JP3959302B2 - スポット溶接システムおよびその制御方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スポット溶接システムおよびその制御方法に関し、特に、サーボモータによって開閉する１組の電極チップを備え、該電極チップでワークを挟持してスポット溶接をするものであって、ワークを挟持する挟持加圧力を管理して補正するスポット溶接システムおよびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スポット溶接機は、車体を組み立てる工程等で多用されている。中でも、溶接箇所を加圧する加圧力制御および溶接箇所の位置に溶接ガンに取着された電極チップを移動する位置制御等の優位性から電動サーボ式の溶接ガンが普及している。溶接ガンは、サーボモータによって開閉する１組の電極チップを備え、該電極で被溶接物のワークを挟持してスポット溶接を行う。また、溶接ガンは、多関節ロボットの先端部に取り付けられ、この多関節ロボットの動作によって所定の溶接箇所に移動してスポット溶接を行うことが一般的である。
【０００３】
溶接ガンを用いたスポット溶接では、溶接品質を維持するために、ワークを挟持する挟持加圧力を管理する必要があり、従来、挟持加圧力の管理は、システム導入時およびシステムの休止時に行っている。それは、圧力検出器を溶接ガンによって挟持させ、このときの挟持加圧力を測定し、実際にスポット溶接を行う際に、この測定結果に基づいて、人手により挟持の指令値を補正している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、溶接に伴い電極チップ先端の形状は変化するものであり、しかもサーボモータや溶接ガンの機械的構造も経時変化を生じ挟持加圧力に影響する。これらの経時変化は比較的速く進行することもあり、システムの休止時に行う定期的な補正では対応できない場合がある。
【０００５】
また、溶接ガン、多関節ロボットおよびアンプの自己発熱や気温の変化も挟持加圧力に影響しうる。これらの温度変化は、上記の経時変化よりもさらに速く変化するので人手による定期的な加圧力補正では対応できない。
【０００６】
これらの不都合を解決するために、ワークを挟持しているときに、溶接ガンの内部に備えた圧力検出器の信号をフィードバック制御し、挟持加圧力をリアルタイムで補正する方法が提案されている（ＥＰ−０２７８１８５号公報参照）。しかしながら、この方法では、先端部の挟持加圧力を間接的にしか計測できなので、挟持加圧力の正確な制御および補正ができない。
【０００７】
また、圧力検出器は、溶接ガンの内部に設ける必要があることから、信号を処理する制御部との距離が長く、ノイズが混入しやすい。特に、電極チップには溶接時に大電流が流れることから、この電極チップの近傍に配置される圧力検出器には大きなノイズが混入することとなり、挟持加圧力の制御性能が低下する。圧力検出器の信号線は、多関節ロボットの各リンクに沿った配線となり、各リンクの複雑な動作により信号線が断線するおそれがある。しかも、圧力検出器を増設することから、溶接ガン自体も複雑な構造となる。
【０００８】
さらに、前記の不都合を解決するために、設定加圧力に基づいてサーボモータへの指令電流および挟持加圧力を算出し、設定加圧力と挟持加圧力との差異があるときに電極チップの移動量を補正する方法（特開平６−３１２２７３号公報参照）、溶接時におけるサーボモータへの供給電流を検出し、この供給電流に基づく加圧力と基準加圧力とを比較してサーボモータへの供給電流を補正する方法（特許第３１８０５３０号公報参照）、記憶したロボット軸の変位量と電極チップの移動量とに基づいてサーボガンの位置決めを行い、ワークを加圧する際にサーボモータの電流値から所定の加圧力となったか否かを判別する方法（特許第２７５５０７３号公報参照）が提案されている。
【０００９】
しかしながら、これらのいずれの方法も、基本的にはサーボモータの電流値から挟持加圧力を推定する方法であり、実際の挟持加圧力を直接的に測定することはできない。従って、挟持加圧力の正確な制御および補正ができない。
【００１０】
さらにまた、従来から運用されているスポット溶接システムに対して、改造または機器の追加によって挟持加圧力を自動的に補正することができると、コスト、工期および運用信頼性の面から好適である。
【００１１】
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、サーボモータによって開閉する電極チップによる挟持加圧力を正確に検出し、検出した挟持加圧力の信号に基づいて、ワークを挟持する際のサーボモータへの指令値を自動的かつ正確に補正することを可能にするスポット溶接システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスポット溶接システムは、サーボモータによって開閉する１組の電極チップを備え、前記電極チップでワークを挟持してスポット溶接をする溶接ガンと、前記溶接ガンの位置を移動させる移動部と、前記移動部によって移動する前記溶接ガンの移動範囲内で前記ワークとは異なる位置に配置され、前記電極チップにより挟持されることにより前記電極チップの挟持加圧力を検出する圧力検出器と、前記サーボモータに供給される電流値を検出する電流検出器と、前記電極チップと前記圧力検出器とが非接触のとき前記圧力検出器が出力する信号を平均した補償値を求め、前記電極チップで前記圧力検出器を挟持させたときに前記圧力検出器が出力する信号から前記補償値を減算し、補償された挟持加圧力を求めるドリフト補償部と、前記補償された挟持加圧力および前記電流値に基づいて前記電極チップを動作させる指令値を補正する補正部とを有することを特徴とする。
【００１３】
このように、サーボモータによって開閉する電極チップによって圧力検出器を挟持させるので、電極チップによる挟持加圧力を正確に検出し、検出した挟持加圧力の信号に基づいて、ワークを挟持する際のサーボモータへの指令値を自動的かつ正確に補正することができる。また、ドリフト補償部によれば、温度ドリフト等の誤差をも補正することができる。
【００１４】
また、本発明に係るスポット溶接システムの制御方法は、サーボモータによって開閉する１組の電極チップを備え、前記電極チップでワークを挟持してスポット溶接をする溶接ガンと、前記溶接ガンの位置を移動させる移動部と、前記移動部によって移動する前記溶接ガンの移動範囲内で前記ワークとは異なる位置に配置され、前記電極チップにより挟持されることにより前記電極チップの挟持加圧力を検出する圧力検出器と、前記サーボモータおよび前記移動部を制御するとともに前記挟持加圧力が入力される制御部と、前記電極チップと前記圧力検出器とが非接触のとき前記圧力検出器が出力する信号を平均した補償値を求め、前記電極チップで前記圧力検出器を挟持させたときに前記圧力検出器が出力する信号から前記補償値を減算し、補償された挟持加圧力を求めるドリフト補償部とを有するスポット溶接システムの制御方法であって、前記移動部によって前記溶接ガンを前記圧力検出器の位置まで移動させ、予め規定された加圧指令値を前記電極チップに与えることにより前記電極チップで前記圧力検出器を挟持させて前記挟持加圧力及び前記サーボモータに供給される電流値を検出する第１ステップと、前記挟持加圧力から前記補償値を減算して前記補償された挟持加圧力を求める第２ステップと、前記補償された挟持加圧力と前記電流値との相関関数を求める第３ステップと、前記移動部によって前記溶接ガンを前記ワークの位置まで移動させて、前記第３ステップで求めた相関関数に加圧指令値を適用して求められる指令電流値に基づいて、前記電極チップで前記ワークを挟持してスポット溶接する第４ステップとを有することを特徴とする。
【００１５】
このように、サーボモータによって開閉する電極チップによって圧力検出器を挟持させるので、電極チップによる挟持加圧力を正確に検出し、検出した挟持加圧力の信号に基づいて、ワークを挟持する際のサーボモータへの指令値を自動的かつ正確に補正することができる。結果として、スポット溶接の品質を高めることができる。なお、ここでいう相関関数は、数学的な意味における関数に限らず、挟持加圧力と加圧指令値との関連を示すものであればよい。
【００１７】
前記第１ステップでは、規定された複数の加圧指令値を前記電極チップに与え、各加圧指令値に対する前記挟持加圧力及び前記サーボモータに供給される電流値をそれぞれ検出し、前記第３ステップでは、前記相関関数を前記挟持加圧力と前記複数の電流値とから求めるとよい。
【００１８】
前記のように複数のデータに基づいて相関関数を求めることにより、より高精度の補正を行うことができる。
【００１９】
