると、図４（２）に示すように、ワーク２０の金属板２１，２２にそれぞれｄｕ，ｄｌの板厚の増大があっても吸収することができる。機械的コンプライアンス３０の代わりに、サーボＣＰＵ１２によるコンプライアンス制御を行うこともできる。
【００２２】
以上の各実施形態では、スポット溶接を行う溶接ガン１を上下方向でワーク２０を挟持するようにしているけれども、同様な構成の溶接ガンで、他の方向でワークを挟持するような場合にも同様に適用することができる。
【００２３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、電極の摩耗を考慮して接触位置を求めておき、ワークの厚みなどを考慮した厚み補正位置まで迅速に電極を移動させた後、小さな衝撃力で電極をワーク表面に接触させ、接触後に適切な加圧を行うことができる。接触時の衝撃が小さいので、電極の損耗やワーク表面の損傷を避けることができる。ワークを適切な加圧力で挟持するので、溶接を信頼性が高い状態で行うことができる。
また、電極先端がワークに接触するまでの移動量を適切にフィードバック制御することができる。
【００２４】
また本発明によれば、電極間を接触させて接触位置を求めるための動作を、ロボットの動作の１つとして備えているので、溶接位置の教示時に電極先端の摩耗量を考慮した接触位置を容易に設定することができる。また接触位置の設定を、一定回数の溶接を行った後で定期的に行うことによって、電極の摩耗に対応する補正量は自動的に更新され、連続的な溶接作業を自動的に継続させることができる。
【００２６】
また本発明によれば、コンプライアンス要素によって電極先端がワーク表面に接触するときの衝撃を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態のための概略的なハードウェア構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施の一形態の基本的な考え方を示す模式図およびグラフである。
【図３】図１のロボットＣＰＵ１０の動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施の他の形態の基本的な構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 溶接ガン
２，２ａ，２ｂ 電極
５ 駆動機構
６ サーボモータ
７ エンコーダ
８ 電流検出器
１０ ロボットＣＰＵ
１２ サーボＣＰＵ
１３ 加圧力コントローラ
１４ ドライバ
１５ 溶接データ記憶装置
１６ 溶接条件計算装置
２０ ワーク
２１，２２ 金属板
３０ 機械的コンプライアンス

Claims (3)

1. 予めティーチングによって複数の溶接位置が教示され、各溶接位置と、各溶接位置でのワークの厚みとを含む溶接データに基づいて、通電して溶接を行うワークを、モータで駆動される電極先端間で挟持する溶接ガンの加圧制御方法において、
   予めワークが存在しない状態で、電極先端間が接触する接触位置を求めておき、
   電極先端間の間隔をあけてワークを挿入し、
   各溶接位置毎に、電極先端を移動させる目標位置として、接触位置にワークの厚さを見込んで設定される厚み補正位置まで、位置制御によって電極先端を移動させ、
   さらに、加圧力を得るために設定される行き過ぎ位置まで、モータ電流を予め設定される加圧力に対応する電流値となるように制限しながら、
   まず、予め設定される速度以下で電極先端を移動させ、
   モータ電流の変化状態から、電極先端がワークに接触しているか否かを判断し、
   電極先端がワークに接触していると判断された後では、行き過ぎ位置まで、該予め設定される速度よりも高速で電極先端を移動させる指令値を与えて制御し、
   電極先端が該厚み補正位置からワークに接触するまでに要する移動量を、次のワークで厚み補正位置を設定する際に反映させて移動量を減少させることを特徴とする溶接ガンの加圧制御方法。
2. 前記ワークの存在しない状態での接触位置を求める動作は、ロボットの１つの動作として選択可能に備えられていることを特徴とする請求項１記載の溶接ガンの加圧制御方法。
3. 前記電極先端を移動させる駆動系に、コンプライアンス要素を含ませることを特徴とする請求項１または２記載の溶接ガンの加圧制御方法。

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