前記第４ステップでは、前記ワークにおける複数の溶接箇所をスポット溶接する処理からなるサイクルを、複数サイクル連続して行うようにすると、必要且つ十分な回数の補正処理を行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るスポット溶接システムおよびその制御方法について好適な実施の形態を挙げ、添付の図１〜図９を参照しながら説明する。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態に係るスポット溶接システム１０は、量産される被溶接物である車体（ワーク）１２を挟持してスポット溶接をする溶接ガン１４と、該溶接ガン１４が先端に取り付けられた多関節ロボット（移動部）１６と、該多関節ロボット１６の近傍で、前記溶接ガン１４の移動範囲内に配置された加圧力検出部１８と、前記溶接ガン１４の内部に設けられたサーボモータ４０（図２参照）および多関節ロボット１６を制御するとともに加圧力検出部１８で検出される圧力−電圧信号Ａ０が入力される制御部２０とを有する。なお、圧力−電圧信号Ａ０の名称における「圧力−電圧」とは、圧力を電圧に変換するという処理を表すものである。後述の圧力−電圧増幅信号Ａ１、電圧−圧力変換回路５４、圧力−電流変換回路６４の各名称における「−」も変換処理を表す。
【００２３】
車体１２は、製造ライン２２によって順次搬送される。各車体１２は、多関節ロボット１６のほぼ正面で一度停止し、溶接ガン１４によって所定の複数の溶接箇所をスポット溶接した後、次工程へ搬送される。
【００２４】
多関節ロボット１６は、多軸（例えば、６軸）の可動部を有し、先端に取り付けられた溶接ガン１４を、可動範囲内における任意の位置および姿勢に移動可能である。この多関節ロボット１６の動作により、溶接ガン１４は、車体１２の溶接箇所および加圧力検出部１８の位置へ移動可能である。
【００２５】
加圧力検出部１８は、溶接ガン１４の第１電極チップ３４（図２参照）および第２電極チップ３６に挟持されるときの挟持加圧力Ｆ（図２参照）を検出する圧力検出器２４と、該圧力検出器２４を支持する支持台２６とを有する。圧力検出器２４の位置は、制御部２０に記憶されており、この記憶された位置に基づき、多関節ロボット１６は溶接ガン１４を圧力検出器２４の位置まで移動させることができる。加圧力検出部１８は、多関節ロボット１６の近傍で、製造ライン２２の搬送処理の支障とならない位置に配置されている。
【００２６】
制御部２０は、多関節ロボット１６の制御を行うとともに加圧力検出部１８と接続されたロボットコントローラ２８と、溶接ガン１４の制御を行う溶接コントローラ３０とを有する。ロボットコントローラ２８と溶接コントローラ３０とは信号線で接続されており、各種信号およびタイミング情報の授受を行うことができる。
【００２７】
図２に示すように、溶接ガン１４は、所謂、Ｃ型溶接ガンであり、アーチ状のアーム３２の両端部には、開閉動作を行う可動の第１電極チップ３４と、第１電極チップ３４に対向して位置する固定の第２電極チップ３６とを有する。
【００２８】
第１電極チップ３４は上部に設けられたベアリング３８により軸支されている。また第１電極チップ３４に設けられたナット４２は、サーボモータ４０の作用下に回転するねじにより軸方向に進退可能となっている。結果として、第１電極チップ３４は、サーボモータ４０の作用下に開閉動作を行う。第１電極チップ３４の進退する進退量、すなわち溶接ガン１４の位置信号Ｂは位置センサ４４により検出されロボットコントローラ２８に供給される。なお、第１および第２電極チップ３４および３６には図示しない溶接トランスが接続されており、この溶接トランスから溶接電流が供給可能となっている。溶接ガン１４はＣ型溶接ガンに限らず、例えば、Ｘ型溶接ガン（共通の軸に軸支され、開閉する一対のガンアームを備える溶接ガン）であってもよい。
【００２９】
図３に示すように、ロボットコントローラ２８は、圧力検出器２４から入力される圧力−電圧信号Ａ０を増幅する信号増幅回路５０と、該信号増幅回路５０等の温度ドリフトを補正する温度補償値ｔを求める温度補償回路５２と、信号増幅回路５０が出力する圧力−電圧増幅信号Ａ１を前記温度補償値ｔで補正するとともに電圧値から圧力値に変換して挟持加圧力信号Ａ２を求める電圧−圧力変換回路５４とを有する。温度補償回路５２は、圧力−電圧増幅信号Ａ１を記憶する記憶部である補償温度テーブル１００（図４参照）を有する。また、ロボットコントローラ２８は、サーボモータ４０に供給される電流である電流値Ｉおよび前記挟持加圧力信号Ａ２を記憶する記憶回路５６と、該記憶回路５６に記憶されたデータに基づいて挟持加圧力信号Ａ２と電流値Ｉとの相関関数を生成する相関関数生成回路（補正部）５８とを有する。さらに、ロボットコントローラ２８には、図示しないロボット操作回路が備えられており、このロボット操作回路により多関節ロボット１６の動作が制御される。
【００３０】
記憶回路５６には、挟持加圧力信号Ａ２と電流値Ｉとを記憶する計測データテーブル１０２（図５参照）が設けられている。計測データテーブル１０２は、第１および第２電極チップ３４、３６による挟持加圧力の指令値である加圧指令値Ｃ（図２参照）が記憶された「指令加圧力」欄１０２ａと、挟持加圧力信号Ａ２を記憶する「計測加圧力」欄１０２ｂと、電流値Ｉを記憶する「計測電流」欄１０２ｃとを有する。
【００３１】
「指令加圧力」欄１０２ａに記憶する指令加圧力は、車体１２をスポット溶接する際に溶接箇所を挟持する加圧力と、この加圧力に近い値を含めるとよい。例えば、スポット溶接を行う際に、溶接箇所を２５００［Ｎ］の力で挟持する設定であるとすると、「指令加圧力」欄１０２ａに記憶する指令加圧力には、２５００［Ｎ］およびこれに近い値（例えば、２０００［Ｎ］、３０００［Ｎ］）を含めるとよい。
【００３２】
図３に戻り、ロボットコントローラ２８は、前記加圧指令値Ｃを出力する加圧力指令回路６０と、第１電極チップ３４の位置を安全な範囲に制限する加圧指令遮断回路６２と、前記相関関数生成回路５８で生成された相関関数を参照して加圧指令値Ｃを電流の指令値である指令電流値Ｑ１に変換する圧力−電流変換回路６４とを有する。加圧指令遮断回路６２には、前記位置センサ４４（図２参照）の検出信号、つまり第１電極チップ３４の位置信号Ｂが入力されており、この位置信号Ｂが過大であるとき（例えば、第１電極チップ３４が折損したまま動作したときなど）に加圧力指令回路６０から供給される信号を遮断し、サーボモータ４０の回転を停止させる。
【００３３】
また、ロボットコントローラ２８は、第１電極チップ３４の位置を指令する信号である位置速度信号Ｑ２と前記指令電流値Ｑ１を切り換える電流指令切換回路６６と、該電流指令切換回路６６から供給される指令電流値Ｑ１または位置速度信号Ｑ２から電流値Ｉを減算点Ｐ１において減算した偏差信号ε１を求め、この偏差信号ε１に基づいてサーボモータ４０に流れる電流を制御する電流制御回路６８と、該電流制御回路６８から供給される制御信号を増幅するドライブ回路７０と、サーボモータ４０に流れる電流を検出する電流検出器７２とを有する。電流検出器７２は、ドライブ回路７０からサーボモータ４０に供給される電流値Ｉを検出する。検出された電流値Ｉは、前記記憶回路５６に供給されて記憶される。
【００３４】
さらに、ロボットコントローラ２８は、第１電極チップ３４の位置を指令する位置指令生成回路７４と、減算点Ｐ２において、該位置指令生成回路７４が出力する位置の指令値から前記位置センサ４４の信号を減算した偏差信号ε２に基づいて第１電極チップ３４の位置を制御する位置制御回路７６と、位置センサ４４の位置信号Ｂを微分して第１電極チップ３４の動作速度を出力する微分回路７８と、減算点Ｐ３において位置制御回路７６が出力する信号から微分回路７８が出力する速度の信号を減算した偏差信号ε３が入力される速度制御回路８０とを有する。
【００３５】
速度制御回路８０は、位置指令生成回路７４の位置の指令値に基づいて位置のフィードバック（減算点Ｐ２）および速度のフィードバック（減算点Ｐ３）を行った後に第１電極チップ３４の動作速度を制御し、位置と速度とを制御する位置速度信号Ｑ２を出力する。位置速度信号Ｑ２は、前記電流指令切換回路６６に入力される。
【００３６】
電流指令切換回路６６で、前記指令電流値Ｑ１が選択されているときは、前記第１電極チップ３４の挟持加圧力Ｆを制御する圧力制御モードとなり、位置速度信号Ｑ２が選択されているときは、第１電極チップ３４の位置を制御する位置制御モードとなる。位置制御モードでは、減算点Ｐ３において速度フィードバックを行っていることから、第１電極チップ３４は振動の少ない安定した動作を行うことができる。
【００３７】
なお、上記の各回路は、それぞれハードウェア（アナログ回路、ロジック回路またはメモリ等）または図示しないコンピュータのソフトウェア機能により構成されている。図３においては、便宜上、サーボモータ４０および位置センサ４４を溶接ガン１４と区別して図示している。また、便宜上、圧力検出器２４を加圧力検出部１８と区別して図示している。
【００３８】
次に、このように構成されるスポット溶接システム１０を用いて車体１２を溶接する方法について、図６〜図８を参照しながら説明する。
【００３９】
まず、図６のステップＳ１において、多関節ロボット１６の動作により溶接ガン１４を圧力検出器２４の位置まで移動させる（図８参照）。このとき、圧力検出器２４が備えられた加圧力検出部１８は、製造ライン２２の搬送処理の支障とならない位置に配置されているので、製造ライン２２は車体１２を搬送することができる。車体１２は、製造ライン２２によって多関節ロボット１６のほぼ正面の所定位置まで搬送される。
【００４０】
次に、ステップＳ２において、前記記憶回路５６（図３参照）に記憶された計測データテーブル１０２（図５参照）の「計測加圧力」欄１０２ｂおよび「計測電流」欄１０２ｃを全てクリアする。
【００４１】
次いで、ステップＳ３において、計測データテーブル１０２を参照し、未計測の加圧力を「指令加圧力」欄１０２ａから選択する。つまり、「計測加圧力」欄１０２ｂおよび「計測電流」欄１０２ｃが未記録となっている指令加圧力を選択する。
【００４２】
さらに、ステップＳ４において、選択した指令加圧力に基づいて第１電極チップ３４を動作させ、圧力検出器２４を挟持する。具体的には、選択した指令加圧力を加圧指令値Ｃとして、加圧力指令回路６０から加圧指令遮断回路６２を介して圧力−電流変換回路６４に供給される。なお、第１電極チップ３４の位置が異常値である場合には、加圧指令遮断回路６２において加圧指令値Ｃを遮断することによって、第１電極チップ３４の動作を停止させることができる。
【００４３】
圧力−電流変換回路６４においては、過去に生成された相関関数によって指令加圧力に相当する指令電流値Ｑ１を求める。スポット溶接システム１０を初めて稼動させるとき等で、相関関数が未生成のときには、適当な仮の関数を用いればよい。
【００４４】
電流指令切換回路６６では指令電流値Ｑ１が選択される圧力制御モードであり、指令電流値Ｑ１は、減算点Ｐ１で電流値Ｉを減算するフィードバックを行った後、電流制御回路６８を経由してドライブ回路７０に供給される。ドライブ回路７０は、入力される信号を増幅してサーボモータ４０に電流として供給する。この電流の電流値Ｉは、電流検出器７２により検出される。
【００４５】
サーボモータ４０の回転作用下に第１電極チップ３４が変位し、第１および第２電極チップ３４および３６によって圧力検出器２４を挟持する。このときの挟持加圧力Ｆは、サーボモータ４０に供給される電流、つまり電流値Ｉに応じた値となる。圧力検出器２４は、検出した挟持加圧力Ｆを圧力−電圧信号Ａ０として信号増幅回路５０に供給する。
【００４６】
次に、ステップＳ５において、電圧−圧力変換回路５４は、信号増幅回路５０から供給される圧力−電圧増幅信号Ａ１から温度補償値ｔを減算した後に挟持加圧力信号Ａ２に変換する。温度補償値ｔは、信号増幅回路５０および圧力検出器２４等の温度ドリフト値を補正するための補償値であり、温度補償回路５２から供給される。この温度補償値ｔを減算することにより、信号増幅回路５０から供給される電圧信号に含まれる温度ドリフトを相殺することができる。温度補償回路５２により温度補償値ｔを求める手順については後述する。
【００４７】
次いで、ステップＳ６において、電圧−圧力変換回路５４が出力する挟持加圧力信号Ａ２および電流検出器７２が出力する電流値Ｉを記憶回路５６で記憶する。具体的には、挟持加圧力信号Ａ２を計測データテーブル１０２の「計測加圧力」欄１０２ｂの対応する行に記憶し、電流値Ｉを「計測電流」欄１０２ｃの対応する行に記憶する。
【００４８】
さらに、ステップＳ７において、計測データテーブル１０２を参照し、「指令加圧力」欄１０２ａに記憶されている指令加圧力の全てについて前記ステップＳ３〜Ｓ６の計測処理を行ったか否かを確認する。計測処理が終了であれば次のステップＳ８へ移り、未終了であれば前記ステップＳ３へ戻る。
【００４９】
ステップＳ８においては、計測データテーブル１０２の「計測加圧力」欄１０２ｂおよび「計測電流」欄１０２ｃとの関係に対して最小二乗法を適用し、相関関数を求める。具体的には、計測加圧力をｘ、計測電流をｙと表すときに、計測電流ｙを計測加圧力ｘの１次式として求め、次の（１）式の形に表す。この（１）式における定数αおよびβを求めればよい。
ｙ＝α・ｘ＋β …（１）
【００５０】
サーボモータ４０の一般的な特性上、電流値Ｉとサーボモータ４０の回転トルクとは略比例するので、サーボモータ４０の回転作用下に進退動作を行う第１電極チップ３４の挟持加圧力Ｆは電流値Ｉと略比例する。従って、この（１）式により、所定の挟持加圧力Ｆを発生させる電流値を求めることが可能であり、誤差も少ない。
【００５１】
しかしながら、実際の挟持加圧力Ｆには機械系のヒステリシスなどの様々な要因が影響する。これらの影響を斟酌してより正確な関係を求めるためには、２次以上の相関関数を算出するようにしてもよい。また、相関関数は、最小二乗法以外にも他の統計的手法を用いて算出してもよい。
【００５２】
前記ステップＳ１〜Ｓ８では、挟持加圧力信号Ａ２および電流値Ｉの計測処理、並びに、挟持加圧力信号Ａ２と電流値Ｉに基づく相関関数の算出処理を行い、これらの処理により車体１２を挟持する挟持加圧力Ｆの補正処理が終了したこととなる。
【００５３】
次に、図７のステップＳ９において、車体１２が所定の位置まで搬送されていることを確認した後、多関節ロボット１６の動作により溶接ガン１４を所定の溶接箇所へ移動させる。
【００５４】
次いで、ステップＳ１０において、スポット溶接を行うための加圧力を設定する。具体的には、加圧力指令回路６０が、溶接箇所に応じて予め規定された指令加圧力を加圧指令値Ｃとして出力する。この加圧指令値Ｃは、加圧指令遮断回路６２を介して圧力−電流変換回路６４に供給される。
【００５５】
さらに、ステップＳ１１において、圧力−電流変換回路６４は、前記相関関数生成回路５８が生成した相関関数、つまり前記（１）式を参照し、入力される加圧指令値Ｃを変数ｘとおき、算出される変数ｙを指令電流値Ｑ１とする。この変換処理には、（１）式を用いるので、加圧指令値Ｃから指令電流値Ｑ１への変換を小さい誤差で行うことができる。
【００５６】
次に、ステップＳ１２において、サーボモータ４０の回転作用下に第１電極チップ３４を変位させて、車体１２の溶接箇所を挟持する。このとき、前記（１）式に基づいて算出した指令電流値Ｑ１によってサーボモータ４０を駆動しているので、実際の挟持加圧力Ｆと加圧指令値Ｃとの誤差は極めて小さい。
【００５７】
次いで、ステップＳ１３において、第１および第２電極チップ３４および３６に溶接電流を供給してスポット溶接を行う。このときの挟持加圧力Ｆは、指令加圧力と極めて小さい誤差に設定済みであるので、挟持加圧力Ｆへの溶接電流によるノイズの影響は非常に小さく、高い溶接品質とすることができる。スポット溶接を終了した後、第１電極チップ３４を動作させて溶接箇所を開放する。この際、第１電極チップ３４の開き過ぎを防止するために前記位置制御モードにより動作させるとよい。つまり、第１電極チップ３４の開度位置を位置指令生成回路７４が指令し、位置制御回路７６、微分回路７８および速度制御回路８０を用いて位置速度信号Ｑ２を生成し、この位置速度信号Ｑ２を電流指令切換回路６６で選択するとよい。
【００５８】
さらに、ステップＳ１４において、現時点における溶接対象の車体１２で、多関節ロボット１６の分担する全溶接箇所（例えば、窓枠の周縁における複数の溶接箇所）のスポット溶接が終了したか否かを判断する。全溶接箇所のスポット溶接が終了であれば、次のステップＳ１５へ移る。未処理の溶接箇所が残っているならば、前記ステップＳ９へ戻りスポット溶接を続行する。
【００５９】
次に、ステップＳ１５において、所定の台数の車体１２に対してスポット溶接処理を終了したか否かを判断する。つまり、１台の車体１２における複数の溶接箇所に対する溶接処理を１サイクルとしたとき、所定サイクル数が終了したか否かを判断する。この所定サイクル数は、１サイクルであってもよい。
【００６０】
所定サイクル数が終了であれば、サイクル数のカウントをクリアした後、前記ステップＳ１へ戻り補正処理を行う。所定サイクル数が未終了であれば、サイクル数のカウントアップを行い、次のステップＳ１６へ移る。
【００６１】
ステップＳ１６においては、製造ライン２２により次の車体１２が搬送されてくるまで待機する。次の車体１２が所定位置に搬送された後、前記ステップＳ９へ戻りスポット溶接処理を行う。
【００６２】
以上、図６および図７に示した手順は、予め設定された台数の車体１２に対してスポット溶接を終了した時点、若しくは、所定時間の稼動後に終了させる。
【００６３】
次に、温度補償回路５２により温度補償値ｔを求める手順について、図４および図９を参照しながら説明する。図９に示すフローチャートは、温度補償回路５２が温度補償値ｔを求める手順を示し、前記溶接ガン１４により車体１２のスポット溶接を行っている間に実行される。すなわち、前記ステップＳ８が終了するたびに繰り返し実行し、前記ステップＳ９〜Ｓ１５が実行されている間で、前記圧力検出器２４と溶接ガン１４とが非接触のときに、ステップＳ９〜Ｓ１５に対する同時並列処理として実行する。
【００６４】
まず、図９のステップＳ２０１において、補償温度テーブル１００の「計測値」欄１００ａをクリアする。
【００６５】
次に、ステップＳ２０２において、温度補償回路５２は、信号増幅回路５０から供給される圧力−電圧増幅信号Ａ１を補償温度テーブル１００の「計測値」欄１００ａのうち空欄部分に記憶する。このとき、圧力検出器２４と溶接ガン１４とは非接触であることから、圧力検出器２４に加わる外力は「０」である。従って、信号増幅回路５０から供給される圧力−電圧増幅信号Ａ１も理想的には「０」である。しかしながら、圧力検出器２４、信号増幅回路５０等の自己発熱による温度ドリフトや気温の変化の影響を受けることにより、信号増幅回路５０から供給される信号は厳密には「０」とならない。しかもこの値は、自己発熱および気温により変化するので、このステップＳ２０２〜Ｓ２０４において定期的に計測する。
【００６６】
次いで、ステップＳ２０３において、所定時間が経過するまで待機し、所定時間が経過した後、ステップＳ２０４へ移る。
【００６７】
ステップＳ２０４においては、信号増幅回路５０から供給される電圧の信号を所定の回数記憶したか否かを確認する。図４の補償温度テーブル１００の例では、８回分の計測欄があることから、８回の計測が終了したことを確認する。計測が８回未満であればステップＳ２０２へ戻る。８回の計測が終了であれば次のステップＳ２０５へ移る。
【００６８】
ステップＳ２０５においては、補償温度テーブル１００を参照し、計測した値を平均して温度補償値ｔを求める。この温度補償値ｔは、前記電圧−圧力変換回路５４に供給される。電圧−圧力変換回路５４では、前記ステップＳ５において、信号増幅回路５０から供給される圧力−電圧増幅信号Ａ１から温度補償値ｔを減算するので、温度ドリフトを相殺することができる。
【００６９】
上記のように、本実施の形態に係るスポット溶接システム１０およびその制御方法によれば、第１電極チップ３４による挟持加圧力Ｆを圧力検出器２４によって正確に検出し、求めた挟持加圧力Ｆの信号に基づいて、車体１２を挟持する際のサーボモータ４０への指令電流値Ｑ１を自動的かつ正確に補正することができる。特に、圧力検出器２４は、第１電極チップ３４による挟持加圧力Ｆを直接的に検出するので、計測誤差が小さい。
【００７０】
また、圧力検出器２４を挟持する際に、サーボモータ４０に供給される電流値Ｉをも計測するので、この電流値Ｉと挟持加圧力信号Ａ２との相関関数を最小二乗法によって求めることが可能となり、車体１２を挟持する際のサーボモータ４０への指令電流値Ｑ１を小さい誤差で算出することができる。
【００７１】
さらに、圧力検出器２４が備えられた加圧力検出部１８は、製造ライン２２の搬送処理の支障とならない位置に配置されているので、製造ライン２２による車体１２の搬送処理を行っている時間、すなわち、多関節ロボット１６における本来の待機時間において補正処理（前記ステップＳ１〜Ｓ８）を行うことができる。また、製造ライン２２による車体１２の搬送処理を行っている時間に合わせて、最小二乗法による計算の精度を調整するようにしてもよい。つまり、時間的な余裕があるときには、最小二乗法の適用次数を大きくするとよい。逆に、補正処理が比較的長い時間を要する場合には、前記ステップＳ１４で判断するサイクル数を大きくして、補正処理を行う頻度を少なくすればよい。実際上、補正処理は、１サイクル毎に行う必要はない。
【００７２】
さらにまた、本実施の形態に係るスポット溶接システム１０およびその制御方法によれば、溶接ガン１４および多関節ロボット１６については、従来技術において用いるガンおよびロボットをそのまま流用することが可能であり、加圧力検出部１８を新たに設けるとともに制御部２０の内部回路またはプログラムを変更することにより適用することができる。従って、従来のシステムを低コスト、短工期で適用可能になるとともに運用信頼性が高い。
【００７３】
多関節ロボット１６と加圧力検出部１８とは個別に配置されているので、加圧力検出部１８の配線が多関節ロボット１６の動作によって損傷または断線するというおそれがない。補正処理を行う際には、溶接電流は流れていないので、圧力検出器２４の出力信号に溶接電流によるノイズが混入することがない。
【００７４】
さらに、本実施の形態に係るスポット溶接システム１０およびその制御方法によれば、温度補償回路５２の作用により、圧力検出器２４に外力が「０」であるときの圧力−電圧増幅信号Ａ１を検出して記憶するので、この圧力−電圧増幅信号Ａ１の平均値を温度補償値ｔとして用いることができる。この温度補償値ｔにより、信号増幅回路５０から供給される電圧の信号に含まれる温度ドリフトを相殺させることができる。
【００７５】
温度補償回路５２の処理は、溶接ガン１４によって車体１２をスポット溶接している間に、同時並列処理として行われるので、生産効率を低下させることがない。
【００７６】
補正処理における相関関数は、挟持加圧力信号Ａ２と電流値Ｉとから求める必要はなく、例えば、加圧力指令回路６０が供給する加圧指令値Ｃと挟持加圧力信号Ａ２との関係から求めてもよい。この場合、加圧指令値Ｃと前記（１）式における変数ｘとの関係を示す相関関数を求めることになり、（１）式における定数αおよびβは常に適当な値に固定しておけばよい。また、この場合、記憶回路５６において電流値Ｉは記憶しなくてもよい。
【００７７】
なお、制御部２０は、ロボットコントローラ２８および溶接コントローラ３０から構成される例を示したが、これらは１つのコントローラであってもよい。加圧力検出部１８は、溶接コントローラ３０と接続されていてもよい。
【００７８】
本発明に係るスポット溶接システムおよびその制御方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成乃至ステップを採り得ることはもちろんである。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るスポット溶接システムおよびその制御方法によれば、サーボモータによって開閉する電極チップによる挟持加圧力を正確に検出し、検出した挟持加圧力に基づいて、ワークを挟持する際のサーボモータへの指令値を自動的かつ正確に補正するという効果を達成することができる。
【００８０】
また、圧力検出器では、電極チップによる挟持加圧力を直接的に検出するので計測誤差が小さい。
【００８１】
さらに、圧力検出器を電極チップにより挟持する際に、サーボモータに供給される実電流値をも計測するので、この実電流値と挟持加圧力との相関関数を求めることが可能となり、ワークを挟持する際のサーボモータへの指令電流値を小さい誤差で算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るスポット溶接システムを示す斜視図である。
【図２】溶接ガンの一部省略概略断面図である。
【図３】本実施の形態に係るスポット溶接システムの一部省略ブロック図である。
【図４】温度補償回路に記憶される補償温度テーブルの内容を示す説明図である。
【図５】記憶回路に記憶される計測データテーブルの内容を示す説明図である。
【図６】本実施の形態に係るスポット溶接システムを用いてスポット溶接を行う手順を示すフローチャート（その１）である。
【図７】本実施の形態に係るスポット溶接システムを用いてスポット溶接を行う手順を示すフローチャート（その２）である。
【図８】電極チップにより圧力検出器を挟持する様子を示す斜視説明図である。
【図９】温度補償回路により温度補償値を求める手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…スポット溶接システム １２…車体
１４…溶接ガン １６…多関節ロボット
１８…加圧力検出部 ２０…制御部
２２…製造ライン ２４…圧力検出器
２８…ロボットコントローラ ３０…溶接コントローラ
３４、３６…電極チップ ４０…サーボモータ
４４…位置センサ ５２…温度補償回路
５４…電圧−圧力変換回路 ５６…記憶回路
５８…相関関数生成回路 ６０…加圧力指令回路
６４…圧力−電流変換回路 ７２…電流検出器
１００…補償温度テーブル １０２…計測データテーブル
Ａ０…圧力−電圧信号 Ａ１…圧力−電圧増幅信号
Ａ２…挟持加圧力信号 Ｂ…位置信号
Ｃ…加圧指令値 Ｉ…電流値
ｔ…温度補償値
【発明の属する技術分野】
本発明は、スポット溶接システムおよびその制御方法に関し、特に、サーボモータによって開閉する１組の電極チップを備え、該電極チップでワークを挟持してスポット溶接をするものであって、ワークを挟持する挟持加圧力を管理して補正するスポット溶接システムおよびその制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スポット溶接機は、車体を組み立てる工程等で多用されている。中でも、溶接箇所を加圧する加圧力制御および溶接箇所の位置に溶接ガンに取着された電極チップを移動する位置制御等の優位性から電動サーボ式の溶接ガンが普及している。溶接ガンは、サーボモータによって開閉する１組の電極チップを備え、該電極で被溶接物のワークを挟持してスポット溶接を行う。また、溶接ガンは、多関節ロボットの先端部に取り付けられ、この多関節ロボットの動作によって所定の溶接箇所に移動してスポット溶接を行うことが一般的である。
【０００３】
溶接ガンを用いたスポット溶接では、溶接品質を維持するために、ワークを挟持する挟持加圧力を管理する必要があり、従来、挟持加圧力の管理は、システム導入時およびシステムの休止時に行っている。それは、圧力検出器を溶接ガンによって挟持させ、このときの挟持加圧力を測定し、実際にスポット溶接を行う際に、この測定結果に基づいて、人手により挟持の指令値を補正している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、溶接に伴い電極チップ先端の形状は変化するものであり、しかもサーボモータや溶接ガンの機械的構造も経時変化を生じ挟持加圧力に影響する。これらの経時変化は比較的速く進行することもあり、システムの休止時に行う定期的な補正では対応できない場合がある。
【０００５】
また、溶接ガン、多関節ロボットおよびアンプの自己発熱や気温の変化も挟持加圧力に影響しうる。これらの温度変化は、上記の経時変化よりもさらに速く変化するので人手による定期的な加圧力補正では対応できない。
【０００６】
これらの不都合を解決するために、ワークを挟持しているときに、溶接ガンの内部に備えた圧力検出器の信号をフィードバック制御し、挟持加圧力をリアルタイムで補正する方法が提案されている（ＥＰ−０２７８１８５号公報参照）。しかしながら、この方法では、先端部の挟持加圧力を間接的にしか計測できなので、挟持加圧力の正確な制御および補正ができない。
【０００７】
また、圧力検出器は、溶接ガンの内部に設ける必要があることから、信号を処理する制御部との距離が長く、ノイズが混入しやすい。特に、電極チップには溶接時に大電流が流れることから、この電極チップの近傍に配置される圧力検出器には大きなノイズが混入することとなり、挟持加圧力の制御性能が低下する。圧力検出器の信号線は、多関節ロボットの各リンクに沿った配線となり、各リンクの複雑な動作により信号線が断線するおそれがある。しかも、圧力検出器を増設することから、溶接ガン自体も複雑な構造となる。
【０００８】
さらに、前記の不都合を解決するために、設定加圧力に基づいてサーボモータへの指令電流および挟持加圧力を算出し、設定加圧力と挟持加圧力との差異があるときに電極チップの移動量を補正する方法（特開平６−３１２２７３号公報参照）、溶接時におけるサーボモータへの供給電流を検出し、この供給電流に基づく加圧力と基準加圧力とを比較してサーボモータへの供給電流を補正する方法（特許第３１８０５３０号公報参照）、記憶したロボット軸の変位量と電極チップの移動量とに基づいてサーボガンの位置決めを行い、ワークを加圧する際にサーボモータの電流値から所定の加圧力となったか否かを判別する方法（特許第２７５５０７３号公報参照）が提案されている。
【０００９】
しかしながら、これらのいずれの方法も、基本的にはサーボモータの電流値から挟持加圧力を推定する方法であり、実際の挟持加圧力を直接的に測定することはできない。従って、挟持加圧力の正確な制御および補正ができない。
【００１０】
さらにまた、従来から運用されているスポット溶接システムに対して、改造または機器の追加によって挟持加圧力を自動的に補正することができると、コスト、工期および運用信頼性の面から好適である。
【００１１】
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、サーボモータによって開閉する電極チップによる挟持加圧力を正確に検出し、検出した挟持加圧力の信号に基づいて、ワークを挟持する際のサーボモータへの指令値を自動的かつ正確に補正することを可能にするスポット溶接システムおよびその制御方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るスポット溶接システムは、サーボモータによって開閉する１組の電極チップを備え、前記電極チップでワークを挟持してスポット溶接をする溶接ガンと、前記溶接ガンの位置を移動させる移動部と、前記移動部によって移動する前記溶接ガンの移動範囲内で前記ワークとは異なる位置に配置され、前記電極チップにより挟持されることにより前記電極チップの挟持加圧力を検出する圧力検出器と、前記サーボモータに供給される電流値を検出する電流検出器と、前記電極チップと前記圧力検出器とが非接触のとき前記圧力検出器が出力する信号を平均した補償値を求め、前記電極チップで前記圧力検出器を挟持させたときに前記圧力検出器が出力する信号から前記補償値を減算し、補償された挟持加圧力を求めるドリフト補償部と、前記補償された挟持加圧力および前記電流値に基づいて前記電極チップを動作させる指令値を補正する補正部とを有することを特徴とする。
【００１３】
このように、サーボモータによって開閉する電極チップによって圧力検出器を挟持させるので、電極チップによる挟持加圧力を正確に検出し、検出した挟持加圧力の信号に基づいて、ワークを挟持する際のサーボモータへの指令値を自動的かつ正確に補正することができる。また、ドリフト補償部によれば、温度ドリフト等の誤差をも補正することができる。
【００１４】
また、本発明に係るスポット溶接システムの制御方法は、サーボモータによって開閉する１組の電極チップを備え、前記電極チップでワークを挟持してスポット溶接をする溶接ガンと、前記溶接ガンの位置を移動させる移動部と、前記移動部によって移動する前記溶接ガンの移動範囲内で前記ワークとは異なる位置に配置され、前記電極チップにより挟持されることにより前記電極チップの挟持加圧力を検出する圧力検出器と、前記サーボモータおよび前記移動部を制御するとともに前記挟持加圧力が入力される制御部と、前記電極チップと前記圧力検出器とが非接触のとき前記圧力検出器が出力する信号を平均した補償値を求め、前記電極チップで前記圧力検出器を挟持させたときに前記圧力検出器が出力する信号から前記補償値を減算し、補償された挟持加圧力を求めるドリフト補償部とを有するスポット溶接システムの制御方法であって、前記移動部によって前記溶接ガンを前記圧力検出器の位置まで移動させ、予め規定された加圧指令値を前記電極チップに与えることにより前記電極チップで前記圧力検出器を挟持させて前記挟持加圧力及び前記サーボモータに供給される電流値を検出する第１ステップと、前記挟持加圧力から前記補償値を減算して前記補償された挟持加圧力を求める第２ステップと、前記補償された挟持加圧力と前記電流値との相関関数を求める第３ステップと、前記移動部によって前記溶接ガンを前記ワークの位置まで移動させて、前記第３ステップで求めた相関関数に加圧指令値を適用して求められる指令電流値に基づいて、前記電極チップで前記ワークを挟持してスポット溶接する第４ステップとを有することを特徴とする。
【００１５】
このように、サーボモータによって開閉する電極チップによって圧力検出器を挟持させるので、電極チップによる挟持加圧力を正確に検出し、検出した挟持加圧力の信号に基づいて、ワークを挟持する際のサーボモータへの指令値を自動的かつ正確に補正することができる。結果として、スポット溶接の品質を高めることができる。なお、ここでいう相関関数は、数学的な意味における関数に限らず、挟持加圧力と加圧指令値との関連を示すものであればよい。
【００１７】
前記第１ステップでは、規定された複数の加圧指令値を前記電極チップに与え、各加圧指令値に対する前記挟持加圧力及び前記サーボモータに供給される電流値をそれぞれ検出し、前記第３ステップでは、前記相関関数を前記挟持加圧力と前記複数の電流値とから求めるとよい。
【００１８】
前記のように複数のデータに基づいて相関関数を求めることにより、より高精度の補正を行うことができる。
【００１９】
前記第４ステップでは、前記ワークにおける複数の溶接箇所をスポット溶接する処理からなるサイクルを、複数サイクル連続して行うようにすると、必要且つ十分な回数の補正処理を行うことができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るスポット溶接システムおよびその制御方法について好適な実施の形態を挙げ、添付の図１〜図９を参照しながら説明する。
【００２２】
図１に示すように、本実施の形態に係るスポット溶接システム１０は、量産される被溶接物である車体（ワーク）１２を挟持してスポット溶接をする溶接ガン１４と、該溶接ガン１４が先端に取り付けられた多関節ロボット（移動部）１６と、該多関節ロボット１６の近傍で、前記溶接ガン１４の移動範囲内に配置された加圧力検出部１８と、前記溶接ガン１４の内部に設けられたサーボモータ４０（図２参照）および多関節ロボット１６を制御するとともに加圧力検出部１８で検出される圧力−電圧信号Ａ０が入力される制御部２０とを有する。なお、圧力−電圧信号Ａ０の名称における「圧力−電圧」とは、圧力を電圧に変換するという処理を表すものである。後述の圧力−電圧増幅信号Ａ１、電圧−圧力変換回路５４、圧力−電流変換回路６４の各名称における「−」も変換処理を表す。
【００２３】
車体１２は、製造ライン２２によって順次搬送される。各車体１２は、多関節ロボット１６のほぼ正面で一度停止し、溶接ガン１４によって所定の複数の溶接箇所をスポット溶接した後、次工程へ搬送される。
【００２４】
多関節ロボット１６は、多軸（例えば、６軸）の可動部を有し、先端に取り付けられた溶接ガン１４を、可動範囲内における任意の位置および姿勢に移動可能である。この多関節ロボット１６の動作により、溶接ガン１４は、車体１２の溶接箇所および加圧力検出部１８の位置へ移動可能である。
【００２５】
加圧力検出部１８は、溶接ガン１４の第１電極チップ３４（図２参照）および第２電極チップ３６に挟持されるときの挟持加圧力Ｆ（図２参照）を検出する圧力検出器２４と、該圧力検出器２４を支持する支持台２６とを有する。圧力検出器２４の位置は、制御部２０に記憶されており、この記憶された位置に基づき、多関節ロボット１６は溶接ガン１４を圧力検出器２４の位置まで移動させることができる。加圧力検出部１８は、多関節ロボット１６の近傍で、製造ライン２２の搬送処理の支障とならない位置に配置されている。
【００２６】
制御部２０は、多関節ロボット１６の制御を行うとともに加圧力検出部１８と接続されたロボットコントローラ２８と、溶接ガン１４の制御を行う溶接コントローラ３０とを有する。ロボットコントローラ２８と溶接コントローラ３０とは信号線で接続されており、各種信号およびタイミング情報の授受を行うことができる。
【００２７】
図２に示すように、溶接ガン１４は、所謂、Ｃ型溶接ガンであり、アーチ状のアーム３２の両端部には、開閉動作を行う可動の第１電極チップ３４と、第１電極チップ３４に対向して位置する固定の第２電極チップ３６とを有する。
【００２８】
第１電極チップ３４は上部に設けられたベアリング３８により軸支されている。また第１電極チップ３４に設けられたナット４２は、サーボモータ４０の作用下に回転するねじにより軸方向に進退可能となっている。結果として、第１電極チップ３４は、サーボモータ４０の作用下に開閉動作を行う。第１電極チップ３４の進退する進退量、すなわち溶接ガン１４の位置信号Ｂは位置センサ４４により検出されロボットコントローラ２８に供給される。なお、第１および第２電極チップ３４および３６には図示しない溶接トランスが接続されており、この溶接トランスから溶接電流が供給可能となっている。溶接ガン１４はＣ型溶接ガンに限らず、例えば、Ｘ型溶接ガン（共通の軸に軸支され、開閉する一対のガンアームを備える溶接ガン）であってもよい。
【００２９】
図３に示すように、ロボットコントローラ２８は、圧力検出器２４から入力される圧力−電圧信号Ａ０を増幅する信号増幅回路５０と、該信号増幅回路５０等の温度ドリフトを補正する温度補償値ｔを求める温度補償回路５２と、信号増幅回路５０が出力する圧力−電圧増幅信号Ａ１を前記温度補償値ｔで補正するとともに電圧値から圧力値に変換して挟持加圧力信号Ａ２を求める電圧−圧力変換回路５４とを有する。温度補償回路５２は、圧力−電圧増幅信号Ａ１を記憶する記憶部である補償温度テーブル１００（図４参照）を有する。また、ロボットコントローラ２８は、サーボモータ４０に供給される電流である電流値Ｉおよび前記挟持加圧力信号Ａ２を記憶する記憶回路５６と、該記憶回路５６に記憶されたデータに基づいて挟持加圧力信号Ａ２と電流値Ｉとの相関関数を生成する相関関数生成回路（補正部）５８とを有する。さらに、ロボットコントローラ２８には、図示しないロボット操作回路が備えられており、このロボット操作回路により多関節ロボット１６の動作が制御される。
【００３０】
記憶回路５６には、挟持加圧力信号Ａ２と電流値Ｉとを記憶する計測データテーブル１０２（図５参照）が設けられている。計測データテーブル１０２は、第１および第２電極チップ３４、３６による挟持加圧力の指令値である加圧指令値Ｃ（図２参照）が記憶された「指令加圧力」欄１０２ａと、挟持加圧力信号Ａ２を記憶する「計測加圧力」欄１０２ｂと、電流値Ｉを記憶する「計測電流」欄１０２ｃとを有する。
【００３１】
「指令加圧力」欄１０２ａに記憶する指令加圧力は、車体１２をスポット溶接する際に溶接箇所を挟持する加圧力と、この加圧力に近い値を含めるとよい。例えば、スポット溶接を行う際に、溶接箇所を２５００［Ｎ］の力で挟持する設定であるとすると、「指令加圧力」欄１０２ａに記憶する指令加圧力には、２５００［Ｎ］およびこれに近い値（例えば、２０００［Ｎ］、３０００［Ｎ］）を含めるとよい。
【００３２】
図３に戻り、ロボットコントローラ２８は、前記加圧指令値Ｃを出力する加圧力指令回路６０と、第１電極チップ３４の位置を安全な範囲に制限する加圧指令遮断回路６２と、前記相関関数生成回路５８で生成された相関関数を参照して加圧指令値Ｃを電流の指令値である指令電流値Ｑ１に変換する圧力−電流変換回路６４とを有する。加圧指令遮断回路６２には、前記位置センサ４４（図２参照）の検出信号、つまり第１電極チップ３４の位置信号Ｂが入力されており、この位置信号Ｂが過大であるとき（例えば、第１電極チップ３４が折損したまま動作したときなど）に加圧力指令回路６０から供給される信号を遮断し、サーボモータ４０の回転を停止させる。
【００３３】
また、ロボットコントローラ２８は、第１電極チップ３４の位置を指令する信号である位置速度信号Ｑ２と前記指令電流値Ｑ１を切り換える電流指令切換回路６６と、該電流指令切換回路６６から供給される指令電流値Ｑ１または位置速度信号Ｑ２から電流値Ｉを減算点Ｐ１において減算した偏差信号ε１を求め、この偏差信号ε１に基づいてサーボモータ４０に流れる電流を制御する電流制御回路６８と、該電流制御回路６８から供給される制御信号を増幅するドライブ回路７０と、サーボモータ４０に流れる電流を検出する電流検出器７２とを有する。電流検出器７２は、ドライブ回路７０からサーボモータ４０に供給される電流値Ｉを検出する。検出された電流値Ｉは、前記記憶回路５６に供給されて記憶される。
【００３４】
さらに、ロボットコントローラ２８は、第１電極チップ３４の位置を指令する位置指令生成回路７４と、減算点Ｐ２において、該位置指令生成回路７４が出力する位置の指令値から前記位置センサ４４の信号を減算した偏差信号ε２に基づいて第１電極チップ３４の位置を制御する位置制御回路７６と、位置センサ４４の位置信号Ｂを微分して第１電極チップ３４の動作速度を出力する微分回路７８と、減算点Ｐ３において位置制御回路７６が出力する信号から微分回路７８が出力する速度の信号を減算した偏差信号ε３が入力される速度制御回路８０とを有する。
【００３５】
速度制御回路８０は、位置指令生成回路７４の位置の指令値に基づいて位置のフィードバック（減算点Ｐ２）および速度のフィードバック（減算点Ｐ３）を行った後に第１電極チップ３４の動作速度を制御し、位置と速度とを制御する位置速度信号Ｑ２を出力する。位置速度信号Ｑ２は、前記電流指令切換回路６６に入力される。
【００３６】
電流指令切換回路６６で、前記指令電流値Ｑ１が選択されているときは、前記第１電極チップ３４の挟持加圧力Ｆを制御する圧力制御モードとなり、位置速度信号Ｑ２が選択されているときは、第１電極チップ３４の位置を制御する位置制御モードとなる。位置制御モードでは、減算点Ｐ３において速度フィードバックを行っていることから、第１電極チップ３４は振動の少ない安定した動作を行うことができる。
【００３７】
なお、上記の各回路は、それぞれハードウェア（アナログ回路、ロジック回路またはメモリ等）または図示しないコンピュータのソフトウェア機能により構成されている。図３においては、便宜上、サーボモータ４０および位置センサ４４を溶接ガン１４と区別して図示している。また、便宜上、圧力検出器２４を加圧力検出部１８と区別して図示している。
【００３８】
次に、このように構成されるスポット溶接システム１０を用いて車体１２を溶接する方法について、図６〜図８を参照しながら説明する。
【００３９】
まず、図６のステップＳ１において、多関節ロボット１６の動作により溶接ガン１４を圧力検出器２４の位置まで移動させる（図８参照）。このとき、圧力検出器２４が備えられた加圧力検出部１８は、製造ライン２２の搬送処理の支障とならない位置に配置されているので、製造ライン２２は車体１２を搬送することができる。車体１２は、製造ライン２２によって多関節ロボット１６のほぼ正面の所定位置まで搬送される。
【００４０】
次に、ステップＳ２において、前記記憶回路５６（図３参照）に記憶された計測データテーブル１０２（図５参照）の「計測加圧力」欄１０２ｂおよび「計測電流」欄１０２ｃを全てクリアする。
【００４１】
次いで、ステップＳ３において、計測データテーブル１０２を参照し、未計測の加圧力を「指令加圧力」欄１０２ａから選択する。つまり、「計測加圧力」欄１０２ｂおよび「計測電流」欄１０２ｃが未記録となっている指令加圧力を選択する。
【００４２】
さらに、ステップＳ４において、選択した指令加圧力に基づいて第１電極チップ３４を動作させ、圧力検出器２４を挟持する。具体的には、選択した指令加圧力を加圧指令値Ｃとして、加圧力指令回路６０から加圧指令遮断回路６２を介して圧力−電流変換回路６４に供給される。なお、第１電極チップ３４の位置が異常値である場合には、加圧指令遮断回路６２において加圧指令値Ｃを遮断することによって、第１電極チップ３４の動作を停止させることができる。
【００４３】
圧力−電流変換回路６４においては、過去に生成された相関関数によって指令加圧力に相当する指令電流値Ｑ１を求める。スポット溶接システム１０を初めて稼動させるとき等で、相関関数が未生成のときには、適当な仮の関数を用いればよい。
【００４４】
電流指令切換回路６６では指令電流値Ｑ１が選択される圧力制御モードであり、指令電流値Ｑ１は、減算点Ｐ１で電流値Ｉを減算するフィードバックを行った後、電流制御回路６８を経由してドライブ回路７０に供給される。ドライブ回路７０は、入力される信号を増幅してサーボモータ４０に電流として供給する。この電流の電流値Ｉは、電流検出器７２により検出される。
【００４５】
サーボモータ４０の回転作用下に第１電極チップ３４が変位し、第１および第２電極チップ３４および３６によって圧力検出器２４を挟持する。このときの挟持加圧力Ｆは、サーボモータ４０に供給される電流、つまり電流値Ｉに応じた値となる。圧力検出器２４は、検出した挟持加圧力Ｆを圧力−電圧信号Ａ０として信号増幅回路５０に供給する。
【００４６】
次に、ステップＳ５において、電圧−圧力変換回路５４は、信号増幅回路５０から供給される圧力−電圧増幅信号Ａ１から温度補償値ｔを減算した後に挟持加圧力信号Ａ２に変換する。温度補償値ｔは、信号増幅回路５０および圧力検出器２４等の温度ドリフト値を補正するための補償値であり、温度補償回路５２から供給される。この温度補償値ｔを減算することにより、信号増幅回路５０から供給される電圧信号に含まれる温度ドリフトを相殺することができる。温度補償回路５２により温度補償値ｔを求める手順については後述する。
【００４７】
次いで、ステップＳ６において、電圧−圧力変換回路５４が出力する挟持加圧力信号Ａ２および電流検出器７２が出力する電流値Ｉを記憶回路５６で記憶する。具体的には、挟持加圧力信号Ａ２を計測データテーブル１０２の「計測加圧力」欄１０２ｂの対応する行に記憶し、電流値Ｉを「計測電流」欄１０２ｃの対応する行に記憶する。
【００４８】
さらに、ステップＳ７において、計測データテーブル１０２を参照し、「指令加圧力」欄１０２ａに記憶されている指令加圧力の全てについて前記ステップＳ３〜Ｓ６の計測処理を行ったか否かを確認する。計測処理が終了であれば次のステップＳ８へ移り、未終了であれば前記ステップＳ３へ戻る。
【００４９】
ステップＳ８においては、計測データテーブル１０２の「計測加圧力」欄１０２ｂおよび「計測電流」欄１０２ｃとの関係に対して最小二乗法を適用し、相関関数を求める。具体的には、計測加圧力をｘ、計測電流をｙと表すときに、計測電流ｙを計測加圧力ｘの１次式として求め、次の（１）式の形に表す。この（１）式における定数αおよびβを求めればよい。
ｙ＝α・ｘ＋β …（１）
【００５０】
サーボモータ４０の一般的な特性上、電流値Ｉとサーボモータ４０の回転トルクとは略比例するので、サーボモータ４０の回転作用下に進退動作を行う第１電極チップ３４の挟持加圧力Ｆは電流値Ｉと略比例する。従って、この（１）式により、所定の挟持加圧力Ｆを発生させる電流値を求めることが可能であり、誤差も少ない。
【００５１】
しかしながら、実際の挟持加圧力Ｆには機械系のヒステリシスなどの様々な要因が影響する。これらの影響を斟酌してより正確な関係を求めるためには、２次以上の相関関数を算出するようにしてもよい。また、相関関数は、最小二乗法以外にも他の統計的手法を用いて算出してもよい。
【００５２】
前記ステップＳ１〜Ｓ８では、挟持加圧力信号Ａ２および電流値Ｉの計測処理、並びに、挟持加圧力信号Ａ２と電流値Ｉに基づく相関関数の算出処理を行い、これらの処理により車体１２を挟持する挟持加圧力Ｆの補正処理が終了したこととなる。
【００５３】
次に、図７のステップＳ９において、車体１２が所定の位置まで搬送されていることを確認した後、多関節ロボット１６の動作により溶接ガン１４を所定の溶接箇所へ移動させる。
【００５４】
次いで、ステップＳ１０において、スポット溶接を行うための加圧力を設定する。具体的には、加圧力指令回路６０が、溶接箇所に応じて予め規定された指令加圧力を加圧指令値Ｃとして出力する。この加圧指令値Ｃは、加圧指令遮断回路６２を介して圧力−電流変換回路６４に供給される。
【００５５】
さらに、ステップＳ１１において、圧力−電流変換回路６４は、前記相関関数生成回路５８が生成した相関関数、つまり前記（１）式を参照し、入力される加圧指令値Ｃを変数ｘとおき、算出される変数ｙを指令電流値Ｑ１とする。この変換処理には、（１）式を用いるので、加圧指令値Ｃから指令電流値Ｑ１への変換を小さい誤差で行うことができる。
【００５６】
次に、ステップＳ１２において、サーボモータ４０の回転作用下に第１電極チップ３４を変位させて、車体１２の溶接箇所を挟持する。このとき、前記（１）式に基づいて算出した指令電流値Ｑ１によってサーボモータ４０を駆動しているので、実際の挟持加圧力Ｆと加圧指令値Ｃとの誤差は極めて小さい。
【００５７】
次いで、ステップＳ１３において、第１および第２電極チップ３４および３６に溶接電流を供給してスポット溶接を行う。このときの挟持加圧力Ｆは、指令加圧力と極めて小さい誤差に設定済みであるので、挟持加圧力Ｆへの溶接電流によるノイズの影響は非常に小さく、高い溶接品質とすることができる。スポット溶接を終了した後、第１電極チップ３４を動作させて溶接箇所を開放する。この際、第１電極チップ３４の開き過ぎを防止するために前記位置制御モードにより動作させるとよい。つまり、第１電極チップ３４の開度位置を位置指令生成回路７４が指令し、位置制御回路７６、微分回路７８および速度制御回路８０を用いて位置速度信号Ｑ２を生成し、この位置速度信号Ｑ２を電流指令切換回路６６で選択するとよい。
【００５８】
さらに、ステップＳ１４において、現時点における溶接対象の車体１２で、多関節ロボット１６の分担する全溶接箇所（例えば、窓枠の周縁における複数の溶接箇所）のスポット溶接が終了したか否かを判断する。全溶接箇所のスポット溶接が終了であれば、次のステップＳ１５へ移る。未処理の溶接箇所が残っているならば、前記ステップＳ９へ戻りスポット溶接を続行する。
【００５９】
次に、ステップＳ１５において、所定の台数の車体１２に対してスポット溶接処理を終了したか否かを判断する。つまり、１台の車体１２における複数の溶接箇所に対する溶接処理を１サイクルとしたとき、所定サイクル数が終了したか否かを判断する。この所定サイクル数は、１サイクルであってもよい。
【００６０】
所定サイクル数が終了であれば、サイクル数のカウントをクリアした後、前記ステップＳ１へ戻り補正処理を行う。所定サイクル数が未終了であれば、サイクル数のカウントアップを行い、次のステップＳ１６へ移る。
【００６１】
ステップＳ１６においては、製造ライン２２により次の車体１２が搬送されてくるまで待機する。次の車体１２が所定位置に搬送された後、前記ステップＳ９へ戻りスポット溶接処理を行う。
【００６２】
以上、図６および図７に示した手順は、予め設定された台数の車体１２に対してスポット溶接を終了した時点、若しくは、所定時間の稼動後に終了させる。
【００６３】
次に、温度補償回路５２により温度補償値ｔを求める手順について、図４および図９を参照しながら説明する。図９に示すフローチャートは、温度補償回路５２が温度補償値ｔを求める手順を示し、前記溶接ガン１４により車体１２のスポット溶接を行っている間に実行される。すなわち、前記ステップＳ８が終了するたびに繰り返し実行し、前記ステップＳ９〜Ｓ１５が実行されている間で、前記圧力検出器２４と溶接ガン１４とが非接触のときに、ステップＳ９〜Ｓ１５に対する同時並列処理として実行する。
【００６４】
まず、図９のステップＳ２０１において、補償温度テーブル１００の「計測値」欄１００ａをクリアする。
【００６５】
次に、ステップＳ２０２において、温度補償回路５２は、信号増幅回路５０から供給される圧力−電圧増幅信号Ａ１を補償温度テーブル１００の「計測値」欄１００ａのうち空欄部分に記憶する。このとき、圧力検出器２４と溶接ガン１４とは非接触であることから、圧力検出器２４に加わる外力は「０」である。従って、信号増幅回路５０から供給される圧力−電圧増幅信号Ａ１も理想的には「０」である。しかしながら、圧力検出器２４、信号増幅回路５０等の自己発熱による温度ドリフトや気温の変化の影響を受けることにより、信号増幅回路５０から供給される信号は厳密には「０」とならない。しかもこの値は、自己発熱および気温により変化するので、このステップＳ２０２〜Ｓ２０４において定期的に計測する。
【００６６】
次いで、ステップＳ２０３において、所定時間が経過するまで待機し、所定時間が経過した後、ステップＳ２０４へ移る。
【００６７】
ステップＳ２０４においては、信号増幅回路５０から供給される電圧の信号を所定の回数記憶したか否かを確認する。図４の補償温度テーブル１００の例では、８回分の計測欄があることから、８回の計測が終了したことを確認する。計測が８回未満であればステップＳ２０２へ戻る。８回の計測が終了であれば次のステップＳ２０５へ移る。
【００６８】
ステップＳ２０５においては、補償温度テーブル１００を参照し、計測した値を平均して温度補償値ｔを求める。この温度補償値ｔは、前記電圧−圧力変換回路５４に供給される。電圧−圧力変換回路５４では、前記ステップＳ５において、信号増幅回路５０から供給される圧力−電圧増幅信号Ａ１から温度補償値ｔを減算するので、温度ドリフトを相殺することができる。
【００６９】
上記のように、本実施の形態に係るスポット溶接システム１０およびその制御方法によれば、第１電極チップ３４による挟持加圧力Ｆを圧力検出器２４によって正確に検出し、求めた挟持加圧力Ｆの信号に基づいて、車体１２を挟持する際のサーボモータ４０への指令電流値Ｑ１を自動的かつ正確に補正することができる。特に、圧力検出器２４は、第１電極チップ３４による挟持加圧力Ｆを直接的に検出するので、計測誤差が小さい。
【００７０】
また、圧力検出器２４を挟持する際に、サーボモータ４０に供給される電流値Ｉをも計測するので、この電流値Ｉと挟持加圧力信号Ａ２との相関関数を最小二乗法によって求めることが可能となり、車体１２を挟持する際のサーボモータ４０への指令電流値Ｑ１を小さい誤差で算出することができる。
【００７１】
さらに、圧力検出器２４が備えられた加圧力検出部１８は、製造ライン２２の搬送処理の支障とならない位置に配置されているので、製造ライン２２による車体１２の搬送処理を行っている時間、すなわち、多関節ロボット１６における本来の待機時間において補正処理（前記ステップＳ１〜Ｓ８）を行うことができる。また、製造ライン２２による車体１２の搬送処理を行っている時間に合わせて、最小二乗法による計算の精度を調整するようにしてもよい。つまり、時間的な余裕があるときには、最小二乗法の適用次数を大きくするとよい。逆に、補正処理が比較的長い時間を要する場合には、前記ステップＳ１４で判断するサイクル数を大きくして、補正処理を行う頻度を少なくすればよい。実際上、補正処理は、１サイクル毎に行う必要はない。
【００７２】
さらにまた、本実施の形態に係るスポット溶接システム１０およびその制御方法によれば、溶接ガン１４および多関節ロボット１６については、従来技術において用いるガンおよびロボットをそのまま流用することが可能であり、加圧力検出部１８を新たに設けるとともに制御部２０の内部回路またはプログラムを変更することにより適用することができる。従って、従来のシステムを低コスト、短工期で適用可能になるとともに運用信頼性が高い。
【００７３】
多関節ロボット１６と加圧力検出部１８とは個別に配置されているので、加圧力検出部１８の配線が多関節ロボット１６の動作によって損傷または断線するというおそれがない。補正処理を行う際には、溶接電流は流れていないので、圧力検出器２４の出力信号に溶接電流によるノイズが混入することがない。
【００７４】
さらに、本実施の形態に係るスポット溶接システム１０およびその制御方法によれば、温度補償回路５２の作用により、圧力検出器２４に外力が「０」であるときの圧力−電圧増幅信号Ａ１を検出して記憶するので、この圧力−電圧増幅信号Ａ１の平均値を温度補償値ｔとして用いることができる。この温度補償値ｔにより、信号増幅回路５０から供給される電圧の信号に含まれる温度ドリフトを相殺させることができる。
【００７５】
温度補償回路５２の処理は、溶接ガン１４によって車体１２をスポット溶接している間に、同時並列処理として行われるので、生産効率を低下させることがない。
【００７６】
補正処理における相関関数は、挟持加圧力信号Ａ２と電流値Ｉとから求める必要はなく、例えば、加圧力指令回路６０が供給する加圧指令値Ｃと挟持加圧力信号Ａ２との関係から求めてもよい。この場合、加圧指令値Ｃと前記（１）式における変数ｘとの関係を示す相関関数を求めることになり、（１）式における定数αおよびβは常に適当な値に固定しておけばよい。また、この場合、記憶回路５６において電流値Ｉは記憶しなくてもよい。
【００７７】
なお、制御部２０は、ロボットコントローラ２８および溶接コントローラ３０から構成される例を示したが、これらは１つのコントローラであってもよい。加圧力検出部１８は、溶接コントローラ３０と接続されていてもよい。
【００７８】
本発明に係るスポット溶接システムおよびその制御方法は、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成乃至ステップを採り得ることはもちろんである。
【００７９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るスポット溶接システムおよびその制御方法によれば、サーボモータによって開閉する電極チップによる挟持加圧力を正確に検出し、検出した挟持加圧力に基づいて、ワークを挟持する際のサーボモータへの指令値を自動的かつ正確に補正するという効果を達成することができる。
【００８０】
また、圧力検出器では、電極チップによる挟持加圧力を直接的に検出するので計測誤差が小さい。
【００８１】
さらに、圧力検出器を電極チップにより挟持する際に、サーボモータに供給される実電流値をも計測するので、この実電流値と挟持加圧力との相関関数を求めることが可能となり、ワークを挟持する際のサーボモータへの指令電流値を小さい誤差で算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係るスポット溶接システムを示す斜視図である。
【図２】溶接ガンの一部省略概略断面図である。
【図３】本実施の形態に係るスポット溶接システムの一部省略ブロック図である。
【図４】温度補償回路に記憶される補償温度テーブルの内容を示す説明図である。
【図５】記憶回路に記憶される計測データテーブルの内容を示す説明図である。
【図６】本実施の形態に係るスポット溶接システムを用いてスポット溶接を行う手順を示すフローチャート（その１）である。
【図７】本実施の形態に係るスポット溶接システムを用いてスポット溶接を行う手順を示すフローチャート（その２）である。
【図８】電極チップにより圧力検出器を挟持する様子を示す斜視説明図である。
【図９】温度補償回路により温度補償値を求める手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…スポット溶接システム １２…車体
１４…溶接ガン １６…多関節ロボット
１８…加圧力検出部 ２０…制御部
２２…製造ライン ２４…圧力検出器
２８…ロボットコントローラ ３０…溶接コントローラ
３４、３６…電極チップ ４０…サーボモータ
４４…位置センサ ５２…温度補償回路
５４…電圧−圧力変換回路 ５６…記憶回路
５８…相関関数生成回路 ６０…加圧力指令回路
６４…圧力−電流変換回路 ７２…電流検出器
１００…補償温度テーブル １０２…計測データテーブル
Ａ０…圧力−電圧信号 Ａ１…圧力−電圧増幅信号
Ａ２…挟持加圧力信号 Ｂ…位置信号
Ｃ…加圧指令値 Ｉ…電流値
ｔ…温度補償値
Claims (4)
- サーボモータによって開閉する１組の電極チップを備え、前記電極チップでワークを挟持してスポット溶接をする溶接ガンと、
前記溶接ガンの位置を移動させる移動部と、
前記移動部によって移動する前記溶接ガンの移動範囲内で前記ワークとは異なる位置に配置され、前記電極チップにより挟持されることにより前記電極チップの挟持加圧力を検出する圧力検出器と、
前記サーボモータに供給される電流値を検出する電流検出器と、
前記電極チップと前記圧力検出器とが非接触のとき前記圧力検出器が出力する信号を平均した補償値を求め、前記電極チップで前記圧力検出器を挟持させたときに前記圧力検出器が出力する信号から前記補償値を減算し、補償された挟持加圧力を求めるドリフト補償部と、
前記補償された挟持加圧力および前記電流値に基づいて前記電極チップを動作させる指令値を補正する補正部と、
を有することを特徴とするスポット溶接システム。 - サーボモータによって開閉する１組の電極チップを備え、前記電極チップでワークを挟持してスポット溶接をする溶接ガンと、
前記溶接ガンの位置を移動させる移動部と、
前記移動部によって移動する前記溶接ガンの移動範囲内で前記ワークとは異なる位置に配置され、前記電極チップにより挟持されることにより前記電極チップの挟持加圧力を検出する圧力検出器と、
前記サーボモータおよび前記移動部を制御するとともに前記挟持加圧力が入力される制御部と、
前記電極チップと前記圧力検出器とが非接触のとき前記圧力検出器が出力する信号を平均した補償値を求め、前記電極チップで前記圧力検出器を挟持させたときに前記圧力検出器が出力する信号から前記補償値を減算し、補償された挟持加圧力を求めるドリフト補償部と、
を有するスポット溶接システムの制御方法であって、
前記移動部によって前記溶接ガンを前記圧力検出器の位置まで移動させ、予め規定された加圧指令値を前記電極チップに与えることにより前記電極チップで前記圧力検出器を挟持させて前記挟持加圧力及び前記サーボモータに供給される電流値を検出する第１ステップと、
前記挟持加圧力から前記補償値を減算して前記補償された挟持加圧力を求める第２ステップと、
前記補償された挟持加圧力と前記電流値との相関関数を求める第３ステップと、
前記移動部によって前記溶接ガンを前記ワークの位置まで移動させて、前記第３ステップで求めた相関関数に加圧指令値を適用して求められる指令電流値に基づいて、前記電極チップで前記ワークを挟持してスポット溶接する第４ステップと、
を有することを特徴とするスポット溶接システムの制御方法。 - 請求項２記載のスポット溶接システムの制御方法において、
前記第１ステップでは、規定された複数の加圧指令値を前記電極チップに与え、各加圧指令値に対する前記挟持加圧力及び前記サーボモータに供給される電流値をそれぞれ検出し、
前記第３ステップでは、前記相関関数を前記挟持加圧力と前記複数の電流値とから求めることを特徴とするスポット溶接システムの制御方法。 - 請求項２〜３のいずれか１項に記載のスポット溶接システムの制御方法において、
前記第４ステップでは、前記ワークにおける複数の溶接箇所をスポット溶接する処理からなるサイクルを、複数サイクル連続して行うことを特徴とするスポット溶接システムの制御方法。
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